JP2014111372A - 成形部品の作製方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】成形部品、特に面状薄壁繊維複合部品を作製するにあたり、表面の傷及びボイド等の欠陥の無い表面を有し、高品質な平坦で薄壁な成形部品の提供。
【解決手段】面状薄壁繊維複合部品を作製する方法であって、（ａ）金型１は、反応混合物を挿入するための、公称成形容積（Ｖ）を有するキャビティ２を含み、反応混合物の挿入中に弾性変形可能な、少なくとも１つのキャビティ壁部３によって画定され、キャビティ２の圧縮率（Ｋ）が、２，０００〜１０，０００バールであるステップ；（ｂ）繊維材料をキャビティ（２）に導入され、嵌入後、反応混合物は、キャビティ容積が、反応混合物の挿入中に、少なくとも１つのキャビティ壁部３の弾性変形により、公称成形容積（Ｖ）を超えて増加されるような圧力でキャビティに挿入されるステップ；（ｃ）キャビティ２内で反応混合物を固化させるステップ；及び（ｄ）金型１から、完成した成形部品を離型するステップ。
【選択図】図１

Description

本発明は、金型において、成形部品、特に面状薄壁繊維複合部品を作製する方法に関する。また、本発明は、上記方法を実行するための装置に関する。

特に、本発明は、繊維材料がキャビティに嵌入される前に；少なくとも２成分の反応混合物が、閉鎖された金型の成形容積内に射出される方法に関する。それにより、少なくとも２反応成分が、まず混合され、次に、閉鎖された金型内に射出される。材料の種類に応じた固化時間後に、金型が型開され、完成した繊維複合部品が取り除かれる。

この技術は、そうしたものとして知られており、多くの用途で使用されている。また、固化段階中に、金型内での化学収縮及び／又は熱収縮により、金型壁（キャビティ壁）から材料が変位し、その結果成形部品の表面でひび割れや、品質が損なわれることがあるという問題も、一般的に知られている。また、成分の混合中、又は充填工程中に、空気が反応混合物内に分散されて、それが原因で、成形部品表面に、ヒケやフローマークが発生することもある。両現象は、よく知られている。独国特許第４３１６１５４Ｃ１号（特許文献１）、欧州特許第０２０６１００Ｂ１号（特許文献２）、及び欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）では、この課題の複雑さが記載されている。

上記独国特許第４３１６１５４Ｃ１号（特許文献１）では、内部の視認面をコーティングする方法について記載されており、上記方法では、固化中、既存の空気が樹脂に溶解されるように、圧力を高めながら、反応混合物に作用させる。そのために、シアエッジ金型が、シールと関係して採用されている。加圧するために、固化中、両金型半部が互いに向かい移動し、それにより成形容積が減少され、金型内の圧力が一定に保たれる。シアエッジ金型として、金型が設計されており、そのため極めて複雑であり、従って高価である。更に、時間に応じて金型を型閉するため、プレスに関する設計に対する要求が高くなり、一閉位置を有するツールより、遥かに費用がかかる。

また、上記欧州特許第０２０６１００Ｂ１号（特許文献２）では、金型が２つの異なる閉位置を有する方法について記載されており、独国特許第４３１６１５４Ｃ１号（特許文献１）と同様に、其々プレスに対する要求が高い。同文献で記載された方法は、一度だけ型閉され、その後型閉状態のみに保たれるべき金型が、使用されなければ、満足には機能しない。

上記欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）では、とりわけ、弾性変形可能な金型壁を有する金型を使用することによる方法について記載している。しかし、同文献では、弾性金型壁によって５リットルの容積を有する金型の場合、充填容積に関する総不足分（ｔｏｔａｌ ｄｅｆｅｃｔ）を最大１００ｍｌまで補償することのみ教示している。同時に、必然的に混合条件及び混合物の品質に影響を及ぼすために、金型内の圧力が急激に上昇するのを避ける必要があることが、言及されている。これに関連して、同文献（７頁、１３〜１７行目参照）では、そうした混合工程中に、上記混合工程への有害な反作用を避けるために、キャビティの過充填を全く起こさないようにすべきことが、言及されている。この結果、一方で、作製される部品の寸法精度に極めて有害で、他方で、極めて薄壁のキャビティ壁の原因となり、かかる壁が、金型における内圧の上昇で、永久に変形されてしまう、極端な弾性システムとなる。

欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）に記載された数値例では、キャビティの圧縮率を５００バールだけとすると、金型内圧は、例えば１０バールになる−同文献の教示からは実際に既に掛け離れているが、これは混合室内で出来るだけ圧力上昇が起こらないようにすべきためである。

圧縮率は、同文献では興味深いことに、キャビティの容積に関して特定の変化を生じさせるために、どのような圧力変化が必要かを記載している。圧縮率は、以下の式で表される。

式中、
Ｋ： 圧縮率
Δｐ： キャビティ内の圧力変化
ΔＶ： 圧力変化によるキャビティ内の容積変化
Ｖ： キャビティの公称金型容積

上述した欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）に関しては、金型の内圧が更に低いと、圧縮率は更に下がることが言える。同文献から知られる金型が、高外圧を付与されて、金型の内圧を上昇させ、それにより分散空気を圧縮する場合、その結果として、一方で金型壁を塑性変形が生じ、他方で成形部品の幾何学形状が不明確になる（また、欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）、８頁、１０〜１６行目を参照：金型のキャビティ壁に弾性膜を備えること、又は上記壁を弾性膜として設計することが説明されている。しかし、これは、弾性膜の領域において、金型の輪郭が正確なことが重要でない場合にのみ、適当である）。

従って、欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）に記載された解決方法は、金型内に事前に空気が全く分散されておらず、そのため当該空気は、金型の内圧を上昇させることによって、圧縮される必要がない金型に対してで、且つ成形部品の寸法に関する精度について要求がごく低い場合、又は弾性膜が、成形部品の実際の幾何学形状の外側に配設されており、成形部品を画定する金型壁の一部ではない場合にのみ、合理的である。

従って、上記種類による方法には、欧州特許第００２４６１０Ａ１号（特許文献３）による教示は、不適当である。通常、少なくとも射出を開始するまでに空気を分散せざるを得ず、面状薄壁成形部品の場合、必然的に、表面の光学的影響、即ち質の低下を招いてしまう。成形部品を画定する金型壁の外側に貯留容積を配置する結果、殆どの用途において、流路が長くなり過ぎ、固化段階中での容量式材料の収縮が、成形部品全体で補償できず、成形部品表面に、ヒケ、又は所謂「オレンジスキン作用（ｏｒａｎｇｅ ｓｋｉｎ ｅｆｆｅｃｔｓ）」を齎してしまう。

独国特許第４３１６１５４Ｃ１号 欧州特許第０２０６１００Ｂ１号 欧州特許第００２４６１０Ａ１号

従って、本発明の目的は、上記短所を防止するために、上記種類の方法及び各装置を更に発展させることである。そのために、成形部品の欠陥の無い表面を有し、且つ簡単で工程安定的に精確な規定幾何学的寸法を有する、極めて平坦で薄壁な成形部品を作製可能にすべきである。特に、高品質な成形部品が作製されるように、表面の傷及びボイドは、確実に防止されるべきである。

この目的の解決方法は、本方法によれば、以下のステップを含むことを特徴とする：
（ａ）金型を提供するステップであって、上記金型は、反応混合物を挿入するための、公称成形容積を有するキャビティを含み、上記キャビティは、反応混合物の挿入中に弾性変形可能な、少なくとも１つのキャビティ壁部によって画定され、キャビティの圧縮率が、２，０００〜１０，０００バールであるステップ；
（ｂ）反応混合物をキャビティに挿入するステップであって、反応混合物は、キャビティ容積が、反応混合物の挿入中に、少なくとも１つのキャビティ壁部の弾性変形により、公称成形容積を超えて増加されるような圧力でキャビティに挿入されるステップ；
（ｃ）キャビティ内で反応混合物を固化させるステップ；
（ｄ）金型から、完成した成形部品を離型するステップ。

好適には、上記ステップ（ｂ）による反応混合物のキャビティへの挿入前に、繊維材料が、キャビティに導入される、特に嵌入される。

それにより、好適には、反応混合物は、上記ステップ（ｂ）中に、金型内圧が１０〜１００バールになるようにして、挿入される。最も容易な事例では、圧力は、一方で、所望の貯留容積が得られるように、金型、即ち、弾性キャビティ壁部を変形し、他方で、キャビティ壁の弾性により確実に、固化後及び収縮が発生した後に、キャビティ壁が再びその（変形していない）開始位置に達する圧力が、選択される。このために、圧力は、結果として得られる貯留容積が、材料収縮に対応する程高いものが、正確に選択されなければならない。

上記ステップ（ｂ）の工程後で、且つステップ（ｄ）の工程前に、少なくとも１つのキャビティ壁部が変形されて、キャビティの容積が減少するように、外圧、特に空気圧又は油圧が、上記少なくとも１つのキャビティ壁部に印加される。従って、これ以降、弾性キャビティ壁は、反応混合物を固化させる前に、更なる外圧を付与され、成形部品の内部及び表面で、少なくとも固化後に視認可能な気泡ができないように、分散された気泡が、収容された嵌入体を通り流れる間、又は混合室における射出の開始時に、溶液に取り込まれるように、又は圧縮されるように、金型内の圧力を上昇させる。それにより、及び充填工程後の化学収縮及び熱収縮により、上記弾性キャビティ壁の変形が、再び部分的又は完全に再変形され、固化後に視認可能な気泡が、成形部品の内部及び表面に全くみられない程度に、反応混合物中の空気が圧縮されるように、外圧を用いて、キャビティ内の圧力が、固化中も、一定レベルに保たれる。

従って、本発明の更なる実施形態では、少なくとも１つのキャビティ壁部に印加される外圧は、まだ固化されていないキャビティ内の反応混合物における圧力が、所定レベル、特に一定値に保たれるように、制御される、又はフィードバック制御されることを提案する。というのも、金型の内圧が、反応混合物の固化及びそれと関連する反応マスの化学収縮により、経時的に低下するため、金型の内圧は、それに応じて外圧を上昇させることによって、一定に保たれる。

また、少なくとも１つのキャビティ壁部に印加される外圧は、反応混合物の固化中に、上昇されることもできる。また、更に、少なくとも１つのキャビティ壁部に印加される外圧は、反応混合物の固化中に、低下させることもできる。また、場合によっては、圧力の上昇も低下も、圧力プロファイルの形で実行される。

特別で有益な実施形態は、少なくとも１つのキャビティ壁部に印加される外圧は、まだ固化されていないキャビティ内にある反応混合物における圧力が、上記ステップ（ｂ）による反応混合物の挿入直後の少なくとも５０バールである圧力レベルから、上記ステップ（ｃ）による反応混合物を固化させる間に、低下するように、制御される、又はフィードバック制御されることを示唆する。

被成形部品の極めて精確な幾何学形状は、更なる実施形態により保証されるが、上記実施形態では、少なくとも１つのキャビティ壁部に印加される外圧は、上記少なくとも１つのキャビティ壁部の変形が、上記ステップ（ｃ）により反応混合物を固化させてしまうまで、ゼロになるように、制御される、又はフィードバック制御される。従って、外圧は、金型壁の変形を解消するように、反応の終了まで調節されることができ、その結果正確に規定された壁厚を持つ成形部品が作製される。

提案された装置は、公称成形容積を持つキャビティを有する金型を含む。本発明は、キャビティが、上記キャビティを画定し、反応混合物の挿入中に弾性変形するように設計された、少なくとも１つのキャビティ壁部を含み、キャビティの圧縮率が、２，０００〜１０，０００バールであることを提供する。

少なくとも１つの弾性変形可能なキャビティ壁部は、キャビティ壁部に外圧を印加できる手段に接続されることができる。

極めて異なる成形部品の幾何学形状及び成形部品容積での実験で、提案した方法を使用した際に、驚いたことに、異なる基本条件とは無関係に、殆どの用途に対して、流体の圧縮率（本明細書で使用されたような圧縮率の規定に関する、上記参照）と同様に規定されることができる規定弾性を有するように、金型を設計することで十分なことが分かった。つまり、小部品、例えば、携帯電話用シェルのための金型は、硬すぎることが多いものの、比較的簡単な方法で、大面積部品、例えば大面積の車両構造部品を、表面を損傷せずに作製することができた。

一般的な成形においては、各ノルム（ｎｏｒｍ）を使用して、一般的な設計基準に従い、金型が作製されると、金型は、硬すぎる状態で形成される。本発明の解決方法による金型の再設計によって、そうした小成形部品も、表面の損傷や傷なく、作製することに成功した。つまり、内圧に応じて極めて精確に変形が計算できる、現代のソフトウェアツールの助けを借りて、金型が設計できる極めて単純なパラメータが、求められ、その結果表面の傷に関する課題が、そうした成形部品で防止できた。

従って、提案されたアイデアは、特に、面状繊維複合成形部品の作製方法に基づいており、上記方法では、反応混合物が、繊維材料が嵌入される閉型容積内に射出され、金型容積を画定する金型壁の領域は、弾性変形可能に設計される。それにより、金型は、金型容積を画定する金型壁の弾性変形可能な領域が、金型容積が充填中に増大して変形されるように、故意に過充填される。それにより、金型は、上記領域で、２，０００〜１０，０００バールとなる圧縮率（規定については上記参照）を含むように其々設計及び形成される。

それにより、圧縮率は、例えば、液体の圧縮率と同様に規定される。圧縮率は、圧力変化に応じて、及びキャビティ内の圧力に応じて、金型容積及びキャビティ容積が其々どのように変化するかを規定する。

それにより、本発明で提案される境界は、以下の点が最も重要である。

金型の弾性が低すぎる、即ち圧縮率が１０，０００バールを超えると、化学収縮及び熱収縮を均衡させられるように、キャビティ容積を広くして、十分な貯留容積に到達させるために、金型内を過高圧にしなければならない。射出圧力が高くなり過ぎると、一方で、液状反応混合物の計量時間に関してマイナスに作用し、他方で、特に大面積の成形部品で、金型に対して極端に高い保持力が要求され、従って大型プレス及び高価なプレスが要求される。こうした理由から、金型を十分高弾性（圧縮率１０，０００バール未満に相当）にする必要がある。

しかしながら、金型の弾性が高過ぎる、即ち圧縮率が２，０００バール未満であると、要求される成形部品の寸法に関して、問題が生じる。充填及び固化中に金型の内圧を上昇させることが、特に射出開始時に分散される空気を溶液に取り入れるために必要となる、又は完成成形部品におけるフローマーク及びヒケ（例えば、乾燥繊維）のような視認可能な損傷を回避するように、空気容積を少なくとも減少するために必要となる。しかしながら、そうした金型の内圧が原因で、金型容積が膨張し過ぎる場合、又は充填圧力により、金型が開き、非密閉状態になった場合に、成形部品の寸法に関して要求される公差を保つこと、及び成形部品を作製することが、其々とにかく難しくなる。そのために、金型の弾性は、キャビティの圧縮率が、２，０００バール超になるように、低く抑えられる。

特許請求された範囲内の要求圧縮率は、例えば、金型の壁厚がそれに応じて調節されて実現される；しかしながら、金型は、周状シール縁の領域において、充填圧力の影響下で金型が非密閉状態にならない程度に大型に作成される。大面積部品の場合では、通常、別の領域と分離されている複数の金型領域で壁厚を減少させると有益である；薄壁領域は、バーによって、及び厚壁領域によって其々遮断される。そうすることによって、金型が、実質的に中心だけで膨らむことが防止されるが、これを齎すのに、材料があまりに長い経路を流通しなければならず、材料が固化中に収縮してしまい、そうした状態では、流動が限定的にのみ可能である。しかしながら、結果として生じる僅かな膨らみは、光沢面を有する成形部品で視認可能であるため、金型壁の弾性領域は、この場合、成形部品の視認できない側面に設けるべきである。

金型キャビティの圧縮率調節は、少なくとも１つの弾性壁部を、その寸法毎に応じて、其々設計及び選択することによって、職人らしい方法で、行われる。例えば、選択された弾性壁部の厚さが厚過ぎると、圧縮率もそれに応じて大きくなり過ぎる。上記壁厚が薄くなると、圧縮率も減少される。

図面では、本発明の実施形態について、示されている。

キャビティを有する金型、及び取付けられたミキシングヘッドであり、金型は、キャビティを画定する弾性壁を含む。 図１による金型と類似する金型であり、キャビティの複数の弾性壁領域が設けられている。 図２による金型に基づく金型であり、更なる発展形として、弾性壁領域に外圧を印加する手段が備えられている。

図面では、成形部品を成形するよう設計されたキャビティ２を有する金型１を示している。金型は、金型の上部１’と、金型の下部１”から成る。２金型半部間、即ちキャビティ２内には、各事例では、繊維材料が嵌入され、外部から若干押圧され、そうすることで固定されている。一様に離隔した外側位置にも、周状シール５が配設され、上記シールは、反応混合物を射出する前に、残留空気を最小にするためにキャビティ２及び繊維材料が真空化される際に、耐漏性を確立するのに役立つ。真空化を行うために、真空装置６が、図１に配設されている。

図１は、本発明の第１実施形態による金型１の単純な設計を示している。金型１は、単独のミキシングヘッド７を介して、少なくとも２成分の反応混合物（ポリウレタンを加工する場合、ポリオールとイソシアネート）で、弾性キャビティ壁部３を有する金型１が、若干膨らむまで、充填される。

周状シール５は、反応混合物を射出する前に、金型１を真空装置６によって真空可能にする役割を果たす。本発明による金型１の設計により、金型及びキャビティ２の各容積は、点線ａ及びｂで示すように、拡大されている、つまり、更なる自由キャビティ容積において、化学収縮及び熱収縮による固化及び冷却中の容積損失を補償するために、十分な材料（反応混合物）が貯留できるまで、拡大される。

しかしながら、金型寸法が大きい場合、固化中の流路が長くなり過ぎるが、これは、材料の大部分が、金型及びキャビティの中心に其々自然に貯留され、金型がそこで殆ど膨らむためである。しかしながら、金型内の温度が均一であると想定されるなら、化学収縮及び熱収縮は、金型全体に略均一に作用する。その結果、表面の損傷又はヒケが縁領域に発生することがあるが、これは、流路が長いために、及び繊維材料を通して材料を流す際の流動抵抗が高いために、主に中心に貯留される材料が、十分迅速に縁領域にまで流通できないからである。

従って、成形部品の寸法及び幾何学的形状に応じて、金型壁の弾性領域３を、図２に示されるように、複数部分に分割すると有益なことがある。それにより、貯留容積が、キャビティに沿って、一層均等に分布し；それにより、固化及び冷却中の流路も、短くなる。

更に及び特に有益な金型設計が、図３に示されている。同図では、金型壁の弾性領域３が、反対側から、即ち外側から、空気又は別の媒体を付与され、従って、圧力を付与されることができる。これを行うために、加圧手段４が、配設される。

空気が、入口８を通り、金型の外室９に導入される。理想的な事例では、この圧力は、金型キャビティ２と金型の外室９との間で力の平衡点が存在するように、時間的に制御され、固化後に視認可能な気泡が成形部品の表面に全くできないように、金型の内室における圧力は、キャビティ２内で固化及び冷却中に、溶液中に空気を分散させた状態に保つと共に、少なくとも空気を其々圧縮するために、十分に高レベルに保たれる。

それにより、被成形部品が、金型の幾何学的形状及びキャビティの幾何学的形状の其々の形に、極めて精確に対応するように、膜状の弾性キャビティ壁部３には、固化及び冷却後は、全く機械的張力が作用されない、又は少なくとも微小な機械的張力が作用される。

１ 金型
１’ 金型の上部
１” 金型の下部
２ キャビティ
３ 弾性キャビティ壁部
４ 加圧手段
５ シール
６ 真空装置
７ ミキシングヘッド
８ 入口
９ 金型の外室
Ｖ キャビティの公称成形容積
Ｋ 圧縮率
Δｐ キャビティ内の圧力変化
ΔＶ 圧力変化によるキャビティ内の容積変化
ａ 上側キャビティ壁の変形状態
ｂ 下側キャビティ壁の変形状態

Claims (11)

1. 金型（１）において、成形部品、特に面状薄壁繊維複合部品を作製する方法であって、
   （ａ）前記金型（１）を提供するステップであって、前記金型（１）は、反応混合物を挿入するための、公称成形容積（Ｖ）を有するキャビティ（２）を含み、該キャビティ（２）は、前記反応混合物の挿入中に弾性変形可能な、少なくとも１つのキャビティ壁部（３）によって画定され、前記キャビティ（２）の圧縮率（Ｋ）が、２，０００〜１０，０００バールであるステップ；
   （ｂ）前記反応混合物を前記キャビティ（２）に挿入するステップであって、前記反応混合物は、前記キャビティ容積が、前記反応混合物の挿入中に、前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）の弾性変形により、前記公称成形容積（Ｖ）を超えて増加されるような圧力でキャビティに挿入されるステップ；
   （ｃ）前記キャビティ（２）内で前記反応混合物を固化させるステップ；
   （ｄ）前記金型（１）から、前記完成した成形部品を離型するステップ
   を含む、方法。
2. 請求項１のステップ（ｂ）による前記反応混合物の前記キャビティ（２）への挿入前に、繊維材料が、前記キャビティ（２）に導入される、特に嵌入されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 前記反応混合物は、請求項１のステップ（ｂ）中に、前記金型内圧が１０〜１００バールになるように、挿入されることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. 請求項１によるステップ（ｂ）の工程後で、請求項１のステップ（ｄ）の工程前に、前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）が変形され、前記キャビティ（２）の容積が、減少されるように、外圧、特に空気圧又は油圧が、前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）に印加されることを特徴とする、請求項１乃至３の一項に記載の方法。
5. 前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）に印加される前記外圧は、まだ固化されていない前記キャビティ（２）内にある前記反応混合物における圧力が、所定レベル、特に一定値に保たれるように、制御される、又はフィードバック制御されることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
6. 前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）に印加される前記外圧は、前記反応混合物の固化中に、上昇されることを特徴とする、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）に印加される前記外圧は、前記反応混合物の固化中に、低下されることを特徴とする、請求項４乃至６の一項に記載の方法。
8. 前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）に印加される前記外圧は、まだ固化されていない前記キャビティ（２）内にある前記反応混合物における圧力が、請求項１のステップ（ｂ）による前記反応混合物の挿入直後の少なくとも５０バールである圧力レベルから、請求項１のステップ（ｃ）による前記反応混合物を固化させる間に、低下するように、制御される、又はフィードバック制御されることを特徴とする、請求項４乃至７の一項に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）に印加される前記外圧は、前記少なくとも１つのキャビティ壁部（３）の変形が、請求項１のステップ（ｃ）による前記反応混合物を固化させてしまうまで、ゼロになるように、制御される、又はフィードバック制御されることを特徴とする、請求項４乃至８の一項に記載の方法。
10. 特に請求項１乃至９の一項に記載の方法を実行するための、公称成形容積（Ｖ）を持つキャビティ（２）を有する金型（１）を含む装置であって、前記キャビティ（２）は、該キャビティ（２）を画定し、前記反応混合物の挿入中に弾性変形するように設計された、少なくとも１つのキャビティ壁部（３）を含み、前記キャビティ（２）の圧縮率（Ｋ）が、２，０００〜１０，０００バールであることを特徴とする、装置。
11. 前記少なくとも１つの弾性変形可能なキャビティ壁部（３）は、前記キャビティ壁部（３）に外圧を印加できる手段（４）に接続されることを特徴とする、請求項１０に記載の装置。

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