JP2019178458A - 素形体作成方法および素形体作成装置 - Google Patents
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Abstract
Description
上記抄造シートについては、水平に設けた網状の抄網の上方に、上記補強繊維と樹脂粉末とによる混合液を投入し、その後上記抄網において補強繊維を抄き取ったら、その後脱水や乾燥を行うことで得ることができる(特許文献2)。
さらに、このような抄造法を用いて立体的な繊維強化樹脂を作成する場合には、上記抄造シートを所要の形状に切断し、切断した抄造シートを複数枚積層させ、さらに当該積層した抄造シートを加熱・加圧して、抄造シートに含まれる樹脂が架橋する前の状態とした素形体を作成し、当該素形体をさらに加熱・加圧することで製品としての繊維強化樹脂を成形する方法が知られている(特許文献3)。
また、上記抄造シートに炭素繊維などの剛性の高い繊維を用いた場合、抄造シートを積層する際に当該繊維の剛性によって抄造シートが膨張することがあり、このため上記素形体の形状が定まらない等の問題があった。
このような問題に鑑み、本発明は上記素形体をより効率的に作成することが可能な素形体作成方法および素形体作成装置を提供するものである。
上記混合液を収容可能な抄造槽の内部に、その上面に立体形状が形成されるとともに上方から下方に貫通する排水口が設けられた下型と、当該下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型とを設け、
上記下型の上部に上記混合液を投入したら、上記上型を下降させるとともに、上記下型に設けた排水口より上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記素形体と略同形状の成形空間が形成されると、上記上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱して素形体とすることを特徴としている。
また請求項3の発明にかかる素形体作成装置は、補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合した混合液を供給する供給手段と、上記混合液を収容可能な抄造槽と、上記抄造槽の内部に設けられてその上面に立体形状が形成された下型と、当該下型の上方から下方に貫通して設けられた排水口を開閉する開閉手段と、上記下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型と、当該上型を昇降させる昇降手段と、上記上型と下型との間に形成される上記素形体と略同形状の成形空間を加熱する加熱手段とを備え、
上記供給手段が上記下型の上部に上記混合液を投入すると、上記昇降手段が上型を下降させるとともに、上記開閉手段が上記下型の排水口を開放して上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記成形空間が形成されると、上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記加熱手段が上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱することを特徴としている。
さらに、上記上型と下型との間で補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱することで、上記樹脂が硬化して素形体となるため、抄造シートの切断や積層といった作業を行うことなく素形体を得ることができ、また作成した素形体が補強繊維の剛性によって膨張することもない。
簡単に説明すると、上記混合分散工程では、補強繊維と樹脂粉末とを水に混合して混合液Lを作成し、上記素形体作成工程では、本発明にかかる素形体作成装置2を用いることで混合液Lから上記補強繊維と樹脂とを抄き取り、さらにこれを加熱して立体形状からなる素形体3を作成する。
そして加熱・加圧成形工程では、上記立体形状を有した素形体3を成形装置4に投入し、上記素形体3に含まれる樹脂を熱架橋させながら加圧圧縮することで、製品としての上記繊維強化樹脂1を作成するものとなっている。
本実施例では、上記素形体作成工程において立体的な形状を有した素形体3を効率的に作成することが可能となっており、従来のような抄造シートの作成や切断、これらの積層を行うなどの作業が不要となっている。
また本実施例で作成する繊維強化樹脂1は、例えば自動車の内装材に使用することができ、フェノール樹脂といった熱硬化性樹脂と、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ビニロン繊維、セラミック繊維といった補強繊維とが配合されたものとなっている。
本実施例で製造する繊維強化樹脂1の原材料の一例としては、以下のものを用いることができる。
(1)フェノール樹脂粉末・・〜60wt%以下
(2)炭素繊維(補強繊維)・・・30〜70wt%
(3)ガラス繊維(補強繊維)・・30〜70wt%
(4)カーボンパウダー・・・・・20〜30wt%
上記原材料の割合は、水と混合する前の原材料全体に占める割合となっており、このうち上記補強繊維としては上記記載のうち(2)(3)のいずれか一方を使用し、また(4)のカーボンパウダーについては使用する場合の割合を示しており、全く使用しないことも可能である。
ここで、上記炭素繊維(例えばクレカチョップ(株式会社クレハの登録商標)繊維)は、細径のフィラメントを約6mm長にカットしたものを用いた。また、ガラス繊維は、約9μm径のロービングを約3〜6mm長にカットしたものを用いている。
そして水の投入量(100wt%)に対し、上記原材料の合計重量が約0.1〜2wt%となるように計量し、当該原材料を上記貯水槽5内に水と共に投入してその後撹拌する。
その際、上記原材料の合計重量に対し0.08wt%の非イオン界面活性剤(例えば、住友精化社製の商品名「PEO−PF」でポリエチレンオキサイドを主成分とする)を添加する。
この低濃度(0.08wt%)の非イオン界面活性剤は高分子凝集剤として機能し、該非イオン界面活性剤の機能により、上記フェノール樹脂粉末が繊維表面に付着した状態で炭素繊維が柔らかい栗毬状に絡まり、約10〜15mm径のスラリーSとして水中に浮遊し安定に分散し、これにより上記混合液Lが得られることとなる。
素形体作成装置2は、上記混合液Lを供給する供給手段11と、上記混合液Lが投入される抄造槽12と、上記抄造槽12の内部に設けられた下型13と、当該下型13の上方から下方に貫通して設けられた排水口13aと、上記下型13の上方に昇降可能に設けられた上型14と、当該上型14を昇降させる昇降手段15と、上記上型14と下型13との間に形成される成形空間F内の補強繊維および樹脂を加熱する加熱手段16とを備えている。
上記抄造槽12は筒状を有し、上記供給手段11が投入した混合液Lを貯溜することが可能となっているとともに、その底部には上記混合液Lより取り除かれた水分を排出するための排液通路12aが設けられている。
また上記樹脂部13Aには、その上面から下面に貫通するように複数の排水口13aが設けられており、上記下型13の上部に貯溜された混合液Lの水分を通過させて、下型13の下方の排液通路12aへと排出するようになっている。
上記金網13Bとしては例えば約60メッシュのステンレス鋼からなる網体を用いることができ、上記金網13Bは当該樹脂部13Aの上面に沿って略同形状の立体的に成形されている。
さらに、下型13の下方には上記排水口13aを開閉する開閉手段17が設けられており、当該開閉手段17が閉鎖された状態で上記抄造槽12に混合液Lを投入すると、当該混合液Lを上記下型13の上部まで貯溜させることが可能となっている。
この状態で上記開閉手段17を開放すると、上記下型13の上方に貯溜された混合液Lの水分が上記金網13Bの編目および樹脂部13Aの排水口13aを介して下型13の下方へと排出され、一方上記混合液Lに含まれる補強繊維は上記金網13Bによって抄き取られて下型13の上方に樹脂と共に残留するようになっている。
上記開閉手段17としては、上記排水口13aの位置に貫通孔を備えた板状の部材と、当該板状部材をスライドさせる移動手段(図示せず)とを備えた構成が考えられ、この構成の場合、上記移動手段によって上記貫通孔を上記排水口13aの位置からずらすことで、排水口13aを閉鎖することができ、貫通孔を上記排水口13aに一致させることで、排水口13aを開放することができる。
上記上型14は樹脂製で、その下面は素形体3の形状に合わせて立体的に形成され、上記上型14が上記下型13に最接近した下死点では、上型14と下型13との間に上記素形体3と同形状の成形空間Fが形成されるようになっている。
また上記下型13の上部には上方に向けて位置決め用のピン13bが設けられ、これに対し上型14には当該ピン13bが貫通する位置決め孔14aが穿設されており、上記位置決めピン13bを上記位置決め孔14aに挿入した状態で、上型14が下降するようになっている。
上記昇降手段15は上記上型14を昇降させるとともに、上記上型14を下死点に位置させた際には、当該上型14と下型13との間で混合液Lの上記補強繊維と樹脂とを加圧するようになっている。
加熱手段16としては、例えば200〜500℃に加熱された蒸気を供給する過熱蒸気供給手段を用いることができ、図示しないが、当該過熱蒸気の噴出孔を上記成形空間Fを囲繞するように複数備えている。
そして、上記加熱手段16が上記成形空間F内の補強繊維と樹脂とを上記過熱蒸気により10〜120秒程度加熱することで、成形空間Fの外周側に位置する樹脂が熱架橋されない程度に加熱されて硬化し、上記素形体3が得られるようになっている。
なお、上記加熱手段16としては、過熱蒸気に代えて加熱空気を供給する加熱空気供給手段や、抄造槽12の外周に密着してその内部の成形空間Fに伝熱により加熱を行うヒーターユニットを用いることが考えられる。
最初に、図2に示すように上記上型14は上方に位置しており、この状態で上記供給手段11が上記貯水槽5で作成した補強繊維と樹脂とを含んだ混合液Lを抄造槽12に投入する。
このとき、上記下型13に設けられた排水口13aの開閉手段17は閉鎖されており、このため投入された混合液Lは下型13の上方に貯溜されてゆき、当該混合液Lの水面が下型13の上端部よも上方に位置するまで、混合液Lの投入を行う。
その際、下型13の上方において次第に混合液Lの収受量が増えていくと、抄造槽12内を落下する落下流の勢いで渦巻流が生じ、上記スラリー中の補強繊維が上下左右3次元のあらゆる方向にランダムに向いて相互に絡まっていく。
上型14が下降するに従い、混合液L中の補強繊維は上記下型13の金網13Bによって抄き取られ、上記樹脂が補強繊維に絡まった状態で下型13の上方に残存する。
一方、上型14が下降するに従い、混合液L中の水分は上記下型13の排水口13aから上記排液通路12aを介して外部に排出され、補強繊維および樹脂から脱水を行うことができる。
上記上型14が下死点に到達すると、上型14と下型13との間には素形体3と同じ形状の成形空間Fが形成され、また昇降手段15は上型14を例えば1.0MPa程度の圧力で加圧した状態を保持し、これにより上記成形空間F内の補強繊維および樹脂が加圧され、さらに脱水を行うことができる。
そして、補強繊維および樹脂を加圧した状態で上記加熱手段16が作動し、成形空間Fに収容された補強繊維および樹脂が加熱され、例えば200〜500℃の過熱蒸気を10〜120秒程度成形空間Fに向けて供給することで、成形空間Fに収容された樹脂のうち、当該成形空間Fの外周側に位置した樹脂を熱架橋しない程度に硬化させる。
このようにして得られた素形体3は、その外周に位置する樹脂が硬化していることから、その形状を維持したまま持ち運ぶことが可能となり、後工程で使用する成形装置4に投入することができる。
また取り出された素形体3は、当該素形体3中の補強繊維が膨張しようとしても、硬化した樹脂によって膨張が阻止されるため、素形体3の形状が維持されるようになっている。
なお、作成する素形体3の形状によっては、上記上型14を複数回昇降させ、上型14が上方に位置している間に混合液Lを再度投入して、成形空間F内に所定量の補強繊維および樹脂が収容されるようにしてもよい。
上記成形装置4を構成する下型4aと上型4bとの間には、製品としての繊維強化樹脂1の形状に合わせて立体的な形状が形成されており、上記素形体3は上記下型4aに載置されることとなる。
その後、上記素形体3を図示しない加熱手段によって加熱して、当該素形体3に含まれる樹脂を溶融させながら、上記上型4bを下降させて下型4aとの間で加圧圧縮することで、上記樹脂が熱架橋されて上記素形体3が上記繊維強化樹脂1へと成形されるようになっている。
なお、この成形工程や上記成形装置4は、上記特許文献3に記載されたものと同様、抄造シートを複数枚積層させて作成した素形体3を繊維強化樹脂1へと成形する工程と同じであるため、これ以上の詳細な説明については省略する。
つまり、上記特許文献3のように、抄造シートを所定の形状に切断し、当該切断した抄造シートを積層させ、積層させた抄造シートを加熱・加圧して立体的な素形体3を作成する必要がなくなり、素形体3を効率的に作成することが可能となった。
また、特許文献3のように抄造シートを積層させる場合、抄造シートに炭素繊維などの剛性の高い補強繊維が含まれていると、抄造シートに含まれる樹脂は硬化していないことから、一度圧縮した抄造シートが膨張してしまうこととなる(スプリングバック)。
したがって、例えば積層させた抄造シートを素形体3に成形するための加熱・加圧装置に投入する際に、抄造シートの膨張によって上記加熱・加圧装置への投入がしにくくなるという問題があった。
また、上記実施例において、上記下型13は樹脂部13Aおよび当該樹脂部13Aの上部に載置した金網13Bとによって構成されているが、素形体の形状によっては十分な剛性を有する金網だけで構成してもよい。
また、本実施例を説明する図において、上記下型の上面の立体形状と上型の下面の立体形状は同形状となっているが、当然ながら異なる形状を有していてもよい。
3 素形体 4 成形装置
11 供給手段 12 抄造槽
13 下型 13a 排水口
14 上型 15 昇降手段
16 加熱手段 17 開閉手段
L 混合液 F 成形空間
Claims (4)
- 補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合して混合液を作成し、上記混合液から補強繊維と樹脂粉末とを抄き取って抄造し、さらにこれを加熱・加圧して素形体を作成する素形体作成方法であって、
上記混合液を収容可能な抄造槽の内部に、その上面に立体形状が形成されるとともに上方から下方に貫通する排水口が設けられた下型と、当該下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型とを設け、
上記下型の上部に上記混合液を投入したら、上記上型を下降させるとともに、上記下型に設けた排水口より上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記素形体と略同形状の成形空間が形成されると、上記上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱して素形体とすることを特徴とする素形体作成方法。 - 上記上型を下降させて下型との間で上記混合液中の補強繊維と樹脂とを加圧したら、上型を上昇させて上記混合液を再度投入し、その後再度上型を下降させることを特徴とする請求項1に記載の素形体作成方法。
- 補強繊維と樹脂粉末とを水に分散混合した混合液を供給する供給手段と、上記混合液を収容可能な抄造槽と、上記抄造槽の内部に設けられてその上面に立体形状が形成された下型と、当該下型の上方から下方に貫通して設けられた排水口を開閉する開閉手段と、上記下型の上方に昇降可能に設けられてその下面に立体形状が形成された上型と、当該上型を昇降させる昇降手段と、上記上型と下型との間に形成される上記素形体と略同形状の成形空間を加熱する加熱手段とを備え、
上記供給手段が上記下型の上部に上記混合液を投入すると、上記昇降手段が上型を下降させるとともに、上記開閉手段が上記下型の排水口を開放して上記混合液中の水分を排出し、
上記上型が下降して下型との間に上記成形空間が形成されると、上型と下型との間で上記補強繊維と樹脂とを加圧しながら、上記加熱手段が上記成形空間内の補強繊維と樹脂とを加熱することを特徴とする素形体作成装置。 - 上記上型に、上方から下方にかけて貫通する排水口を設け、
さらに上記排水口より上型の上部に排出された水分を上記抄造槽より除去する排水手段を設けたことを特徴とする請求項3に記載の素形体作成装置。
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