JP4311967B2

JP4311967B2 - インサート成形品の射出成形方法

Info

Publication number: JP4311967B2
Application number: JP2003113387A
Authority: JP
Inventors: 智美石川
Original assignee: Polyplastics Co Ltd
Current assignee: Polyplastics Co Ltd
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2003-04-17
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-04-17
Also published as: JP2004314511A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変形の無いインサート成形品の成形方法に関し、詳しくは、インサート部材の配置が非対称配置であるインサート成形品を、熱可塑性樹脂の成形収縮率とインサート部材の熱膨張係数により定まる特定の値に、インサート部材の射出開始時温度を制御して、そり変形の無い状態で射出成形する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、インサート部材を金型内に装着してインサート射出成形を行う場合には、金型温度を均一にして行う。その時、インサート部材の温度は、金型温度近くまで変動し、金型装着前と装着後の温度差に応じてインサート部材は熱膨張あるいは熱収縮する。
一方で熱可塑性樹脂は成形時に溶融状態から冷却固化される際に収縮が生じ、金型寸法よりも小さな成形品になる。インサート部材の温度差による寸法変化と、熱可塑性樹脂の成形収縮による寸法変化が異なる時には、そのことが原因となってインサート成形品に変形が生じる問題があった。
【０００３】
特開平１０−１１６９３４号公報には、封止樹脂の成型時の温度（Tm(℃))における金型の寸法を規準とした封止樹脂の硬化収縮率をSp、硬化した封止樹脂の熱膨張係数をKp(/℃)および放熱板の熱膨張係数をKb(/℃)として、温度Tm−Sp/(Kp−Kb)が-10℃以上、50℃以下となるような封止樹脂と放熱板との組み合わせとすることにより、樹脂封止半導体装置の変形を防止する方法が開示されている（例えば特許文献１参照。）。
しかしこの技術は、熱硬化性樹脂で封止する半導体装置を対象としており、金属インサートが非対称に配置された熱可塑性樹脂成形品については、何も教えていない。
【０００４】
特開平１１−１０５０７６号公報には、金型内に気体や液体の熱媒体を導入し、導入された熱媒体によって、金型内に載置されたインサート物を、樹脂の加熱変形温度以上に加熱し、加熱されたインサート物が載置されている金型内に樹脂を射出するインサート成形品の製造方法により、成形収縮率の差により生じる応力割れを防止する方法が開示されている。（例えば特許文献２参照。）。
しかしこの技術では、気体や液体の熱媒体によってインサート物を直接加熱する方法がとられているが、その方法では媒体の気密性確保や装置の複雑化、さらにはインサート物の材質や媒体の物質によっては両者が化学反応を起こして、インサートが腐食する等の問題がある。
【０００５】
特開平８−２３０００８号公報には、樹脂の収縮率、熱膨張係数のデータを用いて、有限要素法により射出成形品のそり変形予測方法、特に、異方性挙動が顕著な薄肉成形品のそり変形予測方法が開示されている（例えば特許文献３参照。）。
しかしこの技術では、インサート成形品に関するそり変形予測が示されていない。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１０−１１６９３４号公報（請求項１、実施例）
【特許文献２】
特開平１１−１０５０７６号公報（請求項５、実施例）
【特許文献３】
特開平８−２３０００８号公報（請求項１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、気体又は液体の加熱媒体を直接インサートへ接触させることなく、変形のないインサート射出成形品を容易に得ることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、熱可塑性樹脂とインサート部材との収縮率差が特定の関係を満たすように、樹脂の射出開始時におけるインサート部材（１）の温度Tiを制御することにより、インサート部材の配置が非対称であるインサート成形品をそり変形無く、容易に射出成形できることを見い出し、本発明を完成するに至った。
【０００９】
即ち本発明は、インサート部材（１）の配置が非対称であるインサート成形品（20）をそり変形無く射出成形する方法において、前記インサート部材（１）が熱伝導性材料からなると共に、熱可塑性樹脂（21）と前記インサート部材（１）との下記式（ｉ）で表される収縮率差D(%)が下記式（ii）を満たすように、金型温度Tnとインサート部材（１）の射出開始時温度Tiを制御して射出成形する方法であって、前記射出開始時温度Tiを、別途設けられた局部加熱装置（16）の温度を調節することによって制御することを特徴とするインサート成形品の射出成形方法である。
D＝Ai(Ti-T)×100−Sr[Tn〜T] （ｉ）
-0.01% ≦ D ≦ 0.01% （ii）
但し、式（ｉ）におけるTiはインサート部材の射出開始時温度(℃)、Tは成形品取出し後の雰囲気温度(℃)、Aiはインサート部材の熱膨張係数(1/℃)、及びSr[Tn〜T]は金型温度Tn(℃)からT(℃)までの熱可塑性樹脂の成形収縮率(%)を表す。
本発明においては、前記局部加熱装置（１６）が、金型内の前記インサート部材（１）が接触する部分に設けられた入れ子（１７）及び該入れ子内に設けられた棒ヒータ（１６’）からなることが好ましい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明に係るインサート成形品20は、インサート部材１の配置が非対称配置であるために、通常用いられる均一な温度に設定した金型を単純に使用してインサート成形する方法では反りなどの変形が発生する。
図１にインサート部材１の配置が非対称配置であるインサート成形品20の一例を示す。１はインサート部材、２は樹脂部分である。インサート部材１は樹脂部分２の片面にのみ存在するので非対称配置であり、インサート部材１に較べて樹脂部分２の収縮率や厚みに応じて、図３に示すようにインサート成形品20には、反りを生じる。
上記において、もし、インサート部材１が樹脂部分２の両面に同一に存在する対称配置であれば、インサート部材１に較べて樹脂部分２の膨張係数や収縮率や厚みが異なっていても、打ち消し合って反りは生じない。
本発明において、反りなどの変形が発生する原因となる非対称配置であれば特に制限はない。
【００１１】
図２に、上記成形品用の金型の略図を示す。なお、図２は左右で金型の異なる断面を示している。射出成形時に溶融樹脂21（図示せず）は、スプル５からランナ４、ゲート３を通過してキヤビテイ22ヘ充填され、インサート成形品の樹脂部分２を形成する。一方金型は、温調孔15へ流された水や油等の媒体やヒータ等によって一定の温度に管理されている。熱可塑性樹脂は充填後、金型内で冷却固化された後に、固定側型板７と可動側型板８が型開きされ、成形品はスプルロックピン13やエジェクタピン14によって金型から突出される。
【００１２】
本発明で使用するインサート部材１の形状には特に制限はない。材質は、熱伝導性である限り、金属は勿論、無機材料、有機材料であってもよい。具体的には、鋼、鋳鉄、ステンレス、銅、金、銀、真鍮などの金属、熱伝導性のセラミックや炭素材などが挙げられる。なお、インサート部材とは金属、無機材料などの単体のみならず複数の金属や樹脂等を有する複合体のことを言う場合もある。
熱膨張係数（単位×10^−５／℃）は、鋼１．１〜２．０、鋳鉄１．０〜１．１、黄銅１．２〜２．０、青銅１．５〜１．８、銅１．５〜１．７等である。
【００１３】
本発明で使用する熱可塑性樹脂２１の材質には特に制限はなく、結晶性樹脂であっても非結晶性樹脂であってもよい。具体的には、汎用熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ４−メチル−ペンテン−１、ポリ環状オレフィン等のポリオレフィン、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリアクリロニトリル（ＰＡＮ）、（メタ）アクリル樹脂、セルロース系樹脂、エラストマー等が挙げられ、エンジニアリング樹脂としては、ナイロン６、同６，６、同１２、同６，１２のような各種脂肪族ポリアミドまたは芳香族ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、のような芳香族ポリエステル樹脂、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアセタール、ポリフェニレンエーテル（ＰＰＥ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルフォン（ＰＳu）、ポリイミド（ＰＩ）、液晶ポリエステル、液晶アミド等が挙げられる。その他、脂肪族ジカルボン酸、脂肪族ジオール、脂肪族ヒドロキシカルボン酸もしくはその環状化合物からの脂肪族ポリエステル、さらにはこれらがジイソシアネートなどにより分子量が増加した脂肪族ポリエステル等の生分解性樹脂などであってもよい。
熱可塑性樹脂２１は樹脂単体であっても、充填剤や強化材入りなどであってもよい。
樹脂の溶融時と固化時の樹脂流動方向の成形収縮率は、樹脂温度や金型温度にもよるが、通常、ナイロン１３〜１５％、ＰＥＴ０．２〜１．３％、ＰＣ０．４％、ＰＰＥ０．６５％、グラスファイバー入りＰＰＥ０．２〜０．４％、ＰＰＳ１〜２％、グラスファイバー入りＰＰＳ０．０４〜１．０％などである。
【００１４】
本発明では、反りなどの変形が実質的に問題にならないように、熱可塑性樹脂（２１）とインサート部材（１）との収縮率差Dが±0.01%以内となるように、インサート部材の射出開始時温度Tiを制御する。
ここで、収縮率差D（%）は下記式（ｉ）で表される。
D＝Ai(Ti-T)×100−Sr[Tn〜T] （ｉ）
（式（ｉ）において、Tiはインサート部材の射出開始時温度(℃)、Tは成形品取出し後の雰囲気温度(℃)、Aiはインサート部材の熱膨張係数(1/℃)、及びSr[Tn〜T]は金型温度Tn(℃)からT(℃)までの熱可塑性樹脂の成形収縮率(%)を表す。）
【００１５】
上記温度Tiを制御する方法としては、（ａ）射出成形時に、インサート部材１が装着される側の金型温度を調節する方法、（ｂ）射出成形用金型の温度調節装置とは別に局部加熱装置16を設けて、金型温度と異なるようにインサート部材の射出開始時温度Tiを制御する方法などが挙げられるが、本発明では特に上記（ｂ）の方法を採用する。
【００１６】
上記（ａ）の方法では、インサート部材１が装着される側の金型温度Tiと装着されない側（反対側という）の金型温度Tnに温度差を設けて、インサート部材の金型装着時温度Tiを制御する。インサート部材１が装着される側の金型は、可動側でも固定側でもよい。
例えば、インサート部材に銅板を用い、熱可塑性樹脂にグラスファイバー入りＰＰＳを使用した場合には、インサート部材１が装着される側の可動側金型温度を１４０℃に設定し、反対側の固定側金型温度を１２０℃に設定するようにすればよい。前記式（ｉ）を適用する場合、Sr[Tn〜T]は熱可塑性樹脂が金型に接する面積が大きい方の金型温度TnからTまでの熱可塑性樹脂の成形収縮率(%)を表す。このため、インサート部材１が装着される側の高温度の金型に樹脂が接触する面積よりも、反対側の低温度の金型に樹脂が接触する面積を増加させるようにすることが好ましい。
なお、温度の異なる固定側金型と可動側金型が接触すると、両者の温度が変わり、それぞれ元の温度へ戻るまで金型を開いて放置する時間が必要であるが、両者の間に断熱材を設けることにより、両者の温度は変わらず、放置が不要になる。
【００１７】
本発明の方法では、例えば図４に示すような、棒ヒータ入りの金型を使用する。図４では、インサート部材（１）が接触する部分に、入れ子（１７）が設けられ、その中に加熱用の棒ヒータ（16'）が設けられている。
金型温度を１２０℃に設定し、インサート部材（１）が接触する部分が１４０℃になるように棒ヒータ（16'）を加熱する。
本発明の方法でも、(a）の方法と同様に金型の開き方向へ殆ど変形することのない成形品が得られる。この方法では、両金型の間に断熱材を設ける必要はなく、成形時にそれぞれの温度に戻るまで、金型を開いて放置する時間が不要である。さらに、インサート部材の一部が加熱されれば熱伝導でインサート部材全体が加熱されるので、インサート形状や成形品形状の制約はない。また、各インサート部材の材質が異なる場合には、各インサート部材に接触する場所へ局部加熱装置を設置して、各インサート部材毎に温度設定を行えばよい。局部加熱装置16は、棒ヒータ16'の代りに熱媒体を流通させる孔を設けて加熱したり、熱伝導の代りに輻射熱で加熱する等、その他の方式の加熱手段であってもよい。
【００１８】
以下、比較例及び参考例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。
【００１９】
［比較例１］
通常成形として金型温度を固定側、可動側ともに１２０℃に設定した。インサート部材１として銅板（厚さ１ｍｍ）を使用し、熱可塑性樹脂としてグラスファイバー入りポリフェニレンスルフィド（以下単にＰＰＳ樹脂という。）を使用して、図１に示すようなインサート成形品を得た。ここで、成形品全長１８５ｍｍ、最大幅２０ｍｍ、最大厚み４ｍｍ（銅板がインサートされた部分の樹脂厚みは３ｍｍ）である。
銅板を装着しない場合には、成形品は熱可塑性樹脂の成形収縮率分だけ金型キャビティ形状よりも小さくなるが、金型の開き方向には顕著な変形は生じない。しかし、銅板を可動側金型に装着して一体化成形を行うと、図３に示すように成形品両端に比べて成形品中央を最大として０．１２ｍｍ銅板側へ凸変形した。変形要因として、インサート成形品の長手方向の収縮変形、つまり熱可塑性樹脂では流動方向の成形収縮率が考えられる。
上記結果より、金型温度１２０℃、成形品取出し後の雰囲気温度２３℃、ＰＰＳ樹脂の金型温度から雰囲気温度までの樹脂流動方向の成形収縮率０．２１％として、前記（ｉ）式を用いて収縮率差D（%）を求めると以下のようになる。
1.7×10^-5(120-23)×100-0.21=0.16-0.21=-0.05(%）
従って、熱可塑性樹脂の成形収縮量の方が銅板の熱収縮量よりも大きすぎて、凸変形が大きかったことがわかる。
【００２０】
［比較例２］
金型温度を固定側可動側ともに１４６℃へ変更した以外は比較例１と同様に行った。
その結果、比較例１と同様に、成形品両端に比べて成形品中央を最大として0.１０ｍｍ銅板側へ凸変形する現象が確認された。
上記結果より、金型温度１４６℃、成形品取出し後の雰囲気温度２３℃、ＰＰＳ樹脂の金型温度から雰囲気温度までの樹脂流動方向の成形収縮率０．２４％として、前記（ｉ）式を用いて収縮率差D（%）を求めると以下のようになる。
1.7×10^-5(146-23)×100-0.24=0.21-0.24=-0.03（%）
従って、比較例１と同様に熱可塑性樹脂の成形収縮量の方がインサート銅板の熱収縮量よりも大きいが、比較例１に較べて、収縮率差Dは小さくなっており、凸変形量が減少したことがわかる。
【００２１】
［参考例１］
インサート部材１及び熱可塑性樹脂は比較例１と同じである。
固定側の金型温度を１２０℃、銅板が装着される可動側の金型温度を１４０℃に設定した。銅板を可動側へ装着してから金型を開いた状態で表面温度計により銅板と固定側キャビティ温度を測定し、それぞれの温度が１４０℃および１２０℃へ到達した段階で樹脂の充填を開始した。その結果、銅板側への変形量が０．０２ｍｍの良好なインサート成形品を得ることができた。
上記結果より、インサート部材温度１４０℃、成形品取出し後の雰囲気温度２３℃、ＰＰＳ樹脂の固定側の金型温度１２０℃から雰囲気温度までの樹脂流動方向の成形収縮率０．２１％として、前記（ｉ）式を用いて収縮率差D（%）を求めると以下のようになる。
1.7×10^−５(140-23)×100-0.21=0.20-0.21=-0.01（%）
従来のように、成形条件を種々に変更して経験的に、良好なインサート成形品を得るのではなく、本発明では、前記式（ｉ）及び（ii）の関係を利用して、極めて容易な条件設定で変形のないインサート成形品を得ることができる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明によれば、変形のないインサート射出成形品を、多数回の経験的な試作を経ることなく、容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明及び従来技術に係るインサート成形品の一例である。
【図２】本発明及び従来技術に係るインサート成形に使用する金型の一例である。
【図３】本発明及び従来技術に係るインサート成形品の反りを示す一例である。
【図４】本発明に係る、局部加熱装置を有するインサート成形用金型の一例である。
【符号の説明】
１：インサート部材
２：（インサート成形品の）樹脂部分
３：ゲート
４：ランナ
５：スプル
６：固定側取付板
７：固定側型板
８：可動側型板
９：スペーサブロック
１０:可動側取付板
１１：エジェククタプレート上
１２：エジェククタプレート下
１３：スプルロッククピン
１４：エジェクタピン
１５：温調孔
１６：局部加熱装置
１６’：棒ヒータ
１７：入れ子
１８：リード線
１９：リード線逃がし孔
２０：インサート成形品
２１：熱可塑性樹脂
２２：キャビティ

Claims

インサート部材（１）の配置が非対称であるインサート成形品（20）をそり変形無く射出成形する方法において、前記インサート部材（１）が熱伝導性材料からなると共に、熱可塑性樹脂（21）と前記インサート部材（１）との下記式（ｉ）で表される収縮率差D(%)が下記式（ii）を満たすように、金型温度Tnとインサート部材（１）の射出開始時温度Tiを制御して射出成形する方法であって、前記射出開始時温度Tiを、別途設けられた局部加熱装置（16）の温度を調節することによって制御することを特徴とするインサート成形品の射出成形方法。
D＝Ai(Ti-T)×100−Sr[Tn〜T] （ｉ）
-0.01% ≦ D ≦ 0.01% （ii）
但し、式（ｉ）におけるTiはインサート部材の射出開始時温度(℃)、Tは成形品取出し後の雰囲気温度(℃)、Aiはインサート部材の熱膨張係数(1/℃)、及びSr[Tn〜T]は金型温度Tn(℃)からT(℃)までの熱可塑性樹脂の成形収縮率(%)を表す。
前記局部加熱装置（１６）が、金型内の前記インサート部材（１）が接触する部分に設けられた入れ子（１７）及び該入れ子内に設けられた棒ヒータ（１６’）からなる、請求項１に記載されたインサート成形品の射出成形方法。