JP6569593B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂からなる構造体の製造方法に関する。

従来から繊維を含有する熱可塑性樹脂を成形する方法、および、それに使用される成形装置に関する発明が知られている（下記特許文献１を参照）。特許文献１は、繊維を含有する熱可塑性樹脂からなる基材を用いて、板状部および当該板状部の少なくとも一方の面から突出する突出部を有する成形品を製造する方法を開示している。この方法は、プレス段階と射出補充段階とを有する（同文献の請求項１を参照）。

前記プレス段階では、前記板状部の肉厚のうちの一部に対応する分量の前記基材が加熱された被加熱基材をプレスすることによって、前記板状部の肉厚のうちの一部に該当するプレス成形部を形成する。前記射出補充段階では、前記板状部の肉厚のうちの残部および前記突出部に該当する部分について、溶融状態の熱可塑性樹脂を射出して補充することによって、射出補充成形部を形成する。

特開２０１４−１７２２７９号公報

前記従来の方法では、プレス成形部を形成する基材に含有された繊維と、射出補充成形部を形成する基材に含有された繊維とが、プレス成形部と射出補充成形部との界面で絡み合うことがない。そのため、プレス成形部と射出補充成形部との界面において、成形品の強度が低下するおそれがある。

本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであり、繊維を含有する熱可塑性樹脂からなる繊維強化熱可塑性樹脂構造体の強度を向上させることができる該構造体の製造方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法は、基部と該基部に接して成形された縁部とを有する繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法であって、前記基部の基材として繊維を含む熱可塑性樹脂からなるスタンピング基材を用い、プレス成形のための加熱によるスプリングバックで全体的に前記繊維が拡張した前記スタンピング基材の内側部分をプレスし、該スタンピング基材の外側部分をプレスしないことにより該外側部分の前記繊維を前記内側部分の前記繊維よりもプレス方向に相対的に拡張した状態にするプレス工程と、前記スタンピング基材の前記外側部分の周囲に繊維を含む熱可塑性樹脂を射出する射出工程と、前記スタンピング基材の前記外側部分およびその周囲の前記熱可塑性樹脂を加圧する加圧工程と、を有することを特徴とする。

本発明の製造方法によって製造される繊維強化熱可塑性樹脂構造体は、高い強度を有することから、たとえば、フロントエンドリテーナーやシートシェルなどの自動車用の構造体として用いることができる。本発明の製造方法は、主に、プレス工程と、射出工程と、加圧工程とを有している。

プレス工程では、繊維強化熱可塑性樹脂構造体の基部の基材として繊維を含む熱可塑性樹脂からなるスタンピング基材を用いる。スタンピング基材は、たとえば、樹脂シートと繊維をスタンピング成形することによって製作することができる。より具体的には、スタンピング基材は、たとえば、熱可塑性樹脂シートの間に繊維を配置した積層体を、熱可塑性樹脂の融点以上または流動可能温度以上の温度に加熱してプレス成形するホットフロースタンピングによって製作することができる。

スタンピング成形は、射出成形と比較して、成形圧力が小さく、大型の構造体の成形が容易であり、長繊維の構造を破壊することなく構造体を成形でき、構造体の強度を向上させることができる利点がある。スタンピング基材に含まれる繊維としては、たとえば、ガラス繊維、アルミナ繊維、炭素繊維、有機繊維、または、これらを２種以上混合した繊維を用いることができる。また、スタンピング基材に含まれる繊維としては、たとえば、縁部に含まれる繊維よりも長い長繊維を用いることができ、シート状の繊維織物や繊維不織布を用いることもできる。

プレス工程では、プレス成形のための加熱によるスプリングバックで膨らんだスタンピング基材の内側部分をプレスする。より具体的には、たとえば、上下に配置された金型の温度を、スタンピング基材を構成する熱可塑性樹脂の融点よりも低い所定の温度に加熱し、スタンピング基材の外側部分すなわち周縁部を除く内側部分を、加熱された上下の金型の間でプレスする。スタンピング基材の外側部分はプレスされないので、スプリングバックにより繊維間が拡張された状態になっている。

射出工程では、プレス工程によって繊維がプレス方向に拡張されたスタンピング基材の外側部分の周囲に、繊維を含む熱可塑性樹脂を射出する。より具体的には、たとえば、プレス工程に用いた金型のキャビティに、繊維強化熱可塑性樹脂構造体の縁部を構成する熱可塑性樹脂であって繊維を含むものを、その熱可塑性樹脂の融点以上または流動可能温度以上の温度に加熱して射出する。なお、スタンピング基材の外側部分はプレスされないので、金型によって温度が下がることがなく、樹脂が溶けた状態のままであり、そこに射出した樹脂が入り込む。

射出工程で射出する熱可塑性樹脂に含まれる繊維は、たとえば、プレス工程で用いるスタンピング基材に含まれる繊維と同様の繊維を用いることができ、スタンピング基材に含まれる繊維よりも短い短繊維を用いることができる。射出工程で射出する熱可塑性樹脂に含まれる繊維の長さは、たとえば、１ｍｍから７ｍｍ程度の長さにすることができる。射出工程において、スタンピング基材の外側部分の周囲に射出された繊維を含む熱可塑性樹脂は、たとえば、スタンピング基材の外側部分の拡張された繊維の間に入り込む。

加圧工程では、たとえば、射出工程で射出された繊維を含む熱可塑性樹脂が拡張された繊維の間に入り込んだスタンピング基材の外側部分およびその周囲の熱可塑性樹脂を加圧して、繊維強化熱可塑性樹脂構造体を成形する。そして、金型内で熱可塑性樹脂の冷却が完了した後に、成形された繊維強化熱可塑性樹脂構造体を金型から取り出す。

加圧工程では、たとえば、射出工程で射出された繊維を含む熱可塑性樹脂が固化する前に、たとえば、上下の金型に設けられたコアによって、スタンピング基材の外側部分およびその周囲の熱可塑性樹脂を加圧する。これにより、スタンピング基材の外側部分の繊維とその周囲に射出された熱可塑性樹脂に含まれる繊維とが絡み合い、成形された繊維強化熱可塑性樹脂構造体の基部と縁部との接合強度が向上する。さらに、基部と縁部との接合界面における接触面積が増加することによるアンカー効果によっても、繊維強化熱可塑性樹脂構造体の基部と縁部との接合強度が向上する。

以上の説明から理解できるように、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法によれば、基部と該基部に接して成形された縁部との接合界面において、基部を構成する熱可塑性樹脂に含有された繊維と、縁部を構成する熱可塑性樹脂に含有された繊維とが絡み合う。また、基部と縁部との接合界面における接触面積が増加することによるアンカー効果が得られる。したがって、本発明の繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法によれば、基部と縁部の接合強度を向上させ、繊維を含有する熱可塑性樹脂からなる繊維強化熱可塑性樹脂構造体の強度を向上させることができる。

繊維強化熱可塑性樹脂構造体の一例を示す平面図。 図１のII-II線に沿う繊維強化熱可塑性樹脂構造体の拡大断面図。 本発明の実施形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法のフロー図。 図３に示すプレス工程を説明する断面図。 図３に示すプレス工程を説明する断面図。 図３に示す射出工程を説明する断面図。 図３に示す加圧工程を説明する断面図。

以下、図面を参照して本発明に係る繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法の一実施形態を説明する。以下の説明では、繊維強化熱可塑性樹脂構造体を「樹脂構造体」と略称する。

図１は、本実施形態の樹脂構造体の製造方法によって製造される樹脂構造体１の一例を示す平面図である。

本実施形態の樹脂構造体の製造方法によって製造される樹脂構造体１は、繊維強化熱可塑性樹脂からなる基部２と、該基部２に接して成形された繊維強化熱可塑性樹脂からなる縁部３とを有する。縁部３は、たとえば、基部２の周縁部に沿って基部２の周囲に枠状に形成されている。樹脂構造体１の縁部３には、たとえば、ボルトなどの締結部材を挿通させる貫通孔３ａが形成されている。

図２は、図１に示すII-II線に沿う樹脂構造体１の拡大断面図である。

樹脂構造体１の基部２は、たとえば、比較的に長さの長い長繊維である第１の繊維１１を含有している。樹脂構造体１の縁部３は、基部２との接合界面Ｂの近傍において第２の繊維１２と絡み合う比較的に長さの短い短繊維である第２の繊維１２を含有している。図２に示す例では、第１の繊維１１の長さは、第２の繊維１２の長さよりも長くなっている。

樹脂構造体１の基部２および縁部３を構成する熱可塑性樹脂としては、たとえば、ポリプロピレン、ポリエチレン、アクリル、スチレン‐ブタジエン‐アクリロニトリル共重合体、ポリスチレン、ナイロン等のポリアミド、ポリ塩化ビニル、ポリカーボネート、スチレン−ブタジエン共重合体などの一般的な熱可塑性樹脂や、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリアミドイミド、ポリエーテルエーテルケトンなどのエンジニアリングプラスチックを用いることができる。第１の繊維１１および第２の繊維１２としては、たとえば、ガラス繊維、アルミナ繊維、炭素繊維、有機繊維、または、これらを２種以上混合した繊維を用いることができる。

樹脂構造体１は、基部２が第１の繊維１１を含有し、縁部３が第２の繊維１２を含有することで、基部２と縁部３を構成する熱可塑性樹脂が繊維強化され、基部２と縁部３がそれぞれ高い強度を有する。さらに、基部２の周縁部の第１の繊維１１の端部と、縁部３の第２の繊維１２とが、基部２と縁部３の接合界面Ｂの近傍において絡み合うことで、基部２と縁部３の接合界面Ｂの近傍においても高い強度を有する。さらに、基部２と縁部３の接合界面Ｂにおける接触面積が増加することによるアンカー効果が得られる。このような樹脂構造体１は、たとえば、フロントエンドリテーナーやシートシェルなどの自動車用の構造体として用いることができる。

図３は、本実施形態の樹脂構造体の製造方法Ｓ１００の各工程を示すフロー図である。

本実施形態の樹脂構造体の製造方法Ｓ１００は、主に、プレス工程Ｓ１と、射出工程Ｓ２と、加圧工程Ｓ３とを有している。

図４および図５は、図３に示すプレス工程Ｓ１を説明する断面図である。

プレス工程Ｓ１では、樹脂構造体１の基部２の基材として、第１の繊維１１を含む熱可塑性樹脂からなるスタンピング基材２０を用いる。スタンピング基材２０は、たとえば、樹脂シートと第１の繊維１１をスタンピング成形することによって製作することができる。より具体的には、スタンピング基材２０は、たとえば、熱可塑性樹脂シートの間に第１の繊維１１を配置した積層体を、熱可塑性樹脂の融点以上または流動可能温度以上の温度に加熱してプレス成形するホットフロースタンピングによって製作することができる。

スタンピング成形は、射出成形と比較して、成形圧力が小さく、大型の構造体の成形が容易であり、長繊維である第１の繊維１１の構造を破壊することなくスタンピング基材２０を成形でき、スタンピング基材２０の強度を向上させることができる利点がある。

プレス工程Ｓ１では、図４および図５に示すように、金型１００の上型１０１と下型１０２の間にスタンピング基材２０を配置して加熱およびプレスする。プレス工程Ｓ１の前に、スプリング基材２０を、たとえばＩＲ加熱炉によってその構成材料である熱可塑性樹脂の融点近傍の温度に加熱する。スタンピング基材２０を構成する熱可塑性樹脂が、たとえばＰＡ６である場合には、スタンピング基材２０の加熱温度は約２５０℃である。このように加熱することによりスプリングバックが起こり、スタンピング基材２０の繊維間が拡張する。その状態で、スタンピング基材２０の外縁部よりも内側の内側部分２１をプレス成形し、スタンピング基材２０の外縁部である外側部分２２をプレス成形しないことにより、外側部分２２の第１の繊維１１を、内側部分２１の第１の繊維１１よりも相対的にプレス方向に拡張した状態にする。プレス時の上型１０１と下型１０２は、たとえば、約１５０℃の温度に加熱することができる。

金型１００において、上型１０１は、たとえば上下に移動可能な上コア１０３を有し、下型１０２は、たとえば上下に移動可能な下コア１０４を有している。また、図示は省略するが、金型１００は、後述する射出工程Ｓ２において、上型１０１と下型１０２との間のキャビティに、第２の繊維１２を含む熱可塑性樹脂３０を射出する射出機構を備えている。

プレス工程Ｓ１では、たとえば、上型１０１の上コア１０３を上方に退避させ、下型１０２の下コア１０４を下方に退避させる。そして、スタンピング基材２０の外側部分２２を、たとえば、退避させた上コア１０３と下コア１０４との間に配置し、スタンピング基材２０の内側部分２１を、たとえば、金型１００の上型１０１と下型１０２の間に配置してプレスする。

これにより、スタンピング基材２０の内側部分２１において、加熱に伴うスプリングバックでプレス方向に拡張された第１の繊維１１は、たとえば熱可塑性樹脂とともにプレス方向に圧縮され、密度が向上する。一方、スタンピング基材２０の外側部分２２はプレスされないため、第１の繊維１１は、図５に示すようにプレス方向に拡張されたままであり、密度は向上しない。

射出工程Ｓ２では、図６に示すように、プレス工程Ｓ１によって第１の繊維１１がプレス方向に拡張されたスタンピング基材２０の外側部分２２の周囲に、第２の繊維１２を含む熱可塑性樹脂３０を射出する。より具体的には、たとえば、プレス工程Ｓ１に用いた金型１００のキャビティに、樹脂構造体１の縁部３を構成する熱可塑性樹脂３０であって第２の繊維１２を含むものを、その熱可塑性樹脂３０の融点以上または流動可能温度以上の温度に加熱して射出する。

射出工程Ｓ２で射出する熱可塑性樹脂３０に含まれる第２の繊維１２は、たとえば、プレス工程Ｓ１で用いるスタンピング基材２０に含まれる第１の繊維１１と同様の繊維を用いることができる。また、第２の繊維１２は、第１の繊維１１よりも短い短繊維を用いることができる。第２の繊維１２の長さは、たとえば、７ｍｍ程度の長さにすることができる。射出工程Ｓ２において、スタンピング基材２０の外側部分２２の周囲に射出された第２の繊維１２を含む熱可塑性樹脂３０は、たとえば、スタンピング基材２０の外側部分２２の拡張された第１の繊維１１の間に入り込む。

加圧工程Ｓ３では、たとえば、拡張された第１の繊維１１の間に第２の繊維１２を含む熱可塑性樹脂３０が入り込んだ状態のスタンピング基材２０の外側部分およびその周囲の熱可塑性樹脂３０を、図７に示すように加圧して、樹脂構造体１を成形する。そして、金型１００内で熱可塑性樹脂３０の冷却が完了した後に、成形された樹脂構造体１を金型から取り出す。

加圧工程Ｓ３では、たとえば、射出工程Ｓ２で射出された第２の繊維１２を含む熱可塑性樹脂３０が固化する前に、たとえば、上型１０１に設けられた上コア１０３と下型１０２に設けられた下コア１０４とによって、スタンピング基材２０の外側部分２２およびその周囲の熱可塑性樹脂３０を加圧する。これにより、スタンピング基材２０の外側部分２２の第１の繊維１１とその周囲に射出された熱可塑性樹脂３０に含まれる第２の繊維１２とが絡み合い、成形された樹脂構造体１の基部２と縁部３との接合強度が向上する。さらに、基部２と縁部３との接合界面Ｂにおける接触面積が増加することによるアンカー効果によっても、樹脂構造体１の基部２と縁部３との接合強度が向上する。

以上説明したように、本実施形態の樹脂構造体の製造方法Ｓ１００によれば、基部２と、該基部２に接して成形された縁部３との接合界面Ｂにおいて、基部２を構成する熱可塑性樹脂に含有された第２の繊維１２と、縁部３を構成する熱可塑性樹脂に含有された第３の繊維１３とが絡み合う。また、基部２と縁部３との接合界面Ｂにおける接触面積が増加することによるアンカー効果が得られる。したがって、本実施形態の樹脂構造体１の製造方法Ｓ１００によれば、基部２と縁部３の接合強度を向上させ、繊維強化熱可塑性樹脂からなる樹脂構造体１の強度を向上させることができる。

以上、図面を用いて本発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

１…樹脂構造体（繊維強化熱可塑性樹脂構造体）、２…基部、３…縁部、１１…繊維、１２…繊維、２０…スタンピング基材、２１…内側部分、２２…外側部分、３０…熱可塑性樹脂、Ｓ１００…樹脂構造体の製造方法（繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法）、Ｓ１…プレス工程、Ｓ２…射出工程、Ｓ３…加圧工程

Claims (1)

1. 基部と該基部に接して成形された縁部とを有する繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法であって、
   前記基部の基材として繊維を含む熱可塑性樹脂からなるスタンピング基材を用い、プレス成形のための加熱によるスプリングバックで全体的に前記繊維が拡張した前記スタンピング基材の外縁部よりも内側の内側部分をプレスし、該スタンピング基材の前記外縁部をプレスしないことにより前記外縁部の前記繊維を前記内側部分の前記繊維よりもプレス方向に相対的に拡張した状態にするプレス工程と、
   前記スタンピング基材の前記外縁部の周囲に繊維を含む熱可塑性樹脂を射出する射出工程と、
   前記スタンピング基材の前記外縁部およびその周囲の前記熱可塑性樹脂を加圧する加圧工程と、を有することを特徴とする繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法。

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