JP2024065964A - 急速加熱冷却成形用金型 - Google Patents

Abstract

【課題】 熱可塑性複合材料の前駆体からダイレクトに成形品を製造する成形プロセスを可能とする急速加熱冷却成形用金型を提供する。【解決手段】 型閉じ状態で前記キャビティに挿入した繊維強化熱可塑性複合材料の前駆体を加圧下で、加熱溶融した後、冷却固化することによって繊維強化熱可塑性複合材料の成形品を成形する金型において、入れ子１０，２０のうち、キャビティ部は薄いシェル状体として形成され、前記シェル状体は、キャビティ面１０１ａ，２０１ａ側から順に肉厚の薄い第一の固体層１０１，２０１／空間部分／肉厚の薄い第二の固体層１０２，２０２の３層構造を成し、前記空間部分は、前記キャビティ面を加熱および／または冷却する加熱流体または冷却流体が流通できるように周囲が密閉され、前記空間部分の一部または全部に、空隙の多い補強部材１０５，２０５を配置した。【選択図】 図２

Description

新規性喪失の例外適用申請有り

本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む繊維強化熱可塑性複合材料の前駆体からダイレクトに成形品を成形するための金型に関し、前記繊維強化熱可塑性複合材料の加熱溶融・冷却固化のサイクルを短時間で行うことができる急速加熱冷却成形用金型に関する。

構造物の軽量化や高性能化のため、従来から金属材料に代わり、特に、航空機、自動車、スポーツ用具などの分野で繊維強化複合材料が用いられてきた。近年、環境保護（リサイクル性）や大量生産性の観点から、熱可塑性樹脂を用いた繊維強化熱可塑性複合材料が注目されている。特に高強度、高弾性率である炭素繊維（CF）を強化繊維とした熱可塑性炭素繊維強化複合材料（熱可塑性CFRP）は、従来の熱硬化性CFRPの特徴である、高強度、高剛性、導電性、寸法安定性、Ｘ線透過性といった特徴に加え、成形サイクルが短いことによる大量生産性、熱可塑性樹脂由来のリサイクル性を有しており、今後の発展が期待されている。

繊維強化熱可塑性複合材料の代表的な成形方法は、成形品を製造する成形技術の中でも汎用的なプレス成形であり、板状の成形材料を赤外線ヒータ等により熱可塑性樹脂の融点あるいは軟化点より高い温度にまで加熱し、樹脂の融点あるいは軟化点より相当低い温度に保たれた金型に投入し、プレス成形を行うスタンピング成形が一般的である。成形サイクルが数分程度であることから、大量生産に適しており、強度・弾性率・耐衝撃性に優れた成形品が得られるため、自動車等の軽量化技術として注目されている。このようなスタンピング成形の際の加圧圧力は、概ね１０～５０ＭＰａの範囲であるが、プレス成形機の設備コストの観点から１５～３０ＭＰａの範囲が好ましいとされる（例えば特許文献１の段落（００５０）の記載参照)。

しかしながら、上述した従来のスタンピング成形においては、成形品が大型になるほど大きな出力のプレス成形機が必要となり、例えば、開発が急がれる電気自動車のバッテリーボックスのような大きさの成形品をスタンピング成形するためには、成形圧力が２０ＭＰａ程度でも６０００トンもの加圧能力を有する超大型のプレス成形機が必要となり、設備導入コストが非常に高額になるという問題がある。

従って、繊維強化熱可塑性複合材料の用途拡大のためには、大型プレス成形機を必要としない、低圧で成形可能な成形システムの開発が望まれる。低圧で繊維強化熱可塑性複合材料を成形するためには、板状の成形材料を使用せず、プリプレグなどの繊維強化熱可塑性複合材料の前駆体から直接成形品を製造する方法がある。航空機業界においては、従来の熱硬化性複合材料と同様に成形型の上に熱可塑性複合材料のプリプレグを積層し、オートクレーブ成形によって製造されている。その成形圧力はスタンピング成形に比較して低い圧力(１／１０程度)である。しかし、オートクレーブ成形は成形サイクルが極めて長く（一般的には８時間）、一般産業用途には適用出来ない。

また、プリプレグやセミプレグをテープ状にし、所定の長さに切断したチョップド・テープをランダムに分散・堆積させ加熱溶融・冷却固化した板状の成形材料は、高い繊維体積含有量と成形性を兼ね備えた成形材料として注目されているが、深いリブやボスなどを有する複雑な形状の成形品を成形する際には、材料の流動性を補うために高い成形圧力が必要となる。そのため、金型温度を高くしたり、急速加熱冷却可能な金型を使用したスタンピング成形が行われているが、複雑な形状に対しては現状の急速加熱冷却金型では、時間が掛かったり、均一な加熱冷却が行えないなどの課題を有している。

また、強化繊維に高強度、高弾性率である炭素繊維を使用した熱可塑性CFRPは、その高い弾性率を活かし、ノートパソコンの筐体や大型の産業用ドローンの機体などの薄肉成形品への適用が期待されている。これらの用途では、成形品の肉厚が非常に薄いため、スタンピング成形で板状の成形材料から成形すると、材料の加熱炉からプレス成形機の金型に材料を搬送する過程で、材料温度が低下してしまい、成形そのものが極めて困難となるという課題がある。

さらに、射出成形の分野では、引抜き成形によって連続の強化繊維を含むロッド状の成形品を従来の混練によるペレットに比べて長いカット長（５～１０ｍｍ程度）に切断された、いわゆる長繊維ペレットが、高強度、高耐衝撃性が必要とされる部材に使用されている。ペレット段階ではペレット長と同じ長さの強化繊維が含まれているが、射出成形機のスクリューで長繊維ペレットを可塑化するため、強化繊維が折れて短くなってしまう。また、金型のゲートなどを通過する際にもさらに強化繊維は折れてしまい、結果として成形品になった時は、数ｍｍ程度の長さの残存繊維長になってしまうという課題がある。

プリプレグなどの熱可塑性複合材料の前駆体から直接成形品を得るためには，金型温度を熱可塑性樹脂の融点あるいは軟化点以上の温度に昇温し、熱可塑性複合材料の前駆体を金型内で加熱溶融成形後、成形型から取り出せる温度にまで冷却する必要がある。熱可塑性複合材料を広く一般産業用途に展開するためには、成形サイクルの観点から金型の急速加熱冷却(H&C)技術が必要である。

従来の金型構造は、電気ヒータあるいは熱流体を通す配管を内蔵した構造となっている。この構造では金型の熱容量が大きいため、急速加熱冷却を行うことは原理的に困難である。また、熱可塑性複合材料成形用の金型は雄雌の嵌合型が基本であるために、複雑な形状や深い形状の成形面の近傍に電気ヒータや熱媒の配管を設置するには、金型の加工が極めて煩雑になり金型コストの上昇を招く。

特許文献２には、金型を急速に加熱するための手段として、金型の外側に電磁誘導コイルを配置して加熱する方法が開示されている。
成形面に特定の金属を使用することにより、金型表面のみを急速加熱することが可能であるが、線膨張率の異なる異種金属の溶接構造となるため、加熱冷却の過程で金型に亀裂が発生するという問題がある。

特許文献３に記載には、金型の内部に電磁誘導コイルを設置し、成形面を熱伝導により加熱する方法が開示されている。しかしながら、リブやボス等を有する複雑な形状や深い絞り形状の成形品では、熱伝導による加熱であるために、加熱に要する時間が長くなってしまうことや、コイルの設置場所が成形面に近いとコイル部分の温度が高くなることによって、温度分布が不均一になるなどの問題がある。

特許文献４に開示された技術では、金型を小さな領域に分割し、熱風をそれぞれの分割した領域に送り込むことによって金型全体の温度を細かく制御するというものであるが、小さな領域に分割する壁が存在することにより、壁に熱を奪われるため、温度分布が不均一になるという問題がある。

特許文献５には、本発明と同様に金型をシェル構造とし、金型に直接電気を通電することにより、金型表面を急速加熱する方法が開示されているが、固定型と可動型は別々に通電する必要があり、成形前に所定の成形温度にまで昇温した後、成形中は電気を通さずに成形しなければならないため、成形温度を一定に保持することができない。また、深いリブなどの形状では、金型に通電した電気がリブの根元でショートカットして流れるため、リブの中は加熱できない。さらに、冷却によって金型が結露するため、金型に通電することは危険であり、次の成形にすみやかに移行することができないなど、多くの課題を有している金型である。

特開２０１２－２１３９４６号公報 特表２０１２－５０５７７７号公報 特表２０２０－５３０８２１号公報 特表２０１６－５１４０６３号公報 特開２０１２－１３５９１５号公報

本発明は、上記した従来の成形技術の課題や従来の急速加熱冷却成形用金型の課題を解決し、板状材料への加工工程を省き、熱可塑性複合材料の前駆体からダイレクトに成形品を製造する成形プロセスを可能とする急速加熱冷却成形用金型の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために本発明の急速加熱冷却成形用金型は、モールドベースと該モールドベースに組み込んで成形品に対応するキャビティを形成する入れ子とを備えた開閉自在な一対の型を有し、型閉じ状態で前記キャビティに挿入した繊維強化熱可塑性複合材料の前駆体を加圧下で、加熱溶融した後、冷却固化することによって繊維強化熱可塑性複合材料の成形品を成形する金型において、前記入れ子のうち、前記キャビティを形成するキャビティ面を含むキャビティ部は薄いシェル状体として形成され、シェル状体は、前記キャビティ面側から順に、肉厚の薄い第一の固体層／空間部分／肉厚の薄い第二の固体層が配置された３層構造を成し、前記空間部分は、前記キャビティ面を加熱および／または冷却する加熱流体または冷却流体が流通できるように周囲が密閉され、前記空間部分の一部または全部に、空隙の多い補強部材を配置した構成としている。
入れ子の少なくとも一部または全部は、金属積層造形法によって形成するとよい。

ここで、肉厚の薄い第一の固体層および第二の固体層の肉厚は、５～１０ｍｍ程度とするのが好ましい。このような３層構造にすることによって、従来の急速加熱冷却成形用金型に比べて熱容量を小さく出来るので、加熱冷却を効率良く短時間で行うことができる。

前記肉厚の薄い個体層の間の前記空間部分には、空隙の多い補強部材が配置されるが、前記補強部材としてはラティス構造体やジャイロイド構造体などを用いることができる。これら補強部材は空隙率を非常に大きくすることができ、５０～９５％とすることができる。前記空隙率は大きいほど加熱流体や冷却流体がスムースに流れるが、前記空隙率が５０％より小さいと加熱流体や冷却流体の流動抵抗が大きくなって前記流体のスムースな流れを阻害し、加熱冷却時間が長くなってしまうという不都合が生じる。また、前記補強部材の一部に邪魔板のような隔壁等を設けて流体の経路を設けてもよい。

成形に必要な成形圧力は、熱可塑性複合材料の前駆体の形態、含浸度、熱可塑性樹脂の溶融粘度、強化繊維の含有量などによって異なるが、急速加熱冷却成形では材料が溶融状態での成形となることから、スタンピング成形に比べれば、１／１０程度の成形圧力で成形が可能であり、成形圧力としては１０ＭＰａも見込んでおけば十分である。よって、安全率を３と仮定すれば、熱流体の流路である空隙の多い補強部材の破壊応力としては３０ＭＰａ以上を満足するような構造であれば良い。

さらに、前記入れ子と前記モールドベースが接触する部分に、前記モールドベースへの伝熱を軽減する断熱部を設けることにより、熱容量の大きなモールドベースに熱を奪われることなく、入れ子のみを加熱冷却できるので、効率良く加熱冷却を行うことができる。

一般的に加熱流体としてよく用いられているのは、カートリッジ式の電気ヒータの他に、成形温度が１５０℃程度までであれば、温水や飽和水蒸気（いわゆる高圧蒸気）が使用され、成形温度が３００℃程度までであれば、熱媒オイルが使用されている。しかしながら、スーパーエンジニアリングプラスチックでは成形温度が３００℃を超える領域となり、電気ヒータ以外の従来使用されている流体では、到達することができない温度領域である。電気ヒータは先に述べたように、複雑な形状に対応しようとすると金型の加工が極めて煩雑となり金型費が高くなってしまう上、冷却用のジャケットも別に加工する必要があり、急速加熱冷却成形用金型には適しない。
また、温水では成形温度がせいぜい８０℃ぐらいまでであり、高圧蒸気も１７０℃程度が限界である上、高圧の蒸気を扱うため危険が伴う。熱媒オイルは成形温度が３００℃程度まで対応が可能であるが、加熱冷却を行うためには、高温の熱媒ユニットと低温の熱媒ユニットが必要となる。また、熱媒が漏れる等のトラブルによって作業現場がオイルで汚れる等、作業環境も良くないという問題がある。成形する材料によって、加熱流体は流体であれば適宜選択すれば良く、過熱水蒸気、飽和水蒸気、熱媒オイルまたは加熱空気などを使用することができる。汎用プラスチックからスーパーエンジニアリングプラスチックまで、様々な熱可塑性樹脂を用いた熱可塑性複合材料に対応するためには、これらの加熱流体の中でも、過熱水蒸気を使用することが好ましい。過熱水蒸気は、通常７００℃程度の温度まで昇温することができ、１２００℃までの昇温も可能である。また、仮に過熱水蒸気が漏れるようなことがあっても、元々は水であるため、作業環境もクリーンである。さらに、冷却流体としては水を用いることができるが、過熱水蒸気は元々水であることから、冷却流体として同じ流路に水を流しても何も問題はなく、好適に使用することができる。

熱可塑性複合材料に用いられる強化繊維としては、熱可塑性樹脂の成形温度に耐えることのできる強化繊維である必要から、炭素繊維、ガラス繊維、バザルト繊維などの無機繊維が好適に使用することができる。熱可塑性樹脂は、用途によって様々な樹脂が使い分けられている。ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどの汎用プラスチック、ポリアミド６、ポリアミド６６、ポリアミド１２、芳香族ポリアミド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、アクリルなどのエンジニアリングプラスチック、あるいは、航空宇宙分野では、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリエーテルイミドなどのスーパーエンジニアリングプラスチックなど、多種多様な熱可塑性樹脂が熱可塑性複合材料のマトリックス樹脂として用いられている。

本発明の急速加熱冷却成形用金型は板状材料への加工工程を省き、熱可塑性複合材料の前駆体からダイレクトに成形品を製造する成形プロセスが可能となり、熱可塑性複合材料を普及させるための課題である低コスト化にも貢献できる。
本発明の急速加熱冷却成形用金型によれば、成形品の形状に沿った成形面が薄いシェル状であり、該シェル状部分が、肉厚の薄い固体層／空隙の多い補強部材／肉厚の薄い個体層の３層構造となっており、空隙の多い補強部材の部分が、加熱流体および冷却流体の流路であり、また、該成形品に対応するキャビティを形成する入れ子とモールドベースが断熱されていることにより、熱容量の小さい入れ子のみを加熱冷却することができるため、効率良く入れ子の加熱冷却が行える。
常温の金型に熱可塑性複合材料の前駆体を設置し、金型を閉じた後に加熱冷却成形を行えるので、材料を金型に設置する際のミスもほとんどなく、確実に、熱可塑性複合材料の前駆体からダイレクトに成形品を成形することができる。また、金型の入れ子を三次元金属積層造形によって作製するため、従来の急速加熱冷却成形用金型では対応が困難であった、リブやボスを有するような複雑な成形品形状にも対応できる。さらに、従来のスタンピング成形では成形そのものが困難であった、肉厚が非常に薄い成形品でも、確実に成形することが可能となる。急速加熱冷却成形によれば、熱可塑性複合材料の樹脂の融点あるいは軟化点以上の温度で成形、賦形するので、成形圧力が従来のスタンピング成形や射出成形の１／１０以下程度の成形圧力となるため、プレス成形機や射出成形機の出力も非常に小さくて済み、設備導入費用を低減できることはもちろんである。

以下、本発明の好適な実施形態を、プレス成形の金型の図面を例に説明する。
図１は、本発明の金型の断面図、図２は、可動側入れ子および固定側入れ子の詳細を説明する拡大断面図、図３は、固定側金型の構成を説明する一部破断の分解斜視図、図４は入れ子の三層構造を説明するためにその一部を切り出した部分拡大斜視図である。
本発明の急速加熱冷却成形用金型（以下、「金型」と記載する）Ｍは、プレス成形機の固定側プラテンＰ１に取り付けられる固定側金型Ｍ１と、可動側プラテンＰ２に取り付けられる可動側金型Ｍ２とを有している。

［固定側金型Ｍ１および可動側金型Ｍ２］
この実施形態において固定側金型Ｍ１と可動側金型Ｍ２とは、固定側金型Ｍ１がプレス成形機の固定側プラテンＰ１にクランプによって取り付けられ、可能側金型Ｍ２が昇降自在な可動側プラテンＰ２にクランプによって取り付けられる以外は、基本的な金型構造はほぼ同じである。そのため、以下では固定側金型Ｍ１について説明し、可動側金型Ｍ２については対応する部分を括弧内の符号で示して、固定側金型Ｍ１の説明を援用するものとする。

固定側金型Ｍ１（Ｍ２）は、凹部が形成された固定側モールドベース１１（２１）と、この固定側モールドベース１１（２１）の前記凹部に嵌め込まれる固定側入れ子１０（２０）とを有している。前記凹部の底部および側面に沿うように、固定側入れ子１０（２０）と固定側モールドベース１１（２２）との間に断熱材１３（２３）が設けられ、固定側入れ子１０（２０）から固定側モールドベース１１（２２）への熱伝導を抑制している。
また、固定側入れ子１０（２０）の内部には、空間部１０９（２０９）が形成されており、空間部１０９（２０９）が固定側入れ子１０（２０）から固定側モールドベース１１（２１）への熱伝導を抑制する効果も有している。さらに、固定側モールドベース１１（２２）から固定側プラテンＰ１（Ｐ２）への熱伝導を抑制するために、これらの間に断熱材Ｐ１ａ（Ｐ２ａ）を設けてもよい。
空間部１０９（２０９）には、必要に応じて、プレス成形の際の圧力で固定側入れ子１０（２０）が撓まないように支持する支持部材１２（２２）を設ける。支持部材１２（２２）の形態は特に問わず、例えば図３に示すような格子状としてもよいし、支柱状としてもよい。

［入れ子］
固定側入れ子１０（２０）は、図２～図４に示すように、二枚の肉厚の薄い第一の固体層１０１（２０１）と肉厚の薄い第二の固体層１０２（２０２）とを、補強部材１０５（２０５）を介在させた状態で対向配置して形成される。
上記構成の固定側入れ子１０（２０）の全部または少なくとも一部は、金属積層造形法によって形成することができる。支持部材１２（２２）を設ける場合は、固定側入れ子１０（２０）の造形と同時に形成するのが好ましい。
図３は、固定側金型の構成を説明する一部破断の分解斜視図である。金属積層造形法によって入れ子１０（２０）を形成する場合は、第一の固体層１０１（２０１）、補強部材１０５（２０５）、第二の固体層１０２（２０２）、支持部材１２（２２）を設ける場合は支持部材１２（２２）が同時に一体形成されるが、入れ子１０（２０）の構成を説明するため、図３では便宜上、入れ子１０（２０）を分解して示してある。
そして、第一の固体層１０１（２０１）の外面が材料と接触するキャビティ面１０１ｂ（２０１ｂ）として形成され、型閉じした時（図１において型閉じ状態を仮想線で示す）に、対向する二つの入れ子１０，２０のキャビティ面１０１ｂ，２０１ｂ間の隙間が、加熱された材料を所定の形状に成形するキャビティＣ（図１参照）として形成される。

固定側入れ子１０と可動側入れ子２０は、キャビティＣ（図１参照）の外縁部で嵌合する構造となっている（シアエッジ構造）。そして、成形中の溶融樹脂の流出を可能な限り少なくするために、従来のスタンピング成形金型と同様の構造にする必要があるが、嵌合精度は０．０４±０．０１ｍｍ程度とするのが好ましい。また、嵌合部分の長さは、少なくとも２０ｍｍ以上とするのが好ましい。キャビティ面１０１ｂ，２０１ｂを加熱・冷却するための加熱流体および冷却流体は、補強部材１０５（２０５）で形成された空間に供給される。

周壁１０１ａ（２０１ａ）の一部には、補強部材１０５（２０５）に連通する加熱流体および冷却流体の流入口１０６（２０６）および流出口１０７（２０７）が貫通形成されている。
なお、流入口１０６（２０６）および流出口１０７（２０７）の配置位置関係は、加熱流体および冷却流体の流れやキャビティ面１０１ｂ（２０１ｂ）の昇温時間および冷却時間、温度分布などを考慮して、最適な位置を求めるのが好ましい。また、流入口１０６（２０６）または流出口１０７（２０７）の数も、上記条件に応じて一つに限らず複数設けるものとしてもよい。

本発明において「肉厚の薄い」固体層は、成形圧力に耐えうる肉厚であれば良く、５～１０ｍｍ程度の肉厚のものを指す。３００～５００ｍｍ四方程度の小さなサイズの成形品であれば、５ｍｍ程度の肉厚で良く、適宜、支持部材１２（２２）を設置すれば良い。
固定側入れ子１０および可動側入れ子２０の材質は、金属積層造形法の適用が可能であれば、特に限定されるものではないが、モールドベースと線膨張係数が近い材質が好ましく、マルエージング鋼を好適に用いることができる。

［補強部材］
補強部材１０５（２０５）は、キャビティ面１０１ｂ（２０１ｂ）に作用するプレス成形時の圧力を分散させる役割と、加熱および冷却流体の流路の役割を兼ね備えている。この補強部材１０５（２０５）は、以下の条件を満たす必要がある。
(i) プレス成形時の圧力に耐えることができる十分な耐圧性と剛性を有すること
(ii) 補強部材１０５（２０５）内を流動する加熱流体および冷却流体の流れを可能な限り阻害することがないような十分な空隙率を有すること
上記の条件を満たす補強部材としては、マルエージング鋼で形成された図４に示すような三次元格子構造体（ラティス構造体）が好適である。前記空隙率は、５０％～９５％であることが好ましく、より好ましくは８０％～９５％である。

［加熱・冷却流体およびその供給］
前記加熱流体としては種々のものを挙げることができるが、ラティス構造体のような補強部材１０５（２０５）の空隙内をスムースかつ高速で流れ、冷却流体との入れ替えも短時間で行うことができる加熱流体としては、過熱水蒸気が好適である。また、冷却流体としては、水を好適に用いることができる。
加熱流体である過熱水蒸気は、固定側金型Ｍ１および可動側金型Ｍ２の外に設けられた過熱水蒸気発生部３０によって生成され、冷却流体である水は冷却流体供給部４０から供給される。過熱水蒸気発生部３０（図１参照）および冷却流体供給部４０と流入口１０６（２０６）との間には、切替手段としての切替弁５０が配置されている。過熱水蒸気発生部３０および冷却流体供給部４０と切替弁５０および流入口１０６（２０６）とは配管で連結されており、切替弁５０を切り替えることで、プレス成形の開始時には過熱水蒸気発生部３０から流入口１０６（２０６）に過熱水蒸気を供給し、加熱溶融成形の終了時には冷却流体供給部４０から流入口１０６（２０６）に冷却用の水を供給する。
過熱水蒸気によって型閉じ状態で上下のキャビティ面１０１ｂ，２０１ｂに接触している材料が加熱・溶融され、冷却用の水によって加圧下で前記材料が冷却されて固化する。そして、材料の固化後に型開きを行ない、成形品を脱型して成形を終了する。

［成形品の他の例］
本発明の金型Ｍを用いた成形品の一例を図５に示す。この成形品は、平板状の基板Ｓの表面の両側に二つのリブＲ１を立設している。また、二つのリブＲ１の間に高さの異なる三つのリブＲ２，Ｒ３，Ｒ４を平行に立設すると共に、テーパ状の三つのボスＢを一列に立設している。
この成形品を成形する可動側金型Ｍ２の断面図を図６に示す。図示はしないが、固定側金型は、図１に示した固定側金型と同様の構造である。
第一の固体層２０１および第二の固体層２０２には、ボスＢおよびリブＲ１～Ｒ４を成形するための凹部２０４が形成されている。型開き状態でキャビティ面２０１ｂに熱可塑性複合材料の前駆体を載せ、型閉めして加熱・溶融し、加圧することで、溶融した熱可塑性複合材料の前駆体が凹部２０４内に流動し、基板Ｓ上にボスＢとリブＲ１～Ｒ４が立設された成形品１００が成形される。
このような複雑な形状の成形品は、図７に示すような従来の急速加熱冷却成形用金型やスタンピング成形金型では成形が困難である。本発明の金型では三層構造の入れ子１０，２０を三次元金属積層造形法によって形成することができ、かつ、短時間で三層構造の入れ子１０，２０を加熱・冷却することができるため、図５に示すような複雑形状の成形品も短サイクルで成形することが可能になる。本発明の金型を用いれば、図５に示すような複雑な形状の成形品のほか、肉厚が非常に薄い成形品も容易に成形することができる。

［実施例］
図１に示す固定側金型Ｍ１および可動側金型Ｍ２を厚さ２０ｍｍの板状断熱材を介してプレス成形機の上下プラテンにそれぞれクランプし、下記の条件で実験を行った。
１：固定側入れ子１０および可動側入れ子２０の材質には、(株)松浦機械製作所製マルエージング鋼を用いた。
２：第一の固体層１０１（２０１）の寸法：一辺２５０ｍｍの正方形、キャビティ面および周壁の肉厚５ｍｍ
３：第二の固体層１０２（２０２）の寸法：一辺２２５ｍｍの正方形、キャビティ面の反対面および周壁の肉厚５ｍｍ
４：補強部材１０５（２０５）の構造および寸法：ラティス構造体、軸径２．５ｍｍ、ピッチ１５ｍｍ、高さ７．５ｍｍ、空隙率８３％
５：流入口１０６（２０６）と流出口１０７（２０７）の配置：流入口１０６（２０６）を一つの辺の両端に配置し、流出口１０７（２０７）を流入口１０６（２０６）の辺と対向する辺の中央に配置した（配置位置に関しては図３参照）。
６：流入口１０６（２０６）の寸法：内径１９．８ｍｍのパイプ状から、幅５０ｍｍ、高さ２０ｍｍの矩形断面に徐々に変化する形状
７：流出口１０７（２０７）の寸法：幅６０ｍｍ、高さ７．５ｍｍの矩形断面から内径１９．８ｍｍのパイプ状に徐々に変化する形状
８：成形材料：炭素繊維強化熱可塑性複合材料の一方向プリプレグシート（福井県工業技術センター提供）、ＰＡＮ系炭素繊維（T700，Toray）にマトリックス樹脂ポリアミド６樹脂（DIAMIRON，Mitsubishi Chemical）を含浸した厚さ０．０４ｍｍの一方向プリプレグシート、繊維体積含有率５０％
９：成形体：一辺２５０ｍｍの正方形、厚さ約２ｍｍの平板

厚さが約２ｍｍになるように、前記一方向プリプレグシートを炭素繊維の方向が同じ方向になるように４８枚積層した材料（前駆体）を準備した。
金型Ｍ１，Ｍ２の温度が常温（室温）の状態で型開きを行い、可動側金型Ｍ２に材料を投入した。過熱水蒸気発生部３０（トクデン製 UPSS-W60）で７００℃の過熱水蒸気を生成し、切替弁５０から流入口１０６，２０６に過熱水蒸気を供給した。過熱水蒸気発生部３０が７００℃待機運転状態から、過熱水蒸気の供給を開始し、金型Ｍ１，Ｍ２を昇温した。

昇温を開始後、キャビティ面１０１ｂ，２０１ｂの温度は約１０分でポリアミド６の成形温度２７０℃に到達した。昇温中に予備加熱成形が完了するように、成形圧力は１ＭＰａで保持した。成形温度２７０℃に到達後、成形圧力を５ＭＰａに上昇させ、前記成形温度で５分間保持した。
成形温度到達後、過熱水蒸気発生部３０の設定温度を５００℃に下げ、成形中に金型Ｍ１，Ｍ２の温度を一定に保持した。加熱溶融成形完了後、切替弁５０を切り替え、室温の水を冷却流体供給部４０から流入口１０６，２０６に供給した。約５分間の冷却後、脱型可能な金型温度１００℃以下にて型開きを行い、成形品を取り出した。この実施形態のサイクルタイムは約２０分であった。

比較例として、図７に示すような、カートリッジヒータ（加熱用ヒータＨ）と冷却ジャケットＣを備えた従来の金型Ｍ′を用いて、上記の実施例と同じ材料で成形を行った。
図７の従来の金型Ｍ′では、図１に示した本願発明の金型Ｍと対応する部位・部材の符号の右肩に「′」を付し、詳細な説明は図１の金型Ｍの説明を援用する。従来の金型Ｍ′においては、金属ブロック体である固定側金型（この例では雄型）Ｍ１′および可動側金型（この例では雌型）Ｍ２′を主構成要素とし、固定側金型Ｍ１′と可動側金型Ｍ２′が嵌合することによってキャビティが形成される。固定側金型Ｍ１′および可動側金型Ｍ２′の内部には、キャビティ面を加熱するための加熱用ヒータＨが設けられると共に、キャビティ面を冷却するための冷却流体を流通させる冷却ジャケットＣが設けられている。
このような従来の金型Ｍ′においては、加熱用ヒータＨに通電してから成形温度にまで金型を昇温するのに非常に時間を要するため、材料を金型Ｍ′に投入してから金型を昇温させると、前記材料が高温にさらされる時間が非常に長くなってしまい、前記材料の熱劣化を引き起こすという問題が発生する。そのため、この種の従来の金型においては、前記材料の金型Ｍ′への投入は、金型が成形温度に到達してから行うことになる。
従来の金型Ｍ′においては、型閉め状態で加熱用ヒータＨに通電し、金型Ｍ′の昇温を行った。金型のキャビティ面の温度が前記材料の成形温度である２７０℃に到達するのに約５０分を要した。
この後、型開きを行い、上記の実施例と同様に、実施例で用いたものと同じ一方向プリプレグシートを炭素繊維の方向が同じ方向になるように４８枚積層した材料を、可動側金型Ｍ２′に投入した。材料が溶融する前に高い成形圧力を加えると、成形板にひずみが残ってしまうため、予備加熱成形として成形圧力１ＭＰａで５分間保持した。次に、成形圧力を５ＭＰａに上昇させ、成形温度でさらに５分間保持した。加熱溶融成形完了後、金型の加熱用ヒータＨの電源を切り、冷却ジャケットＣに室温の冷却水を供給し、脱型可能な金型温度１００℃以下まで冷却を行ない、型開きを行って成形品を取り出した。従来の金型Ｍ′は熱容量が大きいため、冷却には約３０分の時間を要した。この比較例のサイクルタイムは約１時間３０分であった。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されない。例えば、第二の固体層１０２（２０２）とモールドベース（１１，２１）との間に断熱部としての空間部１０９（２０９）を形成するものとして説明したが、形状的に空間部が必要ない場合は、セラミックなどの断熱材を第二の固体層１０２（２０２）とモールドベース（１１，２１）との間に設置してもよい。また、加熱流体として過熱水蒸気を例に挙げたが、マトリックス樹脂の溶融温度よりも高く、かつ、補強部材１０５（２０５）内を移動できるものであれば、過熱水蒸気に限らず他の流体であってもよい。
さらに、加熱流体および冷却流体の流入口１０６（２０６）および流出口１０７（２０７）の数は、金型のサイズや形状の複雑さに応じて複数としても良い。

本発明の急速加熱冷却金型は、繊維強化熱可塑性複合材料の前駆体、すなわち強化繊維基材に熱可塑性樹脂を含浸してなるプリプレグ、あるいは強化繊維基材に繊維状やパウダー状の熱可塑性樹脂を混合あるいは担持させたセミプレグ、あるいは強化繊維基材に熱可塑性樹脂を含浸し、所定の長さに切断したチョップド・テープやペレットなどからダイレクトに成形品を製造するための金型であって、プレス成形に限定されるものではない。熱可塑性複合材料の前駆体から成形される成形品には様々な形状があり、成形品の形状に対応して最適な成形方法が選択される。リブやボスなどの複雑な形状や薄肉成形品にはプレス成形や射出成形、中空成形品には内圧成形、長尺成形品には逐次連続プレス成形などが使用され、これらの成形に使用する金型として、広範に適用が可能である。

本発明の金型の断面図である。 可動側入れ子および固定側入れ子の詳細を説明する拡大断面図である。 構成の説明のために、便宜上、入れ子を分解して示した固定側金型の一部を破断した分解斜視図である。 入れ子の三層構造を説明するためにその一部を切り出した部分拡大斜視図である。 本発明の金型によって成形可能な成形品の一例を示す斜視図である。 図５の成形品を成形する可動側金型の断面図である。 比較例として用いた従来の金型Ｍ′の構成を説明する概略図である。

Ｍ 金型
Ｍ１ 固定側金型
Ｍ２ 可動側金型
１０ 固定側入れ子
１１ 固定側モールドベース
１２ 支持部材
１３ 断熱材
１０１ 第一の固体層
１０１ａ 周壁
１０１ｂ キャビティ面
１０２ 第二の固体層
１０２ａ 周壁
１０５ 補強部材
１０６ 流入口
１０７ 流出口
１０９ 空間部
２０ 可動側入れ子
２１ 固定側モールドベース
２２ 支持部材
２３ 断熱材
２０１ 第一の固体層
２０１ａ 周壁
２０１ｂ キャビティ面
２０２ 第二の固体層
２０２ａ 周壁
２０５ 補強部材
２０６ 流入口
２０７ 流出口
２０９ 空間部

Claims (6)

1. モールドベースと該モールドベースに組み込んで成形品に対応するキャビティを形成する入れ子とを備えた開閉自在な一対の型を有し、型閉じ状態で前記キャビティに挿入した繊維強化熱可塑性複合材料の前駆体を加圧下で、加熱溶融した後、冷却固化することによって繊維強化熱可塑性複合材料の成形品を成形する金型において、
   前記入れ子のうち、前記キャビティを形成するキャビティ面を含むキャビティ部は薄いシェル状体として形成され、
   前記シェル状体は、前記キャビティ面側から順に、肉厚の薄い第一の固体層／空間部分／肉厚の薄い第二の固体層が配置された３層構造を成し、
   前記空間部分は、前記キャビティ面を加熱および／または冷却する加熱流体または冷却流体が流通できるように周囲が密閉され、
   前記空間部分の一部または全部に、空隙の多い補強部材を配置したこと、
   を特徴とする急速加熱冷却成形用金型。
2. 入れ子の少なくとも一部または全部が金属積層造形法によって形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載の急速加熱冷却成形用金型。
3. 前記第一の固体層および前記第二の固体層の肉厚が５ｍｍ～１０ｍｍであることを特徴とする請求項１または２に記載の急速加熱冷却成形用金型。
4. 前記補強部材が、空隙率５０～９５％のラティス構造体またはジャイロイド構造体であることを特徴とする請求項１または２に記載の急速加熱冷却成形用金型。
5. 前記入れ子と前記モールドベースが接触する部分に、前記モールドベースへの伝熱を軽減する断熱部を設けたことを特徴とする請求項１または２に記載の急速加熱冷却成形用金型。
6. 前記加熱流体が、過熱水蒸気、飽和水蒸気、熱媒オイル、加熱空気などの流体であることを特徴とする請求項１または２に記載の急速加熱冷却成形用金型。

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