(57)【要約】成形プロセス中に成形型キャビティ（９０）の均等な温度調節を保証するための方法および装置を開示する。好ましい方向に速やかな熱伝達を提供するために、１つまたは複数の非等方拡散部材（１００）が利用される。成形型キャビティ（９０）の目標となる壁に沿って、熱が均等かつ急速に伝達することを保証するために、成形型キャビティ（９０）と共にあるいはそれに沿って非等方部材（１００）を配置する。非等方拡散部材（１００）は、個々の繊維（１０１）を、一定の方向、例えば特有の木目をもつ方向に配置された炭素繊維強化複合材料を積み上げることにより製造することができる。熱は、拡散部材（１００）の個々の繊維（１０１）の長さ（木目）に沿った方向の方が、ある角度でそれを横切る方向よりも速く移動するので、オペレータは、望ましくない温度勾配およびホットスポットを避ける形で、成形型キャビティ（９０）壁に沿って熱が均等に広がることを保証するように熱伝達を操作することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形型部材（２０）と、
非等方拡散部材（１００）とを含み、前記拡散部材（１００）が、各々がそれぞれ長さ（Ｌ）をもつ複数の繊維（１０１）を有する繊維複合材料を含み、前記複数の繊維（１０１）は、それぞれの長さ（Ｌ）分が前記拡散部材（１００）内でほぼ一定の方向に配置されるようにして積み上げられ、前記拡散部材（１００）が、各繊維（１０１）の前記長さ（Ｌ）の方向に沿って前記成形型部材（２０）への急速な熱伝達が可能となるような位置に配置されている、成形プロセス用の成形型アセンブリ（１０）。
【請求項２】
前記繊維複合材料が炭素強化複合材料である請求項１に記載の成形プロセス用の成形型アセンブリ（１０）。
【請求項３】
前記拡散部材（１００）が拡散板である請求項１に記載の成形プロセス用の成形型アセンブリ（１０）。
【請求項４】
前記成形型部材（２０）が成形型キャビティ（９０）を含み、前記拡散部材（１００）が前記成形型キャビティ（９０）内に配置される請求項１に記載の成形プロセス用の成形型アセンブリ（１０）。
【請求項５】
前記成形型部材（２０）が成形型キャビティ（９０）を含み、前記拡散部材（１００）が前記成形型キャビティ（９０）の横に配置される請求項１に記載の成形プロセス用の成形型アセンブリ（１０）。
【請求項６】
成形型アセンブリ（１０）用の非等方拡散板（１００）であって、前記拡散板（１００）が、各々がそれぞれ長さ（Ｌ）をもつ複数の繊維（１０１）を有する繊維複合材料を含み、前記複数の繊維（１０１）は、それぞれの長さ（Ｌ）分が前記拡散板（１００）内でほぼ一定の方向に配置されるようにして積み上げられ、前記拡散板（１００）が、各繊維（１０１）の前記長さ（Ｌ）の方向に沿って急速な熱伝達が可能となるように配置されている拡散板（１００）。
【請求項７】
前記繊維複合材料が炭素強化複合材料である請求項６に記載の拡散板（１００）。
【請求項８】
成形装置（１０）内のプロセス温度を制御する方法であって、
熱源を含む成形型部材（２０）の温度を制御するステップと、
非等方拡散部材（１００）の長さに沿って前記熱源からの熱を均等に配分するために、前記成形型部材（２０）の表面に沿って前記非等方拡散部材（１００）を配置するステップとを含む方法。
【請求項９】
前記拡散部材（１００）が、各々がそれぞれ長さ（Ｌ）をもつ複数の繊維（１０１）を有する繊維強化複合材料を含み、前記複数の繊維（１０１）は、それぞれの長さ（Ｌ）分が前記拡散部材（１００）内でほぼ一定の方向に配置されるようにして積み上げられ、前記拡散部材（１００）が、各繊維（１０１）の前記長さ（Ｌ）の方向に沿って急速な熱伝達が可能となるように配置されている、請求項８に記載の成形装置（１０）内でプロセス温度を制御する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として成形型および成形プロセスを対象とし、より詳細には、成形型ダイ内で熱を均等に配分するための非等方熱拡散部材を利用する成形プロセスのための方法および装置を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づき、その全体が本明細書中に組み込まれるものとする、２００１年３月１９日出願の「非等方熱拡散板（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｈｅａｔ  Ｄｉｆｆｕｓｅｒ  Ｐｌａｔｅ）」という名称の米国仮出願第６０／２７７１０６号の優先権を請求する。
【０００３】
成形物の加工は、厳密にタイミングを計って圧力を加えること、および精密で均一な温度を加えることが要求される精密な操作である。望ましいパラメータからのずれ（ｄｅｖｉａｔｉｏｎ）は、しばしば、得られる製品内のひび割れおよび／または不十分な樹脂の流れをもたらす。
【０００４】
背景技術として、成形プロセスの温度を調節するための関連する制御スキームのいくつかの例が含まれる。例えば、Ｍａｒｕｙａｍａ他の米国特許第３，９３３，３３５号では、成形型内の溶融金属と成形型内壁との間でライナとして使用される、有機繊維またはパルプと混ぜた、紙のようなシートの炭素繊維を含む注型用金属用の注型用成形型を記載している。炭素繊維シートは、溶融金属と成形型の内壁との間の接触の結果起こる望ましくない応力および焼き付きを防止するために、少なくとも３５重量パーセントの炭素繊維を含む。
【０００５】
その全体が本明細書中に組み込まれるものとする、Ｓｕｈ他の米国特許第４，３８８，０６８号では、成形型キャビティ表面のある部分の冷却速度を、成形型キャビティ表面の他の部分の冷却速度とは別に独立に制御するための、可変コンダクタンスヒートパイプの使用を含む、射出成形装置および方法を記載している。この成形装置および方法は、本質的に、成形型の様々な位置における多数の下位部分（ｓｕｂ  ｐｏｒｔｉｏｎｓ）の、個別の能動温度調節および温度近似を利用している。
【０００６】
Ｖａｔａｎｔ他の米国特許第５，１５４，２２１号では、成形型のグラファイト壁のグラファイトブロックを固定し、冷却する装置を記載している。成形型キャビティが、成形型キャビティ壁を作る、複数の垂直方向のグラファイトブロックによって形成される。個々のグラファイトブロックは成形型キャビティ壁の表面に平行に配置された垂直の穿孔を含む。各穿孔は、冷却流体のジェットがブロックの内部に噴霧し、成形型キャビティを冷却することを可能とする。しかし、Ｖａｔａｎｔらの装置は、冷却流体の収集および送出しシステム、および／または、各グラファイトブロックの垂直の穿孔および冷却システムを作るための部品の追加の機械加工を必要とする。
【０００７】
すべてＭｃＤｏｎａｌｄの米国特許第５，６０９，９２２号、５，７４６，９６６号および５，７８３，２５９号では、熱噴射（ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｐｒａｙ）を使用して成形型キャビティの内部表面に塗布される熱コーティングを組み込んだ成形プロセス用の方法および成形型を記載している。このコーティングは、セラミックス、金属基複合材料、セラミックス基複合材料、樹脂およびこれらの組合せを含むことができる。成形型キャビティの内部表面内に望ましい多孔性を付与するために、急速な冷却を助け、成形型自体に構造強度を加える熱コーティングが選択される。しかし、ＭｃＤｏｎａｌｄの方法および装置では、様々な大きさおよび形状の成形型キャビティの構成部品上に、制御された形でコーティングを熱噴射する必要がある精密製造技術を利用している。
【０００８】
その全体が本明細書中に組み込まれるものとする、Ｋｉｍｕｒａの米国特許第５，８１１，１３５号では、熱膨張部材を備える従来の型枠構造を有する成形装置を記載している。図１は、従来技術による成形装置の側面図である。図２は、図１の成形装置用の成形型部材の正面図である。図３は、図１の成形装置用の成形型部材の分解透視図である。図４は、従来技術による成形装置用の溶融材料充填機構の断面図である。
【０００９】
図１〜図４からわかるように、型枠構造１０は、水平に配置された支持要素１１と、ねじ付きストラット１２と、複数のナット１３とを含む。成形型部材２０（例えば上半部２１および下半部２２の２つの部品で示す）、加圧板３０、熱膨張部材４０および補助加圧機構５０は、下の２つの支持要素１１の間に、上から下に垂直にこの順序で配置される。熱膨張部材４０は、温度調節機構６０を含む。
【００１０】
温度調節機構６０は、成形型部材の上半部２１および下半部２２が密封係合されるように、熱膨張部材４０が成形型部材２０に与える圧力を制御するために使用される。温度調節機構６０はまた、熱膨張部材４０を加熱し膨張させるための円筒ヒータ（図示せず）を含む。冷却オイル回路（図示せず）が、熱膨張部材４０を接触させそれを冷却させるために使用される。
【００１１】
従来の成形プロセスの際、成形型部材２０は、加圧板３０と支持要素の１つ１１ａ２との間に収容される。上部成形型２１および下部成形型２２は、互いに対向する表面にそれぞれ所定の構造で形成された凹面を有する。各成形型２１および成形型２２は、横方向への位置ずれを防止するための複数の位置決めピン２３をさらに有する。図４に示すように、上部成形型２１は、支持板１１ａを貫通して形成された対応する中央シリンダ孔７１に通じるように形成された、材料充填孔２１ａを有する。
【００１２】
推力ピストン７２は、シリンダ孔７１に挿入可能であり、一番上の支持板１１ｂの中央部分に取り付けられそこまで延びる油圧シリダのピストン７３ａに連結されている。ピストン７３ａの運動により、推力ピストン７２が垂直に移動して、シリンダ孔７１内に収容された溶融材料が、上部成形型２１の材料充填孔２１ａを通って成形型部材２０の内部を充填することができる。意図する成形プロセスに応じて、必要な冷却プロセスまたは成形プロセスが完了した後で、完成成形物が取り出される。
【００１３】
しかし、前述の従来技術の装置では、例えば、ホットスポットや成形型キャビティの変動部分に沿った他の温度変動の温度勾配を取り除くことを保証する簡単な方法を欠いている。これらの温度勾配は、表面のひび割れ、へこみ、そりおよび他の形のゆがみあるいは表面の不規則性をもたらしがちである。適切な成形型キャビティを保証しようと試みて、成形型キャビティを、例えば融解温度に加熱するとき、成形型キャビティへの熱伝達は、温度制御の結果、成形型冷却期間および全体処理サイクルタイムの増加をもたらすおそれのある望ましくない融解加熱が生じないように、制御された均等な方式で行うべきである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明は、従来技術に伴う欠点を克服し、従来技術では実現されなかった他の利点を達成する。
本発明は、ある点においては、成形プロセスの際、成形型ダイまたは成形型キャビティ内で均等に熱を配分することが有利であるという認識に基づく。
【００１５】
本発明は、ある点においては、繊維強化複合材料の特有の特性を利用して、所定の形状をもつように処理した場合、精密な温度制御および熱伝達を行うことができるという認識に基づく。
【００１６】
本発明は、ある点においては、成形型部材と非等方熱拡散部材とを含む、成形プロセス用の成形型アセンブリを提供する。この拡散部材は、各々がそれぞれの長さをもつ複数の繊維を有する繊維複合材料を含み、その複数の繊維を、各繊維の長さ分が拡散部材内でほぼ一定の方向に配置されるようにして積み上げる（ｌａｙ−ｕｐ）ようにし、その拡散部材を、各繊維の長さの方向に沿って成形型部材へと急速な熱伝達がなされることを可能とするように配置する。
【００１７】
本発明は、またある点においては、成形型アセンブリ用の非等方拡散板を提供する。この拡散板は、各々がそれぞれの長さをもつ複数の繊維を有する繊維複合材料を含み、その複数の繊維を、各繊維の長さ分が拡散部材内でほぼ一定の方向に配置されるようにして積み上げるようにし、その拡散部材を、各繊維の長さの方向に沿って急速な熱伝達が可能となるように配置する。
【００１８】
本発明は、またある点においては、成形装置内のプロセス温度を制御する方法を提供する。この方法は、熱源を含む成形型部材の温度を制御するステップと、非等方拡散部材の長さに沿って熱を均等に配分するために、非等方拡散部材を成形型部材の表面に沿って配置するステップとを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明は、後述する詳細な説明、および例示として示したものにすぎずしたがって本発明を限定しない添付の図面から、一層よく理解できるようになる。
次に、添付の図面を参照して本発明を詳細に記載する。図５は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材の部分側面図である。図６は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材を含む成形型部材の正面図である。図７は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材を含む成形型部材の正面図である。図８は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材を含む成形型部材の正面図である。
【００２０】
図１ないし図４に示す成形装置１０は、本発明によく適合し得る、利用可能な成形型装置およびプロセスを代表するものである。しかし、本発明が特に有利である成形装置１０および成形プロセスが多数あることが当分野の技術者には理解されよう。さらに、添付の図では、２部品からなる成形部材２０を示しているが、他の複数の部品からなる成形部材が、特定の成形応用例で、望みに応じて容易に利用できることが当分野の技術者には理解されよう。
【００２１】
前述のように、成形プロセスは、成形型ダイまたは成形型キャビティ内で均等な温度を保証するために、しばしばヒータまたは他の温度制御方法を利用する。しかし、成形型ダイまたは成形型キャビティ内での、あるいはこれらに沿ったヒータの配置に応じて、成形型キャビティ全体の温度に顕著な差がでることがある。本発明は、成形型キャビティを不均等に加熱することから起こり得るこれらの温度勾配を大幅に低減させる。
【００２２】
本発明では、繊維強化複合材料に特有の特性を利用して、成形プロセス中、成形型ダイ内部に熱を均等に配分させる。繊維強化複合材料は、ヒータ、例えば熱ロッドと成形部片との間の直線距離に沿うよりも、ダイの長さに沿って熱をより速く配分するように設計することができる。繊維強化複合材料を、成形される部片と同じ直線方向に、成形型キャビティの内部に沿って配置することができる。繊維強化複合材料は、繊維強化複合のコーティングから構成してもよく、あるいは、拡散板などの実際の構造板から構成してもよい。
【００２３】
例えば、炭素繊維強化複合物は、独特の熱特性をもつので、本発明に理想的に適合する。個々の繊維を、ほぼ一定の方向、例えば、木材の木目のように配置することができる。繊維材料の個々の繊維は、形状的に非直線ではあるが、各繊維の長さが一般に互いに平行になるように配置することができることが当分野の技術者には理解されよう。
【００２４】
図５は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材１００の部分側面図である。非等方拡散部材１００は、個々の繊維をそれぞれの長さに沿って積み上げるように均等に配置した個々の繊維１０１を有する。このタイプの拡散部材１００を使用すると、熱は、積上げ（ｌａｙ−ｕｐ）方向、例えば繊維１０１の長さＬを横切る方向を通る速度よりも、繊維の方向、例えばその長さＬに沿った方向に、はるかに速い速度で移動する。熱を積上げ方向に加えるとき、熱は繊維１０１の長さＬに沿って急速に拡散し、これらの繊維１０１の木目を横切る方向では、はるかに遅く移動する。
【００２５】
図６は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材１００を含む成形型部材２０の正面図である。上部成形型部材２１および下部成形型部材を有する２部品の成形部材２０を示す。この実施形態では、成形型部材２０に、任意の方向またはすべての方向からヒ−タ（図示せず、ただしＱINで示す）によって、熱を加えることができる。拡散部材１００を使用しない場合には、ヒータＱINからの熱を加える個々の点でホットスポットが発生しやすくなる。一般に、拡散部材１００に沿った熱配分速度は方向または向きによって異なるが、これらの非等方拡散部材１００は、それとは違って、熱を急速にかつ均等に繊維の長さに沿って移動させる。したがって、図６に示す成形型部材２０の上部表面および下部表面に沿って、均等な温度分布が達成される。
【００２６】
図７は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材１００を含む成形型部材２０の正面図である。図に示す成形型部材２０中の１対の成形型キャビティ９０の垂直壁に沿って、１対の非等方拡散部材１００を配置する。図７に示す実施形態で、熱を成形型部材２０の上部表面および下部表面に沿って加える場合、垂直に配置された拡散部材１００が、成形型キャビティ９０の全長に沿って、熱が急速に伝達することを保証する。
【００２７】
図８は、本発明の一実施形態による非等方拡散部材１００を含む成形型部材２０の正面図である。１対の垂直に配置された拡散部材１００に加え、水平に配置された拡散部材１００も示す。図では、成形型キャビティ９０の上部表面に沿って拡散部材を取り付けていないが、このことは、成形プロセス中に、成形型キャビティ９０内に溶融物が導入できるように拡散部材を形成する場合、例えば成形型部材２０に対応するそれに合致する入口孔を機械加工する場合に可能であることが当分野の技術者には理解されよう。
【００２８】
本発明によれば、様々な大きさおよび形状の任意の数の拡散部材１００を、成形型キャビティ９０に適用できることが当分野の技術者には理解されよう。均等な温度分布を与え、それでも成形技術の多種類の可能な成形型キャビティ形状に適合するように拡散部材１００が選択される限り、成形プロセスのオペレータは、望むように拡散部材１００を容易に配置することで精密な温度制御をすることができる。
【００２９】
好ましい実施形態では、拡散部材は、約１．２７ｃｍ（０．５インチ）の厚さでよい。しかし、拡散部材１００の正確な大きさは、対象となる応用例、例えば、適用される成形型キャビティの大きさおよび形状によって変わることが当分野の技術者には理解されよう。
【００３０】
炭素繊維強化複合物は、独特の熱特性および繊維内部構造のため特に有利である。しかし、特に、前述の実施形態で具体的に列挙した材料と共通の特性を示す代替材料を本発明に組み込むことができることが当分野の技術者には理解されよう。多くの繊維複合材料が、本発明に有利に組み込めることが理解されよう。前述の繊維積み上げの結果として制御された熱伝導を生み出すように製造される能力があるどんな繊維材料も、本発明および前述の実施形態に適用することができる。
【００３１】
次に、添付の図面および前述の記載を参照することにより、本発明による方法を記載する。成形装置１０内のプロセス温度を制御する方法は、熱源を含む成形型部材２０の温度を制御するステップと、前記非等方拡散部材１００の長さに沿って前記熱源からの熱を均等に配分するために非等方拡散部材１００を前記成形型部材２０の表面に沿って配置するステップとを含む。
【００３２】
成形装置内のプロセス温度を制御する方法では、各々がそれぞれの長さＬをもつ複数の繊維を有する繊維複合材料を有する拡散部材１００を含むことができ、その複数の繊維１０１を、各繊維１０１の長さ分が拡散部材１００内でほぼ一定の方向に配置されるようにして積み上げるようにする。その拡散部材１００を、各繊維１０１の長さＬの方向に沿って急速な熱伝達が可能となるような位置に配置する。好ましい実施形態では、繊維複合材料は、炭素強化複合材料である。
【００３３】
図７および図８からわかるように、拡散部材１００を前記成形部材２０の成形型キャビティ９０の内部表面に沿った位置に配置することができる。あるいは、拡散部材１００を、図６からわかるように成形型キャビティ９０の外部表面に沿って、または内部表面と外部表面両方の組合せに沿って、配置することもできる。拡散部材１００を拡散板の形で取り付けることもできるし、熱コーティングの形で永久に取り付けることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】従来技術による成形装置の側面図である。
【図２】図１の成形装置用の成形型部材の正面図である。
【図３】図１の成形装置用の成形型部材の分解透視図である。
【図４】従来技術による成形装置用の溶融材料充填機構の断面図である。
【図５】本発明の一実施形態による非等方拡散部材の部分側面図である。
【図６】本発明の一実施形態による非等方拡散部材を含む成形型部材の正面図である。
【図７】本発明の一実施形態による非等方拡散部材を含む成形型部材の正面図である。
【図８】本発明の一実施形態による非等方拡散部材を含む成形型部材の正面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
2004535949.tif 000026
2004535949.tif 000027
2004535949.tif 000028