JP4544398B2 - 射出成形型 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形型に関し、さらに詳しくは、ラピッドプロトタイピングにより成形した射出成形型に関するものである。

射出成形型には、一般に、開閉可能な複数の型により構成され、型閉じしたときに内部に加熱溶融された成形材料を射出充填するキャビティが形成される。そして、キャビティ内に射出充填された溶融樹脂を短時間で固化させて成形品を取り出すことができるようにするために、各型のキャビティ面の周囲に冷却通路が形成されており、この冷却通路に冷却流体を流通させてキャビティ内の成形材料を冷却するよう構成されている。また、従来の一般的な射出成形型は、ブロック状の型素材を切削加工や放電加工などにより所定形状のキャビティ面を形成すると共に、キャビティ面の周囲にドリルなどの回転切削工具により冷却通路として孔を穿設していた。

また、射出成形型を成形するための技術として、例えば特許文献１に参照されるように、成形型の設定された三次元データからスライス状に分割した形状のデータを生成し、このスライス形状データに基づいて粉末状材料を燒結させて順次積層するラピッドプロトタイピングが知られている。特許文献１には、対象物の形状に基づいて樹脂モデルの形状を設定し、この樹脂モデルをスライス状に分割したスライス形状物を順次積層して前記樹脂モデルを造形する樹脂モデルの造形方法において、前記対象物の厚肉部分に相当する部位をシェル化することにより、このシェル化した部位の肉厚とその他の部位の肉厚とを均等化することを特徴とする樹脂モデルの造形方法などが開示されている。

さらに、成形品の厚肉部と薄肉部における冷却差に起因する成形不良や冷却時間の増大などの問題を解決するための技術として、特許文献２が知られている。特許文献２には、金型キャビティと金型コアとの間に形成される空隙部に溶融プラスチックを射出し、該溶融プラスチックを冷却，固化して成形を行う射出成形装置において、前記金型を構成する材料の少くとも一部に多孔質材料を用い、該多孔質材料を通して温度を制御した気体を送風するようにしたことを特徴とする射出成形装置などが開示されている。

さらにまた、キャビティ内で成形された薄型ディスク基板の温度を下げるための技術として、特許文献３が知られている。特許文献３には、固定金型及び可動金型とを備え、固定金型及び可動金型間に画成されるキャビティ内に溶融樹脂が充填される基板成形用の金型において、上記固定金型及び可動金型は、それぞれ内部に、溶融樹脂を冷却するための第１及び第２冷却回路を備え、第１及び第２冷却回路が、上記キャビティから異なる距離を隔てた位置にそれぞれ形成されており、上記固定金型及び可動金型の、第１冷却回路が形成されている金型部分と第２冷却回路が形成されている金型部分が、互いに熱伝導率の異なる材料から構成されていることなどを特徴とする基板成形用金型が開示されている。

特開２００３‐１８１５９７号公報 特開平１０−３４７２３号公報 特開２００１−１９８９６３号公報

しかしながら、上記従来の技術のうち、ブロック状の型素材を切削加工などにより所定形状のキャビティ面を形成するものにあっては、ブロック状の型素材を切削加工するための工具あるいは刃具の形状によって、形成できるキャビティ面および型外面の形状が制約され、また、成形品の製品面となる部分以外の部分を成形するためのキャビティ面は、切削加工を容易に行うことができる平面状に設定されることが多いため、強度要件や冷却性能要件を考慮した最適な形状に設定することができないという問題があった。そして、このような形状に設定されることに起因して、射出成形型に無駄な部分が生じることから型重量が大きくなり、型素材に無駄が生じると共に、異なる形状の成形品に切り替えるときなど、射出成形型の交換（段替え）作業にかかる負荷を削減することが困難であった。また、型素材の無駄から、型製作コストを削減することが困難であった。
さらに、冷却通路を回転切削工具により形成する上記従来の技術においては、直線状に孔をあけることしかできず、キャビティ面と冷却通路との間、および、冷却通路と型外面との間の肉厚が部分によって異なっていた。そのため、成形品を均一に冷却することができなかったり、型温度を均一に保つことができず、部分によって温度差が生じて成形不良を引き起こすなどの問題があった。

また、上記従来の技術のうち、特許文献１に参照されるように、ラピッドプロトタイピングにより射出成形型を成形する場合にあっても、切削加工により射出成形型を成形する場合と同様の形状に設定されており、強度要件や冷却性能要件を考慮した最適な形状に設定されていなかった。そのため、切削加工により射出成形型を成形する場合と同様の問題があるだけでなく、無駄な肉により型体積が増大することから、粉末状の型材料に無駄が生じると共に、ラピッドプロトタイピングによる射出成形型の成形時間が増大するという問題があった。

さらに、上記従来の技術のうち、特許文献２に開示されたものにあっては、温度を制御した気体を送風するだけでは、型温度の制御を応答性よく効果的に行うことは困難であった。
さらにまた、上記従来の技術のうち、特許文献３に開示されたものにあっては、冷却回路をどのようにして形成するのかは記載されていないが、成形品が平坦なディスク基板であるため、金型を構成する平盤ブロック状の部材の表面を同じ深さでその厚さ方向に切削してこれらの部材同士を積層するだけで、平坦なキャビティ面から均等な距離を隔てた位置に冷却回路を形成することができる。しかしながら、成形品がディスク基板のような平坦な面を有せず複雑な形状を有するものである場合には、キャビティ面も複雑な形状となるために、金型を構成する平盤ブロック状の部材の表面をその厚さ方向に切削してこれらの部材同士を積層するだけではキャビティ面および型外面と冷却通路との間の肉厚をそれぞれ均一に成形することはできず、冷却通路（回路）を回転切削工具により形成する上記従来の技術と同様の問題があった。

本発明は、上述した問題に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、成形条件などにより成形品またはキャビティ面の温度分布が部分的に異なる傾向がある場合であっても、成形品を均一な温度に調整して冷却することができる射出成形型を提供することを目的とする。

請求項１に係る発明は、上記目的を達成するため、ラピッドプロトタイピングにより成形した、キャビティ面から均一な肉厚で形成された冷却通路を有する射出成形型であって、キャビティ面の温度分布に応じて、キャビティ面の温度が高くなる傾向にある部分と冷却通路との間の部分を、他の部分と比較して金属粉末材料の焼結による結合を密にして、かかる部分の密度を高めるように成形された高熱伝導率領域とすることを特徴とするものである。

請求項１の発明では、ラピッドプロトタイピングによりキャビティ面から均一な肉厚で形成された冷却通路を有する射出成形型を成形する。このとき、キャビティ面の温度分布に応じて、キャビティ面の温度が高くなる傾向にある部分と冷却通路との間の部分を、他の部分と比較して金属粉末材料の焼結による結合を密にして、かかる部分の密度を高めるように成形された高熱伝導率領域とすることにより、キャビティ面の最適な温度分布のコントロールが実現されるため、成形品が正確に均一に冷却される。

請求項１の発明によれば、ラピッドプロトタイピングによって、キャビティ面から均一な肉厚で形成された冷却通路を有する射出成形型が成形され、しかも、キャビティ面の温度分布に応じて、キャビティ面の温度が高くなる傾向にある部分と冷却通路との間の部分が、他の部分と比較して金属粉末材料の焼結による結合を密にして、かかる部分の密度を高めるように成形された高熱伝導率領域とされているため、キャビティ面を最適な温度分布に調整して成形品を均一に冷却することができる射出成形型を容易に提供することができる。

最初に、本発明の射出成形型を成形するためのラピッドプロトタイピング（積層造形ともいう）装置とその造形方法の実施の一形態について、図１２に基づいて説明する。なお、図において、同一符号は同様の部分または相当する部分に付すものとする。
ラピッドプロトタイピング装置は、射出成形型のベースプレート１が載置されるビルディングプラットフォーム１０と、射出成形型を構成する成形材料である金属粉末材料１１が載置される供給側プラットフォーム１２と、供給側プラットフォーム１２からビルディングプラットフォーム１０に金属粉末材料１１を所定の厚みで供給し層を形成するワイパ１３と、金属粉末材料１１を所定の形状に溶融させるレーザ発振器１４と、レーザ発振器１４から発振されたレーザビーム１５をビルディングプラットフォーム１０上の金属粉末材料１１の所定の位置に照射させるよう反射するミラー１６と、を備えている。

ビルディングプラットフォーム１０と供給側プラットフォーム１２は、互いに隣接して配置され、それぞれ独立して昇降可能に支持されている。ビルディングプラットフォーム１０上には、射出成形型のベースプレート１が載置され、さらにその上面には一層分の厚さで金属粉末材料１１が供給されている。レーザ発振器１４から発振されたレーザビーム１５は、ミラー１６によって反射され、ベースプレート１上に供給された金属粉末材料１１の層を燒結させて、ベースプレート１上に射出成形型２を構成するスライス形状２aを成形する（図１２の（a））。その後、ビルディングプラットフォーム１０と供給側プラットフォーム１２は、所定の高低差Ｈを有するように相対的に昇降移動されると共に、ワイパ１３は、供給側プラットフォーム１２のビルディングプラットフォーム１０と反対側（図１２では右方）であって、所定の高さに移動される（図１２の（ｂ））。続いて、ワイパ１３が供給側プラットフォーム１２とビルディングプラットフォーム１０上を順次通過するよう図１２に示した場合では左方に移動されることにより、供給側プラットフォーム１２の金属粉末材料１１をビルディングプラットフォーム１０の先に燒結された金属粉末材料１１の層の上に所定の厚さで均しながら供給して次工程で燒結されることとなる層を形成する（図１２の（ｃ））。これらの動作を繰り返し行い、燒結されなかった部分の金属粉末材料１１を取り除くことにより、ベースプレート１上に金属粉末材料１１の層が部分的に燒結され所定形状に積層されてなる射出成形型２が成形されることとなる。なお、本発明は、この実施の形態に限定されることなく、他の形式のラピッドプロトタイピング装置により後述するような形状の射出成形型を成形することもできる。

本発明の射出成形型の第１の実施の形態を、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。なお、図では、例えば相対向して配置される固定型と可動型など、開閉可能な複数射出成形型のうちの一つのみを示すこととする。
本発明の第１の実施の形態における射出成形型２は、概略、ラピッドプロトタイピングにより成形されたもので、成形品の形状に応じて形成されるキャビティ面３と冷却通路４との間部分５を均等な肉厚（距離）Ｎ１で形成し、さらに、冷却通路４と型外面６との間の部分７を均等な肉厚Ｎ２で形成したものである。

図１に示すように、ベースプレート１は、略矩形板状に形成されてなるもので、その各角部には、相対向する型の凹部と位置合せされて嵌合される突起１aが形成されている。ベースプレート１上の略中央には、上述したように金属粉末材料１１を燒結・積層することにより、所定形状のキャビティ面３を有する射出成形型２が形成され、このキャビティ面３の周囲にはその形状に応じて連続する冷却通路４が形成され、また、型外面６がキャビティ面３の形状に応じて形成されている。冷却通路４の両端には、冷却流体を供給・排出するための管路が嵌合接続される接続部４a、４bが形成されている。なお、冷却通路４は、この実施の形態においてはキャビティ面３の底部３aが平坦であるために、ベースプレート１の表面と並行に形成されているが、例えば図６に参照されるように、キャビティ面３の底部３aが凹凸を有する三次元的な形状である場合には、かかる凹凸形状に応じて冷却通路４も三次元的に凹凸形状を有するように形成される。また、ベースプレート１の、金属粉末材料１１が燒結・積層される部分以外の部分については、必要に応じて軽量化を図るための肉抜きなどを施すこともできる。
このように構成された射出成形型２では、キャビティ面３の形状に応じて冷却通路４と型外面６がラピッドプロトタイピングにより容易に形成されるため、射出成形型２の軽量化を図ることもできる。そして、冷却通路４とキャビティ面３との間の部分５の距離（肉厚Ｎ１）を均一化させたことにより、型閉じすることにより形成されたキャビティ内で成形された成形品は、その熱が冷却通路４に供給循環される水などの冷却流体に伝播して、効率良く均等に冷却される。また、この実施の形態における射出成形型２では、冷却通路４と型外面６との間の部分７の肉厚Ｎ２も均一化させて形成されているため、金属粉末材料１１に無駄が生じず、ラピッドプロトタイピングによる射出成形型２の成形に必要な時間を短縮化させることができ、したがって、射出成形型２の製造コストを低減させることができ、また、射出成形型２を軽量化させることができる。また、冷却通路４を循環供給される冷却流体の熱を型外部へ均一に放熱させるため、成形品を効率よく冷却することができる。

次に、本発明の射出成形型の第２の実施の形態を、図４および図５に基づいて詳細に説明する。この実施の形態においては、上述した第１の実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。
本発明の第２の実施の形態における射出成形型は、概略、ラピッドプロトタイピングにより成形されたもので、内部のキャビティ面３の周囲に配設された冷却通路４と、型外面６に設けられた冷却フィン８と、を有しており、さらには、冷却通路４が冷却フィン８の内部にも及ぶよう配設されている。

図４に示した実施の形態では、上述した第１の実施の形態と同様に、冷却通路４がキャビティ面３から略均一化された距離（肉厚Ｎ１）を隔てて形成されており、型外面６の多くの部分が冷却通路４から略均一化された距離（肉厚Ｎ２）を隔てて形成されている。しかしながら、この実施の形態では、型外面６の一部分（図４においては下方）には冷却フィン８が複数（図４においては５箇所）形成されており、冷却通路４は各冷却フィン８の内部に及ぶように形成されている。すなわち、この実施の形態における射出成形型２は、内部に冷却通路４を有する冷却フィン８が設けられている。
溶融材料をキャビティ内に射出充填するゲートの位置や、溶融材料の温度などによって射出成形型２の温度が部分的に高くなる箇所が出てくる場合がある。また、所定温度に調整された冷却流体が冷却通路４内を供給循環される間に成形品の熱によって大きく温度変化する場合がある。これらのような場合であっても、この実施の形態における射出成形型２では、冷却フィン８によって冷却流体の熱が放熱されることから、成形品を均一に効率良く冷却することができ、したがって、成形に必要なサイクルタイムを短縮することができると共に、成形品を精度良く良好な状態で成形し早期に取り出すことができる。なお、冷却フィン８は、他の射出成形型との型合せに干渉しない位置であれば、型外面６の他の部分またはその全体に形成することもでき、冷却通路４は、冷却フィン８の内部に達しないよう形成することもできる。

次に、本発明の射出成形型２の第３の実施の形態を、図６〜図１０に基づいて詳細に説明する。この実施の形態においては、上述した第１および第２の実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。
本発明の第３の実施の形態における射出成形型２は、概略、ラピッドプロトタイピングにより成形されたもので、キャビティ面３の周囲に配設された冷却通路４を含み、この冷却通路４を流通する冷却流体がキャビティ面３と型外面６の少なくとも一方に浸透し得る程度の密度で成形された冷却流体浸透可能部５a、７aが設けられている。

この実施の形態における射出成形型２は、図６に示すようにキャビティ面３の底部３aが凹凸を有する三次元的な形状に形成されている。そして、冷却通路４は、キャビティ面３の底部３aから所定の深さの位置に、底部３aの形状に応じて均等な距離（肉厚Ｎ１）を隔てるように形成されている。図７〜図９は、それぞれ冷却通路４の断面形状の例を説明するために、図６に示した射出成形型２の側方から見た断面図を示したものである。
図７に示した冷却通路４は、キャビティ面３の底部３a全体に対応するように単一で形成されている。冷却通路４の断面形状は、図７に示した楕円形のほかに長円や矩形などとすることもできる。図８に示した冷却通路４は、キャビティ面３の底部３aと対応して、複数が並列に配設されている。そして、各冷却通路４は、キャビティ面３の底部３a近傍側が半円形で反対側が平坦な所謂かまぼこ型に形成されている。図９に示した冷却通路４は、図８に示した冷却通路４と同様に、複数が並列に配設されており、それぞれ所謂かまぼこ型に形成されているが、キャビティ面３の底部３a近傍側が平坦で反対側が半円形に形成されている。これらの冷却通路４の断面形状は、冷却通路４に供給循環させる冷却流体の流量を、従来の切削加工によって形成された断面形状が円形のものと比較して増大させることができる。このような断面形状の冷却通路４は、上述した第１および第２の実施の形態や、後述する第４の実施の形態にも適用することができる。しかしながら、本発明では、この実施の形態に限定されることなく、成形品を全面にわたって効率良く冷却させることができる断面形状であれば、冷却通路４を他の断面形状に形成することができる。
キャビティ面３と冷却通路４との間の部分５、および、キャビティ面３と型外面６との間の部分７は、それぞれ、ラピッドプロトタイピングによる積層燒結の際に、金属粉末材料１１に対するレーザビーム１５の走査速度を早くすることなどによって、キャビティ内に射出充填された成形材料が浸透することなく、且つ、冷却通路４に供給循環される冷却流体が浸透し得るような低密度で形成されており、冷却流体浸透可能部５a、７aが構成されている。
このように構成された射出成形型２では、キャビティ内に溶融された成形材料を射出充填させて成形された成形品を冷却させるために、冷却通路４に所定の温度に調整された水などの冷却流体を供給すると、冷却通路４から低密度で形成された冷却流体浸透可能部５a、７aを介してキャビティ面３および型外面６に浸透して、射出成形型２の熱によって気化または蒸発して射出成形型２全体と成形品を効率良く冷却することとなる。そして、図１０に示すように、射出成形型２に送風することが可能なファン９を設けた場合には、冷却流体浸透可能部５a、７aを介して浸透した冷却流体の気化または蒸発を促進することができるため、射出成形型２全体と成形品をさらに効率良く確実に冷却させることができる。なお、冷却流体浸透可能部５a、７aは、いずれか一方だけ設けても良く、また、キャビティ面３の形状の全面的に亘ってまたは温度分布に応じて部分的にそれぞれ設けることもでき、さらには、必要に応じて、冷却流体が浸透する度合を部分的に異ならせることもできる。

次に、本発明の射出成形型２の第４の実施の形態を、図１１に基づいて詳細に説明する。この実施の形態においては、上述した第１〜３の実施の形態と同様または相当する部分については同じ符号を付してその説明を省略し、異なる部分のみを説明することとする。
本発明の第４の実施の形態における射出成形型２は、概略、ラピッドプロトタイピングにより成形されたものであって、キャビティ面３の温度分布に基づいて、その熱伝導率を異ならせたものである。すなわち、この実施の形態における射出成形型２は、キャビティ面３の温度が高くなる傾向にある部分３Ｈを温度が低くなる傾向にある部分３Ｌを含む他の部分と比較してその熱伝導率が高くなるように、または、キャビティ面３の温度が低くなる傾向ある部分３Ｌを温度が高くなる傾向にある部分３Ｈを含む他の部分と比較してその熱伝導率が低くなるように形成したものである。より具体的には、この実施の形態における射出成形型２は、キャビティ面３の温度が高くなる傾向にある部分３Ｈと冷却通路４との間の部分を高熱伝導率領域５Ｈとし、および／または、キャビティ面３の温度が低くなる傾向にある部分３Ｌと冷却通路４との間の部分を低熱伝導率領域５Ｌとしたものである。そして、高熱伝導率領域５Ｈは、ラピッドプロトタイピングによる造形時に、高密度で成形するか、または、低密度で成形した後に高熱伝導率材料を溶浸することにより成形し、一方、低熱伝導率領域５Ｌは、空気層を形成し得る程度の低密度で成形することにより構成されてなる。

上述の第２の実施の形態で説明したように、射出成形型の温度分布が相対的に高い部分と低い部分とが発生する場合がある。このような場合では、キャビティ面３と冷却通路４との間の部分５を均一化した肉厚Ｎ１で成形して、冷却通路４に冷却流体を供給循環させても、成形品を均一に冷却することが困難となる。そこで、この実施の形態では、射出成形型２をラピッドプロトタイピングによって成形する際に、キャビティ面３と冷却通路４との間の部分５において、相対的に高い温度となる傾向にある箇所を、成形品が保有する熱を冷却通路４に供給循環される冷却流体に伝播させて温度を低下させ易いように高熱伝導率領域５Ｈとし、また、相対的に低い温度となる傾向にある箇所を、成形品が保有する熱を冷却通路４に供給循環される冷却流体に伝播させ難く温度が下がらないように低熱伝導率領域５Ｌとすることとした。
高熱伝導率領域５Ｈは、ラピッドプロトタイピングによる積層燒結の際に、金属粉末材料１１に対するレーザビーム１５の走査速度を遅くすることなどによって燒結による結合を密にして、かかる部分の密度を高めるよう成形することにより構成することができる。
一方、低熱伝導率領域５Ｌは、上述した第３の実施の形態で説明したのと同様に、ラピッドプロトタイピングによる積層燒結の際に、金属粉末材料１１に対するレーザビーム１５の走査速度を早くすることなどによって燒結による結合を粗とし、かかる部分の密度を低く成形して断熱層とする。
このように構成することによって、本発明の射出成形型２では、全体の温度分布をコントロールして最適化させることができ、したがって、成形品を均一に冷却させて精度良く良好な状態で成形し、取り出すことができる。

なお、本発明の射出成形型は、上述した第１〜４の実施の形態のそれぞれに限定されることなく、これらの実施の形態を組み合わせて構成することもできる。

本発明の射出成形型の第１の実施の形態を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 図１のＢ−Ｂ断面図である。 本発明の射出成形型の第２の実施の形態を示す平面図である。 図４のＣ−Ｃ断面図である。 本発明の射出成形型の第３の実施の形態を示す断面図である。 冷却通路の断面形状の一例を説明するための断面図である。 冷却通路の断面形状の別の例を説明するための断面図である。 冷却通路の断面形状のさらに別の例を説明するための断面図である。 図６に示した射出成形型の近傍にファンを設けた場合を説明するための断面図である。 本発明の射出成形型の第４の実施の形態を示す平面図である。 本発明の射出成形型を成形するラピッドプロトタイピングを説明するための説明図である。

符号の説明

２：ラピッドプロトタイピングにより成形された射出成形型、 ３：キャビティ面、 ４：冷却通路、 ５：キャビティ面と冷却通路との間の部分、 ６：型外面、 ８：冷却フィン、 Ｎ１：キャビティ面と冷却通路との間の部分の肉厚、 ５a：冷却流体浸透可能部、 ７a：冷却流体浸透可能部、 ５Ｈ：高熱伝導率領域、 ５Ｌ：低熱伝導率領域

Claims (1)

1. ラピッドプロトタイピングにより成形した、キャビティ面から均一な肉厚で形成された冷却通路を有する射出成形型であって、
   キャビティ面の温度分布に応じて、キャビティ面の温度が高くなる傾向にある部分と冷却通路との間の部分を、他の部分と比較して金属粉末材料の焼結による結合を密にして、かかる部分の密度を高めるように成形された高熱伝導率領域とすることを特徴とする射出成形型。

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