JP6403546B2

JP6403546B2 - 成形方法および装置

Info

Publication number: JP6403546B2
Application number: JP2014230828A
Authority: JP
Inventors: 陽二柳; 由江稲垣; 透栗野; 治朗定延
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2014-11-13
Filing date: 2014-11-13
Publication date: 2018-10-10
Anticipated expiration: 2034-11-13
Also published as: JP2016093934A

Description

本発明は、成形面を可変にした熱可塑性材料から成る板部材を成形する、特に多品種少量製品の製作に好適な成形方法および装置に関する。

従来、熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂と繊維状物質の混合物（繊維、樹脂複合材料）といった樹脂などからなる板部材を複雑形状に成形するには、射出成型や金型および高圧プレス装置を用いた成型方法が用いられている。

これら成形方法においては、高圧に耐えうる金型の製作が必要で、かつ、要求される形状ごとに金型を準備し、その都度射出成型機やプレス装置に金型を装着する必要があり、大量生産に向くシステムである。一方、多品種、少量生産においては、形状ごとの金型準備および頻繁に金型を入れ替える必要が生じるために、高コストで生産性が低いという問題がある。

また、金型費用を軽減する技術として、真空、圧空成形技術やダイヤフラム成形技術も提案されており、これら手法では通常のプレス機で必要な上下組み合わせの金型が、上下いずれか一方のみの金型準備で成形可能となっている。しかし、この技術でも多品種少量生産においては、形状ごとの金型の準備および入れ替え作業が必要であり、生産性が低いという問題の解決には繋がっていない。

こうした問題を解決するために、特許文献１〜３には、棒状セグメント（特許文献１）やロッド（特許文献２）、柱材（特許文献３）のような複数の高さ調整可能な棒状部材を用いた可変の金型が開示されている。また、特許文献４には、複数の高さ調整可能な支持体と、該支持体の上端に設けた可動式の四角形ラムを有した板材曲面成形装置が記載されている。

特開平１０−２２５７３４号公報特開平７−３２０６９号公報特開平５−２２８５５２号公報特許第５４６４６１６号公報

特許文献１〜３に記載の発明では、熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂と繊維状物質の混合物など樹脂からなる板部材の曲面を成形する場合、可変金型ユニットの高さ調整可能な棒状部材の隙間や段差に樹脂が入り込み所要の形状に成形することができず、また、その機構上平滑な面の成形が困難である問題がある。

特許文献４に記載の発明では、可動式の四角形ラムは、上下対となる四角形ラムもしくはワークと接触し、その接圧で四角形ラムが移動して成形面を形成することから、ワークが金属のような固い場合には自動的に成形面が形成されるが、本技術で目的とする熱可塑性樹脂および熱可塑性樹脂と繊維状物質の混合物（繊維、樹脂複合材料）といった樹脂からなる板部材の成形においては、被加工物となる物質が非常に柔らかいため、被加工物を押し付けるだけでは面が自動形成されず、また、上下組み合わせた金型を用いないために、機械的な面の自動形成も出来ないという問題がある。

本発明は、こうした従来技術の問題を解決することを技術課題としており、熱可塑性樹脂や、熱可塑性樹脂と繊維状物質の混合物のような熱可塑性材料からなる板部材の成型物に関して、多品種、少量生産を低コスト、高い生産性で製造する方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の本発明は、熱可塑性材料から成る板部材の成形方法において、複数の高さ調整可能な支持ボルトと、該支持ボルトを保持、案内する機構と、前記複数の支持ボルトの各々の頂点に揺動可能に取り付けられた揺動ヘッドと、隣接する揺動ヘッドを連結する連結部材とを含み、前記支持ボルトが上下することによって任意の曲面を形成するようにした可変金型ユニットの上に、加熱した前記板部材を載置し、真空圧空成形もしくは真空成型または圧空成形により、前記可変金型ユニットの曲面に対応させて前記板部材を変形させ、前記板部材の少なくとも一部に曲面を成形し、該板部材を冷却することを含んで成る成形方法を要旨とする。

また、本発明の他の特徴によれば、熱可塑性材料から成る板部材の成形装置において、高さ調整可能な複数の支持ボルトと、該支持ボルトを保持、案内する機構と、前記複数の支持ボルトの各々の頂点に揺動可能に取り付けられた揺動ヘッドと、隣接する揺動ヘッドを連結する連結部材とを含み、前記支持ボルトが上下することによって任意の曲面を形成するようにした可変金型ユニットと、前記板部材を加熱する手段と、可変金型ユニットを上昇させ、かつ真空吸引および／または圧空加圧して、可変金型ユニットの曲面に沿うように前記板部材を変形させる手段とを具備する板部材の成形装置が提供される。

本発明では、可変金型の揺動ヘッド部分の曲面形成はこれまで提案されている技術のみでは解決困難なため、複数のヘッドの高さ調整のみで所定の曲面を形成する。

また、成形に供する熱可塑性材料から成る板部材を拘束せずに成形することで、型への追随性を上げ、より複雑な形状への成型を可能とする。

高さ調整可能な複数の支持ボルトと前記支持ボルトを保持、案内する機構とを含む可変金型ユニットの個々ヘッドの高さを、所定の面形状から一義的に決まる高さに調整し、その金型を用いて圧空真空成型もしくは圧空成形または真空成型を行うことで、曲面形状を有した熱可塑性材料から成る板部材を成型することができる。

複数の高さ調整可能支持ボルトの頂面に可動式のヘッドを取り付け、かつ、それら可動式のヘッドについて隣接する揺動ヘッドを互いにワイヤーケーブル、バネ、ゴムなどを用いて連結することで、自動的にかつ平滑な曲面を形成することができる。

更に、樹脂などからなる板部材の片面または両面にフィルムやゴムなどの保護部材を取り付けて成形することで、更に滑らかな曲面を持つ成型物を得ることができる。

上容器が開位置にある状態の成形装置の略示断面図である。上容器が閉位置にある状態の成形装置の略示断面図である。図１の矢視線III-IIIの方向に見た下容器および可変金型ユニットの平面図である。可変金型ユニットの部分拡大断面図である。可変金型ユニットの部分拡大平面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
本実施形態では、成形装置１００は、真空室１０４を形成する下容器１０２、下容器１０２の真空室１０４内に配設された可変金型ユニット１０、下容器１０２の上方に配設され圧力室１０８を形成する上容器１０６、管路１１２ａを介して真空室１０４内に連通する例えば真空ポンプのような真空源１１２を具備している。

上容器１０６は、下容器１０２から離反した開位置（図１）と、下容器１０２に当接した閉位置（図２）との間で、容器駆動装置としての油圧シリンダー１１０によって鉛直方向に下容器１０２に対して相対的に移動可能となっている。

また、可変金型ユニット１０は、後述する成形面が下容器１０２のフランジ１０２ａの高さに略等しいかそれよりも高くなる上位置（図２）と、同成形面がフランジ１０２ａの高さよりも低くなる下位置（図１）との間で、可変金型ユニット駆動装置としての油圧シリンダー１１４によって鉛直方向に下容器１０２に対して相対的に移動可能となっている。

可変金型ユニット１０は、油圧シリンダー１１４のピストン棒１１４ａに結合されたフレーム１２、鉛直方向に配向させてフレーム１２に取り付けた複数の支持ボルト１４、球面継手１８を介して支持ボルト１４の先端に揺動自在に取り付けられ成形面セグメントを形成する揺動ヘッド１６を具備している。より詳細には、フレーム１２は、水平に設けられた支持プレート２０を有しており、該支持プレート２０には縦横に整列させてマトリックス状に配置された複数のボルト穴２０ａが形成されており、該ボルト穴２０ａの各々に支持ボルト１４が螺合される。こうして、可変金型ユニット１０は、複数の、図３の例では１０行１０列に配置した１００個の揺動ヘッド１６によって形成される成形面を有している。隣接する揺動ヘッド１６の間は連結部材２２によって連結するようにできる。連結部材２２は、一般的にシーラント材料に用いられる柔軟な材料、例えばゴムなどの弾性体からなることが好ましい。あるいは連結部材としては、弾性体のみならず、例えばコイルばね（図示せず）やワイヤーであってもよい。

本実施形態では、複数の揺動ヘッド１６の表面（上面）によって成形面が形成される。支持ボルト１４をボルト穴２０ａに螺合させて支持プレート２０から上方の支持ボルト１４の突出し量を調節する、つまり各揺動ヘッド１６の高さを調節することによって、成形面を所望形状とすることができる。その際、隣接する揺動ヘッド１６を相互連結する連結部材２２により、支持ボルト１４の突出し量を調節することによって揺動ヘッド１６が自動的に球面継手１８を中心として揺動し成形面が形成されると共に、形成された成形面を保持、安定化する。

可変金型ユニット１０の成形面を所望形状に調節した後、油圧シリンダー１１０のピストン棒１１０ａを後退させて上容器１０６を開位置へ移動させる。次いで、成形装置１００外部の加熱炉（図示せず）においてワーク（被加工物）Ｗを所定温度に加熱し、シリコーンゴムやフッ素ゴム、またはポリエステルフィルムやポリエチレンナフタレートフィルム、ポリイミドフィルムのような耐熱性のシート状の保護部材３０の間に保持させた状態で、給送装置（図示せず）によって加熱炉から可変金型ユニット１０の成形面の上方の所定位置に位置決めする。

本発明の成形方法では、このようなフィルムやゴムなどの保護部材を、樹脂などからなる板部材（被加工品）の片面または両面に取り付けて成形することで、さらに滑らかな曲面を持つ成型物を得ることができる。このとき、保護部材は板部材側に取り付けることによっても、もしくは真空圧空成形装置または真空成型装置、圧空成形装置側に予め取り付けておくこともできる。

また、本発明の成形方法では上記のように装置内にて板状部材を加熱する手段を採用する以外に、またはその加熱方法に加えて、あらかじめ加熱した板状部材を装置に載置して成形する方法を採用することも好ましい。

次いで、油圧シリンダー１１０のピストン棒１１０ａを伸長させ上容器１０６を閉位置へ移動させる。上容器１０６が閉位置に移動したとき、若しくはそれに前後して油圧シリンダー１１４のピストン棒１１４ａを伸長させて可変金型ユニット１０を上位置へ移動させる。可変金型ユニット１０の上動動作によって或いは上記給送装置の動作によってワーク（被加工物）Ｗを保護部材３０と共に可変金型ユニット１０の成形面上に載置する。

上容器１０６が閉位置へ移動すると、例えば下容器１０２のフランジ１０２ａおよび上容器１０６のフランジ１０６ａに配設されたガスケットのような封止部材（図示せず）によって、真空室１０４が外部から密閉される。次いで、真空室１０４を真空源１１２に連通することによって、真空室１０４内が減圧される。このときの真空圧は１０００Ｐａ(abs)（絶対圧）以下、さらに好ましくは０．５Ｐａ(abs)（絶対圧）〜５００Ｐａ(abs)（絶対圧）であることが好ましい。

また、このとき、圧力室１０８は大気圧に解放してもよいし、場合によっては圧力室１０８をコンプレッサーその他の圧力源（図示せず）に接続して圧力室１０８内を加圧してもよい。この時の圧力は０〜１．０ＭＰａ(G)（ゲージ圧）の範囲、さらに好ましくは０．１〜０．５ＭＰａ(G)（ゲージ圧）の範囲であることが好ましい。こうして、真空室１０４と圧力室１０８との間に圧力差を作ることによって、ワーク（被加工物）Ｗが保護部材３０と共に可変金型ユニット１０の成形面に押圧され、成形面の形状がワーク（被加工物）Ｗに転写される。

その後、ワーク（被加工物）Ｗの温度が所定温度まで低下した後に、例えば管路１１２ａに設けたバルブ（図示せず）を開く等の操作によって真空室１０４の真空を解除し、真空室１０４および圧力室１０８内の圧力を均圧する。次いで、油圧シリンダー１１０のピストン棒１１０ａを後退させて上容器１０６を開位置へ移動させる。油圧シリンダー１１４のピストン棒１１４ａを後退させて、可変金型ユニット１０を下位置へ移動させる。ワーク（被加工物）Ｗを排送装置（図示せず）によって成形装置１００の外部に取り出す。こうして、成形装置１００は、次のワーク（被加工物）Ｗを受入れる準備が整う。成形装置１００から排送されたワーク（被加工物）Ｗは、保護部材３０と共に、或いは、保護部材３０をワーク（被加工物）Ｗから剥離した後に冷却される。この冷却は、送風機（図示せず）のような冷却装置を用いることができる。

さらに本発明を具体的に説明する。
１００本の支持ボルト１４を縦横５ｃｍ間隔で格子状に図３に示すように１０行１０列に配列して支持プレート２０に取り付けた後、各支持ボルト１４の先端に球面継手１８を介して４．８ｃｍ角の揺動ヘッド１６を取り付けた。支持ボルト１４の高さを調整して平板の高さを揃えた後に、隣接する揺動ヘッド１６間のすきま（４ｍｍ）を可撓性および伸度のあるシーラント材で充填し、それぞれの揺動ヘッド１６を連結した。

複数の平板で任意の面を形成するために、１００本の支持ボルトを個々にかつ徐々に調整した。高さ調整の終了した後に可変金型ユニットを、真空圧空成形内にセットした。本実施例ではワーク（被加工物）Ｗの成形原料としてガラス繊維織物とナイロン樹脂からなる外寸３００ｍｍ角、厚さ２ｍｍの繊維強化樹脂の平板を用いた。

なお本発明の被加工物となる板部材としては、熱可塑性樹脂から成るものであれば良いが、さらには強化繊維により補強された板部材であることが好ましい。好ましく用いられる強化繊維としては例えば炭素繊維やアラミド繊維、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、芳香族ポリエーテルアミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、ポリベンズイミダゾール繊維、ポリイミド繊維、ポリエーテルエーテルケトン繊維、ポリエーテルイミド繊維などを挙げることができる。また板部材に用いられる熱可塑性樹脂としてはポリカーボネート樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂などが好ましく例示されるがこの限りではない。

また、保護部材３０として、成形原料の平板よりも面積の大きい厚さ１ｍｍのシリコーンゴムをワーク（被加工物）Ｗの表裏に取り付けた。こうしてワーク（被加工物）Ｗをシリコーンゴムと共に、熱風炉内において２６０℃まで加熱し、加熱完了後速やかに圧空真空成型装置にセットし成形を行った。このとき、圧力室１０８内の圧力は０．３ＭＰａ(G)（ゲージ圧）にセットし、真空室１０４内の圧力は１．０Ｐａ(abs)（絶対圧）とした。

ワーク（被加工物）Ｗが１００℃以下になったことを確認した後に、シリコーンゴムと一緒にワーク（被加工物）Ｗを真空圧空成形装置より取り出し、シリコーンゴムをはがした後に更に室温まで自然冷却を行った。ワーク（板部材）Ｗの変形加工後の冷却温度としては、板部材を構成する熱可塑性樹脂の融点以下であれば良いが、好ましくは１００℃以下、さらには４０〜１０℃の室温付近の範囲とすることが好ましい。

１０可変金型ユニット
１２フレーム
１４支持ボルト
１６揺動ヘッド
１８球面継手
２０支持プレート
２０ａボルト穴
２２連結部材
３０保護部材
１００成形装置
１０２下容器
１０２ａフランジ
１０４真空室
１０６上容器
１０６ａフランジ
１０８圧力室
１１０油圧シリンダー
１１０ａピストン棒
１１２真空源
１１２ａ管路
１１４油圧シリンダー
１１４ａピストン棒

Claims

熱可塑性材料から成る板部材の成形方法において、
複数の高さ調整可能な支持ボルトと、該支持ボルトを保持、案内する機構と、前記複数の支持ボルトの各々の頂点に揺動可能に取り付けられた揺動ヘッドと、隣接する揺動ヘッドを連結する連結部材とを含み、前記支持ボルトが上下することによって任意の曲面を形成した可変金型ユニットの上に、加熱した前記板部材を載置し、
真空圧空成形もしくは真空成型または圧空成形により、前記可変金型ユニットの曲面に対応させて前記板部材を変形させ、前記板部材の少なくとも一部に曲面を成形し、
該板部材を冷却することを含んで成る成形方法。
前記板部材の片面もしくは両面に保護部材を取り付け、可変金型ユニットの上に、加熱した前記板部材を載置するようにした請求項１に記載の成形方法。
前記板部材が熱可塑性樹脂または熱可塑性樹脂と繊維状物質の混合物で構成される請求項１に記載の成形方法。
熱可塑性材料から成る板部材の成形装置において、
高さ調整可能な複数の支持ボルトと、該支持ボルトを保持、案内する機構と、前記複数の支持ボルトの各々の頂点に揺動可能に取り付けられた揺動ヘッドと、隣接する揺動ヘッドを連結する連結部材とを含み、前記支持ボルトが上下することによって任意の曲面を形成するようにした可変金型ユニットと、
前記板部材を加熱する手段と、
可変金型ユニットを上昇させ、かつ真空吸引および／または圧空加圧して、可変金型ユニットの曲面に沿うように前記板部材を変形させる手段とを具備する板部材の成形装置。
前記板部材を変形させた後、これを冷却する手段を有する請求項４に記載の成形装置。