JP6967130B2 - 賦形成形型及び賦形成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維とマトリクス樹脂とからなり、例えば、自動車や航空機などの繊維強化樹脂製部材を賦形型を使用して３次元形状に賦形する賦形成形型及び賦形成形方法に関する。

炭素繊維層に、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を付加したシートを、積層して、金型に投入して圧縮する賦形成形型について、複数型を階層的に配置（スタック）することで、1ヶ取りの成形圧力にて、複数個の同時成形が可能となる。この様な金型の配置は積層金型（ｓｔａｃｋ ｍｏｌｄ）として知られている。
特許文献１には、第１の組のプレートと、上記第１の組のプレートに連結されるとともに、上記固定プラテン及び可動プラテンにそれぞれ連結されてなる主機構手段と、第２の組のプレートと、上記第２の組のプレートに連結されるとともに上記第１の組プレートに連結された第１の従機構手段と、を備え、上記可動プラテンの動作によって、上記主機構手段が上記第１の組のプレートに対し相対的に動いて該プレートを移動させるとともに、上記第１の組のプレートを上記プラテンから等距離に保持し、上記第１の組のプレートの動作と上記可動プラテンの動作によって上記従機構手段が上記第２の組のプレートを移動させるように動作し、それぞれの動作によって少なくとも２個の金型ステーションを同時に開閉させることができるように構成されて、金型の保守を容易にし、かつ複数の金型ステーションを精密かつ、同一のストロークで開閉させる射出成形機が開示された。

特許文献２には下型と上型との間に水平移動可能な中間型を備えた型装置を用いるスタック成形において、射出成形機の射出ノズル位置を移動させて溶融樹脂を射出し、一次成形品の射出成形および成形された一次成形品同士の溶着を行うことによって樹脂漏れなどの不具合を生じることなく１基の汎用の射出成形機によって比較的大型の中空樹脂部品を成形することができるスタック成形方法およびスタック成形装置が開示された。

特開平08-039624号公報 特開平11-198183号公報

以上の特許文献１に開示された射出成形機及び特許文献２に開示されたスタック成形方法およびスタック成形装置は、何れもラック＆ピニオン機構を適用するものであり、このようなラック＆ピニオン機構を適用するものでは中間型にラックの収納型厚が必要であり、型を薄くして積層を増やすことはできなかった。
また特許文献１に開示された射出成形機及び特許文献２に開示されたスタック成形方法およびスタック成形装置は、何れも製品形状が平面など単純形状の場合は、複数個分の成形材料を、ステンレス板等をセパレタとして材料とともに積層すれば、同時に複数個の成形品を、成形することも可能ではある。

しかしその場合には、ステンレス板を用いることに起因する工数が必要になり、またステンレス板等をセパレタとして材料とともに積層するため、成形不良の原因にもなりやすい。
本発明は以上の従来技術における問題に鑑み、型を薄くして積層を増やすことが可能で高効率高精度な成形が可能な賦形成形型及び賦形成形方法を提供することを目的とする。

すなわち本発明の賦形成形型は、３以上の複数型を積層して配置してなり、第二の型を第一の型と第三の型の中間に配置して拘束するリンク機構を有し、前記第一の型と前記第二の型との間及び前記第二の型と前記第三の型との間各々に被成形材が配置されるキャビティが形成されることを特徴とする。

また本発明の賦形成形方法は、複数本の強化繊維束を含む織物基材に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料が付着された成形原反材を裁断し積層した積層成形材を成形型に投入配置し、加圧、加熱して複数本の強化繊維束を含む織物基材に付着している樹脂材料を溶融して繊維間及び成形原反材の層間を接着する賦形成形方法において、第一の型と第三の型とからなる成形型を溶融温度に昇温する工程と、積層成形材を成形型へ投入配置して型締めする予熱工程と、成形型を型締加圧する工程と、成形型を固化温度に冷却して型を開き離型する工程とを有し、前記成形型は３以上の複数型を積層して配置してなり、第二の型を第一の型と第三の型の中間に配置して拘束するリンク機構を有し、前記第一の型と前記第二の型との間及び前記第二の型と前記第三の型との間各々に形成されるキャビティに被成形材を配置して成形することを特徴とする。

さらに本発明の賦形成形方法は、複数本の強化繊維束を含む織物基材に熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂材料が付着された成形原反材を裁断し積層した積層成形材を成形型に投入配置し、加圧、加熱して複数本の強化繊維束を含む織物基材に付着している樹脂材料を溶融して繊維間及び成形原反材の層間を接着する賦形成形方法において、第一の型と第三の型とからなる成形型を硬化温度に昇温する工程と、積層成形材を成形型へ投入配置して型締めする予熱工程と、成形型を型締加圧する工程と、織物基材の熱硬化性樹脂が熱硬化した後、型を開き離型する工程とを有し、前記成形型は３以上の複数型を積層して配置してなり、第二の型を第一の型と第三の型の中間に配置して拘束するリンク機構を有し、前記第一の型と前記第二の型との間及び前記第二の型と前記第三の型との間各々に形成されるキャビティに被成形材を配置して成形することを特徴とする。

本発明に係る炭素繊維と樹脂材複合材のスタック成形法によれば、型を薄くして積層を増やすことが可能で高効率高精度な成形が可能となる。

本発明の第一の実施の形態の賦形成形型の概念図である。 図１の賦形成形型の部分拡大斜視図である。 図１の賦形成形型の動作状態を示す概念図である。 図１の賦形成形型の動作状態を示す他の概念図である。 （ａ）本発明の賦形成形方法で用いる成形原反材の概念図である。（ｂ）図１（ａ）に示す成形原反材を構成する織物基材の概念図である。 本発明の第一の実施の形態の賦形成形方法で用いる賦形成形装置の説明図である。 本発明の第二の実施の形態の賦形成形型の概念図である。 本発明の第三の実施の形態の賦形成形型の概念図である。

以下に本発明の第一の実施の形態の賦形成形型を図１〜図４を参照して説明する。
本実施の形態の賦形成形型１は、第一の型である上型２と第二の型である中型３と第三の型である下型４とを積層して配置してなる。上型２と中型３との間にはキャビティ５ａが形成され、中型３と下型４との間にはキャビティ５ｂが形成される。
上型２と下型４との間にはその両側部に一対の第１の２等辺リンク６が取り付けられる。第１の２等辺リンク６の辺６ａと辺６ｂとは等しい長さとされて、上型２に辺６ａの基端が回動自在に取り付けられ、一方、下型４に辺６ｂの基端が回動自在に取り付けられる。また各辺６ａ、６ｂの先端は相互に回動自在に組み付けられて頂部７を形成する。これによって各辺６ａ、６ｂの基端がそれぞれ上型２又は下型４に取り付けられた第１の２等辺リンク６が形成される。

さらに中型３にはその両側部に一対の第２リンクである第２の２等辺リンク８が取り付けられる。第２の２等辺リンク８の辺８ａと辺８ｂとは等しい長さとされ、第１の２等辺リンク６の辺６ａに辺８ａの基端が回動自在に取り付けられ、一方、第１の２等辺リンク６の辺６ｂに辺８ｂの基端が回動自在に取り付けられる。第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂの基端の、第１の２等辺リンク６の辺６ａ、６ｂに対する取り付け位置は、辺６ａ、６ｂの基端と先端の中間点とされる。

また第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂそれぞれの先端は中型３の側部に回動自在に取り付けられて第２の２等辺リンク８の頂部９を形成する。
したがって第１の２等辺リンク６は頂部７が上型２と下型４の両側外方に突出する態様で辺６ａの基端と辺６ｂの基端とを結ぶ底辺と頂部７とによって形成される２等辺３角形状に設けられる。
これに対して第２の２等辺リンク８は、辺８ａ、８ｂの基端を結ぶ底辺と中型３の側部に位置する頂部９によって形成される２等辺３角形状に設けられる。
その結果、第１の２等辺リンク６と第２の２等辺リンク８とは各々の頂部が逆方向に位置する関係で設けられ、かつ第２の２等辺リンク８が第１の２等辺リンク６の側部内側方に位置する関係となる。

図２に示されるように上型２に対する辺６ａの基端の取り付け部等の各回動可能な取り付け部分は上型２及び辺６ａの基端に設けられた孔部１０に頭部を有する平滑軸１１を挿通し、その先端をＥ型止め輪１２によって係止することによって行われる。

また回動自在に組み付けられてなる辺６ａ、６ｂの先端頂部７は、辺６ａ先端に形成される凹部１３に辺６ｂの先端に形成される凸部１４を配置し、辺６ａ及び凸部１４の先端に形成される孔部１５に頭部を有する平滑軸１１を挿通し、その先端をＥ型止め輪１２によって係止することによって形成される。

第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂの基端の、第１の２等辺リンク６の辺６ａ、６ｂに対する取り付け部分は第１の２等辺リンク６の辺６ａ、６ｂの中間部及び第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂの基端に設けられた孔部１６に頭部を有する平滑軸１１を挿通し、その先端をＥ型止め輪１２によって係止することによって行われる。

また回動自在に組み付けられてなる辺８ａ、８ｂの先端頂部９は、辺８ｂ先端に形成される凹部１７に辺８ａの先端に形成される凸部１８を組み付け、その組み付けた状態で中型３及び辺８ａ、８ｂの先端に形成される一連の孔部１９に頭部を有する平滑軸１１を挿通し、その先端をＥ型止め輪１２によって係止することによって形成される。

以上の実施の形態の賦形成形型１によれば、ガイドピンを無くして型へ材料を投入する際のスペースを確保し、初期型締めで被成形材料を型で加熱するとき、中型３が常に上下型の中間位置に有るようにすることができ、温度を同一とし、初期の圧縮距離を同一にできる。すなわち図３に示す様に第１の２等辺リンク６の辺６ａ、６ｂ及び第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂを全開にした状態で上型２と中型３との間のキャビティ５ａ及び中型３と下型４との間のキャビティ５ｂに被成形材を作業性よく配置することができる。キャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに被成形材を配置した後、図１の状態からさらに図４に示す状態に型合わせすることによってキャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに配置した被成形材は均等に加圧されて成型される。

以下に本発明の第一の実施の形態の賦形成形方法を詳述する。
本発明の賦形成形方法は、図５（ａ）に示す成形原反材２０を用いて行う。図５（ａ）に示すように、成形原反材２０は、複数本の強化繊維束２１を含む織物基材２２の少なくとも一方の表面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料２３が付着してなる。

織物基材２２は、図５（ｂ）に示すように互いに平行となるよう一方向に引き揃えられた複数本の強化繊維束２１を直交する二方向に織成してなる二方向性織物である。二方向性織物は、強化繊維束２１間の相対位置の変化による変形がしやすく立体形状に変形しやすいこと、少ない枚数で力学的に擬似等方性を有する積層成形材を得やすい利点がある。
強化繊維束２１を用いることにより、最終製品である繊維強化樹脂成形品の力学特性を高いものとすることができる。
強化繊維束２１は、炭素繊維束、黒鉛繊維束、ガラス繊維束、または、アラミド繊維束などを用いることができ、炭素繊維束であることが好ましい。炭素繊維束を用いることにより、最終製品である繊維強化樹脂成形品の力学特性を高いものとすることができる。

織物基材２２の表面に付着している樹脂材料２３は、織物基材２２の層間を接着する作用を得ることができる熱可塑性樹脂を主成分とする。樹脂材料２３が熱可塑性樹脂を主成分とするものとすることによって成形原反材２０を積層して、立体形状へと変形させた後に織物基材２２の層間を接着させる場合の取り扱い性が向上し、生産性が向上する。なお、主成分とは樹脂材料２３を構成する成分の中で、その割合が最も多い成分である。

先ず成形原反材２０を積層し、予備積層成形型（図示せず）で予備圧縮成形した積層成形材２４を予備加熱型２５で予備加熱する。
予備加熱にあたっては上部より近赤外線放射装置２６によって近赤外線で予備加熱型２５内の熱盤２７上に載置された積層成形材２４を加熱する。遠赤外線温度センサ−（図示せず）で積層成形材２４の温度を検知し、近赤外線放射装置２６による近赤外線の強度を調整し所定の温度に積層成形材２４を昇温させる。
一方、賦形成形型１を予熱して成形原反材２０の溶融温度に昇温する。次に積層成形材２４を予熱された賦形成形型１のキャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに収納し、賦形成形型１によって積層成形材２４を圧縮する。これによって織物基材２２に付着している樹脂材料２３を軟化して積層成形材２４の層間を接着し、形状を保持させる。
その後賦形成形型１を固化温度に急冷して型を開き離型する。以上の各工程によって成形原反材２０を積層して３次元形状に賦形する。
以上のように予熱工程が、溶融温度に昇温過程の積層成形材２４を昇温した賦形成形型１へ投入配置して近赤外線放射装置２６によって近赤外線で加熱し、遠赤外線温度センサ−で温度を検知し、近赤外線の強度を調整し所定の温度に昇温させる工程とすることによって、近赤外線で、予熱対象の分子を加熱し中芯まで加熱できる。また遠赤外線センサ−によって非接触で正確な温度を検知することができる。しかも溶融温度に昇温過程の積層成形材２４を昇温した賦形成形型１へ投入配置することによって効率よく時間短縮して予熱することができる。

積層成形材２４を加熱する温度は、樹脂材料２３が軟化して積層成形材２４の層間を接着させる温度である。積層成形材２４が加圧されながら加熱されることで、積層成形材２４を構成する複数本の強化繊維束２１を含む織物基材２２が互いに強く押付けられ、軟化した樹脂材料２３が対向する複数本の強化繊維束を含む織物基材を構成する強化繊維束の単糸の間に浸透する。次いで積層成形材２４が冷却されることにより、樹脂材料２３は対向する複数本の強化繊維束を含む織物基材に付着し、積層成形材２４の層間を接着する。

この様に積層成形材２４を立体形状に変形させ層間を接着することにより、シワが無い立体形状の成形体を製造することができる。またこの成形体は積層成形材２４の層間が接着されているために、剛性が高く形状保持性に優れており、取り扱いが効率よく行える。

しかも以上の実施の形態の賦形成形方法によれば、図３に示す様に賦形成形型１の第１の２等辺リンク６の辺６ａ、６ｂ及び第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂを全開にした状態で上型２と中型３との間のキャビティ５ａ及び中型３と下型４との間のキャビティ５ｂに積層成形材２４を作業性よく配置することができるので、効率の良い生産が可能となる。
さらに、キャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに積層成形材２４を配置した後、図１の状態からさらに図４に示す状態に型合わせすることによってキャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに配置した積層成形材２４を均等に加圧して成型することができ、さらに効率の良い生産が可能となる。

以上の実施の形態の賦形成形では、熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料を用いたが実施の態様によっては熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂材料を用いることもできる。係る実施の形態について以下に説明する。
賦形成形型１を予熱して熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂材料を用いてなる成形原反材２０の硬化温度に昇温する。次に積層成形材２４を賦形成形型１のキャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに収納し、賦形成形型１によって積層成形材２４を加熱して圧縮する。これによって織物基材２２に付着している樹脂材料２３を硬化して積層成形材２４の層間を接着し、形状を保持させる。
その後賦形成形型１を急冷して型を開き離型する。以上の各工程によって成形原反材２０を積層して３次元形状に賦形する。

この実施の形態でも前述の熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料を用いる場合と同様に、図３に示す様に賦形成形型１の第１の２等辺リンク６の辺６ａ、６ｂ及び第２の２等辺リンク８の辺８ａ、８ｂを全開にした状態で上型２と中型３との間のキャビティ５ａ及び中型３と下型４との間のキャビティ５ｂに積層成形材２４を作業性よく配置することができるので、効率の良い生産が可能となる。
さらに、キャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに積層成形材２４を配置した後、図１の状態からさらに図４に示す状態に型合わせすることによってキャビティ５ａ及びキャビティ５ｂに配置した積層成形材２４を均等に加圧して成型することができ、さらに効率の良い生産が可能となる。

本発明の第二の実施の形態の賦形成形型を図７に示す。図に示すようにこの実施の形態では上型２と下型４との間には中型３ａ及び中型３ｂが配置され、上型２と中型３ａ間にはキャビティ５ａが形成され、中型３ａと中型３ｂ間にはキャビティ５ｃが形成され、中型３ｂと下型４との間にはキャビティ５ｂが形成される。したがってキャビティ５ａ、キャビティ５ｂ及びキャビティ５ｃに積層成形材２４を配置した後、型合わせすることによってキャビティ５ａ、キャビティ５ｂ及びキャビティ５ｃに配置した積層成形材２４を均等に加圧して成型することができ、さらに効率の良い生産が可能となる。
すなわち本実施の形態の賦形成形型は、第一の型である上型２と、第２の型である中型３ａと、第３の型である中型３ｂを含み、また第一の型である中型３ａと、第２の型である中型３ｂと、第３の型である下型４を含んで構成される。

本発明の第三の実施の形態の賦形成形型を図８に示す。図に示すようにこの実施の形態では上型２と下型４との間には中型３ａ、中型３ｂ、中型３ｃ及び中型３ｄが配置され、キャビティ５ａ〜５ｅを有する。したがってキャビティ５ａ〜５ｅに積層成形材２４を配置した後、型合わせすることによってキャビティ５ａ〜５ｅに配置した積層成形材２４を均等に加圧して成型することができ、さらに効率の良い生産が可能となる。

１・・・賦形成形型、２・・・上型、３・・・中型、４・・・下型、６・・・第１の２等辺リンク、６ａ、６ｂ・・・第１の２等辺リンクの辺、８・・・第２の２等辺リンク、８ａ、８ｂ・・・第２の２等辺リンクの辺、、５ａ〜５ｅ・・・キャビティ。

Claims (6)

1. ３以上の複数型を積層して配置してなり、第二の型を第一の型と第三の型の中間に配置して拘束するリンク機構を有し、前記第一の型と前記第二の型との間及び前記第二の型と前記第三の型との間各々に被成形材が配置されるキャビティが形成され、前記リンク機構は前記第一の型と第三の型との間に設けられる一対の第１の２等辺リンクと前記第二の型の両側部に設けられる一対の第２の２等辺リンクとよりなり、前記第１の２等辺リンクは頂部が前記第一の型と前記第三の型の両側外方に突出する態様で設けられると共に前記第１の２等辺リンクと前記第２の２等辺リンクとは各々の頂部が逆方向に位置する関係で設けられ、かつ前記第２の２等辺リンクが前記第１の２等辺リンクの側部内側方に位置する関係に配置されてなることを特徴とする賦形成形型。
2. 前記第１の２等辺リンクは等しい長さの一対の辺を有し、前記第一の型に前記第１の２等辺リンクの一方の辺の基端が回動自在に取り付けられると共に、前記第三の型に前記第１の２等辺リンクの他方の辺の基端が回動自在に取り付けられ、かつその第１の２等辺リンクの各辺の先端は相互に回動自在に組み付けられる請求項１記載の賦形成形型。
3. 前記第２の２等辺リンクの各辺のうち一方の辺は、前記第１の２等辺リンクの一方の辺に回動自在に取り付けられ、他方の辺は、前記第１の２等辺リンクの他方の辺に回動自在に取り付けられる請求項２記載の賦形成形型。
4. ３以上の複数型を積層して配置してなり、第二の型を第一の型と第三の型の中間に配置して拘束するリンク機構を有し、前記第一の型と前記第二の型との間及び前記第二の型と前記第三の型との間各々に被成形材が配置されるキャビティが形成され、前記第一の型が上型であり、前記第二の型が中型であり、前記第三の型が下型であり、前記リンク機構は前記上型と下型との間に設けられる一対の第１の２等辺リンクと前記中型の両側部に設けられる一対の第２の２等辺リンクとよりなり、前記第１の２等辺リンクは頂部が前記上型と前記下型の両側外方に突出する態様で設けられると共に前記第１の２等辺リンクと前記第２の２等辺リンクとは各々の頂部が逆方向に位置する関係で設けられ、かつ前記第２の２等辺リンクが前記第１の２等辺リンクの側部内側方に位置する関係に配置されてなることを特徴とする賦形成形型。
5. 前記第１の２等辺リンクは等しい長さの一対の辺を有し、前記上型に前記第１の２等辺リンクの一方の辺の基端が回動自在に取り付けられると共に、前記下型に前記第１の２等辺リンクの他方の辺の基端が回動自在に取り付けられ、かつその第１の２等辺リンクの各辺の先端は相互に回動自在に組み付けられる請求項４記載の賦形成形型。、
6. 前記第２の２等辺リンクの各辺のうち一方の辺の基端は、前記第１の２等辺リンクの一方の辺に回動自在に取り付けられ、他方の辺の基端は、前記第１の２等辺リンクの他方の辺に回動自在に取り付けられる請求項５記載の賦形成形型。

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