JP2018027632A

JP2018027632A - 樹脂成形体の成形金型

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Publication number: JP2018027632A
Application number: JP2016160009A
Authority: JP
Inventors: 章弘内藤; Akihiro Naito; 賢一古木; Kenichi Furuki; 昭太越智; Shota Ochi; 政樹原; Masaki Hara; 焼本　数利; Kazutoshi Yakimoto; 数利焼本; 伊東　宏; Hiroshi Ito; 伊東　　宏
Original assignee: Japan Steel Works Ltd
Current assignee: Japan Steel Works Ltd
Priority date: 2016-08-17
Filing date: 2016-08-17
Publication date: 2018-02-22
Anticipated expiration: 2036-08-17
Also published as: JP6461870B2

Abstract

【課題】樹脂成形体の成形金型において、金型が薄くて熱容量が小さく、樹脂又は樹脂成形体を均一かつ迅速に加熱・冷却することができる成形金型及びそのような金型を用いて内部歪みがなく高精度の樹脂形成体を成形することができる金型装置を提供する。
【解決手段】本成形金型10は下成形型11と上成形型16を有し、平面P1、平面P2がそれぞれ樹脂膜の当接面になっている。下成形型11は、下成形型本体12とその側面外部に接合される連結ブロック18を有している。上成形型16は、上成形型本体17とその側面外部に接合される連結ブロック18を有している。本成形金型10の冷却は冷却手段14により、加熱は加熱手段15により行われる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型が薄くて熱容量が小さく、成形にかかる樹脂を均一かつ迅速に加熱・冷却することができる樹脂成形体の成形金型に関する。

成形金型により溶融状態の樹脂を押圧・冷却して所定形状に成形する樹脂成形体の成形方法がある。かかる成形方法に使用される成形金型は、加熱・冷却手段を有し、溶融樹脂を所定温度で押圧し、冷却することができるようになっている。この成形方法においては、内部歪みや変形のない樹脂成形体を成形するために成形金型の加熱・冷却の均一性が求められ、生産性を高めるために迅速性が求められる。

特許文献１に、均一な加熱・冷却を行うことができ、熱歪みが少なく内部歪みや変形のない金型を備える金型装置が提案されている。すなわち、一対の対向する金型において、少なくとも一方の金型は、成形体を得るための対象表面側から、その対象表面を形成する対象表面構成部材と、その対象表面構成部材を保持すると共に加熱手段と冷却手段の双方を具備するキャビティ型と、そのキャビティ型を保持する主型とを備えた金型装置であって、前記加熱手段及び前記冷却手段がそれぞれ前記キャビティ型に対して前記対象表面と平行な面内方向にも前記対象表面と垂直な方向にも対称に配置されたことを特徴とする金型装置が提案されている。

特許文献２に、金型の加熱と冷却を短時間で行うとともに金型表面の温度を均一化することができる微細形状転写シートの製造方法が提案されている。すなわち、金型に同一の媒体からなる加熱用の熱媒と冷却用の冷媒を、金型内熱冷媒流路に切り替えて供給することにより前記金型の温度調整を行い、前記金型を加熱する前に、前記加熱用熱媒を前記金型外部で循環させる熱媒循環工程と、前記加熱用熱媒を、金型に設けた複数の熱冷媒供給口に同時に供給して前記金型を加熱する熱媒供給工程と、前記金型を冷却する前に、前記冷却用冷媒を前記金型外部で循環させる冷媒循環工程と、前記冷却用冷媒を、金型に設けた複数の前記熱冷媒供給口に同時に供給して前記金型を冷却する冷媒供給工程と、を有する微細形状転写シートの製造方法が提案されている。

特開2010-89327号公報特開2011-201188号公報

樹脂成形体の成形金型は、樹脂を均一かつ迅速に加熱冷却できるものが好ましい。特許文献１に記載の金型装置の金型、また特許文献２に記載の製造方法に使用される微細形状転写金型は、いずれも金型の成形面が均一に加熱できる構造になっている。しかし、特許文献１に記載の金型は加熱手段及び冷却手段が対象表面と平行な面内方向にも垂直な方向にも対称に配置されるようになっているので、迅速な加熱冷却を行うには金型が厚く熱容量が大きいという問題がある。特許文献２に記載の微細形状転写金型は、金型内熱冷媒流路において加熱用熱媒と冷却用冷媒を切り替えなければならないので、温度制御の応答性が必ずしもよくないという問題がある。

本発明は、このような従来の問題点に鑑み、樹脂成形体の成形金型において、金型が薄くて熱容量が小さく、樹脂又は樹脂成形体を均一かつ迅速に加熱・冷却することができる成形金型及びそのような金型を用いて内部歪みがなく高精度の樹脂成形体を成形することができる金型装置を提供することを目的とする。

本発明に係る成形金型は、下成形型と上成形型により樹脂膜を押圧して樹脂成形体を成形する成形金型であって、前記下成形型は、前記樹脂膜の当接面に平行な面内に媒体が流動する線状の往路と復路が交互に等間隔に配設されるとともに、電磁気的に加熱される線状の加熱体がその往路と復路の中間部分にあって等間隔でそれらに平行に設けられた貫通孔に挿通され、前記上成形型は、前記樹脂膜の当接面に平行な面内に媒体が流動する線状の往路と復路が交互に等間隔に配設されるとともに、電磁気的に加熱される線状の加熱体がその往路と復路の中間部分にあって等間隔でそれらに平行に設けられた貫通孔に挿通され、前記媒体は、媒体供給管から前記下成形型又は上成形型の往路を通り、前記下成形型又は上成形型の側面外部に設けられた折返し路を介して前記下成形型又は上成形型の復路を通り、媒体排水管に戻って前記下成形型内又上成形型内を循環するようになっている。

上記成形金型は、一般的には各種制御装置を組み込んだベース型に装着されて使用される。すなわち、上記成形金型とベース型とを有する金型装置を構成することができ、その成形金型においては、下成形型は断熱材を介して下ベース型に吸着保持されるようになっており、上成形型は断熱材を介して上ベース型に吸着保持されるようになっているのがよい。

上記金型装置において、下又は上成形型は、その中心部に突出する位置決めピンにより下又は上ベース型に支持されるようになっているのがよい。また、下又は上成形型は、下又は上ベース金型からの離脱を防止する離脱防止手段が設けられているのがよい。

また、上記金型装置において、下又は上成形型はさらに下又は上スタンパを設けることができる。そして、その下又は上スタンパは、その周縁部に設けられた位置決めピンにより前記下又は上成形型に保持されるようになっているのがよい。その位置決めピンは、下又は上スタンパに設けられたU型溝又は長穴に係合するものとすることができ、そのU型溝又は長穴は成形金型の中心から前記位置決めピンの方向に長いU型溝又は長穴とするのがよい。

本発明によれば、薄くて熱容量が小さく、均一かつ迅速に加熱・冷却することができる成形金型を構成することができる。そして、この成形金型を装着した金型装置は、成形金型に熱歪みを生じさせにくい構造にすることができる。これにより、内部歪みがなく成型精度の高い樹脂成形体を成形することができることができる。

本発明に係る樹脂成形体の成形金型の模式図であり、図１（ａ）は外観図、図１（ｂ）はAA断面図である。本発明に係る金型装置の模式図である。図２（ａ）は正面図、図２（ｂ）は平面図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を基に説明する。図１は、本発明に係る樹脂成形体の成形金型を示す。本成形金型10は下成形型11と上成形型16を有し、平面P1、平面P2がそれぞれ樹脂膜の当接面になっている。下成形型11は、下成形型本体12とその側面外部に接合される連結ブロック18を有している。上成形型16は、上成形型本体17とその側面外部に接合される連結ブロック18を有している。連結ブロック18と下成形型11又は上成形型16の連結は、溶接による結合などの一体的な結合であってもよいが、脱着可能な螺合結合がメンテナンス等からは好ましい。その場合、連結ブロック18と下成形型11又は上成形型16とはOリング又はガスケットなどによりシールすることができる。下成形型11と上成形型16は、図１（ａ）に示すように、同等の構成を有している。

下成形型11と上成形型16は、上述のように同等の構成を有しているので、それらの詳細については下成形型11を中心に説明する。図１（ｂ）は、下成形型11の平面P1に平行な図１（ａ）のAA断面（平面P3）を示す。図１（ｂ）に示すように、下成形型11は冷却手段14と加熱手段15を有しており、下成形型11の温度制御が行われるようになっている。

冷却手段14は、下成形型11の内部に冷却用の媒体を循環させることができるようになっている。媒体は、媒体供給管140から供給され、下成形型11の下成形型本体12に設けられた往路142、連結ブロック18のブロック本体180に設けられた折返し路143及び下成形型本体12に設けられた復路144を通って下成形型11を冷却し、媒体排水管145に戻って下成形型11を循環する。往路142及び復路144は、下成形型11を直線状に貫いて等間隔に並列している。すなわち、下成形型11の断面部分（平面P3）には、往路142、折返し路143及び復路144（Aブロック）、往路142、折返し路143及び復路144（Bブロック）、往路142、折返し路143及び復路144（Cブロック）・・が平面P3上に整然と配設されている。往路142、復路144は、下成形型11を直線状に貫く孔により形成することができ、また、配管を埋め込んで形成することができる。媒体は、水を使用することができる。

加熱手段15は、下成形型11に設けられた直線状の貫通孔115に電磁気的に加熱することができる加熱体152から構成することができる。例えば、貫通孔115にシーズヒータを挿通させ、そのシーズヒータの回りを電熱促進剤で充填して加熱体152を形成することができる。加熱体152は、媒体が流動する往路142と復路144の中間部分に並列し、等間隔で設けられている。加熱体152は、下成形型11のほぼ全幅に亘って、等間隔に並列して配設されているので、下成形型11を効率的に均一加熱をすることができる。なお、加熱体152の熱膨張を考慮すると、連結ブロック18に突き当たる部分には、図１（ｂ）に示すように空間部182を設けるのがよい。下成形型11に均等に配設された加熱体152は並列結線にすることができ、下成形型11の加熱し難い部分の加熱速度を高めることができるように加熱体152を独自に制御できる配線にすることができる。また、加熱体152は、それ自体温度勾配を設けることができるものを使用することができる。

本成形金型10においては、下成形型11、上成形型16の厚さを20〜30mmとすることができる。このため、薄くて熱容量が小さく、均一かつ迅速に加熱・冷却することができる成形金型を構成することができる。しかしながら、かかる薄くて熱容量が小さい成形金型は、熱歪みを生じ易い。よって、成形金型がベース型に保持・固定されてなる金型装置を構成する場合は、熱歪みを生じ難い構造にするのがよい。例えば、成形金型がベース型に保持・固定されてなる金型装置として、図２の金型装置を示すことができる。

図２に示す金型装置50は、下成形型11が下ベース型51に断熱材52を介して吸着保持されるようになっている。この場合、下成形型11は、その中心部に突出する位置決めピン53により下ベース型51に支持されるようになっているのがよい。例えば、図２（ａ）に示すように、下成形型11の中心部が位置決めピン53により下ベース型51に支持された状態で、下成形型11が真空吸引により下ベース型51に吸着されるようにすることができる。かかる構成により、下成形型11の熱歪みの発生による問題を防止することができる。すなわち、下ベース型51と下成形型11をボルト等により剛結した場合は、下ベース型51と下成形型11の温度差に基づいてボルト等に部分的に熱膨張差が生じることになり、下成形型11に熱歪みが発生する。また、上成形型16と上ベース型56についても同様に上成形型16に熱歪みが発生し、下成形型11と上成形型16が均等に接触しなくなり、転写ムラや離型不良の原因となる。なお、下成形型11が下ベース型51に確実に保持され、下ベース型51から離脱しないように、脱落防止手段54を設けるのがよい。

上成形型16についても下成形型11と同様である。すなわち、上成形型16の中心部が位置決めピン58により断熱材57を介して上ベース型56に支持され、上成形型16が上ベース型51に吸着保持された形態にする。そして、上成形型16が上ベース型56から離脱しないように、脱落防止手段59を設けるのがよい。

かかる下成形型11と上成形型16からなる成形金型10により、樹脂膜を押圧して内部歪みがなく成型精度の高い樹脂成形体を成形することができる。しかしながら、樹脂膜を押圧し、微細構造が転写成形された樹脂成形体を成形する場合には、下成形型11又は／及び上成形型16に微細構造を設けたスタンパが使用される場合がある。このようなスタンパは、上述の成形金型と同様に、熱歪みの生じない構造にするのがよい。例えば、図２（ｂ）に示すように、下スタンパ61を位置決めピン63により下成形型11に保持・固定するのがよい。位置決めピン63は、下スタンパ61の外縁部に設けられるようにし、下スタンパ61に設けられたU型溝又は長穴に係合するようにするのがよい。このとき、U型溝又は長穴は、下成形11の中心から位置決めピン63の方向に長くなるようにするのがよい。これにより、下スタンパ61の熱膨張に際し、熱歪みの発生を防止することができる。なお、図２（ａ）に示すように、上成形型16においても上スタンパ66が位置決めピン68により上成形型16に保持・固定されるようにすることができる。また、下成形型11と上成形型16の位置合わせを確実に行うように、相互に嵌合する位置合わせピン71、72を設けることができる。

本成形金型に使用される樹脂膜は、下成形型に溶融樹脂を塗布して形成した樹脂膜であってもよく、また、樹脂製のフィルム（フィルム樹脂）であってもよい。すなわち、本発明に係る成形金型は、微細構造を有する下成形型に溶融樹脂を塗布してこれを押圧し、その微細構造が転写成形された微細構造体を成形する溶融微細転写プロセスに好適に使用することができる。また、本発明に係る成形金型は、フィルム樹脂を加熱・軟化させた後、これを押圧し、微細構造が転写成形された微細構造体を成形する熱式インプリント（ホットエンボス）プロセスに好適に使用することができる。

以上、本成形金型及び金型装置について説明した。本成形金型はその厚さを薄くすることができ、均一な加熱冷却を行うことができる。本金型装置は、本成形金型に熱歪みを生じさせないようにこれを保持・固定することができる。これにより、内部歪みがなく成型精度の高い樹脂成形体を成形することができる。また、本金型装置は、加熱手段として電磁気的に加熱を行う加熱体を用いているので、成形金型の急速な加熱を行うことが容易であるとともに、比較的複雑な温度制御を行うことができる。また、電磁気的加熱は媒体加熱と異なり温度上限がないので、本金型装置は、200℃以上の金型温度を必要とするスーパーエンプラの成形やガラスインプリントなどにも好適に使用することができる。

また、本発明に係る成形金型及び金型装置においては、成形金型の加熱又は冷却はそれぞれ専用の手段を用いているので、直ちに加熱又は冷却の開始又は停止をすることができ、成形金型及び金型装置の構造を簡単なものにすることができる。成形金型の冷却は、媒体供給管への水の配給又は停止機能があれば足りるので、本発明に係る金型装置の構造を簡単かつ安価にすることができる。しかしながら、本発明に係る金型装置を設置する環境によっては、媒体供給管に水の配給又は停止ができるようにするとともに、水蒸気の配給又は停止ができるようにして、成形金型の媒体加熱を行うようにすることができる。

10 成形金型
11 上成形型
115 貫通孔
12 上成形型本体
14 冷却手段
140 媒体供給管
142 往路
143 折返し路
144 復路
145 媒体排出管
15 加熱手段
152 加熱体
16 上成形型
17 上成形型本体
18 連結ブロック
180 ブロック本体
182 空間部
50 金型装置
51 下ベース型
52 断熱材
53 位置決めピン
54 脱落防止手段
56 上ベース型
57 断熱材
58 位置決めピン
59 脱落防止手段
61 下スタンパ
63 位置決めピン
66 上スタンパ
68 位置決めピン
71、72 位置合わせピン

Claims

下成形型と上成形型により樹脂膜を押圧して樹脂成形体を成形する成形金型であって、
前記下成形型は、前記樹脂膜の当接面に平行な面内に媒体が流動する線状の往路と復路が交互に等間隔に配設されるとともに、電磁気的に加熱される線状の加熱体がその往路と復路の中間部分にあって等間隔でそれらに平行に設けられた貫通孔に挿通され、
前記上成形型は、前記樹脂膜の当接面に平行な面内に媒体が流動する線状の往路と復路が交互に等間隔に配設されるとともに、電磁気的に加熱される線状の加熱体がその往路と復路の中間部分にあって等間隔でそれらに平行に設けられた貫通孔に挿通され、
前記媒体は、媒体供給管から前記下成形型又は上成形型の往路を通り、前記下成形型又は上成形型の側面外部に設けられた折返し路を介して前記下成形型又は上成形型の復路を通り、媒体排水管に戻って前記下成形型内又上成形型内を循環するようになっている成形金型。
請求項１に記載の下成形型が断熱材を介して下ベース型に吸着保持されるようになっている下金型と、請求項１に記載の上成形型が断熱材を介して上ベース型に吸着保持されるようになっている上金型と、を有する金型装置。
下又は上成形型は、その中心部に突出する位置決めピンにより下又は上ベース型に支持されていることを特徴とする請求項２に記載の金型装置。
下又は上成形型は、下又は上ベース金型からの離脱を防止する離脱防止手段が設けられていることを特徴とする請求項２又は３に記載の金型装置。
下又は上成形型はさらに下又は上スタンパを有し、その下又は上スタンパはその周縁部に設けられた位置決めピンにより前記下又は上成形型に保持されるようになっている請求項２〜４の何れか一項に記載の金型装置。
位置決めピンは、下又は上スタンパに設けられたU型溝又は長穴に係合するようになっており、そのU型溝又は長穴は成形金型の中心から前記位置決めピンの方向に長いU型溝又は長穴であることを特徴とする請求項５に記載の金型装置。