JP2019104194A - 成型用金型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】精密な成型品を製造することが可能であり、短期間で製造が可能な成型用金型の製造方法を提供する。【解決手段】本発明の金型の製造方法は、原型モデルから雌型を作製する（雌型作製工程）し、雌型から母型を作製し（母型作製工程）、母型の表面にアーク溶射によって融点が５００℃以下の溶射材を溶射して溶射皮膜を形成し（溶射工程）と、溶射皮膜の表面に多孔性の裏打ち層を形成し（裏打ち工程）、母型から溶射皮膜を裏打ち層とともに脱型する（脱型工程）工程を有する。前記母型は成形しようとする形状に整合する面を有する母型本体と、該母型本体の周縁に形成された鍔部とからなり、該鍔部には該母型本体の表面よりも内側に曲げられた屈曲面が設けられており、前記溶射工程において該母型本体の表面のみならず、該屈曲面まで溶射皮膜を形成させることを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、成型用金型の製造方法に関し、例えば、試作用の成形金型の製造に好適に用いることができる。

従来、成型用の精密金型の製造方法として、母型に対して電鋳を行い、裏打ちを行った後に脱型して金型とする方法がある。しかしながら、この金型製造方法では、作製に長時間を要し、製造コストが高騰化するという問題がある。

この問題を解決するために、母型の表面に金属の溶射を行い、脱型して金型を製造することが知られている（例えば特許文献１参照）。溶射による皮膜形成の速度は電鋳法と比べて遥かに速いため、電鋳による金型製造法に比べ、製作期間の大幅な短縮化が可能となる。

しかし、溶射によって母型の表面に形成された溶射皮膜は、凝固時に発生する内部応力によって剥離し易いという問題があった。この問題を解決するために、母型の表面をブラスト処理によって粗面化してから溶射を行い、溶射皮膜が母型に食い込むというアンカー効果によって、溶射皮膜の剥離を防止するという手法が行われている。

ところが、シボ面を成形するような精密な金型では、母型の表面がブラスト処理によって損なわれるため、この手法を用いることができない。このため、溶射を用いた金型の製造方法では、精密な金型を製造することができないという問題があった。

これに対して、特許文献２では、母型表面に対して電鋳加工によってニッケルめっき層を形成させ、その上から溶射して厚盛する方法が採用されている。この方法によれば、電鋳加工の利点である精密な金型を製造することが可能となる。また、耐熱性に優れたニッケルめっき層表面に対して溶射が施されるため、密着性に優れた皮膜形成が可能なプラズマ溶射を採用することが可能となり、剥離の問題も解決することができる。

しかし、この方法では、母型に対して溶射を行う前に電鋳加工を行う必要があるため、製造に要する期間が長くなり、ひいては製造コストが高騰化するという問題があった。

特開２０００−３７７３３号公報 特開２００３−３３４８１９号公報

本発明は、上記従来の問題点を解決するためになされたものであり、精密な成型品を製造することが可能であり、短期間で製造が可能な成型用金型の製造方法を提供することを解決すべき課題とする。

本発明の金型の製造方法は、原型モデルを作製する原型作製工程と、該原型モデルから雌型を作製する雌型作製工程と、該雌型から母型を作製する母型作製工程と、該母型の表面にアーク溶射によって融点が５００℃以下の溶射材を溶射して溶射皮膜を形成する溶射工程と、該溶射皮膜の表面に多孔性の裏打ち層を形成する裏打ち工程と、該母型から該溶射皮膜を該裏打ち層とともに脱型する脱型工程とを有し、
前記母型は成形しようとする形状に整合する面を有する母型本体と、該母型本体の周縁に形成された鍔部とからなり、該鍔部には該母型本体の表面よりも内側に曲げられた屈曲面が設けられており、
前記溶射工程において該母型本体の表面のみならず、該屈曲面まで溶射皮膜を形成させることを特徴とする。

本発明の金型の製造方法では、まず雌型作製工程として、成型しようとする成形品と同じ形状を有する原型モデルからシリコン樹脂等を用いて雌型を作製する。次に、母型作製工程として、雌型を型枠に入れてから熱硬化性樹脂等を流し込んで硬化させるなどして母型を作製する。

こうして作製した母型の表面に溶射によって溶射皮膜を形成する（溶射工程）。溶射による皮膜形成速度は電鋳法に比べて遥かに速いという利点を有する。また、溶射はアーク溶射を用い、融点が５００℃以下の溶射材を用いて行う。アーク溶射はプラズマ溶射やフレーム溶射やガス式溶射よりも被溶射物の温度上昇が小さい。しかも融点が５００℃以下の溶射材料を用いるため、母型の熱による変形や燃焼を防止することができる。さらに、母型は成形しようとする形状に整合する面を有する母型本体と、母型本体の周縁に形成された鍔部とからなり、鍔部には母型本体の表面よりも内側に曲げられた屈曲面が設けられている。そして、溶射工程において母型本体の表面のみならず、屈曲面まで溶射皮膜を形成させる。すなわち、母型本体の表面に形成された溶射皮膜は内側に曲げられた屈曲面まで母型本体を抱き込むように延在することとなり、溶射皮膜が凝固時に発生する応力により歪みが生じていても、容易には剥離することはない。このため、母型本体の表面をブラスト処理したり、化学めっき被膜を設けたりしておく必要がなく、シボ面等に代表される母型の精密な表面形状をそのまま成形品に再現することができる。

こうして溶射工程が終了したら、裏打ち工程として溶射皮膜の表面に裏打ち層を形成し、最後に脱型工程として、母型から溶射皮膜を裏打ち層とともに脱型して金型が完成する。

溶射される母型の鍔部の端部は面取りされていることが好ましい。こうであれば、鍔部に形成される溶射皮膜の歪が分散され、角部分に集中されることを防止する効果が奏されるため、溶射皮膜の剥離のおそれがさらに小さくなる。

溶射工程を行う前に母型の表面を有機溶剤によって脱脂する脱脂工程を行うことも好ましい。こうであれば、溶射皮膜と母型との密着性が向上し、溶射皮膜がさらに剥離し難くなる。

また、溶射工程を行った後、溶射皮膜に複数の貫通孔を開けた後、裏打ち工程を行えば、金型の裏面から成形面まで連通する孔が形成されるため、真空金型として使用できる金型（すなわち真空金型）とすることができる。

実施形態１の金型の製造方法の工程図である。 原型モデル１の模式断面図である。 雌型作製工程Ｓ２及び母型製作工程Ｓ３を示す模式断面図ある。 溶射工程Ｓ４を示す模式断面図である。 裏打ち工程Ｓ５を示す模式断面図である。 実施形態１の母型の変形例を示す模式断面図である。 実施形態２の金型の製造方法の工程図である。 実施形態２における貫通工程Ｓ４１を示す模式断面図である。 実施形態２の真空金型の模式断面図である。

以下、本発明の実施形態を図１に示す工程図にしたがって説明する。

（実施形態１）
実施形態１は、革製品のシボ面を模したプラスチック成型品を製造するための金型を製造する方法である。以下詳述する。
・原型作製工程Ｓ１
成型しようとする形状と同じ形状を有する原型モデル１を作製する（図２参照）。この原型モデル１には、革製品等のシボ面を成形するための皮革１ａが表面に貼り付けられている。原型モデル１の材料としては特に制限はないが、木やろう材や粘土等の加工しやすいものを用いることが好ましい。

・雌型作製工程Ｓ２
図３（ａ）に示すように、皮革１ａのシボ面が上側にくるように型枠容器２内に原型モデル１を置く。そして、型枠容器２内にシリコンゴムプレポリマー３を注いでから（図３（ｂ））、電気加熱器内で加熱を行った後、自然放冷し、硬化したシリコンゴムからなる雌型４（図３（ｃ））を取り出す。

・母型形成工程Ｓ３
そして図３（ｄ）に示すように、雌型４を転写されたシボ面が上側にくるようにして補強型枠５に収容し、エポキシプレポリマーと硬化剤とを混合したエポキシプレポリマー組成物６を流し込む。

さらに、電気加熱器内で加熱を行なった後（図３（ｅ））、取り出して放冷してから雌型４を剥がすことにより、エポキシ樹脂からなる母型７を得る（図３（ｆ））。母型７はシボ面を有する母型本体７ａと、母型本体７ａの周縁に形成された鍔部７ｂとからなり、鍔部７ｂには母型本体７ａの表面よりも内側に向かう屈曲面７ｃが設けられている。

・溶射工程Ｓ４
次に、母型７の表面をエタノールを染み込ました脱脂綿によって拭き取った後、アーク溶射を行う。アーク溶射の溶射材料はホワイトメタルや亜鉛系材料等を融点が３００℃〜５００℃のものを用いることができる。溶射を行う範囲は、図４に示すように、シボ面を有する母型本体７ａの部分のみならず、母型本体７ａの周縁に形成された鍔部７ｂにも行い、鍔部７ｂにおいて母型本体７ａの表面よりも内側に向かう屈曲面７ｃにも溶射ノズル８を近づけて溶射する。こうして、シボ面を有する母型本体７ａ、鍔部７ｂ及び屈曲面７ｃを抱きかかえるようにして、溶射皮膜９が形成される。溶射皮膜９の厚さは溶射皮膜９の様子を絶えず観察しながら適宜判断すればよいが、通常は１ｍｍ以上５ｍｍ以下が好ましい。

・裏打ち工程Ｓ５
こうして溶射皮膜９が表面に形成された母型７を、図５（ａ）に示すように、型枠１０内に溶射皮膜９が上側にくるように設置し、裏打ち用樹脂組成物１１を上から充填した後、加熱炉内に入れて３０〜６０℃で２〜８時間加熱する（図５（ｂ））。この裏打ち用樹脂組成物１１はアルミ粒子が硬化剤入りのエポキシ樹脂プレポリマーに分散されている組成物であり、加熱によって硬化し、アルミ粒子同士がエポキシ樹脂で接着された多孔性の複合体となる性質を有している。

・脱型工程Ｓ６
自然冷却後、型枠１０を外してから加熱炉に入れ、２００〜２５０℃に昇温し１〜５時間加熱する。この加熱により母型７は熱分解して脆くなる。その後、自然冷却し、熱分解で脆くなった母型７を掻き出して除去し、シボ面が正確に成形可能な金型１３が完成する（図５（ｃ））。

上述したように、実施形態１の金型を製造方法によれば、溶射工程Ｓ４において融点が５００℃以下の溶射材を用いてアーク溶射を行うため、母型７の熱による変形や燃焼を防止することができる。さらに、母型７は成形しようとする形状に整合する面を有する母型本体７ａと、母型本体７ａの周縁に形成された鍔部７ｂとからなり、鍔部７ｂには母型本体７ａの表面よりも内側に曲げられた屈曲面７ｃが設けられており、溶射工程Ｓ４において母型本体７ａの表面のみならず、屈曲面７ｃまで溶射皮膜を形成させるため、母型本体７ａの表面に形成された溶射皮膜９は内側に曲げられた屈曲面７ｃまで母型本体７ａを抱き込むように延在することとなり、溶射皮膜９が凝固時に発生する応力により歪みが生じていても、剥離し難くなる。このため、母型本体７ａの表面をブラスト処理したり、化学めっき被膜を設けたりしておく必要がなく、シボ面等に代表されるような母型表面の精密な形状を成形品に再現することができる。また、溶射によって皮膜を形成するため、電鋳法に比べて製造のための短期間で製造が可能となる。具体的には、実施形態１において溶射による溶射皮膜９の形成は３〜４時間程度で終了させることができるが、電鋳法では３０日程度が必要となる。製造工程全体では、実施形態１の方法では１〜２日程度であるのに対し、電着法では４０日程度必要となる。このため、本発明は試作用の金型として好適に用いることができる。

（実施形態１の変形例）
図６の（ａ）〜（ｄ）に示すように、実施形態１で用いた母型７の鍔部７ｂの角を面取りしてもよい。母型に対して面取りをしておけば、屈曲面への溶射が斜め方向からとなるため、直角に屈曲している実施形態１の屈曲面７ｃへ溶射する場合に比べて溶射を行いやすく、しかも短時間で厚くすることができる。また、溶射皮膜の内部応力が鍔部７ｂの角に集中することなく分散されるため、溶射皮膜の剥がれをさらに防止することができる。
面取りの方法としては、母型７の鍔部７ｂの角を一面で面取りした屈曲面１７ｃを設けたり（図６（ａ））、複数面で面取りしたり屈曲面２７ｃを設けたり（図６（ｂ））、Ｒを付けた屈曲面３７ｃを設けたり（図６（ｃ））することができる。また、図６（ｄ）に示すように屈曲面４７ｃをオーバーハングさせることも好ましい。こうであれば、溶射皮膜９が母型７からさらに剥がれ難くすることができる。また、図６（ｅ）に示すように、鍔部７ｂに溝を彫って屈曲面５７ｃを形成してもよい。

（実施形態２）
実施形態２は成型時に真空引きが可能な真空金型を製造する方法である。
実施形態２の製造方法では、図７に示すように、実施形態１の製造方法における溶射工程Ｓ４までを同様に行った後、貫通工程Ｓ４１として、溶射層９に対して母型７にまで達する貫通孔９ａをボール盤等を用いて多数設ける（図８参照）。その後に実施形態１の場合と同様に裏打ち工程Ｓ５及び脱型工程Ｓ６を行い真空金型２３を得る。
こうして得られた金型は、図９で示すように、溶射層１９の貫通孔１９ａが多孔性を有する裏打ち層２２と接するため、成型時に裏打ち層２２側から真空引きすることが可能となるため、より精密な成型品を製造することができる。

この発明は、上記発明の実施形態の説明に何ら限定されるものではない。特許請求の範囲の記載を逸脱せず、当業者が容易に想到できる範囲で種々の変形態様もこの発明に含まれる。

Ｓ１…原型作製工程，Ｓ２…雌型作製工程，Ｓ３…母型作製工程，Ｓ４…溶射工程，Ｓ５…裏打ち工程，Ｓ６…脱型工程，Ｓ４１…貫通工程
１…原型モデル，１ａ…皮革，４…雌型，７…母型（７ａ…母型本体，７ｂ…鍔部，７ｃ…屈曲面），９，１９…溶射皮膜，１９ａ…貫通，１２，２２…裏打ち層，１３…金型，２３…真空金型

Claims (4)

1. 原型モデルを作製する原型作製工程と、
   該原型モデルから雌型を作製する雌型作製工程と、
   該雌型から母型を作製する母型作製工程と、
   該母型の表面にアーク溶射によって融点が５００℃以下の溶射材を溶射して溶射皮膜を形成する溶射工程と、
   該溶射皮膜の表面に多孔性の裏打ち層を形成する裏打ち工程と、
   該母型から該溶射皮膜を該裏打ち層とともに脱型する脱型工程と、を有する金型の製造方法であって、
   前記母型は成形しようとする形状に整合する面を有する母型本体と、該母型本体の周縁に形成された鍔部とからなり、該鍔部には該母型本体の表面よりも内側に曲げられた屈曲面が設けられており、
   前記溶射工程において該母型本体の表面のみならず、該屈曲面まで溶射皮膜を形成させることを特徴とする金型の製造方法。
2. 前記鍔部の端部が面取りされることによって前記屈曲面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金型の製造方法。
3. 前記溶射工程を行う前に前記母型の表面を有機溶剤によって脱脂する脱脂工程を行うことを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の製造方法。
4. 前記裏打ち工程を行う前に、前記溶射皮膜に複数の貫通孔を開ける貫通工程を行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかの金型の製造方法。

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