(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】P2024140465
(43)【公開日】2024-10-10
(54)【発明の名称】熱成形装置
(51)【国際特許分類】
B29C 51/42 20060101AFI20241003BHJP
B29C 51/46 20060101ALI20241003BHJP
B29C 51/10 20060101ALI20241003BHJP
【ＦＩ】
B29C51/42
B29C51/46
B29C51/10
【審査請求】有
【請求項の数】4
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023051609
(22)【出願日】2023-03-28
(11)【特許番号】
(45)【特許公報発行日】2023-09-19
(71)【出願人】
【識別番号】304050369
【氏名又は名称】株式会社浅野研究所
(74)【代理人】
【識別番号】110000291
【氏名又は名称】弁理士法人コスモス国際特許商標事務所
(72)【発明者】
【氏名】高井 章伍
【テーマコード（参考）】
4F208
【Ｆターム（参考）】
4F208AC03
4F208AD18
4F208AK04
4F208AM10
4F208AR02
4F208AR06
4F208MA02
4F208MB01
4F208MB11
4F208MC02
4F208MC10
4F208MH07
4F208MH10
4F208MJ29
4F208MK08
4F208MK13
(57)【要約】
【課題】位置ズレなどが起きにくい熱成形装置の提供。
【解決手段】加熱手段１１０によって樹脂製シートＳの加熱を行い、金型２００を用いて樹脂製シートＳの金型賦形する熱成形装置１００において、加熱手段１１０は、複数のヒーター１１１が並べられてなり、金型２００の凸部２００ａに対応するヒーター１１１が構成する第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とを有し、加熱手段１１０には、第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、加熱制御手段２５０により、第１加熱段階として、第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで同じ出力による樹脂製シートＳへの加熱を行い、第２加熱段階として、樹脂製シートＳと金型２００を近接させて凸部２００ａに樹脂製シートＳが当接した際に、第１エリアＡ１は出力を下げた第１温度で、第２エリアＡ２は第１温度より高い第２温度で加熱する、多段式加熱制御を可能とする。
【選択図】図４
【解決手段】加熱手段１１０によって樹脂製シートＳの加熱を行い、金型２００を用いて樹脂製シートＳの金型賦形する熱成形装置１００において、加熱手段１１０は、複数のヒーター１１１が並べられてなり、金型２００の凸部２００ａに対応するヒーター１１１が構成する第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とを有し、加熱手段１１０には、第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、加熱制御手段２５０により、第１加熱段階として、第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで同じ出力による樹脂製シートＳへの加熱を行い、第２加熱段階として、樹脂製シートＳと金型２００を近接させて凸部２００ａに樹脂製シートＳが当接した際に、第１エリアＡ１は出力を下げた第１温度で、第２エリアＡ２は第１温度より高い第２温度で加熱する、多段式加熱制御を可能とする。
【選択図】図４
【特許請求の範囲】
【請求項1】
輻射式加熱手段によってシートの加熱を行い、金型を用いて前記シートの金型賦形又は基材への被覆接着する熱成形装置において、
前記輻射式加熱手段は、
複数のヒーターが並べられてなり、
前記金型の凸部に対応する前記ヒーターが構成する第１エリアと、
該第１エリアを含まない前記ヒーターが構成する第２エリアと、を有し、
前記輻射式加熱手段には、
前記第１エリアと前記第２エリアとで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、
前記加熱制御手段により、
第１加熱段階として、
前記輻射式加熱手段による前記シートへの初期加熱を行い、
第２加熱段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した際に、
前記第１エリアは出力を下げた低温加熱を行い、
前記第２エリアは前記第１エリアより出力を高めた高温加熱を行う、多段式加熱制御を可能とすること、
を特徴とする熱成形装置。
前記輻射式加熱手段は、
複数のヒーターが並べられてなり、
前記金型の凸部に対応する前記ヒーターが構成する第１エリアと、
該第１エリアを含まない前記ヒーターが構成する第２エリアと、を有し、
前記輻射式加熱手段には、
前記第１エリアと前記第２エリアとで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、
前記加熱制御手段により、
第１加熱段階として、
前記輻射式加熱手段による前記シートへの初期加熱を行い、
第２加熱段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した際に、
前記第１エリアは出力を下げた低温加熱を行い、
前記第２エリアは前記第１エリアより出力を高めた高温加熱を行う、多段式加熱制御を可能とすること、
を特徴とする熱成形装置。
【請求項2】
請求項１に記載の熱成形装置において、
前記第１エリアに対応する前記シートの部分が、成形品における位置合わせが必要な部分とすること、
を特徴とする熱成形装置。
前記第１エリアに対応する前記シートの部分が、成形品における位置合わせが必要な部分とすること、
を特徴とする熱成形装置。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載の熱成形装置において、
前記加熱制御手段は、前記シートの温度を確認する為の温度確認手段を備え、該温度確認手段により測定して得た前記シートの温度データを用いて、前記多段式加熱制御を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
前記加熱制御手段は、前記シートの温度を確認する為の温度確認手段を備え、該温度確認手段により測定して得た前記シートの温度データを用いて、前記多段式加熱制御を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
【請求項4】
請求項１に記載の熱成形装置において、
前記シートは、上部に配置される第１チャンバと下部に配置される第２チャンバの間に保持され、
前記シートを成形する際に、圧力制御手段を用いて前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの内圧を任意に制御して圧空成形を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
前記シートは、上部に配置される第１チャンバと下部に配置される第２チャンバの間に保持され、
前記シートを成形する際に、圧力制御手段を用いて前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの内圧を任意に制御して圧空成形を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、樹脂製シート材の熱成形における技術に関し、具体的には樹脂製シート材を輻射式加熱装置で加熱して成形する際に、部位によって加熱状況を変化させることで成形精度を向上させる技術である。
【背景技術】
【0002】
熱成形機は、加熱して軟化した樹脂製シート材を成形し、食品容器やブリスターパックを作るのに用いられる。また、自動車部品や家電、工業用トレーなど様々なプラスチック製品を作るのに利用されている。そして近年、熱成形機を用いて模様を転写したり、成形基材に外表面に接着したりといった用途にも、位置精度を求められる成形にも使われている。
【0003】
特許文献１には、加飾成形品の成型方法に関する技術が公開されている。樹脂製シート材を加熱した後に予備賦形を行い、さらに樹脂製シート材の再加熱を行った後に樹脂製シート材の真空成形を行っている。つまり、２段階で賦形することで、深絞り成形でかつ小さなＲ形状を賦形することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開昭６２－２５５１１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、特許文献１に記載される技術では、樹脂製シート材の成形において高精度な位置合わせを行うことは困難である。樹脂製シート材を加熱することで樹脂製シート材が軟化すると、シート自体の重量によってドローダウンが生じやすく、高精度な位置合わせが難しくなる。特許文献１に示すような、予備賦形を行った後に再加熱をして更に賦形をする方法を採った場合にも、高精度な位置合わせを実現するためには、樹脂製シート材を加熱する際に十分に軟化させる必要があるため、加熱時における樹脂製シート材の波打ちやドローダウンを避けられない。そうすると、成形品の樹脂製シート材の状態によっては位置ズレが発生したり、皺ができたりする問題の発生に繋がってしまう。
【0006】
このため、従来は樹脂製シート材がドローダウンしない程度の低温で樹脂製シート材を加熱した上で、例えば３ＭＰａ以上の超高圧の圧空をかけて成形する手法が採られていた。ただし、低温加熱・超高圧で透明な樹脂製シート材を成形した場合に、成形品内部に残留応力が生じて材料の透明度に影響が出ることがあった。また、成形するにあたって超高圧の圧空を維持する必要があるために、成形装置本体が高価になり易く、成形に時間がかかるという問題があった。
【0007】
そこで、樹脂製シート材を用いて加熱成形する場合に、比較的低圧環境下での成形であっても位置ズレなどが起きにくい熱成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記目的を達成するために、本発明の一態様による熱成形装置は、以下のような特徴を有する。
【0009】
（１）輻射式加熱手段によってシートの加熱を行い、金型を用いて前記シートの金型賦形又は基材への被覆接着する熱成形装置において、
前記輻射式加熱手段は、
複数のヒーターが並べられてなり、
前記金型の凸部に対応する前記ヒーターが構成する第１エリアと、
該第１エリアを含まない前記ヒーターが構成する第２エリアと、を有し、
前記輻射式加熱手段には、
前記第１エリアと前記第２エリアとで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、
前記加熱制御手段により、
第１加熱段階として、
前記輻射式加熱手段による前記シートへの初期加熱を行い、
第２加熱段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した際に、
前記第１エリアは出力を下げた低温加熱を行い、
前記第２エリアは前記第１エリアより出力を高めた高温加熱を行う、多段式加熱制御を可能とすること、
を特徴とする。
前記輻射式加熱手段は、
複数のヒーターが並べられてなり、
前記金型の凸部に対応する前記ヒーターが構成する第１エリアと、
該第１エリアを含まない前記ヒーターが構成する第２エリアと、を有し、
前記輻射式加熱手段には、
前記第１エリアと前記第２エリアとで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、
前記加熱制御手段により、
第１加熱段階として、
前記輻射式加熱手段による前記シートへの初期加熱を行い、
第２加熱段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した際に、
前記第１エリアは出力を下げた低温加熱を行い、
前記第２エリアは前記第１エリアより出力を高めた高温加熱を行う、多段式加熱制御を可能とすること、
を特徴とする。
【0010】
上記（１）に記載の態様により、多段式加熱制御を行う熱成形装置を用いることで比較的低圧環境下での成形であってもより位置ズレなどが起きにくい精度の高い成形を実現することが可能となる。これは、第１加熱段階でドローダウンの生じない温度となるようにシートへの初期加熱を行い、金型の凸部分にシートが当接した後に第２加熱段階として第１エリアには出力を下げた低温加熱を行い、第２エリアにはより出力を高めた高温加熱をする方式を採用したためである。
【0011】
第１加熱段階で輻射式加熱装置により加熱されたシートは、予熱された金型に当接した段階で当接部分において温度変化を生じる。金型とシートが直接接触することによる温度の変化を生じるからである。この結果、一様な加熱を続けると、必要以上に温度が上がる部分と、温度が不足する部分が出てきてしまう。これに対応するためにエリア分けして必要な加熱をすることで、加工したい部分をより加熱し、加工したくない部分の加熱を抑えて、シートを任意の形に成形し易くすることが出来る。
【0012】
具体的には、第１エリアを例えば位置合わせが必要な伸ばしたくない箇所とすることで、最初に金型の凸部に当接した後は、第１エリアは低温となるように低温加熱をし、変形させる部分に対応する第２エリアをより高い出力で高温加熱するような成形が可能である。このように多段加熱制御を行い、加熱すべきエリアを切り分けることで、変形させたい部分を重点的に加熱してシートを変形させることが可能となる。その結果、より形状精度の高い成形を可能とする。
【0013】
（２）（１）に記載の熱成形装置において、
前記第１エリアに対応する前記シートの部分が、成形品における位置合わせが必要な部分とすること、
が好ましい。
前記第１エリアに対応する前記シートの部分が、成形品における位置合わせが必要な部分とすること、
が好ましい。
【0014】
上記（２）に記載の態様により、第１エリアに対応するシートの部分は、金型の凸部に最初に当接し、第２加熱段階で低温加熱されることになるので、成形時に変形の影響を受けにくくなる。したがって成形品として位置合わせが必要な部分、例えば印刷がなされた部分や透明窓として使われる部分を第１エリアに対応させるシートの部分とすることで、成形時に生じるズレの影響を最小限に抑えることが可能である。
【0015】
（３）（１）または（２）に記載の熱成形装置において、
前記加熱制御手段は、前記シートの温度を確認する為の温度確認手段を備え、該温度確認手段により測定して得た前記シートの温度データを用いて、前記多段式加熱制御を行うこと、
が好ましい。
前記加熱制御手段は、前記シートの温度を確認する為の温度確認手段を備え、該温度確認手段により測定して得た前記シートの温度データを用いて、前記多段式加熱制御を行うこと、
が好ましい。
【0016】
上記（３）に記載の態様により、放射温度計によって被測定体となるシートの温度を把握することができ、加熱制御手段によるより正確な制御を行うことができるため、形状精度の高い成形を可能とする。
【0017】
（４）（１）に記載の熱成形装置において、
前記シートは、上部に配置される第１チャンバと下部に配置される第２チャンバの間に保持され、
前記シートを成形する際に、圧力制御手段を用いて前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの内圧を任意に制御して圧空成形を行うこと、
が好ましい。
前記シートは、上部に配置される第１チャンバと下部に配置される第２チャンバの間に保持され、
前記シートを成形する際に、圧力制御手段を用いて前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの内圧を任意に制御して圧空成形を行うこと、
が好ましい。
【0018】
上記（４）に記載の態様により、第１チャンバに圧力を供給してシートを圧空成形又は第２チャンバの減圧を行い真空成形することができる。圧空成形又は真空成形をするにあたって、低圧から加圧して徐々に圧力を高めるような多段階の圧力制御を用いて成形を行うことで、必要以上に変形させて肉厚が薄くなってしまうような問題を回避することが可能である。
【0019】
（５）（４）に記載の熱成形装置において、
前記圧力制御手段は、
前記第１チャンバに接続される第１圧力制御バルブを制御して、前記第１チャンバ内の圧力を第１加圧状態と、該第１真空状態より内圧が高い第２加圧状態とに切り替える機能、
又は、前記第２チャンバに接続される第２圧力制御バルブを制御して、前記第２チャンバ内の圧力を第１真空状態と、該第１真空状態より真空度の高い第２真空状態とに切り替える機能と、を有し、
第１加圧段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した後に、前記第１チャンバ内の圧力を前記第１加圧状態となるように制御し、又は前記第２チャンバ内の圧力を前記第１真空状態となるように制御し、
第２加圧段階として、
前記シートの成形の途中で、前記第１チャンバ内の圧力を前記第２加圧状態となるように制御し、又は前記第２チャンバ内の圧力を前記第２真空状態となるように制御する、多段式圧力制御を可能とすること、
が好ましい。
前記圧力制御手段は、
前記第１チャンバに接続される第１圧力制御バルブを制御して、前記第１チャンバ内の圧力を第１加圧状態と、該第１真空状態より内圧が高い第２加圧状態とに切り替える機能、
又は、前記第２チャンバに接続される第２圧力制御バルブを制御して、前記第２チャンバ内の圧力を第１真空状態と、該第１真空状態より真空度の高い第２真空状態とに切り替える機能と、を有し、
第１加圧段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した後に、前記第１チャンバ内の圧力を前記第１加圧状態となるように制御し、又は前記第２チャンバ内の圧力を前記第１真空状態となるように制御し、
第２加圧段階として、
前記シートの成形の途中で、前記第１チャンバ内の圧力を前記第２加圧状態となるように制御し、又は前記第２チャンバ内の圧力を前記第２真空状態となるように制御する、多段式圧力制御を可能とすること、
が好ましい。
【0020】
上記（５）に記載の態様により、圧力制御手段を用いて多段に第１チャンバ内又は第２チャンバの圧力を変化させることができるので、第２加圧段階に移行した際にシートの加熱に応じた圧空成形又は真空成形をすることができ、シートの破れや厚みが不均一になるなどの問題が発生することを抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本実施形態の、熱成形装置の概略構成についての説明図である。
【図2】本実施形態の、熱成形装置に用いるヒーターの平面図である。
【図3】本実施形態の、成形の第３工程を示す説明図である。
【図4】本実施形態の、成形の第４工程を示す説明図である。
【図5】本実施形態の、成形の第５工程を示す説明図である。
【図6】本実施形態の、ヒーターの平面図で第３工程に対応している。
【図7】本実施形態の、ヒーターの平面図で第４工程に対応している。
【図8】本実施形態の、成形手順を示すタイムチャートである。
【図9】本実施形態の、熱成形装置のシステムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0022】
まず、本発明に係る実施形態の熱成形装置１００の構成の概略について説明をする。図１は、本実施形態の、熱成形装置１００の概略構成について説明する説明図である。熱成形装置１００は、第１チャンバ１０１、第２チャンバ１０２、加熱手段１１０、及び金型２００を有している。第１チャンバ１０１と第２チャンバ１０２で、成形対象となる樹脂製シートＳを保持し、上側に配置された加熱手段１１０で加熱しながら成形をする構成の熱成形装置１００である。
【0023】
熱成形装置１００の、第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２には、それぞれ後述するコンプレッサーや真空ポンプが接続され、コンプレッサーや真空ポンプを作動させることで第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２内の圧力調整を行うことができる。第１チャンバ１０１は下方に開口し、第２チャンバ１０２は上方に開口し、第１チャンバ１０１と第２チャンバ１０２を昇降させることで樹脂製シートＳを挟み込むことのできる構造とすることで、樹脂製シートＳを保持する。
【0024】
第１チャンバ１０１には、図示しないコンプレッサーや加圧タンクが接続され、後述する第１バルブＶ１を第１配管Ｐ１の途中に備えることで、第１チャンバ１０１内部を任意の圧力に加圧することができる。第２チャンバ１０２には、図示しない真空ポンプが接続され、後述する第２バルブＶ２を第２配管Ｐ２の途中に備えることで、第２チャンバ１０２内部を任意の圧力に減圧することができる。第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２は、樹脂製シートＳの成形時に行う加圧・及び減圧した際に生じる内圧に耐えられる構造である。第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２は、任意に圧力制御が可能な圧力制御バルブを用いている。
【0025】
樹脂製シートＳは、熱可塑性樹脂のポリカーボネートよりなり、厚さ３００μｍ程度の矩形にカットされたシート材を採用している。この材質や厚みはあくまで一形態の例示である為、樹脂製シートＳの材質や厚みはこれに限定されるものではないが、本発明は比較的薄手の樹脂シート加工における問題解決を目指すものである為、被加工物となる樹脂製シートＳの厚みは２５０μｍ～５００μｍ程度のシート材を用いることを想定している。なお、厚手の板材に用いることを妨げるものではなく、本発明を厚手の板材の成形に適用したとしても、有効な効果を奏することが期待できる。
【0026】
図２に、熱成形装置１００に用いているヒーターの平面図を示す。加熱手段１１０は、樹脂製シートＳの上方に配置されて、樹脂製シートＳを上面から加熱する目的で用いられる輻射式加熱を行うヒーター１１１群であり、図２に示すように、上側昇降装置１２０の下面にヒーター１１１がタイル状に並べられてなる。図２では、説明の為に４行８列に整列するように描いているが、必要に応じてこれを増減することを妨げない。行列を増やすことで、より細かい形状に対応できるようになる。
【0027】
加熱手段１１０は、上側昇降装置１２０に保持されており、上側昇降装置１２０は後述する第１駆動装置１２１によって、第１チャンバ１０１内を任意の高さに加熱手段１１０を移動可能な構成となっている。また、それぞれのヒーター１１１は、後述する加熱制御手段２５０に接続されて任意に出力調整することができる。
【0028】
上側昇降装置１２０の上部には、上側昇降装置１２０及び加熱手段１１０に設けられた隙間より、樹脂製シートＳの表面を狙って温度を測定する温度計（Ｓ１、Ｓ２）が設けられている。第１温度計Ｓ１及び第２温度計Ｓ２は樹脂製シートＳの温度を非接触で測定する放射温度計を用いている。なお、温度計は後述する理由から必要に応じた数を設置する。
【0029】
金型２００は、後述する第２駆動装置２１１によって任意の高さに昇降可能な下側昇降装置２１０に保持されており樹脂製シートＳの成形に用いる。金型２００には凸部２００ａが形成されている。凸部２００ａは樹脂製シートＳより成形されて作られる成形品Ｍの、例えば模様が印刷されてズレが生じたら困る部分や、透明度が必要で内部歪みが生じたら困るような部分に対応する部分としている。便宜的に金型２００の凸部２００ａ以外の部分については、便宜的に低部２００ｂと定義する。
【0030】
そして、金型２００の凸部２００ａは、図２に示す加熱手段１１０のうち第１エリアＡ１に対応している。第１エリアＡ１は図２において二点鎖線で囲まれた４枚のヒーター１１１が含まれる領域で、それ以外の領域を第２エリアＡ２としている。金型２００は、凸部２００ａとそれ以外の低部２００ｂよりなり、加熱手段１１０の第２エリアＡ２は、低部２００ｂ及びその周りに樹脂製シートＳが当接する部分に対応する。なお、この加熱手段１１０の領域を２つより増やすことを妨げない。
【0031】
図９に、熱成形装置のシステムの概略図を示す。加熱手段１１０は説明の都合で作図を省略しているが、ヒーター１１１がそれぞれ加熱制御手段２５０に接続されている。また、加熱制御手段２５０には、第１温度計Ｓ１及び第２温度計Ｓ２が接続され、ヒーター１１１の制御のトリガーに温度計（Ｓ１及びＳ２）のデータを用いている。第１温度計Ｓ１は第１エリアＡ１に対応するシートの部分を狙い、第２温度計Ｓ２は第２エリアＡ２に対応するシートの部分を狙うように設置されている。なお、温度計の数を必要に応じて増やすことを妨げない。加熱手段１１０を、第１エリアＡ１及び第２エリアＡ２に加えて更にエリアを増やした場合に、それに応じて温度計を増やし、加熱制御手段２５０に利用することが可能である。
【0032】
上側昇降装置１２０を駆動させる第１駆動装置１２１と、下側昇降装置２１０を駆動させる第２駆動装置２１１は、駆動制御手段２６０に接続されている。第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２は、図９には描いていないがそれぞれに接続する第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２は圧力制御手段２７０に接続されている。そして、これら加熱制御手段２５０、駆動制御手段２６０及び圧力制御手段２７０は制御盤３００に備えられている。
【0033】
次に、樹脂製シートＳの成形する手順について説明を行う。成形の様子は図１、図３乃至図５で示しており、成形は、図１、図３、図４、図５の順に行われる。図８に、成形時における各機能を制御するタイムチャートのイメージを示す。横軸には時間経過ｔ１～ｔ６を示し、工程を区切っている。以下に、第１工程Ｐｒ１乃至第６工程Ｐｒ６に分けて、図８に基づいてそれぞれの機器の動作について説明する。
【0034】
まず、第１工程Ｐｒ１では、図１に示すように投入された樹脂製シートＳを第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２で挟持するように、第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２が閉じられる。
【0035】
次に、第２工程Ｐｒ２では、上側昇降装置１２０を降下させた位置に加熱手段１１０を保持し、樹脂製シートＳに対して上側から加熱する（図１の状態）。加熱手段１１０は、ヒーター１１１を用いた初期加熱を行う。この際の加熱は、樹脂製シートＳが少し軟化する程度とし、第１温度計Ｓ１及び第２温度計Ｓ２で設定温度に達することを確認するまで加熱を行う。本実施形態では樹脂製シートＳをポリカーボネートとしており、その軟化温度は１５０度程度なので、この時点で第１加熱段階として、ポリカーボネートが熱変形を始める１４０度前後の温度まで加熱する。この際には、素早く樹脂製シートＳの加熱を完了したいので、ヒーター１１１の点火率（出力）は１００％に設定している。
【0036】
次に、第３工程Ｐｒ３では、図３に示すように、上側昇降装置１２０を上昇させて加熱手段１１０を持ち上げる（図８では「ヒーター」と表記）と共に、下側昇降装置２１０によって金型２００を上昇させて樹脂製シートＳに当接させる（図８ではテーブルと表記）。この際に、金型２００の凸部２００ａが、金型２００の他の部分（低部２００ｂ）より先に樹脂製シートＳに当接する。こうして、樹脂製シートＳを加熱手段１１０で加熱しながら当接させることで、樹脂製シートＳを変形させる。ここで、金型２００の方が低め（１２０度程度）に加熱されているため、凸部２００ａが樹脂製シートＳに当接することで、部分的に温度が下がる。
【0037】
この際に、加熱制御手段２５０によって、図６に示すように、いずれのヒーター１１１も同じ出力での加熱を行う第１加熱段階から、図７に示すように、第２加熱段階として第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで温度設定を変えて加熱する状態に切り替える。ここで、図７に示す第１エリアＡ１は、加熱手段１１０の金型２００の凸部２００ａと対応する位置であり、第２エリアＡ２はそれ以外の位置である。第１エリアＡ１に対応するヒーター１１１は、第３工程Ｐｒ３の時に引き続き点火率１０％とし、第２エリアＡ２を含むそれ以外（第１エリアＡ１に対応するヒーター１１１を囲む位置に配置された）のヒーター１１１の点火率は５０％としている。したがって、低部２００ｂに当接させる樹脂製シートＳの部分を積極的に加熱することになる。
【0038】
次に、第４工程Ｐｒ４では、樹脂製シートＳの表面温度が１７０度に到達したことをトリガーとして（第２温度計Ｓ２にて検出）、第１チャンバ１０１に加圧し、第２チャンバ１０２を減圧し始め、成形を開始する。第４工程Ｐｒ４は所定時間、経過時間ｔ３から経過時間ｔ４まで第１チャンバ１０１への加圧は第１バルブＶ１によって供給する圧縮空気の空気量を絞り（図８では「上微圧空」と表記）、第２チャンバ１０２の減圧は第２バルブＶ２によって排気する空気量を絞って（図８では「下微真空」と表記）低圧での成形を行う。第１バルブＶ１と第２バルブＶ２は圧力制御手段２７０によってその開度が制御される。具体的には、第1チャンバ１０１内の圧力は、０．１ＭＰａとなるように制御され、第２チャンバ１０２内の圧力は、－０．０５ＭＰａとなるように制御されている。
【0039】
次に、第５工程Ｐｒ５では、図５に示すように、第１チャンバ１０１への圧縮空気の供給量を増やし（図８では「上圧空」と表記）、第２チャンバ１０２からの排気する空気量を増やし（図８では「下本真空」と表記）て、つまり、第１バルブＶ１及び第２バルブＶ２を開放して、前の工程よりも高い圧力での成形を行う。ここで、図８に示すように、第１バルブＶ１の開放タイミングは、第２バルブＶ２の開放タイミングに遅れて制御されている。具体的には、第１チャンバ１０１内の圧力は０．７ＭＰａとなるように制御され、第２チャンバ１０２内の圧力は－０．１ＭＰａとなるように制御される。
【0040】
最後に、第６工程Ｐｒ６では、第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２の内圧を大気圧に戻す。その後、第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２を開放して、樹脂製シートＳを圧空成形した成形品Ｍの取り出しを行う。
【0041】
本実施形態の熱成形装置１００は上記構成であるため、以下に示すような作用及び効果を奏する。
【0042】
まず、位置ズレなどが起きにくい、より高い精度の成形品Ｍの圧空成形が可能となる。これは、輻射式加熱装置（加熱手段１１０）によって樹脂製シートＳの加熱を行い、金型２００を用いて樹脂製シートＳの金型賦形する熱成形装置１００において、加熱手段１１０は、複数のヒーター１１１が並べられてなり、金型２００の凸部２００ａに対応するヒーター１１１が構成する第１エリアＡ１と、第１エリアＡ１を含まないヒーター１１１が構成する第２エリアＡ２と、を有し、加熱手段１１０には、第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備えている。
【0043】
そして、加熱制御手段２５０により、第１加熱段階として、第１エリアＡ１と第２エリアＡ２とで同じ出力による樹脂製シートＳへの加熱を行い、第２加熱段階として、樹脂製シートＳと金型２００を近接させて凸部２００ａに樹脂製シートＳが当接した際に、第１エリアＡ１は出力を下げた第１温度で、第２エリアＡ２は第１温度より高い第２温度で加熱する、多段式加熱制御を可能とすることで精度の高い成形を実現する。
【0044】
つまり、第１加熱段階で速やかに樹脂製シートＳの加熱を、ドローダウンしない温度にまで加熱した段階で金型２００を樹脂製シートＳに接触させることで、樹脂製シートＳのドローダウンを防ぐ事ができる。更に、加熱する箇所をエリア分けして、加熱手段１１０に低温で加熱する第１エリアＡ１と、第１エリアＡ１より高温で加熱する第２エリアＡ２を設けることで、変形させる必要のある樹脂製シートＳの部分を第２エリアＡ２に必要な加熱をすることで、変形させることが可能となる。したがって、結果的に加熱制御手段２５０でヒーター１１１を制御しながら多段階加熱を行うことで、樹脂製シートＳのドローダウンを防いで成形品Ｍの成形精度を高めることが可能となる。
【0045】
この際に、第１エリアＡ１に対応する樹脂製シートＳの部分に、位置合わせが必要な部分、例えば樹脂製シートＳの表面に印刷がなされており、ズレを生じると成形品Ｍとして整形された時に製品の性能に影響が出る場合や、成形時に生じる歪の影響で透明度に影響が出るような部分とすることで、ズレを生じたり内部歪の影響で透明部分が透過しづらくなったりすることを防ぐことができる。第１エリアＡ１に対応する樹脂製シートＳの部分は、金型２００の凸部２００ａに成形するにあたって最初に当接する部分となる。そして、第１エリアＡ１は第２加熱段階にて出力を第２エリアＡ２より更に絞るので、加熱しすぎて樹脂製シートＳを必要以上に変形させ、場合によっては皺が寄ったり破れたりすることを防ぎ、樹脂製シートＳを狙った形状に成形することが可能である。
【0046】
また、圧空成形は、図８に示すように多段階でのチャンバ内圧の制御をした成形を行っている。一番下に示す「真空圧力」のグラフは、経過時間ｔ３から経過時間ｔ４までは、第２チャンバ１０２内の圧力が低圧（－０．０５ＭＰａ）で成形をしていることを示している。この時には、上述するように、第１チャンバ１０１には「上微圧空」の制御をＯＮにして、内圧が０．１ＭＰａとなるように圧力制御手段２７０によって第１配管Ｐ１からの圧縮空気を第１バルブＶ１で絞りながら供給し、第２チャンバ１０２には「下微真空」の制御をＯＮにして、内圧が－０．０５ＭＰａとなるように圧力制御手段２７０によって第２配管Ｐ２からの排気を第２バルブＶ２で絞りながら行っている。これが第１加圧段階である。
【0047】
次に、経過時間ｔ４から経過時間ｔ５まではより高圧（第１チャンバ１０１内は０．７Ｍｐａで、第２チャンバ１０２内は－０．１ＭＰａとなるように制御）で熱成形をする第２加圧段階に移る。このように多段階の加圧をすることで、精密な成形が可能になる。いきなり高圧の圧空を行うと樹脂製シートＳが必要以上に薄くなったり破れたりするなどの問題に繋がりやすいので、多段階加圧をすることで成形品Ｍの厚みを均一する成形を実現している。
【0048】
このように多段階加熱と多段階加圧を組み合わせて樹脂製シートＳをチャンバ内圧の制御を行いながら熱成形することで、加熱時の樹脂製シートＳのドローダウンを防ぎ、成形時に金型２００にしっかりと樹脂製シートＳを押し付けて形状精度の高い成形を実現することが可能となる。そして、従来のような低温加熱・超高圧を用いて樹脂製シートＳを行う必要が無くなることで、装置校製を単純化でき、コストの低減にも期待ができる。
【0049】
以上、本発明に係る熱成形装置１００に関する説明をしたが、本発明はこれに限定されるわけではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。例えば、例示した材質や温度は、適宜変更することを妨げない。また、温度勾配をさらに付けたければ、第２加熱段階で加熱手段１１０を樹脂製シートＳに近接させることで、より樹脂製シートＳ上での温度勾配をハッキリつけることができる。凹凸が多く複雑な形状に成形するためには、第２加熱段階でのヒーター１１１の移動は有効である。逆に、加熱手段１１０を樹脂製シートＳから遠ざければ温度勾配は緩やかにすることができる。
【0050】
また、多段階加熱として、第１加熱段階において、樹脂製シートＳに対する初期加熱には、ヒーター１１１の点火率を１００％にすると説明しているが、必要に応じて加熱手段１１０を第１エリアＡ１、第２エリアＡ２とは異なるエリア分けをして、或いは第１エリアＡ１、第２エリアＡ２のエリア分けに応じて点火率を変えて加熱することを妨げない。例えば、樹脂製シートＳの周囲よりも中央部分の点火率を低く設定することで、樹脂製シートＳの加熱を均一に行う様なことが考えられる。こうした第１加熱段階に求められるのは、樹脂製シートＳへのスムーズな加熱とドローダウンなどの問題が生じないような工夫であるため、その後、第２加熱段階に求められる特定の部位の昇温を極力下げておきたいという目的とは異なる。本発明ではこうした第１加熱段階と第２加熱段階とで異なる加熱条件を設定した多段階加熱を行うことで、樹脂製シートＳの高精度な成形を実現している。
【0051】
また、本実施形態では金型２００を用いた金型賦形の例を示しているが、基材に対して樹脂製シートＳを被覆接着する熱成形に対しても本発明を用いることを妨げるものではない。本発明を金型賦形に用いる場合であっても、基材に対する樹脂製シートＳの密着性を高めることができ、より精度の高い成形を実現することができる。また、本実施形態では第１加熱段階や第２加熱段階のトリガーに、第１温度計Ｓ１及び第２温度計Ｓ２より得たデータを用いている。しかしながら、温度データをトリガーにする方法とは別に、時間をトリガーにしたり、真空度を見てトリガーにしたりすることは考えられるので、適宜変更することを妨げない。
【0052】
また、本実施形態では熱成形装置１００の第１チャンバ１０１及び第２チャンバ１０２の内圧について例示し、図８でそのタイミングについて説明を行っている。しかしながら、第１加圧段階では低圧に、第２加圧段階ではより高圧にするという多段階の制御をすることが発明の要旨なので、樹脂製シートＳの厚みや温度に合わせて適宜その数値を多少増減することを妨げない。
【符号の説明】
【0053】
Ｓ 樹脂製シート
Ａ１ 第１エリア
Ａ２ 第２エリア
１００ 熱成形装置
１１０ 加熱手段
１１１ ヒーター
２５０ 加熱制御手段
２００ 金型
２００ａ 凸部
Ａ１ 第１エリア
Ａ２ 第２エリア
１００ 熱成形装置
１１０ 加熱手段
１１１ ヒーター
２５０ 加熱制御手段
２００ 金型
２００ａ 凸部
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【手続補正書】
【提出日】2023-08-07
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
輻射式加熱手段によってシートの加熱を行い、金型を用いて前記シートの金型賦形又は基材への被覆接着する熱成形装置において、
前記輻射式加熱手段は、
複数のヒーターが並べられてなり、
前記金型の凸部に対応する前記ヒーターが構成する第１エリアと、
該第１エリアを含まない前記ヒーターが構成する第２エリアと、を有し、
前記輻射式加熱手段には、
前記第１エリアと前記第２エリアとで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、
前記加熱制御手段により、
第１加熱段階として、
前記輻射式加熱手段による前記シートへの初期加熱を行い、
第２加熱段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した際に、
前記第１エリアは出力を下げた低温加熱を行い、
前記第２エリアは前記第１エリアより出力を高めた高温加熱を行う、前記第１加熱段階と前記第２加熱段階とで異なる加熱条件を設定した多段式加熱制御を可能とすること、
を特徴とする熱成形装置。
前記輻射式加熱手段は、
複数のヒーターが並べられてなり、
前記金型の凸部に対応する前記ヒーターが構成する第１エリアと、
該第１エリアを含まない前記ヒーターが構成する第２エリアと、を有し、
前記輻射式加熱手段には、
前記第１エリアと前記第２エリアとで異なる出力制御を可能とする加熱制御手段を備え、
前記加熱制御手段により、
第１加熱段階として、
前記輻射式加熱手段による前記シートへの初期加熱を行い、
第２加熱段階として、
前記シートと前記金型を近接させて前記凸部に前記シートが当接した際に、
前記第１エリアは出力を下げた低温加熱を行い、
前記第２エリアは前記第１エリアより出力を高めた高温加熱を行う、前記第１加熱段階と前記第２加熱段階とで異なる加熱条件を設定した多段式加熱制御を可能とすること、
を特徴とする熱成形装置。
【請求項2】
請求項１に記載の熱成形装置において、
前記第１エリアに対応する前記シートの部分が、成形品における位置合わせが必要な部分とすること、
を特徴とする熱成形装置。
前記第１エリアに対応する前記シートの部分が、成形品における位置合わせが必要な部分とすること、
を特徴とする熱成形装置。
【請求項3】
請求項１または請求項２に記載の熱成形装置において、
前記加熱制御手段は、前記シートの温度を確認する為の温度確認手段を備え、該温度確認手段により測定して得た前記シートの温度データを用いて、前記多段式加熱制御を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
前記加熱制御手段は、前記シートの温度を確認する為の温度確認手段を備え、該温度確認手段により測定して得た前記シートの温度データを用いて、前記多段式加熱制御を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
【請求項4】
請求項１に記載の熱成形装置において、
前記シートは、上部に配置される第１チャンバと下部に配置される第２チャンバの間に保持され、
前記シートを成形する際に、圧力制御手段を用いて前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの内圧を任意に制御して圧空成形を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。
前記シートは、上部に配置される第１チャンバと下部に配置される第２チャンバの間に保持され、
前記シートを成形する際に、圧力制御手段を用いて前記第１チャンバ又は前記第２チャンバの内圧を任意に制御して圧空成形を行うこと、
を特徴とする熱成形装置。