(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部にスクリュが設けられるシリンダに、樹脂原料と強化繊維を供給し、前記スクリュを回転させることにより前記樹脂原料を溶融して、前記強化繊維を含む溶融樹脂を生成する可塑化工程と、
前記スクリュを所定の射出完了位置まで前進させて所定の射出圧力を付与することで、前記強化繊維を含む所定量の前記溶融樹脂を前記シリンダから吐出させる射出工程と、を繰り返す繊維強化樹脂の射出成形方法であって、
前記シリンダの内部の前記射出圧力が負荷される領域に、後続の成形サイクルにおける１ショット分の樹脂量に相当する以上の前記溶融樹脂が溜まる樹脂溜まり領域を設け、
前記樹脂溜まり領域は、前記スクリュにおける下流側に前記スクリュと一体的に設けられるせん断付与軸の外径面と、前記シリンダの内径面との間に形成され、
先行するサイクルの前記射出工程において、
前記樹脂溜まり領域を占める前記溶融樹脂に前記射出圧力を付与し、
後続のサイクルの前記可塑化工程において、
前記樹脂溜まり領域を占める前記溶融樹脂にせん断力を付与する、
ことを特徴とする射出成形方法。
【請求項２】
前記強化繊維は、前記樹脂原料よりも下流側において前記シリンダに供給される、
請求項１に記載の射出成形方法。
【請求項３】
後続のサイクルの前記可塑化工程における前記せん断力は、
前記スクリュと同軸上に設けられ、前記樹脂溜まり領域に延びるせん断付与軸が、
前記スクリュの回転に伴って回転することにより付与される、
請求項１又は請求項２に記載の射出成形方法。
【請求項４】
前記スクリュは、
供給された前記樹脂原料を溶融する第１ステージと、
溶融された前記樹脂原料と前記強化繊維を混合する、前記第１ステージに連なる第２ステージと、
逆流防止部を介して第２ステージに連なる第３ステージと、を備え、
前記第３ステージは、
前記スクリュの回転に伴って回転することで、前記樹脂溜まり領域を占める前記溶融樹脂にせん断力を付与するせん断付与軸を備える、
請求項１又は請求項２に記載の射出成形方法。
【請求項５】
前記第３ステージの前記せん断付与軸は、
外周面から径方向に突出するらせん状のフライト、及び、外周面から径方向に突出する複数のフィンを周方向に配列したミキシングの一方又は双方を備える、
請求項４に記載の射出成形方法。
【請求項６】
上流側で樹脂原料が供給され、下流側で強化繊維が供給される射出成形機のシリンダの内部に設けられるスクリュであって、
前記スクリュは、
供給される前記樹脂原料を溶融する第１ステージと、
前記第１ステージに連なり、溶融された前記樹脂原料と供給された前記強化繊維を混合する第２ステージと、
逆流防止部を介して第２ステージに連なり、前記スクリュの回転に伴って回転することで、その周囲を占める溶融樹脂にせん断力を付与するせん断付与軸を備える第３ステージと、を備え、
前記シリンダの内径面と前記せん断付与軸の外径面の間の容積をＶ、前記シリンダの内径における断面積をＳ、前記第２ステージの長さをＬとしたときに、下記の式（１）の関係を満足する、
ことを特徴とするスクリュ。
Ｖ＝（１／２０）×Ｌ×Ｓ〜（１／２）×Ｌ×Ｓ … （１）
【請求項７】
吐出ノズルが形成されたシリンダと、
前記シリンダの内部に回転可能および回転軸方向に移動可能に設けられたスクリュと、
樹脂原料を前記シリンダ内に供給する樹脂供給部と、
前記樹脂供給部よりも下流側に設けられ、強化繊維を前記シリンダ内に供給する繊維供給部と、
を備え、
前記スクリュは、
供給される前記樹脂原料を溶融する第１ステージと、
前記第１ステージに連なり、溶融された前記樹脂原料と供給された前記強化繊維を混合する第２ステージと、
逆流防止部を介して第２ステージに連なり、前記スクリュの回転に伴って回転することで、その周囲を占める溶融樹脂にせん断力を付与するせん断付与軸を備える第３ステージと、を備え、
前記シリンダの内径面と前記せん断付与軸の外径面の間の容積をＶ、前記シリンダの内径における断面積をＳ、前記第２ステージの長さをＬとしたときに、下記の式（１）の関係を満足する、
ことを特徴とする繊維強化樹脂の射出成形機。
Ｖ＝（１／２０）×Ｌ×Ｓ〜（１／２）×Ｌ×Ｓ … （１）
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維を含む樹脂の射出成形に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維を含有させることにより強度を高めた繊維強化樹脂の成形品が各種の用途に用いられている。この成形品を射出成形で得る手法として、可塑化装置をなすシリンダ内でスクリュの回転により熱可塑性樹脂を溶融し、それに繊維を混合又は混練した後に、射出成形機の金型に射出することが知られている。【０００３】
強化繊維による強度向上の効果を得るためには、強化繊維が樹脂の中に均一に分散していることが望まれる。均一分散を果たすためには、混合の条件を厳しくして強化繊維に付与するせん断力を強くすればよいが、過度に強いせん断力は強化繊維の切断を招いてしまう。そうすると、当初の繊維長よりも成形後の繊維長が大幅に短くなってしまい、得られた成形品は、所望の特性を満足できなくなるおそれがある（特許文献１）。したがって、混合時に繊維の折損が発生しないようにせん断力を弱めた射出成形の条件を選択することが必要になるが、そうすると、強化繊維が繊維強化樹脂中に均一に分散することができずに、偏在してしまう。強化繊維の均一分散に寄与するために、シリンダの内部に強化繊維を強制的に供給する機構（フィーダ）を設けることも行われているが（例えば、特許文献２）、強化繊維の塊を解消するには至っていない。特に強化繊維の含有流量が１０％以上である高含有率の場合、強化繊維を樹脂中に均一分に散させることは困難となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−５６１７３号公報
【特許文献２】特表２０１２−５１１４４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、過度なせん断力を強化繊維に与えることなく、強化繊維の偏在を解消できる繊維強化樹脂の射出成形方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、そのような射出成形方法を実施するのに好適なスクリュを提供することを目的とする。
さらに、本発明は、そのような射出成形方法を実施するのに好適な射出成形機を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、強化繊維が偏在する原因について検討を行ったところ、一つの結論を得た。つまり、射出成形の可塑化工程中に、図５に示すように、シリンダ３１０の内部に配置されるスクリュ３００のフライト３０６間のスクリュ溝３０１に、多数の強化繊維Ｆの集合である繊維塊がフライトの引き側３０３に、また、溶融樹脂Ｍがフライトの押し側３０５に分かれて存在する。溶融樹脂Ｍの粘度が比較的高く、溶融樹脂Ｍが繊維塊の内部に侵入できないために、溶融樹脂Ｍを媒体としたスクリュ３００の回転によるせん断力が繊維塊の内部に伝達されず繊維塊の開繊が進まない。したがって、強化繊維Ｆは繊維塊のままで射出されるために、成形品に強化繊維Ｆが偏在する。なお、図５（ａ）の白抜き矢印はスクリュ３００が回転する向きを示し、図５（ｃ）の白抜き矢印はスクリュ３００の回転に伴うスクリュ３００とシリンダ３１０の軸方向あるいは周方向における相対的な移動方向を示している。後述する実施形態についても同様である。
本発明者は、射出工程において、溶融樹脂Ｍに極めて高い圧力が付与されることを利用して、強化繊維Ｆからなる繊維塊の内部に溶融樹脂Ｍを含浸させることを着想した。しかし、それだけでは強化繊維Ｆを十分に開繊して分散させるに至ることができないので、含浸後に、溶融樹脂Ｍを介して強化繊維Ｆにせん断力を付与することで、強化繊維Ｆの開繊を促進する。【０００７】
すなわち本発明は、内部にスクリュが設けられるシリンダに、樹脂原料と強化繊維を供給し、スクリュを回転させることにより樹脂原料を溶融して、強化繊維を含む溶融樹脂を生成する可塑化工程と、スクリュを所定の射出完了位置まで前進させて所定の射出圧力を付与することで、強化繊維を含む所定量の溶融樹脂をシリンダから吐出させる射出工程と、を繰り返す繊維強化樹脂の射出成形方法に関する。
本発明の射出成形方法は、シリンダの内部の射出圧力が負荷される領域に樹脂溜まり領域を設け、先行するサイクルの射出工程において、樹脂溜まり領域を占める溶融樹脂に射出圧力を付与し、後続のサイクルの前記可塑化工程において、樹脂溜まり領域を占める溶融樹脂にせん断力を付与する、ことを特徴とする。
本発明における樹脂溜まり領域は、後続の成形サイクルにおける１ショット分の樹脂量に相当する以上の溶融樹脂が溜まるものである。また、本発明の樹脂溜まり領域は、スクリュにおける下流側にスクリュと一体的に設けられるせん断付与軸の外径面と、前記シリンダの内径面との間に形成されるものである。
なお、本願明細書で用いる上流又は下流の語は、スクリュにより樹脂が搬送される向きを基準にして用いられるものとする。
【０００８】
本発明は、強化繊維が、樹脂原料よりも下流側においてシリンダに供給される射出成形方法に適用するのが好ましい。【０００９】
本発明の射出成形方法において、後続のサイクルの可塑化工程におけるせん断力は、スクリュと同軸上に設けられ、樹脂溜まり領域に延びるせん断付与軸が、スクリュの回転に伴って回転することにより付与されることが好ましい。【００１０】
本発明の射出成形方法において、スクリュは、供給された樹脂原料を溶融する第１ステージと、溶融された樹脂原料と強化繊維を混合する、第１ステージに連なる第２ステージと、逆流防止部を介して第２ステージに連なる第３ステージと、を備え、第３ステージは、スクリュの回転に伴って回転することで、樹脂溜まり領域を占める溶融樹脂にせん断力を付与するせん断付与軸を備えることが好ましい。
この第３ステージのせん断付与軸は、外周面から径方向に突出するらせん状のフライト、及び、外周面から径方向に突出する複数のフィンを周方向に配列したミキシングの一方又は双方を備えることが好ましい。【００１１】
本発明は、以上説明した射出成形方法に好適に適用される以下のスクリュを提供する。
このスクリュは、樹脂の搬送方向の上流側で樹脂原料が供給され、下流側で強化繊維が供給される射出成形機のシリンダの内部に設けられるものであり、供給された樹脂原料を溶融する第１ステージと、第１ステージに連なり、溶融された樹脂原料と供給される強化繊維を混合する第２ステージと、逆流防止部を介して第２ステージに連なり、スクリュの回転に伴って回転することで、その周囲を占める溶融樹脂にせん断力を付与するせん断付与軸を備える第３ステージと、を備えることを特徴とする。
本発明に係るスクリュは、シリンダの内径面とせん断付与軸の外径面の間の容積をＶ、シリンダの内径における断面積をＳ、第２ステージの長さをＬとしたときに、下記の式（１）の関係を満足する。
Ｖ＝（１／２０）×Ｌ×Ｓ〜（１／２）×Ｌ×Ｓ … （１）
【００１２】
本発明は、以上説明した射出成形方法に好適に適用される以下の射出成形機を提供する。
この射出成形機は、吐出ノズルが形成されたシリンダと、シリンダの内部に回転可能および回転軸方向に移動可能に設けられたスクリュと、樹脂原料をシリンダ内に供給する樹脂供給部と、樹脂供給部よりも下流側に設けられ、強化繊維をシリンダ内に供給する繊維供給部と、を備える。
この射出成形機に用いられるスクリュは、供給される樹脂原料を溶融する第１ステージと、第１ステージに連なり、溶融された樹脂原料と供給された強化繊維を混合する第２ステージと、逆流防止部を介して第２ステージに連なり、スクリュの回転に伴って回転することで、その周囲を占める溶融樹脂にせん断力を付与するせん断付与軸を備える第３ステージと、を備えることを特徴とする。
本発明に係るスクリュは、シリンダの内径面とせん断付与軸の外径面の間の容積をＶ、シリンダの内径における断面積をＳ、第２ステージの長さをＬとしたときに、下記の式（１）の関係を満足する。
Ｖ＝（１／２０）×Ｌ×Ｓ〜（１／２）×Ｌ×Ｓ … （１）
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、過度なせん断力を強化繊維に与えることなく、強化繊維の偏在を解消できる射出成形機のスクリュを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態に係る射出成形機の概略構成を示す図である。
【図２】本実施形態に係る射出成形の各手順における樹脂の溶融状態を模式的に示す図であり、（ａ）は可塑化開始時、（ｂ）は可塑化完了時、（ｃ）は射出完了時を示している。
【図３】本実施形態に係るスクリュを示す図であり、（ａ）は第２ステージ及び第３ステージの要部を示す側面図、（ｂ）は射出工程時に強化繊維Ｆからなる繊維塊に周囲の溶融樹脂Ｍが含浸される様子を示し、（ｃ）は含浸後にせん断力を付与することにより強化繊維Ｆが分散する様子を示している。
【図４】本実施形態に係る第３ステージの種々の形態を示す図である。
【図５】従来のスクリュを示し、（ａ）は第２ステージの要部を示す側面図、（ｂ）はフライトにより形成されるスクリュ溝及びその近傍を示す断面図、（ｃ）はスクリュ溝の内部で強化繊維の塊と溶融樹脂の塊が分離して存在する様子を模式的に示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
本実施形態に係る射出成形機１は、図１に示すように、型締ユニット１００と、可塑化ユニット２００と、これらのユニットの動作を制御する制御部５０と、を備えている。
以下、型締ユニット１００の構成と動作、可塑化ユニット２００の構成と動作の概略について説明し、次いで、射出成形機１による射出成形の手順について説明する。
【００１６】
［型締ユニットの構成］
型締ユニット１００は、ベースフレーム１０１上に固設されるとともに固定金型１０３が取り付けられた固定ダイプレート１０５と、油圧シリンダ１１３を作動させることによってレールや摺動板などの摺動部材１０７上を図中左右方向に移動するとともに可動金型１０９が取り付けられた可動ダイプレート１１１と、固定ダイプレート１０５と可動ダイプレート１１１とを連結する複数のタイバー１１５とを備えている。固定ダイプレート１０５には、各タイバー１１５と同軸に型締め用の油圧シリンダ１１７が設けられており、各タイバー１１５の一端は油圧シリンダ１１７のラム１１９に接続されている。
これらの各要素は制御部５０の指示にしたがって必要な動作を行なう。
【００１７】
［型締ユニットの動作］
型締ユニット１００の概略の動作は以下の通りである。
まず、型開閉用の油圧シリンダ１１３の作動により可動ダイプレート１１１を図中の二点鎖線の位置まで移動させて可動金型１０９を固定金型１０３に当接させる。次いで、各タイバー１１５の雄ねじ部１２１と可動ダイプレート１１１に設けられた半割りナット１２３を係合させて、可動ダイプレート１１１をタイバー１１５に固定する。そして、油圧シリンダ１１７内の可動ダイプレート１１１側の油室の作動油の圧力を高めて、固定金型１０３と可動金型１０９とを締め付ける。このようにして型締めを行った後に、可塑化ユニット２００から金型のキャビティ内に溶融樹脂Ｍを射出して成形品を成形する。
【００１８】
本実施形態のスクリュ１０は後述するように熱可塑性の樹脂ペレットＰと強化繊維Ｆをスクリュの長手方向に個別に供給する方式であるため、スクリュ１０の全長もしくは可塑化ユニット２００の全長が長くなりやすい。このため、本実施形態は、トグルリンク方式や可動ダイプレートの背面に型締めシリンダを備えた方式の型締め装置が設置できないような狭いスペースでも、設置ができる省スペース化が可能な前述した構成を有する型締ユニット１００を組み合わせることが射出成形機１の全長を短く抑えるのに有効である。しかし、ここで示した型締ユニット１００の構成はあくまで一例に過ぎず、他の構成を適用し、あるいは置換することを妨げない。例えば、本実施形態では油圧シリンダ１１３を型開閉用のアクチュエータとして示したが、回転運動を直線運動に変換させる機構とサーボモータや誘導モータなどの電動モータとの組み合せに代えてもよい。この変換機構としては、ボールねじやラック・アンド・ピニオンを用いることができる。また、電動駆動あるいは油圧駆動によるトグルリンク式型締ユニットに代えてもよいことは言うまでもない。
【００１９】
［可塑化ユニットの構成］
可塑化ユニット２００は、筒型の加熱シリンダ２０１と、加熱シリンダ２０１の下流端に設けた吐出ノズル２０３と、加熱シリンダ２０１の内部に設けられたスクリュ１０と、強化繊維Ｆが供給される繊維供給装置２１３と、樹脂ペレットＰが供給される樹脂供給ホッパ２０７とを備えている。繊維供給装置２１３は、樹脂供給ホッパ２０７よりも下流側に設けられているベント孔２０６に連結されている。
可塑化ユニット２００は、スクリュ１０を前進又は後退させる第１電動機２０９と、スクリュ１０を正転又は逆転をさせる第２電動機２１１と、樹脂供給ホッパ２０７に対して樹脂ペレットＰを供給するペレット供給装置２１５と、を備えている。これらの各要素は制御部５０の指示にしたがって必要な動作を行なう。
【００２０】
スクリュ１０は、図１及び図３（ａ）に示すように、いわゆるガスベント式スクリュと同様の２ステージ型のデザインを踏襲しつつ、これまでにない新たなステージ（第３ステージ２３）が加えられている。具体的にはスクリュ１０は、上流側に設けられる第１ステージ２１と、第１ステージ２１に連なり下流側に設けられる第２ステージ２２と、第２ステージ２２に連なり下流側に設けられる第３ステージ２３と、とを備えている。
第１ステージ２１は上流側から順に供給部２１Ａと圧縮部２１Ｂと計量部２１Ｃを備え、第２ステージ２２は上流側から順に供給部２２Ａと圧縮部２２Ｂを備える。ただし、圧縮部２２Ｂの下流側に図示しない計量部を圧縮部２２Ｂに連結して備えてもよい。なお、図中右側が上流側であり、左側が下流側である。後述する実施形態についても同様である。第３ステージ２３は、円柱状のせん断付与軸２３Ａとせん断付与軸２３Ａの先端に設けられる三角錐状のスクリュチップ２３Ｂを備える。ただし、円柱状のせん断付与軸２３Ａはあくまで一例であり、後述するように、本発明は種々の形態のせん断付与軸を採用することができる。
【００２１】
スクリュ１０は、第１ステージ２１に第１フライト２７が設けられ、第２ステージ２２に第２フライト２８が設けられている。
第１ステージ２１及び第２ステージ２２ともに、相対的に、供給部２１Ａ，２２Ａにおけるフライト間のスクリュ溝が深く、圧縮部２１Ｂ，２２Ｂのフライト間のスクリュ溝が上流側から下流側に向けて漸減していうように設定され、計量部２１Ｃにおけるスクリュ溝が最も浅く設定されている。ここで、第１ステージ２１の計量部２１Ｃよりも第２ステージ２２の供給部２２Ａのスクリュ溝が深いために、第１ステージ２１から供給部２２Ａに吐出される溶融樹脂Ｍが圧縮部２２Ｂのスクリュ溝を埋め尽くすことができない。これにより、溶融樹脂Ｍがスクリュ１０の回転により押し側３０５に押しつけられて偏在することになる。これにより第２ステージ２２の供給部２５の引き側３０３に空隙が発生する。このためベント孔２０６を介して繊維供給装置２１３から供給された強化繊維Ｆは、この空隙となった引き側３０３に強化繊維Ｆが引き側３０３に配分されることで、図５に示したように、溶融樹脂Ｍと強化繊維Ｆが区分されるものと解される。
【００２２】
第１ステージ２１は、樹脂原料を溶融して溶融樹脂Ｍを生成するのに加えて、生成された溶融樹脂Ｍを第２ステージ２２に向けて搬送するので、溶融樹脂Ｍの搬送速度及び可塑化能力を確保する機能を備えていればよい。
この機能を得るために、図１に示すように、第１ステージ２１の第１フライト２７は、そのフライトリード（Ｌ１）が第２ステージ２２の第２フライト２８のフライトリード（Ｌ２）以下すること、つまりＬ１≦Ｌ２が成り立つことが好ましい。なお、フライトリード（以下、単にリード）とは、前後のフライトの間隔をいう。一つの指標として、第１フライト２７のリードＬ１は、リードＬ２の０．４〜１．０倍とするのが好ましく、０．５〜０．９倍とすることがより好ましい。
【００２３】
上述したＬ１≦Ｌ２が成り立つ好ましい形態によると、第２ステージ２２の第２フライト２８のリードＬ２は、第１フライト２７のリードＬ１より大きい。第２ステージ２２は可塑化工程中にその後端側で強化繊維Ｆの供給を受ける。リードＬ２が大きいと、第２フライト２８の間の溝幅が大きく、強化繊維Ｆが落下して充填できる空隙が大きくなる。加えて、可塑化工程時のスクリュ１０の後退時および射出工程時のスクリュ１０の前進時にベント孔２０６が第２フライト２８に遮られる回数が少なくなる。したがって、スクリュ１０の後退中または前進中でも、強化繊維Ｆの落下が第２フライト２８で止まることなく連続して溝内に落ち易くなる。具体的には、第２フライト２８のベント孔２０６から供給される強化繊維Ｆを受ける領域においてのリードＬ２は、１．０×Ｄ以上にすることが好ましく、さらに１．２×Ｄ以上にすることがより好ましい。そうすることで、射出工程中に、安定して強化繊維Ｆをスクリュ１０の溝内に落下させることができる。なお、Ｄは加熱シリンダ２０１の内径である。
ただし、リードＬ２が大きくなりすぎると、溶融樹脂Ｍを搬送する力が弱くなり、通常の可塑化に要する背圧（５〜１０ＭＰａ）程度でも、溶融樹脂Ｍの搬送が不安定となり、背圧による溶融樹脂Ｍがベント孔２０６に逆流してベントアップが発生しやすくなる。したがって、リードＬ２は、２．０×Ｄ以下にすることが好ましく、さらに１．７×Ｄ以下にすることがより好ましい。つまり、第２フライト２８のリードＬ２は、１．０×Ｄ〜２．０×Ｄとすることが好ましく、さらに１．２×Ｄ〜１．７×Ｄとすることがより好ましい。
また、第２フライト２８のフライトの幅は、リードＬ２の０．０１〜０．３倍（０．０１×Ｌ２〜０．３×Ｌ２）とするのが好ましい。フライトの幅がリードＬ２の０．０１倍より小さいと第２フライト２８の強度が不十分となり、フライトの幅がリードＬ２の０．３倍を超えると、スクリュ溝幅が小さくなり繊維がフライト頂部に引っかかって溝内に落ちにくくなるからである。
【００２４】
逆流防止部３０は、図３（ａ）に示されるように、第２ステージ２２と第３ステージ２３の間に設けられる。逆流防止部３０は、第２ステージ２２からの第３ステージ２３に向けて溶融樹脂Ｍが流れるのを許容するが、溶融樹脂Ｍがその逆に流れるのを阻止する機構であり、チェックリング３１を主要な構成要素として備える。
溶融樹脂Ｍは、可塑化工程中には、逆流防止部３０を介して第３ステージ２３に流入され、射出工程中には、逆流防止部３０により第２ステージ２２への流入が防止されつつ固定金型１０３と可動金型１０９の間に形成されるキャビティへ射出される。
【００２５】
本発明において、逆流防止部３０の構成は任意であり、リング式、ボールチェック式など種々の様式から選択することができる。本実施形態は、リング式を採用しており、概略の構成、動作を説明すると以下の通りである。
チェックリング３１は、第２ステージ２２と第３ステージ２３を繋ぐ連結軸３３の周囲にあって、軸方向に移動が可能に設けられている。チェックリング３１は、可塑化工程中には、下流側に設けられる第１シートリング３７に当接される。第１シートリング３７には、チェックリング３１に対向する面に切りかかれた流路３８が形成されているので、溶融樹脂Ｍは、チェックリング３１と第２シートリング３５の間の隙間、チェックリング３１と連結軸３３の間の隙間、及び、流路３８を順に通って、第３ステージ２３に搬送される。一方、射出工程が開始されると、チェックリング３１は、上流側の第２シートリング３５に当接することで溶融樹脂Ｍの流路が閉鎖され、溶融樹脂Ｍの逆流を防止する。
【００２６】
次に、第３ステージ２３は、射出工程中に高圧の射出圧力が付与される下流側に配置され、回転することにより溶融樹脂Ｍに旋回流を生じさせてせん断力を付与する。なお、高圧が付与されるのは、逆流防止部３０よりも下流側であって、第３ステージ２３と加熱シリンダ２０１の間に存在する溶融樹脂Ｍである。
第３ステージ２３は、せん断力を付与する機能を達成できる限り制約はないが、軸方向の寸法が短いと、加熱シリンダ２０１の内部において、逆流防止部３０から下流側の容積が小さくなる。したがって、一度に含浸及びせん断付与の処理ができる溶融樹脂Ｍの量が少なくなるので、この処理量を考慮して第３ステージ２３、特にせん断付与軸２３Ａの寸法、形状を設定する。加えて、加熱シリンダ２０１の内径面とせん断付与軸２３Ａの外径面の間の容積Ｖを、下記式（１）を満たすように設定することが好ましい。式（１）において、Ｓは加熱シリンダ２０１の内径における断面積、Ｌは第２ステージ２２の長さ（図３（ａ）参照）である。
Ｖ＝（１／２０）×Ｌ×Ｓ〜（１／２）×Ｌ×Ｓ … （１）
【００２７】
せん断付与軸２３Ａ部でのせん断量は、スクリュ１０の回転数だけでなく、溶融樹脂Ｍがせん断付与軸２３Ａを通過する時間、通過距離にも大きく影響を受ける。通過時間は、せん断付与軸２３Ａを通過する溶融樹脂Ｍの搬送速度に影響を受け、通過距離はせん断付与軸２３Ａの長さに影響を受ける。なお、後述するようにせん断付与軸２３Ａがフライトを備えた場合は、せん断付与軸２３Ａの長さに加えてフライトリードにも影響を受ける。特に、加熱シリンダ２０１の内径面とせん断付与軸２３Ａの外径面の間の容積Ｖ（例えば加熱シリンダ２０１の内径面とせん断付与軸２３Ａの外径面の間の溶融樹脂Ｍの流路断面積）が小さいと、第２ステージ２２からせん断付与軸２３Ａに流入した溶融樹脂Ｍの搬送速度が速くなる。このとき、せん断付与軸２３Ａ内を通過するまでの時間が短くなるので、その間にスクリュ１０の回転からせん断力を受ける時間が短くなる。このとき容積Ｖが（１／２０）×Ｌ×Ｓより小さいと、第２ステージで強化塊に負荷されたせん断量に対し十分なせん断量をせん断付与軸２３Ａで付与することができない。逆に、せん断付与軸２３Ａの外径面の間の容積Ｖが大きいと、第２ステージ２２からせん断付与軸２３Ａに流入した溶融樹脂Ｍの搬送速度が遅くなる。この場合、せん断付与軸２３Ａ内を通過するまでの時間が長くなるので、その間にスクリュ１０の回転からせん断力を受ける時間が長くなる。このとき、Ｖが（１／２）×Ｌ×Ｓよりも大きいと第２ステージで強化塊に負荷された剪断量と合わせて付与する剪断量が過大となり強化繊維Ｆの折損が大きい。
【００２８】
以上より、容積Ｖは、式（２）に従うことが好ましく、式（３）に従うことがさらに好ましい。
Ｖ＝（１／１５）×Ｌ×Ｓ〜（３／７）×Ｌ×Ｓ … （２）
Ｖ＝（１／１０）×Ｌ×Ｓ〜（２／５）×Ｌ×Ｓ … （３）
【００２９】
本実施形態の繊維供給装置２１３は、図１に示すように、２軸型スクリュフィーダー２１４を加熱シリンダ２０１に設け、強化繊維Ｆをスクリュ１０の溝内に強制的に供給する。なお、単軸型のスクリュフィーダーを用いても支障がないことは言うまでもない。
２軸型スクリュフィーダー２１４への強化繊維Ｆの供給方法は、２軸型スクリュフィーダー２１４に連続繊維、いわゆるロービング状態の繊維（以下、ロービング繊維という）を直接投入してもよいし、予め所定長さに切断されたチョップドストランド状態の繊維（以下、チョップド繊維という）を投入してもよい。あるいは、ロービング繊維とチョップド繊維を所定の割合で混合して投入してもよい。
チョップド繊維を投入する場合は、計量フィーダーの繊維投入口付近までロービング繊維で搬送し、繊維投入口付近でロービング繊維を切断した直後に上記の計量フィーダーに投入してもよい。これにより、飛散しやすいチョップド繊維を成形機投入まで暴露することがないので作業性を向上できる。
本実施形態では、２軸型スクリュフィーダー２１４の繊維投入口付近に、ロービングカッター２１８を設ける。ロービングカッター２１８により、ロービング繊維を切断し、チョップド繊維にしてから２軸型スクリュフィーダー２１４に供給する。
【００３０】
［可塑化ユニットの動作］
可塑化ユニット２００の概略の動作は以下の通りである。なお、図１を参照願いたい。
加熱シリンダ２０１の内部に設けられたスクリュ１０が回転されると、繊維供給装置２１３からベント孔２０６を介して供給された強化繊維Ｆ、および、樹脂供給ホッパ２０７から供給された熱可塑性樹脂からなるペレット（樹脂ペレットＰ）は、加熱シリンダ２０１の下流端の吐出ノズル２０３に向けて送り出される。なお、強化繊維Ｆの供給を開始するタイミングは、樹脂供給ホッパ２０７から供給された樹脂ペレットＰ（溶融樹脂Ｍ）が、強化繊維Ｆが供給されるベント孔２０６に到達した後とすることが好ましい。溶融樹脂Ｍがベント孔２０６に到達する前に強化繊維Ｆの投入を開始すると、流動性およびスクリュ１０による搬送性の乏しい強化繊維Ｆがスクリュ溝内を閉塞してしまい、溶融樹脂Ｍの搬送を妨げてベント孔２０６から溶融樹脂Ｍがあふれ出したり、スクリュ１０の異常摩耗や破損を発生したりするおそれがあるからである。溶融樹脂Ｍは強化繊維Ｆと混合された後に、型締ユニット１００の固定金型１０３と可動金型１０９の間に形成されるキャビティへ所定量だけ射出される。なお、樹脂ペレットＰの溶融に伴いスクリュ１０が背圧を受けながら後退した後に、前進することで射出を行なうというスクリュ１０の基本動作を伴うことは言うまでもない。また、加熱シリンダ２０１の外側には、樹脂ペレットＰの溶融のためにヒータを設けるなど、他の構成を適用し、あるいは置換することを妨げない。
【００３１】
［射出成形の手順］
以上の要素を備える射出成形機１は、以下の手順で射出成形を行なう。
射出成形は、よく知られているように、可動金型１０９と固定金型１０３を閉じて高圧で型締めする型締工程と、樹脂ペレットＰを加熱シリンダ２０１内で加熱、溶融して可塑化させる可塑化工程と、可塑化された溶融樹脂Ｍを、可動金型１０９と固定金型１０３により形成されるキャビティに射出、充填する射出工程と、キャビティに充填された溶融樹脂Ｍが固化するまで冷却する保持工程と、金型を開放する型開き工程と、キャビティ内で冷却固化された成形品を取り出す取り出し工程と、を備え、上述した各工程をシーケンシャルに、あるいは一部を並行させて実施して１サイクルの射出成形が完了する。
【００３２】
続いて、本発明に関連する可塑化工程と射出工程について、図２を参照しつつ、順に説明する。
［可塑化工程］
可塑化工程では、樹脂ペレットＰを加熱シリンダ２０１の後方の樹脂供給ホッパ２０７に対応する供給孔２０８から供給する。可塑化開始当初ではスクリュ１０は、加熱シリンダ２０１の下流に位置しており、その初期位置からスクリュ１０を回転させながら後退させる（図２（ａ）「可塑化開始」）。スクリュ１０を回転させることで、スクリュ１０と加熱シリンダ２０１の間に供給された樹脂ペレットＰは、せん断力を受けて加熱されながら徐々に溶融して、下流に向けて搬送される。なお、本発明では可塑化工程におけるスクリュ１０の回転（向き）を正転とする。溶融樹脂Ｍが繊維供給装置２１３まで搬送されたならば、強化繊維Ｆを繊維供給装置２１３から供給する。スクリュ１０の回転に伴い、強化繊維Ｆは溶融樹脂Ｍに混錬、分散して溶融樹脂Ｍとともに下流に搬送される。樹脂ペレットＰ、強化繊維Ｆの供給を継続するとともに、スクリュ１０を回転し続けると、加熱シリンダ２０１の下流側に搬送され、溶融樹脂Ｍが強化繊維Ｆとともにスクリュ１０よりも下流側に溜まる。スクリュ１０の下流に溜まった溶融樹脂Ｍの樹脂圧力とスクリュ１０の後退を抑制する背圧とのバランスによってスクリュ１０を後退させる。この後、1ショットに必要な量の溶融樹脂Ｍが溜まったところで、スクリュ１０の回転及び後退を停止する（図２（ｂ）「可塑化完了」）。
【００３３】
図２は、樹脂（樹脂ペレットＰ，溶融樹脂Ｍ）と強化繊維Ｆの状態を、「未溶融樹脂」、「樹脂溶融」、「繊維分散」及び「繊維分散完了」の４段階に区別して示している。「可塑化完了」の段階では、スクリュ１０よりも下流の「繊維分散完了」は、溶融樹脂Ｍの中に強化繊維Ｆが分散され、射出に供される状態を示し、「繊維分散」は、スクリュ１０の回転に伴い、供給された強化繊維Ｆが溶融樹脂Ｍに分散されていることを示す。また、「樹脂溶融」は、樹脂ペレットＰがせん断力を受けることで徐々に溶融し、「未溶融樹脂」はせん断力を受けるが、溶融不足の樹脂が残存する状態であり全てが溶融するには到っていないことを示している。ただし、「繊維分散完了」の領域には、強化繊維Ｆが偏在することがある。
【００３４】
［射出工程］
射出工程に入ると、図２（ｃ）に示すように、スクリュ１０を所定の射出完了位置まで前進させる。このとき、スクリュ１０の先端部に備えられている逆流防止部３０が閉じることで、逆流防止部３０よりも下流に溜まった溶融樹脂Ｍの圧力（射出圧力）が上昇し、溶融樹脂Ｍは吐出ノズル２０３からキャビティに向けて吐出される。この射出圧力は、最大で２００ＭＰａに達する。
以後は、保持工程と、型開き工程と、取り出し工程を経て、先行する１サイクルの射出成形が完了し、後続の１サイクルの型締め工程、可塑化工程が順に行われる。
【００３５】
ここで本実施形態は、逆流防止部３０よりも下流側に第３ステージ２３を設けており、スクリュ１０が射出完了位置に達したとしても、逆流防止部３０よりも下流側に樹脂溜まり領域が形成され、キャビティに射出されなかった溶融樹脂Ｍが占める。この溶融樹脂Ｍ（以下、溶融樹脂Ｍｒと表記）は、後続の成形サイクルにおける１ショット分の樹脂量に相当する以上の量が好ましい。また溶融樹脂Ｍｒが、以下説明するように、そこに含まれる強化繊維Ｆを開繊させる対象になる。
【００３６】
［溶融樹脂の含浸及び強化繊維の分散］
溶融樹脂Ｍｒは、射出工程中にキャビティに射出された溶融樹脂Ｍとともに高圧が付与されている。この溶融樹脂Ｍｒは強化繊維Ｆを含むが、この中には塊状の状態で第３ステージ２３まで搬送されたものが含まれ得る。ところが、本実施形態における射出工程中には、図３（ｂ）に示すように、塊状となっている強化繊維Ｆの周囲を取り囲む溶融樹脂Ｍｒには射出圧力に基づく強い圧縮力σが等方的に付与される。この等方的な圧縮力σによって、溶融樹脂Ｍｒは強化繊維Ｆの内部に含浸される。これにより、塊状の内部で強化繊維Ｆ同士が溶融樹脂Ｍｒにより接着される、あるいは塊状の内部に溶融樹脂Ｍｒが力の伝達媒体として充満するので、塊状の外部から加えられる力が強化繊維Ｆ間の滑りにより塊状の表層付近で消失することなく内部にまで伝達できるようになる。
【００３７】
以上のように樹脂含浸を実現した後に、溶融樹脂Ｍｒにせん断力を付与すると、このせん断力は、含浸された溶融樹脂Ｍｒを伝わって、塊状となっている強化繊維Ｆの内部にまで及ぶので、強化繊維Ｆの開繊が促進される。これを実現するために、本実施形態は、射出工程が完了したならば、スクリュ１０とともに第３ステージ２３のせん断付与軸２３Ａを回転させることで、その周囲の溶融樹脂Ｍｒに旋回流を生じさせる。そうすると、図３（ｃ）に示すように、溶融樹脂Ｍｒにせん断力τが付与される結果、強化繊維Ｆは開繊が進み、溶融樹脂Ｍｒ内に分散される。以上のようにして強化繊維Ｆの開繊、分散が進んだ溶融樹脂Ｍｒは、後続のサイクルの射出の対象とされる。
以上の強化繊維Ｆの開繊、分散の処理を終えたならば、可塑化ユニット２００は、次のサイクルの射出成形に備えて、可塑化工程に移行する。
ここで、第３ステージ２３（スクリュ１０）の回転は、後続のサイクルの可塑化工程における回転で賄うことができる。つまり、本実施形態によると、溶融樹脂Ｍｒの含浸及びせん断力τの付与を、射出成形に必要な工程中に行うことができる。
【００３８】
［本実施形態の効果］
以上説明したように、本実施形態は、溶融樹脂Ｍｒに高い圧縮力σを付与して塊状の強化繊維Ｆに含浸させ後に、せん断力τを付与して強化繊維Ｆの開繊、分散を促進する。
したがって、本実施形態により得られる成形品は、強化繊維Ｆが均一に分散されている。
しかも、塊状の強化繊維Ｆの内部に溶融樹脂Ｍｒを含侵させているので、付与するせん断力τを小さく抑えても、強化繊維Ｆを開繊、分散させることができる。よって、得られる成形品は、強化繊維Ｆの破断が最小限に抑えられるので、所望する強度が得やすい。
さらに、溶融樹脂Ｍｒを塊状の強化繊維Ｆへの含浸は射出工程中に行われるので、含浸のために新たな工程を加える必要がない。また、せん断力の付与は、次のサイクルの可塑化工程中に行われるので、やはり新たな工程を加える必要がない。よって、本実施形態によると、射出成形のサイクルタイムを増加させることなく、強化繊維Ｆが均一に分散された成形品を得ることができる。
【００３９】
以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更したりすることが可能である。
【００４０】
はじめに、せん断付与軸２３Ａは、断面形状が円形に限るものでなく、楕円形（円を除く）、多角形（三角形、四角形など）、不定形のいずれであってもよい。
【００４１】
また、せん断付与軸２３Ａの周囲に、半径方向に突出する部位を設けることができる。突出部を設けることにより、せん断付与軸２３Ａを回転させることにより周囲の溶融樹脂Ｍｒを撹拌する効果を増大することができる。図４にこの突出部のいくつかの例を示している。
図４（ａ）は、らせん状の突出部からなるフライト２４をせん断付与軸２３Ａの周囲に設けた例を示している。このフライト２４は、リードを備えているので、第３ステージ２３において溶融樹脂Ｍを搬送し又は昇圧させる能力を持たせることができるので、背圧が大きくても溶融樹脂Ｍを安定して搬送することができる。
【００４２】
フライトの形態は、図４（ａ）の形態に限るものでなく、例えば、図４（ｂ）〜図４（ｄ）に示す形態をも採用することができる。
図４（ｂ）は、フライト２４をいわゆる主フライト２４とみなし、この主フライト２４に対して副フライト２５を設ける例を示している。この副フライト２５は、主フライト２４よりも外径が小さく設定されている。このとき副フライト２５の両端が、主フライト２４に対して閉塞されていることが好ましい。副フライト２５の両端あるいは片方が、主フライト２４から離れていると、その隙間から溶融樹脂Ｍが漏えいするのに対して、閉塞していれば溶融樹脂Ｍが副フライト２５の頂部をもれなく乗り越えさせてせん断力を付与できる。
図４（ｃ）に示す例は、部分的に切欠き２６が設けられており、フライト２４が断続的に設けられている。切欠き２６を設けると、スクリュ溝の幅方向の中央部分とその両側部分の間でせん断力を生じさせることができるので、強化繊維Ｆの開繊を促進できる。
図４（ｄ）に示す例は、同じ仕様の二つのフライト２４が設けられている二条フライトに該当する。
【００４３】
図４（ｅ）は、平面視した形状が矩形で、せん断付与軸２３Ａの軸方向に沿って延びるフィン２９から突出部が構成される。このフィン２９は、軸方向に複数段（ここでは３段）に設けられ、各段において、複数枚のフィン２９が周方向に所定間隔をあけて並んで設けられている。
フィン２９は、軸方向に沿って延びる例に限らず、図４（ｆ）に示すように、軸方向に交差するように設けることもできる。フィンに傾き（リード）を持たせることで、フィンに溶融樹脂Ｍｒの搬送力を持たせることができるため、せん断付与軸２３Ａでの樹脂搬送抵抗を低減できる。
図４（ｅ），（ｆ）に示す例は、各段に属するフィン２９の枚数を等しくしているが、上流側の段から下流側の段に向けてフィン２９の枚数を増やすことができる。
【００４４】
また、以上の実施形態は、上流側で樹脂ペレットＰを供給し、下流側で強化繊維Ｆを供給する方法を説明した。しかし、溶融樹脂Ｍｒに高い圧縮力σを付与して塊状の強化繊維Ｆに含浸させ後に、せん断力τを付与して強化繊維Ｆの開繊、分散を促進するという本発明は、当該方法に限ることなく実現できることは明らかである。つまり本発明は、繊維強化樹脂を射出成形で得る種々の方法に適用することができる。
【００４５】
本発明の可塑化ユニット２００は、繊維供給装置２１３及び樹脂供給ホッパ２０７を加熱シリンダ２０１に対して固定させているが、スクリュ１０の軸方向に移動する可動式のホッパにすることができる。特に繊維供給装置２１３に複数軸型の計量フィーダーを用いる場合には、スクリュ１０の長手方向に複数のフィーダーを平行に連結配置し、可塑化工程において強化繊維Ｆを供給するフィーダーを切り替えて使用してもよい。具体的には可塑化工程開始時は、スクリュ１０の先端側に配置したフィーダーから強化繊維Ｆを供給し、可塑化工程においてスクリュ１０が後退するのに伴い、スクリュ１０と繊維が吐出してくるフィーダースクリュとの相対位置が変化しないように、強化繊維Ｆを供給するフィーダーを後方側に順々に切り替えていってもよい。これによって、スクリュ１０の後退および射出時のスクリュ１０の前進による、加熱シリンダ２０１とスクリュ１０の相対位置の変化にかかわらず、スクリュ１０に対する強化繊維Ｆの供給位置を一定とすることができる。
【００４６】
具体的には、可塑化が完了したときの繊維供給フィーダースクリュの位置、つまり、強化繊維Ｆが充填されている最後部のスクリュ溝の位置を、射出により前進したスクリュ位置において、次の可塑化開始時の繊維供給フィーダースクリュの位置と一致させることができるので、繊維供給装置２１３より下流のスクリュ溝に連続して強化繊維Ｆを供給でき、繊維供給装置２１３より下流のスクリュ１０の溝内で強化繊維Ｆが充填されていない領域の発生の防止あるいは抑制に有効である。
【００４７】
また、フィーダースクリュの切り替え方は、単なるＯＮ／ＯＦＦ制御でもよいし、隣り合うスクリュフィーダーの回転数を連携して変化させてもよい。具体的にはスクリュの後退に伴い下流側のスクリュフィーダーの回転数を徐々に低下させるとともに後方側のスクリュフィーダーの回転数を徐々に増加させてもよい。
【００４８】
また強化繊維Ｆの加熱シリンダ２０１への供給は、射出工程や可塑化工程のみでなく、例えば保圧工程や射出待機工程（可塑化工程完了から射出工程開始までの間）においても行ってよい。保圧工程中や射出待機工程中は、スクリュ１０が回転および前進あるいは後退を行わないので、フライトの移動によってベント孔が断続的に封鎖されることがない。このため安定して強化繊維をスクリュ１０の溝内に供給することができる。
【００４９】
また繊維供給装置２１３には、強化繊維Ｆのみでなく、粉状あるいはペレット状の原料樹脂を混合した強化繊維Ｆを供給してもよい。この場合、強化繊維Ｆ間に溶融樹脂Ｍが浸入しにくくても、混合した原料樹脂が強化繊維Ｆの塊中で溶融し、繊維束の中に入り込んで繊維束の解繊を促進できる。
【００５０】
また、本発明に適用される樹脂、強化繊維は、特に限定されるものでなく、ポリプロピレンやポリエチレンなどの汎用樹脂や、ポリアミドやポリカーボネートなどのエンジニアリングプラスチックなどの公知の樹脂、およびガラス繊維、炭素繊維、竹繊維、麻繊維などの公知の強化繊維など、公知の材質を広く包含している。なお、本発明の効果をより顕著に得るには強化繊維の含有量が１０％以上と高含有率な繊維強化樹脂を対象とすることが好ましい。しかし、強化繊維の含有率が６０％を超えると、樹脂塊の密度が高いために射出圧力を加えてもせん断付与軸に対応する領域中の繊維の全域まで溶融樹脂が十分に含浸しない可能性が高くなる。このため、本発明に適用される強化繊維は含有率が１０〜６０％であることが好ましく、さらには１５〜５０％であることが好ましい。
【符号の説明】
【００５１】
１      射出成形機
１０    スクリュ
２１    第１ステージ
２１Ａ  供給部
２１Ｂ  圧縮部
２２    第２ステージ
２２Ａ  供給部
２２Ｂ  圧縮部
２３    第３ステージ
２３Ａ  せん断付与軸
２３Ｂ  スクリュチップ
２４    フライト，主フライト
２５    副フライト
２６    切欠き
２７    第１フライト
２８    第２フライト
２９    フィン
３０    逆流防止部
３１    チェックリング
３３    連結軸
３５    第２シートリング
３７    第１シートリング
３８    流路
５０    制御部
１００  型締ユニット
１０１  ベースフレーム
１０３  固定金型
１０５  固定ダイプレート
１０７  摺動部材
１０９  可動金型
１１１  可動ダイプレート
１１３  油圧シリンダ
１１５  タイバー
１１７  油圧シリンダ
１１９  ラム
１２１  雄ねじ部
１２３  半割りナット
２００  可塑化ユニット
２０１  加熱シリンダ
２０３  吐出ノズル
２０６  ベント孔
２０７  樹脂供給ホッパ
２０８  供給孔
２０９  第１電動機
２１１  第２電動機
２１３  繊維供給装置
２１４  ２軸型スクリュフィーダー
２１５  ペレット供給装置
２１８  ロービングカッター
３００  スクリュ
３０１  スクリュ溝
３０３  引き側
３０５  押し側
３０６  フライト
３１０  シリンダ
Ｆ      強化繊維
Ｍ，Ｍｒ  溶融樹脂
Ｐ      樹脂ペレット
【要約】
過度なせん断力を強化繊維に与えることなく、強化繊維の偏在を解消できる射出成形方法を提供する。
本発明の繊維強化樹脂の射出成形方法は、加熱シリンダ２０１の内部の射出完了位置よりも下流側に樹脂溜まり領域を設け、先行するサイクルの射出工程において、樹脂溜まり領域を占める溶融樹脂Ｍｒに射出圧力を付与し、後続のサイクルの可塑化工程において、樹脂溜まり領域を占める溶融樹脂Ｍｒにせん断力を付与する。樹脂溜まり領域を占める溶融樹脂Ｍｒに高圧な射出圧力を付与することにより、塊状となっている強化繊維Ｆの内部に溶融樹脂Ｍｒを含浸させる。次いで、後続のサイクルの可塑化工程において、せん断力を付与することにより、強化繊維Ｆの分散を促進する。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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