(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面が製品面を構成する表面電着金属層と、その裏面側に配置され該表面電着金属層よりも厚みの大きい裏面側金属層との間に、冷却又は加熱用の流体通路を有する樹脂成形用の金型を製造するための方法であって、
前記裏面側金属層を鋳造又は鋼材からの形状加工により形成する金属層形成工程と、
前記裏面側金属層の表面側に、前記流体通路となるべき溝を形成する溝形成工程と、
前記溝形成工程後に、前記裏面側金属層の、前記溝の内面を含んだ表面全体に対し、セラミック製の断熱層を溶射により設ける断熱層形成工程と、
化学的又は物理的な手段により除去可能な消失性材料を、前記断熱層で覆われた前記溝内に配置する消失性材料添付工程と、
前記裏面側金属層の表面を前記消失性材料と共に覆うように前記表面電着金属層を電気めっきにより形成する電着工程と、
前記消失性材料を除去させて前記流体通路を形成する除去工程とを含むことを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】
前記裏面側金属層は、インバー合金から構成され、前記表面電着金属層は、鉄−ニッケル合金から構成されることを特徴とする請求項１記載の金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却又は加熱用の流体通路を有する樹脂成形用の金型の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
樹脂成形品、例えばＳＭＣ、ＢＭＣといった不飽和ポリエステル樹脂による射出圧縮成形（ヒート＆クール成形）等に用いられる金型としては、キャビティを構成する金属殻の裏面側に、冷却用（又は加熱用）の流体を通すための銅等の金属製のパイプを、例えばろう付けにより添設したものが知られている（例えば特許文献１参照）。また、従来より、表面転写性に優れた樹脂成形用の金型を、電鋳加工法を用いて製造する方法も提供されている（例えば特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−９８５１４号公報
【特許文献２】特公平４−２７３１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１のような、金属殻の外面に金属製のパイプをろう付けしたものでは、パイプとキャビティ面との距離が比較的大きく離れているため、パイプ内を通る流体と金型のキャビティ面との間の熱交換の効率が低く、温度調整に時間がかかって成形サイクルが長くなってしまう欠点があった。また、パイプが金型から外れてしまうといった問題もあった。そこで、特許文献２では、金型に別体のパイプを設けることに代えて、電鋳加工による電着金属層中に流体通路を一体的に形成する技術が開示されている。
【０００５】
この技術は、電鋳加工によりキャビティを構成し、そのキャビティの裏面の流体通路形成位置に、低融点はんだ等の連通部形成体を添設し、再度電鋳加工を行って外殻層を形成した後、連通部形成体を排除して流体通路を形成するというものである。ところが、この特許文献２のように、電鋳加工によって製造される金型では、金型としての強度が十分に得られず、特に圧縮成形（プレス成形）に用いる場合に、容易に変形や破損を生じてしまう不具合がある。この場合、長時間の電鋳加工によって厚みの大きい金型を得ることも可能ではあるが、製造コストが大幅に高くなってしまう。
【０００６】
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、流体通路を一体的に有する樹脂成形用の金型であって、流体通路を通る流体と製品面との間の熱交換の効率が高く、しかも機械的強度に優れる金型の製造方法を提供するにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の金型の製造方法は、表面が製品面を構成する表面電着金属層と、その裏面側に配置され該表面電着金属層よりも厚みの大きい裏面側金属層との間に、冷却又は加熱用の流体通路を有する樹脂成形用の金型を製造するための方法であって、前記裏面側金属層を鋳造又は鋼材からの形状加工により形成する金属層形成工程と、前記裏面側金属層の表面側に、前記流体通路となるべき溝を形成する溝形成工程と、前記溝形成工程後に、前記裏面側金属層の、前記溝の内面を含んだ表面全体に対し、セラミック製の断熱層を溶射により設ける断熱層形成工程と、化学的又は物理的な手段により除去可能な消失性材料を、前記断熱層で覆われた前記溝内に配置する消失性材料添付工程と、前記裏面側金属層の表面を前記消失性材料と共に覆うように前記表面電着金属層を電気めっきにより形成する電着工程と、前記消失性材料を除去させて前記流体通路を形成する除去工程とを含むところに特徴を有する（請求項１の発明）。
【０００９】
本発明によれば、金型は、表面側に位置する表面電着金属層と、その裏面側に位置し表面電着金属層よりも厚みの大きい裏面側金属層との二層構造となる。このとき、裏面側金属層は鋳造又は鋼材からの形状加工（金属層形成工程）により形成されるので、簡単で安価に得ることができながらも、十分に大きな厚みとすることができ、金型の全体としての強度を高めることができる。この場合、比較的簡単（単純）な形状の金型の場合には、鋼材からの形状加工（削り出し等の機械加工）を採用することができる。
【００１０】
表面側の表面電着金属層は、電気めっき（電着工程）により得られる緻密質金属層となり、鋳造又は鋼材からの形状加工により得られた裏面側金属層の表面粗度が粗い事情があっても、その凹凸を覆うようにして、十分に滑らかで緻密な金型の表面を得ることができる。表面電着金属層は、裏面側金属層に対する接合強度も高く、また、比較的薄く済むので、形成（機械加工も含む）が容易で製造コストを抑えることができる。
【００１１】
そして、裏面側金属層の表面側に溝が形成され（溝形成工程）、その溝内に消失性材料が埋込まれた状態で（消失性材料添付工程）、裏面側金属層及び消失性材料の表面を覆うように表面電着金属層が形成される（電着工程）。これにより、金型の内部には消失性材料が詰まった形態の空洞が形成され、消失性材料が除去されることにより（除去工程）、その空洞が流体通路となる。これにより、断面の小さい流体通路を、任意の形状をなすように形成することが可能となる。しかも、流体通路は、薄い表面電着金属層のすぐ外側に形成されるので、冷却又は加熱用の流体と表面電着金属層との熱交換効率が高く、温度調節性能に優れ、急加熱や急冷却に容易に対応することができる。更に、表面電着金属層全体を均一に冷却、加熱することが可能となり、温度分布を良好とすることができる。
【００１２】
本発明においては、前記裏面側金属層の前記溝の内面を含む表面に、断熱層を設けることができる。この場合、前記溝形成工程後に、前記裏面側金属層の表面に、前記溝の内面を含んで断熱層を設ける断熱層形成工程を実行すると共に、前記消失性材料添付工程では、前記断熱層で覆われた前記溝内に消失性材料を配置するようにすることができる。このように、裏面側金属層の溝の内面を含む表面に断熱層を設けることにより、流体通路内を通る冷却又は加熱用の流体の熱が、裏面側金属層側に伝達されることが抑えられるので、熱交換効率をより一層良好なものとすることができる。尚、断熱層を設ける場合、例えばセラミックの溶射を採用することができる。
【００１３】
ところで、本発明においては、例えば、裏面側金属層の材質として、鋳造に一般的に用いられるＦＣ（ねずみ鋳鉄）やＦＣＤ（ダクタイル鋳鉄）を採用することができる。表面電着金属層の材質としては、ニッケル、ニッケル系合金を採用することができる。これに対し、前記裏面側金属層を、インバー合金の鋳造から構成すると共に、前記表面電着金属層を、鉄−ニッケル合金から構成することができる（請求項２の発明）。インバー合金は熱膨張率が極めて小さいことが知られており、ニッケル−鉄合金も、熱膨張率がインバー合金に準ずる程度に十分に小さい。従って、これらを採用することにより、金型全体として、熱膨張率を小さく済ませることができ、成形品の寸法精度を高めることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の金型の製造方法によれば、鋳造又は鋼材からの形状加工により得られた厚みの大きい裏面側金属層の表面に溝を形成し、その溝内に消失性材料を配置した状態で、表面電着金属層を電着により形成し、その後に消失性材料を除去させて流体通路を形成する構成としたので、流体通路を一体的に有する樹脂成形用の金型であって、流体通路を通る流体と製品面との間の熱交換の効率が高く、しかも機械的強度に優れるという優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】基本構成を示すもので、金型の要部を示す拡大縦断正面図
【図２】製品面（キャビティ面）を上にして示す金型の斜視図
【図３】製造工程を順に示す図
【図４】本発明の第１の実施例を示すもので、金型の部分的な拡大縦断正面図
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（１）基本構成
以下、金型及びその製造方法の基本構成について、図１から図３を参照しながら説明する。この基本構成では、例えば、ＳＭＣ、ＢＭＣといった不飽和ポリエステル樹脂（熱可塑性樹脂）を材料として、自動車用部品、航空機用部品、浴槽等の三次元形状の樹脂成型品を、ヒート＆クール成形（プレス成型等）により成形するための金型に適用している。尚、本発明は、アクリル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱硬化性樹脂を材料とする射出成形用の金型等にも広く適用することができる。
【００１７】
まず、図１及び図２を参照して、基本構成に係る金型１の構成について述べる。金型１は、図２に示すように、全体として、図で左右方向にやや横長な、丸みを帯びた矩形状をなすと共に、その周囲部（フランジ部）を除いた中央部が図で上方に緩やかに湾曲するように膨らんだ滑らかな曲面形状をなしている。この金型１の図で上面が、製品面となる表面（キャビティ面）とされている。
【００１８】
図１に示すように、この金型１は、表面（図で上側）側に位置する表面電着金属層２と、その裏面（図で下面側）側に配置され該表面電着金属層２よりも厚みの大きい裏面側金属層３とのいわば２層構造を備えている。前記表面電着金属層２は、例えばニッケルの電着層（電気めっき層）からなり、厚み寸法が例えば３〜５ｍｍ程度で形成されている。裏面側金属層３は、例えばＦＣ（ねずみ鋳鉄）やＦＣＤ（ダクタイル鋳鉄）の鋳造により形成され、厚み寸法は例えば２０〜３０ｍｍ程度とされている。尚、形状が比較的簡単（単純）なものの場合、裏面側金属層３を、鋳造でなく、鋼材からの形状加工により形成することもできる。
【００１９】
そして、この金型１の内部、即ち、前記表面電着金属層２と裏面側金属層３との接合部分には、冷却又は加熱用の流体（例えば水、蒸気、油等）を通すための多数本の流体通路４が形成されている。これら多数本の流体通路４は、断面ほぼ半円形状をなし、図２にも示すように、金型１の表面に近い部分を、短辺方向（図で前後方向）に沿って延びるようにして、複数本が平行に形成されている。図示はしないが、各流体通路４の図で前後の両端部は、金型１の底面の前後の辺部に設けられた流体出入口部分に夫々つながっている。前記裏面側金属層３と表面電着金属層２とは、流体通路４の存在しない部分で接合された形態とされる。
【００２０】
詳しくは次に述べるように、前記裏面側金属層３は鋳造により形成され、前記表面電着金属層２は、前記裏面側金属層３の表面に対する電着（電気めっき）により形成される。このとき、図３（ｂ）、（ｃ）等にも示すように、前記裏面側金属層３の表面側に形成された溝５内に、化学的又は物理的な手段により除去可能な消失性材料６を配置した状態で、該裏面側金属層３の表面を前記消失性材料６と共に覆うように前記表面電着金属層２を電着により形成し、その後に前記消失性材料６を除去させることにより，流体通路４が形成される。
【００２１】
次に、上記した金型１の製造方法について、図３も参照して述べる。図３は、金型１の全体の製造工程の概略を順に示している。金型１を製造するにあたっては、まず、裏面側金属層３を例えば鋳造により形成する金属層形成工程（鋳造工程）が実行される。この金属層形成工程は、図３（ａ）に示すように、裏面側金属層３の形状に対応した（厚みを大き目にした）鋳型（ダイカスト型）７を製作し、その鋳型７内に溶けた金属材料（ＦＣ）８を流し込み、冷却硬化させる。尚、鋳型７は、上型７ａと下型７ｂとから構成される。
【００２２】
次に、鋳型７内の金属材料８が硬化すると、図３（ｂ）に示すように、鋳型７から裏面側金属層３が取出され、その表面に対する第１次形状加工（仕上げ）の処理（表面研磨等）が行われると共に、裏面側金属層３の表面側の所定位置に、前記流体通路４となるべき溝５を形成する溝形成工程が実行される。
【００２３】
次いで、図３（ｃ）に示すように、前記溝５内に，消失性材料６を配置する（埋め込む）消失性材料添付工程が実行される。消失性材料６は、溶解、気化、燃焼等の化学的又は物理的な手段により除去可能な材料からなり、この場合、例えば加熱により除去可能なワックスやパラフィンが用いられる。消失性材料６としては、それ以外にも、低融点合金半田、合成樹脂、天然樹脂等を採用することができる。
【００２４】
消失性材料添付工程が終了すると、引続き、裏面側金属層３の表面を前記消失性材料６と共に覆うように前記表面電着金属層２を電気めっきにより形成する電着工程が実行される。この電着工程では、図３（ｄ）に示すように、めっき槽９内に、この場合ニッケルからなる陽極１０が配置されると共に、陰極として前記裏面側金属層３が配置される。めっき槽９内には、例えばスルファミン酸ニッケルを主な組成としてなるニッケルめっき用の周知の電解液１１が、所定のｐＨ及び温度に保たれた状態で収容されている。
【００２５】
このとき、前記裏面側金属層３に対して、予め、前処理（消失性材料６の表面（露出面）に対する導電処理等）が施されると共に、図示はしないが、裏面側金属層３の裏面等のめっきを着けたくない部分を絶縁物で覆うマスキングの処理が行われている。そして、この状態で、前記陽極１０と陰極（裏面側金属層３）との間に直流電流が流される。すると、電解反応により、消失性材料６の露出面を含む裏面側金属層３の表面部に、金属（ニッケル）が析出（電析）し電着が行なわれる。
【００２６】
前記裏面側金属層３の表面に対する所定厚み（例えば３〜５ｍｍ）の電着が行なわれて表面電着金属層２が形成されることにより、電着工程が終了され、表面電着金属層２が形成された裏面側金属層３が、めっき槽９から取出される。この状態では、図３（ｅ）に示すように、表面電着金属層２と裏面側金属層３（溝５）との間に形成されている断面半円形の隙間部分に、消失性材料６が埋込まれた形態とされている。
【００２７】
そこで、図３（ｆ）に示すように、溝５内に埋まっている消失性材料６を化学的又は物理的な手段、この場合加熱により溶解させて除去させる除去工程が実行される。これにより、消失性材料６が除去（消失）され、流体通路４が形成される。この後、表面電着金属層２の表面等に対し、仕上げ処理（機械加工や磨き等）が行われ、金型１が得られる。
【００２８】
このような基本構成の金型１及びその製造方法によれば、次のような作用、効果を得ることができる。即ち、金型１では、表面側に位置する表面電着金属層２と、その裏面側に位置し表面電着金属層２よりも厚みの大きい裏面側金属層３との二層構造となる。このとき、裏面側金属層３は鋳造（又は鋼材からの形状加工）により形成されるので、簡単で安価に得ることができながらも、十分に大きな厚みとすることができ、金型１の全体としての強度を高めることができる。この結果、金型１を、圧縮成形（プレス成形）に用いる場合でも、十分な機械的強度を得ることができる。
【００２９】
また、表面側の表面電着金属層２は、電気めっき（電着工程）により得られる緻密質金属層となり、鋳造により得られた裏面側金属層３の表面粗度が粗い事情があっても、その凹凸を覆うようにして、十分に滑らかで緻密な金型１の表面を得ることができる。表面電着金属層２は、裏面側金属層３に対する接合強度も高く、また、比較的薄く済むので、比較的短時間で製造することが可能となる。この結果、裏面側金属層３を鋳造等により形成することと併せて、全体として製造が容易で製造コストを抑えることができる。
【００３０】
そして、裏面側金属層３の表面側に溝５が形成され、その溝５内に消失性材料６が埋込まれた状態で、裏面側金属層３及び消失性材料６の表面を覆うように表面電着金属層２が形成される。これにより、金型１の内部には消失性材料６が詰まった形態の空洞が形成され、消失性材料６が除去されることにより、その空洞が流体通路４となる。これにより、断面の小さい流体通路４を、任意の形状をなすように形成することが可能となる。しかも、流体通路４は、薄い表面電着金属層２のすぐ外側に形成されるので、冷却又は加熱用の流体と表面電着金属層２との間の熱交換効率が高く、温度調節性能に優れ、急加熱や急冷却に容易に対応することができる。更に、表面電着金属層２全体を均一に冷却、加熱することが可能となり、温度分布を良好とすることができる。
【００３１】
このように、基本構成の金型１によれば、流体通路４を一体的に有する樹脂成形用の金型１であって、流体通路４を通る流体と製品面との間の熱交換の効率が高く、しかも機械的強度に優れるという優れた効果を奏する。また、基本構成の金型１の製造方法によれば、流体通路４を通る流体と製品面との間の熱交換の効率が高く、しかも機械的強度に優れる金型１を、容易に製造することができるものである。
【００３２】
（２）第１の実施例、その他の実施例
図４は、本発明の第１の実施例に係る金型２１を示すものである。この第１の実施例が、上記基本構成の金型１と異なるところは、裏面側金属層３の溝５の内面を含む表面に、例えばセラミック製の断熱層２２を設けるようにした点にある。
【００３３】
図示は省略するが、金型２１を製造するにあたっては、上記基本構成と同様に、金属層形成工程（図３（ａ）参照）、溝形成工程（図３（ｂ）参照）を行った後に、裏面側金属層３の表面に、前記溝５の内面を含んで断熱層２２を設ける断熱層形成工程を実行する。この断熱層形成工程は、例えばセラミックの溶射により行うことができる。そして、その後の消失性材料添付工程では、前記断熱層２２で覆われた前記溝５内に消失性材料６を配置する。
【００３４】
さらに、裏面側金属層３（断熱層２２）の表面を消失性材料６と共に覆うように表面電着金属層２を電気めっきにより形成する電着工程が実行されるのであるが、その際には、予め、消失性材料６の表面（露出面）及び、溝部５以外の断熱層２２の表面（露出面）に対する導電処理が行われる。これにより、電着工程において、消失性材料６の露出面及び溝部５以外の断熱層２２の表面に所定厚みの表面電着金属層２が形成される。その後、除去工程により、消失性材料６が除去され、仕上げ処理等により金型２１が得られる。
【００３５】
このような第１の実施例の金型２１及びその製造方法によれば、上記基本構成と同様の作用、効果が得られることに加えて、裏面側金属層３の溝５の内面を含む表面に断熱層２２を設けたことにより、流体通路４内を通る冷却又は加熱用の流体の熱が、裏面側金属層３側に伝達されることが抑えられるので、金型２１の表面側における表面電着金属層２と流体との間の熱交換効率をより一層良好なものとすることができる。
【００３６】
次に、図示はしないが、本発明の第２の実施例について述べる。この第２の実施例に係る金型が上記基本構成の金型１と異なるところは、裏面側金属層３及び表面電着金属層２の材質にある。即ち、裏面側金属層３は、インバー合金（Ｆｅ−３６％Ｎｉ）の鋳造から構成されていると共に、表面電着金属層２は、鉄−ニッケル合金の電気めっきにより構成されている。そのうち裏面側金属層３は、鋳型７に溶けたインバー合金を流し込み、冷却硬化させることにより得られる（金属層形成工程）。
【００３７】
そして、表面電着金属層２を形成する電着工程（電気めっきの工程）では、めっき槽９内に収容されるめっき液１１として、例えば硫酸ニッケル又はスルファミン酸ニッケルを主な組成とし、それに加えて、例えば、塩化ニッケル、硫酸第一鉄（スルファミン酸第一鉄）、ほう酸、酸化防止剤、応力減少剤、界面活性剤等を添加したものが用いられる。これにより、電着工程では、鉄がニッケルと共に合金として共析し、裏面側金属層３の表面に電着される電析物は、ニッケル及び鉄を含んだニッケル−鉄合金とされる。この場合、ニッケル−鉄合金中の鉄の割合は、約２０〜６５質量％となる。
【００３８】
ここで、インバー合金は熱膨張率が極めて小さいことが知られており、裏面側金属層３を低熱膨張率の材料から構成することができた。そして、表面電着金属層２を構成するニッケル−鉄合金は、熱膨張率（線膨張係数）が例えばニッケルの電鋳加工により得られたものと比べて十分に小さい。また、ニッケル−鉄合金は、硬度や引張強度にも優れている。従って、この第２の実施例によれば、金型全体として、熱膨張率を小さく済ませることができ、成形品の寸法精度を高めることができる。
【００３９】
尚、金型を構成する表面電着金属層２及び裏面側金属層３の材質としては、上記したものに限定されるものではなく、別の材料とすることもでき、例えばニッケル合金（コバルト、タングステン等とニッケルとの合金）や、他の金属材料例えば銅や銅合金等から構成しても良い。また、金型の用途についても、各種の成形用に用いることが可能である。上記したように、裏面側金属層３を形成する金属形成工程としては、鋳造に限らず、鋼材からの形状加工（削り出し等の機械加工）を採用することもできる。その他、本発明は上記した各実施例に限定されるものではなく、例えば金型１，２１の形状や、各部の厚み寸法やそのバランス、流体通路を設ける位置、流体通路の断面形状や延びる方向（例えば蛇行状等）についても様々な変形が可能である等、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施し得るものである。
【符号の説明】
【００４０】
図面中、１、２１は金型、２は表面電着金属層、３は裏面側金属層、４は流体通路、５は溝、６は消失性材料、２２は断熱層を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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