JP4842046B2 - 射出成形機の可塑化装置及び可塑化方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形機の可塑化装置及び可塑化方法に関する。

一般に、樹脂材料を可塑化して射出成形する際には、射出装置の加熱筒内に、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュが配置された可塑化装置を備える射出成形機が用いられる。この射出成形機では、前記スクリュによって樹脂材料を混練しせん断発熱させて溶融するとともに、加熱筒に配置されるバンドヒータによって前記樹脂材料の溶融を促進するように構成される。

このような射出成形機の可塑化装置では、通常、スクリュによる混練とバンドヒータによる加熱が樹脂材料の可塑化に大きく影響する。そこで、従来では、樹脂材料の可塑化を良好に行うために、スクリュの全長を長く（スクリュの外径に対するスクリュの全長の比率を大きく）して樹脂材料を長時間加熱するように構成されていた。しかしながら、従来の射出成形機では射出装置が長くなるため広い設置スペースが必要となり、加えて、加熱筒に多数のバンドヒータを配置しなければならず、加熱時の電力消費量が多くなることが問題であった。

上記の問題を解消するものとしては、例えば、スクリュの外径に対するスクリュの全長の比率を小さくした射出成形機の可塑化装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この射出成形機の可塑化装置では、スクリュの外径を極端に大きくすることなくスクリュの全長を短く構成して射出装置を短縮化するとともに、前記スクリュのスレッド長を長くしてスクリュのピッチ（溝長さ）を小さく（ピッチ数を多く）することにより、樹脂材料を加熱筒内に長時間滞留させるように構成されている。これにより、樹脂材料の加熱時間が長くなって、前記樹脂材料の可塑化が促進される。しかしながら、この可塑化装置では、場合によってせん断発熱量が不足することがあり、良好な可塑化を行うことが困難であった。
２００５−１１９２７７号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであり、スクリュの全長を短く構成して射出装置を短縮化させた可塑化装置において、せん断発熱量を増加させて良好な可塑化を行うことができる射出成形機の可塑化装置及び可塑化方法を提供するものである。

すなわち、請求項１の発明は、射出装置の加熱筒内に配置され、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュを有する射出成形機の可塑化装置において、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュの全長（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が８〜１４であるとともに、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）が０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９であり、かつ、前記スクリュの全長に対するメタリングゾーンの長さの比率が１０〜２０％であるとともに、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュのピッチ（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｄ）が０．３〜０．９であることを特徴とする射出成形機の可塑化装置に係る。

請求項２の発明は、射出装置の加熱筒内に配置され、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュを有する射出成形機の可塑化方法であって、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュの全長（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）を８〜１４とするとともに、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）を０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９とし、かつ、前記スクリュの全長に対するメタリングゾーンの長さの比率を１０〜２０％とするとともに、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュのピッチ（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｄ）を０．３〜０．９とし、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）と計量時のスクリュ回転数（ｎ）との関係が２００≦（ｎπＤ）／（６０Ｈ）≦６５０となるような前記スクリュ回転数で計量を行うことを特徴とする射出成形機の可塑化方法に係る。

請求項１の発明に係る射出成形機の可塑化装置によれば、射出装置の加熱筒内に配置され、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュを有する射出成形機の可塑化装置において、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュの全長（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が８〜１４であるとともに、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）が０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９であり、かつ、前記スクリュの全長に対するメタリングゾーンの長さの比率が１０〜２０％であるとともに、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュのピッチ（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｄ）が０．３〜０．９であるため、射出装置を短縮化できると同時にせん断発熱量を増加させることが可能となって、良好な可塑化を実施できるとともに、加熱時の電力消費量の削減を効果的に行うことができる。

請求項２の発明に係る射出成形機の可塑化方法によれば、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュを有する射出成形機の可塑化方法であって、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュの全長（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）を８〜１４とするとともに、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）を０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９とし、かつ、前記スクリュの全長に対するメタリングゾーンの長さの比率を１０〜２０％とするとともに、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュのピッチ（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｄ）を０．３〜０．９とし、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）と計量時のスクリュ回転数（ｎ）との関係が２００≦（ｎπＤ）／（６０Ｈ）≦６５０となるような前記スクリュ回転数で計量を行うため、前述の可塑化装置を用いて効果的に樹脂材料の可塑化を実施することができる。

以下添付の図面に従ってこの発明を詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る射出成形機の可塑化装置の断面図、図２はスクリュの側面図、図３はスクリュの溝部周辺の断面図、図４はスクリュ外径とメタリングゾーンの溝深さとの関係を表したグラフである。

図１に示す本発明の一実施例に係る射出成形機の可塑化装置１０は、射出装置１１の加熱筒１２内に配置されたスクリュ２０を有するものであって、射出成形を行う際には、ホッパ（図示せず）から可塑化装置１０の加熱筒１２内に供給された樹脂材料を図示しない計量モータによりスクリュ２０を回転させつつ、図示しない射出モータまたは射出シリンダにより背圧を付与して可塑化する。そして、可塑化が完了したら加熱筒１２前方に貯留された溶融樹脂を前記射出モータまたは射出シリンダにより、型締装置（図示せず）により圧締した金型（図示せず）のキャビティ内に射出するように構成される。この実施例において、樹脂材料としてはポリアセタール（ＰＯＭ）が用いられるが、ポリエチレン，ポリプロピレン等の結晶性樹脂や、ポリスチレン，アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）等の非結晶性樹脂を使用してもよい。なお、図中の符号１３は加熱筒１２の先端に螺着されたノズル、１４は加熱筒１２に配置して樹脂材料の溶融を促進するバンドヒータ、１５は図示しないホッパが接続される樹脂材料供給口である。

スクリュ２０は、図１ないし図３に示すように、筒方向の前側から後側に向かって徐々に小径となる軸部２１を有し、該軸部２１の外周面には螺旋状に所定のピッチ（溝長さ）Ｐで立設されたスレッド２２によって溝部２３が形成されている。また、スレッド２２と溝部２３との境界はＲ面２４となっており、溶融樹脂の滞留が防止される。このスクリュ２０において、外径Ｄは、図２及び図３に示すように、加熱筒１２の内径よりわずかに小径に形成されたスレッド２２の直径に相当し、全長Ｌは、図２に示すように、スレッド２２が立設された軸部２１の直線距離に相当する。

上記スクリュ２０にあっては、筒方向の後側から順にフィードゾーン２６とコンプレッションゾーン２７とメタリングゾーン２８の各部によって構成される。

フィードゾーン２６は、スクリュ２０の後側に形成されていて、図示しないホッパから供給された樹脂材料を予備加熱して前側に搬送するように構成される。このフィードゾーン２６の長さＦは、スクリュ２０の全長Ｌに対して４５〜７０％である。また、フィードゾーン２６では、軸部２１がスクリュ２０全体で最も細く形成されているため、該フィードゾーン２６の溝部２３ａが深溝に構成される。

コンプレッションゾーン２７は、フィードゾーン２６の前側に形成され、前記フィードゾーン２６において予備加熱されて搬送された樹脂材料を圧縮加熱して溶融するように構成される。このコンプレッションゾーン２７の長さＣは、スクリュ２０の全長Ｌに対して２０〜３５％である。また、コンプレッションゾーン２７では、軸部２１が該コンプレッションゾーン２７の後側から前側に向かって徐々に太くなるように形成されているため、該コンプレッションゾーン２７の溝部２３ｂは前側に向かって徐々に浅溝となるように構成される。

メタリングゾーン２８は、図１ないし図３に示すように、スクリュ２０の前側に形成され、コンプレッションゾーン２７において溶融されて搬送された樹脂材料をせん断発熱させてスクリュ２０の前方に押し出すように構成される。このメタリングゾーン２８の長さＭは、スクリュ２０の全長Ｌに対して１０〜２０％であり、前記ピッチＰを少なくとも２以上含むことが好ましい。また、メタリングゾーン２８では、軸部２１がスクリュ２０全体で最も太くかつ同じ太さに形成されているため、該メタリングゾーン２８の溝部２３ｃが浅溝に構成される。なお、図３において、符号Ｈはメタリングゾーン２８における溝深さを表し、溝部２３ｃから突出したスレッド２２の高さに相当するものである。また、符号３０は、スクリュ２０の先端に螺着されたスクリュヘッドであり、その基部に図示しない逆流防止弁を備えている。このスクリュヘッド３０と逆流防止弁はスクリュ２０の全長Ｌに含まれない。

このスクリュ２０では、フィードゾーン２６，コンプレッションゾーン２７，メタリングゾーン２８におけるピッチＰは一定に設けられている。また、このスクリュ２０では、溝深さが、フィードゾーン２６で深溝、コンプレッションゾーン２７では深溝から徐々に浅溝、メタリングゾーン２８で浅溝となるように形成されているため、樹脂材料が搬送される際には、前側に送られるに連れて圧縮される。このスクリュ２０における圧縮比は、（フィードゾーンの１ピッチの長さ×フィードゾーンの溝深さ）／（メタリングゾーンの１ピッチの長さ×メタリングゾーンの溝深さ）で求めることができ、１．９〜３．０である。

この発明の射出成形機の可塑化装置１０にあっては、スクリュ２０の外径Ｄに対するスクリュ２０の全長Ｌの比率Ｌ／Ｄが８〜１４であるとともに、メタリングゾーン２８における溝深さＨが０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９（ｍｍ）に構成される。

スクリュ２０の外径Ｄとスクリュ２０の全長Ｌとの比率Ｌ／Ｄは、スクリュの可塑化における能力の指標として従来から重要視されており、一般的には、スクリュ２０の全長Ｌが長くＬ／Ｄの値が大きいほど良好に可塑化を行うことが可能とされる。その際、Ｌ／Ｄの値としては２０〜２２が採用されるが、上記の如くＬ／Ｄを８〜１４、より好ましくは９．５〜１２と比較的小さくすることにより、スクリュ２０の全長Ｌを短くして射出装置１１を短縮化することができる。このように射出装置１１を短縮化する場合、加熱筒１１も短くなって通常は加熱が不十分となってしまうが、メタリングゾーン２８の溝深さＨを０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９（ｍｍ）の浅溝に構成することによりせん断発熱量を増大させて樹脂材料の溶融を促進させることが可能となり、十分な加熱を行うことができる。なお、この可塑化装置１０において、Ｌ／Ｄが８未満の場合は、コンプレッションゾーン２７やメタリングゾーン２８について十分な長さを確保することが困難となり、Ｌ／Ｄが１４より大きい場合は、射出装置１１を十分に短縮することができない。

このスクリュ２０では、螺旋状に立設されたスレッド２２によって形成される溝部２３の全長が樹脂材料の加熱筒１２内での加熱時間に影響し、一般的には、スクリュ２０の外径Ｄに対するスクリュ２０のピッチＰの比率Ｐ／Ｄが０．９〜１とされる。しかしながら、上記の如くスクリュ２０を短縮して構成した場合は、当該スクリュ２０のピッチＰを小さくして溝部２３の全長を確保し、樹脂材料が加熱筒１２内で長時間滞留するように構成することが好ましい。その際、前記ピッチＰが小さすぎると、スクリュ２０の停止時（調整等の作業時）に樹脂材料の冷却時の固化が発生しやすくなることから、Ｐ／Ｄは０．３〜０．９、より好ましくは０．５〜０．７とされる。

また、上記の如く構成された可塑化装置１０を用いた可塑化方法として、スクリュ２０によるせん断速度が２００〜６５０（ｍｍ／ｓｅｃ）、より好ましくは２８０〜５５８（ｍｍ／ｓｅｃ）となるような計量時のスクリュ回転数ｎ（ｒｐｍ）で計量を行う方法が挙げられる。このせん断速度は、例えば、特開平１０−１８０８２３号公報に記載されるように、メタリングゾーン２８の溝深さＨ（ｍｍ）と計量時のスクリュ回転数ｎ（ｒｐｍ）との関係から、（ｎπＤ）／（６０Ｈ）で表すことができる。この実施例におけるスクリュ回転数ｎ（ｒｐｍ）としては２００〜４００（ｒｐｍ）、より好ましくは３００〜４００（ｒｐｍ）である。なお、この可塑化方法において、せん断速度が２００（ｍｍ／ｓｅｃ）以下の場合は樹脂材料の可塑化に時間がかかりすぎる問題や未可塑が発生する問題等があり、６５０（ｍｍ／ｓｅｃ）以上の場合は樹脂焼け等が発生する問題がある。

次に、この発明の可塑化装置１０について、樹脂材料の溶融、脱気の目視評価の具体的な実施例及び比較例を説明する。以下の実施例及び比較例では、樹脂材料としてポリアセタール（ＰＯＭ）を使用した。また、計量ストロークは１４０（ｍｍ）、保圧時間を含む射出時間は７（ｍｍ／ｓ）、成形サイクル時間は４５（ｓ）、冷却時間は３５（ｓ）、加熱筒内温度は２００（℃）である。

実施例１の可塑化装置では、Ｌ／Ｄが１０、スクリュ外径Ｄが４０ｍｍ、メタリングゾーンの溝深さＨが１．５ｍｍのスクリュを用いた。比較例１の可塑化装置では、Ｌ／Ｄが１０、スクリュ外径Ｄが４０ｍｍ、メタリングゾーンの溝深さＨが２．８ｍｍのスクリュを用いた。比較例２の可塑化装置では、Ｌ／Ｄが１３、スクリュ外径Ｄが４０ｍｍ、メタリングゾーンの溝深さＨが２．８ｍｍのスクリュを用いた。比較例３の可塑化装置では、Ｌ／Ｄが２２、スクリュ外径Ｄが４０ｍｍ、メタリングゾーンの溝深さＨが２．８ｍｍのスクリュを用いた。

上記実施例１及び比較例１〜３に関し、樹脂材料の背圧の実測値をそれぞれ７．１（ＭＰａ）、１４．２（ＭＰａ）、２８．４（ＭＰａ）とした際の、各スクリュ回転数２００（ｒｐｍ）、３００（ｒｐｍ）、４００（ｒｐｍ）での計量において、樹脂材料の未溶融部分の有無を目視にて評価するとともに、計量時間の計測を行った。なお、計量時間の良否の基準は、成形サイクル時間が４５（ｓ）なので、射出、保圧、型開閉等の関係から冷却時間と等しい３５（ｓ）以内とした。

実施例１の可塑化装置では、いずれの場合においても樹脂材料を溶融することができ、計量時間も３５秒以内であり、可塑化を良好に実施することができた。比較例１〜３の可塑化装置では、計量時間に関係なく、いずれの場合においても樹脂材料に未溶融部分が存在したため、良好な可塑化を実施することができなかった。

表１に示した結果からよく理解されるように、当該可塑化装置１０において良好な可塑化を実施することができるスクリュ２０は、Ｌ／Ｄが１０、スクリュ外径Ｄが４０ｍｍ、メタリングゾーンの溝深さＨが１．５ｍｍである。

上記の良好な可塑化が実施可能なスクリュ２０において、ピッチＰは２４ｍｍとされており、該ピッチＰに対してメタリングゾーン２８の溝深さＨ（１．５ｍｍ）は約６．３％である。このスクリュ２０のピッチＰに対するメタリングゾーン２８の溝深さＨの割合としては、約５．４〜７．１％が好ましく、スクリュ外径Ｄが４０ｍｍの場合、メタリングゾーン２８の溝深さＨは最適な値（１．５ｍｍ）の±０．２の範囲である１．３〜１．７ｍｍが好ましい値となる。より好ましい値としては、±０．１の範囲である１．４〜１．６ｍｍである。スクリュ２０のピッチＰに対するメタリングゾーン２８の溝深さＨの割合が５．４％より小さい場合、せん断発熱が過多となって、成形サイクルに影響が出るほどスクリュ回転数を落とさなければ溶融樹脂の熱劣化が進行するおそれがあり、溶融樹脂を前方へ搬送する力が不足して溶融樹脂の送出量が低下する問題がある。７．１％より大きい場合、スクリュ回転数を増加させても溝深さＨが深すぎて十分なせん断発熱量が得られない上に、スクリュ回転数の増加により計量時間が早くなりすぎて溶融樹脂にバンドヒータ１４の熱が十分に伝わらず、溶融樹脂が未可塑状態となる問題がある。

また、スクリュ２０のメタリングゾーン２８の溝深さＨは、スクリュ外径Ｄや可塑化する樹脂材料の種類に応じて最適値が変更され、さらに、成形するペレットの厚さと比較して前記溝深さＨが極端に浅くなると、食い込みが遅くなったりせん断発熱が発生しすぎる等の問題が生じるため、前記ペレットの厚さの１／２よりも深くすることが好ましい。

ここで、上記スクリュ２０（外径Ｄは４０ｍｍ、メタリングゾーン２８の溝深さＨは１．５ｍｍ）に基づいてスクリュ外径Ｄを変更する場合、濱田博晟著：「現場で活かす押出機マニュアル」（１９９３年５月２０日発行）第３２ページ〜第３３ページに記載されているｈｍ／Ｈ＝（ｄ／Ｄ）^0.7の演算式を用いることによって、適宜のスクリュ外径に対応したメタリングゾーン２８の溝深さを概算することができる。この演算式において、ｄは変更時のスクリュ外径、ｈｍは変更時のメタリングゾーン２８の溝深さである。

これらのことから、経験上、スクリュ外径Ｄが２０ｍｍの場合は０．９〜１．３ｍｍ、スクリュ外径Ｄが６０ｍｍの場合は１．７〜２．１ｍｍ、スクリュ外径Ｄが１２０ｍｍの場合は２．９〜３．３ｍｍがそれぞれ好ましいメタリングゾーン２８の溝深さＨとされる。また、一般的なスクリュの外径は２０〜１２０ｍｍであり、当該スクリュ２０においてもこの範囲内で好適に用いられることから、図４に図示したように、スクリュ外径Ｄの値が２０〜１２０でメタリングゾーン２８の溝深さＨが０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９となる斜線部Ａ内が、スクリュ２０の最適な条件となる。なお、スクリュ外径Ｄが２０ｍｍより小さい場合は通常のペレットの外径との関係から不適切であり、１２０ｍｍより大きい場合はスケールアップによる溝深さが一定以上に深くなって不適切である。

以上説明したことからよく理解されるように、本発明の射出成形機の可塑化装置１０にあっては、Ｌ／Ｄを８〜１４とするとともに、メタリングゾーン２８における溝深さＨを０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９とすることにより、射出装置１１を短縮化させると同時にせん断発熱量を増加させることが可能となるため、前記射出装置１１の短縮化の際に加熱が不足することがなくなって良好な可塑化を実施することが可能となる。また、射出装置１１の短縮化により、加熱筒１２に配置するバンドヒータ１４を少なくして加熱時の電力消費量を削減することができ、さらに、上記の如くせん断発熱量が増加することにより、バンドヒータ１４の作動時間を減少させることが可能となるので、より効果的に電力消費量の削減を行うことができる。

また、スクリュ２０の全長Ｌに対するメタリングゾーン２８の長さＭの比率を１０〜２０％とするとともに、Ｐ／Ｄを０．３〜０．９とすることにより、メタリングゾーン２８での加熱時間を十分に確保することができ、より効果的に樹脂材料を可塑化することができる。

なお、本発明は、当業者の知識に基づいて様々な変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものを含む。また、前記変更等を加えた実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限りいずれも本発明の範囲内に含まれるものであることは言うまでもない。

本発明の一実施例に係る射出成形機の可塑化装置の要部断面図である。 スクリュの側面図である。 スクリュの溝部周辺の断面図である。 スクリュ外径とメタリングゾーンの溝深さとの関係を表したグラフである。

１０ 射出成形機の可塑化装置
１１ 射出装置
１２ 加熱筒
１４ バンドヒータ
２０ スクリュ
２６ フィードゾーン
２７ コンプレッションゾーン
２８ メタリングゾーン
Ｃ コンプレッションゾーンの長さ
Ｄ スクリュの外径
Ｆ フィードゾーンの長さ
Ｈ メタリングゾーンの溝深さ
Ｌ スクリュの全長
Ｍ メタリングゾーンの長さ
Ｐ スクリュのピッチ

Claims (2)

1. 射出装置の加熱筒内に配置され、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュを有する射出成形機の可塑化装置において、
   前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュの全長（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）が８〜１４であるとともに、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）が０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９であり、かつ、前記スクリュの全長に対するメタリングゾーンの長さの比率が１０〜２０％であるとともに、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュのピッチ（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｄ）が０．３〜０．９であることを特徴とする射出成形機の可塑化装置。
2. 射出装置の加熱筒内に配置され、筒方向の後側から順にフィードゾーンとコンプレッションゾーンとメタリングゾーンの各部によって構成されたスクリュを有する射出成形機の可塑化方法であって、
   前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュの全長（Ｌ）の比率（Ｌ／Ｄ）を８〜１４とするとともに、前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）を０．０２Ｄ＋０．５〜０．０２Ｄ＋０．９とし、かつ、前記スクリュの全長に対するメタリングゾーンの長さの比率を１０〜２０％とするとともに、前記スクリュの外径（Ｄ）に対するスクリュのピッチ（Ｐ）の比率（Ｐ／Ｄ）を０．３〜０．９とし、
   前記メタリングゾーンにおける溝深さ（Ｈ）と計量時のスクリュ回転数（ｎ）との関係が２００≦（ｎπＤ）／（６０Ｈ）≦６５０となるような前記スクリュ回転数で計量を行うことを特徴とする射出成形機の可塑化方法。

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