JP2020040293A - 射出成形品の製造方法、および金型構造 - Google Patents

Abstract

【課題】成形サイクルを短縮可能な射出成形品の製造方法、および金型構造を提供する。【解決手段】射出工程において、金型４０のキャビティ４３に連続して順に接続された第１流路７１および第２流路７２から当該キャビティ４３に溶融樹脂が注入される。１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のスキン層２１を形成することになる第１流路７１の高温樹脂９１が先行してキャビティ４３に注入される。また、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のコア層２２を形成することになる第２流路７２の流動可能限界付近の低温樹脂９２が後行してキャビティ４３に注入される。射出完了時に第１流路７１に残留した低温樹脂９２は次サイクルまでに昇温され高温樹脂９１となり連続成形が可能となる。【選択図】図３

Description

本発明は、射出成形品の製造方法、および金型構造に関する。

従来、射出成形品を製造するにあたって、例えば特許文献１に記載されたように複数の供給源から供給される複数ショットの溶融樹脂を順次的にキャビティに注入する製造方法が知られている。

特表２０１０−５０５６６５号

近年、射出成形品の製造において成形サイクルの更なる短縮が望まれている。この点において、特許文献１に開示された装置は成形サイクルを十分に短縮することができず、改善の余地がある。

本発明は、上述の点に鑑みてなされたものであり、その目的は、成形サイクルを短縮可能な射出成形品の製造方法、および金型構造を提供することである。

本発明の射出成形品の製造方法は、金型のキャビティに溶融樹脂が注入される射出工程において、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品のスキン層を形成することになる所定の高温の溶融樹脂が先行してキャビティに注入され、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品のコア層を形成することになる流動可能限界付近の所定の低温の溶融樹脂が後行してキャビティに注入される。

本発明の金型構造は、低温樹脂保持する流路（以下、低温流路部）と、低温樹脂を昇温させる流路（以下、高温流路部）とを備える。高温流路部は、金型のキャビティの直前に位置する第１流路を有し、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品のスキン層を形成することになる注入初期の溶融樹脂を所定の高温に昇温可能である。低温流路部は、第１流路に接続された第２流路を有し、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品のコア層を形成することになる注入初期以降の溶融樹脂を流動可能限界付近の所定の低温に保温可能である。

上述の製造方法および金型構造によれば、射出成形品のコア層を形成することになる溶融樹脂が流動可能限界付近の低温に設定することで、キャビティ注入後の樹脂の固化時間を短縮することができる。そのため、成形サイクルを短縮可能である。また、射出成形品のスキン層を形成することになる溶融樹脂が比較的に高温に設定し溶融粘度を低くすることで、射出成形品の外観不良の発生を抑制することができる。

第１実施形態の金型構造をもつ射出成形機を示す全体図である。 第１実施形態の金型の断面図である。 第１実施形態の金型の断面図であって、流路に溶融樹脂が供給された状態を示す図である。 第１実施形態の金型の断面図であって、キャビティに溶融樹脂が充填された状態を示す図である。 第１実施形態の金型の断面図であって、キャビティの樹脂が固化した状態を示す図である。 第１実施形態の金型の断面図であって、金型が開かれた状態を示す図である。 射出工程における溶融樹脂の充填挙動を説明する模式図であって、充填初期を示す図である。 射出工程における溶融樹脂の充填挙動を説明する模式図であって、充填中期を示す図である。 射出工程における溶融樹脂の充填挙動を説明する模式図であって、充填完了状態を示す図である。 冷却工程におけるキャビティ内の樹脂の温度変化を示す図である。 第２実施形態の金型の断面図である。

以下、複数の実施形態を図面に基づき説明する。実施形態同士で実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。

［第１実施形態］
図１に示す射出成形機１０は、射出成形により成形品を製造する機械である。射出成形とは、加熱溶融させた材料を金型４０内に射出注入し、冷却して固化させる事によって、成形品（すなわち射出成形品）を得る方法である。

射出成形機１０は、型締部３１および射出部３２を備える。射出部３２は、樹脂材料を加熱溶融させて金型４０内に射出する。射出部３２は溶融樹脂供給源を含む。射出部３２は、樹脂が金型４０内を流動しているときは射出速度を制御し、樹脂が金型４０内に充填された後は圧力を制御する。型締部３１は、金型４０の開閉、および、成形品の取り出し等を行う。金型４０は、固定型４１および可動型４２を有しており、型締部３１に設置される。

図２に示すように、固定型４１と可動型４２との間には空間すなわちキャビティ４３が区画形成される。このキャビティ４３に充填されて固化した樹脂が成形品になる。可動型４２は、固定型４１に対して接近および離間可能に設けられる。金型４０は、可動型４２が固定型４１に接近した型閉じ状態と、可動型４２が固定型４１から離間した型開き状態との間で開閉動作可能である。図２では金型４０は型閉じ状態である。

固定型４１は、射出部３２側に位置する取付板４４と、可動型４２との間にキャビティ４３を形成するプレート４５と、取付板４４とプレート４５との間に挟持されたスペーサブロック４６と、取付板４４からプレート４５までにわたって設けられたホットランナユニット４７とを有している。なお、ホットランナユニット４７以外の構成については、適宜他の公知の構成を採用し得る。

ホットランナユニット４７は、射出部３２のノズル３３からキャビティ４３に至るまでの流路を構成するとともに、その流路内の樹脂を溶融状態に保つものである。本実施形態では、ホットランナユニット４７は、スプル５１と、保温マニホルド５２と、昇温マニホルド５３と、ゲート５４とを有する。

スプル５１は、取付板４４に設けられており、ノズル３３に接続される。スプル５１はスプル流路５５を有する。スプル５１にはスプルヒータ５６が設けられている。保温マニホルド５２は、取付板４４とプレート４５との間に配置されており、スプル５１に接続されている。保温マニホルド５２は保温流路５７を有する。保温マニホルド５２には保温ヒータ５８が設けられている。

射出部３２から射出される溶融樹脂は、所定の低温ＴＬの樹脂である。以下、低温ＴＬの溶融樹脂を低温樹脂９２と記載する。スプルヒータ５６および保温ヒータ５８の設定温度は低温ＴＬまたはその付近に設定される。スプル５１および保温マニホルド５２は、射出部３２から射出された低温樹脂９２を低温ＴＬに保温する。低温ＴＬは、流動可能限界温度付近の温度であり、通常の射出成形時においてキャビティに注入される溶融樹脂の温度ＴＮ（以下、通常時温度ＴＮ）よりも低い。

昇温マニホルド５３は、取付板４４とプレート４５との間に配置されており、保温マニホルド５２に接続されている。昇温マニホルド５３は昇温流路５９を有する。昇温マニホルド５３には昇温ヒータ６１が設けられている。ゲート５４は、バルブゲートであって、プレート４５に設けられたバルブボディ６２と、バルブピン６３と、バルブピン６３を駆動する駆動部６４とを有する。バルブボディ６２は、昇温マニホルド５３に接続されており、バルブ流路６５を有する。バルブピン６３は、バルブ流路６５のキャビティ４３との接続口を開閉可能である。バルブボディ６２にはバルブヒータ６６が設けられている。

昇温ヒータ６１およびバルブヒータ６６の設定温度は、低温ＴＬよりも高い所定の高温ＴＨに設定される。昇温ヒータ６１およびバルブヒータ６６は、昇温流路５９およびバルブ流路６５に留まる溶融樹脂を高温ＴＨに昇温する。高温ＴＨは、通常成形温度ＴＮよりも高く、樹脂変色温度や樹脂分解温度よりも低い。以下、高温ＴＨに昇温された溶融樹脂を高温樹脂９１と記載する。図３以降において、高温樹脂９１と低温樹脂９２との区別のために双方のハッチングを変えているが、当然のことながら高温樹脂９１と低温樹脂９２は同じ樹脂である。

昇温流路５９およびバルブ流路６５は、キャビティ４３の直前に位置する第１流路７１を構成している。昇温マニホルド５３およびゲート５４は、高温流路部７５を構成している。図３に示すように、高温流路部７５は、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品のスキン層（すなわち表層部）を形成することになる注入初期の溶融樹脂を高温ＴＨに昇温可能である。このとき、高温樹脂９１の容量は １ショット容量×６／最大肉厚×スキン層厚さ 以上が望ましい。またスキン層厚さは、樹脂材料種類および温度、充填時間により変化するので適宜設定される。

スプル流路５５および保温流路５７は、第１流路７１に接続された第２流路７２を構成している。スプル５１および保温マニホルド５２は、低温流路部７６を構成している。低温流路部７６の一部は、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品のコア層（すなわち内部）を形成することになる注入初期以降の溶融樹脂を低温ＴＬに保温可能である。

射出部３２（図１参照）は、図３および図４に示すように、ノズル３３から１ショット分の溶融樹脂を第２流路７２および第１流路７１に順に送り出すことで、第１流路７１の高温樹脂９１を先行してキャビティ４３に押し出し、第２流路７２の低温樹脂９２を後行してキャビティ４３に押し出す。図５に示すように、キャビティ４３に充填されて固化した樹脂が成形品２０になる。

高温流路部７５は、図４に示すようにキャビティ４３に樹脂が充填されてから図５に示すように樹脂が冷却されて固化するまでの冷却時間と、図６に示すように金型４０が開かれて成形品２０が取り出される型開き時間と、図３に示すように金型４０が閉じられる型閉じ時間とを足した所定時間以内で、低温樹脂９２を高温ＴＨに昇温可能である。本実施形態では、例えば冷却時間および型開き時間の間に低温樹脂９２が高温ＴＨに昇温される。

昇温マニホルド５３は、接続部材８１を介して保温マニホルド５２に接続されている。昇温マニホルド５３と保温マニホルド５２との間には、接続部材８１以外の箇所に空隙８２が設けられている。空隙８２は、昇温マニホルド５３と保温マニホルド５２との間の熱伝達を抑制している。つまり、空隙８２は伝熱抑制部である。

次に、射出成形機１０による成形品の製造方法について説明する。射出成形機１０は、以下の工程（１）〜（４）を繰り返して成形品を製造する。この製造方法における成形品の成形サイクルは、工程（１）が開始してから工程（４）が終了するまでである。

（１）型閉じ工程
型閉じ工程では、図３に示すように金型４０が閉じられる。この型閉じ工程の開始時、前回の成形サイクルにおいて第２流路７２に残された低温樹脂９２および第１流路７１に残された高温樹脂９１がそのまま存在するものとする。

（２）射出工程
射出工程では、図４に示すように、キャビティ４３に連続して順に接続された第１流路７１および第２流路７２から当該キャビティ４３に溶融樹脂が注入される。このとき、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のスキン層２１（図６参照）を形成することになる第１流路７１の高温樹脂９１が先行してキャビティ４３に注入される。そして、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のコア層２２（図６参照）を形成することになる第２流路７２の低温樹脂９２が後行してキャビティ４３に注入される。

射出工程では、ノズル３３から１ショット分の溶融樹脂が第２流路７２および第１流路７１に順に送り出されることで、第１流路７１の高温樹脂９１が先行してキャビティ４３に押し出され、第２流路７２の低温樹脂９２が後行してキャビティ４３に押し出される。言い換えれば、射出工程では、ノズル３３から射出される低温樹脂９２に押し出されるようにして、バルブ流路６５および昇温流路５９に位置する高温樹脂９１と、保温流路５７およびスプル流路５５に位置する低温樹脂９２とがその順番でキャビティ４３に充填される。

射出工程における溶融樹脂の充填挙動はファウンテンフローと呼ばれる流動先端で肉厚中央付近から湧き出すように流れていく挙動をすることが公知である。この充填挙動について模式図に基づき説明する。先ず図７に示すように高温樹脂９１が先行してキャビティ４３に流れ込む。次に図８に示すように、後行の低温樹脂９２が先行の高温樹脂９１を押しながらキャビティ４３の中心部を移動する。高温樹脂９１は低温樹脂９２に押されてキャビティ４３の外周部（すなわち転写面近傍）に移動する。最終的に図９に示すように、キャビティ４３に充填された樹脂のうち、高温樹脂９１がスキン層２１を形成し、低温樹脂９２がコア層２２を形成する。

（３）冷却工程（次ショット用の高温樹脂昇温）
冷却工程では、図５に示すようにゲート５４が閉じられ、キャビティ４３に充填された樹脂が冷却されると同時に、次回先行して押し出される樹脂の高温ＴＨへの昇温が行われる。次回先行して押し出される樹脂とは、射出工程終了時においてバルブ流路６５および昇温流路５９に位置する低温樹脂９２のことである。

冷却工程におけるキャビティ４３内の樹脂の温度変化について、比較形態との比較により説明する。比較形態では、キャビティに充填される溶融樹脂の温度は全て通常時温度ＴＮである。図１０に示すように、比較形態では、冷却開始の時刻ｔ０から程なくしてスキン層の温度Ｔｓ−１が取出可能温度ＴＲ以下になる。取出可能温度ＴＲは、金型から成形品を取り出し可能な温度であって、例えば融点温度付近である。そして、コア層の最深部の温度Ｔｃ−１は、時刻ｔ０から固化時間Ｔ１が経過した時刻ｔ２において取出可能温度ＴＲ以下になる。

これに対して、第１実施形態では、時刻ｔ０から程なくしてスキン層の温度Ｔｓ−２が取出可能温度ＴＲ以下になる。そして、コア層の最深部の温度Ｔｃ−２は、比較形態の温度Ｔｃ−１と比べて初期温度が低く設定されているので、固化時間Ｔ１よりも短い固化時間Ｔ２が経過した時刻ｔ１において取出可能温度ＴＲ以下になる。第１実施形態では、比較形態と比べて固化時間Ｔ１と固化時間Ｔ２との差（Ｔ１−Ｔ２）の分だけ冷却工程の時間を短縮することができる。なお、上記の時間差（Ｔ１−Ｔ２）は、成形品の形状や使用する樹脂材料等に応じて変化する。

（４）型開き工程（次ショット用の高温樹脂昇温）
型開き工程では、図６に示すように金型４０が開かれ、成形品２０が取り出される。この工程では、次回先行して押し出される樹脂の高温ＴＨへの昇温が継続して行われる。

（効果）
以上説明したように、第１実施形態では、射出工程において、金型４０のキャビティ４３に連続して順に接続された第１流路７１および第２流路７２から当該キャビティ４３に溶融樹脂が注入される。１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のスキン層２１を形成することになる第１流路７１の高温樹脂９１が先行してキャビティ４３に注入される。また、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のコア層２２を形成することになる第２流路７２の流動可能限界付近の低温樹脂９２が後行してキャビティ４３に注入される。

このような製造方法によれば、成形品２０のコア層２２を形成することになる溶融樹脂が流動可能限界付近の低温ＴＬとされることから、キャビティ注入後の樹脂の固化時間を短縮することができる。そのため、成形サイクルを短縮可能である。また、成形品２０のスキン層２１を形成することになる溶融樹脂が比較的に高温ＴＨとされることから、成形品２０の外観不良の発生を抑制することができる。

また、第１実施形態では、射出工程では、射出部３２から１ショット分の溶融樹脂が第２流路７２および第１流路７１に順に送り出されることで、第１流路７１の高温樹脂９１が先行してキャビティ４３に押し出され、第２流路７２の低温樹脂９２が後行してキャビティ４３に押し出される。これにより、流路および供給源の切り換え等を行わずとも、１ショットの射出により高温樹脂９１および低温樹脂９２を順にキャビティ４３に注入することができるので、成形サイクルを短縮可能である。

また、第１実施形態では、製造方法は、射出工程の前工程であって、金型４０が閉じられる型閉じ工程と、射出工程の後工程であって、キャビティ４３に注入された樹脂が冷却される冷却工程と、冷却工程の後に金型４０が開かれて成形品２０が取り出される型開き工程とを含む。冷却工程および型開き工程では、キャビティ４３の直前に位置する流路、すなわち第１流路７１の溶融樹脂が高温ＴＨに昇温される。そのため、次回キャビティ４３へ先行して注入される樹脂を高温ＴＨに昇温するための工程を新たに設けずとも、既存の工程内で同時並行して高温樹脂９１を準備することができる。

また、第１実施形態では、成形金型の固定側金型４１は、高温流路部７５および低温流路部７６を備える。高温流路部７５は、金型４０のキャビティ４３の直前に位置する第１流路７１を有し、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のスキン層２１を形成することになる注入初期の溶融樹脂を高温ＴＨに昇温可能である。低温流路部７６は、第１流路７１に接続された第２流路７２を有し、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に成形品２０のコア層２２を形成することになる注入初期以降の溶融樹脂を流動可能限界付近の低温ＴＬに保温可能である。

このような射出成形機１０によれば、成形品２０のコア層２２を形成することになる溶融樹脂が流動可能限界付近の低温ＴＬとされることから、キャビティ注入後の樹脂の固化時間を短縮することができる。そのため、成形サイクルを短縮可能である。また、成形品２０のスキン層２１を形成することになる溶融樹脂が比較的に高温ＴＨとされることから、成形品２０の外観不良の発生を抑制することができる。

また、第１実施形態では、射出成形機１０は、溶融樹脂供給源としての射出部３２を備える。溶融樹脂供給源は、１ショット分の溶融樹脂を第２流路７２および第１流路７１に順に送り出すことで、第１流路７１の高温樹脂９１を先行してキャビティ４３に押し出し、第２流路７２の低温樹脂９２を後行してキャビティ４３に押し出す。これにより、流路および供給源の切り換え等を行わずとも、１ショットの射出により高温樹脂９１および低温樹脂９２を順にキャビティ４３に注入することができるので、成形サイクルを短縮可能である。

また、第１実施形態では、高温流路部７５は、キャビティ４３に充填された樹脂の冷却時間と、金型４０が開かれて成形品２０が取り出される時間と、金型４０が閉じられる時間とを足した所定時間以内で、低温樹脂９２を高温ＴＨに昇温可能である。そのため、次回キャビティ４３へ先行して注入される樹脂を高温ＴＨに昇温するための待機時間を新たに設けずとも、既存の作動時間内で同時並行して高温樹脂９１を準備することができる。

また、第１実施形態では、低温流路部７６は保温マニホルド５２を含む。高温流路部７５は昇温マニホルド５３を含む。そのため、次回キャビティ４３へ注入される高温樹脂９１および低温樹脂９２をホットランナユニット４７内で準備することができる。また、例えば射出部３２と成形品２０とのレイアウトの関係等に応じてホットランナユニット４７を好適に配置することができ、設計自由度が向上する。

また、第１実施形態では、昇温マニホルド５３と保温マニホルド５２との間には、昇温マニホルド５３から保温マニホルド５２への熱伝達を抑制する伝熱抑制部としての空隙８２が設けられている。これにより、高温樹脂９１と低温樹脂９２との温度差を保つことができる。

［第２実施形態］
第２実施形態では、図１１に示すように、高温流路部７５はスプル５１であり、また、第１流路７１はスプル流路５５である。低温流路部７６は射出部３２であり、また、第２流路７２は、ノズル３３およびそれに接続された射出部３２内の流路である。第２実施形態は、上記以外の構成が第１実施形態と同様であり、第１実施形態と同様の効果を奏する。また、第２実施形態によれば、金型４０が小さくなり、装置を小型化することができる。

［他の実施形態］
他の実施形態では、冷却工程、型開き工程および型閉じ工程のうち１つの工程、または全ての工程で、次回先行して押し出される樹脂の高温への昇温が行われてもよい。また、冷却時間、型開き時間および型閉じ時間のうち１つの作動時間、または全ての作動時間で、次回先行して押し出される樹脂の高温への昇温が行われてもよい。

他の実施形態では、伝達抑制部は、空隙に限らず、断熱材などから構成されてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の形態で実施可能である。

１０：射出成形機、 ２０：射出成形品、 ２１：スキン層、 ２２：コア層
４０：金型、 ４３：キャビティ
７１：第１流路、 ７２：第２流路、 ７５：高温流路部、
９１：高温樹脂（高温の溶融樹脂）、 ９２：低温樹脂（低温の溶融樹脂）

Claims (9)

1. 金型（４０）のキャビティ（４３）に溶融樹脂が注入される射出工程において、
   １ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品（２０）のスキン層（２１）を形成することになる所定の高温の溶融樹脂（９１）が先行して前記キャビティに注入され、
   １ショット分の溶融樹脂のうち、後に前記射出成形品のコア層（２２）を形成することになる流動可能限界付近の所定の低温の溶融樹脂（９２）が後行して前記キャビティに注入される、射出成形品の製造方法。
2. 前記射出工程では、溶融樹脂供給源から１ショット分の溶融樹脂が第２流路および第１流路に順に送り出されることで、前記第１流路で昇温された前記高温の溶融樹脂が先行して前記キャビティに押し出され、前記第２流路で保温された前記低温の溶融樹脂が後行して前記キャビティに押し出される請求項１に記載の射出成形品の製造方法。
3. 前記射出工程の前工程であって、前記金型が閉じられる型閉じ工程と、
   前記射出工程の後工程であって、前記キャビティに注入された樹脂が冷却される冷却工程と、
   前記冷却工程の後に前記金型が開かれて前記射出成形品が取り出される型開き工程と、
   を含み、
   前記冷却工程、前記型開き工程および前記型閉じ工程のうち１つの工程、または複数の工程では、前記キャビティの直前に位置する流路の溶融樹脂が前記高温に昇温される請求項１または２に記載の射出成形品の製造方法。
4. 前記射出工程では、溶融樹脂供給源から１ショット分の溶融樹脂が成形機から供給され、前記溶融樹脂供給減である射出成形機のノズル部またはその近傍にて昇温された前記高温の溶融樹脂が先行して前記キャビティに押し出され、シリンダ内で保温された比較的低温の溶融樹脂が後行して前記キャビティに押し出される請求項１に記載の射出成形品の製造方法。
5. 金型のキャビティの直前に位置する第１流路を有し、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品のスキン層を形成することになる注入初期の溶融樹脂を所定の高温に昇温可能な高温流路部（７５）と、
   前記第１流路に接続された第２流路を有し、１ショット分の溶融樹脂のうち、後に射出成形品のコア層を形成することになる注入初期以降の溶融樹脂を流動可能限界付近の所定の低温に保温可能な低温流路部（７６）と、を備える金型構造。
6. １ショット分の溶融樹脂を前記第２流路および前記第１流路に順に送り出すことで、前記第１流路の前記高温の溶融樹脂を先行して前記キャビティに押し出し、前記第２流路の前記低温の溶融樹脂を後行して前記キャビティに押し出す溶融樹脂供給源（３２）、をさらに備える請求項５に記載の金型構造。
7. 前記高温流路部は、前記キャビティに充填された樹脂の冷却時間と、前記金型が開かれて前記射出成形品が取り出される時間と、前記金型が閉じられる時間とを足した所定時間以内で、前記低温の溶融樹脂を前記高温に昇温可能である請求項５または６に記載の金型構造。
8. 前記低温流路部は保温マニホルド（５２）を含み、
   前記高温流路部は昇温マニホルド（５３）を含む請求項５〜７のいずれか一項に記載の金型構造。
9. 前記昇温マニホルドと前記保温マニホルドとの間には、前記昇温マニホルドから前記保温マニホルドへの熱伝達を抑制する伝熱抑制部（８２）が設けられている請求項８に記載の金型構造。

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