JP2009107307A - 射出成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】成形品をより均一に冷却し短い冷却時間で成形品内の温度差を１℃未満にすることができる射出成形用金型を提供することを目的とする。
【解決手段】金型基体面と入れ子面の間を複数の支柱（７）で支え、この間を熱媒体流路（８）としたものであり、従来の配管構造よりも熱媒体流路の面積がより大きなことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、樹脂成形品を均一に冷却するための熱媒体流路を有した射出成形用金型に関するものである。

プラスチックレンズが本格的に開発され、普及したのは１９８０年代からである。初期は品質も悪く、用途は限られていたが、非球面加工機、非球面形状測定器、射出成型機の高精度化に伴い、高品質化が進んだことで産業界での用途も急激に増加している。プラスチックレンズの用途は様々であるが、カメラ分野ではファインダ系、測光系、測距系は、ほぼ１００％プラスチック化されている。また、要求制度が高い撮影用のレンズにもプラスチック非球面レンズが使用され、カメラの小型化・軽量化に大きく寄与している。近年のデジタルカメラの急激な普及に伴い、使用量も拡大している。また、事務機分野ではｆ−Θレンズ、レンズアレイ、プロジェクタ用レンズ等、大型かつ高精度なもののプラスチック化が進展しており、従来はガラスでしか作成できなかったが、成形法の改良により高精度かつ低複屈折化を実現し、実用化している。

この非球面レンズを射出成形するにあたっては、樹脂を溶融させた後、ガラス転移点温度以下に保たれた金型に射出成形する方法が行われている。しかしながら、成形品取り出し時に、成形品面内に温度分布があると残留応力のため、レンズにヒケやソリが生じ良好な光学特性が得られない。例えば所定の収差内に収まらないという問題点がある。

これをを防止するために、成形品面内の温度分布が均一となるように金型内で長い時間冷却をしなければいけない。特に、プロジェクタ用レンズ等のφ１００ｍｍにも及ぶ大径のレンズでは面内での温度分布が生じやすく、ヒケやソリ防止のために長時間の冷却が必要であるため、その傾向が強くなる。また、成形品と金型との接触時間が長くなるので、金型が酸化され易く、金型寿命が短くなってしまうという問題点がある。

特許文献１には、図１０に示すように成形品を均一にかつ迅速に冷却するために、入れ子５０にリブ５１を形成して強度を持たせ、金型基体５２との間に多数の熱媒体流路５３，５４，５５，５６を形成したものが提案されている。図９はこの入れ子５０を使用する射出成形用金型の全体を示している。特許文献１の射出成形用金型は、金型基体５２に入れ子５０を取り付けた固定側金型５７と、金型基体５８に雄金型部５９を取り付けた可動側金型６０とからなっており、媒体入口６１から熱媒体を供給して入れ子５０と熱交換して媒体出口６２から放出している。
特開２００２−１７７０号公報（図１〜図４）

しかし、特許文献１に記載している金型の熱媒体流路は従来の汎用的に用いられている熱媒体流路と同様、直線的な配管構造であるため、配管の在る箇所と無い箇所では、温度差が生じていた。このため高精度な温度調節が必要な成形品、例えば非球面レンズを成形するときには、金型からレンズを取り出す際のレンズ内の温度バラツキが１℃以上あると残留応力のためヒケやソリが生じ、これによりレンズの収差が所定の値を満たせず成形不良となっていた。これを解決するには冷却時間を長くするしか方法が無く、冷却時間を短くするとレンズ内に温度バラツキがあるため残留応力が生じ、良好な光学特性が得られない、例えば所定の収差内に収まらないという問題点がある。

本発明は、成形品をより均一に冷却し短い冷却時間で成形品内の温度差を１℃未満にすることで残留応力を低減し、成形不良を減少させることができる射出成形用金型の提供を目的とする。

本発明の請求項１記載の射出成形用金型は、固定側金型と可動側金型とからなる射出成形用金型であって、固定側金型と可動側金型の少なくとも一方には、入れ子の背面と金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に熱冷媒流路を形成し、前記熱冷媒流路に熱冷媒を通過させて前記入れ子を冷却するよう構成したことを特徴とする。

本発明の請求項２記載の射出成形用金型は、請求項１において、前記金型基体は、入れ子の背面とその外周を取り囲む矩形形状で、熱冷媒流路に流入する熱媒体の入口側の壁面である熱媒体入口壁面と、熱冷媒流路から流出する熱媒体の出口側の壁面である熱媒体出口壁面と、熱媒体入口壁面と熱媒体出口壁面に隣接する壁面である第一壁面と、第一壁面に対向する壁面である第二壁面とを有しており、入れ子の背面と金型基体の間に設けられた前記支柱を、前記熱媒体入口壁面と平行に並べて配置され、熱媒体入口壁面と平行な支柱の並びを行、この行に直交する支柱の並びを列と定義したとき、第一壁面及び第二壁面と、第一壁面及び第二壁面に最も近い列との距離が０〜５ｍｍであり、行内の隣り合う支柱の中心を結ぶ直線の垂直二等分線上に、隣り合う行の支柱の中心点がくるように前記支柱を配置し、熱媒体入口と熱媒体出口の開口率がそれぞれ３０％以上８５．５４％未満、開口数が３つ以上であり、行内の隣り合う支柱間の距離をＬ、支柱の高さをＨとしたとき、ＬとＨの関係が１≦Ｈ／Ｌ≦３であることを特徴とする。

本発明の請求項３記載の射出成形用金型は、請求項１または請求項２において、第１金型基体に第１入れ子を取り付けた固定側金型と、第２金型基体に第２入れ子を取り付けた可動側金型とからなる射出成形用金型であって、第１入れ子の背面と第１金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に形成された第１熱冷媒流路と、第２入れ子の背面と第２金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に形成された第２熱冷媒流路とを設け、前記第１熱冷媒流路と第２熱冷媒流路にそれぞれ熱冷媒を通過させて第１入れ子と第２入れ子を冷却するよう構成したことを特徴とする。

本発明によれば、冷却時間を短縮するとともに、成形品の温度差を最小限に抑え、ヒケやソリといった成形不良を低減することができる。また、熱媒体流路の面積が大きいので金型温度を急冷却・急昇温することも可能であり、ヒートサイクル成形にも適用可能である。

本発明の実施の形態について、図１〜図８に基づいて説明する。
図１は本発明の射出成形用金型の型開き時を示し、固定側金型１と可動側金型２０とで構成されている。図２は型閉じ時を示している。

固定側金型１は図示しない固定プラテンにボルトによって取り付けられており、可動側金型２０は図示しない可動プラテンにボルトによって取り付けられている。
固定側金型１は、固定側第１ベースプレート２と、固定側第１ベースプレート２にボルトによって固定された固定側第２ベースプレート３と、固定側第２ベースプレート３にボルトによって固定された固定側第３ベースプレート４と、固定側第３ベースプレート４の凹部に配設されて固定側第３ベースプレート４にボルトにより固定される第１金型基体５と、第１金型基体５に固定される第１入れ子６と、第１金型基体５と第１入れ子６の間を支える支柱７と、支柱７と支柱７の間に設けられた熱媒体流路８と、固定側第１ベースプレート２の固定プラテン寄りに設けられ固定側第１ベースプレート２を前記固定プラテンに対して位置決めするロケートリング９と、ロケートリング９に隣設して配設されたスプルーブッシュ１０とから成る。そして、スプルーブッシュ１０の中心には図示しない射出ノズルから射出される合成樹脂材料を通すためのスプルー１１が形成される。１２は第３ベースプレート４に４本設けられるガイドで、中央部にはガイド孔が開設されている。１３は媒体入口、１４は同じく媒体出口である。

一方、可動側金型２０は、可動側第１ベースプレート２１と、該可動側第１ベースプレート２１にボルトによって固定された可動側第２ベースプレート２２（イジェクタプレート）と、可動側第２ベースプレート２２をその一部が囲むように配設された可動側第３ベースプレート２３と、可動側第３ベースプレート２３を囲むように可動側第１ベースプレート２１にボルトによって固定された可動側第４ベースプレート２４と、可動側第４ベースプレート２４及び可動側第３ベースプレート２３にボルトによって固定された可動側第５ベースプレート２５と、可動側第５ベースプレート２５の凹部に嵌合して可動側第５ベースプレート２５に固定される第２金型基体２６と、第２金型基体２６に固定される第２入れ子２７と、第２金型基体２６と第２入れ子２７の間を支える支柱２８と、支柱と支柱の間に設けられた熱媒体流路２９と可動側第４ベースプレート２４に固定され固定側金型１のガイド１２のガイド孔に挿入するガイド棒３０とから成る。３１は媒体入口、３２は媒体出口である。３３はイジェクターピンで、型開き時に第２入れ子２７と固定側金型１の側の第１入れ子６との間のキャビティ内で成形された成形品を入れ子２６から離型するためのものである。

図３（ａ）（ｂ）はキャビティ上型の平面図と一部破断図で、この図３に基づき、固定側金型１について詳述する。
図３（ａ）は、第１金型基体５、第１入れ子６、複数の支柱７、第一壁面３４、第二壁面３５、熱媒体入口壁面３６、熱媒体出口壁面３７からなるキャビティ上型３８の温度調節部の一部を破断した図である。

この温度調節部は、第１入れ子６の製品形状面の裏面と第１金型基体５との空間に、複数の支柱７、第一壁面３４、第二壁面３５、熱媒体入口壁面３６、熱媒体出口壁面３７を有し、支柱と支柱の間の空間を熱媒体流路８とするものである。ここで、溶融樹脂を前記金型に射出する際、キャビティ上型３８には最大で約６０ＭＰａの射出圧力・保圧力がかかる。

そこで、このキャビティ上型３８のヤング率を２０７４８２ＭＰａ、０．２％耐力を基準として、支柱７の必要な面積を計算すると、１４．４６％以上の占有率が必要になることがわかった。よって、第１金型基体５と第１入れ子６の間の空間における支柱７の面積比は１４．４６％以上を基本とした。

また、このとき第１入れ子６が撓まないように、入れ子の厚みは３ｍｍ以上、支柱間は１３ｍｍ以下にする必要がある。なお、可動側金型２０における、第２金型基体２６、第２入れ子２７、支柱２８も同様の構成である。

以上の構成により成形時には、可動側金型２０のガイド棒３０が固定側金型１のガイド１２のガイド孔に挿入して、固定側金型１と可動側金型２０とが型閉めされて、図示しない射出ノズルをスプルーブッシュ１０に通して、樹脂材料をスプルー１１を介して前記第１入れ子６と第２入れ子２７との間のキャビティ内に射出注入する。

（ 実 施 例 ）
熱流体解析ソフトウェア・ＥＦＤ．Ｌａｂ・株式会社構造計画研究所を用いて、キャビティ上型３８内の熱媒体の流速を求める。条件として図４に示すように、第一壁面３４及び第二壁面３５の長さＡを３００ｍｍ、熱媒体入口壁面３６及び熱媒体出口壁面３７の長さＢを３００ｍｍ（側壁３４と熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７で囲まれた四角形の面積を９０ｃｍ^２）、第一壁面３４及び第二壁面３５、熱媒体入口壁面３６及び熱媒体出口壁面３７の厚みＣを１０ｍｍ、支柱７の直径Ｄを１０ｍｍ、行内の隣り合う支柱７間の距離Ｅを１０ｍｍ、列内の隣り合う支柱７間の距離Ｆを１０ｍｍ、支柱７の高さをＧ３０ｍｍ、熱媒体入口壁面３６に平行な支柱７の並びを行とし、１行目、２行目、３行目・・・と定義し１４行目まで、この行に直交する支柱７の並びを列として、１列目、２列目、３列目・・・と意義し、１４列目まで（１４行×１４列より全支柱数：１８２本、第１金型基体５と第１入れ子６の間の空間における支柱７の面積比は１７．０９％）、第一壁面３４及び第二壁面３５と、第一壁面３４及び第二壁面３５に最も近い列との距離Ｈを１５ｍｍ、入れ子６の厚みＩを５ｍｍ、媒体入口１３は横Ｊが３０ｍｍ、縦Ｋが３０ｍｍであり、これを３つ配置、媒体出口１４も同様に３つ配置し、各媒体入口１３及び媒体出口１４の間Ｌを、等間隔に５２．５ｍｍずつあけ、熱媒体の流速の分布を計算した。各熱媒体入口１３からは１ｍ／ｓｅｃの速度で１３０℃の加圧水を流した。

図５に熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７の中間に図示した線Ｌ−Ｌの断面の流速をグラフとして記す。図５に示すように、第一壁面３４から横方向の各熱媒体流路８に８_１，８_２，８_３，・・・・・・，８_１５ と符号を付けて、その測定結果をグラフにプロットした結果、８_６と８_１０一番流速が遅く０．２ｍ／ｓｅｃであり、８_１と８_１５が一番流速が速く１．０ｍ／ｓｅｃであることがわかった。以下、一番流速が遅い点を点ａ、一番流速が速い点を点ｂとする。

次に上記のシミュレーションで得られた流速の条件を用いて、成形品である非球面レンズの温度の経時変化を、自作の温度シミュレータを用いて計算する。樹脂には三井化学製のアペル（ＡＰＬ５０１４ＤＰ）を用い、樹脂を射出時の温度は２７０℃とする。射出成形用金型に樹脂を射出してから金型の型開きまでの時間を冷却時間として、この冷却時間を、従来例で良品のとれる最短時間、つまり樹脂温度分布が１℃以内に収まり、収差が所定の値に収まる最短時間である３０秒から、２０秒に短縮してシミュレーションを行う。

その計算の結果、この時の取り出し時の樹脂温度はａ点に接している樹脂面が１３３．４８℃、ｂ点に接している樹脂面が１３１．５４ ℃と温度差が約１．９℃ほどあり、成形品である非球面レンズ内の温度差が１℃よりも大きいため、成形品内に残留応力が生じ満足な収差が得られないと考えられる。

次に熱媒体の流れを均一化するために、第一壁面３４及び第二壁面３５と、第一壁面３４及び第二壁面３５に最も近い列との距離を１５ｍｍから、０、２、４、５、６、１０ｍｍと変え、シミュレーションで流速を測定した。流速の遅い点をａ１、流速の速い点をｂ１とし、そのときの各点での樹脂の温度を各々、ａｔ１とｂｔ１とする。計算結果を下記の（表１）にまとめた。

両末端の支柱と壁の距離が５ｍｍ以下では流速が変わらず、ａｔ１―ｂｔ１の差が小さくなる方向に働いたが、６ｍｍ以上ではこの差が大きくなっていった。この結果より、第一壁面及３４び第二壁面３５と、第一壁面３４及び第二壁面３５に最も近い列との距離は０ｍｍ〜５ｍｍが望ましいことがわかった。しかしながら、まだａｔ１―ｂｔ１の値は１℃以上であった。

そこで、次に支柱７の配置方法について検討を行った。行の並びを図６のように変更した。行の隣り合う支柱７の中心を結ぶ直線の垂直二等分線上に、次の行の支柱７の中心点がくるように支柱７を配置した。偶数行目は支柱７の本数を一本増やし、左右末端の支柱７と左右の側壁３４間の距離を５ｍｍとし、奇数行目の左右末端の支柱７と左右の側壁３４の距離を１５ｍｍと変え、同様のシミュレーションを行った。

先程と同様に、流速の遅い点をａ２、流速の速い点をｂ２とし、そのときの各点での樹脂の温度を各々、ａｔ２とｂｔ２とする。結果を下記の（表２）に示す。

ａ２が０．４ｍ／ｓｅｃ、ａｔ２が１３２．４９℃、ｂ２が０．７ｍ／ｓｅｃ、ｂｔ２が１３１．８７℃となり、ａｔ２−ｂｔ２は０．６２℃となり、１℃以内に収まった。
次に固定側金型１の媒体入口１３と媒体出口１４、可動側金型２０の媒体入口３１と媒体出口３２の開口率を変えてシミュレーションを行った。

まず、熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７にかかる圧力は射出圧力・保圧力を考慮し、最大で約６０ＭＰａの射出圧力・保圧力である。そこで、熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７のヤング率を２０７４８２ＭＰａ、０．２％耐力を基準として、熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７の必要な面積を計算すると、それぞれ１４．４６％以上の占有率が必要になることがわかった。ここで、熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７及び、媒体入口１３と媒体出口１４は同じ厚みであるので、これにより、開口率は最大で８５．５４％未満でなければいけないことがわかった。

図７に示すように、媒体入口１３のある辺の長さをＬＬ、入口の長さをＭ＝Ｍ１＋Ｍ２＋Ｍ３・・・と定義したとき、開口率をＭ／ＬＬで表すことにする。３つの媒体入口１３の幅と３つの媒体出口１４の幅を１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍと変えることで、媒体入口１３及び媒体出口１４それぞれ３つ合わせて開口率を１０％、２０％、３０％と変えてシミュレーションを行った。なお、３つの媒体入口１３と３つの媒体出口１４の中央の媒体入り口１３と媒体出口１４はそれぞれ熱媒体入口壁面３６と熱媒体出口壁面３７の中央に位置し、他の二つの媒体入り口１３と媒体出口１４は中央の媒体入り口１３と媒体出口１４を境に対象になるように配置した。流速の遅い個所をａ３、流速の速い個所をｂ３とし、そのときの各個所での温度を各々、ａｔ３とｂｔ３とする。結果を下記の（表３）に示す。

開口率が１０％、２０％では温度差が１℃以上あったが、３０％以上では温度差は１℃以下となった。また、媒体入口１３と媒体出口１４は同じ開口率のときに流速が安定した。また、開口率３０％で、図８（ｃ）のように口数を３つから、図８（ａ）（ｂ）のように１つ、２つと変えシミュレーションを行った。流速の遅い個所をａ４、流速の速い個所をｂ５とし、そのときの各個所での温度を各々、ａｔ４とｂｔ４とする。結果を下記の（表４）に示す。

以上の結果より、開口数は３つ以上必要であることがわかった。
次に、支柱の高さについて議論する。支柱の直径を１０ｍｍ、行内の支柱間の距離を１０ｍｍ、奇数行目の支柱７を１４本、末端の支柱７と第一壁面３４及び第二壁面３５との距離を１５ｍｍ、偶数行目の支柱７を１５本、末端の支柱７と第一壁面３４及び第二壁面３５との距離を５ｍｍとし、支柱の並び方は、行の隣り合う支柱７の中心を結ぶ直線の垂直二等分線上に、次の行の支柱７の中心点がくるように支柱７を配置し、開口率３０％、開口数３の条件で、支柱の高さを３０ｍｍから、５０ｍｍ、１０ｍｍ、５ｍｍと変えてシミュレーションを行った。流速の遅い個所をａ５、流速の速い個所をｂ５とし、そのときの各個所での温度を各々、ａｔ５とｂｔ５とする。結果を下記の（表５）に示す。

以上の結果より、支柱の高さが３０ｍｍから５０ｍｍになると流速の分布が大きくなり、３０ｍｍから１０ｍｍにすると、流速がさらに安定し、５ｍｍにすると逆に流速に分布が生じた。以上より、行内の隣り合う支柱７の間の距離をＬ、支柱７の高さをＨとしたとき、ＬとＨの関係が１≦Ｈ／Ｌ≦３が望ましいことがわかった。

なお、支柱７は第１，第２金型基体５，２６と一体であっても、別体であってもよい。また、支柱７は第１，第２入り子６，２７と一体であっても、別体であってもよい。
上記の実施の形態では、固定側金型１と可動側金型２０の両方に、温度調節部として入れ子の背面と金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に熱冷媒流路を形成し、前記熱冷媒流路に熱冷媒を通過させて前記入れ子を冷却するよう構成したが、固定側金型１と可動側金型２０の少なくとも一方に前記温度調節部を設けるだけでも従来に比べて効果的である。

本発明は、射出成形品内の温度差を減少することができ、ハイサイクル成形、成形品質の向上に寄与できる。

本発明の射出成形用金型の型開き時の縦断面図 同実施の形態の型閉じ時の縦断面図 同実施の形態のキャビティ上型の要部の平面図と一部破断図 同実施の形態の冷却構造の計算の説明図 同実施の形態の熱媒体の流速の計算の説明図 同実施の形態の支柱の別の並び方の説明図 同実施の形態の開口率の定義図 同実施の形態の開口数の定義図 特許文献１の射出成形用金型の断面図 特許文献１の金型基体の一部破断斜視図と入り子の一部破断斜視図

符号の説明

１ 固定側金型
２ 固定側第１ベースプレート
３ 固定側第２ベースプレート
４ 固定側第３ベースプレート
５ 第１金型基体
６ 第１入れ子
７ 支柱
８ 熱媒体流路
９ ロケートリング
１０ スプルーブッシュ
１１ スプルー
１２ ガイド
１３ 媒体入口
１４ 媒体出口
２０ 可動側金型
２１ 可動側第１ベースプレート
２２ 可動側第２ベースプレート
２３ 可動側第３ベースプレート
２４ 可動側第４ベースプレート
２５ 可動側第５ベースプレート
２６ 第２金型基体
２７ 第２入れ子
２８ 支柱
２９ 熱媒体流路
３０ ガイド棒
３１ 媒体入口
３２ 媒体出口
３３ イジェクターピン
３４ 第一壁面
３５ 第二壁面
３６ 熱媒体入口壁面
３７ 熱媒体出口壁面
３８ キャビティ上型

Claims (3)

1. 固定側金型と可動側金型とからなる射出成形用金型であって、
   固定側金型と可動側金型の少なくとも一方には、入れ子の背面と金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に熱冷媒流路を形成し、前記熱冷媒流路に熱冷媒を通過させて前記入れ子を冷却するよう構成した
   射出成形用金型。
2. 前記金型基体は、
   入れ子の背面とその外周を取り囲む矩形形状で、熱冷媒流路に流入する熱媒体の入口側の壁面である熱媒体入口壁面と、熱冷媒流路から流出する熱媒体の出口側の壁面である熱媒体出口壁面と、熱媒体入口壁面と熱媒体出口壁面に隣接する壁面である第一壁面と、第一壁面に対向する壁面である第二壁面とを有しており、
   入れ子の背面と金型基体の間に設けられた前記支柱を、前記熱媒体入口壁面と平行に並べて配置され、熱媒体入口壁面と平行な支柱の並びを行、この行に直交する支柱の並びを列と定義したとき、第一壁面及び第二壁面と、第一壁面及び第二壁面に最も近い列との距離が０〜５ｍｍであり、行内の隣り合う支柱の中心を結ぶ直線の垂直二等分線上に、隣り合う行の支柱の中心点がくるように前記支柱を配置し、熱媒体入口と熱媒体出口の開口率がそれぞれ３０％以上８５．５４％未満、開口数が３つ以上であり、行内の隣り合う支柱間の距離をＬ、支柱の高さをＨとしたとき、ＬとＨの関係が１≦Ｈ／Ｌ≦３であることを特徴とする
   請求項１記載の射出成形用金型。
3. 第１金型基体に第１入れ子を取り付けた固定側金型と、第２金型基体に第２入れ子を取り付けた可動側金型とからなる射出成形用金型であって、
   第１入れ子の背面と第１金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に形成された第１熱冷媒流路と、
   第２入れ子の背面と第２金型基体の間に複数の支柱を設けて隣接する前記支柱の間に形成された第２熱冷媒流路と
   を設け、前記第１熱冷媒流路と第２熱冷媒流路にそれぞれ熱冷媒を通過させて第１入れ子と第２入れ子を冷却するよう構成した
   請求項１または請求項２に記載の射出成形用金型。

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