JP2006192647A - 中空構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 樹脂製雄型を使用し、雄型の樹脂の除去を効率的に実施することができる、造形素材による中空構造体の製造方法、及び、該方法のための樹脂製雄型を提供する。
【解決の手段】 雄型を用いて造形素材により前記雄型に対応する形状の空間を有する中空構造体を製造する方法であって、膨張黒鉛を含有するエポキシ樹脂で雄型を形成する工程（Ａ）、前記雄型の外表面に金属層を電鋳で形成する工程（Ｂ）、金属層がその表面に配置された前記雄型の前記樹脂中の膨張黒鉛を膨張させる工程（Ｃ）、及び、含有する膨張黒鉛が膨張された前記雄型を形成する前記樹脂を除去することにより、前記雄型に対応する形状の空間を金属層によって形作る工程（Ｄ）、を少なくとも有することを特徴とする造形素材による中空構造体の製造方法、並びに、雄型。
【選択図】 なし

Description

本発明は、所望の中空形状を有する中空構造体を容易に製造することができる製造方法に関し、詳細には、樹脂からなる雄型の表面に造形素材を配置し、次に、上記樹脂を除去する造形素材による中空構造体の製造方法に関する。

所望の中空形状を有する中空構造体を製造する方法の一つとして、樹脂製の雄型を使用する方法が用いられており、特に、雄型の表面形状を精密に成形することができ、しかも、雄型の機械的強度を確保しつつ軽量化できること等の理由から、樹脂成形用金型等の製造において樹脂製の雄型が一般に使用されている。

上記方法においては、硬化時の収縮が少なく寸法精度の安定性が得られること、機械的強さにすぐれていること、耐摩耗性がよいこと、耐水・耐化学薬品性が高く化学バインダーに対しても使いやすいこと、金属との接着がよく金型や金属構造材との組合せが容易であること、等の理由から、一般に、エポキシ樹脂成形体等を雄型として使用し、その外表面に沿って造形素材層を形成した後、雄型を破砕して外部に掻き出して中空形状を有する中空構造体を製造することが行われてきた。しかしながら、雄型の破砕や掻き出し作業は一般にはかなり困難を伴い、とくに、３次元曲面や逆勾配の型の場合には抜型が不可能な場合があり、手作業にて長時間を要する作業効率の低い工程を余儀なくされていた。

中空構造の樹脂成形体の製造方法としては、水崩壊性樹脂を用いて形成された雄型を使用する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。しかしながら、樹脂層が厚い場合など、水を樹脂に接触させて雄型の樹脂を崩壊させるのに時間がかかる場合があり、樹脂の除去の一層の効率化が望まれていた。
特開平９−２７７２８４号公報

上述の現状に鑑み、本発明は、樹脂製雄型を使用し、雄型の樹脂の除去を効率的に実施することができる、造形素材による中空構造体の製造方法、及び、該方法のための樹脂製雄型を提供することを目的とする。

本発明者は上記課題を解決するために種々検討の結果、膨張性フィラーを使用することにより効率的に雄型の樹脂を除去することが可能であるとの知見を得、これに基づいて本発明を完成した。すなわち、本発明は、雄型を用いて造形素材により上記雄型に対応する形状の空間を有する中空構造体を製造する方法であって、膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂で雄型を形成する工程（Ａ）、上記雄型の外表面に造形素材を配置する工程（Ｂ）、造形素材がその表面に配置された上記雄型の上記樹脂中の膨張性フィラーを膨張させる工程（Ｃ）、及び、含有する膨張性フィラーが膨張された上記雄型を形成する上記樹脂を除去することにより、上記雄型に対応する形状の空間を造形素材によって形作る工程（Ｄ）、を少なくとも有する造形素材による中空構造体の製造方法である。

本発明はまた、膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂からなる雄型の表面に造形素材を配置し、次に、上記膨張性フィラーを膨張させた後、上記樹脂を除去する造形素材による中空構造体の製造方法のための、膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂からなる雄型でもある。

（１）本発明の製造方法は、上述の構成により、従来の方法に比べて短時間に容易に雄型の樹脂を除去することができ、効率よく中空構造体を得ることができる。
（２）本発明の製造方法は、上述の構成により、雄型の樹脂層が厚い場合でも、樹脂層が薄い場合と同程度に速やかに樹脂層の崩壊や解体、あるいは、発泡体化をもたらすので、雄型の樹脂の除去が容易である。
（３）本発明の製造方法は、上述の構成により、従来の方法では適用困難であった大型又は肉厚の樹脂製雄型を使用しつつ、アンダーカット形状等を有する中空形状の中空構造体を効率的に製造することができる。
（４）本発明の樹脂製雄型は、上述の構成により、上記本発明の製造方法に好適に適用することができ、樹脂層が厚い場合でも、樹脂層が薄い場合と同程度に速やかに樹脂層の崩壊や解体、あるいは、発泡体化をもたらすので、雄型の樹脂の除去が容易である。

本明細書中、雄型とは、中空形状を有する中空構造体における該中空形状に対応する外表面形状を有する型をいう。鋳型における中子に該当する。上記中空構造体における中空形状は、閉空間であってもよく、又は、少なくとも一つの開口部を有する開空間であってもよい。後者の場合、上記雄型は、その外表面の少なくとも一部が上記開空間に対応する外表面形状を有する。例えば、所望の凹陥部（すなわち、一つの開口部を有する開空間。開口部がすぼんだ、いわゆる逆テーパ形状であってもよい。）を有する中空構造体を造形素材で形成する場合は、上記雄型の外表面形状を該所望の凹陥部に対応する形状にすればよい。従って、雄型には所望の外表面が形成されていれば充分であるから、膨張性フィラーの膨張を考慮して、雄型自体は中空であってもよく、又は、多層構造（例えば、発泡ウレタン等の圧縮可能な素材をコア部に有し、その外部に熱硬化性樹脂からなるシェル部を有する構造。）であってもよい。なお、上記中空形状が閉空間である場合は、樹脂の掻きだしのために、適宜、中空構造体の一部に開口部を設ければよい。

本明細書中、造形素材とは、中空構造体を形成することができる素材をいう。このような素材としては、例えば、樹脂［例えば、熱硬化性樹脂（例えば、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂、ケイ素樹脂等）、光硬化性樹脂（例えば、ウレタンアクリレ−ト系、エポキシアクリレ−ト系、エステルアクリレ−ト系、アクリレ−ト系、エポキシ系、ビニルエーテル系等）］、金属（例えば、ニッケル、金、銀、銅、プラチナ等）、樹脂複合体（例えば、ＦＲＰ等）等を挙げることができる。

本明細書中、雄型に対応する形状の空間とは、造形素材で囲まれた、雄型の形状を有する空間（キャビティともいう）をいう。上記空間は、正確に雄型の形状を雌型として写し取っているので、樹脂等の成形のための型として使用することができる。例えば、造形素材としてニッケルを用いて電鋳により雄型の外表面に厚い電着層を形成すれば、金型として使用することができる。

本明細書中、膨張性フィラーとは、加熱等の適当な処理により、未処理の場合の体積よりもその見かけの体積が増大するものをいう。このようなものとしては、例えば、樹脂シェルを有して一定温度に達すると内部の物質が気化して膨張する樹脂微粒子（本明細書中、膨張性樹脂微粒子ともいう。）；膨張黒鉛；一定温度に達すると分解し、窒素ガス、炭酸ガス、一酸化炭素、アンモニアガス、水素ガス等を発生させる薬剤粒子（本明細書中、発泡剤ともいう。）等を挙げることができる。

本発明の製造方法における、膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂で雄型を形成する工程（Ａ）において、上記雄型を形成するための熱硬化性樹脂としては特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等を挙げることができる。これらのうち、ウレタン樹脂、エポキシ樹脂が好ましく、硬化時の収縮が少なく、機械強度、耐摩耗性等の観点から、エポキシ樹脂がより好ましい。

上記エポキシ樹脂としてはとくに限定されず、エピクロルヒドリンと活性水素含有化合物とから得られるものや、オレフィン酸化型のものを使用することができ、例えば、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂、グリシジルアミン型エポキシ樹脂、グリシジルエステル型エポキシ樹脂、脂環式エポキシ樹脂等を挙げることができる。

上記エポキシ樹脂に使用する硬化剤としては、エポキシ樹脂の硬化に使用される化合物であれば使用可能であるが、なかでも、アミン系化合物、フェノール系化合物が好ましく、常温で硬化する脂肪族アミン系化合物がより好ましい。

上記アミン系化合物の具体例としては、例えば、ジエチレントリアミン、トリエチレンテトラミン、テトラエチレンペンタミン、ペンタエチレンヘキサミン、ヘキサメチレンジアミン、ジエチルアミノプロピルアミン、トリメチルヘキサメチレンジアミン、ジプロピレントリアミン、トリジメチルアミノメチルフェノール等を挙げることができる。

上記フェノール系化合物としては、例えば、フェノールノボラック系化合物、クレゾールノボラック系化合物、ナフトール系化合物、ビスフェノール系化合物、ハイドロキノン系化合物等を挙げることができる。

上記ウレタン樹脂としては特に限定されず、注型用無発泡ウレタン樹脂等を好適に使用することができる。

上記膨張性フィラーの含有量は、その種類により異なるが、上記熱硬化性樹脂１００重量部に対して、一般には、１〜５０重量部が好ましく、５〜４０重量部がより好ましく、１０〜３０重量部がさらに好ましい。含有量が１重量部より少ないと熱硬化性樹脂の崩壊や解体、膨張化が長時間かかり、５０重量部より多いと、雄型の強度が不足するおそれがある。

上記雄型を形成するための熱硬化性樹脂には、本発明の目的を阻害しないかぎり、必要に応じてその他の添加物を使用することができる。上記その他の添加物としては、例えば、フィラー、シランカップリング剤、カーボンブラック（着色剤）、消泡剤、界面活性剤、硬化促進剤等を挙げることができる。

上記その他の添加物の配合量は、添加物の種類にもよるが、概ね、樹脂組成物中、０．５〜５０重量％が好ましい。

上記雄型の形成は上記熱硬化性樹脂を用いて公知の方法で行うことができ、例えば、ゲルコート法、注型法、造形したガラス繊維に樹脂を含浸させる方法等の方法を採用することができる。この際に、上記熱硬化性樹脂の硬化は、含有する膨張性フィラーの膨張開始温度未満で行うことが好ましい。例えば、膨張黒鉛を使用する場合は、その膨張開始温度は１５０〜３００℃程度であり、膨張性樹脂微粒子を使用する場合は、その膨張開始温度は、例えば、７５〜８５℃程度であるので、室温硬化性、低温硬化性等の硬化温度のものを選択することができる。

上記工程（Ｂ）においては、上述の造形素材を上記雄型の外表面に配置する。ここに、配置するとは、上記造形素材を上記雄型の外表面に存在させることをいい、例えば、注型、塗布、蒸着、電鋳、浸漬、付着、含浸等の上記造形素材に対して周知の好適な方法を用いればよい。例えば、熱硬化性樹脂であれば、塗布、注型等の方法が、光硬化性樹脂であれば、塗布、浸漬等の方法が、金属であれば、蒸着、電鋳等の方法が、樹脂複合体であれば、塗布、含浸等の方法が、それぞれ、挙げられる。

上記工程（Ｃ）において、上記造形素材がその表面に配置された上記雄型の上記樹脂中の膨張性フィラーを膨張させる。上記樹脂中で上記膨張性フィラーを膨張させるためには、上記樹脂のガラス転移温度以上で膨張させることが好ましい。ガラス転移温度以下であると、膨張性フィラーが充分に膨張することができない場合や、膨張に時間がかかる場合がある。このため、膨張性フィラーは、その膨張開始温度が樹脂のガラス転移温度以上であるものを使用することが好ましい。なお、膨張性フィラーの膨張の際には、ガスが発生することがあり、これを効率よく外部に逃がすために、雄型を形成する熱硬化性樹脂の一部が外部に露出していることが好ましく、例えば、上記雄型が、その外表面の少なくとも一部が上記開空間に対応する外表面形状を有しており、残りの外表面が外部に露出していることが好ましく、中空構造で、開口部を有することがより好ましい。上記膨張性フィラーを膨張させる方法としては、加熱により膨張するタイプであれば加熱（例えば、オーブン加熱、電磁加熱等）すればよい。加熱条件としては、温度は、膨張性フィラーの膨張開始温度以上であればよく、一般には１５０〜２００℃程度であり、時間は、一般には１０分〜１時間程度である。

上記工程（Ｄ）において、含有する膨張性フィラーが膨張された上記雄型を形成する上記樹脂を除去することにより、上記雄型に対応する形状の空間を造形素材によって形作る。この工程は、鋳造における中子の解体に相当する。上記工程（Ｃ）で膨張性フィラーを膨張させた雄型を形成する樹脂は、崩壊、解体、又は、スポンジ状若しくはシート状に膨らむ等の変化を来たし、掻き出し等により容易に外部に除去することができる。また、造形素材から雄型を形成する樹脂が、上記工程（Ｃ）を経過することにより、少なくともその一部が剥がれる場合が多いので、剥がれた箇所を引っ張って樹脂を容易に引き剥がすことも可能となる。上記樹脂の除去は、手作業にて行うこともでき、また、必要に応じて、機械装置、例えば、動力式のグラインダー等を使用することもできる。

上記の製造方法の一態様を図１により具体的に説明する。図１中、その１は、型枠１１中にシリコーンゴムで型取りされたモデルの形状の雌型１２があり、この雌型１２は図示しないモデルから型取りしたものである。そして、熱硬化性樹脂をこの雌型１２に注型して雄型１３を形成する。樹脂の硬化後に取り出して、図１中、その２に示すように熱硬化性樹脂１４からなる雄型が得られる。つぎに、図１中、その３に示すように、雄型１６の表面に電鋳により金属層１５を形成する。そして、雄型１６の熱硬化性樹脂中の膨張性フィラーを膨張させる。その後、図１中、その４に示すように、雄型１６の熱硬化性樹脂を掻き出して、金属からなる中空構造体１７を得る。

また、本発明の雄型は、図２中、その１に示すように、熱硬化性樹脂２１で雄型を形成し、その内部を発泡ウレタン等の圧縮可能な素材からなるコア部２２とすることができる。また、その２のごとく、熱硬化性樹脂２３で雄型を形成し、その内部を空洞２４とすることもできる。

かくして、本発明の製造方法により、上記造形素材を用いて所望の中空形状を有する中空構造体を製造することができる。本発明の製造方法においては、さらに、必要に応じて、例えば、上記工程（Ｂ）の前に、電鋳等のために必要な前処理をする工程や、上記工程（Ｂ）において、硬化のための操作をする工程を付加したり、上記工程（Ｄ）の前に、樹脂を掻きだすための開口部を開ける工程、等を適宜組み合わせてもよい。

本発明の製造方法は、各種の中空構造体、例えば、アンダーカット形状等を有していてもよい各種の中空形状を有する中空構造体、具体的には、例えば、樹脂成形用金型、模型や試作品、工芸品等の製造に好適に適用することができる。

以下に実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

以下における略号の意味は以下のとおり。
エポキシ樹脂Ａ：耐熱エポキシ樹脂［ナガセケムテックス社製ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂（ＸＮＲ３３０５）＋ナガセケムテックス社製ポリアミドアミン（ＸＮＨ３３０５）；配合比（重量比）=１００／４０、硬化条件＝８０℃／１時間、Ｔｇ＝９０℃］
エポキシ樹脂Ｂ：可撓性エポキシ樹脂［ナガセケムテックス社製ビスフェノールＡ型液状エポキシ樹脂（ＣＹ２２１）＋ナガセケムテックス社製変性脂肪族アミン（ＨＹ９５６）；配合比（重量比）=１００／２０、硬化条件＝２５℃／２４時間、Ｔｇ＝１０℃］
ウレタン樹脂：ナガセケムテックス社製変性イソシアネート（ＸＮＲ７７１１）＋ナガセケムテックス社製変性ポリオール（ＸＮＨ７７１１）；配合比（重量比）=１００／２５０、硬化条件＝２５℃／２４時間、Ｔｇ＝２０℃
膨張性フィラーＡ：膨張性樹脂微粒子、松本油脂製薬社製、膨張開始温度７５〜８５℃、最高膨張温度１２０〜１３０℃
膨張性フィラーＢ：発泡剤（４，４′−オキシビス（ベンゼンスルホニルヒドラジド））、永和化成社製、分解温度１５５〜１６５℃
膨張性フィラーＣ：膨張黒鉛、膨張開始温度１５０℃、膨張容積２００〜３００ｍｌ／ｇ

実施例１〜８
膨張性フィラーの解体性
表１の配合（重量％）で各成分を混合撹拌し、膨張性フィラー含有の樹脂組成物を調製した。φ４０の金属容器に得られた各樹脂組成物を厚さ５ｍｍになるよう形成した後、規定の条件で硬化させ、２００℃の熱風循環式炉に３０分置いて膨張性フィラーを膨張させ、硬化樹脂の解体性を観察した。解体性の評価は下記のとおり。
Ａ：ボロボロになって解体している
Ｂ：大きく膨らんでおり力をかければ容易に解体
Ｃ：膨らんでおり、力をかければ解体可能
結果を表１に示した。

実施例９
中子樹脂の除去性
実施例５で得られた樹脂組成物をステンレス製コップの内部に厚さ３０ｍｍになるように形成し、硬化させて、模擬中子を作成した。硬化後、オーブンで３０分間、２００℃に加熱した。オーブンから取り出して硬化樹脂を調べたところ、樹脂はボロボロに崩れて、スパチュラーで容易に模擬中空構造体のステンレス製コップから掻きだすことができた。

本発明の製造方法は、例えば、スラッシュ成形用金型等のアンダーカット形状等を有する中空形状の構造体を従来の方法に比べて短時間かつ容易に製造することができる。また、本発明の雄型は、本発明の製造方法に適用して、極めて容易に除去することができるので、中空構造体を効率的に製造することが可能である。

本発明の製造方法の概略図。 図中の１は本発明の雄型の２層構造の態様を表す概念図であり、図中の２は本発明の雄型の中空構造の態様を表す概念図。

符号の説明

１１．型枠
１２．シリコーンゴムで型取りされたモデルの形状の雌型
１３．熱硬化性樹脂を注型してなる雄型
１４．熱硬化性樹脂
１５．電鋳された金属層
１６．膨張性フィラーを膨張させた熱硬化性樹脂からなる雄型
１７．型取りされたモデルの形状のキャビティを有する中空構造体
２１．熱硬化性樹脂
２２．発泡化樹脂からなるコア部
２３．熱硬化性樹脂
２４．空洞

Claims (6)

1. 雄型を用いて造形素材により前記雄型に対応する形状の空間を有する中空構造体を製造する方法であって、膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂で雄型を形成する工程（Ａ）、前記雄型の外表面に造形素材を配置する工程（Ｂ）、造形素材がその表面に配置された前記雄型の前記樹脂中の膨張性フィラーを膨張させる工程（Ｃ）、及び、含有する膨張性フィラーが膨張された前記雄型を形成する前記樹脂を除去することにより、前記雄型に対応する形状の空間を造形素材によって形作る工程（Ｄ）、を少なくとも有することを特徴とする造形素材による中空構造体の製造方法。
2. 前記雄型は、中空構造である請求項１記載の製造方法。
3. 前記造形素材として金属を電鋳により雄型の表面に配置する請求項１又は２記載の製造方法。
4. 膨張性フィラーは、膨張黒鉛又は膨張性樹脂微粒子である請求項１〜３のいずれか記載の製方法。
5. 熱硬化性樹脂は、エポキシ樹脂又はウレタン樹脂である請求項１〜４のいずれか記載の製造方法。
6. 膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂からなる雄型の表面に造形素材を配置し、次に、前記膨張性フィラーを膨張させた後、前記樹脂を除去する造形素材による中空構造体の製造方法のための、膨張性フィラーを含有する熱硬化性樹脂からなる雄型。
   

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