JPH04314506A - 多層の金属表層を備えた断熱金型構造物 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、一般に金型に係り、特
に、改良された接着性、機械的強度および摩耗抵抗性を
有する多層の金属表層を備えた断熱金型に係る。

【０００２】

【従来の技術】熱可塑性樹脂の成形は、自動車や電気製
品に使用するパネルのように比較的に薄く、広くて強い
プラスチック部品を製造する際に有望な技術である。こ
のような外部プラスチック部材は、それぞれの必要に応
じて、ブロ―成形、射出成形および圧縮成形などのよう
なたくさんの成形法のいずれかによって作成することが
できる。ブロ―成形では、パリソンといわれる溶融した
樹脂のチュ―ブを金型内へ押出す。この金型がパリソン
の回りで閉じると、閉じられたパリソンの底が食い切ら
れる。その後、空気などのガスを導入して金型の冷たい
表面に当たるまでチュ―ブを脹らませる。パリソンが冷
たい金型表面と接触すると、その表面のプラスチックは
急速に凝固する。この結果、ダイライン、折畳みライン
、穴およびボイドなどのような表面欠陥が生ずる。

【０００３】射出成形では、溶融した熱可塑性樹脂を金
型装置内に射出する。熱可塑性樹脂の射出成形用の金型
は、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金または黄
銅などのような金属材料から作成されているのが普通で
ある。そのような材料は高い熱伝導率をもっており、し
たがって熱可塑性樹脂のメルトが急速に冷えて成形サイ
クル時間を短くできるという点で有利である。しかし、
その急速な冷却のため、射出された樹脂は金型表面のと
ころで瞬時に凝固する結果薄い固体層が生成する。金型
表面におけるメルトの急激な冷却はいくつかの問題を醸
しだし、特に繊維や粉末の形態の充填材を多量に含む樹
脂を成形する際に問題が生じる。金型表面でこれらの材
料が凝固すると粗い表面が形成され、たとえば、充填材
が露出したり、ボイドが生じたり、多孔質になったりす
る。薄くて大きい部品を製造する場合加工処理が困難に
なる。メルトが急速に凝固するのに加えて材料の流動性
が限られているので大きな面積に渡ってメルトを流すの
が困難になる。大きかったり、および／または複雑であ
ったりする金型キャビティ―で多数のゲ―トを使用する
とウェルドラインが生じ、これはめざわりだし弱い。高
品質部品の射出成形におけるもうひとつ重要な問題は、
成形された部品の残留応力である。部品内部に残留応力
があると、その部品の寿命の間寸法が不安定になる可能
性がある。また不均一な残留応力は示差屈折率を生成す
る。高品質部品では寸法安定性と屈折率の均一性が極め
て重要であり厳しく要求される。

【０００４】ガラス強化熱可塑性シ―トの圧縮成形法で
は、まず複合材ブランクを加熱する。この材料の加熱温
度は、その融点以上、または、非晶質材料の場合は、少
なくともそのガラス転移温度より高い温度にする。複合
材ブランクを加熱すると繊維内の反発力により膨脹（ロ
フト）する。この熱いブランクは次に、融点またはガラ
ス転移温度（通常は１７５〜２５０°Ｆ）より冷たい金
型表面間で圧縮される。この冷たい金型表面と接触する
と、ブランク表面で樹脂が凝固する。このため、露出さ
れた繊維および表面の多孔質の形態の充填されてない領
域が生成する。樹脂は冷たい表面で凝固して流動しない
ので、装填された領域と新たに形成された領域との間に
粗い境界が生成する。

【０００５】大きな外部パネル用途に成形プラスチック
を使用する際に必要なひとつの重要な条件は滑らかな表
面品質である。成形プラスチック部品の表面は金属シ―
トから作成された現状の外部部品の表面と同じ平滑度を
もっていなければならない。しかし、上に記載したよう
に、従来の成形されたプラスチック部品では、所望の表
面平滑度を得るために労働集約的な砂加工および研磨加
工操作が必要になる。

【０００６】プラスチック成形品の表面品質を改善する
ひとつのアプロ―チが上述の米国特許出願第０７／４３
５，６３９号と第０７／４３５，６４０号にすでに開示
されている。これらの出願に開示されている成形装置で
は、金型コア上に断熱層が配置され、この断熱層の上に
薄い表層が配置されている。この断熱により、薄い表層
が成形作業中熱を保持するために、急速な表面冷却によ
って発生する表面の凹凸（欠陥）が避けられる。したが
って、これらのデバイスでは比較的短いサイクル時間を
保ちながら滑らかな表面が得られる。

【０００７】

【発明の概要】本発明は上記多層断熱金型構造を採用し
て、改良された接着性、機械的強度および摩耗抵抗性と
いう特性を付加するものである。これらの改良された性
質は断熱層の上に単一の表層を設ける代わりに複数の表
層を設けることによって達成される。前述した同時係属
中の米国特許出願第０７／４３７，０５１号には多層に
なった表層を使用することが記載されている。しかし、
この出願第０７／４３７，０５１号の金型構造は部分的
に断熱されているだけであり、多層の表層は熱膨脹係数
が異なるために生ずる層の剥離を防ぐために設けられて
いるものである。

【０００８】本発明の好ましい態様では、断熱層上に連
続して３つの表層が配置される。まず最初に、断熱層に
対して良好な接着性を示す金属の薄い層を直接断熱層に
付着させる。次に、この第一の層の上に機械的強度をも
たらすように選択された金属の層を設ける。最後に、摩
耗抵抗性に秀れた外側層を付着させる。

【０００９】別の態様によると、本発明は、断熱層上に
配置された２つの外側表層からなる。この二層の態様は
、材料を的確に組合わせて選択することにより、前記三
層の態様の良好な接着性、強度および摩耗抵抗性という
所望の特性を有することができる。

【００１０】したがって、本発明の目的は、滑らかな表
面を有する成形品を短いサイクル時間で製造する断熱金
型構造を提供することである。

【００１１】本発明の別の目的は、断熱層と表層との間
の接着性が改良され、機械的強度が改良され、さらに摩
耗抵抗性が改良された断熱金型構造を提供することであ
る。

【００１２】発明に値する主題は本明細書の結論部分で
特に明示され、かつ明確に特許請求されている。しかし
ながら、本発明の構成と実施法はいずれも、別の目的と
その利点と共に、添付の図面を参照した以下の詳細な説
明から最も良く理解できるであろう。

【００１３】

【詳細な説明】

ここで図面を参照する（図面全体を通じて類似の番号は
類似の要素を示す）と、図１は本発明の多層金型１０の
部分的な側面図を示している。この金型１０は熱伝導性
の高い材料からなる金型ベ―スまたはコア１１を含んで
いる。コア内には、サイクル時間を短くするために冷却
流体を流す銅製のパイプのような冷却ライン１２が設け
られている。コア１１は薄い断熱層１３に覆われている
。この断熱層は、耐熱性の熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂
、プラスチック複合材、多孔質金属、セラミックスおよ
び低伝導率金属合金のように熱伝導性の低い材料から製
造することができる。断熱に使用される他の低熱伝導性
材料も使用できるであろう。このような断熱層は機械的
には強くないことが多く、しかも金型表面として使用し
たとき高品質の表面を生成することができないので、薄
くて硬質の表層１４をこの断熱層に接合する。この表層
はいくつかの望ましい特性を示さなければならない。こ
のような特性として、表層と断熱層との間の強力な接着
性、良好な摩耗抵抗性および高い機械的強度がある。そ
の他の重要な特性としては熱伝導性および酸化抵抗性が
ある。

【００１４】これらの特性を達成するために、硬質表層
は前記の望ましい特性のひとつ以上に寄与する複数の部
分層から作成される。好ましい態様では、この「特製」
の表層が３つの部分層からなる。まず最初に、薄い部分
層１５を断熱層に直接付着させて設ける。この第一の内
側層１５は、熱伝導性および酸化抵抗性と共に良好な接
着強度を示す材料から作成される。そのような材料の例
はエントン（Ｅｎｔｈｏｎｅ）無電解ニッケル４２２お
よびシップレ―（Ｓｈｉｐｌｅｙ）無電解銅２５０であ
る。次に、内側の部分層の上に中間の部分層１６を設け
る。この中間部分層は高度の機械的強度と熱伝導性をも
たらすものでなければならない。この中間の部分層とし
て好ましい材料の例は、リ―・ロ―ナル（Ｌｅａ　Ｒｏ
ｎａｌ）電気ニッケルＰＣ３、電気銅およびエントン（
Ｅｎｔｈｏｎｅ）無電解ニッケル４２６である。最後に
、この中間層の上に薄い外側部分層１７を設ける。この
外側部分層により秀れた摩耗抵抗性が得られる。これを
達成するのに好ましい材料は、エントン（Ｅｎｔｈｏｎ
ｅ）無電解ニッケル４２６、エングルハ―ド（Ｅｎｇｌ
ｅｈａｒｄ）電気パラジウム／ニッケル８０／２０、Ｔ
ｉＮおよびクロムである。理想的な場合、内側と外側の
部分層は厚みが１〜２５ミクロンであり、一方中間の部
分層は機械的強度を高めるために２５〜２５０ミクロン
である。

【００１５】これら３つの部分層の結果は、良好な接着
強度、構造一体性および摩耗抵抗性と共に滑らかな硬質
の成形表面を有する薄くて硬質の表層である。断熱層１
３と硬質表層１４は、たとえば積層、蒸着または焼結に
よって設けることができる。高い伝導性のコア１１と断
熱層との熱の移動は良好である。コアは、このコアを貫
通して冷却用流体を運ぶ冷却路１２によって冷却される
。このコアは鋼、アルミニウム、セラミックス、ガラス
またはプラスチック複合材のような適切な材料のいずれ
かから作成することができる。コアは成形される材料と
接触することはない。したがって成形される材料によっ
て摩耗することはない。

【００１６】図２に本発明のもうひとつの具体例を示す
。この場合は、改良された接着性、良好な機械的強度お
よび高い摩耗抵抗性という主要な目的が、たった２つの
部分層からなる表層を使用することによって達成される
。図２で金型２０は、高い熱伝導性の材料で作成された
金型ベ―スまたはコア２１を含んでいる。このコアの冷
却を確実にし、それによってサイクル時間を短くするた
めにコア２１内には冷却手段２２が設けられている。 この金型コアの内面には熱絶縁層２３が設けられている
。この断熱層は、エチル社（Ｅｔｈｙｌ　Ｃｏｒｐｏｒ
ａｔｉｏｎ）からアイミッド（ＥＹＭＹＤ）という商標
で入手可能なポリイミド樹脂のフィルム、ガラス、Ａｌ
ＳｉＯ３　、ＢａＳＯ４　、Ａｌ２　Ｏ３　などのよう
ないくつかの粒状充填材のどれかと組合わせられたポリ
イミドアイミッド（ＥＹＭＹＤ）のフィルム、または充
填材を含まないアイミッド（ＥＹＭＹＤ）の層で被覆さ
れた充填材を含むアイミッド（ＥＹＭＹＤ）の層からな
るのが好ましい。しかし、この断熱材は、耐熱性熱可塑
性樹脂、熱硬化性樹脂、プラスチック複合材、多孔質金
属、セラミックスおよび低伝導性金属合金などのような
適当に低い熱伝導性をもった任意の材料から作成するこ
とができる。

【００１７】薄くて硬質の表層２４が断熱層に接合され
ていて高品質の成形表面を生成する機械的に強い金型表
面を形成している。この具体例では表層２４は２つの部
分層からなっている。すなわち、第一の内側の部分層２
５は直接断熱層に結合されており、第二の外側部分層２
６はこの内側部分層２５上に配置されている。本発明の
目的を達成するために第一および第二の部分層２５、２
６を作成することができる原料は多くの変形がある。

【００１８】第一の部分層２５は１〜１０ミクロンの厚
みを有する無電解銅の層から作成できる。この部分層に
より、断熱層の表面に対する実質的な接着性が得られる
と共に、この第一の部分層に第二の部分層２６を電気メ
ッキするのに必要な導電性が得られる。あるいはまた、
この第一部分層２５は、アライド・ケライト（Ａｌｌｉ
ｅｄＫｅｌｉｔｅ）７５２のような無電解ニッケル‐ホ
ウ素合金かまたはアライド・ケライト（Ａｌｌｉｅｄ　
Ｋｅｌｉｔｅ）１０００もしくはエントン（Ｅｎｔｈｏ
ｎｅ）４２６のような無電解ニッケル‐リン合金のコ―
ティングからなっていてもよい。これらの材料のいずれ
かを使用する際、第一の部分層の厚さは１〜２５０ミク
ロンの範囲である。この厚さは、第二の部分層が電気的
に設けられる場合には１０〜２０ミクロンが好ましく、
第二の部分層が無電解的に設けられる場合には５０〜２
００ミクロンが好ましい。これらの無電解ニッケル合金
部分層により、秀れた酸化抵抗性と共に断熱層に対する
許容できる程度の接着性が得られる。 第一の部分層を厚めにすると機械的強度が良好になり、
厚い電気第二部分層を設ける必要性が排除される。

【００１９】この第一の部分層が無電解銅または前記無
電解ニッケル合金のいずれかからなっている場合、第二
の部分層２６は、ニッケル、ニッケル‐リン合金、ニッ
ケル‐パラジウム合金、コバルトおよびクロムを含む群
の中から選択される電気メッキされた材料からなること
ができる。これらの材料により、高い酸化抵抗性および
摩耗抵抗性と共に良好な機械的強度が得られる。選択さ
れる金属のタイプと必要とされる厚さは使用しようとす
る成形用途に応じて変わる。たとえば、電気メッキした
ニッケルからはブロ―成形用に充分な保護が得られ、一
方射出成形には秀れた酸化抵抗性と摩耗抵抗性の点でニ
ッケル‐リン合金またはクロムが必要となろう。

【００２０】第二の部分層はまた、電気メッキではなく
無電解メッキによっても設けることができる。この場合
、第一の部分層２５はやはり、無電解または前記無電解
ニッケル合金のいずれかからなる。ひとつの変形例では
、第二の部分層が無電解ニッケル‐ホウ素合金かまたは
無電解ニッケル‐リン合金であり、これらはいずれも良
好な酸化抵抗性と摩耗抵抗性を示す。このような材料は
均一な厚みを保ちつつ複雑な形状にメッキするのが容易
である。別の変形例では、第二の部分層２６が、無電解
ニッケルコ―ティングとＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ２　Ｏ３　
、ＷＣまたはダイヤモンドなどのような摩耗抵抗性の粒
状材料との複合材からなる。これによると、無電解ニッ
ケル層に固有の強度と酸化抵抗性を保持したままで標準
的な無電解ニッケル層の摩耗抵抗性をはるかに凌駕する
摩耗抵抗性を備えた完全に無電解メッキされた層が得ら
れる。

【００２１】作業においては、本発明の金型構造体中に
熱い樹脂を入れる。その熱い樹脂は表層に接触するとこ
の表層をガラス転移温度Ｔｇ　より高い温度にまで加熱
する。断熱層により、この表層の温度は成形プロセスの
間ガラス転移温度以上に保持されることになる。その結
果、樹脂は成形中自由に流動し、滑らかな表面が得られ
る。

【００２２】図３に、ブロ―成形プロセスの熱分析にお
けるパリソンの外側表面温度の過渡的な温度応答性を示
す。この分析は、最初に、全体で１／６４インチの表層
、プラスチック複合断熱層および金属金型コアからなる
本発明の多層断熱金型構造を使用し、次に断熱層をもた
ない従来の金型構造を使用して、１／８インチの厚みの
溶融樹脂層をもつサンプルに対して実施した。図３中で
、実線は断熱構造の金型における過渡的な温度応答を表
わし、点線は従来の金型における応答を示す。図から明
らかなように、断熱層のない装置のパリソンはすぐにガ
ラス転移温度Ｔｇ　以下に冷えてしまう。そのように急
速な冷却は粗い表面を生ずる。これに対し、本発明の断
熱構造金型の場合、パリソン表面は最初冷たい表層によ
って冷却されて一時的にガラス転移温度以下に下がるが
、表面はその後溶融プラスチック層内部からの熱いメル
トによって再加熱される。表面温度はガラス転移温度以
上に上がり、樹脂が金型表面を満たしてこれを複写し、
したがって粗い表面の形成が回避される。

【００２３】以上の説明から明らかなように、本発明に
よって、射出成形、圧縮成形およびブロ―成形を始めと
する多くのタイプの成形プロセスに適用することができ
る改良された成形装置が提供される。現状の成形デバイ
スは、多大の努力を払ったり費用をかけたりすることな
く本発明を適用できるようにするのが容易である。

【００２４】本発明を特定的に示し、説明して来たが、
本発明の思想と範囲から逸脱することなく形態と細部に
おけるさまざまな変更が可能であることが当業者には理
解できるであろう。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の金型構造の好ましい一具体例の一部の
側面断面図である。

【図２】本発明の金型構造のもうひとつの好ましい具体
例の一部の側面断面図である。

【図３】断熱のある場合とない場合の成形装置によるブ
ロ―成形法における過渡的な温度応答を示すグラフであ
る。

【符号の説明】

１０、２０　　本発明の多層金型、 １１、２１　　金型ベ―スまたはコア、１２、２２　　
冷却ライン、 １３、２３　　断熱層、 １４、２４　　表層、 １５、２５　　内側部分層、 １６　　中間の部分層、 １７、２６　　外側部分層。

Claims (24)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　コアと、該コアに接合されていて成形
   中熱可塑性物質の初期冷却を遅らせるための断熱層と、
   複数の部分層から形成されており断熱層に接合されてい
   る表層とからなる、熱可塑性物質を成形して完成品にす
   るための多層金型。
2. 【請求項２】　　複数の部分層のうちの少なくともひと
   つが摩耗抵抗性を提供する、請求項１記載の金型。
3. 【請求項３】　　複数の部分層のうちの少なくともひと
   つが接着強度を提供する、請求項１記載の金型。
4. 【請求項４】　　複数の部分層のうちの少なくともひと
   つが構造一体性を提供する、請求項１記載の金型。
5. 【請求項５】　　複数の部分層が第一の部分層、第二の
   部分層および第三の部分層からなる、請求項１記載の金
   型。
6. 【請求項６】　　第一の部分層が断熱層に直接接合され
   、第二の部分層が第一の部分層の上に接合され、かつ第
   三の部分層が第二の部分層の上に接合されている、請求
   項５記載の金型。
7. 【請求項７】　　第一の部分層が、前記表層と前記断熱
   層との間の強力な接着を提供する材料からなる、請求項
   ５記載の金型。
8. 【請求項８】　　第二の部分層が、構造一体性を提供す
   る材料からなる、請求項５記載の金型。
9. 【請求項９】　　第三の部分層が、高度の摩耗抵抗性を
   提供する材料からなる、請求項５記載の金型。
10. 【請求項１０】　　前記複数の部分層が、前記断熱層に
    直接接合された第一の部分層と、該第一の部分層上に接
    合された第二の部分層とからなる、請求項１記載の金型
    。
11. 【請求項１１】　　前記第一の部分層が、無電解銅、無
    電解ニッケル‐ホウ素合金、および無電解ニッケル‐リ
    ン合金より成る群の中から選択された材料からなる、請
    求項１０記載の金型。
12. 【請求項１２】　　前記第二の部分層が、ニッケル、ニ
    ッケル‐リン合金、ニッケル‐パラジウム合金、コバル
    トおよびクロムより成る群の中から選択された電気メッ
    キ材料からなる、請求項１１記載の金型。
13. 【請求項１３】　　前記第二の部分層が、無電解ニッケ
    ル‐ホウ素合金、および無電解ニッケル‐リン合金より
    成る群の中から選択された材料からなる、請求項１１記
    載の金型。
14. 【請求項１４】　　前記第二の部分層が、無電解ニッケ
    ルと、ＳｉＣ、ＢＮ、Ａｌ２　Ｏ３　、ＷＣおよびダイ
    ヤモンドより成る群の中から選択された摩耗抵抗性材料
    との複合材からなる、請求項１１記載の金型。
15. 【請求項１５】　　前記コアが冷却手段を含んでいる、
    請求項１記載の金型。
16. 【請求項１６】　　コアと、該コアに接合されていて成
    形中熱可塑性物質の初期冷却を遅らせるための断熱層と
    、断熱層に接合されていて所望の外形および完成品の表
    面特性を有する表層であって、当該表層と前記断熱層と
    の間の強力な接着を提供する材料からなる第一の部分層
    、構造一体性を提供する材料からなる第二の部分層、お
    よび高度の摩耗抵抗性を提供する材料からなる第三の部
    分層からなっている表層とからなる、熱可塑性物質を成
    形して完成品にするための多層金型。
17. 【請求項１７】　　第一の部分層が前記断熱層に直接接
    合され、第二の部分層が第一の部分層の上に接合され、
    かつ第三の部分層が第二の部分層の上に接合されている
    、請求項１６記載の金型。
18. 【請求項１８】　　第一の部分層が、エントン（Ｅｎｔ
    ｈｏｎｅ）無電解ニッケル４２２およびシップレ―（Ｓ
    ｈｉｐｌｅｙ）無電解銅２５０を含む群の中から選択さ
    れた材料からなる、請求項１７記載の金型。
19. 【請求項１９】　　第一の部分層の厚みが１〜２５ミク
    ロンである、請求項１８記載の金型。
20. 【請求項２０】　　第二の部分層が、リ―・ロ―ナル（
    Ｌｅａ　Ｒｏｎａｌ）電解ニッケルＰＣ３、電解銅およ
    びエントン（Ｅｎｔｈｏｎｅ）無電解ニッケル４２６を
    含む群の中から選択された材料からなる、請求項１７記
    載の金型。
21. 【請求項２１】　　第二の部分層の厚みが２５〜２５０
    ミクロンである、請求項２０記載の金型。
22. 【請求項２２】　　第三の部分層が、エントン（Ｅｎｔ
    ｈｏｎｅ）無電解ニッケル４２６、エングルハ―ド（Ｅ
    ｎｇｌｅｈａｒｄ）電解パラジウムニッケル８０／２０
    、ＴｉＮおよびクロムを含む群の中から選択された材料
    からなる、請求項１７記載の金型。
23. 【請求項２３】　　第三の部分層の厚みが１〜２５ミク
    ロンである、請求項２２記載の金型。
24. 【請求項２４】　　前記コアが冷却手段を含んでいる、
    請求項１６記載の金型。