JP6976256B2 - 織り表面組織を備えた成形圧盤およびそれから作製される熱硬化性物品 - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、その内容が本明細書中に参考として組み込まれている、２０１６年１月２６日に出願の米国仮出願６２／２８７，３４６号の優先権を主張するものである。

本発明は、一般に、熱硬化性製造に関し、より詳細には、それから作製される熱硬化性物品の表面にシボを与えるための、表面組織を備えた成形圧盤に関する。

熱硬化性材料とは、高度に架橋結合したポリマー構造を形成する化学結合によって一緒に結合されたポリマーにより作られている材料である。熱硬化性材料中の化学結合によって生じた高度に架橋結合した構造は、熱硬化性材料の機械的および物理的な強度が熱可塑性物質またはエラストマー材料と比較して高いことの直接の原因となっている。熱硬化性材料の特徴的なパラメータはそのゲル化点であり、これは、硬化工程中に材料が不可逆的な様式で粘稠の液体樹脂状態から固形物の状態へと変化する時点をいう。熱硬化性材料がゲル化点を通過した後、材料は流動を止め、それ以上成形することができない。

樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）とは、自動車および航空宇宙用の応用に典型的に必要とされる、高い強度、複雑な幾何学、厳しい寸法公差、および部品品質を有する複合構造を作製する方法である。ＲＴＭでは、一般的にはアルミニウムから作られておりグラファイトなどの繊維「レイアップ」が型の中に配置されている密閉型を使用する。型を閉じ、密封し、加熱し、真空下に置く。その後、室温（２０℃）または加熱した樹脂を型の中に注入して、繊維レイアップを含浸させる。型を加熱し、真空下に置くことで、樹脂の流動が助けられる。その後、樹脂を硬化させるために十分な温度に型を保つ。典型的には、樹脂はＲＴＭ工程の間に３つの明白に異なる状態、すなわち、注入中の粘稠状態、樹脂の粘度がより高い粘度へと変化するゼリー化状態、および樹脂材料が化学的に架橋結合して樹脂が固まる硬化時間を経験する。ＲＴＭに使用する型は、樹脂を導入するための１つまたは複数の注入口、ならびにガスおよび過剰な樹脂が型を出ていくための少なくとも１つの排出口を有する。加工時間がより長い、より大きな部品には、複数口注入の型が典型的には使用される。

シート成形化合物（ＳＭＣ）とは、主に圧縮成形で使用される、すぐに成形できる繊維強化ポリエステル材料である。シートはロールで提供される。ＳＭＣは工程および強化複合材料の両方である。ＳＭＣは、細断繊維（一般的にはガラス繊維またはカーボンファイバーの長い鎖（通常は＞１インチ）を樹脂浴（一般的にはポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、またはエポキシ樹脂）上に分散させることによって製造する。ＳＭＣの製造中、ペーストリザーバーにより、測定された量の指定された樹脂ペーストをプラスチック担体フィルム上に分注する。この担体フィルムが細断器の下を通過し、繊維がその表面上に切り出される。細断繊維が樹脂ペーストの深度まで漂った後、別のシートを上部に追加してガラスをサンドイッチ状に挟む。シートを圧縮し、その後、製品が成熟する間保管するために使用する巻き取りロールに入れる。その後、担体フィルムを除去し、材料をチャージへと切断する。どのような最終製品形状が必要であるかに応じて、その後にＳＭＣを加えるチャージおよびスチールダイの形状が決定される。熱および圧力がチャージに作用し、完全に硬化した後、これを最終製品として型から取り出す。ＳＭＣ中のより長い繊維（ＬＦ）は、標準のバルク成形化合物（ＢＭＣ）製品よりも良好な強度特性をもたらす。典型的な応用には、要求の厳しい電気的応用、耐食要求、低価格の構造部材、自動車、および輸送が含まれる。

樹脂トランスファー成形およびシート成形化合物の使用は自動車および航空宇宙用の応用において金属車体部品の代替品として広範な使用を獲得しているが、特にカーボンファイバー含浸ＳＭＣ（ＣＦ−ＳＭＣ）において、表面の凹凸および仕上げに関連する問題が依然として存在する。したがって、成形複合材料の表面の凹凸および仕上げに関連する問題を覆い隠すための必要性が存在する。

物品の形成中に、熱硬化性物品の表面にグレインまたは織りパターンのシボを与える方法には、型に導入するシボを備えた圧盤が含まれる。熱硬化性材料を型の中に投入する。圧力および熱を加えて熱硬化性材料を圧盤と接触させて、シボを熱硬化性材料の表面に与える。熱硬化性材料を型の中で硬化させる。熱硬化性物品を、シボを備えた型から取り出す。シボ付き物品は、滑らかまたは他の圧盤シボを用いて形成した類似物品と比較して、構造的に改善されている。また、この方法によって物品を生成するシステムも提供する。

図１は、本発明の一実施形態に従って、型の中のダイ材料上に表面圧痕を作るためのパターン化表面を示す圧盤の面のトップダウン図である。 図２は、本発明の一実施形態に従って、図１のパターン化圧盤を用いて型の中のシート成形組成物熱硬化性材料から部品を形成するためのシステムの側面図である。 図３Ａ−３Ｃは、本発明の実施形態に従ってパターン化圧盤表面を用いて形成された成形シボ付き部品の一連の図である。

本発明は、パターン化成形圧盤を用いた物品の形成中に、熱硬化性物品の表面にシボを与えるためのシステムおよび方法として有用性を有する。本発明の特定の実施形態では、成形圧盤には織り表面組織が備わっている。本発明の特定の実施形態では、物品の表面がカーボンファイバー布に見えるようにカーボンファイバーＳＭＣ（ＣＦ−ＳＭＣ）材料を使用して物品を形成した場合に「カーボンファイバー布グレイン」を生じる、グレイン型が提供される。このシボには編み模様および横糸が含まれ、それぞれの領域自体は、熱硬化性樹脂中で成形した織りカーボンファイバーマットを模倣する平行な縦筋からなる。生じるカーボンファイバー布グレインはＣＦ−ＳＭＣパネルの表面上に見られる「醜い見た目（ｕｇｌｙ ｌｏｏ）」を覆い、形成された物品の外見が、例示的にデッキリッドの内側および他の露出した表面パネルを含めた、露出した自動車部品応用などの視覚的に敏感な応用のために許容される外観を有するように、ＣＦ−ＳＭＣのでこぼこ表面を隠す。シボ付き圧盤ツールはカーボンファイバーグレインの露出した編み模様を「成形し込み（ｍｏｌｄｓ ｉｎ）」、その一例を図１に示す。図１は、型の中のダイ材料上に表面圧痕を作るためのパターン化表面を示す、圧盤１０の面１２のトップダウン図である。

図２は、図１のパターン１２を有する圧盤１０を用いて型２２の中のシート成形組成物（ＳＭＣ）熱硬化性材料２８から部品を形成するためのシステム２０の側面図である。ＳＭＣ２８はロール３０から型２２に供給し得る。型２２の下部は、成形品に形状をもたらすために一連の陥没または空洞２６を有し得るベース２４である。型２２は、例示的に圧力および温度が含まれるパラメータについて制御雰囲気を有するチャンバ内に配置し得る。

シボ付き圧盤をＳＭＣの型において示しているが、シボ付き圧盤は、例示的に樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）における熱硬化性樹脂が含まれる、注入成形にも使用し得る。ＲＴＭ工程において使用される樹脂には、エポキシ、ウレタン、ポリエステル、およびビニルエステルなどの、粘度が低く、強化繊維内に含浸させることが容易な熱硬化性樹脂が含まれ得る。これらの樹脂には、例示的に、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂などのポリイミド樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジアリールフタレート樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アミノ樹脂などが含まれる。形成された部品を強化するために、本発明のチャネル樹脂供給ＲＴＭ工程の特定の実施形態において使用する樹脂に、ガラス、炭素、および他の合成繊維、ならびに天然繊維を含めた繊維を導入し得る。天然繊維にはココナツ繊維、タケ繊維、サトウキビ繊維、バナナの皮の繊維などが含まれ得る。加えた繊維は、理論的にはランダムに配向されている細断繊維である。

図３Ａ〜３Ｃは、本発明の実施形態に従って、パターン化圧盤表面を用いて形成された成形シボ付き部品の一連の図である。

本発明の実施形態における圧盤のシボ付きまたは織りパターンは、既存の圧盤（ｐａｔｅｎ）ツールに挿入物として導入してよく、それにより、例示的に様々な点刻グレインおよびスポーツ−トラックヘックスグレイン（ｓｐｏｒｔ−ｔｒａｃ ｈｅｘ ｇｒａｉｎ）を含めた、様々なパターンを使用するための高価なツールを一新する必要性が回避される。具体的な実施形態では、レーザーを使用して圧盤表面上にパターンをエッチングし得る。

シボ付き圧盤によって与えられる、形成された物品への外見的な恩恵に加えて、さらなる恩恵には、他のパターンまたは滑らかな表面と比較して改善された機械的特性、ならびに（ペンキ）被覆面積および接着特性を増加させることができる追加の表面積も含まれる。また、シボ物品表面は、物品の空気力学的特性を改善させる驚くべき結果ももたらす。たとえば、ディンプルを物品表面に追加し得る。

前述の説明は本発明の特定の実施形態を例示するものであるが、その実施の際に限定するものであることを意図しない。すべてのその均等物を含めた以下の特許請求の範囲が、本発明の範囲を定義することを意図する。

１０ 圧盤
１２ パターン面
２０ システム
２２ 型
２４ ベース
２６ 陥没または空洞
２８ シート成形組成物（ＳＭＣ）熱硬化性材料
３０ ロール

Claims (8)

1. 織りパターンを有する圧盤を型に導入するステップと、
   型に熱硬化性材料を提供するステップ、ここで、前記熱硬化性材料は細断されたカーボンファイバーで強化される、と、
   圧盤を圧力および熱の下で熱硬化性材料に施用して、織りカーボンファイバーマットを模倣する織りパターンを熱硬化性材料の表面に与えるステップと、
   熱硬化性材料を硬化させるステップと、
   熱硬化性物品を型から取り出すステップと、
   を含む、物品の形成中に、熱硬化性物品の表面にシボを与えるための方法。
2. 圧盤をレーザーエッチングしてシボをもたらす、請求項１に記載の方法。
3. 熱硬化性材料が、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、グアナミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジアリールフタレート樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、またはアミノ樹脂のうちの少なくとも１つの樹脂である、請求項１に記載の方法。
4. 熱硬化性材料がシート成形組成物（ＳＭＣ）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 熱硬化性材料にカーボンファイバーが含浸されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 織りカーボンファイバーマットを模倣する織りパターンのシボを備えた圧盤と、
   型ベースと、
   細断されたカーボンファイバーで強化された熱硬化性材料の供給と
   を備える、熱硬化性物品にシボ付き表面を生じるためのシステム。
7. 熱硬化性材料が、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、グアナミン樹脂、ポリイミド樹脂、ビスマレイミドトリアジン樹脂、フラン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリジアリールフタレート樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、またはアミノ樹脂のうちの少なくとも１つの樹脂である、請求項６に記載のシステム。
8. 熱硬化性材料がシート成形組成物（ＳＭＣ）である、請求項６または７に記載のシステム。
   

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