JP2020069768A - 金型及び金型の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な形状の成形品を得るための金型及び金型の設計方法を提供する。【解決手段】金型は、押出成形に使用される金型であって、粘弾性材料が内部を流動する流路を規定する流路規定部を備える。前記流路の出口は、長手方向と短手方向とを有し、前記流路規定部は、前記流路における前記長手方向の少なくとも１つの端部において、前記少なくとも１つの端部以外の部分よりも前記流路の長さが短くなるように、前記流路を規定する。【選択図】図２

Description

本発明は、金型及び金型の設計方法に関する。

特許文献１は、ゴム組成物を押し出す押出機のシリンダに取り付けられる口金についての発明を開示する。特許文献１によれば、口金の含まれるダイプレートの、ゴム組成物が流入する側の面に滞留スペースを形成することにより、成形品であるゴムシートの品質向上に寄与し得る。

特開２０１８−０８６７３４号公報

特許文献１によれば、滞留スペースが形成されたダイプレートでは、滞留スペースが形成されていないダイプレートと比較して、ゴムシートの幅方向の端部の形状が良好に成形される。しかしながら、滞留スペースにおいて粘弾性材料の圧力が高まることにより、ダイプレートとダイプレートと併せて使用されるホルダーとの隙間を押し開く力が粘弾性材料から加わり、隙間から粘弾性材料がはみ出すことがある。はみ出した粘弾性材料は、成形品に付着し、成形品の形状に影響を与えるおそれがある。

本発明は、良好な形状の成形品を得るための金型及び金型の設計方法を提供することを目的とする。

本発明の第１観点に係る金型は、押出成形に使用される金型であって、粘弾性材料が内部を流動する流路を規定する流路規定部を備える。前記流路の出口は、長手方向と短手方向とを有し、前記流路規定部は、前記流路における前記長手方向の少なくとも１つの端部において、前記少なくとも１つの端部以外の部分よりも前記流路の長さが短くなるように、前記流路を規定する。

本発明の第２観点に係る金型は、第１観点に係る金型であって、前記流路規定部は、前記出口付近において、前記少なくとも１つの端部において前記流路の長さが短くなるように切り欠かれている。

本発明の第３観点に係る金型は、第２観点に係る金型であって、前記流路規定部は、ダイプレートを含む。前記ダイプレートは、前記出口付近において、前記少なくとも１つの端部において前記流路の長さが短くなるように切り欠かれている。

本発明の第４観点に係る金型は、第３観点に係る金型であって、前記流路規定部は、プリフォーマをさらに含む。前記プリフォーマは、前記出口付近において、前記少なくとも１つの端部において前記流路の長さが短くなるように切り欠かれている。

本発明の第５観点に係る金型は、第１観点から第４観点のいずれかに係る金型であって、前記流路規定部は、前記流路の長さが前記長手方向に沿って連続的に変化するように、前記流路を規定する。

本発明の第６観点に係る金型は、第１観点から第５観点のいずれかに係る金型であって、前記流路規定部は、前記出口における前記長手方向の両端部において、前記両端部以外の部分よりも前記流路の長さが短くなるように、前記流路を規定する。

本発明の第７観点に係る金型は、第１観点から第６観点のいずれかに係る金型であって、前記流路規定部の前記出口の外側に連続する逃し面をさらに備える。

本発明の第８観点に係る粘弾性材料の成形品の製造方法は、以下のことを備える。
（１）第１観点から第７観点のいずれかに係る金型を用意すること。
（２）前記金型の前記流路に粘弾性材料を流すことにより、前記粘弾性材料を成形すること。

本発明の第９観点に係る金型の設計方法は、押出成形に使用される金型の設計方法であって、以下のことを備える。
（１）前記金型において粘弾性材料が内部を流動する流路の出口の形状を決定すること。
（２）前記流路における前記出口の長手方向の少なくとも１つの端部において、前記少なくとも１つの端部以外の部分よりも短くなるように、前記流路の長さを決定すること。

金型は、内部に有する流路の出口の形状により、成形品の形状を規定する。流路における出口の長手方向の端部では、粘弾性材料の流動に対する金型の内壁面の摩擦抵抗が他の部分における摩擦抵抗よりも大きく、粘弾性材料の流動速度が極端に低下し易い。その結果、粘弾性材料が金型から吐出される速度が出口の長手方向に亘って大きくばらつき、成形品が部分的に収縮、弛緩する。その結果、成形品の形状に凹凸を生じたり、成形品の端部が部分的に破断したりすることがある。本発明の第１の観点に係る金型によれば、流路規定部が出口における長手方向の少なくとも１つの端部において流路の長さが短くなるように流路を規定する。この構成により、端部の摩擦抵抗が低下し、端部における流動速度の低下が抑制される。これにより、成形品に生じる凹凸や破断を抑制し、粘弾性材料を良好な形状に成形することができる。

本発明の一実施形態に係る金型の断面図。 ヘッド及び金型により規定される流路形状の斜視図。 ダイプレートの斜視図。 ダイプレートの斜視図。 流路の出口の形状。 ダイプレートの上板部の斜視図。 実施例に係る金型の規定する流路の形状。 比較例に係る金型の規定する流路の形状。 シミュレーションにより得られた出口における速度分布のグラフ。

以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る金型及び金型の設計方法について説明する。

＜１．押出の概要＞
本実施形態に係る金型１は、押出成形に使用される金型であって、押出機の一部を構成する。金型１は、粘弾性材料５の押出機のシリンダの先端部にあるヘッド１００に装着され、ヘッド１００から排出された粘弾性材料５を所定の形状に成形するための金型であり、略板状の外観を有する。押出機に投入された粘弾性材料５は、筒状のシリンダ内で加熱され、溶融する。これと共に、シリンダの内部に収容され、かつシリンダの軸方向に延びるスクリューが回転し、粘弾性材料５を混錬すると共にヘッド１００まで押し出す。図１に、本実施形態に係る金型１が、ヘッド１００，１００に装着された状態の断面図を示す。同図に示す例では、２本のシリンダの先端部にある２つのヘッド１００，１００が共に金型１に連結される。矢印の方向は、粘弾性材料５の流動する方向を示す。なお、２つのヘッド１００，１００内から押し出される粘弾性材料５は、同種の材料であってもよいし、異種の材料であってもよい。

ヘッド１００，１００から排出された粘弾性材料５は、ヘッド１００，１００の出口１０１，１０１から金型１の上流側の開口である入口２０を介して金型１の内部へと流入する。流入した粘弾性材料５は、金型１が備える流路規定部１０が規定する流路の内部を流動し、金型１の下流側の開口である吐出口３１から成形品６として連続的に又は間欠的に吐出される。成形品６は、押出機の下流にある引き取りコンベア等の装置により一定の速度で巻き取られ、次の工程へと送られる。

＜２．金型の構成＞
本実施形態に係る金型１は、粘弾性材料５の流路を規定するプリフォーマ２とダイプレート３とが組み合わせられて構成される。すなわち、本実施形態における流路規定部１０は、プリフォーマ２及びダイプレート３を含む。プリフォーマ２は、金型１の中で最も上流側（ヘッド１００，１００側）に位置し、金型１の入口２０が形成される部分である。プリフォーマ２は、粘弾性材料５の成形に先立って、予備成形を行うための第１流路２２を規定する。第１流路２２は、プリフォーマ２の内壁面２１によって規定される。粘弾性材料５は、入口２０からプリフォーマ２内部に流入し、第１流路２２内を流動した後、出口２３と接続されたダイプレート３の受入口３０を介して、ダイプレート３内部へと排出される。図２に、ヘッド１００，１００、プリフォーマ２及びダイプレート３によって規定される粘弾性材料５の流路の形状の斜視図を示す。（）内の符号は、その流路の部分を規定する部分の符号である。

図３Ａは、ダイプレート３の受入口３０側が示されたダイプレート３の斜視図であり、図３Ｂは、ダイプレート３の吐出口３１側が示されたダイプレート３の斜視図である。ダイプレート３は、ボルト等によってプリフォーマ２と一体化された状態で使用される。本実施形態のダイプレート３は、上板部３ａと下板部３ｂとがボルト等によって一体化したものにより形成されており、全体として略板状の外観を有する。上板部３ａは下板部３ｂと対向する側に曲面状の流路形成面３２を有し、下板部３ｂは上板部３ａと対向する側に平坦な平坦面３３を有する。上板部３ａと下板部３ｂとが一体化し、流路形成面３２と平坦面３３とが対向した状態において、流路形成面３２と平坦面３３とは第２流路３４を規定する。

図４Ａに第２流路３４の出口の形状Ｃを示す。形状Ｃは、第２流路３４の出口を吐出口３１側から正面視したときの形状を、粘弾性材料５が流動する方向に直交する平面に投影した形状である。形状Ｃの外接四角形は、横長の長方形となる。この長方形の長辺が延びる方向を長手方向、短辺が延びる方向を短手方向とそれぞれ称し、以下ではこれを基準として説明を行う。形状Ｃの長手方向における２つの端部を、それぞれＥ１，Ｅ２と称する。なお、形状Ｃは、粘弾性材料５から成形される成形品６の形状に概ね一致する。

図４Ｂは、吐出口３１側が示された上板部３ａの斜視図である。流路形成面３２は、受入口３０から下流側に連続して延び、流路形成面３２の下流側終端部Ｌ（同図に破線で示す）は、粘弾性材料５の流路の終端を規定する。つまり、第２流路３４の出口は、下流側終端部Ｌと、平坦面３３とにより規定される。同図に示すように、下流側終端部Ｌは、長手方向の中央部で最も吐出口３１に近接して位置し、中央部から端部Ｅ１及びＥ２に近づくほど、吐出口３１から離れた上流側に位置する。これにより、図２に示すように、端部Ｅ１及びＥ２において、ヘッド１００の出口１０１（又はプリフォーマ２の入口２０）を流路の始端とする粘弾性材料５の流路の長さが、その他の部分における流路の長さよりも短くなるように形成される。これに限定されないが、本実施形態では、流路の長さは、長手方向に亘って連続的に変化する。

流路形成面３２の下流側終端部Ｌは、逃し面３５へと連続する。逃し面３５は、第２流路３４の出口の外側に連続し、第２流路３４の延びる方向に対して傾斜する斜面であり、第２流路３４から外側に向かう程、拡張するように傾斜する。つまり、ダイプレート３は、第２流路３４の出口から吐出口３１に向かって開口の断面積が拡大するように形成される。なお、粘弾性材料５は、第２流路３４により一旦成形された後に、逃し面３５と平坦面３３とで規定される空間を通過しても、その空間により成形される訳ではない。従って、逃し面３５と平坦面３３とで規定される空間は、粘弾性材料５の流動する流路とは区別される。

金型１は、金属製、典型的にはスチール製である。プリフォーマ２とダイプレート３とは、異種の材料から形成されてもよいし、同種の材料から形成されてもよい。また、上板部３ａと下板部３ｂとは、異種の材料から形成されてもよいし、同種の材料から形成されてもよい。

粘弾性材料５は、粘性と弾性の双方の性質を有する高分子材料であり、ゴム、樹脂、ゴムを含む組成物及び樹脂を含む組成物等がこれに含まれる。

＜３．金型の設計方法＞
以下では、一実施形態に係る金型１の設計方法について説明する。

まず、金型１内の流路の出口の形状、すなわち、粘弾性材料５が内部を流動する流路の長手方向と短手方向とを有する出口の形状Ｃを決定する。形状Ｃは、金型１の流路の出口を出口側から正面視したときの形状を、粘弾性材料５が流動する方向に直交する平面に投影した形状である。ここで、長手方向は形状Ｃの外接長方形の長辺が延びる方向であり、短手方向は形状Ｃの外接長方形の短辺が延びる方向である。形状Ｃは、粘弾性材料５から成形される成形品６の形状に概ね一致し、成形品６の形状に応じて適宜決定される。

続いて、金型１内の流路の長さを決定する。このとき、形状Ｃの少なくとも１つの端部Ｅにおいては端部Ｅ以外の部分におけるよりも流路を相対的に短く形成する。例えば、流路を形成する流路形成面３２の一部を切り欠いて、下流側終端部Ｌを端部Ｅにおいて上流側に形成することにより、流路を相対的に短くすることができる。金型１がプリフォーマ２及びダイプレート３といった複数の部分から構成される場合、下流側終端部Ｌは、プリフォーマ２とダイプレート３とにまたがって形成されてもよい。好ましくは、下流側終端部Ｌは、長手方向に沿って連続的に形成される。

さらに、ダイプレート３に下流側終端部Ｌと平坦面３３により規定される流路の出口の外側に連続する、逃し面３５を形成することが好ましい。逃し面３５は、ダイプレート３の吐出口３１付近に、例えば面取り加工や溝加工を施すことによって形成することができる。面取りにより逃し面３５を形成する場合、逃し面３５は、粘弾性材料５が吐出される方向に対して、約１０度以上吐出口３１に向かって傾斜することが好ましい。

＜４．特徴＞
（１）
上記実施形態の金型１は、内部に有する第２流路３４の出口の形状Ｃにより、成形品６の形状を規定する。第２流路３４における出口の長手方向の端部では、流路が相対的に短くなるように形成される。この構成により、上記端部における粘弾性材料５の流動速度が、他の部分における流動速度に対して低下する程度を軽減することができ、長手方向に沿った流動速度分布が一様に近くなる。その結果、成形品６が部分ごとに収縮或いは弛緩することが低減され、成形品６の形状に凹凸（波うち）を生じにくくなる。また、成形品６の端部が部分的に破断すること（エッヂ切れ）が防止され、良好な形状の成形品６を得ることができる。また、上記実施形態の金型１は、波うちやエッヂ切れが生じやすく、従来は押出成形に不向きと考えられてきた粘弾性材料に対しても適用し得る。このため、成形品６の品質向上や、バリエーション拡大に寄与し得る。

（２）
さらに、上記実施形態の金型１は、逃し面３５を端部Ｅ１、Ｅ２付近に備えている。この構成により、端部Ｅ１、Ｅ２における流路を短く形成することができる。さらに、吐出後に成形品６が膨らむ現象（ダイスウェル）が生じたとしても、成形品６が金型１に付着したり、金型１との接触により形状に悪影響を及ぼすことが防止される。逃し面３５は、例えば流路の長さが長手方向に沿って一定の長さである金型を用意し、この金型の流路形成面３２を逆テーパーエンドミルで上流側から切削することにより形成してもよい。このように、金型１は流路の長さが一定の金型を加工し、容易に製作できるため、生産性に優れる。

（３）
上記実施形態の金型１は、特許文献１に開示されるダイプレートのような滞留スペースを設けずとも良好な形状の成形品６を成形することができる。従って、粘弾性材料５が上板部３ａと下板部３ｂとの間を広げる力がダイプレート３に加わり難く、粘弾性材料５が上板部３ａと下板部３ｂとの隙間からはみ出すことが防止される。
（４）
上記実施形態の金型１の設計方法では、流路の出口の少なくとも１つの端部において流路を短く形成することにより、長手方向における流動速度の分布を均一に近づけることができる。つまり、形状Ｃにより、流路を短く形成すべき部分が決定づけられるので、金型の設計のための試行錯誤の手間が省かれ、金型１の設計効率が向上する。また、流動速度が極端に低下するのは特に出口の長手方向の端部であるため、例えば切欠き加工により端部における流路を短く形成するのみでも十分な効果が得られる。

＜５．変形例＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて、種々の変更が可能である。例えば、以下の変更が可能である。また、以下の変形例の要旨は、適宜組み合わせることができる。

＜５−１＞
金型１は、プリフォーマ２を含んでおらず、ダイプレート３のみを含んでいてもよい。また、ダイプレート３が金型１の中で最も下流側に位置する限りにおいて、プリフォーマ２とダイプレート３以外にも粘弾性材料５の流路を規定する流路規定部１０を含んでいてもよい。

＜５−２＞
ダイプレート３は、上記実施形態のように上板部３ａと下板部３ｂから形成される構成に限られない。例えば、上板部３ａや下板部３ｂが複数のパーツから形成されていてもよい。また、１つの板状金属の内部に粘弾性材料５の流路が形成され、ダイプレート３が形成されてもよい。また、下板部３ｂの第２流路３４を形成する面は平坦な平坦面３３ではなく、流路形成面３２と同様、曲面であってもよい。

＜５−３＞
プリフォーマ２は、上記実施形態のダイプレート３と同様に、例えば上板部と下板部とから形成されていてもよい。

＜５−４＞
金型１が装着されるヘッド１００の数は、２つに限定されず、１つであってもよいし、３つ以上であってもよい。

＜５−５＞
流路が短く形成される部分は、端部のみに限られない。例えば、端部における流路を短くすることに加えて、形状Ｃの短手方向の他の部分よりも相対的に距離が小さく、粘弾性材料５の流動速度が長手方向の他の部分よりも相対的に低下する位置においても流路を短く形成してもよい。

以下、本発明の実施例について説明する。ただし、以下の実施例は、あくまでも本発明の例示に過ぎす、本発明はこれに限定されない。

実施例、比較例１及び比較例２として３種類の金型Ｘ，Ｙ，Ｚを設計した。金型Ｘは上記実施形態と同様の金型である。また、金型Ｙ，Ｚは、上記実施形態の金型１において、ダイプレート３の上板部３ａに相当する部分の形状のみが異なる。金型Ｘに含まれるダイプレート３により規定される流路の形状の斜視図を各部の寸法と共に図５Ａに示す（単位はｍｍ）。金型Ｙは、上記実施形態のダイプレート３において、上板部３ａに逃し面３５が形成されず、粘弾性材料５の流路の長さに変化がない（下流側終端部Ｌと吐出口３１の周縁とがほぼ一致する）点を除いて金型Ｘと同様の構成を有する。金型Ｚは、上板部３ａの受入口３０の両端部に、略球面状に流路形成面３２が切り欠かれた滞留スペースＰ１、Ｐ２を有する。上記以外の点において、金型Ｚは金型Ｙと同様の構成を有する。金型Ｚに含まれるダイプレート３により規定される流路の形状の斜視図を各部の寸法と共に図５Ｂに示す（単位はｍｍ）。また、金型Ｘ，Ｙ，Ｚに含まれるダイプレート３の流路の最大長さは、いずれも１５ｍｍである。

＜１−１．シミュレーション＞
金型Ｘ，Ｙ，Ｚについて、それぞれ同様の条件で同様の粘弾性材料を押出成形したと仮定し、それぞれの金型が有する流路の出口における粘弾性材料の流動速度分布をそれぞれ公知のＣＦＤ手法によりシミュレーションした。解析ソフトはＳＴＡＲ−ＣＣＭ＋（登録商標）を用いた。粘弾性材料５は、互いに物性の異なるゴム組成物１とゴム組成物２との混合材料であり、シミュレーションでは粘性体としてモデル化した。シミュレーションを行った条件を以下の表１に示す。また、ゴム組成物の粘性係数μは、以下の式（１）によりそれぞれ計算される。式（１）中、Ｇ，Ｈ，Ｉはゴム組成物に固有の定数であり、ｅは自然対数の底、Ｔはゴム組成物の温度（Ｋ）である。また、γはせん断速度（１／ｓ）であり、壁面に垂直な方向のゴム組成物の速度勾配を表す。壁面のスリップ速度（ｍ／ｓ）は、表１中のＦ_slip（定数）及びｅ（定数）を用いて、本出願人の特許第5564074号に開示する方法により求められる。ここで、αは粘弾性材料５中に含まれるゴム組成物１の体積比率であり、０≦α≦１である。

＜１−２．シミュレーション結果＞
シミュレーションにより得られた実施例、比較例１及び比較例２の流路の出口における粘弾性材料５の流動速度分布は、それぞれ図６のグラフに示すようになった。流動速度は、短手方向の距離の中央における流動速度である。グラフの縦軸は、粘弾性材料５の流動速度を押出機による押出速度で除して無次元化したものである。また、グラフの横軸は、流路の出口における長手方向の位置を無次元化したものであり、長手方向の１及び０が両端部である。グラフから分かるように、比較例１では両端部の流動速度が極端に低下したのに対し、長手方向中央付近（０．４〜０．８）の流動速度が大きかった。比較例２では、比較例１と比較すると長手方向中央付近（０．４〜０．８）の流動速度が低下し、両端部の流動速度がやや大きくなった。実施例では比較例１，２よりも両端部の速度が大きくなった。

＜２−１．実験条件＞
上で設計された金型Ｘ，Ｙ，Ｚを製作し、上述のシミュレーション条件と実質的に同様の条件下で粘弾性材料５を成形した。金型Ｘ，Ｙ，Ｚについて、成形品の形状を目視により確認した。

＜２−２．実験結果＞
目視の結果、以下のような結果が確認された。
比較例１：流路の出口の長手方向中央付近に対応する位置で、成形品６に波うちが生じた。エッヂ切れは見られなかった。
比較例２：エッヂ切れ及び波うちは生じなかったが、ダイプレート３の上板部３ａと下板部３ｂとの隙間から粘弾性材料５がはみ出していた。
実施例：エッヂ切れ、波うち及び粘弾性材料５のはみ出しがいずれも発生せず、良好な形状の成形品６が得られた。

以上の実験結果により、実施例ではエッヂ切れ、波うちが防止されると共に、滞留スペースを設けることによる粘弾性材料５のはみ出しが生じることもなく、成形品６の良好な成形に効果を有することが分かった。

１ 金型
２ プリフォーマ
３ ダイプレート
５ 粘弾性材料
６ 成形品
１０ 流路規定部
２２ 第１流路
３２ 流路形成面
３４ 第２流路
１００ ヘッド
Ｃ 形状
Ｌ 下流側終端部

Claims (9)

1. 押出成形に使用される金型であって、
   粘弾性材料が内部を流動する流路を規定する流路規定部
   を備え、
   前記流路の出口は、長手方向と短手方向とを有し、
   前記流路規定部は、前記流路における前記長手方向の少なくとも１つの端部において、前記少なくとも１つの端部以外の部分よりも前記流路の長さが短くなるように、前記流路を規定する、
   金型。
2. 前記流路規定部は、前記出口付近において、前記少なくとも１つの端部において前記流路の長さが短くなるように切り欠かれている、
   請求項１に記載の金型。
3. 前記流路規定部は、ダイプレートを含み、
   前記ダイプレートは、前記出口付近において、前記少なくとも１つの端部において前記流路の長さが短くなるように切り欠かれている、
   請求項２に記載の金型。
4. 前記流路規定部は、プリフォーマをさらに含み、
   前記プリフォーマは、前記出口付近において、前記少なくとも１つの端部において前記流路の長さが短くなるように切り欠かれている、
   請求項３に記載の金型。
5. 前記流路規定部は、前記流路の長さが前記長手方向に沿って連続的に変化するように、前記流路を規定する、
   請求項１から４のいずれかに記載の金型。
6. 前記流路規定部は、前記出口における前記長手方向の両端部において、前記両端部以外の部分よりも前記流路の長さが短くなるように、前記流路を規定する、
   請求項１から５のいずれかに記載の金型。
7. 前記流路規定部の前記出口の外側に連続する逃し面をさらに備える、
   請求項１から６のいずれかに記載の金型。
8. 請求項１から７のいずれかに記載の金型を用意することと、
   前記金型の前記流路に粘弾性材料を流すことにより、前記粘弾性材料を成形することと
   を備える、
   粘弾性材料の成形品の製造方法。
9. 押出成形に使用される金型の設計方法であって、
   前記金型において粘弾性材料が内部を流動する流路の出口の形状を決定することと、
   前記流路における前記出口の長手方向の少なくとも１つの端部において、前記少なくとも１つの端部以外の部分よりも短くなるように、前記流路の長さを決定することと
   を備える、
   金型の設計方法。