JP4987859B2 - 射出成形機の射出成形工程の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ゲートを通して溶融物を注入して成形品が製造可能な少なくとも１つのキャビティが形成された射出金型を有する射出成形機の射出成形工程の冷却時間の制御方法に関する。

従来の射出成形機による射出成形工程は、基本的には時間の経過に応じて幾つかの段階、具体的には下記のような段階に分けられる。
・型締め
・溶融物の注入
・保圧
・射出成形品の冷却
・型開き
・成形品の離型
型開き、型締め及び離型に１サイクルの約３５％、注入に５％並びに保圧に１０％の時間を要し、冷却には５０％もの時間が必要である。現在は絶えずサイクルの短縮の要望があるので、この時間短縮の進展が注目されている。

冷却時間を計算する、数学的な方程式とは異なった種々の式がある。例えば下記に示す数式１が知られている。

数式中の変数は下記のように定義される。
ｔ_ｃｏｏｌ ＝ 冷却時間 ［秒］
ｓ ＝ 成形品の断面厚さ ［ｍｍ］
ａ_ｅｆｆ ＝ 熱伝導度
Ｔ_Ｍ ＝ 樹脂の溶融温度
Ｔ_Ｅ ＝ 樹脂成形品の離型温度
Ｔ_Ｗ ＝ 金型壁温度
成形に先立って、成形品の冷却時間はこの式又は類似の式が用いて概算されることが多い。この概算に基づいて射出成形工程の制御が行なわれる。

最近では、成形の各サイクルにおいて最短の冷却時間が設定でき、また、サイクルを自動的に中断し且つ成形品の離型のために型開きが設定できるように、冷却時間の制御が提案されている。この冷却時間の制御に際しては、成形品の厚さ及び樹脂の熱伝導度、並びに溶融温度及び離型温度が一度だけ測定されて入力される。その際、サイクル毎に測定される金型壁温度の最大値が重要である。同時に、金型内圧が大気圧（１バール）に降下する時点も測定される。この値は理論値と比較され、成形機の操作における型開きを決める最適値としてディジタル信号として出力される。しかし、実際には、この方法によっては冷却の時間の短縮は殆どできないことに留意すべきである。選択する温度センサにより、操作又は測定誤差が大きくなる。
欧州特許出願公開第０７０４２９３号明細書では、樹脂加工用の射出成形装置及び成形金型の温度調節する方法が記載されている。そこでは、金型からの除熱として、単に金型の冷却又は温度調節が支配的であるとしている。特に金型の加熱機構に影響する乱流を平均化するように、金型内の加熱媒体が拡散する時間を制御するように構成されている。温度測定の位置として、注入された溶融物並びにその溶融物が当る位置の温度を温度サイクル毎に測定することが述べられている。この位置は、型の外郭と冷却溝又は冷却表面の幾何学的にほぼ中間域及び型の外郭から十分隔たった冷却水入口及び出口の中間域にあるか、又はシリンダー温度の場合にはシリンダー内壁と温度調節用溝の中間域にある。

本発明の課題は、上記の技術に基づいてサイクル時間を短縮する方法を開発することにある。

キャビティ内の金型壁温度の時間経過を測定し、その測定に基づいて冷却時間を制御することにより課題が解決される。

速く離型するには、第一に成形品に、また金型の除熱に依存することが確認されている。例えば、原理的には金型の表面から離れるほど冷却が遅く、表面近傍において速くなる。銅合金の中子は鋼の中子よりも除熱が良好である。本発明の方法により、冷却時間が従来よりも５０％まで削減できることが確認された。ここでは、この削減が金型温度の時間経過に一義的に反映されることが重要である（図１参照）。

金型の中子に銅合金を用いると、除熱が良好なため急速に降下する一点鎖線で示す冷却曲線となるので、極めて速く離型可能となる。破線で示されるように単に輪郭近傍を冷却しても、加速はされるが、そんなに速くはない。実線で示される従来の標準冷却では、除熱が劣るため曲線が緩やかとなる。３つの曲線においては、金型壁温度の最高値は実質的に同じであるが、背景技術に記載した方法では役に立たないことは明らかである。

すなわち、例えば最短の冷却時間を実現するためには、射出成形機の工程の監視及び工程の制御は、第一に温度経過曲線により行なうべきであり最高値によるべきではない。金型壁温度の時間経過又は間接的には温度曲線の積分によって冷却時間の短縮を実現することが好ましい。

生産中の除熱を変更させると、それぞれの成形品の振動特性と同時に品質に影響する。例えば、温度曲線を積分する監視では、除熱の変化に基づいて不良品を選別できる。

しかし、工程の制御は温度経過によるのみではなく、金型内圧によってその内圧が大気圧に達する時点まで行なうことが好ましい。更に、補助量又は初期値として、最高金型壁温度を用いてもよい。

最適な冷却時間を実現するために、内圧が最も長く作用するゲートに隣接して圧力センサを設置することが好ましい。圧力センサを流路の末端に離して設置するほど、金型内圧曲線が小さく且つ短くなる。

最適な冷却時間に従って型開きできる限界時点ｔ１は、金型内圧が大気圧に達する時点ｔ２よりも前である。すなわち、最適冷却時間は、ゲートに隣接して測定した内圧が大気圧に達した時点ｔ２よりも常に短い。従って、リアルタイムにおける最適冷却時間ｔ１は式：ｔ１＝ｔ２−Δｔにより決定される（図２参照）。本発明では、冷却時間が、内圧が大気圧に達した時間より長い場合も含まれる。

しかし、最適冷却時点ｔ１を算出する基準値は、金型壁温度曲線の積分値である（図３参照）。

従って、所定の限界時点ｔ１に達するまでリアルタイムにおける温度曲線を積分して制御が行なわれるべきである。

積分に際しての時間の初期値は、例えば上述のように、金型壁温度曲線の最高値又は保圧への転換点又は金型内圧の最高値が選ばれる。転換点は温度信号又は金型内圧の閾値（例えば１２０バール）により自動的に生成される。

最適な冷却時間に従って型開きできる限界時点ｔ１は、例えば直前のサイクルの全積分（Ａ１＋Ａ２）から所定の面積Ａ２′を減ずることにより決定される。面積Ａ２′は実験的に決定するか又は成形品の素材又は形状の特性値を用いて算定される。

実際のサイクルでは、型開きの時点から面積Ａ１が計算できる。従って型開きはリアルタイムで行なわれる。

複数のキャビティを有する金型では、それぞれの成形品の性質を同等とするために、各キャビティを同等に温度調節する必要があり、加熱媒体（水、油、電気など）は何の役割も果たさない。理想的には、各キャビティの温度曲線は同一であるべきである。温度曲線が上昇する前は、溶融物がセンサに達していないので、測定した金型壁温度が金型温度に相当する。金型温度は余り変化しないように保たれ、それぞれの高感度の温度調節系を用いて、長時間に渉って、設定値を上回る温度にするか又は保持される。

しかし、水による温度調節においては、個々のキャビティ内の設定温度は乱流（多い拡散）よりは層流（少ない拡散）により達成される。同等の温度条件を実現するため、実際には、２つの調節法、すなわち温度調節装置の設定値の制御及び除熱の制御が用いられ、センサの位置へ溶融物が達した後の温度曲線の時間経過に伴う除熱の変動が観察できる。それによって個々のキャビティの金型温度が区別でき、拡散を増大させるか又は減少させることにより自動適合（制御）が可能となる。２つの制御の目的は、同一の温度条件を得ることであり、温度調節回路数（従って、温度信号の数）は任意に設定できる。その前提は、温度調節チャネル（又は電気的加熱帯）毎に温度センサが備えられることである。

種々の条件における金型の冷却曲線を示す図 金型内圧の時間による変化を示す図 金型温度曲線の積分法を説明する図

符号の説明

ｔ１ 型開き時点
ｔ２ 金型内圧が大気圧と同等になる時点
Δｔ ｔ１とｔ２の時間差
Ａ１ ｔ１までの積分値
Ａ２ ｔ１〜ｔ２の積分値

Claims (7)

1. 射出成形品を製造するために、ゲートを通って溶融物が注入される少なくとも１つのキャビティが形成された射出成形金型を有する射出成形機において、
   キャビティ内の金型壁温度の時間による変化が測定され、その時間による変化に基づいて射出成形工程の冷却時間が制御され、
   金型壁温度の時間による変化の初期値として金型壁温度が最大となる時点、保圧へと転換する時点又は金型内圧が最高となる時点が用いられ、前記金型壁温度の時間による変化に基づく冷却時間の制御は、前記金型壁温度の温度曲線を積分した形で実行され、前記温度曲線は積分値が型開きできる限界時点に達するまで積分されることを特徴とする射出成形工程を制御する方法。
2. 金型壁温度により自動的に生成された保圧へと転換する時点が、金型壁温度の時間経過の時間による積分の初期値として用いられることを特徴とする請求項１に記載の射出成形工程を制御する方法。
3. 金型内圧が測定され、最大圧又は保圧へと転換する時点が金型壁温度の時間による変化の時間による積分の初期値として用いられることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の射出成形工程を制御する方法。
4. ゲートに隣接した金型部の内圧が測定されることを特徴とする請求項３に記載の射出成形工程を制御する方法。
5. 金型内圧は大気圧に達するまで測定され、大気圧に達した時点が制御パラメータとして用いられることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の射出成形工程を制御する方法。
6. 複数のキャビティを有する金型において、金型壁温度の時間による変化を制御できるように、個々のキャビティにおける温度調節用媒体のそれぞれの温度が等しくなるように制御されることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の射出成形工程を制御する方法。
7. 金型壁温度の時間による変化を制御するために複数の金型の温度調節ゾーン又は温度調節回路は、個々のゾーン又は個々の回路における温度調節用媒体の温度が等しくなるように制御されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の射出成形工程を制御する方法。

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