JP2019130843A - 成形型および樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素な成形型の構造で、冷却性能を向上して樹脂成形品の生産性を向上できるようにした、成形型および樹脂成形品の製造方法を提供する。【解決手段】成形型は、型温が第一温度の状態において、前記第一温度よりも高い第二温度の溶融状態の熱可塑性樹脂組成物が、キャビティ内に充填されるための成形型であって、融点が前記第一温度よりも高く且つ前記第二温度以下である低融点物質が内部に配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は、成形型および樹脂成形品の製造方法に関するものである。

従来、熱可塑性の樹脂を成形する成形型では、その内部に形成された流路に冷却水を流すことで、キャビティに充填された高温の溶融状態の樹脂を早期に冷却し固化させて、樹脂成形品の生産性を向上させるようにしている。

成形型では、その形状によっては、樹脂の充填時に局所的に熱のこもり易い部位が存在する。例えば、キャビティに突出した部位（以下「突状部」と称する）は、溶融した高温の樹脂に囲まれるため熱がこもりやすい。このため、突状部がある場合には、成形型に供給された冷却水をこの突状部に引き込むようにしている（例えば特許文献１）。

特開２０１６−１５５３０９号公報

成形型に充填された樹脂を冷却して固化させるまでの期間が短くなるほど、樹脂成形品の生産性が向上することから、成形型における樹脂の冷却性能の向上が要望されている。
また、成形型の突状部に冷却水を引き込む場合、突状部において冷却水が基端側から尖端側に流れた後に基端側へと戻るよう、冷却水を流す流路が突状部内で折り返される。また、冷却水により突状部を効率的に冷却するには、冷却水を突状部の外表面近くでこの外表面に沿って流れるようにするのが好ましい。このため、冷却水の流路のルートが複雑となり易く、成形型の構造および成形型の製造工程が複雑になり易い。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、簡素な成形型の構造で、冷却性能を向上して樹脂成形品の生産性を向上できるようにした、成形型および樹脂成形品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る成形型は、型温が第一温度の状態において、前記第一温度よりも高い第二温度の溶融状態の熱可塑性樹脂組成物が、キャビティ内に充填されるための成形型であって、融点が前記第一温度よりも高く且つ前記第二温度以下である低融点物質が内部に配置されている。

本発明に係る樹脂成形品の製造方法は、型温が第一温度の成形型のキャビティに、前記第一温度よりも高い第二温度の溶融状態の熱可塑性樹脂組成物を充填する充填ステップと、前記キャビティ内の前記溶融状態の熱可塑性樹脂組成物を冷却して固化する冷却ステップとを有し、前記冷却ステップにおいて、前記成形型の内部に配置されると共に融点が前記第一温度よりも高く且つ前記第二温度以下である低融点物質が、前記熱可塑性樹脂組成物により加熱されて溶融する際、相転移に伴って前記熱可塑性樹脂組成物から吸熱する。

本発明によれば、簡素な成形型の構造で、冷却性能を向上して樹脂成形品の生産性を向上できる。

本発明の実施の形態における金型の構成を示す模式的な縦断面図である。

以下、本発明の実施の形態としての成形型および樹脂成形品の製造方法ついて、図面を参照しながら説明する。以下の実施の形態では、本発明の成形型が、金属又は合金により形成された金型である例を説明する。

［１．金型の構成］
図１は、本発明の実施の形態における金型の構成を示す模式的な縦断面図である。

図１に示すように、金型１は、上型１０と、下型１１と、下型１１に取り外し可能に取り付けられた駒１２（突状部）とを備える。
上型１０は、下方が開放された無底箱形状であり、下方の下型１１と型締めされたときに下型１１との間にキャビティ２を形成する。また、上型１０の天井壁には、天井壁を上下に貫通するゲート１０ａが設けられている。このゲート１０ａから、射出部（図示略）より射出された所定温度ｔ２（第二温度、以下「充填時樹脂温度」ともいう）の溶融状態の熱可塑性の樹脂組成物（以下「樹脂」という）３が、キャビティ２に充填される。例えば２６０℃の溶融状態のアクリル樹脂がキャビティ２に充填される。
また、上型１０の天井壁には、さらに、前後方向（図１の紙面における左右方向）に延在する流路１０ｂが、幅方向（図１の紙面と直交する方向）に複数並べて穿孔されている。

下型１１は、略中実のブロック形状であり、前後方向に延在する流路１１ａが、幅方向に複数並べて穿孔されている。
流路１０ｂおよび流路１１ａの各流路には、ポンプ（図示略）により送り出されると共に温度制御装置（図示略）により所定温度（７０〜８０℃程度）に制御された温水４が、白抜きの矢印で示すように流される。
これにより、高温の樹脂３がキャビティ２に充填される前は、金型１は温水４により加熱されて、金型１の温度（以下「型温」という）が所定温度ｔ１（第一温度、例えば７０〜８０℃）に制御される（そこで、所定温度ｔ１を型温ｔ１ともいう）。その一方、温水４は、充填時樹脂温度ｔ２よりは低温であるため、樹脂３の充填後は、温水４はこの樹脂３を冷却する冷却水として機能する。そこで、以下、温水４を冷却水４ともいう。

なお、本実施形態では、上型１０は、位置が固定された固定側金型であり、下型１１は、上型１０に対して離接可能な可動側金型である。

駒１２は、下型１１の上面に組み付けられ、上型１０と下型１１とが型締めされた状態においてキャビティ２に臨む。すなわち、駒１２は、キャビティ２に向かって突出した突状部である。
ここで、駒１２は内部空間１２ａ（収容空間）を有する中空構造のものである。この内部空間１２ａには、低融点物質５が収容されている。低融点物質とは、その融点ｔｍが、型温ｔ１よりも高く、且つ、充填時樹脂温度ｔ２以下である物質をいう（ｔ１＜ｔｍ≦ｔ２）。
本実施形態では、低融点物質に、融点ｔｍが、型温ｔ１よりも高く且つゲートシール温度ｔｇ以下である金属が採用されている（ｔ１＜ｔｍ≦ｔｇ）。ゲートシール温度ｔｇとは、ゲート１０ａ内の樹脂３が固化し流動を停止してゲート１０ａを封止した時点での樹脂３の温度のことであり、型温ｔ１よりも高く、充填時樹脂温度ｔ２よりも低温となる（ｔ１＜ｔｍ≦ｔｇ＜ｔ２）。
なお、低融点物質５に、合金を使用したり、樹脂のような非金属を使用したりしてもよい。

駒１２の内部空間１２ａには、幅方向（図１の紙面と直交する方向）に延在する仕切壁（補強壁）１２ｂが、前後方向（図１の紙面と平行な方向）に間隔をあけて複数並べられている。内部空間１２ａは、これらの仕切壁１２ｂに仕切られて、複数の小空間１２ｃに分割されている。各仕切壁１２ｂには、仕切壁１２ｂを挟んで隣り合う小空間１２ｃを連通させるように、貫通孔１２ｄがそれぞれ設けられている。
なお、仕切壁１２ｂ、小空間１２ｃおよび貫通孔１２ｄはそれぞれ複数設けられているが一つにのみ符号を付す。

このように駒１２の内部に低融点物質５を配置することで、金型１に充填された樹脂３が効率よく冷却され速やかに固化する。
つまり、充填された所定温度ｔ２の樹脂により、低融点物質５が融点ｔｍ以上に加熱されて固体から液体の相転移し、その際に、相転移に必要な融解熱を樹脂３から吸収（吸熱）する結果、樹脂３が効率よく冷却され速やかに固化する。

なお、低融点物質５の充填量は、樹脂３の冷却に必要な吸熱量が多いほど多量に設定され、例えばキャビティ２の容積（つまり金型１に充填される樹脂３の容積）が大きいほど多量に設定される。
また、低融点物質５は、温度の変化や相転移によって体積が変化する。このため、駒１２の内部空間１２ａの容積（但し仕切壁１２ｂの容積分は除く）は、金型１の使用中における低融点物質５の最大容積以上とする必要がある。

ここで、下表１に、金型１により成形する樹脂の例、当該樹脂における型温ｔ１の一例、および、当該樹脂の充填時樹脂温度ｔ２の一例を示す。
また、下表２に、低融点物質５に適用可能な金属や合金や樹脂の例と、その融点ｔｍを示す。
なお、下表１および下表２において「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下を意味する。例えば、
下表１においてアクリル樹脂の型温ｔ１の範囲を示す「７０〜８０」の表記は、７０℃以上８０℃以下の範囲を示す。

表１にリストアップされている各樹脂において、表２にリストアップされている低融点物質のうち、以下の（１）および（２）に該当するものを、当該樹脂を冷却するための低融点物質５として使用することが可能である。
（１）当該樹脂の型温ｔ１から充填時樹脂温度ｔ２の範囲内に、融点が入る低融点物質 （２）当該樹脂の型温ｔ１から充填時樹脂温度ｔ２の範囲と、融点の範囲とが重複する低融点物質
例えば、型温ｔ１が７０〜８０［℃］、充填時樹脂温度ｔ２が２１０〜２６０［℃］であるアクリル樹脂に関しては、（１）融点ｔｍが、７０〜２６０［℃］の温度範囲内にあるＳｎ、Ｓｎ−Ｚｎ合金、Ｉｎ、Ｂｉ−Ｓｎ合金、Ｓｎ−Ｉｎ合金、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｐｂ合金、Ｂｉ−Ｓｎ−Ｉｎ合金、ポリエチレン、および、（２）当該温度範囲と融点ｔｍの範囲が重複するパラフィン、を低融点物質５として使用できる。
また、例えば、低融点物質５としてＳｎ−Ｚｎ合金を使用する場合には、アクリル樹脂、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー、ポリアセタール、ナイロン、ポリエーテルイミド、および、ポリエチレンの複数の樹脂の成型に、金型１を使用することが可能である。

［２．樹脂成形品の製造方法］
本発明の樹脂成形品の製造方法は、図１の金型１を使用して次のように行われる。
金型１に樹脂３を射出する前から、金型１は、予め冷却水４を流すことにより型温が第一温度ｔ１に制御される。型温である第一温度ｔ１が低融点物質５の融点ｔｍよりも低いので、この時点では低融点物質５は固体である。

そして、キャビティ２に、第二温度ｔ２の溶融状態の樹脂３がゲート１０ａに射出され、ゲート１０ａを介してキャビティ２に樹脂３が充填される（充填ステップ）。

型温が冷却水４によって充填時の樹脂温度である第二温度ｔ２よりも低い第一温度ｔ１に制御されているので、樹脂３は冷却され固化する（冷却ステップ）。この際、低融点物質５は、その融点ｔｍが第二温度ｔ２以下なので、第二温度ｔ２でキャビティ２に充填された樹脂３により加熱されて溶融し、相転移に伴い樹脂３から吸熱する。

樹脂３の温度が、型温である第一温度ｔ１又はその近傍まで下がると、型締めを解除して、可動側金型である下型１１を、固定側金型である上型１０から離隔させ、固化した樹脂３すなわち樹脂成形品を離型する。これにより、樹脂成形品の製造が完了する。

［３．作用・効果］
本発明の金型１および樹脂成形品の製造方法によれば以下のような作用効果が得られる。

（１）金型１の内部に配置された固形の低融点物質５が、キャビティ２に充填された樹脂３により加熱されて溶融し、この際に樹脂３から吸熱するので樹脂３を効果的に冷却し固化できる。これにより、樹脂成形品の製造が完了するまでの期間を従来よりも短縮でき。
例えば、従来では、樹脂を金型に充填してから樹脂成形品の製造が完了するまでの期間が５分程度であったのに対し、低融点物質５を使用することで２〜３分程度まで短縮することが可能である。

加えて、低融点物質５は、内部空間１２ａに収容されており、冷却媒体を内部空間１２ａに流すのと異なり、内部空間１２ａへの冷却媒体の出入りがない。つまり、低融点物質５を使用したこの冷却機構は、内部空間１２ａ内で構成が完結しているので、冷却媒体を出入りさせるための流路やポンプが不要である。さらに、低融点物質５の融解熱を利用して樹脂３を冷却するので、冷却媒体の使用時には冷却媒体を一定温度に保持するために必要となる冷却装置が不要である。
したがって、簡素な金型の構造で、冷却性能を向上して樹脂成形品の生産性を向上できる。

（２）キャビティ２に突出した駒１２に低融点物質５が設けられているので、樹脂３に包囲され熱のこもりやすい駒１２を低融点物質５の吸熱により効果的に冷却できる。
また、キャビティ２に突出した駒１２に冷却媒体を流そうとした場合には、上述したように突状部である駒１２の内部に複雑なルートで流路を形成しなければならない。これに対し、本実施形態では、駒１２の内部に低融点物質５を収容するだけなので、このような複雑な流路を形成することなく駒１２を冷却できる。

（３）下型１１から分離可能な駒１２の内部に低融点物質５が設けられるので、上型１０や下型１１の内部に低融点物質５を設けるのに比べ、低融点物質５を内部に設けるための加工を容易に行える。つまり、上型１０や下型１１に比べてサイズの小さな駒１２が加工対象となるので、加工対象の取り扱いが容易となり、加工を容易に行える。

（４）射出成形時には、キャビティ２内が比較的高い圧力（例えばアクリル樹脂を射出成形する場合は８０ＭＰａ程度）となり、この高い圧力が駒１２にも作用する。一方、駒１２は中空であり、また、駒１２の板圧は、内部の低融点物質５により外部の樹脂を効果的に冷却できるよう、比較的薄く設定されている。このままでは、駒１２は、その強度が比較的低いものとなるため、射出成形時に高い圧力が作用すると変形してしまうおそれがある。しかし、内部空間１２ａに仕切壁１２ｂが設けられているので、このような射出成形時の変形を抑制できる。

また、仕切壁１２ｂに設けられた貫通孔１２ｄにより、仕切壁１２ｂを挟んで隣り合う小空間１２ｃが連通する。これにより、駒１２の製作時に各小空間１２ｃに低融点物質５を厳格に等分しなくても、樹脂成形時に低融点物質５が溶融したときに貫通孔１２ｄを通じて各小空間１２ｃに均等にいき渡るようになり、駒１２の周囲の樹脂３を偏りなく効率的に冷却できる。

（５）低融点物質５に、放熱性の良い金属又は合金を使用することにより、樹脂３の熱が低融点物質５を介して低温側の下型１１へ速やかに放熱されるようになり、樹脂３を一層効果的に冷却できる。

［４．変形例］
（１）低融点物質５を配置する箇所は、キャビティ２内の樹脂３を冷却できる箇所であれば、駒１２のようなキャビティ２に突出する突状部に限定されない。例えば図１において二点鎖線の枠でように示す上型１０の内部や下型１１の内部に、駒１２の内部に替えて（又は駒１２の内部と共に）低融点物質５を配置してもよい。

（２）低融点物質５に樹脂組成物を使用する場合は、放熱性を高めるために、この低融点物質５としての樹脂組成物に、金属製のフィラーのような放熱性の良好な素材を混ぜるようにしてもよい。

（３）低融点物質５の吸熱により十分な冷却性能が得られる場合には、上型１０の流路１０ｂおよび下型１１の流路１１ａの少なくとも一方の流路を省略してもよい。

（４）駒１２の強度が十分高い場合には、内部空間１２ａに設けた仕切壁１２ｂを省略してもよい。

（５）上記実施形態では、本発明の成形型を金型とした例を説明したが、本発明の成形型を、樹脂などの非金属により構成してもよい。

（６）上記実施形態では、熱のこもりやすい箇所の速やかな冷却を目的に、熱のこもりやすい箇所の近傍に低融点物質５を設けたが、低融点物質５を設ける目的はこれに限定されない。例えば、他の箇所に比べて早期に冷却したい箇所がある場合には、この早期に冷却したい箇所の近傍に低融点物質５を配置するようにしてもよい。或いは、樹脂を冷却する際に、特に速やかに通過したい温度帯がある場合には、この温度帯で低融点物質５が溶融して、樹脂をこの温度帯よりも低温帯に速やかに降温させるようにしてもよい。

１ 金型（成形型）
２ キャビティ
３ 樹脂組成物
４ 温水（冷却水）
５ 低融点物質
１０ 上型
１０ａ ゲート
１０ｂ 流路
１１ 下型
１１ａ 流路
１２ 駒（突状部）
１２ａ 内部空間（収容空間）
１２ｂ 仕切壁（補強壁）
１２ｃ 小空間
１２ｄ 貫通孔

Claims (6)

1. 型温が第一温度の状態において、前記第一温度よりも高い第二温度の溶融状態の熱可塑性樹脂組成物が、キャビティ内に充填されるための成形型であって、
   融点が前記第一温度よりも高く且つ前記第二温度以下である低融点物質が内部に配置されている、
   成形型。
2. 前記キャビティ内に突出した突状部を有し、
   前記低融点物質が前記突状部の内部に配置されている
   請求項１に記載の成形型。
3. 前記キャビティに臨む駒を備え、
   前記駒が前記突状部を構成する、
   請求項２に記載の成形型。
4. 内部に設けられ、前記低融点物質を収容する収容空間と、
   前記収容空間を複数の小空間に分割するように設けられた補強壁と、
   前記補強壁を挟んで隣り合う前記小空間どうしを連通させるように、前記補強壁に設けられた貫通孔と、を備えた、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の成形型。
5. 前記低融点物質が金属又は合金である、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の成形型。
6. 型温が第一温度の成形型のキャビティに、前記第一温度よりも高い第二温度の溶融状態の熱可塑性樹脂組成物を充填する充填ステップと、
   前記キャビティ内の前記溶融状態の熱可塑性樹脂組成物を冷却して固化する冷却ステップとを有し、
   前記冷却ステップにおいて、
   前記成形型の内部に配置されると共に融点が前記第一温度よりも高く且つ前記第二温度以下である低融点物質が、前記熱可塑性樹脂組成物により加熱されて溶融する際、相転移に伴って前記熱可塑性樹脂組成物から吸熱する、
   樹脂成形品の製造方法。

Images