JP2010505669A - 複合材料部材を成形するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合材料部材、殊に射出成形部分及びポリウレタン部分を含む複合材料部材の成形のための装置及び方法に関し、次のステップを含んでおり：支持構成部分を成形し、支持構成部分を金型の開かれたチャンバー内に移し、金型を所定の位置まで閉じ、この場合に容積のまだ大きなチャンバーを画定し、容積のまだ大きなチャンバー内に真空を生ぜしめ、流動材料を容積の増大されたチャンバー内に注入し、流動材料の注入と同時に及び／又は流動材料の注入に続いて圧縮工程を行うようになっている。

Description

本発明は、複合材料部材を成形するための方法、殊に射出成形部分及びポリウレタン被覆を含む複合材料部材を成形する方法に関する。

複合材料部材の成形において、予め成形された構成部分に別の層、殊にプラスチック層を設けることは公知である。

いわゆるスキン成形法（SkinForm=同出願人の登録商標）においては、専門誌の出版物である２００４年１０月発行の「Kunststoffe 10/2004(プラスチック)」の「Hochwertige Premiumoberflaeche aus Spritzguss- und Reaktionstechnik（射出成形及び反作用技術による高品質のプレミアム表面）」に記載してあるように、最初の工程（サイクル１）で１つの射出成形部分を射出成形法若しくは射出圧縮成形法で成形する。該射出成形部分は次の成形工程（サイクル２）で、該射出成形部分の熱可塑性材料に比べて粘性の低いポリウレタン材料で射出被覆される。このような被覆工程は、金型の、サイクル１で成形された成形部分を受容していて容積の増大されたキャビティ（型キャビティ）内で行われ、この場合に、被覆に用いられる流動材料（被覆材料若しくはスキン材料）は、キャビティ内に受容された成形部分と金型自体の型壁面との間の空間部内に射出（注入）される。

さらに公知の多成分樹脂複合射出成形法においては、互いに異なる射出成形材料を互いに異なる工程で互いに異なる各型キャビティに射出するようになっている。型キャビティの構成及び配置に応じて複合材料部材も成形される。

複合材料部材を成形する上述の方法のほかに、熱可塑性樹脂加工の際の圧縮技術も公知である。該圧縮技術において溶融状態の材料は、金型の予め容積が最終的な値に比べて増大されている型キャビティ内に注入され、該型キャビティは該型キャビティの容積を圧縮工程で最終的な大きさに減少（圧縮）される。容積の増大された型キャビティ内に、つまり予め容積が最終的に必要な値よりも大きくなっている型キャビティ内に注入された材料は、上記圧縮工程（型キャビティの圧縮）によって押し広げられて、型キャビティ内全体に分配される。このような過程は、射出圧力及び閉鎖圧力を比較的に小さくできるので有利であり、さらに応力のない構成部分を成形できるようになっている。

米国特許第４２０７０４９号明細書には、プラスチック構成部分の被覆のための装置を開示してあり、この場合には型キャビティ内でまず１つの射出成形部分を成形し、該型キャビティは、該型キャビティ内に成形された射出成形部分の固化の後に容積を増大されるようになっている。型キャビティを外部（周囲）に対してほぼ完全に閉鎖（密閉）してあるので、金型の型半部を互いに離間する方向に相対的に引っ張ることにより、金型内に流動間隙が形成され、該流動間隙内に負圧が生じる。形成された流動間隙内には、最終的な表面の画成のための材料（流動材料）が注入（充填）され、この場合に負圧は、注入された材料の流動過程を助成することになる。負圧の大きさは、金型の型半部の相互の引っ張り力の大きさ、及び外部に対する型キャビティの密閉度に依存している。さらに負圧は、流動材料の注入中に変化する。

特開平０３−１６４２１８号公報、並びにドイツ連邦共和国特許出願公開第２４６１９２５号明細書に開示の成形方法でも、同じくまず１つの射出成形部分を型キャビティ内に成形して、次いで該型キャビティ内に金型の引っ張りによって流動間隙を形成し、流動間隙内に負圧下で流動材料を注入するようになっている。このために排気通路を設けてあり、排気通路を介して負圧を生ぜしめるようになっている。しかしながら、負圧の大きさについては触れられていない。

本発明の課題は、高品質の複合材の成形に際して排気の問題の解決策を見出して、成形された構成部分の不都合な後加工若しくは後処理が不要である成形方法及び成形装置を提供することである。

前記課題は、請求項１及び１２に記載の特徴を有する方法及び装置によって解決される。

本発明の技術思想は、圧縮工程の実施の前に、容積の増大されたキャビティ内に受容されている支持体構成部分（コア部分）の表面に沿って流動材料を流動させるために、該キャビティ内に真空装置を用いてわずかな負圧を所定の値で形成することである。この場合にキャビティ内の負圧は検出される。このような負圧若しくは真空は、キャビティ内への流動材料の注入中の所望の排気を保証して、射出被覆成形過程若しくはサンドイッチ射出成形過程時の排気の問題を解決するものである。さらに本発明に基づき、キャビティ内への流動材料の注入に際して低圧成形法を用いることが可能であり、このことは特に金型の分離面の領域の摩耗の低減につながっている。

本発明のさらなる利点は、支持構成部分（コア部分）を極めて薄い層（スキン層）で被覆できることにある。この場合に従来の方法と異なり、後加工工程で除去されねばならない固有の排気キャビティを不要にし、設計の大きな自由度を得られるようになっている。後加工を避けることに伴って、材料消費量も少なくなっている。

本発明のさらなる利点は、ＰＵＲ用混合ヘッドを、従来は排気の問題で避けられていた構成部分の成形に用いることができるようになっていることにある。これによって、密度の小さい薄肉のポリウレタンフォームの成形も可能になっている。その理由は、流動材料が従来のようにキャビティ内に閉じ込められた空気をもはや押し退ける必要がなく、かつ低いキャビティ内圧に基づき容易に発泡できるようになっているからである。

本発明に基づく方法の実施態様並びに本発明に基づく方法に用いられる装置の実施態様は多様である。

本発明に基づく方法の１つの実施態様では、まず１つの支持構成部分を熱可塑性材料で射出成形法若しくは射出圧縮成形法によって成形するようになっている。このことは、いわゆるサイクル１で、つまり第１の作業工程で行われる。このようにして成形された支持構成部分は、次いで別の金型の容積の最終的な値よりも大きなキャビティ（型キャビティ）内に受容される。このような受容（移しかえ）のためには転向プレート装置、回転テーブル装置若しくは移動テーブル装置が用いられる。このような装置自体は公知である。別の金型の容積の増大されたキャビティ内への支持構成部分の装着を詳細に述べると、成形された支持構成部分は、別の開かれた金型内に受容され、つまり移しかえられ、次いで該金型は、該金型内のキャビティが最終的に必要な値よりも大きな値の容積を有している状態に閉じられる。換言すれば、別の開かれた金型内への支持構成部分の移しかえの後に、該金型は、所定の位置まで閉じられ、つまり受容された支持構成部分と型壁面との間の空間（室）が外部に対して十分に密閉されていて、かつ該空間の容積が、完成した構成部分（最終的な構成部分）の体積よりもまだ大きいままである状態まで閉じられる。次いで流動材料、つまり被覆材料若しくはスキン材料、例えばポリウレタン材料の注入の前に、キャビティ（空間）内には真空通路を介して真空ポンプによって負圧を生ぜしめるようになっている。負圧は所定の時間にわたって形成されてよい。負圧はすでに前に述べてあるように、所定の値まで形成され。

前記所定の時間の経過の後に若しくは前記所定の負圧値の達成の後に、金型のキャビティ内の空間の充填は、流動材料、例えばポリウレタンの射出によって開始される。射出（充填）の開始と同時に若しくは開始に対して遅延して、金型のキャビティは締め付け装置による金型の適切な締め付けによって最終的な大きさまで減少（圧縮）される。該圧縮工程で生ぜしめられた締め付け力は、必要に応じて保圧段階でも維持される。真空若しくは負圧に基づくキャビティの排気によって前記利点を達成している。

射出若しくは圧縮の種々の実施態様が一般的に可能である。１つの実施態様では、流動材料の噴射時点はキャビティ内の負圧に依存して規定（画定）され、つまり流動材料の噴射開始はキャビティ内の負圧に依存して制御される。このために、発生する負圧は測定されて、制御装置に伝達されるようになっている。圧縮工程自体は、噴射時間に依存して制御される。さらに別の実施態様では、金型の最初の閉鎖の後に、かつ真空（負荷）の形成の前に、支持構成部分の表面の活性のための混合気が別個のノズルを介してキャビティ内に噴射される。このような活性化は多くの熱可塑性材料とポリウレタン材料との組合せに際して必要であり、それというのは活性化なしには付着は保証されないからである。活性化の場合にも利点として、活性化のガス若しくは混合気も、真空を形成することによって吸い出される。活性化のために用いられたガスは、必要に応じて再利用のために回収されるようになっていてよい。

本発明の別の実施態様では、圧縮工程中に金型は、キャビティが圧縮されて最終的な大きさ（値）に達する前に再びわずかに開かれてよい。このような過程自体は知られていて、流動材料の余剰分を所定の位置に留め、型からはみ出し若しくは導出しないようにする場合に用いられる。

さらに別の実施態様では、閉鎖ユニットは流動材料の噴射圧力に依存して閉鎖を行い、若しくは所定の圧力推移に基づき閉鎖力を形成するようになっている。この目的のために、流動材料の供給管路内の圧力は検出されて、制御装置に送られるようになっている。流動材料としてポリウレタン材料を用いる場合には、圧力はポリオール供給管路及び／又はイソシアネート供給管路及び／又は顔料若しくは材料用の供給管路内で検出される。Ａ及び／又はＢの記載は、ＡとＢの少なくともいずれか一方を意味している。

本発明の別の実施態様では、金型は噴射過程時に距離若しくは力に依存して閉じられ、若しくは閉鎖力が相応に形成されるようになっている。これによって別個のセンサーは不要になる。

すでに前に述べてあるように、本発明の実施のために種々の装置を用いることができる。支持構成部分（若しくはコア）を個別の工程で成形して、一時的にストックしておくことも可能である。支持構成部分は、一時的なストックの後に射出被覆成形のための閉鎖ユニットに送られる。このことは、２つの装置、つまり支持構成部分の成形のための装置と射出被覆成形のための装置とを必要とすることになる。さらに、一時的なストックのための手段を必要とする。

転向プレート装置、回転テーブル装置（ターンテーブル装置）若しくは移動テーブル装置（スライドテーブル装置）を用いると有利である。同じサイクルでそれぞれ１つの支持構成部分の射出成形とすでに射出成形された別の１つの支持構成部分の射出被覆成形とが行われてよい。この場合にしかしながら、熱可塑性樹脂製支持部分の射出成形若しくは射出圧縮成形は、一般的に閉鎖力を完全に形成した場合に、つまり本来の圧縮過程の後に行われる。このことは、同じサイクルでの成形に際してまず支持構成部分が、金型の型半部を所定の位置まで移動させて容積のまだ大きいキャビティ内に収容され、該キャビティの排気の後に圧縮工程が行われることを意味している。圧縮工程を行った後に閉鎖力は完全に形成される。これにより同じサイクル内で、転向プレート装置、回転テーブル装置若しくは移動テーブル装置の別のキャビティ内では、熱可塑性樹脂製支持部分の射出成形が行われる。このようにして、各サイクルで１つの支持構成部分と完成した複合材料部材とを製造することができるようになっている。

次に本発明を図示の実施例に基づく詳細に述べる。

本発明に基づく方法を実施するための装置の概略図である。

図１に概略的に示してある本発明に基づく方法を実施するための装置は、閉鎖ユニット１０を含んでおり、閉鎖ユニットの構成部分、例えば桁材（引っ張り力を受け止める部材）、閉鎖力若しくは型締め力を形成するための装置、機械ベッド、駆動部等は図示を省略してある。さらに閉鎖ユニットは、可塑化兼射出装置やポリウレタン処理装置を含んでおり、可塑化兼射出装置やポリウレタン処理装置も公知のものであり、したがって詳細な説明は省略してある。

図１の閉鎖ユニット１０は、不動（定位置）の緊締プレート１２及び可動の緊締プレート１４、並びに該緊締プレート間に配置されていて同じく軸線方向可動でかつ垂直な軸線を中心として回転可能（転向可能）な中間プレート１６を備えている。不動の緊締プレート１２及び中間プレート１６の緊締面に、かつ中間プレート１６と可動の緊定プレート１４との間に、金型２０，１８若しくは該金型の半部（割型）を公知の形式で取り付けてある。この場合に中間プレート１６に取り付けられた両方の型半部は同一に形成されている。

図１で閉鎖ユニット１０の右側には、可塑化兼射出装置２２を示してあり、該可塑化兼射出装置によって粒状プラスチックは融解されて溶融物として、閉じられた金型１８のキャビティ内に押し込まれるようになっている。可塑化兼射出装置２２は、制御兼調整装置４０に接続されており、この場合に接続部は可塑化兼射出装置２２の制御を表しており、接続ラインは例として示されたもので図示の実施例に限定されるものではない。実際の構成では、制御兼調整装置４０と可塑化兼射出装置２２との間には複数の接続ライン（接続通路若しくは接続導線）を設けてある。同じく、可塑化兼射出装置２２の領域に設けられた種々の駆動部も図示を省略してある。

図１で閉鎖ユニット１０の左側には、１つの混合ヘッド２６並びにポリオール成分及びイソシアネート成分用の２つの容器２８，３０から成るポリウレタン処理装置を示してあり、この場合に、前記容器はポンプ３２，３４を介在して管路によって混合ヘッド２６に接続されている。この場合にも駆動部は図示を省略してある。ポンプ３２，３４は制御通路によって制御兼調整装置４０に接続されている。

さらに金型２０の左側の部分（型半部）に真空通路３６を接続してあり、該真空通路はキャビティの領域内まで延びていて、真空ポンプ３８の作動により、閉じられた金型内の空気を排出するようになっている。真空ポンプ３８も制御兼調整装置４０に接続されている。

金型内にはさらに負圧の検出のための圧力センサー４２を設けてあり、該圧力センサーは、閉じられた金型内でキャビティ内の圧力若しくは負圧を検出できるように配置されている。圧力センサー４２も制御兼調整装置４０に接続されている。

上記装置によって行われる方法は、次に述べるように実施される。

本発明に基づく方法は、出発点としてまず、閉鎖ユニット１０の完全に空にされた状態から、つまり両方の金型１８，２０を空にして清掃してある状態から説明してある。該状態は、図１に示してある状態である。機械を作動させて、閉鎖ユニット１０は閉じられ、この場合に両方の金型１８，２０も閉じられる。次いで、完全な締め付け力（閉鎖力）によって金型を完全に閉鎖した状態で、金型に接続された可塑化兼射出装置２２によってプラスチック溶融物を金型１８内に通常の射出過程で導入する。金型内に導入（射出）されたプラスチック溶融物を硬化させることにより、支持構成部分を成形し、次いで閉鎖ユニット１０は、再び開放される。閉鎖ユニット１０の開放の後に、中間プレート１６は、図示の湾曲矢印の方向に１８０°にわたって回転（転向）させられ、その結果、両方の金型１８，２０の型半部は相互に交換される。この場合に、支持構成部分（熱可塑性部分）は、金型１８の、中間プレートに取り付けられた型半部内に留まっていて、一緒に１８０°にわたって回転（旋回）させられる。該回転運動の後に、中間プレートと可動の緊締プレートとの間の金型１８は再び空になっており、それというのは空の２つの型半部が互いに相対して位置しているからである。

金型２０において、中間プレート側の型半部は、予め成形された射出成形部分（支持構成部分）を含んでいる。今や閉鎖ユニット１０は再び閉じられる。この場合に金型２０の両方の型半部は、最終的なキャビティ容積よりも大きな容積に相当する位置まで相対的に接近させられる。該位置では、キャビティは外部（周囲）に対して実質的に閉じられており、したがって一般的に周囲から空気は金型内にほとんど流入しないようになっている。真空ポンプ３８の作動によって、容積の増大されているキャビティ内に受容された熱可塑性部分（支持構成部分）とキャビティ壁との間の空間内の空気は排出され、次いで前記センサー４２を介して検出される所定の負圧レベルを達成した場合に、金型２０に接続された混合ヘッド２６を介してポリウレタン材料をキャビティ内に射出するようになっている。キャビティ内へのポリウレタン材料の射出開始と同時に、真空ポンプは停止される。金型２０は、射出開始に伴って圧縮工程に際して金型２０に締め付け力を加えることに基づき完全に閉鎖され、その結果、キャビティ内に射出された材料は圧縮される。別の実施例として、ポリウレタン材料の大部分若しくは全ポリウレタン材料をキャビティ内に射出（充填）するまで、圧縮工程を待つこともでき、つまりポリウレタン材料の大部分若しくは全ポリウレタン材料をキャビティ内に射出（充填）した後に、圧縮工程を行うようにすることも可能である。

ポリウレタン材料の完全な充填、圧縮及び最終的な閉鎖位置の達成によって圧縮工程は終了される。今や閉鎖力は完全に形成されていて、金型１８も完全な閉鎖力で閉じられている。

金型１８も完全に閉じた状態で、熱可塑性材料は金型１８のキャビティ内に射出される。金型１８並びに金型２０のキャビティ内の熱可塑性材料並びにポリウレタン材料の硬化の後に、閉鎖ユニットは再び開放される。次の工程（ステップ）で、完成した構成部分は金型２０から取り出される。次いで中間プレート１６が再び１８０°にわたって回転させられ、後続の射出成形工程が前述のように行われる。

もちろん本発明の方法は、転向プレート装置の代わりに、回転テーブル装置若しくは移動テーブル装置を用いて実施することも可能である。すでに前に述べてあるように、別の圧縮工程若しくは射出工程を行うことも可能である。さらに種々の圧力制御若しくは時間制御を設定することも可能である。圧力制御においては、適切なセンサーを用いて圧力を検出するようになっている。種々の装置を用いて熱可塑性樹脂製構成部分の表面を活性化することも可能である。表面の活性化は、表面に火炎を当てて火炎処理することによって、若しくはプラズマを当ててプラズマ処理（プラズマ負荷）することによって、或いはガスを用いて処理（負荷）することによって行われてよいものである。このような手段は公知のものである。

ガスは図示省略のノズルを介して、閉じた金型２０の容積のまだ大きなキャビティ内に導入され、この場合に導入されたガスは、該キャビティの充填の前に真空ポンプを用いて再び吸い出されてよい。

１０ 閉鎖ユニット、 １２，１４ 緊締プレート、 １６ 中間プレート、 ２０ 金型、 ２２ 可塑化兼射出装置、 ２６ 混合ヘッド、 ２８，３０ 容器、 ３２，３４ ポンプ、 ３６ 真空通路、 ３８ 真空ポンプ、 ４０ 制御兼調整装置、 ４２ 圧力センサー

Claims (13)

1. 複合材料部材を成形するための方法、殊に射出成形部分及びポリウレタン部分を含む複合材料部材を成形するための方法において、次のステップを含んでおり、すなわち、
   支持構成部分を成形し、
   前記支持構成部分を金型の開かれたチャンバー内に移し、
   前記金型を所定の位置まで閉じ、この場合に容積の増大されたチャンバーを画定し、
   第１の大きさを有する前記容積の増大されたチャンバー内に真空を生ぜしめ、
   流動材料を前記容積の増大されたチャンバー内に注入し、
   流動材料の前記注入と同時に及び／又は流動材料の前記注入に続いて圧縮工程を行い、この場合に前記チャンバーの容積を少なくともわずかに減少させるようになっていることを特徴とする、複合材料部材を成形するための方法。
2. 支持構成部分の成形を射出成形法若しくは射出圧縮成形法によって行う請求項１に記載の方法。
3. 流動材料としてポリウレタン材料を用いる請求項１又は２に記載の方法。
4. 真空を所定の時間にわたって生ぜしめる請求項１から３のいずれか１項に記載の方法。
5. 真空を所定の負圧まで生ぜしめる請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 圧縮工程を流動材料の注入と同時に若しくは流動材料の注入に対して遅延して行う請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。
7. 真空を検出して、流動材料のための噴射時点を負圧値に依存して規定する請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 圧縮工程を噴射時間に依存して制御する請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 真空を形成する前に、支持構成部分の表面の活性化のための媒体をキャビティ内に供給する請求項１から８のいずれか１項に記載の方法。
10. 金型を本来の圧縮工程の前に所定の方法で開く請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。
11. 圧縮工程を噴射圧力に依存して行う請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 圧縮工程を距離及び力に依存して行う請求項１から１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 請求項１から１２のいずれか１項に記載の方法の実施のための装置であって、少なくとも１つの型キャビティを備えた閉鎖ユニットを含んでおり、前記型キャビティ内に支持構成部分が受容されるようになっており、さらに少なくとも部分的に閉じられた金型のキャビティ内への流動材料の射出のための装置を含んでおり、該閉鎖ユニットは圧縮工程を行うように形成されている形式のものにおいて、
    前記圧縮工程の前に、少なくとも部分的に閉じられた金型の型キャビティ内に負圧を生ぜしめるための真空装置が設けられていることを特徴とする、複合材料部材を成形するための装置。

Images