JP4777667B2 - 金型の加熱冷却システム及び中空射出成形品用の金型装置 - Google Patents

金型の加熱冷却システム及び中空射出成形品用の金型装置 Download PDF

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Description

本発明は、金型の加熱冷却システム及び中空射出成形品用の金型装置に関するものである。
従来、樹脂成形品等を成形する金型においては、加熱冷却プロセスに応じて金型内への溶融樹脂の射出、加熱用、冷却用の２種類の異なる温度の媒体の供給を行い、金型の加熱、樹脂成形、金型の冷却、樹脂成形品の取り出しという一連の工程を行っている。
このような樹脂成形品のうち、特にパイプ等のような中空樹脂成形品を成形する際には、従来からガスアシスト成形技術が多用されている。
このガスアシスト成形技術は、射出成形時における金型の型締圧力を溶融樹脂内に封入する不活性ガスの圧力でアシストし、中空樹脂成形品を製造するものである。
特許文献１には、スプルー、ゲート、キャビィティを備える固定金型及び可動金型を具備するとともに、可動金型にガスをキャビィティ内に注入するためのガス注入口を有する構成で、中空のプラスチック成形品を得る成形法が提案されている。
特許文献２には、固定側金型と可動側金型との間に形成されるキャビィティ内に加圧ガス射出用の加圧ガスゲートを臨ませた構成のガスアシスト成形用金型が提案されている。
しかし、これら特許文献１、２の場合には、いずれもガスアシスト成形技術を採用し、溶融樹脂内に窒素ガス等の不活性ガスを封入するものであり、不活性ガスは昇温し易く溶融樹脂に対する冷却効果は殆ど発揮しないため、溶融樹脂の冷却速度の向上、サイクルタイムの短縮を図ることが期待できない。
特開平９−３１４６２８号公報 特開２００２−８６４９９号公報
解決しようとする問題点は、溶融樹脂の冷却の点で優れた効果を有する水を用いた水アシスト技術を採用した金型の加熱冷却システムで中空射出成形品用の金型装置は存在しない点である。
本発明は、金型内に溶融樹脂を射出するとともに、金型の加熱冷却プロセスに応じて金型の加熱、樹脂成形、金型の冷却を行う金型の加熱冷却システムであって、先端を前記金型の内部に臨ませた水射出ノズルを有するとともに、水タンクからの水の加圧、加圧された水の圧力調整、樹脂成形時における前記水の前記水射出ノズルを経ての金型内への供給による溶融樹脂の内部からの押圧及び冷却、前記水の供給遮断、前記水射出ノズルを経ての水タンクへの水の回収を行う水アシスト手段を用いた水アシスト成形法を組み合わせ、加熱冷却システムによる金型の冷却工程時において金型の冷却と前記水アシスト成形法による溶融樹脂の内部からの冷却とにより、溶融樹脂の急速冷却を行う構成としたことを最も主要な特徴とする。
本発明によれば、以下の効果を奏する。
請求項１、２記載の発明によれば、溶融樹脂の冷却の点で優れた効果を有する加圧された水を用いた水アシスト成形法であって、先端を前記金型の内部に臨ませた水射出ノズルを有するとともに、水タンクからの水の加圧、加圧された水の圧力調整、樹脂成形時における前記水の前記水射出ノズルを経ての金型内への供給による溶融樹脂の内部からの押圧及び冷却、前記水の供給遮断、前記水射出ノズルを経ての水タンクへの水の回収を行う水アシスト手段を用いた水アシスト成形法を金型への溶融樹脂の射出、加熱、冷却プロセスと組み合わせたことにより、溶融樹脂の冷却速度の向上、サイクルタイムの短縮を図りつつ高品質の樹脂成形品、特に種々の肉薄の中空射出成形品を得ることができる金型の加熱冷却システムを提供できる。
請求項３、４記載の発明によれば、溶融樹脂の成形を行う金型と、溶融樹脂の冷却の点で優れた効果を有する加圧された水を金型内に注入する水アシスト手段を組み合わせたことにより、溶融樹脂の冷却速度の向上、サイクルタイムの短縮を図りつつ高品質の樹脂成形品、特に種々の肉薄の中空射出成形品の製造に用いることができる金型装置を提供できる。
本発明は、溶融樹脂の冷却の点で優れた効果を有する水を用いて、冷却速度の向上、サイクルタイムの短縮を図りつつ高品質の中空射出成形品を得るという目的を、金型内に溶融樹脂を射出するとともに、金型の加熱冷却プロセスに応じて金型の加熱、樹脂成形、金型の冷却を行う金型の加熱冷却システムであって、先端を前記金型の内部に臨ませた水射出ノズルを有するとともに、水タンクからの水の加圧、加圧された水の圧力調整、樹脂成形時における前記水の前記水射出ノズルを経ての金型内への供給による溶融樹脂の内部からの中空状への押圧及び冷却、前記水の供給遮断、前記水射出ノズルを経ての水タンクへの水の回収を行う水アシスト手段を用いた水アシスト成形法を組み合わせ、金型の冷却プロセスにおいて金型の冷却と前記水アシスト成形法による溶融樹脂の内部からの冷却とにより、中空状とした溶融樹脂の急速冷却を行う構成としたことにより実現した。
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
図１は本発明の実施例の水アシスト手段８０を備え、中空樹脂成形品の樹脂成形を行う金型装置１００及びこの金型装置１００の加熱、冷却を行う加熱冷却システムを示すものである。
この加熱冷却システムは加熱用ユニット１、冷却用ユニット３０、切替えバルブユニット５０を備えている。加熱用ユニット１は、原水を軟水器２１により軟水とし、更に薬注装置２２で防腐剤等の薬を注入した後、ボイラー２０に供給し、ボイラー２０にて蒸気とし、これを加熱用媒体として吐出弁２３から切替えバルブユニット５０に供給するように構成している。
冷却用ユニット３０は、冷却水供給口に供給される冷却水を、クーリングタワー（又はチラー）３１に導き、更にこのクーリングタワー３１にて熱交換される冷却水（水温１０℃〜常温）を冷却用媒体としてポンプ３２により冷却水吐出口を経て前記切替えバルブユニット５０に供給するようになっている。
また、切替えバルブユニット５０からの戻りの冷却水を冷却水戻り口から流入させ、クーリングタワー３１の上部からその内部に散水し熱交換するようになっている。
切替えバルブユニット５０は、いずれもエアー制御で開閉動作する４個の切替え弁７１、７２、７３、７４を具備している。
すなわち、前記切替えバルブユニット５０は、前記冷却用ユニット３０の冷却水吐出口からの冷却水を冷却水受け口からポンプ７６に流入させ、ポンプ７６で増圧し、切替え弁７１を介し、更に、マニホールド６１を経て前記金型装置１００へ供給するようになっている。
また、金型装置１００を循環した冷却水をマニホールド６２を経て、更に、切替え弁７２を介して冷却水排水口に導き、前記冷却用ユニット３０の冷却水戻り口へ流入させるとともに、ポンプ７６の吐出側と切替え弁７２の出口側との間に切替え弁７３、サイレントレジューサー７５を接続し、このサイレントレジューサー７５にはマニホールド６２の出口側からの蒸気を流入させるように構成している。
４個の切替え弁７１乃至７４の開閉制御用のエアー（圧力空気）は、図示しないエアー源からエアーフィルター５６、エアーレギュレータ５７を経て供給するようになっている。
また、図示しないエアー源から、エアーフィルター５６、エアーレギュレータ５７を経て、圧力空気供給手段を構成するコック５８、止め弁５９を介し、前記切替え弁７１、７４の出口側の管路にエアーを供給可能としている。
前記金型１００の温度は、前記温度センサ１０１により検出され図示しないコントロールパネルに送られるようになっている。
次に、前記水アシスト手段８０を含む金型装置１００について、図２を参照して詳述する。
前記金型１００は、固定型１０２、可動型１０３を具備し、固定型１０２、可動型１０３間に樹脂成形を行うキャビィティ１０４を設けている。また、固定型１０２には、射出ノズル１０５からの溶融樹脂をキャビィティ１０４に導くためのスプルー１０６、ゲート１０７を備え、更にゲート１０７の反対側の位置には先端を前記キャビィティ１０４内に臨ませた水射出ノズル１０８を備えている。
前記水アシスト手段８０は、図２乃至図４に示すように、水を貯留する水タンク８１と、水タンク８１からの水を加圧し吐出する往復ポンプ８２と、この往復ポンプ８２を駆動するモータ８３と、往復ポンプ８２からの加圧された水の圧力調整を行う圧力調整弁８４と、圧力調整弁８４から流出する加圧された水の前記水射出ノズル１０８に対する図２に示すような供給遮断、図３に示すような水射出ノズル１０８を経てキャビィティ１０４内への供給、図４に示すようなキャビィティ１０４内から水射出ノズル１０８を経て水タンク８１への水の回収を行うための３位置弁８５とを有している。
次に、本実施例の金型装置１００による樹脂成形動作及び加熱冷却システムによる金型装置１００の加熱冷却動作について、中空射出成形品を成形する場合を例に取り、図５、図６も参照して説明する。
図５は、前記加熱冷却システムにおける４個の切替え弁７１乃至７４のスタンバイ時、加熱時、冷却時の開閉状態の説明図であり、図６は、本実施例における冷却水、蒸気、エアーの供給、停止のタイミングチャートを示すものである。
（スタンバイ時）
スタンバイ時においては、図５に示すように、前記切替え弁７３のみを開状態に制御し、他の３個の切替え弁７１、７２、７４は閉状態に制御する。このとき、前記冷却用ユニット３０からの冷却水は、ポンプ７６、切替え弁７３、サイレントレジューサー７５を経て冷却用ユニット３０に戻る循環状態となる。また、加熱用ユニット１からの蒸気は、切替え弁７４が閉状態であるために、金型装置１００の媒体路には供給されない。
（金型装置１００の加熱時）
この場合には、図５に示すように、前記切替え弁７３、７４を開状態に制御し、切替え弁７１、７２は閉状態に制御する。このとき、前記冷却用ユニット３０からの冷却水は、ポンプ７６、切替え弁７３、サイレントレジューサー７５を経て冷却用ユニット３０に戻る循環状態となる。
また、加熱用ユニット１によって作られた蒸気が、切替え弁７４、マニホールド６１を経て金型１００の媒体路を通り、金型１００を所定温度に加熱し、更に、マニホールド６２、前記サイレントレジューサー７５を経て冷却水の循環路に流入する。
前記切替え弁７３、７４を開状態に制御し、切替え弁７１、７２は閉状態に制御して金型装置１００の固定型１０２、可動型１０３の加熱を開始する際に、前記コック５８、止め弁５９も連動して開制御し、前記切替え弁７１、７４の出口側からマニホールド６１を経て金型１００に蒸気とともに、エアー（圧力空気）を供給し、固定型１０２、可動型１０３内の媒体路に送り込んで（パージ動作）、前記媒体路に残留している冷却水を強制的にマニホールド６１からサイレントレジューサー７５への流路に押し出す。
（金型装置１００による樹脂成形及び冷却時）
上述のようにして固定型１０２、可動型１０３を所定温度（通常は高い温度）に保持した状態で、図２に示すように前記キャビィティ１０４内に射出ノズル１０５からスプルー１０６、ゲート１０７を経て溶融樹脂を射出する。このとき前記３位置弁８５は図２に示す遮断位置とする。
次に、図３に示すように、３位置弁８５を供給位置に切り替え、水アシスト手段８０のモータ８３、往復ポンプ８２を動作させ、水タンク８１内の水を加圧圧送し、圧力調整弁８４にて圧力調整した後３位置弁８５、水射出ノズル１０８を経てキャビィティ１０４内の溶融樹脂の内部に加圧された水を注入する。
前記キャビィティ１０４内に注入された水は、溶融樹脂を図３に示すようにその内部からキャビィティ１０４の壁面側に押圧し、これにより、溶融樹脂自体は塊状ではなく空洞状又は中空状となる。また、キャビィティ１０４内に注入された水は、溶融樹脂をその内部から冷却する。
更に、前記温度センサ１０１による検出信号を基に、所定のタイミングで、図２に示すように、前記切替え弁７３、７４を閉状態、前記切替え弁７１、７２を開状態に制御し冷却水を金型装置１００の媒体路に供給して固定型１０２、可動型１０３の急速冷却を行う。
すなわち、前記切替え弁７３、７４を閉状態、切替え弁７１、７２を開状態にすることにより、冷却水は前記ポンプ３２、ポンプ７６、切替え弁７１、マニホールド６１、金型１００の媒体路、マニホールド６２、切替え弁７２、クーリングタワー３１、ポンプ３２に至る冷却水の循環が行われ、固定型１０２、可動型１０３の急速冷却が実行される。
このようにして、水アシスト手段８０によるキャビィティ１０４内への加圧された水の注入による溶融樹脂の内部からの冷却と、加熱冷却システムによる金型１００の急速冷却とにより、金型１００において溶融樹脂の急速な冷却が行われ、中空射出成形品の成形及び冷却を行うことができる。
次に金型装置１００の固定型１０２、可動型１０３が所定温度まで冷却した状態で、図４に示すように前記３位置弁８５を回収位置に切り替え、水アシスト手段８０のモータ８３、往復ポンプ８２を動作させて、前記中空射出成形品の内部の水を回収する。そして、金型装置１００の可動型１０３を開いて中空射出成形品を取り出す。
この後、上述した加熱動作に移り、前記金型装置１００に高い温度の蒸気を流して昇温させるという、一連の動作を繰り返す。
上述した本実施例の動作により、特に冷却工程から加熱工程への切替え時における前記媒体路に残留する冷却水の排出を速やかに行い、固定型１０２、可動型１０３の所定温度への昇温時間を短縮することができる。
なお、上述した各切替え弁７１乃至７４の切替えのタイミングや時間の設定は、ユーザーの希望や条件に応じてタイマーを使用したり、又はコントロールパネル上での設定操作にて自由に行うことが可能である。
ここで、上述した水アシスト成形法により樹脂成形を行った場合の中空樹脂成形品の肉厚の大小による冷却時の温度変化、これに対応する水の温度変化について図７を参照して考察する。
図７において、丸印実線で示すグラフは長さ５００ｍｍ、直径３０ｍｍの中空樹脂成形品で肉厚５．０ｍｍの場合の冷却時の温度変化を示し、三角印実線で示すグラフは長さ５００ｍｍ、直径３０ｍｍの中空樹脂成形品で肉厚３．８ｍｍの場合の冷却時の温度変化を示している。
また、図７において、丸印の点線で示すグラフは、水アシスト成形法で肉厚５．０ｍｍの中空樹脂成形品を冷却した場合の水の温度変化を示し、三角印点線で示すグラフは肉厚３．８ｍｍの中空樹脂成形品を冷却した場合の水の温度変化を示している。
図７から明らかなように、中空樹脂成形品の肉厚が小さい程樹脂の冷却速度は速く、水の温度上昇速度は緩やかであることが分かる。
次に、上述した水アシスト成形法と従来のガスアシスト法とを採用して各々中空樹脂成形品の成形、冷却を行った場合の樹脂の冷却速度の相違について図８を参照して考察する。
図８左欄は、ガスアシスト法により図７で説明したと同様な中空樹脂成形品の冷却を行った場合の樹脂（四角印）の温度変化及びガス（不活性ガス）（三角印）の温度変化を示すものである。また、図８右欄は、水アシスト成形法により図７で説明したと同様な中空樹脂成形品の成形、冷却を行った場合の樹脂（四角印）の温度変化及び水（三角印）の温度変化を示すものである。
図８から明らかなように、ガスアシスト法を採用した場合には、樹脂温度が最高温度２７０℃から９０秒かかって５０℃まで低下するのに対して、水アシスト成形法では最高温度２７０℃から約３０秒で５０℃まで低下することが判明した。なお、ガスアシスト法を採用した場合、実際には９０秒程度の短いサイクル時間では寸法安定性が得られず不良品を成形してしまう。
一方、ガス温度、水温度に着目すると、図８左欄に示すように、ガスは数秒間で急激に温度上昇し、１５秒程度で樹脂温度より高くなってしまい、この瞬間からガスによる樹脂の冷却効果は期待できない。これに対して水の場合には、図８右欄に示すように、徐々に温度上昇するがその昇温は緩やかで５０℃程度までしか上昇しない。このことは、樹脂温度が５０℃程度まで低下する間水により樹脂を冷却していることを意味している。
以上説明したように、本実施例の水アシスト成形法を組み合わせた加熱冷却システム及び金型装置１００によれば、樹脂成形時に優れた冷却効果を有する加圧された水を溶融樹脂内に注入して溶融樹脂の内部から外方へ向けての押圧を行うとともに、更にこれに続く金型装置１００の急速冷却時に、溶融樹脂の内部からの冷却を行うものであるから、従来のガスアシスト法と比較し、溶融樹脂の冷却速度を大幅（７０％程度）に短縮し、サイクルタイムの短い成形工程にて中空射出成形品を得ることができる。
また、本実施例では、水アシスト成形法を採用し、溶融樹脂内に注入する加圧された水の圧力を適切に調整することによって、中空射出成形品の肉圧を種々に変更でき、このとき、流動特性の悪い樹脂の成形を行う場合でも加圧された水により樹脂の流れを補助するようにすれば、低圧成形が可能となるとともに肉厚の薄肉化、材料の節約、薄肉化による冷却時間の一層の短縮等の効果を期待できる。また、中空射出成形品の外観表面のウェルドライン、ジェッティング等の外観不良も解消できる効果も期待できる。
更に、上述した一連の過程を経て中空射出成形品を製造する製造方法によれば、従来のガスアシスト法を採用した製造方法の場合と比較し、溶融樹脂の冷却速度を大幅（７０％程度）に短縮し、短いサイクルタイムで高品質の中空射出成形品を製造することができる。
本発明は、上述した樹脂原料からなる中空射出成形品の製造に適用する他、銅や鉄等の溶融金属を原料とする金属製の中空射出成形品の製造にも幅広く適用可能である。
本発明の実施例の金型装置及び加熱冷却システムを示す配管系統図である。 本実施例の水アシスト手段を含む金型装置の溶融樹脂射出時の動作説明図である。 本実施例の水アシスト手段を含む金型装置の水注入時の動作説明図である。 本実施例の水アシスト手段を含む金型装置の水回収時の動作説明図である。 本実施例の切替え弁の開閉状態を示す説明図である。 本実施例の動作における冷却水、蒸気、エアーの供給、停止のタイミングチャートである。 本実施例の水アシスト成形法で肉厚の異なる中空樹脂成形品を冷却した場合の水の温度変化を示す図である。 本実施例の水アシスト成形法と従来のガスアシスト法とを採用して各々中空樹脂成形品の成形、冷却を行った場合の樹脂の冷却速度の相違及びガス、水の温度変化を示す図である。
符号の説明
１ 加熱用ユニット
２０ ボイラー
２１ 軟水器
２２ 薬注装置
２３ 吐出弁
３０ 冷却用ユニット
３１ クーリングタワー
３２ ポンプ
５０ 切替えバルブユニット
５６ エアーフィルター
５７ エアーレギュレータ
５８ コック
５９ 止め弁
６１ マニホールド
６２ マニホールド
７１ 切替え弁
７２ 切替え弁
７３ 切替え弁
７４ 切替え弁
７５ サイレントレジューサー
７６ ポンプ
８０ 水アシスト手段
８１ 水タンク
８２ 往復ポンプ
８３ モータ
８４ 圧力調整弁
８５ ３位置弁
１００ 金型装置
１０１ 温度センサ
１０２ 固定型
１０３ 可動型
１０４ キャビィティ
１０５ 射出ノズル
１０６ スプルー
１０７ ゲート
１０８ 水射出ノズル

Claims (4)

  1. 金型内に溶融樹脂を射出するとともに、金型の加熱冷却プロセスに応じて金型の加熱、樹脂成形、金型の冷却を行う金型の加熱冷却システムであって、
    先端を前記金型の内部に臨ませた水射出ノズルを有するとともに、水タンクからの水の加圧、加圧された水の圧力調整、樹脂成形時における前記水の前記水射出ノズルを経ての金型内への供給による溶融樹脂の内部からの押圧及び冷却、前記水の供給遮断、前記水射出ノズルを経ての水タンクへの水の回収を行う水アシスト手段を用いた水アシスト成形法を組み合わせ、加熱冷却システムによる金型の冷却工程時において金型の冷却と前記水アシスト成形法による溶融樹脂の内部からの冷却とにより、溶融樹脂の急速冷却を行う構成としたことを特徴とする金型の加熱冷却システム。
  2. 金型内に溶融樹脂を射出するとともに、金型の加熱冷却プロセスに応じて金型の加熱、樹脂成形、金型の冷却を行う金型の加熱冷却システムであって、
    先端を前記金型の内部に臨ませた水射出ノズルを有するとともに、水タンクからの水の加圧、加圧された水の圧力調整、樹脂成形時における前記水の前記水射出ノズルを経ての金型内への供給による溶融樹脂の内部からの中空状への押圧及び冷却、前記水の供給遮断、前記水射出ノズルを経ての水タンクへの水の回収を行う水アシスト手段を用いた水アシスト成形法を組み合わせ、金型の冷却プロセスにおいて金型の冷却と前記水アシスト成形法による溶融樹脂の内部からの冷却とにより、中空状とした溶融樹脂の急速冷却を行う構成としたことを特徴とする金型の加熱冷却システム。
  3. 溶融樹脂が射出されるキャビィティを有する金型と、
    金型の加熱冷却プロセスに応じて加熱用及び冷却用の媒体を金型に流通させる媒体路と、
    先端を金型のキャビィティ内に臨ませた水射出ノズルと、水タンクからの水を加圧し吐出する往復ポンプと、この往復ポンプを駆動するモータと、往復ポンプからの加圧された水の圧力調整を行う圧力調整弁と、圧力調整弁から流出する加圧された水の前記水射出ノズルに対する水の供給遮断、水射出ノズルを経てキャビィティ内への供給、キャビィティ内から水射出ノズルを経て水タンクへの水の回収を行うための３位置弁と、を具備し、樹脂成形時に前記キャビィティ内の溶融樹脂の内部に加圧した水の供給を行い溶融樹脂を内部から冷却した後水の回収を行って中空射出成形品とする水アシスト手段と、
    を有し、
    金型の冷却工程において金型の冷却と水アシスト成形手段による溶融樹脂の内部からの冷却とにより、溶融樹脂の急速冷却を行う構成としたことを特徴とする中空射出成形品用の金型装置。
  4. 溶融樹脂が射出されるキャビィティを有する金型と、
    金型の加熱冷却プロセスに応じて加熱用及び冷却用の媒体を金型に流通させる媒体路と、
    先端を金型のキャビィティ内に臨ませた水射出ノズルと、水タンクからの水を加圧し吐出する往復ポンプと、この往復ポンプを駆動するモータと、往復ポンプからの加圧された水の圧力調整を行う圧力調整弁と、圧力調整弁から流出する加圧された水の前記水射出ノズルに対する水の供給遮断、水射出ノズルを経てキャビィティ内への供給、キャビィティ内から水射出ノズルを経て水タンクへの水の回収を行うための３位置弁と、を具備し、金型による樹脂成形時に金型内の溶融樹脂内部に加圧した水の供給を行い溶融樹脂を内部から押圧して中空状とするとともに、冷却プロセスに応じて溶融樹脂の内部からの冷却を行った後、中空射出成形品の内部から水の回収を行う水アシスト手段と、
    を有し、
    金型の冷却プロセスにおいて金型の冷却と水アシスト成形手段による溶融樹脂の内部からの冷却とにより、溶融樹脂の急速冷却を行う構成としたことを特徴とする中空射出成形品用の金型装置。
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