JPH0251042A - 成形材料の型内３次元挙動分布計測方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は成形材料の型内３次元挙動分布計測方法および
装置に関するものである。

〔従来の技術とその技術的課題〕

成形材料たとえばプラスチックやセラミックスの成形を
的確に行うには、可塑性成形材料の型内での流動・固化
状態を正確に把握することが重要である。

プラスチックの射出成形を例にとれば、成形の際のひけ
、そり、ジェツテイング、ウェルドライン、残留応力な
どの各種不良現象が問題となり、これらは型内における
樹脂の流動と密接な関係を有することが知られている。

このような流動状態の解明方法として、従来、フローフ
ロントの挙動を静的にａ察するショートショット法、金
型の一部にガラスなどを用いて型内樹脂流動を観察する
方法が知られており、また数値シミュレーションの手法
による予測も発展している。しかしながらこれらはほと
んどが２次元的であるため、各種不良現象を正確に把握
することができないという問題がある。

この対策として従来、下記のような３次元の流動計測法
が知られている。

■多層着色板のプランジャによる型内への押出し法 ■未混練着色樹脂を射出するマスターバッチマーブル成
形法 ■着色擬似流体を観察する方法 しかしながら、■の方法はゲート通過以前での多層樹脂
の混入を避けられず、■の方法は、流動方向は追跡でき
るものの、ゲート通過に対する時間的な検討が不可能で
あり、■の方法は、通常の成形過程との等優性に難があ
り、いずれにしても。

現実の成形条件下で時間的経過に伴う３次元的な挙動現
象を精密に計測できる汎用性の高い計測技術が確立され
ていなかった。

本発明は前記のような問題点を解消するために研究して
創案されたもので、その目的とするところは、実際の型
内での成形材料の挙動を容易かつ高精度に３次元分布計
測することができ、各種不良現象やセラミックス、複合
材料等の成形過程の解明や数値シュミレーションの検証
等に広く利用できる方法を提供することにある。

また、本発明の他の目的は、上記方法の実施に好適な装
置を提供することにある。

さらに本発明の目的は、成形材料の通過時に集中的に着
磁でき、かつまた漏れ磁束による金型の磁化を抑制でき
る装置を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

上記目的を達成するため本発明は、型内に流れ込む任意
の成形材料に磁化という手法でマーキングを施し、その
着磁材料の型内分布計測により板厚方向を含む挙動パタ
ー・ンを計測するようにしたものである。

すなわち本発明は、型内で固化して位置の固定される成
形材料の挙動を計測する方法であって、成形材料に予め
所定量の磁粉を混入し、この材料を型内に流入する過程
から固化する過程のいずれかで着磁し、成形後、着磁状
態を可視化して面内分布を計測することを基本的特徴と
するものである。

ここで前記成形材料としては、プラスチック。

セラミックス、モルタル、耐火物、非磁性溶融金属、非
磁性金属粉末あるいはそれらの２種以上の複合材料を含
む。

また、本発明の成形材料の型内３次元挙動分布計測装置
は、金型本体と、金型本体の所要位置に埋め込んだ着磁
装置と、成形材料の位置を検出する手段と、この通過検
出手段からの信号で前記着磁装置を作動させて磁界を発
生させる制御手段とを備えていることを特徴とするもの
である。

そして、好ましくは、着磁装置は、金型本体に非磁性材
からなる入れ子が嵌着され、この入れ子にコアが固定さ
れ、このコアは入れ子外に突出し、その部分にコイルが
設けられている構成が採用される。

以下本発明を図面に従って詳述する。

第１図ないし第３図は本発明による成形材料の型内３次
元挙動分布計測方法の概略を示しており。

まず、成形材料Ｗに予め少量の磁粉ｍを添加し。

均一に分散するように混練する。成形材料Ｗとしでは、
一般に低温溶融物すなわちプラスチック、セラミックス
あるいは各種複合材料が用いられるが、ダイカスト成形
のシミュレーションなどの用途としてはウッドメタル等
の低融点非磁性金属も適用できる。さらには、溶融物で
なくメタルインジェクション用としての非磁性金属粉も
使用できる。

磁粉ｍとしては、クロム鋼、高コバルト鋼、フェライト
系、希土類金属などから適宜選択すればよい。成形材料
Ｗに対する磁粉ｍの粒径や添加量は、成形性を損なわず
、必要な磁界強さが得られればよく、その量は着磁手段
の性能にもよるが、たとえば５〜２５重量％である。

次いで、この磁粉入り成形材料Ｗ１を、注入手段１から
成形型２内に圧入または注入して所望形状に成形する。

成形方法としては、射出成形、トランスファー成形、重
力注形などが代表的である。

そして、このときに、磁粉入り成形材料Ｗ、を、少なく
とも流動過程、圧縮過程、保圧過程、冷却固化過程のい
ずれかで着磁するものであり、具体的には、前記過程に
対応する成形型２の所望部位に磁界を生じさせ、ここを
通過する磁粉入り成形材料Ｗｉを着磁させるものである
。

流動過程での着磁は、第３図に示すように、スプール部
２０．ランナー部２１、ゲート部２２のいずれかに着磁
装置！３を組込んで磁界を生じさせ、圧縮過程、保圧過
程、冷却固化過程での着磁はキャビティ２３に着磁装置
３を組込んで磁界を生じさせればよい。キャビティ２３
での着磁は、流動方向と交差する関係で行い、あるいは
任意のスポットで着磁する方法がある。

なお、ゲート部２２での着磁は、図示するようなサイド
ゲートだけでなく、フィルムゲート、ファンゲート、ピ
ンポイントゲート、ディスクゲートなとも含まれる。フ
ァンゲートのような場合は、第３図（ａ）のようにゲー
ト内部に直線状に着磁装置３を配せばよい。

前記着磁装置３は、基本的には、コイル３０とコア３１
とからなっている０着磁装置３の組込み方は、金型上下
方向でもよいし、横方向でもよい。

横方向の場合は、第２図のように、コア３０の一部に成
形材料の通路としてのギャップ３２を形成し、コイル３
０の起磁力により前記ギャップ３２に磁界を生じさせる
もので、磁粉入り成形材料Ｗ１はこの磁界中を通過する
ことにより瞬時に磁化が完了する。このときの磁界の強
さは、次式により表わされる。

ここで、Ｈは磁界強さ、Ｎはコイル巻数、工は電流値、
ｇはギャップ長さ、ｄはコア長さ、μ。

はギャップの透磁率、μＣはコアの透磁率、Ｓ。

とＳｃはそれぞれギャップ部分の断面積、コアの断面積
である。

上式は、より一般的には ＮＩ ここで、μは対応するコア部分の透磁率、Ｓは対応する
コア部分の断面積である。

前記磁粉ｍの磁化強さを得るには、上記式におけるコイ
ル巻数と電流値との積（ＮＩ）を大きく取ればよいこと
がわかる。

コイル３０への電流発生回路は、基本的にはコンデンサ
ー、雷放電回路によるものか、またはＡＣ電源と、変圧
器、ｌｌ流器、スイッチからなるものを用いればよく、
そのスイッチを外部信号により開閉して所望の着磁タイ
ミングを得ればよい。

この着磁タイミングの制御手段４としては、着磁パター
ンをタイミングプログラムにした電子計算機たとえばマ
イクロコンピュータなどが好適である。また、この制御
手段４は、磁粉入り成形材料Ｗ、の位置検出信号を入力
信号として作動させるのが好ましく、その位置検出手段
５としては。

たとえば圧力センサなどが用いられる。

これらマイクロコンピュータと圧力センサを併用した場
合、まず圧力センサー、から材料圧検出信号がマイクロ
コンピュータに送られる。これで成形材料の先端通過が
検出され、任意の着磁パターンによる通電指令がマイク
ロコンピュータから着磁回路に送られる。これを受けて
着磁電流が電気回路に流れ、磁気回路に強力な磁界を発
生させる。

これにより成形材料中の磁粉が磁化し、所要のタイミン
グで成形材料がマーキングされる。したがって、流動過
程での成形材料の流動分布を計測するには、各ショット
毎に着磁のタイミングをシフトさせればよい。

磁粉入り成形材料Ｗ□が冷却固化したならば、成形型２
から取り出した成形品Ｗ２を縦断、横斯または所望の断
面方向で切断し、断面を研摩して試料Ｗを得る。そして
、この試料Ｗの磁化マーキングを可視化６すればよい、
その方法としては、磁気に反応する薬液すなわち磁気検
出液を塗布する手法、フィルム中に磁性微粒子を入れた
磁気シートによる方法、磁性流体を用いる方法、偏光顕
微鏡を用いる方法などが挙げられる。

これにより磁化形態が可視化（パターン化）されるので
、目視あるいはメジャー、顕微鏡、画像計測等により磁
化領域の分布を計測すればよく、これを着磁タイミング
の時々の成形品について実施することで磁化領域が遷移
するため成形材料の型内挙動を容易に計測できる。

次に本発明装置を説明すると、本発明による型内３次元
挙動分布計測装置は、基本的には金型本体２ａ、２ｂと
、金型本体の少なくとも一方に組込んだ着磁装置３と、
成形材料の位置を検出する手段５と、この検出手段５か
らの信号で前記着磁装置３の電気回路８を作動させて磁
界を発生させる制御手段からなっている。

第４図ないし第６図は横方向着磁方式とし、ゲートない
しランナー着磁に適用した例を示している。この場合、
コイルに流れる電流により生じる磁束をコア３１のギャ
ップ部分３２で集中させ。

かつ漏洩磁束による金型の磁化を抑制することが好まし
い、そのため、この例では９着磁装置３を非磁性材料（
たとえばベリリウム銅などの銅合金、ステンレス鋼、析
出硬化鋼などの非磁性鋼など）からなる入れ子７ａを介
して可動側の金型本体２ａに組込んでいる。

また、キャビティ２３やゲート２２の形状変更を容易に
したり、磁化された成形材料の磁界により金型が磁化さ
れないようにするため、この例では、ゲート部とキャビ
ティ部も非磁性材料からなる入れ子７ｂ、７ｃとしてい
る。また、固定側の金型本体２ｂも可動側の入れ子に相
当する部分を一つの非磁性体の入れ子７ｄとしている。

コア３１は、ギャップ３２を有する第１コア３１０と、
コイル３ｏを巻いた０字ないし類似形状の第２コア３１
１からなっており、第１コア３１０は表面がパーティン
グ面２ｃに整合するように入れ子７ａの凹入部７０に定
着され、第２コア３１１は凹入部７０から厚さ方向に伸
びるスリット７１．７１にはめられ、先端が前記第１コ
ア３１０に密接するように埋め込まれている。この例で
は、コイル３０の交換を容易化するため、ボルト１０．
１０で第２コア３１１を支持固定している。

第７図ないし第９図は、ゲートやランナー着磁装置の別
の例すなわち上下方向で着磁を行う形式を示している。

すなわち、入れ子７ａにコイル３０を巻いた第２コア３
１１が嵌挿されるが、この場合には第２コア３１１の一
端が短く形成されることでパーティング・面２ｃとの間
にギャップ３２を構成しており、この第２コア３１１に
対応して固定側の金型本体２ｂには入れ子７ｄが嵌着さ
れ。

これにパーティング面２ｃに整合する溝形の第１コア３
１０が直接埋め込まれるかまたは固定ブロック７ｅを介
して固定されている。７ｆはゲート部とキャビティ部に
対応する入れ子である。

第１０図と第１１図はキャビティ部（ファンゲートで代
表される幅広領域の場合も同じ）での着磁装置を示して
おり、この部分の入れ子を二つ７Ｇ、、７ｃ、に分割し
、可動側の金型本体２ａにおける一方の入れ子７ｃオに
第２コア３１１を嵌着し、これに対応する固定側の金型
本体の入れ子に第１コア３１０を嵌着している。

そしてこの例では、第２コア３１１の片側の脚３１１ａ
をキャビティの幅と同等以上の幅広でかつキャビティ深
さ分りだけ他方の＃１３１　ｌ　ｂよりも短く形成し、
さらに上部を薄肉に欠設し、その部分に非磁性材料から
なる当て板３１２をロウ付は等により固着している。第
１コア３１０も片側の脚３１１ａをキャビティの幅と同
等以上の幅広に形成し、さらに上部を薄肉に欠設し、そ
の薄肉部分３１１ａ’の位置に非磁性材料当て板３１３
をロウ付は等により固着している。固定側金型本体２ｂ
にキャビティが設けられない場合には、第１コア３１０
の両脚は同等の長さとされる。

第１２図と第１３図はキャビティ部着磁の別の例であり
、この例では、分割入れ子７ｃ１．７ｃ。

の一方７ｃ、にキャビティ２３を形成し、これに薄肉部
分３１１　ａ’　と当て板３１２を有する第２コア３１
１を嵌着している。固定側金型本体も同様になっている
。なお、コアの固定方法は前記した方法と同じである。

第１４図はスプール部やピンポイントゲートなどの円形
断面通路に対する着磁装置を示しており、コア３１の両
極の間に非磁性材料からなるこま３１３を介装し、これ
に通路孔２０を形成するものである。

なお、着磁装置３の組込み部分は入れ子構造とすること
が必要であるが、それ以外の金型部分については必ずし
も入れ子構造とする必要はない。

また、本発明の手法は、マンドレル形式、Ｔダイ形式の
押出し成形などにおける材料の挙動計測にも適用するこ
とが可能である。

”〔実　施　例〕 次に本発明の実施例を示す。

本発明によりプラスチックの射出成形時の樹脂流動分布
を計測した。

成形材料はポリプロピレンであり、これに磁粉としてフ
ェライト系磁石粉（粒径２．０μＩ、保磁力３００００
ｅ、飽和磁気５３ｅｍｕ／ｇ）を１０．２０重量％混入
した。熱伝導率（Ｖ／ｍ４，２０℃）は無添加で０．２
９６、１０Ｗ％ニおイテ０．３１３．２０ｗ％において
０．３４１、比重（ｇ／　Ｑ　、１９０℃）は無添加が
１００．１０１％テ１ｌＯ１２０１＋１％で１２０、Ｍ
ｌ値（ｇ／　１０ｍ１ｎ　、　１９０℃）は無添加が１
６．１０℃％で７４．２０ｗ％で１０４を示した。

着磁装置は第４図ないし第６図に示すものを用い、ゲー
ト直近で着磁するようにした。コイル巻数は１７０ター
ン、着磁電流は平均値で１３Ａ（振幅１．２Ａ）の振動
波で、コアギャップにおける磁界強さは１２００００　
ｅ以上を確保できた。位置検出手段としては圧力センサ
を用い、ランナ部位のエジェクタビンの下側に装填した
。制御手段としてパーソナルコンピュータを用い、予め
タイミングプログラムを構築した。

成形条件は、型締めカニ２０ｔｆ、型温：３５℃、樹脂
温度：１９０℃、射出圧カニ３６．８　ＭＰａ、射出速
度：５ｍｍ／ｓ、充填時間：８．２ｓとした。

本実験では、各ショット毎にゲート着磁のタイミングを
シフトさせ、磁化領域の遷移を計測した。

すなわち、第１５図のように、ゲート通過時を起点とし
てＴ抄機各々約１秒間ゲート着磁回路を起動した。その
後、成形品を板厚４ｍｍに切断し、断面に磁気検出液（
タイホー株式会社製、商品名マグネチエッカ−）を塗布
し、磁化形態を可視化した。

第１６図は可視化処理後の磁化領域スケッチを示す、右
の数字は着磁開始時間を示す。また１、第１７図は着磁
開始時間２．４秒における拡大図。

第１８図は着磁開始時間３．４秒の拡大横断面である。

第１６図においてＱ□は１ｍｍを示し、第１７．１８図
の１２２は１０■を示す。

それら図面から本発明は高精度な流動分布計測を行える
ことがわかる。すなわち、型内に射出された樹脂は噴水
流れによりキャビティ内を充填するといわれているが、
第１６図からこの過程の軌跡を読み取ることができる。

詳述すると、噴水流れにおいて５一般に板厚中心部をピ
ークとする速度分布であり、中央部を流れる流動樹脂は
型壁面近傍を流れる樹脂を追い越し、これを巻き込みな
がら次第に壁面側へと押しやられる。この過程で第１６
図８１．ａ、、ａ、に見られるように初期に射出された
流動樹脂の大半が壁面に接触し、成形品表層を形成する
。これが第１６図８１■で明確にわかる。

一方、射出されたすべての樹脂は、ゲート側から１＠次
固化を開始したスキン層との間でずり剪断を繰り返し、
その過程でスキン層上に堆積し薄く広い層状のスキン層
を形成する。この状況も良く示されており、ｂｉ、ｂ２
にはスキン層の逆転現象が起ることが観察できている。

また、第１８図により、幅方向の噴水流れの結果、磁化
樹脂の大半が端面部を通って流動している様子が明確に
示されている。

〔発明の効果〕

以上説明した本発明によるときには、成形材料に予め所
定量の磁粉を混入し、この材料を型内に流入する過程か
ら固化する過程のいずれかで着磁し、成形後、薬液で着
磁状態を可視化して面内分布を計測するため、フローフ
ロントのみの流れでなく、実際の成形装置の型内での成
形材料の挙動特に板厚方向を含む内部挙動を高精度に３
次元計測することができ、各種不良現象の解明や、成形
過程の解明、シミュレーションの検証等に広く利用する
ことができるという優れた効果が得られる。

また本発明によれば、上記方法の実施に好適な装置を提
供することができるというすぐれた効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による成形材料の型内３次元挙動分布計
測方法の概要を示すブロック図、第２図は成形材料着磁
原理を示す説明図、第３図は本発明による着磁位置を示
す成形型の平面図、第３ａ図はファンゲート類の着磁位
置を示す平面図、第４図は本発明装置の一例を示す平面
図、第５図は着磁装置の一例を示す断面図、第６図はそ
の分解斜視図、第７図は本発明の着磁装置の他側を示す
断面図、第８図と第９図は同じくその分解斜視図、第１
０図は本発明の着磁装置本体の他側を示す断面図、第１
１図はこれを組み込んだ型の平面図、第１２図は本発明
の着磁装置本体の他側を示す断面図、第１３図はこれを
組み込んだ型の平面図、第１４図は円形断面部の着磁機
構を示す部分的斜視図、第１５図は本発明の実施例にお
ける着磁開始時間と成形条件との関係を示すグラフ、第
１６図は本発明による型内流動計測、結果を示す説明図
、第１７図は第１６図の一部拡大図、第１８図は第１６
図Ｘ■−Ｘ■線に沿う拡大断面図である。 １・・・注入手段、２・・・成形型、３・・・着磁装置
、４・・・制御装置、５・・・位置検出装置、Ｗ・・・
成形材料、ｍ・・・磁粉、２０・・・スプール、２１・
・・ランナー、２２・・・ゲート、２３・・・キャビテ
ィ、３０・・・コイル、３１・・・コア

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）型内で固化して位置の固定される成形材料の挙動
   を計測する方法であって、成形材料に予め所定量の磁粉
   を混入し、この材料を型内に流入する過程から固化する
   過程のいずれかで着磁し、成形後、着磁状態を可視化し
   て面内分布を計測することを特徴とする成形材料の型内
   ３次元挙動分布計測方法。
2. （２）成形材料がプラスチック、セラミックス、非磁性
   金属、それらの２種以上の複合材料等から選定される特
   許請求の範囲第１項記載の成形材料の型内３次元挙動分
   布計測方法。
3. （３）着磁位置が、スプール部、ランナー部、ゲート部
   、キャビティ部のいずれかである特許請求の範囲第１項
   記載の成形材料の型内３次元挙動分布計測方法。
4. （４）金型本体と、金型本体の所望位置に組み込んだ着
   磁装置と、成形材料の位置を検出する手段と、この通過
   検出手段からの信号で前記着磁装置を作動させて磁界を
   発生させる制御手段とを備えていることを特徴とする成
   形材料の型内３次元挙動分布計測装置。
5. （５）着磁装置がコアとコイルとを備え、コアが非磁性
   材料からなる入れ子に取付けられ、該入れ子が金型本体
   に嵌着されている特許請求の範囲第４項記載の成形材料
   の型内３次元挙動分布計測装置。
6. （６）着磁装置が一方の金型本体に組み込まれている特
   許請求の範囲第４項記載の成形材料の型内３次元挙動分
   布計測装置。
7. （７）着磁装置が双方の金型本体に組み込まれている特
   許請求の範囲第４項記載の成形材料の型内３次元挙動分
   布計測装置。