JP5077641B2 - 樹脂の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、樹脂の成形技術に関し、特に熱硬化性樹脂の成形に適した成形方法に関する。

いわゆる熱硬化性樹脂として、フェノール樹脂、エポキシ樹脂等が知られている。樹脂素材として一般的な熱可塑性樹脂は、分子構造が線状構造であるため、一度硬化しても熱によって容易に軟化するが、熱硬化性樹脂は、３次元的網目構造を有するので一度硬化したら再び加熱しても軟化しない特性を有しており、従って耐熱性を有する。また、熱可塑性樹脂は冷却により固化するのに対して、熱硬化性樹脂は加熱により硬化し、これらの樹脂では成形方法が異なる。
特開２００５−３４３１６９号公報

一般的な熱硬化性樹脂の成形では、熱硬化性樹脂の硬化温度以上に保持された金型のキャビティ内に、液状の熱硬化性樹脂を充填し、加熱して硬化させることが行われる。しかるに、特許文献１に開示されているように、熱硬化性樹脂は、キャビティ温度を上げれば硬化反応が促進され硬化時間が短くなるため、サイクルタイムを短縮することができ有利であるが、キャビティの温度が熱硬化性樹脂の沸点を超えると、液状の樹脂の一部が沸騰し、成形物中に多数の気泡が発生してこれが成形不良の原因となってしまうため、キャビティ温度を沸点以上に上げておくことはできないという問題がある。

また、熱硬化性樹脂にかかる成形圧力は、一般に高くするほど金型形状の転写性が良好になり、精度のよい成形品が得られる。しかし、成形圧力を上げすぎると、パーティングラインからの樹脂モレが発生し、これが充填不良やヒケやバリの発生などの成形不良の原因となる。特に、光学部品に用いられるような透明な熱硬化性樹脂は粘度が低いものが多いため、このような樹脂モレが顕著に発生しやすく、高精度で確実な成形を行う上で大きな課題となっていた。

この成形中の樹脂モレを避けるために、従来、キャビティ分割面の平面性を改善することや、キャビティ分割面に弾性のシール部材を設けることによって、キャビティのシール性を改善し、成形圧力を上げる工夫がなされてきたが、金型の加工コストを上昇させたり、部品点数が増えて構造が複雑になるため製造コストを増大させる原因になっていた。また、樹脂モレの発生なく成形圧力を高く維持するには効果も不十分であることがあり、高精度な成形を確実に実現するには至っていなかった。

また、樹脂の成形圧力が高すぎると、例えばゲートの断面積が狭い場合に、熱硬化性樹脂がゲートを通ってキャビティ内に押出される瞬間、熱硬化性樹脂の圧力が低下し沸点が低下するために材料が沸騰し、これが成形不良の原因となる。かかる不具合は、樹脂の流れる方向に断面積が狭い部分から広い部分ヘ不連続につながる形状をなくすことで対策が可能であるが、金型や製品形状など制約によって形状変更による対応ができない場合、成形圧力を下げ、樹脂の流速を下げる必要があり、これが成形時間を短縮できない原因となっている。

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、低コスト且つ短時間で高品質な樹脂成形物を成形できる樹脂の成形方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の樹脂の成形方法は、相対的に開閉可能な金型によって形成されるキャビティ内に液状の熱硬化性樹脂を充填し硬化させる樹脂の成形方法において、
熱硬化性樹脂の充填を終了するまでの成形圧力を１５ＭＰａ以下とし、熱硬化性樹脂の充填後から型開きを行うまでの間に、成形圧力を２０ＭＰａ以上に変化させることを特徴とする。

熱硬化性樹脂は硬化反応の進行に伴って粘度が上がるため、成形圧力を上げても、樹脂モレによる成形不良は発生しにくくなる。即ち本発明によれば、熱硬化性樹脂の充填を終了するまでの成形圧力を１５ＭＰａ以下とし、熱硬化性樹脂の充填後から型開きを行うまでの間に、成形圧力を２０ＭＰａ以上に変化させるので、従来技術よりも高い成形圧力で成形を完了させることができるため、キャビティに樹脂が高圧で密着されて、金型の転写性のよい樹脂成形物を得ることができるようになる。

加えて、本発明では、熱硬化性樹脂の充填時の成形圧力は、成形物にかかる最大の成形圧よりも低いので、熱硬化性樹脂の充填中に流速が不連続に変化する金型形状であっても、熱硬化性樹脂の沸騰による成形不良が生じにくくなるという利点もある。また、従来に比して成形圧力の最大値が高くなるので、気泡の巻き込みや樹脂内の反応生成物が成形物内に残留した場合にも、残留する泡の体積が小さくなり、例えば光学素子を成形した場合など、その光学性能等ヘの影響を小さくすることができる。

請求項２に記載の樹脂の成形方法は、請求項１に記載の発明において、成形圧力を前記２０ＭＰａ以上に変化させる前後またはその途中で、キャビティ温度を熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点以上の温度に変化させることを特徴とする。

上述したように成形圧力を上げることで熱硬化性樹脂の沸点が上昇するため、成形圧力を増大しない場合に比べて、さらに高温で成形を行うことができるようになり、硬化反応時間を短縮することができる。

請求項３に記載の樹脂の成形方法は、請求項１または２に記載の発明において、熱硬化性樹脂を前記キャビティ内に充填した後、成形圧力を前記２０ＭＰａ以上にした後、型開きの前に成形圧力を１５ＭＰａ以下にすることを特徴とする。型開き前に成形圧力を下げないと、場合によっては未硬化樹脂が吹き出す恐れもあるので、型開き前には成形圧力を１５ＭＰａ以下に下げた方が好ましいからである。

請求項４に記載の樹脂の成形方法は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、熱硬化性樹脂を前記キャビティ内に充填した後、キャビティ温度を熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点以上に昇温した後、型開き前に前記沸点未満の温度に降下させることを特徴とする。

樹脂成形物の熱収縮率がキャビティに対して大きいと、型開きの前にキャビティ温度を下げることによって、キャビティに対して樹脂成形物の体積が小さくなるので、その離型が促進され、樹脂成形物の取り出しが容易になる。その結果、樹脂成形物を取り出すために必要な力が小さくて済み、樹脂成形物を破損したりキズをつけたりすることが少なくなり、円滑な成形サイクルを継続することが出来るようになる。これにより成形機の稼働率が向上して、品質の良い樹脂成形物を高い歩留まりで、かつ低コストに得ることが出来るようになる。

特に、本発明では、熱硬化性樹脂の硬化反応時の成形圧力を高めて、キャビティ壁面に熱硬化性樹脂を高圧で密着させることで、成形転写性を高める工程を有しており、従来よりもキャビティ壁面に成形物が貼り付きやすく、更にキャビティを高温にする場合もあるため、型開き前に成形キャビティの温度を下げることで、離型性を大きく改善することができる。以上の発明において、キャビティ温度および成形圧力は連続的に変化させてもよいし、断続的に変化させてもよい。

請求項５に記載の樹脂の成形方法は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記キャビティ内に充填される熱硬化性樹脂は、光学的に透明であることを特徴とするので、光学素子の成形に好適である。本発明によれば、成形時のキャビティ温度を変化させて硬化速度を速くすることによって、粘度が低く流動性が高い熱硬化性樹脂内の対流を防ぎ、均質な硬化を実現することができる。 そのため、特に透明な樹脂を用いた光学素子などの成形物において、その光学性能を高く維持し高品質な成形物を得ることが出来る。

尚、複数のキャビティによる多数個取り成形により、樹脂漏れを低減して成形圧力を向上し、形状転写性の良い熱硬化性樹脂成形物を得ることが出来る。そのため、従来の熱可塑性樹脂成形では難しかった複数のキャビティで成形しても高い形状転写性を得ることが出来、樹脂の粘度が低く成形圧力が均等にかかり、硬化速度も速くできるので、高精度な成形物を高効率かつ低コストに成形することが可能となる。尚、「多数個取り成形」とは、一度の成形で複数の成形物を得る成形をいう。

本発明によれば、低コスト且つ短時間で高品質な樹脂成形物を成形できる樹脂の成形方法及び樹脂成形物を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、本実施の形態にかかる樹脂の成形方法を示す図である。図２は、成形サイクルにおけるキャビティ温度を示すグラフであり、図３は、成形サイクルにおけるキャビティ内の圧力（成形圧力）を示すグラフである。上型１０は、複数の上方キャビティ１１と、溝状のランナー１２とを有する。下型２０は、複数の下方キャビティ２１と、その間に形成されたスプール２２と、下方キャビティ２１を囲うように形成された段部２３とを有する。スプール２２と各下方キャビティ２１との間には、ランナー１２に向かって隆起したゲート部２４が形成されている。キャビティ温度は、上型１０又は下型２０内に配置したサーミスタ（不図示）などによって測定することができる。

まず、図１（ａ）に示すように、下型２０の段部２３内の上面に、シール部材３０を載置し、その上方に上型１０をセットする。その後、図１（ｂ）に示すように、下型２０に対してシール部材３０を介して上型１０を密着させて、所定の保圧にて型締めを行う。このとき、シール部材３０は上型１０と下型２０との間で弾性変形するので、キャビティ内に液状の熱硬化性樹脂を加圧して充填しても漏れることが抑制される。

更に上型１０と下型２０とをヒータ５０により加熱することにより、型締め時点でのキャビティ１１，２１の温度は、充填される熱硬化性樹脂の硬化温度以上、熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点（Ｔ₀）未満の温度に維持する（図２参照）。又、下型２０のスプール２２に、液状の熱硬化性樹脂を加圧しながら吐出できるノズルＮを接続する。ノズルＮは、不図示の源から、任意の圧力に加圧された状態で熱硬化性樹脂を供給される。

ここで、図１（ｃ）を参照して、ここで粘度の低い熱硬化性樹脂を、ノズルＮからスプール２２，ランナー１２及びゲート部２４を介して各キャビティ内部に注入する。このときの成形圧力（キャビティ内圧力）は、Ｐ₀＝１５ＭＰａ以下である。

所定量の熱硬化性樹脂の注入が完了したときから、ヒータ５０によりキャビティ１１，２１の温度を上昇させ、硬化反応前の沸点（Ｔ₀）以上であって、硬化反応時の沸点（Ｔ₁）に近づける（図２参照）。これと並行してノズルＮの吐出圧を上昇させ、成形圧力をＰ₁＝２０ＭＰａ以上とする（図３参照）。

その後、キャビティ内で加熱されることによって、熱硬化性樹脂がキャビティ１１，２１の形状を転写した状態で固化した後、キャビティ温度を熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点（Ｔ₀）未満の温度に戻すとともに（図２参照）、成形圧力を大気圧まで減少させる（図３参照）。

その後、上型１０を上方に移動させて型開きを行うと、フランジ部がシール部材３０に密着するように成形された樹脂成形物Ｍが露出する。そこで、図１（ｄ）に示すように、シール部材３０を下型２０から取り外すことにより、シール部材３０に付着した樹脂成形物Ｍを一緒に取り外すことができる。樹脂成形物Ｍはシール部材３０から容易に分離でき、更にゲート部に対応した位置で切り出すことで、キャビティ１１，２１の形状を転写した複数の光学素子ＯＥを得ることができる。以上で、樹脂成形の１サイクルが完了する。

本実施の形態によれば、キャビティ温度を熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点（Ｔ₀）未満で保持した状態で、熱硬化性樹脂を充填し、その硬化反応の途中で、キャビティ温度を沸点（Ｔ₀）以上に上げるので、熱硬化性樹脂の硬化反応を促進させることができ、硬化反応に要する時間を短縮することができる。

加えて本実施の形態によれば、熱硬化性樹脂の充填を終了するまでの成形圧力を第１の圧力（Ｐ₀＝１５ＭＰａ）以下とし、熱硬化性樹脂の充填後から型開きを行うまでの間に、成形圧力をそれより高い第２の圧力（Ｐ₁＝２０ＭＰａ）以上に変化させるので、従来技術よりも高い成形圧力で成形を完了させることができるため、キャビティに樹脂が高圧で密着されて、金型の転写性のよい樹脂成形物を得ることができるようになる。

更に、熱硬化性樹脂の充填時の成形圧力は、成形物にかかる最大の成形圧よりも低いので、熱硬化性樹脂の充填中に流速が不連続に変化する金型形状であっても、熱硬化性樹脂の沸騰による成形不良が生じにくくなるという利点もある。また、従来に比して成形圧力の最大値が高くなるので、気泡の巻き込みや樹脂内の反応生成物が成形物内に残留した場合にも、残留する泡の大きさが小さくなり、例えば光学素子を成形した場合など、その光学性能等ヘの影響を小さくすることができる。

本発明者が行った実験によれば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂（硬化反応前の沸点１３０℃）を用いて、成形を行ったところ、注入時よりキャビティ温度及び成形圧力を変化させない時は、成形に１時間かかった。これに対し、同じ樹脂を用いて、エポキシ樹脂を注入後に成形圧力１０ＭＰａに維持してキャビティ温度１２０℃で２分加熱後、成形圧力３０ＭＰａに増大してキャビティ温度１５０℃に昇温し３分加熱した。その後、成形圧力０ＭＰａに減少させキャビティ温度１２０℃に減少させて型開きした。これにより成形時間が５分に短縮され、気泡やヒケがない高品質な樹脂成形物が得られた。

以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。

本実施の形態にかかる樹脂の成形方法を示す図である。 成形サイクルにおけるキャビティ温度を示すグラフである。 成形サイクルにおけるキャビティ内の圧力を示すグラフである。

符号の説明

１０ 上型
１１ 上方キャビティ
２０ 下型
２１ 下方キャビティ
３０ シール部材
３１ ランナー部
５０ ヒータ
Ｍ 樹脂成形物
Ｎ ノズル

Claims (5)

1. 相対的に開閉可能な金型によって形成されるキャビティ内に液状の熱硬化性樹脂を充填し硬化させる樹脂の成形方法において、
   熱硬化性樹脂の充填を終了するまでの成形圧力を１５ＭＰａ以下とし、熱硬化性樹脂の充填後から型開きを行うまでの間に、成形圧力を２０ＭＰａ以上に変化させることを特徴とする樹脂の成形方法。
2. 成形圧力を前記２０ＭＰａ以上に変化させる前後またはその途中で、キャビティ温度を熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点以上の温度に変化させることを特徴とする請求項１に記載の樹脂の成形方法。
3. 熱硬化性樹脂を前記キャビティ内に充填した後、成形圧力を前記２０ＭＰａ以上にした後、型開きの前に成形圧力を１５ＭＰａ以下にすることを特徴とする請求項１または２に記載の樹脂の成形方法。
4. 熱硬化性樹脂を前記キャビティ内に充填した後、キャビティ温度を熱硬化性樹脂の硬化反応前の沸点以上に昇温した後、型開き前に前記沸点未満の温度に降下させることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の樹脂の成形方法。
5. 前記キャビティ内に充填される熱硬化性樹脂は、光学的に透明であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の樹脂の成形方法。

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