JP4521326B2 - 熱可塑性素材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラスやプラスチック等の熱可塑性素材を加熱軟化し、型成形により成形品を得る熱可塑性素材の成形方法に関する。

この種、熱可塑性素材の成形技術として、例えば特許文献１には、光学機器に使用されるガラスレンズを成形手段により成形する技術が開示されている。この特許文献１によると、成形サイクルの各段階を、加熱ステージ及び設定温度の異なる複数の加圧ステージで構成し、押型及びスリーブ型からなる型セットを、前記各ステージ間を逐次移動させることで、加熱、成形、冷却の一連の成形工程が完結する構成とし、各ステージにおける加熱／冷却の反復を不要にして、成形工程の能率向上及び成形精度の向上を実現しようとしている。

また、この特許文献１では、成形素材を変形成形に先立って加熱して適当な柔らかさに加熱軟化させており、その加熱工程の加熱条件は、加熱ステージ（加熱板）の温度と加熱工程の時間（加熱時間）によってのみ決定していた。すなわち、ガラス素材と成形型の一体として構成した型セットを、ガラスの成形に必要な温度に保持した加熱ステージ上に載置する。すると、一定時間後に型セットの温度はガラスの成形に必要な温度になるため、その型セットを一定時間後に、すばやく加圧ステージに移し変えて成形するというものである。
特公平５−４７４８８公報

しかしながら、特許文献１では、成形毎の成形素材の素材体積のバラツキ、素材含有成分量のバラツキ、装置加熱手段であるヒータの経時変化、温度センサの経時変化、などの装置コンディションの変化、及び型表面の変質など、条件変動要素に起因して同じ設定温度で同じ時間だけ加熱工程を実施したとしても、常に同じ熱量が素材に与えられるとは限らない。このため、成形素材は、成形に必要な柔らかさまで軟化されないか、又は軟化され過ぎていることがあり得る。この場合は、次工程である成形工程における適正な変形ができなくなり、成形品の厚さが予想したよりも厚くなったり又は薄くなったり、或いは十分な転写精度が得られないなど、高品質な成形品を得ることが困難となるおそれがある。

本発明は斯かる課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、熱可塑性素材の加熱・軟化の状態を検知しつつ加熱を行うことで、高精度な成形品を得ることのできる熱可塑性素材の成形方法を提供することにある。

前記目的を達成するため、本発明は、
熱可塑性素材を挟んで対向する一対の成形型及び前記成形型が挿嵌されるスリーブを含む型セットを、加熱手段を有する加熱工程にて加熱・昇温し、前記熱可塑性素材を軟化させ、次いで成形工程にて押圧成形する熱可塑性素材の成形方法であって、
前記加熱工程において、前記一対の成形型で前記熱可塑性素材を、該熱可塑性素材が熱膨張して拡大する際の付勢圧よりも小さい挟持圧で挟持した状態で、前記一対の成形型の型間距離を検知しながら、前記型セットを加熱・昇温していき、前記一対の成形型の型間距離が拡大方向から縮小方向に転じた時点を検知した際、又はその後該熱可塑性素材の全体の硬さが均質となるように馴染ませ加熱時間を経過させた際に、該型セットを前記加熱手段による挟持から開放する、ことを特徴とする。

本発明によれば、熱可塑性素材の加熱・軟化の状態を検知しつつ加熱を行うことで、装置コンディションの変化等に影響されることなく、常に適度な熱量を熱可塑性素材に与えることができ、熱可塑性素材の成形に必要な柔らかさを付与して高精度な成形製品を得ることができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態の成形装置に供される型セットの構成例を示す断面図であり、図２は、成形装置の構成例を示す概念図である。

図１において、本実施の形態の型セット１は、上型２、下型３、スリーブ型４を含んでいる。上型２及び下型３は、スリーブ型４の内側で、それぞれの成形面２ａ及び成形面３ａが対向するように当該スリーブ型４の両端側から挿嵌されている。そして、本実施の形態では、上型２はスリーブ型４の軸方向に摺動可能になっている。上型２の成形面２ａと下型３の成形面３ａとの間には、ガラスやプラスチック等の熱可塑性素材５が配置されている。なお、上型２及び下型３は、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研磨して製作されている。

一方、図２に示すように、成形装置６は、加熱工程部１８、成形工程部１９、及び冷却工程部２０を備えている。
加熱工程部１８は、上下に対向する加熱手段としての一対の上伝熱板８及び下伝熱板９と、上伝熱板８を上下（対向）方向に駆動する駆動手段としてのエアシリンダ１５を含んでいる。エアシリンダ１５による上伝熱板８の昇降動作により、加熱工程部１８における型セット１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。上伝熱板８及び下伝熱板９には、該上伝熱板８及び下伝熱板９の温度制御を行う不図示の温度調節器が接続されている。また、エアシリンダ１５のロッド１５ａには検知片２７が固定されていて、この検知片２７の変位量（すなわち、上下型２、３の型間距離の変位量）は、センサ（検知手段）２８によって検出されるようになっている。なお、このセンサ２８による変位量の検知については後述する。

成形工程部１９は、上下に対向する加熱手段としての一対の上伝熱板１０及び下伝熱板１１と、上伝熱板１０を上下（対向）方向に駆動する駆動手段としてのエアシリンダ１６を含んでいる。エアシリンダ１６による上伝熱板１０の昇降動作により、成形工程部１９における型セット１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。上伝熱板１０及び下伝熱板１１には、該上伝熱板１０及び下伝熱板１１の温度制御を行う不図示の温度調節器が接続されている。

この成形工程部１９では、上伝熱板１０及び下伝熱板１１は、熱可塑性素材５の転移点近傍の温度に温度設定されている。
冷却工程部２０は、上下に対向する加熱手段としての一対の上伝熱板１２及び下伝熱板１３と、上伝熱板１２を上下（対向）方向に駆動する駆動手段としてのエアシリンダ１７を含んでいる。エアシリンダ１７による上伝熱板１２の昇降動作により、冷却工程部２０における型セット１の挟持、挟圧、解放等の動作が行われる。上伝熱板１２及び下伝熱板１３には、該上伝熱板１２及び下伝熱板１３の温度制御を行う不図示の温度調節器が接続されている。

この冷却工程部２０では、上伝熱板１２及び下伝熱板１３は、熱可塑性素材５の転移点以下の温度に温度設定されている。
加熱工程部１８、成形工程部１９、及び冷却工程部２０の各々を構成する一対の上伝熱板８、１０、１２と下伝熱板９、１１、１３は、成形室７に収容されている。前記センサ２８は、成形室７のフレームに取付けられている。また、下伝熱板９、１１、１３は、成形室７の底面に断熱的に固定されている。

制御部３０は、温度制御部３２、荷重制御部３３、動作制御部３４を有し、個々の工程部１８、１９、２０での、上伝熱板８〜下伝熱板１３の初期温度等の設定、さらには加熱方向又は冷却方向への温度変更、及びエアシリンダ１５〜エアシリンダ１７による荷重の作用の有無等の制御を行う。また、制御部３０は、高さ監視部３１を有し、この高さ監視部３１は、内部に設定されたプログラムにより上型２及び下型３の型間距離が伸長方向から縮小方向に転じた時点を演算する機能を有する（詳しくは後述する）。

また、成形室７の内部には、加熱工程部１８、成形工程部１９、及び冷却工程部２０の間における型セット１の移動を行うための移動アーム２５が設けられている。
本実施の形態において、成形作業は、型セット１が加熱工程部１８、成形工程部１９、及び冷却工程部２０の下伝熱板９、１１、１３上を移動アーム２５によって移動させられながら、エアシリンダ１５、１６、１７によって上伝熱板８、１０、１２を降下させて型セット１を挟持しつつ、順次各工程の温度と圧力を付与して成形が進められる。

まず、成形室７外において準備された型セット１は、移動アーム２５によって成形室７内に搬送され、加熱工程部１８の下伝熱板９上に載置される。その後、この加熱工程部１８において、型セット１はエアシリンダ１５により上伝熱板８で挟持され、所定時間加熱されて転移点以上の温度まで上昇し、内部の熱可塑性素材５が軟化する。この場合、本実施の形態では、熱可塑性素材５の加熱時の挟持圧は、該熱可塑性素材５が熱膨張して拡大する時の付勢圧よりも小さく設定されている。その理由は、図３において後述する。

熱可塑性素材５が軟化した後、エアシリンダ１５によって上伝熱板８を上昇させ、型セット１を解放する。次いで、型セット１を移動アーム２５によって次工程である成形工程部１９の下伝熱板１１上に移動させる。

成形工程部１９に搬入された型セット１は、下伝熱板１１上に載置された後、エアシリンダ１６によって上伝熱板１０で挟持され、転移点近傍の温度にまで冷却されながら熱可塑性素材５は硬化し、所定時間、所定圧力で押圧されて変形成形される。そして、熱可塑性素材５を所定の厚さに変形成形した後、エアシリンダ１６によって上伝熱板１０を上昇させ、型セット１を解放する。更に、解放された型セット１を、移動アーム２５によって冷却工程部２０の下伝熱板１３上に移動させる。

冷却工程部２０に搬入された型セット１は、下伝熱板１３上に載置された後、エアシリンダ１７によって上伝熱板１２で挟持され、外部に放出可能な温度にまで所定時間冷却される。この冷却後、エアシリンダ１７によって上伝熱板１２を上昇させ、型セット１を解放する。更に、解放された型セット１を、移動アーム２５によって成形室７の外部に放出する。この後、型セット１を分解して内部の成形品を取り出し、成形の全工程を完了する。

次に、本実施の形態の成形方法について説明する。
図３は、加熱工程部１８において、型セット１を上伝熱板８と下伝熱板９で挟持したときの断面図を示す。同図を参照して、本実施の形態の技術的思想上の原理を簡単に説明する。

まず、型セット１全体を上伝熱板８と下伝熱板９で加熱して温度を上昇させていくと、その過程において、型セット１内部の熱可塑性素材５は温度上昇に伴い膨張する。この場合、熱可塑性素材５の加熱時の挟持圧は、その熱可塑性素材５が熱膨張して拡大する時の付勢圧よりも小さく設定されている。

すなわち、図において、加熱時に熱可塑性素材５には、上型２、上伝熱板８、及びエアシリンダ１５のロッド１５ａの自重を加算した荷重が加えられている。このため、これらの荷重合計が、熱可塑性素材５の熱膨張時の付勢圧よりも大きいと、熱可塑性素材５が熱膨張してもロッド１５ａが上昇することができない。そこで、本実施の形態では、上型２等の荷重合計が、熱可塑性素材５の熱膨張時の付勢圧よりも小さく設定している。

以上により、加熱工程部１８では、熱可塑性素材５が膨張して、上型２と下型３の型間距離が拡大し、上伝熱板８は図の上方に向けて上昇する。続いて、更に加熱して熱可塑性素材５の温度を上昇させていくと、型セット１の内部の熱可塑性素材５の軟化が始まる。そして、今度は前記と逆に、上型２等の荷重合計により熱可塑性素材５が潰れはじめて、上型２と下型３の型間距離が縮小し、上伝熱板８は図の下方に向けて下降する。

そこで、この上型２と下型３の型間距離、すなわち上伝熱板８（ロッド１５ａ）の変位量を連続的かつ正確に検知すべく、ロッド部１５ａに固定された検知片２７の変位量を、センサ２８によって検知している。これにより、型セット１における上型２と下型３の型間距離を、加熱工程の開始から軟化完了まで連続的に検知することを可能としている。高さ監視部３１では、前記センサ２８からの検出信号に基づき、上伝熱板８と下伝熱板９による熱可塑性素材５の温度上昇の過程で、上型２と下型３の型間距離が拡大から縮小に切り替わる時点を捉える。そして、熱可塑性素材５の軟化のタイミングを、各成形毎の素材体積のバラツキや素材含有成分量のバラツキなど、条件変動要素の影響を受けることなく正確に捉えることとしている。

図４は、加熱工程における加熱時間と上下型２、３の型間距離との関係を示している。同図に示すように、加熱工程部１８において、型セット１を上下伝熱板８，９で挟持して加熱・昇温を開始すると(ａ点)、該型セット１内部の熱可塑性素材５は温度の上昇に従い膨張が始まり(矢印Ａ方向)、上型２と下型３の型間距離はだんだん拡大していく。この状況は、センサ２８によって高さ位置を連続的に検知され、その検知信号は制御部３０の高さ監視部３１に送られる。

なお、本実施の形態において、後述する成形条件を用いた場合は、図４における熱可塑性素材５の膨張（距離）量は、例えば０．２ｍｍ〜０．５ｍｍであり、加熱時間は略６０ｓｅｃ程度であった。

そして、更なる加熱により、型セット１内部の熱可塑性素材５の温度が転移点以上に上昇してくると、熱可塑性素材５は前記と逆方向に変形可能に軟化する(ｂ点)。そして、序々に熱可塑性素材５の変形が始まり(矢印Ｂ方向)、上型２に押込まれて潰れていく。こうして、前記と逆に上型２と下型３の型間距離は次第に縮小していく。

このとき、高さ監視部３１では、上型２と下型３の型間距離が拡大方向から縮小方向に転じたその時点(ｂ点)を、内蔵するコンピュータのアルゴリズムプログラム等により捉えて、熱可塑性素材５の軟化が確認された時点として検知する。そして、その検知信号を、制御部３０の温度制御部３２に送る。温度制御部３２では、この検知信号に基づき加熱工程を完了させる動作指令を成形室７に行う。

なお、本実施の形態の加熱工程完了の動作は、前述のようにエアシリンダ１５を上昇させ、上伝熱板８を上昇し、型セット１を解放した後、移動アーム２５によって型セット１を成形工程部１９に押し出して下伝熱板１１上に移動させて完了となる。

本実施の形態によれば、熱可塑性素材５の加熱昇温による軟化状態を検知して加熱条件を制御しているので、成形ごとの素材体積のバラツキや、素材含有成分のバラツキや、ヒータの経時変化、温度センサの経時変化、などの装置コンディションの変化、及び上下型表面の変質などの条件変動要素があったとしても、常に適度な熱量を熱可塑性素材５に与えることができる。こうして、個々の熱可塑性素材５の成形に必要な柔らかさを付与して高精度の成形製品を得ることができる。

特に、温度と時間のみを監視して加熱する方法では、例えば久しぶりに成形を行ったときに、使用装置が冷えていること等により、１個目から良品を得ることは難しかったが、本実施の形態によれば、熱可塑性素材５の軟化状態を常時検知しているので、１個目から良品を得ることができる。
（第２の実施の形態）
第１の実施の形態では、加熱工程部１８にて加熱昇温中に、上型２と下型３の型間距離を監視しながら、高さ監視部３１が上型２と下型３の型間距離が拡大方向から縮小方向に転じたその時点を基準に、加熱工程を完了させることとした。しかし、この加熱昇温による熱可塑性素材５の軟化は、実際のところ軟化の開始直後ゆえ、素材内部及び素材全体が均一に軟化されていない場合がある。このように、均一に軟化されていない状態で押圧成形を行うと、高品質の成形品が得られないおそれがある。

そこで、これを回避すべく、発明者の実験によれば、上型２と下型３の型間距離が、拡大方向から縮小方向に転じた時点に、数秒ないし数十秒の時間を馴染ませ加熱時間として加えることで、加熱時間を延長すると転写性に良好な結果が得られることがわかった。これは、上下伝熱板８，９から熱可塑性素材５に熱が略均等に伝達されるまでの時間を加えることで、熱可塑性素材５が略均一に軟化されることによるものと考えられている。

なお、本実施の形態において、後述する成形条件を用いた場合は、図４における変形距離は、数１０μｍ程度であり、また、熱なじませ加熱時間は、略１０ｓｅｃ程度であった。

本実施の形態では、上下伝熱板８、９の加熱と温度上昇による熱可塑性素材５の軟化直後に、加熱工程を完了するのではなく、加熱時間を追加延長して、熱可塑性素材５の全体の温度を適正に馴染ませることを行い、熱可塑性素材５の硬さを均質化している。このため、熱可塑性素材５の軟化開始直後に成形工程に移行するよりも、変形成形状態を安定的に行うことが可能である。また、熱可塑性素材５の全体の硬さが均質となるため、結果的に転写性も向上するというメリットを有する。
（成形条件）
以下に、本発明の第１と第２の実施の形態において、良好な成形品が得られたときの各種成形条件を示す。但し、これはあくまでも一例であって、この条件に限られるものではないことは勿論である。
（１）成形素材 光学ガラス（ＯＨＡＲＡ製）Ｓ−ＬＡＨ５８
素材形状 球状直径φ４ｍｍ 成形外径 ５ｍｍ
加熱工程 上下伝熱板温度 ８７０℃ 馴染ませ加熱時間 １０秒
成形工程 上下伝熱板温度 ８００℃ 成形時荷重 １５Ｎ
冷却工程 上下伝熱板温度 ５００℃
（２）成形素材 光学ガラス（ＯＨＡＲＡ製）L−ＬＡＨ５３
素材形状 球状直径φ４ｍｍ 成形外径 ５ｍｍ
加熱工程 上下伝熱板温度 ６８０℃ 馴染ませ加熱時間 １０秒
成形工程 上下伝熱板温度 ６２０℃ 成形時荷重 １５Ｎ
冷却工程 上下伝熱板温度 ３００℃

本発明の成形装置に供される型セットの構成を示す断面図である。 本発明の成形方法を実施する成形装置の構成を示す概念図である。 本発明の成形装置の一部を取り出して示す断面図である。 加熱工程における加熱時間と上下型の型間距離との関係を示す図である。

符号の説明

１ 型セット
２ 上型
２ａ 成形面
３ 下型
３ａ 成形面
４ スリーブ
５ 成形素材
６ 成形装置
７ 成形室
８ 上伝熱板
９ 下伝熱板
１０ 上伝熱板
１１ 下伝熱板
１２ 上伝熱板
１３ 下伝熱板
１５ エアシリンダ
１５ａ ロッド部
１６ エアシリンダ
１７ エアシリンダ
１８ 加熱工程部
１９ 成形工程部
２０ 冷却工程部
２５ 移動アーム
２７ 検知片
２８ センサ
３０ 制御部
３１ 高さ監視部
３２ 温度制御部
３３ 荷重制御部
３４ 動作制御部

Claims (1)

1. 熱可塑性素材を挟んで対向する一対の成形型及び前記成形型が挿嵌されるスリーブを含む型セットを、加熱手段を有する加熱工程にて加熱・昇温し、前記熱可塑性素材を軟化させ、次いで成形工程にて押圧成形する熱可塑性素材の成形方法であって、
   前記加熱工程において、前記一対の成形型で前記熱可塑性素材を、該熱可塑性素材が熱膨張して拡大する際の付勢圧よりも小さい挟持圧で挟持した状態で、前記一対の成形型の型間距離を検知しながら、前記型セットを加熱・昇温していき、前記一対の成形型の型間距離が拡大方向から縮小方向に転じた時点を検知した際、又はその後該熱可塑性素材の全体の硬さが均質となるように馴染ませ加熱時間を経過させた際に、該型セットを前記加熱手段による挟持から開放する、熱可塑性素材の成形方法。