JP2009233960A - 樹脂成形用金型、製造装置及び樹脂成型品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】樹脂成形により樹脂成型品を製造するときに製造効率を向上させる。
【解決手段】上型３０と下型４０とが成形材料８０を所定形状にするときに、空気注入ノズル２１ａは、空気注入孔３８からキャビティ２２内に延び、成形材料８０の第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３との間に空気を注入する。第１及び第２の樹脂シート材８２，８３は高温状態にあるため、空気圧によって、第１の樹脂シート材８２は上型３０の内面３２に、第２の樹脂シート材８３は下型４０の内面４２に張り付けられ、所望の形状の成型品８９が成形される。成型品８９は所定の温度まで冷却されて金型２０から取り出される。上型３０と下型４０とが合わさったときに、針部３５は表皮材８５を突き抜け、第１の樹脂シート材８２に所定長だけ刺さる。これによって、第１の樹脂シート材８２の熱が上型３０へスムーズに伝達するため、成型品８９の冷却時間を短縮できる。
【選択図】図３

Description

本発明は、樹脂成形用金型、製造装置及び樹脂成型品の製造方法に係り、自動車等の内装材として用いられる樹脂成型品を製造するときに用いられる樹脂成形用金型及びその金型を備える製造装置及びその金型を用いた樹脂成型品の製造方法に関する。

自動車においては、トランクルームのパネルやドアトリム等の内装材に樹脂成型品が以前より使用されている。そして、近年では、樹脂成型品の特徴の「軽量」及び「複雑な形状に対応可能」という二つの特徴から、一層着目されるようになっている。

樹脂成型品の構造には例えば高剛性の中空構造体や、軽量高剛性のサンドッチ構造体などがあり、必要とされる強度や形状、機能に応じて選択されている。

ところで、中空構造体を成形する製造方法のひとつに、材料であるＰＰ（ポリプロピレン）を加熱後にエアを注入して所定の形状に成形し、冷却後に完成した成型品を金型から取り出す手法がある。

その製造方法を用いた装置として、複数層からなる樹脂シートを加熱して軟化させ、一対の成形型の間に挟み、前記の層間にノズルを差し込み空気を吹き込んで、所望の形状の成型品を成形する装置がある（例えば、特許文献１参照）。

また、別の装置として、軟化させた樹脂材を金型の上側から投入しつつ、金型の下側から空気を挿入し、上記の樹脂材を金型に押し付け所望の形状にする技術もある。

特開２０００−２８９１３５号公報

ところで、従来にも増して自動車の部品に対するコスト低減の要求が厳しくなっており、部品の生産効率の向上が常時求められている。生産工程の見直し等によるコスト低減には限界が来ており、異なる視点で新たな技術を導入する必要があった。

このような状況にあって、本発明者は、製造工程において金型の冷却工程に時間短縮の可能性があることに想到した。つまり、冷却効率を向上させることで、樹脂成型品の製造効率を向上させることができることに着目するに至った。冷却効率を向上させるために、水冷装置などの強制的に冷却する技術を導入した場合、製造装置が大きくなってしまうとともに、その冷却装置の管理にコストがかかってしまい、そのような水冷装置を新たに導入することは難しい状況にあった。

本発明は、このような状況においてなされたものであり、上記課題を解決することができる技術を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、自動車の内装に用いられる樹脂成形用金型に関する。この樹脂成形用金型は、対向して配置される第１及び第２の金型を備え、前記第１及び第２の金型の間に樹脂成形用材料を配置して、自動車の内装に用いられる樹脂成型品を成形する樹脂成形用金型であって、第１又は第２の金型の少なくとも一方の金型の内面に所定の針状体を設けた。
また、前記樹脂成型品は、シート状の樹脂材と前記樹脂材の表面に重ねられて設けられた表皮材とを含んだ成形用材料を、前記第１及び第２の金型によって挟んで型締めすることによって成形され、前記針状体は、前記表皮材が設けられた面側の金型に設けられてもよい。
また、前記針状体は、前記第１及び第２の金型が前記成形用材料を型締めするときに、前記表皮材を越えて前記樹脂材に達するとともに、前記樹脂材を貫通しない長さであってもよい。
本発明の別の態様は、自動車の内装に用いられる樹脂成型品の製造装置に関する。この製造装置は、上記の樹脂成形用金型を備えている。
本発明の別の態様は、自動車の内装に用いられる樹脂成型品の製造方法に関する。この製造方法は、シート状の樹脂材と前記樹脂材の表面に重ねられて設けられた表皮材とを含んだ成形用材料を、前記表皮材に対向する側に所定の針状体が設けられた一方の金型と、当該金型に対向して配置される他方の金型とからなる一対の樹脂成形用金型によって型締めする。
本発明の別の態様は、自動車の内装に用いられる中空樹脂成型品の製造方法に関する。この製造方法は、対向して配置される第１及び第２の金型により形成されるキャビティを備えた１対の金型を用いてブロー成形で成形される中空の樹脂成形品の製造方法において、前記第１の金型と前記第２の金型の少なくとも一方の金型の内面に所定の針状体を設けた。
本発明の更に別の態様は、自動車の内装に用いられる樹脂成型品に関する。この樹脂成型品は、上記の製造方法により製造される。

本発明によると、樹脂成型品を製造するときに、成形後の樹脂材の冷却効率を向上させることができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態（以下、単に「実施形態」という）を、図面を参照して具体的に説明する。以下に説明する実施形態では、自動車の内装部品に使用される樹脂成型品について説明する。

本実施形態では、材料であるＰＰ樹脂シート（ポリプロピレン樹脂シート又はオレフィン樹脂シート；以下、単に「ＰＰ」とも言う）を加熱した後で空気を注入して所定の中空構造体を成形する態様について説明する。

図１は、本実施形態に係る樹脂成型品を成型して製造する成形装置１０の概略を示す構成図である。図示のように、成形装置１０は、樹脂の成型品８９の形状を作り出す金型２０と、その金型２０を加圧するプレス部１１とを含んで構成される。図示のように、所定温度に加熱され成形装置１０に供給された成形材料８０は、プレス部１１が加圧する金型２０によって所定形状の成型品８９に成形され、冷却後に金型２０から取り出される。

図２は、樹脂成型品の成形材料８０の断面形状を示した図である。成形材料８０は、基材８１と、基材８１の上面に重ねられる表皮材８５とからなる。基材８１は、非通気性のＰＰからなる第１及び第２の樹脂シート材８２，８３と、第１及び第２の樹脂シート材８２，８３の間に介在するように挟まって配置される不織布８４（後述の図３及び図８では太線で表記）とから構成される。したがって、金型２０に投入されるときには、成形材料８０は、上型３０側から表皮材８５、第１の樹脂シート材８２、不織布８４、第２の樹脂シート材８３の順で重なっている。

第１及び第２の第１の樹脂シート材８２，８３は、ＰＰからなるがこれに限る趣旨ではなく、加熱して成形される樹脂材であればよい。なお、第１の樹脂シート材８２は、例えば、厚さ１ｍｍであり、第２の樹脂シート材８３は１．５ｍｍである。なお、本実施形態では、表皮材８５が片面（第１の樹脂シート材８２）に取り付けられたが、両面（第１及び第２の樹脂シート材８２，８３）に取り付けられてもよい。そして、成形材料８０の基材８１は、成形装置１０に供給される時には、所望の形状に成形可能にするために高温に加熱された状態（例えば、２００℃以上）にあり、成形後、上述の通り所定の温度まで冷却されると金型２０から取り出される。

ところで、成型品８９は、冷却が不十分のまま金型２０から取り出されると、第１の樹脂シート材８２や第２の樹脂シート材８３に変形（撓み）が発生してしまうことがあり、成型品８９の冷却が十分となるように工程が管理されている。しかし、成型品８９の製造工程における冷却工程の時間は、比較的大きな割合を占めている。その原因のひとつが第１の樹脂シート材８２と上型３０の内面３２との間に存在する表皮材８５である。つまり、表皮材８５が一種の断熱材として作用するため、第１の樹脂シート材８２から内面３２への熱伝達がスムーズになされていない。そこで、以下に示すような金型２０の構成を採用することで、第１の樹脂シート材８２から金型２０（上型３０）への熱伝達の速度を速め、冷却効率を向上させた。

図３は、金型２０の断面図を成形材料８０とともに示しており、図３（ａ）は、成形材料８０が型締めされる前の状態を模式的に示しており、図３（ｂ）は、成形材料８０が型締めされた状態を模式的に示している。

金型２０は、互いに対向する上型３０と下型４０と、成型品８９を中空構造体にするために空気を注入する空気注入装置２１とを含んで構成される。空気注入装置２１は、上型３０の側部に取り付けられており、上型３０と下型４０とが一体に合わさったときであっても、下型４０とは干渉しないようになっている。

また、上型３０は、内面３２が所望の外形形状に形成されており、成形面（内面３２）の外側は所定の高さで凸状のフランジ３１が形成されている。そして、このフランジ３１は、成形される成型品８９の外形部分に相当する位置に形成されている。

さらに、フランジ３１の所定の位置には、上型３０の内外を連通する空気注入孔３８が形成されている。そして、空気注入孔３８に対応する位置に取り付けられた空気注入装置２１から延びる空気注入ノズル２１ａが空気注入孔３８に挿通される。

空気注入ノズル２１ａの先端は、図３（ａ）に示すように上型３０と下型４０とが離れている状態では、空気注入孔３８の内部にある。そして、図３（ｂ）に示すように、上型３０と下型４０とが一体となり成形材料８０を所定形状にするときに、空気注入ノズル２１ａの先端は、空気注入孔３８から金型２０に形成されたキャビティ２２内に延び、成形材料８０の第１の樹脂シート材８２（不織布８４）と第２の樹脂シート材８３の間に空気を注入する。第１及び第２の樹脂シート材８２，８３は高温状態にあるため、空気の圧力によって、第１の樹脂シート材８２は上型３０の内面３２に、第２の樹脂シート材８３は下型４０の内面４２に張り付けられ、これによって、成形材料８０は所望の形状の成型品８９に成形され、成型品８９は所定の温度まで冷却されると金型２０から取り出される。なお、空気注入ノズル２１ａを第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３の間に適正に挿入する技術については、公知の技術（例えば、特開２００１−４７５０５号公報や特開２０００−２８９１３５号公報参照）により実施できる。

また、内面３２には、所定の間隔及び所定の高さの複数の針部３５が内面３２と一体で設けられている。なお、針部３５の符号については、代表して一部のみに付している。図４（ａ）及び図４（ｂ）はそれぞれ、図３（ａ）及び図３（ｂ）の領域Ｘ１及びＸ２を拡大している。具体的には、図４（ａ）は、針部３５が成形材料８０に挿入される前の状態を示し、図４（ｂ）は、針部３５が成形材料８０に挿入された状態を示している。

図４（ｂ）に示すように、上型３０と下型４０とが合わさった状態のときに、針部３５は、表皮材８５を突き抜け、第１の樹脂シート材８２に所定長だけ刺さる。これによって、第１の樹脂シート材８２の熱が上型３０へスムーズに伝達するため、成型品８９の冷却時間を短縮できる。

図５は、内面３２の針部３５の配置について一部を模式的に示した平面図（例えば図３では下側から見た図）であり、図６は、針部３５の形状の種類を模式的に示している。図６（ａ）〜（ｄ）は針部３５の側面形状（縦方向の形状）についての４つの例を模式的に示している。また、図６（ｅ）及び（ｆ）は、針部３５の形状の平面図について、図５の針部３５の２つの変形例（三角錐及び四角錐）について模式的に示している。図５に示すように、針部３５は、根元部分の直径（針径）Ｄでかつ縦横それぞれ所定の間隔（ピッチ）Ｌでマトリックス状に配置されている。また、例えば図６（ａ）に示すように、針部３５は所定の高さＨ１で円錐形状である。

針部３５の直径Ｄの下限は、冷却効率の観点で０．５ｍｍ以上であることが好ましい。また、針部３５を第１の樹脂シート材８２から抜かれたときに残る跡を所定の大きさに抑える観点では、上限は２ｍｍ以下であることが好ましく、０．８５ｍｍ以下であることがより好ましい。なお、表皮材８５の材質によって針部３５が刺さった跡が目立ったり目立たなかったりするため、上記上限は、表皮材８５に応じて適宜選択されればよい。

また、針部３５の間隔Ｌは、５ｍｍ〜２０ｍｍが好ましく、８ｍｍ〜１５ｍｍがより好ましい。一般に、冷却効率を考えると、針部３５のピッチ（間隔Ｌ）は小さい方が好ましい。ここで、間隔Ｌが２０ｍｍより大きい場合、１本の針部３５が針を中心とした半径１４ｍｍ以上の円周内（面積で６．３ｃｍ２以上）を冷却しなければならない。その結果、針部３５近辺と針部３５から離れた場所での樹脂（第１の樹脂シート材８２）の冷却速度に大きな差が出来てしまい、冷却時間の短縮につながらないだけでなく樹脂のヒケの原因となる。一方、間隔Ｌが５ｍｍ未満である場合、１ｃｍ２当たり４本より多い針部３５が存在することになり、針部３５の断面積が型内面３２に占める割合が大きくなり、針部３５が表皮材８５を貫通しないおそれが生じる。そこで、針部３５の間隔Ｌを上述の範囲に設定することが好ましい。

なお、針部３５の形状は、純粋な円錐形状や角錐形状に限らず、図６（ｂ）や（ｄ）に示すように根元部分に円筒形状を有してもよいし、図６（ｃ）及び（ｄ）に示すように円錐や角錐の側面部分が直線でなく曲面となっていてもよい。

そして、針部３５の高さＨ１は、上型３０と下型４０とが合わさった状態で、第１の樹脂シート材８２に突き刺さる必要がある。一方で、第１の樹脂シート材８２から中空２２ａに突き出ないことが必要である。したがって、図４（ｂ）に示した上型３０と下型４０とが合わさった型締状態で、針部３５の高さＨ１は、表皮材８５の厚さＨ２より長く、表皮材８５の厚さＨ２と第１の樹脂シート材８２の厚さＨ３を足した長さ（Ｈ２＋Ｈ３）より短くなるように、針部３５の高さＨ１が設定される。つまり、Ｈ１は、Ｈ２＋Ｈ３＞Ｈ１＞Ｈ２の関係を満たす。

一方、下型４０の内面４２が所望の形状に形成されており、成形面の外側には上型３０のフランジ３１と対向するようにして所定の高さのフランジ４１が形成されている。そして、フランジ４１には、キャビティ２２を取り囲むようにしてトリム刃４４が形成されている。

図３（ｂ）に示すように、上型３０と下型４０とが合わさったときに、トリム刃４４の先端が、上型３０のフランジ３１の下側端面３１ａと一致して、成形材料８０を所望の外形にトリミングする。

なお、内面４２の一部には、成型品８９を所望の立体構造にして所望の機能（例えば、成型品８９の強度確保や、可折機能）を実現するために、所定の高さ及び形状の凸部４５が形成されている。

以上の構成による成型品８９の成形工程を簡単に説明する。
まず、作業者は、加熱状態の基材８１と表皮材８５を重ねた状態とした成形材料８０を下型４０上に配置する。

つづいて、作業者は、成形装置１０を操作して、プレス部１１によって上型３０を降下させ上型３０と下型４０とを合わせる。このとき、成形材料８０は、トリム刃４４によって所望の形状にトリミングされる。

そして、空気注入装置２１は、空気注入ノズル２１ａを金型２０のキャビティ２２内に延ばす。このとき、上述のように、空気注入ノズル２１ａの先端が第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３との間に位置する。この状態で、空気注入装置２１は、第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３との間に所定の圧力で空気を注入する。

すると、図３（ｂ）に示したように、第１の樹脂シート材８２は、表皮材８５とともに上型３０の内面３２に張り付き、第２の樹脂シート材８３は下型４０の内面４２に張り付き、所望の形状の成型品８９が成形される。また、不織布８４は第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３に狭持された部分でアンカー効果により第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３の両方に貼着している。

このとき、上型３０の内面３２に設けられた針部３５は、表皮材８５を突き抜けて第１の樹脂シート材８２に突き刺さっている。なお、第１の樹脂シート材８２は加熱状態でありその材質が軟らかくなっているので、針部３５が突き刺さった面と反対側の面では実質平面状態が維持される。

その後、成型品８９が適正温度になるように、金型２０が所定時間だけ冷却される。このとき、針部３５が設けられていることで、冷却時間が短縮される。冷却後、空気注入装置２１からの空気の注入が停止され、成型品８９の中空２２ａが大気圧に戻され、空気注入ノズル２１ａが成型品８９から抜かれる。なお、このとき、成型品８９の表皮材８５が不織布やカーペットである場合、針部３５が刺さった跡は表皮材８５を構成する繊維に隠れてしまい実質視認できないレベルになる。

そして、プレス部１１は上型３０を上昇させ、上型３０と下型４０とを分離させる。この状態で、作業者は、成形された成型品８９を下型４０から取り出す。

つづいて、上記の冷却時間の短縮効果の検証結果について説明する。図７は、上型３０と下型４０が合わさった型締め状態の時間（以下、「型締時間」という）と、内面３２の表面温度及び第１の樹脂シート材８２の変形の発生の有無との関係について、針部３５が設けられている場合と設けられていない場合の検証結果を示している。

型締時間は、３３秒、３８秒、４８秒、５３秒の４条件である。また、針部３５の直径Ｄは０．８５ｍｍ、高さＨ１は３．５ｍｍ、針の配置間隔Ｄ（ピッチ）は５ｍｍである。また、表皮材８５は、４５０ｇ／ｍ２のカーペット表皮材である。

この条件で針部３５が設けられていない場合、第１の樹脂シート材８２に変形が発生しないようにするためには、５３秒の型締め時間が必要とされた。このとき、内面３２の温度は７８℃である。そして、４８秒より短い型締時間の条件では、第１の樹脂シート材８２に変形が発生し、成型品８９は不良となった。

一方、針部３５が設けられた場合、型締め時間が３３秒のときに第１の樹脂シート材８２に変形が発生したが、３８秒以上の場合、第１の樹脂シート材８２に変形は発生しなかった。

以上の結果から、針部３５を設けた構成の場合、型締め時間を１５秒短縮することができた。型締め時間が短縮できるのに伴い、プレスの加圧時間が短縮される為、モーターへの投入エネルギーが低減される。さらに、確実に冷却を行えるので、変形発生が防止され、不良品の発生率を低減させ、材料ロスを低減できる。以上のように、投入されるエネルギーや材料を低減でき、さらに、成型品８９の製造能力を向上させることができ、大幅なコストダウンが実現できる。

以上、本発明を実施形態をもとに説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素の組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば、成型品８９の表皮材８５が、両面に設けられる場合には、表皮材８５は、上型３０だけでなく下型４０に設けられてもよい。当然に表皮材８５が対向する金型が、下型４０であれば、針部３５は下型４０に設けられる。

また、成型品８９の製造方法は、上記の実施形態で例示したものに限る趣旨ではない。例えば、図８の変形例に示すように、ブロー成形手法の一種であり、成型品１８９を中空構造体のキャビティ（図３では、中空２２ａ）に所定のコア材を配置したサンドッチ構造体として形成する製造方法にも適用できる。図８は、図３（ｂ）に対応しており、同一構成について意は同一符号を付している。中空２２ａにおいて第１の樹脂シート材８２と第２の樹脂シート材８３との間に発泡性樹脂であるコア材２５が配置されている。このコア材２５により、成型品８９の強度が高められる。この変形例の構成の場合も、上述の実施形態同様の効果が得られる。

また、図９の変形例は、スタンピング製法と呼ばれる製造方法により成型品２８９を成形する製造装置に用いられる金型２２０の断面構造を模式的に示している。ここでは、金型２２０は、凸状の上型２３０と凹状の下型２４０とからなり、下型２４０の内面に針部２４５が設けられている。そして、成型品２８９の成形材料２８０は、下型１４０側の表皮材２８５と上型２３０側の樹脂シート材２８２からなる。この変形例の構成の場合も、上述の実施形態同様の効果が得られる。

さらに、図示はしないが、ブロー成形方法の一種で、パリソンと呼ばれるチューブ状の成型材料を中空の金型内に入れ内部に空気を吹き込んで膨らませると同時に冷却して中空の成型品製造する手法にも、本発明を適用することができる。また、真空成形手法や射出成形手法、更に各手法を併用した手法に対しても適用することができる。

実施形態に係る、樹脂成型品を製造する成形装置の模式図である。 実施形態に係る、成形装置に投入される成形材料の構造を模式的に示す断面図である。 実施形態に係る、金型の断面図を成形材料とともに模式的に示した図である。 実施形態に係る、金型の断面図を成形材料とともに模式的に示した図３の図を一部拡大した図である。 実施形態に係る、上型の内面に設けられた針部の配置を模式的に示した平面図である。 実施形態に係る、金型に設けられる針部の形状として、側面（縦方向の形状）及び正面（先端側から見た形状）の形状の６種類の例を模式的に示した図である。 実施形態に係る、内面に針部を備えた金型を用いて成型品を製造したとき冷却時間の短縮効果及び変形の発生に関して検証した結果を示した図である。 実施形態の変形例に係る、針部を備えた金型をサンドッチ構造体として形成する製造方法を適用したときの金型の断面構造を模式的に示した図である。 実施形態の変形例に係る、針部を備えた金型をスタンピング製法の製造装置に適用させたときの金型の断面構造を模式的に示した図である。

符号の説明

１０ 成形装置
１１ プレス部
２０、２２０ 金型
３０、２３０ 上型
３２ 内面
３５、２４５ 針部
４０、２４０ 下型
４５ 凸部
８０、２８０ 成形材料
８１ 基材
８２ 第１の樹脂シート材
８３ 第２の樹脂シート材
８４ 不織布
８５、２８５ 表皮材
２８２ 樹脂シート材

Claims (7)

1. 対向して配置される第１及び第２の金型を備え、前記第１及び第２の金型の間に樹脂成形用材料を配置して、自動車の内装に用いられる樹脂成型品を成形する樹脂成形用金型であって、
   第１又は第２の金型の少なくとも一方の金型の内面に所定の針状体を設けたことを特徴とする樹脂成形用金型。
2. 前記樹脂成型品は、シート状の樹脂材と前記樹脂材の表面に重ねられて設けられた表皮材とを含んだ成形用材料を、前記第１及び第２の金型によって挟んで型締めすることによって成形され、
   前記針状体は、前記表皮材が設けられた面側の金型に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の樹脂成形用金型。
3. 前記針状体は、前記第１及び第２の金型が前記成形用材料を型締めするときに、前記表皮材を越えて前記樹脂材に達するとともに、前記樹脂材を貫通しない長さであることを特徴とする請求項２に記載の樹脂成形用金型。
4. 請求項１から３までのいずれかに記載の樹脂成形用金型を備えたことを特徴とする自動車の内装に用いられる樹脂成型品の製造装置。
5. シート状の樹脂材と前記樹脂材の表面に重ねられて設けられた表皮材とを含んだ成形用材料を、前記表皮材に対向する側に所定の針状体が設けられた一方の金型と、当該金型に対向して配置される他方の金型とからなる一対の樹脂成形用金型によって型締めすることを特徴とする自動車の内装に用いられる樹脂成型品の製造方法。
6. 対向して配置される第１及び第２の金型により形成されるキャビティを備えた１対の金型を用いてブロー成形で成形される中空樹脂成形品の製造方法において、前記第１の金型と前記第２の金型の少なくとも一方の金型の内面に所定の針状体を設けたことを特徴とする自動車の内装に用いられる中空樹脂成型品の製造方法。
7. 請求項５又は請求項６に記載の製造方法により製造された自動車の内装に用いられる樹脂成型品。
   
   

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