JPWO2018142648A1 - インサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法、インサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法、及びインサート用フィルム - Google Patents

インサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法、インサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法、及びインサート用フィルム Download PDF

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Abstract

第2の樹脂層(16)と接触する導電性メッシュ層15の面の温度T(℃)と、第1の樹脂層(14)の厚さt1、第2の樹脂層(16)の厚さt2と、が下記(1)式を満たす。T=f1(λ1,ρ1,Cp1)ln(t1)+f2(λ2,ρ2,Cp2)ln(t2)+C={λ1/(ρ1・Cp1)}∂2T/∂x2+{λ2/(ρ2・Cp2)}∂2T/∂x2+C={λ1/(ρ1・Cp1)}・{(TPn+1+TPn−1−2TPn)/(2・Δx)2}+{λ2/(ρ2・Cp2)}・{(TPn+1+TPn−1−2TPn)/(2・Δx)2}+C・・・(1)

Description

本発明は、樹脂成形品の表面に設けられるインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法、インサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法、及びインサート用フィルムに関する。
本願は、2017年1月31日に、日本に出願された特願2017−015043号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
従来、航空機や自動車等の分野では、雷電流から樹脂成形品を保護する観点から、樹脂成形品の表面(外面)に、高い導電性を有する導電性メッシュ層を貼り合せることが行われている。
樹脂成形品の材料としては、例えば、高い強度を有し、かつ軽量な繊維強化プラスチックが用いられている。繊維強化プラスチックを構成する樹脂としては、熱硬化性樹脂が用いられている。
繊維強化プラスチックを構成する樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合には、オートクレープ成形時の高温及び高圧雰囲気下において、導電性メッシュ層を熱硬化性シートで覆うことで樹脂成形品の表面に、導電性メッシュ層を固定することが行われている。
近年、繊維強化プラスチックを構成する樹脂として、熱硬化性樹脂に替えて、熱硬化性樹脂よりも成形速度が速く、安価で、かつ不良成形品の再利用化の可能な熱可塑性樹脂を使用したいという要望がある。
繊維強化プラスチックを構成する樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、特許文献1に開示されたフィルムインサート成形法を用いて、樹脂成形品の表面に、高い導電性を有す導電性メッシュ層を設けることが好ましい。
特許第4037437号公報
ところで、上述した繊維強化プラスチックの樹脂として熱可塑性樹脂を用い、かつフィルムインサート成形法を用いて、樹脂成形品の表面に、導電性メッシュ層を設ける場合、導電性メッシュ層を含んだインサート用フィルムを用いることが好ましい。
この場合のインサート用フィルムとしては、例えば、樹脂成形品の表面に融着される第1の樹脂層と、導電性メッシュ層と、第2の樹脂層と、が順次積層され、かつ導電性メッシュ層と第1及び第2の樹脂層とが仮固定されたものを用いる。
このような構成とされたインサート用フィルムを樹脂成形品の表面に融着させる場合、一対の金型内に形成された空間内に、一方の金型の内面と第2の樹脂層とが接触するように、インサート用フィルムを配置し、他方の金型に設けられた樹脂導入部を介して、空間内に樹脂成形品の材料となる溶融した繊維強化プラスチックを導入し、溶融した繊維強化プラスチックの熱で導電性メッシュ層と第1及び第2の樹脂層とを融着させ、熱可塑性樹脂が硬化可能な金型の熱により、繊維強化プラスチックを硬化させる。
これにより、樹脂成形品の表面に、インサート用フィルムが融着されたインサート用フィルム付き樹脂成形品が製造される。
本発明者らが本発明に至る前に検討を行った結果、上述したフィルムインサート成形法を用いる場合、第1及び第2の樹脂層の厚さが薄いと、一方の金型による第2の樹脂層の冷却効果が高くなるため、射出側に配置された第1の樹脂層のうち、溶融した繊維強化プラスチックと接触する部分のみで熱融着が発生し、導電性メッシュ層と接触する部分の第1及び第2の樹脂層において熱融着が発生しない恐れがあることが確認された。
一方、第1及び第2の樹脂層の厚さが厚い場合には、金属と比較して熱可塑性樹脂の熱伝導率が低いため、射出側に配置された第1の樹脂層のうち、溶融した繊維強化プラスチックと接触する部分のみで熱融着が発生し、導電性メッシュ層と接触する部分の第1及び第2の樹脂層において熱融着が発生しない恐れがあることが確認された。
さらに、この場合、第2の樹脂層の厚さによっては、第2の樹脂層が再溶融しない恐れがあり、第2の樹脂層と導電性メッシュ層とが熱融着しない可能性があった。
つまり、第1及び第2の樹脂層の厚さを最適化しないと、第1及び第2の樹脂層と導電性メッシュ層との境界部分における熱融着を十分に行うことができないという知見を得た。
そこで、本発明は、第1及び第2の樹脂層と導電性メッシュ層との間の接合強度を高めることの可能なインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法、インサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法、及びインサート用フィルムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の一態様に係るインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法は、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む繊維強化プラスチックよりなる樹脂成形品の表面に熱融着された第1の樹脂層と、導電性メッシュ層と、前記第1の樹脂層と同じ樹脂材料で構成されており、かつ前記樹脂成形品の成形時に金型と接触する第2の樹脂層と、が順次積層されたインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法であって、前記第2の樹脂層と接触する前記導電性メッシュ層の面の温度T(℃)と、前記第1の樹脂層の厚さt(μm)、前記第2の樹脂層の厚さt(μm)と、が下記(1)式を満たす。
T=f1(λ,ρ,Cp)ln(t)+f2(λ,ρ,Cp)ln(t)+C
={λ/(ρ・Cp)}∂T/∂x+{λ/(ρ・Cp)}∂T/∂x+C
={λ/(ρ・Cp)}・{(T n+1+T n−1−2T )/(2・Δx)}+{λ/(ρ・Cp)}・{(T n+1+T n−1−2T )/(2・Δx)}+C・・・(1)
但し、上記(1)式において、ln(t)は前記第1の樹脂層の厚さtの自然対数、ln(t)は前記第2の樹脂層の厚さtの自然対数、前記第1及び第2の樹脂層の熱伝導率をλ(W/m・K)、前記第1及び第2の樹脂層の密度をρ(kg/m)、前記第1及び第2の樹脂層の比熱をCp(J/kg・K)、前記導電性メッシュ層の密度をρ(kg/m)、前記導電性メッシュ層の比熱をCp(J/kg・K)、前記導電性メッシュ層の熱伝導率をλ(W/m・K)とする。
また、上記(1)式において、Tに添えられたn、n+1、及びn−1は、前記第1の樹脂層の厚さ、前記第2の樹脂層の厚さ、及び前記導電性メッシュの厚さを合計した合計厚さをm(≦n+1)分割した際の前記金型と接触する前記第2の樹脂層の面からの位置、Tに添えられたPは時間(sec)をそれぞれ示している。
また、上記(1)式において、時間Pでかつ位置がn+1のときの温度をT n+1、時間Pでかつ位置がn−1のときの温度をT n−1、時間Pでかつ位置がnのときの温度をT とする。
また、上記(1)式において、2・Δxはn−1からn+1までの距離(m)、Cは前記第1及び第2の樹脂層の厚さ及び材料に基づき得られる定数をそれぞれ示している。
本発明によれば、上記(1)式を満たすように、第1及び第2の樹脂層の厚さt,tを決定することで、フィルムインサート成形法を用いて、インサート用フィルムと樹脂成形品とを一体形成する場合において、少なくとも第1の樹脂層の温度、及び第2の樹脂層のうち、導電性メッシュ層と接触する部分の温度を第1及び第2の樹脂層の溶融温度よりも高くすることが可能となる。
これにより、導電性メッシュ層と接触する部分の第1及び第2の樹脂層を十分に溶融させた後に硬化させることが可能となるので、導電性メッシュ層と第1及び第2の樹脂層との間の接合強度を高めることができる。
また、上記本発明の一態様に係るインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法において、前記第2の樹脂層の厚さを前記第1の樹脂層の厚さよりも厚くしてもよい。
このように、フィルムインサート成形法を用いて、インサート用フィルムと樹脂成形品とを一体成形する場合において、金型と接触する第2の樹脂層の厚さを第1の樹脂層の厚さよりも厚くすることで、金型内に導入される溶融した繊維強化プラスチックの温度よりも低い温度とされた金型の熱により、導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層の温度が第2の樹脂層の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となる。
また、溶融した繊維強化プラスチックと接触する第1の樹脂層の厚さを第2の樹脂層の厚さよりも薄くすることで、導電性メッシュ層を介して、溶融した繊維強化プラスチックの熱を、導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層に伝えやすくなる。これにより、導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層の温度が、第2の樹脂層の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となる。
したがって、導電性メッシュ層と第2の樹脂層との間の接合強度をさらに高めることができる。
また、上記本発明の一態様に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法において、上記インサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法に基づいて決定された厚さとされた前記第1及び第2の樹脂層を含む前記インサート用フィルムを準備する第1工程と、第1の金型と樹脂導入口が設けられた第2の金型との間に形成された空間内に、前記第2の樹脂層と前記第1の金型の内面とを接触させて前記インサート用フィルムを配置する第2工程と、前記樹脂導入口を介して、該空間内に溶融した前記繊維強化プラスチックを導入し、前記溶融した繊維強化プラスチックの熱により、少なくとも前記第1の樹脂層、及び前記第2の樹脂層のうち、前記導電性メッシュ層と接触する部分を溶融させ、その後、前記熱可塑性樹脂が固化可能な温度とされた前記第1及び第2の金型により、前記溶融した繊維強化プラスチックを固化させることで、前記樹脂成形品を含む1次樹脂成形品を成形するとともに、該樹脂成形品の表面に前記インサート用フィルムを融着させる第3工程と、前記1次樹脂成形品から不要部分を除去して、前記インサート用フィルムが融着された前記樹脂成形品を形成する第4工程と、を含んでもよい。
このような手法により、インサート用フィルム付き樹脂成形品を製造することで、第1の樹脂層全体の温度、及び導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層の温度を、第1及び第2の樹脂層の溶融温度よりも高くすることが可能となる。
これにより、第1及び第2の樹脂層のうち、導電性メッシュ層と接触する部分を十分に溶融させることが可能となるので、導電性メッシュ層と第1及び第2の樹脂層との間の接合強度を高めることができる。
また、上記本発明の一態様に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法において、前記第3工程では、前記樹脂導入口への前記溶融した繊維強化プラスチックの導入初期段階における前記導電性メッシュ層の温度を、前記第1及び第2の樹脂層の溶融温度よりも高くしてもよい。
このように、樹脂導入口への溶融した繊維強化プラスチックの導入初期段階における導電性メッシュ層の温度を、第1及び第2の樹脂層の溶融温度よりも高くすることで、第1及び第2の樹脂層のうち、導電性メッシュ層と接触する部分を確実に溶融させることが可能となる。これにより、導電性メッシュ層と第1及び第2の樹脂層との間の接合強度をさらに高めることができる。
また、上記本発明の一態様に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法において、前記導電性メッシュ層の材料としてCuまたはAlを用いてもよい。
このように、導電性メッシュ層の材料として熱伝導率の高い材料であるCu(熱伝導率が398W・m−1・K−1)またはAl(熱伝導率が236W・m−1・K−1)を用いることで、導電性メッシュ層に起因する温度の低下を抑制することが可能となる。
これにより、導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層の温度が第2の樹脂層の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となるので、導電性メッシュ層と第2の樹脂層との間における接合強度を高めることができる。
また、導電性メッシュ層の材料として高い導電性を有する材料であるCuまたはAlを用いることで、インサート用フィルム付き樹脂成形品に雷電流が流れた際、雷電流を導電性メッシュ層に容易に導くことができる。
また、上記本発明の一態様に係るインサート用フィルムは、熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチックよりなる樹脂成形品の表面に配置される第1の樹脂層、導電性メッシュ層、及び前記第1の樹脂層と同じ樹脂材料で構成された第2の樹脂層の順に積層されたインサート用フィルムであって、前記第2の樹脂層の厚さは、前記第1の樹脂層の厚さよりも厚くしてもよい。
このような構成とすることで、例えば、インサート用フィルムと樹脂成形品とを一体形成する場合において、金型内に導入される溶融した繊維強化プラスチックの温度よりも低い温度とされた金型の熱により、金型と接触する第2の樹脂層のうち、導電性メッシュ層と接触する部分の温度が第2の樹脂層の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となる。
また、溶融した繊維強化プラスチックと接触する第1の樹脂層の厚さを第2の樹脂層の厚さよりも薄くすることで、導電性メッシュ層を介して、溶融した繊維強化プラスチックの熱を、導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層に伝えやすくなる。これにより、第1の樹脂層全体の温度、及び導電性メッシュ層と接触する部分の第2の樹脂層の温度が、第1及び第2の樹脂層の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となる。
したがって、導電性メッシュ層と第1及び第2の樹脂層との間の接合強度を高めることができる。
また、上記本発明の一態様に係るインサート用フィルムにおいて、前記導電性メッシュ層の材料は、CuまたはAlを用いてもよい。
このように、導電性メッシュ層の材料として熱伝導率の高い材料であるCuまたはAlを用いることで、導電性メッシュ層に起因する温度の低下を抑制することが可能となる。
これにより、導電性メッシュ層と第2の樹脂層との境界部分の温度が第2の樹脂層の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となるので、導電性メッシュ層と第2の樹脂層との間における接合強度を高めることができる。
また、導電性メッシュ層の材料として高い導電性を有する材料であるCuまたはAlを用いることで、インサート用フィルム付き樹脂成形品に雷電流が流れた際、雷電流を導電性メッシュ層に容易に導くことができる。
本発明によれば、インサート用フィルムを構成する第1及び第2の樹脂層と導電性メッシュ層との間の接合強度を高めることができる。
本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の断面図である。 図1に示すインサート用フィルム付き樹脂成形品のうち、領域Aで囲んだ部分を拡大した断面図である。 本発明の実施形態に係るインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法を説明するための図(その1)である。 本発明の実施形態に係るインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法を説明するための図(その2)である。 第1及び第2の樹脂層の材料としてポリアミド9T樹脂(PA9T樹脂)を用いるとともに、導電性メッシュ層の材料としてCuを用いた場合の第1の樹脂層の厚さt(μm)と第2の樹脂層の厚さt(μm)との関係を示すグラフである。 図5に示す第1の樹脂層の厚さtと、図5に示す第1及び第2の樹脂層の厚さの合計(=t+t)と、の関係を示すグラフである。 本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造工程を説明するための断面図(その1)である。 本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造工程を説明するための断面図(その2)である。 本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造工程を説明するための断面図(その3)である。 本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造工程を説明するための断面図(その4)である。
以下、図面を参照して本発明を適用した実施形態について詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の実施形態の構成を説明するためのものであり、図示される各部の大きさや厚さや寸法等は、実際のインサート用フィルム、及びインサート用フィルム付き樹脂成形品の寸法関係とは異なる場合がある。
〔実施形態〕
図1は、本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の断面図である。図2は、図1に示すインサート用フィルム付き樹脂成形品のうち、領域Aで囲んだ部分を拡大した断面図である。図2において、tは第1の樹脂層14の厚さ(以下、「厚さt」という)、tは第2の樹脂層16の厚さ(以下、「厚さt」という)、tは導電性メッシュ層15の厚さ(以下、「厚さt」)をそれぞれ示している。図2において、図1に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。
また、図1及び図2では、導電性メッシュ層15の断面をメッシュ状に図示することが難しいため、導電性メッシュ層15をシート状の断面として図示する。
図1及び図2を参照するに、本実施形態のインサート用フィルム付き樹脂成形品10は、樹脂成形品11と、インサート用フィルム13と、を有する。インサート用フィルム付き樹脂成形品10は、例えば、航空機や自動車等の分野で使用される部品である。
樹脂成形品11は、熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む繊維強化プラスチック12で構成されている。樹脂成形品11は、インサート用フィルム13が融着される表面11a(外面)を有する。
繊維強化プラスチック12としては、例えば、強化繊維として炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を用いることが可能である。
繊維強化プラスチック12に含まれる熱可塑性樹脂としては、例えば、PPS樹脂、ナイロン樹脂、及びPEEK樹脂等の樹脂を用いることが可能である。
インサート用フィルム13は、第1の樹脂層14と、導電性メッシュ層15と、第2の樹脂層16と、を順次積層することで構成されている。
樹脂成形品11の表面11aに融着される前のインサート用フィルム13は、第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15とが仮固定されている。このため、樹脂成形品11の表面11aに融着される前のインサート用フィルム13は、第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15との間の接合強度が弱い。
第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15とを仮固定する方法としては、例えば、熱プレスを用いた仮固定方法やスポット融着等の手法を用いることが可能である。
第1の樹脂層14は、フィルム状とされた樹脂層であり、樹脂成形品11の表面11aに熱融着されている。第1の樹脂層14は、第1及び第2の面14a,14bを有する。
第1の面14aは、樹脂成形品11の表面11aと接触している。第1の面14aは、フィルムインサート成形法を用いて、インサート用フィルム13と樹脂成形品11とを一体化する場合において、金型内に導入される溶融した繊維強化プラスチック12と接触する。
第2の面14bは、第1の面14aの反対側に配置されている。第2の面14bは、導電性メッシュ層15と接触している。第1の樹脂層14は、導電性メッシュ層15に対して融着されている。
第1の樹脂層14の材料としては、例えば、ナイロン系樹脂(例えば、ポリアミド9T樹脂(PA9T樹脂))、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)樹脂、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)樹脂等を用いることが可能である。第1の樹脂層14の材料としては、例えば、高い耐熱性を有するPA9T樹脂が好ましい。
導電性メッシュ層15は、第1の樹脂層14と第2の絶縁層16との間に配置されている。導電性メッシュ層15は、第1及び第2の面15a,15bを有する。
第1の面15aは、第1の樹脂層14の第2の面14bと接触している。第2の面15bは、第1の面15aの反対側に配置されている。
導電性メッシュ層15は、インサート用フィルム付き樹脂成形品10に雷電流が流れた際、雷電流が最終的に流れる場所である。つまり、導電性メッシュ層15は、雷電流をスパークさせる場所として機能する。
このため、導電性メッシュ層15の材料としては、高い導電性を有する金属材料を用いることが好ましい。このような金属材料としては、例えば、CuまたはAlを用いるとよい。
このように、導電性メッシュ層15の材料として高い導電性を有するCuまたはAlを用いることで、インサート用フィルム付き樹脂成形品10に雷電流が流れた際、雷電流を導電性メッシュ層15に容易に導くことができる。
また、Cuの熱伝導率が398W・m−1・K−1、Alの熱伝導率が236W・m−1・K−1であり、Cu及びAlは、熱伝導率の高い材料である。
このような熱伝導率の高い、CuまたはAlを導電性メッシュ層15の材料として用いることで、導電性メッシュ層15により、溶融した繊維強化プラスチック12の温度が低下することを抑制可能となる。
これにより、導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16の温度が第2の樹脂層16の溶融温度よりも低くなることが抑制されるので、導電性メッシュ層15と第2の樹脂層16との間の接合強度を高めることができる。
導電性メッシュ層15の厚さは、例えば、100μm以上250μm以下の範囲内で適宜設定することが可能である。
第2の樹脂層16は、フィルム状とされた樹脂層であり、インサート用フィルム付き樹脂成形品10の表面10aを構成している。第2の樹脂層16は、第1及び第2の面16a,16bを有する。
第1の面16aは、導電性メッシュ層15の第2の面15bと接触している。第2の面16bは、第1の面16aの反対側に配置されている。第2の面16bは、フィルムインサート成形法を用いて、インサート用フィルム13と樹脂成形品11とを一体化する場合において、金型(後述する図3、及び図6〜8に示す第1の金型21)と接触する。
なお、先に説明したように、樹脂成形品11の材料である繊維強化プラスチック12には、熱可塑性樹脂が含まれている。このため、熱可塑性樹を硬化させる観点から、上記金型の温度は、第1及び第2の樹脂層14,16の溶融温度よりも低い温度に設定されている。
第2の樹脂層16の厚さtは、第1の樹脂層14の厚さtよりも厚くするとよい。
このように、金型と接触する第2の樹脂層16の厚さtを第1の樹脂層の厚さtよりも厚くすることで、フィルムインサート成形法を用いて、インサート用フィルム13と樹脂成形品11とを一体化する場合において、金型内に導入される溶融した繊維強化プラスチック12の温度よりも低い温度とされた金型の熱により、導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16の温度が第2の樹脂層16の溶融温度よりも低くなることを抑制可能となる。
これにより、導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16を十分に溶融させることが可能となるので、導電性メッシュ層15と第2の樹脂層15との接合強度を高めることができる。
また、溶融した繊維強化プラスチック12と接触する第1の樹脂層14の厚さtを第2の樹脂層16の厚さtよりも薄くすることで、溶融した繊維強化プラスチック12の熱が第1の樹脂層14に伝わりやすくなる。
これにより、導電性メッシュ層15と接触する部分の第1の樹脂層14を十分に溶融させることが可能となるので、第1の樹脂層14と導電性メッシュ層15との接合強度を高めることができる。
さらに、溶融した繊維強化プラスチック12と接触する第1の樹脂層14の厚さtを第2の樹脂層16の厚さtよりも薄くすることで、溶融した繊維強化プラスチック12の熱が導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16に伝わりやすくなる。
これにより、導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16を十分に溶融させることが可能となるので、導電性メッシュ層15と第2の樹脂層15との接合強度を高めることができる。
つまり、本実施形態のインサート用フィルム13によれば、第2の樹脂層16の厚さtを第1の樹脂層14の厚さtよりも厚くすることで、第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15との間の接合強度を高めることができる。
図3及び図4は、本発明の実施形態に係るインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法を説明するための図である。図3及び図4には、図2に示す構造体の他に、フィルムインサート成形法を用いる際に、第2の樹脂層16と接触する第1の金型21も図示する。
図3及び図4では、フィルムインサート成形法を用いて、溶融した繊維強化プラスチック12を金型内に導入するときのインサート用フィルム13の状態を模式的に示している。図3及び図4に示す状態では、第1の金型21の内面21aと第2の樹脂層16の第2の面16bとが接触している。
図3及び図4において、図1及び図2に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。図4では、後述する下記(2)式と同じ符号を付す。また、図4では、一例として、n−1が6、nが7、n+1が8の場合を図示している。
図3及び図4を参照して、本実施形態のインサート用フィルム13を構成する第1及び第2の樹脂層14,16の厚さ決定方法について説明する。図4では、一例として、インサート用フィルム13の厚さt(=t+t+t)を同じ間隔(Δx)で10等分(m=10)した場合を例に挙げて図示する。
ここで、第1及び第2の樹脂層14,16の熱伝導率をλ(W/m・K)、第1及び第2の樹脂層14,16の密度をρ(kg/m)、第1及び第2の樹脂層14,16の比熱をCp(J/kg・K)、導電性メッシュ層15の熱伝導率をλ(W/m・K)、導電性メッシュ層15の密度をρ(kg/m)、導電性メッシュ層15の比熱をCp(J/kg・K)、第2の樹脂層16と接触する導電性メッシュ層15の第2の面15bの温度をT(℃)、第1の樹脂層の厚さをt(μm)、第2の樹脂層16の厚さをt(μm)、第1の樹脂層14の厚さtの自然対数をln(t)、第2の樹脂層16の厚さtの自然対数をln(t)、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さt,t及び材料に基づき得られる定数をCとすると、導電性メッシュ層15と接触する部分の第1及び第2の樹脂層14,16が溶融するためには、下記(2)式を満たす必要がある。
T=f1(λ,ρ,Cp)ln(t)+f2(λ,ρ,Cp)ln(t)+C
={λ/(ρ・Cp)}∂T/∂x+{λ/(ρ・Cp)}∂T/∂x+C
={λ/(ρ・Cp)}・{(T n+1+T n−1−2T )/(2・Δx)}+{λ/(ρ・Cp)}・{(T n+1+T n−1−2T )/(2・Δx)}+C・・・(2)
上記(2)式において、Tに添えられたn、n+1、及びn−1は、第1の樹脂層14の厚さt、第2の樹脂層16の厚さt、及び導電性メッシュ15の厚さtを合計した合計厚さ(=t+t+t)をm(≦n+1)分割した際の第1の金型21と接触する第2の樹脂層16の第2の面16bからの位置、Tに添えられたPは時間(sec)をそれぞれ示している。
また、上記(2)式において、時間Pでかつ位置がn+1のときの温度をT n+1、時間Pでかつ位置がn−1のときの温度をT n−1、時間Pでかつ位置がnのときの温度をT とする。
本実施形態では、Tの添え字であるP,nを用いて、時間tをP・Δtとし、位置をn・Δxとし、T を数値解における温度(節点値)とする。なお、Δtは、時間の区切りであり、任意に設定可能である。
上記添え字Pは整数であり、例えば、Δt=0.1(sec)、t=1(sec)とすると、t=10・Δtとなる。よって、この場合は、P=10となる。
この場合において、Δx=2(mm)、10mmの位置における1sec後の温度は、T10 となる。
したがって、第1の金型21(後述する図8に示す金型20)の温度をt(℃)は、T となり、溶融した繊維強化プラスチック12の温度をt(℃)は、T となる。
また、上記(2)式において、2・Δxはn−1(図4の場合、n−1=6と記載した位置)からn+1(図4の場合、n+1=8と記載した位置)までの距離(m)、Cは第1及び第2の樹脂層14,16の厚さt,t及び材料に基づき得られる定数をそれぞれ示している。
ここで、一例として、第1及び第2の樹脂層14,16の材料としてポリアミド9T樹脂(PA9T樹脂)を用い、導電性メッシュ層15の材料としてCuを用い、繊維強化プラスチック12を構成する熱可塑性樹脂として炭素繊維強化ポリアミド9T樹脂(PA9T−CF樹脂)を用いる場合において、ρ=1143(kg/m)、Cp=1491(J/kg・K)、λ=0.24(W/m・K)、ρ=8820(kg/m)、Cp=419(J/kg・K)、λ=372(W/m・K)、t=140(℃)、t=330(℃)、T=306(℃)、C=99.1(‐)とすると、上記(2)式に示す、T=f1(λ,ρ,Cp) ln(t)+f2(λ,ρ,Cp)ln(t)+Cは、下記(3)式となる。
T=−27.3ln(t)+56.2ln(t)+99.1 ・・・(3)
上記(3)式に基づいて、第1の樹脂層14の厚さt(μm)と、第2の樹脂層16の厚さt(μm)と、の関係をグラフ化すると図5に示すような曲線となる。
図5は、第1及び第2の樹脂層の材料としてポリアミド9T樹脂(PA9T樹脂)を用いるとともに、導電性メッシュ層の材料としてCuを用いた場合の第1の樹脂層の厚さt(μm)と第2の樹脂層の厚さt(μm)との関係を示すグラフである。
図5に示すように、予め、第1及び第2の樹脂層14,16の材料、及び導電性メッシュ層15の材料を決定し、第1の樹脂層の厚さt(μm)と第2の樹脂層の厚さt(μm)との関係をグラフ化することで、第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15との間の接合強度を高めることの可能な第1及び第2の樹脂層の厚さt,tを求めることができる。
図6は、図5に示す第1の樹脂層の厚さtと、図5に示す第1及び第2の樹脂層の厚さの合計(=t+t)と、の関係を示すグラフである。
また、図6に示すグラフを作成することで、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さの合計(=t+t)を所望の値にしたい場合には、図5及び図6に示すグラフに基づいて、容易に第1の樹脂層14の厚さtと、第2の樹脂層15の厚さtと、を求めることができる。
なお、第1及び第2の樹脂層の厚さの合計(=t+t)は、例えば、20μm以上500μm以下の範囲内で適宜選択することが可能であるが、第1の金型21内へのインサート用フィルム13の設置の容易性から、第1及び第2の樹脂層の厚さの合計(=t+t)は、例えば、200μmが好ましい。
本実施形態のインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法によれば、上記(2)式を満たすように、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さt,tを決定することで、フィルムインサート成形法を用いて、インサート用フィルム13と樹脂成形品11とを一体形成する場合において、導電性メッシュ層15と接触する部分の第1及び第2の樹脂層14,16の温度を第1及び第2の樹脂層14,16の溶融温度よりも高くすることが可能となる。
これにより、導電性メッシュ層15と接触する部分の第1及び第2の樹脂層14,16を十分に溶融させることが可能となるので、導電性メッシュ層15と第1及び第2の樹脂層14,16との間の接合強度を高めることができる。
図7〜図10は、本発明の実施形態に係るインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造工程を説明するための断面図である。図7〜図10において、図1〜図4に示す構造体と同一構成部分には、同一符号を付す。なお、図9に示す矢印は、溶融した繊維強化プラスチック12の導入方向を示している。
図1及び図7〜図10を参照して、本実施形態のインサート用フィルム付き樹脂成形品10の製造方法について説明する。
初めに、第1及び第2の樹脂層14,16の材料、導電性メッシュ層15の材料、繊維強化プラスチック12を構成する熱可塑性樹脂の種類、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さの合計(=t+t)、及び導電性メッシュ層15の厚さtを決定する。
先に説明した理由により、導電性メッシュ層15の材料としては、例えば、CuまたはAlが好ましい。
一例として、第1及び第2の樹脂層14,16の材料としてポリアミド9T樹脂(PA9T樹脂)を用い、厚さtが130μmの導電性メッシュ層15の材料としてCuを用い、熱可塑性樹脂として炭素繊維強化ポリアミド9T樹脂(PA9T−CF樹脂)を用いる場合、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さの合計(=t+t)は、例えば、200μmに設定することが可能である。
次いで、上述した上記(2)式に具体的な数値を代入し、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さの合計(=t+t)の値が所望の値となるように考慮することで、第1の樹脂層の厚さt(μm)と、第2の樹脂層16の厚さt(μm)と、を算出する。
具体的には、一例として、第1及び第2の樹脂層14,16の材料としてポリアミド9T樹脂(PA9T樹脂)を用い、導電性メッシュ層15の材料としてCuを用い、熱可塑性樹脂として炭素繊維強化ポリアミド9T樹脂(PA9T−CF樹脂)を用い、第1及び第2の樹脂層14,16の厚さの合計(=t+t)を200μmに設定する場合、例えば、第1の樹脂層14の厚さtを22μm、第2の樹脂層15の厚さtを128μmにすることが可能である。
次いで、上記(2)式に基づき算出された厚さt,tとされた第1及び第2の樹脂層14,16と、第1及び第2の樹脂層14,16間に配置された導電性メッシュ層15と、を含むインサート用フィルム13を準備する(第1工程)。
この段階のインサート用フィルム13は、第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15との間が仮固定された状態であるため、第1及び第2の樹脂層14,16と導電性メッシュ層15との間の接合強度は弱い。
次いで、図7に示す工程では、フィルムインサート成形時に使用する金型20を準備する。ここで、金型20の構成について説明する。
金型20は、第1の金型21と、第2の金型22と、を有する。第1の金型21は、金型本体21Aと、内面21aと、複数の吸引孔21Bと、を有する。金型本体21Aは、金属製の部材であり、第2の金型22と対向する内側が図1に示す樹脂成形品11の形状に対応している。
内面21aは、インサート用フィルム13の第2の樹脂層16の第2の面16b(図8参照)が当接される面である。
複数の吸引孔21Bは、金型本体21Aのうち、内面21aに対応する部分を貫通するように設けられている。複数の吸引孔21Bは、インサート用フィルム13の第2の樹脂層16の第2の面16bを吸着させるための孔である。
第2の金型22は、金型本体22Aと、樹脂導入口22Bと、を有する。金型本体22Aは、第1の金型21と対向する内側が図1に示す樹脂成形品11の形状に対応している。
樹脂導入口22Bは、金型本体22Aを貫通し、かつ金型本体21Aの内側と対向するように設けられている。樹脂導入口22Bは、溶融した繊維強化プラスチック12(図9参照)を金型20内に導入するための開口部である。
上記構成とされた金型20は、溶融した繊維強化プラスチック12に含まれる熱可塑性樹脂を固化させることの可能な所定の温度となるように温度制御されている。
次いで、図8に示す工程では、第1の金型21と第2の金型とが離間した状態(図7に示す状態)で、金型本体21Aの内面21aにインサート用フィルム13を配置させる。
このとき、複数の吸引孔21を用いた吸引により、金型本体21Aの内面21aにインサート用フィルム13を吸着させる。これにより、金型本体21Aに対するインサート用フィルム13の位置が規制される。
次いで、第1の金型21と第2の金型22とを接触させることで、図1に示す樹脂成形品11の形状に対応した空間20Aを形成する。
これにより、第1の金型21と第2の金型22との間に形成された空間20A内に、第2の面16bと第1の内面21aとが接触した状態でインサート用フィルム13が配置される(第2工程)。
次いで、図9に示す工程では、樹脂導入口22Bを介して、空間20A内に溶融した繊維強化プラスチック12を導入する。溶融した繊維強化プラスチック12の温度は、第1及び第2の樹脂層14,16の溶融温度よりも高い温度に設定されている。
繊維強化プラスチック12として、例えば、炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック等を用いることが可能である。
炭素繊維強化プラスチックを用いる場合、熱可塑性樹脂としては、例えば、PPS樹脂、ナイロン樹脂、PEEK樹脂等の樹脂を用いることが可能である。この場合、樹脂導入口22Bに導入する繊維強化プラスチック12の温度は、第1及び第2の樹脂層14,16が溶融可能な温度に設定する。熱可塑性樹脂として炭素繊維強化ポリアミド9T樹脂(PA9T−CF樹脂)を用いる場合、溶融した繊維強化プラスチック12の温は、例えば、330℃にすることが可能である。
やがて、空間20A内が溶融した繊維強化プラスチック12で充填されると、溶融した繊維強化プラスチック12との第1の樹脂層14の第1の面14a全体とが接触し、溶融した繊維強化プラスチック12の熱により、第1の樹脂層14全体が溶融される。
このとき、第1の樹脂層14の厚さtが第2の樹脂層16の厚さtよりも薄いため、導電性メッシュ層15を介して、溶融した繊維強化プラスチック12の熱が導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16に伝わりやすくなる。
これにより、導電性メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16を溶融させることが可能となる。
また、第2の樹脂層16の厚さtが第1の樹脂層14の厚さtよりも厚いため、溶融した繊維強化プラスチック12よりも温度の低い金型20の熱が、導電メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16に伝わりにくくなる。
これにより、導電メッシュ層15と接触する部分の第2の樹脂層16の温度が溶融温度未満になることを抑制可能となるので、第2の樹脂層16のうち、導電性メッシュ層15と接触する部分を溶融させることが可能となる。
溶融した繊維強化プラスチック12の導入は、空間20Aを充填するまで行う。このとき、樹脂導入口22Bにも溶融した繊維強化プラスチック12が充填される。
次いで、熱可塑性樹脂が硬化可能な温度とされた金型20により、金型20内に導入された繊維強化プラスチック12を硬化させることで、樹脂成形品11を含む1次樹脂成形品11Aを成形するとともに、樹脂成形品11の表面11aにインサート用フィルム13を融着させる(第3工程)。
上記第3工程では、樹脂導入口22Bへの溶融した繊維強化プラスチック12の導入初期段階における導電性メッシュ層15の温度を、第1及び第2の樹脂層14,16の溶融温度よりも高くするとよい。
このように、樹脂導入口22Bへの溶融した繊維強化プラスチック12の導入初期段階における導電性メッシュ層15の温度を、第1及び第2の樹脂層14,16の溶融温度よりも高くすることで、第1及び第2の樹脂層14,16のうち、導電性メッシュ層15と接触する部分を確実に溶融させることが可能となる。
これにより、導電性メッシュ層15と第1及び第2の樹脂層14,16との間の接合強度をさらに高めることができる。
次いで、図10に示す工程では、図9に示す金型20からインサート用フィルム13が融着された1次樹脂成形品11Aを取り出す。
次いで、図10に示す1次樹脂成形品11Aから不要部分25,26を除去する。これにより、図1に示すインサート用フィルム付き樹脂成形品10が製造される(第4工程)。
本実施形態のインサート用フィルム付き樹脂成形品10の製造方法によれば、上述した方法を用いることで、少なくとも第1の樹脂層14全体と、第2の樹脂層16のうち、導電性メッシュ層15と接触する部分と、を溶融させることが可能となるので、導電性メッシュ層15と第1及び第2の樹脂層14,16との間の接合強度を高めることができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
本発明は、インサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法、インサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法、及びインサート用フィルムに適用可能である。
10 インサート用フィルム付き樹脂成形品
10a,11a 表面
11 樹脂成形品
11A 1次樹脂成形品
12 繊維強化プラスチック
13 インサート用フィルム
14 第1の樹脂層
14a,15a,16a 第1の面
14b,15b,16b 第2の面
15 導電性メッシュ層
16 第2の樹脂層
20 金型
20A 空間
21 第1の金型
21a 内面
21A,22A 金型本体
21B 吸引孔
22 第2の金型
22B 樹脂導入口
25,26 不要部分
A 領域
〜t,t 厚さ

Claims (7)

  1. 熱可塑性樹脂及び強化繊維を含む繊維強化プラスチックよりなる樹脂成形品の表面に熱融着された第1の樹脂層と、導電性メッシュ層と、前記第1の樹脂層と同じ樹脂材料で構成されており、かつ前記樹脂成形品の成形時に金型と接触する第2の樹脂層と、が順次積層されたインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法であって、
    前記第2の樹脂層と接触する前記導電性メッシュ層の面の温度T(℃)と、前記第1の樹脂層の厚さt(μm)、前記第2の樹脂層の厚さt(μm)と、が下記(1)式を満たすインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法。
    T=f1(λ,ρ,Cp)ln(t)+f2(λ,ρ,Cp)ln(t)+C
    ={λ/(ρ・Cp)}∂T/∂x+{λ/(ρ・Cp)}∂T/∂x+C
    ={λ/(ρ・Cp)}・{(T n+1+T n−1−2T )/(2・Δx)}+{λ/(ρ・Cp)}・{(T n+1+T n−1−2T )/(2・Δx)}+C・・・(1)
    但し、上記(1)式において、ln(t)は前記第1の樹脂層の厚さtの自然対数、ln(t)は前記第2の樹脂層の厚さtの自然対数、前記第1及び第2の樹脂層の熱伝導率をλ(W/m・K)、前記第1及び第2の樹脂層の密度をρ(kg/m)、前記第1及び第2の樹脂層の比熱をCp(J/kg・K)、前記導電性メッシュ層の密度をρ(kg/m)、前記導電性メッシュ層の比熱をCp(J/kg・K)、前記導電性メッシュ層の熱伝導率をλ(W/m・K)とする。
    また、上記(1)式において、Tに添えられたn、n+1、及びn−1は、前記第1の樹脂層の厚さ、前記第2の樹脂層の厚さ、及び前記導電性メッシュの厚さを合計した合計厚さをm(≦n+1)分割した際の前記金型と接触する前記第2の樹脂層の面からの位置、Tに添えられたPは時間(sec)をそれぞれ示している。
    また、上記(1)式において、時間Pでかつ位置がn+1のときの温度をT n+1、時間Pでかつ位置がn−1のときの温度をT n−1、時間Pでかつ位置がnのときの温度をT とする。
    また、上記(1)式において、2・Δxはn−1からn+1までの距離(m)、Cは前記第1及び第2の樹脂層の厚さ及び材料に基づき得られる定数をそれぞれ示している。
  2. 前記第2の樹脂層の厚さを前記第1の樹脂層の厚さよりも厚くする請求項1記載のインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法。
  3. 請求項1または2記載のインサート用フィルムの樹脂層の厚さ決定方法に基づいて決定された厚さとされた前記第1及び第2の樹脂層を含む前記インサート用フィルムを準備する第1工程と、
    第1の金型と樹脂導入口が設けられた第2の金型との間に形成された空間内に、前記第2の樹脂層と前記第1の金型の内面とを接触させて前記インサート用フィルムを配置する第2工程と、
    前記樹脂導入口を介して、該空間内に溶融した前記繊維強化プラスチックを導入し、前記溶融した繊維強化プラスチックの熱により、少なくとも前記第1の樹脂層、及び前記第2の樹脂層のうち、前記導電性メッシュ層と接触する部分を溶融させ、その後、前記熱可塑性樹脂が硬化可能な温度とされた前記第1及び第2の金型により、前記溶融した繊維強化プラスチックを硬化させることで、前記樹脂成型品を含む1次樹脂成形品を成形するとともに、該樹脂成形品の表面に前記インサート用フィルムを融着させる第3工程と、
    前記1次樹脂成形品から不要部分を除去して、前記インサート用フィルムが融着された前記樹脂成形品を形成する第4工程と、
    を含むインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法。
  4. 前記第3工程では、前記樹脂導入口への前記溶融した繊維強化プラスチックの導入初期段階における前記導電性メッシュ層の温度を、前記第1及び第2の樹脂層の溶融温度よりも高くする請求項3記載のインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法。
  5. 前記導電性メッシュ層の材料として、CuまたはAlを用いる請求項3または4記載のインサート用フィルム付き樹脂成形品の製造方法。
  6. 熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチックよりなる樹脂成形品の表面に配置される第1の樹脂層、導電性メッシュ層、及び前記第1の樹脂層と同じ樹脂材料で構成された第2の樹脂層の順に積層されたインサート用フィルムであって、
    前記第2の樹脂層の厚さは、前記第1の樹脂層の厚さよりも厚いインサート用フィルム。
  7. 前記導電性メッシュ層の材料は、CuまたはAlである請求項6記載のインサート用フィルム。
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