JP7031666B2 - 成形装置及び成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、温度調整用の配管を内蔵した成形装置及び成形品の製造方法に関するものである。

一般的な射出成形装置においては、溶融樹脂を金型のキャビティ内に射出させ、樹脂が固化した後に、金型を離型して成形品を取り出すことができる。ところで最近の傾向として、多品種小ロットの成形品が増加している。多品種の樹脂製品を成形するには、形状が異なる製品ごとに金型を製作する必要があるが、製品毎に金型を製作していては、小ロットの製品のコストが増大し、また金型製作の時間もかかる。そこで、金型の共通部分を母型に持たせ、製品固有の部分（キャビティ形状）を持たせた子型を交換可能とする、カセット型の技術が開発された。カセット型の技術によって、製品ごとの金型製作コスト及び時間を抑制することができ、特に小ロット製品では、部品費に占める金型償却費の割合が大きいので、カセット型の技術が有効であるとされる。

ところで、成形時の金型温度によって成形品の寸法・形状が変化するので、特に精度が要求される樹脂製品の成形では、成形時の金型温度を安定させる必要がある。一般的な金型の温度調整は、金型内に冷却水路（配管）を設け、温度調整された液体（水、油）を流すことで行うことが多い。金型内で最も温度調整が必要とされるのは製品を形成するキャビティ付近のため、子型、または子型及び母型の両方に配管を設ける構成が一般的である。ところが、キャビティを構成する子型に温度調整用の配管を設けた場合、母型から子型を脱着する度に、配管の取り外しと再組み付けが必要になり、特に小ロットの成形品を成形する際には、子型の交換時間の占める割合が高くなり、生産効率が低下するという問題がある。

これに対し特許文献１には、カセット型技術を用いた成形装置において、母型側のみに冷却水路を設けた構成が開示されている。具体的には、高熱伝導性の物質からなる温調ブロックが付勢手段によって母型に付勢されており、この温調ブロックが温度調整手段としての冷却水路を備えている。子型は母型の収納凹部に装着されており、その両側面が温調ブロックの側面と密着した状態で挟持されている。子型のキャビティ付近の温度は、母型の温調ブロックからの伝熱によって安定化が図られている。特許文献１の技術によれば、子型に温度調整手段を設けていないので、子型交換時の配管接続などの面倒な作業を要せず、段取り時間の削減に繋がるとされる。

特開平０６－２８５９１５号公報 特開平１０－１１９０９１号公報

特許文献１の技術は理想状態では有効であるが、実際には克服すべき課題がある。すなわち、母型と子型とを密着させる際に、平面同士の部材を押し当てて密着状態を形成しているが、下記のような様々な理由で、成形時に密着状態を確保できないケースがある。母型と子型とが密着しなければ、その間に断熱性が高い空気が介在することとなり、母型と子型間での熱伝導効率は大きく低下する。これにより、母型に設けた配管による温度調整の効果が子型に及ばず、キャビティ付近の温度調整を精度良く行えない恐れがある。

［母型と子型とが密着しない理由］
（１）母型と子型の材料の線膨張係数が異なる場合、室温で母型と子型が密着していても、成形時に温度が変化すると両者は離れるか突っ張って、発生した応力で歪みが生じる恐れがある。母型と子型の材料の線膨張係数を同じにすれば、かかる問題を回避できるが、金型材料の選択の自由度が狭まる。
（２）子型が複数のプレートから成る場合、それぞれに寸法誤差があると、少なくとも一方の接続面に段差が生じ、相手が平面では隙間が生じる恐れがある。プレートの許容誤差を略ゼロにすれば、かかる問題を回避できるが、それにより子型の製作コストが膨大となる。
（３）例え室温で子型の接続面が高精度な平面であっても、成形時の子型の型温が均一でないと、熱膨張も均一で無くなり、接続面の形状に歪みが生じて平面度が大きく低下する恐れがある。

以上の複合的な理由により、成形時において母型と子型の密着状態を維持することができず、それにより温度調整能力が低下することが多い。特に子型のサイズが大きいと母型との熱膨張の不一致が大きくなり、上記の課題が顕在化する傾向がある。

特許文献２には、キャビティプレートと、キャビティ入れ子と、コアプレートと、コア入れ子の各部材を備えてなり、部材間に所定のクリアランスを設けるとともに、クリアランス内に弾性材を設置してもよいとされる樹脂成形用金型が開示されている。しかしながら、特許文献２に開示された弾性材は、部材間の位置決め精度を向上させるものであって、入れ子の温度調整を目的とするものではない。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、子型を交換可能に取り付けられた母型を用いながらも、金型の製造コストや交換時の手間を大きくかけることなく、子型の温度調整を有効に行える成形装置及び成形品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の成形装置は、
子型と、前記子型を交換可能に取り付けられた母型と、を有する成形装置であって、
前記母型は、前記子型が挿入される枠体を有し、
前記枠体は、温度調節用の流体が流れる配管を内蔵しており、
前記子型と前記枠体との間には、少なくとも成形時に前記子型と前記枠体の双方に接触する弾性変形可能な熱伝達部材が配置されているものである。

本発明によれば、子型を交換可能に取り付けられた母型を用いながらも、金型の製造コストや交換時の手間を大きくかけることなく、子型の温度調整を有効に行える成形装置を提供することができる。

本実施の形態にかかる成形装置の概略断面図である。 成形装置の子型を交換する工程を示す図であるが、断面のハッチングは省略している。 室温に対して成形時の温度まで上昇した際における固定側子型２０及び可動側子型４０の熱膨張を点線で誇張して示した図である。 成形装置の成形工程を示す図である。 成形装置の成形工程を示す図である。 成形装置の成形工程を示す図である。 子型の断面における温度分布のシミュレーション結果を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図１Ａは、本実施の形態にかかる成形装置の概略断面図である。成形装置は、固定側母型１０と、固定側子型２０と、可動側母型３０と、可動側子型４０と、温度調整ユニット５０と、固定側弾性材６０と、可動側弾性材７０とを有する。固定側母型１０と可動側母型３０とで母型を構成し、固定側子型２０と可動側子型４０とで子型を構成し、固定側弾性材６０と可動側弾性材７０が弾性変形可能な熱伝達部材である。

鋼製の固定側母型１０は、固定側受け板１１と、固定側受け板１１に取り付けられる第１枠体１２と、第１枠体１２に取り付けられる第２枠体１３とを有する。第１枠体１２の内側において、固定側受け板１１に一対のガイド軸１４が植設され、ガイド軸１４に沿って移動可能となるようにスライダ板１５が配置されている。スライダ板１５には、イジェクトピン１６が植設されている。又、第２枠体１３内には、周方向に延在する配管１３ａが螺旋状に形成されており、その両端は接続管１７を介して外部の温度調整ユニット５０に連結されている。

固定側子型２０は、固定側母型１０の第２枠体１３の内部に挿入された第１ブロック２１と第２ブロック２２とを有する。第２ブロック２２の可動側面に、成形面２２ａが形成されている。又、第１ブロック２１と第２ブロック２２には、イジェクトピン１６を挿通させた貫通孔２１ａ、２２ｂが形成されている。貫通孔２２ｂは成形面２２ａで開口している。

固定側母型１０の第２枠体１３と、固定側子型２０の第１ブロック２１と第２ブロック２２との間には、全周において厚みｔの隙間が形成されており、かかる隙間に固定側弾性材６０が、第２枠体１３の内周面及び、第１ブロック２１と第２ブロック２２の外周面とに密着するようにして配置されている。

鋼製の可動側母型３０は、可動側受け板３１と、可動側受け板３１に取り付けられる第３枠体３２とを有する。第３枠体３２内には、周方向に延在する配管３２ａが螺旋状に形成されており、その両端は接続管３３を介して外部の温度調整ユニット５０に連結されている。

可動側子型４０は、可動側母型３０の第３枠体３２の内部に挿入された第３ブロック４１を有する。第３ブロック４１の固定側面に、成形面４１ａが形成されている。尚、固定側子型２０及び可動側子型４０は、アルミニウム合金、ベリリウム銅合金、亜鉛合金、アルミニウム－セラミック複合材のいずれかにより形成されていると好ましい。これらの素材であれば、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であって、且つ射出成形金型として必要な強度を満たすからである。熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば、子型の接触面から成形面までの伝熱が効率化され、型温安定化が迅速となるため、サイズの大きな子型に対しても有効である。

可動側母型３０の第３枠体３２と、可動側子型４０の第３ブロック４１との間には、全周において厚みｔの隙間が形成されており、かかる隙間に可動側弾性材７０が、第３枠体３２の内周面、第３ブロック４１の外周面とに密着するようにして配置されている。

図１Ｂを参照して、本実施の形態では、固定側子型２０及び可動側子型４０を、別の固定側子型２０'及び可動側子型４０'と交換可能となっている。ここで、固定側子型２０'は、成形面２２ａとは異なる形状の成形面２２ａ'を有し、可動側子型４０'は、成形面４１ａとは異なる形状の成形面４１ａ'を有している。より具体的に交換作業を説明すると、（ａ）に示す組立状態から、可動側弾性材７０及び第３枠体３２を含む可動側母型３０を一体で取り外しつつ、（ｂ）に示す分解状態のように固定側子型２０と可動側子型４０とを固定側母型１０から一体的に取り外す。これを、別の固定側子型２０'と可動側子型４０'と交換した後、（ｃ）に示す再組立状態のように固定側母型１０に組み付けて、最後に可動側弾性材７０及び第３枠体３２を含む可動側母型３０を取り付ける。交換前の固定側子型２０と、交換後の固定側子型２０'とは外寸が等しくなっており、また交換前の可動側子型４０と、交換後の可動側子型４０'とは外寸が等しくなっているので、本実施の形態にかかる成形装置において子型のみを交換でき、これにより金型コストを抑制しつつ多品種小ロットの樹脂成形品の成形に対応できる。又、固定側子型２０及び可動側子型４０には、温度調整用の配管を設けていないので、交換を迅速に行うことができる。

固定側弾性材６０及び可動側弾性材７０は、ゴム状のシートやフィルムであると加工が容易で面接触させやすいため好ましく、特にシリコーン製の熱伝導シートであると好ましい。固定側弾性材６０及び可動側弾性材７０の厚みは０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下、熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上、弾性率１ＧＰａ以下が望ましい。固定側弾性材６０及び可動側弾性材７０の厚みが５ｍｍを超えて厚すぎたり、２Ｗ／ｍＫを下回るほど熱伝導率が低すぎると、弾性材自身の断熱により、母型と子型間の伝熱を阻害する恐れがある。一方、固定側弾性材６０及び可動側弾性材７０の弾性率が１ＧＰａを超えて高すぎたり、厚みが０．１ｍｍを下回って薄すぎると、接触面の不一致（ズレ）を吸収できない恐れがある。以上述べた弾性材の仕様が熱伝達の阻害影響を極力減らしつつ、接触面の不一致を吸収できる。

図２は、室温に対して成形時の温度まで上昇した際における固定側子型２０及び可動側子型４０の熱膨張を点線で誇張して示した図である。ここでは、第１ブロック２１，第２ブロック２２，第３ブロック４１を構成する子型の素材を同じものとし、また固定側弾性材６０及び可動側弾性材７０の素材を同じものとする。子型の素材の線膨張係数をａ（／Ｋ）、子型の素材のヤング率をＥｍ（ＧＰａ）、弾性材の素材のヤング率（弾性率）をＥ（ＧＰａ）とし、子型における弾性材の厚み方向の寸法をＬ（ｍｍ）とし、弾性材の厚みをｔ（ｍｍ）とする。弾性部材の厚み方向は熱伝達方向をいうものとする。

子型の温度をＴ１からＴ２へと増大させたとき、子型に生じる熱応力Ｐは、
Ｐ＝Ｅｍ×（δ／Ｌ）、但しδ＝ａ×（Ｔ２－Ｔ１）×Ｌ／２
と表せる。このとき、弾性材を変形させるのに必要な力Ｆが、子型の熱応力Ｐ未満（Ｆ＜Ｐ）であれば、子型の熱膨張を弾性材で吸収できることとなる。この条件から、
Ｅ×（δ／ｔ）＜Ｅｍ×（δ／Ｌ）
よって、
ｔ＞Ｅ／Ｅｍ×Ｌ （１）
が成立することとなる。

次に、本実施の形態にかかる成形装置の動作について説明する。図３Ａ～図３Ｃは、成形装置の成形工程を示す図であるが、温度調整ユニットは省略して示している。図１Ａに示す温度調整ユニット５０から接続管１７，３３を介して、第２枠体１３の配管１３ａ及び第３枠体３２の配管３２ａを介して、温度調整された液体が供給され、固定側母型１０及び可動側母型３０が所定温度になるように調整されている。このとき、相互に面接触してなる固定側母型１０から固定側弾性材６０を介して固定側子型２０に熱伝導が行われ、又、相互に面接触してなる可動側母型３０から可動側弾性材７０を介して可動側子型４０に熱伝導が行われ、これにより固定側子型２０及び可動側子型４０が所定範囲内の温度になるように調整することができる。

かかる状態で、図３Ａに示すように、固定側母型１０及び固定側子型２０に対して、可動側母型３０及び可動側子型４０を相対移動させて型締めし、固定側の成形面２２ａと可動側の成形面４１ａとで形成されるキャビティ内に、不図示のゲートを介して溶融した樹脂を射出する。この時点でも、相互に面接触してなる固定側母型１０から固定側弾性材６０を介して固定側子型２０に熱伝導が行われ、又、相互に面接触してなる可動側母型３０から可動側弾性材７０を介して可動側子型４０に熱伝導が行われている。

キャビティ内の樹脂が固化した後、図３Ｂに示すように、固定側母型１０及び固定側子型２０から、可動側母型３０及び可動側子型４０を離間させ、更に図３Ｃに示すように、スライダ板１５を変位させてイジェクトピン１６の先端を可動側に突き出すことにより、成形された樹脂成形品ＰＲを成形面２２ａから引きはがすことができる。

本発明者が作成した実施例（以下の仕様）にて、温度変化前後の寸法は以下の通りである。但し、寸法Ａ，Ｂ，ｔは図１Ａに図示する部位のものとする。
（ａ）子型の素材：アルミニウム合金Ａ７０７５（線膨張係数２３．６×１０-6／Ｋ，熱伝導率１３０Ｗ／ｍＫ）
子型の外寸Ａ：６００ｍｍ（２５℃において測定）
子型の外寸Ａ：６００．８ｍｍ（８０℃において測定）
（ｂ）母型の素材：鋼材Ｓ５５Ｃ（線膨張係数１１．７×１０-6／Ｋ、熱伝導率４６Ｗ／ｍＫ）
母型の内寸Ｂ：６０３ｍｍ（２５℃において測定）
母型の内寸Ｂ：６０３．４ｍｍ（８０℃において測定）
（ｃ）弾性材の素材：シリコーンゴム製熱伝導シート（線膨張係数２×１０-4／Ｋ、熱伝導率５Ｗ／ｍＫ）
弾性材の厚みｔ：３ｍｍ（２５℃において測定）
弾性材の厚みｔ：２．８ｍｍ（８０℃において母型、子型が熱膨張後に測定）

上記実施例によれば、母型と子型間の熱膨張差によって、母型と子型間の距離が０．２ｍｍ縮まるが、弾性材がこの変化を吸収するので、子型が母型内で突っ張ることなく密着できるので、両者の間で効率良く熱交換ができる。

以下、本発明者が行ったシミュレーションについて説明する。本発明者は、図４に示すように、子型の両側に母型を配置した上で、（ａ）子型の両側で母型に接触させた場合、（ｂ）子型の一方側（図４で下側）を母型に接触させるが、他方側（図４で上側）と母型との間に１ｍｍの隙間を設けた場合、（ｃ）子型の一方側を母型に接触させ、他方側と母型との間に厚さ３ｍｍの弾性材を設けて両者に接触させた場合について、それぞれ断面の温度分布を求めた。ここで、空気層の熱伝導率を０．０２Ｗ／ｍＫとし、弾性材の熱伝導率を１０Ｗ／ｍＫとし、母型全体は４０℃に温度調整されているものとした。尚、子型の中央にある白抜きの部位はキャビティ及びゲートを示している。

まず、図４の（ａ）に示すような理想的な接触状態では、バランスの良い温度分布となっている。一方、図４の（ｂ）に示すように子型と母型との間に隙間を設けると、母型との間に隙間を設けた子型の一方側に母型から伝熱が十分になされず、母型と密着した子型の他方側に対して、温度勾配が大きくなり、高精度な成形を行えない恐れがある。これに対し、図４の（ｃ）に示すように子型と母型との間に弾性材を設けると、弾性材を介して効率良く伝熱を行うことが出来、図４の（ａ）に示す理想的な接触状態の温度分布に近づくことが分かった。

以上述べた実施の形態では、固定側母型１０と固定側子型２０との間に固定側弾性材６０を配置し、また可動側母型３０と可動側子型４０との間に可動側弾性材７０を配置しているが、可動側又は固定側のみに弾性材を設けてもよい。

本発明は、温度調整用の配管を内蔵した成形装置を提供することに適している。

１０ 固定側母型
１１ 固定側受け板
１２ 第１枠体
１３ 第２枠体
１３ａ 配管
１４ ガイド軸
１５ スライダ板
１６ イジェクトピン
１７ 接続管
２０ 固定側子型
２１ 第１ブロック
２１ａ 貫通孔
２２ 第２ブロック
２２ａ 成形面
２２ｂ 貫通孔
３０ 可動側母型
３１ 可動側受け板
３２ 第３枠体
３２ａ 配管
３３ 接続管
４０ 可動側子型
４１ 第３ブロック
４１ａ 成形面
５０ 温度調整ユニット
６０ 固定側弾性材
７０ 可動側弾性材

Claims (9)

1. 子型と、前記子型を交換可能に取り付けられた母型と、を有する成形装置であって、
   前記母型は、前記子型が挿入される枠体を有し、
   前記枠体は、温度調節用の流体が流れる配管を内蔵しており、
   前記子型と前記枠体との間には、少なくとも成形時に前記子型と前記枠体の双方に接触する弾性変形可能な熱伝達部材が配置されている成形装置。
2. 前記熱伝達部材は、前記枠体と前記子型の双方に面接触する請求項１に記載の成形装置。
3. 前記熱伝達部材は、ゴム又は樹脂からなるシート又はフィルムである請求項１又は２に記載の成形装置。
4. 以下の式を満たす請求項１～３のいずれかに記載の成形装置。
   ｔ＞Ｅ／Ｅｍ×Ｌ （１）
   但し、
   ｔ：前記熱伝達部材の厚み（ｍｍ）
   Ｅ：前記熱伝達部材の弾性率（ＧＰａ）
   Ｅｍ：前記子型の弾性率（ＧＰａ）
   Ｌ：前記子型における前記熱伝達部材の厚み方向の寸法（ｍｍ）
5. 前記熱伝達部材の厚みは、０．１ｍｍ以上、５ｍｍ以下であり、その熱伝導率は２Ｗ／ｍＫ以上であり、その弾性率は１ＧＰａ以下である請求項１～４のいずれかに記載の成形装置。
6. 前記子型の熱伝導率は、１００Ｗ／ｍＫ以上である請求項１～５のいずれかに記載の成形装置。
7. 前記子型は、アルミニウム合金、ベリリウム銅合金、亜鉛合金、アルミニウムーセラミック複合材のいずれかで構成されている請求項１～６のいずれかに記載の成形装置。
8. 射出成形装置である請求項１～７のいずれかに記載の成形装置。
9. 請求項１～８のいずれかに記載の成形装置を用い、前記子型を前記母型に取り付けて型締めし、溶融樹脂をキャビティ内に射出する成形品の製造方法。

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