JP5011050B2 - 射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形方法に関し、より詳細には、射出工程から保圧工程での圧力制御を安定させる射出成形方法に関する。

溶融樹脂を金型内に充填する射出装置として、インラインスクリュ式、もしくはプランジャ式等があるが、本発明は射出装置に係わらず適応できるものである。以下、インラインスクリュ式射出装置に関して説明する。
射出成形装置では、充填行程において、一般的に、金型のキャビティ内に樹脂を充填する射出工程と、そのキャビティ内に樹脂が充満した後に所定時間、所定圧力を樹脂に対して付加する保圧工程が設けられている。この射出工程と保圧工程との切り換えタイミングについて、射出に使用される射出スクリュの位置測定や、樹脂充填時での樹脂圧力測定を実施することにより、設定スクリュ位置（位置切換方式）および設定射出圧力（圧力切換方式）で保圧工程へ切り換える処理がなされるのが一般的である。

このような、上記位置切換方式および圧力切換方式においては、射出工程の速度制御から保圧工程の圧力制御に切り替わる保圧切替時に、圧力のオーバーシュートする(スクリュが慣性力により成り行きで前進し、その後樹脂の弾性力により成り行きで樹脂に押し戻されることで、保圧切替時にスクリュの無制御状態が生じ、外乱に弱い状態となる)ことがあるため、ショット（各射出成形）間の射出圧力のばらつきが大きくなり、従って、成形品のばらつきが大きくなる。

上記圧力切換方式において、射出圧力のオーバーシュートによる保圧移行中の圧力のばらつきを抑制するため、射出成形時に検出された樹脂圧力と設定圧力との差に基づいて、圧力の変化速度を制御するようにした射出成型機の制御装置が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、設定された射出圧力設定値と成形機からの圧力フィードバック値との偏差値に基づいてＰＩＤ演算を行い、該ＰＩＤ演算出力が射出速度設定値を越えるまでは充填工程から保圧工程への切り換えをスムースに行い、射出速度設定値を越える場合、第１のＰＩＤ演算器の積分要素を停止させて引き続き充填工程から保圧工程への切り換えをスムースに実施するようにした電動射出成型機の制御装置および制御方法が知られている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００6−１１３４号公報 特開平１０−１１３９７０号公報

しかし、特許文献１に記載の制御装置は、圧力のオーバーシュートの発生自体を抑えるものではなく、発生したオーバーシュートのピーク圧のばらつきを抑制するようにしたものであり、このオーバーシュート自体は発生しており、無制御状態は完全には回避されておらず、成形品の品質を向上させるためには改善の余地があった。また、特許文献２に記載の制御装置によるＰＩＤ演算制御だけでは、ばらつきを十分小さく抑制できない可能性があり、更なる改善の余地があった。

ここで、例えば、プラスチックレンズは、ガラスなどの無機材料に比べ軽量で割れにくく、様々な形状に加工でき、また、ガラス製レンズよりもコスト面で有利となるため、眼鏡レンズのみならず、光情報記録機器用の光学レンズとしても急速に普及しつつある。これに伴い、レンズを高解像度化・小型・薄肉化することが要求されている。この場合、例えば、レンズの寸法・形状精度はミクロンからサブミクロンオーダーが要求されるため、圧力のオーバーシュートのように外乱に弱い状態が発生していると、製造上の歩留まりの低下が著しくなるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、射出工程から保圧工程での圧力制御を安定させるために圧力のオーバーシュートの発生を防止し、無制御状態を回避し、ばらつきのない高品質の成形品を成形することができる射出成形方法を提供することにある。

本発明の上記目的は、下記射出成形方法によって達成される。
（１）射出工程から保圧工程の制御を速度制御から圧力制御に切り換える(以降、V／P切換とも称す)射出成形方法であって、
前記速度制御における設定射出速度値を前記V／P切換時を行う設定圧力に対して、圧力のオーバーシュートが少なくなる方向へ収束的に変更して複数回の第１プレ成形を実施し、前記オーバーシュートを発生させない内で最速の第１射出速度Ｖ１を求め、
成形毎に設定する初期設定射出速度（Ｖ０）ではV／P切換時の圧力のオーバーシュートが発生する場合に、速度制御用の設定射出速度を前記V／P切換に到達する以前に初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１に切換ることを特徴とする射出成形方法。

上記構成の射出成形方法によれば、V／P切換時の射出圧力の設定圧力に対して圧力のオーバーシュートを発生させない内で最速の第１射出速度Ｖ１を求め、速度制御中に射出工程速度を成形製品毎に設定している初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１に変更するため、このようなオーバーシュートの発生を抑制することができ、ばらつきの少ない高品質の成形品を短い充填・保圧時間で成形することができる。

（２） 前記初期設定射出速度Ｖ０から第１設定射出速度Ｖ１への速度切換タイミングについて、前記初期設定射出速度Ｖ０で成形したときのV／P切換時の前記射出スクリュの位置から、圧力のオーバーシュートが少なくなるように射出とは逆方向にスクリュ位置を収束的に変更する複数回の第２プレ成形を実施し、圧力のオーバーシュートが発生しない速度切換時期に対応したスクリュ位置を特定することを特徴とする上記（１）記載の射出成形方法。

上記構成の射出成形方法によれば、初期設定射出速度Ｖ０から第１設定射出速度Ｖ１への速度切換タイミングについて、初期設定射出速度Ｖ０で成形したときのV／P切換時の射出スクリュの位置から計量方向へ射出スクリュ位置を圧力のオーバーシュートが少なくなるように収束的に変更する複数回の第２プレ成形によって、このようなオーバーシュートが発生しない速度切換時期に対応したスクリュ位置が特定されるので、圧力のオーバーシュートが発生しない成形において射出充填時間が最短となる。これにより形状、寸法精度のばらつきが少ない高品質の成形品を短い成形サイクル時間で成形することができる。

（３） 前記初期設定射出速度Ｖ０から前記第１射出速度Ｖ１への速度切換制御で複数回射出成形をしたとき、射出圧力曲線で射出開始からゲートシール時点までの時間範囲積分値の各射出成形間ばらつきを±１．５％以内とすることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の射出成形方法。

上記構成の射出成形方法によれば、射出圧力曲線を射出開始からゲートシール時間までの時間範囲で積分した値のショット間のばらつきが、±１．５％以内とすることで、成形品のショット間ばらつきを抑制することができ、高品質の成形品を安定して得ることができる。

本発明によれば、V／P切換位置における圧力のオーバーシュートの発生を防止することで、射出工程から保圧工程での圧力制御を安定させて、ばらつきのない高品質の成形品を成形することができる射出成形方法を提供できる。

以下、本発明に係る射出成形方法について、図面に基づいて説明する。
本発明に係る射出成形方法は、射出圧力が設定保圧力を超えるオーバーシュートの発生を防止しつつ、圧力のオーバーシュートが発生しない成形において射出充填時間が最短となる射出成形方法である。

図１は本発明の射出成形方法を実施できる射出成型機の一例を示す概略構成図、図２は本発明の射出成形方法の射出時間と射出圧力の関係を示すグラフ、図３は射出時間と射出速度との関係を図２に対応させて示すグラフ、図４は射出時間とスクリュ位置との関係を示すグラフ、図５は図４に示す各射出時間におけるスクリュ位置を示す射出成型機の概略構成図である。

図１に示すように、基本的なインライン式射出成型機１として、先端にノズル２を有する加熱シリンダ３を備え、該加熱シリンダ３内に射出スクリュ４が配設されている。加熱シリンダ３の外周にはヒータ５が、及びノズル２の対向端部には樹脂ペレット７を射出スクリュ４に供給するホッパ６が取り付けられている。ノズル２の対向端部で、射出スクリュ４の後端には、スクリュ４を回転させ、作動油の圧力・流量（速度）の設定値でスクリュ４を軸方向（図１において左右方向）へ前進させて射出動作をさせる油圧モータ・シリンダセット９と、射出圧力を検出する為のロードセル８とが配設されている。また、ノズル２の先端は、内部にキャビティ１０を形成する固定金型１１及び可動金型１２のゲート１３に接続されている。

ホッパ６から投入された樹脂ペレット７は、回転する射出スクリュ４及びヒータ５によって、樹脂の移送、圧縮、混練、溶融、計量動作を含む可塑化動作、等が施される。そして、油圧モータ・シリンダセット９によって移動速度が制御されながら射出スクリュ４がノズル２方向へ移動され、ノズル２から一定速度で吐出した溶融樹脂がキャビティ１０内に充填され、所定の時間、設定保圧力に保持されながら冷却され成形品が成形される。

次に図２及び図３に基づいて本発明の射出成形方法を詳細に説明する。
本発明の射出成形方法との比較を容易にするため、先ず、従来の射出成形方法について説明する。図３に示すように、射出スクリュ４を前進させて溶融樹脂を、成形品ごとに設定する初期設定射出速度Ｖ０でキャビティ１０内に射出すると（速度曲線２１）、図２の圧力曲線３１に示すように、キャビティ１０内の射出圧力Ｐは次第に上昇し、やがて時刻ｔ０で設定保圧力Ｐｓに達し、油圧モータ・シリンダセット９により移動速度制御から設定保圧力Ｐｓでの圧力制御へ移行し、キャビティ１０への溶融樹脂の充填は完了する。この射出圧力が設定保圧力Psとなった時点で、射出速度Ｖを０とし、速度制御から圧力制御に切り換える(以降、V／P切換とも称す)。この時、射出スクリュ４の慣性力などにより射出圧力のオーバーシュート３１ａが発生し、射出圧力Ｐは、振動収束しながら設定保圧力Ｐｓで安定する。その後、所定時間の間、設定保圧力Ｐｓに維持制御される。

このオーバーシュート３１ａの発生は、射出スクリュ４の移動速度制御から設定保圧力Ｐｓでの圧力制御への切り換え時、制御の空白、つまり、無制御状態と同じである。本発明に係る射出成形方法は、射出速度Ｖを初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１に変更することにより、オーバーシュート３１ａの発生を防止し、無制御状態を回避はするようにしたものであり、具体的には下記の方法によって達成される。

即ち、本発明の射出成形方法は、先ず、射出速度Ｖの設定射出速度を射出圧力のオーバーシュートの発生が少なくなる方向へ収束的に変更しながら複数回の第１プレ成形を実施し、射出圧力のオーバーシュートを発生させない最速の射出速度Ｖを第１射出速度Ｖ１として求める。この第１プレ成形では、射出速度Ｖを変更する以外は、ＰＩＤ演算による処理を実行することが可能である。
第１射出速度Ｖ１による射出成形では、図３の速度曲線２２に示すように、射出速度０から第１射出速度Ｖ１まで立ち上げた後、第１射出速度Ｖ１一定としたままキャビティ１０への溶融樹脂の充填が完了する時刻ｔ２まで保持した後、この射出圧力が設定保圧力Psとなり、射出速度Ｖを０として保圧制御に移行される。

このときの射出圧力Ｐの変化は、図２の圧力曲線３２に示すように、初期設定射出速度Ｖ０における圧力曲線３１より緩い傾斜で立ち上がり、当然ながら射出圧力のオーバーシュートが発生することなく設定保圧力Ｐｓに接近して設定保圧力Ｐｓで安定する。第１射出速度Ｖ１での射出成形は、上記したように射出圧力のオーバーシュートが発生しないので成形品の品質が安定する利点を有するが、射出充填時間が長くなる。
そこで、本発明の射出成型方法は、射出充填時間の短縮を図るため、圧力曲線３３に示すように、射出成形初期において初期設定射出速度Ｖ０で溶融樹脂を射出し、成形途中の経過時間ｔｘで第１射出速度Ｖ１に切り替えることで、射出充填時間が長くなることを抑制するものである。

初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１へ切り換えるタイミングが遅すぎると、やはり射出圧力のオーバーシュートが発生してしまう。
そこで、射出圧力のオーバーシュートを発生させることなく初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１へ切り換える速度変更時刻ｔｘは、初期設定射出速度Ｖ０で成形した時のＶ／Ｐ切換時の時刻から速度制御側への移行程度を射出圧力のオーバーシュートの発生が少なくなる方向へ収束的に変更して複数回の第２プレ成形を実施し、射出圧力のオーバーシュートが発生せず、且つ初期設定射出速度Ｖ０での射出時間が最も長くなる、換言すれば、第１射出速度Ｖ１での射出時間が最も短くなる速度変更時刻ｔｘを求めることにより特定される。この第２プレ成形についても、射出速度Ｖを途中切り換えする以外は、ＰＩＤ演算による処理を適用することが可能である。

上記した成形途中で初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１へ速度変更する本発明の射出成型方法は、図３の速度曲線２３に示すように、射出成形初期において初期設定射出速度Ｖ０で溶融樹脂を射出し、上記したようにして求められた速度変更時刻ｔｘで初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１へ切り換え、キャビティ１０への溶融樹脂の射出圧力が設定保圧力Ｐｓに到達すると、射出速度Ｖを０と設定し、速度制御から圧力制御に切り換える。

このときの射出圧力の変化は、図２の圧力曲線３３に示すように、時刻ｔｘまでは従来の射出成型方法と同様に急速に圧力が上昇し、その後、次第に立ち上がりカーブが緩くなって時刻ｔ１でオーバーシュートすることなく、設定保圧力Ｐｓで安定する。このように、第１射出速度Ｖ１と速度変更時刻ｔｘを実際の射出成形の前に求め、実際の射出成形に設定することで、圧力のオーバーシュートに起因する成形品品質のばらつきが解消され、且つ短い射出充填時間で成形することができる。

図４及び図５は、上述した射出時間と射出圧力の関係（図２）を、射出成形機１の射出スクリュ４の位置に置き換えて示したものである。図５（ａ）に示す射出スクリュ位置が初期位置にある状態（時刻ｔ０）から、図５（ｂ）に示す射出スクリュ位置ｘ（時刻ｔｘ）まで初期設定射出速度Ｖ０で溶融樹脂を射出する。ここで（射出スクリュ位置ｘで）、射出速度Ｖを初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１に切り替え、図５（ｃ）に示すキャビティ１０への溶融樹脂の充填が完了する射出スクリュ位置ａ（時刻ｔ１）まで、第１射出速度Ｖ１で溶融樹脂を射出する。

このときの射出時間と射出スクリュ位置との関係を図４にスクリュ位置曲線４３として示す。スクリュ位置曲線４３は、図２に示す圧力曲線３３に対応する曲線である。尚、図４には、参考として図２に示す圧力曲線３１、３２にそれぞれ対応するスクリュ位置曲線４１、４２も同時に示す。

本実施形態の射出成型方法によれば、複数回の射出成形における、射出圧力曲線を射出開始からゲートシール時間までの時間範囲で積分した値のショット間ばらつきを±１．５％以内、好ましくは±０．５％以内とすることができ、この積分値は、射出圧力曲線３３がゲートシール時点に到達するまでに囲む面積を示しており、これによりショットごとの成形品のばらつきが極めて小さくすることができ（重量ばらつきは０．２５％好ましくは０．０８％）、形状、寸法精度のばらつきが少ない高品質の成形品を短い射出・充填時間で成形することができる。これにより、光情報記録機器用の光学レンズなどに対して、小型・薄肉・高解像度化するための寸法精度に対する非常に高い要求を満足させることができ、高品質の成形品を提供することができる。

図６は本発明の射出成形の制御方法を示すフローチャート図である。
ステップS１０でスタートし、ステップＳ１２では、初期設定射出速度Ｖ０による速度制御から圧力制御に切り換えるV／P切換時の射出圧力のオーバーシュートの計測をロードセル８のデータを基に実施する。次に、ステップＳ１４では、射出圧力のオーバーシュートの度合いと射出速度との関係を予め設定したＬＵＴ（ルックアップテーブル）により、ステップＳ１２で計測した射出圧力のオーバーシュートの度合いからオーバーシュートの発生なしと予想される第１射出速度Ｖ１の候補を複数設定する。

ステップＳ１６では、各第１射出速度Ｖ１の候補により第１プレ成形を実施する。この際、一般に利用されているＰＩＤ演算を使用することができる。ステップＳ１8では、ステップＳ１６で実施した第１プレ成形の内、射出圧力のオーバーシュートなしで最速の射出速度を第１射出速度Ｖ１として決定する。ステップＳ２２では、初期設定射出速度Ｖ０と第１射出速度Ｖ１の圧力曲線の傾きから初期設定射出速度Ｖ０の射出圧力のオーバーシュートが第１射出速度Ｖ１に影響しない程度の適当な速度切換タイミングを設定する（第２プレ成形）。ステップＳ２４では、ステップＳ２２で抽出した最も適当な速度切換タイミングにより成形制御設定としてエンドとなる。

次に、第２プレ成形について、スクリュ位置を基準とした場合の制御方法を説明する。
図７は図６のステップＳ２２に替わる制御のフローチャート図である。
まず、ステップＳ２２１では、設定射出速度Ｖ０におけるV／P切換時のスクリュ位置を決定する。次に、ステップＳ２２３で、V／P切換時のスクリュ位置、初期設定射出速度Ｖ０と第１射出速度Ｖ１それぞれによるスクリュ位置曲線の傾きから予測される速度切換に対応するスクリュ位置切換タイミングのＬＵＴ（ルックアップテーブル）が用意されており、これにより、スクリュ位置切換タイミングの複数候補を決定する。ステップＳ２２５では、この複数候補を基に第２プレ成形を実施を実施する。そして、ステップＳ２２７で、この第２プレ成形の結果を基に、射出圧力のオーバーシュートがなく、しかも、最も射出充填時間を短くできる速度切換時期に対応するスクリュ位置を決定する。

上記のフローチャートに従って射出成形装置が成型動作を実施できるが、作業者がこのフローチャートに沿って、手動で上記方法を実施することも可能である。また、第１射出速度を求める時や初期設定射出速度Ｖ０から第１射出速度Ｖ１への切換タイミングを求める時に、射出圧力のオーバーシュートの度合いと射出速度との関係を予め設定したＬＵＴ（ルックアップテーブル）を用いる以外にも、このようなオーバーシュートの発生が少なくなる方向へ収束的に変更できる手法としてニュートン法などの収束計算方法も利用できる。

尚、本発明は、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜、変形、改良、等が可能である。例えば、上記実施形態では、スクリュの射出圧力をロードセルにより検出しているが、ノズルへの重量供給率を一定とするために、ノズル付近の溶融樹脂の圧力を検出するセンサや、金型内に設置する型内圧力センサを設け、この検出数値を基に圧力のオーバーシュートの特定と制御を実施することもできる。
また、上記射出成形装置は油圧により射出動作を行っているが、これに限らず、油圧モータ・シリンダセットに替えて電動モータを使用することもできる。この場合には、圧力オーバーシュートの特定と制御は、前述のようにノズル付近の溶融樹脂の圧力を検出するセンサ又は金型内に設置する型内圧力センサを設け、この測定値を使用することができる。また、電動モータの回転数や負荷を利用することもできる。

射出成型機の概略構成図である。 本発明の射出成形方法の射出時間と射出圧力の関係を示すグラフである。 射出時間と射出速度との関係を図２に対応させて示すグラフである。 射出時間とスクリュ位置との関係を示すグラフである。 に示す各射出時間におけるスクリュ位置を示す射出成型機の概略構成図である。 は本発明の射出成形の制御方法を示すフローチャート図である。 図６のステップＳ２２に替わる制御のフローチャート図である。

符号の説明

３３ 射出圧力曲線
Ｖ 射出工程速度
Ｖ１ 第１射出速度
Ｖ０ 初期設定射出速度
ｘ 初期設定射出速度から第１射出速度への速度変更時点
ｔ 射出時間

Claims (2)

1. 射出スクリュを前進させて射出動作をさせる射出工程から保圧工程の制御を、速度制御から圧力制御に切り換える(以降、V／P切換とも称す)射出成形方法であって、
   前記速度制御における設定射出速度値を前記V／P切換時を行う設定圧力に対して、圧力のオーバーシュートが少なくなる方向へ収束的に変更して複数回の第１プレ成形を実施し、前記オーバーシュートを発生させない内で最速の第１射出速度Ｖ１を求め、
   成形毎に設定する初期設定射出速度（Ｖ０）で成形したときの前記V／P切換時の前記射出スクリュの位置から圧力のオーバーシュートが少なくなるように、射出とは逆方向に前記射出スクリュの位置を収束的に変更する複数回の第２プレ成形を実施し、圧力のオーバーシュートが発生しない速度切換時期に対応した前記射出スクリュの位置を特定し、
   V／P切換時における圧力のオーバーシュートが発生しないように、前記射出スクリュが前記特定された射出スクリュの位置に到達したときに、前記初期設定射出速度Ｖ０から前記第１射出速度Ｖ１に切換えることを特徴とする射出成形方法。
2. 前記初期設定射出速度Ｖ０から前記第１射出速度Ｖ１への速度切換制御で複数回射出成形をしたとき、射出圧力曲線で射出開始からゲートシール時点までの時間範囲積分値の各射出成形間ばらつきを±１．５％以内とすることを特徴とする請求項１記載の射出成形方法。

Images