JP2014517784A - 低一定圧力での射出成形のための装置及び方法 - Google Patents

Abstract

低一定圧力射出成形機は、４１．４ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）以下の低く実質的に一定の圧力で溶融熱可塑性材料を金型キャビティの中に射出することによって成形部品を形成する。結果として、この低一定圧力射出成形機は、典型的な射出成形よりも費用がかからず、かつより速く製造することができる、容易に機械加工可能な材料で形成される金型を含む。

Description

本発明は、射出成形のための装置及び方法に関し、より具体的には、低一定圧力で射出成形部品を生成するための装置及び方法に関する。

射出成形は、溶融可能材料で作成された部品、最も一般的には熱可塑性高分子で作成された部品の大量生産に一般に使用される技術である。反復射出成形プロセス中、プラスチック樹脂（ほとんどの場合、小さなビーズ又はペレットの形）が、熱、圧力、及び剪断力をかけた状態で樹脂ビーズを溶融させる射出成形機に導入される。融樹脂は、特定のキャビティ状を有する金型キャビティに強制的に注入される。射出されたプラスチックが成形型キャビティ中の圧力下で保持され、冷却され、次いで成形型のキャビティ形状を本質的に複製した形状を有する固化した部品として取り出される。成形型自体が、単一のキャビティ又は複数のキャビティを有してもよい。各キャビティは、溶融樹脂の流れをキャビティ内に導くゲートによって流路に接続されることがある。成形部品は、１つ以上のゲートを有してもよい。高分子が成形部品を充填するために移動しなければならない流動距離を減少させるために、一般に、大きな部品は、通常、２つ、３つ、又はそれ以上のゲートを有する。１つのキャビティ当たり１つのゲート又は複数のゲートは、部品形状上の任意の場所に位置してもよく、例えば、基本的に円形であるか、又は１．１以上の縦横比で形成される任意の断面形状を有してもよい。したがって、典型的な射出成形手順は、（１）射出成形機内でプラスチックを加熱し、それを圧力下で流し、（２）閉じられた２つの金型半体の間に画定された金型キャビティ内に溶融プラスチックを注入し、（３）圧力をかけた状態でプラスチックをキャビティ内で冷却し硬化させ、（４）金型半体を開いて部品を金型から取り出す、４つの基本操作を含む。

溶融プラスチック樹脂は、金型キャビティに注入され、プラスチック樹脂は、プラスチック樹脂がゲートから最も遠いキャビティ内の位置に達するまで射出成形機の射出要素によってキャビティに押し込まれる。これにより得られる部品の長さ及び肉厚は、金型キャビティの形状の結果である。

最終部品のプラスチック含有量、ひいては、費用を低減させるために、射出成形部品の肉厚を低減させることが望ましくあり得るが、従来の射出成形プロセスを用いて肉厚を低減させることは、特に１５、１０、５、３、又は１．０ミリメートル未満の肉厚に合わせて設計するときに、高価であり、簡単でない作業であり得る。液体プラスチック樹脂が、従来の射出成形法で射出金型に導入されたとき、キャビティの壁と隣り合った材料は、直ちに「凝固」又は固化し硬化し始める。材料が金型内を流れるとき、金型の側面に対して材料の境界層が形成される。金型が満杯であり続けるとき、境界層は厚くなり続け、その結果、材料が流れる経路が閉じて、更なる材料が金型に流れ込むのが妨げられる。金型の壁上のプラスチック樹脂の凝固は、金型が冷却されたときに悪化し、各部品のサイクルタイムを短縮し、機械処理量を高める技術が使用された。

また、液体プラスチック樹脂が最も厚い肉厚を有する領域から最も薄い肉厚を有する領域に流れるように、部品とそれに対応する金型とを設計する要望もある。金型の特定領域の厚さを厚くすると、強度及び厚さが必要な領域に十分な材料が流れ込むことが保証される。この「厚い部分から薄い部分へ」の流路の必要性は、プラスチックの使用を非効率的にし、その結果、材料が不要な場所で追加材料を部品に成形しなければならなくなるので、射出成形部品メーカーの部品コストが高くなる。

部品の肉厚を薄くする１つの方法は、金型に導入されるときに液体プラスチック樹脂の圧力を高めることである。圧力を高めることによって、成形機は、流路が閉じるまで液体材料を金型に注入し続けることができる。しかしながら、圧力を高めると、コストと能力の両方が低下しやすい。構成要素を成形するのに必要とされる圧力が高くなるので、成形機は、追加圧力に耐えられるほど十分に頑強でなければならず、一般に高価になる。メーカーは、高い圧力に適応するために新しい設備を購入しなければならないことがある。したがって、所定の部品の肉厚を薄くすると、従来の射出成形技術によって製造する資本経費がかなり増えることになる。

更に、液体塑性材料が射出金型に流れ込んで急速に凍結するとき、高分子鎖は、高分子が液体形態であったときに存在した高度の応力を維持する。凍結高分子は、分子配向が部品内に固定されるとき、より高レベルの流動誘起配向を保持し、凍結応力状態をもたらす。このような「残留成形」応力は、後に続く成形をゆがめるか、又はくぼませ、低い機械的性質を有し、化学物質暴露に低い耐性を有する部品を製造する原因となることがある。低い機械的性質は、特に、薄壁管、一体蝶番部品、及びクロージャなどの射出成形部品の制御及び／又は最小化に重要である。

上記の欠点のいくつかを回避するために、多くの従来の射出成形操作は、塑性材料の金型キャビティへの流動を改善するために、ずり減粘塑性材料を使用する。ずり減粘塑性材料が金型キャビティに注入されると、塑性材料と金型キャビティ壁との間に生成される剪断力は、塑性材料の粘度を低減する傾向があり、それにより、塑性材料を金型キャビティ中へとより自由かつ容易に流動させる。結果として、金型が完全に充填される前に、材料が凍結することを防止するのに十分速く、薄壁部品を充填することが可能である。

粘度の低減は、塑性材料と供給システムとの間、及び塑性材料と金型キャビティ壁との間に生成される剪断力の大きさに直接関係する。したがって、これらのずり減粘材料の製造業者ら及び射出成形システムの操作者らは、剪断力を増加させ、したがって粘度を低減するために、より高く射出成形圧力を駆動してきた。典型的には、射出成形システムは、１０３．４ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）以上の溶融圧力で、塑性材料を金型キャビティに注入する。ずり減粘塑性材料の製造業者らは、最小溶融圧力より上で、塑性材料を金型キャビティに注入するように、射出成形操作者らに教示する。例えば、ポリプロピレン樹脂は、典型的には、４１．４ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）を超える圧力で処理される（ポリプロピレン樹脂製造業者の推奨範囲は、典型的には、４１．４ＭＰａを上回り、約１０３．４ＭＰａを下回る（６，０００ｐｓｉ〜約１５，０００ｐｓｉ））。樹脂製造業者らは、範囲の上限を超えることを推奨しない。プレス機械製造業者ら及び加工技術者らは典型的には、塑性材料から最大の減粘及びより良好な流動特性を引き出すために、典型的には１０３．４ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を超える、可能な最大ずり減粘を達成するために、範囲の上限で、又はそれより有意に高く、ずり減粘高分子を処理することを推奨する。ずり減粘熱可塑性高分子は概して、４１．４ＭＰａ超〜約２０６．８ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉ）の範囲で処理される。

射出成形機で使用される金型は、これらの高い溶融圧力に耐えることができなければならない。更に、金型を形成する材料は、金型がその寿命の間に実行することが予測されるサイクルの総数に対して、最大周期ストレスに耐えることができる疲労限度を有しなければならない。結果として、典型的には、金型製造業者らは、典型的には３０Ｒｃを超える、より典型的には５０Ｒｃを超える、高硬度を有する材料から、金型を形成する。これらの高硬度材料は、プラスチック射出プロセス中に金型構成要素が互いに押し付けられた状態を保持するために必要とされる、高い締付圧に耐えるように耐久性があり、装備されている。これらの高硬度材料はまた、成形表面と高分子流動との間の反復接触からの摩耗により良好に耐えることが可能である。

薄壁消費者製品を生産する高生産射出成形機（つまり、クラス１０１及びクラス１０２成型機）はもっぱら、高硬度材料から作製される金型の大部分を有する金型を使用する。高生産射出成形機は典型的には、１年あたり５００，０００サイクル以上を生成する。産業品質生産金型は、１年あたり少なくとも５００，０００サイクル、好ましくは１年あたり１，０００，０００サイクル超、より好ましくは１年あたり５，０００，０００サイクル超、更により好ましくは１年あたり１０，０００，０００サイクル超に耐えるように設計されていなければならない。これらの機械は、生産率を上げるために、複数のキャビティ金型及び複雑な冷却システムを有する。高硬度材料は、より低い硬度の材料よりも、反復される高圧力締付操作に耐えることが可能である。しかしながら、ほとんどの工具鋼等の高硬度材料は、概して３４．６Ｗ／（ｍ^*Ｋ）（２０ＢＴＵ／ＨＲ ＦＴ °Ｆ）未満の比較的熱伝導率を有し、それは、熱が高硬度材料を通して溶融プラスチック材料から伝達される際に、長い冷却時間をもたらす。

サイクル時間を低減するために、高硬度材料から作製される金型を有する典型的な高生産射出成形機は、金型内で冷却流体を循環させる、比較的複雑な内部冷却システムを含む。これらの冷却システムは、成形部品の冷却を加速し、したがって、機械が所与の時間でより多くのサイクルを完了させることを可能にし、それは、生産率、したがって、生産される成形部品の総量を増加させる。１年当たり１００又は２００万サイクルを超えるいくつかのクラス１０１において、これらの金型は、「超高生産性金型」と称されることもある。４００トン以上のプレス機内で作動するクラス１０１金型は、業界内で「４００クラス」金型と称されることもある。

金型に対して高硬度材料を使用する別の欠点は、工具鋼等の高硬度材料が概して、機械加工することが極めて困難であることである。結果として、既知のハイスループット射出成形金型は、形成のために長い機械加工時間及び高価な機械加工設備、並びに応力を緩和し、材料の硬度を最適化するために高価かつ時間のかかる機械加工後工程を必要とする。

図面に示された実施形態は、本質上実例及び例示的なものであり、「特許請求の範囲」によって定義された内容を制限するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細は、以下の図面と共に読むと理解することができ、図面中、同様の構造は同様の参照番号により示される。
本開示に従って構築される射出成形機の概略図。 図１の射出成形機で形成される薄壁部品の一実施形態。 図１の射出成形機に対するキャビティ圧力対時間のグラフ。 図１の射出成形機の金型の一実施形態の断面図。 供給システムの斜視図。 自然平衡供給システムの平面図及び正面図。 自然平衡供給システムの平面図及び正面図。 別の自然平衡供給システムの平面図及び正面図。 別の自然平衡供給システムの平面図及び正面図。 図１の射出成形機で使用され得る人工平衡供給システムの平面図。 図１の射出成形機で使用され得る非平衡供給システムの上面図。 図１の射出成形機で使用され得る非平衡供給システムの上面図。

本発明の実施形態は概して、射出成形によって製品を生産するシステム、機械、製品、及び方法に関し、より具体的には、低一定圧力射出成形によって製品を生産するシステム、製品、及び方法に関する。

熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で使用される「低圧」という用語は、射出成形機のノズル付近の４１．４ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）以下の溶融圧力を意味する。

熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で使用される用語「実質的に一定の圧力」は、ベースライン溶融圧力からの偏差が熱可塑性材料の物理的特性の有意な変化をもたらさないことを意味する。例えば、「実質的に一定の圧力」には、溶融熱可塑性材料の粘度が有意に変化しない圧力変動が含まれるが、これに限定されない。この点において用語「実質的に一定」は、ベースライン溶融圧力から約３０％の偏差を含む。例えば、「約３１．７ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）の実質的に一定の圧力」という用語は、約４１．４ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）（３１．７ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）を３０％上回る）〜約２２．１ＭＰａ（３２００ｐｓｉ）（３１．７ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）を３０％下回る）の範囲内の圧力変動を含む。溶融圧力は、溶融圧力が記述された圧力からわずか３０％変動する限り、実質的に一定であると考慮される。

本明細書で使用される溶融ホルダは、機械ノズルと流体連通する溶融プラスチックを含有する射出成形機の部分を指す。溶融ホルダは、高分子が調製され、かつ所望の温度で保持され得るように加熱される。溶融ホルダは、中央制御ユニットと連通している動力源、例えば、油圧シリンダ又は電気サーボモータに接続され、かつ制御されてダイヤフラムを前進させて、溶融プラスチックを機械ノズルに通過させることができる。その後、溶融材料は、ランナシステムを通って金型キャビティに入る。溶融ホルダは、断面が円筒形であり得るか、又はダイヤフラムが高分子を最低０．６９ＭＰａ（１００ｐｓｉ）〜２７５．８ＭＰａ（４０，０００ｐｓｉ）以上の範囲であり得る圧力下で機械ノズルを通過させることを可能にする代替の断面を有してもよい。ダイヤフラムは、射出前に高分子材料を可塑化するように設計されているフライトを有する往復スクリュに任意に一体的に接続されてもよい。

詳細に図面を参照すると、図１は、大量に薄壁部品を生産するための例示の低一定圧力射出成型装置１０（例えば、クラス１０１若しくは１０２射出金型、又は「超高生産性金型」）を示す。射出成型装置１０は、一般に、射出システム１２と締付システム１４とを含む。熱可塑性材料は、熱可塑性ペレット１６の形態で射出システム１２に導入されてもよい。熱可塑性ペレット１６は、ホッパ１８に入れられてもよく、ホッパ１８は、熱可塑性ペレット１６を射出システム１２の加熱バレル２０に供給する。熱可塑性ペレット１６は、加熱バレル２０に供給された後、往復スクリュ２２によって加熱バレル２０の端部まで動かされてもよい。往復スクリュ２２による加熱バレル２０の加熱及び熱可塑性ペレット１６の圧縮によって、熱可塑性ペレット１６は溶融し、溶融熱可塑性材料２４を形成する。溶融熱可塑性材料は典型的には、約１３０℃〜約４１０℃の温度で処理される。

往復スクリュ２２は、溶融熱可塑性材料２４をノズル２６に向かって押し、熱可塑性材料を備えるショットを形成し、金型２８の金型キャビティ３２内に射出される。溶融熱可塑性材料２４は、ゲート３０を通って注入されてもよく、それは、溶融熱可塑性材料２４の流動を、金型キャビティ３２に誘導する。金型キャビティ３２は、金型２８の第１及び第２の金型部品２５、２７の間に形成され、第１及び第２の金型部品２５、２７は、プレス又は締付ユニット３４によって、圧力下で一緒に保持される。プレス又は締付ユニット３４は、溶融熱可塑性材料２４が金型キャビティ３２に注入されている間、第１及び第２の金型部品２５、２７を一緒に保持するために、成形プロセス中、約６．８９ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）〜約４１．４ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）の範囲で締付力を印加する。これらの締付力を支持するために、締付システム１４は、金型フレーム及び金型ベースを含んでもよく、以下に更に考察されるように、金型フレーム及び金型ベースは、約１６５ＢＨＮ超、好ましくは２６０ＢＨＮ未満の表面硬度を有する材料から形成されるが、材料が容易に機械加工できる限り、２６０を超える表面硬度ＢＨＮ値を有する材料が使用され得る。

金型は、単一の金型キャビティ又は複数の金型キャビティを備えてもよい。複数の金型キャビティは、同様のキャビティ又は異なる部品を産出する異なるキャビティを備えてもよい。金型は、グループ化された一群の異なるキャビティも備えてもよい。

いったん溶融熱可塑性材料２４を備えるショットが金型キャビティ３２内に射出されると、往復スクリュ２２は、前方への移動を停止する。溶融熱可塑性材料２４は、金型キャビティ３２の形をとり、溶融熱可塑性材料２４は、熱可塑性材料２４が固化するまで金型２８内で冷却される。いったん熱可塑性材料２４が固化すると、プレス３４は、第１及び第２の金型部品２５、２７を解放し、第１及び第２の金型部品２５、２７は、互いから分離し、最終部品は、金型２８から取り外され得る。金型２８は、全体的な生産率を上げるために、複数の金型キャビティ３２を含んでもよい。

コントローラ５０が、センサ５２及びスクリュ制御３６に通信的に接続される。コントローラ５０は、マイクロプロセッサ、メモリ、及び１つ以上の通信リンクを含んでもよい。コントローラ５０は、有線接続５４、５６のそれぞれを介して、センサ５２及びスクリュ制御３６に接続されてもよい。他の実施形態では、コントローラ５０は、無線接続、機械接続、油圧接続、空気式接続、又はコントローラ５０がセンサ５２及びスクリュ制御３６の両方と連通することを可能にする、当業者に既知の任意の他の種類の通信接続を介して、センサ５２及びスクリュ制御５６に接続されてもよい。センサと、コントローラと、スクリュ制御との間の通信経路内に中間動作ユニットが存在してもよい。

図１の実施形態では、センサ５２は、ノズル２６中の溶融熱可塑性材料２４の溶融圧力を（直接又は間接的に）測定する、圧力センサである。センサ５２は、コントローラ５０に伝達される電気信号を生成する。次いで、コントローラ５０は、ノズル２６中の溶融熱可塑性材料２４の実質的に一定の溶融圧力を維持する速度で、スクリュ２２を前進させるように、スクリュ制御３６に命令する。センサ５２が溶融圧力を直接測定し得る一方で、センサ５２は、溶融圧力を示す温度、粘度、流速等、溶融熱可塑性材料２４の他の特性を測定し得る。同様に、センサ５２は、ノズル２６中に直接位置する必要はなく、むしろ、センサ５２は、ノズル２６と流体接続されている射出システム１２又は金型２８内の任意の位置にあってもよい。センサ５２は、射出された流体と直接接触している必要はなく、その代わりにその流体と動的に連通していてもよく、流体及び／又は他の流体特性の圧力を感知することができる。センサ５２がノズル２６内に位置しない場合、ノズル２６中の溶融圧力を計算するために、適切な補正要素が測定された特性に適用され得る。更に他の実施形態において、センサ５２は、ノズルと流体接続される位置に配置される必要はない。むしろ、センサは、第１及び第２の金型部品２５、２７の間の金型分割線で、締付システム１４によって生成される締付力を測定し得る。一態様において、コントローラ５０は、センサ５２からの入力に従って圧力を維持することができる。

センサは、金型キャビティ内の充填物末端付近に位置し得る。このセンサは、金型の前方がキャビティ内の充填物末端に近づいているときを示し得る。センサは、圧力、温度を光学的に感知するか、又は他の手段で高分子の存在を特定することができる。圧力がセンサによって測定されると、この測定結果を用いて、中央制御ユニットと通信して、目的の「パッキング圧力」を成形構成要素に提供することができる。センサによって生成された信号は、材料粘度、金型温度、溶融温度の変動、及び充填速度に影響を与える他の変動が、中央制御ユニットによって調整され得るように、成形プロセスを制御するために使用されてもよい。これらの調整を成形サイクル中に即座に行ってもよく、又は修正をその後のサイクルで行ってもよい。更に、いくつかの示度は、いくつかのサイクルにわたって平均化され、その後、中央制御ユニットによって成形プロセスを調整するために使用されてもよい。このような方法で、現在の射出サイクルは、より早い時点で１つ以上のサイクル中に生じる測定結果に基づいて修正され得る。一実施形態において、センサ示度は、プロセスの一貫性を達成するように、多くのサイクルにわたって平均化されてもよい。

稼働中の閉ループコントローラ５０が図１に示されるが、他の圧力調整デバイスが閉ループコントローラ５０の代わりに使用されてもよい。例えば、圧力調整バルブ（図示せず）又は圧力逃がしバルブ（図示せず）がコントローラ５０に取って代わり、溶融熱可塑性材料２４の溶融圧力を調整してもよい。より具体的には、圧力調整バルブ及び圧力逃がしバルブは、金型２８の過剰加圧を防止することができる。金型２８の過剰加圧を防止するための別の代替機構は、過剰加圧状態が検出されたときに作動される警報である。

ここで図２を参照すると、例示の成形部品１００が示される。成形部品１００は、薄壁部品である。成形部品は概して、流路の厚さＴによって割られる流路の長さＬが、１００（つまり、Ｌ／Ｔ＞１００）を超える時、薄壁であると考慮される。いくつかの射出成形生産業において、薄壁部品は、Ｌ／Ｔ＞２００又はＬ／Ｔ＞２５０を有する部品として定義されている。流路の長さＬは、ゲート１０２から流路端部１０４まで測定される。薄壁部品は特に、消費者製品生産業において普及している。

薄壁部品は、射出成形においてある特定の障害を示す。成形部品は概して、流路の厚さＴによって割られる流路の長さＬが、１００（つまり、Ｌ／Ｔ＞１００）を超える時、薄壁であると考慮される。より複雑な形状を有する金型キャビティの場合、Ｌ／Ｔ比は、ゲート１０２から金型キャビティ３２の末端までの金型キャビティ３２の長さにわたってＴ寸法を統合し、かつゲート１０２から金型キャビティ３２の末端までの流動の最も長い流動長を決定することによって計算され得る。その後、Ｌ／Ｔ比は、最も長い流動長を平均部品厚で割ることによって決定され得る。

例えば、流路の薄さは、材料が流路端部１０４に到達する前に、溶融熱可塑性材料を冷却する傾向がある。これが生じるとき、熱可塑性材料は凍結し、もはや流動せず、不完全な部品をもたらす。この問題を克服するために、従来の射出成形機は、冷却および凍結する機会がある前に、溶融熱可塑性材料が急速に金型キャビティを充填するように、典型的には１０３．４ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を超える、非常に高い圧力で、溶融熱可塑性材料を注入する。これは、熱可塑性材料の製造業者らが、非常に高い圧力で注入することを教示する一理由である。従来の射出成形機が高圧力で注入する別の理由は、剪断力の増加であり、それは、上述のように、流動特性を増加させる。これらの非常に高い射出圧力は、金型２８及び供給システムを形成するために、非常に硬い材料の使用を必要とする。

従来の射出成形機は、金型を作製するために、工具鋼又は他の硬い材料を使用する。これらの工具鋼は、非常に高い射出圧力に耐えるのに十分に頑丈である一方で、工具鋼は、比較的不十分な熱導体である。結果として、非常に複雑な冷却システムは、金型キャビティが充填される時の冷却時間を強化するために、金型に機械加工され、それは、サイクル時間を低減し、金型の生産性を増加させる。しかしながら、これらの非常に複雑な冷却システムは、金型作成プロセスに多大な時間及び費用を追加する。

本発明者らは、ずり減粘熱可塑材（最小限にずり減粘の熱可塑材でさえ）が、任意の有意な悪影響なく、低く実質的に一定の圧力で、金型２８に注入され得ることを発見した。これらの材料の実施例としては、ポリプロピレン、ポリエチレン、熱可塑性エラストマー、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（乳酸）、ポリヒドロキシアルカノエート、ポリアミド、ポリアセタール、エチレン−αオレフィンゴム、及びスチレン−ブタジエン−スチレンブロックコポリマーからなる高分子及びコポリマーが挙げられるがこれらに限定されない。実際に、低く実質的に一定の圧力で成形される部品は、従来の高圧力で成形される部品と比較して、いくつかの優れた特性を示す。この発見は、より高い射出圧力がより良好であることを教示する生産業内の従来の知恵と完全に矛盾している。理論によって束縛されることなく、低く実質的に一定の圧力で、溶融熱可塑性材料を金型２８に注入することは、金型を通ってゲートから金型キャビティの最も遠い部分に前進する、熱可塑性材料の連続的流動フロントを作成すると考えられている。低レベルの剪断力を維持することによって、熱可塑性材料は、そうでなければ従来の高圧力射出成形システムで可能と考えられるものよりもはるかに低い温度及び圧力で、液体及び流動可能なままである。

例示の熱可塑性樹脂は、それらの推奨される動作圧力範囲とともに、以下の図表に提示される。

ここで図３を参照すると、従来の高圧力射出成形プロセスに対する典型的な圧力−時間曲線が、破線２００によって示される。対照的に、開示された低一定圧力射出成形機に対する圧力−時間曲線が、実線２１０によって示される。

従来の場合、溶融圧力は、１０３．４ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）をはるかに上回るまで急速に増加し、次いで、第１の期間２２０にわたって、１０３．４ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を上回る比較的高い圧力で保持される。第１の期間２２０は、溶融プラスチック材料が金型キャビティに流動する、充填時間である。その後、溶融圧力は減少し、第２の期間２３０にわたって、６８．９ＭＰａ（１０，０００ｐｓｉ）のより低いが、それでもなお比較的高い圧力で保持される。第２の期間２３０は、金型キャビティ中の全間隙が背面充填されることを確実にするために、溶融圧力が維持される、パッキング時間である。従来の高圧力射出成形システム中の金型キャビティは、流路の端部からゲートへと戻って充填される。結果として、種々の固化段階におけるプラスチックは、互いの上でパッキングされ、上述のように、最終製品における不整合を引き起こし得る。更に、様々な固化段階におけるプラスチックの従来のパッキングは、いくつかの非理想的な材料特性、例えば、残留成形応力、ひけ、及び非最適光学特性をもたらす。

一方で、一定の低圧力射出成形システムは、単一の期間２４０にわたって、実質的に一定の低圧力で、溶融プラスチック材料を金型キャビティに注入する。射出圧力は、４１．４ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）未満である。実質的に一定の低圧力を使用することによって、溶融熱可塑性材料は、流路を通ってゲートから流路の端部に向かって前進する、連続的メルトフロントを維持する。したがって、塑性材料は、流路に沿った任意の点で比較的均一のままであり、それは、より均一で一貫性のある最終製品をもたらす。比較的均一の塑性材料で金型を充填することによって、最終成形部品は、従来の成形部品よりも良好な機械及び光学特性を有する結晶構造を形成する。更に、低一定圧力で成形される部品のスキン層は、従来の成形部品のスキン層とは異なる特性を示す。結果として、低一定圧力で成形される部品のスキン層は、従来の成形部品のスキン層よりも良好な光学特性を有することができる。

実質的に一定かつ低い（例えば、４１．４ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）未満）溶融圧力をノズル内で維持することによって、より機械加工可能な材料を用いて金型２８を形成することができる。例えば、図１に示される金型２８は、１００％を超えるミリング機械加工指数、１００％を超えるドリリング機械加工指数、１００％を超えるワイヤＥＤＭ機械加工指数、２００％を超えるグラファイトシンカーＥＤＭ機械加工指数、又は１５０％を超える銅シンカーＥＤＭ機械加工指数を有する材料から形成されてもよい。機械加工指数は、種々の材料のミリング、ドリリング、ワイヤＥＤＭ、及びシンカーＥＤＭ試験に基づく。機械加工指数を決定するための試験方法は、以下により詳細に説明される。材料の試料に対する機械加工指数の実施例は、以下の表１にまとめられる。

金型２８を形成するために、容易に機械加工可能な材料を使用することは、大幅に低減された製造時間、したがって製造費用の低下をもたらす。更に、これらの機械加工可能な材料は概して、工具鋼よりも良好な熱伝導率を有し、それは、冷却効率を上げ、複雑な冷却システムの必要性を低減する。

これらの容易に機械加工可能な材料の金型２８を形成するとき、良好な熱伝導特性を有する、容易に機械加工可能な材料を選択することも有利である。５１．９Ｗ／（ｍ^*Ｋ）（３０ＢＴＵ／ＨＲ ＦＴ °Ｆ）を超える熱伝導率を有する材料が特に有利である。例えば、良好な熱伝導率を有する、容易に機械加工可能な材料としては、Ａｌｃｏａ ＱＣ−１０、Ａｌｃａｎ Ｄｕｒａｍｏｌｄ ５００、及びＨｏｋｏｔｏｌ（Ａｌｅｒｉｓから入手可能）が挙げられるがこれらに限定されない。良好な熱伝導率を有する材料は、熱可塑性材料からの熱を、金型の外へとより効率的に伝達する。結果として、より単純な冷却システムが使用され得る。更に、非自然平衡供給システムもまた、本明細書に記載される一定の低圧力射出成形機で使用することが可能である。

マルチキャビティ金型２８の一実施例が、図４に示される。マルチキャビティ金型は概して、溶融熱可塑性材料をノズル２６から個々の金型キャビティ３２に誘導する、供給マニホールド６０を含む。供給マニホールド６０は、湯口６２を含み、それは、溶融熱可塑性材料を１つ以上のランナ又は供給チャネル６４に誘導する。各ランナは、複数の金型キャビティ３２に供給してもよい。多くの大容量射出成形機では、ランナは、溶融熱可塑性材料の流動性を強化するために加熱される。溶融熱可塑性材料の粘度が、高圧力（例えば、６８．９ＭＰａ（１０，０００ｐｓｉ）を超える）での剪断力及び圧力変動に対して非常に敏感であるため、従来の供給マニホールドは、均一の粘度を維持するために、自然平衡である。自然平衡供給マニホールドは、溶融熱可塑性材料が湯口から任意の金型キャビティまで等距離移動するマニホールドである。更に、各流路の断面形状は同一であり、曲がり角の数及び種類は同一であり、各流路の温度は同一である。自然平衡供給マニホールドは、各成型部品が同一の処理条件及び材料特性を有するように、金型キャビティが同時に充填されることを可能にする。自然平衡供給マニホールドは、製造費が高く、金型設計を多少制限する。

図５は、自然平衡供給マニホールド６０の一実施例を示す。自然平衡供給マニホールド６０は、湯口６２から第１の接合部７２まで、第１の流路７０を含み、ここで、第１の流路７０は、第２及び第３の流路７４、７６に分かれ、第２の流路は、第２のゲート７８ａで終端し、第３の流路７６は、第３のゲート７８ｂで終端し、各ゲートは、個々の金型キャビティ（図５には示されない）を供給する。湯口６２から第２のゲート７８ａあるいは第３のゲート７８ｂのいずれかに流動する溶融熱可塑性材料は、同一距離移動し、同一温度を経験し、同一の断面流動面積に供される。結果として、各金型キャビティは、同一の物理的特性を有する溶融熱可塑性材料で、同時に充填される。

図６Ａ及び６Ｂは、自然平衡マニホールド６０を概略的に示す。図６Ａ及び６Ｂの自然平衡マニホールド６０は、多層マニホールドである。各流路７４、７６は、流路に沿った同一の位置で同一の特性を有する。例えば、接合部７２の後、各流路は、同一距離で狭くなる。更に、各流路は、同一数の金型キャビティ３２を供給する。自然平衡フローマニホールド６０は、同一の塑性流動特性を維持するために、かつ均一の部品を確実にするために、高圧力射出成形機に不可欠である。

図７Ａ及び７Ｂは、別の自然平衡マニホールド６０を示す。図７Ａ及び７Ｂの自然平衡マニホールド６０は、単層マニホールドである。

対照的に、図８、９Ａ、及び９Ｂは、非自然平衡マニホールドを示し、図８は、人工平衡マニホールドを示し、図９Ａ及び９Ｂは、非平衡マニホールドを示す。

本明細書に開示される低一定圧力射出成形機は、低一定圧力で射出される熱可塑性材料が、流路特性の差による圧力差又は剪断力差にそれほど敏感ではないため、人工平衡マニホールド、及び非平衡マニホールドでさえ、使用されることを可能にする。換言すれば、低一定圧力で射出される熱可塑性材料は、流路の長さ、断面積、又は温度の差にかかわらず、ほぼ同一の材料及び流動特性を保持する。結果として、金型キャビティは、同時にではなく連続的に充填されてもよい。

図８の人工平衡マニホールド１６０は、湯口６２、第１の流路１７４、及び第２の流路１７６を含む。第１の流路１７４は、第１のゲート１７８ａで終端し、第２の流路１７６は、第２のゲート１７８ｂで終端する。本実施形態では、第１の流路１７４は、第２の流路１７８よりも短い。人工平衡マニホールド１６０は、マニホールド１６０を通って流動する材料が、自然平衡マニホールドと同様に、各キャビティに平衡流動を提供するように、流路のいくつかの他のパラメータ（例えば、断面積又は温度）を変化させる。換言すれば、第１の流路１７４を通って流動する熱可塑性材料は、第２の流路１７６を通って流動する熱可塑性材料にほぼ等しい溶融圧力を有する。人工平衡又は非平衡供給マニホールドが、異なる長さの流路を含むことができるため、人工平衡又は非平衡供給マニホールドは、空間をはるかに効率的に利用することができる。更に、供給チャネル及び対応するヒータバンドチャネルは、より効率的に機械加工され得る。更に、自然平衡供給マニホールドは、異なる偶数の金型キャビティ（例えば、２、４、８、１６、３２等）を有する金型に限定される。人工平衡又は非平衡供給マニホールドは、任意の数の金型キャビティに溶融熱可塑性材料を送達するように設計され得る。

人工平衡供給マニホールド１６０はまた、ホットランナ中の溶融熱可塑性材料への伝熱を強化し、したがって熱可塑性材料の流動を強化するために、高い熱伝導率を有する材料から構築されてもよい。より具体的には、人工平衡供給マニホールド１６０は、材料費を更に低減し、全システム内の伝熱を強化するために、金型と同一の材料から構築されてもよい。

図９Ａ及び９Ｂは、非平衡マニホールド２６０を示す。非平衡マニホールド２６０は、奇数の金型キャビティ２３２、並びに／又は異なる断面形状、異なる数及び種類の曲がり角、及び／若しくは異なる温度を有する、流路を含んでもよい。更に、非平衡マニホールド２６０は、図９Ｂに示されるように、異なる寸法及び／形状を有する金型キャビティを供給してもよい。

ドリリング及びミリング機械加工性指数試験方法
以下に記載される注意深く制御された試験方法で代表的な材料を試験することによって、上記の表１に列挙されるドリリング及びミリング機械加工性指数を決定した。

材料の一片を穿孔又は粉砕するために必要とされるスピンドル負荷を測定することによって、各材料に対する機械加工性指数を決定し、全ての他の機械条件（例えば、ストック供給速度、スピンドルｒｐｍ等）は、種々の材料間で一定に保持された。スピンドル負荷は、ドリリング又はミリングデバイスに対して、１４００ｒｐｍで１０１．７Ｎｍ（７５ｆｔ−ｌｂ）の、測定されたスピンドル負荷の最大スピンドルトルク負荷に対する割合として報告される。１１１７鋼に対するスピンドル負荷と試験材料に対するスピンドル負荷との間の割合として、指数百分率を計算した。

試験ミリング又はドリリング機械は、Ｈａｓｓ ＶＦ−３マシニングセンタであった。

全試験に対して、「フラッドブラスト」冷却を使用した。冷却剤は、Ｋｏｏｌｒｉｔｅ ２２９０であった。

ＥＤＭ機械加工性指数試験方法
以下に記載される注意深く制御された試験方法で代表的な材料を試験することによって、上記の表１に列挙されるグラファイト及び銅シンカーＥＤＭ機械加工性指数を決定した。

範囲（詳細は以下）を種々の試験金属に焼き付ける時間を測定することによって、種々の材料に対するＥＤＭ機械加工性指数を決定した。１１１７鋼に焼き付ける時間の、同一範囲を他の試験材料に焼き付けるために必要とされる時間に対する割合として、機械加工性指数百分率を計算した。

開示された低一定圧力射出成形機は、容易に機械加工可能な材料から構築される金型を有利に利用する。結果として、開示された低一定圧力射出成形機は、製造がより安価でより速い。加えて、開示された低一定圧力射出成形機は、より広いプラテン幅、タイバーの間隔の増加、タイバーの除去、より速い運動を促進するためのより軽量の構造物、及び非自然平衡供給システム等、より可撓性の支持構造及びより適応性のある送達構造を利用することが可能である。したがって、開示された低一定圧力射出成形機は、送達の必要性に合うように改善され得、特定の成形部品に対してより容易にカスタマイズ可能である。

特別の定めのない限り、「実質的に」、「約」、及び「およそ」という用語は、本明細書において、任意の定量的な比較、値、測定、又は他の表現に帰属される場合がある、不確定の固有度を表すために利用され得ることに注意されたい。これらの用語はまた、本明細書では、定量的表現が、問題となる対象物の基本的機能に変化をもたらすことなく、記載の基準から変動する程度を表すためにも利用される。本明細書に特別の定めのない限り、「実質的に」、「約」、及び「およそ」という用語は、定量的な比較、値、測定、又は他の表現が、規定された基準の２０％内に入り得ることを意味する。

本明細書で例示及び記載された製品の様々な実施形態が、低一定圧力射出成形プロセスによって作製されてもよいことはここで明らかである。本明細書では、消費財を含む製品又は消費財製品自体を特に参照したが、本明細書で検討した低一定圧力射出成形方法が、消費財産業、外食産業、運送業、医療産業、玩具産業等で使用される製品と共に使用するために好適であり得ることは明らかである。更に、当業者であれば、本明細書に開示される教示を、金型内装飾、インサート成形、金型内アセンブリ等と組み合わせた、スタック金型、回転及びコアバック金型を含む複数の材料金型の構成において使用することができることを理解する。更に、当業者であれば、本明細書に開示される教示を、金型内装飾、インサート成形、金型内アセンブリ等と組み合わせた、スタック金型、回転及びコアバック金型を含む複数の材料金型の構成において使用することができることを理解する。

本発明の「発明を実施するための形態」で引用したすべての文献は、関連部分において本明細書に援用するが、いずれの文献の引用もそうした文献が本発明に対する先行技術であることを容認するものとして解釈されるべきではない。この文書における用語のいずれかの意味又は定義が、参照することにより組み込まれる文献における用語のいずれかの意味又は定義と矛盾する範囲については、本文書においてその用語に与えられた意味又は定義が適用されるものとする。

本明細書では特定の実施形態を図示し説明したが、請求内容の趣旨及び範囲から逸脱することなく様々な他の変更及び修正を行うことができることを理解されたい。更に、本明細書で請求内容の様々な態様を述べたが、そのような態様は組み合わせで利用されなくてもよい。したがって、添付の「特許請求の範囲」は、請求内容の範囲内のそのような全ての変更及び修正を含むものとする。

Claims (10)

1. 射出成形装置（図１の１０）であって、
   複数の金型キャビティ（図１、４、６Ａ〜７Ｂ、９Ａ〜９Ｂの３２）を有する金型（図１、４の２８）内への射出前に溶融プラスチック（図１の２４）を加圧するための溶融ホルダ（図１の１２）と、
   力を前記溶融プラスチックに印加して、前記溶融プラスチックを前記溶融ホルダから前記金型の中に前進させるための射出要素（図１の１２）と、
   前記溶融ホルダと連通していて前記溶融プラスチックの特性を感知するためのセンサ（図１、４の５２）と、を含み、
   前記装置が更に、
   前記センサ及び前記射出要素と連通しているコントローラ（図１の５０）を備え、前記コントローラが、前記射出要素を制御して、前記少なくとも１つの金型キャビティに入る４１３８．４Ｎ／ｃｍ²（１平方センチメートル当たり４２２キログラムの力）未満の実質的に一定の溶融圧力を維持するように構成され、
   前記金型が、１メートル摂氏温度当たり５１．９ワットを超える平均熱伝導率を有し、
   前記装置が、１年当たり５００，０００〜１０，０００，０００の射出成形サイクルに耐えるように設計されている、射出成形装置。
2. 前記複数の金型キャビティのうちの前記少なくとも１つの金型キャビティが、Ｌ／Ｔ＞１００を有する薄壁金型キャビティである、請求項１に記載の射出成形装置。
3. 人工平衡溶融プラスチック供給システム（図８の１６０）を更に含む、請求項１又は２に記載の射出成形装置。
4. 金型フレーム及び金型ベースを更に含み、前記金型フレーム及び前記金型ベースのうちの少なくとも１つが、１６５ＢＨＮを超え、かつ２６０ＢＨＮ未満の表面硬度を有する材料から作製される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の射出成形装置。
5. 前記金型の前記平均熱伝導率に実質的に等しい熱伝導率を有する材料から製作されるホットランナ供給システムを更に含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の射出成形装置。
6. 前記ホットランナ供給システムが、前記少なくとも１つの金型キャビティと流体接続されるゲートに直接接続される、請求項５に記載の射出成形装置。
7. 前記金型が、少なくとも４つの金型キャビティを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の射出成形装置。
8. 前記装置が、１年当たり１，０００，０００〜１０，０００，０００の射出成形サイクルに耐えるように設計されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の射出成形装置。
9. 前記装置が、１年当たり５，０００，０００〜１０，０００，０００の射出成形サイクルに耐えるように設計されている、請求項１〜７のいずれか一項に記載の射出成形装置。
10. 誘導型取出しシステムを含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の射出成形装置。

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