JP2017001220A - 積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】小ロットの生産の場合でも採算が取れるよう、成形型製造にかかる材料費を抑えることができると共に、ＮＣ加工機等による切削加工工程を必要とせず、製造期間並びに製造コストを極力減ずる事のできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法の提供。【解決手段】射出成形用の成形型であって、当該成形型は積層造形によって形成されると共に、その少なくとも一部は、樹脂材料を積層造形によって積層一体化してなる積層造形成形型を提供する。【選択図】図１

Description

本発明は、射出成形用の積層造形成形型に関し、特に小ロットの生産の場合でも採算が取れるよう、成形型製造にかかる材料費を抑えることができると共に、ＮＣ加工機等による切削加工工程を必要とせず、製造期間並びに製造コストを極力減ずる事のできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法に関する。

従来より、金属粉末などの無機質粉末あるいは樹脂粉末などの有機粉末の層に対して、レーザビームなどの光ビームを照射して硬化させ、硬化層を積層して３次元形状造形物を形成する技術は知られている。かかる３次元形状造形技術では、粉末の層に光ビームを照射し、粉末を溶融固化（金属粉末の場合には焼結）させて結合させることによって結合層を形成し、この結合層の上にさらに粉末の層を被覆すると共に、この粉末に光ビームを照射して同様に結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、これを繰り返すことによって、複数の結合層が積層一体化された粉末結合体を製造する事ができる。この方法で製造した３次元形状の積層造形物は、CADデータから直接変換したデータにより製造できる為、通常の機械加工で製造する場合よりも、迅速に加工が完了する。その為、該方法は、複雑な形状及び複数の部品を組み合わせた射出成形用の成形型を製造するのに好適であり、該方法を用いる事で成形型製造にかかる製造コスト及び製造期間を大幅に減じる事が可能になる。

従前においても、３次元形状の積層造形物として射出成形用の成形型を製造する技術については種々検討され、提案されている。

例えば、特許文献１（特開２００８−１０１２５６号公報）では、光ビームを利用して金属の粉末を層状に連続的に硬化させて製造する３次元形状の積層造形物で、外形が１００ｍｍを超える大きさの造形物を、ベースプレートの反りを少なくすることで形状の歪みを少なくして製造できる、積層造形金型とその製作方法が提案されている。即ち、この特許文献１では、ベースプレート上に堆積した金属粉を硬化させた積層造形物からなる積層造形金型であって、 前記積層造形物と前記ベースプレートとの間に、前記ベースプレートとの接触面以外の面は前記積層造形物で囲まれてなる空間を有し、前記空間を前記積層造形物に形成したことを特徴とする積層造形金型が提案されている。

また、特許文献２（特開２００２−３２２５０１号公報）では、粉末結合体内に最適な形状で、自由に形成した流体経路で各種の機能を持たせることができる成形金型が提案されている。即ち、該文献２では、粉末の層の所定箇所に光ビームを照射して溶融結合させることによって粉末が結合した結合層を形成し、この結合層の上に粉末の層を被覆すると共にこの粉末の所定箇所に光ビームを照射して結合させることによって下の結合層と一体になった結合層を形成し、これを繰り返すことによって複数の結合層が積層一体化された粉末結合体で三次元形状造形物を作製するにあたって、光ビームの照射条件を変えて粉末結合体の密度を部分的に変化させることによって、密度が低い部分で入口と出口を有する流体経路を形成することを特徴とする三次元形状造形物の製造方法、及びその方法で製造された成形金型が提案されている。

さらに、従前においては、樹脂製の成形型も提案されている。即ち、ＮＣ加工機等を用いた従来の切削方法により成形型を製造する場合において、成形型の材料として樹脂を用いる事で、型の製造期間の短縮並びに製造コストの削減を図る技術についても提案されている。

例えば、特許文献３（特開２００９−０３４８９３号公報）では、ウレタンチップが充填される第１型と、前記第１型とキャビティを形成する第２型とを備え、前記第１型および前記第２型を型閉めした状態において、前記キャビティ内に充填圧縮された前記ウレタンチップを蒸気にて加熱してウレタン成形品に成形するウレタン成形型において、前記第１型および前記第２型は、合成樹脂にて構成されていることを特徴とするウレタン成形型が提案されている。

また、特許文献４（特開２００７−２６８９９９号公報）では、硬質の合成樹脂を切削し空隙を形成して樹脂型を製作し、該樹脂型の表面に金属の溶射の温度に耐え得る耐温保護膜を形成し、しかる後に該耐温保護膜が形成された前記樹脂型の表面に前記金属の溶射を施して金属被膜を形成し、内部が前記硬質の合成樹脂であり表面のみが金属である金型とすることを特徴とする金型及び金型の製造方法が提案されている。

特開２００８−１０１２５６号公報 特開２００２−３２２５０１号公報 特開２００９−０３４８９３号公報 特開２００７−２６８９９９号公報

前述の通り、従前においても３次元積層技術を利用して、３次元形状の積層造形物として射出成形用の成形型を製造する技術については種々検討され、提案されている。

しかしながら、かかる３次元積層技術を利用した成形型は、前記特許文献１や特許文献２で示されているように、金属粉末を使用して積層造形するものであった。射出成形は、複雑な形状の製品を大量生産するのに適している一方、数個から数百個という小ロットの生産の場合には、成形型加工にかかるコストと時間によって採算が取れないことが多かった。特に、金属粉末を用いて成形型を製造する場合には材料費が多くかかる為、小ロットの生産では金型費の償却が困難になる場合があった。また、金属粉末を利用した積層造形装置は大型かつ効果である事から、設置場所及び設置費用の点で未だ十分に普及していないのが実情である。 そこで、本発明では小ロットの生産の場合でも採算が取れるよう、製造装置の導入費用を低く抑え、また成形型製造にかかる材料費を抑えることができ、製造コストを極力減ずる事のできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法を提供する事を第１の課題とする。

また、金属粉末を用いて積層造形する場合には、金属の重量が問題となり、造形物の形状によっては別部材として造形物が落下しないよう支持するサポート材を用意する必要があった。このサポート材によって、例えば庇のように造形物の上部分が左右方向に拡がる形状の場合であっても、空中に留まることができ、造形物の落下を防ぐことができる。しかしながら、該サポート材は別部材として用意する必要がある為、結果として成形型製造にかかるコストをアップさせてしまう要因になっていた。

そこで、本発明では積層造形によって成形型を製造するに当たり、サポート材等の別部材を用意する必要が無く、製造コストを極力減ずることのできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法を提供する事を第２の課題とする。

さらに、金属製の成形型を用いて樹脂の射出成形を行う場合、成形型温度を高くして完全溶融させた樹脂を流動させやすくする為、成形型におけるクリアランス（例えばパーティングライン等）にバリが生じやすいものであった。また、成形型温度を高くして射出成形した場合には、積層造形された成形型が熱によって強度が脆くなる為に、剥離や欠けを生じやすいものとなっていた。

そこで、本発明では積層造形された成形型におけるクリアランスにバリが生じ難く、型に剥離や欠けが生じる可能性を極力減ずる事のできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法を提供する事を第３の課題とする。

また、特許文献３や特許文献４のように、成形型の材料として樹脂を用いる事で、型の製造期間の短縮並びに製造コストの削減を図る技術についても提案されている。しかしながら、何れもＮＣ加工機等による切削加工工程は変わらず必要である為、製造期間の大幅な短縮には繋がらなかった。特に、特許文献４では、合成樹脂によって樹脂型を製作し、さらに該樹脂型の表面に金属の溶射の温度に耐え得る耐温保護膜を形成する必要がある為、製造にかかる手間が多くなっていた。

そこで、本発明では成形型の製造に当たり、ＮＣ加工機等による切削加工工程を必要とせず、製造期間を極力減ずる事のできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法を提供する事を第４の課題とする。

前記課題の少なくとも何れかを解決するべく、本発明では３次元形状造形技術を用いて射出成形用の積層造形成形型を製造すると共に、当該成形型の材料には樹脂材料を用いる事で、型製造にかかる期間及びコストを効果的に減ずる事のできる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法を提供する。

即ち、本発明では射出成形用の積層造形成形型であって、当該成形型の少なくとも一部は、樹脂材料を積層一体化してなる事を特徴とする積層造形成形型を提供するものである。

本発明にかかる成形型は、前述の通り３次元形状造形技術を用いて製造される。３次元形状造形技術を用いて成形型を製造する事で、CADデータから直接変換したデータにより製造できる為、通常の機械加工で製造する場合よりも、迅速に加工が完了する。即ち、ＮＣ加工機等による切削加工工程を必要としない他、成形型における複数の部品を製作及び組立する必要が無い為、型製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる。また、３次元形状造形技術では、粉末材料、液体材料、及び流動状態である材料の少なくとも何れかの材料を硬化させた層を１層ずつ積層して形成する為、複雑な形状であっても加工ができ、例えば従来の切削加工では加工が困難であったアンダーカット部分等の加工も容易なものとなる。

なお、使用する３次元形状造形技術としては特段の制限は無く、樹脂材料を用いて成形型を製造できれば良い為、要求される表面精度及び寸法精度等を加味して適宜選定する事ができる。例えば、光造形やインクジェット方式、或いは粉末焼結造形や、熱溶融積層造形等の方法を選択使用する事ができ、３Ｄプリンターなどを用いて実施する事ができる。但し、本発明においてはインクジェット方式を用いて成形型を製造するのが望ましい。これは、インクジェット方式における３次元造形技術を用いて成形型を製造する事で、滑らかな表面状態が確保できる他、高精度な微細積層が可能な為、高品質な成形品を成形できる成形型を製造できる為である。

また、本発明では当該成形型の少なくとも一部を、樹脂材料を用いて形成する。即ち、成形型における入れ子部分のみを樹脂材料で形成しても良いし、取付板や型板等のモールドベース部分についても樹脂材料で形成しても構わない。但し、当該成形型を用いて射出成形する場合の型の摺動性、強度、或いは破損した場合の交換性等を鑑みると、入れ子のみを樹脂材料で形成するのが望ましい。樹脂材料を用いて成形型を製造する事によって、金属材料を用いて製造した場合と比較して材料費用を安価に抑える事ができる。また、全体重量を軽量化することができる為、積層造形する際に造形物が落下しないよう支持するサポート材等を別途用意する必要が無い。その結果、樹脂材料を用いて成形型を製造する事によって成形型製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる。

なお、成形型に使用できる樹脂材料の種類としては天然樹脂、合成樹脂等を広く利用する事ができるが、本発明にあってはPP(ポリプロピレン)、ABS、アクリル等を含む熱可塑性樹脂や光硬化樹脂を用いるのが望ましい。熱可塑性樹脂を用いて成形型を製造する事によって、３次元形状造形技術として熱溶融積層造形を用いた場合にも熱で溶融及び積層するのが容易となり、寸法精度の高い成形型を製造する事ができる為である。３次元形状造形技術を用いて成形型を製造するに当たり、当該樹脂材料は単体で使用しても良いし、３次元形状造形技術として前述したような光造形やインクジェット方式等を用いる場合には、エポキシ系の紫外線硬化性樹脂（或いは光硬化性樹脂）を用いたり、樹脂材料に別途硬化剤を混合させたり、金属やガラスなどの無機又は有機充填剤を配合して使用する等しても構わない。金属やガラスなどの無機充填剤を配合する事により、機械的強度を高める事ができる他、熱電ろう率を高めて冷却効率を高める事ができる。特に、エポキシ系の紫外線硬化性樹脂として、ABS等の樹脂材料に近い性質を持つ樹脂を用いる事で強度と剛性にも優れた成形型を製造する事ができる。ABS等の樹脂材料に近い性質を持つ樹脂としては、例えば、ABSライク樹脂(Stratasys製RGD5160-DM)等が挙げられる。

また、樹脂材料を用いて成形型を製造する事によって、金属特有の錆びが発生する事も無く、メンテナンス性にも優れる。一方で、熱伝導率が金属と比べて低い為に、成形型の大きさを縮小化して、冷却効果を高める事が望ましい。具体的には、当該成形型の外側面から樹脂材料が充填されるキャビティまでの距離が2mm以上、10mm以下となるよう形成する事ができる。成形型の外側面から樹脂材料が充填されるキャビティまでの距離を2mm以上、10mm以下に形成する事で、成形型の外枠からキャビティまでの距離を短くする事ができる為、成形型をコンパクトに形成でき、製造にかかるコストを抑える事ができるのみならず、冷却効率を高める事ができる。これを例えば、成形型の外側面から樹脂材料が充填されるキャビティまでの距離が10mmより大きくなるよう形成した場合（即ち、成形型の外枠からキャビティまでの距離を長くした場合）には、成形型が大きく形成される為、結果製造コストが嵩んでしまい、また樹脂製の成形型に熱が蓄積されることになる。一方で、成形型の外側面から樹脂材料が充填されるキャビティまでの距離が2mmより小さくなるよう形成した場合（即ち、成形型の外枠からキャビティまでの距離を極端に短くした場合）には、温調用孔やゲート等を配置するスペースが少なくなる為、修正が必要な場合にも修正が困難になる可能性があり、要求される品質の成形品が得られない可能性が生ずる。

本発明では、上記積層造形成形型を用いた樹脂の射出成形方法を用いる事で、より一層品質の良い成形品を得る事が可能となる。その具体的な構成を説明する。本発明にかかる射出成形方法では、成形型に使用する材料のガラス転移温度と、成形する樹脂材料のガラス転移温度との温度比（即ち、成形型に使用する材料のガラス転移温度：成形する樹脂材料のガラス転移温度）が1：1.5〜1：3.0となる材料で形成した成形型を使用し、当該温度比となる樹脂材料を、そのキャビティ内に射出するのが望ましい。かかる構成とする事で、成形する樹脂材料を成形型のキャビティ内で確実に固化させる事ができ、確実な成形が可能になる為である。使用する具体的な材料としては、例えば成形型の材料としてエポキシ系の紫外線硬化性樹脂であるABSライク樹脂(Stratasys製RGD5160-DM：ガラス転移温度47℃〜53℃)を使用した場合には、成形する樹脂材料としてABS(ガラス転移温度80℃〜125℃)や、ポリスチレン(ガラス転移温度100℃)、或いはポリメタクリル酸メチル(ガラス転移温度90℃)、等を使用するのが望ましい。

なお、上記構成にした場合、射出充填中の成形型温度が、成形型が変形しない温度になるように、望ましくは成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう冷却手段を設けるのが尚望ましい。射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう構成する事で、成形型が熱による変形が生じる事無く、高品質の成形品を得る事が可能になる。具体的には、射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう構成する事で、成形品の成形後の収縮を効果的に抑える事ができると共に、パーティングライン等のクリアランスからバリが生じる可能性や、成形型に剥離や欠けが生じる可能性を効果的に減じる事ができる。即ち、射出成形にて射出される熱可塑性樹脂は溶融すると膨らみ、冷却固化を始めると収縮する性質がある。

通常、成形型に注入された樹脂は成形型に接している部分、即ち「スキン層」が最初に形成され、徐々に内部に樹脂が流れ、冷却固化していく。そして、表面が固化する（スキン層が形成される）と、成形収縮が小さくなり、寸法が安定する。一方で、成形型温度を高くした場合には、本来形成される「スキン層」が安定せずに内部（特に肉厚部）は完全に固化していない状態となる。つまり、冷却が不十分な状態で成形型から取り出される為、成形品内部の熱により「スキン層」も不活性化せず、室温等によって成形品が常温まで冷却固化するまでの間に収縮が続くことになる。よって、射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう構成する事で、成形後の寸法変化の極力少ない高品質な成形品を得る事が可能となる。

特に、当該冷却手段によって、成形する樹脂材料のガラス転移温度と成形型温度の温度比（即ち、成形する樹脂材料のガラス転移温度：成形型温度）が1.2：１~4.2：１となるよう調整した状態で、樹脂材料が充填されるキャビティに対して樹脂材料を射出する事で、より変形の少ない高品質の成形品を製造する事ができる。即ち、成形する樹脂材料のガラス転移温度と成形型温度の温度比が1.2：１~4.2：１となるよう調整した状態で射出成形を行う事で、射出される樹脂が完全溶融されない状態でキャビティ内に充填されていく為、スキン層の形成を速める事ができ、成形後の寸法変化を抑えることができる他、パーティングライン等のクリアランスからバリが生じる可能性を効果的に減ずる事ができる。かかるスキン層の形成を早める為に、キャビティ内に射出する樹脂も完全溶融されない温度であることが望ましく、ガラス転移温度以下であることが望ましい。そして成形型温も、ガラス転移温度の５０％以下の温度、望ましくは１／４以下の温度であることが望ましい。 なお、当該冷却手段としては、成形型の型温を均一に冷却できる手段であれば良く、特段の制約は無い。具体的には、ヒータ等を用いて成形型の温度を調節しても良いし、成形型に温調用孔を設け、水や温水、或いはエアー（空気）や油等の温度調節媒体を成形型内に流動させる事で温度を調節しても構わない。よって、例えば樹脂の熱がこもり易く冷却が遅い厚肉部を成形する成形型部分には前述した温度調節媒体を流動させ、冷却が早い薄肉部を成形する成形型部分にはヒータ等を用いて温度を調節する事もできる。上記、冷却手段によって成形型の型温を均一に冷却する事で、成形品全体としての冷却速度を均一化でき、成形品に反りや歪み等が発生する可能性を抑制する事ができる。

また、当該成形型に形成するゲート仕様については特に制限は無く、例えばダイレクトゲートやサイドゲート、サブマリンゲートやピンゲート等のゲート仕様を利用する事ができる。特に、サイドゲートを利用する事によって、構造を簡易なものとする事ができると共に、コストを安価に抑える事ができる。さらに、ゲート付近のみを金属材料で形成する等すれば、熱によって成形型に剥離や欠けが生じる可能性をさらに減じる事もでき、より安定した成形が可能となる。

そして、上記射出成形方法によって成形された成形品は、成形後の寸法変化やバリの極力少ない高品質なものとして成形される。また、当該成形品を得る為の成形型は、３Ｄプリンターなどの３次元形状造形技術を利用し、樹脂材料によって形成される為、従来の機械加工による製造方法と比較して、製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる。よって、数個から数百個という小ロットの生産の場合であっても、所望の成形品を得る為の製造期間及びコストを極力抑える事が出来る為、採算が取れない事態が生ずる可能性を回避でき、効率の良い製品製造が可能となる。

特に、上記本発明にかかる成形型は、ブロー成型用の型として利用する他、射出成型用の型として利用する事ができる。特に、樹脂を用いた成形型でありながら、樹脂の射出成型用の型として利用する為には、前記した温度の相互関係を保持する事が必要である。

本発明では射出成形用の積層造形成形型であって、当該成形型の少なくとも一部は、樹脂材料を積層一体化してなる事を特徴とする積層造形成形型及びその成形型を用いた射出成形方法を提供する。

本発明では、樹脂材料を用いて成形型を製造する事によって、金属材料を用いて製造した場合と比較して材料費用を安価に抑える事ができる。また、全体重量を軽量化することができる為、積層造形する際に造形物が落下しないよう支持するサポート材等を別途用意する必要が無い。結果、樹脂材料を用いて成形型を製造する事によって成形型製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる。

また、本発明では３次元形状造形技術を用いて成形型を製造する。その為、CADデータから直接変換したデータにより製造できる為、通常の機械加工で製造する場合よりも、迅速に加工が完了する。即ち、ＮＣ加工機等による切削加工工程を必要としない他、成形型における複数の部品を製作及び組立する必要が無い為に、型製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる。

その結果、本発明では、従来の機械加工による製造方法と比較して、製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる為、数個から数百個という小ロットの生産の場合であっても、所望の成形品を得る為の製造期間及びコストを極力抑える事が出来る為、採算が取れない事態が生ずる可能性を回避でき、効率の良い製品製造が可能となる。

さらに、本発明にかかる積層造形成形型を用いた樹脂の射出成形方法を用いる事で、より一層品質の良い成形品を得る事が可能となる。本発明にかかる樹脂の射出成形方法では、射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう冷却手段を設けるのが望ましく、上記構成とする事で成形品の成形後の収縮を効果的に抑える事ができると共に、パーティングライン等のクリアランスからバリが生じる可能性や剥離や欠けが生じる可能性を効果的に減じる事ができる。

特に、当該冷却手段によって、成形する樹脂材料のガラス転移温度と成形型温度の温度比が1.2~4.2：１となるよう調整した状態で、樹脂材料が充填されるキャビティに対して樹脂材料を射出する事で、より一層上記効果を奏する事が可能となる。即ち、成形する樹脂材料のガラス転移温度と成形型温度の温度比が1.2~4.2：１となるよう調整した状態で射出成形を行う事で、射出される樹脂が完全溶融されない状態でキャビティ内に充填されていく為、スキン層の形成を速める事ができ、成形後の寸法変化を抑えることができる他、パーティングライン等のクリアランスからバリが生じる可能性を効果的に減ずる事ができる。

本実施の形態にかかる積層造形成形型を示す図であり、（Ａ）積層造形成形型（キャビ側）の斜視図、（Ｂ）積層造形成形型（コア側）の斜視図。 本実施の形態にかかる積層造形成形型（キャビ側）を示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図。 本実施の形態にかかる積層造形成形型（コア側）を示す図であり、（Ａ）平面図、（Ｂ）正面図、（Ｃ）側面図。 実施例１で使用する積層造形成形型を示す図であり、（Ａ）積層造形成形型（コア側）の正面図、（Ｂ）積層造形成形型（キャビ側）の正面図。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像であり、（Ａ）6ショット目（コア側）の画像、（Ｂ）6ショット目（キャビ側）の画像、（Ｃ）6ショット目（成形品）の画像。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像であり、（Ａ）7ショット目（コア側）の画像、（Ｂ）7ショット目（キャビ側）の画像、（Ｃ）7ショット目（成形品）の画像、（Ｄ）8ショット目（コア側）の画像、（Ｅ）8ショット目（キャビ側）の画像、（Ｆ）8ショット目（成形品）の画像。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像であり、（Ａ）9ショット目（キャビ側）の画像、（Ｂ）9ショット目（成形品）の画像、（Ｃ）10ショット目（コア側）の画像、（Ｄ）10ショット目（キャビ側）の画像、（Ｅ）10ショット目（成形品）の画像。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像であり、（Ａ）11ショット目（コア側）の画像、（Ｂ）11ショット目（成形品）の画像、（Ｃ）12ショット目（コア側）の画像、（Ｄ）12ショット目（成形品）の画像。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像であり、（Ａ）13ショット目（コア側）の画像、（Ｂ）13ショット目（成形品）の画像、（Ｃ）14ショット目（コア側）の画像、（Ｄ）14ショット目（成形品）の画像。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像、及び成形品と成形型の不具合の様態を示す画像であり、（Ａ）15ショット目（コア側）の画像、（Ｂ）15ショット目（成形品）の画像、（Ｃ）得られた成形品のバリの様態を示す画像、（Ｄ）成形型の欠けを示す画像。 実施例１にかかる積層造形成形型の成形型温度をサーモグラフィを使用して温度測定した画像、及び成形品の不具合の様態を示す画像であり、（Ａ）16ショット目（コア側）の画像、（Ｂ）16ショット目（成形品）の画像、（Ｃ）得られた成形品のバリの様態を示す画像、（Ｄ）得られた成形品の変形の様態を示す画像。 実施例２で使用する積層造形成形型を示す図であり、（Ａ）積層造形成形型（キャビ側）の正面図、（Ｂ）積層造形成形型（コア側）の正面図。

以下、図面を参照しながら、本実施の形態にかかる積層造形成形型およびその成形型を用いた射出成形方法を具体的に説明する。

図１に示すように、本実施の形態にかかる積層造形成形型（10及び20）は、射出成形用の成形型として、積層造形成形型（キャビ側）10と積層造形成形型（コア側）20とで構成している。当該積層造形成形型（キャビ側）10と積層造形成形型（コア側）20を入れ子として使用して射出成形する事によって、所望の成形品を得る事ができる。本実施の形態にかかる積層造形成形型（10及び20）は、３次元形状造形技術を用いて造形しており、インクジェット方式（使用機材：Stratasys社製Objet 260 Connex）を利用して造形している。３次元形状造形技術を用いて成形型を製造する事で、CADデータから直接変換したデータにより製造できる為、通常の機械加工で製造する場合よりも、迅速に加工が完了する。

即ち、ＮＣ加工機等による切削加工工程を必要としない他、成形型における複数の部品を製作及び組立する必要が無い為に、型製造にかかる期間及びコストを大幅に減ずる事ができる。特に、インクジェット方式は、インクジェットヘッドを使用し、紫外線硬化性の樹脂を高解像度で噴射する方法であり、噴射した樹脂を紫外線で固めながら積層していく為、滑らかな表面状態が確保できる他、高精度な微細積層が可能である。よって、インクジェット方式における３次元造形技術を用いて成形型を製造する事で高品質な成形品を成形できる成形型を製造できる。本実施の形態にかかる積層造形成形型（10及び20）は、エポキシ系の紫外線硬化性樹脂であるABSライク樹脂(Stratasys製RGD5160-DM)を用いて造形している。

図１〜図３を用いて本実施の形態にかかる積層造形成形型（10及び20）を具体的に説明する。本実施の形態にかかる積層造形成形型（10及び20）は、積層造形成形型（キャビ側）10と積層造形成形型（コア側）20とで構成し、どちらも縦寸法を107mm、横寸法を56mmで形成している。積層造形成形型（キャビ側）10は、射出される樹脂材料が充填され、成形品形状を付与する凹部として機能し、中央部にスプルー孔13を設け、上下に各１箇所ずつモールドベース部分とボルトで締結する為の締結孔11を設けている。また、角には積層造形成形型（コア側）20と重なり合った際のズレを防止する為の突起部12を設けている。

一方で、積層造形成形型（コア側）20は、射出される樹脂材料が充填され、成形品形状を付与する凸部として機能し、前述した積層造形成形型（キャビ側）10と同様に、上下に各１箇所ずつモールドベース部分とボルトで締結する為の締結孔21を設け、角には積層造形成形型（キャビ側）10と重なり合った際のズレを防止する為の突起部22を設けている。当該積層造形成形型（キャビ側）10と積層造形成形型（コア側）20とを重ね合わせる事で、中央部に樹脂材料が充填される空洞部分（いわゆるキャビティ）ができ、当該キャビティに樹脂材料が射出されることで成形品を得る事ができる。

また、本実施の形態では樹脂材料を用いて成形型を製造する事によって、金属特有の錆びが発生する事無く、メンテナンス性にも優れる他、熱伝導率が金属と比べて低い為に、成形型の大きさを縮小化できている。具体的には、積層造形成形型（キャビ側）10における成形型の側面からキャビティまでの距離W₁を4mmに形成すると共に、成形型の下面からキャビティまでの距離h₁を10mmに形成している。また、積層造形成形型（コア側）20における成形型の側面からキャビティまでの距離W₂を4mmに形成すると共に、成形型の上面からキャビティまでの距離h₂を10mmに形成している。よって、成形型の外枠からキャビティまでの距離を短く形成する事で、成形型をコンパクトに形成でき、製造にかかるコストを効果的に抑えている。

本実施の形態では、上記によって形成された積層造形成形型（10及び20）を用いて樹脂の射出成形を行った。成形する樹脂材料としてはABS(ガラス転移温度80℃〜125℃)を採用し、成形型に使用する材料のガラス転移温度と、成形する樹脂材料のガラス転移温度との温度比が1：1.5〜3.0程度となるよう、ABSライク樹脂(ガラス転移温度47℃〜53℃)で形成された成形型のキャビティに対して、成形する樹脂材料を射出している。上記構成とする事で、成形する樹脂材料を成形型のキャビティ内で確実に固化させる事ができ、確実な成形を可能にしている。

その射出成形条件を具体的に説明する。本実施の形態では射出成形機として日本製鋼所製J35ELIIKを使用し、型締めトン数を110t、シリンダー温度を165℃〜190℃程度に設定し、射出圧40%、射出速度3%、保圧切替位置5.8mm、計量位置16mm、スクリュー回転30%、背圧20%、サックバック位置4mmに設定し、冷却を30秒に設定した。なお、本実施の形態にかかる成形型では、射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう冷却手段を設けている。具体的には図示しないモールドベース部分に対して温調用孔を設け、エアー（空気）を成形型内に流動させる事で温度を調節し、成形型温が30℃前後になるよう構成している。よって、射出される樹脂が完全溶融されない状態でキャビティ内に充填されていく為、スキン層の形成を速める事ができ、成形後の寸法変化を抑えることができる他、パーティングライン等のクリアランスからバリが生じる可能性を効果的に減ずる事ができている。その結果、30ショット成形後でもバリの極力少ない品質の良い成形品を得る事ができた。

ここで、実施例１として図４に示すように、別の形状の積層造形成形型（40及び50）を使用して、成形型温別における成形品及び成形型の不具合の発生有無を確認した。実施例１で使用した積層造形成形型（40及び50）は、積層造形成形型（キャビ側）40と積層造形成形型（コア側）50とで構成し、双方とも３次元形状造形技術（インクジェット方式）を用いて造形している。そして、当該積層造形成形型（40及び50）を入れ子として機能させ、両型の上下端部に形成した締結孔（41及び51）にボルトを嵌め込む事で、モールドベース部44と締結している。ゲート仕様としてはサイドゲートを採用し、２種類の成形品（片方は50mm角の板形状、他方は50mm角の格子状、共に板厚2mm）が得られるようSET取りできるよう形成している。なお、成形型（40及び50）に使用する材料は前述同様、ABSライク樹脂を採用し、成形する樹脂材料としてはABSを採用している。

そして、当該積層造形成形型（キャビ側）40と積層造形成形型（コア側）50、及び成形品の表面温度をサーモグラフィ（株式会社チノー製CPA-E5）を使用して測定し、成形型温を変化させながら得られる成形品の状態を確認した。図５〜図１１は当該サーモグラフィを使用して温度測定した画像、及び成形品と成形型の不具合の様態を示す画像である。なお、図では当該「成形品」を「製品」と表示しているが、これらは同義である。

まず、1〜11ショット目までは、成形直後から冷却して成形型温度が30℃前後に下がるまで待ち、30℃前後に下がった時点で次の成形へと移る方式で実施した。そして、12ショット目からは徐々に成形型温を上げ、40℃前後で成形開始し、13ショット目は50〜60℃前後で成形開始した。そして、14ショット目は成形型温が約60℃、15ショット目は約65℃、16ショット目は約70℃に上がった時点で成形開始した。

その結果、12ショット目まではバリの発生が無く、良質な成形品を得る事ができた。しかし、13ショット目でランナー付近にバリが発生し始め、15ショット目では図10（Ｃ）のように成形品100の格子部分にバリが発生している。また、15ショット目では図10（Ｄ）のように、成形型（コア側）50が熱によって欠けが生じた。そして、16ショット目では図11（Ｃ）のように成形品100の格子部分のバリがさらに大きくなり、図11（Ｄ）のように成形後収縮による変形（反り）が生じた。よって、射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう構成する事で、成形品の成形後の収縮を効果的に抑える事ができると共に、パーティングライン等のクリアランスからバリが生じる可能性や、成形型に剥離や欠けが生じる可能性を効果的に減じる事ができることが確認できた。後述する実施例２では、成形型温度を成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう調整しながら成形する事での成形性を確認した。

即ち、実施例２では、サーモグラフィではなく、表面温度計（安立計器株式会社製HD-1200E）を用いて成形型温を測定しながら成形を行い、何ショット目まで良質な成形品が得られるかを確認した。実施例２では、図１２に示すように、積層造形成形型（キャビ側）120と積層造形成形型（コア側）130とで入れ子を形成し、測定箇所Ａ〜Ｆの成形型温を測定しながら成形を行った。なお、実施例２で使用した成形型の樹脂材料、及び成形する樹脂材料は実施例１と同じである。その成形型温の温度測定結果及び成形品の品質確認結果を下記、表１に示す。

即ち、表１に示すように表面温度計を使用して成形型温が30℃〜50℃になるよう確認しながら成形する事で、20ショット目の段階でもバリの極力少ない良質の成形品を得る事ができた。

10 積層造形成形型（キャビ側）
20 積層造形成形型（コア側）
11 締結孔
12 突起部
13 スプルー孔
44 モールドベース部
100 成形品

Claims (5)

1. 射出成形用の成形型であって、
   当該成形型は積層造形によって形成されると共に、その少なくとも一部は、樹脂材料を積層造形によって積層一体化してなる事を特徴とする、積層造形成形型。
2. 当該成形型の横寸法と樹脂材料が充填されるキャビティの横寸法との比が1.2：1 〜 3.5：1である事を特徴とする、請求項１に記載の積層造形成形型。
3. 請求項１又は２に記載の積層造形成形型を用いた樹脂の射出成形方法であって、
   成形型に使用する材料のガラス転移温度と、成形する樹脂材料のガラス転移温度との温度比が1：1.5 〜 1：3.0となる材料で形成された成形型のキャビティに対して、成形する樹脂材料を射出する事を特徴とする、樹脂の射出成形方法。
4. 請求項３に記載の樹脂の射出成形方法であって、
   射出充填中の成形型温度が、成形型に使用する材料のガラス転移温度より低い温度になるよう冷却手段を設けており、
   当該冷却手段によって、成形する樹脂材料のガラス転移温度と成形型温度の温度比が1.2：1 〜 4.2：１となるよう調整した状態で、樹脂材料が充填されるキャビティに対して樹脂材料を射出する事を特徴とする、樹脂の射出成形方法。
5. 請求項３又は４に記載の樹脂の射出成形方法により成形された成形品。