JPH0570568B2 - - Google Patents

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JPH0570568B2
JPH0570568B2 JP59188947A JP18894784A JPH0570568B2 JP H0570568 B2 JPH0570568 B2 JP H0570568B2 JP 59188947 A JP59188947 A JP 59188947A JP 18894784 A JP18894784 A JP 18894784A JP H0570568 B2 JPH0570568 B2 JP H0570568B2
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fibers
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fiber
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Koichi Takagi
Shunichi Hayashi
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Mitsubishi Heavy Industries Ltd
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Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は繊維強化プラスチツク成形品及びその
製造方法に係るものである。
（従来の技術） 従来繊維強化プラスチツク製品または繊維強化
プラスチツク部品の成形方法としてハンドレイア
ツプ、加圧バツグ、レジンインジエクシヨン等の
方法が実施されている。
また長繊維の方向性を活用するための成形方法
としてフイラメントワインデイング法、連続引出
し法、連続積層法等の方法が実施されている。
（発明が解決しようとする問題点） しかしながら前者の方法は主として板物の加工
法であり、また後者の方法は複雑な形状を有する
製品の成形に適しておらず、形状の面からの制約
があり、またこの際の生産性が低いという欠点が
あつた。
（問題点を解決するための手段） 本発明はこのような問題点を解決するために提
案されたもので、中心部を短繊維、外周部または
局部を長繊維で強化してなることを特徴とする繊
維強化プラスチツク成形品及び閉塞された金型内
に短繊維とマトリツクスで構成された短繊維部を
中心部に有し、長繊維とマトリツクスで構成され
た長繊維部を外周部に有する成形素材を配置し、
これをポンチで圧縮して金型に充満させるととも
に、金型を所定温度に加熱制御することを特徴と
する繊維強化プラスチツク成形品の製造方法に係
るものであつて、その目的とする処は塊状の複雑
な形状の製品に対しても長繊維の方向性を有効に
活用でき、生産性、材料歩留り、加工精度に優れ
た繊維強化プラスチツク成形品及びその製造方法
を提供する点にある。
（作用） 本発明においては前記したように、繊維強化プ
ラスチツク成形品の中心部を短繊維より構成し、
外周部または局部に長繊維を配置することによつ
て、強度、耐摩耗性等特定物性を要求される部分
に集中して強化できるものである。
また本発明においては短繊維とマトリツクスで
構成された短繊維部を中心部に有し長繊維とマト
リツクスで構成された長繊維部を外周部に有する
成形素材を閉塞された金型に充満させ、金型温度
を制御しながらポンチで圧縮するようにし、前記
素材が密閉金型中で圧縮方向に対して直角方向に
拡大する過程で、長繊維組織中の隙間が一時拡大
し、その後縮少する構成としてこの拡大状態で素
材中の短繊維を長繊維の隙間に進入させ、その後
隙間の縮少によつて長短両繊維間にアンカー効果
を生起せしめ、成形品利用時に両者間の剥離現象
を防止するものである。
（実施例） 以下本発明を図示の実施例について説明する。
第１図乃至第４図は第３図に示す繊維強化プラ
スチツクの成形素材１を利用して、第４図に示す
成形品２を成形する場合に本発明を適用した場合
を示し、第２図に示した如く成形素材１を配置し
た後、閉塞した上、下金型３，４中で上、下ポン
チ６，７を移動して第１図の如く押圧し金型内の
空隙５を充足して成形品２を得る。この場合上、
下金型３，４、場合によつては上、下ポンチ６，
７も、図示しない公知の方法で、成形素材の種類
に応じて、温度を制御して、成形素材１を軟化及
び硬化させ成形する。
成形素材１は別途長繊維及び短繊維をプラスチ
ツクのマトリツクスで賦形したものを使用し、繊
維は炭素、ガラス、金属、セラミツク等無機質及
びアラミド計等有機質繊維並びにこれらを組合せ
たものが利用できる。またマトリツクスとしての
プラスチツクは熱可塑性プラスチツク、熱硬化生
プラスチツクを問わず利用できるが、例えばポリ
アミド、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ビ
ニールエステル樹脂等が利用できる。
素材段階では充填剤、離型剤、硬化剤、増粘
剤、安定剤、着色剤等を予め混入させ、熱硬化樹
脂の場合にはタツク・フリー（tack free）所謂
Ｂステージ（Ｂ−stage）の状態で使用する。
第５図乃至第８図は本発明の歯車の成形に適用
した実施例を示し、第５図に示す成形素材８は中
心部に短繊維とマトリツクスで構成される短繊維
部８ａを有し、外周部に長繊維とマトリツクスよ
り成る長繊維部８ｂを有する。而して前記成形素
材８を第７図の金型１０，１１中に配置して上下
ポンチ１３，１４で圧縮成形すると、前記素材８
は歯形を有する金型１０，１１間の空隙１２を充
して、第８図の如く、内部に短繊維部９ａ、外周
部に長繊維部９ｂを有する形で、第６図に示す成
形品としての平歯車９が成形される。この場合も
公知の方法で金型及びポンチの温度制御を利用す
るが、本成形法に於ては常にこのような制御を行
なうので、以下説明を省略する。またポンチ１
３，１４の押圧力は実際の成形に当つてはマトリ
ツクスの硬化が進行してＣステージ（Ｃ−stage）
に移行した後、ある段階で減少させ、成形品の破
壊を防止する等の制御をするが本発明の主旨でな
いので説明を省略する。第９図乃至第１２図は本
発明の他の実施例を示し、外周部に配置した長繊
維８ｂは、最外周に配設された右上りの連続繊維
層８b1及びこの内側に配設された左上りの連続繊
維８b2より構成された場合を示し、実際には、繊
維直径が数ミクロンまたは十数ミクロンの繊維
が、多数円周上に、ほゞ均等な厚さで配置されて
いる。第１０図は成形素材８の外周部断面を示
す。この場合成形品としての平歯車９の表面は、
第１１図に示す如く、交叉する長繊維層９b1，９
b2を有するように成形される。なお公知の如く、
繊維強化プラスチツクにおいて、成形品強度、剛
性等物性は繊維方向で最大となり、応力方向がこ
れからずれた場合その角度により急激に低下す
る。
このため、平歯車においては、第１２図に示し
た角度θ1が、繊維と歯車の主応力方向のなす角度
として主要な意味を持つ。この角度θ1は素材にお
ける繊維の配置、素材寸法と成形品形状、寸法及
び成形条件によつて決るので、基本的な考え方を
第１３図以下第１６図に単純化して説明する。
第９図の成形素材８における長繊維の配置は、
素材製作が容易であるという長所を有するが、圧
縮成形による加工度が高い場合同一方向の長繊維
層の特定部で繊維同志が分離して、内部の短繊維
部が外部に大きくはみ出してくる場合がある。一
方第１３図に示した外周部に組紐を利用した成形
素材１５は、両方向に傾斜した長繊維部のストラ
ンド１５b1，１５b2を交叉させ、圧縮成形で内圧
がかかつた時、第１４図の１６に示す如く円周を
拡大し、長手方向に縮む。この場合、ストランド
１５b1，１５b2は互いに交叉している為、ほゞ均
等な内圧により部分的に大きく移動する事態は発
生し難く、前述した短繊維の部分的はみ出しの危
険が少ない。なお第１５図の断面図に示す如く、
圧縮成形後の外形寸法l2，d2は、体積と関係して
いるので、必要に応じて凹部１６ｃを設ける等設
計上の配慮を要する。なお図中１６ａは短繊維
部、１６ｂは組紐１５ｂの変形した長繊維部を示
す。第１６図は、第１３図に示す直径d1の成形素
材１５の長さl1を軸方向に圧縮した長さl2とした
場合の直径d2をストランド１５b1，１５b2の網目
の変形のみに着目して記載した理論値である。当
初の傾斜角α1が異なる場合の４種類に関してプロ
ツトしてあるが、成形素材により、ストランドが
切断又は延伸しないで拡大出来る直径d2は図示の
如く自から制限があるため、成形品形状及びこゝ
で要求されるストランドの傾斜角α2を考慮して素
材寸法、ストランドの配列を決定する必要があ
る。
第１６図の（α2＝30°）の線は、第１４図に於
て円柱内に均一な内圧がかゝつた場合を想定した
場合のストランドにかゝる理論上の張力方向角度
をプロツトしたもので、睡方向に圧縮して直径d2
を拡大させる場合の直径拡大限界のめどである。
実際には、ストランド自体への軸方向圧縮力に
よりα2は30°以下に傾斜しようとし、ストランド
と金難及び短繊維部との抵抗は、α2は30°以上の
傾斜にする方向即ちα1に維持しようとする方向で
作用するが、その差は小さく、30°は充分めどと
して利用できる。なお、各種の成形品に於いてス
トランドの変形は、このように単純ではないが、
例えば平歯車９等の表面においても歯面に沿つた
表面長さを第１４図の円柱外周長相当（πd2）と
考えると、同様の考え方が複雑形状成形品へも適
用でき、またこの考え方は第９図の如き単なる長
繊維層に対しても適用できる。
第１７図は第１３図の成形素材１５を軸方向に
圧縮して、傾斜角α2がほゞ45°となつた場合を示
し、この場合、組紐の外表面にはストランド間の
スキマ１５ｃが形成される。この断面Ａ−Ａを示
す第１８図において、圧縮により内圧をする短繊
維部１５ａはこの隙間よりストランド外へ進出
し、断面Ｂ−Ｂを有する第１９図の如く、一部は
ストランド外表面に移動する。この場合隙間１５
ｃの大きさは、組紐の構成によつて管理できる。
また短繊維部１５ａ中のマトリツクス分の進出が
先行し、後に残つた短繊維の豊富な成分が隙間１
５ｃを閉塞する傾向があるので極端に多量の短繊
維１５ａがストランド外に進出することは防止で
きる。このように長繊維部に短繊維を喰込ませる
ことは、成形品を利用する際、長短繊維層間の剥
離を防止する上で極めて有効である。なお隙間１
５ｃは圧縮成形が進行するに従い再度縮小する
為、短繊維の豊富な成分が隙間１５ｃに噛込んだ
状態となる。第２０図乃至第２２図は製紐機（ブ
レーダー）による他の組紐組織の例で第２３図は
この内第２０図の断面Ｃ−Ｃを示したもので、成
形品の形状、材質、サイズ等により各種の組織を
選択し利用できる。
第２４図は短繊維部外周に組紐１７b1〜１７b3
を３重に使用した成形素材１７を示すもので、組
紐のみならず、第９図に示した長繊維層又は両者
の組合せ等を複数重ねた形成素材を利用すること
も出来る。
第２５図は本発明の方法の他の実施例を示し、
金型１９，２０内の成形素材２３を上下ポンチ２
１，２２で圧縮成形する途上の金型内断面図で金
型外周近傍にＯ−リング２４が配置され、ニツプ
ル２５、溝２６、金型合せ面を介して、外部より
真空引きして、金型内を負圧とするように構成さ
れている。このように成形途上で金型内の空気を
排除することにより、成形素材２３中の空気を排
除し、成形品中のボイドを減少して、その物性を
均一化し、向上させるとともに、成形過程によつ
ては、金型と成形素材間にとじ込められて、逃げ
場がなくなり、断熱圧縮によつて成形品表面を焼
損させ、またウエルドラインが発生するという事
態を回避できる。またこれと関連して第２８図に
外観を、第２９図に断面を例示した傘歯車の成形
においては、第２６図に示す如く、下ポンチ２８
の上昇を少量とし、上ポンチ２７を大きく下降さ
せることにより、成形素材を比較的上部から順次
拡大させて歯形部２９を成形している。このよう
に繊維の種類、量、マトリツクスの性質、金型温
度、ポンチ速度等成形条件にもよるが、通常は移
動量の大きなポンチ側に於ける素材の変形が顕著
なため、成形品の最終形状、金型割面、空気抜け
等を考慮してポンチの移動量を決定する必要があ
る。第２８図は上、下ポンチをほゞ同速で移動さ
せた為、変形の最終工程で歯形部を成形する為の
抵抗力も加わつて、歯形中央部で長繊維が折曲
り、最終的、にウエルドライン３０が発生した不
具合な例を示した。
第３０図及び第３１図は本発明の他の実施例を
示し、円筒形素材３２中に軸３７を配置し、金型
３３，３４中でポンチ３５，３６を移動し、第３
１図の如く押圧して軸穴を有する成形品３１を成
形する場合を示すものである。図中３８は金型３
３の歯形を有する空隙を示す。
第３２図及び第３３図は本発明の方法によつて
製造される成形品及び素材を示し、第３２図は前
記同様の方法で軸３７にキー溝用の突起を持たせ
てプーリ３９にキー溝３９ｃを形成した例で、第
３３図はその成形素材４０である。４０ａは短繊
維部、４０ｂは長繊維部、４０ｃはキー溝３９ｃ
に相当する溝を示す。
第３４図及び第３５図は本発明の他の実施例を
示し、成形素材４１を利用して第３６図の外観
図、第３７図の断面図に示す如き軸部に入子４９
を有する平歯車４１′の成形工程を示す。図中４
２は上金型、４２ａは固定板、４３は軸、４４は
下部金型、４４ａは固定板、４５は軸、４５ａは
突起、４６は前記両金型間空隙、４７は上ポン
チ、４７ａは窓孔部、４８は下ポンチ、４８ａは
窓孔部、４１′ａは短繊維部、４１′ｂは長繊維部
である。
第３８乃至４０図は本発明の方法で製造された
他の成形品の例で、第３８図においては、平歯車
５１の入子として軸５２を使用した場合、第３９
図は、円周方向に突起物５６を有するジヤーナル
５５、第４０図は円周方向にブレード５８有する
プロペラ５７を示す。第４１図は本発明の方法の
他の実施状況を示し、円柱素材を利用し、上下ポ
ンチ６６，６７以外に水平ポンチ６８を作動させ
ることによつて、第４２図に示す突起６５ａを有
する成形品６５を成形する。この場合上下金型６
１，６２に加え、横方向に分割出来る金型６３，
６４が利用される。
第４３乃至４６図は円柱、円筒以外の成形素材
の例を示すもので、第４３図は短繊維部７１ａの
外周を長繊維７１ｂで被覆した矩形断面素材７
１、第４４図は素材の短繊維部７２ａに対し二面
のみ長繊維部７２b1，７２b2とした矩形断面成形
素材７２の外観図、第４５図は６角断面の成形素
材７３で７３ａは短繊維部、７３ｂは長繊維部、
第４６図は短繊維部７４ａに対して部分的に長繊
維部７４ｂを有するＨ型成形素材７４の外観を示
す。なお第４４図、第４６図において、第４７図
に示す如き別途製紐した筒紐等を長繊維部７２
b1，７２b2，７４ｂとして利用することもでき
る。
第４８図及び４９図は短形断面成形素材８１を
連続断面の横方向からポンチ８５，８６により圧
縮して第５０図に外観を示す取手８７を成形する
場合の工程を示す。
図中８１ａ，８１ｂは成形素材８１の短繊維部
及び長繊維部、８２，８３は金型、８４は同両金
型８２，８３内の空隙である。
なお前記各実施例における成形素材、成形品で
は、例えば拡大する長繊維組織として編物を利用
することもできる。
また前記実施例は閉塞成形の場合について説明
したが、対象とする成形品の形状によつては、成
形素材を既存の密閉成形（マツチドダイ成形）に
適用することもできる。
更に成形サイクルを短縮するため、金型からの
伝熱以外に他の公知の方法、例えば高周波誘電加
熱によつて成形素材を直接加熱することもでき
る。
なお前記実施例は成形素材が繊維入りプラスチ
ツクの場合について記述したが、プラスチツクの
場合にも適用可能である。
（発明の効果） 本発明においては、繊維強化プラスチツク成形
品は、中心部を短繊維、外周部または局部を長繊
維で強化したものであるから塊状の複雑な形状の
製品に対しても長繊維の方向性を有効に活用で
き、強度、対摩耗性等特定物性を要求される部分
に集中して強化できると共に生産性、材料歩留り
及び加工精度に優れた成形品を得ることができ
る。一方、成繊維入りプラスチツク成型素材は、
密閉された金型内に入れられる前に別途成形され
ているので、SMC（Sheet Molding Compound）
BMC（Bulk Molding Compound）、またはハン
ドレイアツプ等に比較して気泡の混入が少く、品
質が均一である。このため成形品も強度等物性に
優れ、しかも品質が安定している。また工業的に
は、基本的に連続押出し、又は引張りにより成形
した連続断面の短繊維部の外周にフイラメント・
ワインダー、ブレーダー等によつて自動的に長繊
維部を形成後、自動切断して成形素材を作るため
製造コストが安いという利点がある。また本発明
は複雑形状品の成形手段としての圧縮成形法に比
較すると変形させる部分の近傍に力を作用させる
ため、また金型がバリを押圧して成形品自体への
最終押圧力を減じることがないので、小さな力で
加工することができ、複雑な形状品、繊維含有率
の高い成形品の成形が可能でその物性も優れてい
る。
またバリの発生がほとんどないため、材料歩留
りがよく、更に他の方法の如きバリ部に於ける繊
維切断による強度、剛性の低下が少ない。更にま
た本発明では外周部または局部に長繊維を配置す
ることにより、強度、耐摩耗成等特定物性を要求
される部分に集中して効果的に強化でき、特に高
価な繊維を利用する場合における経済性が大き
い。
また本発明によれば長繊維を利用した成形にお
いて、流動性、加工性に優れた短繊維部を設ける
ことにより、長繊維部により均等な変形圧を与
え、小さな力で複雑な形状の成形品の加工を可能
にできる。
更に本発明によれば連続断面内で拡大可能な長
繊維組織を利用することにより、複雑な形状の成
形を可能ならしめるとともに、長繊維の配向を規
定して、成形品の強度を高める。
更にまた本発明においては長繊維部が拡大する
際、長繊維組織内の間隙が拡大することを利用し
て、この間に短繊維を進入させることにより、長
繊維部と短繊維部との間のアンカー効果を生起せ
しめ、両者間の剥離を防止できる。
なお本発明によれば、成形前又は途中から、金
型内を負圧にすることにより、成形品内部に空隙
欠陥のない、表面に形状欠陥の少ない成形品の成
形が可能でありまた各種の入子を挿入した成形品
の成形も可能となるのみならず、成形素材の連続
断面に対し、直角方向から押圧することにより、
複雑な形状の長物成形品の成形も可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図は本発明に係る繊維強化プラスチツク成
形品の製造方法の一実施例の実施状況を示す縦断
面図、第２図は成型用金型の縦断面図、第３図及
び第４図は夫々成形素材並に成型品の斜面図、第
５図乃至第８図は本発明の他の実施例を示し、第
５図及び第６図は夫々成形素材並に成形品の斜面
図、第７図及び第８図はその工程を示す縦断面
図、第９図は成形素材の斜面図、第１０図はその
部分縦断面図、第１１図は前記素材より成形され
た成形品の部分斜面図、第１２図は同成形品の長
繊維層の水平に対する傾斜角を示す説明図、第１
３図は成形素材の外周部に組紐を利用した例を示
す正面図、第１４図及び第１５図は夫々その金型
内における変形状態を示す正面図並に部分縦断面
図、第１６図は圧縮成形過程の各寸法、傾斜角等
の関係を示す説明図、第１７図は第１３に示す成
形素材の金型内における変形過程の状態を示す正
面図、第１８図及び第１９図は夫々第１７図の矢
視Ａ−Ａ図並に矢視Ｂ−Ｂ図、第２０図乃至第２
２図は夫々成形素材に使用される組紐の他の組織
例を示す説明図、第２３図は第２０図の矢視Ｃ−
Ｃ図、第２４図は成形素材の他の実施例の一部を
欠截して示した斜面図、第２５図は本発明の方法
の他の実施例の実施状況を示す縦断面図、第２６
図及び第２７図は夫々本発明の方法の他の実施例
の工程を示す縦断面図、第２８図及び第２９図は
夫々成形品の斜面図並に縦断面図、第３０図及び
第３１図は夫々本発明の方法の更に他の実施例の
工程を示す縦断面図、第３２図及び第３３図は
夫々成形品並に成形素材の斜面図、第３４図及び
第３５図は夫々本発明の方法の他の実施例の工程
を示す縦断面図、第３６図及び第３７図は夫々成
形品の斜面図、並に縦断面図、第３８図乃至第４
０図は夫々他の成形品の例を示す斜面図、第４１
図は本発明の方法の他の実施例の実施状況を示す
縦断面図、第４２図は成形品の斜面図、第４３図
乃至第４６図は他の各成形素材の例を示すもの
で、第４３図は縦断面図、第４４図乃至第４６図
は斜面図である。第４７図は前記成形素材の長繊
維部に使用される筒紐の斜面図、第４８図及び第
４９図は本発明の方法の更に他の実施例の工程を
示す縦断面図、第５０図は成形品の斜面図であ
る。 １……成形素材、２……成形品、３，４……金
型、６，７……ポンチ、８……成形素材、８ａ…
…短繊維部、８ｂ……長繊維部、９……成形品と
しての平歯車、９ａ……短繊維部、９ｂ……長繊
維部、１０，１１……金型、１３，１４……ポン
チ、１５，１６……成形素材、１７……成形素
材、１９，２０……金型、２１，２２……ポン
チ、２３……成形素材、２７，２８……ポンチ、
３２……成形素材、３３，３４……金型、３５，
３６…ポンチ、３９……成形品、４０……成形素
材、４０ａ……短繊維部、４０ｂ……長繊維部、
４１……成形素材、４１′……成型品、４１′ａ…
…短繊維部、４１′ｂ……長繊維部４２，４４…
…金型、４７，４８……ポンチ、５１……成形品
としての平歯車、５５……成形品としてのジヤー
ナル、５７……成形品としてのプロペラ、６１，
６２……金型、６５……成形品、６６，６７……
ポンチ、７１……成形素材、７１ａ……短繊維
部、７１ｂ……長繊維部、７２……成形素材、７
２ａ……短繊維部、７２b1，７２b2…長繊維部、
７３……成形素材、７３ａ……短繊維部、７３ｂ
……長繊維部、７４……成形素材、７４ｂ……長
繊維部、７４ａ……短繊維部、７４ｂ……長繊維
部、８１……成形素材、８２，８３…金型、８
５，８６……ポンチ、８７……成形品としての取
手。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 １ 中心部を短繊維、外周部または局部を長繊維
    で強化してなることを特徴とする繊維強化プラス
    チツク成形品。 ２ 閉塞された金型内に、短繊維とマトリツクス
    で構成された短繊維部を中心部に有し、長繊維と
    マトリツクスで構成された長繊維部を外周部に有
    する成形素材を配置し、これをポンチで圧縮して
    金型に充満されるとともに、金型を所定温度に加
    熱制御することを特徴とする繊維強化プラスチツ
    ク成形品の製造方法。
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