(57)【要約】【課題】  本発明は、射出成形用スクリューを提供する。【解決手段】  射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０が、第一端部と、第二端部と、長手ボデーと、圧力保持装置と、選択的にスクリューチップ５４とを備えている。長手ボデー１６は両端部間でスクリュー全長に沿って軸方向に延在している、第一ステージ部分２０と第二ステージ部分２２，１２２，２２２とを備えている。圧力保持要素は、第二ステージ部分における圧力損失を最小化するようになっている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一端部と、第二端部と、長手ボデーと、圧力保持要素とを具備する射出成形用スクリューにおいて：
該第一端部は、駆動手段と係合するようになっており；
該第二端部は、スクリューチップと係合するようになっていて；
該長手ボデーは、該第一端部と該第二端部との間で、該射出成形用スクリューの全長に沿って、軸方向に延在しており、かつ第一ステージ部分と第二ステージ部分とを備えていて、
該第一ステージ部分は、少なくとも一つの物質を最初に受け入れるようになっており、かつ該少なくとも一つの物質を該第二ステージ部分へ送るようになっていて、該第一ステージ部分が、該第一ステージ部分に沿ってヘリカル状に延伸する少なくとも一つのねじ山を含んでおり、該少なくとも一つのねじ山は、少なくとも一つのチャンネルを形成していて、該少なくとも一つのチャンネルを介して、該少なくとも一つの物質が、該第一ステージ部分に沿って該第二ステージ部分に送られており、
該第二ステージ部分は、少なくとも一つの混合区画を含んでいて、かつ該第一ステージ部分から送られてきた該少なくとも一つの物質を該スクリューチップに送るようになっており、該少なくとも一つの混合区画は、該第一ステージ部分から送られてきた該少なくとも一つの物質を混合し、かつ混合した該少なくとも一つの物質を押出し用の該スクリューチップに送っており、少なくとも一の流体が、加工装置の少なくとも一つの注入ポートにより、該第一ステージ部分から送られてきた該少なくとも一つの物質に導入されていて；
該圧力保持要素は、該第二ステージ部分における圧力損失を低減するために、該第一ステージ部分と該第二ステージ部分との間に設置されている；
射出成形用スクリュー。
【請求項２】
該長手ボデーの該第一ステージ部分が、複数の区画を備えている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３】
該第一ステージ部分の該複数の区画が、供給区画と、転移区画と、計量区画とを含んでいて、該供給区画は該第一端部に最隣接して設置されており、該転移区画は該供給区画と該計量区画との中間に設置されていて、該供給区画と該転移区画と該計量区画との各々は谷の径を有している、請求項２に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項４】
該計量区画の該谷の径が、該転移区画の該谷の径より大きくて、かつ該転移区画の谷の径は、該供給区画の谷の径より大きい、請求項３に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項５】
該計量区画の谷の径が、該混合区画の谷の径とほぼ同一である、請求項３に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項６】
該計量区画の谷の径と該混合区画の谷の径との各々が、該第一ステージ部分と該第二ステージ部分との間に設置された中間区画の谷の径より大きい、請求項３に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項７】
該第二ステージ部分が、該第二ステージ部分に沿ってヘリカル状に延伸する少なくとも一つの混合用ねじ山を含んでいて、該少なくとも一つの混合用ねじ山が少なくとも一つのチャンネルを形成しており、該少なくとも一つのチャンネルを介して、混合された該少なくとも一つの物質が該第二ステージ部分に沿って該スクリューチップに送られている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項８】
該少なくとも一つの混合用ねじ山が、のこ歯状の混合用二条ねじ山である、請求項７に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項９】
該のこ歯状の混合用二条ねじ山が、１／２のピッチである、請求項８に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１０】
該少なくとも一つの混合用ねじ山が、のこ歯状の混合用単条ねじ山である、請求項７に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１１】
該少なくとも一つの混合用ねじ山が、単一ピッチの混合用単条ねじ山である、請求項７に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１２】
該少なくとも一つの混合区画の一つの混合区画が、該第二端部に最隣接して設置されている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１３】
該長手ボデーがほぼ円柱状である、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１４】
さらにスクリューチップを具備している、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１５】
該スクリューチップが自動閉止式スクリューチップである、請求項１４に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１６】
該第二端部が、該スクリューチップの係合端部を受け入れるために寸法化され形成されたスクリューチップチャンネルを含んでいる、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１７】
該第二ステージ部分が、該混合区画と該中間区画との間に設置されたヘリカル状のワイピング区画を含んでいて、該中間区画は該第一ステージ部分と該第二ステージ部分との間に設置されている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１８】
該射出成形用スクリューが、約２．０対１の圧縮比である、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項１９】
該射出成形用スクリューが、約１．５対１〜約１．７対１の圧縮比である、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２０】
該射出成形用スクリューが、非ポリマー結合剤を有する供給原料を押し出すために約１．２対１〜約１．４９対１の圧縮比である、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２１】
該加工装置が、上流方向と下流方向とを有する少なくとも一つのバレルを備えている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２２】
使用時において、該圧力保持要素が、該バレルの該ガス注入ポートの上流側に位置決めされている、請求項２１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２３】
該圧力保持要素が、射出又は突出しサイクルの少なくともある時間の間、該圧力保持要素を通過する少なくとも一つの物質の該上流方向への流れを制限するべく配置構成されていて、該圧力保持要素の下流側の少なくとも一つの物質の圧力を該射出又は突出しサイクルを通して少なくとも６８９５kPa（１０００psi）に維持するようになっている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２４】
該圧力保持要素が、射出又は突出しサイクルの少なくともある時間の間、該圧力保持要素を通過する少なくとも一つの物質の該上流方向への流れを制限するべく配置構成されていて、該圧力保持要素の下流側の少なくとも一つの物質の圧力を該射出又は突出しサイクルを通して少なくとも１３７９０kPa（２０００psi）に維持するようになっている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２５】
該圧力保持要素が、射出又は突出しサイクルの少なくともある時間の間、該圧力保持要素を通過する少なくとも一つの物質の該上流方向への流れを制限するべく配置構成されていて、該圧力保持要素の下流側の少なくとも一つの物質の圧力を該射出又は突出しサイクルを通して少なくとも２０６８４kPa（３０００psi）に維持するようになっている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２６】
該圧力保持要素が、射出又は突出しサイクルの少なくともある時間の間、該圧力保持要素を通過する少なくとも一つの物質の該上流方向への流れを制限するべく配置構成されていて、該圧力保持要素の下流側の少なくとも一つの物質の圧力を少なくとも臨界圧力に維持するようになっていて、該臨界圧力は、該少なくとも一つの物質と少なくとも一つの流体との単相溶液を、該少なくとも一つの射出又は突出しサイクルを通して、維持するために必要とされるものである、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２７】
該射出成形用スクリューが、該射出又は突出しサイクル中に、蓄積位置と射出位置との間を往復する、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２８】
該圧力保持要素の下流側の少なくとも一つの物質の圧力が、該圧力保持要素の上流側の少なくとも一つの物質の圧力を上わ廻るとき、該圧力保持要素は、該圧力保持要素を通過する少なくとも一つの物質の該上流方向への流れを制限するべく配置構成されている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項２９】
該圧力保持要素が、該射出又は突出しサイクルの少なくともある時間の間、該少なくとも一つの物質の該上流方向への流れをほぼ防止するべく配置構成されている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３０】
該圧力保持要素がバルブを備えていて、該バルブは、第一位置において、該バルブを通過する該少なくとも一つの物質の下流方向への流れを可能にし、第二位置において、該バルブを通過する該少なくとも一つの物質の上流方向への流れを制限するようになっている、請求項１に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３１】
該バルブの下流側の該少なくとも一つの物質の圧力が、該バルブの上流側の該少なくとも一つの物質の圧力を上廻った場合、該バルブは該第一位置から該第二位置へ移動するべく配置構成されている、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３２】
該バルブがばね要素を含んでいて、該ばね要素は、該バルブを該第一位置から該第二位置へ押しつけるべく付勢されている、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３３】
該バルブが、該第二位置において、該弁を通過する該少なくとも一つの物質の上流方向への流れをほぼ防止するべく配置・構成されている、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３４】
該バルブは、該バルブが該第一位置から該第二位置へ移動する場合のある時限の間、該バルブを通過する該少なくとも一つの物質の限定された上流方向への流れを可能にするべく配置構成成されている、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３５】
該射出成形用スクリューが蓄積位置と射出位置との間を往復していて、該バルブは、該射出成形用スクリューが該射出位置にある場合の少なくともある時間の間該第二位置にある、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３６】
該バルブは、該射出成形用スクリューがアイドルしている場合の少なくともある時間の間該第二位置にある、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３７】
該バルブがリング逆止め弁を含んでいる、請求項３０に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３８】
該リング逆止め弁がシール面及びリングを備えていて、該リングは第一位置と第二位置との間で可動であり、該第一位置において、該リングは、該シール面と係合していなくて、従って該少なくとも一つの物質が該リングを通過して流れることを可能にしていて、該第二位置において、該リングは、該シール面と係合しており、従って該リングを通過する該少なくとも一つの物質の該上流方向への流れを防止している、請求項３７に記載の射出成形用スクリュー。
【請求項３９】
該シール面が、該射出成形用スクリューの少なくとも一部を含んでいる、請求項３８に記載の射出成形用スクリュー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、押出し用スクリュー、とくに射出成形用スクリューに関する。
【背景技術】
【０００２】
押出し用スクリュー及び押出し用装置あるいはシステムは公知のものである。ポリマー材料用のＭｕＣｅｌｌ（登録商標）プロセスに使用される、公知のTrexel社製射出成形用スクリューは、金属又はセラミック供給原料材料等を加工するための最適なデザインではない。このスクリューは四つの独特な区画を備えている。
【０００３】
駆動あるいはホッパー端部を起点とする第一区画は、供給区画と移動区画と計量区画とを含んでいる。
【０００４】
第二区画は、制限要素と見なされるものであって、大きな谷の径であり、かつ従来形スクリューのねじ山と、微孔質プロセス用の標準スクリューの第一混合区画との間に設置されている。第二区画は、ガスポート位置の上流側における溶融材料の逆流を制限している。この形態は、バレルにおいて高圧ガスが溶融材料に添加される場合に、溶融圧力を保持するためのものである。
【０００５】
第三区画は、Union Carbide又はMaddockの混合デザインをベースにしたリバースチャネル流れの混合区画であって、産業界における射出成形機のスクリューの供給者から商業的に入手可能である。この区画は、窒素、二酸化炭素、及び他の大気ガスのような、超臨界流（ＳＣＦ）あるいは発泡剤を溶融材料に導入するためのガスポートオリフィスと一致している。この区画を通過する材料流れは、溶融材料の広い領域に露出され、溶融材料へのＳＣＦあるいは発泡剤の均一な分配及び分散が促進されるようになっている。
【０００６】
第四区画は、密なピッチの二条ねじ山の混合区画である。ねじ山は異なる高さであって、かつ分割されており、この混合区画におけるねじ山間で溶融材料の直交流を促進するようになっている。
【０００７】
ポリマー材料のための微孔質プロセス用のこの公知の標準スクリューは、金属又はセラミックの供給原料材料等を加工する場合構造に限界がある。
【特許文献１】米国特許第５１６４２０７号明細書
【特許文献２】米国特許第１５１９９５号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、駆動手段と係合する第一端部と、スクリューチップと係合する第二端部と、両端部の間でスクリューの全長に沿って延在する長手ボデーと、圧力保持機構とを備えた射出成形用スクリューを意図しているものである。スクリューがさらにスクリューチップを備えていてもよい。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
該長手ボデーは、第一ステージ部分と第二ステージ部分とを備えている。該第一ステージ部分は、少なくとも一つの物質を最初に受け入れるようになっており、かつ該少なくとも一つの物質を該第二ステージ部分へ送るようになっている。該第一ステージ部分が、該第一ステージ部分に沿ってヘリカル状に延伸する少なくとも一つのねじ山を含んでいる。該第一ステージ部分の該少なくとも一つのねじ山は、少なくとも一つのチャンネルを形成していて、該少なくとも一つのチャンネルを介して、該少なくとも一つの物質が、該第一ステージ部分に沿って下流方向の該第二ステージ部分に送られている。該第二ステージ部分は、少なくとも一つの混合区画と、該第二ステージ部分のある部分に沿ってヘリカル状に延伸しているねじ山とを含んでいる。第二ステージ部分は、該第一ステージ部分から送られてきた該少なくとも一つの物質を該スクリューチップに送るようになっている。該第一ステージ部分の下流側のバレルの部分に設置された少なくとも一つのガス注入ノズルが、該第一ステージ部分から送られてきた物質に少なくとも一つの流体を導入している。該少なくとも一つの混合区画は、該第一ステージ部分から送られてきた該少なくとも一つの物質を混合し、かつ混合した該少なくとも一つの物質を押出し用の該スクリューチップに送るようになっている。
【００１０】
該第二ステージ部分のねじ山は、少なくとも一つのチャンネルを形成していて、該チャンネルを介して物質が該第二ステージ部分に沿ってスクリューチップへ送られている。該第二ステージ部分は、供給原料材料のような物質に、剪断と流体の分配混合とを誘発するための手段を組み込んでいる。該圧力保持要素は、該第一ステージ部分と該第二ステージ部分との間の中間区画周囲に設置されている。該圧力保持要素は、該第二ステージ部分における圧力損失を低減、好ましくは最小化するための手段を備えている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
金属又はセラミックの供給原料等を加工する際、ポリマー材料の微孔質加工に対して前述の標準スクリューを使用する場合、多くの問題が克服されてきた。
【００１２】
成形用装置用の標準を決めているプラスチック産業業界により提供された、ポリマースクリュー用のスクリュークリアランスの仕様は、金属射出成形用（“ＭＩＭ”）材料を処理するには、小さすぎるものである。ミュッセル（ＭｕＣｅｌｌ）プロセス用の標準スクリューにおいて、ポリマー加工のためのスクリューとバレルとのクリアランスは、０．０５０８mm（０．００２in）である。“ＭＩＭ”産業用スクリューのクリアランスとして、ポリマースクリュー用のクリアランスの二倍が推せんされている。小さなクリアランスは、成形機における、スクリューやスクリューチップやバレルコンポーネントの、かじりつき及び摩耗をもたらす。金属粒子のあるもののサイズはスクリューとバレルとの間のクリアランスより大きい。スクリュー外径の初期摩耗は、スクリューのねじ山（screw flight）上方における材料の逆流を生じさせることと、溶融金属溶液にＳＣＦあるいは発泡剤を保持するための、ポンプ駆動能力と最低圧力の維持とにおける劣化をもたらすこととにより加工性能を低下させている。スクリューの第二区画における谷の径の減少化の進行は、金属供給原材料加工時における、安定したプロセス条件を得るために必要とされる最低溶融圧力を制御するのに十分な圧力を限定することができない。供給原料結合剤の成分と百分率とは、このスクリューを用いて圧力減衰を制御するためのキーとなるものである。
【００１３】
このデザインの形態を機械式逆止め弁に代えることは、金属あるいはセラミックの原材料を加工する際の圧力減衰を限定するか回避させる。しかしながら、機械式逆止め弁は、一般に直径が４５mmより小さな射出成形用スクリューには使用されない。なぜなら、逆止め弁を設置する構造部分の機械強度が弱いからである。一方、これらの逆止め弁は、直径の小さな射出成形用スクリューには成功している。標準スクリューにおける混合区画は、非常に制約があって、かつ多くの運動エネルギ及び剪断エネルギを溶融原材料に導入している。ＳＣＦあるいは発泡剤の分配及び分散を促進するために、混合区画の構造は、溶融ポリマー材料の十分な混合を行なうようになっている。
【００１４】
金属あるいはセラミック原材料は、結合剤に対する高いパーセンテージの固体粒子を混合していて、大きな運動エネルギ及び剪断エネルギを受けると分離する懸念がある。これらの混合区画は、結合剤からの粉粒の分離を引き起こし、スクリューの混合区画の低流量域における粉粒の停滞をもたらし、バレルを通過する原材料の流れを遮断することになる。この混合区画を制約のない自由に流れる構造に代えることは、金属あるいはセラミック原材料の加工性能を改善することになる。
【００１５】
金属あるいはセラミック原材料を加工する場合、優れた混合区画の構造は必要とされない。というのは金属あるいはセラミック粒子が成核剤（nucleating agent)として作用するからである。成核剤は、結合剤へのＳＣＦあるいは発泡剤の分散又は拡散を促進している。このタイプの材料における結合剤に対する固体粒子の高比率において、このことはより顕著なものとなる。粒子の動的運動を促進するためのガスの分散において、剪断によるＳＣＦあるいは発泡剤を分散し拡散するために、６０％未満のポリマーベース結合剤がある。
【００１６】
ＭｕＣｅｌｌプロセス用の標準スクリューの圧縮比は、ＭＩＭあるいはＰＩＭ（粉末射出成形（powder injection molding））プロセス用の要求と比較して、著しく大きい。ＭｕＣｅｌｌプロセス用の標準スクリューは２．６：１の圧縮比であって、ＭＩＮあるいはＭＩＭ工業規格では１．５：１〜１．７：１の圧縮比である。圧縮比は、一定ピッチのスクリューねじ山を備えたスクリューにおける、供給区画と分配区画との間の体積減少である。より大きな圧縮比は、粉末結合剤の分離を促進する。
【００１７】
図７に図示するように、バレル内における溶融圧力の減衰は、加工用ポリマーが標準スクリューを用いたＭｕＣｅｌｌプロセスを使用している場合の溶融圧力減衰と比較して、ＭＩＭ供給原材料においてより大きい。高含有率の結合剤におけるフィラー（金属粒子）と、ＭＩＭ供給原材料の結合剤における材料が、これらの材料を粘性及び溶融圧力の変化に対して敏感にしている。溶融結合剤へのＳＣＦガスの添加は粘性を低下させている。溶融供給原材料における粘性の低下の利点は、成形キャビティを充填するために必要とされる射出成形圧力を低下させることにある。欠点は、この区画における材料圧力と共に材料の粘性を低下させ、ＭｕＣｅｌｌプロセス用標準スクリューにおける圧力減衰を増大させることである。より大きな圧縮比は、スクリュー回転時における剪断加熱を増大し、溶融ＭＩＭ材料の粘性を低下させている。溶融材料の流れと合わせてこのことが結合剤からの粉末の分離を促進し、悪影響がある。
【００１８】
ＭｕＣｅｌｌプロセス用標準スクリューを用いての成形サイクル中のバレルにおける圧力減衰は、ガスをポリマーあるいは供給原材料に加える際のすべての材料において重要な問題であった。加工における圧力減衰は、１０３４２kPa（１５００psi）を上わ廻るものである（図７）。溶液中にＳＣＦガスを保持するために、バレルにおけるポリマーあるいは供給原料の溶融圧力を維持することは、微孔質構造体の成形においてクリティカルなものである。窒素の臨界圧力は約３，４４７kPa（５００psi）であり二酸化炭素ガスのそれは約７，４４６kPa（１０８０psi）である。ポリマーあるいは供給原材料へのＳＣＦガスの溶解度は、プロセス条件における溶融材料の物理的性質である温度と圧力である。ある材料は、安定したプロセス条件を得ることが困難であった。というのはバレル内において溶融圧力が一定な圧力降下でないからであった。このことが、剪断加熱を介してのさらなる加工をもたらし、可塑化サイクル中における溶融材料の粘性を低下させている。このことは、圧力減衰を補償するためにポリマーあるいは供給原料の溶融圧力を著しく高く、及び／又はスクリューの回転を著しく高速に維持することの組合せである。プロセスの溶融圧力は、溶融材料における溶液中にＳＣＦガスを保持するために、ＳＣＦガスの臨界圧力より高圧に維持されねばならない。さらに、剪断加熱の影響はより高圧下においてより顕著なものになり、剪断に敏感なポリマーあるいは供給原料の安定したプロセス条件の達成を非常に困難あるいは不可能なものにしている。
【００１９】
ＭＩＭ原材料は圧力及び剪断に対し鋭敏である。というのは結合剤を含んでいる材料は、粉末と結合剤との分離の可能性又はスタグナント域への粉末の停滞の可能性があるからである。ＭＩＭ供給原料は、従来形の摺動式スナップリングスクリューチップ（図４）を備えた、ＭｕＣｅｌｌプロセス用標準スクリューを用いて加工されていた。ＭＩＭ原材料における微孔質構造体は、数種の材料から作られていた。しかしながら、プロセスは反復性がなく一定のものではなかった。低流量域における金属粒子の停滞をもたらす粉末結合剤の分離による材料流れの障害に当面していた。さらに、バレルにおける材料において所望するＳＣＦガス含有率を達成するために原材料溶融圧力を制御することは困難であった。このことが、バレルにおけるＭＩＭ材料において過剰あるいは不十分なＳＣＦガスをもたらしていた。圧力減衰はＭＩＭ材料において重要なものであって、装置における最低圧力を維持することは困難であった（図７）。
【００２０】
射出成形におけるかつ微孔質金属用の、ＭｕＣｅｌｌプロセスによるＭＩＭ供給原料の加工は、高比率の固体粒子と、結合剤（例えばポリマーあるいはポリマーとワックス）を含む材料とのために、異なるスクリューのデザインを必要としている。金属粉末の熱伝導率は、スクリューのデザインのファクターである。圧縮比は、スクリュー回転時における材料の剪断加熱の量に直接関連している。金属粒子は剪断加熱による熱を伝導かつ保持し、従ってＭＩＭ原材料を溶融かつ移動するために、圧縮及びバレルの加熱は少なくてよい。もし非常に大きな剪断力（第一ステージ部分における非常に大きな圧縮）が溶融供給原料に作用されると、金属粉末は結合剤から分離する。過剰剪断における他の影響は、溶融粘度を低下されることであって、粉末／結合剤の分離を容易にしている。スクリュー回転時における剪断力により加速される場合、金属粒子の質量が結合剤を粒子の背後に押しやる。スクリューの回転速度は、剪断速度、背圧及び溶融圧力を調節するべく、成形機において調節することができる。結合剤相における運動と粘性低下の結果、粉末粒子はスタグナント流領域に停滞する傾向があって、スクリューあるいはスクリューチップにおける障害物となる可能性がある。ＭｕＣｅｌｌプロセス用標準スクリューを用いることで、第二ステージ部分は非常に制約的になり、粉末のブロッケージにいたる粉末／結合剤の分離を引き越し、多量の剪断加熱を誘発する。
【００２１】
溶解ＳＣＦガスを溶融されたＭＩＭ供給原料のより低い粘性と共に、ＭｕＣｅｌｌプロセスに必要とされる、より高い背圧と溶融圧力とは、従来形の圧力作動式逆止め弁タイプのスクリューチップ（図４）の周囲で、粉末／結合剤分離及び材料の停滞をもたらしている。このことが、ＭＩＭ供給原料を用いた成形時における、自由浮動式摺動リング逆止め弁の開いたままの状態あるいは閉じたままの状態を引き起こしている。この遅れが、開いた逆止め弁を通過する材料の逆流による不均一なショットサイズをもたらしている。溶融材料の逆流は、射出成形圧力に関連するものであって、その圧力はバレルにおける溶融圧力の４〜５倍の圧力である。射出成形圧力が、逆止め弁の閉止以前に、スクリューチップの逆止め弁の溶融材料流れに導入される場合、溶融材料の逆流が生じる。ＭｕＣｅｌｌプロセス用の標準スクリューにおける制約のある流れ混合区画における射出成形圧力は、ＭＩＭ供給原料がスクリューにおける溶融流れ流路を詰まらせるか遮断し、又は高圧安全リリーフディスクの破裂をもたらす。この安全リリーフディスクは、バレルにおけるガス排出オリフィスに隣接して設置され、かつスクリューにおける中間逆止め弁から下流側に設置されている。さらに、詰った材料は、スクリューチップコンポーネントの損傷にいたる、スクリューチップコンポーネントにおける凝着摩耗を引き起こす（図４）。
【００２２】
ＭｕＣｅｌｌプロセス用の標準スクリューもガス注入ポートの上流側に設置された溶融流れ制御装置を含んでいて、その制御装置は、高圧のガスがバレルオリフィスにおける大気圧へリークすることを防止あるいは制限している。溶融流れ制御装置あるいは制限要素は、スクリューの谷の径を短かい区間にわたって増加し、スクリューの谷の径のバレルの内径に対する環状クリアランスを狭めることにより構成されている。これは、大気圧に対しての下流と上流の圧力差を制御するために、この環状部分を通過する溶融ポリマー又は溶融流れを利用している。このデザインの限界は、溶融圧力を制御する能力が溶融粘度の函数となっていることである。このことは、このスクリューデザインを用いてＭｕＣｅｌｌ成形機プロセスを制御することを困難にする要因を付加している。大きな圧力減衰は、ガスの合体すなわちバレルにおける大きなガスポケットの形成を引き起こしている。このことが、溶融されたポリマー部分におけるプロセスの制御と結果に直接的に影響する、所望されない事実である。
【００２３】
本発明における射出成形スクリューは、従来デザインされた押出しスクリューのあるものに適用可能であって、その押出しスクリューは、一区画、二区画及び三区画スクリューのような単条ねじ山スクリューと、二条ねじ山スクリューのような多条ねじ山スクリューとを含んでいる。さらに、本発明における射出成形スクリューは、金属又はセラミック供給原料等の射出成形用製品の加工性能及び品質性能を改善するために利用できる。
【００２４】
図において、同一の参照符号は添付図面１−６及び１１−１２を通して同一の構造部品を表示していて、符号１０，１１０，２１０は、本発明におけるいくつかの実施の形態にもとずく射出成形用スクリューを示めしている。
【００２５】
本発明における射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、駆動端部１２と、スクリューチップ受け入れ端部１４と、ほぼ円柱状の長手ボデー１６，１１６，２１６と、好ましくはリング逆止め弁である圧力保持要素１８とを含んでいて、前述の長手ボデー１６は、駆動端部１２とスクリューチップ受け入れ端部１４との間で、スクリュー１０，１１０，２１０の全長に沿って軸方向に延在している。スクリュー１０，１１０，２１０は、さらにスクリューチップ５４を含んでいてもよい。流体の流れ方向は図１−３及び１１−１２において矢印３３で図示されている。
【００２６】
図１−１３に図示するように、長手ボデー１６，１１６，２１６は、第一ステージ部分２０及び第二ステージ部分２２，１２２，２２２を備えている。スクリューの第一ステージ部分２０は三つの実施の形態においてほぼ同一であり、一方第二ステージ部分２２，１２２，２２２は三つの実施の形態において違ったのものである。
【００２７】
第一ステージ部分２０は、金属供給原料、セラミック供給原料等のような少なくとも一つの物質を受け入れるようになっていて、かつその少なくとも一つの物質を下流方向の第二ステージ部分２２，１２２，２２２へ送るようになっている。第一ステージ部分２０は複数区画あるいはゾーンに分割されていて、すなわち供給区画２４、転移区画２６及び計量区画２８を構成している。供給区画２４は駆動端部１２の最も近くに設置されている。転移区画２６は、供給区画２４と計量区画２８との間に設置されている。供給区画２４と、転移区画２６と、計量区画２８との各々はそれぞれ谷の径３０，３２，３４を有している。計量区画２８の谷の径は転移区画２６の谷の径３２より大きくて、一方転移区画２６の谷の径３２は供給区画２４の谷の径３０より大きい。計量区画２８の谷の径３４は、第二ステージ部分２２，１２２，２２２の混合区画３６，１３６，２３６の谷の径３８，１３８，２３８とほぼ同一である。中間区画４０の谷の径４２は、計量区画２８の谷の径３４および混合区画３６，１３６，２３６の谷の径３８，１３８，２３８より小さい。谷の径３０，３２，３４，３８，２３８，４２は、分散混合及び均一剪断加熱を促進している。
【００２８】
第一ステージ部分２０は第一ステージ部分２０に沿ってヘリカル条に延在する一条のねじ山４４を含んでいる。一条のねじ山４４はチャンネル４６を形成していて、材料はそのチャンネル４６により第一ステージ２０に沿って第二ステージ２２，１２２，２２２へ送られる。一条のねじ山４４は一定高さと一定ピッチとを備えている。しかしながら、ピッチあるいは、ねじ山の数を変更したスクリューのねじ山が、本発明の実施にあたり使用されてもよい。さらに、これらの区画の谷の径は同心であってもよいし、偏心していてもよいし、あるいは両者の組合せ（例：遮断ねじ山（barrier flight）、二条のねじ山又はピッチ）であってもよい。
【００２９】
図１に示めすように、第一実施形態における第二ステージ部分２２は混合区画３６と、混合区画３６に沿って延在する混合用ねじ山５０ａ，５０ｂと、混合区画３６と中間区画４０との間に設置されたヘリカルベーン混合区画５２とを含んでいる。第二ステージ部分２２は、第一ステージ区画２０から送られた材料を下流方向におけるスクリューチップ５４へ送る。
【００３０】
第一ステージ部分２０から下流側のバレル部分４９に設置された、少なくとも一つのガス注入ノズル４８は、少なくとも一つの流体である、超臨界流（ＳＣＦ）、又は窒素、炭化水素、クロロフルオロカーボン等のような発泡剤を第一ステージ部分２０から送られた材料に導入している。本発明を使用する場合における、ガス注入ポート４８及び好ましくは第二ステージ２２に対応するバレル部分４９に沿ってのその効果的な位置決めは、技術的に公知なものである。ガス注入ポート４８は、従来技術で公知なように種々の異なる効果的な位置に設置してもよい。
【００３１】
ヘリカルベーン混合区画５２は、ＳＣＦ又は発泡剤と、第一ステージ部分２０から送られた材料との混合プロセスを開始し、そして材料を混合区画３６へ送る。混合区画３６は、混合プロセスを完了し、混合材料を、射出成形用及び／又は押出し用のスクリューチップ５４へ送る。
【００３２】
混合用ねじ山５０ａ，５０ｂは混合区画３６の全長におけるほとんどの部分で横断していて、かつ少なくともチャンネル５６を形成しており、混合材料は、そのチャンネル５６により第二ステージ部分２２に沿ってスクリューチップ５４へ送られる。混合用ねじ山５０ａ，５０ｂは、ピッチが１／２の、のこ歯状の二条の（二条）の混合用ねじ山である。こののこ歯状の二条の混合用ねじ山タイプのねじ山５０ａ，５０ｂは高さが異なっていて、混合中におけるねじ山５０ａ，５０ｂ間の直交流を促進するべくのこ歯状となっている。このことは単条ねじ山又は多条ねじ山で、のこ歯付き又はのこ歯なしの混合幾何学的形状のような他の幾何学的形状で実行されてもよくて、あるいは他の幾何学的形状は、熱可塑用スクリューに使用される典型的な混合区画である。したがって混合区画３６は混合区画３６に沿って材料の細かい混合を行なう。
【００３３】
図１−３及び１１−１２に図示するように、本発明における、リング逆止め弁のような圧力保持要素１８は、好ましくは、第一ステージ部分２０と第二ステージ部分２２，１２２，２２２との間でスクリュー１０，１１０，２１０の計量区画２８の下流側で、中間区画４０に設置されるか、又は中間区画４０の付近に設置されている。使用の際、リング逆止め弁１８は、好ましくはバレル４９のガス注入ポート４８の上流側に設置されている。リング逆止め弁１８がリング６０（図１１及び１２）を含んでいて、そのリング６０は、スクリュー１０，１１０，２１０の小区画（本発明においては中間区画４０と呼ばれている）の直径４２を囲んで延在していて、さらに材料流れが通過する第一位置と、材料流れを遮断する第二位置との間で横方向に可動である。リング６０は横方向に移動可能な一方で、リンク６０の外径６２は、材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物の流れを、リング６０とバレル４９との間でほぼ防止するサイズとなっている。
【００３４】
図１１に図示する第一位置において、リング６０の内部リッジ６４が、スクリュー１０，１１０，２１０のボデー１６，１１６，２１６から延伸しているブロック表面６６に接触する。リング６０はスクリュー１０のシール面６８と係合していなくて、それらの間にスペースを提供し、材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物が流路８０に従って下流方向に流れるようになっている。この位置において、材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物は、リング６０における内部流路７０を通過し、圧力制限要素１８の下流へ流れてゆく。
【００３５】
図１２に図示するように、第二位置において、リング６０は、上流側に配置されていて、スクリュー１０，１１０，２１０のシール面６８と係合していて、材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物の矢印８１で図示するような上流への流れを制限するようになっている。好適な実施の形態において、リング６０とシール面６８との間の係合は、その間における材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物の上流方向への流れをほぼ防止している。他の場合、リング６０及びシール面６８は、係合する場合、少量の上流方向への流れを可能にするべく構成されている（リング６０が第二位置にある場合に存在するリング６０とシール面６８との間のチャンネルを介して）。上流方向への流れを防止することが所望される場合特にタイトなシールを提供するために、シール面６８とリング６０の表面とは、図示するようにテーパ付きであってもよい。
【００３６】
リング６０の相対位置は、それに作用する力に依存している。より詳しくは、リングの位置は、リング６０の上流側における材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物とリング６０の下流側における材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物との圧力差に依存している。好適な実施の形態において、リング６０は、上流側の圧力が下流側の圧力より高い場合第一位置にあって、下流側の圧力が上流側の圧力より高い場合第二位置へ移動するようになっている。
【００３７】
通常の運転において、射出若しくは突出しサイクルの開始時点において、リング６０はシール面６８と係合していない（図１１）。というのは、リング６０の上流側の溶融した材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物の圧力が下流側の圧力より高くて、従って材料又は材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物が圧力制限要素１８を通過して下流方向に移動し領域７２に蓄積される。材料とＳＣＦ若しくは発泡剤との混合物が領域７２に蓄積された場合、スクリュー１０，１１０，２１０が、蓄積位置（図１）から下流方向に射出又は突出し位置（図２）へ移動し、蓄積された材料を押し出す。スクリュー１０，１１０，２１０の下流方向への移動は蓄積物を圧縮し、従って圧力を上昇させる。このことが、上流側に対するリング６０の下流側における高圧力条件をもたらし、シール面６８と係合するべくリング６０を第二位置へ移動させ（図１２）、従って材料の流れを制限し圧力制限要素１８の下流側の圧力を維持する。一般に、リング６０は、圧力制限要素１８の上流側の圧力が下流側の圧力を上廻るまで、第二位置にとどまり、その点においてリング６０は第一位置に復帰する。
【００３８】
標準の微孔質スクリューを用いてＭＩＭ又はセラミック供給原料を使用する場合、リング逆止め弁１８は、成形機又は成形装置のような、加工装置（図示されていない：従来術において公知）のバレル４９において第二ステージ部分２２，１２２，２２２（図７）における圧力の少なくとも損失又は減衰を最小化するための手段を提供している。圧力減衰は、バレル４９においてガスの合体すなわち大きなガスポケットの形成をもたらす。プロセスサイクルを通しての、バレル４９における溶融と背圧との制御、及びＳＣＦあるいは発泡剤添加後における材料の十分な混合が、微孔質ＭＩＭの生産を可能にするキーとなる基準である。図７において、逆止め弁１８は、金属供給原料を処理する際の背圧及び溶融圧力のより大きなプロセス窓を可能にしている。リング逆止め弁は、スクリュー１０，１１０，２１０による回転運動に関して、スクリュー１０，１１０，２１０での自由浮上り又は係留であってもよい。拘束されたあるいは係留可能なリング逆止め弁１８は逆止め弁のコンポーネントにおけるかじり付きや摩耗、あるいはスクリュー１０，１１０，２１０の係合面における摩耗を防止している。スクリューとコンポーネントとの摩耗は、ＭＩＭ原料を加工する場合の重要な基準である。というのはこれらの材料が接着特性だからである。スクリュー１０，１１０，２１０、スクリューのコンポーネント、及びバレル４９の材料選択は、ＭＩＭ及びセラミック供給原料用のスクリューと逆止め弁のコンポーネントとの両者における耐久性にとって重要である。スクリュー１０，１１０，２１０とリング逆止め弁１８とのクリアランスは、ガス注入なしでＭＩＭ供給原料を加工するためのスクリュー及びスクリューチップとに必要されるのと同様に重要なものである。リング逆止め弁１８は一体部品形であってもよい。ねじ山付き継手又はピン式継手を用いて留められた二体部品形スクリュー、又は一体部品形スクリューを備えた二体部品形であってもよい。二体部品形逆止め弁は、ねじ留め、ピン留め、圧力ばめ、すきまばめ（スクリューの幾何学的形状とバレルの内径とにより所定位置に保持されている）及び／又は溶接で一体化されていてもよい。他のタイプ又は方法による逆止め弁が使用されてもよい。
【００３９】
固定されたリング逆止め弁１８は押出し機（図示されていない：公知技術である）に使用された圧力制限要素の一例であって、その圧力制限要素は、供給原材料又はポリマーのような材料と、ＳＣＦ又は発泡剤との溶液を、発泡剤入口（図示されていない：公知技術である）と、ダイ、成形型への入口、又は他の出口のような押出し機出口（図示されていない）との間のプロセス用スペースの中に、射出又は突出しサイクルを通して比較的高圧で保持するべく構成され配置されていて、このように圧力を保持するべく構成され配置された押出し機は、従来技術において公知なものであって、本発明の範囲を限定する意図のないものとしてここに例示する。圧力制限要素１８は、ブリスター、スクリューの供給区画を横断しているダム、反転ねじ山、又はバルブのような、材料の上流側への流れを制限する種々の異なる公知のいずれのものであってもよい。
【００４０】
圧力制限要素１８は、圧力制限要素１８の下流側の材料とＳＣＦ又は発泡剤との混合物の圧力をサイクル中を通して最低圧力より高く保持している。いずれの場合においても、圧力制限要素１８は、サイクルを通しての圧力制限要素１８の下流側の圧力を、少なくとも６８９４．７kPa（１０００psi）、ある場合の少なくとも１３７８９．４kPa（２０００psi）、又ある場合は少なくとも２０６８４．１kPa（３０００psi）に保持している。好適な実施の形態において、サイクルを通しての圧力制限要素の下流側の圧力は、運転条件の所定の設定値のために材料とＳＣＦ又は発泡剤との混合物単一相溶液に必要とされる臨界圧力より高く保持されている。臨界圧力は、材料中に溶解されているＳＣＦあるいは発泡剤の重量パーセントと、温度のような他の運転条件とに依存している。材料とＳＣＦ又は発泡剤との単相溶液を臨界圧力より高い圧力に保持することにより、圧力制限要素１８は、ＳＣＦ又は発泡剤が、射出あるいは突出し時における、材料とＳＣＦ又は発泡剤との混合物の上流側への流れによりもたらされる圧力損失により、成核ステップ以前に押出し機内において溶液から早期に析出しないことを保証している。
【００４１】
リング逆止め弁１８を使用しているいくつかの好適な実施の形態において、リング６０が第一位置から第二位置へ移動する際の無視出来ない時限がある。この時限の間に、リング逆止め弁１８は、シール面６８と係合する以前に限定された材料の上流側への流れを可能にしていて、このことは、圧力制限要素１８の下流側の高圧条件を低下させる利点がある。この限定された上流側への流れは、もし圧力制限要素１８が圧力制限器１８を通過する材料の上流側への流れすべてを遮断してしまう場合にもたらされる、危険な高圧条件（例えば押出し機の運転圧力より高い圧力条件）を回避している。圧力逃し量は、溶融材料の粘性と、リングデザインと、射出速度との函数である時限に依存していて、当業者においては適切に調節できるものである。
【００４２】
プロセスをより整合のとれたものにするために、安全要素と射出能力制御要素とが、好ましくは備えられている。スクリューチップ５４は、自動閉止式バルブタイプスクリューチップ５４である。露出された内部ばね自動閉止式バルブタイプスクリューチップは射出成形産業において市場で入手可能である。自動閉止式バルブタイプスクリューチップ５４は、１９９２年１１月１７日付けでMichael Durinaに交付され、Spirex Corporationに譲渡された、特許文献１に開示された自動遮断弁（図６）であって、参考としてここに包含するものである。この自動遮断弁は微孔質ＭＩＭ及びスクリュー１０，１１０，２１０に適したものである。というのは、ＭＩＭ粉末は、スクリューチップとバレル表面とにおける係合コンポーネントあるいは境界コンポーネントの、凝着摩耗とかじり付きとをもたらす傾向があるからである。このスクリューチップ構造が、ＭＩＭ供給原料と、内部ばねとポペットバルブ構造とを整合のとれたものにしている構造の特徴となっている。ＭＩＭ供給原料の加工に必要とされるクリアランスを増加するために、スクリューチップの外径は減少されている。自動閉止式バルブタイプスクリューチップ５４の他の例は、１９９５年８月１５日付けでDonald Zeigerに交付された、特許文献２に開示されたばね付勢式逆止め弁（図５）であって、参考としてここに包含するものである。さらに、三部品形チェックリングスクリューチップ（図４）が使用されてもよい。自動閉止式スクリューチップ５４は、ＭＩＭ供給原料を加工する際に安全で改善された制御のために、スクリュー１０，１１０，２１０の第二ステージ部分２２，１２２，２２２における圧力を制御するようになっている。これらのタイプのスクリューチップ５４は、スクリュー１０，１１０，２１０のスクリューチップ受け入れ端部１４においてスクリューチップチャンネル５８にねじ込まれてもよい。しかしながら、他のタイプのスクリューチップがスクリュー１０，１１０，２１０に取りつけられ係合されてもよくて、スクリューチップは、他のタイプの手段又は方法により、スクリューチップチャンネル５８に取りつけられてもよい。
【００４３】
図２に図示するように、本発明における第二実施形態の第二ステージ部分１２２は、混合区画１３６と、第二ステージ部分１２２に沿ってヘリカル状に延在する混合用ねじ山５０とを含んでいる。第二ステージ部分１２２は、第一ステージ部分２０から送られた材料を下流方向のスクリューチップ５４へ送るようになっている。本発明を使用する場合における、ガス注入ポート４８及び好ましくは第二ステージ１２２に対応するバレル部分４９に沿ってのその効果的な位置決めは、技術的に公知なものである。ガス注入ポート４８は、従来技術で公知なように種々の異なる効果的な位置に設置してもよい。混合区画１３６は、ＳＣＦ又は発泡剤と、第一ステージ部分２０から送られた材料とを混合し、混合した材料を押出し用スクリューチップ５４へ送る。混合用ねじ山５０は、第二ステージ部分１２２のほぼ全長にわたる部分に横断していて、かつチャンネル１５６を形成し、混合された材料はそのチャンネル１５６により第二ステージ部分１２２に沿ってスクリューチップ５４へ送られる。混合用ねじ山５０は、一定ピッチで一定高さの一条の混合用ねじ山５０である。従って混合区画１３６は、混合材料の一定体積流れがスクリューチップ５４から押し出されるように、摩擦流れを用いて混合材料を移動するようになっている。
【００４４】
図３に図示するように、本発明における第三実施形態の第二ステージ部分２２２は、混合区画２３６と、第二ステージ部分２２２に沿ってヘリカル状に延在する混合用ねじ山１５０とを含んでいる。第二ステージ部分２２２は、第一ステージ部分２０から送られた材料を下流方向のスクリューチップ５４へ送るようになっている。本発明を使用する場合における、ガス注入ポート４８及び好ましくは第二ステージ２２２に対応するバレル部分４９に沿ってのその効果的な位置決めは、技術的に公知なものである。ガス注入ポート４８は、従来技術で公知なように種々の異なる効果的な位置に設置してもよい。混合区画２３６は、ＳＣＦ又は発泡剤と、第一ステージ部分２０から送られた材料とを混合し、混合した材料を押出し用スクリューチップ５４へ送る。混合用ねじ山１５０は、第二ステージ部分２２２のほぼ全長にわたる部分に横断していて、かつ少なくとも一つのチャンネル２５６を形成し、混合された材料はそのチャンネル２５６により第二ステージ部分２２２に沿ってスクリューチップ５４へ送られる。混合区画用ねじ山１５０はのこ歯状の単条の混合用ねじ山１５０である。のこ歯状の単条の混合用ねじ山１５０は、一定高さと一定ピッチであって、材料の直交流を促進するべくのこ歯状となっている。従って混合区画２３６は、材料の、細かい混合と、摩擦流れを用いた移動と、バイパス混合とをもたらし、混合した材料の一定体積流れがスクリューチップ５４から押出されるようになっている。
【００４５】
一般に、本発明における射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、圧縮比１．５対１〜４．０対１の一般目的用の従来形のプラスチックあるいは金属射出成形用スクリューのような、あるいは圧縮比２．６対１の公知の微孔質プロセス用の標準スクリュー構造のような、公知のスクリューと比較して低圧縮比である。好適な三つの実施の形態における射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、それぞれ約２．０対１、約１．５対１〜約１．７対１及び約１．５対１〜約１．７対１の圧縮比である。微孔質プロセス用の標準スクリューを使用して、ＭＩＭ供給原料を用いた試験における溶融圧力減衰に寄与する因子は第一ステージ圧縮比２．６対１であって、この圧縮比は、ＭＩＭ産業における一般目的のＭＩＭスクリュー用の圧縮比１．５対１〜１．７対１の範囲に対し１ポイント高くなっている。非ポリマー結合剤を備えた供給原料の混合及び押出のために、射出成形用スクリューは、好ましくは約１．２対１〜約１．４９対１の圧縮比である。
【００４６】
図７−１０において、これらのグラフは、成形プロセスにおける圧力変化を制御するために、リング逆止め弁１８を取りつけた場合の影響と結果を示めしている。図７は、本発明によるＭＩＭ射出成形用スクリューを使用した場合のワイピング及び混合（中央）区画の圧力と、標準のＭｕＣｅｌｌプロセスＭＩＭスクリューを使用した場合の中央区画の圧力との比較を示めしている。この場合、加工されている供給原料はＰＡ，３３％  ＧＦである。図８は、本発明の射出成形用スクリューを使用してＰＰ供給原料を加工した場合の中央区画の圧力を図示している。図９は、本発明の射出成形用スクリューを使用してガスを用いＰＳＵ原材料を加工した場合の中央区画の圧力を図示している。図１０は、本発明の射出成形用スクリューを使用してガスを用いＢＡＳＦ原材料を加工した場合の中央区画の圧力を図示している。
【００４７】
図７−１０は、連続的な各サイクルにおける溶融圧力の変化を図示している。圧力は、ＳＣＦガス注入ポートの位置で測定したものである。ポートの位置は、最適圧力差におけるガスの遅れ、分配及び分散に対して重要なものである。
【実施例】
【００４８】
実施例１
微孔質プロセス用の標準スクリューにおけるワイピング及び混合区画の溶融材料の圧力降下が図７に図示されていて、ＰＡ材料を用いた試験の一成形サイクルにおける圧力変化が１３７８９．４kPa（２０００psi）である。本グラフにおいて、生産のために加工された材料は、３３％短ガラス繊維の強化ポリアミド６（Ｎｙｌｏｎ６）樹脂である。この材料は、標準のＴｒｅｘｅｌ  ＭｕＣｅｌｌスクリューを用いたポリマーＭｕＣｅｌｌパーツの加工に使用されたものであり、さらにこの材料は、ＭＩＭ供給原料・材料を加工する際に中央区画の逆止めリングを取りつけ、プロセス制御の改善をするためのベースラインとして使用されたものである。これは、ＭＩＭ供給原料はコストがかかるので、開発コストを押えるために当初ポリマー材料を用いたもので、標準Ｔｒｅｘｅｌスクリューと本発明のスクリューとの同時的な関係を図示している。大きなピークと谷とは標準Ｔｒｅｘｅｌスクリューのデータである。図７Ａは図７に図示するデータの拡大図である。
【００４９】
同一の成形機加工条件と材料とを用いた、第一の実施の形態のＭＰ  ＭＩＭスクリュー１０（図１に図示）における圧力変化は１７２３．７kPa（２５０psi）であった。圧力変化の低減は、微孔質金属を作る際のＭＩＭ供給原料の加工を成功させる主因子である、成形サイクル用のより広いプロセス用窓を可能にしている。
【００５０】
実施例２
図８に図示するデータは、一般グレードの繊維露出ポリプロピレン材料の処理における、本発明のスクリューの性能を示めしている。このポリマー材料は、ポリエチレン及びポリスチレン（オレフィン）のような樹脂と同一系統のものであって、配合剤は、微孔質金属材料を生産するために使用する、ＡＭＰ及びPenn State MIM供給原料材料に使用した。ゴールは、中央区画の逆止めリング位置における、プロセスのスタートアップから安定したプロセスへの圧力減衰を決定することであった。減衰は約４１３６．８kPa（約６００psi）に保持された。プロセス条件を表−Ａに示めす。
【表１】
2005001388.tif 000003
【００５１】
実施例３
図９におけるデータは、加工中における、本発明の射出成形用スクリューのスクリューの中央区画における逆止めリング位置での圧力変化を図示している。ペンシルバニア州立大学で配合された固体ＭＩＭ材料が加工されている（微孔質ＭＩＭが生産された）。ＭＩＭ供給原料逆止めリング位置での溶融圧力降下変化は図７及び７Ａと整合している。しかしながら、図７及び７Ａにおける３３％ガラス充填ナイロン材料と比較してスクリュー復元時の圧力上昇は、ＭＩＭ供給原料材料のより小さな粘性の結果である。スクリュー停止後の減衰は、射出の位置にほぼ比例しており、スクリュー回転時の圧力上昇の前に僅かな圧力降下を示めしていた。スクリュー停止後及び射出成形前における圧力減衰の不足は、中央区画の逆止めリングがＭＩＭ供給原料材料により影きょうされているものである。加工条件を表Ｂに示めす。
【表２】
2005001388.tif 000004
【００５２】
実施例４
図１０におけるデータは、プロセス中における、微孔質ＭＩＭを生産しているスクリューの中央区画の逆止めリング位置での、ペンシルバニア州立大学で配合したＭＩＭ供給原料材料の圧力変化を図示している。図９における固体ＭＩＭと比較して、スクリュー復元時における圧力増加は、より高い背圧及びＳＣＦガス吐出圧力における、ＳＣＦガスを添加したＭＩＭ供給原料の結合剤の粘性の低下の結果である。最低レベルへの圧力減衰の制御は、安定した微孔質ＭＩＭ成形プロセスを維持するために重要なものである。最低圧力は、プロセス時における単相溶液を維持するために、ＳＣＦガスの臨界圧力より高く保持されるべきである。このグラフは、スクリュー回転サイクルにおける圧力の急上昇直前に（図１０Ａ）、射出成形ストロークにおけるわずかな圧力上昇を示めしていて、その後射出成形前のレベルに圧力減衰している。図１０Ａは図１０の射出成形サイクルの３サイクルを示めしている。
【００５３】
比較例
図１０Ｂのデータは、標準のＴｒｅｘｅｌスクリューを使用してスクリュー復元を拡げて得られた性能を図示している。射出成形における圧力降下は、射出成形直前の減衰が短縮されていて、スクリュー復元前に僅かに圧力上昇している。各サイクル間における圧力降下の間の第一圧力上昇は、成形機の背圧設定値より高圧でのＳＣＦガスの添加によるものである。このことは、圧力減衰は、プロセスと整合して保持することができるけれども、１加工サイクル中における著しい圧力変化のために、所望されない様相となっている。プロセス条件を表Ｃに示めす。
【表３】
2005001388.tif 000005
【００５４】
ＭＩＭ供給原料加工用の能動形リターンバルブ式スクリューチップ５４（図４−６に図示するような）を取りつけることは、射出成形圧力が、材料の前進流れを遮断あるいは制限する、供給原料材料を第二ステージ部分２２，１２２，２２２に詰らせることを防止している。能動形リターンバルブ式スクリューチップ５４は、成形機のバレル４９に設置された圧力逃し安全弁（図示されていない：技術的に公知である）が、第二ステージ部分２２，１２２，２２２に射出成形圧力を形成することに失敗する可能性を低減している。さらに、射出成形ストロークに対する自由摺動式バルブの閉止応答が排除されたために、弁の閉止が、製品を改善し、あるいは５０％を上廻る射出能力の制御を改善している。
【００５５】
スクリュー１０，１１０，２１０を使用しての微孔質ＭＩＭプロセスの利点は、溶融ＭＩＭ原料材料の溶融温度と広範囲における、成形機の背圧設定値とにおいて、スクリュー１０，１１０，２１０の第二ステージ部分２２，１２２，２２２における溶融圧力変化を制御できることである。溶融材料の粘性は、温度設定により変化し、かつ成形サイクルの１サイクル中における圧力降下に直接的に関連している。温度を上昇するほど、溶融ＭＩＭ供給原料の粘度は低下する。ＭＩＭ供給原料は、金属粉末粒子のより高い熱伝導率と供給材料を作っている粉末及び結合剤の比率とにより、ポリマー材料と異なる挙動を示めす。
【００５６】
リング逆止め弁１８は、大気圧において、材料が第一ステージ部分２０を通過してホッパー（図示されていない：技術的に公知である）へ流れる逆流を制御していて、従って、リング逆止め弁１８前後の圧力差を最大化している。第一ステージ部分２０からの材料供給圧力は、材料流れを可能とするために、第二ステージ部分２０，１２０，２２０における圧力を上廻わらねばならない。図７に示めされるＭＩＭスクリュー１０における僅かな圧力降下は、バレル４９の内径と、リング逆止め弁１８の外径との間のクリアランスによるものである。
【００５７】
図７−１０に反映された次に寄与する因子は、微孔質プロセス用の標準スクリューと比較する際の、第二ステージ部分２０，１２０，２２０におけるスクリューの幾何学的形状である。第二ステージ部分２０，１２０，２２０を、リング逆止め弁１８を備えた微孔質ＭＩＭスクリュー１０，１１０，２１０の、抵抗の少ない確実にポンプ駆動できる幾何学的形状に変更することにより、より高いあるいはより低い背圧を利用することができる。というのは、ＭＩＭ供給原料材料を加工する場合、微孔質プロセス用の標準スクリューと比較して材料の移動に対する制限が小さいからである。しかしながら、この要求を満たす種々の混合、移動用スクリューの幾何学的形状があることは従来技術において公知である。
【００５８】
使用にあたって、本発明の射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、バレル４９のような押出しバレルの中に挿入され、かつその駆動端部１２において駆動手段に、かつそのスクリューチップ受け入れ端部１４においてスクリューチップ５４とに作動可能に取り付けられ係合されている。代りに、本発明の射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、加工装置（図示されていない：技術的に公知である）の一部分である押出しバレルの中に挿入されていてもよくて、かつその駆動端部１２において駆動手段に、かつそのスクリューチップ受け入れ端部１４においてスクリューチップ５４とに作動可能に取り付けられ係合されている。加工装置が少なくとも一つの温度制御ユニットと、少なくとも一つのホッパーと、少なくとも一つの流体計量装置と、少なくとも一つの溶融圧力伝送器と、他の要素、ユニット、装置又はシステムとを備えていることは公知である。駆動手段とスクリューチップ５４とに取り付けあるいは係合後に、射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０が作動される。逆止め弁１８の下流側の材料においてガスポケットの形成を防止するために、溶融材料における圧力ヘッドを維持することも重要なことである。（図示されていない：技術的に公知である）。
【００５９】
加工装置（図示されていない：技術的に公知である）における本発明の使用例として、成形機ノズル（図示されていない：技術的に公知である）は、スクリューにおけるガスポート及び逆止め弁又は圧力制限要素から下流側のバレルに圧力を保持するために遮断弁（図示されていない：技術的に公知である）を組み込んでいる。この遮断弁は、ばね作動式及び圧力作動式か、又は空気作動式若しくは油圧式の外部ニードルタイプ若しくは内部ニードルタイブかのいずれかである。これらは、Herzog USA, Xaloy及びOEM成形機製造会社から商業的に入手可能である。
【００６０】
外部ニードルタイプの例は、Arburgにより製作されていて、油圧シリンダと機械的に接続しており、油圧で開閉するか、又はばねで開とし油圧で閉とするタイプである。Arburgによる外部ニードル構造は、微孔質金属を用いて運転するのに好適な方法である。というのはニードルを確実に開閉制御することができるからである。このことは、ＳＣＦ又は発泡剤を溶融供給原料に添加する際重要なことであり、遮断弁周囲のクリアランスの中へ粉末粒子を通過させるのに役立っている。ある粒子サイズは、粒子の遮断ピン又はノズルのピンホールの内径への凝着摩耗及び付着を起こす傾向がある。
【００６１】
内部ニードルタイプは、通常溶融材料圧力により駆動され、かつばね付勢若しくは油圧あるいは空気圧を用いて機械的に閉じられる。この構造には、溶融材料がノズル内を通過し、かつ剪断及び流れ特性にもとずくいくつかの流路があって；もし適切にデザインされると、粉末結合剤が分離し、ノズル内での詰りを生ずる可能性がある。
【００６２】
外部ニードルタイプの代りに内部ニードルタイプを使用する理由は、微孔質金属の加工において、射出成形サイクルにおける材料の流量と圧力降下とを適合させることにより、フレキシビリティーを可能にするべく、ノズルオリフィスのサイズを変更できるからである。このことが外部ニードルタイプ遮断ノズルにおける限界である。外部遮断ニードルノズルは、微孔質金属プロセスを最適化するのに必要とされる各ノズルオリフィスサイズに対するユニークなノズルデザインを必要としている。このことが、金型において微孔質構造体を形成するために必要とされる圧力降下を得るために、金型を満たすべく材料の多量の体積流量を必要とする、より大きな部品射出能力を誇張させている。
【００６３】
微孔質金属を作るために、微孔質金属用のこの最適化されたデザインを使用する場合、成形機のバレルが確実な遮断弁を備えていることは好適なことである。微孔質金属プロセスをより強化するために、ノズルは、弁の開閉を確実な作動とすることを保証するべく、外部ニードルタイプとすべきである。
【００６４】
本発明の射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、一部品形スクリュー、又は二部品形スクリューのような多部品形スクリューとして製作されてもよい。
【００６５】
本発明における、圧力保持要素１８を含んでいて、かつ可能なら確実な遮断スクリューチップを含んでいる射出成形用スクリュー１０，１１０，２１０は、微孔質金属を作るために好適な装置である。この好適な装置による利点は、ポリマー材料に関連する用途及び微孔質ポリマー処理の制御への用途においても利点となっている。
【００６６】
本発明は、ここに説明した好適な実施の形態に限定されるものではなくて、特許請求の範囲におけるすべての実施の形態を包含するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は、本発明による射出成形用スクリューの第一実施形態の側面図である。
【図２】図２は、本発明による射出成形用スクリューの第二実施形態の側面図である。
【図３】図３は、本発明による射出成形用スクリューの第三実施形態の側面図である。
【図４】図４は、標準形三部品式チェックリングスクリューチップの側面図である。
【図５】図５は、特許文献における改善された逆止め弁アセンブリの側面図であって、チェックリング部分が取り除かれ断面図となっている。
【図６】図６は、特許文献における押出し射出成形装置の部分断面図であって、開状態における自動遮断弁を示めしている。
【図７】図７は、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図８】図８は、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図９】図９は、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図１０】図１０は、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図１０Ａ】図１０Ａは、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図１０Ｂ】図１０Ｂは、成形プロセス時における圧力変化を制御するために、本発明による射出成形用スクリューの逆止め弁を用いて得られた結果を示めすグラフである。
【図１１】図１１は、図１〜３におけるいずれ射出成形用スクリューにおいても下流方向への材料の流れを可能にする絞り要素の断面図である。
【図１２】図１２は、図１〜３におけるいずれ射出成形用スクリューにおいても上流方向への材料の流れを防止する絞り要素の断面図である。
【符号の説明】
【００６８】
１０，１１０，２１０    射出成形用スクリュー
１６    長手ボデー
２０    第一ステージ部分
２２，１２２，２２２    第二ステージ部分
５４    スクリューチップ
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【外国語明細書】
2005001388000001.pdf