JP6478098B2

JP6478098B2 - 射出成形部材の製造方法

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Publication number: JP6478098B2
Application number: JP2014253352A
Authority: JP
Inventors: 紀行馬場
Original assignee: JTEKT Corp
Current assignee: JTEKT Corp
Priority date: 2014-12-15
Filing date: 2014-12-15
Publication date: 2019-03-06
Anticipated expiration: 2034-12-15
Also published as: JP2016112782A

Description

本発明は、射出成形部材の製造方法に関する。

近年、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）等の、連続繊維によって強化された樹脂材料の自動車部品等への適用が検討されている。
繊維強化樹脂を用いた成形方法として、特許文献１は、ナイロン系樹脂を含浸させた一方向強化繊維テープを金型のキャビティ内に貼り付け、次に、炭素繊維を含有するナイロン系樹脂を金型のキャビティに射出し、射出完了後にプレス（型締め）することによって成形品を成形する方法を開示している。

特開２０１２−７１５９５号公報

連続繊維強化樹脂の適用によって成形品の高強度化および高剛性化が期待されるが、別の課題がある。連続繊維強化樹脂は、腑形性の面で形状の自由度が小さく、これが製品への適用を困難にさせている。この点、ＵＤテープ（Uni-Directional Tape）を成形品に部分的に溶着することによって部分補強を図ることが提案されている。この場合、（１）溶着工程の増加、（２）Ｒ部（曲線部、曲面部）等の難溶着部に対して補強が難しい、（３）成形品の外面にしかテープを溶着できないので意匠性が低下する、といった課題がある。

一方、特許文献１のやり方では、製造工程が簡易になるかもしれないが、一方向強化繊維テープのベース樹脂と、成形品本体の原料樹脂とがいずれもナイロン系樹脂である。そのため、成形品本体用の溶融ナイロン系樹脂を射出したときに、補強用テープのナイロン系樹脂も一緒に溶融してしまい、予め補強すべき箇所に貼り付けていた強化繊維が位置ずれしたり、流れたりするおそれがある。また、強化繊維のうねりの原因となり、最終製品の物性が低下するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、補強部位の形状を選ばず、意匠性の自由度が高く、しかも、補強部位を設計通りに精度よく補強することができる射出成形部材の製造方法を提供することである。

請求項１に記載の発明は、金型（３）のキャビティ（２）に連続繊維強化樹脂テープ（８）を配置する工程と、前記連続繊維強化樹脂テープのベース樹脂が流動しない温度で流動状態の原料樹脂（１０）を前記キャビティに射出する工程と、前記原料樹脂を成形品に成形する工程とを含み、前記ベース樹脂がポリイミドを含み、前記原料樹脂がポリアミドを含み、前記射出工程は、前記ポリアミドの融点以上、かつ前記ポリイミドの分解温度未満の温度で前記ポリアミドを前記キャビティに射出する工程を含む、射出成形部材（１）の製造方法である。

請求項２に記載の発明は、前記連続繊維強化樹脂テープを配置する工程は、前記連続繊維強化樹脂テープを前記キャビティ内に接着する工程を含む、請求項１に記載の射出成形部材の製造方法である。
なお、上記において、括弧内の数字等は、後述する実施形態における対応構成要素の参照符号を表すものであるが、これらの参照符号によって特許請求の範囲を限定する趣旨ではない。

請求項１に記載の発明によれば、連続繊維強化樹脂テープのベース樹脂と、金型のキャビティ内に流れてくる原料樹脂との分子間力によって、射出成形部材に連続繊維強化樹脂テープを固定することができる。連続繊維強化樹脂テープを固定するために溶着工程を経なくてもよいので、溶着工程を省略することができる。また、分子間力による固定のため、Ｒ部のように、溶着のために超音波をあてにくい補強部位に対しても強固な結合を形成することができる。

また、連続繊維強化樹脂テープのベース樹脂が流動しない温度で流動状態の原料樹脂をキャビティに射出するため、テープの連続繊維がキャビティ内で位置ずれしたり、流れたりすることを防止することができる。これにより、連続繊維強化樹脂テープを設計通りの位置に留めることができるので、補強部位を精度よく補強することができる。
さらに、連続繊維強化樹脂テープの配置する位置によっては、連続繊維強化樹脂テープを成形品の内部に隠すことができるため、優れた意匠性を確保することもできる。

また、ポリイミドおよびポリアミドのいずれもがアミド結合を有するため、ポリイミドのアミド結合とポリアミドのアミド結合との間に、水素結合に基づく強い分子間力を発現させることができる。そのため、補強部位に対する連続繊維強化樹脂テープの結合力を向上させることができる。
請求項２に記載の発明によれば、連続繊維強化樹脂テープを簡易に配置することができるので、製造工程の複雑化を防止でき、それによって製造コストの低減を図ることができる。

図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に係る射出成形部材の製造方法を説明するための模式図である。図２は、連続繊維強化樹脂テープの接着に関連する工程を説明するための図である。図３は、図１Ａ〜図１Ｃの工程によって成形された射出成形部材の模式的な斜視図である。図４は、連続繊維強化樹脂テープの接着に関連する工程を説明するための図である。図５は、連続繊維強化樹脂テープの接着に関連する工程を説明するための図である。図６は、本発明の一実施形態にかかる射出成形部材の模式的な斜視図である。図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の一実施形態に係る射出成形部材の製造方法を説明するための模式図である。

以下では、本発明の実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態に係る射出成形部材１の製造方法を説明するための模式図である。図２は、連続繊維強化樹脂テープ８の接着に関連する工程を説明するための図である。
射出成形部材１を製造するには、まず、図１Ａに示すように、キャビティ２を有する金型３が準備される。金型３は、たとえば、ダイレクトゲート式の２プレート金型であり、上型４および下型５を含む。なお、図１Ａ〜図１Ｃに示した金型３は、本発明の説明をするために模式的に表したものに過ぎず、本発明の実施にあたって使用する金型としては、目的とする射出成形部材１の形状に応じたものを採用すればよい。たとえば、金型は、サイドゲート式の２プレート金型、サブマリンゲート式の２プレート金型、ピンゲート式の３プレート金型等、各種の金型であってよい。

上型４は、射出成形部材１の内面を成形するためのものである。上型４の外面６（成形面）は、射出成形部材１の内面に合わせて湾曲した凸面となっている。
下型５は、射出成形部材１の外面を成形するためのものである。下型５の内面７（成形面）は、射出成形部材１の外面に合わせて湾曲した凹面となっている。また、下型５は、２つの分割型５ａによって構成されている。各分割型５ａは、互いに接近離反するように水平移動可能に設けられている。また、各分割型５ａは、たとえば、流体圧シリンダを備えるアクチュエータ等によって水平移動される。

金型３の準備後、キャビティ２に連続繊維強化樹脂テープ８が配置される。
連続繊維強化樹脂テープ８は、シート状に形成された連続繊維からなる基材にベース樹脂（マトリクス樹脂）を含浸した複合材からなる。
連続繊維強化樹脂テープ８を構成する連続繊維としては、たとえば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等が挙げられる。また、連続繊維の形態としては、連続繊維を経糸（たていと）と緯糸（よこいと）に交互に配向（織る）させたクロス材であってもよいし、連続繊維を一方向に配向させたＵＤ（Uni Direction）材であってもよい。また、クロス材の織り方としては、平織、綾織、朱子織、からみ織、模紗織、斜紋織等、一般的に知られている織り方が挙げられるが、樹脂を含浸できるものであればこれらに限られない。

連続繊維強化樹脂テープ８を構成するベース樹脂としては、たとえば、ポリイミド系樹脂（ポリイミド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド等）、ポリアミド系樹脂（ＰＡ６、ＰＡ６６、ＰＡ１２、ＰＡ６１２、ＰＡ６１０、ＰＡ１１等の脂肪族ポリアミド、ＰＡ６Ｔ、ＰＡ９Ｔ、ＰＰＡ等の芳香族ポリアミド）、ポリアセタール、ポリカーボネート、フッ素樹脂、エポキシ樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ：Polyether ether ketone）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ：Polyphenylene sulfide）等が挙げられる。

これらのうち、好ましくは、ポリイミドを含浸した炭素繊維が使用され、より好ましくは、ポリイミドを含浸した炭素繊維のＵＤ材（つまり、炭素繊維強化ポリイミドＵＤテープ）が使用される。
連続繊維強化樹脂テープ８は、この実施形態では、上型４の外面６に接着される。接着は、たとえば、接着剤で固定することによって、連続繊維強化樹脂テープ８が動かない程度に、連続繊維強化樹脂テープ８を上型４に軽く固定することである。また、連続繊維強化樹脂テープ８は、図２に示すように、上型４の外面６の全体を覆うように配置されてもよい。なお、図２では、連続繊維強化樹脂テープ８として、ＵＤテープを使用した例を示している。

次に、図１Ｂに示すように、シリンダ９のノズルから、流動状態の原料樹脂１０が金型３のキャビティ２に射出される。これにより、原料樹脂１０が、金型３のキャビティ２に充填される。
原料樹脂１０としては、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂の融点よりも低い融点を有する樹脂が使用され、好ましくは、当該相対的に低い融点を有し、かつ、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂との間に分子間力を発現させることができる分子構造を有する樹脂が使用される。当該分子構造とは、たとえば、ベース樹脂の分子構造と類似構造を有することによって、互いに引き合う相互作用を生じさせるものをいう。また、原料樹脂１０としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。

また、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂の融点と、原料樹脂１０の融点との差は、たとえば、１０℃以上であることが好ましい。
原料樹脂１０の具体例としては、たとえば、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂としてポリイミド系樹脂（分解温度：３２０℃以上）が使用される場合、ポリアミド系樹脂（融点：３００℃以上）が使用される。好ましくは、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂としてポリイミド（熱分解温度：５００℃以上）が使用され、ＰＡ６６（融点：２５０℃〜２８０℃）が使用される。ポリイミド系樹脂およびポリアミド系樹脂は、いずれもアミド結合を有する点で、互いに類似する分子構造を有している。

原料樹脂１０の射出条件は、たとえば、シリンダ９の温度が、金型３に配置された連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂が流動せず、かつ、原料樹脂１０を流動状態にできる温度に制御される。つまり、この実施形態では、シリンダ９の温度Ｔは、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂および原料樹脂１０の融点を基準にして、ベース樹脂の融点＞Ｔ≧原料樹脂１０の融点を満たすように設定される。たとえば、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂がポリイミド系樹脂であり、原料樹脂１０がポリアミド系樹脂である場合、温度Ｔは、２７０℃〜２９０℃である。

なお、原料樹脂１０は、必要に応じて、難燃剤、酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤（離型剤）、着色剤、フィラー等の各種添加剤を含有していてもよい。
原料樹脂１０の射出後、型締め装置（図示せず）によって、図１Ｃに示すように、キャビティ２内の原料樹脂１０がプレスされる。以上の工程を経て、図３に示す射出成形部材１が得られる。得られた射出成形部材１は、その内部に、湾曲した内面１１によって区画された空洞１２を備えている。

以上の方法によれば、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂と、金型３のキャビティ２内に流れてくる原料樹脂１０との分子間力によって、射出成形部材１に連続繊維強化樹脂テープ８を固定することができる。連続繊維強化樹脂テープ８を射出成形部材１に固定するために溶着工程を経なくてもよいので、溶着工程を省略することができる。また、分子間力による固定のため、射出成形部材１の空洞１２内で、しかも湾曲した内面１１（Ｒ部）のように、溶着のために超音波をあてにくい補強部位に対しても強固な結合を形成することができる。特に、この実施形態で示したように、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂としてポリイミド系樹脂を使用し、原料樹脂１０としてポリアミド系樹脂を使用した場合には、ポリイミドおよびポリアミドのいずれもがアミド結合を有するため、ポリイミドのアミド結合とポリアミドのアミド結合との間に、水素結合に基づく強い分子間力を発現させることができる。そのため、補強部位に対する連続繊維強化樹脂テープ８の結合力を向上させることができる。

また、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂が流動しない温度で流動状態の原料樹脂１０をキャビティ２に射出するため、連続繊維強化樹脂テープ８の連続繊維がキャビティ２内で位置ずれしたり、流れたりすることを防止することができる。たとえば、連続繊維強化樹脂テープ８としてＵＤテープを使用した場合に、ベース樹脂が原料樹脂１０と共に流動してしまうと、ＵＤテープを構成する連続繊維が樹脂の流動圧によってうねるおそれがあるが、上記の射出条件を採用することによって、当該うねりを防止することができる。したがって、連続繊維強化樹脂テープ８を設計通りの位置に留めることができるので、射出成形部材１の補強部位を精度よく補強することができる。

また、射出成形部材１のように、連続繊維強化樹脂テープ８を空洞１２に配置することによって、連続繊維強化樹脂テープ８を射出成形部材１の内部に隠すことができる。その結果、連続繊維強化樹脂テープ８が外観に現れず、優れた意匠性を確保することもできる。
さらに、図２に示すように、金型３（この実施形態では、上型４）の成形面の全体を覆うように連続繊維強化樹脂テープ８を配置すれば、得られた射出成形部材１の表面全域に亘って連続繊維強化樹脂テープ８を分布させることができるので、心金の代用とすることもできる。

本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、他の実施形態で実施することもできる。
たとえば、図４に示すように、連続繊維強化樹脂テープ８は、ベース樹脂を含浸したクロス材からなる複合材であってもよい。
また、連続繊維強化樹脂テープ８は、金型３の表面の全体に配置する必要はなく、図５に示すように、金型３の表面に選択的に配置してもよい。

また、本発明の構成を採用すれば、図６に示すように、空洞１２が完全に閉じられた射出成形部材１の空洞１２内に連続繊維強化樹脂テープ８を固定することもできる。
また、図７Ａに示すように、連続繊維強化樹脂テープ８は、金型３のＲ部（図７Ａでは外面６）に対して部分的に浮くように仮接着されてもよい。この場合、図７Ｂおよび図７Ｃに示すように、連続繊維強化樹脂テープ８の周囲に原料樹脂１０を回り込ませることができる。これにより、連続繊維強化樹脂テープ８の全面に対して原料樹脂１０を結合させて、連続繊維強化樹脂テープ８を原料樹脂１０内に埋め込むことができる。その結果、連続繊維強化樹脂テープ８の剥がれを防止でき、さらに、意匠性を一層向上させることができる。

さらに、前述の実施形態では、シリンダ９の設定温度の基準として、連続繊維強化樹脂テープ８のベース樹脂および原料樹脂１０のそれぞれの融点を利用したが、使用するベース樹脂や原料樹脂１０の種類によってはガラス転移点を基準にしてもよい。
本発明の構成を採用した製法によって得られる射出成形部材は、車両部品の他、たとえば、鉄道車両、船舶、航空機、ユニットバス、浄化槽、プリント基板、遊具、スキー板等、各種分野で使用される部品や本体に使用することができる。

その他、特許請求の範囲に記載された事項の範囲で種々の設計変更を施すことが可能である。

１…射出成形部材、２…キャビティ、３…金型、８…連続繊維強化樹脂テープ、１０…原料樹脂

Claims

金型のキャビティに連続繊維強化樹脂テープを配置する工程と、
前記連続繊維強化樹脂テープのベース樹脂が流動しない温度で流動状態の原料樹脂を前記キャビティに射出する工程と、
前記原料樹脂を成形品に成形する工程とを含み、
前記ベース樹脂がポリイミドを含み、前記原料樹脂がポリアミドを含み、
前記射出工程は、前記ポリアミドの融点以上、かつ前記ポリイミドの分解温度未満の温度で前記ポリアミドを前記キャビティに射出する工程を含む、射出成形部材の製造方法。
前記連続繊維強化樹脂テープを配置する工程は、前記連続繊維強化樹脂テープを前記キャビティ内に接着する工程を含む、請求項１に記載の射出成形部材の製造方法。