(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型内に形成される金型キャビティの中に材料を射出する方法であって、
溶融材料を金型キャビティの中に射出する前に、加圧流体を前記金型キャビティに供給して、前記金型キャビティの内圧を予め定めた流体圧力と成す工程と、
射出する前に、前記流体圧力と等しい第１溶融圧力まで溶融材料を加圧する工程と、
溶融材料を前記金型キャビティに連通させる工程と、
引き続いて、前記溶融材料を前記金型キャビティの中に射出するために、前記第１溶融圧力を第２溶融圧力まで増大させる工程と、
前記溶融材料が前記金型キャビティの中に射出されている間、前記流体圧力を前記第１溶融圧力と等しく維持するとともに、前記流体圧力と、前記溶融材料の前記第２溶融圧力との間の差圧を維持する工程と、
含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、さらに、
射出している間、前記溶融圧力を監視する工程と、
射出している間、前記金型キャビティ内の前記流体圧力を監視する工程と、
監視した溶融圧力および監視した流体圧力に応答して、溶融材料の射出を制御して、溶融圧力を所望のレベルに維持する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、流体を前記金型キャビティに供給する前記工程は、空気を前記金型キャビティに供給することからなることを特徴とする方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記溶融材料は、プラスチックからなることを特徴とする方法。
【請求項５】
射出成形機で使用される射出成形方法であって、
（ａ）射出成形機内で成形すべきプラスチックのショットが受けるべき最大応力を計算する工程を含み、
（ｂ）プラスチックが射出成形機のバレル内で可塑化されるときに、前記プラスチックのショットを第１溶融圧力まで加圧する工程を含み、前記第１溶融圧力は前記最大応力と等しいものであり、
（ｃ）キャビティ内の空気を前記第１溶融圧力と等しい空気圧まで加圧する工程と、
（ｄ）層流の方法でプラスチックの前記ショットの前記キャビティの中への射出を開始させる工程とを含み、溶融プラスチックは、前記プラスチックを前記キャビティに入れる箇所に対して同心に前記キャビティに流入し、
（ｅ）プラスチックの前記ショットの溶融圧力を第２溶融圧力まで増大させ、同時に、前記キャビティ内の前記空気圧を維持し、プラスチックの前記ショットを前記キャビティの中へ射出する時間の間、前記キャビティ内の前記空気圧と前記第２溶融圧力との間の差圧を維持する工程と、
（ｆ）前記第１溶融圧力及び前記第２溶融圧力を検知し、前記第１溶融圧力及び前記第２溶融圧力を示すフィードバック信号を生じさせる工程と、
（ｇ）前記フィードバック信号を受け、前記フィードバック信号を基準値と比較し、前記第１溶融圧力及び前記第２溶融圧力を制御するための信号を生じさせる工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５に記載の方法において、
前記工程（ｂ）の前に、所定の高い速度値と低い速度値の範囲内の射出速度で普通に射出成形できるプラスチック材料を選択する工程を更に含み、
前記工程（ｄ）の後に、前記プラスチックを前記キャビティの中へ前記高い速度値よりも前記低い速度値に近い射出速度で射出する工程を更に含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５に記載の方法において、前記キャビティの中へのプラスチックの射出の前に、発泡剤を前記プラスチックに加える工程を更に含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
射出成形機で使用される射出成形方法であって、
（ａ）射出成形機で使用するための金型に複数のベントを形成する工程を含み、前記金型は前記金型に形成されたキャビティを有しており、前記ベントは、前記キャビティから加圧空気を排出するために、流体を流すことができるように、前記金型の前記キャビティと連通しており、
（ｂ）前記ベントと選択的に流体を流すことができるように連通する溝が前記金型に形成されており、
（ｃ）前記金型をシールして、加圧空気が前記キャビティおよび前記溝から漏れるのを阻止する工程を含み、
（ｄ）前記金型に形成された前記溝と選択的に流体を流すことができるように連通する第１の弁および第２の弁が設けられており、前記第１の弁は、圧縮空気が前記第１の弁を通して移動するのを阻止する閉鎖位置と、圧縮空気が前記第１の弁を通して前記溝に入ることができる開放位置との間で選択的に移動でき、前記第２の弁は、圧縮空気が前記第２の弁を通して移動するのを阻止する閉鎖位置と、圧縮空気が前記第２の弁を通して前記第２の弁から排出することができる開放位置との間で選択的に移動でき、
（ｅ）射出成形機で成形すべきプラスチックのショットが受けるべき最大応力を予め計算しておき、
（ｆ）射出成形機のバレル内の溶融プラスチックのショットを第１溶融圧力まで加圧する工程を含み、前記第１溶融圧力は前記最大応力と等しいものであり、
（ｇ）前記第１の弁を前記開放位置に移動させる工程と、
（ｈ）前記第２の弁を前記閉鎖位置に移動させる工程と、
（ｉ）前記キャビティ内の空気圧が前記第１溶融圧力と等しくなるまで、圧縮空気を前記第１の弁を通して前記キャビティに導入する工程と、
（ｊ）前記第１の弁を前記閉鎖位置に移動させる工程と、
（ｋ）プラスチックの前記ショットの前記キャビティの中への射出を開始させる工程と、
（ｌ）プラスチックのショットの溶融圧力を第２溶融圧力まで増大させ、かくして、前記第２溶融圧力と前記キャビティ内の空気圧との間に差圧を作る工程と、
（ｍ）プラスチックを前記キャビティの中へ射出する時間の間、前記第２溶融圧力と前記キャビティ内の空気圧との間の前記差圧を維持する工程と、
（ｎ）前記第２の弁を前記開放位置に移動させて、圧縮空気を前記溝から前記第２の弁を通して開放する工程とを含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項８に記載の方法において、
射出成形機で成形すべきプラスチックのショットが受けるべき最大応力を計算する前記工程は、
プラスチックのショットが受けるべき最大均一荷重を計算する工程と、
プラスチックのショットが受けるべき最大の機械的応力を計算する工程と、
プラスチックのショットが受けるべき最大の熱応力を計算する工程と、
プラスチックのショットが受けるべき最大応力を、前記最大の機械的応力又は前記最大の熱応力のうちの大きい方の値と等しくなるように決定する工程と、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１０】
請求項８に記載の方法において、
前記工程（ｆ）の前に、所定の高い速度値と低い速度値の範囲内の射出速度で普通に射出成形できるプラスチック材料を選択する工程を更に含み、
前記工程（ｋ）の後に、前記プラスチックを前記キャビティの中へ前記高い速度値よりも前記低い速度値に近い射出速度で射出する工程を更に含む、
ことを特徴とする方法。
【請求項１１】
請求項８に記載の方法において、前記キャビティの中へのプラスチックの射出の前に、発泡剤を前記プラスチックに加える工程を更に含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
〔技術分野〕
本発明は射出成形に関し、特に、応力及び流量計算と、溶融プラスチックが射出成形機によって加工されるときに溶融プラスチックの最適な溶融圧力を監視しかつ維持する閉ループ制御装置とを用いる方法及び装置に関する。
〔背景技術〕
溶融プラスチックが射出成形機によって加工されるとき、プラスチックは金型キャビティに入り、このキャビティ内でプラスチックは冷却され、所望の成形品形状を形成する。冷却が起こるとき、プラスチックはキャビティ内で収縮する。この収縮の結果、成形品は大きさが実際に収縮し、しばしば、ひけあと即ち低スポットが成形品の表面に発生する。収縮及びひけあとは、射出成形が最初に開発されたときから射出成形業者にとって重大問題を引き起こしていた。これらの問題を除去する試みにおいて、幾つかの方法が開発された。ある例はガス補助式射出成形、構造的フォーム成形、液体ガス補助式射出成形等を含む。加えて、プラスチックに不活性ガスを発生させるために、溶融プラスチックと混合するための発泡剤が成形工程で使用された。これらの不活性ガスはプラスチック内の内圧を生じさせ、それにより、プラスチックが金型のキャビティを更に完全に満たすことを可能にし、プラスチックをキャビティ壁に押しつける。これもまた、プラスチック成形品の表面のひけを減らすのを助ける。また、金型キャビティ内のガス逆圧が成形部品の表面平滑性を改善するのに用いられた。
これらの従来技術の方法は、成形工程における多数の変化により、全て問題がある。成形圧力及び成形速度を変えること、溶融圧力及び溶融温度を変えること、キャビティの状態を変えること及びガスの制御されていないガス抜きは、全て不安定な成形環境に寄与する。成形工程のこれらの種々の問題は焼け及び重合体鎖の分断を引き起こし、プラスチック材料をキャビティ内で冷却するとき、プラスチック内に内部応力を生じさせ、この内部応力はプラスチック内に残る。これらの内部応力は、成形すべきプラスチック成形品の収縮、ひけ及びそりを引き起こす。加えて、これらの種々の成形問題は、プラスチック材料が射出成形機により加工されるとき、プラスチック材料の崩壊を導く。一般に、圧力、温度及び射出速度の不規則な変化により材料の破壊を生じさせ、成形された如き最終製品にあらわれる内部問題をプラスチックに引き起こす。
従来技術装置の他の欠点は、これらの装置内のプラスチック溶融流れが、溶融プラスチックが金型のキャビティの中へ移動するとき、キャビティの寸法形状の変化により、圧力の変化に直面することである。これらの圧力変化により、キャビティのある領域を他の領域より迅速に充填させ、かくして、キャビティの異なる領域で冷却特性が異なるようになる。これらの冷却の変化により、プラスチックの凝固方向が不一致となり、その結果、表面応力、ウェルドライン又はひけが生ずる。
プラスチックが射出成形機の中を移動するとき、溶融プラスチックの圧力をいっそうしっかりとかつ均一に制御する、いっそう釣合いのとれた射出成形工程を開発することが望ましい。重合体鎖の状態の変化によって引き起こされる上述の問題を除去するために、プラスチックの内部応力を減じるために、プラスチックに作用する圧力を釣合わせる射出成形工程を開発することが更に望ましい。このような射出成形工程の最終的目標は、金型のキャビティ表面とほとんど完全に合い、最終製品の収縮、ひけ及びそりになる内部応力を完全に軽減し、機械的性質を大いに改善した最終製品を製造することであろう。加えて、成形品重量を減らすことができ、これにより、十分な材料節約を製造業者にもたらす。
〔発明の開示〕
本発明は、溶融プラスチックを金型キャビティの中へ射出するとき、装置を圧力で予め負荷することが望ましく、これにより、圧力変化が測定可能になる状態を作り、制御可能な差圧を金型キャビティ内のガスの圧力と溶融プラスチックの圧力との間に確立することができることの実現から生ずる。プラスチックの金型キャビティの中への射出及び凝固の最適な圧力状態を作るために、即時の閉ループ制御を行うことによって、ガス圧及び溶融プラスチックの静的溶融圧力を制御器によって検知し、非常に正確に監視する。予め負荷をかけられた溶融体の金型キャビティの中への予めプログラムされた移動から引き起こされた差圧にもとづくこの閉ループ圧力制御は、溶融体の静圧を射出及び凝固のサイクル全体を通して制御する能力を提供し、溶融体が溶融体ホルダーから移動し、金型キャビティ内で凝固するとき、溶融体の最適な射出及び凝固の圧力状態を作る能力を提供する。
（ａ）プラスチックペレットが射出成形機内で可塑化されるとき、溶融プラスチック内の内部逆圧を生じさせ、（ｂ）溶融プラスチックがキャビティの中へ射出されるときに内部逆圧と釣合うために、射出成形機の金型のキャビティ内の空気を内部逆圧と実質的に等しい空気圧レベルまで加圧し、かくして、プラスチックの実質的に圧力の釣合いのとれた成形環境を作る工程を含む、射出成形機で使用される射出成形方法を提供する。
また、射出成形機によって金型キャビティの中へ射出された溶融プラスチックから金型キャビティ内で形成されたプラスチック成形品の内部応力を減じる方法を提供する。この方法は、（ａ）キャビティに所定の空気圧まで圧力を加え、（ｂ）溶融プラスチックを所定の空気圧と等しい第１溶融圧力で創り出すように射出成形装置を作動させ、（ｃ）所定の空気圧と第１溶融圧力とが等しくなるときに溶融プラスチックを金型キャビティと連通させ、（ｄ）引き続いて、溶融圧力を第２溶融圧力まで増大させ、溶融プラスチックを金型キャビティの中へ射出する所定時間の可なりの部分の間、金型キャビティ内の空気圧と第２溶融圧力との間の実質的に一定の差を維持し、それによって、形成されるプラスチック成形品の内部応力を減じるような方法で、溶融プラスチックに作用する圧力の状態を最適にする工程を含む。
本発明は、また、溶融プラスチックを受け入れるためのキャビティが形成された金型と、金型キャビティを所定の溶融圧力で溶融プラスチックで充填する射出圧力を作るための液圧ユニットとを有する射出成形機で使用される射出成形方法を意図する。この方法は、（ａ）空気をキャビティに所定の空気圧で供給し、（ｂ）射出中、溶融圧力を検知し、（ｃ）射出中、キャビティ内の空気圧を検知し、（ｄ）検知した溶融圧力及び検知した空気圧を監視し、溶融圧力を所望レベルで維持するための信号を液圧ユニットに生じさせる閉ループ制御器を設ける工程を含む。
本発明は、金型を有する射出成形機で使用される射出成形方法を更に提供する。この方法は、（ａ）プラスチックが金型内で加工されるとき、プラスチックが受けるべき最大応力を決定し、（ｂ）プラスチックの金型の中への射出の前に、プラスチック内に逆圧を生じさせ、この逆圧は決定された最大応力と実質的に等しく、（ｃ）プラスチックが金型の中に射出されるとき、プラスチック内の逆圧を測定された最大応力と少なくとも等しく維持する工程を含む。
本発明は、金型キャビティの中へ射出された溶融プラスチックから金型キャビティ内で形成されたプラスチック成形品の内部応力を減じる方法を更に意図する。この方法は、（ａ）キャビティに所定の空気圧まで圧力を加え、（ｂ）溶融体に所定の空気圧と等しい第１溶融圧力まで圧力を加え、（ｃ）両方の圧力が等しくなるときに溶融プラスチックをキャビティと連通させ、（ｄ）引き続いて、溶融圧力を射出のための第２溶融圧力まで増大させる工程を含む。
また、（ａ）射出成形機内で成形すべきプラスチックのショットが受けるべき最大応力を計算し、最大応力はプラスチックが射出成形機の金型のキャビティ内で冷却されるときに起こる体積収縮の結果であり、（ｂ）プラスチックが射出成形機のバレル内で可塑化されるときにプラスチックのショットを第１溶融圧力まで加圧し、第１溶融圧力は計算された最大応力と実質的に等しく、（ｃ）キャビティ内の空気を第１溶融圧力と実質的に等しい空気圧まで加圧し、（ｄ）溶融プラスチックがプラスチックをキャビティに入れる箇所に対して同心に前記キャビティに流入する層流の方法で、プラスチックのショットのキャビティの中への射出を開始させ、（ｅ）プラスチックのショットの溶融圧力を第２溶融圧力まで増大させ、同時に、キャビティ内の空気圧を実質的に一定に維持し、プラスチックのショットをキャビティの中へ射出する時間の可なりの部分の間、キャビティ内の空気圧と第２溶融圧力との間の実質的に一定の差を維持し、（ｆ）第１及び第２の溶融圧力を検知し、それらの圧力を示すフィードバック信号を生じさせ、（ｇ）前記フィードバック信号を受け、前記フィードバック信号を基準値と比較し、前記第１及び第２の溶融圧力を制御するための信号を生じさせ、（ｈ）工程（ｂ）に戻る工程を含む、射出成形機で使用される射出成形方法を提供する。
金型の前半部及び後半部を備える、射出成形機で使用される金型を更に提供する。前半部には溶融プラスチックを射出成形機から受け入れるための孔が形成されている。前半部と後半部は協働して、それらの間にキャビティを形成し、キャビティは溶融プラスチックを孔から受け入れるために、孔と流体流れ連通（すなわち、流体を流すことができるように連通）している。複数のベントが前半部及び後半部の一方に形成され、ベントはそれの第１及び第２の端を有する。複数のベントの各々の第１端はキャビティと流体流れ連通している。ベントは、キャビティにプラスチックが充填されているとき、キャビティ内の実質的に一定の空気圧を維持するために以下の式に従って構成される。
Ａ  ＝  ０．２４２４１  ＊  Ｗ  ＊  √Ｔ１  ／  （Ｃ  ＊  Ｐ１）
ここで、Ａはベントの横断面積であり、Ｗはポンド／秒でのベントを通過する加圧空気の排出量であり、Ｃは流れ係数であり、Ｐ１はポンド／平方インチでのキャビティ内の空気圧であり、Ｔ１は華氏度でのキャビティ内の温度である。溝が後半部及び前半部の一方に形成され、溝は加圧空気をベントを通してキャビティの中へ移動させかつキャビティから移動させるために、複数のベントの各々の第２端と流体流れ連通している。一対の弁が溝と選択的に流体流れ連通して設けられる。弁の対の一方は加圧空気を溝に供給するために、加圧空気を空気管路から選択的に受け入れるようになっていて、弁の対の他方は加圧空気の溝からの排出を選択的に可能にするようになっている。キャビティに溶融プラスチックが充填されているとき、加圧空気が金型の前半部と後半部との間のキャビティから漏れるのを阻止するために、シールがキャビティの周囲を囲みかつ前半部と後半部との間に位置決めされる。
従って、本発明の目的は、溶融プラスチックを冷却するための圧力の釣合いのとれた射出環境を作る射出成形方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は、改善した加工制御装置の結果、プラスチック材料の崩壊を減少させる射出成形方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、溶融プラスチックが金型のキャビティの中へ射出されるとき、乱流の発生がいっそう少ない射出成形方法を提供することにある。
本発明のなお更なる目的は、最終製品の表面応力を大いに減少させる射出成形方法を提供することにある。
本発明の更なる目的は、成形した部品の収縮、ひけ及びそりが少ない射出成形方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、溶融プラスチックをむらのない指向的な方法で冷却させかつ凝固させる射出成形方法を提供することにある。
本発明のなお他の目的は、加工サイクル時間が少なく、成形品の重量が少ない射出成形方法を提供することにある。
本発明のなお更なる目的は、金型のキャビティ内の所望の空気圧を維持することができる金型を提供することにある。
本発明のこれらの及び他の特徴、目的及び利点は、添付図面を参照するとともに、そのために以下の説明を読む際に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明による、金型及びそれに連結された圧力制御装置を有する射出成形機の射出ユニットの概略図である。
図２は、本発明による金型の後半部の平面図である。
図３は、本発明による射出成形用金型の図２における垂直断面図である。
図４は、本発明による射出成形機の溶融圧力及び空気圧サイクルのグラフ図である。
図５は、本発明による射出成形機の溶融圧力と空気圧との間の差圧の概要のグラフ図である。
〔発明を実施する最善の形態〕
図１を参照すると、本発明の方法で使用される射出ユニット１２を有する射出成形機１０を示す。プラスチック用樹脂がホッパー１４から射出成形機のバレル１６の中に移動する。バレル１６からの熱とスクリュー１８の回転運動により、プラスチック用樹脂を溶融させ、射出成形機によって成形すべきプラスチックのショットを形成する。プラスチックのショットは射出成形機によって加圧される。プラスチックのショットの溶融圧力は溶融圧力トランスジューサ２０により測定されかつ調節される。プラスチックがノズルから垂れ落ちるのを阻止し、バレル１６内の溶融プラスチックの加圧を可能にするために、バレル１６の頂部に正遮断弁が設けられる。
金型２２が射出成形機１０に挿入される。金型２２は前半部２４と後半部２６とを有する。前半部２４には射出成形機から溶融プラスチックのショットを受け入れるための孔２８が形成されている。金型２２の前半部２４と後半部２６は協働して、それらの間にキャビティ３０を形成する。キャビティ３０は、溶融プラスチックのショットを受け入れるために、孔２８と流体流れ連通している。溶融プラスチックのショットは、プラスチック成形品を冷却してキャビティの形状に合ったプラスチック成形品を形成するために、キャビティ３０に押し込まれ、そして、その中に保持される。
成形工程全体を通して圧力を検知するためのトランスジューサが設けられる。射出ユニット１２の射出圧力は射出圧力トランスジューサ３２によって監視される。空気圧が空気管路３４を通して金型２２のキャビティ３０に与えられる。キャビティ３０内の空気圧は空気圧トランスジューサ３６によって監視される。空気圧トランスジューサは、真の圧力表示度数をキャビティから取ることができるようにベント内に配置される。空気圧トランスジューサを有するベントは溝４４から連通を絶たれる。ゴムシール３８が、加圧空気が金型のキャビティ３０から漏れるのを阻止するために、金型２２の前半部と後半部２６との間に設けられる。しばしば、溶融プラスチックが高圧下で金型の中に射出されるとき、金型の前半部２４及び後半部２６はわずかに分離され、かくして、加圧空気のそこからの漏れを許す。ゴムシール３８は加圧空気のキャビティからのこの漏れを阻止するように設計される。
閉ループ制御器４０が射出成形機１０に設けられる。閉ループ制御器４０は圧力信号を圧力トランスジューサ２０、３２、３６から受け、これらの圧力信号を予め決定された基準値と比較し、従って、信号を射出成形機に送って圧力を調節する。
図２を参照すると、キャビティ３０と流体流れ連通している複数のベント４２を示す。これらのベントの目的は、溶融プラスチックがキャビティ３０の中に射出されるとき、加圧空気及びガスの排出を可能にすることにある。溝４４がベント４２と流体流れ連通して、キャビティ３０のまわりに設けられる。加圧空気及びガスはベントを通して溝の中に移動する。加圧空気を空気管路３４から溝４４に供給するための第１の弁４６が、溝４４と選択的な流体流れ連通して設けられる。同様に、加圧空気の放出のための第２の弁４８が、溝４４と選択的な流体流れ連通して設けられる。この密閉された弁付きベント装置の目的は、ベントオリフィス制御装置を金型の外側でなく溶融流れの直前に設けることにある。この方法では、溶融プラスチックがキャビティの中へ射出されるとき、溶融圧力に抵抗するキャビティ空気圧が得られる。
上述した装置で使用される本発明による方法は、キャビティの中へ射出された溶融プラスチックの各体積単位は冷却中、表面張力の調整により収縮し、可なりの応力が固体成形品に生じる事にもとづく。これらの状態は溶融プラスチック内の同伴ガスの発生によって緩和される。これらの同伴ガスは溶融体の流動度を実質的に変え、溶融プラスチックをキャビティの中へ射出するのに必要とされる射出圧力の量を減少させることによって潤滑剤として作用する。同伴ガスにより、溶融プラスチックを大変柔軟にさせ、扱いやすくする。また、金型キャビティの体積とキャビティで成形された固体成形品の体積との間の予測した体積差は、体積収縮に抵抗し、バレル内の溶融プラスチックを内部応力を除去するのに十分な圧力で予め混合するための基礎として用いることができる。
或る所望量の同伴ガス及び水分を溶融プラスチック内に生じさせることによって、同伴ガス及び水分の移動を止める、同伴ガス及び水分の分圧のレベルが確立される。また、ガスの分解が止められ、ガスを、釣合いのとれた表面張力によって静的な位置を維持させる。加えて、凝固プラスチック内の負圧が除去される。
図２に示すベント装置は、キャビティ内の一定のガス圧力抵抗を維持する可能性を作り出し、これによって、キャビティ内の溶融プラスチックの一様でない流れ分布を除去する。溶融プラスチックはキャビティスペース内に、孔２８に関して実質的に同心に分配される。これにより、溶融体がキャビティ内を移動し、成形品の全ての部分で同じ圧力特性のもとにキャビティ内で凝固する独特の可能性を与える。これは、また、溶融プラスチック内に同伴されるガスがプラスチックのショットの表面に移動する可能性を除去する。溶融プラスチックのキャビティの中への供給速度はキャビティの全ての領域で一定に維持される。同伴ガス及び水分に引き起こされた内圧に加えて、この一定の供給速度は、溶融プラスチックがキャビティ壁と早くから加圧接触するので、冷却速度が増す利点をもたらす。この加圧接触により、熱のキャビティ壁からの散逸の結果、溶融プラスチックを更に迅速に冷却させる。冷却速度が増すことにより、製造業者にとってかなりの省力になる実質的なサイクル時間削減になる。
金型のキャビティ内の空気圧を制御することにより、釣り合いのとれた溶融プラスチックの成形環境を確立する能力を与える。溶融プラスチックをこれらの状態下で加工することにより、通常、水分の存在で分解生成物によって化学的に作用を及ぼされる重合体の崩壊及び分断を阻止する。
キャビティ内の空気圧と溶融圧力との間の圧力の釣り合いの結果、プラスチックの表面張力の発達が回避される。効果的に、この釣合いのとれた圧力系により、プラスチックの指向的な凝固を引き起こす。換言すれば、溶融プラスチックは溶融プラスチックの表面から溶融プラスチックの中心までの一定の直線で冷える。この指向的な凝固により、成形品の収縮、ひけ及びそりになる表面応力を除去する。この工程の最終結果は、収縮及びひけが無く、応力が完全に軽減された、キャビティ面のほとんど正確な複製である成形品の生産である。そのうえ、この工程により、構造一体性が高められることに加えて、機械的特性が強く、形状安定性が有る成形品を製造する。
本発明の最善の実施の形態によれば、射出成形機で使用される射出成形方法を提供する。第１工程は射出成形機１０で成形すべきプラスチックのショットが受けるべき最大応力を計算することであり、この最大応力はプラスチックが金型２２のキャビティ３０内で冷却されるときに起こる体積収縮の結果である。成形すべき成形品が矩形横断面を有する細長い棒であると仮定すれば、以下の式があてはまる。成形品が収縮の結果受けるべき最大均一荷重を以下のように計算する。
0004332217.tif 000002
ここで、ｑは単位面積当たりの均一荷重であり、ａはキャビティの幅であり、ｂはキャビティの厚さであり、ｈはキャビティの高さであり、Ｅはプラスチックの見掛けの弾性率であり、ｋはプラスチックの熱変形温度にもとづく変数であり、ｙはプラスチックの収縮係数である。
均一荷重計算方程式は、成形品の形状及び加工すべきプラスチックに応じて変わる。もちろん、これらの式は機械制御装置にプログラム化され、従って、作業者は機械を扱うためにプラスチックの特性を入れるのに必要とされるにすぎない。
次に、プラスチックのショットが受けるべき最大の機械的応力を最大均一荷重に従って計算する。
0004332217.tif 000003
ここで、Ｓ（機械的）は成形品が受けるべき最大の機械的応力であり、ａはキャビティの幅であり、ｂはキャビティの厚さであり、ｈはキャビティの高さであり、ｑは単位面積当たりの均一荷重である。
重ねて、最大機械的応力計算方程式は、成形品の形状に応じて変わる。
次に、プラスチックのショットが受けるべき最大の熱応力を以下の式に従って計算する。
Ｓ（熱）  ＝  ｄＴ  ＊  Ｌ  ＊  Ｅ
ここで、Ｓ（熱）は成形品が受けるべき最大の熱応力であり、ｄＴは室温とプラスチックが変形の塑性範囲になる温度との間のプラスチックの温度の変化であり、Ｌは熱係数であり、Ｅはプラスチックの弾性率である。
最後に、プラスチックのショットが受けるべき最大応力をＳ（機械的）とＳ（熱）の大きい方の値として決定する。
加工の次の工程は、プラスチックが射出成形機のバレル１６内で可塑化されるとき、プラスチックのショットを第１溶融圧力に加圧することであり、第１溶融圧力は計算された最大応力と実質的に等しい。
次に、キャビティ３０を第１溶融圧力と実質的に等しい空気圧まで加圧する。プラスチックのショットのキャビティへの射出は、空気圧が第１溶融圧力に達した後に開始する。溶融プラスチックがキャビティに入るとき、キャビティ内の空気圧は、溶融プラスチックに圧力の釣合いを与えるために、溶融圧力に抗して作用する。
プラスチックのショットがキャビティの中へ射出されるとき、プラスチックのショットの溶融圧力は、キャビティ内の空気圧を実質的に一定に維持しながら、第１溶融圧力から第２溶融圧力まで増大する。加えて、キャビティ内の空気圧と第２溶融圧力との間の実質的に一定の差は、プラスチックのショットをキャビティの中へ射出する時間の可なりの部分の間維持される。図４及び図５を参照することにより、この方法を更に図示する。図４を参照すると、キャビティ内の空気圧５０及び溶融プラスチックの溶融圧力５２を時間の関数として図示する。時間ｔ１の間、空気圧５０は溶融圧力５２に等しくなるまで高まる。時間ｔ２は空気圧を溶融圧力と等しくさせる緩和時間である。ｔ３の間、溶融プラスチックのキャビティの中への射出が始まり、溶融圧力は第１溶融圧力から第２溶融圧力まで増大する。ｔ４の間、第２溶融圧力と空気圧５０との間の差圧は、図５に示すように、実質的に一定に維持される。ｔ５の間では、溶融圧力５２を第２溶融圧力から第１溶融圧力まで減少させ、２つの圧力をｔ６の間、等しくする。ｔ７では、キャビティ内の空気圧５０を放出し、プラスチックの次のショットの準備が整う。
本発明は、空気圧又は溶融圧力には特定の圧力分布が必要とされないことを意図する。この発明の解決の鍵は、装置に予め負荷をかけることと、空気圧と射出の可なりの部分の間、溶融圧力との間に差圧を維持することとにある。差圧は静圧に変換される動圧の量を制御するために、特定の使用要件に従って発生され、従って、差圧は変化する。従って、溶融圧力と空気圧との間の差圧が実質的に一定に維持される限りは、空気圧及び溶融圧力を任意の圧力分布に従って増減させてもよい。そのうえ、空気圧を最大応力の計算結果と等しく初めから設定することは要件でない。重ねて、解決の鍵は、溶融プラスチックがキャビティの中へ射出されるとき、空気圧と溶融圧力との間に差圧を創り出しかつそれを維持することにある。空気圧及び溶融圧力の分布を変えることが本発明のもとに意図されている。
第１及び第２の溶融圧力及びキャビティ内の空気圧を監視し、第１及び第２の溶融圧力を維持するための信号を生じさせる閉ループ制御器４０が設けられる。
最後に、この方法はプラスチックの次のショットをバレル１６内で第１溶融圧力に加圧する工程に戻ることによって繰り返される。従って、射出成形製品が繰り返して生産される。
プラスチックのショットをバレル１６からキャビティの中へ比較的低い速度で射出することが更に好ましい。普通、製造業者は高い速度値と低い速度値の範囲内の勧められる射出速度を提供する。製造業者によって勧められた速度より１０％低い速度で溶融プラスチックをキャビティの中へ射出することが、プラスチックの乱流及び材料崩壊を減少させるために望ましい。同様に、製造業者は高い射出圧力値と低い射出圧力値とを提供する。製造業者によって勧められた範囲より１０％低い値でプラスチックをキャビティの中へ射出することが望ましい。キャビティを低い射出速度及び低い射出圧力で充填することにより、重合体鎖の破壊及び崩壊を回避する。
本発明は、射出成形機に使用する射出成形方法を更に提供し、この方法は、
（ａ）複数のベント４２を射出成形機で使用される金型に形成し、金型はその中に形成されたキャビティを有し、ベントは圧縮空気をキャビティから排出するために金型のキャビティ３０と流体流れ連通し、同時に、キャビティ内に実質的に一定の空気圧を以下の式に従って維持し、
Ａ  ＝  ０．２４２４１  ＊  Ｗ  ＊  √Ｔ１  ／  （Ｃ  ＊  Ｐ１）
ここで、Ａはベントの横断面積であり、Ｗはポンド／秒でのベントを通過する空気の排出量であり、Ｃは流れ係数であり、Ｐ１はポンド／平方インチでのキャビティ内の空気圧であり、Ｔ１は華氏度でのキャビティ内の温度であり、
（ｂ）溝４４をベント４２と流体流れ連通させて金型に形成し、
（ｃ）圧縮空気のキャビティ及び溝からの漏れを阻止するために金型を密閉し、
（ｄ）第１及び第２の弁４６、４８を金型に形成された溝４４と選択的に流体流れ連通して設け、第１の弁４６は圧縮空気が弁４６を通して移動するのを阻止する閉鎖位置と、圧縮空気が弁４６を通して溝４４に入ることができる開放位置との間で選択的に移動でき、第２の弁４８は圧縮空気が弁４８を通して移動するのを阻止する閉鎖位置と、圧縮空気が弁４８を通して溝４４から排出することができる開放位置との間で選択的に移動でき、
（ｅ）射出成形機で成形すべきプラスチックのショットが受けるべき最大応力を計算し、最大応力はプラスチックが金型のキャビティ内で冷却されるときに起こる体積収縮の結果であり、
（ｆ）射出成形機のバレル１６内の溶融プラスチックのショットを第１溶融圧力まで加圧し、第１溶融圧力は最大応力と実質的に等しく、
（ｇ）第１の弁４６を開放位置に移動させ、
（ｈ）第２の弁４８を閉鎖位置に移動させ、
（ｉ）キャビティ内の空気圧が第１溶融圧力と実質的に等しくなるまで、圧縮空気を第１の弁４６を通してキャビティ３０に導入し、
（ｊ）第１の弁を閉鎖位置に移動させ、
（ｋ）プラスチックのショットのキャビティ３０の中への射出を開始し、
（ｌ）プラスチックのショットの溶融圧力を第２溶融圧力まで増大させ、かくして、第２溶融圧力とキャビティ内のガス圧との間に差圧を作り、
（ｍ）第２溶融圧力とキャビティ内の空気圧との間の差圧を、プラスチックをキャビティの中へ射出する時間の可なりの部分の間、実質的に一定に維持し、
（ｎ）圧縮空気を溝から開放するために、第２の弁４８を開放位置に移動させ、
（ｏ）工程（ｆ）に戻る、
工程を含む。
これらの工程は必ずしも連続して行われる必要はないことを理解すべきである。この方法に設けられた工程の順序の変化は、本発明の一部として意図する。
図４を参照することにより、上述した本発明の第２の実施の形態に設けられたような弁４６、４８及びベント装置の説明の基礎を提供する。本発明の第２の実施の形態の工程（ｈ）を始めると、第１の弁４６を開放位置に移動させ、第２の弁４８を図４の時間ｔ１より前に閉鎖位置に移動させる。ｔ１の間、キャビティ内の空気圧が第１溶融圧力と実質的に等しくなるまで、圧縮空気を第１の弁４６を通してキャビティ３０に導入する。次に、第１の弁４６を閉鎖位置に移動させる。第１及び第２の弁は、溶融プラスチックがキャビティの中へ射出されるとき、閉じたままである。次に、キャビティ内の空気圧と第２溶融圧力との間に可なりの時間（Ｔ４）、差圧を確立しかつ維持する。次に、溶融圧力と空気圧とを等くし（Ｔ５、Ｔ６）、次に、第２の弁４８を開放位置に移動させて加圧空気を溝から開放する（Ｔ７）。
この閉じたベント装置の目的は、各個々のガス分子に作用する圧力を釣合わせ、隣接した分子間でガスの移動がプラスチック内でほとんど起こらない溶融プラスチックの成形環境を作ることにある。この釣合いはガス分子がプラスチックの表面に向かって移動するのを阻止し、或いは、他のガス分子と合体して大きい気孔即ち気泡を形成するのを阻止する。
当業者は化学発泡剤を溶融プラスチックに加えることの有用性を認識するであろう。化学発泡剤は可塑化の間、溶融体内に分解されかつ同伴ガスの量を制御する際に有用である。これらの発泡剤は加熱されたとき、不活性ガスを発生させる。この不活性ガスは成形品の実質的な重量減少になる気孔を材料内に作り、これらの気孔の圧力はキャビティを充たすのを助け、プラスチックをキャビティの壁に押しつけるのに用いられる。
図１から図３を参照すると、本発明は射出成形機１０で使用される金型２０を更に提供する。金型は前半部２４と後半部２６とを有し、前半部２４は射出成形機から溶融プラスチックのショットを受け入れるための孔２８が、前半部２４に形成される。前半部２４と後半部２６は協働して、それらの間にキャビティ３０を形成する。キャビティ３０は孔２８から溶融プラスチックを受け入れるために、孔２８と流体流れ連通している。複数のベント４２が、図２に示すように、金型の後半部に形成される。ベント４２はそれの第１及び第２の端を有する。複数のベントの各々の第１端はキャビティ３０と流体流れ連通している。ベントは、キャビティにプラスチックが充填されているとき、キャビティ３０内に実質的に一定の空気圧を維持するように、以下の式に従って形成される。
Ａ  ＝  ０．２４２４１  ＊  Ｗ  ＊  √Ｔ１  ／  （Ｃ  ＊  Ｐ１）
ここで、Ａはベントの横断面積であり、Ｗはポンド／秒でのベントを通過する加圧空気の排出量であり、Ｃは流れ係数であり、Ｐ１はポンド／平方インチでのキャビティ内の空気圧であり、Ｔ１は華氏度でのキャビティ内の温度である。
溝４４が金型の後半部に形成される。溝４４は複数のベント４２の各々の第２端と流体流れ連通している。キャビティ３０、ベント４２及び溝４４を図３に示す。一対の弁４６、４８が溝４４と選択的に流体流れ連通している。第１の弁４６は加圧空気を溝４４に供給するために、加圧空気を空気管路３４から選択的に受け入れるようになっている。第２の弁４８は加圧空気の溝４４からの排出を選択的に可能にするようになっている。
ゴムシール３８が金型の後半部に設けられ、キャビティ及び溝の周囲を囲み、キャビティに溶融プラスチックが充填されているとき、加圧空気のキャビティ及び溝からの排出を阻止するために、前半部と後半部との間に位置決めされる。射出の際、金型の前半部と後半部はわずかに分離する傾向を有する。ゴムシール３８は、この分離が起こるとき、加圧空気のキャビティからの漏れを阻止する。
本発明を実施するための最善の形態を詳細に説明したけれども、この発明が関連する技術に通じている者は、以下の特許請求の範囲の請求項に述べた本発明を実施するための種々の変形例の設計及び実施の形態を認識するであろう。
【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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