TWI807737B - 充氣成形裝置 - Google Patents

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Abstract

提供一種提高商品價值之充氣成形裝置。

充氣成形裝置具備：黏度推測部(144)， 從模具以圓筒狀吐出之成形材料；溫度確定部(145)，確定成形材料的溫度；及參數推測部(146)，根據由黏度推測部(144)推測之黏度及由溫度確定部(145)確定之溫度，推測成形材料的黏度參數。

Description

充氣成形裝置
本發明係有關一種充氣成形裝置。
本申請案係主張基於2021年3月31日申請之日本專利申請第2021-060746號的優先權。該日本申請案的全部內容係藉由參閱而援用於本說明書中。
已知有一種充氣成形裝置，其從模具的吐出口以膜狀擠出已經熔融之成形材料，將其藉由來自冷卻部的冷卻風固化而成形為薄膜。以往，提出有一種薄膜成形裝置，其藉由調節吐出口的寬度、來自冷卻部的冷卻風的風速或風溫，將薄膜厚度控制在目標範圍內。
[先前技術文獻]
[專利文獻1]日本特開2017-177348號公報
本發明係在該種情況下開發完成者，其一樣態的例示性目的之一為提供一種提高商品價值之充氣成形 裝置。
為了解決上述課題，本發明的一樣態的充氣成形裝置具備：黏度推測部，從模具以圓筒狀吐出之成形材料的黏度；溫度確定部，確定成形材料的溫度；及參數推測部，根據由黏度推測部推測的黏度及由溫度檢測部檢測的溫度，推測成形材料的黏度參數。
本發明的另一樣態亦為充氣成形裝置。該裝置具備：應力推測部，推測從模具以圓筒狀吐出之成形材料的應力分布；及黏度推測部，根據由應力推測部推測之應力分布，推測成形材料的黏度分布。
另外，以上構成元素的任意組合、或將本發明的構成元素、表現在方法、裝置、系統等之間相互置換而成者亦作為本發明的樣態而有效。
根據本發明，能夠提供一種提高商品價值之充氣成形裝置。
100:充氣成形裝置
102:模具
102a:吐出口
102b:空氣吹出口
102c:空氣供給路
104:冷卻部
106:導引部
108:牽引機
110:捲取機
111:薄膜卷體
112:壓力檢測部
114:溫度檢測部
116:空氣供給手段
118:夾送輥
120:控制裝置
130:通訊部
132:U/I部
134:資料處理部
136:記憶部
140:接收部
141:應變速度算出部
142:氣泡形狀取得部
143:內外壓力差確定部
144:黏度推測部
145:溫度確定部
146:參數推測部
147:模擬部
148:輸出處理部
149:應力推測部
[圖1]係表示第1實施形態之薄膜成形裝置的概略構成之圖。
[圖2]係示意地表示圖1的控制裝置的功能及構成之方塊圖。
[圖3]係說明有關氣泡之各種變量之圖。
[圖4]係表示模擬畫面之圖。
本實施形態為充氣成形裝置。在對本實施形態進行具體說明之前，對本實施形態所要解決之課題進行說明。
在充氣成形裝置中因某種原因變更成形條件時，有時例如薄膜會因變更成形條件而破裂。薄膜破裂時，需要重新啟動充氣成形裝置，從而作業效率降低。又，亦會導致浪費成形材料。因此，欲模擬變更成形條件的情況。
又，以往的充氣成形裝置只能推測氣泡中產生之平均應力。即使氣泡中產生之平均應力為破裂閾值以下，例如氣泡中產生之最大的應力(以下，亦稱為最大應力)超過破裂閾值時，氣泡當然會破裂。亦即，若只能推測平均應力，則無法高精度地預測破裂。因此，欲推測氣泡中產生之應力的分布。
以下，對解決該等問題之本實施形態之充氣成形裝置進行說明。
圖1係表示實施形態之充氣成形裝置100的概略構成之圖。充氣成形裝置100係具備：模具102、冷卻部 104、一對導引部106、106、牽引機108、捲取機110、壓力檢測部112、溫度檢測部114、空氣供給手段116及控制裝置120。
另外，以下，將沿在垂直於中心軸C的平面上以中心軸C為中心之圓的圓周之方向作為周向進行說明。
從形成於模具102之環狀吐出口102a，以圓筒狀吐出已經熔融之成形材料。在被吐出的圓筒狀成形材料的內側，從形成於模具102的中心部之空氣吹出口102b在合適的時間點噴出空氣而成形為膨脹成圓筒狀之薄壁的薄膜(以下，亦稱為“氣泡”)。
冷卻部104配置於模具102的上方。冷卻部104對氣泡吹送冷卻風而冷卻氣泡。
一對導引部106、106配置於冷卻部104的上方。一對導引部106、106將氣泡引入牽引機108。牽引機108配置於導引部106的上方。牽引機108包含一對夾送輥118、118。一對夾送輥118、118藉由未圖示的馬達被驅動而旋轉，將被引入的氣泡拉起的同時折疊成扁平狀。捲取機110捲取被折疊的薄膜，形成薄膜卷體111。
溫度檢測部114檢測氣泡表面的溫度分布。溫度檢測部114為檢測熱像圖等溫度分布之紅外線相機。另外，溫度檢測部114並不限定於紅外線相機，例如亦可以為檢測點(spot)的溫度之非接觸式溫度感測器。此時，亦可以將溫度檢測部114例如搭載於機械臂，使其在氣泡 的周圍移動的同時檢測氣泡表面的溫度，藉此檢測氣泡表面的溫度分布。溫度檢測部114將檢測結果傳送至控制裝置120。
空氣供給手段116收入周圍的空氣並送出至空氣供給路102c，並從空氣吹出口102b吹出。亦即，空氣供給手段116向氣泡內供給空氣。
壓力檢測部112檢測空氣供給路102c內的壓力。另外，壓力檢測部112亦可以設置於氣泡內。壓力檢測部112將檢測結果傳送至控制裝置120。
控制裝置120為統合控制充氣成形裝置100的裝置。控制裝置120例如根據在薄膜的成形中取得之資料，推測成形材料的黏度分布，或者推測成形材料的黏度模型式中的黏度參數。
圖2係示意地表示控制裝置120的功能及構成之方塊圖。在此所示之各方塊在硬體上能夠由以電腦的CPU為代表之元件或機械裝置來實現，在軟體上能夠由電腦程式等來實現，在此，描述藉由整合該等來實現之功能方塊。因此，本領域技術人員應理解，這些功能方塊能夠藉由硬體、軟體的組合而以各種形式實現。
圖3係說明有關氣泡之各種變量之圖。圖3中的下側圖為以包含中心軸C之平面切割之氣泡的剖視圖，上側圖為在水平面切割之氣泡的剖視圖。圖3中，x為氣泡高度。氣泡高度為以模具102的上面作為基準面之高度，亦可以稱為自模具102的上面的鉛直方向上的距離。參閱 圖2及圖3。
控制裝置120包括按照各種通訊協議執行與溫度檢測部114和壓力檢測部112的通訊處理之通訊部130、接收使用者的操作輸入並使各種畫面顯示於顯示部之U/I部132、根據從通訊部130及U/I部132取得之資料執行各種資料處理之資料處理部134、及儲存由資料處理部134參閱和更新的資料之記憶部136。
資料處理部134包括接收部140、應變速度算出部141、氣泡形狀取得部142、內外壓力差確定部143、黏度推測部144、溫度確定部145、參數推測部146、模擬部147、輸出處理部148及應力推測部149。
接收部140從溫度檢測部114接收氣泡的表面溫度資料。又，接收部140從壓力檢測部112接收氣泡內的壓力資料。
氣泡形狀取得部142取得氣泡的形狀資料。氣泡形狀取得部142藉由分析溫度檢測部114所檢測的氣泡表面的溫度分布的圖像而取得氣泡的形狀資料。作為變形例，氣泡形狀取得部142亦可以藉由分析可見光相機所拍攝的氣泡的可見光圖像而取得氣泡的形狀資料。
氣泡形狀取得部142所取得的氣泡的形狀資料包括各氣泡高度x上的氣泡的半徑R、氣泡表面的高度方向的曲率半徑r1及與曲率半徑r1正交的曲率半徑r2。另外，曲率半徑r1、r2分別相當於由以下式(1)、(2)表示之曲率半徑。
Figure 111112082-A0305-02-0009-1
Figure 111112082-A0305-02-0009-2
應變速度算出部141算出各氣泡高度x上的氣泡的應變速度。具體而言，應變速度算出部141算出各氣泡高度x上的、流動方向應變速度(ε1點)、半徑方向應變速度(ε2點)、膜厚方向應變速度(ε3點)。應變速度ε1點，ε2點，ε3點分別藉由以下式(3)~(5)算出。
Figure 111112082-A0305-02-0009-3
Figure 111112082-A0305-02-0009-4
Figure 111112082-A0305-02-0009-5
抑制薄膜移動速度v由以氣泡高度為橫軸的 三角函數表示，剛離開吐出口102a之後取最低值，到達牽引機108時取最高值。因此，若可知分別在吐出口102a及牽引機108中的薄膜移動速度，則能夠推測各氣泡高度x上的薄膜移動速度v。吐出口102a中的薄膜移動速度能夠根據成形材料的擠出量(質量流量)、成形材料的熔融密度、吐出口102a的半徑R0、唇緣寬度(吐出口102a的寬度)H0算出。牽引機108中的薄膜移動速度等同於牽引機108牽引(拉引)薄膜的速度亦即牽引速度，能夠藉由檢測驅動一對夾送輥118、118之馬達的轉速而確定。
另外，推測(確定)各氣泡高度x上的薄膜移動速度v之方法並不限定於此，亦可以藉由其他公知的方法推測(確定)。
內外壓力差確定部143確定由以下式(6)表示之各氣泡高度x上的內外壓力差△P(x)，亦即內外壓力差的分布。
△P(x)=Pin(x)-Pout(x)‧‧‧(6)
其中，Pin(x)：氣泡高度x上的氣泡的內壓
Pout(x)：氣泡高度x上的冷卻風壓
另外，由於空氣具有重量，因此空氣的密度會根據高度發生變化，因此，壓力會根據高度發生變化。通常，高度增加1m，壓力下降10Pa。因此，內外壓力差確定部143在壓力檢測部112所檢測的壓力的基礎上考慮壓力檢測部112的檢測位置與氣泡高度x的高低差來確定氣泡 高度x上的內壓Pin(x)。
冷卻風壓Pout(x)可根據冷卻風的模擬來確定，亦可以使用壓力計檢測。
內壓Pin(x)及冷卻風壓Pout(x)原本取決於氣泡高度x，但亦可以忽略氣泡高度x而設為不變。例如，可以將內壓Pin設為壓力檢測部112所檢測的壓力或基於其之壓力。
又，可以忽略冷卻風壓Pout(x)，亦即可以設為冷卻風壓Pout(x)=0。
應力推測部149根據相關於氣泡中產生之應力與氣泡的內外壓力差△P之公知的関係式，推測各氣泡高度上的應力，亦即應力分布。另外，應力在周向上相同。
黏度推測部144推測各氣泡高度x上的黏度η(x)，亦即高度方向上的黏度分布。黏度推測部144根據公知的各種関係式、由氣泡形狀取得部142取得之各氣泡高度x上的曲率半徑r1、曲率半徑r2、應力推測部149所推測的應力進行推測。另外，氣泡的黏度在周向上相同。
溫度確定部145確定氣泡的各氣泡高度x的溫度。例如溫度確定部145可以根據由溫度檢測部檢測的溫度分布確定氣泡的各氣泡高度x的溫度。例如，氣泡的溫度在周向上相同，可以將某一周向位置上的各氣泡高度x的溫度作為各氣泡高度的溫度。
又，例如溫度確定部145可以根據模具102的溫度確定氣泡的各氣泡高度x的溫度。愈是從吐出後經過 更長時間的成形材料，亦即更高位置的氣泡愈被冷卻。考慮該內容，溫度確定部145可以根據模具102的溫度確定各氣泡高度x的氣泡的溫度。
參數推測部146推測成形材料的黏度參數。黏度參數為由以下式(7)表示之黏度模型式中的參數k0、A、B、C、m(質量流量)、C1、C2、Tref(基準溫度)。
Figure 111112082-A0305-02-0012-6
其中，T：氣泡的溫度
又，應變速度ε點、應變ε藉由以下式(8)、(9)算出。
Figure 111112082-A0305-02-0012-7
Figure 111112082-A0305-02-0012-8
參數推測部146藉由將由式(7)表示之黏度模型式擬合至由黏度推測部144推測之黏度分布來推測黏度參數。
模擬部147執行使用所推測的黏度參數之模擬。模擬部147將成形條件作為輸入來計算氣泡的形狀及 應力。成形條件例如包括成形材料的擠出量、牽引速度、吹比(blow ratio)、模具溫度及冷卻風量。
例如模擬部147可以將成形中的當前成形條件作為輸入，執行模擬。若輸入成形中的當前成形條件，則可知成形中的氣泡是否存在破裂的可能性。若氣泡存在破裂的可能性，則可以藉由畫面顯示、聲音或其他方法向使用者通知該內容。此時，模擬部147可以計算並提示能夠成形為不存在破裂的可能性且品質高的薄膜之成形條件。又，可以自動變更為該成形條件。
又，例如模擬部147亦可以將預定變更的成形條件作為輸入，計算變更成形條件時的氣泡的形狀及應力。此時，例如，可知是否會因變更成形條件而存在破裂的可能性。
輸出處理部148將各種畫面顯示於預定的顯示器。各種畫面例如可以為顯示應力推測部149所推測的成形中的氣泡的應力分布之畫面，又，例如可以為顯示參數推測部146所推測的成形中的氣泡的黏度參數之畫面，又例如可以為顯示模擬相關的畫面之圖。作為變形例，作為輸出處理，輸出處理部148可以藉由預定的印刷機印刷，亦可以向預定的電子郵件位址傳送郵件來代替顯示於顯示器。
圖4係表示模擬畫面之圖。模擬畫面包括成形條件欄150、計算結果欄160、黏度參數欄170。
成形條件欄150包括擠出量欄151、牽引速度 欄152、吹比欄153、模具溫度欄154及冷卻風量欄155。在擠出量欄151中輸入成形材料的擠出量(Kg/h)。在牽引速度欄152中輸入基於牽引機108之牽引速度(m/min)。在吹比欄153中輸入吹比。在模具溫度欄154中輸入模具的設定溫度。在冷卻風量欄155中輸入基於冷卻部104之冷卻風量(m3/min)。
黏度參數欄170中示出參數推測部146所推測的黏度參數k0、A、B、C、m、C1、C2、Tref。控制裝置120的模擬部147將輸入於成形條件欄150之成形條件作為輸入，使用顯示於黏度參數欄170之黏度參數，計算氣泡的形狀及應力。
計算結果欄160包括最大應力欄161、熔融張力欄162、成形可否欄163及形狀顯示欄164。在最大應力欄161中顯示所計算的最大應力。在熔融張力欄162中顯示所計算的熔融張力。熔融張力欄162為作用於熔融成形材料之薄膜移動方向的力。在成形可否欄163中顯示可否成形。在形狀顯示欄164中顯示氣泡形狀。顯示於形狀顯示欄164之氣泡可根據氣泡的半徑、氣泡中產生之應力等有關氣泡的資訊來改變顏色。例如，如圖示的例子所示，可以將半徑小的部分用淺色，氣泡的半徑大的部分用深色顯示氣泡。又，例如，亦可以將所產生的應力小的部分用淺色，所產生的應力大的部分用深色顯示氣泡。
若最大應力成為預定的閾值以上，則氣泡會破裂。因此，藉由參閱最大應力欄161，能夠確認氣泡是 否破裂，又，在推測為氣泡破裂時能夠確認超過該閾值的程度。
若熔融張力不在預定的閾值以上，則由於氣泡不會良好地膨脹而無法成形。因此，藉由參閱熔融張力欄162，能夠確認氣泡是否會良好地膨脹，亦即能否成形，又，在推測為氣泡無法成形時能夠確認比該閾值低的程度。
接著，對如上構成之充氣成形裝置100的動作進行說明。
(1)氣泡形狀取得部142根據氣泡表面的溫度分布的圖像，取得各氣泡高度x上的氣泡的形狀資料。
(2)應變速度算出部141算出各氣泡高度x上的應變速度ε1點，ε2點，ε3點。
(3)內外壓力差確定部143確定各氣泡高度x上的氣泡的內外壓力差。
(4)應力推測部149根據氣泡的內外壓力差，推辭在各氣泡高度x上產生氣泡之應力。
(5)黏度推測部144根據氣泡形狀取得部142所取得的氣泡的形狀資料及應力推測部149所推測的應力來推測各氣泡高度x上的氣泡的黏度，亦即氣泡的黏度分布。
(6)溫度確定部145根據氣泡表面的溫度分布的圖像，確定氣泡的各氣泡高度x的溫度。
(7)參數推測部146根據氣泡的黏度分布及氣泡的溫度，推測氣泡的黏度參數。
(8)模擬部147使用所推測的黏度參數，執行模擬。
另外，該處理順序始終為一例，只要不矛盾，可以更換處理的順序，或者可以並行一部分處理與其他處理。
接著，對本實施形態所發揮的效果行說明。根據本實施形態，可根據氣泡的內外壓力差△P，推測氣泡中產生之應力。此時，與根據驅動夾送輥118之馬達的轉矩來推測應力之情況相比，推測誤差變小。亦即，可推測更準確的應力分布。其中，即使氣泡中產生之平均應力在破裂閾值以下，只要最大應力超過破裂閾值，氣泡自然會破裂。亦即，藉由能夠更準確地推測最大應力，能夠進行更準確的破裂預測。
又，根據本實施形態，推測氣泡的應力分布，並根據氣泡的應力分布推測氣泡的黏度分布。所推測的黏度分布能夠有助於成形條件的調整。例如，可知成形薄膜的品質差時，比較當前黏度分布與薄膜的品質優異時的黏度分布而了解到兩者之間的差異，例如進行提高或降低樹脂的溫度等調整即可。
又，根據本實施形態，能夠推測成形材料的黏度參數，將成形條件作為輸入，能夠計算氣泡的形狀及應力。藉此，例如在無法獲知合適的成形條件的情況下適當設定成形條件而開始成形時，能夠判斷目前的成形條件可行，或者由於存在破裂的可能性等而應變更成形條件。又，能夠提示成形為不存在破裂的可能性且品質高的薄膜之成形條件。亦能夠自動變更為該成形條件。
又，例如，因某種原因變更成形條件時，能夠判斷設定為預定變更的成形條件沒有問題，或者由於有可能破裂等而不應變更為預定變更的成形條件。
又，根據本實施形態，可根據氣泡的內外壓力差△P，推測氣泡中產生之應力。此時，與根據驅動夾送輥118之馬達的轉矩來推測應力之情況相比，推測誤差變小。
以上，根據實施形態，對本發明進行了說明。本領域技術人員應理解該實施形態為示例，該等的各構成元素、各處理製程的組合可具有各種變形例，並且此類變形例亦在本發明的範圍內。以下，對此類變形例進行說明。
(變形例1)
在實施形態中，產生於氣泡的應力、氣泡的黏度、氣泡溫度等在周向上相同，但亦可以將該等設為在周向上不同而推測周向的各位置上的該等的值。
(變形例2)
不同於實施形態，應力推測部149亦可以代替內外壓力差△P而根據驅動夾送輥118之馬達的轉矩，推測應力。然後，可以假設該應力在高度方向上一致產生於氣泡，黏度推測部144推測黏度，參數推測部146推測黏度參數。此時，無法推測氣泡的黏度分布，但關於氣泡的黏度參數， 雖為假設根據牽引速度推測之應力在高度方向上一致產生於氣泡時的值，但能夠推測。
(變形例3)
不同於實施形態，可以假設氣泡的溫度在高度方向上相同，參數推測部146推測黏度參數。此時，溫度檢測部114為檢測點(spot)的溫度之非接觸式的溫度感測器即可。或者，亦可以根據模具102的溫度，推測相同氣泡的溫度。此時，不需要溫度檢測部114。氣泡形狀取得部142例如藉由分析可見光相機所拍攝的氣泡的可見光圖像而取得氣泡的形狀資料即可。又，例如，若氣泡形狀取得部142藉由從可見光圖像取得氣泡的形狀資料等不利用氣泡表面的溫度分布的圖像之方法取得氣泡的形狀，則推測氣泡的黏度分布時無需氣泡的溫度，因此在推測氣泡的黏度分布時無需溫度檢測部114。
根據實施形態，使用具體詞句對本發明進行了說明，但實施形態僅示出本發明的原理、應用的一側面，實施形態可以在不脫離請求的範圍所規定的本發明的思想的範圍內，具有複數種變形例、配置的變更。
112:壓力檢測部
114:溫度檢測部
118:夾送輥
120:控制裝置
130:通訊部
132:U/I部
134:資料處理部
136:記憶部
140:接收部
141:應變速度算出部
142:氣泡形狀取得部
143:內外壓力差確定部
144:黏度推測部
145:溫度確定部
146:參數推測部
147:模擬部
148:輸出處理部
149:應力推測部

Claims (2)

  1. 一種充氣成形裝置，其係具備：溫度檢測部，係取得從模具以圓筒狀吐出之氣泡的溫度分布圖像；壓力檢測部，係檢測前述氣泡內的壓力；氣泡形狀取得部，係藉由分析前述溫度檢測部所取得的前述溫度分布圖像，取得前述氣泡的形狀資料；應力推測部，係根據藉由前述壓力檢測部檢測到的壓力所確定的壓力分布，推測在前述氣泡產生的應力分布；黏度推測部，係根據前述氣泡形狀取得部取得的前述氣泡的形狀資料、和前述應力推測部推測的應力分布，推測前述氣泡的黏度；溫度確定部，係根據前述溫度檢測部取得的前述溫度分布圖像，確定氣泡的溫度；及參數推測部，係根據由前述黏度推測部推測之氣泡的黏度及由前述溫度確定部檢測之氣泡的溫度，推測氣泡的黏度參數，使用被推測到的前述氣泡黏度參數，執行模擬。
  2. 如請求項1所述之充氣成形裝置，其中前述溫度檢測部為紅外線相機。
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