JP2017154476A - 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、短時間で能率よく、種々の用途に使用される繊維強化プラスチック板を製造する。【解決手段】裁断工程と成形工程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って、裁断工程を成形工程の前工程とし、裁断工程においては、可撓性の熱可塑プリプレグ１０を、表面軟質の受け台１に載せ、閉ループ状の炭素鋼からなる鋭角の刃先４の打ち抜き刃物３で打ち抜き加工して裁断シート１１に裁断し、裁断シート１１を金型２０で熱可塑性樹脂を溶融又は軟化して、所定の外形と立体形状の繊維強化プラスチック板を製造方法する。【選択図】図８

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形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いので、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を照射し、あるいは超高圧に加圧されたウォータージェットを噴射して切断するので、切断装置が極めて高額で、ランニングコストが極めて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を長くなって、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 特開２０１５−１０４７９７号公報

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９に示すように、繊維強化プラスチック板１０１を打ち抜きして裁断する雌型１０９及び雄型１０８と、この雄型１０８と雌型１０９とを相対運動させる駆動機構１１６とを備え、雌型１０９は、雄型１０８との対向面の裁断面１１７に、開口縁を繊維強化プラスチック板１０１を裁断する裁断ラインに沿う形状の裁断刃１０２とする凹部１０６を有し、雄型１０８は、雌型１０９の凹部１０６に挿入される突出部１０３を有し、この突出部１０３は、その先端縁に裁断刃１０２を設けている。さらに、突出部１０３の裁断刃１０２の外形と雌型１０９の凹部１０６の裁断刃１０２の内形との間隔を１００μｍ以下として、突出部１０３と凹部１０６との間に繊維の破断隙間１０７を設けている。突出部１０３は凹部１０６に挿入されて、突出部１０３及び凹部１０６の裁断刃１０２でもって繊維強化繊維強化プラスチックを裁断する。

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１０と図１１に示している。雄型の突出部に設けた裁断刃１０２が、繊維強化プラスチック板１０１に押し付けられると、図１０に示すように、裁断刃１０２が繊維強化プラスチック板１０１を破断して、打ち抜き部１０１Ａと繊維強化プラスチック板１０１との間に挿入される。この状態で、打ち抜き部１０１Ａは繊維強化プラスチック板１０１から引き離されて、繊維強化プラスチック板１０１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１０４が、打ち抜き部１０１Ａや繊維強化プラスチック板１０１から引き離し隙間１０５に引き出される。繊維強化プラスチック板内の補強繊維１０４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１０５に引き出される。打ち抜き部１０１Ａと繊維強化プラスチック板１０１との間の引き離し隙間１０５に引き出された補強繊維１０４は、突出部１０３がさらに凹部１０６に挿入される状態で、突出部１０３の表面と凹部１０６の内面との間の破断隙間１０７にあって、図１１の×印で示す位置、すなわち打ち抜き部１０１Ａと破断隙間１０７との境界部分と、繊維強化プラスチック板１０１と破断隙間１０７との境界部分において、すなわち、引き離し隙間１０５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１０５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１０４は、打ち抜き部１０１Ａが繊維強化プラスチック板１０１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１１の×印で示す２カ所で破損された補強繊維４は、短い切れ端の破断屑となって、打ち抜き部１０１Ａと繊維強化プラスチック板１０１から分離される。

以上の裁断装置は、突出部１０３の裁断刃１０２と、凹部１０６の裁断刃１０２は、鋏が補強繊維１０４を切断するように切断するのではなく、打ち抜き部１０１Ａと繊維強化プラスチック板１０１との間の破断隙間１０７に引き出された補強繊維１０４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１０４を破断隙間１０７の両端部で破断して、打ち抜き部１０１Ａと繊維強化プラスチック板１０１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裁断できる。しかしながら、厚い繊維強化プラスチック板を裁断すると打ち抜き刃物の刃先が損傷するので、能率よく裁断できない欠点がある。このため、裁断できる繊維強化プラスチック板の厚さに制限があり、種々の用途に使用される繊維強化プラスチック板を確実に裁断できない欠点がある。

さらに、以上の裁断装置は、立体形状に成形された繊維強化プラスチック板を切断するには、裁断刃を立体形状とする必要があり、しかも、雄型の裁断刃を雌型の裁断刃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、雄型及び雌型の裁断刃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、種々の用途に使用される繊維強化プラスチック板を裁断でき、しかも立体形状に成形された繊維強化プラスチックを製造する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

本発明の立体形状の繊維強化プラスチック板の製造方法は、外周を用途に最適な形状に裁断する裁断工程と、用途に最適な立体形状に成形する成形工程とで、所定の外形と立体形状に成形している繊維強化プラスチック板を製造する。以上の製造方法は、裁断工程を成形工程の前工程とする。裁断工程は、補強繊維に熱可塑性樹脂を含浸している可撓性のある熱可塑プリプレグ１０を、表面が打ち抜き刃物３の刃先４で切断される軟質層１Ａとする表面軟質の受け台１に載せて打ち抜き刃物３で裁断する。打ち抜き刃物３は、熱可塑プリプレグ１０の裁断縁１１Ａに沿う閉ループ状であって炭素鋼を焼き入れしてなる鋭角の刃先４を有する。成形工程は、裁断工程で裁断された裁断シート１１を金型２０で熱可塑性樹脂を溶融又は軟化して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設している、用途に適した外形と立体形状の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裁断装置を使用して、外形を複雑な形状とし、しかも立体形状に成形しされた繊維強化プラスチック板を、ランニングコストを低減し、さらにタクトタイムを著しく短縮して、短時間で能率よく多量生産できる特徴がある。

それは、以上の製造方法が、熱可塑プリプレグを加熱成形して硬い立体形状の板状とする状態で裁断するのでなく、可撓性があって自由に変形できる熱可塑プリプレグを、表面が打ち抜き刃物の刃先で切断される表面軟質の受け台に載せて、閉ループ状で鋭角の刃先で焼き入れされた炭素鋼の打ち抜き刃物を、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、熱可塑プリプレグを打ち抜きして所定の外形の裁断して裁断シートとし、熱可塑プリプレグの裁断シートを金型で加熱して、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からである。

表面軟質の受け台に、自由に変形できる熱可塑プリプレグを載せて、鋭角の刃先を押し付けると、刃先は熱可塑プリプレグ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８の拡大断面図に示すように、鋭角の鋭い刃先４で補強繊維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で、この補強繊維は、受け台１の軟質層１Ａの表面を切断して内部に食い込む鋭利な刃先４によって、小さい曲率半径で鋭角に折り曲げられて破断される。熱可塑プリプレグ１０の熱可塑性樹脂は、硬い板状に成形された状態にはなく、鋭角の刃先４と軟質層４Ａに挟まれてスムーズに切断される。すなわち、補強繊維は、鋭角の打ち抜き刃物３によって、鋏のように切断することが難しくても、軟質層１Ａを切断して表面から内部に食い込む鋭利な刃先４で強く曲げられて破断され、可撓性のある熱可塑性樹脂は鋭角で鋭利な刃先４と軟質層１Ａに挟まれて確実に切断される。

熱可塑プリプレグを加熱状態でプレスして立体形状に硬化した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、熱可塑性樹脂に補強繊維が埋設される状態で硬化して強靭な板状であるので、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、刃物による打ち抜き加工は極めて難しい。とくに、厚い繊維強化プラスチック板は打ち抜き刃物で裁断できない。これに対して、可撓性の熱可塑プリプレグは、熱可塑性樹脂による補強繊維の変形の自由度の束縛が小さく、表面軟質の受け台に載せて鋭角の刃先を押し付けると、鋭角の刃先が自由に変形できる熱可塑プリプレグ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て無理なく裁断する。

すなわち、自由に変形できる熱可塑プリプレグを挟んで軟質層の内部に食い込む刃先は、加熱成形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繊維をも強く折り曲げて破断し、熱可塑プリプレグを鋭利な刃先で確実に切断する。したがって、受け台の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て熱可塑プリプレグを確実に裁断する。このため、鋭角の刃先の打ち抜き刃物を、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、熱可塑プリプレグを確実に裁断できる。

熱可塑プリプレグを裁断する打ち抜き刃物は、炭素鋼を焼き入れして鋭角の刃先としている。この打ち抜き刃物は、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、打ち抜き刃物は、熱可塑プリプレグ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、打ち抜き刃物は、熱可塑プリプレグを、刃先で切断される表面軟質の受け台に載せて、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、熱可塑プリプレグを所定の外形に、それも正確な外形に裁断する。１回の往復運動で熱可塑プリプレグ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熱可塑プリプレグを裁断する。このため、熱可塑プリプレグ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熱可塑プリプレグを正確な外形に裁断できる。また、熱可塑プリプレグ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熱可塑プリプレグを金型で成形する方法に比較して、金型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熱可塑プリプレグを成形できる。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熱可塑プリプレグをも能率よく裁断できるからである。本発明は、厚い熱可塑プリプレグを受け台に載せて、鋭角の刃先で軟質層を切断すると、鋭い刃先は熱可塑プリプレグを挟んで軟質層を切断して食い込み、硬い補強繊維を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、熱可塑性樹脂を含浸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、熱可塑プリプレグを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、熱可塑プリプレグが厚くなっても、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、熱可塑プリプレグを裁断した後、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、熱可塑プリプレグ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、受け台と打ち抜き刃物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又はカーボン繊維として、熱可塑性樹脂をアクリル、ナイロン、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＨＴＰＥ、ポリカーボネート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、裁断工程において、複数枚の熱可塑プリプレグ１０を積層して裁断することができる。積層して裁断される熱可塑プリプレグ１０は、熱可塑プリプレグ１０の間に、打ち抜き刃物３が熱可塑プリプレグ１０を裁断する状態で圧縮変形される変形シート１５を挟んで裁断することができる。また、本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、成形工程において、複数枚の裁断シート１１を積層して金型で成形することもできる。

本発明の繊維強化プラスチック板の製造方法は、受け台１１が、上面にゴム状弾性シートを積層して表面軟質とすることができ、また、ゴム状弾性シートの厚さを２ｍｍ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、打ち抜き刃物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。

本発明の一実施形態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斜視図である。 図１に示す裁断装置の垂直断面図である。 裁断装置の他の一例を示す垂直断面図である。 裁断装置の他の一例を示す垂直断面図である。 本発明の一実施形態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５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。 図２に示す裁断装置で複数の熱可塑プリプレグを裁断する状態を示す垂直断面図である。 打ち抜き刃物が熱可塑プリプレグを裁断する状態を示す拡大断面図である。 従来の裁断装置を示す一部拡大断面図である。 従来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示す拡大端面図である。 図１０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示す拡大端面図である。

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、種々の用途に最適な外形に切断され、また、立体的な形状に成形された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形された熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設している。補強繊維は、加熱成形工程において熱溶融されない繊維であって、ガラス繊維、カーボン繊維である。ただ、補強繊維には、アラミド繊維、ＰＢＯ繊維、超高強力ポリエチレン繊維［ダイニーマ（登録商標）］、高強力ポリアリレート繊維等の、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、アクリル樹脂、ナイロン樹脂、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＨＴＰＥ、ポリカーボネート等が使用できる。

本発明の製造方法は、板状に加熱成形された繊維強化プラスチック板を切断するのではない。本発明は、熱可塑プリプレグを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、熱可塑プリプレグを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が、熱可塑プリプレグの裁断工程は、成形工程の前工程とする。裁断工程においては、可撓性のあるシート状である熱可塑プリプレグを裁断する。本発明は、熱硬化性樹脂のＣＦＲＰよりも耐衝撃性と靱性の優れた、熱可塑性樹脂からなる繊維強化プラスチック板を製造する。

裁断工程は、熱可塑プリプレグを打ち抜き刃物で打ち抜きして裁断する。熱可塑プリプレグは、補強繊維に熱可塑性樹脂を含浸して可撓性のあるシート状としたもので、加熱成形されて製品の形状となる外形に裁断される。裁断工程で外形を所定の形状に裁断してなる熱可塑プリプレグの裁断シートは、その後、成形工程で加熱されれて立体形状の繊維強化プラスチック板に成形される。

熱可塑プリプレグは、熱可塑性樹脂に対する補強繊維の割合を調整して、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。熱可塑プリプレグ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。

熱可塑プリプレグ１０は、図１ないし図４に示すように、受け台１に載せて、打ち抜き刃物３で打ち抜きして用途に適した外形の裁断シート１１に裁断される。裁断シート１１の外形は、打ち抜き刃物３の刃先４と同じ形状となる。刃先４は、裁断される裁断シート１１の外形に沿う閉ループ状に形成され、受け台１に押し付けられて熱可塑プリプレグ１０を打ち抜きして製品の外形となる裁断シート１１に裁断する。裁断シート１１は、図５と図６に示すように、加熱して成形する金型２０に仮止めされて所定の立体形状に成形される。成形工程において、裁断シート１１は加熱されて熱可塑性樹脂を溶融して、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ないし図４の裁断装置は、熱可塑プリプレグ１０を載せて打ち抜き刃物３で裁断する表面弾性の受け台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にセットしている熱可塑プリプレグ１０を打ち抜きする打ち抜き刃物３と、この打ち抜き刃物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、表面が打ち抜き刃物３の刃先４で切断される軟質層１Ａを設けて、裁断面２を刃先４で切断できる表面弾性としている。打ち抜き刃物３は、製品となる裁断シート１１の外周縁となる裁断縁１１Ａに沿って所定の長さの非直線状に打ち抜きする鋭角の刃先４を有する。

熱可塑プリプレグ１０は、図７に示すように、間に変形シート１５を挟んで複数枚を一度に裁断できる。この栽培装置は、打ち抜き刃物３でもって、変形シート１５と熱可塑プリプレグ１０の両方を交互に順番に打ち抜きして切断する。変形シート１５は、上に積層している熱可塑プリプレグ１０を裁断するときに切断される。熱可塑プリプレグ１０を切断する打ち抜き刃物３は、下面に積層している変形シート１５を押し潰して刃先４を食い込ませ、さらにこれを切断して、変形シート１５の上に積層している熱可塑プリプレグ１０を小さい曲率半径で折曲して切断する。

打ち抜き刃物３は、刃先４を軟質層１Ａに食い込ませて上層の熱可塑プリプレグ１０を切断するのと同様に、変形シート１５を軟質層１Ａと同様に押し潰し状態で切断して、上面に積層している熱可塑プリプレグ１０を切断する。打ち抜き刃物３は、刃先４を変形シート１５に食い込ませる状態で、あるいは変形シート１５を切り離す状態で変形シート１５の上に積層している熱可塑プリプレグ１０を切断する。受け台１の軟質層１Ａは、刃先４で切り離されない状態で上層の熱可塑プリプレグ１０を切断できるが、変形シート１５は切り離されて、さらに下層に積層している熱可塑プリプレグ１０を切断する。打ち抜き刃物３は、熱可塑プリプレグ１０と変形シート１５とを交互に切断して積層体の全体を裁断する。積層体は、最下段の熱可塑プリプレグ１０の下面に変形シート１５を積層することなく受け台１に載せて裁断できる。受け台１を表面弾性としているからである。表面弾性の受け台１は、表面に弾性シートを積層して、表面に軟質層１Ａを設けている。積層体は、最下段の熱可塑プリプレグ１０の下面に変形シート１５を積層して裁断することもできる。

変形シート１５は、ウレタンフォームなどの軟質のプラスチックフォームが最適である。刃先が熱可塑プリプレグ１０を切断するとき、下面に積層している変形シート１５は、押し潰され、切断されて、上層の熱可塑プリプレグ１０を小さい曲率半径に折曲されて切断される。変形シート１５の厚さは、好ましくは１ｍｍ以上、より好ましくは２ｍｍ以上とする。変形シート１５が薄すぎると、切断される熱可塑プリプレグ１０を小さい曲率半径で折曲できなくなるからである。また、変形シート１５の厚さは、好ましくは厚さを３０ｍｍ以下、より好ましくは２０ｍｍ以下、最適には１５ｍｍ以下とする。変形シート１５が厚すぎると、熱可塑プリプレグ１０の積層枚数が少なくなって能率よく裁断できなくなり、また変形シート１５のコストが高くなって裁断コストが高くなるので、変形シート１５は裁断能率とコストを考慮して最適値に設定される。

受け台１は、金属プレートの上面に、打ち抜き刃物３の刃先４で切り込まれる軟質層１Ａを積層して表面弾性を実現する。図２〜図４の受け台１は、裁断面２を平面状として、表面にゴム状弾性シートや軟質プラスチックシート等の軟質シートを積層して表面に軟質層１Ａを設けている。受け台１は、合成樹脂、ゴムプレートとして表面に軟質層を設ける構造、すなわち表面軟質を実現することもできる。軟質層１Ａは厚さを、例えば２ｍｍ以上であって３０ｍｍ以下、好ましくは５ｍｍ以上であって２０ｍｍ以下とするゴム状弾性体である。表面軟質の受け台１は、打ち抜き刃物３で熱可塑プリプレグ１０を打ち抜き加工する状態で、打ち抜き刃物３の刃先４で軟質シートを切断して刃先４を軟質層１Ａに食い込ませて、熱可塑プリプレグ１０を裁断する。

打ち抜き刃物３は、炭素の含有量を０．４５％〜１．４％とする板状炭素鋼で製作される。打ち抜き刃物３は、好ましくは厚さを２ｍｍないし５ｍｍとする板状炭素鋼で製作する。ただし、打ち抜き刃物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。打ち抜き刃物３は、薄すぎると打ち抜き加工の衝撃で破損しやすく、厚すぎると破断されて打ち抜き刃物３の内側に挿入される破断物をスムーズに抜き取りできなくなる。

打ち抜き刃物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、裁断される切り裁断シート１１の裁断縁１１Ａに沿う形状に加工している。打ち抜き刃物３に最適な炭素鋼は炭素の含有量を０．５重量％〜０．７重量％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。打ち抜き刃物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打ち抜き刃物３は、刃先４を閉ループとして、閉ループの刃先４で熱可塑プリプレグ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、先端縁を研磨して鋭角の刃先４を設ける。打ち抜き刃物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２と図３の打ち抜き刃物３は、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鋭角の刃先４を設けることができる。

打ち抜き刃物３の刃先４は、熱可塑プリプレグ１０の裁断能力を考慮して、刃面傾斜角（α）を鋭角とするが、好ましくは４５度よりも小さく、さらに好ましくは４０度よりも小さくする。さらに、打ち抜き刃物３は、寿命を考慮して刃先傾斜角（α）を、５度よりも大きく、好ましくは１５度よりも大きくする。

打ち抜き刃物３が、受け台１に載せた熱可塑プリプレグ１０を裁断する状態を図８の断面図に示している。この図に示すように、表面軟質の受け台１に、自由に変形できる熱可塑プリプレグ１０を載せて、鋭角の刃先４を押し付けると、刃先４は図８（Ａ）から図８（Ｂ）に示すように、軟質層１Ａを切断して表面に食いみ、熱可塑プリプレグ１０を小さい曲率半径でＶ字状に折曲して切断する。補強繊維は、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であるが、この補強繊維は、受け台１の軟質層１Ａの表面を切断して内部に食い込む鋭利な刃先４で小さい曲率半径で鋭角に折り曲げられて破断される。熱可塑プリプレグ１０の熱可塑性樹脂は、鋭角の刃先４と軟質層１Ａに挟まれて切断される。補強繊維は、軟質層１Ａを切断して内部に食い込む鋭利な刃先４で強く曲げられて破断され、熱可塑性樹脂は鋭角で鋭利な刃先４と軟質層１Ａに挟まれて確実に切断される。

図８の打ち抜き刃物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。この打ち抜き刃物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、軟質層の表面にスムーズに食い込んで熱可塑プリプレグ１０を確実に切断する。

打ち抜き刃物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。この打ち抜き刃物３は、鋏のように熱可塑プリプレグ１０を切断するのではない。強靭な補強繊維は、刃先４と切断された変形シート１５や軟質層１Ａとで挟み、補強繊維を小さい半径で強く折り曲げて切断する。熱可塑性樹脂は鋭角の刃先４と変形シート１５とに挟まれて切断される。

図２と図３の打ち抜き刃物３は、刃先４を片刃としている。熱可塑プリプレグ１０を打ち抜き刃物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２の打ち抜き刃物３は、熱可塑プリプレグ１０に貫通孔１２を設けるように打ち抜き加工する。この打ち抜き刃物３は、内面が傾斜面４Ｂで外面が垂直面４Ａの片刃で、貫通孔１２として打ち抜かれる部分を廃棄部１３とし、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。図３の打ち抜き刃物３は、熱可塑プリプレグ１０を打ち抜き加工して、打ち抜き刃物３の内側に裁断シート１１を裁断する。この打ち抜き刃物３は、外側を傾斜面４Ｂとし、内面を垂直面４Ａとする片刃で、打ち抜き刃物３の内側に打ち抜かれる部分を裁断シート１１とし、打ち抜き刃物３の外側に分離される部分を廃棄部１３としている。

さらに、打ち抜き刃物３は、図４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。

板状炭素鋼の打ち抜き刃物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６２以上、好ましくは約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、打ち抜き刃物３は、好ましくは刃先４のＨＲＣ硬度が６２よりも高くて、７２よりも低く、さらに好ましくは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、炭素の含有量を０．６重量％とし、焼き入れ温度を７８０℃〜９５０℃として、ＨＲＣ硬度を前述の６２〜７２範囲とする。焼き入れ後のＨＲＣ硬度を６５とする打ち抜き刃物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、打ち抜き刃物３を上下に往復運動させて、受け台１の裁断面２に載せている熱可塑プリプレグ１０を打ち抜き刃物３で打ち抜き加工して裁断する。刃物駆動機構５は、打ち抜き刃物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。打ち抜き刃物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せて、受け台１に載せている熱可塑プリプレグ１０を打ち抜き加工する。すなわち、打ち抜き刃物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に配置している熱可塑プリプレグ１０を受け台１と打ち抜き刃物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５と図６に示すように、金型２０の成形部に仮止めされ、金型２０でプレス状態で加熱され、熱可塑性樹脂を溶融して立体形状の板状に成形される。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、裁断された熱可塑プリプレグ１０を成形する成形部２１を設けている。下金型２０Ｂは熱可塑プリプレグ１０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を凹部２３に挿入して、凹部２３と凸部２４との間に熱可塑プリプレグ１０を成形する成形部２１が形成される。成形部２１は、凹部２３にセットされた熱可塑プリプレグ１０をプレス状態で加熱して、熱可塑性樹脂を溶融して立体形状の板状に成形する。金型２０は熱可塑プリプレグ１０を加熱して熱可塑性樹脂を溶融して成形した後、冷却して脱型する。金型２０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。熱可塑性樹脂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２１は上金型２０Ａを引き上げ、成形された繊維強化プラスチック板は成形部２１から取り出される。熱可塑プリプレグ１０の成形工程は、熱可塑性樹脂を溶融して立体形状の板状に成形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
２…裁断面
３…刃物
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
１０…熱可塑プリプレグ
１１…裁断シート
１１Ａ…裁断縁
１２…貫通孔
１３…廃棄部
１５…変形シート
１６…積層体
２０…金型
２０Ａ…上金型
２０Ｂ…下金型
２１…成形部
２２…アクチュエーター
２３…凹部
２４…凸部
１０１…繊維強化プラスチック板
１０１Ａ…打ち抜き部
１０２…裁断刃
１０３…突出部
１０４…補強繊維
１０５…引き離し隙間
１０６…凹部
１０７…破断隙間
１０８…雄型
１０９…雌型
１１６…駆動機構
１１７…裁断面

Claims (8)

1. 外周を所定の形状に裁断する裁断工程と、所定の立体形状に成形する成形工程とで、所定の外形と立体形状に成形してなる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、補強繊維に熱可塑性樹脂を含浸してなる可撓性のある熱可塑プリプレグを、表面が打ち抜き刃物の刃先で切断される軟質層である表面軟質の受け台に載せ、
   前記熱可塑プリプレグの裁断縁に沿う閉ループ状であって炭素鋼を焼き入れしてなる鋭角の刃先を有する前記打ち抜き刃物を前記受け台に押し付けて前記熱可塑プリプレグを打ち抜き加工して所定の外形の裁断シートに裁断し、
   前記成形工程において、前記裁断工程で裁断された裁断シートを金型で熱可塑性樹脂を溶融又は軟化して、熱可塑性樹脂に補強繊維を埋設してなる所定の外形と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立体形状の繊維強化プラスチック板の製造方法。
2. 請求項１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、
   補強繊維がカーボン繊維又はガラス繊維で、熱可塑性樹脂をアクリル、ナイロン、ＰＥＴ、ＰＰ、ＰＰＳ、ＨＴＰＥ、ポリカーボネートの何れか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、
   前記裁断工程において、複数枚の熱可塑プリプレグを積層して裁断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。
4. 請求項３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、
   前記裁断工程において、前記可塑プリプレグの間に、前記打ち抜き刃物が前記熱可塑プリプレグを裁断する状態で圧縮変形される変形シートを挟んで裁断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。
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、複数枚の裁断繊維シートを積層して金型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、
   受け台に、上面にゴム状弾性シートを積層して表面軟質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、
   ゴム状弾性シートの厚さを２ｍｍ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、
   前記打ち抜き刃物の刃先の刃面傾斜角（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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