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金型表面高品位転写成形
金型表面高品位転写成形 MTO 技術研究所 桝井捷平 １．まえがき ここで紹介する技術は主として射出成形で、金型表面を高品位で転写をさせる技術であ る。金型表面を高品位に転写させる目的は、大きく分けて「光ディスクなどの微細なパタ ーンを正確に転写させる」ことと「良好な表面状態を確保して、意匠性を向上させる」こ とと考えられる。本講では主として後者、すなわち広義の加飾として利用される金型表面 高品位転写技術について解説する。 加飾技術として見た場合の高品位転写成形の位置付けは図１のとおりで、フィルム貼合、 転写加飾やソフト加飾と比較すると加飾としての品質には限界がある。しかし、コストを 抑えた加飾技術として注目されている。特に、 「高意匠性フィラー着色品」と組合せた技術 はフィルム貼合、転写に迫る位置付けとなる。 ２．金型表面の転写性に影響をあたえる因子 射出成形では、溶融樹脂を高圧で金型に射出して成形するので、マクロ的には金型表面 を転写した成形品が得られる。しかし、射出された溶融樹脂は金型内で冷却されスキン層 を形成しながら金型表面に接触するために、通常方法では、ミクロ的には十分な転写が行 われず、表面状態の不十分な成形品が得られる場合が多い。そのため、表面状態を改良す るために後工程で塗装やメッキの加飾が施されることも多い。 金型表面の転写性に影響をあたえる因子は下記の通りである ①材料の品質 次のような材料等からは、一般的に良い外観の成形品が得られにくい。 吸湿性のある材料、熱分解性の材料は揮発分が表面に出てフラッシュ等の不良現象を 起こし、溶融粘度が高く流動性の悪い材料、モルフォロジーの不適切な材料は流動時 にフローマーク等が発生し、ガラス繊維や無機フィラーの配合された材料はガラス繊 維やフィラーの浮き上がりで外観不良を起こす。 ②温度、特に金型温度 溶融樹脂の温度に対し、金型温度は一般的に低く、溶融樹脂は金型面から冷却され、 スキン層を形成しながら充填される。金型温度が低いと、射出圧力が立ち上がっても 金型面への密着性が十分でなく、金型面を十分に転写しない。 ③製品設計、金型設計 樹脂の流動状態によって、ウエルドラインやフローマークが発生し、外観が悪くなる。 また、厚肉部でヒケが発生したりする。 ④金型構造 通常の射出金型は突合せ構造となっており、溶融樹脂の冷却に伴う体積収縮が進むと、 成形品は金型から遊離し、十分な転写が得られない。 （保圧である程度これを補うこと ができる。また、射出プレス、射出圧縮ではこの問題はおきにくい。） ⑤金型のエアー抜きが悪いと、空気あるいは樹脂中からの揮発分が、金型内に閉じ込め られ、転写性を悪くする。 1 樹脂の充填速度が遅いと、流動中に樹脂表面の温度が低下し、転写を悪くする。 （ただし、速すぎると、別の問題が発生することもある） これらの因子に対する対策を行えば、微細パターンの転写性が向上する。あるいは表面 状態が改良され、塗装、メッキ、印刷などを行わずに、そのままで利用することが可能に なる。 ３．金型表面高品位転写成形技術１） 現在、実用化されている金型表面高品位転写成形技術の概要を表１に示した。金型表面 高温法とエア・ガス注入法およびその他の３つに分類される。 表の１－４）や２－３）などは、２つの手段を組み合わせた方法である。さらに、３－２） の金型内真空吸引法は他の方法との組み合わせも可能である。 これらの中で加飾技術として最近注目されているのは、 「金型表面高温法（バリオサーム 射出成形法、Variotherm Temperature Control）」で、その中でも「サイクル加熱冷却法」 と「インダクターによる金型表面瞬間加熱法」、「ヒーター加熱法」が国内外で注目されて いる。以下、代表的なものを紹介する。 ３．１ 金型サイクル加熱冷却法 これは、金型に熱媒を流して金型表面を加熱した状態で樹脂を充填し、賦形後、冷媒を 流して冷却する方法で、古くからその効果は広く知られていたが、成形サイクルが長くな ることが問題であった。 近年、三菱重工が成形機での型温、射出、温調制御を連動可能なシステムとし、金型に も工夫をこらした「三菱アクティブ温調システム」２）を開発し、成形サイクルが長くなる のを最小限に抑え、実用性を向上させた。図２に三菱アクティブ温調システムと経済効果 を示す。本システムを用いることで、良好な外観の成形品が得られ、塗装やメッキが省略 でき、コストメリットが得られる。 同様なシステムは表２に示したように、国内外で多数発表されている。熱媒としては、 水、蒸気、オイルが使用され、冷媒としては水が使用されている。ポイントは如何に均等 に、かつ、効率よく冷熱を繰り返すかであり、いろいろな工夫がなされている。 図３に小野産業の高速ヒートサイクル成形（ＲＨＣＭ）３）の効果例を、図４に Gas Injection World Wide のＲＴＣ－ＳＨＣ４）の効果例を示す。 三菱商事テクノス（富士精工）では、「３Ｄ ＷＥＩＤＬＥＳＳ システム」５）を開発し ている。これは３次元形状の製品金型においても、媒体通路を金型表面に近い位置に均等 に配置し、温度コントロール精度を向上させた金型を用いる技術で、通常のサイクル加熱 法より、外観改良効果が向上し、ガスアシスト、発泡成形、ガスプレスなどに利用すると 品質が向上すると言われている。図５に三菱商事テクノスの３Ｄウエルドレスシステムの 金型、図６に媒体通路の工夫をしたその他の金型例を示す。 ３．２ 金型表面瞬間加熱法 これは、金型の冷却水を流したまま、電磁誘導加熱などで、金型表面のみを選択的に加 熱して、上記３－１と同様な効果を狙った方法である。 図７に旭化成テクノプラスのＢＳＭ法のプロセス ６） を、図８に RocTool 社 ７） の Cage System と３iTech（内部インダクター電磁誘導加熱）の２つのシステムを示す。また、 2 図９に Wittmann/Battenfeld の電磁誘導加熱の効果例８）を示す。 金型表面瞬間加熱の加熱手段としては、電磁誘導加熱の他にセラミックヒーターなどに よる加熱、赤外線による金型表面輻射加熱、金型表面通電、レーザー加熱の方法もある。 ＩＫＶが開発したレーザー加熱は、電磁誘導加熱の６倍の昇温速度があると言われている。 図１０に山下電気のＹ－Ｈｅａｔ成形技術（ヒーター加熱）９）のシステムを示し、図１１ にＩＫＶが開発したレーザー加熱のシステム、効果例を示す１０）。その他にも多くの金型 加熱方式が発表されており、その体表的なものを図１２に示す。 ３．３ 金型表面断熱法 これは金型表面に断熱層を被覆した金型を用いて、金型表面の急速な温度低下を防ぎ上 記３－１と同様な効果を狙った方法である。断熱層として、セラミックスや超耐熱エンジ ニアリングプラスチックが使用される。 図１３に三菱エンジニアリングプラスチックのジルコニア（Zr）を使用した金型による効 果例を示す１１）。この方法は、微細表面転写にも効果があることが報告されている１２）。他 に、旭化成テクノプラスのＣＳＭ １３）、大洋工作所のＵＬＰＡＣ１４）などがあるが、耐久 性の点で課題があり、中断されていると言われている。 棚澤八光が金型表面に加飾シートを貼り付けてパターンを形成したセラシボを開発１５） しており、加飾シートが断熱効果を果たし、図１４のようにウエルドライン発生を抑える 効果がある。 ３．４ 高温金型と押出プレスを組合せた方法 日本製鋼所が開発した方法で、加熱した金型に、押出で溶融樹脂を供給し、プレスして、 高転写品を得る方法で、メルトリプリケーション法と言われる１６）。加飾よりも、超微細 形状の転写性向上を狙った方法である。図１５に装置等を示す。最近報告されている溶融 樹脂塗布法１７）は、これと同一技術と思われる。 ３．５ 特殊金型機構による方法 室島精工が特殊金型機構で、他の外部機器の使用なしのメタリック調塗装レス射出成形 を発表している。１８）（技術詳細は未公表であるが、メタリック調着色と高金型温度を利 用していると考えられる）成形品例を図１６に示す。 ３．６ 高圧ガス注入法（ガスプレス法） 本方法は製品の非意匠面側に高圧ガスを注入して、成形品を意匠面側に押圧する方法で ある。 旭化成テクノプラスのＧＰＩ１９）のプロセスと効果事例を図１７に示す。この方 法で、ヒケ、そりが低減し、金型面の転写性が向上する。Battenfeld の Airmold Acount ２０） も同様な方法である。 ３．７エアアシスト片面高転写成形２１） この方法は日精樹脂工業が開発した方法で、非意匠面にエアを注入して、非意匠面側の 樹脂を金型面から剥離し、エアによる断熱層で軟化状態を維持して、非意匠面側にヒケを 集中させ、意匠面側の転写性を向上させる方法である。この方法で成形した成形品の表面 状態を図１８に示す。 ３．８ 金型非意匠面側をわずかに開く成形法 この方法は上記３．７に近い方法で、金型をわずかに開いて、冷却金型から非意匠側を 遊離させて、軟化状態を維持して、非意匠面側にヒケを集中させ、意匠面側の転写性を向 上させる方法である。宇部興産機械２２）やリコー２３）が発表している。 3 ３．９ 射出圧縮と高圧ガス注入の併用 この方法は、射出圧縮と上記３－７の方法を組合わせた方法である。旭化成テクノプラ スのＡＩＰの成形概念図を図１９に示す。 ３．１０ ＣＯ２を利用する方法 射出成形機シリンダ内の溶融樹脂中に炭酸ガスを溶解させる。一方、金型内も、予め炭 酸ガスを満たしておき、そこに樹脂を射出し成形する。 炭酸ガスにより樹脂が可塑化されるため、樹脂の流動性が大幅に向上し、薄肉成形品金型 への樹脂充填が容易になる。また、金型に触れた樹脂の冷却が遅くなるため、金型表面の 微細なパターンを樹脂表面に忠実に転写することができる。 旭化成テクノプラスのＡＭＯＴＥＣ２４）の設備の概念図と効果事例を図２０に示す。 ３．１１ 超高速充填による方法 本方法は、溶融樹脂を超高速充填して、スキン層が形成される前に金型に密着させて、 転写性を上げる方法で、他の技術との組合せで、加飾としても利用できると考えられる。 ３．１２ 金型真空吸引法 樹脂充填前に、キャビティ内を脱気して射出する方法で、樹脂の充填速度を上げ、ウエ ルド等のない外観の成形品を得る方法。儘田産業２5）やサンエイモールド２６）が開発してい る。 ３．１３ 射出プレス成形２７）または射出圧宿成形 わずかに開いた金型または低型締めの金型に樹脂を射出し、射出中または直後に型締め して圧縮。単独で、および上記１－１）、２）、３）との組合せで転写性が向上する。 図２１に東洋機械金属が開示している射出プレス成形法による効果例２８）を示す。 ３．１４ 超音波振動成形 金型を超音波で振動させることにより、金型壁面と溶融樹脂間の流動抵抗が低減させて 成形する方法。流動性が向上し、金型表面の転写性が向上する。出光ＵＩＭ（Idemitu Ultrasonic Injection Molding)２９）のシステムと効果例を図２２に示す。同様な方法は海 外文献でもその効果が示されている。図２３３０）に効果例を示す。 ３．１５ ポーラス電鋳金型を使用する方法 江南特殊産業が開発したポーラス電鋳金型、スーパーポーラス電鋳金型３１）の孔のサイ ズとこれらを用いた製品例を図２４に示す。ポーラス部からエアーが抜け、再現性の良好 な真空成形品や光沢のあるブロー成形品が得られる。同様な方法は他でも発表されている。 ３．１６ ホットエンボス この方法は、図２５に示したように、シート状の樹脂にＴｇ以上に加熱した金型を押し つけて成形する方法 3２）である。残留応力が少なく、比較的高アスペクト比を有する転写 が可能と言われている。また、図２６は超音波を利用した方法である３３）。 ４．今後の動向 金型表面高品位転写成形については、これまでに示してきた各種方法が検討・利用され てきたが、加飾目的としては、国内で「金型サイクル加熱冷却法（中でも蒸気加熱法）」、 「ヒーター加熱法」が、欧州では「金型サイクル加熱冷却法」と「内部インダクター電磁 誘導加熱法」、「ヒーター加熱法」が積極的に使用されている。さらにより効率的なレーザ 4 ー加熱も発表されている。今後はこれらの技術ならびに他のバリオサーム射出成形が、特 別な表面層を付与しない低コスト加飾技術として、採用されていくものと考えられる。 微細パターン転写目的としては、超高速充填をベースに必要に応じて他の技術を組み合 わせた射出成形、射出圧縮成形、射出プレス成形が中心となって展開すると思われるが、 射出系以外の方法も特殊な目的で使用されると考えられる。 ５．参考文献 1) http://www.kinet-tv.ne.jp/~masuisk/Trans-1.pdf 2) 今江智；プラスチックスエージ 54,(2),82 (2008) http://www.mhi-pt.co.jp/injec_j/tec/active/system.htm 3)http://www.onosg.co.jp/rhcm/index.html 4)http://www.gasinjection-ww.com/ 5)http://www.3d-weldless.com/ 6)川端繁忠ら；成形加工,3, ,165, (1991) 7)http://www.roctool.com/index.php 8)http://www.battenfeld-imt.com/fileadmin/user_pics/ueber-uns/pressemitteilungen /090408/PM_Wittmann_Battenfeld_at_Chinaplas_2009_gb.pdf 9)http://www.yamashita-denki.co.jp/product/plastics/weldless/weldless01.html 10) Kunststoffe International,P48 (8/2010) 11) 田原久志；型技術,20,(6),25 (‘05) 12) 白石豊など；プラスチクスエージ 57,(2),91 (2011) 13) 安田和治；成形化工,12,(9),543 (2000) 14) 石見浩之；プラスチックスエージ,43,(6),119 (1997) 15) 棚澤発光；プラスチクスエージ,57,(1),92 (2011) 16) 横井秀俊；プラスチックス,56,(8),18 (2005) 17) 焼本数利ら；成形加工,21,(9),543 (2009) 18)http://www.muroshima.co.jp/ 19) 外山邦雄ら；プラスチックス,55,(3),99 (2002) 20) http://www.battenfeld.com.au/htdoc/technology/airmould/Airmould_e.pdf 21) 坂田雄一；プラスチックス,58,(3),44,(2005) 22) http://www.ubemachinery.co.jp/gijutu/gijutu-seikei/pa0111.pdf 23) http://www.ricoh.co.jp/about/company/technology/techreport/28/pdf/B2803.pdf 24) http://www.asahi-kasei.co.jp/asahi/jp/news/2000/ch001016.html 25) http://mmds.jp/tech_vimm.html 26) http://www.pref.miyagi.jp/shinsan/shin-sangyo/chizai/business_ichi/h20/04.pdf 27) http://www.geocities.jp/masuisk/link2.html 28) http://www.toyo-mm.co.jp/tec/tec-p01.html 29) http://www.idemitsu.co.jp/ipc/solution/uim.html 30) http://www.cheric.org/PDF/KARJ/KR21/KR21-1-0017.pdf 31) http://www.ktx.co.jp/super.html 32) http://www.fujidenolo.co.jp/technology/hot.htm 5 33) プラスチックスエージ 2008 年 10 月 P72 6 表１ 分類 １．金型表面 高温法 金型表面高品位転写成形概要 小分類 １）サイクル金型加熱冷却 ２）金型表面瞬間加熱 ３)金型表面断熱 ２．エアー、ガス 注入法 ４）加熱金型/押出プレス＊ ５）特殊金型機構 １）エア注入片面転写 ２）高圧ガス注入 （ガスプレス） ３）射出圧縮＋高圧ガス ４）CO２注入法 ３．その他 １）超高速充填法＊ ２）真空吸引法 ３）射出圧縮または 射出プレス＊ ４）超音波振動付加成形＊ ５）ポーラス電鋳金型使用 ６）ホットエンボス＊ 概要 溶融樹脂射出時に熱媒を循環させ、型内での樹脂の急激な 温度低下を抑え、転写性を向上。 電磁誘導加熱等で、金型表面のみを加熱し、型内での樹脂の 急激な温度低下を抑え、転写性を向上。 加熱手段としては、他にヒーター、レーザー等もある。 金型に断熱層を設け、型内での樹脂の急激な温度低下を抑え、 転写性向上。断熱層としてはセラミックスなどが使用される。 加熱金型に樹脂を押出供給し、プレスして、転写性向上。 特殊型機構で金型表面温度を高く保って成形。 非意匠面側にエアを注入して、樹脂を型から剥離し、 ヒケを集中させて、意匠面側の転写性を向上。 非意匠面側に高圧ガスを注入して、樹脂を意匠面側に 押圧して、転写性向上。 射出圧縮と高圧ガスの併用で、転写性を向上。 超臨界CO２を金型表面および樹脂中に注入して樹脂の 流動性を上げると同時に転写性も向上。 超高速充填で、ｽｷﾝ層の形成を抑え、転写性向上。 溶融樹脂充填時に金型内を減圧して、エアー、揮発分を 排除して、樹脂の流動性を上げ、転写性を向上させる。 単独でまたは上記１、２との併用で効果があると思われる。 わずかに開いた金型または低型締めの金型に樹脂を射出し、 射出中または直後に型締めして圧縮。上記１－１）、２）、３） との組合せで効果アップ。 金型を超音波で振動させながら成形。金型壁面と溶融樹脂 間の流動抵抗を低減して成形。 多孔性のポーラス型を用いて、揮発分を除去して転写性向上。 シート状の樹脂にTｇ以上に加熱した金型を押しつけ転写 注１）＊は外観向上より、主として、微細形状の転写性向上の目的で使用。 7 表２ 方法 サイクル 加熱・冷却 *1 金型表面高品位転写成形システムとメーカー 高転写利用手段 熱水or蒸気／冷却水 蒸気／圧縮空気／冷却水 オイル／冷却水 特殊金型機構 表面瞬間加熱 *1 電磁誘導（外部インダクター） 電磁誘導（内部インダクター） レーザー加熱 各種ヒーター 表面断熱 エポキシ樹脂／メッキ ポリイミド ジルコニア／ニッケル セラシボ（加飾シート） 超音波振動 超音波振動 溶融樹脂塗布法 加熱金型／押出プレス 射出プレス （加熱金型）／射出プレス ホットエンボス 加熱金型でプレス ガス・エア注入 高圧ガス外部注入 エア注入片面転写 炭酸ガス注入 真空吸引射出 金型内脱気 ポーラス電鋳金型 ポーラス電鋳金型 日本のメーカー 三菱重工、三菱商事テクノス シスコ、小野産業 ムネカタ 室島精工 旭化成テクノプラス （旭化成テクノプラス） 東京大学、山下電気 大宝工業、柴田合成*3 欧米他のメーカー Saucer Product、GWK、SINGLE YUDO Oxford Moulding technology等 (文献に一般紹介はある） Roctool/KIMW (2009/10技術提携） Wittmann/Battenfeld （KIMWの技術導入） IKV *2 GWK*5、Engel*5、Unibell *4 Nada Innovation *6 Bielefeld Technical University*5 太洋工作所 旭化成テクノプラス 三菱エンジニアリング 棚澤発光 出光 日本製鋼所 住友化学 他 フジデロノ 他 旭化成テクノプラス 日精樹脂 旭化成テクノプラス 儘田産業、サンエイモールド 江南特殊産業 *1：バリオサーム射出成形（Variotherm Temperature Control） *2：金型表面の昇温速度は３００ｋ／秒で、電磁誘導加熱の６０ｋ／秒よりはるかに高速 *3：セラミックスヒーターを前進後退、*4：冷却管の中にヒーター、*5：セラミックスヒーター *6：加熱プレートと冷却プレートが型開時は分離、型閉時は接触 8 品 質 高意匠着色＋高品転写 ソフト感付与 高品質 ルム フィ ・貼合 写 転 、 着色 通常 形 成 通常 匠 高意 ＋ 色 着 位 品 高 位 高品 形 転写 成 転写 塗 後加 工 合 装・ 印 刷 １．コストダウン ２．形状等の対応性 ３．環境対応 高品位転写 図１ 材貼 表皮 質 軟 コスト インモールド加飾技術における高品位転写成形の位置付け （製品：センターパネル 製品サイズ：285×330mm 製品重量：300g 材料：ABS） 図２ 三菱アクティブ温調システムと経済効果 9 ガラス繊維（30％）入りABS樹脂成形品の外観 図３ サイクル加熱効果例（小野産業の RHCM） 図４ Gas Injection Wordwide の RTCーSHC の効果例 10 キャビ裏面に形状に沿った 媒体通路を加工。 図５ 商事テクノスの３Ｄウエルドレスシステムの金型 GWKの金型冷却回路 Kunststoff InstituteのBFMoldの型 江南特殊産業の金網電鋳配管金型。 左：スラッシュ成形、ブロー成形等用、右：射出成形用 図６ 媒体通路の工夫例 11 図７ 旭テクノポリマーの BSM（外部インダクター電磁誘導加熱） の工程図と金型表面温度変化例 Cage System（外部コイル式） 3i Tech（内部コイル式） 「RocTool」と 「Kunststoff Institut Lüdenscheid (KIMW) 」 が２つの技術を結合して展開 図８ RocTool の内部インダクター電磁誘導加熱 製品肉厚：10 mm 樹脂：化学発泡剤を配 合したABS 樹脂 サイクル：140秒以内 下：電磁誘導加熱利用 上：利用なし 12 図９ 図１０ 電磁誘導加熱の効果例（Battennfeld） 山下電気のＹ－Ｈｅａｔウエルドレス成形技術 システム概念図 2つの方式 上：可動型加熱、下：固定型加熱 レーザーパワーと温度の変化 効果例 13 図１１ ＩＫＶのレーザー加熱システムと効果例 配管内に棒状ヒーター Unibell社のem Co E-mold セラミックヒーターを前進、後退 柴田合成のSGｳｴﾙﾄﾞﾚｽ技術 金型が開いたときに、 冷却ブロックが分離 Nada Innovation社のE-mold 図１２ その他の代表的な加熱方式 断熱材（Zr）の転写率への効果 図１３ 断熱材（Zr）の表面状態への効果 ジルコニア（Zr）被服金型による表面状態の改良 （三菱エンジニアリング） 14 化学エッジングとセラシボの比較 図１４ セラシボ加工の効果 セラシボとその効果（棚澤八光） 図１５ 日本製鋼所メルトリプリケーション法（溶融樹脂塗布法） 図１６ 室島精工のメタリック調塗装レス射出成形サンプル 15 図１７ 旭化成テクノプラスの GPI と効果例 図１８ 日精樹脂のエアアシスト片面転写成形 16 図１９ 旭化成テクノプラスの AIP 図２０ 旭化成テクノプラスの AMOTEC 設備と効果例 17 IP成形の効果 ・残留応力を逃がすことで歪を低減 ・転写性の画期的向上 IP成形に有効な成形品 ： ・導光板 ・記憶媒体等の ・ ケース類 ・リール部品 など 東洋機械金属 図２１ 射出プレス成形による転写性の向上（東洋機械金属） 図２２ 超音波振動成形「出光ＵＩＭ」 18 超音波振動 方向 － ﾌｪｰｽﾞﾃﾞﾌｧﾚﾝｽ０度 振動あり ﾌｪｰｽﾞﾃﾞﾌｧﾚﾝｽ180度 有無 振動なし メルトフローインデックス（MFI) HDPE LDPE PP 0.103 0.01 0.019 0.105 0.011 0.029 1.323 0.388 1.18 入口 振動 範囲 ﾌｪｰｽﾞﾃﾞﾌｧﾚﾝｽ０度 出口 ﾌｪｰｽﾞﾃﾞﾌｧﾚﾝｽ180度 図２３ 超音波振動成形による効果例 ポ－ラス電鋳金型による メス引き真空成形品 図２４ スーパーポ－ラス電鋳金型 による鏡面ブロー成形品 電鋳金型によるメス引き真空成形品、鏡面ブロー成形品 （江南特殊産業） 19 ホットエンボス法 ＭＭＡ樹脂にエンボスした例 図２５ ホットエンボス法（フジデロノ） 図２６超音波を利用したホットエンボス 20