(57)【要約】【課題】効率的な熱成形が可能な圧縮熱成形装置用の金型、及び圧縮熱成形装置を提供することを課題とする。【解決手段】金型に投入される原料を加熱しつつ、圧縮成形を行う圧縮熱成形装置用の金型であって、前記原料が圧縮成形される領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠内の前記原料を、前記型枠内を摺動可能な型で押圧する第二の金型と、を備え、前記第一の金型及び前記第二の金型のうち少なくとも何れかの金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を有する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金型に投入される原料を加熱しつつ、圧縮成形を行う圧縮熱成形装置用の金型であって、
前記原料が圧縮成形される領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠内の前記原料を、前記型枠内を摺動可能な型で押圧する第二の金型と、を備え、
前記第一の金型及び前記第二の金型のうち少なくとも何れかの金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を有する、
圧縮熱成形装置用の金型。
【請求項２】
金型に投入される原料を加熱しつつ、圧縮成形を行う圧縮熱成形装置であって、
前記原料が圧縮成形される領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、
前記型枠内の前記原料を、前記型枠内を摺動可能な型で押圧する第二の金型と、
前記第二の金型を押圧する押圧手段と、
熱媒を供給可能な熱媒供給手段と、を備え、
前記第一の金型及び前記第二の金型のうち少なくとも何れかの金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する前記熱媒を流通可能な熱媒流路を有し、
前記熱媒供給手段は、少なくとも前記押圧手段が前記第二の金型を押圧する際に、前記熱媒を前記熱媒流路に供給する、
圧縮熱成形装置。
【請求項３】
前記第二の金型と前記押圧手段との間に、前記第二の金型から前記押圧手段への伝熱を抑制する断熱手段が更に配置される、
請求項２に記載の圧縮熱成形装置。
【請求項４】
前記圧縮熱成形装置は、前記第二の金型によって押圧される前記原料を、前記第二の金型の反対側から支持する第三の金型を更に備え、
前記第三の金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を有する、
請求項２または３に記載の圧縮熱成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮熱成形装置用の金型、及び圧縮熱成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、金型に原料を投入して加熱・加圧成形して作製される、車両を制動するブレーキ用摩擦部材は、車軸と共に回転するディスクやブレーキドラムと接触する摩擦材がプレッシャプレートあるいはリムに圧着されている。摩擦材は、苛酷な使用環境下においても所定の摩擦力を発揮するべく、各種の材料を混ぜたものを結合材で結合している。
【０００３】
なお、樹脂の射出成形等に適用される金型には、例えば、粉末層を焼結しながら積層したものがある（例えば、特許文献１〜７を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−２６６６８号公報
【特許文献２】特開２０１０−１２１１８７号公報
【特許文献３】特表２００７−５２８８１０号公報
【特許文献４】特開２００３−２２５９４８号公報
【特許文献５】特開２００９−１９００号公報
【特許文献６】特開２００８−２２１８０１号公報
【特許文献７】特開２００５−２１９３８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
熱成形を行う金型を、金型を固定する熱盤に内蔵したヒータで加熱する場合、金型を直接加熱する場合に比べ、熱が成形物へ間接的に伝わるが故に成形時間が長くなったり、温度制御の追従性が悪くなったりする。本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、効率的な熱成形が可能な圧縮熱成形装置用の金型、及び圧縮熱成形装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上記課題を解決するため、金型を、金属の粉末層を焼結しながら積層して造形することとし、金型に投入される原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を、金型を造形する過程で金型の内部に形成することにした。
【０００７】
詳細には、金型に投入される原料を加熱しつつ、圧縮成形を行う圧縮熱成形装置用の金型であって、前記原料が圧縮成形される領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠内の前記原料を、前記型枠内を摺動可能な型で押圧する第二の金型と、を備え、前記第一の金型及び前記第二の金型のうち少なくとも何れかの金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を有する。
【０００８】
上記金型は、例えば、ディスクブレーキやドラムブレーキの摩擦材といった被成形物の熱成形に適用することが可能であり、プレッシャプレートやリムに摩擦材を圧着して熱成形する際に用いることができる。
【０００９】
熱成形を行う際は、金型の内部の被成形物に熱が効果的に伝達されることが求められる
。特に、熱成形の目的に鑑みれば、被成形物を加熱する際は金型全体が昇温されている必要はなく、被成形物と接触する成形面さえ昇温可能であればよい。そこで、上記金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層して造形し、金型に投入される原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を、金型を造形する過程で金型の内部に形成している。金型の内部に設けた熱媒流路に高温の熱媒を流して被成形物を昇温すれば、金型を周囲から加熱して金型内部の被成形物を昇温する場合に比べ、被成形物を効率的に昇温することが可能である。これにより、熱が被成形物に伝わりやすくなり、効率的な熱成形が可能となる。
【００１０】
また、本発明は、例えば、圧縮熱成形装置としての側面から捉えることも可能である。例えば、本発明は、金型に投入される原料を加熱しつつ、圧縮成形を行う圧縮熱成形装置であって、前記原料が圧縮成形される領域を囲む型枠を形成する第一の金型と、前記型枠内の前記原料を、前記型枠内を摺動可能な型で押圧する第二の金型と、前記第二の金型を押圧する押圧手段と、熱媒を供給可能な熱媒供給手段と、を備え、前記第一の金型及び前記第二の金型のうち少なくとも何れかの金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する前記熱媒を流通可能な熱媒流路を有し、前記熱媒供給手段は、少なくとも前記押圧手段が前記第二の金型を押圧する際に、前記熱媒を前記熱媒流路に供給するものであってもよい。
【００１１】
上記圧縮熱成形装置であれば、少なくとも上記押圧手段が上記第二の金型を押圧する際に、熱媒が上記熱媒流路に供給されるため、熱成形を行う際、金型の内部の被成形物に熱が効果的に伝達される。これにより、効率的な熱成形が可能となる。
【００１２】
なお、上記圧縮熱成形装置は、例えば、前記第二の金型と前記押圧手段との間に、前記第二の金型から前記押圧手段への伝熱を抑制する断熱手段が更に配置されるものであってもよい。上記圧縮熱成形装置は、熱媒流路を有する金型を用いることで、金型を熱媒供給手段で直接的に加熱しているため、金型と金型に接する機器とを熱的に隔離可能である。金型と周辺の機器とを熱的に隔離した場合、金型の放熱量が低下する。そこで、少なくとも、上記第二の金型と物理的に接する機器である押圧手段と第二の金型との間に断熱手段を設けることにより、金型の放熱量が抑制され、更なる効率的な熱成形の実現が可能となる。
【００１３】
また、前記圧縮熱成形装置は、前記第二の金型によって押圧される前記原料を、前記第二の金型の反対側から支持する第三の金型を更に備え、前記第三の金型は、金属の粉末層を焼結しながら積層したものであり、造形される過程で内部に形成された、前記原料を加熱する熱媒を流通可能な熱媒流路を有するものであってもよい。第二の金型によって押圧される原料を反対側から支持する第三の金型の内部に熱媒流路を設けることにより、型枠に投入される原料が上方、側方、下方から加熱されることになるので、熱が被成形物に効果的に伝わり、効率的な熱成形が可能となる。
【発明の効果】
【００１４】
上記圧縮熱成形装置用の金型、及び圧縮熱成形装置であれば、効率的な熱成形が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る金型の斜視図の一例である。
【図２】実施形態に係る金型の内部構造図の一例である。
【図３】実施形態に係る金型を適用した圧縮熱成形装置を示した図の一例である。
【図４】制御装置が実現する制御のフローチャートを示した図の一例である。
【図５】圧縮熱成形装置の動作を示した図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本願発明の実施形態について説明する。以下に示す実施形態は、本願発明の一態様を例示したものであり、本願発明の技術的範囲を以下の態様に限定するものではない。
【００１７】
＜金型の実施形態＞
図１は、実施形態に係る圧縮熱成形装置用の金型の斜視図の一例である。金型１は、図１に示すように、上型２Ｕ（本発明でいう「第二の金型」の一例である）、中型２Ｍ（本発明でいう「第一の金型」の一例である）、及び下型２Ｂ（本発明でいう「第三の金型」の一例である）を備える。中型２Ｍは、原料が圧縮成形される領域を囲む型枠３を有する。上型２Ｕは、中型２Ｍの型枠３内を摺動可能な型であるパンチ４を有する。下型２Ｂは、ブレーキパッドのプレッシャプレートが嵌る凹部５を有しており、上型２Ｕによって押圧される型枠３内の原料を、凹部５にセットされたプレッシャプレートを介して、上型２Ｕの反対側である下側から支持する。
【００１８】
なお、図１では、上側から順に上型２Ｕ、中型２Ｍ、下型２Ｂの順に図示されているが、金型１は、このような態様に限定されるものでなく、例えば、上下が逆になっていてもよい。また、図１に示す金型１は、３つの型（上型２Ｕ、中型２Ｍ、下型２Ｂ）を備えるが、金型１はこのような態様に限定されるものでなく、例えば、原料が圧縮成形される領域を囲む型枠を形成する金型（上記中型２Ｍに相当）、及び、型枠内の原料を、型枠内を摺動可能な型で押圧する金型（上記上型２Ｕに相当）の２つの金型を備えるものであってもよい。
【００１９】
図２は、実施形態に係る金型１の内部構造図の一例である。上型２Ｕは熱媒流路６Ｕを内蔵し、中型２Ｍは熱媒流路６Ｍを内蔵し、下型２Ｂは熱媒流路６Ｂを内蔵している。各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂには、高温あるいは低温の熱媒を供給可能な熱媒供給装置を接続可能である。よって、金型１は、いわゆる熱盤等を介することなく、型枠３内の原料を直接的に加熱あるいは冷却可能である。型枠３内の原料を直接的に加熱可能にしているため、例えば、熱媒等を介して加熱する場合には到達が困難な温度にまで原料を昇温することも可能であり、金型１が規定の温度から逸脱し始めた場合であっても速やかに正常な温度に復帰可能であり、また、温度の変更（例えば、加熱から冷却への変更、冷却から加熱への変更、或いは加熱温度の変更）に際しても多大な熱量を浪費することなく速やかに温度変更可能である。
【００２０】
なお、金型１は、上型２Ｕ、中型２Ｍ、及び下型２Ｂの全てに熱媒流路を有するものに限定されるものでなく、例えば、上型２Ｕ、中型２Ｍ、及び下型２Ｂのうち何れか一つ以上の型に熱媒流路が形成されるものであってもよい。また、金型１は、熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂのみならず、型枠３内に投入された原料を圧縮熱成形する際、型枠３内の空気や、原料に含まれる有機性材料から気化するガス等を系外へ導くガス抜き用の流路を型の内部に埋め込んだものであってもよい。
【００２１】
各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂは、何れも型枠３内の原料が効率的に加熱されるよう、各金型（上型２Ｕ、中型２Ｍ、及び下型２Ｂ）の中でも成形面に比較的近い位置に配置される。例えば、上型２Ｕに内蔵されている熱媒流路６Ｕは、上型２の中でも成形面に比較的近いパンチ４の内部に形成されている。また、中型２Ｍに内蔵されている熱媒流路６Ｍは、中型２Ｍの中でも成形面に比較的近い型枠３の近傍に、型枠３を周回するように螺旋状に形成されている。また、下型２Ｂに内蔵されている熱媒流路６Ｂは、下型２Ｂの中でも成形面に比較的近い、型枠３内の原料が当接するプレッシャプレートがセットされる凹部５の近傍に形成されている。
【００２２】
なお、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂから成形面までの距離や、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，
６Ｂの内径、流路の形状、分岐流路の有無等は、金型を構成する材料の材質や加熱温度、圧縮の荷重等に応じて適宜決定する。また、図２では、熱媒流路６Ｍが型枠３を三周するように形成されているが、金型１は、このような周回数のものに限定されるものでなく、金型の強度等を確保する観点で許容される範囲で適宜変更可能である。
【００２３】
本実施形態に係る金型１は、粉末層を焼結しながら積層する金属光造形複合加工により製作可能である。すなわち、例えば、昇降可能なテーブルの上に広げた金属粉末に、造形する金型の形状を階層別に規定したパターンに従ってレーザ光をスポット照射しながら金属粉末を焼結する作業を繰り返すことにより、成形面の他、型の内部に熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂを埋め込んだ上記金型１の製作を実現可能である。
【００２４】
なお、金属光造形複合加工により製作される金型は、樹脂の射出成形等の分野では容易に適用可能であるものの、多大な押圧力が加わるブレーキ用の摩擦材の圧縮熱成形の分野では硬度が不足する場合がある。上記実施形態に係る金型１を金属光造形複合加工で製作することにより、金型１の硬度が要求水準に満たないものとなった場合、製作した金型に熱処理を施すことにより硬度を上げることが可能である。本発明の発明者らが行った実験では、金属光造形複合加工により製作した硬度３５（ＨＲＣ）程度の金型に、約４８０℃程度の熱処理を行った結果、金型としての使用に障害となるような熱歪みが発生することもなく、金型が硬度５５（ＨＲＣ）程度になることが確認された。
【００２５】
＜実施形態に係る金型の適用例＞
図３は、上記金型１を適用した圧縮熱成形装置を示した図の一例である。圧縮熱成形装置１０は、金型１の上型２Ｕを取り付ける上盤１１Ｕ、金型１の下型２Ｂを取り付ける下盤１１Ｂ、上盤１１Ｕを昇降動作させる油圧装置１２（本発明でいう「押圧手段」の一例である）、高温あるいは低温の熱媒を供給可能な熱媒供給装置１３（本発明でいう「熱媒供給手段」の一例である）、及び制御装置１４を備える。熱媒供給装置１３は、変形自在なフレキシブル管を介して金型１の各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂに接続される。
【００２６】
なお、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂの接続口は、ワンタッチで着脱可能なコネクタとすることにより、金型の交換が容易になり、少量多品種生産等に好適である。この場合、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂの各接続口は、互いに独立したコネクタで構成されていてもよいが、例えば、ワンタッチで全ての接続口が同時に脱着可能なコネクタで構成されていてもよい。
【００２７】
また、熱媒供給装置１３は、圧縮熱成形装置１０に備わるものに限定されるものでなく、例えば、圧縮熱成形装置１０に併設されるものであってもよい。また、金型１は、熱媒供給装置１３から供給される熱媒により直接的に加熱されるため、上盤１１Ｕと上型２Ｕとの間や、下盤１１Ｂと下型２Ｂとの間に、油圧装置１２の押圧力に耐えることが可能な断熱材等の断熱手段を配置することにより、金型１の熱が周辺の機器類に伝熱されないようにしてもよい。
【００２８】
上盤１１Ｕは、圧縮熱成形装置１０に備わる油圧装置１２によって昇降動作し、上盤１１Ｕに取り付けられた上型２Ｕを下方へ押圧可能である。また、下盤１１Ｂは、圧縮熱成形装置１０に備わる台座１５に固定されており、上盤１１Ｕによって上方から下方へ押圧される金型１を支持可能である。
【００２９】
図４は、制御装置１４が実現する制御のフローチャートを示した図の一例である。また、図５は、圧縮熱成形装置１０の動作を示した図の一例である。圧縮熱成形装置１０のオペレータは、下型２Ｂの凹部５にブレーキパッドのプレッシャプレート２１がセットされ、プレッシャプレート２１の上に中型２Ｍがセットされた状態において、中型２Ｍの型枠
３内に摩擦材の原料２２を投入する（図５（Ａ）を参照）。オペレータは、型枠３内に摩擦材の原料２２を投入した後、制御装置１４に繋がる図示しないボタンを操作する。制御装置１４は、オペレータによるボタン操作を感知すると（Ｓ１０１）、熱媒供給装置１３の弁やポンプ（あるいはファン）、ヒータ類を作動させて各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂに高温の熱媒を流し、金型１を加熱する（Ｓ１０２）。次に、制御装置１４は、金型１が既定の温度に達したか否かを、図示しない温度センサに基づいて判定する（Ｓ１０３）。制御装置１４は、金型１が既定の温度に達したことを検知した場合、油圧装置１２を動作させて上盤１１Ｕを降下させ（図５（Ｂ）を参照）、型枠３内の原料２２を圧縮する（Ｓ１０４、図５（Ｃ）を参照）。制御装置１４は、油圧装置１２の押圧力が既定の押圧力に達し、且つ金型１が既定の温度に達しているか否かを判定する（Ｓ１０５）。金型１は、熱媒供給装置１３から供給される熱媒により加熱されているため、圧縮を続けると、原料２２に含まれている摩擦調整材等の成分が結合材によって結合され、プレッシャプレート２１に溶着した状態で硬化する。制御装置１４は、油圧装置１２の押圧力が既定の押圧力に達しており、且つ金型１が既定の温度に達したことを検知した場合、油圧装置１２を動作させて上盤１１Ｕを上昇させる（Ｓ１０６、図５（Ｄ）を参照）。
【００３０】
以上、上記一連の製造工程を実行することにより、圧縮しながら熱成形された摩擦材２３がプレッシャプレート２１に圧着成形される。上記実施形態に係る金型１を適用した圧縮熱成形装置１０により、摩擦材２３をプレッシャプレート２１に圧着成形すれば、熱成形を行う金型を熱盤に内蔵したヒータで加熱する場合に比べて、熱が原料２２へ直接的に伝わるが故に成形時間を短くすることが可能であり、また、温度制御の追従性も良好になる。
【００３１】
なお、上記圧縮熱成形装置１０は、成形した摩擦材２３が中型２Ｍからパンチ４により自動的に押し出されるように動作するものであってもよい。また、下型２Ｂにセットされるプレッシャプレート２１や、中型２Ｍの型枠３内に投入される原料２２は、圧縮熱成形装置１０に設けた自動機器類により自動的にセットあるいは投入されるようにしてもよい。
【００３２】
また、上記実施形態では、ディスクブレーキのブレーキパッドの摩擦材を圧縮熱成形する場合を例示しているが、上記金型１や圧縮熱成形装置１０は、ドラムブレーキのブレーキシューのライニングを製造するものに変形してもよい。
【００３３】
＜熱媒の具体例＞
なお、熱媒供給装置１３が各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂに供給する熱媒の種類については如何なるものであってもよく、例えば、空気等の各種気体、或いは水や油等の各種液体であってもよい。液体は、単位体積当たりの熱容量が気体に比べて大きいため、液体を熱媒に用いる場合、金型１を速やかに加熱あるいは冷却可能となる。一方、気体は、飛散等の懸念が無いため、気体を熱媒に用いると、熱媒供給装置１３に装着する金型１の交換が容易となる。金型１の交換が容易であると、例えば、少量多品種生産に適応しやすい。また、気体は、飛散等の懸念が無いため、気体を熱媒に用いると、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂと熱媒供給装置１３とを繋ぐ管の接続部を簡素なものにすることも可能である。
【００３４】
各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂに供給する熱媒については、気体および液体の何れであっても、流路の閉塞等を防止可能な程度の清浄度が保たれることが好ましい。よって、熱媒供給装置１３には、供給する熱媒の清浄度を保つための何らかの手段（例えば、ストレーナやフィルタ等）を設けることが好ましい。
【００３５】
＜熱媒供給装置の具体例＞
また、熱媒供給装置１３の具体的な構成については如何なるものであってもよく、例え
ば、空気等の各種気体、或いは水や油等の各種液体によって構成される熱媒を、加熱あるいは冷却しながら循環させ、或いは一方的に送り出すものであってもよい。金型１の温度は、循環中あるいは送り出し中の熱媒を昇温あるいは降温することにより調節してもよいし、温度が互いに異なる熱媒を満たした複数のタンクを用意しておき、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂに繋がるタンクを弁で切り替え、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂに流す熱媒を選択的に切り替えることにより調節してもよい。また、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂには、略同一の温度の熱媒を供給してもよいし、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂ毎に各々独立して温度調整されることにより、互いに温度の異なる熱媒を供給してもよい。
【００３６】
また、上記圧縮熱成形装置１０は、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂを熱媒供給装置１３に並列に接続しているが、このような接続状態に限定されるものでなく、例えば、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂを熱媒供給装置１３に直列に接続してもよい。また、上記圧縮熱成形装置１０に適用している金型１は、各熱媒流路６Ｕ，６Ｍ，６Ｂの接続口が各々独立しているが、例えば、隣接する金型同士にそれぞれ設けられている熱媒流路の接続口が、金型同士が当接した状態において係合し、何れかの金型の熱媒流路を通過した熱媒が、隣接する金型の熱媒流路内に流入するようにしてもよい。この場合、互いに係合する接続口には熱媒の漏出を防止するシール等を設けてもよいし、液体の熱媒ではなく気体の熱媒を用いるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３７】
１・・金型：２Ｕ・・上型：２Ｍ・・中型：２Ｂ・・下型：３・・型枠：４・・パンチ：５・・凹部：６Ｕ，６Ｍ，６Ｂ・・熱媒流路：１０・・圧縮熱成形装置：１１Ｕ・・上盤：１１Ｂ・・下盤：１２・・油圧装置：１３・・熱媒供給装置：１４・・制御装置：１５・・台座：２１・・プレッシャプレート：２２・・原料：２３・・摩擦材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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