JP6269826B2 - 成形体及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、成形体及びその製造方法に関する。
本願は、2015年3月30日に、日本に出願された特願2015−067850号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
航空機部材、自動車部材、風力発電用風車部材、スポーツ用具等の様々な分野において、強化繊維及び熱可塑性樹脂を含有する繊維強化複合材料がスタンピング成形により3次元的な複雑な形状に賦形された成形体が広く用いられている。スタンピング成形によって湾曲部や屈曲部を有する複雑な形状の成形体を製造する場合には、繊維長が数mm〜数十mmの強化繊維と熱可塑性樹脂を含有する繊維強化複合材料が用いられることが多い。
例えば、特許文献1には、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸したシートを長さ数十mm程度に裁断して自然落下させ、その堆積物を加熱加圧してシート状の繊維強化複合材料を得た後、該繊維強化複合材料をスタンピング成形に用いることが記載されている。特許文献2には、繊維長が数mm〜数十mm程度の炭素繊維を抄紙して得た炭素繊維基材に熱可塑性樹脂を含浸したプリプレグを複数枚積層して繊維強化複合材料とし、該繊維強化複合材料をスタンピング成形して箱型等の複雑な形状の成形体を得ることが記載されている。
しかし、繊維強化複合材料をスタンピング成形により賦形して成形体を製造する場合には、スタンピング成形用の金型から脱型する際に成形体に加わる力によって、成形体に反りが生じることがある。特に繊維長が数mm〜数十mmの強化繊維を含有する繊維強化複合材料を用いてスタンピング成形により3次元的な複雑な形状の成形体を製造する場合に成形体に反りが生じやすい。
ところで、特許文献3には、繊維強化複合材料板の一面に、熱可塑性樹脂を射出成形して格子状にリブ部を形成した成形体が記載されている。該成形体の製造においては、一方向に引き揃えた炭素繊維にマトリックス樹脂を含浸したプリプレグが複数枚積層されて繊維強化複合材料が形成される。そして、該繊維強化複合材料が加熱加圧されて繊維強化複合材料板とされる。その後、該繊維強化複合材料板が射出成形用の金型内に配置され、その一面に熱可塑性樹脂が射出成形されて格子状のリブ部が形成される。特許文献3の成形体においては、繊維強化複合材料板の一面に格子状のリブ部が形成されることで、繊維強化複合材料板と熱可塑性樹脂との熱膨張率の違いに起因する反りの発生が抑制される。
しかし、特許文献3はスタンピング成形を考慮したものではなく、特許文献3の上記の技術をそのままスタンピング成形に応用したとしても、スタンピング成形用の金型からの脱型時に成形体に生じる反りの問題は解消されない。さらに、リブ部の形成量が多いとコスト面でも不利である。
また、通常、繊維強化複合材料が高温(例えば200℃程度)にされた状態で成形が行われた後に成形体の温度が室温程度まで冷やされる。そのため、その温度差によっても反りが生じやすく、反りの発生を充分に抑制することが重要である。
特開平9−155862号公報 国際公開第2010/013645号 特開2010−253802号公報
本発明は、成形体の質量の過度な増加を抑制しつつ、金型から脱型する際などの製造時の反りの発生が抑制された成形体、及び該成形体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明は、以下の構成を有する。
[1]金型内において、強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料が配置された状態で、溶融状態の熱可塑性樹脂(B)を供給して成形し、前記繊維強化複合材料からなる板状の複合材部と、前記複合材部の表面に直接形成され、前記熱可塑性樹脂(B)を含有する2本以上の凸条のリブ部とを備える成形体を得る、成形体の製造方法であって、前記繊維強化複合材料を前記金型により賦形して前記複合材部を形成する複合材部形成工程と、前記金型内に前記熱可塑性樹脂(B)を溶融状態で供給して、下記の条件(1)〜(5)を満たすように前記の2本以上のリブ部を形成するリブ部形成工程と、を有する、成形体の製造方法。
(1)任意の前記リブ部又はその長軸の延長線と、別の前記リブ部又はその長軸の延長線とを前記複合材部の表面上で交差させる。
(2)前記リブ部の平均幅tに対する平均高さHの比H/tを1以上50以下とする。
(3)前記複合材部における前記リブ部が形成された側の表面の面積Sに対する、該表面における前記リブ部が占める面積Sの比S/Sを5×10−3以上8×10−2未満とする。
(4)前記複合材部の平均厚さTに対する前記リブ部の平均高さHの比H/Tを2.5以上13以下とする。
(5)前記複合材部の外縁の周囲長に対する、少なくとも1本の前記リブ部の長さの割合Qを8%以上とする。
[2]前記複合材部形成工程を行った後に前記リブ部形成工程を行う、[1]に記載の成形体の製造方法。
[3]前記複合材部形成工程と前記リブ部形成工程を同時に行う、[1]に記載の成形体の製造方法。
[4]強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料で形成された板状の複合材部と、前記複合材部の表面に直接形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有する2本以上の凸条のリブ部と、を備え、下記の(1’)〜(5’)の条件を満たす、成形体。
(1’)任意の前記リブ部又はその長軸の延長線と、別の前記リブ部又はその長軸の延長線とが前記複合材部の表面上で交差する。
(2’)前記リブ部の平均幅tに対する平均高さHの比H/tが1以上50以下である。
(3’)前記複合材部における前記リブ部が形成された側の表面の面積Sに対する、該表面における前記リブ部が占める面積Sの比S/Sが5×10−3以上8×10−2未満である。
(4’)前記複合材部の平均厚さTに対する前記リブ部の平均高さHの比H/Tが2.5以上13以下である。
(5’)前記複合材部の外縁の周囲長に対する、少なくとも1本の前記リブ部の長さの割合Qが8%以上である。
[5]前記強化繊維(f1)の数平均繊維長が1〜100mmである、[4]に記載の成形体。
[6]前記複合材部が屈曲又は湾曲している、[4]又は[5]に記載の成形体。
[7]前記リブ部が前記熱可塑性樹脂(B)のみで形成されている、[4]〜[6]のいずれかに記載の成形体。
[8]前記リブ部が前記熱可塑性樹脂(B)と数平均繊維長1mm未満の強化繊維(f2)とで形成されている、[4]〜[6]のいずれかに記載の成形体。
[9]前記リブ部中の前記強化繊維(f2)の繊維質量含有率が40質量%以下である、[8]に記載の成形体。
[10]前記リブ部における根元側部分に数平均繊維長1〜100mmの強化繊維(f1)が含有され、かつ該リブ部の先端部が前記熱可塑性樹脂(B)のみで形成されている、[4]〜[6]のいずれかに記載の成形体。
[11]前記リブ部における根元側部分に数平均繊維長1〜100mmの強化繊維(f1)が含有され、かつ該リブ部の先端部が前記熱可塑性樹脂(B)と数平均繊維長1mm未満の強化繊維(f2)とで形成されている、[4]〜[6]のいずれかに記載の成形体。
[12]前記リブ部の先端部中の前記強化繊維(f2)の繊維質量含有率が30質量%以下である、[11]に記載の成形体。
本発明の成形体においては、該成形体の質量の過度な増加を抑制しつつ、金型から脱型する際などの製造時の反りの発生が抑制されている。
本発明の成形体の製造方法によれば、成形体の質量の過度な増加を抑制しつつ、金型から脱型する際などの製造時に成形体に反りが発生することを抑制することができる。
本発明の成形体の一例を示した斜視図である。 本発明の成形体の一例を示した平面図である。 本発明の成形体の他の例を示した平面図である。 本発明の成形体の他の例を示した平面図である。 本発明の成形体の他の例を示した平面図である。 本発明の成形体の他の例を示した平面図である。 本発明の成形体の他の例を示した平面図である。 本発明の成形体の他の例を示した斜視図である。 本発明の成形体の他の例を示した斜視図である。 本発明の成形体の他の例を示した斜視図である。 本発明の成形体の他の例を示した斜視図である。 本発明の成形体の他の例を示した斜視図である。 本発明の成形体の他の例を示した斜視図である。 本発明の成形体の製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明の成形体の製造方法の一工程を示した断面図である。 本発明の成形体の製造方法の一工程を示した断面図である。 比較例A1でシミュレーションした成形体を示した平面図である。 比較例A10でシミュレーションした成形体を示した平面図である。 比較例A11でシミュレーションした成形体を示した平面図である。
本発明において、「繊維強化複合材料を賦形する」とは、繊維強化複合材料を変形させて目的の形状に成形することを意味し、シート状の繊維強化複合材料を3次元形状等の複雑な形状に成形する態様に加えて、繊維強化複合材料の塊等を板状に成形する態様も含まれるものとする。
[成形体]
本発明の成形体は、強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料で形成された板状の複合材部と、前記複合材部の表面に直接形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有する2本以上の凸条のリブ部と、を備える。本発明の成形体は、例えば、金型内に繊維強化複合材料を配置した状態で溶融状態の熱可塑性樹脂(B)を供給し、前記繊維強化複合材料を賦形するとともに熱可塑性樹脂(B)を成形することで得られる。すなわち、本発明の成形体は、例えば、複合材部とリブ部とが同一の金型内で一体に成形することで得られる。
本発明の成形体では、下記の(1’)〜(5’)の条件を満たすようにリブ部が形成される。これらの条件を満たすようにリブ部が複合材部の表面に形成されることにより、金型から脱型する際に成形体に加わる力や温度差によって複合材部に反りが発生することが抑制される。
(1’)任意のリブ部又はその長軸の延長線と、別のリブ部又はその長軸の延長線とが複合材部の表面上で交差する。
(2’)リブ部の平均幅tに対する平均高さHの比H/tが1以上50以下である。
(3’)複合材部におけるリブ部が形成された側の表面の面積Sに対する、該表面におけるリブ部が占める面積Sの比S/Sが5×10−3以上8×10−2未満である。
(4’)複合材部の平均厚さTに対するリブ部の平均高さHの比H/Tが2.5以上13以下である。
(5’)複合材部の外縁の周囲長に対する、少なくとも1本のリブ部の長さの割合Qが8%以上である。
以下、図1A、図1B及び図2〜6に示す成形体11〜16を例にして条件(1’)〜(5’)について説明する。図1A、図1B及び図2〜6における同じ部分について同符号を付して説明を省略する。
成形体11は、図1A及び図1Bに示すように、平面視形状が矩形の板状の複合材部110と、複合材部110の厚さ方向の第1の表面111に直接形成された2本の凸条の第1リブ部112a及び第2リブ部112bとを備えている。第1リブ部112a及び第2リブ部112bは、断面形状が矩形状の板片からなる。第1リブ部112a及び第2リブ部112bは、それぞれ複合材部110の対角線上に形成されている。
成形体12は、図2に示すように、複合材部110と、複合材部110の第1の表面111に直接形成された4本の凸条の第1リブ部112a〜第4リブ部112dとを備えている。第1リブ部112a〜第4リブ部112dは、断面形状が矩形状の板片からなる。第1リブ部112a及び第2リブ部112bは、複合材部110の第2の長辺110bの中点a6と第1の長辺110aの両端a1,a2とをそれぞれ結んだ線上にV字状に形成されている。第3リブ部112c及び第4リブ部112dは、第1の長辺110aの中点a5と第2の長辺110bの両端a3,a4とをそれぞれ結んだ線上に逆V字状に形成されている。
成形体13は、図3に示すように、複合材部110と、複合材部110の第1の表面111に直接形成された4本の凸条の第1リブ部112a〜第4リブ部112dとを備えている。第1リブ部112a〜第4リブ部112dは、断面形状が矩形状の板片からなる。第1リブ部112a第2リブ部112bは、複合材部110の第2の長辺110bの左端a3と中点a6とを2等分する点a7と、第1の長辺110aの左端a1及び中点a5とをそれぞれ結んだ線上にV字状に形成されている。第3リブ部112c及び第4リブ部112dは、第2の長辺110bの中点a6と右端a4とを2等分する点a8と、第1の長辺110aの中点a5及び右端a2とをそれぞれ結んだ線上にV字状に形成されている。
成形体14は、図4に示すように、複合材部110と、複合材部110の第1の表面111に直接形成された4本の凸条の第1リブ部112a〜第4リブ部112dとを備えている。第1リブ部112a〜第4リブ部112dは、断面形状が矩形状の板片からなる。成形体14は、成形体13における第1リブ部112aにおける点a7側の部分と、第2リブ部112bの両端部分と、第3リブ部112cの両端部分と、第4リブ部112dの点a8側の部分とが部分的に取り除かれている以外は成形体13と同じである。
成形体15は、図5に示すように、複合材部110と、複合材部110の第1の表面111に直接形成された2本の凸条の第1リブ部112a,112a及び2本の凸条の第2リブ部112b,112bとを備えている。第1リブ部112a,112a及び第2リブ部112b,112bは、断面形状が矩形状の板片からなる。成形体15は、成形体11における第1リブ部112aと第2リブ部112bの互いに交差した部分が取り除かれてそれぞれが分断されている以外は成形体11と同じである。
成形体16は、図6に示すように、複合材部110と、複合材部110の第1の表面111に直接形成された2本の凸条の第1リブ部112a,112a及び2本の凸条の第2リブ部112b,112bとを備えている。成形体16は、成形体11の第1リブ部112aと第2リブ部112bにおける交点の周囲の部分と、それぞれの両端から14.6mmの部分が部分的に取り除かれてそれぞれが分断されている以外は、成形体11と同じである。
なお、本発明では、リブ部の長さ方向に垂直な断面形状は、矩形状には限定されず、例えば、台形状等であってもよい。
(条件(1’))
本発明の成形体では、任意のリブ部又はその長軸の延長線と、別のリブ部又はその長軸の延長線とが複合材部の表面上で交差する。なお、本発明において、「複合材部の表面上で交差する」とは、複合材部の表面における外縁上で交差する態様も含むものとする。「リブ部の長軸」とは、平面視におけるリブ部の幅方向の中央を通る軸を意味する。
成形体11では、複合材部110の対角線上に形成されたそれぞれの第1リブ部112aと第2リブ部112bが、複合材部110の第1の表面111上で交差している。
成形体12では、第1リブ部112aと第2リブ部112bが複合材部110における第1の表面111の外縁上(第2の長辺110b上の点a6)で交差している。第3リブ部112cと第4リブ部112dは、複合材部110における第1の表面111の外縁上(第1の長辺110a上の点a5)で交差している。さらに、第1リブ部112aと第3リブ部112c、及び、第2リブ部112bと第4リブ部112dが複合材部110の第1の表面111上で交差している。
成形体13では、第1リブ部112aと第2リブ部112b、及び、第3リブ部112cと第4リブ部112dが複合材部110における第1の表面111の外縁上(第2の長辺110b上の点a7)で交差している。第2リブ部112bと第3リブ部112cは、複合材部110における第1の表面111の外縁上(第2の長辺110b上の点a8)で交差している。
成形体14では、第1リブ部112aの長軸の延長線m1と第2リブ部112bの長軸の延長線m2とが、複合材部110における第1の表面111の外縁上(第2の長辺110b上の点a7)で交差している。また、第2リブ部112bの長軸の延長線m2と第3リブ部112cの長軸の延長線m3とが、複合材部110における第1の表面111の外縁上(第1の長辺110a上の点a5)で交差している。さらに、第3リブ部112cの長軸の延長線m3と第4リブ部112dの長軸の延長線m4とが、複合材部110における第1の表面111の外縁上(第2の長辺110b上の点a8)で交差している。
成形体15及び成形体16では、第1リブ部112aの長軸の延長線m1と第2リブ部112bの長軸の延長線m2とが、複合材部110における第1の表面111上で交差している。
成形体11〜15では、リブ部とリブ部、又はリブ部の長軸の延長線とリブ部の長軸の延長線とが複合材部の表面上で交差しているが、本発明では、リブ部の長軸の延長線とリブ部とが複合材部の表面上で交差していてもよい。
複合材部の表面上での、任意のリブ部又はその長軸の延長線と、別のリブ部又はその長軸の延長線との交差角度は、30〜90°が好ましく、45〜90°がより好ましい。なお、前記交差角度とは、任意のリブ部又はその長軸の延長線と、別のリブ部又はその長軸の延長線とが交差するときに形成される角度のうち、小さい方の角度を意味するものとする。
(条件(2’))
本発明の成形体では、リブ部の平均幅tに対する平均高さHの比H/tが1以上50以下である。比H/tが1以上であれば、充分な反り抑制効果が得られる。比H/tが50以下であれば、リブ部の強度が充分に高くなることで、反り抑制効果が充分に発揮される。比H/tは、5以上20以下が好ましい。
なお、「リブ部の幅」とは、リブ部の基端における幅を意味する。また、「リブ部の平均幅t」とは、リブ部において任意の10箇所で測定された幅の平均値を意味する。「リブ部の平均高さH」とは、リブ部において任意の10箇所で測定された高さの平均値を意味する。
(条件(3’))
本発明の成形体では、複合材部におけるリブ部が形成された側の表面の面積Sに対する、該表面におけるリブ部が占める面積Sの比S/Sが5.0×10−3以上8.0×10−2未満である。例えば、成形体11では、複合材部110の第1の表面111の面積Sに対する、第1の表面111における第1リブ部112a及び第2リブ部112bが占める面積Sの比S/Sが5.0×10−3以上8.0×10−2未満である。比S/Sが5.0×10−3以上であれば、充分な反り抑制効果が得られる。比S/Sが8.0×10−2未満であれば、成形体の過度な質量増加を抑制でき、軽量性を確保しやすく、コストの高騰も抑制できる。比S/Sは、5.0×10−3以上5.0×10−2未満が好ましく、1.0×10−2以上3.0×10−2未満がより好ましい。
(条件(4’))
本発明の成形体では、複合材部の平均厚さTに対するリブ部の平均高さHの比H/Tが2.5以上13以下である。比H/Tが2.5以上であれば、充分な反り抑制効果が得られる。比H/Tが13以下であれば、成形体の過度な質量増加を抑制でき、軽量性を確保しやすく、コストの高騰も抑制できる。比H/Tは、3以上13が好ましく、3以上6以下がより好ましい。なお、「複合材部の平均厚さT」とは、複合材部において任意の10箇所で測定された厚さの平均値を意味する。
(条件(5’))
本発明の成形体では、複合材部の外縁の周囲長に対する、少なくとも1本のリブ部の長さの割合Qが8%以上である。割合Qが8%以上であれば、充分な反り抑制効果が得られる。割合Qは、8〜50%が好ましく、20〜40%がより好ましい。割合Qが前記上限値以下であれば、成形体の過度な質量増加を抑制しやすく、軽量性の確保が容易でコストの高騰も抑制しやすい。
本発明の成形体では、2本以上のリブ部のうちの一部のリブ部だけが条件(5’)を満たしていてもよく、全てのリブ部が条件(5’)を満たしていてもよい。本発明の成形体では、充分な反り抑制効果が得られやすい点から、全てのリブ部が条件(5’)を満たしていることが好ましい。
複合材部に形成されるリブ部の数は、特に限定されず、条件(1’)〜(5’)を満たす範囲で適宜決定すればよい。
本発明の成形体では、条件(1’)〜(5’)を同時に満たすリブ部が形成されている必要がある。なお、本発明の成形体は、本発明の効果を損なわない範囲であれば、別のリブ部又はその長軸の延長線と複合材部の表面上で交差しないリブ部をさらに備えていてもよい。また、本発明の効果を損なわない範囲であれば、本発明の成形体は、比H/tが5未満又は20超のリブ部をさらに備えていてもよい。また、本発明の効果を損なわない範囲であれば、本発明の成形体は、H/Tが3未満又は13超のリブ部をさらに備えていてもよい。
(繊維強化複合材料)
複合材部を形成する繊維強化複合材料は、強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する。
繊維強化複合材料としては、強化繊維(f1)にマトリックス樹脂(A)が含浸されたプリプレグ、該プリプレグが複数枚積層されたプリプレグ積層体や、不連続な強化繊維(f1)からなる不織布にマトリックス樹脂(A)が含浸されたマット、押出機内で強化繊維を樹脂中に混練してシート化した押出しシート等が挙げられる。繊維強化複合材料としては、一方向に引き揃えた強化繊維(f1)にマトリックス樹脂(A)が含浸されたプリプレグに切込みを入れたり、裁断して、プリプレグ中の強化繊維(f1)を短く分断したものを用いてもよい。
強化繊維(f1)としては、特に限定されず、例えば、無機繊維、有機繊維、金属繊維、又はこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維が使用できる。
無機繊維としては、炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等が挙げられる。有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、その他一般のナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。金属繊維としては、ステンレス、鉄等の繊維が挙げられ、また金属を被覆した炭素繊維でもよい。これらの中では、成形体の強度等の機械物性を考慮すると、炭素繊維が好ましい。
強化繊維(f1)は、連続繊維であってもよく、不連続繊維であってもよい。連続繊維は機械特性に優れ、一方、不連続繊維は賦型性に優れるため、必要に応じて使い分けすることが可能であるが、機械特性と賦型性のバランスから不連続繊維が好ましい。プリプレグを形成する強化繊維基材の形態としては、多数の連続繊維を一方向に揃えてUDシート(一方向シート)とする形態、連続繊維を製織してクロス材(織物)とする形態やこれらの強化繊維に切込みを入れて不連続繊維とした形態、不連続繊維からなる不織布とする形態、不連続繊維を二軸押出機にて樹脂中に混練分散した形態等が挙げられる。クロス材の織り方としては、例えば、平織、綾織、朱子織、三軸織等が挙げられる。
強化繊維(f1)の数平均繊維長は、1〜100mmが好ましく、3〜70mmがより好ましく、5〜50mmがさらに好ましく、10〜50mmが特に好ましく、10〜35mmが最も好ましい。強化繊維(f1)の数平均繊維長が前記下限値以上であれば、充分な機械特性を有する成形体が得られやすい。強化繊維(f1)の数平均繊維長が前記上限値以下であれば、繊維強化複合材料を3次元形状等の複雑な形状に賦形しやすい。
マトリックス樹脂(A)としては、熱可塑性樹脂であってもよく、熱硬化性樹脂であってもよい。なかでも、マトリックス樹脂(A)としては、熱可塑性樹脂が好ましい。
熱可塑性樹脂としては、特に限定されず、例えば、ポリアミド樹脂(ナイロン6、ナイロン66、ナイロン12、ナイロンMXD6等)、ポリオレフィン樹脂(低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン等)、変性ポリオレフィン樹脂(変性ポリプロピレン樹脂等)、ポリエステル樹脂(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)、ポリカーボネート樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリフェニレンオキシド樹脂、ポリスルホン樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリスチレン樹脂、ABS樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、液晶ポリエステル樹脂、アクリロニトリルとスチレンの共重合体、ナイロン6とナイロン66の共重合体等が挙げられる。
変性ポリオレフィン樹脂としては、例えば、マレイン酸等の酸によりポリオレフィン樹脂を変性した樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂としては、強化繊維との接着性、強化繊維への含浸性及び熱可塑性樹脂の原料コストの各々のバランスの点から、ポリオレフィン樹脂、変性ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂が好ましい。熱可塑性樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。なお、熱硬化性樹脂は、成形時には一部又は全部が未硬化の状態であっても、全部が硬化した状態でもよく、成形体においては硬化した状態にある。
複合材部における繊維体積含有率(Vf)は、10〜65体積%が好ましく、15〜55体積%がより好ましく、20〜45体積%がさらに好ましい。Vfが下限値以上であれば、充分な機械物性を有する成形体が得られやすい。Vfが上限値以下であれば、繊維強化複合材料の賦形が容易になる。
なお、複合材部におけるVfは、JIS K7075により測定される値を意味する。
複合材部には、目的の要求特性に応じて、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等の添加剤が配合されていてもよい。
(熱可塑性樹脂(B))
リブ部を形成する熱可塑性樹脂(B)としては、特に限定されず、例えば、マトリックス樹脂(A)で挙げた熱可塑性樹脂と同じものが挙げられる。熱可塑性樹脂(B)としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。マトリックス樹脂(A)として熱可塑性樹脂を用いる場合、得られる成形体における複合材部とリブ部との接着強度がより高くなる点と成形性の点から、熱可塑性樹脂(B)はマトリックス樹脂(A)と同じ種類の樹脂であることが好ましい。
熱可塑性樹脂(B)は、目的の成形体の要求特性に応じて、強化繊維、難燃剤、耐候性改良剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、導電性フィラー等の添加剤を含有していてもよい。
本発明の成形体においては、リブ部は、熱可塑性樹脂(B)のみで形成されていてもよく、熱可塑性樹脂(B)と数平均繊維長1mm未満の強化繊維(f2)とで形成されていてもよい。強化繊維(f2)の種類としては、強化繊維(f1)で挙げたものと同じものが挙げられ、炭素繊維が好ましい。
リブ部中の強化繊維(f2)の繊維質量含有率は、40質量%以下が好ましく30質量%以下がより好ましく、25質量%以下がさらに好ましい。強化繊維(f2)の繊維質量含有率が前記上限値以下であれば、材料がリブ部に充填されやすく、成形性に優れる。リブ部の強度が充分に得られやすい点では、リブ部中の強化繊維(f2)の繊維質量含有率は、10質量%以上が好ましく、15質量%以上がより好ましい。
なお、「リブ部中の強化繊維(f2)の繊維質量含有率」とは、リブ部の総質量に対する強化繊維(f2)の合計質量の割合である。
本発明の成形体におけるリブ部としては、根元側部分に数平均繊維長1〜100mmの強化繊維(f1)が含有され、かつ先端部が熱可塑性樹脂(B)のみで形成されているリブ部が好ましい。該リブ部は、強度がより高く、反り抑制効果を発揮しやすい。
本発明の成形体におけるリブ部としては、根元側部分に数平均繊維長1〜100mmの強化繊維(f1)が含有され、かつ先端部が熱可塑性樹脂(B)と数平均繊維長1mm未満の強化繊維(f2)とで形成されているリブ部も好ましい。該リブ部も、強度がより高く、反り抑制効果を発揮しやすい。
リブ部の先端部中の強化繊維(f2)の繊維質量含有率は、30質量%以下が好ましく、25質量%以下がより好ましく、20質量%以下がさらに好ましい。これにより、材料がリブ部に充填されやすく、成形性に優れる。リブ部の先端部の強度が充分に得られやすい点では、リブ部の先端部中の強化繊維(f2)の繊維質量含有率は、10質量%以上が好ましく、15質量%以上がより好ましい。
なお、「リブ部の先端部」とは、リブ部の高さ方向において、該リブ部の高さに対して先端から20%の部分を意味する。「リブ部の根本側部分」とは、リブ部における先端部よりも根本側の部分を意味する。
根元側部分に強化繊維(f1)が含有されたリブ部は、例えば、成形時に繊維強化複合材料中の強化繊維(f1)の一部が流動してリブ部の根本側部分に混入することで形成される。
本発明の成形体の態様は、繊維強化複合材料が賦形された複合材部の表面に、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす2本以上のリブ部が形成されているものであればよく、成形体11〜16には限定されない。例えば、成形体11〜16の複合材部110は平板状であったが、本発明の成形体における複合材部は屈曲していてもよく、湾曲していてもよい。
例えば、本発明の成形体の態様としては、複合材部が、第1板状部と、前記第1板状部から立ち上がる第2板状部とを備え、前記リブ部が、前記第1板状部における前記第2板状部が設けられた表面に形成されている態様(以下、「態様(i)」ともいう。)が挙げられる。
態様(i)の具体例としては、例えば、図7に例示した成形体21が挙げられる。
成形体21は、繊維強化複合材料が賦形されて形成された複合材部210と、複合材部210の第1の表面211に形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす凸条の第1リブ部212a及び第2リブ部212bとを備える。
複合材部210は、平面視形状が矩形状の第1板状部214と、第1板状部214の周縁から全周にわたって垂直に立ち上がる第2板状部216とを備える。このように、複合材部210は、底面を形成する第1板状部214と、4つの側面を形成する第2板状部216とを備える箱状になっている。このように、複合材部210は、第1板状部214と第2板状部216との接続部分に屈曲部217を有する。
第1リブ部212a及び第2リブ部212bは、長方形の板片からなる。第1リブ部212a及び第2リブ部212bは、第1板状部214における第2板状部216が設けられた第1の表面211に形成されている。
第1リブ部212aは、第2板状部216における1つの側面を形成する部分216aから、部分216aに対向する側面を形成する部分216cまで直線的に形成されている。成形体21をリブ部側から見た正面視における、第1リブ部212aと第2板状部216の部分216aとがなす角度は垂直になっている。同様に、成形体21をリブ部側から見た正面視における、第1リブ部212aと第2板状部216の部分216cとがなす角度は垂直になっている。
第2リブ部212bは、第2板状部216における部分216aと部分216cの間の1つの側面を形成する部分216bから、部分216bに対向する側面を形成する部分216dまで直線的に形成されている。成形体21をリブ部側から見た正面視における、第2リブ部212bと第2板状部216の部分216bとがなす角度は垂直になっている。同様に、成形体21をリブ部側から見た正面視における、第2リブ部212bと第2板状部216の部分216dとがなす角度は垂直になっている。
なお、態様(i)において、成形体をリブ部側から見た正面視における、リブ部と第2板状部の接続部分の角度は、垂直でなくてもよい。
このように、成形体21をリブ部側から見た正面視において、第1リブ部212aと第2リブ部212bとが十字に交差し、第1板状部214における第2板状部216の内側の面が4つに分割されたようになっている。この例では、第1板状部214における第2板状部216の内側の第1の表面211における4つに分割された領域は均等になっている。このように、リブ部によって第1板状部の第2板状部の内側の領域が均等に分割されることで、金型からの脱型時にかかる力や温度差によって複合材部に反りが発生することを抑制する効果がより高くなる。
本発明では、成形体21における第1リブ部212aと第2リブ部212bのように、複数のリブ部が互いに交差するように形成されていることが好ましい。これにより、反り抑制効果がより高くなる。
態様(i)の成形体の場合、第1板状部に設けられるリブ部の長さ方向の一方の端部又は両方の端部は、第2板状部と接続されていることが好ましい。例えば、成形体21では、第1リブ部212aの両方の端部は第2板状部216における部分216aと部分216cにそれぞれ接続されている。第2リブ部212bの両方の端部は第2板状部216における部分216bと部分216dにそれぞれ接続されている。
このように、第1板状部に設けられるリブ部の長さ方向の一方の端部又は両方の端部が第2板状部と接続されていることで、反り抑制効果が得られやすくなる。
態様(i)の成形体は、前記した成形体21には限定されない。
例えば、本発明の態様(i)の成形体としては、成形体21以外に、図8に例示した成形体22が挙げられる。図8における図7と同じ部分には同符号を付して説明を省略する。
成形体22は、繊維強化複合材料が賦形されて形成された複合材部210と、複合材部210の第1の表面211に形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす凸条の第1リブ部212c及び第2リブ部212dとを備える。成形体22は、第1リブ部212a及び第2リブ部212bの代わりに第1リブ部212c及び第2リブ部212dを備える以外は、成形体21と同じである。
第1リブ部212c及び第2リブ部212dは、長方形の板片からなる。第1リブ部212c及び第2リブ部212dは、第1板状部214における第2板状部216が設けられた第1の表面211に形成されている。
第1リブ部212cは、第2板状部216における部分216aと部分216bとで形成される角部から、部分216cと部分216dとで形成される角部まで直線的に形成されている。第2リブ部212dは、第2板状部216における部分216bと部分216cとで形成される角部から、部分216dと部分216aとで形成される角部まで直線的に形成されている。
このように、成形体22をリブ部側から見た正面視において、第1リブ部212cと第2リブ部212dとは、対角線上に形成されて互いに交差している。
成形体22は、条件(1’)〜(5’)を満たす第1リブ部212cと第2リブ部212dが形成されていることで、金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する反りが生じにくい。加えて、成形体22では、第1リブ部212cと第2リブ部212dが互いに交差するように形成され、また第1リブ部212c及び第2リブ部212dの長さ方向の両方の端部は第2板状部216に接続されている。そのため、成形体22は、成形体21と同様に、反り抑制効果がより高い。
本発明の態様(i)の成形体は、図9に例示した成形体23であってもよい。図9における図7と同じ部分には同符号を付して説明を省略する。
成形体23は、繊維強化複合材料が賦形されて形成された複合材部210と、複合材部210の第1の表面211に形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす凸条の複数のリブ部212eとを備える。成形体23は、第1リブ部212a及び第2リブ部212bの代わりに複数のリブ部212eを備える以外は、成形体21と同じである。
リブ部212eは、長方形の板片からなる。リブ部212eは、第1板状部214における第2板状部216が設けられた第1の表面211に形成されている。
成形体23では、リブ部212e側から見た正面視において、第2板状部216における部分216aから内側に向かって突き出るように、部分216aの長さ方向に2つのリブ部212eが並んで形成されている。同様に、リブ部212e側から見た正面視において、第2板状部216における部分216b、部分216c及び部分216dからそれぞれ内側に向かって突き出るように、部分216b、部分216c及び部分216dの長さ方向に2つずつリブ部212eが並んで形成されている。
このように、成形体23では、第1板状部214における第2板状部216側の面に8つのリブ部212eが形成されている。8つのリブ部212eは、互いに直接は交差していない。しかし、第2板状部216の部分216a及び部分216cから突き出るリブ部212eの長軸の延長線と、第2板状部216の部分216b及び部分216dから突き出るリブ部212eの長軸の延長線とは、複合材部210における第1板状部214の第1の表面211上で交差している。
成形体23は、条件(1’)〜(5’)を満たすリブ部212eが形成されていることで、製造時における金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する反りが生じにくい。また、成形体23は、リブ部212eの長さ方向の一方の端部が第2板状部216に接続されているため、反り抑制効果がより高い。
本発明の態様(i)の成形体は、成形体21〜23のように複合材部が箱状になっていなくてもよい。例えば、本発明の態様(i)の成形体は、図10に例示した成形体24であってもよい。図10における図7と同じ部分には同符号を付して説明を省略する。
成形体24は、繊維強化複合材料が賦形されて形成された複合材部210Aと、複合材部210Aの第1の表面211に形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす2つのリブ部212f,212f及び1つのリブ部212gとを備える。
複合材部210Aは、平面形状が矩形状の第1板状部214と、第1板状部214の一つの縁部から垂直に立ち上がる平面形状が矩形状の第2板状部216Aとを備える。このように、複合材部210Aは、第1板状部214と第2板状部216Aとの接続部分に屈曲部217Aを有する。
リブ部212f及びリブ部212gは、長方形の板片からなる。
成形体24では、第1板状部214における第2板状部216A側の第1の表面211において、第2板状部216Aから第2板状部216Aに対向する縁部まで延びるリブ部212fが2つ並んで形成されている。また、第1板状部214における第2板状部216A側の第1の表面211において、2つのリブ部212fに直交するようにリブ部212gが形成されている。
成形体24は、条件(1’)〜(5’)を満たすリブ部212f及びリブ部212gが形成されていることで、製造時における金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する反りが生じにくい。加えて、成形体24では、リブ部212fとリブ部212gが互いに交差するように形成されており、またリブ部212fの長さ方向の一方の端部が第2板状部216Aに接続されているため、反り抑制効果がより高い。
態様(i)の成形体においては、第1板状部における第2板状部側の表面から、第2板状部における第1板状部側の表面まで延びるリブ部が形成されていてもよい。例えば、図11に例示した成形体25であってもよい。図11における図7と同じ部分には同符号を付して説明を省略する。
成形体25は、繊維強化複合材料が賦形されて形成された複合材部210Aと、複合材部210Aの第1の表面211に形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす2つのリブ部212h及び1つのリブ部212gと、を備える。成形体25は、リブ部212fの代わりにリブ部212hを備える以外は、成形体24と同じである。
リブ部212hは、第1板状部214における第2板状部216A側の端部から該端部に対向する端部まで形成された長方形の板状部分と、該板状部分の第2板状部216A側の端部から第2板状部216Aに沿って立ち上がるように形成された長方形の板状部分とからなる、平面形状がL字状の板片である。
成形体25では、平面形状がL字状の2つのリブ部212hが、第1板状部214における第2板状部216A側の表面から、第2板状部216Aにおける第1板状部214側の表面まで延びるように形成されている。また、第1板状部214における第2板状部216A側の表面において、2本のリブ部212hに直交するようにリブ部212gが形成されている。すなわち、2本のリブ部212hとリブ部212gとが、複合材部210の第1の表面211上で交差している。
成形体25のように第1板状部と第2板状部の両方にリブ部が設けられている場合、第1板状部をリブ部側からみた正面視における比S/Sと、第2板状部をリブ部側から見た正面視における比S/Sの両方が条件(3’)の範囲を満たすことが好ましい。
成形体25は、条件(1’)〜(5’)を満たすリブ部212h及びリブ部212gが形成されていることで、製造時における金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する反りが生じにくい。加えて、成形体25は、リブ部212hとリブ部212gが互いに交差するように形成されており、また2つのリブ部212hが第1板状部214から第2板状部216Aにわたって形成されているため、反り抑制効果がより高い。
本発明の成形体は、複合材部が湾曲した板状部を備え、前記板状部における凹状の表面にリブ部が形成されている態様(以下、「態様(ii)」ともいう。)であってもよい。具体的には、例えば、図12に例示した成形体26であってもよい。
成形体26は、繊維強化複合材料が賦形されて形成された複合材部210Bと、複合材部210Bの凹条の表面218aに形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有し、条件(1’)〜(5’)を満たす2つのリブ部212i及び1つのリブ部212jと、を備える。
複合材部210Bは、長さ方向の一方の側が湾曲して立ち上がった板状部218からなる。このように、複合材部210Bは湾曲部220を有している。
リブ部212iは、長尺の板片からなり、板状部218における凹状の表面218aに、板状部218の長さ方向の第1の端部218bから第2の端部218cまで延びるように、2つ並んで形成されている。リブ部212iの平面形状は、板状部218の凹条の表面218aに沿って湾曲した形状になっている。
リブ部212jは、長方形の板片からなる。リブ部212jは、板状部218における凹状の表面218aにおける湾曲部220よりも第1の端部218b側に、2つのリブ部212iに直交するように形成されている。
態様(ii)における比S/Sについては、板状部の凹状の表面が平面であったとした場合の該表面の総面積をS、板状部の凹状の表面が平面であったとした場合の該表面におけるリブ部が占める面積をSとして採用するものとする。
成形体26は、条件(1’)〜(5’)を満たすリブ部212i及びリブ部212jが形成されていることで、製造時における金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する反りが生じにくい。
製造時における金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する複合材部の反りは、態様(i)及び態様(ii)のように屈曲部や湾曲部を有する複合材部を備える成形体を製造する場合に特に起こりやすい。そのため、本発明は、態様(i)及び態様(ii)のように屈曲部や湾曲部を有する場合に特に有効である。
なお、繊維強化複合材料の塊等をスタンピング成形によって板状に賦形した複合材を備える成形体においても、リブ部を形成していない場合には、製造時における金型からの脱型時にかかる力や温度差に起因する反りが生じることがある。そのため、この場合もリブ部を形成することで、反り抑制効果が得られる。
本発明の成形体においては、複合材部をリブ部側から見た正面視で、リブ部が曲線状に形成されていてもよい。
本発明の成形体においては、板状の複合材部の厚さ方向の一方の表面のみにリブ部が形成されることが好ましいが、複合材部の厚さ方向の両方の表面にリブ部が形成されてもよい。
以上説明した本発明の成形体においては、条件(1’)〜(5’)を満たすリブ部が形成されているため、製造時において金型から脱型する際にかかる力や温度差に起因する反りが発生することが抑制される。
[成形体の製造方法]
以下、本発明の成形体の製造方法について説明する。本発明の成形体の製造方法は、強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料からなる板状の複合材部と、前記複合材部の表面に直接形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有する2本以上の凸条のリブ部とを備える成形体を製造する方法である。本発明の成形体の製造方法では、金型内において、強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料が配置された状態で、溶融状態の熱可塑性樹脂(B)を供給して成形を行う。すなわち、本発明の成形体の製造方法では、強化繊維及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料をスタンピング成形により賦形して複合材部を形成する際に、同一の金型内で熱可塑性樹脂によるリブ部を一体に射出成形する方法である。
本発明の成形体の製造方法は、下記の複合材部形成工程及びリブ部形成工程を有する。
複合材部形成工程:金型により、繊維強化複合材料を賦形して複合材部を形成する工程。
リブ部形成工程:前記金型内に熱可塑性樹脂(B)を溶融状態で供給して、下記の条件(1)〜(5)を満たすリブ部を形成する工程。
(1)任意のリブ部又はその長軸の延長線と、別のリブ部又はその長軸の延長線とを複合材部の表面上で交差させる。
(2)リブ部の平均幅tに対する平均高さHの比H/tを1以上50以下とする。
(3)複合材部におけるリブ部が形成された側の表面の面積Sに対する、該表面におけるリブ部が占める面積Sの比S/Sを5.0×10−3以上8.0×10−2未満とする。
(4)複合材部の平均厚さTに対するリブ部の平均高さHの比H/Tを2.5以上13以下とする。
(5)複合材部の外縁の周囲長に対する、少なくとも1本のリブ部の長さの割合Qを8%以上とする。
以下、成形体21を製造する場合を例に説明する。
(金型)
成形体21を製造する金型としては、例えば、図13に示す金型2100が挙げられる。
金型2100は、上方に突き出る凸部2110が形成された下型2112と、下面側に凹部2114が設けられた上型2116とを備える。下型2112における凸部2110の上面には、成形体21の第1リブ部212aと第2リブ部212bの形状に相補的な形状の溝部2118と、溝部2118に熱可塑性樹脂(B)を供給するための樹脂流路2120が形成されている。金型2100を閉じたときには、成形体21の形状に相補的な形状の空間(キャビティ)が形成されるようになっている。
(複合材部形成工程)
図13に示すように、金型2100における下型2112の凸部2110上に、強化繊維及びマトリックス樹脂(A)を含有するシート状の繊維強化複合材料230を配置する。次いで、図14に示すように、繊維強化複合材料230を配置した状態で金型2100を閉じ、繊維強化複合材料230を賦形して複合材部210を形成する。
マトリックス樹脂(A)として熱可塑性樹脂を使用する場合には、該熱可塑性樹脂の軟化温度以上に繊維強化複合材料を加熱する。なお、熱可塑性樹脂の軟化温度とは、熱可塑性樹脂が結晶性樹脂の場合は熱可塑性樹脂の溶融温度(融点)、熱可塑性樹脂が非晶性樹脂の場合は熱可塑性樹脂のガラス転移温度であり、これらはJIS K7121に準拠した示差走査熱量測定(DSC)法により測定される値を意味する。
マトリックス樹脂(A)として熱硬化性樹脂を使用する場合には、該熱硬化性樹脂の硬化温度以上に繊維強化複合材料を加熱する。なお、熱硬化性樹脂の硬化温度とは、常温から昇温速度10℃/minutesで発熱ピークがみられる温度より10℃低い温度であり、DSC法により測定される値を意味する。
繊維強化複合材料としては、シート状のプリプレグ、該プリプレグを複数枚積層したプリプレグ積層体等を使用できる。
本発明においては、繊維強化複合材料を軟化温度以上又は硬化温度以上に加熱してから金型内に配置してもよく、金型内に配置した後に繊維強化複合材料を軟化温度以上又は硬化温度以上に加熱してもよい。
繊維強化複合材料を加熱する方法は、特に限定されず、例えば、赤外線ヒータ等が挙げられる。
マトリックス樹脂(A)として熱可塑性樹脂を使用する場合、賦形時の繊維強化複合材料の温度T(℃)と、該熱可塑性樹脂の軟化温度をT(℃)との関係は、T≦Tであり、T+10(℃)≦T≦T+150(℃)が好ましく、T+30(℃)≦T≦T+100(℃)がより好ましい。温度Tが下限値以上であれば、複合材部とリブ部の境界面の接着強度が高い成形体が得られ、また成形時間が短くなる。温度Tが高すぎると、型締め後において繊維強化複合材料中の熱可塑性樹脂が固化するまでの時間が長くなって生産性が低下したり、繊維強化複合材料中の熱可塑性樹脂が熱分解を起こすといった問題が発生するおそれがある。しかし、温度Tが上限値以下であれば、型締め後の繊維強化複合材料中の熱可塑性樹脂が固化するまでの時間は問題なく、また繊維強化複合材料中の熱可塑性樹脂の熱分解も抑制しやすい。
マトリックス樹脂(A)として熱可塑性樹脂を使用する場合、型締め時の金型温度は、マトリックス樹脂(A)及び熱可塑性樹脂(B)の軟化温度の低い方の温度よりも5℃以上低いことが好ましく、15℃以上低いことがより好ましい。これにより、成形体中のマトリックス樹脂(A)及び熱可塑性樹脂(B)が十分に冷却固化されるため、金型から脱型が容易になる。
(リブ部形成工程)
図15に示すように、金型2100内において、樹脂流路2120から溝部2118に熱可塑性樹脂(B)232を溶融状態で供給して、複合材部210における第1板状部214の第1の表面211に、条件(1)〜(5)を満たすように第1リブ部212a及び第2リブ部212bを形成する。溝部2118の形状を、条件(1’)〜(5’)を満たす第1リブ部212a及び第2リブ部212bの形状と相補的な形状にすることで、条件(1)〜(5)を満たすように第1リブ部212a及び第2リブ部212bを形成することができる。
本発明では、金型を型締めして繊維強化複合材料を賦形した後に、一旦金型を開き、その状態で熱可塑性樹脂(B)を供給し、再度金型を閉めて熱可塑性樹脂(B)を加圧しつつ繊維強化複合材料と一体に成形することが好ましい。例えば、金型2100を用いて成形体21を製造する場合、繊維強化複合材料230の賦形後に、下型2112から上型2116をわずかに上方に離間させ、溝部2118に熱可塑性樹脂(B)232を溶融状態で供給した後に再度金型2100を閉じて成形を行うことが好ましい。これにより、金型内に供給される熱可塑性樹脂(B)が加圧されやすくなり、リブ部を形成する溝部内に熱可塑性樹脂(B)を充分に充填しやすくなる。
また、この場合、金型を一旦開くためのエネルギー消費を低減できる点、成形時間の短縮が可能である点、もしくは金型の機械設計を簡略化できる点から、金型を型締めして繊維強化複合材料を賦形した後に、熱可塑性樹脂(B)を射出する際の射出圧によって金型が一旦開かれるようにすることが好ましい。
本発明の成形体の製造方法においては、リブ部形成工程において、熱可塑性樹脂(B)と数平均繊維長1mm未満の強化繊維(f2)を含有する組成物を供給してリブ部を形成してもよい。
以上説明したように、本発明の成形体の製造方法においては、繊維強化複合材料をスタンピング成形により賦形して複合材部を形成する際に、同一の金型内で条件(1)〜(5)を満たすようにリブ部を一体に射出成形する。そのため、得られた成形体では、製造時における金型から脱型する際にかかる力や温度差に起因する反りが生じることが抑制される。
なお、本発明の成形体の製造方法は、繊維強化複合材料をスタンピング成形により賦形して複合材部を形成する際に、同一の金型内で熱可塑性樹脂によるリブ部を一体に射出成形する方法であればよく、成形体1の製造方法には限定されない。例えば、成形体11〜16、22〜26等の成形体21以外の本発明の成形体を製造する方法であってもよい。
前記した製造方法は、複合材部形成工程を行った後にリブ部形成工程を行う方法であったが、本発明の成形体の製造方法においては、複合材部形成工程とリブ部形成工程とを同時に行ってもよい。すなわち、本発明の成形体の製造方法においては、繊維強化複合材料を賦形しながら熱可塑性樹脂(B)を金型内に供給してリブ部を形成してもよい。
以下、実施例によって本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。
[反りの評価(シミュレーション)]
(使用ソフト)
反りの評価は、CAEソフトを使用したシミュレーションにより行った。CAEソフトによる計算を行うソルバは、NX Nastran(Siemens製)、静解析モジュール(SOL101)である。シミュレーションモデルは、4節点、又は、3節点から構成されるシェル要素の集合体で構成される。
(評価方法)
各例のシミュレーションにおいて、成形時に部材の温度が200℃まで上昇してから室温(20°)まで冷却される場合を想定した反り量を算出するため、負荷として200℃から180℃低下する温度条件を与えた。また、拘束条件としては、複合材部の中心部に位置する1節点を完全に拘束する条件とした。該シミュレーションにおいて、複合材部における最も上に沿った部分と最も下に沿った部分の厚さ方向における距離(高さ)を反り量とした。複合材部が完全な平板状である場合、反り量は0mmである。
(評価基準)
反りの評価は、以下の基準に従って行った。
○:参考例に対する反り量の低減率が30%以上である。
×:参考例に対する反り量の低減率が30%未満である。
[成形体質量の評価]
各例の成形体にリブ部を形成したことによる質量増加率を算出し、以下の基準で評価した。
○:参考例に対する質量の増加率が20%以下である。
×:参考例に対する質量の増加率が20%超である。
[強度及び成形性の評価]
各例の成形体におけるリブ部の強度及び成形性について、以下の基準に従って評価した。
○:リブ部に割れや欠けが見られず、充分な強度及び流動性が両立されている。
×:リブ部に割れ及び欠けの少なくとも一方が見られ、強度及び流動性の少なくとも一方が不充分である。
[総合評価]
○:反りの評価、成形体質量の評価、並びに強度及び成形性の評価がいずれも「○」である。
×:反りの評価、成形体質量の評価、並びに強度及び成形性の評価の少なくとも一つが「×」である。
[参考例A1]
下記のプリプレグシートを用いて製造した成形体の反り量を参考にしてシミュレーションにおける入力物性値を設定した。具体的には、プリプレグシートを複数枚重ねた積層体を金型に配置し、200℃に加熱して成形した後、1分後に型を開き、縦120mm×横200mm×厚さ1mm、質量28.8gの平板状の複合材部のみからなる成形体を取り出した。該複合材部における最も上に反った部分と最も下に反った部分の厚さ方向における距離(高さ)を反り量として測定したところ、1.32mmであった。
プリプレグシート:強化繊維(f1)である炭素繊維(三菱レイヨン社製、製品名:パイロフィル(登録商標)TR−50S15L)を数平均繊維長25mmとなるように切断し、繊維配向がランダムとなるように分散したランダム材に、マトリックス樹脂(A)である酸変性ポリプロピレン樹脂製のフィルム(三菱化学社製、製品名:モディック(登録商標)が含浸され、繊維体積含有率(Vf)が35%とされたプリプレグシート。
シミュレーションにおける複合材部の入力物性値としては、縦120mm×横200mm×厚さ(T)1mm、質量28.8gの平板状の複合材部における前記反り量(1.32mm)を再現するように設定した。具体的な入力物性値としては、弾性率を28.8GPa、せん断弾性率を1.5GPa、ポアソン比を0.33に設定した。また、複合材部の線膨張率については、前記反り量を再現するように局所的なバラつきを設定し、複合材部全体の平均値として0.44(10−5/℃)とした。
[実施例A1]
図1A及び図1Bに示すように、平板状の複合材部110の表面に、対角線上に2本の第1リブ部112a及び第2リブ部112bが形成された成形体11についてシミュレーションを行った。複合材部110の寸法及び入力物性値は参考例A1と同じとした。第1リブ部112a及び第2リブ部112bの断面形状を長方形状とし、平均幅tは1mm、平均高さHは5mm、比H/tは5.0とした。また、比S/Sは1.94×10−2、比率H/Tは5.0とした。複合材部110の質量は28.8g、第1リブ部112a及び第2リブ部112bの合計質量は2.2g、成形体11の合計質量は31.0gとした。
リブ部を形成する例におけるリブ部の入力物性値には、熱可塑性樹脂(B)と強化繊維(f2)を含有するペレット材料(三菱レイヨン社製、製品名:PP−C−20A)のカタログ値を採用した。具体的には、リブ部の長手方向の弾性率としてカタログのMD方向(流れ方向)の値である12.3GPa、リブ部の長手方向に対する直交方向の弾性率としてカタログのTD方向(直交方向)の値である3GPaを採用した。また、せん断弾性率を1.5GPa、ポアソン比を0.3、MD方向の線膨張係数を0.5(10−5/℃)、TD方向の線膨張係数を12.6(10−5/℃)とした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
[実施例A2]
実施例A1と同様にして、図2に示すように、平板状の複合材部110の表面に4本の第1リブ部112a〜第4リブ部112dが形成された成形体12についてシミュレーションを行った。第1リブ部112a及び第2リブ部112bは、第2の長辺110bの中点a6と第1の長辺110aの両端a1,a2とをそれぞれ結んだ線上にV字状に形成した。第3リブ部112c及び第4リブ部112dは、第1の長辺110aの中点a5と第2の長辺110bの両端a3,a4とをそれぞれ結んだ線上に逆V字状に形成した。複合材部とリブ部の寸法及び質量は表1に示すとおりとした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
[実施例A3]
実施例A1と同様にして、図3に示すように、平板状の複合材部110の表面に4本の第1リブ部112a〜第4リブ部112dが形成された成形体13についてシミュレーションを行った。第1リブ部112a及び第2リブ部112bは、第2の長辺110bの左端a3と中点a6とを2等分する点a7と、第1の長辺110aの左端a1及び中点a5とをそれぞれ結んだ線上にV字状に形成した。第3リブ部112c及び第4リブ部112dは、第2の長辺110bの中点a6と右端a4とを2等分する点a8と、第1の長辺110aの中点a5及び右端a2とをそれぞれ結んだ線上にV字状に形成した。複合材部とリブ部の寸法及び質量は表1に示すとおりとした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
[実施例A4]
実施例A1と同様にして、図4に示すように、平板状の複合材部110の表面に4本の第1リブ部112a〜第4リブ部112dが形成された成形体14についてシミュレーションを行った。成形体14は、第1リブ部112aにおける点a7から10mm分と、第2リブ部112bにおける点a7から10mm分及び中点a5から10mm分と、第3リブ部112cにおける中点a5から10mm分及び点a8から10mm分と、第4リブ部112dにおける点a8から10mm分とを削除した以外は、成形体13と同じとした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
[実施例A5〜A7]
複合材部の平均厚さT、リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表1に示すとおりに変更した以外は、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
[比較例A1]
実施例A1と同様にして、図16に示すように、平板状の複合材部110の表面に4本の第1リブ部112a〜第4リブ部112dが形成された成形体1111についてシミュレーションを行った。第1リブ部112aは、第1の長辺110aの左端a1から12.5mmの地点と、第2の長辺110bの左端a3から37.5mmの地点とをそれぞれ結んだ線上に形成した。第2リブ部112bは、第1の長辺110aの左端a1から87.5mmの地点と、第2の長辺110bの左端a3から62.5mmの地点とをそれぞれ結んだ線上に形成した。第3リブ部112cは、第1の長辺110aの右端a2から87.5mmの地点と、第2の長辺110bの右端a4から62.5mmの地点とをそれぞれ結んだ線上に形成した。第4リブ部112dは、第1の長辺110aの右端a2から12.5mmの地点と、第2の長辺110bの右端a4から37.5mmの地点とをそれぞれ結んだ線上に形成した。複合材部とリブ部の寸法及び質量は表1に示すとおりとした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
[比較例A2、A3]
リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表1に示すとおりに変更した以外は、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表1に示す。
Figure 0006269826
表1に示すように、条件(1)〜(5)(条件(1’)〜(5’))を満たす実施例A1〜A7では、リブ部の形成による質量増加率が20%以下に抑えられているうえ、反り量の低減率が30%以上となり、優れた反り抑制効果が得られた。
一方、条件(1)(条件(1’))を満たさない比較例A1、比H/tが低すぎ、条件(2)〜(4)(条件(2’)〜(4’))を満たさない比較例A3では、反り抑制効果が充分に得られなかった。比H/tが高すぎ、条件(2)〜(4)(条件(2’)〜(4’))を満たさない比較例A2では、リブ部が薄く高いことで、リブ部の強度が不充分となり、成形品として現実的な構成ではなかった。
[参考例A2]
複合材部の厚さ(T)を2mm、質量を57.6gとした以外は参考例A1と同様にして製造した成形体の反り量(0.66mm)を再現するように、シミュレーションにおける入力物性値を設定した。
[実施例A8〜A13]
複合材部の寸法及び入力物性値は参考例A2と同じとし、リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表2に示すとおりに変更した以外は、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A2を基準にして行った。評価結果を表2に示す。
[比較例A4、A5]
複合材部の寸法及び入力物性値は参考例A2と同じとし、リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表2に示すとおりに変更した以外は、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A2を基準にして行った。評価結果を表2に示す。
Figure 0006269826
表2に示すように、条件(1)〜(5)(条件(1’)〜(5’))を満たす実施例A8〜A13では、リブ部の形成による質量増加率が20%以下に抑えられているうえ、反り量の低減率が30%以上となり、優れた反り抑制効果が得られた。
比H/tが低すぎ、条件(2)〜(4)(条件(2’)〜(4’))を満たさない比較例A4、A5では、反り抑制効果が充分に得られなかった。
[実施例A14〜A20]
リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表3に示すとおりに変更した以外は、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表3に示す。
[比較例A6〜A9]
リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表3に示すとおりに変更した以外は、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表3に示す。
Figure 0006269826
表3に示すように、条件(1)〜(5)(条件(1’)〜(5’))を満たす実施例A14〜A20では、リブ部の形成による質量増加率が20%以下に抑えられているうえ、反り量の低減率が30%以上となり、優れた反り抑制効果が得られた。
比S/Sが小さすぎて条件(3)(条件(3’))を満たしていない比較例A6、及び比H/Tが小さすぎて条件(4)(条件(4’))を満たしていない比較例A8では、反り抑制効果が充分に得られなかった。比S/Sが大きすぎて条件(3)(条件(3’))を満たしていない比較例A7、及び比H/Tが大きすぎて条件(4)(条件(4’))を満たしていない比較例A9では、では、充分な反り抑制効果が得られるものの、成形体の質量増加率が大きいため、原材料費が高く実用的でなかった。
[実施例A21]
図5に示すように、成形体11の第1リブ部112aと第2リブ部112bにおける互いに交差した部分を切除した成形体15について、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。分断された4本のリブ部の長さをそれぞれ87mmとし、成形体11におけるリブ部の合計長さに対する成形体15のリブ部の合計長さの割合を75%とした。複合材部110の外縁の周囲長(640mm)に対する、分断された4本のそれぞれのリブ部の長さの割合Qは13.7%とした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表4に示す。
[実施例A22]
図6に示すように、成形体11の第1リブ部112aと第2リブ部112bにおける交点の周囲の部分と、それぞれの両端から14.6mmの部分を部分的に切除した成形体16について、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。成形体16では、複合材部110の中央部分において、長さ29.2mmのリブ部が互いの中点で交差する。また、中央部分の交差したリブ部から複合材部の4つの角に向かう放射状の4つのリブ部の長さをそれぞれ72.9mmとした。成形体11におけるリブ部の合計長さに対する成形体16のリブ部の合計長さの割合を75%とした。複合材部110の外縁の周囲長(640mm)に対する、最も長いリブ部の長さの割合Qは11.4%とした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表4に示す。
[比較例A10]
図17に示すように、成形体11の第1リブ部112aと第2リブ部112bとが破線状となるように部分的に切除した成形体1112について、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。成形体1112では、複合材部110の中央部分において、長さ29.2mmのリブ部が互いの中点で交差する。また、中央部分の交差したリブ部から複合材部110の4つの角に向かう放射状の断続的なリブ部は4.9mm間隔で、それぞれ長さを14.6mmとした。複合材部110の角と該角に最も近いリブ部との距離も4.9mmとした。成形体11におけるリブ部の合計長さに対する成形体1112のリブ部の合計長さの割合を75%とした。複合材部110の外縁の周囲長(640mm)に対する、最も長いリブ部の長さの割合Qは4.6%とした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表4に示す。
[比較例A11]
図18に示すように、成形体11の第1リブ部112aと第2リブ部112bとが破線状となるように部分的に切除した成形体1113について、実施例A1と同様にしてシミュレーションを行った。成形体1113では、複合材部110の中央部分において、長さ38.9mmのリブ部が互いの中点で交差する。また、中央部分の交差したリブ部から複合材部110の4つの角に向かう放射状の断続的な2つずつのリブ部は9.7mm間隔で、それぞれ長さを24.3mmとした。さらに9.7mmの間隔を開けて、複合材部110の角側に該角から長さ19.4mmのリブ部を残した。成形体11におけるリブ部の合計長さに対する成形体1113のリブ部の合計長さの割合を75%とした。複合材部110の外縁の周囲長(640mm)に対する、最も長いリブ部の長さの割合Qは6.1%とした。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A1を基準にして行った。評価結果を表4に示す。
Figure 0006269826
表4に示すように、条件(1)〜(5)(条件(1’)〜(5’))を満たす実施例A21〜A22では、リブ部の形成による質量増加率が20%以下に抑えられているうえ、反り量の低減率が30%以上となり、優れた反り抑制効果が得られた。
リブ部が短く条件(5)(条件(5’))を満たさない比較例A10、A11では、反り抑制効果が不充分であった。
[参考例A3]
縦280mm×横400mm×厚さ1.5mmの第1板状部の外縁部に高さ15mmの第2板状部が設けられた箱型とした以外は参考例1と同様にして製造した成形体(238.3g)の反り量(1.10mm)を再現するように、シミュレーションにおける入力物性値を設定した。
[実施例A23]
図8に示すように、箱型の複合材部210の対角線上に2本の第1リブ部212c及び第2リブ部212dが形成された成形体22についてシミュレーションを行った。複合材部210の寸法及び入力物性値は参考例A3と同じとした。第1リブ部212c及び第2リブ部212dの断面形状を長方形状とし、平均幅tは1mm、平均高さHは15mm、比H/tは15.0とした。また、比S/Sは0.87×10−2、比率H/Tは10.0とした。複合材部210の質量は238.3g、第1リブ部212c及び第2リブ部212dの合計質量は13.9g、成形体11の合計質量は252.2gとした。
[実施例A24〜A32]
リブ部の平均幅t、平均高さH、比H/t、比S/S及び質量を表5に示すとおりに変更した以外は、実施例A23と同様にしてシミュレーションを行った。
反りの評価及び成形体質量の評価は参考例A3を基準にして行った。評価結果を表5に示す。
Figure 0006269826
表5に示すように、箱型の成形体についても、条件(1)〜(5)(条件(1’)〜(5’))を満たす実施例A23〜A32では、リブ部の形成による質量増加率が20%以下に抑えられているうえ、反り量の低減率が30%以上となり、優れた反り抑制効果が得られた。
[製造例B1:繊維強化複合材料の製造]
炭素繊維(商品名「パイロフィル炭素繊維トウTR 50S」、三菱レイヨン社製)を一方向に、かつ平面状に引き揃えて目付が78g/mである繊維シートとする。マトリックス樹脂(A)として酸変性ポリプロピレン樹脂(商品名「モディックP958V」、三菱化学社製、軟化温度:165℃)を用いた目付が36g/mのフィルムによって、該繊維シートを両面から挟む。これらをカレンダロールに複数回通して加熱と加圧を行い、樹脂を繊維シートに含浸させ、繊維体積含有率(Vf)が35体積%、厚さ120μmのプリプレグを作製する。次いで、カッティングプロッタ(レザック製L−2500カッティングプロッタ)を用いて、炭素繊維の繊維軸となす角度の絶対値が45゜、炭素繊維の繊維長が25mmになるように、前記プリプレグに炭素繊維を切断する深さの切込みを入れ、切込入りプリプレグを得る。
次いで、得られた切込入りプリプレグ8枚を、炭素繊維の繊維軸方向が平面視で0゜/45゜/90゜/135゜/135゜/90゜/45゜/0゜となるように積層し、200℃まで加熱し、多段プレス機(神藤金属工業所製圧縮成形機、製品名:SFA−50HH0)により200℃の盤面で、0.2MPaの圧力で2分間加熱・加圧後、同一の圧力で室温まで冷却し、厚さ1mmの繊維強化複合材料板を得る。
次いで、得られた1mmの繊維強化複合材料板か、平面視形状が200mm×120mmの矩形のプリプレグ積層体からなる繊維強化複合材料を得る。
[実施例B1]
図13に例示した金型2100を用いて図7に例示した成形体21を製造する。
図13に示すように、下型2112における凸部2110上に、製造例B1で得た繊維強化複合材料(繊維強化複合材料230)を配置する。次いで、図14に示すように、赤外線ヒータによって繊維強化複合材料を210℃に加熱した後、上型2116を降下させて金型2100を閉じ、繊維強化複合材料を賦形して箱状の複合材部210を形成する。次いで、図15に示すように、樹脂流路2120から溝部2118に、熱可塑性樹脂(B)232としてポリプロピレン樹脂である商品名「ノバテックSA06GA」(日本ポリプロ社製)を溶融状態で射出充填し、第1リブ部212a及び第2リブ部212bを成形して成形体21を得る。型締め時の金型2100の温度は80℃とする。熱可塑性樹脂(B)の射出充填から1分後に金型2100を開き、成形体21を取り出す。
[比較例B1]
溝部2118及び樹脂流路2120が設けられていない以外は金型2100と同じ金型を用いて、リブ部を形成しない以外は実施例B1と同様にして成形体を製造する。
[反りの評価]
各例において金型から脱型した成形体を目視で確認し、以下の基準で評価する。
○(良好):成形体に反りが充分に抑制されている。
×(不良):成形体に明らかな反りが見られる。
実施例B1及び比較例B1の評価結果を表6に示す。
Figure 0006269826
11〜16,21〜26 成形体
110,210 複合材部
111,211 第1の表面
112a,212a,212c 第1リブ部
112b,212b,212d 第2リブ部
112c 第3リブ部
112d 第4リブ部
212e〜212j リブ部
214 第1板状部
216,216A 第2板状部
217,217A 屈曲部
218 板状部
220 湾曲部
230 繊維強化複合材料
232 熱可塑性樹脂(B)

Claims (4)

  1. 強化繊維(f1)及びマトリックス樹脂(A)を含有する繊維強化複合材料で形成された板状の複合材部と、前記複合材部の表面に直接形成され、熱可塑性樹脂(B)を含有する2本以上の凸条のリブ部と、を備え、
    前記複合材部が屈曲又は湾曲しており、
    前記強化繊維(f1)の数平均繊維長が1〜100mmであり、
    前記リブ部の根元側部分に前記強化繊維(f1)が含有され、
    前記リブ部の先端部には前記強化繊維(f1)が含有されず、
    下記の(1’)〜(5’)の条件を満たす、成形体。
    (1’)任意の前記リブ部又はその長軸の延長線と、別の前記リブ部又はその長軸の延長線とが前記複合材部の表面上で交差する。
    (2’)前記リブ部の平均幅tに対する平均高さHの比H/tが1以上50以下である。
    (3’)前記複合材部における前記リブ部が形成された側の表面の面積Sに対する、該
    表面における前記リブ部が占める面積Sの比S/Sが5.0×10−3以上8.0×10−2未満である。
    (4’)前記複合材部の平均厚さTに対する前記リブ部の平均高さHの比H/Tが2.5以上13以下である。
    (5’)前記複合材部の外縁の周囲長に対する、少なくとも1本の前記リブ部の長さの割合Qが8%以上である。
  2. 前記リブ部の先端部が前記熱可塑性樹脂(B)のみで形成されている、請求項1に記載の成形体。
  3. 前記リブ部の先端部が前記熱可塑性樹脂(B)と数平均繊維長1mm未満の強化繊維(f2)とで形成されている、請求項1に記載の成形体。
  4. 前記リブ部の先端部中の前記強化繊維(f2)の繊維質量含有率が30質量%以下である、請求項に記載の成形体。
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