JP2019072975A - Mold, method of manufacturing mold, resin molding apparatus and method of molding molded article - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば、光学素子又は精密部品等の樹脂成形に用いられ、樹脂成型品に微細な表面凹凸パターンの形成が可能で、かつ、成形サイクルの短縮化を図ることができる金型と該金型の製造方法、前記金型を備える樹脂成形装置及び前記樹脂成形装置を用いて行う成形品の成形方法に関する。 The present invention is used, for example, in resin molding of optical elements, precision parts, etc., and a mold capable of forming a fine surface asperity pattern on a resin molded product and capable of shortening a molding cycle The present invention relates to a method of manufacturing a mold, a resin molding apparatus including the mold, and a molding method of a molded product performed using the resin molding apparatus.
CDやDVD等の光ディクス、光学レンズ、光学素子、ミラー及び導光板等の光学素子、又は精密部品等の製品は、合成樹脂による成形品が広く知られているが、これら光学素子や精密部品等の小型化、高機能化等に伴い、従来から微細で高精度の表面形状を有する成形品を成形できる成形技術が望まれている。また、近年では、転写面が大面積となる透明表示版や精密部品等においても、表面の形状及び精度について従来以上の微細化と高精度が求められるようになってきている。 As products such as optical disks such as CDs and DVDs, optical lenses, optical elements, optical elements such as mirrors and light guide plates, or precision parts, molded articles made of synthetic resin are widely known, but these optical elements and precision parts With the miniaturization, high functionalization, etc. of the etc., the molding technology which can shape | mold the molded article which has a fine and highly precise surface shape conventionally is desired. Further, in recent years, even for transparent display plates, precision parts and the like in which the transfer surface has a large area, finer and higher precision than in the past have been required in terms of surface shape and precision.
樹脂の射出成形技術は、従来から鋼等の金属材料で製作された金型を使用している。そのような金属金型を用いてサブミクロン〜1mmの微細形状を有する光学素子又は精密部品を射出成形する場合、溶融樹脂が有する熱は金型内に射出された瞬間に急速に金型に伝達され、キャビティ型又はコア型に接触している樹脂表面が急速に冷却され、固化する。そのため、樹脂を射出した後の形状転写工程である保圧工程において十分な金型転写性が得られず、微細で高精度の表面形状が得られないという問題があった。 The resin injection molding technology conventionally uses a mold made of a metal material such as steel. When using such a metal mold to injection mold an optical element or precision part having a submicron to 1 mm fine shape, the heat possessed by the molten resin is rapidly transferred to the mold at the moment of being injected into the mold. The resin surface in contact with the cavity or core mold is rapidly cooled and solidifies. Therefore, sufficient mold transferability can not be obtained in the pressure holding process which is a shape transfer process after injecting the resin, and there is a problem that a fine and highly accurate surface shape can not be obtained.
金型転写性を改善するため、射出成形時の射出圧力を高めたり、射出速度を上げる等の方法がとられているが、転写性を改善するには限界があり、十分な対策となっていないのが現状である。また、キャビティ型又はコア型に接触している樹脂表面の急速冷却及び固化を遅らせるため、金型の温度を高めに設定するとともに冷却時間を長くすることにより転写性を改善することも可能であるが、その場合は成形サイクルが長くなり、量産性が大きく低下するという問題がある。さらに、射出成形に圧縮成形を加えた射出圧縮方法を採用することも検討されているが、成形サイクルが長くなること、成形装置がやや複雑になること、成形条件の調整に熟練を要すること、及び圧縮工程によって成形品に応力が発生しやすいこと等から、汎用性に乏しかった。 In order to improve the mold transferability, methods such as increasing the injection pressure at injection molding or increasing the injection speed have been taken, but there is a limit to improve the transferability and it is a sufficient measure. It is the present condition that there is not. Moreover, in order to delay the rapid cooling and solidification of the resin surface in contact with the cavity type or core type, it is possible to improve the transferability by setting the temperature of the mold high and prolonging the cooling time. However, in that case, there is a problem that the molding cycle becomes long and the mass productivity is greatly reduced. Furthermore, although it has been considered to adopt an injection compression method in which compression molding is added to injection molding, the molding cycle becomes longer, the molding apparatus becomes somewhat complicated, and skill in adjusting molding conditions is required. In addition, it is poor in versatility because stress is easily generated in a molded product by the compression process.
このような技術課題を解決する方法として、金型表面に断熱層を設け、射出過程において金型内に充填された樹脂の温度が、その後の形状転写工程である保圧工程まで高温を保持することで金型転写性を向上させる方法が従来から数多く提案されている。この方法で使用する金型は、一般に断熱金型と呼ばれており、前記断熱層としては、例えば、ポリイミド樹脂又はセラミックス等が使用されている。 As a method of solving such technical problems, a heat insulating layer is provided on the mold surface, and the temperature of the resin filled in the mold in the injection process is maintained at a high temperature until the pressure holding process which is the subsequent shape transfer process. A number of methods have been proposed to improve the mold transferability. The mold used in this method is generally called a heat insulation mold, and as the heat insulation layer, for example, a polyimide resin or a ceramic is used.
しかしながら、断熱金型を用いる射出成形方法において、金型表面に断熱層を設けるだけではいくつかの技術課題があるため、それらの技術課題を解決するための方法が提案されている。例えば、断熱層近傍で加熱溶融された樹脂の熱がこもって局所的な偏りが発生して温度の不均一を招き、成形後の光学部品に複屈折が生じるという課題を解決するため、特許文献1には、断熱層の裏側に高熱伝導母材を設けることにより、速やかに熱を分散させ、温度の不均一を解消するようにした成形装置が開示されている。また、同じような構成と構造を有する金型は、特許文献2にも断熱キャビティ型として開示されている。
However, in the injection molding method using the heat insulation mold, there are some technical problems if the heat insulation layer is provided on the mold surface, and methods for solving these technical problems have been proposed. For example, in order to solve the problem that the heat of the heat-melted resin in the vicinity of the heat insulating layer causes local deviation to cause temperature non-uniformity and birefringence occurs in the molded optical component, as described in Patent Document The molding apparatus disclosed in 1 discloses a molding apparatus capable of quickly dispersing heat and eliminating temperature non-uniformity by providing a high thermal conductivity base material on the back side of the heat insulation layer. Further, a mold having a similar configuration and structure is disclosed in
特許文献3には、高圧・高衝撃性下での使用に耐えることができるような耐久性に優れる断熱金型を得るため、金属製金型母材と成形面を構成する金属皮膜との間に断熱層を有する金型において、前記断熱層と前記金属皮膜との間に熱伝導率が100W/m・K以上の熱伝導層を有する断熱金型が開示されている。ここで使用される熱伝導層は、高圧で注入された溶融樹脂の熱エネルギーの局所的授受によって生まれる熱膨張差が応力を発生させるため、前記熱膨張差によって起こる金属皮膜・断熱層の密着性の劣化を防止する目的のために使用される。また、特許文献4にも、前記特許文献3と同じような構成を有する金型、すなわち、表面層の転写部から順に、表面層と、熱伝導率が60W/m・k以上の下面層と、熱伝導率が30W/m・k以下の断熱層と、金型本体とからなる成形用金型が開示されている。前記特許文献4に記載の成形用金型は、成形時の成形品内の温度分布の不均一性を低減できるという効果を奏することが記載されている。
According to
さらに、耐久性を向上し得る断熱金型としては、特許文献5にも、保護層、断熱層及び金型基体の順で積層され、キャビティ領域の厚みを前記キャビティ領域以外の領域の厚みよりも小さくした断熱金型が開示されている。
Furthermore, as a heat insulation metal mold which can improve durability,
光学素子又は精密部品等の樹脂成形において、断熱金型を用いて微細な表面凹凸パターンを形成する場合、優れた金型転写性及び高精度の表面形状を実現するだけでなく、量産性向上のために成形サイクルの短縮化が強く求められている。断熱金型は、それを用いない従来の成形金型に比べて金型温度又は成形圧力をやや下げることができることから、前記特許文献1にも記載されているように、成形サイクルの短縮化に対してある程度の効果を有する。 When forming a fine surface asperity pattern using a heat insulating mold in resin molding of optical elements or precision parts, not only excellent mold transferability and high precision surface shape are realized, but mass productivity improvement is achieved. Therefore, shortening of the molding cycle is strongly demanded. Since the heat insulation mold can slightly lower the mold temperature or the molding pressure as compared with the conventional molding mold not using it, as described in the above-mentioned Patent Document 1, for shortening the molding cycle It has some effect on
しかしながら、前記特許文献1及び2に開示された断熱金型の構成では、熱を瞬間的に保持し、その後冷却を行うことにより熱の伝導又は伝達を遅延させるという断熱金型の特徴を十分に活かすことが難しかった。これは、断熱層の裏側に直接設けられた高熱伝導母材が大きな熱容量を有するため、高熱伝導母材による熱の伝導又は伝達の効果の方が大きくなり、溶融樹脂の熱が断熱層で瞬間的に保持されず、断熱層としての機能を十分に果たさないことに起因する。その結果、成形サイクルの短縮化が図られるものの、金型転写性の低下や熱応力の発生等によって微細な表面形状を高精度で形成することができなくなる場合があった。この問題は、例えば、前記特許文献1に記載されているようにレンズ等の微小光学素子においては顕著に現れてこないが、大きな(大容量の)高熱伝導母材を用いて成形を行う光ディスク、導光板及び表示板等の大面積の光学素子では大きな技術課題となっている。
However, in the configuration of the heat insulating mold disclosed in the
また、前記特許文献3に開示された断熱金型は、高圧で注入された溶融樹脂の熱エネルギーの局所的授受という断熱層に起因する問題を低減するため、断熱層と前記金属皮膜との間に熱伝導層を設けることにより、断熱金型の水平方向において熱エネルギーの瞬間的な再配分を目的としたものである。前記特許文献4に開示された金型も、同様な目的を以てなされたものであるといえる。しかしながら、両者の金型は、垂直方向(鉛直方向)の熱伝導又は熱伝達については従来の断熱金型と同じ効果しか得られず、成形サイクルを従来以上に短縮化するという効果を期待できるものではなかった。
In addition, the heat insulation mold disclosed in the
同様に、前記特許文献5に開示された断熱金型も、成形サイクルの短縮化を図るために提案されたものではなく、成形サイクルを従来の断熱金型より短縮化するという技術課題については全く認識されていなかった。
Similarly, the heat insulation mold disclosed in
本発明は、係る問題を解決するためになされたものであり、熱伝導層を備える断熱金型において、前記特許文献1〜5に開示されたものとは異なる構成と構造を採用することにより、樹脂成型品の表面に凹凸形状等の微細な形状を高精度で形成しつつ、従来の断熱金型に比べて成形サイクルの短縮化を図ることができる金型と該金型の製造方法、さらに、該金型を備える樹脂成形装置及び前記樹脂成形装置を用いて行う成形品の成形方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and in the heat insulation mold provided with a heat conduction layer, by adopting a configuration and a structure different from those disclosed in the Patent Documents 1 to 5, A mold capable of shortening a molding cycle as compared to a conventional heat insulation mold while forming a fine shape such as a concavo-convex shape on the surface of a resin molded product with high accuracy, and a method of manufacturing the mold, An object of the present invention is to provide a resin molding apparatus provided with the mold and a molding method of a molded product performed using the resin molding apparatus.
本発明者は、断熱層、金属製金型母材、及び前記断熱層と前記金属製金型母材の間に熱伝導層を有する構成を採用するとともに、それぞれの熱伝導率と厚さを所定の範囲内で規定することにより、上記の課題を解決できることを見出して本発明に到った。 The present inventor adopts a configuration having a heat insulating layer, a metal mold base material, and a heat conductive layer between the heat insulating layer and the metal mold base material, and the respective thermal conductivity and thickness By defining within the predetermined range, it has been found that the above-mentioned problems can be solved, and the present invention has been made.
すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
[1]本発明は、100℃の熱伝導度が10W/m・K未満である断熱層、100℃の熱伝導度が10〜70W/m・Kである金属製金型母材、及び前記断熱層と前記金属製金型母材の間に100℃の熱伝導度が70W/m・Kを超える熱伝導層を有する金型であって、前記熱伝導層は前記断熱層の下部境界面と当接する位置に、又は前記断熱層との下部境界面から0.1mm以下の位置に、厚さが0.01〜5.00mmで設けられることを特徴とする金型を提供する。
[2]本発明は、前記断熱層において100℃の熱伝導率が5W/m・K以下で、厚さが0.01mm〜2.00mmであり、前記熱伝導層において100℃の熱伝導率が150W/m・K以上で、厚さが0.01〜5.00mmであり、前記金属製母材において100℃の熱伝導率が10〜70W/m・Kで、厚さが10mmを超えることを特徴とする前記[1]に記載の金型を提供する。
[3]本発明は、前記熱伝導層が、前記断熱層と金属性金型母材との間であって、前記断熱層の境界面と当接する位置に、又は前記断熱層と前記熱伝導層との間に形成される接合層を介して、前記断熱層の下部境界面から0.1mm以下の位置に設けられることを特徴とする前記[1]又は[2]に記載の金型を提供する。
[4]本発明は、前記熱伝導層において、成形空間(キャビティ)の領域内の厚さが前記キャビティの領域外の厚さよりも薄いことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[5]本発明は、前記断熱層において、成形空間(キャビティ)の領域内の厚さが前記キャビティの領域外の厚さよりも厚いことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[6]本発明は、成形品表層の転写面側に表面保護層を有することを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[7]本発明は、前記表面保護層が、前記成形品表層の転写面側にメッキ膜又はダイヤモンドライクカーボン膜からなる最表面層を有することを特徴とする前記[6]に記載の金型を提供する。
[8]本発明は、前記[1]〜[7]に記載のいずれか一項に記載の金型において、前記熱伝導層が、物理的気相成長、化学的気相成長、メッキ、ろう付け、ボルト固定及び溶射の少なくともいずれかの方法を用いて前記金属製金属母材の表面上に形成されることを特徴とする金型の製造方法を提供する。
[9]本発明は、金型を具備する型締ユニットと射出ユニットとを備える樹脂成形装置であって、前記金型が前記[1]〜[7]のいずれか一項に記載の金型、又は前記[8]に記載の金型の製造方法によって得られる金型であることを特徴とする樹脂成形装置。
[10]本発明は、前記[9]に記載の樹脂成形装置を用いて樹脂射出成形又は樹脂射出圧縮成形を行うことを特徴とする樹脂成形品の成形方法を提供する。
That is, the constitution of the present invention is as follows.
[1] The present invention is a thermal insulating layer having a thermal conductivity of 100 ° C. of less than 10 W / m · K, a metallic mold base material having a thermal conductivity of 100 ° C. of 10 to 70 W / m · K, A mold having a heat conduction layer having a heat conductivity of more than 70 W / m · K at 100 ° C. between the heat insulation layer and the metal mold base material, wherein the heat conduction layer is a lower boundary surface of the heat insulation layer. The mold is provided with a thickness of 0.01 to 5.00 mm at a position where it abuts or at a position of 0.1 mm or less from the lower boundary surface with the heat insulating layer.
[2] In the present invention, the thermal conductivity at 100 ° C. is 5 W / m · K or less, and the thickness is 0.01 mm to 2.00 mm in the heat insulating layer, and the thermal conductivity at 100 ° C. in the thermal conductive layer Is 150 W / m · K or more, and the thickness is 0.01 to 5.00 mm, and in the metal base material, the thermal conductivity at 100 ° C. is 10 to 70 W / m · K, and the thickness exceeds 10 mm. The mold according to the above [1] is provided.
[3] In the present invention, the heat conduction layer is in a position between the heat insulation layer and the metallic mold base material and in contact with the boundary surface of the heat insulation layer, or the heat insulation layer and the heat conduction The mold according to the above [1] or [2], which is provided at a position of 0.1 mm or less from the lower boundary surface of the heat insulating layer via the bonding layer formed between the layers. provide.
[4] The present invention is characterized in that, in the thermally conductive layer, the thickness in the region of the forming space (cavity) is thinner than the thickness outside the region of the cavity. Provide a mold according to one of the claims.
[5] The present invention is characterized in that, in the heat insulating layer, the thickness in the region of the forming space (cavity) is thicker than the thickness outside the region of the cavity. Providing a mold as described in one section.
[6] The present invention provides the mold according to any one of the above [1] to [5], which has a surface protective layer on the transfer surface side of the surface layer of the molded article.
[7] The mold according to the above [6], wherein the surface protective layer has an outermost surface layer made of a plated film or a diamond-like carbon film on the transfer surface side of the molded article surface layer. I will provide a.
[8] The present invention provides the mold according to any one of the above [1] to [7], wherein the heat conductive layer is formed by physical vapor deposition, chemical vapor deposition, plating, brazing. A method of manufacturing a mold is provided, which is formed on the surface of the metal base material by using at least one of attaching, bolting and spraying.
[9] The present invention is a resin molding apparatus including a mold clamping unit having a mold and an injection unit, wherein the mold is a mold according to any one of the above [1] to [7]. Or a mold obtained by the method of manufacturing a mold according to the above [8].
[10] The present invention provides a method of molding a resin molded product, which comprises performing resin injection molding or resin injection compression molding using the resin molding apparatus described in [9].
本発明の金型は、断熱層、金属製金型母材、及び前記断熱層と前記金属製金型母材との間に熱伝導層を有する構成を採用するとともに、それぞれの熱伝導率と厚さを所定の範囲内で規定することにより、熱を瞬間的に保持できる断熱層としての機能が十分に発現するように、溶融樹脂から金属製金型母材への熱の伝導又は伝達を最適化することができる。そのため、小型だけでなく、大面積の樹脂成型品においても微細な表面形状を高精度で形成しつつ、成形サイクルを従来の断熱金型に比べて短縮化することができる。また、成形空間(キャビティ)の領域内と前記キャビティの領域外で断熱層及び熱伝導層の少なくともいずれかの厚さが異なる構成を採用することにより、それらの層の厚さの違いを利用して断熱金型の機能を微妙に調整することができる。そのため、成形サイクルの短縮化を行うときに金型設計の自由度を増すことができる。さらに、本発明の金型は、その表面側、すなわち、断熱層の上に表面保護層を設けることにより、金型の耐久性を向上させることができる。 The mold of the present invention adopts a configuration having a heat insulating layer, a metal mold base material, and a heat conduction layer between the heat insulation layer and the metal mold base material, and the respective thermal conductivity and By defining the thickness within a predetermined range, the conduction or transfer of heat from the molten resin to the metal mold base material is sufficiently performed so that the function as a heat insulating layer capable of holding heat instantaneously is sufficiently developed. It can be optimized. Therefore, the molding cycle can be shortened as compared with the conventional heat insulation mold while forming a fine surface shape with high precision not only in a small size but also in a large area resin molded product. Also, by adopting a configuration in which the thickness of at least one of the heat insulating layer and the heat conducting layer is different in the region of the forming space (cavity) and outside the region of the cavity, the difference in thickness of these layers is utilized. Thus, the function of the heat insulation mold can be finely adjusted. Therefore, the degree of freedom in mold design can be increased when shortening the molding cycle. Furthermore, the mold of the present invention can improve the durability of the mold by providing a surface protective layer on the surface side, that is, on the heat insulating layer.
本発明の金型の製造方法によれば、物理的気相成長、化学的気相成長、メッキ、ろう付け、ボルト固定及び溶射の少なくともいずれかの方法を用いて、熱伝導層を金属製金属母材の表面上にやや厚めに形成することにより、断熱層の機能を保持しつつ、熱伝導層による熱の伝導又は伝達の効果を高めることができるため、成形サイクルの一層の短縮化が可能になる。 According to the method of manufacturing a mold of the present invention, the heat conduction layer is formed of metal using metal vapor deposition, chemical vapor deposition, plating, brazing, bolting and / or thermal spraying. By forming a slightly thicker layer on the surface of the base material, the effect of heat conduction or transmission by the heat conduction layer can be enhanced while maintaining the function of the heat insulation layer, so that the molding cycle can be further shortened. become.
また、本発明の金型を樹脂成形装置に適用することにより、高精度の表面形状が求められる光学素子や精密部品等の樹脂成形に最適で、かつ、量産性に優れた樹脂成形装置を提供することができる。そして、本発明の樹脂成形装置を用いて、微細な表面形状を高精度で形成した高外観を有する樹脂成形品の成形方法を提供することが可能になる。 In addition, by applying the mold of the present invention to a resin molding apparatus, a resin molding apparatus is provided which is optimum for resin molding of optical elements, precision parts and the like for which high precision surface shape is required, and which is excellent in mass productivity. can do. And it becomes possible to provide the molding method of the resin molded product which has the high external appearance which formed the fine surface shape with high precision using the resin molding apparatus of this invention.
図1に、本発明の金型を模式的に示す。本発明の金型は、熱伝導性又は熱伝達性の観点から、樹脂成形品表層の転写面側から順に、基本的に断熱層、熱伝導層、及び金属製金型母材が積層される構成を有するが、図1の(a)及び(b)に示すように、実用的には表面保護層を有する構造が採用される。 FIG. 1 schematically shows a mold of the present invention. In the mold of the present invention, from the viewpoint of heat conductivity or heat conductivity, the heat insulation layer, the heat conduction layer, and the metal mold base material are basically laminated in order from the transfer surface side of the resin molded article surface layer Although it has a structure, as shown to (a) and (b) of FIG. 1, the structure which has a surface protective layer practically is employ | adopted.
図1の(a)に示す金型1は、樹脂成形品表層の転写面側から、表面保護層2、断熱層3、熱伝導層4、及び金属製金型母材5の順で積層される構造を有し、断熱層3の下部に配置される熱伝導層4が断熱層3と接触した状態で当接して設けられる。また、図1の(b)に示す金型6は、図1の(b)に示す金型1の構造をベースにして、さらに断熱層3と熱伝導層4との間に接合層7を備える構造を有する。該接合層7は、主に断熱層3と熱伝導層4との接合を向上させるために設けられる。仮に、断熱層3と熱伝導層4との接合が弱い組み合わせであっても接合層7によって両者の接合性を改善できるため、金型6の構造は、熱伝導層3及び熱伝導層4として適用できる材料の選択の幅が広がるという利点を有する。
The mold 1 shown in FIG. 1 (a) is laminated in the order of the
本発明の金型は、断熱層3、熱伝導層4、及び金属製金型母材5の組み合わせを採用するだけでなく、成形時の溶融樹脂からの熱を断熱層3が瞬間的に保持できるように、金型を構成する各層の熱伝導度を所定の範囲に規定することが必要である。したがって、100℃の熱伝導度が10W/m・K未満である断熱層3、100℃の熱伝導度が10〜70W/m・Kである金属製金型母材5、及び断熱層3と金属製金型母材5の間に100℃の熱伝導度が70W/m・Kを超える熱伝導層4を有する。さらに、成形サイクルの短縮化を図るには、断熱層3に瞬間的に保持された熱を金属製金型母材5に迅速に伝導又は伝達させることが必要であるため、熱伝導性の観点から熱伝導層4の厚さを0.01〜5.00mmで設ける必要がある。各層の熱伝導率及び熱伝導層4の厚さを前記の範囲に規定することにより溶融樹脂から金属製金型母材5への熱の伝導又は伝達を容易に調整できるため、微細な表面形状を高精度で形成しつつ、成形サイクルを従来の断熱金型に比べて短縮化することができる。
The mold of the present invention not only adopts a combination of the
本発明において、断熱層3の熱伝導率(100℃の値)が10W/m・K以上であると、断熱層としての機能が十分に得られない。また、金属製金型母材5は熱伝導率(100℃の値)が10W/m・K未満であると、十分な冷却効果が得られない。逆に、金属製金型母材5の熱伝導率(100℃の値)が70W/m・Kを超えて大きくなりすぎると、大きな熱容量によって熱の伝導又は伝達が加速されるため、溶融樹脂の熱が断熱層で瞬間的に保持されない。それにより、金型内に設ける断熱層の機能が大幅に低減し、断熱層4を設けても微細な表面形状を高精度で形成することが難しくなる。この傾向は樹脂成型品が大面積になるほど顕著になる。一方、断熱層3と金属製金型母材5の間に介在する熱伝導層4は、金属製金型母材5の熱伝導度が前記の範囲であるため、100℃において70W/m・Kを超える熱伝導率を有する必要がある。
In the present invention, when the thermal conductivity (value of 100 ° C.) of the
また、熱伝導層4は、厚さが0.01mm未満であると、熱伝導又は接伝達の効果がほとんど得られない。逆に、厚さが5.00mmを超えて厚くなりすぎると、熱伝導層4の熱容量が大きくなり、100℃において70W/m・K以上の熱伝導率を有する高熱伝導性の金属製金型母材を断熱層へ直に当接した場合と同じ機能と作用が付与されるだけである。その結果、前記特許文献1及び2に記載の断熱金型と同じように、金型内に設ける断熱層の機能が大幅に低下し、溶融樹脂の熱が断熱層で瞬間的に保持されなくなる。
In addition, when the thickness of the
図1の(a)に示す金型1は、熱伝導層4が断熱層3の下部境界面と当接する位置に設けられるため、断熱層3に保持される溶融樹脂の熱は熱伝導層4に迅速に伝導又は伝達する。一方、図1の(b)に示す金型6のように、断熱層3と熱伝導層4との間に接合層7を備える構造を採用する場合は、接合層7の熱伝導率が熱伝導層4よりも一般的に低いため、断熱層3と接合層4との間の距離を小さくすることが熱伝導性の点で不可欠である。本発明においては、断熱層3との下部境界面から0.1mm以下の位置に設けることが必要である。熱伝導層4が断熱層3との下部境界面から0.1mmを超えて配置される場合は、熱伝導又は熱伝達が迅速に行われず、成形サイクルの短縮化の効果がほとんど得られない。
The mold 1 shown in FIG. 1A is provided at a position where the
本発明においては、さらに、断熱層3は100℃の熱伝導率が5W/m・K以下で、0.01mm〜2.00mmの厚さを有し、熱伝導層4は100℃の熱伝導率が150W/m・K以上で、0.01〜5.00mmの厚さを有し、金属製金型母材5は100℃の熱伝導率が10〜70W/m・Kで、10mmを超える厚さを有することが好ましい。断熱層3、熱伝導層4及び金属製金型母材5は、熱伝導率だけでなく厚さについても具体的な範囲で規定することにより、溶融樹脂から金属製金型母材5への熱の伝導又は伝達の調整を行うことが容易になり、熱の伝導又は伝達の最適化に大きな効果が得られる。
In the present invention, the
断熱層3の100℃における熱伝導率を5W/m・K以下にし、その厚さを0.01mm〜2.00mmに設定することにより、溶融樹脂の熱が断熱層で瞬間的に保持される効果が確実に得られるため断熱層としての機能が大幅に向上する。さらに、熱伝導層4の100℃における熱伝導率を150W/m・K以上とし、厚さを0.01〜5.00mmに設定するとともに、100℃において10〜70W/m・Kの熱伝導度を有する金属製金型母材5を、10mmを超える厚さで熱伝導層4に当接して設けることにより、断熱層に瞬間的に保持された熱の伝導及び伝達がより促進され、金型の冷却効果を高めることができる。このようにして断熱と熱伝導の両効果が確実に得られるため、樹脂成形品の微細な表面形状を高精度で形成しつつ、成形サイクルを従来の断熱金型に比べて大幅な短縮化を図ることができる。
By setting the thermal conductivity of the
本発明の金型において、断熱層3、熱伝導層4、及び金属製金型母材5の熱伝導率は、特に断りがない限り、100℃の値である。実際の射出成形時で設定される金型は60〜120℃の範囲の温度に設定されるのが一般的である。そのため、本発明の目的を鑑みると、各層の熱伝導率を規定する場合は、射出成形時の金型温度、具体的には100℃で測定した値が適当である。しかしながら、高熱伝導金属として広く知られている銅の熱伝導率は、20℃及び100℃の値がそれぞれ386W/m・K及び377W/m・Kであり、両者の差は非常に小さい。同様に、アルミニウムにおいても、20℃及び100℃の値がそれぞれ204W/m・K及び206W/m・Kであり、温度による違いは非常に小さい。したがって、各層の熱伝導率を室温(具体的には10〜30℃)の値で規定しても熱伝導率の大小に何ら影響を与えないものではないので、100℃の熱伝導率が明確でない材質の組み合わせについては室温の熱伝導率を用いてもよい。
In the mold of the present invention, the thermal conductivity of the
本発明においては、図2に示すように、断熱層3及び熱伝導層4の少なくともいずれかにおいて、それぞれ厚さが成形空間(キャビティ)の領域内と前記キャビティの領域外では異なる構成を有していてもよい。図2に示す構成により、断熱層3による断熱効果及び熱伝導層4による熱の伝導又は伝達の効果を、それぞれの層が有する熱伝導率及び厚さだけでなく、キャビティ領域内とキャビティ領域外との間でそれぞれの層の厚さを変えることにより微妙に調整できることから、成形サイクルの一層の短縮化を行うときに金型設計の自由度を増すことができる。
In the present invention, as shown in FIG. 2, in at least one of the
図2の(a)は、キャビティの領域外に比べて、キャビティ領域内で薄く形成された熱伝導層4を有する金型8の断面を模式的に示す概略図である。図2の(b)は、キャビティの領域外に比べて、キャビティ領域内で厚く形成された断熱層3を有する金型9の段面を模式的に示す概略図である。また、図2の(c)は、(a)と(b)との組み合わせであり、キャビティの領域内において、キャビティの領域外より厚い断熱層3及び薄い熱伝導層4を有する金型10の断面を模式的に示す概略図である。図2の(a)、(b)及び(b)は、金型の構造上の違いだけであり、目的とする機能と作用は同じである。
FIG. 2A is a schematic view schematically showing a cross section of the mold 8 having the
図2に示す金型8、9、10は、断熱層3において瞬間的に保持される溶融樹脂の熱が、樹脂成形品表層の転写面を含むキャビティ領域内から急速に熱の拡散又は伝達されるのを抑制する一方で、キャビティ領域外ではその熱の伝導又は伝達を加速させるために、キャビティ領域外に位置する熱伝導層4の厚さを断熱層3に比べて相対的に厚くした構造を有する。それにより、キャビティ領域内と領域外との間で、熱伝導又は熱伝達の速度と程度に差が生まれる。
In the
図2に示す金型において断熱層3及び熱伝導層4の厚さは、例えば、次のようにして変えることができる。図2の(a)に示す金型8の場合は、金型のキャビティ領域内に相当する部分として凸状段差を有する平坦面を有する金属製金型母材5を用いて、その上に熱伝導層4を形成する。次いで、熱伝導層4の上面を精密機械研削及び精密機械研磨の少なくともいずれかの方法により所定の厚さになるように平坦状に加工した後、断熱層3を形成する。必要であれば、さらに、断熱層3の上に表面保護層2を形成する。
In the mold shown in FIG. 2, the thicknesses of the
また、図2の(b)に示す金型9の場合は、平坦な金属製金型母材5を用いて、その上に熱伝導層4を形成した後、熱伝導層4においてキャビティ領域に相当する部分が凹状段差を有する平坦面となるように、精密機械研削及び精密機械研磨の少なくともいずれかの方法により所定の厚さに加工する。次いで、熱伝導層4の上部に断熱層3を形成し、該断熱層3の上面を精密機械研削及び精密機械研磨の少なくともいずれかの方法により所定の厚さで平坦状に加工する。必要であれば、さらに、断熱層3の上に表面保護層2を形成する。また、図2の(c)に示す金型10の場合は、上記金型8及び金型9を作製する方法を組み合わせて各層を形成することができる。
Further, in the case of the mold 9 shown in FIG. 2 (b), after the
図2に示す金型8、9及び10が有する断熱層3、熱伝導層4及び金属製金型母材5は、厚さがそれぞれ0.01mm〜2.00mm、0.01〜5.00mm及び10mmを超えるように形成することが好ましい。また、必要に応じて表面保護層2を形成する場合、表面保護層2の厚さは、金型の耐久性を向上させつつ、断熱層3の機能を大きく損なわない程度に調整する。
The
図3は、キャビティ領域が凸形状となる本発明の金型を模式的に例示する概略断面図である。図3に示す金型11は、キャビティの領域外に位置する熱伝導層4の厚さがキャビティの領域内に比べて厚くなっており、図2の(a)に示す金型8と基本的に同じ機能と作用を有する。したがって、キャビティの領域内に位置する断熱層3に瞬間的に保持される溶融樹脂の熱は、キャビティの領域外に位置する厚膜の熱伝導層4を通して金属製金型母材5へ迅速に伝導又は伝達される。それにより、キャビティの領域内で成形される樹脂成形品の表面形状を高精度に保ちつつ、成形サイクルの一層の短縮化を図ることができる。ここで、キャビティ領域に形成される形状としては、図2及び図3に示すように平面形状及び凸形状には限定されず、凹形状又は光ディスク、導光板及び表示板等のように金型転写面側に穴、孔又は溝の多数個が形成される形状であってもよい。また、図3に示す金型の構造としては、図2の(c)に示す金型10と同じように、熱伝導層4だけでなく、断熱層3の厚さをキャビティの領域内と領域外の間で変えてもよい。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically illustrating a mold of the present invention in which the cavity region has a convex shape. In the
次に、本発明の金型を構成する各層の材質とその熱伝導率及び各層の形成方法について説明する。 Next, the material of each layer which comprises the metal mold | die of this invention, its heat conductivity, and the formation method of each layer are demonstrated.
<断熱層>
本発明の金型が有する断熱層3の材質としては、例えば、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂やポリカーボネート等の熱可塑性の耐熱性樹脂(熱伝導率:0.1〜0.4W/m・K);ジルコニア(熱伝導率:3W/m・K)やアルミナ(純度99.7%品における熱伝導率:29W/m・K)、酸化チタン(アナターゼにおける熱伝導率:8.4W/m・K)、チタン酸アルミニウム(熱伝導率:1.5W/m・K)等のセラミック;及び無機酸化物ガラス(熱伝導率:0.5〜2W/m・K)等が挙げられる。これらの材質は、室温〜100℃の間ではほぼ同じ熱伝導率を有する。前記耐熱性樹脂には、無機ガラス繊維や有機繊維などの低熱伝導性の繊維が含まれていてもよい。また、断熱層3は、多孔質構造を有し、該多孔質中の空隙が別の固体で充填される構造を有してもいてもよい。本発明においては、これらのなかで、熱伝導率が5W/m・K以下と小さな材質を使用するのが好ましい。
<Adiabatic layer>
The material of the
<熱伝導層>
本発明の金型が有する熱伝導層4としては、例えば、純銅(100℃のの熱伝導率:377W/m・K)、アルミニウム(100℃の熱伝導率:240W/m・K)、マグネシウム(100℃の熱伝導率:154W/m・K)、亜鉛(100℃の熱伝導率:112W/m・K)、黄銅(100℃のの熱伝導率:128W/m・K)、ニッケル(100℃の熱伝導率:83W/m・K)又はそれらの合金が挙げられる。また、金(100℃の熱伝導率:313W/m・K)や銀(100℃の熱伝導率:422W/m・K)等の高熱伝導性の貴金属、又はタングステン(100℃の熱伝導率:163W/m・K)、モリブデン(100℃の熱伝導率:135W/m・K)等の金属又はそれらの合金を使用してもよいが、これらの金属はコストや加工性等の点で使用の際には検討が必要である。本発明においては、これらの中で、熱伝導率が150W/m・K以上と大きく、低コストで、加工性等を含めて取り扱いが容易である銅及びアルミニウム、又はそれらの合金を使用するのが好ましい。
<Heat conduction layer>
The heat
熱伝導層の形成は、特定の方法に限定されず、公知の方法を採用することができる。例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、MBE法、真空蒸着法等の物理的気相成長;熱CND、MOCVD、PFプラズマCVD等の化学的気相成長法;電解メッキ、無電解メッキ等のメッキ;銀、銅、黄銅、りん銅、アルミ等のろう付け;機械的なボルト固定;溶射等の少なくともいずれかの公知の方法を用いて行う。本発明においては、これらの方法の1種だけでなく、2種以上を組みあわせてもよい。 The formation of the heat conduction layer is not limited to a specific method, and any known method can be employed. For example, physical vapor deposition such as sputtering, ion plating, MBE, vacuum evaporation, etc .; chemical vapor deposition such as thermal CND, MOCVD, PF plasma CVD, etc .; plating such as electrolytic plating, electroless plating, etc. Brazing of silver, copper, brass, phosphorous copper, aluminum or the like; mechanical bolting; spraying, etc., using any known method. In the present invention, not only one of these methods but also two or more of these methods may be combined.
本発明は、金属製金属母材の表面上に設ける伝導層をやや厚膜に形成することにより、断熱層の機能を保持しつつ、熱伝導層による熱の伝導又は伝達を加速することができるため、成形サイクルの一層の短縮化が可能になる。そのため、厚膜の熱伝導層を短時間で形成しやすい方法として、上記の方法の中から、メッキ、ろう付け、ボルト固定及び溶射の各方法を採用することが好ましい。さらに、均一な厚膜を形成できることから、電解メッキ又は無電解メッキと電解メッキとを組み合わせるメッキ方法によって熱伝導層を形成することが特に好ましい。メッキ方法であれば、熱伝導層の形成において、数mmの厚膜だけでなく、数十ミクロンの薄膜を均一に、かつ、他の方法に比べて容易に形成することができる。 According to the present invention, by forming the conductive layer provided on the surface of the metal base material to be a slightly thick film, it is possible to accelerate the conduction or transfer of heat by the heat conductive layer while maintaining the function of the heat insulating layer. Therefore, the molding cycle can be further shortened. Therefore, as a method of easily forming a thick-film thermally conductive layer in a short time, it is preferable to adopt each method of plating, brazing, bolting and thermal spraying among the above methods. Furthermore, since a uniform thick film can be formed, it is particularly preferable to form the heat conduction layer by electroplating or a plating method combining electroless plating and electrolytic plating. In the case of the plating method, not only a few mm thick film but also a few tens micron thin film can be formed uniformly and easily as compared with other methods in forming the heat conduction layer.
<金属製金型母材>
本発明の金型が有する金属製金型母材5は、金属から構成されていればよく、公知又は市販の材質を使用することができるが、上記で述べたように、100℃の熱伝導率が10〜70W/m・Kであるものを使用することが必要である。本発明においては、銅、アルミニウム等の金属単体、又は銅合金、チタン合金等の材質は熱伝導率が大きいため、金属製金型母材5として不適である。そこで、鉄系金属を用いることが好ましく、例えば、炭素鋼(100℃の熱伝導率:36〜53W/m・K)、ステンレス鋼(100℃の熱伝導率:13〜27W/m・K)、ニッケル鋼(100℃の熱伝導率:10〜26W/m・K)、ニッケルクロム鋼(100℃の熱伝導率:36W/m・K)、ケイ素鋼(100℃の熱伝導率:19〜42W/m・K)及びクロム鋼(100℃の熱伝導率:31〜45W/m・K)等のプラスチック射出成形金型として使用されているものが好適である。それらの中で、高強度及び高硬度で耐久性に優れるステンレス鋼がより好ましい。
<Metal mold base material>
The metal
上記の鉄系金属は、硬度や加工性の点でも優れ、さらに、高熱伝導性金属である銅、銅合金、アルミ合金及び銅−ベリリウム合金等に比べ汎用性に富むため、本発明の金型に使用する金属製金型母材5として好適である。この金属製金型母材5は、鉄系金属の溶製材又は焼結材のいずれであってもよい。
The above-mentioned iron-based metal is excellent in hardness and processability and is more versatile than copper, a copper alloy, an aluminum alloy, a copper-beryllium alloy or the like which is a high thermal conductivity metal, so the metal mold of the present invention It is suitable as a metal
金属製金型母材5の成形面側は、面又は曲面のいずれかの形状で形成されており、また、最終成形体に付与すべき微細形状の反転型となっていてもよく、目的とする成形品の形状に応じて適宜選択することができる。例えば、凹凸部(突起部又は溝部)を成形する場合、金属製金型母材5の成形面側に、あらかじめ成形面に転写すべき形状の反転型又はそれに類似する形状を形成されていてもよい。
The molding surface side of the metal
<接合層>
図1の(b)に示す金型6に設けられる接合層7は、主に断熱層3と熱伝導層4との接合を向上させるために設けられるものであり、特に、酸化されて強固な酸化物皮膜を表面に形成しやすい金属が好ましい。例えば、チタニウム(Ti)、タンタル(Ta)、クロム(Cr)、モリブデン(Mo)、タングステン(W)等又はこれらの合金が好ましい。接合層の厚みは、熱伝導性の点から0.1mm以下であり、好ましくは0.01mm以下、より好ましくは0.001mm(1μm)以下である。また、断熱層3と熱伝導層4との接合を確実にするため、接合層の厚みは0.02μm以上が好ましい。したがって、接合層の厚みは、熱伝導性及び接合性の両者を考慮すると0.02〜1.0μmに設定するのが実用的である。
<Bonding layer>
The bonding layer 7 provided in the mold 6 shown in (b) of FIG. 1 is mainly provided to improve the bonding between the
接合層4の形成は、熱伝導層の表面上に物理的気相成長法(PVD法)によって行う。物理的気相成長法(PVD法)は、薄膜の接合層を形成するのに適しており、例えば、スパッタリング法、イオンプレーティング法、MBE法、真空蒸着法等が挙げられる。接合層としては、単層から構成されてもよいし、多層から構成されてもよい。
The formation of the
図1の(b)に示す接合層7は、断熱層3と熱伝導層4との間に設けられているが、本発明においては、必要に応じて、熱伝導層4と金属製金型母材5との間、又は表面保護層2と断熱層3との間にも接合層7とは別の接合層を設けてもよい。前記接合層7とは別の接合層についても、接合層7において例示した材質及び厚さの中から、それぞれの層の接合性を高めることができる最適な組み合わせを選択して形成することができる。
The bonding layer 7 shown in (b) of FIG. 1 is provided between the
<表面保護層>
本発明の金型は、図1及び図2に示すように、成形品の転写面側に表面保護層を設けることにより次のような効果を得ることができるため、表面保護層2を有することが実用的である。
(1)ミクロンオーダー以下の高い精度で金型の形状を成形体に転写するため、十分な転写性が得られる。
(2)射出圧力を高めたり、射出速度を上げる等をしなくても十分な転写性が得られるため、金型の耐久性が向上する。
(3)耐熱性樹脂又はセラミックから構成される断熱層を成形品の転写面とする場合には、表面形状が粗く、構成成分から微粒子や磨耗粉の発生しやすいため、光学表面や高精度の表面形成を有する成形品を製造することが困難になることがある。また、耐熱性樹脂の断熱層は、金属に比べて熱膨張係数が大きいため、使用中に断熱層が熱伝導層から剥離しやすく、金型耐久性が低くなる場合もある。この技術課題は、金型最表面に設ける表面保護層よって解決することができる。
<Surface protective layer>
The mold of the present invention has the surface
(1) Sufficient transferability can be obtained because the shape of the mold is transferred to the molded body with high accuracy of micron order or less.
(2) Since sufficient transferability can be obtained without increasing the injection pressure or the injection speed, the durability of the mold is improved.
(3) When a heat insulating layer composed of a heat resistant resin or ceramic is used as the transfer surface of a molded product, the surface shape is rough, and fine particles and wear powder are easily generated from constituent components. It can be difficult to produce molded articles with surface formation. In addition, since the thermal insulation layer of the heat resistant resin has a thermal expansion coefficient larger than that of metal, the thermal insulation layer may be easily peeled off from the thermal conduction layer during use, and the mold durability may be low. This technical problem can be solved by the surface protective layer provided on the outermost surface of the mold.
表面保護層2は、例えば、金属皮膜及びアモルファスのダイヤモンドカーボン皮膜の少なくともいずれかによって、単層又は2層以上の多層の構成で形成することができる。金属皮膜の成形方としては、例えば、電気メッキ、無電解メッキ等のメッキ法;熱CVD、MOCVD、RFプラズマCVD等の化学的気相成長法;イオンプレーティング法、MBE法、真空蒸着法等の物理的気相成長法等の公知の薄膜形成方法が挙げられる。また、アモルファスのダイヤモンドカーボン皮膜は、例えば、マグネトロンスパッタリング法等でカーボンターゲットを用いて形成することができる。
The surface
表面保護層2の厚さは、金型の耐久性を向上させつつ、断熱層3の機能を大きく損なわない程度に設定する必要があるため、0.1μm〜1mmが好ましく、さらに1μm〜0.5mmがより好ましい。
The thickness of the surface
本発明の金型に表面保護層2を形成する場合は、耐摩耗性及び耐久性の点から数μm以上の比較的厚膜を短時間に形成できること、及び、微細な表面形状を高精度で付与できるような優れた平面平滑性を有する表面を形成できること等から、前記断熱層と接触する面の反対側、すなわち樹脂成形品表層の転写面側に、メッキ膜又はダイヤモンドライクカーボン膜からなる最表面層を有することが好ましい。このとき、表面保護層2の耐摩耗性をさらに向上させるため、ダイヤモンドライクカーボン膜の例としてフッ素含有のダイヤモンドライクカーボン膜を使用してもよい。
When the surface
本発明の金型において表面保護層2が単層の構成を有する場合は、メッキ膜又はダイヤモンドライクカーボン膜が単独の層として形成される。また、表面保護層2が2層以上の多層の構成を有する場合は、最表面層にメッキ膜及びダイヤモンドライクカーボン膜のいずれかの膜が形成される。例えば、最表面層としてダイヤモンドライクカーボン膜を形成するときは、断熱層3との被着性を向上させるため、最表面層のダイヤモンドライクカーボン膜と断熱層3との間に、Cr、W、Ti、Si等からスパッタリング下地層を形成してもよい。その場合、表面保護層2は、スパッタリング下地層と最表面層にダイヤモンドライクカーボン膜とを有する2層の構成を有するものと考えることができる。
In the mold of the present invention, when the surface
<樹脂成形装置及び樹脂成形品の成形方法>
本発明の金型は、光学素子又は精密部品等の樹脂成形に行うときに使用する射出成形装置又は射出圧縮成形装置等の樹脂成形装置に具備される金型として適用する。本発明の樹脂成形装置として射出成形装置の例を図4に示す。図4に示す樹脂成形装置12は、大別して型締ユニットと射出ユニットに分かれる。型締ユニットは、金型の開閉、突き出し(エジェクター)を行い、基本的に、固定盤13と、可動盤14と、開閉駆動装置15とを有する。型締ユニットの方式としては、トグル方式と、油圧シリンダーで直接金型を開閉する直圧式とがあり、型締方式に応じてユニット内に型締盤を備える場合もある。型締ユニットによって、固定盤13と可動盤14との間に可動金型16aと固定金型16bからなる金型16を配置し、両者の金型を挟持して型締めすることにより成形を可能にする。
<Resin molding apparatus and molding method of resin molded product>
The mold of the present invention is applied as a mold included in a resin molding apparatus such as an injection molding apparatus or an injection compression molding apparatus used for resin molding of an optical element or a precision part. The example of the injection molding apparatus is shown in FIG. 4 as a resin molding apparatus of this invention. The
固定盤13は、可動盤14に対向して支持台17の中央に固定されており、その上部には取り出し装置18が備えられている。取り出し装置18には、装置制御部(不図示)と電気的に接続されている。
The fixed board 13 is fixed to the center of the support table 17 so as to face the
図4に示す射出ユニットは、樹脂を加熱溶融し、金型16へ射出させるために、基本的に、ノズル19と、ヒータ20と、シリンダー21と、樹脂投入用のホッパー22と、射出駆動装置23とを有する。シリンダー21の内部にあるスクリュー(不図示)を回転さえ、ホッパー22から投入した樹脂を、スクリュー前部へ留め(計量部分)、必要樹脂量に相当するストロークで留めた後、射出が行われる。樹脂が金型内を流動しているときは、スクリューの移動速度(射出速度)を制御し、樹脂が充填された後は圧力(保圧力)で制御する。速度制御から圧力制御への切換は、一定のスクリュー位置や一定の射出圧力に達したときに切換るよう設定する。
The injection unit shown in FIG. 4 basically heats and melts the resin and injects it into the
金型16は、温水や油、ヒータ等で温度が管理される。溶融した樹脂は金型16のスプルーから金型16の内部に入り、ランナー・ゲートを経てキャビティ内に充填される。その後、冷却工程を経て、金型16が開き、樹脂成形装置12のエジェクタロッド(不図示)に金型のエジェクタプレートが押されて樹脂成形品が突き出される。突き出された樹脂成形品は、取り出し装置18によって取り出される。
The temperature of the
本発明の樹脂成形装置は、金型16の可動金型16aと固定金型16bにおいて、光学素子又は精密部品等の樹脂成形品の表面に形成する微細な凹凸パターンを転写する側に位置する型に、少なくとも本発明の金型を適用する。樹脂成形品の両側表面に微細な凹凸パターンを形成する場合には、本発明の金型を可動金型16aと固定金型16bの両者に適用する。それにより、樹脂成型品に微細な表面凹凸パターンを、従来の断熱金型と比べてより短い成形サイクルによって高精度で形成できるため、高外観成形品の成形を効率的に行うことが可能になる。
The resin molding apparatus of the present invention is a mold positioned on the side to which the fine concavo-convex pattern formed on the surface of a resin molded article such as an optical element or a precision part is transferred in the movable mold 16a and the fixed mold 16b of the
以上のようにして、本発明の樹脂成形装置を用いて樹脂射出成形が行うが、樹脂射出圧縮成形の場合でも、基本的には樹脂射出成形の場合と同じ工程に従って樹脂成形を行うことができる。樹脂射出圧縮成形は、樹脂射出成形の場合と同じように、溶融樹脂が金型16の内部に入った後に保圧を行うが、該保圧の工程の間に可動金型16aを固定金型16bの方へ移動させて圧縮工程を加える点が異なるだけである。樹脂射出圧縮成形は、複雑な表面パターン形状、例えば、非球面形状の成形において好適な成形方法である。
As described above, resin injection molding is performed using the resin molding apparatus of the present invention, but even in the case of resin injection compression molding, resin molding can be basically performed according to the same process as in the case of resin injection molding. . In the resin injection compression molding, as in the case of the resin injection molding, holding pressure is performed after the molten resin enters the inside of the
以下において、本発明に基づく実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例によって何ら限定されるものではない。 EXAMPLES Hereinafter, examples based on the present invention will be specifically described, but the present invention is not limited by these examples.
<実施例1>
本発明の効果を検証するため、有限要素法を用いた熱シミュレーションを行った。シミュレーションソフトはMoldex3D Vie.R13(コアテックシステム製)を用いた。
Example 1
In order to verify the effect of the present invention, thermal simulation using a finite element method was performed. The simulation software used Moldex3D Vie.R13 (manufactured by Coretech System).
図5にシミュレーションに用いる金型の断面構造を示す。金型は、金属製金型母材5からなる上型と、断熱層3、熱伝導層4及び上型と同じ材質の金属金型母材5からなる下型から構成されており、成形品24の形状は平板とした。なお、本実施例においてはシミュレーションを簡単するため、図5に示すように表面保護層を除外した金型について計算を行った。また、図6に、シミュレーションを行って計算される成形品の温度測定ポイントを示す。図6に示すように、ゲートの中心位置から30mm及び59mm離れた位置(R30、R59)のそれぞれに温度測定ポイントを設定し、その地点における基板表面温度を計算した。下記表1に、シミュレーションに用いたパラメータを示す。
FIG. 5 shows a cross-sectional structure of a mold used for the simulation. The mold is composed of an upper mold consisting of a metal
図6に示す成形品のR30、R59の地点における温度の成形時間による変化についてシミュレーションを行った結果を図7に示す。図7は成形品24の冷却曲線を示しており、取出し温度到達部分の拡大図から分かるように、本発明の金型(本発明品)を、熱伝導層を有しない従来の金型(従来品)と対比すると、相対的に同じ成形時間において本発明品の方が成形品の温度が低くなっている。本発明品(断熱層+高熱伝導層)と従来品(断熱層のみ)において、R30及びR59の地点におけるピーク温度及び取出し可能温度に達する時間の比率をまとめると、下記表2に示すようになる。ここで、「取り出し可能温度」としては、図7に示すように任意の温度単位が2.9程度となる点を基準とした。この温度単位点は樹脂成形において実際に取り出しが可能な温度と一致するように決めたものである。
The result of having performed simulation about the change by the shaping | molding time of the temperature in the point of R30 of the molded article shown in FIG. 6 and R59 is shown in FIG. FIG. 7 shows a cooling curve of the molded
表2に示すように、それぞれの地点において、本発明品を現行品と比較すると、ピーク温度には違いは無いが、取出し可能温度に達するまでの時間はR30の地点で12.0%、R59の地点にて7.5%短縮された事が分かった。断熱層3を有する断熱金型に特徴的にみられる現象は、瞬間的な保温効果による熱の移動の遅延が起こるため、温度の鋭いピークの大きな立ちあがりが観測されることである。したがって、本発明品と現行品との間でピーク温度に差がほとんど見られないことは、本発明の断熱金型としての効果が、現行品に比べて低下しないことを意味する。このように、本発明は、熱伝導層を有しない従来の金型と比べて、断熱金型としての特性を維持しながら、高い冷却効果が有することが確認された。
As shown in Table 2, when comparing the product of the present invention with the current product at each point, there is no difference in peak temperature, but the time to reach the removable temperature is 12.0% at R30, R59 It turned out that 7.5% was shortened at the point of. A characteristic feature of the heat insulating mold having the
<比較例1及び2>
図5に示す金型の断面構造において、断熱層3及び伝導層4を有しない金型について実施例1と同じようにしてシミュレーションを行った。この金型は金属製金型母材5だけで構成されるものであり、金属製金型母材5の100℃における熱伝導率としては、銅金属に模擬した200W/m・kを用いた。このシミュレーション例を比較例1とする。
Comparative Examples 1 and 2
In the cross-sectional structure of the mold shown in FIG. 5, simulation was performed in the same manner as in Example 1 for a mold having no
また、表1に示すシミュレーションのパラメータにおいて、熱伝導層4及び金属製金型母材5の100℃における熱伝導率を、両者とも200W/m・kにした金型についても比較例2としてシミュレーションを行った。比較例2の金型は、断熱層3を有するものの、熱伝導層4と金属製金型母材5とが200W/m・Kの高熱伝導率を有する金属製金型母材で一体化された構造を有する。そのため、実質的に熱伝導層4を有しない構造、すなわち高熱伝導性の銅合金製金型母材5が断熱層に当接した構造を模擬したものである。
Moreover, in the parameters of the simulation shown in Table 1, the simulation in which the thermal conductivity of the
シミュレーションの結果、比較例1及び2は、取出し可能温度に達するまでの時間がR30とR59の両地点において図7に示す本発明品及び従来品より短くなった。取り出し可能温度に対する時間比率を、図7に示す従来品と比べると、R30の地点で25%以上、R59の地点において15%以上の短縮がみられた。一方で、ピーク温度について対比を行うと、比較例1及び比較例2は共に、本発明品及び従来品に対して60%の値にしかならなかった。また、比較例1と比較例2との間でピーク温度と取り出し可能温度に対する時間を対比すると、両者にはほとんど差異がみられず、比較例2の金型構造は、断熱層3を有するにもかかわらず、比較例1と同じような成形品の冷却曲線を有することが分かった。したがって、金型母材が熱伝導率の高い材質で構成され、大きな熱容量により急冷される比較例2の金型は、溶融樹脂の熱を瞬間的に保持するという断熱層3としての機能が十分に発現していないことが確認された。つまり、比較例2の金型は、冷却時間の短縮は可能となるが、転写性、高流動性と言った本来断熱金型が持つ利点が十分に発揮できないことが明確となった。
As a result of simulation, in Comparative Examples 1 and 2, the time to reach the removable temperature was shorter at both R30 and R59 than the product of the present invention shown in FIG. 7 and the conventional product. As compared with the conventional product shown in FIG. 7, the time ratio to the removable temperature was reduced by 25% or more at the point of R30 and 15% or more at the point of R59. On the other hand, when the peak temperature was compared, Comparative Example 1 and Comparative Example 2 both had values of only 60% with respect to the product of the present invention and the conventional product. Further, when the peak temperature and the time for the removable temperature are compared between Comparative Example 1 and Comparative Example 2, almost no difference is seen between the two, and the mold structure of Comparative Example 2 has the
<実施例2>
実施例1のシミュレーション結果を基に、実機を用いた成形テストを行った。図5に示す下型に相当する金型は、次のようにして作製した。
Example 2
Based on the simulation results of Example 1, a molding test using an actual machine was performed. A mold corresponding to the lower mold shown in FIG. 5 was produced as follows.
熱伝導層の形成方法を次に示す。熱処理によりHRC52に調整した金属製金型母材5(材質SUS420J2:100℃の熱伝導率=27W/m・K)に熱伝導層4を硫酸銅めっきにより形成する。10%水酸化ナトリウムにて脱脂後、10%塩酸で酸洗の後、硫酸銅250g/L、硫酸65g/Lに調整しためっき液でめっきを行った。浴温度は30℃とし、試料はカソード側に設置し、アノードに純銅を設置、電流密度10A/dm2にてカソードに銅を還元させた。25時間めっきを行い、試料上に530μmの純銅被膜を得た。さらに膜厚分布の均一化の為、平面研削盤及び研摩機を用いて500μmに被膜厚を調整した。
The method of forming the heat conduction layer is shown below. The heat
硫酸銅めっきにより得られた純銅表面に、断熱層3を形成する方法を以下に示す。試料を真空チャンバー内のカソード電極に設置し、チャンバー内ガス圧が3×10−3Paまで排気を行った。その後、マスフローを用い、アルゴンガスを流量50sccmにて導入し、アノード電極、カソード電極間に1KVの直流バイアス電圧を掛けた。プラズマ化したアルゴンが、カソード(試料)表面に衝突を繰り返し、表面の酸化膜及び吸着した汚れを除去した。次にスパッタターゲットに99.99%ジルコニアを設置、RF電源及びマグネトロンスパッタ装置を用いグロー放電を起こした。この際ガス媒体としてはアルゴンガスを選定し、マスフローを用いて100sccmで導入した。スパッタ出力は1500Wとし、42時間成膜することで厚み55μmのジルコニアによる断熱層3を得た。
The method of forming the
マグネトロンスパッタによって形成された断熱層3の表面の均一を得るため、粒径1μmのダイヤモンド砥粒とコロイダルシリカとを用いて研磨し、表面祖度をRa=20nm、断熱層膜厚50μmに調整した。
In order to obtain uniformity of the surface of the
実施例1のシミュレーション結果から分かる様に、本発明品(断熱層+高熱伝導層)は従来品(断熱層のみ)の場合と比較し、ピーク温度から取出し可能温度に達する時間が短い。本実験では、実際の成形における冷却時間短縮の検証を行った。樹脂温度が十分に下がっていない状態で取り出した場合、成形品として問題となる特性は、反りが挙げられる。これは、成形品が十分な冷却が終了していない状態で型からフリーに成るため、後収縮と呼ばれる変形が発生する為である。 As can be seen from the simulation results of Example 1, the product of the present invention (thermal insulation layer + high thermal conductivity layer) has a shorter time to reach the temperature which can be taken from the peak temperature, as compared with the conventional product (thermal insulation layer only). In this experiment, verification of shortening of the cooling time in actual molding was conducted. When taken out in a state where the resin temperature is not sufficiently lowered, the characteristic that becomes a problem as a molded article is warpage. This is because a deformation called post-shrinkage occurs because the molded product becomes free from the mold in a state where sufficient cooling has not been completed.
そこで、本実験では、各冷却時間に対する反り量を計測し、反り量が100μm以下に入る境界値を必要な冷却時間として算出した。この100μm以下の反り量は、光学素子及び精密部品の最大反り量として一般的に許容される値である。実験に用いた成形品および成形プロセスの基本条件は表1に示す内容に従った。成形後の成形品の反り量は、図8に示すように、反りが凹となる様定盤上に成形品を設置し、長手方向の片側を押さえ、定盤に完全に設置してから、押さえた逆側の高さhを測定顕微鏡(STM7 オリンパス製)で測定を行った。実験結果として冷却時間と反りの関係を図9に示す。 So, in this experiment, the curvature amount with respect to each cooling time was measured, and the boundary value in which the curvature amount enters 100 micrometers or less was calculated as required cooling time. The warpage amount of 100 μm or less is a value generally accepted as the maximum warpage amount of the optical element and the precision part. The basic conditions of the molded article and the molding process used in the experiment were in accordance with the contents shown in Table 1. The amount of warpage of the molded article after molding is as shown in FIG. 8 after installing the molded article on a surface plate so that the warpage is concave, holding one side in the longitudinal direction, and completely installing on the surface plate, Measurement was carried out with a measuring microscope (manufactured by STM7 Olympus) with the height h on the opposite side held down. The relationship between cooling time and warpage is shown in FIG. 9 as an experimental result.
冷却時間と反り量との関係を、図9に示すように2次関数の形態で近似プロットをとり、必要な冷却時間、つまり反り量の許容値である100μmを下回る冷却時間を求めた。その結果、従来品(断熱層のみ)では2.8secであるのに対して、本発明品(断熱層+高熱伝導層)は1.8secであり、従来品と比べて1秒の短縮が可能となった。下記表3に、成形トータル時間の短縮率を含めた評価結果をまとめて示す。表3に示す成形トータル時間は、成形トータル時間=射出時間(1.5秒)+冷却時間で表される。 The relationship between the cooling time and the amount of warpage was approximated plot in the form of a quadratic function as shown in FIG. 9, and the necessary cooling time, that is, the cooling time below 100 μm which is the allowable value of the warpage amount was determined. As a result, while the conventional product (heat insulation layer only) is 2.8 seconds, the product of the present invention (heat insulation layer + high heat conduction layer) is 1.8 seconds, which makes it possible to shorten one second compared to the conventional product. It became. The evaluation results including the reduction rate of the total molding time are summarized in Table 3 below. The molding total time shown in Table 3 is represented by: molding total time = injection time (1.5 seconds) + cooling time.
成形後のサンプルは、従来品(断熱層のみ)、本発明品(断熱層+高熱伝導層)どちらのタイプも、その他の必要とされる品質特性(ひけ、応力、転写性、うねり、黄変)に関して問題は確認出来なかった。このように、本発明品は、断熱層のみで構成される従来品に比べて、断熱層と金属製金型母材との間に熱伝導層を有することにより、樹脂成形品の表面を高外観に保ちつつ、成形サイクルの短縮化を図ることができることが確認された。 The samples after molding are of the conventional product (heat insulation layer only) and the product of the present invention (heat insulation layer + high heat conduction layer), and other required quality characteristics (ink mark, stress, transferability, waviness, yellowing) I could not confirm the problem regarding). As described above, according to the product of the present invention, the surface of the resin molded product is made higher by having the heat conduction layer between the heat insulation layer and the metal mold base material, as compared with the conventional product constituted only by the heat insulation layer. It was confirmed that the molding cycle can be shortened while maintaining the appearance.
本実施例においては、表面保護層を形成しない金型を用いて本発明の効果を検証したが、例えば、メッキ膜又はダイヤモンドライクカーボン膜からなる最表面層を有する表面保護層を成形品表層の転写面側に形成した金型においても本実施例と同じ効果が得られることを確認している。したがって、成形品表層の転写性向上や金型耐久性の向上等を図る場合には、表面保護層の形成によって高機能化した本発明の金型を使用するのが好適である。 In the present embodiment, although the effect of the present invention was verified using a mold which does not form a surface protective layer, for example, a surface protective layer having an outermost surface layer formed of a plated film or a diamond like carbon film It has been confirmed that the same effect as that of this embodiment can be obtained also in the mold formed on the transfer surface side. Therefore, in order to improve the transferability of the surface of the molded article and the mold durability, it is preferable to use the mold of the present invention which has been highly functional by forming the surface protective layer.
以上のように、本発明の金型は、熱を瞬間的に保持できる断熱層としての機能が十分に発現するように、溶融樹脂から金属製金型母材への熱の伝導又は伝達を最適化することができるため、小型だけでなく、大面積の樹脂成型品においても微細な表面形状を高精度で形成しつつ、成形サイクルを従来の断熱金型に比べて短縮化することができる。したがって、本発明の金型を樹脂成形装置に適用することにより、高精度の表面形状が求められる光学素子や精密部品等の樹脂成形に最適で、かつ、量産性に優れた樹脂成形装置を提供することができ、さらに、微細な表面形状を高精度で形成した高外観を有する樹脂成形品の成形方法を確立することができる。 As described above, in the mold of the present invention, the conduction or transfer of heat from the molten resin to the metal mold base material is optimized so that the function as a heat insulating layer capable of holding heat instantaneously is sufficiently expressed. Therefore, the molding cycle can be shortened as compared with the conventional heat insulation mold while forming a fine surface shape with high accuracy not only in a small size but also in a large area resin molded product. Therefore, by applying the mold of the present invention to a resin molding apparatus, a resin molding apparatus is provided which is optimum for resin molding of optical elements, precision parts and the like for which a highly accurate surface shape is required, and which is excellent in mass productivity. In addition, it is possible to establish a molding method of a resin molded product having a high appearance in which a fine surface shape is formed with high accuracy.
1,6,7,8,9,10,11,16・・・金型
2・・・表面保護層
3・・・断熱層
4・・・熱伝導層
5・・・金属製金型母材
12・・・樹脂成形装置
13・・・固定盤
14・・・可動盤
15・・・開閉駆動装置
17・・・支持台
18・・・取り出し装置
19・・・ノズル
20・・・ヒータ
21・・・シリンダー
22・・・ホッパー
23・・・射出成形装置
24・・・成形品
1, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 16 · · ·
すなわち、本発明の構成は以下の通りである。
[1]本発明は、100℃の熱伝導率が5W/m・K以下で、厚さが0.01mm〜2.00mmである断熱層、100℃の熱伝導率が10〜70W/m・Kである金属製金型母材、及び前記断熱層と前記金属製金型母材の間に100℃の熱伝導率が150W/m・K以上で、厚さが0.01mm〜5.00mmである熱伝導層を有し、前記熱伝導層が、前記断熱層の下部境界面と当接する位置に、又は前記断熱層との下部境界面から0.1mm以下の位置に、厚さが0.01mm〜5.00mmで設けられ、且つ、前記断熱層において前記熱伝導層と当接する面と反対側の面には、表面保護層が設けられていないか、又は表面保護層が0.1μm〜0.5mmの厚さで前記断熱層に当接して設けられていることを特徴とする金型を提供する。
[2]本発明は、前記熱伝導層が0.50mm〜5.00mmの厚さを有し、前記金属製母材が10mmを超える厚さを有することを特徴とする前記[1]に記載の金型を提供する。
[3]本発明は、前記熱伝導層が、前記断熱層と金属性金型母材との間であって、前記断熱層の境界面と当接する位置に、又は前記断熱層と前記熱伝導層との間に形成される接合層を介して、前記断熱層の下部境界面から0.1mm以下の位置に設けられることを特徴とする前記[1]又は[2]に記載の金型を提供する。
[4]本発明は、前記熱伝導層において、成形空間(キャビティ)の領域内の厚さが前記キャビティの領域外の厚さよりも薄いことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[5]本発明は、前記断熱層において、成形空間(キャビティ)の領域内の厚さが前記キャビティの領域外の厚さよりも厚いことを特徴とする前記[1]〜[3]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[6]本発明は、表層成形品表層の転写面側に、前記厚さが0.1μm〜0.5mmである表面保護層を有することを特徴とする前記[1]〜[5]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[7]本発明は、前記表面保護層が、前記成形品表層の転写面側にメッキ膜又はダイヤモンドライクカーボン膜からなる最表面層を有することを特徴とする前記[1]〜[6]のいずれか一項に記載の金型を提供する。
[8]本発明は、前記[1]〜[7]に記載のいずれか一項に記載の金型において、前記熱伝導層が、物理的気相成長、化学的気相成長、メッキ、ろう付け、ボルト固定及び溶射の少なくともいずれかの方法を用いて前記金属製金属母材の表面上に形成されることを特徴とする金型の製造方法を提供する。
[9]本発明は、金型を具備する型締ユニットと射出ユニットとを備える樹脂成形装置であって、前記金型が前記[1]〜[7]のいずれか一項に記載の金型によって得られる金型であることを特徴とする樹脂成形装置。
[10]本発明は、前記[9]に記載の樹脂成形装置を用いて樹脂射出成形又は樹脂射出圧縮成形を行うことを特徴とする樹脂成形品の成形方法を提供する。
[発明の効果]
That is, the constitution of the present invention is as follows.
[1] The present invention is a heat insulating layer having a thermal conductivity of 5 W / m · K or less at 100 ° C. and a thickness of 0.01 mm to 2.00 mm, a thermal conductivity of 10 to 70 W / m at 100 ° C. -A metal mold base material that is K, and a thermal conductivity of 100 ° C. of 150 W / m · K or more and a thickness of 0.01 mm to 5 mm between the heat insulation layer and the metal mold base material . have a heat conductive layer is 300 mm, the heat conducting layer is in a position in which it contacts the lower boundary surface of the heat insulating layer, or 0.1mm following positions from the lower boundary surface between the heat insulating layer, the thickness 0.01 provided in mm ~5.00Mm, and, on a surface thereof opposite to the heat conductive layer and the surface abutting the heat insulating layer, a surface protective layer is not provided, or the surface protective layer is 0 to provide a mold which is characterized that you have provided in contact with the heat insulating layer in a thickness of .1μm~0.5mm .
[2] The present invention is characterized in that the heat conduction layer has a thickness of 0.50 mm to 5.00 mm, and the metal base material has a thickness of more than 10 mm. Provide the mold described.
[3] In the present invention, the heat conduction layer is in a position between the heat insulation layer and the metallic mold base material and in contact with the boundary surface of the heat insulation layer, or the heat insulation layer and the heat conduction The mold according to the above [1] or [2], which is provided at a position of 0.1 mm or less from the lower boundary surface of the heat insulating layer via the bonding layer formed between the layers. provide.
[4] The present invention is characterized in that, in the thermally conductive layer, the thickness in the region of the forming space (cavity) is thinner than the thickness outside the region of the cavity. Provide a mold according to one of the claims.
[5] The present invention is characterized in that, in the heat insulating layer, the thickness in the region of the forming space (cavity) is thicker than the thickness outside the region of the cavity. Providing a mold as described in one section.
[6] The present invention has a surface protective layer having a thickness of 0.1 μm to 0.5 mm on the transfer surface side of the surface layer molded article surface layer, any of the above-mentioned [1] to [5] Provide a mold according to one of the claims.
[7] The present invention is characterized in that the surface protective layer has an outermost surface layer composed of a plated film or a diamond-like carbon film on the transfer surface side of the surface layer of the molded article . Providing a mold according to any one of the preceding claims.
[8] The present invention provides the mold according to any one of the above [1] to [7], wherein the heat conductive layer is formed by physical vapor deposition, chemical vapor deposition, plating, brazing. A method of manufacturing a mold is provided, which is formed on the surface of the metal base material by using at least one of attaching, bolting and spraying.
[9] The present invention is a resin molding apparatus comprising a mold clamping unit having a mold and injection unit, mold according to any one of the mold is the [1] to [7] resin molding apparatus which is a result mold obtained.
[10] The present invention provides a method of molding a resin molded product, which comprises performing resin injection molding or resin injection compression molding using the resin molding apparatus described in [9].
[Effect of the invention]
本発明は、金属製金属母材の表面上に設ける熱伝導層をやや厚膜に形成することにより、断熱層の機能を保持しつつ、熱伝導層による熱の伝導又は伝達を加速することができるため、成形サイクルの一層の短縮化が可能になる。そのため、厚膜の熱伝導層を短時間で形成しやすい方法として、上記の方法の中から、メッキ、ろう付け、ボルト固定及び溶射の各方法を採用することが好ましい。さらに、均一な厚膜を形成できることから、電解メッキ又は無電解メッキと電解メッキとを組み合わせるメッキ方法によって熱伝導層を形成することが特に好ましい。メッキ方法であれば、熱伝導層の形成において、数mmの厚膜だけでなく、数十ミクロンの薄膜を均一に、かつ、他の方法に比べて容易に形成することができる。
According to the present invention, the heat conduction layer provided on the surface of the metal base material is formed in a slightly thick film to accelerate the conduction or transfer of heat by the heat conduction layer while maintaining the function of the heat insulation layer. Since it is possible, the molding cycle can be further shortened. Therefore, as a method of easily forming a thick-film thermally conductive layer in a short time, it is preferable to adopt each method of plating, brazing, bolting and thermal spraying among the above methods. Furthermore, since a uniform thick film can be formed, it is particularly preferable to form the heat conduction layer by electroplating or a plating method combining electroless plating and electrolytic plating. In the case of the plating method, not only a few mm thick film but also a few tens micron thin film can be formed uniformly and easily as compared with other methods in forming the heat conduction layer.
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