JP6143361B2

JP6143361B2 - 射出成形用金型

Info

Publication number: JP6143361B2
Application number: JP2013254640A
Authority: JP
Inventors: 忠昭萩谷; 浩司川上; 隆朝賀
Original assignee: ロイアルエンジニアリング株式会社
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2017-06-07
Anticipated expiration: 2033-12-10
Also published as: JP2015112749A

Description

本発明は、溶融状態の熱可塑性樹脂（以下、樹脂とも言う）が充填されるキャビティを形成する射出成形用金型に関する。

射出成形は、加熱溶融した樹脂を射出成形用金型（以下、金型とも言う）の内部に形成されたキャビティに射出充填し、冷却固化した後に金型を開き、成形品を取り出すようにした樹脂の成形方法である。

従来、射出成形用金型として、図１（ｂ）に示すように、キャビティ１内で成形される製品の形状に応じた表面を有する金属製の基材２と、基材２の表面に設けられた内部断熱層３と、内部断熱層３の表面に設けられた金属層４とを備え、金属層４がキャビティ１に臨む一重断熱金型Ｊ１が知られている（特許文献１、２参照）。この一重断熱金型Ｊ１においては、キャビティ１に臨む金属層４が内部断熱層３によって基材２から断熱されており、金属層４の熱容量が基材２から熱的に遮断された限定的なものとなっている。よって、溶融樹脂がキャビティ１内に射出された際、その樹脂の熱によって金属層４が速やかに昇温され、キャビティ１内における樹脂の流動性が向上する。

また、別の射出成形用金型として、図１（ｃ）に示すように、金属製の基材２と、基材２の表面に設けられた表面断熱層５とを備え、表面断熱層５がキャビティ１に臨む表面断熱金型Ｊ２が知られている（特許文献３、４参照）。この表面断熱金型Ｊ２によれば、キャビティ１内の射出された溶融樹脂に対して、基材２が表面断熱層５によって断熱された状態となっている。よって、溶融樹脂がキャビティ１内に射出されると、その樹脂の熱によって金型Ｊ２の表面温度（表面断熱層５の温度）が瞬時に昇温し、キャビティ１内における樹脂の流動性が向上する。

特開２０００−２５０４６号公報特開平１０−２２５９６２号公報特開平９−２０７１７９号公報特開平１１−５８４７５号公報

上述した一重断熱金型Ｊ１、表面断熱金型Ｊ２の問題点を図２を用いて説明する。図２は、一重断熱金型Ｊ１、表面断熱金型Ｊ２を用い、薄肉（例えば０．３５ｍｍ）のＰＣ（ポリカーボネート樹脂）を射出成形する際の経過時間と金型表面温度とのグラフを示す。図中、一点鎖線は一重断熱金型Ｊ１のグラフ、破線は表面断熱金型Ｊ２のグラフを示す。

（一重断熱金型Ｊ１について）
図２に一点鎖線で示すように、一重断熱金型Ｊ１においては、製品の厚さが薄い場合（例えば０．３５ｍｍ）、金型Ｊ１の表面温度（金属層４の表面温度）が樹脂のガラス転移温度に達せず、優れた流動性と転写性が維持できない。この点を詳述すると、図１（ｂ）に示す一重断熱金型Ｊ１の金属層４は、内部断熱層３によって基材２から断熱されているものの、その体積に応じた一定の熱容量を有するため、キャビティ１内に注入された溶融樹脂によって金属層４がその熱容量が飽和するまで加熱された後でなければ、金属層４の温度を更に上昇させることができない。このため、製品の厚さが薄いと（例えば０．３５ｍｍ）、それに応じてキャビティ１内に注入された溶融樹脂の熱容量も小さくなるため、その溶融樹脂の熱容量の殆どは金属層４をその熱容量飽和まで加熱するために費やされてしまい、金属層４の温度をガラス転移温度まで上昇させることができず、キャビティ１内の樹脂の流動性が低下し、金型内圧の上昇、転写性の悪化、ショートショット等の不具合を生じる。

（表面断熱金型Ｊ２について）
図２に破線で示すように、表面断熱金型Ｊ２においては、金型Ｊ２の表面温度（表面断熱層５の表面温度）は、瞬間的に樹脂のガラス転移温度以上に上昇するものの、その後、急激にガラス転移温度以下まで温度が低下するため、キャビティ１内の隅々まで樹脂を行き渡らせることができず、ショートショット等の不具合が生じる。この点を詳述すると、図１（ｃ）に示す表面断熱金型Ｊ２は、基材２の表面が表面断熱層５で覆われているため、キャビティ１内に注入された溶融樹脂によって表面断熱層５の温度が瞬時に上昇するものの、その後、キャビティ１内の溶融樹脂の熱が表面断熱層５を介して基材２に吸熱され、基材２の熱容量は上述した一重断熱金型Ｊ１の金属層４の熱容量よりも遙かに大きいことから、表面断熱層５の表面温度（金型Ｊ２の表面温度）が急激に低下する。この結果、金型表面温度を必要温度以上に保持する時間が短くなり、金型の保圧時間の間、樹脂の流動性を保持できず、樹脂をキャビティ１の隅々まで行き渡らせることが困難となって、ショートショット等の不具合が生じてしまう。

以上の事情を考慮して創案された本発明の目的は、キャビティ内に溶融樹脂を注入した直後、瞬時に金型表面のピーク温度を高めることができ、且つ、金型表面を必要温度以上に保持する時間を長くできる射出成形用金型を提供することにある。

上述の目的を達成すべく創案された本発明によれば、溶融した熱可塑性樹脂が充填されるキャビティを形成する射出成形用金型であって、前記キャビティ内で成形される製品の形状に応じた表面を有する金属製の基材と、該基材の表面に設けられた熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を主とする接着剤の機能を備えた内部断熱層と、
該内部断熱層の表面に設けられた金属層と、
該金属層の表面に設けられた前記内部断熱層よりも耐熱温度の高いポリイミド、ポリアミドイミド、パラキシレンポリマー又はセラミック系の断熱性を備えた外部断熱層とを備え、
該外部断熱層が前記キャビティに臨んでおり、
前記金属層が、前記内部断熱層によって前記基材から断熱されていると共に、前記外部断熱層によって前記キャビティ内に射出された溶融樹脂に対して断熱される射出成形用金型が提供される。

本発明に係る射出成形用金型は、金属層の表面に、キャビティ内で成形される製品に凹凸を付与するための加飾部が形成されていてもよい。

本発明に係る射出成形用金型は、外部断熱層が、金属層よりも薄く形成されていてもよい。

本発明に係る射出成形用金型によれば、金属層が、内部断熱層によって基材から断熱されていると共に、外部断熱層によってキャビティ内に射出された溶融樹脂に対して断熱されている。

このため、キャビティ内に溶融樹脂を注入すると、その溶融樹脂の熱が金属層に伝わる前に、外部断熱層の表面（金型表面）が瞬時に昇温し、金型表面のピーク温度を高めることができる。その後、溶融樹脂の熱は、外部断熱層を介して金属層に伝わる。この際、金属層は、内部断熱層によって基材から断熱されていて金属層の熱容量が基材から熱的に遮断された限定的なものとなっているので、溶融樹脂によって容易にその熱容量一杯まで加熱されて蓄熱することになり、溶融樹脂の熱エネルギーを一時的に極短時間ストレージする。金属層にストレージされた熱エネルギーは、最終的には、内部断熱層を介して基材に伝達される。

以上述べたように、本発明に係る射出成形用金型によれば、キャビティ内に溶融樹脂を注入した直後、瞬時に金型表面のピーク温度を高めることができ、且つ、金型表面を必要温度以上に保持する時間を長くできる。よって、製品の表面の金型（キャビティ内面）への転写性が向上し、且つ、樹脂をキャビティの隅々まで行き渡らせることができるのでショートショット等の不具合を抑制できる。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る射出成形用金型（二重断熱金型）の断面図、（ｂ）は従来の一重断熱金型の断面図、（ｃ）は従来の表面断熱金型の断面図である。図１に示す二重断熱金型、一重断熱金型、表面断熱金型を用い、薄肉（０．３５ｍｍ）のＰＣ（ポリカーボネート樹脂）を射出成形する際の経過時間と金型表面温度とのグラフである。図１に示す二重断熱金型、一重断熱金型、表面断熱金型を用い、全ての型温を一定（１１０℃）として、厚肉（２．０ｍｍ）のＰＣを射出成形する際の経過時間と金型表面温度とのグラフである。図１に示す二重断熱金型、一重断熱金型を用い、二重断熱金型の型温（９０℃）を一重断熱金型の型温（１１０℃）よりも下げて、厚肉のＰＣを射出成形する際の経過時間と金型表面温度とのグラフである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易にするための例示に過ぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

（射出成形用金型Ｈの概要）
図１（ａ）に本発明の一実施形態に係る射出成形用金型Ｈの概要を示す。本実施形態に係る射出成形用金型Ｈは、溶融した熱可塑性樹脂が充填されるキャビティ１を形成するものであり、キャビティ１内で成形される製品の形状に応じた表面の形状を有する金属製の基材２と、基材２の表面に設けられた内部断熱層３と、内部断熱層３の表面に設けられた金属層４と、金属層４の表面に設けられた外部断熱層６とを備え、外部断熱層６がキャビティ１に臨まされている。なお、図１（ａ）の上方の金型ＨＵは、キャビティ１内で成形される製品の裏面（製品の隠れ面）に該当するため、本発明の金型Ｈの構造が適用されていないが、製品の表面に該当すれば本発明の金型Ｈと同様の構造を適用してもよい。

（熱可塑性樹脂）
キャビティ１内に注入される熱可塑性樹脂は、融点まで加熱されることで柔らかくなり、目的の形に形成できる樹脂である。具体的には、非晶性樹脂のポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ＡＢＳ等のエンジニアリングプラスチックの他、結晶性樹脂のＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）等が用いられる。

（基材２）
基材２の表面は、キャビティ１内で成形される製品の基本的な形状に応じて形成されており、これにより製品の基本的な形状が成形される。なお、製品の表面に細かな凹凸（シボ、文様等）を設ける場合には、基材２の表面ではなく、後述のように金属層４の表面にシボや文様等に応じた加飾部を凹凸形成し、この加飾部によって製品の表面にシボや文様を転写成形する。基材２の材質には、プリハードン鋼、炭素鋼、アルミ等が用いられる。

（内部断熱層３）
基材２の表面には、内部断熱層３がコーティングされている。内部断熱層３は、キャビティ１内に注入された溶融樹脂の熱エネルギーが基材２に伝達することを抑制するものである。内部断熱層３は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を有し、層厚が１００μｍ〜１ｍｍ程度であり、基材２と金属層４とを接合する接着剤を兼ねている。熱硬化性樹脂には、フェノール樹脂（ＰＦ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、メラニン樹脂（ＭＦ）、ポリウレタン（ＰＵＲ）等が用いられ、熱可塑性樹脂には、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）等が用いられる。なお、内部断熱層３は、圧縮強度を高めるため、セラミック粉末等が混合されていてもよい。

（金属層４）
内部断熱層３の表面には、金属層４がコーティングされている。金属層４は、内部断熱層３によって基材２から断熱されており、金属層４の熱容量は、基材２から熱的に遮断された限定的なものとなっている。このため、金属層４は、キャビティ１内に注入された溶融樹脂から熱エネルギーを受けた際、容易にその熱容量一杯まで加熱されて温度上昇することになり、溶融樹脂の熱エネルギーを一時的に極短時間（０．５秒〜１秒程度）ストレージする。その後、金属層４の熱が内部断熱層３に伝わるため、金属層４は、キャビティ１内に注入された溶融樹脂の熱から内部断熱層３を保護する機能も発揮する。金属層４は、強度や比熱を考慮して、プリハードン鋼、ステンレス、アルミ、銅、ニッケル、炭素鋼等が用いられ、層厚は２００μｍ〜１ｍｍ程度となっている。

また、キャビティ１内で成形される製品の表面に細かな凹凸（シボ、文様等）を設ける場合には、金属層４の表面にシボや文様等に応じた加飾部を凹凸形成し、この加飾部によって製品の表面にシボや文様を転写成形する。なお、金属層４の表面には外部断熱層６がコーティングされるが、外部断熱層６の層厚は金属層４よりも薄く（５μｍ〜２００μｍ未満）、転写は十分可能である。

（外部断熱層６）
金属層４の表面には、外部断熱層６がコーティングされている。外部断熱層６は、キャビティ１内に注入された溶融樹脂の熱エネルギーが金属層４に伝達することを抑制する機能を発揮する。外部断熱層６は、キャビティ１内に注入された溶融樹脂が直接接触するため、内部断熱層３（熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂）よりも耐熱性の高いものが用いられ、具体的にはポリイミド、ポリアミドイミド、パラキシレンポリマー又はセラミック系の断熱材が用いられる。また、外部断熱層６は、離形性を向上させる機能も有し、離形性を高めるためにフッ素やシリコーンを混合してもよい。

（作用・効果：ＰＣ薄肉成形）
図２に、本実施形態に係る射出成形用金型Ｈ（二重断熱金型）、従来の一重断熱金型Ｊ１、従来の表面断熱金型Ｊ２によって形成されたキャビティ１内に、夫々、溶融樹脂（ＰＣ）を注入し、薄肉（肉厚０．３５ｍｍ）の製品を射出成形する際の経過時間と金型表面温度との関係を示す。図２中、実線が本発明（二重断熱金型Ｈ）、一点鎖線が従来１（一重断熱金型Ｊ１）、破線が従来２（表面断熱金型Ｊ２）のグラフである。一点鎖線の一重断熱金型Ｊ１、破線の表面断熱金型Ｊ２については、「発明が解決しようとする課題」の欄で述べたので説明を省略する。

実線で示す本実施形態に係る射出成形用金型Ｈ（二重断熱金型）によれば、図１（ａ）に示すように、金属層４が、内部断熱層３によって基材２から断熱されていると共に、外部断熱層６によってキャビティ１内に射出された溶融樹脂に対して断熱される。このため、図２の領域ａで示すように、キャビティ１内に溶融樹脂を注入した直後、その溶融樹脂の熱が金属層４に伝わる前に、外部断熱層６の表面（金型表面）が瞬時に昇温し、金型表面のピーク温度をガラス転移温度（約１５０℃）以上に高めることができる。この結果、一点鎖線で示す一重断熱金型Ｊ１よりも金型表面のピーク温度を高めることができる。

その後、二重断熱金型Ｈでは、溶融樹脂の熱が外部断熱層６を介して金属層４に伝わって吸熱され、金型表面の温度が低下する（図２の領域ｂ参照）。この際、金属層４は内部断熱層３によって基材２から断熱されていて金属層４の熱容量が基材２から熱的に遮断された限定的なものとなっているので、金属層４は溶融樹脂によって容易にその熱容量一杯近くまで加熱されて蓄熱することになり、溶融樹脂の熱エネルギーを一時的に極短時間（０．５秒〜１秒程度）ストレージする（図２の領域ｃ参照）。この結果、金型表面がガラス転移温度以上となる時間を、破線で示す表面断熱金型Ｊ２よりも長くでき、キャビティ１内の樹脂の流動性を射出成形における保圧時間まで確保することが可能となる。その後、金属層４にストレージされた熱エネルギーは、内部断熱層３を介して基材２に伝達され、金型表面の温度が低下する（図２の領域ｄ参照）。

以上述べたように、本実施形態の二重断熱金型Ｈによれば、図２の領域ａに示すように、キャビティ１内に溶融樹脂を注入した直後に瞬時に金型表面の温度がガラス転移温度以上に上昇し、一点鎖線で示す一重断熱金型Ｊ１よりも高くなり、且つ、図２の領域ｂ、ｃに示すように、金型表面がガラス転移温度以上となる時間を、破線で示す表面断熱金型Ｊ２よりも長くでき、射出成形における保圧時間まで長くできる。この結果、製品の表面の仕上がり・品質（光沢等）が向上して所謂ピアノブラックが得られ、且つ、キャビティ１内の隅々まで溶融樹脂を確実に行き渡らせることができ、ショートショット等の不具合を回避できる。

また、図１（ａ）に示す内部断熱層３が、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を有し、基材２と金属層４とを接合する接着剤を兼ねているので、接着剤を用いることなく基材２と金属層４とを接合できる。また、金属層４の表面に、キャビティ１内で成形される製品に細かな凹凸を付与するための加飾部を形成することで、製品にシボや文様を付与できる。金属層４の表面には外部断熱層６がコーティングされているものの、外部断熱層６は金属層４よりも薄く形成されているので、外部断熱層６による加飾性の悪化が抑制される。また、外部断熱層６が、内部断熱層３よりも耐熱性の高いポリイミド系等の断熱材を有しているので、キャビティ１内の溶融樹脂に直接接触しても熱損傷が抑制される。また、外部断熱層６及び金属層４は、内部断熱層３に対する熱的な保護部材にもなるため、内部断熱層３の熱的劣化（例えば接着力の低下等）を抑制できる。

（ＰＣ圧肉成形：型温一定）
図３は、本実施形態に係る二重断熱金型Ｈ、従来の一重断熱金型Ｊ１、従来の表面断熱金型Ｊ２を用い、全ての金型温度（型温）を一定（１１０℃）として、厚肉（２．０ｍｍ）のＰＣを射出成形する際の経過時間と金型表面温度とのグラフである。図３にて、領域ａ、領域ｂ、領域ｃ、領域ｄは、図２と同様の領域であるため、説明を省略する。

図３に示すように、製品を厚肉（２．０ｍｍ）とした場合、キャビティ１内に注入された溶融樹脂の熱容量が薄肉（０．３５ｍｍ）よりも大きく、その溶融樹脂の熱容量が一点鎖線で示す一重断熱金型Ｊ１の金属層４の熱容量を上回るため、一点鎖線で示す一重断熱金型Ｊ１でも金型表面の温度がガラス転移温度以上に上昇すると共に、ガラス転移温度以上となる時間も必要時間確保でき、金型として必要とされる条件を満たす（図２と図３の一点鎖線を対比）。一方、図３にて破線で示す表面断熱金型Ｊ２は、金型表面のピーク温度は十分であるが、キャビティ１内の溶融樹脂の熱エネルギーが瞬時に基材２に奪われるため、キャビティ１内の隅々まで樹脂を行き渡らせる製品部充填時間の間、ガラス転移温度を維持することが困難となる。

図３に実線で示す本実施形態に係る二重断熱金型Ｈも、勿論、ピーク温度が十分高く、且つ、ガラス転移温度以上となる時間も必要時間確保でき、金型として成立するが、図２に示す薄肉成形時と比べるとキャビティ１内の溶融樹脂の熱容量が過大となるため、金型の温度の低下が遅くなって、型開き時刻が遅くなり、サイクルタイムが長くなってしまう。そこで、本発明者等は、二重断熱金型Ｈの型温を一重断熱金型Ｊ１の型温よりも低下させることで、型開き時刻を早め、サイクルタイムを短縮化することを案出した。この点を以下に説明する。

（ＰＣ圧肉成形：型温低下）
図４は、本実施形態に係る二重断熱金型Ｈ、従来の一重断熱金型Ｊ１を用い、二重断熱金型Ｈの型温（９０℃）を一重断熱金型Ｊ１の型温（１１０℃）よりも下げて、厚肉のＰＣを射出成形する際の経過時間と金型表面温度とのグラフである。なお、図３にて破線で示す表面断熱金型Ｊ２は、上述のように型温（１１０℃）においてもガラス転移温度以上のキープ時間が短すぎるので比較対象から除外した。図４にて、領域ａ、領域ｂ、領域ｃ、領域ｄは、図２と同様の領域であるため、説明を省略する。

図４に示すように、二重断熱金型Ｈの場合、型温を下げても（９０℃）、ガラス転移温度以上のキープ時間を、型温が高い（１１０℃）一重断熱金型Ｊ１と同等の時間を確保できる。従って、製品の品質は、型温が高い（１１０℃）の一重断熱金型Ｊ１と同等となる。すなわち、一重断熱金型Ｊ１の場合、ＰＣ２ｍｍ厚の製品を成形する場合、金型温度を１１０℃程度まで上げる必要があるが、二重断熱金型Ｈの場合、金型温度は９０℃でも同等の効果が得られる。このように、二重断熱金型Ｈでは、一重断熱金型Ｊ２と比べて、型温を下げているので、冷却時間を短縮でき、型開き時刻が早まり、サイクルタイムを短くできる。加えて、金型温度を下げられれば、コストダウンとなると共に、環境にも優しい金型となる。

以上、添付図面を参照しつつ本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した各実施形態に限定されないことは勿論であり、特許請求の範囲に記載された範疇における各種の変更例又は修正例についても、本発明の技術的範囲に属することは言うまでもない。

本発明は、溶融した熱可塑性樹脂が充填されるキャビティを形成する射出成形用金型に利用できる。

１キャビティ
２基材
３内部断熱層
４金属層
６外部断熱層
Ｈ射出成形用金型（二重断熱金型）

Claims

溶融した熱可塑性樹脂が充填されるキャビティを形成する射出成形用金型であって、前記キャビティ内で成形される製品の形状に応じた表面を有する金属製の基材と、該基材の表面に設けられた熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を主とする接着剤の機能を備えた内部断熱層と、
該内部断熱層の表面に設けられた金属層と、
該金属層の表面に設けられた前記内部断熱層よりも耐熱温度の高いポリイミド、ポリアミドイミド、パラキシレンポリマー又はセラミック系の断熱性を備えた外部断熱層とを備え、
該外部断熱層が前記キャビティに臨んでおり、
前記金属層が、前記内部断熱層によって前記基材から断熱されていると共に、前記外部断熱層によって前記キャビティ内に射出された溶融樹脂に対して断熱される、ことを特徴とする射出成形用金型。
前記金属層の表面に、前記キャビティ内で成形される製品に凹凸を付与するための加飾部が形成された、ことを特徴とする請求項1に記載の射出成形用金型。
前記外部断熱層が、前記金属層よりも薄い、ことを特徴とする請求項１または２に記載の射出成形用金型。