JP2018024215A - 成形品の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性を低下させることなく外観品質を保つことができる成形品の成形方法を提供する。【解決手段】成形品２０の成形方法は、炭素繊維に樹脂を含浸させてなるプリプレグ１０を用いて成形品を連続的に成形する方法である。かかる成形品の成形方法は、プリプレグを３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］よりも低い第２温度Ｔ２［℃］まで加温しつつ成形品の形状に対応した予備金型１０２によって予備成形した後、プリプレグを第１温度以上で加温しつつ成形品の形状に対応した金型１０３によって本成形する工程を有する。工程は、金型によって一のプリプレグを成形する時間帯と、予備金型によって他のプリプレグを予備成形する時間帯と、を少なくとも一部重複させる。【選択図】図１

Description

本発明は、成形品の成形方法に関する。

従来から、例えば炭素繊維のような基材に樹脂を含浸させてなるプリプレグ（成形材）を加温しつつ、例えば車両のバンパーのような成形品をプレス成形する技術が知られている（特許文献１を参照。）。

特開平５−１４７１６９号公報

特許文献１に記載の成形方法では、成形材が冷却されるときに収縮することから、成形品の表面粗さを十分に抑制できない。したがって、成形品が外部に暴露されユーザーに目視されるようなものの場合、外観品質を保つために研磨処理を施す必要があることから、成形品の生産性が低下する。一方、単純に、成形材の成形温度を低くして収縮量を低減すれば、成形品の表面粗さを抑制できるが、成形に必要な時間が増大することから、成形品の生産性が低下する。

本発明の目的は、生産性を低下させることなく外観品質を保つことができる成形品の成形方法を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明の成形品の成形方法は、基材に樹脂を含浸させてなる成形材を用いて成形品を連続的に成形する方法である。かかる成形品の成形方法は、前記成形材を３次元架橋が始まる第１温度よりも低い第２温度まで加温しつつ前記成形品の形状に対応した予備金型によって予備成形した後、前記成形材を前記第１温度以上で加温しつつ前記成形品の形状に対応した金型によって本成形する工程を有する。かかる工程は、前記金型によって一の前記成形材を成形する時間帯と、前記予備金型によって他の前記成形材を予備成形する時間帯と、を少なくとも一部重複させる。

かかる成形品の成形方法によれば、加温による成形を特定の温度領域で予備成形と本成形に分け、各々の成形時間帯を一部重複させることで生産性を低下させることなく外観品質を保つことができる。

プリプレグの成形を示す図である。 プリプレグの予備成形と本成形のタイムチャートを示す図である。 プリプレグの表面粗さと成形温度の関係を示す図である。 プリプレグの硬化時間と成形温度の関係を示す図である。 プリプレグの硬化度と硬化時間の関係を成形温度毎に示す図である。 成形品の成形方法を示すフローチャートである。 成形品の成形方法であって、カット工程に相当し、巻回された長尺なプリプレグを伸長させつつ一定の間隔毎に切断して個片化した状態を示す模式図である。 図７Ａの状態から引き続き、積層工程に相当し、個片化された複数のプリプレグを積層する状態を示す模式図である。 図７Ｂの状態から引き続き、プリフォーム工程に相当し、積層したプリプレグを予備金型によって予備成形する状態を示す模式図である。 図７Ｃの状態から引き続き、成形工程に相当し、予備成形されたプリプレグを金型によって本成形する状態を示す模式図である。 図７Ｄの状態から引き続き、トリム工程に相当し、本成形されたプリプレグの外縁を切断して廃棄し、成形品を完成させた状態を示す模式図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。図面において、同一の部材には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。図面において、各部材の大きさや比率は、実施形態の理解を容易にするために誇張し、実際の大きさや比率とは異なる場合がある。

（成形品２０の成形原理）
図１は、プリプレグ１０の成形を示す図である。図２は、プリプレグ１０の予備成形と本成形のタイムチャートを示す図である。図３は、プリプレグ１０の表面粗さと成形温度の関係を示す図である。図４は、プリプレグ１０の硬化時間と成形温度の関係を示す図である。図５は、プリプレグ１０の硬化度と硬化時間の関係を成形温度毎に示す図である。

まず、図１中の領域Ａ、Ｂ、ＣおよびＤを参照して、通常のプリプレグの成形方法を説明する。

図１中の領域Ａに示すように、プリプレグに含まれる樹脂は、加温されると液化しつつ体積が増加する。さらに、図１中の領域Ｂに示すように、硬化温度Ｔｃ［℃］に達した樹脂は、硬化しつつ体積が減少する。すなわち、樹脂は、領域Ｂにおいて、一定体積まで硬化収縮する。さらに、図１中の領域Ｃおよび領域Ｄに示すように、樹脂は、硬化温度Ｔｃ［℃］から室温Ｔｒ［℃］まで冷却されるときに体積が減少する。すなわち、樹脂は、領域ＣおよびＤにおいて、冷却収縮する。ここで、樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］を超えた領域Ｃと、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］以下の領域Ｄで、冷却収縮の温度勾配が大きく異なる。すなわち、樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］を超えた領域Ｃまで加温すると、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］まで冷却する際に大きく収縮してしまう。したがって、樹脂は、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］を超えない範囲で加温することが好ましい。

つぎに、図１中の領域Ｐ、Ｑ、ＲおよびＳに加えて図２を参照して、実施形態のプリプレグ１０の成形方法を説明する。

図１中の領域Ｐは、プリプレグ１０の予備成形に相当する。領域Ｐに示すように、プリプレグ１０を、３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］よりも若干低い第２温度Ｔ２［℃］まで加温しつつ、図２に示すように予備金型１０２によって予備成形する。

図１中の領域Ｑ、ＲおよびＳは、プリプレグ１０の本成形に相当する。領域Ｑに示すように、予備成形を終えたプリプレグ１０を、予備金型１０２から金型１０３に移し替えた後、ガラス転移温度Ｔｇ［℃］まで加温しつつ、図２に示すように金型１０３によって本成形する。その後、プリプレグ１０に含まれる樹脂は、領域Ｒに示すようにガラス転移温度Ｔｇ［℃］において一定体積まで硬化収縮してから、領域Ｓに示すように室温Ｔｒ［℃］まで冷却収縮する。

図１中の領域Ｐ、Ｑ、ＲおよびＳの熱サイクルによって成形する実施形態のプリプレグ１０は、加温する上限の温度をガラス転移温度［Ｔｇ°］に抑えていることから、図１中の領域Ａ、Ｂ、ＣおよびＤの熱サイクルによって成形する通常のプリプレグよりも、樹脂の最大収縮（硬化収縮と冷却収縮の和）を十分に抑制することができる。すなわち、実施形態では、プリプレグ１０を予備成形および本成形の際に、そのプリプレグ１０をガラス転移温度Ｔｇ［℃］よりも高温にしないことから、加温したプリプレグ１０を冷却するときの収縮量を十分に低減できる。

ここで、図２に示すように、金型１０３によって一のプリプレグ１０を成形する時間帯と、予備金型１０２によって（次の）他のプリプレグ１０を予備成形する時間帯を一致させる。すなわち、予備成形を終えているＮ−１番目（例えば９番目）のプリプレグ１０を本成形しているときに、Ｎ番目（例えば１０番目）のプリプレグ１０を予備成形する。つぎに、直前に予備成形を終えたＮ番目（例えば１０番目）のプリプレグ１０を本成形しているときに、Ｎ＋１番目（例えば１１番目）のプリプレグ１０を予備成形する。このようにして、図２に示すように、２つのプリプレグ１０を常に並行して成形する。このような成形方法によれば、一つの生産ラインにおいて、単位時間当たりの成形品２０の生産数を倍増することができる。

つぎに、図３を参照して、プリプレグ１０の表面粗さと成形温度の関係を説明する。

プリプレグ１０の成形温度を下げる程、プリプレグ１０に含まれる樹脂（高分子）を冷却させるときの収縮量を低減することができる。その結果、図３に示すように、樹脂の冷却が完了したときのプリプレグ１０の表面粗さが小さくなる。したがって、成形品２０の外観品質を保つことができる。

つぎに、図４および図５を参照して、プリプレグ１０の硬化度と硬化時間の関係を成形温度の観点から説明する。

図４に示すように、プリプレグ１０に含まれる樹脂は、プリプレグ１０の成形温度を上げる程、３次元架橋（重合）の速度が上がる。すなわち、プリプレグ１０の成形温度を上げる程、樹脂の硬化反応が促進される。その結果、樹脂の硬化時間が短縮される。したがって、成形品２０の生産性が上がる。

具体的には、図５に示すように、プリプレグ１０に含まれる樹脂は、その成形温度（Ｄ℃＞Ｃ℃＞Ｂ℃＞Ａ℃）を上げる程、硬化が完了するまでの時間が短縮される（成形品２０の生産性が上がる）。すなわち、プリプレグ１０の成形温度を上げると、プリプレグ１０の成形時間を短縮することができる。樹脂は、外気に暴露した状態において室温Ｔｒ［℃］以上で硬化が進行する。

ここで、プリプレグ１０に含まれる樹脂は、３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］以上に加温されると、その後に加温が中止されても、自ら発熱して硬化が完了する。一方、樹脂は、３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］に達する前に加温が中止されると、温度が低下すると共に軟化して元の硬度に戻る。樹脂は、３次元架橋が始まる直前の時点において、例えば１０％程度硬化が進む。３次元架橋が始まる直前の時点における樹脂の硬化の程度は、樹脂の材質等に依存する。

（成形品２０の成形方法）
図６は、成形品２０の成形方法を示すフローチャートである。図７Ａ〜図７Ｅは、成形品２０の成形方法を示す模式図である。

まず、図７Ａに示すように、巻回された長尺状のプリプレグ１０を伸長させつつ、一定の間隔毎に、切断刃１０１によって切断して個片化する。ここで、プリプレグ１０（成形材に相当）は、炭素繊維、ガラス繊維、および有機繊維等の織物シート（基材に相当）に対して、熱硬化性を備えたエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の樹脂を含浸させたものである（図６のカット工程Ｓ１１）。

つぎに、図７Ｂに示すように、個片化されたプリプレグ１０を必要な厚みに調整するために複数枚積層する（図６の積層工程Ｓ１２）。

つぎに、図７Ｃに示すように、複数枚積層されたプリプレグ１０を予備金型１０２によって予備成形する。予備金型１０２は、成形品２０の形状に対応している。予備金型１０２は、少なくとも固定型１０２Ｎにヒータ１０２Ｕを内蔵している。予備金型１０２の移動型１０２Ｍを上昇させて、固定型１０２Ｎに積層したプリプレグ１０を載置した後、移動型１０２Ｍを降下させてプリプレグ１０を挟み込み型締めする。ヒータ１０２Ｕによって温調した予備金型１０２によって、プリプレグ１０を３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］よりも低い第２温度Ｔ２［℃］まで加温する。第２温度Ｔ２［℃］は、一例として、第１温度Ｔ１［℃］よりも若干低い温度とする。プリプレグ１０を第２温度Ｔ２［℃］まで加温してから、そのプリプレグ１０を予備金型１０２から取り出す（図６のプリフォーム工程Ｓ１３）。

すなわち、実施形態では、プリプレグ１０の硬化反応を促進するために、プリプレグ１０に含まれる樹脂を３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］直前の第２温度まで加温する。樹脂は、図５に示す３次元架橋領域まで反応が促進されると、形状の追随性が低下することから、図５に示す初期架橋領域の範囲内において加温する。

つぎに、図７Ｄに示すように、第２温度まで加温され予備成形された状態のプリプレグ１０を、金型１０３によってさらに加温しつつ本成形する。金型１０３は、成形品２０の形状に対応している。金型１０３は、少なくとも固定型１０３Ｎにヒータ１０３Ｕを内蔵している。金型１０３の移動型１０３Ｍを上昇させて、固定型１０３Ｎに予備成形されたプリプレグ１０を載置した後、移動型１０３Ｍを降下させて、予備成形された状態のプリプレグ１０を挟み込み型締めする。ヒータ１０３Ｕによって温調した金型１０３によって、プリプレグ１０を第１温度Ｔ１［℃］以上であってガラス転移温度Ｔｇ［℃］以下の温度に加温する。一例として、樹脂をガラス転移温度Ｔｇ［℃］まで加温する。プリプレグ１０の硬化反応が完了してから冷却して、そのプリプレグ１０を金型１０３から取り出し、プレス成形を完了する（図６の成形工程Ｓ１４）。

ここで、図７Ｃに示す予備成形（プリフォーム工程Ｓ１３）と、図７Ｄに示す本成形（成形工程Ｓ１４）を、図２に示すように同時に行う。すなわち、予備成形を終えた一のプリプレグ１０を本成形しているときに、次に生産する他のプリプレグ１０を予備成形する。このようにして、プリプレグ１０から成形品２０を連続的に成形する。このような成形方法によれば、一つの生産ラインにおいて、単位時間当たりの成形品２０の生産数を倍増することができる。

つぎに、図７Ｅに示すように、本成形されたプリプレグ１０を板状の載置台１０５に載置し、プリプレグ１０の外縁を切断刃１０４によって切断して廃棄し、成形品２０を完成させる（図６のトリム工程Ｓ１５）。

以上説明した実施形態の作用効果を説明する。

成形品２０の成形方法は、基材（炭素繊維に相当）に樹脂を含浸させてなるプリプレグ１０（成形材に相当）を用いて成形品２０を連続的に成形する方法である。かかる成形品２０の成形方法は、プリプレグ１０を３次元架橋が始まる第１温度Ｔ１［℃］よりも低い第２温度Ｔ２［℃］まで加温しつつ成形品２０の形状に対応した予備金型１０２によって予備成形した後、プリプレグ１０を第１温度Ｔ１［℃］以上で加温しつつ成形品２０の形状に対応した金型１０３によって本成形する工程を有する。かかる工程は、金型１０３によって一のプリプレグ１０を成形する時間帯と、予備金型１０２によって他のプリプレグ１０を予備成形する時間帯と、を少なくとも一部重複させる。

かかる成形品２０の成形方法によれば、予備成形および本成形の際にプリプレグ１０をガラス転移温度Ｔｇ［℃］よりも高温にしないことから、加温したプリプレグ１０を冷却するときの収縮量を低減できる。また、かかる成形品２０の成形方法によれば、（予備成形を終えた）一のプリプレグ１０を本成形しているときに、（次の）他のプリプレグ１０を予備成形することから、複数のプリプレグ１０を同時に成形することができる。したがって、かかる成形品２０の成形方法によれば、生産性を低下させることなく外観品質を保つことができる。

工程は、本成形においてプリプレグ１０をガラス転移温度Ｔｇ［℃］まで加温することが好ましい。

かかる成形品２０の成形方法によれば、本成形に必要な時間を最も短縮して、生産性を向上させることができる。

工程は、金型１０３によって一のプリプレグ１０を成形する時間帯と、予備金型１０２によって他のプリプレグ１０を予備成形する時間帯と、を一致させることが好ましい。

かかる成形品２０の成形方法によれば、予備成形を終えたプリプレグ１０を本成形するときに待ち時間や空き時間が発生しないことから、生産性を向上させることができる。

工程は、温調した予備金型１０２および金型１０３によってプリプレグ１０を加温することが好ましい。

かかる成形品２０の成形方法によれば、プリプレグ１０を簡便かつ効率的に加温することができる。

そのほか、本発明は、特許請求の範囲に記載された構成に基づき様々な改変が可能であり、それらについても本発明の範疇である。

例えば、図７Ｄに示す本成形（成形工程Ｓ１４）に必要な時間が、図７Ｃに示す予備成形（プリフォーム工程Ｓ１３）に必要な時間の半分であれば、プリプレグ１０を本成形する金型１０３を１台使用し、かつ、プリプレグ１０を予備成形する予備金型１０２を２台使用して、成形品２０の生産を行うことができる。このように成形品２０を生産すれば、前工程（プリフォーム工程Ｓ１３）から後工程（成形工程Ｓ１４）に至る際に、互いの工程に空き時間が生じないことから、成形品２０の生産性を維持することができる。

１０ プリプレグ（成形材）、
２０ 成形品、
１０１，１０４ 切断刃、
１０２ 予備金型、
１０３ 金型、
１０２Ｍ，１０３Ｍ 移動型、
１０２Ｎ，１０３Ｎ 固定型、
１０２Ｕ，１０３Ｕ ヒータ、
１０５ 載置台、
Ｓ１１ カット工程、
Ｓ１２ 積層工程、
Ｓ１３ プリフォーム工程（工程）、
Ｓ１４ 成形工程（工程）、
Ｓ１５ トリム工程、
Ｔ１ 第１温度（樹脂の３次元架橋が始まる温度）、
Ｔ２ 第２温度（第１温度よりも低い温度）、
Ｔｃ （樹脂の）硬化温度、
Ｔｇ （樹脂の）ガラス転移温度、
Ｔｒ 室温。

Claims (4)

1. 基材に樹脂を含浸させてなる成形材を用いて成形品を連続的に成形する方法であって、
   前記成形材を３次元架橋が始まる第１温度よりも低い第２温度まで加温しつつ前記成形品の形状に対応した予備金型によって予備成形した後、前記成形材を前記第１温度以上で加温しつつ前記成形品の形状に対応した金型によって本成形する工程を有し、
   前記工程は、前記金型によって一の前記成形材を成形する時間帯と、前記予備金型によって他の前記成形材を予備成形する時間帯と、を少なくとも一部重複させる、成形品の成形方法。
2. 前記工程は、本成形において前記成形材をガラス転移温度以下まで加温する、請求項１に記載の成形品の成形方法。
3. 前記工程は、前記金型によって一の前記成形材を成形する時間帯と、前記予備金型によって他の前記成形材を予備成形する時間帯と、を一致させる、請求項１または２に記載の成形品の成形方法。
4. 前記工程は、温調した前記予備金型および前記金型によって前記成形材を加温する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形品の成形方法。