冷却チャネル内面粗さの変更によるアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率向上

本稿は、「Polymers」に掲載された論文「Enhancing the Cooling Efficiency of Aluminum-Filled Epoxy Resin Rapid Tool by Changing Inner Surface Roughness of Cooling Channels」に基づいています。

1. 概要:

• タイトル: Enhancing the Cooling Efficiency of Aluminum-Filled Epoxy Resin Rapid Tool by Changing Inner Surface Roughness of Cooling Channels (冷却チャネル内面粗さの変更によるアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率向上)
• 著者: Chil-Chyuan Kuo, Hong-Wei Chen, Geng-Feng Lin, Song-Hua Huang and Shih-Feng Tseng
• 発行年: 2024
• 学術誌/発行学会: Polymers
• キーワード: surface roughness; cooling efficiency; aluminum-filled epoxy resin; rapid tool; cooling time; low-pressure wax injection molding (表面粗さ; 冷却効率; アルミニウム充填エポキシ樹脂; 簡易金型; 冷却時間; 低圧ワックス射出成形)

2. アブストラクト:

低圧ワックス射出成形において、冷却時間とは、金型内の溶融プラスチックが固化し、変形することなく安全に取り出せる温度まで冷却される期間を指します。しかし、射出成形されたワックスパターンの大量生産には、冷却効率が不可欠です。本研究は、アルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率に対する、冷却チャネル内壁の様々な表面粗さの影響を調査することを目的としています。提案された予測式により、射出成形品の冷却時間は表面粗さによって決定できることがわかりました。高速度鋼ロッドへのファイバーレーザー加工を用いることで、異なる表面粗さレベルを持つ微細構造の作製が可能になります。結果は、冷却チャネル壁の表面粗さと成形ワックスパターンの冷却時間との間に明確な関連性があることを示しています。低圧ワックス射出成形に表面粗さ4.9 µmのアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型を用いると、約34%の冷却効率向上により時間を節約できます。冷却チャネル内壁に表面粗さ4.9 µmのアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型を利用すると、冷却時間を最大約60%節約できます。これらの知見は、効率向上のための射出成形プロセスの最適化における冷却チャネル表面粗さの重要な役割を強調しています。

3. イントロダクション:

冷却段階は、射出成形工程における処理時間の大部分を占めます。コンフォーマル冷却チャネル (Conformal cooling channels, CCs) は、プラスチック射出成形やダイカストを含む様々な製造プロセスにおいて、放熱性を向上させる能力があるため、金型能力を強化するための推奨標準となっています。CCは広く利用されていますが、その冷却効率には限界があります。本研究は、特に低圧ワックス射出成形における大量生産のための、アルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率向上に焦点を当てています。そのアプローチは、冷却チャネルの内面粗さを変更することを含みます。ファイバーレーザーパターニングを用いて冷却チャネル表面に特徴的な微細構造を作製することにより、冷却材の接触面積を増加させ、それによって熱伝達と冷却効率を向上させる可能性があります。本研究では、冷却チャネル内壁の異なる表面粗さレベルと、アルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却性能との関係を調査します。

4. 研究の概要:

研究トピックの背景:

冷却段階は、射出成形におけるサイクルタイムと効率を決定する重要な要素です。コンフォーマル冷却チャネル (CCs) は、成形品の形状に沿って設計され、従来のストレート冷却チャネルと比較して放熱性が向上します。アルミニウム充填エポキシ樹脂は、簡易金型製作 (rapid tooling) に利用されます。このような金型の冷却効率を高めることは、低圧ワックス射出成形におけるワックスパターンの大量生産のような用途にとって不可欠です。

先行研究の状況:

先行研究では、CCを用いた鋼製コアの塑性損失 [6]、温度分布の改善 [7]、シミュレーションによる冷却効率評価 [8]、タグチメソッドを統合した主成分分析による最適化 [9]、CC設計のための生物模倣工学的アプローチ [10]、サイクルタイムと反り低減のための革新的なCCシステム [11, 14]、ハイブリッド冷却モデル [15]、CCシステム選択手法 [12]、CCを用いた金型の金属積層造形 [13] など、CCの様々な側面が検討されてきました。CCは広く採用されていますが [16-21]、特に特定の金型材料や製造プロセスにおいては、その冷却効率をさらに改善する必要があります。接触面積を増やすための表面構造の変更 [22, 23] や、表面改質のためのファイバーレーザーパターニング [24] の利用が検討されてきました。

研究の目的:

本研究は、低圧ワックス射出成形に用いられるアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率に対する、冷却チャネル内壁の表面粗さ変更の影響を調査することを目的としました。主要な目的は、表面粗さと射出成形品の冷却時間との間の関係、潜在的には予測式を確立することでした。最終的な目標は、冷却効率を大幅に改善し、冷却時間を短縮する方法を実証することでした。

研究の核心:

本研究の核心は以下の通りです。

1. ファイバーレーザーパターニングシステムを用いて、高速度鋼ロッド上に異なる表面粗さレベル (Sz値が約2.4 µm, 3.2 µm, 4.1 µm, 4.9 µm) を持つ微細構造を作製する。
2. これらのテクスチャ加工されたロッドからシリコーンゴム型を作製する。
3. これらのシリコーン型を用いて、転写された表面粗さを持つワックス製冷却チャネル (CCs) を作製する。
4. これらのワックスCCsを組み込んだアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型を製造する。
5. 作製した簡易金型を用いて低圧ワックス射出成形実験を行い、各表面粗さ構成におけるワックスパターンの冷却時間を測定することにより、その冷却性能を評価する。
6. 冷却チャネルの内面粗さと冷却時間との関係を分析し、冷却効率の改善を定量化する。

5. 研究方法論

研究デザイン:

実験方法論は、連続的なプロセスに従いました (Figure 1)。

1. 表面テクスチャリング: 高速度鋼ロッドをファイバーレーザーシステムで加工し、明確な微細構造を作製し、様々な表面粗さレベルを実現しました。これらの異なる粗さ値を得るために、レーザー加工パラメータ (レーザー出力、スキャン速度、ハッチ距離、レーザー加工パス数) を制御しました。
2. 金型複製: テクスチャ加工された高速度鋼ロッドをマスターモデルとして使用し、シリコーンゴム型 (SRM) を作製しました。このプロセスにより、ロッドの表面粗さがシリコーン型に転写されました。
3. ワックスCC作製: 次に、シリコーンゴム型を使用してワックス冷却チャネルを鋳造し、それによって所望の表面粗さをワックスCCに付与しました。
4. 簡易金型製造: ワックスCCを組み込んだアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型を製造しました。エポキシ樹脂が硬化した後、ワックスCCを除去し、特定の内部表面粗さを持つ冷却チャネルを残しました。
5. 冷却性能評価: 作製した簡易金型を使用して低圧ワックス射出成形を行いました。異なる冷却チャネル表面粗さ値を持つ金型および冷却チャネルのない金型について、成形されたワックスパターンの冷却時間を測定しました。

データ収集・分析方法:

• 表面粗さ作製: ファイバーレーザーパターニングシステム (YLPN-1-4×200-30-M, IPG photonics Co., Ltd.) を使用しました。主要パラメータは、波長1064 nm、最大平均出力30 W、パルス幅4 ns、加工レーザー出力28 W、スキャン速度30 mm/s、ハッチ距離0.05 mmでした。異なる粗さレベルを達成するために、レーザー加工サイクル数 (1, 3, 5, 7回) を変更しました。(Table 1)
• 表面粗さ測定: レーザースキャン共焦点顕微鏡 (VK-X3000, Keyence Co., Ltd.) を用いて、試験片および冷却チャネルの表面粗さ (Sz - 最大高さ) を測定しました。
• 形態調査: 光学顕微鏡 (Quick Vision 404, Mitutoyo Inc.) およびFE-SEM (JEC3000-FC, JEOL Inc.) を使用しました。
• シリコーンゴム型 (SRM) 作製: シリコーンゴム (KE-1310ST, Shin Etsu Inc.) と硬化剤 (CAT-1310S, Shin Etsu Inc.) を重量比10:1で混合しました。真空機 (F-600, Feiling, Inc.) を用いて気泡を除去しました。
• 簡易金型作製: アルミニウム充填エポキシ樹脂 (重量で約70%のアルミニウム粉末、平均粒子径48 µm、純度96–99%)。硬化剤 (EP-2N-B, Ruixin Inc.) とエポキシ樹脂ベースコンパウンド (EP-2N-A, Ruixin Inc.) を重量比1:2で混合しました。
• 低圧ワックス射出成形: 低圧ワックス射出成形機 (0660, W&W Inc.) を使用しました。溶融ワックス (K512, Kato Inc.) を82 °Cで金型キャビティ (27 °Cに設定) に射出しました。
• 冷却時間測定: 金型温度コントローラー (JCM-33A, Shinko Inc.)、Kタイプ熱電対 (C071009-079, Cheng Tay Inc., 感度±1 °C)、サーモエレクトリッククーラー付き冷却材リザーバー (TEC12706AJ, Caijia Inc.)、およびデータ収集システム (MRD-8002L, IDEA System Inc.) を含む自家製システム (Figure 7) を使用しました。冷却材流量は約4 L/minでした。ワックス射出圧力は約0.06 MPaでした。成形ワックスパターンの突き出し温度は30 °Cでした。入口冷却材温度は27 °Cに保たれ、周囲温度は27 °Cでした。
• データ分析: 冷却時間を比較し、表面粗さ (Sz) と冷却時間 (y) を関連付ける予測式を開発しました。冷却速度も計算し比較しました。

研究トピックと範囲:

• 冷却チャネルの異なる内面粗さ値 (Sz ≈ 2.4 µm, 3.2 µm, 4.1 µm, 4.9 µm) がワックスパターンの冷却時間に及ぼす影響の調査。
• 冷却チャネル表面粗さの変更によるアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率改善の定量化。
• 様々な粗さの冷却チャネルを持つ金型と冷却チャネルのない金型の冷却時間の比較。
• 冷却チャネルのSz表面粗さに基づく冷却時間の予測モデルの開発。
• 冷却段階における一次および二次冷却速度の分析。

6. 主要な結果:

主要な結果:

• ファイバーレーザー加工により、高速度鋼ロッド上に微細構造が成功裏に作製され、それぞれ1、3、5、7回のレーザー加工サイクルに対応する約2.4 µm、3.2 µm、4.1 µm、4.9 µmの異なるSz表面粗さ値が得られました (Figure 8)。
• アルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型に冷却チャネルが存在することにより、射出成形品の冷却時間は、120分 (CCなし) から72分 (Sz = 2.4 µmのCCあり) へと約40%大幅に短縮されました (Figure 9)。
• 冷却チャネル内壁のSz表面粗さが増加するにつれて、射出成形ワックスパターンの冷却時間は減少しました。冷却時間は、Sz 2.4 µmで約72分、Sz 3.2 µmで64分、Sz 4.1 µmで60分、Sz 4.9 µmで48分でした (Figure 10)。
• Sz = 2.4 µmの金型と比較して、Sz = 4.9 µmの内部冷却チャネル表面粗さを持つアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型を使用すると、冷却時間が約34%節約されました。
• 冷却チャネルのない金型と比較して、Sz = 4.9 µmの内部冷却チャネル表面粗さを持つ金型は、冷却時間を最大60%節約できました。
• 射出成形品の冷却時間は再現性があり、Sz = 3.2 µmで5回の試行における平均冷却時間は約64分でした (Figure 11)。
• 射出成形品の平均冷却時間 (y) は、Sz表面粗さ (x) によって、y = -x² - 2.6x + 75 という予測式に従って決定でき、相関係数は0.976でした (Figure 12)。
• 一次冷却速度 (冷却時間の8分前) は、表面粗さの増加とともに増加しました: 2.13 °C/s (Sz 2.4 µm)、2.396 °C/s (Sz 3.2 µm)、3.462 °C/s (Sz 4.1 µm)、3.966 °C/s (Sz 4.9 µm) (Figure 14)。
• 二次冷却速度 (冷却時間の8分後) も、表面粗さの増加とともに増加しました: 0.232 °C/s (Sz 2.4 µm)、0.272 °C/s (Sz 3.2 µm)、0.302 °C/s (Sz 4.1 µm)、0.328 °C/s (Sz 4.9 µm) (Figure 15)。
• 冷却効率の向上は、冷却チャネル内の特徴構造による熱伝達接触面積の増加に起因し、より効果的な冷却を促進します (Figure 16)。

図の名称一覧:

• Figure 1. Flowchart of experimental methodology.
• Figure 2. Processing paths for machining microstructures on the high-speed steel rod.
• Figure 3. Manufacturing process of a silicone rubber mold for making wax cooling channel with microstructures.
• Figure 4. 3D CAD model and dimensions of an aluminum-filled epoxy resin rapid tool with parallel CC.
• Figure 5. Manufacturing process of a rapid tool using an aluminum-filled epoxy resin.
• Figure 6. Research process of this study.
• Figure 7. A homemade system for investigating the cooling time of the wax pattern after low-pressure wax injection molding.
• Figure 8. Surface roughness of the high-speed steel rods after fiber laser processing.
• Figure 9. Cooling time of the molded wax pattern using aluminum-filled epoxy resin rapid tool with and without cooling channels.
• Figure 10. Cooling time of the molded wax pattern using different surface roughness of the inner wall of the cooling channel inside the aluminum-filled epoxy resin rapid tool.
• Figure 11. Results of injection-molded product cooling time reproducibility test.
• Figure 12. Experimental results of cooling time reproducibility of injection-molded products.
• Figure 13. Two cooling rates in the cooling stage after low-pressure wax injection molding using an aluminum-filled epoxy resin rapid tool.
• Figure 14. First cooling rate in the cooling stage after low-pressure wax injection molding using an aluminum-filled epoxy resin rapid tool.
• Figure 15. Second cooling rate in the cooling stage after low-pressure wax injection molding using an aluminum-filled epoxy resin rapid tool.
• Figure 16. Cooling mechanisms for aluminum-filled epoxy resin rapid tool proposed by this work compared with conventional method.

7. 結論:

本研究の主な目的は、低圧ワックス射出成形におけるアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型の冷却効率に対する、冷却チャネル内壁の表面粗さの影響を調査することでした。主な結論は以下の通りです。

1. 本研究の知見は、特にワックスパターンの大量生産における冷却時間短縮が生産コストに顕著な影響を与えるため、インベストメント鋳造業界における実質的な潜在的応用を示唆しています。
2. 高速度鋼ロッドへのファイバーレーザー加工により、多様な表面粗さを持つ微細構造の作製が可能です。射出成形品の平均冷却時間 (y) は、Sz表面粗さ (x) から、y = -x² - 2.6x + 75 という予測式 (相関係数0.976) を用いて予測できます。
3. 冷却チャネル内壁の表面粗さは、射出成形品の冷却時間に大きな影響を与えます。冷却チャネル内壁の表面粗さが2.4 µmのアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型と比較して、4.9 µmの表面粗さを持つ金型を用いると、約34%の時間短縮と冷却効率の向上が得られます。
4. 冷却チャネル内壁の表面粗さが4.9 µmのアルミニウム充填エポキシ樹脂製簡易金型を利用すると、冷却チャネルのない同様の金型と比較して、冷却時間を最大約60%短縮できます。

これらの結果は、効率向上のための射出成形プロセスの最適化における冷却チャネル表面粗さの重要な役割を強調しています。

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9. 著作権:

• 本資料は、「Chil-Chyuan Kuo, Hong-Wei Chen, Geng-Feng Lin, Song-Hua Huang and Shih-Feng Tseng」による論文です。「Enhancing the Cooling Efficiency of Aluminum-Filled Epoxy Resin Rapid Tool by Changing Inner Surface Roughness of Cooling Channels」に基づいています。
• 論文の出典: https://doi.org/10.3390/polym16070874

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