JP2006026922A

JP2006026922A - 成形機

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Publication number: JP2006026922A
Application number: JP2004204622A
Authority: JP
Inventors: Yoshiya Taniguchi; 吉哉谷口
Original assignee: Toyo Machinery and Metal Co Ltd
Current assignee: Toyo Machinery and Metal Co Ltd
Priority date: 2004-07-12
Filing date: 2004-07-12
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-07-12
Also published as: JP4414829B2

Abstract

【課題】カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料を用いて、その両面に複数の溝をもつ板状の成形品を加熱圧縮成形により成形する成形機において、成形品の密度を均一にすること。
【解決手段】カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料を用いて、その両面に複数の溝をもつ板状の成形品を加熱圧縮成形により成形する成形機において、可動側金型が上下方向に移動する縦型の型開閉機構をもち、固定側金型または可動側金型のいずれか一方の金型に、底面に複数の突条を形成した凹部を設け、他方の金型に、凹部に入れ／出し可能であるとともにその表面に複数の突条を形成した凸部を設けて、両金型が離間した状態において凹部内に供給された成形原料を、凹部に凸部が所定量入り込み、かつ、両金型で形成される密閉空間の厚さが、成形品の厚みよりも所定量大きい状態で、前記金型を振動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料、例えばカーボン微粒子の表面に樹脂をコーティングした成形原料を用いて加熱圧縮成形を行う成形機に係り、特に、燃料電池のセパレータのように、その両面に複数の溝をもつ板状の成形品を成形するのに好適な成形機に関する。

燃料電池（例えば、固体高分子型燃料電池（Polymer Electrolyte Fuel Cell））に用いられるセパレータには、その両面に複数の溝が形成されたものがあり、このような、燃料電池のセパレータの作製手法としては、カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料を、成形機で加熱圧縮成形することによりセパレータを得る手法がある。

図４は、その表裏に複数の溝を有するセパレータを、粉末状の成形原料を加熱圧縮成形することによって作製する、従来の手法を示す図である。

図４において、１０１は、図示せぬ固定ダイプレートに搭載された固定側金型、１０１ｂは、セパレータの一面に複数の溝を形成するために、固定側金型１０１の凹部１０１ａの底面に形成された複数の突条、１０２は、図示せぬ可動ダイプレートに搭載され、可動ダイプレートと共に上下動する可動側金型、１０２ｂは、セパレータの他の一面に複数の溝を形成するために、可動側金型１０２の凸部１０２ａの表面に形成された複数の突条、１０３は、カーボン微粒子の表面にフェノール系樹脂をコーティングしてなる粉末状の成形原料である。

図４に示す従来の手法では、図示せぬ型開き状態において、適宜の手段により一定量の成形原料１０３が固定側金型１０１の凹部１０１ａに供給され、この後、型閉じ（型締め）動作が開始されて、可動側金型１０２が固定側金型１０１に向かって下降する（図４の（ａ））。型閉じ動作が進行すると、可動側金型１０２の突条１０２ｂの表面が成形原料１０３の表面に接触し（図４の（ｂ））、次に、突条１０２ｂが成形原料１０３内に食い込み、ＰＬ面（金型パーティングライン面）が閉じられた型閉じ完了状態（型締め状態では）では、成形原料１０３はセパレータの厚みに相当する厚みまで圧縮され（図４の（ｃ））、この状態で所定時間の間加熱を行うことで、図４の（ｃ）に示すような成形品としてのセパレータ１０４を得るようになっている。

成形品をフェノール系樹脂のような熱硬化性樹脂を用いて成形する場合、一般的に加熱圧縮成形法が用いられ、この加熱圧縮成形法は、熱可塑性樹脂を用いる射出成形法に較べると、１成形サイクル時間は長いものの、射出成形法のように溶融樹脂が射出されると即座にその表面がスキン層として固化し始めることがないので、薄肉でかつ多数の溝が有する燃料電池のセパレータなどへの適用では、金型転写性の面で優れている。

ところで、図４に示した従来の手法では、図４の（ａ）に示す状態では、固定側金型１０１の突条１０１ｂの間には成形原料１０３が入り込んでいるが、可動側金型１０２側には未だ成形原料１０３は非接触状態にあり、この状態から型閉じ動作の進行に伴い、可動側金型１０２の突条１０２ｂが成形原料１０３内に食い込みことになるので、このような成形原料１０３への圧縮過程で成形原料１０３に密な部分と粗な部分とを生じて、成形品としてのセパレータ１０４の密度が不均一になるという問題があった。

本発明は上記の点に鑑みなされたもので、その目的とするところは、カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料を用いて、その両面に複数の溝をもつ板状の成形品を加熱圧縮成形により成形する成形機において、成形品の密度を均一にして、良品成形を達成できるようにすることにある。

本発明は上記した目的を達成するため、カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料を用いて、その両面に複数の溝をもつ板状の成形品を加熱圧縮成形により成形する成形機において、可動側金型が上下方向に移動する縦型の型開閉機構をもち、固定側金型または可動側金型のいずれか一方の金型に、底面に複数の突条を形成した凹部を設け、他方の金型に、前記凹部に入れ／出し可能であるとともにその表面に複数の突条を形成した凸部を設けて、前記両金型が離間した状態において前記凹部内に供給された成形原料を、前記凹部に前記凸部が所定量入り込み、かつ、両金型で形成される密閉空間の厚さが、前記成形品の厚みよりも所定量大きい状態で、前記金型を振動させるように、構成する。

一方の金型の凹部に他方の金型の凸部が所定量入り込み、かつ、両金型で形成される密閉空間の厚さが、成形品の厚みよりも所定量大きい状態（例えば、成形品の全体厚みの略３倍程度前後の厚み）で、金型を振動させると、成形原料の供給時点では成形原料に触れていない他方の金型の凸部表面の突条間の隙間の隅々まで、成形原料が均一に行き渡って、成形原料を圧縮する前の該成形原料の密度（粉末密度）を均一な状態とすることができる。したがって、この均一な密度の粉末状の成形原料を圧縮して加熱して得られる成形品は、可及的に均一な密度をもつものとなり、品質に優れた成形品を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を、図面を用いて説明する。

図１は、本発明の一実施形態（以下、本実施形態と記す）に係る成形機の要部構成を示す図である。なお、本実施形態は、成形品としてその両面に複数の溝を有する板状のセパレータ（燃料電池のセパレータ）を、加熱圧縮成形により成形する成形機への適用例である。

本実施形態の成形機は縦型の（可動側金型が上下方向に移動するタイプの）型開閉機構をもつマシンとなっており、図１において、１は固定ダイプレート、２は、タイバー３に挿通・案内されて上下動可能な可動ダイプレート、４は、図示せぬ保持プレート（テールストック）に搭載された型開閉用サーボモータ、５は、図示せぬ保持プレートにその回転部を回転可能に保持され、型開閉用サーボモータ４の回転を直線運動に変換するボールネジ機構、６は、図示せぬ保持プレートと可動ダイプレート２とにそれぞれ連結され、ボールネジ機構５の直線運動部により伸張または折り畳み駆動されて、可動ダイプレート２を図示上下方向に前後進駆動するトグルリンク機構、７は、固定ダイプレート１に搭載された固定側金型、７ａは固定側金型７の凸部、７ｂは、セパレータの一面に複数の溝を形成するために、凸部７ａの表面上に形成された複数の突条、８は、可動ダイプレート２に搭載された可動側金型、８ａは、固定側金型７の凸部７ａが入れ／出し可能な可動側金型８の凹部、８ｂは、セパレータの他の一面に複数の溝を形成するために、凹部８ａの底面に形成された複数の突条、９は、固定ダイプレート１に搭載され、図示していないが振動発生用サーボモータと該サーボモータの回転を直線運動に変換するボールネジ機構と該ボールネジ機構で微小往復駆動されて固定側金型７に衝合する微小往復動部材とを備えた、固定側金型７に振動を与えるための振動発生部、１０は、可動ダイプレート２に搭載され、図示していないが振動発生用サーボモータと該サーボモータの回転を直線運動に変換するボールネジ機構と該ボールネジ機構で微小往復駆動されて可動側金型８に衝合する微小往復動部材とを備えた、可動側金型８に振動を与えるための振動発生部、１１は、型開き状態にある際に、可動側金型８の凹部８ａ内に形成原料（カーボン微粒子の表面にフェノール系樹脂をコーティングしてなる粉末状の成形原料）を供給する成形原料供給装置である。

図２は本実施形態の成形原料供給装置１１を示す図で、本実施形態の成形原料供給装置１１は、図１に示すように、成形機の縦型の型開閉系メカニズム（型開閉機構）の側方に配置されている。

図２において、２１は、成形原料供給装置１１の全体を保持した適宜のベース部材、２２は、ベース部材２１上に設けられ、成形原料供給装置１１の主体部を、図１、図２において左右方向（Ｘ方向）および紙面と直交する方向（Ｙ方向）に移送する、例えばサーボモータを駆動源とするＸ・Ｙ方向駆動部、２３は、Ｘ・Ｙ方向駆動部２２の可動部材上に取り付けられた保持ブロック、２４は、保持ブロック２３に取り付けられたスリーブ、２５は、スリーブ２４の先端に取り付けられた第１の原料供給筒、２６は、スリーブ２４に支持材２７を介して保持され、第１の原料供給筒２５から落下してくる成形原料を、１成形サイクル分の分量に相当する量だけ計量して、計量した成形原料を例えば電磁駆動される開閉扉を通じて所定のタイミングで落下させる計量供給部、２８は、計量供給部２６に接続され、計量供給部２６から落下してくる成形原料を、可動側金型８の凹部８ａ内に供給するための第２の原料供給筒、２９は、スリーブ２４内に回転可能に保持された原料搬送用のスクリュー、３０は、スクリュー２９の基端部に固着されるとともに、保持ブロック２３に軸受けを介して回転可能に保持された回転体、３１は、回転体３０に固着されるとともに、図示せぬサーボモータの回転が伝達される被動プーリ、３２は、図示せぬ形成原料貯蔵部から例えば搬送チューブなどを通して成形原料が導入されるホッパー、２３ａ、２４ａは、ホッパー３２からの成形原料をスリーブ２４の基部側内部に導入するために、保持ブロック２３、スリーブ２４にそれぞれ穿設された原料導入穴である。

図２に示す構成において、ホッパー３２からスリーブ２４の基部側内部に落下した成形原料は、図示せぬサーボモータによって被動プーリ３１、回転体３０を介してスクリュー２９が所定方向に回転駆動されることで、スクリュー２９のネジ送り作用によってスクリュー２９の前方側に移送され、第１の原料供給筒２５を経て計量供給部２６に送り込まれて、計量供給部２６によって１成形サイクル分の分量に相当する量の成形原料が計量される。そして、金型内への成形原料の供給タイミングに至ると、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、計量供給部２６が計量した成形原料を落下させ、第２の原料供給筒２８を通じて成形原料が金型内（可動側金型８の凹部８ａ内）に供給される。

また、図２に示す構成において、成形原料の金型内への供給の前の所定時点に至ると、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、Ｘ・Ｙ方向駆動部２２によって成形原料供給装置１１の主体部が図２で左方向に前進駆動され、これにより、成形原料供給装置１１の第２の原料供給筒２８の先端を、型開き状態にある可動側金型８の凹部８ｂの上方近傍に位置付けるようになっている。この後、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、計量供給部２６が計量した成形原料を落下させると同時に、Ｘ・Ｙ方向駆動部２２によって成形原料供給装置１１の主体部がＸ方向およびＹ方向に適宜駆動されて、第２の原料供給筒２８の先端が可動側金型８の凹部８ａの上方で面内移動され、これにより、可動側金型８の凹部８ａ内に、成形原料を均等に供給するようになっている。そして、成形原料の金型内への供給が完了すると、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、Ｘ・Ｙ方向駆動部２２によって成形原料供給装置１１の主体部が図２で右方向に後退駆動され、これにより、成形原料供給装置１１は、型閉じ動作の障害とならない所定の待機状態におかれるようになっている。

図３は、本実施形態の成形機によりセパレータを成形する様子を模式的に示す図である。型開き状態にある際に、成形原料供給装置１１によって、上記したように可動側金型８の凹部８ａ内に成形原料１２が一定量だけ均等に供給され、成形原料供給装置１１が待機位置に離脱した後、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、型開閉用サーボモータ４が駆動制御されて、可動ダイプレート２が型閉じ方向に移送され、可動側金型８が上昇する（図３の（ａ））。

可動側金型８の上昇に伴い、可動側金型の凹部８ａに固定側金型７の凸部７ａが嵌り込むと、両金型７、８によって密閉空間が形成され、やがて、可動側金型の凹部８ａの成形原料１２に固定側金型７の突条７ｂが触れる状態となると（図３の（ｂ））、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、型閉じ速度は急減速されて、極めて低速の型閉じ速度に切り替えられると同時に、前記した図１の振動発生部９、１０が駆動制御されて、これにより固定側金型７と可動側金型８が、例えば数１０μｍのストロークでかつ数１０Ｈｚの往復周期で高速に振動駆動される（図３の（ｃ））。

上記の両金型７、８を振動させながらの超低速の型閉じ動作は、可動側金型８と固定側金型７とで形成される密閉空間の厚みが、セパレータの全厚みよりも所定量大きな状態（例えば、セパレータの全厚みの２〜４倍の状態）で行われ、この両金型７、８を振動させながらの超低速の型閉じ動作によって、成形原料１２の供給時点では成形原料１２に触れていない、固定側金型７の突条７ｂ間の隙間の隅々まで成形原料１２が均一に行き渡る（図３の（ｄ））。

固定側金型７の突条７ｂ間の隙間の隅々まで成形原料１２が均一に行き渡った後（図３の（ｄ）の状態となった後）、成形機の図示せぬコントローラからの指示により、振動発生部９、１０による振動発生は停止されるとともに、型開閉用サーボモータ４の駆動によって、可動側金型８をセパレータの形状を規定する位置（成形空間（密閉空間）の厚みがセパレータの厚みとなる位置）まで所定の速度で移動させて、固定側金型７と可動側金型８のＰＬ面を閉じ切るとともに、所期の型締め力を発生させて、成形空間内の成形原料１２に圧縮力を付与する。また、この型締め状態では、両金型７、８に内蔵された図示せぬヒータにより成形空間内の成形原料を所定温度で加熱する（図３の（ｅ））。このような、加熱圧縮を例えば５分間程度行うことにより、カーボン微粒子の表面にフェノール系樹脂をコーティングしてなる粉末状の成形原料は、完全に一体化し、この後、所定の冷却時間をおくことにより、成形品としての導電性をもつセパレータ４１が作製される。

このような手法をとる本実施形態では、成形原料１２を圧縮する前に、成形原料１２の供給時点では成形原料１２に触れていない、固定側金型７の突条７ｂ間の隙間の隅々まで、成形原料１２が均一に行き渡って、成形原料１２を圧縮する前の該成形原料１２の密度（粉末密度）を均一な状態とすることができる。したがって、この均一な密度の粉末状の成形原料１２を圧縮して加熱して得られるセパレータ４１は、図３の（ｅ）に示すように、可及的に均一な密度をもつものとなり、品質に優れたセパレータを得ることができる。

なお、上述した実施形態では、固定側金型７に凸部７ａを設け、可動側金型８に凹部８ａを設けて、型閉じ動作で可動側金型８を上昇させるように構成としているが、固定側金型に凹部を設け可動側金型に凸部を設けて、型閉じ動作で可動側金型を固定側金型に向けて下降させるように構成してもよい。

また、上述した実施形態では、粉末搬送用のスクリューを用いた成形原料供給装置１１の例を示したが、成形原料供給装置はこれに限るものではなく、１成形サイクル分の計量した一定量の成形原料を、１成形サイクル毎に、自動的に供給可能な構成であれば、どのような構成の成形原料供給装置でも採用可能である。

本発明の一実施形態に係る成形機の要部構成を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る成形機で用いる成形原料供給装置の構成を示す説明図である。本発明の一実施形態に係る成形機における、成形プロセスの概略を示す説明図である。従来技術による加熱圧縮成形の様子を示す説明図である。

符号の説明

１固定ダイプレート
２可動ダイプレート
３タイバー
４型開閉用サーボモータ
５ボールネジ機構
６トグルリンク機構
７固定側金型
７ａ凸部
７ｂ突条
８可動側金型
８ａ凹部
８ｂ突条
９、１０振動発生部
１１成形原料供給装置
１２成形原料
２１ベース部材
２２Ｘ・Ｙ方向駆動部
２３保持ブロック
２３ａ原料導入穴
２４スリーブ
２４ａ原料導入穴
２５第１の原料供給筒
２６計量供給部
２７支持材
２８第２の原料供給筒
２９スクリュー
３０回転体
３１被動プーリ
３２ホッパー
４１セパレータ

Claims

カーボンと樹脂とを含んだ粉末状の成形原料を用いて、その両面に複数の溝をもつ板状の成形品を加熱圧縮成形により成形する成形機において、
可動側金型が上下方向に移動する縦型の型開閉機構をもち、
固定側金型または可動側金型のいずれか一方の金型に、底面に複数の突条を形成した凹部を設け、他方の金型に、前記凹部に入れ／出し可能であるとともにその表面に複数の突条を形成した凸部を設けて、
前記両金型が離間した状態において前記凹部内に供給された成形原料を、前記凹部に前記凸部が所定量入り込み、かつ、両金型で形成される密閉空間の厚さが、前記成形品の厚みよりも所定量大きい状態で、前記金型を振動させることを特徴とする成形機。
請求項１に記載の成形機において、
型閉じ途上に前記金型を振動させることを特徴とする成形機。
請求項１に記載の成形機において、
前記金型の振動の駆動源は、サーボモータであることを特徴とする成形機。
請求項１に記載の成形機において、
前記成形原料は、カーボン微粒子の表面にフェノール系樹脂をコーティングしたものであり、前記成形品は、その表裏に複数の溝を有する燃料電池のセパレータであることを特徴とする成形機。