(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、
加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、
負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、
負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して供給可能な炭素繊維材料の供給装置と、
前記炭素繊維材料の供給装置のフィードスクリュから炭素繊維材料がスクリュの溝部の近傍の投入口を介して加熱筒の内孔に直接供給される負圧状態に保たれる通路とを備えたことを特徴とする可塑化装置。
【請求項２】
加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、
加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、
上シャッタと下シャッタの一方が閉鎖されて負圧状態に保たれるシャッタ装置の下方に設けられ負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、
上シャッタと下シャッタの一方が閉鎖されて負圧状態に保たれるシャッタ装置の下方に設けられ負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な炭素繊維材料の供給装置とを備えたことを特徴とする可塑化装置。
【請求項３】
加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、
加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、
負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、
筒状部内のピストンにより炭素繊維材料を負圧状態に保たれた搬送筒内へ押し込み、前記搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な炭素繊維材料の供給装置とを備えたことを特徴とする可塑化装置。
【請求項４】
加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化方法において、
加熱筒内を吸引装置により−８０ｋＰａ〜−１０１ｋＰａの負圧状態とした状態で、
内部が前記負圧状態に保持可能な炭素繊維材料の供給装置と樹脂材料の供給装置から、加熱筒の内孔へ炭素繊維材料および樹脂材料を可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて調節して供給することを特徴とする可塑化方法。
【請求項５】
可塑化時のスクリュ回転数は３０〜２００ｒ．ｐ．ｍ．であり、金型のキャビティに溶融材料の射出時の射出速度は、３０〜２００ｍｍ／ｓｅｃであることを特徴とする請求項４に記載の可塑化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱筒内に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置および可塑化方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
加熱筒内に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置としては、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１ではガラス繊維等の強化繊維を射出用のシリンダの上部に固定した加熱装置の筒状容器内で溶融状態として供給することが記載されている。また特許文献１は、加熱筒に真空ポンプが接続され、樹脂に含まれるモノマーや不揮発分を除去できるようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１４４９号公報（請求項１、００１５、００１８、図１）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら特許文献１では、繊維を含む樹脂材料は、塊状予備成形体として供給され、繊維のみが別個に供給されるわけではない。そのため使用される材料が限定され、例えば炭素繊維等を連続した糸状（リボン状）にした材料や、炭素繊維等のみが分離された材料を使用したことは想定されておらず、もし繊維と樹脂が分離されたものを加熱装置内にそれぞれ別個に供給したとしても良好にムラ無く混合することは難しいものであった。
【０００５】
また特許文献１では、加熱装置からシリンダ内への液状樹脂の供給は動作が繰り返されて行われるが、どのようなタイミングで行われるか等については不明なものであった。また加熱装置の下部には孔を有するオリフィスプレートが設けられているが、プランジャを使用しない場合にも、溶融した液状樹脂がオリフィスプレートの孔から下方へ漏れる可能性があり、シリンダ内への材料供給を適時適量に良好に調整できずないものであった。そしてシリンダ内に供給される溶融材料の量を正確にコントロールできないので、シリンダ内における繊維を含む樹脂からのガス抜き等を良好にコントロールできないものであった。
【０００６】
それらの結果、特許文献１では、繊維材料と樹脂とがムラ無く良好に混合するとともに繊維材料と樹脂の間にボイド等が無い状態に前記材料を可塑化することは困難であった。またその結果は成形品にも影響が現れるものであった。
【０００７】
そこで本発明の加熱筒内に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置および可塑化方法では、繊維材料と樹脂とがムラ無く良好に混合するとともに繊維材料と樹脂の間にボイド等が無い状態に材料を可塑化するために、繊維材料を適時適量に供給することができる可塑化装置および可塑化方法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】
【０００８】
本発明の請求項１に記載の可塑化装置は、加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して供給可能な炭素繊維材料の供給装置と、前記炭素繊維材料の供給装置のフィードスクリュから炭素繊維材料がスクリュの溝部の近傍の投入口を介して加熱筒の内孔に直接供給される負圧状態に保たれる通路とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の請求項２に記載の可塑化装置は、加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、上シャッタと下シャッタの一方が閉鎖されて負圧状態に保たれるシャッタ装置の下方に設けられ負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、上シャッタと下シャッタの一方が閉鎖されて負圧状態に保たれるシャッタ装置の下方に設けられ負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な炭素繊維材料の供給装置とを備えたことを特徴とする。
【００１０】
本発明の請求項３に記載の可塑化装置は、加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、筒状部内のピストンにより炭素繊維材料を負圧状態に保たれた搬送筒内へ押し込み、前記搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な炭素繊維材料の供給装置とを備えたことを特徴とする。
【００１１】
本発明の請求項４に記載の可塑化方法は、加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化方法において、加熱筒内を吸引装置により−８０ｋＰａ〜−１０１ｋＰａの負圧状態とした状態で、内部が前記負圧状態に保持可能な炭素繊維材料の供給装置と樹脂材料の供給装置から、加熱筒の内孔へ炭素繊維材料および樹脂材料を可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて調節して供給することを特徴とする。
【００１２】
本発明の請求項５に記載の可塑化方法は、請求項４において、可塑化時のスクリュ回転数は３０〜２００ｒ．ｐ．ｍ．であり、金型のキャビティに溶融材料の射出時の射出速度は、３０〜２００ｍｍ／ｓｅｃであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の可塑化装置は、加熱筒の内孔に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置において、加熱筒内を負圧状態とする吸引装置と、負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて樹脂材料の供給量を調節して加熱筒の内孔に供給可能な樹脂材料の供給装置と、負圧状態に保たれる搬送筒内に設けられ回転数または回転時期を制御可能なフィードスクリュにより、可塑化装置のサイクルまたは状態に応じて炭素繊維材料の供給量を調節して供給可能な炭素繊維材料の供給装置とを備えているので、炭素繊維材料と樹脂とがムラ無く良好に混合するとともに炭素繊維材料と樹脂の間にボイド等が無い状態に材料を可塑化することを目的として炭素繊維材料を適時適量に供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本実施形態の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置の断面図である。
【図２】別の実施形態の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図１により本実施形態の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置１１について説明する。本実施形態の繊維材料を含む樹脂材料の可塑化装置１１は、炭素繊維材料を含む樹脂材料を成形するための射出成形機（射出圧縮成形機を含む）の射出装置である。可塑化装置１１の加熱筒１２は、可塑化される溶融樹脂材料の圧力に耐えるため所定肉厚の円筒部材であり、各ゾーンにはヒータ１２ａと熱電対がそれぞれ配設され、制御装置から各ゾーン毎に温度制御可能となっている。そして加熱筒１２の軸方向の中心に設けられた内孔１３にはスクリュ１４が回転可能かつ前後進可能に配設されている。スクリュ１４は、計量時には炭素繊維材料を含む樹脂材料を混練して可塑化しながら加熱筒１２の内孔１３の前方に送って貯留し、射出時は前記貯留した樹脂材料を図示しない金型内のキャビティへ射出するためのものである。スクリュ１４は、繊維の断裂を極力防止するために圧縮比が比較的低いものが使用される。これに限定されるものではないが、一例としてはスクリュ１４のピッチ比は全長に亘って一定であり、スクリュ１４のフライト１４ａ間の断面積の比である圧縮比については１．０〜２．５が望ましい。
【００１６】
そして加熱筒１２の前部には、シリンダヘッドが固着され、シリンダヘッドにはノズル１５が固着されている。ノズル１５の中心に形成されるノズル孔１５ａは、これに限定されるものではないが、一例として直径３ｍｍ〜１０ｍｍと径が大きいものが選ばれ、ノズル通過時の炭素繊維材料の切断を極力防止している。また炭素繊維材料と混合される樹脂材料は粘度が低いものが好適に選ばれることと、前記のノズル孔１５ａの径が大きいことから、ノズル１５には開閉バルブ１６が取付けられることが望ましい。また加熱筒１２の後部寄りにおける投入口１７の周囲には、ハウジング部１８（前プレート）が固着されている。
【００１７】
ハウジング部１８は図示しない温調装置により温調されるが結露を防止するため図示しないヒータも配設されるようにしてもよい。ハウジング部１８には上方に向けて樹脂材料の供給筒１９が設けられている。そして供給筒１９の上部には樹脂材料を供給装置２０の一部であるフィードスクリュ２１が内蔵された搬送筒２２が水平方向に設けられている。そしてフィードスクリュ２１の一端には回転数または回転時期を制御可能なモータ２３が取付けられている。また搬送筒２２の後部寄りの上部には、樹脂材料の供給装置２０の一部であるシャッタ装置２４が取付けられている。シャッタ装置２４には、上シャッタ２５と下シャッタ２６が設けられ、前記シャッタ２５，２６により上部室２７、中間室２８、下部室２９に区画可能となっている。前記上シャッタ２５および下シャッタ２６は、シリンダ２５ａ，２６ａにより開閉スライドし、上シャッタ２５が開放されている際には上部室２７と中間室２８が連通され、また下シャッタ２６が開放されているときは、中間室２８と下部室２９が連通されて樹脂材料が落下する。またそれぞれのシャッタ２５，２６が閉鎖されている際にはシャッタ２５，２６の上方に樹脂材料が貯留されるとともに各室の間をシール可能な状態に保つことが可能となっている。また上部室２７は、供給管３０を介して図示しない乾燥機を兼ねた材料貯留装置に接続され、材料貯留装置から樹脂材料が圧送される。
【００１８】
また前記搬送筒２２の前方寄りの上部には連通孔３１が設けられ、連通孔３１の部分には樹脂材料の粉や炭素繊維材料を吸引しないようにフィルタ３１ａが取付けられている。連通孔３１の外側に接続される管路３２は、加熱筒１２内を負圧状態とする吸引手段である真空ポンプ３３に接続されている。そして真空ポンプ３３の手前にもフィルタ３４が設けられている。また中間室２８から前記管路３２には管路３５が接続されている。そして管路３２には開閉バルブ３２ａが設けられ、管路３５には開閉バルブ３５ａが設けられている。
【００１９】
また供給筒１９の上下方向の中間部分には、炭素繊維材料の供給装置３６が接続されている。炭素繊維材料の供給装置３６は、水平方向に向けられた別の搬送筒３７が供給筒１９の側方に固定され、搬送筒３７の内部には炭素繊維材料を加熱筒１２内に供給するためのフィードスクリュ３８が内蔵されている。そしてフィードスクリュ３８の後方端には回転数および回転時期を制御可能なモータ３９が取付けられている。また搬送筒３７の前方側は、供給筒１９の内部に向けて接続されており、搬送筒３７の前方端には内部に通路４０ａが設けられた内筒４０が設けられている。供給筒１９の内部設けられる内筒４０は、途中から下方に向けて屈曲しており、内筒４０の下端は、加熱筒１２の投入口１７付近で、スクリュ１４の溝部１４ｂに正対して開口されるように設けられる。従って本実施形態において供給筒１９内の中間位置よりも下方では内筒４０の外側の通路１９ａを樹脂材料の供給装置２０から供給される樹脂材料が落下し、内筒４０の内側の通路４０ａを炭素繊維材料の供給装置３６から供給される炭素繊維材料が落下する。このように内筒４０を設けるのは、炭素繊維材料をスクリュ１３の最適な位置に供給するためと、連通孔３１へ炭素繊維材料が吸引されるのを避けるためである。
【００２０】
また搬送筒３７の後部寄りの上部には、炭素繊維材料の供給装置３６のシャッタ装置４１が取付けられている。シャッタ装置４１の構造は、上シャッタ４２と下シャッタ４３が設けられ、前記シャッタ４２，４３により上部室４４、中間室４５、下部室４６に区分されている。本実施形態で中間室４５は縦長の細筒形状となっている。前記上シャッタ４２および下シャッタ４３は、それぞれシリンダ４２ａ，４３ａにより開閉スライドし、上シャッタ４２が開放されている際には上部室４４と中間室４５が連通され、下シャッタ４３が開放されている際は、中間室４５と下部室４６が連通されて、それぞれ炭素繊維材料が落下される。また上シャッタ４２，下シャッタ４３が閉鎖されている際にはそれぞれのシャッタ４２，４３の上方に炭素繊維材料が貯留されるとともに各室４４，４５，４６の間をシール可能な状態に保つことが可能となっている。また中間室４５の上部寄りの外側には管路４７が接続され、管路４７は真空ポンプ３３に接続される管路３２に接続されている。そして管路４７の中間室４５側の部分にはフィルタ４７ｂが設けられ、管路４７上には開閉バルブ４７ａが設けられている。
【００２１】
また炭素繊維材料の供給装置３６には、連続した繊維材料を所定の長さに切断する切断装置４８が取付けられている。具体的には切断装置４８は、上部室４４にホッパ４９が取付けられ、ホッパ４９には、炭素繊維を所定の長さに切断するための回転式のカッタ５０が取付けられている。カッタ５０の種類は回転式のものに限定されず、刃がスライドするものでもよい。そしてホッパ４９の上方または側方等には、連続した糸状（リボン状）の炭素繊維Ｃが巻かれた供給ロール５１が回転可能に取付けられるようになっている。そして連続した糸状（リボン状）の炭素繊維Ｃは、両側からニップロール５２に挟まれてカッタ５０に向けて供給され、カッタ５０とホッパ４９の板４９ａの間で切断され、上部室４４に一旦貯留される。
【００２２】
また本実施形態において、樹脂材料の供給装置２０、炭素繊維材料の供給装置３６、樹脂材料の供給装置２０と供給筒１９の間、炭素繊維材料の供給装置３６と供給筒１９の間、供給筒１９とハウジング部１８の間、ハウジング部１８と加熱筒１２の間、加熱筒１２後端とスクリュ軸１４ｃの間等は図示しないシール部材によりシールされ、加熱筒１２内が気密に保たれるようになっている。
【００２３】
本実施形態において加熱筒内を負圧状態とする吸引手段である真空ポンプ３３は、加熱筒内（樹脂材料の供給装置２０内、炭素繊維材料の供給装置３６内等をも含む密閉空間内）を一例として大気圧基準で−８０ｋＰａ（絶対圧基準では２１．３３ｋＰａ）ないし−１０１ｋＰａ（絶対圧で０．３３ｋＰａ）まで負圧状態に可能な能力を有する。なおより望ましい負圧状態は、大気圧基準で−９０ｋＰａ（絶対圧基準では１１．３３ｋＰａ）ないし−１００ｋＰａ（絶対圧で１．３３ｋＰａ）である。真空度は上記以上の高真空であってもよいが、前記高真空を達成するための真空ポンプ３３やシール構造に費用がかかる割に得られる効果に大差はないのであまり現実的とは言えない。
【００２４】
また可塑化装置１１は、射出成形機の射出装置であってその駆動部等については公知であるので図示しての説明は省略するが、スクリュ１４を回転させるための計量用サーボモータ５３、スクリュ１４を前後進させるための射出用サーボモータ、射出時や計量時にスクリュ１４の軸方向にかかる力を検出するロードセル、射出装置全体を前後進させるとともにノズル１５を金型に押圧する機構などが設けられている。
【００２５】
また可塑化装置１１のノズル１５の前方側（図１において左側）には図示しない射出成形機の型締装置が設けられている。射出成形機の型締装置については、どのような型締装置であってもよい。しかしながら一例として、縦型の型締装置を用いて、金型のパーティング面から射出を行う場合などでは、射出時の流動損失を軽減し、炭素繊維材料の切断を減少させることができる。また金型を僅かに開いた状態から射出開始してから金型間の溶融材料を圧縮、または射出開始後に金型間を開いてその後に金型間の溶融材料を圧縮などする射出圧縮成形を行う型締装置では、射出速度を低下させることができ、炭素繊維材料の切断を減少させることができる。
【００２６】
次に繊維材料を含む樹脂材料の可塑化方法について説明する。本実施形態では、上記のように真空ポンプ３３が作動されて加熱筒１２内が上記の真空状態（負圧状態）に保たれている。樹脂材料は、材料貯留装置から供給管３０を介して上部室２７へ供給される。そしてまず上シャッタ２５のみが開き上部室２７から中間室２８へ樹脂材料が供給される。次に上シャッタ２５が閉鎖され、開閉バルブ３５ａが開いて、中間室２８内が真空ポンプ３３に連通されて真空化される。次に下シャッタ２６が開いて、中間室２８内の樹脂材料が下部室２９であってフィードスクリュ２１が設けられた搬送筒２２内の後部側へと落下される。このようにして常時いずれか一方のシャッタ２５，２６は閉鎖された状態を保って樹脂材料を供給できることから加熱筒１２内の真空は保たれる。そして図示しない射出成形機の制御装置からモータ２３により搬送筒２２内のフィードスクリュ２１の回転を制御することにより、可塑化装置１１のサイクルや状態に応じた望ましいタイミングで望ましい量の樹脂材料を加熱筒１２内に供給することができる。ここでいう「サイクル」とは、計量工程、射出工程といった成形サイクルにおける時期（工程）を指し、「状態」とは計量用モータのトルク、回転数、計量完了までの時間等、加熱筒１２内の樹脂材料等の状態を検出するための数値等を指す。
【００２７】
本実施形態では使用される材料として熱可塑性樹脂（たとえばポリアミド）に炭素繊維を配合した混合材料（ＣＦＲＰ）を使用した例について記載する。前記混合材料としては、熱可塑性樹脂の場合は、ポリアミドの他、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ＡＢＳ等の少なくとも一種類の樹脂が選ばれる。また熱硬化性樹脂の場合は、エポキシ、ポリウレタン、フェノール等の少なくとも一種類の樹脂から選ばれ、熱可塑性と熱硬化性樹脂の混合樹脂でもよい。
【００２８】
また本実施形態では炭素繊維は、炭素繊維材料の供給装置３６から供給される。本発明としては、炭素繊維の他、ガラス繊維、植物繊維、化学繊維等の別の繊維を含有するものも含まれる。また炭素繊維等の繊維の状態および供給方法は、ここで記載された方法に限定はされない。
【００２９】
連続した糸状（リボン状）の炭素繊維Ｃは、供給ロール５１からニップロール５２により切断装置４８へ送り出され、回転式のカッタ５０とホッパ４９の板４９ａの間で切断される。そして切断された炭素繊維材料は、上シャッタ４２の上方に貯留される。次に所定のタイミングで上シャッタ４２のみが開き、炭素繊維は、縦長の中間室４５に落下される。この際炭素繊維は縦長の中間室４５内で半分よりも下方に貯留される程度とすることが望ましい。そして上シャッタ４２が閉鎖されると開閉バルブ４７ａが開いて、中間室４７内が真空ポンプ３３に連通され真空化される。この際真空ポンプ３３からの管路４７は、中間室４５の上部に連通されており、炭素繊維は中間室４５の下方にしか貯留していないので、炭素繊維を吸い込むことがない。また管路４７の中間室４５側にはフィルタ４７ｂが設けられているので、炭素繊維材料が管路４７に入りこむことは防止される。
【００３０】
次に下シャッタ４３が開いて、中間室４５内の炭素繊維が下部室４６であってフィードスクリュ３８が設けられた搬送筒３７内の後部側へ落下される。このようにして常時いずれか一方のシャッタ４２，４３は閉鎖されていることから加熱筒１２内の真空は保たれる。またこれらのシャッタ４２，４３が開放される際、下方側の室の真空度を高めにしておいて、炭素繊維材料の落下を助長させるようにしてもよい。そして図示しない射出成形機の制御装置によりモータ３９を駆動させ搬送筒３７内のフィードスクリュ３８の回転を制御することにより、炭素繊維材料は搬送筒３７内を前方に送られ、更には内筒４０内の通路４０ａを通過して加熱筒１２のスクリュ１４の溝１４ｂの近傍に直接送られる。このように内筒４０内の通路４０ａを炭素繊維が送られることにより、供給筒１９内で炭素繊維が真空ポンプ３３への管路３２の側に吸引されることが無くなる。また内筒４０の先端をスクリュ１４のフライト１４ａや溝１４ｂに対して望ましい位置に対応させることができるので、スクリュ１４への炭素繊維材料の噛み込みが良好になる。
【００３１】
本実施形態では、供給される炭素繊維材料は、可塑化装置１１のサイクルや状態に応じて、望ましいタイミングで望ましい量の炭素繊維材料を加熱筒１２内に供給することができる。この際、連続した糸状（リボン状）の炭素繊維材料Ｃは、カッタ５０により常時切断されているか、またはほとんどの時間切断されていることにより、必要な炭素繊維材料の供給量を確保している。しかし炭素繊維材料が加熱筒１２内に直接供給されるのは、常時とは限らない。具体的には計量時にはスクリュ１４の回転に応じて炭素繊維と樹脂材料が適量づつ供給される。または場合によっては射出時などにも供給される。しかし計量完了後に射出開始までの時間は、スクリュが回転停止および前後進停止しているので、炭素繊維等は供給されないか、または計量時よりも供給量が減らされる。従って本実施形態の炭素繊維材料の供給装置３６におけるフィードスクリュ３８は、カッタ５０による炭素繊維材料の切断時間と加熱筒１２内への炭素繊維材料の供給時間が相違していたり、毎秒当たりの供給量が相違していたとしてもバッファとして調整機能の役割を果たす。また樹脂材料と炭素繊維材料を供給時間の間中、最適の比率で供給できるので、材料の混合ムラが起きない。
【００３２】
そして加熱筒１２内への炭素繊維材料および樹脂材料の供給は、スクリュ１４の溝１４ｂに前記炭素繊維材料と樹脂材料を混合したものが完全に詰まった状態ではなく、一部に空間を持った状態である飢餓状態となるように供給される。この際に加熱筒１２内は気密に保たれ真空ポンプ３３により負圧吸引され、一例として−９５ｋＰａに減圧されているので、樹脂材料から発生したガスや水分は、スクリュ１４の溝１４ｂに形成された空間を通って真空ポンプ３３に吸引される。また加熱筒１２内がほぼ無酸素化されることにより、樹脂材料の黒変や劣化が防止される。更には加熱筒１２内の気体が吸引されることにより、溶融状態の樹脂材料と炭素繊維材料の間にボイド等がほとんど無くなるので、樹脂材料と炭素繊維材料の密着性が良好になる。
【００３３】
そして上記のように圧縮比を小さくしたスクリュ１４により炭素繊維材料を含む樹脂材料を可塑化し、加熱筒１２の内孔１３のスクリュ１４の前方へ送る。この際に加熱筒１２の内壁とスクリュ１４の間で樹脂材料等がせん断作用を受けて発生するせん断発熱を小さくし、加熱筒１２の温度を高めにして熱により樹脂材料の可塑化を促進させる。（なお加熱筒１２の温度は樹脂材料の種類により異なることは言うまでもない。）またスクリュ１４の回転数は射出装置の大きさにも関係して限定されるものではないが、一例として３０〜２００ｒ．ｐ．ｍ．更に望ましくは５０〜１５０ｒ．ｐ．ｍ．として回転数を遅めにして時間をかけて可塑化する。更に計量時のスクリュ１４の背圧は、０〜５ＭＰａと比較的低めであることが炭素繊維の折損を抑える点で望ましい。
【００３４】
そして次の射出工程では、可塑化装置１１（射出装置）から、図示しない型締装置に取付られた金型のキャビティに溶融材料を射出する。この際の射出速度もこれに限定されるものではないが、一例として３０〜２００ｍｍ／ｓｅｃと比較的遅くすることが望ましい。この際にノズル１５のノズル孔１５ａの径やランナの径が太くて直線状であるほうが流動損失を抑えられ、また炭素繊維の折損も抑えられる。また金型および型締装置の側では、これに限定されるものではないが、キャビティの容積を拡大してから圧縮する射出圧縮成形を行うことが望ましい。そしてキャビティ内の炭素繊維材料を含む溶融樹脂が充填されると保圧工程へ移行し、冷却終了後に成形品を取り出す。なお炭素繊維の折損を抑える点で保圧は低めにすることが望ましい。これに限定されるものではないが、保圧は４０ＭＰａ以下が望ましく、保圧を行わず、冷却収縮分だけ可動金型を移動させてキャビティ容積を減少させるものでもよい。
【００３５】
次に図２により別の実施形態について相違点を中心に説明する。別の実施形態の可塑化装置６１は、ハウジング部６３に対して取付けられる供給筒６４、樹脂材料の供給装置６５の構造は図１の実施形態とほぼ同様の構造となっている。しかし加熱筒６２、スクリュ７６、および炭素繊維材料の供給装置６６は一部が相違している。別の実施形態において、炭素繊維材料の供給装置６６により供給される炭素繊維材料Ｃ１は、切断装置のカッタにより切断されるのではなく、予め切断されたものが所定量づつブロック状に供給される。
【００３６】
炭素繊維材料の供給装置６６は、搬送筒６７の後方寄りの上部に縦長の細筒形状の筒状部６８が設けられ、筒状部６８の下方寄りの部分にはシャッタ６９が設けられ、シャッタ６９により、筒状部６８は上部室７０と下部室７１に区画可能となっている。また筒状部６８の上部室７０の部分の上部寄りの一方の壁面には、水平方向に向けて別の筒状部７２が固定されている。筒状部７２の最後端には、ロッド７４ａが筒状部７２内を水平方向に移動するエアシリンダ７４が取付けられている。筒状部７２内において、前記ロッド７４ａが退縮した際に形成される部分（ロッド７４ａの前方）は、ブロック状の炭素繊維材料Ｃ１の載置スペース７３となっている。
【００３７】
縦方向の筒状部６８の上部にも、ロッド７５ａが垂直方向に移動されるエアシリンダ７５が設けられている。エアシリンダ７５のロッド７５ａには筒状部６８の内径に一致するピストン７５ｂが設けられ、筒状部６８内において前記ピストン７５ｂを境にして上下空間がシールが可能となっている。また上部室７０である筒状部６８において、筒状部７２が開口された部分よりも下方の中間位置には、真空吸引するための連通孔８１が設けられている。そして連通孔８１にはフィルタが設けられるとともに、連通孔８１は管路により真空ポンプ７９に連通されている。加熱筒６２内が気密を保て前記真空ポンプ７９により真空化できる点は図１の実施形態と同じである。
【００３８】
本実施形態では、スクリュ７６はＬ／Ｄが２０〜５０と、一般的なものよりも長いスクリュ７６が設けられ、スクリュ７６の軸７６ａの太さは、後方の投入口６２ａの近傍部分から順に細、太、細、太の順となっている。またスクリュ７６のピッチは一定またはほぼ一定となっている。そして前記スクリュ７６により前方に送られた樹脂材料は、最初の軸が太くなった部分７６ｂで一旦圧縮され溶融されるが、次に軸７６ａが細くなった部分７６ｃで再び圧力開放されるようになっている。そして加熱筒６２の中間位置の上部位置であって、可塑化時にスクリュ７６の軸７６ａが細くなった部分７６ｃの近傍位置には、貫通孔７７（ベント孔）が設けられ、加熱筒６２内（特に軸７６ａが細くなった部分７６ｂ）から発生したガスが抜けるようになっている。貫通孔７７は、管路７８を介して真空ポンプ７９に接続され、管路７８には開閉バルブ７８ａやフィルタ７８ｂ等が設置される。
【００３９】
別の実施形態の可塑化装置６１は、ブロック状の炭素繊維材料Ｃ１が１個づつ供給されるが、上記の構造をしていることにより、加熱筒６２内は真空状態を保つことができる。即ちエアシリンダ７５のピストン７５ｂを最上方に位置させて上部室７０に対して筒状部７２を開口させた状態で、エアシリンダ７４のロッド７４ａを伸長させて、載置スペース７３に準備されたブロック状の炭素繊維材料Ｃ１を上部室７０内に押込む。次にエアシリンダ７４のロッド７４ａを退縮させた後、エアシリンダ７５のロッド７５ａを伸長させてピストン７５ｂで前記開口との連通を封鎖する。この状態で真空ポンプ７９と上部室７０とを連通孔８０を介して連通させて、上部室７０内を真空化させる。そのことにより上部室７０内のピストン７５ｂは容易に前進可能となる（または上部室７０の下方に設けた別の孔を開放して、ピストン７５ｂを前進可能としてもよい。）。次にシャッタ６９を開放するともにエアシリンダ７５のロッド７５ａおよびピストン７５ｂを前進させてブロック状の炭素繊維材料Ｃ１を下部室７１に押込む。下部室７１に押込まれたブロック状の炭素繊維材料Ｃ１は搬送筒６７内のフィードスクリュ８０の回転により、可塑化装置６１のサイクルまたは状態に応じて加熱筒６２内に炭素繊維材料の供給量が調節（供給量０の時間も含む）して送られる。またその際に樹脂材料の供給装置６５から可塑化装置６１のサイクルまたは状態に応じて加熱筒６２内への樹脂材料の供給量が適時適量に調節（供給量０の時間がある場合も含む）されて送られる。
【００４０】
一方、加熱筒６２におけるベント孔である貫通孔７７からは真空ポンプ７９によりガス等が常時吸引されている。別の実施形態では、炭素繊維材料と樹脂が既に溶融状態に混合された後にガスを吸引するので、炭素繊維材料が真空ポンプへの管路に詰まることはない。図１、図２の実施例以外にも、加熱筒内を負圧にして樹脂材料等からガス等を吸引するために吸引孔を設ける部分は、加熱筒の後部または後端、ハウジング部、供給筒の周り、下部室など限定はされない。また上記の負圧を保つことが可能な範囲内において窒素ガスや大気を導入するものでもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。例えば図１の実施形態において炭素繊維材料の供給装置のみを図２に示される炭素繊維材料の供給装置に変更してもよい。また図２の別の実施形態において、炭素繊維の供給装置のみを図１に示される炭素繊維材料の供給装置に変更してもよい。更に炭素繊維材料の供給装置に供給されるのは、炭素繊維材料のみならず、ペレットに炭素繊維が混入されたものでもよい。更にまた、本発明に用いられる可塑化装置は、射出を兼用した射出装置の他、可塑化装置とプランジャ装置からなるプリプラ（登録商標）式の射出装置の可塑化部分にも使用することができる。またスクリュが前後進せずに回転のみを行って前方のダイから繊維材料を含む樹脂材料を押出す押出機についても本発明を採用することができる。
【符号の説明】
【００４２】
１１，６１ 可塑化装置
１２，６２ 加熱筒
１４，７６  スクリュ
２１，３８，８０  フィードスクリュ
２０，６５  樹脂材料の供給装置
３３，７９    真空ポンプ
３６，６６  炭素繊維材料の供給装置（繊維材料の供給装置）
４８  切断装置
Ｃ，Ｃ１  炭素繊維材料（糸状、ブロック状）
【要約】
【課題】加熱筒内に少なくとも回転自在に設けられたスクリュにより繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置を用いて、繊維材料と樹脂とが良好にムラ無く混合するとともに繊維材料と樹脂の間にボイド等が無い状態に材料を可塑化するために、繊維材料を適時適量に供給することを実現する。
【解決手段】加熱筒１２内に少なくとも回転自在に設けられたスクリュ１４により繊維材料を含む樹脂材料を可塑化する可塑化装置１１において、加熱筒１２内を負圧状態とする吸引装置３３と、可塑化装置１１のサイクルまたは状態に応じて加熱筒１２内への繊維材料の供給量を調節して供給可能な繊維材料の供給装置３６とを備える。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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