JP4548588B2 - 成形型及び成形加工品 - Google Patents

Description

本発明は金属及びプラスチック加工用成形型の製作技術に関する。

成形型の製作コスト、製作工期を削減する目的で金属及びプラスチック加工用簡易型（いわゆる簡易金型）材質として複合強化樹脂が多く利用されている。
このうち、成形圧力、温度ともに最も厳しい射出成形用簡易型用及び非常に大きな圧縮応力がかかるプレス加工用簡易型用には以下の素材が一般的に用いられている。
１：エポキシ樹脂、叉はウレタン樹脂にアルミニウム、ニッケル等の無機素材を多量に配合、強化したもの
２：ＡＢＳ樹脂等、熱可塑性樹脂にアルミニウム、ニッケル等の無機素材を多量に配合、強化したもの

前記素材の加工方法として１、ブロックからの切削加工 ２、積層造形法を用いた直接造形（ＲＰ法）３、マスターモデルから注型反転させた反転型がある。
これらの素材、加工方法は目的に応じて使い分けられている。
近年、３Ｄソリッドモデリング技術の発達により、製品データーから型加工データーへの変換が容易になり１、超高速切削加工技術による切削樹脂型 ２、ＲＰ法を用いたラピッドツーリング（造形型）が脚光をあびている。
特に取り扱いが容易な超高速切削加工による樹脂型は鉄、アルミ、低溶融合金の切削加工よりも切削加工速度が早い、深堀り形状等放電加工でしか加工出来ない形状や金属切削では困難な複雑形状も容易に切削加工が可能である、軽量のため取り扱いが簡単等の理由で製作上の優位点が大きい。

しかしながら樹脂素材の型の場合、熱伝導性が金属より大幅に劣る為、その素材には機械的耐久性、寸法安定性と同時に厳しい耐熱性も要求される。
この点において従来のエポキシ、ウレタン系の素材では原素材（マトリックス材）の基本的な物性が劣っているためそのまま型素材としては使用出来ず、大量の（多くの場合重量比５０％以上）強化充填材を配合して使用に供しているが多量の強化充填材を配合する事により切削加工性（切削速度及び加工用刃物の耐久）が大幅に損なわれ本来の目的の型加工コスト、工期の削減効果が少ない。
又、作られた成形型も温度勾配に耐え切れず割れてしまったり、繰り返しの大きな機械的負荷に弱く耐久性に非常に問題がある。
このため、汎用樹脂を中心に一部の試作用型として用いられているに留まっている。

本発明の課題は、充填材の配合を極力抑え、十分な切削加工性を維持したまま加工出来るにも関わらず射出成形時の高温高圧の繰り返し負荷及びプレス加工時の大きな繰り返し圧縮負荷に対し、十分な剛性、寸法安定性、耐久性を保持出来、エンジニアリングプラスチック等の高機能樹脂の成形をも可能にする成形加工用の型を提供する事である。

アニオン重合を利用したω−ラクタム系モノマーの重合による結晶化度の高い注型ポリアミド樹脂（いわゆるモノマーキャストナイロン）をベースにした素材をブロック状に重合成形しこれを高速切削加工等の加工用の型素材として使用する。

本発明はε−カプロラクタムに各種触媒、重合開始材を配合しアニオン重合反応を起こし、硬化させた高結晶化度を有するε−カプロラクタム重合体を含む事を特徴とした板状に成形された切削加工用の型素材プレートを切削加工する事によって得られる成形加工用の型、並びに上記成形型を用いて加工されたプラスチック射出成形品又はプレス加工品である。

同素材は公知の様に金型に加熱液化したε・カプロラクタムに代表されるω・ラクタムを注入し、アニオン重合触媒、トリレンジイソシアネート等の重合開始剤を使用して重合させ、該樹脂ブロックを作成する。
これを切削加工して必要な製品として利用する事が一般的に行われている。
同素材は水重合法によって得られるポリアミド樹脂（いわゆる６ナイロン）よりも高い結晶化率（Ｘ線回折測定法による結晶化度で約５０％）、均一な結晶構造（α形単斜晶系）を有しこれにより、いわゆる６ナイロンより低い吸湿性と優れた耐熱性、耐磨耗性、自己潤滑性を併せ持ち、車輪、歯車、カム、ベアリング等、耐久部品への用途に使用されている。

本発明者は上記素材が上記特性に優れているだけでなく高い温度領域でも弾性に富み、弾性変形に対する優れた復元性を有している事に着目して射出成形のような高温高圧の条件下において一時的に変形を起こしても弾性変形内の領域において充填後、比較的均一に圧力がかかる冷却工程の初期において復元し、正確な形状を転写出来る傾向を見出した。
これにより、優れた切削加工性と熱、圧力に対する耐久性、寸法安定性のバランスの取れた簡易型を製作出来る技術的思想が成り立つ事を見出した。

本発明においてε・カプロラクタム重合体とはε・カプロラクタムを主原料として製造された任意の重合体である。例えばε・カプロラクタムの単独重合体であるポリアミド６、ε・カプロラクタムと他のモノマーとの共重合体またはこれらの混合物が挙げられる。

本発明に用いられるアニオン重合触媒は公知のラクタム類のアルカリ重合法において使用される化合物をすべて用いる事が出来る。
すなわち、アルカリ金属、アルカリ土類金属、これらの水酸化物酸化物、水素化物、炭酸塩、アルキル化物、叉はアルコキシド、グリニヤール化合物ソジウムナフタレン等が挙げられる。
また重合開始剤についても公知のラクタム類のアルカリ重合法に使用される化合物をすべて用いる事が出来る。すなわち、有機イソシアネート、酸塩化物、エステル、尿素誘導体、カルボジイミド等が挙げられる。

本発明の一例を示す。
素材調整としてε−カプロラクタム１００重量部に対し、重合触媒として１〜５０重量部、好ましくは１〜２重量部の間で適時調整された水酸化ナトリウム及び助触媒として２〜１０重量部、好ましくは２〜３重量部の間で適時調整されたトリレンジイソシアネートを用意する。

必要量のε・カプロラクタムを容器にて好ましくは１００℃〜２００℃、より好ましくは１２０℃〜１３０℃まで加熱し液状化させるとともに容器内の空気を窒素にて置換する。
前述の液体に用意された重合触媒、及び助触媒を添加し攪拌しながら所定の型に注入し１００℃〜１６０℃の範囲、好ましくは１３０℃〜１５０℃にて１０分〜１２０分、好ましくは６０分〜１２０分アニールし、重合反応を完了させ、冷却後該成形体を取り出す。
ε・カプロラクタム重合体の結晶化度は出来るだけ高い方が好ましく上記諸条件により適時調整されるが本発明において必要とされる結晶化度は特に上限は無いが６０％を超えると靭性が低下する恐れがある為それ以下にする事が好ましい。
具体的にはＸ線回折測定法による測定で３７％〜７５％好ましくは５０％〜６０％にて調整される。

また本発明における素材の結晶化率を上げるため、叉結晶成長サイズを均一に制御して安定した特性を確保する為に必要な結晶核材を配合する事が好ましい。
結晶核材としては特に限定されないがタルク、マイカ、クレイ、シリカ、グラファイト等の無機微粒子、酸化マグネシウム、酸化アルミニウム、酸化鉄、酸化亜鉛、酸化銅等の金属酸化物、金属塩、ナイロン６Ｔ、ナイロン６６等の高融点ポリアミド等が挙げられる。
結晶核剤の配合比としてはε・カプロラクタム重合体１００部に対し０．０１〜１０重量部好ましくは０．０３〜５重量部である。

本発明に用いる素形材は結晶化度が高いため、高い弾性係数を持ち高い樹脂圧力下にも変形が極めて少なく（弾性変形内）線膨張係数も低く充填材を用いなくても寸法安定性は確保出来る。叉ポリアミド構造を持つにも関わらず標準状態において吸水率は低く成形物の寸法は安定している。
しかしながら、ポリアミド構造を持つ以上、若干の吸湿による強度、寸法変化の影響は避けられない。このため機械強度、耐久性の補強、線膨張係数の低減並びに吸水率の改善を目的として若干の強化充填材を配合する事が好ましい。
しかしながら他の樹脂型と同様ガラス繊維等の大きな充填物は表面仕上げに悪影響を及ぼす為、表面状態がきれいに仕上がる微細充填物を用いる。本発明において添加される微細充填物の配合は、切削加工性（快削性）の保持のため、重量比１０％〜４０％、好ましくは１０％〜２０％にて調整される。本発明においてはマトリックス素材の特性ゆえに他の樹脂型に比較して低配合比でも強化充填材配合の目的は十分に達せられる。
本実施例において微細無機充填材として重合時にほう酸アルミニウムを素材とした微細ウィスカーを重量比２０％配合した。本発明における微細充填材としては特に限定されないが炭酸カルシウム、酸化チタンウィスカ、ワラストナイト、カオリン、黒鉛、カーボンブラック、クレイ、ガラスバルーン等が挙げられる。

また、型用途として潤滑性、離型性を改良する為にグラファイト、二硫化モリブデン等の固体潤滑材、ポリテトラフロロエチレンのような高分子粉末を重量比数部〜数十部程度添加する事が好ましい。

本発明における微細充填材の形状は特に限定されないが、好ましくは粒径１０ｎｍ〜５０μｍ程度の微細粒子、叉は長さ１μｍ〜５０μｍ程度、径１０ｎｍ〜５μｍ程度の微細繊維、より好ましくは粒径１０ｎｍ〜１０μｍ程度の超微細粒子、叉は長さ１μｍ〜３０μｍ程度、径１０ｎｍ〜１μｍ程度の超微細繊維を使用する。
特に針状、層状の超微細充填材を使用したいわゆるナノコンポジットは補強機能と共に結晶核剤の機能をも果し、微量の配合で大きな効果が得られる。

同部材を板状に成形したものを工具鋼にて切削し、目的の型形状を掘り込む。切削工程は形状に関わらず通常のフライス盤、旋盤を使用する事が出来、エンドミル等の切削工具も通常のプラスチック加工用の工具で十分に加工出来る。
本発明者は通常の金型作製に必要な超硬工具、放電加工等特殊な設備、工程を必要としないで製品部のみを高速加工した樹脂製型を作製出来た。

また本発明において、吸湿による影響を緩和するため、素形材の状態において事前に均一な加湿処理を施し切削加工前に重量比０．５〜１％程度の水分率を保持する事が望ましい。しかしながら過剰な水分率は弾性率の低下を招くため水分率は重量比１％以下に抑える必要がある。本発明におけるポリアミド樹脂素形材は標準状態での大気中において１％程度の水分率で安定しており保存、使用上特に不都合は無いが寸法、強度をより安定化させる為乾燥状態での保存、叉は使用前の乾燥を行なう事が好ましい。

通常、樹脂製の成形型は熱伝導率が大きく劣るため、連続成形において型温度が許容温度以上に上がる事が多く、この結果寸法安定性が保持出来なくなる、成形品が十分に冷却出来ない、温度勾配ひずみに耐え切れず型が破壊される等の不都合が発生する。これを防ぐべく型冷却のため、射出成形においては成形サイクル時間を極めて多く確保しなければならない。
本実施例の場合も型の機械的、熱的強度、耐久性は保持できても量産性に問題が残る。

本発明は吸水の大きなポリアミド樹脂を主成分としている為、成形型の冷却のため、冷却水を通す事は好ましく無い。又冷却のために穴加工を施す事も強度保持の面から好ましく無い。

そこで本発明において型冷却のため図１に示す様に冷却が必要な部位を中心に樹脂型にアルミニウム、又は銅製の細い冷却棒をモールドベース側から埋め込み、冷却配管されたモールドベースに密着させる事でヒートパイプの機能を持たせた。これにより樹脂型の機械強度を損なう事無く効率的な型冷却システムを簡易に構築できた。
尚、本冷却システムは本発明の例に限らず、他の樹脂素材を用いた射出成形型、プレス成形型、真空成形型、ブロー成形型にも有効である。

作製した型に仕上げ加工した後、モールドベースに組み込む。
発明者は前述の様にして作製された射出成形型を使用してポリプロピレン、ＡＢＳ（アクリル、ブタジエン、スチレン共重合）樹脂、ポリアセタール樹脂等を図２のような形状にて成形し、成形物の寸法をチェックした。表１にその結果を示す。
表１に示す様に、射出圧６００ｋｇｆ／ｃｍ２以下の成形圧力においては全く寸法変化を起こさずに金型設計寸法通りの寸法安定性を示し、ポリアセタール樹脂の成形において同寸法安定性を維持したまま５０００ショット以上の連続成形が可能である事を確認した。

本発明のもう一つの特徴は、充填材配合が全く無い、又は極力抑えられている為型表面が比較的柔らかく、硝子等、金型では傷つきやすい素材で構成された物を傷つけずにインサート成形出来る事である。
これにより、従来困難であったセラミック類のインサート成形を容易に行う事が出来る。

本発明により、複雑形状を容易に高速切削加工でき、安価、短納期、軽量である樹脂型であるにも関わらず、強靭で連続した高温、高圧の樹脂成形負荷に耐えながら寸法安定性を保持しながら成形加工を行なう事が可能で、なおかつ他の樹脂よりも極めて高い耐久性を持った理想的な樹脂型を従来の専門業者で無くとも比較的簡単に得る事が出来るため型コストの大幅削減に寄与し得る事より少量多品種生産、試作など経済的理由で初期投資が困難な用途に広く利用できる。

また、本発明は切削加工用だけではなく、大気中の重合工程を利用して石膏、樹脂などから製作される製品モデルをマスターとした反転型の製造にも応用出来る等、多岐の型製造方法に応用出来る。

本発明による樹脂型は射出成形のみならず、真空、圧空成形など温度、圧力をかけ成形する必要のあるプラスチック材料の成形型並びにアルミニウム、マグネシウム等比較的塑性加工し易い金属薄板のプレス加工用の型としても利用出来、上記初期投資が困難な少量多品種の上記用途にも適用可能である。

型断面図 成形品形状及び測定寸法

符号の説明

１ モールドベース（金属）
２ 冷却配管（冷媒）
３ 樹脂型部分
４ 冷却棒

Claims (2)

1. アニオン重合を利用したＷ−ラクタム系モノマーの重合体であるモノマーキャストナイロンを含む樹脂素形材で構成される事を特徴としたプラスチック射出成形加工用型、又は金属。プラスチック板のプレス加工用型。
2. アニオン重合を利用したＷ−ラクタム系モノマーの重合体であるモノマーキャストナイロンに微細充填材を添加した樹脂素形材で構成される事を特徴としたプラスチック射出成形用型、又は金属、プレス加工用型。

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