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JP6021262B2 - 繊維複合成形品の圧縮成形方法および繊維複合成形品の圧縮成形装置 - Google Patents

繊維複合成形品の圧縮成形方法および繊維複合成形品の圧縮成形装置 Download PDF

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JP6021262B2 JP2013005968A JP2013005968A JP6021262B2 JP 6021262 B2 JP6021262 B2 JP 6021262B2 JP 2013005968 A JP2013005968 A JP 2013005968A JP 2013005968 A JP2013005968 A JP 2013005968A JP 6021262 B2 JP6021262 B2 JP 6021262B2
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Description

本発明は、一方の金型と他方の金型の間に形成されるキャビティに繊維材料を配置した状態で供給装置から溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品の圧縮成形方法および圧縮成形装置に関するものである。
従来、炭素繊維等の繊維材料をキャビティ内に配置し、熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する方法として、特許文献1、特許文献2に記載されたものが知られている。
特許文献1は、炭素繊維等の繊維基材に対して熱可塑性樹脂および熱硬化性樹脂のいずれかの樹脂をマトリクス材料として含浸させることが記載されている。そして熱可塑性樹脂をマトリクス材料として用いる場合は、成形型の温度をマトリクス材料の融点以下にすることが記載されている。また特許文献2では、炭素繊維を含有するナイロン系樹脂などを配置した上で、上型と下型からなる金型の型温を80℃にして射出した上でプレスを行うことが記載されている。
特開2010−58371号公報(請求項1、0022、図1) 特開2012−71595号公報(請求項1、0027、図1、図2)
上記のように、特許文献1、特許文献2では、炭素繊維等の繊維材料に対して溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して圧縮し、繊維材料に熱可塑性樹脂を含浸させている。しかしながら特許文献1、特許文献2はともに、金型温度が融点温度よりも低いために繊維材料に熱可塑性樹脂を十分に含浸させることはできなかった。またキャビティへのゲートの数は特許文献1では2個、特許文献2では1個のものが開示されているが、特許文献1および特許文献2では、少数のゲートから射出された溶融樹脂が早く冷却される結果、繊維材料に対する熱可塑性樹脂の分布にムラができやすいものであった。すなわちゲートに近い部分では繊維材料に対する熱可塑性樹脂の比率が高く、ゲートから遠い部分では、繊維材料に対する熱可塑性樹脂の比率が低くなりがちであった。
そこで本発明では、繊維材料に対して熱可塑性樹脂が十分に含浸された繊維複合成形品の圧縮成形方法および繊維複合成形品の圧縮成形装置を提供することを目的とする。また特には各部分を比べても繊維材料に対して熱可塑性樹脂が均一に含浸されている繊維複合成形品の圧縮成形方法および繊維複合成形品の圧縮成形装置を提供することを目的とする。
本発明の請求項1に記載の繊維複合成形品の圧縮成形方法は、一方の金型と他方の金型の間に形成されるキャビティに繊維材料を配置した状態で供給装置から溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品の圧縮成形方法において、前記一方の金型と他方の金型の少なくとも一方にはホットランナと、前記ホットランナに接続されキャビティにノズル孔の1個あたりの成形品面積が25〜2500cm となるように開口された複数のホットランナノズルとが設けられ、キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給前から一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に加熱し、前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介して熱可塑性樹脂をキャビティ内に射出し、射出開始時から10秒以上400秒以下の時間は一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮することを特徴とする。
本発明の請求項2に記載の繊維複合成形品の圧縮成形方法は、請求項1において、一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度〜融点プラス100℃に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮する際の面圧は、0.3〜10MPaであることを特徴とする。
本発明の請求項3に記載の繊維複合成形品の圧縮成形方法は、請求項1または請求項2において、前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介して射出速度5〜100mm/secで真空状態のキャビティ内に射出を行うことを特徴とする。
本発明の請求項4に記載の繊維複合成形品の圧縮成形装置は、一方の金型と他方の金型の間に形成されるキャビティに繊維材料を配置した状態で供給装置から溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品の圧縮成形装置において、加熱手段が設けられた一方の金型と他方の金型と、一方の金型または他方の金型の少なくとも一方に設けられたホットランナと、前記ホットランナに接続されキャビティにノズル孔の1個あたりの成形品面積が25〜2500cm となるように開口された複数のホットランナノズルと、前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介してキャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給する供給装置と、一方の金型と他方の金型が取付けられキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮可能な圧縮装置とが設けられ、キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給前から一方の金型と他方の金型の温度を熱可塑性樹脂の融点温度以上に加熱し、キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を射出開始時から10秒以上400秒以下の時間は一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮することを特徴とする。
本発明の請求項5に記載の繊維複合成形品の圧縮成形装置は、請求項4において、前記圧縮装置は縦方向に圧縮を行う縦型の圧縮装置であり、
前記一方の金型と他方の金型は、加熱手段と冷却手段が設けられた上型と下型であり、前記下型に繊維材料が載置された状態で型閉および圧縮が行われることを特徴とする。
本発明の炭素繊維複合成形品の圧縮成形方法および圧縮成形装置は、一方の金型と他方の金型の間に形成されるキャビティに繊維材料を配置した状態で供給装置から溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品の圧縮成形方法において、前記一方の金型と他方の金型の少なくとも一方にはホットランナと、前記ホットランナに接続されキャビティにノズル孔の1個あたりの成形品面積が25〜2500cm となるように開口された複数のホットランナノズルとが設けられ、キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給前から一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に加熱し、前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介して熱可塑性樹脂をキャビティ内に射出し、射出開始時から10秒以上400秒以下の時間は一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮するので、繊維材料に対して熱可塑性樹脂が十分に含浸されている繊維複合成形品を成形することができる
本実施形態の繊維複合成形品の圧縮成形方法に用いられる圧縮成形装置の説明図である。 本実施形態の繊維複合成形品の圧縮成形方法に用いられる圧縮成形用の金型の断面図である。 本実施形態の繊維複合成形品の圧縮成形方法に用いられる圧縮成形用の金型のキャビティ面の図である。 本実施形態の繊維複合成形品の圧縮成形方法における型位置と金型温度の関係を示した説明図である。
図1により本実施形態の繊維複合成形品の圧縮成形装置11(以下単に圧縮成形装置11と略す)について説明する。圧縮成形装置11は、縦型の圧縮装置12と供給装置である縦型の射出装置13とを備えている。圧縮装置12は、ベース14上に立設されたフレームの上部に固定盤15が固定されている。また固定盤15の下方には受圧盤16が4本のタイバ17により接続して設けられている。また固定盤15と受圧盤16の間には可動盤18が上下方向に昇降自在に設けられている。また受圧盤16と可動盤18との間には繊維材料と熱可塑性樹脂材料を圧縮するための圧縮機構が設けられている。ここでは圧縮機構19は、圧縮用サーボモータモータ20とトグル機構21とからなる。
また可動盤18の下面側には成形品を突き出すエジェクタ機構22が設けられている。可動盤18の上面には図示しない断熱板を介して一方の金型である下型23(可動金型)が取付けられ、固定盤15の下面には図示しない断熱板を介して他方の金型である上型24(固定金型)が取付けられるようになっている。金型について説明すると、金型は下型23に対して上型24が嵌合される印籠構造の圧縮成形用の金型である。また前記下型23と上型24は、加熱手段と冷却手段を有しており、成形の際に温度を昇降可能となっている。
図2に示されるように圧縮成形用の金型の下型23は、凹状のキャビティ面25が形成されている。そして下型23の内部はエジェクタ機構により作動するエジェクタプレート46とエジェクタピン47が設けられている。そしてエジェクタピン47の表面がキャビティ面25の一部となっている。また下型23内部のキャビティ面25の表面から3〜10mm離れた位置には加熱手段である電気ヒータ26が多数本、キャビティ面25全体をカバーするように埋設されており、キャビティ面25が加熱可能となっている。またキャビティ面25を基準にして、前記電気ヒータ26が埋設されている部分よりも遠い(深い)位置には冷却手段である冷却用媒体を流通させる流路27がキャビティ面25全体をカバーするように複数本形成されている。そして流路27は図示しない冷却媒体の供給装置に接続されている。なお加熱手段である電気ヒータ30、冷却手段である流路31はキャビティ面29を複数に分割して各ゾーン毎にゾーン制御するものでもよい。また下型23は、図示しない熱電対等の温度センサを備えている。更にまた下型23の周囲には上型24との間で真空チャンバを形成する際のOリング28が取付けられている。
圧縮成形用の金型の上型24は、凸状のコア部の前面がキャビティ面29となっている。そして前記凸状のコア部が下型23の凹状のキャビティ面25の部分に嵌合されることにより、凸状のコア部の側面には隙間が形成されずに圧縮成形が可能なキャビティCが形成される。上型24も下型23と同様に、キャビティ面29の表面近傍には加熱手段である電気ヒータ30が多数本、キャビティ面29全体をカバーするように埋設されており、キャビティ面29が加熱可能となっている。またキャビティ面29を基準にして、前記電気ヒータ30が埋設されている部分よりも遠い(深い)位置には冷却手段である冷却用媒体を流通させる流路31がキャビティ面29全体をカバーするように複数本形成されている。そして流路31は図示しない冷却媒体の供給装置に接続されている。また上型24は、図示しない熱電対等の温度センサを備えている。なお加熱手段である電気ヒータ30、冷却手段である流路31はキャビティ面29を複数に分割して各ゾーン毎にゾーン制御するものでもよい。
また上型24の上部にはノズルタッチ面32が形成され、ノズルタッチ面32の注入孔33に連通してホットランナ34が形成されている。ホットランナ34のマニホールドブロック35には、それぞれホットランナノズル36が設けられている。そしてキャビティ面29には前記ホットランナノズル36のノズル孔37がそれぞれ開口されている。またそれぞれのホットランナノズル36は、油圧シリンダ38により作動されるゲートバルブ39により開口が開閉されるようになっている。より具体的には図3に示されるようにホットランナ34は、注入孔33に接続されるホットランナ34から分岐して4本のホットランナ34のマニホールドブロック35が形成され、それぞれのマニホールドブロック35に3個のホットランナノズル36が設けられている。従って本実施形態では、キャビティ面29に対して12個のノズル孔37が開口形成されている。また電気ヒータ30は、ホットランナノズル36およびノズル孔37の部分を避けるようにキャビティ面29の全面にほぼ均等になるように配設されている。
なおキャビティ面29におけるノズル孔37は、繊維材料複合成形品の各部において繊維材料と熱可塑性樹脂を均等な割合とするために複数設けられることが好ましい。ノズル孔37の開口部の数は、成形される繊維複合成形品の面積によって限定されない。しかし繊維複合成形品の面積をノズル孔37の開口部の数で除算することにより求められるノズル孔37の一個あたりの成形品面積は、25〜2500cmが望ましい。更には50〜1000cmがより望ましい。なおこれらのホットランナ34とそのノズル孔37は下型23、または下型23と上型24の双方に設けられていてもよく、少なくとも一方の金型に設けられていればよい。ホットランナ34が双方の金型に設けられる場合、供給装置もそれに対応して設けることが一般的である。
上型24の周囲には、下方に向けてチャンバ形成板40が形成されている。そして前記したように下型23の周囲には上型24との間で真空チャンバを形成する際のOリング28が取付けられているので、下型23が上昇した際に、前記チャンバ形成板40と下型23のOリング28に摺接して内部に外界と隔離されたチャンバを形成可能となっている。そして上型24には真空ポンプ41に接続される管路42が接続され、上型の内部の管路を介して、パーティング面44に形成された吸引孔45に接続されている。従って下型23が上昇され上型24と下型23の間に外界と隔離したチャンバを形成した上で真空ポンプ41によりチャンバ内を吸引することによりキャビティC内を真空にできる。なおキャビティCの真空構造は、圧縮成形装置11全体、或いは圧縮成形装置11の固定盤15と可動盤18の間全体を真空にするものでもよい。
また固定盤15の上部には供給装置である縦型の射出装置13が設けられている。固定盤15の上面には縦型の射出装置13を昇降させ、ノズル51を上型24のノズルタッチ面32に当接させるためのノズルタッチ用シリンダ52が設けられている。そしてノズルタッチ用シリンダ52のロッドは射出装置13のハウジングプレート53に取付けられている。またハウジングプレート53の中央には加熱筒54が下方に向けて固定されている。加熱筒54の内孔には図示しないスクリュが回転可能かつ前後進可能に設けられている。加熱筒54の先端には射出孔を有するノズル51が取付けられている。ハウジングプレート53には樹脂材料の供給口55が加熱筒54に向けて設けられており、供給口55は図示しない材料供給装置に接続されている。ハウジングプレート53にはスクリュを前後進させる射出用サーボモータ56が設けられ、ハウジングプレート53の上方に設けられたプッシャプレート57を昇降移動させるようになっている。プッシャプレート57にはスクリュを回転させる計量用サーボモータ58が設けられ、その駆動軸がカップリング等の接続手段を介してスクリュ軸の後端に接続されている。なお射出装置13の構造は上記に限定されず、水平方向に射出装置が設けられたもの等でもよい。
また図示はしないが、圧縮成形装置11の隣には炭素繊維等の繊維材料を搬入する搬入用ロボットと、成形の完了した繊維複合成形品を取出する搬出用ロボットが設けられている。なおこれらロボットは1台で繊維材料の搬入と繊維複合成形品の取出を共用するものでもよい。
次に本実施形態の圧縮成形装置11を用いた繊維複合成形品の圧縮成形方法について図4により説明する。本実施形態において使用される繊維材料は炭素繊維が用いられる。またマトリックス樹脂として使用される熱可塑性樹脂はポリアミドである。本実施形態において炭素繊維は、厚みが1〜30mm、面積は下型23のキャビティ面25の面積に略等しいか僅かに小さい面積の炭素繊維マットFの形態で用いられる。炭素繊維マットFは、方向性を持って織られたものでもよく、不織状態のものでもよい。また炭素繊維マットFの枚数も限定されない。ただし繊維複合成形品が成形された際の総重量に占める炭素繊維の比率が、一例として25〜70%、更に望ましくは35〜60%にとなるようにすることが望ましい。
まず圧縮装置12の型開位置p1において停止された下型23の上に、図示しない搬入用ロボットにより、前記炭素繊維マットFを載置する。この際に既に下型23および上型24は電気ヒータ26,30に通電して昇温が開始されているか昇温完了していることが成形サイクルを早くするために望ましい。そして炭素繊維マットFが載置された後、下型23が型開位置p1から上昇開始されると、次に上型24と下型23の間に外界と隔離したチャンバが形成されるチャンバ形成位置p2において一旦下型23の上昇を停止する。そしてチャンバ形成位置p2において真空ポンプ41とチャンバを接続し、チャンバ内を真空ポンプ41により吸引して真空状態とする。このチャンバ形成位置p2においては僅かに上型24と下型23は嵌合され、上型24のキャビティ面29の外側に位置するパーティング面44の吸引孔45から吸引することにより、炭素繊維の吸引孔45への目詰まりが防止される。チャンバの真空度については限定されるものではないが、一例として10hPa〜100hPaに真空化される。そして更に下型23を上昇させて、溶融樹脂の射出(供給)を開始する射出開始位置p3(供給開始位置)に到達すると下型23の上昇を停止させる。この際の射出開始位置p3は、圧縮用サーボモータ20によりクローズドループ制御により位置制御され正確な位置に停止される。
そして溶融状態の熱可塑性樹脂Rの供給前には、下型23と上型24は電気ヒータ26,30への通電を継続し、金型温度(熱電対等のセンサにより検出される温度)を熱可塑性樹脂(ポリアミド)の融点温度以上に加熱しておく。この際下型23および上型24の温度は温度センサにより検出され、PID制御がなされる。本発明においてこの際の金型温度としては、少なくとも融点温度〜融点プラス100℃の範囲が望ましく、更には融点温度〜融点プラス80℃の範囲が望ましい。従って本実施形態では225〜325℃の範囲内の温度にまで昇温がされる。
次に射出装置13の射出用サーボモータ56を回転駆動させスクリュを前進させて計量された溶融状態の熱可塑性樹脂RをキャビティC内に射出(供給)する。この際にホットランナ34(マニホールド35を含む)とホットランナノズル36も熱可塑性樹脂の融点温度以上に制御されており、ホットランナ34内の溶融状態の熱可塑性樹脂Rも融点温度以上の温度となっている。そして射出装置13により射出開始と同時にゲートバルブ39を後退させてホットランナノズル36をキャビティCに連通させノズル孔37から溶融状態の熱可塑性樹脂RをキャビティC内に射出する。この際の射出速度は、キャビティC内に配置された炭素繊維マットFの位置をずらしてしまわないように比較的低速であることが望ましい。一例として射出速度(供給速度)は、スクリュの前進速度において5〜100mm/secが望ましい。
この際にキャビティ面29に対して複数設けられたノズル孔37から満遍なく溶融状態の熱可塑性樹脂Rが供給されるので、繊維複合成形品の各部の繊維材料と樹脂材料の比率を略均等にすることができる。そしてスクリュが所定位置まで前進したら圧縮機構19を作動させて下型23を上昇させ、キャビティC内の繊維材料と溶融状態の熱可塑性樹脂Rに圧縮を加える。この際のタイミングとしては、上記の方法の他、射出開始と同時、射出中、射出後のいずれでもよい。またキャビティC内の樹脂圧を検出して樹脂圧により圧縮を開始するもの等でもよい。また保圧については、ゲートバルブ39を閉鎖せずに、射出装置13側からの溶融状態の熱可塑性樹脂Rの供給を継続して保圧を行うものでもよく、射出後すぐにゲートバルブ39を閉鎖して圧縮装置12の圧縮機構19のみにより圧縮することにより、保圧を行わないか保圧を短い間で終らせるものでもよい。
本発明では、射出後(供給後)も一定以上の時間Tは、下型23および上型24の温度を熱可塑性樹脂の融点温度以上に保持する。そしてキャビティC内の熱可塑性樹脂が溶融状態のまま炭素繊維マットF(繊維材料)とともに圧縮し、炭素繊維マットFへの熱可塑性樹脂の含浸を図る。本発明では、射出開始時を基点として、射出開始から10秒後以上であって射出開始から400秒以下の範囲の時間は、金型温度を熱可塑性樹脂の融点温度以上の状態を保持して炭素繊維マットF(繊維材料)への熱可塑性樹脂の含浸を図る。図4に示されるように圧縮装置12による圧縮は当初キャビティC内に空間がある際は急速に型位置が移動されて圧縮がなされる。そして圧力制御開始位置p4においてキャビティC内がほとんど溶融状態の熱可塑性樹脂Rと炭素繊維マットF(繊維材料)で満たされると圧縮制御(圧力制御)が開始される。
本実施形態の圧縮制御は圧縮用のサーボモータ20によってクローズドループ制御により圧力制御が行われる。圧力制御についてはキャビティC内圧を測定する方法の他、タイバセンサにより型締力を測定する方法や、圧縮用のサーボモータ20のトルクを制御する方法などが想定される。また圧縮装置に油圧シリンダを設けたものでは、クローズドループ制御が可能なサーボバルブやそれに類するバルブを使用し、圧縮用シリンダの圧力を設定圧力に制御することが望ましい。ただし本発明としてクローズドループ制御は必須ではない。
圧縮制御時のキャビティC内の溶融状態の熱可塑性樹脂Rと炭素繊維マットF(繊維材料)を圧縮する際の面圧は、0.1〜20MPaであることが望ましく、更には0.3〜10MPaであることがより望ましい。本実施形態では、このように金型温度を融点温度以上として一定以上の時間T圧縮を図ることにより、繊維材料への熱可塑性樹脂の含浸が良好になるほか、多点からの射出を行ってもウエルドが発生しないかまたはウエルドの影響を極めて小さくすることができる。そして圧縮成形開始位置p4からも熱可塑性樹脂の融点以上の金型温度により圧縮されることにより、溶融状態の熱可塑性樹脂Rと炭素繊維マットF(繊維材料)の間に存在していたボイドは解消され、僅かづつキャビティCの容積が減少され型位置p4は型閉方向へ移動する。そして予めタイマにより設定された所定時間T1(一定時間)が経過するか所定の型位置に到達すると、電気ヒータ26,30への通電を停止し、同時に金型23,24内の流路27,31へ冷却媒体を流通させて金型23,24を冷却開始する。
金型23,24の冷却を開始すると温度センサにより測定される金型温度は、熱可塑性樹脂の融点温度t1を下回って更に下降を続け、熱変形温度t2を下回る。融点温度t1を下回ると溶融樹脂の冷却固化が開始されるが、冷却固化に伴い収縮が発生するから、圧縮機構19によるキャビティ面25への圧縮は継続する必要がある。そして所定の時間が経過すると金型23,24のチャンバ内の真空状態を解消させ、圧縮成形装置11の圧縮用サーボモータ20を駆動させて可動盤18と下型23を下降させる。所定の型開位置p1まで下型23が下降されるとエジェクタ機構22が作動されて下型23から繊維複合成形品が突き出され、図示しない取出機により炭素繊維複合成形品が取出される。なお取出しが行われるとすぐに次のサイクルのために金型23,24の昇温が開始される。
または別の実施形態としては、圧縮装置は、固定盤または可動盤の四隅に圧縮用シリンダが設けられ、型締用シリンダのロッドがタイバとなっているタイプの圧縮装置を用いてもよい。その場合、固定盤に対する可動盤の四隅の位置(または固定金型に対する可動金型の四隅の位置)をそれぞれ検出して、固定盤と可動盤の間で平行制御を行いながら位置制御を行う。溶融状態の熱可塑性樹脂の圧縮は、圧縮シリンダの作動油の圧力を制御(フィードフォーワード制御では圧力制御)に加えて、固定盤に対する可動盤の四隅の位置をそれぞれ検出して、固定盤に対する可動盤の四隅の距離がそれぞれ等しくなるように平行制御(フィードバック制御)がなされることが望ましい。
また本発明については、繊維複合成形品に更に熱可塑性樹脂のみによる表面層を追加形成するものでもよい。その手順としては、本発明と同様にキャビティC内で繊維樹脂複合成形品の冷却が完了されてから、僅かに下型23を表面層の厚みに対応して数ミリ程度下降させる。この際に繊維複合成形品はノズル孔37が形成された金型(上型24)とは反対側の金型(下型23)のキャビティ面25に保持され、繊維複合成形品と上型24のキャビティ面29の間には間隙が形成されるようにする。そしてそこへ再び射出装置13からノズル孔37を介して溶融樹脂を射出充填する。この際は熱可塑性樹脂は繊維材料を含浸させる目的はなく、すぐに冷却固化されてもよいので、金型温度は、融点温度t1以上まで昇温する必要はない。そして前記間隙へ射出された溶融樹脂は圧縮することが望ましいが、キャビティ間隙を一定を保ち、射出装置側から保圧を加えるだけのものでもよい。このようにして表面に熱可塑性樹脂のみからなる層が形成され、美観に優れた繊維複合成形品を成形することができる。
本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。まず圧縮装置については電動、油圧に関わらず、上方の可動盤と可動金型(上型)が、下方の固定盤と固定金型(下型)に向けて型開閉移動されるものでもよい。また圧縮装置の下型は、圧縮装置の加圧位置から圧縮装置の外へ水平方向に移動可能なものでもよい。その場合、炭素繊維マットF(繊維材料)の載置や、複合成形品の取出しは、圧縮装置の外で行うこともでき、下型と上型の交換やメンテナンスも容易になる。更に圧縮装置は、水平方向に可動盤が移動するものでもよい。
金型は、図1のような印籠構造のものでなく、コア部に対してその周囲の外周枠の部分が相対的に移動可能であって、外周枠の部分が他の金型と樹脂が漏れないように当接されるものでもよい。金型の加熱手段は、流路内に熱媒油または蒸気を供給するものでもよく、抵抗発熱する板状のヒータ、赤外線ヒータ、誘導加熱等により金型を加熱するものでもよい。また金型自体に温度センサを設けることは必須ではない。金型自体に温度センサが設けられていない場合は、供給される熱媒油等の供給装置や供給管に温度センサを取付けて温度測定を行い、その温度により本発明の金型温度が融点温度t1以上かどうかを判断する。また電気ヒータを使用したものにおいてはON、OFFタイプのサーモスタットを用いたものでもよい。また金型は、取付面の側に断熱板を取付けたものでもよい。
供給装置は、上記の本実施形態では射出装置を使用して射出を行っているが、ピストンにより単に押出しのみを行うプランジャにより溶融状態の熱可塑性樹脂を供給するものや、回転機能のみを有するスクリュが設けられた押出機により溶融状態の熱可塑性樹脂を供給するものでもよい。また供給装置を高圧としキャビティ内を真空状態として差圧により溶融状態の熱可塑性樹脂を供給する供給装置などでもよい。
使用される繊維材料は、炭素繊維の他、ガラス繊維、ケプラー繊維、アルミ等の金属繊維、天然繊維等の他の種類の繊維材料であってもよい。更には使用される熱可塑性樹脂についても限定はされず、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ABS樹脂、AS樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、熱可塑ポリウレタン等が代表的なものとして挙げられ、他の種類の熱可塑性樹脂でもよい。また熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂との混合材料でもよい。
11 圧縮成形装置
12 圧縮装置
13 射出装置(供給装置)
19 圧縮機構
23 下型(一方の金型)
24 上型(他方の金型)
25,29 キャビティ面
26,30 電気ヒータ(加熱手段)
27,31 流路(冷却手段)
34 ホットランナ
36 ホットランナノズル
37 ノズル孔
C キャビティ
F 炭素繊維マット(繊維材料)
R 溶融状態の熱可塑性樹脂
T 一定以上の時間
t1 熱可塑性樹脂の融点温度

Claims (5)

  1. 一方の金型と他方の金型の間に形成されるキャビティに繊維材料を配置した状態で供給装置から溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品の圧縮成形方法において、
    前記一方の金型と他方の金型の少なくとも一方にはホットランナと、
    前記ホットランナに接続されキャビティにノズル孔の1個あたりの成形品面積が25〜2500cm となるように開口された複数のホットランナノズルとが設けられ、
    キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給前から一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に加熱し、
    前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介して熱可塑性樹脂をキャビティ内に射出し、
    射出開始時から10秒以上400秒以下の時間は一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮することを特徴とする繊維複合成形品の圧縮成形方法。
  2. 一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度〜融点プラス100℃に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮する際の面圧は、0.3〜10MPaであることを特徴とする請求項1記載の繊維複合成形品の圧縮成形方法。
  3. 前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介して射出速度5〜100mm/secで真空状態のキャビティ内に射出を行うことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の繊維複合成形品の圧縮成形方法。
  4. 一方の金型と他方の金型の間に形成されるキャビティに繊維材料を配置した状態で供給装置から溶融状態の熱可塑性樹脂を供給して繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品の圧縮成形装置において、
    加熱手段が設けられた一方の金型と他方の金型と、
    一方の金型または他方の金型の少なくとも一方に設けられたホットランナと、
    前記ホットランナに接続されキャビティにノズル孔の1個あたりの成形品面積が25〜2500cm となるように開口された複数のホットランナノズルと、
    前記複数のホットランナノズルのノズル孔を介してキャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給する供給装置と、
    一方の金型と他方の金型が取付けられキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮可能な圧縮装置とが設けられ、
    キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を供給前から一方の金型と他方の金型の温度を熱可塑性樹脂の融点温度以上に加熱し、
    キャビティ内に溶融状態の熱可塑性樹脂を射出開始時から10秒以上400秒以下の時間は一方の金型と他方の金型の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に保持しつつキャビティ内の溶融状態の熱可塑性樹脂と繊維材料を圧縮することを特徴とする繊維複合成形品の圧縮成形装置。
  5. 前記圧縮装置は縦方向に圧縮を行う縦型の圧縮装置であり、
    前記一方の金型と他方の金型は、加熱手段と冷却手段が設けられた上型と下型であり、
    前記下型に繊維材料が載置された状態で型閉および圧縮が行われることを特徴とする請求項4に記載の圧縮成形装置。
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