三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

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特集論

世界初 3 000 ton 型締め力電動射出成形機

文

3 000 ton Large Size Electric Injection
Molding Machine
松尾識＊1

Shiki Matsuo

筒 井 健 司＊4

姫 野 太 充＊2

別 所 正 博＊3

Takamitsu Himeno

Masahiro Bessho

加 藤 直 紀Kenji Tsutsui＊5

Naoki Kato

水 野 貴 司＊6

Takashi Mizuno

世界初の 3 000 ton クラスの型締め力電動射出成形機 3000 em/3500 em は，バンパー等の自動車用大型プラスチック部品の世界最速のハイサイクル生産のニーズに対応しながら，当社独自の２プラタン型締機構とハイブリッド型電動システムにより省スペースと省エネを実現するとともに，新開発センタープレス型盤と電動型内圧波形制御により成形品のバリを抑制したバリレス成形を可能として，お客様のランニングコスト低減に応える超大型電動射出成形機を開発した．

1．はじめ

電動メカ
割りナット機構に電動型内圧波形制御

大容量AC サーボモーター

電動高速
可塑化装置

プラスチック製品・部品を生産する射出成形機は，従来の油圧式に比べてクリーンで省エネ性に優れる電動式が需要を伸ばし大型化が進んでいる．バンパーに代表される自動車用大物部品成形の主要な課題はイサイクル ， バリ抑制 ， 薄肉化

ハである．これらのニーズに対応するために，独自の新型センタープレス型盤と電動型内圧波形制御によりバリレス成形を可能とし，高速型開閉／ナット開閉システムと高可塑化スクリュにより世界最速の生産サイクルを可能とし，4 点均等型締機構
センタープレス構造
AC サーボ型開閉（エジェクタラップ動作）

２プラテン型締機構とハイブリッド型電動システム

MD 型 UB スクリュ II
AC サーボ駆動＋ 低騒音エコポンプシステム

図１

技術開発の概要を採用した省エネ省スペースの型締力 3 000 ton クラスの超大型電動射出成形機 3000 em 及び型締め力 UP

現性と，大きな力の制御に優れる油圧式の組み合わせ仕様の姉妹機 3500 em を世界初に開発した．平成 17で，省スペース（機長 15 m 以下，他社トグルリンク

年４月より量産初号機を納入開始した 3000 em は順式型締機構対比約 25 ％短縮）かつ省エネ（油圧機対調に立ち上げ稼働し，お客様にご好評を戴いている．

比 60 ％消費エネルギー低減）としたの電動射出成形機

2．機器構成と特長を実現したことにある．

成形品のバリを無くしてお客様ランニングコスト低3000 em は，次世代の大型自動車部品成形機としてお客様のニーズ

世界最小機長加工費削減 ， 材料費削減

ランタープレス型盤と，射出軸駆動に搭載した高応答性に応えることを目的に商品コの当社製大容量 DD（ダイレクトドライブ）サーボモーンセプトを実現した成形機である．技術開発の概要

ターを４軸同期制御して金型内の溶融樹脂圧を低圧にを図１に，表１に 3000 em の性能諸元を当社油圧機コントロールする電動型内圧波形制御を開発し，バリ

3000 MMⅢと対比させて示す．

レス成形を可能にした．

ンニングコスト低減と減に応えるため，当社独自の中押し構造である新型セ3000 em の最大の特長は，当社独自の省スペース２世界最速の生産サイクルを，高速型開閉／ナット開プラタン式型締機構にあり，可動盤のサーボモータに閉システムとバンパー材専用の MD メルタ付 UB ス

よる開閉機構と，省エネ型低騒音のエコポンプシス

クリュにより実現し，従来当社機の 45 秒サイクルをテムによる油圧締付機構を組合せたハイブリッド方式

最速 30 秒サイクルに 30 ％短縮して生産性を大幅に向を採用することにより，電動式のもつ高速高精度再上させた．

＊1

＊4

＊2

＊5

技術本部名古屋研究所産業機器研究室主席研究員
技術本部名古屋研究所材料・強度研究室＊3
技術本部名古屋研究所産業機器研究室

技術本部名古屋研究所パワーエレクトロニクス・制御研究室
三菱重工プラスチックテクノロジー
（株）
開発部
＊6
三菱重工プラスチックテクノロジー（株）開発担当主幹三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

表１項型
締性能諸元対比
470

150

150スクリュ―

2218型締方式―

エレクトロハイドロ方式

ハイドロメカニカル方式

型 締 力（kN（tf ））29 420（3 000）

29 420（3 000）

離 型 力（kN（tf ））1 824（186）

1 824（186）

L/D

デイライト最大（mm）

3 700

3 700

金型厚さ（mm）

1 000 〜1 900

1 000 〜1 900

2 700

2 700

最大型開ストローク（mm）
ダイバー間隔（mm）

2 050×1 900

2 000×1 800（mm）

3 200×2 500

2 550×2 450（mm）

1 290×1 290

1 290×1 290（m/min）

50

42/36

H×V

H×V

最小金型寸法

エジェクタ突出ストロ−ク
エジェクタ突出力（mm）（kN/min）

エジェクタ速度（前進/後退） （m/min）

出470（mm）

型開閉速度（型閉/型開）

射油 圧 機 3 000 MM III

電 動 機 3 000 em

目

スクリュ径

型盤寸法
部

55

350

350

392（40）686（70）12.5

5.6/3.9

射出ストローク

（mm）

750

750

理論射出容量（cm3 ）13 20013 200射出重量（0 Z.）

466

466

スクリュ回転速度

（rpm）

167

118

最大射出圧力

（MPa）

177

161

（kgf/cm2 ）（1 800）（1 640）

最大射出率（cm3/s）

2 030

1 275

最大射出保持圧力

（MPa）

147

161

（1 500）（1 640）部（kgf/cm2）
（kW）

359

205

（P S ）

（488）

（278）

可塑化能力（P P）（kg/h）

860

680

ノズルタッチ力（kN（tf ））射出馬力

機械寸法（L×W×H）
エネルギー消費量

98（10.0）59（6.0）15.2×4.8×4.0

13.2×4.8×3.9

1.14 油圧機比 43 ％（AC サーボ モータシステム）

2.63（油圧システム）（m）（kWh /shot）

3．センタープレス型盤構造とバリレス
3．1

センタープレス型盤

２プラタン式型締機構は，タイバー４本に均等な型締圧力をかける機構であるため，トグル式型締機構に対して金型温度の影響や偏芯キャビティ形状金型の影響が少なく，型締精度を長期に維持できる等の利点がセンタープレス型締機構

図２ある．しかし，この４点型締機構においてもトグル式

従来式型締機構

トグル式型締機構

型締め機構の比較型締機構と同様に，センター押しの直圧式油圧成形機と対比して，型盤端を支点とした型盤の湾曲変形が金レス型盤を開発し，金型口開き量を低減，バリ発生を型に影響を与えやすいという弱点があるため，金型に抑制した．

口開きが生じてバリが発生しやすいる傾向が見られ

3．2

金型口開き変形解析手法の開発た．図２に型締め機構の比較を示す．そこで型盤構造成形機の設計段階において，成形品のバリを無くすと金型構造を連成させた金型口開き変形解析手法をもためには，金型口開き量の予測を行う手法の開発が必とに，固定盤・可動盤ともタイバーの荷重点から型盤要である．そこで，従来のような型盤単体の強度・剛中央部に力線が流れるようなリブ構成として直圧と同性設計に留まらず，図３に示す型盤の間に金型（固定様な荷重均一性の確保を狙った当社独自のセンタープ型，可動型）を挟んだモデルを作成し，接触解析によ三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 200656

金型口開き量解析手法として実用可能であることが確

固定盤認できた．

可動盤

3．3

バリ発生限界の金型口開き量

バリ発生限界の金型口開き量の相関を調べるため，ギャップセンサーを埋め込んだ金型を用いて成形試験を行い，バリが発生するときの金型口開き量を計測した．図６に計測結果の一例を示すように，ギャップセンサーによる金型口開き計測値がある一定値以上でバリ発生しており，各計測位置においても同様にバリ発
生と金型口開き量との間には相関のあることが確認でZきた．なお，バリ発生は金型が口開いた際にできる隙

可動金型YX

固定金型

図３

金型口開き解析モデル間への侵入であるため，発生限界の金型口開き量は樹脂の粘度，温度，圧力等に依存するが，バンパー成形に使用される樹脂材料 PP（ポリプロピレン）のバリ発生限界を基準に検討を進めた．

り金型内パーティング面の口開き量を求める解析手法

3．4

センタープレス型盤によるバリレスを構築した．まず樹脂流動解析により求めた金型内の金型口開き量解析手法を用いて，バンパー形状を模樹脂圧分布を，構造解析の境界条件として解析し，金擬した金型の口開き量を新型センタープレス型盤と従型内パーティング面の接触荷重分布を求めることとし来型盤とで比較し図７に示す．新型センタープレス型た．図４より，金型同士が接触していない範囲は比較

盤の方が，金型中央Ｅ部の口開き量をほぼ零に低減し的広く，特に樹脂圧の高いゲート周りは，金型口開きており，ゲート周りの口開き量を大幅に改善されバリ状態にあると予想された．自動車部品の金型を用いてを大幅に減らす事が期待できる構造である．

成形試験し，ギャップセンサー位置における金型口開き量の実測値と解析値の比較を図５に示す．金型口開き量の解析精度は約− 30 〜＋ 10 ％の範囲内にあり，金型口開き量：射出圧（MPa）：型内圧⑤（MPa）：ギャップ S3（μm）

最大開時 保圧完了時

図４（条件 No.2：保圧 5 ％，型締め圧 40 ％）（条件 No.2：保圧 15 ％ ，型締め圧 40 ％）

図６＋10 ％

解析− 30 ％：ギャップセンサー型開時（2）バリ発生有り

金型内解析

金型口開き量解析精度− 30 〜＋ 10 ％最大開時 保圧完了時（1）バリ発生無し（2）パーティング面の接触荷重分布

金型口開き量計測結果

金型口開き量の算出ポイント
金型口開き量（1）樹脂圧分布

型開時：射出圧（MPa）：型内圧⑤（MPa）：ギャップ S3（μm）

CB

従来式型締機ED

バリ発生限

センタープレス式型締機
0BC

DE

B 点からE 点までの距離
実

図５

測

金型口開き量の実測値と解析値の比較

図７

新型センタープレス型盤と従来型盤の金型口開き量比較三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

57で駆動させるシステムを採用した．図９にそのシステ

4．電動型内圧波形制御

ム図を示す．この４軸ダイレクト駆動の射出機構によバンパーの薄肉成形に対応するため，3000 em は４り 3000 em の射出速度は，3 000 ton クラスで最高速

軸の DD サーボモータと４軸のボールねじを同期ベレベルの射出率 2 030 cc/s を射出圧力 1 800 kgf/cm2 をルト等用いることなく同期駆動する多軸同期制御を開達成し，速度応答性は，油圧サーボ仕様並の特性になっ発した．これにより射出機構の慣性を低減して薄肉成ている．

形に重要な速度応答性を向上させるとともに，ベルトまた，この低慣性化と応答性向上により，油圧成形の伸びやズレなどによる制御精度安定性の阻害要因を機でしか実現できなかった型内圧波形制御を電動射出排除した．

成形機においても可能にした．この電動型内圧波形制射出制御は，射出速度立ち上がり及び充填から保圧御と多点ゲート充填（シーケンスバルブ制御）により制御への切換時の応答性が重要であり，そのために射安定した低型内圧成形が可能になった．図 10 にバン出ボールねじ駆動部の慣性を小さくする必要がある．

パー成形における型内圧低減効果を示す．先述したセ

従来のタイミングベルトで結ぶ減速機構と大径プーリンタープレス型盤構造との相乗効果によりバンパー成を使用すると，慣性力が大きく応答性が低下するた形におけるバリ発生を防止する事ができる．

め，制御手法のみでは応答性改善に限界があった．そこで当社では独自のモータの電磁気解析技術及び同期制御の高速化技術を活用して，図８に示す射出ユニット専用の低回転高トルク特性の大容量 DD サーボモータを開発した．また４軸の駆動機構は同期ベルト等のメカ同期駆動ではなく，４軸のボールねじを制御同期型内圧センサ
通常成形時（1 点ゲート）型内圧波形制御時（1 点 ゲート）

型内圧力

当社高トルクサーボモータ
トルク

低回転・高トルク型内圧波形制御時（3 点マルチゲート）

減速機構不要
汎用サーボモータ
高回転・低トルク

流動末端の完全充填に必要な圧力
80 〜100 kgf/cm 2

回転数

図８

中心からの距離

大容量 DD サーボモータ

図 10

バンパー成形における型内圧低減効果

射出圧力 F/B
ロードセル
位置 F/ B

PG

可動部

AMP 1
モータ 1
金型

モータ 2 PG
スクリュ

DSA
AMP 2
AMP 3

同期制御

モータ 3 PG

MIU 2 000
位置
指令型内圧センサ
モータ 4
AMP 4
PG

型内圧 F/B

図９速度
指令4 軸同期制御システム

位置 F/ B三菱重工技報 VOL.43 NO.3: 2006

58

ロングバリアゾーンマルチダムミキシング
液相樹脂更新
回転方向

a 1

AA

1 200

UB スクリュ
細分化
薄肉化
メルト（液相）ソリッド（固相）
メルト溝

a1

可塑化能力（kg/h）

MDメルタ

1 100
1 000
900
800
700
600
500400断面 A-A100

ソリッド溝：樹脂の流れる方向
a ：フライトカット部
１ ：ダム

図 11

4.3 kg のバンパ を18 s で可塑化するために必要な可塑化能力

860 kg /130

167

スクリュ回転数（rpm）

303540成形サイクル（s）

・スクリュ：φ150 MD-UBスクリュ
・樹
脂：PP

溝展開図

MD メルタ付 UB スクリュ

図 125．高速可塑化とハイサイクル

6．まバンパー成形にお い て，こ れ ま で は 当 社 油 圧機

大型射出成形品の品質向上と成形サイクルの短縮化

3000 MMⅢが最速約 45 秒サイクルであったが，更にのニーズにこたえるべく，バリレス・ハイサイクルの高速化して 30 秒サイクルを実現する為には，30 秒サ省エネ省スペース超大型電動射出成形機 3000 em を（バンパー重量：イクルに対応した可塑化能力 860 kg/h開発し市場投入した．自動車用大型成形部品のみなら4.3 kg）が必要であり，スクリュ回転 167 rpm の高速ず，大型家電製品などプラスチック射出成形ユーザー回転で樹脂温度バラツキを低減する事が重要である．にランニングコストを抑えた生産性の高い機械を提供

特に未溶融樹脂の混入防止による混練性向上と樹脂温できた．今後も機械の性能向上だけでなく，成形品の度の均一化はバンパーの品質確保に不可欠である．

品質向上の観点からも製品開発を行い，お客様のニー

当社のダブルフライトタイプの UB スクリュは，図とバンパー成形時の可塑化能力めズに応えていきたい．

11 に示すように，固溶分離ロングバリアにより未溶融樹脂を分離し，均一可塑化品質を確保している．さらに，この UB スクリュ先端にマルチダムミキシングである MD メルタを装着し，ハイサイクル成形時の混練性能向上を図った．多角形断面形状のマルチダム
MD の最適な剪断，分割作用により極めてハイレベルな均一溶融を与えている．本スクリュのバンパー成形時に計測した可塑化能力を図 12 に示す．30 秒のハイ松尾識

姫野太充

別所正博

筒井健司

加藤直紀

水野貴司

サイクル成形時にも目標の可塑化能力を十分クリアする．また，同じハイサイクル成形時に計測した樹脂温度のバラツキが低減されることにより，溶融樹脂の可塑化品質は格段に向上し，この MD メルタ付 UB ス
クリュの採用により高速バンパー成形を実現できた．