JPH0596548A - サイクル時間の短い高温表面成形用の多層金型構造物 - Google Patents

サイクル時間の短い高温表面成形用の多層金型構造物

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JPH0596548A
JPH0596548A JP4067708A JP6770892A JPH0596548A JP H0596548 A JPH0596548 A JP H0596548A JP 4067708 A JP4067708 A JP 4067708A JP 6770892 A JP6770892 A JP 6770892A JP H0596548 A JPH0596548 A JP H0596548A
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【構成】各々のコア部材１２上に設置された断熱層２２
が成形面に熱を保持することにより、完成品の表面品質
が向上する。かかる断熱層２２はその厚さ方向に沿って
密度差を有していて、低密度の中心領域と高密度の表面
領域を含んでいる。相対的に低い密度を有することによ
り、断熱層２２の中心領域は低い熱伝導率を有してい
る。 【効果】コアと同じ材料から成ると共に満足すべき断熱
性を有する断熱層２２を得ることができる。互いに隣接
する層に対して同じ材料を使用すれば、それらの層が層
剥離を起こす可能性が減少する。かかる多層金型１０に
おいては、成形面の受動的または能動的な加熱を行うこ
とができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【関連出願の説明】本願は、１９８８年３月３０日提出
の米国特許出願第０７／１７５０７８号（現在は放棄）
の継続出願を成す、１９８９年１１月１３日提出の「高
温表面上における成形用の多層複合金型構造物」と称す
る同時係属米国特許出願第０７／４３５６３９号、１９
８８年９月２９日提出の米国特許出願第０７／２５０８
０６号（現在は放棄）の継続出願を成す、１９８９年１
１月１３日提出の「平滑な表面を持った製品を吹込成形
するための装置」と称する同時係属米国特許出願第０７
／４３５６４０号、１９８９年１１月１５日提出の「プ
ラスチック用金型構造物およびそれの製造方法」と称す
る同時係属米国特許出願第０７／４３７０５１号、１９
８８年１０月５日提出の米国特許出願第０７／２５３８
３６号（現在は放棄）の継続出願を成す、１９９０年２
月２８日提出の「誘導加熱法を用いて高温表面上でプラ
スチックを成形するための方法および装置」と称する同
時係属米国特許出願第０７／４８６３４５号、並びに１
９８８年１０月５日提出の米国特許出願第０７／２５３
５１３号（現在は放棄）の継続出願を成す、１９９０年
２月２８日提出の「誘電加熱法を用いて高温表面上でプ
ラスチックを成形するための方法および装置」と称する
同時係属米国特許出願第０７／４８６４９１号と関連を
有している。これらの関連出願はいずれも、本発明の場
合と同じ譲受人に譲渡されている。
【０００２】
【発明の背景】本発明は熱可塑性材料の成形技術に関す
るものであって、更に詳しく言えば、能動加熱手段およ
び改良された断熱層を有する多層金型構造物に関する。
熱可塑性樹脂の成形は、広範囲のプラスチック製品を製
造するために役立つ有望な技術である。それぞれの要求
条件に応じ、かかるプラスチック製品は吹込成形、圧縮
成形および射出成形のごとき様々な成形方法のいずれか
によって製造することができる。成形プラスチック製品
の使用に際して要求される重要な特性の１つは、特に大
形の外部パネル用途の場合について言えば、それが平滑
な表面を有することである。成形プラスチック製品の表
面は、薄板金から成る現行の外部製品の表面と同程度に
平滑でなければならない。しかしながら、プラスチック
製品の従来の成形技術は様々な表面欠陥を生じる傾向が
あり、それらを矯正するために労働集約的な研磨操作や
艶出し操作が必要とされていた。繊維状または粉末状の
充填材を含有する樹脂の射出成形に際しては、かかる欠
陥が特に生じ易い。熱可塑性樹脂の射出成形用金型は、
通例、鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニウム合金または
黄銅のごとき金属材料から成っている。かかる材料は、
高い熱伝導率を有するために熱可塑性樹脂の融液を急速
に冷却して成形サイクル時間を短縮するために役立つと
いう点で有利である。しかしながら、かかる急速な冷却
の結果、注入された樹脂は成形面において瞬間的に凝固
する。かかる材料が成形面において急速に凝固すると、
露出した充填材、空隙および気孔を含む粗雑な表面が形
成される。そのため、薄い大形製品を製造する際には加
工上の難点が生じるのである。材料の流動性が小さい場
合に融液の急速な凝固が起こると、広い面積にわたって
融液の流れを生起させることが困難となる。なお、大き
くかつ（または）複雑な金型キャビティに対して複数の
ゲートを使用すれば、見苦しくて弱いウェルドラインが
生じることになる。高品質製品の射出成形時におけるも
う１つの重要な問題点は、成形後の製品中に残留応力が
存在することである。製品中の残留応力は、製品の寿命
期間全体にわたって寸法不安定性をもたらすことがあ
る。不均一な残留応力はまた、屈折率の差を生じる。な
お、高品質の光学製品においては、寸法安定性および均
一な屈折率が厳しく要求されている。
【０００３】圧縮成形および吹込成形によって製造され
たプラスチック製品の表面品質を向上させるための技術
は、前述の米国特許出願第０７／４３５６３９および０
７／４３５６４０号明細書中にそれぞれ開示されてい
る。これらの特許出願明細書中には、一般的に述べれ
ば、金型コア上に断熱層が配置されかつ断熱層上に薄い
スキン層が配置されて成る金型構造物が開示されてい
る。かかる断熱構造の結果、スキン層は成形作業に際し
て熱を保持し、従って表面の急速な冷却によって引起こ
される表面不整が回避されることになる。このようにし
て、かかる装置は比較的短いサイクル時間を維持しなが
ら平滑な表面を生み出すのである。同様に、ヨツツジ(Y
otsutsuji)等の米国特許第４２２５１０９号明細書中に
は、射出成形装置における断熱層の使用が開示されてい
る。米国特許第４２２５１０９号明細書中に開示された
断熱層は、熱硬化性樹脂、硬化剤、並びに無機充填材、
金属粉末充填材および繊維状充填材の内の少なくとも１
種から成っている。
【０００４】本発明は、上記のごとき断熱層を使用する
成形工程において見られる問題を解決しようとするもの
である。詳しく述べれば、断熱層と金型コアとの間の界
面および（または）スキン層が使用される場合にはスキ
ン層と下方の断熱層との間の界面において層剥離が起こ
ることがある。かかる層剥離が起こる理由としては、各
種の層間の密着性が悪いこと、および各種の層を構成す
る材料の熱膨張率（ＣＴＥ）に差があることが考えられ
る。典型的なプラスチック断熱層は隣接する金属層に対
する密着性が悪く、かつそれの熱膨張率は鉄またはアル
ミニウム合金から通例成るコアの熱膨張率よりも高いこ
とを考慮すれば、層剥離は断熱金型において起こり易い
問題であることがわかる。
【０００５】
【発明の概要】本発明の目的の１つは、一般的に述べれ
ば、層剥離を起こし難い各種の層を含む断熱型の多層射
出成形装置を提供することにある。更に詳しく述べれ
ば、隣接した層に対する強固な密着性を得るために密度
差を有する断熱層を含むような断熱型の成形装置を提供
することが本発明の目的の１つである。
【０００６】また、様々な能動加熱手段を含むような上
記のごとき成形装置を提供することも本発明の目的の１
つである。本発明に従えば、上記およびその他の目的を
達成するため、コア、コアに結合された断熱層、および
断熱層に結合された硬質のスキン層を含む多層金型が提
供される。上記の断熱層は、それの厚さ方向に沿って密
度差を有するように形成される。すなわち、断熱層の表
面領域が相対的に高い密度を有しかつ断熱層の中心領域
が相対的に低い密度を有するような密度差が設けられ
る。好適な実施の態様においては、かかる断熱層は隣接
する層と同じ材料から成っている。全体にわたって同じ
材料が使用される結果、密着性が悪くかつ熱膨張率が異
なるという問題は解決される。この場合、断熱層の断熱
性は中心領域の多孔性から得られることになる。
【０００７】上記のごとき金型は、注入された高温の樹
脂によって受動的に加熱することができる。あるいはま
た、抵抗発熱体、誘導発熱体または高周波加熱装置のご
とき能動加熱手段を金型に装備することもできる。更に
また、着脱自在の高温インサートを用いて金型を加熱す
ることもできる。本発明のその他の目的および利点は、
以下の詳細な説明を読みかつ添付の図面を参照すること
によって自ずから明らかとなろう。
【０００８】本発明の内容は前記特許請求の範囲中に詳
細かつ明確に記載されている。とは言え、本発明は添付
の図面を参照しながら以下の詳細な説明を考察すること
によって最も良く理解されるはずである。
【０００９】
【詳細な説明】先ず図１を見ると、本発明に基づく多層
金型１０が示されている。本発明の特徴は各種の成形技
術に適用し得るが、図面には射出成形用の装置が示され
ている。金型１０は、両者間に金型キャビティ１４を形
成するように互いに対向して配置された２個のコア部材
１２を含んでいる。高温の熱可塑性樹脂１１が供給源
（図示せず）からスプルー１６およびゲート１８を通し
て金型キャビティ１４内に注入される。コア部材１２は
比較的高い熱伝導率を有する材料から成っていて、かか
る材料の実例としては鉄、鋼、ステンレス鋼、アルミニ
ウム合金および黄銅が挙げられる。コア部材１２中に
は、サイクル時間を短縮するため、冷却液を流すための
冷却流路２０が設けられている。各々のコア部材１２上
には断熱層２２が配置されている。断熱層２２は熱伝導
率の低い材料から成るのが理想的であって、かかる材料
の実例として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料、多孔質金属、セラミックおよび
熱伝導率の低い合金が挙げられる。なお、断熱目的のた
めに役立つ熱伝導率の低いその他の材料も使用すること
ができる。
【００１０】選択された断熱材の種類によっては、断熱
層２２は成形工程に耐えるだけの強度を持たず、従って
所望の表面品質を付与し得ない場合も多い。それ故、断
熱層２２を保護しかつ所望の表面仕上を達成するため、
必要に応じて断熱層２２上に硬質のスキン層２４が設置
される。かかるスキン層２４は、機械的強度および耐摩
耗性を示す材料から成っていなければならない。スキン
層２４はまた、適度に高い熱伝導率を有することも必要
である。従って、スキン層２４は炭素鋼、ステンレス
鋼、ニッケル、アルミニウム、黄銅、銅、セラミック、
ガラス、石英、プラスチックまたはプラスチック複合材
料から成っていればよい。また、低い熱膨張率を有する
合金（たとえば、インバールフェロニッケル）を使用す
ることもできる。本発明においては、断熱層２２とそれ
に隣接する層とが層剥離を起こし易いという問題を解決
するため、コアおよびスキン層と同じ材料から成りかつ
厚さ方向に沿って密度差を有するような断熱層を使用す
ることが好ましい。一層詳しく述べれば、かかる断熱層
２２は中心領域において低い密度を有すると共に、各々
の表面領域において高い密度を有している。金型構造物
の全体にわたって同じ材料が使用されている場合には、
断熱層２２の断熱性は密度の低い中心領域に依存する。
すなわち、中心領域は多孔性を有するために低い熱伝導
率を示す。また、同じ材料であるため、断熱層２２の熱
膨張率は隣接するコアおよびスキン層の熱膨張率と近似
している。隣接する層の熱膨張率が近似していれば、層
剥離が起こる可能性は大幅に減少する。なお、金型構造
物の全体にわたって同じ材料を使用する場合にはセラミ
ックまたは金属材料が使用される。
【００１１】厚さ方向に沿って密度差を有する断熱層
は、化学蒸着、電気めっきおよび金属溶射（たとえば、
高周波スパッタリング、電子ビーム溶射またはプラズマ
溶射）のごとき被覆技術を用いてセラミックまたは金属
から形成することができる。密度の低い中心領域を形成
するためには、中心領域に気泡を導入するか、あるいは
中空のガラス球、セラミック、金属酸化物、ベントナイ
ト、シリカなどのごとき低密度充填材を添加すればよ
い。
【００１２】運転に際しては、高温の熱可塑性樹脂１１
が金型キャビティ１４内に注入されると、樹脂１１から
の熱はスキン層２４によって吸収される。断熱層２２は
樹脂１１の急速な冷却を防止するばかりでなく、スキン
層２４を再加熱するためにも役立つ。その結果、短時間
の内に高温のプラスチック表面が得られることになる。
また、硬質のスキン層２４は完成品に所望の表面品質を
付与するためにも役立つ。
【００１３】なお、上記のごとき高温の熱可塑性樹脂に
よる受動的な加熱のみに頼る必要はない。すなわち、図
２〜５Ｂに示されるごとく、別の加熱方式を採用するこ
ともできる。図２には、金型１０ａ内においてスキン層
の代りに使用される高温の金型インサート２６が示され
ている。かかる金型インサート２６は先ず加熱装置２８
内において加熱され、次いで溶融した樹脂１１の注入の
直前に金型キャビティ内に挿入される。薄い金型インサ
ート２６は断熱層２２によって断熱され、そして短時間
にわたり高温の金型表面を提供する。このような技術
は、外部加熱によって得られた高温の金型表面が提供さ
れる結果、コア部材１２を通常の金型の場合よりも低い
温度に維持し得ることによってサイクル時間が短縮され
るという利点を有している。
【００１４】図３には、抵抗加熱法によって成形面を加
熱する金型１０ｂが示されている。かかる加熱は、各々
の断熱層２２とそれに対応するスキン層２４との間に配
置された抵抗発熱体３０によって達成される。急速な冷
却を行うため、コア部材１２とそれに対応する断熱層２
２との間には熱電装置３２が配置されており、それによ
ってサイクル時間が短縮される。図４には、誘導加熱法
を用いた金型１０ｃが示されている。この場合には、断
熱層２２中に誘導コイル３３が埋込まれている。誘導コ
イル３３との適合性を得るため、断熱層２２は非導電性
の断熱材料から成っている。誘導コイル３３は好ましく
は銅の撚線を巻いたものから成り、そして交流電源（図
示せず）に接続されている。スキン層２４は、好ましく
は磁性を示す電流伝導材料から成っている。誘導加熱を
受けた場合、磁性材料は非磁性材料よりも高い発熱効率
を示す。運転に際しては、誘導コイル３３はスキン層２
４中に渦電流を生じ、それによってスキン層２４を加熱
する。
【００１５】図５Ａおよび５Ｂには、相異なる誘電加熱
法を用いた２つの実施の態様が示されている。図５Ａに
は、各々のコア部材１２とそれに対応する断熱層２２と
の間に配置された１対の電極３４を有する金型１０ｄが
示されている。前述のごとき実施の態様と同じく、所望
の表面構造を付与しかつ断熱層２２を保護するため、各
々の断熱層２２にはスキン層２４が結合されている。こ
の実施の態様におけるスキン層２４は高周波電界に対し
て感受性を持った材料から成るのであって、かかる材料
の実例としては金属および損率を増大させるために役立
つ高周波活性剤を含有するセラミックが挙げられる。断
熱層２２は、損率の小さい材料（たとえば、プラスチッ
ク、プラスチック複合材料またはセラミック）から成る
ことが必要である。損率とは、同じ周波数および同じ強
度の高周波電界中に様々な材料を配置した場合に起こる
相対的な加熱速度の指標である。電極３４は、所要電圧
を低くするためにできるだけ高い周波数を有する高周波
電源３６に接続される。電極３４を電源３６に接続した
場合、電極３４間には高周波電界が生み出される。かか
る高周波電界は、高周波感受性のスキン層２４および金
型キャビティ内の樹脂１１を加熱する。他方、電極３４
の温度はあまり上昇せず、従ってサイクル時間が短く保
たれる。
【００１６】図５Ｂに示された金型１０ｅも誘電加熱法
を用いたものであるが、独立した電極は使用されていな
い。その代り、電極として役立つ導電性のスキン層２４
´が使用されている。かかるスキン層２４´ が高周波
電源３６に接続される。電源３６を作動した場合、スキ
ン層２４´ 間に高周波電界が生み出され、それによっ
て金型キャビティ内の樹脂１１が加熱される。スキン層
２４´ は直接には加熱されないが、高温の樹脂１１に
よって加熱される。
【００１７】上記には、層剥離の問題を回避しながら残
留応力の少ない平滑な製品を製造し得る改良された断熱
型の成形装置が記載されている。かかる成形装置におい
ては、成形面の受動的および能動的な加熱が可能であ
る。本発明の特徴は、多大の努力または費用を払うこと
なしに現行の成形装置に適用することができる。以上、
特定の実施の態様に関連して本発明を説明したが、特許
請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱す
ることなしに様々な変更態様が可能であることは当業者
にとって自明であろう。たとえば、本発明は射出成形装
置に関連して記載されたが、密度差を有する断熱層はそ
の他の種類の成形装置（たとえば、吹込成形装置および
圧縮成形装置）にも適用することができるのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の多層金型の側断面図である。
【図２】金型を加熱するために高温の金型インサートを
使用する本発明の多層金型の側断面図である。
【図３】金型を加熱するために抵抗加熱法を使用する本
発明の多層金型の側断面図である。
【図４】金型を加熱するために誘導加熱法を使用する本
発明の多層金型の側断面図である。
【図５】図５Ａは金型を加熱するために第１の高周波加
熱法を使用する本発明の多層金型の側断面図であり、ま
た図５Ｂは金型を加熱するために第２の高周波加熱法を
使用する本発明の多層金型の側断面図である。
【符号の説明】
１０ 多層金型 １１ 熱可塑性樹脂 １２ コア部材 １４ 金型キャビティ １６ スプルー １８ ゲート ２０ 冷却流路 ２２ 断熱層 ２４ スキン層 ２６ 金型インサート ２８ 加熱装置 ３０ 抵抗発熱体 ３２ 熱電装置 ３３ 誘導コイル ３４ 電極 ３６ 高周波電源

Claims (15)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 (a) 成形すべき完成品の輪郭にほぼ等し
    い輪郭を持った表面を有するコアと、(b) 金型内に配置
    された熱可塑性材料の初期冷却を遅らせるため前記コア
    の前記表面に結合された断熱層とを含んでいて、前記断
    熱層が前記コアと同じ材料から成ると共に、前記断熱層
    の表面領域が相対的に高い密度を有する一方前記断熱層
    の中心領域が相対的に低い密度を有するような密度差が
    存在することを特徴とする、熱可塑性材料から完成品を
    成形するための多層金型。
  2. 【請求項２】 前記断熱層に結合されたスキン層が追加
    包含されていて、前記スキン層は前記断熱層と同じ材料
    から成りかつ前記完成品と同じ輪郭および表面特性を有
    する請求項１記載の多層金型。
  3. 【請求項３】 前記スキン層を加熱するためのヒータが
    追加包含される請求項２記載の多層金型。
  4. 【請求項４】 前記ヒータが抵抗発熱体から成る請求項
    ３記載の多層金型。
  5. 【請求項５】 前記ヒータが誘導コイルから成る請求項
    ３記載の多層金型。
  6. 【請求項６】 前記ヒータが高周波加熱装置から成る請
    求項３記載の多層金型。
  7. 【請求項７】 前記断熱層がセラミック材料から成る請
    求項１記載の多層金型。
  8. 【請求項８】 前記断熱層が金属材料から成る請求項１
    記載の多層金型。
  9. 【請求項９】 前記断熱層の低密度の中心領域が中空の
    ガラス球、セラミック、金属酸化物、ベントナイトおよ
    びシリカから成る群より選ばれた充填材を含有する請求
    項１記載の多層金型。
  10. 【請求項１０】 (a) 成形すべき完成品の輪郭にほぼ等
    しい輪郭を持った表面を有するコア、(b) 金型内に注入
    された熱可塑性材料の初期冷却を遅らせるため前記コア
    の前記表面に結合された断熱層、(c) 前記断熱層に結合
    されかつ前記完成品と同じ輪郭および表面特性を有する
    スキン層、並びに(d) 前記スキン層を加熱するため前記
    コアと前記スキン層との間に配置された加熱手段の諸要
    素から成ることを特徴とする、予熱された熱可塑性材料
    から完成品を射出成形するための多層金型。
  11. 【請求項１１】 前記断熱層が前記コアと同じ材料から
    成ると共に、前記断熱層の表面領域が相対的に高い密度
    を有する一方前記断熱層の中心領域が相対的に低い密度
    を有するような密度差が存在する請求項１０記載の多層
    金型。
  12. 【請求項１２】 前記加熱手段が前記断熱層と前記スキ
    ン層との間に配置された抵抗発熱体から成る請求項１０
    記載の多層金型。
  13. 【請求項１３】 前記加熱手段が前記断熱層中に埋込ま
    れた誘導コイルから成る請求項１０記載の多層金型。
  14. 【請求項１４】 前記コアが２個のコア部材から成って
    いて、前記コア部材の各々に断熱層およびスキン層が結
    合されており、かつ前記加熱手段が前記コア部材の各々
    とそれに対応する断熱層との間に配置された電極および
    前記電極に接続された高周波電源から成る請求項１０記
    載の多層金型。
  15. 【請求項１５】 前記コアが２個のコア部材から成って
    いて、前記コア部材の各々に断熱層およびスキン層が結
    合されており、かつ前記加熱手段が前記コア部材の各々
    に対応するスキン層に接続された高周波電源から成る請
    求項１０記載の多層金型。
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