(57)【要約】  第１の成形部品及び第２の成形部品を備える金型を有する高生産性射出成型法および機械であって、第１の成形部品及び第２の成形部品のうちの少なくとも１つが、平均硬度５１．９Ｗ／ｍ−℃以上を有する材料から形成され、１００万射出成形サイクルを超える耐用年数を有する、高生産性射出成形機。
2015520050.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高生産性射出成形機を作動する方法であって、
第１の金型側方部及び第２の金型側方部を備える金型を有するとともに、前記第１の金型側方部及び前記第２の金型側方部の間に形成された金型キャビティを有する、射出成形機を提供する工程であって、前記第１の金型側方部及び前記第２の金型側方部のうちの少なくとも１つが、５１．９Ｗ／ｍ−℃（３０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）を超える平均熱伝導率を有する、工程と、
前記射出成形機を少なくとも１つの射出成形サイクルを通じて作動する工程とを含み、前記射出成形サイクルが、
溶融熱可塑性材料を前記金型キャビティ内に送り込む工程と、
前記金型に熱可塑性材料を実質的に充填する工程と、
前記熱可塑性材料を冷却する工程と、
前記第１の金型側方部と前記第２の金型側方部とを分離し、前記冷却された熱可塑性材料を露出する工程と、
前記冷却された熱可塑性材料を除去する工程と、
前記第１の金型側面と前記第２の金型側面を閉鎖する工程と、を含み、
前記提供する工程が、前記第１の金型側面及び前記第２の金型側面のうちの少なくとも１つが１２５万〜１，０００万射出成形サイクルの耐用年数を有することを特徴とする前記射出成形機を提供する工程を含み、これらの射出成形サイクルのそれぞれが、前記実質的に充填する工程、前記冷却する工程、前記分離する工程、前記除去する工程、及び前記閉鎖する工程を含む、方法。
【請求項２】
前記提供する工程が、前記第１の金型側方部及び前記第２の金型側方部のそれぞれが５１．９Ｗ／ｍ−℃（３０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）の平均熱伝導率を有する前記射出成形機を提供することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記提供する工程が、
前記金型キャビティに流体接続された３個以下のゲートを有する前記射出成形機を提供する工程を含み、
前記送り込む工程が、前記熱可塑性材料を前記３個以下のゲートを通じて送り込む工程を含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
前記提供する工程が、前記３個以下のゲートを有する前記射出成形機を提供する工程を含み、前記３個以下のゲートのうちの少なくとも１つが、前記金型キャビティ内において冷却された熱可塑性材料によって形成される部品の公称肉厚の８０％未満である断面積を有する、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記提供する工程が、前記３個以下のゲートを有する前記射出成形機を提供する工程を含み、前記公称肉厚の８０％未満の前記断面積を有する前記少なくとも１つのゲートが、０．５ｍｍ〜１０ｍｍの有効ゲート面積を有する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記提供する工程が、１００を超えるＬ／Ｔ比を有する薄肉金型キャビティを備えた前記射出成形機を提供する工程を含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記提供する工程が、１００を超えるが１，０００未満のＬ／Ｔ比を有する薄肉金型キャビティを備えた前記射出成形機を提供する工程を含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記提供する工程が、少なくとも４つの金型キャビティを有する前記射出成形を提供する工程を含む、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記提供する工程が、
前記金型キャビティが、前記第１の金型部品と前記第２の金型部品との間に形成される複数の金型キャビティのうちの１つである前記射出成形機を提供する工程を含み、前記複数の金型キャビティが１６〜２５６の金型キャビティを含み、
前記送り込む工程が、前記熱可塑性材料を前記複数の金型キャビティ内に送り込む工程を含む、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記作動する工程が、前記射出成形機を複数の射出成形サイクルを通じて作動する工程を含み、前記射出サイクルのそれぞれが、前期実質的に充填する工程と、前記冷却する工程と、前記分離する工程と、前記除去する工程と、前記閉鎖する工程とを含み、前記射出サイクルのそれぞれが、２秒〜１５秒のサイクル時間を有する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記作動する工程が、前記射出成形機を作動する工程を含み、前記射出サイクルのそれぞれが、８秒〜１０秒のサイクル時間を有する、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記作動する工程が、前記射出成形機を１２５万〜１，０００万の射出成形サイクルを通じて作動する工程を含み、前記射出サイクルのそれぞれが、前記金型の前記耐用年数を超えることなく、前期実質的に充填する工程と、前記冷却する工程と、前記分離する工程と、前記除去する工程と、前記閉鎖する工程とを含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記作動する工程が、前記射出成形機を２００万〜５００万の射出成形サイクルを通じて作動する工程を含み、前記射出サイクルのそれぞれが、前記金型の前記耐用年数を超えることなく、前期実質的に充填する工程と、前記冷却する工程と、前記分離する工程と、前記除去する工程と、前記閉鎖する工程とを含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記提供する工程が、前記第１の成形部品及び前記第２の成形部品のうちの少なくとも１つが平均硬度が２０Ｒｃ未満の材料から製作された前記射出成形機を提供する工程を含む、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記提供する工程が、前記第１の成形部品及び前記第２の成形部品のうちの少なくとも１つが、アルミニウム、ベリリウム、銅、及びこれらの任意の合金を含む群から選択された材料から製作されている、前記射出成形機を提供する工程を含む、前記請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出成形機を作動する方法、より詳細には、高熱伝導率材料から製作した金型を有する高生産性射出成形機を作動する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
射出成形は、溶融可能材料で作製された部品、最も一般的には熱可塑性ポリマーで作製された部品の大量生産に一般に用いられる技術である。繰返し射出成形プロセスの間、プラスチック樹脂（ほとんどの場合、小さなビーズ又はペレットの形）が、熱、圧力、及び剪断力をかけた状態で樹脂ビーズを溶融させる射出成形機に導入される。次に、溶融樹脂は、特定のキャビティ形状を有する金型キャビティに強制的に注入される。射出されたプラスチックは、金型キャビティ中の圧力下で保持され、冷却され、次いで金型のキャビティ形状を本質的に複製した形状を有する固化した部品として取り出される。金型自体が、単一のキャビティ又は複数のキャビティを有してもよい。各キャビティは、溶融樹脂の流れをキャビティ内に導くゲートによって流路に接続されることがある。成形された部品は、１つ以上のゲートを有する場合がある。大きな部品は、成形部品を充鎮するようポリマーが移動しなければならない流れ距離を低減するために、２つ、３つ、又はそれ以上のゲートを有することが一般的である。キャビティ当たり１つ又は複数のゲートは、部品形状上のどこに配置されてもよく、本質的に円形等の任意の断面形状を有しても、又は１．１又はそれを超えるアスペクト比で形作られてもよい。したがって、典型的な射出成形手順は、（１）射出成形機内でプラスチックを加熱し、それを圧力下で流し、（２）閉じられた２つの金型半体の間に画定された金型キャビティ内に溶融プラスチックを注入し、（３）圧力をかけた状態でプラスチックをキャビティ内で冷却し硬化させ、（４）金型半体を開いて部品を金型から取り出す、４つの基本操作を含む。
【０００３】
射出成形プロセスの間、溶融プラスチック樹脂は、金型キャビティの中に射出され、プラスチック樹脂は、プラスチック樹脂がゲートから最も遠いキャビティ内の位置に達するまで射出成形機によってキャビティに強制的に射出される。その後、プラスチック樹脂は、端部後方からゲートに向かってキャビティを充填する。これにより得られる部品の長さ及び壁厚は、金型キャビティの形状の結果である。
【０００４】
場合によっては、最終部品のプラスチック含有量を低減し、したがってコストを低減するために、射出成形部品の壁厚を低減するのが望ましい場合がある。従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスを用いて壁厚を低減するのは、高価で非自明な課題であり得る。実際に、従来の圧力変動の大きい射出成形機（例えば、溶融プラスチック樹脂を約５５．１６ＭＰａ〜約１３７．９０ＭＰａ（約８，０００ｐｓｉ〜約２０，０００ｐｓｉ）で射出する機械）は、どれだけ薄い部品の壁を成形できるかということに対する実際的な限界を有する。一般的に、従来の圧力変動の大きい射出成形機は、約２００を超える薄肉比（下記のＬ／Ｔ比によって定義される）を有する部品を成形することができない。更に、薄肉比が１００を超える薄肉部品の成形は、現在の能力の上限の圧力を必要とし、したがって、こうした高圧に対処することができるプレス機を必要とする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
薄肉部品を充填する場合、現在の工業的手法は、成形機が達成し得る最高速度で金型キャビティを充填する。この手法は、ポリマーが金型の中で「凝固」する前に金型キャビティが充填されるのを確実にし、また、ポリマーは可及的速やかに冷却金型キャビティに暴露されるので、可能な限り短いサイクル時間を提供する。この手法は２つの欠点を有する。第１の欠点は、非常に高速な充填速度を達成するためには、非常に高い電源負荷が必要であり、それには非常に高価な成形機器が必要なことである。更に、ほとんどの電動プレスは、こうした高い充填速度を達成するのに十分な電力を提供することができないか、又は、非常に複雑で高価な駆動システムを必要とし、成形機器の価格を実質的に増大させて、経済的に実現困難なものとする。
【０００６】
第２の欠点は、高い充填速度は非常に高い圧力を生じさせることである。こうした高圧は、金型を閉じた状態に保持するために非常に強い型締力の必要性をもたらし、こうした強い型締力は成形機器を非常に高価なものとする。高圧はまた、典型的には硬化工具鋼から作製される、非常に高強度の射出成形金型を必要とする。こうした高強度の金型は非常に高価でもあり、多くの成形品にとって経済的に実用的でない可能性がある。たとえこうした事実上の欠点があったとしても、薄肉射出成形部品の必要性は依然として高く、その理由は、これら部品は成形部品を作製するためのポリマー材料の使用量を抑え、結果として高い機器費用を補って余りある節約となるからである。更に、一部の成形品は、適切に機能するために、例えば、屈曲する必要がある設計要素又は非常に小さな形成部と嵌合しなければならない設計要素といった、非常に薄い設計要素を必要とする。
【０００７】
液状プラスチック樹脂が、従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスにおいて射出成形金型に導入されると、液状プラスチック樹脂は材料のノーフロー温度を下回る温度まで冷却し、液状プラスチックの一部は動かなくなるので、キャビティの壁に隣接した材料は、直ちに「凝固」若しくは固結又は硬化しはじめ、結晶性ポリマーの場合には、プラスチック樹脂は結晶化し始める。金型の壁に隣接したこの凝固した材料は、金型キャビティの端部に向かうにつれて熱可塑性樹脂が移動する流路を狭める。金型の壁に隣接した凝固材料層の厚さは、金型キャビティの充填が進むにつれて増加し、引き続き金型キャビティを充填するためにポリマーがそこを通って流れる必要がある断面積を漸減させる原因となる。材料が凝固すると、材料は更に縮み、金型キャビティの壁から離れ、金型キャビティの壁によって材料を冷却する効果を低下させる。その結果、従来の圧力変動の大きい射出成形機は、非常に急速に金型キャビティをプラスチックで充填した後、冷却を促進しかつ成形部品の正しい形状を維持するために、金型キャビティの側面に対して材料を外側に押し付ける填塞圧力を維持する。従来の圧力変動の大きい射出成形機は、典型的には、約１０％の射出時間、約５０％の填塞時間、及び約４０％の冷却時間から成るサイクル時間を有する。
【０００８】
プラスチックが金型の中で凝固するにつれて、従来の圧力変動の大きい射出成形機は、（流れ断面積が小さくなるので、実質的に一定の体積流量を維持するために）射出圧力を増加させる。しかしながら、圧力を高めると、コストと能力の両方が低下しやすい。構成要素を成形するのに必要とされる圧力が高くなるので、成形機は、追加圧力に耐えられるほど十分に頑強でなければならず、一般に高価になる。製造業者は、高い圧力に適応するために新しい設備を購入しなければならないことがある。したがって、所定の部品の壁厚を薄くすると、従来の射出成形技術による製造を達成するための資本経費がかなり増えることになる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上述した欠点のいくつかを回避するために、多くの従来の射出成形操作は、剪断減粘性プラスチック材料を使用して、金型キャビティの中に入るプラスチック材料の流動特性を改善する。剪断減粘性プラスチック材料が金型キャビティの中に射出されると、プラスチック材料と金型キャビティの壁との間に生成される剪断力は、プラスチック材料の粘度を低減する傾向があり、それによって、プラスチック材料はより自由かつ容易に金型キャビティに流れ込むことが可能となる。結果として、金型が完全に充填される前に材料が完全に凝固するのを回避するのに十分なだけ速く、薄肉部を充填することが可能である。
【００１０】
粘度の低下は、プラスチック材料と供給システムとの間、及びプラスチック材料と金型キャビティ壁との間に生成される剪断力の大きさに直接関連する。したがって、これら剪断減粘性材料の製造業者及び射出成形システムのオペレータは、剪断力を増大させ、したがって粘度を低減するために、射出成形圧力をより大きくしてきた。典型的には、高出力射出成形システム（例えば、クラス１０１及び３０のシステム）は、プラスチック材料を、典型的には１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）又はそれ以上の溶融圧力で、金型キャビティの中に射出する。剪断減粘性プラスチック材料の製造業者は、射出成形機のオペレータに、最低溶融圧力以上でプラスチック材料を金型キャビティの中に射出するように指導する。例えば、ポリプロピレン樹脂は、典型的には、４１．３７ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）を超える圧力で処理される（ポリプロピレン樹脂製造業者らに推奨される範囲は、典型的には４１．３７ＭＰａ超〜約１０３．４２ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ〜約１５，０００ｐｓｉ）である）。プレス機械製造業者ら及び加工技術者らは典型的には、塑性材料から最大の減粘及びより良好な流動特性を引き出すために、典型的には１０３．４ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を超える、可能な最大ずり減粘を達成するために、範囲の上限で、又はそれより有意に高く、ずり減粘ポリマーを処理することを推奨する。ずり減粘熱可塑性ポリマーは概して、４１．３７ＭＰａ超〜約２０６．８４ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ〜約３０，０００ｐｓｉ）の範囲で処理される。剪断減粘性プラスチックを使用したとしても、薄肉の部品の圧力変動の大きい射出成形には実際的な限界が存在する。この限界は、現在のところ、２００以上の薄肉比を有する薄肉部品の範囲である。更に、１００〜２００の薄肉比を有する部品でさえも、こうした部品は、一般に、約１０３．４ＭＰａ〜約１３７．９ＭＰａ（約１５，０００ｐｓｉ〜約２０，０００ｐｓｉ）の射出圧力を必要とするので、桁違いの費用がかかる。
【００１１】
薄肉の消費者製品を製造する高生産射出成形機（即ち、クラス１０１及びクラス３０の成形機）はもっぱら、金型の大部分が高硬度材料で作製されている金型を使用する。高生産射出成形機は、典型的には、年間５００，０００サイクル以上を製造する。工業品質の製造金型は、年間少なくとも５００，０００サイクル、好ましくは年間１，０００，０００サイクル超過、より好ましくは年間５，０００，０００サイクル超過、更により好ましくは年間１０，０００，０００サイクル超過に耐えるように設計されなければならない。こうした機械は、生産率を上げるために、多数個取りの金型と複合冷却システムとを有する。高硬度材料は、硬度の低い材料よりも、繰り返される高圧型締動作により耐えることができる。しかしながら、ほとんどの工具鋼等の高硬度材料は、概して３４．６Ｗ／ｍ−℃（２０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）未満の比較的低い熱伝導率を有し、それは、熱が高硬度材料を通して溶融プラスチック材料から伝達される際に、長い冷却時間をもたらす。
【００１２】
既存の圧力変動の大きい射出成形機の射出圧力範囲がますます上昇しても、従来の圧力変動の大きい（例えば、１３７．９０ＭＰａ（２０，０００ｐｓｉ））射出成形機の中で薄肉部品を成形するための実際的な限界は、約２００（Ｌ／Ｔ比）のままであり、約１００〜約２００の薄肉比を有する薄肉部品は、多くの製造業者にとって桁違いの費用がかかるものとなり得る。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
図面に示された実施形態は、本質上実例及び例示的なものであり、「特許請求の範囲」によって定義された内容を制限するものではない。例示的な実施形態の以下の詳細は、以下の図面と共に読むと理解することができ、図面中、同様の構造は同様の参照番号により示される。
【図１】本開示に従って構成された高生産性射出成形機の概略図を示す。
【図２】図１の高生産性射出成形機で形成された薄肉部品の一実施形態を示す。
【図３】従来の圧力変動の大きい射出成形機のキャビティ圧力と時間とを対比するグラフと重なり合った、図１の高生産性射出成形機のキャビティ圧力と時間とを対比するグラフである。
【図４】従来の圧力変動の大きい射出成形機のキャビティ圧力と時間とを対比するグラフと重なり合った、図１の高生産性射出成形機の別のキャビティ圧力と時間とを対比するグラフであり、グラフは、特定の充填工程に当てられた充填時間の百分率を示している。
【図５Ａ】従来の圧力変動の大きい射出成形機による様々な充填段階における薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図５Ｂ】従来の圧力変動の大きい射出成形機による様々な充填段階における薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図５Ｃ】従来の圧力変動の大きい射出成形機による様々な充填段階における薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図５Ｄ】従来の圧力変動の大きい射出成形機による様々な充填段階における薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図６Ａ】図１の高生産性射出成形機による様々な段階の充填における薄肉金型キャビティの一部の側断面図である。
【図６Ｂ】図１の高生産性射出成形機による様々な段階の充填における薄肉金型キャビティの一部の側断面図である。
【図６Ｃ】図１の高生産性射出成形機による様々な段階の充填における薄肉金型キャビティの一部の側断面図である。
【図６Ｄ】図１の高生産性射出成形機による様々な段階の充填における薄肉金型キャビティの一部の側断面図である。
【図７】高生産性射出成形機で実行し得る射出成形サイクルの模式図である。
【図８】図１の射出成形機の金型アセンブリの一実施形態の断面図である。
【図９】金型アセンブリの代替的実施形態の透視図である。
【図１０】金型アセンブリの別の代替的実施形態の透視図である。
【図１１】積層板の代替的実施形態の斜視図である。
【図１２】積層板の別の代替的実施形態の斜視図である。
【図１３】金型アセンブリの更に別の代替的実施形態の断面図である。
【図１４】金型アセンブリの更に別の代替的実施形態の断面図である。
【図１５】ピーク電力とピーク流量に対するキャビティ充填パーセンテージの関係を示すグラフである。
【図１６】ピーク電力流動係数と金型キャビティのＬ／Ｔの関係を示すチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本発明の実施形態は、一般に、射出成形によって製品を製造するためのシステム、機械、製品、及び方法に関し、より詳細には、実質的に一定圧力の射出成形によって製品を製造するためのシステム、製品、及び方法に関する。
【００１５】
熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で用いる用語「低圧」とは、６０００ｐｓｉ以下である射出成形機のノズル付近の溶融圧力を意味する。
【００１６】
熱可塑性材料の溶融圧に関して本明細書で用いる用語「実質的に一定圧」とは、基線溶融圧からのずれが、熱可塑性材料の物理的特性において重要な変化を生じさせないことを意味する。例えば、「実質的に一定圧」としては、融解熱可塑性材料の粘度が大きく変化することがない圧力変化が挙げられるが、これに限定されない。この点に関して、用語「実質的に一定」とは、基線溶融圧から約３０％のずれを含む。例えば、用語「約３１．７１ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）の実質的に一定圧」とは、約４１．３７ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）（３１．７２ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）よりも３０％高い）〜約２２．０６ＭＰａ（３２００ｐｓｉ）（３１．７２ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）よりも３０％低い）の範囲内の圧力変動を含む。溶融圧が、前述の圧力から３０％以下で変動する限りにおいて、実質的に一定であると考えられる。
【００１７】
用語「融液保持容器」は、本明細書で使用するとき、機械ノズルと流体連通する溶融プラスチックを含有している射出成形機の部分を指す。ポリマーが所望の温度で調製されかつ保持され得るように、融液保持容器は加熱される。融液保持容器は、中央制御装置と連通した電源、例えば、油圧シリンダ又は電動サーボモータに接続され、機械ノズルを通して溶融プラスチックを押し進めるために隔膜を前進させるように制御され得る。次に、溶融材料は、ランナーシステムを通って金型キャビティに流れ込む。融液保持容器は、断面が円筒形であってもよく、又は０．６８９ＭＰａ（１００ｐｓｉ）という低い圧力から２７５．８０ＭＰａ（４０，０００ｐｓｉ）以上の圧力の範囲であり得る圧力下で、隔膜が機械ノズルを通してポリマーを押し進めるのを可能にする代替断面を有してもよい。隔膜は、必要に応じて、射出前にポリマー材料を可塑化するように設計されたフライトを有する往復スクリューに一体的に結合されてもよい。
【００１８】
用語「高Ｌ／Ｔ比」は、一般に、１００以上のＬ／Ｔ比、より具体的には２００以上で１，０００未満のＬ／Ｔ比を指す。Ｌ／Ｔ比の計算は以下に定義される。
【００１９】
用語「ピーク流量」は、一般に、機械ノズルで測定された最大体積流量を指す。
【００２０】
用語「ピーク射出速度」は、一般に、ポリマーを供給システムの中に押し進めるプロセス中に射出ラムが移動する最大線速度を指す。ラムは、一段階射出システムの場合などでは往復スクリューであり得、二段階射出システムの場合などでは水圧ラムであり得る。
【００２１】
用語「ラム速度」は、一般に、ポリマーを供給システムの中に押し進めるプロセス中に射出ラムが移動する最大線速度を指す。
【００２２】
用語「流量」は、一般に、機械ノズルで測定されたポリマーの体積流量を指す。この流量は、ラム速度及びラム断面積に基づいて計算するか、又は機械ノズル内に位置する好適なセンサを用いて測定することができる。
【００２３】
用語「キャビティ充填百分率」は、一般に、充填されたキャビティの体積基準に対する割合を指す。例えば、キャビティが９５％充填された場合には、充填された金型キャビティの総容積は、金型キャビティの総容積の９５％である。
【００２４】
用語「溶融温度」は、一般に、融液保持容器の中に保持されているポリマーの温度、及び、ポリマーを溶融状態に保つホットランナーシステムを使用する場合には、材料供給システムの中に保持されているポリマーの温度を指す。溶融温度は材料によって異なるが、望ましい溶融温度は、一般に、材料製造業者が推奨する範囲内であると理解される。
【００２５】
用語「ゲートサイズ」は、一般に、ランナーと金型キャビティの交差により形成されるゲートの断面積を指す。ホットランナーシステムでは、ゲートは、ゲートにおいて材料の流れのポジティブな遮断のない開放設計か、又はゲートを通って金型キャビティに入る材料の流れを機械的に遮断するために弁棒を使用する閉鎖設計（一般に弁ゲートと呼ばれる）のものであり得る。ゲートサイズは断面積を指し、例えば、１ｍｍゲート径は、ゲートが金型キャビティと交わる点におけるゲートの断面積が１ｍｍであることを指す。ゲートの断面は、任意の所望の形状であってもよい。
【００２６】
用語「有効ゲート面積」は、一般的に、金型キャビティと、金型キャビティに熱可塑性材料を供給する供給システム（例えばランナー）の材料流路との交差に対応するゲートの断面積を指す。ゲートは加熱しても、加熱しなくてもよい。ゲートは、熱可塑性材料の金型キャビティへの望ましい流れに好適な、円形又は任意の断面形状であってよい。
【００２７】
用語「増圧比」は、一般に、機械ノズルを通して溶融ポリマーを押し進める射出ラムに対して射出力供給源が有する機械的利益を指す。油圧源では、ハイドロリックピストンは、射出ラムに対して１０：１の機械的利益を有するのが一般的である。しかしながら、機械的利益は、２：１などの大幅に低い比から、５０：１などの大幅に高い機械的利益比まで様々であり得る。
【００２８】
用語「ピーク電力」は、一般に、金型キャビティを充填する際に生成される最大電力を指す。ピーク電力は、充填サイクルのどの時点であっても生じ得る。ピーク電力は、機械ノズルで測定されたプラスチック圧の積に、機械ノズルで測定された流量を乗じることによって決定される。電力は、式：Ｐ＝ｐ*Ｑ（式中、ｐは圧力であり、Ｑは体積流量である）で計算される。
【００２９】
用語「体積流量」は、一般に、機械ノズルで測定された流量を指す。この流量は、ラム速度及びラム断面積に基づいて計算するか、又は機械ノズル内に位置する好適なセンサを用いて測定することができる。
【００３０】
用語「充填された」及び「満タン状態」は、熱可塑性材料を含む金型キャビティに関して用いる場合、同じ意味で用いられ、共に、熱可塑性材料が金型キャビティに流れ込むのを中止したことを意味する。
【００３１】
用語「射出能力（shot size）」は、一般に、金型キャビティを完全に充填するために融液保持容器から射出されるポリマーの体積を指す。射出能力の体積は、射出直前の融液保持容器中のポリマーの温度及び圧力に基づいて決定される。換言すれば、射出能力は、所与の温度及び圧力において射出成形ラムの１ストロークで射出される溶融プラスチック材料の総体積である。射出能力は、溶融プラスチック材料を１つ以上のゲートを介して１つ以上の射出キャビティの中に射出することを含み得る。溶融プラスチック材料のショットはまた、１つ以上の融液保持容器によって準備されて射出されてもよい。
【００３２】
用語「ヘジテーション」は、一般に、ポリマーの一部がそのノーフロー温度未満に低下して凝固し始めるのに十分なだけ、流頭の速度が最小化される時点を指す。
【００３３】
用語「電動モータ」及び「電動プレス」は、本明細書において使用される場合、電動サーボモータ及び電動のリニアモータの両方を包含する。
【００３４】
用語「ピーク電力流動係数」は、１回の射出成形サイクル中に射出成形システムが必要とするピーク電力の正規化測定値を指し、このピーク電力流動係数を使用して、異なる射出成形システムの所要電力を直接比較することができる。ピーク電力流動係数は、最大成形圧力積に（本明細書において定義される）充填サイクル中の流量を乗じたものと一致するピーク電力を最初に決定し、次に、充填される金型キャビティの射出能力を決定することによって計算される。続いて、ピーク電力を射出能力で除してピーク電力流動係数を計算する。
【００３５】
用語「キャビティ充填百分率」は、充填されたキャビティの体積基準に対する％として定義される。したがって、キャビティが９５％充填される場合、その時の充填される金型キャビティの総容積は、金型キャビティの総容積容量の９５％である。
【００３６】
用語「高生産性射出成形機」は、クラス１０１又はクラス３０の射出成形機として定義される。あるいは、用語「高生産性射出成形機」は、成形コア（第１の金型部品と第２の金型部品との間に金型キャビティが形成されている）がその耐用年数の終了に達するまでに、１００万サイクル超、好ましくは１２５万サイクル超、より好ましくは２００万サイクル超、更に好ましくは５００万サイクル超、更に好ましくは１，０００万サイクル超を実行する能力を有する射出成形機として定義し得る。「高生産性射出成形機」の特徴としては、１００を超える（及び好ましくは、２００を超える）Ｌ／Ｔ比を有する金型キャビティと、複数の金型キャビティ（好ましくは４個の金型キャビティ、より好ましくは１６個の金型キャビティ、より好ましくは３２個の金型キャビティ、より好ましくは６４個の金型キャビティ、より好ましくは１２８個の金型キャビティ、及びより好ましくは２５６個の金型キャビティ、又は４個から５１２個までの間の任意の数の金型キャビティ）、加熱ランナー、及び誘導発射メカニズムが挙げられる。
【００３７】
用語「耐用年数」は、故障又は予定の交換時期までの金型部品の予想される寿命として定義される。金型部品又は成形コア（又は金型キャビティを形成する金型の任意の部品）とともに使用される時、用語「耐用年数」は、金型部品に品質問題が発生するまで、若しくは、金型部品の一体性に問題が発生するまで（例えば、かじり、分割線の変形、遮断面の変形又は過度の摩耗）、又は、金型部品に故障（例えば、疲労故障又は疲労亀裂）が発生するまでに稼働すると予想される時間を意味する。典型的には、金型部品は、金型キャビティを形成する接触面が廃棄又は交換されなければならない時に、「耐用年数」の終了に到達する。金型部品は、一部の金型部品の「耐用年数」までに随時、修理又は改修を必要とすることがあり、この修理又は改修は、許容される成形部品品質及び成形効率を実現するために金型部品の完全な交換を必要としない。更に、部品が金型から正しく取り外されなかったり、金型が非発射部品上で無理に閉されたり、オペレータが間違った工具を使用して成形部品を取り外したり、金型構成要素を破損するなど、金型部品の通常の動作とは関係しない金型部品の損傷が発生する可能性がある。このため、金型部品がその耐用年数の終了に到達する前に、損傷した構成要素を交換するために予備の金型部品が使用されることが時々ある。損傷のために金型部品を交換しても、予想される耐用年数は変わらない。
【００３８】
用語「誘導発射メカニズム」は、金型キャビティから成形部品を物理的に排出するために起動する動的部品として定義される。
【００３９】
用語「コーティング」は、金型キャビティを形成する金型部品の表面上に形成された、厚さが０．１３ｍｍ（０．００５インチ）未満の材料の層であって、金型キャビティの形状の形成以外に主要な機能（例えば、金型キャビティを形成する材料を保護する機能、成形部品と金型キャビティ壁面との間の摩擦を低減して成形部品が金型キャビティから離れやすくする機能）を有する材料の層として定義される。
【００４０】
用語「平均熱伝導率」は、金型キャビティ若しくは金型側方部又は金型部品を形成する材料の熱伝導率として定義される。金型キャビティと一体であるか、金型キャビティから分離されているかに係らず、コーティング、積層板、支持板、ゲート、又はランナーを形成する材料は、平均熱伝導率の対象に含まれていない。平均熱伝導率は、加重容積単位で計算される。
【００４１】
用語「有効冷却表面」は、熱が金型部品から除去される表面として定義される。有効冷却表面の１つの例は、能動冷却システムからの冷却流体の流路を形成する表面である。有効冷却表面の別の例は、熱が大気中に消散する時に通過する金型部品の外面である。金型部品は、２つ以上の有効冷却表面を有することがあり、したがって、金型キャビティ表面と各有効冷却表面との間に独特な平均熱伝導率を有し得る。
【００４２】
用語「公称肉厚」は、金型キャビティが均一な厚さを有するように製作されている場合の、金型キャビティの理論的な厚さとして定義される。公称肉厚は、平均肉厚によって近似され得る。公称肉厚は、個別のゲートによって充填される金型キャビティの長さと幅を積分することによって計算され得る。
【００４３】
用語「平均硬度」は、望ましい容積の任意の材料又は材料の組み合わせのロックウェル硬さとして定義される。２つ以上の材料が存在する場合、平均硬度は、各材料の加重容積パーセンテージに基づく。平均硬度の計算は、金型キャビティの任意の部分を構成する材料の硬度を含む。平均硬さの計算は、コーティング、積層板、金型キャビティと一体であるなしに関係のないゲート又はランナー、及び支持板を構成する材料を対象としない。一般的に、平均硬度は、金型冷却領域における材料の加重容積硬度を指す。
【００４４】
用語「金型冷却領域」は、金型キャビティ表面と有効冷却表面との間に存在する材料の容積として定義される。
【００４５】
用語「サイクル時間」は、射出成形部品を完全に成形するために要求される一回のみの射出成形プロセスを指す。サイクル時間は、溶融熱可塑性材料を金型キャビティ内に進める工程と、金型キャビティを熱可塑性材料で実質的に充填する工程と、熱可塑性材料を冷却する工程と、第一の金型側方部と第２の金型側方部を分離して冷却された熱可塑性材料を露出する工程と、熱可塑性材料を除去する工程と、第１金型側方部及び第２の金型側方部を閉じる工程とを含む。
【００４６】
本明細書に参考として組み込まれている、２０１２年８月３１に出願された米国特許出願第１３／６０１，５１４号で開示されている高生産性射出成形機などの高生産性射出成形機（例えば、クラス１０１又はクラス３０射出成形機、又は「超高生産性成形機」）は、歯ブラシバンドル及び剃刀ハンドルなどの薄肉消費生活用品の製造に使用され得る。薄肉部品は、一般的に、１００以上の高いＬ／Ｔ比を有するものとして定義される。
【００４７】
各図面を詳細に参照すると、図１は、一般的に射出システム１２と、型締めシステム１４を有する、例示的な高生産性射出成形機１０を示す。熱可塑性材料は、熱可塑性ペレット１６の形態で射出システム１２に導入され得る。熱可塑性ペレット１６は、ホッパ１８に入れられてもよく、このホッパ１８は、熱可塑性ペレット１６を射出システム１２の加熱バレル２０に供給する。熱可塑性ペレット１６は、加熱バレル２０に供給された後、往復スクリュー２２によって加熱バレル２０の端部まで押されてもよい。加熱バレル２０の加熱及び往復スクリュー２２による熱可塑性ペレット１６の圧縮は熱可塑性ペレット１６を溶融させ、溶融熱可塑性材料２４を形成する。溶融熱可塑性材料は、典型的には、約１３０℃〜約４１０℃の温度で処理される。
【００４８】
往復スクリュー２２は、溶融熱可塑性材料２４を熱可塑性材料の発射を形成するノズル２６に向かって押し進め、溶融熱可塑性材料２４は、溶融熱可塑性材料２４の流れを金型キャビティ３２に導く１つ以上のゲート（好ましくは３個以下のゲート）３０を介して金型２８の金型キャビティ３２内に射出される。他の実施形態では、ノズル２６は、供給システム（図示せず）によって１つ以上のゲート３０から分離されてもよい。金型キャビティ３２は、金型２８の第１の金型側方部２５と第２の金型側方部２７との間に形成され、これら第１及び第２の金型側方部２５、２７は、圧力下でプレス又は型締ユニット３４によって一体に保持される。プレス又は型締ユニット３４は、成形プロセスの間、２つの半型２５、２７を分離させるように作用する、射出圧力によってもたらされる力よりも大きい型締力を印加し、それによって、溶融熱可塑性材料２４が金型キャビティ３２の中に射出されている間、第１の金型側方部２５と第２の金型側方部２７とを一体に保持する。こうした型締力を支持するために、型締システム１４は、金型枠と金型ベースとを含み得る。
【００４９】
溶融熱可塑性材料２４のショットが金型キャビティ３２内に射出されると、往復スクリュー２２は前方への移動を停止する。溶融熱可塑性材料２４は、金型キャビティ３２の形状を取り、溶融熱可塑性材料２４は、熱可塑性材料２４が固化するまで金型２８の内部で冷却する。熱可塑性材料２４が固化したら、プレス３４は第１及び第２の金型側方部２５、２７を開放し、第１の金型側方部２５と第２の金型側方部２７とは互いに分離され、完成部品が金型２８から取り出される。金型２８は、全体的な生産率を高めるために、複数の金型キャビティ３２を備えていてもよい。複数の金型キャビティのキャビティの形状は、互いに同一であっても、類似であっても、又は異なっていてもよい（後者は、一群の金型キャビティと考えられてもよい）。
【００５０】
制御装置５０は、ノズル２６付近に位置するセンサ５２、及びスクリュー制御部３６と連通接続されている。コントローラ５０は、マイクロプロセッサ、メモリ、及び１つ以上の通信リンクを含有してもよい。制御装置５０はまた、任意に、金型キャビティ３２の末端部に近接して位置するセンサ５３に接続されていてもよい。このセンサ３２は、熱可塑性材料が金型キャビティ３２の充填の終了に近づきつつあることを示す表示を提供し得る。センサ３２は、熱可塑性材料の圧力及び／又は温度を光学的に、空気圧により、機械的に、ないしは別の方法で検知することによって、熱可塑性材料の存在を検知してもよい。熱可塑性材料の圧力又は温度がセンサ５２によって測定される場合、充填が完了したときに金型キャビティ３２の中（又はノズル２６の中）で維持するための目標圧力を制御装置５０に提供するために、このセンサ５２は、圧力又は温度を示す信号を制御装置５０に送信してもよい。この信号は、一般に、材料の粘度、金型温度、溶融温度の変動、及び充填速度に影響を与える他の変動が、制御装置５０によって調節されるように、成形プロセスを制御するために使用され得る。こうした調節は成形サイクルの最中に行われてもよく、又は修正は後続サイクルで行われ得る。更に、いくつかの信号を多くのサイクルにわたって平均化した後、制御装置５０が成形プロセスに調節を加えるためにこれら信号を使用してもよい。制御装置５０は、それぞれ有線接続５４、５６を介して、センサ５２、及び／又はセンサ５３、並びにスクリュー制御部３６に接続され得る。別の実施形態では、制御装置５０は、無線接続、機械的接続、流体圧接続、空気圧接続、又は、制御装置５０がセンサ５２、５３及びスクリュー制御部３６の両方と通信するのを可能にする当業者に周知の他の種類の通信接続を介して、センサ５２、５３及びスクリュー制御部５６に接続されてもよい。
【００５１】
図１の実施形態では、センサ５２は、ノズル２６付近の溶融熱可塑性材料２４の溶融圧力を（直接又は間接的に）測定する圧力センサである。センサ５２は、コントローラ５０に送信される電気信号を発生する。次いで、コントローラ５０は、スクリューコントロール３６に対して、ノズル２６中の溶融熱可塑性材料２４の望ましい溶融圧力を維持する速度で、スクリュー２２を前進させるように指示する。センサ５２は溶融圧を直接的に測定することができるのと同時に、センサ５２は、溶融圧の指標である温度、粘度、流速等の溶融熱可塑性材料２４の他の特性も測定することができる。同様に、センサ５２は、ノズル２６内に直接的に配置される必要はなく、むしろセンサ５２は、ノズル２６と流動的に接続される注入システム１２又は金型２８内の任意の場所に配置されてもよい。センサ５２がノズル２６内部に位置決めされない場合、ノズル２６内の溶融圧力の推定値を計算するために、測定された特性に適切な補正係数が適用されてもよい。センサ５２は、注入された流体と必ずしも直接接触する必要はなく、別の方法で流体と動的連通して、流体の圧力及び／又は他の流体特性を感知することができてもよい。センサ５２が、ノズル２６内に配置されない場合、適切な補正因子を測定された特性に適用して、ノズル２６内の溶融圧を算定してもよい。更に他の実施形態では、センサ５２は、必ずしもノズルと流動的に接続される場所に配設されなくともよい。むしろ、センサは、第１の金型部品２５と第２の金型部品２７との間の金型分割線において型締システム１４が生じさせた型締力を測定することができる。一態様では、コントローラ５０は、センサ５２からの入力に従って、圧力を維持してもよい。あるいは、センサは、電動プレスによる電力需要を測定することができ、これは、ノズル内の圧力の推定値を計算するために用いられ得る。
【００５２】
稼働中の閉ループコントローラ５０が図１に示されているが、他の圧力調整装置が閉ループコントローラ５０の代わりに使用されてもよい。例えば、圧力調整弁（図示せず）又は圧力逃がし弁（図示せず）が、溶融熱可塑性材料２４の溶融圧を調整するよう、コントローラ５０に置き換わってもよい。より具体的には、圧力調整弁及び圧力逃がし弁は、金型２８の圧力過剰を防止することができる。金型２８の過加圧を防止するための別の代替機構は、過加圧状態が検出されると作動する警報である。
【００５３】
図２を参照すると、例としての成形部品１００が示されている。成形部品１００は薄肉部品である。成形部品は、一般的に、流路の厚さＴで割られた流路の長さＬが１００（すなわち、Ｌ／Ｔ＞１００）超であり、かつ１，０００未満の時に薄肉であると見なされる。より複雑な形状を有する金型キャビティでは、Ｌ／Ｔ比は、ゲート３０から金型キャビティ３２の末端部までの金型キャビティ３２の長さにわたる寸法Ｔを積算し、ゲート３０から金型キャビティ３２の末端部までの流れの最長を決定することにより計算することができる。次いで、Ｌ／Ｔ比が、流れの最長長さを平均部品厚さで割ることによって決定され得る。金型キャビティ３２が複数のゲート３０を有する場合には、Ｌ／Ｔ比は、Ｌ及びＴを個々のゲートによって満たされた金型キャビティ３２の部分に関して積分することによって決定され、所定の金型キャビティに関する全体のＬ／Ｔ比は、いずれかのゲートに関して算定される最高のＬ／Ｔ比である。一部の射出成形業界では、薄肉部品は、Ｌ／Ｔ＞１００を有するか、又はＬ／Ｔ＞２００を有するが、＜１，０００である部品として定義され得る。流路長Ｌは、ゲート３０から金型キャビティの末端部１０４まで測定した最も長い流動長である。薄肉部品は、消費者製品業界に特に普及している。
【００５４】
高Ｌ／Ｔ比の部品は、約１０ｍｍ未満の平均厚さを有する成形部品によく見られる。消費者製品では、高Ｌ／Ｔ比を有する製品は、一般に、約５ｍｍ未満の平均厚さを有する。例えば、高Ｌ／Ｔ比を有する自動車用バンパーパネルは、一般に、１０ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比を有する背の高い飲用グラスは、一般に、約５ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比を有する容器（タブ又はバイアルなど）は、一般に、約３ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比を有するボトル用キャップエンクロージャは、一般に、約２ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比を有する歯ブラシの個々の毛は、一般に、約１ｍｍ以下の平均厚さを有する。本明細書に開示されている高生産性プロセス及び装置は、厚さが５ｍｍ以下の部品に対して特に有利であり、開示されているプロセス及び装置は、より薄い部品に対してより有利である。
【００５５】
高Ｌ／Ｔ比の薄肉部品は、射出成形する上でのある種の障害を提示する。例えば、流路の薄さは、材料が流路端部１０４に達する前に溶融熱可塑性材料を冷却する傾向がある。冷却が起こると、熱可塑性材料は凝固し、それ以上流れなくなり、部品は不完全となる。この問題を克服するため、従来型射出成形機は、典型的には１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を超える非常に高い圧力で溶融熱可塑性材料を射出し、それにより、溶融熱可塑性材料は、冷却及び凝固する機会を有する前に金型キャビティを急速に充填する。このことは、熱可塑性材料の製造業者が非常に高い圧力で射出するように指導する理由の１つである。従来型射出成形機が高圧で射出する別の理由は、上述のように、流動特性を向上させる剪断力の増加である。こうした非常に高速な射出圧力では、とりわけ金型２８及び供給システムを形成するために、非常に硬い材料を使用する必要がある。更に、薄肉部品は、材料が凝固する前に充填される必要があるリビングヒンジ、フィラメント、クロージャ、ディスペンサー、スパウト、ベローズ、アクチュエータなどの１つ以上の特殊機構１０５を有する。
【００５６】
一定圧力で充填する場合には、従来の充填方法と比べて充填速度を低減する必要があると一般に考えられていた。このことは、金型を完全に充填する前に、ポリマーがより長い時間にわたって冷えた鋳造表面と接触する状態にあることを意味する。したがって、より多くの熱が充填前に除去される必要があり、このことは、金型が充填される前に材料の凝固をもたらすことが予想される。熱可塑性材料は、ほぼ一定の圧力条件に曝されると、たとえ金型キャビティの一部が熱可塑性材料のノーフロー温度未満であっても流れることが、予期せずして発見された。かかる条件は、熱可塑性材料が流れ続けて金型キャビティを充填するよりはむしろ、熱可塑性材料が凝固し、金型キャビティを塞ぐことを引き起こすと、当業者には一般的に予想されるであろう。何ら理論に拘束されることを意図するものではないが、開示の方法及び装置の実施形態の実質的に一定の圧力条件は、充填中に金型キャビティ全体を通る動的流れ条件（即ち、常に動いている溶融前部）を可能にすると考えられる。溶融熱可塑性材料が金型キャビティを充填するよう流れる際に、溶融熱可塑性材料の流れにおけるヘジテーションはなく、したがって、金型キャビティの少なくとも一部が熱可塑性材料の非流動温度よりも低いにも関わらず、流れを凝着させるための機会は与えられない。
【００５７】
更には、動的流動条件の結果として、せん断発熱の結果として、金型キャビティ内のかかる温度に曝されるにもかかわらず、溶融熱可塑性材料は、非流動温度よりも高い温度で維持されることができると考えられる。この動的流動条件は、熱可塑性材料が凝着プロセスを開始すると同時に、熱可塑性材料中の結晶構造の形成を妨害することも更に考えられる。結晶構造形成は、熱可塑性材料の粘度を増加させて、キャビティを充填するための好適な流れを防止する可能性がある。結晶構造形成及び／又は結晶構造サイズにおける低減は、熱可塑性材料がキャビティ内に流入すると同時に熱可塑性材料の粘度を低下させることができ、材料の非流動温度よりも低い金型の低い温度に曝される。
【００５８】
開示されている高生産性射出成形法及びシステムは、材料粘度の変化、材料温度の変化、及び他の材料特性の変化をモニタするために、流れの端部の位置の近く（即ち、金型キャビティの端部近く）に配置される（上記図１のセンサ５３などの）センサを使用し得る。溶融前部が金型キャビティの端部に達する前に溶融前部の圧力が解放されるのを確実にするように（これは金型のフラッシング、及び別の圧力及び電力ピークを引き起こし得る）、制御装置がプロセスをリアルタイムで修正できるように、このセンサからの測定値は制御装置に伝達され得る。更に、制御装置は、プロセスにおけるピーク電力点及びピーク流量点を調節し、それにより一貫した加工条件を得るために、センサ測定値を用いてもよい。センサ測定値を用いてプロセスをリアルタイムで、進行中の射出サイクルの間に微調整するのに加えて、制御装置はまた、プロセスを経時的に（例えば、複数の射出サイクルにわたって）調節するためにセンサ測定値を用いてもよい。このようにして、進行中の射出サイクルを、１つ以上のサイクルの間に生じる測定値に基づいて、できるだけ早期に修正することができる。一実施形態では、センサ読取り値は、プロセス一貫性を達成するよう、多くのサイクルにわたって平均化され得る。
【００５９】
様々な実施形態では、金型は、金型キャビティ全体を非流動温度よりも低い温度に維持する冷却系を含むことができる。例えば、溶融熱可塑性材料を含むショットに接触する金型キャビティの表面であっても、より低い温度を維持するよう冷却され得る。任意の好適な冷却温度が使用され得る。例えば、金型は、実質的に室温で維持され得る。かかる冷却系の組み込みは、このように形成された射出成形部品が冷却され、金型からの取り出し易い速度を有利に改良する。
【００６０】
熱可塑性材料
様々な熱可塑性材料を、本開示の高生産性射出成形法及び装置で使用することができる。一実施形態では、溶融熱可塑性材料は、ＡＳＴＭ  Ｄ１２３８に準拠し、温度約２３０℃、２．１６ｋｇ荷重で測定した場合、約０．１ｇ／１０分〜約５００ｇ／１０分のメルトフローインデックスで定義された粘度を有する。例えば、ポリプロピレンについては、メルトフローインデックスは、約０．５ｇ／１０分〜約２００ｇ／１０分の範囲であることができる。他の好適なメルトフローインデックスとしては、約１ｇ／１０分〜約４００ｇ／１０分、約１０ｇ／１０分〜約３００ｇ／１０分、約２０ｇ／１０分〜約２００ｇ／１０分、約３０ｇ／１０分〜約１００ｇ／１０分、約５０ｇ／１０分〜約７５ｇ／１０分、約０．１ｇ／１０分〜約１ｇ／１０分、又は約１ｇ／１０分〜約２５ｇ／１０分が挙げられる。材料のＭＦＩは、成形物品の用途及び使用に基づいて選択される。例えば、０．１ｇ／１０分〜約５ｇ／１０分のＭＦＩを備える熱可塑性材料は、射出延伸吹込み成形（ＩＳＢＭ）用途のための予備成形品としての使用に好適であり得る。５ｇ／１０分〜約５０ｇ／１０分のＭＦＩを備える熱可塑性材料は、パッキング物品のキャップ及びクロージャとしての使用に好適であり得る。５０ｇ／１０分〜約１５０ｇ／１０分のＭＦＩを備える熱可塑性材料は、バケツ又はたらいの製造における使用に好適であり得る。１５０ｇ／１０分〜約５００ｇ／１０分のＭＦＩを備える熱可塑性材料は、薄板などの極めて高いＬ／Ｔ比を有する成形物品に好適であり得る。かかる熱可塑性材料の製造業者は、一般的には、この材料が４１．３７ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）を超過する、多くの場合は４１．３７ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）を大きく超過する溶融圧を使用して射出成型されるべきであることを教示する。かかる熱可塑性材料の射出成形に関する従来の教示に反して、本開示の高生産性射出成形法及び装置の実施形態は、かかる熱可塑性材料を使用し、４１．３７ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）を下回る、また場合によっては、４１．３７ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）をはるかに下回る溶融圧力で加工して、良質の射出成形部品を形成できる点で有利である。
【００６１】
熱可塑性材料は、例えばポリオレフィンであることができる。例示的ポリオレフィンとしては、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリメチルペンテン、及びポリブテン−１が挙げられるが、これらに限定されない。前述のポリオレフィンのいずれも、バイオ−ポリプロピレン又はバイオ−ポリエチレンを生成するために、サトウキビ又は他の農産物などのバイオベースの原料から供給され得る。ポリオレフィンは、これが溶融状態にある場合、ずり減粘であることを有利に立証する。ずり減粘は、流体が圧縮ストレス下に置かれた場合の粘度における減少である。ずり減粘は、熱可塑性材料の流れを射出成形プロセスの全体にわたって有利に維持させることができる。何ら理論に拘束されることを意図するものではないが、熱可塑性材料、特にポリオレフィンの剪断減粘性特性により、材料が一定圧力で加工される場合に、材料の粘度があまり変動しなくなると考えられる。その結果、本開示の方法及び装置の実施形態は、例えば、着色剤及び他の添加剤、並びに加工条件がもたらす熱可塑性材料の変化に対する感受性が低くなり得る。この熱可塑性材料特性のバッチ間での変化に対する感受性の低下により、有利には、業界から回収した及び消費者より回収した再生プラスチックを、本開示の方法及び装置の実施形態を用いて加工するのが可能となる。脱工業化、ポスト消費者リサイクルプラスチックは、消費財としてそれらのライフサイクルを完了した最終産物並びに固体老廃物として別の方法で廃棄された最終産物に由来するものである。かかる再生プラスチック、及び複数の熱可塑性材料の混合物は、材料特性の有意なバッチ間変化を本質的に有する。
【００６２】
熱可塑性材料はまた、例えば、ポリエステルであることができる。例示的ポリエステルとしては、限定されないが、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。ＰＥＴポリマーは、部分的又は完全なバイオ−ＰＥＴポリマーを製造するために、サトウキビ又は他の農産物等のバイオベースの原料から供給され得る。他の好適な熱可塑性材料としては、ポリプロピレン及びポリエチレンのコポリマー、並びに熱可塑性エラストマーのポリマー及びコポリマー、ポリエステル、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）、ポリ（乳酸）、ポリ（エチレンフラネート）ポリヒドロキシアルカノエート、ポリ（エチレンフラノエート）（ＰＥＴ代替、又はＰＥＴに置き換えて使用されると考えられる）、ポリヒドロキシアルカノエート等のバイオベースのポリエチレン、ポリアミド、ポリアセタール、エチレン−αオレフィンゴム、及びスチレン−ブタジエン−スチレンブロックコポリマーが挙げられる。熱可塑性材料はまた、複数のポリマー材料及び非ポリマー材料の配合物であることができる。熱可塑性材料は、例えば、多モード又は二モードの配合物を産生する高中低の分子量のポリマーであることができる。多モード材料は、優れた流動特性を有するが満足すべき化学的／物理的特性を有する熱可塑性材料をもたらす方法で設計され得る。熱可塑性材料はまた、１つ以上の小分子添加剤とポリマーの配合物であることができる。この小分子は、例えば、熱可塑性材料に添加される場合、ポリマー材料の流動性を改善する、シロキサン又は他の潤滑分子であることができる。
【００６３】
他の添加剤としては、炭酸カルシウム、硫酸カルシウム、タルク、粘土（例えば、ナノクレイ）、水酸化アルミニウム、ＣａＳｉＯ３、繊維又はミクロスフィアに形成されたガラス、結晶性シリカ（例えば、石英、石英粉末、クリスタロバイト）、水酸化マグネシウム、雲母、硫酸ナトリウム、リトポン、炭酸マグネシウム、酸化鉄等の無機充填剤；若しくはもみ殻、藁、麻すさ、木粉、又は木材、竹若しくはサトウキビ繊維等の有機充填剤を挙げることができる。
【００６４】
他の好適な熱可塑性材料としては、ポリヒドロキシアルカノエート（例えば、ポリ（β−ヒドロキシアルカノエート）、ポリ（３−ヒドロキシブチレート−コ−３−ヒドロキシバレラート、ＮＯＤＡＸ（登録商標））、及び細菌セルロース等の生物体から直接的に製造されたポリマーの非限定的例などの再生可能ポリマー；多糖類及びこれらの誘導体（例えば、ガム、セルロース、セルロースエステル、キチン、キトサン、デンプン、化学修飾したデンプン、セルロースアセテートの粒子）、タンパク質（例えば、ゼイン、乳清、グルテン、コラーゲン）、脂質、リグニン、及び天然ゴム等の植物、農林産物、及びバイオマスから抽出されたポリマー；デンプン又は化学修飾されたデンプンから製造された熱可塑性デンプン並びにバイオ−ポリエチレン、バイオ−ポリプロピレン、ポリトリメチレンテレフタレート、ポリ乳酸、ナイロン１１、アルキド樹脂、コハク酸系ポリエステル、及びバイオ−ポリエチレンテレフタレート等の天然に供給されるモノマー由来の最近のポリマー及び誘導体が挙げられる。
【００６５】
好適な熱可塑性材料は、前述した例におけるような異なる熱可塑性材料の配合物（１乃至複数）を含んでもよい。同様に、異なる材料が、真新しいバイオ由来材料又は石油由来の材料から誘導された材料との混合であってもよく、バイオ由来材料又は石油由来材料のリサイクルされた材料であってもよい。配合物中の熱可塑性材料の１つ以上は、生分解性であってもよい。更に、非配合物熱可塑性材料については、この材料は生分解性であってもよい。
【００６６】
代表的な熱可塑性樹脂をそれらの推奨作動圧力範囲と共に以下の表に示す。
【００６７】
【表１】
2015520050.tif 000003
【００６８】
実施形態の２つ以上は、溶融熱可塑性材料を含むショットの溶融圧力を実質的に一定圧力に維持しながら、溶融熱可塑性材料を含むショットで金型キャビティのほぼ全体を充填することを含むが、特定の熱可塑性材料は、異なる一定圧力において本発明の恩恵を受ける。具体的には、ＰＰ、ナイロン、ＰＣ、ＰＳ、ＳＡＮ、ＰＥ、ＴＰＥ、ＰＶＤＦ、ＰＴＩ、ＰＢＴ、及びＰＬＡは、６８．９ＭＰａ（１００００ｐｓｉ）未満の実質的に一定圧で；ＡＢＳは５５．２ＭＰａ（８０００ｐｓｉ）未満の実質的に一定圧で；ＰＥＴは４０．０ＭＰａ（５８００ｐｓｉ）未満の実質的に一定圧で；アセタールコポリマーは４８．３ＭＰａ（７０００ｐｓｉ）未満の実質的に一定圧で；付加物ポリ（エチレンフラネート）ポリヒドロキシアルカノエート、ポリエチレンフラノエート（ａｋａ  ＰＥＦ）は６８．９ＭＰａ（１００００ｐｓｉ）未満、又は５５．２ＭＰａ（８０００ｐｓｉ）未満、又は４８．３ＭＰａ（７０００ｐｓｉ）未満、又は４１．４ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）未満、又は４０．０ＭＰａ（５８００ｐｓｉ）未満の実質的に一定圧である。
【００６９】
上記で詳細に説明したように、開示されている高生産性射出成形法及び装置の実施形態は、従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスを凌ぐ１つ以上の有利性を実現し得る。例えば、実施形態は、金型キャビティの射出前の圧力と熱可塑性材料とのバランスをとる必要性を排除した、より費用効率が高く有効なプロセス、金型キャビティ圧力で大気圧を用いるのを可能とし、したがって、加圧手段の必要性を排除した単純な金型構造を可能とするプロセス、より費用効率が高くかつ機械加工しやすい、より低硬度で高熱伝導性の金型キャビティ材料を使用する能力、熱可塑性材料の温度、粘度、及び他の材料特性の変化に対する感受性が低い、よりロバストな加工方法、並びに、金型キャビティ内の熱可塑性材料の早期硬化がなく、かつ金型キャビティを加熱して一定温度に維持する必要なく、実質的に一定圧力で良質の射出成形部品を製造する能力、を含む。
【００７０】
ここで図３を参照すると、従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスの典型的な圧力−時間曲線が点線２００で示されている。一方、開示されている高生産射出成形機の圧力−時間曲線は、実線２１０で示されている。
【００７１】
従来の場合、溶融圧力は、１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）をはるかに上回るまで急速に増加し、次いで、第１の期間２２０にわたって、１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を上回る比較的高い圧力で保持される。第１の期間２２０は、溶融プラスチック材料が金型キャビティに流れ込む充填時間である。その後、溶融圧力は低下し、第２の期間２３０にわたって、低くはなったが依然として比較的高い圧力（典型的には６８．９４８ＭＰａ（１０，０００ｐｓｉ）以上）に保たれる。第２の期間２３０は、金型キャビティの中の全ての間隙が埋戻されるのを確実にするように溶融圧力が維持される填塞時間である。填塞が完了した後、圧力は、必要に応じて、冷却時間である第３の期間２３２の間に再度低下してもよい。従来の高圧射出成形システムの金型キャビティは、流路の端部からゲートに向かって填塞された。金型の中の材料は、典型的には、キャビティの端部近くで凝固し、その後材料の完全に凝固した領域は、ゲートの位置（１乃至複数）に向かって次第に移動する。結果として、金型キャビティの端部に近いプラスチックは、ゲートの位置（１乃至複数）に近いプラスチック材料よりも短い期間及び低い圧力で填塞される。ゲートと金型キャビティの端部との中間の非常に薄い断面積といった部品形状もまた、金型キャビティの領域内の填塞圧力レベルに影響を与え得る。一貫性のない填塞圧力は、上述のように、最終製品の不整合をもたらし得る。更に、固化の様々な段階におけるプラスチックの従来の填塞は、いくつかの非理想的材料特性、例えば、成形応力、ヒケ、及び最適でない光学特性をもたらす。
【００７２】
一方、高生産性射出成形システムは、充填期間２４０の間、実質的に一定の圧力で金型キャビティの中に溶融プラスチック材料を射出する。図３の実施例の射出圧力は、４１．３７ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）未満である。しかし、他の実施形態は、より高い圧力を使用し得る。金型キャビティが充填された後、高生産性射出成形システムは、成形部品が冷却される第２の期間２４２にわたって徐々に圧力を低減する。実質的に一定の圧力を用いることによって、溶融熱可塑性材料は、流路を通ってゲートから流路の末端に向かって進む連続的な溶融物の流頭を維持する。換言すれば、溶融熱可塑性材料は金型キャビティを通ってずっと移動し続け、早期凝固を防止する。したがって、プラスチック材料は、流路に沿ったあらゆる場所で比較的均一に維持され、より均一で一貫した最終製品が得られる。金型を比較的均一な圧力で充填することによって、最終成形部品は、従来の成形部品よりも良好な機械的及び光学的特性を有し得る結晶構造を形成する。更に、一定圧力で成形された部品は、従来の成形部品のスキン層と異なる特性を呈する。結果的に、一定圧力で成形された部品は、従来の成形部品の部品よりも良好な光学特性を有し得る。
【００７３】
ここで図４を参照すると、充填の様々な段階が、全充填時間の百分率として分割されている。例えば、従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスでは、充填期間２２０は全充填時間の約１０％を占め、填塞期間２３０は全充填時間の約５０％を占め、冷却期間２３２は全充填時間の約４０％を占める。一方、高生産性射出成形プロセスでは、充填期間２４０は全充填時間の約９０％を占め、冷却期間２４２は全充填時間の約１０％のみを占める。高生産性射出成形プロセスでは、溶融プラスチック材料は金型キャビティに流れ込むときに冷えるので、冷却時間が短くて済む。このようにして、金型キャビティが充填されるまでには、溶融プラスチック材料はかなり冷却されており（金型キャビティの断面中心が固化するのに十分ではないが）、凝固過程を完了するために除去しなければならない全熱量は少なくて済む。更に、溶融プラスチック材料は充填を通じて液体のままであり、填塞圧力はこの溶融断面中心を通して伝えられるので、溶融プラスチック材料は金型キャビティの壁と接触し続ける（凝固して縮まるのとは反対に）。結果として、本細書に記載される高生産性射出成形プロセスは、従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスより短い合計時間で、成形部品を充填及び冷却することができる。
【００７４】
従来型の圧力変動の大きいプロセスと高生産性射出成型プロセスに関するピーク電力及びピーク流量と金型キャビティ充填率との関係を表すチャート１５００が図１５に示されている。チャート１５００の左側の縦軸は、流量（ｃｃ／ｓ）に相当し、チャート１５００の右側の縦軸は、ピーク電力（ワット）に相当し、横軸は、熱可塑性材料が充填されている金型キャビティのパーセンテージに相当する。高生産性射出成型プロセスのピーク電流は、線１５０１によって示され、高生産性射出成形プロセスのピーク流量は、線１５０２によって示されている。同様に、従来の圧力変動の大きいプロセスのピーク電流は線１５０３によって示され、従来の圧力変動の大きいプロセスのピーク電流は、線５０４によって示されている。「ｔ1」は、高生産性射出成型プロセスのピーク電流の時間に相当し、「ｔ2」は、高生産性射出成型プロセスのピーク流量の時間に相当し、「ｔ3」は、従来の圧力変動の大きいプロセスのピーク電流の時間に相当し、「ｔ4」は、従来の圧力変動の大きいプロセスのピーク流量の時間に相当し、「ｔ5」は、高生産性射出成型プロセスの充填終了時間に相当し、「ｔ6」は、従来の圧力変動の大きいプロセスの充填終了時間に相当する。
【００７５】
高生産性射出成型プロセスにおいて、ピーク電流負荷は時間ｔ1で発生し、この時間は、ピーク流量が発生する時間ｔ2とほぼ等しく、充填サイクルを通じて着実に減少する。より具体的には、ピーク電力及びピーク流量は、充填の最初の３０％以内、好ましくは充填の最初の２０％以内、更により好ましくは充填の最初の１０％以内に生じる。ピーク電力及びピーク流量が充填の始まりの間に生じるようにすることで、熱可塑性材料は、凝固に近づいたときに極限状態に曝されることがない。このことが成形部品の優れた物理的性質をもたらすと考えられる。
【００７６】
電力レベルは、一般に、ピーク電力負荷の後に、充填サイクルを通じてゆっくりと下降する。更に、充填圧力は実質的に一定に維持されるので、流量は、一般に、ピーク流量の後に、充填サイクルを通じてゆっくりと減少する。先に例示したように、ピーク電力レベルは、従来のプロセスのピーク電力レベルより低く（概ね３０〜５０％低い）、ピーク流量は、従来のプロセスのピーク流量より低い（概ね３０〜５０％低い）。
【００７７】
同様に、従来の圧力変動の大きいプロセスのピーク電力負荷は、ピーク流量が生じる時間ｔ4とほぼ等しい時間ｔ3に発生する。しかし、高生産性射出成形プロセスと異なり、従来の圧力変動の大きいプロセスのピーク電力及び流量は、充填の最後の１０％〜３０％で生じ、これにより熱可塑性材料は、凝固プロセスの間に極限状態に曝される。また、高生産性射出成形プロセスと異なり、従来の圧力変動の大きいプロセスの電力レベルは、一般に、ピーク電力負荷に続く充填サイクルを通して急激に下降する。同様に、従来の圧力変動の大きいプロセスの流量は、一般に、ピーク流量に続く充填サイクルを通じて急激に減少する。
【００７８】
高Ｌ／Ｔ部品を成形するための開示された高生産性射出成形方法及び装置では、部品は、所望の射出圧力を実現するために溶融熱可塑性ポリマーを高い流量で金型キャビティの中に射出した後、実質的に一定の射出圧力を維持するために流量を時間と共に減少させることによって成形される。高生産性射出成形方法と装置は、特に、薄肉部品（例えば、Ｌ／Ｔ比＞１００＜１０００）を成形する時と、０．１ｇ〜１００ｇの射出能力を用いる時に有利である。最大流量が、キャビティ充填の最初の３０％以内、好ましくはキャビティ充填の最初の２０％以内、更により好ましくはキャビティ充填の最初の１０％以内に生じるのが、特に有利である。充填圧力プロファイルを調節することにより、キャビティ充填のこれら好ましい範囲内に最大流量が生じ、また、成形部品の結晶構造が従来の成形部品と異なるので、成形部品は、上記した物理的な利点（例えば、より良好な強度、より良好な光学特性など）の少なくともいくつかを有することになる。更に、高Ｌ／Ｔ製品は薄いので、得られた製品に所望の色を付与するためにこれら製品が必要とする顔料は少なくて済む。更に、顔料を使用しない部品では、成形条件がより一貫しているので、部品の目に見える変形が少ない。顔料が少ない又は顔料を使用しないことでコストが削減される。
【００７９】
あるいは、ピーク電力は、実質的に一定の射出圧力を維持するように調節されてもよい。より具体的には、充填圧力プロファイルは、ピーク電力が、キャビティ充填の最初の３０％以内、好ましくはキャビティ充填の最初の２０％以内、更により好ましくはキャビティ充填の最初の１０％以内に生じるように調節されてもよい。ピーク電力をこの好ましい範囲内に生じさせた後、キャビティ充填の残りを通して低下した電力を有するようにプロセスを調節することにより、ピーク流量の調節に関して上述した成形部品と同じ利益がもたらされる。更に、上記の様にしてプロセスを調節することは、特に、薄肉部品（例えば、Ｌ／Ｔ比＞１００＜１０００）及び０．１ｇ〜１００ｇの射出能力）の場合に有利である。
【００８０】
本明細書で開示されている高生産性射出成型方法及び装置は、ピーク電力流動係数とＬ／Ｔの関係を表すチャート１６００を示す図１６で例示されているように、所与のＬ／Ｔ比に対して必要とする電力が従来の圧力変動の大きい射出成形システムに比べて少ない。図１６のチャートにおいて、縦軸は、ピーク電力流動係数（Ｗ／ｃｍ３）に相当し、横軸は、金型キャビティＬ／Ｔ比に相当する。図１６は、従来の圧力変動の大きい射出成型プロセスと開示されている高生産性射出成型プロセスの複数の射出成形サイクルについて収集された試験データを表す。従来の圧力変動の大きいプロセスは、２つの異なる射出率２０．３２ｃｍ／ｓ（８ｉｎ／ｓ）と１５．２４ｃｍ／ｓ（６ｉｎｃ／ｓｅｃ）で実施された。加えて、異なるＭＦＩ値を有する熱可塑性材料も試験された。より具体的には、５５ＦＩ、３５ＭＦＩ、１２ＭＦＩを有する熱可塑性材料が試験された。チャート内のデータポイント記号は、下記のように、プロセス、射出率、ＭＦＩに相当する。
記号１６０１−従来の高可変圧力、２０．３２ｃｍ／ｓ、３５ＭＦＩ
記号１６０２−従来の高可変圧力、１５．２４ｃｍ／ｓ、３５ＭＦＩ
記号１６０３−高生産性プロセス、３５ＭＦＩ
記号１６０４−従来の高可変圧力、２０．３２ｃｍ／ｓ、１２ＭＦＩ
記号１６０５−従来の高可変圧力、１５．２４ｃｍ／ｓ、１２ＭＦＩ
記号１６０６−高生産性プロセス、１２ＭＦＩ
記号１６０７−従来の高可変圧力、２０．３２ｃｍ／ｓ、５５ＭＦＩ
記号１６０８−従来の高可変圧力、１５．２４ｃｍ／ｓ、５５ＭＦＩ
記号１６０９−高生産性プロセス、５５ＭＦＩ
【００８１】
図１６において線１６１０によって示されているように、本明細書で開示されている高生産性射出成形法及び装置は、１００〜２５０の間の任意のＬ／Ｔ比に関して、所与の金型キャビティを充填するために必要な電力が、従来の圧力変動の大きい射出成形プロセスよりも少なくて済み（即ち、低いピーク電力流動係数を有する）、この関係はＬ／Ｔ３００、及びＬ／Ｔ４００及びそれ以上から、最大で１０００Ｌ／Ｔ又はそれ以上まで及ぶ。実際に、開示されている高生産性射出成形法及び装置は、次の式によって算出される数値より低い電力を必要とする。
Ｙ＝０．７２１８ｘ＋１２９．７４（図１６の線１６１０に相当）
（式中、Ｙ＝ピーク電力流動係数、及び
Ｘ−Ｌ／Ｔ比である。）
【００８２】
全ての場合において、従来の圧力変動の大きい射出成形システムは、上の式で算出された電力よりも多い電力を必要とする。
【００８３】
ここで図５Ａ〜図５Ｄ及び図６Ａ〜図６Ｄを参照すると、従来の圧力変動の大きい射出成形機（図５Ａ〜５Ｄ）によって充填されている金型キャビティの一部と、実質的に一定の圧力の射出成形機（図５Ａ〜図５Ｄ）によって充填されている金型の一部が示されている。
【００８４】
図５Ａ〜図５Ｄに示されるように、従来の圧力変動の大きい射出成形機が、溶融熱可塑性材料２４をゲート３０を通して金型キャビティ３２の中に射出し始めると、高い射出圧力は、溶融熱可塑性材料２４を高速で金型キャビティ３２の中に射出する傾向があり、それにより溶融熱可塑性材料２４は積層物３１の状態（最も一般的に、層流と呼ばれる）で流れる（図５Ａ）。これら最も外側の積層物３１は金型キャビティの壁に付着し、その後冷却及び凝固し、金型キャビティ３２が完全に充填になる前に、凝固した境界層３３を形成する（図５Ｂ）。しかしながら、熱可塑性材料が凝固すると、凝固した熱可塑性材料は、金型キャビティ３２の壁から離れる方向に縮み、金型キャビティ壁と境界層３３との間に間隙３５が残される。この間隙３５は、金型の冷却効率を低下させる。溶融熱可塑性材料２４はまた、ゲート３０付近で冷却及び凝固し始め、ゲート３０の有効断面積を減少させる。一定の体積流量を維持するため、従来の圧力変動の大きい射出成形機は、狭いゲート３０に溶融熱可塑性材料を押し通すために圧力を増大さなければならない。熱可塑性材料２４が金型キャビティ３２の中に流入しつづけると、境界層３３は厚くなってゆく（図５Ｃ）。最終的に、金型キャビティ全体３２は、凝固した熱可塑性材料でほぼ満たされる（図５Ｄ）。この時点で、従来の高圧射出成形機は、後退した境界層３３を金型キャビティ３２の壁に押し付け返して更に冷却するために、填塞圧力を維持しなければならない。
【００８５】
一方、高生産性射出成形機は、常に動いている流頭３７を用いて、溶融熱可塑性材料を金型キャビティ３２に流し込む（図６Ａ〜図６Ｄ）。流頭３７の後方の熱可塑性材料２４は、凝固する前に金型キャビティ３７がほぼ充填されるまで（即ち、９９％以上充填されるまで）溶融状態を維持する。その結果、ゲート３０の有効断面積の減少はなく、有効断面積は、成形部品の公称肉厚の７０％〜１００％、好ましくは、８０％〜９０％であり得る。更に、流頭３７の後方の熱可塑性材料２４は溶融状態にあるので、熱可塑性材料２４は金型キャビティ３２の壁と接触し続ける。その結果、熱可塑性材料２４は、成形プロセスの充填部分の間に冷却される（凝固せずに）。このようにして、開示されている高生産性射出成型プロセスの冷却部分は、従来のプロセスほど長い必要がない。
【００８６】
熱可塑性材料は溶融したままであり、金型キャビティ３２の中に移動し続けるので、必要となる射出圧力は従来の金型よりも少なくて済む。一実施形態では、射出圧力は４１．３７ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）以下であってもよい。結果的に、射出システム及び型締システムは、それほど強力である必要はない。例えば、開示の高生産性射出成形装置は、低型締力及び対応する低型締用電源を必要とする型締具を使用してもよい。更に、開示されている高生産性射出成形機は、所要電力が小さいので、一般的には、高い圧力変動で薄肉部品を成形する従来のクラス１０１及び１０２射出成形機で使用するほどに強力でない電動プレスを採用してもよい。電動プレスが、ごく少数の金型キャビティを有する一部の単純な金型で使用するのに十分である場合でさえも、より小さく、より安価な電動モータを使用することができるので、開示されている高生産性射出成形法及び装置を使用してプロセスを改善し得る。開示されている高生産性射出成形機は、直流サーボ駆動モータプレス、デュアルモータベルト駆動式プレス、デュアルモータ遊星歯車式プレス、及び２００ＨＰ以下の電力定格を有するデュアルモータボール駆動式プレスのうちの１つ以上の種類の電動プレスを備え得る。
【００８７】
試験データ
図１６の力とＬ／Ｔの関係を示すチャートのデータを生成するために使用した試験金型の金型粘度試験を完了した。この試験で、最適な射出速度が毎秒１５．２ｃｍ（毎秒６インチ）であることを確認した。射出速度と成形圧力との関係を例証するために、毎秒２０．３ｃｍ（毎秒８インチ）の追加速度で試験を実施した。上述のように、現在の工業的手法は、成形プレスが達成することができる最大速度で射出することである。下記のデータは、毎秒２０．３ｃｍ（毎秒８インチ）データランによって示されるように、射出速度を上げると、成形圧力の実質的な増加を招くことを例証している。例えば、毎秒２５．４ｃｍ（毎秒１０インチ）、毎秒５０．８ｃｍ（毎秒２０インチ）、又はそれ以上などの更に高速での射出は、圧力の実質的な増加を招く。試験データを次の表で要約する。
【００８８】
【表２】
2015520050.tif 000004
【００８９】
【表３】
2015520050.tif 000005
【００９０】
【表４】
2015520050.tif 000006
【００９１】
射出成形部品を成形するのに必要なピーク流量とピーク電力レベルとを比較する場合、溶融温度及び金型温度は、従来のプロセス及び高生産性プロセスの両方について実施する条件の間で整合性がなければならない。更に、これらの温度設定は、一般に、樹脂製造業者の推奨温度に基づくか、又は樹脂が製造業者が意図する通りに加工されるのを確実にする好適な範囲内でなければならない。
【００９２】
ここで図７を参照すると、高生産性射出成型プロセスの例示的成形サイクル１０００の動作が示されている。成形サイクル１０００は、本開示に従って製作された高生産性射出成形機、例えば、図１の高生産性射出成形機上で実行し得る。より具体的には、例示の成形サイクル１０００は、第１の金型側方部及び第２の金型側方部を備える金型とともに、第１の金型及び第２の金型の間に形成された金型キャビティを有する高生産性射出成形機上であって、第１の金型側方部及び第２の金型側方部のうちの少なくとも１つが、５１．９Ｗ／ｍ−℃（３０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）を超え、３８５．７９Ｗ／ｍ−℃（２２３ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）以下である熱伝導率を有する、高生産性射出成形機上で実行し得る。いくつかの好適な実施形態において、第１の金型側方部と第２の金型側方部の両方は、５１．９Ｗ／ｍ−℃（３０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）を超え、３８５．７９Ｗ／ｍ−℃（２２３ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）以下である平均熱伝導率を有し得る。
【００９３】
第１の金型側方部及び／又は第２の金型側方部を製造するためのいくつかの好適な材料としては、アルミニウム（例えば、２０２４アルミニウム、２０９０アルミニウム、２１２４アルミニウム、２１９５アルミニウム、２２１９アルミニウム、２３２４アルミニウム、２６１８アルミニウム、５０５２アルミニウム、５０５９アルミニウム、航空機級アルミニウム、６０００シリーズアルミニウム、６０１３アルミニウム、６０５６アルミニウム、６０６１アルミニウム、６０６３アルミニウム、７０００シリーズアルミニウム、７０５０アルミニウム、７０５５アルミニウム、７０６８アルミニウム、７０７５アルミニウム、７０７６アルミニウム、７１５０アルミニウム、７４７５アルミニウム、ＱＣ−１０、Ａｌｕｍｏｌｄ（商標）、Ｈｏｋｏｔｏｌ（商標）、Ｄｕｒａｍｏｌｄ  ２（商標）、Ｄｕｒａｍｏｌｄ  ５（商標）、Ａｌｕｍｅｃ  ９９（商標））、ＢｅＣｕ（例えば、Ｃ１７２００、Ｃ１８０００、Ｃ６１９００、Ｃ６２５００、Ｃ６４７００、Ｃ８２５００、Ｍｏｌｄｍａｘ  ＬＨ（商標）、Ｍｏｌｄｍａｘ  ＨＨ（商標）、Ｐｒｏｔｈｅｒｍ（商標））、銅、及び任意のアルミニウム合金（例えば、ベリリウム、ビスマス、クロム、銅、ガリウム、鉄、鉛、マグネシウム、マンガン、ケイ素、チタン、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム）、任意の銅の合金（例えば、マグネシウム、亜鉛、ニッケル、ケイ素、クロム、アルミニウム、青銅）が挙げられる。これらの材料は、ロックウェルＣ（Ｒｃ）硬度０．５Ｒｃ〜２０Ｒｃ、好ましくは２Ｒｃ〜２０Ｒｃ、より好ましくは３Ｒｃ〜１５Ｒｃ、更により好ましくは４Ｒｃ〜１０Ｒｃを有し得る。これらの材料は、工具鋼より軟らかい場合があるが、熱伝導特性はより好ましい。開示されている高生産性射出成形法及び装置は、これらの軟らかく、熱伝導性が高い材料が１００万サイクル、好ましくは１２５万サイクル〜１，０００万サイクル、更に好ましくは２００万サイクル〜５００万サイクルの耐用年数を引き出すことを可能にする成形条件下で作動する点において有利である。
【００９４】
最初に、溶融熱可塑性材料は、１１１０で薄肉部品（例えば、１００＜Ｌ／Ｔ＜１０００）を形成する金型の中に送り込まれる。溶融熱可塑性材料のショットは０．５ｇ〜１００ｇであってよく、３つ以下のゲートを通って金型キャビティに送り込まれ得る。いくつかの場合、３つ以下のゲートのうちの１つ又はそれ以上は、金型キャビティ内に形成される部品の公称肉厚の７０％〜１００％、及び好ましくは公称肉厚の８０％〜９０％である断面積を有し得る。いくつかの実施例において、このパーセンテージは、０．５ｍｍ〜１０ｍｍのゲートサイズに相当する。
【００９５】
溶融熱可塑性材料は、１１１２において金型キャビティが実質的に充填されるまで金型キャビティ内に送り込まれる。金型キャビティは、金型キャビティが９０％を超えて充填された時、好ましくは９５％を超えて充填された時、より好ましくは９９％を超えて充填された時に、実質的に充填され得る。金型が実質的に充填された後、溶融熱可塑性材料は、実質的に凝固又は固化されるまで１１１４で冷却される。溶融熱可塑性材料は、第１の金型側方部及び第２の金型側方部のうちの少なくとも１つを通って流れる冷却流体で能動的に冷却されるか、又は大気中への対流及び伝導により受動的に冷却され得る。
【００９６】
熱可塑性材料が冷却された後、１１１６で冷却された熱可塑性材料を露出するために第１の金型側方部と第２の金型側方部が分離され得る。（成形部品の形の）冷却された熱可塑性材料は１１１８で金型から取外され得る。熱可塑性材料は、例えば、排出、ダンピング、（手動又は自動プロセスを介した）抜出、引っ張り、押し、重力、又は冷却した熱可塑性材料を第１の金型側方部及び第２の金型側方部から分離する任意の他の方法によって取り外され得る。
【００９７】
冷却された熱可塑性材料が第１の金型側方部及び第２の金型側方部から取り外された後、１１２０で、第１の金型側方部及び第２の金型側方部が閉じられて金型キャビティを再形成し、第１の金型側方部及び第２の金型側方部が新しい熱可塑性材料のショットを受け入れられるように準備をして、単一の成形サイクルが完了する。サイクル時間１００１は、一回のみの成形サイクル１０００として定義される。一回のみの成形サイクルは、部品のサイズ及び材料によって、２秒〜１５秒、好ましくは８秒〜１０秒かかり得る。
【００９８】
開示されている高生産性射出成形法及び射出成形機は、部品の品質を向上させながら、成形プロセスのサイクル時間を低減する点において有利である。更に、開示されている高生産性射出成形機は、いくつかの実施形態において、一般的に油圧プレスよりもエネルギー効率が高く、保守が少なくてすむ電動プレスを採用し得る。加えて、開示されている高生産性射出成形機は、例えば、より幅広のプラテン幅、広いタイバー間隔、タイバーの除去、高速移動を容易にする軽量構造体、及び非自然的な平衡供給システムなどの、より柔軟性のある支持構造物及びより適合性のある送達構造物を採用し得る。したがって、開示されている高生産性射出成形機は、送達の必要性に合うように改善され得、特定の成形部品に対してより容易にカスタマイズ可能である。
【００９９】
更に、開示されている高生産性射出成形機及び方法により、金型をより柔軟な材料（例えば、３０未満のＲｃを有する材料）で作製することが可能となり、そうした材料は、より高い熱伝導率（例えば、３４．６Ｗ／ｍ−℃（２０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）を超える熱伝導率）を有し得、改善された冷却能力を有してより均一に冷却する金型をもたらす。改善された冷却能力を有するため、開示されている高生産性射出金型は簡略化された冷却システムを有し得る。概して、簡略化された冷却システムは冷却通路の数が少なく、含まれる冷却通路は比較的真っ直ぐで加工軸が少ない。簡略化された冷却システムを有する射出金型の一実施例が、本明細書に参考として組み込まれている、２０１２年２月２４日に出願された米国特許出願第６１／６０２，７８１号に開示されている。
【０１００】
全ての種類の冷却システムは、冷却複雑度レベルの体系において分類することができ、冷却複雑度レベルゼロは、最も簡単な冷却システムを表し、最も高い冷却複雑度レベルは、漸次より複雑な冷却システムを表す。この冷却システム分類の体系については後で更に詳細に考察する。しかし、従来の高生産性消費者製品射出成形機（例えば、クラス１０１及びクラス３０成形機）は複雑な冷却システムを採用してサイクル時間を短縮し、生産性を改善している。概して、高生産性消費者製品射出成形機は、複雑な冷却システム（例えば、レベル４以上の冷却システム複雑度レベルを有する冷却システム）を有する。レベルゼロからレベル３の冷却複雑度レベルシステムは、概して、高硬度、低熱伝導率の熱可塑性材料で作製された金型を含む従来の高生産性射出金型に十分な冷却能力をもたらさない。
【０１０１】
開示されている低一定圧力射出金型は、従来の高圧力射出成形機に比べて製作コストを低減し、効率を高める、冷却複雑度レベル３以下、好ましくは、冷却複雑度レベル３、２、又は１を有する冷却システムを備えている点で有利である。
【０１０２】
本明細書で用いられている、冷却複雑度レベルゼロの金型アセンブリは、能動冷却システムを有さない金型アセンブリとして定義される。換言すれば、冷却複雑度レベルゼロの金型アセンブリは、熱の対流が金型側方部と支持板を通過して、最終的に金型アセンブリを取り巻く大気中に排出されることを通じて、受動的にしか冷却されない。冷却複雑度レベルゼロの金型アセンブリは、典型的には、（冷却速度が遅いため、プラスチックが金型内で凝固するのにかなりの時間を要するので）比較的長いサイクル時間を有する。その結果、高生産性消費者製品金型アセンブリ（例えば、クラス１０１及びクラス３０成形機で使用される金型アセンブリ）は、冷却複雑度レベルゼロの金型アセンブリを使用しない。
【０１０３】
ここで、図８〜図１２を参照すると、冷却複雑度レベル１の金型アセンブリ３２８の異なる実施形態（及び／又は金型アセンブリ内の支持板の異なる実施形態）が示されている。金型アセンブリ３２８は、第１の側面３７２と第２の側面３７４を有する金型３７０を備え得る。第１の側面３７２と第２の側面３７４は、それらの間に金型キャビティ３７６を形成する。第１の側面３７２は第１の支持板３７８によって支持され、第２の側面３７４は第２の支持板３８０によって支持され得る。第１の支持板３７８及び第２の支持板３８０は、成形プロセス時に起動して第１の側面３７２及び第２の側面３７４を移動させるプレス（図示せず）に固定され得る。１つ以上の冷却ライン３８２が、１つ以上の支持板３７８，３８０に形成され得る。第１の側面３７２及び第２の側面３７４は、熱伝導率が高い材料で作製されているので、熱は、金型キャビティ３７６内でプラスチックを許容時間内に冷却するのに十分な速さで、第１の側面３７２と第２の側面３７４を通って支持板３７８，３８０に流れる。
【０１０４】
支持板３７８，３８０は、支持板３７８，３８０から離れて金型３７０に向かって外方向に延びるポスト又は他の突出部３８１を有し得る。冷却ライン３８２は突出部３８１の中まで延在し得る。金型３７０は、突出部３８１の中（図９）又は上（図１０）の周囲に嵌るように相補的な機構を有し得る。このようにして、冷却ライン３８２は、金型３７０の中まで又は第１の側面３７２及び第２の側面３７４の中まで延在させなくても金型に近づけて配置され得る。その結果、支持板３７８，３８０は、様々な異なる形状の金型キャビティを有する金型を受容し得る。このようにして、金型は、冷却ラインを第１の側面３７２及び／又は第２の側面３７４に一体化することなく形成されて、金型３７０の製造コストを低減し得る。
【０１０５】
従来の高出力消費者製品射出金型アセンブリは、高硬度で、熱伝導率が低い材料で形成された金型キャビティ内でプラスチックを適切に冷却できないため、冷却複雑度レベル１の金型アセンブリを使用しない。冷却複雑度レベル１の金型アセンブリは、冷却ライン３８２を形成するために１つ以上の加工軸が必要な場合でも、全ての能動冷却ライン３８２を支持板３７８，３８０の中に収容するものとして定義される。図８〜図１２の実施例において、金型は、積層金型、キューブ金型、シャトル金型、ヘリコプタ金型、回転板を有する金型、又は必要に応じて生産性を高めるための他のマルチキャビティ金型であってもよい。
【０１０６】
ここで図１３を参照得ると、冷却複雑度レベル２の金型アセンブリが３２８が示されている。冷却複雑度レベル２の金型アセンブリ３２８は、図１３の実施形態における冷却ライン３８２が少なくとも１つの支持板３７８，３８０まで貫通し、少なくとも１つの金型側方部３７２，３７４の中まで延びている（つまり、支持板３７８，３８０しか貫通していない冷却ライン３８２に対向している）点を除いて、図５の冷却複雑度レベル１の金型アセンブリ３２８と同一である。冷却ライン３８２は、終端３８４を有する。しかし、各冷却ライン３８２は、単一の加工軸に平行な軸に沿って加工される。冷却ライン３８２は、冷却流体が冷却ライン３８２を流れやすくするバッフルを有し得る。冷却複雑度レベル２の金型アセンブリは、金型キャビティに近い冷却ラインを加工するだけの十分な柔軟性を有さず、したがって、高硬度で、熱伝導率が低い金型を使用する従来の高出力金型アセンブリを十分に冷却できないので、高出力消費者製品射出成形機（つまり、クラス１０１及びクラス３０射出成形機）では使用されなかった。
【０１０７】
ここで図１４を参照すると、冷却複雑度レベル３の金型アセンブリ３２８が示されている。冷却複雑度レベル３の金型アセンブリは、少なくとも２つの異なる加工軸を有する冷却通路３２８によって形成される。少なくとも１つの冷却ライン３８２は、２つの異なる加工軸と、終端とを有し得る。より具体的には、冷却ライン３８２は、湾曲部又はカーブを有し得る。例えば、冷却ライン３８２は、金型アセンブリ３２８の開閉ストロークＳと実質的に平行な第１の加工軸と、第１の加工軸に対して角度を有する第２の加工軸とを有し得る。冷却複雑度レベル２の金型アセンブリと同様に、冷却複雑度レベル３の金型アセンブリは、金型キャビティに近い冷却ラインを加工するだけの十分な柔軟性を有さず、したがって、高硬度で、熱伝導率が低い金型を有する従来の高出力金型アセンブリを十分に冷却できないので、高出力消費者製品射出成形機（例えば、クラス１０１及びクラス３０射出成形機）では使用されなかった。
【０１０８】
高生産性射出成形機の射出圧力は低いので、軟らかい材料で製作された金型は、１００万回以上の成形サイクルを引き出せるが、高圧射出成形機ではこうした材料は１００万サイクル未満で故障するため、高圧射出成形機において１００万回以上の成形サイクルを引き出すのは不可能である。
【０１０９】
「実質的に」、「約」、及び「およそ」という用語は、特別の定めのない限り、本明細書において、任意の定量的な比較、値、測定値、又は他の表現に帰属される場合がある、不確定の固有度を表すために使用される得ることに留意すべきである。これらの用語はまた、本明細書では、定量的表現が、問題となる対象物の基本的機能に変化をもたらすことなく、記載の基準から変動する程度を表すためにも使用される。特に本明細書中で定義されている場合を除き、「実質的に」、「約」、及び「およそ」という用語は、記載された基準値の２０％以内の範囲にある定量的な比較、値、測定値、又は他の表現を意味する。
【０１１０】
本明細書で例示及び記載した製品の様々な実施形態が、低圧の実質的に一定圧射出成形法によって作製されてもよいことは明らかである。本明細書では消費材を含む製品又は消費材製品自体を特に参照してきたが、本明細書に記載の成形法は、消費財産業、外食産業、運送業、医療産業、玩具産業、及び同様のもので用いる製品と共に使用するのに適し得ることは明白であるべきである。更に、本明細書に開示される教示は、積層金型、回転金型及びコアバック金型などのマルチ材料金型と、成形同時転写技術、インサート成形、インモールドアセンブリ、及び同様のものとを組み合させた構成で用いることができることを、当業者は理解されよう。
【０１１１】
本明細書に開示した寸法及び値は、記載された正確な数値に厳密に限定されるものと理解されるべきではない。むしろ、特に断らないかぎり、そのような寸法のそれぞれは、記載された値及びその値の周辺の機能的に同等の範囲の両方を意味するものとする。例えば、「４０ミリメートル」として開示される寸法は、「約４０ミリメートル」を意味するものである。
【０１１２】
任意の相互参照又は関連特許若しくは関連出願を包含する本明細書に引用される全ての文献は、明確に除外ないしは別の方法で限定されない限り、その全てが参照により本明細書に組み込まれる。いずれの文献の引用も、こうした文献が本願で開示又は特許請求される全ての発明に対する先行技術であることを容認するものではなく、また、こうした文献が、単独で、あるいは他の全ての参照文献とのあらゆる組み合わせにおいて、こうした発明のいずれかを教示、示唆又は開示していることを容認するものでもない。更に、本文書において、用語の任意の意味又は定義の範囲が、参考として組み込まれた文書中の同様の用語の任意の意味又は定義と矛盾する場合には、本文書中で用語に割り当てられる意味又は定義に準拠するものとする。
【０１１３】
本発明の特定の実施形態が例示され記載されてきたが、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく他の様々な変更及び修正を実施できることが、当業者には自明であろう。したがって、本発明の範囲内にあるそのようなすべての変更及び修正を添付の特許請求の範囲で扱うものとする。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
2015520050.tif 000015
【図６Ｂ】
2015520050.tif 000016
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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