TW201521988A - 纖維強化塑膠的成形方法及其成形裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明是有關於一種纖維強化塑膠的成形方法。將包含多個粒子的粒子群收容在可撓性袋體中來形成所需形狀的芯子。在包含樹脂與纖維的預浸體的內部配置上述芯子，對收納有上述芯子的上述預浸體在成形用模具內部進行壓縮成形。此時，上述粒子群為包含滿足下式(1)的第1粒子(a)及第2粒子(b)者。 1.1≦(Da/Db)≦2.0…(1) 此處，Da為粒子(a)的粒子的直徑，Db為粒子(b)的粒子的直徑。 根據上述成形方法，在利用成形用模具成形具有中空部的成形品時，不使用加壓氣體或加壓流體便可提高芯子的內壓而使芯子的外周表面積變形。

Description

纖維強化塑膠的成形方法及其成形裝置
本發明是有關於一種對使樹脂含浸在纖維中而成的預浸體(prepreg)使用芯子(core)進行加熱加壓來製造具有閉合剖面的纖維強化塑膠(Fiber Reinforced Plastics，FRP)的成形體的成形方法及其成形裝置。
作為具有閉合剖面的纖維強化塑膠的成形體，廣泛用於如航空器的機身或機翼般的大型成形體，以及自行車的框架、網球拍、釣竿或高爾夫球桿(golf shaft)等小型成形體。又，作為具有開放剖面的纖維強化塑膠的成形體，廣泛用於頭盔(helmet)等。
作為用以形成閉合剖面的芯子，使用利用包裝膜包入粉粒子群進行真空填充(pack)包裝而形成為規定形狀的芯子，或使用藉由吹氣(blow)成形而形成的成形品的芯子等。使用將以真空填充進行包裝而成的粉粒子群形成為所需形狀的芯子的成形品的成形方法，例如揭示在日本專利特開平2-238912號公報(專利文獻1)。又，作為藉由吹氣成形而形成的芯子，例如用於日本 專利特開平7-100856號公報(專利文獻2)中揭示的多層塑膠成形品的製造方法。
將專利文獻1記載的發明作為本發明的具有閉合剖面的纖維強化塑膠成形品的成形方法的先前例1，基於圖12~圖14進行說明。圖12表示藉由成形用模具30而製造具有閉合剖面的一形態即中空部的成形品的過程中的狀態。即，進行預加熱而處於熔融狀態的片狀的下部纖維強化熱塑性樹脂材(以下，稱作下部纖維強化熱塑性塑膠(fiber reinforced thermoplastics，FRTP))34載置在成形用模具30的下模31上。由於下部纖維強化熱塑性塑膠34處於熔融狀態，因此下部纖維強化熱塑性塑膠34因自重而成為下垂並沈降至下模31的凹部內的狀態。
以包裝材33b包入粉粒子群33a並藉由真空填充包裝而固形化為規定形狀的芯子33，載置在下部纖維強化熱塑性塑膠34的凹部上。在載置有芯子33的下部纖維強化熱塑性塑膠34的上部，載置加熱而處於熔融狀態的新的片狀的上部纖維強化熱塑性樹脂材(以下，稱作上部纖維強化熱塑性塑膠(FRTP))35。在該狀態下，芯子33的周圍成為由下部纖維強化熱塑性塑膠34與上部纖維強化熱塑性塑膠35包圍的狀態。
自該狀態起使成形用模具30的上模32下降，在該上模32與下模31之間將下部纖維強化熱塑性塑膠34與上部纖維強化熱塑性塑膠35加熱硬化，藉此在將芯子33收納在內部的狀態下一體地成形下部纖維強化熱塑性塑膠34與上部纖維強化熱塑性塑 膠35。為自完成的半成形品排出芯子33，而在半成形品上開出連通至芯子33的內部的小孔。若在半成形品上開出孔，則空氣進入至真空填充的芯子33的粉粒子群33a中，從而緩和粉粒子群33a之間的束縛。
而且，通過在半成形品上開出的孔，將構成芯子33的至少粉粒子群33a排出至半成形品的外部而完成成形品。此時，若包裝粉粒子群33a的包裝材33b由對於成形品的剝離性優異的材料構成，則包裝材33b亦可保留成形品的中空部而拆除。
將專利文獻2記載的發明作為與本發明相關的先前例2，使用圖15進行說明。圖15表示將藉由吹氣成形而成形的芯子43設置在形成外層的成形用模具41a與成形用模具41b之間的狀態。如圖15所示，成形用模具41a、成形用模具41b以可收納芯子43的方式構成，在成形用模具41a、成形用模具41b閉模時，在成形用模具41a、成形用模具41b的各對準面42a、對準面42b與芯子43之間形成有作為中空部的模腔(cavity)，該模腔供填充熔融樹脂。
對模腔內以擠出機44供給塑化的熔融樹脂45。藉由對處於閉模狀態的成形用模具41a、成形用模具41b的模腔內供給熔融樹脂45，可將具有中空部的製品成形為所需形狀，該中空部是使熔融樹脂與芯子43一體化而成。然而，在成形製品時，在芯子43的耐熱性相對於熔融樹脂的溫度而較低的情形時，或芯子43的壁厚薄的情形時，因賦形時對芯子43施加的壓力而有時會導致 芯子43變形。又，當芯子43的形狀存在寬的平坦部分時，因該平坦部分的剛性不足而同樣有芯子43變形的情況。
為防止芯子43變形，在專利文獻2記載的發明中，採用可提高芯子43的內壓的構成。作為用於此的構成，設置連通至芯子43內部的加壓單元46，自加壓單元46向芯子43內部導入已加壓的氣體或液體，藉此增加芯子43的內壓來防止變形。
另一方面，具有上述開放剖面的纖維強化塑膠成形體的成形方法，例如揭示於日本專利第4118685號公報(專利文獻3)中。圖16對應於該專利文獻3中列舉的圖式。在該成形方法中，以夾持在可彈性變形的一對腔室壁55、腔室壁55之間的方式配置模組裝體57，該模組裝體57將纖維強化塑膠材料(複合疊層體(layup))配置在使形成模腔(mold cavity)的至少一個纖維強化塑膠成形體分離而成的模部分57a與模部分57b之間，且一對腔室壁55、腔室壁55對向地固定設置在第1壓力腔室(chamber)51及第2壓力腔室52上。使提高至規定的溫度及壓力的流體在上述第1壓力腔室51與第2壓力腔室52之間循環。上述一對模部分57a、模部分57b相當於通常成形中的所謂的公模與母模。
上述模組裝體57是隔著第1壓力腔室51及第2壓力腔室52的各腔室壁55、腔室壁55，而藉由提高至所需溫度與壓力並循環的流體進行加熱加壓。在該加熱加壓時，上述壓力腔室51、壓力腔室52維持配置有上述可彈性變形的腔室壁55、腔室壁55的狀態，經由模部分57a、模部分57b壓縮上述纖維強化塑膠材料 並使之硬化，而成形纖維強化塑膠構造體。
[先前技術文獻]
[專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開平2-238912號公報
[專利文獻2]日本專利特開平7-100856號公報
[專利文獻3]日本專利第4118685號公報
專利文獻1記載的發明中，在將芯子33夾持在下部纖維強化熱塑性塑膠34與上部纖維強化熱塑性塑膠35之間的狀態下使上模32下降，在下模31與上模32之間對下部纖維強化熱塑性塑膠34及上部纖維強化熱塑性塑膠35進行加壓。然而，當在沈降至下模31的凹部中而形成在下部纖維強化熱塑性塑膠34上的凹部內載置芯子33時，又當自芯子33上方覆蓋上部纖維強化熱塑性塑膠35時，會在下模31的凹部的角落部與下部纖維強化熱塑性塑膠34之間、或芯子33與下部纖維強化熱塑性塑膠34及上部纖維強化熱塑性塑膠35之間產生空隙。
若在殘留有該空隙的狀態下進行利用上模32與下模31的加熱加壓，則無法藉由芯子33而自內側預先充分支撐下部纖維強化熱塑性塑膠34及上部纖維強化熱塑性塑膠35，尤其，在沿與上模32移動的上下方向相同的方向成形的下部纖維強化熱塑性塑膠34的部位、即縱向部位上壁厚發生變化，或進而無法將下部纖維強化熱塑性塑膠34的外表面形狀形成為沿著下模31的凹部的 角落部形狀的形狀，又，在外表面產生褶皺，或成形為向上下方向彎曲的形狀。或者，在縱向部位的長度尺寸壓縮為較規定的長度尺寸短的長度尺寸的狀態下成形，製品的尺寸精度降低。
尤其，在下部纖維強化熱塑性塑膠34及上部纖維強化熱塑性塑膠35包含使用長纖維的長纖維強化樹脂材料時，若在芯子33與下部纖維強化熱塑性塑膠34及上部纖維強化熱塑性塑膠35之間、或上模32及下模31與下部纖維強化熱塑性塑膠34及上部纖維強化熱塑性塑膠35之間存在空隙的狀態下加壓成形，則長纖維的纖維配向被擾亂而產生屈曲，從而導致纖維強化塑膠的強度降低、成形品的外觀惡化。
使用示意性地表示先前例1的構成的圖13、圖14更詳細地說明上述課題。圖13、圖14中，以符號37表示上述的縱向部位。而且，表示將在內部配置有芯子33的環狀的預浸體36收容在形成在下模31上的凹部內，且使上模32朝向下模31下降的狀態。
再者，圖14中表示在圖13所示的預浸體36的構成中，在預浸體36的中央部設置有增強用的肋39的構成，但其他構成成為與圖6相同的構成。
如圖13、圖14所示，藉由將預浸體36夾持在上模32與下模31之間進行加熱加壓而可製造半成形品。然後，在形成的半成形品上開出孔，將構成芯子33的粉粒子群從在半成形品上開出的孔排出至外部，藉此完成中空狀的成形品。
然而，在形成在收納在下模31中的預浸體36上的凹部內載置芯子33時，在將半成形品賦形為具有角部的形狀的情形時等，易於在芯子33的外表面與預浸體36的內周面之間產生空隙。尤其，若為使預浸體36順利地投入至成形用模具，而在成形用模具與預浸體36之間設置某程度的空隙，則亦易於在成形面的角落部與預浸體36之間產生同樣的空隙。
此處，在使上模32向下模31下降來對預浸體36加熱加壓時，因前期空隙的影響而在預浸體36的上下方向的縱向部位37產生褶皺或彎曲，或預浸體36的外表面側的角部未形成為所需的直角形狀，模內的預浸體36成為未填充狀態，在成形品與模的成形面之間形成有空隙。
尤其，在構成芯子33的粉粒子群的使用量少時，亦會在預浸體36與芯子33之間形成有空隙，在預浸體36的縱向部位37產生彎曲。而且，如圖13、圖14所示，縱向部位37的一部分變形為向芯子33側彎曲的形狀。而且，在構成芯子33的粉粒子群的流動性低的情形時，變形的影響變得顯著。即便假設圖14所示的縱向部位37的一部分未變形為向芯子33側彎曲的形狀，縱向部位37的長度尺寸亦會被壓縮為較規定的長度尺寸短的長度尺寸。
又，如圖14所示，在形成為設置有增強用的肋39的構成的情形時，當以上模32與下模31對預浸體36加壓時，因芯子33在肋39兩側移動而導致變形為更彎曲的形狀。而且，若成為圖 13及圖14所示的變形狀態，則作為成形品而言為不合格品。
專利文獻1記載的發明中，為了不產生不合格品，必須提高預浸體36的預成形體(preform)精度以不在預浸體36與芯子33之間形成空隙，或預先將芯子33的形狀形成為所需的形狀。然而，對於未完全固定的粉粒子群或未硬化的預浸體而言，準確測量構成芯子33的粉粒子群的使用量來構成芯子33，並將芯子33的形狀亦形成為所需的形狀而使預浸體36密接於芯子33，進而使預浸體36的外形形狀沿著成形用模具的內表面形狀的處理，會因形狀不穩定而必需多個工時且需要長時間。
專利文獻2及專利文獻3記載的發明中，可藉由導入已加壓的氣體或液體而對芯子43或腔室壁55、腔室壁55的內壓進行加壓。對於已加壓的氣體或液體而言，具有任意一點的壓力在所有方向上作用有相同壓力的物理性質。因此，若為提高內壓而加壓的氣體或液體的一部分自芯子43或腔室壁55、腔室壁55洩漏，則洩漏的氣體或液體成為高速、高壓的噴射流，而且，保持高溫狀態而自成形用模具41a、成形用模具41b或壓力腔室51、壓力腔室52的間隙噴出至外部。該情形時，尤其若噴出液體，則可能會對成形用模具或壓力腔室的周圍造成較大損害，或損害作業人員的安全性，因此必需已採取充分的安全措施的設備。
如上所述，由專利文獻1~專利文獻3記載的發明所代表的先前的具有閉合剖面或開放剖面的纖維強化塑膠的成形方法及成形裝置中，雖然加熱加壓方法不同，但均使用一對公母模具 (壓力腔室)，藉由使其中一者或雙方向加壓方向移動，而對插裝在一對模具之間的預浸體或疊層體材等成形材料進行加熱加壓。
然而，如上述專利文獻1及專利文獻2揭示的發明般，通常使用例如在作為可動模的上模32、上模41b的開閉動作中能承受通常所需的內壓的液壓缸，控制該液壓缸的伸縮距離以將成形時的上模與下模之間的間隔保持為固定。然而，隨著成形時的芯子的內壓的增加，難以承受預浸體對上模的內表面的按壓力的增加而將上模的位置維持為固定，即難以將上模與下模之間的間隔保持為固定。其結果，作為製品的成形品無法獲得規定的尺寸，而且其尺寸的偏差亦多，從而導致良率降低。
又，該成形中所使用的模具自身的製作成本極高，而且每次變更成形品的形狀時必須變更模具，因此亦對成形成本帶來較大影響。又，尤其對於具有開放剖面的成形品而言，亦多為對外部表面側要求優異的外觀精度，而對其內表面側並不要求如此優異的外觀精度的情形。
本發明的目的在於提供一種纖維強化塑膠的成形方法，其可解決上述先前的問題點，並且在成形具有藉由成形用模具而形成的閉合剖面或開放剖面的成形品時，不使用氣體或液體便可對預浸體(疊層體材)均勻地提高壓力，而且，即便對芯子施加壓力，又即便在使用通常的成形用模具的情形時，亦可防止構成芯子的媒體的一部分自成形用模具洩漏，進而對於要求具有優異的外觀精度的模腔的一側的成形模而言，可使用通常的成形 模，並且對於容許外觀精度少許降低的一側的成形模而言，可使用可共用的變更的自由度高的成形模來成形。
本發明是一種纖維強化塑膠的成形方法，該纖維強化塑膠的成形方法的第1基本構成包含：將包含多個粒子的粒子群收容在可撓性袋體中來形成所需形狀的芯子；將包含樹脂與纖維的預浸體配置在上述芯子的周圍；將上述芯子及配置在其周圍的上述預浸體配置在成形用模具的上模與下模之間；及使上述成形用模具閉模來進行壓縮成形。
根據上述構成，理想的是包含：利用模具間隔保持器件保持上述上模與下模的間隔，以使上述上模與下模的間隔不會擴大；利用朝向上述上模與下模之間的模腔出沒的按壓器件，按壓上述芯子的外表面的一部分來提高上述芯子內的內壓而使之變形；及藉由上述芯子的按壓變形而提高上述預浸體與上述模具及上述芯子之間的密接性，且較佳為包含：藉由使配置在上述上模的左右側部的上述模具間隔保持器件向相互接近的方向移動規定量，而完全限制上述上模向上方的移動。又，可將上述上模的左右側面與模具間隔保持器件的抵接面相互形成為楔形狀的滑動面。
又，理想的是收容在上述可撓性袋體中的粒子群的粒徑並不均勻。進而，在藉由上述成形用模具進行的壓縮成形之後成形的成形品中，於上述芯子的外周面中，以被按壓的一部分的部位為形成部位，形成自上述成形品排出上述粒子群的排出孔即 可。較佳為包含將桿插入上述成形用模具的內部來按壓上述芯子的外表面的一部分的情況，上述桿較佳為活塞桿(piston rod)，在上述壓縮成形之後，通過上述桿的插入位置而將上述粒子群排出至成形品的外部即可。
又，收容在上述可撓性袋體中的粒子群為高剛性粒子，上述粒子群包含第1粒子群(a)及第2粒子群(b)，上述兩群之間粒徑互不相同，其中，上述第1粒子群(a)的直徑Da與上述第2粒子群(b)的直徑Db的比Da/Db較佳為1.1以上、2.0以下。又，相對於收容在上述可撓性袋體中的粒子群的總量，第2粒子群(b)的總量的比例較佳為20質量%~60質量%的範圍，更佳為，可包含：利用模具間隔保持器件保持上述上模與下模的間隔，以使上述上模與下模的間隔不會擴大；利用朝向上述上模與下模之間的模腔出沒的按壓器件，按壓上述芯子的外表面的一部分來提高上述芯子內的內壓而使之變形；及藉由上述芯子的按壓變形而提高上述預浸體與上述模具及上述芯子之間的密接性。又，上述粒子群較佳為包含φ0.1mm~φ10mm的高剛性粒子，尤佳為包含φ0.5mm~φ2mm的高剛性粒子。
上述高剛性粒子的彎曲彈性模數較佳為50000MPa以上，且上述高剛性粒子較佳為使用陶瓷粒子。理想的是：利用模具間隔保持器件保持上述上模與下模的間隔，以使上述上模與下模的間隔不會擴大；利用朝向上述上模與下模之間的模腔出沒的按壓器件，按壓上述芯子的外表面的一部分來提高上述芯子內的 內壓而使之變形；及藉由上述芯子的按壓變形而提高上述預浸體與上述模具及上述芯子之間的密接性。
又，具有上述第2基本構成的本發明的纖維強化塑膠的成形方法包含：使包含樹脂與纖維的預浸體插裝在單側成形模具與變形模之間，上述單側成形模具具有單側模腔，其用於成形成形品的單側表面，上述變形模為將包含多個剛性體粒子的粒子群收容在可撓性袋體中而成為所需形狀；對上述單側成形模具施加按壓力，在單側成形模具與上述變形模之間以規定的按壓力按壓上述預浸體；及在該按壓時，藉由上述單側成形模具成形上述預浸體的單側表面，並同時藉由上述變形模內部的粒子群的流動而沿著上述單側模腔的形狀使變形模變形，來成形上述預浸體的相反側表面。
在該纖維強化塑膠的成形方法中，較佳為，在成形之前預先對上述變形模內的上述粒子群進行加熱即可。又，除藉由上述單側成形模具進行的按壓之外，還可包含藉由輔助按壓器件而局部性地按壓上述變形模的外周面的一部分，較佳為上述輔助按壓器件具有朝向上述單側成形模具的上述模腔內自如出沒的桿，利用該桿按壓上述變形模的外周面的一部分而使之變形。又，上述粒子群理想的是包含φ0.1mm~φ10mm的金屬粒子。
又，該纖維強化塑膠的成形方法藉由以下記載的成形裝置而高效地實施。
即，一種纖維強化塑膠的成形裝置，該纖維強化塑膠的成形 裝置的基本構成包含：上述的單側成形模具；上述變形模；殼體，具有地板面部、開放面部及側壁部，其中，上述地板面部收容載置該變形模，上述開放面部與該地板面部對向且隔開所需間隔而配置，上述側壁部配置在上述地板面部與上述開放面部之間；及第1按壓器件，以所需的按壓力將上述單側成形模具向上述變形模按壓，上述單側成形模具包含模具主體及密嵌部，其中，上述密嵌部可滑接地密嵌於上述殼體的開放面部，在該密嵌部的與上述地板面部對向的成形面上具有上述單側模腔。
此處，所用的粒體較佳為包含φ0.1mm~φ10mm的金屬粒子，上述殼體較佳為包含第2按壓器件而成，該第2按壓器件朝向收容在該殼體內部的上述變形模進退而將該變形模局部性地按壓變形。
此外，根據本發明的第1基本構成，使用將包含多個粒子的粒子群收容在可撓性袋體中來形成為所需形狀的芯子。而且，在利用成形用模具的壓縮成形時，經由預浸體或不經由預浸體按壓芯子的一部分外表面，由此在芯子的外表面形成凹陷而強制性地提高芯子的內壓。而且，藉由提高芯子的內壓而在構成芯子的粒子間產生滑動，從而使芯子變形。使用具有流動性的粒子作為構成芯子的粒子群，由此若按壓芯子的外表面來在外表面形成凹陷而提高芯子的內壓，則構成粒子群的粒子移動，芯子內的粒子群的流動性與壓力傳遞性提高。又，對於粒子群而言，藉由 按壓芯子的外表面而在芯子的外表面形成凹陷來提高芯子的內壓而使構成粒子群的粒子移動，並同時提高壓縮成形時的壓力，藉由二者相結合而可獲得形狀與尺寸精度優異的成形品。
又，藉由使芯子變形，即便在包入芯子的預浸體與芯子之間存在空隙，亦可藉由芯子的變形而確實地填埋該空隙。又，尤其是即便在成形用模具的成形面的角落部與預浸體之間形成有空隙，亦可藉由芯子的變形而使預浸體向填埋該空隙的方向移動，從而可填埋上述空隙。
藉由芯子的變形，形成在預浸體與芯子之間的空隙因利用芯子產生的高內壓而潰縮，或構成空隙的空氣通過預浸體而自成形用模具釋放至大氣中。空氣通過預浸體時形成的通路在空氣通過之後自動地被熔融的預浸體堵塞。
芯子是在可撓性袋體中收容多個粒子而構成的。因此，即便按壓芯子的外表面來在外表面形成凹陷而使芯子變形，芯子內的內部壓力不會如通常使用液體或氣體時般在所有部位成為均勻的壓力狀態。即，即便對粒子群施加壓力，亦會在其他部位產生較施加有壓力的部位的壓力小的壓力。此處，若施加的壓力超過某值，則會在構成粒子群的粒子間產生滑動。
因此，在按壓芯子的外表面時，即便在藉由按壓而在芯子的外表面形成有凹陷的部位上內部壓力大幅上升，離開該部位的芯子的外表面側的部位上的壓力上升，亦低於形成有凹陷的部位上的內部壓力。尤其，芯子內的壓力的傳遞性、粒子群的流動 性受構成粒子群的粒子表面的粗糙度、粒徑、粒子的剛性影響。若使用包含具有均勻的粒徑或相同的剛性的粒子的粒子群，則在芯子內粒子群的構成粒子填充得最密，構成粒子群的粒子的流動性受阻，從而損害壓力的傳遞性。由此，考慮芯子內的粒徑的分布狀況或粒子表面的粗糙度的分布狀況，或者使用組合高剛性的粒子及具有與高剛性的粒子的剛性不同的剛性的例如熱塑性樹脂的粒子而成的粒子群，藉此構成芯子內的粒子群的粒子的流動性與壓力傳遞性提高。
若流動性與壓力傳遞性如此般提高，則即便在離開藉由按壓而形成有凹陷的部位的芯子內的部位上，亦可藉由粒子群的構成粒子的滑動而使芯子變形。藉此，可沿成形用模具的成形面按壓預浸體，例如，可使支撐上述的縱向部位的芯子的部位與預浸體之間的壓力上升。藉此，在利用上模與下模加壓時，可確實地防止上述縱向部位的彎曲變形。
在本發明的成形方法中，作為收容在芯子中的粒子群，較佳為單獨使用具有流動性的高剛性粒子，或使用包含該高剛性粒子與樹脂粒子的粒子。
作為高剛性粒子，可使用具有彎曲彈性模數為50000MPa以上的高剛性的氧化鋁、氧化鋯等陶瓷、玻璃、硬質耐熱樹脂、金屬、鑄模砂等。尤其，在使用包含陶瓷的氧化鋯、石英的情形時，該等物質因熱傳導率低而成為作為構成芯子4的粒子群的粒子較佳的材料。
作為樹脂粒子，可使用聚丙烯、聚乙烯等聚烯烴、丙烯酸、尼龍、鐵氟龍(註冊商標)等各種熱塑性樹脂、或矽酮(silicone)等各種彈性體(elastomer)。尤其，在使用彎曲彈性模數為10MPa~3000MPa的熱塑性樹脂的情形時，剛性粒子的流動性與傳遞性提高，因此成為作為芯子的粒子群較佳的材料。
藉由對構成芯子的粒子群使用具有流動性的高剛性粒子與樹脂粒子，若按壓芯子的外表面、在外表面形成凹陷而提高芯子的內壓，則藉由樹脂粒子彈性變形而在構成粒子群的粒子間產生滑動，從而高剛性粒子移動，芯子內的粒子群的流動性與壓力傳遞性提高。又，由於按壓芯子的一部分外表面、在外表面形成凹陷而提高芯子的內壓從而高剛性粒子移動，因此構成粒子群的粒子移動、提高壓縮成形時的壓力，藉此樹脂粒子塑性變形並發生潰縮，從而可獲得形狀與尺寸精度優異的成形品。
而且，以使上述的縱向部位的縱向的長度尺寸成為規定的長度尺寸的方式，利用上述模具間隔保持器件來固定成形用模具的閉模位置，藉此可預先維持芯子的外表面與預浸體的內表面之間的壓力的高度。藉此，可避免上述的縱向部位的縱向的長度尺寸被壓縮至規定的尺寸以下而變短的事態的產生，可將預浸體成形為所需的壁厚。
又，即便在預浸體的外表面的角部形成例如直角的角部的情形時，亦可使充足量的預浸體移動至成形角部的成形用模具的角落部，因此可確實地成形預浸體的外表面的直角等的角部。
若提高芯子的內壓，則構成粒子群的各粒子會在前後左右方向上產生滑動而移動，但收容各粒子群的可撓性袋體包含可延展的材質。因此，藉由可延展的可撓性袋體，可容許芯子的外形形狀隨著構成各粒子群的粒子的移動而產生變形。在假設芯子的可撓性袋體因成形用模具的閉模或形成凹陷時的按壓而導致袋內的粒子群所產生的按壓力上升時，且袋體並無對抗該等壓力而保持粒子群的程度的強度時，粒子群有時會使袋體破裂。然而，若成形用模具的間隙小於粒子的直徑，則只要粒子不破碎，就不會引起粒子自成形用模具洩漏。
作為按壓芯子的外表面的一部分的器件，使用在成形用模具的成形面內自如出沒的桿即可。於使用在成形用模具的成形面內自如出沒的桿的情形時，例如，可使用活塞桿作為桿，該按壓器件亦可設置在多個部位上。
本發明中，在按壓芯子的外表面時，可經由預浸體或不經由預浸體按壓芯子的一部分外表面。在經由預浸體按壓大致平面形狀的部位的情形時，在預浸體形成有凹部。在經由預浸體按壓凸形狀的部位的情形時，預浸體變得平坦。在該等按壓部位即凹部或平坦部，或在除按壓部位以外的部位，可設置用以自成形品排出構成芯子的粒子群的排出孔。
又，在不經由預浸體而直接按壓芯子的一部分外表面的情形時，預先在預浸體上開出相當於桿等按壓部的剖面形狀的形狀的孔，在半成形品成形之後利用桿直接按壓芯子。可自該半成 形品的孔位置使可撓性袋體破裂而排出粒子，並且取出可撓性袋體。可撓性袋體進行塗佈脫模劑等的脫模處理，或形成雙層包裝，藉此可將粒子接觸的可撓性袋體自半成形品除去。
又，根據本發明的較佳的另一態樣，在藉由上述成形用模具進行的閉模時或加壓成形時，利用模具間隔保持器件保持上述上模與下模之間的間隔，以使上述上模與下模的間隔不會擴大即可。該模具間隔保持器件包含：配置在上述上模的左右側部；及藉由使配置在上模的左右側部的上述模具間隔保持器件向相互接近的方向移動規定量而完全限制上述上模向上方的移動。上模的左右側面與模具間隔保持器件的抵接面較佳為由相對性地為楔形的滑動面構成。
在利用上述成形用模具的閉模時或加壓成形時，預浸體對模具面的按壓力增大，但根據該態樣，若使上述左右一對模具間隔保持器件向接近方向水平移動規定的距離，則在其移動的過程中抵接於上模，阻止上模向較此更上方移動，上述的縱向部位上的上模與下模之間維持為規定的間隔。如此固定成形用模具的閉模位置，來確保芯子的外周面與預浸體的內表面之間的按壓力的上升。藉此，可避免上述的縱向部位上的縱向的長度尺寸被壓縮至規定的尺寸以下而變短的事態的產生，可將預浸體成形為所需的壁厚。此時，若無上述模具間隔保持器件，而僅藉由液壓缸控制上模的上下移動，則因芯子的擴張所引起的壓力上升成為規定以上，使上模對抗於缸體而向上移動，上下模具間的間隔擴大， 從而製造高度較規定的尺寸高的製品。
由此，作為上述模具間隔保持器件的較佳例，較佳為採用楔形面。根據具體的態樣，將上模的左右側面的上端肩部朝向外側而形成為向下傾斜面，另一方面，將左右一對模具間隔保持器件的對向面的下端角部同樣地朝向外側而形成為向下傾斜面。例如，若在使模具間隔保持器件向接近方向水平移動而使上模與模具間隔保持器件的為對向面的傾斜面彼此抵接之後，進而使左右的模具間隔保持器件向接近方向移動，則對應於其移動量，模具間隔保持器件的傾斜面按壓上模的傾斜面而使上模向下方移動。此處，若使左右的模具間隔保持器件停止，則規定上模向上方的移動極限位置，限制上模向較此更上方移動。因此，亦可藉由經由預浸體而自芯子受到的對上模的模腔面的按壓力的增加，而使上模維持上述移動極限位置。
本發明亦可採用上述的第2基本構成，尤其是亦可採用如下構成，即在形成其最具特徵的部分的先前的公母成形模中，其中一成形模使用具有與先前相同的剛性的成形模具(稱作單側模具)，且另一者使用將具有高流動性的多個粒體密閉狀收容在富於可撓性的袋體中而成的可變形的變形模。該情形時，準備變形自如地支撐上述變形模的殼體。以下的說明中，針對具有該第2基本構成的本發明，以將單側模具作為上模且將變形模作為下模的成形模為代表例進行說明。
在藉由具有上述構成的成形模而進行纖維強化塑膠的 成形時，首先設為可加熱上述殼體，且在該殼體的地板面部載置上述變形模。此時，收容在變形模的可撓性袋體中的粒體亦與袋體一起預先被加熱至100℃~200℃即可。其次，在該變形模上載置包含纖維集合體的單體或積層體且含浸有基質(matrix)樹脂的預浸體。繼而，將形成有所需模腔的單側模具的內表面朝向預浸體而使該模具密嵌於殼體的開口部，使該模具在按壓預浸體的方向上以所需的負重按壓移動。
在該按壓移動時，預浸體的單側模具側的表面在藉由模具的模腔面而產生的大的按壓力下被賦形為規定的形狀。此時同時地，對於與單側模具為相反側的配置在預浸體的表面的上述變形模而言，構成該變形模的可撓性袋體受殼體的地板面部及側壁部束縛，尤其地板面部整面地擴展，不會進一步變形。另一方面，面向預浸體這一側的變形模的表面受到來自上述地板面部等的反作用力，一面追隨於預浸體的變形、一面使袋體內的粒體移動而使袋體變形。此時的變形是藉由內部的粒體自動地向使預浸體的內部應力為均等的方向流動所引起的。
在最終階段，預浸體的單側模具側的表面亦受到配置在單側模具相反側的變形模的反作用力而被賦形為模具的模腔形狀，並且與其相反側的變形模接觸一側的表面追隨於預浸體的模具側表面整體的變形而變形，在變形模與預浸體間產生的所有間隙基於變形模的變形而被全部填埋，從而被賦形為與在單側模具與變形模之間產生的預浸體內部的均等的應力對應的形狀。
如此，製造預先計劃的數量的具有規定形狀的成形品之後，切換至具有不同的形狀與構造的下一新成形品的製造。此時，首先準備新的單側模具，並且將先前使用的單側模具自成形機拆除而更換為新的單側模具。在該更換時，不需要更換上述變形模。即，變形模不更換而是直接用於以後的成形。如此，本發明中，只要僅更換一對成形模中的單側模具，便可接著成形下一具有新的形狀與構造的成形品。在切換該成形時，無須如先前般準備具有新的形狀的一對模具，僅簡單地準備單一的單側模具，便可成形具有新的形狀及構造的具有開放剖面的纖維強化塑膠成形品。
其結果，成形中所需的成形模的製作成本減半，從而可使成形品的價格大幅降低。進而，在按壓成形時，在預浸體的與模具側表面為相反側的表面上，變形模的內部粒子藉由外力(按壓力)而自由流動，因此可均勻地作用必要的充足的按壓力，進而即便在使用輔助按壓器件例如桿材來使變形模的一部分局部性地發揮作用而進一步提高變形模的內壓的情形時，亦可始終對預浸體施加面壓，因此不會對構成預浸體的纖維的方向性造成影響，在成形將重點放在纖維方向上的該種纖維強化塑膠製品時，可始終保證高品質的製品的製造。
1‧‧‧下模
1a‧‧‧形成在下模上的凹部
2‧‧‧上模
2a‧‧‧向下傾斜面
3‧‧‧預浸體
4‧‧‧芯子
4a‧‧‧粒子群(粒子)
4b‧‧‧可撓性袋體
5‧‧‧缸體
5a‧‧‧活塞桿
6‧‧‧凹部
6a‧‧‧排出用的孔
8‧‧‧突出部
10‧‧‧成形品
10a‧‧‧半成形品
10b‧‧‧中空部
15‧‧‧成形用模具
20‧‧‧模具間隔保持器件
21a‧‧‧按壓構件
21b‧‧‧楔形面
22a‧‧‧按壓構件
22b‧‧‧楔形面
22c‧‧‧水平面
22d‧‧‧向下傾斜面
23a‧‧‧按壓構件
23b‧‧‧楔形部
23c‧‧‧向上傾斜面
23d、23e‧‧‧垂直面
23f‧‧‧垂直部
24a‧‧‧按壓構件
24b‧‧‧楔形面
25‧‧‧殼體
25a‧‧‧地板面
25b‧‧‧垂直壁面
25c‧‧‧側壁部
25d‧‧‧開口部
25e‧‧‧閉模部
26‧‧‧單側模具
26a‧‧‧模腔(模腔面)
26b‧‧‧閉模部
27‧‧‧變形模
27a‧‧‧粒體
27b‧‧‧袋體
28‧‧‧預浸體
28a、28b‧‧‧第1片狀預浸體及第2片狀預浸體
29‧‧‧缸體
29a‧‧‧活塞桿
30‧‧‧成形用模具
31‧‧‧下模
31a‧‧‧凹部
32‧‧‧上模
33‧‧‧芯子
33a‧‧‧粉粒子群
33b‧‧‧包裝材
34、35‧‧‧纖維強化熱塑性樹脂材(FRTP)
36‧‧‧預浸體
37‧‧‧縱向部位
39‧‧‧肋
41a、41b‧‧‧成形用模具
42a、42b‧‧‧對準面
43‧‧‧芯子
44‧‧‧擠出機
45‧‧‧熔融樹脂
46‧‧‧加壓單元
51、52‧‧‧第1壓力腔室及第2壓力腔室
55‧‧‧腔室壁
57‧‧‧模組裝體
57a、57b‧‧‧模部分
A‧‧‧部位
圖1是表示具有第1基本構成的本發明的加壓成形時的示意圖。
圖2是表示本發明的預浸體與芯子的內部構造的示意圖。
圖3是表示製造具有中空部的成形品的各階段的示意圖。
圖4是表示本發明的另一實施方式的加壓成形時的示意圖。
圖5是表示本發明的又一實施方式的加壓成形時的示意圖。
圖6是表示本發明的進而又一實施方式的加壓成形時的示意圖。
圖7是表示本發明的模具間隔保持器件的構成例的示意圖。
圖8是表示內壓與衝程的關係的示意圖。
圖9是示意性地表示該實施方式的成形開始時的模具、變形模及預浸體的配置關係的說明圖。
圖10是示意性地表示該實施方式的成形結束時的模具、變形模及預浸體的配置關係的說明圖。
圖11是示意性地表示本發明的另一實施方式的成形結束時的模具、變形模及預浸體的配置關係的說明圖。
圖12是表示先前例1的具有中空部的成形品的成形時的成形狀態的說明圖。
圖13是示意性地表示圖12的加壓成形時的說明圖。
圖14是示意性地表示圖13的加壓成形時的另一成形狀態的說明圖。
圖15是表示在先前例2的成形用模具間設置有芯子的狀態的說明圖。
圖16是示意性地表示具有開放剖面的成形品的成形時的狀態 的說明圖。
以下，基於隨附圖式對本發明的較佳的實施方式具體地進行說明。作為本發明的纖維強化塑膠的成形方法，即便為以下所述的成形用模具、芯子等構成以外的構成，只要為可在利用成形用模具的加壓成形中擴大芯子的外周表面積的構成，則亦可將本發明較佳地應用於該等構成。
[實施例]
如圖1所示，在形成在經預先加熱的成形用模具15的下模1上的凹部1a內，載置將內含芯子4的預浸體3在室溫下賦形為與成形用模具15的內周面形狀大致相同的形狀的預成形體。
預浸體3可預先形成為使未硬化的熱硬化性樹脂含浸在碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酸胺纖維、碳化矽纖維等纖維中而成的片狀。圖示例中，預浸體3的剖面形狀形成為環狀，且在內部插裝芯子4。例如，藉由將芯子4包入在兩片片狀的預浸體之間，而可如圖示例般構成預浸體3。
而且，對藉由成形用模具15的加熱而成為熔融狀態的預浸體3在成形用模具15內加壓成形而使之硬化，可製造具有所需形狀的纖維強化塑膠(FRP)的成形品。在含浸熱塑性樹脂來代替熱硬化性樹脂的情形時，將對預浸體3預先加熱而賦形所得的預成形體以成形用模具加壓成形之後加以冷卻，可製造所需形狀的纖維強化塑膠成形品。
作為含浸在纖維中的熱硬化性樹脂，可使用環氧樹脂、尿素樹脂、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯、聚胺酯、酚醛樹脂等，作為熱塑性樹脂，可使用聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、氯乙烯、聚醯胺樹脂等。
芯子4是在可撓性袋體4b中收容粒子群4a而構成的。
作為高剛性粒子，可使用具有彎曲彈性模數為50000MPa以上的高剛性的氧化鋁、氧化鋯等陶瓷、玻璃、硬質耐熱樹脂、金屬、鑄模砂等。尤其，在使用包含氧化鋯、石英的陶瓷的情形時，該等物質因熱傳導率低而成為作為構成芯子4的粒子群4a的粒子而較佳的材料。
作為用於芯子4的形態保持的可撓性袋體4b，可使用尼龍製膜、聚乙烯製膜、氟樹脂膜、矽橡膠等。
又，芯子4的粒子群4a使用滿足下式(1)的粒徑比的粒子(a)、粒子(b)。此時，若粒子群4a中所含的粒子(b)的總量的比例為20質量%~60質量%的範圍，則粒子群4a的流動性與壓力傳遞性提高而成為較佳的粒子群構成。
1.1≦(Da/Db)≦2.0…(1)
此處，Da為粒子(a)的粒子的直徑，Db為粒子(b)的粒子的直徑。
在下模1設置具有在成形用模具15的模腔內自如出沒 的活塞桿5a的缸體5。再者，圖1中省略為使活塞桿5a滑動而對缸體5的壓力室供排工作流體的配管的圖示。
首先，使上模2與下模1向相互接近的方向移動而進行完全閉模，可使載置在下模1的凹部1a內的預浸體3在加壓下加熱硬化。在該階段壓力不高，藉由下一階段的活塞桿提高壓力，因此作為閉模機而言，只要具有模的開閉機構即可，不需要高壓壓製機。
此時，藉由使活塞桿5a突出至成形用模具15的模腔內，而按壓插裝在預浸體3內的芯子4的外表面的一部分部位。藉由該按壓，如將圖1中以圓圈包圍的部位A放大而得的圖2所示，具有上述的以不同的粒徑組合而得的粒子構成的粒子群4a的流動性提高，在芯子4內的粒子群4a產生滑動。利用該粒子群4a的滑動而擴大芯子4的外周表面積，尤其可在易於產生空隙的預浸體3的內表面的四角落部分、或沿凹部1a的壁面形成的縱向部位的沿內表面的區域密接於預浸體3的內表面，不產生彎曲、褶皺或空隙便可成形，從而可獲得尺寸精度高的成形品。
即便在包入有芯子4的預浸體3與芯子4之間形成有空隙，亦可藉由擴大芯子4的外周表面積而提高內壓，從而構成空隙的空氣藉由利用芯子產生的高內壓而潰縮，或通過預浸體3自成形用模具15釋放至大氣中。空氣通過預浸體3時所形成的通路在空氣通過之後自然地被熔融的預浸體3堵塞。
又，在成形用模具15的角部上，即便於在成形用模具 15與預浸體3之間存在空隙的情形時，亦可藉由來自擴大了外表面形狀的芯子4的按壓而使預浸體3向空隙側變形移動。而且，形成該空隙的空氣藉由高內壓而潰縮，或自成形用模具15被擠出至大氣中。預浸體3移動至擠出空氣的空隙的部分，而形成為沿著成形用模具15的角部形狀的形狀。藉此，對預浸體3加熱加壓而形成的成形品，例如成為角部完全形成為直角的成形品。
再者，在用於實施方式的說明的各圖中，為容易理解可撓性袋體4b，而誇大、較厚地來表示可撓性袋體4b的壁厚。實際上，可撓性袋體4b形成為1mm厚度以下的薄膜狀。此處，對成形方管形狀的成形品的構成進行說明，但作為成形品，可形成為具有閉合剖面的其他多種且複雜的形狀。
作為接近於閉合剖面的形狀，存在剖面形狀為C字狀的形狀等。例如，在形成具有C字狀的剖面形狀的成形品的情形時，可設為使芯子的一部分直接抵接於上模2或下模1的成形面的配置構成。而且，以預浸體3覆蓋未抵接於成形面的芯子的周圍，藉此可成形具有C字狀的剖面形狀的成形品。因此，作為本發明的閉合剖面，除方管形狀等形狀以外，例如C字狀的剖面形狀亦包含於本申請案發明的閉合剖面中。
如圖1所示，藉由以活塞桿5a按壓芯子4的外表面的一部分，而在預浸體3的外表面形成凹部6。若以活塞桿5a按壓芯子4的外表面，則作為芯子4內的容積而言，成為被強制性地加上突入至粒子群4a的容積中的活塞桿5a的容積的狀態。作為 其結果，可提高芯子4內的內壓。
藉由提高芯子4的內壓，各粒子群4a在粒子彼此間產生滑動而向前後左右方向移動。然而，由於收容各粒子群4a的可撓性袋體4b包含可進行真空填充包裝的容易變形的材質，因此可撓性袋體4b可延展而實質上不限制各粒子群4a的移動。如此，可提高芯子4的內壓而在構成粒子群4a的粒子間產生滑動，因此可擴大芯子4的外周表面積，如圖2所示，可消除芯子4與預浸體3之間的空隙。
而且，作為芯子4的外表面形狀的擴大，是在產生空隙的芯子4與預浸體3之間的壓力低的部位上產生，因此可消除空隙，並且可將預浸體3的壁厚預先維持為規定的壁厚。
如此使用成形用模具15進行壓縮，藉此加壓成形具有規定的壁厚、具有所需的外表面形狀且在內部收納有芯子的預浸體3的半成形品。
圖3(a)中表示將結束了利用成形用模具15的加壓成形的半成形品10a自成形用模具15取出的狀態。在以活塞桿5a按壓的預浸體3的部位上形成有凹部6。
如圖3(b)所示，若在凹部6上開有排出用的孔6a，則空氣自該孔6a流入至收容在可撓性袋體4b中的粒子群4a的粒子(a)與粒子(b)之間，構成粒子群4a的粒子間的結合狀態崩潰。而且，將結合狀態崩潰的粒子群4a自形成在凹部6上的排出用的孔6a排出至外部，如圖3(c)所示完成具有中空部10b的成形品10。 作為收容粒子群4a的可撓性袋體4b，只要使用對於成形品10的剝離性佳的材料，或能將可撓性袋體4b構成為雙層，與粒子群4a接觸的可撓性袋體4b便亦可自半成形品10a拆除。
如此，可於在芯子4與預浸體3之間無空隙的狀態下對預浸體3實施加壓成形，因此作為成形品10，可製造無彎曲或褶皺的具有所需壁厚及所需外表面形狀的製品。又，即便於在關閉成形用模具15的狀態下芯子4內的內壓低的情形時，亦可藉由自活塞桿5a施加的按壓力而提高芯子4內的內壓，因此作為成形品10，可獲得具有所需壁厚及所需外表面形狀的製品。
(粒子群的流動性評估)
上述芯子4的粒子群4a的流動性的評估是以如下方法測量。
首先，針對粒子群4a的流動性，使用具有厚度30mm、長度300mm、寬度100mm的模腔、且可測量在長度方向上距成形板的(1)中央、(2)中央65mm、及在長度方向上距(3)中央130mm的各位置的芯子的外表面的壓力的模具，設為模具溫度140℃、成形壓力1.5MPa，將規定量的樣品放入(charge)模具的中央，並快速地關閉模，繼而利用直徑38mm的活塞桿，以8.0MPa將上述模腔的中央的芯子的外表面的一部分按壓10mm，繼而加壓至成形壓力5.0MPa為止，在記錄樣品的壓力變化並觀測壓力峰值(peak)之後，結束測量。
針對在各例中獲得的粒子群4a的流動性，以下述基準評估可測量芯子4的外表面的壓力的模具於在長度方向上距(1) 中央、(2)中央65mm、及在長度方向上距(3)中央130mm的3個部位上測量的表面的壓力峰值。
￮：3個部位的表面的壓力峰值的範圍為10%以下且均勻地施加內壓。
×：3個部位的表面的壓力峰值的範圍為10%以上且未均勻地施加內壓。
(成形品的外觀評估)
在各例中獲得的中空成形品的外觀藉由目視並以下述基準評估。
￮：在成形品的外表面無褶皺等缺陷，外觀良好。
×：在成形品的外表面有褶皺等缺陷，外觀差。
以下，對具有第1基本構成的本發明基於圖式對實施例具體地進行說明。
(實施例1)
如圖1所示，將粒徑比是1.5的氧化鋯粒子的混合物(粒子(a)：直徑3mm、粒子(b)：直徑2mm)、且氧化鋯粒子的混合物中所包含的粒子(b)的總量的比例(粒子(b)的混合比例)為20質量%的粒子群收容在包含尼龍膜的袋體中來製作芯子。將碳纖維強化環氧樹脂預浸體3(三菱麗陽(MITSUBISHI RAYON)公司製造，製品名：TR3110 391 IMU)以5層(ply)內含上述芯子，在室溫下以與成形用模具15的內周面形狀大致相同的形狀製成預成形體。在形成在預先加熱至140℃的成形用模具15的下模 1的模腔面上的凹部1a內載置預成形體，將上模2與下模1完全閉模，繼而利用活塞桿5a以8.0MPa按壓芯子4的外表面的一部分。10分鐘後進行開模，取出半成形品。在藉由利用活塞桿的按壓而形成的凹部6(圖3(a))上開出排出用的孔，將氧化鋯粒子(粒子群4a)自排出用孔排出至外部(圖3(b))，從而獲得中空成形品(圖3(c))。
(實施例2~4)
除設為表1所示的芯子4的粒子群4a中所包含的氧化鋯粒子(b)的混合比例以外，與實施例1相同地獲得中空成形品(圖3(c))。
(比較例1)
除使表1所示的芯子4的粒子群4a中所包含的氧化鋯粒子(b)的混合比例為10質量%以外，與實施例1相同地獲得中空成形品(圖3(c))。
(比較例2)
除將表1所示的粒徑均勻的氧化鋯粒子用於芯子4的粒子群4a以外，與實施例1相同地獲得中空成形品(圖3(c))。
如表1所示，在使用對構成芯子4的粒子群4a的粒子使用氧化鋯粒子、且設其第1粒子群(a)的直徑Da與第2粒子群(b)的直徑Db的比(Da/Db)為1.5、並且相對於粒子群4a的總量，第2粒子群(b)的總量的比例為20質量%~50質量%的粒子群的實施例1~實施例4的製造方法中，粒子群4a的流動性與壓力傳遞性提高，所獲得的成形品的尺寸精度高，在外表面上無褶皺等缺陷，外觀優異。
另一方面，在使用對構成芯子4的粒子群4a的粒子使用氧化鋯粒子、且其第1粒子群(a)的直徑Da與第2粒子群(b)的直徑Db的比(Da/Db)為1.5、並且相對於粒子群4a的總量，第2粒子群(b)的總量的比例為10質量%的粒子群的比較例1，及使用粒徑為均勻的直徑的氧化鋯粒子的比較例2的製造方法中，構成粒子群4a的粒子以最高密度填充，從而構成粒子群的粒子的流動性受阻，損害壓力的傳遞性，所獲得的成形品的尺寸精度降低，在外表面上有褶皺等缺陷，無法獲得良好的外觀。
以下，參照圖式對本發明的變形例進行具體說明。此處，根據以下所述的變形例，成形時可將上模與下模之間的間隔保持為固定間隔而不使其擴大，且可利用所需壓力使芯子變形。但是，依照本發明的纖維強化塑膠的成形方法即可，並不限定於該等變形例。
(變形例1)
在使上模2與下模1之間為閉模狀態時，或在藉由上模2與下模1而以規定的壓力對預浸體3進行加壓的加壓狀態時，使上模2與下模1的間隔不較此進一步擴大。因此，根據圖示例，在上模2設置有將上模2與下模1的間隔保持為固定的模具間隔保持器件20。如圖4所示，在模具間隔保持器件20採用如下構成，即，在以活塞桿5a按壓芯子4而使之變形時，上模2不會因藉由預浸體3的變形而產生的對上模2的按壓力的增大而被抬起。
圖4及圖7(A)所示的例中，上述模具間隔保持器件20包含：左右一對按壓構件21a、21a，具有以面接觸狀態滑接於形成在上模2的左右側面上端部(圖4的左右上端肩部)上的向下傾斜面2a、2a的楔形面21b、21b，且在與上模2的移動方向(上下方向)正交的方向(水平方向)上自如滑動；及未圖示的驅動部，使該按壓構件21a、21a在水平方向移動而向相互接近及離開的方向驅動。左右一對按壓構件21a、21a的對向的楔形面21b、21b的形狀，如圖7(A)所示，形成為相對的楔形面21b、21b間的間隔向下方擴開的形狀。
在處於利用上模2與下模1的閉模狀態或加壓狀態時，使一對按壓構件21a、21a以朝向形成在上模2的左右側面的上端部的向下傾斜面而接近的方式水平移動，藉此由形成在上模2的左右側面的上端部的向下傾斜面21a、21a與楔形面21b、21b所產生的楔塞作用(wedge action)起作用。此處，藉由上述按壓構 件21a向左右方向的移動停止位置，而決定上模2與下模1的上下成形面間的離開距離，阻止上模2向較此更上方移動。即，上模2與下模1之間的間隔由上述按壓構件21a的停止位置決定，因此可藉由調整該停止位置而任意調整上模2與下模1之間的間隔。若該停止位置已定，則即便自下方對上模2作用有強大的力，上模2亦可維持不動狀態，從而可確實地保持其不動位置，因此可獲得尺寸精度高的成形品。
其次，基於以下的假定條件而對藉由活塞桿5a進行的按壓的效果進行說明。
例如，假定以圖4所示的上模2按壓預浸體3的按壓面為長方形形狀，且按壓面的橫寬W為100mm的長度，縱深為300mm的長度。此時，作為按壓面的面積，成為10cm×30cm=300cm2。又，假定活塞桿5a的直徑為φ38mm，且假定缸體5的缸體直徑為φ130mm。而且，將按壓上模2的壓製裝置的液壓缸的缸體直徑設為φ252mm。
此時，若上述壓製裝置的壓製壓力為25Kg/cm2，則此時可施加至上模2的負荷成為：壓製壓力×液壓缸的面積=25Kg/cm2×25.2cm×25.2cm×3.14/4=約12.5噸(ton)。而且，在上述壓製裝置的壓製壓力為25Kg/cm2的2倍即50Kg/cm2時，可施加至上模2的負荷，可施加上述的壓製壓力為25Kg/cm2時的12.5噸的倍數即約25噸。
若將12.5噸的負荷施加至上模2，則以上模2的按壓面 按壓預浸體3時的每單位面積的應力成為：負荷/(上模2的按壓面積)=12,500Kg/300cm2=約42Kg/cm2。在將12.5噸的2倍即25噸的負荷施加至上模2的情形時，作為以上模2的按壓面按壓預浸體3時的每單位面積的應力，成為將12.5噸的負荷施加至上模2時的倍數即約84Kg/cm2。
又，若φ130mm的缸體5的缸壓為7Kg/cm2，則此時可施加至活塞桿5a的按壓力成為：缸壓×缸體5的面積=7Kg/cm2×13.0cm×13.0cm×3.14/4=約929Kg。而且，以活塞桿5a按壓芯子4時的每單位面積的應力成為：按壓力/活塞桿5a的面積=929Kg/3.8cm×3.8cm×3.14/4=約82Kg/cm2。
如此，本發明中即便不以大型壓製裝置按壓上模2，藉由小型壓製裝置與按壓芯子4的缸體5，亦可與使用大型壓製裝置的情形相同地，排除在成形用模具15與預浸體3之間及預浸體3與芯子4之間產生的空隙。
以上，對將負荷施加至上模2的構成進行了說明，但如以上述的計算所示般，即便為藉由活塞桿5a而產生的按壓力，亦可使與利用大型壓製裝置產生的應力大致相同的應力作用於預浸體3。因此，即便於在使成形用模具15為閉模狀態之後，使活塞桿5a作用於芯子4的情形時，亦可將應力提高至應力I的狀態為止。即，即便於在對上模2施加有12.5噸的負荷之後使活塞桿5a工作的情形時，亦可消除在成形用模具15與預浸體3之間及預浸體3與芯子4之間產生的空隙。
本發明中，為如上述般將上模2與下模1的上下間隔保持為固定，而在上模2設置模具間隔保持器件20。
若使模具間隔保持器件20的左右一對按壓構件21a、21a以朝向形成在上模2的左右側面的上端部的向下傾斜面2a、2a而接近的方式水平移動，則由形成在上模2的左右側面的上端部的向下傾斜面2a、2a與楔形面21b、21b所產生的楔塞作用起作用。此處，藉由上述按壓構件21a向左右方向的移動停止位置，而決定上模2與下模1的上下成形面間的離開距離，阻止上模2向較此更上方移動。即，若使按壓構件21a、21a的接近移動停止，則即便自下方對上模2作用相當強大的力，上模2亦不會向較此更上方移動而維持不動狀態，從而可獲得尺寸精度高的成形品。
再者，上述說明中，對將活塞桿5a設置在下模1的構成進行了說明，但可採用將活塞桿5a設置在上模2的構成。此時，將活塞桿5a設置在上模2側，且將下模1載置在底座等上而限制其移動。上模2依舊可上下移動。因此，作為在以活塞桿5a按壓芯子4時使上模2不會被抬起的模具間隔保持器件20的構成，可採用與圖1相同的構成。
(變形例2)
使用圖5及圖7(B)，對本發明的變形例2進行說明。上述變形例1中，對使用具有單純地傾斜的楔形面21b、21b的一對按壓構件21a、21a作為模具間隔保持器件20的按壓構件的例進行了說明，但變形例2中，模具間隔保持器件20使用分別具有鋸齒 狀的楔形面22b、22b的一對按壓構件22a、22a。又，為滑接於形成在各按壓構件22a、22a的鋸齒狀的楔形面22b、22b，而在上模2的兩端部分別形成有鋸齒狀的面。
其他構成具有與實施例1相同的構成，對相同的構成構件使用與實施例1中所使用的構件符號相同的構件符號，藉此省略對該構件的說明。
如圖7(B)所示，形成在一對按壓構件22a、22a上的鋸齒狀的楔形面22b、22b成為重複如下形狀的構成，該形狀包含：水平面22c、22c，沿水平方向形成；及向下傾斜面22d、22d，自該水平面22c、22c的基端連續地向下傾斜。而且，如圖4所示，在上模2朝向下模1下降並到達對預浸體3施加預先設定的壓力的位置時，若使模具間隔保持器件20工作而使一對按壓構件22a、22a之間接近，則形成在上模2上的鋸齒狀的面中的水平面與各按壓構件22a、22a的水平面22c、22c面接觸。藉此，可確實地阻止上模2向上方移動。
可自該狀態使活塞桿5a工作，以活塞桿5a強制性按壓芯子4而使之變形。即，藉由利用活塞桿5a的按壓而使芯子4變形，可在芯子4與預浸體3之間消除空隙。藉此，以可製造為所需壁厚且具有所需外周面形狀的高品質的成形品的方式，對預浸體3進行加壓成形。
在本變形例2中，如圖5所示，模具間隔保持器件20使用分別具有鋸齒狀的楔形面22b、22b的一對按壓構件22a、22a 來與實施例1相同地進行成形。進行開模，取出成形品，在藉由活塞桿按壓而形成的凹部6(圖3(a))開出排出用的孔，將粒子群4a自排出用孔排出至外部(圖3(b))，從而獲得中空成形品(圖3(c))。該成形品的尺寸精度高，在外表面無褶皺等缺陷而外觀優異。
(變形例3)
使用圖6及圖7(C)對本發明的變形例3的構成進行說明。變形例1中，對使用具有單純地傾斜的楔形面21b的一對按壓構件21a、21a作為模具間隔保持器件20的構成進行了說明，變形例3中，使用一對按壓構件23a、23a作為模具間隔保持器件20，將一個上模2的左右兩端部形成為面形狀，在使上述一對按壓構件23a、23a抵接於上述兩端部時，各按壓構件23a、23a的對向面密接於該兩端部，該按壓構件23a、23a包含：楔形部23b、23b，在沿水平方向延伸的下表面形成有向上傾斜面；及垂直部23f、23f，自該楔形部的外側端部向垂直下方延伸。
該變形例3中，上模2的上部模腔面不為簡單的平面，而設為形成有突出部8的構成。
其他構成為與變形例1相同的構成，對相同的構成構件，使用與實施例1中所使用的構件符號相同的構件符號，並省略對該構件的說明。
形成在左右一對按壓構件23a、23a上的楔形部23b、23b分別如圖7(C)所示，包含：楔形部23b，具有包含朝向上模2 沿橫向延伸的向上傾斜面23c、及自該向上傾斜面23c的兩端緣側沿上下延伸的垂直面23d與垂直面23e的形狀；垂直部23f。而且，如圖6所示，藉由上模2的左右兩端部的傾斜面與按壓構件23a、23a的向上傾斜面23c、23c面接觸，而可預先確實地阻止上模2向上方移動。又，藉由使一對按壓構件23a、23a向相互接近、離開的方向滑動，而可使上模2向接近、離開下模1的方向移動，來調整上模2與下模1的間隔。
如圖6所示，在使上模2朝向下模1下降來對預浸體3進行加壓成形時，以設置在上模2上的突出部8強制性地按壓芯子4。而且，該加壓狀態下，若使模具間隔保持器件20工作而使一對按壓構件23a、23a之間接近，則形成在上模2上的傾斜面與各按壓構件23a、23a的向上傾斜面23c、23c面接觸，藉此可預先確實地阻止上模2向上方移動而將上模2保持在固定位置上。
自該狀態使活塞桿5a工作，在突出部8與活塞桿5a之間強制性按壓芯子4而使之變形。藉此，如所述般，使芯子4變形而可消除芯子4與預浸體3之間的空隙。如此，本實施例中，亦可製造具有所需壁厚且具有所需外周面形狀的高品質的中空狀的強化纖維塑膠成形品。
本變形例3中，如圖6所示，上模2的上部模腔面不為簡單的平面而為形成有突出部8的構成，模具間隔保持器件20使用一對按壓構件23a、23a來與實施例1相同地進行成形，該一對按壓構件23a、23a包含：楔形部23b、23b，在沿橫向延伸的下表 面上形成有向上傾斜面；及垂直部23f、23f，自該楔形部的外側端部向垂直下方延伸。進行開模，取出成形品，在藉由活塞桿按壓而形成的凹部上開出排出用的孔，將粒子群4a自排出用孔排出至外部，從而獲得中空成形品。該成形品的尺寸精度高，在外表面無褶皺等缺陷而外觀優異。
作為模具間隔保持器件20中的一對按壓構件的構成，可採用如圖7所示般的各種構成。在圖7(A)~圖7(C)的構成中，作為上述的變形例1~變形例3進行說明，利用圖7(D)對圖2及圖7(B)所示的變形例2的按壓構件的變形例進行說明。圖7(D)所示的一對按壓構件24a、24a的楔形面24b、24b的形狀形成為鋸齒狀，但並非為變形例2所示的圖7(B)般的單齒的鋸齒形狀而是構成為雙齒的鋸齒形狀。該例中，省略圖示，上模2的左右兩端部，形成有與上述楔形面24b、24b的形狀對應的楔形面。
根據該構成，若使模具間隔保持器件20工作，則一對按壓構件24a、24a的楔形面24b、24b與形成在上模2的兩端部上的楔形面卡合，而完全阻止上模2向上下兩方向的移動。
以下，參照隨附圖式對具有上述第2基本構成的本發明的代表性的實施方式進行具體說明。圖9及圖10示意性地表示該實施方式的纖維強化塑膠成形品的成形工程。該等圖中，符號25表示殼體，符號26為一對成形模之一即單側模具，符號27表示作為本發明的最具特徵的一成形模的可變形的變形模，符號28表 示作為成形素材的預浸體。
上述殼體25包含鑄鐵，且形成為包含地板面部25a、及沿地板面部25a的周緣部豎立設置的側壁部25c的箱型形狀，其頂板部的整個面開口而構成開口部25d。上述單側模具26以與通常的成形用模具相同的材質製作，在其成形面上具有對纖維強化塑膠成形品的單面進行成形的模腔26a。
上述變形模27具有將粒體27a以密閉狀態收容在包含可撓性素材的袋體27b中的構成，可借助外力而自如變形。作為粒體27a，使用氧化鋁球或氧化鋯球等陶瓷球、或鉻鋼球、碳鋼球或不鏽鋼鋼球等金屬球。其中，氧化鋁球與金屬球因熱傳導性優異而較佳，碳鋼球尤其佳。其尺寸較佳為φ0.1mm~φ10mm，尺寸為φ0.5mm~φ2mm時可確保變形模27在微小區域中的變形能力，因此尤其佳。收容該粒體27a的袋體27b，可較佳地使用包含尼龍、聚乙烯、氟樹脂、矽橡膠等的膜或片材。
上述預浸體28是使未硬化的熱硬化性樹脂或熱塑性樹脂作為基質樹脂含浸在片狀的碳纖維、玻璃纖維、芳族聚酸胺纖維、碳化矽纖維等纖維集合體中而成者。本實施方式中，作為上述預浸體28，使用在一片具有大面積的第1片狀預浸體28a的下表面中央部積層具有小面積的第2片狀預浸體28b而一體化的預浸體，將該預浸體28載置在上述變形模27的上表面中央部。此處，一般而言，上述纖維集合體較佳為對纖維賦予方向性，例如具有沿一方向平行地併合纖維而成的片狀物、使沿一方向併合的 片狀物在所需角度(0°~90°)的範圍內交叉積層而成的片狀物、或將多根纖維束作為經紗併合且隔開所需間隔使緯紗交錯於該經紗而獲得的所謂的單向織物、或將多根纖維束用作經紗與緯紗且使二者交錯而獲得的雙向織物等。通常，上述纖維束包含多條長絲紗線(filament yarn)。
而且，在使用熱硬化性樹脂作為基質樹脂的情形時，藉由成形用模具的加熱而對成為熔融狀態的預浸體28在殼體25內加熱加壓來按壓成形而使之硬化，從而可製造具有所需形狀的纖維強化塑膠的成形品。在含浸熱塑性樹脂來代替熱硬化性樹脂的情形時，將根據需要而預先對預浸體28進行賦形而得的預成形體預先加熱並載置在變形模27上，使單側模具26下降來加壓後加以冷卻，從而可製造所需形狀的纖維強化塑膠成形品。
作為含浸在纖維中的熱硬化性樹脂，可使用環氧樹脂、尿素樹脂、乙烯基酯樹脂、不飽和聚酯、聚胺酯、酚醛樹脂等，作為熱塑性樹脂，可使用聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、氯乙烯、聚醯胺樹脂等。
以上構成中，在成形圖9及圖10所示的纖維強化塑膠成形品時，首先，使單側模具26密嵌於殼體25的開口部25d，其後，使單側模具26朝向殼體地板面部25a一面施加所需負荷一面移動。藉由該移動，藉由單側模具26而產生的對載置在變形模27上的預浸體28的按壓力慢慢增加。藉由該增加的按壓力，預浸體28的上表面被賦形為沿單側模具26的模腔面26a的形狀。而且， 此時，載置有預浸體28的變形模27亦受到相同的按壓力，在使預浸體28的載置面變形的同時，變形模27自身變形。該變形模27的變形，是藉由因單側模具26的按壓力與自殼體25的地板面受到的反作用力，而使粒體27a朝向形成在單側模具26與殼體25的內部的間隙空間流動所引起的。如此，利用粒體27a的流動而使變形模27變形，最終預浸體28的內部應力均等化，預浸體28的模具相反側的形狀成為對應於上述應力的形狀。
圖11表示本發明的另一代表實施方式。根據該實施方式，在殼體25的地板面部25a設置有缸體29，該缸體29具有朝向載置在殼體25上的變形模27而出沒自如的相當於本發明的輔助按壓器件的一部分的活塞桿29a。再者，該實施方式中，對與圖9及圖10所示的上述實施方式實質上相同的構成構件使用相同符號及相同名稱。圖11中省略為使活塞桿29a滑動而對缸體29的壓力室供排工作流體的配管的圖示。該活塞桿29a在例如預浸體28為小型，且變形模27的變形無法遍及殼體25與單側模具26之間的各個角落時，一面使缸體29工作，提高變形模27的內壓來增加變形模的容積，一面對預浸體28作用均等的按壓力。
即，在即便單側模具26的閉模部26b抵接於殼體25的閉模部25e，而在單側模具26與殼體25的內部依舊殘留有間隙空間時，使上述缸體29工作而使活塞桿29a朝向變形模27伸長，局部性地按壓變形模27而使之變形來增加其內壓，從而使變形模27變形，並且使粒體27a朝向間隙空間流動而填埋間隙空間。構 成該間隙空間的空氣藉由變形模27的內壓與粒體27a的按壓而潰縮，或通過預浸體28自殼體25與單側模具26之間的微小間隙釋放至大氣中。空氣通過預浸體25時形成的空氣通路，在空氣通過之後自然地被熔融的預浸體28堵塞。
在空氣被擠出的間隙空間中，變形模27一面變形一面延伸而成為沿著單側模具26的角落部形狀的形狀，同時預浸體28亦追隨於此。藉此，對預浸體28加熱加壓而形成的成形品的外表面側成形為如單側模具26的模腔26a的形狀般的形狀，其相反側的內表面成為追隨於基於上述模腔26a的形狀發生的預浸體28的變形的形狀。
如圖11所示，藉由以活塞桿29a局部性地按壓變形模27的外周面的一部分，而在變形模27的外周面形成有凹部。若藉由活塞桿29a按壓變形模27的外周面，則變形模內的容積，成為對所有粒體27a的容積強制性地加上突入的活塞桿29a的容積的狀態。作為其結果，變形模27看起來擴大而變形，並同時可提高變形模27內的內壓。
藉由變形模27的內壓提高，各粒體27a在粒體彼此間產生滑動而向所有方向移動。然而，由於包裝各粒體27a的可撓性袋體27b包含容易變形的材質，因此袋體27b可延展而實質上不限制各粒體27a的移動。
如此，可提高變形模27的內壓來在粒體27a間產生滑動，因此可擴大變形模27的外周表面積，如圖11所示，可消除 單側模具26的模腔26a與預浸體28之間的空隙。而且，變形模27的外周面形狀的擴大是在產生間隙空間的單側模具26與預浸體24之間的壓力低的部位上產生，因此可消除該間隙空間，並且使預浸體28的壁厚均等化。如此，可加壓成形具有規定的壁厚且具有所需的外周面形狀的預浸體28。
1‧‧‧下模
1a‧‧‧形成在下模上的凹部
2‧‧‧上模
2a‧‧‧向下傾斜面
3‧‧‧預浸體
4‧‧‧芯子
4a‧‧‧粒子群(粒子)
4b‧‧‧可撓性袋體
5‧‧‧缸體
5a‧‧‧活塞桿
6‧‧‧凹部
15‧‧‧成形用模具
A‧‧‧部位

Claims (4)

  1. 一種纖維強化塑膠的成形方法，其包含：將包含多個粒子的粒子群收容在可撓性袋體中來形成所需形狀的芯子；將包含樹脂與纖維的預浸體配置在上述芯子的周圍；將上述芯子與配置在其周圍的上述預浸體配置在成形用模具的上模與下模之間；及使上述成形用模具閉模而進行壓縮成形，其中收容在上述可撓性袋體中的粒子群為高剛性粒子，且上述粒子群包含第1粒子群(a)及第2粒子群(b)，且上述兩群之間粒徑互不相同，其中，上述第1粒子群(a)的直徑Da與上述第2粒子群(b)的直徑Db的比Da/Db為1.1以上、2.0以下。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的纖維強化塑膠的成形方法，其中：相對於收容在上述可撓性袋體中的粒子群的總量，上述第2粒子群(b)的總量的比例為20質量%~60質量%的範圍。
  3. 如申請專利範圍第1項或第2項所述的纖維強化塑膠的成形方法，其中上述高剛性粒子的彎曲彈性模數為50000MPa以上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的纖維強化塑膠的成形方法，其中上述高剛性粒子為陶瓷粒子。
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