WO2007129673A1 - 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 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a cavity mold used in a mold for thermoplastic resin molding for injection molding of thermoplastic resin.
- the cavity mold according to the present invention can transfer the gloss and fine unevenness pattern of the surface to the surface of the molded product loyalty, and molding a beautiful molded product with minimal internal stress and distortion and no sink marks on the surface at low or extremely low pressure.
- the present invention relates to a heat insulating mold for molding thermoplastic resin.
- the present invention relates to a practical heat insulation mold for thermoplastic resin molding, a heat insulation cavity mold, and a method for producing the heat insulation cavity mold.
- sink refers to a dimple-like depression formed on the surface of a molded product due to cooling and shrinkage of the filled resin.
- thermoplastic resin molding mold and the cavity mold according to the present invention will be described below based on examples according to the prior art.
- FIG. 8 is a schematic cross-sectional view of an injection mold having a concave cavity mold 102 and a convex core mold 108.
- FIG. 9 is an enlarged view of a part IX shown in FIG. In this cavity type, a thin metal layer 103 is formed on the surface of a heat insulating layer 101 made of heat resistant plastic.
- This cavity type 102 is manufactured as follows.
- the outer diameter of the cavity portion (cavity portion) 105 that is, a master shape having the same shape as the shape of the molded product, is formed, and a thin metal layer 103 is formed on the surface by an electric plating method.
- the cavity mold member is press-fitted and fixed, and at the same time, the heat insulating layer 101 is formed, and then the mother mold is removed to produce the cavity mold 102.
- a releasable thermal insulation layer 104 formed by fluorine resin dispersed nickel plating is formed on the surface of the core mold 108.
- the heat insulating layer 101 and the thin metal layer 103 are bonded to the cavity mold material with an adhesive or the like to form the surface of the cavity mold 102.
- Molten resin from the injection molding machine passes through the sprue 106 and the gate 107 from the nozzle touch portion 110 and fills the cavity portion (cavity portion) 105 formed between the cavity die 102 and the core die 108. It is configured to be
- 109 is a mounting plate
- 111 is a protruding pin
- 112 is a cavity plate
- 113 is a core plate.
- an injection mold is made of a metal material, and the mold is filled with resin.
- the filling progresses while forming a solidified layer on the surface of the resin instantly.
- a predetermined pressure is applied, but because of the already formed solidified layer, not only the transfer of the mold surface is obstructed, but also the turbulent flow and non-rectification in the flow freezes on the solidified layer.
- flow marks occur.
- “weld” refers to a streaky pattern that occurs in the molten resin flow where the molten resin flows in the mold
- flow mark refers to the flow of the molded product due to the flow of the resin.
- a ripple-like pattern on the surface is a ripple-like pattern on the surface.
- a heat insulating mold for injection molding (a heat insulating mold or a heat insulating mold for short) using the above-described heat insulating cavity type (heat insulating cavity block) has been devised.
- the heat insulation cavity type has a heat insulation layer on the surface of the normal cavity mold and a thin metal layer on the surface, and the heat capacity of the mold surface is small! / Speak.
- the heat insulating mold is characterized in that when the mold is filled with resin, the surface of the cavity is instantly heated by the amount of heat of the resin, and then quickly dissipates and cools, improving the appearance without impairing productivity. It is intended to reduce or eliminate the problems caused by the normal type.
- the former electric welding method is a procedure in which a thin metal layer is first formed on a mother mold and a heat insulating layer is provided thereon, and the latter is a method in which a heat insulating layer is formed on the mold surface and a metal layer is formed thereon. This is a stacked construction method and the process is reversed.
- Patent Document 3 a heat insulation mold having a heat insulation cavity mold by the above-mentioned electric welding method and a core mold having a releasable heat insulation coating.
- the heat insulation mold refers to a heat insulation mold for injection molding based on Patent Document 3.
- Patent Document 1 Japanese Patent Laid-Open No. 7-137040
- Patent Document 2 JP 2002-172655 A
- Patent Document 3 Japanese Patent Laid-Open No. 6-218769
- Patent Document 4 JP-A-55-55818
- Non-patent document 1 “Precision transfer by melt transfer control during cooling” The Japan Society for Plastic Processing 2000, 11th Academic Lecture Proceedings A207, P. 47
- Non-Patent Document 2 “Measurement of Adhesive Force between Z-melt Heat-insulating Surface Affecting Melt Transfer”. Plastic Molding Processing Society 2004, 15th Annual Conference Proceedings VI-205, P. 309 Disclosure of Invention
- the latter method is a method of forming only a resin-based heat-insulating layer on the mold surface, and a heat-insulating metal with a metal layer formed on the surface by an electroless plating method, etc.
- the mold cannot be a general-purpose practical mold that requires use stability over a long period of time.
- Peeling is likely to occur between the surface metal layer and the heat insulating layer during long-term molding production.
- the surface metal layer formed by the nickel electroplating method may be less than half of the shape of the concave portion of the shape, which is physically fragile, in contrast to the target of 0.15 mm thickness where the thickness variation is large.
- Electron nickel layer generally has high internal stress, and its variation is likely to occur. Strain, deformation, and damage are likely to occur.
- the nickel layer is soft and strong (Pickers hardness, Hv: 230), and the surface of the cavity is easily scratched.
- the reason for the above (1) is that the adhesive strength at the interface is weak compared to the large stress generated at the interface where the difference in thermal expansion between the metal layer and the heat insulating layer is large during molding. Especially in the gate area, the shear stress at the time of filling the resin is also applied, and the tendency of the nickel layer to peel off is high.
- the reason why the adhesive strength between the two layers is weak is that the nickel layer formed on the matrix is thin and soft in the case of the electric welding method, so that the surface of the nickel layer joined to the heat insulating layer can be roughened by sandblasting for bonding.
- the main reason is not. Therefore, a force cavity type that can be roughened by high current plating is not preferable because it is difficult to obtain a high current that is uniform in shape.
- the cavity surface temperature rises instantaneously, but the maximum temperature is different from the Tg of the resin (the glass transition temperature of the thermoplastic resin). It becomes.
- Tg or less it is merely an improvement in appearance quality such as improvement of transferability due to the delayed effect of solidified layer generation and reduction of weld, but if it is Tg or more, it brings two new concepts that have not existed before.
- the second is a phenomenon in which the high-temperature core-side melt moves to the cavity side that has been cooled early, the surface of the molded product is transferred, and sink marks occur on the back surface (hereinafter referred to as “surface transfer” phenomenon for short).
- This is a concept that compensates for the cooling shrinkage of the resin on the cavity side by this melt transfer.
- jetting is a phenomenon in which the gate (107 in Fig. 8) force jumps out vigorously when melted resin enters the cavity! Uh.
- the cavity-side resin heats and cools while adhering to the mold surface, and the temperature difference between the front and back surfaces of the resin becomes the driving force, and the high-temperature resin on the core side is the low-temperature cavity.
- this "surface transfer” function is not always sufficient, and it is difficult to eliminate the sink marks on the back rib / boss portion surface compared to the anti-sink effect on the parallel thick surface.
- the “Releasable heat insulating coating film” applied to promote this “surface transfer” function is such that the surface wears out during the production of the molded product over a long period of time, and the function is further deteriorated. There are practical problems.
- the adhesion of the resin on the cavity surface is enhanced, and at the same time the cooling of the cavity side resin is accelerated. It is important to promote early mold release on the mold surface, maintain the core-side resin at a high temperature, lower the mold internal pressure, and improve melt transferability.
- the mold temperature is lowered to accelerate the cooling on the cavity side, or if a high thermal conductivity steel material is used for the cavity body, the temperature rise on the surface of the cavity mold is slowed when filling the resin, and the adhesion of the resin is weakened.
- there is a problem that mold release on the cavity mold surface is accelerated, and sinking is likely to occur on the cavity surface.
- Non-patent document 1 describes the above “surface transfer” phenomenon.
- a core piece having a calorie heat means is provided by providing a concave portion for the rib, and further, gas is supplied to the inner concave portion through the core piece.
- a method has been proposed in which the resin is forcibly separated from the mold and pressed against the cavity side (Patent Document 2).
- the present invention proposes a heat insulation cavity type manufacturing method by milling, electric discharge machining or the like instead of the electroplating method, solves various problems caused by the electroplating method, and solves the problem of sink marks.
- the object of the present invention is to improve the durability of the heat insulation type structure by the conventional method and to improve the sink prevention function. Specifically, it has the following four purposes.
- the mold for the thermoplastic resin molding that separates the mold from the core mold surface before the cavity mold surface and "earlier and more reliably" Provide a mold.
- the appearance of the molded product is a beautiful appearance that faithfully transfers the surface of the mold with sink marks on the surface of the molded product, and the cooling shrinkage is the same as the molding method of the molded product concentrated on the back of the molded product.
- the first object of the present invention is to provide a surface metal for forming a cavity type surface metal layer.
- a heat insulating layer is formed on the joint surface, and after the two bodies are joined, unnecessary portions of the surface metal layer member are milled or discharged. This is achieved by a heat-insulating cavity type manufacturing method characterized by forming a cavity type thin metal layer that is deleted by processing or the like.
- the above first object is achieved by the heat insulation cavity type construction method of the present invention characterized by including the following steps. That is,
- the surface metal layer member force unnecessary portion is removed by milling, electric discharge machining or the like to form a thin surface metal layer.
- the PL surface refers to a mating surface of molds, that is, a parting surface.
- An inlay refers to a fitting portion provided to improve the mounting accuracy of two machine parts, and is not limited to the method of providing an outer wall for an inlay as in this example, but a pin and a corresponding fitting. There are various methods such as providing a hole.
- Sand blasting is a method in which sand or granular abrasives are sprayed onto a workpiece using compressed air or centrifugal force. This is a method to increase the adhesion of the coating film by roughening the surface of the molded product and anchor effect (the liquid adhesive enters the pores and valleys of the material surface and solidifies there).
- the second object is that the surface metal layer member is a steel material for general molds (for example, Daido Special This is achieved by forming with NAC80 manufactured by Steel Co., Ltd., with a thermal conductivity of 0.1 calZcm 'sec' ° C. More preferably,
- the surface metal layer member is made of a stainless alloy, a titanium alloy, or a steel material having a thermal conductivity of about 0.05 cal / cm-sec- ° C. (thermal conductivity of the stainless alloy) or less.
- the heat insulating layer is made of ceramics, glass, heat-resistant resin or heat-resistant resin composite material, and each thickness is 0.1 to 0.5 mm for the surface metal layer and 0.2 to 2.0 mm for the heat insulating layer. Consists of.
- the second object of the present invention is a heat insulating cavity type according to the present invention, characterized in that a thin film surface layer having good wettability with a molten resin is further provided on the surface metal layer. This is achieved more stably.
- the third object is to provide a heat-insulating mold for injection molding in which when the filled resin is cooled, the resin is separated from the core mold surface before the heat-insulating cavity mold surface.
- the third object is a heat insulation mold for injection molding having the heat insulation cavity mold and the core mold according to the present invention, wherein the core mold or a part thereof is stainless steel, stainless alloy, titanium, titanium alloy. , Releasable heat-resistant resin composite material, or a metal whose thermal conductivity is 0.055 cal / cm-sec '° C (thermal conductivity of stainless steel) or less, or other types of mold parts
- the heat insulating mold for injection molding according to the present invention can be achieved more stably.
- the fourth object that is, the provision of a molded product having a beautiful appearance with no sink marks on the rib portion vs. the front surface and the cooling shrinkage concentrated on the back surface is the heat insulation cavity mold according to the present invention, the core mold, and the like. It can be achieved by selecting appropriate low-pressure molding conditions using a heat-insulating mold for injection molding according to the present invention, and molding a resin, and the core mold is made of a low thermal conductive metal such as a stainless alloy. Can be achieved more stably by using. The invention's effect
- the present invention was developed as a method of replacing the heat insulation cavity type manufacturing method using the electric wire method, and forms the surface metal layer member and the cavity main body for forming the cavity surface metal layer. For this purpose, both members of the cavity main body member are formed, and a fitting surface is formed on each end face.
- a heat insulating layer is formed between the two mating surfaces roughened by sandblasting to join the two mating surfaces. Thereafter, unnecessary portions of the surface metal layer member are deleted by milling, electric discharge machining, or the like to form the surface metal layer.
- the surface metal layer (thickness: 0.10 to 0.5 mm) is composed of steel material for molds having low thermal conductivity characteristics (causes of effects (2), (3), (4) described later), and
- the adhesion between the nickel layer on the mold surface and the filling resin is weak, so the cooling rate on the cavity side cannot be increased. That is, since the temperature rise peak temperature of the surface nickel layer is low, it was necessary to slowly cool and maintain the peak temperature for a while to increase the adhesion with the filled resin.
- the heat dissipation rate could be increased by using high thermal conductivity steel for the main body of the cavity.
- the core mold is made of a low heat conductive metal such as a stainless steel metal, thereby filling
- the heat of the oil decreased when it contacted the core mold surface, the high temperature retention and mobility of the core-side grease increased, the mold release was accelerated, and the anti-scratch function was improved.
- the surface metal layer of the heat-insulating mold for injection molding by further forming a thin film such as silicon dioxide and other metal oxides having good wettability with water, The wettability is increased, the adhesion between the surface metal layer and the resin is increased, and a series of synergistic effects such as the ability to lower the mold release temperature on the cavity surface is produced, and the anti-sink effect is enhanced.
- the range of conditions for molding good products has expanded.
- the most closely related to mold reliability is the peel adhesion strength between the heat-insulating layer and the surface metal layer.
- the peeling adhesive strength was examined by the following method.
- 5 cm square X 1 cm (thickness) block is insulated with 3 pieces each of general mold steel (trade name, NAC80) and stainless alloy steel (trade name, NAC101), silica powder, and heat-resistant epoxy composite resin Three plates (5 cm square x 0.1 cm (thickness)) were prepared.
- Both metal block surfaces are blasted with a # 30 Morundum barrel at a pressure of 7 kgfZcm 2 , and an epoxy-based heat-resistant adhesive is applied to the surfaces, and a heat insulating plate is sandwiched between the blocks, and then heat-bonded. did.
- Each strip-shaped thin metal layer edge was pulled vertically with a push-pull gauge, and the peel adhesion strength between the heat insulating plate and the thin metal layer was measured.
- the average intensity of the 3 bands was 6.3 kgfZcm.
- the average peel adhesion strength of the sample blast roughened with # 120 and pressure 1 kgfZcm 2 was 1.3 kgfZcm.
- the adhesive strength was 4.8 kgfZcm when both block surfaces were subjected to rough electrical discharge machining.
- the interface temperature Ts at that moment is related to the temperature level and thermal properties of the two objects, and is approximately calculated by the following equation (1).
- bm is larger by one digit or more than br. Therefore, the instantaneous interface temperature (resin surface temperature) at which the two contacted each other is greatly influenced by the temperature of the mold surface metal layer and pc ⁇ . Or p-power, it can be seen that it will increase.
- the mold release temperature decreases as the cavity block temperature decreases to 80, 70, 60, and 50 ° C. It drops to 83, 79, 75, 71 ° C respectively.
- the mold release temperature on the cavity surface will be lowered, and the core mold surface will be lowered. Early mold release is promoted, melt transferability is improved, and the formation of the resin surface rigid layer at the time of release of the cavity mold surface mold further progresses, and the cavity surface is deformed against subsequent cooling shrinkage.
- the core type has as low a thermal conductivity as possible! The choice of material is preferred.
- the heat insulation type according to the conventional method and the heat insulation type 1 according to the present invention consisting of a heat insulation type according to the present invention and a core type made of steel for general molds
- a heat insulation type 2 according to the present invention
- a heat insulating cavity type and a core type made of stainless alloy steel were prepared, and their anti-skin effect was compared.
- a 0.15 mm thick nickel layer was formed on a master whose surface of the square block was mirror-polished by the electroplating method, and the surface was thermally insulated with an epoxy heat-resistant composite resin on the surface. A layer was formed, and a backing backing block made of iron material was bonded on the back. Then, the master was removed and a heat insulation cavity type of 100 (vertical) X 80 (horizontal) X 20 mm (thickness) by a conventional method was produced.
- a 100 x 80 x 30 mm (thickness) iron core mold block was created, and the surface was engraved with a 80 x 60 x 1.5 mm (depth) plate forming cavity and 1.5 (depth) ) X 40 (horizontal) X 10 mm (vertical), 2 X 40 X 10 mm and 3 X 40 X 10 mm core molds with engraved grooves for three ribs with different depths.
- a conventional core mold was fabricated by applying a releasable heat-insulating coating by fluorine-dispersed electroless-packet coating on the surface.
- the heat insulation cavity type according to the present invention was manufactured as follows.
- a standard base with two side gates is manufactured, and the cavity for mounting the cavity type and the core type as a set on the mold base and core plate is symmetrical Two sets were processed in position.
- a conventional heat insulation cavity type and a core type were incorporated into a pocket on one side set as a set, and other necessary processing was performed to create a conventional heat insulation type.
- a heat insulation cavity type according to the present invention and an iron core mold having the same shape as that of the conventional method and without a releasable heat insulation coating were assembled as a set, and the heat insulation type 1 according to the present invention was produced in the same manner.
- the heat insulating mold 2 according to the present invention was set by recombining a core mold having the same shape made of stainless alloy steel instead of the iron core mold of the heat insulating mold 1.
- ABS resin temperature of 230 ° C, mold temperature 80 ° C, primary pressure 400 kg / cm 2 , injection speed 200 cc / sec, injection time 3 sec, constant speed and constant pressure
- Table 1 shows the adiabatic configuration and the molding results.
- the heat insulation mold for injection molding according to the present invention is a high-function system heat insulation type with a synergistic effect by strengthening the function of each sink prevention element, and for all practical and functional applications of the conventional heat insulation type. It came to solve the problem.
- FIG. 1 is a cross-sectional view of the end surface processing of the surface metal layer member
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the end surface processing of the cavity main body
- FIG. Fig. 4 is a cross-sectional view of the finished metal layer member
- Fig. 4 is a cross-sectional view of the shape of the molded product and a cylindrical shape with a diameter of 50 mm and a height of 10 mm.
- Each figure (b) is an enlarged view of the IB, IIB, IIIB, and IVB sections.
- FIG. 7 is an external view of the cylindrical heat insulation cavity type.
- the surface metal layer 5 is formed on the end surface of the surface metal layer member 1 made of (sec '° C) from the heat-insulating cavity mold surface 4 made of the molded product shape part 2 and the part part 3 having a diameter of 50 mm and a height of 10 mm.
- Surface metal layer member fitting surface 6 offset by thickness (0.15 mm) is further removed, and unnecessary part (1) 8 is left by machining such as milling or electric discharge machining, leaving outer wall 7 for inlay on the outer periphery. It was Karoe than to be deleted.
- the fitting surface 6 ′ of the cavity main body member is formed by inverting the fitting surface 6 of the surface metal layer member, and the molded product shape portion is further engraved into an offset shape (lmm).
- a cavity main body recessed fitting surface 6 "provided with a heat insulating layer forming concave portion 10 ' is formed by removing the unnecessary portion (2) 11 by machining such as milling calorie discharge machining.
- the mating surfaces 6, 6 "of the two members are roughened by sandblasting, and the heat insulating layer 10 'is formed of the heat insulating layer forming concave portion 10 with a glass fiber reinforced heat-resistant composite resin heat insulating material, and cured. After the treatment, the fitting surface 6 ′ of the cavity body was re-formed by milling or electric discharge machining.
- the surface metal layer 5 (thickness 0.15 mm) is left from the mating surface 6 and the unnecessary portion (3) 12 of the other surface metal layer member is removed by a milling force or a discharge cage. Insulation cavity surface 4 was formed.
- the present invention is such that the mold surface is polished, the outer periphery is processed to a predetermined dimension, the heat insulation layer 10 'is provided on the cavity mold surface, and the surface metal layer 5 is further provided thereon.
- the heat insulation cavity type (appearance shape is shown in Fig. 7) was completed.
- FIG. 5 is a conceptual diagram of the second embodiment of the present invention.
- This figure is a cross-sectional view showing the formation and joining method of the heat insulating layers of both members formed with the mating surface.
- Both members 1 and 9 subjected to the processing of the mating surface as in the first embodiment are vertically opposed.
- a glass fiber reinforced heat-resistant composite resin heat insulating material 13 that was placed in a heat press and flowed under heating and pressure was disposed in the recess 10 for forming a heat insulating layer.
- the two members 1 and 9 are heated and pressed through these to inter-fit the two members, forming a heat insulating layer and joining and integrating, and the others are the same as in the first embodiment.
- An insulative cavity mold according to the invention was produced.
- FIG. 6 is a conceptual diagram of the third embodiment of the present invention.
- a through-hole 14 is provided from the back surface of the cavity body member 9 to the recessed portion 10 for forming a heat insulating layer on the mating surface, and both the members 9 and 1 subjected to the same processing as in the first embodiment are attached to the transfer molding machine. Mated.
- the glass fiber reinforced heat-resistant composite resin heat insulating material is pressure-injected into the heat insulating layer forming recess 10 through the through hole 14, and both members are joined simultaneously with the formation of the heat insulating layer.
- a heat insulation cavity mold according to the invention was manufactured.
- the thickness of the surface metal layer is preferably 0.1 to 0.5 mm, but the strength, machinability, surface In view of the formation of the turn, or the repair surface isotropic force is most preferably 0.15 to 0.2 mm. As the thickness increases, the temperature rise effect on the mold surface decreases, but when using a low thermal conductivity metal, there is a certain temperature rise effect.
- the thermal conductivity of the cavity body member is 0.31 calZcm'sec '° C or more.
- the molding machine used is a mold for a class with a force of about 100 tons
- a copper alloy is preferred over an aluminum system due to its allowable strength and expansion coefficient.
- the force thickness is preferably 0.1 to 2.0 mm, more preferably 5 X 10 _3 calZcm'sec'. It is below ° C and thickness is 0.3-1.0 mm.
- the thermal conductivity is 3 10 _2 to 7 10 _3 & 17 '36 The position is preferred.
- the core mold for forming a bossed product with a wall thickness of 1.5 mm, depth of 10 mm on the back, and diameter of 2.0 ⁇ is made of iron using S55C and stainless steel alloy using NAC 101. Two molds were manufactured and combined with the cavity molds to prepare two sets.
- a side gate a two-piece standard two-piece mold was created, and a set using an iron core mold as the heat insulation mold 3 of the present invention was incorporated on one side, and a heat insulation mold 4 of the present invention was fabricated on the other side.
- a set using an alloy core mold was incorporated to make a simultaneous combination type.
- a pressure sensor was installed to enable measurement of in-mold pressure.
- This mold is mounted on an injection molding machine (Toshiba Machine: 80EPN), and ABS3 manufactured by Techno Polymer Co., Ltd.
- the surface (cavity side) of the in-mold holding pressure is in the range of 200 to 450 kgfZcm 2 and the surface of the mold (cavity side) is beautifully rolled without any bosses. A copy with a sink mark on the back side (core side) was obtained.
- the core surface was transferred, and sink marks were noticeable on the cavity surface.
- the surface is transferred beautifully in the wide range of pressure exceeding 150 kgfZcm 2 to 1000 kgfZcm 2 and the back surface is transferred. A molded product with sink marks was obtained.
- the heat insulation molds 5 and 6 of the present invention were simultaneously performed in the same manner as in Example 1 except that a thin film of silicon dioxide silicon was formed on the surface of the surface metal layer by a sputtering apparatus. A combination mold was produced, and injection molding similar to Example 1 was performed on both molds.
- FIG. 1 Cross-sectional view of end face processing of surface metal layer member
- the present invention relates to a cavity mold used for a mold for injection molding thermoplastic resin.
- the cavity mold according to the invention of the present application can transfer the gloss and fine unevenness pattern of the surface to the surface of the molded product loyally, and can produce a beautiful molded product with minimal internal stress and distortion at the low or very low pressure.
- heat insulation molds for thermoplastic resin molding which is characterized by molding, more specifically, since heat insulation molds are manufactured by a machining method, it is possible to select appropriate materials, high performance that is stable for a long time, and Highly practical molds and molded products can be manufactured.
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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
明 細 書
熱可塑性樹脂成形用金型、キヤビティ型及びそのキヤビティ型の製造方 法
技術分野
[0001] 本発明は熱可塑性榭脂を射出成形する熱可塑性榭脂成形用金型に用いられるキ ャビティ型に係る。
本願発明に係るキヤビティ型は、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ぐ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、熱可塑性榭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 粘度榭脂成形品の成形にお!、て、上記ヒケのな!、外観の美 、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榭脂成形用断熱金型、断熱キヤビティ型お よびその断熱キヤ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。
背景技術
[0002] まず最初に、本願発明に係る熱可塑性榭脂成形用金型、及びキヤビティ型にっ ヽ て、従来技術に係る実施例を元に以下説明する。
図 8は、凹キヤビティ型 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。このキヤビティ型では、耐熱性ブラ 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。
[0003] このキヤビティ型 102は次のようにして作製される。
まず、キヤビティ部 (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、その表面に電铸法にて薄肉金属層 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、キヤ ビティ型 102が作製される。
コア型 108の表面には、フッ素榭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!、る。
[0004] 上記断熱層 101及び薄肉金属層 103は、キヤビティ型材と接着剤等にて接合され、 キヤビティ型 102の表面を形成して 、る。
[0005] 射出成形機からの溶融榭脂は、ノズルタツチ部 110よりスプル 106、ゲート 107を通つ て、キヤビティ型 102とコア型 108との間で形成されるキヤビティ部(空洞部) 105に充填 されるように構成されて 、る。
なお、図中 109は取付板、 111は突き出しピン、 112はキヤビティプレート、 113はコア プレートである。
[0006] 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榭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 、。 ここで「ウエルド」とは,金型内で溶融状態の榭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、榭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 、う。
[0007] 上記の問題を解決するため、上述した断熱キヤビティ型(断熱キヤビティ ·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 ヽる 。該断熱キヤビティ型は通常のキヤ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!ヽ構造になって!/ヽる。
[0008] 断熱型は型内に樹脂が充填されると、キヤビティ表面が榭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ょうとするものである。
[0009] 断熱キヤ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 、電铸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铸により 0.1〜0.5 m m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ヤビティ型表面に、榭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ツッキを行う方法がある (特許文献 1)。
[0010] 前者の電铸工法は、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、工程が逆になつている。
[0011] 上記電铸工法による断熱キヤビティ型と、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、従来法あるいは電铸工法によ 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。
[0012] 特許文献 1 :特開平 7— 137040号公報
特許文献 2:特開 2002-172655号公報
特許文献 3:特開平 6-218769号公報
特許文献 4:特開昭 55— 55818
非特許文献 1:「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 メルト移行成形法一の開発」。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
非特許文献 2 :「メルト移行に影響する断熱型表面 Z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 発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0013] 前者の電铸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、型表面に榭脂系 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ツキ法等による金属層 を形成した断熱金型では、長期に亘つて使用安定性が要求される汎用実用型になり 得ない。
[0014] 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)ニッケル電铸工法による表面金属層は、厚みのばらつきが大きぐ 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)電铸ニッケル層は一般的に内部応力が高ぐまた、そのばらつきが発生し易ぐ 歪 ·変形,破損が発生し易い、
(4)電铸ニッケル層は柔ら力べ(ピッカース硬度、 Hv: 230位)、キヤビティ表面に傷等 が付き易い、
(5)工法が複雑で型製作日程が長!、、
等の問題がある。
[0015] 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ぐ界面に発生す 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 榭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、電铸工法の場合、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 による粗ィ匕が出来ないことが大きな原因である。そこで高電流メツキによる粗化も考え られる力 キヤビティ型の場合、形状的に均一な高電流が得られ難く好ましくない。
[0016] 断熱キヤ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 層を無電解メツ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 kgfZcm前後以下で実用的でない。上述 (4)の-ッケノレ硬度に関しては Ni— Co等の合金化による高硬度化は可能であるが、メツキの応力も高くなり、電铸 工法による断熱型には適用が困難である。
[0017] しかし、現時点では断熱キヤビティ型の表面金属層の形成は電铸工法以外に適当 な方法がなぐ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
ィ匕に至って!/ヽな 、第一の理由である。
[0018] 次に機能面では、ニッケル電铸法により製作した断熱キヤビティ型と、その表面にフ ッ素榭脂分散ニッケルメツ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。
[0019] 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ヤビティ表面は瞬時に昇温するが、その最高温度が榭 脂の Tg (熱可塑性榭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。
[0020] 一つは型面と接触した榭脂界面は液状を保持し、溶融樹脂とキヤビティ型表面間 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ヤ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ヤ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」力 「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。
[0021] 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、ジエツティング等の解消、
(3)低圧でキヤビティ面を転写し、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!、様々な機能が発現する。
ここで「ジエツティング」とは、キヤビティ内に溶けた榭脂が入り込む際、ゲート(図 8の 107)力も勢い良く飛び出してしまう現象を!、う。
[0022] 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、榭脂が低圧で充 填されると、キヤビティ表面は瞬時に昇温し、榭脂はキヤ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榭脂はキヤビティ側に引かれ、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、榭脂のコア側では冷却が鈍化し、高温に保持される。
[0023] キヤビティ側榭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、コア側の高温榭脂は低温の キヤビティ側に移行してキヤビティ側の冷却収縮分を補う。結果的に榭脂のキヤビティ 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。
[0024] 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。
[0025] 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、ボス部の榭脂は平行部に比較して放熱面積が広いため早く冷却し 、その収縮分をキヤビティ側の高温樹脂が補い、キヤ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。
[0026] 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、 キヤビティ面での榭脂の付着の強化と同時に、キヤビティ側樹脂の冷却を早めて、コ ァ型面での早期型離れを促し、コア側榭脂を高温に保ち、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。
[0027] 然し、キヤビティ側の冷却を早めるために型温を下げたり、キヤビティ本体に高熱伝 導性鋼材を用いると、榭脂充填時にキヤビティ型表面の昇温が鈍り、榭脂の付着が 弱まって、逆にキヤビティ型面での型離れが早まり、キヤ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。
[0028] 上記「表面転写」現象につ!、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カロ 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、コア側榭脂を強制的に型離れさせ、キヤ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)。
[0029] 本発明は電铸法に代って、フライス加工や放電加工等による断熱キヤビティ型の製 造方法を提案し、電铸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 の如く外部力 の補助手段を用いることなぐ「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。
[0030] (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、断熱キヤ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 れた断熱キヤビティ型を提供する。
第三に、型内に充填された榭脂が冷却収縮するときに、キヤ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榭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ぐキヤ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。
課題を解決するための手段
[0031] 上記本発明の第一の目的は、キヤ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、キヤビティ本体を形成するためのキヤ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、キヤ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ヤビティ型製造工法により達成される。
[0032] 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ヤビティ型の 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、キヤビティ本体を構成するキヤビティ 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ヤビティ型表面形状 (成形品形状面 + PL面)力 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)前記キヤ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ィ匕する工程と、
(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ィ匕する工程と、そして
(7)一体化後、表面金属層部材力 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カゝら構成される。
[0033] 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。成形品の表面を粗ィ匕して、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.
[0034] 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 calZcm' sec'°C)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-°C (ステンレス合金の熱伝導率)以下の鋼材で構成される。
(2)前記キヤビティ本体部材の全体あるいはその一部力 アルミ合金、銅、銅合金あ るいは、その熱伝導率が 0.30 calZcm' sec'°C (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榭脂又は耐熱榭脂複合材のー 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。
[0035] 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ヤビティ型によ り、更に安定して達成される。
[0036] 上記第三の目的、すなわち、充填された榭脂が冷却するときに、該榭脂は断熱キヤ 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ヤ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。
[0037] 上記第三の目的は、前記本発明による断熱キヤ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、離型性耐熱榭脂複合材、あるいはその熱伝導率が 0.055 cal/cm - s ec'°C (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
[0038] 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ヤビティ型と、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、榭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。
発明の効果
[0039] 本発明は、電铸工法を用いた断熱キヤ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、キヤ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ヤビティ本 体を形成するためのキヤ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ィ匕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つ 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)キヤ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。
[0040] 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ヤビティ型と、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 (ニッケル電铸方式による断熱キヤビティ型と、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。
[0041] 効果(1) 電铸法では断熱層と接着するニッケル面の粗ィ匕が充分に出来ないため 、接着強度不足の問題があつたが、新工法では金属ブロック面を粗化するため強力 な粗ィ匕が可能となり、接着強度が従来の電铸法に比べて約 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)。
[0042] 効果(2) 表面金属層の厚みは、従来式の電铸工法では ±30%以上のばらつきが あつたが、新工法ではフライス力卩ェゃ放電カ卩ェ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、溶融榭 脂との濡れ性も良いため、強度面やキヤ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。
[0043] 効果(3) ニッケル電铸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つたが、本発明による工法では、キヤ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 Ην: 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。
[0044] 効果 (4) 低熱伝導性を有する表面金属層の形成により、榭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、キヤビティ側 の冷却速度を速めることが出来な力つた。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力 本発明工法により付着力が高まったため、キヤビティ本 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。
[0045] 効果(5) 充填樹脂のキヤビティ型側面の冷却速度が速まり、キヤビティ型面との型 離れ温度が低くなり、キヤビティ型とコア型両面間の温度差が大きくなつた結果、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)。
[0046] 前記本発明による断熱キヤビティ型と、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、充填榭脂はコア型面と接触時の放熱が鈍化して、コア側榭脂の高温保持 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。
[0047] 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ィ匕物等の薄膜を形成することにより、榭脂との濡れ性が増 し、表面金属層と榭脂の間の付着力が高まり、キヤ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。
[0048] 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ヤビ
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ぐ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。
[0049] (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 X 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榭脂にて 断熱板 (5 cm角 X 0.1 cm (厚み))を 3枚作成した。
両金属ブロック面を #30のモランダム砲粒で圧力 7 kgfZcm2でブラスト粗ィ匕し、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。
[0050] 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 kgfZcmであった。同様に # 120、圧力 1 kgfZcm2でブラスト 粗ィ匕した試料のピーリング接着強度の平均は 1.3 kgfZcm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 kgfZcmであった。
[0051] 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、
b ρ。λ
β:密度、 比熱、 λ:熱伝導率、 Tr:榭脂温度、 Tm :型表面温度、添え字!:、 mはそ
れぞれ榭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 (榭 脂表面温度)は型表面金属層の温度と p c λに大きく影響され、温度が高!、程、又は p 力 、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、榭脂充填時 の型表面温度は、より高く昇温することを意味する。
[0052] 非特許文献 2の図 4「キヤビティ表面での榭脂温度と付着力の関係」によると榭脂充 填時、 90°Cに昇温した型表面とメルト間の付着力は 550 gf/cm2, 100°Cでは 650 gf/ cm2を示し、型表面温度が 90°Cから 10°C高くなると付着力は 18%増加している。
[0053] 上記、非特許文献 2の図 3「メルト接着後のキヤビティ表面温度の経時変化」による と、キヤビティ 'ブロック温度が 80、 70、 60、 50°Cと低下するに従い、型離れ温度は 各々 83、 79、 75, 71°Cと低下して ヽる。
キヤ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 ちキヤビティ本体部材に高熱伝導材料を選択すればキヤ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、キヤビテ ィ型面型離れ時の榭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 キヤビティ表面が変形しに《なる。
[0054] 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)溶融榭脂充填時のキヤビティ表面昇温程度を高くしてキヤビティ型面と溶融榭脂 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 、、
(2)キヤビティ側樹脂の冷却速度を速めて型離れ温度を低くし、コア側榭脂との温度 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ヤビティ本体部材を用い ることが好ましい、
(3)コア側の榭脂冷却を遅らせ、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!、材料の選択が好ま 、、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。
[0055] 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 断熱キヤ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 よる断熱キヤ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。
[0056] まず、角ブロックの表面を鏡面に磨いたマスター上に電铸法により厚さ 0.15 mmの- ッケル層を形成し、その表面にエポキシ系耐熱複合榭脂にて厚さ 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) X 80 (横) X 20 mm (厚み)の従来法による断熱キヤビティ型 を作製した。
更に、 100 X 80 X 30mm (厚み)の鉄製コア型用ブロックを作成し、表面に 80 X 60 X 1.5 mm (深さ)の平板成形用キヤビティ部の彫り込みと、その底面に、 1.5 (深さ) X 40 ( 横) X 10 mm (縦)、 2 X 40 X 10 mm及び、 3 X 40 X 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-ッケ ルメツ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。
[0057] 一方、本発明による断熱キヤビティ型は次のように製作した。
100 (縦) X 80 (横) X 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) X 80 (横) X 30 mm (厚み)のベリリウム銅合金 (BeA- 2 5)によるキヤビティ本体部材を作成した。
更に、該キヤビティ本体部材の広い端面に 90 (縦) X 70 (横) X 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榭脂を充填硬化し、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 熱キヤビティ型を作成した。
[0058] 一方、サイドゲート 2枚構造の標準型ベースを製作し、該型ベースのキヤビティ及び コアプレートに前記キヤ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ヤビティ型とコア型 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ヤビティ型と、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。
[0059] 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成形材料にて榭脂温度 230°C、型温度 80°C、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。
[0060] [表 1]
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ぐ鉄コアのみの構成
でも、充填樹脂のキヤビティ面との付着力の向上とキヤ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。
[0062] 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。
発明を実施するための最良の形態
[0063] (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は本発明の断熱キヤ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はキヤビティ本体部 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 X高さ 10 mmの円柱型形状の断熱キヤビティ型断面図 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ヤビティ型の外観図である。
[0064] 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'°C)よりなる表面金属層部材 1の端面に、直径 50 mm X高さ 10 mmの成形品形 状部分 2とパート部分 3よりなる断熱キヤビティ型面 4から、表面金属層 5の厚み分 (0.1 5 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〖こよりカロェした。
[0065] 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 calZcm* sec'°C)よりなるキヤビティ本体部材 9の端面に、表面金属層部材の嵌 合面 6を反転したキヤ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(lmm)、キヤビティ本体部材の嵌合面 6'に断熱層形 成用凹部 10を設けたキヤビティ本体凹部付嵌合面 6"を、不要部(2) 11をフライスカロ ェゃ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ィ匕を施し、この断熱層形成用凹 部 10にガラス繊維強化耐熱複合榭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ヤビティ本体の嵌合面 6'を再形成した。
[0066] 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をフライス力卩ェゃ放電カ卩ェ等によって削除して、断熱キヤビティ型面 4を形成した。
[0067] 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ヤビティ型表 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ヤビティ 型 (外観形状を図 7に示す)を完成した。
[0068] 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榭脂断熱材 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 よる断熱キヤビティ型を製作した。
[0069] 図 6は本発明の第 3実施形態の概念図である。
キヤビティ本体部材 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榭脂 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ヤビティ型を製作した。
[0070] 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、修理面等力も 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。
[0071] 表面金属層の熱伝導率は小さい程良ぐ鉄系鋼材でも電铸ニッケルより好ましぐス テンレス合金、さらに熱伝導率の小さ!/、チタン合金等はより好ま 、。
キヤビティ本体部材の熱伝導率は大きい程良ぐ好ましくはアルミ合金材 (JIS A70 75)の熱伝導率、 0.31 calZcm'sec'°C以上が良い。
キヤビティ本体部材の材質は、使用成形機が 100トン位力 上のクラス用金型の場 合、その許容強度や膨張係数等カゝらアルミ系より銅合金が好まし ヽ。
断熱層形成用凹部加工は粗ィ匕を兼ねて放電加工によるのも好ま ヽ。
[0072] 断熱層の熱伝導率は低いほどよぐ好ましくは 8 X 10_3calZcm*sec'°C以下力 厚 みは 0.1〜2.0 mmが好ましぐさらに好ましくは 5 X 10_3calZcm'sec'°C以下、厚み 0. 3〜1.0 mmである。
コア型が離型性耐熱榭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_3じ&17 ' 36 で位が 好ましい。
[0073] キヤビティ型表面に濡れ性の良好な薄膜表面層(例えば SiO膜)を形成することに
2
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 実施例 1
[0074] 本発明の第 1の実施の形態に記載の、直径 50 mm X高さ 10 mmの円柱状成形品の 断熱キヤビィ型を 2個作製した。
該キヤビティ型を用いて肉厚 1.5 mm、裏面に深さ 10 mm、直径 2.0 φ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、 NAC 101を用いたステンレス合 金製の二つの型を作製し、前記キヤビティ型と組み合わせて、 2セットを準備した。
[0075] 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、両キヤビティ部に
圧力センサーを取り付け、型内圧の測定を可能にした。
[0076] 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 ABS3
30 (榭脂温度 220°C)、金型温度 80°C、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。
[0077] 本発明断熱型 3 (本発明断熱キヤ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 kgfZcm2の範囲で表面(キヤビティ側)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、キヤビティ面にヒケの発生が目立ってきた。 本発明断熱型 4 (本発明断熱キヤ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 kgfZcm2から 1000 kgfZcm2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。
実施例 2
[0078] 本発明による断熱キヤビティ型において、表面金属層の表面にスパッター装置にて 二酸ィ匕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、この両型にっ ヽて実施例 1と同様の射出成形を行った。
[0079] その結果、二酸ィ匕珪素薄膜付の本発明による断熱キヤビティ型を用いると、実施例 1 (二酸ィ匕珪素薄膜が設けられていない本発明による断熱キヤビティ型)と同様の成 形品が、実施例 1の金型温度より約 10°C低 、60°Cで得ることができた。
図面の簡単な説明
[0080] [図 1]表面金属層部材の端面加工断面図
[図 2]キヤビティ本体部材の端面加工断面図
[図 3]両部材接合及び金属層部材の仕上げ加工断面図
[図 4]断熱キヤビティ型断面図
[図 5]第 2実施形態の断熱層の形成及び接合断面図
[図 6]第 3実施形態の断熱層の形成及び接合断面図
[図 7]断熱キヤビティ型の外観図
[図 8]従来技術による射出成形用金型の断面図
[図 9]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
3 PL (パーテイングライン)部分
4 断熱キヤビティ型面 (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, キヤビティ本体部材嵌合面
6" キヤ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 キヤビティ本体部材
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榭脂断熱材
14 貫通孔
101 断熱層
102 キヤビティ型
103 金属層
104 離型性断熱層
105 キヤビティ部
106 スプノレ
107 ゲート
108 コア型
109 取付板
110 ノズノレタッチ咅
111 突き出しピン
113 コアプレート
産業上の利用可能性
本発明は熱可塑性榭脂を射出成形する金型に用いられるキヤビティ型に係る。 本願発明に係るキヤビティ型は、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ぐかつ、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榭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
(1)前記表面金属層部材の端面に、前記キヤビティ型面 (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)前記キヤ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ィ匕する工程と、 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に記載の断熱キヤビティ型の製造方法。
[4] キヤビティ型とコア型から構成される熱可塑性榭脂成型用金型であって、該キヤビ 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 calZcm' sec'°C)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榭脂成型用金型。
[5] 前記キヤビティ型あるいはその一部力 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 calZcm' sec'°C)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に記載の熱可塑性榭 脂成型用金型。
[6] 前記コア型あるいはその一部力 金型鋼材 (例えば鉄)であって熱伝導率が約 0.1 c alZcm . sec'°C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に記載の熱可塑性榭脂成型用金型。
[7] 前記コア型ある 、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 calZcm' sec'°C)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 性榭脂成型用金型。
[8] 前記断熱層が、セラミックス、ガラス、耐熱榭脂或いは耐熱榭脂複合材カゝらなり、そ の熱伝導率が8 10_ 3 0&17。1^ 36 で以下で、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に記載の熱可塑性榭脂成型用金型。
[9] 前記表面金属層の上に、更に SiO膜からなる薄膜表面層を有することを特徴とす
2
る請求項 4に記載の熱可塑性榭脂成型用金型。
[10] 前記キヤビティ型と前記コア型内に充填された熱可塑性榭脂が、前記熱可塑性榭 脂成型用金型内で冷却する時に、該熱可塑性榭脂が前記キヤ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に記載の熱可塑性榭脂成型 用金型。
[11] 前記キヤ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 部材力 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 性榭脂成型用金型。
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