WO2007129673A1

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

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Publication number: WO2007129673A1
Application number: PCT/JP2007/059396
Authority: WO
Inventors: Hiroyuki Iwami
Original assignee: Hiroyuki Iwami
Priority date: 2006-05-02
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2007-11-15
Also published as: JP4975021B2; EP2020283A4; JPWO2007129673A1; US20100183761A1; EP2020283A1; US8865042B2; EP2020283B1

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

請求の範囲 [1] 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において、該キヤ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ヤ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、前記キヤビティ型を形成するキヤビティ本体部材のニ体を作製し、前記キヤビティ本体部材の端面に前記断熱層を形成し、該ニ体を接合した後、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ヤビティ型の製造方法。 [2] 前記キヤビティ型の製造方法が、 (1)前記キヤ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ヤ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)該前記キヤ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に記載の断熱キヤビティ型の製造方法。 [3] 前記キヤ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。