JPWO2010082331A1 - スプルーブッシュ及びスプルーブッシュの製造方法 - Google Patents

Abstract

製造のために必要な時間と手間とを削減し、また耐久性が向上したスプルーブッシュ及び該スプルーブッシュの製造方法を提供する。スプルー２及び通流孔３を形成したスプルーブッシュ１を製造するために、端部１６を金属塊で形成し、端部１６を除く他の部分は、金属粉末をレーザー光（エネルギービーム）で加熱して焼結させた焼結層を積層することにより形成し、焼結層を所定厚み積層する度にスプルー２及び通流孔３に対応する部分を切削することによりスプルー２及び通流孔３を形成する。金属塊で形成された端部１６は、射出成形時に射出成形機の射出部が押し付けられる側の端となる。スプルーブッシュの全体を金属粉末から製造する方法に比べて、製造のために必要な時間と手間とを削減でき、また、射出成形機の射出部が押し付けられても端部１６は破損し難い。

Description

本発明は、射出成形用金型に設けられるスプルーブッシュに関し、より詳しくは、スプルーブッシュ内の流体材料の固化を早めるために内部に冷却水を通流させることができるスプルーブッシュ、及び該スプルーブッシュの製造方法に関する。

従来、成形品を製造する方法として、熱可塑性樹脂を溶融した材料等の流体材料を金型内へ射出し、金型内に充填した流体材料を固化させることにより成形品を製造する射出成形が利用されている。射出成形に用いられる金型は、流体材料を射出する射出成形機の射出部が押し当てられ、射出部から流体材料が注入されるスプルーブッシュと、流体材料が充填される空間であるキャビティとを有する。スプルーブッシュには流体材料が通過するスプルーが形成されており、金型のスプルーブッシュとキャビティの間には、流体材料の流路となるランナーが形成されている。

射出成形により製造した成形品の金型からの取り出しは、スプルー及びランナー内に材料が残ることを防ぐために、スプルー及びランナー内にある流体材料が充分に冷却されて固化してから行われる。通常、単位容積当たりの流体材料の接触面積は、スプルー及びランナー内よりもキャビティ−内の方が大きいので、スプルー及びランナー内の流体材料はキャビティ−内の流体材料よりも冷却し難い。このため、スプルー及びランナー内ではキャビティ−内よりも流体材料が固化するまでに必要な時間が長く、スプルー及びランナー内の流体材料が固化するまでに必要な時間の長さが、成形品の製造に必要な時間の長さに大きく影響する。従って、成形品の製造に必要な時間を短縮し、成形品の生産効率を向上させるためには、スプルー及びランナー内の流体材料が固化するまでに必要な時間を短縮することが必要となる。

スプルー及びランナー内の流体材料が固化するまでに必要な時間を短縮するためには、金型内のスプルー又はランナーの周囲に冷却水の通流孔を形成することが望ましい。特許文献１には、全体として円筒状に形成されており、内部に冷却水の通流孔を形成してあるスプルーブッシュが開示されている。特許文献１に開示されたスプルーブッシュは、金属粉末を塗布し、塗布した金属粉末にレーザー光を照射して焼結させることでスプルーブッシュを一層分形成し、金属粉末の塗布と焼結とを繰り返して一層一層積み上げることにより、スプルーブッシュの立体形状を形成する方法で製造される。スプルーブッシュ内のスプルー及び冷却水の通流孔は、スプルーブッシュの一層分を形成する際に、スプルー及び冷却水の通流孔に対応する部分にレーザー光を照射しないことにより空洞を形成し、空洞を積み上げることにより形成される。このような製造方法により、内部に冷却水の通流孔が形成されたスプルーブッシュが製造される。

国際公開ＷＯ２００８／０３８６９４Ａ１

特許文献１に開示されたスプルーブッシュは、金属粉末の塗布と焼結とを繰り返すことにより円筒状のスプルーブッシュ全体を形成しているので、製造のために必要な時間と手間とが非常に大きいという問題がある。また、スプルーブッシュ全体が金属粉末の焼結によって形成されているので、射出成形機の射出部が接触する部分も焼結体となっている。射出成形機の射出部はある程度の圧力でスプルーブッシュに押し当てられるものであり、焼結体は加圧に対して脆弱であるので、特許文献１に開示されたスプルーブッシュは、射出成形時に破損し易いという問題がある。

また特許文献１に開示されたスプルーブッシュは、金属粉末を選択的に焼結させることにより、スプルー及び冷却水の通流孔を形成している。レーザー光により金属粉末を焼結させる際には、金属粉末内でレーザー光が照射された部分の周囲に熱が伝播し、レーザー光のスポット径よりもある程度広い範囲で焼結が行われる。このため、レーザー光により金属粉末を選択的に焼結させる方法では、熱の伝播範囲によって定まるある一定の大きさよりも小さい径でスプルー及び冷却水の通流孔を形成することができない。具体的には、４ｍｍよりも小さい径でスプルー及び冷却水の通流孔を形成することは困難である。従って、スプルー及び冷却水の通流孔の径をある一定の大きさよりも小さくすることができず、スプルーブッシュ全体の大きさもある一定の大きさよりも小さくすることができないという問題がある。また同様に、レーザー光のスポット径よりもある程度広い範囲で焼結が行われるために、形成可能な冷却水の通流孔の断面形状には制限が有り、効果的な冷却を行うことができる冷却水の通流孔を形成することができないという問題がある。

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、スプルーブッシュの一部を金属塊とすることにより、製造のために必要な時間と手間とを削減し、また耐久性が向上したスプルーブッシュ及び該スプルーブッシュの製造方法を提供することにある。

また本発明の他の目的とするところは、レーザー光による金属粉末の焼結と焼結体の加工とを組み合わせることにより、より小径でスプルー及び冷却水の通流孔を形成することが可能となり、効率的な冷却を行うことができるスプルーブッシュ及び該スプルーブッシュの製造方法を提供することにある。

本発明に係るスプルーブッシュは、射出成形用の流体材料を通過させるためのスプルーと、該スプルー内に充填された流体材料を冷却する冷却液を通流させるための通流孔とを形成してあるスプルーブッシュにおいて、一端を含む前記スプルーの一部分を形成してあり、金属塊で形成された端部と、前記スプルーの他の部分を形成してあり、前記スプルーに沿った方向に金属の焼結層を積層した部分とが一体に成形されてあり、前記通流孔は、前記焼結層を切削することにより形成してあることを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュは、前記端部は、射出成形機から前記スプルーへ流体材料が注入される側の端に設けてあることを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュは、前記通流孔は、冷却液が通流する方向に交差する断面内で前記スプルーの周囲の一部を囲む湾曲部分を有することを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュは、前記通流孔は、前記スプルーに交差する断面内で前記スプルーを環状に囲み、前記スプルーに沿うように形成した部分を有することを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュは、前記通流孔は分岐部を有することを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュは、前記端部を含む端の部分が前記スプルーの周囲に張り出したフランジ部を形成してあり、前記通流孔内への冷却液の注入口及び排出口を前記フランジ部に形成してあることを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュの製造方法は、射出成形用の流体材料を通過させるためのスプルーと、該スプルー内に充填された流体材料を冷却する冷却液を通流させるための通流孔とを形成してあるスプルーブッシュの製造方法において、前記スプルーブッシュの一端に対応する部分を含む形状に金属塊を形成した端部を作成し、前記端部に金属粉末を塗布し、塗布した金属粉末にエネルギービームを照射して金属粉末を加熱することにより、金属粉末が焼結して前記端部に溶着した金属の焼結層を形成し、形成した焼結層に金属粉末を塗布してエネルギービームで加熱することにより、焼結層に積み重ねて焼結層を形成することを繰り返し、積層した焼結層が所定の厚みになる都度、前記通流孔に対応する部分を切削することにより、前記通流孔を形成し、前記スプルーブッシュの他端に対応する部分まで焼結層の形成及び前記通流孔の形成を繰り返すことにより前記スプルーブッシュを製造することを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュの製造方法は、前記スプルーの一部分は、前記端部に貫通孔を形成することにより形成し、前記スプルーの他の部分は、焼結層が所定の厚みに積み重なる都度、前記スプルーに対応する部分を切削することにより、形成することを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュの製造方法は、切削により前記通流孔を形成する際に、焼結層内での前記通流孔の形状を、前記スプルーの周囲の一部を囲む湾曲した形状に形成することを特徴とする。

本発明に係るスプルーブッシュの製造方法は、焼結層を形成する際には、金属粉末に照射するエネルギービームの走査を一の走査方向に行い、走査位置をずらしながら走査を繰り返すことによって金属粉末を焼結させ、一の焼結層に重ねて次の焼結層を形成する際には、前記一の焼結層を形成する際の走査方向とは交差する方向を走査方向としてエネルギービームの走査を行うことを特徴とする。

本発明においては、冷却液のための通流孔を内部に形成したスプルーブッシュを製造するために、端部を金属塊で形成しておき、端部を除く他の部分は、金属粉末をレーザー光等のエネルギービームにより加熱して焼結させた焼結層を積層することにより形成し、所定厚みの焼結層を積層する度に通流孔に対応する部分を切削することにより通流孔を形成する。スプルーブッシュの全体を金属粉末の焼結により製造する方法に比べて、より短い時間内でスプルーブッシュを製造することができる。また金属粉末の選択的な焼結により通流孔を形成する方法に比べて、より小さい形状及びより自由な形状で通流孔を形成することができる。

また本発明においては、金属塊で形成された端部は、射出成形機からスプルーへ流体材料が注入される側の端にあるので、射出成形時には、射出成形機の射出部は金属塊で形成した端部に押し付けられることになる。

また本発明においては、通流孔の断面形状をスプルーの周囲の一部を囲む湾曲した形状に形成することが可能であり、スプルー内の流体材料と通流孔内の冷却液との間の熱交換を広い面積で行い、スプルー内の流体材料を効率的に冷却することができる。

また本発明においては、通流孔の断面形状をスプルーの周囲を囲む環状に形成することが可能であり、スプルー内の流体材料と通流孔内の冷却液との間の熱交換を広い面積で行い、スプルー内の流体材料を効率的に冷却することができる。

また本発明においては、通流孔の形状を、冷却液が分岐する分岐部を含む形状に形成することが可能であり、スプルー内の流体材料と通流孔内の冷却液との間の熱交換を複数の位置で行い、スプルー内の流体材料を効率的に冷却することができる。

また本発明においては、スプルーブッシュには、端部を含むフランジ部を形成してあり、フランジ部には通流孔の流入口及び流出口が形成してある。スプルーブッシュが金型に組みつけられる際には、フランジ部は金型に押し付けられ、流入口及び流出口の金型に押し付けられることになる。

また本発明においては、スプルーブッシュ内のスプルーも、焼結層の切削加工により形成する。金属粉末の選択的な焼結によりスプルーを形成する方法に比べて、より小さい径でスプルーを形成することができ、またスプルーと通流孔との間の壁をより薄く形成することができる。

また本発明においては、焼結層を形成する際にはエネルギービームを面状に走査し、互いに重なった焼結層間では、レーザ光を走査する方向を互いに交差する方向にしている。これにより、焼結層内で割れ易い方向が焼結層間で互いに交差することになる。

本発明にあっては、従来に比べてより短い時間内でスプルーブッシュを製造することができるので、スプルーブッシュの製造に必要な時間及び手間を削減することが可能となる。また従来に比べてより小さな形状で通流孔を形成することができるので、スプルーブッシュをより小型化することが可能となる。更に、従来に比べてより自由な形状の通流孔をスプルーブッシュ内に形成することができるので、より効率的にスプルー内の流体材料を冷却する形状の通流孔を形成することが可能となる。

また本発明にあっては、金属塊で形成された端部は、焼結体で形成された他の部分よりも加圧に対する耐久性が高いので、射出成形機の射出部が押し付けられても端部は破損し難く、スプルーブッシュの耐久性が向上する。

また本発明にあっては、スプルー内の流体材料を効率的に冷却することができるので、スプルー内の流体材料が固化するまでの時間を短縮し、射出成形の成形品の製造に必要な時間を短縮し、成形品の生産効率を向上させることが可能となる。

また本発明にあっては、スプルーブッシュが金型に組みつけられる際に、フランジ部に形成された通流孔の流入口及び流出口が金型に押し付けられるので、流入口又は流出口から冷却液が漏出し難くなり、トラブル無く射出成形を行うことが可能となる。

また本発明にあっては、従来に比べてより小さい径でスプルーを形成することができるので、スプルーブッシュをより小型化することが可能となる。更に、従来に比べてスプルーと通流孔との間の壁をより薄く形成することができるので、より効率的にスプルー内の流体材料を冷却することが可能となる。

また本発明にあっては、スプルーブッシュを構成する個々の焼結層内で割れ易い方向が、互いに重なった焼結層間で互いに交差しているので、スプルーブッシュに対してどの方向から衝撃が加わったとしても破損し難くなり、スプルーブッシュの耐久性が向上する等、本発明は優れた効果を奏する。

本発明のスプルーブッシュの外観を示す斜視図である。 スプルーブッシュの内部構成を示す模式的斜視図である。 スプルーブッシュの内部構造を示す断面図である。 図３中のＩＶ−ＩＶでスプルーブッシュを切断した断面図である。 図３中のＶ−Ｖでスプルーブッシュを切断した断面図である。 射出成形時のスプルーブッシュの使用形態を示す模式的断面図である。 スプルーブッシュを製造する製造装置の構成を示す模式的部分断面図である。 金属塊から形成した端部を示す正面図である。 金属塊から形成した端部を示す断面図である。 製造装置でスプルーブッシュを製造する手順を示すフローチャートである。 端部に金属粉末が塗布された状態を示す模式的断面図である。 端部上に形成された焼結層を示す模式的断面図である。 焼結層に金属粉末が塗布された状態を示す模式的断面図である。 レーザー光の照射方法を示す模式図である。 レーザー光の照射方法を示す模式図である。 所定数の焼結層が端部上に形成された状態を示す模式的断面図である。 焼結体が切削された状態を示す模式的断面図である。 フランジ部の途中まで完成したスプルーブッシュの断面を示す模式的断面図である。 フランジ部の途中まで完成したスプルーブッシュの上面を示す平面図である。 円筒部の途中まで完成したスプルーブッシュの断面を示す模式的断面図である。 円筒端面付近まで完成したスプルーブッシュの断面を示す模式的断面図である。 完成したスプルーブッシュの断面を示す模式的断面図である。 他の形状に形成された通流孔を有するスプルーブッシュの内部構成を示す模式的斜視図である。

符号の説明

１ スプルーブッシュ
１１ フランジ部
１２ 円筒部
１３ 円筒端面（他端）
１５ フランジ端面
１６ 端部
２ スプルー
３ 通流孔
３１ 流入口
３２ 流出口
３３ 分岐部
３４ 合流部
４１ 射出成形機の射出部
５ 製造装置
６０、６１ 金属粉末
６２ 焼結層

発明を実施するための形態

以下本発明をその実施の形態を示す図面に基づき具体的に説明する。
（スプルーブッシュの構造）
図１は、本発明のスプルーブッシュ１の外観を示す斜視図である。スプルーブッシュ１は、射出成形用の流体材料を通過させるためのスプルーを内孔とした円筒状に形成された円筒部１２の一端に、円筒部１２の外径よりも大きい外径を有する円板状に形成されたフランジ部１１が連結してなる。スプルーはフランジ部１１及び円筒部１２を貫通しており、スプルーブッシュ１は、全体として一端にフランジ部１１が形成された筒状に形成されている。スプルーブッシュ１のフランジ部１１側は、射出成形機から流体材料が注入される側であり、円筒部１２の先端側は、射出成形用の金型の内部へ流体材料を排出する側である。円筒部１２の先端の端面である円筒端面１３には、スプルーから流体材料を排出する排出口２１が形成されている。また円板状のフランジ部１１の両面の内、円筒部１２の側に位置する面は、スプルーブッシュ１が金型に取り付けられる場合に金型に接触する接触面１４である。スプルーブッシュ１の内部には、スプルー内の流体材料を冷却する冷却液である冷却水を通流させるための通流孔が埋設して形成されており、通流孔に冷却水を流入させるための流入口３１と通流孔から冷却水を流出させるための流出口３２とがフランジ部１１の接触面１４に形成されている。

図２は、スプルーブッシュ１の内部構成を示す模式的斜視図である。図２中では、スプルーブッシュ１の外形を二点鎖線で示し、スプルーブッシュ１内に形成されたスプルー２を破線で示し、スプルーブッシュ１内に形成された通流孔３を実線で示している。スプルー２は、円筒部１２及びフランジ部１１の回転対称軸を含む位置に、円筒部１２及びフランジ部１１を貫通して形成されている。スプルー２の排出口２１とは逆の端は、射出成形機から流体材料が注入される注入口２２となっている。注入口２２は、射出成形機の射出部を押し当てることができるように、射出部の形状に合わせて、スプルー２の他の部分よりも径が広がった形状に形成されている。またスプルー２は、注入口２２を除き、流体材料の注入側から排出側にかけて徐々に径が広がる形状に形成されている。これは、スプルー２内で固化した材料を排出側から取り出すことを容易にするためである。なお、図面を簡単にするために、スプルー２の径が徐々に広がる形態は必ずしも図面上に反映されていない。

通流孔３は、流入口３１から流出口３２まで冷却水を通流させることができるように、流入口３１から流出口３２まで連結してスプルーブッシュ１内部に形成された空洞である。流入口３１に連結した通流孔３は、フランジ部１１内にスプルー２に向かって形成され、円筒部１２の外周よりもスプルー２に近い位置に形成された分岐部３３で２本に分岐している。分岐した夫々の通流孔３は、スプルー２の周囲に沿って、回転対称軸に略平行に円筒端面１３に向かって形成されている。２本の通流孔３は、円筒端面１３の付近でＵターンし、スプルー２の周囲に沿って、回転対称軸に略平行に円筒端面１３とは逆向きに形成されている。２本の通流孔３は、フランジ部１１内に形成された合流部３４で合流する。通流孔３は、合流部３４からフランジ部１１の外周に向かって形成されており、流出口３２に連結している。図２に示すように、円筒部１２内に形成された通流孔３は、全体として、スプルー２の周囲に帯状に配置されている。

図３は、スプルーブッシュ１の内部構造を示す断面図である。図３に示す断面は、スプルーブッシュ１の回転対称軸を含み、流入口３１及び流出口３２を切断する断面である。フランジ端面１５は、スプルーブッシュ１における円筒端面１３とは逆の端面であり、注入口２２が形成されており、射出成形機の射出部が押し当てられる面である。フランジ端面１５は、本発明における一端に対応し、円筒端面１３は、本発明における他端に対応する。図３中には、断面内に含まれない通流孔３を破線で示しており、冷却水の流れる向きを黒矢印で示している。冷却水は、流入口３１から通流孔３内へ流入し、通流孔３内を通流し、分岐部３３で分岐した後、スプルー２の周囲を円筒端面１３へ向けて流れ、通流孔３の形状に沿ってＵターンし、スプルー２の周囲をフランジ端面１５へ向けて流れ、合流部３４で合流し、流出口３２から通流孔３外へ流出する。また図３中には、射出成形用の流体材料の流れる向きを白矢印で示している。流体材料は、注入口２２からスプルー２内へ注入され、スプルー２内を通り、排出口２１から排出される。

フランジ端面１５を含む端部１６は、フランジ部１１の一部を構成しており、通流孔３の一部、スプルー２の一部、及び注入口２２が形成されている。端部１６は、金属塊から形成されており、フランジ部１１の端部１６以外の部分、及び円筒部１２は、金属粉末が焼結した焼結層が多数積層して形成されている。金属の材質は、例えば鉄を主成分とする合金である。焼結層が積層して形成された部分は、金属塊で形成された端部１６に結合し、スプルーブッシュ１は全体として一体に成形されている。

図４は、図３中のＩＶ−ＩＶでスプルーブッシュ１を切断した断面図である。図４に示す断面は、スプルー２内を流体材料が通過する方向に交差する断面である。スプルー２の周囲に、図４に示す断面に対して手前向きに冷却水が流れる通流孔３と奥向きに冷却水が流れる通流孔３とが夫々２本ずつ形成されている。冷却水が分岐部３３で分岐して複数の通流孔３でスプルー２の周囲を流れる構成となっているので、通流孔３はスプルー２の周囲の複数の位置に配置されており、スプルー２内の流体材料を複数方向から冷却することができる構成となっている。また図４に示すように、通流孔３の断面形状は、スプルー２の周囲の一部を囲む湾曲した幅広の形状となっており、このような形状の湾曲部がスプルー２に沿って形成されている。このため、スプルー２内の流体材料と通流孔３内を通流する冷却水との間で熱交換を行うための面積が広くなった構成となっている。例えば通流孔３の断面形状が円形である場合に比べて、遥かに広い面積で熱交換が行われる。従って、本発明のスプルーブッシュ１では、スプルー２内の流体材料を効率的に冷却することができる。

図５は、図３中のＶ−Ｖでスプルーブッシュ１を切断した断面図である。図５中に示す通流孔３は、断面に対して手前向きに冷却水が流れる通流孔３と奥向きに冷却水が流れる通流孔３とを連結する部分であり、この部分の断面形状も、スプルー２の周囲の一部を囲む湾曲した幅広の形状となっている。

（スプルーブッシュの使用形態）
次に、スプルーブッシュ１の使用形態を説明する。図６は、射出成形時のスプルーブッシュ１の使用形態を示す模式的断面図である。スプルーブッシュ１は、円筒端面１３を下側にして、上金型４２、中金型４３及び下金型４４からなる金型に組みつけられる。組みつけの際には、円筒端面１３が下金型４４に押し付けられ、接触面１４が上金型４２に押し付けられ、更に射出成形機の射出部４１がフランジ端面１５に押し付けられて組みつけられる。射出成形機の射出部４１がフランジ端面１５に押し付けられた状態では、フランジ端面１５に形成されている注入口２２に射出部４１の射出口が連結し、射出部４１から注入口２２を介してスプルー２に流体材料が注入される。

中金型４３及び下金型４４の間には、キャビティ４６とキャビティ４６に連結するランナー４５とが形成される。円筒端面１３が下金型４４に押し付けられた状態では、円筒端面１３に形成されている排出口２１はランナー４５に連結している。射出成形機の射出部４１からスプルー２に注入された流体材料は、スプルー２を通過して排出口２１からランナー４５へ排出され、ランナー４５を経由してキャビティ４６に充填される。キャビティ４６に充填された流体材料は、冷却されて固化した後、成形品として取り出される。成形品が取り出される際には、ランナー４５及びスプルー２内で固化した材料も取り出される。スプルー２が流体材料の注入側から排出側にかけて径が徐々に広がる形状に形成されている理由は、図６に示すように固化した材料を排出側から取り出すようになっており、スプルー２内に材料が残らないように取り出すことを容易にするためである。

上金型４２は、スプルーブッシュ１の通流孔３に冷却水を給水するための給水路４２１と、通流孔３から冷却水を排水するための排水路４２２とを備えている。接触面１４が上金型４２に押し付けられた状態では、接触面１４に形成されている流入口３１は給水路４２１に連結し、流出口３２は排水路４２２に連結している。給水路４２１と流入口３１との連結部分、及び排水路４２２と流出口３２との連結部分には、漏水を防止するためのオーリング等のパッキング材が設けられている。冷却水は、給水路４２１から流入口３１を介して通流孔３に流入し、スプルーブッシュ１内部に形成された通流孔３を通流し、流出口３２から排水路４２２へ流出する。通流孔３を通流する冷却水は、スプルー２内の流体材料を冷却する。流入口３１及び流出口３２は、フランジ部１１の接触面１４に形成されており、組み付け時には接触面１４が上金型４２に押し付けられるので、接触面１４と上金型４２とが密着し、冷却水の漏水が発生し難い。

図６に示すように、射出成形時には、射出成形機の射出部４１は、金属塊で形成した端部１６に押し付けられる。金属塊で形成された端部１６は、焼結体で形成された部分に比べて加圧に対する耐久性が高いので、射出成形機の射出部４１が押し付けられても端部１６は破損し難い。従って、射出成形機の射出部４１が焼結体に押し付けられることになる従来の技術に比べて、スプルーブッシュ１の耐久性が向上する。

（スプルーブッシュの製造方法）
次に、本発明のスプルーブッシュ１の製造方法を説明する。図７は、スプルーブッシュ１を製造する製造装置５の構成を示す模式的部分断面図である。製造装置５は、金属粉末をレーザー光（エネルギービーム）で加熱して焼結させることにより立体形状を形成し、また立体形状の形成途中に切削加工を加える金属光造形複合加工を行う装置である。製造装置５は、ワークを保持しながら昇降が可能なワークステージ５４と、金属粉末６０を保持する昇降可能な粉末ステージ５６と、粉末ステージ５６に保持された金属粉末６０からワークステージ５４上に金属粉末６１を塗布するブレード５５とを備える。ワークステージ５４と粉末ステージ５６とは、壁５７を挟んで配置されている。また製造装置５は、ワークステージ５４上の金属粉末６１へレーザー光を照射するためのレーザー光源５２と、ワークに対して切削加工を行う切削機５３とを備えている。レーザー光源５２は、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザー又は炭酸ガスレーザー等の照射対象を効果的に加熱することができるレーザーを使用している。切削機５３は、ドリル等の切削加工を行うための切削具を有している。切削機５３が有している切削具は、１ｍｍ径のドリル等、４ｍｍよりも小さいサイズの孔を切削することができる小サイズの切削具である。

更に製造装置５は、製造装置５全体の動作を制御する制御部５１を備えている。制御部５１は、動作を制御するための演算を行う演算部、演算に伴う情報を記憶するメモリ、及び制御プログラムを記憶する記憶部等を含んで構成されている。制御部５１は、製造装置５を構成する各部分の動作タイミングを制御し、またレーザー光源５２から金属粉末６１へ照射されるレーザー光の照射位置と、切削機５３が切削するワークの切削位置とを制御する。なお、製造装置５は、レーザー光源５２の位置を変更することによりレーザー光の照射位置を変更する構成であってもよく、レーザー光の光路を変更する図示しない光学系を動作させることによってレーザー光の照射位置を変更する構成であってよい。

スプルーブッシュ１を製造するためには、まず、端部１６を金属塊から形成する。金属塊の材質は、鉄を主成分とする合金である。図８は、金属塊から形成した端部１６を示す正面図であり、図９は金属塊から形成した端部１６を示す断面図である。端部１６は、略平行な二面を有する円板状に形成されてあり、一方の面はフランジ端面１５に対応する面である。図８はフランジ端面１５とは逆の面を正面にした正面図を示しており、図９はフランジ端面１５を下側にした断面を示す。例えば、金属板の切削加工により、フランジ部１１と同径の円板状に金属板を成形し、円板の中心に貫通孔を形成することによりスプルー２の一部を形成し、フランジ端面１５に注入口２２を形成し、フランジ端面１５とは逆の面に通流孔３の一部を形成することにより、端部１６を金属塊から形成する。なお、端部１６は鋳造等の他の方法で金属塊から形成してもよい。

図１０は、製造装置５でスプルーブッシュ１を製造する手順を示すフローチャートである。スプルーブッシュ１を製造する製造者は、金属塊から形成した端部１６を、フランジ端面１５を下側にしてワークステージ５４に載置しておく。ワークステージ５４又は粉末ステージ５６が昇降し、粉末ステージ５６が保持する金属粉末６０の上面が壁５７よりも高くなった状態で、ブレード５５は、ワークステージ５４に載置されている端部１６に金属粉末６１を塗布する（Ｓ１）。図１１は、端部１６に金属粉末６１が塗布された状態を示す模式的断面図である。金属粉末６１は、端部１６のフランジ端面１５とは逆側の面に塗布される。ステップＳ１では、ブレード５５は０．０５ｍｍ等の予め定められた所定の厚さに金属粉末６１を塗布する。

次に、図９に示すように、端部１６上に塗布された金属粉末６１に対してレーザー光源５２からレーザー光を照射することにより、端部１６上の金属粉末６１が加熱されて焼結して端部１６上に溶着した焼結層を形成する（Ｓ２）。図１２は、端部１６上に形成された焼結層６２を示す模式的断面図である。ステップＳ２では、レーザー光源５２は、レーザー光の照射位置を変化させながら、スプルーブッシュ１の外形に対応する形状にレーザー光を照射し、レーザー光を照射した部分で囲まれる領域を面状にレーザー光で走査する。レーザー光のスポット径は約０．５ｍｍであり、レーザー光を照射された金属粉末６１は約１５００℃に加熱される。加熱によって金属粉末６１は焼結し、焼結する際に端部１６に溶着する。結果として、金属塊で形成された端部１６に溶着した焼結層６２が形成される。焼結層６２は、端部１６の外径を上方に延長した円形の薄膜状の形状をなし、厚さは金属粉末６１を塗布した厚さに対応した約０．０５ｍｍ等の値になる。

次に、ワークステージ５４又は粉末ステージ５６が昇降し、ブレード５５は、端部１６上に形成された焼結層６２に金属粉末６１を塗布する（Ｓ３）。図１３は、焼結層６２に金属粉末６１が塗布された状態を示す模式的断面図である。ステップＳ３では、ブレード５５はステップＳ１と同様の所定の厚さに金属粉末６１を塗布する。次に、図１３に示すように、焼結層６２に塗布された金属粉末６１に対してレーザー光源５２からレーザー光を照射することにより、金属粉末６１が加熱されて焼結して焼結層６２に積み重なった新たな焼結層を形成する（Ｓ４）。製造装置５の制御部５１は、次に、予め定められた所定数の焼結層を連続して形成したか否かを判定する（Ｓ５）。ステップＳ５では、制御部５１は、例えば１０層の焼結層を連続して形成したかを判定する。一層の焼結層６２が所定の厚さで形成されるので、ステップＳ５で所定数の焼結層を連続して形成したかを判定することにより、連続して積層した複数の焼結層が予め定められた所定の厚みになったか否かを判定することができる。まだ所定数の焼結層を連続して形成していないと制御部５１が判定した場合は（Ｓ５：ＮＯ）、製造装置５は、処理をステップＳ３へ戻す。製造装置５は、ステップＳ５で所定数の焼結層を連続して形成したと判定できるまでステップＳ３〜Ｓ４の処理を繰り返すことにより、金属粉末６１が焼結した焼結層６２に重ねて焼結層６２を形成する処理を繰り返す。なお、ステップＳ５では、連続して形成した焼結層６２の数を数えるのではなく、積層した焼結層６２の厚さを測定し、所定の厚みにまで焼結層６２が積層したか否かを判定する方法を用いてもよい。

図１４及び図１５は、レーザー光の照射方法を示す模式図である。図１４は、焼結層６２を形成する際にレーザー光が金属粉末６１を照射したスポットの軌跡を上から見た図であり、レーザー光の走査方向を矢印で示す。製造装置５は、スプルーブッシュ１の外径にあわせた円形にレーザー光を走査し、走査した円形で囲まれる領域内で走査位置をずらしながら一の走査方向に繰り返しレーザー光を走査することにより、円形の領域内をレーザー光で面状に走査する。図１５は、図１４に示す走査方法で形成した焼結層６２に重ねて次の焼結層６２を形成する際にレーザー光が金属粉末６１を照射したスポットの軌跡を上から見た図である。図１５に示すように、次の焼結層６２を形成する際には、土台になっている焼結層６２を形成する際における走査方向とは交差する方向をレーザー光の走査方向とする。このような方法で各焼結層６２を形成することにより、互いに直接重なった焼結層６２間では、金属粉末６１を焼結させるためのレーザー光の走査方向が互いに交差している。従って、焼結層６２内で金属粒子間の結合が弱いために割れ易くなっている方向が焼結層６２間で互いに交差することとなり、スプルーブッシュ１はどの方向から衝撃が加わったとしても破損し難くなる。

ステップＳ５で所定数の焼結層６２を連続して形成したと制御部５１が判定した場合は（Ｓ５：ＹＥＳ）、製造装置５は、所定数の焼結層６２が積み重なって形成された焼結体のスプルー２及び通流孔３に対応する部分を切削機５３で切削する（Ｓ６）。図１６は、所定数の焼結層６２が端部１６上に形成された状態を示す模式的断面図である。端部１６上には複数の焼結層６２が積み重なった焼結体６３が形成されており、焼結体６３は切削機５３で切削されることになる。焼結層６２は非常に薄いので、各焼結層６２が形成される都度高精度に切削を行うことは困難であり、また手間も大きいので、本発明では、焼結層６２が積み重なってある程度の厚さになった焼結体６３を切削する。焼結層６２の厚さが約０．０５ｍｍであり、所定数が１０層である場合は、切削機５３が切削する焼結体６３の厚さは０．５ｍｍとなる。

図１７は、焼結体６３が切削された状態を示す模式的断面図である。このとき、切削機５３は、図８に示すスプルー２及び通流孔３と同様の形状でスプルー２及び通流孔３に対応する部分を掘削する。切削機５３が焼結体６３を切削する位置は、制御部５１によって制御される。ステップＳ６により、所定数の焼結層６２が積み重なった焼結体６３内に含まれるスプルー２及び通流孔３の部分が形成される。

ステップ６が終了した後は、制御部５１は、形成した焼結層６２の総数又はワークの高さ等に基づいて、円筒端面１３に対応する部分まで焼結層６２が形成されてスプルーブッシュ１が完成したか否かを判定する（Ｓ７）。スプルーブッシュ１がまだ完成していないと制御部５１が判定した場合は（Ｓ７：ＮＯ）、製造装置５は、処理をステップＳ３へ戻し、スプルーブッシュ１が完成するまでステップＳ３〜Ｓ７の処理を繰り返す。ステップＳ３〜Ｓ７の処理が繰り返されることにより、焼結層６２の形成とスプルー２及び通流孔３に対応する部分の切削とが繰り返される。

図１８は、フランジ部１１の途中まで完成したスプルーブッシュ１の断面を示す模式的断面図であり、図１９は、フランジ部１１の途中まで完成したスプルーブッシュ１の上面を示す平面図である。切削機５３により、回転対称軸を含む位置にスプルー２に対応する部分が切削されている。また、切削機５３により、通流孔３の内で、スプルー２の周囲に形成される部分と、流入口３１及び流出口３２に通じる部分とに対応する部分が切削されている。

図２０は、円筒部１２の途中まで完成したスプルーブッシュ１の断面を示す模式的断面図である。円筒部１２の途中まで完成したスプルーブッシュ１の上面は、図４に示す断面と同様の形状に形成される。即ち、外形は円筒部１２の外形に合わせた形状に形成され、切削機５３により、回転対称軸を含む位置にスプルー２に対応する部分が切削され、４本の通流孔３に対応する部分がスプルー２の周囲の一部を囲む湾曲形状に掘削されている。

図２１は、円筒端面１３付近まで完成したスプルーブッシュ１の断面を示す模式的断面図である。円筒端面１３付近まで完成したスプルーブッシュ１の上面は、図５に示す断面と同様の形状に形成される。即ち、切削機５３により、回転対称軸を含む位置にスプルー３に対応する部分が切削され、通流孔３がＵターンする部分に対応する部分が掘削されている。

ステップＳ７でスプルーブッシュ１が完成したと制御部５１が判定した場合は（Ｓ７：ＹＥＳ）、製造装置５は、処理を終了する。図２２は、完成したスプルーブッシュ１の断面を示す模式的断面図である。円筒端面１３まで焼結層６２が積み重ねられ、掘削によりスプルー２の排出口２１が形成されている。ワークステージ５４からスプルーブッシュ１を取り出し、スプルー２及び通流孔３内に詰まった金属粉末６１を取り除くことにより、スプルーブッシュ１が完成する。

以上詳述した如く、本発明においては、スプルーブッシュ１は、金属塊で形成された端部１６と金属の焼結層６２を多数積層した部分とからなり、焼結層６２を積層する途中で所定厚みに焼結層６２が積層される都度、スプルー２及び通流孔３に対応する部分を掘削することにより、スプルー２及び通流孔３を形成する。金属塊で形成した端部１６を土台として焼結層６２を重ねることによりスプルーブッシュ１を製造するので、土台が存在しない状態でスプルーブッシュ全体を金属粉末から形成しようとする従来技術に比べて、容易にスプルーブッシュ１を製造することができ、スプルーブッシュ１を製造するために必要な手間及び時間を縮小することができる。また端部１６を金属塊で形成する分だけ焼結層６２を形成する数が減少するので、スプルーブッシュ１を製造するために必要な時間をより短縮することができる。

また本発明においては、焼結層を掘削することによりスプルー２及び通流孔３を形成しているので、金属粉末の選択的な焼結によりスプルー及び通流孔を形成する従来の方法に比べて、より小さい形状でスプルー２及び通流孔３を形成することができる。従来の方法では形成するスプルー及び通流孔の径は４ｍｍ等のこれ以上小さくできない限界があったのに比べて、本発明では、より小さい径でスプルー２及び通流孔３を形成することが可能である。このため、スプルーブッシュ１をより小型化することが可能となる。また本発明では、スプルー２と通流孔３との間の距離を、４ｍｍ等のこれ以上小さくできない限界があった従来技術に比べて、より小さくすることができる。従って、通流孔３を通流する冷却水によってスプルー２内の流体材料をより効率的に冷却することができる。

また本発明においては、金属粉末の選択的な焼結によりスプルー及び通流孔を形成する従来の方法に比べて、より自由な形状でスプルー２及び通流孔３を形成することができる。図２等に示すように、本発明では、スプルー２の周囲の一部を囲むように湾曲した帯状に通流孔３を形成してあり、このように幅が薄くスプルー２に接近した形状の通流孔３は、切削により直接に通流孔３の断面形状を形成できる本発明以外の方法では形成困難である。スプルー２の周囲の一部を囲む通流孔３を形成したことにより、スプルー２内の流体材料と通流孔３内の冷却水との間の熱交換が広い面積で熱交換が行われるようになり、本発明のスプルーブッシュ１では、スプルー２内の流体材料を効率的に冷却することができる。

また本発明においては、図２に示すように、通流孔３の形状を、冷却水が分岐する分岐部３３を含む形状に形成している。通流孔３に分岐部３３が形成されてあることにより、通流孔３内には冷却水の流路が複数存在することになり、スプルー２内の流体材料と通流孔３内の冷却水との間の熱交換を複数の位置で行い、スプルー２内の流体材料を効率的に冷却することができる。以上のように、本発明のスプルーブッシュ１では、スプルー２内の流体材料を効率的に冷却することができるので、本発明のスプルーブッシュ１を利用して射出成形を行った場合は、スプルー２内の流体材料が固化するまでの時間を短縮し、射出成形の成形品の製造に必要な時間を短縮し、成形品の生産効率を向上させることが可能となる。

なお、スプルーブッシュ１内に形成された通流孔３の形状は、図２等に示した形状に限るものではなく、本発明では、通流孔３の形状を自由にその他の形状に形成することも可能である。図２３は、他の形状に形成された通流孔３を有するスプルーブッシュ１の内部構成を示す模式的斜視図である。図２３では、図２と同様に、スプルーブッシュ１内に形成された通流孔３を実線で示している。円筒部１２内に形成された通流孔３は、スプルー２内に交差する断面内でスプルー２の周囲を環状に囲む部分をスプルー２に沿って形成されている。流入口３１から通流孔３内に流入した冷却水は、スプルー２の周囲を通流して流出口３２から流出することになる。本発明では、通流孔３の環の幅、並びに通流孔３とスプルー２との間の壁の厚さを、従来技術での限界の大きさよりも小さくすることができる。図２３の如く通流孔３を形成したスプルーブッシュ１では、スプルー２の周囲全体で熱交換が行われるので、スプルー２内の流体材料をより効率的に冷却することができる。更に、本発明では、通流孔３の形状を、スプルー２の周囲に螺旋状に形成された形状、スプルーブッシュ１内で３本以上に分岐した形状、又は複数の流入口３１及び流出口３２を有する形状等、その他の形状に形成することも可能である。通流孔３をこれらの形状に形成したスプルーブッシュ１においても、従来技術に比べ、スプルー２内の流体材料をより効率的に冷却することができる。

なお、本実施の形態においては、円筒部１２の先端がテーパ状に形成されている形態を示したが、これに限るものではなく、本発明のスプルーブッシュ１の形状は円筒部１２の外径が先端まで変化しない形状であってもよい。また本実施の形態においては、スプルーブッシュ１の外形は円形であるとしたが、本発明のスプルーブッシュ１の外形は、多角形等、金型の形状に合わせたその他の形状であってもよい。また本実施の形態においては、スプルーブッシュ１はフランジ部１１を有する形態としたが、本発明のスプルーブッシュ１は、フランジを有さない筒状に形成され、側面又は一端面に流入口３１及び流出口３２が形成された形態であってもよい。また本実施の形態においては、スプルーブッシュ１を製造する際にレーザー光を用いて金属粉末を焼結させる形態を示したが、本発明では、レーザー光以外のエネルギービームを用いてもよい。また本実施の形態においては、冷却液として冷却水を用いる形態を示したが、本発明では水以外の冷却液を用いることも可能である。

本発明によれば、射出成形時にスプルー内の流体材料を効率的に冷却することが可能であり、また耐久性のあるスプルーブッシュが実現される。またスプルーブッシュを製造するために必要な時間及び手間を削減したスプルーブッシュの製造方法が実現される。

Claims (10)

1. 射出成形用の流体材料を通過させるためのスプルーと、該スプルー内に充填された流体材料を冷却する冷却液を通流させるための通流孔とを形成してあるスプルーブッシュにおいて、
   一端を含む前記スプルーの一部分を形成してあり、金属塊で形成された端部と、前記スプルーの他の部分を形成してあり、前記スプルーに沿った方向に金属の焼結層を積層した部分とが一体に成形されてあり、
   前記通流孔は、前記焼結層を切削することにより形成してあること
   を特徴とするスプルーブッシュ。
2. 前記端部は、射出成形機から前記スプルーへ流体材料が注入される側の端に設けてあることを特徴とする請求項１に記載のスプルーブッシュ。
3. 前記通流孔は、冷却液が通流する方向に交差する断面内で前記スプルーの周囲の一部を囲む湾曲部分を有すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のスプルーブッシュ。
4. 前記通流孔は、前記スプルーに交差する断面内で前記スプルーを環状に囲み、前記スプルーに沿うように形成した部分を有すること
   を特徴とする請求項１又は２に記載のスプルーブッシュ。
5. 前記通流孔は分岐部を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載のスプルーブッシュ。
6. 前記端部を含む端の部分が前記スプルーの周囲に張り出したフランジ部を形成してあり、
   前記通流孔内への冷却液の注入口及び排出口を前記フランジ部に形成してあることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一つに記載のスプルーブッシュ。
7. 射出成形用の流体材料を通過させるためのスプルーと、該スプルー内に充填された流体材料を冷却する冷却液を通流させるための通流孔とを形成してあるスプルーブッシュの製造方法において、
   前記スプルーブッシュの一端に対応する部分を含む形状に金属塊を形成した端部を作成し、
   前記端部に金属粉末を塗布し、塗布した金属粉末にエネルギービームを照射して金属粉末を加熱することにより、金属粉末が焼結して前記端部に溶着した金属の焼結層を形成し、
   形成した焼結層に金属粉末を塗布してエネルギービームで加熱することにより、焼結層に積み重ねて焼結層を形成することを繰り返し、
   積層した焼結層が所定の厚みになる都度、前記通流孔に対応する部分を切削することにより、前記通流孔を形成し、
   前記スプルーブッシュの他端に対応する部分まで焼結層の形成及び前記通流孔の形成を繰り返すことにより前記スプルーブッシュを製造すること
   を特徴とするスプルーブッシュの製造方法。
8. 前記スプルーの一部分は、前記端部に貫通孔を形成することにより形成し、
   前記スプルーの他の部分は、焼結層が所定の厚みに積み重なる都度、前記スプルーに対応する部分を切削することにより、形成すること
   を特徴とする請求項７に記載のスプルーブッシュの製造方法。
9. 切削により前記通流孔を形成する際に、焼結層内での前記通流孔の形状を、前記スプルーの周囲の一部を囲む湾曲した形状に形成すること
   を特徴とする請求項７又は８に記載のスプルーブッシュの製造方法。
10. 焼結層を形成する際には、金属粉末に照射するエネルギービームの走査を一の走査方向に行い、走査位置をずらしながら走査を繰り返すことによって金属粉末を焼結させ、
    一の焼結層に重ねて次の焼結層を形成する際には、前記一の焼結層を形成する際の走査方向とは交差する方向を走査方向としてエネルギービームの走査を行うこと
    を特徴とする請求項７乃至９のいずれか一つに記載のスプルーブッシュの製造方法。

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