JP7655942B2 - ブロー成形方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性容器に関し、より具体的には、本発明は、ブロー成形熱可塑性容器上で高品質の表面仕上げを達成するための方法及び装置に関する。

図１に示すように、ブロー成形は、ポリマー及び／又は樹脂を含む熱可塑性材料の溶融チューブ（以下、「パリソン」又は「プリフォーム」）を形成し、パリソン又はプリフォームをブローキャビティ内に配置するプロセスである。溶融チューブは、圧縮空気によって膨張されて、キャビティの形状をとり、型から取り外される前に冷却される。

ブロー成形熱可塑性容器上で高いハイエンド表面仕上げを達成する現在の従来の方法は、二次装飾プロセス、例えば噴霧、熱伝達、シルクスクリーニング、機械的エンボス加工などを必要とする可能性がある。これらの二次プロセスは、一般に、成形後に容器に適用される。換言すれば、熱可塑性容器上で高いハイエンド仕上げを達成することは、一般に、容器を成形した後に容器を更なる処理に供する必要がある。

加熱及び冷却技術が射出成形用途に使用されて、型から部品への転写又は表面仕上げを得ることができる。射出成形では、熱可塑性材料は、所望の表面仕上げを有する型又はキャビティに入るため、その融点を超える溶融温度を有する。溶融温度は、それがノズルを出るときの熱可塑性材料の実際の温度である。したがって、熱可塑性材料は、熱可塑性材料が固化するにつれて、成形表面仕上げが部品に転写されることができるように、完全に溶融状態であり、プロセス中に型内で固化することができる。熱可塑性材料のこの溶融状態は、表面仕上げの部品への転写を容易にすることができる。

本発明は、上記の問題及び他の問題を解決するために提供され、以前の熱可塑性容器及びその製造方法によって提供されない利点及び態様を提供するために提供される。本発明の特徴及び利点の完全な考察は、添付の図面を参照して進行する以下の詳細な説明に記載されている。

本発明の一態様は、熱可塑性材料から容器を形成する方法を対象とする。本方法は、以下のステップを含む：
ｉ．熱可塑性プリフォームを、熱可塑性プリフォームのガラス転移温度以上且つ熱可塑性プリフォームの溶融温度未満の温度でブローキャビティに導入するステップ、
ｉｉ．流体圧力をプリフォームに導入して、プリフォームを径方向外向きに膨張させて半完成容器を形成するステップ、
ｉｉｉ．半完成容器の外面をブローキャビティの壁と係合させるステップ、
ｉｖ．ブローキャビティの壁を加熱するステップ、
ｖ．半完成容器の外面に熱を伝達するステップ、
ｖｉ．ブローキャビティの壁から半完成容器の外面上に表面仕上げを付与するステップ。

本発明のこの第１の態様は、単独で又は任意の合理的な組み合わせで、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。本方法は、熱を伝達するステップ中に半完成容器の外面を軟化させるステップを更に含むことができる。加熱するステップは、誘導加熱によって達成されることができる。本方法は、型内の導体に電流を印加し、型内に磁場を引き起こすステップを更に含むことができる。電流は、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの間の交流とすることができる。ブローキャビティの壁の温度は、６０℃から１３０℃の範囲に加熱されることができる。本方法は、６秒未満の加熱するステップを実行するステップを更に含むことができる。本方法は、加熱するステップの後にブローキャビティの壁を冷却するステップを更に含むことができる。冷却するステップは、加熱するステップを実行した後に実行されることができる。冷却するステップは、型の本体に埋め込まれた通路を介して型に冷却流体圧力を導入することを含むことができる。加熱及び冷却するステップは、４０秒未満又は型が６０℃未満の温度に到達するまで集合的に実行されることができる。

本発明の第２の態様は、熱可塑性ブロー成形装置を対象とする。装置は、型本体と、その中に形成された凹状ブローキャビティとを備える型を備える。１つ以上の電気インダクタは、型本体内にある。交流電流源は、インダクタを横切って接続され、交流の周波数は、１０ｋＨｚから５０ｋＨｚの間である。

本発明の第２の態様は、単独で又は任意の合理的な組み合わせで、以下の特徴のうちの１つ以上を含むことができる。型は、磁性材料から製造されることができる。磁性材料は、工具鋼とすることができる。熱可塑性ブロー成形装置は、型本体内に冷却通路を更に備えることができる。１つ以上の電気インダクタのうちの電気インダクタは、冷却通路内に位置することができる。環状空間は、電気インダクタの周囲の冷却通路内に形成されることができる。１つ以上の電気インダクタは、凹状ブローキャビティの円周の周囲に等しく離間した部分を含むことができる。熱可塑性ブロー成形装置は、ブローキャビティ内の半完成容器と係合するように構成されたブローキャビティの壁上の表面仕上げを更に含むことができる。熱可塑性ブロー成形装置は、冷却通路に流体接続された冷却流体源を更に備えることができる。

本発明の他の特徴及び利点は、以下の図面と併せて以下の明細書から明らかになるであろう。

本発明を理解するために、ここで、添付の図面を参照して、例として説明する：
図１は、先行技術のブロー成形プロセスの図である。 図２は、本発明のブロー成形動作の図である。 図３は、本発明のブロー成形動作において使用するための型の立面図である。 図４は、型内の温度変動を示す本発明のブロー成形動作において使用するための半型の断面図である。 図５は、図４の型の代替図である。 図６は、とりわけ、半完成容器がブローキャビティの壁に係合するまで径方向外向きにプリフォームの膨張を示す、本発明のブロー成形装置の概略図である。 図７は、管状導体及びインダクタの周囲の環状冷却通路及び管状導体を通る冷却通路を備える、インダクタの拡大図を示す本発明のブロー成形動作において使用するための型の部分断面図である。 図８は、ブロー成形急速加熱及び冷却サイクルのグラフである。 図９は、本発明の方法に従って製造され且つ本発明の装置を使用する、先行技術の方法及び第２の容器（以下、「容器Ｒ」）に従って製造された第１の容器（以下、「容器Ｅ」）の表比較である。 図１０は、本発明に従って製造された右側の容器（以下、「Ｒ」）と、急速な誘導加熱を加えない同一のブローキャビティにおいて製造された左側の容器（以下、「Ｌ」）との並列比較である。

本発明は、多くの異なる形態における実施形態の影響を受けやすいが、本開示は、本発明の原理の例示と見なされるべきであり、本発明の広範な態様を図示された実施形態に限定することを意図するものではないことを理解した上で、図面に示され、本明細書に本発明の好ましい実施形態が詳細に説明される。

ブロー成形プロセスでは、パリソン又はプリフォーム（以下、「プリフォーム」）は、そのガラス転移温度（Ｔｇ）を超える固体状態でブローキャビティに入る。これは、ブローキャビティの壁から完成又は半完成部品へのエッチングされた表面仕上げの高い複製及び転写を困難にする。しかしながら、本発明者らは、ブローキャビティ壁の急速な加熱を介して且つブロー圧力の制御によって、そのガラス転移温度を超える熱可塑性材料がブローキャビティ壁のエッチングされた表面に押し込まれ、エッチングされた表面の複製又は転写を完成部品又は半完成部品の外面に付与することができることを発見した。

急速な加熱、プリフォーム温度、及びブロー圧力のプロセス制御は、所望の仕上げを得る際の重要な変数である。これらのパラメータを制御することは、表面仕上げを適用する従来の二次方法と比較して、はるかに高い稠度、再現性、及び部品品質を達成する。更に、ブローキャビティを急速に加熱することなく、ブローキャビティの表面上の微細な表面仕上げは、より低い解像度であるが、表面仕上げのほとんどが熱冷却なしで転写する射出成形とは異なり、ブロー成形プロセスにおいて部品に転写しない。

したがって、完成したブロー成形部品の表面仕上げに影響を与える主要な要因は、キャビティ壁温度である。しかしながら、部品が適切に吹き付けられることができることを保証するために、プリフォーム温度が重要である。プリフォーム温度は、材料に応じて変化するが、その材料のビカット軟化温度以上に少なくともあるべきである。材料の熱特性を比較するためにビカット軟化温度が利用されることができることを理解されたい。

ここで、「半完成」は、ブロー成形プロセスからの取り外し中にプリフォームが部品まで膨張され、それを含むときの容器を指す。この用語は、部品が、ブロー成形プロセスに続いて、ラベル付け、容器蓋の追加などの更なるプロセスを受けることができることを企図する。部品は、容器、ボトル、パッケージ、及び他の形態の部品とすることができることを理解されたい。

したがって、本明細書に開示されるブロー成形方法及び装置の態様は、二次方法によって作製された表面仕上げに視覚的及び物理的に類似する微細な高品質の表面仕上げ（マクロ、マイクロ、ナノ）が、ブローキャビティ内にエッチングされたそのような微細な表面仕上げをブローキャビティ内に吹き込まれた部品上に転写することによって型のブローキャビティ内で達成されることができ、それによって二次プロセスを排除することである。

従来のプロセスと比較して、この新規な方法及び装置は、最大約９７％の改善された一貫性及び再現性、シルクスクリーニング、ホットスタンピング、及び熱伝達の改善された装飾接着を提供することができる。潜在的な接着に影響を与える噴霧層がないため、容器の改善された適合性が達成されることができる。噴霧及び二次装飾を含むがこれらに限定されない表面処理は、容器に不適合性及び応力を与えない。したがって、急速な冷却及び誘導加熱を使用する場合、サイクル時間は、少なくとも２５％改善される。これは、ツール又は噴霧修飾を必要とせずに、より広い範囲の標的表面仕上げを可能にすることができる。更に、表面複製が高い溶融温度特性材料に依存しないため、より広範囲の材料が射出成形と比較して利用されることができる。当業者によって理解される「噴霧層」は、物品の表面上に材料が噴霧されるコーティングプロセスを介して物品上に形成されたコーティングの層である。

図２を参照すると、本発明の新規な方法は、熱調整された熱可塑性プリフォーム１０（図６）をブローキャビティ１４（図６）に導入するステップ（ステップ１００）と、ブロー流体圧力１８（図６）をプリフォーム１０に導入し（ステップ２００）、プリフォーム１０をブローキャビティ１４の壁２２（図６）に対して径方向外向きに膨張するステップと、ブローキャビティ１４の壁２２を加熱するステップ（ステップ３００）と、型から完成又は半完成容器２６（図６）を取り外すステップ（ステップ４００）と、を含む。これらのステップは、ブロー成形の当業者によって理解される従来のものである。図６に示すように、半完成容器２６へのプリフォーム１０の膨張は、破線で示される半完成容器２６の中間段階を提供する。

本方法は、ブローキャビティ１４の壁２２を急速に加熱するステップを更に含む。このステップは、半完成容器２６の間の熱伝達を可能にし、ブローキャビティ１４の壁２２の表面仕上げが半完成容器２６の外面３０に転写される。このステップは、ブローキャビティ１４の壁２２を急速に加熱するための手段を含む、型を含む適切に設計された装置を必要とする。そのような型が図３～図７に示される。型は、誘導加熱を介して加熱される。

誘導加熱は、電磁誘導によって導電性型（通常は金属）を加熱するプロセスである。渦電流は、型内で熱を発生させる。

源３６からの交流誘導電流３４は、１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの間の周波数でインダクタ４２に印加される。これは、通路５０内で反対方向に電流を誘導し、電磁場３８は、熱拡散をブローキャビティ１４の壁に伝播させる（図６を参照）。これは、ブローキャビティ１４の壁２２の温度が６０℃から１３０℃の範囲に加熱されるまで継続される。この温度は、ブローキャビティ１４の壁２２と係合すると、半完成容器２６の外面３０を軟化させるのに適している。半完成容器２６の内部５８に送達されるブロー流体圧力１８と組み合わせて、軟化は、半完成容器２６の外面３０への所望の表面仕上げの転写を可能にする。

したがって、型は、金属材料などの導電性材料から製造される。鉄合金は、一般に金属材料である。約４０Ω・ｍの電気抵抗率、約５５の相対透過率、及び約２７Ｗ／ｍ・°Ｋの熱伝導率を有する１．２３４３（Ｈ１１）磁気工具鋼である。

１つ以上のインダクタ４２が、ブローキャビティ１４の壁２２の近くの型の本体４６に組み込まれる。インダクタ４２は、ブローキャビティ１４の壁２２の周囲の磁性材料に均一に分布している。換言すれば、インダクタ４２は、型本体４６内のブローキャビティ１４の周囲に等しく離間されている。しかしながら、インダクタを等間隔にすることは理想的であるが、設計上の制約は、しばしば、そのような間隔を禁止し、インダクタ４２が等間隔でない場合に所望の結果が達成された。

インダクタ４２は、同様の編組銅ワイヤなどの導電体４４を備える。これらの導体４４は、型内の通路５０、又は通路５０のネットワーク内に位置する。通路５０は、管状チャネル、溝、導管などの形態をとることができる。導体４４は、１つ以上の絶縁層５４によって裏打ちされている。

１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの間の周波数における交流誘導電流３４は、インダクタ４２に電気的に接続されることができる交流電流源３６から送達されることができる。これは、通路５０内の反対方向に電流を誘導し、電磁場は、熱拡散をブローキャビティ１４の壁２２に伝播させる（図６）。

本方法は、加熱するステップの後に型を急速に冷却するステップを更に含む。したがって、装置は、型を冷却するための手段を含む。これは、長手方向、及び／又は型の高さを横切って、冷却流体圧力源６２に流体接続されることができる、型を通過する更なる通路５０の形態をとることができる。冷却流体が通路５０に注入されて、型を急速に冷却し、及び／又は熱拡散を制御することができる。代替的に、又は追加的に、冷却手段は、冷却流体圧力６６がそれを通って流れることを可能にすることができる管状導体７０を備えることができる。

代替的に、又は追加的に、冷却手段は、導体通路５０の円周壁と導体４４の絶縁層５４との間に空間７４を備える。次いで、冷却流体が空間７４に導入されて、型を冷却することができる。ここで、空間７４は、通路５０の断面積が導体４４及び絶縁層５４の断面積よりも実質的に大きくなるように、通路５０の断面積を増加させることによって作製される。この文脈で使用される場合、「実質的に」という用語は、導体／絶縁層の径方向最外側部分と通路壁との間の距離によって形成される空間７４が、そこを通る流体の流れを可能にするのに十分な大きさである構造を包含することを意図している。空間７４は、好ましくは、空間７４が導体／絶縁層の円周の周囲に円周間隙を形成するように環状である。各場合において、冷却流体は、２つの加熱サイクルの間に型を通って流れるように作製される。

装置及びブロー成形方法は、コンピュータ、マイクロコントローラ、有線制御パネル、データプロセッサなどの好適なコントローラ７８によって制御される。コントローラ７８は、１つ以上のソフトウェアルーチンを有する非一時的なメモリを有することができる。ソフトウェアルーチンは、加熱／冷却サイクル又は持続時間、持続時間圧力、容積などに関してブロー流体圧力源８２の動作、交流電流源３６、及び冷却流体圧力源６２を制御することができる。

本発明の特定の実施形態では、熱可塑性プリフォーム１０は、熱可塑性プリフォーム１０のガラス転移温度以上且つ熱可塑性プリフォーム１０の溶融温度未満である温度でブローキャビティ１４に導入される。ブロー流体圧力１８は、プリフォーム１０に導入されて、プリフォーム１０を径方向外向きに膨張させて半完成容器２６を形成する。ブロー流体圧力１８は、半完成容器２６の外面３０がブローキャビティ１４の壁２２と係合するように続く。ブローキャビティ１４の壁２２は、誘導加熱によって加熱される。電流は、型本体４６内の導体４４に印加され、型本体４６内に磁場を引き起こす。電流は、１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの間の交流３４である。熱は、半完成容器２６の外面３０に伝達される。ブローキャビティ１４の壁２２の温度は、６秒未満の持続時間内で６０℃から１３０℃の範囲に加熱される。熱伝達からの熱は、半完成容器２６の外面３０を軟化させる。ブローキャビティ１４の壁２２からの表面仕上げは、半完成容器２６の外面３０に付与される。ブローキャビティ１４の壁２２は、加熱するステップの後に冷却される。壁２２の冷却は、型の本体４６に埋め込まれた通路５０を介して型への冷却流体圧力６６を含む。加熱及び冷却するステップは、合計４０秒未満又は型が６０℃未満の温度に到達するまで、集合的に実行される。

図８を参照すると、本開示の実施形態に係る、例示的な加熱／冷却サイクルが示されている。加熱サイクル持続時間は５秒であり、６０℃未満から約９０℃から１０８℃まで型温度を高めることができる。熱の拡散は、１１０℃を超えて型を加熱し続ける。冷却するステップは、型温度が約５０℃に到達するまで、約３５秒間の持続時間にわたって開始し続ける。

図９を参照すると、上記の実施形態に従って製造された容器Ｒの例示的な例は、先行技術に従って製造された容器Ｅと比較される。容器Ｅは、無地（すなわち、表面仕上げなし）キャビティを有する従来のブロー成形方法を使用して製造された。容器Ｅの表面仕上げは、噴霧コーティングの従来技術の二次プロセス－従来の噴霧法によって達成された。表面仕上げを有するブローキャビティを使用して、容器Ｒが製造された。表面仕上げは、９７％以上の複製で容器Ｒに転写された。図９に示すように、Ｒ_ａは、表面の平均粗さであり、Ｒ_ｚは、表面内の最も高い「ピーク」と最も深い「谷」との間の差であり、Ｒ_Ｓｍは、平均ピーク幅である。容器Ｅは、約０．４０１２マイクロメートル（μｍ）のＲ_ａ、約２．７８４５μｍのＲ_ｚ、及び約４１．６６５５μｍのＲ_Ｓｍを提供することができる。容器Ｒは、約１．５２９４μｍのＲ_ａ、約８．５８５７μｍのＲ_ｚ、及び約１０９．５５７８μｍのＲ_Ｓｍを提供することができる。

図１０を参照すると、右側の容器Ｒが、再び上記の実施形態に従って製造され、従来技術に従って製造された左側の容器Ｌと比較された。容器Ｅ、Ｌは、実質的に同一のキャビティ壁表面仕上げを有するブローキャビティを使用して製造された。ブローキャビティ壁表面仕上げの容器Ｒへの転写は、ブローキャビティ壁表面仕上げの容器Ｌへの転写よりも大きい。換言すれば、容器Ｌは、誘導加熱を加えないがブローキャビティ表面上の同様の表面仕上げの範囲内で製造されたが、容器Ｒは、誘導加熱が加えられて製造された。誘導急速加熱冷却が適用されなかったために、微細な表面仕上げを含むキャビティ内に吹き込まれた容器Ｌは、効果的に転写されなかった。容器Ｒは、同じキャビティ内に吹き込まれたが、誘導がオンにされ、これにより、微細な表面仕上げが正常に転写されることが可能になった。

本発明の利点は、加熱／冷却技術を適用してブローキャビティ１４の壁２２から転写される微細仕上げを提供することによって、型自体内で、パッケージング上の高品質表面仕上げのブロー成形能力を含む。この技術は、例えば、押出ブロー成形、射出ブロー成形、射出延伸ブロー成形などと併せて使用されることができる。このプロセスは、マクロ、マイクロ、又はナノレベルで高品質の表面仕上げを達成する。それは、異なる飾り細工又は噴霧修正を必要とせずに、異なるタイプ及びレベルの表面仕上げをブロー成形することを可能にする。重要なことに、微細且つ高品質の表面仕上げを達成しながら、容器の二次仕上げ装飾を排除することができる。新たなプロセスは、表面仕上げの均一性、一貫性、及び再現性を達成する。

特定の実施形態が例示及び説明されてきたが、本発明の趣旨から著しく逸脱することなく多数の変更が思い浮かぶが、保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (7)

1. 熱可塑性ブロー成形装置であって、型本体と、その中に形成された凹状ブローキャビティとを備える型と、前記型本体内の１つ以上の電気インダクタと、前記電気インダクタを横切って接続された交流電流源であって、前記交流の周波数が、１０ｋＨｚから３００ｋＨｚの間である、交流電流源と、前記型本体内の冷却通路と、を備え、
   前記冷却通路内に前記１つ以上の電気インダクタのうちの電気インダクタが位置する、熱可塑性ブロー成形装置。
2. 前記型が、磁性材料から製造される、請求項１に記載の熱可塑性ブロー成形装置。
3. 前記磁性材料が、工具鋼である、請求項２に記載の熱可塑性ブロー成形装置。
4. 環状空間が、前記電気インダクタの周囲の前記冷却通路内に形成される、請求項１～３のいずれか１項に記載の熱可塑性ブロー成形装置。
5. 前記１つ以上の電気インダクタが、前記凹状ブローキャビティの円周の周囲に等しく離間された部分を含む、請求項４に記載の熱可塑性ブロー成形装置。
6. 前記ブローキャビティ内の半完成容器と係合するように構成された前記型の本体の壁上の表面仕上げを更に備える、請求項５に記載の熱可塑性ブロー成形装置。
7. 前記冷却通路に流体接続された冷却流体源を更に備える、請求項６に記載の熱可塑性ブロー成形装置。