JP2510575B2 - 成形品の成形温度解析方法 - Google Patents

成形品の成形温度解析方法

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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の属する分野] 本発明はプラスチックの材料を溶融し、成形品を成形
する金型キャビティ内に射出して成形する成形品の成形
時における温度解析に関し、特に本発明は溶融プラスチ
ックを金型に射出後成形品の温度を歪なく冷却するため
に成形品自体の温度及金型の温度を解析することに関す
る。
[従来技術の説明] 従来より、厚肉樹脂製品の成形に於ては、樹脂流動性
を上げるため、ヒーター等により金型を、樹脂のガラス
転移点以上に昇温して射出し、その直後サイクル短縮の
ため、冷却回路に冷媒を流し強制的に成形品を冷却して
型外に取り出している。そして多くの場合、キャビティ
近傍に埋め込んだ温度センサーで成形品の表面温度を推
定し、熱変形温度以下に温度センサーが下がった後に、
成形品を取り出し可能と判断して、冷却時間を決定して
いる。
[発明が解決しようとしている問題点] しかしながら、上記従来例では、成形品の形状、肉
厚、樹脂等が変わる度に、実際に成形・測定を行なうト
ライアンドエラーで成形品の精度を保つ金型冷却条件
や、成形サイクルを決定しており、作業効率が悪いとい
う問題があった。
また更に、成形品精度についても、金型内樹脂の温度
測定が困難である事から、実際の成形品温度履歴が、不
明確で、信頼性が低いという問題があった。
特にプラスチックの成形方法において、金型加熱、溶
融プラスチックの射出、保圧、冷却工程を経て成形プラ
スチックを取り出す場合に問題となるのは成形プラスチ
ックの金型から取り出した後の歪の発生や、成形品の表
面粗さの精度が低下する等の問題が発生する。この問題
は多くの場合射出−保圧による射出樹脂の圧縮成形後の
成形品の温度及金型の温度を正確に把握することが困難
であり冷却手段の冷却制御即ち冷却速度に上記問題を生
じる原因がある。
本発明は上記問題を発生することなく所望の精度例え
ば中級機カメラ(レンズシャッターカメラ)や一眼レフ
カメラ用の撮影レンズに使用し得るプラスチックレンズ
を製造するために特に射出−保圧工程の後の成形された
レンズの冷却工程に工夫を凝らすことにより上記問題を
解決することができたものである。
[本発明における課題解決のための手段] 本発明は上記課題解決のために溶融樹脂を注入して成
形品を成形するキャビティを有する金型に金型温度を測
定する温度センサーを取り付け、前記キャビティ内の樹
脂を冷却する冷却液を流通する冷却手段を前記キャビテ
ィの周囲に設け、前記キャビティを中心としてキャビテ
ィ内の成形品の一部と及前記冷却手段の一部を含む金型
の一部を温度解析用モデルブロックとし、前記温度解析
用モデルブロックを細分ブロック化し、前記温度センサ
ー取付位置及び前記冷却手段取付位置の温度を温度解析
用初期温度に設定し、前記細分ブロックの各節点におけ
る時間経過にともなう温度変化を有限要素解析によって
求めることにより解決を図ったものである。
[実施例の説明] 以下に図を参照して本発明の実施例を詳述する。
第1図は本発明の成形方法による成形レンズの形状を
示しレンズ形状は凸レンズ、外径寸法14φ、最大肉厚寸
法5.5mm レンズ曲率 R1=10.33mm R2=262.0mm プラスチック樹脂材料はポリカーボネイトで(株)帝
人の販売による帝人バンライトAD-5503を用いた。
第2図は本発明による温度解析を用いた金型の構成を
示し、符号2Aは固定側駒、4Aは固定側型板、2Bは可動側
駒、4Bは可動側型板を示し各駒2A・2Bの間に前記第1図
示のレンズ形状と同じ形状のキャビティ2Cを形成し、該
キャビティ2Cはスプルーを通して溶融プラスチック材料
を射出する射出シリンダー6に接している。
8A・8B…は金型2A・2Bを温めるヒータであり、10A・1
0B…は金型2A・2Bを冷却する冷却水を流す冷却管であり
各冷却管に取り付けた不図示の開閉バルブによって冷却
水槽から冷却水を流通循環させて金型を冷やす。12A・1
2B…は可動側及固定側型板に配した温度調整管を示し、
該管内には約130℃の油を循環させる。
[実施例1] 第3図は本発明の第1の実施例に係るプロセス線図を
示し、該線図に基づいて説明する。
第3図のプロセス線図は横軸に各プロセスの手順を示
し縦軸に成形温度を示す。
まず第1の例においてはヒータ8A・8B…を作動させて
可動側及固定側各型板2A・2Bを加熱し金型のキャビティ
近傍の型温度を170℃に加熱し該温度170℃を保圧工程の
終りまで保持する。金型温度が前記の170℃に達した
後、前記射出シリンダー6から300℃に加熱し溶融状態
にある前記ポリカーボネイト樹脂(PC樹脂)をスプルー
を通して1m/sの射出速度でキャビティ内に射出する。溶
融PC樹脂を所定容量射出後キャビティに1000Kg/cm2の保
圧をかけ射出工程を終える。
射出工程の次にキャビティ内に射出された溶融樹脂を
冷却固化してレンズ成形するために金型を冷やすために
前記冷却管10A…に冷却水を流して冷却工程に入れる第
3図のプロセス線図に示すようにキャビティ内の成形レ
ンズは肉厚寸法を有し、又、金型の温度170℃とPC樹脂
の射出温度300℃とはかなり大きな温度差を有している
ため、成形レンズの周辺(表面)温度と成形レンズの肉
厚中心部の温度とは射出終了直後から冷却工程開始時点
においては大きな温度差を生じる。
第3図の線図において曲線P1はレンズ表面の温度曲線
を示し曲線P2はレンズ肉厚中心部の温度曲線をそれぞれ
示す。又曲線P3は金型の温度変化を示す。
キャビティ内の成形レンズの温度を下げ、型から成形
レンズを取り出した後にレンズ面の歪、表面粗さの変化
を生じないように金型の冷却管10A・10B…に冷却水を流
すのであるが本実施例では温度20℃の水を0.5l/minの流
量に制御して冷却した。プラスチック成形加工の冷却工
程はプラスチックの成形溶融温度が300℃と高く、成形
品の熱による変形を生じないための温度(熱変形温度)
約130℃と温度差が大きい。それ故成形品の温度冷却速
度に応じて成形工程の所望工程時間が長くなり成形品の
コストに影響を与える。冷却速度を高め工程時間を短く
すると成形品の表面と中心部の温度差を生じ前述の歪、
表面粗さの精度が低下する。
次に第4図A〜第4図Cを参照して前記第3図の各温
度曲線P1・P2・P3・の温度解析方法の例を述べる。
本実施例の各時点における各個所の温度決定は有限要
素法の解析手法に依った。
第4図Aは本発明実施例の金型装置を示し、金型のキ
ャビティ中心とした周囲360°を26分割にしその1つの
ブロックAを軸対称モデルAとして対称モデルのブロッ
クと考える。
第4図BはモデルブロックAの拡大斜視図を示し、該
ブロックAには成形レンズの一部分となるレンズ部分ブ
ロックBと金型ブロックCから成り、レンズブロックB
は第4図Cに示すように更にy軸方向に2辺x軸方向に
3辺をとり各辺によって構成される1細分ブロックを六
面体の細分ブロックB1・B2・B3…に分割する。
金型ブロックCはy軸方向に9辺、x軸方向に19辺、
抑角を3辺にそれぞれ分割して細分ブロックC1・C2・C3
…に分割し、第4図BのブロックA全体として564個の
要素ブロックに分ける。各細分ブロックは6面体と成
り、該6面体を形成する角度は1細分ブロックで8節点
となり、ブロックA全体では900節点となる。
金型においてレンズ端部から20mmの位置に10mm×3mm
の冷却用溝を設け、更にレンズ端部より42mmの位置に10
φの温調管用開口部を加工する。
前記冷却用溝を流れる水温は20℃、温調温度は130℃
である。温度センサーはレンズ端部から6mmの位置に埋
設する。
温度解析は有限要素法の温度解析用プログラムとして
NASTRAN(ナストラン)の熱伝導解析用プログラムを用
いた。
本実施例で冷却水の流量を0.5l/minに制御したとこ
ろ、成形レンズのレンズ表面温度とレンズ中心温度は第
3図に示すそれぞれの温度曲線P1・P2になった。
レンズ表面温度は射出終了時点(冷却開始時)では30
0℃であったが約17.5秒間で曲線P1に示すようにガラス
転移温度の160℃に低下した。この時のレンズ中心部の
温度は曲線P1に示す289℃、金型温度は155℃であった。
更に温度20℃の冷却水を前述と同量流しつづけた結果
冷却開始から45秒後に金型温度は128.4℃、レンズ表面
温度は130.4℃、レンズ中心温度は191.5℃となり、更に
その後各温度測定点の温度は温度曲線P1・P2・P3に示す
ように低下して行き冷却開始から90秒後にレンズ中心部
温度が熱変形温度の130℃に達した。レンズ表面温度は1
13.8℃、金型温度は113.1℃であった。この熱変形温度
はプラスチック成形加工技術において成形品を金型から
取り出した後に変形、歪、表面精度上の問題を生じない
理論上の成形品取り出し可能な温度とされている。上記
の温度曲線P1・P2・P3の各曲線に沿った冷却作用を行な
ったプラスチックレンズを計測した結果は R1面でニュートン縞本数 7〜8本 R2面 5〜6本 であった。
[実施例2] 上記第一の実施例は冷却水を0.5l/minの流量に制御し
て冷却を行なった場合の温度解析結果であり冷却開始か
らレンズ中心部の温度が熱変形温度を下まわるまでの時
間は第3図に示すように90秒であった。その結果レンズ
表面の温度が熱変形温度近傍の130.4℃に達したときの
レンズの中心部温度は191.5℃であり、両者(両測定温
度)間の温度差は約60℃であり、レンズ表面が表面樹脂
の変動を生じない状態であってもレンズ中心部は樹脂の
移動が行なわれる状態になっており、この両者の樹脂状
態の相違により前述の成形レンズ表面精度の測定結果と
なって表われたものと思料できる。
そこで本発明者はレンズ表面の温度が熱変形温度の13
0℃近辺のときにレンズ中心部の温度を出来るだけレン
ズ表面温度もしくは熱変形温度に近づけること例えば10
℃位の温度差以内になるように冷却曲線を制御すること
を目標に実験検討し次の第2の実施例を得た。
成形レンズ形状、及プラスチック材料、金型構造射出
条件は第1の実施例を同じである。
第5図は本発明の冷却温度曲線を示し、P4はレンズ表
面の温度曲線、P5はレンズ中心部の温度曲線、P6は金型
の温度曲線をそれぞれ示す。
本実施例は冷却速度を前例より緩め冷却水の流量を0.
3l/min温度20℃に制御した。その結果冷却開始から25秒
後に金型温度157.6℃、レンズ表面温度がガラス転移点
温度近くの160.9℃、レンズ中心部の温度が256.3℃に達
した。更に同じ水量を保って冷却を続け、冷却開始から
110秒後にレンズ表面温度は熱変形温度近くの130.1℃に
達し、この時、問題のレンズ中心部温度は138.8℃であ
り、金型温度は129.7℃であった。引き続き冷却を行な
って各測定を続け冷却開始から150秒後にレンズ中心部
の温度が130.6℃に達し、この時レンズ表面温度125.6
℃、金型温度126.2℃であった。
上記第2実施例による成形レンズの表面精度はニュー
トン縞本数でR1面4本、R2面2−3本となった。尚該レ
ンズ表面測定はZYGO干渉計で行なった。
本発明者は前記第1、第2の実施例の結果を踏まえ、
更に冷却水の流量を減らし前記第5図のレンズ表面が熱
変形温度に達したときにレンズ中心部の温度との温度差
を僅少にするべく流量の減少コントロールを行ない、成
形してレンズ表面精度を測定したところ、ニュートン縞
本数は大きな変化は無く幾度かの条件設定の変更の結
果、成形レンズ表面が熱変形温度に達したときにレンズ
中心部の温度とレンズ表面温度の温度差が10℃以内の条
件であればレンズ表面精度の低下が生じないことが分か
った。
[発明の効果] 以上のように本発明は溶融樹脂を注入して成形品を成
形するキャビティを有する金型に金型温度を測定する温
度センサーを取付け、前記キャビティ内の樹脂を冷却す
る冷却液を流通する冷却手段を前記キャビティの周囲を
取り巻くように設け、前記キャビティを中心としてキャ
ビティ内の成形レンズの一部と及び前記冷却手段の一部
を含む金型の一部を温度解析用モデルブロックとし、前
記温度解析用モデルブロックを細分ブロック化し、前記
温度センサー取付位置及び前記冷却手段取付位置の温度
を温度解析用初期温度に設定し、前記細分ブロックの各
節点における時間経過にともなう温度変化を有限要素解
析に依って求めることにより成形品の表面温度及び成形
品中心温度を割り出し成形条件に応じた冷却条件を求め
ることができる。
本発明に依れば従来行なっていた測定点を多くし、温
度センサーによる実測と冷却条件設定及び成形品測定の
トライandエラーの繰り返しによる最適冷却条件を求め
る作業を行なう必要はなくなり、成形品形状、樹脂材料
等の成形条件の設定(選定)による初期設定温度によっ
て測定地点温度を解析することができ開発時間の大巾短
縮及び開発成形品の品質向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明による成形レンズの形状を示す図。 第2図は本発明の実施例で用いた金型装置を示す図。 第3図は第1実施例による温度曲線図。 第4図A・第4図B・第4図Cは本発明で用いた温度解
析に採用した金型のモデルブロックを示す図。 第5図は第2実施例による温度曲線図。 P1・P4……成形レンズの表面温度を示す線図 P2・P5……成形レンズのレンズ中心部温度を示す線図 P3・P6……金型のキャビティ近傍に埋設した温度センサ
ーが示す温度線図。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】溶融樹脂を注入して成形品を成形するキャ
    ビティを有する金型に金型温度を測定する温度センサー
    を取り付け、 前記キャビティ内の樹脂を冷却する冷却液を流通する冷
    却手段を前記キャビティの周囲を取り巻くように設け、 前記キャビティを中心としてキャビティ内の成形レンズ
    の一部と及び前記冷却手段の一部を含む金型の一部を温
    度解析用モデルブロックとし、前記温度解析用モデルブ
    ロックを細分ブロック化し、前記温度センサー取付位置
    及び前記冷却手段取付位置の温度を温度解析用初期温度
    に設定し、前記細分ブロックの各節点における時間経過
    にともなう温度変化を有限要素解析に従って求めること
    を特徴とする成形品の成形温度解析方法。
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