JP6604322B2

JP6604322B2 - 繊維強化樹脂成形体の製造方法

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Publication number: JP6604322B2
Application number: JP2016254857A
Authority: JP
Inventors: 雅弘三上
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-12-28
Filing date: 2016-12-28
Publication date: 2019-11-13
Anticipated expiration: 2036-12-28
Also published as: DE102017124305A1; US20180178414A1; JP2018103552A; US10688690B2

Description

本発明は繊維強化樹脂成形体の製造方法に関するものである。

熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化樹脂成形体(FRP）の製造方法は多岐に亘るが、その一つの成形方法として、特許文献１でも示すように、補強繊維材がマトリックス樹脂内に含有された成形材料（たとえば熱可塑性樹脂シートなど）を所望の三次元形状に成形する直前に十分に加熱し、軟化させた後にプレス成形をおこなう製造方法がある。

この製造方法においては、成形体を量産する観点から、生産サイクルタイムを考慮して、加熱炉への熱可塑性樹脂シートの搬送や加熱炉にて軟化された熱可塑性樹脂シートの加熱炉からの搬出の際に自動搬送トレイが用いられることが往々にしてある。より具体的には、複数のローラが間隔を置いて構成された搬送トレイ上に熱可塑性樹脂シートを載せて加熱炉へ搬送し、軟化した熱可塑性樹脂シートを載せた搬送トレイを加熱炉から搬出するものである。

このように熱可塑性樹脂シートを載せた搬送トレイの加熱炉への搬送と加熱炉からの搬出に当たり、熱可塑性樹脂シートに搬送トレイを構成するローラ痕が転写され、熱可塑性樹脂シートの機械物性を低下させたり、外観不良を齎す要因となることがある。そこで、特許文献２では、複数のローラが間隔を置いて配設されてなる搬送トレイに熱可塑性樹脂シートを載せ、熱可塑性樹脂シートが載せられた搬送トレイを加熱炉へ搬送し、加熱炉において、搬送トレイの少なくとも下方から提供される熱で熱可塑性樹脂シートを加熱した後、加熱炉から搬送トレイを搬出する熱可塑性樹脂シートの加熱方法に関し、加熱炉にて熱可塑性樹脂シートを加熱する前に搬送トレイを構成するローラを予備加熱しておく加熱方法が開示されている。

特開２０１４−１２４８３４号公報特開２０１６−０８３８４５号公報

特許文献２に開示の熱可塑性樹脂シートの加熱方法によれば、熱可塑性樹脂シートのうち、加熱炉内でローラにて熱の提供が阻害される部位においても熱の十分な提供をおこなうことができるため、ローラ痕の転写を抑制することができる。

ところで、熱可塑性樹脂シートのような繊維強化樹脂成形体前駆体を加熱炉内で加熱した際に、加熱炉内にあるヒータ等の加熱装置にて直接加熱される繊維強化樹脂成形体前駆体の表面は速やかに加熱される一方で、加熱装置にて直接加熱されない繊維強化樹脂成形体前駆体の内部は加熱され難く、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面の間で温度ムラが生じ易くなる。

このように温度ムラが生じた場合、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部が十分に加熱されるまでに長い時間を要するといった課題がある。また、この長い加熱時間の間に、既に十分に加熱された繊維強化樹脂成形体前駆体の表面が加熱され過ぎてしまい、所望の軟化状態を維持できないといった課題もある。すなわち、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部が所望の軟化状態になった際には、表面は軟らか過ぎる状態になっている。

本発明は上記する問題に鑑みてなされたものであり、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化樹脂成形体前駆体を加熱して軟化させ、成形型にて成形して繊維強化樹脂成形体を製造する方法において、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面の間の温度ムラを可及的に少なくすることのできる繊維強化樹脂成形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、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法は、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とし、導電性の繊維材が含有された繊維強化樹脂成形体前駆体を、電極を兼ねた一対の把持具で把持した状態で、加熱装置を備えた加熱炉内に収容し、前記電極から前記繊維強化樹脂成形体前駆体に通電しながら前記加熱装置を稼働して前記繊維強化樹脂成形体前駆体を軟化させる第一のステップ、軟化した前記繊維強化樹脂成形体前駆体を前記把持具にて成形型へ搬送し、該成形型にて繊維強化樹脂成形体を成形する第二のステップからなるものである。

本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法は、加熱炉の加熱装置で繊維強化樹脂成形体前駆体を加熱することに加えて、繊維強化樹脂成形体前駆体を電極を兼ねた一対の把持具で把持し、電極から繊維強化樹脂成形体前駆体に通電することにより、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部は、導電性の繊維材に通電した際に繊維材の電気抵抗に起因して繊維材が発熱することで加熱され、繊維強化樹脂成形体前駆体の表面は加熱炉の加熱装置で加熱されることにより、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面を同時に加熱することを可能としたものである。

このように、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面を同時に加熱することで、繊維強化樹脂成形体前駆体の加熱時間を可及的に短くすることができ、さらには、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面の間の温度ムラを可及的に少なくすることができる。

ここで、「繊維強化樹脂成形体前駆体」とは、成形型にて繊維強化樹脂成形体が成形される前の熱可塑性樹脂シートや熱可塑性樹脂板材等を意味しており、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とし、このマトリックス樹脂内に導電性の繊維材が含有された部材のことである。

導電性の繊維材には、たとえば炭素繊維や金属繊維等の導電性の長繊維や短繊維、連続繊維などが適用されるが、マトリックス樹脂内での繊維材の適度な絡み合いを実現するべく、長繊維が適用されるのが好ましい。マトリックス樹脂内で繊維材が適度に絡み合い、マトリックス樹脂内で絡み合った繊維材間を通電することで、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部が万遍なく加熱される。

また、マトリックス樹脂内で繊維材が適度に絡み合っていることにより、第一のステップにて繊維強化樹脂成形体前駆体が軟化した状態でも、軟化した繊維強化樹脂成形体前駆体の形状を保持することができ、把持具での把持を継続することができる。

「電極を兼ねた一対の把持具」は、たとえば天井に設けられたレールに沿って移動でき、一対の把持具が繊維強化樹脂成形体前駆体を把持した状態で加熱炉に到達すると、加熱炉の正面扉が開き、加熱炉の天井面に設けられた二条の溝に一対の把持具が貫通した状態でレールに沿って移動し、加熱炉の所定位置で一対の把持具が停止し、加熱装置と電極間通電による繊維強化樹脂成形体前駆体の表面と内部の同時加熱が実行される。

繊維強化樹脂成形体前駆体が所望に軟化されたら、加熱装置の後ろ扉が開き、一対の把持具がレールに沿って移動しながら繊維強化樹脂成形体前駆体が加熱炉から取り出される。

たとえばレールの終点に成形型があり、一対の把持具がレールに沿って移動して成形型まで繊維強化樹脂成形体前駆体を移載し、成形型内に繊維強化樹脂成形体前駆体を収容することができる。

また、このように天井のレールに沿って一対の把持具が移動する形態の他にも、たとえばロボットアームに一対の把持具が取り付けられ、ロボットアームを駆動して一対の把持具の加熱炉内への移動や成形型への移動を実行してもよい。

軟化している繊維強化樹脂成形体前駆体は成形型のキャビティに移載され、熱間成形等されることにより、所望形状の繊維強化樹脂成形体が製造される。

また、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法の好ましい実施の形態は、前記第二のステップにおいて、前記繊維強化樹脂成形体前駆体を前記把持具にて前記成形型へ搬送している際にも、前記電極から前記繊維強化樹脂成形体前駆体への通電を継続するものである。

繊維強化樹脂成形体前駆体を加熱炉から成形型へ搬送している際にも、繊維強化樹脂成形体前駆体への通電による加熱を継続することで、軟化した状態の繊維強化樹脂成形体前駆体の温度を保持することができる。

また、本発明による繊維強化樹脂成形体の製造方法の他の実施の形態は、前記加熱装置が前記加熱炉の少なくとも上方位置と下方位置にあり、前記第一のステップでは、上下の該加熱装置の間に前記繊維強化樹脂成形体前駆体が載置され、加熱されるものである。

ここで、「少なくとも上方位置と下方位置」とは、上方位置と下方位置に加熱装置がある形態の他、上方位置と下方位置に加えて加熱炉の各側面にも加熱装置がある形態などを包含する意味である。加熱炉内において、上下の加熱装置の間に繊維強化樹脂成形体前駆体が載置されて加熱されることで、繊維強化樹脂成形体前駆体の表面全体を万遍なく、しかも可及的均一に加熱することができる。

特に、前記繊維強化樹脂成形体前駆体が平坦なシート状もしくは平坦な板状を呈している場合は、上方位置と下方位置にある前記加熱装置が前記加熱炉内で相互に平行に配設されていて、前記第一のステップでは、上下の前記加熱装置に対して平行に前記繊維強化樹脂成形体前駆体が載置され、加熱されることにより、繊維強化樹脂成形体前駆体の表面全体のより一層均一な加熱が実現される。なお、「シート状」とは厚みが比較的薄い平坦部材（たとえば厚みが10mm以下）を意味しており、「板状」とはシート状よりも厚みが比較的厚い平坦部材（たとえば厚みが10mm超）を意味している。

以上の説明から理解できるように、本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法によれば、加熱炉の加熱装置で繊維強化樹脂成形体前駆体を加熱することに加えて、繊維強化樹脂成形体前駆体を電極を兼ねた一対の把持具で把持し、電極から繊維強化樹脂成形体前駆体に通電することにより、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面を同時に加熱することができる。そのため、繊維強化樹脂成形体前駆体の加熱時間を可及的に短くすることができ、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部と表面の間の温度ムラを可及的に少なくすることができる。

本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の第一のステップを説明した模式図である。図１に続いて製造方法の第一のステップを説明した模式図である。本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の第二のステップを説明した模式図である。図３に続いて、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に、製造方法の第二のステップを説明した模式図である。

以下、図面を参照して本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態を説明する。なお、図示例は、一対の把持具が天井に設けられたレールに沿って移動する形態を示しているが、図示例以外にも、たとえばロボットハンドにて一対の把持具の移載がおこなわれる形態等、他の移載形態が適用されてもよいことは勿論のことである。

（繊維強化樹脂成形体の製造方法の実施の形態）
図１、２はその順に、本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の第一のステップを説明した模式図であり、図３は本発明の繊維強化樹脂成形体の製造方法の第二のステップを説明した模式図であり、図４は図３に続いて、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）の順に、製造方法の第二のステップを説明した模式図である。

図示する製造方法は、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂Ｗａとし、導電性の繊維材Ｗｂが含有された繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを加熱炉１内で（予備）加熱した後、成形型２にて成形して繊維強化樹脂成形体Ｗ’（図４（ｄ）参照）を製造する方法である。

加熱炉１とこの加熱炉１から離れた位置にある成形型２に亘る天井には、二条の吊りレール３が配設されている。

吊りレール３は断面逆Ｔの字状を呈して吊持されており、左右のフランジ上に二つで一組のローラ４ａが移動するようになっている。

二条の吊りレール３の幅方向に延びるフレーム４ｂの左右端部にそれぞれ、一組のローラ４ａが回転自在に取り付けられている。

これらのローラ４ａには不図示の駆動用サーボモータが内蔵されており、このサーボモータには管理者から送信される駆動ＯＮ／ＯＦＦ指令信号を受信する受信部が内蔵されており、サーボモータが駆動ＯＮ指令信号を受信するとローラ４ａが回転駆動し、駆動ＯＦＦ指令信号を受信するとローラ４ａの回転駆動が停止するようになっている。

フレーム４ｂの左右端にはそれぞれ、略Ｌの字状の一対の把持具５がＬの字状の先端を相手側に向けた姿勢で取り付けられている。

より具体的には、各把持具５は不図示のスライド機構を介してフレーム４ｂに対して水平方向にスライド自在に取り付けられており（Ｚ方向）、図示する繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを把持する際に双方の把持具５がスライドして繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの左右端を把持するようになっている。

二つの把持具５は一対の電極を兼ねており、二つの把持具５の上端には回路６ａ用の導線が接続され、回路途中に電源６ｂが介在している。なお、この回路６ａには不図示のＯＮ／ＯＦＦスイッチが介在しており、管理者からのＯＮ指令信号をスイッチが受信すると回路がＯＮ制御され、一対の電極である把持具５間が通電可能となる。

ここで、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗは導電性の繊維材Ｗｂを含有していることから、一対の電極である把持具５に提供された電流は繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部を導電性の繊維材Ｗｂを介して通電することが可能である。

ここで、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗは熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂Ｗａとし、導電性の繊維材Ｗｂが含有され、表面が平坦なシート状を呈している。

繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを形成するマトリックス樹脂の素材としては、ポリエチレン(PE)やポリプロピレン(PP)、ポリアミド(PA：ナイロン6、ナイロン66など)、ポリアセタール(POM)、ポリエチレンテレフタレート(PET)などの結晶性プラスチック、ポリスチレン(PS)、ポリ塩化ビニル(PVC)、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ABS樹脂、熱可塑性エポキシなどの非結晶性プラスチックなどのうちのいずれか一種もしくはそれらの二種以上を混合したものを挙げることができる。

一方、繊維材Ｗｂの素材としては、炭素繊維等の無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維など、導電性を有する一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。ここで、繊維材Ｗｂには、長繊維や短繊維、連続繊維などが適用されるが、マトリックス樹脂Ｗａ内での繊維材Ｗｂの適度な絡み合いを実現するべく、長繊維が適用されるのが好ましい。マトリックス樹脂Ｗａ内で繊維材Ｗｂが適度に絡み合い、マトリックス樹脂Ｗａ内で絡み合った繊維材Ｗｂ間を通電することで、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部が万遍なく加熱されることになる。

図１で示すように、電極を兼ねた一対の把持具５で繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを把持し、レール３に沿ってローラ４ａが移動することにより、加熱炉１まで繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗが搬送される。

加熱炉１は、スライド開閉自在な正面扉１ａ（Ｙ１方向）とスライド開閉自在な後ろ扉１ｂ（Ｙ２方向）を備え、さらに、天井には二本の把持具５が通過自在な二つの溝条１ｃが開設されている。

加熱炉１の正面扉１ａが開き、ローラ４ａの移動に伴って一対の把持具５が溝条１ｃを通過しながら加熱炉１内に入り、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの加熱炉１内への搬送がおこなわれ、正面扉１ａが閉じる。

図２で示すように、加熱炉１内では、その上下位置において、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの面積以上の面積を有する加熱装置１ｄが相互に平行に配設されており、一対の把持具５で把持された繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗもこれら上下の加熱装置１ｄに対して平行に位置決めされる。なお、加熱装置１ｄとしては、ＩＲヒータや熱風発生器などが挙げられる。また、図示を省略するが、加熱炉１の側面内部にも加熱装置が取り付けられていてもよいが、図示例のようにシート状の繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの表面加熱においては、上下の加熱装置１ｄによる加熱で必要十分である。

加熱炉１内において、加熱装置１ｄを稼働して繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの表面を加熱するのと同時に、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを把持している電極を兼ねた一対の把持具５間に通電する。このことにより、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部にある導電性の繊維材Ｗｂに通電して繊維材Ｗｂがその電気抵抗に基づいて発熱し、この発熱によって繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部も加熱され、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの表面と内部の同時加熱が実行される。

ここで、加熱炉１内では、相互に平行な上下の加熱装置１ｄにて、これらに平行な姿勢に保持された繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗが加熱されることから、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの表面全体が均等に加熱され、表面全体で温度ムラがない状態で加熱がおこなわれる。

一方、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部も通電加熱されることから、加熱された状態の表面と内部での温度ムラが可及的に低減される。なお、予め試験加熱をおこなっておき、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの表面と内部で温度ムラのない状態を形成できる、加熱装置１ｄの加熱条件と電源６ｂからの通電条件を求めておき、好適な条件の下で加熱と通電を実行するのが好ましい。

このように、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂Ｗａとし、導電性の繊維材Ｗｂが含有された繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを、電極を兼ねた一対の把持具５で把持した状態で加熱装置１ｄを備えた加熱炉１内に収容し、電極から繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗに通電しながら加熱装置１ｄを稼働して、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗをその表面と内部から同時に軟化させる（以上、第一のステップ）。

繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗが所望に軟化したら、加熱装置１ｄによる加熱を停止し、図３で示すように加熱炉１の後ろ扉１ｂを開き（Ｙ２方向）、ローラ４ａを駆動し、軟化した状態の繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを把持具５にて把持された状態で加熱炉１の外部へ搬送する。

吊りレール３の前方には成形型２が配設されており、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗは一対の把持具５にて把持された状態で成形型２まで搬送されるが、図示する製造方法では、この搬送過程においても、電源６ｂから軟化している状態の繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗへの通電を継続する。

このように、加熱炉１内での一対の把持具５からの繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗへの通電を、加熱炉１から成形型２までの搬送過程でも継続することにより、所望に軟化した繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗがこの搬送過程で温度低下し、成形型２内へ移載された際に所望の軟化状態が保持されていないといった問題を効果的に解消することができる。

なお、搬送時間が極めて短く、加熱炉１から成形型２までの搬送過程で軟化した状態の繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの軟化状態が所望の状態に保持できる場合には、上記する搬送過程での通電継続は必ずしも必要ない。

一対の把持具５にて把持された繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗが成形型２まで搬送されたら、図４（ａ）で示すように成形型２を構成する上型２Ａと下型２Ｂを型開きし、双方の間に繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを移載する。

次に、図４（ｂ）で示すように把持具５による繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの把持を解除し、図４（ｃ）で示すように上型２Ａと下型２Ｂを型閉めしてプレス成形する（プレスＰ）。

プレス成形後、上型２Ａと下型２Ｂを型開きすることで、成形された繊維強化樹脂成形体Ｗ’が成形型２から脱型され、繊維強化樹脂成形体Ｗ’が製造される（以上、第二のステップ）。

図示する繊維強化樹脂成形体の製造方法によれば、第一のステップにおいて、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部と表面を同時に加熱することができるため、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの内部と表面の間の温度ムラを可及的に少なくすることができ、繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの加熱時間を可及的に短くすることができ、製造時間を大幅に短縮することができる。そのため、従来の製造方法のように、繊維強化樹脂成形体前駆体の内部が十分に加熱されるまでに長い時間を要し、この長い加熱時間の間に、既に十分に加熱された繊維強化樹脂成形体前駆体の表面が加熱され過ぎてしまい、所望の軟化状態を維持できないといった課題は生じ得ない。

さらに、第二のステップでは、加熱炉１から成形型２までの搬送過程においても軟化した状態の繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗへの通電を継続することで、搬送過程における繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗの温度低下を抑制でき、所望の軟化状態の繊維強化樹脂成形体前駆体Ｗを成形型２へ移載して成形工程に移行することができる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、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…加熱炉、１ａ…正面扉、１ｂ…後ろ扉、１ｃ…溝条、１ｄ…加熱装置、２…成形型、２Ａ…上型、２Ｂ…下型、３…吊りレール、４ａ…ローラ、４ｂ…フレーム、５…把持具（電極兼用把持具）、６ａ…回路、６ｂ…電源、Ｗ…繊維強化樹脂成形体前駆体、Ｗ’… 繊維強化樹脂成形体、Ｗａ… マトリックス樹脂、Ｗｂ…繊維材

Claims

熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とし、導電性の繊維材が含有された繊維強化樹脂成形体前駆体を、電極を兼ねた一対の把持具で把持した状態で、加熱装置を備えた加熱炉内に収容し、前記電極から前記繊維強化樹脂成形体前駆体に通電しながら前記加熱装置を稼働して前記繊維強化樹脂成形体前駆体を軟化させる第一のステップ、
軟化した前記繊維強化樹脂成形体前駆体を前記把持具にて成形型へ搬送し、該成形型にて繊維強化樹脂成形体を成形する第二のステップからなり、
前記加熱装置が前記加熱炉の少なくとも上方位置と下方位置にあり、前記第一のステップでは、上下の該加熱装置の間に前記繊維強化樹脂成形体前駆体が載置され、加熱され、
前記繊維強化樹脂成形体前駆体が平坦なシート状もしくは平坦な板状を呈しており、
上方位置と下方位置にある前記加熱装置が前記加熱炉内で相互に平行に配設されており、
前記第一のステップでは、上下の前記加熱装置に対して平行に前記繊維強化樹脂成形体前駆体が載置され、加熱される、繊維強化樹脂成形体の製造方法。
前記第二のステップにおいて、前記繊維強化樹脂成形体前駆体を前記把持具にて前記成形型へ搬送している際にも、前記電極から前記繊維強化樹脂成形体前駆体への通電を継続する、請求項１に記載の繊維強化樹脂成形体の製造方法。