JP6805239B2 - 射出成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形装置に関するものである。

金型を用いて樹脂を成形する装置として、射出成形装置が知られている（特許文献１参照）。射出成形装置には、コールドランナ方式とホットランナ方式とがある。コールドランナ方式では、ランナで固化した部品も成形品と共に取り出すため、ランナ内の溶融材料が冷却されて固化するまでに相応の時間を要し、生産性が低下しうる。そのため、コールドランナ方式の射出成形装置では、ランナの断面積を小さくし、ランナ内の溶融材料の冷却時間を短縮することが望まれている。

特開２００６−４４２４５号公報

コールドランナ方式の射出成形装置において、ランナの断面積を小さくするだけでは、ランナを介して金型に溶融材料を射出している間（射出中）にランナ内の溶融材料が冷却されて固化してしまい、金型に溶融材料を十分に充填することが困難になりうる。その一方で、射出中におけるランナ内の溶融材料の温度低下を低減するための保温（断熱）技術は確立されておらず、また断熱材のみをランナ表面（界面）に介在させるだけでは冷却時間を短縮することが困難になりうる。

そこで、本発明は、生産性を向上させるために有利な射出成形装置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、本発明に係る射出成形装置は、流路を介して溶融材料を金型に射出する射出成形装置であって、前記流路は、金属層で囲まれた部分を有し、前記部分では、前記金属層と母材との間に断熱層が設けられ、前記断熱層より熱伝導率が高く且つ前記断熱層内を通る接続部を介して前記金属層が前記母材に接続されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、生産性を向上させるために有利な射出成形装置を提供することができる。

本発明のその他の特徴及び利点は、添付図面を参照とした以下の説明により明らかになるであろう。なお、添付図面においては、同じ若しくは同様の構成には、同じ参照番号を付す。

添付図面は明細書に含まれ、その一部を構成し、本発明の実施の形態を示し、その記述と共に本発明の原理を説明するために用いられる。
射出成形装置を示す概略図である。 射出成形装置を示す概略図である。 ランナの周辺部分の断面を示す概略図である。 第１プレートにおけるランナ部の形成方法を説明するための図である。 ランナ内の溶融材料の温度をシミュレーションした結果を示す図である。 ランナ内の溶融材料の温度をシミュレーションした結果を示す図である。 ランナ内の溶融材料の温度をシミュレーションする際に用いた装置構成を示す図である。 断熱層が形成されていない場合のランナの断面積とサイクルタイムとの関係を示す図である。 断熱層の厚さを振ったときのランナの断面積と充填圧との関係を示す図である。

本発明に係る実施形態の射出成形装置１００について説明する。図１Ａおよび図１Ｂは、本実施形態の射出成形装置１００を示す概略図である。本実施形態の射出成形装置１００は、スプル２０、ランナ２１および第２スプル２２（ゲート）を介して溶融材料（溶融樹脂）を金型１０（型穴１０ａ）に射出するコールドランナ方式の射出成形装置である。例えば、射出成形装置１００は、図１Ａに示すように、溶融材料を金型１０に射出する際には、第２スプル２２が形成された第１プレート１１、スプル２０が形成された第２プレート１２、および金型１０が重ね合される。ランナ２１は、第１プレート１１と第２プレート１２とを重ね合わせたときに構成される。そして、第１プレート１１、第２プレート１２および金型１０が重ね合された状態でスプル２０、ランナ２１および第２スプル２２を介して溶融材料が金型１０に射出される。溶融材料が冷却されて固化した後、図１Ｂに示すように、第１プレート１１、第２プレート１２および金型１０の間隔を広げることにより、ランナ２１が２つに分割され、金型１０によって形成された成形品３１と共に、スプル２０、ランナ２１および第２スプル２２の内部で固化した部品３２（樹脂）が取り出される。

このように、コールドランナ方式の射出成形装置１００では、ランナ２１で固化した部品も成形品と共に取り出すため、ランナ２１内の溶融材料が冷却されて固化するまでに相応の時間を要し、生産性が低下しうる。そのため、コールドランナ方式の射出成形装置１００では、ランナ２１の断面積を小さくし、ランナ２１内の溶融材料の冷却時間を短縮することが望まれている。しかしながら、ランナ２１の断面積を単に小さくするだけでは、ランナ２１を介して溶融材料を金型１０に射出している間（射出中）にランナ２１内の溶融材料が冷却されて固化する、所謂ショートショットが起こりうる。

このようなショートショットを防止する方法として、射出中におけるランナ２１内の溶融材料が保温されるようにランナ２１の流路界面に断熱材を介在させる方法があるが、キャビティやゲートなどの型締力による負荷がかかりにくい箇所に限定されており、未だランナに適用できる技術は確立されていない。しかしながら、ランナ２１を断熱材で覆うだけでは、ランナ２１内の溶融材料の冷却が断熱材で阻害されてしまい、生産性を向上させることが困難になりうる。そこで、本実施形態の射出成形装置１００は、ランナ２１が金属層で取り囲まれるとともに、その金属層の周りに断熱層が設けられ、金属層の一部が母材に接続された構成を有する。つまり、本実施形態のランナ２１は、金属層で囲まれた部分を有し、当該部分では、金属層と母材との間に断熱層が設けられ、該断熱層より熱伝導率が高く且つ断熱層内を通る接続部を介して金属層が母材に接続されている。

以下に、ランナ２１の周辺部分の具体的な構成について説明する。

［ランナ２１の周辺部分の構成］
本実施形態におけるランナ２１の周辺部分の構成について、図２を参照しながら説明する。図２は、ランナ２１の周辺部分の断面（図１Ａの断面Ａ−Ａ）を示す概略図である。

第１プレート１１は、第１母材１１ａと、第１断熱層１１ｂと、第１金属層１１ｃとを含みうる。第１母材１１ａの第１面１１ａ_１（第２プレート１２側の面）には、台形形状の断面を有する第１凹部１１ａ_２が形成され、第１凹部１１ａ_２の内壁には第１断熱層１１ｂが設けられている。そして、第１母材１１ａの第１面１１ａ_１の少なくとも一部と第１断熱層１１ｂの表面（露出面）とを覆うように、第１断熱層１１ｂの表面から第１面１１ａ_１の少なくとも一部まで連続して第１金属層１１ｃが設けられている。即ち、第１金属層１１ｃは、第１断熱層１１ｂの表面に設けられた金属層が、第１母材１１ａ（第１面１１ａ_１）の流路が形成されていない部分にまで接続されるように形成されている。

ここで、本実施形態の第１金属層１１ｃは、第１断熱層１１ｂの表面を覆う部分と、該部分から延設して第１面１１ａ_１の少なくとも一部を連続して覆う部分と含んでいる。つまり、本実施形態では、第１金属層１１ｃの一部を、流路（ランナ２１）を囲む金属層と第１母材１１ａとを接続する接続部として機能させている。しかしながら、それに限られるものではなく、流路２１を囲む部分のみに設けられた金属層を第１金属層１１ｃとし、該第１金属層１１ｃと第１母材１１ａとを接続する接続部として、第１断熱層１１ｂより熱伝導率の高い部材（例えば金属）を第１プレート１１に設けてもよい。

第２プレート１２は、第２母材１２ａと、第２断熱層１２ｂと、第２金属層１２ｃとを含みうる。第２母材１２ａの第２面１２ａ_１（第１プレート１１側の面）には、矩形形状の断面を有する第２凹部１２ａ_２が形成され、第２凹部１２ａ_２の内壁には第２断熱層１２ｂが設けられている。そして、第２母材１２ａの第２面１２ａ_１の少なくとも一部と第２断熱層１２ｂの表面（露出面）とを覆うように、第２断熱層１２ｂの表面から第２面１２ａ_１の少なくとも一部まで連続して第２金属層１２ｃが設けられている。即ち、第２金属層１２ｃは、第２断熱層１２ｂの表面に設けられた金属層が、第２母材１２ａ（第２面１２ａ_１）の流路が形成されていない部分にまで接続されるように形成されている。また、本実施形態の第２断熱層１２ｂは、第２凹部１２ａ_２が断熱材で充填されるように形成されうる。

ここで、本実施形態の第２金属層１２ｃも、第１金属層１１ｃと同様に、第２金属層１２ｃの一部を、流路２１を囲む金属層と第２母材１２ａとを接続する接続部として機能させている。しかしながら、それに限られるものではなく、流路（ランナ２１）を囲む部分のみに設けられた金属層を第２金属層１２ｃとし、該第２金属層１２ｃと第２母材１２ａとを接続する接続部として、第１断熱層１１ｂより熱伝導率の高い部材（例えば金属）を第２プレート１２に設けてもよい。また、本実施形態では、第１プレート１１および第２プレート１２の双方に接続部を設けた構成としたが、それらのうち少なくとも一方に接続部を設けた構成としてもよい。

このように第１プレート１１および第２プレート１２を構成することにより、それらを互いに重ね合された際、図２に示すように、第１金属層１１ｃおよび第２金属層１２ｃで囲まれた空間が第１凹部１１ａ_２の内側に形成される。即ち、下面および側面が第１金属層１１ｃで構成され、上面が第２金属層１２ｃで構成された空間が第１凹部の内側に形成される。この空間が、溶融材料が流れるランナ２１（流路）となる。さらに、第１金属層１１ｃや第２金属層１２ｃが第１母材１１ａや第２母材１２ａの流路が形成されていない部分にまで形成されていることにより、断熱層がありながら効率的な冷却を可能としうる。

ここで、第１断熱層１１ｂおよび第２断熱層１２ｂは、セラミックやポリイミド樹脂など熱伝導率が母材（第１母材１１ａ、第２母材１２ａ）より低い材料で構成されることが好ましい。より好ましくは、熱伝導率が１Ｗ／ｍＫ以下の材料（例えば、ジルコニア）で構成されうる。また、第１金属層１１ｃおよび第２金属層１２ｃは、熱伝導率が断熱層（第１断熱層１１ｂ、第２断熱層１２ｂ）より高い材料で構成されることが好ましい。例えば、第１金属層１１ｃおよび第２金属層１２ｃは、タングステンによって構成されうる。

［ランナ２１の周辺部分の形成方法］
以下に、第１プレート１１および第２プレート１２におけるランナ２１の周辺部分（ランナ部）の形成方法について説明する。

まず、第１プレート１１のランナ部分の形成方法について、図３を参照しながら説明する。図３は、第１プレート１１におけるランナ部の形成方法を説明するための図である。初めに、第１母材１１ａの第１面１１ａ_１に第１凹部１１ａ_２（溝）が形成される（図３の３０１）。そして、第１凹部１１ａ_２以外の部分をマスキングした（マスク３０で覆った）後、第１凹部１１ａ_２の内壁に溶射によって断熱材を堆積させることにより、第１凹部１１ａ_２の内壁に第１断熱層１１ｂが形成される（図３の３０２）。第１凹部１１ａ_２の内壁に形成された第１断熱層１１ｂは、研磨などによって厚さが目標値になるように調整される（図３の３０３）。第１断熱層１１ｂの厚さを調整した後、第１断熱層１１ｂおよび第１母材１１ａの上に溶射によって金属を堆積させることにより、第１断熱層１１ｂの表面（露出面）および第１母材１１ａの第１面１１ａ_１の上に第１金属層１１ｃが形成される（図３の３０４）。第１断熱層１１ｂおよび第１母材１１ａの第１面１１ａ_１の上に形成された第１金属層１１ｃは、研磨などによって厚さが目標値になるように調整される（図３の３０５）。このようにして、第１プレート１１にランナ部が形成される。

ここで、本実施形態では、第１断熱層１１ｂおよび第１金属層１１ｃを溶射によって形成しているため、第１凹部１１ａ_２の側面にある程度の傾斜をもたせることが好ましい。即ち、断面が台形形状を有するように第１凹部１１ａ_２を形成することが好ましい。例えば、実験等の結果から、第１凹部１１ａ_２の下面と側面との間の角度θが９５度から１０５度の範囲内になるように第１凹部１１ａ_２を形成することが好ましい。この場合、第１断熱層１１ｂの厚さおよび第１金属層１１ｃの厚さを一定となるように調整すると、第１プレート１１と第２プレートと１２を重ね合わせることによって構成されるランナ２１の断面は台形形状となり、ランナ２１の下面と側面との間の角度θが９５度から１０５度の範囲内になる。しかしながら、第１凹部１１ａ_２の断面形状は、硬化した樹脂が第１プレート１１から容易に外すことができればよく、台形形状のほか、半円形状、湾曲を含む形状などでもよい。

次に、第２プレート１２のランナ部分の形成方法について説明する。第２プレート１２は、第１プレート１１と同様の工程を経て形成されうる。初めに、第２母材１２ａの第２面１２ａ_１に、例えば断面が矩形形状を有する第２凹部１２ａ_２（溝）が形成される。そして、第２凹部１２ａ_２以外の部分をマスキングした後、第２凹部１２ａ_２の内壁に溶射によって断熱材を堆積させることにより、第２凹部１２ａ_２が断熱材で充填されるように第２断熱層１２ｂが形成される。第２凹部１２ａ_２に形成された第２断熱層は、研磨などにより、第２母材１２ａの第２面１２ａ_１と第２断熱層１２ｂの露出面とが平坦化するように（同一面になるように）厚さが調整される。第２断熱層１２ｂの厚さを調整した後、第２断熱層１２ｂおよび第２母材１２ａの上に溶射によって金属を堆積させることにより、第１断熱層１２ｂの露出面および第２母材１２ａの第２面１２ａ_２の上に第２金属層１２ｃが形成される。第２断熱層１２ｂおよび第２母材１２ａの第２面１２ａ_１の上に形成された第２金属層１２ｃは、研磨などによって厚さが目標値になるように調整される。このようにして、第２プレート１２にランナ部が形成される。

ここで、本実施形態の第２プレート１２では、第２母材１２ａの第２面１２ａ_２に第２凹部１２ａ_２を形成し、その第２凹部１２ａ_２に第２断熱層１２ｂを設けたが、それに限られるものではない。例えば、第２プレート１２は、第２凹部１２ａ_２を形成せずに、第２母材１２ａの第２面１２ａ_１の上に第２断熱層１２ｂと第２金属層１２ｃとを順に積層した構成でもよい。

［効果］
次に、ランナ２１（流路）を取り囲む囲む金属層の一部を母材に接続する効果について説明する。図４Ａおよび図４Ｂは、溶融材料を金型１０に射出している間（射出中）、および溶融材料を冷却している間（冷却中）におけるランナ２１内の溶融材料の温度をシミュレーションした結果を示す図である。図４Ａは、ランナ２１を取り囲む金属層が母材に接続していない従来の構成を示し、図４Ｂは、ランナ２１を取り囲む金属層が母材に接続している本実施形態の構成を示している。また、図４Ａおよび図４Ｂにおける白黒の濃淡は、白色に近づく（淡くなる）につれて温度が高く、黒色に近づく（濃くなる）につれて温度が低いことを示している。

また、図５は、ランナ２１内の溶融材料の温度をシミュレーションする際に用いた装置構成を示す図であり、図４Ａおよび図４Ｂのミュレーション結果を示す図に対応している。従来の構成（図４Ａ）と本実施形態の構成（図４Ｂ）とでは、ランナ２１を取り囲む金属層の一部が母材に接続されていること以外は、膜厚や材料などを同様の構成としている。

射出中におけるランナ２１内の溶融材料の温度は、従来の構成（図４Ａ）に比べて、本実施形態の構成（図４Ｂ）の方が若干低くなる。しかしながら、本実施形態の構成でも、溶融材料をランナ２１の途中で固化させずに金型１０に射出するために十分な温度を保つことができている。一方、冷却中では、従来の構成（図４Ａ）に比べて、本実施形態の構成（図４Ｂ）の方が、ランナ２１内の溶融材料の熱が金属層を介して母材に拡散し、ランナ２１内の溶融材料の温度が下がっていることが分かる。これは、ランナ２１内の溶融材料が固化するまでの時間を短縮し、生産性の向上が可能であることを意味している。つまり、本実施形態の構成のように、ランナ２１を取り囲む金属層を母材に接続させると、射出中においてランナ２１内の溶融材料の温度を十分に保つことができるとともに、ランナ内の溶融材料の冷却効率を向上させ、生産性の向上を図ることも可能となる。

このように生産性の向上を効果的に活用するために、ランナ２１の長さ（Ｌ）と、第１プレート１１と第２プレート１２との間に形成されるランナ２１の樹脂の流動方向に直交する断面の等価直径（Ｄｅ）に対するランナ２１の長さ（Ｌ）の比（アスペクト比（Ｌ／Ｄｅ））を、３０〜６０とすることが好ましく、３０〜４０とすることがさらに好ましい。ここで、断面積をＡｆ、外周長さをＷｐとしたとき、等価直径はＤｅ＝４×Ａｆ／Ｗｐで表されうる。

［断熱層の厚さの決定方法］
ランナ２１の断面積および断熱層の厚さ決定する方法について説明する。ランナ２１の断面積は、断熱層が形成されていない場合のランナ２１の断面積とサイクルタイムとの関係から求めることができる。サイクルタイムとは、溶融材料の射出を開始してから成形品を取り出すまでの時間のことであり、ランナ２１内の溶融材料の冷却性に依存する。例えば、ランナ２１内の溶融材料の冷却時間が短くなると、サイクルタイムも短くなる。

また、断熱層の厚さは、断熱層の厚さを振ったときのランナ２１の断面積と充填圧との関係から求めることができる。充填圧とは、ランナ２１を介して金型１０に充填（射出）する溶融材料の圧力のことであり、射出中におけるランナ２１内の溶融材料の保温性に依存する。例えば、射出中におけるランナ２１内の溶融材料の温度が低くなると溶融材料の粘性が高くなるため、充填圧が高くなる。

図６は、断熱層が形成されていない場合のランナ２１の断面積とサイクルタイムとの関係を示す図である。断熱層が形成されていない場合、図６に示すように、ランナ２１の断面積を小さくするにつれて、ランナ２１内の溶融材料の冷却時間、即ちサイクルタイムが線形的に短くなる傾向となる。この図６に示す関係は、実験やシミュレーションから得ることができ、サイクルタイムが目標値になるときのランナ２１の断面積を図６から求めることができる。例えば、サイクルタイムの目標値を２４ｓｅｃに設定した場合、ランナ２１の断面積を６．２ｍｍ^２と求めることができる。

図７は、断熱層の厚さを振ったときのランナ２１の断面積と充填圧との関係を示す図である。図７では、断熱層の厚さを０ｍｍ、０．３ｍｍ、０．６ｍｍ、１．０ｍｍとしたときの各々について、ランナ２１の断面積と充填圧との関係を示している。図７に示すように、ランナ２１の断面積を小さくするにつれて、射出中におけるランナ内の溶融材料の冷却性が高くなり、それに従って溶融材料の粘性が高くなるため充填圧も指数関数的に高くなる傾向となる。また、断面層の厚さを増やすにつれて、充填圧が低くなる傾向となる。この図７に示す関係は、実験やシミュレーションから得ることができ、図６から求めたランナ２１の断面積において充填圧が目標値になるときの断熱材の厚さを図７から求めることができる。例えば、充填圧の目標値を２１ＭＰａに設定した場合、ランナ２１の断面積が６．２ｍｍ^２のときの断熱材の厚さを１．０ｍｍと求めることができる。

［断熱層の厚さと金属層の厚さとの比率］
次に、断熱層の厚さと金属層の厚さとの比率について説明する。図４Ａおよび図４Ｂを用いて説明したように、射出中におけるランナ２１内の溶融材料の温度は、従来の構成（図４Ａ）に比べて、本実施形態の構成（図４Ｂ）の方が若干低くなる。つまり、金属層の厚さを厚くし過ぎると、それに伴って、ランナ２１内の溶融材料から金属層を介して母材に拡散する熱量も大きくなり、ランナ内で溶融材料が固化しうる。つまり、ランナ２１内の溶融材料の保温性と冷却性とを両立させるためには、断熱層の厚さと金属層の厚さとの比率が重要となる。

具体的には、層厚比率は、０．３以下が好ましく、０．００１〜０．３の範囲内であることがより好ましく、０．００５〜０．２の範囲内であることがさらに好ましい。即ち、断熱層の厚さが１ｍｍの場合では、金属層の厚さは１μｍ〜０．３ｍｍの範囲内が好ましく、５μｍ〜０．２ｍｍの範囲内がさらに好ましい。

上述したように、本実施形態の射出成形装置１００は、ランナ２１が金属層で取り囲まれるとともに、その金属層の周りに断熱層が設けられ、金属層の一部が母材に接続された構成を有する。これにより、ランナ２１内の溶融材料の保温性と冷却性とを両立させることが可能となる。ここで、本実施形態では、ランナ２１において本発明の構成を適用した例について述べたが、ランナ２１以外の流路（例えば、スプルやゲート）においても本発明の構成を適用することができる。つまり、流路が、金属層で囲まれた部分を有し、当該部分では、金属層と母材との間に断熱層が設けられ、該断熱層より熱伝導率が高く且つ断熱層内を通る接続部を介して金属層が母材に接続されている構成を、ランナ以外の流路に対して適用してもよい。

本発明は上記実施の形態に制限されるものではなく、本発明の精神及び範囲から離脱することなく、様々な変更及び変形が可能である。従って、本発明の範囲を公にするために、以下の請求項を添付する。

本願は、２０１６年３月３１日提出の日本国特許出願特願２０１６−０７１０９７を基礎として優先権を主張するものであり、その記載内容の全てを、ここに援用する。

１０：金型、１１：第１プレート、１１ａ：第１母材、１１ｂ：第１断熱層、１１ｃ：第１金属層、１２：第２プレート、１２ａ：第２母材、１２ｂ：第２断熱層、１２ｃ：第２金属層、２０：スプル、２１：ランナ、２２：ゲート、１００：射出成形装置

Claims (9)

1. 流路を介して溶融材料を金型に射出する射出成形装置であって、
   前記流路は、金属層で囲まれた部分を有し、
   前記部分では、前記金属層と母材との間に断熱層が設けられ、前記断熱層より熱伝導率が高く且つ前記断熱層内を通る接続部を介して前記金属層が前記母材に接続されており、
   凹部が形成された第１プレートと、第２プレートとを有し、
   前記第１プレートと前記第２プレートとを重ね合わせたときに、前記断熱層と前記金属層とによって囲まれた前記部分を有する前記流路が前記凹部の内側に形成され、
   前記接続部は、前記第１プレートおよび前記第２プレートの少なくとも一方のプレートに設けられており、
   前記一方のプレートに設けられている接続部は、
   前記断熱層のうち前記一方のプレートにより構成される部分における、前記第１プレートと前記第２プレートとを重ね合わせたときに他方のプレート側となる表面から、
   前記母材のうち前記一方のプレートにより構成される部分における、前記第１プレートと前記第２プレートとを重ね合わせたときに他方のプレート側となる表面まで、を連続して覆っている、ことを特徴とする射出成形装置。
2. 前記断熱層の厚みに対する前記金属層の厚みは、０．００１〜０．３であることを特徴とする請求項１に記載の射出成形装置。
3. 前記第１プレートは、前記凹部が形成された第１面を有する第１母材と、前記凹部の内壁に設けられた第１断熱層と、前記第１断熱層の表面に設けられた第１金属層とを有し、
   前記第２プレートは、前記第１面に対向する第２面を有する第２母材と、前記第２面に設けられた第２断熱層と、前記第２断熱層の表面に設けられた第２金属層とを有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の射出成形装置。
4. 前記接続部は、前記第１断熱層の表面と前記第１面の少なくとも一部とを連続して覆うように前記第１金属層から延設した層として前記第１プレートに設けられている、ことを特徴とする請求項３に記載の射出成形装置。
5. 前記接続部は、前記第２断熱層の表面と前記第２面の少なくとも一部とを連続して覆うように前記第２金属層から延設した層として前記第２プレートに設けられている、ことを特徴とする請求項３又は４に記載の射出成形装置。
6. 前記第２母材は、前記第２面に第２凹部を有し、
   前記第２断熱層は、前記第２凹部の内部に設けられている、ことを特徴とする請求項３乃至５のうちいずれか１項に記載の射出成形装置。
7. 前記流路の下面および側面は前記第１金属層で構成され、前記流路の上面は前記第２金属層で構成されている、ことを特徴とする請求項３乃至６のうちいずれか１項に記載の射出成形装置。
8. 前記流路の下面と側面の成す角度は、９５度から１０５度の範囲内にある、ことを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の射出成形装置。
9. 前記流路はランナである、ことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の射出成形装置。