(57)【要約】【課題】粉体を圧縮成形し更にそれを焼成してシート状の製品を製造するに際し、該製品の反りやクラックを低減する。【解決手段】貫通孔（21）を有するダイ（20）、貫通孔（21）の一端側に嵌まる第１パンチ（30）、第２パンチ（40）を設ける。第１パンチ（30）は、キャビティ（50）の一面をなす正方形の平面部（31a）を有した板部材（31）を備える。正方形の一辺の長さをａ（長さの単位はｍｍ）、板部材（31）の厚さをｔ（長さの単位はｍｍ）、ｋ＝ａ４／ｔ３とした場合に、ｋ≦１×１０５となるように正方形の一辺の長さ（a）、及び板部材（31）の厚さ（t）を設定する。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体成形用の金型において、
貫通孔（21）を有するダイ（20）と、
前記貫通孔（21）の一端側に嵌まる第１パンチ（30）と、
平板状に形成され、前記貫通孔（21）の他端側に嵌まって、前記ダイ（20）及び前記第１パンチ（30）とともに、粉体（P）が充填されるキャビティ（50）を形成する第２パンチ（40）と、を備え、
前記第１パンチ（30）は、前記キャビティ（50）の一面をなす正方形の平面部（31a）を有した板部材（31）を備え、
前記正方形の一辺の長さをａ（長さの単位はｍｍ（ミリメートル））、前記板部材（31）の厚さをｔ（長さの単位はｍｍ（ミリメートル））、ｋ＝ａ４／ｔ３とした場合に、
ｋの値がｋ≦１×１０５
となるように、前記正方形の一辺の長さ（a）、及び前記板部材（31）の厚さ（t）が設定されていることを特徴とする粉体成形用の金型。
【請求項２】
請求項１において、
ｋの値がｋ≦４×１０４
となるように、前記正方形の一辺の長さ（a）、及び前記板部材（31）の厚さ（t）が設定されていることを特徴とする粉体成形用の金型。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記粉体（P）は、ポリテトラフルオロエチレン又はポリクロロトリフルオロエチレンを主成分とすることを特徴とする粉体成形用の金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粉体を成形する金型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
樹脂製品の中には、粉体を金型で圧縮成形し、更に圧縮成形品を焼成することで製造されるものがある（例えば特許文献１を参照）。例えば、後述のPTFEは、粉体が金型でシート状に圧縮成形された後に焼成され、シート材として販売されたり、シート材から所望の形状の部材を切り出して使用されたりする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００８−２６０１９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、圧縮成形品の焼成工程では、製品に反りやクラックが発生しやすく、不良品として処分しなければならない場合がある。また、反りのあるシート材（焼成品）から部材を切り出す場合には、反りやクラックが無い部分から部材を切り出すなどの工夫が必要になり、歩留まりが悪いうえに手間もかかる。このような反りやクラックは、例えば焼成条件の調整による対策では無くしてしまうことは不可能である。
【０００５】
本発明は前記の問題に着目してなされたものであり、粉体を圧縮成形し更にそれを焼成してシート状の製品を製造するに際して、該製品の反りやクラックを低減することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決するため、第１の態様は、粉体成形用の金型において、
貫通孔（21）を有するダイ（20）と、
前記貫通孔（21）の一端側に嵌まる第１パンチ（30）と、
平板状に形成され、前記貫通孔（21）の他端側に嵌まって、前記ダイ（20）及び前記第１パンチ（30）とともに、粉体（P）が充填されるキャビティ（50）を形成する第２パンチ（40）と、を備え、
前記第１パンチ（30）は、前記キャビティ（50）の一面をなす正方形の平面部（31a）を有した板部材（31）を備え、
前記正方形の一辺の長さをａ（長さの単位はｍｍ（ミリメートル））、前記板部材（31）の厚さをｔ（長さの単位はｍｍ（ミリメートル））、ｋ＝ａ４／ｔ３とした場合に、
ｋの値がｋ≦１×１０５
となるように、前記正方形の一辺の長さ（a）、及び前記板部材（31）の厚さ（t）が設定されていることを特徴とする粉体成形用の金型である。
【０００７】
また、第２の態様は、第１の態様において、
ｋの値がｋ≦４×１０４
となるように、前記正方形の一辺の長さ（a）、及び前記板部材（31）の厚さ（t）が設定されていることを特徴とする。
【０００８】
これらの構成では、パラメータｋの範囲は、最大密度差（ρd）が最悪となる、面積比（A）及び成形後のシート厚さ（h）の組み合わせを勘案して定められており、板部材（31）は、そのパラメータｋに基づいて、大きさが定められる。
【０００９】
また、第３の態様は、第１又は第２の態様において、
前記粉体（P）は、ポリテトラフルオロエチレン又はポリクロロトリフルオロエチレンを主成分とすることを特徴とする。
【００１０】
この構成では、ポリテトラフルオロエチレンやポリクロロトリフルオロエチレンを成形する金型において、前記の効果を得ることが可能になる。
【発明の効果】
【００１１】
第１の態様や第２の態様によれば、最大密度差を所定範囲に収めることが可能になるので、粉体を圧縮成形し更にそれを焼成してシート状の製品を製造するに際して、該製品の反りやクラックを低減することが可能になる。また、汎用性の高い金型（例えば種々の成形品の厚さに対応可能な金型）を構成することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】図１は、実施形態に係る金型の斜視図を示す。
【図２】図２は、金型の平面図である。
【図３】図３は、金型の断面図である。
【図４】図４は、金型をプレス成形機にセットした状態を示す。
【図５】図５は、円筒部材の中立面よりも内側部分をハッチングで示す。
【図６】図６は、最大密度差のシミュレーション結果をグラフで示す
【図７】図７は、面積比と最大密度差との関係をグラフで示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【００１４】
《発明の実施形態》
本発明の発明者は、粉体を圧縮成形し、更にそれを焼成してシート状の製品（樹脂シート）を製造するに際して、焼成する前の圧縮成形の段階で反りやクラックの対策を行えないか、種々の検討を行った。その結果、圧縮成形品（後述）の残留応力を低減することで当該対策が可能であることを見出した。また、その検討の中で、本発明の発明者は、粉体（P）の圧縮成形のシミュレーション技術を開発しており、そのシミュレーション技術を用いたことで、従来は問題とされていなかった粉体成形用の金型の変形が前記残留応力の一因であることも突き止めた。そして、本発明の発明者は、粉体成形用の金型を工夫することで前記残留応力を低減して、前記樹脂シートの反りやクラックの対策を行った。以下の実施形態では、ポリテトラフルオロエチレン（以下、PTFEと略記する）を主成分とした粉体（P）を成形する金型の例を説明する。
【００１５】
まず、図１に本発明の実施形態に係る金型（10）の斜視図を示す。また、図２に金型（10）の平面図、図３に金型（10）の断面図を示す。図３は、図２のIII-III断面に相当する。この金型（10）は、粉体（P）を圧縮して、シート状に成形する。
【００１６】
〈金型（10）の構成〉
図１は、金型（10）の各構成部品を別個に示しており、同図に示すように、金型（10）は、ダイ（20）、上パンチ（30）、及び下パンチ（40）を備えている。上パンチ（30）は、本発明の第１パンチの一例であり、下パンチ（40）は、本発明の第２パンチの一例である。
【００１７】
ダイ（20）は、図１に示すように、中空の四角柱状の形態を有し、例えば鉄合金などの金属によって形成される。このダイ（20）には、断面が正方形の貫通孔（21）が形成されている。この貫通孔（21）に上パンチ（30）及び下パンチ（40）が嵌め込まれることにより、貫通孔（21）内には閉空間が形成され、この閉空間は、金型（10）で成形する粉体（P）を充填するキャビティ（50）として機能する。
【００１８】
この例では、下パンチ（40）は、貫通孔（21）の下端側に嵌め込まれる。この下パンチ（40）は、鉄合金などの金属によって平板状に形成されており、下パンチ（40）の水平方向の断面（以下、水平断面）は、貫通孔（21）の断面と同型状（すなわち正方形）である。なお、以下では、下パンチ（40）の上面（貫通孔（21）内に向く面）をキャビティ面（40a）と呼ぶことにする。下パンチ（40）のキャビティ面（40a）は正方形である。
【００１９】
また、上パンチ（30）は、貫通孔（21）の上端側に嵌め込まれる。この上パンチ（30）は、板部材（31）と円筒部材（32）とを備えている。板部材（31）は、鉄合金などの金属によって形成され、貫通孔（21）の上端側に嵌め込まれる。そのため、板部材（31）の水平断面も貫通孔（21）の断面と同型状の正方形である。つまり、板部材（31）は、下パンチ（40）のキャビティ面（40a）と同形状（正方形）の平面部（31a）を有している（換言すると、平面部（31a）は、貫通孔（21）の断面と同型状に形成されている）。
【００２０】
また、円筒部材（32）は、鉄合金などの金属によって円筒状に形成されている。円筒部材（32）は、その一端において板部材（31）と接するようになっている。この例では具体的には円筒部材（32）の一端は、板部材（31）の平面部（31a）とは反対側の面に固定されている。その際、円筒部材（32）の中心軸（CL）が、平面部（31a）の図心（Fc）を通るように、円筒部材（32）と板部材（31）とは溶接されている。なお、板部材（31）と円筒部材（32）とは、必ずしも溶接などによって一体化する必要はなく、それぞれ別部材として用意してもよい。
【００２１】
金型（10）では、板部材（31）の大きさの設定に特徴があるが、その設定を説明するにあたり、まず、この金型（10）による粉体（P）の圧縮成形について簡単に説明する。
【００２２】
〈金型（10）による粉体（P）の成形〉
図４は、金型（10）をプレス成形機（100）にセットした状態を示す。図４は、プレス成形機（100）の正面図であり、金型（10）のみを断面図で表してある。図４に示すように、プレス成形機（100）は、天板（101）、テーブル（102）、支柱（103）、及び油圧シリンダ（104）を備えている。プレス成形機（100）では、油圧シリンダ（104）を伸張させるとテーブル（102）が支柱（103）に沿って上昇し、テーブル（102）と天板（101）との間隔が狭まるようになっている。なお、プレス成形機（100）を作動させる機構は、油圧シリンダ（104）には限定されない。その他に当該機構として、例えばバネによる機械式や電動、空圧等の方式を採用してもよい。
【００２３】
粉体（P）をシート状に成形するには、下パンチ（40）とダイ（20）とを組み合わせ、キャビティ（50）となる部分に粉体（P）を充填する。この際、キャビティ（50）内に充填した粉体の厚さ（以下、粉体厚さ（h’））が概ね均等になるように、キャビティ（50）内に粉体（P）を拡げる。次に、ダイ（20）の上側から上パンチ（30）をセットする。
【００２４】
この状態の金型（10）をプレス成形機（100）のテーブル（102）に載せてから、油圧シリンダ（104）を作動させてテーブル（102）を上昇させる。そうすると、上パンチ（30）の円筒部材（32）が天板（101）に当たって押され、その結果、キャビティ（50）内の粉体（P）がキャビティ（50）内で圧縮される。それにより、キャビティ（50）内では、粉体（P）が一体化されてシート状になる。このシート状の成形品を例えば電気炉で焼成することによって、製品（樹脂のシート）として完成する。なお、ここでは、この完成品を最終成形品と命名する。
【００２５】
〈板部材（31）の形状設定〉
既述の通り、本発明の発明者は、粉体（P）の圧縮成形のシミュレーション技術（具体的には有限要素法を応用した解析技術）を開発した。そして、そのシミュレーション技術を用いて、圧縮成形過程における金型（10）の応力などを検証した。その結果、成形品の残留応力（後述の「最大密度差」でとらえることができる）が最終成形品の反りやクラックに影響（関連）し、最終成形品の残留応力（最大密度差）には、上パンチ（30）（より詳しくは板部材（31））の変形が影響することを見出すことができた。また、更にシミュレーションを行ったところ、上パンチ（30）の板部材（31）の形状を工夫することで、残留応力（後述の「最大密度差」）を低減できることが分かった。
【００２６】
板部材（31）の形状を工夫するに際して、本発明の発明者は、板部材（31）及び円筒部材（32）の寸法（後述）を種々の値に設定し、圧縮成形品（粉体（P）を金型（10）で圧縮成形したものであって焼成前のものを意味する）における最大密度差を、種々の成形後のシート厚さ（h）について求めた。ここでの「最大密度差」とは、圧縮成形品における、密度が最大の部分と、密度が最小の部分との差を平均密度（ρave）で除算した値をパーセント表示した値である。より具体的には、最大密度差（ρd）＝(最大密度（ρmax）−最小密度（ρmin）)/平均密度（ρave）をパーセント表示した値である。
【００２７】
なお、板部材（31）の寸法設定に際しては、その厚さ（t）、及び一辺の長さ（すなわち正方形の一辺の長さ（a））を種々に変更した。また、円筒部材（32）に関しては、板部材（31）に対する相対的な大きさを種々に設定した。より具体的には、円筒部材（32）に関しては、板部材（31）の平面部（31a）の面積（S0）と、該平面部（31a）における、円筒部材（32）の中立面（NP）よりも内側部分の面積（S1）との比（以下、説明の便宜のため面積比（A）と命名する。面積比（A）＝面積（S1）/面積（S0）と表せる。）を種々に変更している。参考のため、図５に、円筒部材（32）の中立面（NP）よりも内側部分をハッチングで示す。
【００２８】
このシミュレーションでは、３種類の面積比（A）（Ａ＝０．３，０．５，及び０．７）と、３種類の成形後のシート厚さ（h）（ｈ＝６ｍｍ（ミリメートル，以下同様），１０ｍｍ，及び１４ｍｍ）との組み合わせによって得られる９種のサンプルについて最大密度差（ρd）の算出を行った。なお、面積比（A）＝０．７は、板部材（31）に搭載できる円筒部材（32）の直径の概ね上限値に相当する。
【００２９】
また、このシミュレーションでは、円筒部材（32）の肉厚は１０ｍｍとした。円筒部材（32）の上端の面（天板（101）に接する面）には、プレス成形機（100）によって２０MPaの圧力が加えられるものとしている。キャビティ（50）を構成する面（平面部（31a）、キャビティ面（40a）、及びダイ（20）の内側側面）と粉体（P）との間の摩擦係数（μ）は、μ＝０．２としている。一般的に粉体は、圧縮成形過程の進行に従って、摩擦係数（μ）が概ね０．１から０．３まで変化するが、本シミュレーションにおけるμ＝０．２は、本実施形態の粉体（P）における圧縮成形終盤の摩擦係数に相当する。なお、本発明の発明者は、この研究において、摩擦係数（μ）が大きいほど、「最大密度差」が大きくなるとの知見を得ている。
【００３０】
図６に、最大密度差（ρd）のシミュレーション結果をグラフで示す。図６のグラフは、縦軸が最大密度差[%]である。また、該グラフの横軸は、パラメータｋ＝ａ４／ｔ３の値である。ここで、ａは、板部材（31）の一辺の長さ（すなわち正方形の一辺の長さ）であり、ｔは、板部材（31）の厚さである。ここでは、ａ及びｔの単位は、何れもｍｍ（ミリメートル）である。本発明の発明者は、このパラメータｋを採用することで、種々のサイズの板部材（31）に関する最大密度差（ρd）を単調増加する曲線（密度差曲線（C）と命名する）で表せることを見出したのである。このシミュレーション結果は、圧縮成形品における最大密度差（ρd）の実測値とも良く整合している。最大密度差（ρd）の実測値は、圧縮成形品を多数の小片に切断し、それぞれの小片の密度を実測して求めた。なお、円筒部材（32）の肉厚を変更しても同様の結論が得られることをシミュレーションで確認している。
【００３１】
図６から分かるように、面積比（A）の値が同じであれば、最大密度差（ρd）は、成形後のシート厚さ（h）が大きいほど小さくなる傾向にある。また、実用的な範囲において、成形後のシート厚さ（h）を６ｍｍよりも小さくしても、それらの密度差曲線（C）は、成形後のシート厚さ（h）＝６ｍｍ場合の密度差曲線（C）にほぼ重なっていた（図示は省略）。つまり、成形後のシート厚さ（h）以外の条件が同じであれば、最大密度差（ρd）が最悪となるのは、ｈ＝６ｍｍの場合であると考えて差し支えない。
【００３２】
また、面積比（A）と最大密度差（ρd）との関係を見ると、図６の例では、Ａ＝０．５の場合が、最も最大密度差（ρd）が小さい。最大密度差（ρd）と面積比（A）との関係を詳しく調べるために、図７に示すように、横軸を面積比（A）、縦軸を最大密度差（ρd）としたグラフに両者の関係をプロットすると、両者の関係は下に凸の曲線で表せる。最大密度差（ρd）は、Ａ＝０．５で最小、Ａ＝０．７で最大となっていた。つまり、面積比（A）以外の条件が同じであれば、最大密度差（ρd）が最悪となるのは、Ａ＝０．７の場合であると考えて差し支えない。
【００３３】
前記のシミュレーション結果を基に、本実施形態では、圧縮成形品における最大密度差（ρd）が５％以内となるように、板部材（31）の大きさを設定した。ここで、最大密度差（ρd）の範囲を「５％以内」としたのは、最大密度差（ρd）がこの範囲であれば、最終成形品から部材を切り出す場合に実用上許容できる程度に「反り」を収めることができるからである。ただし、種々のばらつきなどを考慮すると、より好ましくは３％以内を目指して金型（10）を設計するのが理想的と考えられる。
【００３４】
例えば、複数種類の成形後のシート厚さ（h）の圧縮成形品の成形に用いる金型（10）において、５％以内の最大密度差（ρd）を実現するには、図６から分かるように、最大密度差（ρd）が最悪となる条件である面積比（A）＝０．７、成形後のシート厚さ（h）＝６ｍｍに対応した密度差曲線（C）と、最大密度差（ρd）＝５％を示す直線（L1）との交点におけるｋの値（ｋ１）をパラメータｋの上限として、板部材（31）の一辺の長さ（a）と、厚さ（t）とを、それぞれ、定めればよい。つまり、パラメータｋの範囲は、最大密度差（ρd）が最悪となる、面積比（A）及び成形後のシート厚さ（h）の組み合わせを勘案して定め、そのパラメータｋに基づいて、板部材（31）の大きさを定めるのである。具体的にパラメータｋの値は、本シミュレーションによって、ｋ≦１×１０５とすればよいことが分かった。
【００３５】
なお、好ましくは、既述の通り、最大密度差（ρd）を３％以内に収めるのが良いと考えられる。３％以内の最大密度差（ρd）を実現するには、図６から分かるように、面積比（A）＝０．７、成形後のシート厚さ（h）＝６ｍｍに対応した密度差曲線（C）と、最大密度差（ρd）＝３％を示す直線（L2）との交点におけるｋの値（ｋ２）をパラメータｋの上限として、板部材（31）の一辺の長さ（a）と、厚さ（t）とをそれぞれ、定めればよい。具体的に、３％以内の最大密度差（ρd）を実現する、パラメータｋの値は、本シミュレーションによって、ｋ≦４×１０４とすればよいことが分かった。
【００３６】
〈本実施形態における効果〉
以上のように、本実施形態では、新たに考案した設計指標（パラメータｋ）に基づいて板部材（31）を設計して最大密度差（ρd）を所定範囲に収めたことによって、最終成形品の反りを実用上問題とならないレベルに低減できた。したがって、本実施形態によれば、粉体（P）を圧縮成形し更にそれを焼成してシート状の製品を製造するに際して、該製品の反りやクラックを低減することが可能になる。
【００３７】
しかも、本実施形態では、最大密度差（ρd）が最悪となる、面積比（A）及び成形後のシート厚さ（h）の組み合わせを勘案して金型（10）の設計に使用するパラメータｋ（すなわち設計指標）の範囲を定めたので、汎用性の高い金型（10）（例えば種々の成形後のシート厚さ（h）に対応可能な金型（10））を設計することが可能になる。
【００３８】
《その他の実施形態》
なお、実施形態の金型（10）で成形する粉体は、PTFE等の樹脂には限定されない。PTFEの他にPCTFE(ポリクロロトリフルオロエチレン)を主成分とする樹脂の成形にも、金型（10）を利用できる。また、その他にも、例えば、金属粉、磁性粉、セラミックスなど圧縮成形が必要な粉体全般に適用可能であるし、更には、食品や化粧品や薬品錠剤の圧縮成形にも適用可能である。
【００３９】
また、上パンチ（30）に設けた円筒部材（32）は一例であり、円筒以外の中空の筒部材や中実の部材も採用できる。例えば、円筒部材（32）の代用として、中空の多角柱の採用も可能である。
【００４０】
また、板部材（31）を押すための筒部材（実施形態では円筒部材（32））の数も例示である。例えば、２つ以上の筒部材を設けることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明は、粉体を成形する金型として有用である。
【符号の説明】
【００４２】
１０      金型
２０      ダイ
２１      貫通孔
３０      上パンチ（第１パンチ）
３１      板部材
３１ａ    平面部
４０      下パンチ（第２パンチ）
５０      キャビティ
【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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【図６】
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【図７】
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