JP5969327B2 - 断熱金型の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形に用いられる断熱金型の製造方法に関するものである。

射出成形法は、溶融樹脂を高圧で金型のキャビティに射出して成形する手法である。この金型に断熱金型を適用した場合、成形時における金型表面での急速な温度低下が防止されて金型表面の転写性が向上し、おおむね設計値通りの成形品を製造できることが知られている。

このような断熱金型の１つに下記特許文献１がある。この特許文献１の断熱金型は、金型基体上に樹脂層を断熱層として装着しており、当該樹脂層上にさらに金属層を表面層として装着することで断熱金型の耐久性の向上を図っている。

特開２００８−２２１４７２号公報

しかしながら、特許文献１の断熱金型では、成形時における溶融樹脂の充填により加わる圧力で樹脂層が圧縮され、その圧縮に起因して樹脂層の表面が凹凸となる傾向が高くなる。この樹脂層の表面が凹凸となった場合、その凹凸によって断熱金型の表面層が変形し、設計値との隔たりが大きい成形品が製造されるといった問題が生じる。

本発明は以上の点を考慮してなされたもので、より設計値に近い成形品を成形し得る断熱金型の製造方法を提案しようとするものである。

かかる課題を解決するため本発明における断熱金型の製造方法は、金型基体の表面に断熱層が装着されその断熱層の表面に保護層が装着された金型体を生成する金型体生成工程と、成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を、前記金型体の保護層におけるキャビティ領域に付加する圧力付加工程と、前記圧力付加工程を経た金型体の保護層におけるキャビティ領域の表面から凹凸を除去する凹凸除去工程とを備えることを特徴とする。

このように本製法によれば、金型体の保護層に対して成形時に加わる圧力よりも高い圧力を成形前に予め付加し、その圧力によって断熱層を圧縮させて保護層を積極的に変形させた後、当該保護層におけるキャビティ領域の表面から凹凸が除去される。
このため、成形時において通常の圧力がキャビティ領域に加えられても、その圧力によってさらに断熱層が圧縮することを未然に防止することができ、この結果、キャビティ領域の表面から凹凸を除去した状態が維持される。
こうして、より設計値に近い成形品を成形し得る断熱金型の製造方法が提供される。

また、前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出して付加されることが好ましい。

このように圧力を付加する場合、射出された溶融樹脂の先端部分が、成形時に成形用溶融樹脂を射出する場合に比べて高い圧力を保護層の表面に加えながらキャビティ末端へ流動することになる。
このため、射出機構における射出速度が成形時と同じであったとしても、成形時において成形用溶融樹脂を射出する場合に比べて高い圧力を保護層の表面に部分的に集中させながら流動方向に沿って移行させることができる。この結果、圧力付加工程において、射出機構に過度の負荷を与えることなく保護層を積極的に変形させておくことができる。

また、前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出した後に保圧により付加されることが好ましい。

このように圧力を付加する場合、保圧力に対する溶融樹脂の圧力損失を、その溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の成形用溶融樹脂を用いる場合に比べて低減することができ、また、ゲート部における溶融樹脂が固化するまでの期間を、その溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の成形用溶融樹脂を用いる場合に比べて長くすることができる。
したがって、成形時において成形用溶融樹脂を保圧する場合に比べて高い圧力を、当該成形時における冷却期間よりも長く保護層の表面に加えることができる。この結果、圧力付加工程において、射出機構に過度の負荷を与えることなく保護層を積極的に変形させておくことができる。

また、前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出した後に保圧により付加されるとともに、前記成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出した後に保圧により付加されることが好ましい。

成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂をキャビティに射出した後に保圧する場合、当該キャビティでは射出側が射出末端側に比べて高い圧力が加わる圧力分布になる傾向がある。
一方、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂をキャビティに射出した後に保圧する場合、当該キャビティでは射出末端側でも射出側に近い圧力が加わる圧力分布になる傾向がある。
したがって、キャビティにおける射出側と射出末端側との間の距離が長い場合であっても、成形時における通常の圧力よりも高い圧力を、おおむね均一に保護層に加えることができる。

また、前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、成形時に金型に加えるべき温度よりも高い温度を前記金型体に加えながら、当該金型体を用いた型締により形成されるキャビティに溶融樹脂を射出した後に保圧により付加されることが好ましい。

このように圧力を付加する場合、ゲート部における溶融樹脂が固化するまでの時間を、成形時において断熱金型を通常の温度で加熱する場合に比べて長くすることができる。この結果、圧力付加工程において、保護層を積極的に変形させておくことができる。

また、前記金型体生成工程では、前記金型基体の一面と鋼材の一面との間に所定距離の隙間を隔てて前記金型基体及び前記鋼材を配置し、前記隙間に未硬化状態の熱硬化性樹脂を配置する配置工程と、前記未硬化状態の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程と、前記鋼材を前記鋼材の一面とは逆側から削って、硬化状態の熱硬化性樹脂上の少なくとも一部にキャビティ領域を形成する形成工程とを有することが好ましい。

このような生成工程とした場合、未硬化状態の熱硬化性樹脂が、鋼材と金型基体との間に介在した状態で硬化されるため、当該硬化した熱硬化性樹脂の表面が凹凸になることを抑制することができる。
また、キャビティ領域は、鋼材の一面と金型基体の一面との間に配置される未硬化状態の熱硬化性樹脂を硬化させた後に、その鋼材を削ることで形成される。
このため、予めキャビティ領域を形成し鋼材と金型基体との間に未硬化状態の熱硬化性樹脂を配置して硬化させる場合に比べて、鋼材と金型基体とを接合する際の圧力や、未硬化状態の熱硬化性樹脂が硬化する際の収縮に伴う応力等に起因して鋼材が歪むことを抑制することができる。
したがって、より一段と設計値に近い成形品を成形し得る断熱金型を得ることができる。

なお、未硬化状態の熱硬化性樹脂は、鋼材と金型基体との間に介在した状態で硬化されるため、当該硬化後の熱硬化性樹脂を断熱層としてのみならず、鋼材と金型基体との接合部材として共用することができる。したがって、断熱層と鋼材又は金型基体とを接合する部材の厚みを考慮することなく、当該断熱層の厚みを規定することができる。
また、キャビティ領域は、鋼材を削ることで形成されているため、めっき法により薄膜を形成する場合に比べてキャビティ領域の強度を大きくすることができ、この結果、本製法によって製造される断熱金型の耐久性を向上させることもできる。

また、前記配置工程では、前記金型基体の一面と前記鋼材の一面との間において、前記形成工程で形成すべき前記キャビティ領域の鉛直方向を避けた位置にスペーサを配置し、前記硬化工程では、前記金型基体及び前記鋼材の一方が他方に押し付けられた状態で、前記未硬化状態の熱硬化性樹脂を加熱することが好ましい。

このようにした場合、金型基体の一面と鋼材の一面との間に配置されるスペーサによって、未硬化状態の熱硬化性樹脂をある一定以上の厚みとしても、その厚みのムラを押し付けによって大幅に抑制しておおむね一定の厚みとすることができる。
また、金型基体の一面と鋼材の一面との間に配置させるべきスペーサの高さによって、未硬化状態の熱硬化性樹脂の厚みを制御することができ、この結果、スペーサの高さを断熱層の厚みとして正確に断熱層を形成することができる。

また、前記スペーサは、前記金型基体又は前記鋼材と一体に成形されることが好ましい。

このようにした場合、金型基体の一面上に鋼材を配置しさえすれば、当該金型基体の一面と鋼材の一面との間にスペーサが配置されることになるため、当該配置位置の精度を保持しながらも配置工程を簡略化することができる。

また、前記硬化状態の熱硬化性樹脂の熱伝導率をλ[Ｗ／(ｍＫ)]とし、前記スペーサの高さをｔ[ｍｍ]とした場合、λ／ｔ＝１０００[Ｗ／(ｍ^２Ｋ)]の関係にあることが好ましい。

このようにした場合、キャビティ領域の温度推移はおおむね一定に収束することが本発明者の実験により確認されている。
このため、成形用溶融樹脂の射出期間にはその成形用溶融樹脂のガラス転移温度以上となり射出後には速やかにガラス転移温度を下回るという断熱効果を得るための断熱層の厚みを、スペーサの高さによって厳密に制御することができる。
したがって、成形用溶融樹脂の射出期間における良好な転写性を実現しながらも、当該射出期間後の冷却時間を短縮化し得る断熱層を形成することができる。

以上のように、本発明によれば、より設計値に近い成形品を成形し得る断熱金型の製造方法が提供される。

本実施形態における断熱金型の製造方法により製造される断熱金型を示す断面図である。 本実施形態における断熱金型の製造方法を示すフローチャートである。 断熱金型の製造に用いられる鋼材を示す斜視図である。 断熱金型の製造に用いられる金型基体を示す斜視図である。 配置工程における第１段階の様子を示す断面図である。 配置工程における第２段階の様子を示す断面図である。 硬化工程の様子を示す断面図である。 形成工程の様子を示す断面図である。 圧縮付加工程後の金型表面形状を示す実験結果である。 凹凸除去工程後の金型表面形状を示す実験結果である。 本実施形態の製造方法により製造された断熱金型を用いて成形した後の金型表面形状を示す実験結果である。 キャビティ領域が凹形状となる断熱金型を例示する断面図である。 キャビティ領域が凸形状となる断熱金型を例示する断面図である。

以下、本発明に係る断熱金型の製造方法の好適な実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態における断熱金型の製造方法により製造される断熱金型を示す断面図である。図１に示すように、本実施形態における断熱金型１は、保護層１０と、金型基体２０と、当該保護層１０及び金型基体２０間に介在される断熱層３０とを主な構成要素として備える。

保護層１０は、薄板に対して焼き入れ処理等の加工処理を施した鋼材であり、例えば保護層１０の中央領域に、平坦形状のキャビティ領域ＣＡＲが形成される。なお、キャビティ領域ＣＡＲは、成形すべき空間と接する面領域であり、当該キャビティ領域ＣＡＲの上方はキャビティＣＡＶ（成形空間）となる。

保護層１０の厚みは、保護層として得るべき強度や射出成形すべき成形品の材料等によって変わるものであるが、おおむね０．２[ｍｍ]〜１．５[ｍｍ]の範囲内とされる。保護層１０の材料は、金属、合金等を挙げることができ、具体的には例えば、合金工具鋼、ダイス鋼あるいは高速度工具鋼等の工具鋼や、マルテンサイト系ステンレス鋼等がある。

本実施形態の場合、保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲの厚みＴ１は、キャビティ領域ＣＡＲ以外の領域ＮＡＲの厚みＴ２よりも小さくされ、当該領域ＮＡＲには、保護層１０の一面Ｓ１から鉛直方向に延在する複数のねじ孔１１が穿設される。この一面Ｓ１は、保護層１０における成形空間側の面とは逆側の裏面とされ、当該一面Ｓ１の略中央領域には角錐台状の凹部が形成される。この形状は、保護層１０の一面Ｓ１に対向される金型基体２０の一面Ｓ２の形状に対応している。

金型基体２０は、鋼材に対して焼き入れ処理等の加工処理を施したものである。金型基体２０の厚みは、特に制限されるものではないが、少なくとも保護層１０及び断熱層３０よりも大きくされる。金型基体２０の材料は、金属、合金等を挙げることができ、具体的には例えば、合金工具鋼、ダイス鋼あるいは高速度工具鋼等の工具鋼や、マルテンサイト系ステンレス鋼等がある。

本実施形態の場合、金型基体２０の一面Ｓ２の略中央領域には角錐台状の凸部が形成される。この金型基体２０の一面Ｓ２に形成される凸部と、保護層１０の一面Ｓ１に形成される凹部とが正対する状態で、当該金型基体２０の一面Ｓ２と保護層１０の一面Ｓ１とが断熱層３０を隔てて配置される。なお、保護層１０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２とは互いに略平行であり、当該一面Ｓ１と一面Ｓ２との間の距離は、当該面内のどの位置でも同程度の関係にある。

金型基体２０の周縁部位には、当該周縁部位の面の鉛直方向に貫通する複数のねじ孔２１が穿設され、これらねじ孔２１の一面Ｓ２側の開口縁にはスペーサ２２が形成される。なお、ねじ孔２１の穿設位置は、保護層１０のねじ孔１１の穿設位置と相対的に同位置とされる。

断熱層３０は、保護層１０と金型基体２０との熱の出入りを遮る層であり、保護層１０及び金型基体２０との接着を兼ねている。この断熱層３０の厚みＴ３は、射出成形すべき成形品の材料等によって変わるものであるが０．２[ｍｍ]〜１．５[ｍｍ]の範囲内とされる。

また、断熱層３０の材料は熱硬化性樹脂とされる。この熱硬化性樹脂として、具体的にはエポキシアクリレート樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、あるいは、熱硬化性ポリイミドなどが挙げられる。

なお、熱硬化性樹脂には、フィラーと呼ばれる無機粒子が強化剤として含有されていても良い。この無機粒子の形状は球形であるほうが好ましく、その粒径は１〜１００[μm] の範囲内にあると良い。また、無機粒子の含有率は６０〜９０重量％の範囲内にあると良い。このような無機粒子として、具体的にはガラスビーズなどが挙げられる。

また、硬化状態にある熱硬化性樹脂の熱伝導率と、断熱層３０の厚みＴ３を規定するスペーサ２２との関係は、当該熱伝導率をλ[Ｗ／(ｍＫ)]とし、当該スペーサ２２の高さをｔ[ｍｍ]とした場合、λ／ｔ＝１０００[Ｗ／(ｍ^２Ｋ)]の関係にある。

このような断熱層３０を挟んで上述の保護層１０と金型基体２０とが配置され、当該保護層１０と金型基体２０とが断熱層３０に接着される。また、保護層１０に形成されるねじ孔１１と、金型基体２０に形成されるねじ孔２１とにボルトＢＴが通され、当該保護層１０と金型基体２０とが固定される。

次に、この断熱金型１の製造方法について説明する。

図２は、本実施形態における断熱金型１の製造方法を示すフローチャートである。図２に示すように、本実施形態における断熱金型１の製造方法は、金型体生成工程Ｐ１と、圧力付加工程Ｐ２と、凹凸除去工程Ｐ３とを主工程として備える。

＜金型体生成工程＞
この金型体生成工程Ｐ１は、金型基体２０の表面に断熱層３０が装着されその断熱層３０の表面に保護層１０が装着された金型体を生成する工程である。本実施形態における金型体生成工程Ｐ１は、準備工程Ｐ１Ａ、配置工程Ｐ１Ｂ、硬化工程Ｐ１Ｃ及び形成工程Ｐ１Ｄを有する。

≪準備工程≫
この準備工程Ｐ１Ａは、断熱金型１の保護層１０とすべき鋼材と、断熱金型１の金型基体２０と、断熱金型１の断熱層３０とすべき未硬化状態の熱硬化性樹脂とを準備する工程である。

断熱金型１の保護層１０とすべき鋼材として、例えば図３に示すように、略矩形状の板材に対して焼き入れ処理等の加工処理を施した鋼材４０が準備される。

この鋼材４０の厚みＴは、保護層１０の厚みよりも大きいものとされる。また、この鋼材４０には上述のねじ孔１１が穿設され、当該鋼材４０の一方の面には、金型基体２０の一面Ｓ２に対向すべき一面Ｓ１として、当該金型基体２０の一面Ｓ２の形状に対応する形状に形成される。

一方、断熱金型１の金型基体２０として、例えば図４に示すように、鋼材４０の水平面と同面積の略矩形状を有する鋼材に対して焼き入れ処理等の加工処理を施したものが準備される。

上述したように、この金型基体２０にはねじ孔２１が穿設され、当該金型基体２０の一面Ｓ２には角錐台状の凸部及びスペーサ２２が形成される。

他方、断熱金型１の断熱層３０とすべき未硬化状態の熱硬化性樹脂として、例えば、基材と硬化剤とを混合し流動性を調整したものが準備される。なお、必要に応じて、無機フィラー等の強化剤やその他の添加剤が基材及び硬化剤とともに混合される。

≪配置工程≫
この配置工程Ｐ１Ｂは、鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２との間に所定距離の隙間を隔てて鋼材４０及び金型基体２０を配置し、当該隙間に未硬化状態の熱硬化性樹脂を配置する工程である。

具体的には、第１段階として、図５に示すように、金型基体２０の一面Ｓ２側に形成されるスペーサ２２の高さ以上となるよう、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が金型基体２０の一面Ｓ２に塗布される。

第２段階として、図６に示すように、鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２とが正対する状態で、鋼材４０の一面Ｓ１が金型基体２０上に載置される。これにより鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２とが、スペーサ２２を介して、当該面内のどの位置でも等距離となる。

≪硬化工程≫
この硬化工程Ｐ１Ｃは、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０を硬化させる工程である。具体的には、第１段階として、図７の（Ａ）に示すように、金型基体２０のねじ孔２１と鋼材４０のねじ孔１１とにボルトＢＴが通され、金型基体２０と鋼材４０とが固定される。これにより金型基体２０は押し付けられた状態となる。なお、この第１段階の作業は、配置工程Ｐ２で行われても良い。

第２段階として、金型基体２０が押し付けられた状態で、例えば加熱炉にて未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が加熱される。これにより未硬化状態の熱硬化性樹脂５０の硬化が進行し、図７の（Ｂ）に示すように、立体網目状に架橋された断熱層３０が形成される。

≪形成工程≫
この形成工程Ｐ１Ｄは、図８に示すように、鋼材４０をその鋼材４０の一面とは逆側から削って、硬化状態の熱硬化性樹脂（断熱層３０）上の少なくとも一部にキャビティ領域ＣＡＲを形成する工程である。

具体的には、キャビティ領域として形成すべき部分の厚みＴ１が、キャビティ領域として形成すべき部分以外の厚みＴ２に比べて小さくなるように、鋼材４０が削られる。そして、金型基体２０の一面Ｓ２における凸部に沿って、断熱層３０からの厚みが均等となる平坦形状のキャビティ領域ＣＡＲが、鋼材４０の表面として削り出される。具体的な研削手法としては、例えば、フライス盤加工や放電加工等がある。

このように上述の準備工程Ｐ１Ａ、配置工程Ｐ１Ｂ、硬化工程Ｐ１Ｃ及び形成工程Ｐ１Ｄを順次経ることで、製品前段階の図１に示すような金型体が得られる。

＜圧力付加工程＞
この圧力付加工程Ｐ２は、成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を、金型体の保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲに付加する工程である。

具体的には、第１段階として、金型体生成工程Ｐ１で得られた金型体が、射出成形機における一方又は双方の金型取付部位に取り付けられる。また、この金型体は所定の温度に加熱され、当該温度で維持するよう調整される。

なお、金型体生成工程Ｐ１で得られた金型体が射出成形機における一方の金型取付部位だけに取り付けられる場合、当該射出成形機における他方の金型取付部位には、金型体生成工程Ｐ１とは別の工程によって得られた他の金型体が取り付けられる。この他の金型体における断熱層の有無は問わない。

第２段階として、金型体生成工程Ｐ１で得られた金型体を用いた型締により形成されるキャビティに、射出成形機における射出機構から溶融樹脂が射出される。この射出時には、射出機構における射出用スクリューの移動速度（射出速度）が制御される。なお、溶融樹脂は、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂と同じ種類であっても異なる種類であっても良い。

第３段階として、射出用スクリューが所定位置に達した場合あるいは射出圧力が所定値に達した場合、射出用スクリューの制御が速度制御から圧力制御に切り換えられ、キャビティ内がおおむね一定に保圧される。

この保圧力は、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力よりも高いものとされる。例えば、成形用溶融樹脂をポリカーボネートとし、当該ポリカーボネートの粘度を９００Ｐａｓ程度とし、金型体の加熱温度を１００℃程度とした場合、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力は８０ＭＰａ程度となったが、本実施形態の場合には１２０ＭＰａ程度とされる。このような保圧力の変更は、射出機構における設定を切り換えることで実現可能である。なお、本実施形態における圧力付加工程Ｐ２では、保圧力以外の各種パラメータの値は成形時の値と同程度とされる。

第４段階として、キャビティに充填された溶融樹脂が離型可能温度まで冷却され、型開後に離型される。

第５段階として、金型体の温度を常温程度まで冷却し、射出成形機における金型取付部位から金型体が外される。なお、この冷却は、射出成形機における冷却機構を用いても良く自然冷却であっても良い。

図９は、圧縮付加工程後の金型表面形状を示す実験結果である。この実験では、保護層１０の厚みが異なる３つの金型体が用意され、当該金型体ごとに、５０ショット連続成形を実施した後の保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲの表面形状がそれぞれグラフとして示されている。これらグラフの左端はキャビティの射出側であり、当該グラフの右端はキャビティの末端側である。なお、この実験における保圧力は１２０ＭＰａとされ、当該保圧力以外の各種パラメータは上記圧力付加工程Ｐ２の第３段階で示した各値とされる。

図９に示すように、成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力でキャビティ内を保圧した場合には、金型体における保護層１０を厚くしても、当該保護層１０の表面がうねるように変形し、歪んだ状態になっていることが分かる。なお、このような状態は、断熱層３０に含まれる気泡や、当該断熱層３０と保護層１０との界面に形成される間隙が圧縮されることを主要因として生じる。

＜凹凸除去工程＞
この凹凸除去工程Ｐ３は、圧力付加工程Ｐ２を経た金型体の保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲの表面から凹凸を除去する工程である。

具体的には、圧力付加工程Ｐ２を経ることで歪んだ状態にある保護層１０の表面全体が、例えばフライス盤加工や放電加工等によって削られ、当該保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲの表面から凹凸が除去される。

図１０は、凹凸除去工程後の金型表面形状を示す実験結果である。この図１０に示す各グラフは、図９において圧縮付加工程を実行した３つの金型体の保護層１０それぞれのキャビティ領域ＣＡＲの表面の凹凸を除去した結果を示している。

図１０に示すように、保護層１０における表面から凹凸をおおむね正確に除去することができることが分かる。

このように上述の金型体生成工程Ｐ１、圧力付加工程Ｐ２及び凹凸除去工程Ｐ３を順次経ることで、図１に示すような断熱金型１が得られる。

以上のとおり、本実施形態における断熱金型１の製造方法は、金型体生成工程Ｐ１で得られた金型体の保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲに対して成形時に加わる圧力よりも高い圧力を成形前に予め付加し、その圧力によって断熱層３０を圧縮させて保護層１０を積極的に変形させる（図９）。そして、この保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲの表面から凹凸を除去する（図１０）。

このため、成形時において通常の圧力がキャビティ領域ＣＡＲに加えられても、その圧力によってさらに断熱層３０が圧縮することを未然に防止することができ、この結果、キャビティ領域ＣＡＲの表面から凹凸を除去した状態が維持される。

図１１は、本実施形態の製造方法により製造された断熱金型を用いて成形した後の金型表面形状を示す実験結果である。この実験では、図９に示す実験において用意された３つの金型体に対して圧縮付加工程及び凹凸除去工程を順次実行することにより得られた断熱金型ごとに、５０ショット連続成形を実施した後の保護層１０におけるキャビティ領域ＣＡＲの表面形状がそれぞれグラフとして示されている。これらグラフの左端はキャビティの射出側であり、当該グラフの右端はキャビティの末端側である。なお、この実験における保圧力は８０ＭＰａとされ、当該保圧力以外の各種パラメータは上記圧力付加工程Ｐ２の第３段階で示した各値とされる。

この図１１と図１０との比較から、断熱金型１における保護層１０が薄い場合であっても、キャビティ領域ＣＡＲの表面から凹凸を除去した状態が維持されていることが分かる。

このように本実施形態における断熱金型１の製造方法によれば、より設計値に近い成形品を成形し得る断熱金型１を製造することができる。

また、本実施形態における金型体生成工程Ｐ１では、図７に示したように、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が、鋼材４０と金型基体２０との間に介在した状態で硬化される。このため、硬化状態にある断熱層３０の表面が凹凸になることを抑制することができる。

また、キャビティ領域ＣＡＲは、鋼材４０と金型基体２０との間に配置される未硬化状態の熱硬化性樹脂５０を硬化させた後、図８に示したように、その鋼材４０を削ることで形成される。

このため、予めキャビティ領域を形成した鋼材と金型基体との間に未硬化状態の熱硬化性樹脂を配置して硬化させる場合に比べて、鋼材４０と金型基体２０とを接合する際の圧力や、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が硬化する際の収縮に伴う応力等に起因して鋼材４０が歪むことを抑制することができる。

なお、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０は、鋼材４０と金型基体２０との間に介在した状態で硬化されるため、当該硬化後の熱硬化性樹脂を断熱層３０としてのみならず、鋼材４０と金型基体２０との接合部材として共用することができる。したがって、断熱層３０と鋼材４０又は金型基体２０とを接合する部材（接着剤等）の厚みを考慮することなく、当該断熱層３０の厚みを正確に規定することができる。

また、キャビティ領域ＣＡＲは、鋼材４０を削ることで形成されているため、めっき法により薄膜を形成する場合に比べてキャビティ領域ＣＡＲの強度を大きくすることができ、この結果、本製法によって製造される断熱金型１の耐久性を向上させることもできる。

ところで、本実施形態における金型体生成工程Ｐ１では、図７に示したように、鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２との間において、キャビティ領域ＣＡＲの鉛直方向を避けた位置にスペーサ２２が配置され、当該金型基体２０が押し付けられた状態で、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が加熱される。

このため、鋼材４０と金型基体２０との間に配置されるスペーサ２２によって、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０をある一定以上の厚みとしても、その厚みのムラを金型基体２０の押し付けによって大幅に抑制することができる。また、鋼材４０と金型基体２０との間に配置させるべきスペーサ２２の高さによって、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０の厚みを制御することができ、この結果、スペーサ２２の高さを断熱層３０の厚みとして正確に断熱層３０を形成することができる。

また本実施形態の場合、図４に示したように、スペーサ２２は、金型基体２０と一体に成形される。このため、金型基体２０の一面Ｓ２上に鋼材４０の一面Ｓ１を配置しさえすれば、当該金型基体２０と鋼材４０との間にスペーサ２２が配置されることになる。したがって、スペーサ２２の配置位置の精度を保持しながらも、そのスペーサ２２の配置工程を簡略化することができる。

また本実施形態の場合、硬化状態の熱硬化性樹脂の熱伝導率をλ[Ｗ／(ｍＫ)]とし、スペーサ２２の高さＨをｔ[ｍｍ]とした場合、λ／ｔ＝１０００[Ｗ／(ｍ^２Ｋ)]の関係とされる。

ここで、１００ｍｍの厚みを有する金型層の表面に断熱層が被覆される断熱金型のキャビティに２ｍｍの厚みを有する成形用溶融樹脂層を射出した解析モデルを用いて、断熱層における物性及び厚さの影響を解析した結果を下記表に示す。

上記表に示される各温度は、成形用溶融樹脂層の中心から断熱層までの厚さ１ｍｍ部分における温度（以下、境界温度という。）である。なお、この解析モデルにおける成形用溶融樹脂はポリカーボネートとし、当該成形用溶融樹脂層の初期温度は３００℃とし、断熱層及び金型層の初期温度は１００℃とし、金型層の末端部分（断熱層に対向する側とは逆側部分）の温度は１００℃で一定とした。

上記表の「１」から「６」までに示されているとおり、断熱層における熱伝導率λと厚みｔとがλ／ｔ＝１０００の関係にある場合、断熱層の材質や熱浸透率が異なっていても、境界温度の推移はおおむね一定に収束することが分かった。

これに対し上記表の「７」に示されているとおり、λ／ｔの値が１０００よりも大幅に小さい場合には、境界温度の降温時間が極めて遅いことが分かった。なお、上記表には示していないが、λ／ｔの値が１０００より小さくなるほど、境界温度の単位時間当たりの下がり幅が小さくなることが分かっている。

また、上記表の「８」に示されているとおり、λ／ｔの値が１０００よりも大幅に大きい場合には、境界温度の降温時間が極めて早いことが分かった。なお、上記表には示していないが、λ／ｔの値が１０００より大きくなるほど、境界温度の単位時間当たりの下がり幅が大きくなることが分かっている。

つまり、λ／ｔ＝１０００の関係を充足している限り、成形用溶融樹脂の射出期間には境界温度がガラス転移温度以上となり射出後には速やかにガラス転移温度を下回るという断熱効果を、断熱層３０の厚みによって得ることが可能である。そして、このような効果を得るための断熱層３０の厚みを、スペーサ２２によって厳密に制御することができる。したがって、成形用溶融樹脂の射出期間における良好な転写性を実現しながらも、当該射出期間後の冷却時間を短縮化し得る断熱層３０を形成することができる。

なお、上記実施形態はあくまで一例であり、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力よりも高い保圧力が、金型体生成工程Ｐ１で生成された金型体のキャビティ領域ＣＡＲに付加された。しかしながら、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力よりも高い保圧力をキャビティ領域ＣＡＲに付加する手法以外の手法を用いて、成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力をキャビティ領域ＣＡＲに付加するようにしても良い。

例えば、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を、金型体の型締により形成されるキャビティに射出して、成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を付与するようにしても良い。

具体的には、圧力付加工程Ｐ２の第２段階として、金型体生成工程Ｐ１で得られた金型体を用いた型締により形成されるキャビティに、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂が射出成形機における射出機構から射出される。

なお、溶融樹脂は、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂と同じ種類であっても異なる種類であっても良く、当該溶融樹脂の粘度はキャピラリーレオメーター等により測定可能である。また、このような溶融樹脂を射出する場合、圧力付加工程Ｐ２の第３段階でキャビティ内を保圧する際の保圧力は、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力と同じであっても良く、当該保圧力よりも高い保圧力であっても良い。

このようにした場合、射出された溶融樹脂の先端部分が、成形時に成形用溶融樹脂を射出する場合に比べて高い圧力を保護層の表面に加えながらキャビティ末端へ流動することになる。このため、射出機構におけるスクリューの移動速度（射出速度）が成形時と同じであったとしても、成形時において成形用溶融樹脂を射出する場合に比べて高い圧力を金型体の保護層１０の表面に部分的に集中させながら流動方向に沿って移行させることができる。この結果、圧力付加工程Ｐ２において、射出機構に過度の負荷を与えることなく保護層１０を積極的に変形させておくことができる。

また、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を、金型体の型締により形成されるキャビティに射出した後、保圧によって成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を付与するようにしても良い。

具体的には、圧力付加工程Ｐ２の第２段階として、金型体生成工程Ｐ１で得られた金型体を用いた型締により形成されるキャビティに、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂が射出成形機における射出機構から射出される。

なお、溶融樹脂は、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂と同じ種類であっても異なる種類であっても良い。また、このような溶融樹脂を射出する場合、圧力付加工程Ｐ２の第３段階でキャビティ内を保圧する際の保圧力は、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力と同じであっても良く、当該保圧力よりも高い保圧力であっても良い。

このようにした場合、保圧力に対する溶融樹脂の圧力損失を、その溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の成形用溶融樹脂を用いる場合に比べて低減することができ、また、ゲート部における溶融樹脂が固化するまでの期間を、その溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の成形用溶融樹脂を用いる場合に比べて長くすることができる。したがって、成形時において成形用溶融樹脂を保圧する場合に比べて高い圧力を、当該成形時における冷却期間よりも長く金型体の保護層１０の表面に加えることができる。この結果、圧力付加工程Ｐ２において、射出機構に過度の負荷を与えることなく保護層を積極的に変形させておくことができる。

また、成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂をキャビティに射出した後に保圧すること、及び、成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂をキャビティに射出した後に保圧することの双方を実行して、成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を付与するようにしても良い。

具体的には、成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を用いて圧力付加工程Ｐ２の第２段階〜第４段階が実行され、その後、当該成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を用いて圧力付加工程Ｐ２の第２段階〜第４段階が実行される。

なお、成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を用いて圧力付加工程Ｐ２の第２段階〜第４段階が実行された後、当該成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を用いて圧力付加工程Ｐ２の第２段階〜第４段階が実行されても良い。

成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂をキャビティに射出した後に保圧する場合、当該キャビティでは射出側が射出末端側に比べて高い圧力が加わる圧力分布になる傾向がある。一方、成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂をキャビティに射出した後に保圧する場合、当該キャビティでは射出末端側でも射出側に近い圧力が加わる圧力分布になる傾向がある。したがって、キャビティにおける射出側と射出末端側との間の距離が長い場合であっても、成形時における通常の圧力よりも高い圧力を、おおむね均一に保護層１０に加えることができる。

また、成形時に金型に加えるべき温度よりも高い温度を金型体に加えながら、当該金型体を用いた型締により形成されるキャビティに樹脂を射出した後、保圧によって成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を付与するようにしても良い。

具体的には、圧力付加工程Ｐ２の第１段階として、金型体生成工程Ｐ１で得られ、射出成形機における金型取付部位に取り付けられた金型体が所定の温度に加熱され、当該温度で維持するよう調整される。

なお、圧力付加工程Ｐ２の第３段階でキャビティ内を保圧する際の保圧力は、成形時にキャビティの表面に付加すべき保圧力と同じであっても良く、当該保圧力よりも高い保圧力であっても良い。

このようにした場合、ゲート部における溶融樹脂が固化するまでの時間（保護層１０に保圧力を与える期間）を、成形時において断熱金型１を通常の温度で加熱する場合に比べて長くすることができる。この結果、圧力付加工程Ｐ２において、保護層１０を積極的に変形させておくことができる。

また上記実施形態では、準備工程Ｐ１Ａ、配置工程Ｐ１Ｂ、硬化工程Ｐ１Ｃ及び形成工程Ｐ１Ｄを経て金型体が生成された。しかしながら、金型体生成工程Ｐ１において、金型基体２０の表面に断熱層３０が装着されその断熱層３０の表面に保護層１０が装着された金型体が生成されるのであれば、必ずしも上述の配置工程Ｐ１Ｂ、硬化工程Ｐ１Ｃ及び形成工程Ｐ１Ｄが実行されなくても良い。

また上記実施形態では、平坦形状のキャビティ領域ＣＡＲが削り出されたが、例えば図１２に示すように凹形状のキャビティ領域ＣＡＲが削り出されても良く、例えば図１３に示すように、凸形状のキャビティ領域ＣＡＲが削り出されても良い。

図１２に示す断熱金型は、上記実施形態と異なる形状の保護層１０（鋼材４０）及び金型基体２０を有している点で、上記実施形態の断熱金型１とは相違する。具体的に図１２に示す保護層１０（鋼材４０）の一面Ｓ１には、略中央領域が隆起しその辺縁が窪む凹凸部が形成される点で、角錐台状の凹部が形成された上記実施形態の保護層１０（鋼材４０）とは相違する。また、図１２に示す金型基体２０の一面Ｓ２には、略中央領域が窪みその辺縁が隆起する凹凸部が形成される点で、角錐台状の凸部が形成された上記実施形態の金型基体２０とは相違する。

このような断熱金型は、上述の準備工程Ｐ１Ａ、配置工程Ｐ１Ｂ、硬化工程Ｐ１Ｃを順に経た後、形成工程Ｐ１Ｄにおいて、鋼材４０の一面Ｓ１とは逆側の面から、当該一面Ｓ１の凸部に沿った凹面を削り出した後、圧力付加工程Ｐ２及び凹凸除去工程Ｐ３を順次経ることで製造することができる。

図１３に示す断熱金型は、上記実施形態と異なる形状の保護層１０（鋼材４０）及び金型基体２０を有している点で、上記実施形態の断熱金型１とは相違する。具体的に図１３に示す保護層１０（鋼材４０）の一面Ｓ１には、略中央領域が窪みその辺縁が隆起する凹凸部が形成される点で、上記実施形態の保護層１０（鋼材４０）とは相違する。また、図１３に示す金型基体２０の一面Ｓ２には、略中央領域が隆起しその辺縁が窪む凹凸部が形成される点で、上記実施形態の金型基体２０とは相違する。

このような断熱金型は、上述の準備工程Ｐ１Ａ、配置工程Ｐ１Ｂ、硬化工程Ｐ１Ｃを順に経た後、形成工程Ｐ１Ｄにおいて、鋼材４０の一面Ｓ１とは逆側の面から、当該一面Ｓ１の凹部に沿った凸面を削り出した後、圧力付加工程Ｐ２及び凹凸除去工程Ｐ３を順次経ることで製造することができる。

なお、上記実施形態、図１２及び図１３に示したように、キャビティ領域として形成すべき部分の厚みＴ１が、キャビティ領域として形成すべき部分以外の厚みＴ２に比べて小さくなるように鋼材４０を削ることは必須の条件となるものではない。ただし、上述したように断熱層３０と鋼材４０あるいは断熱層３０と金型基体２０との剥離を低減する観点では、キャビティ領域として形成すべき部分の厚みＴ１が、キャビティ領域として形成すべき部分以外の厚みＴ２に比べて小さくなるように鋼材４０を削るほうが好ましい。

また、キャビティ領域ＣＡＲの形状は、上記実施形態、図１２及び図１３に示された形状に限らず、種々の形状を幅広く適用することができる。さらに、鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２との形状は、少なくともキャビティ領域ＣＡＲの鉛直方向上にある部分の面同士が所定の距離を隔てて配置される限り、上記実施形態、図１２及び図１３に示した以外の種々の形状を幅広く適用することができる。

また上記実施形態では、鋼材４０（保護層１０）に形成されるキャビティ領域ＣＡＲが１つとされたが、２以上とされても良い。なお、キャビティ領域ＣＡＲを２以上とする場合、各キャビティ領域が独立した状態にあっても良く、各キャビティ領域同士が繋がった状態にあっても良く、独立した状態にあるキャビティ領域と、繋がった状態にあるキャビティ領域とが混在していても良い。

また上記実施形態では、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が金型基体２０の一面Ｓ２に塗布され、当該金型基体２０上に鋼材４０の一面Ｓ１が載置された。しかしながら、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が鋼材４０の一面Ｓ１に塗布され、当該鋼材４０上に金型基体２０の一面Ｓ２が載置されても良い。また、金型基体２０の一面Ｓ２上に鋼材４０の一面Ｓ１が載置された後に、当該金型基体２０と鋼材４０との間に未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が充填されても良い。さらに、未硬化状態の熱硬化性樹脂５０が入れられた容器内において金型基体２０の一面Ｓ２上に鋼材４０の一面Ｓ１が載置された後、その載置状態のまま金型基体２０及び鋼材４０を容器から取り出すようにしても良い。要するに、配置工程Ｐ２では、鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２との間に所定距離の隙間を隔てて鋼材４０及び金型基体２０が配置され、当該隙間に未硬化状態の熱硬化性樹脂が配置されれば良い。

また上記実施形態では、金型基体２０及び鋼材４０の周縁部位をボルトＢＴによって終結することによって金型基体２０が鋼材４０に押し付けられた。しかしながら、鋼材４０が金型基体２０に押し付けられても良く、また、終結以外の手法により金型基体２０及び鋼材４０の一方が他方に押し付けられても良い。

また上記実施形態では、スペーサ２２が、金型基体２０の一面Ｓ２と一体に形成されたが、鋼材４０の一面Ｓ１と一体に形成されていても良い。また、スペーサ２２は、金型基体２０におけるねじ孔２１の開口縁に形成されたが、鋼材４０のねじ孔１１の開口縁に形成されていても良く、鋼材４０と金型基体２０との間であれば、当該開口縁以外であっても良い。要するに、スペーサ２２は、鋼材４０の一面Ｓ１と金型基体２０の一面Ｓ２との間において、キャビティ領域ＣＡＲの鉛直方向を避けた位置である限り、どの位置に配置されていても良く、当該鋼材４０又は金型基体２０と一体であっても別体であっても良い。

また上記実施形態では、鋼材４０に形成されたキャビティ領域ＣＡＲの表面に対して何ら加工が施されなかったが、例えばシボ加工等の表面加工が施されていても良い。

本発明は、射出成形品を取り扱う分野において利用可能性がある。

１・・・断熱金型
１０・・・保護層
１１・・・凹部
２０・・・金型基体
２１・・・ねじ孔
３０・・・断熱層
４０・・・鋼材
４１・・・ねじ孔
４２・・・段部
５０・・・未硬化状態の熱硬化性樹脂
ＣＡＲ・・・キャビティ領域
Ｐ１・・・金型体生成工程
Ｐ１Ａ・・・準備工程
Ｐ１Ｂ・・・配置工程
Ｐ１Ｃ・・・硬化工程
Ｐ１Ｄ・・・形成工程
Ｐ２・・・圧力付加工程
Ｐ３・・・凹凸除去工程

Claims (8)

1. 金型基体の表面に断熱層が装着されその断熱層の表面に保護層が装着された金型体を生成する金型体生成工程と、
   成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を、前記金型体の保護層におけるキャビティ領域に付加する圧力付加工程と、
   前記圧力付加工程を経た金型体の保護層におけるキャビティ領域の表面から凹凸を除去する凹凸除去工程と
   を備え、
   前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、
   成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出して付加される
   ことを特徴とする断熱金型の製造方法。
2. 金型基体の表面に断熱層が装着されその断熱層の表面に保護層が装着された金型体を生成する金型体生成工程と、
   成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を、前記金型体の保護層におけるキャビティ領域に付加する圧力付加工程と、
   前記圧力付加工程を経た金型体の保護層におけるキャビティ領域の表面から凹凸を除去する凹凸除去工程と
   を備え、
   前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、
   成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出した後に保圧により付加される
   ことを特徴とする断熱金型の製造方法。
3. 金型基体の表面に断熱層が装着されその断熱層の表面に保護層が装着された金型体を生成する金型体生成工程と、
   成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力を、前記金型体の保護層におけるキャビティ領域に付加する圧力付加工程と、
   前記圧力付加工程を経た金型体の保護層におけるキャビティ領域の表面から凹凸を除去する凹凸除去工程と
   を備え、
   前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、
   成形時に射出すべき成形用溶融樹脂の粘度よりも高い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出した後に保圧により付加されるとともに、
   前記成形用溶融樹脂の粘度よりも低い粘度の溶融樹脂を、前記金型体を用いた型締により形成されるキャビティに射出した後に保圧により付加される
   ことを特徴とする断熱金型の製造方法。
4. 前記成形時にキャビティの表面に付加すべき圧力よりも高い圧力は、
   成形時に金型に加えるべき温度よりも高い温度を前記金型体に加えながら、当該金型体を用いた型締により形成されるキャビティに溶融樹脂を射出した後に保圧により付加される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の断熱金型の製造方法。
5. 前記金型体生成工程は、
   前記金型基体の一面と鋼材の一面との間に所定距離の隙間を隔てて前記金型基体及び前記鋼材を配置し、前記隙間に未硬化状態の熱硬化性樹脂を配置する配置工程と、
   前記未硬化状態の熱硬化性樹脂を硬化させる硬化工程と、
   前記鋼材を前記鋼材の一面とは逆側から削って、硬化状態の熱硬化性樹脂上の少なくとも一部にキャビティ領域を形成する形成工程と
   を有することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の断熱金型の製造方法。
6. 前記配置工程では、
   前記金型基体の一面と前記鋼材の一面との間において、前記形成工程で形成すべき前記キャビティ領域の鉛直方向を避けた位置にスペーサを配置し、
   前記硬化工程では、
   前記金型基体及び前記鋼材の一方が他方に押し付けられた状態で、前記未硬化状態の熱硬化性樹脂を加熱する
   ことを特徴とする請求項５に記載の断熱金型の製造方法。
7. 前記スペーサは、前記金型基体又は前記鋼材と一体に成形される
   ことを特徴とする請求項６に記載の断熱金型の製造方法。
8. 前記硬化状態の熱硬化性樹脂の熱伝導率をλ[Ｗ／(ｍＫ)]とし、前記スペーサの高さをｔ[ｍｍ]とした場合、λ／ｔ＝１０００[Ｗ／(ｍ^２Ｋ)]の関係にある
   ことを特徴とする請求項６に記載の断熱金型の製造方法。

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