JP2011143594A

JP2011143594A - 樹脂成形品

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Publication number: JP2011143594A
Application number: JP2010005499A
Authority: JP
Inventors: Giichi Ukai; 義一鵜飼; Yohei Onoko; 庸平臣; Tetsuo Mitani; 徹男三谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-01-14
Filing date: 2010-01-14
Publication date: 2011-07-28
Anticipated expiration: 2030-01-14
Also published as: JP5247733B2

Abstract

【課題】熱硬化性樹脂材のシートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）を用いた成形品の厚肉部の、ＳＭＣの硬化時の硬化収縮や、硬化反応による発熱とその後の冷却による発熱とその後の冷却による熱収縮によって発生する内部クラックやヒケ、変形を抑制する。
【解決手段】成形品２０の薄肉部位２２にはＳＭＣまたはＬＳＭＣのいずれかの成形部２２ａが、１５ｍｍ以上の厚肉部位２１の中央部にはＢＭＣ成形部２１ｂを設けるとともに、ＢＭＣ成形部２１ｂを囲んでＳＭＣまたはＬＳＭＣのいずれかの成形部２１ａを設ける。
【選択図】図１１

Description

この発明は、シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）やバルクモールディングコンパウンド（ＢＭＣ）を用いた熱硬化性樹脂成形品に関するものであり、特に１５ｍｍ以上の厚肉部を有する熱硬化性樹脂成形品に係るものである。

ＳＭＣ等の熱硬化性樹脂はガラス繊維等で強化された複合材料であるため、強度が大きく、また、金属と比べると複雑な形状を比較的容易に成形できる特長を有するため、種々の製品に用いられている。
ＳＭＣの成形品は、圧縮成形法により製造されることがほとんどである。圧縮成形法は、プレス装置に取り付けられ、所定の温度に制御（加熱）された金型（下型と上型）に、適量の樹脂材料を投入し、プレス機による型締めにより、上型と下型で樹脂材料を加熱しながら圧縮することで、金型に沿った形状に成形し、この状態で一定時間保持することで、樹脂材料を硬化させた後、金型より取り出し成形品を得る方法である。
ＳＭＣを用いた圧縮成形による成形品の場合、製品に求められる機能により、成形品には部分的に厚肉部を設ける場合がある。ＳＭＣは硬化時の硬化収縮や硬化反応による発熱とその後の冷却による熱収縮などによって、成形品内部に歪が生じてしまうことが多い。特に肉厚が大きい成形品の場合、内部歪が大きく、内部クラックやヒケ、変形といった成形不良が発生してしまう。

このような成形不良の発生を抑制する技術としては、金型内に予めＡＢＳ樹脂などからなる中芯材を金型キャビティの中央部に配置し、その外周部に熱硬化性樹脂液を注入し、加熱する際に、熱硬化性樹脂の硬化収縮体積量に見合った体積膨張量を中芯材に発生させるとともに中芯材の膨張と熱硬化性樹脂の硬化収縮とを同期させることで、成形品表面のヒケを抑制する技術が示されている（例えば、特許文献１）。

特開２０００−０７９６２０号公報

しかしながら上記特許文献１に示された技術では、成形品表面に発生するヒケ不良を抑制することはできるが、内部に挿入した熱可塑性樹脂である中芯材が想定以上に膨張することにより、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の界面にクラックが発生してしまう等の不良が発生する場合があるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであって、ＳＭＣなどの熱硬化性樹脂を用いて厚肉部を有する成形品を成形する場合に、成形品内部に発生するクラック不良を抑制し、不良のない健全な樹脂成形品を得ることを目的としている。

この発明に係る樹脂成形品は、熱硬化性樹脂材を加熱、圧縮して形成され、薄肉部位と厚肉部位とが一体化して設けられた樹脂成形品であって、前記薄肉部位は、ＳＭＣ成形部またはＬＳＭＣ成形部のいずれか一方で形成されており、前記厚肉部位は１５ｍｍ以上の肉厚を有し、その肉厚方向中央部分にＢＭＣ成形部が設けられているとともに、前記ＢＭＣ成形部を囲むようにＳＭＣ成形部またはＬＳＭＣ成形部のいずれか一方が形成されているものである。

この発明は上記のような構成を採用しているので、厚肉部位を有した樹脂成形品であるのにもかかわらず、成形品内部にクラックの発生や、ヒケさらには変形を抑制した優れた品質の樹脂成形品を得ることができるという効果がある。

ＳＭＣの製造工程を説明する図である。ＳＭＣ、ＬＳＭＣ、ＢＭＣの特性測定結果及び成形品の内部クラック発生数を示す図である。ＳＭＣ成形品の曲げ試験法を説明する図である。参考例の成形品を示す外観図である。参考例の成形品の断面を示す図である。参考例の材料チャージパターンを説明する図である。参考例の成形品の配向模式を示す図である。成形品の内部クラックを示す模式図である。成形品内部の発熱状況を示す模式図である。圧縮成形時の樹脂温度変化を示す図である。実施の形態１による成形品の断面を示す図である。実施の形態１の厚肉部の配向模式図である。実施の形態１の材料チャージパターンを説明する図である。実施の形態２による成形品の断面を示す図である。実施の形態２の材料チャージパターンを説明する図である。実施の形態２の厚肉部の配向模式図である。実施の形態２の他の実施例による成形品の断面を示す図である。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による樹脂成形品の優れた特徴をより理解し易くする為、まず以下にＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）シートの製法およびＳＭＣ成形品から切り出した試験品の強度調査結果について説明する。

ＳＭＣシートは、通常、図１に示す工程で製造される。図１に示すＳＴ１で不飽和ポリエステルを主材料に、粘度調整剤、離型剤、硬化剤等が混合された液状樹脂材料を幅１０００ｍｍ程度の下側シート上に塗布する。ＳＴ２で塗布された樹脂材料を、ブレードを用いて樹脂材料を一定厚さに延ばす。ＳＴ３で樹脂材料の上に直径数ミクロンの繊維を１０００本程度撚って撚線とした直径１ｍｍ、長さ２５ｍｍ程度のガラス繊維等の強化材料を散布する。ＳＴ４で上側のシートに樹脂材料を塗布し、ブレードで一定厚さ延ばす。ＳＴ５で下側シートと上側シートを重ね合わせ、シート間に樹脂材料、強化繊維を挟み込む。ＳＴ６でシート間の樹脂を、ローラを用いて加圧・圧延し、一定の厚みにする。ＳＴ７でシートを巻き取る。
このような工程でＳＭＣシートは製造されるため、ガラス繊維等の強化材料はシートの面方向に配向される。ＳＭＣシートは、金型の面に沿って投入（チャージ）されることが多いため、成形品となった場合にも、ガラス繊維は成形品の厚みと直交する方向に配向するケースが多い。そのため、成形品の厚み方向と直交する方向の面（平面部）に曲げ応力を受ける場合などに対して、強度を向上することができる。

図２は、ＳＭＣ、ＬＳＭＣ、ＢＭＣの特性測定結果及び成形品の内部クラック発生数を示す図である。
ＳＭＣを用いて成形した成形品から、試験片を切り出し、曲げ強度を測定した結果を図２（ａ）に示す。なお、内部クラック発生数を示す図２（ｂ）についての説明は後述する。曲げ試験は、図３（ａ）、図３（ｂ）のように実施し、面方向の曲げ強度は図３（ｂ）に示す方向に曲げ応力が掛かった時の強度を示し、積層方向の曲げ強度は、図３（ａ）方向に曲げ応力が掛かった時の強度を示す。図２（ａ）から分かる通り、面方向の強度は積層方向の強度の２０倍程度である。
ＳＭＣと同じ工程で製造されるが、長さが約１０００ｍｍのガラス繊維を用いるＬＳＭＣおよび、樹脂材料と繊維長２５ｍｍ程度のガラス繊維を混練した材料であるＢＭＣ（バルクモールディングコンパウンド）の特性についても図２（ａ）に記している。
また、図２（ａ）に示す流動性とは、流動のしやすさを示す指標であり、例えば、ある加圧力でＳＭＣ、ＬＳＭＣ、ＢＭＣを加圧した場合に、どの程度樹脂材料の面積が広がるか（厚みをどこまで圧延（薄く）できるか）を示すものである。さらに図２（ａ）に示すようにＬＳＭＣ（長尺のＳＭＣ）は繊維長が長いため、ＳＭＣよりも面方向強度が高いが、流動性は最も劣る結果となっている。ＢＭＣは、材料の状態では、混練されているだけなので、ガラス繊維に配向はないが、金型内での圧縮成形される時の樹脂材料流動により、面方向にガラス繊維が配向されるため、面方向と積層方向で強度に差が現れている。ただし、その差はＳＭＣよりも小さく、３倍程度である。また、この試験により、積層方向に関しては、ＳＭＣよりもＢＭＣの方が大きな強度を発揮できるという知見を得た。

次に、本願発明の熱硬化性樹脂成形品を得るために実施した、試作品を参考例として説明する。
図４は参考例の熱硬化性樹脂成形品２０の外観を示す図であり、幅１０００ｍｍ、奥行き１２００ｍｍ、高さ７００ｍｍ、厚さ５〜５０ｍｍの大きさである。
図５は図４の断面図であり、これらの図から判るように厚さ５０ｍｍの厚肉部位２１と、５ｍｍの薄肉部位２２とが一体化して成形されている。次にこの成形品２０の製造方法を図に基づいて説明する。
図６に示すようにまず、予め下型の形状に合わせて裁断されたＳＭＣシート材２を必要枚数重ねて、下型１に投入し、その状態で図示省略したプレス機の機構により、上型３を下降させて、ＳＭＣ２を圧縮・流動（変形）させて、金型のキャビティ（上型３と下型１で形成される空間）内をＳＭＣ材２で充填し、加熱硬化することでキャビティ形状に沿った形状の成形品２０となる。

成形品２０の厚肉部位２１の配向模式を示す断面詳細図を図７に示す。図中の線はガラス繊維２ａの配向を示している。図６のようにＳＭＣ２をチャージした場合、厚肉部位２１では、図７のようにガラス繊維２ａは面方向に強く配向するため、面方向には非常に強い強度を有する。しかしながら、このような成形品２０の２０ｍｍ以上の厚肉部位２１の中央部には、図８に示すような内部クラックが発生してしまい、成形品２０の品質を劣化させる不良を引起す。
ＳＭＣ２を用いて、５〜５０ｍｍまでの肉厚のサンプル成形品（縦１００ｍｍ、横１００ｍｍの試験片）を各５０個成形し、内部クラックの発生状況を確認した結果を図２（ｂ）に示す。肉厚１５ｍｍ以下ではクラックの発生はないが、２０ｍｍで５０個中の３５個、２５ｍｍ以上では全数にクラックが発生していた。ＳＭＣ２を用いた場合には、２０ｍｍ以上の肉厚を有する成形品を品質よく成形することが困難であることが分かった。
ここで、圧縮成形時の成形品内部と表面の温度を測定した結果を、図９に示す。金型温度１４０℃で成形を行なった。成形品の厚さ方向表面部は金型温度１４０℃より若干高くなった後、金型温度１４０℃と同等の温度になっているが、成形品の厚さ方向中央部は、圧縮開始後１７〜１８分で、２００℃以上に達していることが分かった。樹脂の硬化反応による発熱により、このような高温となった。

成形品厚さ方向内部の高温領域は概ね、図１０に示すとおりである。この時点（加圧開始後、１７〜１８分）で樹脂は硬化している。成形品の冷却時に、厚さ方向中央部は２００℃以上から室温まで冷却されるが、表面近傍は１４０℃から室温までの冷却となり、厚さ方向中央部の方が表面部よりも熱収縮量が大きくなる。このために厚さ方向中央部に発生した引張り応力により、内部にクラックが生じた。肉厚が小さくなると、高温領域（高温領域の厚さ方向の寸法）が小さくなるため、表面部との熱収縮量の差も小さく、引張り応力が小さくなり、クラックが発生しない。
また、金型１、３の近傍ほど金型からの伝熱が早く、硬化するのが早くなる。前記中央部は温度が上昇するのに時間がかかるため、金型１、３近傍（側面図）部が昇温して硬化し、弾性体となった後に、硬化反応が開始されるため（前記表面部が硬化した時点、前記中央部はまだ未硬化の状態である）、中央部の硬化収縮によっても引張り応力が発生し、クラックの原因となる。
このように、ＳＭＣ２を用いた厚肉品２１の成形では、２０ｍｍ以上の肉厚では、内部クラックの発生を抑制することはできなかった。

実施の形態１による熱硬化性樹脂成形品は、前述した試作品から得られた諸データに基づいて創出されたものである。まず、製造方法について説明する。
この実施の形態１の熱硬化性樹脂成形品（以下、成形品と称す）２０の形状、寸法は試作した成形品で示した図４，図５と同一である。しかしながら本実施の形態１による成形品２０はその断面を図１１に示すように厚肉部位２１の構成が前述した試作品の厚肉部位とは異なる。すなわち１５ｍｍ以上であって図１１では５０ｍｍの厚肉部位２１はその厚さ方向の中央部分にＢＭＣ成形部２１ｂが設けられ、このＢＭＣ成形部２１ｂを囲んでＳＭＣ成形部２１ａが設けられている。上記厚肉部位２１の配向模式図を図１２に示す。図１２からも判るように厚さ５０ｍｍの中央部はＢＭＣ２１ｂが、その上、下表面にはＳＭＣ２１ａが設けられている。

このような構成の成形品２０を形成するためのＳＭＣ材とＢＭＣ材のチャージパターンを図１３に示す。下型１に図１１で示した成形品２０の大部分を構成する仕上がり厚さ１５ｍｍ以下の薄肉部位２２に相当する部位に、未硬化のＳＭＣシート材２Ａを投入する。仕上がり厚さ１５ｍｍ以上の厚肉部位２１に相当する部位には、下型１の上面１ａにＳＭＣシート材２Ｂを投入し、その上部に厚肉部２１の中央部分を充填するのに必要な量の硬化前の半固形状態のＢＭＣ２Ｃを投入した後、前記ＢＭＣ２Ｃを囲むように厚肉部位のＳＭＣシート材２Ｂを投入する。このＳＭＣシート材２Ｂは下型１に投入したＳＭＣシート材２Ａを延伸したものであってもよい。ここで圧縮成形後の薄肉部位２２の寸法が１５ｍｍ以下となるように投入されるＳＭＣシート材２Ａの厚さは、圧縮成形後に厚さが３０％圧縮されるとして、２１ｍｍ（１５／０．７＝２１ｍｍ）以下となる。このように下型１にＳＭＣ材２Ａ、２Ｂ、ＢＭＣ材２Ｃをチャージした状態で、上型３を図示省略のプレス材の機構によって下降させて圧縮成形することにより、圧縮成形前に投入された薄肉部位２２のＳＭＣ材２Ａが薄肉部のＳＭＣ成形部２２ａに、厚肉部位２１のＳＭＣ２Ｂは厚肉部のＳＭＣ成形部２１ａに、ＢＭＣ材２Ｃは厚肉部のＢＭＣ成形部２１ｂと圧縮成形されて、図１１に示す成形品２０が得られる。なお、下型１、上型３は共に所定の温度となるよう加熱されている。

前述した図２（ｂ）のＳＭＣ／ＢＭＣに示したように、ＢＭＣの場合、面方向の強度は小さいが、ＳＭＣの３倍の積層方向強度を有するため、圧縮成形時の成形品厚さ方向の中央部の発熱などにより引張り応力が発生しても、厚肉部位２１の内部にクラックが発生することなく、ヒケや変形を抑制した品質の安定し、歩留りの向上した成形品を得ることができる。また、厚肉部位２１の表面部にＳＭＣ２１ａ、１５ｍｍ以下の薄肉部位２２にＳＭＣ２２ａを配置しているので、面方向の曲げ強度は、ＢＭＣだけを用いる場合よりも大きく、強度と品質の優れた熱硬化性樹脂成形品を得ることができる。
また、厚肉部位２１の表面部や１５ｍｍ以下の部位にＬＳＭＣ（長尺のＳＭＣ）を用いることもできる。この場合更に、強度を向上することができる。
また、本実施の形態１の製造方法によれば、薄肉部位２２にＳＭＣまたはＬＳＭＣを用い、厚肉部位２１をＳＭＣまたはＬＳＭＣのいずれかでＢＭＣを囲む構成とすることにより、図１１のような形状に限らず多様な形状で薄肉部位２２と厚肉部位２１とを有する形状の強度と品質の優れた熱硬化性樹脂成形品の製造が容易となる。

実施の形態２．
次に実施の形態２の成形品２０について説明する。
この実施の形態２による成形品２０は、図１４に示すような厚肉部位２１が設けられている以外は、前述した実施の形態１で示した図４、図５に記載の成形品２０と同様である。すなわちこの実施の形態２の厚肉部位２１は、厚肉部位２１の中央部分を金属性加工物などのインサートワーク２１Ｃを設け、このインサートワーク２１Ｃの側部であって厚肉部位２１のＳＭＣ成形部２１ａとの空間部分にインサートワーク２１Ｃを挟むようにＢＭＣ成形部２１ｂを設けたものである。
厚肉部位２１にインサートワーク２１Ｃが単に設けられた成形品は、２０ｍｍ以上の厚肉部位２１が存在する形状であると、厚肉部厚さ方向の中央部に図８で示したような内部クラックが発生する。しかしながらこの実施の形態２による図１５に述べるような材料チャージパターンにより製造される構成の成形品２０は内部クラックの発生は無い。
以下、材料のチャージパターンを図１５によって説明する。まず下型１に仕上がり厚さ１５ｍｍ以下の薄肉部位２２に相当する部位に未硬化のＳＭＣシート材２Ａを投入する。なお、投入する量は実施の形態１と同じである。仕上がり厚さは１５ｍｍ以上の厚肉部位２１に相当する部位には、下型１の上面１ａにＳＭＣシート材２Ｂを投入し、その上部に金属性加工物などのインサートワーク２１Ｃを投入する。
次にインサートワーク２１ＣとＳＭＣシート材２Ｂとの空間部分を充填するのに十分な量の半固形状態のＢＭＣ２Ｃを投入後、インサートワーク２１Ｃと厚肉部ＢＭＣ２Ｃを囲むようにＳＭＣシート材２Ｂを投入する。このＳＭＣシート材２Ｂは下型１に投入したＳＭＣシート材２Ａを延伸したものであってもよい。その後実施の形態１と同様に圧縮成形することで図１４に示す成形品２０が得られる。図１６に成形後の厚肉部２１の配向模式（断面図）を示す。

以上のように、この実施の形態２は実施の形態１と同様に、厚肉部の厚み方向中央部にはＢＭＣ成形部２１ｂが配置されているので、圧縮成形時の成形品の厚さ方向中央部の発熱等により引張り応力が発生しても、厚肉部位２１の内部にクラックが発生することなく、品質の安定した成形品を得ることができる。また、図１４に示した１５ｍｍ以下の薄肉部位２２にＳＭＣ材２２ａを配置しているので、面方向の曲げ強度は、ＢＭＣだけを用いる場合よりも大きく、強度と品質の優れた熱硬化性樹脂成形品を得ることができる。
また、ＢＭＣは図２（ａ）に示すとおり、ＬＳＭＣの３倍、ＳＭＣの１．５倍の流動性を有しており、樹脂流動時の樹脂圧力が小さい（小さな圧力で流動（変形）する）。実施の形態２のように、インサートワーク２１Ｃの周囲にＢＭＣ２Ｃを配置することで、圧縮成形時の樹脂（ＢＭＣ）流動により、インサートワーク２１Ｃが変形したり、インサートワーク２１Ｃの位置が変動したりするのを防止することができる。すなわち材料のチャージパターンに不均一があった場合などは、圧縮成形時に、金型１、３内の材料の密度が均一になるように、材料が金型１、３内で流動するが、流動抵抗の大きいＳＭＣが大きく流動すると、インサートワーク２１Ｃもその流動とともに位置が変動したり、インサートワーク２１Ｃが変形したりする可能性がある。しかしながら、インサートワーク２１Ｃの周辺に流動性の高いＢＭＣ２Ｃが配置されていると、ＢＭＣ２Ｃのみが流動するため、インサートワーク２１Ｃの位置が変動したり、変形したりすることがない。また、実施の形態１と同様に、厚肉部位２１の表面部や１５ｍｍ以下の部位にＬＳＭＣを用いることもできる。この場合更に、強度を向上することができる。
なお、前述した図１４の厚肉部位２１の構成に代替して、図１７に示すような厚肉部位２１であってもよい。
すなわち、図１４に示した厚肉部位２１はＢＭＣ成形部２１ｂがインサートワーク２１Ｃを挟むように設けられた構成であったが、図１７に示すように、インサートワーク２１Ｃの片側のみにＢＭＣ成形部２１ｂを設けた構成であっても同様の効果を奏する。なおここでＢＭＣ成形部２１ｂをインサートワーク２１Ｃの外側に設ける例を示したが、これに限らず内側に設けてもよい。

１下型、２Ａ薄肉部位のＳＭＣ材、２Ｂ厚肉部位のＳＭＣ材、
２ＣＢＭＣ材、３上型、２０成形品、２１厚肉部位、
２１ａ厚肉部位ＳＭＣ成形部、２１ｂＢＭＣ成形部、２１Ｃインサートワーク、
２２ａ薄肉部位ＳＭＣ成形部。

Claims

熱硬化性樹脂材を加熱、圧縮して形成され、薄肉部位と厚肉部位とが一体化して設けられた樹脂成形品であって、前記薄肉部位は、ＳＭＣ成形部またはＬＳＭＣ成形部のいずれか一方で形成されており、前記厚肉部位は１５ｍｍ以上の肉厚を有し、その肉厚方向中央部分にＢＭＣ成形部が設けられているとともに、前記ＢＭＣ成形部を囲むようにＳＭＣ成形部またはＬＳＭＣ成形部のいずれか一方が形成されていることを特徴とする樹脂成形品。
前記厚肉部位の肉厚方向中央部分には、金属材のインサートワークが設けられ、前記ＢＭＣ成形部は前記インサートワークの側部に設けられているとともに、前記ＳＭＣ成形部またはＬＳＭＣ成形部のいずれか一方が前記インサートワークおよびＢＭＣ成形部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂成形品。