JP4737169B2 - 金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形、パウダースラッシュ成形、回転成形、ＲＩＭ成形、ＲＴ成形等に用いられる金型の製造方法および金型に関する。

自動車のインストルメントパネル、ドアトリム、グラブドア、コンソールボックス等の車両内装部品の表皮には樹脂成型品から構成されているものがあり、樹脂成型品の表面には皮様の微細な凹凸がつけられている。このような微細な凹凸模様を再現した樹脂を成型するために、例えば塩化ビニルやウレタン等を用いたパウダースラッシュ成形が用いられている。

パウダースラッシュ成形をはじめとする成型に用いられる様々なタイプの成型用金型は、電鋳加工により製造されている。これは、電鋳加工で成型された金型が、表面転写性や寸法複写精度に優れているためである。しかしながら、電鋳加工には長い時間を要し、結果として、金型製作に要する期間が長くなるという問題がある。加工時間の長いものでは４０日程度の期間を要する場合もある。

今日、製品開発競争が激しくなるにつれ、新製品の開発期間の短縮が求められ、各種成形用金型に対しても、製造期間の短縮化、迅速化が求められている。電鋳加工に要する期間を短くして金型製造の期間短縮を図る技術が特許文献１に記載されている。この製造方法は、製品と同等な外形を有するマスターモデルの表面に、まず電鋳加工によって極薄い電着金属層（以下「電鋳層」ということもある）を形成し、ついで電鋳層上にプラズマ溶射によって溶射金属層を、接着層を介して積層させるものである。すなわち、最小限の電鋳層により表面転写性や寸法複写精度を確保し、電鋳層上に積層された溶射金属層により金型の強度を補った金型である。
特開２００３−３３４８１９号公報

薄い電鋳層を形成し、その上層にプラズマ溶射等によって金属層を形成して金型を製造する方法は、電鋳層を形成する処理に要する時間が短くなるため、金型の製造に要する時間を短縮することが可能となる。しかし、電鋳層上に形成された溶射金属層の中に空孔が生じてしまうことや酸化物が生成することから、電鋳層と溶射金属層同士の接合強度が弱く、金型の物理的強度が低くなるという問題が指摘されている。

本発明は上記問題に鑑み、短時間で金型を製造でき、かつ金型金属層の物理的強度を向上する金型の製造方法並びに物理的強度を向上させた金型を提供することを目的とする。

上記一目的を達成するため、本発明の金型の製造方法は、成形品と同等な外形を有するマスターモデルの表面に向けて、粒径１〜５０μｍの固相状態の皮膜材料をキャリアガスとともに、速度３００〜１２００ｍ／ｓ、圧力５０〜１００ｐｓｉ及び噴射ノズルと金型背面との距離１０〜１５ｍｍで噴射して、該マスターモデルの表面に皮膜材料層を形成させる第１の工程と、マスターモデルの表面に形成された皮膜材料層を該マスターモデルから離型して金型を得る第２の工程とを含むことを特徴とする。

本発明の金型の製造方法は、マスターモデルの表面に直接皮膜材料を衝突させて層を形成することが可能である。したがって、プラズマ溶射等による金属積層形成で必要とされた電鋳層との間に接着層のような中間層を形成するための工程を必要としない。
また、本発明の金型の製造方法によって型表面に形成された皮膜層は、皮膜材料が固相状態のまま型表面に衝突して層を形成したものであるため、（１）溶射方法で形成された層と異なり、熱による皮膜材料の特性変化や皮膜中の酸化を起こしにくく、緻密で接合強度の高い、（２）小さい面積にも緻密で接合強度の高い金属層が精密に形成されることから、金型の表面転写性、寸法複写精度も高い、という特徴を有する。

以上述べたように、本発明の金型の製造方法は、プラズマ溶射等による金属積層形成で必要とされた接着層のような中間層形成の工程を必要としない。
また、金型表面に緻密で接合強度の高い金属層が精密に形成されるため、電鋳層の層厚を薄くすることが可能であり、場合によっては金型表面に電鋳層を形成せずに直接金型表面に皮膜材料を固相状態のまま型表面に衝突させて層を形成することも可能である。
したがって、電鋳工程に伴って必要とされる接着層のような中間層形成工程および／または電鋳工程を省くことができ、金型製造に要する時間を大幅に短縮することが可能である。
さらに、マスターモデルに対する前処理、たとえば予熱、ブラスト処理等が不要であること、溶射法に比べて低温域で皮膜の積層を行うことが可能であることから、マスターモデル自体および皮膜材料層自体への熱の影響が少なく、金型表面での表面転写性、寸法複写精度に悪影響を及ぼすこともない。
また、本発明の金型の型表面に形成された皮膜層は、緻密で接合強度の高い金属層が精密に形成されることから、金型の表面転写性、寸法複写精度を高く保つために従来必要とされていたマスターモデル表面への電鋳加工による金属層を、より薄いものにすることが可能であり、場合によっては電鋳加工による金属層そのものを省略することも可能である。加えて、電鋳層を有する場合でも、電鋳層上に積層した金属層との接合強度も高いので電鋳層と金属層との剥離がなく、接着層を必要としない。
しかも、本発明の金型の型表面に形成された皮膜層は、溶射方法で金属層を積層した金型と異なり、形成された皮膜層が熱による皮膜材料の特性変化や皮膜中の酸化を起こしにくく、緻密で接合強度も高いため、金属層内の亀裂の発生が少ないという効果を有する。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明の金型製作工程概要の一態様を表す概略図である。図１はマスターモデル１の型表面に向けて直接、キャリアガスとともに固相状態の皮膜材料を噴射してマスターモデル１上に皮膜層２を形成させる第１の工程１１と、マスターモデルの表面に形成された皮膜層２をマスターモデル１から離型する第２の工程１２とからなる金型の製造工程を示している。

図１の第１の工程１１で用いる皮膜材料は、金属粉末が望ましく、例えば活性金属、金、銀、アルミニウム、錫、チタニウム、亜鉛等の金属類やアルミブロンズ、モネル、ニッケル、ニッケルクロム、ステンレス等の合金、各種ポリマーまたはそれらの混合物を用いることができる。これらの皮膜材料は固相であり、特に粉末が望ましい。その粒径は１〜５０μｍの範囲が特に望ましい。５０μｍを超えると衝突速度が遅くなるので、マスターモデルの表面への付着率が悪くなり、１μｍより小さくなると衝突速度にバラツキが生じ、付着率が低下する。
キャリアガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン等の不活性ガスや窒素、空気を用いることができる。

前述の固相状態の皮膜材料は、高速度のキャリアガスで噴射して、マスターモデルの型表面に衝突すると、粒子がマスターモデル表面に付着、堆積しはじめる。マスターモデルに吹き付けるキャリアガスの速度は、３００〜１２００ｍ／ｓの範囲であり、この範囲を超えると皮膜材料のマスターモデル表面への付着、堆積の効率が悪くなる。このような高速度でキャリアガスと固相状態の皮膜材料をマスターモデル型表面に衝突させるためには、圧力を５０〜１００ｐｓｉの範囲で噴射を行うことが望ましい。この場合、噴射ノズルとマスターモデル型表面との距離は１０〜１５ｍｍに調節すればよい。
キャリアガスの温度は、高いほどマスターモデルへの皮膜材料の付着率が上がるが、使用する皮膜材料の融点等を考慮した最適範囲で行うことが望ましい。ただし、マスターモデル、および金型殻表面への温度の影響を考慮して、それぞれの表面温度が１００℃以下となる範囲で行うことが特に望ましい。この範囲を超えると、マスターモデルおよび／または金型殻表面を冷却することが必要になる。

マスターモデル１上に形成する皮膜層厚は、従来の金型で形成している電鋳層の厚さと同程度であればよく、例えば３ｍｍ以上あればよい。通常３〜１０ｍｍ以上である。なお、マスターモデル１上に予め薄い電鋳層を形成しておいてもよい。この場合、電鋳層の層厚は従来の厚さより薄いものとすることができ、その範囲は特に限定されるものではないが、好ましくは０．０５〜１．００ｍｍである。
このようにして得られた皮膜層２をマスターモデル１から離型して金型を得ることができる。
皮膜材料をキャリアガスで高速化するために、例えばコールドスプレー法を使用することができる。コールドスプレー法の装置として、例えば米国イノバティ社製ＫＭ−ＣＤＳ等を使用することができる。

このようにして作製した金型は、電鋳のみで作製する場合に比べ、作製期間は約５０％にまで短縮することが可能である。得られた金型は、金型の型表面に電鋳層を有さない、一層の金属層のみからなる構造物である。

図２はマスターモデル１の表面に形成された電鋳層３上に、キャリアガスとともに固相状態の皮膜材料を噴射して、電鋳層３上に皮膜層２を形成させる工程１３と、マスターモデルの表面に形成された電鋳層３と皮膜層２とをマスターモデル１から離型して金型とする工程１４とを示した概略図である。
前述したように、マスターモデル１の表面に形成された電鋳層３は、かなり薄い層、例えば１．０ｍｍ以下にすることができる。なお、電鋳層３と皮膜層２との密着力を高めるための接着層あるいは中間層を設ける必要はない。ここで用いる皮膜素材、キャリアガスの速度、温度条件等の製造条件は前述したとおりである。
このようにして作製した金型も、電鋳工程に要する時間を短くすることができ、また、電鋳層３と皮膜層２との間に中間層を設ける必要もないので、工程数を少なくでき、金型製造の期間を大幅に短縮することが可能である。

マスターモデルの型表面上に予め０．５ｍｍ、０．７５ｍｍおよび１．０ｍｍの厚さでニッケル電鋳加工を施した後、電鋳面にニッケル粉末をヘリウムガス（温度：華氏８００度、圧力９０ｐｓｉ）で噴射して、層厚３．０〜３．５ｍｍまでニッケルを積層し、パウダースラッシュ成形用の金型を製造した。
得られた金型に対し、パウダースラッシュ成型用金型に要求される「耐冷熱繰り返し性」を調べた。すなわち、２７０℃〜約２０℃（室温水温度）の急熱、急冷を１０回繰り返した。その結果、電鋳層と積層した金属層の剥離、さらに金属層内の亀裂等の発生もなく、実用上問題のないことを確認した。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施形態にのみ限定されるものでなく、本発明の範囲内で適宜変更等が可能である。さらに、上記実施形態で説明した具体的数値等は、必要に応じて適宜変更可能である。

金型製作工程の概要の一態様を表す概略図（電鋳層なし）である。 金型製作工程の概要の一態様を表す概略図（電鋳層あり）である。

符号の説明

１：マスターモデル
２：皮膜層
３：電鋳層

Claims (4)

1. 成形品と同等な外形を有するマスターモデルの表面に向けて、粒径１〜５０μｍの固相状態の皮膜材料をキャリアガスとともに、速度３００〜１２００ｍ／ｓ、圧力５０〜１００ｐｓｉ及び噴射ノズルと金型背面との距離１０〜１５ｍｍで噴射して、該マスターモデルの表面に皮膜材料層を形成させる第１の工程と、
   前記マスターモデルの表面に形成された皮膜材料層を該マスターモデルから離型して金型を得る第２の工程と、を含むことを特徴とする、金型の製造方法。
2. 前記第１の工程がコールドスプレー法であることを特徴とする、請求項１に記載の金型の製造方法。
3. 前記マスターモデルがその表面に厚さ０．０５〜１．００ｍｍの電鋳層を有していることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の金型の製造方法。
4. 前記マスターモデルがその表面に電鋳層を有さないことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の金型の製造方法。

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