WO2019059371A1 - 繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法および成形装置 - Google Patents

繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法および成形装置 Download PDF

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WO2019059371A1
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molding
thermoplastic resin
fiber
reinforced thermoplastic
molded article
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安江　昭
英貴 千葉
大介 國弘
西田　正三
辻　和也
康文 藤田
一輝 藤田
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株式会社日本製鋼所
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    • B29K2105/06—Condition, form or state of moulded material or of the material to be shaped containing reinforcements, fillers or inserts

Definitions

  • the present invention relates to a molding method for molding a molded article from a fiber reinforced thermoplastic resin in which reinforcing fibers such as carbon fibers and glass fibers are mixed with a thermoplastic resin in a predetermined ratio, and a molded article made of a fiber reinforced thermoplastic resin Relates to a molding apparatus.
  • Molded articles made of a composite material containing a reinforcing fiber such as carbon fiber and glass fiber and a resin have high strength and are used in various fields.
  • a reinforcing fiber such as carbon fiber and glass fiber and a resin
  • FRP Fiber Reinforced Plastics
  • a hull of a small ship, a tank of a water tank or the like is formed of a sheet of reinforcing fibers and a thermosetting resin and cured by heating.
  • FRP can be molded by various methods, for example, there is also a method with relatively high productivity, such as obtaining a sheet of reinforced fibers impregnated with a thermosetting resin, that is, a prepreg, and molding a molded product therefrom.
  • a method with relatively high productivity such as obtaining a sheet of reinforced fibers impregnated with a thermosetting resin, that is, a prepreg, and molding a molded product therefrom.
  • the time required for molding is long and the production cost is high.
  • a molded article is formed from a fiber-reinforced thermoplastic resin in which a thermoplastic resin is used as a base material and reinforcing fibers are mixed, for example, it is formed by injection molding or press molding. It has the merit of being able to be molded at low cost.
  • thermoplastic resin is melted by a single screw extruder or a twin screw extruder. Reinforcing fibers are introduced into the cylinder at a predetermined position of the cylinder of the extruder and mixed to obtain a fiber reinforced thermoplastic resin.
  • the resultant is extruded from a die to obtain a block of a predetermined size, which is conveyed to a mold.
  • the mass molding is compression molded to obtain a molding.
  • a method of molding a molded article from a fiber reinforced thermoplastic resin by an injection molding machine is also well known.
  • the reinforcing fiber-containing pellet is melted to measure the fiber-reinforced thermoplastic resin.
  • the thermoplastic resin and the reinforcing fibers are separately supplied, and are melted and mixed in an injection molding machine to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin. This is injected into a clamped mold.
  • a fiber reinforced thermoplastic resin is injected into a mold which is opened by a predetermined amount, and compression molding is performed by clamping to obtain a molded article.
  • thermoplastic resin and reinforcing fibers are kneaded in an extruder or an injection molding machine to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin, which is molded with a mold to obtain a molded product in a relatively short time, and the manufacturing cost There is a merit that is small.
  • problems to be solved there is a problem particularly in the case of molding by compression molding. When the mold clamping force is increased in compression molding, the fibers come in contact with each other to cut reinforcing fibers, which affects the strength of the molded product.
  • the present inventors have found that when a molded article made of a fiber-reinforced thermoplastic resin is taken out of a mold at the same temperature, a sufficient strength can not be obtained in the molded article. That is, there is a problem that sufficient strength can not be obtained even if a molded article is obtained from a fiber reinforced thermoplastic resin.
  • a molded product having high strength can be molded although the molding cycle can be shortened to reduce the manufacturing cost.
  • the purpose is to provide a molding method that can be performed.
  • Another object of the present invention is to provide a molding apparatus for molding a molded article made of a fiber reinforced thermoplastic resin that can carry out such a molding method.
  • the present invention is directed to a molding method in which a thermoplastic resin and reinforcing fibers are kneaded to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin, and a molded article is obtained from the fiber-reinforced thermoplastic resin.
  • a compression / cooling step of cooling the molded product by compression with a cooling mold is directed to a molding method in which a thermoplastic resin and reinforcing fibers are kneaded to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin, and a molded article is obtained from the fiber-reinforced thermoplastic resin.
  • the present invention has the following configurations (1) to (4).
  • (1) A molding method of kneading a thermoplastic resin and a reinforcing fiber to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin and obtaining a molded product from the fiber-reinforced thermoplastic resin, wherein the molding is carried out from a predetermined amount of the fiber-reinforced thermoplastic resin
  • the fiber-reinforced thermoplastic resin is injected in a state where the mold for molding is opened, or a state where the mold for molding is opened.
  • a molding die for molding a primary molded product from a predetermined amount of the fiber-reinforced thermoplastic resin, a transfer device, and a cooling die, the molding metal comprising: The fiber-reinforced thermoplastic resin, wherein the primary molded product molded in a mold is taken out by the transfer device, transferred to the cooling mold, and compressed and cooled in the cooling mold. Molding equipment for molding molded products.
  • the mold is a mold for compression molding, and a predetermined amount of the fiber-reinforced thermoplastic resin is injected in an open state, or the mold is opened.
  • the present invention is directed to a molding method for obtaining a fiber reinforced thermoplastic resin by kneading a thermoplastic resin and reinforcing fibers to obtain a molded article from the fiber reinforced thermoplastic resin. That is, the present invention is directed to a molding method in which the molding cycle is short and the manufacturing cost is small.
  • the mold clamping force in the cooling mold may be smaller than the mold clamping force required for the molding mold, for example, about 1/10 of the mold clamping force I hope there is.
  • the cooling mold can be clamped even by a relatively small clamping device, and the cost of the entire molding device can be reduced.
  • the molding method of the present invention is also advantageous in energy efficiency. If the molding die is used alone, it is necessary to heat the die at the time of molding and to forcibly cool the die at the time of cooling. That is, it is necessary to carry out heat and cool. That would require a lot of energy.
  • the molding die may be maintained at a relatively high temperature and the cooling die may be maintained at a low temperature, and energy efficiency is high because the temperature of the die does not need to be changed significantly.
  • the molding process injects a fiber reinforced thermoplastic resin in a mold opened state, or inserts a predetermined amount of a fiber reinforced thermoplastic resin in a mold opened state and then compression molding. It is configured to be molded.
  • compression molding it is important to maintain the temperature of the molding die at a high temperature, in particular, since the reinforcing fibers are likely to come into contact with each other and be cut during compression. It is important to provide a cooling die separately from the molding die
  • the present invention which implements the cooling step, can save the time required for the cooling, can be highly energy efficient, and can reduce the manufacturing cost.
  • FIG. 1 is a front view showing a molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the molding apparatus 1 is a plasticizing apparatus 2 for plasticizing a thermoplastic resin and mixing reinforcing fibers to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin, and a predetermined amount
  • a compression mold for obtaining a primary molded product by compression molding of a fiber-reinforced thermoplastic resin, a cooling mold 5 for cooling while compressing the molded primary molded product, and a primary molding from the molding mold 4
  • the apparatus comprises a transport device 6 for taking out the product and transporting it to the cooling mold 5.
  • the plasticizing apparatus 2 may be constituted not by an apparatus characteristic of the present invention but by an injection apparatus of a conventionally known injection molding machine, or may be constituted by an extruder.
  • the plasticizing device 2 comprises an injection device of an injection molding machine.
  • the injection device comprises a heating cylinder 8 and a screw 9 driven in the rotational direction and the axial direction in the heating cylinder 8, and a hopper 11 is provided near the rear of the heating cylinder 8, into which the thermoplastic resin is introduced.
  • a reinforcing fiber inlet 12 for injecting reinforcing fibers forward of the heating cylinder 8 is provided.
  • the screw 9 is shown to be formed in a uniform shape in the axial direction, but the screw groove becomes shallower on the upstream side than the reinforcing fiber inlet 12 so that the resin is compressed.
  • the screw groove is deepened in the vicinity of the reinforcing fiber inlet 12 and the resin pressure is reduced. Therefore, when the reinforcing fibers are fed into the heating cylinder 8, the resin pressure does not prevent the feeding.
  • a feeding device for reinforcing fibers for example, carbon fibers is provided.
  • a reinforcing fiber is twisted in a predetermined number into a rope shape, that is, a reinforcing fiber roll 14 in which rovings are cylindrically wound, and rovings of reinforcing fibers pulled out from the reinforcing fiber roll 14 have a predetermined length.
  • a cutting device 15 for cutting the sheet The reinforcing fibers cut by the cutting device 15 fall apart and are introduced into the heating cylinder 8 from the reinforcing fiber inlet 12.
  • the molding die 4 is a compression molding die in which the fiber reinforced thermoplastic resin is injected in a mold open state and then the fiber reinforced thermoplastic resin is compressed, and the first mold clamping device 17 Provided in The first clamping device 17 may be clamped by a toggle mechanism or may be clamped by a clamping cylinder.
  • a cavity for molding a primary molded product is formed in the molding die 4, and resin is injected from a sprue provided on the side of the molding die 4.
  • the nozzle 18 of the plasticizing device 1 is in contact with the sprue.
  • the conveying device 6 may hold the primary molded product molded in the molding die 4, take it out, convey it, and insert it into the cooling die 5. be able to.
  • the transport device 6 comprises a robot arm provided with a hand 20 for gripping the primary molded product.
  • the cooling mold 5 is a characteristic component in the present invention.
  • the cooling mold 5 is provided in the second mold clamping device 22 and is disposed in the vicinity of the first mold clamping device 17 and adjacent to the transfer device 6.
  • the cooling mold 5 is provided with a cavity for cooling the primary molded product, and the shape thereof is substantially the same as the cavity formed in the molding mold 4.
  • the cooling mold 5 is configured to be cooled by a predetermined refrigerant, and in the present embodiment, it is water cooled.
  • the second clamping device 22 is not limited to the type of clamping mechanism, but a greater clamping force is not required compared to the first clamping device 17. Therefore, it can consist of a comparatively small mold clamping device.
  • the molding method in the present embodiment is a molding method in which a thermoplastic resin and reinforcing fibers are kneaded to obtain a fiber-reinforced thermoplastic resin, and a molded article is obtained from the fiber-reinforced thermoplastic resin.
  • the heating cylinder 8 is heated by a heater (not shown) in the plasticizing apparatus 2 or the injection apparatus, and the screw 9 is rotated to load pellets of thermoplastic resin from the hopper 11.
  • the pellets are melted in the heating cylinder 8 and sent forward.
  • rovings of reinforcing fibers such as carbon fibers drawn from the reinforcing fiber roll 14 are cut by the cutting device 15 and introduced from the reinforcing fiber inlet 12.
  • the resin and the reinforcing fiber are kneaded in the heating cylinder 8 to become a fiber-reinforced thermoplastic resin, and it is sent to the front of the heating cylinder 8 and the screw 9 is retracted. That is, it is measured.
  • the first mold clamping device 17 is driven to open the molding die 4.
  • the screw 9 is driven in the axial direction to inject.
  • a predetermined amount of fiber reinforced thermoplastic resin is injected into the cavity of the molding method mold 4.
  • the first clamping device 17 is driven to perform compression molding.
  • the molding die 4 is maintained at a relatively high temperature. For example, if the thermoplastic resin used is nylon 6, the mold temperature is set to 140.degree. This allows the fiber-reinforced thermoplastic resin to have sufficient fluidity in the cavity and prevents the reinforcing fibers from being cut by shear force in compression molding. Further, since the flowability is sufficiently high, the clamping force in compression molding in the first clamping device 17 can be relatively small, and the surface properties of the primary molded article also become good.
  • the primary molded product obtained in the molding step is carried into a cooling mold. After the primary molded product is solidified, the molding die 4 is opened without waiting for sufficient cooling. Since the molding die 4 is maintained at a relatively high temperature, the primary molding is in a relatively high temperature state. The primary molded product is taken out by the transfer device 6 and inserted into the cavity of the cooling mold 5.
  • the second mold clamping device 22 is driven to clamp the cooling mold 5. That is, the primary molded product is compressed.
  • the mold temperature at the time of clamping with the cooling mold 5 is preferably equal to or less than the mold temperature in the molding step, and more preferably equal to or less than the glass transition temperature of the thermoplastic resin used.
  • the cooling mold 5 is preferably compressed with a predetermined clamping force, for example, preferably in the range of 0.1 to 20 MPa, and more preferably 1 to 5 MPa. The springback of a fiber can be suppressed as it is the said range.
  • the molding apparatus 1 can be variously modified.
  • the plasticizing device 2 can be replaced by an extruder as already described.
  • the extruder can be implemented from a single-screw extruder composed of a single screw, or can be implemented from a twin-screw extruder composed of a twin screw.
  • the fiber reinforced thermoplastic resin is extruded by a predetermined amount and cut into a block, which is conveyed to the cavity of the molding die 4 and compression molded.
  • the plasticizing device 2 can also be modified using a plunger injection device. Variations are possible at other points.
  • the molded product is described as being molded by compression molding.
  • an injection molding machine may be used as the plasticizing device 2 and the plasticizing device 2 may be injected and molded into the clamped mold 4.
  • the reinforcing fibres supplied are possible, for example also for the reinforcing fibres supplied.
  • the cut reinforcing fiber is put in, but it may be put without cutting. If the reinforcing fiber is introduced without cutting, the reinforcing fiber is cut in the heating cylinder 8 by the shear force caused by the rotation of the screw 9.
  • the molding apparatus 1 according to the present embodiment can be modified also for the cooling mold 5.
  • the cooling mold 5 for example, although only one set of cooling molds 5 is provided in the present embodiment, two or more sets may be provided. If a plurality of sets of cooling dies 5 are provided, the molded product formed by the molding dies 4 can be appropriately transported to the vacant cooling dies 5 for cooling, and the production efficiency can be enhanced. Can.
  • the temperature of the fiber reinforced thermoplastic resin at the time of injection was 260 ° C., and the temperature of the molding die 4 was adjusted to 140 ° C.
  • the clamping pressure in compression molding was 22 MPa, and clamping was performed for 20 seconds.
  • the primary molded product was transported and inserted into the cooling mold 5 by the transfer device 6 for the molded product A, and the cooling mold 5 was clamped and cooled.
  • the clamping pressure by the cooling mold 5 was set to 1.2 MPa, and clamping was performed for 300 seconds. That is, the molded product A is molded by the molding method according to the embodiment of the present invention.
  • the molded article B after the mold 4 for molding was opened, the molded article was taken out and left standing. That is, the molded product B is molded by the conventional molding method.
  • the degree of spring back is large, the dimensions of the molded product should be affected, but the thickness of the molded product A and the molded product B was measured, but there was no difference in the thickness. Even if the degree of springback is small, the influence on the strength may be large.
  • Reference Signs List 1 forming apparatus 2 plasticizing apparatus 4 forming mold 5 cooling mold 6 conveying apparatus 8 heating cylinder 9 screw 11 hopper 12 reinforcing fiber feeding port 14 reinforcing fiber roll 15 cutting apparatus 17 first mold clamping device 18 nozzle 20 hand 22 Second clamping device

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Abstract

本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂から圧縮成形により成形品を得るとき、成形サイクルを短くして製造コストを小さくすることができ、強度の大きい成形品を成形することができる成形方法を提供することを課題とする。本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維（１４）とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から圧縮成形により成形品を得る成形方法を対象とする。本発明の繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂から成形用金型（４）によって一次成形品を得る成形工程と、成形用金型（４）を型開きして一次成形品を取出して冷却用金型（５）にインサートする搬入工程と、冷却用金型（５）により圧縮して一次成形品を冷却する圧縮冷却工程とを含む。

Description

繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法および成形装置
　本発明は、熱可塑性樹脂に炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維が所定の割合で混合した繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形方法、および繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品を成形する成形装置に関するものである。
　炭素繊維、ガラス繊維等の強化繊維と樹脂とを含有する複合材料からなる成形品は高い強度を備えており、色々な分野に利用されている。例えば、小型船舶の船体、水槽のタンク等に利用されているいわゆるＦＲＰ（Fiberglass Reinforced Plastics）は、強化繊維のシートと熱硬化性樹脂とから成形し、加熱により硬化させている。ＦＲＰは比較的大型の成形品を成形できるという優れた利点はあるが、生産性の問題もある。ＦＲＰは色々な方法で成形することができ、例えば、熱硬化性樹脂を含浸させた強化繊維のシートすなわちプリプレグを得て、これから成形品を成形するような比較的生産性が高い方法もあるが、一般的に成形に要する時間が長くなり生産コストが高い。これに対して、熱可塑性樹脂を母材とし強化繊維を混合した繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する場合、例えば射出成形によって成形したり、プレス成形によって成形することになるが、短時間で成形することができ製造コストが小さいというメリットがある。
　押出機により繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する方法は、特許文献１をはじめとして色々な文献に記載されており周知である。簡単に説明すると、単軸押出機あるいは二軸押出機により熱可塑性樹脂を溶融する。押出機のシリンダの所定の位置においてシリンダ内に強化繊維を投入して混合し、繊維強化熱可塑性樹脂とする。これをダイスから押し出して所定の大きさの塊状成形物を得、これを金型に搬送する。塊状成形物を圧縮成形して成形品が得られる。射出成形機により繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する方法も周知である。まず、強化繊維入りペレットを溶融して繊維強化熱可塑性樹脂を計量する。または熱可塑性樹脂と強化繊維とを別々に供給して射出成形機内で溶融・混合し繊維強化熱可塑性樹脂を得る。これを型締した金型に射出する。あるいは所定量だけ型開した金型に繊維強化熱可塑性樹脂を射出し、型締めにより圧縮成形して成形品を得る。
日本国特開２０１６－６４６０７号公報
　押出機や射出成形機において熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得て、これを金型により成形すると、比較的短時間で成形品を得ることができ、製造コストが小さいというメリットがある。しかしながら、解決すべき問題も見受けられる。まず、圧縮成形により成形する場合に特に問題がある。圧縮成形において型締力を大きくすると繊維同士が接触して強化繊維が切断されて成形品の強度に影響を及ぼす。繊維強化熱可塑性樹脂を圧縮成形するとき、金型温度を比較的低温にして実施すると樹脂の粘性が大きくなってせん断力が大きくなり、必然的に大きな型締力を作用させなければならず、この問題が発生する。このような強化繊維の切断は、金型を高温にして樹脂の流動性を確保すればある程度は防止できる。つまり圧縮成形における型締力を比較的小さくすることができ、強化繊維の切断を抑制できる。圧縮成形しない場合、すなわち型締めした金型に射出する成形方法においても、樹脂の流動性を確保できるので金型を高温にすることは好ましい。しかしながら、このように金型を高温にすると成形品の冷却に時間がかかり成形サイクルが長くなって製造コストが大きくなるという問題がある。成形サイクルを短くするために高温の状態で成形品を取り出すと、反りが発生する等の問題もある。
　ところで本発明者らは、後で説明するように、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得るとき、強化繊維を含まない一般的な成形品と同様にして実施すると、十分な強度が得られなくなる現象を発見した。強化繊維を含まない一般的な樹脂を材料として射出成形したり圧縮成形する場合には、比較的高温の状態で金型から成形品を取り出す。成形サイクルを短くして製造コストを小さくするためである。例えばナイロン６から成形品を得る場合には、金型内で１４０℃程度に冷却したら成形品を取り出すことができる。ところが本発明者らは、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品を同様の温度で金型から取り出すと、成形品において十分な強度が得られないという現象を見いだした。すなわち、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得ても十分な強度が得られないという問題がある。
　したがって、本発明は、繊維強化熱可塑性樹脂から圧縮成形により成形品を得るとき、成形サイクルを短くして製造コストを小さくすることができるにも拘わらず、強度の大きい成形品を成形することができる成形方法を提供することを目的としている。また、そのような成形方法を実施することができる繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品を成形する成形装置を提供することを目的としている。
　本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法を対象とする。本発明の成形方法は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂から成形用金型によって成形して成形品を得る成形工程と、成形用金型を型開きして成形品を取出して冷却用金型にインサートする搬入工程と、冷却用金型により圧縮して成形品を冷却する圧縮冷却工程とを含む。
　すなわち、本発明は以下の（１）～（４）の構成をとる。
（１）熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法であって、所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂から成形用金型によって一次成形品を得る成形工程と、前記成形用金型を型開きして前記一次成形品を取出して冷却用金型にインサートする搬入工程と、前記冷却用金型により圧縮して前記一次成形品を冷却する圧縮冷却工程とを含む、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法。
（２）前記（１）に記載の成形方法において、前記成形工程は前記成形用金型を型開きした状態で前記繊維強化熱可塑性樹脂を射出し、あるいは前記成形用金型を型開きした状態で前記繊維強化熱可塑性樹脂を所定量挿入し、その後圧縮成形により成形する、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法。
（３）熱可塑性樹脂と強化繊維とが混練された繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置であって、熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得る押出機または射出成形機を備える可塑化装置と、所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂から一次成形品を成形する成形用金型と、搬送装置と、冷却用金型とを備え、前記成形用金型において成形された前記一次成形品は、前記搬送装置により取り出されて前記冷却用金型に搬送され、前記冷却用金型において圧縮されて冷却されるようになっている、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置。
（４）前記（３）に記載の成形装置において、前記成形用金型は圧縮成形用の金型からなり、型開きした状態で所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂が射出され、あるいは型開きした状態で所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂が挿入され、その後圧縮されるようになっている、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置。
　以上のように、本発明は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法を対象としている。すなわち成形サイクルが短く製造コストが小さい成形方法を対象としている。そして本発明の成形方法は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂から成形用金型によって一次成形品を得る成形工程と、成形用金型を型開きして一次成形品を取出して冷却用金型にインサートする搬入工程と、冷却用金型により圧縮して一次成形品を冷却する圧縮冷却工程とを含んでいる。繊維強化熱可塑性樹脂から一次成形品を成形するとき、比較的高い温度で成形用金型から取り出すと、最終物である成形品の強度が得られなくなるという問題があるが、本発明においては一次成形品を冷却用金型によって圧縮して冷却するようにしている。これによって、後で本発明者らが実施した実験について詳しく説明するように成形品の強度を大きくすることができる。一次成形品を冷却するだけであれば一次成形品を成形する成形用金型で実施することも考えられる。しかしながら、このようにすると成形サイクルがかなり長くなって製造コストが大きくなる。本発明の成形方法は冷却用金型を成形用金型と別に設けているので成形サイクルを短くでき製造コストを小さくできる。また、実験でも明らかになるように、冷却用金型における型締力は、成形用金型に要求される型締力に比して小さくてもよく、例えば１／１０程度の型締力があればよい。そうすると冷却用金型は比較的小型の型締装置でも型締めすることができ、成形装置全体のコストを小さくできる。さらには本発明の成形方法はエネルギー効率においても有利であると言える。もし成形用金型だけで実施する場合には、成形時に金型を高温にし、冷却時に金型を強制的に冷却する必要がある。すなわちヒートアンドクールを実施する必要がある。そうすると大量のエネルギーが必要になる。しかしながら本発明の成形方法では、成形用金型は比較的高温を維持すると共に冷却用金型は低温に維持すればよく、金型の温度を大きく変化させる必要がないのでエネルギー効率が高い。
　また、他の発明によると成形工程は成形用金型を型開きした状態で繊維強化熱可塑性樹脂を射出し、あるいは型開きした状態で繊維強化熱可塑性樹脂を所定量挿入し、その後圧縮成形により成形するように構成されている。圧縮成形においては、圧縮時に強化繊維同士が接触して切断され易いので特に成形用金型の温度を高温に維持することが大切であり、成形用金型と別に冷却用金型を設けて圧縮冷却工程を実施する本発明は、冷却に要する時間を節約できると共にエネルギー効率が高く、製造コストを小さくできる。
図１は、本発明の実施の形態に係る成形装置を示す正面図である。
　本発明の実施の形態について説明する。本実施の形態に係る成形装置１は、図１に示されているように、熱可塑性樹脂を可塑化すると共に強化繊維を混合して繊維強化熱可塑性樹脂を得る可塑化装置２と、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂を圧縮成形して一次成形品を得る成形用金型４と、成形された一次成形品を圧縮しながら冷却する冷却用金型５と、成形用金型４から一次成形品を取り出して冷却用金型５に搬送する搬送装置６とから構成されている。
　可塑化装置２は、本発明において特徴的な装置ではなく従来周知の射出成形機の射出装置から構成してもよいし押出機から構成してもよい。本実施の形態においては、可塑化装置２は射出成形機の射出装置から構成されている。射出装置は、加熱シリンダ８と、この加熱シリンダ８内で回転方向と軸方向とに駆動されるスクリュ９とからなり、加熱シリンダ８の後方寄りに熱可塑性樹脂が投入されるホッパ１１が設けられ、加熱シリンダ８の前方寄りに強化繊維を投入する強化繊維投入口１２が設けられている。図１においてスクリュ９はフライトが軸方向に渡って均一な形状で形成されているように示されているが、強化繊維投入口１２より上流側でスクリュ溝が浅くなって樹脂が圧縮されるようになっており、強化繊維投入口１２近傍においてスクリュ溝が深くなって樹脂圧力が小さくなるようになっている。従って、強化繊維を加熱シリンダ８内に供給するとき、樹脂圧力によって供給が妨げられることがない。強化繊維投入口１２に対応して、強化繊維、例えば炭素繊維の供給装置が設けられている。すなわち強化繊維が所定の本数で撚り合わされてロープ状になったもの、すなわちロービングが円筒状に巻かれた強化繊維ロール１４と、この強化繊維ロール１４から引き出された強化繊維のロービングを所定の長さで切断する切断装置１５とが設けられている。切断装置１５で切断された強化繊維は、バラバラになって強化繊維投入口１２から加熱シリンダ８内に投入されることになる。
　本実施の形態において成形用金型４は、型開き状態で繊維強化熱可塑性樹脂が射出され、その後繊維強化熱可塑性樹脂を圧縮する圧縮成形用の金型であり、第１の型締装置１７に設けられている。第１の型締装置１７はトグル機構によって型締めされるようになっていてもいいし、型締シリンダによって型締めされるようになっていてもよい。成形用金型４には一次成形品を成形するキャビティが形成されており、成形用金型４の側方に設けられているスプルから樹脂が射出されるようになっている。このスプルに可塑化装置１のノズル１８が当接している。
　搬送装置６は、成形用金型４において成形された一次成形品を把持して取出し、これを搬送し、冷却用金型５にインサートできるようになっていればよく、ロボットチャック等から構成することができる。本実施の形態においては、搬送装置６は一次成形品を把持するハンド２０を備えたロボットアームからなる。
　本実施の形態に係る冷却用金型５は、本発明において特徴的な構成品になっている。冷却用金型５は第２の型締装置２２に設けられており、第１の型締装置１７の近傍であって搬送装置６に隣接して配置されている。冷却用金型５には一次成形品を冷却するためのキャビティが形成されており、その形状は実質的に成形用金型４に形成されているキャビティと同じになっている。冷却用金型５は、所定の冷媒で冷却されるようになっており、本実施の形態においては水冷式になっている。第２の型締装置２２も型締機構の種類は問わないが、第１の型締装置１７に比して大きな型締力は要求されない。従って比較的小型の型締装置から構成することができる。
　本実施の形態に係る成形装置１によって、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形方法を説明する。本実施の形態における成形方法は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法であって、所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂から成形用金型によって一次成形品を得る成形工程と、成形用金型を型開きして一次成形品を取出して冷却用金型にインサートする搬入工程と、冷却用金型により圧縮して一次成形品を冷却する圧縮冷却工程とを含む。
　まず、成形工程について説明する。可塑化装置２すなわち射出装置において加熱シリンダ８を図に示されていないヒータによって加熱し、スクリュ９を回転してホッパ１１から熱可塑性樹脂のペレットを投入する。ペレットは加熱シリンダ８内で溶融して前方に送られる。これと並行して強化繊維ロール１４から引き出された炭素繊維等の強化繊維のロービングが切断装置１５によって切断されて強化繊維投入口１２から投入される。そうすると加熱シリンダ８内で樹脂と強化繊維とが混練されて繊維強化熱可塑性樹脂となり、加熱シリンダ８の前方に送られてスクリュ９が後退する。すなわち計量される。第１の型締装置１７を駆動して、成形用金型４を開いた状態にする。スクリュ９を軸方向に駆動して射出する。そうすると図１に示されているように繊維強化熱可塑性樹脂が所定量だけ成形法金型４のキャビティに射出される。第１の型締装置１７を駆動して圧縮成形する。成形用金型４は比較的高温で維持するようにする。例えば、使用する熱可塑性樹脂がナイロン６であれば金型温度を１４０℃になるようにする。これによって繊維強化熱可塑性樹脂がキャビティ内で十分な流動性を持つようにし、圧縮成形におけるせん断力によって強化繊維が切断されるのを防止する。また、流動性が十分に高いので第１の型締装置１７において圧縮成形における型締力は比較的小さくて済み、一次成形品の表面性状も良好となる。
　搬入工程では、成形工程で得た一次成形品を冷却用金型に運び入れる。一次成形品が固化したら十分に冷却されるまで待たずに成形用金型４を型開きする。成形用金型４は比較的高温で維持されるようになっているので、一次成形品は比較的高温の状態になっている。搬送装置６によって一次成形品を取り出して冷却用金型５のキャビティにインサートする。
　そして、圧縮冷却工程にて、第２の型締装置２２を駆動して冷却用金型５を型締めする。すなわち一次成形品を圧縮する。冷却用金型５で型締めする際の金型温度は、成形工程における金型温度以下とすることが好ましく、使用する熱可塑性樹脂のガラス転移温度以下の温度とすることがより好ましい。冷却用金型５は所定の型締力で圧縮することが好ましく、例えば、０．１～２０ＭＰａの範囲が好ましく、１～５ＭＰａがより好ましい。前記範囲であると繊維のスプリングバックを抑制できる。一次成形品が十分に冷却されたら、型開きして最終物としての成形品を取り出す。
　本実施の形態に係る成形装置１は色々な変形が可能である。例えば可塑化装置２は、既に説明したように押出機に置き換えることができる。押出機については単軸スクリュからなる単軸押出機から実施することもできるし、２軸スクリュからなる２軸押出機から実施することもできる。押出機によって実施する場合には、繊維強化熱可塑性樹脂を所定量だけ押し出して切断して塊状成形物とし、これを成形用金型４のキャビティに搬送して圧縮成形することになる。可塑化装置２についてはプランジャ式射出装置を使用する変形も可能である。他の点について変形も可能である。例えば、本実施の形態においては成形品は圧縮成形により成形するように説明した。しかしながら可塑化装置２として射出成形機を使用して、型締めした成形用金型４に射出して成形するようにしてもよい。
　他にも変形が可能であり、例えば供給する強化繊維についても変形することができる。本実施の形態においては強化繊維を強化繊維投入口１２に投入するとき、切断した状態の強化繊維を投入しているが、切断せずに投入してもよい。切断せずに強化繊維を投入するとスクリュ９の回転によるせん断力で加熱シリンダ８内で強化繊維が切断されることになる。本実施の形態に係る成形装置１は、冷却用金型５についても変形が可能である。例えば、本実施の形態においては冷却用金型５は１組のみ設けられているが、２組以上の複数組設けてもよい。冷却用金型５を複数組設けるようにすると、成形用金型４によって成形された成形品を適宜空いている冷却用金型５に搬送して冷却することができ、製造効率を高くすることができる。
　本実施の形態に係る繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法によって、高い強度を備えることを確認するため実験を行った。
＜実験方法＞
　図１に示す本実施の形態に係る成形装置１において、可塑化装置２と第１の型締装置１７とを使用して２個の成形品Ａおよび成形品Ｂを成形した。成形の条件は以下とした。成形品の形状は、３００ｍｍ×３００ｍｍ×３ｍｍの平板とした。熱可塑性樹脂としてナイロン６を、強化繊維として炭素繊維を使用した。添加した強化繊維の割合は体積比で３０％になるように、すなわち体積比で熱可塑性樹脂７０に対して強化繊維が３０になるようにした。可塑化装置２によって繊維強化熱可塑性樹脂を得、これを成形用金型４に射出して圧縮成形した。射出時における繊維強化熱可塑性樹脂の温度は２６０℃とし、成形用金型４の温度は１４０℃になるように調整した。圧縮成形における型締圧力は２２ＭＰａになるようにし、２０秒間型締めを実施した。成形用金型４を型開後、成形品Ａについては搬送装置６によって一次成形品を冷却用金型５に搬送・インサートし、冷却用金型５を型締めして冷却した。冷却用金型５による型締圧力は１．２ＭＰａになるようにし、３００秒間型締めを実施した。つまり成形品Ａは、本発明の実施の形態に係る成形方法により成形したことになる。一方、成形品Ｂについては成形用金型４を型開後、成形品を取り出して放置した。つまり成形品Ｂは、従来の成形方法により成形したことになる。
＜実験結果＞
　成形品Ａおよび成形品Ｂについて曲げ試験を行って、曲げ弾性率と曲げ強度とを得た。成形品Ａは、曲げ弾性率が２１．２ＧＰａ、曲げ強度が３８４ＭＰａであった。一方成形品Ｂは、曲げ弾性率が１４．８ＧＰａ、曲げ強度が３０４ＭＰａであった。
＜考察＞
　繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形するとき、本実施の形態に係る成形方法を実施すると、従来の成形方法に比して曲げ弾性率で約４３％、曲げ強度で約２６％も強度が増加することが分かった。強度が増加した正確な理由は分からないが、従来の成形方法で成形すると樹脂中に分散している強化繊維がスプリングバックして強化繊維に対する樹脂の含浸の度合いが減少する一方、本発明の実施の形態に係る成形方法で成形するとスプリングバックが抑制された可能性がある。ただし、スプリングバックの度合いが大きいと成形品の寸法に影響が出るはずであるが、成形品Ａと成形品Ｂの板厚を測定したが、板厚に差は無かった。スプリングバックの度合いが小さくても強度に与える影響が大きい可能性もある。
　本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、２０１７年９月２１日出願の日本特許出願（特願２０１７－１８０８３３）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
　　１　　成形装置　　　　　　　　２　　可塑化装置
　　４　　成形用金型　　　　　　　５　　冷却用金型
　　６　　搬送装置　　　　　　　　８　　加熱シリンダ
　　９　　スクリュ　　　　　　　１１　　ホッパ
　１２　　強化繊維投入口　　　　１４　　強化繊維ロール
　１５　　切断装置　　　　　　　１７　　第１の型締装置
　１８　　ノズル　　　　　　　　２０　　ハンド
　２２　　第２の型締装置

Claims (4)

  1. 　熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得、該繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を得る成形方法であって、
    　所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂から成形用金型によって一次成形品を得る成形工程と、
    　前記成形用金型を型開きして前記一次成形品を取出して冷却用金型にインサートする搬入工程と、
    　前記冷却用金型により圧縮して前記一次成形品を冷却する圧縮冷却工程とを含む、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法。
  2. 　請求項１に記載の成形方法において、前記成形工程は前記成形用金型を型開きした状態で前記繊維強化熱可塑性樹脂を射出し、あるいは前記成形用金型を型開きした状態で前記繊維強化熱可塑性樹脂を所定量挿入し、その後圧縮成形により成形する、繊維強化熱可塑性樹脂からなる成形品の成形方法。
  3. 　熱可塑性樹脂と強化繊維とが混練された繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置であって、
    　熱可塑性樹脂と強化繊維とを混練して繊維強化熱可塑性樹脂を得る押出機または射出成形機を備える可塑化装置と、所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂から一次成形品を成形する成形用金型と、搬送装置と、冷却用金型とを備え、
    　前記成形用金型において成形された前記一次成形品は、前記搬送装置により取り出されて前記冷却用金型に搬送され、前記冷却用金型において圧縮されて冷却されるようになっている、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置。
  4. 　請求項３に記載の成形装置において、前記成形用金型は圧縮成形用の金型からなり、型開きした状態で所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂が射出され、あるいは型開きした状態で所定量の前記繊維強化熱可塑性樹脂が挿入され、その後圧縮されるようになっている、繊維強化熱可塑性樹脂から成形品を成形する成形装置。
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