JP2013107222A

JP2013107222A - 射出成形用金型

Info

Publication number: JP2013107222A
Application number: JP2011251978A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Izumitani; 俊一泉谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2011-11-17
Filing date: 2011-11-17
Publication date: 2013-06-06

Abstract

【課題】成形材料を効果的に冷却し、サイクルタイムを短縮可能な射出成形用金型を提供する。
【解決手段】
成形材料から放出される熱によって発電する熱電モジュール（３４，６４）を備えるスプルーブシュ（３０，６０）と、前記熱電モジュールで発電された電力を用いて冷却を行う冷却モジュール（５０）を備える金型部材（２８）と、を有する射出成形用金型。
【選択図】図３

Description

本発明は、射出成形用金型に関する。

樹脂等の成形を行う射出成形は、様々な分野で応用されている。射出成形において、成形品を大量かつ安価に製造するためには、１回の成形に要する時間であるサイクルタイムを短縮することが効果的であり、特に高温の成形材料を効果的に冷却する技術が提案されている。

成形材料を効果的に冷却する方法として、例えば主型の温度調整機構に加えて、冷却用の水路が形成されたスプルーブシュを有する射出成形用金型が提案されている（特許文献１等参照）。このようなスプルーブシュは、比較的固化に時間を要する傾向のあるスプルー内の成形材料を効果的に冷却することが可能である。

国際公開第２００８／０３８６９４号

しかし、従来技術では、スプルー内に冷却用の流路を形成しているためスプルーの形状が複雑になり、また、冷却用の流路へ冷却水を供給するための冷却経路を形成する必要があり、スプルー周辺の金型部材の形状も複雑になるという問題を有している。また、スプルーブシュに水路を形成する方法では、スプルーに対する冷却効果は期待できるものの、ランナーやゲート周辺などに対しては、大きな冷却効果を及ぼすことができないという問題を有している。

本発明に係る射出成形用金型は、このような課題に鑑みてなされ、その目的は、成形材料を効果的に冷却し、サイクルタイムを短縮可能な射出成形用金型を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る射出成形用金型は、
成形材料から放出される熱によって発電する熱電モジュール（３４，６４）を備えるスプルーブシュ（３０，６０）と、
前記熱電モジュールで発電された電力を用いて冷却を行う冷却モジュール（５０）を備える金型部材（２８）と、を有する。

また、例えば、前記熱電モジュールは、当該熱電モジュールで発電された電力を蓄える二次電池（４６，４８）に電気的に接続されていても良く、
前記冷却モジュールは、接続及び接続解除を切り換え可能なスイッチ（４２）を介して、前記二次電池に対して、電気的に接続されていても良い。

なお上述の説明では、本発明をわかりやすく説明するために実施形態を示す図面の符号に対応づけて説明したが、本発明は、これに限定されるものでない。後述の実施形態の構成を適宜改良してもよく、また、少なくとも一部を他の構成物に代替させてもよい。さらに、その配置について特に限定のない構成要件は、実施形態で開示した配置に限らず、その機能を達成できる位置に配置することができる。

図１は、本発明の一実施形態に係る射出成形用金型の概略断面図である。図２は、図１に示す射出成形用金型を含む射出成形機の概念図である。図１に示す射出成形用金型に含まれるスプルーブシュを表す斜視図である。本発明の変形例に係るスプルーブシュを示す断面斜視図である。図２に示す射出成形機で行われる射出成形工程を表すフローチャートである。

図１は、本発明の一実施形態に係る射出成形用金型２０の概略断面図である。金型２０は、ロケートリング２１、スプルーブシュ３０、固定側取付板２２、固定側型板２３、可動側型板２４、エジェクタプレート２５ａ，２５ｂ、受け板２６，スペーサブロック２７、可動側取付板２８等を有する。

ロケートリング２１は、金型２０を射出成形機１０（図２参照）に設置する際に、位置決めを行うための部材である。固定側取付板２２は、固定側型板２３を取り付けるための部材である。固定側型板２３は、金型２０に含まれる金型部材のなかでも、可動側型板２４とともに、金型２０に含まれる金型部材の主要部分を構成しており、主として成形品の外観となる部分を形成している雌型である。

固定側取付板２２及び固定側型板２３に形成された貫通孔には、スプルーブシュ３０が嵌合されている。スプルーブシュ３０の内部には、射出成形機１０のノズルから射出された溶融樹脂等の成形材を、キャビティへ搬送するための経路であるスプルー３２が形成されている。また、スプルーブシュ３０におけるロケートリング２１側の端部には、成形機のノズルが接触する台座が形成されている。スプルーブシュ３０は、成形材料から放出される熱によって発電する熱電モジュール３４（図３等参照）を備えるが、詳細構造については後ほど述べる。

可動側型板２４は、固定側型板２３とともに金型２０に含まれる金型部材の主要部分を構成しており、主として成形品の内面となる部分を形成している雌型である。可動側型板２４は、熱電モジュール３４で発電された電力を用いて成形材料の冷却を行う冷却モジュール５０を備える。冷却モジュールの詳細については、後ほど述べる。

受け板２６は、可動側型板２４を支えるための部材である。スペーサブロック２７は、内部にエジェクタプレート２５ａ，２５ｂを収納する空間を形成するための部材である。エジェクタプレート２５ａ，２５ｂには、成形品を金型２０から取り出すためのエジェクタピン（不図示）が取り付けられている。エジェクタプレート２５ａ，２５ｂは、成形品を金型２０から取り出す際に、射出成形機１０のエジェクタ装置によって動かされる。

可動側取付板２８は、射出成形機１０の可動盤に可動側型板２４、受け板２６等を取り付けるための部材である。なお、固定側型板２３及び可動側型板２４には、金型２０の温度を調整するための冷却水や熱媒体油を通過させる水穴が形成されている。水穴には、射出成形機１０に備えられる金型用温度調整機を介して、冷却水や熱媒体油が供給される。

図３は、図１に示す金型２０に備えられるスプルーブシュ３０の斜視図である。スプルーブシュ３０の外周側には、熱電モジュール３４が備えられている。熱電モジュール３４は、スプルーブシュ３０の本体部３１の外周面に形成された取付面に、接着等により固定されている。熱電モジュール３４の高温側部３４ａは、スプルーブシュ３０の内部に設けられたスプルー３２に近接するように配置され、低温側部３４ｂは、高温側部３４ａを挟んでスプルー３２とは反対側に配置される。なお、熱電モジュール３４は、スプルーブシュ３０の本体部３１に接合されていれば設置位置は限定されない。例えば、熱電モジュール３４は、図３に示すように、スプルーブシュ３０における固定側取付板２２又は固定側型板２３への嵌合面３５以外の場所に配置されることが、スプルーブシュ３０から固定側取付板２２又は固定側型板２３への排熱の観点から好ましい。

熱電モジュール３４は、ｐｎ接合部に温度差を与えると起電力を発生するゼーペック効果等を利用するものであり、スプルー３２を通過する成形材料から放出される熱によって発電する。熱電モジュール３４に用いられる熱電材料としては、特に限定されないが、ビスマステルル系材料、鉛テルル系材料、Ｂａ−Ｇａ−Ｓｎ系材料等が挙げられる。

図４は、本実施形態の変形例に係るスプルーブシュ６０の断面斜視図であり、熱電モジュール６４が、スプルーブシュ６０の本体部と一体に形成されていることを除き、図３に示すスプルーブシュ３０と同様である。熱電モジュール６４は、熱電モジュール３４と同様の熱電材料によって構成されるが、半導体膜の形成技術等により、スプルーブシュ６０の本体部の表面に形成されている。このように、スプルーブシュ３０，６０に備えられる熱電モジュール３４，６４は、図３に示すようにスプルーブシュ３０の本体部３１と別個に作製された後に本体部３１に接合されても良く、図４に示すように本体部と一体であっても良い。

図２は、図１に示す射出成形用金型２０を含む射出成形機１０の概念図である。図２の下方に示す射出成形機１０の内部では、図２の上方に示すような金型２０の排熱のリサイクルシステム５２が構築されている。排熱のリサイクルシステム５２は、スプルーブシュ３０に備えられる熱電モジュール３４、スイッチ４０，４２、二次電池４６，４８及び、可動側型板２４に備えられる冷却モジュール５０によって構成される。

熱電モジュール３４は、上述したようにスプルーブシュ３０に備えられており、主としてスプルー３２内の成型樹脂からの熱及びそれによって形成される温度勾配によって発電する。スプルー３２付近は、金型２０の中でも温度勾配の大きい場所の一つであるため、スプルーブシュ３０に備えられた熱電モジュール３４は、効果的に発電することが可能である。

熱電モジュール３４は、スイッチ４０を介して二次電池４６，４８に電気的に接続されている。スイッチ４０は、熱電モジュール３４をいずれか一方の二次電池４６，４８に対して接続し、制御部からの制御信号を受けて接続を切り換えることが可能である。スイッチ４０の作動は、射出成形機１０内の制御部（不図示）によって制御され、放電中でない方の二次電池４６，４８（すなわちスイッチ４２によって冷却モジュール５０に電気的に接続されていない方の二次電池４６，４８）と、熱電モジュール３４を電気的に接続する。

二次電池４６，４８は、熱電モジュール３４と電気的に接続され、熱電モジュールで発電された電力を蓄えることができる。また、二次電池４６，４８は、冷却モジュール５０に対して電気的に接続されることにより、冷却モジュール５０に電力を供給することができる。スイッチ４２は、接続及び接続解除を切り換え可能であり、二次電池４６，４８のいずれか一方と冷却モジュール５０とを、切り換えて電気的に接続することが可能である。また、スイッチ４２は、二次電池４６，４８と冷却モジュール５０との接続を解除した状態に保つことも可能である。スイッチ４２の作動は、スイッチ４０と同様に射出成形機１０の制御部（不図示）によって制御される。なお、スイッチ４０，４２及び二次電池４６，４８は、金型２０の内部に備えられていても良いが、金型２０の外部に配置されていても良い。

冷却モジュール５０は、スイッチ４２を介して二次電池４６，４８に電気的に接続されており、熱電モジュール３４で発電され二次電池４６，４８に蓄えられた電力を用いて、金型２０内の成形材料の冷却を行うことができる。冷却モジュール５０は、固定側型板２３又は可動側型板２４（図１参照）に設けられることが好ましく、例えばスプルー３２とランナー３６との接続部分の近傍や、ダイレクトゲートを採用する場合はその近傍に設けられることが、さらに好ましい。冷却モジュール５０を、スプルー３２、ランナー３６及びキャビティ３８等の成形材料が充填される場所に近接して配置することにより、冷却モジュール５０による冷却効果を高めることができる。また、スプルー３２とランナー部３６との接続部分や、ダイレクトゲート周辺は、溶融した成形材料が固化するまでに要する時間が、その他の部分より長くなる傾向にあるため、このような場所に冷却モジュール５０を近接させて配置することは、特に効果的である。

冷却モジュール５０は、電力を利用して冷却を行うものであれば良く、例えばベルチェ素子を用いた冷却モジュール５０等が挙げられる。

図５は、図２に示す射出成形機１０で行われる射出成形工程を表すフローチャートである。以下に、図２及び図５を用いて、射出成形工程で実施される排熱のリサイクルについて説明する。図５に示すステップＳ００１では、一連の射出成形工程が開始される。ステップＳ００１若しくはステップＳ００１の前に、射出成形機１０のホッパーから射出成形の成形材料を投入し、射出成形機１０の加熱筒や金型２０の温度を設定する。射出成形に用いられる成形材料としては、樹脂材料等が挙げられ、加熱筒の温度は、成形材料である樹脂等を溶融させる温度に設定される。

図５に示すステップＳ００２では、金型２０内に溶融状態にある成形材料が充填される。ステップＳ００２では、射出成形機１０の加熱筒の先端にあるノズルから、図２に示すスプルーブシュ３０のスプルー３２を介して、ランナー３６及びキャビティ３８に、成形材料が流入する。

ステップＳ００２では、溶融した成形材料がスプルー３２を通過するため、図２に示す熱電モジュール３４に大きな電力が発生する。このとき、スイッチ４０は熱電モジュール３４と二次電池４６とを電気的に接続しており、熱電モジュール３４で発電された電力は、二次電池４６に充電される。

次に、ステップＳ００３では、ノズルから金型２０内への圧力を所定の値に保つ保圧工程が実施される。ステップＳ００３でも、スプルー３２の近傍に配置された熱電モジュール３４には大きな温度勾配が発生し、熱電モジュール３４に大きな電力が発生する。図２に示すスイッチ４０は、ステップＳ００２と同様に、熱電モジュール３４と二次電池４６とを電気的に接続しており、ステップＳ００３においても、熱電モジュール３４で発電された電力は、二次電池４６に充電される。なお、ステップＳ００２及びステップＳ００３において、スイッチ４２は、二次電池４６，４８と冷却モジュール５０との接続を解除している。

図５に示すステップＳ００４では、ノズルから金型２０内への成形材料の流入が止まり、キャビティ３８、ランナー３６及びスプルー３２内の成形材料を冷却・固化させる。ステップＳ００４において、図２に示すスイッチ４０は、接続を切り換え、熱電モジュール３４と二次電池４８とを電気的に接続し、これと共に、スイッチ４２は、二次電池４６と冷却モジュール５０とを電気的に接続する。なお、ステップＳ００３からステップＳ００４への切り換えタイミングは、一連の射出成形工程の前にトライ成形を実施するなどして事前に算出され、射出成形機１０に入力されることが好ましい。

上述したように、二次電池４６には、充填工程（ステップＳ００２）及び保圧工程（ステップＳ００３）において熱電モジュール３４によって発電された電力が充電されている。そのため、ステップＳ００４において、冷却モジュール５０には二次電池４６から電力が供給され、冷却モジュール５０は、その近傍の金型部材及び成形材料を冷却する。図１及び図２に示す例では、冷却モジュール５０は、スプルー３２とランナー３６との接続部分の近傍に配置されており、スプルー３２とランナー３６との接続部分の成形材料を特に効果的に冷却し、この部分の固化が、他の部分より遅くなることを防止することができる。

また、冷却工程（ステップＳ００４）の前期には、スプルー３２の成形材料からの放熱により、熱電モジュール３４は発電を継続する。ステップＳ００４において熱電モジュール３４で発電された電力は、二次電池４８に充電される。二次電池４８に充電された電力は、二次電池４６の電力を使い切った冷却工程の後期において、冷却モジュール５０による金型部材及び成形材料の冷却に使用される。この場合、スイッチ４２は、二次電池４６に替えて、二次電池４８と冷却モジュール５０とを接続する。

図５に示すステップＳ００５では、冷却・固化した成形品を、金型２０の内部から取り出す。

図２に示す射出成形機１０は、ステップＳ００２〜ステップＳ００５を繰り返すことにより、多量の成形品を製造することが可能である。ステップＳ００２〜ステップＳ００５を繰り返し、所定数の成形品を製造し終えた後、射出成形機１０は、ステップＳ００６へ進み、一連の射出成形工程を終了する。

図２等に示すように、本実施形態に係る金型２０は、熱電モジュール３４が成形材料からの排熱を用いて発電し、これを冷却モジュール５０に供給して成形材料の冷却に用いることにより、排熱のリサイクルシステム５２を構築している。したがって、金型２０は、冷却工程（図５のステップＳ００４参照）等において成形材料を効率的に冷却することが可能であり、射出成形工程の１サイクルに要する時間を短縮することが可能である。また、金型２０は、冷却モジュール５０を金型２０内の任意の場所に配置することが可能であり、例えば成形品における単位面積当たりの容積が大きい場所の近くに冷却モジュール５０を配置することにより、特定の部分の固化が遅れてサイクルタイムが長くなることを効果的に防止することができる。

また、冷却モジュール５０は、二次電池４６，４８との電気的な配線を確保することにより、比較的容易に金型２０内に配置することができるため、金型２０は、冷却水を流す流路を形成するようなものに比べて、構造が単純で製造が容易である。また、金型２０は、排熱を利用して冷却効果を高めているため、外部のエネルギーを利用した温度調整機構のみによる従来の金型に比べて、省エネルギーである。

さらに、熱電モジュール３４，６４は、金型２０内において大きな温度勾配が生じるスプルーブシュ３０に設けられており、効果的な発電が可能である。また、熱電モジュール３４，６４は、スプルーブシュ３０と固定側取付板２２等との嵌合面３５を避けて配置されており、スプルーブシュ３０は熱電モジュール３４，６４が無い場合とほぼ同様の放熱を行うことができる。

１０…射出成形機
２０…金型
２１…ロケートリング
２２…固定側取付板
２３…固定側型板
２４…可動側型板
２５ａ，２５ｂ…エジェクタプレート
２６…受け板
２７…スペーサブロック
２８…可動側取付板
３０，６０…スプルーブシュ
３１…本体部
３２…スプルー
３４，６４…熱電モジュール
３４ａ…高温側部
３４ｂ…低温側部
３５…嵌合面
３６…ランナー
３８…キャビティ
４０，４２…スイッチ
４６，４８…二次電池
５０…冷却モジュール
５２…排熱のリサイクルシステム

Claims

成形材料から放出される熱によって発電する熱電モジュールを備えるスプルーブシュと、
前記熱電モジュールで発電された電力を用いて冷却を行う冷却モジュールを備える金型部材と、を有する射出成形用金型。
前記熱電モジュールは、当該熱電モジュールで発電された電力を蓄える二次電池に電気的に接続されており、
前記冷却モジュールは、接続及び接続解除を切り換え可能なスイッチを介して、前記二次電池に対して、電気的に接続されていることを特徴とする請求項１に記載の射出成形用金型。