JP5908928B2 - 精密に形状決定された物品の超音波支援成形及び方法 - Google Patents
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Description
本出願は2011年3月15日出願の米国特許仮出願第61/452,925号の利益を主張するものであり、その開示の全容を本明細書に援用するものである。
本開示は、超音波支援成形方法及び関連した精密に形状決定された成形物品に関し、より具体的には、精密に形状決定された光学素子を生産するための超音波支援射出成形方法に関する。
第1の型部材と、型を閉鎖するために、第1の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも1つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、第1の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも1つに形成され、空洞が、その中に少なくとも1つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、
型を閉鎖する工程であって、それにより、少なくとも1つのゲートが溶融(コ)ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
型を、104℃〜116℃の空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、
その後、空洞及びゲートを溶融(コ)ポリマーで実質的に充填するために、閉鎖した型の少なくとも1つのゲートを通じて、空洞中に溶融(コ)ポリマーを射出する工程と、
ゲート内の溶融(コ)ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程と、型温が約116℃〜122℃まで上昇するまで、ゲート内の凝固した(コ)ポリマーを再溶融することなく、閉鎖した型の空洞内の溶融(コ)ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、溶融(コ)ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、型温が約101℃〜107℃まで低下するまで、閉鎖した型を冷却する工程と、その後、型温が約116℃〜122℃まで増加するまで、閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、溶融(コ)ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、溶融(コ)ポリマーが型内で凝固するまで、型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、を含む、成形方法を記載する。
用語「(コ)ポリマー」は、ホモポリマー又はコポリマーを意味する。
一態様では、本開示は、以下に更に記載される成形方法のいずれかに従って製造される、精密成形物品を提供する。いくつかの例示の実施形態では、精密成形物品は、レンズ、プリズム、ミラー、ライトパイプ、回折格子、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される、射出成形された光学素子である。
更なる態様では、本開示は、成形システムを記載する。図2は、示される、本開示の別の例示の実施形態に従った、例示の射出成形システム200の概略的側面図を提供する。射出成形システムは、基部202上に載置されてもよい。図示される実施形態では、システム200は、溶融されるプラスチック材料(例えば、プラスチックペレット)を受容するためのホッパー204と、システム200に電力供給するためのモーター208と、射出ポート210を通して、超音波ホーン(図3に示される)が取り付けられる射出成形装置212へと、プラスチック材料を溶融及び供給するための加熱バレル又はチャンバ206とを含む。
成形物品を作製するための射出成形プロセスで用いられる(コ)ポリマーは、型空洞及びインサートの所望のパターンを正確に複製する機能、成形(コ)ポリマーの強度性及び強靭性、並びに成形(コ)ポリマーの目的用途との互換性等の特性に基づき選択される、様々な(コ)ポリマーを含んでもよい。例えば、(コ)ポリマー又は(コ)ポリマーブレンドを選択してもよい。
他の例示の実施形態では、本開示は、以下の工程を含む成形方法を記載する。
型を、104℃〜116℃の空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、その後、空洞及びゲートを溶融(コ)ポリマーで実質的に充填するために、閉鎖した型の少なくとも1つのゲートを通じて、空洞中に溶融(コ)ポリマーを射出する工程と、
ゲート内の溶融(コ)ポリマーが凝固するまで、閉鎖した型を冷却させる工程と、型温が約116℃〜122℃まで上昇するまで、ゲート内の凝固した(コ)ポリマーを再溶融することなく、閉鎖した型の空洞内の溶融(コ)ポリマーに超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、溶融(コ)ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、その後、型温が約101℃〜107℃まで低下するまで、閉鎖した型を冷却する工程と、
その後、型温が約116℃〜122℃まで増加するまで、閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、溶融(コ)ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、溶融(コ)ポリマーが型内で凝固するまで、型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程。
ある特定の例示の実施形態では、成形物品は、複屈折の実質的な非存在、残留応力の実質的な非存在、ひけマークの実質的な非存在、ニットマークの実質的な非存在、溶接線の実質的な非存在、ボイドの実質的な非存在、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの有益特性を示す。
2つの(コ)ポリマーを本実施例で使用した。
ひけマーク、ニットライン等の成形欠陥が、間接照明下で成形物品中に視覚的に観察された。
概して図1に示される精密な光学部品(例えば、ビーム分離プリズム)を成形するために、概して図2〜3に示される超音波支援射出成形装置212を使用した。第1の型部材224を、任意のコールドスラグ若しくはライザー223、又は任意のオーバーフローランナー231を有さずに構成した。型空洞100’内の(コ)ポリマーの急速加熱を達成するために、電気抵抗カートリッジヒーター232を型空洞100’に近接して位置付けた。
超音波パラメーターの有意性を評価するために、かつニットライン及びひけマーク等の物理的特性に対するその効果、並びに応力等の光学特性を評価するために、実験を実施した。実験に対する因子は、プレトリガー超音波振幅、圧力トリガー超音波振幅、圧力時間、冷却時間、及びアニーリング時間であった。この場合のプレトリガーは、型が閉鎖し、空洞が充填されている間に、ホーンが振動し始める時に伝達される。プレトリガー時間を6.45秒で一定に保持する一方で、振幅の規模を10%〜64%まで変化させた。
2.圧力トリガー振幅:10%〜50%
3.冷却時間:30秒〜300秒
4.アニーリング時間:0〜390秒
5.圧力トリガー時間:10秒〜155秒
これらの準備実験に対する反応を、以下の通りに測定した。
実施例1は、以下の条件で決定される、本開示の現在好ましい実施形態を示す。
2.20秒の音波処理時間
3.70秒の加熱時間
4.115秒のヒーター遅延時間
アクリペットWF−100(Run 1)及びアルケマV825−100(Run 2)を、本実施例で別々に使用した。
本願発明に関連する発明の実施形態について以下に列挙する。
[実施形態1]
成形方法であって、
第1の型部材と、型を閉鎖するために、前記第1の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも1つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、前記第1の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも1つに形成され、前記空洞が、その中に少なくとも1つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、前記空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、
前記型を閉鎖する工程であって、それにより、前記少なくとも1つのゲートが溶融(コ)ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
前記型を、104℃〜116℃の前記空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、
その後、前記空洞及び前記ゲートを前記溶融(コ)ポリマーで実質的に充填するために、前記閉鎖した型の前記少なくとも1つのゲートを通じて、前記空洞中に前記溶融(コ)ポリマーを射出する工程と、
前記ゲート内の前記溶融(コ)ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程と、
前記型温が約116℃〜122℃まで上昇するまで、前記ゲート内の前記凝固した(コ)ポリマーを再溶融することなく、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、前記溶融(コ)ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記型温が約101℃〜107℃まで低下するまで、前記閉鎖した型を冷却する工程と、
その後、前記型温が約116℃〜122℃まで増加するまで、前記閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、前記溶融(コ)ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記溶融(コ)ポリマーが前記型内で凝固するまで、前記型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、を含む、方法。
[実施形態2]
104℃〜116℃の前記型温まで前記型を加熱する工程が、前記型を閉鎖する工程の後に生じる、実施形態1に記載の成形方法。
[実施形態3]
前記型温が約116℃〜122℃の間まで上昇するまで、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程が、前記ゲート内の前記溶融(コ)ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程の後のみ開始される、実施形態1又は2に記載の成形方法。
[実施形態4]
前記溶融(コ)ポリマーを前記空洞中に射出する工程が、前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加することを更に含む、実施形態1〜3のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態5]
前記ゲート内の前記(コ)ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程が、前記空洞への超音波エネルギーの印加を中断することを含む、実施形態4に記載の成形方法。
[実施形態6]
前記閉鎖した型の前記少なくとも1つのゲートを通じて、前記空洞中に前記溶融(コ)ポリマーを射出する工程が、約0.5〜約0.6秒かかる、実施形態1〜5のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態7]
前記ゲート内の前記(コ)ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程が、前記空洞中への前記溶融(コ)ポリマーの前記射出を開始した後、約2秒で開始され、約61秒で終了する、実施形態1〜6のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態8]
前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程が、前記空洞中への前記溶融(コ)ポリマーの前記射出を開始した後、約61秒で開始され、約80秒で終了する、実施形態1〜7のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態9]
前記型温が約101℃〜107℃まで低下するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程が、前記空洞中への前記溶融(コ)ポリマーの前記射出を開始した後、約62秒で開始され、約237秒で終了する、実施形態1〜8のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態10]
前記型温が約116℃〜122℃まで上昇するまで、前記閉鎖した型を加熱する工程が、前記空洞中への前記溶融(コ)ポリマーの前記射出を開始した後、約70秒〜115秒で開始され、加熱が開始された後、約70〜110秒で終了する、実施形態1〜9のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態11]
前記型を閉鎖する工程から、前記(コ)ポリマーが前記型内で凝固するまでの合計経過時間が、少なくとも約145秒、及び約240秒未満である、実施形態1〜10のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態12]
エジェクター手段を用いて、前記型空洞から前記射出成形物品を取り外す工程を更に含む、実施形態1〜11のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態13]
前記エジェクター手段が、エジェクターピン、リフター、ストリッパープレート、又はそれらの組み合わせのうちの1つ以上から選択される、実施形態12に記載の成形方法。
[実施形態14]
前記空洞中に射出される溶融(コ)ポリマーの量が、前記型空洞を充填するために必要とされる量を超え、過剰な(コ)ポリマーが、ベントを通じて前記空洞から流出する、実施形態1〜13のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態15]
前記型空洞中に前記溶融(コ)ポリマーを射出する工程が、マニホールドから前記溶融(コ)ポリマーを射出することを含む、実施形態1〜14のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態16]
前記入口ゲートが、前記型空洞の一側面の中心にある、実施形態1〜15のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態17]
前記溶融(コ)ポリマーが、前記第1の型部材に隣接する前記型空洞の第1の側面から前記型空洞に射出され、前記超音波エネルギーが、前記可動式型部材に隣接する前記型空洞の第2の側面から印加される、実施形態1〜16のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態18]
前記型空洞を加熱する工程が、電気抵抗加熱、電磁誘導加熱、誘電加熱、熱電加熱、超音波エネルギーの印加による加熱、又はそれらの組み合わせを使用して実施される、実施形態1〜17のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態19]
前記型空洞を加熱する工程が、電気抵抗加熱を使用して実施され、更に、前記型空洞内の前記溶融(コ)ポリマーの温度を、1分あたり少なくとも約13℃の速度で増加させるために十分な速度で、前記型空洞内の前記(コ)ポリマーを加熱することを可能にするように、少なくとも1つの電気抵抗ヒーターが、前記型空洞に近接して位置付けられる、実施形態18に記載の成形方法。
[実施形態20]
前記型が、鋼、ステンレス鋼、銅、ベリリウム、アルミニウム、それらの合金、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される材料を含む、実施形態1〜19のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態21]
前記超音波エネルギー源が、超音波振動子を備え、更に、共鳴ホーン、ブースター、導波路、又はそれらの組み合わせのうちの少なくとも1つを備えるか、または備えない、実施形態1〜20のいずれか一項に記載の成形方法。
[実施形態22]
実施形態1〜21のいずれか一項に従って製造される、成形物品。
[実施形態23]
前記成形物品が、レンズ、プリズム、ミラー、ライトパイプ、回折格子、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される射出成形された光学素子である、実施形態22に記載の成形物品。
[実施形態24]
前記成形物品が、複屈折の実質的な非存在、残留応力の実質的な非存在、ひけマークの実質的な非存在、ニットマークの実質的な非存在、溶接線の実質的な非存在、ボイドの実質的な非存在、又はそれらの組み合わせからなる群から選択される少なくとも1つの有益特性を示す、実施形態22又は23に記載の成形物品。
[実施形態25]
前記(コ)ポリマーが、(メタ)アクリル(コ)ポリマーを含む、実施形態1〜24のいずれか一項に従って製造される成形物品。
Claims (4)
- 成形方法であって、
第1の型部材と、型を閉鎖するために、前記第1の型部材に向かって及び離れて移動することができる少なくとも1つの可動式型部材とを有する射出型を提供する工程であって、型空洞が、前記第1の型部材又は可動式型部材のうちの少なくとも1つに形成され、前記空洞が、その中に少なくとも1つのゲートを有し、更に、超音波エネルギー源が、前記空洞に超音波エネルギーを印加するように位置付けられる、工程と、
前記型を閉鎖する工程であって、それにより、前記少なくとも1つのゲートが溶融(コ)ポリマー源と流体的に接続される、工程と、
前記型を、104℃〜116℃の前記空洞に隣接して測定される型温まで加熱する工程と、
その後、前記空洞及び前記ゲートを前記溶融(コ)ポリマーで実質的に充填するために、前記閉鎖した型の前記少なくとも1つのゲートを通じて、前記空洞中に前記溶融(コ)ポリマーを射出する工程と、
前記ゲート内の前記溶融(コ)ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程と、
前記型温が約116℃〜122℃まで上昇するまで、前記ゲート内の前記凝固した(コ)ポリマーを再溶融することなく、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程であって、それにより、前記溶融(コ)ポリマー中の任意の流動誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記型温が約101℃〜107℃まで低下するまで、前記閉鎖した型を冷却する工程と、
その後、前記型温が約116℃〜122℃まで増加するまで、前記閉鎖した型を加熱する工程であって、それにより、前記溶融(コ)ポリマー中の任意の熱誘起応力を実質的に緩和する、工程と、
その後、前記溶融(コ)ポリマーが前記型内で凝固するまで、前記型を冷却させる工程であって、それにより、射出成形物品を形成する、工程と、を含む、方法。 - 前記型温が約116℃〜122℃の間まで上昇するまで、前記閉鎖した型の前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加する工程が、前記ゲート内の前記溶融(コ)ポリマーが凝固するまで、前記閉鎖した型を冷却させる工程の後のみ開始される、請求項1に記載の成形方法。
- 前記溶融(コ)ポリマーを前記空洞中に射出する工程が、前記空洞内の前記溶融(コ)ポリマーに前記超音波エネルギー源からの超音波エネルギーを印加することを更に含む、請求項1に記載の成形方法。
- 前記型空洞を加熱する工程が、電気抵抗加熱、電磁誘導加熱、誘電加熱、熱電加熱、超音波エネルギーの印加による加熱、又はそれらの組み合わせを使用して実施される、請求項1に記載の成形方法。
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