JP2017024243A - 繊維強化プラスチック板の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】安価な装置を使用し、ランニングコストを低減して短時間に能率よく多量生産する。【解決手段】繊維強化プラスチック板の製造方法は、所定の立体形状の繊維強化プラスチック板とする成形工程と、所定の外形に裁断する裁断工程とで繊維強化プラスチック板を製造する。この方法は、裁断工程を成形工程の前工程とし、裁断工程においては、熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で編組した織布からなる可撓性のある繊維混在シート１０を、表面を抜き型３の刃先４で切断される軟質層１Ａとする受け台１に載せ、閉ループ状に形成されて鋭角の刃先４を有する抜き型３を受け台１に押し付けて繊維混在シート１０を打ち抜き加工して裁断シート１１に裁断する。裁断工程で裁断された裁断シート１１を、金型２０の成形室２１で所定の立体形状に成形し、加熱して熱可塑性繊維を溶融して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して繊維強化プラスチック板とする。【選択図】図６

Description

本発明は、ガラス繊維などの補強繊維で補強されて立体形状に成型されてなる繊維強化プラスチック板の製造方法に関する。

ガラス繊維などの補強繊維を埋設している繊維強化プラスチック板は、プラスチック単体では到底実現できない優れた強度を実現することから、種々の用途に使用される。繊維強化プラスチック板として、ポリエステル樹脂にガラス繊維を埋設したものがＦＲＰとして多用されている。ＦＲＰは、雄形の表面にガラス繊維を付着し、ガラス繊維にペースト状の未硬化ポリエステル樹脂を塗布して製作される。

さらに、繊維強化プラスチック板は、軽くて強靭なことから、用途に適した外形に切断して、金属製パーツに代わって使用できる。金属板は刃物でプレス加工して所定の外形に切断できるので、能率よく安価に多量生産できるが、繊維強化プラスチック板は金属板のようにプレス加工して切断できなので、専用に切断装置で切断される。繊維強化プラスチック板の切断装置として、切断ラインに沿ってレーザー光線を照射して切断する装置や、ウォータージェットで切断する装置が開発されている。（特許文献１、２参照）

繊維強化プラスチック板の切断ラインに沿ってレーザー光線を照射し、またウォータージェットを噴射して切断する装置は、自由な外形に切断できる。しかしながら、切断ラインに沿ってレーザー光線やウォータージェットを移動して切断するので、切断に時間がかかり、短時間に能率よく切断できない。また、大出力のレーザー光線や超高圧に加圧されたウォータージェットを照射して切断するので、切断装置が極めて高額で、しかもランニングコストも相当に高くなる欠点がある。切断コストが高くなることは、繊維強化プラスチック板の部品コストを高くする。また、切断に時間がかかるのでタクトタイムが長くなって、能率よく多量生産できない。

ところで、航空宇宙材料として使用される繊維強化プラスチック等を切断する装置は開発されている（特許文献３参照）。この裁断装置は、特殊な切断用カッターを使用して繊維強化プラスチックを切断する。この切断用カッターは、シャンク本体の先端に刃先部を接合している。刃先部は、厚さを先端へ向かうに従って漸次小さくしている。また、刃先部を、切刃を構成する超高硬度部と、切刃とシャンク本体とをつなぐ超硬合金部とを接合して一体に焼結成形させた複合体で形成して、刃先部の先端を、超高硬度部で形成している。超高硬度部と超硬合金部とからなる複合体は、ダイヤモンド等の高硬度粒子と結合材料として使用されるＴｉＮ、ＴｉＣ等の粒子とを混合し、これらを超高圧においてプレス成形し、また高温度において焼結することにより成形されたペレット状の超高硬度部と、タングステンカーバイト等により成形されたペレット状の超硬合金部とを、一体に焼結成形して所定形状に加工したものである。

特開２０１０−２４７２０６号公報 特開２０１１−５６５８３号公報 特開平４−６９１８７号公報 特願２０１３−２４９６８３号

特許文献３に記載される装置は、切断用カッターを往復運動させながら前進させて繊維強化プラスチックを切断するので、一回の往復運動でプラスチック板を所定の形状に裁断できない。このため、能率よくプラスチック板を特定の外形に打ち抜き加工できない。とくに、切断用カッターが、刃先の超高硬度部を超硬合金部でシャンク本体に接合して一体に焼結成形させた複合体とするので、切断用カッターを複雑に湾曲する形状には加工できず、また、切断用カッターが極めて高価になる欠点がある。

本発明者は、以上の欠点を解消するために、熱可塑性のプラスチック板にカーボン繊維等の補強繊維を埋設してなるプラスチック板を裁断する装置を開発した。（特許文献４参照）
この裁断装置は、図１０に示すように、繊維強化プラスチック板９１を打ち抜きして裁断する雌型９９及び雄型９８と、この雄型９８と雌型９９とを相対運動させる駆動機構９０とを備え、雌型９９は、雄型９８との対向面の裁断面１００に、開口縁を繊維強化プラスチック９１を裁断する裁断ラインに沿う形状の裁断刃９２とする凹部９６を有し、雄型９８は、雌型９９の凹部９６に挿入される突出部９３を有し、この突出部９３は、その先端縁に裁断刃９２を設けている。さらに、突出部９３の裁断刃９２の外形と雌型９９の凹部９６の裁断刃９２の内形との間隔を１００μｍ以下として、突出部９３と凹部９６との間に繊維の破断隙間９７を設けている。突出部９３は凹部９６に挿入されて、突出部９３及び凹部９６の裁断刃９２でもって繊維強化プラスチックイット板９１を裁断する。

以上の裁断装置が繊維強化プラスチック板を裁断する状態を図１１と図１２に示している。雄型９８の突出部９３に設けた裁断刃９２が、繊維強化プラスチック板９１に押し付けられると、図１２に示すように、裁断刃２が繊維強化プラスチック板９１を破断して、打ち抜き部９１Ａと繊維強化プラスチック板９１との間に挿入される。この状態で、打ち抜き部９１Ａは繊維強化プラスチック板９１から引き離されて、繊維強化プラスチック板９１との間に隙間ができる。この状態になると、熱可塑性樹脂に埋設している補強繊維９４が、打ち抜き部９１Ａや繊維強化プラスチック板９１から引き離し隙間９５に引き出される。繊維強化プラスチック板９１内の補強繊維９４は、熱可塑性樹脂に対して長手方向には相対的に移動しやすく、熱可塑性樹脂から引き離し隙間９５に引き出される。打ち抜き部９１Ａと繊維強化プラスチック板９１との間の引き離し隙間９５に引き出された補強繊維９４は、突出部９３がさらに凹部９６に挿入される状態で、突出部９３の表面と凹部９６の内面との間の破断隙間９７にあって、図１２の×印で示す位置、すなわち打ち抜き部９１Ａと破断隙間９７との境界部分と、繊維強化プラスチック板９１と破断隙間９７との境界部分において、すなわち、引き離し隙間９５の両端部において、小さい曲率半径に折曲される。さらに、引き離し隙間９５の両端部において小さい曲率半径で折曲された補強繊維９４は、打ち抜き部９１Ａが繊維強化プラスチック板９１から引き離されるにしたがって、より強く引っ張られて破断される。図の×印で示す２カ所で破損された補強繊維９４は、短い切れ端の破断屑となって、打ち抜き部９１Ａと繊維強化プラスチック板９１から分離される。

以上の裁断装置は、突出部９３の裁断刃９２と、凹部９６の裁断刃９２は、鋏が補強繊維９４を切断するように切断するのではなく、打ち抜き部９１Ａと繊維強化プラスチック板９１との間の破断隙間９７に引き出された補強繊維９４を、小さい曲率半径で折曲しながら強く引っ張って破断し、さらに、引き出された補強繊維９４を破断隙間９７の両端部で破断して、打ち抜き部９１Ａと繊維強化プラスチック板９１の両方から分離する。

以上の裁断装置は、薄い繊維強化プラスチック板を能率よく裁断できる。しかしながら、厚い繊維強化プラスチック板は、多層に補強繊維が埋設されているので、図１１と図１２に示すように、繊維強化プラスチック板を切り離して、埋設している補強繊維を接合面から引き出すことができない。補強繊維が繊維強化プラスチック板を補強して、裁断を阻止するからである。

さらに、以上の裁断装置は、立体形状に成型された繊維強化プラスチック板を切断するには、受け台と刃先とを立体形状とする必要があり、しかも、刃先を受け台の立体形状に正確に沿う形状に加工する必要がある。このため、立体形状の繊維強化プラスチック板を裁断する裁断装置は、受け台と刃先の両方を高い精度で加工する必要があって製造コストが極めて高くなる欠点がある。

本発明は、さらに以上の欠点を解決することを目的に開発されたものである。本発明の重要な目的は、安価な装置を使用し、ランニングコストを低減し、極めて短時間に能率よく多量生産できる所定の外形に切断された立体形状の繊維強化プラスチックの製造方法を提供することにある。

課題を解決するための手段及び発明の効果

本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、所定の立体形状に成形している繊維強化プラスチック板とする成形工程と、所定の外形に裁断する裁断工程とで、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設している立体形状の繊維強化プラスチック板を製造する。この方法は、裁断工程を成形工程の前工程とする。裁断工程においては、熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で編組した織布からなる可撓性のある繊維混在シート１０とし、この繊維混在シート１０を、表面を抜き型３の刃先４で切断される軟質層１Ａとする受け台１に載せて、繊維混在シート１０の裁断縁１１Ａに沿う閉ループ状に形成され、かつ炭素鋼を焼き入れしてなる鋭角の刃先４を有する抜き型３を受け台１に押し付けて繊維混在シート１０を打ち抜き加工して所定の外形の裁断シート１１に裁断する。裁断工程で裁断された裁断シート１１を、金型２０の成形室２１で所定の立体形状に成形し、加熱して補強繊維を溶融することなく熱可塑性繊維を溶融して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して所定の立体形状に成形された繊維強化プラスチック板とする。

さらに、本発明の他の側面にかかる繊維強化プラスチック板の製造方法は、所定の立体形状に成形してなる繊維強化プラスチック板とする成形工程と、所定の外形に裁断する裁断工程とで、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設してなる立体形状の繊維強化プラスチック板を製造する。この方法は、裁断工程を成形工程の前工程とする。裁断工程においては、熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で水平面内において方向性なく集合して所定の厚さとしてなる不織布からなる可撓性のある繊維混在シート１０とし、この繊維混在シート１０を、表面が抜き型３の刃先４で切断される軟質層１Ａとする受け台１に載せ、繊維混在シート１０の裁断縁１１Ａに沿う閉ループ状に形成され、かつ炭素鋼を焼き入れしてなる鋭角の刃先４を有する抜き型３を受け台１に押し付けて繊維混在シート１０を打ち抜き加工して所定の外形の裁断シート１１に裁断する。裁断工程で裁断された裁断シート１１を、金型２０の成形室２１で所定の立体形状に成形し、加熱して補強繊維を溶融することなく熱可塑性繊維を溶融して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して所定の立体形状に成形された繊維強化プラスチック板とする。

以上の製造方法は、レーザービームやウォータージェットで用途に適した外形に切断する従来の装置とは比較にならいほど安価な装置を使用し、さらに外形を複雑な形状に切断し、さらに立体形状に成形しながら、ランニングコストを低減し、タクトタイムを著しく短縮して、短時間で能率よく用途に適した外形の繊維強化プラスチック板を多量生産できる特徴を実現する。

それは、以上の製造方法が、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設する状態で外形を用途に適した種々の形状に切断するのではなく、熱可塑性樹脂を繊維の状態とし、この熱可塑性繊維と一緒に、加熱成形する工程では熱溶融されない補強繊維を混在状態で編組して織布とし、あるいは方向性なく集合して所定の厚さの不織布からなる繊維混在シートとし、熱可塑性繊維と補強繊維とを混在している繊維混在シートを、表面が抜き型の刃先で切断される表面軟質の受け台に載せ、閉ループ状であって鋭角の刃先を有する焼き入れされた炭素鋼の抜き型を、表面軟質の受け台、すなわち表面の軟質層に押し付けて、刃先で軟質層を切断して、補強繊維と熱可塑性繊維の両方を切断して繊維混在シートを打ち抜きして所定の外形の裁断シートに裁断し、裁断シートを金型の成形室で加熱して、補強繊維を溶融することなく熱可塑性繊維を溶融して、溶融された熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設してなる繊維強化プラスチック板を立体形状に成形するからである。

熱可塑性繊維と補強繊維とを混在している織布や不織布の繊維混在シートを、抜き型の刃先で切断される表面軟質の受け台に載せて、鋭角の刃先を押し付けると、刃先が熱可塑性繊維と補強繊維を挟んで受け台表面の軟質層を切断する。軟質層の表面を切り欠いて表面から内部に食い込む刃先は、図７の拡大断面図に示すように、鋭角の鋭い刃先で補強繊維１０ａを挟んで小さい曲率半径でＶ字状に曲げて破断する。補強繊維１０ａは、成形工程で熱溶着されないガラス繊維やカーボン繊維などの硬くて脆く、軟質層の表面を切断して表面から内部に食い込む鋭利な刃先４は、補強繊維１０ａを強制的に小さい曲率半径で鋭角のＶ字状に曲げて破断する。また、図８の拡大断面図に示すように、熱可塑性繊維１０ｂは可撓性があって、小さい曲率半径に曲げても破断されないとしても、補強繊維のように強靭な繊維ではないので、鋭角の刃先４と軟質層に挟まれて切断される。すなわち、補強繊維は硬いので、鋭角の刃物によっても切断することは難しいが、軟質層を切断して表面から内部に食い込む鋭利な刃先で強く曲げられて破断され、熱可塑性繊維は可撓性があって破断されないとしても、鋭角で鋭利な刃先と軟質層に挟まれて確実に切断される。

繊維の状態にない熱可塑性樹脂の内部に補強繊維を埋設している繊維強化プラスチック板は、表面軟質の受け台に載せて鋭角の刃先を押し付けても、補強繊維が熱可塑性樹脂を補強しているので、これを刃先で小さい曲率半径でＶ字状に曲げることはできず、刃物による切断を実現できない。これに対して、熱可塑性樹脂を繊維状とし、この熱可塑性繊維と補強繊維とを混在してシート状とする織布又は不織布の繊維混在シートは、熱可塑性繊維が補強繊維の変形を束縛することがなく、表面軟質の載せ台に載せて鋭角の刃先を押し付けると、鋭角の刃先が熱可塑性樹脂と補強繊維の両方を挟んで軟質層の表面を切断して表面から内部に食い込み、補強繊維を強く曲げて破断し、熱可塑性繊維を切断する。

すなわち、補強繊維と熱可塑性繊維を挟んで軟質層の内部に食い込む刃先は、加熱成型される工程では溶融しない硬いガラス繊維やカーボン繊維等の硬い繊維を強く曲げて破断して切り離し、可撓性に富む熱可塑性樹脂を鋭利な刃先で切断する。したがって、軟質層を切断して食い込む刃先は、補強繊維を破断して切り離し、熱可塑性繊維を切断して切り離される。このため、鋭角の刃先の抜き型を、表面軟質の受け台に押し付けて、刃先で軟質層を切断して食い込ませることで、補強繊維と熱可塑性樹脂の両方が切断されて、繊維混在シートは所定の外形に裁断される。

繊維混在シートを裁断する抜き型は、炭素鋼を焼き入れして鋭角の刃先としている。この抜き型は、焼き入れしない炭素鋼を自由な形状に加工して焼き入れして製作できる。このため、抜き型は、繊維混在シートを用途に最適な形状に裁断する形状の刃先を加工でき、繊維強化プラスチック板を種々な複雑な形状に加工できる。さらに、抜き型は、繊維混在シートを、刃先で切断される表面軟質の載せ台に載せて、１回の往復運動で打ち抜き加工して所定の外形に裁断する。打ち抜き加工は、１回の往復運動で、繊維混在シートを所定の外形に、それも正確な外形に裁断する。１回の往復運動で繊維混在シートを裁断する打ち抜き加工は、レーザービームやウォータージェットが切断ラインに沿って裁断するのとは比較にならないほど短時間で繊維混在シートを裁断する。このため、繊維混在シートを所定の外形に裁断する時間が極めて短く、タクトタイムを短縮して短時間に多量の繊維混在シートを正確な外形に裁断できる。また、繊維混在シートを打ち抜き加工する装置は、レーザービームやウォータージェットで切断する装置とは比較にならにいほど簡単な装置で、設備コストも極めて安価にできる。さらに、用途に適した外形に切断している裁断繊維シートを金型で立体形状に成形するので、成形工程においては、裁断されない大きな繊維混在シートを金型で成形する方法に比較して、金型の成形室で裁断繊維シートを自由な形状に変形できる特徴も実現する。金型の成形室で成形する状態で、裁断繊維シートの外周部を裁断して自由に変形できるからである。このため、所定の立体形状、とくに凹凸の大きな立体形状にも繊維混在シートを成形できる。したがって、以上の製造方法は、外形を用途に最適な形状にできることに加えて、さらに用途に最適な立体形状に成形できる特徴も実現する。

さらに、以上の方法は、厚い繊維強化プラスチック板をも確実に裁断できる特徴がある。それは、厚い繊維強化プラスチック板となる厚い繊維混在シートをも能率よく裁断できるからである。本発明は、厚い繊維混在シートを載せ台に載せて、鋭角の刃先で軟質層を切断すると、鋭い刃先は繊維混在シートを挟んで軟質層を切断して食い込み、硬い補強繊維を極めて小さい曲率半径に変形して破断する。軟質層に食い込む鋭い刃先で破断される補強繊維は、従来のように熱可塑性樹脂に埋設された状態にはなく、熱可塑性繊維と混在する状態にあるので、軟質層を切断して食い込む鋭い刃先は、熱可塑性樹脂と補強繊維の両方をＶ字状に変形して破断する。このため、繊維強化プラスチック板を厚くするために、繊維混在シートが厚くなっても、これを速やかに裁断して、厚くて所定の外形に裁断された繊維強化プラスチック板を安価に能率よく多量生産できる特徴がある。

さらにまた、以上の方法は、繊維混在シートを裁断した後、立体形状に成形するので、立体形状の繊維強化プラスチック板を製造しながら、繊維混在シートを裁断する受け台を平面状とし、また刃先をも平面に沿う形状にできる。このため、立体形状の繊維強化プラスチック板としながら、受け台と抜き型を低コストに多量生産できる特長も実現する。

本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、補強繊維をガラス繊維として、熱可塑性繊維をナイロン繊維、ＰＰ繊維、ポリカーボネート繊維、ＰＰＳ繊維の何れかとすることができる。また、本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、補強繊維をカーボン繊維として、熱可塑性繊維をナイロン繊維、ＰＰ繊維、ポリカーボネート繊維、ＰＰＳ繊維の何れかとすることができる。

本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、成形工程において、複数枚の裁断シート１１を積層して金型２０で成形して、厚い繊維強化プラスチック板を製造できる。

本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、受け台１の表面に、ゴム状弾性体または軟質プラスチックからなる軟質シート８を積層して軟質層１Ａとすることができる。また、本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、軟質シート８の厚さを５ｍｍ以上であって３０ｍｍ以下とすることができる。

本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、抜き型３の刃先４の刃面傾斜角（α）を５度よりも大きくて４５度よりも小さくすることができる。

本発明の一実施例にかかる繊維強化プラスチック板の製造方法における裁断工程に使用する裁断装置の一例を示す概略断面図である。 裁断工程に使用する裁断装置の他の一例を示す概略断面図である。 裁断工程に使用する裁断装置の他の一例を示す概略断面図である。 本発明の一実施例にかかる繊維強化プラスチック板の製造方法における成形工程に使用する成形装置の一例を示す概略断面図である。 図４に示す成形装置を使用して裁断シートから繊維強化プラスチック板を成形する状態を示す断面図である。 抜き型が繊維混在シートを裁断する状態を示す拡大断面図である。 図６に示す抜き型の刃先が補強繊維を破断する状態を示す拡大断面図である。 図６に示す抜き型の刃先が熱可塑性繊維を切断する状態を示す拡大断面図である。 抜き型の他の一例を示す拡大端面図である。 従来の繊維強化プラスチック板を裁断する裁断装置の概略断面図である。 図１０に示す裁断装置が繊維強化プラスチック板を裁断する状態を示す概略断面図である。 図１０に示す裁断装置が繊維強化プラスチック板を裁断する状態を示す概略断面図である。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための繊維強化プラスチック板の製造方法を例示するものであって、本発明は製造方法を以下の方法には特定しない。さらに、この明細書は、特許請求の範囲を理解しやすいように、実施例に示される部材に対応する番号を、「特許請求の範囲」および「課題を解決するための手段の欄」に示される部材に付記している。ただ、特許請求の範囲に示される部材を、実施例の部材に特定するものでは決してない。

本発明の製造方法は、外形を所定の形状に裁断して、さらに用途に適した立体形状に成型している繊維強化プラスチック板を製造する。製造された繊維強化プラスチック板は、成形工程で熱溶融して立体形状に成型された熱可塑性樹脂に、成形工程で加熱されて熱溶融されない補強繊維を埋設している。補強繊維は、加熱成型工程において熱溶融されない繊維であって、ガラス繊維やカーボン繊維、アラミド繊維（ケブラー繊維）が使用される。ただ、補強繊維は、加熱成形工程で溶融されない他の繊維も使用できる。繊維強化プラスチック板の熱可塑性樹脂は、ナイロン、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ＰＰＳ等であるが、繊維状に加工できる他の全ての熱可塑性樹脂も使用できる。

本発明の製造方法は、板状に成形した熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設する状態で外形を裁断するのではない。本発明は、所定の立体形状の繊維強化プラスチック板に成形する成形工程と、所定の外形に裁断する裁断工程とで、立体形状の繊維強化プラスチック板を製造する方法であるが、裁断工程を成形工程の前工程とし、裁断工程においては熱可塑性繊維と補強繊維とを混在してシート状としている繊維混在シートを裁断する。

裁断工程は、熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で繊維混在シートとする。繊維混在シートは、熱可塑性繊維と補強繊維とを編組して織布とし、あるいは熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で方向性なく集合して所定の厚さの不織布として製作される。繊維混在シートは、製品の外形に裁断され、その後、成形工程で加熱されて立体形状に成型される。

織布は、熱可塑性繊維と補強繊維の両方の繊維を混在する状態で所定の厚さに編組して自由に変形できる可撓性のある繊維混在シートとされる。不織布は、連続的に移動するベルトの上に、熱可塑性繊維と補強繊維とを水平面内で方向性なく供給して所定の厚さに集合して自由に変形できる可撓性のある繊維混在シートとする。裁断された繊維混在シートは、金型の成形室でプレス状態で加熱されるが、このとき補強繊維は溶融されず、熱可塑性繊維のみが加熱溶融されて立体形状の板状に成形される。立体形状の板状に成形された熱可塑性樹脂には補強繊維が埋設される。

繊維混在シートは、熱可塑性繊維と補強繊維を紡績して紡績糸とし、あるいは熱可塑性繊維と補強繊維とを混和して混紡糸や交撚糸として織布や不織布として製作される。この状態で製作される繊維混在シートは、熱可塑性繊維と補強繊維を密に混在させてシート状にできるので、熱可塑性繊維を溶融する状態で、熱可塑性樹脂に密に結合するように補強繊維を埋設して補強できる特徴がある。ただ、繊維混在シートは、編組する繊維に、熱可塑性繊維と補強繊維とを交互に使用して織布とすることができ、また、立体的に集合する繊維に、熱可塑性繊維と補強繊維とを混合して使用して製作することもできる。織布の繊維混在シートは、複数枚を積層して厚さを調整でき、不織布の繊維混在シートは熱可塑性繊維と補強繊維とを集合する厚さを調整して厚さをコントロールできる。

繊維混在シートは、熱可塑性繊維と補強繊維との混合率を調整して、繊維強化プラスチック板に埋設する補強繊維の重量比をコントロールする。繊維混在シートにおける補強繊維の混合率は、たとえば、３重量％以上であって５０重量％以下、好ましくは５重量％以上であって４０重量％以下、さらに好ましくは５重量％以上であって３０重量％以下とする。繊維強化プラスチック板は、補強繊維の混合率を高くして強度を向上できる。したがって、強度が要求される用途に使用される繊維強化プラスチック板は、補強繊維の混合率を高く、比較的強度の要求されない用途の繊維強化プラスチック板にあっては補強繊維の混合率を低くする。

繊維混在シート１０は、裁断工程において、図１〜図３に示すように、抜き型３の刃先４で切断される表面軟質の受け台１に載せて、抜き型３で打ち抜きして裁断される。繊維混在シート１０を裁断する抜き型３の刃先４は、裁断縁１１Ａに沿う閉ループ状に形成されて、受け台１に押し付けられて繊維混在シート１０を打ち抜きして製品の外形に裁断する。裁断工程で裁断された裁断シート１１は、成形工程において、図４と図５に示すように、金型２０の成形室２１に仮止めされて所定の立体形状に成形される。この成形工程において、裁断シート１１は加熱されて熱可塑性繊維を溶融し、補強繊維を溶融せず、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して所定の立体形状に成形された繊維強化プラスチック板となる。

図１〜図３の裁断装置は、繊維混在シート１０を載せて抜き型３で裁断する裁断面２を上面に有する受け台１と、この受け台１の裁断面２に向かって往復運動して、裁断面２にセットしている繊維混在シート１０を打ち抜きする抜き型３と、この抜き型３を往復運動させる刃物駆動機構５とを備える。受け台１は、表面に刃物で切断される軟質層１Ａを設けて、裁断面２を刃物で切断される軟質層１Ａとしている。抜き型３は、製品となる裁断シート１１の外周縁または内周縁となる裁断縁１１Ａに沿って所定の長さの非直線状に打ち抜きする刃先４を有する。

受け台１は金属プレート１Ｂの表面に、抜き型３の刃先４で切り込まれる軟質層１Ａを積層している。図１〜図３の受け台１は、裁断面２を平面状として、表面にゴム状弾性体や軟質プラスチックシート等の軟質シート８を積層して表面に軟質層１Ａを設けている。受け台１は、樹脂、ゴムプレートとして表面に軟質層１Ａを設ける構造、すなわち表面軟質を実現することもできる。図の受け台１は、裁断面２の上に軟質シート８を積層して表面に軟質層１Ａを設けている。軟質シート８は厚さを５ｍｍ〜３０ｍｍとするゴム状弾性体である。表面軟質の受け台１は、抜き型３で繊維混在シート１０を打ち抜き加工する状態で、抜き型３の刃先４で軟質シート８を切断して刃先４を軟質層１Ａに食い込ませて、繊維混在シート１０の補強繊維と熱可塑性繊維を裁断する。

抜き型３は、炭素の含有量を０．５％〜０．７％とする板状の炭素鋼で製作される。抜き型３は、好ましくは厚さを２ｍｍないし５ｍｍの板状炭素鋼で製作する。ただし、抜き型３は、その厚さを１ｍｍよりも厚くて１０ｍｍより薄い板状炭素鋼とすることもできる。抜き型３は、薄すぎると打ち抜き加工の衝撃で破損しやすく、厚すぎると裁断されて抜き型３の内側に挿入される裁断物をスムーズに抜き取りできなくなる。

抜き型３は、板状炭素鋼を焼き入れする前工程で折曲し、あるいは湾曲して、裁断される裁断シート１１の裁断縁１１Ａに沿う形状に加工している。抜き型３に最適な炭素鋼は炭素の含有量を０．６％とする。ただ、炭素の含有量を前述の範囲とするものも使用できる。抜き型３の炭素鋼は、炭素の含有量を多くして硬くできる。ただ、炭素の含有量が多くなると脆くなるので、硬さと脆さとを考慮して前述の範囲で最適な値とする。

刃先４を裁断シート１１の裁断縁１１Ａに沿う形状に加工している抜き型３は、刃先４を閉ループとして、閉ループの刃先４で繊維混在シート１０を打ち抜き加工して裁断シート１１を分離する。板状炭素鋼を閉ループに加工している板状の炭素鋼は、先端縁を研磨して刃先４を設ける。抜き型３は、板状炭素鋼の片面を傾斜するように研磨して鋭角の刃先４を設けた後、焼き入れして硬化させる。図１と図２の抜き型３は、図６に示すように、刃先４の長手方向に直交する横断面形状における先端の角度、すなわち刃面傾斜角（α）を約３０度とするように板状炭素鋼を研磨している。板状炭素鋼は砥石やヤスリで研磨して刃先４を設けることができる。

抜き型３は、刃面傾斜角（α）が大きくても小さくても、繊維混在シート１０の裁断能力は低下する。したがって、抜き型３の刃面傾斜角（α）は、５度よりも大きく、好ましくは１５度よりも大きくする。さらに、抜き型３の刃面傾斜角（α）は、４５度よりも小さく、好ましくは４０度よりも小さくする。

抜き型３が繊維混在シート１０を裁断する状態を図６〜図８の断面図に示している。図６に示すように、抜き型３は、刃先４で軟質層１Ａを切断して繊維混在シート１０を裁断する。この図６は、鋭角の刃先４が軟質層１Ａを切断して表面から内部に食い込んだ状態を示している。さらに、図７は、鋭角の刃先４が繊維混在シート１０の補強繊維を破断する状態を、図８は、鋭角の刃先４が繊維混在シート１０の熱可塑性繊維を切断する状態をそれぞれ示している。図７に示すように、鋭い刃先４が表面の軟質層１Ａに食い込むと、硬くて折れやすいガラス繊維などの補強繊維１０ａは、刃先４と弾性変形した軟質層１Ａに挟まれて、小さい半径で強く折り曲げられて破断される。また、図８に示すように、鋭角の刃先４は、熱可塑性繊維１０ｂを軟質層１Ａとの間に挟んで切断する。

図６の抜き型３は、刃先４に向かって刃面傾斜角（α）が次第に大きくなる形状としている。この抜き型３は、刃先４の刃面傾斜角（α）を大きくして刃先４の損傷を防止でき、また、くさび部３Ａの刃面傾斜角（α）を小さくして、繊維混在シート１０の表面にできる割れ目にくさび部３Ａをスムーズに挿入して、繊維混在シート１０をより効率よく裁断できる。

抜き型３は、焼き入れした板状炭素鋼を独特の硬度に焼き入れして、先端縁に刃先４を設けている。この抜き型３は、補強繊維と熱可塑性繊維とを先鋭な刃先４でもって鋏のように切断するのではない。硬くて強靭な補強繊維１０ａは、図７に示すように、刃先４と切断された軟質層１Ａとで挟み、補強繊維を小さい半径で強く折り曲げて破断する。熱可塑性繊維１０ｂは、図８に示すように、鋭角の刃先４と軟質層１Ａとで挟んで切断する。

図１と図２の抜き型３は、刃先４を片刃としている。繊維混在シート１０を抜き型３で打ち抜き加工すると、製品となる裁断シート１１と、廃棄される廃棄部１３とに分離される。図１の抜き型３は、繊維混在シート１０を打ち抜き加工して、抜き型３の内側に裁断シート１１を裁断する。この抜き型３は、外側を傾斜面４Ｂとする片刃で、抜き型３の内側に打ち抜かれる部分を裁断シート１１、抜き型３の外側に分離される部分を廃棄部１３としている。図２の抜き型３は、繊維混在シート１０に貫通孔１２を設けるように打ち抜き加工する。この抜き型３は、内面が傾斜面４Ｂの片刃で、貫通孔１２として打ち抜かれる部分を廃棄部１３、貫通孔１２の外側を裁断シート１１として、裁断シート１１の裁断縁１１Ａを綺麗に裁断できる。さらに、抜き型３は、図３に示すように、刃先４を、両面を傾斜面４Ｂとする両刃とすることもできる。

さらに、抜き型３は、図６の拡大断面図に示すように、刃先４に向かって刃面傾斜角（α）を次第に大きくしている。刃先４に向かって刃面傾斜角（α）を大きくするのは、刃先４でもって硬くて強靭な繊維混在シート１０を効率よく裁断しながら、刃先４の損傷を防止するためである。図６の拡大断面図に示す抜き型３は、片刃の傾斜面４Ｂを湾曲するように研磨して、刃先４に向かって刃面傾斜角（α）を次第に大きくしている。抜き型３は、図９の拡大断面図に示すように、刃先４に向かって段階的に刃面傾斜角（α）が大きくなるように研磨することもできる。

板状炭素鋼の抜き型３は、先端縁を研磨して刃先４を設けた状態で、刃先４のＨＲＣ硬度を約６５とするように焼き入れする。刃先４の硬度は硬くして寿命を長くできるが、硬すぎると脆くなって打ち抜き加工時に損傷しやすくなる。したがって、抜き型３は、刃先４のＨＲＣ硬度が６４よりも高くて、６６よりも低くなるように焼き入れする。焼き入れ後の刃先４の硬度は、焼き入れ温度でコントロールする。焼き入れの温度を高くして刃先４の硬度を高くでき、温度を低くして硬度を低くできる。たとえば、炭素鋼は、焼き入れ温度を８００℃〜９００℃で焼き入れして、ＨＲＣ硬度を前述の範囲とする。焼き入れ後のＨＲＣ硬度を６５とする抜き型３は、焼き入れ温度を８５０℃として、この硬度とすることができる。

刃物駆動機構５は、抜き型３を上下に往復運動させて、受け台１の裁断面２に載せている繊維混在シート１０を抜き型３で打ち抜き加工して裁断する。刃物駆動機構５は、抜き型３を固定する上下台６と、この上下台６を上下に往復運動させるシリンダ７とを備えている。抜き型３は上下台６の下面に固定され、上下台６をシリンダ７で上下に往復運動されて、受け台１に載せている繊維混在シート１０を打ち抜き加工する。すなわち、抜き型３を刃物駆動機構５で往復運動させて、受け台１の裁断面２に配置している繊維混在シート１０を受け台１と抜き型３で挟んで、裁断シート１１の裁断縁１１Ａに沿って打ち抜きして裁断する。

所定の外形に裁断された裁断シート１１は、図４に示すように、金型２０の成形室２１に仮止めされ、その後、図５に示すように、金型２０でプレス状態で加熱され、熱可塑性繊維を溶融して熱可塑性樹脂を立体形状に成形する。このとき、補強繊維は溶融されず、立体形状に成形された熱可塑性樹脂に埋設される。図４と図５の成形装置は、上下に配置している一対の金型２０と、上金型２０Ａを上下に往復運動させるアクチュエーター２２を備える。上下の金型２０の間に成形室２１を設けている。下金型２０Ｂは裁断シート１１をセットする凹部２３を有し、上金型２０Ａは凹部２３に挿入される凸部２４を有する。アクチュエーター２２が凸部２４が凹部２３に挿入して、凹部２３と凸部２４との間に裁断シート１１を成形する成形室２１が形成される。成形室２１は、凹部２３にセットされた裁断シート１１をプレス状態で加熱して、熱可塑性繊維を溶融して立体形状の板状に成形する。上金型２０Ａは裁断シート１１を加熱して冷却する冷媒通路２５を設けている。冷媒通路２５は、凸部２４を凹部２３に挿入して、裁断シート１１をプレスする状態で、加熱蒸気が供給されて上金型２０Ａを加熱して熱可塑性繊維を溶融して立体形状に成形する。この加熱状態で補強繊維は溶融されず、溶融された熱可塑性樹脂に埋設される状態となる。その後、冷媒通路２５に水等の冷媒を供給して上金型２０Ａを冷却し、立体形状に成形された熱可塑性繊維を冷却する。熱可塑性繊維が冷却されて立体形状に硬化された状態で、アクチュエーター２２で凸部２４を凹部２３から引き上げて、成形された繊維強化プラスチック板を成形室２１から取り出して製品とする。裁断シート１１の成形工程は、補強繊維を熱で溶融することなく、熱可塑性樹脂を溶融して立体形状の板状に成形し、板状に成形された熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して、繊維強化プラスチック板とする。

本発明は補強繊維を熱可塑性樹脂に埋設してなる立体形状の繊維強化プラスチック板を安価に多量生産して、軽くて強靭な立体形状の板材として、車や航空機など種々の用途に有効に利用される。

１…受け台
１Ａ…軟質層
１Ｂ…金属プレート
２…裁断面
３…抜き型
３Ａ…くさび部
４…刃先
４Ａ…垂直面
４Ｂ…傾斜面
５…刃物駆動機構
６…上下台
７…シリンダ
８…弾性シート
１０…繊維混在シート
１０ａ…補強繊維
１０ｂ…熱可塑性繊維
１１…裁断シート
１１Ａ…裁断縁
１２…貫通孔
１３…廃棄部
２０…金型
２０Ａ…上金型
２０Ｂ…下金型
２１…成形室
２２…アクチュエーター
２３…凹部
２４…凸部
２５…冷媒通路
９０…駆動機構
９１…繊維強化プラスチック
９１Ａ…打ち抜き部
９２…裁断刃
９３…突出部
９４…補強繊維
９５…引き離し隙間
９６…凹部
９７…破断隙間
９８…雄型
９９…雌型
１００…裁断面

Claims (8)

1. 所定の立体形状に成形してなる繊維強化プラスチック板とする成形工程と、所定の外形に裁断する裁断工程とで、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設してなる立体形状の繊維強化プラスチック板を製造する方法であって、
   前記裁断工程を前記成形工程の前工程とすると共に、
   前記裁断工程においては、熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で編組した織布からなる可撓性のある繊維混在シート(10)とし、
   この繊維混在シート(10)を、表面が抜き型(3)の刃先(4)で切断される軟質層(1A)とする受け台(1)に載せ、
   前記繊維混在シート(10)の裁断縁に沿う閉ループ状に形成され、かつ炭素鋼を焼き入れしてなる鋭角の刃先(4)を有する抜き型(3)を前記受け台(1)に押し付けて前記繊維混在シート(10)を打ち抜き加工して所定の外形の裁断シート(11)に裁断し、
   前記裁断工程で裁断された裁断シート(11)を金型(20)の成形室(21)で所定の立体形状に成形し、加熱して補強繊維を溶融することなく熱可塑性繊維を溶融して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して所定の立体形状に成形された繊維強化プラスチック板とすることを特徴とする繊維強化プラスチック板の製造方法。
2. 所定の立体形状に成形してなる繊維強化プラスチック板とする成形工程と、所定の外形に裁断する裁断工程とで、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設してなる立体形状の繊維強化プラスチック板を製造する方法であって、
   前記裁断工程を前記成形工程の前工程とすると共に、
   前記裁断工程においては、熱可塑性繊維と補強繊維を混在状態で水平面内において方向性なく集合して所定の厚さとしてなる不織布からなる可撓性のある繊維混在シート(10)とし、
   この繊維混在シート(10)を、表面が抜き型(3)の刃先(4)で切断される軟質層(1A)とする受け台(1)に載せ、
   前記繊維混在シート(10)の裁断縁に沿う閉ループ状に形成され、かつ炭素鋼を焼き入れしてなる鋭角の刃先(4)を有する抜き型(3)を前記受け台(1)に押し付けて前記繊維混在シート(10)を打ち抜き加工して所定の外形の裁断シート(11)に裁断し、
   前記裁断工程で裁断された裁断シート(11)を金型(20)の成形室(21)で所定の立体形状に成形し、加熱して補強繊維を溶融することなく熱可塑性繊維を溶融して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設して所定の立体形状に成形された繊維強化プラスチック板とすることを特徴とする繊維強化プラスチック板の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載される繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
   前記補強繊維がガラス繊維で、前記熱可塑性繊維をナイロン繊維、ＰＰ繊維、ポリカーボネート繊維、ＰＰＳ繊維の何れかとする繊維強化プラスチック板の製造方法。
4. 請求項１又は２に記載される繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
   前記補強繊維がカーボン繊維で、前記熱可塑性繊維をナイロン繊維、ＰＰ繊維、ポリカーボネート繊維、ＰＰＳ繊維の何れかとする繊維強化プラスチック板の製造方法。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載される繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
   前記成形工程において、複数枚の裁断シート(11)を積層して金型(20)で成形することを特徴とする繊維強化プラスチック板の製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載される繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
   前記受け台(1)に、上面にゴム状弾性体または軟質プラスチックからなる軟質シート(8)を積層して軟質層(1A)としてなることを特徴とする繊維強化プラスチック板の製造方法。
7. 請求項６に記載される繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
   前記軟質シート(8)の厚さを５ｍｍ以上であって３０ｍｍ以下としてなることを特徴とする繊維強化プラスチック板の製造方法。
   
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載されるに繊維強化プラスチック板の製造方法であって、
   前記抜き型(3)の刃先(4)の刃面傾斜角（α）を５度よりも大きくて４５度よりも小さくしてなる繊維強化プラスチック板の製造方法。

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