(57)【要約】  多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、小型化された湯道を有する、湯道システム。
2015536263.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１組の湯道を含む多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、前記多空洞成形システムの少なくとも１つの空洞内に成形される部品のためのゲートの厚さの０．５〜１．５倍の水力直径を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項２】
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、前記多空洞成形システムの少なくとも１つの空洞内に成形される部品のゲートの厚さの０．５〜０．９倍の水力直径を有する請求項１に記載の湯道システム。
【請求項３】
１組の湯道を含む多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、Ｌ／Ｔが、前記多空洞成形システムの少なくとも１つの空洞内に成形される部品の長さと厚さとの比率であるとき、金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、ポリマーが前記射出成形システムによって射出されるピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-1で割った値の２０倍以下の水力直径を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項４】
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道の前記水力直径は、溶融ポリマー材料がそれを通じて流れ、それぞれの金型の空洞へ流れ込むことができるように、少なくとも十分に大きい請求項３に記載の湯道システム。
【請求項５】
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道の前記水力直径が、前記多空洞成形システムの少なくとも１つの空洞内に成形される部品のゲート厚さの少なくとも０．５倍である請求項４に記載の湯道システム。
【請求項６】
前記水力直径が、前記ピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-0.889で割った値の８．２５倍以下である請求項３に記載の湯道システム。
【請求項７】
１組の湯道を含む多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、７００を、ポリマーが前記射出成形システムによって射出されるピーク溶融圧で割った値以下の断面積を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項８】
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、（ピーク溶融圧）-0.889に１９９．６３を乗算した値以下の断面積を有する請求項７に記載の湯道システム。
【請求項９】
１組の湯道を含む多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、Ｌ／Ｔが、前記多空洞成形システムの少なくとも１つのキャビティ内に成形される部品の長さと厚さとの比率であるとき、
ポリマーが前記射出成形システムによって射出されるピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-2で割った値の３１５倍以下の断面積を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項１０】
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、前記ピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-1.778で割った値の５３．５１倍以下の断面積を有する請求項９に記載の湯道システム。
【請求項１１】
１組の湯道を含む多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道は、「ピーク溶融圧」が、ポリマーが前記射出成形システムによって射出されるピーク溶融圧であるとき、式：水力湯道断面積≦３６０，０００／（ピーク溶融圧）2によって求められる断面積を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項１２】
金型の空洞に一番近い前記１組の各湯道が、式：水力湯道断面積≦３１，３１３*（ピーク溶融圧）-1.778によって求められる水力湯道断面積を有する請求項１１に記載の湯道システム。
【請求項１３】
多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
第１の分岐組の湯道であって、該第１の分岐組の湯道の前記湯道のうちの各々が、前記金型の空洞のそれぞれ１つに一番近い第１の分岐組の湯道と、
第２の分岐組の湯道であって、該第２の分岐組の湯道の前記湯道のうちの各々が、前記第１の分岐組の湯道の前記湯道のうちの少なくとも２つに流体連通している第２の分岐組の湯道と、を備える１組の湯道を含み、
前記第２の分岐組の湯道の各湯道と流体連通している主要湯道は、少なくとも前記第１の分岐組の湯道のうちの各々の水力直径と、前記主要湯道を含む湯道の分岐組の数を１／８乗した値とを積算した値に等しい前記水力直径を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項１４】
多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
第１の分岐組の湯道であって、該第１の分岐組の湯道の前記湯道のうちの各々が、金型の空洞のそれぞれ１つに一番近い第１の分岐組の湯道と、
１つ以上の付加的な分岐組の湯道であって、次に連続した湯道の分岐組の前記湯道のうちの各々が、次に最も低い湯道の分岐組の前記湯道のうちの少なくとも２つと流体連通し、
前記１つ以上の付加的な分岐組の湯道の分岐組の各々が、前記金型の空洞に次に一番近い前記湯道の分岐組よりも１つ高いレベルを示している整数値として識別可能な１つ以上の付加的な分岐組の湯道と、を備える１組の湯道を含み、
前記１つ以上の付加的な分岐組の湯道の最も高い値よりも１つ高い分岐値を有する主要湯道は、前記１つ以上の付加的な分岐組の湯道のその最も高い値の各湯道と流体連通し、少なくとも前記第１の分岐組の湯道の各々の最小直径と、前記主要湯道の前記分岐値を１／８乗した値とを乗算した値に等しい水力直径を有することを特徴とする湯道システム。
【請求項１５】
多空洞射出成形システムのための湯道システムであって、
第１の分岐組の湯道であって、該第１の分岐組の湯道の前記湯道のうちの各々が、前記金型の空洞のそれぞれ１つに一番近い第１の分岐組の湯道と、
１つ以上の付加的な分岐組の湯道であって、次に連続した湯道の分岐組の前記湯道のうちの各々が、次に最も低い湯道の分岐組の前記湯道のうちの少なくとも２つと流体連通し、
前記１つ以上の付加的な分岐組の湯道の分岐組の各々が、前記金型の空洞に次に一番近い前記湯道の分岐組よりも１つ高いレベルを示している整数値として識別可能な１つ以上の付加的な分岐組の湯道と、を備える１組の湯道を含み、
前記１つ以上の付加的な分岐組の湯道の最も高い値よりも１つ高い分岐値を有する主要湯道は、前記１つ以上の付加的な分岐組の湯道分岐組のその最も高い値の各湯道と流体連通し、前記第１の分岐組の湯道の前記湯道のうちの１つの水力直径と、一定数（Ｋ）とを乗算した値に等しい水力直径を有することを特徴とする湯道システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、射出成形のための装置及び方法に関し、より具体的には、実質的に一定の圧力で射出成形部品を製造するための装置及び方法に関する。
【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、溶融ポリマー又は樹脂は、特定の空洞形状を有する金型の空洞内に強制的に射出される。射出されたプラスチックは、金型の空洞中の圧力下で保持され、冷却され、次いで金型の空洞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、単一の空洞又は複数の空洞を有してもよい。各空洞は、溶融樹脂が空洞へ流れ込むことを誘導する１つ以上のゲートを通って流動チャネルに接続されてもよい。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の空洞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空洞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】
溶融プラスチック樹脂は、金型の空洞に注入され、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空洞内の位置に達するまで、射出成形機によって空洞に押し込まれる。これにより得られる部品の長さ及び壁厚は、金型の空洞の形状の結果である。
【０００４】
多空洞射出成形は、機械ノズルから各個別の金型の空洞に溶融プラスチックを分散させるためのフィーダーチャネルのネットワークを必要とする。フィーダーチャネル又は湯道は、各成形サイクルのために、湯道が、湯道で固化する溶融ポリマーで充填され、次いで、湯道又はフィーダーチャネルネットワークの形状でプラスチックの固体質量として金型から除去されるように、冷却が可能になり得るか又は活発に冷却され得る。この種のシステムは、当該技術分野において「冷却湯道（cold runner）」システムと称される。各成形サイクルのためにポリマーが溶融状態に留まるように、フィーダーチャネル又は湯道ネットワークを加熱することもまた可能である。溶融ポリマーは、各成形サイクル後、フィーダーチャネル又は湯道に留まり、この溶融材料は、次いで、後続の成形サイクルの開始時に金型の空洞内に射出される。この種のシステムは、「熱間湯道（hot runner）」システムと称される。本明細書で使用されるとき、「湯道システム」は、形容詞「熱間」又は「冷却」によって先行されない場合、熱間湯道システム又は冷却湯道システムのいずれか、並びに複合型「熱間から冷却への」湯道システムを指す。
【０００５】
冷却湯道システムの場合には、金型の空洞に一番近い湯道又はフィーダーチャネルの水力直径は、典型的に、成形物品の公称肉厚の約１．５〜約３倍の範囲に及ぶ。例えば、Ｂｅａｕｍｏｎｔ，Ｒｕｎｎｅｒ  ａｎｄ  Ｇａｔｉｎｇ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ｓｅｃｏｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐａｇｅ  １５２，Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７を参照されたい。水力直径又はＤHは、式＝４Ａ／Ｐによって計算され得る、円形管の内径だけではなく非円形管又はチャネルの有効内径もまた指すように当該技術分野において一般的に使用される用語であり、式中、Ａが管又はチャネルの断面積であり、Ｐが管又はチャネルの断面の接液内部周辺部である。この水力直径は、湯道が、成形部品よりも長く溶融状態に留まり、金型の空洞が完全に充満され充填されるまで溶融プラスチックがフィーダーネットワークを通じて引き続き供給される得ることを確実にするように、物品の公称肉厚（以後、本明細書において定義される用語）よりも意図的に大きい。フィーダーチャネル内のポリマー材料が、金型の空洞が完全に充填される前に凝固してしまった場合、成形物品は、金型の空洞から過剰に離れて収縮し、成形物品は、低品質表面仕上げ及び不必要に高い寸法変化を有するだろう。
【０００６】
冷却湯道をサイズ決めするための別の従来方法では、湯道は、成形される物品の公称肉厚よりも１．５ｍｍ大きい水力直径を有するように設計される。例えば、Ｈｏｗ  ｔｏ  Ｍａｋｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｓ，Ｔｈｉｒｄ  Ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐａｇｅ  １５３，Ｃａｒｌ  Ｈａｎｓｅｒ，１９９３（Ｇｅｒｍａｎｙ）を参照されたい。
【０００７】
湯道システムを設計する際、従来の設計パラメータは、射出ユニット機械ノズル付近ではより大きい断面積で開始し、次いで、湯道が、各個別の金型の空洞に到達するように所望の数の湯道を達成するために分割されるにつれて、漸進的に断面積を逓減する湯道を要求する。重要なことには、一般通例は、流動湯道水力直径が、金型の空洞に供給する（上で決定されたように）最小設計水力直径から、機械ノズルに戻る流路に沿う湯道内の各分岐で漸進的に増加する水力直径に増加されなければならないことを示す。これは、特に、冷却湯道システムの場合であり、熱間湯道システムでは、冷却湯道システムに存在するような湯道直径を最小化することによって湯道内のポリマー材料のスクラップの凝固を促進し最小化する同様の必要性がないため、熱間湯道システムの異なる分岐での湯道の水力直径は、金型の空洞への近接の増加を伴う冷却湯道システムの漸進的により小さい直径よりも均一であり得る。
【０００８】
湯道システムについて説明する際、以下の用語を考慮することが有用である。「主要湯口」という用語は、機械ノズルに隣接し、成形機から溶融ポリマー（溶融ポリマー材料又は熱可塑性材料としても本明細書に称される）を受容する第１の湯道脚を指す。多空洞金型については、主要湯口は、「最終湯道分岐」の数が、ゲート場所の合計数（通常、金型の空洞当たり１つのゲート）に等しくなるように、複数の「湯道分岐」に分割される。「湯道分岐」という用語は、湯道ネットワークの流動チャネルのうちの各々を指す。「最終湯道分岐」という用語は、ゲートに直接接続して、次いで金型の空洞に接続する湯道分岐を指す。「ノード」という用語は、湯道がより小さい湯道分岐に分割される湯道ネットワーク内の場所を指す。例えば、主要湯口が、４つの個別金型ゲートへ延在している４つの湯道分岐に分割されるとき、湯道分岐を有する主要湯口の交点が、「ノード」として本明細書では称される。
【０００９】
従来型成形プロセスについては、湯道分岐のうちの各々のサイズは、式：Ｄm＝Ｄb*Ｎ1/3を用いることに関連付けられ、式中、Ｎは、フィーダー分岐［Ｄm］から延在する湯道分岐の数である。Ｎは、フィーダー湯道［Ｄm］が、等しい湯道分岐［Ｄb］に分割される回数の数に等しい。Ｄm及びＤbは、水力直径である。
【００１０】
例えば、主要湯口が４つの最終湯道に供給するように４つの分岐に分割される湯道システムについては、Ｎは４に等しいであろう。したがって、Ｄbが６ミリメートルに等しい場合、Ｄmは、６*４1/3乗に等しいか、又は、Ｄmは、約９．５２４ミリメートルに等しい。
【００１１】
主要湯口が４つの等しい分岐に分割される湯道システムである、第２の実施例では、４つの等しい分岐のうちの各々は、次いで、４つの等しい最終湯道分岐に分割される。主要湯口の直径は、最終湯道の直径から出発して、次いで、システムを通って主要湯口に戻ることによって決定されるであろう。したがって、最終湯道直径［Ｄb］が６ミリメートルに等しい場合、フィーダー湯道直径［Ｄm］は、６*４1/3乗に等しいか、又は約９．５２４ミリメートルに等しい。この場合には主要湯口直径であろう次のフィーダー湯道は、約９．５２４ミリメートルの直径を有して出発する同様の方法で計算される。したがって、主要湯口の直径［Ｄm］は、９．５２４*４1/3又は１５．１１８ミリメートルに等しい。等価計算は、Ｄｍ＝Ｄｂ*［最終湯道の合計数］1/3である。例えば、上の第２の実施例に示された１６個の空洞具は、この式によって計算された場合、１５．１１８ミリメートルの同様の解答を提供する。具体的には、６ｍｍ*１６1/3は、１５．１１８ミリメートルに等しい。この関係性は、主要湯口と最終湯道との間に位置するノードの数にかかわらず事実である。各中間湯道分岐工程は、式：Ｄm＝Ｄb*Ｎ1/3によって関連付けられるだろう。
【００１２】
これは、ポリマーを射出金型の空洞内に分散させるように要求されるプラスチックの相当容量をもたらす。冷却湯道システムの場合には、この多容量は、（湯道システムの容量が大きければ大きいほど、機械ノズルと金型の空洞との間のポリマー材料の容量が高くなり、湯道材料の容量と共に物品を成形する必要がおそらくあり得るより多くの型締トン数のため）いくつかの部品に対してサイクル回数を延長でき、型締トン数を増加でき、このポリマーの実質的な容量は、典型的に、冷却湯道が典型的にスクラップとして廃棄されるか又は後続の射出成形サイクルにおける再使用のために再研削されるため、空洞に射出されたポリマーの各「ショット」のために配設される。熱間湯道システムの場合には、材料のこの容量は、各成形サイクル中に加熱され、したがって、湯道の容量が高ければ高いほど、ポリマーの滞留時間は長くなり、ポリマーの品質を下げる熱へのポリマーの曝露が長くなる。更には、熱間湯道に含有される材料の容量が多ければ多いほど、ポリマーの色を変化させるか、又は１つのポリマー材料から別のポリマー材料に変化させる場合に、より多くの材料をシステムからパージさせなければならない。これは、材料転換プロセス中の生産性損失を導く。湯道に含有される材料の総容量を減少させることは、熱間湯道及び冷却湯道の両方にとって望ましい。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の実施形態は、概して、射出成形によって製品を製造するための湯道システム、機械、製品、及び方法を含むシステムに関し、より具体的には、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湯道システム、製品、及び方法を含むシステムに関する。
【００１４】
熱可塑性又は溶融ポリマー材料のピーク溶融圧に関して本明細書で使用されるとき「低ピーク圧力」という用語は、４１ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）以下の射出成形機のノズル付近のピーク溶融圧を意味する。ピーク溶融圧は、主要湯口、湯道分岐のうちのいずれか、又は金型の空洞の入口のゲート付近のようなノズル付近以外の湯道システム内の場所で測定され得る。
【００１５】
熱可塑性又は溶融ポリマー材料のピーク溶融圧に関して本明細書で使用されるとき「中間ピーク圧力」という用語は、約４１ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）〜約１０３ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）の射出成形機のノズル付近のピーク溶融圧を意味する。
【００１６】
熱可塑性又は溶融ポリマー材料のピーク溶融圧に関して本明細書で使用されるとき「高ピーク圧力」という用語は、１０３ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）を超える射出成形機のノズル付近のピーク溶融圧を意味する。
【００１７】
熱可塑性材料の溶融圧に関して本明細書で使用されるとき「実質的に低一定圧力」という用語は、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ないことを意味する。例えば、「実質的に低一定圧力」は、溶融した熱可塑性材料の粘度が有意に変化しない圧力変化を含むがこれに限定されない。この点に関して、「実質的に一定」という用語は、基線溶融圧から約３０％のずれを含む。例えば、「約３２ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力」という用語は、約４１ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）［３２ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）を３０％上回る］〜約２２ＭＰａ（３２００ｐｓｉ）［３２ＭＰａ（４６００ｐｓｉ）を３０％下回る］の範囲内の圧力変動を包含する。溶融圧は、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。ピーク溶融圧は、低ピーク圧力システムに対して４１ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）ほど高くあり得る。
【００１８】
熱可塑性材料の溶融圧に関して本明細書で使用されるとき「実質的に中間一定圧力」という用語は、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ないことを意味する。例えば、「実質的に中間一定圧力」は、溶融した熱可塑性材料の粘度が有意に変化しない圧力変化を含むがこれに限定されない。この点に関して、「実質的に一定」という用語は、基線溶融圧から約３０％のずれを含む。例えば、「約７６ＭＰａ（１１，０００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力」という用語は、約９８．６ＭＰａ（１４，３００ｐｓｉ）［７６ＭＰａ（１１，０００ｐｓｉ）を３０％上回る］〜約５３ＭＰａ（７，７００ｐｓｉ）［７６ＭＰａ（１１，０００ｐｓｉ）を３０％下回る］の範囲内の圧力変動を包含する。溶融圧は、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。ピーク溶融圧は、９８．６ＭＰａ（１４，３００ｐｓｉ）ほど高くあり得る。溶融ポリマーが、約４１ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）以下、又は４１ＭＰａ〜１０３ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ〜１５，０００ｐｓｉ）、又は１０３ＭＰａ〜１３８ＭＰａ（１５，０００〜２０，０００ｐｓｉ）のピーク溶融圧を有する実質的に一定圧力で金型に導入されるとき、従来型成形システム、つまりかかる従来型システムが容量流速によって制御されるため、実質的に一定圧力で維持されないもの、とは反対に、ノズルから金型の空洞までの湯道のサイズ（即ち、容量）、及び特に、金型の空洞に近接の湯道のサイズは、従来の高さ、可変圧力（時折、スパイク圧力と称される）射出成形システムの湯道よりも著しく小さくなり得ることを見出した。所与の長さの湯道については、湯道サイズは、湯道水力断面積又は湯道水力直径における変化のため様々であり得る。
【００１９】
湯道のサイズを減少させることには、いくつかの有益性がある。冷却湯道の場合には、湯道サイズを減少させることは、空洞が互いに対してより近接に間隔付けられ得るため、金型の空洞間隔付けに関して選択肢を有利に増加させる。可能性としては、空洞間の大きな間隔は、所与の金型に提供され得る空洞の合計数を増加させることができるように、金型全体にわたって保存することできる。冷却湯道システムの湯道サイズを減少させることの別の有利点は、湯道システムを通ってかつ最終的に金型の空洞内に溶融ポリマーを導入するのに必要とされるエネルギーを減少させることである。
【００２０】
従来型射出成形システムに比べて、冷却湯道システムのより小さいフィーダーチャネル又は湯道の付加的な有益性は、冷却湯道が成形サイクルの終了時に取り出されるか、ないしは別の方法で除去されるため、及び後続の成形サイクルにおける使用のために再研削されるため、湯道のサイズを減少させることが、成形サイクルの終了時に取り出されるか又は除去されるそれらの冷却湯道のサイズを減少させるということである。湯道のサイズを減少させることによって、及びそれによって再研削される必要がある材料の量を減少させ、得られる成形物品の完全性及び品質は、任意の所与の射出成形サイクルの再研削の割合が減少されるため、向上する。
【００２１】
熱間湯道システムについては、小型化湯道の有益性は、湯道の分岐から分岐（即ち、ノズルに最も近接の湯道から金型の空洞に最も近接の湯道）まで、より少ない圧力低下しか存在しないことであり、射出成形システムが一定圧力を維持し、より一定な部品を作製することを可能にするということである。小型化熱間湯道は、湯道システムの溶融ポリマーを減少させるように変換され、それによって、ポリマー滞留時間を減少させ、熱への曝露の期間を短縮する（ポリマーの品質低下を最小限に抑える）。熱間湯道に含有されるポリマー材料が少ないと、ポリマーの色を変化させるか、又は１つのポリマー材料から別のポリマー材料に変化させる場合に、システムからパージされる必要がある材料も少なくなり、それによって転換時間が減少されるだろう。冷却湯道システムに関しては、小型化湯道は、所与の金型の空洞の間隔付け、及び更には全体数において有用性を提供できる。
【００２２】
小型化湯道を有する射出成形システムのこれらの及び他の有益性が達成される方法が、本発明の以下の詳述において説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
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】ノズルと金型の空洞との間に提供された湯道の複数の分岐を備える多空洞射出成形システムの概略図を示す。
【図３】水力湯道直径と実質的に一定圧力で成形された部品に対するＬ／Ｔのピーク溶融圧の値との関係性の比較を示す。
【図４】水力湯道断面積と実質的に一定圧力で成形された部品に対するＬ／Ｔのピーク溶融圧の値との関係性の比較を示す。
【図５】水力湯道断面積と実質的に一定圧力で成形された部品に対するピーク溶融圧との関係性の比較を示す。
【図６】水力湯道直径と実質的に一定圧力で成形された部品に対するピーク溶融圧との関係性の比較を示す。
【図７】図３〜６が形成された比較表からのデータを生成するように使用される実験的金型及び部品の平面図を示す。
【図７Ａ】図７の実験的金型及び部品の等角図を示す。
【図７Ｂ】図７の実験的金型及び部品の正面図を示す。
【図７Ｃ】図７の実験的金型及び部品の断面図を示す。
【図７Ｄ】図７の実験的金型及び部品の側面図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
図を詳細に参照すると、図１は、高容量の薄肉部品（例えば、クラス１０１又は１０２射出金型、又は「超高生産性金型」）を製造するための例示的な実質的に一定圧力［約７ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜＜４１ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）未満、約４１ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）〜約６９ＭＰａ（１０，０００ｐｓｉ）、約６９ＭＰａ（１０，０００ｐｓｉ）〜約１０３ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）、及び約１０３ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）〜約１３８ＭＰａ（２０，０００ｐｓｉ）の範囲に及ぶピーク圧での］の射出成形装置１０を示す。射出成形装置１０は、概して、射出システム１２と型締システム１４とを含む。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。
【００２５】
往復スクリュー２２は、溶融熱可塑性材料２４をノズル２６に向かって押し、熱可塑性材料のショットを形成し、それは、金型２８の金型の空洞３２内に注入される。溶融熱可塑性材料２４は、ゲート３０を通って射出されてもよく、このゲート３０は、溶融熱可塑性材料２４の流れを金型の空洞３２に向けて方向付ける。金型の空洞３２は、金型２８の第１の金型部品２５と第２の金型部品２７との間で形成され、第１の金型部品２５及び第２の金型部品２７は、プレス又は型締ユニット３４による圧力下で一緒に保持される。例えば、プレス又は型締ユニット３４は、溶融熱可塑性材料２４が金型の空洞３２内に射出されている間、第１の金型部品２５及び第２の金型部品２７を一緒に保持するために、成形プロセス中、約７ＭＰａ（１０００ｐｓｉ）〜約４１ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）の範囲で型締力を適用する。これら型締力を支援するために、型締システム１４は、金型フレーム及び金型ベースを含んでもよく、この金型フレーム及び金型ベースは、約１６５ＢＨＮを超える、好ましくは２６０ＢＨＮ未満の表面硬度を有する材料から形成されるが、以下に更に説明されるように、材料が容易に機械加工可能な限り、２６０を超える表面硬度ＢＨＮ値を有する材料が使用されてもよい。
【００２６】
溶融熱可塑性材料２４のショットが金型の空洞３２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、金型の空洞３２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。一旦熱可塑性材料２４が固化すると、プレス３４が第１の金型部品２５及び第２の金型部品２７を放出し、第１の金型部品２５及び第２の金型部品２７が互いから離間し、完成部品が金型２８から押し出され得る。金型２８は、全体的な生産率を高めるために、複数の金型の空洞３２を備えていてもよい。
【００２７】
コントローラー５０は、センサ５２及びスクリュコントロール３６と通信できるように接続されている。コントローラー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んでもよい。コントローラー５０は、ワイヤ接続５４、５６を介して、センサ５２及びスクリュコントロール３６それぞれに接続されてもよい。他の実施形態では、コントローラー５０は、無線接続、機械的な接続、水圧式接続、空気的接続、又はコントローラー５０がセンサ５２及びスクリュコントロール３６の双方と通信することを可能にする、当業者に既知である任意の他のタイプの通信接続を介して、センサ５２及びスクリュコントロール５６に接続されてもよい。
【００２８】
図１の実施形態において、センサ５２は、ノズル２６内の溶融熱可塑性材料２４の溶融圧を（直接的又は間接的に）測定する圧力センサである。センサ５２は、コントローラー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ー５０は、スクリュコントロール３６に、ノズル２６内で溶融熱可塑性材料２４の実質的に一定の溶融圧を維持する速度で、スクリュー２２を前進させるよう命令する。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、ノズルと流体接続される必要はない。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。
【００２９】
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、コントローラー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の圧力過剰を防止するための別の代替機構は、圧力過剰状態が検出される場合に警報を作動させることである。
【００３０】
成形部品は、概して、流路の長さＬを流路の厚さＴで割った値が１００（すなわち、Ｌ／Ｔ＞１００）超であり、かつ１０００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の空洞では、Ｌ／Ｔ比率は、ゲート３０から金型の空洞３２の末端部までの金型の空洞３２の長さにわたる寸法Ｔを積分し、ゲート３０から金型の空洞３２の末端部までの流れの最長長さ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比率が、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。金型の空洞３２が２つ以上のゲート３０を有する場合、Ｌ／Ｔ比率は、Ｌ及びＴを個々のゲートによって充填された金型の空洞３２の部分に関して積分することによって決定され、所定の金型の空洞に関する全体のＬ／Ｔ比率は、ゲートのうちのいずれかに関して計算される最大のＬ／Ｔ比率である。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、＜１０００である部品として定義され得る。流路の長さＬは、ゲート３０から金型の空洞の末端部１０４まで測定した最長流動長である。薄肉部品は、消費者製品業界に特に普及している。
【００３１】
高Ｌ／Ｔ比率の部品は、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比率を有する製品は、概して、約５ｍｍ未満の平均厚さを有する。例えば、高Ｌ／Ｔ比率を有する自動車用バンパーパネルは、概して、１０ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比率を有する背の高い飲用グラスは、概して、約５ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比率を有する容器（タブ又はバイアルなど）は、概して、約３ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比率を有するボトル用キャップエンクロージャは、概して、約２ｍｍ以下の平均厚さを有し、高Ｌ／Ｔ比率を有する歯ブラシの個々の毛は、概して、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射出成形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。
【００３２】
高Ｌ／Ｔ比率の薄肉部品は、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に、従来の射出成形機は、溶融熱可塑性材料が、冷却及び凝固する機会を有する前に金型の空洞を急速に充填するように、典型的には１０３ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）のピーク圧力を超える非常に高い可変圧力で、溶融熱塑性材料を射出する。このことは、熱可塑性材料の製造業者が非常に高い可変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。こうした高い可変射出圧力では、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つ以上の特殊機構を有し得る。
【００３３】
実質的に一定圧力で充填する場合には、従来型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却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、たとえ金型の空洞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の空洞全体を充填するよりはむしろ、熱可塑性材料が凝固し、金型の空洞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、充填中に金型の空洞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の空洞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、金型の空洞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かかわらず、流れを凝固させるための機会は与えられない。
【００３４】
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、金型の空洞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、熱可塑性材料が凝固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、空洞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、熱可塑性材料が空洞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。
【００３５】
図２を参照すると、それは、多空洞射出成形システムの一部を概略的に示し、複数の金型の空洞３２が提供され、各々に別個の物品又は部品が射出成形される。フィーダーチャネル又は湯道６０のシステムは、ノズル２６とゲート３０との間に提供される。また本明細書に最終湯道としても称される第１の分岐組の湯道６４は、金型の空洞３２に一番近い湯道である。第２の分岐組の湯道の湯道６６の各々は、第１の分岐組の湯道の湯道６４のうちの少なくとも２つと流体連通している。第２の分岐組の湯道の湯道６６は、第１の分岐組の湯道の湯道６４よりも金型の空洞３２のゲート３０から、１つの工程又は分岐レベル分より遠隔（したがって１つの工程又は分岐レベル分ノズル２６により近接）に配置される。
【００３６】
主要湯道６８は、第２の湯道の分岐組の各湯道６６と流体連通し、主要湯道６８は、ノズル２６に近接の湯道であり、したがって金型の空洞３２のゲート３０から最も遠隔である。主要湯道６８は、システムの主要湯口であってもよい。本明細書に使用されるとき、互いに流体連通している湯道及び他の構造要素は、直接流体連通している必要はないが、単に、直接的又は間接的のいずれかで、一方から他方へ溶融ポリマー材料を移動させることが可能でなければならない。
【００３７】
図２は３つの湯道分岐を有する４つの空洞金型を示すが、付加的な金型の空洞３２及び分岐組の湯道が、複数の金型の空洞に一番近い第１の分岐組の湯道６４とノズル２６に一番近い主要湯道６８との中間に提供され得ることが認識される。加えて、図２は便宜上２次元で示されるが、湯道システムが多数の方向の各分岐で分離するように設計及び製造され得ることが認識される。例えば、ノズル２６に一番近い主要湯道６８が単一の湯道として示されるが、ノズル２６は、あるいは、例えば４つの方向に分離される１組の主要湯道に速やかに分離され得る。偶数番号付けされた空洞の分散が製造及び成形レイアウトを容易にするために多くの場合使用されるが、奇数の分離を含む交互の構成は、偶数又は奇数のいずれかで、合計空洞の任意の数をもたらす。非偶数番号付けされた空洞分散を望む場合は、実質的に一定圧力の射出成形プロセスが、それを容易にするだろう。
【００３８】
従来型多空洞射出成形システムの設計では、種々の経験則又は工業界公認のベンチマークが、成形される所与の部品のための適切な湯道サイズを決定するために開発されている。本発明の背景技術の項で論じられたように、それらのもののいくつかは、以下を含む：
金型の空洞に一番近い湯道又はフィーダーチャネルの水力直径は、成形物品の公称肉厚の約１．５〜約３倍の範囲に及ぶべきである。例えば、Ｂｅａｕｍｏｎｔ，Ｒｕｎｎｅｒ  ａｎｄ  Ｇａｔｉｎｇ  Ｄｅｓｉｇｎ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ，ｓｅｃｏｎｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐａｇｅ  １５２，Ｈａｎｓｅｒ  Ｇａｒｄｎｅｒ  Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００７を参照されたい。
【００３９】
金型の空洞に一番近い湯道又はフィーダーチャネルの水力直径は、成形物品の公称肉厚よりも少なくとも１．５ｍｍ大きくあるべきである。例えば、Ｈｏｗ  ｔｏ  Ｍａｋｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｓ，ｔｈｉｒｄ  ｅｄｉｔｉｏｎ，ｐａｇｅ  １５３，Ｃａｒｌ  Ｈａｎｓｅｒ，１９９３（Ｇｅｒｍａｎｙ）を参照されたい。
【００４０】
主要湯道６８の水力直径［ｄ主要］（機械ノズルに最も近い湯道である）及び後続の（即ち、より低い番号付けをされた）湯道分岐［ｄ分岐］の各湯道６６、６４の水力直径は、式：ｄ主要＝ｄ分岐×Ｎ1/3によって関連付けられ、式中、Ｎは、機械ノズル２６と単一の金型の空洞３２との間に必要とされる湯道分岐の数である。
【００４１】
本明細書で使用されるとき、「公称肉厚」という用語は、金型の空洞が均一な厚さを有するように作製されている場合、金型の空洞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の空洞の長さと幅を積分することによって計算され得る。金型の空洞内に成形された物品及び部品では、部品の長さにわたって厚さが様々であり得ることが認識される。いくつかの事例では、ゲート領域（複数可）（即ち、溶融ポリマー材料がフィーダーチャネル又は湯道システムからゲート（複数可）３０を通って金型の空洞３２内へ導入される場所（複数可）で金型の空洞内に位置する部品の一部（複数可）における）の部品の厚さは、部品全体の厚さよりも著しく薄い。湯道の水力直径は、ゲートでの部品の公称肉厚への関係性に基づいて設計されたときに最小化され得ることが見出されるため、部品全体の公称肉厚とは反対に、本開示は、所与の金型の空洞３２内に成形された物品又は部品の「ゲートの厚さ」を指す。しかしながら、全体を通して実質的に一定の厚さを有する、ゲート場所に含まれる部品については、本明細書に記載される式及び関係性が、同様に、金型の空洞の公称肉厚を指し得ることが認識される。
【００４２】
実質的に一定圧力で、１３８ＭＰａ（２０，０００ｐｓｉ）を下回るピーク圧で、多空洞射出成形システムが動作することによって、湯道サイズが可変圧力で動作する射出成形システムに対して減少され得ることが見出される。そのような射出成形システムは、アルミニウム、アルミニウム合金、又はベリリウム銅のような高熱伝導度材料から製造されるコーティングされた金型又はコーティングされていない金型を利用してもよい。あるいは、多空洞射出成形における、鋼又は鋼合金のような低熱伝導度のコーティングされた金型又はコーティングされていない金型は、実質的に一定圧力で操作され得る。隣接かつ囲んでいる成形プレートは、アルミニウム、アルミニウム合金、ベリリウム銅、鋼、又は鋼合金を含む材料で作製されてもよい。全てのこれらの実質的に一定圧力の射出成形システムが、可変圧力で動作する従来型射出成形システムに比べると、小型化湯道の効果的な使用を可能にする。実質的に一定圧力の射出成形プロセスが、溶融ポリマー材料を湯道システムに導入するために著しく少ない力及びエネルギーしか必要としないため、その湯道システム全体を通しての個別の供給チャネル又は湯道の水力直径は、少なくとも、金型の空洞３２に一番近いものを含むが、多くの場合、ノズル２６に一番近い主要湯道６８であっても、前述の工業界公認の湯道設計計算に従って従来型射出成形システムのために設計された湯道の水力直径よりも著しく小さくなり得る。
【００４３】
例えば、本開示の実質的に一定の射出成形システムでは、主要湯道６８の水力直径［ｄ主要］及び後続の湯道分岐の各湯道３６、３４の水力直径［ｄ分岐］が、式：ｄ主要＝ｄ分岐×Ｎ1/3.1によって関連付けられよく、式中、Ｎが、機械ノズル２６と単一の金型の空洞３２との間に必要とされる湯道分岐の数であることが見出される。あるいは、それらは、式：ｄ主要＝ｄ分岐×Ｎ1/8によって関連付けられてもよい。
【００４４】
更には、従来の教示の湯道設計の水力直径に反して、第１の分岐組の湯道の湯道６４の水力直径は、ゲートの厚さよりも小さくてもよく（即ち、ゲート（複数可）を含む、全体にわたって実質的に同じ厚さを有する部品のための金型の空洞の公称肉厚よりも小さい）、そのため、その水力直径は、金型の空洞内に成形された部品の、公称肉厚の約１．５〜約３倍であるか又は公称肉厚よりも１．５ｍｍ大きい。第１の分岐組の湯道の湯道６４の水力直径がゲートの厚さよりも小さくなり得るだけではなく、ゲートの厚さの９３％未満にもまたなり得る。
【実施例】
【００４５】
実施例１
試験を実施し、従来型可変圧力射出成形プロセスに比べて、実質的に一定圧力の射出成形プロセスと共に用いるためにいかに湯道サイズを設計できるかを判定した。２０ＭＦＩ  Ｂｒａｓｋｅｍ  Ｐｏｌｙｐｒｏｐｅｌｅｎｅ  Ｈｏｍｏｐｏｌｙｍｅｒ  ＦＴ２００ＷＶ（着色剤無し）を用いて試験を実施した。Ｅｎｇｅｌ  １００ＴＬ  ９０，７１８Ｋｇ（１００トン）水力タイバー無し射出成形プレスを用いて試験を実施した。一定の１８℃（６５°Ｆ）での成形温度で試験を実施した。溶融温度は、２１６℃（４２０°Ｆ）であった。従来型可変圧力プロセスについては、成形粘度試験を実施して射出速度を確立した。各実験には１１ｃｍ／秒（４．５ｉｎ／秒）の設定点を使用したか、又は容積測定的に４３．４３ｃｍ3／秒（２．６５ｉｎ3／秒）であった。
【００４６】
実質的に一定圧力のプロセス、又は「ＳＣＰＰ」については、圧力及び時間を制御して、短絡ショットをもたらすであろうゲート又は湯道の凍結なく、２．５１グラムの所定の部品重量を達成した。
【００４７】
図７〜７Ｄに描写されるように、水力直径とそれぞれの湯道Ｌ／Ｔ比率が以下のような冷却湯道挿入物と共に、鋼原型／実験用金型を使用した：０．０８ｃｍ（０．０３０"）（１００）、０．１ｃｍ（０．０４０"）（７５）、０．１１ｃｍ（０．０４５"）（６７）、０．１６ｃｍ（０．０６２"）（４８）、０．２０ｃｍ（０．０７８"）（３８）、０．２３ｃｍ（０．０９３"）（３２）、及び０．３１３ｃｍ（０．１２５"）（２４）。湯道長を一定の８ｃｍ（３"）にし、湯道は、完全な円形輪郭を有した。この試験については、部品Ｌ／Ｔは、公称肉厚０．１１ｃｍ（０．０４３インチ）を有する３５であった。
【００４８】
この試験の焦点は、質的に許容される射出成形された部品を生成するために必要とされる処理パラメータ及び圧力を判定することであった。部品については、その最終部品重量を測定することと、欠損又はへこみがないか部品を検査することとによって、質的に許容されるかどうかを判定した。射出成形プロセス条件が部品を完全に充填するのに失敗した（即ち、短絡ショットが存在した）場合、部品は、許容できないと見なされた。射出ノズルで測定されたピーク溶融圧、記録されたゲート後ピーク圧、及び部品にわたる対応する圧力損失の形態で、データ測定値を取った。
【００４９】
試験中、比較されたプロセス（即ち、実質的に一定圧力のプロセス対可変圧力又は従来型プロセス）の０．５％内に部品を保持した。平均的に、従来の圧力は、湯道直径が増加するにつれてパーセント差異がわずかに増加し、実質的に一定圧力のものよりも約２９％高かった。
【００５０】
ノズル内に位置するＤｙｎｉｓｃｏ溶融トランスデューサを用いてピーク圧を記録した。Ｋｉｓｔｌｅｒの、これもまたＫｉｓｔｌｅｒからの５０７３プログラム可能充電振幅器を通じて実行される、２．５ｍｍ  Ｋｉｓｔｌｅｒ圧力／温度センサを用いて、ゲート後の圧力を記録した。
【００５１】
表１−実験結果
従来型プロセス制御&&及び実質的に一定圧力のプロセス制御##
対
冷却湯道直径%%
【００５２】
【表１】
2015536263.tif 000003
【００５３】
注
&&  従来型プロセス制御のために、（概ね）一定容積測定設定を用いた。
##  ノズル付近の溶融物中のトランスデューサセンサが、実質的に一定圧力に制御するための実質的に一定圧力のプロセスコントローラにデータを提供した。
%%  湯口の直径を一定の０．５８ｃｍ（０．２３インチ）に維持した。
a  本実験では、湯道断面は、円の形状であり、よって、実際の湯道直径＝水力湯道直径であった。
b  本実験では、湯道断面は、円の形状であり、よって、実際の湯道断面積＝水力湯道断面積であった。このカラムは、円の面積のための式を介してカラムＡから計算される。
【００５４】
成形された部品の品質の凡例：
合格＝その条件が完全部品重量目標である２．５１グラムを満たし、部品に欠損又はへこみが存在しない部品。
不合格＝その条件が短絡ショットをもたらし、完全部品重量目標である２．５１グラムを満たさなかった部品。
最小品質＝その条件が完全部品重量目標である２．５１グラムを満たすが、部品に欠損又はへこみが存在する部品。
【００５５】
各湯道直径については、従来型プロセス制御条件及び実質的に一定圧力の制御条件のために１０個の部品をそれぞれ作製した。報告されたデータは、各試験条件で生成された１０個の部品の平均である。
【００５６】
冷却湯道システムを有する単一の空洞金型。８センチメートル（３インチ）の一定湯道長。
【００５７】
実質的に一定圧力の射出成形システム用の多空洞金型のための湯道システムは、よって、ゲートの厚さの１．５倍未満、好ましくは、ゲートの厚さの０．５〜１．５倍の範囲の水力直径を有する金型の空洞３２に一番近い湯道の分岐の組の各湯道６４を有するように設計され得、システムについては、比較的低圧、より好ましくは、ゲートの厚さの０．５〜０．９倍の範囲で動作する。
【００５８】
実質的に一定圧力での動作が意図される従来型射出成形システム並びに射出成形システムのための上述の比較試験に基づいて、金型の空洞３２に一番近い湯道の分岐の組の湯道６４のための水力湯道直径とピーク溶融圧との間、並びに金型の空洞３２に一番近い湯道の分岐の組の湯道６４の断面積とピーク溶融圧との間の種々の関係性は、定義可能である。
【００５９】
図３に戻ると、水力湯道直径と部品に対するＬ／Ｔのピーク溶融圧の値との関係性の比較を示す。比較プロットから生成されたデータを以下の表に提供する：
【００６０】
【表２】
2015536263.tif 000004
【００６１】
右上に対して最も遠くである「従来型」曲線として描写される曲線７０は、従来型射出成形システム又はプロセスのための水力湯道直径と［ピーク溶融圧／（部品Ｌ／Ｔ）］との関係性を表す。左下に対して最も遠くである「ＳＣＰＰ」曲線として描写される曲線７２は、本開示の実質的に一定の射出成形システム又はプロセスのための水力湯道直径と［ピーク溶融圧／（部品Ｌ／Ｔ）］との関係性を表す。曲線７０と曲線７２との中間の曲線７４は、従来型及びＳＣＰＰ、即ち曲線７０及び曲線７２を生成するために使用されたデータの間のデータ点の平均を表す。回帰曲線を平均データに適応させて、０．０５ｃｍ〜０．３３ｃｍ（０．０２０"〜０．１３０"）の範囲の全ての湯道直径でのデータを生成するために使用されたべき方程式を誘導した。本データが支持するように、実質的に一定圧力の射出成形システム用の多空洞金型ための湯道システムは、Ｌ／Ｔが、多空洞成形システムの少なくとも１つの空洞内に成形される部品の長さと厚さとの比率であるとき、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道直径（ＤH）が、ポリマーが射出成形システムによって射出されるピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-1で割った値の２０倍以下であるか、又は公式で表すと：
ＤH≦２０*ピーク溶融圧／（Ｌ／Ｔ）-1であるように設計され製造され得る。
【００６２】
成形空洞に一番近い湯道の水力直径は、溶融ポリマー材料がそれを通じて流れ、それぞれの金型の空洞へ流れ込むことができるように、十分に大きくなければならない。したがって、湯道のための実用的な最小水力直径が存在する。この実用的な最小水力直径は、成形される部品のためのゲートの厚さの約０．５倍である。好ましくは、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道直径は、ピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-0.889湯道直径で割った値の８．２５倍以下であるか、又は公式で表すと：
ＤH≦８．２５*ピーク溶融圧／（Ｌ／Ｔ）-0.889である。
【００６３】
ここで図４に戻ると、水力湯道断面積と部品に対するＬ／Ｔのピーク溶融圧の値との関係性の比較を示す。比較プロットから生成されたデータを以下の表に提供する：
【００６４】
【表３】
2015536263.tif 000005
【００６５】
右上に対して最も遠くである「従来型」曲線として描写される曲線８０は、従来型射出成形システム又はプロセスのための水力湯道断面積と［ピーク溶融圧／（部品Ｌ／Ｔ）］との関係性を表す。左下に対して最も遠くである「ＳＣＰＰ」曲線として描写される曲線８２は、本開示の実質的に一定の射出成形システム又はプロセスのための水力湯道断面積と［ピーク溶融圧／（部品Ｌ／Ｔ）］との関係性を表す。曲線８０と曲線８２との中間の曲線８４は、従来型及びＳＣＰＰ、即ち曲線８０及び曲線８２を生成するために使用されたデータの間のデータ点の平均を表す。本データが支持するように、実質的に一定圧力の射出成形システム用の多空洞金型ための湯道システムは、Ｌ／Ｔが、多空洞成形システムの少なくとも１つの空洞３２内に成形される部品の長さと厚さとの比率であるとき、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道断面積が、ポリマーが射出成形システムによって射出されるピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-2で割った値の３１５倍以下であるか、又は公式で表すと：
水力湯道断面積≦３１５*ピーク溶融圧／（Ｌ／Ｔ）-2であるように、設計及び製造され得る。
【００６６】
好ましくは、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道断面積は、ピーク溶融圧を（Ｌ／Ｔ）-1.778で割った値の５３．５１倍以下であるか、又は公式で表すと：
水力湯道断面積≦５３．５１*ピーク溶融圧／（Ｌ／Ｔ）-1.778である。
【００６７】
ここで、図５に戻ると、水力湯道断面積とピーク溶融圧との関係性の比較を示す。比較プロットから生成されたデータを以下の表に提供する：
【００６８】
【表４−１】
2015536263.tif 000006
【００６９】
【表４−２】
2015536263.tif 000007
【００７０】
右上に対して最も遠くである曲線として描写される曲線９０は、従来型射出成形システム又はプロセスのための水力湯道断面積とピーク溶融圧との関係性を表す。左下に対して最も遠くである曲線として描写される曲線９２は、本開示の実質的に一定の射出成形システム又はプロセスのための水力湯道断面積とピーク溶融圧との関係性を表す。曲線９０と曲線９２との中間の曲線９４は、従来型及びＳＣＰＰ、即ち曲線９０及び曲線９２を生成するために使用されたデータの間のデータ点の平均を表す。このデータが支持するように、実質的に一定圧力の射出成形システム用の多空洞金型ための湯道システムは、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道断面積が、３６０，０００をピーク溶融圧の平方で割った値以下であるか、又は公式で表すと：
水力湯道断面積≦３６０，０００／（ピーク溶融圧）2であるように、設計及び製造され得る。
【００７１】
好ましくは、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道断面積は、（ピーク溶融圧）-1.778に３１，３１３を乗算した値以下であるか、又は公式で表すと：
水力湯道断面積≦３１，３１３*（ピーク溶融圧）-1.778である。
【００７２】
図６に戻ると、水力湯道直径とピーク溶融圧との関係性の比較を示す。比較プロットから生成されたデータを以下の表に提供する：
【００７３】
【表５】
2015536263.tif 000008
【００７４】
右上に対して最も遠くである「従来型」曲線として描写される曲線１００は、従来型射出成形システム又はプロセスのための水力湯道直径とピーク溶融圧との関係性を表す。左下に対して最も遠くである「ＳＣＰＰ」曲線として描写される曲線１０２は、本開示の実質的に一定の射出成形システム又はプロセスのための水力湯道直径とピーク溶融圧との関係性を表す。曲線１００と曲線１０２との中間の曲線１０４は、従来型及びＳＣＰＰ、即ち曲線１００及び曲線１０２を生成するために使用されたデータの間のデータ点の平均を表す。このデータが支持するように、実質的に一定圧力の射出成形システム用の多空洞金型ための湯道システムは、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道直径が、７００をピーク溶融圧で割った値以下であるか、又は公式で表すと：
ＤH≦７００*ピーク溶融圧-1であるように設計及び製造され得る。
【００７５】
好ましくは、成形空洞に一番近い湯道の水力湯道直径は、（ピーク溶融圧）-0.889に１９９．６３を乗算した値以下であるか、又は公式で表すと：
ＤH≦１９９．６３*ピーク溶融圧-0.889である。
【００７６】
本開示の複数の分岐、多空洞射出成形システムでは、熱間湯道枝管については、実質的に一定圧力で動作するときにでも、供給システムの入口から供給システムの出口へのある程度の圧力低下が存在することもまた見出される。上述のように、実質的に一定圧力で実行されることによって（可変ピーク圧力とは反対に）、湯道サイズが減少され、著しい有益性をもたらし得ることが見出される。熱間湯道システムの小型化湯道の特有の有益性は、熱間湯道システムが動作するとき頻繁に起こる懸念が、溶融ポリマー材料が圧縮性であるため、射出成形システムの往復スクリュー２２（又はプランジャ）の作動を停止した後、ある程度のラグ又はヒステリシスが存在するという事実であるが、静止溶融ポリマー材料の運動量、及び圧縮による位置エネルギーの解放後、その材料に金型の空洞に向かう流動を継続させる、ということである。湯道の容量が大きければ大きいほど、この継続された流動がスクリュー又はプランジャ停止現象に続くことがより明白である。逆に、熱間湯道システムの湯道のサイズを減少させることによって、往復スクリュー２２又はプランジャの停止に続く継続された溶融ポリマー材料の流動の効果が軽減されてしまう。
【００７７】
式：Ｄm＝Ｄb*Ｎ1/3に従って熱間湯道システムを設計するとき、式中、Ｎは、ノードから延在する分岐の数に等しい。この式を用いると、最終湯道分岐［Ａb］の断面積の合計は、供給システム入口又は主要湯口［Ａm］での断面積よりも実質的に高くなる。ＤmとＤbとの関係性は、式：Ｄm＝Ｄb*［最終湯道の合計数］1/3によって更に表現できる。この関係性は、上述のように、式：Ｄm＝Ｄb*Ｎ1/3を用いて湯道サイズが決定される限り、最終湯道分岐の数にかかわらず事実である。この関係性に基づくと、ＡbとＡmとの比率が、以下の表に示される割合に常に従うということを更に決定でき、６ミリメートルシステムに対して及び３ミリメートルシステムに対して、関係性が常に持続することを示すためにＤbを示す。したがって、金型の空洞に一番近い熱間湯道を有するシステムは、溶融ポリマー材料がそれを通じてながれ、金型の空洞へ流れ込むことができるように、少なくとも十分に大きい最小水力直径を備え、６ミリメートル未満であり、本開示の実質的に一定圧力の射出成形プロセスを用いることで達成される。Ａm及びＡbは、水力断面積である。以下に２つの表を示す。表２は、熱可塑性材料のための６ｍｍの従来型最小最終熱間湯道水力直径を含む。表３は、熱可塑性材料を用いて可能な一定圧力処理を行うより小さい最終湯道水力直径の１つの実施例を提供する。
【００７８】
【表６】
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*６ミリメートル最終湯道直径であると仮定する。
【００７９】
【表７】
2015536263.tif 000010
**３ミリメートル最終湯道直径であると仮定する。
【００８０】
一定圧力処理の使用は、この比率を減少させることを可能にし、次には、供給システムで起こる圧力損失を減少させる。これは、金型の空洞を実質的により低い流速で充填でき、したがって、ベルヌーイの法則に従ってより低い圧力で供給システムを通じてポリマーを押し進めることができるため、可能である。この比率は、ＡbとＡmとの比率が上の表に適用された標準比率よりも低いように、減少できる。例えば、３ミリメートル最終湯道直径が使用された場合、標準６ミリメートル最終湯道システムに対して主要湯道直径を同様に維持しつつ、次いで、得られるＡbとＡmとの比率を以下の表に示す。
【００８１】
【表８】
2015536263.tif 000011
***式中、Ａbは、３ミリメートル最終湯道直径のためのものであり、式：Ｄm＝Ｄb*Ｎ1/3を用いて６ｍｍ最終湯道を有するシステム用の主要湯道直径のためにＡmを計算した。
【００８２】
これは、実質的に一定圧力のプロセスが使用されるとき、湯道ネットワーク全体にわたる圧力損失が大幅に少ないように湯道システムを設計できることを実証している。上の表１に共有される実験データに基づくと、表４のＡb／Ａmの比率は、１：１か又は更にはそれ以下に減少させることができる。したがって、実質的に一定圧力のプロセスの湯道システムは、圧力損失の低減という貢献が、断面流動面積の増加という結果として湯道ネットワーク全体にわたって起こるように、設計され得る。ある程度の損失がシステムの摩擦損失に関連して起こり得、流動している液体のずり減粘現象もまたシステムを通して流動するために必要な圧力に影響することが理解される。しかしながら、上に示される断面水力流動直径と関連付けられる関係性は、これらの他の要因にかかわらず事実であり続ける。
【００８３】
図２に概略的に示されるようなフィーダーチャネル又は湯道６０のシステムとして配設される熱間湯道のシステムを有する複数の分岐、多空洞の実質的に一定圧力の射出成形システムについては、主要湯道６８の断面積が、複数の金型の空洞３２に一番近い第１の分岐組の湯道の湯道６４の各々の断面積に一定数Ｋを乗算した値に等しいか、又は公式で表すと：
Ａ主要＝Ａ最終分岐*Ｋであり、
式中、Ａ主要＝π（ＤH主要／２）2であり、
Ａ最終分岐＝π（ＤH最終分岐／２）2であり、
式が、π（ＤH主要／２）2＝π（ＤH最終分岐／２）2*Ｋになり、
簡略化されて：ＤH主要2＝ＤH最終分岐2*Ｋ
【００８４】
であるように、熱間湯道システムが設計及び製造され得ることが見出される。米国特許出願第１３／４７６，０７３号、発明の名称「Ｎｏｎ−Ｎａｔｕｒａｌｌｙ  Ｂａｌａｎｃｅｄ  Ｆｅｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ａｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」（その全体の開示が参照により本明細書に組み込まれる）において論じられるように、ノズル２６とゲート３０との間に非対称パターンにおいて流動チャネル又は湯道システムを提供することが可能である。本開示によって企図される小型化湯道の別の有益性は、非天然的にバランスのとれた供給システムの有益性を、従来型射出成形システムに比べて水力直径又は断面の減少した供給チャネルと組み合わせることによって、単一の金型内の複数の金型の空洞の分散を最適化する能力である。
【００８５】
「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。
【００８６】
ここで、本明細書に示され、説明された製品の様々な実施形態が、実質的に一定圧力の射出成形プロセスによって作成され得ることは明白なはずである。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方法は、消費財産業、外食産業、運送業、医療産業、及び同様のもので用いる製品と共に使用するのに好適であり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、挿入成形、金型内アセンブリなどを組み合わせた構成において使用できることを、当業者は理解されよう。
【００８７】
特定の実施形態が本明細書で図示及び説明されたが、請求される主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく種々の他の変更及び修正がなされ得ることを理解されたい。更に、請求される主題の種々の態様が本明細書で説明されたが、このような態様は組み合わせて利用される必要はない。したがって、添付の「特許請求の範囲」は、請求される主題の範囲内に属するすべてのこのような変更及び修正を網羅することが意図される。
【００８８】
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、「４０ｍｍ」として開示される寸法は、「約４０ｍｍ」を意味することを意図する。
【００８９】
相互参照されるか又は関連する全ての特許又は特許出願を含む、本明細書に引用される全ての文書を、特に除外すること又は別途限定することを明言しないかぎりにおいて、その全容にわたって本明細書に援用するものである。いずれの文献の引用も、こうした文献が本明細書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、あるいは、こうした文献が、単独で、又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参照、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。
【００９０】
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５】
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【図６】
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【図７】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【国際調査報告】
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