JP5776105B2 - 熱成形用の装置と成形方法 - Google Patents
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Description
そして、特殊な成形方法として成形サイクル中に賦形体を任意に加熱したり冷却しようとするときは、上記のジャケットに通す熱媒を途中で熱媒を変更したり、あるいは賦形体を別に温度調整した金型へ移しかえたりすることが行われる。しかしこのような方法では所望の熱処理を行った成形品を高速で連続的に効率よく製造することはできない。
また(5)特公平7−102608号は、高温の雌型で成形し、これに嵌合する低温の雄型に引き取って冷却し離型する方法を示しているが、これも金型移行の方法と云ってよく(4)同様に成形の変形やシワが問題となり、又オフセットやアンダーカットのある成形品には適用し難い。またこうした例とは別に、(4)(5)のようないわゆるCPETの成形では最初から高温の金型で成形すると、金型面で成形材料の滑りが悪いため波や凹凸などの不均一模様が出やすいというような問題もあり、これを避けるために最初低温金型で成形し高温金型に移行するプロセスも知られているが、これもやはり煩雑である。
また(6)特許4044876号の開示は、シート予熱時にサグ(加熱時のシートの垂れ下がり)が問題となりやすい樹脂材料の熱成形に関するもので、このような材料では通常、多孔の加熱板に材料シートを短時間吸着させて後、そこから離して賦形がなされる。この方法の場合は、熱板吸着時の傷あとなどを回避しようとするもので、加温された弱い空気の圧力でシートを下支えしながら加熱し、次いで熱板を通過させた空気で追加予熱しながら圧空成形するもので、賦形後に予熱温度以上の温度で熱処理することも、積極的に冷却して離型することも必要ではなく、これを行う示唆もされていない。なお、本発明の装置で延伸シートを成形する場合は予熱により収縮作用を起こすのでシートの端を固定してこれを行えば緊張状態となりサグの問題は発生しない。
また(7) 特許4057487号の開示する方法は、結晶性樹脂の熱成形に関し、加熱板に接触させて予熱されたシートを、熱板を通過する高温空気と成形金型にて圧空賦形し、次いで別に準備した冷却空気噴射の手段を運び込んで冷却するものであるが、この加熱板はシート予熱適温に調整されており、背後から加熱された空気が供給されて加熱圧空がなされる。この場合、加熱気体は加熱板中を通る導管内で冷やされ、また熱処理には非常な高温度気体を通す必要があの、その場合加熱板温度を局部的にして不均一にし、また材料シートを局部的に過熱し良好な成形に支障きたしやすく、また高温気体からの熱は容易に金型に逸散して短時間に容易にシートを高温にできず、高速成形ができない。
なお、(8)本発明者は本発明に関わりのある5件の先行出願を行っている。これらに関しては、本文中の関連箇所で適宜紹介して説明することとする。
樹脂シートの圧空ボックス機構による圧空成形を可能に装備し、冷却手段を成形型の近辺に配置して、圧空ボックス機構主体の成形型からの離反後に、成形型の上部に対してこの冷却手段を進退させるか、又は成形型をこの冷却手段の下部に進退可能にして、冷却媒体を噴射して上記樹脂シートの賦形体を冷却するように構成し、1)成形型として、熱浸透率(kJ/m2s1/2K)が0.01〜15である材料による厚み0.04〜30mmの表面層と、この表面層の背後に接してこの層の全展開面を定常的に均一な温度に加熱調整する手段を含む構成のものを用い、更に2)上記圧空ボックス機構には、その形成する圧空空間へ赤外線を放射するか又は加熱気体を送出して賦形体を加熱する手段を備えたものを用いる熱可塑性樹脂シートの成形装置を提供するものである。
なお、本発明において、成形型の成形用全表面を形成している表面最近の層を表面層と称するものとする。
なお、本発明では、成形材料シートの周辺以外はその材料に終始無接触で圧空空間を形成する機構を圧空ボックスの機構と称し、その全部又はその主たる部分を機構主体と称することとする。公知の圧空ボックスはこの機構に属するが、これに限るものではない。
なお、本発明においては、「賦形」ならびに「賦形工程」は成形の中の一部の操作を示し、「賦形体」は、成形型に保持された状態にある未完成の成形品を称するものとする。
なお、上記の展開面は、表面層の厚み断面にたいする広がり断面を意味し、下層との界面も外部表面も含まれるものする。なお、この成形型の表面層の材料の熱浸透率は10以下であることが好ましく、5以下であることが更に好ましい。また表面層の厚みは0.04mm以上であることが好ましい。
なお、背後層の熱浸透率は表面層のそれより2倍以上であるこが好ましく、10倍以上であることが特に好ましい。また、背後層の熱浸透率は3以上であることが好ましく、6以上であることが更に好ましく、10以上であることか更に更に好ましい。またこの成形用表面層の厚みは0.04mm以上であることが必要であり、また0.06mm以上であることが好ましく、0.1mm以上であることが更に好ましい。又同厚みは30mm以下であることが好ましく、10mm以下であることが更に好ましく、5mm以下であることが更に更に好ましい。
なお、表面層、背後層ともそれぞれが層として上記の制約を満たす限りにおいて単層であってもよく多層であってもよい。また、背後層の更なる背後については、あっても良くまたなくてもよい。
なお、温調手段は上記背後層の内部にあってもよくまた外部に付加されてもよい。また上記温調手段は加熱温調手段であることが好ましい
なお、揮発性液体を分割噴射する手段は、上記の進退可能な冷却手段に単独で搭載してもよく、また気体噴射手段と共に搭載してもよい。しかし、上記冷却手段に冷却媒体として気体噴射手段が搭載されている場合は、揮発性液体を分割噴射する手段は別の任意の場所に設置してもよい。なお、揮発性液体を分割噴射する手段は、気体噴射手段と併用されることは好ましい。なお、分割噴射(以下単に液体の噴射と呼ぶ場合もある)には、液適噴射、噴霧、気化噴射の何れも含まれるものとする。
以上
本発明の成形装置は、熱成形機である真空圧空成形機、若しくは圧空成形機、を構成するものである。真空賦形機能を持たない圧空成形機の場合は、少なくとも冷却工程で、賦形体を成形型へ吸引固定する機構を付加して構成させることが望ましい。圧空成形機には通常、加熱板または圧空ボックス、及び成形型を上下可動させる機構を有しており、これを利用して構成することができる。
本発明では、成形材料シートの周辺以外は成形材料に終始無接触で圧空空間を形成する機構を圧空ボックス機構と総称する。単純には圧空ボックスを使用すればよいが、後述するようにこれに限るものではない。なお、圧空ボックス機構は、加熱気体を送出して圧空賦形できることが好ましい。
本発明では、材料シートの直接予熱と圧空成形を同じ加熱板を用いて行う構成は採用できない。この構成とした場合加熱板温度は、予熱適正温度に限られ、これとはかけ離れた任意の温度の気体送出に支障をきたすからである。
本発明では、樹脂シートの予熱は、赤外線オーブン、熱風オーブン等を利用する間接加熱は公知のどのような方法も採用できる。しかし直接加熱の場合は圧空ボックス機構以外の加熱体との接触である必要がある。なお、本発明では特別な態様として予熱オーブン等の予熱手段を利用せず、特定の圧空ボックス機構を用いて、予熱と圧空賦形をほぼ同時に行うこともできる。
本発明ではプレス機の底板に特定構成の成形型を固定し、その直上の天板に上記の圧空ボックス機構又はその主体を固定し、両方又はそのどちらかが可動すなわち両者の接触と離反が可能なようにして、更に上記成形型の周辺に、圧空ボックスの離反移動後に成形型の上部に対して進退して賦形体を冷却する冷却手段を配置する。本発明の装置構成において、成形型は特に重要であり、後述する特定の構造と成形型表面をなんらかの方法で加熱する手段を有するものを用いることが特徴である。
このような、本発明の装置構成では、成形用の樹脂シートは、通常は先ず予熱オーブン等で予熱されて成形型の上に導かれる。そして予熱されたシートが成形型上に到着すると、直ちに成形型と上記圧空ボックス機構主体が接近して閉じた圧空空間を形成する。この空間には、直ちに圧縮気体が送られ圧空賦形とそれに続く熱処理がなされる。その後、圧空ボックスの離反移動した空間に後述の冷却手段が進入して賦形体を冷却して離型させる。図1及び図2は上記本発明の装置構成の例を示すものである。図1の構成では外部で加熱された、高温高圧の気体を導入して圧空成形がなされるが、図2の構成では常温の圧縮気体を用いて圧空成形がなされる。各図に基づく説明は後に譲る。
なお、圧空ボックス機構あるいは成形型の移動は、必ずしも垂直な上下動でなくてもよく、それぞれ任意に斜め方から接近して圧接し離反してもよく、また特定の軌道で接近し圧接して離反してもよい。
なお、圧空ボックスと成形型の位置関係は相対的なものであり、圧空ボックスの上昇は成形型の降下と同義であって成形型を降下させてもよく、また両者を関係を倒置して圧空ボックスを下に成形型上に配置させてもよい。また、特別な態様として、プレス機を横転させてもよく、重量の大きい成形型等を、軽快に開閉でき好ましい方式として利用できる。何れも本発明に含まれる。
なお、特別な態様として、上記のように冷却手段を成形型上部に移動する代わりに、賦形体を保持した成形型を冷却手段の下部に移動させてもよい。
なお、本発明を構成する熱成形機は、短尺の材料シートを一枚ずつ成形する枚葉成形機であってもよく、また長尺の材料シートを一方の端から順次に成形する連続成形機でもよい。
本発明の発明者(以下本発明者と称する)は同発明者の先行出願である特願2010−118555に示されている成形型を用いた具体的な装置構成を特願2011−41294として出願している。
本発明は、上記出願に示されている成形型、及び新たに手続き中の出願に開示している新規の成形型を用いた上記とは別の装置構成を考案したものである。なお、本発明とは別に本発明者は、ほぼ同様の成形型を用いた別の装置構成も考案し出願手続き中である。
本発明における、上記圧空ボックス機構は、その周辺部と成形型(あるいは成形型収納ボックス周辺部)で樹脂シートを挟みながら、圧空ボックスはその周辺部以外は樹脂シートと一度も接触することなく、成形型の全面を覆って閉鎖空間(圧空空間)をつくり、その空間に圧縮空気を送り出すための機構であり、その機能を果たすものはどのような形態ものであってもよい。単純には圧空ボックスを使用すればよいが、これに限るものではなく、またその形も方形限らず、円筒形、多角形、ドーム形など、どのような形でよい。
具体的な形態例は図1及び図2に示した。しかし、これらの例のように初めから空間を形成していなくてもよく、特殊な態様として、公知の圧空ボックスではなく、公知の加熱板状体様の形態のものであっても、後述する図3のような構成にすれば、樹脂シートと接触させずに圧空空間を形成させることができ、これも本発明の圧空ボックス機構とすることができる。
圧縮気体は、空気、窒素、二酸化炭素などを圧縮したものが用いられ、高温の圧縮気体は、これらの圧縮気体を別の加熱装置で加熱したものが利用される。なお高温の圧縮気体には、これらに水分を含んだ乾燥過熱蒸気も好適に利用できる。
なお、高温圧空を行う圧空ボックス機構には、外部から加熱圧縮気体を導入してもよいが、常温圧縮気体を導入して圧空ボックスの中で加熱するようにしてもよい。
導入される圧縮気体の温度は250〜600℃であることが望ましい。また
噴射孔からの噴射気体温度は250〜500℃であることが望ましい。気体の熱容量は小さいので、その熱量は賦形体を通じ成形型に散逸しやすく、この温度以下では十分に迅速な昇温ができない。
なお、高温圧空を行う圧空ボックス機構の、成形型に対面する面は赤外線の放射ができることも望ましく、具体的には放射効率の高い表面特性を持ち、そして高温に保持されていることが望ましい。またこの場合、常温気体により圧空賦形を行うように構成してもよく、加熱気体による圧空賦形を行うように構成してもよい。
なお、本図は樹脂シートの圧空賦形と、高温設定の成形型との接触による熱処理後で、成形型上部に進行したし冷却手段40による冷却工程を示したものである。
1)上記圧空ボックス機構の上記とは別の態様として、常温気体あるいは加熱気体を噴射するように構成された加熱板と、成形型収納ボックスの壁面により上記の機能を有する圧空空間を形成させることができる。図3でこれを説明する。ここでは、先ず予熱された樹脂シートが成形型を収納した収納ボックス67の上に導入し、次いで成形型側から少し真空引きして、樹脂シートを引き込み状態又は半賦形の状態にした後、圧空ボックスの構成主体(すなわち加熱板)10を降下させて樹脂シートの縁部を押圧する。このとき圧空空間18が形成される。この場合、加熱板10と成形型収納ボックス67の上端部で圧空ボックス機構を形成しているものみなすことができ、実質的にもその機能を果たすことができる。なお、この例では圧空ボックス機構主体は、11の本体、12の加熱ヒーター、13の加熱圧縮気体導入路、14の分岐空間、15の噴射孔、17の断熱材から構成されている。なお40は冷却手段、60成形型構成であり、これらについてはそれぞれ別の欄で詳述する。
2)上記圧空ボックス機構の上記とは別の態様を説明する。上記圧空ボックスと成形型に保持された樹脂シートで形成する圧空空間から、気体を外部へ逸散させながら上記圧空ボックスから圧空空間内へ気体を送出する手段を備えることは非常に好ましい。この手段により、気流が生まれ効率的に熱処理昇温ができるようになる。具体的には、例えばa)圧空ボックスに小さな排気口を設ける、b)成形型収納ボックスの壁面上部に小さな窪みを設ける、c)圧空ボックスと成形型を微細で精密に離反作動する制御機構を付加するなどの方法を挙げることができるがこれらに限るものではない。
このような手段で、一部の気体を排気しながら圧空賦形してもよく、圧空賦形直後に排気を作動させて気体送出を続けるようにしてもよい。前者の場合は、圧空賦形圧が低下することになるが、それを見込んで設計すれば問題はない。
3)上記圧空ボックス機構の上記とは別の態様として、赤外線照射の機能を付与した前記の圧空ボックスを用いた場合について説明する。すなわち、圧空賦形後、高温気体送出と併用せず赤外線のみによる熱処理昇温させるように装置構成してもよい。その場合、圧空賦形のためには常温気体を用いてもよく、又加熱気体を用いるようにしてもよい。
4)上記圧空ボックス機構の上記とは別の態様を説明する。すなわち、圧空ボックス機構により、樹脂シートの予熱と賦形を同位置で、そして場合によってはそれを殆ど同時に行うことのできる構成である。その1つは、予熱されていない樹脂シートを、赤外線照射の機能を有する前記圧空ボックス位置に導入して赤外線による予熱を行って、あるいは予熱を行いながら圧空賦形を行うように構成である。別の1つは、加熱気体を微速で噴出させて予熱を行いながら圧空賦形を行う構成である。なお、両者を共に行う構成であってもよい。
5)上記圧空ボックス機構の上記とは別の態様を説明する。すなわち、圧空ボックス機構に通常プラグと称される物体を取り付け、プラグアシスト賦形を行うことのできる構成にすることができる。この場合、プラグからは送出する低温気体により圧空賦形を行い、圧空ボックス本体からは送出する高温気体により賦形体の昇温を行ってもよい。なお、プラグは圧空ボックス本体に固定取り付けでも良く、またプラグのみが進退可能であるよう取り付けてもよい。
冷却手段は、成形型または成形型群の略全面を覆う寸法と形状を有し、成形型に向けて多数の開口を設けるか又はノズルを装着し、冷却用媒体を噴出させる構造のものであれば、どのような構造のものも用いることができる。冷却手段は、上記成形型の周辺に駐在し、加熱板の離反移動後に、成形型の上部に対して進退するように構成させる。
なお、本発明の構成に使用する冷却手段では上記ノズルは個々に拡散噴射のできる構造であることが好ましく、また、大きい成形型あるいは複数個の成形型を用いる場合は複数の噴射ノズルをもった冷却手段が好ましい。なおまた、すくなくとも冷却工程では、賦形体を成形型へ吸引固定する機能が作動するように構成することが望ましい。
なお、上記態様に限らず本発明に用いられる冷却手段は、作動位置に進入後に下降しながらあるいは、下降して冷媒噴射をする手段が付加されたものであることは非常に望ましい。
なお、上記態様に限らず本発明に用いられる冷却媒体としては、水やアルコール等の揮発性液体、空気、窒素、二酸化炭素などの圧縮された気体を単独、あるいは併用して用いることができる。揮発性液体の場合は、単独で分割噴射してもよく、噴射前の気体中へ噴射するなどしてもよい。冷却用気体は通常温度のものでもよいが、冷却したものも好ましく利用でき、断熱膨張の冷却効果やドライアイスによる冷却を利用してもよく、あるいはドライアイスの粉粒の混合した気体噴射も利用できる。
この態様の例の1つを図5に示す。冷却手段40は、函状体からなる本体44、冷却用圧縮気体の導入路41、空間42、気体噴射ノズル43、揮発性液体導入路48、揮発性液体の噴射ノズル49から構成される。気体噴射と液体噴射は同時に行ってもよく、また任意に時間を分けておこなってもよい。この態様は強力な冷却ができ好ましい。
本発明の構成には、成形型して熱浸透率(kJ/m 2 s 1/2 K)が0.01〜15である材料により成る表面層と、この表面層の背後に接してこの層の全展開面を定常的に均一な温度に調整する手段を含む構成のものを用いる。このような成形型の一部については、本発明者を発明者とする先行出願の特願2010−118555に開示しているものでる。また成形型の他の一部については、本発明者を発明者として別途出願手続き中のものである。
熱浸透率(kJ/m 2 s 1/2 K)が0.01〜15である材料は、プラスチックス、セラミックス、選ばれた少数の種類の金属材料等を挙げることができ、これらは熱成形の金型として通常使われるアルミニウム材、亜鉛合金材等よりも小さな値のものである。参考のために、幾つかの材料の熱浸透率を表1に示す。この表の記載は、採否を限定するものではなく、強度等他の物性から採用し難い材料も含まれる。また表に記載のないものも任意に利用してよい。
なお、表面層材料の上記の熱浸透率は、10以下であることが好ましく、5以下であることが更に好ましい。またこの表面層の厚みは0.04mm以上であることが好ましく、また0.06mm以上であることが更に好ましく、0.1mm以上であることがまた更に好ましい。又同厚みは30mm以下であることが好ましく、10mm以下であることが更に好ましく、5mm以下であることがまた更に好ましい。
なお、成形型は、熱成形型の通常の方法として賦形時の排気を行う微細孔が設けられ、真空吸引できるように装備される。
なお、上記熱浸透率の意味と各種材料のデータについては後に「本発明の内容についての補足説明」の欄と表1で詳述する。そして、また上記の数値限定の意義にいても同欄で説明する。
なお、背後層の熱浸透率は、表面層のそれより大きくかつ、3以上であることが好ましく、6以上であることが更に好ましく、10以上であることか更に更に好ましい。また表面層のそれより2倍以上であることが好ましく、10倍
以上であることが特に好ましい。なお、背後層の厚みは限定するものではなく、また一定の厚みあるいは形状に限定するものではない。またこれを単一材料の層に限定するものではなく任意の多層にしてもよい。
材料により表面層を形成させ、表面層の背後をなす背後層を表面層より大きな熱浸透率を有する材料で形成させ、この背後層の内部または外部に温調手段を付加させた構成を示すことができる。
背後層の熱浸透率は、表面層のそれより大きくかつ、3以上であることが好ましく、6以上であることが更に好ましく、10以上であることか更に更に好ましい。また表面層のそれより2倍以上であることが好ましく、10倍
以上であることが特に好ましい。なお、背後層の厚みは限定するものではなく、また一定の厚みあるいは形状に限定するものではない。またこれを単一材料の層に限定するものではなく任意の多層にしてもよい。
なお、熱媒通路65などの加熱手段はこの位置に設けず、成形型を固定する固定板に任意の加熱手段を設けるようにしてもよい。
より表面層を形成させ、その背後の略全面に直接して加熱温調手段を展開した構成とする。この場合の表面層の構成は材料、寸法形状ともに上記態様と同じであり、望ましい構成も同じである。一方加熱手段の更なる背後については背後物体の有無、あるいは材質、形状ともに特に制約するものではない。
前記した本発明の装置を用いて、樹脂シートの予熱工程、賦形工程、この予熱工程よりも高温で熱処理する熱処理工程と、そして冷却工程を備える熱可塑性樹脂シートの成形方法を実施することができる。又これらの工程を高速で進めることができ、長尺の成形材料樹脂シートを用いて効率的な連続成形を行うことができる。
代表的な方法としては、先ず樹脂シートを赤外線オーブン、熱風オーブン中に送って予熱し、ここで予熱されたシートを成形型と圧空ボックス機構の間に送る。次いで成形型と圧空ボックス機構で、予熱されたシートを挟み込み圧空賦形と加熱処理が相次いで成される。ここで加熱された賦形体は、そのあとで接近してきた冷却手段の冷却媒体噴射により冷却され、離型されて成形品となる。
なお、予熱工程は特別な態様として予熱オーブン等の予熱手段を利用せず、圧空賦形位置で、加熱気体の送出あるいは赤外線放射により予熱と圧空賦形をほぼ同時に行うこともできる。上記の熱処理工程では、高温の成形型面で、そしてあるいは圧空空間に噴出される高温気体により賦形体の温度は賦形時の予熱温度以上に高められる。
なお、賦形体の変形を防ぐために、賦形体を成形型の真空引きによる賦形体の固定を、少なくとも冷却工程を通して行うことが必要であり、なお賦形以後の各工程を通じてこれを行う事が望ましい。
なお、本発明の装置では、真空賦形に続いて、前記の高温圧縮気体による昇温熱処理も行うこともできる。後者の方法は、樹脂シートが薄くて熱に敏感すぎる場合などに好適である。
通常の熱成形は、樹脂シートの予熱、賦形、冷却、離型の過程を経てなされる。これに対して本発明では賦形から冷却までの間に、樹脂シートの賦形時以上の高温の熱処理を行うことが特徴であり、また均一な製品を高速連続成形できることが特徴である。
本発明の方法に適する成形材料については後の「本発明の装置構成の利点と応用分野」の欄で述べる。
図9の太線部分は賦形体が成形型表面と接触した状態を、細線部分は賦形体が除去されている状態を示す。ここでは、シートの予熱温度は示されていないが、当然上記最高点より下回り、延伸PET材料の例を挙げるなら、予熱適温は80〜100℃程度であり、熱処理適温は上記表面温度(賦形体との界面温度)で160−190℃程度であり大きな差がある。
なお、図6に示すaゾーンで賦形体の高温気体による加熱ブロウが行われ、bゾーンでは冷却ブロウがおこなわれ、cゾーンでは賦形体の離型排出と新成形材料の配置が同時に行われる。なお、賦形工程は、実際的には高温気体による圧空賦形を行うかあるいは真空賦形を行いながら高温気体ブロウを行えばよい。賦形は瞬時なされ、実質的に賦形と殆ど同時にaゾーンが始まる。
また、図9では、aからcまでの1サイクルの更なる詳細を1〜5のように区分して示しているが、1では、背後層の高温により表面温度の自然回復がなされ、2では背後層温度と高温気体の両者により、3では高温気体のみにより表面温度の上昇がなされる、4背後層温度と冷却ブロウの両者により、5では冷却ブロウによってのみ表面温度が冷却されて離型可能な状態になる。
なお、図10に示すaゾーンでは成形型からの伝熱により賦形体の昇温加熱が行われ、bゾーンでは冷却ブロウがおこなわれ、cゾーンでは賦形体の離型排出と新成形材料の配置が同時に行われる。なお、賦形工程は圧空賦形又は真空賦形の方法で瞬時に行われ、工程の終了と殆ど同時にaゾーンが始まる。aゾーンでは、圧空賦形後の空気ブロウは停止される。パターン場合と同じに、賦形工程に続けて加熱ブロウを行うことも可能であるが、その場合は加熱ブロウ温度が十分高いことが望ましい。それが十分に高くない場合は昇温を阻害し好ましくなく、図1の装置構成では十分に高い空気温度が得られない。
(本発明の装置構成の利点と応用分野)
2)本発明者を発明者とする特願2011−41294の装置では、圧空ボックスと冷却手段を重ねて一体とした構成となっていて、圧空手段と冷却手段の交代移動がなく、連続高速成形に好都合である。
これに対して本発明の装置では、圧空手段と冷却手段の交代移動を行うので、冷却手段が圧空賦形の障害にならず、冷却手段を自由に設計でき強力な冷却が可能となっている。また、プレススパンの比較的小さな既存熱成形機
でも装置構成することができる。
3)延伸材料の成形では、延伸ポリエステルの熱固定成形に特に好適に利用でき、その他にも、熱可塑性ポリエステル樹脂、PLA樹脂、ポリプロピレン、ポリアミド、PEEK等の結晶性樹脂の延伸シートの熱固定成形り利用できる。またその中でも延伸ポリエチレンテレフタレート樹脂シートの熱固定を伴う熱成形に特に好適に利用することができ、予熱の適温の80〜100℃に加熱し、熱固定に適する160〜190℃に迅速に加熱しそして迅速冷却離型するというプロセスを担うことができる。そして安定で効率よくまた連続的に高透明、高耐熱で高剛性の好ましい成形品を得ることができる。
4)延伸処理を行っていない材料の成形では、例えば(1)通常の結晶性PET(CPET)の成形、あるいはまた(3)ポリプロピレンのSPPF成形(固相高圧成形)に応用し、この成形方法の欠点を解決(残留応力歪みを緩和して耐熱寸法安定性を向上)する新規の方法等を提案することができる。
(本発明の内容についての補足説明)
本発明の規定値として用いた熱浸透率(b値)は接触する物体と界面を通過して移動する熱量にかかわる物体の特性値であり、次の式で求められる。
b= (λρC) 1/2 ・・・・・(1)
λ; 熱伝導率(Js −1 m −1 K −1 )
ρ; 密度(kgm −3 )
C; 比熱(Jkg −1 K −1 )
このb値が小さい物体は界面に少ない熱量しか流さず相手物体に大きな温度変化を与えず、また界面間近では相手物体から大きな温度影響をうける。
従って、このb値が小さい材料を成形型表面材料として用いた場合は賦形体からの熱を拡散させないので、高温気体と冷却用気体により賦形体を容易に加熱冷却することができる。しかし背後層の熱を容易に表面層表面(賦形体体との界面)に伝えないので、表面温度の均一性が高く、高速で安定な条件設定のためには、表面層の厚みを小さくするか、あるいはこのb値をある程度大きくすることにより、成形材料に合わせて最適にすることができる。
なお、b値の参考例を示すと例えば、アルミニウム材は17〜23程度、鉄材は13〜16程度、銅34程度、不錆鋼(SUS306)は8.0で、多くの合成樹脂は0.2〜0.8程度、多くのセラミックスは1〜20の間に入る。
なお、表1にいくつかの材料のb値を例示する。なお、b値も測定温度により若干違った値を示すが、本願においては、厳密には20℃の測定値にて規定することする。 ただし、20℃から200℃の間の変化に直線性を有しない材料、例えば相変化を伴う蓄熱剤などとの複合材料の場合は、100℃、150℃の値の平均値を採用することとする。
なお、同じ材質でも、発泡体あるいは多孔体などに形状が変われば、この値が大きく変わることは留意を要する。
上記成形型の表面層として熱浸透率b値の大きな表面材料を用いた場合は、賦形体から容易に熱を背後に分散させてしまうので、熱容量の比較的に熱容量の小さい加熱空気や冷却空気では容易に賦形体を加熱冷却できなくなり、この値が10を超える材料である場合は、能率的に熱処理を行う成形を行うことができない。この値は小さいほうが好ましいが、0.01より小さいものは強度など使用に耐える材料がない。
上記の成形型において2層以上の構造とし、表面層の背面層を一定温度に制御して、賦形体を介して加熱気体および冷却気体により昇温降温変化する表面層の成形面温度を所望の基準温度へ迅速に回帰させることができる。
この場合、表面層の厚みが30mmを超える場合は背後層の制御が、上記表面温度と呼応して定常状態に至る時間がかかりすぎ、実施的に効果がない。また、この厚みが0.03mmを下回る場合は背後層の温度の影響を大きく受けて、迅速な賦形体の昇温降温を促進する効果がなくなる。例えば、公知の成形方法において、潤滑離型のために金型に仮に弗素樹脂等のコートが成されることがあったしても、そのコート厚みは30μm程度以下の薄いものであり、それを厚くする必要もなく又厚くするには困難もあって、本発明の効果を発揮させるよう成形型は従来製作されてこなかった。
なお、上記したように単体一材料のものでも良いが、この場合、成形型への直接の温度制御はあってもよく、またなくてよく、その場合は所望表面温度の定常化に多少の時間をかければ所望の温度で成形は可能になる。しかし、この場合、熱浸透率b値(kJ/m 2 s 1/2 K)が0.01〜3の単一材料で構成してされたものでは加熱温調機構がないものが好ましく、またそれが3以上の単一材料で構成されたものは加熱温調機構を備えたものがより好ましく使用できる。
なお、上記の成形型は、真空賦形又は賦形時の排気が可能にする微細孔を有し、真空引き可能なように先記成形型収納ボックスに収納されることが望ましい。
なお、本発明の装置においては、なんらかの方法で成型型表面温度あるいはと型と賦形体の界面温度の変化、または賦形体の温度変化を測定することは重要である。具体的には例えば、成形型の成形面上に、極めて繊細な測定プローブ、例えば線径0.1mm程度の熱電対先端を突出させておいてこれを測定することができる。別の方法としては賦形体を反対面から赤外線温度計非接触で測定する方法がある。しかし、これらには留意すべき点がある。
前記のS線の温度はパターンA、Cでは、成形型自体を積極的に温度調節制御を行うが、それでも成形表面からの距離、あるいは熱源からの距離によっては温度傾斜をもって、成形サイクルを繰り返す中で定常化する値でもある。
賦形材料の熱処理温度あるいは離型可能温度を厳密に考えるとき、これらの温度はここで示される表面温度あるいは界面温度とはかなり乖離があることは留意する必要がある。秒単位あるいはそれ以下の単位で加熱冷却を行う場合は、賦形体の厚み方向で大きな温度傾斜が発生するからである。また、赤外線等で賦形体裏面から温度測定も、材料温度を正確に表すものでなない。また本発明では表面温度(界面温度)で表現しているがこの温度とも乖離があり、相対的な値として考慮する必要がある。
1)成形材料;ホモポリエチレンテレフタレート樹脂の2.5倍一軸延伸シー(但し熱固定を行っていないもの)、厚み0.23mm非熱固定品を使用した。
2)成形装置
成形機; 枚葉真空圧空成形機、圧空能力10tonのものを使用した。
圧空ボックス; 図2の30に示す常温圧空方式の、アルミニウム材で320× 360mm圧空面(ボックス内寸)を持ち、間隔10mmの碁盤格子 の交点毎に径1mmφの噴射孔を穿った噴射面をもつものを使用し た。
冷却手段;図4に示す方式のものを使用した。
成形型; 図2の60に示す表面層/背後層方式のもので、アルミニウムA 5052を背後層とし、その上にPEEK樹脂(b値は0.35) 0.2mmの表面層を形成させたものを使用した。
成形物は深さ直径90mm、深さ30mmの丸皿形状物で、成形型
外寸を110mm角としたもの6個を加熱ヒーター内蔵の固定板に固 定し、内寸222×332mmの収納ボックスに収めた。なお、成形 型の上面は収納ボックス側壁より3mm低くなるようにし、又側壁と は1mm間隙を設けた。
温度測定;成形面には細線熱電対先端露出させ、成形面温度及び 賦形体
界面温度を測定できるようにした。また、同様に細線熱電対を加熱板の裏から貫通させて配置して圧空温度の測定ができるようにした。
3)成形方法と成形条件;
樹脂シートの予熱; 予熱オーブンで約95℃に予熱
背後層温度; 195℃(固定板温度とほぼ等しい)
成形面予熱温度; 180℃
圧空ボックスへの導入空気; 25℃ 元圧力0.4MPa
圧空真空圧空賦形;6秒、 圧空圧0.4MPa、圧空空間は閉鎖空間であり、実 質的に賦形後のブロウは行われていない。圧空温度約60℃(セン サー位置により少し変わる)熱処理温度(界面温度);約172〜 177℃(部位によるバラツキ)、賦形時に上記表面温度は瞬間的に 約160℃に低下し、回復してこの温度になった。
冷却手段作動時間 ; 3秒
離型時に表面(界面)温度は120℃に低下し、その後数秒で元の設 定温度に回復した。
4)成形結果;
得られた成形品は、点状マーク、火傷状マークなどがなくつややかな外観で透明度が高く優れたものであった。耐熱120℃のシリコンオイルの2分間浸漬試験では、目立った変形、収縮はなく、耐熱性の優れたものであった。使用した成形型では、表面温度設定が容易で、又容易にブロウ冷却ができ、そして、表面温度の回復が速く、高速成形ができることがわかった。
なお、なお、短尺シートによる、繰り返しテストでも安定に成形できることがわかった。
1)成形材料; 実施例1と同じもの
2)成形装置
成形機;実施例1と同じものを使用した。
圧空ボックス;図1に示す態様で、実施例1に示すものと同形、同寸法であるが加 熱ヒーターを内蔵し、導入気体及び気体送出面(成形型対向面)を加 熱する構造とした。なお気体送出面には耐熱黒色塗料を塗布して赤外 線放射効率を高くした。
なお、圧空ボックス側壁には各面に排気口を設け、任意に必要な程
度に排気できるようにした。
成形型 ; 実施例1と同じものを、同じ構成で使用した。
3)成形方法と成形条件 ;
樹脂シートの予熱;実施例1と同様にした。
背後層温度;220 ℃設定(固定板温度とほぼ等しい)
成形型設定表面温度;185℃
成形型/賦形体界面の到達最高点温度 ;195℃
加熱板への導入空気; 温度350℃、元圧0.4MPa
圧空真空圧空賦形; 3秒、 圧空圧0.2MPa、
圧空空間は完全閉鎖でなく、高温圧空空気の排気がなされながら賦形と 賦形体の昇温が行われた。
圧空温度は約280℃(センサー位置により変わる)となった。
冷却手段の空気ブロウ時間 ; 6秒
離型時に表面(界面)温度は130℃に低下し、その後数秒で元の設定 温度に回復した。
4)成形結果 ;
得られた成形品は、点状マーク、火傷状マークなどがなくつややかな外観で透明度が高く優れたものであった。150℃のシリコンオイル二分間浸漬テストで、目立った変形や収縮はなく耐熱の優れたものであった。なお、短尺シートによる、繰り返しテストでも安定に高速成形ができることがわかった。
1)成形材料; 実施例1と同じもの
2)成形装置
成形機;実施例1と同じものを使用した。
圧空ボックス;図1に示す態様で、実施例2に使用したものを使用した。
加熱ボックスには外部生成した加熱圧縮空気を導入できるようにし た。
成形型 ;図8の説明で示した発熱層を有する構造のもの。
3)成形方法と成形条件 ;
樹脂シートの予熱;実施例1と同様にした。
成形型設定表面温度;185℃ (背後加熱層の加熱により)
成形型/賦形体界面の到達最高点温度 195℃
加熱板への導入空気; 温度350℃、元圧0.4MPa
圧空真空圧空賦形; 3秒、 圧空圧0.2MPa、
圧空空間は完全閉鎖でなく、高温圧空空気の排気がなされながら賦形と賦 形体の昇温が行われた。
圧空温度は約280℃(センサー位置により変わる)となった。
冷却手段の空気ブロウ時間 ; 6秒
離型時に表面(界面)温度は130℃に低下し、その後数秒で元の設定温度に回 復した。
4)成形結果 ;
得られた成形品は、点状マーク、火傷状マークなどがなくつややかな外観で透明度が高く優れたものであった。150℃のシリコンオイル二分間浸漬テストで、目立った変形や収縮はなく耐熱の優れたものであった。なお、短尺シートによる、繰り返しテストでも安定な高速成形が可能とわかった。
(比較例1)
成形型; 一般的に用いられるアルミニウム材A5052製の単純構成のものを、 実施例1同様に加熱ヒーター内臓の固定板に固定して、成形型収容ボック スに収容して使用した。
樹脂シートの予熱; 95℃ 実施例1同様に予熱。
圧空ボックスへの導入空気温度; 25℃
真空圧空賦形; 0.4MPa、3秒(但し成形型側の真空引きも同時作動させ た)圧空空間は閉鎖されており、実質的に賦形後のブロウは行われていな い。圧空温度約70℃(センサー位置により変わる)成形型表面温度;固 定板温度調整により185℃予熱して成形テスト。
賦形の瞬間に、成型型表面温度(界面温度)は約10℃低下し、熱処理温 度は約175℃となった。
冷却手段作動時間;20秒
離型時の成型型表面温度(界面温度)は大約155℃であった。
テストの結果;
成形品は、上記表面温度の予熱を175℃とし、冷却ブロウ時間を20秒として、一応の形状を保って離型できたが、十分に精密なものではなかった。更にこの方法は、長い冷却時間とともに、離型後の上記表面温度の予熱温度への回帰に少なくとも10秒程度の時間を要し、高速の連続成形に適し難いことがわかった。
(比較例2)
成形型;ウレタン樹脂発泡体(三洋化成製、サンモジュール33)から切削加工によ り製作した公知の単純構成ものを、加熱ヒーターを内臓するアルミニウム製 固定板に固定した構成とした。
樹脂シートの予熱;95℃ 実施例1同様に予熱。
成形型表面温度;34〜54℃(部位による差20℃)
固定板温度を成型型材料の耐熱(70℃)を超える90℃設定して予熱して もこの程度にしか上昇させることができなかった。
(なお、テストの最後に固定板温度を120℃に設定したとき成形型は破損 した。)
賦形圧空;0.4MPa、4秒 圧空空間の温度約75℃
(但し成形型側の真空引きも同時作動)
冷却手段作動時間;4秒。
テストの結果;
熱処理には成形型表面温度は少なくとも160℃程度に達することが必要であるが、この温度への到達は全く無理であった。得られた成形品は透明であるが、耐熱性は65℃程度しかなかった。
(比較例3)
成形型; 比較例1のテスト1に使用したものを同じ固定板に固定して使用した。 樹脂シートの予熱;95℃ 実施例1同様に予熱。
成形型表面温度;固定板温度の設定調整により、155℃に予熱してテストした。
加熱板への導入空気; 温度400℃、元圧0.4MPa
真空圧空賦形;0.2MPa、6秒
(但し成形型側の真空引きも同時作動)
圧空空間は完全閉鎖でなく、高温圧空空気の排気がなされながら賦形と賦 形体の昇温が行われた。
成形型表面(界面)温度の降下はなく、約10℃上昇し約170℃になっ た。
冷却手段作動;空気ブロウを20秒作動させて離型、
テストの結果;
成形品は、20秒という長時間冷却ブロウで、一応の形状を保持して離型できたが、十分に精密なものではなかった。
なお、成形品には、高温気体排気口の跡が表れ、繰り返しテスト中に、排気口付近の高温化しその欠陥が大きくなった。なお、離型後の上記表面温度の設定予熱温度への回帰も少なくとも10秒程度の時間を要し、この装置構成は高速の連続成形に適し難いことがわかった。
(比較例4)
成形型;比較例2に使用したものを同じ構成で使用した。
樹脂シートの予熱;95℃ 実施例1同様に予熱。
成形型表面予熱温度;75℃
但し固定板加熱に合わせて約300℃の熱風ブロウによりこの温度に予熱 した。
加熱板への導入空気温度; 400℃
真空圧空賦形;0.2MPa、 8秒
(但し成形型側の真空引きも同時作動)
圧空空間は完全閉鎖でなく、高温圧空空気の排気がなされながら賦形と賦 形体の昇温が行われた。
成形型表面(界面)温度の降下はなく、183℃に上昇した。
冷却手段作動;空気ブロウを5秒作動させて離型、
離型時の成形型表面(界面)温度は113℃であった。
テストの結果;
最初に得られた成形品は、良好で耐熱性もあった。
この装置構成では、冷却は非常に容易であるが、大幅な昇温のために過酷な加熱条件設定が必要であった。そのため繰り返しテストを行うと、成形型表面層の部位による温度ムラが次第に大きくなり、遂には、エッジ部などが過熱で亀裂を生ずるなど成形に支障を来し下した。
(1)賦形のための予熱温度以上に賦形体の加熱する熱処理と冷却離型を伴う成形プロセスを、非常な高速で、連続的に、効率的にそして安定に実行することができる。
(2)結晶性樹脂の延伸シート、例えば延伸PETシート材を上記のような熱処理を行う熱成形を行うことにより、耐熱性、透明性、剛性等の機械強度の優れた熱成形品を能率よく生産することができる。そして剛性の向上を利用して薄肉した省材料の製品化は大いに期待される利点である、
(3)変動温度の測定結果を反映させ、加熱条件及び冷却条件を調整または制御することにより、最適製品、最短サイクルを容易に実現でき、安定な制御を行うことができる。また、短時間に安定生産条件に移行することができる。
(4)均一な成形品、多数個成形ではバラツキの少ない成形品を効率良く生産することができる。
(5)広範囲種類の成形型あるいは成形材料を選んで成形に利用することができる。
(6)エネルギー消費を節約した生産を行うことができる。
(7)なお、本発明の装置は結晶性樹脂の延伸シート以外の材料、例えば延伸されていない材料、例えばCPET材料など広範囲に応用することができる。
11 機構主体(加熱板)
12 加熱ヒーター
13 加熱圧縮気体導入路
14 分岐空間
15 気体送出孔
17 断熱材
18 圧空空間
30 圧空ボックス
31 圧空ボックス本体
32 加熱ヒーター
33 圧縮気体の導入路
34 分岐空間
35 気体送出孔
36 赤外線放射面(高温設定の場合)
37 圧空空間
40 冷却手段
41 冷却用気体導入路
42 冷却用気体の導入空間
43 噴射孔またはノズル
44 本体
45 排気空間
46 固定フレーム
48 揮発性液体導入管
49 分割噴射ノズル
50 成形型(蓄熱均一化層つき)
51 表面層
52 蓄熱均一化層
53 真空排気孔
54 真空排気通路
55 保持体(背後体)
60 成形型(高熱浸透率背後層)
61 表面層
62 背後層(背後体)
63 真空排気孔
64 真空排気通路
65 加熱ヒーター又は熱媒通路
66 成形型固定板
67 成形型収納ボックス
69 減圧空間
70 成形型(全面加熱層つき)
71 表面層
72 背後層(ボディ)
73 真空排気孔
74 排気通路
75 発熱層
76 リード電線
100 熱可塑性樹脂シート(樹脂シート)
110 熱可塑性樹脂シートの賦形体(全体)
111 熱可塑性樹脂シートの賦形体の主要部
112 熱可塑性樹脂シートの賦形体の周辺部
A 圧縮気体
HA 高温圧縮気体
VL 揮発性液体
Claims (6)
- 樹脂シートの予熱工程と、賦形工程と、この予熱工程よりも高温で熱処理する熱処理工程と、そして冷却工程を遂行する熱成形装置において、
樹脂シートの圧空ボックス機構による圧空成形を可能に装備し、冷却手段を成形型の近辺に配置して、圧空ボックス機構主体の成形型からの離反後に、成形型の上部に対してこの冷却手段を進退させるか、又は成形型をこの冷却手段の下部に進退可能にして、冷却媒体を噴射して上記樹脂シートの賦形体を冷却するように構成し、1)成形型として、熱浸透率(kJ/m2s1/2K)が0.01〜15である材料による厚み0.04〜30mmの表面層と、この表面層の背後に接してこの層の全展開面を定常的に均一な温度に加熱調整する手段を含む構成のものを用い、更に2)上記圧空ボックス機構には、その形成する圧空空間へ赤外線を放射するか又は加熱気体を送出して賦形体を加熱する手段を備えたものを用いる熱可塑性樹脂シートの成形装置。
- 上記成形型が、上記所定の熱浸透率の材料からなる表面層と、熱浸透率が表面層のそれより大きな材料からなる背後層から成り、更に背後層に加熱温調手段が設けられたものであることを特徴とする請求項1に記載の成形装置。
- 上記成形型が、上記所定の熱浸透率の材料からなる表面層の背後に略全面に直接して加熱温調する手段を展開したものであることを特徴とする請求項1に記載の成形装置。
- 上記圧空ボックス機構と上記賦形体で形成する圧空空間から気体を外部へ逸散させながら上記圧空空間内へ加熱気体を送出する手段を備えたものを用いる請求項1から3の何れかに記載の熱可塑性樹脂シートの成形装置。
- 上記賦形体の冷却手段として揮発性液体を分割噴霧する手段を備えていることを特徴とする請求項1から4のいずれかに記載の樹脂シートの成形装置。
- 請求項1から5のいずれかに記載の樹脂シートの成形装置を用いた樹脂シートの成形方法であって、樹脂シートの予熱工程と、賦形工程と、この予熱工程よりも高温で熱処理する熱処理工程と、そして冷却工程を遂行する熱可塑性樹脂シートの成形方法。
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