JP4205616B2 - 射出成形機の圧力制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機の圧力制御方法に関するものである。

射出成形は、周知のように、押出成形などとともに樹脂成形での主要な加工方法として発展し普及している。この射出成形は、シリンダ内で成形材料（樹脂）を加熱して軟化（可塑化）させたのち、この軟化した成形材料を高圧により閉じられた金型内に射出させ、その後、その金型内で冷却固化させ、最後に金型を開いて完成した成形品を取り出すようになっている。

また、成形品を成形するために各種の射出成形装置が提案され開発されている。この射出成形装置としては、成形材料を溶融するスクリュがシリンダ外部に設けられたプリプラ方式や、スクリュがシリンダ内部のプランジャの先端側に一体に設けられたインライン方式などが知られている（例えば、特許文献１参照）。

ここで、プリプラ式の射出成形装置について、図５を参照しながら説明する。この射出成形装置１００は、一端に射出口１０１Ａを有し内部にプランジャ１０２を摺動可能に収容するシリンダ１０１と、このプランジャ１０２をシリンダ１０１内部で移動させるモータなどの駆動手段１０３と、シリンダ１０１と連通する供給口１０４Ａを先端（図では下端）に設けホッパ１０４Ｂから投入した成形材料をシリンダ１０１へ供給するスクリュ１０５を有する可塑化装置（バレル）１０４とを備えている。また、シリンダ１０１の射出口１０１Ａは、ゲートを介して金型１０６のキャビティ１０６Ａと連通しているとともに、この射出口１０１Ａ近傍のシリンダ１０１の内壁面に圧力センサ１０１Ｂを設けている。

この射出成形装置では、図６に示すように、シリンダ１０１内部の圧力制御を圧力センサ１０１Ｂを介して１０７で行い（保圧工程）、所要量の成形材料をシリンダ１０１内部の貯留部１０１Ｃへ供給し（計量工程）、シリンダ１０１内部でプランジャ１０２を所定の位置まで後退させておく（相対位置検出工程）。なお、この射出成形装置では、図５に示すように、計量工程の後に、相対位置検出工程が設けられている（なお、この相対位置検出工程についての詳細は、例えば特許文献２を参照されたい。）
一方、金型１０６では、冷却させることによりキャビティ１０６Ａ内の成形材料を固化させ（冷却工程）、次に金型１０６を開いて（型開工程）金型１０６内部の成形品を取出し（取出し工程）、その後、再び金型１０６を閉じておく（型閉工程）。

このようにして、金型１０６のキャビティ１０６Ａ内部が空になったならば、シリンダ１０１内部に供給されていた次回のための成形材料をプランジャ１０２の前進動作で加圧し、射出口１０１Ａに連通されたキャビティ１０６Ａ内に成形材料を射出注入する（射出工程）。その後、シリンダ１０１内部の圧力制御を行い、プランジャ１０２を後退させるとともにシリンダ１０１内部の負圧により、スクリュ１０５側から成形材料を再び供給する（保圧工程）。以下、同様の工程を繰り返すことにより、成形品を多数連続的に製造することができる。

ところが、前述した従来の射出成形機にあっては、以下のような問題が発生していた。
例えば、プリプラ方式の射出成形装置において、次の成形品の成形のために用意されているシリンダ内部のプランジャヘッド側の成形材料の圧力（或いは背圧）が高すぎると、或いはシリンダ内の成形材料が膨張すると、金型を開き完成した成形品を取出すときに、成形材料が射出口の下端からキャビティ内部に押し出されて、所謂、「洟垂れ（はなたれ）」の状態となったり、「フローマーク（洟垂れが大きく固まったもの）」を発生する。

一方、前述の洟垂れやフローマークを防止するために、背圧を低下させると、次の成形時に使用する成形材料の計量が不確実になる。そこで、洟垂れやフローマークを生じない程度に背圧を若干高めに調整するとともに、その背圧によりプランジャが後方に押し戻されたときに、その位置からプランジャをさらに僅かではあるが後方に戻す、所謂「サックバック」を行う（サックバック工程；図６参照）方法も知られている。
特開平１０−５８５０１号公報 特許第２６１５９４８号公報

ところが、サックバックを行っている間は、シリンダ内部が減圧状態になるので、プランジャ後端側のシリンダ外部からシリンダ内部に空気を引き込み、この空気が成形品中に混入して「ボイド（気泡）」を発生したり、気泡が破裂して「ジェッティング」（ボイドが破裂したもの、或いはシルバストリーム）を発生し、製品不良を招く一因となっている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、洟垂れやフローマークの発生を防止できるとともに、ボイド（気泡）やジェッティング（或いはシルバストリーム）を生じることもない射出成形機の圧力制御方法を提供することを目的とする。

本発明の射出成形機の圧力制御方法は、可塑化された成形材料をスクリュ又はプランジャにより金型内に射出する射出成形機の圧力制御方法であって、金型内の成形品の冷却から型開いて取出すまでの期間内で、かつ、次回分の計量後の成形材料を待機させる期間において、前記次回の成形材料を待機させる貯留部内の圧力を、予め設定された圧力値の範囲に保持する低圧制御を行い、前記低圧制御では、前記成形材料の膨張に基づく圧力上昇の最大許容値が前記圧力値の最大値、前記スクリュ又はプランジャを移動可能に収容するシリンダ内への空気の引きこみを防止する圧力低下の最小許容値が前記圧力の最小値として予め設定されており、前記貯留部内の圧力が、前記最大値に達したら前記スクリュ又はプランジャを供給方向から離間する方向へ引き戻すとともに、前記最小値に戻ったらスクリュ又はプランジャの引き戻し動作を停止するスクリュ又はプランジャのシークエンス制御を行う構成となっている。

また、本発明の射出成形機の圧力制御方法は、前記金型のキャビティと連通する前記シリンダ先端部分のノズル形状は、前記貯留部に臨む方が狭まっているとともに、射出口に臨む方が広がった拡開形状を呈する構成となっている。

本発明によれば、洟垂れやフローマークの発生を防止できるとともに、ボイド（気泡）やジェッティング（或いはシルバストリーム）を生じることもない射出成形機の圧力制御方法を提供できる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の射出成形機の圧力制御方法を説明するのに先立ち、初めに、この方法が適用される射出成形機について説明する。
図１は、本発明の圧力制御方法が適用されるプリプラ式の射出成形機の要部を示すものであり、この射出成形機１は、大略構成として、シリンダ２と、バレル３と、金型４などを備えている。

シリンダ２は、先端（図1では下端。以下、下端とよぶ）に射出口となるノズル２Ａを有している一方、内部にはプランジャ２１を先後方向に移動動可能に収容している。なお、シリンダ２の下端側の内部は、バレル３側から供給される樹脂材料が一時的に貯留する貯留部２Ｃを構成している。

ノズル２Ａは、ゲートを介して金型４のキャビティ４Ａと連通する射出口２Ｂを先端部（以下、下端部）を設けており、図２に示すように、シリンダ２内部の貯留部２Ｃとこの射出口２Ｂとの間に細い射出路２Ｄが形成されている。また、この射出路２Ｄは、貯留部２Ｃに臨む方が狭まっているとともに、射出口２Ｂに臨む方が広がった拡開（テーパ）形状を呈している。なお、この射出口２Ｂの拡開角度は、本実施形態の場合、２２度以上である。
このように射出路２Ｄの一部が括れたテーパ構造にすることにより、かりにシリンダ２内部の貯留部２Ｃの内圧が高すぎる状態が発生しても、射出路２Ｄ内のくびれた部分で成形材料が固まり易く、この固まった部分で分断させることができる。このくびれ部分で固まり易いのは、この部分での単位時間当たりの成形品材料の通過量が少量に抑えられるので、成形材料がノズル２Ａ（シリンダ２）の内周面に接触して冷却される冷却効率が高くなるからである。

プランジャ２１は、後端部（図１では上端部）にこのプランジャ２１に作用する力を検出するロードセル２２と、連結部材２３を介してプランジャ２１と一体をなすとともに雌ねじが切られた雌ねじ部を有するスライダ２４と、このスライダ２４の雌ねじ部が螺合しているボールねじ２５と、このボールねじ２５を回転駆動することによりプランジャ２１を先後方向に摺動させるサーボモータ２６と、制御部２７とを有している。

スライダ２４は、シリンダ２と固定フレーム２０との間に架設されたガイドピン２０Ａに挿通されて回転動作が行われないように構成されている。
制御部２７は、サーボモータ２６の図示外の回転軸に連結されたエンコーダ２６１からの位置信号、ロードセル２２からの荷重信号を入力するとともに、制御信号をサーボモータ２６へ出力するようになっている。即ち、この制御部２７は、サーボモータ２６自体の出力トルク、ロードセル２２からの荷重信号により検出される貯留部２Ｃでの樹脂圧力などが所定値となるようにサーボモータ２６を駆動制御する。

一方、バレル３は、シリンダ２と連通する供給口３Ａを一端（図１では、右端）に設け図示外のホッパと、このホッパから投入した樹脂材料をシリンダ２へ供給するスクリュ３１などを備える。
また、金型４は、下金型４１が可動して上金型４２との間に形成されたキャビティ４Ａから成形品を取出すように構成されている。そして、シリンダ２の射出口は、ゲートを介して金型４のキャビティ４Ａと連通している。

次に、本発明の射出成形機の圧力制御方法について、図１に示す前述のプリプラ式の射出成形機を用いて詳細に説明する。
図３は、本発明の射出成形機の圧力制御方法を適用した射出成形方法を示すものであり、この射出成形機の射出成形方法では、射出工程、保圧工程、冷却工程（同時に次回の計量工程）、型開工程、取出工程、型閉工程で１サイクルを構成するものであり、従来のサックバック工程（プランジャを後方（図１では上方）へ引き戻して位置制御を行い、シリンダ下部にある成形材料が先方（図１では下方）へ移動するのを負圧で戻す）を含まない。

具体的には、冷却工程の後半から、詳細には、速度制御による相対位置検出工程が完了したところから、型開工程、及び取出工程までの間、従来のサーボロック制御（サックバック工程の完了したところから型閉工程の完了まで行っていた）の代わりに、シリンダ２内部の圧力制御を行うものであり、シリンダ２内部を低圧（特に、超低圧）に維持するためにシークエンス制御を行う。なお、本発明では、プランジャ２１が前後方向（図１では上下方向）に移動せずにロックされた状態とするサーボロック制御を型閉工程のみに行う。

このシークエンス制御は、図４に示すように、ロードセル２２を介して検知したシリンダ２の内圧に基づき、このシリンダ２の内圧が一定値（最大値Ｐｍａｘ；Ｐ１）まで上昇したら内圧を一定値（最小値Ｐｍｉｎ；Ｐ２）まで下げるようにする。即ち、サーボモータ２６によりボールねじ２５を回転させ、これに螺合するスライダ２４を介してプランジャ２１を引き上げる。このため、制御部２７では、ロードセル２２からの荷重信号を入力すると、制御信号をサーボモータ２６へ出力する。

なお、ここで、最大値Ｐ１は、シリンダ２内の成形材料が膨張することなどにより発生するシリンダ２内での圧力の上昇の最大許容値に相当するものであって、これを上回る圧力になると洟垂れやフローマークの発生をもたらす。つまり、この値が洟垂れやフローマークの発生をもたらす最小圧力値に相当するものであり、本実施形態では、Ｐ１＝２．０ＭＰａに設定されている。
一方、最小値Ｐ２は、ボイドやジェッティングを発生するのを防止するために、設定された許容できる最小圧力値であり、本実施形態ではＰ２＝０．１ＭＰａに設定されている。即ち、この最小値Ｐ２以下にシリンダ２の貯留部２Ｃでの内圧が低下すると、シリンダ２内部が減圧状態になり、プランジャ２１後端側のシリンダ２外部からシリンダ２内部に空気の引き込み現象をもたらし、前述のボイドやジェッティングを発生するおそれがある。なお、大気圧（1気圧）がこの０．１ＭＰａに相当する。

従って、このようなシークエンス制御が、前述した速度制御による相対位置検出工程が完了したところから、型開工程、及び取出工程までの間、行われることにより、従来発生していた洟垂れやフローマークの発生を防止できるとともに、ボイド（気泡）やジェッティング（或いはシルバストリーム）を回避できる。

即ち、［従来の技術］欄で説明したように、従来、これらの工程では、シリンダ内部の貯留部での成形材料の圧力（或いは背圧）が最初から高すぎることにより、或いは時間の経過とともにシリンダ内部の貯留部での成形材料が次第に膨張することにより、金型を開き完成した成形品を取出すときに、成形材料が射出口の先端（図１では下端）からキャビティ内部に押し出されて、所謂、「洟垂れ（はなたれ）」や「フローマーク（洟垂れが大きく固まったもの）」などのトラブルが発生していた。
一方、本発明では、このようなシークエンス制御が超低圧で行われる。つまり、シリンダ内部のプランジャヘッド側の成形材料の圧力（背圧）が高すぎることがないので、この高い背圧に起因する洟垂れやフローマークの発生が防止できるようになる。

また、従来は、次回の成形のために成形材料を計量してシリンダ内部に取り込んだ後で、その成形材料がゲート方向に押出されないようプランジャを後方へ引き、サックバックも行う場合もあった。ところが、このサックバックを行うと、［従来の技術］欄で説明したように、シリンダ内部が減圧状態になり、プランジャ後端側のシリンダ外部からシリンダ内部に空気を引き込み現象を発生していた。このため、この空気が成形品中に混入して「ボイド（気泡）」を発生したり、気泡が破裂してジェッティング「（ボイドが破裂したもの、或いはシルバストリーム）」を発生するといったことがあったが、本発明ではサックバックを行わないので、このような不都合も回避できる。

なお、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。即ち、本実施形態では、プリプラ式の射出成形機に対して本発明の圧力制御方法を適用したが、これ以外に、インラインスクリュ方式や、プランジャ方式などのような各種方式の射出成形機でも、本発明の圧力制御方法が適用できる。なお、インラインスクリュ方式の射出成形機には、スクリュの先端側だけで圧力のモニタリングを行うようにすればよい。

本発明の射出成形機の圧力制御方法は、洟垂れやフローマークの発生を防止できるとともに、ボイド（気泡）やジェッティング（或いはシルバストリーム）を生じることも回避でき、材料ロスの低減が可能になるとともに、特にスタンパによるＤＶＤ成形を行うような場合には、そのスタンパの寿命が増大するので、有用である。

本発明の実施形態に用いる射出成形機の要部を示す構成図 （Ａ）は本発明の実施形態に用いる射出成形機のノズル部分を示す要部断面図、（Ｂ）はそのＡ部拡大断面図 本発明の実施形態に係る射出成形機による成形方法を示すタイムチャート 本発明の実施形態に係る射出成形機の圧力制御方法を示すタイムチャート プリプラ式の射出成形機の構成を示す断面図 従来の射出成形機による成形方法を示すタイムチャート

符号の説明

１ 射出成形機
２ シリンダ
２Ａ ノズル
２Ｂ 射出口
２Ｃ 貯留部
２Ｄ 射出路
２１ プランジャ
２２ ロードセル
２３ 連結部材
２４ スライダ
２５ ボールねじ
２６ サーボモータ
２６１ エンコーダ
２７ 制御部
３ バレル
３１ スクリュ
４ 金型
４Ａ キャビティ
４１ 下金型
４２ 上金型
Ｐ１ 最大値Ｐｍａｘ
Ｐ２ 最小値Ｐｍｉｎ

Claims (2)

1. 可塑化された成形材料をスクリュ又はプランジャにより金型内に射出する射出成形機の圧力制御方法であって、
   金型内の成形品の冷却から型開いて取出すまでの期間内で、かつ、次回分の計量後の成形材料を待機させる期間において、前記次回の成形材料を待機させる貯留部内の圧力を、予め設定された圧力値の範囲に保持する低圧制御を行い、
   前記低圧制御では、前記成形材料の膨張に基づく圧力上昇の最大許容値が前記圧力値の最大値、前記スクリュ又はプランジャを移動可能に収容するシリンダ内への空気の引きこみを防止する圧力低下の最小許容値が前記圧力の最小値として予め設定されており、前記貯留部内の圧力が、前記最大値に達したら前記スクリュ又はプランジャを供給方向から離間する方向へ引き戻すとともに、前記最小値に戻ったらスクリュ又はプランジャの引き戻し動作を停止するスクリュ又はプランジャのシークエンス制御を行う射出成形機の圧力制御方法。
2. 前記金型のキャビティと連通する前記シリンダ先端部分のノズル形状は、前記貯留部に臨む方が狭まっているとともに、射出口に臨む方が広がった拡開形状を呈する請求項１に記載の射出成形機の圧力制御方法。

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