JPWO2007129673A1

JPWO2007129673A1 - 熱可塑性樹脂成形用金型、キャビティ型及びそのキャビティ型の製造方法

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Abstract

熱可塑製樹脂成形用金型のキャビティ型の表面金属層（５）を形成するための表面金属層部材（１）と、キャビティ型を形成するためのキャビティ本体部材（９）の二体を作成し、その接合面に断熱層（10’）を形成して二体を接合後、表面金属層部材の不要部（３）12を削除して、前記表面金属層（５）を形成することを特徴とした断熱キャビティ型製造方法及び断熱キャビティ型、及び該キャビティ型から構成される熱可塑製樹脂成形用金型を提供する。該工法により、表面金属層部材に低熱伝導性金属を用い、キャビティ本体部材に高熱伝導性金属を用いて作成した本発明による断熱キャビティ型と、ＳＵＳ系金型用鋼材にて作成したコア型よりなる断熱金型を用いることを特徴とする。

Description

本発明は熱可塑性樹脂を射出成形する熱可塑性樹脂成形用金型に用いられるキャビティ型に係る。
本願発明に係るキャビティ型は、表面の光沢や微細な凹凸模様を成形品表面に忠実に転写でき、内部応力や歪が極力少なく、かつ表面にヒケのない美しい成形品を低圧または極低圧で成形することを特長とする、熱可塑性樹脂成形用断熱金型に係る。
更に詳しくは裏面にリブ又はボス等、部分厚肉部を有する薄肉成形品、あるいは高粘度樹脂成形品の成形において、上記ヒケのない外観の美しい成形品を低圧で成形することを特徴とする実用的熱可塑性樹脂成形用断熱金型、断熱キャビティ型およびその断熱キャビティ型の製造方法に関する。
ここで、「ヒケ」とは、充填樹脂の冷却、収縮のため、成形製品の表面にできる、えくぼの様なくぼみをいう。

まず最初に、本願発明に係る熱可塑性樹脂成形用金型、及びキャビティ型について、従来技術に係る実施例を元に以下説明する。
図８は、凹キャビティ型102と凸コア型108とを備えた射出成形用金型の概略断面図である。図９は、図８に示すIX部の拡大図である。このキャビティ型では、耐熱性プラスチックで形成された断熱層101の表面に薄肉の金属層103が形成されている。

このキャビティ型102は次のようにして作製される。
まず、キャビティ部（空洞部）105の外径寸法、即ち成形品形状と同一形状の母形を作り、その表面に電鋳法にて薄肉金属層103を形成し、耐熱プラスチックを介して、キャビティ型部材の中に圧入固定し、同時に断熱層101を成形後、母型を抜去し、キャビティ型102が作製される。
コア型108の表面には、フッ素樹脂分散ニッケルめっきにて形成された、離型性断熱層104が形成されている。

上記断熱層101及び薄肉金属層103は、キャビティ型材と接着剤等にて接合され、キャビティ型102の表面を形成している。

射出成形機からの溶融樹脂は、ノズルタッチ部110よりスプル106、ゲート107を通って、キャビティ型102とコア型108との間で形成されるキャビティ部（空洞部）105に充填されるように構成されている。
なお、図中109は取付板、111は突き出しピン、112はキャビティプレート、113はコアプレートである。

通常、射出成形用金型は金属材料で製作されており、型内に樹脂が充填され、型表面に接すると瞬時に樹脂表面に固化層を形成しながら充填が進行し、充填完了後、所定の圧力が付与されるが、既に形成された固化層のため、型表面の転写が阻害されるのみならず、流動中の乱流や不整流が該固化層に凍結するためウエルド、フローマーク等が発生することが多い。
ここで「ウエルド」とは，金型内で溶融状態の樹脂の流れが合流する部分に発生する筋状の模様のことを、「フローマーク」とは、樹脂の流れによって成型品の表面にできる波紋のような模様のことをいう。

上記の問題を解決するため、上述した断熱キャビティ型（断熱キャビティ・ブロック）を用いた射出成形用断熱金型（略して断熱金型あるいは断熱型）が考案されている。該断熱キャビティ型は通常のキャビティ型の表面に断熱層と、更にその表面に薄肉金属層を形成し、型表面の熱容量が小さい構造になっている。

断熱型は型内に樹脂が充填されると、キャビティ表面が樹脂の熱量で瞬時に昇温し、その後速やかに放熱、降温するため、生産性を損なわずに外観が向上する特徴があり、通常型による問題点を軽減或いは解消しようとするものである。

断熱キャビティ型の製造方法は、いくつかの方法が提案されており、一つの方法は、電鋳工法を用いて成形品形状と同形状の母型上にニッケル電鋳により0.1〜0.5 mmの金属層を形成し、その表面に断熱層を設け、更にバッキング・ブロックを裏打ち接合して一体化した後、母型を抜去して製造する（特許文献４）。
その他の方法として、通常の鋼材によるキャビティ型表面に、樹脂コーティング等により断熱層を形成し、さらにその上に無電解メッッキを行う方法がある（特許文献１）。

前者の電鋳工法は、まず母型上に表面薄肉金属層を形成し、その上に断熱層を設ける手順であり、後者は型表面に断熱層を形成し、その上に金属層を設ける積み上げ工法であり、工程が逆になっている。

上記電鋳工法による断熱キャビティ型と、離型性断熱コーティングを施したコア型とを有する断熱金型の提案があり（特許文献３）、以後、従来法あるいは電鋳工法による断熱型とは、この特許文献３に基づいた射出成形用断熱金型を指す。

特開平7−137040号公報特開2002-172655号公報特開平6-218769号公報特開昭55−55818 「冷却時のメルト移行制御による精密転写・ヒケ防止低圧成形システム−メルト移行成形法−の開発」。プラスチック成形加工学会2000、第11回学術講演会論文集A207、P. 47 「メルト移行に影響する断熱型表面／メルト間付着力の測定」。プラスチック成形加工学会2004、第15回年次大会講演会論文集VI-205、P. 309

前者の電鋳工法による断熱型は、長期間にわたり量産型或いは試作型等で多数の実施データの結果、まだ実用化には２〜３の基本的問題が残っていることが明確になっている。
これら多数の実験や実施データから判断し、後者の工法である、型表面に樹脂系の断熱層のみを形成する方法や、さらにその表面に無電解メッキ法等による金属層を形成した断熱金型では、長期に亘って使用安定性が要求される汎用実用型になり得ない。

前記、従来法断熱型の実用化を拒む２〜３の問題点は機構面と機能面に分類できる。
まず機構面では、射出成形と云う高圧、高温の厳しい繰り返し条件下で、表面金属層が安定性に欠けることである。具体的には、
（１）長期の成形品生産中に表面金属層と断熱層間に剥離が発生し易い、
（２）ニッケル電鋳工法による表面金属層は、厚みのばらつきが大きく、0.15 mm厚みの狙いに対して、形状の凹部では半分以下のところも発生することがあり、物理的に脆弱である、
（３）電鋳ニッケル層は一般的に内部応力が高く、また、そのばらつきが発生し易く、歪・変形・破損が発生し易い、
（４）電鋳ニッケル層は柔らかく（ビッカース硬度、Hv：２３０位）、キャビティ表面に傷等が付き易い、
（５）工法が複雑で型製作日程が長い、
等の問題がある。

前記（１）の理由は成形時、金属層と断熱層との熱膨張差が大きく、界面に発生する大きなストレスに対比して該界面の接着強度が弱いことである。特にゲート部では樹脂充填時のせん断応力も加わり、ニッケル層の剥離傾向が高い。
両層間の接着力が弱い理由は、電鋳工法の場合、母型上に作成したニッケル層が薄く柔らかいため、断熱層と接合するニッケル層表面を、接着のためのサンドブラストによる粗化が出来ないことが大きな原因である。そこで高電流メッキによる粗化も考えられるが、キャビティ型の場合、形状的に均一な高電流が得られ難く好ましくない。

断熱キャビティ型の後者の工法、即ち型表面に断熱層を作り、更にその上に金属層を無電解メッキ等で形成する積み上げ式工法の場合は、接着界面の断熱層表面を粗化することになるため、有効なアンカー効果が得られず、この場合のピーリング接着力は１ kgf／cm前後以下で実用的でない。上述（４）のニッケル硬度に関してはＮｉ−Ｃｏ等の合金化による高硬度化は可能であるが、メッキの応力も高くなり、電鋳工法による断熱型には適用が困難である。

しかし、現時点では断熱キャビティ型の表面金属層の形成は電鋳工法以外に適当な方法がなく、結果的に型製作時あるいは成形中に種々の問題が発生することや、工法が複雑で工期が長いこと等が、断熱型が射出成形業界で期待されながらも実用化に至っていない第一の理由である。

次に機能面では、ニッケル電鋳法により製作した断熱キャビティ型と、その表面にフッ素樹脂分散ニッケルメッキ等による離型性断熱層を施したコア型を組み込んだ、従来法による断熱型の場合、転写性、ウエルド等については良好な結果が得られる。しかし、成形品の裏面に形成されたボス、リブ等の表面に冷却収縮によるヒケが発生し易いという問題がある。勿論、鋼材による通常型においても未解決の問題である。

断熱型の機能面を更に詳しく説明する。
型内に樹脂が充填されるとキャビティ表面は瞬時に昇温するが、その最高温度が樹脂のＴｇ（熱可塑性樹脂のガラス転移温度）を境に、成形品への影響は異なったものとなる。
Ｔｇ以下の場合は、固化層発生の遅延効果による転写性の改善、ウエルドの低減等の単なる外観品質の向上であるが、Ｔｇ以上の場合は、従来には無い新しい二つの概念をもたらす。

一つは型面と接触した樹脂界面は液状を保持し、溶融樹脂とキャビティ型表面間に発生する「濡れ付着」の機能もしくは概念である。
二つは高温のコア側メルトが、早期に冷却されたキャビティ側へ移行して、成形品の表面は転写し、裏面にヒケが発生する現象（以下、略して「表面転写」現象と呼ぶ）を発現する機能、すなわちこのメルト移行によってキャビティ側樹脂の冷却収縮を補償する概念である。
必然的に従来の「圧力による高圧転写」から「濡れ付着による濡れ転写」へと、同じく従来の「保圧による収縮補償」から「メルト移行による表面収縮補償」へのコンセプトの転換が起る。

この結果として、
（１）低圧微細転写、
（２）ウエルド、フローマーク、ジェッティング等の解消、
（３）低圧でキャビティ面を転写し、ヒケがコア側面（すなわち裏面）に集中する（「表面転写」機能あるいは「ヒケ防止」機能と呼ぶ）等、
従来技術では達成できない様々な機能が発現する。
ここで「ジェッティング」とは、キャビティ内に溶けた樹脂が入り込む際、ゲート（図８の107）から勢い良く飛び出してしまう現象をいう。

上記「表面転写」現象は次のメカニズムにより発生する。
断熱金型のコア型表面に離型性断熱コーティングを施した型内に、樹脂が低圧で充填されると、キャビティ表面は瞬時に昇温し、樹脂はキャビティ面と濡れて付着する。
充填と同時に始まる収縮のため樹脂はキャビティ側に引かれ、コア型面との型離れ（付着或いは密着状態から開放され、界面に空気境膜ができること）が発生し、型面との間に空気境膜が形成される。
その結果、樹脂のコア側では冷却が鈍化し、高温に保持される。

キャビティ側樹脂は型面と付着状態のまま放熱、冷却が進行し、かつ樹脂の表面、裏面間に生じる温度差がドライビングフォースとなって、コア側の高温樹脂は低温のキャビティ側に移行してキャビティ側の冷却収縮分を補う。結果的に樹脂のキャビティ側表面にはヒケが発生せず、収縮によるヒケはコア側（すなわち成形品の裏面）に集中する。

しかし、この「表面転写」機能は必ずしも充分とは言えず、平行な肉厚部表面のヒケ防止効果に比較して、特に裏面リブ・ボス部対表面上のヒケ解消が困難である。また、この「表面転写」機能を助長するために施した、「離型性断熱コーティング膜」は、長期にわたって成形品を生産するうちに表面が磨耗して、更に機能が低下する等の実用的な問題点がある。
この点が、従来方法による断熱型の実用化を拒む第２の理由である。

平行な肉厚部に対してリブ、ボス部対表面上のヒケ解消が困難な理由は、コア面に形成されたリブ、ボス部の樹脂は平行部に比較して放熱面積が広いため早く冷却し、その収縮分をキャビティ側の高温樹脂が補い、キャビティ側面にヒケが発生するものと判断される。即ち本来の「表面転写」現象の反転現象である。

このため、ヒケ防止機能（または「表面転写」機能）が効果的に作用するためには、キャビティ面での樹脂の付着の強化と同時に、キャビティ側樹脂の冷却を早めて、コア型面での早期型離れを促し、コア側樹脂を高温に保ち、型内圧を低くしてメルト移行性を高めることが重要である。

然し、キャビティ側の冷却を早めるために型温を下げたり、キャビティ本体に高熱伝導性鋼材を用いると、樹脂充填時にキャビティ型表面の昇温が鈍り、樹脂の付着が弱まって、逆にキャビティ型面での型離れが早まり、キャビティ側面にヒケが発生しやすくなるという問題がある。

上記「表面転写」現象については、非特許文献１に記載がある。
上記コア側に設けたリブ上のヒケ問題を解決する手法として、リブ用の凹部を設け加熱手段を有したコアピースを嵌合し、更に該コアピースを通じて内部の凹部へ気体を供給し、コア側樹脂を強制的に型離れさせ、キャビティ側に押し付ける方法が提案されている（特許文献２）。

本発明は電鋳法に代って、フライス加工や放電加工等による断熱キャビティ型の製造方法を提案し、電鋳法により発生する種々の問題を解決し、ヒケ発生問題を前記の如く外部からの補助手段を用いることなく、「表面転写」機能の各構成要因を個々に強化し、その相乗効果により解決を図る、機能性断熱システム金型を提供するものである。

（本発明の目的）
本発明の目的は、従来の方法による断熱型の構造面での耐久性を改善し、ヒケ防止機能を向上させることにあり、具体的には以下の４つの目的からなる。
第一に、断熱キャビティ型製作の新工法を提供する。
第二に、金型の長期使用に安定した耐用性を発揮でき、「表面転写」機能が強化された断熱キャビティ型を提供する。
第三に、型内に充填された樹脂が冷却収縮するときに、キャビティ型面よりもコア型面から先に、かつ、「より早期、確実」に型離れする熱可塑性樹脂成型用金型を提供する。
第四に、その金型を用い、成形品の表面にはヒケがなく、キャビティ型面を忠実に転写した美しい外観で、冷却収縮分は成形品の裏面に集中した成形品の成型法と成形品を提供する。

上記本発明の第一の目的は、キャビティ型表面金属層を形成するための表面金属層部材と、キャビティ本体を形成するためのキャビティ本体部材との二体を接合するに際して、その接合面に断熱層を形成して、二体接合後に表面金属層部材の不要部をフライス加工や放電加工等によって削除して、キャビティ型表面薄肉金属層を形成することを特徴とする断熱キャビティ型製造工法により達成される。

更に、上記第一の目的は、以下の工程を含むことを特徴とする断熱キャビティ型の本発明工法により達成される。すなわち、
（１）表面金属層を構成する表面金属層部材と、キャビティ本体を構成するキャビティ本体部材の両部材を作る工程と、
（２）表面金属層部材の端面にキャビティ型表面形状（成形品形状面＋ＰＬ面）から表面金属層厚みをオフセットした形状と、その最外周部に両部材のインロー用外壁を加工して嵌合面を作る工程と、
（３）前記キャビティ本体部材の端面に前記表面金属層部材の嵌合面を反転し、かつ成形品形状部に断熱層形成用の均一な凹部を加工した、凹部付嵌合面を作る工程と、
（４）該両嵌合面をサンドブラスト又は放電加工等で表面粗化する工程と、
（５）断熱層形成用凹部に断熱層を形成する工程と、
（６）両嵌合面を接着剤にて接合し一体化する工程と、そして
（７）一体化後、表面金属層部材から不要部をフライス加工や放電加工等によって削除して薄肉表面金属層を形成する工程から構成される。

ここで、ＰＬ面とは金型の合わせ面、すなわちパーティング面のことをいう。
インロー（centering location）とは、二つの機械部品の取り付け精度をよくするために設けたはめ合い部をいい、本例のようなインロー用外壁を設ける方法に限らず、ピンとそれに対応する嵌合孔を設ける等、様々な方法がある。
また、サンドブラストとは、圧縮空気や遠心力などで砂または粒状の研磨材を加工物に吹きつける方法である。成形品の表面を粗化して、アンカー効果（材料表面の孔や谷間に液状接着剤が入り込み、そこで固まること）による塗膜の付着力増加を図るための一方法である．

上記第二の目的は、前記表面金属層部材が、一般金型用鋼材（例えば、大同特殊鋼（株）製のNAC80、熱伝導率0.1 cal／cm・sec・℃）で形成されることにより達成される。更に好ましくは、
（１）前記表面金属層部材がステンレス合金、チタン合金、あるいは、その熱伝導率が約0.05 cal／cm・sec・℃（ステンレス合金の熱伝導率）以下の鋼材で構成される。
（２）前記キャビティ本体部材の全体あるいはその一部が、アルミ合金、銅、銅合金あるいは、その熱伝導率が0.30 cal／cm・sec・℃（アルミ合金、JIS A7000系の熱伝導率）以上の鋼材で構成される。
（３）前記断熱層が、セラミックス、ガラスあるいは耐熱樹脂又は耐熱樹脂複合材の一種からなり、各々の厚さは前記表面金属層が0.1〜0.5 mm、前記断熱層が0.2〜2.0 mmで構成される。

更に、上記本発明の第二の目的は、前記表面金属層の上に更に溶融樹脂との濡れ性の良い薄膜表面層を有することを特長とする本発明による断熱キャビティ型により、更に安定して達成される。

上記第三の目的、すなわち、充填された樹脂が冷却するときに、該樹脂は断熱キャビティ型面よりもコア型面から先に型離れする射出成型用断熱金型の提供は、前記本発明による断熱キャビティ型と一般金型用鋼材よりなるコア型と、を有する本発明による射出成形用断熱金型によって達成できる。

上記第三の目的は、前記本発明による断熱キャビティ型とコア型を有する射出成形用断熱金型であって、該コア型ないしはその一部がステンレス、ステンレス合金、チタン、チタン合金、離型性耐熱樹脂複合材、あるいはその熱伝導率が0.055 cal／cm・sec・℃（ステンレス合金の熱伝導率）以下の金属、あるいはその他の型用部材の一種から形成された、本発明による射出成形用断熱金型により、更に安定して達成できる。

上記第四の目的、すなわち、リブ部対表面上にヒケがなく美しい外観で、冷却収縮分は裏面に集中した成形品の提供は、前記本発明による断熱キャビティ型と、コア型とを有する、本発明による射出成形用断熱金型を用いて、適切な低圧成形条件を選択し、樹脂を成形することにより達成でき、更に上記該コア型をステンレス合金等の低熱伝導性金属を使用することでより安定して達成できる。

本発明は、電鋳工法を用いた断熱キャビティ型の製造法に代わる工法として開発されたもので、キャビティ表面金属層を形成するための表面金属層部材とキャビティ本体を形成するためのキャビティ本体部材の両部材を作成し、各々の端面に嵌合面を形成する。
さらに、サンドブラストにて表面粗化した両嵌合面間に断熱層を形成して両嵌合面を接合する。その後、表面金属層部材の不要部をフライス加工や放電加工等によって削除して、表面金属層を形成することを特徴とする。
すなわち、
（Ａ）二部材接合方式の新工法により（後述する効果（１）の原因）、
（Ｂ）表面金属層（厚み：0.10〜0.5 mm）を、低熱伝導特性を有する金型用鋼材で構成すること（後述する効果（２）、（３）、（４）の原因）及び、
（Ｃ）キャビティ本体部材を高熱伝導性鋼材で構成すること（後述する効果（５）の原因）が、
可能となった。

上記（Ｂ）及び（Ｃ）の各鋼材で構成された本発明による断熱キャビティ型と、一般金型用鋼材よりなるコア型とを有する成形用断熱金型を用いることにより、従来法による断熱金型（ニッケル電鋳方式による断熱キャビティ型と、表面に離型性断熱コーティングを施したコア型により構成される）に比べて次の効果が生じた。

効果（１）電鋳法では断熱層と接着するニッケル面の粗化が充分に出来ないため、接着強度不足の問題があったが、新工法では金属ブロック面を粗化するため強力な粗化が可能となり、接着強度が従来の電鋳法に比べて約４〜５倍に強化されて、長期安定使用が可能な型表面を形成できた（後述する「ピーリング接着強度測定実験」参照）。

効果（２）表面金属層の厚みは、従来式の電鋳工法では±30%以上のばらつきがあったが、新工法ではフライス加工や放電加工により加工するため、±5 %以内の精度に向上した。更に、一般型用鋼材はニッケルよりも熱伝導性が低いことや、溶融樹脂との濡れ性も良いため、強度面やキャビティ表面の温度挙動も安定し、機構面、機能面とも大きな向上が見られた。

効果（３）ニッケル電鋳工法による表面金属層の硬度は、Hv：約230（HRC18）で、変形・擦傷付性に問題があったが、本発明による工法では、キャビティ表面金属層に金型鋼材のステンレス合金やチタン合金（共にHv：300〜330（HRC30〜35））を利用できるため、通常の金型と同様に安定して使用できる。

効果（４）低熱伝導性を有する表面金属層の形成により、樹脂充填時の型表面温度は、より高温に上昇し、充填樹脂と型表面間の付着力が高まり、ヒケ防止機能が増大した（後述する「異なる２物体接触時の界面温度の近似的計算式」、非特許文献２の図３、図４参照）。
従来法では、型表面のニッケル層と充填樹脂との付着力が弱いため、キャビティ側の冷却速度を速めることが出来なかった。すなわち、表面ニッケル層の昇温ピーク温度が低いため、ゆっくり冷却させて、ピーク温度をしばらく保持して充填樹脂との付着力を高める必要があったが、本発明工法により付着力が高まったため、キャビティ本体部材に高熱伝導性鋼材を使用して放熱速度を速めることができた。

効果（５）充填樹脂のキャビティ型側面の冷却速度が速まり、キャビティ型面との型離れ温度が低くなり、キャビティ型とコア型両面間の温度差が大きくなった結果、コア型面での早期型離れが起こり、メルト移行性が高まって、ヒケ防止機能が強化された（非特許文献２の図３の説明参照）。

前記本発明による断熱キャビティ型と、一般金型鋼材よりなるコア型とを有する射出成形用断熱型において、コア型をステンレス系金属等の低熱伝導性金属で構成することにより、充填樹脂はコア型面と接触時の放熱が鈍化して、コア側樹脂の高温保持性と易動性が高まり、型離れも早期化してヒケ防止機能が向上した。

本発明による射出成形用断熱金型の表面金属層の上に、更に二酸化珪素等、水との濡れ性の良い金属酸化物等の薄膜を形成することにより、樹脂との濡れ性が増し、表面金属層と樹脂の間の付着力が高まり、キャビティ面での型離れ温度の低温化を可能にする等、一連の相乗効果を生み、ヒケ防止効果が強化され、良品を成型する条件幅が広がった。

上記、本発明の第二の目的達成のための手段を構成した新工法による断熱キャビティ型と、コア・ブロックとを有する射出成形用断熱型を用いて成形することにより、成形品の外観にはリブ部対表面上のヒケ等もなく、型面を美しく転写し、ヒケがコア側（すなわち成形品の裏側）に集中した特徴ある本発明による成形品が成形される。

（ピーリング接着強度測定実験）
金型の信頼性に最も深く関係するのは、断熱層と表面金属層のピーリング接着強度である。本発明では次の方法でピーリング接着強度を調べた。
5 cm角×1 cm（厚み）のブロックを、一般金型鋼（商品名、NAC80）及びステンレス合金鋼（商品名、NAC101）の各３個とシリカ粉充填、耐熱エポキシ系複合樹脂にて断熱板（5 cm角×0.1 cm（厚み））を３枚作成した。
両金属ブロック面を♯30のモランダム砥粒で圧力7 kgf／cm²でブラスト粗化し、その面にエポキシ系耐熱接着剤を塗布して両ブロック間に断熱板を挟んで圧接し、加熱接着接合した。

接着後、ステンレス合金鋼ブロックの接合面に0.15 mmの薄肉層を残し、他の不要部を切削、除去し、更にこの薄肉金属層を1 cm幅の帯状に切り込みを入れて３帯の測定試料を作成した。
各帯状の薄肉金属層端部をプッシュ・プル・ゲージで垂直に引っ張り、断熱板と薄肉金属層間のピーリング接着強度を測定した。
３帯の平均強度は6.3 kgf／cmであった。同様に♯120、圧力１ kgf／cm^２でブラスト粗化した試料のピーリング接着強度の平均は1.3 kgf／cmであった。又両ブロック面を荒目の放電加工をした場合の、同接着強度は4.8 kgf／cmであった。

異なる温度の物体が接触すると、その瞬間の界面温度Tsは、二つの物体の温度レベルと熱的性質に関係し、近似的に下記（１）式で求められる。

Ts=(brTr＋bmTm)／(br＋bm) （１）

ただし、
ρ：密度、c：比熱、λ：熱伝導率、Tr：樹脂温度、Tm：型表面温度、添え字ｒ、ｍはそれぞれ樹脂と金型を意味する。
この場合、bmはbrより一桁以上値が大きいため、両者の接した瞬時の界面温度（樹脂表面温度）は型表面金属層の温度とρcλに大きく影響され、温度が高い程、又はρcλが小さい程、高くなることがうかがわれる。
このことは、表面金属層部材に低熱伝導率材料を選択することにより、樹脂充填時の型表面温度は、より高く昇温することを意味する。

非特許文献２の図４「キャビティ表面での樹脂温度と付着力の関係」によると樹脂充填時、90℃に昇温した型表面とメルト間の付着力は550 gf／cm^２、100℃では650 gf／cm²を示し、型表面温度が90℃から10℃高くなると付着力は18％増加している。

上記、非特許文献２の図３「メルト接着後のキャビティ表面温度の経時変化」によると、キャビティ・ブロック温度が８０、７０、６０、５０℃と低下するに従い、型離れ温度は各々８３、７９、７５，７１℃と低下している。
キャビティ型温度を低く設定することは、充填樹脂の冷却速度が速くなることで、即ちキャビティ本体部材に高熱伝導材料を選択すればキャビティ面での型離れ温度が低くなり、コア型面での早期型離れを促し、メルト移行性が向上すると共に、キャビティ型面型離れ時の樹脂表面剛性層の形成がより進行し、その後の冷却収縮に対してキャビティ表面が変形しにくくなる。

結局、成形品の表面ヒケ防止機能（「表面転写」機能）を強化するには、
（１）溶融樹脂充填時のキャビティ表面昇温程度を高くしてキャビティ型面と溶融樹脂間の付着力を高める必要がある。そのためには出来るだけ熱伝導率の低い表面金属層部材を用いることが好ましい、
（２）キャビティ側樹脂の冷却速度を速めて型離れ温度を低くし、コア側樹脂との温度差を大きくする。そのためには出来るだけ熱伝導率の高いキャビティ本体部材を用いることが好ましい、
（３）コア側の樹脂冷却を遅らせ、高いメルト移行性を保持する。そのためにはコア型は出来るだけ熱伝導率の低い材料の選択が好ましい、更に、
（４）高速、低圧、短時間の成形条件設定により、メルトの移動性を高めることが好ましい。

以上の知見に基づき、従来法による断熱型と本発明による断熱型１（本発明による断熱キャビティ型と一般金型用鋼材よりなるコア型より構成）及び断熱型２（本発明による断熱キャビティ型とステンレス合金鋼より成るコア型より構成）を作製し、両者のヒケ防止効果を比較した。

まず、角ブロックの表面を鏡面に磨いたマスター上に電鋳法により厚さ0.15 mmのニッケル層を形成し、その表面にエポキシ系耐熱複合樹脂にて厚さ1 mmの断熱層を形成し、更にその上に鉄材によるバッキング・ブロックを裏打ち接着した。その後、マスターを抜去して100（縦）×80（横）×20 mm(厚み)の従来法による断熱キャビティ型を作製した。
更に、100×80×30ｍｍ（厚み）の鉄製コア型用ブロックを作成し、表面に80×60×1.5 mm（深さ）の平板成形用キャビティ部の彫り込みと、その底面に、1.5（深さ）×40（横）×10 mm（縦）、２×40×10 mm及び、３×40×10 mmの深さの異なった３本のリブ用溝の彫り込み加工を施したコア型を製作し、その表面にフッ素分散無電解ニッケルメッキによる離型性断熱コーティングを施して従来法コア型を作製した。

一方、本発明による断熱キャビティ型は次のように製作した。
100（縦）×80（横）×20 mm(厚み)の金型用ステンレス合金鋼（商品名、NAC-101）による表面金属層部材と、100（縦）×80（横）×30 mm(厚み)のベリリウム銅合金（BeA-25）によるキャビティ本体部材を作成した。
更に、該キャビティ本体部材の広い端面に90（縦）×70（横）×1.0 mm（深さ）の断熱層形成用凹部を加工し、該凹部にエポキシ系耐熱複合樹脂を充填硬化し、均一な断熱層に仕上げて嵌合面を作成した。
その後、両部材の端面を粗化後、接着剤を塗布し、両嵌合面を合せて加圧加熱を行い接合した。
両部材の合体後、嵌合面より表面金属層部材の厚み0.15 mmを残し、他の不要部（３）12を削除して平らな薄肉表面金属層を形成し、鏡面に仕上げて本発明による断熱キャビティ型を作成した。

一方、サイドゲート２枚構造の標準型ベースを製作し、該型ベースのキャビティ及びコアプレートに前記キャビティ型と前記コア型をセットで取り付けるポケットを左右対称位置に２セット加工した。片側セットのポケットには従来法の断熱キャビティ型とコア型とをセットで組み込み、その他必要な加工をして従来方法の断熱型を作成した。
他の片側ポケットには本発明による断熱キャビティ型と、従来法と同形状、離型性断熱コーティング無しの鉄製コア型とをセットで組み込み、同様にして本発明による断熱型１を作成した。

本発明による断熱型２は、断熱型１の鉄製コア型の代わりに、ステンレス合金鋼にて作成した同形状のコア型を組み換えてセットした。
これら３つの断熱型についてＡＢＳ成形材料にて樹脂温度230℃、型温度80℃、一次圧力400 kg／cm²、射出速度200 cc／sec、射出時間３sec、一定速度と一定圧力条件にて成形し、特定の表面ヒケ評価基準により対象機能金型のヒケ防止効果を比較した。その断熱型構成と成形結果を表１に示す。

表１より、この実験に於いて、従来法の断熱型の場合、コア型面での早期型離れを達成させるため、コア型上に離型性断熱コーティングを施しても不充分である（特許文献３）。
しかし、本発明による断熱型の場合には、該コーティングが無く、鉄コアのみの構成でも、充填樹脂のキャビティ面との付着力の向上とキャビティ側樹脂の冷却促進により、従来断熱型以上の表面ヒケ防止効果があり、更に低熱伝導性のステンレス合金鋼コア型による冷却遅延効果の組み合わせによる相乗効果により更にヒケ防止効果が促進された。

本発明による射出成形用断熱型は、各々のヒケ防止要素機能を強化し、相乗効果による高機能システム断熱型であり、従来法断熱型の機構上及び機能上の全ての実用上の問題点を解決するに至った。

（第１の実施の形態）
以下、本発明の、第１の実施の形態を図面に基づき、詳細に説明する。
図１〜図４は本発明の断熱キャビティ型工法を示す。図１〜図４は、第１実施形態の概念図であり、図１は表面金属層部材の端面加工断面図、図２はキャビティ本体部材の端面加工断面図、図３は両部材接合及び金属層部材の仕上げ加工断面図、図４は成形品形状、直径50 mm×高さ10 mmの円柱型形状の断熱キャビティ型断面図である。また、各図（ｂ）はそれぞれIＢ、IIＢ、IIIＢ、IVＢ部の拡大図である。また、図７は上記円柱型形状の断熱キャビティ型の外観図である。

まず図１において、金型用ステンレス鋼（商品名、NAC101、熱伝導率0.04 cal／cm・sec・℃）よりなる表面金属層部材１の端面に、直径50 mm×高さ10 mmの成形品形状部分2とパート部分3よりなる断熱キャビティ型面4から、表面金属層5の厚み分（0.15 mm）をオフセットした表面金属層部材嵌合面6を、更にその外周部に、インロー用外壁7を残して不要部（１）8をフライス加工や放電加工等の機械加工によって削除することにより加工した。

一方、図２に示すように、金型用アルミ合金（（株）白銅、商品名、YＨ75、熱伝導率0.31 cal／cm・sec・℃）よりなるキャビティ本体部材9の端面に、表面金属層部材の嵌合面6を反転したキャビティ本体部材の嵌合面6’を形成し、更にその成形品形状部分をオフセット形状に彫り込み（１mm）、キャビティ本体部材の嵌合面6’に断熱層形成用凹部10を設けたキャビティ本体凹部付嵌合面6”を、不要部（２）11をフライス加工や放電加工等の機械加工によって削除して形成した。
該両部材の嵌合面6、6”に、サンドブラストによる粗化を施し、この断熱層形成用凹部10にガラス繊維強化耐熱複合樹脂断熱材にて断熱層10’を形成し、硬化処理後、フライス加工や放電加工等にてキャビティ本体の嵌合面6’を再形成した。

次に図３に示すように、両部材の嵌合面6及び6’に接着材を塗布して両面を嵌合し、熱プレスにて圧接し、接着した。
一体化後、嵌合面6より表面金属層5（厚み0.15 mm）を残して他の表面金属層部材の不要部（３）12をフライス加工や放電加工等によって削除して、断熱キャビティ型面4を形成した。

最後に、図４に示すように、型面を磨き、外周を所定寸法に加工してキャビティ型表面に断熱層10’と、更にその上に表面金属層5を設けた本発明による断熱キャビティ型（外観形状を図７に示す）を完成した。

図５は本発明の第２実施形態の概念図である。
本図は、嵌合面を形成した両部材の断熱層の形成及び接合法を示す断面図である。
第１実施形態と同様の嵌合面の加工を施した両部材1及び9を上下に対向して熱プレスに設置し、加熱、加圧下で流動するガラス繊維強化耐熱複合樹脂断熱材13を、断熱層形成用凹部10に配置した。
更に、これらを介して前記両部材1及び9を加熱、加圧して両部材を相互嵌合しつつ、断熱層の形成及び接合一体化を行い、他は第１の実施形態と同様に本発明による断熱キャビティ型を製作した。

図６は本発明の第３実施形態の概念図である。
キャビティ本体部材9の裏面より嵌合面の断熱層形成用凹部10につながる貫通孔14を設け、第１の実施形態と同様の処理を施した両部材9及び1をトランスファ成形機に取り付け、相互嵌合した。
その後、貫通孔14を介して断熱層形成用凹部10に、ガラス繊維強化耐熱複合樹脂断熱材を加圧注入し、断熱層の形成と同時に両部材を接合し、他は第１実施形態と同様に発明による断熱キャビティ型を製作した。

上記表面金属層の厚みは0.1〜0.5 mmが好ましいが、強度、機械加工性、表面パターンの形成上、或いは、修理面等から0.15〜0.2 mmが最も好ましい。厚くなるほど型表面の昇温効果が減少するが、低熱伝導性金属使用の場合、一定の昇温効果はある。

表面金属層の熱伝導率は小さい程良く、鉄系鋼材でも電鋳ニッケルより好ましく、ステンレス合金、さらに熱伝導率の小さいチタン合金等はより好ましい。
キャビティ本体部材の熱伝導率は大きい程良く、好ましくはアルミ合金材（JIS Ａ7075）の熱伝導率、0.31 cal／cm・sec・℃以上が良い。
キャビティ本体部材の材質は、使用成形機が100トン位から上のクラス用金型の場合、その許容強度や膨張係数等からアルミ系より銅合金が好ましい。
断熱層形成用凹部加工は粗化を兼ねて放電加工によるのも好ましい。

断熱層の熱伝導率は低いほどよく、好ましくは８×10^−３cal／cm・sec・℃以下が、厚みは0.１〜2.0 mmが好ましく、さらに好ましくは５×10^−３cal／cm・sec・℃以下、厚み0.3〜1.0 mmである。
コア型が離型性耐熱樹脂複合材からなる場合、熱伝導率が低過ぎると充填樹脂との濡れ性が出現するため、その熱伝導率は３×10⁻²〜７×10⁻³cal／cm・sec・℃位が好ましい。

キャビティ型表面に濡れ性の良好な薄膜表面層（例えばＳｉO₂膜）を形成することにより、溶融樹脂との濡れ性が向上し、型離れ温度が低下し、ヒケ防止機能が向上する。

本発明の第１の実施の形態に記載の、直径50 mm×高さ10 mmの円柱状成形品の断熱キャビイ型を２個作製した。
該キャビティ型を用いて肉厚1.5 mm、裏面に深さ10 mm、直径2.0φのボス付成形品を成形するためのコア型を、S55Cを用いた鉄製と、NAC101を用いたステンレス合金製の二つの型を作製し、前記キャビティ型と組み合わせて、２セットを準備した。

一方、サイドゲート、２個取り標準２枚型を作成し、片側に本発明断熱型３として鉄製コア型を用いたセットを組み込み、他の片側に本発明断熱型４として、ステンレス合金製のコア型を用いたセットを組み込み、同時併用型とした。尚、両キャビティ部に圧力センサーを取り付け、型内圧の測定を可能にした。

この金型を射出成形機（東芝機械製：80EPN）に取り付け、テクノポリマー社製ABS330（樹脂温度220℃）、金型温度80℃、射出速度50%、保圧時間３secにて、保圧圧力を様々に変化させた上で、同時に２個の成形品を成形した。

本発明断熱型３（本発明断熱キャビティ型と鉄製コア型の組み合わせ型）では、型内保圧200〜450 kgf／cm²の範囲で表面（キャビティ側）はボス部のヒケもなく美しく転写し、裏面（コア側）にヒケの発生した成形品が得られた。
それ以上の圧力では、コア面が転写し、キャビティ面にヒケの発生が目立ってきた。
本発明断熱型４（本発明断熱キャビティ型とステンレス系コア型の組み合わせ型）では、型内保圧150 kgf／cm²から1000 kgf／cm²を超える広い条件範囲で、表面は美しく転写し、裏面にヒケの発生した成形品が得られた。

本発明による断熱キャビティ型において、表面金属層の表面にスパッター装置にて二酸化珪素の薄膜を形成した以外は、実施例１と同様にして本発明断熱型５及び６の同時併用型を製作し、この両型について実施例１と同様の射出成形を行った。

その結果、二酸化珪素薄膜付の本発明による断熱キャビティ型を用いると、実施例１（二酸化珪素薄膜が設けられていない本発明による断熱キャビティ型）と同様の成形品が、実施例１の金型温度より約10℃低い60℃で得ることができた。

表面金属層部材の端面加工断面図キャビティ本体部材の端面加工断面図両部材接合及び金属層部材の仕上げ加工断面図断熱キャビティ型断面図第２実施形態の断熱層の形成及び接合断面図第３実施形態の断熱層の形成及び接合断面図断熱キャビティ型の外観図従来技術による射出成形用金型の断面図従来技術による射出成形用金型の断面拡大図

符号の説明

１表面金属層部材
２成形品表面形状部分
３ＰＬ（パーテイングライン）部分
４断熱キャビティ型面（2と3を合せた面）
５表面金属層
６表面金属層部材嵌合面
６’ キャビティ本体部材嵌合面
６” キャビティ本体凹部付嵌合面
７インロー用外壁
８不要部（１）
９キャビティ本体部材
１０断熱材形成用凹部
１０’ 断熱層
１１不要部（２）
１２不要部（３）
１３ガラス繊維強化耐熱複合樹脂断熱材
１４貫通孔

１０１断熱層
１０２キャビティ型
１０３金属層
１０４離型性断熱層
１０５キャビティ部
１０６スプル
１０７ゲート
１０８コア型
１０９取付板
１１０ノズルタッチ部
１１１突き出しピン
１１３コアプレート

本発明は熱可塑性樹脂を射出成形する金型に用いられるキャビティ型に係る。
本願発明に係るキャビティ型は、表面の光沢や微細な凹凸模様を成形品表面に忠実に転写でき、内部応力や歪が極力少なく、かつ、表面にヒケのない美しい成形品を低圧または極低圧で成形することを特長とする熱可塑性樹脂成形用断熱金型に関し、更に詳しくは断熱金型を機械加工工法により製作するため、適正材料の選択が可能となり、長期間安定した高機能、かつ実用性の高い金型の製作および成形品を製作することができる。

Claims

キャビティ型とコア型から構成される熱可塑性樹脂成型用金型において、該キャビティ型の表面に断熱層を形成し、該断熱層の上に更に表面金属層を形成するキャビティ型の製造方法であって、
前記表面金属層を形成する表面金属層部材と、前記キャビティ型を形成するキャビティ本体部材の二体を作製し、前記キャビティ本体部材の端面に前記断熱層を形成し、該二体を接合した後、前記表面金属層部材の不要部を削除して、前記表面金属層を形成することを特徴とするキャビティ型の製造方法。
前記キャビティ型の製造方法が、
（１）前記キャビティ本体部材と前記表面金属層部材を作る工程と、
（２）前記表面金属層部材と前記キャビティ本体部材の両部材を加工して嵌合面を作る工程と、
（３）該前記キャビティ本体部材の嵌合面に前記断熱層を形成する工程と、更に
（４）前記両部材の嵌合面を接着剤等にて接合し、一体化した後に、前記表面金属層部材から前記不要部を削除して、前記表面金属層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項１に記載の断熱キャビティ型の製造方法。
前記キャビティ型の前記嵌合面の製造方法が、更に
（１）前記表面金属層部材の端面に、前記キャビティ型面（成形品形状面＋ＰＬ面）から前記表面金属層の厚みをオフセットした形状加工をして前記嵌合面を作る工程と、
（２）前記キャビティ本体部材の端面に、前記表面金属層部材の嵌合面を反転し、かつ、成形品形状部に前記断熱層を形成するための凹部を加工した凹部付嵌合面を作る工程と、
（３）前記両部材の前記嵌合面を、サンドブラスト又は放電加工等で粗化する工程と、更に
（４）前記凹部付嵌合面に前記断熱層を形成する工程と
を含むことを特徴とする請求項２に記載の断熱キャビティ型の製造方法。
キャビティ型とコア型から構成される熱可塑性樹脂成型用金型であって、該キャビティ型の端面に断熱層が形成され、該断熱層の上に表面金属層が形成され、該表面金属層が、ステンレス系合金、チタン系合金、あるいは熱伝導率がステンレス合金の値（約0.05 cal／cm・sec・℃）と同等、あるいは、それ以下の値を有する金属から選択された一種からなることを特徴とする熱可塑性樹脂成型用金型。
前記キャビティ型あるいはその一部が、アルミ合金、銅合金、あるいはその熱伝導率がアルミ合金の値（約0.3 cal／cm・sec・℃）と同等、あるいは、それ以上の金属から選択された一種から形成されていることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。
前記コア型あるいはその一部が、金型鋼材（例えば鉄）であって熱伝導率が約0.1 cal／cm・sec・℃と同等、あるいは、それ以下の値を有する金属から選択された一種からなることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。
前記コア型あるいはその一部がステンレス系合金、チタン系合金、あるいは熱伝導率がステンレス合金の値（約0.05 cal／cm・sec・℃）と同等、あるいは、それ以下の値を有する金属から選択された一種からなることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。
前記断熱層が、セラミックス、ガラス、耐熱樹脂或いは耐熱樹脂複合材からなり、その熱伝導率が８×10⁻³cal／cm・sec・℃以下で、かつ前記断熱層の厚みが0.１〜2.0 mmであることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。
前記表面金属層の上に、更にＳｉO₂膜からなる薄膜表面層を有することを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。
前記キャビティ型と前記コア型内に充填された熱可塑性樹脂が、前記熱可塑性樹脂成型用金型内で冷却する時に、該熱可塑性樹脂が前記キャビティ型面よりも前記コア型面から先に型離れすることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。
前記キャビティ型の前記断熱層の上に形成された前記表面金属層が、表面金属層部材から不要部をフライス加工や放電加工等によって削除して形成され、かつ、前記表面金属層の厚みが0.1〜0.5 mmであることを特徴とする請求項４に記載の熱可塑性樹脂成型用金型。