JP6953441B2 - 鋳型の加温方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、鋳型（mould）を加熱するための方法および装置に関する。 本発明は、より詳細には、プラスチック射出成形（plastic injection mould）に適しているが、これに限定されるものではない。このような鋳型は、溶融プラスチック材料が注入（射出）される成形キャビティを有する。前記キャビティは、成形表面によって画定され、その形状は成形部品（moulded part）によって再現される。前記成形表面（moulding surface）は、鋳型を開いて固化した部品を取り外せるように、相互に分離可能な少なくとも２つのシェル（shells）によって支持される。

熱サイクルは、成形（鋳造）作業中に、成形キャビティにおいて実行され、それにより、前記キャビティの温度は、流動性（液体の状態）を維持しかつキャビティを正確に満たすのに充分な程度に高くなる。その後、再び加温され、サイクルが再稼働される前で成形表面の温度の低下時に、鋳型が開かれて部品が鋳型から取り外されるまで、部品を凝固させておくために、必要によっては強制冷却によって、温度は下げられる。すなわち、特に、長期に渡る連続的状況における重要なパラメータであるサイクル時間は、成形キャビティの加熱および冷却時間によって決定される。得られた部品の品質、特にその外観は、キャビティの成形表面上における均一な温度分布を得る能力によって決まり、いくつかの状況下では、得られた部品の構造的な品質は、成形表面に接触している成形材料の加熱及び冷却速度によって決まる。誘導加熱技術は、特に、これらのニーズに対する解決策としての提供に適している。

欧州特許第１９２４４１５号 欧州特許第２８６１３９９号 ドイツ特許出願１０２０１４１１４７７２号

欧州特許第１９２４４１５号は、誘導コイルが成形表面を支持する金型を通る、プラスチック射出成形用の成形キャビティ用の誘導加熱装置を開示している。しかしながら、アルミニウム合金製の金型を使用する際に達成されるエネルギー効率は、プラスチック射出において高頻度で生じる状況であるが、高電力設備を必要とする。

欧州特許第２８６１３９９号は、プラスチック射出鋳型を予熱するための方法および装置を開示している。前記装置は、原則的に、可能な限り直接的にキャビティの成形表面を加熱するための２つの加熱手段を備える。この従来技術に係る装置では、金型の成形表面とコアとの間に一つの空気ギャップ面を形成することにより電気的に絶縁された導電性のコアの前に、前記成形表面を支持する金型を配置することによって、成形表面の１つが加熱される。コアおよび金型の組み立て品は、誘導回路内に配置される。成形表面は、空気ギャップの表面上に誘起される電流の循環により加熱される。鋳型を構成する他の金型によって支持される他の成形表面は、予め加熱されたコアに接触または面接合させることによる、放射または伝導によって加熱される。従来技術に係るこの解決策は、２つの金型の間にコアを挿入できるように、鋳型が充分に開いていることを必要とする。全ての場合において、それは、一旦キャビティが閉じた際の成形キャビティの温度の調節にために使用できないという、予熱の解決策に過ぎない。

先行技術に係るこれらの解決策は、満足いくものである；しかしながら、それらは、一般に１００ｋＷのオーダーである金型の１つを加熱するのに必要な電力である大電力の電気設備を必要とする。製造現場にこの種の設備が複数ある場合、対応する電気設備の電力は不利となることがある。

ドイツ特許出願１０２０１４１１４７７２号は、加熱エレメントを成形キャビティに接近することによって、非常に局所化された領域が加熱されるプラスチック射出鋳型を開示しており、その壁肉厚は、特に、金型を分割するライン（接合面）におけるバリを回避するために、このエレメントが適用される領域において薄厚にしている。すなわち、この装置は、バリを部品の残りの部分から分離するために、成形された部品が冷却された後、または冷却中に、該当領域だけ加熱する。

本発明は、先行技術の欠点を克服（解決）するもので、鋳型、特に射出成形のための鋳型に関してこれを達成することを目的とし、以下の構成からなる：
ａ．成形表面を画定するキャビティの外郭となるシェル（shell）と；
ｂ．蓄熱器（heat accumulator）と;
ｃ．前記蓄熱器を加熱する誘導加熱手段と；
ｄ．成形表面全体を、前記キャビティ内に材料を射出（注入）するのに適した温度にするために、成形表面以外の、受容面（receiving surface）と呼ばれるシェルの表面部分を、蓄熱器の熱に対して露出または遮蔽する、またはこの熱から遮蔽する手段を備える。

すなわち、蓄熱器を適切な温度に加熱した後、単にこの温度に維持するのみでよく、より少ない電力しか必要としない。

本発明は、有利には、以下に説明する、個々にまたは任意の技術的作動の組み合わせで考慮され得る実施例に従って使用される。

有利には、シェルは、成形表面を冷却するための熱伝導流体を循環させるための回路を有する。すなわち、本発明の鋳型は、蓄熱器の温度に影響を与えることなく成形キャビティの強制冷却を使用（実装・実施）している。

一つの変形実施例によれば、蓄熱器は黒鉛ブロック（グラファイトブロック）である。特に、この実施例は、放熱によるシェルの加熱を促進することを可能にする。

上述の実施例に対応する別の変形実施例によれば、蓄熱器は、相変化物質を含む。この実施例は、前記材料の潜熱相変化熱に熱エネルギーを蓄積することを可能にする。

本発明はまた、本発明のいずれかの実施例において鋳型の表面を加熱する方法に関し、前記方法は、以下の構成からなる工程を含む：
ｉ．蓄熱器を加熱する工程と；
ｉｉ．蓄熱器からの熱にシェルを曝す（露出する）工程（蓄熱器を加熱するためにシェルを露出させる工程）と；
ｉｉｉ．工程ｉｉ）の後、キャビティに材料を射出（注入）する工程。

有利には、工程ｉｉ）は、蓄熱器を加熱する工程を含む。特に、この実施例においては、成形キャビティの温度を調節することが可能となる。

一実施例によれば、工程ｉｉ）は、蓄熱器に対面するようにシェルを動かすことによって実行される。すなわち、高温の蓄熱器は固定されたままである。特に、この実施例においては、設置された電力を単一の蓄熱器を加熱するのに必要な電力に制限している間に、鋳型の１つが他の鋳型の冷却をする間に加熱される、振り子サイクル（pendular cycle）に従って複数の鋳型を露出（曝）させることが出来る。

この実施例によれば、蓄熱器からシェルへの熱伝達は、好ましくは放射（放熱、放射熱）によって行われる。

さらに、蓄熱器からシェルへの熱伝達の一部は、ガスの強制対流（伝達）によって作動する。したがって、熱伝達はより速くなる。

別の実施例によれば、工程ｉｉ）は、蓄熱器をシェルの表面に接触させることによって行われる。この実施例は、より詳細には、本発明の利点を享受する自己加熱型の鋳型の製造に適用されるが、これに限定されるものではない。

最後の実施例によれば、工程ｉｉ）は、蓄熱器の熱膨張によって実行される。したがって、シェルの受容面の露出は、変位機構の使用を必要としない。

本発明を以下の好ましい実施例に従って、以下の図１から図４を参照して説明するが、何ら限定するものではない：

図１は、本発明に係る鋳型の代表的な実施例に従った鋳型のシェルを表す断面図である；

図２は、図１の鋳型を使用する射出設備を図式的に示した図である；

図３は、本発明による鋳型のシェルの別の代表的な実施例を示す図であり、図３Ａは成形表面が加熱されていない時を示し、図３Ｂは成形表面の加熱中を示す。

そして、図４は、図３のシェルの変形した実施例を表した部分図であり、図４Ａは成形表面の加熱時間帯外を示し、図４Ｂは成形表面の加熱中を示す。

図１に示す一つの実施例によれば、本発明に係る鋳型は、２つのシェル（１１１、１１２）からなり、それぞれ複数の成形キャビティ（１２１、１２２）を有し、それぞれの成形キャビティは、２つのシェルが相互に接触する際に、言い換えれば、鋳型が閉じられた際に、閉じられた各々の成形一組のキャビティ（１２１、１２２）の空洞へ材料を射出（注入）することにより部品を製造するための成形表面となる。前記シェルは、熱伝導材料からなり、好ましくは、アルミニウム合金か、ツーリング鋼材のような金属合金からなる。各ハーフシェル（一方のシェル）は、成形表面を変形することなく射出圧力に抵抗出来る構造的機能を有するように、その厚さは相応に決定される。この例示的な実施例によれば、各シェルは、液体または気相の熱伝導流体を循環させるための導管（１３１、１３２）を備え、前記シェル、特に成形表面およびそれと接触する材料を冷却するために使用される。有利には、前記導管（１３１、１３２）は、熱伝導流体とシェルとの間の対流交換（伝達交換）を改善する撹拌機（図示せず）を形成する。

この実施例によれば、各シェル（１１１、１１２）は、受容面（１４１、１４２）と呼ばれる面領域を有し、これは、この例示的実施例では、成形キャビティに対向する位置に設けられる。更に、本実施例では、受容面は、赤外線放射の吸収を促進する被膜（コーティング）からなる。非限定的な例として、前記被膜（コーティング）は、前記受容面上への「物理蒸着」（ＰＶＤ）による被膜（蒸着）で形成され、または、面の艶出し（burnishing）と呼ばれる化学的処理によって得られるか、または、または黒色クロムメッキの電解析出によって得られる。非晶質炭素からなる各ハーフシェル（一方のシェル）の受容面への蓄熱器からの熱の露曝は、伝導、放射、対流（伝達）、またはこれらの熱伝達方法の組み合わせのいずれによっても、成形材料を射出するのに適した温度まで成形キャビティの温度を上昇させることができ、成形キャビティが均一かつ完全に充填されることを確実にする。受容面（１４１、１４２）から成形表面（１２１、１２２）への熱の伝達は、ハーフシェル（一方のシェル）の厚みを伝導することによって行われ、成形表面上の温度の均一な分配を確実にし、本発明に係る鋳型を使用して得られる部品のあらゆる欠陥の出現を抑制する。

図２Ａに示すように、本発明の鋳型を使用する装置の一例によれば、前記装置は、例えば、振り子型自動システム（pendular automation system）により、交互に使用される２つの鋳型（２０１、２０２）を有する。このため、前記装置は、２つの取出ステーション（２９１、２９２）と、プラスチック材料を成形キャビティ（２０１、２０２）に射出することが可能な射出ヘッド（２５０）を有する１つの射出ステーションとを備えている。該装置は、また、鋳型（２０１、２０２）を、それらの取出ステーションから射出ステーションに移送するための機構（図示せず）を備える。別の方法によれば、該装置は、回転式台上に配置された２つ以上の取出ステーションを備える。

射出ステーションは、例えば黒鉛ブロック（グラファイトブロック）からなる２つの蓄熱器（２４１、２４２）からなる。第１の例示的な実施例によれば、各蓄熱器は、例えばそれらの温度を７００℃〜１２００℃の範囲の温度へ上げるため、例えば１０ｋＨｚから１００ｋＨｚの間の高周波交流が交差するコイルの内側にそれらの各々を配置することにより、誘導回路によって加熱される。

代替方法では、蓄熱器（２４１、２４２）は、強磁性材料からなり、それらの少なくとも１つの面に、熱放射率を改善するための被膜からなる。

誘導回路に係る替わりの実施例によれば、蓄熱器（２４１、２４２）は、前記蓄熱器内にの導管内に配置された誘導コイルによって加熱される。

図２Ｂに示すように、振り子型自動システムによる例示的な実施例によれば、鋳型（２０１）の１つが射出ステーションにある際には、他の鋳型（２０２）はその取出ステーション（２９２）に位置する。射出ステーションに到着すると、鋳型（２０１）は、その受容面に蓄熱器（２４１、２４２）からの放射（熱）を受ける。一例として、１０００℃に加熱された黒鉛（グラファイト）の蓄熱器による放射によって放出された熱流束（heat flux）は、１５０×１０^３Ｗ／ｍ^２の大きさの値に達する。有利には、装置（図示せず）は、成形表面との強制対流（伝達）による熱交換を引き起こすために、前記蓄熱器（２４１、２４２）との接触によって加熱された気体（ガス）を鋳型上に吹き付けることに用いることが可能となる。有利には、射出ステーションは、鋳型および蓄熱器の酸化を防止する中性ガスで充填されたチャンバー（２５１）からなる。

このような熱流束のもとで、鋳型（２０１）は、その成形キャビティが射出成形に適した温度に達するまで急速に加熱される。その後、射出が実行される。射出が行われると、鋳型（２０１）は射出ステーションから取出ステーションに移され、それは、他方の鋳型（２０２）を、蓄熱器から放射（熱）を受けさせる射出ステーションに移動するという効果を有する。取出ステーションは、有利には、冷却を促進するために、熱伝導流体を鋳型の導管内に循環させるための手段を有する。前記熱伝導流体は、例えば、水、油またはガスとすることが出来る。一実施例によれば、前記熱伝導流体は、冷却ユニットを備えた閉回路を循環する。

電力需要を制限するために十分長時間実施される蓄熱器（２４１、２４２）の初期加熱段階の後で、消費されるエネルギーは、冷却された鋳型の誘導による直接加熱よりも、少ない、前記蓄熱器の温度の継続保持に相当する電力需要となる。蓄熱器を加熱するために誘導を使用することは、それとは別に、放射、対流または伝導によって鋳型に熱を伝達する際に、蓄熱器への継続的な加熱の提供を可能にする。

図３Ａを参照すると、本発明に係る鋳型のハーフシェル（一方のシェル）（３１０）の他の実施例によれば、それは、例えばアルミニウム合金で作られた２つの部品（３１１、３１２）からなる。その２つの部分のうちの１つ（３１１）は、成形表面を構成する成形キャビティ（３２０）と、前記成形表面を冷却するための熱伝導流体の循環のための導管（３３０）とを有する。第１部品（３１１）は、受容面（３４１）を有する。

第１部品に取り付けられたハーフシェル（一方のシェル）の第２部品（３１２）は、インダクタ（３６０）が内部を延伸する管を有する。特定の実施例によれば、前記第２部品は、例えばセラミックまたはコンクリートのような、磁場に対して透過性を有する非金属の耐火材料からなる。インダクタは、例えば銅管または編組銅線で構成される。それらは、誘導回路を構成する。蓄熱器（３４０）は、ハーフシェル（一片方のシェル）の２つの部品（３１１、３１２）の間に挿入される。前記蓄熱器は、例えば、鉄（Ｆｅ）およびケイ素（Ｓｉ）、または鉄（Ｆｅ）およびコバルト（Ｃｏ）をベースとする合金のような、キュリー点の高い強磁性鋼で構成される。これは、好ましくは、ハーフシェル（一方のシェル？）の第２部品（３１２）から熱的に離隔されている。前記インダクタ（３６０）は、高周波発生器（図示せず）に接続されている。

インダクタ（３６０）により、いわゆる保持温度まで加熱されると、前記蓄熱器は、シェルの第１部品（３１１）の受容面（３４１）と接触しない状態となる。蓄熱器（３４０）と受容面との間の接触抵抗は高く、蓄熱器（３４０）と成形空洞（キャビティ）（３２０）を支持（担持）するシェルの第１部品（３１１）との間の熱伝達は低くなる。

図３Ｂに示すように、ハーフシェル（一方のシェル）の第１部品を加熱するために、蓄熱器の温度は、インダクタを用いることで上昇し、蓄熱器は膨張して、その後受容面（３４１）と密接に接触する。接触抵抗は低下し、蓄熱器はその熱を、成形キャビティ（３２０）を支持するハーフシェル（一方のシェル）の部品（３１１）に伝達する。有利には、シェルの第１部品の受容面（３４１）は、可鍛性または圧縮性の熱伝導性材料の薄いシートからなり、受容面にろう付けまたは溶接される接合層（３４２）を有する。非限定的な例として、前記シートは、銅、または、銅と、ニッケルまたはグラファイトの合金で構成される。従って、蓄熱器（３４０）が前記シートに接触すると、蓄熱器と受容面との間の形状の僅かな相違を補償し、両者間の最適な熱伝達を提供するためにシートが変形する。従って、蓄熱器は、加熱段階の間の温度より５０℃から１００℃低下した保持温度に維持される。この温度の保持は、より低い電力の使用しか必要されず、加熱段階の間に必要となる電力増加もまた、蓄熱器の予熱によって、より低くなる。

前記蓄熱器（３４０）は、鋳型内では構造的機能を有さない。したがって、その構成は、誘導加熱に対するその応答、および、その熱をハーフシェル（一方のシェル）の第１部品（３１１）そして次に成形表面に伝達する能力を、最適化するように選択される。特定の一実施例である詳細Ｚによれば、前記蓄熱器は多孔性構造であり、各孔（３４５）は遷移潜熱を伴う相変化物質で充填されている。有利には、相変化物質は、その転移温度が蓄熱器の保持温度に近くなるものが選択される。一例として、保持温度が２００℃程度である場合、相変化物質は、例えば、ポリオールのような有機物質である。保持温度がより高く、例えば約４００℃以上である場合、相変化物質は、例えば塩である。これらの実施例によれば、相変化物質は、潜在転移熱（latent heat of transition）を吸収することにより、低温での固体状態から高温での液体状態に相を変化する。高温相から低温相に移行することにより、相変化物質は固化し、前記潜在転移熱を回復する。多孔性構造と相変化物質の存在との組み合わせにより、保持温度で維持される際に、加熱温度まで急速加熱する能力を維持しながら、蓄熱器（３４０）の見かけの熱慣性を増加させることが可能になる。

成形キャビティは、シェルの第１部品（３１１）の導管（３３０）内における熱電動流体の循環によって冷却される。有利には、シェルの第２部分（３１２）は、成形キャビティ（３２０）の加熱および温度保持段階の後に、その保持温度に冷却を加速するように、蓄熱器（３４０）の周囲に熱電動流体を搬送するための導水管（３３２）を有する構成である。

図４に示すように、図３に示された実施例の一変形によれば、シェルの第１部品（４１１）と蓄熱器（４４０）との間の接合部分は平面ではなく、補完的な外形（輪郭）を有する。この実施例では、成形キャビティを支持するシェルの第１部品（４１１）と蓄熱器（４４０）との間の接触可能面を増加させることができる。図４Ａに示すように、第１部品（４１１）の加熱時間帯外では、２つの外形（輪郭）は受容面において不接合である。図４Ｂに示すように、加熱状況では、蓄熱器（４４０）の温度上昇による熱膨張は、その外形（輪郭）をシェルの第１部品（４１１）の受容面と接触させ、それにより２つの間の熱接触抵抗が低減され、伝導による熱伝達が促進されることとなる。

上記の説明および代表的な実施例は、本発明が上述の目的を達成し、例えばアルミニウム合金のような非強磁性材料からなる鋳型の成形キャビティを加熱するための誘導加熱の利点から恩恵を受けることを可能にする一方で、この加熱に必要な需要（消費）電力を減少させ、これより電力供給回路の合理的な大きさを維持することを示している。

Claims (3)

1. プラスチック材料の射出成形のための鋳型であって、以下の構成からなる：
   −．成形表面を構成し、鋳型が閉じられた際に成形キャビティの外郭となる２つのシェル（１１１、１１２）と；
   −．蓄熱器（２４１、２４２）と;
   −．前記蓄熱器を加熱する誘導加熱手段（３６０）と；
   −．成形表面全体を、前記キャビティ内に材料を射出するのに適した温度にするために、成形表面以外の、受容面（１４１、１４２）と呼ばれるシェルの表面を、蓄熱器（２４１、２４２）の熱に対して露出する手段を備え、受容面と蓄熱器との接合部分は、蓄熱器が加熱されている際に受容面と蓄熱器との間の放射（放熱、放射熱）によって熱伝達を促進するために、受容面には赤外線放射の吸収を促進する被膜（コーティング）が施されていることに特徴を有する鋳型。
2. 一のシェルが、冷却のため熱伝導流体を循環させるための回路（１３１、１３２）を有することを特徴とする請求項１記載の鋳型。
3. 蓄熱器（２４１、２４２）が、黒鉛ブロック（グラファイトブロック）からなることを特徴とする請求項１記載の鋳型。
   

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