JP2020090035A - 射出成形型、射出成形型の製造方法、射出成形機、および樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】形状が複雑な高精度の機構部品、高い外観品位を求められる外装部品などの物品の製造において、簡単安価に金型の圧縮を伴う射出成形を実施できるようにする。【解決手段】コア駒３の転写面と、金型の基部の１つを構成する可動側金型４５と、の間の部位が弾性構造体１、２により構成される。弾性構造体１、２は、型内に射出される樹脂の注入圧力および保圧圧力に応じて弾性変形し、冷却に伴う樹脂の収縮に追従して形状回復する。弾性構造体１、２のバネ係数ｋは、樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性に基づいて定まる樹脂の収縮時の比容積変化ΔＶ、型内の内圧値Ｐ、その際の前記弾性構造体の変形の方向に沿った樹脂の収縮率Δｔ、および校正係数ｑに基づき定める。【選択図】 図１

Description

本発明は、樹脂材料を射出成形する射出成形型、射出成形型の製造方法、射出成形機、および樹脂成形品の製造方法に関する。

従来より、樹脂製の物品の製造に、樹脂材料を射出成形機を用いて金型内へ注入し、冷却固化した後、金型内から成形品を取り出す射出成形の手法が用いられている。この樹脂材料の射出成形では、溶融した樹脂の粘度による抵抗に勝る高い圧力で溶融した樹脂材料を金型内へ注入する必要がある。また、金型内に樹脂を注入完了後、樹脂の冷却に伴い金型内で樹脂が収縮し、金型寸法からの寸法差が大きくならないよう、比較的高い一定圧力を一定時間樹脂材料に加え続ける保圧工程が必要である。

部品サイズが大きい、あるいは肉厚変化が大きい形状の場合は、成形機からの圧力が型内の末端まで均等に行き届かないことがあり、型内の樹脂の収縮状態にバラつきが生じ、反りやヒケなどの不良を引き起こすことがあった。

上記のような事情に鑑み、特に高精度が要求されるギアやレンズなどの物品の射出成形では、「射出圧縮成形」と呼ばれる成形方法が用いられることがある（特許文献１）。この射出圧縮成形では、樹脂材料を型内に注入後、形状を有する金型の駒部分を油圧シリンダなどで動かし、駒から金型内の樹脂に圧力を加える。この射出圧縮成形によると、成形機からの圧力に加え、駒から直接圧力を加えることにより、形状部内の圧力が均等になり、樹脂の収縮差が小さくなるため、高精度の成形品が得られる。

特開平１０−５８５０２号公報

上記の射出圧縮成形では、型内または型の外部から油圧シリンダなどによる圧力を加える必要があり、型サイズの大型化や、油圧制御機器の設備のためにコストが嵩む問題があった。また、金型には、部分駒や、スライド部に圧力を加えたり、駒の複数部で圧力を変えたりするための構造が必要になるが、例えば製品の形状によっては型や加圧機器のスペースが確保できず、実施できない場合も考えられる。

また、樹脂の収縮挙動は、圧力（Ｐ）、体積（Ｖ）、温度（Ｔ）および材料のガラス転移温度（Ｔｇ）と密接な関係があるため、成形機および駒からの圧力をその樹脂材料に特有なＰ−Ｖ−Ｔ特性に沿って制御する必要がある。しかしながら、油圧などを用いる外部圧力機器による制御では、応答性よく所期の圧力制御を行うことが困難な場合が予想される。また、複数個所へ異なる圧力制御を行おうとした場合に、制御の態様や圧力機器の構成が極めて複雑になる可能性がある。このような事情より、従来では、射出圧縮成形は、ギアやレンズのような単純な形状を有する物品以外の製造ではあまり利用されていない。また、従来の油圧等により作動するシリンダ構造の駒では、シリンダ構造の駒の内部に冷却水路などを配置するのが難しく、金型の冷却効率が減少し、成形サイクルが長くなるという問題があった。

本発明の課題は、樹脂の収縮の比較的厳密な管理が必要になる、例えば形状が複雑な高精度の機構部品、高い外観品位を求められる外装部品などの物品の製造において、簡単安価に金型の圧縮を伴う射出成形を実施できるようにすることにある。

上記課題を解決するため、本発明においては、転写面を備えた形状駒と、前記形状駒を支持する基部と、を備えた射出成形型であって、前記形状駒の転写面と、前記基部と、の間の部位が型内に射出される樹脂の注入圧力および保圧圧力に応じて弾性変形し、冷却に伴う樹脂の収縮に追従して形状回復する弾性構造体により構成され、前記弾性構造体は、前記樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性に基づいて定まる前記樹脂の収縮時の比容積変化ΔＶ、型内の内圧Ｐ、その際の前記弾性構造体の変形の方向に沿った前記樹脂の収縮率Δｔ、校正係数ｑに基づき決定したバネ係数ｋを有する構成を特徴とする。

上記構成により、油圧シリンダなどの圧力制御機器を必要とせず、形状が複雑な高精度の機構部品、高い外観品位を求められる外装部品などの物品の製造において、簡単安価に金型の圧縮を伴う射出成形を実施することができる。

本発明の一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。 一般的な樹脂のＰ−Ｖ−Ｔ特性を示した説明図である。 本発明の異なる一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。 本発明の異なる一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。 図４の金型の動作を示した説明図である。 本発明の異なる一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。 射出圧縮成形機構の構成を示した説明図である。 本発明の異なる一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。 （ａ）、（ｂ）は、本発明の一実施形態において成形される樹脂成形品を示した説明図である。 本発明の異なる一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。 図１０の弾性部材の断面構成を示した説明図である。 図１０の弾性部材のモデリング手順を示した説明図である。 ギアを成形する金型の一般的な構成を示した説明図である。 本発明の異なる一実施形態に係る金型の断面構成を示した説明図である。

以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態につき説明する。なお、以下に示す構成はあくまでも一例であり、例えば細部の構成については本発明の趣旨を逸脱しない範囲において当業者が適宜変更することができる。また、本実施形態で取り上げる数値は、参考数値であって、本発明を限定するものではない。

＜実施形態１＞
図１は、本実施形態において、例えばギアのような物品である樹脂成形品４を製造する射出成形機、特にその射出成形型の部分の断面構成を示している。また、図１３は、同様の樹脂成形品５２を成形する、従来の一般的な金型の構成を示したものである。

図１において、１はバネ係数の高い弾性構造体、２はバネ係数の低い弾性構造体、３は部品形状が加工された形状駒としてのコア駒、４は例えばギアのような樹脂成形品、５はギア形状を加工された回転駒である。各駒は固定側金型４４と可動側金型４５の間に配置されている。また、可動側金型４５側には、型開きの後、樹脂成形品４を離型するためのエジェクタピン６が配置されている。

一方、図１３において、樹脂成形品５２は同様のギアであり、そのギアの歯面は形状駒５３により、また、ギアのコア部は形状駒５４によって転写される。図１３でも、各駒は固定側金型４４と可動側金型４５の間に配置され、固定側金型４４側には樹脂射出用のゲート４４１が、可動側金型４５側にはエジェクタピン５５が配置されている。

図１３の構成と大きく異なるのは、図１の金型では、コア駒３と、金型の基部の１つを構成する可動側金型４５の間に弾性構造体１および２が配置され、コア駒３が弾性構造体１および２によって支持されている点である。

なお、図１を含め、本発明の実施形態に係る各添付図面では、弾性構造体１、２は、弓型の形状や、棒状の形状として図示している。しかしながら、弾性構造体１、２の形状は任意であり、本発明を限定するものではない。また、図１を含め、本発明の実施形態に係る各添付図面では、形状駒であるコア駒とそれを支持する弾性構造体は別体であるかの如く図示している。しかしながら、これらコア駒と弾性構造体は、機能的には弾性構造駒を構成するものであり、必ずしも別体である必要はなく、両者は一体に形成されていても構わない。

図１の金型では、例えば固定側金型４４側に配置されたゲート４４１からキャビティに樹脂が注入されると、樹脂の注入圧力により図中下方にコア駒３が押圧され、弾性構造体１および２が弾性変形する。これにより弾性構造体１および２は変形量に応じた付勢力をコア駒３に印加する。

この時の弾性構造体１および２の弾性変形量（ないしそれを決定づけるバネ係数）は、予めシミュレーションによって推定された樹脂流動解析により型内での圧力分布に応じて決定しておく。そして、例えば、樹脂圧力の高い部分はバネ係数の高い弾性構造体１を配置し、樹脂圧力の低い流動末端付近にはバネ係数の低い弾性構造体２を配置する。

各弾性構造体のバネ係数は、樹脂注入圧力および型内圧力分布のシミュレーション値と、樹脂材料の圧力（Ｐ）−比容積（Ｖ）−温度（Ｔ）のＰＶＴ特性と呼ばれる樹脂固有の特性値から算出した収縮量に校正係数をかけた値を用いる。この校正係数は予め実験を行って求める。

実験より求めた校正係数を使用するのは、ＰＶＴ特性による比容積変化が、樹脂のスキン層とコア層双方を含んだ全体の値であり、スキン層とコア層が時々刻々変化する冷却中の弾性率変化をシミュレーションするのが困難なためである。

校正係数ｑとＰＶＴ特性は、例えば下式（１）のように関係づけられる。

ｑ＝ΔＶ／Δｔ …（１）
上式（１）において、ΔＶはＰＶＴ特性の比容積変化、Δｔは実験で求めた樹脂成形品の板圧方向収縮率である。また、バネ係数ｋは例えば下式（２）により算出することができる。

ｋ＝ｑ^−１×ΔＶ／Ｐ …（２）
上式（２）において、Ｐは流動解析による型内の内圧に相当する。

下表１に、図１３のような弾性構造体１、２を用いない射出金型による樹脂成形品の作成例１および２と、図１に示した本実施形態の弾性構造体１、２を用いた射出金型による樹脂成形品の作成例３および４を示す。作成例１〜４では、樹脂材料はポリアセタール樹脂（ポリプラスチックス製ジュラコンＭ９０）を用い、成形時の樹脂温度は２２０℃、金型温度は８０℃、充填時間は１．５秒で成形を行った。射出後の保圧は保圧１、保圧２の２段階の保圧圧力に制御しているが、各々の作成例１〜４の圧力値は表示のように異なる。なお、保圧１は、例えば樹脂がガラス転移温度に達するまでの保圧圧力、保圧２はガラス転移温度から室温に達するまでの保圧圧力のように切り換える。

バネ係数ｋを算出するのに用いた樹脂材料のＰＶＴ特性は、例えば「Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＩＩ」誌の掲載データを用いた。

上表１において、作成例３では従来の金型による作成例１に対して、約半分の圧力で同等の精度の成形品を得ることができている。また、作成例３では、作成例２に対しては、同じ圧力においては高精度の成形品を得るに至った。また、実施例４では、作成例２に対して、約半分の圧力で同等の精度の成形品を得ることができている。

図２は、「Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ａｉｄｅｄ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅｗ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＩＩ」誌の掲載データに基づく樹脂のＰ−Ｖ−Ｔ特性を示している。図２では、縦軸方向の３本の矢印によって、それぞれ８０Ｍｐａ、４０Ｍｐａ、２０Ｍｐａのそれぞれの圧力において、樹脂溶融状態から冷却固化までの比容積変化量を追記してある。図示のように、８０Ｍｐａの場合の比容積変化は約０．１１２ｃｍ＾３／ｇ、４０Ｍｐａの場合の比容積変化は約０．１２２ｃｍ＾３／ｇ、２０Ｍｐａの場合の比容積変化は約０．１２４ｃｍ＾３／ｇとなっている。図２から明らかなように、樹脂に加える圧力により比容積が変化することが解る。特に、図２に示されるように低い圧力での成形ほど体積変化が大きく、冷却時の収縮が大きい。

この点を考慮し、本実施形態では、型内の樹脂に作用する圧力に応じて異なるバネ係数を用いる。例えば、作成例３と作成例４のように、圧力の高い収縮量の小さい部分の弾性構造体はバネ係数を大きく設定し、圧力の低い収縮量の大きい部分の弾性構造体はバネ係数を小さく設定する。これにより、圧力が作用した時の樹脂の体積変化に追従して型の容積を変化させることができる。前述のように、従来の油圧シリンダ等による一律の圧力を加えた場合には、高圧部の体積変化に追従する制御を行うと、低圧部のより体積変化が大きい部分には十分な圧縮ストロークをかけることができない。そのため、型内の低圧部では精度を十分に得られない場合があった。これに対して、本実施形態では、上記のようなバネ係数の設定により、高圧部、低圧部のいずれにおいても弾性構造体によって、圧力が作用した時の樹脂の体積変化に追従して型の容積を変化させることができる。そのため、従来の圧力装置を用いた能動的な射出圧縮成形における上記のような問題を生じない。

なお、圧力が作用した時の樹脂の体積変化に追従して型の容積を変化させる場合、樹脂の収縮時の収縮量ΔＶと、変形量ΔＤと、は以下のような関係を満足するのが望ましい。

例えば、型内の樹脂への保圧圧力の荷重Ｐにより生じる型内圧力と樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性から求められる樹脂の収縮時の収縮量をΔＶとする。その場合、収縮量ΔＶと、弾性構造体に前記荷重Ｐが負荷された際の変形量ΔＤと、の比Ｑは、

ΔＤ＝ＱΔＶ （１．０≦Ｑ≦１．２５）…（３）
の範囲を満足するのが望ましい。

また、保圧１を例えば樹脂がガラス転移温度に達するまでの保圧圧力、保圧２をガラス転移温度から室温に達するまでの保圧圧力、のように切り換える場合には、以下のような関係を満足するのが望ましい。

例えば、型内の樹脂が溶融状態からガラス転移温度に達するまでの保圧圧力の荷重Ｐ１により生じる型内圧力および樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性から求められる溶融状態からガラス転移温度に達するまでの樹脂の収縮量をΔＶ１とする。その場合、収縮量ΔＶ１と、前記弾性構造体に荷重Ｐ１が負荷された際の変形量ΔＤ１と、の比Ｑ１は、

ΔＤ１＝Ｑ１ΔＶ１ （ただし１．０≦Ｑ１≦１．１） …（４）
の範囲を満足するのが望ましい。さらに、樹脂のガラス転移温度から室温に達するまでの保圧圧力の荷重Ｐ２により生じる型内圧力および樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性から求められるガラス転移温度から室温に達するまでの樹脂の収縮量をΔＶ２とする。その場合、収縮量ΔＶ２と、前記弾性構造体に荷重Ｐ２が負荷された際の変形量ΔＤ２と、の比Ｑ２は、

ΔＤ２＝Ｑ２ΔＶ２ （ただし１．０≦Ｑ２≦１．２５） …（５）
の範囲を満足するのが望ましい。

＜実施形態２＞
図３に異なる弾性構造金型の構成例を示す。図３において、７は樹脂成形品、８は型締め方向に形状を持つ第１の形状駒としてのコア駒である。また、９は型閉め方向と平行ではなく、例えば鉛直な方向に転写面の方向が配置された第２の形状駒としてのコア駒、１０はスライド駒である。また、１１はバネ係数の高い弾性構造体、１２はバネ係数の低い弾性構造体で、互いに弾性変形方向の異なる第１ないし第２の弾性構造体に相当し、それぞれコア駒８、９を弾性支持する。

図３において樹脂成形品７は、例えば電子機器などの外装部品であり、図示のようなＬ字型の断面を有し、コア駒９は樹脂成形品７の図中右方の部分を成形するよう配置されている。

図３のような金型構造では、型締め方向（図中上方）に対しそれと鉛直方向の部分は、スライド駒１０により制御されるコア駒９で成形される。そして、スライド駒１０のスライド機構（不図示）などが配置され、コア駒９の近傍にはゲートが設けられないため、型締め方向部分に比較し流動末端近くになり、この部位では型内の内圧が低くなる傾向にある。

そこで、本実施形態では、型締め方向部分を成形するコア駒８は、バネ係数の高い弾性構造体１１で付勢可能なバネ係数の高い弾性構造駒として構成する。また、型締め方向に対して鉛直方向部分を成形するコア駒９は、バネ係数の低い弾性構造体１２で付勢可能なバネ係数の低い弾性構造駒として構成する。

また、図３に示すように、図中左端部のバネ係数の高い弾性構造体１１と、コア駒９の間には、互いに平行ではない、例えば、ほぼ９０°姿勢の異なるバネ係数の低い弾性構造体１２が挿入されている。即ち、本実施形態では、バネ係数の高い弾性駒（コア駒８）と、バネ係数の低い弾性駒（コア駒９）とを当接させ、その当接部位を介して互いの変形にかかる荷重によって両者を伝達し合う。このような構造により、効率よく、弾性構造体１１、１２の弾性変形と形状回復に係る弾性力を相互に融通させることができる。

表２に、表１と同様の形式で、外装部品としての樹脂成形品の成形例を示す。表２において、作成例５は弾性構造体を配置しない従来構成の金型によるもの、作成例６は図３に示した弾性構造体１１、１２を配置した本実施形態の金型によるものである。作成例５の金型は図３の構造から弾性構造体１１、１２を除去したものにほぼ相当する。なお、表２の最下段は、コア駒９によって成形される樹脂成形品のスライド面のヒケ量（ｍｍ）を示している。

本実施形態による作成例６では、図３のように弾性駒を用いた構造によって、従来構成の金型による作成例５に対し、特にスライド面でのヒケ量を少なくすることができた。このように、本実施形態では、型締め方向に対し鉛直方向の内圧が低くなる部分にバネ係数の低い構造体を設けることで、比容積変化の大きい部分でもヒケのない良好な成形品を得ることが出来た。

＜実施形態３＞
図４は、本実施形態の異なる弾性構造金型の要部の構成を示している。金型の全体は、上記の図１または図３に示した構造と同様に構成することができる。図４において、１３は樹脂成形品、１４は樹脂成形品に形成されるリブである。図４の樹脂成形品１３の下面部の形状は、コア駒１５、１６によって成形される。コア駒１５は樹脂成形品１３の下面部の形状を転写する転写面を、また、コア駒１６はリブ１４の形状を転写する転写面を備える。

コア駒１５、１６が一体に形成されていても、バネ係数の選定などにより下記と同様の作用効果を期待できる。しかしながら、本実施形態では、コア駒１５、１６は別体で、コア駒１６はコア駒１５の開口中にスライド可能に支持されている。そして、これらコア駒１５、１６は下方からそれぞれ弾性構造体１７および１８によって支持される。

弾性構造体１７および１８は、傾斜した棒状の構造材をＸ字型に組み合わせた構造を有している。このうち、弾性構造体１７はバネ係数の高い弾性構造体、弾性構造体１８はバネ係数の低い弾性構造体である。このようなバネ係数の組み合わせは、例えば、弾性構造体１７の構造材の径を、弾性構造体１８の構造材の径よりも小さく設定したり、あるいは弾性構造体１７および１８の材料をそれぞれ選定することによって実現できる。

図５は、図４に示した構造に、例えば溶融樹脂の型内への射出によって、樹脂成形品１３を形成する樹脂材料からコア駒１５、１６に樹脂圧力が加わった状態を示している。

図４の構造に樹脂圧力がかかると図５で示すように弾性構造体１７、１８が各々のバネ係数に従い変形する。図４、５に示したリブ１４近傍の内圧は差が少ない為、リブ部とその近傍には同等の圧力が加わる。ここで、弾性構造体１７、１８がなくコア駒１５、１６がリジッドに支持される従来構造において、通常成形または油圧シリンダ等により一律の圧力を加えた場合を考える。その場合、内圧は同じでもリブ部の樹脂温度が高いため、リブ１４の付け根の収縮量が大きくなり、そのため、リブ１４の付け根付近に周囲と異なる外観もしくはヒケが生じる可能性がある。

これに対して、本発明では図４に示すようにリブ１４の付け根部分をコア駒１５とは別駒のコア駒１６により構成し、コア駒１６をバネ係数の低い弾性構造体１８と連結している。そのため、冷却時の収縮の大きいリブ１４の根元の部位では、コア駒１６に図５に示すようにより大きな変形によるストロークが生じる。そのため、射出終了後の冷却、保圧期間では、収縮による樹脂の量を補いながら保圧圧力を加えることになり、リブ１４の外観変化やヒケを非常に小さくすることができる。

＜実施形態４＞
図６は、本実施形態の異なる弾性構造金型の要部の構成を示している。本実施形態では、コア駒と弾性構造体を備えた弾性構造駒内に、冷却用の流体、例えば冷却水などのための通路ないし流路を形成する構造例を示す。

図６において、２０は樹脂成形品、２１はキャビ駒、２２はコア側形状を持ち内部に流路を設けたコア駒、２３は内部に冷却用の流体の流路を設けたコア駒である。また、２４は内部に冷却用の流体の流路を設けたバネ係数の低い弾性構造体、２５は内部に冷却用の流体の流路を設けたバネ係数の高い弾性構造体、２６は例えば上記流路の入口、２７は出口である。

冷却用の流体の流路を備えたコア駒２２、２３、ないし弾性構造体２４、２５は、例えば３Ｄプリンタなどによる積層造形法を用いて、パイプ構造として造形することができる。このような構造により、内部にそれぞれ流路を有するコア駒２２、２３をやはり内部に流路を有する弾性構造体２４、２５で連結して冷却用の流体を流通させることができる。これにより、本実施形態の弾性構造体２４、２５を用いた、機能的には射出圧縮と同等、ないしそれより高性能な金型において、効率のよい金型冷却が可能となる。

ここで、一般的な油圧シリンダを用いた射出圧縮金型の構造を図７に示す。図７において、２８は内部に冷却用の流路を設けたコア駒、２９はその流路、３０はコア駒と油圧シリンダを内包する型駒、３１は冷却用の流体の入り口、３２は冷却の流体の出口である。また、３３は油圧シリンダ、３４はコア駒と油圧シリンダを接続する軸、３５は油圧シリンダのストロークを規制するストッパ、３６は油圧シリンダの作動する加圧空間、３７は油圧出入り口である。

図６の本実施形態による弾性構造駒を備えた金型と、従来構成である図７の射出圧縮金型を比較して明らかなように、図７で示す一般的な射出圧縮機構では、油圧シリンダをコア駒の後背部に装備するため、この部分に冷却用の流路を設けるのが困難である。そのため、図７で示す一般的な射出圧縮機構では、油圧シリンダの配置された側の金型を効率よく冷却することができない。これに対して、図６の本実施形態による弾性構造駒を備えた金型では、コア駒のほぼ全体に渡ってその内部に冷却用の流路を配置することができ、コア駒と連結するほぼ全ての金型部分で効率のよい金型冷却が可能である。

当然ながら、射出成形による物品の生産性を高めるには冷却効率を上げて冷却時間を短縮する必要がある。また、ヒケ等の成形不良を解消するにはやはり冷却を強化することが必要である。そして、図６のように、弾性構造駒の部分を利用して冷却用の流路を配置する構造は、射出成形金型の生産性と、成形精度の向上に大きく寄与するものである。

＜実施形態５＞
図６の構造は、さらに図８のように変形することができる。図８は図６で示した内部に冷却水経路を内蔵した弾性構造駒に、さらに、弾性構造駒の部分を利用してヒートシンク構造を形成したものである。図８において、パイプ状の構造で、内部に冷却水経路を配置した弾性構造体２５の表面には、ヒートシンクを構成するフィン構造３８を成形してある。上記同様に、フィン構造３８は、例えば３Ｄプリンタなどによる積層造形法を用いて、パイプ状の弾性構造体２５を造形する際に、同時にその表面に形成することができる。

図８に示すように、内部に冷却水経路を配置した弾性構造体２５の表面にフィン構造３８を成形することによって、図６に示した構造よりもさらに金型の放熱効率を向上できる。これにより、金型の冷却時間の短縮を図ることができ、射出成形金型の生産性と、成形精度を大きく向上することができる。

＜実施形態６＞
図１０は、図９（ａ）、（ｂ）に示すような樹脂成形品３９を射出成形するのに用いることができる弾性構造金型の構成例を示している。

図９は本実施形態の金型で成形可能な箱型の樹脂成形品３９であり、その樹脂材料は、例えばＰＣ＋ＡＢＳ樹脂（例えば帝人化成製マルチロン（商標名）ＴＮ７５００ＭＣ）である。樹脂成形品３９は、図９（ａ）、（ｂ）に表裏２面をそれぞれ示すような形状である。図９（ａ）、（ｂ）の樹脂成形品３９は、例えば全体が外径φ４６ｍｍの円板状で、肉厚１．８ｍｍの円形天面４０と、円形の外径部分に厚み２．０ｍｍ、高さ６．０ｍｍ、３度の抜き勾配を有する壁状のリブ４１を備える。

また、図９（ｂ）に示すように樹脂成形品３９は、リブ４１の内周に、円形天面から垂直に異なる高さで造形された複数のボス形状４２を有する。また、また、図９（ａ）に示すように樹脂成形品３９の面４３には金型加工によってシボを造形する。

図１０の固定側金型４４、可動側金型４５は析出硬化型プリハードン鋼を用いて製造されている。可動側金型４５には、その先端部によって樹脂成形品３９のボス形状４２を成形する複数の弾性駒４６が立設されている。弾性駒４６は、その内部が下記の図１１、図１２に示すようなアルミ合金のラティス構造体で構成される。この弾性駒４６は、パウダーベッド式３Ｄプリンタ（不図示）などを用いた積層造形法によって製造することができる。

図１１は図１０の射出成形金型に用いた弾性駒４６の断面構成の一例を示している。図１１の弾性駒４６はラティス構造を有している。このラティス構造は、例えば径０．５ｍｍのアルミ合金のラティス支柱４７を格子構造として造形したものである。また、弾性駒４６の外形部４８は０．３ｍｍの肉厚で構成されている。この例では、ラティス支柱４７による格子の間隔は水平方向に１．２ｍｍ、ラティス支柱４７の底面を基準面とした角度は±６０度の角度に取られている。

図１２に上記の弾性駒４６のラティス支柱４７によるラティス構造の設計時のモデリング手順を示している。なお、図１２は、弾性駒４６の上記の外形部４８を構成する外殻５０中で、ラティス支柱４７によるラティス構造を４９１、４９２、４９３…の如く成長させるかのように図示してある。しかしながら、これは外殻５０部分との形状の関係を示すための便宜上のものであり、実際の積層造形の手順を示すものではない。

図１２のモデリングでは、格子形状４９１、４９２、４９３…を弾性駒４６の外殻５０の外形形状に準ずる形状内のＸＹ平面上に等間隔に配置していく。その場合、格子形状４９１、４９２、４９３…は図示のようにＺ方向にラティス形状を等間隔にモデリングし、Ｚ（高さ）方向に成長させることにより形成する。例えば、このようなモデリングによる設計手順によって、弾性駒４６を設計することができる。

なお、ラティス支柱４７によるラティス構造と外殻５０部分を一体として積層造形する場合には、実際には、ラティス構造を４９１、４９２、４９３…と、外殻５０とは、その同じ高さの部分を同時に積層造形する。また、外殻５０部分とは別体でラティス支柱４７によるラティス構造を積層造形する手法を採ってもよく、その場合には、図１２の外殻５０の部分は、ラティス構造とは別途、積層造形によって製造してもよい。

弾性駒４６の弾性率は、例えば、樹脂成形品３９のボス形状に応じて天面の肉厚方向が６３ＧＰａ、肉厚と水平方向が１２７ＧＰａとなるように設計してある。即ち、弾性駒４６の弾性構造体は、その異なる部位によって異なる弾性率ないしバネ係数を持つよう設計、製造することができる。このような設計により、弾性駒４６は、その各部が支持する転写面に作用する様々な射出圧や保圧圧力に適した弾性率ないしバネ係数を持つよう設計、製造することができる。なお、以上では、弾性駒４６の弾性構造体を構成するラティス構造を数値計算により設計し、積層造形によって製造する手法を考えた。しかしながら、弾性駒４６に所期の弾性を付与できる構造であれば、当業者において任意の設計を採用して構わない。

下表３に、図１０に示した本実施形態の射出成形金型による樹脂成形品の作成例７と、図９と同等の樹脂成形品（３９）を成形する、従来構成の射出成形金型（図１４）による樹脂成形品の作成例８におけるヒケ量を示す。なお、表中のヒケ量はデジタル顕微鏡で測定した結果である。

作成例８で用いた、図１４の従来構成の射出成形金型において、固定側金型４４、可動側金型４５は析出硬化型プリハードン鋼を用いている。また、ボス形状（４２）の部分を成形するコアピン５１にはＳＫＤ５１のような鋼材を用いた。作成例７、８の樹脂成形品（３９）の成形条件は、例えば射出充填時間０．５ｓｅｃ、保圧時間３ｓｅｃ、樹脂温度２４０℃、型温度５５℃、冷却時間１５ｓ、保圧圧力は４０ｂａｒとした。

下表３に示すように、本実施形態の射出成形金型による作成例７の樹脂成形品ではヒケ量は８μｍ、図１４の従来構成の射出成形金型による作成例８の樹脂成形品ではヒケ量は２３μｍであった。このように、本実施形態の弾性駒（４６）を用いることによって、小さなヒケ量で、良好な成形性能が得られる。

以上、上述の各実施形態の射出成形型で説明したように、形状駒の転写面と、金型の基部の間の部位を樹脂のＰ−Ｖ−Ｔ収縮に沿う弾性構造体とする構造により油圧シリンダなどの特別な加圧装置や制御装置が不要となる利点がある。

また、弾性構造体で支持することにより、形状駒は樹脂の収縮に追従して弾性変形し、また形状回復するよう動作する。これにより、樹脂に余分な圧力が加わらず、その結果成形品の残留応力が小さくなり、樹脂成形品の精度を向上することができる。

また、金型内の圧力分布の予測から、バネ係数の異なる弾性駒を配置することにより、各圧力分布および収縮分布に適応した金型圧縮制御が可能となる。これにより、油圧機構などにより金型の全体に同じ圧力を加えるときに比べ、余分な残留応力が減り全体の変形量を減少することができる。合わせて、従来、制御困難であった、部分的に樹脂圧力が低く、収縮の大きい部分においてもヒケ発生のない良好な精度の部品を得ることができる。

また、上述の実施形態に示したような弾性構造体の部位を備えた弾性駒により、リブ構造などで変肉によるヒケ等が発生しやすい局所的な小さな部分でも、個別に適正な圧力を加えることができる。これにより樹脂成形品の外観品位や部品精度を大きく向上することができる。また、薄肉化することで発生しがちなボス裏のヒケを効果的に減少できる。そのため、薄肉化による材料削減を実現しながら、高品位の樹脂成形品を射出成形することができる。

また、上述の弾性構造体の部位を備えた弾性駒では、その各部位のバネ係数を、弾性構造体の断面積や３次元形状や、部位が不連続に組み合う形状など、各部位の特性に応じて変化させた構造を用いてよい。また、各部位で不均等、不連続なバネ係数を設定することにより、ガラス転移温度（Ｔｇ）を境に圧力と体積の比例関係が変化する現象に追従させることができ、弾性駒は正確に樹脂収縮に追従でき、良好な成形精度を得られる。

弾性構造体の内部に冷却用の流体の流路を配置する、あるいは、その表面をヒートシンク構造とする構成によれば、効率的な金型冷却が可能となり、射出成形による樹脂製の物品の製造を極めて効率よく行えるようになる。また、上述の実施形態で示した弾性構造体の部位を備えた弾性駒を備えた射出成形型は、３Ｄプリンタなどを用いた積層造形法によって容易に製造することができる。

なお、以上では、「金型」の用語を用いており、弾性構造体の部位を備えた弾性駒を含め、射出成形型を構成する各部材の材質として金属を多く例示した。しかしながら、射出成形型を構成する各部材の材質は金属に限定されるものではなく、樹脂やセラミックなど射出成形型の構成部材が金属以外の材質で構成されている場合でも、本発明の構成は同様に実施可能である。

１、２、１１、１２…弾性構造体、３、８、９、１６、２２、２３…コア駒、４、７、３９、５２…樹脂成形品、５…回転駒、６…エジェクタピン、１０…スラ４１…リブ、４２…ボス形状、４４…固定側金型、４５…可動側金型、４６…弾性駒、４７…ラティス支柱、５０…外殻。

Claims (14)

1. 転写面を備えた形状駒と、前記形状駒を支持する基部と、を備えた射出成形型であって、
   前記形状駒の転写面と、前記基部と、の間の部位が型内に射出される樹脂の注入圧力および保圧圧力に応じて弾性変形し、冷却に伴う樹脂の収縮に追従して形状回復する弾性構造体により構成され、
   前記樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性に基づいて定まる前記樹脂の収縮時の比容積変化をΔＶ、型内の内圧をＰ、その際の前記弾性構造体の変形の方向に沿った前記樹脂の収縮率をΔｔ、校正係数ｑを
   ｑ＝ΔＶ／Δｔ …（１）
   とし、前記弾性構造体のバネ係数ｋが
   ｋ＝ｑ^−１×ΔＶ／Ｐ …（２）
   である射出成形型。
2. 請求項１に記載の射出成形型において、型内の樹脂への保圧圧力の荷重Ｐにより生じる型内圧力と前記樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性から求められる前記樹脂の収縮時の収縮量ΔＶと、前記弾性構造体に前記荷重Ｐが負荷された際の変形量ΔＤと、の関係が
   ΔＤ＝ＱΔＶ （１．０≦Ｑ≦１．２５）…（３）
   である射出成形型。
3. 請求項１または２に記載の射出成形型において、型内の樹脂が溶融状態からガラス転移温度に達するまでの保圧圧力の荷重Ｐ１により生じる型内圧力および樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性から求められる溶融状態からガラス転移温度に達するまでの樹脂の収縮量ΔＶ１と、前記弾性構造体に荷重Ｐ１が負荷された際の変形量ΔＤ１と、の関係が
   ΔＤ１＝Ｑ１ΔＶ１ （ただし１．０≦Ｑ１≦１．１） …（４）
   であり、かつ、樹脂のガラス転移温度から室温に達するまでの保圧圧力の荷重Ｐ２により生じる型内圧力および樹脂の圧力（Ｐ）−体積（Ｖ）−温度（Ｔ）特性から求められるガラス転移温度から室温に達するまでの樹脂の収縮量ΔＶ２と、前記弾性構造体に荷重Ｐ２が負荷された際の変形量ΔＤ２と、の関係が
   ΔＤ２＝Ｑ２ΔＶ２ （ただし１．０≦Ｑ２≦１．２５） …（５）
   である射出成形型。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の射出成形型において、前記形状駒の転写面の異なる部位と、前記基部との間の部位とが、それぞれ異なるバネ係数を有する前記弾性構造体によって構成されている射出成形型。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の射出成形型において、前記形状駒が第１の形状駒、前記弾性構造体が第１の弾性構造体であり、さらに前記第１の形状駒の転写面と互いに平行でない転写面を備えた第２の形状駒と、前記第２の形状駒を弾性支持し、前記第１の弾性構造体とは弾性変形方向が異なる第２の弾性構造体を備えた射出成形型。
6. 請求項５に記載の射出成形型において、前記第１および第２の弾性構造体が互いに異なるバネ係数を有する射出成形型。
7. 請求項５または６に記載の射出成形型において、前記第１および第２の弾性構造体が相互に当接する当接部位を有し、前記当接部位を介して互いに弾性力を伝達し合う射出成形型。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の射出成形型において、前記弾性構造体の内部に冷却用の流体を流通させる通路が配置される射出成形型。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載の射出成形型において、前記弾性構造体の表面がヒートシンク構造を備える射出成形型。
10. 請求項１から９のいずれか１項に記載の射出成形型を製造する射出成形型の製造方法において、前記弾性構造体を積層造形法によって造形する工程を含む射出成形型の製造方法。
11. 請求項１０に記載の射出成形型の製造方法において、前記弾性構造体に弾性を付与する格子構造が造形される射出成形型の製造方法。
12. 請求項１０または１１に記載の射出成形型の製造方法において、前記弾性構造体を構成する異なる部位が異なるバネ係数を持つよう造形される射出成形型の製造方法。
13. 請求項１から９のいずれか１項に記載の射出成形型と、前記射出成形型に溶融樹脂を注入する射出装置と、を備えた射出成形機。
14. 請求項１から９のいずれか１項に記載の射出成形型に射出装置によって溶融樹脂を注入し、樹脂成形品を射出成形する樹脂成形品の製造方法。

Images