JP2017527459A - 射出成形またはエンボス加工／プレス加工のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本開示は、活性工具表面に近接する導電性の最上層に振動磁界を発生させるためのコイルおよび、コイルキャリア層と最上層との間に配置される導電性の中間層（２３）を含む、活性工具表面を加熱するための手段を有する射出成形またはエンボス加工／プレス加工のための工具に関する。耐熱層（２９）は、中間層と最上層との間に配置され、活性工具表面から見て耐熱層の下の層に接着されるセラミック材料溶射コーティングを備えることを特徴とする、工具。

Description

本開示は、加熱装置を備える射出成形具またはエンボス加工／プレス加工具などの工具に関する。加熱は、活性工具表面を加熱し、振動磁界を発生させるための少なくとも一つの巻線コイルを含むコイルキャリア層と、前記活性工具表面に近接する導電性の最上層と、前記最上層から見て前記コイルキャリア層の下に位置されるバッキング層であって、前記最上層に電気接続され、前記最上層よりも低い抵抗率を有するバッキング層と、前記コイルキャリア層と前記最上層との間に配置される導電性の中間層であって、前記最上層よりも低い抵抗率を有する中間層と、前記中間層と前記最上層との間の耐熱層と、を備える層のスタックによって達成される。

そのような装置は、ＷＯ−２０１３／００２７０３−Ａ１で提案され、その装置は、例えば微細な表面パターンを有する光学機器をエンボス加工するために使うことができる。そのような工具の一つの課題は、どうやって効率的な方法で工具を製造するかである。

本開示の一つの目的は、したがって、より効率的な方法で製造することができる工具を達成することである。この目的は、請求項１で定義される工具で達成される。より具体的には、最初に述べた種類の工具では、前記耐熱層は、前記活性工具表面から見て前記耐熱層の下の層に接着されるセラミック材料溶射コーティングである。このことは、少なくとも中間層の上部および、それとともに単一のユニットとしてコーティングされる耐熱層を作り出す。

エンボス加工された表面パターンを有する平らな製品を製造するためには、中間層の上面は平らであり、上にある耐熱層は平らな形状に加工されうる。このことは、例えば中間層の製造公差を補償する機会を提供する。

あるいは、耐熱層は、平らな平面形状から逸脱して三次元形状に加工されうる。このことは、非平面端製品の製造もまた可能にする。

あるいは、前記中間層の前記上面を、平らな形状から逸脱して三次元形状に加工し、均一な厚さを有する耐熱層を、前記中間層の前記上面の上に付けることが可能である。このことは、三次元（非平面）製品をプレスしながら、均一な厚さの耐熱層を維持することを可能にする。

セラミック材料溶射コーティングはイットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を含みうるが、それは溶射および続く加工の両方に適切であることが分かった。

両工具半部の間のブランクをエンボス加工／プレス加工するための方法もまた考慮され、前記方法は、前記工具半部の少なくとも一つに、コイルキャリア層内の少なくとも一つの巻線コイルで振動電界を発生させることで、熱が、前記ブランクに面する活性工具表面に近接する導電性の最上層に、前記最上層と前記コイルキャリア層との間の導電性の中間層を介して発生することを含む。耐熱層は前記中間層と前記最上層との間に配置され、前記工具半部は共に押圧され、前記方法は、前記ブランクを三次元に延在する形状に曲げ、その形状は前記耐熱層に加工されることを含む。このことは、三次元、すなわち非平面の製品をプレス加工によって製造することを可能にする。

ブランクをエンボス加工／プレス加工するための工具の模式図。 射出成形のための工具の模式図。 工具表面の効率的な加熱を提供するよう設計された層のスタックの模式図。 図３の層における電流の誘導の模式図。 層のスタックへの耐熱層の溶射の手順。 図５のように製造され、平面状に加工される層。 三次元形状が達成される第一の場合。 三次元形状が達成される第二の場合。。 三次元耐熱層に最上層を付けるための一つの方法。 三次元耐熱層に最上層を付けるための一つの方法。 三次元耐熱層に最上層を付けるための一つの方法。 三次元表面を有する活性中間層に噴霧された耐熱層。

本開示は、樹脂またはプラスチック材料を成形する際に使う装置および方法に関する。

以下の説明は、主にプラスチックブランクをエンボス加工するためのシステムを説明するが、当業者が認識するように、射出成形、および吹込成形などの他の工程に等しく適用可能でありうる。ＷＯ−２０１３／００２７０３−Ａ１は、ブランクをエンボス加工／プレス加工するため、または射出成形のための装置を記載する。そのような装置は、図１に示すように、両工具半部３、５を有しうる。そのそれぞれまたは一つは、加熱装置７を備えうる。エンボス加工の際、プラスチックの固体片であるブランク１は、工具に熱および圧力を加えること、すなわち両半部を互いに対して押圧しながら、両半部をブランク１に面するその活性表面で加熱することによって、ある程度再形成される。典型的には、表面パターンは、一つまたは両方の表面に施される。

この技術が使える一つの例は、バックライト付きのフラットスクリーンＬＣＤテレビ画面用の導光体を製造する場合である。透明な矩形のプラスチックシートは、その際、その一つの平面上に、微細な表面パターンが設けられる。シートの縁が照明されると、表面パターンは、入射した光を、表面にわたって均一に、導光体から出射させる。そのようなパターンは、活性表面でブランクに面する工具半部の層であるスタンパ／最上層によって達成されうる。例えばフレネルレンズなど、エンボス加工で製造されうる他の製品もまた考えられる。表面パターンを設けること（エンボス加工）に加えて、またはその代替として、例えばブランクを曲げることが可能である（プレス加工）。比較的短いサイクル時間は活性加熱および冷却を備える。それは、活性加熱および任意の活性冷却を用いない場合と比較して、装置がより高い出力を有することを意味する。装置の使用は、光学部品の製造に決して限定されない。

開示された加熱および冷却機能は、射出成形に関してもまた有用でありうる。その際、図２に模式的に示したように、溶融樹脂９が、両工具半部１５の間に形成された空洞１１に注入される。工具の両半部の加熱および冷却は、より細い構造を形成することを可能にし、かつ製造サイクルを短くして出力を向上しうる。

参考のために、図３は、ＷＯ−２０１３／００２７０３−Ａ１に記載された層のスタックの断面を模式的に示す。スタックは、活性工具表面３１の効率的な加熱を提供するよう設計される。活性工具表面によって意味するのは、再形成されるプラスチックまたは樹脂に接触する表面である。層のスタックは、工具加熱を提供するのに使用できる誘電コイル１９を有する。スタックは、コイルキャリア層２１、電気活性中間層２３、最上層２５、バッキング層２７、および耐熱層２９を有する。

本開示は、大部分が、そのような耐熱層２９を採用する改良した方法に向けたものである。

コイルキャリア層２１は巻線コイル１９を含み、例えば室温で３００など高い比透磁率、および、例えば２．５×１０^−３Ωｍなど非常に高い電気抵抗率を有する材料で作られる。つまり、それは磁界を伝導しやすいが、電流をより大きな範囲に伝えない材料である。これは、コイルキャリア層２１は、その中でコイル１９によって発生した磁界を、他の層へ伝導および形成するが、コイルキャリア層２１自体には実質的な渦電流を誘導しないことを意味する。コイル１９は、コイルキャリア内の開放溝に配置され、コイルキャリアの表面にわたって均一な電界の分布を提供する。ＰＥＲＭＥＤＹＮ ＭＦ１（商標）は、コイルキャリア層の一つの適切な材料とされ、電気絶縁性樹脂とともに焼成される強磁性材料の細粒を含む。概して、コイルキャリア厚さは、典型的には１０−３０ｍｍの範囲にありうる。

電気活性中間層２３は、銅またはアルミニウムなど、抵抗率の非常に低い（典型的には１−３×１０⁻⁸Ωｍ以下）金属を備える。この層は、コイルがその中に、最上層に伝導される電流を誘導するので、活性していると表される。しかしながら、抵抗率が非常に低いため、それらの電流は、活性中間層内で熱をより大きな範囲に発生させない。層の厚さは、典型的には１０−３０ｍｍであり、比透磁率はほぼ１（非強磁性）であり、熱伝導率は、典型的には１００−４００Ｗ／ｍ／Ｋでありうる。

最上層２５は、活性中間層２３よりも抵抗率が高い金属を備えうる。抵抗率が高いので、これは、コイル１９によって誘導され、かつ活性中間層２３を介した渦電流から熱が発生する層である。

最上層部分は非強磁性であり、抵抗率は典型的には１×１０⁻⁷から１×１０⁻⁶Ωｍの範囲にありうる。つまり、最上部分は導電性であるが、中間層よりも導電性がかなり低い。一つの適切な最上層の選択肢はニッケルであり、ニッケルは強磁性である。したがって、（活性表面よりもむしろ）コイルに面するニッケル副層の表面が加熱され、それが、層が好ましくは細くありうる一つの理由である。他の理由は、厚い材料を電気めっきするのは手間がかかるためである。

バッキング層２７（例えば２−１５ｍｍの厚さ）は、加工される樹脂またはブランクに面する活性表面３１から見てコイルキャリア層２１の裏側に設けられ、活性中間層２３と同様の材料で作られうる。バッキング層２７は、図３に模式的に示されるように、接続部３３によって、最上層２５に電気接続される。

耐熱層２９は、活性中間層２３と最上層２５との間に配置される。耐熱層２９は、最上層２５から活性中間層２３への熱の伝達をある程度遮るよう作用することで、最上層２５は、より高いピーク温度に到達しうる。この層がないと、より多くの熱が連続して最上層２５から取り除かれ、活性中間層２３に伝達されるため、サイクル時に最上層で到達されるピーク温度がより低くなりうる。

耐熱層の厚さは、高い最高温度（厚い）と短いサイクル時間（薄い）とのトレードオフで選択される。電気的には、層は絶縁層であり、熱伝導は典型的には約１Ｗ／ｍ／Ｋでありうる。比透磁率は、ほぼ１（非強磁性）でありうる。

耐熱層はまた、ニッケルなどの強磁性最上層を使用する際の問題を少なくする。強磁性材料の表皮効果のために、コイルに面する最上層の側面は、最初に加熱される。しかしながら、耐熱層によって、この熱エネルギーは活性中間層に伝達されるよりもむしろ活性表面に伝達される。

図４は、図３の層における電流の誘導を模式的に示し、図３のスタックは、分解斜視図で示される。図示された場合では、最上層２５は、長辺３５が９３０ｍｍ、短辺３７が５２０ｍｍの長方形である。他の層は、対応する形式を有する。コイルキャリア層２１は、長方形の短辺３７に平行な方向に巻線を有するコイル１９を巻回する。すなわち、巻線ターンは、長辺に位置する。

高周波交流パルスがコイル１９に印加されると、コイル１９の電流に対応する電流３９が、活性中間層２３の下面に誘導される。一例では、各工具半部は、七個のコイルを有し、各コイルは、同期して給電される２２個の巻線ターンを有しうる。各コイルは、エンボス加工時に２５ｋＷ／２５ｋＨｚ／１０秒のパルスを有する。こうして活性中間層に作られるこの電流は、活性中間層２３の表面に、活性中間層２３の下面では近隣のコイル電流に逆平行し、上面（最上層２５から見て）ではそれに平行する閉電流ループを形成する。これらの電流は、活性中間層の長手縁で相互接続され、電流は、表皮効果のために、主に活性中間層表面の近辺に帰する。活性中間層２３の最上面の交流電流は、続いて、最上層２５に電流４０を誘導する。最上層２５はより高い抵抗率を有するため、この層は、かなりの量の熱を発生させる。最上層は、その長辺で、接続部３３によって、連続してまたは間隔をあけてバッキング層２７に電気接続されることで、この電流が最上層表面全体にわたって流れるようにする。

コイルキャリアの裏側のコイルは、電流を、活性中間層と同様に、バッキング層２７に誘導する。この電流は、電流４０と同じ方向を有し、電流４０に重畳される。その低い抵抗率のために、バッキング層２７に発生する熱は極めて少ない。

活性中間層２３は、金型または工具の冷却ができるようにする冷却ダクト（図示せず）を備えうる。ダクトは、水または油などの冷却媒体を搬送しうる。流れは、製造サイクルの一段階のみで冷却を提供するために、連続するか、またはパルスされうる。

［耐熱層としてのセラミック材料の適用］
本開示では、耐熱層が改良されている。ＷＯ−２０１３／００２７０３−Ａ１では、固体ガラス層が使われており、他の選択肢は、低い熱伝導係数を有するポリイミドフィルムなどの薄いプラスチック層を適用することであり、それによって薄い層の使用を可能にしうる。本開示では、異なるアプローチが用いられる。

耐熱層は、溶射によるコーティングとして施されるセラミック層として設けられる。一つの適切な材料の選択肢は、ＭＥＴＣＯ２０４−ＴＢＣ（商標）などの、イットリア安定化ジルコニア（ＹＳＺ）である。層はそれから、所望の形状に加工されうる。この手順によって、耐熱層は、最上層から見て下の層、すなわち典型的には活性中間層に接着される。このことは、少なくとも中間層の上部および、それとともに最上層と一緒に単一のユニットとしてコーティングされる耐熱層を作り出す。その単一のユニットは、一つの種類の製品の製造から他の種類の製品の製造に変えるために、プレス時により効率的に取り替えられうる。

図５は、層のスタックへの耐熱層の溶射の手順を示す。コーティング材料５１は、加熱装置５３によって熱して溶かされ、溶けた粒子５５は、溶けた形状で、それらが覆うことになる基板、この場合は活性中間層２３に衝突するよう促進される。これは、先の耐熱層と比較して、層が基板層に接着されることを意味する。溶射自体は、当業者には周知であり、さらに詳細に説明しない。溶かし、溶かした材料の滴を基板に向かって促進する異なる方法を用いた異なる技術が存在する。

言うまでもなく、噴霧された層は不規則であるが、そのような層は、図６に模式的に示したように、従来の加工技術によって平面形状に加工できることが分かった。

図７に断面で示したように、三次元形状、すなわち非平面形状が達成されうる。よって、ただ表面パターンを押すよりもむしろ、この構成は、ブランクを所望の形状に曲げるために用いられうるか、または非平面構造を射出成形するために用いされうる。これは、噴霧されたセラミック材料を使用するさらなる利点である。例えば、および模式的に示すように、長方形の、角の丸い浅いボウル形状が達成され、それは、例えば電子機器の筐体の一部を製造しうる。しかしながら、図８に示したように、プレス加工／エンボス加工または射出成形に適切なものであれば、任意の形状が製造されうる。非平面形状は、強化プラスチック材料または積層プラスチック材料のブランクにも適用できる。

図９Ａ−９Ｃは、最上層を三次元耐熱層に付ける一つの方法を図示する。この図示された場合では、最上層２５’は、図７に示した耐熱層に付けられる。最上層ブランク５７は、耐熱層２９’の形状と重なる、図９Ａに示した形状に加工され、続いて、例えば熱伝導性接着剤などで、図９Ｂに示したようにその層に接着される。それから、つけられた最上層ブランクは、外側を加工されて、完成した最上層２５’を形成する。代替として、最上層は、加工された耐熱層に溶射によって付けられうる。異なる鋼合金が、そのような応用を可能にする。

図１０は、加工された三次元表面形状を有する活性中間層２３に噴霧された耐熱層２９を示す。これは、耐熱層を溶射コーティングによって付ける際に利用可能になる他の選択肢である。図１０を参照すると、両工具半部は同様に考案されうるが、これは図６−９Ｃに関して述べた変形にも当てはまる。図示したように、耐熱層は、下の活性中間層の形状に追従するよう、均一な厚さに加工されうる。このことは、より均一な最上層ピーク温度が達成されうるため、および、耐熱層厚さが活性表面にわたって変化する場合と比較して、活性表面がより均一に冷えるため、有利でありうる。

溶射の他の利点は、溶射が施される完全に平面でないベースを代わりに補填しうることである。例えば、活性中間層が、異なる区分間の接合部を有する分離したセクションを備える場合、噴霧された層は、例えば接合部の溝を補填しうる。

耐熱層の厚さは、例えば、その熱伝導特性およびそれが使われる用途に依って、０．５−５ｍｍの範囲にありうる。

使われる材料の典型的な例は、以下のようになりうる。

本開示は、上述の実施形態に限定されない。本開示は、付属の特許請求の範囲内で、異なる方法で変化および変更されうる。

Claims (7)

1. 活性工具表面を加熱するための層のスタックを含む加熱装置を備える射出成形具またはエンボス加工／プレス加工具などの工具であって、前記スタックは、
   振動磁界を発生させるための少なくとも一つの巻線コイルを含むコイルキャリア層（２１）と、
   前記活性工具表面に近接する導電性の最上層（２５）と、
   前記最上層から見て前記コイルキャリア層の下に位置されるバッキング層（２７）であって、前記最上層に電気接続され、前記最上層よりも低い抵抗率を有するバッキング層と、
   前記コイルキャリア層と前記最上層との間に配置される導電性の中間層（２３）であって、前記最上層よりも低い抵抗率を有する中間層と、
   前記中間層と前記最上層との間の耐熱層（２９）と、を備える工具であって、
   前記耐熱層（２９）は、前記活性工具表面から見て前記耐熱層の下の層に接着されるセラミック材料溶射コーティングであることを特徴とする、工具。
2. 前記中間層の上面は平らである、請求項１に記載の工具。
3. 前記耐熱層は平らな形状に加工される、請求項２に記載の工具。
4. 前記耐熱層は、平らな面形状から逸脱して、三次元形状に加工される、請求項３に記載の工具。
5. 前記中間層の前記上面は、平らな形状から逸脱して三次元形状に加工され、均一な厚さを有する耐熱層は、前記中間層の前記上面の付与される、請求項１に記載の工具。
6. 前記セラミック材料溶射コーティングは、イットリア安定化ジルコニア、つまりＹＳＺを備える、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の工具。
7. 両工具半部の間のブランクをエンボス加工／プレス加工するための方法であり、前記工具半部の少なくとも一つに、コイルキャリア層内の少なくとも一つの巻線コイルで振動電界を発生させることで、熱が、前記ブランクに面する活性工具表面に近接する導電性の最上層に、前記最上層と前記コイルキャリア層との間の導電性の中間層を介して発生することを含む方法であって、耐熱層が前記中間層と前記最上層との間に配置され、前記工具半部は共に押圧される、方法において、前記ブランクを三次元に延在する形状に曲げ、その形状は前記耐熱層に加工されることを特徴とする、方法。

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