JPWO2018117182A1 - 加工品の製造方法および加工品 - Google Patents
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Abstract
Description
(1) 構造体を加工してなる加工品の製造方法であって、
前記構造体は、強化繊維と樹脂と空隙からなり、
前記構造体は、密度が0.01〜1g/cm3の範囲内であり、
前記構造体は、圧縮弾性率が0.2〜20GPaの範囲内であり、
前記加工が、前記構造体と加工具とを接触させることで切削加工する、加工品の製造方法。
(2) 構造体を加工してなる加工品の製造方法であって、
前記構造体は、強化繊維と樹脂と空隙からなり、
前記構造体は、密度が0.01〜1g/cm3の範囲内であり、
前記構造体は、比熱が0.05〜0.50cal/(g・K)の範囲内であり、
前記加工が、前記構造体を溶断加工する、加工品の製造方法。
前記構造体は、強化繊維と樹脂と空隙からなり、
前記構造体において、前記強化繊維の体積含有率が0.5体積%以上55体積%以下であるとともに、前記空隙の体積含有率が10体積%以上97体積%以下の範囲内にあり、
前記加工品の加工端面は前記強化繊維及び樹脂からなり、前記加工端面の面粗度(Rz)が、5μm以上50μm以下の範囲である。
図1は、本発明に係る構造体1の断面構造を示す模式図である。図1に示すように、本発明に係る構造体1は、樹脂2と強化繊維3と空隙4から構成されている。
本発明の実施の形態1は、以下の構造体1−1と加工具とを接触させることで切削加工する、加工品の製造方法である。そして構造体1−1は、強化繊維3と樹脂2と空隙4からなり、密度が0.01〜1g/cm3の範囲内であり、圧縮弾性率が0.2〜20GPaの範囲内である。
本発明の実施の形態2は、以下の構造体1−2を溶断加工する加工品の製造方法である。そして構造体1−2は、強化繊維3と樹脂2と空隙4からなり、密度が0.01〜1g/cm3の範囲内であり、比熱が0.05〜0.50cal/(g・K)の範囲内である。
JIS R7603(1999)A法液置換法により強化繊維の密度ρfを測定した。
(2)樹脂シートの密度ρr
JIS K7112(1999)A法水中置換法により樹脂シートの密度ρrを測定した。
構造体の質量Wsを測定した後、構造体を空気中500℃で30分間加熱して樹脂成分を焼き飛ばし、残った強化繊維の質量Wfを測定し、次式により算出した。
Vf(体積%)=(Wf/ρf)/{Wf/ρf+(Ws−Wf)/ρr}×100
ρf:強化繊維の密度(g/cm3)
ρr:樹脂の密度(g/cm3)
構造体から試験片を切り出し、ISO178法(1993)に従い曲げ弾性率Ecを測定した。試験片は、任意の方向を0°方向とした場合に+45°、−45°、90°方向の4方向について切り出した試験片を作製し、それぞれの方向について測定数n=5とし、算術平均値を曲げ弾性率Ecとした。測定装置としては“インストロン(登録商標)”5565型万能材料試験機(インストロン・ジャパン(株)製)を使用した。得られた結果より次式により、構造体の比曲げ剛性を算出した。
比曲げ剛性=Ec1/3/ρ
構造体から試験片を切り出し、JIS K7222(2005)を参考にして構造体の見かけ密度を測定した。試験片の寸法は縦100mm、横100mmとした。試験片の縦、横、厚みをマイクロメーターで測定し、得られた値より試験片の体積Vを算出した。また、切り出した試験片の質量Mを電子天秤で測定した。得られた質量M及び体積Vを次式に代入することにより構造体の密度ρを算出した。
ρ[g/cm3]=103×M[g]/V[mm3]
構造体から縦10mm、横10mmの試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製 S−4800型)により観察し、構造体の表面から、等間隔に10箇所を1000倍の倍率で撮影した。それぞれの画像について、画像内の空隙の面積Aaを求めた。さらに、空隙の面積Aaを画像全体の面積で除算することにより空隙率を算出した。構造体の空隙の体積含有率は、5枚の試験片でそれぞれ10箇所ずつ撮影した合計50箇所の空隙率から算術平均により求めた。なお、構造体において、表面から厚み方向の中点位置までの空隙率と残りの部分の空隙率とが異なる場合を判断するために、前記等間隔に撮影した10箇所において、各々の空隙の体積含有率を算出し、空隙の体積含有率が0体積%以上、10体積%未満の範囲内にあるものと、空隙の体積含有率が10体積%以上、99体積%以下のものとに分別して求めた。
上記により得られる強化繊維および空隙の体積含有率の和を100体積%から引いた値を樹脂の体積含有率として求めた。
構造体を縦10mm、横10mmに試験片を切り出し、断面を走査型電子顕微鏡(SEM)((株)日立ハイテクノロジーズ製 S−4800型)により観察し、任意の10箇所を3000倍の倍率で撮影した。得られた画像の強化繊維の断面がカットされた任意の50ヶ所から、強化繊維に被覆している樹脂の被覆厚さを測定した。強化繊維を被覆した樹脂の厚みとしては、かかる50ヶ所の測定結果の算術平均値を用いた。
加工品の端面の面粗度(Rz)は、JIS B0601:2001により測定した。
(10)構造体の比熱
構造体の比熱は、ISO−11357−4:2014にて測定した。
(11)構造体の圧縮弾性率
構造体の圧縮弾性率は、ISO−844:2004にて測定した。
(12)一体成形品重量(金属部除く)
一体成形品重量(金属部除く)は、電子天秤(研精工業(株) GX−2000R)により測定した。
(13)塗装性
塗装性は、加工品に施した塗装につき、下記の3段階での主観評価を実施した。
○:ムラ無く、均質な塗装面を有している。
△:局所的に色が濃くなっているなどのムラがあるが、概ね良好な塗装面を有している。
×:ムラが多く、不良である。
[炭素繊維A]
ポリアクリロニトリルを主成分とする共重合体から紡糸、焼成処理、及び表面酸化処理を行い、総単糸数12,000本の連続炭素繊維を得た。この連続炭素繊維の特性は次に示す通りであった。
単繊維径:7μm
密度:1.8g/cm3
引張強度:4600MPa
引張弾性率:220GPa
未変性ポリプロピレン樹脂(プライムポリマー(株)製“プライムポリプロ”(登録商標)J105G)80質量%と、酸変性ポリプロピレン樹脂(三井化学(株)製“アドマー”QB510)20質量%とからなる目付100g/m2の樹脂シートを作製した。得られた樹脂シートは目付100g/m2、密度0.92g/cm3、融点165℃、分解開始温度298℃であった。
炭素繊維Aをカートリッジカッターで6mmにカットし、チョップド炭素繊維を得た。水と界面活性剤(ナカライテスク(株)製、ポリオキシエチレンラウリルエーテル(商品名))とからなる濃度0.1質量%の分散液を作製し、この分散液とチョップド炭素繊維とを用いて図4に示す強化繊維マットの製造装置を用いて、強化繊維マットを製造した。図4に示す製造装置は、分散槽としての容器下部に開口コックを有する直径1000mmの円筒形状の容器、分散槽と抄紙槽とを接続する直線状の輸送部(傾斜角30°)を備えている。分散槽の上面の開口部には撹拌機が付属し、開口部からチョップド炭素繊維及び分散液(分散媒体)を投入可能である。抄紙槽は、底部に幅500mmの抄紙面を有するメッシュコンベアを備え、炭素繊維基材(抄紙基材)を運搬可能なコンベアをメッシュコンベアに接続している。抄紙は分散液中の炭素繊維濃度を0.05質量%として行った。抄紙した炭素繊維基材は200℃の乾燥炉で30分間乾燥し、強化繊維マットAを得た。得られた目付は50g/m2であった。
炭素繊維AとPP樹脂とを、2軸押出機(日本製鋼所(株)製、TEX−30α)を用いてコンパウンドし、繊維含有量30重量%の射出成形用ペレット(PPコンパウンド)を製造した。
強化繊維マットとして強化繊維マットA、樹脂シートとしてPP樹脂を、[樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート/強化繊維マット/樹脂シート]の順番に配置した積層物を9枚重ね、積層体を作製した。次いで、以下の工程(I)〜(V)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体では、断面観察から強化繊維を柱状の支持体とした空隙が確認された。得られた構造体(縦300mm、横210mm、厚さ30mmの矩形体)の特性を表1に示す。
(I)積層体を230℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に金属スペーサーを挿入し、構造体を得る際の厚みが30.6mmとなるように調整する。
(IV)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(V)金型を開いて構造体を取り出す。
該構造体を、エンドミルを用いて切削加工を施して、図3に示す形状の加工品11を製造した。加工品11の上面f1に、幅30mm、高さ5mm、厚さ10mmのリブ12、外径20mm、内径10mm、高さ10mmのボス14を形成し、側面f2に幅5mm、深さ15mmの溝部13を形成した。エンドミルを使用した切削加工による端面上には、空隙が観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみからなり、良好な切断端面を有していた。該加工品に塗装を施したところ、ムラのない良好な塗装面を得ることができた。また、加工品11を第1の部材として、溝部13が接合面となるように射出成形用金型にインサートして、PPコンパウンドを用いて、第2の部材を射出成形し、一体化成形品を得た。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有しているとともに、軽量であり、リブ12およびボス14を接合部として、その他の金属部材に取り付けることも出来た。実施例1による加工品11の特性を表3に示す。
実施例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表1に示す。また、実施例1と同様、該構造体にエンドミルを用いて切削加工を施し、幅30mm、高さ5mm、厚さ15mmのリブ、幅7mm、深さ15mmの溝部、および外径20mm、内径10mm、高さ10mmのボスを形成した加工品を得た。加工品の加工端面には、空隙が観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成されていた。また、加工端面は良好な切断端面を有しており、優れた塗装性を有していた。該加工品を第1の部材として、実施例1同様、溝部を接合端面としてPPコンパウンドを射出、一体化した。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。また、実施例1同様、前記リブおよびボスを接合部として、その他の金属部材を取り付けることが出来た。本実施例による加工品の特性を表3に示す。
実施例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例1と同様に積層体を得た。次いで、以下の工程(I)〜(VI)を経ることにより構造体を得た。得られた構造体の特性を表1に示す。
該構造体に実施例1と同様のエンドミル加工を施し、幅30mm、高さ5mm、厚さ10mmのリブ、幅5mm、深さ15mmの溝部、および外径20mm、内径10mm、高さ10mmのボスを形成した加工品を得た。加工品の加工端面には空隙は観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成されていた。また、加工端面に塗装を施したところ、局所的に塗料のムラが発生したものの、概ね良好な塗装性を有していた。
該加工品を第1の部材として、実施例1同様、溝部を接合端面としてPPコンパウンドを射出、一体化し、一体化成形品を得ることが出来た。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。本実施例による加工品の特性を表3に示す。
(I)積層体を230℃に予熱したプレス成形用金型キャビティ内に配置して金型を閉じる。
(II)次いで、120秒間保持した後、3MPaの圧力を付与してさらに60秒間保持する。
(III)工程(II)の後、金型キャビティを開放し、その末端に厚みが16.2mmのスペーサーを挿入し、20秒間保持した。
(IV)その後、構造体を得る際の厚みが30.6mmとなるように調整する。
(V)その後、再度、金型キャビティを締結し、圧力を保持した状態でキャビティ温度を50℃まで冷却する。
(VI)金型を開いて構造体を取り出す。
実施例1と同様の強化繊維マット及び樹脂シートを用いて、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表1に示す。該構造体に電動糸鋸を用いて切削加工を施し、幅30mm、高さ5mm、厚さ10mmのリブ、および幅5mm、深さ15mmの溝部を形成した加工品を得た。加工品の加工端面には、空隙が観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成され、良好な切断端面を有していた。加工品に塗装を施したところ、局所的に塗料のムラが発生したものの、概ね良好な塗装性を有していた。
該加工品を第1の部材として、実施例1同様、溝部を接合端面としてPPコンパウンドを射出、一体化したところ、一体化成形品を得ることが出来た。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。本実施例による加工品の特性を表3に示す。
構造体の加工方法をレーザー加工とした以外は、実施例1と同様の条件にて行った。実施例1同様、加工品を得ることができた。加工品の加工端面には、空隙が観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成され、良好な切断端面を有していた。加工品に塗装を施したところ、実施例1あるいは2同様、良好な塗装性を有していた。また、該加工品を用いた一体化成形品も得ることが出来た。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。得られた構造体の特性を表1に、加工品の特性を表3に示す。
構造体の加工方法をレーザー加工とした以外は、実施例2と同様の条件にて行った。実施例2同様、加工品を得ることができ、実施例5同様、加工端面には空隙が観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成され、良好な塗装性を有していた。また、該加工品を用いた一体化成形品も得ることが出来た。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。得られた構造体の特性を表1に、加工品の特性を表3に示す。
構造体の加工方法をレーザー加工とした以外は、実施例3と同様の条件にて行った。実施例3同様、加工品を得ることができた。加工品の加工端面には空隙は観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成されていた。塗装を施したところ、局所的に塗料のムラが発生したものの、概ね良好な塗装性を有していた。また、該加工品を用いた一体化成形品も得ることが出来た。得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。得られた構造体の特性を表2に、加工品の特性を表4に示す。
実施例1において使用した積層物を27枚重ねて積層体とし、次いで、実施例1における工程(IV)において金属スペーサーを32.1mmに変更したこと以外は、実施例1と同様にして構造体を得た。得られた構造体の特性を表2に示す。
該構造体に、エンドミルを用いて切削加工を施し、実施例1と同様の条件にて同様リブ、溝部、およびボスの加工を行い、射出樹脂を用いた一体化成形品を成形した。加工品の加工端面には空隙は観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成され、得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。得られた加工品の特性を表4に示す。
古河電気工業(株)製低発泡ポリプロプレンシート“エフセル”を構造体として、加工を行った。構造体の特性を表2に示す。
該構造体に、エンドミルを用いて切削加工を施し、実施例1と同様の条件にてリブ、溝部、およびボスの形成を試みたが、加工中に加工部周辺の構造体が破壊してしまった。加工品の加工端面には、発泡体由来の空隙が観察された。加工品の特性を表4に示す。
構造体の加工方法をレーザー加工とした以外は、比較例1と同様の条件にて行った。実施例2と同様の条件にて同様リブ、溝部、およびボスの加工を行い、射出樹脂を用いた一体化成形品を成形した。加工品の加工端面には空隙は観察されず、加工端面は強化繊維と樹脂のみから構成され、得られた一体化成形品は十分な接合強度を有していた。得られた構造体の特性を表1に、加工品の特性を表2に示す。
構造体の加工方法をレーザー加工とした以外は、比較例2と同様の条件にて行った。比較例2と同様の条件にてリブ、溝部、およびボスの形成を試みたが、加工中に加工部周辺の構造体が破壊してしまった。加工品の加工端面には、発泡体由来の空隙が観察された。この構造体の特性を表2に、加工品の特性を表4に示す。
本実施例により、空隙と繊維と構造体からなる特定の密度の構造体であって、特定の範囲の圧縮弾性率の構造体を切削加工、または特定の範囲の比熱を満足する構造体を溶断加工した際に、微細加工が可能となり、加工品の特性が向上することが明確となった。実施例2および実施例6においては、微細加工を施すことで、得られる加工品を用いた一体化成形品の特性(軽量性)が向上することが示され、実施例3および実施例7においては、繊維の被覆が十分為されると、端面精度が向上することが示された。実施例4においては、加工方法の選択により、端面精度を向上させることができることが示された。一方、比較例1および比較例3においては、空隙が少なく、樹脂比率が大きいために、従来樹脂構造体にて抱えていた問題である、溶融樹脂による端面精度の著しい低下が見られ、加工中のバリも多く発生した。この端面精度の低下に伴い、加工品の塗装について、塗料溜りが多く発生し、塗装性は不良であった。また、比較例2および比較例4においては、強化繊維の存在がないために、構造体の剛性が不足し、微細部加工時、加工中に生じるひずみにより該部位が壊れ、微細加工が出来なかった。
2 樹脂
3 強化繊維
4 空隙
9a〜9f 単繊維
11 加工品
12 リブ
13 溝部
14 ボス
Claims (16)
- 構造体を加工してなる加工品の製造方法であって、
前記構造体は、強化繊維と樹脂と空隙からなり、
前記構造体は、密度が0.01〜1g/cm3の範囲内であり、
前記構造体は、圧縮弾性率が0.2〜20GPaの範囲内であり、
前記加工が、前記構造体と加工具とを接触させることで切削加工する、加工品の製造方法。 - 構造体を加工してなる加工品の製造方法であって、
前記構造体は、強化繊維と樹脂と空隙からなり、
前記構造体は、密度が0.01〜1g/cm3の範囲内であり、
前記構造体は、比熱が0.05〜0.50cal/(g・K)の範囲内であり、
前記加工が、前記構造体を溶断加工する、加工品の製造方法。 - 前記構造体の圧縮弾性率が、0.2〜20GPaの範囲内である、請求項2に記載の加工品の製造方法。
- 前記構造体の加工により形成される端面の面粗度(Rz)が、5μm以上50μm以下の範囲である、請求項1〜3のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記構造体は、前記強化繊維の体積含有率が0.5体積%以上55体積%以下の範囲内にあり、前記樹脂の体積含有率が2.5体積%以上85体積%以下の範囲内にあり、前記空隙の体積含有率が10体積%以上97体積%以下の範囲内にある、請求項1〜4のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記構造体の密度が、0.1〜0.8g/cm3の範囲内である、請求項1〜5のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記構造体の比熱が、0.1〜0.25cal/(g・K)の範囲内である、請求項1〜6のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記構造体は、前記強化繊維が樹脂に被覆されており、前記強化繊維を被覆する樹脂の被覆厚みが1μm以上15μm以下の範囲内である、請求項1〜7のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記構造体は、曲げ弾性率をEc、密度をρとしたとき、Ec1/3・ρ−1として表される比曲げ剛性が3以上、20以下の範囲内にあり、且つ、前記構造体の曲げ弾性率Ecが3GPa以上である、請求項1〜8のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記加工品は、前記構造体の加工により形成される端面の任意の点において、前記端面と直交方向に測定した厚みの最小値が10mm以下である領域を少なくとも含有する、請求項1〜9のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記加工品は、前記構造体の加工により形成された少なくとも1つの穴を有し、前記穴の径が10mm以下である、請求項1〜9のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 前記加工品は、前記構造体の加工により形成された溝部を有し、前記溝部の幅の平均が10mm以下である、請求項1〜9のいずれかに記載の加工品の製造方法。
- 構造体を加工して得られる加工品であって、
前記構造体は、強化繊維と樹脂と空隙からなり、
前記構造体において、前記強化繊維の体積含有率が0.5体積%以上55体積%以下であるとともに、前記空隙の体積含有率が10体積%以上97体積%以下の範囲内にあり、
前記加工品の加工端面は前記強化繊維及び樹脂からなり、前記加工端面の面粗度(Rz)が、5μm以上50μm以下の範囲である加工品。 - 前記構造体において、前記強化繊維は樹脂に被覆されており、前記樹脂の被覆厚みが1μm以上15μm以下の範囲内である、請求項13に記載の加工品。
- 前記構造体の圧縮弾性率が、0.2〜20GPaの範囲内である、請求項13又は14に記載の加工品。
- 前記構造体の比熱が、0.05〜0.50cal/g・Kの範囲内である、請求項13〜15のいずれかに記載の加工品。
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