JP5995832B2 - 繊維強化樹脂材料成形品の製造方法 - Google Patents
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従来の電子機器用筐体は、金属製であったが、上記要求を満たすためには、より軽量な材料の適用が有効な手段であると考えられる。
上記電子機器用筐体は、壁により区画された多数の室を有し、壁は互いに直交して格子状を成している。
この繊維強化複合材料成形品である電子機器用筐体において、壁おける繊維、樹脂の量が不足すると、所望の特性(重量、強度、剛性、熱伝導率等)が得られず、ボイド等の欠陥が生じる虞がある。これを防止するためには、壁を成形する型内に必要量の繊維・樹脂を充填する必要がある。
(1)成形時に負荷する成形圧により繊維・樹脂を流動させ、充填する方法
(2)予め成形型内に繊維・樹脂を配置しておく方法
(3)両上記方法を組み合わせる方法が考えられる。
上記(1)の方法は、低弾性、短繊維の繊維を用いたときの射出成形法等が該当する。
上記(2)の方法は、(1)の方法では壁における繊維・樹脂の量が不足する虞がある場合で、流動性のない高弾性、長繊維材料を使用したときの圧縮成形法が該当する。
前記繊維強化樹脂を予備成形金型に充填して直線状の板状素基材を成形する予備成形工程と、
前記板状素基材から形成された、第1の板状基材部、第2の板状基材部、第3の板状基材部及び第4の板状基材部のうち、最初に前記第1の溝に、前記交差部を越えた長さの前記第1の板状基材部を挿入し、また前記第2の溝に、隣接した前記交差部間の長さの前記第2の板状基材部を挿入する第1の挿入工程と、
その後、前記第2の溝に、前記交差部を越えた長さの前記第3の板状基材部を挿入して前記第2の板状基材部と端面同士を接触させ、また前記第1の溝に、隣接した前記交差部間の長さの前記第4の板状基材部を挿入して前記第1の板状基材部と端面同士を接触させる第2の挿入工程と、
を備えている。
前記繊維強化樹脂を予備成形金型に充填してL字形状の板状素基材を成形する予備成形工程と、
前記板状素基材から形成された、第1のL字状基材部、第2のL字状基材部、第3のL字状基材部及び第4のL字状基材部のうち、前記第1のL字状基材部のコーナ部と前記第2のL字状基材部のコーナ部とを接触させた合わせ部を有する十字形状の第1の基材を形成し、前記合わせ部を前記交差部と一致させた前記第1の基材を前記第1の溝及び前記第2の溝に挿入する第1の挿入工程と、
前記第3のL字状基材部のコーナ部と前記第4のL字状基材部のコーナ部とを接触させた合わせ部を有する十字形状の第2の基材を形成し、前記合わせ部を残された前記交差部と一致させた前記第2の基材を、前記第1の溝及び前記第2の溝に挿入して前記第1の基材の端面と端面同士を接触させる第2の挿入工程と、
を備えている。
その後、前記第2の溝に、前記交差部を越えた長さの第3の板状基材部を挿入して前記第2の板状基材部と端面同士を接触させ、また前記第1の溝に、隣接した前記交差部間の長さの第4の板状基材部を挿入して前記第1の板状基材部と端面同士を接触させる第2の挿入工程と、を備えているので、交差する壁の交差部での強化繊維の連続性が確保され、強度、弾性率が向上した繊維強化樹脂材料成形品を得ることができる。
合わせ部を残された前記交差部と一致させた第2の基材を、前記第1の溝及び前記第2の溝に挿入して前記第1の基材の端面と端面同士を接触させる第2の挿入工程と、
を備えているので、交差する壁の交差部での強化繊維の連続性が確保され、強度、弾性率が向上した繊維強化樹脂材料成形品を得ることができる。
まず、始めに、以下の説明において用いる座標系について説明する。
繊維強化複合材料成形品である筐体において、格子形状が投影される面を面Aとし、面A内で格子状に仕切られた各室を形成する壁のうち平行な一方向をX方向とし、面A内でこれにX方向に直交する方向をY方向、面Aに垂直な方向をZ方向とする。
前述の座標系を全体座標系と呼称し、アルファベット大文字(X、Y、Z)で表記する。
また、各壁について、壁面内で面Aに平行な方向をx方向、壁面内で面Aに垂直な方向をy方向壁面に垂直な方向をz方向とする。以上の座標系を壁局所座標系と呼称し、アルファベット小文字(x、y、z)で表記する。強化繊維の配向方向を示す場合は、壁局所座標系を用い、x方向を0度方向とし、y方向を90度方向とする。
全体座標系Z方向は、壁局所座標系y方向に一致する。
炭素繊維強化樹脂で構成された筐体1は、底部2に対して垂直にX方向に延びたX方向壁3が間隔Lで、Y方向に延びたY方向壁4が間隔Bで等間隔に並んでいる。何れの壁3,4もz方向壁厚みはT、Z方向壁高さはHである。
筐体1は、複数のX方向壁3及び複数のY方向壁4のより区画された複数の室を有している。
各寸法は、例えばL=10mm、B=50mm、T=1mm、H=20mmである。
なお、この実施の形態における筐体1は、必ずしも底部が存在しなくてもよい。また、各壁3,4は等間隔である必要もない。また、壁3,4の厚み、壁3,4の高さも必ずしも同一でなくてもよい。
まず、BMC(Bulk Molding Compound)材料からなるBMC素材5を予備成形下型6へ配置する(図2(a))。次に、予熱を加えながら予備成形上型7でBMC素材5を圧縮し(図2(b))、最後に予備成形下型6、予備成形上型7から成形された板状素基材8を取り出す(図2(c))。
なお、使用する材料は、必ずしもBMC材料でなくてもよく、板状に予備成形可能であれば、SMC(Sheet Molding Compound)材料や連続繊維のプリプレグでもよい。
加熱温度は、繊維強化樹脂材料に含まれる樹脂が成形可能な程度に低粘度化する温度であり、樹脂組成によって決まる。具体的には、例えば70℃程度である。
塑性変形可能な板状素基材8は、第1の板状基材部である下側X方向板状基材部9、第2の板状基材部である下側Y方向板状基材部10、第4の板状基材部である上側X方向板状基材部14及び第3の板状基材部である上側Y方向板状基材部15を揃える。
なお、それぞれの板状基材部9,10,14,15は、長尺の板状素基材8をそれぞれの適正長さに切断してもよいし、個別に板状素基材8を製造してもよい。
一方、成形下型11には、互いに平行に延びた複数の第1の溝であるX方向溝12と、このX方向溝12に交差部で交差して互いに平行に延びた複数の第2の溝であるY方向溝13が格子状に形成されている。
次に、各X方向溝12(この実施の形態では3箇所)に、下側X方向板状基材部9を挿入する。この下側X方向板状基材部9の全長は、交差部を超えて筐体1の横幅全域まで延びている。
引き続き、下側X方向板状基材部9よりも全長が短い下側Y方向板状基材部10を各Y方向溝13に挿入する。このとき各下側Y方向板状基材部10の両端面は、下側X方向板状基材部9の表面に接触している(図3(a))。下側Y方向板状基材部10の長さは、隣接した下側X方向板状基材部9間の長さであり、また隣接した交差部でもある。
引き続き、上側Y方向板状基材部15よりも全長が短い上側X方向板状基材部14を、各X方向溝12に挿入する。このとき、各上側X方向板状基材部14の両端面は、上側Y方向板状基材部15の表面に接触し、その下端面が下側X方向板状基材部14の上端面に接触している(図3(b))。上側X方向板状基材部14の長さは、隣接した上側Y方向板状基材部15間の長さであり、また隣接した交差部でもある。
その後、成形下型11の上部空間部にBMC素材5は配置する(図3(c))。
引き続き、BMC素材5を配置した充填した成形下型11に、成形上型16を組み合わせ、加熱しながら成形下型11及び成形上型16に上下から荷重を加える(図4(a),(b))。
成形下型11と成形上型16との面が互いに接するまで荷重を加えた後、その状態を維持し、さらに成形温度で所定の時間加熱する。
成形温度及び加熱時間は、BMC素材5に含まれる樹脂が硬化する条件であり、板状素基材8を成形する予備成型工程での予熱温度と同様に樹脂組成によって決まる。
具体的には、例えば140℃/2Hrである。
最後に、成形下型11及び成形上型16を常温まで冷却した後、成形下型11及び成形上型16を取り外し、筐体1を得る(図4(c))。
下側X方向板状基材部9の厚みtは、成形後の筐体1のX方向壁3の厚みTに対してやや薄く予備成形することが望ましい。
これは、成形下型11のX方向溝12に挿入する際に、X方向壁3の厚みTのままではX方向溝12の内壁面との摩擦により下側X方向板状基材部9を挿入できないためである。
一方で、下側X方向板状基材部9厚みtが薄すぎれば、成形下型11のX方向溝12に必要量の材料が充填されず、成形不良となる虞がある。
以上の理由から、下側X方向板状基材部9の厚みtとX方向壁3の厚みTとの差は、05〜0.15mmの範囲が好適である。
なお、他の板状基材部10,14,15についても、下側X方向板状基材部9と同じである。
これは、筐体1の成形時に繊維強化樹脂材料の一部はバリとなって筐体1外に流出するため、バリとなる量を余分に充填するためである。
余分に充填する重量は、筐体1の重量の10%以上が好適である。
下側X方向板状基材部9の上端面(局所座標系y方向)にテーパ面17が形成されており、このテーパ面17に面接触するテーパ面17が上側X方向板状基材部14の下端面に形成されている。
これを防止するため、下側X方向板状基材部9及び上側X方向板状基材部14のそれぞれの突き合わせ端部にテーパ面17を形成することで突合せ部においても繊維が実質的に連続になっている。
なお、下側Y方向板状基材部10と上側Y方向板状基材部15とのそれぞれの突き合わせ端部についても、テーパ面17が形成されており、突合せ部においても繊維が実質的に連続になっている。
先に説明したように、塑性変形可能なX方向板状基材部9,14及びY方向板状基材部10,15の厚みは、X方向壁3、Y方向壁4の厚みよりもやや薄く、かつ壁3,4の重量よりも余分に充填することが望ましいため、これを両立するためには、上下で組み合わせた状態の板状基材部9,14,10,15の高さが壁3,4の高さ(成形下型11の溝12,13の深さ)よりも高くなる必要がある。
一方で、板状基材部9,14,10,15の高さが溝12,13の深さよりも高すぎると、成形上型16による圧縮成形時に溝12,13からはみ出した部分が水平方向へ倒れてしまい、成形上型16による垂直方向の圧縮力が溝12,13の底部まで伝わらず、成形不良となる虞がある。
以上の理由から、板状基材部9,14,10,15の高さと溝12,13の深さの差は、0〜2mmの範囲が好適である。
従って、X方向壁3とY方向壁4とが交差する筐体1の交差部での強化繊維の連続性が確保され、強度、弾性率が向上した筐体1を得ることができる。
また、この実施の形態では、筐体1は、高弾性、長繊維の材料である炭素繊維強化樹脂で構成されているので、人工衛星に搭載される電子機器用筐体の仕様値を満たすことができる。
なお、上記実施の形態では、長大の下側X方向板状基材部9及び上側Y方向板状基材部15が交差する2段方式の筐体1について説明したが、長大の板状基材部を3段以上で構成してもよい。
図7は、この発明の実施の形態2に係る下側X方向板状基材部9を示す断面図である。
この実施の形態では、下側X方向板状基材部9の上端部に段差面18が形成されている。図示されていないが、この段差面18に面接触する段差面が上側X方向板状基材部14の下端部にも形成されている。段差面18の段差寸法は、X方向板状基材部9,14の厚さtの半分である。
なお、下側Y方向板状基材部10の上端部にも段差面が形成され、この段差面に面接触する段差面が上側Y方向板状基材部15の下端部にも形成されている。
他の構成は、実施の形態1の筐体1と同じである。
図8は、この発明の実施の形態3に係る下側X方向板状基材部9を示す斜視図、図9は、下側X方向板状基材部9と上側Y方向板状基材部15とが結合する前の斜視図である。
この実施の形態では、下側X方向板状基材部9と上側Y方向板状基材部15とが交差する部位にそれぞれ切欠き部19が形成されている。
他の構成は、実施の形態1の筐体1と同じである。
なお、段差面18を有する、下側X方向板状基材部9及び上側Y方向板状基材部15でも、それぞれが交差する部位に切欠き部19を形成するようにしてもよい。
図10は、この発明の実施の形態4に係る第1の第1のL字状基材部21を示す斜視図、図11は、X方向壁3及びY方向壁4が格子状に交差した筐体1の製造する一工程を示す斜視図である。
この実施の形態では、まず、予備成形下型(図示せず)及び予備成形上型(図示せず)により予備成形工程を経て、第1のL字状基材部21、第2のL字状基材部22、第3の下側L字状基材部23及び第4のL字状基材部24をそれぞれ用意する。
一方、成形下型11には、X方向溝12及びY方向溝13が格子状に形成されている。
次に、第1のL字状基材部21及び第2のL字状基材部22を平面状のコーナ部25同士で接触させた合わせ部を有する十字形状の第1の基材26を形成する。
また、第3のL字状基材部23及び第4のL字状基材部24を平面状のコーナ部25同士で接触させた合わせ部を有する十字形状の第2の基材27を形成する。
引き続き、第2の基材27を、合わせ部を残された交差部と一致させてX方向溝12とY方向溝13に挿入する。
このとき、隣接した、第1の基材26の端面であるテーパ面17と第2の基材27の端面であるテーパ面17とは面接触している。
その後の製造工程は、実施の形態1の筐体1と同じである。
なお、この実施の形態でも、テーパ面17の代わりに実施の形態2で示した段差面18を用いてもよい。
また、上記各実施の形態では、成形品として筐体1を例について説明したが、勿論このものに限定されるものではなく、例えば壁により区画された複数の室を有するものの、複数の室全体を囲う外周壁の無いものであってもよい。
また、繊維強化樹脂材料として炭素繊維強化樹脂を用いた場合について説明したが、他にも例えばガラス繊維やアラミド繊維で強化された樹脂材料であってもよい。
Claims (9)
- 互いに平行に延びた複数の第1の溝、この第1の溝に交差部で交差して互いに平行に延びた複数の第2の溝を有する金型に繊維強化樹脂を充填して、壁により区画された複数の室を有する成形品を製造する繊維強化樹脂材料成形品の製造方法であって、
前記繊維強化樹脂を予備成形金型に充填して直線状の板状素基材を成形する予備成形工程と、
前記板状素基材から形成された、第1の板状基材部、第2の板状基材部、第3の板状基材部及び第4の板状基材部のうち、最初に前記第1の溝に、前記交差部を越えた長さの前記第1の板状基材部を挿入し、また前記第2の溝に、隣接した前記交差部間の長さの前記第2の板状基材部を挿入する第1の挿入工程と、
その後、前記第2の溝に、前記交差部を越えた長さの前記第3の板状基材部を挿入して前記第2の板状基材部と端面同士を接触させ、また前記第1の溝に、隣接した前記交差部間の長さの前記第4の板状基材部を挿入して前記第1の板状基材部と端面同士を接触させる第2の挿入工程と、
を備えた繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。 - 互いに平行に延びた複数の第1の溝、この第1の溝に交差部で交差して互いに平行に延びた複数の第2の溝を有する金型に繊維強化樹脂を充填して、壁により区画された複数の室を有する成形品を製造する繊維強化樹脂材料成形品の製造方法であって、
前記繊維強化樹脂を予備成形金型に充填してL字形状の板状素基材を成形する予備成形工程と、
前記板状素基材から形成された、第1のL字状基材部、第2のL字状基材部、第3のL字状基材部及び第4のL字状基材部のうち、前記第1のL字状基材部のコーナ部と前記第2のL字状基材部のコーナ部とを接触させた合わせ部を有する十字形状の第1の基材を形成し、前記合わせ部を前記交差部と一致させた前記第1の基材を前記第1の溝及び前記第2の溝に挿入する第1の挿入工程と、
前記第3のL字状基材部のコーナ部と前記第4のL字状基材部のコーナ部とを接触させた合わせ部を有する十字形状の第2の基材を形成し、前記合わせ部を残された前記交差部と一致させた前記第2の基材を、前記第1の溝及び前記第2の溝に挿入して前記第1の基材の端面と端面同士を接触させる第2の挿入工程と、
を備えた繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。 - 前記第3の板状基材部と前記第2の板状基材部とが接触する前記端面、前記第4の板状基材部と前記第1の板状基材部とが接触する前記端面は、互いに面接触するテーパ面である請求項1に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
- 前記第2の基材の前記端面、前記第1の基材の前記端面は、互いに面接触するテーパ面である請求項2に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
- 前記第3の板状基材部と前記第2の板状基材部とが接触する前記端面、前記第4の板状基材部と前記第1の板状基材部とが接触する前記端面は、互いに面接触する段差面である請求項1に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
- 前記第2の基材の前記端面、前記第1の基材の前記端面は、互いに面接触する段差面である請求項2に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
- 前記第1の板状基材部及び前記第3の板状基材部は、互いに接触、交差する接触部に、互いに係合し合う切欠き部が形成されている請求項1,3及び5の何れか1項に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
- 前記成形品は、筐体であり、前記第2の挿入工程の後、前記第1の溝、前記第2の溝の開口部側から前記金型内に繊維強化樹脂材料を充填し、底部を成形する底部成形工程を備えた請求項1〜7の何れか1項に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
- 前記繊維強化樹脂材料は、炭素繊維強化樹脂材料である請求項1〜8の何れか1項に記載の繊維強化樹脂材料成形品の製造方法。
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