JPH06297632A - 曲げ加工用複合材料およびその曲げ加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 特別な装置を用いることなく簡単に曲げ加工
ができる複合材料シートおよび該複合材料シートを用い
て曲げ加工する方法を提供する。 【構成】 強化繊維および熱可塑性樹脂からなる曲げ加
工用複合材料であって、その複合材料中に少くとも２層
の絶縁層とその間に介在する通電により発熱する少くと
も１層のヒーター層とを配置した曲げ加工用複合材料。
ヒーター層の両端に設けた通電端子を電極に接続するこ
とにより複合材料が内部発熱し、容易に曲げ加工を実施
することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は曲げ加工用熱可塑性複合
材料およびその曲げ加工方法に関するものである。更に
詳しくは、簡易な設備による曲げ加工を可能とする新規
な熱可塑性複合材料および該複合材料を用いた新規な曲
げ加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、複合材料の曲げ加工品は、曲げ加
工品に合わせた所定形状の金型に強化材をセットし、こ
れに樹脂を注入して加熱硬化させて得た熱硬化性樹脂複
合材料、あるいは、予め予熱された金型に強化材（主と
して短繊維）を混合した熱可塑性樹脂あるいは熱可塑性
樹脂を注入して成形された複合材料が主である。また、
最近は、熱可塑性樹脂を用いて繊維強化複合材料板を成
形し、この板を金型と共に外部より加熱・加圧して曲げ
加工を行う方法も採用されるようになってきた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱硬化
性樹脂や熱可塑性樹脂を所定形状の金型に注入して成形
する方法においては、成形物の強化繊維含有率（Ｖｆ）
を高めることは困難であり、更に、使用する強化繊維の
長さにも制限があるため、得られる成形品の機械的特性
（物性）は低い値となる。一方、熱可塑性複合材料を金
型を用いて加熱加圧して成形物を得る方法においては、
Ｖｆを高めることが可能であり、かつ、連続繊維の使用
も可能であることから、物性の優れた成形品を得ること
ができるが、その反面、成形において高温と高圧が必要
であり、成形性に劣るという問題がある。しかも、これ
らの成形ではいずれも金型を必要とし、成形コストが高
価なものとなると共に任意に形状を変更する成形には適
さないという欠点があった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】本発明者らは上記問題を
解決すべく鋭意研究の結果、従来の曲げ加工とは全く異
なる手段によって上記問題が解決されることを見い出
し、本発明に至った。

【０００５】即ち、本発明は、強化繊維および熱可塑性
樹脂からなる曲げ加工用複合材料であって、その複合材
料中に少くとも２層の絶縁層とその間に通電により発熱
するヒーター層とを配置したことを特徴とする曲げ加工
用複合材料であり、さらには、この曲げ加工用複合材料
を用いて、上記ヒーター層に通電することにより発熱さ
せ、材料の内部より加熱・軟化せしめると共に外圧を加
えることによって曲げ加工を行うことを特徴とする熱可
塑性複合材料の曲げ加工方法である。

【０００６】本発明の重要なポイントは、特殊なシート
状熱可塑性複合材料を用い、該複合材料の内部より加熱
しつつ曲げ加工を行う点にある。従来の熱可塑性複合材
料の曲げ加工においては、上述の如く金型を用いて外部
より加熱を行っているため成形にともなう昇降温時間が
長く、エネルギー消費量も大きい。更に、熱可塑性複合
材料の熱伝導が悪いため、外部から加熱する方法では複
合材料の表面温度を高くする必要があり、強化繊維の浮
き上がり（スプリングバック）が生じ、これを防ぐため
に高圧が必要となる。加えて、連続繊維強化の場合に
は、曲げ部分に層間剥離を生じ易く、これを防ぐために
は複合材料全体の加熱と高圧とが必要となる。

【０００７】しかるに、本発明においては、通電加熱に
よる内部加熱を用いるため、材料の過度な加熱が防止で
き、更に、ゾーンで局部的に加熱できるため、極めて低
圧で良好な曲げ加工が可能である。このため、本発明で
は本格的な金型は必要ではなく、便宜的な簡易型を用い
て曲げ加工が可能となる。

【０００８】本発明において、複合材料の内部加熱に用
いるヒーター層は、複合材料の強化繊維として一般に使
用され、かつ、通電によって発熱する材料で構成するこ
とが好ましい。このような材料としては、炭素繊維、炭
化珪素繊維、金属繊維があげられるが、就中、連続炭素
繊維が最も好ましい。ヒーター層を構成する繊維材料
（基材）の構成としては通電部分が連続している必要が
あり、一方向引き揃え材や織物が使用でき、特に織物が
好ましい。これらの強化繊維材料は、通常、熱可塑性樹
脂が含浸された状態で複合材料におけるヒーター層を形
成する。このヒーター層の厚みは８ｍｍ以下、好ましく
は６ｍｍ以下、さらに好ましくは４ｍｍ以下であり、ヒ
ーター層で分割された各複合材料層の厚みが実質的に均
一であるように配置される。

【０００９】本発明において、ヒーター層と電源との接
続部分である端子の形成もまた重要である。複合材料に
おいてヒーター層を構成する上記導電性繊維基材を熱可
塑性樹脂で含浸せしめた後、スルーホールを開け端子を
形成する方法では、ヒーターに均一に電流を流すことが
できず、好ましくない。

【００１０】本発明ではヒーター層に均一に電流を流す
ためにヒーター層に使用する基材の両端を、熱可塑性複
合材料の外側に樹脂で覆われない状態で露出させ、これ
に帯状の端子を接続させることが好ましい。このように
することによって局部的な過昇温を防止でき、温和な条
件で曲げ加工を実施することが可能となる。

【００１１】本発明において、作業上の安全を確保する
と共に目的とする部位のみの曲げ加工を達成するには、
通電範囲を限定し、不必要な部分に電流が流れ出ること
を防止する必要がある。このため熱可塑性複合材料の厚
み方向の漏電防止に関しては、複合材料のＶｆが高い場
合、ヒーター基材を包み込んでいる熱可塑性樹脂だけで
は絶縁が不充分であり、ヒーター層の上下に別途絶縁層
を設けることが必要となる。

【００１２】この絶縁層を形成する繊維材料としては、
ガラス繊維、アラミド繊維等の耐熱性の電気絶縁性繊維
で構成された織物、マット、不織布等が使用される。な
お、マット、不織布等を使用する場合は、樹脂含浸の際
の絶縁欠陥の発生を防止するため、繊維同士の交絡強さ
の高い材料を使用することが望ましく、バインダー等の
熱的に弱い繋ぎ材を用いて製造された材料の使用は好ま
しくない。この絶縁層において、繊維材料に含浸させる
樹脂は熱可塑性樹脂であれば特に制限なく使用できる。
この絶縁層の厚みは０．３ｍｍ以下、好ましくは０．１
ｍｍ以下とする。

【００１３】ヒーター層を流れる電流を熱可塑性複合材
料の面方向に制限するためには、ヒーター基材として上
記耐熱性電気絶縁性繊維と上記ヒーター材料に用いる導
電性繊維との交織布を用いることが有効である。この場
合、交織布の経（緯）糸には全て絶縁性繊維を配し、緯
（経）糸に絶縁性繊維と導電性繊維とを適当な割合で配
した交織布が特に好ましい。これにより、電流の方向を
効果的に制御することが可能である。

【００１４】本発明において、曲げ加工を施す熱可塑性
複合材料の厚みが増大した場合は、厚み方向に複数のヒ
ーター層を設置することが好適である。この場合、厚み
方向に設置する絶縁層はヒーター層の最外部のみに一層
ずつ設置することも可能であるが、厳密な温度管理を行
うためには個々のヒーター層の上下両側にそれぞれヒー
ター層を挟むように絶縁層を設置して、漏洩電流を無く
すことが好ましい。

【００１５】本発明の複合材料は、上記のヒーター層、
絶縁層以外に、通常の繊維強化熱可塑性樹脂層を含むこ
とができる。

【００１６】図１は、厚み方向の中央部のヒーター層３
の上下にそれぞれ絶縁層２を配し、さらにその上下にそ
れぞれ通常の繊維強化熱可塑性樹脂層１を積層一体化し
た曲げ加工用複合材料シートであり、図２は、ヒーター
層３を２層、絶縁層２を４層設けた例である。

【００１７】本発明に使用する熱可塑性樹脂の種類は、
特に制限がなく、あらゆる熱可塑性樹脂を用いることが
でき、例えば、ナイロン６、ナイロン６６等のナイロン
類、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチ
レンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリエチレン―２，６
―ナフタレート（ＰＥＮ）などのポリエステル類、ポリ
エーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリカーボネート（Ｐ
Ｃ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリ
フェニレンサルファイド（ＰＰＳ）を使用することがで
きる。

【００１８】本発明の新規な曲げ加工用熱可塑性複合材
料を製造する方法は、特に制限がなく、例えば、上記の
熱可塑性樹脂と強化繊維とヒーター基材と絶縁基材とを
所定の構成に積層した後、通常の熱プレスを用いて加熱
・加圧して製造する方法や、一旦通常の熱可塑性複合材
料板、及び、ヒーター基材とその上下の絶縁基材を同一
の熱可塑性樹脂で含浸一体化せしめたヒーター用複合材
料を別々に準備し、これらを所定構成になるように熱プ
レスを用いて積層して一体のシートとする方法を採用す
ることができる。これらの製造においては、ヒーター層
を複合材料の厚み方向の中央部に設置することと、ヒー
ターの端子部を樹脂で覆わないようにマトリックスの仕
込に配慮することが重要である。

【００１９】このようにして得られた本発明の曲げ加工
用熱可塑性複合材料は、次に述べる方法により容易に曲
げ加工を施すことができる。

【００２０】本発明の曲げ加工法は、比較的低温、低圧
で実施できるため、簡易型を用いて賦形を行うことが可
能である。簡易型の材料としては、木材、１〜３ｍｍｔ
のアルミ板、石膏、シリコン等が使用できる。

【００２１】これらの材料を用いて目的とする成形物の
形状に合わせた上下２枚の簡易型を準備し、その間に本
発明の熱可塑性複合材料を挟み込み、スプリングで上下
の型をとめる。本発明の曲げ加工法は、軟化点近傍の温
度で実施できるため、スプリングバックは小さく、ま
た、複合材料の内部から加熱するため、層間の変形が容
易であり層間剥離にもとづくバックリングも殆んど生じ
ない。このため、これらを抑制するために必要となる圧
力は極めて小さく、スプリングで上下型をとめるだけで
充分である。

【００２２】次いで、本発明の熱可塑性複合材料の両端
に突出するよう設けられたヒーター（炭素繊維）端子に
電源を接続し、該複合材料を通電加熱する。使用する電
源は通常の１００Ｖ交流電源で充分であり、スライダッ
ク等を経由させて通電量を抑制しつつ使用する。複合材
料が軟化するにしたがってスプリング圧により型が閉ま
り材料の賦形が実施される。

【００２３】材料の冷却はヒーター層への通電を止める
ことにより短時間に実施できる。更に急速な冷却が必要
な場合には端子を取り外し、簡易型を水中に投入するこ
とも可能である。

【００２４】本発明において圧力を開放する温度は重要
であり、材料が軟化温度以下に冷却されるまで継続して
加圧することが必要である。

【００２５】

【発明の効果】本発明に従えば、本格的な金型やプレス
を用いずに高Ｖｆの連続繊維強化熱可塑性複合材料の曲
げ加工が可能となるため、多品種少量生産型の成形や個
々に微妙に形状が異なる製品の成形に特に有用であり、
例えば、このような点が要求される義肢義足材料の成形
等に特に有用である。

【００２６】

【実施例】次に、本発明の実施例および比較例を詳述す
るが、本発明はこれらの例により限定されるものではな
い。

【００２７】なお、これらの実施例および比較例におい
て「ＣＦクロス」は東レ（株）製の炭素繊維平織りクロ
ス（３Ｋ；ＣＯ５３４３Ｂ、６Ｋ；ＣＯ６６４４Ｂ）、
「ガラス繊維クロス」はユニチカユーエムグラス（株）
製ガラス繊維平織りクロス（Ｈ２０１）を示し、「ＰＣ
フィルム」は帝人化成（株）製ポリカーボネートフィル
ム（Ｌ―１２５０Ｚ）を示す。

【００２８】

【比較例１】曲げ加工材料として、ＣＦクロスとＰＣ樹
脂によるＣＦ／ＰＣ系複合材料の一般的な成形板（厚さ
１．５ｍｍ）を使用した。成形板は次の方法で成形し
た。即ち、強化材としてのＣＦクロスとマトリックス樹
脂としてのＰＣフィルムをそれぞれ交互に積層し、加熱
装置付きのプレス機にセットし、３００℃に加熱して面
圧３０ｋｇ／ｃｍ² 下にて２０分間加圧しＰＣを溶融含
浸させた。次に８０℃以下になるまで冷却し、固化後、
プレス機より取り出し、ＣＦ／ＰＣ系複合材料を得た。

【００２９】このＣＦ／ＰＣ系複合材料を曲げ加工する
に当り、加熱法として、熱風やオイルバスを用いて外部
より加熱した。まず、曲げようとする場所を２００℃以
上に加熱軟化させた。この状態で両端を持ち曲げ加工し
た。得られたものは表面の平滑性は無く、かつ曲げ加工
された内側は補強材のＣＦクロスによるバックリングが
見られた。

【００３０】

【比較例２】比較例１の複合材料を用い、比較例１で使
用した加熱装置付きのプレス機にて所定形状の金型を用
いてプレス機内で軟化点迄加熱し加圧曲げ加工した。更
に、加圧した状態で冷却固化して、曲げ加工品を得た。
得られたものは表面性もよく、曲げも綺麗であった。但
し、成形時間は１０分以上と長時間を要した。また、こ
の方法では材料厚み１ｍｍ以下の場合は加工できたもの
の、２ｍｍ以上となると成形は難しく成形時間は更に長
くなった。

【００３１】

【比較例３】比較例１の複合材料を用い、加熱方法とし
て通電方法による自己発熱を実施した。即ち、まず、材
料を５０ｍｍ×３００ｍｍにカットし、その長手方向の
両端に穴を開け金属棒を通し、これを電極とした。この
電極に５Ｋｗのスライダックを介して電圧を徐々に昇圧
した。この操作で数ボルト（３〜５ボルト）かけた状態
で電極の周辺が異常に昇温し他の部分は殆んど昇温され
ず、曲げ加工ができなかった。

【００３２】

【実施例１】強化材として、中央に他より長めのＣＦク
ロスを入れ、その上下にガラス繊維クロスを配し、他は
ＣＦクロスの積層とした、全体の厚みが約３．５ｍｍの
ＣＦ／ＰＣ系の積層体を比較例１と同様の成形条件で成
形し、図１に示す如き断面の複合材料を得た。この成形
板の上下両側の複合材料層１の厚みはそれぞれ１．４ｍ
ｍ、絶縁層２の厚みはそれぞれ０．１６ｍｍ、中心部の
ヒーター層の厚みは０．３４ｍｍであった。

【００３３】得られた板を５０ｍｍ×３００ｍｍにカッ
トし、長手方向にはみ出している中央のＣＦクロスをヒ
ーターとすべく、はみ出したＣＦクロス全体に金属板を
あて電極とした。この電極に比較例３と同様に５Ｋｗの
スライダックを介して一般の１００ボルト交流電源を用
い１０ボルトの電圧をかけた。この時の電流は約７アン
ペアであった。昇圧開始後約３分で表面温度は電極付
近、材料中央部ともにほぼ１５０℃となり、変形を開始
した。この時点で供給電源を断ち、上下から金型で挟み
込んで手で加圧曲げ加工し、そのまま約１分間冷却固化
させた。得られたものは表面性もよく、金型と同一形状
のものであった。

【００３４】

【実施例２】厚み方向を１／３分割するように、それぞ
れ上下にガラス繊維クロスの絶縁層をそなえたヒーター
用ＣＦクロス２層を配し、その他は全て強化材としてＣ
Ｆクロスを用いた全体の厚みが約７ｍｍである図２の如
きＣＦ／ＰＣ系の複合材料成形板を成形した。このとき
の成形条件は比較例１と同一条件である。この板におけ
る上下の複合材料層１の厚みはそれぞれ１．６ｍｍ、絶
縁層２の厚みはそれぞれ０．１６ｍｍ、ヒーター層３の
厚みはそれぞれ０．３４ｍｍであり、中心部の複合材料
層１の厚みは２．４ｍｍであった。

【００３５】この成形板を実施例１と同様の大きさにカ
ットし、厚み方向の１／３に配した２枚のヒーター用Ｃ
Ｆクロスのはみ出した部分を金属板で挟み込み電極とし
た。この電極に実施例１と同様に通電加熱し、金型によ
る曲げ加工を行った。但し、加圧は手によるものでなく
シャコ万を用いて締め込み、加圧成形した後、電源を取
り外し水中にて冷却固化させた。得られたものは表面性
もよく、かつ金型と同一の形状のものであった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１に用いた曲げ加工用複合材料
の断面模式図。

【図２】本発明の実施例２に用いた曲げ加工用複合材料
の断面模式図。

【符号の説明】

１ 複合材料層（ＣＦクロス／ＰＣ層） ２ 絶縁層（ガラス繊維クロス／ＰＣ層） ３ ヒーター層（ＣＦクロス／ＰＣ層）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁵ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 9:00 4Ｆ

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 強化繊維および熱可塑性樹脂からなる曲
   げ加工用複合材料であって、該複合材料中に少くとも２
   層の絶縁層とその間に通電により発熱する少くとも１層
   のヒーター層とを配置したことを特徴とする曲げ加工用
   複合材料。
2. 【請求項２】 ヒーター層が炭素繊維および／または炭
   化珪素繊維よりなり、その両端は樹脂で被覆されずに通
   電端子を形成しており、かつ該両端を除く部分は複合材
   料中に一体に構成されていることを特徴とする請求項１
   記載の曲げ加工用複合材料。
3. 【請求項３】 ヒーター層が複合材料中に１層または２
   層以上配置され、かつ１層当りの厚みが８ｍｍ以下であ
   る請求項１または２記載の曲げ加工用熱可塑性複合材
   料。
4. 【請求項４】 絶縁層がガラス繊維および／またはアラ
   ミド繊維で強化された熱可塑性樹脂層であり、かつ１層
   当りの厚みが０．３ｍｍ以下である請求項１、２または
   ３に記載の曲げ加工用複合材料。
5. 【請求項５】 ヒーター層および絶縁層のマトリックス
   樹脂が、ナイロン、ポリエステル、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、ポリエーテル
   イミドから選ばれた少くとも１種の熱可塑性樹脂である
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の曲げ
   加工用複合材料。
6. 【請求項６】 ヒーター層が主として絶縁性材料の繊維
   と炭素繊維および／または炭化珪素繊維との交織布より
   なることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の
   曲げ加工用複合材料。
7. 【請求項７】 請求項１〜６記載の曲げ加工用熱可塑性
   複合材料を用い、該複合材料のヒーター層に通電して発
   熱させ、材料の内部より加熱、軟化せしめつつ外圧を加
   えることにより曲げ加工を行うことを特徴とする熱可塑
   性複合材料の曲げ加工方法。