JP6499233B2

JP6499233B2 - 熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置及び成形方法

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Publication number: JP6499233B2
Application number: JP2017141071A
Authority: JP
Inventors: 勤石川
Original assignee: 石川樹脂工業株式会社
Priority date: 2017-07-20
Filing date: 2017-07-20
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2037-07-20
Also published as: JP2019018510A

Description

本発明は、強化材として繊維を用いて構成される熱可塑性繊維強化樹脂を成形する成形装置及び成形方法に関する。

上記熱可塑性繊維強化樹脂を構成する強化繊維として炭素繊維を用いて構成される炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ［Carbon Fiber Reinforced Plastic］）がある。この炭素繊維強化樹脂は、炭素繊維とマトリックス樹脂とからなり、機械特性、軽量性、耐腐食性等に優れることから、種々の用途に幅広く展開されている。マトリックス樹脂としては、加熱すると軟化して成形が容易な熱可塑性樹脂が近年において注目されている。その熱可塑性樹脂を用いて板状の炭素繊維強化樹脂を成形し、その成形された炭素繊維強化樹脂を一対の加圧成形型を有する金型で加熱しながら加圧することによって、所望の形状に成形することが行われている（例えば特許文献１）。

特開２０１５−１６６４９号公報

上記特許文献１によれば、一対の加圧成形型で炭素繊維強化樹脂を加熱しながら加圧すると、溶融して流動している熱可塑性樹脂とともに炭素繊維の先端が加圧成形型の成形面に何度も当接して多数の傷を付けてしまう。これは、炭素繊維の硬度が、金属（例えばステンレス鋼）で構成されている加圧成形型の硬度よりも高いためである。そして、一対の加圧成形型で炭素繊維強化樹脂の成形を数回行っていると、前記傷の深さが深くなり、この深くなった傷に溶融した熱可塑性樹脂が入り込んで係止してしまう。このように深い傷に熱可塑性樹脂が係止してしまうと、成形品が加圧成形型から離型できなくなるという不都合が発生する。尚、このような不都合は、炭素繊維強化樹脂に限らず、繊維と熱可塑性樹脂とを用いた熱可塑性繊維強化樹脂全般に起こり得る。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、離型性に優れた熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置及び成形方法を提供することを課題とする。

本発明に係る熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置は、少なくとも一方が移動して接近離間可能な一対の加圧成形型を有する金型を備え、前記一対の加圧成形型のうちの少なくとも一方に、成形面を有する水溶性樹脂からなる成形面形成用型を備え、該成形面形成用型の成形面に該成形面形成用型の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂に繊維を入れて構成された熱可塑性繊維強化樹脂を配置した状態で該熱可塑性樹脂の融点以上でかつ該成形面形成用型の融点よりも低い温度で加熱するとともに前記少なくとも一方の加圧成形型の移動により加圧成形する成形手段と、該成形手段により成形された成形品と一体化した成形面形成用型を溶かして除去する除去手段と、を備えていることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも一方の加圧成形型に備えた成形面形成用型の成形面に熱可塑性繊維強化樹脂を配置した状態で成形手段により加熱するとともに加圧することによって熱可塑性繊維強化樹脂を成形する。この成形時には、熱可塑性樹脂の融点以上でかつ成形面形成用型（水溶性樹脂）の融点よりも低い温度で加熱されるため、熱可塑性樹脂のみが溶融され、成形面形成用型の成形面により熱可塑性繊維強化樹脂が成形される。しかも、溶融された熱可塑性樹脂の流動により一緒に流動する繊維が成形面形成用型を備える加圧成形型側へ移動することが成形面形成用型で阻止される。その結果、成形面形成用型を備える加圧成形型が流動する繊維により傷つけられることがないので、加圧成形型からの成形面形成用型の離型を容易に行うことができる。そして、成形された成形品と一体化した成形面形成用型が、除去手段により溶かされる。これにより成形品を得ることができる。

また、本発明に係る熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置は、前記一対の加圧成形型のうちの一方に前記成形面形成用型をセットするセット部を備え、該セット部が、一方の前記加圧成形型の表面から突出する加圧成形型用凸部から構成され、一方の前記加圧成形型にセットする前記成形面形成用型に該加圧成形型用凸部が入り込む成形面形成用型用凹部を備えていてもよい。

上記のように、一方の加圧成形型に成形面形成用型をセットするセット部である加圧成形型用凸部を備えているので、成形面形成用型に備えた成形面形成用型用凹部に加圧成形型用凸部を入り込ませることによって、成形面形成用型を一方の加圧成形型に容易にセットすることができる。

また、本発明に係る熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置は、前記一対の加圧成形型の両方それぞれに、前記成形面形成用型を備え、一方の前記成形面形成用型が型用第１凸部を備え、他方の前記成形面形成用型が、前記型用第１凸部が入り込む型用第１凹部を備えていてもよい。

上記のように、一対の加圧成形型の両方それぞれに、成形面形成用型を備えることによって、熱可塑性繊維強化樹脂の成形時に、溶融された熱可塑性樹脂の流動により移動する繊維が両方の加圧成形型側へ移動することを成形面形成用型で阻止される。その結果、両方の加圧成形型が流動する繊維により傷つけられることがないので、両方の加圧成形型からの成形面形成用型の離型を容易に行うことができる。また、一方の成形面形成用型の型用第１凸部と他方の成形面形成用型の型用第１凹部との間に熱可塑性繊維強化樹脂をサンドイッチした状態で確実に成形できる。

また、本発明に係る熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置は、前記型用第１凸部は、フラット面を有する基端部と、該基端部から突出する突起部と、を備え、前記基端部の厚みと前記突起部の厚みが略同一であり、前記突起部の内部が中空に構成され、該突起部を備えた一方の前記成形面形成用型をセットする前記加圧成形型に該突起部の内部に入り込む加圧成形型用突起を備えていてもよい。

上記のように、一方の成形面形成用型に備える突起部の内部に加圧成形型の加圧成形型用突起が入り込んで突起部を補強することで、略同一厚みの基端部よりも強度が弱い中空の突起部が成形時の加圧力を受けて潰れることを抑制することができる。

また、本発明に係る熱可塑性繊維強化樹脂の成形方法は、少なくとも一方が移動して接近離間可能な一対の加圧成形型を有する金型の少なくとも一方の加圧成形型に、成形面を有する水溶性樹脂からなる成形面形成用型を配置する型配置工程と、該型配置工程で配置された成形面形成用型の成形面に、該成形面形成用型の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂に繊維を入れて構成された熱可塑性繊維強化樹脂を配置する熱可塑性繊維強化樹脂配置工程と、該熱可塑性繊維強化樹脂配置工程で配置された熱可塑性繊維強化樹脂を、前記熱可塑性樹脂の融点以上でかつ前記成形面形成用型の融点よりも低い温度で加熱しつつ前記少なくとも一方の加圧成形型の移動により加圧成形する成形工程と、該成形工程後に成形された成形品と一体化した成形面形成用型を溶かして除去する除去工程と、を備えていることを特徴とする。

上記のように、型配置工程により成形面形成用型を少なくとも一方の加圧成形型に配置する。次に、熱可塑性繊維強化樹脂配置工程により型配置工程で配置された成形面形成用型の成形面に、熱可塑性繊維強化樹脂を配置する。熱可塑性繊維強化樹脂配置工程で配置された熱可塑性繊維強化樹脂は、成形工程により加熱されるとともに加圧成形される。この成形時には、熱可塑性樹脂の融点以上でかつ成形面形成用型（水溶性樹脂）の融点よりも低い温度で加熱されるため、熱可塑性繊維強化樹脂を構成する熱可塑性樹脂のみが溶融され、成形面形成用型の成形面により熱可塑性樹脂が成形される。しかも、溶融された熱可塑性樹脂の流動により一緒に流動する繊維が成形面形成用型を備える加圧成形型側へ移動することが成形面形成用型で阻止される。その結果、成形面形成用型を備える加圧成形型が繊維により傷つけられることがないので、加圧成形型からの成形面形成用型の離型を容易に行うことができる。そして、成形された成形品と一体化した成形面形成用型が、除去工程により溶かされる。これにより成形品を得ることができる。

以上の如く、本発明によれば、加圧成形型に水溶性樹脂からなる成形面形成用型を配置して熱可塑性繊維強化樹脂を成形することによって、離型性に優れた熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置及び成形方法を提供することができる。

熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置の断面図であり、上下一対の加圧成形型を開いた状態を示している。同成形装置の断面図であり、上下一対の加圧成形型を閉じて成形している状態を示している。同成形装置の断面図であり、上下一対の加圧成形型を開いて成形された成形品及び成形品に一体化された成形面形成用型を取り出している状態を示している。取り出した成形品に一体化された成形面形成用型を溶かして除去している状態を示す説明図である。同成形装置のブロック図である。同成形装置の断面図であり、（ａ）は別の形状の成形面形成用型を用いて熱可塑性繊維強化樹脂を成形する直前の状態を示し、（ｂ）は可塑性繊維強化樹脂を成形した状態を示している。他の成形装置の断面図であり、（ａ）は成形面形成用型及び熱可塑性繊維強化樹脂を配置する直前の状態を示し、（ｂ）は熱可塑性繊維強化樹脂を成形した状態を示している。他の成形装置の断面図であり、（ａ）は成形面形成用型及び熱可塑性繊維強化樹脂を配置する直前の状態を示し、（ｂ）は熱可塑性繊維強化樹脂を成形した状態を示している。

図１及び図２に、強化繊維として炭素繊維を用いて成形された成形品である熱可塑性炭素繊維強化樹脂を成形するための成形装置１を示している。この成形装置１は、下側に位置する下側加圧成形型２と上側に位置する上側加圧成形型３とを有する金型４を備えている。この金型４を用いて、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を水溶性樹脂からなる２つの成形面形成用型６，７で上下方向からサンドイッチした状態で加圧成形するように構成されている。具体的には、成形装置１は、図５に示すように、上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２で加圧成形する成形手段８と、成形手段８により成形された成形品及び成形品と一体化した成形面形成用型を冷却する冷却手段９と、冷却手段９により冷却された成形面形成用型と一体化した成形品を金型４から取り出す取り出し手段１０と、取り出し手段１０で取り出した成形品に一体化した成形面形成用型を溶かして除去する除去手段１１と、を備えている。

下側加圧成形型２は、移動する上側加圧成形型３を受ける固定側となる受け型から構成され、一方の成形面形成用型６を収容する収容凹部２Ａと、この収容凹部２Ａの上方に形成され、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形するための成形空間を形成する成形凹部２Ｂと、を備えている。収容凹部２Ａを備えることによって、成形面形成用型６を容易迅速に配置できる。また、下側加圧成形型２は、中間部材１２を介して土台となる脚部材１３に一体連結されている。また、下側加圧成形型２の中心部には、貫通孔２Ｋが形成されており、この貫通孔２Ｋに上下方向に延びる棒部材Ｐが貫通され、この棒部材Ｐの下端部が、図示していない駆動機構により上下に移動可能な可動部材１４に取り付けられている。従って、駆動機構を駆動することで、棒部材Ｐを図２の引退位置から図３に示す上方の突出位置へ移動させて下側の成形面形成用型６を上方へ突き上げることによって、成形後の成形品１５を上下の成形面形成用型６，７とともに下側加圧成形型２から離型させることができる。

上側加圧成形型３は、他方の成形面形成用型７を収容する収容凹部３Ａを備えており、成形面形成用型７を収容凹部３Ａに容易迅速に配置できる。また、上側加圧成形型３は、下側加圧成形型２の上方に位置する開放位置（図１参照）と、下側加圧成形型２の成形凹部２Ｂに入り込んで熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形する成形位置（図２参照）とに位置変更可能な可動式に構成されている。前記成形位置に上側加圧成形型３が移動した時に下側加圧成形型２を押す押し型に構成されている。ここでは、上側加圧成形型３を可動式に構成しているが、下側加圧成形型２を可動式に構成してもよいし、上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２の両方を可動式（互いに押し合う押合型）に構成してもよい。また、上下方向に移動する金型４に構成されているが、水平方向に移動する金型であってもよい。

成形面形成用型６，７を構成する水溶性樹脂は、水に可溶な合成樹脂からなり、具体的には、ポリビニルアルコール（融点が約２００℃）、ポリエチレンオキシド（融点が約６０℃）、ポリアクリルアミド（融点が８４．５℃）、カルボキシメチルセルロース（融点が約３００℃）等の水溶性樹脂が挙げられる。尚、ここでは、日本合成化学工業株式会社製のビニルアルコール系樹脂（融点が１８０℃）であるニチゴ―Ｇポリマー（商標登録）を用いている。そのビニルアルコール系樹脂は、１８０℃〜２１０℃で溶融された状態で金型温度が５０℃〜８０℃に設定された金型内に射出注入され、成形面形成用型６，７が成形される。成形された成形面形成用型６，７の肉厚は、成形する炭素繊維強化樹脂の肉厚に応じて１．７ｍｍ〜５ｍｍの範囲内で適宜設定される。この成形面形成用型６，７の肉厚が１．７ｍｍ未満になると、流動する熱可塑性樹脂とともに移動する繊維が、成形面形成用型６，７を突き破って金型４の表面まで達してしまう。また、成形面形成用型６，７の肉厚が５ｍｍを越えると、金型４からの熱伝導率が低下してしまい、熱可塑性樹脂を設定温度で良好に溶融させることができない。このことから、成形面形成用型６，７の肉厚の最小厚みを１．７ｍｍとし、最大厚みを５ｍｍとしている。また、成形面形成用型６，７は、いずれも同一形状でかつ同一の大きさである。成形面形成用型６，７の形状は、立方体形状（直方体形状でもよい）からなり、成形面形成用型６，７のフラットな成形面６Ａ，７Ａに、成形面６Ａ，７Ａから離間する側に凹む複数（ここでは３個）の凹部６Ｂ，７Ｂが形成されている。また、成形面形成用型６，７の図１の上下方向の肉厚が前述した１．７ｍｍ〜５ｍｍの範囲内で設定されている。３個の凹部６Ｂ，７Ｂは、同一の深さに構成され、一辺から対向する他辺に亘るように形成されている。また、図１において、中央に位置する凹部６Ｂ，７Ｂから左右方向一方側に位置する凹部６Ｂ，７Ｂまでの距離と、中央に位置する凹部６Ｂ，７Ｂから左右方向他方側に位置する凹部６Ｂ，７Ｂまでの距離とが略等しくなっている。これら３個の凹部６Ｂ，６Ｂ，６Ｂ、７Ｂ，７Ｂ，７Ｂに、後述するように成形工程時に流動する炭素繊維が熱可塑性樹脂とともに流し込まれる。

また、成形面形成用型６，７の大きさを、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の大きさよりも少し小さくしている。これによって、成形面形成用型６，７の材料の量を減らすことができ、コスト面において有利になる。尚、成形面形成用型６，７の大きさを熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の大きさよりも少し小さくしただけなので、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５と上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２とが直接触れる部分が少ない。つまり熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の外周縁とこれに対応する上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２の外周縁のみが触れることになるため、成形時に溶融して流動している熱可塑性樹脂とともに炭素繊維の先端が上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２の外周縁に激しく当接するようなことがない。従って、上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２の外周縁に傷を付けてしまうようなことが発生し難く、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の外周縁が上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２から離型できないということがなく、問題にならない。尚、コスト面において不利になるが、成形面形成用型６，７の大きさを、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の大きさと同じ大きさにして実施することもできる。

成形手段８は、成形面形成用型６の成形面６Ａに水溶性樹脂の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂を炭素繊維に入れて構成された熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を配置した状態で熱可塑性樹脂の融点以上でかつ水溶性樹脂の融点よりも低い温度で加熱しかつ上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２のうちの一方の上側加圧成形型３の移動により加圧成形する手段である。尚、ここでは、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の上面にも成形面７Ａ側を下に向けた状態で成形面形成用型７を配置して成形している。

冷却手段９は、金型４を図示していないエア又は冷却水で冷却することによって、成形品及び成形品と一体化した成形面形成用型を冷却する手段である。

取り出し手段１０は、冷却工程後に上側加圧成形型３を上方へ移動させることによって、一対の加圧成形型を離間して成形面形成用型と一体化した成形品を取り出す手段である。この上側加圧成形型３を上方へ移動させると同時又は移動後に、棒部材Ｐを図２の引退位置から図３に示す上方の突出位置へ移動させて下側の成形面形成用型６を上方へ突き上げることによって、成形後の成形品１５を上下の成形面形成用型６，７と一緒に下側加圧成形型２から離型させる。

除去手段１１は、図４に示すように、取り出し工程で取り出した成形品１５に一体化した成形面形成用型６，７を水で溶かして除去する工程である。実際には、容器に溜めた水の中に成形面形成用型６，７と一体化した成形品１５を投入して成形面形成用型６，７を溶かすことになる。

熱可塑性炭素繊維強化樹脂５に使用される熱可塑性樹脂としては、融点が７０℃〜９０℃の範囲のエポキシ樹脂が好適に使用されるが、ＡＢＳ樹脂（融点が８０℃〜２５５℃）、ポリプロピレン樹脂（融点が１６８℃〜１８６℃）、ポリアミド樹脂（融点が６７℃〜７０℃）、ポリエチレン樹脂（融点が９５℃〜１３０℃）、ポリスチレン樹脂（融点が１００℃）、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。

まず、炭素繊維の融点（１０００℃以上）よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂、例えば融点が７０℃〜９０℃の範囲のエポキシ樹脂に炭素繊維を入れて平面板状の熱可塑性炭素繊維強化樹脂を製造する。具体的には、炭素繊維の連続繊維に熱可塑性樹脂（エポキシ樹脂）を含浸したシートを作成し、そのシートを予備加熱して柔らかくした状態でプレス成形したのち、熱可塑性樹脂の融点（７０℃〜９０℃）以下まで冷却することにより、平面板状の熱可塑性炭素繊維強化樹脂を製造する。炭素繊維の長さとしては、５ｍｍ以上、特に１ｃｍ以上のものを用いると、熱可塑性炭素繊維強化樹脂の機械特性が飛躍的に向上し、好ましい。また、製造方法に前記方法に限定されることなく、公知の真空成形又は真空圧空成形などの他の成形方法を用いて、平面板状の熱可塑性炭素繊維強化樹脂を製造してもよい。

前記製造された平面板状の熱可塑性炭素繊維強化樹脂を成形する成形方法について説明する。成形方法は、第１の型配置工程と、熱可塑性炭素繊維強化樹脂配置工程と、第２の型配置工程と、成形工程と、冷却工程と、取り出し工程と、除去工程と、を備えている。

第１の型配置工程は、一方の加圧成形型となる下側加圧成形型２の収容凹部２Ａに成形面形成用型６を入り込ませて配置する工程である。成形面形成用型６を配置した状態では、下側加圧成形型２の成形面２Ｓと成形面形成用型６の成形面６Ａとが面一となっている。

熱可塑性炭素繊維強化樹脂配置工程は、前記第１の型配置工程で配置された成形面形成用型６の成形面６Ａに、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を配置する工程である。

第２の型配置工程は、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を配置した後に、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の他方の加圧成形型である上側加圧成形型３側の面に成形面７Ａを有する第２の上側成形面成形用型７を配置する工程である。実際には、上側加圧成形型３の収容凹部３Ａに入り込ませることによって、上側成形面成形用型７が収容凹部３Ａに係合して収容凹部３Ａから下方へ落下することがないように収容凹部３Ａが構成されている。

成形工程は、成形手段８と同様に、熱可塑性炭素繊維強化樹脂配置工程で配置された熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を、熱可塑性樹脂の融点以上でかつ水溶性樹脂の融点よりも低い温度で加熱しつつ一方の加圧成形型である上側加圧成形型を下方へ移動することにより熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を加圧成形する工程である。

冷却工程は、冷却手段９と同様に、成形工程後に成形された成形品及び成形品と一体化した成形面形成用型を冷却する工程である。実際には、金型４を図示していないエア又は冷却水で冷却することによって、成形品及び成形品と一体化した成形面形成用型を冷却することになる。

取り出し工程は、取り出し手段１０と同様に、冷却工程後に上側加圧成形型３を上方へ移動させることによって、一対の加圧成形型を離間して成形面形成用型と一体化した成形品を取り出す工程である。この上側加圧成形型３を上方へ移動させると同時又は移動後に、棒部材Ｐを図２の引退位置から図３に示す上方の突出位置へ移動させて下側の成形面形成用型６を上方へ突き上げることによって、成形後の成形品１５を上下の成形面形成用型６，７とともに下側加圧成形型２から離型させる。

除去工程は、除去手段１１と同様に、図４に示すように、取り出し工程で取り出した成形品１５に一体化した成形面形成用型６，７を水で溶かして除去する工程である。実際には、容器に溜めた水の中に成形面形成用型６，７と一体化した成形品１５を投入して成形面形成用型６，７を溶かすことになる。成形面形成用型６，７が溶かされた成形品１５には、上側に突出する３つの第１突起部１５Ａ，１５Ａ，１５Ａと、第１突起部１５Ａ，１５Ａ，１５Ａと同一箇所から下側に突出する３つの第２突起部１５Ｂ，１５Ｂ，１５Ｂと、を備えている。

上記工程を用いて熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形する過程を説明する。まず、図１に示す２つの成形面形成用型６，７及び熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を用意する。用意ができると、金型４が開放状態であることを確認し、開放状態でない場合には、上側加圧成形型３を下側加圧成形型２に対して上方へ離間するように上昇させる。この状態で、下側加圧成形型２の収容凹部２Ａに一方の成形面形成用型６を成形面６Ａが上方を向いた状態で収容する。続いて、成形面形成用型６を成形面６Ａ上に熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を配置（載置）するとともに、上側加圧成形型３の収容凹部３Ａに他方の成形面形成用型７を成形面７Ａが下方を向いた状態で収容する。２つの成形面形成用型６，７及び熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の配置が完了すると、上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２を加熱して１６０℃の温度にするとともに上側加圧成形型３を下側加圧成形型２に対して下方へ移動させて５０ｔ〜８０ｔの範囲の任意の圧力値で型締めする。この加熱と型締めによる圧力により、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を構成する熱可塑性樹脂が溶融して流動し炭素繊維が２つの成形面形成用型６，７にそれぞれ形成の凹部６Ｂ，７Ｂに溶融した熱可塑性樹脂とともに流し込まれる。このとき、成形面形成用型６，７の融点が１６０℃よりも高いため、成形面形成用型６，７が成形時の熱により溶融されることがなく、上下の成形面６Ａ，７Ａにより熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の両面が成形される。

成形後は、２つの成形面形成用型６，７及び熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を冷却し、冷却後に、図３に示すように金型４を開放状態にするとともに、棒部材Ｐを上方に突出移動させて成形面形成用型６，７が一体化された成形品１５を下側加圧成形型２から離型させる。離形後の成形面形成用型６，７が一体化された成形品１５を水に浸して成形面形成用型６，７を溶かして除去することで成形品１５を得ることができる。

尚、本発明に係る熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置及び成形方法は、実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。

前記実施形態では、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の上下に成形面形成用型６，７をそれぞれ配置したが、一方側のみ配置して実施してもよい。この場合、成形面形成用型を配置していない側の加圧成形型の耐久性が低下することになる。また、２個の成形面形成用型６，７を同一形状にしたが、異なる形状であってもよい。また、強化繊維として炭素繊維を用いたが、ガラス繊維、アラミド繊維、金属繊維等を用いてもよい。

また、前記実施形態では、成形面に凹部６Ｂ，７Ｂが形成された成形面形成用型６，７を用いたが、凸部が形成された成形面形成用型であってもよいし、図６（ａ），（ｂ）に示すように、凹部が形成されていない成形面形成用型１６，１７を用いて熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形してもよい。尚、説明しなかった部分は、図１及び図２と同様であり、同一符号を付し、説明は省略している。この場合、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の厚みを変更するために成形を行うことになる。また、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形して、例えば容器を構成することができるように熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を折り曲げるようにしてもよい。

また、前記実施形態では、金型４を、上側加圧成形型３及び下側加圧成形型２の２つの型から構成したが、３つ以上の型から構成してもよい。

また、前記実施形態では、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を上下の板状の成形面形成用型６，７で挟み込むようにしたが、熱可塑性炭素繊維強化樹脂５の外周面を覆うことができるように、上下の成形面形成用型のうちの一方を上下方向一方側が開放された箱型に構成してもよい。

また、前記実施形態では、下側加圧成形型２及び上側加圧成形型３に成形面形成用型６，７を収容する収容凹部２Ａ，３Ａを形成したが、図７（ａ），（ｂ）に示すように、一方の下側加圧成形型２に成形面形成用型１９をセットするセット部２Ｔを備えてもよい。このセット部２Ｔは、一方の下側加圧成形型２のフラットな表面２ａから上方へ突出する加圧成形型用凸部から構成されている。そして、下側加圧成形型２にセットされる成形面形成用型１９に凸部が入り込む成形面形成用型用凹部１９Ａを備えている。従って、一方の下側加圧成形型２に成形面形成用型１９をセットするセット部２Ｔを構成する凸部を備えているので、成形面形成用型１９に備えた成形面形成用型用凹部１９Ａに凸部２Ｔを入り込ませることによって、成形面形成用型１９を一方の下側加圧成形型２に容易にセットすることができる。このとき、成形面形成用型用凹部１９Ａに凸部２Ｔが隙間なく入り込む（嵌合する）ことで成形面形成用型１９の保形強度を高めることができる。また、一方の成形面形成用型１９の成形面には、２つの凹部１９Ｍ，１９Ｍが形成されている。他方の成形面形成用型１８は、平板状のものである。このように構成された成形装置により熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を加熱加圧成形すると、図７（ｂ）に示すように溶融した樹脂が成形面形成用型１９の凹部１９Ｍ，１９Ｍ内に入り込んで一対の突起部１５Ｔ，１５Ｔを備える成形品１５を得ることができる。成形品１５を加圧成形型２，３から取り出した後は、前述したように成形面形成用型１８，１９を溶かして除去することになる。

また、前記実施形態では、成形面形成用型６，７が立方体形状としたが、図８（ａ），（ｂ）に示すように、一方（下側）の成形面形成用型２０が断面形状矩形状の型用第1凸部２０Ａを備え、他方の成形面形成用型２１が、型用第1凸部２０Ａが入り込む型用第1凹部２１Ｂを備えている。型用第1凸部２０Ａは、フラット面を有する基端部２０ａと、基端部２０ａから上方へ突出する縦長で矩形状の突起部２０ｂと、を備えている。前記基端部２０ａの厚みと突起部２０ｂの厚みが略同一である。また、突起部２０ｂの内部が中空に構成され、一方の下側の加圧成形型２に成形面形成用型２０の突起部２０ｂの内部に入り込む加圧成形型用突起２Ｖを備えている。他方の成形面形成用型２１の凹部２１Ｂは、上方に突出した凸部から構成され、前記型用第1凸部２０Ａよりも横幅が一回り大きな縦長で矩形状の突起部２１ｂと、突起部２１ｂの下端から水平方向（横方向）に延びるフラット面を有する基端部２１ａと、を備えている。突起部２１ｂは、上側加圧成形型３に形成されている凹部３Ｈに入り込んで熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形する。このように、一方の成形面形成用型２０に備える突起部２０ｂの内部に下側加圧成形型２の加圧成形型用突起２Ｖが入り込んで突起部２０ｂを補強することで、略同一厚みの基端部２０ａよりも強度が弱い中空の突起部２０ｂが成形時の加圧力を受けて潰れることを抑制することができる。これら２つの成形面形成用型２０，２１を用いて熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を成形する際には、まず、下側加圧成形型２の加圧成形型用突起２Ｖが成形面形成用型２０の突起部２０ｂの内部に入り込むように成形面形成用型２０をセット（配置）する。続いて、他方の成形面形成用型２１の突起部２１ｂが上側加圧成形型３の凹部３Ｈに入り込むように他方の成形面形成用型２１を上側加圧成形型３にセット（配置）する。引き続き、セットした成形面形成用型２０の突起部２０ｂ上に熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を載置する。この状態で、熱可塑性樹脂の融点以上でかつ水溶性樹脂の融点よりも低い温度で加熱しつつ一方の加圧成形型である上側加圧成形型３を下方へ移動することにより熱可塑性炭素繊維強化樹脂５を２つの成形面形成用型２０，２１間にサンドイッチした状態で加圧成形する。成形後は、前述同様の処理を行う。

また、前記実施形態では、成形品と一体化した成形面形成用型を冷却する冷却手段９と、冷却手段９により冷却された成形面形成用型と一体化した成形品を金型４から取り出す取り出し手段１０と、取り出し手段１０で取り出した成形品に一体化した成形面形成用型を溶かして除去する除去手段１１と、を備えているが、成形品と一体化した成形面形成用型を冷却する冷却手段９と、冷却手段９で冷却した成形品と一体化した成形面形成用型を金型４内への水の供給により溶かして除去する除去手段１１と、除去手段１１で成形面形成用型を除去した成形品を取り出す取り出し手段１０と、を備えた構成であってもよい。また、成形品と一体化した成形面形成用型を冷却手段９で冷却中に除去手段１１で金型４内に水を供給して成形品に一体化した成形面形成用型を溶かして除去するようにしてもよい。つまり、冷却手段９による成形品及び一体化した成形面形成用型の冷却と除去手段１１による一体化した成形面形成用型の除去とを同時に行うようにしてもよい。

また、前記実施形態では、熱可塑性樹脂に繊維を入れて構成された熱可塑性繊維強化樹脂を成形したが、未硬化状態又は半硬化状態の熱硬化性樹脂を繊維に含浸させてなる熱硬化性繊維強化樹脂を成形してもよい。具体的には、熱硬化性繊維強化樹脂を構成する未硬化状態又は半硬化状態の熱硬化性樹脂を軟化温度以上に加熱することによって、軟化状態にした熱硬化性繊維強化樹脂を所望の形状に成形した後、熱硬化性樹脂を硬化温度以上（軟化温度よりも高い温度）に加熱して硬化させる。この場合、成形面形成用型の融点よりも硬化温度が低い熱硬化性樹脂を用いることになる。尚、熱硬化性樹脂としては、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂（ユリア樹脂）、不飽和ポリエステル樹脂、アルキド樹脂、ポリウレタン、熱硬化性ポリイミド等が挙げられる。

１…成形装置、２…下側加圧成形型、２Ａ…収容凹部、２ａ…表面、２Ｂ…成形凹部、２Ｋ…貫通孔、２Ｔ…セット部（加圧成形型用凸部）、２Ｖ…加圧成形型用突起、３…上側加圧成形型、３Ａ…収容凹部、３Ｓ…成形面、３Ｈ…凹部、４…金型、５…熱可塑性炭素繊維強化樹脂、５Ｔ…突起部、６，７…成形面形成用型（下側成形面形成用型、上側成形面成形用型）、６Ａ，７Ａ…成形面、６Ｂ，７Ｂ…凹部、８…成形手段、９…冷却手段、１０…取り出し手段、１１…除去手段、１２…中間部材、１３…棒部材、１４…可動部材、１５…成形品、１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｔ…突起部、１６，１７，１８，１９，２０，２１…成形面形成用型、１９Ａ…成形面形成用型用凹部、２０Ａ…型用第1凸部、２１Ｂ…型用第1凹部、２０ａ，２１ａ…基端部、２０ｂ，２１ｂ…突起部、Ｐ…脚部材

Claims

少なくとも一方が移動して接近離間可能な一対の加圧成形型を有する金型を備え、前記一対の加圧成形型のうちの少なくとも一方に、成形面を有する水溶性樹脂からなる成形面形成用型を備え、該成形面形成用型の成形面に該成形面形成用型の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂に繊維を入れて構成された熱可塑性繊維強化樹脂を配置した状態で該熱可塑性樹脂の融点以上でかつ該成形面形成用型の融点よりも低い温度で加熱するとともに前記少なくとも一方の加圧成形型の移動により加圧成形する成形手段と、該成形手段により成形された成形品と一体化した成形面形成用型を溶かして除去する除去手段と、を備えていることを特徴とする熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置。
前記一対の加圧成形型のうちの一方に前記成形面形成用型をセットするセット部を備え、該セット部が、一方の前記加圧成形型の表面から突出する加圧成形型用凸部から構成され、一方の前記加圧成形型にセットする前記成形面形成用型に該加圧成形型用凸部が入り込む成形面形成用型用凹部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置。
前記一対の加圧成形型の両方それぞれに、前記成形面形成用型を備え、一方の前記成形面形成用型が型用第１凸部を備え、他方の前記成形面形成用型が、前記型用第１凸部が入り込む型用第１凹部を備えていることを特徴とする請求項１に記載の熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置。
前記型用第１凸部は、フラット面を有する基端部と、該基端部から突出する突起部と、を備え、前記基端部の厚みと前記突起部の厚みが略同一であり、前記突起部の内部が中空に構成され、該突起部を備えた一方の前記成形面形成用型をセットする前記加圧成形型に該突起部の内部に入り込む加圧成形型用突起を備えていることを特徴とする請求項３に記載の熱可塑性繊維強化樹脂の成形装置
少なくとも一方が移動して接近離間可能な一対の加圧成形型を有する金型の少なくとも一方の加圧成形型に、成形面を有する水溶性樹脂からなる成形面形成用型を配置する型配置工程と、該型配置工程で配置された成形面形成用型の成形面に、該成形面形成用型の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂に繊維を入れて構成された熱可塑性繊維強化樹脂を配置する熱可塑性繊維強化樹脂配置工程と、該熱可塑性繊維強化樹脂配置工程で配置された熱可塑性繊維強化樹脂を、前記熱可塑性樹脂の融点以上でかつ前記成形面形成用型の融点よりも低い温度で加熱しつつ前記少なくとも一方の加圧成形型の移動により加圧成形する成形工程と、該成形工程後に成形された成形品と一体化した成形面形成用型を溶かして除去する除去工程と、を備えていることを特徴とする熱可塑性繊維強化樹脂の成形方法。