JP2021120189A

JP2021120189A - 成形体および成形体の製造方法

Info

Publication number: JP2021120189A
Application number: JP2020013735A
Authority: JP
Inventors: まいこ服部; Maiko Hattori
Original assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Current assignee: Toyota Auto Body Co Ltd
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-19

Abstract

【課題】本発明は、成形体の変形を充分に低減させることを目的とする。【解決手段】本発明は、フィラーを添加した樹脂にガスを注入して形成された成形体であって、注入された前記ガスにより内部に形成された気泡の径は３０μｍ〜６０μｍであり、前記フィラーは配向が乱れている、成形体を提供する。【選択図】図７

Description

本発明は、成形体および成形体の製造方法に関する。

例えば自動車の内装として用いられるフロントパネル等は、樹脂を主成分として成形される。このようにして成形される成形体は、例えば耐衝撃性を備えた所定の強度が求められる。そのため、成形体を製造するに際し、樹脂に例えばガラス繊維等のアスペクト比が高いフィラーを添加することで、成形体の強度を高めている。

このような成形体は、金型を使用した射出形成によって製造される。このような成形体は、金型で成形体を製造する際に、添加されているフィラーが樹脂の流動方向に配向する。フィラーが配向すると、成形体の縦方向の収縮率と横方向の収縮率が異なるため、成形体は、一方向に反る等して変形する。

成形体の変形を低減させる方法として、例えばコアバック法が知られているが、金型の構造が複雑化するため、形が複雑な成形体の成形には適さない。また、特許文献１のように、ショートショット法を用いて成形体を発泡させて変形を低減させることも知られているが、単に成形体を発泡させるだけでは、成形体の変形を充分に低減させることが困難であった。

特開２００４−３５２８０１号公報

本発明は、ショートショット法を用いて簡単に成形体の変形を充分に低減させることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、フィラーを添加した樹脂にガスを注入して形成された成形体であって、注入された前記ガスにより内部に形成された気泡の径は３０μｍ〜６０μｍであり、前記フィラーは配向が乱れている、成形体を提供する。

本発明によれば、成形体の変形を充分に低減させることができる。

図１は、実施形態の内装材が自動車のフロントパネルやドアトリムに使用された例を示す説明図である。図２は、成形体の製造方法を示す説明図である。図３は、ショートショット法により金型に樹脂が充填した状態を示す図である。図４は、所定量以上のガスを注入せずに製造した成形体の断面を示す図である。図５は、所定量以上のガスを注入せずに製造した成形体内部の気泡とフィラーの状態を示す説明図である。図６は、所定量以上のガスを注入して製造した成形体の断面を示す図である。図７は、所定量以上のガスを注入して製造した成形体内部の気泡とフィラーの状態を示す説明図である。図８は、所定量以上のガスを注入して製造した成形体の断面を示す図である。図９は、所定量以上のガスを注入して製造した成形体内部の気泡とフィラーの状態を示す説明図である。

以下、図面を参照しながら、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により、この発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態の成形体が自動車で使用された例を説明するための図である。実施形態の成形体Ｂは、例えば、自動車Ｃの内装であるフロントパネルとして使用される。また、実施形態の成形体Ｂは、例えば、自動車Ｃのドアトリム（フロントドア、リアドア、バックドア等の内貼り）として使用される。

成形体Ｂは、熱可塑性の樹脂が主成分の板状の成形体である。熱可塑性の樹脂は、例えば、ポリ塩化ビニル系樹脂、ポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂等、ポリアミド系樹脂、ポリアセタール系樹脂、ポリカーボネート系樹脂等が挙げられる。

また成形体Ｂは、樹脂にフィラーが添加されている。フィラーは、例えばガラス繊維、炭素繊維、金属繊維等である。実施形態のフィラーは、アスペクト比が高い、細長い形状の物質が使用される。例えば、長さが約１ｍｍ程度、径が約１０μｍ程度の細長いガラス繊維がフィラーとして使用される。樹脂にアスペクト比が高いフィラーを添加した成形体とするのは、耐衝撃性を高める等、成形体に充分な強度を持たせるためである。

続いて、実施形態の成形体の製造方法について説明する。図２は、成形体Ｂの製造方法を示す説明図である。成形体Ｂの製造方法は、樹脂の溶融工程（第１工程）、樹脂の充填工程（第２工程）、樹脂の冷却工程（第３工程）、樹脂の取出工程（第４工程）を含む。

実施形態では、ショートショット法を用いて成形体を製造する。ショートショット法とは、金型の容積より少ない量の樹脂を金型内に射出し、射出された樹脂中に混入されたガスによって樹脂内に気泡が生成されることで樹脂が膨張して金型全体に充填される成形方法である。

溶融工程（第１工程）は、フィラーが添加された樹脂を所定の温度以上に熱することで樹脂を溶融する工程である。例えば、シリンダ（図示せず）内に樹脂を挿入して例えば２４０°Ｃ以上に加熱することで樹脂を溶融する。

また、溶融工程は、シリンダ内で樹脂を溶融する際に、成形体Ｂに対する重量比１．０％〜１．２％（以降「ガス密度が１．０％〜１．２％」という）のガスを樹脂に混入させる工程を含む。ガスは例えば窒素ガス（Ｎ_２）である。すなわち、溶融工程は、シリンダ内に樹脂を挿入して加熱することで樹脂を溶融させるとともに、当該シリンダ内にガス密度が１．０％〜１．２％のガスを注入することで、樹脂にガスを混入させる工程である。溶融した樹脂には、注入されたガスが混入している。なお、シリンダ内において、溶融した樹脂は加圧されている。

充填工程（第２工程）は、溶融した樹脂を、成形体を製造する金型に充填する工程である。金型にはゲートと呼ばれる１または複数個の樹脂の充填口が形成されている。充填工程では、シリンダ内で溶融した樹脂をゲートから金型内に射出する。この際、射出した樹脂が金型全体にたどり着く前に冷却しないよう、金型は例えば４０°Ｃ程度に温めておくことが望ましい。樹脂の射出とは、シリンダ内で加圧された樹脂を所定の噴出力をもって金型内に流し込むことである。

金型内に射出された樹脂は、シリンダ内における加圧から開放される。そのため、樹脂内に混入しているガスによって気泡が発生する。詳細には、金型内に射出された樹脂のうち、金型と接する周辺部の樹脂は、金型との接触によって金型に熱を奪われることから、急激に冷却され凝固が進む。そのため、周辺部の樹脂は混入しているガスにより気泡は発生し難い。これに対して樹脂の中央部は、周辺部程急激に冷却せず高温の状態を維持する。すると、混入しているガスによって気泡が発生する。発生した気泡により金型内で溶融している樹脂は膨張し金型全体に拡充する。また、発生した気泡によって、金型内において、充填された樹脂が自然に加圧される。なお、樹脂の中央部とは、樹脂の断面における中央部をいう。すなわち、成形体の中央部は、ガスによって発生した多くの気泡が存在する。

そして、ガス密度が１．０％〜１．２％のガスを混入させた場合、金型内の樹脂には、例えばガス密度が０．３％のガスを混入させた場合より、樹脂の中央部において径が小さい気泡が多く形成される。樹脂に添加されたフィラーは気泡を避けて位置する。そのため、樹脂内に小さな径の気泡が多く存在するとフィラーは配向を阻害されることから、樹脂の中央部においてフィラーは様々な方向を向いた状態となる。すなわち、樹脂の中央部（成形体の中央部）においてフィラーの配向が乱される。

なお、金型に樹脂を充填してフィラーＧの配向を乱した成形体を製造する方法としてコアバック法を使用することも考えられる。しかしながら、コアバック法は、金型の構造が複雑化することから、自動車のフロントパネルやドアトリムのような複雑な形状の成形物の製造には適さない。

また、冷却工程（第３工程）は、充填された樹脂を金型内で冷却する工程である。樹脂を冷却する時間は例えば２０秒程度である。冷却工程は、金型内に充填された樹脂を加圧する工程を含む。実施形態の場合、ショートショット法を使用しているため、樹脂内に注入されたガスから気泡が発生することで、樹脂は金型内において膨張して自然と加圧される。すなわち、実施形態における冷却工程は、金型内において、充填された樹脂が加圧されながら冷却する工程である。そのため、本来必要となる保圧時間が不要となるため、サイクルタイムは短くなる。

取出工程（第４工程）は、金型内で冷却された樹脂を、金型を開いて取り出す工程である。金型から取り出されたものが成形体である。この状態において、成形体は、すでに自動車のフロントパネルやドアトリムとしての形状に成形されている。

次に、金型Ｋに流入した樹脂がショートショット法に基づいて金型Ｋ全体に充填されるまでを説明する。図３は、ショートショット法により金型Ｋに樹脂が充填される状態を示す図である。図３（ａ）は、樹脂が金型Ｋに注入された直後の状態を示す図であり、図３（ｂ）は、樹脂が膨張して金型Ｋの隅々まで充填した状態を示す図である。図３（ａ）に示すように、金型Ｋには樹脂Ｊが金型Ｋの容積より少なく充填される。この状態で、最初に注入された樹脂Ｊは気泡Ｓが発生しているが、その後に注入された樹脂Ｊでは、まだ気泡が発生していないか、発生しても小さな気泡の状態である。なお、図３では図示しないが、樹脂Ｊにはフィラーが添加されている。また、図３（ａ）の状態では、金型Ｋ全体に樹脂Ｊが充填されていないため、金型Ｋには空間Ｅが存在している。

この状態でさらに気泡Ｓが発生すると、図３（ｂ）に示すように、気泡Ｓを含む樹脂Ｊは空間Ｅが消滅するまで膨張し、金型Ｋ全体に樹脂Ｊが充填される。この状態で、増加した樹脂Ｊによって金型Ｋ内の樹脂Ｊは自然と加圧される。

ここからは、ガス密度を異なる３状態（ガス密度を０.３（ガス密度が低い）としてガスを注入した場合、ガス密度を１．０（ガス密度が高い）としてガスを注入した場合、ガス密度を１．２（ガス密度が高い）としてガスを注入した場合）で注入した場合に形成された成形体について説明する。

図４は、ガス密度を０.３としてガスを注入した場合に形成された成形体の断面を示す図である。図４（ａ）、図４（ｂ）（図４（ｂ）は、図４（ａ）における成形体Ｂの中央部付近を拡大した図）に示すように、成形体Ｂは、全体が樹脂Ｊで形成されている。また、成形体Ｂには、多数のフィラーＧが含まれている。また、成形体Ｂには、多数の気泡Ｓが形成されている。気泡Ｓは、樹脂Ｊの中央部に多く形成される。

図５は、図４（ｂ）を模式化した説明図である。図５に示すように、ガス密度を０.３としてガスを注入した場合に形成された成形体は、気泡Ｓの径は６３μｍ〜１００μｍと比較的大きい。また、１ｍｍ^２における気泡Ｓの数は約４０個であり、１ｍｍ^２において気泡Ｓが占める面積は約１２％である。このように、ガス密度を０.３とした成形体は、気泡Ｓの径が大きく、緻密に存在していない（比較的点在している）ため、フィラーＧが一方向に配向している。そのため、一方向に反るという変形が生じやすい。

図６は、ガス密度を１．０としてガスを注入した場合に形成された成形体の断面を示す図である。図６（ａ）、図６（ｂ）（図６（ｂ）は、図６（ａ）における成形体Ｂの中央部付近を拡大した図）に示すように、成形体Ｂは、全体が樹脂で形成されている。また、成形体Ｂには、多数のフィラーＧが含まれている。また、成形体Ｂには、多数の気泡Ｓが形成されている。

このような図６の例では、金型Ｋに接触する付近の樹脂Ｊは、金型Ｋに熱を奪われ易く、樹脂Ｊは早めに冷却され凝固されつつあるため気泡Ｓはあまり発生しない。これに対して樹脂Ｊの中央部には、金型Ｋに熱を奪われ難いことから、ガスによって気泡が多く発生し、発生した気泡Ｓが多く存在する。そのため、中央部において、フィラーＧは、気泡を避けるように様々な方向を向いており、配向が乱されている。このように、成形体Ｂの中央部においてフィラーＧの配向が乱されると、成形体Ｂは変形し難くなる。

図７は、図６（ｂ）を模式化した説明図である。図７に示すように、ガス密度を１．０としてガスを注入した場合に形成された成形体Ｂは、気泡Ｓの径が３０μｍ〜６０μｍ（平均４１．９４μｍ）と、ガス密度が０．３の成形体における気泡Ｓの径より小さい。また、１ｍｍ^２における気泡Ｓの数は１００個以上（１３７個）と、ガス密度を０．３とした成形体の気泡Ｓの数より多い。また、１ｍｍ^２における気泡Ｓが占める面積は２０％以上（２１％）と、ガス密度を０．３とした成形体より高い。すなわち、ガス密度を１．０としてガスを注入した場合に形成された成形体Ｂは、ガス密度を０．３としてガスを注入した場合に形成された成形体Ｂより、径が小さい気泡が中央部に多く存在している。このように、ガス密度を１．０とした成形体は、ガス密度を０．３とした成形体より、径が小さい気泡がより多く存在し、かつ当該気泡が中央部に多く存在するため、気泡を避けて位置するフィラーＧは配向が乱れる。そのため、成形体Ｂの変形が生じ難い。

図８は、ガス密度を１．２としてガスを注入した場合に形成された成形体の断面を示す図である。図８（ａ）、図８（ｂ）（図８（ｂ）は、図８（ａ）における成形体Ｂの中央部付近を拡大した図）に示すように、成形体Ｂは、全体が樹脂で形成されている。また、成形体Ｂには、多数のフィラーＧが含まれている。また、成形体Ｂには、多数の気泡Ｓが形成されている。

このような図８の例では、金型Ｋに接触する付近の樹脂Ｊは、金型Ｋに熱を奪われ易く、樹脂Ｊが早めに冷却され凝固されつつあるため気泡Ｓはあまり発生しない。これに対して樹脂Ｊの中央部には、金型Ｋに熱を奪われ難いことから、ガスによって気泡が多く発生し、発生した気泡Ｓが多く存在する。そのため、中央部において、フィラーＧは、気泡を避けるように様々な方向を向いており、配向が乱されている。このように、成形体Ｂの中央部においてフィラーＧの配向が乱されると、成形体Ｂは変形し難くなる。

図９は、図８（ｂ）を模式化した説明図である。図９に示すように、ガス密度を１．２としてガスを注入した場合に形成された成形体Ｂは、気泡Ｓの径が３０μｍ〜６０μｍ（平均３３．９６μｍ）と、ガス密度が０．３の成形体における気泡Ｓの径より小さい。また、１ｍｍ^２における気泡Ｓの数は１００個以上（２２５個）と、ガス密度を０．３とした成形体の気泡Ｓの数より多い。また、１ｍｍ^２における気泡Ｓが占める面積は２０％以上（２２％）と、ガス密度を０．３とした成形体より高い。すなわち、ガス密度を１．２としてガスを注入した場合に形成された成形体Ｂは、ガス密度を０．３としてガスを注入した場合に形成された成形体Ｂより、径が小さい気泡が中央部に多く存在している。このように、ガス密度を１．２とした成形体は、ガス密度を０．３とした成形体より、径が小さい気泡がより多く存在し、かつ当該気泡が中央部に多く存在するため、気泡を避けて位置するフィラーＧは配向が乱れている。そのため、成形体Ｂの変形が生じ難い。

以上説明したように、実施形態の成形体Ｂは、ショートショット法を用い、フィラーＧを添加した樹脂を溶融し、溶融した樹脂を金型に充填するとともに、金型に成形体に対する重量比１．０％〜１．２％のガスを注入して生成され、注入されたガスにより内部に形成された気泡Ｓの径は３０μｍ〜６０μｍであり、フィラーＧは配向が乱れている。そのため、成形体Ｂの縦方向と横方向の収縮差を小さく押さえることができるため、成形体Ｂの変形を充分に低減させることができる。

また、実施形態の成形体は、フィラーＧおよび気泡Ｓは、成形体Ｂの断面の中央部に多く存在する。そのため、成形体Ｂの縦方向と横方向の収縮差を小さく押さえることができるため、成形体Ｂの変形を充分に低減させることができる。

また、実施形態の成形体の製造方法は、成形体の製造方法であって、フィラーを添加した樹脂を溶融するとともに前記成形体に対する重量比１．０％〜１．２％のガスを前記樹脂に混入させる第１工程と、前記溶融した樹脂をショートショット法を用いて金型に充填する第２工程と、前記第２工程で充填した樹脂を冷却する第３工程と、を含む。そのため、成形体Ｂの成形体Ｂの縦方向と横方向の収縮差を小さく押さえることができるため、成形体Ｂの変形を充分に低減させることができる。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上述の実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。

Ｂ成形体
Ｃ自動車
Ｅ空間
Ｇフィラー
Ｊ樹脂
Ｋ金型
Ｋ１金型
Ｋ２金型
Ｐゲート
Ｓ気泡

Claims

フィラーを添加した樹脂にガスを注入して形成された成形体であって、
注入された前記ガスにより内部に形成された気泡の径は３０μｍ〜６０μｍであり、
前記フィラーは配向が乱れている、
成形体。
前記気泡は、前記成形体の中央部に多く存在し、前記フィラーは前記中央部において配向が乱れている、
請求項１に記載の成形体。
成形体の製造方法であって、
フィラーを添加した樹脂を溶融するとともに前記成形体に対する重量比１．０％〜１．２％のガスを前記樹脂に混入させる第１工程と、
前記溶融した樹脂をショートショット法を用いて金型に充填する第２工程と、
前記第２工程で充填した樹脂を冷却する第３工程と、
を含む成形体の製造方法。
前記第３工程は、前記第１工程によって注入されたガスによって生成した気泡が拡大することにより前記樹脂が加圧される工程を含む、
請求項３に記載の成形体の製造方法。