(57)【要約】      （修正有）【課題】ホットランナ金型装置において、材料の流動性を良好にして金属粉末の射出成形における製品の歩留りおよび稼働率の向上を図る方法を提供する。【解決手段】キャビティ４１ａと、キャビティの注入口４２ａに接続するよう設けられた材料注入室５４ａと、材料注入室に溶融した材料を送り込むためのスプルーと、材料注入室において注入口を開閉するためにその長手方向に移動可能に設けられたバルブピン５８ａとを有し、バルブピン５８ａの内部には、材料注入室内の材料を溶融させるために当該バルブピンを加熱するヒータ６０ａが、その長手方向に沿って設けられており、バルブピンの先端部が注入口にある弁座に当接することによって当該注入口が閉塞され、バルブピンの先端部が弁座から離れることによって当該注入口が開放され、且つバルブピンの先端部によって加熱されて溶融した材料が注入口からキャビティの内部に注入されるように構成される。【選択図】図２
2007021502.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出成形用のホットランナ金型装置であって、
キャビティと、
前記キャビティの注入口に接続するよう設けられた材料注入室と、
前記材料注入室に溶融した材料を送り込むためのスプルーと、
前記材料注入室において前記注入口を開閉するためにその長手方向に移動可能に設けられたバルブピンと、を有し、
前記バルブピンの内部には、前記材料注入室内の材料を溶融させるために当該バルブピンを加熱するヒータが、その長手方向に沿って設けられており、
前記バルブピンの先端部が前記注入口に当接することによって当該注入口が閉塞され、前記バルブピンの先端部が前記注入口から離れることによって当該注入口が開放され、且つ前記バルブピンの先端部によって加熱されて溶融した材料が前記注入口から前記キャビティの内部に注入されるように構成された、
ことを特徴とする射出成形用のホットランナ金型装置。
【請求項２】
前記バルブピンは、全体形状が円柱状であり、且つ前記先端部が円錐状であって、前記円錐状の先端に前記注入口に設けられた弁座に当接して閉塞するための弁部が形成されてなる、
請求項１記載の射出成形用のホットランナ金型装置。
【請求項３】
金属粉末の射出成形を行う方法であって、
キャビティと、
前記キャビティの注入口に接続するよう設けられた材料注入室と、
前記材料注入室に溶融した材料を送り込むためのスプルーと、
前記材料注入室において前記注入口を開閉するためにその長手方向に移動可能に設けられたバルブピンと、
前記バルブピンを前記長手方向に往復駆動する油圧シリンダと、を有し、
前記バルブピンの内部には、前記材料注入室内の材料を溶融させるために当該バルブピンを加熱するヒータが、その長手方向に沿って設けられた射出成形用のホットランナ金型装置を用い、
金属粉末とバインダ樹脂とを混練した材料を前記スプルーから前記材料注入室に送り込み、少なくとも前記バルブピンの外周に沿った部分に材料の溶融層を形成しておき、
前記油圧シリンダによって前記バルブピンの先端部が前記注入口に当接するように押し付けて前記注入口を閉塞した状態から、前記バルブピンを移動することによって前記バルブピンの先端部を前記注入口から離し、これによって前記バルブピンの先端部に存在する材料の溶融層を前記注入口から前記キャビティの内部に注入し、
前記キャビティの内部において前記材料を冷却する、
ことを特徴とする金属粉末の射出成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属粉末射出成形法（ＭＩＭ：Metal Injection Molding)に用いるホットランナ金型装置および金属粉末の射出成形方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、粉末冶金法（ＰＭ法）の１つとしてホットランナ方式による金属粉末射出成形法が用いられている。金属粉末射出成形法によると、複雑な形状の金属部品を最終製品に近い状態で大量生産することが可能である。
【０００３】
例えば、冷陰極管の電極部品を製造するための方法として、種々の金属粉末とバインダ樹脂とを混練した材料を金属粉末射出成形することが示されている（特許文献１，２）。これら従来の方法においては、金属粉末とバインダ樹脂とを混練した材料をペレット状とし、これをホッパから投入して射出成形機のシリンダで加熱し、溶融させる。これを高圧でキャビティに注入し（充填し）、圧力を維持した状態で冷却することによって成形する。
【特許文献１】特開２００３−３１３６０３
【特許文献２】特開２００５−７１９７２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、上に述べた従来の金属粉末射出成形法によると、金属粉末は樹脂と比較して熱伝導率が桁違いに良いので加熱により溶融した材料が固化し易く、そのため、極薄肉品や小型品の成形においては、材料の流動性が悪くなって金型のキャビティ部に溶融材料を充填できないという問題があった。また、材料が固化してしまった場合にはどのような条件にしてもゲート上部の材料を注入できない状態となることがあり、そのような場合には成形ができないという問題もあった。
【０００５】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたもので、材料の流動性を良好にして金属粉末の射出成形における製品の歩留りおよび稼働率の向上を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る射出成形用のホットランナ金型装置は、キャビティと、前記キャビティの注入口に接続するよう設けられた材料注入室と、前記材料注入室に溶融した材料を送り込むためのスプルーと、前記材料注入室において前記注入口を開閉するためにその長手方向に移動可能に設けられたバルブピンと、を有し、前記バルブピンの内部には、前記材料注入室内の材料を溶融させるために当該バルブピンを加熱するヒータが、その長手方向に沿って設けられており、前記バルブピンの先端部が前記注入口に当接することによって当該注入口が閉塞され、前記バルブピンの先端部が前記注入口から離れることによって当該注入口が開放され、且つ前記バルブピンの先端部によって加熱されて溶融した材料が前記注入口から前記キャビティの内部に注入されるように構成される。
【０００７】
好ましくは、前記バルブピンは、全体形状が円柱状であり、且つ前記先端部が円錐状であって、前記円錐状の先端に前記注入口に設けられた弁座に当接して閉塞するための弁部が形成されてる。
【０００８】
本発明に係る方法は、金属粉末の射出成形を行う方法であって、キャビティと、前記キャビティの注入口に接続するよう設けられた材料注入室と、前記材料注入室に溶融した材料を送り込むためのスプルーと、前記材料注入室において前記注入口を開閉するためにその長手方向に移動可能に設けられたバルブピンと、前記バルブピンを前記長手方向に往復駆動する油圧シリンダと、を有し、前記バルブピンの内部には、前記材料注入室内の材料を溶融させるために当該バルブピンを加熱するヒータが、その長手方向に沿って設けられた射出成形用のホットランナ金型装置を用い、金属粉末とバインダ樹脂とを混練した材料を前記スプルーから前記材料注入室に送り込み、少なくとも前記バルブピンの外周に沿った部分に材料の溶融層を形成しておき、前記油圧シリンダによって前記バルブピンの先端部が前記注入口に当接するように押し付けて前記注入口を閉塞した状態から、前記バルブピンを移動することによって前記バルブピンの先端部を前記注入口から離し、これによって前記バルブピンの先端部に存在する材料の溶融層を前記注入口から前記キャビティの内部に注入し、前記キャビティの内部において前記材料を冷却する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によると、材料の流動性が良好となり、金属粉末の射出成形における製品の歩留りおよび稼働率の向上を図ることができる。これによって、極薄品または小型品の成形を効率よく行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図１は本発明の実施形態に係る金型装置１の正面断面図、図２はバルブピンが閉じた状態を示す拡大断面図、図３はバルブピンが開いた状態を示す拡大断面図、図４はバルブピンが開いた状態の先端部の近辺をさらに拡大して示す断面図、図５は金型装置１を用いた射出成形方法の例を示すタイミング図である。
【００１１】
図１において、金型装置１は、バルブゲート式のホットランナ金型装置であり、固定側金型（凹型）３および移動側金型（凸型）４によって構成されている。固定側金型３と移動側金型４とは、パーティングラインＰＬにおいて互いに接しまたは離れるようになっている。パーティングラインＰＬは、成形品を取り出すための面でもある。
【００１２】
固定側金型３は、型部材１１、基部材１２、側部材１３、および上部材１４がボルトなどで連結されて一体化された固定側ハウジング１０に、マニホールド１５、スプルーブッシュ１６、駆動プレート１７、および油圧シリンダ１８ａ，１８ｂなどが取り付けられ、また種々の加工が施されて構成される。
【００１３】
移動側金型４は、基部材３１、側部材３２、および底部材３３からなる移動側ハウジング３０に、雄型３４ａ，３４ｂ、型締め楔部材３５ａ，３５ｂ、および突き出し棒３６などが取り付けられ、また種々の加工が施されて構成される。
【００１４】
以下、固定側金型３および移動側金型４の構造について詳しく説明する。
【００１５】
図２ないし図４も参照して、型部材１１には、雌型であるキャビティ４１ａ，４１ｂが形成されている。キャビティ４１ａ，４１ｂの上部には注入口４２ａ，４２ｂが設けられている。型部材１１において、キャビティ４１ａ，４１ｂを形成する外側の部材は移動型部材（スライドコア）４３ａ，４３ｂとなっており、型締め時には型締め楔部材３５ａ，３５ｂによって締められているが、型開き時には型締め楔部材３５ａ，３５ｂが下降して移動型部材４３ａ，４３ｂがバネ４４ａ，４４ｂにより引っ張られ、キャビティ４１ａ，４１ｂが開く。
【００１６】
なお、本実施形態の金型装置１は、２つのキャビティ４１ａ，４１ｂが設けられて２つの成形品を同時に成形するようになっているが、これら２つの成形品は同形であるので、以下においては、型締め楔部材３５ａ，３５ｂ、キャビティ４１ａ，４１ｂ、移動型部材４３ａ，４３ｂ、バネ４４ａ，４４ｂなどについて、それぞれの両方または一方を、「型締め楔部材３５」「キャビティ４１」「移動型部材４３」「バネ４４」などと記載することがある。
【００１７】
型部材１１の上に配置された基部材１２には、注入口４２ａ，４２ｂに対応する位置に穴５１が設けられ、穴５１と同軸上に円錐面状の弁座５２が形成されている。穴５１にはブシュ５３が装着され、ブシュ５３の内部とマニホールド１５に設けられた穴とによって材料注入室５４が形成されている。なお、ブシュ５３またはその周辺部には、部材間に適当な隙間ができるように設計されており、その隙間が空気断熱層として機能し、これによってブシュ５３の内部の注入口４２の近辺は外部から断熱されている。
【００１８】
材料注入室５４は、マニホールド１５に設けられた流路５５、およびスプルーブッシュ１６に設けられた流路５６によって、材料入口５７に連通している。成形のための溶融した材料ＺＲは、材料入口５７から高圧で送り込まれ、流路５６，５５を通って材料注入室５４に入る。材料注入室５４において、注入口４２を開閉するためのバルブピン５８が、その長手方向に移動可能に設けられている。
【００１９】
すなわち、バルブピン５８は、金属材料からなり、全体形状が円柱状であり、且つ先端部が円錐状であって、円錐状部の先端に、弁座５２に当接して注入口４２を塞ぐための弁部５９が形成されている。弁部５９は、弁座５２になじむような形状であり、例えば、弁座５２と同じ円錐面を有した形状、または球面状その他の適当な曲面状などである。
【００２０】
バルブピン５８の内部には、材料注入室５４内の材料ＺＲを溶融させるために、バルブピン５８を加熱するヒータ６０が、その長手方向に沿って設けられている。ヒータ６０は、例えばステンレス鋼製の円筒状のケーシングの内部に、ニクロム線などを用いたカートリッジ型の発熱体が装着され、且つ熱電対などの温度センサが内蔵され、電極線（リード線）が上端部から引き出されたものである。ヒータ６０は小型であるので、マイクロヒータとも呼称可能である。ヒータ６０を内蔵するために、バルブピン５８には軸方向に穴が設けられている。ヒータ６０は、バルブピン５８のその穴に装着され、バルブピン５８の上方から電極線が外部に引き出され、図示しない制御装置に接続されている。ヒータ６０に、図示しない制御装置の電源から交流または直流の電流を供給することにより、発熱体が発熱し、バルブピン５８の温度を上昇させる。バルブピン５８の温度は、ヒータ６０に内蔵された温度センサにより検出される。図示しない制御装置によって、温度センサにより検出された温度、設定温度、その他の条件に基づいてヒータ６０に供給される電流が調節され、バルブピン５８の温度が制御される。バルブピン５８の温度は、例えば、２００〜２５０℃程度となるように制御される。
【００２１】
バルブピン５８は、スライドブッシュ６１によって軸方向に摺動可能に支持されており、且つ、スライドブッシュ６１によって材料注入室５４が外部に漏れないように密封されている。
【００２２】
バルブピン５８の上端部は、駆動プレート１７に連結されており、駆動プレート１７の上下移動に応じて一体に移動する。駆動プレート１７の両端部は、複動形の油圧シリンダ１８ａ，１８ｂのそれぞれのロッド６２に連結されている。したがって、油圧シリンダ１８の往復駆動にともなって、駆動プレート１７が図１の上下方向に往復駆動する。油圧シリンダ１８ａ，１８ｂは、それぞれ、２つの圧油供給ポートが配管によって外部に引き出され、外部から適当な電磁弁などを介して圧油が供給されるようになっている。
【００２３】
図１において、左側の油圧シリンダ１８ａはロッド６２ａが収縮した状態を示し、したがってバルブピン５８ａが弁座５２ａに接して注入口４２ａを塞いだ状態を示す。右側の油圧シリンダ１８ｂはロッド６２ｂが伸長した状態を示し、したがってバルブピン５８ｂが弁座５２ｂから離れて注入口４２ｂを開いた状態を示す。また、図２および図４は図１の左側と同じ状態を、図３は図１の右側と同じ状態を、それぞれ示す。
【００２４】
また、マニホールド１５には、適所に穴が設けられ、その穴にカートリッジヒータ６３，６３…が装着されている。図１においては４つのカートリッジヒータ６３が示されている。カートリッジヒータ６３には、図示しない制御装置から電流が供給され、マニホールド１５が適当な温度になるように制御される。
【００２５】
しかし、材料注入室５４の内部、特に注入口４２に近い部分に対しては、カートリッジヒータ６３のみによって十分な高温に加熱することができない。つまり、例えば、注入口４２に近い部分のブシュ５３の内側の材料ＺＲは、溶融した状態から冷却されて固化した状態に変化し勝ちであり、ヒータ６０がない場合にはその部分の材料ＺＲの全体が流動しない固化層となってしまう。しかし、ヒータ６０によってバルブピン５８を加熱することによって、少なくともバルブピン５８の周辺は材料ＺＲが固化することなく溶融層が形成され、溶融層の材料ＺＲが流動して注入口４２からキャビティ４１に注入されることとなる。
【００２６】
つまり、図２に示すように、バルブピン５８の先端の弁部５９が弁座５２（注入口４２）に当接した状態では注入口４２が閉塞されている。この状態において、バルブピン５８の周辺の材料ＺＲはバルブピン５８によって加熱されており、少なくとも薄い溶融層が形成された状態である。そこで、図３に示すように、弁部５９が弁座５２（注入口４２）から離れると、注入口４２が開放され、且つバルブピン５８によって加熱されて溶融した材料ＺＲが注入口４２からキャビティ４１の内部に注入される。
【００２７】
なお、基部材１２，３１には、冷却水（温水）を流して冷却を行うための複数の穴６４，６４…が設けられている。図１においては、基部材１２，３１のそれぞれに３つずつの穴６４が示されている。
【００２８】
因みに、従来においては、ヒータ６０が設けられていないので、ゲート（注入口）上部の材料ＺＲに対して、バルブピン５８からの加熱量よりも放熱量の方が大きく、放熱によって温度が低下してゲート上部の材料は固化してしまう。材料が一旦固化すると再溶融することができず、キャビティ４１に注入することができない。これに対して、本実施形態のようにヒータ６０を設けることによって、ゲート上部の材料ＺＲに対してバルブピン５８から熱を供給し、材料ＺＲを溶融状態に保って流動させ、キャビティ４１に注入することができるのである。
【００２９】
次に、金型装置１を用いた金属粉末の射出成形方法について説明する。
【００３０】
図５に示すように、まず、材料入口５７から材料ＺＲを供給する。材料ＺＲは、例えば、タングステン、モリブデン、またはニッケルなどの粉末と、ポリエチレンまたはポリスチレンなどの樹脂とを体積比で５０パーセント程度ずつ混合したペレット状のものである。材料ＺＲは高温に加熱されて溶融状態であり、流路５６，５５を通って材料注入室５４に充填される。材料注入室５４は、カートリッジヒータ６３およびヒータ６０によって加熱されており、２００〜３００℃程度である。また、基部材１２の温度は、穴６４を流れる冷却水によって冷却されているため２０〜３０℃程度と低いが、バルブピン５８がヒータ６０によって加熱されているので、バルブピン５８の少なくとも周辺には材料ＺＲの薄い溶融層が形成された状態である。
【００３１】
この状態で、油圧シリンダ１８が収縮状態から伸長し、これによってバルブピン５８が上昇方向に駆動される。バルブピン５８の上昇移動によって、弁部５９が弁座５２から離れ、材料注入室５４の材料ＺＲが注入口４２からキャビティ４１の内部に流れ込む。キャビティ４１に材料ＺＲを充填するのに要する時間は、十数分の１秒から数分の１秒、例えば０．１〜０．２秒程度である。
【００３２】
キャビティ４１内へ材料ＺＲを充填した後、材料ＺＲが冷却するのを待って、移動側金型４を下降させ、これによってキャビティ４１を開き、且つ雄型３４をキャビティ４１内から抜き出す。そして、突き出し棒３６を上昇させて基部材３１を上昇させ、これによって成形品を雄型３４から抜き出す。これによって１回の成形が完了し、カップ状の成形品が得られる。なお、この成形品の寸法は、例えば、直径が１〜２ｍｍ程度、長さが５ｍｍ程度である。
【００３３】
上に述べたように、本実施形態の金型装置１は、バルブピン５８に内蔵したヒータ６０によってバルブピン５８が加熱されており、これによって材料が溶融状態を維持することができ、材料ＺＲが流動してキャビティ４１に高速で充填されることとなる。材料ＺＲが金属粉末を含んでいて冷却し易い場合であっても、材料ＺＲの十分な流動性が維持され、不良品の発生が抑えられる。その結果、製品の歩留りが向上し、また、従来のように材料が固化して注入できない状態となることがなく、稼働率が向上する。
【００３４】
このように、本実施形態の金型装置１は、混練状の材料ＺＲの熱伝導率がプラスチック材料の３〜２０倍程度のものに特に有効である。
【００３５】
上の実施形態において、キャビティ４１の形状は成形品に応じて種々変更することができる。例えば、上に述べたカップ状のものに対し、その底部に棒状のものが接続された形状とする場合には、図６に示される型部材１１Ｂおよび雄型３４Ｂを用いればよい。
【００３６】
すなわち、図６において、型部材１１Ｂには円柱状の穴４１Ｂｂが設けられており、雄型３４Ｂとの間に、カップ状の底部に棒状のものが接続された形状のキャビティ４１Ｂが形成される。
【００３７】
上に述べた実施形態において、材料注入室５４、バルブピン５８、ヒータ６０、注入口４２、および金型装置１の全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質、温度、圧力などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。                          
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、金属粉末射出成形法に用いる金型装置として利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態に係る金型装置の正面断面図である。
【図２】バルブピンが閉じた状態を示す拡大断面図である。
【図３】バルブピンが開いた状態を示す拡大断面図である。
【図４】バルブピンが開いた状態の先端部をさらに拡大して示す断面図である。
【図５】金型装置を用いた射出成形方法の例を示すタイミング図である。
【図６】キャビティの形状の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  金型装置（ホットランナ金型装置）
１６  スプルーブッシュ（スプルー）
４１  キャビティ
４２  注入口
５２  弁座（注入口）
５４  材料注入室
５８  バルブピン
５９  弁部
６０  ヒータ
【図１】
2007021502.tif 000003
【図２】
2007021502.tif 000004
【図３】
2007021502.tif 000005
【図４】
2007021502.tif 000006
【図５】
2007021502.tif 000007
【図６】
2007021502.tif 000008