JP2018024184A - 射出成形型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】製作期間の短縮を図ることのできる射出成形型の製造方法の提供。【解決手段】砂型（２、３）を用いた射出成形型の製造方法である。本製造方法では、以下の工程を含む。射出成形型を用いて射出成形することによって形成することのできる射出成形品（１）の形状データに基づいて、砂型ラピッドプロトタイピング造形用データ（Ｄ１、Ｄ２）を作成する（ＳＴ１）。砂型ラピッドプロトタイピング造形用データ（Ｄ１、Ｄ２）に基づき、ラピッドプロトタイピングによる造形方法を用いて、射出成形型の成形面に倣う形状面を有する砂型（２、３）を造形する（ＳＴ２）。砂型（２、３）を用いて鋳造することによって、鋳造粗材（５、６）を形成する（ＳＴ３）。【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形型の製造方法に関する。

射出成形型は、マスタモデルを作成する工程と、マスタモデルを用いて砂型を作製する工程と、砂型を用いて鋳造を行い、鋳造粗材を作製する工程と、鋳造粗材の表面を仕上げ加工する工程との４つの工程を経て製造されることがある。このような射出成形型の製造方法の一例が、特許文献１に開示されている。

特開昭６３−２６４３１８号公報

発明者等は、下記の課題を見出した。
上記した射出成形型の製造方法では、製造期間の短縮が望まれており、例えば、マスタモデルを作成する工程は長期間化することがあった。

本発明に係る射出成形型の製造方法は、製造期間を短縮することを図るものとする。

本発明に係る射出成形型の製造方法は、
砂型を用いた射出成形型の製造方法であって、
前記射出成形型を用いて射出成形することによって形成することのできる射出成形品の形状データに基づいて、砂型ラピッドプロトタイピング造形用データを作成する工程と、
前記砂型ラピッドプロトタイピング造形用データに基づき、ラピッドプロトタイピングによる造形方法を用いて、前記射出成形型の成形面に倣う形状面を有する砂型を造形する工程と、
前記砂型を用いて鋳造することによって、鋳造粗材を形成する工程と、を含む。
このような構成によれば、マスタモデルを作成する工程を省略することができるため、製造期間を短縮することを図ることができる。

本発明に係る射出成形型の製造方法は、製造期間を短縮することを図ることができる。

実施の形態１に係る射出成形型の製造方法を示すフローチャートである。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。 射出成形型を用いて製造された射出成形品の一具体例を示す図である。 射出成形型を用いて製造された射出成形品の一具体例の詳細を示す図である。 実施の形態２に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態２に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態２に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施の形態２に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。 実施例のリードタイムと比較例のリードタイムとを示すガントチャートである。

（実施の形態１）
図１〜図５を参照して実施の形態１に係る射出成形型の製造方法について説明する。図１は、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法を示すフローチャートである。図２〜図５は、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。

図２に示すように、射出成形品１の形状データに基づいて、砂型積層造形用データを作成する（砂型造形用データ作成工程ＳＴ１）。射出成形品１は、製造予定の射出成形型を用いて射出成形することのできる射出成形品と実質的に同じ形状を有する。射出成形品１の一具体例として、四輪自動車におけるフロントピラーガーニッシュが挙げられる。形状データとして、例えば、ＣＡＤ（Computer Aided Design）データ、具体的には、ＳＴＬ（（Standard Triangulated Language）又は（Stereolithography））データ等が挙げられる。砂型積層造形用データとして、例えば、スライスデータが挙げられる。

図２に示す射出成形品１の一例は、一方向に張り出すように曲がっている板状体であり、表面１ａと、裏面１ｂとを有する。具体的には、射出成形品１の表面１ａに基づいて、固定型用の砂型積層造形用データＤ１を作成し、裏面１ｂに基づいて、可動型用の砂型積層造形用データＤ２を作成する。

続いて、積層造形方法を用いて、砂型を造形する（砂型造形工程ＳＴ２）。続いて、形成した砂型を用いて鋳造を行うことによって、鋳造粗材を形成する（鋳造工程ＳＴ３）。砂型造形工程ＳＴ２及び鋳造工程ＳＴ３について、固定型と可動型とをそれぞれ順に説明する。

まず、固定型について説明する。
図３Ａに示すように、固定型用の砂型積層造形用データＤ１に基づいて、粉末焼結積層造形方法を用いて、砂型２を造形する（固定型砂型造形工程ＳＴ２１）。固定型用の砂型積層造形用データＤ１に基づいて、レーザーをレーザー照射器Ｌ１から砂に照射して焼結させることによって砂型２を造形する、もしくは、３Ｄプリンタ方式（バインダージェット方式）を用いて粉末砂の層に結合剤を噴霧付着させて砂型２を造形する。砂型２は形状面２ａを備え、形状面２ａは、射出成形品１の表面１ａと実質的に同じ形状を有する。

続いて、図３Ｂに示すように、砂型２を型枠４１の内側に配置させつつ、中子４２を砂型２の形状面２ａと対向するように支持する。すると、型枠４１と中子４２と砂型２とが組み立てられることによって、砂型キャビティＣ１が形成される。中子４２は、後述する溶湯Ｍ１と同じ種類の金属材料からなると好ましく、例えば、溶湯Ｍ１と同じ種類の金属材料からなるブロック材を利用するとよい。

図３Ｃに示すように、溶湯Ｍ１をラドルＲ１から砂型キャビティＣ１に注いで充填させた後で、溶湯Ｍ１を凝固させることによって、鋳造粗材を形成する（固定型鋳造工程ＳＴ３１）。具体的には、溶湯Ｍ１は、射出成形型を構成する金属材料と同じ種類の金属材料が溶解したものであればよい。このような金属材料として、純Ａｌ、純Ｚｎ又はこれらの合金が挙げられる。これらの合金として、型用亜鉛合金の一種であるＺｎ−４Ａｌ−３Ｃｕ合金（ＺＡＳ（登録商標））が挙げられる。

鋳造粗材は、必要に応じて仕上げ加工することによって、固定型５（図３Ｄ参照）としても利用することができる。固定型５は、本体５１と、本体５１の表面を覆う表面層５２とを備える。表面層５２は、成形面５ａを含み、成形面５ａは、形状面２ａ（図３Ｂ参照）に倣う形状を有するため、射出成形品１の表面１ａに倣う形状を有する。本体５１は、固定型鋳造工程ＳＴ３１における中子４２に相当し、表面層５２は、固定型鋳造工程ＳＴ３１において溶湯Ｍ１が凝固したものに相当する。

続いて、可動型について説明する。
図４Ａに示すように、可動型用の砂型積層造形用データＤ２に基づいて、粉末焼結積層造形方法を用いて、砂型３を造形する（可動型砂型造形工程ＳＴ２２）。可動型用の砂型積層造形用データＤ２に基づいて、レーザーをレーザー照射器Ｌ１から砂に照射して焼結させることによって砂型３を造形する、もしくは、３Ｄプリンタ方式（バインダージェット方式）を用いて粉末砂の層に結合剤を噴霧付着させて砂型３を造形する。。砂型３は、射出成形型の成形面に倣う形状面３ａを有する。形状面３ａは、射出成形品１の裏面１ｂと実質的に同じ形状を有する。

続いて、図４Ｂに示すように、砂型３を型枠４１の内側に配置させつつ、中子４３を砂型３の形状面３ａと対向するように支持する。すると、型枠４１と中子４３と砂型３とが組み立てられることによって、砂型キャビティＣ２が形成される。中子４３は、溶湯Ｍ１と同じ種類の金属材料からなると好ましく、例えば、溶湯Ｍ１と同じ種類の金属材料からなるブロック材を利用するとよい。

図４Ｃに示すように、溶湯Ｍ１をラドルＲ１から砂型キャビティＣ２に注いで充填させた後で、溶湯Ｍ１を凝固させ、鋳造粗材を形成する（可動型鋳造工程ＳＴ３２）。

鋳造粗材は、必要に応じて仕上げ加工することによって、可動型６（図４Ｄ参照）としても利用することができる。可動型６は、本体６１と、本体６１の表面を覆う表面層６２とを備える。表面層６２は、成形面６ａを含み、成形面６ａは、形状面３ａ（図４Ｂ参照）に倣う形状を有するため、射出成形品１の裏面１ｂに倣う同じ形状を有する。本体６１は、可動型鋳造工程ＳＴ３２における中子４３に相当し、表面層６２は、可動型鋳造工程ＳＴ３２において溶湯Ｍ１が凝固したものに相当する。

以上より、射出成形型として固定型５と可動型６とを製造することができる。なお、図５に示すように、固定型５と可動型６とを、互いの成形面５ａ、６ａ同士を対向させるように、射出成形機（図示略）に取り付けて、射出成形する。すると、射出した樹脂が固化して、射出成形品１０１が形成される。射出成形品１０１を製造することができる。射出成形品１０１は、射出成形品１と実質的に同じ構成を有する。

以上、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法によれば、砂型造形用データ作成工程ＳＴ１、砂型造形工程ＳＴ２及び鋳造工程ＳＴ３を経ることによって、射出成形型を製造することができるため、マスタモデルの作製を省略することができる。したがって、製造期間の短縮化を図ることができる。

（関連する技術）
ところで、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法に、関連する射出成形型の製造方法がある。関連する射出成形型の製造方法は、マスタモデルを作成する工程と、マスタモデルを作成する工程と、マスタモデルから砂型を製造する工程と、砂型を用いて鋳造して鋳造粗材を形成する工程と、ＮＣ（数値制御）加工を用いて鋳造粗材を加工して、射出成形型を形成するＮＣ加工工程とを含む。この鋳造粗材は、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法における鋳造工程ＳＴ３の鋳造粗材と比較して、大きな加工代を有する。そのため、このＮＣ加工工程は、荒加工と、中仕上げ加工と、仕上げ加工とを、この順に実施する。

一方、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法は、鋳造工程ＳＴ３の完了後において、必要に応じて仕上げ加工をするだけなので、荒加工と中仕上げ加工とが省略されており、関連する射出成形型の製造方法と比較して、製作期間が短い傾向にある。

また、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法によれば、中子を用いて鋳造する。そのため、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法では、射出成形型の全体積のうち、溶湯が凝固することによって形成される部位の割合が、関連する射出成形型の製造方法のそれと比較して、小さい。したがって、射出成形型の鋳造歪みが、関連する射出成形型の製造方法による射出成形型の鋳造歪みと比較して小さい。また、鋳造粗材の形状精度が、関連する射出成形型の製造方法の鋳造粗材の形状精度と比較して高い。

（変形例）
次に、図６〜図８Ｃを参照して、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例について説明する。図６〜図８Ｃは、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例を示す図である。

（砂型フローティングセット化）
砂型２０２を例にとって説明する。砂型２０２は、砂型２と同様に、砂型造形工程ＳＴ２の完了後において形成される砂型の一つの例である。砂型造形工程ＳＴ２では、図６に示すように、砂型２０２を位置出しブロック２２の上に配置し、砂型２０２の底面２０２ｂを定盤２１から浮き上がらせて、砂型２０２を製造してもよい。砂型２０２において、製品面側仮基準２０２ｃ、底面側仮基準２０２ｄを形成する。これによって、底面２０２ｂを定盤２１から浮き上がらせているため、容易に製品面側仮基準２０２ｃを形成することができる。そのため、鋳造工程ＳＴ３の完了後に必要に応じて行われる仕上げ加工において、基準面の位置精度を良好に確保することができ、特に、高さ方向精度を確保することができる。

（押し湯の設計配置の検討）
また、鋳造工程ＳＴ３では、形成する予定の鋳造粗材の形状に応じて、押湯の配置位置や大きさ等を設定するとよい。これによって、溶湯の部位に関わらず均一に固化させることができるため、鋳造歪みの発生を抑制することができる。

（プレス矯正）
また、鋳造工程ＳＴ３の完了後において、鋳造粗材をプレスすることで、矯正してもよい。

図７Ａに示す鋳造粗材７を例にとって説明する。鋳造粗材７は、鋳造粗材５、６（図３Ｄ及び図４Ｄ参照）と同様に、鋳造工程ＳＴ３の完了後において形成される鋳造粗材の一つの例である。鋳造粗材７は、底面７ｂを有し、底面７ｂが張り出るように反っている。鋳造粗材７を定盤２１に置くと、その底面７ｂの中央近傍と定盤２１とが接触するものの、底面７ｂの少なくとも一端は、定盤２１から浮き上がっており、定盤２１と距離Ｈｔ離間している。鋳造粗材７の長手方向において残留応力が生じることによって、上記した鋳造粗材７の反りが生じたと考えられる。

図７Ｂに示すように、プレスラム２０８ａ、２０８ｂと、押圧部９とを用いて、鋳造粗材７をプレス矯正する。プレスラム２０８ａ、２０８ｂは、プレス装置（図示略）に保持されている。プレスラム２０８ａは押圧部９を保持したまま、プレスラム２０８ｂと対向しつつ、接近する、又は離間するように移動することができる。

具体的には、鋳造粗材７をプレスラム２０８ｂ上に配置する。鋳造粗材７の底面７ｂとプレスラム２０８ｂの主面とが接触している。プレスラム２０８ａが押圧部９を保持したまま、プレスラム２０８ａの自重によってプレスラム２０８ｂに向かって接近する。押圧部９は、鋳造粗材７の表面７ａに倣う形状面９ａを有するため、形状面９ａが、鋳造粗材７の表面７ａに突き合わされる。押圧部９は鋳造粗材７を押圧して、底面７ｂの両端をプレスラム２０８ｂに密着させる。ここで、底面７ｂの略全面がプレスラム２０８ｂの主面と密着することになる。押圧部９による鋳造粗材７への押圧を、所定の時間継続させる。すると、図７Ｃに示すように、鋳造粗材７を定盤２１に置くと、底面７ｂの浮き上がりが無くなり、底面７ｂの略全面と定盤２１とが接触する。つまり、鋳造粗材７の歪みを矯正することができる。

（基準面形成工程）
また、鋳造工程ＳＴ３の完了後において、基準面を形成した後で、仕上げ加工を行ってもよい。

図８Ａに示す鋳造粗材８を例にとって説明する。鋳造粗材８は、鋳造粗材（固定型５、可動型６、鋳造粗材７（図３Ｄ、図４Ｄ及び図７Ａをそれぞれ参照）と同様に、鋳造工程ＳＴ３の完了後において形成される鋳造粗材の一つの例である。図８Ａに示すように、クランプ３２を用いて鋳造粗材８を定盤３１上に固定する。エンドミルＴ１（ＮＣカッタＴ１と称する。）を用いて、鋳造粗材８を加工し、仮基準面８ｃを形成する。

図８Ｂに示すように、クランプ３２を用いて支持具３３を固定する。鋳造粗材８を反転させ、支持具３３に載せて、ボルト締結する。これによって、支持具３３が仮基準面８ｃを突き上げるよう支持している。鋳造粗材８の表面８ａは、定盤３１から浮き上がっている。エンドミルＴ１を用いて、鋳造粗材８の底面８ｂを加工し、正基準面８ｄを形成する。

図８Ｃに示すように、正基準面８ｄと定盤３１と接触するように、鋳造粗材８を定盤３１に配置する。正基準面８ｄと定盤３１とが略全面にわたって接触し、正基準面８ｄの位置精度が確保される。最後に、エンドミルＴ１を用いて鋳造粗材８を仕上げ加工し、射出成形型を形成する。以上より、射出成形型を製造することができる。

以上より、上記した実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一工程の一変形例によれば、射出成形型の形状精度を確保することができる。

（実施の形態２）
次に、図９〜図１４を参照して、実施の形態２に係る射出成形型の製造方法について説明する。図９は、射出成形型を用いて製造された射出成形品の一具体例を示す図である。図１０は、射出成形型を用いて製造された射出成形品の一具体例の詳細を示す図である。図１１〜図１４は、実施の形態２に係る射出成形型の製造方法の一工程を示す図である。実施の形態２に係る射出成形型の製造方法は、部分入子と、冷却管を備える中子とを用いるところを除いて、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法と同じ構成を有する。異な構成について説明する。

図９に示すカウルルーバー１０を、射出成形品の一具体例にとって説明する。図９に示すように、カウルルーバー１０は、格子部１０ａを有する略板状体である。図１０に示すように、カウルルーバー１０は、四輪車１００に搭載される。四輪車１００は、フロントウィンドウ１１と、ボンネット１２とを含み、カウルルーバー１０は、フロントウィンドウ１１と、ボンネット１２との間に設けられている。

砂型造形用データ作成工程ＳＴ１では、カウルルーバー１０の形状データに基づいて、砂型積層造形用データを作成する。

続いて、砂型造形工程ＳＴ２では、砂型積層造形用データに基づいて、積層造形方法を用いて、固定型砂型（図示略）及び可動型砂型２３を造形する。形成した固定型砂型は、カウルルーバー１０の形状データに基づく形状を有するところを除いて、砂型２（図３Ａ参照）と同じ構成を有する。一方、図１１に示すように、可動型砂型２３は、形状面２３ａと、部分入子２４（後述）を保持する部分入子保持部２６ｂ（後述）を形成する突き出る形状を部分入子保持部形成部２３ｂとを含む。

続いて、鋳造工程ＳＴ３では、砂型造形工程ＳＴ２において形成した固定型砂型及び可動型砂型２３を用いて鋳造を行うことによって、鋳造粗材を形成する。形成した鋳造粗時を仕上げ加工することによって、可動型２５（後述）及び固定型２６（後述）を形成する。

図１２に示すように、可動型２５は、本体２５１と、本体２５１を被覆する表面層２５２とを備え、本体２５１は、冷却路２５３を備える。冷却路２５３は、冷却媒体供給源（図示略）及び冷却媒体排出口（図示略）、又は冷却媒体循環装置（図示略）に冷却媒体を授受可能に接続されている。冷却路２５３は、冷却媒体供給源、又は冷却媒体循環装置から冷却媒体を供給されて、熱を奪い、可動型２５を冷却させる。

固定型２６は、本体２６１と、本体２６１を被覆する表面層２６２とを備える。表面層２６２は、成形面２６ａと、凹形状の部分入子保持部２６ｂとを備える。

続いて、部分入子２４を製造する（部分入子製造工程ＳＴ４）。この部分入子製造工程ＳＴ４は、可動型２５と固定型２６とを射出成形機に取り付ける前に行えばよい。図１３に示す一例では、レーザーをレーザー照射器Ｌ１から金属粉末などに照射し、部分入子２４を形成する。部分入子２４は、粉末焼結造形によって形成してもよく、具体的には、カーボンファイバーを混合したナイロン粉末を焼結することによって形成してもよい。部分入子２４は、カウルルーバー１０の格子部１０ａ（図１０参照）に倣う成形面２４ａを備える。

最後に、可動型２５、固定型２６を射出成形機（図示略）に取り付ける。
具体的には、図１４に示すように、可動型２５を射出成形機の可動型保持プレート２７に保持させ、固定型２６を射出成形機の固定型保持プレート２８に保持させる。さらに、部分入子２４を固定型２６の部分入子保持部２６ｂに配置させる。可動型２５と固定型２６とを突き合わせると、金型キャビティが形成される。形成された金型キャビティに溶融樹脂を射出し、これを固化させることによって、カウルルーバー１０を形成することができる。

以上、実施の形態２に係る射出成形型の製造方法によれば、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法と同様に、砂型造形用データ作成工程ＳＴ１、砂型造形工程ＳＴ２及び鋳造工程ＳＴ３を経ることによって、射出成形型を製造することができるため、マスタモデルの作製を省略することができる。したがって、製造期間の短縮化を図ることができる。

また、実施の形態２に係る射出成形型の製造方法によれば、部分入子を用いることで、格子等の複雑形状を有する射出成形型を製造することができる。

ところで、実施の形態１に係る射出成形型の製造方法の一具体例を用いたときの実施例のリードタイムを計測した結果を、図１５に示した。また、上記した関連する射出成形型の製造方法の一具体例を用いたときの比較例のリードタイムを計測した結果も、図１５に示した。なお、図１５中において、比較例における「ＮＣ加工ＣＡＭデータ作成」及び「ＮＣ加工」が、関連する射出成形型の製造方法における「ＮＣ（数値制御）加工を用いて鋳造粗材を加工して、射出成形型を形成するＮＣ加工工程」に相当する。

図１５に示すように、実施例の総リードタイムは、約１７日と、比較例の総リードタイムと比較して短く、半減している。これは、実施例では、砂型造形用データ作成工程、砂型造形工程、鋳造工程、基準面形成、及び仕上げ加工についてかかるリードタイムが、比較例におけるマスタモデル作成（発泡モデルＣＡＭデータ）、鋳造モデル及び砂型製作、ＮＣ加工ＣＡＭデータ作成、及びＮＣ加工についてかかるリードタイムと比較して短いことが大きな要因と考えられる。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、砂型の積層造形方法として、レーザー焼結を用いた積層造形方法等を用いたが、砂型を積層造形によって製造できる他の積層造形方法や、砂型を製造できるラピッドプロトタイピングによる製造方法を用いてもよい。

１ 射出成形品 ２、３ 砂型
５ 固定型 ６ 可動型
Ｄ１、Ｄ２ 砂型積層造形用データ
ＳＴ１ 砂型造形用データ作成工程
ＳＴ２ 砂型造形工程
ＳＴ２１ 固定型砂型造形工程 ＳＴ２２ 可動型砂型造形工程
ＳＴ３ 鋳造工程
ＳＴ３１ 固定型鋳造工程 ＳＴ３２ 可動型鋳造工程

Claims (1)

1. 砂型を用いた射出成形型の製造方法であって、
   前記射出成形型を用いて射出成形することによって形成することのできる射出成形品の形状データに基づいて、砂型ラピッドプロトタイピング造形用データを作成する工程と、
   前記砂型ラピッドプロトタイピング造形用データに基づき、ラピッドプロトタイピングによる造形方法を用いて、前記射出成形型の成形面に倣う形状面を有する砂型を造形する工程と、
   前記砂型を用いて鋳造することによって、鋳造粗材を形成する工程と、を含む、
   射出成形型の製造方法。

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