JP2018086857A

JP2018086857A - 強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置およびプレス成形方法

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Publication number: JP2018086857A
Application number: JP2018032656A
Authority: JP
Inventors: 幹男永田; Mikio Nagata; 菊川　雅之; Masayuki Kikukawa; 雅之菊川
Original assignee: Meiki Seisakusho KK
Current assignee: Meiki Seisakusho KK
Priority date: 2018-02-27
Filing date: 2018-02-27
Publication date: 2018-06-07
Anticipated expiration: 2036-06-17
Also published as: JP6578030B2

Abstract

【課題】厚みの異なる強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品を比較的簡単な作業工程で成形する。【解決手段】強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置１１は、固定金型１３と可動金型１２の間に成形材を成形するキャビティが形成される金型１２，１３と、前記金型１２，１３に設けられ成形材を加熱可能な加熱手段４６と、前記金型１２，１３に設けられ成形材を冷却可能な冷却手段４７と、前記金型１２，１３のキャビティ面に設けられた厚肉部形成部３４と、加圧制御の際に厚肉部形成部３４内の厚肉部用の成形材Ｍ２を圧縮する圧縮部材または突出部材３６とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置およびプレス成形方法に関するものである。

強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置およびプレス成形方法に関するものとしては特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１によれば、熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化複合材料は、プレス成形装置において切断と加圧が行われることが記載されている。また特許文献１においてはむしろ、「熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維強化複合材料は、再加熱を行わないような成形加工を行い、被成形物に必要な全ての加工を一回の成形により行わなければならない。」と記載され、材料を再加熱することは否定されている。

しかし一方では特許文献２のように強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸したプリプレグ材料を熱可塑性樹脂の融点より高い温度に加熱して成形した後、前記融点よりも低い温度に冷却することも知られている。

特開２０１４−９４４８９公報（請求項１、００１６、図１、図２）特開２００７−１０８９号公報（請求項１、００４１、図１、図４、図５）

上記の特許文献１の場合、プリプレグ材料の再加熱を行わないことから複数枚のプリプレグから一つの成形品を成形する場合や、強化繊維と樹脂シートを別々にキャビティに挿入して一つの成形品を成形するものについては対象としていないことは明らかである。また特許文献１は、プリプレグ材料を一定程度に単純に曲げ加工して成形品を成形するのには適するが一定以上複雑な形状に成形品を成形するのには適さないものであった。

一方特許文献２については成形される熱可塑性樹脂の融点以上の温度に加熱してから成形を行うので、複数枚のプリプレグテープを加熱して接合し成形品を成形することも可能である。しかしながら特許文献２の場合、融点以上にして加圧を行うのみであるので、強化繊維に対して熱可塑性樹脂を良好に含浸できず空隙が残る場合があった。また複数枚重ねたプリプレグの間に空気が残ったままの状態となる場合があった。更に特許文献２では中間体を製造する工程で成形材料を金型に設置可能な形状に整形する必要があるものであった。即ち特許文献２では、プレス成形の際に成形材料の切断を行わないので、成形前の準備作業が複雑になるものであった。

そこで上記の問題を鑑みて、本発明の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置およびプレス成形方法は、厚みの異なる強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品を比較的簡単な作業工程で成形することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置において、固定金型と可動金型の間に成形材を成形するキャビティが形成される金型と、前記金型に設けられ成形材を加熱可能な加熱手段と、前記金型に設けられ成形材を冷却可能な冷却手段と、前記金型のキャビティ面に設けられた厚肉部形成部と、加圧制御の際に厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材とを備えたことを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置は、請求項１において、前記突出部材はエジェクタ装置に備えられ、突出部材の前面は厚肉部形成部の底面となっていることを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置は、請求項１または請求項２において、前記厚肉部形成部は、下型に設けられたリブを形成するリブ形成部であることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法において、固定金型と可動金型の間に成形材を成形するキャビティが形成される金型と、前記金型に設けられ成形材を加熱可能な加熱手段と、前記金型に設けられ成形材を冷却可能な冷却手段と、前記金型のキャビティ面に設けられた厚肉部形成部とが備えられ、加圧制御の際に前記キャビティで成形される成形材の本体部と厚肉部用の成形材は別の部材であり、加圧制御の際に厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材を作動させて前記厚肉部用の成形材を本体部に密着させることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法は、請求項４において、加熱手段により成形材または金型の温度を該成形材の融点以上に加熱状態としてから、位置制御または速度制御により圧縮用シリンダを制御する第１の加圧工程と、位置制御または速度制御および圧力制御を併用して圧縮用シリンダを制御する第２の加圧工程の少なくとも一方の加圧工程の間に、厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材を作動させて前記厚肉部用の成形材の圧縮することを特徴とする。

本発明の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置において、固定金型と可動金型の間に成形材を成形するキャビティが形成される金型と、前記金型に設けられ成形材を加熱可能な加熱手段と、前記金型に設けられ成形材を冷却可能な冷却手段と、前記金型のキャビティ面に設けられた厚肉部形成部と、加圧制御の際に厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材とを備えているので、厚肉部を備えた成形品を成形することができる。また本発明のプレス成形方法についても同様の効果を奏する。

本実施形態の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置の概略図であって成形材を載置した状態を示す図である。本実施形態の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置の概略図であって成形材を加圧時の状態を示す図である。本実施形態の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置の下型の平面図である。本実施形態の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法の作動を示す図である。

図１および図２により本実施形態の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置１１について説明する。プレス成形装置１１は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形材Ｍを上型１２と下型１３の間で圧縮する縦型のプレス装置である。プレス成形装置１１は、下盤であって下型１３が取付けられる固定盤１５に対して、上盤であって上型１４が取付けられる可動盤１６が昇降自在に設けられている。可動盤１６の４隅近傍には圧縮用シリンダ１４が設けられている。また固定盤１５の４隅近傍にはタイバ１７が縦方向に向けて固定され、タイバ１７は圧縮用シリンダ１４のピストン１８の中心孔に挿通、固定されている。圧縮用シリンダ１４は復動型の油圧シリンダでありピストン１８を挟んで圧縮用油室１９と型開用油室２０が形成されている。圧縮用油室１９と型開用油室２０に接続される管路２１，２２は作動油の圧力を測定する圧力センサ２３，２４が取付けられるとともに管路２１，２２はサーボバルブ２５に接続されている。そしてサーボバルブ２５は油圧装置２６を構成する他のバルブ、ポンプおよびタンクに接続されている。

可動盤１６の上面のタイバ１７が挿通される部分の周囲にはハーフナット２７がそれぞれ取付けられている。ハーフナット２７の下面は、圧縮用シリンダ１４のピストン１８の上面に当接されている。また固定盤１５と可動盤１６とを接続して可動盤１６を昇降させる型開閉装置２８が取付けられている。ここでは型開閉装置２８は、サーボモータ２９とサーボモータ２９により作動されるボールねじ機構から構成される。型開閉装置２８は４基あり、サーボモータ２９のエンコーダにより固定盤１５に対する可動盤１６の位置（距離）を測定可能である。なお型開閉装置２８の数は２基以上が望ましく、そのアクチュエータは油圧シリンダを用いたものでもよい。なおプレス成形装置１１の構造については上記に限定されない。プレス成形装置は、上盤が固定盤であって下盤が可動盤であってもよい。また圧縮用シリンダが各タイバ１７ごとに設けられる場合、固定盤に圧縮用シリンダを設けられるものでもよい。更にハーフナットは圧縮用シリンダとは別の盤に設けられてもよく、油圧等でスリーブ体をタイバ１７に押付けてロックするタイプのものでもよい。また型締装置は、トグル機構を用いたものや可動盤の背面に圧縮用シリンダのラムが取付けられたものでもよい。また型締装置は、メインとなる主圧縮機構と、下型と上型の間の平行度を調整する４基の副圧縮機構を組み合わせたものでもよい。

また本実施形態では下型１３は下盤である固定盤１５に固定されており移動可能に記載されていないが、プレス成形装置の外部に向けて下型のみかまたは下型とその保持板であるボルスタが共に移動されるものや、下型と上型からなる金型がプレス成形装置の外部に向けて移動されるものでもよい。またプレス成形装置１１は成形材Ｍを載置する上では、可動盤１６および上型１２（可動金型）が昇降して竪方向に圧縮がなされる竪型のものが好適であるが、可動盤および可動金型が水平方向に移動する横型のものであってもよい。ただしその場合、成形材Ｍであるプリプレグのセッティングに工夫を要する。

次にプレス成形装置１１の一部を構成する金型について説明する。図１、図２に示されるように、固定盤１５に取付けられる下型１３（固定金型）は凸型であって、その上面はキャビティ面３０と、キャビティ面３０の周囲の面３１から構成される。キャビティ面３０とキャビティ面の周囲の面３１の間にはキャビティ面３０を囲むように切断装置３２の切断刃３３（雄刃）がアクチュエータである油圧シリンダにより昇降可能に設けられている。この切断刃３３を境として外側のキャビティ面の周囲の面３１は外側に向けて低くなる傾斜面となっており、切断された余剰部Ｍ３が金型外部に落下するようになっている。または切断刃３３よりも外側の部分に余剰部Ｍ３を回収するためのハンドリング装置や搬送装置を設けてもよい。なお本実施形態では、キャビティ面３０の周囲の全体に切断刃３２が設けられているが、キャビティ面３０の周囲の一部分のみに切断刃３２が設けられたものでもよい。

本実施形態の下型１３のキャビティ面３０の外形形状は、図３に示されるように矩形ではなく、五角形となっている。そしてキャビティ面３０の中央部分には成形品においては厚肉部であるリブＭ２を形成するためのリブ形成部３４（凹部）が設けられている。そして下型１３の内部にはエジェクタ装置３５が組み込まれている。エジェクタ装置３５の突出部材３６の前面はリブ形成部３４の底面となっており、リブ形成部３４内の溶融樹脂を圧縮する機能を有するようになっている。なお突出部材３６はリブ形成部３４の底面の少なくとも一部を形成するものであっても全部を形成するものでもよい。また突き出し用の突出部材３６と、リブ形成部３４を圧縮する圧縮部材は別の部材としてもよい。

下型１３の本体部３７と突出部材３６との間の部分には真空吸引孔３８が形成され、真空吸引孔３８は金型内部（本体部３７）に形成された通路を通じて、キャビティ内を減圧可能な吸引装置である真空ポンプ３９に接続されている。なお真空吸引孔３８については溶融樹脂が入り込まないこと、または溶融樹脂が入り込んでも成形品に影響がほぼ無いことが重要であり、突出部材３６等の部材の移動により真空吸引孔３８が閉鎖されるものや多孔質金属から形成されるものでもよい。更には下型１３には、金型温度を測定する温度センサ４０が取付けられている。温度センサ４０についてはキャビティ面３０近傍の温度を熱電対等により直接測定するものでもよく、温調媒体の温度を測定するものやヒータの温度を直接測定するもの等でもよく、その数も少なくとも一つあれば限定されない。なお真空吸引孔３８、温度センサ４０、および厚肉部を形成する凹部については下型１３と上型１２の少なくとも一方に設けられたものでもよい。

上盤である可動盤１６に取付けられる上型１２（可動金型）は凹型であって、その下面は下型１３のキャビティ面３０と対応するキャビティ面４１と、前記キャビティ面の周囲の面４２から構成される。キャビティ面４１とキャビティ面の周囲の面４２の間にはキャビティ面４１を取り囲むように下型の切断刃３３が挿入される穴が設けられ、穴の内側の縁の部分が雌刃４３となっている。また前記穴の側面であって雌刃４３の近傍にはシール部材が設けられている。そして切断刃３３が前進した際に切断刃３３の側面にシール部材が当接してキャビティのシールがなされるようになっている。なおキャビティのシール構造は、上型１２が下降した際にシールがなされるものなど別の構造のものでもよい。

これら下型１３と上型１２の四隅近傍には下型１３（固定金型）と上型１２（可動金型）の間隔（距離）を測定する位置センサ４４がそれぞれ取付けられている。位置センサ４４の種類は限定されず、下型１３側、上型１２側のどちらの型にセンサ本体が取付けられたものでもよい。また下型１３と上型１２の内部のキャビティ面３０，４１の近傍には温調媒体の流路４５が設けられている。温調媒体の流路４５は、加熱手段である加熱媒体供給装置４６と冷却手段である冷却媒体供給装置４７に切り替え可能に接続され、下型１３と上型１２の温度を成形材Ｍの融点以上に加熱可能な加熱手段と成形材を一定温度以下まで冷却可能な冷却手段を構成している。なお金型の加熱手段は、前記に限らず、電気ヒータ、誘導加熱装置および蒸気加熱装置等を用いたものなどでもよい。

またキャビティ面３０，４１の形状は成形品の形状により相違するから上記のものに限定されない。そして上型１２が凸型であって下型１３が凹型であってもよく、両方の金型が平板型（細かい凹凸があるものを含む）であってもよい。また厚肉部形成部（リブ形成部３４）については、リブを形成するためのものではなく、厚肉部と薄肉部の間で徐々に厚みが相違している成形品の厚肉部を形成するためのものでもよい。また成形品は、穴があるものや平板状のもの等、更に複雑な形状のものであってもよく、複雑な形状の成形品を成形する際には金型に移動式のコア等を備えたものでもよい。

次にプレス成形装置１１の一部を構成する制御装置４８について説明する。制御装置４８は、型開閉用のサーボモータ２９を制御するサーボアンプ等も含む概念であり、サーボモータ２９（エンコーダを含む）にも接続されている。また制御装置４８は、プレス成形装置１１を駆動する油圧装置２６の各バルブ等にも接続されている。また制御装置４８は、金型に取付けられた位置センサ４４や温度センサ４０等のセンサ、加熱媒体供給装置４６や冷却媒体供給装置４７といった温調媒体供給装置や温調媒体の流路４５に設けられたバルブ等にも接続されている。また制御装置４８は、真空ポンプ３９や、図示しない取出機等の周辺機器にも接続されている。

次に本実施形態の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置１１を用いた強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法について説明する。本実施形態で使用される成形材は、強化繊維としては炭素繊維を使用し、マトリクス樹脂である熱可塑性樹脂マトリクス樹脂としてはポリアミド（ＰＡ６）を使用したプリプレグである。なお成形材は、プリプレグＭ、強化繊維のみのシート、樹脂のみのシートの少なくとも二つからなる組合せであってもよい。

図４に示されるように最初の載置工程では下型１３のキャビティ面３０に成形材をセットする。この際リブ形成部３４等の厚肉部形成部がある場合は、リブ形成部３４（凹部）にリブＭ２用の成形材（厚肉部用の成形材）を挿入する。リブＭ２用の成形材は前回までの成形時に、矩形のプリプレグＭを成形品の周囲の形状に応じて切断した余剰部Ｍ３から形成する。本実施形態における余剰部Ｍ３からリブＭ２用の材料の製造は、いったん材料を粉砕してからリブＭ２の形状に応じて別途の金型でプレス加工する。ただし細かく粉砕した材料をそのままリブ形成部３４に押し込んだものでよく、プリプレグＭを粉砕しないでリブの形状に応じて切断および積層したものでもよい。またはリブＭ２用の成形材は、細かく粉砕した材料を用いて射出成形したものでもよい。更にまたプリプレグＭとリブＭ２用の成形材（厚肉部用の成形材）は、プレス成形装置１１の外部で加熱溶融等により接合し、下型１３のキャビティ面３０に載置されるようにしてもよい。そして成形品の厚肉部が一定以上の面積がある場合は、プリプレグＭを１枚以上その厚肉部の形状に応じて切断したものが必要枚数重ねられて用いられる。また成形品が厚肉部と薄肉部が無い平板状のものであるか、或いは厚肉部と薄肉部の厚みの差が所定以下の板状の場合は、同形のプリプレグＭのみを重ねたものを成形材としてもよい。

次に成形材である矩形のプリプレグＭをプレス成形装置１１の下型１３（固定金型）のキャビティ面３０に載置する。この際に図４に示されるように下型１３と上型１２は、プリプレグＭに含まれるマトリクス樹脂（熱可塑性樹脂）の熱変形温度以上であって融点以下の温度まで昇温させておくことが望ましい。またプリプレグＭ自体もプレス成形装置１１の外部の図示しない赤外線加熱装置等の予備加熱装置で前記マトリクス樹脂の熱変形温度以上（更に望ましくは融点温度マイナス５０℃以上）まで昇温した状態で、搬送装置を用いて下型１３に載置することが望ましい。なおマトリクス樹脂が溶融しても強化繊維により形状が保持され、プリプレグＭの搬送に支障がない場合は、予備加熱装置でマトリクス樹脂の融点以上まで加熱してもよい。また下型１３と上型１２の温度もキャビティの形状やマトリスク樹脂の種類によってはプリプレグＭが載置される際にマトリクス樹脂の融点以上に昇温させておいてもよい。

本実施形態では成形材は、プリプレグＭのみを複数枚（これに限定されるものではないが一例として２〜３０枚）重ねたものが用いられる。この際、プリプレグＭの強化繊維が一方向にのみ配向されたものの場合は、それぞれのプリプレグＭの強化繊維の方向が直交するように重ねることが望ましい。矩形のプリプレグＭが下型１３のキャビティ面３０に載置される場合、プリプレグＭの面積のほうがキャビティ面３０の面積よりも大きくて、キャビティ面３０の全周囲からプリプレグＭがはみ出すように載置される。なおこの際プリプレグＭは、キャビティ面３０を全て覆う面積を備えたものではなく、横方向に並べて載置される２枚以上のプリプレグＭによってキャビティ面３０をカバーするものでもよい。上記したようにキャビティ面３０に載置されるプリプレグＭは予備加熱されており、下型１３の温度も少なくとも熱変形温度以上に加熱されているのでキャビティ面３０が凸部であっても当初に平面状であったプリプレグＭも前記キャビティ面３０の形状にほぼ倣った形状に変形される。

次に可動盤１６と上型１２が下降されてプリプレグＭの上面に上型１２のキャビティ面４１が当接される。この際の可動盤１６の作動制御は、速度制御（または位置制御）により行われ、所定位置になると可動盤１６は位置制御により停止される（図４における型閉工程）。この際の停止位置は、プリプレグＭを成形品の形状に更に倣った形状にすることが可能な位置であるが、まだプリプレグＭに対して十分な加圧力が付与されない状態の位置とする。この位置は予め設定された位置であることが望ましいが、上型１２がプリプレグＭに当接したことによって型開閉用のサーボモータ２９のトルクが上昇したことを検出したり、型開閉シリンダを用いたものでは圧力上昇を検出したりすることにより可動盤１６を停止するものでもよい。

次の切断工程では切断装置３２のアクチュエータである油圧シリンダが作動されて切断刃３３が前進し、プリプレグＭのうちのキャビティ面３０からはみだした余剰部Ｍ２を切除する。この際にプリプレグＭは予備加熱されている（望ましくは熱変形温度以上、更に望ましくは融点温度マイナス５０℃以上に予備加熱されている）ので切断刃３３による切断が容易であり、切断刃３３の摩耗も少ない。切断刃３３については刃先が切断刃３３の昇降方向に対して直行方向ではなく斜め方向に取付けられていて、全刃先が同時にプリプレグＭに当接されないような構造にしたほうが望ましい。また切断装置３２は上型１２（可動金型）に切断刃を設け、上型１２の下降によって余剰部Ｍ２が切断されるものでもよい。本実施形態では切断された余剰部Ｍ２はキャビティ面の周囲の面３１（傾斜面）を滑り落ちてプレス成形装置１１の周囲に設けられた図示しない回収トレーに回収される。なおロボットを用いて余剰部Ｍ２を把持して回収するものでもよい。

切断装置３２の切断刃３３により余剰部Ｍ２が切断されるとシール部材により切断刃３３の部分がシールされ、プリプレグＭのうちの成形品の形状に切断された成形部Ｍ１が外界とは隔絶したキャビティ内に収納される。この状態で作動された真空ポンプ３９からキャビティへ接続される吸引孔３７を含む通路を連通させて、キャビティ内を減圧すべく空気を吸引する。なおキャビティは上型１２の下降のみによりシールされ、外界と隔絶されるようにしてもよく、プレス成形装置１１全体を真空チャンバ内に載置されてキャビティが外界と隔絶されるものでもよい。そして次の加圧前工程では、キャビティ内の大気吸引と前後して下型１３と上型１２の温度を昇温させ、成形部Ｍ１の温度をプリプレグＭに含まれる熱可塑性樹脂の融点以上の温度まで上昇させる。この際の金型温度は、温度センサ４０の温度を検出して加熱媒体供給装置４６をクローズドループ制御する。しかし金型外部の加熱媒体供給装置４６の熱媒温度のみを測定してクローズドループ制御して、金型温度は制御に用いないものでもよい。

またこの際、吸引孔３８がキャビティに暴露して設けられている場合は、真空ポンプ３９によるキャビティ内の大気吸引（減圧または真空化）を停止後に金型温度を前記融点以上に上昇させることが望ましい。しかし吸引孔３８の構造が特殊な場合は、金型温度を前記融点以上に引き上げてからキャビティ内の減圧を停止するようにすることも考えられ、マトリクス樹脂の溶融時にガスが発生して問題となる場合などに有効である。一例としてマトリクス樹脂がＰＡ６の場合、ＰＡ６の融点である２２５℃以上に昇温させる。昇温の範囲は、これに限定されるものではないが、融点以上、融点プラス４０℃以下の範囲の金型温度をすることが望ましい。なお加熱手段に誘導加熱等を用いる場合は、前記成形材であるプリプレグＭの温度のみをマトリクス樹脂の融点以上に昇温する。

この型当接から成形材のマトリクス樹脂の融点以上まで金型温度または成形材の温度を上昇させる昇温過程、または金型温度または成形材の温度が前記融点以上になってから含浸を促進させている含浸過程（双方を合わせて図４における加圧前工程）において、下型１３と上型１２にバイブレーション等の振動付与装置が設けられているものでは、金型に振動を付与することにより良好な空気の除去や炭素繊維等の強化繊維へのマトリクス樹脂の含浸の促進を図ることができる。または型開閉装置を速度制御または位置制御により作動させて上型１３（可動金型）を開閉方向に移動させることによって、キャビティ内のプリプレグＭの間（樹脂のみのシートや強化繊維のみのシートが挿入されている場合を含む）の空気の除去や、強化繊維への樹脂の含浸を促進させてもよい。更にはこの際にエジェクタ装置３５を作動させてキャビティ内のプリプレグＭに部分的に力を加えて空気の除去や樹脂の含浸を促進させてもよい。

そして型当接位置に当接してから所定時間が経過すると、（または金型１２，１３が融点以上の温度になってから所定時間経過すると）、加圧工程（第１の加圧工程）を開始する。第１の加圧工程では、圧縮用シリンダ１４が作動され、位置制御（または速度制御）により可動盤１６と上型１２（可動金型）が更に下降される。この際に加圧開始時点では金型またはプリプレグＭの温度は融点以上であることが望ましいが、減圧されたキャビティ内で成形材であるプリプレグＭまたは金型の温度をプリプレグＭの樹脂の融点以上に加熱状態に一旦保持した後でプリプレグＭの加圧を開始するものであれば、融点より僅かに低い温度まで金型またはプリプレグＭが降温してから加圧を開始するものを除外するものではない。

なおハーフナット２７は型当接の開始時点から前記所定時間が経過するまでの間で適宜に作動されてタイバ１７の溝に係合がなされている。この際に上型１２の下降制御と同時かそれと前後して冷却手段である冷却媒体供給装置４７から流路４５に冷却媒体を流通させ、金型１２，１３の冷却を開始する。この際の位置制御については、金型１２，１３間または台盤１５，１６間に配置された４個の位置センサ４４の値を検出して位置センサ４４の値（原点からの値）が同じ値となるように各位置センサ４４に対応する圧縮用シリンダ１４により速度制御（または位置制御）のみがなされ、下型１３（または固定盤１５）に対する上型１２（または可動盤１６）の平行度が保たれるように平行制御が行われる。

本実施形態では成形品の形状が矩形ではなく、成形品の平面視した際の重心位置と、プレス成形装置１１の重心位置（対角同士の圧縮用シリンダ１４を結ぶ線の交点）とが一致していない。そのため４つの圧縮用シリンダ１４を同じ圧力で制御して成形材であるプリプレグＭの圧縮を行っても下型１５に対する上型１６の平行度が異なってしまう。即ち各圧縮用シリンダ１４を同じ圧力で加圧制御すると、重心位置から見て成形品の面積が小さい側では成形品に対する面圧が相対的に高くなり、圧縮用シリンダ１４の押しすぎにより可動盤１６および上型１２の前進量が相対的に大きくなってしまう。また重心位置から見て成形品の面積が大きい側では成形品に対する面圧が相対的に低くなり、圧縮用シリンダ１４の押し不足により可動盤１６および上型１２の前進量が相対的に小さくなってしまう。またこのような加圧制御の際の平行度の狂いはプリプレグＭのマトリクス樹脂の温度が高温であって流動性が高い状態であるほど顕著となる。

位置センサ４４の値を検出して行われる平行制御(クローズドループ制御)は、種々の方法があり、１軸の圧縮用シリンダ１４をマスターシリンダとしてサーボバルブ２５により速度制御（または位置制御）し、他の圧縮用シリンダ１４はスレイブシリンダとしてマスターシリンダに追従する方式で各圧縮用シリンダ１４に対応してそれぞれ設けられたサーボバルブ２５を制御してもよい。または目標位置に対してそれぞれの圧縮用シリンダ１４の平均位置が到達するように各圧縮用シリンダ１４に対応してそれぞれ設けられたサーボバルブ２５を個別に制御する速度制御する方式（または位置制御する方式）でもよい。後者の場合、目標位置と各位置センサの検出位置の差分を求めて制御信号を生成し、各圧縮用シリンダ１４の各サーボバルブ２５を制御する形でフィードバック制御を行う。また前者、後者ともに、ポンプから各圧縮用シリンダ１４に送られる元圧力は設定圧力に制御される。

そして下型１３と上型１２の金型温度が融点以下であって熱変形温度以上の所定温度（これに限定されるものではないが望ましくは融点マイナス５℃ないし融点マイナス５０℃の範囲）となったことを温度センサ４０が検出した時点で圧縮用シリンダ１４による制御を速度制御のみ（または位置制御のみ）から圧力制御の要素を加えた制御に切り替える。なおこの際の金型温度についても温調媒体の温度を検出するものであってもよい。本実施形態では温度により制御を切換えることにより、樹脂の流動性が最適な段階で制御を変更することができる。そして圧縮用シリンダ１４の制御は、速度制御のみ（または位置制御のみ）の第１の加圧工程から速度制御（位置制御）と圧力制御を併用した第２の加圧工程に切換えられる。その場合も速度制御（位置制御）の要素は、マスター軸の圧縮用シリンダ１４に他の圧縮用シリンダ１４の位置（位置センサ４４により検出される）を合わせる方式を用いてもよく、各軸の平均値の目標位置に対して各圧縮用シリンダ１４の位置（位置センサ４４により検出される）が到達するように制御する方式を用いてもよい。

また圧力制御については、圧縮用シリンダ１４の圧縮用油室１９の作動油の圧力を圧力センサ２３により検出し、その平均値を算出して制御に用いる。そして目標圧力との差分を取って圧力ループの制御信号を生成する。従って各圧縮用シリンダ１４には同じ前進量の指令がなされる。この際の目標圧力はこれに限定されるものではないが、一例として成形品に及ぼされる面圧が３〜３０ＭＰａ（更に望ましくは５〜２０ＭＰａ）となるように作動油の油圧を決定することが望ましい。またこの圧力制御の際には型開用油室２０の作動油の圧力も圧力センサ２４により検出して制御に使用するようにしてもよい。そして圧力ループによる前進量の制御信号は、上記の速度ループ（または位置ループ）による制御信号に加算されて圧縮成形の第２の加圧工程に使用される。なお圧力制御については、各圧力センサ２３の値が目標圧力となるように圧縮用シリンダ１４毎にサーボバルブ２５を個別に制御するようにしてもよい。その場合も個別の圧縮用シリンダ１４の圧力制御の制御信号に速度制御（位置制御）の要素を加算して圧縮成形に使用される。

従って本実施形態の圧縮成形の第２の加圧工程では、速度制御（位置制御）により固定盤１５に対する可動盤１６の平行度を確保しながら、各圧縮用シリンダ１４の圧力制御も行うことができ、流動性に問題がある成形品や、不均一な形状であって圧縮されやすい部位と圧縮されにくい部位がある成形品であっても平行度を確保することができる。

そして第２の加圧工程の間、金型温度は熱変形温度以下の設定された目標冷却温度に維持される。冷却手段による金型の冷却についても温度センサ４０による温度を検出して行うが、金型外部の冷却媒体供給装置４７の冷却熱媒温度のみを測定してクローズドループ制御し、金型温度は制御に用いないものでもよい。そして第２の加圧工程開始時間から所定時間が経過すると第２の加圧工程は終了され、圧縮用シリンダ１４の圧が抜かれ、その後に圧縮用シリンダ１４を型開側に作動させて離型を行う。（または第２の加圧工程の終了は別の時間計測等によるものでもよい。）この際に成形品のマトリクス樹脂は金型のキャビティ面３０，４１が熱変形温度以下の樹脂冷却固化温度に冷却保持されることにより十分に冷却されているので良好に離型できる。そして型開閉装置２８により上型１２を型開位置まで移動させる（図４における離型・型開工程）。また下型１３に残った成形品は、エジェクタ装置３５により突き出される（図４における突出工程）。またエジェクタ装置３５による成形品の突出と同時か前後して、上型１２と下型１３を加熱手段による加熱制御に切り替える。なお成形品の突き出し時には切断刃３３は後退させておくことが望ましい。

なお本実施形態ではリブ形成部３４の底面がエジェクタ装置３５の突出部材３６により形成され、エジェクタ装置３５の油圧シリンダにより移動可能であるので、第１の加圧工程と第２の加圧工程の少なくとも一方の加圧工程の間に油圧シリンダを作動させてリブ形成部３４（厚肉部）を圧縮するようにしてもよい。そのことによりリブ部Ｍ２と本体部Ｍ１との密度が略均等となり、リブ部Ｍ２が本体部Ｍ１に密着する強度が向上する。

また第２の加圧工程における金型の設定温度は、成形されるプリプレグＭのマトリクス樹脂の熱変形温度以下であることが望ましいが、熱変形温度よりも高い温度であっても成形品の離型が可能となる一定温度以下であればよい。また金型から取り出される成形品は、金型の設定温度が熱変形温度以下であっても熱変形温度よりも高い温度で取り出されることもある。

また本実施形態では、加圧前工程から第１の加圧工程への切換え、第１の加圧工程から第２の加圧工程への切換えは、温度センサ４０により金型温度が設定温度となったことを検出して行う。しかしながら前記工程の切換えは、圧力センサ２３により圧縮用シリンダ１４の油圧が設定圧力となったことを検出して少なくとも一つの工程を切換えるものや時間経過のみにより少なくとも一つの工程を切換えるものでもよい。または金型温度と圧縮用シリンダ１４の油圧の双方が所定の設定値になったことにより工程を切換えるものでもよい。更にこの際に圧縮用シリンダ１４の油圧に替えて、タイバセンサ等により測定した型締力やキャビティ内圧（面圧）を測定して制御に用いてもよい。

更に本発明は、第２の加圧工程の後に、金型温度が所定の温度となったことまたは圧縮用シリンダ１４の圧力となったことを検出して、第３の加圧工程として圧力制御のみを行ってもよい。圧力制御のみにより圧縮用シリンダ１４を制御する場合は、目標圧力に対して、各圧縮用シリンダ１４の圧縮用油室１９の圧力が到達するようにサーボバルブ２５を制御することにより、均等な加圧が可能となる。または圧縮用シリンダ１４毎に個別に目標圧力を定めて制御するようにしてもよい。更には第１の加圧工程である速度制御（または位置制御）から圧力制御のみの第３の加圧工程に直接移行するようにしてもよい。

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。本発明に用いられる強化繊維は炭素繊維に限定されず、ガラス繊維等であってもよい。また本発明に用いられる熱可塑性樹脂についてもポリアミド（ＰＡ６）に限定されず、ポリアミド（ＰＡ６６）、ポリカーボネート、ポリプロピレン等であってもよく、熱硬化性樹脂を含有するものでもよい。そしてプレス成形装置１１に供給される成形材の形態はプリプレグのみに限定されず、プリプレグ、樹脂のみのシート、強化繊維のみのシートのうちの少なくとも２つを含むものでもよい。即ち強化繊維のみのシートと樹脂のみのシートがそれぞれ積層して下型１３のキャビティ面３０に載置され、プレス成形されるものでもよい。そしてまた熱可塑性樹脂については、既に前工程の加熱供給装置で溶融状態となしたものが供給されるものでもよい。この場合、下型１３のキャビティ面３０に強化繊維のみのシートを載置した状態で溶融状態の熱可塑性樹脂を供給してもよく、強化繊維を含有する熱可塑性樹脂を溶融状態で供給してもよい。

１１プレス成形装置
１２上型
１３下型
１４圧縮用シリンダ
２３，２４圧力センサ
２５サーボバルブ
３０，４１キャビティ面
３３切断装置
３５エジェクタ装置
３９真空ポンプ（吸引装置）
４０温度センサ
４４位置センサ
４６加熱媒体供給装置（加熱手段）
４７冷却媒体供給装置（冷却手段）
４８制御装置
Ｍプリプレグ（成形材）
Ｍ１本体部
Ｍ２リブ形成部
Ｍ３余剰部

Claims

強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置において、
固定金型と可動金型の間に成形材を成形するキャビティが形成される金型と、
前記金型に設けられ成形材を加熱可能な加熱手段と、
前記金型に設けられ成形材を冷却可能な冷却手段と、
前記金型のキャビティ面に設けられた厚肉部形成部と、
加圧制御の際に厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材とを備えたことを特徴とする強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置。
前記突出部材はエジェクタ装置に備えられ、
突出部材の前面は厚肉部形成部の底面となっていることを特徴とする請求項１に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置。
前記厚肉部形成部は、下型に設けられたリブを形成するリブ形成部であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形装置。
強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法において、
固定金型と可動金型の間に成形材を成形するキャビティが形成される金型と、
前記金型に設けられ成形材を加熱可能な加熱手段と、
前記金型に設けられ成形材を冷却可能な冷却手段と、
前記金型のキャビティ面に設けられた厚肉部形成部とが備えられ、
加圧制御の際に前記キャビティで成形される成形材の本体部と厚肉部用の成形材は別の部材であり、
加圧制御の際に厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材を作動させて前記厚肉部用の成形材を本体部に密着させることを特徴とする強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法。
加熱手段により成形材または金型の温度を該成形材の融点以上に加熱状態としてから、
位置制御または速度制御により圧縮用シリンダを制御する第１の加圧工程と、位置制御または速度制御および圧力制御を併用して圧縮用シリンダを制御する第２の加圧工程の少なくとも一方の加圧工程の間に、厚肉部形成部内の厚肉部用の成形材を圧縮する圧縮部材または突出部材を作動させて前記厚肉部用の成形材の圧縮することを特徴とする請求項４に記載の強化繊維と熱可塑性樹脂を含む成形品のプレス成形方法。