JP2024071033A - 真空成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ドローダウン量を低減しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能な真空成形方法を提供すること。【解決手段】本開示に係る真空成形方法は、加熱された樹脂シートを真空引きによって金型に密着させ、金型の形状を樹脂シートに転写することによって樹脂成形品を成形する真空成形方法であって、樹脂シートの少なくとも片面側に配置された、複数に分割され各々が独立して加熱温度を設定可能な複数の分割加熱部を備える加熱装置を用いて樹脂シートを加熱する工程を備え、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域の少なくとも一部に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で転写領域を加熱し、樹脂シートのうち金型の形状が転写されない非転写領域に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度未満の温度で非転写領域を加熱するか又は非転写領域を加熱しない。【選択図】図１

Description

本開示は真空成形方法に関する。

加熱された樹脂シートを真空引きによって金型に密着させ、金型の形状を樹脂シートに転写することによって樹脂成形品を成形する真空成形方法が知られている。特許文献１には、熱可塑性樹脂シートを使用した真空成形体の製造方法が開示されている。特に、赤外線輻射ヒーターを用いて熱可塑性樹脂シートを加熱し、ヒーターと熱可塑性樹脂シートとの間に赤外線反射材を配置してドローダウンを低減する方法が開示されている。特許文献２には、微細凹凸絞形状を表面に有する真空成形品の製造方法が開示されている。

特開２０１１－１８９６２０号公報 特開２００７－１８２０３５号公報

赤外線反射材等を用いない場合、ドローダウンが発生する。ここでドローダウンについて図３を用いて説明する。図３（ａ）は、従来の真空成形装置１００と、当該真空成形装置１００が備える従来の加熱装置１１０によって加熱された樹脂シート２００を示す正面図である。図３（ｂ），（ｃ）は、従来の加熱装置１１０によって加熱された樹脂シート２００を示す斜視図である。図３（ａ）に示すように、従来の真空成形装置１００上には金型Ｍ１，Ｍ２が配置されている。従来の真空成形方法では、金型Ｍ１，Ｍ２の形状を矩形状の１枚の樹脂シート２００に転写し、２個の成形品または金型Ｍ１，Ｍ２の形状を備える２種類の部品を備える成形品を真空成形する。

図３（ｂ）に示すように、樹脂シート２００の片面側（ｚ軸正側）に配置された従来の加熱装置１１０は、樹脂シート２００のうち金型Ｍ１，Ｍ２の形状が転写される転写領域と、転写されない非転写領域との両方を含む、樹脂シート２００全体を加熱する。図３（ｂ）では、加熱装置１１０の加熱温度が樹脂シート２００のガラス転移温度以上の温度に設定されている高温部１１１を右上がり斜線で示す。高温部１１１を囲むように配置された低温部１１２は、設定温度が樹脂シート２００のガラス転移温度未満の温度に設定されているか、加熱機能を備えない部分である。図３（ｂ）では、高温部１１１から樹脂シート２００へ熱が伝わる様子を複数の下向きの白抜き矢印で示す。樹脂シート２００のうち、加熱装置１１０の高温部１１１によって樹脂シート２００のガラス転移温度以上に加熱された高温領域２０１を右上がり太細線で示す。低温領域２０２は、加熱装置１１０の低温部１１２から樹脂シート２００のガラス転移温度未満の熱が伝わったか、加熱されていない領域である。

図３（ａ）に示したように、図３（ｂ）及び図３（ｃ）の矩形状の樹脂シート２００のｘ軸正側及び負側のｙ軸に沿った辺はクランプ１０１によって保持されているが、中央部分は保持されていない。よって、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すように、クランプ１０１で保持した樹脂シート２００のうち、金型Ｍ１，Ｍ２の形状が転写される転写領域と転写されない非転写領域の両方を含む全体を樹脂シート２００のガラス転移温度以上の温度で加熱すると、樹脂シート２００は軟化し、自重で中央部分が重力方向（ｚ軸負方向）にたわむ変形（垂下）が生じる。これが「ドローダウン」である。ドローダウン量が増大するほど成形性が低下し、ドローダウン量が減少するほど成形性が向上する。発明者らは、ドローダウン量を低減するために加熱温度を低くすると樹脂シートの変形が抑制され、金型の形状が樹脂シートに正確に転写されないという問題を見出した。

本開示は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、ドローダウン量を低減しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能な真空成形方法を提供するものである。

本開示に係る真空成形方法は、加熱された樹脂シートを真空引きによって金型に密着させ、金型の形状を樹脂シートに転写することによって樹脂成形品を成形する真空成形方法であって、樹脂シートの少なくとも片面側に配置された、複数に分割され各々が独立して加熱温度を設定可能な複数の分割加熱部を備える加熱装置を用いて樹脂シートを加熱する工程を備え、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域の少なくとも一部に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で転写領域を加熱し、樹脂シートのうち金型の形状が転写されない非転写領域に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度未満の温度で非転写領域を加熱するか又は非転写領域を加熱しない。

本開示に係る真空成形方法では、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域の少なくとも一部に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で転写領域を加熱し、樹脂シートのうち金型の形状が転写されない非転写領域に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度未満の温度で非転写領域を加熱するか又は非転写領域を加熱しない。加熱温度が樹脂シートのガラス転移温度未満か又は加熱されない非転写領域では樹脂シートの軟化が抑制される。すなわち、ドローダウン量が低減される。よって、ドローダウン量を低減しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能な真空成形方法を提供できる。

本開示により、ドローダウン量を低減しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能な真空成形方法を提供できる。

実施の形態に係る真空成形方法の一連の流れを示す模式図である。 実施の形態に係る真空成形方法に用いる加熱装置の一例を示す平面図である。 従来の加熱装置によって加熱された樹脂シートを示す図である。

以下、本開示の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、図に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。特に言及のない限り、ｚ軸プラス向きが鉛直上向きである。また、ｘｙ平面が水平面である。

本明細書における「樹脂シート」とは、矩形状の熱可塑性樹脂シートである。熱可塑性樹脂は、具体的には、例えばアクリロニトリル・エチレン・スチレン共重合体（ＡＥＳ）、アクリロニトリル・ブタジエン・スチレン共重合体（ＡＢＳ）、アクリロニトリル・スチレン・アクリレート共重合体（ＡＳＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ）等である。樹脂シートの厚さは、例えば０．２～６．０ｍｍのものを用いてもよい。樹脂シートの形状、材質、厚さは所望の成形品によって適宜選択可能である。

ドローダウン量を低減するために、本開示に係る真空成形方法は、加熱装置を用いた樹脂シートの加熱方法に特徴を有する。換言すると、樹脂シートの加熱後の工程については特に限定されない。より具体的には、本開示に係る真空成形方法は、加熱された樹脂シートを真空引きによって金型に密着させ、金型の形状を樹脂シートに転写することによって３次元形状の樹脂成形品を成形する方法であれば特に限定されない。例えば、ストレート成形、ドレープ成形、プラグアシスト成形等の真空成形方法、圧空成形機等を使用した方法、真空成形と加飾成形を同時に行う成形方法等のいずれであってもよい。

以下、本実施の形態に係る真空成形方法の一連の流れについて図１及び図２を参照して説明する。図１は、実施の形態に係る真空成形方法の一連の流れを示す模式図である。図２は、実施の形態に係る真空成形方法に用いる加熱装置１０の一例を示す平面図である。

図１（ａ）に示すように、本実施の形態に係る真空成形方法では、矩形状の樹脂シート２０を加熱し軟化する工程において樹脂シート２０の少なくとも片面側に配置された加熱装置１０を用いて樹脂シート２０を加熱する。本実施の形態では、加熱装置１０は樹脂シート２０のｚ軸正側に配置されているが、これに限定されるものではない。例えば、加熱装置１０は、樹脂シート２０のｚ軸負側に配置して樹脂シート２０を加熱してもよいし、樹脂シート２０のｚ軸正側および負側の両方に配置して樹脂シート２０を加熱してもよい。なお、図３（ａ）に示した樹脂シート２００と同様、樹脂シート２０のｘ軸正側および負側のｙ軸に沿った辺は、それぞれクランプ（不図示）によって保持された状態である。

図１（ａ）に示すように、樹脂シート２０の加熱に用いる加熱装置１０は直方体状であり、垂直方向（ｚ軸方向）に延びる切断面によって複数に分割された、複数の分割加熱部を備える。複数の分割加熱部は、樹脂シート２０を加熱する際の設定温度により大きく２つに分けることができる。一方は、樹脂シート２０のガラス転移温度以上の加熱温度に設定された高温部１１である。他方は、樹脂シート２０のガラス転移温度未満の加熱温度に設定された低温部１２である。なお、図１（ａ）中において高温部１１は説明のため右上がり斜線で示しているが、断面図ではない。

図１（ａ）に示すように、樹脂シート２０のうち加熱装置１０の高温部１１によって加熱される領域が被加熱領域２０ａである。加熱装置１０の高温部１１から樹脂シート２０の被加熱領域２０ａに熱が伝わる様子を複数の下向きの白抜き矢印で示す。樹脂シート２０のガラス転移温度以上の温度に加熱された被加熱領域２０ａを右上がり太細線で示す。また、樹脂シート２０のうち金型の形状が転写される転写領域２０ｂを破線で示す。非転写領域２０ｃは、金型の形状が転写されない領域である。図１（ａ）に示すように、樹脂シート２０の転写領域２０ｂは、加熱装置１０の高温部１１が加熱する樹脂シート２０の被加熱領域２０ａより大きい。すなわち、加熱装置１０の高温部１１は、樹脂シート２０の転写領域２０ｂのうちの少なくとも一部に配置され、被加熱領域２０ａを加熱する。ここで一旦図２を参照し、本実施の形態で使用する加熱装置１０の詳細について説明する。

図２は、実施の形態に係る真空成形方法に用いる加熱装置１０の一例を示す平面図である。図２は図１（ａ）の加熱装置１０の斜視図に対応する。図２に示すように、平面視矩形状の加熱装置１０は、垂直方向（ｚ軸方向）に延びる切断面によって２８個に分割された、平面視矩形状の複数の分割加熱部Ａ～Ｚ，ＡＡ，ＡＢ（以下、分割加熱部Ａ～ＡＢとも呼ぶ）を備える。

図２に示す複数の分割加熱部Ａ～ＡＢは、各々が独立した加熱温度の設定を行うことができる。図２に示すように、樹脂シート２０のうち金型の形状が転写される転写領域２０ｂの上方（ｚ軸正側）の少なくとも一部に分割加熱部Ａ～Ｈ，Ｉ～Ｐが配置されている。分割加熱部Ａ～Ｈ，Ｉ～Ｐは樹脂シート２０のガラス転移温度以上の加熱温度に設定され（高温部１１）、樹脂シート２０の被加熱領域２０ａ（図１（ａ）参照）は加熱により軟化する。

一方、樹脂シート２０のうち、金型の形状が転写されない非転写領域２０ｃの上方に配置された分割加熱部Ｑ～ＡＢ（低温部１２）は、樹脂シートのガラス転移温度未満の加熱温度で非転写領域２０ｃを加熱するが、これに限定されない。例えば、非転写領域２０ｃに配置された分割加熱部Ｑ～ＡＢ（低温部１２）では加熱温度の設定を行わないか、電源を切るなどして、樹脂シート２０の加熱を行わなくてもよい。複数の分割加熱部Ａ～ＡＢは各々が独立した加熱温度の設定を行うことができるため、ガラス転移温度未満とガラス転移温度以上の温度分布を有した状態で樹脂シート２０を加熱することができる。

本実施の形態に係る真空成形方法では、一例として、１枚の樹脂シート２０から２個の樹脂成形品を成形する。例えば図２に示すように、１個目の樹脂成形品の金型形状に対応するｘ軸負側の転写領域２０ｂは分割加熱部Ａ～Ｈによって加熱され、２個目の樹脂成形品の金型形状に対応するｘ軸正側の転写領域２０ｂは分割加熱部Ｉ～Ｐによって加熱される。２個の樹脂成形品が同様の形状を有している場合、分割加熱部Ａ～Ｈと、分割加熱部Ｉ～Ｐとは左右対称の形状を備える。本実施の形態では一例として加熱装置１０が分割加熱部を２８個備える例を示したが、これに限定されない。所望の樹脂成形品の形状に応じて、分割加熱部の分割の個数と各分割加熱部の形状は適宜変更可能であり、各分割加熱部の温度を高温部１１に設定するか又は低温部１２に設定するかは適宜変更可能である。

なお、高温部１１の温度は必ずしも同じでなくてもよく、樹脂シート２０のガラス転移温度以上の温度であれば、各分割加熱部において適宜段階的に異なる温度設定としてもよい。ドローダウンは樹脂シート２０の中央部で生じることが多いため、樹脂シート２０の中央部の温度が低くなるように、例えば分割加熱部Ａ～Ｄにおいて、分割加熱部ＡからＤに向かって高温から低温（ただしガラス転移温度以上の温度）に段階的に変化するように、各分割加熱部の温度設定を行ってもよい。同様に、分割加熱部Ｅ～Ｈにおいて分割加熱部ＥからＨに向かって、分割加熱部Ｉ～Ｌにおいて分割加熱部ＬからＩに向かって、分割加熱部Ｍ～Ｐにおいて分割加熱部ＰからＭに向かって、それぞれ高温から低温（ただしガラス転移温度以上の温度）に段階的に変化するように、各分割加熱部の温度設定を行ってもよい。

図１に戻る。金型の形状の転写領域２０ｂの少なくとも一部に配置された加熱装置１０の高温部１１が樹脂シート２０のガラス転移温度以上の温度で樹脂シート２０の被加熱領域２０ａの加熱を行い、金型の形状が転写されない非転写領域２０ｃに配置された加熱装置１０の低温部１２は樹脂シート２０の加熱を行わない例について説明する。一例として、樹脂シート２０としてＡＥＳ樹脂を用いる場合、ＡＥＳ樹脂のガラス転移温度以上であって、真空成形によって樹脂シート２０に金型の形状を転写するために必要な加熱温度は例えば１５０℃以上である。すなわち、被加熱領域２０ａが１５０℃以上に加熱される。

図１（ｂ）は、加熱された樹脂シート２０の被加熱領域２０ａから熱伝導により転写領域２０ｂまで熱が伝わる様子を示した図である。加熱装置１０の高温部１１によって被加熱領域２０ａが加熱されると、被加熱領域２０ａから熱伝導により転写領域２０ｂに向かって熱が伝わり（白抜き矢印で示す）、転写領域２０ｂが昇温する。昇温した転写領域２０ｂを右下がり斜線で示す。図１（ｂ）は熱伝導が開始した段階であるため、被加熱領域２０ａの温度は樹脂シート２０のガラス転移温度以上の温度に加熱されているが、転写領域２０ｂの温度はまだガラス転移温度未満の温度である。続いて図１（ｃ）を参照する。さらに加熱装置１０の高温部１１が樹脂シート２０の被加熱領域２０ａの加熱を続けると、熱伝導により樹脂シート２０の転写領域２０ｂ全体が被加熱領域２０ａの温度と同等の温度まで加熱される。

上述の通り、転写領域２０ｂ全体を直接加熱装置１０により加熱するのではなく、転写領域２０ｂの一部を熱伝導により加熱することで、樹脂シート２０の非転写領域２０ｃの加熱および軟化を抑制し、ドローダウン量を低減することができる。また、樹脂シート２０の転写領域２０ｂの一部を熱伝導により加熱することで真空成形に適した温度まで加熱することができるため、上述の通りドローダウン量を低減しつつ、樹脂シート２０を適切な温度で加熱し軟化させることができる。

発明者らは、赤外線反射材等を用いない場合はドローダウンが発生し、ドローダウン量を低減するために加熱温度を低くすると樹脂シートの変形が抑制され、金型の形状が樹脂シートに正確に転写されないという問題を見出した。

本実施の形態に係る真空成形方法では、樹脂シートの少なくとも片面側に配置された、複数に分割され各々が独立して加熱温度を設定可能な複数の分割加熱部を備える加熱装置を用いて樹脂シートを加熱する工程を備え、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域の少なくとも一部に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で転写領域を加熱し、樹脂シートのうち金型の形状が転写されない非転写領域に配置された分割加熱部は、樹脂シートのガラス転移温度未満の温度で非転写領域を加熱するか又は非転写領域を加熱しない。したがって、樹脂シートの非転写領域におけるドローダウンの発生を抑制できる。さらに、転写領域の少なくとも一部に配置された分割加熱部が樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で転写領域を加熱することにより、熱伝導により所望の転写領域全体を樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で加熱し軟化させることができる。よって、ドローダウン量を低減しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能な真空成形方法を提供できる。

また、従来、ドローダウンによる樹脂シートの金型への接触を抑制するために、樹脂シートの加熱の際に金型を退避させる場合もあった。ドローダウンにより樹脂シートが金型に接触すると、加熱された樹脂シートが金型との接触部分から熱を奪われてしまい、樹脂シートの変形が抑制され、金型形状を正確に転写できなくなる。真空成形装置が金型を退避させる構成を備える場合、真空成形装置のサイズは大きくなり、退避させる時間の分サイクルタイムも長くなり、コストが高くなるという問題もあった。

これに対し、本実施の形態に係る真空成形方法では、ドローダウン量を低減することができるため、樹脂シートと金型との接触を抑制できる。したがって、従来の真空成形方法ではドローダウンによる樹脂シートの金型への接触が生じるような、樹脂シートと金型とが近接した配置であっても（図３（ａ）参照）、金型を退避させることなく樹脂シートが金型に接触することを抑制しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能である。よって、金型形状を樹脂シートに正確に転写できる。さらに、ドローダウン量の低減により金型を退避させなくてもよいことから、真空成形装置のサイズを小さくすることができ、退避させる時間の分のサイクルタイムを短縮でき、コストも低減できる。

さらに、本実施の形態に係る真空成形方法では、赤外線反射材を成形毎に貼り付けることなくドローダウン量を低減しつつ、樹脂シートのうち金型の形状が転写される転写領域において適切な温度での加熱が可能な真空成形方法を提供できる。したがって、生産性が上がり、材料コストも低減できる。

なお、本開示は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１０ 加熱装置、１１ 高温部、１２ 低温部、２０ 樹脂シート、２０ａ 被加熱領域、２０ｂ 転写領域、２０ｃ 非転写領域、１００ 真空成形装置、１０１ クランプ、
１１０ 加熱装置、１１１ 高温部、１１２ 低温部、２００ 樹脂シート、２０１ 高温領域、２０２ 低温領域、Ａ～Ｚ，ＡＡ，ＡＢ 分割加熱部、Ｍ１，Ｍ２ 金型

Claims (1)

1. 加熱された樹脂シートを真空引きによって金型に密着させ、前記金型の形状を前記樹脂シートに転写することによって樹脂成形品を成形する真空成形方法であって、
   前記樹脂シートの少なくとも片面側に配置された、複数に分割され各々が独立して加熱温度を設定可能な複数の分割加熱部を備える加熱装置を用いて前記樹脂シートを加熱する工程を備え、
   前記樹脂シートのうち前記金型の形状が転写される転写領域の少なくとも一部に配置された前記分割加熱部は、前記樹脂シートのガラス転移温度以上の温度で前記転写領域を加熱し、
   前記樹脂シートのうち前記金型の形状が転写されない非転写領域に配置された前記分割加熱部は、前記樹脂シートのガラス転移温度未満の温度で前記非転写領域を加熱するか又は前記非転写領域を加熱しない、
   真空成形方法。

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