JP2013166314A - 高熱効率射出成形用金型と射出成形法 - Google Patents

Abstract

【課題】製品転写面の熱交換を高効率で可能にし、品質と生産性に優れた成形品を製造する方法を提供する。
【解決手段】充填樹脂の熱伝導に直接係るキャビティブロックとコアブロックに当接し、金型温調の熱伝導面積を増大させるアシストブロックを具備することにより、高効率な熱交換を可能にすること、更に好ましくはキャビティブロックとコアブロックを支持固定するモールドベースとの嵌合当接部に低熱伝導率部材による遮熱層、及び空気断熱層を有する構造であることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、樹脂製品を射出成形する金型と射出成形法に関するものである。

射出成形により作られる樹脂製品は、成型金型内に設けた製品形成空間に溶融樹脂を射出充填、固化させることによって造形される。従って、射出成形金型は、溶融樹脂の熱を金型で奪って固化させる熱交換器であると言える。

成形金型により溶融樹脂を固化させる熱交換速度の観点において、金型温度が低温であれば固化時間が短くなり成形サイクルの短縮が可能である。しかしながら、低温の金型内に射出充填された高温の樹脂は、金型によって瞬時に熱を奪われ、その表層のみが固化しスキン層を形成する。その際、樹脂流動に合流が生じた部位では、表層部にウェルドラインを形成し意匠性や加飾性の低下を招く原因になる。また、表層と内部層の冷却速度の差は、成形品にひずみを生み、変形やヒケなど様々な品質不具合を招く原因になる。従って、従来の射出成形法では、品質と生産性双方の要件を満たすため、中間温度領域で金型温度をコントロールする成形方法が一般的であった。

一方、近年では生産性の低下を招くこと無く、樹脂製品の意匠性や加飾性を向上させる様々な取り組みがなされており、代表される以下の特許文献でその手段が開示されている。

特許文献１には、『本発明による熱可塑性樹脂射出成形用金型は、キャビティ型と、コアプレートに嵌合されたコア型と、該キャビティ型と該コア型との間で形成された、溶融樹脂が充填されるキャビティ部と、を有し、該キャビティ型の表面には断熱層が設けられ、該コア型には加熱手段が設けられ、該コア型と該コアプレートの間には両者を断熱し得る断熱壁が設けられ、該コア型はその全面又は一部が多孔性金属部材で形成され、該コア型の内部を通って該コア型の底面に気体を供給し得る気体供給手段を有し、そのことにより上記目的が達成される。』との記載がある。

特許文献２には、『第１の金型と、第１の金型に進退自在に、かつ、対向させて配設された第２の金型と、凹凸のパターンから成る転写面をキャビティ空間Ｃ１、Ｃ２に向けて第１、第２の金型のうちの一方の金型に取り付けられた転写プレートと、一方の金型と転写プレートとの間に配設され、金属ガラスから成る断熱材層とを有する。一方の金型と転写プレートとの間に、金属ガラスから成る断熱材層が配設されるので、金型装置の温度を低く設定することができる。転写後の成形材料を冷却し、固化させるのに必要な時間を短くすることができるので、成形サイクルを短くすることができる。』との記載がある。

特許文献３には、『固定側ダイベースに支持されたキャビティブロックと可動側ダイベースに支持されたコアブロックとの間に形成されるキャビティ部に溶融樹脂を充填して射出成形する樹脂製品の成形金型において、キャビティブロックと固定側ダイベースとの間に、断熱層を設け、キャビティブロックを１１０℃以上に保持させるための第１の温調部を設け、コアブロック等キャビティブロック以外の周囲温度を９０℃以下に保持させるための固定側温調部及び可動側温調部を設けたことを特徴とする。』との記載がある。

特許第３３６６７３９号公報 特開２０１０−１４９４２１号公報 特開２００８−１０５２２９号公報

溶融樹脂が当接する製品転写面に、低熱伝導率の部材からなる断熱層を形成する手段により、成形金型内に充填した樹脂の急激な温度低下が抑制され、転写性の向上、及び低圧での樹脂充填が可能になる。しかしながら、断熱層に用いる低熱伝導率の各種部材は脆弱な性質を併せ持ち、急激な温度変化と高圧環境にさらされる転写面の長期耐久性が懸念される。

溶融樹脂が当接する転写面を、転写プレートと金属ガラスからなる断熱層を有する複合構造にする手段により、転写プレートに当接した溶融樹脂のスキン層の成長を一瞬防止させることにより転写性を向上させることが可能になる。しかしながら、複合構造である転写面断熱層の構造上、複雑な製品形状を有する金型には適用が困難であると考えられる。

溶融樹脂が当接するキャビティブロックと、これを支持固定する固定側ダイベースの間に断熱層を設け、キャビティブロックから固定側ダイベースへの熱の逃げを抑制する手段により、キャビティブロックの温度を周囲の金型よりも高い温度にコントロールし、キャビティ部を流れる樹脂の温度低下を遅らせることが可能になる。しかしながら、高温で保持する転写面がキャビティブロック側に限られることから、比較的低温であるコアブロック側の転写性や意匠性が劣る点、及びキャビティブロックとコアブロックに設ける温度差は、成形品に冷却速度の差を生じ、成形品にひずみを生じさせることが懸念される。

係る問題点を鑑み、本発明の目的は、充填樹脂の急激な温度低下を抑制し、かつ熱交換器たる金型の特性を損なわず、長期耐久性に優れた熱効率の高い射出成形用金型を用いることにより、品質や生産性に優れた成形品を製造する方法を提供することである。

射出成形用金型は、キャビティブロックとコアブロック、及びこれらを支持固定するモールドベースに大別され、キャビティブロックとコアブロックが形成する製品形成空間に溶融樹脂を射出充填し固化させる。

射出充填する溶融樹脂の温度は、概ね２５０℃を超える高温であり、この熱をいかに速く効率良く金型で奪うかが生産性を大きく左右する。

一方、射出充填中の樹脂の挙動として、金型の製品転写面に接触することによる樹脂の急激な温度低下は、様々な品質不具合を招く原因であり、充填過程における急激な温度低下は避けることが望ましい。従って、これら相反した要件を満たす手段として、熱効率の高い射出成形用金型を開発した。

本発明では、充填樹脂の熱を奪うキャビティブロックとコアブロックに対し、これらに当接し金型温調の熱伝導面積を増大させるアシストブロックを具備することにより、高効率な熱交換を可能にすることを特徴とする。更に好ましくは、キャビティブロックとコアブロック、及びアシストブロックを支持固定するモールドベースとの嵌合当接部に低熱伝導率部材による遮熱層、及び空気断熱層を有し、熱交換効率を向上させることを特徴とする。

本発明に係る射出成形用金型を用い、キャビティブロックとコアブロック、及びアシストブロックに対し、成形工程に準じた金型の加熱と冷却を行うことで、溶融樹脂が接触する製品転写面を意図した温度に効率良くコントロールすることが可能になる。

本発明に係る高熱効率射出成形用金型を用い、成形工程に準じた金型の加熱と冷却を行うことで、溶融樹脂が接触する製品転写面を意図した温度に効率良くコントロールし、充填過程での樹脂の急激な温度低下の抑制が可能である。従って、低粘度、低圧力、低ひずみ状態での樹脂充填が可能になり、バリ発生の低減、外観品質の向上、保圧力の均一分布による変形低減など、品質と生産性に優れた成形品を製造することが可能である。

第１実施例の高熱効率射出成形用金型の半裁断面図である。 参考例としての成形金型の半裁断面図である。 図１に示す成形金型の略平面図である。 遮熱層の設置形態例を示す部分断面図である。 第２実施例の成形金型の半裁断面図である。

本発明に係る高熱効率射出成形用金型の実施形態を、図面に基づき説明する。

図１は、本発明の実施形態である高熱効率射出成形用金型の半裁断面図である。

キャビティブロック１とコアブロック２は、樹脂製品を造形する製品形成空間３を形成しており、射出充填された溶融樹脂は、図示しないスプルー、ランナ、及びゲートからなる成形金型内の樹脂充填空間を通過し、製品形成空間３内部を充填し固化する。

キャビティブロック１とコアブロック２には、各々の温度をコントロールするキャビ側温調穴４、コア側温調穴５を夫々備えており、内部に水や油等の加温媒体を通し温度コントロールされる。

製品形成空間３を形成する転写面は、全体を均一な温度分布にコントロールすることが理想的であるが、温調穴の配置バランスによっては、溶融樹脂の熱を効率良く取り除くことができずに熱溜まりを生じる場合がある。従って、キャビティブロック１とコアブロック２の温調穴の配置設計にあたっては、均一な温度分布を実現することに細心の注意が払われる。

しかしながら、図２（参考例）に示すような製品形成空間３を有する射出成形用金型においては、コアブロック２に配設される中子ピン６や図示しない製品取り出し用のイジェクタピンの配設等による構造的な制約から、均一な温度分布を実現させる意図したコア側温調穴５の配置が困難な場合がある。

本発明では、温調穴の配置に構造的な制約が生じる射出成形用金型についても、溶融樹脂の熱を効率良く取り除くことを可能にするキャビ側アシストブロック７、及びコア側アシストブロック８を具備することを特徴とする。

図１に示す通り、キャビ側アシストブロック７とコア側アシストブロック８は、キャビ側アシスト温調穴９、コア側アシスト温調穴１０を各々備えており、内部に水や油等の加温媒体を通し温度コントロールされる。

キャビ側アシストブロック７とコア側アシストブロック８は、キャビティブロック１とコアブロック２に各々面接触した構造であり、キャビ側熱伝導面１１、及びコア側熱伝導面１２を通じて、キャビティブロック１とコアブロック２の温度コントロールをアシストする。従って、各アシストブロックには、自身の温度コントロールを短時間に行う性能が求められるため、熱伝導率や温度伝導率が高い部材を用いる必要がある。

キャビティブロック１やコアブロック２に用いられるプラスチック金型用鋼は、耐食性や耐摩耗性を重視した鋼材であり、その熱伝導率は概ね４０（Ｗ／ｍ・ｋ）以下である。直接的に溶融樹脂に接触しないアシストブロックに用いる部材としては、この３倍以上の高い熱伝導率を有し、かつ比較的高強度な部材（例えば銅合金材など）を用いることが望ましい。また、キャビ側アシストブロック７とコア側アシストブロック８が、キャビティブロック１とコアブロック２に各々面接触してなすキャビ側熱伝導面１１、及びコア側熱伝導面１２は、その接触面積を増やすことで熱交換効率を上げることが可能であり、アシストブロックはキャビティブロック１とコアブロック２を取り囲む形態で複数配設することが可能である。

製品形成空間３を形成する製品転写面を、効率良く意図した温度にコントロールするためには、キャビティブロック１がキャビ側モールドベース１３内に収まる領域１００、及びコアブロック２がコア側モールドベース１４内に収まる領域２００において、キャビティブロック１とコアブロック２が有する表面積に対し、キャビ側熱伝導面１１、及びコア側熱伝導面１２は夫々３５％以上の熱伝導面積を占める様に、アシストブロックを配設することが望ましい。

以上の高熱効率射出成形用金型により、製品形成空間３を形成するキャビティブロック１とコアブロック２の熱交換効率を上げることが可能であるが、更に熱交換効率を向上させるには、金型温調によりキャビティブロック１とコアブロック２、及びキャビ側アシストブロック７とコア側アシストブロック８に与える熱の外部への逃げを低減することが望ましい。その手段として、キャビティブロック１とコアブロック２、及びキャビ側アシストブロック７とコア側アシストブロック８を各々支持固定するキャビ側モールドベース１３、及びコア側モールドベース１４との嵌合当接部を遮熱することが望ましい。

図３は、図１に示す半裁断面図の射出成形金型を、キャビティブロック１側からコアブロック２側を見た状態での略平面図を示す。

コアブロック２の外形輪郭面１７と、コア側モールドベース１４に設けたポケット穴による支持当接面１８間が形成する隙間空間１９には、熱伝導率が低い部材（例えば金属ガラスなど）による遮熱層１５が嵌合当接しており、コアブロック２を支持固定している。更に遮熱層１５が当接しない空間は空気断熱層１６を形成する。

金型温調によりコアブロック２やコア側アシストブロック８に与えた熱が、コア側モールドベース１４へ逃げることを低減するには、遮熱層１５が当接する接触面積を減少させることが望ましいが、高い樹脂圧力が印加されるコアブロック２とコア側アシストブロック８の位置精度を確保するには、コアブロック２とコア側アシストブロック８の外形輪郭面１７が有する表面積に対し、その７０％以上の接触面積で遮熱層１５が嵌合当接し、Ｘ・Ｙ方向の位置を支持固定することが望ましい。また、図１において、コア側アシストブロック８の底部に配設した遮熱層１５ａとコア側モールドベース１４の接触面３００は、印加される樹脂圧力を広い面積で分散して受ける必要があり、可能な限り広い接触面積を確保し、Ｚ方向の位置を支持固定することが望ましい。

以上、コアブロック２側についてのみ説明したが、キャビティブロック１側についても同様の構造を用いることにより同じ効果が得られる。

以上の本発明に係る高熱効率射出成形用金型を用い、キャビ側温調穴４、コア側温調穴５、キャビ側アシスト温調穴９、コア側アシスト温調穴１０に対し、予め設定した高温の加温媒体を通し、キャビティブロック１とコアブロック２が形成する製品形成空間３の転写面温度を、使用する樹脂材料の熱変形温度付近まで加熱して溶融樹脂を射出充填することにより、転写性や意匠性に優れた状態での樹脂充填が可能になる。

次に、樹脂充填が完了する前の所定のタイミングで、キャビ側温調穴４、コア側温調穴５、キャビ側アシスト温調穴９、コア側アシスト温調穴１０に対し、予め設定した低温の加温媒体を通してキャビティブロック１とコアブロック２を冷却することにより、製品転写面の熱を効率良く奪い、短時間での成形品取り出しが可能になる。従って、上記成形工程に準じた金型の加熱と冷却を繰り返すことで、充填過程での樹脂の急激な温度低下を抑制し、バリ発生の低減、外観品質の向上、保圧力の均等分布による変形低減などを実現する成形品を、生産性の低下を招くこと無く製造することが可能である。

遮熱層１５に用いる部材として金属ガラスを例に挙げたが、熱を遮蔽し、かつキャビティブロック１やコアブロック２の位置精度が確保できる部材であればこれに限定されるものではない。プラスチック金型用鋼程度の靱性と硬度、及び熱膨張率を有し、熱伝導率は５.５（Ｗ／ｍ・ｋ）以下であることが望ましい。

また、遮熱層１５は単一部材に限定されるものではなく、セラミックスやガラス、高分子材料からなる低熱伝導率部材をコーティングした複合部材によっても遮熱効果が得られる。従って図４に示す通り、基材２０に対し遮熱する方向の両面、又は片側端面に低熱伝導率部材２１をコーティングした複合形態であっても良く、これを重畳的に用いて遮熱効果を高めても良い。

図５は、熱溜まりを生じ易い形状のコアブロック２を有する成形金型についての実施例を示す。

コアブロック２内部に嵌合い固定され、熱溜まり形状２２に向かって伸び、コア側アシストブロック８に接触する高熱伝導率部材２３を配設することにより、熱溜まり形状２２部の熱を効率良くコア側アシストブロック８に伝導させ冷却することが可能になる。尚、高熱伝導率部材２３は、コア側アシストブロック８と同等の熱伝導率を有することが望ましく、内部に温調路２４を設けることにより更に熱交換効果が向上する。

１ キャビティブロック
２ コアブロック
３ 製品形成空間
４ キャビ側温調穴
５ コア側温調穴
６ 中子ピン
７ キャビ側アシストブロック
８ コア側アシストブロック
９ キャビ側アシスト温調穴
１０ コア側アシスト温調穴
１１ キャビ側熱伝導面
１２ コア側熱伝導面
１３ キャビ側モールドベース
１４ コア側モールドベース
１５、１５ａ 遮熱層
１６ 空気断熱層
１７ 外形輪郭面
１８ 支持当接面
１９ 隙間空間
２０ 基材
２１ 低熱伝導率部材
２２ 熱溜まり形状
２３ 高熱伝導率部材
２４ 温調路
１００ キャビティブロックがキャビ側モールドベース内に収まる領域
２００ コアブロックがコア側モールドベース内に収まる領域
３００ 接触面

Claims (8)

1. キャビティブロックとコアブロックとによって形成される製品形成空間に溶融樹脂を射出充填して固化させる射出成形用金型において、
   前記キャビティブロックと前記コアブロックの双方又は何れかに当接し、金型温調の熱伝導面積を増大させるアシストブロックを備えた
   射出成形用金型。
2. キャビティブロックとコアブロックが形成する製品形成空間に溶融樹脂を射出充填して固化させる射出成形用金型において、
   前記キャビティブロックと前記コアブロックの双方又は何れかを支持固定するモールドベースを設け、
   前記キャビティブロックと前記コアブロックの双方又は何れかと当該モールドベースとの嵌合当接部に低熱伝導率部材による遮熱層、及び空気断熱層を備えた
   射出成形用金型。
3. 請求項１に記載の射出成形用金型において、
   前記アシストブロックに用いられる金型用鋼の熱伝導率が前記キャビティブロックあるいはコアブロックに用いられるプラスチック金型用鋼の熱伝導率に対し３倍以上の熱伝導率を有する
   射出成形用金型。
4. 請求項１もしくは３のいずれかに記載の射出成形用金型において、
   前記キャビティブロックとコアブロックが前記モールドベース内に収まる領域が有する各々の表面積に対し、
   前記キャビティブロックと前記コアブロックが前記アシストブロックに面接触してなす熱伝導面積が、
   夫々３５％以上を占める
   射出成形用金型。
5. 請求項２に記載の射出成形用金型において、
   前記キャビティブロックと前記コアブロック、及び前記アシストブロックの外形輪郭面が有する表面積に対し、
   その７０％以上の接触面積で前記遮熱層が前記モールドベースに当接し、支持固定する
   射出成形用金型。
6. 請求項２もしくは５のいずれかに記載の射出成形用金型において、
   前記遮熱層に用いる部材の熱伝導率は５.５（Ｗ／ｍ・ｋ）以下であり、
   前記遮熱層に用いる部材は単一部材もしくは低熱伝導率部材をコーティングした複合部材で形成されている
   射出成形用金型。
7. 請求項１、３および４のいずれかに記載の射出成形用金型を用い、
   前記キャビティブロックと前記コアブロック、及び前記アシストブロックに対し、金型の加熱と冷却を制御して、前記溶融樹脂が接触する製品転写面の温度を制御する
   射出成形法。
8. 請求項２、５および６のいずれかに記載の射出成形用金型を用い、
   前記キャビティブロックと前記コアブロック、及び前記アシストブロックに対し、金型の加熱と冷却を制御して、前記溶融樹脂が接触する製品転写面の温度を制御する
   射出成形法。