JPH03132319A - 成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、プレス成形法、射出成形法及びこれに準する
成形法が不可能もしくは適切でない形状、材料特性を有
する成形品を製造する際の製造方法に関する。

（従来の技術） 成形加工に際して、加熱、加圧が必要な材料は非常に多
く、たとえば合成樹脂、繊維強化プラスチックはその典
型的な例である。合成樹脂の種類は今日、多岐に亘り、
従来の汎用プラスチ・ツクを始めとしてスーパーエンジ
ニアリングプラスチックと呼ばれる耐熱性、強度、剛性
の優れた合成樹脂まで幅広く利用されている。

繊維強化プラスチックは、鋼材等の金属材料と比較して
比剛性、比強度に優れた素材であり、軽量化を重視する
宇宙航空機産業、ロール、シャフト等の高速回転体への
応用等産業上の利用分野で利用されるようになってきた
。例えば宇宙航空機用軽量化バイブ材、ＦＲＰ製圧力容
器、自動車用プロペラシャフト等があげられる。

繊維強化プラスチックの特性は、強化繊維の物性、強化
繊維の含有率（ｖｆ）、合成樹脂物性等に依って定まり
、要求特性に応じて炭素繊維強化エポキシ樹脂、ガラス
繊維強化フェノール樹脂等の種類がある。

また繊維強化プラスチックの特性は、その成形加工条件
に太き（依存し、成形条件が不適切な場合、成形品内部
にボイドが生じたり、強化繊維の含有率が低く、望まし
い強度、剛性が発現されなかったり、表面品質が悪く商
品価値が損なわれたりする場合があるため、繊維強化プ
ラスチックの種類に応じた適切な成形条件を選択するこ
とが必要である。

近年、合成樹脂、繊維強化プラスチックの応用分野が拡
大するとともに、その要求特性も多様化し、樹脂の種類
も拡大し成形条件も高温化、高圧化している。ポリアミ
ド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサル
ファイド等の耐熱性熱可塑性樹脂は溶融時の粘度が１０
’　ｐｏｌｓｃと高く、流動性が悪いため射出成形が難
しく、また、これらの合成樹脂の繊維強化プラスチック
は成形温度が３００℃以上、成形圧力が３０ｋｇｆ／ｅ
ｘｔ以上を必要とし、プレス成形が可能な平板状の成形
品以外は成形がきわめて困難である。

これらの材料を用いて成形品を製造する場合、プレス成
形、射出成形等の方法が一般に行なわれている。特に、
射出成形は、複雑な形状の成形品を成形する方法として
優れており、射出成形によって、はとんどの合成樹脂お
よび一部の繊維強化プラスチックを用いて望ましい形状
の成形品を製造することが可能である。

しかしながら、合成樹脂においても流動性がきわめて悪
い場合には、射出成形時に要する射出圧力が通常の射出
成形機の能力を超えるため、成形が不可能な場合もある
。このような場合、可塑剤等の添加剤を合成樹脂に混入
して溶融粘度を低減し射出成形を行なう場合もあるが、
添加剤の混入による剛性、耐熱性の低下を生ずる場合も
あるため、一般的に望ましい方法とは言えない。

繊維強化プラスチックの成形加工は通常、素材に所定の
温度、圧力を印加した状態で行われる。

繊維強化プラスチックの成形加工は室温より高い温度で
行われる例が多く、温度の変化に着目すると、昇温、保
持、冷却の過程を経る。各々の過程においで適切な圧力
が印加されて繊維強化プラスチックは成形される。

繊維強化プラスチックを構成する合成樹脂の種類、物性
により成形時の圧力、保持温度等の適正値の範囲はほぼ
定まっており、例えば、エポキシ樹脂の場合１５０℃、
５ｋｇｆ／ｃ−程度、ナイロン樹脂の場合２８０℃、２
０ｋｇｆ／ｃ−程度である。一般に熱可塑性樹脂は溶融
粘度が高いため成形時に高い圧力を必要とするものが多
く、熱硬化性樹脂は大気圧程度で成形可能なものが多い
。

成形加工法は、平板状であればプレス成形、円筒その他
プレス成形が不可能もしくは適当でない形状の場合であ
れば真空バッグ成形法（例えば、ＣＯＭＰＯ８ＩＴＥＳ
　（ＡＳＭ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ）　ｐ、５８
７〜５８８゜Ｖｏｌ、　１．１９８７年）、ガス吹き込
み型内圧成形法（ＩＩＡＮＤＢＯＯＫ　ＯＦ　ＣＯＭＰ
Ｏ８ＩＴＥＳ　（ＶＡＮ　ＮＯ３Ｔｌ？ＡＮＤ　ｌ？Ｅ
ＩＮＩＩＯＬＤＣＯＭＰＡＮＹ）　ｐ、３６８〜３８９
．１９８２年）、オートクレーブ成形法等が代表的な成
形法である。

繊維強化プラスチックの場合、強化繊維がその機能を発
現するため１こは製造された成形品内部で強化繊維が十
分な繊維長を保持し、かつ望ましい配列で存在すること
が必要なため、射出成形法では成形が不可能な場合が多
い。

成形に要する時間は、一般に熱可塑性樹脂は硬化反応を
伴わないため短く、熱硬化性樹脂は硬化反応を伴うため
長いものが多い。

一般にプレス成形では、はとんどの樹脂に対して成形上
望ましい温度、圧力が明らかになっており、加圧方法が
固体接触によるため、成形品の表面に成形型の表面が転
写され平滑で美しい表面が得られるのが通常であるが、
その他の成形法では必ずしも適正な圧力、表面品質を容
易に得られる訳ではない。

特に、熱硬化性樹脂に比べて溶融時の粘性が高い熱可塑
性樹脂の場合は、成形時に高い圧力を必要とし、通常の
ガス吹き込み型内圧成形法、真空バッグ成形法では十分
な圧力が得られない。成形時に高い圧力を必要とする繊
維強化プラスチックを成形するｔ；めには、高性能なオ
ートクレーブを必要とするのが従来の主なる技術であっ
た。

しかしながら高圧オートクレーブ成形法は設備的にも高
価であり、高圧容器としての法的取扱いを受けるため操
業等に際して、十分な注意が必要であり簡便な成形法と
はいい難い。

また、加圧方法がガス流体の圧力を利用しているため、
例えば円筒状の成形品をオートクレーブで成形する際、
成形品の内面または外面に成形型を配置し、成形型を配
置していない面をガス流体により加圧することになるが
、ガス流体で加圧されている面は表面の平滑性、美観の
点で成形型と接触した面より劣る。

この例にみられるように、成形品の加圧面金てに成形型
を配置することが原理上不可能な成形品は、プレス成形
に見られるような成形型面の転写が成形品の表面の一部
でしか起こらず、表面品質には依然として問題が残る例
が多い。

また、合成樹脂、繊維強化プラスチ・ツクに限らず、例
えば金属の粉体を圧縮成形する場合等においてもプレス
成形、射出成形が不可能もしくは適切でない場合、同様
の問題が生ずる。

（発明が解決しようとする課題） 本発明は、上記問題点を解決するため、材料を固体接触
により加圧することにより、成形時に適切な圧力を得ら
れる簡便な成形設備により、表面品質の優れた成形品を
得ることのできる成形品の製造方法を提供するものであ
る。

（課題を解決するための手段および作用）本発明は、成
形型の少なくとも一方を形状記憶合金で作成し、前記形
状記憶合金の歪回復作用を利用して材料を加圧成形する
ことを特徴とする成形品の製造方法、及び成形型の少な
くとも一方を熱膨張率の大きい材料で作成し、前記成形
型の熱膨張差を利用して材料を加圧成形することを特徴
とする成形品の製造方法である。

一例として、円筒状の熱可塑性繊維強化プラスチツク成
形品の成形例を示して本発明の内容を詳しく説明する。

本発明は特に円筒状の成形品に限定されるものではなく
、本発明の主旨を超えない範囲で任意の形状、材料の成
形品に適用可能である。

円筒状の成形品を固体接触により加圧するためには、円
筒状成形品の内外面に成形型を配置し内面に配置した成
形型の径を拡大させるか、外面に配置した成形型の径を
縮小させるか、または内面に配置した成形型の径を拡大
させると同時に外面に配置した成形型の径を縮小させる
か、または繊維強化プラスチツク自体が膨張を起こすこ
とが必要である。

また、これらの拡縮は相対的なものであり、例えば、内
面に配置した成形型の外径が増加すると同時に外面に配
置した成形型の内径も増加する場合、内面に配置した成
形型の外径の増加量が外面に配置した成形型の内径の増
加量よりも大きければ相対的に内面に配置した成形型の
径は拡大したことになる。

このような成形型径の拡縮を起こさせる方法として、形
状記憶合金の歪回復作用が利用できる。

形状記憶合金の一般的な特性として歪回復作用が挙げら
れる。即ち、所定の′ＩＪ逍条件で製造された形状記憶
合金に所定の環境下で歪を与え、次に温度等により定ま
る歪回復の生じる環境下に置いてやれば、形状記憶合金
は歪回復を起こし原型を復元する機能を有している。歪
回復の機能は主として形状記憶合金の種類と環境温度に
よる。

形状記憶合金には一旦歪が回復すれば、その後、温度変
化を与えただけでは歪変化は生じない一方向性のものと
、温度変化を与えることにより、再び歪が歪回復依然の
状態に戻る二方向性のものがあり、成形型として再使用
の便を考えると二方向性の形状記憶合金の方が便利であ
る。

歪回復作用を利用して先述の成形型の拡縮を起こさせる
には、望ましい温度で望ましい歪回復が生じるように形
状記憶合金を選定し、加工すればよい。例えば内面に配
置した成形型の拡管を生じせしめることに依って、円筒
状の成形品を加圧したい場合、予め所定の製造条件で望
ましい径の内面に配置する形状記憶合金製成形型を製作
し、次に引き抜き等の工程により径を縮小する。

この成形型にｍＭ！強化プラスチックを巻き付け、外面
に配置する成形型の中に挿入し所定の成形温度に保持す
れば、形状記憶合金の歪回復作用により、内面に配置し
た成形型の径が拡大し、繊維強化プラスチックが外面に
配置した成形型に押し付けられ、加圧を受けた状態とな
り、その後、冷却することにより繊維強化プラスチック
が円筒状に成形される。

同様に前述の成形型径の拡縮を起こさせる方法として、
内外面に配置した成形型間の熱膨張差が利用できる。

成形型の熱膨張率はその材質と環境温度によって定まる
ため、例えば、内面に配置した成形型の拡管を生じせし
めることに依って、円筒状の成形品を加圧したい場合、
外面に配置した成形型及び内面に配置した成形型を、望
ましい成形温度に保持したとき生ずるであろう熱膨張に
よる各成形型の内径、外径の変化を予め推定しておき、
繊維強化プラスチックが成形時に適切な加圧を受けるよ
うに各成形型の材質、径等を選定する。

一般的に、熱膨張率が正の値を取る物質を使用した場合
、内面に配置した成形型の外径の熱膨張による増加量が
、外面に配置した成形型の内径の熱膨張による増加量よ
り大きくなる必要があるので、内面に配置する成形型の
材質は熱膨張率の大きな材質、外面に配置する成形型は
熱膨張率の小さな材質を選ぶことが重要である。

この成形型に繊維強化プラスチックを巻き付け、外面に
配置する成形型の中に挿入し、所定の成形温度に保持す
れば内外面に配置された成形型の熱膨張率の差により、
繊維強化プラスチックが外面に配置した成形型に押し付
けられ、加圧を受けた状態となり、その後冷却すること
により繊維強化プラスチックが円筒状に成形される。

これらの方法で成形された円筒状成形品は、内外面に配
置された成形型の表面が成形品表面に転写されるため、
プレス成形品と同程度の表面品質を有する。また、熱膨
張、形状記憶合金の歪回復により固体接触が生じた場合
、接触面での圧力は熱膨張、形状記憶合金の歪回復の際
に関与する物質の弾性率、接触変形量、環境温度等によ
るが、例えばこのような固体接触は焼きばめ、金属管体
の継手方法等に用いられることからもわかるように一般
的に高く、成形時に高い圧力を必要とする繊維強化プラ
スチックの成形が可能である。

以上、形状記憶合金の歪回復作用、もしくは成形型材質
の熱膨張差を利用して、繊維強化プラスチックを固体接
触により加圧することにより、簡便な成形設備により成
形時に適切な圧力を得、かつ表面品質の優れた成形品を
得ることを目的とする繊維強化プラスチックの成形方法
に関して、円筒状の成形品を内面に配置した成形型の径
の拡大を利用して成形を行なう場合の成形例を用いて説
明を行なった。

上記成形例において、外面に配置した成形型の内径の収
縮を利用して成形する場合等、形状記憶合金の歪回復作
用、もしくは成形型材質の熱膨張差を利用して同様に実
施できる。

上記の二種類の方法を実施する際、成形する嶽維強化プ
ラスチック自身もまた熱膨張等を起こすため、繊維強化
プラスチックに対する適切な加圧を実現するためには、
成形型材質の選定、成形型径等の成形のための諸元の選
定は、繊維強化プラスチックの材質等を考慮しつつ行な
わなければならない。

実際の成形のための諸元の選定に際しては、成形型材質
の熱膨張率等の諸物性値から計算によって、成形型径等
を決定して行くことも可能であるが、実験により決定し
てもよい。さらに、形状記憶合金を用いる上記成形方法
においても、熱膨張の効果が生じることもあり、実施に
際してはこの効果を加味する必要がある。また形状記憶
合金を用いる上記成形方法と熱膨張差を利用した上記成
形法を併用することは、場合により可能である。

本発明の実施にあたって、加熱方法は通常の熱風循環式
高温炉、赤外線炉等炉内を望ましい成形温度に望ましい
時間保持できる設備であればよい。

また、本発明記載の操作、成形はすべて大気圧下で行な
ってよく、樹脂物性からの要請等、特別な理由のない限
り雰囲気の減圧、加圧等は不要である。

また、成形型の材質は特に金属に限定されるものでなく
、使用に際して適切な耐熱性、熱膨張率、強度、剛性を
有するものが望ましく、熱膨張率が小さい成形型用素材
としてセラミックス、炭素材料、Ｃ／Ｃコンポジット等
が利用でき、熱膨張率が大きい素材としてアルミ、鋼材
等が利用できる。

形状記憶合金としては、例えば成形温度が２６０℃のナ
イロン系統の繊維強化プラスチックを成形する場合、２
００〜３００℃で歪回復を起こす鉄系の形状記憶合金が
使用できる。

（実施例１） 形状記憶合金の歪回復作用を利用し、ナイロン系熱可塑
性樹脂繊維強化プラスチツク円筒状成形品を製作した。

表１に示す成分からなる鉄系形状記憶合金（新日本製鐵
■製）製の管体を冷間引き抜き加工後、切断、表面研磨
によりφ３５ｍｍ５肉厚１．５ｍｍ、長さ４００ｍｍ１
こ仕上げた物を用意し、この内１本を２６０℃に一時間
加熱保持し室温まで冷却、歪回復による拡管量を調べた
ところ、加熱保持前と比較して１．５％の管径の増加が
生じた。

次に表１に示すナイロン系熱可塑性樹脂繊維強化プラス
チック（Ａｔｏｃｈｅａ社製）をプレス加工し、厚さ０
．２５ｍｍ程度、幅３ｍ１１程度の、ある程度繊維束に
樹脂が含浸した状態のテープを作成した。

このテープを離型剤（ＦＲＥＫＯＡ７４００℃耐熱）を
全面に塗布した前述の形状記憶合金製管体に、繊維束の
配向方向が管体の軸方向と平行になるように、厚さが３
ｍｍ程度まで巻き付け、全体を耐熱性フィルム（カプト
ン）で覆い、内径φ４２．５ｍｍ、肉厚１５關のステン
レス性の管体状金型に挿入した。

その際、金型との隙間の調節は耐熱性フィルムの被覆量
で調節し、なるべく隙間が小さくなるようにした。この
操作が終了した時点では、形状記憶合金に巻き付けた繊
維強化プラスチックのテープはお互いに融着してはいな
かった。

これを熱風循環式高温炉内に設置し昇温させ、炉内温度
が２６０℃に達した時点で昇温を止め、温度を一時間保
持した。

その後、室温まで冷却し、ステンレス性管体状金型と形
状記憶合金管体を脱型し、耐熱性フィルムを除去し、円
筒状成形品を得た。

得られた成形品の表面は良好で、成形品の断面を偏光顕
微鏡で観察した所、繊維束に対する樹脂の含浸状態も均
一で空隙の極めて少ない成形品であったことが確認でき
た。

（実施例２） 成形型の熱膨張差を利用し、ナイロン系熱可塑性樹脂繊
維強化プラスチツク円筒状成形品を製作した。

表２に示す熱膨張率を有する１７ｓアルミ製の中実棒、
切断、表面研心によりφ４０、長さ３００＋ａｍに仕上
げた物を用意し、また、同じく表２に示す熱膨張率を有
する、繊維が円周方向に配向した内径φ４４ｍｍ、肉厚
１５關、長さ５０ｍ醜のＣ／Ｃコンポジット製成形型（
新日本製鐵■製）を用意した。

次に表１に示すナイロン系熱可塑性樹脂繊維強化プラス
チックく＾ｔｏｅｈｅ１社製）を２６０℃に加熱したφ
４０ｍｍ、ステンレス製の管体に、軸心に対して繊維束
の配向角が４５″をなすように、肉厚２＋ａｍ程度まで
隙間なく巻き付け、室温まで冷却してステンレス製の管
体から脱型し長さｔ３（ｌ鰭に切断し、ナイロン系熱可
塑性樹脂繊維強化プラスチツク円筒状成形品を製作した
。

この時点では円筒状成形品の表面品質は不良で、成形品
内の繊維束内への樹脂含浸も不均一であった。この円筒
状成形品に離型剤（ｆｒｃｃｏａｔｃ）を全面に塗布し
た前述のアルミ中診棒をはめ込んで、全体を耐熱性フィ
ルム（カプトン）で覆い、Ｃ／Ｃコンポジット製成形型
内に挿入した。

その際、金型との隙間の調節は耐熱性フィルムの被覆量
で調節し、なるべく隙間が小さくなるようにした。これ
を熱風循環式高温炉内に設置し昇温させ、炉内温度が２
６０℃に達した時点で昇温を止め、温度を一時間保持し
た。

その後、室温まで冷却し、Ｃ／Ｃコンポジット製成形型
とアルミ中実棒を脱型し、耐熱性フィルムを除去し、円
筒状成形品を得た。

得られた成形品の表面は良好で、成形品の断面を偏光顕
微鏡で観察した所、繊維束に対する樹脂の含浸状態も均
一で空隙の極めて少ない成形品であったことが確認でき
た。

表 材 賀 熱膨張率 （１／Ｋ） Ｃ／Ｃコンポジット　　２ＸｌＯ’（繊維方向）（発明
の効果） 以上本発明に述べた形状記憶合金の歪回復作用、もしく
は成形型材質の熱膨張差を利用して、繊維強化プラスチ
ックを固体接触により加圧することにより、簡便な成形
設備により成形時に適切な圧力を得、かつ表面品質の優
れた成形品を得ることができる。

代 理 人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、成形型の少なくとも一方を形状記憶合金で作成し、
   前記形状記憶合金の歪回復作用を利用して材料を加圧成
   形することを特徴とする成形品の製造方法。 ２、成形型の少なくとも一方を熱膨張率の大きい材料で
   作成し、前記成形型の熱膨張差を利用して材料を加圧成
   形することを特徴とする成形品の製造方法。 ３、成形品の素材が、繊維強化プラスチックである請求
   項１または２記載の成形品の製造方法。