特開 2024-134831 プレス成型用金型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024134831

(43)【公開日】2024-10-04

(54)【発明の名称】プレス成型用金型

(51)【国際特許分類】

   B29C 43/36 20060101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

B29C43/36

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023045228

(22)【出願日】2023-03-22

(71)【出願人】

【識別番号】000226242

【氏名又は名称】日機装株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】513315695

【氏名又は名称】株式会社郷製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100114498

【弁理士】

【氏名又は名称】井出 哲郎

(74)【代理人】

【識別番号】100222243

【弁理士】

【氏名又は名称】庄野 友彬

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 浩一郎

(72)【発明者】

【氏名】郷 純一

【テーマコード（参考）】

4F202

【Ｆターム（参考）】

4F202AJ02

4F202AJ09

4F202AJ12

4F202AJ13

4F202CA09

4F202CK88

4F202CL02

4F202CN01

4F202CN05

4F202CN27

(57)【要約】      （修正有）

【課題】炭素繊維の織物等の補強材繊維と樹脂材料とを組み合わせた複合材料を用いて成型品を成型する際の冷却速度を領域ごとに最適化することで品質の高い成型品を生産することができるプレス成型用金型を提供する。
【解決手段】一対の金型を有し、これら金型を型締めすることで成型素材を加工するプレス成型金型１００であって、前記金型は、加熱手段を有すると共に前記成型素材が供給されるキャビティを有する加熱プレート２４０と、前記加熱プレートと重ねて配置されると共に冷却媒体を導入可能な通路が形成された冷却プレート２３０と、前記冷却プレートよりも大きな熱容量を有するベースプレート２１０と、熱伝導調整部が面方向に混在していると共に前記ベースプレートと前記冷却プレートとの間に配置される熱調整プレート２２０と、を備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一対の金型を有し、これら金型を型締めすることで成型素材を加工するプレス成型金型であって、
前記金型は、
加熱手段を有すると共に前記成型素材が供給されるキャビティを有する加熱プレートと、
前記加熱プレートと重ねて配置されると共に冷却媒体を導入可能な通路が形成された冷却プレートと、
前記冷却プレートよりも大きな熱容量を有するベースプレートと、
熱伝導調整部が面方向に混在していると共に前記ベースプレートと前記冷却プレートとの間に配置される熱調整プレートと、
を備えることを特徴とするプレス成型用金型。

【請求項2】

前記熱調整プレートは、熱伝導調整部が前記金型構成に応じて設定されることを特徴とする請求項１記載のプレス成型用金型。

【請求項3】

前記熱調整プレートは、熱伝導調整部が前記キャビティの形状に応じて設定されることを特徴とする請求項１記載のプレス成型用金型。

【請求項4】

各熱調整プレートにおける熱伝導調整部は、前記キャビティの形状に応じて異なる位置に設定されることを特徴とする請求項３記載のプレス成型用金型。

【請求項5】

前記熱調整プレートは、前記熱調整プレートの厚み方向に貫通した空所で形成された熱伝導調整部を含むことを特徴とする請求項１記載のプレス成型用金型。

【請求項6】

前記熱調整プレートは、前記ベースプレートとの接触面に設けられた凹所で形成された熱伝導調整部を含むことを特徴とする請求項１記載のプレス成型用金型。

【請求項7】

前記熱調整プレートは、前記冷却プレートとの接触面に設けられた凹所で形成された熱伝導調整部を含むことを特徴とする請求項１記載のプレス成型用金型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、特に熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等の樹脂加工材を含む複合材料を所定の形状に成型するためのプレス成型用金型に関する。

【背景技術】

【0002】

プレス成型用金型は成型素材を加圧及び加熱して成型品を生産する際に用いられる。成型素材としては炭素繊維の織物等の補強材繊維と熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂材料とを組み合わせた複合材料が挙げられる。このようなプレス成型用金型としては特許文献１に開示されているものが挙げられる。

【0003】

特許文献１に開示されたプレス成型用金型は、成型素材を第一入り駒の転写成型部に載置した後に加圧軸の駆動により可動金型を移動させると、第一入り駒と第二入り駒とが接合する。成型素材は第一入り駒及び第二入り駒の加熱手段によって加熱され、前記成型素材に含有された樹脂材料が補強材繊維に含侵する。樹脂材料が補強材繊維に含侵した後に、加圧軸の圧力を加えることによって前記成型素材を加圧し、前記成型素材が転写成型部に倣った形状に成型される。その後、可動金型及び固定金型に設けられた冷却通路に冷却媒体を流入させることで、第一入り駒と第二入り駒の間に配置された成型素材を冷却し、成型素材の成形が完了する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１５－１１２８２７

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、プレス成型用金型におけるキャビティの形状は成型する製品によって異なるものであり、キャビティの背面に配置された冷却プレートとキャビティ面との間隔が大きい箇所と小さい箇所とが共存している。そのため、キャビティ面の中で冷却プレートとの間隔が大きい箇所は冷却速度が遅い一方、キャビティ面の中で冷却プレートとの間隔が小さい箇所は冷却速度が早くなる。その結果、キャビティ内の成形素材の冷却速度に斑が発生してしまい、成形品の歪みや反り等が発生してしまうという懸念があった。特に、入り駒に設けられた加熱手段がカートリッジヒータの場合、キャビティの形状と関係なく配置されるため、キャビティ面の加熱温度に斑が発生しやすい結果、冷却速度にも斑が発生しやすく、成型素材の冷却速度に影響を与えてしまう。

【0006】

また、結晶性樹脂の場合は、融点からガラス転移点までの間に結晶化が発生するところ、結晶化の度合いは融点からガラス転移点までの冷却速度によって異なる。そのため、成型素材の冷却速度に斑が発生してしまうと、成形品の結晶化度にも斑が発生してしまうことになり、本来予定していた耐熱性や強度等を発揮することができなくなるという懸念があった。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明はこのような課題に鑑みなされたものであり、その目的とするところは、炭素繊維の織物等の補強材繊維と樹脂材料とを組み合わせた複合材料を用いて成型品を成型する際の冷却速度を領域ごとに最適化することで品質の高い成型品を生産することができるプレス成型用金型を提供することにある。

【0008】

すなわち、本発明は、一対の金型を有し、これら金型を型締めすることで成型素材を加工するプレス成型金型であって、前記金型は、加熱手段を有すると共に前記成型素材が供給されるキャビティを有する加熱プレートと、前記加熱プレートと重ねて配置されると共に冷却媒体を導入可能な通路が形成された冷却プレートと、前記冷却プレートよりも大きな熱容量を有するベースプレートと、熱伝導調整部が面方向に混在していると共に前記ベースプレートと前記冷却プレートとの間に配置される熱調整プレートと、を備えることを特徴とする。

【発明の効果】

【0009】

本発明のプレス成型用金型によれば、ベースプレートと冷却プレートとの間に配置された熱調整プレートは熱伝導調整部が面方向に混在しているため、前記冷却プレートから前記ベースプレートへの熱流量を領域ごとに任意で設定することができる。そのため、プレス成型用金型は、成形品の成形する際の冷却速度を領域ごとに最適化することで品質の高い成型品を生産することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の一実施形態にかかるプレス成型用金型の正面図である。

【図2】本発明の一実施形態の金型の一部を示す斜視図である。

【図3】本発明の一実施形態の金型の一部を示す斜視図である。

【図4】本発明の一実施形態の金型の断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、添付図面を用いて本発明のプレス成型用金型を詳細に説明する。

【0012】

図１は、本発明の一実施形態にかかるプレス成型用金型１００の正面図である。プレス成型用金型１００は、油圧シリンダ等の加圧軸（図示しない）により上下動自在に設けられたスライド１０１と、このスライド１０１との間で成型素材に対して圧力を付与する固定部１０２と、を備えるプレス加工装置に用いられる。プレス成型用金型１００は一対の金型２００を有している。一対の金型２００は前記固定部１０２に固定された固定金型２００ａと前記スライド１０１に固定された可動金型２００ｂとから構成される。プレス成型用金型１００はこれら金型を型締めすることで成型素材を加工することができる。

【0013】

固定金型２００ａ及び可動金型２００ｂは、ベースプレート２１０と、熱調整プレート２２０と、冷却プレート２３０と、加熱プレート２４０と、を備えている。ベースプレート２１０は前記ベースプレート２１０を冷却するための複数の冷却流路２１１を有している。前記冷却流路２１１は前記ベースプレート２１０を貫通して形成されており、前記冷却流路には復水器等の冷却手段が連結される。冷却流路２１１には、前記冷却手段により水等の冷却媒体が常時流入されている。また、前記ベースプレート２１０は後述する冷却プレート２３０よりも大きな熱容量を有している。固定金型２００ａのベースプレート２１０ａの四隅には断面円形状のガイド穴２１２が形成されている。可動金型２００ｂのベースプレート２１０ｂの四隅には円柱状のガイド軸２１３が形成されている。ガイド軸２１３は前記ガイド穴２１２に係合して前記固定金型２００ａと前記可動金型２００ｂとの相対移動を案内する機能を有する。

【0014】

図２はベースプレート２１０ａを除く固定金型２００ａの分解斜視図であり、図３ベースプレート２１０ｂを除く可動金型２００ｂの分解斜視図である。冷却プレート２３０は、前記加熱プレート２４０と重ねて配置されると共に冷却媒体を導入可能な通路２３３を有している。冷却プレート２３０は前記加熱プレート２４０と対面する位置に設けられている。冷却プレート２３０は前記ベースプレート２１０よりも一周り小さい平面四角形状に形成されている。前記固定金型２００ａの冷却プレート２３０ａの四隅には断面円形状に形成されたガイド穴２３１が形成されており、前記可動金型２００ｂの冷却プレート２３０ｂの四隅には円柱状のガイド軸２３２が形成されている。

【0015】

加熱プレート２４０はコイルスプリングからなる弾性体２５０を介して前記冷却プレート２３０と接続されている。弾性体２５０は常に加熱プレート２４０を付勢しており、前記加圧軸が駆動していない状態では前記冷却プレート２３０と前記加熱プレート２４０との間に隙間を形成している。加熱プレート２４０の四隅には固定孔２４４が形成されており、この固定孔２４４には前記冷却プレート２３０ｂのガイド軸２３２が挿入される。これにより、前記加熱プレート２４０は前記冷却プレート２３０に対する位置が固定されるようになっている。なお、本実施形態において加熱プレート２４０は弾性体２５０を介して冷却プレート２３０に接続されているが、必ずしも弾性体２５０を介して接続されている必要はない。

【0016】

加熱プレート２４０は加熱手段を有すると共に成型素材が供給されるキャビティ２４２を有している。キャビティ２４２は、前記固定金型２００ａの加熱プレート２４０ａが有する転写成型部２４３ａと、前記可動金型２００ｂの加熱プレート２４０ｂが有する転写成型部２４３ｂと、から形成されている。転写成型部２４３ａ及び転写成型部２４３ｂは供給された成型素材を賦形するためのものである。転写成型部２４３ａは凸状に形成されている一方、転写成型部２４３ｂは前記転写成型部２４３ａの形状に対応する凹状に形成されている。前記加熱プレート２４０ａと前記加熱プレート２４０ｂが互いに当接した状態では前記転写成型部２４３ａと前記転写成型部２４３ｂとが対向してキャビティ２４２が形成されるようになっている。これにより、キャビティ２４２内に配置された成型素材が転写成型部２４３ａ及び転写成型部２４３ｂに倣った形状に成型されるようになっている。なお、本実施形態にかかるプレス成型用金型では前記転写成型部２４３ａが凸状に、前記転写成型部２４３ｂが凹状に形成されているが、これら転写成型部２４３の形状は成形品に要求される形状に合わせて適宜変更されるものである。

【0017】

加熱プレート２４０は前記加熱プレート２４０を加熱する加熱手段である複数の電熱ヒータ２４１が内蔵されている。電熱ヒータ２４１は前記転写成型部２４３ａ及び前記転写成型部２４３ｂに近接して前記加熱プレート２４０に埋設されており、前記電熱ヒータ２４１の熱が前記転写成型部２４３ａ及び前記転写成型部２４３ｂに伝達されやすくなっている。また、電熱ヒータ２４１には温度制御を行うコントローラが接続されている。なお、本実施形態にかかるプレス成型用金型において電熱ヒータ２４１はキャビティ２４２の形状と関係なく配置されるカートリッジヒータで構成されているが、転写成型部２４３に近接して埋設される細管ヒータ等であってもよい。

【0018】

図４の断面図に示すように、熱調整プレート２２０は前記ベースプレート２１０と前記冷却プレート２３０との間に配置されている。熱調整プレート２２０は熱伝導調整部２２１が面方向に混在している。熱伝導調整部２２１は前記冷却プレート２３０から前記ベースプレート２１０に向けた熱流量を調整するためのものである。

【0019】

図示した実施形態においては、熱伝導調整部２２１は前記ベースプレート２１０との接触面に形成された凹所２２１として構成されている。そのため、熱調整プレート２２０は凹所２２１が存在する部分とその周囲の中実部とでは熱伝導率が異なる。すなわち、熱調整プレート２２０は熱伝導率の異なる部位が面方向に混在している。凹所２２１は周囲の中実部よりも熱伝導率が小さい断熱部として機能し、前記冷却プレート２３０から前記ベースプレート２１０に向けた熱流量を少なくすることができる。また、前記凹所２２１が設けられていることにより、前記ベースプレート２１０と前記熱調整プレート２２０との接触面積を小さくすることができるため、前記熱調整プレート２２０から前記ベースプレート２１０への熱流量を少なくすることができる。特に、前記凹所２２１を含むその周辺の領域では、前記熱調整プレート２２０から前記ベースプレート２１０への熱流量を当該凹所の大きさに応じて制限することができる。その結果として、前記冷却プレート２３０と前記ベースプレート２１０との間に前記熱調整プレートを挟めば、前記冷却プレート２３０から前記ベースプレート２１０への単位時間あたりの熱流量を任意に、しかも前記冷却プレートの面内の任意の領域ごとに調整することができ、前記冷却プレート２３０による加熱プレート２４０の冷却速度を前記キャビティ２４２の部位ごとに任意に設定することができる。

【0020】

本実施形態にかかるプレス成型用金型では、熱伝導調整部２２１を前記ベースプレート２１０との接触面に形成された凹所２２１として構成しているが、これに限定するものではない。例としては、前記冷却プレート２３０との接触面に形成された凹所、前記熱調整プレート２２０の厚み方向に貫通した空所、又は、前記熱調整プレートの面に形成された溝等、前記ベースプレート２１０と前記熱調整プレート２２０の接触面積又は前記冷却プレート２３０と前記熱調整プレート２２０の接触面積を変更可能な構成が挙げられる。また、熱伝導調整部２２１は熱調整プレート２２０と熱伝導率の異なる金属材料又は合成樹脂材料を当該熱調整プレート２２０に埋め込んで形成してもよい。すなわち、熱伝導調整部２２１は前記ベースプレート２１０と前記熱調整プレート２２０の接触面積若しくは前記冷却プレート２３０と前記熱調整プレート２２０の接触面積を変更可能な構成又は前記熱調整プレート２２０の中実部と熱伝導率の異なる構成であれば、適宜設計の変更が可能である。

【0021】

熱調整プレート２２０の面の中で熱伝導調整部２２１を設ける箇所は金型構成によって設定される。金型構成は金型内における成型素材の加工環境を指す。金型構成としては、キャビティ２４２の形状、加熱プレート２４０の中で電熱ヒータ２４１を設ける位置、前記電熱ヒータ２４１の出力、冷却プレート２３０の通路２３３を設ける位置、転写成型部２４３ａと転写成型部２４３ｂの面同士の間隔等が挙げられる。例えば、キャビティ２４２の形状に応じて熱伝導調整部２２１を設ける箇所が設定される場合、熱伝導調整部２２１は、熱調整プレート２２０の面の中でキャビティ２４２の面と冷却プレート２３０との間隔が小さい箇所には形成される一方、キャビティ２４２の面と冷却プレートとの間隔が大きい箇所には形成されないものとすることができる。また、前記加工環境としてはプレス成型用金型１００を稼働させた際の温度分布解析の結果や冷却時におけるヒータの稼働状況、出力等も挙げられ、これらの加工環境によっても熱伝導調整部２２１の配置箇所を設定することができる。これにより、熱調整プレート２２０は、成型素材の加工環境に応じて冷却プレート２３０からベースプレート２１０に向けた熱流量を領域ごとに任意で設定することができ、成型素材に対する最適な冷却速度を実現することができる。

【0022】

また、固定金型２００ａが有する熱調整プレート２２０ａと可動金型２００ｂが有する熱調整プレート２２０ｂは異なる形状を有していてもよい。すなわち、熱調整プレート２２０ａと熱調整プレート２２０ｂは、熱伝導調整部２２０の配置箇所が前記金型構成に応じて異なるものであってもよい。これにより、転写成型部２４３ａと転写成型部２４３ｂの形状が異なる場合に、熱伝導調整部２２０の配置箇所を変更することで、より最適な成型素材全体の冷却速度を実現することができる。

【0023】

次に、プレス成型用金型を用いたプレス成型方法について説明する。プレス成型用金型１００において用いる成型素材としては例えば、炭素繊維等の補強材繊維と、熱可塑性樹脂や熱硬化性樹脂等の樹脂材料とを組み合わせた複合材料が挙げられる。まず、電熱ヒータ２４１を通電して加熱プレート２４０を加熱させる。次に、複合材料である成型素材を加熱プレート２４０ｂの転写成型部２４３ｂに載置した上で加圧軸（図示しない）の駆動により前記スライド１０１及び可動金型２００ｂを矢印Ａ方向へと移動させる。これにより、前記冷却プレート２３０ｂに形成されたガイド軸２３２が前記加熱プレート２４０ａの固定孔２４４及び前記加熱プレート２４０ｂの固定孔２４４に挿入され、前記加熱プレート２４０ａと前記加熱プレート２４０ｂが接合する。

【0024】

このとき、成型素材は前記加熱プレート２４０ａの転写成型部２４３ａと前記加熱プレート２４０ｂの転写成型部２４３ｂによって挟まれることになる。このように、加熱プレート２４０ａと加熱プレート２４０ｂとが接合すると、前記加圧軸の圧力により各弾性体２５０が押し縮められる。これにより、各加熱プレート２４０が加圧され、前記成型素材に圧力が作用すると共に各加熱プレート２４０の熱が成型素材に伝達され、前記成型素材が加熱される。

【0025】

その結果、成型素材に含有された樹脂材料が軟化して補強材繊維に含侵され、成型素材が転写成型部２４３ａ及び転写成型部２４３ｂに倣った形状へと成型されることになる。この時、前記加熱プレート２４０ａと冷却プレート２３０ａの間及び前記加熱プレート２４０ｂと冷却プレート２３０ｂの間には隙間が形成された状態であり、成型素材に作用する圧力は弾性体２５０の付勢力によるものが大半である。このため、キャビティ２４２内の成型素材は軽く変形しているだけとなっている。

【0026】

その後、更に前記加圧軸の圧力Ｆを加え、前記スライド１０１を固定部１０２へと近づけると、各弾性体２５０が更に押し縮められる。これにより、加熱プレート２４０ａと冷却プレート２３０ａが接合すると共に加熱プレート２４０ｂと冷却プレート２３０ｂが接合する。その結果、前記加圧軸の圧力Ｆが前記成型素材に直接作用し、前記成型素材が転写成型部２４３ａ及び転写成型部２４３ｂに倣った形状に成型されることになる。なお、この段階では冷却プレート２３０の通路には空気が入っており、前記空気を断熱材として機能させることもできる。

【0027】

成型素材の加圧後、冷却プレート２３０の通路２３３に冷却媒体を流入させることで、加熱プレート２４０の熱が冷却プレート２３０へと伝達され、前記冷却プレート２３０の熱がさらに熱容量の大きいベースプレート２１０へと伝達される。この際、冷却プレート２３０とベースプレート２１０との間には、熱伝導調整部２２１を有する熱調整プレート２２０が配置されているため、冷却プレート２３０からベースプレート２１０への熱流量は予め設定されている。これにより、キャビティ２４２内に配置された成型素材の冷却を行うことができ、最終的に成型素材の成型が完了する。なお、成型品の反りの発生を防ぐとの観点からすれば、冷却時であっても前記温度センサにより金型内の温度分布を考慮し、適宜電熱ヒータ２４１を介して加熱プレート２４０を加熱させるようにしても差し支えない。

【0028】

最後に、前記加圧軸による加圧を停止させ、前記スライド１０１と固定部１０２から離間させると、加熱プレート２４０ａと加熱プレート２４０ｂとの間に隙間が形成される。更に、押し縮められた弾性体２５０が引き戻され、前記加熱プレート２４０ａと前記冷却プレート２３０ａの間、及び、前記加熱プレート２４０ｂと前記冷却プレート２３０ｂの間に隙間が形成される。これにより、キャビティ２４２から成型品を取り出すことができるようになる。

【0029】

以上のように構成された本実施形態にかかるプレス成型用金型１００によれば、冷却プレート２３０からベースプレート２１０への熱流量は、金型構成に応じて前記冷却プレート２３０の面内で領域ごとに調整されている。そのため、プレス成型用金型１００は、成型品に対する最適な冷却速度を当該成型品の部位ごとに実現することができる結果、成型品の歪みや反り等の発生を防止することができ、品質の高い成型品を生産することができる。

【0030】

また、成型素材の冷却速度を最適化する方法としては、ヒータの位置、冷却流路の位置、冷却時におけるヒータの出力制御等の金型構成による調整も挙げられるが、成型品の形状が定められている以上、金型構成の調整には限度があり、金型構成の調整による冷却速度斑の発生防止は過大なコストが発生してしまう。この点、本実施形態のプレス成型用金型１００は、熱伝導調整部２２１を含む熱調整プレート２２０を冷却プレート２３０とベースプレート２１０の間に配置することで成型素材に対する冷却速度の最適化をすることができるため、安価に品質の高い成型品を生産することができる。

【0031】

更に、成型素材の樹脂材料が結晶性樹脂の場合は、融点からガラス転移点までの間に結晶化が発生するところ、本実施形態のプレス成型用金型１００によれば、成型素材の冷却速度をコントロールすることができるため、成型品の結晶化度に斑が発生することを防止でき、予定していた耐熱性や強度等を十分に発揮できる成型品を生産することができる。

【0032】

また更に、従来の金型においては冷却プレートとベースプレートは重ねて配置されるため、冷却プレートが保持する熱は前記冷却プレートよりも熱容量が大きいベースプレートに移動してしまい、その結果として加熱プレートも急激に冷却してしまう。この点、本実施形態のプレス成型用金型１００は、冷却プレート２３０とベースプレート２１０の間に熱伝導調整部２２１を有した熱調整プレート２２０を設けているため、冷却プレート２３０からベースプレート２１０に移動する熱の速度を調整することができる。そのため、加熱プレート２４０が急激に冷却されるのを防止することができる。

【0033】

加えて、従来の金型においては加熱プレートと冷却プレートの間に断熱プレートが設けられているものが存在するが、この金型は加熱プレートから冷却プレートへの熱の移動が断熱プレートによって阻害されてしまうため、キャビティ内の温度が目標値を超えてしまう所謂オーバーシュートへの対応が困難である。この点、本実施形態のプレス成型用金型１００は、加熱プレート２４０と冷却プレート２３０は重ねて配置されているため、加熱プレート２４０を積極的に冷却することができ、オーバーシュートへの対応が可能であると共に成型素材の冷却速度を最適化することができる。

【符号の説明】

【0034】

１００…プレス成型用金型、１０１…スライド、１０２…固定部、２００…金型、２１０…ベースプレート、２２０…熱調整プレート、２３０…冷却プレート、２４０…加熱プレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】