JP2017030169A - 複合材料成形品の成形方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】金型キャビティ内の樹脂材料の流れで、折損せずに長い強化繊維が成形品に残るようにすることにより、高強度の成形品を得ることのできる複合材料成形装置の提供。
【解決手段】連続強化繊維が投入される投入口を母材の供給口とは異なる位置に有する射出装置１２と、成形品の第１層を成形する第１の固定金型２２ａと、第２層を成形する第２の固定金型２２ｂと、第１の固定金型と第２の固定金型の各々と互換的に組み合わされる移動金型２３ａ、２３ｂと、からなる金型装置と、型開したときに、固定金型と移動金型との組み合わせを入れ替える金型入れ替え機構２５と、金型装置の開閉および型締を行う型締装置１４と、を備え、金型装置１４は、第１層のキャビティに第１の方向から母材に連続強化繊維が混合された成形材料を充填する第１の流路と、第１の方向とは異なる方向から第２層のキャビティに成形材料を充填する第２の流路を有する複合材料成形装置。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、炭素繊維などの強化繊維が混入される複合材料成形品の成形方法および装置に関する。

射出成形法では、炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維が母材の樹脂に混入された複合材料が用いられることがある。複合材料を用いることにより、成形品の機械的強度の強化や軽量化を図ることができる。
強化繊維を混入した樹脂を射出成形する場合、強化繊維には樹脂の流れ方向に配向する傾向があり、成形品にそりが発生したり、特定方向の強度が弱くなるといった問題がある。このため、複合材料を用いる射出成形では、成形品のそりや強度の方向性の欠点を改善するために、従来から、様々な改良が加えられている。

例えば、特許文献１では、金型キャビティに繊維入り樹脂材料を最初に充填した後、金型キャビティを広げてから、最初の樹脂の流れ方向に対して交差する方向から繊維入り樹脂材料を充填し、層状の成形品を成形する射出成形方法が開示されている。

また、特許文献２では、繊維材を含む基材層を成形する第１の射出装置と、繊維材を含む表層を成形する第２の射出装置からなる２台の射出装置を用い、第１の射出装置の樹脂成形材料と、第２の射出装置の樹脂成形材料とで、繊維材の配合比率が異なるようにした成形方法が開示されている。

特開昭６３−３１５２１８号公報 特開２０１１−１７３３４４号公報

しかしながら、特許文献１の成形方法では、射出装置に供給する材料には、あらかじめ強化繊維が混入されているペレットが使用されている。また、特許文献２の成形方法では、強化繊維フィラメントの束を所定の長さに切断したチョップド繊維が材料に用いられている。

このような強化繊維入りのペレットや、チョップド繊維入りの樹脂成形材料は、もともと繊維の長さが短いので、キャビティに充填した時に、繊維折損が発生し易い。このために、長い繊維が残らずに、強化繊維による所期の目的を達成できないという問題がある。

本発明は、前記従来技術の有する問題点に鑑みなされたものであって、金型キャビティ内の樹脂材料の流れ方向を１層目の射出工程と２層目の射出工程とで変えて成形し、折損せずに長い強化繊維が成形品に残るようにすることにより、高強度の成形品を得られるようにした複合材料成形品の成形方法および装置を提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明に係る複合材料成形品の成形装置は、連続強化繊維が投入される投入口を母材の供給口とは異なる位置に有するバレルと、前記バレル内に収容されるスクリュと、を有する射出装置と、成形品の第１層を成形する第１の固定金型と、第２層を成形する第２の固定金型と、前記第１の固定金型と第２の固定金型の各々と互換的に組み合わされる移動金型と、からなる金型装置と、型開したときに、固定金型と移動金型との組み合わせを入れ替える金型入れ替え機構と、前記金型装置の開閉および型締を行う型締装置と、を備え、前記金型装置は、前記第１層のキャビティに第１の方向から前記母材に前記連続強化繊維が混合された成形材料を充填する第１の流路と、前記第１の方向とは異なる方向から前記第２層のキャビティに前記成形材料を充填する第２の流路と、を有することを特徴とするものである。

また、本発明に係る複合材料成形品の成形方法は、上記の複合材料成形装置を用い、射出工程は、前記第１層のキャビティに前記第１の流路から第１の方向に前記成形材料を射出する第１の射出工程と、前記第１層からなる中間成形品に重ねるようにして前記第２層のキャビティには前記第２の流路から第１の方向とは異なる方向に成形材料を射出する第２の射出工程と、を有し、前記第１層と前記第２層とで強化繊維の配向方向が異なるように積層された複合材料成形品を成形することを特徴とするものである。

本発明の一実施形態による複合材料成形品の成形方法を実施するための射出成形機の概要を示す側面図である。 図１の射出成形機の射出装置を示す横断面図である。 本発明の実施形態による複合材料成形品の成形に使用する二組の金型を示す断面図である。 本発明の実施形態による複合材料成形品の成形工程を示す金型の断面図である。

以下、本発明による複合材料成形品の成形方法および装置の一実施形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態による複合材料成形品の成形方法を実施する射出成形機１０の概要を示す図である。この射出成形機１０は、射出装置１２と、型締装置１４と、から構成されている。

まず、型締装置１４について説明する。この型締装置１４では、固定ダイプレート（固定盤）１５と、リンクハウジング（受圧盤）１６との間に、移動ダイプレート（可動盤）１７が配置されている。固定ダイプレート１５と、リンクハウジング１６とは、複数の（例えば、４本の）タイバー２１によって連結されている。

この実施形態では、樹脂に強化繊維を混合した複合材料からなる２層を積層した成形品を成形するために、２組の金型２２、２４が用いられている。このうち、第１の金型２２は、固定金型２２ａと移動金型２３ａ（または移動金型２３ｂ）とからなり、成形品の第１層を成形するための金型である。第２の金型２４は、固定金型２２ｂと移動金型２３ｂ（または移動金型２３ａ）とからなり、第２層を成形するための金型である。固定金型２２ａ、２２ｂは、固定ダイプレート１５に取り付けられ、移動金型２３ａ、２３ｂは、ロータリー式の旋回ダイプレート（中間盤）２５を介して、移動ダイプレート１７に取り付けられている。なお、ロータリー式の旋回ダイプレート２５については後述する。

型締装置１４には、金型開閉機構として、トグルリンクリンク機構１８が設けられている。トグルリンク機構１８は、リンクハウジング１６と、移動ダイプレート１７とを連結している。このトグルリンク機構１８は、クロスヘッド２７を備えており、このクロスヘッド２７には、ナット部２８が設けられており、サーボモータ２９によって駆動されるボールねじ２６がナット部２８に螺合するようになっている。

図１では、トグルリンクリンク機構１８が伸びて型閉じされた状態が示されている。サーボモータ２９によって駆動されて、クロスヘッド２７が図１において右方に移動すると、トグルリンク機構１８が伸び、移動ダイプレート１７は前進して型閉動作が行われる。そして、トグルリンク機構１８をさらに伸ばすことで、タイバー２１が伸びて大きな型締力が発生する。逆に、クロスヘッド２７が図１において左方に移動すると、トグルリンク機構２６が屈曲されるので、移動ダイプレート１７は後退して、型開動作が行われる。

次に、射出装置１２について説明する。この実施形態の場合、２組ある第１の金型２２、第２の金型２４に同時に成形材料を射出できるように、射出装置１２は２台並列に設置されている。なお、射出装置１２は同一の構成である。

図２は、射出装置１２の構成を示す。この実施形態では、予備可塑化式の射出装置１２が用いられている。この射出装置１２は、成形材料を溶融および混練・混合して送り出す可塑化装置３０と、溶融した成形材料の計量と金型内のキャビティへの射出を行う射出部３２と、を有している。
可塑化装置３０のバレル３３には、スクリュ３４が挿入されている。このスクリュ３４の外周には、フライト３１が螺旋状に設けられている。また、バレル３３には、例えば、ペレット状に加工された樹脂ペレット６０をバレル３３内に投入するためのホッパ（母材の供給口）３５が設けられている。またバレル３３の外周部には、加熱ヒータ３６が配置されている。

スクリュ３４の後端部には、プーリ３８ａが取り付けられ、スクリュ駆動モータ３７にはプーリ３８ｂが取り付けられている。スクリュ駆動モータ３７は、プーリ３８ａ、３８ｂに巻き掛けられたベルト３９を介してスクリュ３４を回転させる。

本実施形態の可塑化装置３０では、強化繊維を母材の樹脂に混合（混入）するため、バレル３３には、加熱ヒータ３６の下流側の位置に強化繊維の繊維束６６を投入する投入口４０が開口するようになっている。投入口４０としては、溶融樹脂に含まれる揮発成分を排気するためにバレル３３に設けられているベント孔を利用することができる。加熱ヒータ３６による加熱とスクリュ３４の回転によって溶融した樹脂は、投入口４０から投入される強化繊維と混合されながら、バレル３３の前方に送られることになる。バレル３３の先端部は、射出部３２を構成している射出シリンダ５０と連結されている。

可塑化装置３０から射出シリンダ５０に送り出された成形材料、この場合、樹脂に強化繊維が混入した成形材料は、駆動シリンダ５２によって射出プランジャ５１を前進させることで、ノズル４２から金型内に射出されるようになっている。

次に、成形品を成形する金型について、図３を参照しながら説明する。図３（ａ）は、ロータリー式の旋回ダイプレート２５と固定ダイプレート１５に取り付けられている第１の金型２２と第２の金型２４の断面を示す。図３（ｂ）は、第１金型２２の固定金型２２ａにおけるキャビティ成形面を示し、図３（ｃ）は、第２金型２４の固定金型２２ｂにおけるキャビティ成形面を示している。

本実施形態では、第１金型２２と第２金型２４とからなる２組の金型を使用して、２層積層構造の成形品が成形される。第１金型２２では、固定金型（第１の固定金型）２２ａと移動金型２３ａ（または移動金型２３ｂ）とによって、第１層からなる中間成形品６２を形成する第１のキャビティ５４が形成されている。第２金型２４では、移動金型２３ｂ（または移動金型２３ａ）に中間成形品６２が残った状態で、この移動金型２３ｂ（または移動金型２３ａ）と固定金型（第２の固定金型）２２ｂとによって、中間成形品６２に重ねるようにして第２層が積層される最終の成形品を成形する第２のキャビティ５５が形成されている。

この実施形態の場合、図１に示されるように、移動金型２３ａ、２３ｂは、ロータリー式の旋回ダイプレート２５に旋回軸４４に関して１８０°対称な位置に取り付けられている。移動金型２３ａ、２３ｂは、同一形状の金型である。旋回ダイプレート２５は、旋回駆動機構４６によって駆動されて１８０°旋回することができるようになっている。これら旋回ダイプレート２５と旋回駆動機構４６によって、金型入れ替え機構が構成されている。

図３（ｂ）、図３（ｃ）に示されるように、１層目を成形する固定金型２２ａと、２層目を成形する固定金型２２ｂとでは、成形材料の流れ方向が直交する（直角に交差する）ようにそれぞれ成形材料の流路が設定されている。

第１層用の固定金型２２ａの場合、成形材料が第１のキャビティ５４内を、例えば、矢印Ａの方向に向かって流れるように、流路６５が設定されている。これに対して、第２層用の固定金型２２ｂの場合には、矢印Ａと直交する方向の矢印Ｂ方向に成形材料が第２のキャビティ５５内を流れるように、方向、形状の異なる流路６６が設定されている。

次に、以上のような射出成形機を用いて実施する複合材料成形品の成形方法について説明する。

まず、成形に使用される材料について説明する。
母材となる樹脂は、例えば、ナイロン系樹脂、ポリカーボネイト系樹脂、ポリプロピレン系樹脂、ポリエチレン系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＢＳ系樹脂等、各種の樹脂が用いられる。図２に示されるように、これらの樹脂は、樹脂ペレット６０に加工されてホッパ３５から可塑化装置３０のバレル３３内に投入される。

樹脂に混入される強化繊維（強化材）には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、植物繊維等があり、いずれも強化繊維として用いることが可能である。
強化繊維には、繊維の形態の観点から分けると、綿のように単繊維の塊になっているものと、繊維が糸のように連続する連続繊維（長繊維）と、がある。本実施形態で用いられるのは、連続繊維の形態をなしている強化繊維である。炭素繊維の場合であれば、例えば、太さが５−７μｍ程度の連続繊維を数万本から十数万本束ねて繊維束にしたものが用いられる。

図２に示されるように、このような強化繊維からなる繊維束６６は、リール６８から可塑化装置３０のバレル３３に向かって繰り出され、投入口４０から連続繊維の状態のままでバレル３３に投入される。

他方、樹脂ペレット６０は、加熱ヒータ３６の熱によって溶融されながら、回転するスクリュ３４によって前方に向かって送られ、母材の樹脂の溶融、混練が行われる。このとき、投入口４０から、強化繊維の繊維束６６がバレル３３内に送り込まれると、繊維束６６は、回転しているスクリュ３４のフライト３１に絡みつき、バレル３３内部に引き込まれていく。

そして、繊維束６６を形成している繊維は、フライト３１とバレル３３の内面の間に挟まったときに受けるせん断力によって切断されながら、溶融した樹脂中に分散していく。この場合、繊維束６６には連続繊維を用いているので、混入した後も細かく折損されずに強化繊維の長さを確保することが可能である。

このようにして、可塑化装置３０では、強化繊維と樹脂との混練が行われる。強化繊維が混合された溶融樹脂、すなわち複合材料は、バレル３３の先端部に送られ、さらにバレル３３の先端部から射出シリンダ５０の内部に押し出される。

次に、図４は、ロータリー式の旋回ダイプレート２５を旋回させ、金型の組み合わせを入れ替えながら行う射出工程を説明する図である。
図４（ａ）は、第１層からなる最初の中間成形品６２を成形するときの射出工程を示す。図４（ｂ）は、図４（ａ）の位置から旋回ダイプレート２５を１８０°旋回させたときの射出工程を示している。図４（ｃ）は、中間成形品６２と、最終の成形品６８を同時に成形する射出工程を示している。

図４（ａ）において、最初の段階で型締めされたときには、ロータリー式の中間ダイプレート２５に取り付けてある移動金型２３ａ、２３ｂのうち、移動金型２３ａは固定金型２２ａと組み合わされて、中間成形品６２を成形する第１のキャビティ５４を形成している。他方の移動金型２３ｂと固定金型２２ｂとは最終の成形品６８を成形する第２のキャビティ５５を形成している。この段階では、第２のキャビティ５５には中間成形品６２は入っていない。

型締めした後、２台ある射出シリンダ５０ａ、５０ｂのうち、第１金型２２側の射出シリンダ５０ａから流路６５を通って成形材料が第１のキャビティ５４に射出充填される。このとき、第２金型２４側の射出シリンダ５０ｂからは、成形材料は第２のキャビティ５５に充填されない。その後、保圧を経て成形材料が硬化すると、第１金型２２で成形された中間成形品６２が移動金型２３ａに付着した状態で型開が行われる。

このような中間成形品６２では、図３（ｂ）に示されるように、強化繊維の混合した成形材料が矢印Ａ方向から第１のキャビティ５４に流入するので、強化繊維の配向もこの方向になる。

型開が完了すると、ロータリー式の旋回ダイプレート２５が１８０°旋回し、移動金型２３ａ、２３ｂの位置が入れ替わる。型締めした後は、図４（ｂ）に示されるように、移動金型２３ｂは固定金型２２ａと組み合わされて、中間成形品６２を成形する第１のキャビティ５４を形成し、移動金型２３ａが中間成形品６２を付着させたまま固定金型２４ａと最終の成形品６８用の第２のキャビティ５５を形成することになる。

次に、図４（ｃ）に示されるように、２台の射出シリンダ５０ａ、５０ｂから強化繊維の混合した成形材料が、それぞれ第１金型２２内の第１のキャビティ５４、第２金型２４内の第２のキャビティ５５に同時に射出される。この段階の射出工程では、中間成形品６２と最終の成形品６８とが同時に成形される。

最終の成形品６８では、図３（ｃ）に示されるように、強化繊維の混合した成形材料が、中間成形品６２の場合とは直交する方向から流路６６を通って第２のキャビティ５５に流入する。このため、強化繊維の配向は、第１層とは直角に交差する方向になる。

最終の成形品６８では、折損せずに長い強化繊維が残るようになり、しかも第１層と第２層とで長い強化繊維の配向が交差しているので、方向に因らずに曲げ強度や弾性率などが大幅に向上した高強度の成形品を得ることができる。

以後、型開きを行って、最終の成形品６８を取り出す。その後は、旋回ダイプレート２５を旋回させ、移動金型２３ａ、２３ｂの入れ替え、型締した後に同様の射出工程が繰り返される。このようにして１回の成形サイクルで、中間成形品６２と最終の成形品６８とを同時に効率良く成形することが可能である。
以上、本発明に係る複合材料成形品の成形方法および装置について、好適な実施形態を挙げて説明したが、本発明では、ロータリー式の金型入れ替え機構の替わりに、スライド式の中間ダイプレートに移動金型を取り付けた金型入れ替え機構を適用することも可能である。また、異なる方向の流路についても、固定金型側だけに限らず、移動金型側に形成するようにしてもよい。

１０…射出成形機、１２…射出装置、１４…型締装置、１５…固定ダイプレート（固定盤）、１６…リンクハウジング（受圧盤）、１７…移動ダイプレート（可動盤）、１８…トグルリンク機構、２２ａ…第１の固定金型、２２ｂ…第２の固定金型、２４ａ、２４ｂ…移動金型、２５…旋回ダイプレート、２６…ボールねじ、２７…クロスヘッド、３０…可塑化装置、３２…射出部、３３…バレル、３４…スクリュ、３５…ホッパ、４０…強化繊維の投入口、５０…射出シリンダ、５４…第１のキャビティ、５５…第２のキャビティ、６０…樹脂ペレット、６２…中間成形品、６５…第１の流路、６６…第２の流路

Claims (4)

1. 連続強化繊維が投入される投入口を母材の供給口とは異なる位置に有するバレルと、前記バレル内に収容されるスクリュと、を有する射出装置と、
   成形品の第１層を成形する第１の固定金型と、第２層を成形する第２の固定金型と、前記第１の固定金型と第２の固定金型の各々と互換的に組み合わされる移動金型と、からなる金型装置と、
   型開したときに、固定金型と移動金型との組み合わせを入れ替える金型入れ替え機構と、
   前記金型装置の開閉および型締を行う型締装置と、を備え、
   前記金型装置は、前記第１層のキャビティに第１の方向から前記母材に前記連続強化繊維が混合された成形材料を充填する第１の流路と、前記第１の方向とは異なる方向から前記第２層のキャビティに前記成形材料を充填する第２の流路と、を有することを特徴とする複合材料成形品の成形装置。
2. 前記金型入れ替え機構は、旋回軸を中心に旋回可能な旋回ダイプレートに、一対の前記移動金型が前記旋回軸に関して１８０°対称に配置されているロータリー式金型入れ替え機構であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料成形品の成形装置。
3. 前記第１の流路から前記第１層のキャビティに成形材料が流れ込む方向と、前記第２の流路から前記第２層のキャビティに成形材料が流れ込む方向とは直交することを特徴とする請求項１または２に記載の複合材料成形品の成形装置。
4. 前記請求項１乃至３のいずれかの複合材料成形装置を用い、
   射出工程は、前記第１層のキャビティに前記第１の流路から第１の方向に前記成形材料を射出する第１の射出工程と、前記第１層からなる中間成形品に重ねるようにして前記第２層のキャビティには前記第２の流路から第１の方向とは異なる方向に成形材料を射出する第２の射出工程と、を有し、
   前記第１層と前記第２層とで強化繊維の配向方向が異なるように積層された複合材料成形品を成形することを特徴とする複合材料成形品の成形方法。

Images