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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

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

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

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2017.2.7JST東京本部別館ホール

2017.2.7JST東京本部別館ホール

技術紹介の流れ

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１．技術の概要（どんな技術か？）

４．課題や企業の皆様に期待すること

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）

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

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

特徴

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

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）

先端的軽量化材料の活用

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

低温度の金型による短時間成形

予備加熱プレス成形

プリプレグ積層

成形品

特徴：６０秒成形！

樹脂粘度増加による成形不良

（ボイド，樹脂枯れ等）

複雑形状の成形が困難

課題：

開発の背景（新たな金型開発の必要性）

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！

ヒートアンドクール成形とは


ヒートアンドクール成形による成形不良の防止

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

成形不良の防止優れた外観品質複雑形状が成形可能

特徴：課題：

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

従来技術の課題

凹凸を有する成形面上の温度

単一材料の場合

Δl

温度T2

ΔT

熱伝導率 λ

一次元定常熱伝導の基本則(フーリエの法則)

q : 熱流束(W/m2 )ΔT : 二点間の温度差(K)Δl : 二点間の距離(m)

λ : 熱伝導率(W/(m･K) )lTq

熱流束 q温度T1

鋼

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


ヒーター

TⅠ TⅢTⅡ

ヒーター

＞＞

異種金属接合材の場合

温度T1

Δl1Δl

2

ΔT2

λ1

温度T3

ΔT1

T2

熱伝導率 λ2

熱流束 q





Δl1Δl

2

ΔT2ΔT1

T2

熱伝導率 λ2

温度T1

温度T3

熱流束 qλ1





Δl1Δl

2

ΔT2ΔT1

T2

熱伝導率 λ2

温度T1

温度T3

熱流束 qλ1




銅(熱伝導性が高い)

TⅠ TⅢTⅡ

(熱伝導性が低い)

≒ ≒

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


TⅠ TⅢTⅡ

ヒーター

（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

キャビティ(雌)型

成形面層(SKD61)

被加熱層(SKD61)

高熱伝導層(無酸素銅)

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

中段面

下段面

上段面

加熱は高周波誘導加熱，冷却は水冷

冷却水路

誘導加熱用コイル

熱電対

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

58

8

新技術金型（銅クラッド金型）の外観

コア型キャビティ型

冷却水

インダクタ(高周波コイル)

冷却水

冷却水インダクタ

(高周波コイル)


実験方法（加熱冷却特性試験）

加熱

温度保持(15s)冷却

260

150

時間 [s]

(下段

部表

面)

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

20

温度

[℃]

熱電対

コア型

キャビティ型

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)

コア型

キャビティ型

高周波コイル冷却水ホース


min s1 : 40

加熱終了

265℃ 264℃min s3 : 00

加熱中加熱終了

加熱冷却過程での赤外線熱画像（コア型）

上段下段中段

上段下段中段上段

下段中段


新技術金型（銅クラッド）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

100 200 300

100

200

300

0

コア（雄型）

低段 (A)

中段 (B)

上段 (C)

新技術金型

鋼製従来金型

時間 [s]

成形面温度

[℃

]

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）

加熱冷却過程での金型温度変化（コア型）

新技術金型により，加熱冷却（成形）時間を約40%短縮可能

AB C

165s

280s

成形温度（260℃）

5.7

43.3


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）

コア型

キャビティ型キャビティ型

min s

1 : 40

min s

1 : 30

上段

271℃下段

265℃

中段268℃

上段

254℃下段

264℃

中段264℃

min s

3 : 00

min s

1 : 40

上段

307℃下段

264℃

中段297℃

上段

217℃下段

263℃

中段249℃

コア型

ΔTmax

≒ 90℃


鋼製従来金型では，コアとキャビティ

間で温度分布の形態が異なる

（上段部での最大温度差は約90℃）

新技術金型（銅クラッド）従来金型（鋼製）

CF/PA66積層板のプレス成形（成形条件）

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

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

加熱温度：300℃

③プレス成形

成形温度: 260℃

成形圧力: 8MPa

保持時間: 15s

脱型温度: 150℃


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）

新技術金型成形板

50mm 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

CF/PA66積層板の成形性評価


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

コア型成形面

キャビティ型成形面

コア型成形面

キャビティ型成形面

新技術金型

（銅クラッ

ド）

従来金型

（鋼製）

上段部成形表面の光学顕微鏡観察写真

1mm

1mm

1mm

1mm

CF/PA66積層板の断面観察（上段部）

0.1mm

新技術金型

0.1mm

鋼製従来金型

コア（高温）側

キャビティ（低温）側


強化繊維が均等に分布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%）

板厚小，繊維含有率大（Vf=49%）

0

500

1000曲げ強度

(M

Pa)

中段下段上段

新技術金型

鋼製従来金型

曲げ試験結果（曲げ強度の場合）

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


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！

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）

５．ダイカストなどの金属成形用金型


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

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）

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

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

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

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

出願番号：特願２０１３－５０７６１２

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 － 1151ＦＡＸ 0823－74 － 1131e-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ＴＥＬ０８２－２２３－１２００ＦＡＸ０８２－２２３－１４２１e-mail sgkkikaku＠pref.hiroshima.lg.jp

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