TW200520932A - Injection molding screw - Google Patents

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MuCell製程之標準螺桿之壓縮比係太高。用於該“礼…製 程之標準螺桿具有2.6比1之壓縮比，在此該MIM或piM工業 標準係1.5比1直至1.7比丨之壓縮比。該壓縮比係該螺桿之進 給分段及該計量分段間之體積中之減少，而該螺桿具有一 不變螺距之螺桿刮板。較高之壓縮比亦可增進粉末接合劑 分離。 如能夠在圖7中看見者，該圓筒中具Mm原料之炫體壓力 衰減係比當使用具標準螺桿之MuCell製程處理聚合物時之 溶體壓力衰減較大。該接合劑中之高含量填料（金屬微粒）、 及腦原料之接合劑中之材料造成這些材料對黏度及溶體 壓力變化敏感。該SCF氣體之加入該熔化接合劑將降低其黏 度。該溶化原料之較低黏度之利益係充填該模腔所需之較 低射出壓力。-缺點係較低之材料黏度，隨著此分段中之 材料壓力，擴大用於該MuCell製程之標準螺桿中之壓力衰 減。該較高之壓縮比於螺桿旋轉期間增加該剪力加熱、降 低該熔化麵材料之黏度。這會同該熔融的材料之流動增 進該粉末由該接合劑之分離，而為一不想要之效果。 於-模製循環期間’當氣體係加至—聚合物或原料時， 具該MuCell製程用標準螺桿之圓筒中之壓力衰減對所有材 料係顯著的。在該製程中之壓力衰減可大於i5〇〇 m(磅/ 平方英对）（圖7)。於該圓筒中維持該聚合物或原㈣體壓力 以於熔液中保持該SCF氣體對於微發泡結構之形成係重要 的。氮氣之臨界壓力係大約5〇〇 psi及二氧化碳氣體係 刪脱。該⑽氣體進人該聚合物或原料之可溶性係該炫 93795.doc -10- 200520932 融的材料在該製程條件之物理性f之溫度及塵力之一函 數。一些材料係難以獲得一穩定之製程條件，因為該圓筒 中之炼體塵力不具有-均勻之麼降。這可歸因於經過剪力 加熱之額外加工，其於該塑化作用循環期間降低該炫融的 材料之點度。這可能係維持太高聚合物或原料炼體麼力以 補償㈣力衰減、及/或太快之螺桿旋轉速度之一組合。該 製程熔體壓力必須維持在該SCF氣體之臨界壓力以上，以保 存其溶解於該溶融的材料中。此外，該剪力加熱效應在較 南遷力下係較大及能使得達成剪力靈敏聚合物或原料之一 穩定製程條件變很難、或不可能。 該讀原料係對壓力及煎力敏感的，因為包含該接合劑 之材料具有粉末及接合劑分離或粉末結塊成停滯區域之潛 能。以用於該MuCell製程而具有習知滑動鎖環螺桿尖部（圖4) 之標準螺桿處理MIM原料。由數種材料產生該麵原料中 之微孔性結構。然而，該製程係不可重複也不一致的。遭 遇來自粉末接合劑分離而造成金屬微粒在流動區域令結塊 之材料流動阻塞。此外，其難以控制該原料熔體壓力^以 獲得進入該圓筒中材料之想要SCF氣體含量。該導致於該圓 筒之MIM材料中具有過量或不足之SCF氣體。具有該臟 材料之壓力衰減係顯著的，且其難以於該系統中維持一最 小之壓力（圖7)。 MIM原料經由該MuCell製程在射出成型中之處理及用於 U孔性金屬需要一不同之螺桿設計，因為於其中及包含該 接合劑（例如聚合物或聚合物及蠟）之材料中之高比率固體 93795.doc -11 - 200520932 微粒。該金屬粉末之熱傳導率亦係該螺桿設計中之一因 素。該壓縮比直接有關該螺桿旋轉期間該材料之剪力加熱 畺。该金屬微粒傳導及保留來自該剪力加熱之熱量，如此 需要更少之壓縮及圓筒加熱以熔化及運送該Μ〗％原料。假 如過多勇力（於該第二階段部份中太多壓縮）係導入進入該 熔化原料，該金屬粉末能由該接合劑分開。過度之剪力之 另一效應係降低該熔體黏度，這有助於粉末，接合劑分離。 當於該螺桿之旋轉期間由該剪力所加速時，該金屬微粒之 質量迫使該接合劑落後該微粒。能在該模製機上調整該螺 桿轉速，以控制該剪切程度、該背壓、及該熔體壓力。於 該接合劑相中之移動及黏度減少之結果，該粉末微粒傾向 於在停滯之流動區域中結塊，於該螺桿或該螺桿尖部中潛 在地造成阻塞。以用於該乂…^丨製程之標準螺桿，該第二 P白奴α卩份係太有限制的，這造成粉末，接合劑分離，並導致 粉末堵塞，及造成過多之剪力加熱。 伴隨著具溶解SCF氣體之ΜΙΜ原料熔體之較低黏度，該 MuCell製程所需之較高背壓及熔體壓力能夠造成粉末，接 :诏刀離，及環繞著該傳統壓力致動止回閥型螺桿尖部之 區域（圖4)之材料結塊。這於使用該mim原料射出期間造成 自由浮動、滑動環止回閥保持打開或接近黏住。此延遲 由於材料經過該打開止回閥之回流造成不一致之射出量。 溶融材料之回流係與該射出壓力有關，該射出壓力係4 至^倍鬲於該圓筒中之熔體壓力。當射出壓力係導入該螺桿 大卩止回閥上游之熔融的材料時，於關閉止回閥之前，發 93795.doc 200520932 生忒熔一的材料之回流。於該MuCell製程用之標準螺桿之 限流混合分段中，該射出壓力造成該MIM原料結塊及阻礙 該螺桿上之熔體流動路徑，或造成該高壓安全解除碟片破 裂。該安全減壓碟係位於毗連該圓筒中之氣體運送節流 口，該節流口係位於離開該螺桿上中間止回閥之下游。此 外，該結塊之材料之能在該螺桿尖部零組件上造成黏附磨 損，而於該螺桿尖部中導致這些零組件之過早故障（圖句。 用於孩MuCell製耘之標準螺桿亦包含一位於該氣體射出 通口上游之炼體流量控制裝£，以在該圓筒節力口防止或 限制該氣體在高壓逸離至周圍之壓力。該熔體流量控制裝 置、或限制it件包括對於該螺桿之—段短長度增加小徑， 將该螺桿之小徑之環狀餘隙減少至該圓筒之内徑。這利用 該熔化聚合物之黏度及經過此環節之熔體流量，以控制該 大矹壓力下游及上游之壓力差。此設計之限制係該熔體壓 力之控制能力係該㈣黏度之一函數。這增加—基本要 素1 =此螺桿設計使得該MuCeU模製機處理難以控制。 大堡力哀減能造成該氣體之聚結、於該圓筒中之大氣囊之 形成。k疋-不想要結果，並於該模製聚合物部份中直 影響該製程之控制及結果。 本發明之射出成型螺桿可適用於一些傳統設計之擠舞 螺桿，包含單一刮板蟫浐 土 I板累杯，诸如一、二及三分段螺桿； 夕刮板螺桿，諸如螫南丨& 女又刮板螺桿。另外，可利用本發明之 出成型螺桿，以# Ip 乂改善至屬或陶瓷原料等之射出成型用之 程性能及產品品質。 93795.doc 200520932 現在4細地茶考各圖面’其中相同之參考數字係遍及所 附各圖®|致地用於意指對應之結構元件，於圖1 及i工七 中’按照本發明之數個具體實施例說明一射出成型螺桿 1〇, 110, 210。本發明之射出成型螺桿10, 110, 2 10包含一驅 動端點12 ; -螺桿尖部承接端點14 ; 一大致上圓柱形縱向 本體16, 116, 216，其於該驅動端點12及螺桿尖部承接端點 14之間/σ著該螺桿1〇，丨1〇, 21〇之長度軸向延伸；及一壓力 限制元件1 8，其最好為一環型止回閥。該螺桿丨〇，11 〇, 2工〇 可尚包含一螺桿尖部54。該流體之流動方向係藉著圖^及 11-12中之箭頭33所示。 如圖1-3所說明，該縱向本體16, 116, 216包含第一階段部 份20及第二階段部份22，122，222。在所有三具體實施例 中，該螺桿之第一階段部份2〇大體上係相同，而在所有三 具體實施例中該第二階段部份22, 122, 222不同。 该第一階段部份20係被設計成適於首先承接至少一物質 (未示出），諸如金屬原料、陶瓷原料等，及用以於一下游方 向中運送至少一物質至該第二階段部份22, 122, 222。該第 一階段部份20係分成複數分段、或區域，且包含一進給分 段24、一轉移分段26、及一計量分段28。該進給分段24係 位於最接近至該驅動端點12。該轉移分段26係位於該進給 分段24及該計量分段28中間。每一進給分段24、轉移分段 26、及計量分段28分別具有一小徑3〇, 32, 34。該計量分段 28之小徑34係大於該轉移分段26之小徑32，而該轉移分段 26之小徑32係大於該進給分段24之小徑30。該計量分段28 93795.doc -14- 200520932 之小徑34大約係與該第二階段部份22, 122, 222之混合分段 36, 136, 236之小徑38, 138, 238相同。該中間分段4〇之小徑 42係少於該計量分段28之小徑34及該混合分段36, 136, 236 之小徑 38, 138, 238。該小徑 30, 32, 34, 38，138, 238, 42 有 助於分配混合及均勻之剪力加熱。 该第一階段部份20包含螺旋狀地沿著該第一階段部份2〇 延伸之單一刮板44。該單一刮板44形成一通道46，該物質 係藉著該通道沿著該第一階段部份2〇而被運送至該第二階 段部份22, 122, 222。該單一刮板44具有一不變之高度及不 、交之螺距。然而，可在本發明之施行中利用具有變化刮板 螺距或數目之螺桿刮板。再者，這些分段之小徑可為同心、 偏〜或兩者之一組合（範例：阻播刮板或雙重刮板或螺距）。 如圖1所說明，該第一具體實施例之第二階段部份22包含 一混合分段36; —混合刮板5〇a，5〇b，其螺旋狀地沿著該混 合分段36延伸；及一螺旋狀槳葉分段52，其位於該混合分 段36及該中間分段4〇之間。該第二階段部份22係被設計成 適於運送由第一階段部份20以一往下游方向運送至該螺桿 尖部5 4之物質。 位在該第一階段部份2〇下游之一部份圓筒49上之至少一 氣體射出通口48將至少一流體、超臨界流體（SCF)、或諸如 氮、二氧化碳、其他大氣氣體、碳化氫、氟氯化碳等之起 泡劑（未示出）導入至從第一階段部份2〇處所運送之物質 中田使用本發明時，該氣體射出通口 48及其較佳地沿著 對應於該第二階段部份2 2之—部份圓筒4 9的有效定位係本 93795.doc -15- 200520932 技蟄中所熟知者。該氣體射出通σ48可定位在各種有效位 置中，如本技藝中所熟知者。 〆累旋狀槳葉分段52開始該SCF或起泡劑及自第一階段 ::20所運;^之物質間之混合製程，及運送該物質至該混 口刀奴36。忒混合分段36完成該混合製程，且運送該混合 物質至該螺桿尖部54以供射入該模子及/或擠壓裝置中。 該此。刮板50a，50b橫跨該混合分段36之一實質長度部 伤及形成至沙一通道56，而該混合物質係藉著該通道沿 著4第一階段部份22運送至該螺桿尖部^。言亥混合刮板 5〇a’ 50b係具一半螺距之鋸齒狀兩倍（雙重）混合刮板。此鋸 齒狀雙重混合刮板型式之刮板5〇a，5〇b具不相等之高度， 且係呈鋸w狀，以在该混合製程期間增進該刮板$，5〇b 間之物質之交叉流動。這能以其他幾何形狀完成，諸如有 或沒有鋸齒之單一刮板或複數刮板混合幾何形狀，或典型 為用於塑化螺桿之混合分段之其他幾何形狀。如此，該混 合分段36造成該物質沿著該混合分段36之鋸齒狀混合。 如圖1-3及11-12所說明，本發明之壓力限制元件18、諸如 環型止回閥最好係定位在該中間分段4〇或繞著該第一階段 部份20及第二階段部份22, 122, 222間之中間分段4〇，且在 該螺桿10, 110, 210之計量分段28下游。當於使用時，該環 型止回閥18係最好定位在該圓筒49上之氣體射出通口 “之 位置上游。該環型止回閥18包含一圓環6〇(圖丨丨及12”該圓 環延伸環繞著一在本發明中稱為該螺桿1〇, 11〇, 21〇之中間 分段40之小分段之直徑42，且係可於允許材料流經之第一 93795.doc -16- 200520932 位置及防止材料流經之第二位置之間橫側地移動。設計該 圓環60之外徑62之尺寸，以大體上於該圓環6〇及該圓筒49 之間防止該物質之流動，或物質及SCF或起泡劑之混合，而 仍然允許該圓環60橫側地移動。 於该第一位置中’如圖11所說明，該圓環60之一内部凸 緣64接觸一由該螺桿1〇, 11〇, 21〇之本體16, 116, 216延伸之 阻斷表面66。該圓環60係由該螺桿1〇, 11〇, 21〇之一密封表 面68脫離，以在其間提供一空間，該物質、或該物質及scf 或起/包劑之混合物能夠在一下游方向流動路徑8〇中流動經 過該空間。於此位置中，該物質、或該物質及SCF或起泡劑 之混合物流經該圓環60中之一内部通道7〇，以通過該壓力 限制元件1 8之下游。 於该第二位置中，如圖12所說明，該圓環6〇係在一上游 方向中位移，及係與該螺桿10, 110, 210之密封表面_ 合，以對該物質、或該物質及SCF或起泡劑之混合物之上游 流動提供一限制，如由路徑81所示。於一些較佳具體實施 例，該圓環60及密封表面68間之嚙合大體上在其間防止該 物質、或該物質及SCF或起泡劑之混合物之上游流動。於其 他案例中，建造該圓環60及密封表面68，以當嚙合時允許 一小置之上游流動（例如經由該圓環6〇及密封表面Μ之間 當該圓環60係於該第二位置時所存在之通道）。該密封表面 68及該環環6〇之表面可如所說明為錐形，以當想要預防上 游流動時特別提供一緊密封。 該圓環60之相對位置依作用於其上之力量而定。特別地 93795.doc •17- 200520932 是，該圓環之位置依該圓環60上游之物質、或該物質及SCF 或起泡劑之混合物之壓力及該圓環60下游之物質' 或該物 質及SCF或起泡劑之混合物之壓力之差值而定。於較佳具體 實施例中，該圓環60係設計成當該上游壓力係大於下游壓 力時位於該第一位置中，及當下游壓力係大於該上游壓力 時移至該第二位置。 於典型之操作中，在該射出或喷出循環之開始處，該圓 環60大致上係由該密封表面68脫離（圖n)，因為該圓環6〇 上游之熔化物質、或該物質及SCF或起泡劑之熔化混合物之 壓力係大於下游壓力，如此允許待在一下游方向中運送之 物質、或該物質及SCF或起泡劑之混合物通過該壓力限制元 件18及累積於區域72中。當該物質及SCF或起泡劑之混合物 之一充分容量已累積在區域72中，該螺桿1〇，11〇, 21〇於一 下私方向中由5亥累積位置（圖1)移動至一射出或喷出位置 (圖2)，以擠壓該累積之材料。該螺桿1〇, 11〇, 21〇之下游動 作壓細4累積之谷量，藉此提高其壓力。這在該圓環相 對該上游側面之下游側建立一高壓狀態，並造成該圓環⑼ 移至忒第一位置，以嚙合該密封表面68(圖12)，藉此限制材 料之μ動，及維持該壓力限制元件丨8下游之壓力。該圓環 典型留在該第二位置中’直至該壓力限制元件18上游之 壓力超過该下游壓力，在此位置該圓環6〇返回至該第一位 置。 田使用具有该標準微發泡狀螺桿之MIM或陶瓷原料時， 於一處理系統、諸如-模製機或系統之圓筒49(未示出；於 93795.doc -18- 200520932 該技藝中熟知者）中，該環型止回閥18提供機構，以至少使 該第二階段部份22, 122, 222(圖7)中之壓力損失或衰減減 至最小。該壓力衰減能於該圓筒49中造成氣體之聚結、大 氣囊之形成。遍及該製程循環對該圓筒49中之熔體及背壓 之控制，及在加入該SCF或起泡劑之後使該材料之充分混合 係主要基準，以便能夠製造微孔性MIM。參考圖7，當處理 金屬進給原料時，該環型止回閥丨8提供背壓及熔體壓力之 一較大處理窗口。該環型止回閥1 8可相對與該螺桿 1 〇，1 1 0 ’ 2 1 cu疋轉時之移動自由浮動或藉著該螺桿 1〇, 110, 210限制範圍。該強制或限制之環型止回閥18防止 該止回閥零組件之表面磨損或過早磨損，或該螺桿 10, 110, 210之咬合表面上之磨損。當處理MIM原料時，由 於此材料之研磨本質，螺桿及零組件之磨損係一重要基 準。對於該MIM及陶瓷原料用之螺桿及止回閥零組件兩者 之耐用性，用於該螺桿10, 11〇, 21〇、螺桿零組件、及圓筒 49之材料選擇係重要的。該螺桿1〇, 11〇, 21〇及環型止回閥 1 8之餘隙係與那些處理]^11]^原料而沒有氣體射出之螺桿及 螺桿尖部零組件所需者相同。該環型止回閥18可為以一設 有螺紋或釘住栓銷之連接件繫緊之二件式螺桿之單一元 件、或具有—件式螺桿之二元件。該二件式止回閥可為以 螺絲鎖住、用栓銷釘住、壓配合、鬆配合（藉著該螺桿之幾 何形狀及圓筒之内徑保持在適當位置）、及/或焊接在一起。 能夠另一選擇地使用止回閥之其他型式或方法。 該固定式環型止回閥18係於擠壓機（未示出；於該技藝中 93795.doc -19- 200520932 熟知者）中所採用之壓力限制元件之一範例，建造及配置該 擠壓機’以在一相當高壓下經過一射出或噴出週期將諸如 原料或聚合物之物質、及SCF或起泡劑之熔液維持在一處理 空間内’該處理空間在一起泡劑入口（未示出；於該技藝中 熟知者）及一擠壓機出口（未示出）之間，諸如一鑄模、進入 -模子之入口、或其他出口。所建造及配置以用此方式維 持一壓力之擠壓機係於該技藝中熟知，且在此所給與之範 例不欲限制本發明之範圍。該壓力限制元件18能採取該技 藝中熟知各種形式之任何一種’用於限制該物質之上游流 動，諸如一氣孔、一越過該螺桿之進給分段之空氣閥、一 反向螺杯刮板、或' —闕門。 -該壓力限制元件18在一最小壓力以上遍及該循環維持該 壓力限制元件1 8下游之物質及SCF或起泡劑之混合物壓 力。於很多案例中，該壓力限制元件18遍及該循環在該壓 力限制元件18下游維持至少每平方英忖⑽，㈣之麼 力，於一些案例中至少2〇〇〇 psi，及於一些案例中至少 3〇〇〇 psi。於較佳具體實施例中，對於一組給定之操作條 件’該壓力限制元件遍及該循環之下游壓力係維持大於該 勿貝及SCF或起泡劑之混合物之單相溶液用所需臨界壓 力。亥I界壓力依該物質中所溶解之scf或起泡劑之重量百 分比及其他諸如溫度之操作條件而定。藉著在該臨界壓力 以上之—壓力下維持該物質及奶或起'泡劑單相溶液，於— 成核步驟之前’由於源自該物質及奶或起泡劑之混合物於 射出或噴出期間之上游流動之一壓降，該壓力限制元件Μ 93795.doc -20- 200520932 確保該SCF或起泡劑將不會過早自該榜塵機 於利用環型切_之-些較佳具鍾實施例中;^出。 環60由第-位置移動至該第二位置時，存在非微不足道之 時期。於此時期期間’在與該密封表面68嗤合之前，該環 型止回闕18允許該材料之有限上游流動穿過，這於該^ 限制元㈣之下游降低該高塵之條件中可為有利的。此有 限之上游流動防止一不安全、高麼條件（例如大於該擠屋機 之操作屋力之―星力條件），假如該塵力限制元件18消除材 料通過該麼力限制元件18之所有上游流動，可能發生此任 果。卸麼量依此時期之範圍而定，該時期係該炫融的材料 之黏度、該圓環設計、及該射出速度之函數’並可藉著那 些平常熟諳此技藝者適當地調整。 為了使得該製程更-致，最好提供一安全性元件及射出 量控制元件。該螺桿尖部54最好係一自動隔斷閥型螺桿尖 部54。於該射出成型工業中之已暴露及内部彈簀之自動隔 斷閥型螺桿尖部係市售的i自動隔斷閥型螺桿尖部处 一範例係在年i 992年i i月i 7日發給麥克（MicW Du—)及 指派給spirex公司之美國專利第5，164,2〇7號所揭示之自動 截止閥(圖6)，其以引用的方式併入本文中。此自動截止閥 配合該微孔性MIM製程及該螺桿1〇, 11〇,21〇之需求，因為 該MIM粉末傾向於造成該螺桿尖部及該圓筒表面中之咬合 或介面零組件之黏附磨損及表面磨損。此螺桿尖部設計L 設計各種特色’使得其與處理MIM原料、主要該内部彈簧 及該提動閥設計相容。減少該螺桿尖部外徑，以增加用於 93795.doc -21 - 200520932 處理MIM原料所需之餘隙。該自動隔斷閥型螺桿尖部“之 另一範例係在年1995年8月15曰發給Donald Zeiger之美國 專利第5,441，400號所揭示之彈簀加載止回閥（圖5)，其以引 用的方式併入本文中。此外，亦能使用一標準3件式鎖環螺 杯大部（圖4)。為安全性及改善控制，當處理MIM原料時， 違自動隔斷螺桿尖部54係強制性地控制該螺桿丨〇,丨丨〇, 2丄〇 之第二階段部份22, 122,222中之壓力。這些螺桿尖部“之 型式可在該螺桿10, 110, 210之螺桿尖部承接端點14用螺紋 鎖入該螺桿尖部通道58。然而，其他型式之螺桿尖部可附 接或嚙合至該螺桿10, 110, 210，且該螺桿尖部可藉著其他 型式之機制或方法附接至該螺桿尖部通道58。 如圖2所說明，本發明第二具體實施例之第二階段部份 122包含一混合分段136、及一沿著該第二階段部份螺旋 地延伸之混合刮板50。該第二階段部份122係被設計成適於 運达由第一階段部份2〇在下游方向中運送至該螺桿尖部54 之物貝。當使用本發明時，該氣體射出通口 48及其最好沿 著對應於該第二階段部份122之一部份圓筒49之有效位置 係於該技藝中所熟知。該氣體射出通口 48可定位在各種有 放疋位中如5亥技藝中習知者。該混合分段13 6混合該sCF 或起泡劑及由第一階段部份2〇所運送之物質，且運送該混 合物質至該螺桿尖部54供擠壓。該混合刮板5〇橫跨該第二 階段部份122之一實質長度部份，且形成一通道156，而該 此合物質係藉著該通道沿著該第二階段部份1 22運送至該 螺杯尖部54。該混合刮板50係具不變螺距及不變高度之單 93795.doc -22- 200520932 一混合刮板50。如此，該混合分段136造成具該物質之摩擦 流動混合之運送，使得由該螺桿尖部54擠壓該混合物質之 不變體積流動。 如圖3所說明，该第二具體實施例之第二階段部份222包 含一混合分段236、及一沿著該第二階段部份222螺旋地延 伸之混合刮板150。該第二階段部份222係被設計成適於運 迗由第一階段部份20在下游方向中運送至該螺桿尖部“之 物質。當使用本發明時，該氣體射出通口 48及其最好沿著 對應於該第二階段部份222之一部份圓筒49之有效定位係 於4技藝中所热知。該氣體射出通口 48可定位在各種有效 位置中，如該技藝中習知者。該混合分段236混合該scf或 起泡劑及由第-階段部份2〇所運送之物質，謂送該混合 物質至該螺桿尖部54供擠壓。該混合刮板15〇橫跨該混合分 & 236之一貫質長度部份，且形成至少一通道256，而該混 合物質係藉著該通道沿著該第二階段部份222運送至該螺 桿尖部54。該混合刮板15G係鋸餘單_混合刮㈣❹。此 鋸齒狀單一混合刮板150具有不變高度及不變螺距，且係呈 鋸嵩狀，以增進該物質之交叉流動。如此，該混合分段W 造成具該物質之摩擦流動及旁路混合之㈣狀混合及運 送，使得由該螺桿尖部54擠壓該混合物質之不變體積流動。 、相較於習知螺桿、諸如傳統之㈣目的塑膝或金屬射出 成型螺杯’其大致上具有15Λκ〇λι之壓縮比；或用於 該微發泡狀製程之習知標準螺桿設計，其大致上具有2.6比 1之壓縮比，本發明之射出成型螺桿10, 110, 210大致上具有 93795.doc -23- 200520932 一低壓縮比。本三較佳具體實施例之射出成型螺桿 10，110，210分別具有大約2 · 0比1、大約1 · 5比1、至大約1 7 比1 ;及大約1 · 5比1至大約1 · 7比1之壓縮比。對於具MIM原 料而使用該微發泡狀製程之標準螺桿之測試中之溶體壓力 衣減之一貝獻因素係2 · 6比1之第一階段壓縮比，其比用於 通用MIM螺桿之1.5比1至大約1.7比1壓縮比之MIM工業範 圍高出1點。用於混合及擠壓具有非聚合物接合劑之原料， 該射出成型螺桿可較佳地具有大約1.2比1至大約149比1之 壓縮比。 筝考至圖7至1 〇，這些曲線圖顯示加入該環型止回閥工8 以控制該模製製程中之壓力改變之效應或結果。圖7提供當 祙用根據本發明之一 MIM射出成型螺桿時所遭遇之刮擦及 混合（中間）分段壓力、及當採用該標準MuCeU製程之mim 螺柃所4遇之中間分段壓力間之一比較。於此案例中，待 處理之原料係_PA，百分之33之仰。圖8提供當採用本發 明之射出成型螺桿及處理pp原料時所遭遇之中間分段壓 力。圖9提供當採用本發明之—射出成型螺桿及處理psu原 =及使用氣體所遭遇之中間分段壓力。圖ig提供當採用本 卷明之一射出成型螺桿及處理BASF原料及使用氣體所遭 遇之中間分段壓力。 圖7至1 〇以連續之 _ 只 < 万式顯示每一循環之熔體壓力變化。在 該SCF氣體射出诵 通之位置測量該圓筒中之壓力。該通口之 位置對在該最佳尿七 土力差之氧體之延遲、分佈及分散係重要 的。 93795.doc -24 - 200520932 範例1 八^熔融的材料於該微發泡狀製程用標準螺桿之刮擦及混 :刀段中之壓降係顯示於圖7中，並於一具待測試PA材料之 核製循環期間具有2_ psi之壓力變化。處理以產生此曲 線圖之材料係一百分之33之短玻璃纖維強化聚醯胺6(尼龍 )十月曰此材料係用於以該標準Trexel MuCell螺桿處理之 承合物MuCell零件，且當處理Mm原料時，此材料係用作 °又有J曰加之中間分段鎖環之製程控制改良之一基線。當 ΜΙΜ原料係、昂貴時，這最初係以聚合物材料努力作成，以 制碭&成本，且最後於該標準Trexel螺桿及本發明螺桿之 間提供-即時相互關係。具大波峰及波谷之曲線係該標準 Trexel螺桿資料。圖7A提供圖冰提供資料之—放大視圖。 以相同之杈製機處理條件及材料，該第一具體實施例之 MP MIM螺桿1〇(如圖1所示）產生250 PSI之一麼力變化。壓 力:化中之減少能夠提供—用於該模製循環之更寬廣之處 理窗口，這於製造微孔性金屬巾是成功處理Mm原料 素。 範例2 圖8中所提供之資料以處理通用等級之未充填聚丙稀材 =示本發明螺桿之性能。此聚合物材料係於與聚乙烤及 ^烯（烯k )相同之樹脂族群中，其為於該AMP及Penn 狀態MIM原料中所使用之成分，並採用之以產生微孔性金 ^材料5玄目標係決定由一製程起始處至在該中間分段鎖 &位置之^疋製程之壓力衰減。該衰減係保持至大約 93795.doc -25- 200520932 600 PSI。該處理條件係提供於表A中。

表A 機器處理設定 數值 單位 註解 圓筒溫度，區域#1 430 華氏 進給喉部端點 圓筒溫度，區域#2 440 華氏 圓筒溫度，區域#3 440 華氏 圓筒溫度，區域#4 440 華氏 截止噴嘴，區域#5 440 華氏 截止喷嘴端點 螺桿衝程 0.9 英吋 30毫米螺桿 螺桿復位速度 8.0 英吋/秒 圓周速度 背壓 1,500 磅力/平方英吋 射出速度 1.0 英忖/秒 射出壓力設定點 13,000 ' 磅力/平方英吋 實際射出壓力 8,200 磅力/平方英吋 平均 射出轉換點 0.18 英吋 保有壓力 8000 磅力/平方英吋 保有時間 0.2 秒 循環時間 32.31 秒 冷卻時間 20 秒 鉗子噸數 50 美洲σ頓力 射出循環上之 鑄模閉合力量 氮氣運送壓力 2800 磅力/平方英吋 氮氣運送流速 0.3 磅質量/小時 氮氣流量閥開啟時間 2.0 秒 範例3 圖9中之資料顯示在本發明射出成型螺桿之螺桿上之中 間分段檢查位置處理中之壓力變化。由賓州大學所整理之 固體MIM材料係已處理（微孔性MIM轉至關閉’’OFF’’）。該 MIM原料鎖環位置熔體壓降變化係與圖7及7A對齊。然而， 如與圖7及7A中之百分之33之充滿玻璃尼龍材料作比較，螺 桿復位上之壓力上昇係MIM原料之較低黏度之結果。在螺 93795.doc -26- 200520932 桿停止之後，該衰減係幾乎與射出點排成 螺桿旋轉壓力上昇之前以輕微壓降指示 直線’並在該 後及射出之前，該壓力衰減之缺多杜_ 在螺桿停止之 、乏4日不该中p 以該MIM原料起作用。該處理條件係胃致 间分段鎖環係 、表Β中。 表Β 機器處理設定 圓筒溫度，區域#1 圓筒溫度，區域#2 圓筒溫度，區域#3 圓筒溫度，區域#4 截止喷嘴，區域#5 1 累桿衝程 螺¥復位速IΎϊ 射3速瓦 射f壓力設定i 實際射出壓万 射出轉換i 保有壓力 i有時間 4盾壞時間 冷卻時間 钳子嘲數 氮氣運送麼力 氮氣運送流球 氣氣流ΐ閥開啟時間 28000? 10中之資料顯示在具有 央吋/彩 吋 英对 秒 美^貝力 '量/ 鑄模閉合力..量 螺桿上之中間分# 。微孔性ΜΙΜ已轉至打開（ON)之 材料之壓力變化又欢查位置處理中之賓 如與圖9中 州大學所整理MIM 之固體MIM作比較，於螺桿復 93795.doc 200520932 位期間’在-較高背壓及犯氣體運送壓力下，壓力中之婵 加係^有該SCF氣體之MIM原料接合劑黏度減少之結果 壓力衰減至一最小程度之控制對維持一穩定之微孔性Mim 模製處理係重要的。該最小塵力應維持在該⑽氣體之許界 塵力以上’以於處理期間維持一單相炼液。此曲線圖顯示 在射出衝程中之-小屡力上昇，並剛好在該螺桿旋轉循環 上之急劇Μ力上昇之前（1GA)，隨後|力衰減至剛好在射出 前之程度。 圖10A係一曲線圖，其描述圖1〇之3射出循環。 比較範例 圖10B中之資料顯示使用該標準Trexei螺桿由—伸 桿復㈣獲得之性能。在射出之壓降係一正好在射出前之 小型衰減及在螺桿復位之前具有—輕微之壓力上昇 每-循環之壓降間之第一壓力上昇係在該模製機背壓設定 以上之-壓力下來自加入該⑽氣體。這顯示能夠在—致之 製程中保持該壓力衰減，但為一不想要之屬性 製程循環内之顯著壓力變化。該處理條件係給在表C中。 93795.doc 28- 200520932

對該MIM原料處理加入正向回流閥54(如圖々至^所示）防 止射出壓力使該第二階段部份22, 122, 222中之原料於塊， 而建立一阻礙或限制材料之向前流動。該正向回流閥螺桿 尖部54亦減少位在該模製機之圓筒49上之安全卸屍闕（未 示出；該技藝中熟知者）將由該第二階段部份22， 中所獲得之射出壓力故障之潛在可能性。此外，’該闊擔板 改善該部份或射出量控制達超過百分之5〇，因為該自由、、骨 動之閥播板之消除反應在該射出衝程上。 93795.doc -29. 200520932 使用該螺桿10，110, 210之微孔性MIM製程之利益係於控 制該螺桿10, 110, 210之第二階段部份22, 122, 222中之熔體 壓力變化的能力，其横跨溶融狀MIM原料溶化溫度之一寬 廣範圍及板製機背壓之諸設定。該溶融的材料之黏度隨著 该溫度設定改變及直接與一模製循環期間之壓降相關。該 溫度越高，則該熔融的MIM原料之黏度越低。該MIM原料 之作用異於聚合物材料，此乃因該金屬粉末微粒之較高導 熱率及組成該原料之粉末及接合劑材料之比率所致。 該環型止回閥1 8在大氣壓力下控制材料經由該第一階段 部份20而至該送料器（未示出；該技藝中熟知者）之回流，如 此導致最大化越過該環型止回閥丨8之壓降。來自第一階段 部份2 0之材料進給壓力必須克服該第二階段部份 20, 120, 220上之壓力，以便使材料能夠流動。圖 螺桿10中所描述之小壓降係由該圓筒49之内徑及該環型止 回閥1 8之外徑間之餘隙所致。 當與該微發泡狀製程之標準螺桿比較時，圖7至1〇中所報 告之結果所反應出之下一貢獻因素係在該第二階段部份 2〇, 120, 220之螺桿幾何形狀方面之變化。藉著將該第二階 奴部份20, 120, 220改變成具該環型止回閥18之微孔性mim 螺桿1〇, 110, 210之一更少限制、正汲吸幾何形狀，目前已 可使用較高或較低之背壓，此乃因為當處理MIM原料時對 材料運送具有比該微發泡狀製程之標準螺桿較低之限制。 ^而於δ亥技藝中已熟知有很多將滿足此需求之不同螺桿 混合及運送幾何形態。 93795.doc -30- 200520932 於使用中，本發明之射出成型螺桿10, 11〇, 21〇係插入一 擠壓圓筒、諸如該圓筒49，且係在其驅動端點12可操作地 附接或嚙合至一驅動機制，及在其螺桿尖部承接端點14附 接或嚙合至一螺桿尖部54。另一選擇係本發明之射出成型 螺桿10, 110, 210能插入一部份處理系統之擠壓圓筒（未示 出；該技藝中熟知者），且然後在其驅動端點12可操作地附 接或嚙合至一驅動機制，及在其螺桿尖部承接端點14附接 或嚙合至一螺桿尖部54。該技藝中所熟知者係一處理系統 月b包含至少一溫度控制單元、至少一送料器、至少一用於 計量該流體之裝置、至少一熔體壓力能量轉換器、及其他 元件單元、裝置、或系統。在附接或嚙合至該驅動機制 及螺桿尖部54之後，能操作該螺桿10, 110, 210。其亦可能 重要的是保持在該熔融的材料或物質上之一壓力頭（未示 出，该技藝中熟知者），以於該止回閥18下游之材料中防止 氣囊之形成。 如本發明於處理系統（未示出；該技藝中熟知者）中之一 用法範例，其較佳的是一模製機喷嘴（未示出；該技藝中熟 头者）、·、内入截止閥（未示出；該技藝中熟知者），以離該螺 桿上之氣體通孔及止回閥或壓力限制元件之下游容納該圓 筒中之C力。此閥係彈簧加載及壓力作動、或氣壓或液壓 致動内#或外部針閥型。這些係由美國Her*zog，Xaloy及 OEM模製機製造廠所市售。 …外°卩型之範例係由Arburg公司所製成，其為一連接至 液壓/飞缸之機械式裝置，以用液壓壓力打開及關閉、或彈 93795.doc 31 200520932 ，加載打開、液壓作動關閉。Arburg公司之外部針間設計 u該微孔性金屬為對象作處理之較佳方法，因為該 控制功能，以打開或關閉該針閥。當把SCF或起_加至該 溶化原料而傾向於使粉末微粒通過進入包圍該截止針間之 餘隙&域時’這是重要的。該趨勢係用於某些微粒尺寸， 以造成㈣磨似微粒之㈣至賴錢銷$切噴嘴令之 栓銷孔之内徑。 、 •該内部針閥型典型係以液遷或氣體壓力之炼融的材料之 ，力作動及彈簧加载或機械相合^此設計具有用於該炼 融的材料之數個通道，以在該噴嘴中通過及形成該剪力及 流動特性，·假如適當地設計，該粉末接合劑能分開及㈣ 喷嘴中潛在地造成一阻礙。 〆 優於該外部針閥型而使用該内部針閥型之另一理由係改 變該噴嘴節流口尺寸，以便藉著於該射出循環期間修改該 材料流速及料於微孔性金屬之處理中能夠更具彈性之能 力。廷是該外部針形截止喷嘴之僅有限制。該外部截止針 开:贺嘴將需要用於最佳化該微孔性金屬製程所需之每—噴 嘴節流π尺寸之獨特噴嘴設計。這將以較大零件射出量放 大，並需要材料之一大體積流量以充滿該模+，而具有於 "亥模子中形成該微孔性結構所需之壓降。 為產生微孔性金屬，使用此用於微孔性金屬之最佳化螺 桿設計，其較佳的是該模製機圓筒具有一正截止噴嘴。為 造成該微孔性金屬處理更強固，該喷嘴應為該外部針型， 以確保該閥之打開及封閉係一正向移動。 93795.doc -32- 200520932 本發明之射出成型螺桿10, 110,210可製成為單件式螺桿 或多件式螺桿、諸如二件式螺桿。 本發明之射出成型螺桿1 0，丨i 〇, 2 i 〇係一用於產生微孔性 金屬之較佳裝置，其包含該壓力限制元件18及可能包含一 正截止螺桿尖部。對於有關聚合物材料及該微發泡狀聚合 物處理控制之應用亦能獲得源自此較佳裝置之利益。 當然本發明不限於在此所敘述之較佳具體實施例，但涵 括所有在以下申請專利範圍内之具體實施例。 【圖式簡單說明】 圖1係根據本發明一射出成型螺桿之第一具體實施例之 側視圖。 圖2係根據本發明一射出成型螺桿之第二具體實施例之 側視圖。 圖3係根據本發明一射出成型螺桿之第三具體實施例之 側視圖。 圖4係-標準3件式鎖環螺桿尖部之橫截面視圖。 圖5係纟國專利第5,441，彻號之改良止回闕組件之一側 視圖，並使部份該鎖環剖開及呈剖面。 圖6係美國專利第5,164,2〇7號之擠壓機射出裝置之一局 部橫截面視圖，其顯示於該打開位置中之自動截止闕。 圖7至1 〇係曲線圖，盆顧+、、盾& /、”、、、/、源自根據本發明射出成型螺桿 之止回閥以控制該模製製程中之壓力改變之結果。 圖11說明本限制元件之一分段 刀仅具允許於一下游方向中 使材料流入圖1至3之任一射出成型螺桿。 93795.doc -33- 200520932 圖12說明本限制元件之—八 上游方向中 刀奴’其防止於 使材料流入圖1至3之任一射出成型螺桿。 【主要元件符號說明】 10， 110 ，210 螺桿 12 驅動端點 14 承接端點 16， 116 ，216 本體 18 壓力限制元件 20， 120 ，220 第一階段部份 22， 122 ，222 第二階段部份 24 進給分段 26 轉移分段 28 計量分段 30， 32， 34，38， 小徑 42， 138 ，238 33 箭頭 36， 136 ，236 混合分段 40 中間分段 44 單一刮板 46， 56， 156，256 通道 48 氣體射出通口 49 圓筒 50， 50a ，50b， 混合刮板 93795.doc •34- 150 200520932 52 螺旋狀槳葉分段 54 螺桿尖部 58 螺桿尖部通道 60 圓環 62 外徑 64 凸緣 66 阻斷表面 68 密封表面 70 通道 72 區域 80 流動路徑 81 路徑 93795.doc -35-

Claims (1)

1. 200520932 十、申請專利範園： 1. 一種射出成型螺桿，其包含： =—端點，其設計成適於與驅動機制嚙合； =弟二端點，其設計成適於與一螺桿尖部嚙合； 縱向本體’其沿著該第—端點及該第二端點間之— 桿長度軸向地延伸，該本體包含—第—階段部份 及弟一階段部份； 該第—階段部份係被設計成適於首先承接至少—物質 :用於運送該至少一物質至該第二階段部份，該第一階 奴π伤包合至少一沿著該第一階段部份螺旋狀地延伸之 到板，4至少_刮板形成至少—通道該至少—物質可 沿著該第一階段部份經由該至少一通道而被運送至該第 二階段部份； 該第二階段部份包含至少一混合分段，及被設計成適 於運送至一由該第一階段部份被運送至該螺桿尖部之 物貝，5亥至少一混合分段係被設計成適於混合由該第一 P白段部伤所運送之至少一物質及將已混合之該至少一物 λ運运至該螺桿尖部以供擠壓，其中藉著一處理系統之 至少一射出通口將該至少一流體導入由該第一階段部份 所運送之至少一物質；及 一壓力限制70件’其被設計成適於定位在該第一階段 部份及该第二階段部份之間，用以減少該第二階段部份 中之壓力損失。 2.如請求項1之射出成型螺桿，其中該本體之第一階段部份 93795.doc 200520932 包含複數個分段。 之射出成型螺桿，其中該第-階段部份之該複 …刀又包含一進給分段、-轉移分段、及-計量分段，二:：:!係位於最接近該第一端點，該轉移分段係位 …給分段及該計量分段中間，每-該進給分段、該 轉移分段、及該計量分段各具有一小徑。^貝3之射出成型螺桿’其中該計量分段之該小徑係 ==轉移分段之該小徑，且該轉移分段之該小徑係大 於泫進給分段之該小徑。 ^胃3之射出成型螺桿’其中該計量分段之該小徑係 大相該混合分段之—小徑相同。 "3之射出成型螺桿’其中每—該計量分段之該小 径該混合分段之一小徑各係大於位於該第一階段部份 及=第二階段部份間之-中介分段之一小徑。^月长貢1之射出成型螺桿，其中該第二階段部份包含沿 著該第二階段部份螺旋狀地延伸之至少—混合刮板，該 2^二，合刮板形成至少—通道，該已混合之至少一物 ' 著°亥第—階段部份經由該至少一通道而被運送至 該螺桿尖部。如請求項7之射出成型螺桿 鋸齒狀雙重混合刮板。 如請求項8之射出成型螺桿 具有一半之螺距。 10·如請求項7之射出成型螺桿 3. 4· 6. 8. 9. 其中該至少一混合刮板係一 其中該鋸齒狀雙重混合刮相 其中該至少一混合刮板係 93795.doc 200520932 鋸齒狀單一混合刮板。 11.如凊求項7之射出成型螺桿 不變螺距之單一混合刮板。 其中該至少一混合刮板係一 12. 13. 如請求項1之射出成型螺桿 混合分段係位於最接近該第 如請求項1之射出成型螺桿， 柱形。 ，其中該至少一混合分段之一 二端點。 其中該縱向本體大致上係圓 14. 如請求们之射出成型螺桿，其另包含—螺桿尖部。 15. 如β求項14之射出成型螺桿，其中該螺桿尖部係一自動 閉合之螺桿尖部。 A Π1求項1之射出成型螺桿’其中該第二端點包含-螺桿 大。Ρ通道纟尺寸被設計且形狀被設計成可供承接該螺 桿尖部之一嚙合端點。 17_如請求項!之射出成型螺桿，其中該第二階段部份另包含 八：於.亥至；一混合分段及一中介分段間之螺旋狀到擦 刀奴而"亥中’丨分段係位在該第一階段部份及該第二 段部份間。 18. 如請求机射出成型螺桿’其中該螺桿具有一大約“ 比1之壓縮比。 19. 如請求項！之射出成型螺桿，其中該螺桿具有—大約u 比1至大約1.7比1之壓縮比。 2〇·如請求項【之射出成型螺桿，其中該螺桿具有—大約q 比1至大約1.49比1之壓縮比，以供混合及擠壓具有非聚合 物接合劑之原料。 Α ^ 93795.doc 200520932 21 22. 23. 24. 25. 26. 月长員1之射出成型螺桿，其中該處理系統包含具有一 上游方向及一下游方向之至少一圓筒。 月東員21之射出成型螺桿，#中當使用時，該壓力限 、元件係被定位於該圓筒上之氣體射出通口位置之上 游0 、月求項1之射出成型螺桿，其中該壓力限制元件係被建 …配置成可於至少一部份射出或喷出循環期間限制經 =處之②至少—物f之上游流動，以便在整個該射出 或贺出循環中將該壓力限制元件下游之該至少一物質維 持在—至少每平方英吋1000磅之壓力。 、、 ^月求項1之射出成型螺桿，其中該壓力限制元件係被建 =置成可於至少一部份射出或喷出循環期間限制經 =之該至少-物質之上游流動，以便在整個該射出 :噴出循環中將該壓力限制元件下游之 至少每平方英相啊之M力。 物貝維 ^ ^ ^ 1 ^^^# ^ ^ ;至V —邛份射出或喷出循 過該處之該至少-物質之上游流動，以便在=:: :::循環:將該壓力限制元件下游之該至少—物質維 、 至少每平方英吋3000磅之壓力。 、 ::=之::至成型螺桿，其中該壓力限制元件係被建 配置成可於至少一部份射出或 :該處之該至少-物質之上游流動，以便在== 或贺出猶環中將該壓力限制元件下游之該至少質 93795.doc 200520932 持在一至少該臨界摩力之遷力，該臨界屬力係供維持該 至少一物質及5亥至少一流體之一單相溶液所需之壓力。 27.如請求項〗之射出成型螺桿，其中該射出成型螺桿在該射 出或喷出循環期間往復運動於一累積位置及一射出位置 之間。 28·如請求項丨之射出成型螺桿，其中當該壓力限制元件下游 之a亥至少一物質之壓力超過該壓力限制元件上游之該至 少-物質之麼力時’該遷力限制元件係被建構並配置成 可限制經過該處之該至少一物質之上游流動。 1如請求…之射出力型螺桿中職力限制元件係被建 構並配置成可大體上在至少—部份該射出或喷出循環期 間可防止該至少一物質之上游流動。 3〇.如請求項！之射出成型螺桿，其中該壓力限制元件包含一 閥門’其被建構並配置在該第—位置中允許該至少一物 質之下游流動經過該處’且在該第二位置中限制該至少 物質之上游流動經過該處。 月长員3G之射出成型螺桿，#中當該閥門下游之該至 :-物質之壓力超過該閱門上游之該至少—物質之壓力 二’該闊門被建構並配置成可由該第一位置移動至該第 一位置。 、、貝3 G之射出成型螺桿，其中該閥P1包含-彈箬； 速推：^件:偏壓’以迫使該閥門由該第-位置士 月求項30之射出成型螺桿，其中該閥門係被建構並运 93795.doc 200520932 置成可大體上於該第二位置中防止該至少一物質之上游 流動經過該處。 34·如請求項30之射出成型螺桿，其中當該閥η由該第一位 置私動至该第二位置時，該閥門係被建構並配置成可於 %間區間允許該至少一物質之受限上游流動經過該 處。 35.如請求項3〇之射出成型螺桿，其中該射出成型螺桿往復 運=在—累積位置及-射出位置之間，且當該射出成型 累桿係於射出位置時，該閥門係於該第二位置中達至 少一部份時間。 月长項30之射出成型螺桿，其中當該射出成型螺桿係 閒置時’關Η係於該第二位置中達至少—部份時間。 37·如吻求項30之射出成型螺桿，其中該閥門包含一環型止 回閥。 $求項37之射出成型螺桿 38 户 ，， ，、· — π 土儿叫叫巴含— Μ表面及-圓環，該圓環係可移動於一與該密封表面 脱離而藉此允許該至少—物質流經該處之第—位置及— =該密封表面喃合而藉此防止該至少一物質之上 經過該處之第二位置之間。 動 39 .:凊求項38之射出成型螺桿’纟中該密封表面包含至少 一部份該射出成型螺桿。 93795.doc