JP2011020397A - 箱型成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】特殊な材料の使用や複雑な型構造といった制約がなく、側面の倒れ変形が発生しても、側面の上端部が所望の形状となるように、側面の高さ方向に反りを生じさせる構造を有する、または、側面の倒れ変形を抑制することのできる箱型成形品を提供する。
【解決手段】底面２と側面３とを有し、加熱成形して作られる箱型成形品において、側面３の高さをＬ［ｍｍ］、加熱成形時の温度から室温に冷却されたときの底面２と側面３のなす角の角度変化分をΔθ[ｒａｄ]としたときに、冷却後の側面の高さ方向の曲率κ［１／ｍｍ］が０＜κ＜４Δθ／Ｌの範囲にあることを特徴とする箱型成形品。
【選択図】図３

Description

本発明は、機械部品などの構造部材、または筐体、カバー、ケースなどに用いられる箱型の成形品に関する。

従来、箱型の成形品を加熱成形によって製造する場合、高温状態で材料を所望の形状に対応する型に押し付ける方法、あるいは、材料を型に押し付けた状態で温度を上昇させるなどの方法を採るが、いずれの方法においても、高温時には所望の形状になっていても、室温まで冷却したときには、図１（ｂ）のように側面の倒れ変形が起き、所望の形状ではなくなるという問題が生じていた。

この問題に対して、側面の倒れ変形をあらかじめ見越して、型を所望の形状に対応する形から変形する分だけ逆向きにずらした形状とすることによって、側面の倒れ変形を相殺し所望の形状の成形品を得るという方法が採られることがある。しかし、この方法では、欠点として、型形状が複雑な曲面を持つことになり、型の製造の難易度が上がるという点、複数の側面を持つ箱型成形品では側面の倒れ変形同士が干渉して最終的な変形状態を見積もることが難しいという点、見積もった変形状態が誤っていた場合、型改修が必要であり、大きなコストと時間が必要になるリスクがあるという点が挙げられる。

また、例えば特許文献１に示すように、側面の倒れ変形は材料の熱収縮に起因することに着目し、熱膨張率が十分小さい材料および異方性材料の積層設計を適用することにより、側面の倒れ変形を実用上問題のない大きさに収める方法が提案されている。しかし、特許文献１に開示された方法は、熱膨張率の小さな材料、たとえば、ピッチ系炭素繊維やセラミックなどを想定したものであり、これらの材料は靭性が低いために脆く割れやすく、機械部品として使用できる範囲が限定されるものであった。

特開平６−０９９５０７号公報

日本複合材料学会誌，vol．２２，pp114-119，１９９６

本発明の目的は、特殊な材料の使用や複雑な型構造といった制約がなく、側面の倒れ変形が発生しても、側面の上端部が所望の形状となるように、側面の高さ方向に反りを生じさせる構造を有する、または、側面の倒れ変形を抑制することのできる箱型成形品を提供することにある。

上記課題に対し各種検討した結果、成形温度から室温への冷却時に、材料の熱収縮により、（１）図２に示すように、箱型成形品の底面と側面をつなぐコーナー部の角度（底面と側面のなす角）が小さくなるように、すなわち側面が内側に倒れるように変形すること、（２）つながった側面の上端部の周長は一定のため、複数の側面間で倒れ変形が干渉しあい、図１（ｂ）に示すように一部の側面は外側に倒れる状態になったり、図１（ｃ）に示すように全ての側面が内側に倒れる状態になったりすること、の２点を本発明者は見出した。

そこで、側面が倒れても、上端部が所望の形状を維持するように、側面自体を反らせることで、所望の形状からの変位が小さくなる構造とすれば、側面の倒れ変形の影響が実用上問題なくなることを見いだした。

また、底面と側面をつなぐコーナー部での角度変化を小さくするためには、成形温度から室温への冷却時に、断面中立軸に対して外側での収縮が大きく、内側での収縮が小さくなるようにすると良いことも見出した。以上の知見を元に本発明者は本発明に想到した。
（１）底面と側面とを有し、加熱成形して作られる箱型成形品であって、側面の高さをＬ［ｍｍ］、加熱成形時の温度から室温に冷却されたときの底面と側面のなす角の角度変化分をΔθ[ｒａｄ]としたときに、冷却後の側面の高さ方向の曲率κ［１／ｍｍ］が０＜κ＜４Δθ／Ｌの範囲にあることを特徴とする箱型成形品。
（２）底面と側面とを有し、加熱成形して作られる箱型成形品であって、前記箱型成形品における前記底面と前記側面とをつなぐコーナー部において、中立軸より外側の熱膨張係数が、中立軸より内側の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする箱型成形品。
（３）前記コーナー部において、中立軸より外側は繊維強化プラスチックの繊維方向とコーナーの接線方向とのなす角度が小さい領域が多く、中立軸より内側は繊維方向と接線方向のなす角度が大きい領域を多くすることにより、中立軸より外側の熱膨張係数が、中立軸より内側の熱膨張係数よりも大きくなるよう配置されたことを特徴とする（２）に記載の箱型成形品。
（４）前記箱型成形品が繊維強化プラスチックおよび／または金属からなることを特徴とする（１）から（３）のいずれかに記載の箱型成形品。
（５）前記側面が、繊維強化プラスチックおよび／または金属を複数積層させた積層構造を有してなることを特徴とする（４）に記載の箱型成形品。
（６）前記箱型成形品の底面が略矩形であることを特徴とする（１）から（５）のいずれかに記載の箱型成形品。
（７）前記箱型成形品の底面の周囲全体にわたって側面が設けられていることを特徴とする（１）から（６）のいずれかに記載の箱型成形品。

ここで、本発明において「所望の形状」とは、理想的には底面に対してほぼ垂直に側面が立設した状態で得られる、底面と反対側の側面上端部の辺を繋いで形成される形状を指し、底面が略長方形の場合は、「所望の形状」も略長方形となる。

本発明によれば、以下に説明するとおり、側面の倒れ変形の影響を実用上問題のない大きさに抑えた箱型成形品を得ることができる。

本発明に係る箱型成形品の概略斜視図であって、（ａ）側面の倒れ変形のない箱型成形品の概略斜視図、（ｂ）一部の側面が外側に倒れた状態の箱型成形品の概略斜視図、（ｃ）全ての側面が内側に倒れた状態の箱型成形品の概略斜視図、をそれぞれ示した図である。 本発明に係る箱型成形品のコーナー部における角度変化を模式的に示した拡大断面図である。 本発明に係る箱型成形品のコーナー部における角度変化と側面の曲率の関係を模式的に示した断面図である。 本発明に係る箱型成形品の側面の曲率と所望の形状との関係を模式的に示した断面図である。 本発明に係る箱型成形品を構成する側面の積層板断面の模式図である。 本発明に係る箱型成形品のコーナー部における熱変形を模式的に示した断面図である。

以下、本発明について図面を用いて説明する。

本発明の箱型成形品１は、図１（ａ）に示すように、底面２と側面３とから構成される。以下の説明では底面２を下側として箱型成形品１を置いた状態について記述するが、使用時に箱型成形品１の底面２が上側となる状態となる場合であっても当然かまわない。

箱型成形品１を所望の形状に対応する型（図示せず）を用いて成形する場合、型に沿わせるように、後述する構成材料を載置して成形を行う。成形方法は構成材料にもよるが、型内部に設けられた加熱・冷却手段によって成形できることが好ましい。

図１（ｂ）のＡ−Ａ断面における底面２と側面３とのコーナー部４に着目すると、図３（ａ）に示すように、加熱成形時において、底面２と側面３のなす角θ_ｈ［ｒａｄ］
は所望の形状の角度を保っている。脱型後、箱型成形品１を室温まで冷却すると、コーナー部４は図３（ｂ）に示すように変形し、底面２と側面３のなす角はθ_ｃ［ｒａｄ］となる。この変形は、部材の熱収縮や、側面の自重による座屈が原因と考えられる。

ここで、加熱前後におけるコーナー部４の角度の変化分をΔθ（＝θ_ｈ−θ_ｃ）、側面の高さＬとすると、側面３の上端部３ａにおける所望の形状からのずれ長さΔＷは最大でΔＷ＝ＬｔａｎΔθとなる。そこで、図３（ｃ）に示すように、側面３が曲率κとなるように側面３を反らせるようにすれば、側面３の上端部３ａが所望の形状に戻すことが可能になる。

図４（ａ）に示すように、点Ａでの接線ＡＤと弦ＡＣのなす角がΔθである。曲率中心Ｏから弦ＡＣに対して垂線ＯＢを引くと、∠ＯＡＤ＝∠ＯＢＡ＝９０°であるから、∠ＡＯＢ=Δθとなる。同様に∠ＣＯＢ＝Δθとなり、∠ＡＯＣ＝２Δθである。Δθ＜＜１と仮定すると、弧ＡＣの長さＬと曲率半径ＯＡ＝１／κより、２Δθ／κ＝Ｌとなる。すなわち、κ＝２Δθ／Ｌのとき、所望の形状からのずれΔＷ＝０となり、所望の形状からのずれはなくなる。また、κ＞２Δθ／Ｌのときは、図４（ｂ）に示すように、所望の位置ＥからのずれΔＷ＝ＣＥ＝２ｓｉｎ（Δθ＋φ）ｓｉｎφ／κとなる。Δθ＜＜１かつφ＜＜１と仮定すると、ΔＷ＝２（Δθ＋φ）φ／κとなり、φ＝２Δθのとき、すなわちκ＝４Δθ／Ｌのときに側面３が曲率を持たないときの所望の形状からのずれと一致する。そこでκの範囲が０＜κ＜４Δθ／Ｌとなるとき、側面３が曲率を持たないときよりもΔＷを小さくすることができる。

箱型成形品１の底面２の形状は、略多角形、円形、楕円その他どのような形状であってもかまわないが、機械を構成する部材としての設計のしやすさ、成形しやすさを考慮すると、略矩形であることが好ましい。

箱型成形品１の構成材料は、加熱成形するものであれば特に限定されるものではないが、機械部品としての強度、剛性等を考慮すると、繊維強化プラスチック、金属のいずれか、またはその組み合わせであることが好ましい。繊維強化プラスチックとは、エポキシ樹脂やポリエステル樹脂などのプラスチックを、強化繊維である炭素繊維などで強化したものである。プラスチックには、上記した、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂の他、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化樹脂の他、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエーテルイミド樹脂など熱可塑樹脂が使用される。強化繊維は、炭素繊維やガラス繊維などの無機繊維や、アラミド繊維（ケブラー、トワロンなど）、高強度ポリエチレン繊維、ＰＢＯ繊維などの有機繊維などが使用される。中でも、ＰＡＮ系炭素繊維とエポキシ樹脂を重量比で４：６〜７：３の割合で組み合わせたＣＦＲＰは、重量当たりの剛性、強度が高く、本発明で最も好ましい材料である。金属は、安価で高強度な鉄鋼、軽量なアルミ合金やマグネシウム合金など、目的に応じて適宜組み合わせることが好ましい。

側面３に高さ方向の曲率κを持たせるには、型にあらかじめ曲率を付けておくこともできるが、側面３の高さ方向に対して各層の熱膨張係数が異なるような積層構造とすると、積層構成により各層の間で膨張・収縮を互いに作用させることで曲率κを制御することができるので、加熱しても反りの少ない側面３を得ることができ好ましい。以下、積層構成の求め方について説明する。

積層構造の熱変形は、非特許文献１にあるようにKirchhoffの仮定を用いた板理論の拡張である古典積層板理論より、合熱膨張率Ｎ_αと合熱膨張モーメント率Ｍ_αによって、面内歪みεと板曲げとしての曲率κが下記式（１）のように表される。

ここで、Ｎ_α,Ｍ_α,ε,κは面内の主軸方向２つと面内せん断方向１つのあわせて３つの項を持つベクトルである。ΔＴ［℃］は成形温度と室温との差である。Ａ,Ｂ,Ｄはそれぞれ面内剛性、カップリング剛性、曲げ剛性をあらわす３×３の行列である。各ベクトル、行列の成分は、図４に示すようなＮ層積層板（Ｎは自然数）では、積層板の中のあるｋ層目（１≦ｋ≦Ｎ）の剛性マトリックスＱ_ｋと積層板内での厚さ方向位置ｚ_ｋを用いて、下記式（２）〜（６）のように算出することができる。

ここで、Ｑは二次元直交異方性を仮定すると、図５に示すような各層の材料主軸の配向角θと各層の材料主軸方向の工学的弾性係数Ｅ_Ｌ,Ｅ_Ｔ,ν_ＬＴ,Ｇ_ＬＴを用いて下記式（７）で示される。

ここでｍ = cosθ,n = sinθである。なおν_ＴＬは相反定理より下記式（８）となる。

また、ｋ層目の線膨張率ベクトルはｋ層目の材料の線膨張係数α_Ｌ,α_Ｔを用いて、下記式（９）で表される。

式（９）により、各層の材料と積層構成が決まると積層板の熱変形が求められることが分かるが、式（1）の逆を取ると以下の式（１０）となる。

ここで、式（１０）の右辺の行列は弾性コンプライアンスであり、以下式（１１）より求まる。

α,β,δは弾性コンプライアンスから３×３の部分行列を抜き出したものとする。式（１０）より側面３の高さ方向曲率κを求めることができ、０＜κ＜４Δθ／Ｌとなるように、使用する材料、積層順を決めることができる。

また、Δθを小さくする構造によってΔＷを小さくすることもできる。図６に示すように、断面の中立軸６に対して、コーナー接線方向の熱膨張係数を内側と外側で異ならせ、内側の熱膨張係数を外側よりも小さくすることにより、成形温度から室温への冷却時に、断面の中立軸６に対して外側が相対的に大きく収縮することができ、Δθを小さくすることができる。

熱膨張係数を断面の中立軸６の内側と外側で異ならせる方法としては、それぞれの部分に異なる材料を用いても良い。一般に金属の熱膨張係数は、繊維強化プラスチックの繊維方向の熱膨張係数よりも大きいので、コーナー部４の内側に繊維強化プラスチック、外側に金属を配置する方法を採ることもできる。

また、同一材料を用いても、繊維強化プラスチックなどの熱膨張係数に異方性のある材料を用いるならば、式（９）に示したように、材料の配置する向きによって、コーナー部４での接線方向の熱膨張係数を、断面の中立軸６の内側と外側で異ならせることができる。具体的には、繊維強化プラスチックの繊維方向を、断面の中立軸６の内側でコーナーの接線方向と成す角度を大きくなるように配置し、断面の中立軸６の外側でコーナーの接線方向となす角度が小さくなるように配置することによって、コーナー部４での接線方向の熱膨張係数を、断面の中立軸６の内側と外側で異ならせることができる。

箱型成形品１は、底面２の周囲の一部のみに側面３を有する形状であってもよいが、底面２の周囲全体に側面３を有するような形状の箱型成形品１においては、従来技術では複数の側面の倒れ変形が干渉して複雑な変形モードとなり、所望の形状からのずれが大きくなるので、本発明を適用すると効果が大きく、より好ましい。

（実施例１）
底面が長さ３８０ｍｍ、幅３２０ｍｍの長方形、側面高さが８０ｍｍ、底面と側面の間に半径１２ｍｍの角Ｒ、側面同士の間に半径１５ｍｍの角Ｒをもち、板厚２．５ｍｍの箱型成形品を成形した。使用した材料は弾性率２３５ＧＰａ，引張強度５ＧＰａの炭素繊維を一方向に引きそろえてエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ（東レ（株）製Ｐ３０５２Ｓ−３０、繊維目付３００ｇ／ｍ^２，樹脂重量含有率３３％，樹脂硬化温度１２０℃，繊維方向弾性率E_L＝124GPa，繊維直交方向弾性率E_T＝7.96GPa，横弾性率G_LT＝3.89GPa，ポアソン比ν_LT＝0.34，繊維方向線膨張率α_L＝7×10^-7/K，繊維直交方向線膨張率α_T＝3.75×10^-5/K）である。成形方法は、両面金型を用いたプレス成形を採用し、成形温度は１２５℃とした。積層構成を示す積層角度表示は、０度方向を底面長手方向および側面高さ方向とし、外から見て右回り座標系で示すこととし、内側から45°/0°/-45°/90°/0°/90°/-45°/45°の８層構成とした。
（比較例１）
実施例１と同じ寸法、同じ材料、同じ成形法で箱型成形品を成形した。積層構成は、実施例１と同じ積層角度表示を用いて、45°/0°/-45°/90°/90°/-45°/0°/45°の８層構成とした。

実施例と比較例について、角度変化Δθ、側面の曲率κ、側面上部のずれΔＷについて、表１に結果をまとめたものを示す。

実施例では、コーナーの角度変化による変形を側面の曲率によって相殺することによって、側面上部のずれΔＷを低減できていることがわかる。

本発明は、機械部品のカバー、ケースなどに限らず、内部構造材や補剛材などにも応用することができる。その応用範囲はこれらに限られるものではない。

１ 箱型成形品
２ 底面
３ 側面
３ａ 上端部
４ コーナー部
５ａ、５ｂ・・・５ｋ・・・５ｎ 積層板の各層
６ 断面の中立軸

Claims (7)

1. 底面と側面とを有し、加熱成形して作られる箱型成形品であって、側面の高さをＬ［ｍｍ］、加熱成形時の温度から室温に冷却されたときの底面と側面のなす角の角度変化分をΔθ[ｒａｄ]としたときに、冷却後の側面の高さ方向の曲率κ［１／ｍｍ］が０＜κ＜４Δθ／Ｌの範囲にあることを特徴とする箱型成形品。
2. 底面と側面とを有し、加熱成形して作られる箱型成形品であって、前記箱型成形品における前記底面と前記側面とをつなぐコーナー部において、中立軸より外側の熱膨張係数が、中立軸より内側の熱膨張係数よりも大きいことを特徴とする箱型成形品。
3. 前記コーナー部において、中立軸より外側は繊維強化プラスチックの繊維方向とコーナーの接線方向とのなす角度が小さい領域が多く、中立軸より内側は繊維方向と接線方向のなす角度が大きい領域を多くすることにより、中立軸より外側の熱膨張係数が、中立軸より内側の熱膨張係数よりも大きくなるよう配置されたことを特徴とする請求項２に記載の箱型成形品。
4. 前記箱型成形品が繊維強化プラスチックおよび／または金属からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の箱型成形品。
5. 前記側面が、繊維強化プラスチックおよび／または金属を複数積層させた積層構造を有してなることを特徴とする請求項４に記載の箱型成形品。
6. 前記箱型成形品の底面が略矩形であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の箱型成形品。
7. 前記箱型成形品の底面の周囲全体にわたって側面が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の箱型成形品。

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