JP2013502332A - 構成部品を製造する射出成形法 - Google Patents

Abstract

本発明は、金型内に熱可塑性樹脂の溶融物を射出することにより、構成部品を製造する射出成形方法に関する。一方の側面または両方の側面が、ランダム配向繊維層に接合されると共に、熱可塑性樹脂を含浸させた２枚以上の繊維織布または多軸布を含むシート状ブランク材（１４）は、熱可塑性樹脂の軟化温度より高い温度まで加熱され、加熱により拡大した多孔性のブランク材は、金型の２つの内壁（１６、１７）の一方に接して配置され、金型はブランク材を圧縮するために閉鎖され、再度、所望範囲まで開放され、且つ、熱可塑性樹脂の溶融物が、多孔性のブランク材のコア領域に射出される。本発明は、また、平坦、屈曲、湾曲、あるいは角度が付けられた板の形態を有する構成部品（２４）に関し、特に、自動車の分野で用いられることが可能である。

Description

本発明は、金型内に熱可塑性樹脂の溶融物を射出することにより、構成部品、特に自動車部品を製造する射出成形法、および、本方法によって製造される構成部品に関する。

本明細書において考慮される構成部品は、一般に、平坦、屈曲、湾曲、或いは曲面状の板を有し、その端縁部は、直線状または丸められている。板は、また、補強リブ、孔、および取付け部を有しても良い。また、２枚の板は、ウェブまたは支柱によって、互いに連結されることにより、前壁および後壁を形成しても良い。

自動車部品は、熱可塑性樹脂の射出成形により製造されることが多い。多くの場合において、構成部品の剛性および衝突時の衝撃に対する強度を向上させるために、構成部品を補強することが必要である。従って、連続繊維（Ｅｎｄｌｅｓｓ ｆｉｂｅｒ）を含む幾つかの樹脂製のブランク材を金型内に配置することが試行されている。しかしながら、ブランク材と射出された熱可塑性樹脂との間の接着が不十分であり、且つ、ブランク材を金型の内壁に固定することが困難であることが分かっている。歪みのない構成部品を実現するために、２つのブランク材が金型に挿入されなければならないが、これは、技術的に困難である。

特許文献１は、繊維複合材料の製造方法を記載しており、該方法において、単一の繊維マットが、閉鎖された金型内で、樹脂材料を含浸される。その後に、金型を構成する型のそれぞれが、互いに離間するように移動させられることにより、繊維マットの内部に、空隙が形成される。次に、これらの空隙に、溶融した高分子材料が射出されるが、かなり複雑な方法である。

欧州特許出願公開第０３７８８５４号明細書

本発明の目的は、上述の問題を解決することにある。

本発明の目的は、本発明に従い、構成部品を製造する射出成形方法によって達成され、本方法は、金型に熱可塑性樹脂の溶融物を射出する工程に基づく。本方法は、
一方の側面または両方の側面がランダム配向繊維層と接合されると共に、熱可塑性樹脂を含浸させた２枚以上の繊維織布または多軸布を含む平坦なブランク材を、熱可塑性樹脂の軟化温度より僅かに高い温度まで加熱する工程Ａと、
ブランク材を、成形用の金型の２つの内壁の一方に隣接して配置する工程Ｂと、
金型を閉鎖して、ブランク材を圧縮し、且つ、２つの内壁に隣接するブランク材の境界領域を緻密化するとともに、内壁に接着する工程Ｃと、
金型を、所望の幅まで再度開放して、ブランク材のコア部を再膨張させ、且つ、熱可塑性樹脂の溶融物を、ブランク材のコア部に射出する工程Ｄと、
前記工程Ａ乃至Ｄによって形成される構成部品を冷却すると共に、金型を開放した後、構成部品を取り出す工程Ｅとを備える。

軟化温度より高い温度までの加熱は、ブランク材が、オーブンから金型へ移動される間に、僅かに冷却されるため、必要である。
ブランク材は、ランダム配向繊維層に縫合された２枚以上のガラス繊維織布または多軸布からなる。織布または多軸布は、その一方の側面または両方の側面が、ランダム配向繊維層に、好適には針で縫合されて接合され、或いは、ガラス繊維ロービングが、織布または多軸布の一方の側面または両方の側面に拡げられると共に、縫合されても良い。また、ブランク材を使用することも可能であり、２０から２００ｇ／ｃｍ^２までの単位面積あたりの重量を有する繊維マットまたはガラス繊維不織布が、織布または多軸布上に積層されても良い。ブランク材を使用する場合に、ブランク材は、不織布層が外方に配向されるように挿入される。これにより、完成した構成部品において、平滑面が得られる。

また、２枚以上の多軸布が、互いに９０度または４５度の角度を有して積層される。熱可塑性樹脂を含浸させる前において、ランダム配向繊維層と接合された織布または多軸布は、好適には、３００から２０００ｇ／ｃｍ^２までの単位面積あたりの重量を有する。該布は、熱可塑性樹脂を、通常の方法で、例えば、ダブルベルトプレス方式で、含浸され、従って、特にポリプロピレンを伴って圧縮され、また更に、ポリアミド、ポリエステル、または耐高温熱可塑性樹脂が使用されてもよい。好適な繊維はガラス繊維であり、さらに、炭素繊維およびアラミド繊維、並びにガラスおよび熱可塑性樹脂繊維から作られたハイブリッド繊維も有用である。ブランク材の厚みは、１．２から８ミリメートルまでの間、好適には、１．５から５ミリメートルまでの間で変化することが可能である。特に好適なブランク材は、両側面にランダム配向繊維層が縫合され、或いは、一方の側面にランダム配向繊維層が縫合されると共に、好適には、他方の側面に、薄いガラス繊維不織布が積層された２枚又は４枚のガラス繊維織布または多軸布を含む。特に、クヴァドラント・プラスティック・コンポジッツ・アクチェンゲゼルシャフト社（Ｑｕａｄｒａｎｔ Ｐｌａｓｔｉｃ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ＡＧ）のＧＭＴｅｘ（登録商標）から製造されたブランク材が有用である。

ブランク材は、金型内において、完成後の構成部品で高い応力領域を有する位置に挿入される。ブランク材は、実質的に、完成後の構成部品の形状を有することが可能であり、その場合には、ブランク材は、金型において、全体面積を占めるように挿入され、或いは、例えば５から２０センチメートルまでの幅を備えた小さな単一片、または１つ、２つ、またはそれより多くの帯状のブランク材が、構成部品が補強される個所に応じて、一方の金型の内側に配置されてよい。

金型としては、任意の周知の射出成形型が用いられることができ、或いは、射出スタンピング金型が使用されてもよく、この金型は、様々な方法で形成され得る。例えば、２つの金型の一方は、平坦であってよいが、構成部品の所望の形状に応じて、湾曲した金型または曲面状金型を使用しても良い。更に、ブランク材に占有される金型部分は、金型内において、可動ユニットとして構成されてよく、それにより、次に圧縮工程が、可動コアまたはスライダによって実施され、この場合には、金型全体を閉鎖して、特に、再度開放する必要がない。好適には、水平方向に閉鎖する金型が使用されるが、原則的には、垂直方向閉鎖式射出成形型、または射出スタンピング機器を使用することも可能であり、この場合、ブランク材は、下側金型に配置されると共に、重力によって、この位置に留まる。更に、射出ユニットを備えた従来のプレス装置を使用することが可能である。

第１の工程Ａにおいて、ブランク材は、熱可塑性樹脂の軟化温度よりも僅かに高い温度まで加熱される。好適な実施形態において、ブランク材は、それにより、縫合されたランダム配向繊維層の復元力によって、ブランク材の面に対して垂直な方向に、例えば、約１．２倍から５倍まで、好適には約１．５倍から４倍までの割合で拡大する。それにより、空隙および溝が、軟質マトリックスに形成される。

第２の工程Ｂにおいて、ブランク材は、開放された工具の２つの内壁の一方に隣接して配置される。ブランク材は、好適には、ランダム配向繊維層が縫合された少なくとも一方の側面が、金型内壁から離間する方向を向くように、挿入されるべきである。これにより、このランダム配向繊維層に含まれる熱可塑性樹脂が、工程Ｄにおいて射出される熱可塑性樹脂の溶融物と混合されることが保証され、それによって、ブランク材と射出された熱可塑性樹脂との間における良好な接着が実現される。挿入されたブランク材の内壁での固定を改善するために、内壁に、内方へ突出する可動ニードル、ピン、またはスパイク針を取り付けると有利である。更に、射出成形工具において、平坦な挿入物を固定するように良好に構成されたアセンブリが使用されてもよい。次に、軟化させられたブランク材が、標準的なニードルグリッパによって、金型内壁に固定されるように、金型に挿入されて、ブランク材は、好適には、ニードル、ピン、またはスパイク針によって突き刺されて、内壁に固定される。

第３の工程Ｃにおいて、金型が閉鎖され、且つ、工程Ｂにおいて挿入されたニードル、ピン、またはスパイク針が、再度後退させられる。拡大していたブランク材は、閉鎖する金型に付与される圧力により、再度圧縮させられ、且つ、数秒後に、熱可塑性樹脂が、２つの冷えた内壁に隣接する境界領域で緻密化され、それにより、この境界領域は、強力に内壁と接着する。接着は、金型の表面の特定の最小粗さによって実現され、この表面の粗さは、任意で、予め試験によって決定されても良い。

第４の工程Ｄにおいて、金型は、再度、所望の幅まで開放され、それにより、ブランク材の内部に配置されたランダム配向繊維層は、その樹脂マトリックスが、依然として、ある程度軟化した状態であり、空隙および溝が内部に形成されるように、再度拡大する。金型は、好適には、金型の内壁と接着する２つのブランク材の一方が、互いに離間するように引っ張られると共に、それらの間に間隙を形成するよう隔離するように、開放される。熱可塑性樹脂の溶融物は、次に、この間隙へ、通常の方法で射出され、加えて、溝または空隙に分散させられることができる。

また、射出スタンピング法を使用することも可能であり、この場合、最初に幅広い間隙内に射出が実施され、且つ、溶融物の分散は、続く金型の閉鎖工程によって実現される。この形態によると、ブランク材の表面に作用する剪断力が低減される。射出された熱可塑性樹脂は、好適には、ブランク材に含まれる樹脂と同一か、同種である。熱可塑性樹脂は、一般的な添加材、例えば、各々が、好適には０．５から２５ミリメートルまで、特に１から５ミリメートルまでの長さを有する強化ガラス繊維、天然繊維、炭素繊維、または金属繊維、また、例えば滑石、粉末シリカ、チョーク等の鉱物充填材、また、すす、黒鉛ナノチューブ、及び化学的発泡剤の少なくとも一つを含むことができ、これにより、熱可塑性樹脂の溶融時に発泡させることによって、より軽量の構成部品を実現することができる。また、物理的発泡法が用いられても良い。

第５の工程Ｅにおいて、熱可塑性樹脂は冷却され、且つ、両方の外側に強化繊維織布または多軸布を有する完成後の構成部品が取り出される。
本発明の更なる目的は、３から２０ミリメートルまでの平均壁厚を備えた平坦、屈曲、湾曲、または曲面状の板形状を有する構成部品であって、ランダム配向繊維層を含む熱可塑性樹脂のコア層と、その両外側面において、各々が、隣接するコア層のランダム配向繊維層と縫合されると共に、コア層と同一の熱可塑性樹脂を含む強化繊維織布または多軸布とを備える。本発明の構成部品はまた、「平坦形状」と称されることが可能であるが、殆どの場合において、厳密に平坦な形状または板状ではない。特に、これらの構成部品は、本発明の方法により製造できる。

板は、２０から２５０センチメートルまで、特に４０から１００センチメートルまでの幅および長さ、および５から１００センチメートルまで、特に１０から５０センチメートルまでの高さを有することができ、且つ、板は、３から２０ミリメートルまで、特に５から１０ミリメートルまでの壁厚を有することができる。構成部品はまた、不規則形状を有することができ、その場合の幅、長さ、および高さの寸法は、最大の値である。部品の潜在的に異なる厚みのために、厚みに関して示される寸法は、平均値である。

本発明に従い製造される構成部品は、主に自動車用途で、例えば、前端、側面ドア支持部、床下裏板、バッテリ支持部、計器盤支持部として、または座席外殻、および背もたれ部用に使用され、また、バンパー支持部、歩行者保護サポートとして、また床構造体の全体またはセグメント用に使用されることができる。

本発明の一例は、以下に、図面によって、経時順として、より詳細に説明される。図面は、各々、縦断面図で示されている。

開放した金型であって、平坦なブランク材が、その内壁に隣接して配置される様子を示す図。 図１の金型の閉鎖した後の様子を示す図。 図２の金型の再度開放した後の様子を示す図。 図３の金型の熱可塑性樹脂の溶融物を射出する際の様子を示す図。 図４の金型の更なる閉鎖工程の実施後の様子を示す図。 図５の金型の完成した構成部品を取り外す際の様子を示す図。

図面において概略的に示されている金型は、メス型のキャビティとして構成される一方の左側金型２を備え、この左側金型２は、射出開口６と、前進および後退可能なスパイク針８とを有する垂直壁４を備える。更に、金型は、オス型の工具として構成される他方の右側金型１０と、射出開口６に連通する熱可塑性樹脂の溶融物の射出機器１２とを備える。

上述のように構成される平坦なブランク材１４は、最初に、熱可塑性樹脂の軟化温度まで、或いは、軟化温度より僅かに高い温度まで加熱され、次に、ブランク材１４は左側金型２の内壁１６に隣接して配置される。図１に示されるように、スパイク針８は、ブランク材１４内に突き刺され、ブランク材１４を所望位置に保持する。

続いて、図２に示されるように、内壁１８を備えた右側金型１０を、左側金型２内へ向けて摺動させることにより、金型が閉鎖される。それにより、ブランク材１４は圧縮され、且つ、２つの内壁１６および１８に隣接するブランク材の境界領域が緻密化し、且つ内壁１６および１８に接着する。この時点で、スパイク針８は既に必要でなくなるため、スパイク針８は、既に再度、後退させられている。

次の工程において、金型は、再度、図３に従い、所望の幅まで開放され、内壁１６および１８と隣接するブランク材１４の熱可塑性樹脂領域は、内壁と接着している。このようにして、ブランク材のコア領域に、間隙領域２０が形成される。その後に、図４に従い、所定量の熱可塑性樹脂の溶融物２２が、間隙領域２０に射出される。

図示する例においては、更なる閉鎖工程が実施され、その場合、図５に示されるように、右側金型１０は、更に、左側金型２内へ向けて摺動させられる。それにより、高分子の溶融物２２が、金型の容積全体内に分散させられる。

最後に、熱可塑性樹脂が冷却され、金型は、再度、離間するように移動させられ、次に、完成した構成部品２４が取り出される。

Claims (13)

1. 熱可塑性樹脂の溶融物を金型へ射出することにより構成部品を製造する射出成形方法であって、
   一方の側面または両方の側面がランダム配向繊維層と接合されると共に、熱可塑性樹脂を含浸させた２枚以上の繊維織布または多軸布を含む平坦なブランク材（１４）を、熱可塑性樹脂の軟化温度より僅かに高い温度まで加熱する工程Ａと、
   前記ブランク材を、成形用の前記金型の２つの内壁（１６、１８）の一方に隣接して配置する工程Ｂと、
   前記金型を閉鎖して、前記ブランク材を圧縮し、且つ、前記２つの内壁に隣接する前記ブランク材の境界領域を緻密化するとともに、該内壁に接着する工程Ｃと、
   前記金型を、所望の幅まで再度開放し、前記熱可塑性樹脂の溶融物を、前記金型内に射出する工程Ｄと、
   前記熱可塑性樹脂を冷却し、且つ、前記金型を開放して、形成された構成部品（２４）を取り出す工程Ｅとを備えることを特徴とする方法。
2. 前記工程Ｄおよび前記工程Ｅの間において、前記金型を部分的に閉鎖して、前記熱可塑性樹脂の溶融物を前記ブランク材内で分散させる更なる閉鎖工程をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記工程Ａおよび前記工程Ｄにおいて、前記ブランク材は、前記ランダム配向繊維層の復元力により、前記ブランク材の面に対して垂直な方向に、約１．２倍から５倍までの割合で、拡大することを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記平坦なブランク材は、２枚または４枚のガラス繊維織布または多軸布を備え、該布は、両側面において、ランダム配向繊維層が縫合され、或いは、前記金型の内壁から離間する一方の側面において、ランダム配向繊維層が縫合されており、また好適には、他方の側面において、薄いガラス繊維不織布が縫合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ブランク材は、実質的に、完成後の構成部品の形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記ブランク材は、単一片または帯の形状を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
7. 一方の金型の内壁（１６）において、内方に突出するニードル、ピン、又はスパイク針（８）が配置されており、該ニードル、ピン、又はスパイク針（８）は、前記工程Ｂにおいて挿入された前記ブランク材に突き刺されて、前記ブランク材を前記内壁（１６）に固定し、前記工程Ｃにおいて、該ニードル、ピン、又はスパイク針（８）は、再度後退させられることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記工程Ｄにおいて射出された熱可塑性樹脂は、短繊維および鉱物充填材および発泡剤の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記ブランク材および射出される前記溶融物の両方が、同一の熱可塑性樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記熱可塑性樹脂は、ポリプロピレンであることを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. ３から２０ミリメートルまでの壁厚を有し、かつ平坦、屈曲、湾曲、または曲面状の板（２４）の形状を有する構成部品であって、ランダム配向繊維層を有する熱可塑性樹脂のコア層と、両外側面において、隣接する前記コア層のランダム配向繊維層と各々縫合されると共に、前記コア層と同一の熱可塑性樹脂を含む強化ガラス繊維織布または多軸布を備えることを特徴とする構成部品。
12. 前記コア層は、短繊維および鉱物充填材の少なくとも一方を含むこと、及び発泡させられることの少なくともいずれか一方の特徴を有する請求項１１に記載の構成部品。
13. 請求項１１又は１２に記載の構成部品を、自動車用構造部品として使用する使用法。

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