JP4613259B2 - プラスチック表皮成形方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、２００１年１０月９日に出願された米国仮出願第６０／３２７、９７９号に対する優先権を主張する。

本発明は、赤外線加熱又は蒸発冷却を使って型表面から比較的薄いプラスチック表皮(skins)又は殻体(shells)を成形するための改善された方法に関する。より詳細には、この方法は、インストルメントパネル、ドアパネル、ヘッドレスト、コンソールカバー、エアバッグドア、グローブボックスドア等のような自動車内装製品のための外側表面として使用される薄い熱可塑性殻体又は表皮の製造に関する。

何十年にも亘って、型表面上に熱可塑性物質の薄い表皮を成形する方法が、主としてコスト目的及び重量目的によって余儀なくされて発展してきた。

早くから、電鋳されたニッケル及びニッケル／銅型は、所定電荷の液体プラスチゾルで充填され、かつガス点火されたオーブンを通じて回転されて水噴射区域内に入って、引き続いてウレタンフォームで充填され且つ車両アームレスト等として使用される殻体を作り出す。通常、これらの殻体を作り出すために使用される装置は、充填、加熱、冷却及び分離ステーション間を間欠駆動された一連の多重アームスピンドルであった。

自動車内装のための柔らかな感触の内装製品の需要が１９５０年代及び１９６０年に増加するにつれて、インストルメンタルパネルのようなより多くの部品が要求された。これは、回転モールド成形に対立するものとしての「スラッシュモールド成形」方法に通じる。ここで、液体プラスチゾルは予熱された電鋳型内に汲み出されて型表面を覆い（ゲル）、そして型が融和及び冷却ステーション内に間欠駆動される前に過剰のものは振るい落とされる。大きな電鋳されたニッケル工具は、自身の寸法により種々の軸線内で回転できなかった。製品が長くかつ比較的平坦になるにつれて、これらの工具は回転する必要もなかった。これは、連続的に稼動する生産ラインに充填するために使用されるべき非常に多数（１０〜３０）の電鋳型を要する、上及び下にコンベヤーを設備した方法に通じる。ここで、型及び最終製品の輪郭に類似したガス点火されたバーナー又は誘導加熱コイルが、プラスチックをゲル化しかつ融解さ殻体ためのステーションに熱を供給するために使用される。このコンベヤーを設備した方法は、加熱装置が特定の形状である際に設備の変更無しに処理し得た型形状数も制限した。

コンベヤーが設備されたラインの所要空間、及び多くの電鋳鋳型を使用するコストのために、モジュール式スラッシュ(slush)方法が発展した。ここに、単一の電鋳鋳型はその主軸の周りに回転され、加熱及び冷却剤がそれに供給される。ステンレス鋼管材料は、電鋳鋳型の背面に溶接されかつ型に含まれる型及び液体のプラスチゾルを加熱及び冷却するために、熱いか又は冷たい伝熱流体が管を通じて循環される。プラスチック表皮のより厚い断面として清潔さをこの方法で維持することは困難であり、特に放出される過剰な液体プラスチゾルからの滴下及び進行は、融和しないままでありかつステーションの操作者及び隣接する殻体の両方に搬送される。ＰＶＣ並びに他の熱可塑性物質（ＴＰＵ、ＴＰＥ、ＴＰＯ、ＡＳＡ等）のための粉末スラッシュ形成物は、次いで蒸気を放ってスラッシュ方法の浪費を最小限にしかつより均一な厚さの表皮を作り出す。型表面の融和又は融和していない粉末の型表面に隣接する粉末の規定された厚さのみが、その後使用する粉末箱に戻される。モジュール式方法は、より少数の型及び迅速な型変更の使用に帰着した。

電鋳型上に溶接されたステンレス鋼管に付随する困難性は、短くされたモールド型の寿命である。ニッケルモールド型は、管の溶接の間中、型割れに帰着するモールド型に晒される。これを解決するために、型を加熱する他の方法が探索されている。Ｔａｋａｍａｔｓｕに発行された特許（例えば、特許文献１参照）によれば、電鋳を流動床内又は加熱電動媒体内に浸すことが用いられた。誘導加熱及び電磁波加熱（Ｈｏｒｔｏｎに通常譲渡されかつ参考文献として本明細書に援用される特許（例えば、特許文献２参照）も注目されてきた。ロボット及び多重ステーションを用いるハイブリッドな方法は、Ｇｒａｙに発行された特許（通常譲渡されかつ参考文献として本明細書に援用）（例えば、特許文献３参照）に開示される。
米国特許第４、９４６、６６３号明細書 米国特許第４、８９８、６９７号明細書 米国特許第４、７５５、３３３号明細書

最も流通しているのは、モジュール式処理装置である。この処理装置では、型箱がニッケル電鋳型の背面を包囲しかつ熱気を加熱したガス炎が高速で電鋳型の背面上に衝突されて迅速な加熱（又は外部雰囲気冷却）サイクルを提供する。ＭｃＮａｌｌｙに発行された２つの特許文献（例えば、特許文献４及び５参照）及びＧａｒｄｎｅｒに発行された特許（例えば、特許文献６参照）はこの処置の変更態様を記載している。比較的外気が冷たい日には、４分程度のサイクルを達成し得た。しかしながら、次のサイクルのレベルを改善する方向にもって行くために、この装置の欠点の幾つかは、克服されなければならない。電鋳型の背部に衝突する熱気は、ニッケル型が曲がって最終的には疲労によって割れるような圧力である。モジュラー式処理装置は、ガス点火式バーナーを上部に具備しかつ不十分に加熱及び冷却された熱気及び冷気を供給するダクトの機構の多くの長所を具備する大規模な型スタンドにまで発展した。外部の騒音及び熱汚染はステーション操作者に対する問題となった。
米国特許第６、０１９、３９０号明細書 米国特許第６、０８２、９８９号明細書 米国特許第６、０１３、２１０号明細書

必要とされているのは、型及びプラスチック表皮材料のみを加熱及び冷却する処理である。この処理は、薄く軽量な型の使用を可能にする処理、騒音及び浪費加熱がほとんどない環境に優しい処理、及び１つの型／製品から他へ迅速に変換して停止時間を減じ得る処置装置である。

本発明は、赤外線（ＩＲ）エネルギーによって加熱されかつ水／空気霧噴射による蒸発によって冷却される軽量型を用いる効率的な表皮成形処理を提供することによる従来技術の欠点に注力している。ＩＲエネルギーは、型に合致するように形作られる加熱要素を用いて型表面の裏側にのみ向けられるから、少々の熱が浪費され、管路及び包囲する周囲領域の加熱が削除される。型は自身の重量以外の他の応力（空気圧等）を被らないから、より薄くかつそれ故に更に均一な電鋳型を使用することができる。水蒸気の潜熱を使った、蒸発冷却は、より薄くより均一な電鋳及び冷却ダクト機構の削除によっても向上される。

更なる実施形態は、電鋳型の種々の領域内に加えられる熱の調節又は平衡手段としての熱吸収性(heat absorptivity)の使用である。ＩＲヒーターに面する型の背面に黒ペンキを使用することは、より厚い型部分をより早く加熱する支援をするか、逆により軽い塗料の影(shades)が薄い型部分の加熱を緩和するか又は、材料を節約しかつ余分な浪費を削減する要求を減じて、この領域に形成されたプラスチック表皮の厚さを零まで減じることができる。型の背面にグレーの種々の影を塗るこの方法によって改善された熱バランスは可能であり、かつこの改善された熱バランスは、後塗りの要求を減じて、より均一な殻光沢に繋がるものとし得る。改善された熱分布は、ＴＰＵ、ＴＰＥ及びＴＰＯのような多くの新たに粉体化された熱可塑性材料の均一な厚さの鋳造を保証することも重要である。ＴＰＵ、ＴＰＥ及びＴＰＯの幾つかは非常に顕著な溶融点を有し得る。

赤外線加熱による別の実施形態では、今度は、更にサイクルタイムを減じるために自身の熱吸収性を改善する材料を添加することによって、熱可塑性材料を赤外線エネルギーによる加熱に対してより敏感にするか又はより熱を導き易くする技術が存在する。

鋳造方法は、多数の型を、すなわちモジュラー式に保持する上下のコンベヤーを使うことによって、しかし好ましくは、予熱（Ａ）から鋳造（Ｂ）まで型を操作し、そして加熱（Ａ）、その後、冷却（Ｃ）に戻し、添付図面に示すように分離するための、３つのステーションとロボットを用いる。

本発明のこれら及び他の目的、特徴及び利点は、本発明の記載と添付の図面を考慮すると明らかとなる。

上記で留意したように、図１は、自動車内装用途のためのプラスチック表皮を作り出すために本発明で使用される処理段階を示す流れ図である。薄い電鋳ニッケル金型が電気赤外線ヒーターを使って予熱され、かつ、型が、特定のプラスチック紛体が処理されるための好ましい粉体鋳造温度に到達すると、型は、型面上にクランプする紛体箱を使って紛体を充填され、逆さにされると、該型は、型空洞を紛体で充填する。型は、それから、自身の主軸線の周りで全体的に回転されて紛体を電鋳金型の露出して加熱された内側表面に接触させかつこの加熱された型表面上で溶融可能にする。次いで、型／粉体箱の組合せは逆さにされ、何れの溶融していない粉末は粉末箱内に落下して戻る。この粉末箱は、その後、クランプ解除され、かつ後退される。その後、この型には水の微細霧及び空気が噴霧されてその表面を所望の分離温度まで冷却する。一旦、分離温度に到達すると、冷却された固体状の表皮は取り除かれかつ次のサイクルが開始される。プラスチゾル又はオーガニゾルのような液体熱可塑性形成物は同様にして処理し得る。

図２はこの処理を詳細に示す。図２には基本的な装置ステーションとして示しているが、Grayに発行され（かつ本明細書に参考文献として援用される）た、米国特許第４、７５９、３３３号明細書に開示されるように、可動又は割り出しライン、ロボットマニピュレータ及び多重ステーションの形態を取り得るか、あるいはプラスチックの多重層、多様なタイプのプラスチック及び表皮又は殻体を形成するための熱可塑性発泡層を鋳造することを含む、図１及び図２に合致する何れか他の手順の形態を取り得る。

より詳細には、電鋳形成されたニッケル型は、最終的な自動車の表皮又は殻体に望まれる表面パターン（粒子、きめ、装飾）及び輪郭を有して形成される。好ましくは、この電鋳形成物は、加熱且つ冷却されるべきニッケルの重量を最小化しかつ型内の内部応力を最小化するために、０．１インチ〜０．１５０インチの比較的均一な厚さを有する。自身及び完全且つ均一な表皮を作るために表面領域を適切に覆うために該型を充填しなければならない粉体の重量を支持するためのこれらの型の形状及び性能に依存するより薄い型が可能である。電気ＩＲヒータは、音が大きくないからエネルギー源としては好ましく、加熱要素を各特定型形状に合致さ殻体ように形作ることを可能にしながらも、ガス状の汚染物質を放出せずかつ可搬し得るものである。型及びその表面を覆う粉末を合わせた質量体を加熱するための１分間の継続時間を目標とするため、約４７ワット／平方インチのエネルギーが要求される。十分な出力温度（１２７５〜２０００°Ｆ）を生成しながらも満足の行くヒータ寿命及び最小の潜在的な安全の危険性を提供するために最も望ましい赤外線波長は、２．１〜３．０ミクロンであることが判明した。２７７ボルト／３相の電力を使って、４７ワット／平方インチの出力を生成することができるヒーターは、１４５０°Ｆの一貫した作動出力温度を作り出した。インコネル製外側スリーブ及び該スリーブ内にマグネシウム酸化物でパック詰めされたインコネル製ワイヤ要素から構成される管状ＩＲ加熱要素は、所望のエネルギーを提供した。管状ヒーターは、取付を簡素化する冷たい両端、及び湿気を通気させることを許容するためにスリーブの各端部を密封する繊維ワッシャーが設けられる。管状ヒーターは、型から約１〜３インチ離れてかつ加熱すべき型の領域を均一に覆うために該型に沿って長さ方向に約１〜３インチ離れて延在する電鋳された型の背部に合致するようなパターンで曲げられる。熱電対が管状加熱要素の温度を検出しかつ制御するために、平均的な型厚さの点における型の前部表面に設置される。“クロスファイア(cross-fire)”（１つの加熱要素が別の加熱要素に面しかつその設定位置を越えた反対側の加熱要素を駆り立てる問題）に伴う何れかの問題を修正するために、各加熱要素は、電圧制御装置と接続されたソリッドステートリレーを使って個別に制御される。熱電対を各加熱要素に接続することによって、１つの加熱要素が隣接する加熱要素に優先し始めると、熱電対は、この加熱要素に対する電圧を減じるようにプログラムされたソリッドステート制御装置に警告して、燃え尽きるのを阻止する。このように、均一かつ一貫した温度を作り出すヒーター配列が設けられ、このヒーター配列は各型形状に特有でありかつ新しい型が使用される際には容易に交換し得るように搬送し得る。かくして、可動要素がなくかつ騒音、熱及び煙霧の無い最も望ましい加熱源が設けられる。

より多くの均一な表皮又は殻体の厚さ、特に複雑でありかつ下切りされた形状を作り出すべく電気鋳造によって吸収される熱を更にバランスすなわち平衡させるために、黒体吸収性の使用が用いられる。遭遇する温度に耐えることができる黒い塗料は、熱伝達を支援するために工具の背側に塗られる。ニッケルは０．１１の放射率を有する一方で、光沢のある黒い塗料表面は０．８６の放射率を有する。各殻体を鋳造するために出来るだけ少ない粉末を使うために、プラスチック製表皮又は殻体は、通常、約０．０２５〜０．０４０インチの出来るだけ均一な厚さであるべきであるから、型の熱バランスは必要である。これは、通常は、最初に、加熱要素の形状及び型背面からの距離を調節し、そして最終的には、インチ毎の又はＸ及びＹ両寸法における鋳込まれた表皮又は殻体の厚さを区分かつ測定することによるサーモグラフィー技術を使って行われる。細かい熱バランスのチューニングが型背面に対するグレースケールペイントの異なる陰影の適用によって行い得ることが判明した。特に、最終製品すなわち外周端縁における開口からトリム仕上げし得るような、（複雑な形状が電鋳されることによる）薄い型の領域及び表皮又は殻体がほとんど又は全く所望されない“無駄(waste)”領域では、グレー塗料からなる明るい色の陰影が吸収された熱（かつそれ故に粉末の不溶解により形成された殻体の厚さ）を減じるために塗装し得る。さらに、より均一な型温度は、より均一な光沢及び最終的に鋳込まれた表皮又は殻体の色判読に帰着する。

図３は、本発明の加熱装置の断面図である。電鋳ニッケル型１０は、ＩＲ加熱装置２０の下に配置される。ＩＲ加熱要素１４は、好ましくは型の長さに沿って平行に配置されて延在し、かつ幾インチだけ隔てられた型表面に倣って均一な熱を与えるように形作られている。好ましい加熱装置は、支持のための外側フレーム１２と、エネルギーを封じ込めかつこのエネルギーを、型表面及びＫウール絶縁体(K-wool insulator)１８の層に指向さ殻体ための反射シールド１６と、を更に備える。これは、異なる型形状を使用することが所望されるときに代替することが容易な軽量加熱装置を提供する。

急速な冷却サイクルを提供するために、蒸発冷却を用いることが好ましい。これは、特に季節に限った両極端（夏の熱）間の周囲の空気を使用して遭遇する上述した問題を削除する。型を水であふれさ殻体煩雑さを最小限にするために、鋳造殻体を含む熱い電鋳型は、１００ｐｓｉの空気を使って噴霧される。この空気は、冷却水を（Ｂｉｎｋｓ又はＤｅＶｉｌｂｉｓのような）噴霧ノズルを通じて強制的に霧化したものである。図４に示すように、冷却の均一さを保証するために、型形状の近くに調節可能なパターンで配置される。一定の高容量、高圧の供給を維持するために空気サージタンクを使った水冷却システムに亘って空気が供給される。図４は、蒸発冷却装置の断面図である。フレーム２２は、型形状に倣いかつ該型の長さに沿ってノズル２４列を設置可能にするように構成される。ノズル２４は、均等に離隔配置されかつ均等かつ急速な冷却を可能にするために自身の両端部を含む型１０から一貫した距離に設置されることが好ましい。空気及び水から成る微細霧を噴霧することによって、水は蒸発して少々の水たまりが結果として生じる。ロボットは、かくして、型を加熱ステーション（Ａ）（図２参照）から鋳造ステーション（Ｂ）まで、再び加熱ステーション（Ａ）に戻し、そして最終的に冷却ステーション（Ｃ）に操作する。

ここで図２に戻って処理手順を説明する。電鋳ニッケル金型は、逆さにされた態様で、図２の位置１に記載されたステーションＡのＩＲ加熱ユニットの下に配置される。ここでは、型の背側は吸収性を最適化するために黒く塗装されてきた。電鋳金型の背側に類似するように形作られてきたＩＲ加熱要素は、型の背側に面する（図３参照）。熱電対が型空洞表面に取り付けられる。型が、特定の熱可塑性材料（熱可塑性ウレタン、ポリビニル塩化物、熱可塑性エラストマ、熱可塑性オレフィン及び類似物）が鋳造される最適な鋳造温度に到達すると、型は、図２の位置２に示すように鋳造ステーションＢに移動される。ここでは、型は、熱可塑性粉末を含有する粉末箱にクランプされる。型箱／型の組合体がその主軸線周りに回転されると、暑い型表面に接触する粉末は溶融して均一なプラスチック層を形成する。２０秒くらいの回転後、型箱は、何れの過剰な粉末が型箱内に落下するように逆さにされた型と分離されかつ後退する。電鋳型は、次いで、図２の位置３に示すように、ＩＲ加熱ステーションＡに動き戻って溶融段階（一般的に４００°Ｆ近傍の型温度）を終了さ殻体。１０秒くらいの短時間後、型は図２に位置４で示すような、冷却ステーションＣに移動する。ここでは、水及び空気の霧が型の前部及び後部の両方に噴射されて型を分離温度の１４０〜１５０°Ｆまで（概ね６０秒）冷却する。分離温度に到達すると、プラスチック殻体は、図２に位置５で示すように、ステーションＤで型から分離され、かつ新しいサイクルが始まる。

ここでは蒸発冷却が好ましいが、水に加えて、液体窒素、ドライアイス、（二酸化炭素）等が使えることを見出し得るように、潜熱（これは状態を変更するために必要である）を使う何れの処理も許容し得る。噴射ノズルパターンは、ノズルのレイアウトを型輪郭に類似するように形作ることによって最適化し得る。

このように、本発明は、薄いプラスチック表皮又は殻体を液体又は粉末鋳造処理から作り出す新規かつ改善された方法を提供する。電気赤外線加熱を用いることによって、幾つかの形を要する簡素化された処理方法、かなり少ない配管、及び周囲へ、騒音及び無駄な熱を放つことがかなり少ない搬送装置が達成される。さらに、均一な型表面温度、より均一な殻体厚さ、及び光沢の均一性を提供する熱バランス方法は、黒体吸収を使って開示されている。さらに、殻体の高容量を作り出すために要求される型及び型ステーションの数を減じてより早い総サイクルタイムに寄与するかなり早い型冷却時間を与えるために、蒸発又は副次制限の使用が開示される。

本明細書の記載及び図面は本発明の好ましい実施形態を例示して説明してきた。この記載及び図面はこれらの実施形態を説明するために意図されたものであって、本発明の範囲を限定するものではない。当業者であれば、特許請求の範囲内ある上述の教示に照らして更に他の変更又は修正が可能であることが分かるであろう。それ故、特許請求の範囲で、特に説明しかつ図示した以外の方法で本発明を実施し得る。

本発明による処理段階を記載する流れ図である。 本発明に従う処理手順を描く例示的概略図である。 本発明の加熱装置の輪郭の断面図である。 本発明の冷却装置の輪郭の断面図である。

符号の説明

１０ 電鋳ニッケル型
１２ 外側フレーム
１４ ＩＲ加熱要素
１６ 反射シールド
１８ Ｋウール絶縁体
２０ ＩＲ加熱装置
２２ フレーム
２４ ノズル

Claims (11)

1. プラスチック物品を作る方法であって、
   金属型を第１ステーションに配置して、赤外線エネルギーを使って前記金属型を予め加熱する段階であって、前記金属型には輪郭が付けられており、かつ前記金属型は裏面及び表面を具備し、前記赤外線エネルギーは、平行に配列された、複数の管状電子赤外線加熱要素から、前記金属型の前記裏面に向けられ、前記各要素は輪郭付けられた前記裏面に合致するパターンで曲げられ、かつ輪郭付けられた前記裏面から所定の間隔を置いて配置され、及び前記金属型は前記加熱要素の配列に対して回転しない、前記配置して予め加熱する段階と、
   前記金属型を第２ステーションまで移動させ、かつプラスチック材料を予め加熱された前記金属型の表面上に鋳造する段階と、
   前記金属型を別のロケーションまで移動させ、かつ赤外線エネルギーを使って前記プラスチック材料を略均一な層内に融合させる段階であって、前記赤外線エネルギーは、平行に配列された管状電子赤外加熱要素によって前記金属型の前記裏面に向けられる赤外線エネルギーから成る、前記移動させ融合させる段階と、
   前記金属型を第３ステーションまで移動させ、かつ蒸発冷却を使って前記金属型を冷却させる段階と、
   前記金属型から、鋳造された前記プラスチック物品を取り外す段階と、を備え、
   複数の合致する管状電子赤外加熱要素を備える前記配列は前記金属型の裏面から約２．５４センチメートル〜約７．６２センチメートル（約１インチ〜約３インチ）の間隔を置いて配置されており、及び
   前記管は前記金属型の前記裏面に沿って約２．５４センチメートル〜約７．６２センチメートル（約１インチ〜約３インチ）だけ更に間隔を置いて配置されて延伸され前記金属型の前記裏面の均一な覆いを供する方法。
2. 前記ヒーターが６９１℃〜１０９３℃（１２７５°Ｆ〜２０００°Ｆ）の温度範囲で作動する、請求項１に記載の方法。
3. 前記赤外線エネルギーの吸収性を改善するために、前記金属型に被覆が施される、請求項１に記載の方法。
4. 前記赤外線エネルギーの吸収性を選択的に設定するために、前記被覆が前記金属型に選択的に施される、請求項３に記載の方法。
5. 前記蒸発冷却が潜熱を採用する、請求項１に記載の方法。
6. 前記潜熱が蒸発熱である、請求項５に記載の方法。
7. 前記プラスチック材料が熱可塑性又は熱硬化性材料である、請求項１に記載の方法。
8. 前記プラスチックが、ウレタン、ビニル、オレフィン、アクリル酸、スチレン、熱可塑性エラストマー、ポリスルホン、ポリイミド、ポリフェニレン酸化物、ポリアミド、エポキシ、及びこれらの組合せを備える群から選択される、請求項１に記載の方法。
9. 前記蒸発冷却が、前記金属型を空気及び水から成る微細霧に接触させることを含む、請求項１に記載の方法。
10. 前記プラスチックを略均一な層内に溶融させるための前記ロケーションは前記第１ステーションである、請求項１に記載の方法。
11. プラスチック物品として鋳込まれた製品のための装置であって、
    （ｉ）鋳造されたプラスチック材料を受容するための金属型であって、前記金属型には輪郭が付けられており、かつ裏面を具備する、前記金属型と；
    （ｉｉ）複数の鋳造ステーションと；
    （ｉｉｉ）所望の鋳造温度まで前記金属型を加熱するための、前記複数の鋳造ステーションの１つに配置された平行に配列された複数の管状電子赤外線加熱要素であって、前記管状電子赤外線加熱要素は前記金属型の前記裏面に合致するパターンで曲げられ、かつ前記金属型の前記裏面から所定の間隔を置いて配置され並びに前記金属型の前記裏面に熱を与え、及び前記金属型は前記加熱要素の配列に対して回転しない、前記複数の管状電子赤外線加熱要素と；
    （ｉｖ）別の前記複数の鋳造ステーションに配置された潜熱冷却装置を備える冷却装置であって、合致する前記複数の管状電子赤外線加熱要素を備える前記配列は前記金属型の前記裏面から約２．５４センチメートル〜約７．６２センチメートル（約１インチ〜約３インチ）の間隔を置いて配置され、前記管は前記金属型の前記裏面に沿って約２．５４センチメートル〜約７．６２センチメートル（約１インチ〜約３インチ）だけ更に間隔を置いて配置されて延伸され前記金属型の前記裏面の均一な覆いを供する、前記冷却装置と；を備える装置。

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