JP2023085770A - 複合材を成形する熱成形機 - Google Patents

Abstract

【課題】温度管理が必要な複合材料を成形可能な熱成形機の提供。【解決手段】金型２０を用いて複層樹脂シートＳＨを成形する熱成形機１００において、複層樹脂シートＳＨの第１面Ｓ１を加熱する第１面加熱手段（下側熱板１１０ｂ）を備え、複層樹脂シートＳＨの第１面Ｓ１に対向する第２面Ｓ２に対し、空冷を行うエア供給手段（送風ノズル９０）を備えることで、第２面Ｓ２側の温度が所定の温度以上に上昇することを抑える。【選択図】図３

Description

本発明は、樹脂を基材として不織布などと多層に形成された複合材を成形するにあたって、意匠面の影響を抑える熱成形機する技術に関する。

熱成形機を用いた樹脂シートの成形では、直接加熱或いは輻射熱を用いてシートを加熱し、成形を行っている。熱可塑性のシートを加熱して軟化する目的で成形前にシートの加熱は行われるが、従来はその加熱の立ち上がりの早さや加熱時間の短縮に重きが置かれていた。しかしながら、加熱し過ぎると製品に影響が出る成形品もあり、そうした製品にも対応できる方法が模索されている。

特許文献１には、熱成形装置及び熱成形方法に関する技術が開示されている。特許文献１の熱成形装置には輻射範囲変更機構が備えられて、この輻射範囲変更機構には遮蔽板と遮蔽位置変更機構と冷却機構を備えている。遮蔽板は輻射加熱装置とシートの間に備えられて輻射範囲を制限するために用い、輻射板には冷却機構が備えられていることで温度上昇が抑えられ、シートの熱上昇をコントロールすることができ、結果的に成形精度の向上に寄与することが可能となっている。

特開２００９－２３２０５号公報

しかしながら、特許文献１に開示される技術では、熱板とシートの間に遮蔽板を設けることでシートの温度上昇を防いでいるが、複合材料を成形する場合であって片方の面の温度上昇を避けたいようなケースには対応が難しい。２種類以上の素材を組み合わせて作られる複合材料は、その素材の特性を活かすために片側だけは一定以上の温度にしたくない場合がある。そこで、熱板でシートの片面だけを加熱することも考えられるが、反対側まで熱伝達されてしまって狙った温度になるようなコントロールは困難である。

そこで、温度管理が必要な複合材料を成形可能な熱成形機の提供を目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の一態様による熱成形機は、以下のような特徴を有する。

（１）樹脂シートを金型に賦形する、又は前記樹脂シートを基材に接着する熱成形機において、
前記樹脂シートの第１面を加熱する第１面加熱手段を備え、
前記樹脂シートの前記第１面に対向する第２面に対し、空冷を行うエア供給手段を備えること、
を特徴とする。

（２）（１）に記載の熱成形機において、
前記樹脂シートが複合材料であること、
が好ましい。

上記（１）に記載の態様により、樹脂シートの第１面を第１面加熱手段によって加熱しながら、第２面にエア供給手段によってエアを供給することで第２面を空冷することが可能となる。そして上記（２）に示すように、樹脂シートのうち複合材料は、第１面と第２面で異なる材料が用いられており、熱的特性が異なるケースも多い。この場合に、熱的に弱い側を第２面としてエア供給手段を用いて空冷することで、第２面側の温度管理をすることが可能となる。

例えば、第１面側には熱可塑性の樹脂が、第２面側には不織布素材、或いはシボ加工を施した軟質素材が配置されている場合、第２面側の温度を高くしてしまうと素材の組成が変化したり、凹凸が薄くなる、或いは消えてしまったりすることがある。こうした複合素材は、成形製品の触感や意匠性を高めるために採用される事が多いが、成形時に第１面と第２面で異なる温度にコントロールして、第２面側の温度上昇を抑えることができることで、第２面側の性能を保って成形をすることが可能となる。なお、複合材料ではなく単一の樹脂シートであっても、エア供給手段を用いて片面だけ空冷することで、冷却する面に対して施した模様などが薄くなる、或いは消えてしまうことを防ぐ効果が期待出来る。

（３）（１）に記載の熱成形機において、
前記樹脂シートの第２面を加熱する第２面加熱手段を備えていること、
が好ましい。

（４）（２）に記載の熱成形機において、
前記複合材料の第２面を加熱する第２面加熱手段を備えていること、
が好ましい。

上記（３）又は（４）に記載の態様により、冷却手段としてのエア供給手段と、加熱手段としての第２面加熱手段を備えているためにより細かい温度コントロールが可能となる。このため、成形品の品質向上に寄与することができる。

第１実施形態の、熱成形装置の加熱時における概略図である。 第１実施形態の、熱成形装置の成形時における概略図である。 第１実施形態の、樹脂シートの模式断面図である。 第１実施形態の、成形品の斜視図である。 第２実施形態の、樹脂シートの模式断面図である。

まず、本発明に係る第１の実施形態の熱成形機１００の概略について説明をする。図１に、第１実施形態の、熱成形機１００の加熱時における概略図を示す。図２に、熱成形機１００の成形時における概略図を示す。熱成形機１００は、図１に示すように、加熱位置Ｓｔ１で複層樹脂シートＳＨの加熱を行い、成形位置Ｓｔ２にて成形を行うことで後述する成形品Ｓを成形する構成となっている。

複層樹脂シートＳＨは、熱可塑性の樹脂製のシート材に軟質素材を重ねた複合素材であり、軟質素材の表面には後述するようにシボ加工が施されている。なお、ＪＩＳ（日本工業規格）の包装用語によれば、厚さ２５０μｍ以上の薄板状の材料をシートとし、厚さ２５０μｍ未満をフィルムと規定しているが、本実施形態では区別せずに一律に複層樹脂シートＳＨと称する。

加熱位置Ｓｔ１では、上側熱板１１０ａと下側熱板１１０ｂによって複層樹脂シートＳＨの両面を加熱する。加熱位置Ｓｔ１には、上側熱板１１０ａと複層樹脂シートＳＨとの間に送風可能なように送風ノズル９０が供えられており、図示しない送風機に接続されている。上側熱板１１０ａと下側熱板１１０ｂは別々に温度制御出来る構成となっている。

上側熱板１１０ａと下側熱板１１０ｂは、非接触で輻射式加熱する機能を備えたものであるが、必要に応じて接触加熱式のものを用いることを妨げない。複層樹脂シートＳＨは、クランプ枠４０に保持され横行装置１５０によって移動される。横行装置１５０は、クランプ枠４０を加熱位置Ｓｔ１から成形位置Ｓｔ２に移動する機能を備えている。特に説明はしていないが、図示しない投入位置からの移動も横行装置１５０によって行われる。

成形位置Ｓｔ２では、金型２０を用いて複層樹脂シートＳＨの成形を行う。複層樹脂シートＳＨの下側に配置される金型２０は、テーブル３０の上に固定されて下側昇降機１３０によって昇降される。一方、複層樹脂シートＳＨの上側には、上側昇降機１２０に昇降可能に保持された上型１４０を備えている。なお、図示しないが上側昇降機１２０及び下側昇降機１３０には、シリンダのような直動機構か、モータとボールねじを利用した直動機構などが備えられ、任意に昇降できる構成となっている。そして、熱成形機１００は接続された図示以内制御装置によって制御される。

複層樹脂シートＳＨはクランプ枠４０によって保持される構造になっている。複層樹脂シートＳＨがクランプ枠４０に保持された状態で、クランプ枠４０は図示しない直動機構を組み合わせた構成を採用しているため、投入位置から成形位置に移動・調整する事が可能であり、θ方向への調整ができる。

例えば、クランプ枠４０の右側と左側でそれぞれ異なるサーボモータを用いた直動機構を備えて、左側又は右側に備えた支点を中心として回動可能な構成となっていれば、Ｘ方向への移動と調整及びθ方向への回転調整が可能となる。Ｙ方向の位置調整もサーボモータを用いた直動機構などを備えて微調整を行うことの出来る構成であることが考えられる。要はクランプ枠４０のＸ軸方向、Ｙ軸方向及びθ方向への移動調整が可能な構成であれば良い。

上記構成の熱成形機１００は、以下に説明する手順で複層樹脂シートＳＨの成形を行う。

図３に、複層樹脂シートＳＨの模式断面図を示す。図４に、成形品Ｓの斜視図を示す。複層樹脂シートＳＨは前述した様に複合素材であり２層に形成されている。第１層Ｌ１が熱可塑性樹脂材を用いた層であり、第２層Ｌ２が軟質素材を用いた層である。第２層Ｌ２には第２面Ｓ２側の表面にシボ加工が施されている。

第１層Ｌ１側が第１面Ｓ１、第２層Ｌ２が第２面Ｓ２に相当する面を有しており、上側熱板１１０ａが第２層Ｌ２の第２面Ｓ２を加熱し、下側熱板１１０ｂが第１層Ｌ１の第１面Ｓ１を加熱する。この際に、第２面Ｓ２は送風ノズル９０から供給されるエアによって空冷される。

この複層樹脂シートＳＨの加熱は、図１に示すように加熱位置Ｓｔ１で行われる。そして、加熱位置Ｓｔ１で必要な温度に加熱が行われた後、図２に示すように成形位置Ｓｔ２に加熱された複層樹脂シートＳＨを移動させて、金型２０を用いた成形を行うことで成形品Ｓを得る。図４に示すように、軟質素材を用いる第２層Ｌ２が表面に配置されることで、成形品Ｓの表面（第２面Ｓ２）にシボ加工がなされたスキンで覆われた意匠となる。

第１実施形態の熱成形機１００は上記構成であるため、以下に示すような作用及び効果を奏する。

まず、成形品Ｓの意匠性を向上させることが可能になる。これは、金型２０を用いて複合材（複層樹脂シートＳＨ）を成形する熱成形機１００において、複層樹脂シートＳＨの第１面Ｓ１を加熱する第１面加熱手段（下側熱板１１０ｂ）を備え、複層樹脂シートＳＨの第１面Ｓ１に対向する第２面Ｓ２に対し、空冷を行うエア供給手段（送風ノズル９０）を備えること、を特徴とするからである。

また、複層樹脂シートＳＨの第２面Ｓ２を加熱する第２面加熱手段（上側熱板１１０ａ）を備えているので、送風ノズル９０と上側熱板１１０ａを用いた第２面Ｓ２側の細かな温度制御が可能となるため、結果的に成形品Ｓの成形精度向上に貢献することができる。

複層樹脂シートＳＨは図３で示したように、第１層Ｌ１と第２層Ｌ２よりなる複合材料である。第１層Ｌ１と第２層Ｌ２は密着して形成されているため、第１面Ｓ１側から下側熱板１１０ｂによって加熱された場合に、第１層Ｌ１を軟化しつつ第２層Ｌ２に熱を伝達する。したがって、従来は第２面Ｓ２側から上側熱板１１０ａによる加熱を行って熱可塑性樹脂を変形させるのに必要な２００度以上にまで上昇させた場合に、熱伝導によって第１面Ｓ１からも加熱されてしまって狙った温度にコントロールすることは難しく、なりゆきで時間経過と共に昇温することになる。

しかしながら、第２層Ｌ２には成形品Ｓの意匠性を高めるために第２面Ｓ２にシボ加工が施された軟質素材を用いている。一般的に、シボの転写面は数十～数百μｍといったある程度の高低差を有した状態で、配置位置に規則性を持って刻み込まれていることが必要である。しかし、必要以上に軟質素材よりなる第２層Ｌ２を加熱してしまうと、せっかく形成した凹凸が浅くなったり、成形する際に引っ張られることでなくなったりしてしまうことがある。そこで、この表面に施されたシボ加工がとれないように維持するためには第２層Ｌ２は１００度を超えないようにコントロールすることが必要となる。

そこで、送風ノズル９０によって第２面Ｓ２にエアを吹き付けて第２面Ｓ２の温度をコントロールする。温度管理は、図示しない温度計を用い、制御装置によって第２面Ｓ２の温度上昇を予測しながら送風ノズル９０より吹き付ける風量を決定している。この際に、上側熱板１１０ａを備えていることで、温度が下がりすぎた場合には上側熱板１１０ａによって第２面Ｓ２の昇温を図ることができるため、第２層Ｌ２の温度が上がりすぎないように適切にコントロールすることができる。

この際に、加熱位置Ｓｔ１から成形位置Ｓｔ２に搬送を行う必要があり、搬送中に複層樹脂シートＳＨに熱伝達がなされて第２層Ｌ２側の温度上昇が予想されるため、その分を加味して第１層Ｌ１の加熱を行うことが望ましい。また、この熱伝達は外気温や湿度などの影響を受けることがあるため、そうした変数を考慮して条件設定をしてやることが望ましい。

次に、本発明の第２の実施形態について説明する。第２実施形態は第１実施形態とほぼ同様の構成であるが、第１実施形態の複層樹脂シートＳＨが複合素材であるのに対して、第２実施形態の単層樹脂シートＳＨ２は単層のシートである点が異なる。その他、符号を同じとしている部分は同じ機能を示す。

図５に、第２実施形態の樹脂シートの模式断面図を示す。樹脂シートＳＨ２は、単層の樹脂素材よりなり、下側熱板１１０ｂによって加熱される加熱面Ｓ１１と、上側熱板１１０ａによって加熱され、かつ送風ノズル９０によって冷却される冷却面Ｓ１２を備えている。冷却面Ｓ１２には、シボ加工のような細かい凹凸が設けられている、或いはピアノブラックのような艶のある表面加工が施されている。

したがって、第２実施形態の熱成形機１００は、第１実施形態と同様の効果が得られる。すなわち、上側熱板１１０ａ及び下側熱板１１０ｂによって樹脂シートＳＨ２が過熱されている状況で、冷却面Ｓ１２が送風ノズル９０より噴出されたエアによって冷却されることで、加熱面Ｓ１１側に必要な加熱をしつつ冷却面Ｓ１２側の温度上昇を抑えることが可能となる。この結果、金型２０で樹脂シートＳＨ２の成形を行った際に、意匠性を意識して付与されたシボ加工のような凹凸がとれてしまったり、ピアノブラックのような表面加工がくすんでしまったりするようなことがなくなる。

具体的には、例えば送風ノズル９０を用いずに加熱した場合には、加熱面Ｓ１１を１５０度となるように下側熱板１１０ｂによって加熱することで、自然放熱によって冷却面Ｓ１２側は１３０度程度まで上昇してしまう。しかし、冷却面Ｓ１２側を送風ノズル９０で冷却することで冷却面Ｓ１２の表面温度を１００度以下に抑えることができることを出願人は確認している。

このように温度コントロールができることで、冷却面Ｓ１２側の意匠性を高める処理を保護することが可能となる。その結果、第１実施形態の複層樹脂シートＳＨや単層樹脂シートＳＨ２の何れでも、表面と裏面で意匠を異ならせることで要求温度が異なるケースがあり、こうした部材に対応するためにも送風ノズル９０のような冷却手段を用いることは有効である。

以上、本発明に係る熱成形機１００に関する説明をしたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、第１実施形態及び第２実施形態では、説明のために送風ノズル９０は１箇所に設けるように示しているが、複数箇所に設けることを妨げない。

また、複層樹脂シートＳＨは、基材となる熱可塑性樹脂を用いた第１層Ｌ１に対して、シボ加工を表面に施した軟質素材を用いた第２層Ｌ２を貼り付けていると説明しているが、第２層Ｌ２に別の素材、例えば不織布などを用いることを妨げない。また、第３層以上を更に重ねるような構造であっても良い。基本的には、第１層Ｌ１に熱可塑性樹脂を配置し、第２層Ｌ２には意匠性を高める第１層Ｌ１より低い温度に設定する必要のある材料を配置する構成としてある。そして、第２層Ｌ２側を積極的に冷却することで、温度をコントロールすることが可能となる。

また、第１実施形態及び第２実施形態共に上側熱板１１０ａ及び下側熱板１１０ｂを用意して冷却面Ｓ１２側も上側加熱板１１０ａを用いて加熱する事例としているが、これは周囲の環境温度に複層樹脂シートＳＨ又は単層樹脂シートＳＨ２の過熱状況が左右されないようにすることを目的としているため、工場内の温度や湿度変化を抑える環境下であれば上側熱板１１０ａを構成から外すことを妨げない。

ＳＨ 複層樹脂シート
Ｓ１ 第１面
Ｓ２ 第２面
２０ 金型
１００ 熱成形機

Claims (4)

1. 樹脂シートを金型に賦形する、又は前記樹脂シートを基材に接着する熱成形機において、
   前記樹脂シートの第１面を加熱する第１面加熱手段を備え、
   前記樹脂シートの前記第１面に対向する第２面に対し、空冷を行うエア供給手段を備えること、
   を特徴とする熱成形機。
2. 請求項１に記載の熱成形機において、
   前記樹脂シートが複合材料であること、
   を特徴とする熱成形機。
3. 請求項１に記載の熱成形機において、
   前記樹脂シートの第２面を加熱する第２面加熱手段を備えていること、
   を特徴とする熱成形機。
4. 請求項２に記載の熱成形機において、
   前記複合材料の第２面を加熱する第２面加熱手段を備えていること、
   を特徴とする熱成形機。

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