JP6572822B2

JP6572822B2 - 繊維強化熱可塑性樹脂構造体の製造方法

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Publication number: JP6572822B2
Application number: JP2016096174A
Authority: JP
Inventors: 清野　誉晃; 誉晃清野; 元晶大越
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-12
Filing date: 2016-05-12
Publication date: 2019-09-11
Anticipated expiration: 2036-05-12
Also published as: JP2017202640A

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、第１の繊維強化樹脂の周囲に第２の繊維強化樹脂を配置して繊維強化樹脂体を得る繊維強化樹脂体配置工程と、前記繊維強化樹脂体をプレス成形して前記基部を成形する基部成形工程と、前記基部の周囲に第３の繊維を含有する熱可塑性樹脂を射出して前記縁部を成形する縁部成形工程と、を有し、前記繊維強化樹脂体配置工程において、前記第１の繊維強化樹脂の周縁部に前記第２の繊維強化樹脂を前記第２の繊維強化樹脂中の繊維の配向方向が不規則になるように配置し、前記縁部成形工程において、前記第２の繊維強化樹脂中の繊維と前記第３の繊維とを絡ませ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、繊維配置工程と、基部成形工程と、縁部成形工程とを有している。

繊維強化樹脂体配置工程は、第１の繊維強化樹脂と該第１の繊維強化樹脂の周囲に第２の繊維強化樹脂を配置する工程である。第１および第２の繊維強化樹脂としては、たとえば、一対のポリプロピレンやポリアミドなどの熱可塑性樹脂からなる板状またはフィルム状のシートの間に強化用繊維を挟んだものを使用することができる。また繊維と樹脂粉末を混合して成形したもの、あるいは繊維シート表面に樹脂粉末を振り掛けて成形したもの等を用いることができる。

繊維強化樹脂体配置工程において、強化材として使用される繊維としては、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。第１の繊維強化樹脂に使用される繊維（以下、第１の繊維と表記する場合がある）としては、たとえば、第２の繊維強化樹脂に使用される繊維（以下、第２の繊維と表記する場合がある）よりも長さが長い長繊維や連続繊維を用いることができ、第２の繊維としては、たとえば、第１の繊維よりも長さが短い短繊維を用いることができる。また、第１の繊維としては、たとえば、シート状の繊維織物や繊維不織布を用いることができる。

繊維強化樹脂体配置工程では、まず、第１の繊維強化樹脂の周囲に第２の繊維強化樹脂を配置する。このとき、第２の繊維は、特定の方向に揃えることなく、不規則に配置される。より具体的には、たとえば、第２の繊維として５ｍｍ程度の長さに切断された比較的短い短繊維を用い、第１の繊維強化樹脂の周縁部に第２の繊維が散らばるように第２の繊維強化樹脂を配置する。このとき、第２の繊維の少なくとも一部が第１の繊維の端部に重なるように配置することが好ましい。

基部成形工程は、繊維強化樹脂体配置工程で得られた繊維強化樹脂体をプレスして基部を成形する工程であり、いわゆるスタンピング成形によって、スタンピング基材としての基部を成形する工程である。基部成形工程におけるスタンピング成形は、第１の繊維強化樹脂および第２の繊維強化樹脂に含まれる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である。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。繊維強化樹脂体の樹脂の流動性によっては、金型を加熱してもよい。

縁部成形工程は、基部成形工程で成形された基部の周囲に第３の繊維を含有する熱可塑性樹脂を射出して縁部を成形する工程である。縁部成形工程では、たとえば、基部成形工程で成形された基部をプレス成形した金型に第３の繊維を含有する熱可塑性樹脂を射出して縁部を形成する。

第３の繊維としては、たとえば、第１および第２の繊維強化樹脂に使用される繊維と同様の繊維を用いることができ、第２の繊維の長さよりも短い、たとえば１ｍｍから７ｍｍ程度の長さの短繊維を用いることができる。第３の繊維を含有する熱可塑性樹脂の射出速度は、たとえば、１００ｍｍ／ｓ以上の高速であることが好ましい。この縁部成形工程において、射出された樹脂によって基部の縁部と接触する部位を溶融させ、前工程で基部の周縁部に不規則に配置された第２の繊維と、射出された熱可塑性樹脂に含有された第３の繊維とを絡ませることができる。その後、基部の周囲に射出された第３の繊維を含有する熱可塑性樹脂を冷却させることで、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が製造される。

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第２繊維と、縁部を構成する熱可塑性樹脂に含有された第３繊維とが絡み合う。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に示す繊維強化樹脂体配置工程を説明する断面図。図３に示す繊維強化樹脂体配置工程を説明する断面図。図３に示す縁部成形工程に用いられる金型の概略図。

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。また、第１の繊維強化樹脂、第２の繊維強化樹脂からなる繊維強化樹脂体を製造する方法として、一対の熱可塑性樹脂シートの間に繊維を配置する方法を用いて説明するが、これは例示であって、この方法に限定されるものではない。

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と、周縁部の近傍に不規則に配置された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。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３の繊維１３を含有している。図２に示す例では、第１の繊維１１の長さが最も長く、第３の繊維１３の長さが最も短い。換言すると、第１の繊維１１の長さは、第２の繊維１２の長さよりも長く、第２の繊維１２の長さは、第３の繊維１３の長さよりも長い。

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、第２の繊維１２、および第３の繊維１３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および第２の繊維１２を含有し、縁部３が第３の繊維１３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の周縁部に不規則に配置された第２の繊維１２と、縁部３の第３の繊維１３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。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１００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１００は、主に、繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１と、基部成形工程Ｓ２と、縁部成形工程Ｓ３とを有している。

図４および図５は、図３に示す繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１を説明する断面図である。

繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１は、第１の熱可塑性樹脂シート２１と第２の熱可塑性樹脂シート２２との間に第１の繊維１１と第２の繊維１２を配置して樹脂シート積層体３０を得る工程である。繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１において積層される第１の熱可塑性樹脂シート２１および第２の熱可塑性樹脂シート２２としては、前述の熱可塑性樹脂からなる板状またはフィルム状のシートを用いることができる。

繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１では、まず、図４に示すように、第１の熱可塑性樹脂シート２１の上に第１の繊維１１を配置し、第１の熱可塑性樹脂シート２１の周縁部に第２の繊維１２を配置する。このとき、第２の繊維１２は、特定の方向に揃えることなく、不規則に配置される。

より具体的には、第１の繊維１１として、たとえば、縦横に連続する連続繊維または長繊維によって作られたシート状の繊維織物や繊維不織布を用い、第１の熱可塑性樹脂シート２１の上に第１の繊維１１を配置する。次に、第２の繊維１２として、たとえば、１５ｍｍ程度の長さに切断された短繊維を用い、第１の熱可塑性樹脂シート２１の周縁部に第２の繊維１２を散らばらせて配置する。このとき、第２の繊維１２の少なくとも一部が第１の繊維１１の端部に重なるように配置することが好ましい。

次に、図５に示すように、第１の繊維１１と第２の繊維１２が配置された第１の熱可塑性樹脂シート２１の上に、第２の熱可塑性樹脂シート２２を重ねて配置することで、樹脂シート積層体３０を得る。なお、繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１では、必要とされる樹脂構造体１の厚さに応じて、複数の樹脂シート積層体３０を積層させてもよい。

基部成形工程Ｓ２では、繊維強化樹脂体配置工程Ｓ１で得られた樹脂シート積層体３０を金型によってプレスして基部２を成形する。基部成形工程Ｓ２では、いわゆるスタンピング成形によって、スタンピング基材としての基部２を成形する。基部成形工程Ｓ２におけるスタンピング成形は、第１の熱可塑性樹脂シート２１および第２の熱可塑性樹脂シート２２をそ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である。

より具体的には、たとえば、第１の熱可塑性樹脂シート２１および第２の熱可塑性樹脂シート２２の材料である熱可塑性樹脂の融点近傍の温度（たとえば、ＰＡ６の場合には約２５０℃）に金型を加熱し、金型の間に樹脂シート積層体３０を配置してプレスする。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、大型の樹脂構造体１の成形が容易であり、長繊維の構造を破壊することなく基部２を成形でき、基部２の強度を向上させることができる利点がある。

図６は、図３に示す縁部成形工程Ｓ３に用いられる成形機２００の概略図である。

縁部成形工程Ｓ３では、たとえば、縦型プレス機に射出機構を備えた成形機２００を使用し、基部成形工程Ｓ２で成形された基部２の周囲に第３の繊維１３を含有する熱可塑性樹脂を射出して、縁部３を成形する。

より詳細には、まず、成形機２００の金型２０１，２０２を、基部２の材料である熱可塑性樹脂の融点よりも低い温度（たとえば、ＰＡ６の場合には約１５０℃）に加熱する。そして、加熱された金型２０１，２０２の間に、基部成形工程Ｓ２で成形された基部２を配置してプレス成形する。なお、基部２は、金型２０１，２０２の間に配置される前に、たとえばＩＲ加熱炉などにより、基部２の材料である熱可塑性樹脂の融点近傍の温度（たとえば、ＰＡ６の場合には約２５０℃）に加熱される。

金型２０１，２０２の型締めが完了した後、たとえば、第３の繊維１３を含有する熱可塑性樹脂のペレットを成形機２００のホッパー２０３に投入して加熱することにより可塑化させ、第３の繊維１３を含有する可塑化した熱可塑性樹脂を金型２０１，２０２内の基部２の周囲に射出する。熱可塑性樹脂のペレットとしては、たとえば７ｍｍ程度の長さに切断された炭素繊維を第３の繊維１３として含有するものを用いることができる。

金型２０１，２０２における射出ゲート２０４の位置は、図１に示すように、成形後の樹脂構造体１の基部２と縁部３の接合界面Ｂ近傍に設定することが好ましい。また、第３の繊維１３を含有する熱可塑性樹脂の射出速度は、１５０ｍｍ／ｓ以上の高速であることが好ましい。本実施形態の樹脂構造体の製造方法に用いられる成形機２００は、第３の繊維１３を含有する熱可塑性樹脂を、たとえば、２００ｍｍ／ｓで金型２０１，２０２内に射出する。

この縁部成形工程Ｓ３により、基部成形工程Ｓ２で基部２の周縁部に不規則に配置された第２の繊維１２と、射出された熱可塑性樹脂に含有された第３の繊維１３とを絡ませる。その後、基部２の周囲に射出された第３の繊維１３を含有する熱可塑性樹脂を冷却させることで、図１及び図２に示すように、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とを有する樹脂構造体１が製造される。

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１００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。したがって、本実施形態の樹脂構造体の製造方法１００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。たとえば、前述の実施形態では、一対の樹脂シート間に繊維成形体を挟むことで繊維強化樹脂体を成形する方法を説明したが、繊維と樹脂粉末を混合したものを成形したり、繊維成形体に樹脂粉末を振り掛けて成形したりすることでも本発明の作用効果が得られる。

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…第１の繊維、１２…第２の繊維、１３…第３の繊維、２１…第１の熱可塑性樹脂シート、２２…第２の熱可塑性樹脂シート、３０…樹脂シート積層体、１００…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…繊維強化樹脂体配置工程、Ｓ２…基部成形工程、Ｓ３…縁部成形工程

Claims

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、
第１の繊維強化樹脂の周囲に第２の繊維強化樹脂を配置して繊維強化樹脂体を得る繊維強化樹脂体配置工程と、前記繊維強化樹脂体をプレス成形して前記基部を成形する基部成形工程と、前記基部の周囲に第３の繊維を含有する熱可塑性樹脂を射出して前記縁部を成形する縁部成形工程と、を有し、
前記繊維強化樹脂体配置工程において、前記第１の繊維強化樹脂の周縁部に前記第２の繊維強化樹脂を前記第２の繊維強化樹脂中の繊維の配向方向が不規則になるように配置し、
前記縁部成形工程において、前記第２の繊維強化樹脂中の繊維と前記第３の繊維とを前記基部と前記縁部との接合界面の近傍において絡ませ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。