高速かつ均等に加熱冷却可能な
ヒートアンドクール樹脂成形金型
広島県立総合技術研究所
東部工業技術センター 加工技術研究部
松葉
朗
2017.2.7
JST東京本部別館ホール
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技術紹介の流れ
１．技術の概要（どんな技術か？）
２．開発の背景
３．新技術の内容
金型構造の特徴
検討事例の紹介
（加熱冷却特性，成形性，強度）
４．課題や企業の皆様に期待すること
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どんな技術か？
開発した新技術により，複雑形状の樹脂成形用
金型を，
高速で，
温度むらなく，
加熱・冷却できます
特徴
異種金属接合を利用した金型構造により，
高速加熱と均等加熱の両立を実現
高品質な樹脂成形品を短時間で成形可能
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開発の背景（現状と課題）
自動車業界では車両軽量化が課題
先端的軽量化材料の活用
生産性とリサイクル性に優れる熱可塑性の
炭素繊維強化プラスチック（CFRTP）
プレスなどの成形技術に関する検討
連続繊維強化CFRTPのコールドプレス成形
特徴：
低温度の金型による
短時間成形
課題：
樹脂粘度増加による
成形不良
（ボイド，樹脂枯れ等）
６０秒成形！
プリプレグ積層
予備加熱
プレス成形
複雑形状の成形が困難
成形品
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開発の背景（新たな金型開発の必要性）
ヒートアンドクール成形による成形不良の防止
ヒートアンドクール成形とは
射出成形などで，樹脂の充填時に金型温度を上昇，離形
時に型温度を降下させる成形法
型温度を高めて，樹脂の流動性を改善，ウエルドライン
消失や外観品質の飛躍的向上を実現
特徴：
課題：
成形不良の防止
優れた外観品質
複雑形状が成形可能
成形時間が長い。
急速に加熱・冷却する
と温度むらが生じる
成形面を高速かつ均等に加熱冷却可能なヒートアンド
クール金型の開発が必要！
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従来技術の課題
凹凸を有する成形面上の温度
一次元定常熱伝導の基本則
(フーリエの法則)
鋼
TⅠ ＞ TⅡ ＞ TⅢ
T
l
q
q:
ΔT :
Δl :
λ:
熱流束(W/m2 )
二点間の温度差(K)
二点間の距離(m)
熱伝導率(W/(m･K) )
Δl
熱伝導率 λ
ヒーター
温度T2
ΔT
温度T1 熱流束 q
単一材料の場合
従来金型の成形面では，熱伝導距離に応じた温度むらが発生
複雑形状の場合，熱伝導距離一定の熱源立体配管が困難
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新技術の内容（異種金属積層による高速・均等加熱）
凹凸を有する成形面上の温度
鋼 (熱伝導性が低い)
TⅠ≒ TⅡ ≒ TⅢ
一次元定常熱伝導の基本則
(フーリエの法則)
T
l
q
q:
ΔT :
Δl :
λ:
熱流束(W/m2 )
二点間の温度差(K)
二点間の距離(m)
熱伝導率(W/(m･K) )
ΔlΔl
Δl2Δl2 2
1Δl
1 1Δl
熱伝導率 λ2
T2
ΔT
ΔT22
ΔT2
λ1
温度T1 熱流束 q
銅
(熱伝導性が高い)
T
ΔT1T22
ΔT1
温度
温度
温度
T3T3T3
ヒーター
異種金属接合材の場合
熱伝導特性の異なる2種類の金属の板厚比を金型内で適正に変えることに
よって，成形面を目的の温度に制御可能
熱伝導に優れる銅を用いて，高速加熱と均等加熱を同時に実現
（株）積層金型（広島県呉市）と共同開発
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試作した新技術金型の仕様（銅クラッド金型）
コア(雄)型
誘導加熱用コイル
熱電対
上段面
キャビティ(雌)型
中段面
58
成形面層(SKD61)
高熱伝導層(無酸素銅)
被加熱層(SKD61)
下段面
冷却水路
二つのSKD61層の間に無酸素銅を挿入し，拡散接合したクラッド構造
成形面は上・中・下の高低差のある三つの平坦な段からなる簡易な凹凸形状
加熱は高周波誘導加熱，冷却は水冷
同一形状で全てSKD61の鋼製従来金型も製作し，比較検討を実施
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新技術金型（銅クラッド金型）の外観
インダクタ
(高周波コイル)
冷却水
冷却水
コア型
インダクタ
(高周波コイル)
冷却水
キャビティ型
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実験方法（加熱冷却特性試験）
温度保持(15s)
キャビティ型
キャビティ型
高周波コイル
(下段部表面)
熱電対
冷却水ホース
温度 [℃]
コア型
コア型
加熱
冷却
260
150
20
時間 [s]
加熱方法 : 高周波誘導加熱 (電源最高出力25kW)
冷却方法 : 水冷 (冷却水温度18℃，流量3.6l/min)
下段部の成形面温度が，①室温(20℃)より260℃に加熱，②15s保持，
③150℃に冷却の三過程からなる加熱冷却試験を実施
各金型において所定の成形面温度になるよう，高周波電源の出力を調整
新技術金型および鋼製従来金型との間で，成形面上の温度差や加熱冷却
時間を比較
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加熱冷却過程での赤外線熱画像（コア型）
中段
下段
上段
加熱終了
中段
下段
1 : 40
min
s
加熱終了
加熱中
上段
中段
下段
3 : 00
265℃
min
新技術金型（銅クラッド）
s
上段
264℃
従来金型（鋼製）
新技術金型では，全域で均等な加熱冷却が実現
一方，鋼製従来金型では，全過程で顕著な温度むらが発生
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加熱冷却過程での金型温度変化（コア型）
43.3
コア（雄型）
B
5.7
成形面温度 [℃]
300
200
A
C
成形温度
（260℃）
165s
280s
100
低段 中段 上段
(A)
(B)
(C)
新技術金型
鋼製従来金型
0
100
200
時 間 [s]
300
新技術金型では各段の温度差は小さいが，鋼製従来金型は温度差が大きい
（上段温度は下段よりも約43℃高い）
新技術金型により，加熱冷却（成形）時間を約40%短縮可能
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コア・キャビティ型間での温度分布の相違（加熱過程終了時）
中段
268℃
下段
265℃
上段
271℃
鋼製従来金型では，コアとキャビティ
1 : 40
min
s
間で温度分布の形態が異なる
コア型
（上段部での最大温度差は約90℃）
中段
264℃
下段
264℃
上段
254℃
1 : 30
min
中段
297℃
下段
264℃
上段
307℃
ΔTmax
≒ 90℃
3 : 00
min
s
コア型
中段
249℃
下段
263℃
上段
217℃
1 : 40
s
min
キャビティ型
新技術金型（銅クラッド）
s
キャビティ型
従来金型（鋼製）
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CF/PA66積層板のプレス成形（成形条件）
供試材
Bond-Laminates製CF/PA66綾織積層板（TEPEX dynalite 201-C200）
板厚：1mm
体積含有率 : Vf =45%
①ブランク準備
寸法：190×135mm
厚さ1mmの板を2枚
重ね
②赤外線予備加熱
③プレス成形
加熱温度：300℃
成形温度 :
成形圧力 :
保持時間 :
脱型温度 :
260℃
8MPa
15s
150℃
板厚計2mmの積層板を予備加熱後，加熱冷却試験と同一条件でプレス成形
鋼製従来金型では，キャビティ・コア両型の加熱が同時に完了するよう，
加熱時間の短いキャビティ型の加熱開始を遅らせて成形を実施
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CF/PA66積層板の成形性評価
プレス成形した積層板の外観（コア型成形面）
50mm
新技術金型成形板
50mm
鋼製従来金型成形板
新技術金型による成形板では，全域で均等に良好な光沢面が得られる
一方の従来金型成形板の表面では，金型温度に依存した成形不良が発生
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CF/PA66積層板の成形性評価
上段部成形表面の光学顕微鏡観察写真
新技術金型
（銅クラッ
ド）
従来金型
（鋼製）
1mm
コア型成形面
1mm
コア型成形面
1mm
キャビティ型成形面
1mm
キャビティ型成形面
新技術金型による成形板では，全域で均等に良好な光沢面が得られる
一方の従来金型成形板の表面では，金型温度に依存した成形不良が発生
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CF/PA66積層板の断面観察（上段部）
強化繊維が均等に分布
板厚小，繊維含有率大
（Vf=49%）
コア（高温）側
強化繊維の分布が不均一
（低温側での流動性低下）
板厚大，繊維含有率小
（Vf=46%）
0.1mm
0.1mm
新技術金型
キャビティ（低温）側
鋼製従来金型
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曲げ試験結果（曲げ強度の場合）
新技術金型
曲げ強度 (MPa)
1000
鋼製従来金型
500
0
中段
下段
上段
新技術金型成形板では，曲げ強度は全部位でほぼ同一
鋼製従来金型成形板では，曲げ強度が低下。温度むらが最も顕著な
上段部で特に強度低下が大きい
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まとめ
１． 銅と鋼を層状に接合し，各層の厚さを金型内で適切
に変えた高速・均等加熱冷却金型を新開発。明確
な均等加熱冷却効果を実現。一方，同一形状の鋼製
従来金型では，顕著な温度むらが発生。
２． 新技術金型の加熱冷却時間は鋼製従来金型よりも約
40%小さく，大幅な成形時間の短縮が可能。
３． 新技術金型では，全面で優れた外観の成形が可能。
一方，鋼製従来金型では，金型温度に依存した成形
不良が発生。
４． 新技術金型成形板では強度も均一で高い。
新技術金型は成形時間短縮と高品質成形の両立に有効！
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想定される用途
１．熱可塑性CFRTPの圧縮成形（形状賦形，樹脂含浸）
２．高い外観品質が求められる樹脂部品の射出成形等
３．微細転写が求められる樹脂部品（光学部品等）
４．均一なスキン層形成と気泡制御のため，金型の
均熱化が求められる発泡成形
５．ダイカストなどの金属成形用金型
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実用化に向けた課題
１．金型の大型化への対応
（製造方法についての検討）
２．金型の耐久性評価
（異種金属接合部の熱疲労）
３．金型の熱変形とそれを考慮した金型設計技術
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企業の皆様に期待すること
１．樹脂やダイカスト等の各種成形に係る用途開発と
成形金型の製作
２．発泡成形や微細成形など，高品質成形用金型の
開発に関する共同研究
３．異種金属の接合，強度や耐久性の評価に関する
独自技術を保有する企業との共同研究
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知的財産権
発明の名称：
樹脂成型金型、該樹脂成型用金型の
製造方法及び樹脂成型品の製造方法
出願番号
：
特願２０１３－５０７６１２
特許番号
：
特許第５９６７８３４号
出願人
：
広島県、株式会社積層金型
発明者
：
松葉 朗、藤井敏男、池田慎哉、
西田裕紀、山崎拓哉、山崎久男
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お問い合わせ先
○最初の相談について
・広島県立総合技術研究所 西部工業技術センター
技術支援部
ＴＥＬ
0823－74 － 1151
ＦＡＸ
0823－74 － 1131
e-mail
wkcgijutsu＠pref.hiroshima.lg.jp
○契約に関することについて
・広島県立総合技術研究所 企画部
ＴＥＬ
０８２－２２３ －１２００
ＦＡＸ
０８２－２２３ －１４２１
e-mail
sgkkikaku＠pref.hiroshima.lg.jp
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24

生徒会だより第31号