JPH0284307A - 高分子材料の加圧成形法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は高分子材料、特には高密度ポリエチレン、ポリ
プロピレン等のオレフィン化合物の高分子材料を、溶融
加圧成形し、各種精密部材を圧縮成形するための新しい
加圧成形手段の提供に関する。

（従来の技術） 超高分子量ポリエチレン等の高分子材料に対する成形技
術の１つとして鍛造成形法の存在することは既知であり
、例えば塑性と加工誌ｖｏＬ、２１　　Ｎｏ。

２３９　（１９８０年−１２月号に記載の解説記事「超
高分子量ポリエチレンの鍛造成形」に紹介されている通
りである。

一般に高分子材料は、溶融成形されて各種製品に加工さ
れることが多い。例えば圧延、押出し、引抜きのように
連続的に成形するものや、射出成形、圧縮成形といった
製品毎に成形する方法が行われているのである。また目
的の製品が複雑な形状の場合、各種成形手段の内、射出
成形手段が多用されることも既知である。しかしこの射
出成形手段では、その成形品肉厚が増大する程、成形サ
イクルタイムがアップし、成形収縮率の増加による寸法
精度の低下、物性の局部的偏差を生じ易いのであり、更
に表面「ひけ」、内部空洞化や冷却ひずみといった欠陥
を起生じ易い点において問題がある。一方プレス加工で
代表される圧縮成形では、圧縮力に基ずく金型内圧が、
射出成形手段に比べて比較的等方的であるため、製品に
生じがちな圧力勾配による残留ひずみの発生が少なく、
その精度向上が期待でき、更に射出成形品の外観と物性
上問題となるフローマーク、ウェルドラインを生じない
等の利点がある。しかしながら精密部品や複雑な形状の
製品に対して、圧縮成形手段では、その圧縮成形後、仕
上げ加工の工程が必要とされ、精密部品に適合して高精
度下に圧縮加工することは困難とされる。

圧縮成形加工技術における１つとして特開昭５８−１３
８６１１号公報に開示されたものは、「少なくとも表面
部品を焼結させる超高分子量ポリエチレン類または充填
材を含む超高分子量ポリエチレン類の予成形品を、５　
ｋｇｆ／ｃｆｌ！以上の圧力下に、予成形品を可塑化せ
しめる温度で、加圧加熱して所要厚さの成形品を得、つ
いでこれを加圧下に常温まで冷却する」点を特徴とする
ものである。この手段によれば全面同厚のプレート形状
の成形品を得ることは可能であるが、複雑な形状でかつ
高精度の要求される成形品に対しては、次の点において
問題がある。

（発明が解決しようとする課題） 例えは人工骨用ソケットのような曲面と平面とによって
複雑な凹凸出入形状が連続し、かつ各部寸法や平面度お
よび真円度等が厳格に要求される異形形状の成形品を得
る場合、特開昭５８−１３８６１１号公報に開示された
成形手段では、充分満足のゆく成形品を得ることは難し
い点において問題がある。

（課題を解決するための手段） 本発明は、上記のように複雑な形状を持つ各種成形品を
、その成形用金型寸法をそのまま高精度に転写し、必要
な平面度、真円度の要求をも満足することのできる成形
品を確実かつ容易に得られるようにしたものであり、具
体的には、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等のポ
リオレフィン系高分子材料を成形金型内に設置し、少な
くとも１４０℃に加熱保持した後、１００　　ｋｇｆ／
ｃｄ１以上の加圧下に圧縮成形加工し、次いで前記加圧
状態下に冷却することにある。

（作　　用） 本発明の上記した技術的手段によれば、第１図乃至第５
図において、例えば超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ
−ＰＥ）等の素材を用い、これを第４図に例示するよう
に、シート、プレート等の成形品に比しては複雑な形状
ではあるが、比較的シンプルな単純タイプの人工骨用ソ
ケット成形品９、あるいは第５図に例示するように、第
４図タイプに比しその形状が若干複雑化された標準タイ
プの同じく人工骨用ソケット成形品１０を、例えば第１
図に例示する熱間プレス手段、即ち電Ｓ４および温度制
御部５を有する通電ヒータ等の加熱装置６を具備したコ
ンテナ７内に上金型１および下金型２を対置するととも
に、可動の上金型１側に加圧ポンチ８を加圧昇降可能に
配設したものを用い、上、下金型１，２間にディスク形
状とした前記素材による試料３を介入セットし、しかる
後、加熱装置６によって上、下金型１．２の全体をその
内面温度１４０″Ｃ以上、例えば１６０℃前後にまで加
熱昇温さ゛せ、かつ該温度到達後、試料３の内部まで均
熱化させるために、同温度下で３０分程度保持させるの
である。次いで加圧ポンチ８に対し１００　　ｋｇｆ／
Ｃ１ａ以上、例えハ５００　　ｋｇｆ／ｃＪＯ）荷重ヲ
負荷シて１６０℃温度下に同ポンチ８を加圧下降させる
ことにより、第３図に示すように両全型１．２は完全に
加圧閉合され、試料３は両金型１，２の全内面に沿って
余す処なく充満、かつ圧縮成形されて、両金型１，２の
成形型面形状が付与されることになり、この加圧状態を
１０分程度保持するのである。加圧成形完了後、前記荷
重を負荷したまま、加熱装置６による加熱を停止して常
温への冷却を行うもので、かくして温度が１００℃前後
に到達後、始めて荷重を除荷し、第３図示のように上、
下金型１，２間において圧縮成形された人工骨用ソケッ
ト成形品９または１０が取出されることになる。第２図
は第１図において例示した熱間ブレスにおける温度と圧
カバターンを示しており、縦軸は圧力と温度、横軸は時
間を示している。本発明の上記した加圧成形手段によれ
ば、成形用上、下金型１．２の少なくとも１４０℃以上
の加熱と、均熱化のための加熱保持、更には１００　　
ｋｇｆ／ｃｉａ以上の圧力負荷による加圧成形と保持、
これに続く前記加圧成形時の圧力負荷状態のままで行わ
れる常温冷却という一連のプロセスにより、上、下金型
１．２における各金型寸法をそのまま精度よく転写した
人工骨用ソケット成形品９または１０が容易に得られる
のであり、第４図に例示した単純タイプの人工骨ソケッ
ト成形品９および第５図に例示した標準タイプの人工骨
ソケット成形品１０の何れにおいても、成形後のソケッ
ト内面の曲率半径Ｒ−ｔ−測定した処、Ｒ＝１１゜３と
なり、これは金型寸法のＲ＝１１．３と精度よく対応し
ていることが確認されたものである。前記したソケット
内面曲率寸法（半径）の他、他の代表的位置寸法におい
ても、後に実施例において説示するソケット寸法表１お
よび表２によって明らかなように、単純タイプの成形品
９および標準タイプの成形品１０の何れにおいても、は
ぼ金型寸法通りのものが得られたのであり、これによっ
て複雑な形状の成形品の圧縮成形に当り、圧縮成形後の
仕上げ機械加工の省略可能な高寸法精度の製品、更には
機械加工では得難い鏡面加工に相当する表面粗度をもつ
製品の提供を可能としたものである。

（実施例） 本発明方法の適切な実施例を第１図乃至第７図に亘って
説示する。

本発明においては、複雑形状の成形品例として、第４図
および第５図に例示した人工骨用ソケット成形品９およ
び１０を対象とする。第４図に示したものは、複雑な形
状ではあるが、比較的シンプルである単純タイプの人工
骨用ソケット成形品であり、図示のように閉された半球
形頂部９ａと、同頂部９ａの開口下端の外周に一体に張
出し形成されるフランジ部９ｂとから成るもので、曲面
、直線面およびテーバ面によって形状が合成され、肉厚
も各部において厚薄相違するものである。これに対し第
５図に示したものは、基本的には半球形頂部１０ａとそ
の開口下端に一体に張出し形成されるフランジ部１０ｂ
とから成るが、図示のようにより複雑な形状を各部に負
荷したもので、標準タイプの人工骨ソケット用成形品１
０であり、本発明においてはこれらを第１図に例示する
熱間プレス装置によって圧縮成形加工を行うのである。

同図に示すように、プレス装置は、電源４および温度制
御部５を有する通電ヒータ等による加熱装置６が外周に
配備されたコンテナ７と、同コンテナ７の上下に対置さ
れる上金型１および下金型２と、上金型１側に加圧昇降
可能に配設される加圧ポンチ８とから構成され、次に述
べるプロセスによってでその加圧成形が行われる。

■　第１図において示すように、それぞれ成形型面１ａ
を有する上金型１および成形型面２ａを有する下金型２
間に、超高分子量ポリエチレン（ＵＨＭＷ−ＰＥ）素材
によって５０φ×１ｓｔのディスク状に成形した試料３
を介入セットする。

■　加熱装置６を起動してコンテナ７を介し、上、下金
型１．２の加熱を開始するのであり、実施例では金型内
面温度が１６０℃になるまで加熱し、同温度に到達した
後、この温度下で約３０程度度保持する。これは試料３
の内部まで均熱化するためのものであるが、このさい本
発明における加熱温度条件は次の通りである。即ち超高
分子量ポリエチレンの場合、その成形温度は少なくとも
１４０　’Ｃ〜１８０℃が適当であり、好ましくは１４
０℃〜１６０℃である。これはその温度が１８０℃を越
えてくると、樹脂の熱劣化も起生じ、機械的特性、耐摩
耗性も若干悪くなるからである。

また上記した融点以下の温度であれば、樹脂材料の金型
への充填が充分でなく、未充満の部分が残り、所定の形
状成形が得られないからである。

■　次いで加圧成形のための荷重負荷を開始し、５００
　　ｋｇｆ／ｃ１ｉｌ、１６０℃で加圧ポンチ８を加圧
下降させることにより、第３図に示すように上、下両金
型１，２の閉合を介し、試料３の圧縮成形を行うのであ
り、この加圧状態を約１０分間程度保持するのである。

このさい本発明における前記加圧成形時の成形圧力条件
は次の通りである。

即ち成形圧力は１００　　ｋｇｆ／ｃ１ａ以上、好まし
くは５００〜１５００　ｋｇｆ／ｃ＋ｌｌの範囲が適切
である。これは平面度において１００　ａｍ近傍の精度
が得られるからであり、成形圧力が１００　　ｋｇｆ／
ｃｎ未満では、成形時における金型への材料充填が充分
でなく、部分的に未充満部分を生じ、目的とする寸法精
度を得ることができず、またその平面度も３００　ａｍ
を越えるためである。第７図は平面度に与える成形圧力
の影響を示したものであり、同図において継軸は平面度
μｍ、横軸は圧力ｋｇ　ｆ　／　ｃｉを示しており、図
示のようにその成形圧力が１５００　ｋｇｆ／ｃ＋ｆｌ
を越えると、金型内へパリが発生し、取出しが困難にな
るからである。このためその取出し時に変形を伴い、平
面度にバラツキを生じ、更に装置全体も大きくなって、
生産コストのアップを招来するためである。実施例の人
工骨用ソケット成形品９．１０の場合、その平面度が３
００μｍ以下であれば、機能的には問題はないが、外観
上１００μｍ以下であることが望ましい。また前記した
５００　　ｋｇｆ／ｃｎ５．１６０℃に加圧成形時の保
持時間（温度、圧力）は、１０分程度あればよい。保持
時間がこれより短いと、金型内に材料が適切に充満しな
いことがあり、また１０分を越える保持は意味がないし
、このさい保持時間が過度に長くなると、成形品の機械
的特性を低下させる場合もあるからである。

■　前記５００　　ｋｇｆ／ｃ＋１１．１６０℃の加圧
成形を１０分程度保持した後、前記荷重を負荷したまま
、加熱装置６による加熱を停止し、圧力負荷状態下にお
ける常温への冷却を行うのであり、この冷却時の圧力条
件としては、前記■で説示した通り、１００　　ｋｇｆ
／ｃｒｌ１以上、特に５００〜１０００　ｋｇｆ／ｃ１
１１の範囲が好適とされる。また冷却速度については、
特にその内容は限定しないが、自然冷却程度でよい。こ
のさい冷却速度が小さくて、長時間融点以上に保持する
と、熱劣化を起すので問題があり、反対にまた急冷して
冷却速度を大きくすれば、過冷却を起生じて残留応力が
発生し、寸法精度を２％以下に保つことができないので
、これらの点に留意してその冷却処理をすることが必要
である。

■　前記冷却によって、温度が１００″Ｃに到達して後
、負荷していた成形時の加圧荷重を除去し、大気圧に減
圧して後、プレス装置を開いて成形品を取出すのであり
、以上の■〜■のプロセスにより、金型寸法をそのまま
精度よく転写した人工骨用ソケット成形品９（単純タイ
プ）、あるいは成形品１０（標準タイプ）を得ることが
できるのである。

このさい成形後のソケット内面の曲率半径Ｒを測定した
処Ｒ＝１１．３となり、金型寸法におけるＲ＝１１．３
と精度よく対応したものであり、その他の成形品９，１
０における代表的位置寸法は、次表のソケット寸法表１
および表２に示す通りで、はぼ金型通りの寸法精度のも
のを得ることに成功したものである。

表１に示したソケット寸法は、第４図に示した単純タイ
プの成形品９についての測定結果を示し、また表２に示
したソケット寸法は、第５図に示した標準タイプの成形
品ＩＯについての測定結果を示している。即ち両表１．
２においてｄｌ、ｄｌ、ｄ３、ｆｌおよび２ｔは何れも
第４．５図における各測定位置を示しており、表１．２
における供試Ｎα１および２は何れも本発明方法による
ものであり、表１における供試Ｎα３．４．５は何れも
比較例であり、Ｎｏ、３は加圧成形時にのみ荷重を負荷
し、冷却時には同負荷を除去してその冷却を行ったもの
であり、またＮα４およびＮα５は何れも融点以下の加
熱温度で成形したものを示しており、両表１．２に示し
た各数値単位は何れも鵬、または寸法差は％で示してい
る。

次 葉 画表１．２で示した測定結果で明らかなように、本発明
方法によるＮα１およびＮα２においては、何れも金型
寸法とほぼ同一といってよい優れた結果を示しており、
高精度の忠実な成形品が得られることが判明した。これ
に対しＮα３のように成形時のみ荷重を負荷し、冷却時
に荷重を除したものでは金型形状の再現がうまく得られ
ず、また融点以下の８０℃および１２０℃の加熱温度で
成形したＮα４および５のものでも、満足のゆく形状再
現は不可能である。また表中には示していないが、融点
（Ｔｒｓ）７５０℃を越えた１９０℃の加熱温度で成形
加工したものでは、全型隙間からのパリが太き（出現し
、適切な形状保持が不可能であった。

このさい表１．２における成形条件において、単純タイ
プの成形品９における成形条件は成形温度１６０″Ｃ５
圧力５００　　ｋｇｆ／ｃｄであるが、標準タイプの成
形品１０における成形条件は成形温度１４０“Ｃ１圧力
８００　　ｋｇｆ／ｄとされているが、これは成形品の
種類、形状、大小または使用プラスチック材料によって
それぞれ最適条件を選択する必要があることを示してお
り、単純タイプの成形品９に比べ、その形状を若干複雑
化した成形品１０においては、寸法精度の他に、成形部
分における真円度、平面度といったものを製品評価に加
える必要がある。

即ち第６図（ａ）は真円度と成形温度および成形圧力の
関係を示し、また第６図（ｂ）は平面度と成形温度およ
び成形圧力の関係を示し、両図において樅軸は真円度お
よび平面度、横軸は温度と圧力値とを示している。これ
らの関係検討の結果、標準タイプのものに対する成形条
件としては、その温度１４０℃、圧力８００　　ｋｇｆ
／ｄの時に、その真円度および平面度が最善であること
が確認されたからである。従って真円度、平面度を考慮
した上での成形品に対する成形条件は温度１４０℃１圧
力８００　　ｋｇｆ／　ｃｉが好ましいものとされる。

また成形品の取出し温度は、５０℃で行ってもよいが（
Ｎα２）、これは１００″Ｃで行っても、精度上はとん
ど変化なく、このため生産効率の面から１００℃取出し
とした。また表１．２におけるソケット内面曲率寸法と
金型寸法の各寸法測定には３次元測定機を使用したもの
である。

本発明における他の実施例としては、超高分子量ポリプ
ロピレンを素材として、ギヤ成形加工を行って見た。そ
のプロセスは同様であり、成形温度のみを２００℃とし
た。加圧条件は全く同様でよく、同様に加圧成形、負荷
状態での加圧冷却を施行し、１００℃の温度に冷却して
後、ギヤ成形品を同様に得られ、機械加工の不要な所定
寸法、形状のギヤ成形品を得ることが確認できたもので
ある。

（発明の効果） 本発明方法によれば、ポリオレフィン系高分子材料を素
材として、比較的複雑でかつ寸法精度の高忠実性の要求
される精密部品の成形手段として、きわめて優れたもの
である。即ち各種の曲面、直線面、勾配面の組合された
複雑形状をもつ精密部品の加圧成形に際し、その成形温
度を１４０℃以上、また成形加圧圧力を１００　　ｋｇ
ｆ／ｃｄ以上とし、かつ加圧成形圧力維持状態下で冷却
処理を行うことにより、金型の成形型面全面に材料が充
分に満たされ、必要な圧力維持下にその冷却を行うこと
により、複雑な成形型面にきわめて高精度に追随可能な
成形品が確実かつ容易に得られるのであり、金型寸法を
そのまま高精度に転写可能となる点は、従来のこの種高
分子材料を素材とする成形品に見られない大きな特徴で
あり、しかもその加圧成形プロセスは温度と圧力制御の
みによって足り、複雑な操作や取扱い工程を必要としな
いのであり、各種精密部品をマスプロ的に得られ、通常
必要とされる圧縮成形後の仕上げ機械加工を省略化し、
更には金型における成形型面を予め鏡面仕上げして置け
ば、成形品において機械加工では得難い鏡面加工に相当
する表面粗度を容易に実現でき、広汎な利用価値をもつ
精密部品の成形手段として優れものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明方法を実施する熱間プレス手段１例の縦
断正面図、第２図は同プレスにおける温度、圧カバター
ンの説明図、第３図は同加圧成形要部の縦断正面図、第
４図は形成品実施例としての人工骨用ソケット（単純タ
イプ）断面図、第５図は同ソケット（標準タイプ）断面
図、第６図（ａ）および第６図（ｂ）は、標準タイプ成
形品における温度、圧力と真円度、平面度の関係グラフ
図、第７図は平面度と成形圧力との関係グラフ図である
。 １・・・上金型、２・・・下金型、３・・・試料、４・
・・電源、５・・・温度制御部、６・・・加熱装置、７
・・・コンテナ、８・・・加圧ポンチ、９・・・単純タ
イプの人工骨用ソケット成形品、１０・・・標準タイプ
の同ソケット成形品。 第 図 第 区 １５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオ
   レフィン系高分子材料を成形金型内に設置し、少なくと
   も１４０℃に加熱保持した後、１００ｋｇｆ／ｃｍ＾２
   以上の加圧下に圧縮成形加工し、次いで前記加圧状態下
   に冷却することを特徴とする高分子材料の加圧成形法。