(57)【要約】【課題】より安価に、より短期間で、精度よく成形型の構成部品を製作することを可能とする複合材料を提供する。【解決手段】セラミック粉末及び熱硬化性樹脂からなる成形型用複合材料であって、５００Ｋｇｆ/ｃｍ2以上の３点曲げ強度を有し、切削加工可能な成形型用複合材料である。好ましくは、前記セラミック粉末は、アルミナ、チタン酸アルミニウム、六方晶窒化ホウ素からなる群から選択された一つあるいは複数の組み合わせから構成される。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック粉末及び熱硬化性樹脂からなる成形型用複合材料であって、５００Ｋｇｆ/ｃｍ2以上の３点曲げ強度を有し、切削加工可能な成形型用複合材料。
【請求項２】
前記セラミック粉末は、アルミナ、チタン酸アルミニウム、六方晶窒化ホウ素からなる群から選択された一つあるいは複数の組み合わせから構成されることを特徴とする請求項１に記載の成形型用複合材料。
【請求項３】
前記セラミック粉末はチタン酸アルミニウムであり、前記複合材料は、熱硬化性樹脂及び硬化剤が４５重量％〜６０重量％、セラミック粉末の重量比が４０重量％から５５重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形型用複合材料。
【請求項４】
前記セラミック粉末は六方晶窒化ホウ素であり、前記複合材料は、熱硬化性樹脂及び硬化剤が６５重量％〜７５重量％、セラミック粉末の重量比が２５重量％から３５重量％であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形型用複合材料。
【請求項５】
前記複合材料の硬度は、ショアー硬度２８〜５５ＨＳであることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の成形型用複合材料。
【請求項６】
前記熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の成形型用複合材料。
【請求項７】
セラミック粉末の平均粒径は、１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の成形型用複合材料。
【請求項８】
成形型は射出成形用型であることを特徴とする請求項１乃至７いずれかに記載の成形型用複合材料。
【請求項９】
複合材料の熱変形温度が１３０℃以上であることを特徴とする請求項８に記載の複合材料。
【請求項１０】
請求項１乃至９に記載のいずれかの複合材料からなるコア及び/あるいはキャビティを含む成形型。
【請求項１１】
コア及びキャビティが、セラミック粉末及び熱硬化性樹脂からなる成形型用複合材料であって、５００Ｋｇｆ/ｃｍ2以上の３点曲げ強度を有し、切削加工可能な成形型用複合材料から構成されていることを特徴とする成形用金型。
【請求項１２】
請求項１１において、コア及びキャビティが工業用接着剤により接着可能であることを特徴とする成形用金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形型を製作するための材料に係り、特に、少量多品種の樹脂製品等の成形に用いる成形用型の構成部品（特に、コア及びキャビティ）を製作するための材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂の射出成形を例にとると、樹脂部品の製品設計図面から射出成形により部品を製作するためには、製品設計が完了した時点で該製品を製作する成形用型を設計、製作する必要がある。この成形用型は設計される樹脂部品毎に製作する必要がある。さらに、射出成形される部品はそれ自体が製品であり成形用型には該製品が必要とする精度が要求される。
【０００３】
従来、成形用型として金属材料が多く使用されている。金属材料を使用する場合は要求される精度を満足する成形型部品の製作には製作コストがかかること、および製作時間が長いこと等の理由により、製品開発費用低減および開発期間短縮に支障がある。
【０００４】
一方、最近の産業界の製品開発は、多品種少量化が進み試作評価用、デザイン評価用、製品用等の目的で必要とする成型用型の数量が増大している。また、製品開発時に製品仕様変更、仕様変更に伴う設計変更が発生する。従来の金属材料からなる成形用型ではこれらのニーズに応えることができないため、これらのニーズに対応するべく迅速な成形型を安価に製作する技術の確立が望まれている。
【０００５】
上記の要求に応える技術手段として、特許文献１が提案されている。特許文献１は、熱硬化性樹脂、無機質繊維状強化材及び無機質粒子状充填材からなる組成物が記載されており、無機質繊維状強化材としては、繊維状チタン酸カリウム、繊維状ケイ酸カルシウム、繊維状ホウ酸マグネシウム、繊維状硫酸マグネシウム、繊維状硫酸カルシウム、繊維状炭酸カルシウム、繊維状ホウ酸アルミニウム等のウィスカーが開示されており、一方、無機質粒子状充填材としては、炭酸カルシウム、タルク、クレー、ピロリン酸カルシウムが開示されている。
【０００６】
しかしながら、特許文献１における好ましい態様では、２種類の熱硬化性樹脂とチタン酸カリウムを基本材料とし、これにタルク等の無機質粒子状充填材を加え、これらを混練した後に、粒状ペレットを製作し、このペレットを再度加熱溶融して押し出し成形を行うが、押し出し速度は極めて低速で毎分数ｍｍである。したがって、加工工程が２段階あることから成形時間がその分長くなり、用いる材料のコストも比較的高いものであった。
【特許文献１】特許第３４８８５４２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、より安価に、より短期間で、精度よく成形型の構成部品を製作することを可能とする複合材料を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本出願の発明者らが鋭意研究したところ、セラミック粉末と熱硬化性樹脂とを混合して硬化することで、優れた切削加工性及び必要とされる機械的強度を有する成形型用複合材料を得ることができた。この複合材料は任意の寸法の成形体を容易に得て、これを機械により切削加工することでコア及びキャビティを製作可能であることを見出した。
【０００９】
「切削加工可能」とは、旋盤、フライス盤、ボール盤、最近のＮＣ加工機等の市販されている工作機械による加工を意味する。また、タップ加工によるネジ加工およびリーマ加工による穴径仕上げ加工を含む。これらの加工機械により、市販の切削工具を著しく痛めることなく加工が出来ることを意味する。また必要によりヤスリ、紙やすり等による表面加工およびバフ、磨き用コンパウンド等による機械加工面の表面仕上げ加工を含む。市販されているセラミック材料の快削性材料の切削性は、工具先端部の切刃により、セラミック材料の表面を極めて微小なクラックを連続して発生させて工業使用上は滑らかな表面を形成するが、本発明で主張する機械加工性は、工具先端部の切刃により、熱硬化性樹脂材料で包含されたセラミック粉末を熱硬化性樹脂材料と共に切粉状に切削する方法により、滑らかな表面を形成する。セラミック粉末の粒間は熱硬化性樹脂材料により充填され、微小なクラックにより形成された表面よりも滑らかな表面を得ることが可能である。
【００１０】
成形型用複合材料は、５００Ｋｇｆ/ｃｍ2以上、好ましくは、６００Ｋｇｆ/ｃｍ2以上の３点曲げ強度を有する。曲げ強さの値はJIS R-1601で規定されている方法で測定したものである。一つの態様では、複合材料の硬度は、ショアー硬度２８〜５５ＨＳである。また、一つの態様では、セラミック粉末の平均粒径は、１０μｍ以下である。
【００１１】
熱硬化性樹脂とセラミックス粉末は、それぞれ所定量を混合した時に、前記規定の機械的強度および切削加工性を発現し得るものを使用すればよい。一つの好ましい態様では、熱硬化性樹脂は、グリシジルエーテル型エポキシ樹脂で、硬化剤としては脂肪族ポリアミンを使用する。エポキシ樹脂材料には、硬化剤を使用しないで一液性で硬化が可能な材料もあるが該複合材料の製作にはいずれも使用が可能である。
【００１２】
好ましい態様では、セラミック粉末は、アルミナ、チタン酸アルミニウム、六方晶窒化ホウ素からなる群から選択された一つあるいは複数の組み合わせから構成される。また、本発明に用いられる他のセラミック粉末としては、シリカ、炭化珪素、窒化珪素が例示される。
【００１３】
熱硬化性樹脂とセラミック粉末の配合割合は特に限定されず広い範囲から適宜選定できるが、セラミックス粉末との混合が容易に行われ、該成形物の内部に気泡等が無く該成形物の使用目的（成形型、特に、コア及びキャビティ）に支障がな  い状態で成形可能な配合割合から適宜選択される。適切な配合割合は、選択されるセラミック粉末の種類の影響を受けるが、セラミック粉末がチタン酸アルミニウムの場合、前記複合材料は、好ましい範囲では、熱硬化性樹脂及び硬化剤が４５重量％〜６０重量％、セラミック粉末の重量比が４０重量％から５５重量％であり、セラミック粉末が六方晶窒化ホウ素の場合は、前記複合材料は、好ましい範囲では、熱硬化性樹脂及び硬化剤が６５重量％〜７５重量％、セラミック粉末の重量比が２５重量％から３５重量％である。このセラミック粉末の重量比がこの配合割合を下回ると、上記規定の強度および機械加工性を損なう恐れがある。一方、セラミック粉末の重量費がこの配合割合を超えると、混合および脱泡が不完全となる恐れがある。また、セラミック粉末との混合を行う場合に、熱硬化性樹脂の粘性が該複合材料の製作に影響を与え、粘性が低い熱硬化性樹脂は、セラミック粉末との混合および脱泡がより容易である。
【００１４】
本発明に係る複合材料の製造法としては、一つの態様では、所定量の熱硬化性樹脂及びセラミック粉末を手動攪拌により混合した後に真空脱泡装置により内部の気泡を除去する方法がある。または自動攪拌脱泡装置により熱硬化性樹脂及びセラミック粉末の攪拌脱泡を同時に効率よく行う。脱泡により内部の気泡を除去した混合物をシリコンゴム型または熱硬化性樹脂が硬化後に離脱可能な材料、例えば機械研磨された滑らかな表面を持つ金属枠等に注入する。この状態でオーブンにて熱硬化樹脂が硬化に必要な温度に加熱して、熱硬化性樹脂が硬化完了する時間を所定温度に保つことにより該複合材料を製造出来る。本発明に係る複合材料は真空脱法後に加熱硬化するため、加熱押し出し成形（特許文献１で用いられている）に比べて、内部熱応力が著しく改善されます。押し出し成形による特許文献１の材料は機械加工時に内部応力が順次開放されるため加工変形を考慮した加工条件が必要となる。
【００１５】
複合材料の形状は特に制限されないが、立方体状、直方体状、円柱状などのブロック体を例示できる。さらに必要により、あらかじめ必要とされる三次元形状のマスターモデルを準備してシリコンゴム型を製作すれば、三次元形状の複合材料を得ることが出来る。また、この製造方法により板厚が1ｍｍ程度の薄板形状の複合材料を製造が可能である。
【００１６】
一つの態様では、成形型は射出成形用型であり、好ましくは、複合材料の熱変形温度が１３０℃以上である。熱変形温度は産業界で一般的に使用される熱可塑性樹脂が成形可能な成形時間と温度であれば良く、成形時間と温度は平均６０秒以内で１３０℃程度以下が一般的である。成形に用いる材料は特には限定されず、熱可塑性樹脂、ゴム組成物、金属鋳造用の鋳型を製造するためのワックス、低融点金属が例示される。本発明の複合材料からなるコア及びキャビティを有する成形型を用いた成形法としては、代表的には射出成形加工が挙げられるが、この他に真空注形加工、ブロー成形加工などにも使用出来る種々のコア及びキャビティに適用が考えられる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明に係る複合材料を用いることで、安価で、かつ、短期間でコア及びキャビティを精度よく製作することができ、特に、少量多品種の樹脂製品等の成形に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下に本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００１９】
[アルミナとエポキシ樹脂からなる複合材料]
アルミナセラミック（商品名：調合済みアルミナＡＥＳ-11、住友化学工業株式会社製）、熱硬化性樹脂（商品名：主剤  低粘度エポキシ樹脂  Ｚ-1、硬化剤  50分型  日新レジン株式会社製）を表1に示す配合に従って秤量し手動攪拌、その後真空脱泡装置により内部気泡を除去した混合物をシリコンゴム型に注入する。この混合物を80℃で加熱硬化して製作した。機械加工による加工表面は良好であるが、アルミ、鉄等の金属加工と比較して工具磨耗が発生し工具および加工条件の制約が確認された。
【表１】
2006240196.tif 000002
【実施例２】
【００２０】
[アルミナとエポキシ樹脂からなる複合材料]
アルミナセラミック（商品名：アルミナ粉末0.1ＣＲ、バイコスキージャパン製）
熱硬化性樹脂（商品名：主剤  低粘度エポキシ樹脂  Ｚ-1、  硬化剤  50分型  日新レジン株式会社製）を表２に示す配合に従って秤量し手動攪拌、その後真空脱泡装置により内部気泡を除去した混合物をシリコンゴム型に注入する。この混合物を80℃で加熱硬化して製作した。アルミナ粉末の配合比34.5重量比は良好であるが、38.5重量比では脱泡の作業性が劣ることが確認された。
【表２】
2006240196.tif 000003
【実施例３】
【００２１】
[チタン酸アルミニウム粉末とエポキシ樹脂からなる複合材料]
チタン酸アルミニウム（商品名：ＭＴ−20、丸ス釉薬合資会社製）、熱硬化性樹脂（商品名：主剤  低粘度エポキシ樹脂  Ｚ-1、硬化剤  50分型  日新レジン株式会社）を表３に示す配合に従って秤量し手動攪拌、その後真空脱泡装置により内部気泡を除去した混合物をシリコンゴム型に注入する。この混合物を80℃で加熱硬化して製作した。
【表３】
2006240196.tif 000004
また、チタン酸アルミニウム（ＴＭ20）について追加実験をしたところ、樹脂材料（硬化剤を含む）が４５重量％以下では材料混合が困難となり、一方、樹脂材料（硬化剤を含む）が６０重量％を越えると曲げ強度が不足することがわかった。したがって、好ましい配合割合は、熱硬化性樹脂及び硬化剤が４５重量％〜７５重量％、セラミック粉末の重量比が２５重量％から５５重量％である。
【実施例４】
【００２２】
[六方晶窒化ホウ素粉末とエポキシ樹脂からなる複合材料]
六方結晶構造を有する粉末（商品名：六方晶窒化ホウ素  ＨＰ−1  水島合金鉄株式会社製）熱硬化性樹脂（商品名：主剤  低粘度エポキシ樹脂  Ｚ−１、硬化剤５０分型、日新レジン株式会社）を表４に示す配合に従って秤量し手動攪拌、その後真空脱泡装置により内部気泡を除去した混合物をシリコンゴム型に注入する。この混合物を８０℃で加熱硬化して製作した。脱泡性はアルミナセラミックと比較して作業性は劣るが製作は可能で有る。機械加工性は良好である。
【表４】
2006240196.tif 000005
また、六方晶窒化ホウ素粉末（ＨP−1）について追加実験をしたところ、樹脂材料（硬化剤を含む）が６５重量％以下では材料混合が困難となり、一方、樹脂材料（硬化剤を含む）が７５重量％を越えると曲げ強度が不足することがわかった。したがって、好ましい範囲は、熱硬化性樹脂及び硬化剤が６５重量％〜７５重量％、セラミック粉末の重量比が２５重量％から３５重量％である。
【００２３】
本発明に係る複合材料について、(1)セラミック粉末がアルミナで、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂の場合、(2)セラミック粉末がチタン酸アルミニウムで、熱硬化性樹脂がエポキシ樹脂の場合で、ショアー硬度（HS）を計測した。計測は３回行った。結果は以下のとおりである。
アルミナAl2O3-エポキシ樹脂  45 48 46 ( n=3 )
チタン酸アルミニウムAl2TiO5−エポキシ樹脂  36 38 32 ( n=3 )
【００２４】
本発明の複合材料を用いて製作した金型について適宜図面を参照しながら説明する。図1は、射出成形用金型の断面図であり、一部を除いて従来の射出成形用金型と実質上同構造である。この金型Ａは、固定側金型Ａ―1と可動側金型Ａ―2とからなっている。固定側金型Ａ―1は本発明に係る複合材料からなるキャビティ1を、可動側金型Ａ―2は本発明に係る複合材料からなるコア2ａおよび2bを備えている。キャビティ1、コア2ａおよび2ｂはいずれも、本発明に係る複合材料を立方体に注形成形して、その立方体を、切削加工することで精度良く形成されている。具体的には、チタン酸アルミニウム４５．５重量％、熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂＋硬化剤）５４．５重量％からなる複合材料を用いて成形実験を行った。キャビティおよびコアは全ての工程を機械切削加工のみで製作することができた。本実施例では、切削加工に用いた機械は、使用機械：ヤマザキマザック  ＦＪＶ20、加工工具：東芝タンガロイ  樹脂材料用超硬工具、各種のフラットエンドミル、各種のボールエンドミルである。本実施例では、コア2ａおよび2ｂは別部材として加工され、接着剤により組み立てられ、補強として4本のボルトにより固定されている。コアの形状により2ａおよび2ｂは一体部品として加工することも可能である。この方法は成形部品の設計変更時の対応に特に有効である。コアの製作所用時間により経済的に有利な方法を選択することが可能である。また、本発明に係る複合材料は、一般工業用接着材（反応形アクリル系、熱硬化性樹脂系等）で容易に接着が可能であるので、コアやキャビティが複雑な形状を有しているような場合には、本発明に係る複合材料を用いて複数の部品を製作し、これらを互いに接着することで、所望の形状のコアやキャビティを得ることができる。また、本発明に係る複合材料は、一般工業用着色インク液および着色顔料粉末で容易に着色が可能であり、型部品を色識別するのに有利である。
【００２５】
固定側金型Ａ―1において、キャビティ1はキャビティホルダ4を介して固定側金型Ａ―1に位置決め保持、固定されている。キャビティ1およびキャビティホルダ4は位置決め金具17により固定側金型外枠6に位置決めされ固定される。固定側金型外枠6には成形温度調節に用いる加熱および冷却用の水路18を設けてある。固定側金型Ａ―1には、成形樹脂を射出するスプルーブッシュ10が嵌着されている。また、固定側金型Ａ―1を射出成形機械へ位置決めするロケートリング11が嵌着されている。
【００２６】
可動側金型Ａ―2において、本発明に係る複合材料からなるコア2ａおよび2ｂはコアバックプレート3により一体化され、固定側金型Ａ―1と同様な構造により可動側金型外枠7に位置決めされ固定される。可動側金型外枠7にも成形温度調節に用いる加熱および冷却用の水路が設けられている。コア2ａ、コア2ｂおよびコアバックプレート3はコアホルダー5へ位置決め保持、固定されている。
【００２７】
キャビティ1、コア2ａおよびコア2bに装着されているピン15および16は成形部品に要求されている部品中央部の穴および2段に設置されているリブを形成するためのピンを示す。このピンには一般金型用鋼材の使用が可能である。
【００２８】
エジェクタープレート上8にはエジェクターピン12および13が嵌着されており、可動側Ａ―２が成形後型開きした時に、図示しない射出成形機のエジェクター装置により、エジェクタープレート下9を介して型開き方向と逆方向にエジェクターピン12および13が移動する。この動作により、キャビ1とコア2ａおよび2ｂで形成される隙間に射出充填され冷却硬化した成形部品がコア1ａおよびコア2ｂから離型される。エジェクタープレート上8にはＺピン14が嵌着されており、エジェクターピン12および13と同様な作動を行い、スプルーブッシュ10の内部の樹脂材料とキャビティ1の内部の樹脂材料をキャビティ1から成形部品と共に離型される。
【００２９】
エジェクタープレート上8およびエジェクタープレート下9はバネ19により常時可動側取付板26に密着する方向に押し付けられている。可動側Ａ―2が型開きをした時にバネ19に抗して成形品を離型する方向に作動し、可動部Ａ―2が型閉じの状態ではバネ19によりエジェクタープレート8およびエジェクタープレート9と一体化してエジェクターピン12および13を初期位置に復帰する。
【００３０】
以上説明した射出成形型Ａによると次のように成形が行われる。すなわち、この金型が図示しない射出成形機に組み込まれ、該成形機の図示しない溶融成形材料の射出ノズルが固定側金型Ａ-1のロケートリング11によりスプルーブッシュ10に位置決め接続される。金型Ａは図-1に示すとおり型締めされる。この型締めは図示しない成形機の駆動部により可動側取付板26をキャビティ側へ押すことで、スペーサーブロック25および可動側プレート7にてコアホルダー5、コア支持板3、別体加工コア2ａおよびコア2ｂを押して行われる。溶融材料射出ノズルから射出された材料は、スプルＳ、ランナＲおよびゲートＧを経て新複合材料製キャビティ1と新複合材料製コア2ａおよび2ｂで形成される空間に充填される。充填された材料が固定側プレート6および可動側プレート7の冷却水通路18に流される温度調節用冷却水により冷却されて固化して形状を維持し得る状態になった後、可動側プレート7が下降せしめられて新複合材料製コア2ａおよび新複合材料製コア2ｂが下降しパーテングラインＰ-Ｐで新複合材料製キャビティ1と新複合材料製コア2ａおよび新複合材料製コア2ｂとが分離して型開きされる。同時にＺピン14によりスプルＳ内部の固化した樹脂材料が引き出される。また、この型開き後、エジェクタープレート8およびそれに支持された突き出しピン12および突き出しピン13が上向きに、同時にＺピン14が上向きに図示しない成形機のエジェクタロッドにより押し出される。この作動により通常コア側に着いてくるスプルＳおよびランナＲと一体となった成形品が金型から分離され取り出される。
【００３１】
図２は、本発明に係る複合材料からなるコア及びキャビティを備えた成形金型を用いて製作される箱型成形品（寸法Ｌ＝60ｍｍ、Ｗ＝30ｍｍ、Ｈ＝15ｍｍ）であり、周囲にフランジaを有し、上面壁に孔ｂが形成されている。成形品の材質は、電気化学工業株式会社  電化ＡＢＳ  ＧＲ−２０００である。成形条件は、使用成形機は、東芝機械  ＩＳ１３０Ｆ１、キャビティ温度：５５℃〜５８℃、コア温度：55℃〜58℃、成形機ノズル温度：230℃、シリンダー前部温度：220℃、シリンダー中央部温度：210℃、シリンダー後部温度：200℃、計量：8ｇ  20ｃｃ/ショット、射出圧力：1290ｋｇ/ｃｍ2、射出時間：10秒、冷却時間：45秒から90秒である。射出圧力1290ｋｇ/ｃｍ2、成形サイクルタイム約60秒から90秒の連続ショットにより上記成形部品を精度よく得ることが出来た。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
本発明に係る複合材料は、成形用金型のコア、キャビティを製作することに用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る複合材料から形成されたキャビティおよびコアを有するに成形用金型の断面図である。
【図２】本発明に係る複合材料から形成されたキャビティおよびコアを有するに成形用金型を用いて射出成形される成形品の1例を示すもので（Ａ）はその平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図、（Ｄ）は背面図、（Ｅ）は（Ａ）のＸ１−Ｘ１線に沿う断面図、（Ｆ）は（Ａ）のＸ２−Ｘ２線に沿う断面図である。
【符号の説明】
【００３４】
Ａ 
射出成形用金型
Ａ1  固定側金型
Ａ2  可動側金型
1       
キャビティ
2a  別体加工コア
2ｂ  コア
【図１】
2006240196.tif 000006
【図２】
2006240196.tif 000007