JP6008788B2 - 複合成形物の製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、補強用の繊維(以下、「強化繊維」という。)と熱可塑性樹脂とからなる複合成形物の製造方法および製造装置に関する。

例えば自動二輪車のリヤフレームはアルミニウム合金のような金属素材で形成されているが、これを炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のような繊維強化材料で形成することにより、自動二輪車の軽量化が図れる。このような繊維強化材料の製造方法として、つぎのようなものがある。すなわち、竪型プレス機のプレス端に、このプレス機の作動に応じて相対移動可能な上型と下型とからなる金型を配置し、この金型のキャビティ内に強化繊維と熱可塑性樹脂からなる予備成形体を配置し、成形型を若干開いた状態で前記キャビティの残りの空間に不連続繊維を含有する溶融熱可塑性樹脂を射出したのち、プレスして成形型を閉じることで、プレスによる圧力で末端まで樹脂を充填させる方法である（特許文献１）。

特開２０１２−７１５９５号公報

ここで、複合成形物が十分な物性を発揮するためには、予備成形体と熱可塑性樹脂が十分に密着して一体になることが必要である。そのためには、双方が溶融した状態で重ね合ワされることが好ましい。また、複合成形物を製品として使用するにあたり、竪型プレス機から取り出された複合成形物に余分な予備成形体が残っている場合、トリミングにより製品形状に加工する製造工程が必要である。しかしながら、特許文献１では、これらの内容に関する記述はない。

本発明の目的は、強化樹脂の層と熱可塑性樹脂の層との一体化を促進して結合強度を高めるとともに、製造の容易化を図った複合成形物の製造方法および製造装置を提供することにある。

前記目的を達成するために、本発明にかかる複合成形物の製造方法は、繊維強化樹脂からなる第１層と熱可塑性樹脂からなる第２層とを融着させた複合成形物を製造する方法であって、前記第１層を形成する繊維強化樹脂のシートを、成形型内に入れて、前記成形型の内面から浮かせた状態で保持しながら加熱して前記シートの少なくとも前記第２層と接触する表面部を溶融させ、続いて型締め後に前記第２層を形成する熱可塑性樹脂を前記成形型内に注入して成形する。

この構成によれば、複合成形物が、その第１層を形成する繊維強化樹脂のシートの少なくとも表面部が溶融した状態で、第２層を形成する熱可塑性樹脂を前記成形型内に注入して成形されるので、前記第１層と第２層との一体化が促進されて結合が強固になる。また、第１層を形成する繊維強化樹脂のシートは、成形型内面から浮かせた状態で保持しながら加熱され、成形型に熱が伝わって逃げることがないから、少ない加熱量でシート表面部の溶融状態を維持できるので、熱効率がよい。

本発明において、前記シートの保持を前記成形型におけるキャビティの外周囲に配置したフレームによって行うことが好ましい。この構成によれば、樹脂の溶融により軟化したシートが一定の緊張状態で保持されるから、弛んで成形型の内面に接触するおそれがなく、成形型の内面から安定して浮かせた状態を維持できる。

本発明において、前記シートの外縁を前記成形型に設けたカッタ部により、型締めの際にトリミングすることが好ましい。この構成によれば、トリミングが型締めと同時に行われるので、製造工数を削減できる。

本発明において、前記第１層に含まれる樹脂と前記第２層に含まれる樹脂とを同一種類とすることが好ましい。この構成によれば、第１層に含まれる樹脂と前記第２層に含まれる樹脂とが化学的に一体の成形物になるため、第１層と第２層の一体化が一層促進される。

本発明において、前記２つの樹脂として、同一種類であって、前記第１層の樹脂が前記第２層の樹脂よりも溶融温度が低い樹脂を使用することが好ましい。この構成によれば、加熱溶融させた第１層の樹脂表面部にわずかな固化表層が形成されても、成形時に第２層の保有する熱で第１層の表面部の樹脂が再溶融されるので、第１層と第２層の結合がより一層強固となる。

本発明において、前記シートの加熱の際に、前記成形型内に加熱用のヒータを挿入することが好ましい。この構成によれば、シートは成形型内に保持された状態でヒータにより加熱されるから、加熱後にシートを成形型内に移動させる必要がなく、前記シートの温度が低下しないうちに、第２層となる熱可塑性樹脂を成形型内に注入することができる。これによっても、第１層と第２層との結合性が向上する。

本発明にかかる複合成形物の製造装置は、繊維強化樹脂からなる第１層と熱可塑性樹脂からなる第２層とを一体的に結合させた複合成形物を製造する装置であって、成形型内に入った第１層を型内面から浮かせた状態で加熱するヒータと、閉じた成形型内に第２層を形成する熱可塑性樹脂を注入する樹脂注入機とを備えている。前記ヒータは、射出成形機を用いて製品を生産する際に一般に用いられる製品の取り出し用設備に付加することが望ましい。

この構成によれば、複合成形物の製造装置として、既存の射出成形機に対して、成形型内に入った第１層を型内面から浮かせた状態で加熱するヒータを付加するという簡単な改良で、繊維強化樹脂からなる第１層と熱可塑性樹脂からなる第２層との境界面での結合が強固な複合成形物が容易に得られる。

本発明によれば、繊維強化樹脂のシートからなる第１層と熱可塑性樹脂からなる第２層との一体化が促進されて結合が強固になる。また、加熱されたシートの熱が成形型に伝わって逃げることないから、シート加熱の熱効率がよい。さらに、閉じた成形型内に第２層の樹脂を射出する射出成形法であるから、複合成形物の製造が容易になる。

本発明の一実施形態にかかる複合成形物の製造方法により製造される複合成形物の一例を示す斜視図である。 本発明の一実施形態にかかる複合成形物の製造方法の第１段階を示す製造装置の概略縦断面図である。 図２の要部の拡大図である。 同複合成形物の製造方法の第２段階を示す製造装置の縦断面図である。 同複合成形物の製造方法の第３段階を示す製造装置の縦断面図である。 同複合成形物の製造方法の第４段階を示す製造装置の縦断面図である。

以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照しながら説明する。図１に複合成形物Ｐの一例を示す。この複合成形物Ｐは、カップ状の本体１の全周に耳２が付いている。耳２はなくてもよい。また、複合成形物Ｐの形状はカップ状に限定されるものではなく、種々の形状とすることができる。複合生成物Ｐは、外側の第１層３となる繊維強化樹脂層と、内側の第２層４となる熱可塑性樹脂層との結合を強固にして、強度および剛性を高くする必要がある。このような必要性を以下に説明する本発明にかかる複合成形物の製造方法および装置によって満足させる。

本発明の一実施形態にかかる製造方法の第１段階では、図２に示すように、複合成形物Ｐ（図１）の第１層３となる炭素繊維強化樹脂のシートＡの予熱が行われる。シートＡは、複合成形物Ｐの内部では切れていない連続した繊維である炭素繊維(強化繊維の一種)を、縦横に並べたシート素材もしくは縦横に編み込んだシート素材を使用し、これに熱可塑性樹脂を含浸させたもの（いわゆるプリプレグ）を単層もしくは複数層重ねたものである。

射出成形機である製造装置は、可動型１０および固定型１１を有する成形型９と、可動型１０を左右に移動させて型の開閉を行なう開閉機(図示せず)とを備えている。固定型１１には、樹脂注入孔１４、成形品を成形型９から取り出すための押出しピン１６、成形品に反映させるリブ形成用の溝部１８，１９、凸部形成用の凹所２０等が設けられている。

固定型１１にはさらに、成形面１１ａの外周の肩部にカッタ部２２が設けられている。カッタ部２２は鋭い角部２２ａによってシートＡのトリミングを行なう。固定型１１の外周部には受け凹部２４が設けられ、この受け凹部２４に、後述する可動型１０に着脱自在に取り付けられるフレーム２５が、型締め時に入り込む。前記した樹脂注入孔１４、成形品を成形型９から取り出すための押出しピン１６、溝部１８，１９、凹所２０等は例示であって、その形状や数は図示のものに限定されない。

可動型１０は、その中央部に、固定型１１との間で成形用のキャビティ２１を形成する凹所２３を有し、この凹所２３の外周側に、カッタ部２２との組合せでカッタ手段を形成する台座２６が設けられ、さらにその外周側に、フレーム２５の一部分が入り込んで位置決めされるフレーム用凹部２８が形成されている。フレーム用凹部２８には、図３に示すように、フレーム２５を係止するための係止爪２９が立設されている。

第１層３となる炭素繊維強化樹脂のシート（プリプレグ）Ａは、図２に示す形状に予備成形されている。このシートＡの外周部がフレーム２５によって保持される。これにより、シートＡは可動型１０のキャビティ２１を形成する内面１０ａから浮かせた状態に保持される。フレーム２５は、図３に示すように、２つのフレーム片２５ａ，２５ｂからなる。両フレーム片２５ａ，フレーム片２５ｂの間に、シートＡの端部を挟みこみ、ボルト３０で両フレーム片２５ａ，２５ｂ同士を連結することにより、シートＡの端部を保持している。このフレーム２５を図示しないロボットアームで把んで、一方のフレーム片２５ａを、可動型１０の肩部に設けた凹所２８に嵌め込んで位置決めし、係止爪２９を他方のフレーム片２５ｂに係止して、可動型１０に取り付ける。

図２に示す可動型１０と固定型１１の間には、多数の熱源１３ａを備えた加熱用ヒータ１３が別のロボットアーム１２により挿入される。この加熱用ヒータ１３によって、炭素繊維強化樹脂のシートＡの表面が加熱される。前述したように、炭素繊維強化樹脂のシートＡは可動型１０の内面１０ａから浮かせた状態で保持されているので、同シートＡの表面への加熱時、熱が成形型に伝わって逃げることがなく、シートＡを熱効率よく加熱できる。このとき、炭素繊維強化樹脂のシートＡの表面部もしくは全体は、その母体であるマトリックス樹脂が溶融状態とされる。前記マトリックス樹脂として、例えばナイロン６（商品名）を使用する。

炭素繊維は、シートＡの全長または全幅にわたって延びる長繊維を、例えば縦横に並べたもの、もしくは縦横に編み込んだものである。加熱用ヒータ１３は炭素繊維強化樹脂のシートＡの加熱時に、可動型１０に接近するように前進して、シートＡに対向し、シートＡの加熱後には後退し、さらに上方へ移動して成形型９から離れ、次回の使用まで待機する。

図４は同複合成形物の製造方法の第２段階を示す。この第２段階では、可動型１０を前進させ、固定型１１と可動型１０との間に炭素繊維強化樹脂のシートＡを挟みこんで型締めし、カッタ部２２と台座２６との交差により耳部２ａの一部をトリミングする。

図５は同複合成形物の製造方法の第３段階を示す。この第３段階で、図示しない樹脂注入機から溶融状態の熱可塑性樹脂Ｂが固定型１１の樹脂注入孔１４の先端部１４ａからキャビティ２１に注入され、第１層３である炭素繊維強化樹脂のシートＡの溶融状態にある表面に第２層４として形成される。前記熱可塑性樹脂Ｂとしては、例えばマトリックス樹脂としてナイロン６を使用した炭素繊維強化樹脂のシートＡとの化学的な一体化を促進する関係上、ナイロン６、またはナイロン６と同一種類（同一系）であるがこれよりも融点が高いナイロン６，６（商品名）を使用する。

この熱可塑性樹脂Ｂの注入圧によって、第１層３の炭素繊維強化樹脂のシートＡは可動型１０の内面１０ａに押し付けられると同時に、この炭素繊維強化樹脂のシートＡの溶融状態にある表面部が、第２層４となる熱可塑性樹脂Ｂで覆われて、シートＡと熱可塑性樹脂Ｂが一体化して強固に結合する。また、この熱可塑性樹脂Ｂの一部は固定型１１のリブ形成用の溝部１８，１９や凸部形成用の凹所２０に充填される。

図６は同複合成形物の製造方法の第４段階を示す。前記第３段階の後、所定時間が経過して成形型内部のシートＡおよび熱可塑性樹脂Ｂが冷却して硬化すると、可動型１０を後退させて固定型１１から離間させ、固定型１１から複合成形物Ｐを取り出す。得られた複合成形物Ｐは、図２に示すリブ形成用の溝部１８，１９や凸部形成用の凹所２０に樹脂が充填されたリブ１８Ａ，１９Ａや凸部２０Ａが形成されている。

第１層３を形成する炭素繊維強化樹脂のシートＡの強化繊維としては、炭素繊維のほかに、ガラス繊維やアラミド繊維も使用できる。シートＡのマトリックスおよび第２層４を形成する熱可塑性樹脂Ｂとしては、プリプレグおよび射出が可能な熱可塑性樹脂であれば、どのような樹脂でも可能であるが、例示すると、ポリアミド（ナイロン６、ナイロン６，６等）、ポリオレフィン（ポリプロピレン、ポリエチレン等）、ポリエステル（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等）、ＡＢＳ、ポリカーボネイトである。好ましくは、第１層３に含まれる樹脂と第２層の樹脂Ｂとを同一種類（同一タイプ）、すなわち、ナイロン系、ポリプロピレン系、ポリエチレンテレフタレート系などとする。さらに好ましくは、第１層３の樹脂が第２層４の樹脂Ｂよりも溶融温度が低い同一種類の樹脂を使用する。

上記構成において、図６の第１層３を形成する炭素繊維強化樹脂のシートＡが、少なくともその樹脂の表面部を溶融状態としたうえで、第２層４を形成する熱可塑性樹脂Ｂを成形型９内に注入して成形されるので、前記第１層３と第２層４とが十分に一体化されて結合が強固になる。また、第１層を形成するシートＡは、成形型９の内面から浮かせた状態で保持しながら加熱され、成形型９に熱が伝わって逃げることがないから、少ない加熱量でシートＡの表面の軟化状態を維持できるので、熱効率がよい。

さらに、第２層４の熱可塑性樹脂Ｂにはリブ１８，１９や凹所２０などの取付け形状を容易に形成することができる。

また、図２に示すシートＡの保持を成形型９におけるキャビティ２１の外周囲に配置したフレーム２５によって行うので、シートＡが一定の緊張状態で保持されるから、弛んで可動型１０の内面１０ａに接触するおそれがなく、可動型１０の内面１０ａから安定して浮かせた状態を維持できる。しかも、シートＡの外縁を成形型９の固定型１１に設けたカッタ部２２により、型締めの際にトリミングするので、トリミングが型締めと同時に行われ、製造工数を削減できる。

さらに、第１層３に含まれる樹脂と第２層４に含まれる樹脂とを同一種類としたので、第１層３に含まれる樹脂と第２層４に含まれる樹脂とが化学的に一体の成形物になるため、成形後に得られる複合成形物Ｐにおける第１層３と第２層４の結合が一層強固となる。しかも、第１層３の樹脂が第２層４の樹脂と同一種類で、かつ第２層４の樹脂よりも溶融温度が低い樹脂を使用するので、加熱溶融させた第１層３の樹脂表面部に、放熱によってわずかな固化表層が形成されても、成形時に第２層４の保有する熱で第１層３の表面部の樹脂が再溶融される結果、第１層３と第２層４の結合がより一層強固となる。

また、図２に示したシートＡの加熱の際に、シートＡは成形型９内に保持された状態で加熱用のヒータ１３により加熱されるから、加熱後にシートＡを移動させる必要がなく、シートＡの温度が低下しないうちに、図５に示す第２層４となる熱可塑性樹脂Ｂを成形型９内に注入することができる。これによっても、第１層３のシートＡと第２層４の熱可塑性樹脂Ｂとの結合性が向上する。

さらに、複合成形物Ｐの製造装置として、既存の射出成形機に対して、成形型９内に入ったシートＡを可動型１０の内面１０ａから浮かせた状態で、シートＡを加熱する加熱用のヒータ１３を付加するという簡単な改良で、図６に示す炭素繊維強化樹脂からなる第１層３と、熱可塑性樹脂からなる第２層４とが一体化されて強固に結合した複合成形物Ｐが得られる。したがって、複合成形物Ｐの製造が容易であり、製造装置の製作コストも低く抑えることができる。

以上のとおり、図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、種々の追加、変更または削除が可能である。したがって、そのようなものも本発明の範囲内に含まれる。

１…本体
２…耳
３…第１層
４…第２層
９…成形型
１０…可動型
１１…固定型
１３…加熱用ヒータ
１４…樹脂注入孔
２１…キャビティ
２２…カッタ部
２３…凹所
２５…フレーム
２５ａ，２５ｂ…フレーム片
２６…台座
Ａ…炭素繊維強化樹脂のシート
Ｂ…熱可塑性樹脂
Ｐ…複合成形物

Claims (6)

1. 繊維強化樹脂からなる第１層と熱可塑性樹脂からなる第２層とを融着させた複合成形物を製造する方法であって、
   前記第１層を形成する繊維強化樹脂のシートを、成形型内に入れて、前記成形型の内面から浮かせた状態で保持しながら加熱して前記シートの少なくとも前記第２層と接触する表面部を溶融させ、
   続いて型締め後に前記第２層を形成する熱可塑性樹脂を前記成形型内に注入して成形する複合成形物の製造方法。
2. 請求項１に記載の製造方法において、前記シートの保持を前記成形型におけるキャビティの外周囲に配置したフレームによって行う複合成形物の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法において、前記シートの外縁を前記成形型に設けたカッタ部により、型締めの際にトリミングする複合成形物の製造方法。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の製造方法において、前記第１層に含まれる樹脂と前記第２層に含まれる樹脂とを同一種類とする複合成形物の製造方法。
5. 請求項４に記載の製造方法において、前記２つの樹脂として、同一種類であって、前記第１層の樹脂が前記第２層の樹脂よりも溶融温度が低い樹脂を使用する複合成形物の製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか一項に記載の製造方法において、前記シートの加熱の際に、前記成形型内に加熱用のヒータを挿入する複合成形物の製造方法。

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