JP6717060B2 - 射出成形用金型および射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、射出成形用金型および射出成形方法に関する。

合成樹脂、いわゆるプラスチックを製品形状に形成する方法として射出成形法が一般的に知られている。射出成形法とは、熱可塑性プラスチックのペレット状の原料を加熱、可塑化させて金型の成形空間（キャビティー）内に注入し、所望の形状を得る方法である。

近年、プラスチックに、ガラス繊維、あるいは炭素繊維などの無機質材を繊維状にして含有させるＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：繊維強化プラスチック）を原料として、高い生産性が得られる射出成形法によって、主に機械的な強度を大幅に向上させて、より高強度を求められる製品まで応用が拡大している。しかし、射出成形法においては、キャビティー内での可塑化された樹脂材料の流動経路によって、含有された強化繊維の分散の仕方に不均一性や、繊維の配向方向が意図しない方向に配向され、その結果、安定して所望の強度を製品に付与することが困難であった。

しかし、繊維の配向に関して、非特許文献１に開示されているようにＦＲＰにおける繊維の配向に関して、キャビティー（金型）壁面近傍に形成されるスキン層、その内側に形成される中間層、更に中央部にはコア層と呼ばれる、それぞれ特徴的な繊維配向を示す形成領域があることが知られている。特に、成形時の樹脂の流動方向に平行な繊維の配向が形成される中間層が、成形製品の強度に大きく寄与することが知られている。

更に、非特許文献１では、中間層の形成領域の大小は、キャビティー厚さ、すなわち成形される製品厚みによって左右されることの実験値が示され、その結果はキャビティー厚みが厚い方が中間層の領域を多くすることができるとしている。

一方、特許文献１では、ＦＲＰの射出成形体は、その厚み方向にスキン層、コア層、そしてスキン層の３層で形成され、強化繊維がランダムな配向を有するスキン層が製品強度に寄与し、成形時の樹脂の流動方向に直角の方向に強化繊維が配向されるコア層の厚みを小さくすることで成形体全体が高強度化される、との知見に基づく発明が開示されている。

すなわち特許文献１では、キャビティー内の樹脂流動末端部に、本来の成形形状に加えて捨てキャビティーを構成し、樹脂射出注入に加えてキャビティー容積を減少させる、いわゆるインジェクションプレスによって、余剰樹脂分を捨てキャビティー内に排出する。この時、キャビティー壁面近傍に形成されるスキン層の間にあるコア層部分が余剰樹脂として捨てキャビティーに排出される。その結果、製品のコア層の厚みを小さくすることができ、高強度化に寄与するスキン層の厚みに対する割合を多くすることができる、としている。

国際公開第２０１２／０５４６２９号

横井秀俊、他３名、「ガラスインサート金型による繊維配向過程の可視化解析、第１報 バックライト金型方式による解析」、１９９５年、成形加工、第７巻、第９号、ｐ．６００―６０７

しかし、特許文献１に開示された射出成形方法では、インジェクションプレスによってキャビティー全体の容積を減少させるために、捨てキャビティーに排出される樹脂材料が多くなり、材料コストの上昇が避けられない。また、特許文献１では、樹脂に混練される強化繊維長が３００μｍと、従来からの強化繊維が混練された原料ペレットを射出時に溶融送出することによってスキン層では繊維配向がランダムになることの知見に基づくものであった。

従って、近年、より高強度のＦＲＰ製品の射出成形品を得るオンラインブレンドによる射出成形では、強化繊維長を著しく長くすることが可能となり、所望の方向に配向させることによって高強度の成形品を得ることができる。このオンラインブレンドであっても、強化繊維が所定の方向に配向された配向層を多くする射出成形方法、およびその成形方法に用いることができる射出成形用金型、そして得られる射出成形物を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。

〔適用例１〕本適用例の射出成形用金型は、熱可塑性樹脂と、強化繊維と、が混練された樹脂材料が成形される成形空間を有する射出成形用金型であって、前記成形空間は、射出成形物の形状を有する第１の成形空間と、前記第１の成形空間と連通する第２の成形空間と、を有し、前記第２の成形空間の容積を減少させるように移動可能に備えられる圧縮金型を備えていることを特徴とする。

本適用例の射出成形用金型によれば、第１の成形空間と、第２の成形空間と、によって成形空間を拡大させることによって、混練された強化繊維が所定の配向性を有して成形される配向層を多く（厚く）成形させることができる。そして、第２の成形空間を圧縮金型によって容積を減少させることによって、強化繊維の配向に規則性が無いコア層を減少させ、射出成形物における配向層のコア層に対する相対的な領域割合を多くすることができる。従って、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

〔適用例２〕上述の適用例において、前記第２の成形空間の空間領域内に最終充填位置が配設されることを特徴とする。

上述の適用例によれば、圧縮される第２の成形空間に対応したコア層では、高い樹脂材料温度が維持され、流動性が保持される。従って、第２の成形空間に注入された樹脂材料の圧縮を行なっても、コア層が選択的に圧縮され、多く成形された配向層の量を維持させることができる。

〔適用例３〕本適用例の射出成形方法は、熱可塑性樹脂と、強化繊維と、が混練された樹脂材料が成形される成形空間を有する射出成形用金型を用いた射出成形方法であって、前記成形空間が、射出成形物の形状を有する第１の成形空間と、前記第１の成形空間と連通する第２の成形空間と、を有し、前記第２の成形空間の容積を減少させるように移動可能に備えられる圧縮金型を備え、前記成形空間に前記樹脂材料を射出充填する射出工程と、前記圧縮金型を前記第１の成形空間に向けて移動させ、前記第２の成形空間内に充填された前記樹脂材料を圧縮する圧縮工程と、を含むことを特徴とする。

本適用例の射出成形方法によれば、第１の成形空間と、第２の成形空間と、によって成形空間を拡大させることによって、混練された強化繊維が所定の配向性を有して成形される配向層を多く（厚く）成形させることができる。そして、第２の成形空間を圧縮金型によって容積を減少させることによって、強化繊維の配向に規則性が無いコア層を減少させ、射出成形物における配向層のコア層に対する相対的な領域割合を多くすることができる。従って、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

〔適用例４〕上述の適用例において、前記圧縮工程は、少なくとも前記第２の成形空間に前記樹脂材料が充填されてから開始され、前記成形空間に前記樹脂材料が充填されるまでに終了させることを特徴とする。

上述の適用例において、充填とは所定の空間領域が樹脂材料によって充満されている状態をいう。

上述の適用例によれば、第２の成形空間に樹脂材料が充填されることによって、配向層をより多く（厚く）形成させることができる。従って、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

〔適用例５〕上述の適用例において、前記樹脂材料は、１種以上のフィラーを含有し、少なくとも１種の第１のフィラーの長さが５０ｍｍ以上であることを特徴とする。

上述の適用例では、連続した強化繊維を金型への射出直前に熱可塑性樹脂に混練し、金型に注入、成形するオンラインブレンド成形機を適用することができる。従って、長繊維の強化繊維を、長繊維の状態を維持させて配向層に配合させることができる。従って、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

〔適用例６〕上述の適用例において、前記第１のフィラーが炭素繊維であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、繊維の長さ方向に高い強度を有する炭素繊維を、樹脂内で所定の配向方向を与えて成形物を形成することができる。

〔適用例７〕本適用例の射出成形物は、インジェクションプレス法によって圧縮成形された部位を有することを特徴とする。

本適用例の射出成形物によれば、混練された強化繊維が所定の配向性を有して成形される配向層に対して、インジェクションプレス法によって強化繊維の配向に規則性が無いコア層を減少させ、射出成形物における配向層のコア層に対する相対的な領域割合を多くすることができる。従って、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

〔適用例８〕上述の適用例において、熱可塑性樹脂と、強化繊維と、が混練された樹脂材料の射出成形によって得られる射出成形物であって、１種以上のフィラーを含有し、少なくとも１種の第１のフィラーの長さが５０ｍｍ以上であることを特徴とする。

上述の適用例では、連続した強化繊維を金型への射出直前に熱可塑性樹脂に混練し、金型に注入、成形するオンラインブレンド成形機を適用することができる。従って、長繊維の強化繊維を、長繊維の状態を維持させて配向層に配合させることができる。従って、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

〔適用例９〕上述の適用例において、前記第１のフィラーが炭素繊維であることを特徴とする。

上述の適用例によれば、高い強度を得ることができる配向層を多く備えることで、高強度の射出成形物を得ることができる。

第１実施形態に係る射出成形用金型を用いて成形される製品の一例としての射出成形物を示す外観斜視図。 第１実施形態に係る射出成形用金型を示し、図１におけるＡ面部の断面を示す断面図。 第１実施形態に係る射出成形用金型を示し、図１におけるＢ面部の断面を示す断面図。 第１実施形態に係る射出成形用金型の動作を説明する断面図。 第１実施形態に係る射出成形用金型の動作を説明する断面図。 射出成形機を示す概略構成図。 第２実施形態に係る射出成形方法を示すフローチャート。 第２実施形態に係る射出成形方法による製造工程を示す断面図。 第２実施形態に係る射出成形方法による製造工程を示す断面図。 第２実施形態に係る射出成形方法による製造工程を示す断面図。 図１０に示すＣ部の詳細を示す部分断面図。 第２実施形態に係る射出成形方法による製造工程を示す断面図。 図１２に示すＤ部の詳細を示す部分断面図。 第２実施形態に係る射出成形方法による製造工程を示す断面図。 第２実施形態に係る射出成形方法による製造工程を示す断面図。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態を説明する。

（第１実施形態）
第１実施形態に係る射出成形用金型を説明する。図１は、第１実施形態に係る射出成形用金型を用いて成形される製品の一例としての射出成形物１００（以下、成形物１００という）を示す外観斜視図である。本例に示す成形物１００は、貫通孔１００ｂを有する円筒形の第１継手部１００ａと、貫通孔１００ｄを有する円筒形の第２継手部１００ｃと、第１継手部１００ａと第２継手部１００ｃとを接続する腕部１００ｅと、を備えている。

成形物１００は、第１継手部１００ａの貫通孔１００ｂには、例えば他の部品と連結させるための連結ピン（図示せず）などが挿通され、同様に第２継手部１００ｃの貫通孔１００ｄにも連結ピンが挿通されて、複数の部品に連結されることに供されるものである。従って、腕部１００ｅには、継手部１００ａ，１００ｃに掛る負荷に対して十分に耐えうる強度が要求される。そこで、成形物１００には高強度のＦＲＰを原料として成形される。

図２は、成形物１００を成形するための射出成形用金型１０００（以下、金型１０００という）を示し、図１に示す成形物１００におけるＡ面部の断面を示す。また、図３は、図１に示す成形物１００におけるＢ面部の金型１０００の断面を示す。図２および図３に示すように、金型１０００は、第１金型１１００と、第２金型１２００と、を有する。第１金型１１００は、第１ベース金型１１１０と、圧縮金型の一つとしての第１プレス金型１１２０と、を備えている。同様に、第２金型１２００は、第２ベース金型１２１０と、圧縮金型の一つとしての第２プレス金型１２２０と、を備えている。

第１ベース金型１１１０と、第２ベース金型１２１０と、は、互いに対向密着される第１合せ面１１１０ａ側に、成形物１００（図２に、想像線（２点鎖線）と網掛ハッチングとで示す）を成形可能とする第１の成形空間Ｓ１を構成する第１凹部１１１０ｂが、第２合せ面１２１０ａ側に第２凹部１２１０ｂが、それぞれ形成されている。

第１ベース金型１１１０には、第１プレス金型１１２０が組み込まれる貫通孔としての第１挿通孔１１１０ｃが形成されている。そして第１プレス金型１１２０の第１挿入部１１２０ａは、第１挿通孔１１１０ｃの壁面１１１０ｄと摺動可能にはめ込まれ、成形材料の漏れ出し（所謂、バリの発生）が抑制できる隙間が、第１挿入部１１２０ａと壁面１１１０ｄとの間に設けられている。

第１挿入部１１２０ａの第１の成形空間Ｓ１に対向する第１プレス面１１２０ｂは、第１ベース金型１１１０の第１凹部１１１０ｂと共に第１の成形空間Ｓ１を構成する。言い換えると、第１プレス面１１２０ｂは、図１に示す成形物１００の腕部１００ｅの一部の面を成形する金型面となる。

同様に、第２ベース金型１２１０には、第２プレス金型１２２０が組み込まれる貫通孔としての第２挿通孔１２１０ｃが形成されている。そして第２プレス金型１２２０の第２挿入部１２２０ａは、第２挿通孔１２１０ｃの壁面１２１０ｄと摺動可能にはめ込まれ、成形材料の漏れ出し（所謂、バリの発生）が抑制できる隙間が、第２挿入部１２２０ａと壁面１２１０ｄとの間に設けられている。第２挿入部１２２０ａの第１の成形空間Ｓ１に対向する第２プレス面１２２０ｂは、第２ベース金型１２１０の第２凹部１２１０ｂと共に、第１の成形空間Ｓ１を構成する。言い換えると、第２プレス面１２２０ｂは、図１に示す成形物１００の腕部１００ｅの一部の面を成形する金型面となる。

なお、金型１０００には、射出原料を注入するための開口する材料注入口となるゲート１０００ａが形成されている。なお、ゲート１０００ａは第１ベース金型１１１０と、第２ベース金型１２１０と、に形成された凹部により構成されているが、これに限定されず、第１の成形空間Ｓ１に連通する開口であれば、位置、大きさ、形状は適宜設定される。

次に図４および図５を用いて第１プレス金型１１２０、および第２プレス金型１２２０の動作について説明する。

図４は、図２と同じ図１に示すＡ面部における断面を示し、金型１０００は第１金型１１００と、第２金型１２００と、が組み立てられ、金型１０００の内部にゲート１０００ａから、図示しない射出成形装置の原料射出ノズルＮから射出原料Ｍが注入される状態を示す。この時、第１プレス金型１１２０の第１プレス面１１２０ｂは、図２に示す第１の成形空間Ｓ１を構成するＰ１１位置から、第１の成形空間Ｓ１を拡大する方向となる図示するＺ（＋）方向に移動量ｄ１を移動させたＰ１２位置に配設される。これにより、金型１０００の内部に第１の成形空間Ｓ１に連通させた、第２の成形空間Ｓ２の一部を構成する第１圧縮空間Ｓ２１が形成される。

同様に、第２プレス金型１２２０の第２プレス面１２２０ｂは、図２に示す第１の成形空間Ｓ１を構成するＰ２１位置から、第１の成形空間Ｓ１を拡大する方向となる図示するＺ（−）方向に移動量ｄ２を移動させたＰ２２位置に配設される。これにより、金型１０００の内部に第１の成形空間Ｓ１に連通させた、第２の成形空間Ｓ２の一部を構成する第２圧縮空間Ｓ２２が形成される。なお、第１プレス金型１１２０のＰ１１位置とＰ１２位置との間の移動、および第２プレス金型１２２０のＰ２１位置とＰ２２位置との間の移動には、図示しないプレス金型駆動装置によって駆動される。

図５は、図４に示す金型１０００の状態における図１に示すＢ面部の断面を示す。図５に示すように、金型１０００において第１プレス金型１１２０と、第２プレス金型１２２０と、は、それぞれ第１の成形空間Ｓ１に連通する第２の成形空間Ｓ２として第１圧縮空間Ｓ２１と第２圧縮空間Ｓ２２と、を構成するように駆動される。そして、第１プレス面１１２０ｂがＰ１２位置に、第２プレス面１２２０ｂがＰ２２位置に配置される。

上述した、図４および図５に示す状態の金型１０００に射出原料Ｍが充填された後、第１プレス金型１１２０および第２プレス金型１２２０は、第１の成形空間Ｓ１を構成する領域、すなわち第１プレス面１１２０ｂがＰ１１位置に、第２プレス面１２２０ｂがＰ２１位置に駆動される。すなわち、第２の成形空間Ｓ２である第１圧縮空間Ｓ２１と、第２圧縮空間Ｓ２２と、に充填された射出原料Ｍが第１の成形空間Ｓ１まで圧縮される。所謂、インジェクションプレス成形される。

上述した金型１０００において、ゲート１０００ａの設計の条件は、成形条件、成形物１００の要求品質などの条件によって、適宜設定されると説明した。しかし、本実施形態に係る、インジェクションプレス成形に供される金型１０００においては、少なくとも第２の成形空間Ｓ２、すなわち第１圧縮空間Ｓ２１および第２圧縮空間Ｓ２２のいずれか一方、もしくは両方に射出原料Ｍの到達が最終となる最終充填位置を含んでいることが好ましい。

すなわち、第２の成形空間Ｓ２内に最終充填位置が含まれることにより、第１の成形空間Ｓ１と、第２の成形空間Ｓ２と、の空間内における射出原料の温度低下が最も遅くなる領域が第２の成形空間Ｓ２内に位置することとなる。従って、高温の流動性の高い状態での射出原料Ｍを第１プレス金型１１２０および第２プレス金型１２２０によって容易に圧縮することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態として、第１実施形態に係る金型１０００を用いた射出成形方法（以下、成形方法という）、および、その成形方法によって得られる成形物（射出成形物）を説明する。第２実施形態では、第１実施形態に係る金型１０００を射出成形機に装着し、図１に示す成形物１００を成形する方法を例示して説明する。

本実施形態に係る成形方法は、従来のＦＲＰにおいては強化繊維を基材樹脂に混練し、ペレット状にした原料を加熱、注入する射出成形する方法が一般的であった。この方法では、ペレット状にする段階で含有される強化繊維は混練時に切断されて、ペレットの大きさ以下の、短繊維を得ることしかできなかった。しかし近年、強化繊維をロープ状にして、基材樹脂の加熱、注入時にブレンドしながら射出成形する、射出成形機（例えば、東芝機械株式会社製短軸オンラインブレンド射出成形機「ＬＦｏｒｍｅｒシリーズ」）による成形によって、長繊維を含有させた成形物を得ることができることから、オンラインブレンド射出成形機を用いる形態によって説明する。

図６は、上述の射出成形機を示す概略構成図である。図６に示すように、射出成形機２０００では、内部に樹脂材料Ｍｐを射出口まで送出するスクリュー２２００が挿通されるシリンダー２１００を備えている。このシリンダー２１００に、ペレット状の樹脂材料Ｍｐを原料供給部２４００から所定の量を投入し、シリンダー２１００の周囲に配置されたヒーター２３００によって、シリンダー２１００内の樹脂材料Ｍｐは加熱、可塑化され材料送出方向Ｆｐへスクリュー２２００によって送出される。そして、シリンダー２１００に備える強化繊維供給部２５００から、混練される強化繊維Ｍｆが可塑化された樹脂材料Ｍｐに供給される。

強化繊維Ｍｆは連続したフィラメント、いわゆるフィラメントロービング繊維であり、強化繊維供給部２５００から連続してシリンダー２１００内に供給することができる。供給された強化繊維Ｍｆは、スクリュー２２００の送出駆動によってシリンダー２１００内で、切断され、混練繊維ｍｆとなって樹脂材料Ｍｐと混練され射出原料Ｍに形成される。そして、射出駆動装置２６００によって金型１０００の成形空間Ｓに注入される。

このようなオンラインブレンドによって長繊維を含有させる射出成形において、第１実施形態に係る金型１０００を用いることにより、強化長繊維が所定の方向に整列配向される領域を高い割合で形成させることができ、選択的に高い強度を有する領域を有する成形物１００を得ることができる。なお、強化繊維であるフィラーとしての混練繊維ｍｆは例えば炭素繊維、あるいはガラス繊維の１種、あるいは、例えば炭素繊維とガラス繊維とを複合させた２種以上であってもよい。２種以上のフィラーとしての混練繊維ｍｆを含有させる場合、第１のフィラーとして炭素繊維と、その他のフィラーとしてガラス繊維などの強化繊維と、を含有させることが好ましい。これにより、高強度の炭素繊維によって高強度のＦＲＰ成形物を得ることができる。

図７は、本実施形態に係る成形方法を示すフローチャートである。図８から図１０、および図１２、図１４、図１５は本実施形態に係る成形方法の製造工程を示す断面図、および製造工程における成形物の状態を説明する部分拡大断面図である。なお、金型１０００は上述した第１実施形態に係る金型１０００であるので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

（金型閉工程）
本実施形態に係る成形方法では、金型１０００は、図８には図示しない、例えば図６に示す射出成形機２０００に取り付けられることで、製品の射出成形が行われる。射出成形機に取り付けられた金型１０００は、第１金型１１００と、第２金型１２００と、は、図８に想像線（２点鎖線）で示すように、第１合せ面１１１０ａと、第２合せ面１２１０ａと、が互いに対向させて離間した状態で待機している。そして、先ず金型閉工程（Ｓ１０）が開始される。

金型閉工程（Ｓ１０）は、いわゆる金型を閉じる工程であり、第１合せ面１１１０ａと、第２合せ面１２１０ａと、が突き当たるまで、相対的に第１金型１１００が型移動方向Ｔｒ１、すなわち第２金型１２００に向けて移動される。そして、第１合せ面１１１０ａと、第２合せ面１２１０ａと、を密着させて第１の成形空間Ｓ１と、第２の成形空間Ｓ２を構成する第１圧縮空間Ｓ２１と第２圧縮空間Ｓ２２と、が形成された金型１０００となる。なお、上述の第１の成形空間Ｓ１と、第２の成形空間Ｓ２と、で構成される成形空間を以降、射出注入空間Ｓ０（以下、注入空間Ｓ０という）として説明する。

図８では第１金型１１００が移動する形態を説明したが、第１金型１１００と、第２金型１２００と、を相対的に移動させて、第１合せ面１１１０ａと、第２合せ面１２１０ａと、が密着すればよく、第１金型１１００、あるいは第２金型１２００のどちらか、もしくは両方を移動させてもよい。

（射出工程）
金型閉工程（Ｓ１０）によって注入空間Ｓ０が構成されると、射出工程（Ｓ２０）に移行される。射出工程（Ｓ２０）は、図９に示すように、シリンダー２１００（図６参照）の材料注入口２１００ａ（図４における原料射出ノズルＮを示す）と、ゲート１０００ａと、を連通させ、材料注入口２１００ａから送出される射出原料Ｍを、ゲート１０００ａから注入空間Ｓ０内に注入する。なお、本実施形態に係る成形方法では、混練繊維ｍｆと、樹脂材料Ｍｐと、が混練された射出原料Ｍを用いている（図６参照）。

射出工程（Ｓ２０）は、図１０に示すように、注入空間Ｓ０に射出原料Ｍが充填されるまで実行される。射出工程（Ｓ２０）の終了時における注入空間Ｓ０内における射出原料Ｍの詳細な状態を、図１０に示すＣ部の拡大図として図１１に示す。なお、図１１は説明の便宜上、模式図的に描画するものである。

図１１に示すように、注入空間Ｓ０に加熱されて流動性が付与された射出原料Ｍが注入されると、図９にも示すようにゲート１０００ａ側から注入空間Ｓ０を埋めるように流入してくる。注入空間Ｓ０に注入された射出原料Ｍは、先行文献２にも開示されているように、ＦＲＰの射出成形において金型１０００の注入空間Ｓ０において、射出原料Ｍの流動方向に交差する方向、すなわち図１１で図示するＺ軸方向において、混練されている強化繊維である混練繊維ｍｆの配向方向の挙動が異なる繊維配向挙動層が複数層、形成される。

図１１に示すように、金型１０００の注入空間Ｓ０に面する金型面（例えば第１プレス面１１２０ｂ、第２プレス面１２２０ｂ）に接するように、スキン層Ｌｓが形成される。スキン層Ｌｓは、金型１０００によって射出原料Ｍが初めに冷却され、射出原料Ｍのベースである樹脂材料Ｍｐが凝固し、形成される。

注入空間Ｓ０の中央領域、すなわち注入空間Ｓ０の金型面より離間した領域では、射出原料Ｍの冷却が遅く、また、材料注入口２１００ａから高圧注入された射出原料Ｍの流路となって、凝固した領域のコア層Ｌｃが形成される。そして、コア層Ｌｃと、スキン層Ｌｓと、の間には配向層Ｌｄが形成される。

スキン層Ｌｓ、配向層Ｌｄ、そしてコア層Ｌｃでは、それぞれ混練繊維ｍｆの配合状態に特徴を有している。スキン層Ｌｓでは、上述したように最初に射出原料Ｍが凝固し始める領域であり、選択的にベース材料である樹脂原料Ｍｐが凝固する。従って混練繊維ｍｆの含有割合は著しく少ない層である。それ故に、スキン層Ｌｓは成形後の成形物１００（図１参照）の表面への混練繊維ｍｆの出現を抑制し、成形物１００の表面を滑らかにする機能を有する。

コア層Ｌｃは、上述したように注入空間Ｓ０内において、射出原料Ｍの高い温度が維持されながら、注入空間Ｓ０内を流動する領域であることから、混練繊維ｍｆは規則性もなく、射出原料Ｍの流動方向（図１１に図示するＸ（−）方向）に交差する方向に多くの混練繊維ｍｆが配向される。

一方、配向層Ｌｄでは、既に凝固したスキン層Ｌｓと、流動領域のコア層Ｌｃと、の中間にあって、混練繊維ｍｆは射出原料Ｍの流動方向に沿って配向される。このように、混練繊維ｍｆが所定の方向に沿って配列される配向層Ｌｄでは、混練繊維ｍｆの持つ高い強度を十分に発揮させることができ、この配向層Ｌｄの領域を高い割合で形成させることが、成形物１００の高強度化に寄与する。

配向層Ｌｄは、注入空間Ｓ０の図示するＺ軸方向の空間領域（以下、キャビティー高さという）に依存するという知見が知られている。図１１に示す第１プレス金型１１２０と、第２プレス金型１２２０と、によって構成されるキャビティー高さをＴ１、図１における成形物１００の腕部１００ｅを形成する第１ベース金型１１１０と、第２ベース金型１２１０と、によって構成されるキャビティー高さをＴ２、そして成形物１００の継手部１００ａ，１００ｃを形成する第１ベース金型１１１０と、第２ベース金型１２１０と、によって構成されるキャビティー高さをＴ３とする。

本実施形態では、
Ｔ１＞Ｔ３＞Ｔ２
の関係にキャビティー高さは設定されている。

キャビティー高さＴ１は、コア層Ｌｃの厚さｔｃ１、配向層Ｌｄの厚さｔｄ１１，ｔｄ１２、そしてスキン層Ｌｓの厚さｔｓ１１，ｔｓ１２と、に配分される。同様に、キャビティー高さＴ２は、コア層Ｌｃの厚さｔｃ２、配向層Ｌｄの厚さｔｄ２１，ｔｄ２２、そしてスキン層Ｌｓの厚さｔｓ２１，ｔｓ２２と、に配分され、キャビティー高さＴ３は、コア層Ｌｃの厚さｔｃ３、配向層Ｌｄの厚さｔｄ３１，ｔｄ３２、そしてスキン層Ｌｓの厚さｔｓ３１，ｔｓ３２ｔと、に配分される。

スキン層Ｌｓの厚さｔｓ１１，ｔｓ１２，ｔｓ２１，ｔｓ２２，ｔｓ３１，ｔｓ３２は、略同じ厚さで成形される。一方、配向層Ｌｄの厚さは、キャビティー高さＴ１，Ｔ２，Ｔ３の厚い領域ほど厚く形成される。すなわち、上述したように、
Ｔ１＞Ｔ３＞Ｔ２
の関係から、配向層Ｌｄの厚さは、
（ｔｄ１１＋ｔｄ１２）＞（ｔｄ３１＋ｔｄ３２）＞（ｔｄ２１＋ｔｄ２２）
の関係を有して形成される。

また、強化繊維の混練繊維ｍｆが規則性を持たずに配列されるコア層Ｌｃにおいても、キャビティー高さＴ１，Ｔ２，Ｔ３の厚い領域ほど厚く形成される。すなわち、
ｔｃ１＞ｔｃ３＞ｔｃ２
の関係を有して形成される。

ＦＲＰの成形物１００においては、混練繊維ｍｆが規則的に配列される配向層Ｌｄの領域を多く形成させることで、混練繊維ｍｆが備える高強度特性を成形物１００の強度に対して、より寄与させることが可能となるものである。そこで、図１２に示すように第１プレス金型１１２０、および第２プレス金型１２２０を、駆動させて注入空間Ｓ０を減少させる圧縮工程に移行させる。

（圧縮工程）
圧縮工程（Ｓ３０）は、図１２に示すように、第１プレス金型１１２０と、および第２プレス金型１２２０と、を、第１の成形空間Ｓ１を形成するまで図示しない駆動装置によって、移動させる。すなわち、図４に示す第１圧縮空間Ｓ２１と、第２圧縮空間Ｓ２２と、によって構成される第２の成形空間Ｓ２に注入された射出原料Ｍが、第１プレス面１１２０ｂと、第２プレス面１２２０ｂと、によって圧縮される。

圧縮工程（Ｓ３０）における第１の成形空間Ｓ１内における射出原料Ｍの詳細な状態を、図１２に示すＤ部の拡大図として図１３に示す。なお、図１３は説明の便宜上、模式図的に描画するものである。

上述したように、圧縮工程（Ｓ３０）では、図１３に示すように、第１プレス金型１１２０と、第２プレス金型１２２０と、によって注入空間Ｓ０（図１１参照）が圧縮され、第１の成形空間Ｓ１領域まで縮小される。この時、既に凝固しているスキン層Ｌｓ、および配向層Ｌｄでは、その厚さは略維持され、圧縮工程（Ｓ３０）によって形成されるスキン層Ｌｓ、および配向層Ｌｄの厚さを、それぞれｔｓｐ１，ｔｓｐ２、およびｔｄｐ１，ｔｄｐ２とすると、
ｔｓｐ１≒ｔｓ１１、ｔｓｐ２≒ｔｓ１２
ｔｄｐ１≒ｔｄ１１、ｔｄｐ２≒ｔｄ１２
として形成されている。

一方、コア層Ｌｃでは、上述したが射出材料Ｍの流路を形成し、金型１０００の金型面より離間していることから、射出材料Ｍの流動性が付与される高温度の領域であることから、第１プレス金型１１２０と、第２プレス金型１２２０と、によって圧縮された第２の成形空間Ｓ２の領域は、コア層Ｌｃの圧縮に転嫁される。

すなわち、射出工程（Ｓ２０）におけるキャビティー高さＴ１（図１１参照）部分が、圧縮工程（Ｓ３０）においてキャビティー高さＴｐまでに成形されるとすると、第１プレス金型１１２０と、第２プレス金型１２２０と、が移動（圧縮移動）する量を圧縮量δとすると、
δ＝Ｔ１−Ｔｐ
である。ここで、圧縮工程（Ｓ３０）によって成形されるコア層Ｌｃの厚みｔｃｐは、
ｔｃｐ＝Ｔｐ−（ｔｓｐ１＋ｔｓｐ２＋ｔｄｐ１＋ｔｄｐ２）
であるが、上述した通り、ｔｓｐ１≒ｔｓ１１、ｔｓｐ２≒ｔｓ１２、ｔｄｐ１≒ｔｄ１１、ｔｄｐ２≒ｔｄ１２の関係から、
ｔｃｐ≒Ｔｐ−（ｔｓ１１＋ｔｓ１２＋ｔｄ１１＋ｔｄ１２）
であることから、
ｔｃｐ≒（Ｔ１−δ）−（ｔｓ１１＋ｔｓ１２＋ｔｄ１１＋ｔｄ１２）
となる。ここで、
Ｔ１−（ｔｓ１１＋ｔｓ１２＋ｔｄ１１＋ｔｄ１２）＝ｔｃ
であることから、
ｔｃｐ≒ｔｃ−δ
と言える。すなわち、第１プレス金型１１２０と、第２プレス金型１２２０と、が第２の成形空間Ｓ２を圧縮するための移動量である圧縮量δ分は、コア層Ｌｃを圧縮することとなる。

なお、圧縮工程（Ｓ３０）は、少なくとも第２の成形空間Ｓ２（図４参照）には射出原料Ｍが充填され、コア層Ｌｃには流動性が維持されるだけの温度が維持された状態が好ましい。従って、圧縮工程（Ｓ３０）は、射出工程（Ｓ２０）の終了の直前から直後の間に実行されることが好ましい。

図示しないが、金型１０００には、圧縮工程（Ｓ３０）によってコア層Ｌｃが圧縮されることで生じる余剰材料、すなわち第２の成形空間Ｓ２の容積に相当する体積分の射出材料Ｍが排出される排出空間が形成されていることが好ましい。

また、第２の成形空間Ｓ２が、射出工程（Ｓ２０）における最終充填領域（最終充填位置）となるように、ゲート１０００ａの位置、数、方向を設定することが好ましい。このようにすることで、圧縮工程（Ｓ３０）において第２の成形空間Ｓ２が圧縮される際に、第２の成形空間Ｓ２に対応したコア層Ｌｃには、充填直後の射出原料Ｍが存在し、十分な流動性が得られる温度が保持され、第２の成形空間Ｓ２の圧縮を容易に実行することができる。

（金型開工程）
射出工程（Ｓ２０）あるいは圧縮工程（Ｓ３０）が終了すると、金型開工程（Ｓ４０）に移行される。金型開工程（Ｓ４０）は、いわゆる金型を開く（分離する）工程であり、図１４に示すように、本例では、第１金型１１００が第２金型１２００から離間させるように、相対的に第１金型１１００が型移動方向Ｔｒ２に移動される。この時、成形物１００は第２金型１２００に残留される。そして成形物１００を第２金型１２００から離間させる離型工程（Ｓ４０）に移行される。なお、金型開工程（Ｓ４０）では、成形物１００は第１金型１１００に保持させて、第２金型１２００から成形物１００を離間させる形態であってもよい。

（離型工程）
離型工程（Ｓ５０）は、図１５に示すように金型開工程（Ｓ４０）において第２金型１２００に残留した成形物１００を、第２金型１２００から取り外す工程である。第２金型１２００からの成形物１００の取り外しは、例えば図示する複数の押し出しピン１０００ｂが保持された押し出しプレート１０００ｃを、図示する矢印方向に駆動させ、押し出しピン１０００ｂを第２金型１２００の第２凹部１２１０ｂ、および第２プレス面１２２０ｂから突き出すことによって成形物１００を第２金型１２００から離間させることができる。また、第２金型１２００と、成形物１００と、の境界に圧空を噴射させて成形物１００を取り出すこともできる。離型工程（Ｓ３０）によって成形物１００を取り出し、本実施形態に係る射出成形方法は終了する。なお、成形物１００は、射出成形の後、ゲート除去、バリ除去などの仕上げ加工が施される。

ＦＲＰを原料として射出成形される成形物においては、混練される強化繊維の配向によって発揮される機械的強度が異なることは知られている。すなわち強化繊維の繊維長方向が所定の方向に揃った状態で配合されることで、繊維長方向を曲げるような曲げ負荷、あるいは繊維長方向の引っ張り、圧縮負荷に対して高い強度を実現させることができる。

本実施形態に係る射出成形方法では、成形物１００における、より機械的強度を必要とする領域である腕部１００ｅを成形する方法として、金型内に射出注入された射出原料に圧縮成形の工程（圧縮工程（Ｓ３０））を組み入れる、所謂インジェクションプレス法を取り込んでいる。これにより、射出原料ＭであるＦＲＰに混練されている強化繊維である混練繊維ｍｆの配向に規則性の無い、ランダムな配向を有するコア層Ｌｃを圧縮し、射出原料Ｍの射出時の樹脂流動方向に沿って混練繊維ｍｆの繊維長方向が配向される配向層Ｌｄの領域を相対的に増加させることができる。従って、配向層Ｌｄの領域を多く有し、高強度の腕部１００ｅを得ることができる。

また、本実施形態に係る射出成形方法では、図６に示すようにオンラインブレンドの射出成形機２０００により射出原料Ｍを射出し、成形物１００を成形することにより、混練される混練繊維ｍｆの長さを、より長くすることができる。これにより、より高強度の成形物１００を得ることができる。

一般的なＦＲＰの射出成形法においては、混練繊維は予めベース樹脂に強化繊維を混練し、ペレット状にしたものを射出原料として用いている。ペレット状とすることで、少なくともペレットの粒径、あるいはペレットの長さ以下の繊維長までの強化繊維を混練させることができない。しかし、オンラインブレンドの射出成形機２０００では、長繊維の強化繊維が成形物１００に配合させることができる。

本実施形態に係る射出成形方法によって得られる成形物１００では、５０ｍｍ以上の長さの強化繊維を配合させることができる。混練繊維ｍｆが長繊維の強化繊維であることにより、高い強度を有する配向層は、なお高い強度を有することとなり、高強度の成形物１００を得ることができる。このことにより、従来は金属製が一般的であった製品にもＦＲＰを採用することが可能となる。よって、生産性の向上が図られる。

混練繊維ｍｆが２種以上のフィラーを含む場合、炭素繊維が第１のフィラーとして含有され、その他のフィラーとしてガラス繊維などがふくまれ、第１のフィラーとしての炭素繊維が５０ｍｍ以上の長さの繊維長が含まれていることが好ましい。これにより、高強度の炭素繊維によって高強度のＦＲＰ成形物を得ることができる。

１００…射出成形物、１０００…射出成形用金型、１１００…第１金型、１２００…第２金型。

Claims (5)

1. 熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む樹脂材料を射出する射出成形機に取付けられる射出成形用金型であって、
   第１ベース金型と、
   前記第１ベース金型に対向する第２ベース金型と、
   前記第１ベース金型に形成された貫通孔に組み込まれ、前記貫通孔内を移動可能に構成された第１プレス金型と、
   前記第２ベース金型に形成された貫通孔に組み込まれ、前記貫通孔内を移動可能に構成された第２プレス金型と、を備え、
   前記第１ベース金型、前記第２ベース金型、前記第１プレス金型、及び、前記第２プレス金型によって前記樹脂材料が射出される成形空間が形成され、
   前記成形空間は、前記第１プレス金型及び前記第２プレス金型の移動によって、容積が変化し、
   前記樹脂材料が射出された後の前記成形空間の容積は、前記樹脂材料が射出される前の前記成形空間の容積よりも小さい、
   ことを特徴とする射出成形用金型。
2. 熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む樹脂材料を射出する射出成形機に取付けられる射出成形用金型を用いた射出成形方法であって、
   前記射出成型用金型は、
   第１ベース金型と、
   前記第１ベース金型に対向する第２ベース金型と、
   前記第１ベース金型に形成された貫通孔に組み込まれ、前記貫通孔内を移動可能に構成された第１プレス金型と、
   前記第２ベース金型に形成された貫通孔に組み込まれ、前記貫通孔内を移動可能に構成された第２プレス金型と、を備え、
   前記第１ベース金型、前記第２ベース金型、前記第１プレス金型、及び、前記第２プレス金型によって区画された成形空間に前記樹脂材料を射出充填する射出工程と、
   前記成形空間の容積を減少させるように、前記第１プレス金型及び前記第２プレス金型を移動させて、充填された前記樹脂材料を圧縮する圧縮工程と、を含む、
   ことを特徴とする射出成形方法。
3. 前記圧縮工程は、前記成形空間に前記樹脂材料の充填が完了されるまでに終了される、
   ことを特徴とする請求項２に記載の射出成形方法。
4. 前記樹脂材料は、１種以上のフィラーを含有し、少なくとも１種の第１のフィラーの長さが５０ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする請求項２又は３に記載の射出成形方法。
5. 前記第１のフィラーが炭素繊維であることを特徴とする請求項４に記載の射出成形方法。

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