(57)【要約】  少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートの一連の金型キャビティに、それと流体連通している状態のとき、溶融材料を約６．８９ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜約１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力で送出するために作動可能な複数の射出システムを有する位置可変式の金型システム。マルチキャビティ射出金型インサートは、５１．９Ｗ／ｍ−℃（３０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ）を超える熱伝導率を有し、その内部に冷却チャネルをほとんど有しないか、まったく有しない。
2016517813.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
射出成形システム（図１の１０、２３ページ、１１〜１２行）であって、
３０ＢＴＵ／ＨＲ  ＦＴ  °Ｆ超の熱伝導率を有する金属から作製された、少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサート（図１２の１２１２、４０ページ、１〜２行）を含み、
前記成形システムが、
第１の射出システムであって、前記少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートの一連の金型キャビティ（図１２の１２２０、３９ページ、２９行〜４０ページ）に、金型キャビティと流体連通している状態のときに、溶融材料（図１の２４、２３ページ、１７〜１９行）を約６．８９ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜約１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力（図４Ａの２４０、３４ページ、１２〜１４行）で送出するために作動可能な第１の射出システム（図１の１２、図２８の１２６０、２３ページ、１１行〜２６ページ、３０行、及び４３ページ、２１行）と、
第２の射出システムであって、前記少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートの前記一連の金型キャビティに、金型キャビティと流体連通している状態のときに、溶融材料（図１の２４、２３ページ、１７〜１９行）を約６．８９ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜約１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力（図４Ａの２４０、３４ページ、１２〜１４行）で送出するために作動可能な第２の射出システム（図１の１２、図２８の１２６２、２３ページ、１１行〜２６ページ、３０行、及び４３ページ、２１行）と、
前記マルチキャビティ射出金型インサートが固定される位置可変部（図１２の１２１０、３９ページ、２６行〜３０ページ、２行）であって、第１の方向のときは、前記少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートの前記一連の金型キャビティを前記第１の射出システムと流体連通する位置に、第２の方向のときは、前記一連の前記少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートを前記第２の射出システムと流体連通する位置に、配置するように作動可能な位置可変部と、を更に含むことを特徴とする射出成形システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートの一連の金型キャビティに、金型キャビティと流体連通している状態のときに、溶融材料（図１の２４、２３ページ、１７〜１９行）を約６．８９ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜約１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力で送出するために作動可能な第３の射出システム（図１の１２、図２８の１２６４、２３ページ、１１行〜２６ページ、３０行、及び４３ページ、２１行）を更に含む、請求項１に記載の射出成形システム。
【請求項３】
前記位置可変部が水平軸を中心として回転可能である、請求項１に記載の射出成形システム。
【請求項４】
前記位置可変部が、垂直軸（図２８の１２７４、４５ページ、１９〜２１行）を中心として回転可能な立方体金型の回転可能な中心部である、請求項１に記載の射出成形システム。
【請求項５】
複数のマルチキャビティ射出金型インサートを含み、それぞれのマルチキャビティ射出金型インサートが立方体金型の個々の面に固定されており、立方体金型面のいずれかにあるマルチキャビティ射出金型インサートのいずれかの一連の金型キャビティが、立方体金型面の別の１つにある別の前記マルチキャビティ射出金型インサートの一連の金型キャビティが前記第２の射出システムと流体連通している間、前記第１の射出システムと流体連通する、請求項４に記載の射出成形システム。
【請求項６】
前記第１の射出システム及び前記第２の射出システムが互いに軸線方向に整列される、請求項５に記載の射出成形システム。
【請求項７】
前記少なくとも１つのマルチキャビティ射出金型インサートの前記一連の金型キャビティに、金型キャビティと流体連通している状態のときに、溶融材料を約６．８９ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜約１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）の実質的に一定圧力で送出するために作動可能な第３の射出システム（図１の１２、図２８の１２６４、２３ページ、１１行〜２６ページ、３０行、及び４３ページ、２１行）を更に含み、前記第３の射出成形システムが前記第１の射出システム及び前記第２の射出システムと直交している、請求項６に記載の射出成形システム。
【請求項８】
前記立方体金型の冷却システム（図３２の１２２２、４０ページ、１２〜１５行）が前記立方体金型の回転可能部に完全に密閉されており、前記マルチキャビティ射出金型インサートのいずれにも延在していない、請求項５に記載の射出成形システム。
【請求項９】
前記冷却システムが気化冷却システムを含む、請求項８に記載の射出成形システム。
【請求項１０】
前記位置可変部が、前記一連のマルチキャビティを所望の数の方向に配置するために作動可能である、請求項１に記載の射出成形システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、射出成形機及び射出成形部品の製造方法に関し、より具体的には、低一定圧力射出成形機及び低一定射出圧力で射出成形部品を製造する方法に関する。
【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。繰り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、流路に接続されてよい。成形部品は１つ以上のゲートを有し得る。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フロー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、本質的に円形など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、それを圧力下で流す工程、（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する工程、（３）圧力をかけながらプラスチックをキャビティ内で冷却し硬化させる工程、及び（４）金型半体を開いて部品を金型から取り出す工程、の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。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【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こと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ことは、高価で非自明な課題であり得る。実際、従来の圧力変動の大きい射出成形機では、どの程度の薄肉部品を成形できるかに関して実用面の限界がある。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。
【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固化又は「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、高速での充填に、非常に高い圧力が必要なことである。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、非常に高強度の材料、典型的には硬化工具鋼から作製される、射出成形コアを必要とする。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形成するためのポリマー材料の使用量を抑え、それにより結果として高い機器費用を補って余りある材料の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状の他の設計要素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非流動温度を下回る温度まで冷却され、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」すなわち固化又は硬化し始め、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、圧力を高めることは、コストと能力の両方においてマイナス面がある。構成要素を成形するのに必要とされる圧力が高くなると、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ないため、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が、プラスチック材料の粘度を低減させる傾向があり、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、それにより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及びクラス３０のシステム）は、プラスチック材料を、通常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教示している。例えば、ポリプロピレン樹脂は通常、高圧で加工される。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、可能な最大剪断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、剪断減粘ポリマーを処理することを推奨する。剪断減粘性熱可塑性ポリマーは、一般に高圧で加工される。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、これらの部品は一般に、約１０３．４２ＭＰａ〜約１．４×１０2ＭＰ（約１５，０００ｐｓｉ〜約２０，０００ｐｓｉ）の射出圧力を必要とするので、１００〜２００の薄肉比を有する部品でさえも桁違いの費用がかかる場合がある。
【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サイクル以上を経る。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、より好ましくは年間５，０００，０００サイクル超、更により好ましくは年間１０，０００，０００サイクル超に耐えるように設計されなければならない。これらの機械は、生産率を上げるために、複数のキャビティ金型及び複雑な冷却システムを有する。高硬度材料は、より低硬度の材料と比較して、より多くの高圧型締動作の繰り返しに耐えることが可能である。しかしながら、ほとんどの工具鋼などの高硬度材料は、一般に３５Ｗ／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、１．４×１０2ＭＰａ（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。
【００１３】
位置可変式金型キャビティを用いた射出成形システム
射出成形製品の形状又は組成の複雑度が増すと、製品の製造に追加操作が必要になり得る。例えば、多層プラスチックを用いた製品（例えば、異色）、可動式（actuable）部品を用いた製品（例えば、蝶着式又は嵌合式の蓋又はキャップ）、又はロゴプレートのような細部を有する一体製品は、複数回の射出成形ショットサイクル又は単一の射出成形ショットサイクル以外の他の加工を必要とする。
【００１４】
多くの射出成形製品には、それが複雑な形状又は組成を有していても、大量の製品を同時に成形できるマルチキャビティ金型を用いた製造が適している。複数回のショットを要する製品又は単一の射出成形ショットサイクル以外の他の加工を要する製品に向けたマルチキャビティ射出成形システムにおいて、製造量を増やし、サイクル時間を減らすために種々の開発努力がなされてきた。
【００１５】
２回以上のショットを要するプラスチック部品を成形するための、ある種のシステムには、コアバックアプローチを伴う。このアプローチでは、最初の射出成形ショットが完了した後に、１つ又は複数の金型キャビティと直に隣接する鋼（又はベリリウム銅のような他の冶金）金型部分を部分的に後退させた後、２回目の射出成形ショットが開始される。２回目のショットが完了した後、金型が完全に開かれ、成形部品が取り出される。
【００１６】
マルチキャビティ金型に対して、複数回の射出成形ショット又は他の動作を効率的に実施するための他のシステムは、位置可変の金型キャビティを有する金型を設けることである。このような位置可変式金型システムの１つは、射出成形システムの機械軸方向である水平軸に沿って回転可能である、プレート取り付けされたマルチキャビティ金型を用いている。射出成形システムは、第１の射出成形供給システム（第１の射出成形供給システムは、第１のプラスチック樹脂供給源、第１のスクリュー、第１のノズル、及びマルチキャビティ金型の全キャビティ数の一部に第１のプラスチック材料のショットを射出成形するための第１の一連のスプルーゲートを含む）、並びに第２の射出成形供給システム（第２の射出成形供給システムは、第２のプラスチック樹脂供給源、第２のスクリュー、第２のノズル、及びマルチキャビティ金型の全キャビティ数の一部に第２のプラスチック材料のショットを射出成形するための第２の一連のスプルーゲート）を有し得る。第１の射出成形供給システムは、第１の一連のスプルーゲートが金型の上半分の金型キャビティと整列可能に配設されてよく、第２の射出成形供給システムは、第２の一連のスプルーゲートが金型の下半分の金型キャビティと整列可能に配設されてよい。使用時には、マルチキャビティ金型が、第１の位置、すなわちマルチキャビティ金型のキャビティ全数の一部が、第１のプラスチック材料のショットを受容するために、第１の射出成形供給システムの第１の一連のスプルーゲートと整列する位置から、第２の位置、すなわちマルチキャビティ金型のキャビティ全数の同一部分が、第２のプラスチック材料のショットを受容するため、第２の射出成形供給システムの第２の一連のスプルーゲートと整列する位置へと回転する。金型は、第１の位置から第２の位置まで１８０°回転し得る。第２の射出成形供給システムが、第２のプラスチック材料のショットを実行している間、第１の射出成形供給システムは同時に、マルチキャビティ金型のキャビティ全数の別の一部、すなわち金型が回転する前に第１の一連のスプルーゲートと整列されなかった部分に対して、第１のプラスチック材料のショットを実施する。
【００１７】
あるいは、「ヘリコプター」ショット射出金型システムと呼ばれることもある方法では、金型が第１の位置から第２の位置まで１２０°のみ回転し、マルチキャビティ金型のキャビティ全数の一部が第２のプラスチック材料のショットを受容した後、金型が第３の位置まで更に１２０°回転するように、第１及び第２の射出成形供給システムの対応するスプルーゲートが金型と相対して配設され得る。第３の位置では、第３の射出成形供給システムが第３のプラスチック材料のショットを実施し得る。あるいは、射出機がマルチキャビティ金型のキャビティ全数の一部から製品を排出しても、他の加工動作を実施してもよい。このようなシステムでは、マルチキャビティ金型のキャビティ全数の一部が、射出成形供給システムのスプルーゲートと整列するたびに、それぞれの射出成形供給システムを連続して実行できる。すなわち、マルチキャビティ金型のキャビティのある一部分が第３のプラスチック材料のショットを受容している間に、キャビティの別の一部分が第２の材料のショットを受容し、キャビティの更に別の一部分が第１のプラスチック材料のショットを受容している。ヘリコプター金型システムでは、回転の中心となる水平軸周囲の位置を所望の回数で停止し得る。
【００１８】
別の位置可変式金型システムは、垂直軸を中心に回転可能な金型を用いる。この金型は、複数の面を含み、それぞれが複数の金型キャビティを備える。例えば、単一の立方体金型システムは、４面の金型を含み、４面それぞれが複数の金型キャビティを備える。立方体金型の各面は、それぞれ同一の長さと高さを有する正方形であってよく、あるいは他方で、金型が４辺を有するが正立方体でないような、各面が矩形形状のものであってもよい。立方体金型は、立方体金型の対面が（第１の射出ショットが実施される）第１の射出側及び（第２の射出ショットが実施される）第２の射出側と交互に位置合わせされるように、１８０°間隔で回転するように動作され得る。立方体金型は、９０°間隔で回転するように動作してもよい。これにより、機械軸に沿った第１及び第２の成形ステーションと一列に配される対面に対して動作が発生し得るだけでなく、同一立方体金型の他の面に対しても、同時に、第３の射出成形ショット、排出、又は冷却のような更なる動作を第１及び第２の成形ステーションと直交する位置で行うことができる。機械軸と直交する立方体金型の面で実施される動作が第３の金型動作である、従来の高圧立方体金型システムでは、第３の射出ショットが高圧で実施されるため、第３の成形ステーションと直に面する立方体面のプレートを互いに楔止め又は捕捉する機能を持つメカニカルウェッジ又はメカニカルロックを適用する、強力な型締機構を立方体外部に設ける必要がある。システムが閉じると、２つの対向する第１及び第２の射出成形ステーションの力は互いに均衡するように働くため、機械軸、すなわち第１及び第２の成形ステーションが互いに対向して配置されている軸に沿った立方体の面には型締は不要だが、第３の射出ショットの対面には力を相殺する金型がないため、楔止め又はロックを得るための１つ以上の追加機構によって金型半体を第３の成形面に固定するための型締圧力を設ける必要がある。この機構をプレス機のタイバーと結合すると、必要な型締力を生成するための安定したアンカーポイントを設けることができる。第３の成形ステーションと向かい合う面のプレートを非対称に型締するための圧力及び能力限界により、第３の成形ショットの容量も、第１及び第２の成形ショットの容量と比べて小さい。第３の射出成形ステーションは、第１及び第２の射出成形ステーションの中間に配設されているため、第３のショットを第２のショットよりも早いタイミングで逐次的に所定の金型キャビティ一式に注入できる。したがって、本明細書で使用する、「第１の」、「第２の」、又は「第３の」という名称は、個別の動作を意図した具体的な追加指示を除き、特定の動作順序を指すものではないことが理解されよう。
【００１９】
単一の立方体金型システムのような、位置可変式金型システムの合計サイクル時間とは、立方体金型が一周するのに要する合計時間であり、これには、立方体金型が静止しているときに立方体面のキャビティに対して実施される動作の継続時間、並びに連続する位置間を立方体金型が回転するのに必要な時間が含まれる。立方体金型が９０°間隔で回転するように動作する場合、合計サイクル時間は、立方体金型の４回転分に必要な時間に加え、金型が静止している間の最長加工動作に要する４倍の時間を含むことになる。立方体金型が静止している間に実施される最長加工動作の継続時間は、各金型面でのサイクル時間を規定する。なぜなら、立方体金型の別の面で同時に動作が実施されているとき、立方体金型は、任意の面のキャビティに対して実施されている最長加工動作が完了するまで待機した後、立方体金型を回転させ、立方体金型周囲の次のステーションに、それぞれの面の金型キャビティを進めることができるからである。例えば、第１の成形ステーションが、立方体金型の反対側にある第２の成形ステーションよりも、射出成形ショットの実施に長い時間を要する場合、すなわち第１の成形ステーションと直接面する立方体金型面にある金型キャビティに対して、第１の成形ステーションが第１のショットを完了する前に、第２の成形ステーションと直接面する立方体金型面にある金型キャビティに対して、第２の成形ステーションが第２のショットを完了するとき、第１の成形ステーションが第１のショットを完了するまで立方体金型は回転（すなわち前進）しない。
【００２０】
更に別の位置可変式金型システムは、二重立方体配置を伴う。二重立方体金型システムでは、マルチキャビティ金型面が、２つの隣接する回転可能な立方体金型の各側に設けられる。この配置は、第１の立方体金型面に設けられたキャビティ中にて第１の部品一式が射出成形され、第２の立方体金型面に設けられたキャビティ中にて第２の部品一式が射出成形され得るため、複数部品製品の自動アセンブリに特に適している。２つの立方体金型の対応する面が対面関係になるように互いに位置決めされ、２つの立方体金型が同時に押し固められると、第１の部品一式それぞれが第２の部品一式の対応するいずれかと、噛合又は力嵌めなどの方式で嵌合関係になるように付勢され得る。
【００２１】
位置可変式の射出金型システムは、成形機あたりの成形容量の増加による生産性向上、及び製造全体にかかる時間削減のような複数のメリットを有する。単一又は二重の立方体射出成形システムの場合、金型システム内で実施される従来の高圧射出成形に必要な型締トン数を削減できることから、エネルギーコストを大幅に削減できる可能性もある。このようなシステムでは、２つ（又はそれ以上）の射出成形供給システムで最大必要型締トン数を達成すれば、対向する射出成形供給システムに必要な型締トン数が得られることになる。
【００２２】
従来のマルチキャビティ射出成形システムは高圧で稼働されるため、工具鋼のような高硬度を有する製品専用の金型インサートを用いる必要があることは十分理解されよう。このような材料は、アルミニウムのような低質量の高熱伝導性材料と比較して、低熱伝導率を示し、高質量を有する。こうした熱伝導率の低さに起因して、成形サイクルの完了及び更なる加工又は排出をするために十分なレベルの熱を成形済み部品から除去するため、マルチキャビティ金型の広範囲にわたって冷却チャネルを使用する方法が普及している。位置可変式の射出金型システムでは、工具鋼（又は類似する高硬度材料）の重量及び冷却チャネルの必要性が、金型の動的機能の最適化を制限する要因となる。例えば、単一又は二重の立方体金型システムの場合、ある位置から次の位置へと立方体を回転させるのに必要な時間をサイクル時間に包含しなければならない。重量のある立方体を各位置間に動かすには、多大なエネルギーも必要であり、加えてこのような作動機構部分で良好な稼働状況を維持するための保守上の懸念もある。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
図面に示された実施形態は、本質的に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な説明は、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低一定圧力の射出成形機の概略図を示す。
【図２】図１の低一定圧力の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の低一定圧力の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の低一定圧力の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の低一定圧力の射出成形機によって充填される、様々な段階にある薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図６Ｂ】図１の低一定圧力の射出成形機によって充填される、様々な段階にある薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図６Ｃ】図１の低一定圧力の射出成形機によって充填される、様々な段階にある薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図６Ｄ】図１の低一定圧力の射出成形機によって充填される、様々な段階にある薄肉金型キャビティの一部の垂直断面図である。
【図７】低一定圧力の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】従来のマルチキャビティ金型における単一のキャビティを有する高硬度、低熱伝導率の金型インサートの部分正面図である。冷却チャネルを破線で示す。
【図９】図８に示す高硬度、低熱伝導率の金型インサートの部分背面図である。
【図１０】図８に示す高硬度、低熱伝導率の金型インサートの部分右側面図である。
【図１１】本開示のマルチキャビティ金型における単一のキャビティを有する低硬度、高熱伝導率の金型インサートの部分正面図であり、金型インサートは冷却チャネルを含んでいない。
【図１２】図１１に示す低硬度、高熱伝導率の金型の部分背面図である。
【図１３】図１２に示す低硬度、高熱伝導率の金型の部分右側面図である。
【図１４】４×４列の金型キャビティを含む、従来の高硬度、低熱伝導率の金型の正面平面図であり、各金型キャビティに付随する冷却チャネルを破線で示す。
【図１５】本開示の一実施形態である低硬度、高熱伝導率の金型の正面平面図である。これは、図１４に示す従来のマルチキャビティ金型の金型キャビティの各寸法と、それぞれ同一の寸法（例えば、直径及び深さ）を有する４×４列の金型キャビティを含む。図１５の金型は、冷却チャネルを含まないため、図１４に示す従来のマルチキャビティ金型の金型キャビティよりも、金型キャビティ同士を互いに近接して配置でき、図１５の金型全体の長さ寸法及び高さ寸法は、図１４の金型全体の長さ寸法及び高さ寸法より小さい。
【図１６】本開示の代替的実施形態である低硬度、高熱伝導率の金型の正面平面図である。これは、図１４に示す従来のマルチキャビティ金型の金型キャビティの各寸法と、それぞれ同一の寸法（例えば、直径及び深さ）を有する８×８列の金型キャビティを含む。図１６の金型は、冷却チャネルを含まないため、図１４に示す従来のマルチキャビティ金型の金型キャビティよりも、金型キャビティ同士を互いに近接して配置でき、図１４に示す従来のマルチキャビティ金型と同一の長さ寸法及び高さ寸法を有する金型で金型キャビティ総数を増やすことができる。
【図１７】図１４に示す従来の高硬度、低熱伝導率の金型の平面図であり、各面に４×４列の金型キャビティを含み、各金型キャビティに付随する冷却チャネルを破線で示す。
【図１８】図１５に示す低硬度、高熱伝導率の金型の平面図である。
【図１９】図１６に示す低硬度、高熱伝導率の金型の平面図である。
【図２０】本開示のマルチキャビティ金型における単一のキャビティを有する低硬度、高熱伝導率の金型インサートの部分正面図であり、金型インサートは複数の冷却フィンを備える。
【図２１】図２０に示す低硬度、高熱伝導率の金型インサートの部分背面図である。
【図２２】図２０に示す低硬度、高熱伝導率の金型インサートの部分右側面図である。
【図２３】本開示の位置可変式、単一立方体金型システムの部分断面正面図である。
【図２４】図１４に示す従来の高硬度、低熱伝導率の金型の、図１７と類似した平面図であり、各面に４×４列の金型キャビティを含み、各金型キャビティに付随する冷却チャネルは破線で示すとともに、製品専用のマルチキャビティ金型インサートが固定されているプレートに、冷却流体管出入口が設けられている。
【図２５】図１８と類似した平面図であるが、金型キャビティに付随する製品専用の金型インサートに冷却チャネルは設けられず、製品専用の金型インサートが固定されたプレートに、冷却流体管出入口の形態で最小限の冷却チャネルが設けられている。図１５同様、図２５は、金型キャビティに付随する製品専用の金型インサート内に冷却チャネルを含まないため、図２４に示す従来のマルチキャビティ金型の金型キャビティよりも、金型キャビティ同士を互いに近接して配置でき、それに伴って図２５の金型全体の長さ寸法及び高さ寸法が、図２４の金型全体の長さ寸法及び高さ寸法より小さくなることを示している。
【図２６】図１６と類似した平面図であるが、金型キャビティに付随する製品専用の金型インサートに冷却チャネルは設けられず、製品専用の金型インサートが固定されたプレートに、冷却流体管出入口の形態で最小限の冷却チャネルが設けられている。図１６同様、図２６は、金型キャビティに付随する製品専用の金型インサート内に冷却チャネルを含まないため、図１４に示す従来のマルチキャビティ金型の金型キャビティよりも、金型キャビティ同士を互いに近接して配置でき、それにより図２４に示す従来のマルチキャビティ金型と同一の長さ寸法及び高さ寸法を有する金型で金型キャビティ総数を増やすことができる。
【図２７】図２５と類似した平面図であり、金型キャビティに付随する製品専用の金型インサートに冷却チャネルは設けられず、製品専用の金型インサートが固定されたプレートの冷却流体管出入口もないため、図２４に示す従来のマルチキャビティ金型と同一の長さ寸法及び高さ寸法を有する金型全体の金型キャビティ数をより一層増やすことができる。
【図２８】図２５の立方体金型を備える３ショット射出成形構成の平面図であり、第１及び第２の成形ステーションは、機械軸に沿って互いに対向して配置され、第３の成形ステーションは、第１及び第２の成形ステーションと直交するように配置されている。
【図２９】位置可変式射出成形システム用の第１及び第２の射出成形ステーションを示す、垂直断面図である。
【図３０】位置可変式射出成形システムにおいて、機械方向に対向する第１及び第２の射出成形ステーション、並びに第１及び第２の射出成形ステーションと直交する第３の成形ステーションを示す。
【図３１】機械方向に対向する第１及び第２の射出成形ステーションに加え、第３及び第４の射出成形ステーションを備える、二重立方体金型搭載の位置可変式射出成形システムを示し、第３及び第４の射出成形ステーションは、２つの立方体金型それぞれと関連付けられ、第１及び第２の射出成形ステーションと直交する。
【図３２】冷却システムをその中に有する立方体金型の回転可能部の平面図であり、これは、製品専用のマルチキャビティ金型インサートが固定され得るプレート内にある冷却ラインと冷却流体の受け渡しを行う。
【図３３】図３２の立方体金型の回転可能部の斜視図である。
【図３４】図３２の立方体金型の回転可能部及び冷却システムの分解図である。
【図３５】図３２の立方体金型の回転可能部の正面図である。
【図３６】図３２の立方体金型の回転可能部の側面図である。
【図３７】図３２の立方体金型の回転可能部の底面図である。
【図３８】金型全面と中央の回転可能部が、低熱伝導率金属、例えば工具鋼から作製されている、多面立方体金型の平面図であり、濃い網掛け部分は相対的に高質量の金属を示す。
【図３９】金型面が高熱伝導率を有する金属、例えばアルミニウムから作製された、多面立方体金型の平面図であり、薄い網掛け部分は相対的に低質量の金属を示す。
【図４０】金型面が高熱伝導率を有する金属から作製されるだけでなく、中央の回転可能部も高熱伝導率を有する金属から作製された、多面立方体金型の平面図であり、薄い網掛け部分は相対的に低質量の金属を示す。
【図４１】金型面と中央の回転可能部の両方が、高熱伝導率を有する金属から作製された、多面立方体金型の平面図であり、冷却チャネルを最小化又は排除することにより、図４０の多面立方体金型と比較して、全体の設置面積が削減されている。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
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、実質的に低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。
【００２５】
熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で使用される用語「低圧力」は、約６．８９ＭＰａ（１，０００ｐｓｉ）〜約１０３．４２ＭＰａ（１５，０００ｐｓｉ）である射出成形機のノズル付近の溶融圧力を意味する。ただし、本開示の種々の実施形態では、熱可塑性材料の溶融圧力が、これら値間のメガパスカル（ｐｓｉ）の整数値、又はこれら整数値のいずれかで構成される範囲であり得ることが考えられる。例えば、１３．７９ＭＰａ（２，０００ｐｓｉ）若しくは２０．６８ＭＰａ（３，０００ｓｉ）を下限とする範囲、及び／又は８２．７４ＭＰａ（１２，０００ｐｓｉ）、６８．９５ＭＰａ（１０，０００ｐｓｉ）、５５．１６ＭＰａ（８，０００ｐｓｉ）、若しくは４１．３７ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）等を上限とする範囲などになる。
【００２６】
熱可塑性材料の溶融圧力に関して本明細書で使用するとき、用語「実質的に一定圧」とは、基準溶融圧力からのずれが、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、基準溶融圧力からの約３０％前後のずれを含む。例えば、用語「約３２ＭＰａ（４，６００ｐｓｉ）の実質的に一定圧」とは、約４１ＭＰａ（約６，０００ｐｓｉ）（３２ＭＰａ（４，６００ｐｓｉ）よりも３０％高い）〜約２２ＭＰａ（約３，２００ｐｓｉ）（３２ＭＰａ（４，６００ｐｓｉ）よりも３０％低い）の範囲内の圧力変動を含む。溶融圧力が、前述の圧力から３０％前後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。ただし、本開示の種々の実施形態では、基準溶融圧力の変動は、百分率−３０％〜＋３０％の間の整数値、又はこれら百分率の整数値で構成される範囲であり得る。例えば、０％、＋／−５％、若しくは＋／−１０％を下限とする変動範囲、及び／又は＋／−２５％、＋／−２０％、若しくは＋／−１５％を上限とする変動範囲であり、変動は正の変動のみ、又は負の変動のみ、又は正負両方の変動の組み合わせである可能性を有する。
【００２７】
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０．７ＭＰａ（１００ｐｓｉ）という低い圧力から２．８×１０2ＭＰａ（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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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線速度を指す。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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ゲート径とは、ゲートが金型キャビティと交わる点において１ｍｍ径を有するゲートの断面積に相当するゲートの断面積を指す。ゲートの断面は、任意の所望の形状であってもよい。
【００３６】
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。
【００３７】
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、油圧ピストンは、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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
用語「低一定圧力の射出成形機」は、本明細書に記載された、低圧力でもある実質的に一定の射出圧力を使用するクラス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「低一定圧力の射出成形機」は、成形コア（第１の金型部品と第２の金型部品との間に形成され、金型キャビティを規定する）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、より好ましくは５００万サイクル超、更により好ましくは１，０００万サイクル超を実行する能力を有し、実質的に低一定の射出圧力を使用する射出成形機として定義し得る。「低一定圧力の射出成形機」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。
【００４６】
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とき、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。
【００４７】
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。
【００４８】
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、又は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。
【００４９】
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関わらず、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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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度として定義される。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。平均硬度の計算は、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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。回転可能な金型の複数面に金型キャビティを有する場合、又は他の位置可変のマルチショット金型システムの場合、サイクル時間は、第１のショットから排出又は部品除去までの全射出成形プロセスを金型の各面に対して完全に実行するために、必要な全ての位置を回転可能な金型が回転するのに費やす時間と、回転可能な金型がそれぞれの位置でプロセスを実行する間、各位置で費やす時間とを含む。
【００５５】
全ての種類の冷却システムは、冷却複雑度レベルに応じて体系的に分類でき、冷却複雑度ゼロは、最も単純な冷却システム（あるいは冷却ライン又は冷却チャネルを全く含まない）を表し、冷却複雑度レベルが高くなるほど累進的により複雑な冷却システムを示す。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１０２の成形機）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、生産性を向上させている。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（すなわち、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）を含む。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。
【００５６】
開示されている低一定圧力の射出金型は、冷却複雑度がレベル３以下、好ましくは、冷却複雑度がレベル３、２、１、又は更にはゼロ（冷却チャネルなし）である冷却システムを備え、これにより従来の高圧力射出成形機に比べて製造コストを低減し、効率を高めている点で有利である。冷却複雑度レベル１の金型アセンブリは、冷却ラインを形成するために１つ以上の機械加工軸が必要な支持板内に全ての能動冷却ラインを収容するものとして定義される。冷却複雑度レベル２の金型アセンブリは、冷却ラインが少なくとも１つの支持板を介して少なくとも１つの金型側方部を貫いて延在することを除き（すなわち、支持板のみを貫いて延在する冷却ラインとは対照的に）、冷却複雑度レベル１の金型アセンブリと同一である。冷却ラインは、終端部を有する。しかしながら、各冷却ラインは、単一の機械加工軸と平行な軸に沿って機械加工される。冷却ラインは、冷却流体が冷却ラインを流れやすくするために、図７で詳細を示すようにバッフルを含んでよい。冷却複雑度レベル２の金型アセンブリは、冷却ラインを金型キャビティの金型表面に近接して機械加工するだけの十分な可撓性がなく、したがって高硬度、低熱伝導率金型を有する従来の高生産金型アセンブリに対して十分な冷却を提供しないため、高生産消費者製品射出成形機（すなわちクラス１０１〜１０２の射出成形機）では用いられていなかった。
【００５７】
冷却複雑度レベル３の金型アセンブリは、少なくとも２つの異なる機械加工軸を有する冷却チャネルによって規定される。少なくとも１つの冷却ラインは、２つの異なる機械加工軸及び終端部を含んでよい。より具体的には、冷却ラインは反り又は曲がりを有してもよい。例えば、冷却ラインは、金型アセンブリの開閉ストロークＳと実質的に平行な第１機械加工軸、及び第１機械加工軸に対して角度がつけられた第２機械加工軸を含んでよい。冷却複雑度レベル３の金型アセンブリは、冷却ラインを金型キャビティの金型表面に近接して機械加工するだけの十分な可撓性を持たず、したがって高硬度、低熱伝導率金型を有する従来の高生産金型アセンブリに対して適切な冷却を提供しないため、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の金型アセンブリも高生産消費者製品射出成形機（例えばクラス１０１及び１０２の射出成形機）では用いられていなかった。
【００５８】
冷却複雑度レベル４の金型アセンブリは、複数の冷却ラインを含み、第１冷却ラインは終端部を有し、第２冷却ラインは終端部を有さない貫通穴である。第１冷却ラインは金型支持板から第１金型側方部を貫いて延在し、第２冷却ラインは第１金型側方部を貫いて延在する。第１冷却ラインの機械加工軸は第２冷却ラインの機械加工軸と異なる。言い換えれば、冷却ラインは少なくとも２つの異なる機械加工軸を有して形成される。冷却複雑度レベル４の金型アセンブリは、非常に簡素な金型キャビティ形状を持つ金型アセンブリを有する一部の高生産消費者製品射出成形機（例えばクラス１０１〜１０２の射出成形機）で用いられてきた。
【００５９】
冷却複雑度レベル０〜４、及びそれ以上の冷却複雑度レベルについては、米国特許第１３／６０１，３５９号の実施例により記載及び例示されており、これは参照により本明細書に援用される。
【００６０】
本明細書で使用するとき、「冷却複雑度レベル０の金型アセンブリ」は、能動的冷却システムを含まない金型アセンブリと定義される。換言すれば、冷却複雑度ゼロの金型アセンブリは、熱が金型側を通過し、金型支持板を通過し、最終的には金型アセンブリを取り囲む大気中に出される、受動的冷却に限られる。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１０１〜１０２の成形機で使用される金型アセンブリ、又はクラス４０１〜４０２の成形機のような、それ以上のプレス（３．６×１０5ｋｇ（４００トン）超のプレス）で稼働する金型アセンブリ）は、冷却複雑度レベル０の金型アセンブリを使用しない。
【００６１】
低一定圧力の射出成形機は、本明細書に参照により援用されている、２０１２年８月３１日出願の米国特許第１３／６０１，５１４号で開示されている、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」）であってよい。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。
【００６２】
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と型締システム１４とを含む、例示的な低一定圧力の射出成形機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に導入されてもよい。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。
【００６３】
往復スクリュー２２によって、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られた溶融熱可塑性材料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３０（好ましくは３個以下のゲート）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、射出圧力によってもたらされる、２つの半型２５、２７を分離させるように作用す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。
【００６４】
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の内部で冷却される。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）。
【００６５】
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。
【００６６】
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は溶融圧力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、溶融圧力の指標である温度、粘度、流速などの溶融熱可塑性材料２４の他の特性を測定することにより、溶融圧力を間接的に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と流体接続される射出システム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は、適切な補正因子を測定された特性に適用して、ノズル２６内の溶融圧力を算定してもよい。更に他の実施形態では、センサ５２は、必ずしもノズルと流体接続される場所に配設されてなくてもよい。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。
【００６７】
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の溶融圧力を調整するよう、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の過加圧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。
【００６８】
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未満のときに薄肉であると見なされる。より複雑な構造を有する金型キャビティの場合、この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の長さにわたってＴ寸法を積分し、ゲート３０から金型キャビティ３２の末端部までのフローの最長長さを決定することによって算定され得る。次いで、フローの最長長さを平均部品厚さで割ることによって、Ｌ／Ｔ比を決定できる。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充填される金型キャビティ３２の部分に関して積分することによって求められ、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大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。
【００６９】
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る低一定圧力の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。
【００７０】
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に到達する前に、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教示する理由の１つである。従来の射出成形機が高圧力で注入する別の理由は、剪断力の増加であり、それは、上述のように、流動特性を増加させる。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。
【００７１】
実質的に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。これは、金型が完全に充填される前に、ポリマーが冷たい成形面とより長い時間接触することを意味する。したがって、充填前により多くの熱を除去する必要があり、その結果、金型が充填される前に材料が凝固することになると予想される。熱可塑性材料は、ほぼ一定の圧力条件にさらされると、たとえ金型キャビティの一部が熱可塑性材料の非流動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流れて金型キャビティを充填する際に、その流れにヘジテーションは存在せず、したがって、たとえ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未満であっても、流れが凝固する機会はない。
【００７２】
更に、動的流れ条件の結果、溶融熱可塑性材料は、たとえ金型キャビティの中のかかる温度にさらされたとしても、剪断発熱を受けて温度を非流動温度より高く保つことができると考えられる。更に、動的流れ条件は、熱可塑性材料が凝固過程を開始するときに、熱可塑性材料で結晶構造が形成されるのを妨げると考えられる。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妨げる可能性がある。結晶構造形成及び／又は結晶構造の寸法を低減することにより、熱可塑性材料がキャビティに流れ込んで材料の非流動温度より低い金型の低温にさらされるときに、熱可塑性材料の粘度を低減することが可能となり得る。
【００７３】
開示される低一定圧力の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監視するために、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）に位置するセンサ（上記図１のセンサ５３など）を使用する。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、センサ読取値は、プロセスの一貫性を達成するために、多くのサイクルを通じて平均化され得る。
【００７４】
種々の実施形態において、金型は、金型キャビティ全体を非流動温度を下回る温度に維持する冷却システムを備え得る。例えば、溶融熱可塑性材料を含むショットと接触する金型キャビティの面でさえも、低温を維持するように冷却することができる。任意の好適な冷却温度を用いることができる。例えば、金型は、実質的に室温に維持され得る。こうした冷却システムを組み込むことで、形成されたままの射出成形部品を冷却して金型から取り出す準備をする速度を有利に速めることができる。
【００７５】
熱可塑性材料
様々な熱可塑性材料を、本開示の低一定圧力の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を有する熱可塑性材料は、射出延伸吹込成形（ＩＳＢＭ）用途のプリフォームとしての使用に好適であり得る。５ｇ／１０分〜約５０ｇ／１０分のＭＦＩを有する熱可塑性材料は、包装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者は、一般に、高い溶融圧力を用いて材料を射出成形すべきであると教示している。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、本開示の低一定圧力の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、低い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。
【００７６】
熱可塑性材料は、例えば、ポリオレフィンであり得る。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、溶融状態にあるとき、剪断減粘性を有利に示す。剪断減粘は、流体が圧縮応力下に置かれたときの粘度低下である。剪断減粘は、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動に対する感受性が低下することは、本開示の方法及び装置の実施形態を用いて、産業廃棄物及び一般廃棄物再生プラスチックを加工できる点でも有利である。産業廃棄物及び一般廃棄物再生プラスチックは、消費財としてのライフサイクルを完了した最終産物、並びに固体廃棄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配合物は、バッチ間での変動が著しいという材料特性を本質的に有する。
【００７７】
熱可塑性材料はまた、例えば、ポリエステルであってもよい。例示的ポリエステルとしては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられるが、これに限定されない。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、複数のポリマー及び非ポリマー材料の配合物であり得る。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り得る。多モード材料は、優れた流動特性を有するが、十分な化学的／物理的特性も有する熱可塑性材料が得られる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。小分子は、例えば、熱可塑性材料に加えられると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り得る。
【００７８】
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、麻繊維、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。
【００７９】
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。
【００８０】
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、未使用の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の組み合わせであってよく、バイオ由来材料又は石油由来材料の再生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。
【００８１】
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。
【００８２】
【表１】
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【００８３】
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。具体的には次の通りである：ＰＰ、ナイロン、ＰＣ、ＰＳ、ＳＡＮ、ＰＥ、ＴＰＥ、ＰＶＤＦ、ＰＴＩ、ＰＢＴ、及びＰＬＡは、６９ＭＰａ（１００００ｐｓｉ）未満の実質的に一定の圧力；ＡＢＳは、５５ＭＰａ（８０００ｐｓｉ）未満の実質的に一定の圧力；ＰＥＴは、４０ＭＰａ（５８００ｐｓｉ）未満の実質的に一定の圧力；アセタールコポリマーは、４８ＭＰａ（７０００ｐｓｉ）未満の実質的に一定の圧力；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（別名ＰＥＦ）は、６９ＭＰａ（１００００ｐｓｉ）、又は５５ＭＰａ（８０００ｐｓｉ）、又は４８ＭＰａ（７０００ｐｓｉ）、又は４１ＭＰａ（６０００ｐｓｉ）、又は４０ＭＰａ（５８００ｐｓｉ）未満の実質的に一定の圧力。
【００８４】
上記で詳細に説明したように、開示されている低一定圧力の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。
【００８５】
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。対照的に、開示された低一定圧力の射出成形機の圧力−時間曲線が、実線２１０によって示される。
【００８６】
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の時間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、溶融圧力は減少し、第２の期間２３０にわたって、より低いが、それでもなお比較的高い圧力に保たれる。第２の期間２３０は、金型キャビティ内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。従来の圧力変動の大きい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る。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。
【００８７】
一方、低一定圧力の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、４１ＭＰａ（６，０００ｐｓｉ）未満である。しかしながら、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、低一定圧力の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。
【００８８】
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、低一定圧力の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。低一定圧力の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、本明細書に記載される低一定圧力の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。
【００８９】
高Ｌ／Ｔ部品を成形するための開示された低一定圧力の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。低一定圧力の射出成形方法と装置は、特に、薄肉部品（例えば、Ｌ／Ｔ比＞１００＜１０００を有する部品）を成形するときと、０．１ｇ〜１００ｇの射出能力を用いるときに有利である。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。
【００９０】
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。
【００９１】
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〜図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６Ａ〜図６Ｄ）によって充填されている金型の一部が示されている。
【００９２】
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の中に流入し続けると、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。
【００９３】
一方、低一定圧力の射出成形機は、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、開示されている低一定圧力の射出成形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。
【００９４】
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４１ＭＰａ（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、開示の低一定圧力の射出成形装置は、低型締力を必要とする型締具及び対応する低型締用電源を使用してもよい。更に、開示されている低一定圧力の射出成形機は、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あっても、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、開示されている低一定圧力の射出成形法及び装置を用いてプロセスを改善し得る。開示の低一定圧力の射出成形機は、電力定格が２００ＨＰ以下である、次のタイプの電動プレス、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、及びデュアルモータボール駆動式プレスの１つ以上を含んでもよい。
【００９５】
ここで図７を参照すると、低一定圧力の射出成形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低一定圧力の射出成形機、例えば、図１の低一定圧力の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低一定圧力の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（又はこの範囲内のＷ／ｍ−℃単位の整数値、又はかかる整数値で構成される範囲）である熱伝導率を有する、低一定圧力の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（又はこの範囲内のＷ／ｍ−℃単位の整数値、又はかかる整数値で構成される範囲）である平均熱伝導率を有し得る。
【００９６】
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ー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。開示されている低一定圧力の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。
【００９７】
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。
【００９８】
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。
【００９９】
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で金型から取り外され得る。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。
【０１００】
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。
【０１０１】
実質的に低一定圧力を有する位置可変式の金型システム
図８〜図１０及び図１４に示される従来のマルチキャビティ金型１２００は、工具鋼などの高硬度、低熱伝導率金属から作製されている。これは、射出成形産業において、早期凝固のような欠点を回避しながら、十分な成形結果を得るために不可欠であるとして一般に容認されている高圧及び型締トン数に耐えるためである。位置可変式の金型システムは、複雑な形状又は組成を有する製品、特に複数回のショット又は単一の射出成形ショットサイクル以外の他の加工を要する製品の製造にとって有利である。位置可変式の金型システムの一例としては、それぞれが複数の金型キャビティ１２２０を備えた、複数の製品専用金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８を有する回転可能な立方体金型１２１０がある。従来の立方体金型１２１０では、高硬度、低熱伝導率金属の重量が、大きい慣性モーメントへ転換されることから、連続した成形動作を実行可能にするには、かかる立方体金型１２１０の、ある位置から次の位置への回転に関して、かなりの設計的配慮が必要となる。高重量の立方体金型１２１０では、回転を開始し、加速によって十分な速度の回転を得た後、減速を生じさせ、最終的に、立方体金型の運動量によって金型キャビティが次の位置を通過しないような方法で回転を停止するには、強力な作動装置を必要とする。成形動作の構成においては、高重量の立方体金型が完全に停止状態になり、立方体金型１２１０の各面にある、種々の製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８内の金型キャビティ１２２０が適切に位置決めされるまでの時間を考慮しなければならない。
【０１０２】
金型１２００又は製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８が低熱伝導性であることから、各射出成形ショット後に金型キャビティから熱を逃すため、冷却チャネル１２２２のネットワークが必要になる。このような冷却チャネル１２２２又は冷却ラインの配管、及びその中を運ばれる流体は、立方体金型１２１０の製造及び動作に多大な重量、コスト、複雑性を付加する。図２４に示すように、冷却チャネル１２２２が製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８に設けられているだけでなく、それら冷却チャネル１２２２と流体連通する入口１２２４と出口１２２６が、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８が取り付けられたプレート１２２８、１２３０、１２３２、１２３４に設けられている。このような従来の冷却システムは、立方体金型の可動中心部（スピニング又は回転可能）に、冷却流体の漏れなく、立方体金型が各位置間を回転できる方法で、シールが設けられている必要がある。更に、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８が変更されたとき、冷却チャネル１２２２と、入口１２２４及び出口１２２６との間の境界から漏れが発生しないことを保証しなければならない。
【０１０３】
水銀などの新奇な冷却流体は、沸点及び、金型表面付近から熱を効率的に移動させる能力に関して、水を凌ぐ性能をもたらすが、高硬度、低熱伝導率の製品専用マルチキャビティ金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８内に設けられた冷却チャネル１２２２の密閉性に関する懸念から、かかる新奇な冷却流体の商業的な受容又は使用は回避されてきた。この懸念は、立方体金型などの多面金型システムの場合、特に深刻になる。なぜなら、立方体金型１２１０の回転を可能にするには、可動中心部１２３６に運動用シールを必要とするが、この運動用シールは、固定金型と比較してはるかに漏れやすい性質を有する。更に、立方体が回転すると、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８に横力が生じ、これによって金型インサートが横方向に移動し、支持板内に収容された冷却流体管又は入口１２２４及び出口１２２６と成形構成部品とを接続するシールが漏れを引き起こす可能性がある。
【０１０４】
蒸発冷却システムは、冷却剤（例えば、クロロフルオロカーボン、クロロフルオロオレフィン、ハイドロクロロフルオロカーボン、ハイドロクロロフルオロオレフィン、ハイドロフルオロカーボン、ハイドロフルオロオレフィン、ハイドロクロロカーボン、ハイドロクロロオレフィン、炭化水素、ハイドロオレフィン、パーフルオロカーボン、パーフルオロオレフィン、パークロロカーボン、パークロロオレフィン、ハロン／ハロアルカン、及びこれらの混合物）、水、グリコール、プロピレングリコール、アルコール、又は水銀などの、多くの異なる種類の冷却流体を使用し得る。上記の冷却材に類似した冷却性能、及び／又は物理的若しくは化学的特性を有する他の冷却材を使用し得る。同様に、０ＭＰａ（０ｐｓｉ）（つまり、完全に真空）〜約１４ＭＰａ（約２，０００ｐｓｉ）の圧力下で約０℃〜約２００℃の間の温度に曝されると相変化する他の冷却流体も使用し得る。いくつかの場合、界面活性剤も冷却流体に加え得る。一部の蒸発冷却システムは、真空システムを利用して異なる圧力を生成し得、他の蒸発冷却システムは、圧縮機を利用して異なる圧力を生成し得る。
【０１０５】
射出サイクルは高圧下で実施しなければならないという認識に基づき、製品専用のマルチキャビティ金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８には高硬度、低熱伝導率の鋼鉄類が必要であることが前提とされているため、本開示の低一定圧力の射出成形システム及び方法は、位置可変式の金型システムに特にメリットをもたらす。実質的に低一定圧力で射出することにより、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８を低硬度、高熱伝導率の材料、例えば、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）から製造できる。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。これらの材料は相対的に熱伝導率が高いため、金型の冶金が金型表面からの十分に迅速な放熱を可能にすることから、図１１〜図１３に示すように、金型１２５０は、従来のマルチキャビティ金型１２００の金型キャビティ１２２０と同一の寸法（直径及び深さなど）を有する金型キャビティ１２７０を用いて作製され得るが、冷却チャネル又は冷却ラインは必要としない。多くの場合、従来の冷却チャネル１２２２は金型キャビティの形状に可能な限り従うか、できるだけ金型表面付近に設置するか、あるいはその両方が必要であったが、この複雑さと比較すると、金型１２５０の冷却チャネルは、それを完全に除去しない場合でも、大幅に簡素化され得る。
【０１０６】
好適な実施形態では、図２５及び図２６に示すように、冷却チャネルを製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８からなくしてもよいが、最小限の冷却ラインを入口１２２４及び出口１２２６の形態で、金型インサートが固定されたプレート１２２８、１２３０、１２３２、１２３４に設けてもよい。あるいは、図２７に示すように、図１９と同様、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８だけでなく、金型インサートが固定されたプレート１２２８、１２３０、１２３２、１２３４からも冷却チャネル又は出入口を完全になくしてもよい。この場合、従来の立方体金型面と同一の長さ及び高さに対して、立方体金型の各面に設けることができる金型キャビティ１２２０の数を更に増やせるメリットを有し得る。例えば、図２７は、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８及び金型インサートが取り付けられたプレートの両方から、冷却チャネル又は出入口を除去した、金型面あたり１０×１０列の金型キャビティを示す。従来の立方体金型では、これと同一の設置面積に、冷却チャネル１２２２並びに入口１２２４及び出口１２２６を備えるが、各面に４×４列の金型キャビティしか設けられない。
【０１０７】
可動中心部１２３６を有する、立方体金型１２１０のような位置可変式の金型システムの場合、（ほとんどの気化冷却システムに必要とされるような）真空吸引及び真空保持を可能にすることは、露出面での真空保持が困難であることから複雑化を招く要因となる。しかし、製品専用のマルチキャビティ金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８内の冷却チャネルをなくせば、金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８が取り付けられた支持板１２２８、１２３０、１２３２、１２３４内全体に気化冷却システムを収容できることを意味する。回転立方体金型の内部に簡素なマニホールドの形態で設けることができる、このような完全密閉された冷却システムでは、真空保持が極めて容易になり、それによって、効果の高い新奇な流体を用いた気化冷却が、漏出の懸念のない、商業用途で実用性の高いものとなる。密閉された冷却システムは、金型のメンテナンス又は変更時の分解が不要な恒常的な固定シールによってシールされてもよい。気化冷却システムは更に、金型インサート内で凝縮する冷却剤を必要とする。凝縮された冷却剤は重力によって貯蔵容器へと流れ、次いで蒸発工程を経て再循環される。この工程が連続して繰り返される。回転金型の場合、遠心力も冷却剤に作用するため、金型インサートの形状が複雑な場合、冷却剤がインサート内で滞留し、貯蔵容器へ適切に流れ込まず、再循環できない可能性がある。したがって、滞留した冷却剤が収容される領域は冷却されないことになり、その結果、金型インサート内に「ホットスポット」が生じる。簡素化された冷却システムの場合、遠心力が容易に相殺されて、適切な流れが得られ、それにより、気化冷却システム内で効率的な冷却を実現し得る。
【０１０８】
図２８には、９０°間隔で回転するよう動作する立方体金型システムが例示されている。これは、機械軸に沿って第１及び第２の成形ステーションと整列している対向面に対してだけでなく、同一の立方体金型１２１０の他の面に対しても同時に動作が発生する。例えば、第３の射出成形ステーション１２６４は、第１及び第２の成形ステーション、１２６０、１２６２と直交する位置で第３の金型ショットを送出できるように設けられている。製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８は、低一定圧力の射出成形システムでの使用に適するように、アルミニウム又は本明細書に示す他の任意の材料のような、低硬度、高熱伝導率の材料から製造される。上記で説明したように、この冶金の高熱伝導性により、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８から冷却チャネルをなくし、製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８が取り付けられたプレート１２２８、１２３０、１２３２、１２３４内に全ての冷却ラインを収容することが可能になる。
【０１０９】
第３の成形動作は、機械軸と直行する立方体金型１２１０の面に対して実施されるが、第３の射出ショットは実質的に低一定圧力であるため、第３の成形ステーションと直に面する立方体面のプレートを互いに楔止め又は捕捉する機能を持つメカニカルウェッジ又はメカニカルロックを適用する、強力な型締機構を立方体外部に必要とする高圧成形の場合と比較して、第３の成形ステーションと立方体金型との間に必要な型締力は比較的小さい。第３の成形ショットの圧力が低下すると、第３の成形ショットの容量も増加する。これは、第３の射出成形ステーション１２６４が低圧下で作動されることにより、射出成形ステーションの非対称性に起因する問題が顕在化しないためである。第３の射出成形ステーション１２６４は、第１及び第２の射出成形ステーション１２６０、１２６２の中間に配設されているため、第３のショットを第２のショットよりも早いタイミングで所定の金型キャビティ一式に逐次的に注入できる。したがって、本明細書で使用する、「第１の」、「第２の」、又は「第３の」という名称は、個別の動作を意図した具体的な追加指示を除き、特定の動作順序を指すものではないことが理解されよう。第１、第２、及び第３の成形ステーション、１２６０、１２６２、１２６４はそれぞれ、射出ユニットと流体連通状態にあるマニホールドに溶融材料を送出するために作動可能な射出ユニットを有する送出システムを含んでもよい。
【０１１０】
本開示の位置可変式の金型システムの各種実施形態では、本明細書で開示されているように、又は当技術分野において既知の通り、（射出成形プロセスに関連する）１つ以上の動作が、金型システムが静止している間、又は回転可能な金型が軸を中心として異なる方向に回転するとき、立方体金型の１つ以上の面の一部又は全てのキャビティに対して、実施可能なシーケンス及び／又は組み合わせで実施され得る。いくつかの例では、回転可能な金型の複数の方向それぞれに対して、溶融材料の射出が行われるマルチショット成形に、このような実施形態を使用できる。その他の例では、このような実施形態を、回転可能な金型の一方向に対して溶融材料の射出が行われる単一ショット成形、及び回転可能な金型の他の１つ以上の方向で実施される１つ以上の他の成形動作（排出など）に使用できる。
【０１１１】
低硬度、高熱伝導率の製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８は、図３０に示すような単一の立方体金型システムに加え、図３１に示すような二重立方体金型システム１２７２に設けられていてよい。列スタック式、独立して回転可能な立方体金型、及び複数軸で回転する立方体金型などの、代替的な立方体配置が可能である。
【０１１２】
低圧での射出成形時にマルチキャビティ位置可変式金型で使用される軽量金属は、立方体金型１２１０全体の質量、特に立方体金型の回転軸１２７４から最も遠い立方体金型１２１０面の領域の質量を低減させる。これは、低熱伝導率を有する金属、例えば工具鋼から作製された金型インサートのような、高い成形圧力に耐えるために必要とされた従来の高質量の金型インサートでのレバーアーム効果を低減する。上述のように、金型キャビティ１２２０に付随する製品専用の金型インサート内の冷却チャネルの数及び複雑度を解消又は低減することにより、金型キャビティ１２２０のキャビティ数及び寸法（直径及び深さなど）は同一のまま維持して、金型面全体のサイズを削減することもできる。あるいは、金型面全体のサイズを実質的に維持したまま、金型キャビティ間のピッチを減らして、金型キャビティの数を増やし、各サイクルで成形できる部品数を実質的に増やすことができる。金型キャビティ数が多いほど、また金属が軽量化されるほど、レバーアーム効果は低減され、後続位置に立方体金型を回転させるため立方体金型を加速及び減速させる際に要する電力も削減される。立方体金型１２２０の回転速度も増加することにより、立方体金型１２２０が第１の位置から第２の位置へ、第２の位置から第３の位置へ、第３の位置から第４の位置へ、第４の位置から第１の位置へと回転して戻るまでの所要時間が減少され得る。９０°間隔で回転する立方体金型の４分の１回転ごとの時間節減は、非常に有意となる可能性がある。なぜなら、立方体金型１２２０の所定のサイクル又は全回転では、かかる節減時間の４倍に相当する時間節減が全体で達成されるからである。
【０１１３】
低質量の立方体金型１２２０の回転に要するエネルギーの削減は、立方体金型１２２０の回転軸１２７４からの所与の距離にかかるトルク又はレバーアームが質量の低下によって減少することから生じ得る。力が質量と加速度の積に等しいとき、トルクは、トルク＝力*モーメントアーム*ｓｉｎ（θ）（すなわち、Ｔ＝（Ｆ）（ｒ）ｓｉｎ（θ）、式中θは力のベクトル（Ｆ）とモーメントアーム（ｒ）との間の角度）で表すことができる。θ＝９０°の場合、ｓｉｎ（θ）＝１となり、したがってＴ＝Ｆｒとなる。
【０１１４】
垂直軸１２７４を中心として回転する剛体と見なされ得る、立方体金型１２２０の場合、偏位角度はθで表され、２πラジアンが全回転に相当する。角速度ωは、ラジアン／秒の単位であり、角加速度αはδω／δｔ（角速度の経時変化率）である。Ｉは本体の回転慣性モーメントであり、Ｉ＝Σｍiｒi2、すなわち本体の各質点における質量と本体の回転軸１２７４からの距離の２乗との積の総和である。
Ｔ＝Ｉα
仕事Ｗ＝Ｔδθ
仕事率Ｐ＝Ｔω
【０１１５】
角加速度が一定であり、
【０１１６】
【数１】
2016517813.tif 000004
とすると、以下になる。
ω＝ω0＋ατ
Θ＝ω0τ＋１／２ατ2
【０１１７】
本開示の教示に示す、低一定圧力での射出成形を実施することによって、製品専用のマルチキャビティ金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８の材料の質量を、アルミニウム又は他の好適な高熱伝導率材料のような軽量金属に変更することが可能になると、立方体金型の回転慣性モーメントＩは大幅に低下され得る。次式より、角加速度αが一定の場合、慣性モーメントＩが低下すると、仕事、すなわち本体の回転に必要なエネルギーは減少する。
Ｗ＝Ｔδθ＝Ｉαδθ
【０１１８】
同様に、次式より、低質量の金型面を有する立方体金型を、高質量の金型面を有する従来の立方体金型と同一の角加速度α及び角速度ωで動作させた場合、立方体金型の加速及び減速に使用されるモータの電力出力は低減される。
Ｔω＝Ｉαω
【０１１９】
回転可能な立方体金型１２１０全体の慣性モーメントは、各構成部品の慣性モーメントの合計として表すことができるため、立方体金型の一部の構成部品しか質量が変化しなくても、全体の慣性モーメントが有利に低下する。例えば、立方体金型面上の構成部品が、立方体金型の合計慣性モーメントＩの半分を占めるとき、（ステンレス鋼面が搭載された製品専用のマルチキャビティ金型インサートをアルミニウムに置き換えることなどにより）構成部品の密度が３分の１の密度に減少した場合、この立方体金型の合計慣性モーメントは、
ステンレス鋼面が搭載された製品専用のマルチキャビティ金型インサートを有する立方体金型の慣性モーメントの（０．５［コア］＋（０．５／３））、すなわち０．６７へと低減される。
【０１２０】
Ｉ＝Σｍiｒi2の関係より、回転軸から最も遠位の立方体金型の密度を減少させることは、立方体金型の慣性モーメント全体を削減する上で最も好ましい効果を有する。これは、全体の慣性モーメントに対する、立方体金型の各構成部品の体積あたりの貢献度が、その構成部品から回転軸までの距離ｒの２乗倍となる事実に起因する。
【０１２１】
図３８は、立方体金型の金型全面と中央の回転可能部が、低熱伝導率金属、例えば工具鋼から作製されている、多面立方体金型の平面図で、濃い網掛け部分は相対的に高質量の金属を示す。図３９は、金型面が高熱伝導率を有する金属、例えばアルミニウムから作製された、多面立方体金型の平面図で、薄い網掛け部分は相対的に低質量の金属を示しているが、前述の議論からわかるように、図３９の立方体金型は、図３８の立方体金型よりも全体の慣性モーメントが低く、ある位置から別の位置に回転するときに、立方体金型を加速及び減速するために必要となる電力が減少する。
【０１２２】
図４０は、金型面が高熱伝導率を有する金属から作製されるだけでなく、中央の回転可能部も高熱伝導率を有する金属から作製された、多面立方体金型の平面図で、薄い網掛け部分は相対的に低質量の金属を示す。図４０の立方体金型全体の慣性モーメント、並びにある位置から別の位置へ回転するときに立方体金型を加速及び減速するための所要電力は、図３９の立方体金型よりも更に低くなる。特に、図４０に示すような、中央の回転可能部の質量も削減することによる材料の単位質量あたりの慣性モーメントの低下は、立方体金型の各面にある製品専用のマルチキャビティ金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８の質量を削減することにより達成される、材料の単位質量あたりの慣性モーメントの低下よりも少なくなる（すなわち、図３９の立方体金型と図３８の立方体金型とを比較したときの、排除された材料による単位質量あたりの慣性モーメントの低下は、図４０の立方体金型と図３９の立方体金型とを比較したときの、排除された材料による単位質量あたりの慣性モーメントの低下よりも、より顕著である）。
【０１２３】
上述のように、本開示で示す低一定圧力での射出成形を実施すると、より高熱伝導率を有する低質量金属の使用が可能になり、立方体金型の各面に収容される製品専用の金型インサート１２１２、１２１４、１２１６、１２１８内の冷却システム、及び金型インサートが固定された立方体金型の回転可能部にあるプレート内の冷却システムの複雑度が簡素化される。場合によっては、図１８〜図２２及び図２７に示すように、冷却チャネルを全て省略することができる。冷却流体チャネルを削減又は排除したときに冷却を促進及び迅速化するため、図２０及び図２１に示すように、複数の冷却フィン１２７６を金型の露出面に設けてもよい。
【０１２４】
金型インサートの冷却チャネルを最小化又は排除することによるスペース節減の結果、同一寸法（例えば直径及び深さ）の金型キャビティ間のピッチを減少させることができる。それにより、金型面あたりにより多くの金型キャビティ数を収容すること（これは、立方体金型の完全なサイクル又は全回転あたりの製品生産高を大幅に増加させる）、あるいは図１５、図１８、図２５、及び図４１に示すように、金型面あたりの金型キャビティ数を少なくとも同一のまま維持しながら、各金型面の全体設置面積を削減し、同時に立方体金型の回転可能な中央部分もより小さくすることができる。
【０１２５】
立方体金型の回転慣性モーメントを、長手方向の中心軸を中心として回転する円筒の半径Ｒ1（内径）及びＲ2（外径）として表した場合、慣性モーメントＩ1＝Ｍ（Ｒ12＋Ｒ22）／２である。半径Ｒ値がそれぞれ、２分の１に減少した場合（すなわち、Ｒ3＝Ｒ1／２、Ｒ4＝Ｒ2／２）、その回転慣性モーメントＩは１／４に減少する。
Ｉ1＝Ｍ（Ｒ12＋Ｒ22）／２
Ｉ2＝Ｍ（Ｒ32＋Ｒ42）／２＝Ｍ（（Ｒ1／２）2＋（Ｒ2／２）2）／２＝Ｍ（Ｒ12／４＋Ｒ22／４）／２＝１／４Ｍ（Ｒ12＋Ｒ22）／２＝１／４Ｉ1
設置面積の削減により、質量も低減され得る。
【０１２６】
図４１は、金型面と中央の回転可能部の両方が、高熱伝導率を有する金属から作製された、多面立方体金型の平面図である。更に、冷却チャネルを最小化又は排除することにより、図４０の多面立方体金型と比較して、全体の設置面積が削減されている。
【０１２７】
図３８の立方体金型が、慣性モーメントＩ0を有するステンレス鋼金型であった場合、金型全面及び立方体金型の回転可能な中央部の材料を、図４０に示すように、軽量金属（アルミニウムのような金属）に変更した結果、慣性モーメントＩ0の３分の１である慣性モーメントＩ1になった。図４１に示すように、立方体金型の設置面積全体が減少する場合に、金型の半径Ｒ全てが２分の１に減少すると見なせるとき、それによって生じる慣性モーメントＩ2は、Ｉ1及びＩ0と比較して次式のようになる。
Ｉ2＝Ｉ1／４＝Ｉ0／１２
【０１２８】
角加速度が一定であることを条件とする次式を想起されたい。
【０１２９】
【数２】
2016517813.tif 000005
ω＝ω0＋ατ
Θ＝ω0τ＋１／２ατ2
【０１３０】
立方体金型の適用例では、９０°を所望の回転とし、前半は一定のトルクで加速を付加し、後半は同じトルクを逆の方向に付加してブレーキをかけ、立方体を停止させるものとする。簡略化のため、加速部分、すなわちΘ＝４５°＝２π／８＝π／４ラジアンにおける解のみを求める。
Θ＝ω0τ＋１／２ατ2
ω0＝０より、Θ＝１／２ατ2
τを求める式は、τ＝√（２Θ／α）＝√（２Θ／（Ｔ／Σｍiｒi2））＝√（（２ΘΣｍiｒi2）／Ｔ）となる。
【０１３１】
Θ及びＴの入力が一定の場合、有効Ｒの増減は、同一の偏位角度にわたる回転に要する時間に対して線形効果を有する。したがって、有効Ｒが１／２倍に減少すると、ｔ2＝ｔ1*１／２となる。よって、回転に起因する時間（及びその結果としての総サイクル時間）の減少は、製品専用マルチキャビティ金型インサートの回転慣性と正比例する。
【０１３２】
本開示に示す、位置可変式金型を用いた低一定圧力の射出成形は更に、参照により本明細書に援用される米国特許第１３／７７４，６９２号に示すように、共射出技術と共に使用することができる。本開示のシステム及び方法を用いたこれらのケースに合わせて共射出され得る製品の多材料構成の例は、米国特許出願公開２００５／０１７０１１４  Ａ１に例示及び説明されており、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１３３】
開示されている低一定圧力の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、開示の低一定圧力の射出成形機は、いくつかの実施形態では、一般にエネルギー効率がより高く、油圧プレスよりも保守の必要性が少ない電動プレスを採用することができる。加えて、開示された低一定圧力射出成形機は、より広いプラテン幅、タイバーの間隔の増加、タイバーの除去、より速い運動を促進するためのより軽量の構造物、及び非自然平衡供給システムなど、より可撓性の支持構造及びより適応性のある送達構造を利用することが可能である。したがって、開示された低一定圧力射出成形機は、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。
【０１３４】
更に、開示されている低一定圧力の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、約３５Ｗ／ｍ−℃（約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、開示されている低一定圧力の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。
【０１３５】
低一定圧力の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、従来の圧力変動の大きい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。
【０１３６】
「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。本明細書に異なる旨を特記されない限り、用語「実質的に」、「約」、及び「およそ」は、定量的比較、値、測定、又は他の表現が、述べられた参照の２０％の範囲内に入り得ることを意味する。
【０１３７】
本明細書で例示及び記載した製品の様々な実施形態が、実質的に低一定圧力の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。特定の参照が、本明細書において、消費財又は消費財それ自体を含むために生産品についてなされてきたが、本明細書で検討された成形法は、消費財工業、食品サービス工業、運輸工業、医療産業、玩具工業等における使用のための生産品と関連付けた使用に好適であり得ることは明白であるはずである。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。
【０１３８】
本明細書で開示される任意の実施形態の一部分、複数の部分、又は全ては、以下に記載するものを含む当該技術分野で周知される他の実施形態の一部分、複数の部分、又は全てと組み合わせることが可能である。
【０１３９】
本開示の実施形態は、２０１２年５月２１日出願の米国特許第１３／４７６，０４５号、題名「Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  ａｔ  Ｌｏｗ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ」（出願人案件１２１２７）として開示され、米国特許第２０１２−０２９４９６３  Ａ１号として公開される低一定圧射出成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４０】
本開示の実施形態は、２０１２年５月２１日出願の米国特許第１３／４７６，０４７号、題名「Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  ｆｏｒ  ａ  Ｌｏｗ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ」（出願人案件１２１２８）として開示され、米国特許第２０１２−０２９１８８５  Ａ１号として公開される圧力制御に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４１】
本開示の実施形態は、２０１３年２月２２日出願の米国特許第１３／７７４，５７１号、題名「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」（出願人案件１２１２９）で開示されている簡素化冷却システムの実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４２】
本開示の実施形態は、２０１２年５月２１日出願の米国特許第１３／４７６，０７３号、題名「Ｎｏｎ−Ｎａｔｕｒａｌｌｙ  Ｂａｌａｎｃｅｄ  Ｆｅｅｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  ａｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ａｐｐａｒａｕｓ」（出願人案件１２１３０）で開示され、米国特許第２０１２−０２９２８２３  Ａ１号として公開されている、非自然平衡型供給システムの実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４３】
本開示の実施形態は、２０１２年５月２１日出願の米国特許第１３／４７６，１９７号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  ａｔ  Ｌｏｗ，Ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ」（出願人案件１２１３１Ｑ）で開示され、米国特許第２０１２−０２９５０５０  Ａ１号として公開されている、実質的に低一定圧力での射出成形の実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４４】
本開示の実施形態は、２０１２年５月２１日出願の米国特許第１３／４７６，１７８号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  ａｔ  Ｌｏｗ，Ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ」（出願人案件１２１３２Ｑ）で開示され、米国特許第２０１２−０２９５０４９  Ａ１号として公開されている、実質的に低一定圧力での射出成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４５】
本開示の実施形態は、２０１３年２月２２日出願の米国特許第１３／７７４，６９２号、題名「Ｈｉｇｈ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  Ｃｏ−Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ」（出願人案件１２３６１）で開示されている共射出成形プロセスに関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４６】
本開示の実施形態は、２０１２年８月３１日出願の米国特許第１３／６０１，３５９号、題名「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄ  Ｈａｖｉｎｇ  ａ  Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｅｖａｐｏｒａｔｉｖｅ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｏｒ  ａ  Ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈ  Ｅｘｏｔｉｃ  Ｃｏｏｌｉｎｇ  Ｆｌｕｉｄｓ」（出願人案件１２４５３）で開示されている簡素化冷却システムを用いた成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４７】
本開示の実施形態は、２０１２年５月２１日出願の米国特許第１３／４７６，５８４号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｓｕｂｓｔａｎｔｉａｌｌｙ  Ｃｏｎｓｔａｎｔ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  ｏｆ  Ｔｈｉｎｗａｌｌ  Ｐａｒｔｓ」（出願人案件１２４８７）で開示されている、薄肉部品の成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４８】
本開示の実施形態は、２０１２年１１月８日出願の米国特許第１３／６７２，２４６号、題名「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄ  Ｗｉｔｈ  Ｆａｉｌ  Ｓａｆｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ」（出願人案件１２６５７）で開示されているフェイルセーフ機構を備える成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１４９】
本開示の実施形態は、２０１２年１１月２０日出願の米国特許第１３／６８２，４５６号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  Ｏｐｅｒａｔｉｎｇ  ａ  Ｈｉｇｈ  Ｐｒｏｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｍａｃｈｉｎｅ」（出願人案件１２６７３Ｒ）で開示されている高生産性成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５０】
本開示の実施形態は、２０１２年１１月２０日出願の米国特許第６１／７２８，７６４号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  Ｍｏｌｄｉｎｇ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍｏｐｌａｓｔｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  ａｎｄ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎａｔｅｄ  Ｃａｓｔｏｒ  Ｏｉｌ」（出願人案件１２６７４Ｐ）で開示されている特定の熱可塑材の成形に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５１】
本開示の実施形態は、２０１２年１１月２１日出願の米国特許第６１／７２９，０２８号、題名「Ｒｅｄｕｃｅｄ  Ｓｉｚｅ  Ｒｕｎｎｅｒ  ｆｏｒ  ａｎ  Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｍｏｌｄ  Ｓｙｓｔｅｍ」（出願人案件１２６７７Ｐ）で開示されているランナーシステムに関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５２】
本開示の実施形態は、１９９８年２月１０日発行の米国特許第５，７１６，５６１号、題名「Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔｒｏｌ  Ｓｙｓｔｅｍ」（出願人案件１２４６７ＣＲ）で開示されている成形プロセスの制御に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５３】
本開示の実施形態は、１９９８年３月１７日発行の米国特許第５，７２８，３２９号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ａｐｐａｒａｔｕｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｊｅｃｔｉｎｇ  ａ  Ｍｏｌｔｅｎ  Ｍａｔｅｒｉａｌｉｎ  ｔｏ  ａ  Ｍｏｌｄ  Ｃａｖｉｔｙ」（出願人案件１２４６７ＣＣ）で開示されている成形プロセスの制御に関する実施形態と合わせて用いることができ、参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５４】
本開示の実施形態は、回転可能な金型を用いた位置可変式の金型システムを使用した成形プロセス及び機器の実施形態と合わせて用いることができる。例えば、２００９年１０月２７日発行の米国特許第７，６０８，２１２号、題名「Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｍｏｌｄｅｄ  ｐａｒｔ」、２００９年９月２８日発行の米国特許第７，５８５，４４７号、題名「Ｔｏｏｌ  ｗｉｔｈ  ｃｌｏｓｉｎｇ  ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  ａｎｄ  ｍｅｔｈｏｄ  ｏｆ  ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  ｐｒｅｆｅｒａｂｌｙ  ｐｌａｓｔｉｃ  ｐａｒｔｓ  ｗｉｔｈ  ｈｉｎｇｅｓ」、２００９年３月３日発行の米国特許第７，４９７，６７６号、題名「Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｏｌｄｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｏｂｊｅｃｔ」、２００８年１１月１８日発行の米国特許第７，４５２，２０２号、題名「Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｏｌｄｉｎｇ  ａｎｄ  ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｏｂｊｅｃｔ」、２００８年４月２２日発行の米国特許第７，３６１，０１１号、題名「Ｅｊｅｃｔｏｒ  ｓｙｓｔｅｍ」、２００８年１月２２日発行の米国特許第７，３２０，５９１号、題名「Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｃｈｉｎｅ  ｆｏｒ  ｍｕｌｔｉ−ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｍｏｌｄｉｎｇ」、２００６年１２月１９日発行の米国特許第７，１５０，８４５号、題名「Ｍｏｕｌｄ  ｗｉｔｈ  ｔｕｒｎａｂｌｅ  ｍｉｄｄｌｅ  ｓｅｃｔｉｏｎ」、及び２００６年７月２５日発行の米国特許第７，０８１，２２２号、題名「Ｐｒｏｃｅｄｕｒｅ  ａｎｄ  ｍａｃｈｉｎｅｒｙ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｍｏｌｄｉｎｇ  ａｎｄ  ａｓｓｅｍｂｌｉｎｇ  ｏｆ  ａｎ  ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  ｏｂｊｅｃｔ」に開示されている、かかるプロセス及び機器を含み、これらは参照により本明細書に組み込まれる。
【０１５５】
本明細書に開示した大きさ及び値は、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、特に断らない限り、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」と開示された寸法は、「約４０ｍｍ」を意味するものである。
【０１５６】
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、及び本願が優先権又はその利益を主張する任意の特許出願又は特許を含む、本願に引用される全ての文書は、特に除外すること又は限定することを明言しない限りにおいて、その全容にわたって本願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、本文書での用語の任意の意味又は定義の範囲が、参照により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。
【０１５７】
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全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】
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【図６Ｂ】
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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【国際調査報告】
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