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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für ein faserverstärktes Kunstharzteil.
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STAND DER TECHNIK
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Aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Festigkeit werden faserverstärkte Kunststoffteile (faserverstärkter Kunststoff (FRP)), welche durch Vermischen eines verstärkenden Fasermaterials in Harz bzw. Kunstharz erhalten werden, in verschiedenen Industriezweigen, z. B. dem Automobilbau, dem Anlagenbau oder der Luftfahrt, etc., eingesetzt.
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Am Beispiel der Automobilindustrie werden die vorstehend genannten faserverstärkten Kunstharzteile als Trag- bzw. Strukturelemente oder tragende Elemente von Fahrzeugen, z. B. Säulen, Schweller, Unterböden, etc. sowie als nicht tragende Elemente, die eine entsprechende Erscheinungsform haben müssen, z. B. Türverkleidungen, Motorhauben, etc. eingesetzt. Es wurde versucht, kraftstoffeffiziente und umweltfreundliche Fahrzeuge herzustellen, während gleichzeitig die Fahrzeugfestigkeit sichergestellt und das Gewicht verringert wurden.
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Obgleich es eine Vielzahl von Verfahren zum Ausbilden derartiger faserverstärkter Kunstharzteile gibt, ist ein Beispiel hierfür ein Verfahren, in welchem ein Harzmattenverfahren (SMC-Verfahren) angewandt wird.
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Durch Anwenden dieses SMC-Verfahrens, und um beispielsweise ein gleichlaufendes mit Endlosfasern verstärktes Teil (UD-Teil) in der Oberfläche eines faserverstärkten Kunstharzteils an einer Stelle anzuordnen, wo insbesondere eine bestimmte Festigkeit erforderlich ist, wird dieses mit Endlosfasern verstärkte Teil zeitweilig an Aussparungsoberflächen von oberen und unteren Formen angebracht, und geschmolzenes Harz wird in die Aussparung eingebracht. Alternativ wird ein Brocken oder eine Schicht geschmolzenen Harzes, der durch Vorheizen vorgebildet wird, in der Aussparung angeordnet und verpresst. Ein faserverstärktes Kunstharzteil, in welchem das UD-Teil in seiner Oberfläche eingebettet ist, wird somit hergestellt.
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Jedoch gibt es ein Problem, dass, wenn das Ausformen derart ausgeführt wird, dass das UD-Teil zeitweilig an den Oberflächen der Aussparung in der Aussparung angebracht wird, die Endlosfasern, welche das UD-Teil bilden, beim Ausformen in Unordnung geraten, so dass ihre Ausrichtung gestört wird, wodurch die gewünschte Festigkeit nur schwierig erhalten werden kann. Als ein beispielhaftes Verfahren zum Messen/Bestimmen eines Biegebetrages (Versatzes), wenn die gleichlaufende Endlosfaser F, ... in 8 vor dem Biegen, sich biegt wie in 8b, kann der Versatz der Faser in eine Richtung senkrecht zur ursprünglichen Ausrichtung der Fasern gemessen und bewertet werden (Biegebetrag t mm). Gemäß einer Feststellung ist darüber hinaus bekannt, dass, wenn sich die Endlosfaser biegt und ihr Winkel folglich um 3 Grad versetzt ist, die physikalische Eigenschaft (Zugfestigkeit) des UD-Teils sich um etwa 10% verschlechtert, oder um etwa 50% wenn der Versatz 12 Grad beträgt.
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Diesbezüglich offenbart die Patentschrift 1 eine Technologie, in welcher ein vertiefter Teil an der Grenze zwischen einem Abschnitt, an welchem ein mit gleichlaufenden Endlosfasern verstärktes Teil an der Oberfläche angeordnet werden soll, und allen anderen Abschnitten (ein vorstehender Teil ist an der Aussparungsoberfläche zum Zwecke des Ausbildens dieses vertieften Teiles vorgesehen) angeordnet ist, wodurch der Versatz der Ausrichtung der Endlosfaser, die das mit Endlosfasern verstärkte Teil bilden, verhindert werden soll.
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Gleichwohl hat der Formartikel aus Patentschrift 1 das Problem, dass die vorstehend genannte Grenze um einen Betrag dünner wird, der dem vertieften Teil der Ausnehmung entspricht, und wenn eine äußere Kraft hierauf wirkt, die Belastung dort konzentriert wird, so dass diese Stelle als Ausgangspunkt für Brüche prädestiniert ist.
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Ferner besteht das Problem, dass während des Formverfahrens, das mit einer Endlosfaser verstärkte Teil, das zeitweilig auf der Oberfläche der Aussparung der oberen Form angeordnet ist, herunterfällt, wenn die Form geschlossen wird, wodurch es schwierig wird, einen Formartikel mit dem in der Oberfläche eingebetteten mit Endlosfasern verstärkten Teil herzustellen.
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DRUCKSCHRIFTEN
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Patentschriften
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- Patentschrift 1: JP 5-85179 A (1993)
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KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
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Technisches Problem
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Die vorliegende Erfindung wurde im Lichte der vorstehend genannten Probleme gemacht. Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunstharzteils anzubieten, das geeignet ist, ein hochfestes faserverstärktes Kunstharzteil herzustellen, das eine gewünschte physikalische Eigenschaft (z. B. Zugfestigkeit) aufweist und aus einem mit Endlosfasern verstärkten Teil besteht, unter Verwendung einer Form, die zum Ausformen eines faserverstärkten Kunstharzteiles verwendet wird, für welches die gewünschte physikalische Eigenschaft eines mit Endlosfasern verstärkten Teils sichergestellt ist, wobei der Ausrichtungsversatz einer Endlosfaser, die das mit Endlosfasern verstärkte Teil bildet, aufgelöst ist, und wobei es nicht notwendig ist, einen vertieften Teil an einer Grenze zwischen einem Abschnitt, wo das vorgenannte eingebettet ist, und allen anderen Abschnitten vorzusehen, der einen strukturell schwachen Teil bildet.
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Lösung des Problems
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Um die vorgenannte Aufgabe zu lösen, ist ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Harzteils gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunstharzteils unter Verwendung einer Form, in der durch Schließen einer unteren Form und einer oberen Form eine Aussparung ausgebildet ist, wobei die Form einen Fugenteil hat, der in der unteren Form ausgebildet ist, und der mit der Aussparung verbunden ist, einen Kern, der gleitfähig in dem Fugenteil aufgenommen ist, und ein Hochdrückmittel, welches den Kern nach oben drückt, wobei das Verfahren aufweist: einen ersten Schritt zum Anordnen eines mit Endlosfasern verstärkten Teils auf dem Kern; und einen zweiten Schritt zum Einbringen eines aufgeweichten oder geschmolzenen Matrixharzes in die Aussparung, Hochdrücken des Kerns mit dem Hochdrückmittel, um das mit Endlosfasern verstärkte Teil in dem Matrixharz einzubetten, und Herstellen eines faserverstärkten Kunstharzteils, in welchem das mit Endlosfasern verstärkte Teil in dem gehärteten Matrixharz eingebettet ist.
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Eine bei diesem Herstellungsverfahren in der vorliegenden Erfindung genutzte Form umfasst eine Form, in welcher ein Fugenteil, der zu einer Aussparung hin offen liegt, in einer unteren Form ausgebildet ist, welche die Form bildet, in welchem ein Kern innerhalb der unteren Form gleitfähig angeordnet ist, in welcher ein mit Endlosfasern verstärktes Teil auf dem Kern befestigt ist, und die geeignet ist, dies in die Aussparung nach oben zu drücken. Hierdurch wird es möglich, das mit Endlosfasern verstärkte Teil in das Kunstharz zu drücken, mit welchem das Innere der Aussparung gefüllt ist.
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Im ersten Schritt des Herstellungsverfahrens der vorliegenden Erfindung ist das mit Endlosfasern verstärkte Teil am Kern angeordnet.
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Hier gibt es eine Vielzahl von Ausführungsformen für das Hochdrückmittel, welches den Kern nach oben drückt, z. B. einen Zuführschneckenmechanismus, der eine reziproke Bewegung nach oben und unten mittels eines Aktuators, z. B. einem Servomotor, etc., und dessen Betätigung ausführt, eine Kolbenstange, die eine reziproke Bewegung mittels eines Fluidsdrucks in einem Hydraulikzylinder oder Luftzylinder ausführt, oder mittels eines magnetostriktiven Aktuators oder supermagnetostriktiven Aktuators, usw.
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Es kann auch ein Aufbau gewählt werden, bei welchem eine Mehrzahl von vertieften Teilen an geeigneten Stellen in der unteren Form ausgebildet ist, ein Kern in jedem der vertieften Teile ausgenommen ist, und die Mehrzahl der Kerne mittels eines Hochdrückmittels nach oben gedrückt werden, um eine Mehrzahl von mit Endlosfasern verstärkten Teilen in dem thermoplastischen Harz, das innerhalb der Aussparung verteilt ist, einzubetten.
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Bei der durch Schließen der unteren und oberen Form ausgebildeten Aussparung ist ein mit einer Endlosfaser verstärktes Teil an der Oberfläche des vertieften Teils der unteren Form angeordnet, und im zweiten Schritt wird aufgeweichtes oder geschmolzenes thermoplastisches Harz eingebracht.
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Der Ausdruck „Einbringen” wie er hierin verwendet wird umfasst sowohl das Einspritzen von geschmolzenem Harz in die Aussparung, wie auch das Anordnen eines Batzens oder einer Schicht geschmolzenen Harzes (ein vorgeheizter Vorläufer) in der Aussparung. Im letzteren Fall wird ein Harzteil in der Form der Aussparung, beispielsweise durch anschließendes Pressen der oberen Form in die untere Form für ein Pressformen, ausgebildet.
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Es sei angemerkt, dass das thermoplastische Harz, welches eingebracht wird, ungleichmäßig kurze und lange Fasern enthalten kann. Wenn das herzustellende faserverstärkte Kunstharzteil ein Tragelement eines Fahrzeugs ist, wird üblicherweise ein thermoplastisches Harz mit Fasern eingebracht.
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Durch Verwenden der Form der vorliegenden Erfindung ist es möglich, aufgeweichtes oder geschmolzenes thermoplastisches Harz in die Aussparung einzubringen, das Hochdrückmittel zu betätigen, um das mit Endlosfasern verstärkte Teil nach der Verteilung des thermoplastischen Harzes in der Aussparung nach oben zu drücken, und dieses dann in das thermoplastische Harz, das in der Aussparung verteilt ist, hineinzudrücken.
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Bezüglich der Begriffe „aufgeweicht oder geschmolzen” in Bezug auf das thermoplastische Harz wird, wenn das thermoplastische Harz amorphen Kunststoff umfasst, der Begriff „aufgeweicht” für einen Zustand verwendet, bei welchem der Glasübergangspunkt Tg überschritten wurde, und, wenn das thermoplastische Harz ein kristalliner Kunststoff ist, wird der Begriff „geschmolzen” für einen Zustand verwendet, bei welchem der Schmelzpunkt Tm überschritten wurde.
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Beispiele für amorphen Kunststoff mit einer extrem geringen Kristallinität, bzw. ohne Kristallinität können unter anderem umfassen: Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA), ABS-Kunststoff und thermoplastisches Epoxid. Auf der anderen Seite können Beispiele für kristallinen Kunststoff mit hohen Anteilen von kristallinen Bereichen, in welchen die Molekularketten regelmäßig angeordnet sind, das bedeutet solche mit hoher Kristallinität, unter anderem umfassen: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Nylon (PA: Nylon 6, Nylon 66, etc.) Polyoxymethylen (POM) und Polyethylenterephthalat (PET).
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Darüber hinaus können Beispiele der mit Endlosfasern verstärkten Teile verstärkte Teile umfassen, die vollständig aus Endlosfasern gebildet sind, sowie verstärkte Teile, die Endlosfasern in einem Matrixharz enthalten (sogenannte Prepreg-Materialien). Ferner können derartige mit Endlosfasern verstärkte Teile beispielsweise gleichlaufende Teile (UD-Teile) sein, in welchen ein Fasermaterial (Endlosfaser), das 50 mm übersteigt, gleichlaufend in einem Matrixharz angeordnet ist, wie dieses durch JIS definiert ist, und sie können auch quasi isotrope Teile sein (multiaxialgeschichtete Teile, Gewebe mit Kettfäden und Schussfäden, etc.). Beispiele solcher Endlosfasern können dabei umfassen jedes, oder eine Mischung aus zwei oder mehr, von: Keramikfasern wie Boron, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Zirkonerde, etc.; anorganische Fasern wie Glasfasern, Kohlefasern, etc.; Metallfasern wie Kupfer, Stahl, Aluminium, Edelstahl, etc.; und organische Fasern wie Polyamid, Polyester, etc.
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Das auf dem Kern angebrachte mit Endlosfasern verstärkte Teil wird keiner Störung unterworfen, selbst wenn sich das aufgeweichte oder geschmolzene thermoplastische Harz in der Aussparung verteilt. Dementsprechend ist es möglich, eine gewünschte Orientierung der Endlosfasern, die das mit Endlosfasern verstärkte Teil bilden, zu erhalten.
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Ferner ist es, durch Drücken des mit Endlosfasern verstärkten Teiles, das die Endlosfasern enthält, deren gewünschte Ausrichtung beibehalten wurde, in das aufgeweichte oder geschmolzene thermoplastische Harz möglich, das mit Endlosfasern verstärkte Teil, welches die Endlosfasern umfasst, deren gewünschte Ausrichtung beibehalten wurde, beispielsweise in dem thermoplastischen Harz einzubetten.
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Um dies auszuführen, um die Ausrichtung für die Endlosfaser des mit Endlosfasern verstärkten Teils, das im unteren Teil der Aussparung angeordnet ist, noch besser zu erhalten, wenn das thermoplastische Harz eingefüllt wird, können Maßnahmen wie die Anordnung einer Folie, die dasselbe thermoplastische Harz wie das einzufüllende thermoplastische Harz enthält, in engen Kontakt mit der Oberfläche des mit Endlosfasern verstärkten Teiles getroffen werden. Ferner kann die Form derart ausgebildet sein, dass eine extrem dünne Schutzplatte, die eine Aussparung und ein Nutteil bildet und gleitfähig in der unteren Form aufgenommen ist, vorgesehen ist, und das mit Endlosfasern verstärkte Teil durch die Schutzplatte unter dieser vor dem eingefüllten thermoplastischen Harz geschützt ist, wenn das thermoplastische Harz eingefüllt wird, die Schutzplatte, sobald das thermoplastische Harz ausreichend in der Ausnehmung verteilt ist, weg gleitet, um das mit Endlosfasern verstärkte Teil zum thermoplastischen Harz freizugeben, und das Hochdrückmittel betätigt wird, um das mit Endlosfasern verstärkte Teil in dem thermoplastischen Harz einzubetten.
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Zudem kann ein Heizmittel in der oberen Form oder unteren Form, welche die Form bilden, ausgebildet sein.
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Mit einer solchen Ausführungsform wird es möglich, einen Batzen oder eine Schicht thermoplastischen Harzes durch Betätigen des Heizmittels nach Schließen der Form, in welcher der Batzen oder die Schicht innerhalb der Aussparung angeordnet sind, aufzuweichen oder zu schmelzen.
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Ein faserverstärktes Kunstharzteil, das beispielsweise durch Einbetten eines mit Endlosfasern verstärkten Teils an einer gewünschten Stelle oder einer Mehrzahl von gewünschten Stellen ausgebildet ist und ein thermoplastisches Harz, d. h. ein Matrixharz hat und gehärtet wurde, wird ein hochfestes faserverstärktes Kunstharzteil, in welchem die gewünschte Ausrichtung der Endlosfasern, die das mit Endlosfasern verstärkte Teil bilden, beibehalten ist, und in welchem die gewünschte physikalische Eigenschaft (z. B. Zugfestigkeit, etc.) des mit Endlosfasern verstärkten Teils sichergestellt ist. Ein derartiges faserverstärktes Kunstharzteil kann nicht nur als Tragelement eines Fahrzeugs verwendet werden, das eine gewisse Festigkeit fordert, z. B. Säulen, Schweller, Unterboden, etc. sondern auch als nicht tragendes Element, das ein gewünschtes Erscheinungsbild fordert, z. B. Türverkleidung, Motorhauben, etc.
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Mit dem Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Teils gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, die gewünschte Ausrichtung der Endlosfaser, welche das mit Endlosfasern verstärkte Teil bildet, das die Stärke des faserverstärkten Kunstharzteiles verstärkt, sicherzustellen. Folglich ist es möglich, ein hochfestes faserverstärktes Kunstharzteil, das durch das mit Endlosfasern verstärkte Teil verstärkt ist, herzustellen, wobei die gewünschten Teile die gewünschten physikalischen Eigenschaften haben (Zugfestigkeit, etc.).
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VORTEILHAFTE EFFEKTE DER ERFINDUNG
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Wie anhand der vorstehenden Beschreibung verständlich ist, umfasst, bei einem Verfahren zum Herstellen eines faserverstärkten Kunstharzteils der vorliegenden Erfindung eine untere Form einer Form einen Fugenteil, der einer Aussparung gegenüberliegt, sowie einen Kern, der gleitfähig in diesem Fugenteil aufgenommen ist, wobei der Kern verschoben wird, nachdem ein thermoplastisches Harz sich in der Aussparung verteilt hat, wodurch ein mit einer Endlosfaser verstärktes Teil, das am Kern befestigt ist, in dem thermoplastischen Harz eingebettet wird. Die gewünschte Ausrichtung der Endlosfasern, die das mit Endlosfasern verstärkte Teil bilden, wird somit sichergestellt. Folglich ist es möglich, ein hochfestes faserverstärktes Kunstharzteil zu bilden, das mit einem mit Endlosfasern verstärkten Teil verstärkt ist, wodurch entsprechende Teile davon die gewünschten physikalischen Eigenschaften (Zugfestigkeit, etc.) haben.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer Form, die bei dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die Ansicht einen Zustand zeigt, bei welchem die obere Form und untere Form, welche die Form bilden, geöffnet sind;
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2(a) zeigt eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines mit Endlosfasern verstärkten Teils und 2(b) zeigt eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines mit Endlosfasern verstärkten Teils;
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3 zeigt eine Ansicht eines Zustands, in welchem ein Batzen geschmolzenen thermoplastischen Harzes in der Aussparung aufgenommen ist;
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4 ist eine Darstellung zur Erläuterung eines Zustands, in welchem die obere Form in die untere Form gedrückt wird, um das thermoplastische Harz in der Aussparung zu pressen und zu verteilen;
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5 ist eine Ansicht zur Darstellung eines Zustands, in welchem ein Kern nach oben gedrückt wird, um ein mit Endlosfasern verstärktes Teil in thermoplastischen Harz einzubetten;
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6 ist eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines hergestellten faserverstärkten Kunstharzteils;
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7 ist eine schematische Darstellung einer anderen Ausführungsform einer Form; und
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8 zeigt schematische Ansichten, die ein Beispiel eines Verfahrens zum Messen/Bewerten eines Biegebetrages (Versatzes) zeigt, wenn die Endlosfaser gebogen ist, wobei (a) einen Zustand vor dem Biegen zeigt und (b) einen Zustand nach dem Biegen zeigt.
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BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Ausführungsformen eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunstharzteiles der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es sei angemerkt, dass die 1, 3, 4 und 5, in dieser Reihenfolge, ein Flussschaubild eines Verfahrens zum Herstellen eines faserverstärkten Kunstharzteiles bilden.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform einer Form, die bei einem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die Ansicht den Zustand zeigt, bei welchem die obere Form und die untere Form, welche die Form bilden, geöffnet sind.
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Die Form 10 in der Ansicht hat die obere Form 2 und untere Form 1. Die beiden werden geschlossen um eine Aussparung K zu definieren.
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Ein Fugenteil 1a, der mit der Aussparung K verbunden ist, ist in der unteren Form 1 ausgebildet. Ein Kern 3 ist gleitfähig in dem Fugenteil 1a angeordnet. Der Kern 3 kann mittels eines Hochdrückmittels 4 in Richtung zur Aussparung K nach oben gedrückt werden.
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Das dargestellte Hochdrückmittel 4 umfasst einen Servomotor 41 sowie eine Rotationswelle 42, die vermittels des Antriebs durch den Servomotor 41 dreht. Der Kern 3 ist derart ausgestaltet, dass er wie eine Förderschnecke nach oben/unten fährt, wenn die Rotationswelle 42 dreht.
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Es sei angemerkt, dass das Hochdrückmittel nicht auf das dargestellte Beispiel beschränkt ist. Es kann auch durch einen Aktuator, z. B. einen Hydraulikzylinder, einen Luftzylinder, einen magnetostriktiven Aktuator, einen supermagnetostriktiven Aktuator, etc. gebildet werden, sowie eine Kolbenstange, die eine reziproke Bewegung mittels eines derartigen Aktuators ausführt, wobei der Kern an der Kolbenstange befestigt ist.
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Zudem ist die Tiefe des Fugenteils 1a derart, dass, wenn ein mit Endlosfasern verstärktes Teil W1 am Kern 3 befestigt ist, die obere Fläche des mit Endlosfasern verstärkten Teils W1 um δ unter einer virtuellen Bodenfläche der Aussparung K angeordnet wäre (der strichpunktierten Linie in der Zeichnung). Durch Anordnen des mit Endlosfasern verstärkten Teils W1 in dem Fugenteil 1a derart, dass dieses unter die virtuelle Bodenfläche der Aussparung K sinkt, ist es möglich, wenn aufgeweichtes oder geschmolzenes thermoplastisches Harz in die Aussparung K eingebracht wird und sich innerhalb der Aussparung K verteilt, die Störung der Ausrichtung der Endlosfaser als Ergebnis des in Kontakt gelangens des thermoplastischen Harzes mit dem mit Endlosfasern verstärkten Teil W1 zu vermeiden.
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Das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1, das am Kern 3 befestigt ist, wird in das thermoplastische Harz eingebettet, das in die Kavität bzw. Aussparung K eingebracht wurde, wodurch entsprechende Teile des letztlich erhaltenen faserverstärkten Kunststoffteils verstärkt ausgebildet werden. Ausführungsformen hiervon können, wie in 2a gezeigt, Prepreg-Materialien, wie beispielsweise gleichlaufende Teile (UD-Teile), enthalten, in welchen Endlosfasern Wb gleichlaufend in einem Matrixharz bzw. einer Giesmasse Wa angeordnet sind, quasi isotrope Teile (z. B. 0° ausgerichtete Teile, 90° ausgerichtete Teile, ±45° ausgerichtete Teile, multiaxialgeschichtete Teile, in welchen eine Mehrzahl von ausgerichteten Teilen, beispielsweise 0°, 90°, ±45° ausgerichtete Teile, etc. angeordnet sind, Gewebeteile mit Kettfäden und Schussfäden und dergleichen) etc. Zudem können Ausführungsformen hiervon auch gleichlaufende Teile, quasi isotrope Teile, etc. enthalten, die vollständig aus einer Endlosfaser bestehen.
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Eine weitere Ausführungsform eines mit Endlosfasern verstärkten Teiles kann zudem, wie in 2b gezeigt, dergestalt sein, dass eine Schicht Wa' die dasselbe thermoplastische Harz wie das einzubringende thermoplastische Harz enthält, in engen Kontakt mit der oberen Fläche des in 2a gezeigten mit Endlosfasern verstärkten Teiles W1 angeordnet ist. Dadurch, dass das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1 die Schicht Wa' an seiner Oberfläche aufweist, ist es möglich, die Orientierung der Endlosfaser Wb besser beizubehalten, wenn das thermoplastische Harz in die Aussparung K eingebracht wird.
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Es sei angemerkt, dass Beispiele der Endlosfasern, die hier verwendet werden, ein jedes oder eine Mischung von zwei oder mehr von: keramischen Fasern wie Boron, Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Siliziumnitrid, Zirkonerde, etc.; anorganischen Fasern wie Glasfasern, Kohlefasern, etc.; Metallfasern wie Kupfer, Stahl, Aluminium, Edelstahl, etc. und organische Fasern wie Polyamid, Polyester, etc., enthalten können.
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Sobald das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1 am Kern 3 befestigt ist, wie in 1 gezeigt (Schritt S1), wird aufgeweichtes oder geschmolzenes thermoplastisches Harz W2' in die Aussparung K eingebracht, wie in 3 gezeigt.
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Das Einbringen kann unter anderem durch Einspritzen des aufgeweichten oder geschmolzenen thermoplastischen Harzes W2' in die Ausnehmung K erfolgen, oder durch Anordnen eines Batzens oder einer Schicht des aufgeweichten oder geschmolzenen thermoplastischen Harzes W2' in der Aussparung K und anschließendes Verpressen durch das Pressen der oberen Form 2.
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Die Form 10 kann ein nicht dargestelltes eingebautes Heizmittel, z. B. einen ferne Infrarotstrahlung (far-infrared) emittierenden Heizer, etc. umfassen, wobei das Heizmittel betätigt werden kann, nachdem festes thermoplastisches Harz in die Aussparung K eingebracht wurde, so dass das thermoplastische Harz in der Aussparung K aufgeweicht oder geschmolzen wird.
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Es gibt eine Vielzahl von thermoplastischen Harzen, welche eingebracht werden können. Wenn das thermoplastische Harz amorphen Kunststoff aufweist, wird eines, das über seinen Glasübergangspunkt Tg gebracht und damit aufgeweicht wurde, eingebracht. Wenn das thermoplastische Harz einen kristallinen Kunststoff aufweist, wird eines, das über seinen Schmelzpunkt Tm gebracht und damit geschmolzen wurde, eingebracht.
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Beispiele von amorphen Kunststoff, die zur Anwendung kommen können, umfassen unter anderem: Polystyrol (PS), Polyvinylchlorid (PVC), Polymethylmethacrylat (PMMA), ABS-Kunststoff und thermoplastisches Epoxidharz. Beispiele von kristallinen Kunststoffen, die zur Anwendung kommen können, umfassen unter anderem: Polyethylen (PE), Polypropylen (PP), Nylon (PA: Nylon 6, Nylon 66, etc.), Polyoxymethylen (POM) und Polyethylenterephthalat (PET).
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Wenn das letztlich erhaltene faserverstärkte Kunstharzteil ein Tragelement bzw. Strukturelement eines Fahrzeugs ist, das entsprechend Stärke benötigt, z. B. eine Säule, ein Schweller, ein Unterboden etc., wäre das thermoplastische Harz, das eingebracht wird, ein Faserharzmaterial von den vorstehend beispielhaft genannten Fasermaterialien mit kurzen Fasern und langen Fasern.
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Wie in 2 gezeigt ist, ist, wenn das aufgeweichte oder geschmolzene thermoplastische Harz W2' in der Aussparung K aufgenommen ist, ein Spalt S zwischen der oberen Fläche des mit Endlosfasern verstärkten Teils W1 und dem thermoplastischen Harz W2' gebildet, wodurch der Kontakt zwischen den beiden verhindert wird.
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Wie in 4 gezeigt ist, wird dann die obere Form 2 in Richtung zur unteren Form 1 (X1-Richtung) durch ein nicht dargestelltes Antriebsmittel gedrückt, wodurch das aufgeweichte oder geschmolzene thermoplastische Harz W2' in der Aussparung K verteilt wird. Es sei angemerkt, dass, selbst wenn das thermoplastische Harz W2' derart in der Aussparung K verteilt ist, immer noch ein Spalt S' zwischen dem Harz und dem mit Endlosfasern verstärkten Teil W1 besteht. Dementsprechend ist eine Wechselwirkung zwischen diesen beiden verhindert und die Ausrichtung der Endlosfasern Wb wird niemals gestört.
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Sobald das thermoplastische Harz W2' ausreichend in der Aussparung K verteilt ist, wird der Servomotor 41, wie in 5 gezeigt, betätigt, um die Rotationswelle 42 zu drehen (X2-Richtung). Durch Anheben des Kerns 3 (X3-Richtung) durch die Drehung der Rotationswelle 42 wird das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1, welches am Kern 3 befestigt ist, im thermoplastischen Harz W2' eingebettet.
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Sobald das thermoplastische Harz W2' aushärtet wird, durch Lösen des geformten Partikels durch Öffnen der geschlossenen Form 10 ein faserverstärktes Kunstharzteil W ausgebildet, wobei das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1 in einem Teil eines faserverstärkten Kunstharzteils eingebettet ist, in welchem ein Fasermaterial Wd mit kurzen oder langen Fasern etc. in einem Matrixharz Wc, das ein thermoplastisches Harz umfasst, wie in 6 gezeigt, eingebettet ist (Schritt S2).
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Das dargestellte faserverstärkte Kunstharzteil W ist eines, bei welchem ein Abschnitt eines Tragelements eines Fahrzeugs mit dem mit Endlosfasern verstärkten Teils W1 verstärkt wird. Es wird zu einem hochfesten faserverstärkten Kunstharzteil, wobei die gewünschten physikalischen Eigenschaften des mit Endlosfasern verstärkten Teils W1 dadurch sichergestellt werden, dass die gewünschte Ausrichtung der Endlosfasern Wb durch den vorgenannt beschriebenen Herstellungsvorgang sichergestellt werden.
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Zudem kann, als für das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung zu verwendende Form, eine in 7 gezeigte andere Ausführungsform verwendet.
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Die in dieser Ansicht gezeigte Form 10A ist eine Form gemäß einer Ausführungsform, die bei der unteren Form 1 ein Blockierungsmittel 5 vorsieht, das eine Schutzplatte 52 und einen diese bewegenden Zylindermechanismus 51 umfasst. Wenn das thermoplastische Harz eingebracht wird, bildet die Schutzplatte 52 die Aussparung K und den Fugenteil 1a, um das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1 vor dem eingebrachten thermoplastischen Harz zu schützen. Wenn das thermoplastische Harz sich ausreichend in der Aussparung K verteilt hat, wird der Zylindermechanismus 51 betätigt, um die Schutzplatte 52 (X4-Richtung) zu verschieben und das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1 zum thermoplastischen Harz hin freizugeben. Das Hochdrückmittel 4 wird betätigt, um das mit Endlosfasern verstärkte Teil W1 in dem thermoplastischen Harz einzubetten.
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[Experiment zum Bestimmen des Biegebetrags der Endlosfaser, welche das mit Endlosfasern verstärkte Teil bildet, und dessen Ergebnisse]
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Die Erfinder haben faserverstärkte Kunstharzteile durch das Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung einer Form mit dem vorstehend genannten Kern (Beispiel) hergestellt, sowie faserverstärkte Kunstharzteile unter Verwendung einer herkömmlichen Form ohne eines Kerns (Vergleichsbeispiel) und ein Experiment durchgeführt, in welchem die Biegebeträge der Endlosfaser der mit Endlosfasern verstärkten Teile, die in beiden faserverstärkten Kunstharzteilen eingebettet waren, gemessen wurden.
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In diesem Experiment wurde ein UD-Teil (Prepreg-Teil), in welchem ein Polypropylenmatrixharz mit 24k Karbonfaser für das mit Endlosfasern verstärkte Teil verwendet wurde verwendet. Dieses wurde mit einem ferne Infrarotstrahlung (far-infrared) emittierenden Heizgerät für etwa 1 bis 10 Minuten auf ungefähr 200 bis 250°C vorgeheizt und dann in die Form eingesetzt.
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Anschließend wurde Polypropylen (SUMISTRAN (hergestellt durch Sumitomo Chemical Co., Ltd.)), welches auf 140 bis 150°C geschmolzen wurde, in die Form eingebracht, wodurch die faserverstärkten Kunstharzteile des Beispiels sowie des Vergleichsbeispiels geformt wurden.
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Das mit Endlosfasern verstärkte Teil wurde mit 20 MPa oder mehr in der Form gedrückt, und das geschmolzene Matrixharz wurde mit 10 MPa oder mehr gedrückt.
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Die Biegebeträge wurden bezüglich der Endlosfaser des mit Endlosfasern verstärkten Teils sowohl des Beispiels wie auch des Vergleichsbeispiels gemessen. Die Ergebnisse zeigten, dass, während die Biegebeträge bei 5 bis 10 mm bei der Endlosfaser des Vergleichsbeispiels lagen, der Biegebetrag der Endlosfaser des Beispiels in einem Bereich von 0,5 bis 1 mm lag. Somit wurde bestätigt, dass der Biegebetrag der Endlosfaser dramatisch abnimmt, wodurch er zu einem Ausmaß verbessert wird, der als im Wesentlichen frei von Biegen bestimmt werden kann.
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Vorstehend wurden Ausführungsformen der vorliegenden im Detail Erfindung beschrieben. Gleichwohl ist diese nicht auf die genannten Ausführungsformen beschränkt.
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So können Abwandlungen im Umfang, der nicht vom Geist der vorliegenden Erfindung abweicht, durchgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- untere Form
- 1a
- Fugenteil
- 2
- obere Form
- 3
- Kern
- 4
- Hochdrückmittel
- 41
- Servomotor
- 42
- Rotationswelle
- 5
- Blockierungsmittel
- 51
- Zylindermechanismus
- 52
- Schutzplatte
- 10, 10A
- Form
- W
- faserverstärktes Kunstharzteil
- W1
- mit Endlosfasern verstärktes Teil (UD-Teil)
- Wa
- Matrixharz (thermoplastisches Harz)
- Wa'
- Schutzschicht
- Wb
- Endlosfaser
- W2
- Harzteil
- W2'
- geschmolzenes thermoplastisches Harz
- Wc
- Matrixharz
- Wd
- diskontinuierliche Faser (kurze Faser, lange Faser)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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