JP6215889B2 - 複合材の成形システム - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂、その繊維強化複合基材等の各種基材等を組み合せて複合化する複合材の成形システムに関する。

スタンピング成形等の分野にあっては、赤外線ヒーター等を用いて基材を所定の温度まで加熱した後に金型内に供給するが、この加熱工程が長く連続生産のネック工程となっていた。
特に複数の基材を重ね合せてスタンピング成形にて積層複合化する場合に、表面と内部とで均一に加熱されにくい課題がある。
例えば、特許文献１には、ポリエステルフィルムの赤外線ヒーターによる加熱昇温速度向上を目的に赤外線吸収粒子を含有させたものを開示するが、複数の基材を重ね配置した積層基材の加熱方法に関するものではない。
特許文献２には、炭素繊維の織物シートと透明な熱可塑性樹脂との複合材を開示するが、スタンピング成形に関するものではない。

特開２０１３−２２４４５３号公報 特許第５３９５４５９号公報 特開２０１２−７１５９５号公報

本発明は、生産性が高く、成形品の腑形性にも優れ、製品の部位毎に最適な形状設計ができる複合材の成形システムの提供を目的とする。

本発明に係る複合材の成形システムは、同一又は異なる基材からなる複数の各基材を加熱する加熱工程と、前記加熱された各基材を重ね合せ配置する積層工程と、前記積層工程で重ね配置した積層基材をスタンピング成形する工程とを備えたことを特徴とする。

スタンピング成形にて積層複合化を図るには、一般的には複数の基材を重ね配置した積層状態にて赤外線ヒーター等を用いて加熱するが、これでは内部まで所定温度に加熱するのに時間がかかり、また表面部と内部に温度差が生じやすく、成形そのものができない場合もあった。
そこで本発明は、例えばコンベア上に各基材をバラバラにして配置した状態で加熱し、各基材が速く、所定の温度まで加熱されるようにした点に特徴がある。

各基材をさらに速く均一に昇温させる目的で、波長の異なる赤外線による多段加熱工程にしてもよい。
赤外線の波長により基材への侵入深さが異なるので、相対的に表面部が加熱されやすい波長と、内部まで浸透し、加熱する波長を用いた加熱炉を複数用いて多段加熱すると、さらに加熱工程の短縮を図ることができる。

本発明において、スタンピング成形工程は、成形過程中に又は成形後に射出手段を用いて射出材を複合化させる工程を有するようにしてもよい。
スタンピング成形用金型に熱可塑性樹脂を射出する手段そのものは公知であり、例えば特許文献３に開示されている。
スタンピング成形用金型の上型又は下型、あるいはその両方に射出成形するキャビティ部が成形材と連続的に形成され、溶融樹脂の射出孔を有する。
また、射出材の射出タイミングは、スタンピング成形の過程途中であっても成形直後であってもよい。

複合材からなる成形品は、車両部品，機械部品等、広い分野にて検討されている。
このような分野で使われる成形品は、形状が複雑であったり、部位により必要とする強度や伸びに差があったりする。
そこで、軽量化，小型化等の観点から各基材は同一又は異なる基材からなるとともに各基材は成形品の対応する部位に適合するようにプレカットされていてもよい。
このようにすると、プレカットした基材の大きさや形状の組み合せにより製品形状に応じた部位毎の最適設計ができる。

本発明に係る複合材の成形システムは、各基材を個々に加熱した後に、所定の順及び位置に重ね合せ，スタンピング成形するので、加熱工程が短縮できる。
また、成形品の品質も安定する。
各基材をプレカットすると、成形品の部位に応じた肉厚や形状の設計ができ小型化，軽量化ができる。

本発明に係る成形システムの構成例を示す。 複合材の成形例（第１の実施形態）を示す。（ａ）は複合材の構造例、（ｂ）はプレカットした基材の形状例、（ｃ）は加熱工程の例、（ｄ）は基材を積層し金型内に投入する工程、（ｅ）は成形品の型からの払い出し、ハンドリングの例を示す。 （ａ）は積層基材の金型投入の他の例を示す。 （ａ），（ｂ）は基材の加熱条件と昇温結果を示す。 第２の複合材の成形例を示す。（ａ）は成形品の形状例、（ｂ）は基材のプレカット例、（ｃ）は加熱工程、（ｄ）は基材の重ね組み合せ例、（ｅ）は積層基材の金型内への供給例を示す。 加熱工程における基材温度カーブを示す。

図１に本発明に係る成形システムの構成（工程の流れ）例を示す。
例えば、長繊維を一定方向に規則正しく配置した熱可塑性樹脂との複合材である基材（連続繊維ＦＲＰ）１と、繊維をランダムの方向に混合複合化した基材（不連続繊維ＦＲＰ）２とをそれぞれバラバラにコンベア等の搬送装置に配置する。
なお、基材１と２との組み合せに制限はない。
各基材を赤外線ヒーターで加熱する加熱炉を有する。
加熱炉を通過した各基材１，２は、所定の順で重ね配置（基材積層）するロボット等を有する。
積層された積層基材は、スタンピング成形機の金型内に投入される。
その後、スタンピング成形し、成形品が払い出される。
なお、この成形時又はその直後に射出材を射出複合化してもよい。

次に複合材の成形例を示す。
第１の実施形態として、図２（ａ）に示すような構成の複合材からなる成形品１０を例に工程を説明する。
複合材からなる成形品１０は、炭素繊維を一方向に規則正しく連続複合化した連続繊維ＦＲＰ基材１にて製品骨格を形成し、比較的成形性の高い炭素繊維をランダムの方向に含有させた不連続繊維ＦＲＰ基材２，３を積層複合化した例である。
また、スタンピング成形完了直後に外周部に射出材を複合成形した。
なお、ＦＲＰ基材を構成する繊維は、本実施例における炭素繊維に限定されるものでなく、ガラス繊維やアラミド繊維等も例として挙げられる。
また、樹脂はナイロン６やポリプロピレン等の熱可塑性樹脂が例として挙げられる。
図２（ｂ）に示すように、基材１を１ａのようにプレカットし、基材２，３を２ａ，３ａのようにプレカットした。
これを図２（ｃ）に示すようにコンベア配置し、近赤加熱炉にて近赤外線ヒーターによる加熱をした後に連続的に遠赤外加熱炉にて遠赤外線ヒーターによる加熱をした。
近赤外線は、概ね波長が０．５〜２μｍの範囲であり、遠赤外線は波長３．５〜１０００μｍの範囲である。
近赤外線は、内部まで吸収されずに表層の加熱効率が高い。
それに対して遠赤外線は、内部まで吸収されやすく温度上昇がやや遅いものの、基材の温度分布が均一になりやすい。
なお、加熱炉は、前進方向に６ゾーンに分割し、各基材に適した出力がでるようになっている。
本実施例では、左側の３ゾーンが高出力，右側の３ゾーンが低出力となっている。
加熱工程が終了すると、図２（ｄ）に示すようにスタンピング成形用金型内に投入される。
なお、加熱工程には保温工程があってもよい。
スタンピング成形用金型は、上型Ａと下型Ｂとからなり、必要に応じて射出成形用キャビティ部及び溶融樹脂の射出口を有する。
成形品１０の場合は、製品の外周部に射出成形用キャビティを形成した例になっている。
各基材は速やかに図２（ｄ）に示すように重ね配置された後に金型に投入される。
本実施例では、針刺しユニットをハンドリングに用いた。
針刺しユニットは、エアーシリンダ等にて針が突出及び後退するように制御されている。
基材に針を刺してハンドリングし、基材を離すときは断熱ブロックにて基材を押えながら針を後退させ、基材から抜き取る。
図２（ｅ）に示すように成形後に型開きし、エジェクタＣにて離型し、ロボットハンド４０にて成形品１０を取り出す。
本実施例では、ロボットハンドのアーム４１から引掛爪部４２が突出及び後退するようになっている。

なお、積層基材を金型内に投入する際に図３（ａ）に示すように、搬送機３０の左右３ヶ所に針刺しユニット３１〜３３を取り付け、まず中央部の針刺しユニット３１の針を先に抜くと、積層基材の自重にて中央部がドローダウンし、下金型Ｂの凹部に納まりやすくなる。

図４のグラフは、基材を２枚，３枚重ねて、遠赤外線加熱した結果（ａ）と、近赤外線加熱後に遠赤外線加熱した結果（ｂ）とのグラフを示す。
この調査結果からも近赤外線と遠赤外線を組み合せると、短時間で加熱できることが明らかになった。

第２の実施形態として、図５（ａ）に示すような成形品２０の成形例を示す。
成形品２０は連続繊維ＦＲＰ基材２１と不連続繊維ＦＲＰ基材２２，２３，２４とを積層複合化したものであり、それに用いたプレカット形状例を図５（ｂ）に示す。
プレカットした各基材２１ａ〜２４ａを図５（ｃ）に示すようにバラバラにした状態で加熱後に図５（ｄ）に示すように重ね配置した。
その後は、図５（ｅ）に示すように基材を積層した状態で搬送機を用いて金型に投入し、スタンピング成形する。
なお、このように４枚の基材を重ねる場合には、積層に時間を要し、基材の表面温度が低下した。
そこで、図６に示すように積層した状態で再加熱した。
この場合の温度低下は、積層基材の表面部に限られるため、ヒーターで少し再加熱するだけでスタンピング成形が可能となった。

１ 基材
２ 基材

Claims (3)

1. 複合材の成形システムであって、
   同一又は異なる基材からなる複数の各基材を加熱する加熱工程と、
   前記加熱された各基材を重ね合せ配置する積層工程と、
   前記積層工程で重ね配置した積層基材をスタンピング成形する工程とを備え、
   前記加熱工程は、異なる波長の赤外線による多段加熱工程からなることを特徴とする複合材の成形システム。
2. 前記スタンピング成形工程は、成形過程中に又は成形後に射出手段を用いて射出材を複合化させる工程を有することを特徴とする請求項１記載の複合材の成形システム。
3. 前記各基材は成形品の対応する部位に適合するようにプレカットされていることを特徴とする請求項１又は２記載の複合材の成形システム。