JP2017530040A - 熱可塑性材料の加熱成形方法および実施設備 - Google Patents

Abstract

本発明は、熱可塑性材料からなるプリフォームの成形方法、およびこの方法を実施するための設備に関する。当該方法は、ａ）表面（３０）を有する、熱可塑性材料からなるプリフォーム（１５）を提供する工程と、ｂ）プリフォームに延性を持たせるように、プリフォーム（１５）に熱エネルギーを放射によって供給する工程と、ｃ）成形型（２６）の内部で延性プリフォーム（１５）を成形する工程とを含む。さらに、工程ｂ）は、表面を保護するために、プリフォーム（１５）の表面（３０）にガス状流体を同時に吹き付けることを含む。

Description

本発明は、熱可塑性材料からなるプリフォームの成形方法およびそれを実施するための設備に関する。

通常熱成形と呼ばれている、熱可塑性ポリマー材料からなるプリフォームの成形方法は、３次元部品を製造することを可能にする。したがって、まず、赤外線加熱部材により延性となった熱可塑性材料の板が供給される。次いで、プレス機に設置され、延性板を変形させることにより部品を３次元に成形するのに好適な成形型の内部に、延性板を移動させる。最後に、熱可塑性ポリマー材料がその剛性を回復するように、部品を冷却し、次いで、部品を成形型から取り出す。

加熱部材をエンクロージャに取り付け、エネルギー損失を最小限にしながら、延性板をエンクロージャから成形型へ順次移動させることを可能にするために、成形型をエンクロージャの下流に配置する。

各成形品の製造コストを削減するために、これらの成形品の製造時間を減少させることが必要である。したがって、一連の変形における制限的な工程は、熱可塑性材料を軟化させる工程である。したがって、延性板を得るために材料を軟化させるこの工程の時間を正確に減少させる等のために、加熱部材の出力を増加させる駆動装置がある。この場合、材料の表面の酸化を助長し、その結果、表面の美観を低下させ、極端な場合には焼損してしまうおそれがある。その上、材料の添加物の損失により、材料の特性のいくつか、特に機械的特性だけでなく行動特性をも失うおそれがある。

さらに、本発明が解決しようとする課題は、熱成形品の製造サイクルタイムを減少させることを可能にする一方で、熱成形品を成形する熱可塑性材料を劣化させない、成形方法を提供することである。

この目的のために、第１の態様によれば、本発明は、ａ）表面を有する、熱可塑性材料からなるプリフォームを提供する工程と、次いで、プリフォームに延性を持たせる等のために、プリフォームに熱エネルギーを放射によって供給する工程と、成形型の内部で延性プリフォームを成形する工程とを含む、熱可塑性材料からなるプリフォームの成形方法を提案する。さらに、工程ａ）で、熱可塑性複合材料を提供し、工程ｂ）で、表面を保護するために、プリフォームの表面にガス状流体を同時に射出する。

したがって、本発明の特徴は、材料の加熱中に、プリフォームの表面に対して均一の流れの形態で射出される、たとえば空気などのガス状流体を使用することである。したがって、表面の温度上昇を制限しながら、より大きな熱出力が供給される。これにより、驚くべき方法で、熱可塑性材料を、その表面を必ずしも酸化または焼損することなく、その融解温度まで加熱することが可能である。その結果、プリフォーム全体の温度上昇時間が実質的に減少する。たとえば、プリフォームが比較的厚い条件下では、５０％減少する。さらに、材料の表面状態は、劣化または極端な酸化の徴候を示さない。プリフォームの温度上昇時間が減少するので、成形完了サイクルタイムが同じように減少し、その結果、成形品の製造コストもそれによって減少する。

熱可塑性複合材料とは、熱可塑性ポリマーと、たとえば繊維材料層などの補強要素とからなるマトリックスを含む材料を意味する。熱可塑性ポリマーは、たとえば、ポリアミド、または、たとえばポリエーテル・エーテル・ケトンなどのより硬質の材料である。繊維材料は、たとえば、ガラス繊維織物または炭素繊維織物で作られている。これにより、複合材料は、補強材料を含まない熱可塑性材料より、応力変形に対する耐性が大きい。

本発明の特に有利な実施方法によれば、プリフォームを予熱する等のために、工程ａ）と工程ｂ）との間で、プリフォームに熱エネルギーを伝導によってさらに供給する。したがって、この伝導による予熱工程により、放射による加熱工程の上流で、プリフォームに、その表面を劣化させることなく、相当量の熱エネルギーがあらかじめ供給される。したがって、プリフォームは、その表面がべたつかないように、その融解温度より実質的に低い温度に達する。これにより、伝導および放射による２つのエネルギー供給モードを組み合わせることにより、成形品の製造サイクルタイムがさらに減少する。したがって、サイクルタイム、ひいては生産性が減少するだけでなく、さらに、プリフォーム成形に必要なエネルギー総量が減少する。

有利には、プリフォームの表面に略垂直方向に、ガス状流体を射出する。このような向きにより、プリフォームの表面でより良好な熱交換が可能になり、その結果、表面をよりよく保護することが可能になる。

さらに、好ましい方法において、プリフォームに熱エネルギーを伝導によって供給するために、プリフォームを加熱プレートに接触させる。プリフォームを加熱プレートに接触させることにより、空気の量、結果として酸素の量が界面では低くなるので、材料表面が酸化する可能性が低下する。したがって、熱エネルギーは伝導によって材料内部により急速に広がって、プリフォームの中心に達する。

さらに、特に有利な代替実施形態によれば、工程ｂ）で、熱エネルギーを赤外線放射によって供給する。赤外線放射とは、その波長が可視光線に相当する波長とマイクロ波に相当する波長との間の赤外線波長の範囲内にある、電磁放射を意味する。これにより、プリフォームを急速かつ容易に加熱する。好ましくは、赤外線放射は、短波長および低慣性の範囲で放出される。

好ましくは、工程ｂ）で、ガス状流体は空気である。空気はコスト上有利であるので、実に有利である。したがって、以下に説明するように、ある状況下では、ポリマー材料からなるプリフォームの表面の酸化現象をさらに減らすために、不活性なガス状流体が必要である。

別の態様によれば、本発明は、第１に、熱可塑性材料からなるプリフォームに熱エネルギーを放射によって供給して延性を持たせることを可能にする等のために、プリフォームを収容する放射加熱エンクロージャと、第２に、延性プリフォームを成形することを可能にするために、加熱エンクロージャの下流に配置された成形型とを備える、熱可塑性材料からなるプリフォームの成形設備に関する。当該設備は、プリフォームの表面を保護する等のために、プリフォームが熱エネルギーを放射によって受けるときに、プリフォームの表面にガス状流体を射出することを可能にするために、放射加熱エンクロージャの内部に取り付けられたガス状流体射出装置をさらに備える。

上記のような方法を実施するためのこのような設備は、上記方法と同一の利点を提供する。ガス状流体射出装置は、プリフォームの表面に略垂直方向に向いていることが好ましい。したがって、乱流ガス状流体流がプリフォームの表面で得られ、これにより、表面をさらに保護することが可能になる。

有利には、上記設備は、プリフォームに熱エネルギーを伝導によって供給することを可能にするために、放射加熱エンクロージャの上流に配置された伝導加熱装置を備える。好ましくは、伝導加熱装置は、プリフォームに熱エネルギーを伝導によって供給するために、プリフォームと接触することを意図した加熱プレートを備える。したがって、加熱プレートは、熱可塑性材料からなるプリフォームを収容するために互いに離間した位置と、プリフォームを押圧する互いに近接した位置との間で、互いに対して移動可能である。したがって、プリフォームは、加熱プレートの間で、必要に応じて、わずかな空気が存在する空間、またはたとえば排気などによって空気が奪われた密閉空間に、挟まれる。

さらに、放射加熱エンクロージャは、赤外線放射ランプを備える。

本発明の他の特徴および利点は、本発明の特定の実施形態についての以下の説明によって明らかになり、この実施形態は、添付図面を参照して、例示的であって非限定的に示される。

本発明による複合材料からなるプリフォームの成形設備の第１のステーションの概略図である。 図１Ａに示す第１のステーションに続く、上記設備の第２のステーションの概略図である。 図１Ｂに示す第２のステーションに続く、上記設備の第３のステーションの概略図である。 図１Ｂに示す上記設備の第２のステーションで観察される現象を示す概略図である。

図１Ａ、図１Ｂ、および図１Ｃは、熱可塑性材料からなるプリフォームを処理するための３つの連続するステーションを示す。

まず、本発明による方法に必須の処理ステーションを形成する加熱エンクロージャ１０を概略的に示す、図１Ｂを参照する。加熱エンクロージャ１０は、入口１４および反対側の出口１６を有する処理空間１２を備える。処理空間１２の内部に、熱可塑性複合材料プリフォーム１５が定位置に水平に保持される。プリフォーム１５は、この場合には、種々の厚さの部分を有する。加熱エンクロージャ１０は、その上部に、処理空間１２の最上部に配置され、処理空間１２に向いた、上部赤外線放射体１８を有する。加熱エンクロージャ１０は、その下部に、処理空間１２の下方に、同様に処理空間に向いた下部赤外線放射体２０をも有する。さらに、加熱エンクロージャ１０は、赤外線放射体１８，２０を介して、処理空間１２の内部に向けてプリフォーム１５の方向に、ガス状流体を射出するためのガス状流体射出装置２２を含む。たとえば、射出装置２２は、赤外線放射体１８，２０の要素間に延びる注入ノズル２４を含む。この場合、装置２２を介して射出されるガス状流体は空気である。

加熱エンクロージャ１０の下流は、図１Ｃに概略的に示すように、以下に説明するような熱可塑性複合材料からなるプリフォーム１５を収容するための成形型２６である。

したがって、熱可塑性複合材料からなるプリフォーム１５は、たとえば、ポリアミド６マトリックスまたはポリアミド６．６マトリックス、および、たとえばガラス繊維または炭素繊維などからなる、繊維補強層を有する。プリフォーム１５は、一般的な板状、または複数厚み積層プリフォームであり、強化されておらず、処理空間１２の内部で、図示されていない有孔プラットフォーム上の定位置に保持される。複数厚みプリフォームは、種々の厚さの領域を有する。

これにより、赤外線放射体１８，２０は、その２つの対向面の放射によって、プリフォーム１５へ熱エネルギーを供給する。

図２に詳細に図示されるように、放射は、プリフォーム１５の表面３０を貫通して、約数マイクロメートル以上の厚みにわたるその表面層に入り、次いで、熱エネルギーは、プリフォーム１５の内部で伝導によって伝達されて、材料の中心に達する。

赤外線放射体１８，２０の強度を、プリフォーム１５の材料の温度がその融解温度を実質的に超えることができるようにする等のために、調整する。同時に、赤外線放射体２０，１８の要素を介して、プリフォーム１５の表面３０に略垂直に向いた流れ２８の中に、空気を注入する。これを実現するために、本発明による設備は、放射体の間に配置された空気注入ノズルを備える。これらの空気注入ノズルはプリフォーム１５に向いており、たとえば圧縮空気ネットワークを用いて空気が供給される。

射出空気は、初めは周囲温度であり、表面層を通る赤外線放射の作用を妨げることなく、材料の酸化を軽減する等のために、複合材料プリフォーム１５の表面３０を冷却することを可能にする。本発明の代替実施形態によれば、周囲空気を射出せず、空気を排出し、その結果プリフォーム１５の表面３０で酸素を除去する等のために、窒素中性ガスを射出する。これにより、材料の酸化の可能性がさらに低下する。

したがって、最大可能熱エネルギーを複合材料へ伝達する赤外線放射体１８，２０の出力、およびプリフォーム１５の表面３０を保護することを可能にする射出空気の作用を通じて、熱可塑性材料は、その表面に影響を受けることなく、極めて短い時間内で軟化し、延性となる。

有利には、複数厚みプリフォームの場合には、赤外線放射体１８，２０の強度を、より厚みが小さい領域におけるプリフォーム１５の表面３０の温度を測定することによって、調整する。これにより、熱可塑性材料を劣化なしにその融解温度まで加熱することが可能である。したがって、従来技術による解決策に比べて、加熱時間を約５０％減らすことが可能であり、様々な厚み、特に大きな厚みを有する複合材料を処理することが可能である。

プリフォーム１５の材料を、均一にその融解温度を超える温度とした後、プリフォームを出口１６を介して加熱エンクロージャ１０から取り出し、それにより、成形型２６の内部に直接挿入することができる。次いで、周知の実施方法を用いて、プリフォーム１５を成形し、続いて冷却することで、剛性の複合材料部品を提供する。

本発明の特に有利な実施方法によれば、プリフォーム１５を、加熱エンクロージャ１０の内部に挿入する前に、伝導によって予熱する。したがって、本発明による設備は、図１Ａに示すように、加熱エンクロージャ１０の上流に、伝導加熱装置３２を備える。伝導加熱装置３２は、２つの加熱プレート３４，３６を備え、加熱プレート３４，３６は、平行で、互いに離間した位置と、複数厚みプリフォーム１５を間に挟む互いに接近した位置との間で移動可能である。加熱プレート３４，３６は金属製で、たとえば電気抵抗器を備える。さらに、これらは、プリフォーム１５の全面に密着し、これを均一に予熱するように、あらかじめ形成することができる。

このプリフォーム１５の伝導予熱段階では、特にプリフォームが、具体的には非強化プライにより、大きな厚みを有する場合に、材料全体にわたって大量の熱エネルギーが供給される。実際、伝導は、加熱プレート３４，３６のわずかな圧力により、プライ間の空間を制限することによって促進される。これらは、当然ながら、熱可塑性材料の融解温度に満たない温度にされる。これにより、プレート３４，３６とプリフォーム１５の材料との間の接着を防ぐことができるだけでなく、さらに、表面３０の酸化を促進しないことができる。たとえば、最大厚み３．５ｍｍのポリアミド系複合材料の複数厚みプリフォームの場合、加熱プレート３４，３６により、プリフォーム１５は６０秒で１８０℃の温度まで予熱される。

プリフォーム１５は、様々な厚みの部分を有することができるが、加熱プレート３４，３６をプリフォーム１５の形状に適合させる必要はない。これは、実に、加熱プレート３４，３６がより大きな厚みの部分と接触し、その結果これらの部分全体にわたって予熱を促進する一方で、より小さな厚みの部分は、後に、より具体的には加熱エンクロージャ１０の内部で、容易に中心温度となることによる。

したがって、予熱後に、プリフォーム１５を、上記に示した手順に従って軟化するために、加熱エンクロージャ１０の内部に移動させる。この移動中にプリフォーム１５の温度は低下しやすいが、表面のみが影響を受け、加熱エンクロージャ１０の赤外線放射により、これを再び急速に加熱することができる。加熱エンクロージャ１０の内部を通過した後、プリフォーム１５は、その融解温度より実質的に高く、厚さが異なっていたとしても、その全ての部分に均一に分布した温度を有する。

したがって、たとえば、プリフォーム１５は、６０秒未満の時間で、加熱エンクロージャ１０の内部で１８０℃〜２５０℃となる。したがって、プリフォーム１５の材料がさらに数十度上がるように熱エネルギーを供給するため、加熱エンクロージャ１０の内部で費やす時間は減少する。その結果、材料を赤外線放射に暴露する時間は減少し、したがって、表面が酸化するおそれはいっそう減少する。

次いで、プリフォーム１５を成形型２６の内部に移動することができる。したがって、本発明による設備により、熱成形サイクルタイムは減少し、たとえば、最大厚み３．５ｍｍ、最小厚み１ｍｍのポリアミド系複合材料の複数厚みプリフォームの場合、サイクルタイムは約６０秒とすることができる。

本発明による方法が、一般的な熱可塑性材料の成形にも使用することができることが確認されよう。

Claims (10)

1. ａ）表面（３０）を有する、熱可塑性材料からなるプリフォーム（１５）を提供する工程と、
   ｂ）前記プリフォーム（１５）に延性を持たせる等のために、前記プリフォーム（１５）に熱エネルギーを放射によって供給する工程と、
   ｃ）成形型（２６）の内部で前記延性プリフォーム（１５）を成形する工程と
   を含む、熱可塑性材料からなるプリフォームの成形方法であって、
   工程ａ）で、熱可塑性複合材料を提供し、
   工程ｂ）で、前記表面を保護するために、前記プリフォーム（１５）の前記表面（３０）にガス状流体を同時に射出することを特徴とする、成形方法。
2. 前記プリフォームを予熱する等のために、工程ａ）と工程ｂ）との間で、前記プリフォーム（１５）に熱エネルギーを伝導によってさらに供給することを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記プリフォーム（１５）に熱エネルギーを伝導によって供給するために、前記プリフォーム（１５）を加熱プレート（３４、３６）に接触させることを特徴とする、請求項２に記載の成形方法。
4. 前記ガス状流体を、前記プリフォーム（１５）の前記表面（３０）に略垂直方向に射出することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形方法。
5. 工程ｂ）で、熱エネルギーを赤外線放射によって供給することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の成形方法。
6. 工程ｂ）で、前記ガス状流体が空気であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形方法。
7. 第１に、熱可塑性材料からなるプリフォーム（１５）に熱エネルギーを放射によって供給して、延性を持たせることを可能にする等のために、前記プリフォーム（１５）を収容する放射加熱エンクロージャ（１０）と、第２に、前記延性プリフォームを成形することを可能にするために、前記加熱エンクロージャ（１０）の下流に配置された成形型（２６）とを備える、熱可塑性材料からなるプリフォームの成形設備であって、
   前記プリフォーム（１５）の表面（３０）を保護する等のために、前記プリフォームが熱エネルギーを放射によって受けるときに、前記プリフォーム（１５）の前記表面（３０）にガス状流体を射出することを可能にするために、前記放射加熱エンクロージャ（１０）の内部に取り付けられた、ガス状流体射出装置（２２）をさらに備えることを特徴とする、成形設備。
8. 前記プリフォームに熱エネルギーを伝導によって供給することを可能にするために、前記放射加熱エンクロージャ（１０）の上流に配置された伝導加熱装置（３２）を備えることを特徴とする、請求項７に記載の成形設備。
9. 前記プリフォームに熱エネルギーを伝導によって供給するために、前記伝導加熱装置（３２）が、前記プリフォーム（１５）と接触するよう意図された加熱プレート（３４，３６）を備えることを特徴とする、請求項８に記載の成形設備。
10. 前記放射加熱エンクロージャ（１０）が赤外線放射ランプを備えることを特徴とする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の成形設備。

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