JP4563942B2 - 熱可塑性素材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス・プラスチックなどの熱可塑性素材の機能面予定面に、成形型に形成された機能面成形面を接触させ、押圧成形して成形品を得る熱可塑性素材の成形方法に関する。

従来、熱可塑性素材を加熱軟化して成形型で押圧成形する方法として、例えば特許文献１の技術が公知である。この従来技術によれば、上下一対の成形型が収納されている成形室の外部に加熱装置が設けられている。そして、成形室の外部において、ホルダーに熱可塑性素材を載置し、このホルダーを搬送アームの先端に保持して加熱装置内に搬入し、この加熱装置内で熱可塑性素材を加熱軟化する。その後、別途温調された上下一対の成形型間に熱可塑性素材を挟持し、押圧成形を行っていた。

しかし、この方法では、熱可塑性素材の加熱を完了した後に該素材を加熱装置から外に出して、上下一対の成形型のある成形室内に搬入する必要がある。このため、熱可塑性素材が加熱装置から外に出た時点では外気に触れ、また、成形室内ではパージガスに直にさらされる。このため、熱可塑性素材を上下一対の成形型で挟持成形する前に、該熱可塑性素材の温度が冷えて低下する。特に、熱可塑性素材の外周面は内部よりも温度が低くなるため、成形時に成形素材の表面にヒビが入るおそれがあった。

これを回避するために、熱可塑性素材の温度低下分を見込んで加熱すると、加熱温度が高くなったり、加熱時間が長くなり、或いは、熱可塑性素材が溶融して落下したり、熱可塑性素材が過加熱により変質する等の不具合があった。

これに対し、例えば特許文献２には、一対の成形型とこれを挿嵌するスリーブを有する型セットは、各工程毎に温度設定されたプレートで挟持温調され、これら各プレートの間を、成形素材を含んだ型セットが移動して成形が進められる旨が開示されている。すなわち、この従来技術では、成形サイクルの各段階を、加熱工程および設定温度の異なる複数の加圧工程で構成し、成形素材を含んだ型セットを、各工程間をすばやく移動させることで、加熱、成形、冷却の一連の成形工程を短時間で完結可能としたものである。

更に、上記特許文献２を含む近年の従来技術として、一対の成形型とこれを挿嵌するスリーブを有する型セットの内部に熱可塑性素材を配置し、型セットと熱可塑性素材をまとめて加熱することで、熱可塑性素材を加熱軟化したのち該熱可塑性素材が外気やパージガスに直接触れずに押圧成形する成形方法が採用されるようになった。

この方法によれば、加熱軟化された熱可塑性素材は、これと同時に加熱された型セット内に包囲されているので、熱可塑性素材が外気やパージガスにさらされることはなく、加熱後の熱可塑性素材が冷却されるのを緩和することができる。そのため、加熱温度を高くする必要もなく、熱可塑性素材の溶融による落下や変質も防止することができる。
特開平１０−２５１０３０号公報 特公平５−４７４８８号公報

しかしながら、前述した特許文献２や他の従来技術では、上下一対の成形型の対向面間には、熱可塑性素材が加熱工程の最初から接触状態で配置されている。このため、熱可塑性素材によっては、加熱時に型から熱を受ける接触部(受熱部)において成分が熱により分解等し、曇り・発泡・失透・結晶化・揮発などの変質が発生し、その透明度や元来の色が失われるという不具合が発生していた（例えば、ガラス素材OHARA製 S-LAH58、S-LAH53、ショット製 ＳＦ１１等）。

例えば、図３に示すように、ボール状に研磨した成形素材１３０（OHARA製の硝材S-LAH58）を、落下防止枠１２１を備えた下型１２０上に載置し、酸素濃度10ppm以下のＮ₂パージガス環境で下型１２０を870℃に加熱し、300秒間放置する。すると、図４（ａ）（ｂ）に示すように、成形素材１３０の下型１２０との接触面１５０（図３参照）には白濁１３１が発生し、この白濁１３１の部分を拡大観察すると（×１５００）、ガラス成分が熱により分解した泡であることが確認できる（図４（ｃ）参照）。

これに対し、図５（ａ）〜（ｃ）に示すように、下型１２０を加熱したのち、成形素材１３０よりも低い温度640℃に設定した上型１１０で成形素材１３０を押圧成形し、冷却硬化させる。すると、成形品１４０の下型１２０との接触面である下面１４１には、加熱時の変質（泡）が残った。しかし、成形品１４０の上型１１０との接触面である上面１４２には、変質のない面が得られることが確認された。

これは、成形品１４０の下面１４１に残った変質は、加熱時に下型１２０の温度が成形素材１３０よりも高かったため、該成形素材１３０が下型１２０からの受熱作用を受けて（矢印参照）、下型１２０と接触していた成形素材１３０の接触面が変質（発泡）して白濁したものと考えられる。

これに対し、成形品１４０の上面１４２については、成形時に上型１１０の温度が成形素材１３０よりも低かったため、該成形素材１３０が上型１１０からの奪熱作用となったため（矢印参照）、上型１１０と接触していた成形素材１３０の接触面には変質（発泡）の発生がなかったものと思われる。

以上により、加熱時に下型１２０の温度が成形素材１３０よりも高いと、該成形素材１３０には、曇り・発泡・失透・結晶化・揮発などの変質が発生し、その透明度や元来の色が失われることが推定される。

本発明は、か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、熱可塑性素材の機能面予定面に発生する曇りや発泡等の変質を防止し、熱可塑性素材のもつ透明度や元来の色が失われないようにした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、対向配置された一対の成形型とこれらを挿嵌するスリーブとを有する型セットの内部に、熱可塑性素材を配置し、前記型セットと前記熱可塑性素材をまとめて加熱することで該熱可塑性素材を加熱軟化した後、押圧成形する熱可塑性素材の成形方法において、
前記熱可塑性素材の機能面予定面と、前記一対の成形型の対向面側に夫々形成された機能面成形面とが非接触の状態で、前記熱可塑性素材を前記機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位から前記熱可塑性素材への伝熱加熱により、該熱可塑性素材を変形可能な温度に加熱軟化し、
前記熱可塑性素材を加熱軟化して押圧成形する際、前記熱可塑性素材の前記機能面予定面と前記一対の成形型の少なくとも一方の前記機能面成形面とが接触してから、成形が終了して前記熱可塑性素材が冷却されて硬化するまでの期間中に、前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面の温度を前記熱可塑性素材の前記機能面予定面の温度よりも常に低く保持することを特徴とする。

また、本発明は、対向配置された一対の成形型とこれらを挿嵌するスリーブとを有する型セットの内部に、熱可塑性素材を配置し、前記型セットと前記熱可塑性素材をまとめて加熱することで該熱可塑性素材を加熱軟化した後、押圧成形する熱可塑性素材の成形方法において、
前記熱可塑性素材の機能面予定面と、前記一対の成形型の対向面側に夫々形成された機能面成形面とが非接触の状態で、前記熱可塑性素材を前記機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位から前記熱可塑性素材への伝熱加熱により、該熱可塑性素材を変形可能な温度に加熱軟化し、
前記熱可塑性素材を加熱軟化して押圧成形する際、前記熱可塑性素材の前記機能面予定面と前記一対の成形型の少なくとも一方の前記機能面成形面とが接触する前に、前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面の温度を前記熱可塑性素材の前記機能面予定面の温度よりも低くし、その後、前記機能面予定面と前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面とを接触させて押圧成形することを特徴とする。

また、本発明は、上記の熱可塑性素材の成形方法において、
前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面の温度を前記熱可塑性素材の前記機能面予定面の温度よりも低くする際、前記熱可塑性素材を含む前記型セットの外面側から熱を奪って冷却することを特徴とする。

本発明によれば、熱可塑性素材の機能面予定面と成形型の機能面成形面とが非接触のまま、熱可塑性素材を機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位からの伝熱加熱により熱可塑性素材を加熱軟化して押圧成形する際、機能面成形面の温度を機能面予定面の温度よりも低くするので、熱可塑性素材の機能面予定面に発生する曇りや発泡等の変質を防止することができ、熱可塑性素材のもつ透明度や元来の色が失われるのを防止することができる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明に係る成形方法を実施する成形装置の概念図である。
本実施の形態の型セット１０は、上下に対向配置された上型１１と下型１２、及びスリーブ１３を有している。このスリーブ１３は、中空円筒状をなしていて、第１の孔１４と、これよりも大径の第２の孔１５と、これら第１と第２の孔１４、１５の境界に形成された段部１６と、を有している。

上型１１は、段付き円柱状をなしていて、第１の柱状部１８と、これよりも大径の第２の柱状部１９と、これら第１と第２の柱状部１８，１９の境界に形成された段部２０とを有している。この上型１１には、下型１２との対向面側に機能面成形面１１ａが形成されている。下型１２は、段付き円柱状をなしていて、第１の柱状部２２と、これよりも小径の第２の柱状部２３と、これら第１と第２の柱状部２２，２３の境界に形成された段部２４と、を有している。この下型１２には、上型１１との対向面側に機能面成形面１２ａが形成されている。なお、上型１１の機能面成形面１１ａと、下型１２の機能面成形面１２ａとは、鏡面に仕上げられている。

上型１１と下型１２は、スリーブ１３の内側で、夫々の機能面成形面１１ａ及び機能面成形面１２ａが対向するように当該スリーブ１３の両端側から挿嵌されている。この場合、上型１１は、第１の柱状部１８がスリーブ１３の第２の孔１５に挿嵌され、かつ段部２０がスリーブ１３の端面に当接されて支持されている。また、下型１２は、第１の柱状部２２がスリーブ１３の第１の孔１４に摺動自在に挿嵌されている。

スリーブ１３の内側の段部１６には、円筒状の支持部材２６が挿嵌されている。この支持部材２６は、外周面をスリーブ１３の第２の孔１５に挿嵌され、下端面をスリーブ１３の段部１６に支持されている。また、この支持部材２６には、第１の孔２７と、これよりも大径の第２の孔２８と、これら第１と第２の孔２７、２８の境界に形成された段部２９とを有している。そして、この支持部材２６の第１の孔２７に、下型１２の第２の柱状部２３が摺動自在に挿嵌されている。

そして、この支持部材２６の段部２９には、例えばガラスやポリエチレン、ポリカーボネイト等の熱可塑性素材３０が配置されている。この熱可塑性素材３０の表裏面側には、それぞれ機能面予定面３０ａ，３０ｂが形成されている。なお、この状態では、機能面予定面３０ａ，３０ｂは、上型１１及び下型１２の機能面成形面１１ａ及び機能面成形面１２ａと非接触状態とされている。

また、上型１１及び下型１２は、タングステンカーバイド（ＷＣ）等の超硬合金を研磨したものが用いられている。また、熱可塑性素材３０は、たとえば略円柱形状の市販の光学ガラス（たとえば、株式会社オハラ製のＳ−ＬＡＨ５８）が用いられている。

図２（ａ）〜（ｄ）は、本発明の成形工程を示す図である。
すなわち、図２（ａ）の加熱工程では、内部に熱可塑性素材３０を含む型セット１０を、予め870℃に加熱しておいた上下一対の加熱プレート３２、３３で挟持し、主として熱伝導による伝熱加熱により型セット１０を加熱する。このとき、本実施形態では、型セット１０全体の加熱に１００秒を要し、また、内部の熱可塑性素材３０を加熱するのに５０秒の時間を要した。

また、加熱プレート３２、３３からの伝熱経路は、プレート３３の上面よりスリーブ１３の下面から該スリーブ１３を加熱し、その段部１６を経て支持部材２６に伝わる。更に、熱は、この支持部材２６から、その段部２９及び第２の孔２８の内周面を介して伝熱され、熱可塑性素材３０が加熱されて軟化される。この場合、熱可塑性素材３０は、支持部材２６の段部２９及び第２の孔２８の内周面と接している部分が受熱部となる。

よって、熱可塑性素材３０における受熱部には変質(泡)が発生するが、熱可塑性素材３０の機能面予定面３０ａ，３０ｂには変質が発生することはない。この場合、熱可塑性素材３０を含む型セット１０の全部品が、ほぼ同程度の温度である約850℃±５℃に加熱される。

このように、熱可塑性素材３０の受熱部とその機能面予定面３０ａ，３０ｂとを分離して加熱することで、熱可塑性素材３０に発生する受熱部の変質を、機能面予定面３０ａ，３０ｂには発生させずに、他の部分に移動させることができる。

なお、装置内のＮ₂パージガスによる冷却外乱を防止するため、例えば、図示しない保温胴を当該型セット１０の外周側に配置して冷却外乱を防止しても良好である。
次に、図２（ｂ）の一次冷却工程では、熱可塑性素材３０を含む型セット１０を加熱工程完了後に、820℃に加熱された一次冷却プレート３４、３５にて挟持し、上下面から型セット１０を30秒〜40秒の間冷却する。これにより、型素材である超硬材よりも熱伝導の悪い熱可塑性素材３０は、殆ど元の温度(約850℃)のままで保持されるが、型セット１０は温度が低下する。このため、上型１１及び下型１２の機能面成形面１１ａ、１２ａの表面温度は、熱可塑性素材３０の機能面予定面３０ａ、３０ｂよりも約20℃ほど低く(約830℃)設定される。

すなわち、本実施形態では、熱可塑性素材３０を含む型セット１０の外面側から熱を奪って冷却するようにしている。なお、この一次冷却工程では、加熱工程後において同加熱工程用の加熱プレート３２，３３の温度設定を870℃から820℃に変更して、同一の加熱プレート３２，３３を用いても、同様の効果を得ることができる。

次に、図２（ｃ）の成形工程では、熱可塑性素材３０を含む型セット１０を800℃に加熱された成形プレート３６，３７にて挟持・固定したのち、押圧成形する。この場合、下側の成形プレート３７の中央部には、押し上げロッド（押し上げピン）４１を摺動自在に挿嵌する挿通孔４２が形成されている。そして、この押上げロッド４１を上昇させて、該ロッド先端が下型１２を上昇させる。こうして、一対の上下型１１、１２により熱可塑性素材３０を挟持成形すると、該熱可塑性素材３０は変形が進行して成形品４０が成形される。

このとき、一対の上下型１１，１２の機能面成形面１１ａ，１２ａの温度は、成形される熱可塑性素材３０の機能面予定面３０ａ，３０ｂの温度よりも、一次冷却工程により予め約20℃低く設定されている。このため、熱可塑性素材３０は、上下型１１，１２と接触しても熱を受熱することはなく、よって接触面が変質することなく成形される。

本実施形態では、成形プレート３６，３７の設定温度をさらに一次冷却プレート３４、３５よりも低く(800℃) 設定しているので、熱可塑性素材３０の変形と冷却に伴って上下型１１、１２が該熱可塑性素材３０から熱を受けてその温度が上昇し、熱可塑性素材３０と上下型１１、１２との温度間隔が詰まらないようにしている。これにより、熱可塑性素材３０の接触面が変質するのを抑止することができる。

更に、例えば、熱可塑性素材３０の所定変形量による成形が完了するまで、成形プレート３６，３７の制御温度を、熱可塑性素材３０と上下型１１、１２との温度間隔が詰まらないように順次(700℃まで)下げていっても良い。これによって、さらに安全に熱可塑性素材３０の上下型１１，１２との接触面の変質を防止することができる。

また、最終的には、熱可塑性素材３０の転移点近傍の温度(硬化する温度)、つまり熱可塑性素材３０の変形が進行しない粘度に冷却されるまで、熱可塑性素材３０と上下型１１，１２との温度間隔が詰まらないように制御しても良い。これによっても、熱可塑性素材３０の上下型１１，１２との接触面が変質するのを防止することができる。

次に、図２（ｄ）の冷却工程では、熱可塑性素材３０を含む型セット１０を600℃に加熱された冷却プレート３８，３９にて挟持して冷却する。その後、冷却プレート３８，３９の設定温度を400℃に下げて徐冷し、50秒かけて冷却することで、熱可塑性素材３０に割れ・ヒビなどの発生を防止する。

その後は、型セット１０を成形室内から取り出して常温で放置し、手で扱える温度に冷却したのち、型セット１０を分解して成形品４０を取り出す。
本実施形態によれば、上下型１１，１２とこれを挿嵌するスリーブ１３によって構成される型セット１０の内部に、熱可塑性素材３０を配置するので、加熱工程から成形工程に移行する際に、加熱軟化後の熱可塑性素材３０が直接周囲の外気や成形室内のパージガスにさらされることがないので、過度の冷却を受けることがない。そのため、加熱温度をその分高くする必要もないので、熱可塑性素材３０が溶融して落下したり、該熱可塑性素材３０が変質したりするのを防止することができる。

また、図２（ａ）の加熱工程のときに、熱可塑性素材３０の機能面予定面３０ａ，３０ｂと受熱部とを分離して加熱するようにしたことで、当該機能面予定面３０ａ，３０ｂにおいて、曇り・発泡・失透・結晶化・揮発などの変質の発生を抑止することができる。

なお、本実施形態では、熱可塑性素材３０として、例えば、ガラス素材OHARA製 S-LAH58、ガラス素材OHARA製 S-LAH53、ガラス素材ショット社製 ＳＦ１１を用いた。
また、図２（ｃ）の成形工程において、本実施形態では、軟化した熱可塑性素材３０を押圧成形して所定の形状に成形するとともに、冷却硬化させて熱可塑性素材３０の温度が転移点近傍に至るまでの間において、常に上下型１１，１２の温度を熱可塑性素材３０の温度よりも低く保持・制御するようにした。このため、成形により得られた成形品４０にも、その機能面に変質が発生することがなかった。

本発明の成形方法を実施するための成形装置の構成を示す図である。 （ａ）は加熱工程を示す図、（ｂ）は一次冷却工程を示す図、（ｃ）は成形工程を示す図、（ｄ）は冷却工程を示す図である。 成形型に熱可塑性素材を載置した状態の従来例を示す図である。 （ａ）は、熱可塑性素材の型との接触面に白濁が生じた場合の斜視図、（ｂ）はその白濁点の拡大図、（ｃ）は更に高倍率の白濁点の拡大図である。 （ａ）は、高温の下型から熱可塑性素材に受熱する状態を示す図、（ｂ）は熱可塑性素材を高温の下型と低温の上型で挟持した状態を示す図、（ｃ）は上下型で押圧したときの、熱可塑性素材の型との接触面の状態を示す図である。

符号の説明

１０ 型セット
１１ 上型
１１ａ 機能面成形面
１２ 下型
１２ａ 機能面成形面
１３ スリーブ
１４ 第１の孔
１５ 第２の孔
１６ 段部
１８ 第１の柱状部
１９ 第２の柱状部
２０ 段部
２２ 第１の柱状部
２３ 第２の柱状部
２４ 段部
２６ 支持部材
２７ 第１の孔
２８ 第２の孔
２９ 段部
３０ 熱可塑性素材
３０ａ 機能面予定面
３０ｂ 機能面予定面
４０ 成形品

Claims (3)

1. 対向配置された一対の成形型とこれらを挿嵌するスリーブとを有する型セットの内部に、熱可塑性素材を配置し、前記型セットと前記熱可塑性素材をまとめて加熱することで該熱可塑性素材を加熱軟化した後、押圧成形する熱可塑性素材の成形方法において、
   前記熱可塑性素材の機能面予定面と、前記一対の成形型の対向面側に夫々形成された機能面成形面とが非接触の状態で、前記熱可塑性素材を前記機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位から前記熱可塑性素材への伝熱加熱により、該熱可塑性素材を変形可能な温度に加熱軟化し、
   前記熱可塑性素材を加熱軟化して押圧成形する際、前記熱可塑性素材の前記機能面予定面と前記一対の成形型の少なくとも一方の前記機能面成形面とが接触してから、成形が終了して前記熱可塑性素材が冷却されて硬化するまでの期間中に、前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面の温度を前記熱可塑性素材の前記機能面予定面の温度よりも常に低く保持することを特徴とする、熱可塑性素材の成形方法。
2. 対向配置された一対の成形型とこれらを挿嵌するスリーブとを有する型セットの内部に、熱可塑性素材を配置し、前記型セットと前記熱可塑性素材をまとめて加熱することで該熱可塑性素材を加熱軟化した後、押圧成形する熱可塑性素材の成形方法において、
   前記熱可塑性素材の機能面予定面と、前記一対の成形型の対向面側に夫々形成された機能面成形面とが非接触の状態で、前記熱可塑性素材を前記機能面予定面以外の部位にて支持し、該支持部位から前記熱可塑性素材への伝熱加熱により、該熱可塑性素材を変形可能な温度に加熱軟化し、
   前記熱可塑性素材を加熱軟化して押圧成形する際、前記熱可塑性素材の前記機能面予定面と前記一対の成形型の少なくとも一方の前記機能面成形面とが接触する前に、前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面の温度を前記熱可塑性素材の前記機能面予定面の温度よりも低くし、その後、前記機能面予定面と前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面とを接触させて押圧成形することを特徴とする、熱可塑性素材の成形方法。
3. 請求項１又は２に記載の熱可塑性素材の成形方法において、
   前記一対の成形型の夫々の前記機能面成形面の温度を前記熱可塑性素材の前記機能面予定面の温度よりも低くする際、前記熱可塑性素材を含む前記型セットの外面側から熱を奪って冷却することを特徴とする、熱可塑性素材の成形方法。