JP6994394B2 - 発泡成形用金型および射出成形システム - Google Patents

Description

本発明は、発泡成形に用いられる金型およびこの金型を有する射出成形システムに関する。

本出願人は、従来の発泡成形用の射出成形機の一例を特許文献１に開示している。この射出成形機は、加熱筒ヘッド内にスリーブを内蔵している。このスリーブは、多孔質材料をもって形成された部分を有し、当該部分に樹脂通路の一部を構成するセンタ孔が開設されている。そして、スリーブの外周部分に超臨界状態のＣＯ_２ガスやＮ_２ガス等（これらを総称して「物理発泡剤」という）の導入空間を形成し、導入空間に噴射された物理発泡剤は多孔質材料が有する微細な空孔を通して樹脂通路内に供給される。

特開２０１２－２３２５５８号公報

物理発泡剤を樹脂材料内で十分に拡散させるためには所定の拡散時間を確保する必要がある。この拡散時間は、物理発泡剤に接する樹脂材料の面積が大きいほど短縮できる。しかしながら、加熱筒ヘッド内に内蔵したスリーブでは、設計上の制約から上記面積を大きくすることができず、拡散時間の短縮が困難であった。

そこで、本発明は、物理発泡剤の拡散時間を短縮できる発泡成形用金型およびこの金型を有する射出成形システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様に係る発泡成形用金型は、キャビティおよび前記キャビティに通じるホットランナが設けられた金型本体と、前記金型本体に埋め込まれたスリーブ部材と、を有し、前記スリーブ部材は、前記ホットランナを部分的に構成する筒状部を有し、前記筒状部は、物理発泡剤が通過可能な多孔質部分を有し、前記金型本体は、前記筒状部の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、ホットランナを部分的に構成する筒状部を有するスリーブ部材が金型本体に埋め込まれている。筒状部は、物理発泡剤が通過可能な多孔質部分を有している。そして、金型本体は、筒状部の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間が設けられている。このようにしたことから、ホットランナは設計の自由度が比較的高く、ホットランナの多くの部分をスリーブ部材で構成することができる。そのため、筒状部が有する多孔質部分がホットランナに面し、物理発泡剤を導入空間から多孔質部分の微細孔を通じてホットランナ内に供給することで、物理発泡剤に接する樹脂材料の面積を大きくすることができる。また、射出成形機のシリンダ内の樹脂材料に比べてホットランナ内の樹脂材料は圧力が低いため、スリーブ部材の補強構造を簡略化でき、また、多孔質部分の空孔率を高めてホットランナ内に効率よく物理発泡剤を供給できる。

本発明において、前記筒状部の内側空間の容積が、前記キャビティの容積以上であることが好ましい。このようにすることで、ホットランナにおける物理発泡剤が供給される部分に、一回の射出分以上の樹脂材料を滞留させることができる。そのため、ホットランナ内での滞留中に物理発泡剤を樹脂材料内に拡散させることができる。

本発明において、前記キャビティの入口に設けられたゲートを開閉するバルブゲートピンをさらに有し、前記バルブゲートピンは、先端を含む一部分が前記ホットランナに挿通され、前記一部分より基端側の残りの他部分が前記ホットランナの外側に配置され、前記一部分および前記他部分にわたる多孔質部分を有し、前記金型本体は、前記バルブゲートピンの前記他部分の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間が設けられていることが好ましい。このようにすることで、バルブゲートピンの多孔質部分の微細孔を通じてホットランナ内に物理発泡剤を供給することができる。そのため、物理発泡剤に接する樹脂材料の面積をさらに大きくすることができる。

本発明において、前記ホットランナにおける前記バルブゲートピンの前記一部分が挿通された部分の容積および前記筒状部の内側空間の容積の合計が、キャビティの容積以上であることが好ましい。このようにすることで、ホットランナにおける物理発泡剤が供給される部分に、一回の射出分以上の樹脂材料を滞留させることができる。そのため、ホットランナ内での滞留中に物理発泡剤を樹脂材料内に拡散させることができる。

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る射出成形システムは、上記発泡成形用金型と、前記発泡成形用金型のキャビティにホットランナを通じて樹脂材料を射出する射出成形機と、を有する射出成形システムであって、前記射出成形機と連係して前記導入空間に物理発泡剤を導入する物理発泡剤供給部を有していることを特徴とする。

本発明によれば、上記発泡成形用金型を有しているので、スリーブ部材の筒状部が有する多孔質部分がホットランナに面し、物理発泡剤を導入空間から多孔質部分の微細孔を通じてホットランナ内に供給することで、物理発泡剤に接する樹脂材料の面積を大きくすることができる。また、射出成形機のシリンダ内の樹脂材料に比べてホットランナ内の樹脂材料は圧力が低いため、スリーブ部材の補強構造を簡略化でき、また、多孔質部分の空孔率を高めてホットランナ内に効率よく物理発泡剤を供給できる。さらに、射出成形機と連係して導入空間に物理発泡剤を導入する物理発泡剤供給部を有しているので、適切なタイミングで物理発泡剤をホットランナ内に供給でき、樹脂材料内で物理発泡剤を効果的に拡散させることができる。

上記目的を達成するために、本発明の他の一態様に係る射出成形システムは、上記発泡成形用金型と、前記発泡成形用金型のキャビティにホットランナを通じて樹脂材料を射出する射出成形機と、を有する射出成形システムであって、前記ゲートを開閉するように前記バルブゲートピンを駆動するバルブゲートピン駆動部を有し、前記バルブゲートピン駆動部は、前記樹脂材料の射出動作開始に遅れて前記ゲートが開くように前記バルブゲートピンを駆動することを特徴とする。

本発明によれば、上記発泡成形用金型を有しているので、スリーブ部材の筒状部が有する多孔質部分がホットランナに面し、物理発泡剤を導入空間から多孔質部分の微細孔を通じてホットランナ内に供給することで、物理発泡剤に接する樹脂材料の面積を大きくすることができる。また、射出成形機のシリンダ内の樹脂材料に比べてホットランナ内の樹脂材料は圧力が低いため、スリーブ部材の補強構造を簡略化でき、また、多孔質部分の空孔率を高めてホットランナ内に効率よく物理発泡剤を供給できる。さらに、バルブゲートピン駆動部が、樹脂材料の射出動作開始に遅れてゲートが開くようにバルブゲートピンを駆動するので、射出動作開始直後にホットランナ内の圧力が高まり、高圧の物理発泡剤を供給した状態と同様になる。そのため、樹脂材料内で物理発泡剤を効果的に拡散させることができる。

本発明によれば、物理発泡剤を樹脂材料内で拡散させる時間を短縮できる。

本発明の一実施形態に係る射出成形システムの要部断面図である。 図１の射出成型システムの金型が有するスリーブ部材の斜視図である。 図１の射出成形システムにおける溶融動作を説明する図である。 図１の射出成形システムにおける計量動作を説明する図である。 図１の射出成形システムにおける射出動作を説明する図である。 図１の射出成形システムにおける製品取り出し動作を説明する図である。

以下、本発明の一実施形態に係る射出成形システムについて、図１～図６を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る射出成形システムの要部断面図である。図２～図６は、それぞれ図１の射出成形システムにおける溶融動作、計量動作、射出動作および製品取り出し動作を説明する図である。以下の説明において、「上下左右」は、図１、図３～図６の上下左右方向のことをいう。

本実施形態に係る射出成形システム１は、発泡成形用金型としての金型１０と、射出成形機３０と、物理発泡剤供給部４０と、制御部５０と、を有している。この射出成形システム１では、金型１０のキャビティ１３に、超臨界状態のＣＯ_２ガスやＮ_２ガス等の物理発泡剤を拡散させた樹脂材料Ｐを射出・充填して製品Ｓを成形する。

金型１０は、図１において右方から左方に順に配置された金型本体としての固定金型１１および移動金型１２を有している。固定金型１１と移動金型１２との間にキャビティ１３が形成されている。固定金型１１には、クランク形状に折れ曲がって右側面から左側面に貫通するホットランナ１４が設けられている。ホットランナ１４は、キャビティ１３に通じている。

固定金型１１には、スリーブ部材１６、１６が埋め込まれている。図２に示すように、スリーブ部材１６は、円筒状の筒状部１７と、筒状部１７の両端に設けられた円形のフランジ部１８、１８とを有している。筒状部１７は、内側空間１７ａがホットランナ１４の一部となるように当該ホットランナ１４の途中に挿入されている。つまり、筒状部１７は、ホットランナ１４を部分的に構成している。

スリーブ部材１６は、金属粉末（合金粉末を含む）をレーザ加工することにより得られる。金属粉末に高レベルのレーザを照射すると金属粉末が完全に溶解して固化後にバルク材となる。一方で、低レベルのレーザを照射すると金属粉末の一部のみが溶解して固化後に多孔質焼結金属となる。

例えば、作業台上に平面形状がリング状で所定の厚みを有する金属粉末層を形成してレーザ加工する。そして、金属粉末層の厚さ方向への積層とレーザ加工とを繰り返すことにより、所望の構造および形状のスリーブ部材１６を得ることができる。具体的には、金属粉末層に周方向に沿って高レベルのレーザを照射することにより周方向全体をバルク材にしたり、低レベルのレーザを照射することにより周方向全体を多孔質焼結金属にしたりすることができる。または、高レベルのレーザおよび低レベルのレーザを交互に切り換えることにより、周方向に交互に並ぶようにバルク材部分と多孔質焼結金属部分とを形成することができ、バルク材部分を厚さ方向または周方向に連ねることで補強構造とすることができる。多孔質焼結金属の空孔率は、レーザのパワーを変更することにより調整できる。

本実施形態において、スリーブ部材１６の筒状部１７は、格子状のバルク材部分１７ｂと、バルク材部分１７ｂの格子内に配置された多孔質焼結金属からなる多孔質部分１７ｃとを一体に有している。多孔質部分１７ｃを多くすることで、ホットランナ１４の一部分である内側空間１７ａに効率よく物理発泡剤を供給できる。筒状部１７の空孔率は６０％とされている。筒状部１７の空孔率は、５％～８０％が好ましい。空孔率が５％より小さいと、物理発泡剤の通過が阻害され、十分に物理発泡剤を供給できない。また、空孔率が８０％より大きいと機械的強度が問題となる。なお、ホットランナ１４内の樹脂材料は、後述する射出成形機３０のシリンダ３１内の樹脂材料より圧力が低いため、スリーブ部材１６をシリンダ３１内に配置する構成より空孔率を大きくすることができる。フランジ部１８、１８は、全体がバルク材である。

固定金型１１は、スリーブ部材１６の筒状部１７の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間１９が設けられている。また、固定金型１１は、各導入空間１９に通じる管路２０が設けられている。管路２０の一端は固定金型１１の上面に開口しており、後述する物理発泡剤供給部４０が接続される。

固定金型１１は、バルブゲートピン２１と、バルブゲートピン駆動部２２と、を有している。

バルブゲートピン２１は、直線棒状に形成されており、その先端でキャビティ１３の入口に設けられたゲート１５を開閉する。バルブゲートピン２１は、先端を含む一部分２１ａがホットランナ１４に挿通されている。バルブゲートピン２１は、一部分２１ａより基端側（バルブゲートピン駆動部２２側）の残りの他部分２１ｂがホットランナ１４の外側に配置されている。バルブゲートピン２１は、全体が多孔質焼結金属で構成されており、スリーブ部材１６と同様にして得られる。なお、バルブゲートピン２１は、例えば、軸心をバルク材で構成して補強し、その周囲を多孔質焼結金属で構成した構造を有していてもよい。バルブゲートピン２１は、全体が多孔質焼結金属で構成されていることから、一部分２１ａから他部分２１ｂにわたる多孔質部分が設けられているといえる。

バルブゲートピン駆動部２２は、後述する制御部５０からの制御信号に基づいて、ゲート１５を開閉するようにバルブゲートピン２１を左右方向に駆動する。固定金型１１は、バルブゲートピン２１の他部分２１ｂの周囲に物理発泡剤が導入される導入空間２３が設けられている。この導入空間２３にも上記管路２０が通じている。

本実施形態において、ゲート１５を閉じた状態でのホットランナ１４におけるバルブゲートピン２１の一部分２１ａが挿通された部分の容積および２つのスリーブ部材１６の筒状部１７の内側空間１７ａの容積の合計が、キャビティ１３の容積以上とされている。このようにすることで、ホットランナ１４における物理発泡剤が供給される部分に、一回の射出分以上の樹脂材料Ｐを滞留させることができる。そのため、ホットランナ１４内での滞留中に物理発泡剤を樹脂材料Ｐ内に拡散させることができる。なお、本実施形態では、バルブゲートピン２１が多孔質焼結金属で構成されているが、バルブゲートピン２１を多孔質焼結金属以外の物理発泡剤を通さない材料で構成してもよい。この構成においては、２つのスリーブ部材１６の筒状部１７の内側空間の容積の合計を、キャビティ１３の容積以上とすることで、同様の効果を奏することができる。上記容積の合計が、キャビティ１３の容積より小さい構成を採用してもよい。

射出成形機３０は、円筒状のシリンダ３１と、シリンダ３１の先端に設けられたノズル３２と、シリンダ３１内に収容されたスクリュ３３と、シリンダ３１の外側に配設されたヒータ３４とを有している。

射出成形機３０は、制御部５０によって制御され、シリンダ３１内に収容されたスクリュ３３を回転させるとともにヒータ３４によりシリンダ３１を加熱する。これにより、シリンダ３１内に供給された樹脂材料Ｐがシリンダ３１の基端側から先端側（各図において右側から左側）に向かって溶融・混練されながら進む。そして、射出成形機３０は、スクリュ３３を回転させながら後退させて溶融・混練された樹脂材料Ｐを計量する。射出成形機３０は、樹脂材料Ｐを計量した後、スクリュ３３を前進させて、所定量の樹脂材料Ｐをシリンダ３１からノズル３２を通じて金型１０へ射出する。

物理発泡剤供給部４０は、後述する制御部５０によって制御され、ＣＯ_２ガスやＮ_２ガスなどの原料ガスを高温高圧にして超臨界状態の物理発泡剤を生成し、この物理発泡剤を、固定金型１１の管路２０を通じて導入空間１９、１９、２３に噴射（導入）する。

制御部５０は、射出成形システム１全体の動作を司る。制御部５０は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＥＥＰＲＯＭ、各種Ｉ／Ｏインタフェースなどを有する組み込み機器用のマイクロコンピュータを有して構成されている。制御部５０は、型閉動作、計量動作、射出動作、型開動作および製品取り出し動作などの各種動作において、射出成形システム１の各駆動部等を制御する。

次に、上述した本実施形態の射出成形システム１における本発明に係る射出成形サイクルの一例について説明する。

図３に示すように、射出成形システム１の制御部５０は、図示しない型締駆動部を制御して、固定金型１１および移動金型１２を重ねて型締めする（型閉動作）。また、制御部５０は、図示しないスクリュ駆動部を制御してスクリュ３３を回転させるとともに、ヒータ３４を制御してシリンダ３１を加熱し、シリンダ３１内の樹脂材料Ｐを混練・溶融する。このとき、固定金型１１のホットランナ１４全体には、前回の射出成形サイクルにおいて射出された溶融状態の樹脂材料Ｐが滞留している。

次に、制御部５０は、スクリュ駆動部を制御して、図４に示すように、スクリュ３３を回転させながら後退させ、１回の射出に必要となる量の樹脂材料Ｐをシリンダ３１の先端部に供給する（計量動作）。

計量動作と並行して、制御部５０は物理発泡剤供給部４０を制御して、管路２０を通じて導入空間１９、１９、２３に物理発泡剤を噴射する。つまり、物理発泡剤供給部４０は、計量動作中の射出成形機３０と連係して導入空間１９、１９、２３に物理発泡剤を噴射する。これにより、物理発泡剤は、導入空間１９、１９からスリーブ部材１６の筒状部１７の多孔質部分１７ｃを通り、計量動作終了を待つことなくホットランナ１４（すなわち内側空間１７ａ）内に適切なタイミングで供給される。また、物理発泡剤は、導入空間２３から多孔質焼結金属からなるバルブゲートピン２１を通り、計量動作終了を待つことなくホットランナ１４内に適切なタイミングで供給される。ホットランナ１４内に供給された物理発泡剤は、当該ホットランナ１４内に滞留している樹脂材料Ｐに接し、樹脂材料Ｐ内で物理発泡剤が拡散する。なお、本実施形態では、物理発泡剤供給部４０が、計量動作と並行して物理発泡剤を噴射する構成であるが、これ以外のタイミングで噴射してもよい。例えば、溶融動作と並行して物理発泡剤を噴射したり、計量動作後でかつ射出動作前に物理発泡剤を噴射したりしてもよいが、射出成形に係る動作と並行して噴射することで、効果的に拡散時間を短縮できる。

所定の拡散時間が経過したのち、制御部５０はスクリュ駆動部を制御して、図５に示すように、スクリュ３３を前進させて樹脂材料Ｐを射出する（射出動作）。そして射出動作開始に遅れて、制御部５０はバルブゲートピン駆動部２２を制御して、ゲート１５が開くようにバルブゲートピン２１を駆動する。このように、バルブゲートピン駆動部２２が、樹脂材料の射出動作開始に遅れてゲート１５が開くようにバルブゲートピン２１を駆動することで、射出動作開始直後にホットランナ１４内の圧力が高まり、高圧の物理発泡剤を供給した場合と同様の状態になる。そのため、物理発泡剤を樹脂材料Ｐ内で効率よく拡散させることができる。なお、射出動作開始と同時に、制御部５０はバルブゲートピン駆動部２２を制御して、ゲート１５が開くようにバルブゲートピン２１を駆動してもよい。

そして、射出動作によりキャビティ１３に樹脂材料Ｐが充填されたあと、制御部５０はバルブゲートピン駆動部２２を制御して、ゲート１５が閉じるようにバルブゲートピン２１を駆動し、所定の硬化時間が経過するのを待つ（硬化待ち動作）。樹脂材料Ｐが硬化したあと、図６に示すように、制御部５０は型締駆動部を制御して、固定金型１１および移動金型１２を左右方向に開き（型開動作）、図示しないエジェクトピンによりキャビティ１３から製品Ｓを取り出す（製品取り出し動作）。

以降、上記型閉動作～上記製品取り出し動作を繰り返して製品Ｓの成形を行う。

以上説明したように、本実施形態の射出成形システム１によれば、ホットランナ１４を部分的に構成する筒状部１７を有するスリーブ部材１６が固定金型１１に埋め込まれている。筒状部１７は、物理発泡剤が通過可能な多孔質部分１７ｃを有している。そして、固定金型１１は、筒状部１７の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間１９が設けられている。このようにしたことから、ホットランナ１４は設計の自由度が比較的高く、ホットランナ１４の多くの部分をスリーブ部材１６で構成することができる。そのため、筒状部１７が有する多孔質部分１７ｃがホットランナ１４に面し、物理発泡剤を導入空間１９から多孔質部分１７ｃの微細孔を通じてホットランナ１４内に供給することで、物理発泡剤に接する樹脂材料Ｐの面積を大きくすることができる。また、射出成形機３０のシリンダ３１内の樹脂材料Ｐに比べてホットランナ１４内の樹脂材料Ｐは圧力が低い。そのため、スリーブ部材１６の補強構造を簡略化できる。また、多孔質部分１７ｃの空孔率を高めることができるので、ホットランナ１４内に効率よく物理発泡剤を供給できる。したがって、物理発泡剤を樹脂材料内で拡散させる時間を短縮できる。

上記に本発明の実施形態を説明したが、本発明はこれらの例に限定されるものではない。前述の実施形態に対して、当業者が適宜、構成要素の追加、削除、設計変更を行ったものや、実施形態の特徴を適宜組み合わせたものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。

１…射出成形システム、１０…金型、１１…固定金型、１２…移動金型、１３…キャビティ、１４…ホットランナ、１５…ゲート、１６…スリーブ部材、１７…筒状部、１７ａ…内側空間、１７ｂ…バルク材部分、１７ｃ…多孔質部分、１８…フランジ部、１９、２３…導入空間、２０…管路、２１…バルブゲートピン、２１ａ…一部分、２１ｂ…他部分、２２…バルブゲートピン駆動部、３０…射出成形機、３１…シリンダ、３２…ノズル、３３…スクリュ、３４…ヒータ、４０…物理発泡剤供給部、５０…制御部、Ｐ…樹脂材料、Ｓ…製品

Claims (6)

1. キャビティおよび前記キャビティに通じるホットランナが設けられた金型本体と、
   前記金型本体に埋め込まれたスリーブ部材と、を有し、
   前記スリーブ部材は、前記ホットランナを部分的に構成する筒状部を有し、
   前記筒状部は、物理発泡剤が通過可能な多孔質部分を有し、
   前記金型本体は、前記筒状部の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間が設けられていることを特徴とする発泡成形用金型。
2. 前記筒状部の内側空間の容積が、前記キャビティの容積以上であることを特徴とする請求項１に記載の発泡成形用金型。
3. 前記キャビティの入口に設けられたゲートを開閉するバルブゲートピンをさらに有し、
   前記バルブゲートピンは、先端を含む一部分が前記ホットランナに挿通され、前記一部分より基端側の残りの他部分が前記ホットランナの外側に配置され、前記一部分および前記他部分にわたる多孔質部分を有し、
   前記金型本体は、前記バルブゲートピンの前記他部分の周囲に物理発泡剤が導入される導入空間が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の発泡成形用金型。
4. 前記ホットランナにおける前記バルブゲートピンの前記一部分が挿通された部分の容積および前記筒状部の内側空間の容積の合計が、キャビティの容積以上であることを特徴とする請求項３に記載の発泡成形用金型。
5. 請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の発泡成形用金型と、
   前記発泡成形用金型のキャビティにホットランナを通じて樹脂材料を射出する射出成形機と、を有する射出成形システムであって、
   前記射出成形機と連係して前記導入空間に物理発泡剤を導入する物理発泡剤供給部を有していることを特徴とする射出成形システム。
6. 請求項３または請求項４に記載の発泡成形用金型と、
   前記発泡成形用金型のキャビティにホットランナを通じて樹脂材料を射出する射出成形機と、を有する射出成形システムであって、
   前記ゲートを開閉するように前記バルブゲートピンを駆動するバルブゲートピン駆動部を有し、
   前記バルブゲートピン駆動部は、前記樹脂材料の射出動作開始に遅れて前記ゲートが開くように前記バルブゲートピンを駆動することを特徴とする射出成形システム。

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