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特許7451261ホットランナーノズル、射出成形装置、および樹脂成形品の製造方法
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-03-08
(45)【発行日】2024-03-18
(54)【発明の名称】ホットランナーノズル、射出成形装置、および樹脂成形品の製造方法
(51)【国際特許分類】
   B29C 45/20 20060101AFI20240311BHJP
   B29C 45/27 20060101ALI20240311BHJP
【FI】
B29C45/20
B29C45/27
【請求項の数】 16
(21)【出願番号】P 2020058416
(22)【出願日】2020-03-27
(65)【公開番号】P2021154645
(43)【公開日】2021-10-07
【審査請求日】2023-03-24
(73)【特許権者】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003133
【氏名又は名称】弁理士法人近島国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】落合 隆道
(72)【発明者】
【氏名】飛田 州亮
【審査官】北澤 健一
(56)【参考文献】
【文献】特開平08-052767(JP,A)
【文献】特開2003-320558(JP,A)
【文献】特表2006-516934(JP,A)
【文献】特開2010-173228(JP,A)
【文献】特表2010-511535(JP,A)
【文献】特開2015-214138(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2005/0281906(US,A1)
【文献】中国実用新案第208343350(CN,U)
【文献】中国実用新案第210082308(CN,U)
【文献】中国実用新案第201530099(CN,U)
【文献】米国特許出願公開第2014/0302192(US,A1)
【文献】米国特許出願公開第2017/0259481(US,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
B29C 45/00-45/84
B29C 33/00-33/76
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
溶融樹脂の流路を規定するノズル本体と、前記ノズル本体の先端部の周囲に配されたカバー部材と、を有し、
前記カバー部材は、外周の一部に配され金型と嵌合する第1嵌合部および/または内周の一部に配され前記ノズル本体と嵌合する第2嵌合部を有する、
ことを特徴とするホットランナーノズル。
【請求項2】
前記第1嵌合部は、凸部を有する、
ことを特徴とする請求項1に記載のホットランナーノズル。
【請求項3】
前記第2嵌合部は、凸部を有する、
ことを特徴とする請求項1または2に記載のホットランナーノズル。
【請求項4】
前記凸部は、前記金型が有する凹部と嵌合する、
ことを特徴とする請求項2に記載のホットランナーノズル。
【請求項5】
前記ノズル本体は、前記第2嵌合部と嵌合する凹部を有する、
ことを特徴とする請求項3に記載のホットランナーノズル。
【請求項6】
前記カバー部材の材料はステンレスである、
ことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のホットランナーノズル。
【請求項7】
前記カバー部材は環状部を有し、
前記環状部の内周は前記ノズル本体の外周に沿って前記ノズル本体と当接し、前記環状部の外周は前記金型と当接する、
ことを特徴とする請求項1乃至6のいずれか1項に記載のホットランナーノズル。
【請求項8】
前記環状部は、前記ノズル本体から射出されたが前記金型のキャビティに注入されなかった溶融樹脂が前記ノズル本体と前記金型の隙間から漏出するのを抑制する、
ことを特徴とする請求項に記載のホットランナーノズル。
【請求項9】
前記ノズル本体よりも熱伝導率が高い材料より成り、前記ノズル本体と一体化された外層部が、前記ノズル本体とヒーターの間に配置されている、
ことを特徴とする請求項1乃至のいずれか1項に記載のホットランナーノズル。
【請求項10】
前記外層部は、前記ノズル本体の外周を環状に取り囲んでいる、
ことを特徴とする請求項に記載のホットランナーノズル。
【請求項11】
前記外層部は、前記ノズル本体の外周の一部に設けられている、
ことを特徴とする請求項に記載のホットランナーノズル。
【請求項12】
前記ノズル本体の主成分はステンレスで、前記外層部の主成分はニッケル、銅、銅合金のいずれかである、
ことを特徴とする請求項乃至11のいずれか1項に記載のホットランナーノズル。
【請求項13】
前記第1嵌合部および前記第2嵌合部を有し、前記第1嵌合部と前記第2嵌合部とが前記ノズル本体の軸方向に沿って見たときに互いに重ならないように配置されている、
ことを特徴とする請求項1乃至12のいずれか1項に記載のホットランナーノズル。
【請求項14】
前記第1嵌合部と前記第2嵌合部は、前記ノズル本体の軸方向に沿って見たときに、30度以上で60度以下の範囲でずれて配置されている、
ことを特徴とする請求項13に記載のホットランナーノズル。
【請求項15】
請求項1乃至14のいずれか1項に記載のホットランナーノズルと、前記ノズル本体に溶融樹脂を供給する供給部とを備える、
ことを特徴とする射出成形装置。
【請求項16】
請求項1乃至14のいずれか1項に記載のホットランナーノズルを用いて前記金型のキャビティに溶融樹脂を射出する、
ことを特徴とする樹脂成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、樹脂を射出成形する際に用いられるホットランナーノズル、射出成形装置、射出成形品の製造方法等に関する。
【背景技術】
【0002】
プラスチック等の熱可塑性樹脂を射出成形する樹脂成形金型として、コールドランナー金型とホットランナー金型が知られている。コールドランナー金型は、構造が単純だという利点はあるが、ランナー部で固化する樹脂が廃材となるため、経済性向上及び環境負荷低減の観点から、樹脂廃材が少ないホットランナー金型を用いることが望まれる。ランナー部がすべて加熱されているホットランナー金型を使用すれば、樹脂廃材をほとんど発生させることなく樹脂成形品を得ることができる。
【0003】
射出成形にホットランナー金型を使用する際の課題として、ホットランナーノズルの先端部の温度が低下することが挙げられる。一般的に、ノズル先端穴と金型ゲート穴の中心を位置合わせするため、ホットランナーノズルの先端部を金型と接触させる必要があるが、金型への熱伝導によりホットランナーノズルの先端部の温度が低下する場合がある。また、ノズルの先端部近傍に断熱のための樹脂層を形成する構造を採用する場合には、樹脂を封止するためにノズル先端部付近の全周を金型と嵌合させる必要があり、嵌合部が金型への熱伝導経路となる場合がある。
【0004】
ノズル先端部の温度が低下すると、先端部近傍で固化した樹脂が次ショットの射出を阻害し、成形安定性が低下する。例えばポリブチレンテレフタレートのように、正常に射出できる温度範囲が狭い樹脂を成形する場合には、小さな温度低下であったとしても、ノズル先端付近で著しく樹脂が固化してしまう場合がある。ノズル先端部の温度が樹脂の固化温度以下に低下しないように、ノズル全体の設定温度を上げることも考えられるが、そうすると、先端部以外の部分が過度に加熱され、樹脂が分解して成形ができない事態が生じる可能性がある。
【0005】
そこで、特許文献1には、ホットランナーノズルの先端部まで低熱伝導材の外層を配置し、外装の周囲にノズル先端部までヒーターを配置する構造が提案されている。
【0006】
また、特許文献2には、ゲート部外側周囲と、ホットランナーが収容された移動側金型との間に、耐熱性を有し、かつ、熱伝導の低い合成樹脂から成る熱伝導抑制部材を設ける構造が提案されている。合成樹脂から成る熱伝導抑制部材を設けることにより、ノズル先端部における金型との接触部からの放熱が抑制され、ノズル先端の温度低下を抑制しようとするものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特開平11-221840号公報
【文献】特開平8-332653号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
しかしながら、特許文献1において提案された方法は、例えば多数個取りで高密度にホットランナーを配置する射出成形装置や、小型で複雑な形状の成形を行う射出成形装置においては、実施するのが困難であった。これらの射出成形装置では、ホットランナーの周囲には利用可能な空間が限られており、特に、テーパーがついて円錐台状の外形を有するノズル先端部付近にヒーターを配置するのは現実的に困難な場合が多かった。
【0009】
また、特許文献2において提案された方法は、ノズル先端の温度低下を抑制するのに一定の効果が期待できるが、現実的には耐久性や信頼性において懸念がある。合成樹脂から成る熱伝導抑制部材としては、現実的には、例えばポリエーテルエーテルケトンなどのスーパー・エンジニアリング・プラスチックが用いられる。しかし、こうした材料では、射出圧力やホットランナーノズルの熱膨張時の押しつけ力によって一部が損傷する可能性があり、損傷部位から樹脂が漏れ出して金型内に流入してしまう等の問題が懸念される。
【0010】
そこで、ノズルの先端部と金型との位置合わせが可能でありながらノズルの先端部の温度低下が抑制され、しかも耐久性や信頼性が高いホットランナーノズルが求められていた。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の1つの態様は、溶融樹脂の流路を規定するノズル本体と、前記ノズル本体の先端部の周囲に配されたカバー部材と、を有し、前記カバー部材は、外周の一部に配され金型と嵌合する第1嵌合部および/または内周の一部に配され前記ノズル本体と嵌合する第2嵌合部を有する、ことを特徴とするホットランナーノズルである。
【発明の効果】
【0012】
本発明によれば、ノズルの先端部と金型との位置合わせが可能でありながらノズルの先端部の温度低下が抑制され、しかも耐久性や信頼性が高いホットランナーノズルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
図1】実施形態1に係る射出成形装置の一部を示す模式的な断面図。
図2】実施形態1に係るホットランナーノズルを拡大して断面形状を示した拡大断面図。
図3】(a)実施形態1に係るカバー部材の斜視図。(b)実施形態1に係るカバー部材を他方向から見た斜視図。
図4】(a)実施形態1に係るカバー部材の側面図。(b)実施形態1に係るカバー部材の平面図。
図5】(a)実施形態2に係るカバー部材の斜視図。(b)実施形態2に係るカバー部材を他方向から見た斜視図。(c)実施形態2に係るカバー部材の平面図。
図6】実施形態4に係るホットランナーノズルを拡大して断面形状を示した拡大断面図。
図7】(a)実施形態4に係るホットランナーノズルの外観を示す斜視図。(b)実施形態4に係るホットランナーノズルの外観を示す正面図。(c)実施形態4に係るホットランナーノズルの断面図。
図8】(a)実施形態5に係るホットランナーノズルの外観を示す斜視図。(b)実施形態5に係るホットランナーノズルの外観を示す正面図。(c)実施形態5に係るホットランナーノズルの断面図。
図9】(a)実施形態3に係るカバー部材の斜視図。(b)実施形態3に係るカバー部材を他方向から見た斜視図。
図10】(a)実施形態3に係るカバー部材の側面図。(b)実施形態3に係るカバー部材の平面図。
図11】(a)比較例1に係るカバー部材の斜視図。(b)比較例1に係るカバー部材を他方向から見た斜視図。
図12】実施例における温度測定点を説明するための図。
図13】(a)実施例において製造した射出成形物の外観を示す斜視図。(b)実施例において製造した射出成形物の断面図。
【発明を実施するための形態】
【0014】
図面を参照して、本発明の実施形態であるホットランナーノズル、射出成形装置、射出成形方法、等について説明する。
尚、以下の実施形態及び実施例の説明において参照する図面では、特に但し書きがない限り、同一の参照番号を付して示す要素は、同一又は類似の機能を有するものとする。
【0015】
[実施形態1]
図1は、実施形態1の射出成形装置の一部を示す模式的な断面図である。2個取りの金型のうちの1個分の固定側金型を示しており、図示の便宜のため、金型部品を締結するためのボルト、ボルト穴、ヒーター制御のための温度測定器である熱電対、等は図示を省略している。尚、移動側の金型は不図示であるが、固定側金型に対して図1の下方に配置されている。金型サイズは、例えば50トン成形機に乗せられるサイズとし、固定側取り付け板1の最上側(溶融樹脂流路の川上側)からゲートまでの距離はL1=120mmとした。
【0016】
図1において、1は固定側取り付け板、2はマニホールド格納板、3は固定側型板、4は固定側キャビティ形成板、5は固定側キャビティ、21はパーティングラインである。また、18はスプルー、24はマニホールド、39はホットランナーノズル本体である。20はスプルー加温用ヒーター、10はマニホールド加温用ヒーター、25はホットランナーノズル加温用ヒーターであり、各々が所定箇所を加熱するための加熱手段として機能する。9は金型温調用の水管穴である。
【0017】
筒状のホットランナーノズル本体39の内部の空洞は溶融した樹脂の流路であり、射出成形を行う際には、流路の温度は樹脂の溶融温度以上に維持される。マニホールド24は、ホットランナーノズル本体39に溶融樹脂を供給する供給部として機能する。ホットランナーノズル本体39とノズル支持部材8とマニホールド24とマニホールド中央支持部材19とスリーブ13とマニホールド支持部材14は、取り付け板1、2、3、4で挟み込まれて固定されている。熱膨張量を考慮した上で各型板を不図示のボルトで締め付けることによって、溶融樹脂が漏れない程度にマニホールド24をホットランナーノズル本体39は接合される。
【0018】
7は、溶融樹脂の射出ゲートを開閉するためのゲートバルブピンであり、ゲートバルブピン7はエアーシリンダー38の作動によってホットランナーノズル本体39の内部を進退可能である。エアーシリンダー38は、ゲートバルブピン7の後退限を規定する部品17、ゲートバルブピンの後端を支持する部品15、同22、同23、Oリング16、等から構成されている。エアーシリンダーは、エアー給排気穴11、12から適宜のタイミングで差圧を供給することにより、成形工程中の樹脂の射出/停止タイミングに合わせて作動し、ゲートバルブピン7を進退させる。
【0019】
図2を参照して、本実施形態のホットランナーノズルについて、さらに詳細に説明する。図2は、ホットランナーノズルを拡大して断面形状を示した拡大断面図である。溶融樹脂の流路33の川上側から川下側に向けて順に、Aは軸方向の締め付け力を受ける基部、Bは略円筒状の外径を有するノズル中央部、Cは円錐台状の外形を有するノズル先端部である。ノズルの全長(A+B+Cの長さ)は47mmとし、ノズルの最大径はD1=25.0mmとした。ホットランナーノズル本体39の材質は、熱伝導率が20~30W/m・K程度のステンレス系材料とし、十分な機械的強度を確保した。
【0020】
28はコイルヒーター、27はヒーターカバーであり、ヒーターカバー27がコイルヒーター28を外側から内側に向かってノズルに押し付ける構成とした。ノズル支持部材8は、ヒーターカバー27とは接触せず、ホットランナーノズル本体39とは基部Aの先端(下端)で接触し、金型とは接触点34で接触する。ノズル支持部材8は、ホットランナーノズル本体39から金型への熱伝導経路となる。すなわち、ホットランナーノズル本体39の基部Aやノズル中央部Bの熱が金型に伝熱する際に、ノズル支持部材8のノズル軸方向の長さ分だけ経由させる構造とすることで、伝熱量を抑制した。
32は、溶融樹脂の射出ゲートであり、射出ゲート32はゲートバルブピン7によって開閉される。
【0021】
ホットランナーノズル本体39の先端部35は、耐熱性の高いスーパーエンプラ樹脂で作ったリング部材29を間に挟んで金型側の接触点31と接する構造とし、先端部35から金型への直接接触による伝熱を抑制した。しかし、リング部材29は樹脂圧力やノズルの軸方向の締め付け力によって破損する場合があるため、リング部材29のみでは完全には樹脂漏れ防止を保証することはできない。
【0022】
そこで、本実施形態はカバー部材36を設け、樹脂漏れ防止を確実にしつつ、カバー部材36と金型の接触面積を小さくする工夫をして、ノズルの先端部35から金型への伝熱を抑制する。カバー部材36は、ホットランナーノズル本体39の先端部35の外周に配置され、その一部が金型と密接して樹脂漏れを防止する。
【0023】
図3(a)および図3(b)に、カバー部材36を異なる方向から見た外観斜視図を示す。また、図4(a)はカバー部材36の側面図、図4(b)はカバー部材36の平面図である。尚、図3(a)および図3(b)においては、マニホールド側を矢印Fが示し、ゲート側を矢印Eが示している。すなわち、矢印Fは、XYZ座標系におけるZ方向を指している。
【0024】
カバー部材36は、部分嵌合部301と環状嵌合部302を備え、これらの部分が金型と直接接触する。一方、谷部303については、部分嵌合部301および環状嵌合部302よりも外径を小さくし、谷部303や円錐筒斜面部が金型と直接接触しない構造とし、カバー部材36と金型の接触面積を削減した。
【0025】
第1嵌合部としての部分嵌合部301は、金型に向かって突出した凸部であり、金型に設けられた凹部と嵌合して、金型に対するカバー部材36の位置決めをする。位置決め精度と機械強度を担保するため、部分嵌合部301の個数、幅W1、軸方向長H1、位相θ1等は適宜設定されるが、本実施形態では図4(b)に示すように個数を3とした。また、W1=0.6mm、H1=0.5mm、θ1=120度としたが、これは一例であり、これに限られるわけではない。
【0026】
環状嵌合部302は、溶融した樹脂が漏れないように金型と密接する部分で、樹脂漏れ防止のために適宜形状が設定される。本実施形態では、室温時の金型との嵌合長をH2=0.2mmとしたが、ホットランナーおよび金型の公差ばらつきを考慮したうえで適宜調整可能であり、環状嵌合部302の嵌合長はこれに限るものではない。
【0027】
また、カバー部材36は、図3(a)に示すように、ゲート側に配置されたゲート側嵌合部304を備えるが、ゲート側嵌合部304の内周面は、ホットランナーノズル本体39の先端部35の外周面と接触する。また、カバー部材36は、図3(b)に示すように、マニホールド側に配置された全周嵌合部305を備えるが、全周嵌合部305の内周面がホットランナーノズル本体39の外周面と接触する。ゲート側嵌合部304と全周嵌合部305により、カバー部材36はホットランナーノズル本体39に対して位置決め固定される。
【0028】
以上説明したように、本実施形態では、ホットランナーノズル本体39の先端部35の周囲にカバー部材36を配置し、カバー部材36には部分嵌合部301、環状嵌合部302、谷部303、ゲート側嵌合部304、全周嵌合部305を設けておく。カバー部材36の部分嵌合部301および環状嵌合部302は金型と嵌合し、カバー部材36のゲート側嵌合部304および全周嵌合部305はホットランナーノズル本体39と嵌合する。これにより、カバー部材36を介して、ホットランナーノズル本体39は金型に対して高精度に位置決め固定される。
【0029】
環状嵌合部302が金型と、全周嵌合部305がホットランナーノズルの外周と、それぞれ隙間なく密接することにより、カバー部材36はパッキング(シール部材)のように作用する。このため、低熱伝導材から成るリング部材29の耐久性が低いとしても、溶融樹脂の漏出を確実に防止することができる。すなわち、カバー部材のマニホールド側に配置された環状部は、ホットランナーノズル本体から射出されたが金型のキャビティに注入されなかった溶融樹脂が、ホットランナーノズル本体と金型の隙間から漏出するのを抑制する。
【0030】
また、カバー部材36に、部分嵌合部301や環状嵌合部302よりも外径の小さな谷部303を設けておくことで、谷部303や円錐筒斜面部が金型と直接接触しない構造とし、カバー部材36と金型の接触面積を削減した。これにより、カバー部材36を経由してホットランナーノズル本体39から金型に伝導する熱量を抑制することができ、ホットランナーノズル先端部の温度低下を効果的に抑制することができる。
【0031】
[実施形態2]
実施形態2の射出成形装置は、実施形態1に対して、ホットランナーノズル本体の先端部の周囲に配置するカバー部材の形態が異なる。実施形態1と共通する部分については、説明を省略する。
図5(a)および図5(b)は、実施形態2のカバー部材36を異なる方向から見た外観斜視図であり、図5(c)は、実施形態2のカバー部材36の底面図である。
【0032】
本実施形態のカバー部材36は、マニホールド側に位置する環状部分の形状が実施形態1と異なり、環状部分401の内周側に部分嵌合部403と全周嵌合部404を備えている。
部分嵌合部403は、ホットランナーノズル本体39に向かって突出した凸部であり、ホットランナーノズル本体39に設けられた凹部と嵌合して、ホットランナーノズル本体39に対するカバー部材36の位置決めをする。位置決め精度と機械強度を担保するため、部分嵌合部403の個数、幅W2、軸方向長H2、位相θ2等は適宜設定されるが、本実施形態では図5(c)に示すように個数を3とした。また、W2=1mm、H3=1.0mm、θ2=120度としたが、これは一例であり、これに限られるわけではない。
【0033】
実施形態1と同様の環状嵌合部302を設けることにより、本実施形態のカバー部材36も、金型と嵌合することができる。また、実施形態1と同様のゲート側嵌合部402と、実施形態1とは異なる全周嵌合部404、および第2嵌合部である部分嵌合部403を設けることにより、本実施形態のカバー部材36はホットランナーノズル本体39と嵌合することができる。これにより、カバー部材36を介して、ホットランナーノズル本体39は金型に対して高精度に位置決め固定される。
【0034】
環状嵌合部302が金型と、全周嵌合部404がホットランナーノズルの外周と、それぞれ隙間なく密接することにより、カバー部材36はパッキング(シール部材)のように作用する。このため、低熱伝導材から成るリング部材29の耐久性が低いとしても、溶融樹脂の漏出を確実に防止することができる。すなわち、カバー部材のマニホールド側に配置された環状部は、ホットランナーノズル本体から射出されたが金型のキャビティに注入されなかった溶融樹脂が、ホットランナーノズル本体と金型の隙間から漏出するのを抑制する。
【0035】
また、カバー部材36に全周嵌合部404よりも内径の大きな谷部を設けておくことで、谷部や円錐筒斜面部がホットランナーノズル本体39と直接接触しない構造とし、カバー部材36とホットランナーノズル本体39の接触面積を削減した。これにより、カバー部材36を経由してホットランナーノズル本体39から金型に伝導する熱量を抑制することができ、ホットランナーノズル先端部の温度低下を効果的に抑制することができる。
【0036】
[実施形態3]
実施形態1のカバー部材では、部分嵌合部301および環状嵌合部302を金型と嵌合させて位置決めしたが、部分嵌合部301や環状嵌合部302よりも外径の小さな谷部303を設けておくことで、カバー部材と金型の接触面積を削減した。
また、実施形態2のカバー部材では、実施形態1と同様のゲート側嵌合部304と、実施形態1にはない形態の全周嵌合部404、部分嵌合部403を設け、ホットランナーノズル本体39と嵌合させて位置決めした。そして、全周嵌合部404よりも内径の大きな谷部を設けておくことで、谷部や円錐筒斜面部がホットランナーノズル本体39と直接接触しない構造とし、カバー部材36とホットランナーノズル本体39の接触面積を削減した。
【0037】
これに対して、実施形態3のカバー部材は、実施形態1の部分嵌合部301および谷部303と、実施形態2の部分嵌合部403および谷部を、共に備える形態とした。この構成により、ホットランナーノズル本体39からカバー部材36を経由して金型に伝導する熱量を更に抑制することができる。
【0038】
図9(a)および図9(b)は、実施形態3のカバー部材36を異なる方向から見た外観斜視図である。また、図10(a)はカバー部材36の側面図、図10(b)はカバー部材36の平面図である。
図示のように、マニホールド側に位置する環状部分の外周部には、実施形態1と同様に部分嵌合部801、環状嵌合部802、谷部が設けられている。また、マニホールド側に位置する環状部分の内周部には、実施形態2と同様に、部分嵌合部806と全周嵌合部807が設けられている。また、ゲート側に位置する内周部には、実施形態1あるいは実施形態2と同様にゲート側嵌合部804が設けられている。
【0039】
部分嵌合部806は、ホットランナーノズル本体39に向かって突出した凸部であり、ホットランナーノズル本体39に設けられた凹部と嵌合して、ホットランナーノズル本体39に対するカバー部材36の位置決めをする。位置決め精度と機械強度を担保するため、部分嵌合部806の個数、幅W2、軸方向長H3、位相等は適宜設定されるが、本実施形態では図9(b)、図10(c)に示すように個数を3とした。また、W2=1mm、H3=1.0mm、各部分嵌合部806どうしの位相を120度としたが、これは一例であり、これに限られるわけではない。また、金型、カバー部材、ホットランナーノズル本体の相互の位置決め精度や固定強度、熱流路設計に基づいて、外周部の部分嵌合部801と内周部の部分嵌合部806の位相θ3(図10(b))が適宜設定される。ただし、外周部の部分嵌合部801と内周部の部分嵌合部806は、ホットランナーノズル本体の軸方向に沿って見た時に重ならないように、すなわち位相が0度にならないように配置するのが好適である。本実施形態では、θ3=60度とした。
【0040】
実施形態1と同様の部分嵌合部801、環状嵌合部802を設けることにより、本実施形態のカバー部材36も、金型と嵌合することができる。また、実施形態2と同様にゲート側嵌合部804と部分嵌合部806を設けることにより、本実施形態のカバー部材36はホットランナーノズル本体39と嵌合することができる。これにより、カバー部材36を介して、ホットランナーノズル本体39は金型に対して高精度に位置決め固定される。
【0041】
環状嵌合部802が金型と、全周嵌合部807がホットランナーノズルの外周と、それぞれ隙間なく密接することにより、カバー部材36はパッキング(シール部材)のように作用する。このため、低熱伝導材から成るリング部材29の耐久性が低いとしても、溶融樹脂の漏出を確実に防止することができる。すなわち、カバー部材のマニホールド側に配置された環状部は、ホットランナーノズル本体から射出されたが金型のキャビティに注入されなかった溶融樹脂が、ホットランナーノズル本体と金型の隙間から漏出するのを抑制する。
【0042】
また、カバー部材36に全周嵌合部807よりも内径の大きな谷部を設けておくことで、谷部や円錐筒斜面部がホットランナーノズル本体39と直接接触しない構造とし、カバー部材36とホットランナーノズル本体39の接触面積を削減した。同時に、カバー部材36に、部分嵌合部801や環状嵌合部802よりも外径の小さな谷部803を設けておくことで、谷部803や円錐筒斜面部が金型と直接接触しない構造とし、カバー部材36と金型の接触面積を削減した。これにより、本実施形態は、カバー部材36を経由してホットランナーノズル本体39から金型に伝導する熱量を、実施形態1や実施形態2よりも更に抑制することができ、ホットランナーノズル先端部の温度低下を効果的に抑制することができる。
【0043】
[実施形態4]
実施形態4の射出成形装置は、実施形態1のホットランナーノズルとは異なる形態のホットランナーノズルを備えている。本実施形態の説明では、実施形態1と共通する部分については、記載を省略する。尚、実施形態4に係る以下のホットランナーノズルは、実施形態1のカバー部材をはじめとして、実施形態2あるいは実施形態3のカバー部材を備える射出成形装置においても用いることが可能である。
【0044】
実施形態1のホットランナーノズルでは、図2を参照して説明したように、基部Aからノズル先端部Cまでホットランナーノズル本体39を単一の素材で形成していた。すなわち、例えば熱伝導率が20~30W/m・K程度の厚肉のテンレス系材料で形成していた。これに対して、本実施形態のホットランナーノズルでは、薄肉のホットランナーノズル本体の周囲を、それよりも高熱伝導率の材料で取り囲む形態とした。
【0045】
図6は、実施形態4に係るホットランナーノズルを拡大して断面形状を示した拡大断面図である。また、図7(a)、図7(b)、図7(c)は、順に実施形態4に係るホットランナーノズルの外観を示す斜視図、正面図、図7(b)のJ-J線に沿って切断した断面図である。実施形態1と同様に、ノズルの全長は47mmとし、ノズルの最大径はD1=25.0mmとした。
【0046】
ホットランナーノズル本体39は、内面が溶融樹脂の流路であるため射出圧力を直接受けるが、実施形態1と同様に高剛性のステンレス材で形成した。ただし、略円筒状の外径を有するノズル中央部から円錐台状の外形を有するノズル先端部にかけて、ホットランナーノズル本体39の肉厚は実施形態1よりも薄くしている。そして、この肉厚が薄い部分、すなわち略円筒状の外径を有するノズル中央部から円錐台状の外形を有するノズル先端部にかけて、ホットランナーノズル本体39の周囲に主成分がニッケルであるニッケル材を配置して、機械的な剛性を補強した。
【0047】
ここでは、ニッケル材で形成した部分を、ノズル外層部40と呼ぶ。本実施形態のノズル外層部40は、ホットランナーノズル本体39の外周を環状に取り囲んでいる。本実施形態では、主成分がステンレスのホットランナーノズル本体39と主成分がニッケルのノズル外層部40とを有するホットランナーノズルを、レーザークラッティングの手法を用いて一体に形成した。ノズル中央部におけるステンレスの厚みをL2=0.5~1.0mmとし、ニッケルの厚みはL3=3.5mmとした。ホットランナーノズル本体39を構成するステンレス材の熱伝導率は20~30W/m・Kであり、ノズル外層部40を構成するニッケル材の熱伝導率は80~90W/m・Kである。
【0048】
本実施形態のホットランナーノズルは、薄肉のホットランナーノズル本体39の周囲に、剛性補強部として高熱伝導性のノズル外層部40を配したことにより、コイルヒーター28の熱を効率的に溶融樹脂の流路近傍まで伝達することが可能である。このため、温度制御の応答性(制御性)が高まり、ノズルの先端部の温度低下が抑制され得る。
【0049】
尚、ホットランナーノズルは、レーザークラッティング法を用いて一体に形成しなくてはならないわけではなく、例えば、ホットランナーノズル本体39とノズル外層部40を予め別部材として形成しておき、圧入や溶接により一体化してもよい。また、ホットランナーノズル本体39とノズル外層部40の厚みや形状は、必要な機械剛性を確保できる限り、上記の例から適宜変更することが可能である。また、ノズル外層部40の材質はニッケルに限られるわけではなく、ある程度の剛性を有しながらホットランナーノズル本体39よりも熱伝導率が高い材料であればよいので、主成分として例えば銅合金や銅を用いてもよい。
【0050】
[実施形態5]
実施形態5の射出成形装置は、実施形態1や実施形態4のホットランナーノズルとは異なる形態のホットランナーノズルを備えている。本実施形態の説明では、実施形態1や実施形態4と共通する部分については、記載を省略する。尚、実施形態5に係る以下のホットランナーノズルは、実施形態1のカバー部材をはじめとして、実施形態2あるいは実施形態3のカバー部材を備える射出成形装置においても用いることが可能である。
【0051】
実施形態1のホットランナーノズルでは、図2を参照して説明したように、基部Aからノズル先端部Cまでホットランナーノズル本体39を単一の素材で形成していた。すなわち、例えば熱伝導率が20~30W/m・K程度の厚肉のテンレス系材料で形成していた。これに対して、本実施形態のホットランナーノズルは、薄肉のホットランナーノズル本体の周囲に、それよりも高熱伝導率の部材を配置した点で実施形態4と類似するとも言えるが、実施形態4とはホットランナーノズル本体および高熱伝導材の形態が異なる。
【0052】
図8(a)、図8(b)、図8(c)は、順に実施形態5に係るホットランナーノズルの外観を示す斜視図、正面図、図8(b)のI-I線に沿って切断した断面図である。実施形態1と同様に、ノズルの全長は47mmとし、ノズルの最大径は25.0mmとした。
【0053】
本実施形態のホットランナーノズルは、高剛性だが低熱伝導率のホットランナーノズル本体39の形状が実施形態4とは異なり、ホットランナーノズル本体39は薄肉の筒状部分から軸外方向に放射状に延びる3つのリブ391を備えている。そして、3つのリブ391の間に、比較的低剛性だが高熱伝導率のノズル外層部40を設けた。このため、図8(a)に示すように、ホットランナーノズルは、略円筒状の外径を有するノズル中央部から円錐台状の外形を有するノズル先端部にかけて、周方向に沿ってリブ391とノズル外層部40が交互に配置された外観を呈している。尚、本実施形態では、リブ391の個数を3とし、周方向に沿って見て120度間隔で各リブを配置したが、リブの個数や配置はこの例に限るものではない。
【0054】
本実施形態では、レーザークラッティング法を用いて、リブ391を備えたホットランナーノズル本体39は主成分がステンレスである材料で形成し、ノズル外層部40は主成分がニッケルである材料で形成した。
【0055】
本実施形態のホットランナーノズルは、薄肉のホットランナーノズル本体39の周囲に、剛性補強部として高熱伝導性のノズル外層部40を配したことにより、コイルヒーター28の熱を効率的に溶融樹脂の流路近傍まで伝達することが可能である。このため、温度制御の応答性(制御性)が高まり、ノズルの先端部の温度低下が抑制され得る。
【0056】
尚、ホットランナーノズルは、レーザークラッティング法を用いて一体に形成しなくてはならないわけではなく、例えば、ホットランナーノズル本体39とノズル外層部40を予め別部材として形成しておき、圧入や溶接により一体化してもよい。また、ホットランナーノズル本体39とノズル外層部40の厚みや形状は、必要な機械剛性を確保できる限り、適宜選択することが可能である。また、ノズル外層部40の材質はニッケルに限られるわけではなく、ある程度の剛性を有しながらホットランナーノズル本体39よりも熱伝導率が高い材料であればよいので、例えば銅合金や純銅を用いてもよい。
【0057】
尚、例えば本実施形態のホットランナーノズルと実施形態3で説明したカバー部材を組合わせて用いる場合には、ホットランナーノズル本体39のリブ391と、カバー部材36の部分嵌合部806とが嵌合するように構成すると好適である。低熱伝導材のリブ391が当接することにより、ホットランナーノズル本体39からカバー部材36への伝熱を抑制できるからである。
【実施例
【0058】
以下に、本発明の実施例と比較例を説明する。実施例と比較例について、図12に示す温度測定点(X点、Y点、Z点)においてホットランナーノズルの温度測定を行った。
温度測定点は、ゲートからマニホールド側に向かって4.4mm(X点)、25.7mm(Y点)、39.2mm(Z点)の3点とした。
【0059】
また、図13(a)に外観形状を、図13(b)にK-K線に沿った断面形状を示す樹脂成形品を、実施例と比較例のホットランナーノズルを備えた射出成形金型(射出成形機)を用いて作成し、重量ばらつきを比較した。カップ型形状を有する樹脂成形品は、ゲート側の直径がD2=56mm、ゲートと反対側の直径がD3=68mm、肉厚がT=2mm、成形品高さがH4=45mmである。
保圧をかけて最終充填部まで充填すると、重量ばらつきが緩和されるため、キャビティ重量に対して10%程度を充填するショート成形により評価を行った。
実施例および比較例においては、すべて表1に示す成形条件で温度測定および樹脂成形品50の作成を行った。
【0060】
【表1】
【0061】
以下では説明の便宜のため、実施形態1において図2を参照して説明したホットランナーノズル本体をノズルN1、実施形態4において図6図7(a)、図7(b)、図7(c)を参照して説明したホットランナーノズル本体をノズルN2と記す。また、実施形態5において図8(a)、図8(b)、図8(c)を参照して説明したホットランナーノズル本体をノズルN3と記す。
【0062】
また、実施形態1において図3(a)、図3(b)、図4(a)、図4(b)を参照して説明したカバー部材をカバー部材C1と、実施形態2において図5(a)、図5(b)、図5(c)を参照して説明したカバー部材をカバー部材C2と記す。また、実施形態3において図9(a)、図9(b)、図10(a)、図10(b)を参照して説明したカバー部材をカバー部材C3と記す。
【0063】
(実施例1)
実施例1では、ノズルN1およびカバー部材C1を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、各部の温度測定を行った。ゲートからマニホールド側に向かって17.3mmの位置にヒーター制御用の熱電対を挿入し、制御点W(図12)の温度が260℃となるようにヒーターを制御した。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で229℃、Y点で265℃、Z点で242℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては46℃となった。
【0064】
また、表1に示す成形条件にて作成した樹脂成形品50の重量ばらつきを変動係数により評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。変動係数は標準偏差σと平均値AVEを用いて、σ/AVE(%)で算出する。20ショットの結果、σ=0.15g、AVE=3.53gとなり、変動係数は4.3%となった。
【0065】
(実施例2)
実施例2では、ノズルN1およびカバー部材C2を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で224℃、Y点で264℃、Z点で240℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては40℃となった。
【0066】
また、表1に示す成形条件にて作成した樹脂成形品50の重量ばらつきを変動係数により評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。変動係数は標準偏差σと平均値AVEを用いて、3σ/AVE(%)で算出する。20ショットの結果、σ=0.13g、AVE=3.45gとなり、変動係数は3.7%となった。
【0067】
(実施例3)
実施例3では、ノズルN1およびカバー部材C3を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で225℃、Y点で261℃、Z点で233℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては36℃となった。
【0068】
また、表1に示す成形条件にて作成した樹脂成形品50の重量ばらつきを変動係数により評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。変動係数は標準偏差σと平均値AVEを用いて、3σ/AVE(%)で算出する。20ショットの結果、σ=0.11g、AVE=3.22gとなり、変動係数は3.4%となった。
【0069】
(実施例4)
実施例4では、ノズルN2およびカバー部材C1を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で231℃、Y点で261℃、Z点で233℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては30℃となった。
【0070】
また、表1に示す成形条件にて作成した樹脂成形品50の重量ばらつきを変動係数により評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。変動係数は標準偏差σと平均値AVEを用いて、3σ/AVE(%)で算出する。20ショットの結果、σ=0.09g、AVE=3.31gとなり、変動係数は2.7%となった。
【0071】
(実施例5)
実施例5では、ノズルN2およびカバー部材C2を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で230℃、Y点で261℃、Z点で232℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては31℃となった。
【0072】
また、表1に示す成形条件にて作成した樹脂成形品50の重量ばらつきを変動係数により評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。変動係数は標準偏差σと平均値AVEを用いて、3σ/AVE(%)で算出する。20ショットの結果、σ=0.10g、AVE=3.40gとなり、変動係数は2.9%となった。
【0073】
(実施例6)
実施例6では、ノズルN3およびカバー部材C2を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で231℃、Y点で261℃、Z点で234℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては30℃となった。
【0074】
また、表1に示す成形条件にて作成した樹脂成形品50の重量ばらつきを変動係数により評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。変動係数は標準偏差σと平均値AVEを用いて、3σ/AVE(%)で算出する。20ショットの結果、σ=0.08g、AVE=3.40gとなり、変動係数は2.7%となった。
【0075】
(実施例7)
実施例7では、ノズルN3およびカバー部材C3を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
温度測定の結果、W点で260℃、X点で237℃、Y点で260℃、Z点で239℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては23℃となった。
【0076】
また、実施例1と同様に、重量ばらつきを評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。20ショットの結果、σ=0.08g、AVE=3.54gとなり、変動係数は2.3%となった。
【0077】
(実施例8)
実施例8では、カバー部材C3について、数値解析による評価を行った。実施例3および実施例7では、図10(b)に示すように、カバー部材C3の外周部と内周部の部分嵌合部の位相θ3は60度としたが、θ3を変化させたときの定常熱解析を実施した。ノズルN1を備えた射出成形金型を解析対象とし、熱伝導率は金型が50W/m・K、ホットランナーノズルが20W/m・K、水管の熱伝達係数が20000W/m2・K、ホットランナーノズルの制御点Wが260℃となるようにパラメータを調整した。
【0078】
表2にθ3が0~60度(10度毎)での内外周部の部分嵌合部の表面温度の解析結果と温度差を示す。内外の部分嵌合部の温度差が大きいほど、ホットランナーノズルの温度低下抑制効果が大きいことを示している。
【0079】
【表2】
【0080】
表2に示す通り、θ3が0度から30度までは角度が大きくなるほど温度差が変化しているが、30度~60度の範囲では温度差は100℃以上が達成されている。したがって、θ3が30度以上で60度以下の場合、ノズル温度が低下するのを抑制する効果が大きくなる。
【0081】
(比較例1)
比較例1では、ノズルN1と図11(a)、図11(b)に外形を示すカバー部材を備えるホットランナーノズルを用いて射出成形を行い、実施例1と同様の方法で温度制御を行い、各部の温度測定を行った。
比較例1に係るカバー部材は、図11(a)、図11(b)に示すように、ゲート側の内周部にゲート側嵌合部902が、マニホールド側の外周部に全周嵌合部901が、マニホールド側の内周部に全周嵌合部903が形成されている。
【0082】
このうち、マニホールド側の全周嵌合部901と全周嵌合部903は、位置決め精度を高めるために軸方向の長さを比較的大きくする必要がある。すなわち、比較例のカバー部材は、実施例のカバー部材C1(あるいはカバー部材C3)の部分嵌合部301(あるいは部分嵌合部801)を備えていないため、全周嵌合部901の軸方向の長さを大きくして、金型との接触面積を大きくする必要がある。同様に、比較例のカバー部材は、実施例のカバー部材C2(あるいはカバー部材C3)の部分嵌合部403(あるいは部分嵌合部806)を備えていないため、全周嵌合部903の軸方向の長さを大きくして、ノズル本体との接触面積を大きくする必要がある。
【0083】
比較例1について温度測定をした結果、W点で260℃、X点で218℃、Y点で282℃、Z点で274℃となった。ホットランナーノズル内の温度差としては70℃となった。
【0084】
また、比較例1について、実施例1と同様の方法で重量ばらつきを評価した。樹脂はポリブチレンテレフタレートを用いた。20ショットの結果、σ=0.3g、AVE=3.62gとなり、変動係数は8.3%となった。
【0085】
(結果)
実施例1~7、比較例1の結果をまとめて表3に示す。
【0086】
【表3】
【0087】
表3に示す通り、比較例1ではノズル内温度差および重量ばらつきが非常に大きいのに対し、実施例1のカバー部材を用いすることで、重量ばらつき、ノズル内温度差とも大幅に低減することが可能である。
【0088】
また、実施例4と実施例5では、ノズル本体の全周を高熱伝導材のニッケルで覆う構造のノズルN2を用いることで、ヒーターの熱を効率的にノズル本体に伝熱できるため、ノズル内の温度差は低くなった。高硬度のステンレス製カバー部材と低硬度のニッケルで覆われたノズル本体外層部の硬度差により、ノズル本体の嵌合部に食い込み痕が発生する場合があったものの、機械剛性は担保されているため機能上の問題は無かった。
【0089】
また、実施例6と実施例7では、カバー部材の嵌合部がノズルN3のリブ部と嵌合するが、両者はステンレス製で同硬度のため、食い込みは発生せず、ノズル内の温度差も小さかった。
【0090】
成形物の重量ばらつきについては、ポリブチレンテレフタレートの場合には3%以下であることが望ましいため、ポリブチレンテレフタレートに対しては特に実施例6、実施例7が良好といえる。
【0091】
各実施例は、比較例1よりもノズル内の温度差が小さいことがわかる。よって、本発明は、表1の成形条件のもとでポリブチレンテレフタレート樹脂を用いる場合に限らず、正常射出可能温度幅が狭い他のエンジニアリング・プラスチック系の樹脂の成形でも好適に実施することができる。また、汎用プラスチック樹脂を用いる場合でも、複数のホットランナーノズルを近接して配置する多数個取りの金型等において、本発明を適用すれば、重量ばらつきが小さな(形状の均一性が高い)成形物を量産することができる。エンジニアリング・プラスチック系樹脂を材料とする射出成形においては、例えば、ポリアセタールや変性ポリフェニレンエーテルなどの樹脂を用いることができる。また、汎用プラスチック樹脂を材料とする射出成形においては、例えば、ポリスチレン、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン、ポリカーボネート-アクリロニトリル・ブタジエン・スチレンアロイなどの樹脂を用いることができる。成形条件は、材料に応じて適宜設定すればよく、例えば金型温度については30~80℃の範囲で調整すれば好適である。
【0092】
[他の実施形態]
なお、本発明は、以上説明した実施形態や実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で多くの変形が可能である。
例えば、カバー部材の形状は、実施形態の説明で例示した形状に限られるわけではない。例えば、円筒形状やヒーターカバーと一体化した形状、ノズル本体に直接嵌合部の形状が付与されるものであってもよい。部分嵌合部の幅、軸方向の長さ等は、例示したものに限られるわけではない。また複数の部分嵌合部を設ける場合の数や配置は、例示したものに限られるわけではなく、軸方向に沿って見て線対称や点対称に配置してもよいし、非対称に配置してもよい。
【0093】
本発明は、上述したホットランナーノズルを用いて金型のキャビティに溶融樹脂を射出する樹脂成形品の製造方法として好適に実施することが可能で、重量ばらつきの小さな樹脂成形品を量産することができる。
【符号の説明】
【0094】
7・・・ゲートバルブピン/8・・・ノズル支持部材/27・・・ヒーターカバー/28・・・コイルヒーター/32・・・射出ゲート/33・・・流路/36・・・カバー部材/39・・・ホットランナーノズル本体/40・・・ノズル外層部/301・・・部分嵌合部/302・・・環状嵌合部/303・・・谷部/304・・・ゲート側嵌合部/305・・・全周嵌合部/391・・・リブ/401・・・環状部分/402・・・ゲート側嵌合部/403・・・部分嵌合部/404・・・全周嵌合部
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
図12
図13