(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化材を供給可能な供給口を有するバレルと、
前記バレル内に収容されるスクリュと、
前記スクリュを回転駆動する駆動部と、
前記バレル内に母材を供給するホッパと、
連続繊維からなる少なくとも２種類の異なる特性の強化材を前記供給口から前記バレル内に供給可能な強化材供給装置と、
前記バレルから前記強化材が分散した成形材料が供給され、前記成形材料の計量を行うとともに金型内に前記成形材料を射出する射出機構と、
を備えることを特徴とする射出装置。
【請求項２】
前記強化材は、素材の異なる２種類以上の強化材であることを特徴とする請求項１に記載の射出装置。
【請求項３】
前記強化材は、素材は同じで特性が異なる２種類以上の強化材であることを特徴とする請求項１に記載の射出装置。
【請求項４】
前記強化材は、素材と特性がともに異なる２種類以上の強化材であることを特徴とする請求項１に記載の射出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかの項に記載した射出装置を備えることを特徴とする射出成形装置。
【請求項６】
ホッパから加熱されたバレルに母材を供給し、加熱された前記バレルの熱により前記母材を溶融し、
連続繊維からなる少なくとも２種類の強化材であって、特性を補完し合う異なる特性の強化材を前記バレル内に供給し、前記バレル内で前記強化材を前記母材に混合して複合材料を生成し、
前記複合材料を金型内に射出し成形品を成形することを特徴とする成形品の製造方法。
【請求項７】
前記強化材は、ピッチ系炭素繊維と、ＰＡＮ系炭素繊維の組み合わせであることを特徴とする請求項６に記載の成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可塑化装置、射出装置、成形装置、押出機、及び成形品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
射出成形法により成形される成形品には、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維を母材の樹脂に混入した複合材料を材料とするものがある。複合材料を材料とすることにより、軽量化や機械的強度の強化を図ることができる。
【０００３】
例えば、自動車の分野では、ガソリン車のさらなる燃費の向上、あるいはハイブリッド車や電気自動車の走行距離の向上を目指して、部品の材料を金属から炭素繊維強化樹脂やガラス繊維強化樹脂などの複合材料に置き換え、これによる車体重量の軽量化が検討されている。
【０００４】
従来、成形品の製造メーカーでは、材料メーカーが提供している、あらかじめ複合材が混入しているペレットを利用して、複合材の成形品を製造するのが一般的であった。例えば、特許文献１には、ガラス繊維や炭素繊維等の長繊維を樹脂に混入した複合材ペレットの製造方法が開示されている。
【０００５】
複合材ペレット、とりわけ炭素繊維が混入されたペレットは高価である。これは、炭素繊維が高価である上に、樹脂に混ぜるコンパウンド工程、ペレットに加工するペレタイジング工程などを経るからである。このため、航空機の分野では、複合材の導入が進んでいるが、自動車部品等の量産品への導入にはコストが障害になっている。
【０００６】
そこで、強化繊維入りの複合材ペレットを使用しないで、複合材料の成形品を成形する技術が開発されている。例えば、特許文献２、３では、射出ユニットの可塑化装置のバレル内で樹脂を溶融したときにガラス繊維などの強化繊維を直接混入する成形技術が提案されている。
【０００７】
また、特許文献４では、可塑化装置のバレルに開口しているベント口から強化繊維を投入する成形品の製造方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００９−２４２６１６号公報
【特許文献２】特開２００８−５１５６８２号公報
【特許文献３】特開２００７−２０３６３８号公報
【特許文献４】特開２０１４−１６６７１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２乃至４に開示されているような従来の可塑化装置は、溶融された樹脂に対して、１種類のみの強化繊維を投入して混ぜ合わせるというものであり、材料選択の自由度が狭いという問題があった。炭素繊維なら１種類、ガラス繊維であれば１種類というように、バレル内に投入していくので、得られる複合材料に多様な特性を付加する点では限界がある。
【００１０】
一般に、複合材料では、炭素繊維として、ピッチ系の炭素繊維と、ＰＡＮ系の炭素繊維が使用されている。ＰＡＮ系炭素繊維は、引張強度には優れているが曲げ剛性は高くないという特性がある。ピッチ系炭素繊維は、曲げ剛性が高いという特性がある。
【００１１】
従来は、可塑化装置に１種類だけ炭素繊維を投入するのが技術常識であったため、例えば、ＰＡＮ系の炭素繊維を混ぜた場合には、引張強度は強化できても、曲げ剛性は強化することができないという問題があった。他方、ピッチ系の炭素繊維を混ぜた場合には、曲げ剛性は強化できても、引張強度は向上せず、また、コストが高くなってしまうという問題があった。
【００１２】
また、可塑化装置のバレルに炭素繊維を投入した場合には、１種類の炭素繊維では、分散性の悪さが問題となり、思うような物性の向上が得られないという問題もあった。
【００１３】
そこで、本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、可塑化装置に投入できる強化繊維の選択自由度を広げ、多様な機械的物性を持った複合材料の成形品を低コストで成形できるようにする射出装置、成形装置、及び成形品の製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記の目的を達成するために、本発明に係る射出装置は、
強化材を供給可能な供給口を有するバレルと、
前記バレル内に収容されるスクリュと、
前記スクリュを回転駆動する駆動部と、
前記バレル内に母材を供給するホッパと、
連続繊維からなる少なくとも２種類の異なる特性の強化材を前記供給口から前記バレル内に供給可能な強化材供給装置と、
前記バレルから前記強化材が分散した成形材料が供給され、前記成形材料の計量を行うとともに金型内に前記成形材料を射出する射出機構と、
を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明に係る成形装置は、上記した射出装置を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明に係る成形品の製造方法は、
ホッパから加熱されたバレルに母材を供給し、加熱された前記バレルの熱により前記母材を溶融し、
連続繊維からなる少なくとも２種類の強化材であって、特性を補完し合う異なる特性の強化材を前記バレル内に供給し、前記バレル内で前記強化材を前記母材に混合して複合材料を生成し、
前記複合材料を金型内に射出し成形品を成形することを特徴とするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明による可塑化装置が適用される射出成形機の一実施形態を示す側面図である。
【図２】図１の可塑化装置を備えた射出装置の断面図である。
【図３】２種類の炭素繊維が樹脂に混合される状況を説明する図である。
【図４】２種類の炭素繊維が樹脂に混合される状況を説明する図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明による射出装置、成形装置、及び成形品の製造方法の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施形態による可塑化装置が適用される射出成形機（成形装置）１０の概要を示す図である。図１において、参照番号１２は射出装置の全体を示す。参照番号１４は射出成形機の型締装置（型開閉装置、開閉装置）を示している。射出成形機１０は、可塑化装置３０を備えた射出装置１２と型締装置１４とを有している。
【００２２】
型締装置１４では、固定ダイプレート（固定盤）１５が射出装置１２側の一端側にフレーム１１上に固定されている。フレーム１１の他端側には、リンクハウジング（受圧盤）１６が設置されている。固定ダイプレート１５と、リンクハウジング１６の間には、移動ダイプレート（可動盤）１７が移動可能にフレーム１１上に配置されている。固定ダイプレート１５には固定金型１８が取り付けられ、移動ダイプレート１７には移動金型１９が取り付けられている。これらの固定金型１８と移動金型１９とによって成形品を成形するキャビティ２０が形成されている。
【００２３】
固定ダイプレート１５とリンクハウジング１６とは、複数の（例えば、４本の）タイバー２１によって連結されている。
【００２４】
この実施形態では、固定金型１８に対して移動金型１９を開閉する開閉機構として、トグルリンク機構２２が設けられている。
【００２５】
トグルリンク機構２２は、クロスヘッド２４と連結されている。クロスヘッド２４には、ナット部２５が設けられており、サーボモータ２６によって駆動されるボールねじ２７がナット部２５に螺合するようになっている。
【００２６】
図１では、トグルリンク機構２２が伸びた状態が示されている。クロスヘッド２４が右方に移動し、トグルリンク機構２２が伸びることで、移動ダイプレート１７が前進し、型閉じが行われる。そして、固定金型１８に対して、移動金型１９が当接して型閉じがされた後、トグルリンク機構２２をさらに伸ばすことで、大きな型締め力を発生する。逆に、クロスヘッド２４が図１において左方に移動すると、トグルリンク機構２２が屈曲されるので、移動ダイプレート１７は後退して、型開きが行われる。
【００２７】
次に、射出装置１２について説明する。ここで、図２は、射出装置１２の構成を示す断面図である。
【００２８】
この実施形態による射出装置１２は、予備可塑化式の射出装置である。射出装置１２は、大きく分けると、成形材料（母材、強化材、複合材料）を溶融及び混練・混合して送り出す可塑化装置（押出機、可塑化部、可塑化機構）３０と、溶融した成形材料を計量するとともに金型内のキャビティ２０に射出する射出部（射出機構）３２とを有している。
【００２９】
可塑化装置３０は、例えば、単軸の押出機として構成されており、バレル３３には、フライト３１が螺旋状に周回しているスクリュ３４が挿入されている。このバレル３３には、例えば、ペレット状に加工された樹脂ペレット６０（成形材料、母材）をバレル３３内に供給するためのホッパ３５が設けられている。バレル３３の外周部には、バレル３３を加熱する加熱ヒータ３６が配置されている。
【００３０】
参照番号３７は、スクリュ３４を駆動するモータ（駆動部）である。スクリュ３４の後端部には、プーリ３８ａが取り付けられている。スクリュ駆動モータ３７の回転軸には、プーリ３８ｂが取り付けられ、プーリ３８ａ、３８ｂに巻き掛けられたベルト３９を介して、スクリュ駆動モータ３７の回転がスクリュ３４に伝達される。可塑化装置３０では、スクリュ駆動モータ３７によりスクリュ３４を回転させると、ホッパ３５からバレル３３内に供給された母材が溶融される。
【００３１】
本実施形態による可塑化装置３０では、母材となる樹脂は、例えば、ペレット６０によって供給され、その樹脂に複数種類の強化繊維（強化材、成形材料）を混入し（混合し）成形材料となる複合材料を生成できるように、後述するような異種強化繊維投入装置（強化繊維投入装置、強化材投入装置、強化材供給装置）４０が設けられている。複数種類の強化繊維は、バレル３３に開口しているベント孔（投入口、供給口）４４からバレル３３内に供給されるようになっている。ベント孔４４は、本来、溶融樹脂中の揮発成分を排気するための孔であるが、この実施形態では、強化繊維の供給口として利用する。
【００３２】
母材の樹脂に複数種類の強化繊維が混合されながら、成形材料（複合材料）はバレル３３の前方に送られる。バレル３３の先端部は、射出部３２を構成している射出シリンダ５０と連結されている。射出シリンダ５０には、射出プランジャ５１が摺動自在に嵌合しており、射出プランジャ５１は、駆動シリンダ５２によって前進および後退するようになっている。
【００３３】
可塑化装置３０から射出シリンダ５０に押し出された成形材料は、射出プランジャ５１が後退する過程で計量される。射出シリンダ５０内に溜められた成形材料（複合材料）は、射出プランジャ５１を前進させることで、ノズル４８から固定金型１８と移動金型１９によって形成されたキャビティ２０に充填される。
【００３４】
次に、可塑化装置３０のバレル３３内に強化繊維を供給するための異種強化繊維投入装置４０について説明する。
【００３５】
まず、本実施形態の可塑化装置３０で用いられる材料について説明する。  
複数種類の強化繊維を混合した複合材料の母材となる樹脂は、例えば、ナイロン系樹脂、ポリカーボネイト系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂等、各種の樹脂が用いられる。これらの任意の樹脂が、例えば、樹脂ペレット６０として用いられる。
【００３６】
強化繊維（強化材）には、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、植物繊維等の様々な材料が用いられる。
【００３７】
このように強化繊維には、多様な種類の強化繊維がある。
【００３８】
材料（素材、原材料）の違いの観点から分類すると、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、植物繊維等の様々な種類の繊維があり、いずれの強化繊維も用いることができる。
【００３９】
材料の観点からは同種の強化繊維に分類される強化繊維であっても、製法、化学構造等の相違により特性が異なるものがある。
【００４０】
すなわち、例えば、アラミド繊維には、引張強度、耐摩耗性、耐衝撃性等の機械的強度が高いパラ系アラミド繊維と、耐熱性、防炎性の高いメタ系アラミド繊維とがある。また、炭素繊維には、引張強度に優れているＰＡＮ系炭素繊維と、曲げ剛性に優れたピッチ系炭素繊維とがある。そして、本実施形態では、このような材料の観点からは同種の強化繊維に分類される強化繊維であっても、製法、化学構造等の相違により特性が異なる強化繊維についても異種の強化繊維（異なる強化繊維、異なる強化材）として扱われる。
【００４１】
強化繊維には、綿のような短繊維と、単繊維が糸のように連続する連続繊維（長繊維）があるが、本実施形態では、連続繊維の形態をなしている強化繊維が用いられている。
【００４２】
炭素繊維の場合、例えば、太さが５−７μｍ程度の連続繊維を、数万本から十数万本を束ねた繊維束にしたものが用いられる。同様に、ガラス繊維、アラミド繊維についても、連続繊維を束ねた繊維束を、次に説明するような異種強化繊維投入装置４０に装着される。
【００４３】
図２に示されるように、異種強化繊維投入装置４０には、強化繊維の繊維束（強化繊維巻体、強化材巻体）が着脱可能に装填される複数の、例えば、３つの強化繊維装填部（強化材装填部）４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃが設けられている。
【００４４】
強化繊維装填部４１Ａ、４１Ｂ、４１Ｃには、例えば、異なる種類の強化繊維で構成される強化繊維巻体が着脱可能に装填される。この実施形態では、例えば、強化繊維装填部４１Ａにピッチ系炭素繊維巻体４２が、強化繊維装填部４１ＢにＰＡＮ系炭素繊維の巻体４３が装填された例を示す。
【００４５】
強化繊維装填部４１Ａ、４１Ｂでは、ピッチ系炭素繊維の巻体４２、ＰＡＮ系炭素繊維の巻体４３は、回転しながら繊維束４２Ａ、４３Ａが同時に可塑化装置３０に向かって繰り出されるようになっている。
【００４６】
このような異なる種類の炭素繊維の繊維束４２Ａ、４３Ａは、バレル３３に開口しているベント孔４４まで引き出され、このベント孔４４からバレル３３内部に同時に連続繊維のままで投入される。
【００４７】
本実施形態による可塑化装置（射出装置）は、以上のように構成されるものであり、次に、成形品の製造方法との関連において、作用及び効果について説明する。
【００４８】
図２において、バレル３３が加熱ヒータ３６によって加熱され、所定の温度になると、ホッパ３５から樹脂ペレット６０がバレル３３に投入される。同時に、バレル３３内のスクリュ３４を回転させる。
【００４９】
ペレット状に構成された、母材である樹脂ペレット６０は、スクリュ３４の回転によって、加熱ヒータ３６によって加熱されたバレル３３の熱により溶融されながらバレル３３の先端側に向かって送られていく。
【００５０】
このようにして、母材の溶融・混練が開始されると、異種強化繊維投入装置４０からピッチ系炭素繊維の繊維束４２Ａと、ＰＡＮ系炭素繊維の繊維束４３Ａがベント孔４４からバレル３３内に連続的かつ同時に供給される。
【００５１】
この場合、ピッチ系炭素繊維の繊維束４２ＡとＰＡＮ系炭素繊維の繊維束４３Ａが、回転しているスクリュ３４のフライト３１に絡みつくので、バレル３３内に連続して引き込まれていく。そして、ベント孔４４の位置まで送られてくる溶融状態の樹脂と混じり合う過程で、繊維束４２Ａ、４３Ａを構成している単繊維の各々は、フライト３１とバレル３３の内面の間に挟まったときに受けるせん断力により、比較的長さのあるピッチ系炭素繊維の単繊維片４２ＢやＰＡＮ系炭素繊維の単繊維片４３Ｂに切断される（図３参照）。そして、スクリュ３４の回転によりこれらが樹脂中に均一に分散するように混練されながら、バレル３３の先端部に送られる。
【００５２】
このようにして可塑化装置３０において、ピッチ系炭素繊維の単繊維片４２ＢとＰＡＮ系炭素繊維の単繊維片４３Ｂが混合された溶融樹脂、つまり複合材料は、バレル３３の先端部に送られ、さらにバレル３３の先端部から射出シリンダ５０の内部に押し出される。
【００５３】
そして、図１、図２において、射出プランジャ５１が後退しながら計量が行われ、射出シリンダ５０内に溜められたピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維が混じり合わされた樹脂、つまり、複合材料は、射出プランジャ５１により、キャビティ２０に射出される。
【００５４】
以上のような実施形態によれば、ホッパ３５からは樹脂ペレット６０が供給され、異種強化繊維投入装置４０によって、ピッチ系炭素繊維の連続する繊維束４２Ａと、ＰＡＮ系炭素繊維の連続する繊維束４３Ａが可塑化装置３０のバレル３３内に同時に供給されるので、スクリュ３４の回転によりそれらが混合されて、ピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維が母材の樹脂に分散された複合材料を生成することができる。
【００５５】
この複合材料では、引張強度が高いというＰＡＮ系炭素繊維の特性を生かし、曲げ剛性に弱いという弱点を曲げ剛性の高いピッチ系炭素繊維を混ぜることで補い、引張強度と曲げ剛性がともに向上した複合材料を生成することが可能になる。なお、ピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維の混合割合は、繰り出し速度を調整したり、ピッチ系炭素繊維の繊維束４２ＡとＰＡＮ系炭素繊維の繊維束４３Ａの単繊維の本数を変えたりすることで、所望の混合割合にすることが可能である。
【００５６】
また、ホッパ３５から供給する樹脂ペレット６０には、あらかじめ炭素繊維の混合したコストの割高な樹脂ペレットを用いる必要がなくなるので、材料コストを大幅に低減することが可能となり、複合材料により成形された成形品の量産化の実現に資する。
【００５７】
しかも、異種強化繊維投入装置４０は、任意の異なる２種類以上の強化繊維をバレル３３に同時に供給することができる。上述した例では、強化繊維として、ピッチ系炭素繊維とＰＡＮ系炭素繊維を組み合わせているが、これに限定されるものではない。
【００５８】
ところで、炭素繊維の連続繊維は、バレル３３内に供給された後、スクリュ３４で混合される過程で、分散性が悪い場合がある。その場合、例えば、ＰＡＮ系炭素繊維とガラス繊維とを組み合わせてバレル３３内で混ぜ合わせれば、分散性の悪い炭素繊維の隙間に分散性の良好なガラス繊維が入り込むことで、全体の分散性が向上し、引張強度等を向上させる効果が期待できる。
【００５９】
強化繊維の組み合わせとしては、そのほか、炭素繊維と植物繊維、ガラス繊維と植物繊維、アラミド繊維と炭素繊維、アラミド繊維とガラス繊維、アラミド繊維と植物繊維といった組合せも可能である。以上のようにして、材料の選択自由度が広がることから、これまでにないような機械的物性の向上した新しい複合材料を成形現場で直接開発することができ、しかもその複合材料による成形品の量産を実現することが可能になる。
【００６０】
以上の実施形態では、バレル３３に元々開口しているベント孔４４を利用して強化繊維をバレル３３内に供給していたが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、ベント孔４４ではなく、スクリュ３４によって混練されて樹脂が溶融状態になっている位置に、強化繊維供給用の孔をバレル３３に設けるようにしてもよい。
【００６１】
また、強化繊維供給孔は、１つに限られずに、複数あってもよい。例えば、図４に示されるように、バレル３３に３つの強化繊維供給孔（強化材供給孔）６２Ａ、６２Ｂ、６２Ｃを設けるようにしてもよい。
【００６２】
例えば、最上流の位置にある強化繊維供給孔６２Ａからはガラス繊維の連続繊維ＧＦが供給され、中間の強化繊維供給孔６２Ｂからは炭素繊維の連続繊維ＣＦが供給され、最下流の強化繊維供給孔６２Ｃからはアラミド繊維の連続繊維ＡＦが供給される。これによれば、最上流からガラス繊維の連続繊維ＧＦが供給されるので、その後に混じる炭素繊維、アラミド繊維の分散性を容易に高めることができる。
【００６３】
以上、本発明について、予備可塑化式の射出装置に適用した実施形態を挙げて説明したが、これに限られるものではない。例えば、可塑化装置３０と射出部が一体となったインライン式の射出装置にも適用可能である。さらに、可塑化装置３０は、成形材料の溶融および混練、ペレットの成形を主目的にした押出機としても構成可能である。
【００６４】
また、本実施形態では、母材をペレット状としたが、本発明はこれに限らない。例えば、本発明の母材としては、ペレット状のような大きさに細断された母材を利用してもよい。
【符号の説明】
【００６５】
１０…射出成形機（成形装置）、１２…射出装置、１４…型締装置、１５…固定ダイプレート（固定盤）、１６…リンクハウジング（受圧盤）、１７…移動ダイプレート（可動盤）、１８…固定金型、１９…移動金型、２０…キャビティ、２２…トグルリンク機構、３０…可塑化装置、３２…射出部、３３…バレル、３４…スクリュ、３５…ホッパ、３６…加熱ヒータ、４０…異種強化繊維投入装置（強化繊維投入装置、強化材投入装置、強化材供給装置）、４１Ａ〜４１Ｃ…強化繊維装填部（強化材装填部）、４２…ピッチ系強化繊維の巻体、４４…ＰＡＮ系炭素繊維の巻体、４２Ａ…ピッチ系強化繊維の繊維束、４３Ａ…ＰＡＮ系炭素繊維の繊維束、４２Ｂ…ピッチ系強化繊維の繊維片、４３Ｂ…ＰＡＮ系炭素繊維の繊維片、４４…ベント孔（投入孔、投入口、供給口）、５０…射出シリンダ、５１…射出プランジャ、６０…樹脂ペレット（成形材料、樹脂、母材）
【要約】
【課題】可塑化装置に投入できる強化繊維の選択自由度を広げ、多様な機械的物性を持った複合材料の成形品を低コストで成形できるようにする。
【解決手段】この可塑化装置３０は、強化材を供給可能な供給口４４を有するバレル３３と、バレル３３内に収容されるスクリュ２４と、スクリュ２４を回転駆動する駆動部３７と、バレル３３内に母材を供給するホッパ３５と、少なくとも２種類の強化材を供給口４４からバレル３３内に供給可能な強化材供給装置４０と、を備えている。
【選択図】図２【図１】
0005872663.tif 000002
【図２】
0005872663.tif 000003
【図３】
0005872663.tif 000004
【図４】
0005872663.tif 000005