JP2022090380A - 成形型の製造方法、および成形型 - Google Patents

成形型の製造方法、および成形型 Download PDF

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弓加 和久田
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Abstract

【課題】積層体にこもる熱を少なくして成形品の冷却時間を短くさせつつ、成形品に充填不良および反りが発生し難い成形型を製造することができる成形型の製造方法を提供する。【解決手段】射出成形装置に用いられる成形型の製造方法であって、アモルファス金属および樹脂を含む第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成する工程と、前記第１可塑化材料をステージに向けて吐出して層を積層することで、前記成形型の一部となる積層体を造形する工程と、を含む、成形型の製造方法。【選択図】図８

Description

本発明は、成形型の製造方法、および成形型に関する。
可塑化装置によって可塑化された材料を、成形型に設けられたキャビティーに供給し、成形品を成形する射出成形装置が知られている。
例えば特許文献１には、射出成形装置の成形型を、三次元造形装置を用いて造形することが記載されている。三次元造形装置によって、従来では作ることができなかった形状を、一体的に造形することができる。特許文献１の成形型は、樹脂製または金属製である。
特開２０１７－１２４５９３号公報
しかしながら、樹脂製の成形型の場合、熱伝導率が低いため、成形型に熱がこもり冷却に時間がかかる。一方、金属製の成形型の場合、熱伝導率が高いため、材料が成形型のキャビティーを充填する前に固まってしまい、充填不良が発生し易い。さらに、成形型によって成形される成形品が急冷されて反りが発生し易い。
本発明に係る成形型の製造方法の一態様は、
射出成形装置に用いられる成形型の製造方法であって、
アモルファス金属および樹脂を含む第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成する工程と、
前記第１可塑化材料をステージに向けて吐出して層を積層することで、前記成形型の一部となる積層体を造形する工程と、
を含む。
本発明に係る成形型の一態様は、
射出成形装置に用いられる成形型であって、
アモルファス金属と、樹脂と、を含む積層体を有する。
第１実施形態に係る射出成形装置を模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る射出成形装置のフラットスクリューを模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る射出成形装置のバレルを模式的に示す図。 第１実施形態に係る成形型を模式的に示す分解斜視図。 第１実施形態に係る成形型を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る成形型を模式的に示す断面図。 積層体のＳＥＭ像。 第１実施形態に係る成形型の製造方法を説明するためのフローチャート。 第１実施形態に係る成形型の製造方法に用いられる三次元造形装置を模式的に示す斜視図。 第１実施形態に係る成形型の製造方法に用いられる三次元造形装置の造形ユニットを模式的に示す断面図。 第１実施形態に係る成形型の製造工程を模式的に示す断面図。 第２実施形態に係る成形型を模式的に示す断面図。 第２実施形態の変形例に係る成形型を模式的に示す断面図。 熱伝導率を測定するための熱伝導率測定装置を模式的に示す断面図。 熱伝導率を測定するための熱伝導率測定装置を説明するための図。 熱伝導率および弾性率の測定結果を示す表。
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
１． 第１実施形態
１．１． 射出成形装置
１．１．１． 全体の構成
まず、第１実施形態に係る射出成形装置について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る射出成形装置１００を模式的に示す断面図である。なお、図１では、互いに直交する３軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を示している。
射出成形装置１００は、図２に示すように、例えば、可塑化装置１０と、射出機構２０と、ノズル３０と、成形型４０と、型締装置５０と、を含む。
可塑化装置１０は、供給された材料を可塑化し、流動性を有するペースト状の可塑化材料を生成して射出機構２０へと導くように構成されている。
なお、可塑化とは、溶融を含む概念であり、固体から流動性を有する状態に変化させることである。具体的には、ガラス転移が起こる材料の場合、可塑化とは、材料の温度をガラス転移点以上にすることである。ガラス転移が起こらない材料の場合、可塑化とは、材料の温度を融点以上にすることである。
可塑化装置１０に供給される材料は、例えば、樹脂である。より具体的には、材料としては、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミドなどが挙げられる。可塑化装置１０に供給される材料の融点は、成形型４０の融点よりも低い。
可塑化装置１０は、例えば、スクリューケース１２と、駆動モーター１４と、フラットスクリュー１１０と、バレル１２０と、ヒーター１３０と、を有している。
スクリューケース１２は、フラットスクリュー１１０を収容する筐体である。スクリューケース１２とバレル１２０とによって囲まれた空間に、フラットスクリュー１１０が収容されている。
駆動モーター１４は、スクリューケース１２に設けられている。駆動モーター１４は、フラットスクリュー１１０を回転させる。
フラットスクリュー１１０は、回転軸ＲＡ方向の大きさが、回転軸ＲＡ方向と直交する方向の大きさよりも小さい略円柱形状を有している。図示の例では、回転軸ＲＡは、Ｙ軸と平行である。駆動モーター１４が発生させるトルクによって、フラットスクリュー１１０は、回転軸ＲＡを中心に回転する。フラットスクリュー１１０は、主面１１１と、主面１１１とは反対側の溝形成面１１２と、主面１１１と溝形成面１１２とを接続する接続面１１３と、を有している。ここで、図２は、フラットスクリュー１１０を模式的に示す斜視図である。なお、便宜上、図２では、図１に示した状態とは上下の位置関係を逆向きとした状態を示している。また、図１では、フラットスクリュー１１０を簡略化して図示している。
フラットスクリュー１１０の溝形成面１１２には、図２に示すように、第１溝１１４が形成されている。第１溝１１４は、例えば、中央部１１５と、接続部１１６と、材料導入部１１７と、を有している。中央部１１５は、バレル１２０に設けられた連通孔１２６と対向している。中央部１１５は、連通孔１２６と連通している。接続部１１６は、中央部１１５と材料導入部１１７とを接続している。図示の例では、接続部１１６は、中央部１１５から溝形成面１１２の外周に向かって渦状に設けられている。材料導入部１１７は、溝形成面１１２の外周に設けられている。すなわち、材料導入部１１７は、接続面１１３に設けられている。供給された材料は、材料導入部１１７から第１溝１１４に導入され、接続部１１６および中央部１１５を通って、バレル１２０に設けられた連通孔１２６に搬送される。図示の例では、第１溝１１４は、２つ設けられている。
なお、第１溝１１４の数は、特に限定されない。図示はしないが、第１溝１１４は、３つ以上設けられていてもよいし、１つだけ設けられていてもよい。
バレル１２０は、図１に示すように、フラットスクリュー１１０に対向して設けられている。バレル１２０は、フラットスクリュー１１０の溝形成面１１２に対向する対向面１２２を有している。対向面１２２の中心には、連通孔１２６が設けられている。ここで、図３は、バレル１２０を模式的に示す図である。なお、便宜上、図１では、バレル１２０を簡略化して図示している。
バレル１２０の対向面１２２には、図３に示すように、第２溝１２４と、連通孔１２６と、が設けられている。第２溝１２４は、複数設けられている。図示の例では、６つの第２溝１２４が設けられているが、その数は、特に限定されない。複数の第２溝１２４は、Ｙ軸方向からみて、連通孔１２６の周りに設けられている。第２溝１２４は、一端が連通孔１２６に接続され、連通孔１２６から対向面１２２の外周に向かって渦状に延びている。第２溝１２４は、可塑化材料を連通孔１２６に導く機能を有している。
なお、第２溝１２４の形状は、特に限定されず、例えば、直線状であってもよい。また、第２溝１２４の一端は、連通孔１２６に接続されていなくてもよい。さらに、第２溝１２４は、対向面１２２に設けられていなくてもよい。ただし、連通孔１２６に可塑化材料を効率よく導くことを考慮すると、第２溝１２４は、対向面１２２に設けられていることが好ましい。
ヒーター１３０は、バレル１２０に設けられている。図示の例では、ヒーター１３０は、バレル１２０に設けられた４本の棒ヒーターによって構成されている。ヒーター１３０は、フラットスクリュー１１０とバレル１２０との間に供給された材料を加熱する。可塑化装置１０は、フラットスクリュー１１０、バレル１２０、およびヒーター１３０によって、材料を連通孔１２６に向かって搬送しながら加熱して可塑化材料を生成し、生成された可塑化材料を、連通孔１２６から射出機構２０へと流出させる。
射出機構２０は、図１に示すように、例えば、シリンダー２２と、プランジャー２４と、プランジャー駆動部２６と、を有している。シリンダー２２は、連通孔１２６に接続された略円筒状の部材である。プランジャー２４は、シリンダー２２の内部を移動する。プランジャー２４は、モーターやギア等によって構成されたプランジャー駆動部２６によって駆動される。
射出機構２０は、プランジャー２４をシリンダー２２内で摺動させることによって、計量操作および射出操作を実行する。計量操作とは、連通孔１２６から離れる－Ｘ軸方向にプランジャー２４を移動させることによって、連通孔１２６に位置する可塑化材料をシリンダー２２内へと導いて、シリンダー２２内において計量する操作を指す。射出操作とは、連通孔１２６へ近付く＋Ｘ軸方向にプランジャー２４を移動させることによって、シリンダー２２内の可塑化材料を、ノズル３０を介して成形型４０に射出する操作を指す。
ノズル３０には、連通孔１２６と連通しているノズル孔３２が設けられている。ノズル孔３２は、可塑化装置１０から供給された可塑化材料を成形型４０に射出する。具体的には、上述した計量操作および射出操作が実行されることによって、シリンダー２２内で計量された可塑化材料が、射出機構２０から連通孔１２６を介してノズル孔３２へと送られる。そして、可塑化材料は、ノズル孔３２から成形型４０へと射出される。
成形型４０は、可動型４１と、固定型４２と、を有している。可動型４１と固定型４２とは、互いに対向して設けられている。成形型４０は、可動型４１と固定型４２との間に、成形品の形状に応じたキャビティー１４０を有している。可動型４１および固定型４２の少なくともいずれか一方には、キャビティー１４０を規定する凹凸が設けられている。キャビティー１４０には、連通孔１２６から流出した可塑化材料が、射出機構２０によって圧送されてノズル３０から射出される。可動型４１および固定型４２の詳細については後述する。
型締装置５０は、成形型駆動部５２を有し、可動型４１と固定型４２との開閉を行う機能を有している。型締装置５０は、モーターによって構成される成形型駆動部５２を駆動することによってボールネジ５４を回転させ、ボールネジ５４に結合された可動型４１を、固定型４２に対して移動させて成形型４０を開閉させる。固定型４２は、射出成形装置１００において静止しており、その静止した固定型４２に対して、可動型４１が、相対的に移動することにより、成形型４０の開閉が行われる。
可動型４１には、成形品を成形型４０から離型させるための押出機構４３が設けられている。押出機構４３は、エジェクターピン４４と、支持板４５と、支持棒４６と、バネ４７と、押出板４８と、スラストベアリング４９と、を有している。
エジェクターピン４４は、キャビティー１４０で成形された成形品を押し出すための棒状部材である。エジェクターピン４４は、可動型４１を貫通してキャビティー１４０まで挿通するように設けられている。支持板４５は、エジェクターピン４４を支持する板部材である。エジェクターピン４４は、支持板４５に固定されている。支持棒４６は、支持板４５に固定されており、可動型４１に設けられた貫通孔に挿通されている。バネ４７は、可動型４１と支持板４５との間の空間に配置され、支持棒４６に挿入されている。バネ４７は、成形時において、エジェクターピン４４の頭部がキャビティー１４０の壁面の一部をなすように支持板４５を付勢する。押出板４８は、支持板４５に固定されている。スラストベアリング４９は、押出板４８に取り付けられている。スラストベアリング４９は、ボールネジ５４の頭部が押出板４８を傷つけないように設けられている。なお、スラストベアリング４９に替えて、スラスト滑り軸受等を用いてもよい。
１．１．２． 成形型
図４は、成形型４０を模式的に示す分解斜視図である。図５は、成形型４０の積層体１４２を模式的に示す斜視図である。図６は、成形型４０の積層体１４２を模式的に示す図５のＶＩ－ＶＩ線断面図である。
成形型４０の可動型４１は、図４～図６に示すように、積層体１４２と、母型１４８と、を含む。なお、便宜上、図４では、積層体１４２を簡略化して図示している。また、便宜上、図４～図６では、成形型４０の固定型４２の図示を省略している。成形型４０は、射出成形装置１００に用いられる成形型である。
成形型４０は、図４に示すように、積層体１４２を、母型１４８に設けられた凹部１４９に嵌合することによって形成される。母型１４８の材質は、例えば、金属である。
積層体１４２は、図６に示すように、複数の層１４４を有している。積層体１４２は、複数の層１４４が積層されて構成されている。複数の層１４４の数は、特に限定されない。積層体１４２は、中子である。
積層体１４２は、キャビティー１４０を有している。キャビティー１４０の形状は、射出成形装置１００によって成形される成形品の形状に対応している。キャビティー１４０は、積層体１４２によって規定されている。図５に示すように、キャビティー１４０の底面には、エジェクターピン４４が挿入される貫通孔１４１が設けられている。図示の例では、貫通孔１４１は、２つ設けられている。
積層体１４２は、図６に示すように、冷却管１４６を有している。図示の例では、冷却管１４６は、キャビティー１４０の＋Ｙ軸方向に設けられている。冷却管１４６には、成形品を冷却させるための冷媒が流れる。冷媒としては、例えば、水が挙げられる。
積層体１４２は、アモルファス金属と、樹脂と、を含む。アモルファス金属は、非晶質の金属である。
積層体１４２に含まれるアモルファス金属の主成分は、例えば、鉄（Ｆｅ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）などである。「アモルファス金属の主成分」とは、アモルファス金属において７０質量％以上の含有量を有する成分である。アモルファス金属は、上記の主成分に、タングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、ハフニウム（Ｈｆ）などが添加されていてもよい。
積層体１４２に含まれる樹脂としては、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアセタール（ＰＯＭ ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリ乳酸（ＰＬＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、変性ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレート、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、ポリアリレート、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などが挙げられる。
ここで、図７は、積層体１４２のＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）像である。図７に示す積層体１４２では、アモルファス金属としてＦｅを用い、樹脂としてＰＰＳを用いた。図７に示すように、アモルファス金属の形状は、球状である。積層体１４２に含まれるアモルファス金属は、アトマイズ法によって形成されている。アトマイズ法により、球状のアモルファス金属を得ることができる。
積層体１４２に含まれるアモルファス金属の粒径は、例えば、５μｍ以上１００μｍ以下、好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以上３０μｍ以下である。アモルファス金属の粒径は、例えば、ＳＥＭによって測定される。
積層体１４２におけるアモルファス金属の含有量は、例えば、１体積％以上４０体積％以下であり、好ましくは１０体積％以上４０体積％以下である。
積層体１４２の熱伝導率は、例えば、０．２０Ｗ／ｍＫ以上１０．０Ｗ／ｍＫ以下であり、好ましくは０．３０Ｗ／ｍＫ以上０．８０Ｗ／ｍＫ以下である。積層体１４２の熱伝導率は、例えば、後述する実験例のように、積層体１４２の温度差および熱流束量から推定することができる。
積層体１４２の弾性率差割合は、例えば、８０％以上１２０％以下であり、好ましくは９０％以上１１０％以下である。積層体１４２の弾性率差割合Ｒは、積層体１４２の第１方向における弾性率をＥ１（ＧＰａ）とし、積層体１４２の第１方向と直交する第２方向における弾性率をＥ２（ＧＰａ）とした場合、下記式（１）により算出することができる。
Ｒ＝Ｅ１／Ｅ２×１００ ・・・（１）
なお、弾性率Ｅ１，Ｅ２は、例えば、「ＪＩＳ Ｋ７１７１」に基づいて測定される。例えば、第１方向は、Ｘ軸方向であり、第２方向は、Ｚ軸方向である。
１．２． 成形型の製造方法
次に、第１実施形態に係る成形型４０の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図８は、第１実施形態に係る成形型４０の製造方法を説明するためのフローチャートである。
まず、図８に示すように、ステップＳ１として、アモルファス金属および樹脂を含む第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成する。第１造形材料は、上述した積層体１４２に含まれるアモルファス金属および樹脂を含む。第１造形材料におけるアモルファス金属の含有量は、例えば、１体積％以上４０体積％以下であり、好ましくは１０体積％以上４０体積％以下である。第１造形材料は、例えば、アモルファス金属と樹脂とを二軸押出機で混錬することにより形成される。第１可塑化材料を生成する工程では、例えば、後述するようにフラットスクリューを用いて第１可塑化材料を生成する。
なお、第１造形材料には、アモルファス金属および樹脂の他に、セラミックス、溶剤、バインダーなどが含まれていてもよい。
次に、ステップＳ２として、第１可塑化材料をステージに向けて吐出して層１４４を積層することで、成形型４０の一部となる積層体１４２を造形する。積層体１４２を造形する工程では、例えば、冷却管１４６を有する積層体１４２を造形する。
次に、ステップＳ３として、積層体１４２を切削してキャビティー１４０を形成する。積層体１４２の切削は、例えば、後述するように切削工具を用いて行われる。なお、ステップＳ２の積層体１４２を造形する工程において、キャビティー１４０を形成してもよい。この場合、ステップＳ３は、省略されてもよい。
次に、ステップＳ４として、図４に示すように、積層体１４２を母型１４８に嵌合する
。
以上の工程により、成形型４０を製造することができる。
１．３． 成形型の製造方法で用いられる三次元造形装置
成形型４０の製造方法は、三次元造形装置を用いて行われる。図９は、成形型４０の製造方法で用いられる三次元造形装置６０を模式的に示す図である。三次元造形装置６０は、成形型４０の一部となる積層体１４２を造形する。
三次元造形装置６０は、図９に示すように、造形ユニット１５０と、切削ユニット１６０と、ステージ１７０と、移動機構１８０と、制御部１９０と、を含む。
三次元造形装置６０は、造形ユニット１５０のノズル１５６からステージ１７０に第１可塑化材料を吐出させつつ、移動機構１８０を駆動して、ノズル１５６とステージ１７０との相対的な位置を変化させる。これにより、造形ユニット１５０は、ステージ１７０上に積層体１４２を積層する。なお、便宜上、図９では、積層体１４２を簡略化して図示している。
さらに、三次元造形装置６０は、切削ユニット１６０の切削工具１６２を回転させつつ、移動機構１８０を駆動して、切削工具１６２とステージ１７０との相対的な位置を変化させる。これにより、切削ユニット１６０は、ステージ１７０上に積層された積層体１４２を切削する。このようにして、三次元造形装置６０は、所望の形状の積層体１４２を造形する。
ここで、図１０は、造形ユニット１５０を模式的に示す断面図である。造形ユニット１５０は、図１０に示すように、例えば、材料供給部１５２と、可塑化部１５４と、ノズル１５６と、を有している。
材料供給部１５２は、可塑化部１５４に第１造形材料を供給する。材料供給部１５２には、ペレット状や粉末状の第１造形材料が投入される。材料供給部１５２は、例えば、ホッパーによって構成されている。材料供給部１５２と可塑化部１５４とは、材料供給部１５２の下方に設けられた供給路１５３によって接続されている。材料供給部１５２に投入された第１造形材料は、供給路１５３を介して、可塑化部１５４に供給される。
可塑化部１５４は、図１に示した射出成形装置１００の可塑化装置１０と同様の構成を有している。すなわち、可塑化部１５４は、フラットスクリュー１５４ａと、バレル１５４ｂと、ヒーター１５４ｃと、を有している。可塑化部１５４は、材料供給部１５２から供給された第１造形材料を可塑化することにより、流動性を有するペースト状の第１可塑化材料を生成し、ノズル１５６に設けられたノズル孔１５８へと導く。
ノズル１５６は、可塑化部１５４によって生成された第１可塑化材料をステージ１７０に向けて吐出する。
切削ユニット１６０は、図９示すように、ステージ１７０側の先端に取り付けられた切削工具１６２を回転させて、ステージ１７０上に積層された積層体１４２の切削を行う装置である。切削ユニット１６０は、例えば、積層体１４２を切削してキャビティー１４０を形成する。切削工具１６２として、例えば、フラットエンドミルや、ボールエンドミルを用いる。制御部１９０は、移動機構１８０を制御することによって、切削工具１６２と、ステージ１７０上に積層された積層体１４２と、の相対的な位置を変化させて切削位置を制御する。
ステージ１７０上には、積層体１４２が積層される。図示の例では、積層体１４２は、直接ステージ１７０上に設けられている。なお、図示はしないが、積層体１４２は、ベースプレートを介してステージ１７０上に設けられていてもよい。そして、積層体１４２およびベースプレートを母型１４８に嵌合することにより、成形型４０が製造されてもよい。
移動機構１８０は、ステージ１７０を支持している。図示の例では、移動機構１８０は、ステージ１７０を、造形ユニット１５０および切削ユニット１６０に対して、互いに直交する３軸に沿って移動させる３軸ポジショナーとして構成されている。
なお、移動機構１８０は、ステージ１７０を移動させずに、造形ユニット１５０および切削ユニット１６０をステージ１７０に対して移動させてもよい。また、移動機構１８０は、ステージ１７０と、造形ユニット１５０および切削ユニット１６０と、の両方を移動させてもよい。移動機構１８０は、ステージ１７０を水平面に対して傾斜させる機能を有してもよい。移動機構１８０は、ノズル１５６や切削工具１６２を傾斜させる機能を有してもよい。
制御部１９０は、例えば、プロセッサーと、主記憶装置と、外部との信号の入出力を行う入出力インターフェースと、を有するコンピューターによって構成されている。制御部１９０は、例えば、主記憶装置に読み込んだプログラムをプロセッサーが実行することによって、造形ユニット１５０、切削ユニット１６０、および移動機構１８０を制御する。なお、制御部１９０は、コンピューターではなく、複数の回路の組み合わせによって構成されてもよい。
ここで、図１１は、三次元造形装置６０において積層体１４２の製造工程を模式的に示す断面図である。
制御部１９０は、図１１に示すように、ステージ１７０とノズル１５６との距離を保持したまま、ステージ１７０の上面に沿った方向に、ステージ１７０に対するノズル１５６の位置を変えながら、ノズル１５６から第１可塑化材料を吐出させる。ノズル１５６から吐出された第１可塑化材料は、ノズル１５６の移動方向に連続してステージ１７０上に堆積され、層１４４が形成される。
制御部１９０は、ノズル１５６の走査を繰り返して複数の層１４４を形成する。具体的には、制御部１９０は、１つの層１４４を形成した後、ステージ１７０に対するノズル１５６の位置を、上方に移動させる。そして、これまでに形成された層１４４の上に、さらに層１４４を積み重ねることによって積層体１４２を造形する。
制御部１９０は、例えば、１層分の層１４４を堆積した後にノズル１５６を上方に移動させる場合や、不連続のパスを造形する場合等において、ノズル１５６からの第１造形材料の吐出を一時的に中断させることがある。この場合、制御部１９０は、ノズル孔１５８に設けられた図示せぬバタフライバルブなどを制御して、ノズル１５６からの第１可塑化材料の吐出を停止させる。制御部１９０は、ノズル１５６の位置を変更した後、バタフライバルブを開いて第１可塑化材料の吐出を再開させることによって、変更後のノズル１５６の位置から第１可塑化材料の堆積を再開させる。
１．４． 作用効果
成形型４０の製造方法では、アモルファス金属および樹脂を含む第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成する工程と、第１可塑化材料をステージ１７０に向けて吐出し
て層１４４を積層することで、成形型４０の一部となる積層体１４２を造形する工程と、を含む。アモルファス金属は、熱伝導率が金属よりも低く樹脂よりも高い。そのため、積層体１４２にこもる熱を少なくして成形品の冷却時間を短くさせつつ、成形品に充填不良および反りが発生し難い成形型４０を製造することができる。
成形型４０の製造方法では、アモルファス金属は、球状である。そのため、アモルファス金属が球状ではない場合に比べて、互いに直交する第１方向および第２方向において、弾性率の差が小さい積層体１４２を製造することができる。これにより、積層体１４２の機械的特性を安定化させることができる。さらに、設計の自由度を高めることができる。
成形型４０の製造方法では、第１造形材料におけるアモルファス金属の含有量は、１体積％以上４０体積％以下である。そのため、積層体１４２の熱伝導率を、金属の熱伝導率よりも低く、樹脂の熱伝導率よりも高くしつつ、三次元造形装置６０で、積層体１４２を容易に造形することができる。第１造形材料におけるアモルファス金属の含有量が４０体積％より大きいと、三次元造形装置によって積層体を造形することが困難となる。ただし、装置の工夫をすれば、アモルファス金属の含有量が８０％までの積層体を製造することができる。
成形型４０の製造方法では、アモルファス金属の主成分は、鉄であり、アモルファス金属の粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下である。アモルファス金属の粒径が５μｍ以上であれば、積層体１４２は高い剛性を有することができる。また、粒径が５μｍより小さいアモルファス金属を製造することは、困難である。アモルファス金属の粒径が１００μｍ以下であれば、積層体１４２を切削する際に、アモルファス金属がこぼれ落ちる可能性を小さくすることができる。
成形型４０の製造方法では、第１可塑化材料を生成する工程では、フラットスクリュー１５４ａを用いて第１可塑化材料を生成する。そのため、例えばインラインスクリューを用いて第１可塑化材料を生成する場合に比べて、積層体１４２を製造するための三次元造形装置６０の小型化を図ることができる。なお、装置の大きさを考慮しないのであれば、インラインスクリューを用いて第１可塑化材料を生成してもよい。
成形型４０の製造方法では、積層体１４２を切削してキャビティー１４０を形成する工程を含む。そのため、積層体１４２を造形する工程においてキャビティー１４０を形成しないので、積層体１４２を造形する工程の簡易化を図ることができる。
なお、積層体１４２を造形する工程において、キャビティー１４０を形成してもよい。この場合、積層体１４２を切削してキャビティー１４０を形成しないので、切削工程の簡易化、または切削工程を省略することができる。
成形型４０の製造方法では、積層体１４２を造形する工程において、冷却管１４６を有する積層体１４２を造形する。そのため、成形品の冷却時間を、より短くすることができる。
２． 第２実施形態
２．１． 成形型
次に、第２実施形態に係る成形型について、図面を参照しながら説明する。図１２は、第２実施形態に係る成形型２４０を模式的に示す断面図である。以下、第２実施形態に係る成形型２４０において、上述した第１実施形態に係る成形型４０の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
成形型２４０は、図１２に示すように、第１可塑化材料で構成された第１可塑化材料部２４２と、第２可塑化材料で構成された第２可塑化材料部２４４と、を有している点において、上述した成形型４０と異なる。
第２可塑化材料は、第１可塑化材料とアモルファス金属の含有量が異なる。そのため、第２可塑化材料は、第１可塑化材料と熱伝導率が異なる。第２可塑化材料は、例えば、第１可塑化材料よりもアモルファス金属の含有量が少ない。そのため、第２可塑化材料は、第１可塑化材料よりも熱伝導率が低い。第２可塑化材料は、例えば、アモルファス金属の含有量がゼロでもよい。すなわち、第２可塑化材料は、アモルファス金属を含んでいなくてもよい。
成形型２４０のキャビティー１４０は、図１２に示すように、例えば、第１部分１４０ａと、第２部分１４０ｂと、第３部分１４０ｃと、第４部分１４０ｄと、を有している。
図示の例では、第１部分１４０ａは、ノズル３０からの可塑化材料が流入する流路２と接続している。流路２は、固定型４２に設けられている。第１部分１４０ａは、Ｘ軸方向に延在している。第２部分１４０ｂおよび第３部分１４０ｃは、第１部分１４０ａに接続している。第２部分１４０ｂおよび第３部分１４０ｃは、第１部分１４０ａから＋Ｙ軸方向に延在している。第４部分１４０ｄは、第２部分１４０ｂおよび第３部分１４０ｃに接続している。第４部分１４０ｄは、Ｘ軸方向に延在している。
成形品を成形する場合、例えば可塑化された樹脂は、図１２に示す矢印のように、流路２を通って第１部分１４０ａに至り、第２部分１４０ｂと第３部分１４０ｃとに分岐した後、第４部分１４０ｄにおいて合流する。
第４部分１４０ｄは、第２可塑化材料部２４４と接している。第４部分１４０ｄは、第１可塑化材料部２４２と接していない。すなわち、第４部分１４０ｄは、第２可塑化材料部２４４によって規定されている。図示の例では、異なる層間に分かれて第１可塑化材料および第２可塑化材料が存在している。すなわち、１つの層１４４には、第１可塑化材料および第２可塑化材料の両方が存在していない。第１可塑化材料が存在している層１４４および第２可塑化材料が存在している層１４４は、キャビティー１４０に接している。
２．２． 成形型の製造方法
次に、第２実施形態に係る成形型２４０の製造方法について、図面を参照しながら説明する。以下、第２実施形態に係る成形型２４０の製造方法において、上述した第１実施形態に係る成形型４０の製造方法の例と異なる点について説明し、同様の点については説明を省略する。
成形型２４０の製造方法は、第２造形材料を可塑化して第２可塑化材料を生成する工程を含む。積層体１４２を造形する工程では、第１可塑化材料および第２可塑化材料を吐出し、異なる層間に分かれて第１可塑化材料および第２可塑化材料が存在する積層体１４２を造形する。図１１に示す例では、まず、第２可塑化材料を吐出して第２可塑化材料部２４４を形成し、次に、第２可塑化材料部２４４上に、第１可塑化材料を吐出して第１可塑化材料部２４２を形成する。
成形型２４０の製造方法では、例えば、造形ユニット１５０を２つ有する三次元造形装置を用いる。一方の造形ユニット１５０では、材料供給部１５２に第１造形材料が投入され、可塑化部１５４は、第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成し、ノズル１５６は、第１可塑化材料を吐出する。他方の造形ユニット１５０では、材料供給部１５２に第２造形材料が投入され、可塑化部１５４は、第２造形材料を可塑化して第２可塑化材料
を生成し、ノズル１５６は、第２可塑化材料を吐出する。
２．３． 作用効果
成形型２４０の製造方法では、第１造形材料とアモルファス金属の含有量が異なる第２造形材料を可塑化して第２可塑化材料を生成する工程を含み、積層体１４２を造形する工程では、第１可塑化材料および第２可塑化材料を吐出し、異なる層間に分かれて第１可塑化材料および第２可塑化材料が存在する積層体１４２を造形する。そのため、成形型２４０の製造方法では、積層体１４２の熱伝導率を制御することができる。
成形型２４０の製造方法では、第１可塑化材料が存在している層１４４および第２可塑化材料が存在している層１４４は、キャビティー１４０に接している。そのため、成形型２４０の製造方法では、積層体１４２のキャビティー１４０と接している部分の熱伝導率を制御することができる。
例えば、キャビティーの第４部分は、可塑化された樹脂が合流するため、ウェルドラインや樹脂の充填不良が発生し易い。これに対し、成形型２４０では、第４部分１４０ｄと接する部分を第２可塑化材料で形成することにより、第４部分１４０ｄと接する部分の熱伝導率を低くしている。これにより、第４部分１４０ｄを流れる樹脂が冷え難くなり、ウェルドラインおよび樹脂の充填不良が発生し難くなる。
２．４． 成形型の変形例
次に、第２実施形態の変形例に係る成形型について、図面を参照しながら説明する。図１３は、第２実施形態の変形例に係る成形型３４０を模式的に示す断面図である。以下、第２実施形態の変形例に係る成形型３４０において、上述した第２実施形態に係る成形型２４０の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
上述した成形型２４０では、図１２に示すように、キャビティー１４０は、第２部分１４０ｂおよび第３部分１４０ｃに接続する第４部分１４０ｄを有した。
これに対し、成形型３４０では、図１３に示すように、キャビティー１４０は、第４部分１４０ｄを有していない。第２部分１４０ｂおよび第３部分１４０ｃは、第１部分１４０ａから－Ｙ軸方向に延在している。成形品を成形する場合、例えば可塑化された樹脂は、図１３に示す矢印のように、流路２を通って第１部分１４０ａに至り、第２部分１４０ｂと第３部分１４０ｃとに分岐する。
成形型３４０では、図示の例では、キャビティー１４０の第１角部４ａおよび第２角部４ｂは、第１可塑化材料部２４２と接している。第１角部４ａおよび第２角部４ｂは、第１可塑化材料部２４２によって規定されている。第１角部４ａは、第１部分１４０ａと第２部分１４０ｂとの接続部分である。第２角部４ｂは、第１部分１４０ａと第３部分１４０ｃとの接続部分である。
キャビティーの角部では、熱がこもり易く、角部と、角部以外の部分と、の温度差によって成形品に反りが発生し易い。これに対し、成形型３４０では、角部４ａ，４ｂと接する部分を第１可塑化材料で形成することにより、角部４ａ，４ｂと接する部分の熱伝導率を高くしている。これにより、角部４ａ，４ｂと、角部４ａ，４ｂ以外の部分と、の温度差を小さくすることができ、成形品に反りが発生し難くなる。
図示の例では、同一の層１４４内に第１可塑化材料および第２可塑化材料が存在する。すなわち、１つの層１４４に第１可塑化材料および第２可塑化材料が存在する。第１可塑
化材料および第２可塑化材料が存在する１つの層１４４は、キャビティー１４０と接している。
３． 実験例
３．１． 試料の作製
アモルファス金属および樹脂を含む造形材料を可塑化して可塑化材料を生成し、可塑化材料をステージに向けて吐出して層を積層することで積層体を造形した。積層体の造形には、上述した図９に示すような三次元造形装置を用いた。アモルファス金属として鉄を用いた。樹脂としてＰＰＳを用いた。造形材料におけるアモルファス金属の含有量を１０体積％から４０体積％まで振った。
３．２． 熱伝導率測定の条件
上記のように作製した試料の熱伝導率を測定した。図１４は、熱伝導率を測定するための熱伝導率測定装置４００を模式的に示す断面図である。図１５は、熱伝導率を測定するための熱伝導率測定装置４００を説明するための図である。なお、図１５では、熱伝導率測定装置４００を簡略化して図示している。
図１４および図１５に示すように、ホットプレート４１０上に熱伝導率が既知であるプレート４２０を配置し、プレート４２０上に、上記のように作製した試料Ｐを配置した。プレート４２０の材質は、ＳＵＳ（Steel Use Stainless）３０４であり、熱伝導率は、１６．３Ｗ／ｍ・Ｋである。試料Ｐ上に、水Ｗが入っているアルミ箱４３０を配置した。試料Ｐおよびプレート４２０の周囲に、発砲スチロールからなる断熱材４４０を配置した。温度計４５０で、試料Ｐの温度を測定した。
試料Ｐの大きさおよびプレート４２０の大きさを、縦５０ｍｍ、横７０ｍｍ、厚さ２ｍｍとした。アルミ箱４３０の大きさを、縦１００ｍｍ、横１００ｍｍ、厚さ３ｍｍとした。界面は、サーマルコンパウンドを用いて空気層の影響を低減した。
熱伝導率が既知のプレート４２０を用いることで、下記式（２）に示すＱの平衡状態における関係式から試料Ｐの熱伝導率Ｋ２を求めることができる。
Figure 2022090380000002
なお、式（２）において、Ｑ：伝熱量（Ｗ）、Ｋ：熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）、Ｓ：平板面積（ｍ２）、Ｔ：温度（Ｋ）、ｄ：板の厚さ（ｍｍ）、α：単位厚さあたり単位面積あたりの輻射・対流による側方熱損失の補正項である。
３．３． 弾性率測定の条件
「ＪＩＳ Ｋ７１７１」に基づいて、試料の弾性率を測定した。試料を、縦５０ｍｍ、横１０ｍｍ、厚さ４ｍｍの板状とした。第１方向と平行な方向の試料の弾性率と、第１方向と垂直な方向の試料の弾性率と、を測定した。各方向につきて、測定数を３個とした。弾性率を、圧縮方向３点曲げ試験により測定した。試験速度を１ｍｍ／ｍｉｎの押し込みとした。アウトプットを、試験力１０Ｎ～２０Ｎにおける領域での弾性率とした。
３．４． 測定結果
図１６は、熱伝導率および弾性率の測定結果を示す表である。図１６では、アモルファ
ス金属およびＰＰＳを含む「Ｆｅ／ＰＰＳ」、アモルファス金属を含んでいないＰＰＳ単体である「ＰＰＳ」、ＰＰＳを含んでいない金属単体である「ＮＡＫ」、およびＰＰＳにフィラーとしてカーボンファイバーを添加した「ＣＦ／ＰＰＳ」について示している。「ＣＦ／ＰＰＳ」のカーボンファイバーを３０質量％とした。
図１６に示すように、「Ｆｅ／ＰＰＳ」では、アモルファス金属であるＦｅの含有量を調整することにより、熱伝導率および弾性率を制御できることがわかった。「Ｆｅ／ＰＰＳ」の熱伝導率および弾性率は、「ＰＰＳ」よりも高く、「ＮＡＫ」よりも低かった。
さらに、図１６に示すように、「Ｆｅ／ＰＰＳ」は、平行方向と垂直方向との弾性率の差が、「ＣＦ／ＰＰＳ」よりも小さかった。これは、アモルファス金属が球状であるためである。
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
上述した実施形態から以下の内容が導き出される。
成形型の製造方法の一態様は、
射出成形装置に用いられる成形型の製造方法であって、
アモルファス金属および樹脂を含む第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成する工程と、
前記第１可塑化材料をステージに向けて吐出して層を積層することで、前記成形型の一部となる積層体を造形する工程と、
を含む。
この成形型の製造方法によれば、積層体にこもる熱を少なくして成形品の冷却時間を短くさせつつ、成形品に充填不良および反りが発生し難い成形型を製造することができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記アモルファス金属は、球状であってもよい。
この成形型の製造方法によれば、アモルファス金属が球状ではない場合に比べて、互いに直交する第１方向および第２方向において、弾性率の差が小さい積層体を製造することができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記第１造形材料における前記アモルファス金属の含有量は、１体積％以上４０体積％以下であってもよい。
この成形型の製造方法によれば、積層体の熱伝導率を、金属の熱伝導率よりも低く、樹脂の熱伝導率よりも高くしつつ、三次元造形装置で、積層体を容易に造形することができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記アモルファス金属の主成分は、鉄であり、
前記アモルファス金属の粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下であってもよい。
この成形型の製造方法によれば、積層体の剛性を高くしつつ、積層体を切削する際に、アモルファス金属がこぼれ落ちる可能性を小さくすることができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記第１可塑化材料を生成する工程では、フラットスクリューを用いて前記第１可塑化材料を生成してもよい。
この成形型の製造方法によれば、例えばインラインスクリューを用いて第１可塑化材料を生成する場合に比べて、積層体を製造するための装置の小型化を図ることができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記積層体を造形する工程では、キャビティーを有する前記積層体を造形してもよい。
この成形型の製造方法によれば、切削工程の簡易化を図ることができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記積層体を切削してキャビティーを形成する工程を含んでもよい。
この成形型の製造方法によれば、積層体を造形する工程の簡易化を図ることができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記第１造形材料と前記アモルファス金属の含有量が異なる第２造形材料を可塑化して第２可塑化材料を生成する工程を含み、
前記積層体を造形する工程では、
前記第１可塑化材料および前記第２可塑化材料を吐出し、同一の層内に前記第１可塑化材料および前記第２可塑化材料が存在する前記積層体、または異なる層間に分かれて前記第１可塑化材料および前記第２可塑化材料が存在する前記積層体を造形してもよい。
この成形型の製造方法によれば、積層体の熱伝導率を制御することができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記同一の層、または前記異なる層は、前記キャビティーと接してもよい。
この成形型の製造方法によれば、積層体のキャビティーと接している部分の熱伝導率を制御することができる。
前記成形型の製造方法の一態様において、
前記積層体を造形する工程では、冷却管を有する前記積層体を造形してもよい。
この成形型の製造方法によれば、成形品の冷却時間を、より短くすることができる。
成形型の一態様は、
射出成形装置に用いられる成形型であって、
アモルファス金属と、樹脂と、を含む積層体を有する。
２…流路、４ａ…第１角部、４ｂ…第２角部、１０…可塑化装置、１２…スクリューケース、１４…駆動モーター、２０…射出機構、３０…ノズル、３２…ノズル孔、４０…成形型、４１…可動型、４２…固定型、４３…押出機構、４４…エジェクターピン、４５…支持板、４６…支持棒、４７…バネ、４８…押出板、４９…スラストベアリング、５０…型締装置、５２…成形型駆動部、５４…ボールネジ、６０…三次元造形装置、１１０…フラットスクリュー、１１１…主面、１１２…溝形成面、１１３…接続面、１１４…第１溝、１１５…中央部、１１６…接続部、１１７…材料導入部、１２０…バレル、１２２…対向面、１２４…第２溝、１２６…連通孔、１３０…ヒーター、１４０…キャビティー、１４０ａ…第１部分、１４０ｂ…第２部分、１４０ｃ…第３部分、１４０ｄ…第４部分、１４１…貫通孔、１４２…積層体、１４４…層、１４６…冷却管、１４８…母型、１４９…凹部、１５０…造形ユニット、１５２…材料供給部、１５３…供給路、１５４ａ…フラットスクリュー、１５４ｂ…バレル、１５４ｃ…ヒーター、１５６…ノズル、１５８…ノズル孔、１６０…切削ユニット、１６２…切削工具、１７０…ステージ、１８０…移動機構、１９０…制御部、２４０…成形型、２４２…第１可塑化材料部、２４４…第２可塑化材料部、３４０…成形型、４００…熱伝導率測定装置、４１０…ホットプレート、４２０…プレート、４３０…アルミ箱、４４０…断熱材、４５０…温度計

Claims (11)

  1. 射出成形装置に用いられる成形型の製造方法であって、
    アモルファス金属および樹脂を含む第１造形材料を可塑化して第１可塑化材料を生成する工程と、
    前記第１可塑化材料をステージに向けて吐出して層を積層することで、前記成形型の一部となる積層体を造形する工程と、
    を含む、成形型の製造方法。
  2. 請求項１において、
    前記アモルファス金属は、球状である、成形型の製造方法。
  3. 請求項１または２において、
    前記第１造形材料における前記アモルファス金属の含有量は、１体積％以上４０体積％以下である、成形型の製造方法。
  4. 請求項１ないし３のいずれか１項において、
    前記アモルファス金属の主成分は、鉄であり、
    前記アモルファス金属の粒径は、５μｍ以上１００μｍ以下である、成形型の製造方法。
  5. 請求項１ないし４のいずれか１項において、
    前記第１可塑化材料を生成する工程では、フラットスクリューを用いて前記第１可塑化材料を生成する、成形型の製造方法。
  6. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記積層体を造形する工程では、キャビティーを有する前記積層体を造形する、成形型の製造方法。
  7. 請求項１ないし５のいずれか１項において、
    前記積層体を切削してキャビティーを形成する工程を含む、成形型の製造方法。
  8. 請求項６または７において、
    前記第１造形材料と前記アモルファス金属の含有量が異なる第２造形材料を可塑化して第２可塑化材料を生成する工程を含み、
    前記積層体を造形する工程では、
    前記第１可塑化材料および前記第２可塑化材料を吐出し、同一の層内に前記第１可塑化材料および前記第２可塑化材料が存在する前記積層体、または異なる層間に分かれて前記第１可塑化材料および前記第２可塑化材料が存在する前記積層体を造形する、成形型の製造方法。
  9. 請求項８において、
    前記同一の層、または前記異なる層は、前記キャビティーと接する、成形型の製造方法。
  10. 請求項１ないし９のいずれか１項において、
    前記積層体を造形する工程では、冷却管を有する前記積層体を造形する、成形型の製造方法。
  11. 射出成形装置に用いられる成形型であって、
    アモルファス金属と、樹脂と、を含む積層体を有する、成形型。
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