JP7017459B2

JP7017459B2 - 成形用金型

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Publication number: JP7017459B2
Application number: JP2018072840A
Authority: JP
Inventors: 英明市来
Original assignee: Asahi Kasei Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2018-04-05
Filing date: 2018-04-05
Publication date: 2022-02-08
Anticipated expiration: 2038-04-05
Also published as: JP2019181739A

Description

本発明は、成形用金型に関する。

近年、各種機械及び自動車等の構造部品、圧力容器、及び管状の構造物等に使用される複合材料成形体の材料として、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とが連続して均一に混じり合った複合糸、及び複合糸からなる布帛が提案されている。このような布帛を用いた成形体の成型方法として、例えば、特許文献１には、布帛を２８０℃に加熱した成形用金型（以下、単に「金型」とも言う。）のキャビティ内に配置し、布帛の熱可塑性樹脂部分を溶融した後に、金型を５０℃に冷却して固化することにより成形体を獲る方法が提案されている。

成形プロセスにおける金型の冷却は、金型内部に穴を設けて冷却媒体流路とし、この冷却媒体流路に、冷水等の冷却媒体を流通させることによって行う場合が多い（例えば、特許文献２参照）。

特開２０１５－１０１７９４号公報国際公開第２０１０／１３１６８１号

上記冷却媒体を用いた金型の冷却では、冷却媒体は、金型の熱を奪いながら冷却媒体流路を進むため、冷却媒体流路の下流側に進むに従って冷却溶媒の温度が上昇する。その結果、金型の冷却媒体流路上流側の部分は比較的良好に冷却されるものの、冷却媒体流路下流側の部分は上流側の部分ほど冷却されず、金型の冷却媒体流路上流側の部分と下流側の部分とで温度差が生じ、金型を均一に冷却できず、その結果として冷却時間が長くなる問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、成形プロセスの冷却過程において、従来よりも均一に冷却することが可能な成形用金型を提供することにある。

上記課題を解決する本発明は、以下の通りである。

［１］複数の金型部材からなり、該複数の金型部材で構成されるキャビティ内で成形体を形成するための成形用金型であって、
前記複数の金型部材のうちの複数が、冷却媒体が流通する複数の冷却媒体流路を備え、
各冷却媒体流路は、
前記金型部材の第１深さ位置に配置され、一端に前記冷却媒体を導入する冷却媒体導入口を有する第１流路と、
前記第１深さ位置よりも浅い第２深さ位置に配置され、少なくとも一端に前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出口を有する第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路とを接続し、前記冷却媒体を前記第１流路から前記第２流路に流通させる複数の接続流路と、
を有し、
前記接続流路から前記第２流路に流入する前記冷却媒体が、前記冷却媒体排出口に向かうように構成されていることを特徴とする成形用金型。

［２］前記第２流路の断面積が前記第１流路の断面積よりも小さい、前記［１］に記載の成形用金型。

［３］前記接続流路の断面積が前記第１流路の断面積よりも小さい、前記［２］に記載の成形用金型。

［４］前記第２流路の両端に前記冷却媒体排出口が設けられている、前記［１］～［３］のいずれか一項に記載の成形用金型。

［５］前記金型部材は、第１材料からなる第１部分と、第１材料よりも熱伝導率が高い第２材料からなる第２部分とを有し、前記第１流路は前記第１部分に設けられ、前記第２流路は前記第２部分に設けられている、前記［１］～［４］のいずれか一項に記載の成形用金型。

［６］前記第１材料は熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である金属を含む、前記［５］に記載の成形用金型。

［７］前記第２材料は熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である金属を含む、前記［５］または［６］に記載の成形用金型。

［８］前記第２流路は、前記金型部材の表面形状に沿って設けられている、前記［１］～［７］のいずれか一項に記載の成形用金型。

［９］前記複数の金型部材のうちの前記複数が、前記第２深さ位置よりも浅い第３深さ位置に配置されたヒーターをさらに備える、前記［１］～［８］のいずれか一項に記載の成形用金型。

［１０］前記ヒーターは、前記金型部材の表面形状に沿って設けられている、前記［９］に記載の成形用金型。

［１１］前記第３深さ位置は、前記金型部材の表面から５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の深さ位置である、前記［９］または［１０］に記載の成形用金型。

［１２］前記第２深さ位置と前記第３深さ位置との差は５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である、前記［９］～［１１］のいずれか一項に記載の成形用金型。

本発明によれば、成形プロセスの冷却過程において、成形用金型を従来よりも均一に冷却することができる。

本発明による成形用金型を構成する金型部材の一例を示す図である。本発明による成形用金型を構成する金型部材の別の例を示す図である。２つの冷却媒体排出口を有する金型部材を示す図である。第２流路の断面積が第１流路の断面積よりも小さい金型部材を示す図である。第２流路および接続流路の断面積が第１流路の断面積よりも小さい金型部材を示す図である。第２流路が、第１流路が設けられた部分の材料よりも熱伝導率が高い材料で構成された部分に設けられた金型部材を示す図である。第２流路が金型部材の表面形状に沿って設けられた金型部材を示す図である。ヒーターが設けられた金型部材を示す図である。ヒーターが金型部材の表面形状に沿って設けられた金型部材を示す図である。実施例１に用いた金型部材の詳細を示す図である。比較例１に用いた金型部材の詳細を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明による成形用金型は、複数の金型部材からなり、該複数の金型部材で構成されるキャビティ内で成形体を形成するための成形用金型であり、上記複数の金型部材のうちの複数が、冷却媒体が流通する複数の冷却媒体流路を備える。ここで、各冷却媒体流路は、金型部材の第１深さ位置に配置され、一端に前記冷却媒体を導入する冷却媒体導入口を有する第１流路と、第１深さ位置よりも浅い第２深さ位置に配置され、少なくとも一端に冷却媒体を排出する冷却媒体排出口を有する第２流路と、第１流路と第２流路とを接続し、冷却媒体を第１流路から第２流路に流通させる複数の接続流路とを有し、接続流路から第２流路に流入する冷却媒体が、冷却媒体排出口に向かうように構成されていることを特徴とする。

上述のように、従来の冷却媒体を用いた金型の冷却では、冷却媒体は、冷却媒体流路の下流側に進むに従って温度が上昇する。その結果、金型の冷却媒体流路上流側の部分と下流側の部分とで温度差が生じ、金型を均一に冷却することができない。

本発明者らは、こうした金型の冷却媒体流路上流側の部分と下流側の部分との間の温度差を低減して、金型をより均一に冷却する方途について鋭意検討した。その結果、冷却媒体流路を、第１流路と、該第１流路よりも浅い位置に設けられた第２流路と、これら２つの流路を接続する複数の接続流路とで構成し、第１流路の冷却媒体導入口から冷却媒体を導入して第２流路の冷却媒体排出口から排出するように構成することに想到したのである。

冷却媒体流路を上述のように構成することによって、実質的な金型の冷却流路である第２流路の上流と下流との間において、接続流路から、第２流路を流れる冷却媒体よりも温度の低い冷却媒体が第２流路に流入する。その結果、金型の第２流路のより下流側の部分をより冷却できるようになり、金型の第２流路上流側の部分と下流側の部分との差を低減して、金型をより均一に冷却することができる。

図１は、本発明による成形用金型を構成する金型部材の一例を示す図である。この図に示した金型部材１は、第１深さ位置ｄ₁に配置された第１流路１１と、第１深さ位置ｄ₁よりも浅い第２深さ位置ｄ₂に配置された第２流路１２と、第１流路１１と第２流路１２とを接続する複数の接続流路１３とからなる冷却媒体流路１０を備える。

第１流路１１は、主に第２流路１２に冷却媒体Ｃを供給するための流路であり、その一方の端部１１ａに冷却媒体Ｃを導入するための冷却媒体導入口１４が設けられている。また、第２流路１２は、金型を冷却するための実質的な冷却流路であり、その少なくとも一方の端部１２ａに冷却媒体Ｃを排出するための冷却媒体排出口１５が設けられている。

そして、接続流路１３は、上記第１流路１１と第２流路１２とを接続する流路であり、第１流路１１を流通する冷却媒体Ｃの一部を第２流路１２に流入させ、第２流路１２に流入した冷却媒体Ｃが冷却媒体排出口１５に向かうように構成されている。

このような金型部材１において、冷却媒体導入口１４から導入された冷却媒体（例えば、冷水）Ｃは、第１流路１１の下流側の端部１１ｂに向かって進む。その途中、接続流路１３にて、冷却媒体Ｃの一部が接続流路１３に流入して上昇し、第２流路１２内に流入する。

第１流路１１の端部１１ｂに到達した冷却媒体Ｃは、接続流路１３に流入して上昇し、第２流路の上流側の端部１２ｂに流入する。そして、第２流路１２に流入した冷却媒体Ｃは、接続流路１３から合流した冷却媒体Ｃとともに、第２流路１２を下流側の端部１２ａに向かって進み、冷却媒体排出口１５から排出される。

このような冷却媒体Ｃの流れにおいて、第２流路１２を一方の端部１２ｂから他方の端部１２ａに流れる過程で、接続流路１３から、より温度の低い冷却媒体Ｃが合流する。これにより、第２流路１２の下流側を流通する冷却媒体Ｃの温度を従来に比べて低下させることができ、金型をより均一に冷却することができるようになる。

なお、図１に示した金型部材１においては、３つの接続流路１３が設けられているが、３つに限定されず、２つ、あるいは４つ以上設けることもできる。また、図１に示した金型部材１においては、接続流路１３は、第１流路１１および第２流路１２に対して垂直に設けられているが、垂直である必要はなく、傾いた状態で設けられてもよい。

また、第２流路１２の端部１２ｂに設けられた冷却媒体排出口１５は、図１においては、冷却媒体導入口１４と同じ側に設けられているが、図２に示す金型部材２のように、冷却媒体導入口１４とは反対側の端部１２ｂに設けてもよい。さらに、冷却媒体排出口１５は、図３に示す金型部材３ように、第２流路１２の両端１２ａ，１２ｂに設けてもよい。この場合、冷却媒体Ｃをより速やかに排出できるようになり、金型の冷却効率を高めることができる。

図４は、本発明による成形用金型を構成する金型部材の別の例を示している。この図に示した金型部材４の特徴は、第２流路１２の断面積が、第１流路１１の断面積よりも小さく構成されていることである。このように構成することによって、第２流路１２を流通する冷却媒体Ｃの流速を高めることができ、例えば冷却媒体Ｃとして冷水を用いた場合に、冷却によって発生した水蒸気を冷却媒体流路１０から速やかに排出できるようになり、冷却効率を高めることができる。なお、本発明において、「断面積」は、流路の延在方向に垂直な断面の面積を意味している。

また、図５に示す金型部材５のように、接続流路１３の断面積についても、第１流路１１の断面積よりも小さく構成されていることが好ましい。このように構成することによって、接続流路１３を流通する冷却媒体Ｃの流速をより高めることができ、例えば冷却媒体Ｃとして冷水を用いた場合に、冷却によって発生した水蒸気を冷却媒体流路１０からより速やかに排出できるようになり、冷却効率をより高めることができる。

また、図６に示す金型部材６のように、金型部分６を、第１材料からなる第１部分６ａと、第１材料よりも熱伝導率が高い第２材料からなる第２部分６ｂとで構成し、第１流路１１が第１部分６ａに設けられ、第２流路１２は第２部分６ｂに設けられていることが好ましい。

上述のように、本発明における成形用金型の金型部材において、第１流路１１は、主に第２流路１２に冷却媒体Ｃを供給するための流路として用いられる。そのため、冷却媒体導入口１４から導入された冷却媒体Ｃは、第１流路１１を流通する過程で温度が上昇しないことが好ましい。一方、第２流路１２は、金型を冷却するための実質的な冷却流路として用いられる。そのため、第２流路１２は、金型を速やかに冷却できることが好ましい。

こうしたことから、金型部分６を、第１材料からなる第１部分６ａと、第１材料よりも熱伝導率が高い第２材料からなる第２部分６ｂとで構成し、冷却媒体Ｃの温度を低下させたくない第１流路１１を第１部分６ａに設け、金型を積極的に冷却したい第２流路１２は、第２部分６ｂに設けられていることが好ましい。これにより、第１流路１１を流通する冷却媒体Ｃの温度の低下を抑制した状態で、接続流路１３によってより低い温度の冷却媒体Ｃを第２流路１２に供給できる。また、第２流路１２を流通する冷却媒体Ｃによって、より効率的に金型を冷却することができる。

上記第１流路１１が設けられる第１部分６ａの材料（第１材料）としては、比較的熱伝導率が低い材料を用いることが好ましい。具体的には、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である金属を含むことが好ましい。こうした材料としては、炭素鋼や合金鋼、高速度鋼やマルエージング鋼、ステンレス鋼等が挙げられる。中でも、強度、価格および低熱伝導率の点で、第１材料はステンレス鋼を含むことが好ましい。

上記第２流路１２が設けられる第２部分６ｂの材料（第２材料）としては、比較的熱伝導率が高い材料を用いることが好ましい。具体的には、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である金属を含むことが好ましい。こうした材料としては、アルミニウム合金や銅合金、純銅、アルミニウム等が挙げられる。中でも、強度、高熱伝導率および硬度の点で、第２材料は銅合金またはアルミニウム合金を含むことが好ましい。

また、図７に示す金型部材７のように、第２流路１２は、金型部材７の表面形状に沿って設けられていることが好ましい。これにより、実質的な冷却流路である第２流路１２と、金型部材６の表面との距離がどの場所でも同じになるため、金型をより均一に冷却することができる。

以上、本発明における金型部材に設けられた冷却媒体流路について説明したが、本発明による成形用金型を構成する複数の金型部材のうちの複数において、図８に示す金型部材８のように、第２深さ位置ｄ₂よりも浅い第３深さ位置ｄ₃に、成形プロセスの加熱過程において金型を加熱するためのヒーター１６を配置することができる。

また、図９に示す金型部材９のように、ヒーター１６は、金型部材９の表面形状に沿って設けられていることが好ましい。これは、ヒーター１６を曲げることが可能なヒーター、例えば、フレキシブルヒーターや細径ヒーターで構成することにより行うことができる。これにより、成形プロセスの加熱過程の際に、金型を均一に加熱することができる。

また、ヒーター１６が配置される第３深さ位置ｄ₃は、金型部材の表面から５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の深さ位置であることが好ましい。第３深さ位置ｄ₃を金型部材の表面から５ｍｍ以上にすることによって、成形プロセスにおいて金型部材に圧力を印加した際にヒーター１６が破損するのを低減することができる。また、第３深さ位置ｄ₃を金型部材の表面から１００ｍｍ以下にすることによって、ヒーター１６から放出される熱をキャビティ面に良好に伝えることができる。より好ましくは７０ｍｍ以下、さらに好ましくは５０ｍｍ以下である。

さらに、第２流路１２が配置される第２深さ位置ｄ₂と、ヒーター１６が配置される第３深さ位置ｄ₃との差は、５ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。第２深さ位置ｄ₂と第３深さ位置ｄ₃との差を５ｍｍ以上とすることにより、成形プロセスにおいて金型部材に圧力を印加した際に第２流路１２が変形するのを抑制することができる。また、第２深さ位置ｄ₂と第３深さ位置ｄ₃との差を１００ｍｍ以下とすることにより、冷却媒体Ｃによるキャビティ面の冷却を素早く行うことができる。より好ましくは７０ｍｍ以下、さらに好ましくは５０ｍｍ以下である。

（実施例１）
金型は、図１０に示した金型部材１０を備える成形用金型を用意した。冷却配管（冷却媒体通路）を有する第１部分１０ａを構成する第１材料としては、銅合金（MATERION社製、商品名「MOLD MAX V」）を用い、ヒーター１６を有する第２部分１０ｂを構成する第２材料としては、ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）を用いた。
冷却媒体流路１０を構成する第１流路１１および第２流路１２の内径は、それぞれ１０ｍｍ（断面積７８．５ｍｍ²）、７．５ｍｍ（断面積４４．２ｍｍ²）である。また、第１流路１１および第２流路１２は、キャビティ面から第１深さ位置ｄ₁＝５２．５ｍｍ、第２深さ位置ｄ₂＝３０ｍｍにそれぞれ設けた。また、接続流路１３の数は３つとした。
ヒーター１６としては、棒状カートリッジヒーターを使用し、１０００Ｗ（１０ｍｍΦ×４００ｍｍ、ワット密度８．３Ｗ／ｃｍ²、株式会社八光電機製、商品名「ＧＬＥ４１０３」）のものを用いた。ヒーター１６は、第３深さ位置ｄ₃＝７．５ｍｍに配置した。
金型部材１０の長さ、すなわち、第１流路１１に沿った長さは３００ｍｍ、横幅は５０ｍｍとした。また、第１部分の厚みは２５ｍｍ、第２部分の厚みは４５ｍｍとした。金型部材１０の詳細を表１に示す。

上記成形用金型１０を用い、成形プロセスの冷却過程を模擬した模擬冷却を行った。具体的には、棒状カートリッジヒーター１６で成形用金型１０全体が３００℃以上となるように加熱後、冷却媒体導入口１４に冷却水を１３Ｌ／分の速度で通水し、成形用金型１０の表面が１５０℃となるように冷却した。図１０に示した成形用金型のキャビティ面の３箇所の温度測定点、すなわち、キャビティ面の中央、および第１流路１１の上流および下流の上方の２箇所の温度を測定し、温度測定点のうちの１点が１５０℃になった時の他の温度測定点での温度との最大温度差、および全ての温度測定点での温度が１５０℃になるまでに要した時間を求めた。得られた結果を表１に示す。

（比較例１）
実施例１と同様に、キャビティ面の３箇所の温度測定点、すなわち、キャビティ面の中央、および第１流路１１の上流および下流の上方の２箇所の温度を測定し、温度測定点のうちの１点が１５０℃になった時の他の温度測定点での温度との最大温度差、および全ての温度測定点での温度が１５０℃になるまでに要した時間を求めた。ただし、金型部材としては、図１１に示した金型部材１００を用いた。その他については実施例１と全て同じである。金型部材１００の詳細、図１１に示した温度測定点のうちの１点が１５０℃になった時の他の温度測定点での温度との最大温度差、および全ての温度測定点での温度が１５０℃になるまでに要した時間を表１に示す。

表１から明らかなように、実施例１においては、温度測定点の１点が１５０℃になった時の最大温度差が比較例１に比べて大きく低減されていることから、本発明による成形用金型１０は、比較例１の成形用金型１００に比べて金型を均一に冷却できることが分かる。また、実施例１においては、全ての温度測定点での温度が１５０℃になるまでに必要な時間が比較例１に比べて短いことから、本発明による成形用金型１０は、金型の冷却時間を短縮できることも分かる。

１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０，１１金型部分
６ａ，１０ａ第１部分
６ｂ，１０ｂ第２部分
１０冷却媒体流路
１１第１流路
１１ａ，１１ｂ第１流路の端部
１２第２流路
１２ａ，１２ｂ第２流路の端部
１３接続流路
１４冷却媒体導入口
１５冷却媒体排出口
１６ヒーター
Ｃ冷却媒体
ｄ₁ 第１深さ位置
ｄ₂ 第２深さ位置
ｄ₃ 第３深さ位置

Claims

複数の金型部材からなり、該複数の金型部材で構成されるキャビティ内で成形体を形成するための成形用金型であって、
前記複数の金型部材のうちの複数が、冷却媒体が流通する複数の冷却媒体流路を備え、
各冷却媒体流路は、
前記金型部材の第１深さ位置に配置され、一端に前記冷却媒体を導入する冷却媒体導入口を有する第１流路と、
前記第１深さ位置よりも浅い第２深さ位置に配置され、少なくとも一端に前記冷却媒体を排出する冷却媒体排出口を有する第２流路と、
前記第１流路と前記第２流路とを接続し、前記冷却媒体を前記第１流路から前記第２流路に流通させる複数の接続流路と、
を有し、
前記第２流路の断面積が前記第１流路の断面積よりも小さく、
前記金型部材は、熱伝導率が５０Ｗ／ｍ・Ｋ以下である金属を含む第１材料からなる第１部分と、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上である金属を含む第２材料からなる第２部分とを有し、
前記第１流路は前記第１部分に設けられ、前記第２流路は前記第２部分に設けられており、
前記接続流路から前記第２流路に流入する前記冷却媒体が、前記冷却媒体排出口に向かうように構成されていることを特徴とする成形用金型。
前記接続流路の断面積が前記第１流路の断面積よりも小さい、請求項１に記載の成形用金型。
前記第２流路の両端に前記冷却媒体排出口が設けられている、請求項１または２に記載の成形用金型。
前記第２流路は、前記金型部材の表面形状に沿って設けられている、請求項１～３のいずれか一項に記載の成形用金型。
前記複数の金型部材のうちの前記複数が、前記第２深さ位置よりも浅い第３深さ位置に配置されたヒーターをさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の成形用金型。
前記ヒーターは、前記金型部材の表面形状に沿って設けられている、請求項５に記載の成形用金型。
前記第３深さ位置は、前記金型部材の表面から５ｍｍ以上１００ｍｍ以下の深さ位置である、請求項５または６に記載の成形用金型。
前記第２深さ位置と前記第３深さ位置との差は５ｍｍ以上１００ｍｍ以下である、請求項５～７のいずれか一項に記載の成形用金型。