JP7251457B2 - 中空体の成形方法および中空体の成形装置 - Google Patents

中空体の成形方法および中空体の成形装置 Download PDF

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Description

本開示は、中空体の成形方法および中空体の成形装置に関する。
パイプなどの中空体を成形する方法として、フローティングコア方式の成形方法が知られている。
たとえば、特許文献1には、一端に加圧ポートを有し、他端に開閉可能な連通口を有するキャビティ内に溶融樹脂を射出した後、加圧ポートからの加圧によりコアを連通口へと移動させる、中空体の成形方法が記載されている。特許文献1には、上記コアの通過により、キャビティ内の樹脂にはコアの径とほぼ等しい径の中空部が形成されること、および、その後樹脂を冷却してキャビティから取り出すことで中空状の成形品が得られること、が記載されている。
特開平10-180812号公報
特許文献1に記載されているように、従来のフローティングコア方式による中空体の成形では、コアの径とほぼ等しい断面積(径)の中空部が形成されていた。そのため、従来の方法では、中空体の形状変更、特には中空部の断面積の変更への対応が困難であった。
本開示の目的は、中空部の断面積の変更への対応が容易に行える、フローティングコア方式による中空体の成形方法、および当該成形方法を実施できる中空体の成形装置を提供することにある。
一態様に係る中空体の成形方法は、溶融した樹脂をキャビティの内部に導入する工程と、前記導入された樹脂の内部にコアを通過させる工程と、を有し、前記コアを通過させるときの前記樹脂の固化率を、成形すべき中空体の断面形状に応じた所定の固化率とする。
また、一態様に係る中空体の成形方法は、溶融した樹脂をキャビティの内部に導入する工程と、前記導入された樹脂の内部にコアを通過させる工程と、を有し、前記樹脂を導入した後、前記コアを通過させるまでの時間を、成形すべき中空体の断面形状に応じた時間とする。
また、一態様に係る中空体の成形装置は、溶融した樹脂が導入されるキャビティと、前記キャビティの内部に導入された樹脂の内部にコアを通過させるための加圧流体を、前記樹脂の内部に導入する、加圧ポートと、を有し、前記加圧ポートは、成形すべき中空体の断面形状に応じた所定の固化率となっている前記樹脂の内部に前記コアが通過するように、前記加圧流体を導入する。
また、一態様に係る中空体の成形装置は、溶融した樹脂が導入されるキャビティと、前記キャビティの内部に導入された樹脂の内部にコアを通過させるための加圧流体を、樹脂の内部に導入する、加圧ポートと、を有し、前記加圧ポートは、前記樹脂を導入した後、前記コアを通過させるまでの時間が、成形すべき中空体の断面形状に応じた時間となるように、前記加圧流体を導入する。
本開示によれば、中空部の断面積の変更への対応が容易に行える、フローティングコア方式による中空体の成形方法および成形装置が提供される。
図1は、第一の実施形態に関する中空体の成形方法の、例示的な工程を示すフローチャートである。 図2は、第一の実施形態で使用する成形装置の構成を示す模式図である。 図3Aは、樹脂の内部に、主キャビティの径よりも小さい径を有するコアを通過させる様子を示す模式図であり、図3Bは、従来考えられていた、コアの通過後にはコアの径とほぼ等しい径の中空部が形成される様子を示す模式図であり、図3Cは、第一の実施形態において、コアの通過後に、コアの径とは異なる径の中空部が形成される様子を示す模式図である。 図4A、図4Cおよび図4Eは、樹脂の固化率がより低いときに樹脂の内部にコアを通過させたときに形成される中空部の様子を示す模式図であり、図4B、図4Dおよび図4Fは、樹脂の固化率がより高いときに樹脂の内部にコアを通過させたときに形成される中空部の様子を示す模式図である。 図5は、断面形状を円形、四角形、円形、長円形および円形の順に変化させた主キャビティの内部に、断面形状が円形のコアを通過させたときに形成された中空体の断面形状を写した写真であり、図5A、図5B、図5Cは、この順に、コアの通過方向に沿って上流側から下流側にかけての断面形状であり、主キャビティの形状が、図5Aは最も上流側の円形となっている部位、図5Bは四角形となっている部位、図5Cは中間の円形となっている部位の断面写真である。 図6は、図5と同じ断面形状を円形、四角形、円形、長円形および円形の順に変化させた主キャビティの内部に、断面形状が円形のコアを通過させたときに形成された中空体の断面形状を写した写真であり、図6Aおよび図6Bは、この順に、コアの通過方向に沿って上流側から下流側にかけての図5Cより下流側の断面形状であり、主キャビティの形状が、図6Aは長円形となっている部位、図6Bは最も下流側の円形となっている部位の断面写真である。 図7は、第二の実施形態で使用する成形装置の構成を示す模式図である。 図8は、本開示の実施例に示した試験1における、遅延時間に対する樹脂の固化率(菱形)および中空体の肉厚(正方形)の関係を示すグラフである。
以下、本開示の複数の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は一例であり、本発明はこれらの実施形態により限定されるものではない。
1.第一の実施形態
[中空体の成形方法]
図1は、第一の実施形態に関する中空体の成形方法の、例示的な工程を示すフローチャートである。
図1に示すように、本実施形態に関する方法は、キャビティの内部に樹脂を導入する工程(工程S110)と、導入された樹脂の内部に加圧流体を導入する工程(工程S120)と、ゲートを開放する工程(工程S130)と、樹脂を固化させる工程(工程S140)と、を有する。
(樹脂を導入する工程(工程S110))
本工程では、溶融した樹脂をキャビティの内部に導入する。
図2は、本実施形態で使用する成形装置の構成を示す模式図である。成形装置100は、主キャビティ110、コア120、加圧ポート130、副キャビティ140、導入部150、および第1ゲート160を有する。
主キャビティ110は、中空体の成形が行われる型であり、成形すべき中空体の外形に沿った形状を有し、かつ一方の端部から他方の端部に向けてコア120が通過できる形状を有する管状の空洞である。主キャビティ110は、成形される中空体の用途に応じて、持ち手、微細な凹凸、およびフランジ部などを成形される中空体の外表面に形成できる形状であってもよい。また、主キャビティ110は、成形される中空体の用途に応じて、直線状の中空部を有する直線部のほか、湾曲部や折れ曲がり部などを成形される中空体に形成できる形状であってもよい。また、主キャビティ110の断面形状(以下、単に「断面形状」というときは、主キャビティ110または成形される中空体の、コア120が移動(通過)する方向を示す仮想直線と垂直に交わる平面における断面形状を意味する。)は一定であってもよいし、断面形状(たとえば、形、断面積および長径または短径の長さなど)が異なる異形部を有していてもよい。
本実施形態では、主キャビティ110は、断面形状が一定である定形部112と、定形部112に対して断面形状が変化している異形部114と、を有する。主キャビティ110は、異形部114として、定形部112に対して長径の長さが短くなっている異形部114aと、定形部112に対して長径の長さが長くなっている異形部114bと、を有する。
コア120は、主キャビティ110の内径(特には短径が最も小さくなる異形部114aの短径)よりも小さい外径を有する移動体である。コア120の材料は、主キャビティ110の内部を通過する際に熱で変形しない程度の耐熱性を有するものであればよく、銅、黄銅、ステンレス、鉄、アルミニウムなどの金属であってもよいし、樹脂であってもよいし、セラミックであってもよいし、シリコーンなどの弾性材料であってもよい。なお、本開示における、コア120の材料である樹脂とは、炭素-炭素結合を主骨格とする高分子を意味し、公知の熱硬化性樹脂(ただし、シリコーンは除く)および熱可塑性樹脂を含むものである。
これらのうち、樹脂は、質量が小さいためより低い圧力でもキャビティの内部を通過させることができ、かつ伝熱性が低いため通過時に成形される樹脂を急速に冷却させにくく、成形される中空体の断面形状をより安定させやすいため好ましい。また、成形される樹脂と同じ材料からコア120を形成することは、成形後に、コア120の通過により押し出された樹脂とコア120とを分離せずにその後の処理(溶融および固化による再利用など)ができるため好ましい。なお、上記同じ材料からコア120を形成するとは、成形される樹脂とコアの材料とが、同種の樹脂を含むことを意味する。
後述するように、本実施形態では、主キャビティ110に導入した樹脂の固化率が高い(より粘度が高い)状態で、上記樹脂の内部にコア120を通過させることがある。このとき、コア120の硬度が低いと、加圧流体の導入によってコアが変形または破損して、コア120の前後での圧力差が低くなって(あるいは無くなって)しまい、コア120が樹脂の内部で停止してしまうことがある。上記コア120の停止を抑制する観点から、コア120は硬度がより高いことが好ましく、たとえば、JIS K6253-3(2012)に即して測定されるデュロメータタイプA硬さが40以上であることが好ましく、50以上であることがより好ましく、60以上であることがさらに好ましい。
加圧ポート130は、主キャビティ110の一方の端部に配置されており、上記一方の端部から、主キャビティ110の内部に加圧流体を導入する。また、加圧ポート130は、コア120を着脱可能に保持する。加圧ポート130は、本工程で樹脂を主キャビティ110の内部に導入するときには、コア120を固定して保持し、主キャビティ110の内部に溶融した樹脂を導入した後に、コア120を解放し、主キャビティ110の内部に加圧流体を導入して、導入された樹脂の内部にコア120を通過させる。
上記加圧流体は、コア120を通過させる際の温度および圧力下において導入された樹脂と反応しない気体または液体であればよい。上記気体の例には、窒素ガスおよびアルゴンなどを含む不活性ガス、炭酸ガス、ならびに空気などが含まれる。上記液体の例には、水、グリセリンおよびパラフィンなどが含まれる。
副キャビティ140は、主キャビティ110の他方の端部に配置されており、かつ主キャビティ110の上記他方の端部と連通している。副キャビティ140は、導入された樹脂の中をコア120が通過する際にコア120によって押し出された樹脂が流入する空洞である。
導入部150は、成型装置(不図示)と主キャビティ110とを連結する、溶融した樹脂の通路である。
第1ゲート160は、主キャビティ110の排出口またはその近傍に開閉可能に設けられ、開放されたときは主キャビティ110から副キャビティ140への溶融した樹脂の移動(排出)を許容し、閉鎖されたときは主キャビティ110から副キャビティ140への溶融した樹脂の移動(排出)を制限する。本実施形態では、第1ゲート160は、主キャビティ110と副キャビティ140とを連通する、溶融した樹脂の通路に設けられているが、主キャビティ110の後端部に設けられてもよいし、副キャビティ140の入口に設けられてもよい。
本工程では、加圧ポート130にコア120が保持された状態で、導入部150から、主キャビティ110の内部に溶融された樹脂を導入する。
上記樹脂の導入は、公知の射出成型または押出成形と同様に行うことができる。
上記樹脂は、射出成型または押出成形が可能な熱可塑性樹脂から、成形すべき中空体の用途などに応じて任意に選択することができる。上記樹脂の例には、ポリプロピレン(PP)などを含むポリオレフィン、ポリアミド(PA)、ポリアセタール(POM)、およびポリカーボネート(PC)などを含むエンジニアリングプラスチック、ならびに、非晶ポリアリレート(PAR)、ポリサルフォン(PSU)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、およびポリイミド(PI)などを含むスーパーエンジニアリングプラスチックなどが含まれる。これらの樹脂には、強化繊維および着色剤などの添加剤が配合されていてもよい。
また、第1ゲート160は、本工程(工程S110)の開始時には閉鎖されていて、主キャビティ110の内部に導入された樹脂の、副キャビティ140への移動を制限する。
(加圧流体を導入する工程(工程S120))
本工程では、主キャビティ110の内部に導入された樹脂の内部に、加圧ポート130から加圧流体を導入する。このときも、第1ゲート160は閉鎖されたままとする。
上記加圧流体は、次工程(工程S130)において上記導入された樹脂の内部にコア120を通過させて、中空体を形成させるための圧力をコア120に印加する。ただし、このとき、第1ゲート160は閉鎖されており、主キャビティ110の内部は密閉状態となっているため、主キャビティ110から樹脂を排出することができない。また、主キャビティ110に導入された樹脂は、溶融状態とはいえ所定の粘度を有するため、樹脂中をコア120が自由に遊動することもない。そのため、コア120は、上記加圧流体により加圧されているものの、樹脂中の移動が制限されており、加圧ポート130またはその極近辺に留まる。
このとき導入される加圧流体の圧力は、次工程(工程S130)における第1ゲート160の開放によって樹脂の内部にコア120をより通過させやすくする観点からは、5MPa以上であることが好ましい。一方で、前述したように、本実施形態では、主キャビティ110に導入した樹脂の固化率が低い(より粘度が低い)状態で、上記樹脂の内部にコア120を通過させることがある。このとき、上記加圧流体の圧力が高すぎると、加圧流体がコア120を追い越してしまい、コア120の前後での圧力差が低くなって(あるいは無くなって)しまい、コア120が樹脂の内部で停止してしまうことがある。上記樹脂の内部でのコア120の停止を抑制する観点からは、上記導入される加圧流体の圧力は、25MPa以下であることが好ましい。これらの観点からは、上記加圧流体の圧力は、5MPa以上20MPa以下であることがより好ましく、10MPa以上20MPa以下であることがさらに好ましい。
(ゲートを開放する工程(工程S130))
本工程では、第1ゲート160を開放する。
第1ゲート160の開放により、コア120は、加圧ポート130側から副キャビティ140側へと、主キャビティ110に導入された樹脂の内部を移動する。このとき、コア120は、上記導入された樹脂を押し出して副キャビティ140に流入させながら移動することにより、コア120が通過した後に、成形される中空体が有すべき中空部を形成する。
以前の工程(工程S110)で主キャビティ110の内部に導入された樹脂は、時間が経過するにつれて主キャビティ表面側から冷却されて固化していく。本工程では、樹脂が完全には固化せず、コア120が通過できる程度の粘度になるように上記導入された樹脂が固化(半固化)しているときに、第1ゲート160を開放してコア120を通過させる。なお、上記樹脂は、自然冷却により半固化させてもよいし、不図示の冷却管などにより冷却させて半固化させてもよい。
ここで、本工程では、樹脂の固化の度合い(固化率)が、成形される中空体の断面形状(特には断面積)に応じた所定の値または所定の範囲になるタイミングで、第1ゲート160を開放してコア120を通過させる。言い換えると、第1ゲート160は、主キャビティ110への樹脂の導入後、成形すべき中空体の断面形状に応じた時間が経過した後に、開放される。
図3は、主キャビティ110の内部に導入された樹脂310の内部を、コア120が通過するときの様子を示す模式図である。図3Aに示すように、樹脂310の内部に、主キャビティ110の径よりも小さい径を有するコア120を通過させる。このとき、従来は、図3Bに示すように、コア120の前方にある樹脂のみがコア120の移動により押し出されて、コア120の通過後にはコア120の断面形状とほぼ等しい断面形状の中空部320が形成されると考えられていた。
しかし、本発明者らの知見によると、このとき、コア120を通過させる際の樹脂の条件を適切に調整することにより、図3Cに示すように、コア120の通過後に、コア120の断面形状とは異なる断面形状の中空部330を形成することができる。
この理由は定かではないものの、溶融した樹脂を主キャビティ110の内部に導入したとき、コア120との接触により冷却された増粘した樹脂315が、コア120の前面の周囲にコア120の断面形状よりもやや広がった形状で付着しているためだと、本発明者らは考えている。そして、主キャビティ110の内部に導入された樹脂310の内部に、この増粘した樹脂315が前面の周囲に付着したコア120を通過させると、増粘した樹脂315がその前方にある樹脂を押し出すため、コア120の断面形状とは異なる断面形状の中空部330が形成されるものと考えられる。本発明者らは、上記知見に基づいてさらに検討および実験を重ね、主キャビティ110の内部に導入された樹脂の固化率に応じて、上記増粘した樹脂315の広がりの度合いを調整することができ、これにより、通過するコア120に対して形成される中空部330の断面形状を変更することができることを見出した。
つまり、主キャビティ110の内部に導入された樹脂は、主キャビティ110の表面側から冷却されていく。そのため、上記樹脂の温度分布は、主キャビティ110の内部側ほど温度がより高く、主キャビティ110の外部側ほど温度がより低くなるような分布となっている。そして、上記冷却に伴い、主キャビティ110の内部に導入された樹脂は、主キャビティ110の断面形状に沿って外側から内側へと固化していく。そのため、上記樹脂の粘度分布では、略同一の粘度となっている領域が、主キャビティ110の断面形状に略相似な形状に広がっている。また、上記樹脂の粘度分布は、粘度がより低い領域が主キャビティ110の内部側に、粘度がより高い領域が主キャビティ110の外部側になるような分布となっており、主キャビティ110の外部側ほど粘度がより高く、主キャビティ110の内部側ほど粘度がより低くなるような分布となっている。そして、上記粘度分布は、主キャビティ110の内部に導入された樹脂が冷却されるにつれて、粘度が高い領域がより内部に進行していくように変化する。
このとき、増粘した樹脂315は、通過する樹脂の粘度がより低いときより外部側へ広がることができるものの、通過する樹脂の粘度が冷却により高くなるにつれ、外部側へ広がりにくくなる。つまり、増粘した樹脂315が広がることができる範囲は、導入された樹脂の内部の粘度分布によって変化すると考えられ、上記樹脂の内部の粘度分布は、樹脂の固化率に応じて変化すると考えられる。
具体的には、コア120を通過させるときの樹脂310の固化率がより低いときは、樹脂のうち粘度が高い領域はさほど内部側まで進行していないため、増粘した樹脂315はより外部側に広がることができ、形成される中空部の断面積はより大きくなる。逆に、コア120を通過させるときの樹脂310の固化率がより高いときは、樹脂の粘度が高い領域がより内部側まで進行しているため、増粘した樹脂315はさほど外部側に広がることができず、形成される中空部の断面積はより小さくなる。
このように、増粘した樹脂315が広がることができる範囲は、導入された樹脂の固化率によって変化すると考えられる。そして、形成される中空部の断面形状は、典型的には主キャビティの内径に対して、断面積が異なる相似形になる。
なお、このとき、主キャビティ110の断面形状が楕円形や長円形、四角形などの円形ではない形状であったとしても、上記主キャビティ110の断面形状に略相似な形状に広がっている、略同一の粘度となっている領域に応じて、増粘した樹脂315の断面方向の形状が変形するため、主キャビティ110の断面形状に略相似な断面形状を有する中空部が形成されると考えられる。
図4は、本実施形態に関する主キャビティ110の内部に導入された樹脂の固化率が異なる状態でコア120を通過させたときに、形成される中空部の形状を示す模式断面図である。樹脂の固化率がより低いときに樹脂の内部にコア120を通過させると、図4A、図4Cおよび図4Eに示すように、それぞれ定形部112、異形部114aおよび異形部114bの断面形状に沿った、より断面積の大きい(中空体312の肉厚が薄い)中空部330が形成される。一方で、樹脂の固化率がより高いときに樹脂の内部にコア120を通過させると、図4B、図4Dおよび図4Fに示すように、それぞれ定形部112、異形部114aおよび異形部114bの断面形状に沿った、より断面積の小さい(中空体312の肉厚が厚い)中空部330が形成される。
図5および図6は、断面形状を円形、四角形、円形、長円形および円形の順に変化させた主キャビティ110の内部に、断面形状が円形のコア120を通過させたときに形成された中空体の断面形状を写した写真である。図5A、図5B、図5C、図6Aおよび図6Bは、この順に、コア120の通過方向に沿って上流側から下流側にかけての断面形状であり、主キャビティ110の形状が、図5Aは最も上流側の円形となっている部位、図5Bは四角形となっている部位、図5Cは中間の円形となっている部位、図6Aは長円形となっている部位、図6Bは最も下流側の円形となっている部位の断面写真である。
このように、本実施形態では、導入された樹脂の固化率の調整により、所望の断面形状(断面積)を有する中空部を備えた中空体を形成することができる。そのため、中空部の形状などに応じて異なる主キャビティやコアを用意する必要がなく、中空体の形成がより容易にできる。また、本実施形態では、主キャビティの形状に沿った中空部であって、かつ、複数の異なる断面形状(断面積)を有する中空部を備えた中空体を、一度のコア120の通過によって一体化して形成することができる。そのため、中空部の断面形状や断面積に応じた複数の中空体をそれぞれ形成して接合させる等の必要がなく、中空体の形成がより容易にできる。
このとき、形成される断面積の大きさは、通過させるコア120の断面積に対して、1.05倍以上3.00倍以下の範囲で調整されることが好ましく、1.05倍以上2.50倍以下の範囲で調整されることがより好ましく、1.05倍以上2.00倍以下の範囲で調整されることがさらに好ましく、1.05倍以上1.50倍以下の範囲で調整されることが特に好ましい。
特に、コア120が樹脂から形成されているときは、コア120の断面積よりも大きい断面積を有する中空部を形成しやすい。特に、コア120が、成形される樹脂と同じ材料から形成されたときは、より大きい断面積を有する中空部を形成しやすい。
また、コア120が、シリコーンなどの変形できる材料から形成されたときは、おそらくは樹脂の固化率が高くなるにつれてコア120が変形(収縮)することができ、コア120の前面の周囲に付着した増粘した樹脂の形状も断面方向に収縮することができるため、コア120の断面積よりも小さい断面積を有する中空部を形成することもできる。このとき、形成される断面積の大きさは、通過させるコア120の断面積に対して、0.80倍以上0.95倍以下の範囲で調整されることが好ましく、0.85倍以上0.95倍以下の範囲で調整されることがより好ましい。
上記固化率は、主キャビティ110の内部に導入された樹脂がどの程度まで固化したかを示す値である。上記固化率は、主キャビティ110中に導入された樹脂の温度分布が経時的に変化する様子を、樹脂の流動解析が可能なcomputer aided engineering(CAE)ソフトで解析し、主キャビティ110の断面積に対する、上記導入された樹脂の結晶化温度以下の温度となっている領域の割合を計算する方法などによって算出することができる。
固化率は、主キャビティ110の大きさ、導入する樹脂や上記樹脂に配合した添加剤の種類および量、導入する樹脂の温度、主キャビティ110の周囲の型の温度、および、主キャビティ110の内部に樹脂を導入してからコア120を通過させるまでの経過時間(遅延時間)などにより調整することができる。同一の成形装置によって同一の樹脂から同一形状の中空体を多数製造するときなどは、所望の径を有する中空体を製造するためのこれらの条件を予め求めておき、次回からは求められた条件で成形を行えばよく、各回の成形ごとにコア120を移動させる際の樹脂の固化率を測定する必要はない。
上記固化率が低いほど、形成される中空部の径の大きさを、通過させるコア120の径に対してより大きくすることができ、上記固化率が高いほど、形成される中空部の径の大きさを、通過させるコア120の径により近い大きさとする(あるいはコア120の径に対してより小さくする)ことができる。上記固化率は、導入された加圧流体がコア120を追い抜くことによる主キャビティ110中でのコア120の停止を生じにくくさせる観点からは、10%以上であることが好ましく、形成される中空部の径の大きさを通過させるコア120の径に対してより大きくさせる観点からは、60%以下であることが好ましい。上記観点からは、上記固化率は、15%以上50%以下であることがより好ましく、15%以上45%以下であることがさらに好ましい。
なお、上記固化率が低いほど、形成される中空体の肉厚をより小さくすることができ、上記固化率が高いほど、形成される中空体の肉厚をより大きくすることができる。たとえば、中空体の内外での遮熱が求められるような用途に当該中空体を使用するときなどは、求められる遮熱性に応じた肉厚の中空体が形成されるように、コア120を通過させるときの樹脂の固化率を調整することもできる。
(樹脂をさらに固化させる工程(工程S140))
本工程では、コアを通過させて中空部が形成された樹脂を、さらに固化させる。本工程では、樹脂が常温程度にまで冷却されて所定の硬度を有するようになり、外部からの応力を付与されても容易に変形しない状態になるまで、樹脂を固化させればよい。本工程において、上記樹脂は、自然冷却により固化させてもよいし、不図示の冷却管などにより水冷または空冷などの方法で冷却させて固化させてもよい。
このようにして樹脂を固化させた後、成形装置から中空体を取り出して、所望の用途に使用することができる。
上記中空体の用途の例には、工場および家屋などの建築物、自動車などの車両、ならびに、燃焼装置、医療機器および産業機器などの各種機器における管状部材などが含まれる。上記中空体は、ガスおよび液体などを移動させるための配管および管継手などに好適に使用することができる。
2.第二の実施形態
第二の実施形態は、ゲートの位置および開閉のタイミングが異なるほかは、第一の実施形態と同様に行い得る。以下、第一の実施形態と重複する内容については説明を省略する。
図7は、第二の実施形態に使用する成形装置の構成を示す模式図である。成形装置200は、主キャビティ110、コア120、加圧ポート130、副キャビティ140、導入部150、第1ゲート160、および第2ゲート260を有する。成形装置200は、第2ゲート260を有するほかは第一の実施形態に関する成形装置100と同様の構成を備える。
第2ゲート260は、主キャビティ110の内部に開閉可能に設けられ、開放されたときは第2ゲート260を通過しての主キャビティ110の内部における溶融した樹脂の移動を許容し、閉鎖されたときは第2ゲート260を通過しての主キャビティ110の内部における溶融した樹脂の移動を制限する。本実施形態では、第2ゲート260は、加圧ポート130の近傍にコア120と接するように設けられているが、主キャビティ110の内部であれば第2ゲート260の位置は制限されない。
本実施形態において、第2ゲート260は、溶融した樹脂を主キャビティ110の内部に導入する工程(工程S110)の開始時には解放されていて、主キャビティ110の内部に導入された樹脂を、主キャビティ110の内部の全体に充填させる。
その後、第2ゲート260は、溶融した樹脂を主キャビティ110の内部に導入する工程(工程S110)の間、またはその後かつ加圧流体を導入する工程(工程S120)の前のいずれかのタイミングで閉鎖され、これらの工程におけるコア120の移動を制限する。言い換えると、本実施形態では、加圧流体を導入する工程(工程S120)の前に第2ゲート260を閉鎖して、第2ゲート260が閉鎖された状態で加圧流体の導入(工程S120)を行う。これにより、コア120には加圧流体による圧力が印加されるが、この時点では、第2ゲート260が閉鎖されているためコア120が導入された樹脂の内部を移動できず、加圧ポート130またはその極近辺に留まる。
その後、導入された樹脂が冷却により所定の固化率になると、第2ゲート260は解放される。これにより、溶融した樹脂およびコア120が、主キャビティ110の内部から副キャビティ140へと移動して、コア120が通過した後には中空部が形成される。
[その他の実施形態]
なお、上述の実施形態はそれぞれ本発明の一例を示すものであり、本発明は上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の思想の範囲内において、他の種々多様な実施形態も可能であることは言うまでもない。
たとえば、成形装置は不図示の制御部を有してもよく、各構成部の動作を、制御部により制御してもよい。
以下、コアの通過させるタイミングにより形成される中空部の断面積が変化することを、実施例により更に具体的に説明するが、本発明の範囲は実施例の記載に限定されない。
[試験1]
直径20mmの円形の断面を有する空洞である主キャビティと、コアと、加圧ポートと、副キャビティと、主キャビティの内部に導入された樹脂を冷却するための冷却管と、を有する成形装置を用いて、複数の直線部、複数の湾曲部および複数の折れ曲がり部を有する中空体を作製した。
キャビティを80℃に加熱し、290℃で溶融させた樹脂を、2秒かけて主キャビティの内部に射出して隙間なく充填した。樹脂は、PA66とPA612と、33質量%のガラスファイバーとを含有する、ガラス繊維強化ポリアミド樹脂(旭化成株式会社製、レオナ 53G33(「レオナ」は同社の登録商標)を用いた。
コアは、上記導入した樹脂と同一のガラス繊維強化ポリアミド樹脂から成形した、直径14mmの円形の断面を有するコアを用いた。このコアの断面積は、153.9mmである。
溶融させた樹脂を導入した後、コアを通過させるまでの遅延時間を変更して樹脂の固化率を異ならせた複数の条件で、加圧ポートから主キャビティに加圧流体としての窒素ガスを導入して、樹脂の内部にコアを通過させた。このときの加圧流体(窒素ガス)の圧力は、20MPaとした。
コアが通過するときの樹脂の固化率は、主キャビティ中に導入された樹脂の温度分布が経時的に変化する様子を、公知のCAEソフトで解析し、主キャビティの断面積に対する、上記導入された樹脂の結晶化温度以下の温度となっている領域の割合を計算して、求めた。
樹脂の内部にコアを通過させた後、樹脂をさらに冷却して固化させて、形成された中空体を主キャビティから取り出した。上記中空体を直線部で切断して、中空体の肉厚および中空部の断面積を測定した。中空体の肉厚は、異なる2つの直線部における、中空部の断面の中心を挟んで互いに向かい合う2点における肉厚を測定して、これら4点において得られた肉厚の平均値とした。
表1に、コアを通過させるまでの遅延時間と、コアを通過させたときの樹脂の固化率と、形成された中空体の肉厚および中空部の断面積と、を示す。また、図8に、遅延時間に対する樹脂の固化率(菱形)および中空体の肉厚(正方形)の関係を示すグラフを示す。
Figure 0007251457000001
表1に示すように、コアを通過させるときの樹脂の固化率を変えることで、異なる断面積の中空部が形成されることがわかる。
また、図8に示すように、樹脂の固化率および中空体の肉厚(中空部の断面積)はいずれも、遅延時間に対して所定の相関を示すことがわかる。そのため、所望の断面積に応じた、コアを通過させる際の樹脂の固化率およびその際の遅延時間を、予め測定された実験結果から推測できることがわかる。
なお、導入された樹脂をさらに冷却して固化率が80%になってから加圧流体としての窒素ガスを主キャビティに導入したところ、副キャビティまでコアが移動できず、所望の中空体を作製することができなかった。
[試験2]
直径13mmの円形の断面を有する、デュロメータタイプA硬度が60のシリコーン製コアを用いた以外は試験1と同様にして、中空体を作製した。このコアの断面積は、132.7mmである。
表2に、本試験における、コアを通過させるまでの遅延時間と、コアを通過させたときの樹脂の固化率と、形成された中空体の肉厚および中空部の断面積と、を示す。
Figure 0007251457000002
表2に示すように、コアの材料および大きさを変えても、試験1と同様に、通過させるときの樹脂の固化率を変えることで、異なる断面積の中空部が形成されることがわかる。
[試験3]
直径16mmの円形の断面を有する、デュロメータタイプA硬度が60のシリコーン製コアを用いた以外は試験1と同様にして、中空体を作製した。このコアの断面積は、201.0mmである。
表3に、本試験における、コアを通過させるまでの遅延時間と、コアを通過させたときの樹脂の固化率と、形成された中空体の肉厚および中空部の断面積と、を示す。
Figure 0007251457000003
表3に示すように、コアの材料および大きさを変えても、試験1と同様に、通過させるときの樹脂の固化率を変えることで、異なる断面積の中空部が形成されることがわかる。また、コアの大きさを変えると、試験2と比べて、形成される中空部の形状(中空体の断面形状)が変わることがわかる。また、シリコーンから形成されたコアを用いると、コアの断面積よりも小さい断面積を有する中空部を形成しやすいことがわかる。
[試験4]
コアの進行方向上流側から下流側にかけて、断面形状が円形、四角形、円形、長円形、円形に変化するキャビティを用意して、試験1と同一のガラス繊維強化ポリアミド樹脂を溶融させて導入した。導入された樹脂の固化率が35%であるときに、試験1と同一のガラス繊維強化ポリアミド樹脂から成形した、直径10mmの円形の断面を有するコアを通過させた。
このとき形成された中空部の断面形状を、キャビティの断面形状が円形である部分(最も上流側)、キャビティの断面形状が四角形である部分、キャビティの断面形状が長円形である部分、およびキャビティの断面形状が円形である部分(最も下流側)で確認したところ、いずれも、キャビティの断面形状に沿った形状の、中空体の肉厚が略同一である中空部が形成されていた。
本開示によれば、複数の異なる断面形状(断面積)を有する中空部を備えた中空体を、一度のコアの通過によって一体化して形成することができる。そのため、中空体の形状変更などに容易に対応することができるようになり、中空体の製造効率を高めることができる。
100、200 成形装置
110 主キャビティ
112 定形部
114a、114b 異形部
120 コア
130 加圧ポート
140 副キャビティ
150 導入部
160 第1ゲート
260 第2ゲート
310 樹脂
312 中空体
315 増粘した樹脂
320、330 中空部

Claims (4)

  1. コアが配置されたキャビティの内部に、溶融した樹脂を導入する工程と、
    前記導入された樹脂の内部に前記コアを通過させるための加圧流体を、前記樹脂の内部に導入する工程と、
    前記キャビティの内部から外部への前記コアの通過を制限するゲートを開放して、前記加圧流体により加圧されたコアに前記導入された樹脂の内部を通過させる工程と、
    を有し、
    前記樹脂を導入した後、前記ゲートを開放するまでの遅延時間を、成形すべき中空体の断面形状に応じた時間とする、
    中空体の成形方法。
  2. 前記ゲートは、前記溶融した樹脂を導入する工程の開始時には閉鎖されている、請求項1に記載の中空体の成形方法。
  3. 溶融した樹脂が導入されるキャビティと、
    前記キャビティの内部に導入された樹脂の内部にコアを通過させるための加圧流体を、前記樹脂の内部に導入する、加圧ポートと、
    前記キャビティの内部から外部への前記コアの通過を制限するゲートと、
    を有し、
    前記ゲートは、前記キャビティへの樹脂の導入後、成形すべき中空体の断面形状に応じた時間が経過した後に、開放される、中空体の成形装置。
  4. 前記ゲートは、前記溶融した樹脂を導入する時には閉鎖される、請求項に記載の中空体の成形装置。
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