JP6301030B1 - プレス成形品の成形方法 - Google Patents
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Abstract
Description
プレス成形に用いる熱可塑性樹脂を用いた繊維強化複合材として、例えばGMT(ガラスマット強化熱可塑性プラスチック)がある。この繊維強化複合材の成形には、加熱した繊維強化複合材をプレスする成形法が採用されていた(特許文献1)。
以下、本発明のプレス成形品の成形方法について詳しく説明する。
本発明のプレス成形品の成形方法(以下、「本プレス成形方法」という。)に用いられる製造設備は、図1に示すように、原料Aをプレス成形する上、下金型11,12を備えるプレス機1と、原料Aを加熱する加熱炉21を備え原料Aをプレス機1に搬送する加熱搬送路2と、プレス機1の上、下金型11,12に対して蒸気もしくは冷却水の供給、排出を行うマニーホールド3と、マニーホールド3に対してボイラー5から供給される蒸気もしくは冷却塔6から供給される冷却水を伝達する加熱冷却制御手段4と、を備えている。
ボイラー5と加熱冷却制御手段4は、制御弁7aを備えた蒸気供給路7により接続されており、冷却塔6と加熱冷却制御手段4は、制御弁8aを備えた冷却水供給路8により接続されている。加熱冷却制御手段4により各制御弁7a,8aが制御され、プレス機1に対する蒸気もしくは冷却水の供給を制御して、金型11,12の温度制御を行っている。
本プレス成形方法に用いられる原料としては、ポリプロピレン樹脂にガラス繊維を混練させてなるGMT材等の繊維強化複合材が用いられているが、繊維強化複合材に使用される熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン(PP)の他にも、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリブチレンテレフタレート(PBT)、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)、ポリエチレンナフタレート(PEN)、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン(PE)、ポリブチレン等のポリオレフィンや、ポリオキシメチレン(POM)、ポリアミド(PA)、ポリフェニレンスルフィド(PPS)などのポリアリーレンスルフィド、ポリケトン(PK)、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルニトリル(PEN)、ポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素系樹脂、液晶ポリマー(LCP)などの結晶性樹脂を用いることができる。
また、スチレン系樹脂の他、ポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリフェニレンエーテル(PPE)、ポリイミド(PI)、ポリアミドイミド(PAI)、ポリエーテルイミド(PEI)、ポリサルホン(PSU)、ポリエーテルサルホン、ポリアリレート(PAR)などの非晶性樹脂、その他、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、更にポリスチレン系、ポリオレフィン系、ポリウレタン系、ポリエステル系、ポリアミド系、ポリブタジエン系、ポリイソプレン系、フッ素系樹脂、およびアクリロニトリル系等の熱可塑エラストマー等や、これらの共重合体および変性体等から選ばれる熱可塑性樹脂を用いることができる。
上記製造設備を用いて行われる本プレス成形方法は、図2に示すように、1.原料チャージ工程、2.加圧工程、3.圧力保持・冷却工程、4.圧力解放・型開放工程、5.取り出し工程、を有している。
「1.原料チャージ工程」において、プレス機1の上下の金型11,12は開放されており、上下の金型11,12間に加熱炉21により加熱され加熱搬送路2により搬送された原料Aがチャージされる。(GMT材の場合には、加熱温度は200℃程度)
一方、加熱冷却制御手段4により、制御弁7aが開放され、ボイラー5の蒸気が蒸気供給路7、マニーホールド3を介して上、下金型11,12に供給されることで、本プレス成形方法における上、下金型11,12は、図2の点線で示す従来法による金型温度よりも高温(120℃以上)に加熱されている。
本プレス成形方法においては、プレス加工時に上、下金型11,12が120℃以上の温度を維持しているために、加熱されて搬送された原料Aの表面の温度低下を防ぐことができ、原料Aの流動性を保つことができる。このため、図2の一点鎖線で示す従来法による成形圧力よりも低い圧力である15MPa未満、好ましくは10MPa以下、プレス加工時の上、下金型の温度等により8MPa以下、あるいは6MPa以下の単位面積あたりのプレス圧で成形することができる。さらに、本プレス成形方法においては、原料Aの形状や大きさ等の状態に影響を受けることが少なく、また、成形する成形品の形状にかかわらず、良好なプレス成形をすることができる。
そのため、リブ形状やボス形状を、複数の原料Aの継ぎ目の、原料Aの表面A1,A2から離れた流動性を有する中央部分で成形することが行われていた。しかし、このような方法では、前記継ぎ目がウエルドラインとなり、強度が低下する。このため、継ぎ目に原料をさらに重ねるようにしてウエルドラインを防止するなどしていた。
「5.取り出し工程」において、開放された金型11,12からプレス成形された成形品を取り出して冷却するとともに、成形品が取り出された上、下金型11,12は、加熱冷却制御手段4により再び加熱され、次のプレス成形に備える。
−成形品のガラス繊維の充填性−
繊維強化複合材をプレス成形して成形品を成形するに際しては、プレス成形品にガラス繊維が均等に充填されて含有されることが望ましい。
ここでは、実際のスペアタイヤパンのプレス成形を想定して、ガラス繊維の含有量が略40%のGMT材(公称GF40%グレードのGMT材)を原料として使用し、本プレス成形方法によりスペアタイヤパン形状品を成形し、成形したスペアタイヤパン形状品の各部位のガラス繊維含有量を測定して、プレス成形品におけるガラス繊維の充填性について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
図4(a)は、GMT材をあまり流動させない状態(900mm×500mm寸法)のGMT材(以下、「900mm×500mm寸法のGMT材」という。)91を一枚用いた場合を示し、1は流動長が0mmの地点(チャージ位置)、2は流動長が50mmの地点(成形品の端末)を示す。
図4(b)は、GMT材を大きく流動させる状態(530mm×500mm寸法のGMT材二枚、530mm×125mm寸法のGMT材一枚を重ねたもの)のGMT材(以下、「530mm×500mm寸法のGMT材」という。)92を用いた場合を示し、3は流動長が0mmの地点(チャージ位置)、4は流動長が50mmの地点、5は流動長が170mmの地点(成形品の端末)を示す。
図4(a)の900mm×500mm寸法のGMT材91を原料として使用した場合のスペアタイヤパン形状品のチャージ位置(流動長0mm)及び端末位置(流動長50mm)におけるガラス密度及び含有量%、及び、図4(b)の530mm×500mm寸法のGMT材92を原料として使用した場合のスペアタイヤパン形状品のチャージ位置(流動長0mm)、中間位置(流動長50mm)及び端末位置(流動長170mm)におけるガラス密度及び含有量%をそれぞれ測定して、その結果を表1−1及び表1−2に示す。
なお、本発明を検証するための試験に使用する原料として、公称GF40%グレードのGMT材を使用しているが、実際に使用したGMT材のガラス繊維の含有量は固体により30〜50%程度のばらつきがあった。
これに対し、実施例1〜3(型温度:120℃、プレス圧220ton)のチャージ位置(流動長0mm)でのガラス含有量%が35.6〜37.8であり端末位置(流動長50mm)でのガラス含有量%が34.4〜36.7で、チャージ位置と端末位置とでのガラス密度の減少率(%)が0.00〜0.87であり、実施例4〜6(型温度160℃、プレス圧220ton)のチャージ位置(流動長0mm)でのガラス含有量%が32.2〜34.4であり端末位置(流動長50mm)でのガラス含有量%が31.1〜33.3で、チャージ位置と端末位置とでのガラス密度の減少率(%)が0.00〜0.89であった。
なお、比較例1、2(型温度:35℃、プレス圧790ton)の結果から、型温度が低い場合には、プレス圧を大きくする必要がある。
これに対し、実施例7,8(型温度:120℃、プレス圧220ton)のチャージ位置(流動長0mm)でのガラス含有量%が40.0〜43.3であり中間(流動長50mm)でのガラス含有量%が38.9〜42.2であり端末位置(流動長170mm)でのガラス含有量%が38.9〜42.2で、ガラス密度の減少率(%)が0.82〜0.84(すなわち、端末位置でのガラス繊維の密度の、チャージ位置でのガラス繊維の密度に対する比は、0.9916〜0.9918)であり、実施例9,10(型温度160℃、プレス圧220ton)のチャージ位置(流動長0mm)でのガラス含有量%が44.4〜45.6であり中間(流動長50mm)でのガラス含有量%が43.3〜44.4であり端末位置(流動長170mm)でのガラス含有量%が43.3〜44.4で、ガラス密度の減少率(%)が0.81〜0.81(すなわち、端末位置でのガラス繊維の密度の、チャージ位置でのガラス繊維の密度に対する比は、0.9919〜0.9919)であった。
このように、本プレス成形方法においては、金型を少なくとも120℃(結晶化温度程度)以上に加熱することによって、プレス成形時に原料の樹脂が金型と接触することによる温度低下が抑えられ、樹脂の流動性を低下させず樹脂とガラス繊維とを併せた状態で成形することができ、原料Aの状態(形状、寸法等)に影響を受けることなく、成形品の端末位置にまでガラス含有量を減少させることなく(具体的には、端末位置でのガラス繊維の密度の、チャージ位置でのガラス繊維の密度に対する比が0.9以上、好ましくは0.97以上、より好ましくは0.99以上となるように)、成形品内に均一にガラス繊維を充填されることを可能にしている。
繊維強化複合材をプレス成形するに際しては、原料がスムーズに流動して所定範囲に広がることが望ましい。
ここでは、ガラス繊維の含有量が40%のGMT材を原料として、本プレス成形方法によりスペアタイヤパン形状品を成形し、成形したスペアタイヤパン形状品の表面積を測定して流動面積について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
これに対し、実施例11,12(型温度:120℃、プレス圧220ton)の成形品の表面積は、6125.1〜6149.4cm2(平均6137.22cm2)であって比較例9,10の1.12倍であり、実施例13,14(型温度:140℃、プレス圧220ton)の成形品の表面積は、6380.3〜6530.8cm2(平均6455.45cm2)であって比較例9,10の1.18倍であり、実施例15〜17(型温度:160℃、プレス圧220ton)の成形品の表面積は、6533.0〜6930.5cm2(平均6725.75cm2)であって比較例9,10の1.23倍であった。
これに対し、実施例18〜20(型温度:120℃、プレス圧220ton)の成形品の表面積は、5287.1〜5606.9cm2(平均5398.50cm2)であって比較例11〜13の1.14倍であり、実施例23(型温度:140℃、プレス圧220ton)の成形品の表面積は、5828.2cm2であって比較例11〜13の1.20倍)であり、実施例24〜26(型温度:160℃、プレス圧220ton)の成形品の表面積は、6513.7〜6727.5cm2(平均6620.30cm2)であって比較例11〜13の1.39倍であった。
このように、金型を少なくとも120℃以上に加熱とすることにより、GMT材の形状等の状態にかかわらず、より広い範囲に流動させることができ、特に、金型温度を160℃以上とすることで、チャージする原料の状態にかかわらず流動面積を二割以上増加させることができる。
したがって、本プレス成形方法によれば、チャージする原料の形状等のばらつきに影響を受けにくく、原料を広い範囲に流動させて安定した成形品の成形を行うことができる。
繊維強化複合材をプレス成形して成形品を成形するに際しては、プレス成形時のプレス圧はできるだけ小さい方が設備的に小型化することができて望ましい。
ここでは、ガラス繊維の含有量が40%のGMT材を原料として、本プレス成形方法によりスペアタイヤパン形状品を成形し、成形時のプレス圧を測定して本プレス成形方法におけるプレス圧について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
プレス圧とそのときの成形品の立ち壁を面積として算入しない投影面積及び立ち壁を面積として算入する流動面積を測定して、表3−1及び表3−2に示す。単位面積あたりのプレス圧は、プレス圧を投影面積及び流動面積で除算して求めた。
また、表3−1及び表3−2の型温度(℃)を横軸とし、単位面積あたりのプレス圧(kg/cm2)を縦軸として、各計測の値をグラフにして図6(a)(b)に示す。
さらに、型温度を140℃以上とすることにより、さらに低圧(6MPa以下)でのプレス加工が可能となる。
したがって、本プレス成形方法によれば、チャージする原料の形状等に影響を受けることなく、比較的小さなプレス圧で成形品を成形することができ、比較的小型のプレス機による成形を可能としている。
繊維強化複合材をプレス成形するに際しては、プレス成形品の末端部にまで長繊維が充填され、成形品の全体において長繊維の充填状態が均一であることが好ましい。
ここでは、ガラス繊維の含有量が40%のGMT材を原料として、本プレス成形方法により平板状の成形品を成形し、成形した成形品内の長繊維の充填状態を透過X線により観察し、長繊維の充填性について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
これに対して、本プレス成形方法による実施例は、チャージ箇所をいずれにした場合においても、長繊維の未充填の箇所は認められず、成形品の端部にまで十分な長繊維が充填されることが確認できた。
このように、本プレス成形方法のように金型温度を160℃以上とすることで、GMT材Aの熱可塑性樹脂の流動性が高く保たれ、混入した長繊維を熱可塑性樹脂とともに流動させ、プレス面圧を低く設定しても成形品の端部にまで均一に充填することができる。
繊維強化複合材をプレス成形して成形される成形品は、リブ等の細部にまで繊維が十分に充填されることにより、衝撃に対する強さを確保することができる。
ここでは、ガラス繊維の含有量が40%のGMT材を原料として、本プレス成形方法により成形品を成形し、成形した成形品のリブ部分に対して衝撃試験を行い、本プレス成形方法による成形品の耐衝撃性について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
それぞれの試験片Cに対してアイゾット衝撃試験を行い、流動末端部の物性比較を実施して耐衝撃性を検証した。上記比較例と実施例についての、アイゾット衝撃試験の結果及び破壊後の試験片Cの透過X線写真を図8(c)に示す。
これに対して、本プレス成形方法では、フランジ部Bの端部にまで長繊維が充填されており、試験片Cに対するアイゾット衝撃試験による数値はGMT標準値と略同等(914J/m)であることが分かった。
従来のプレス成形法では、熱可塑性樹脂にガラス繊維等強化繊維が高含有率で含まれる繊維強化複合材をプレス成形して成形品の細部にまで強化繊維を充填させることが難しく、使用できる繊維強化複合材の強化繊維含有量は50%程度が限度であった。
本プレス成形方法によれば、繊維強化複合材の強化繊維含有量を20%から75%程度の範囲で適宜設定することができる。物理的な強度の高い成形品を成形するために、強化繊維含有量を50%以上、もしくは60%以上とすることも可能である。
ここでは、ガラス繊維の含有量が60%のGMT材を原料として、本プレス成形方法によりトレイ形状の成形品を成形し、成形した成形品の機械的物性を評価し、本プレス成形方法のGF高含有材に対する適用可能性について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
成形したトレイ形状の成形品の厚さの異なる4つのリブ部R1(t=4mm),リブ部R2(t=3mm),リブ部R3(t=2mm),リブ部R4(t=5mm)について、透過X線で繊維の充填状況を観察した。図9(b)は、従来法による前記比較例で成形した成形品のリブ部R1乃至リブ部R4の透過X線写真であり、図9(c)は、本プレス成形方法による前記実施例で成形した成形品のリブ部R1乃至リブ部R4の透過X線写真である。さらに、図9(d)は、ガラス繊維の含有量が65%のGMT材を原料として、本プレス成形方法による実施例で成形した成形品のリブ部R1乃至リブ部R4の透過X線写真である。
繊維強化複合材による成形品については、ガラス繊維の含有量が多いほど物理的な強度(引っ張り強度、曲げ強度、アイゾッド衝撃強度、パンクチャー衝撃強度等)は向上することから、本プレス成形方法によって、より強度の高い成形品の成形が可能となった。
繊維強化複合材をプレス成形して成形される成形品においても、その他の工業製品同様にその表面は美しく、なめらかであることが望まれる。
ここでは、本プレス成形方法及び従来法により、ガラス繊維の含有量が30%のGMT材を原料として成形品を成形して、両成形品の表面の状態を顕微鏡により観察し、両者を比較して本プレス成形方法により成形した成形品の表面転写性について検証した。なお、チャージされるGMT材は200℃程度に加熱されている。
比較例及び実施例により成形した成形品の表面の顕微鏡写真を図10(b),(c)に示す。
なお、加熱したGMT材の表面温度185〜195℃の範囲とすることにより、外観見栄えがよく、好ましい。
以上のように、本プレス成形方法によれば、成形品の表面にガラス繊維の浮きやシボ欠けが生じるのを抑制し、表面を良好にすることができる。
このことは、本発明のプレス成形方法によれば、原料であるGMT材の形状等状態に影響を受けることなく、安定した成形品を成形することができることを意味するものであり、本発明のプレス成形方法により、不良品の発生を抑えて生産効率を向上させることができる。
11 :上金型
12 :下金型
2 :加熱搬送路
21 :加熱炉
3 :マニーホールド
4 :加熱冷却制御手段
5 :ボイラー
6 :冷却塔
7 :蒸気供給路
7a :制御弁
8 :冷却水供給路
8a :制御弁
9 :搬送装置
A :原料
B :成形品
Claims (2)
- 熱可塑性樹脂中に強化繊維が混練分散してなる中間基材を、金型によりプレス成形してプレス成形品を成形する方法であって、前記プレス成形品の成形方法は、
加熱した中間基材を、120℃以上140℃未満に加熱した前記金型により8.16MPa以下の単位面積あたりのプレス圧でプレスして加圧し、又は、140℃以上160℃以下に加熱した前記金型により6MPa以下の単位面積あたりのプレス圧でプレスして加圧し、加圧状態を保持する工程と、
加圧状態を保持しながら前記金型を冷却する工程と、
前記金型を冷却後にプレス圧を解放する工程と、
を含み、
プレス成形された前記中間基材の流動長170mmの位置での前記強化繊維の密度の、前記中間基材の流動長0mmの位置での前記強化繊維の密度に対する比は、0.9以上である、プレス成形品の成形方法。 - 前記中間基材中の前記強化繊維の含有量は20%〜75%である、請求項1に記載のプレス成形品の成形方法。
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