JP2018138355A - 繊維強化プラスチック成形品およびその成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】シート表面とその表面に形成された突出部材との間の界面強度が高い繊維強化プラスチック成形品およびその成形方法を提供する。【解決手段】連続繊維を配向した熱可塑性樹脂シート１の表面に、突出部材５が設けられた繊維強化プラスチック成形品であって、樹脂シート１における一方の表面から他方の表面側に突出するように形成された膨出部２と貫通孔３とを有している。突出部材５は膨出部２と貫通孔３を含む領域に接続されている。突出部材５が射出成形されたときに、射出された樹脂が膨出部２に形成された貫通孔３を介してその膨出部２の内部空洞２ａに充填されるので、突出部材５を形成する樹脂と膨出部２内に回り込んだ樹脂とが一体化されている。そのため繊維強化プラスチック成形品の突出部材５と樹脂シート１との結合強度が飛躍的に高くなる。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック成形品およびその成形方法に関する。さらに詳しくは、連続繊維で強化した熱可塑性樹脂シート表面に突出部材が形成された繊維強化プラスチック成形品およびその成形方法に関する。

連続繊維で強化した熱可塑性樹脂シートは高強度であるが、複雑な形状に成形することが難しい。そのため、いったんプレス成形や射出成形等の型締めで単純な形状のシートに成形した後、射出成形等により前記シート表面にリブ等の突出部を付与して複雑な形状の連続繊維強化熱可塑性樹脂成形品を得ている（特許文献１）
しかし、この成形方法では、シートの平面な部分に射出成形で突出部を成形しているので、シート部と突出部との接合面である界面の面積が少なくなり、界面強度が低いという問題がある。

界面強度を高める方法としては、つぎの従来技術がある。
特許文献２では、シート表面にプレス金型で圧縮して凹凸形状を付与し、かつ切削加工により連続繊維を凹状または凸状の形態で露出させることにより、樹脂片同士の結合強度を高めようとしている。
特許文献３では、２つの樹脂片の接触面に互いに異なる角度で傾斜させた傾斜面を向き合わせて、射出成形することにより樹脂の流れ込みを良くして接着強度を高めようとしている。

しかしながら、上記特許文献２、３の従来技術では、界面での接触面積の増加の程度は小さく、界面強度を大幅に向上させることはできないという問題がある。

特開２０１４−１４８１２４号公報 特開２０１４−１３６３５７号公報 特開２０１３−６３８９号公報

本発明は上記事情に鑑み、連続繊維で強化した熱可塑性樹脂シート表面とその表面に形成された突出部材との間の界面強度が高い繊維強化プラスチック成形品およびその成形方法を提供することを目的とする。

第１発明の繊維強化プラスチック成形品は、連続繊維を配向した熱可塑性樹脂シートの表面に、突出部材が設けられた繊維強化プラスチック成形品であって、前記熱可塑性樹脂シートにおける一方の表面から他方の表面側に突出するように形成された膨出部と、前記熱可塑性樹脂シートに形成された貫通孔と、前記熱可塑性樹脂シートの突出部材が前記膨出部と前記貫通孔を含む領域に接続されていることを特徴とする。
第２発明の繊維強化プラスチック成形品は、第１発明において、前記貫通孔が前記膨出部の部分に形成されていることを特徴とする。
第３発明の繊維強化プラスチック成形品は、第１発明において、前記貫通孔が膨出部の部分以外の領域に形成されていることを特徴とする。
第４発明の繊維強化プラスチック成形品は、第２発明または第３発明において、前記膨出部は、その内部空洞が前記膨出部の頂部側から裏面側に向かって内径が広がるように形成されていることを特徴とする。
第５発明の繊維強化プラスチック成形品の成形方法は、連続繊維を配向した熱可塑性樹脂シートの表面に、射出成形で突出部材を成形した繊維強化プラスチック成形品の成形方法であって、前記熱可塑性樹脂シートにおける一方の表面から押圧部材で押圧して他方の表面に膨出部を形成する工程と、前記熱可塑性樹脂シートに貫通孔を成形する工程と、前記熱可塑性樹脂シートに形成された前記膨出部および前記貫通孔を含む領域に、射出成形で前記突出部材を成形する工程とからなることを特徴とする。
第６発明の繊維強化プラスチック成形品の成形方法は、第５発明において、前記膨出部と前記貫通孔を形成する工程において、前記押圧部材で前記膨出部と前記貫通孔を同一の工程で形成することを特徴とする。
第７発明の繊維強化プラスチック成形品の成形方法は、第５発明において、前記膨出部と前記貫通孔を形成する工程において、前記膨出部と前記貫通孔を別々の工程で形成することを特徴とする。

第１発明によれば、熱可塑性樹脂シートに形成された膨出部の内部空洞と突出部材とに貫通孔を介して樹脂が充填されているので、突出部材を形成する樹脂と膨出部内に回り込んだ樹脂とが一体化されている。そのため繊維強化プラスチック成形品の突出部材と熱可塑性樹脂シートとの結合強度が飛躍的に高くなっている。
第２発明によれば、膨出部に形成された貫通孔を通じて膨出部の内部空洞に樹脂が充填されているので、突出部材を形成する樹脂と膨出部内に入った樹脂とが一体化され、繊維強化プラスチック成形品の突出部材と熱可塑性樹脂シートとの結合強度が飛躍的に高くなっている。
第３発明によれば、膨出部以外の部分に形成された貫通孔を通じて膨出部の内部空洞に樹脂が充填されているので、突出部材を形成する樹脂と膨出部内に入った樹脂とが一体化され、繊維強化プラスチック成形品の突出部材と熱可塑性樹脂シートとの結合強度が飛躍的に高くなっている。
第４発明によれば、膨出部の内部空間が頂部側から裏面側に向って広がっているので、膨出部の内部空洞に充填された樹脂が裏面側に向って広がった形状となり、この樹脂形状が突出部材の引き抜き方向に対して抵抗力となることから、熱可塑性樹脂シートへの突出部材の結合強度がより一層強くなる。
第５発明によれば、突出部材が射出成形されたときに、射出された樹脂が貫通孔を介して膨出部の内部空洞に回り込み、突出部材を形成する樹脂と膨出部内に回り込んだ樹脂とを一体化させる。そのため繊維強化プラスチック成形品の突出部材と熱可塑性樹脂シートとの結合強度を飛躍的に高くできる。
第６発明によれば、膨出部と貫通孔を同一の工程で形成すると、少ない工程で繊維強化プラスチック成形品を成形することができる。
第７発明によれば、膨出部と貫通孔を別々の工程で形成すると、任意の形状の膨出部や貫通孔に成形できるので、突出部材の結合強度を高くするのに有利である。

本発明の第１実施形態に係る繊維強化プラスチック成形品の成形方法を示す説明図である。 （Ａ）図は図１のＩＩ工程の詳細図であり、（Ｂ）図は押圧部材の説明図、（Ｃ）は膨出部と貫通孔の説明図である。 （Ａ）図は膨出部と貫通孔の他の形状の説明図、（Ｂ）図は押圧部材の説明図である。 （Ａ）図は膨出部と貫通孔のさらに他の形状の説明図、（Ｂ）図は押圧部材の説明図である。 本発明の成形方法で作られた繊維強化プラスチック成形品Ａの説明図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）図の側面図である。 本発明の成形方法で作られた繊維強化プラスチック成形品Ｂの説明図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）図の側面図である。 本発明の成形方法で作られた繊維強化プラスチック成形品Ｃの説明図であり、（Ａ）は成形型１０の説明図、（Ｂ１）は成形品の断面図、（Ｂ２）は成形品の斜視図である。 本発明の成形方法で作られた繊維強化プラスチック成形品Ｄの説明図であり、（Ａ）は成形型１０の説明図、（Ｂ１）は成形品の断面図、（Ｂ２）は成形品の斜視図である。

つぎに、本発明の実施形態を図面に基づき説明する。
本発明の適用対象は、連続繊維で強化した熱可塑性樹脂シート（以下、樹脂シートという）に突出部材を形成した繊維強化プラスチック成形品であり、本発明は得られた成形品とそれに用いる成形方法である。
前記樹脂シートは、連続繊維を配向して強化した熱可塑性樹脂を用いたものであり、高強度だが複雑な形状のプレス成形が難しいものである。

連続繊維には、素材として炭素繊維やガラス繊維などを用い、繊維が一方向に配向しているものや、格子状に配向しているものや、積層して配向しているものが用いられる。
樹脂シートの形状は、代表的には平板状のものであるが、平板状の樹脂シートを一次加工して、全体にゆるやかに湾曲していたり、端縁のみ湾曲しているものなどが含まれる。

突出部材は、射出成形により成形される。なお、射出成形が可能である限り、突出部材の成形樹脂には短繊維等が配合されていてもよい。
突出部材の形状は、棒状、板状、ブロック状などの部材を例示できるが、これらに限定されるものではない。

前記樹脂シートの表面に前記突出部材が立設された形状の繊維強化プラスチック成形品は、突出部材と樹脂シートとの間の接合面である界面の強度が全体の強度を左右するが、その界面強度を高くなるように成形するのが、本発明の成形方法である。

その成形方法を図１に基づき説明する。
図１は本発明に係る成形方法の基本概念を示している。
（Ｉ）準備工程
射出成形機の成形型１０は、固定金型１２とこの固定金型１２に対し進退自在に配置された可動金型１３からなり、可動金型１３には固定金型１２側に進退自在な押圧部材２０が設けられている。そして、固定金型１２と可動金型１３との間に、キャビティ１１が形成されている。
準備工程では、固定金型１２と可動金型１３の間に樹脂シート１をセットする。なお、樹脂シート１は、加熱手段で加熱されたものが用いられる。

（II）膨出部・貫通孔成形工程
押圧部材２０をキャビティ１１側に押し付けて樹脂シート１を押圧する。
押圧部材２０は円筒状のロッド２１とその先端に形成されたピン２２とからなる。この押圧部材２０を樹脂シート１の片面から反対面に押し付けることで、ロッド２１により、樹脂シート１に膨出部２が形成されると共に、膨出部２に貫通孔３が形成される。

（III）押圧部材の退避
押圧部材２０を退避させると、樹脂シート１に膨出部２が形成され、かつ貫通孔３が膨出部２の頂点に形成される。この状態で次工程の射出成形の準備が完了する。
（IV）射出成形
図示していないが固定金型１２側からの充填装置で成形型１０のキャビティ１１内に樹脂を充填する。充填方向はキャビティ側（矢印ｘ方向）からでもよく反キャビティ側（押圧部材２０のある側）からでもよい。なお、反キャビティ方向では、固定金型１３側に充填装置と押圧部材２０を設ける。

前記工程（II）の詳細を図２に基づき説明する。
（Ｂ）図は押圧部材２０の単体図であり、円柱状のロッド２１と、その先端に形成された針状のピン２２とからなる。ロッド２１の長さは成形型１０に合わせて任意の長さにでき、直径は形成したい膨出部２の大きさに合わせて選定すればよい。ピン２２の長さや太さも形成したい貫通孔３に合わせて選定すればよい。

（Ａ）図の（１）〜（３）は膨出部２と貫通孔３を同時に形成する膨出部・貫通孔成形工程（II）の詳細（第６発明の実施形態）を示している。
図の（１）では、ピン２２が樹脂シート１に穿孔しはじめている。
図の（２）では、ロッド２１の肩で樹脂シート１を押し広げて膨出部２を形成しながら、穿孔部分も大きくしつつある。
図の（３）に示すように、ロッド２１とピン２２が所定量だけ樹脂シート１に貫入すると、膨出部２が形成され、かつ貫通孔３の形成が完了する。

このようにして出来上る膨出部２は、（Ｃ）図に示すように、膨出部２の内部が空洞であって、その内部空洞２ａの内径はロッド２１の直径に対応している。また内部空洞２ａの長さはロッド２１の貫入量で決まる。
この内部空洞２ａの形状は、膨出部２の頂部側から裏面側に向かって内径が広がるように形成される。その理由は、押圧部材２０が、型締めされている樹脂シート１のもつ内部抵抗に抗して押圧することにより、シート内部に引張り抵抗が発生した状態で押圧成形を止めるからである。
膨出部２の頂部に形成される貫通孔３の大きさはピン２２の直径で決まり、その穿孔位置はピン２２のロッド２１に対する形成位置で決まる。

上記のように膨出部２と貫通孔３を形成した樹脂シート１に突出部材を形成する場合、図１（IV）に示すように、樹脂ｒを成形型１０のキャビティ１１内に射出して充填する。この場合、キャビティ側（矢印ｘ方向）および反キャビティ側のいずれから樹脂ｒを注入しても、樹脂ｒはキャビティ１１内と膨出部２の内部空洞２ａに充填される。その理由はキャビティ１１と膨出部２の内部が貫通孔３で連通しているためである。

このように、射出された樹脂ｒが膨出部２に形成された貫通孔３を介してその膨出部２の内部空洞２ａに充填されると、突出部材を形成する樹脂ｒと膨出部２内に回り込む樹脂ｒとが一体化される。そのためプラスチック成形品の突出部材と樹脂シート１との結合強度を規定する界面の面積が飛躍的に高くなる。これが本発明の特徴となる技術原理である。

貫通孔３の形成位置や形状は、図２に示されたものに限定されない。要は、成形型１０内のキャビティ１１と膨出部２の内部空洞２ａを連通させるものであればよい。
したがって、図３（Ａ）に示すように、貫通孔３は膨出部２の頂点ではなく側部に形成してもよい。図示の例では、貫通孔３の形成個数は２個であるが、３個以上であってもよい。

このような膨出部２の側部に貫通孔３，３を形成するための押圧部材２０としては、ロッド２１の前端面に貫通孔形成用の鋭いピン２２を２本以上と膨出部形成用の平頭型のピン２３を備えた押圧部材２０などを例示できる。

さらに他の例を図４に基づき説明する。
図４（Ａ）に示す例は、膨出部２の根元から少し横に離れた側方に貫通孔３を形成した例である。この場合、成形型１０に樹脂ｒの通り道１４を形成しておけば、キャビティ１１と膨出部２の内部を連通させることができる。

上記のような側方の貫通孔３，３を形成するための押圧部材２０としては、直径の太いロッド２１の前端中央に膨出部形成用の平頭型のピン２３と、このピン２３から少し横に離れた側方に貫通孔形成用の鋭いピン２２を２本以上備えたものなどを例示できる。

図１および図２の実施形態では、膨出部２と貫通孔３を同一の工程で同時に形成した。このように同一工程で膨出部２と貫通孔３を形成すると、少ない工程で成形でき、成形時間が短縮できる。
しかし、上記と異なり、膨出部２と貫通孔３を別々の工程で形成してもよい。
膨出部２と貫通孔３を別々の工程で形成する場合（第７発明の実施形態）、押圧部材２０のロッド２１を先に貫入させて膨出部２を先に形成し、その後でピン２２を貫入させて貫通孔３を形成してもよく、ピン２２を先に貫入させて貫通孔３を先に形成し、その後でロッド２１を貫入させて膨出部２を形成してもよい。

上記のような別工程方式に用いる押圧部材２０としては、ロッド２１に対しピン２２を入れ子式に構成し、ロッド２１とピン２２を個別に動作させる構造のものを例示できる。また、別体のロッド２１とピン２２を用い、一方（ロッドまたはピン）の貫入後に完全に退避させて他方（ピンまたはロッド）を貫入させてもよい。

以上のほか、膨出部２と貫通孔３の形成方法は任意に採用してよい。このような別工程方式を用いると、任意の形状の膨出部２や貫通孔３に形成できるので、突出部材の結合強度を高くするのに有利である。

つぎに、上記成形方法で得られた繊維強化プラスチック成形品（以下、プラスチック成形品という）を説明する。
図５（Ａ）のプラスチック成形品Ａは、樹脂シート１とその表面に棒状の突出部材５が形成されたものである。樹脂シート１は既述のごとく連続繊維を配向した熱可塑性樹脂を用いたシートである。突出部材５は既述のごとく樹脂ｒを射出して成形されたものである。

図５（Ｂ）に示すように、突出部材５は樹脂シート１の表面に立設された形状であるが、突出部材５を形成した樹脂ｒはシート１に形成された膨出部２の内部空洞２ａ内にも充填されている。その結果、樹脂ｒが突出部材５と樹脂シート１に接触する界面の面積が広がり、結合強度が非常に高くなる。

しかも、膨出部２の内部空洞２ａが頂部側から裏面側に向って内径が広がっていると、膨出部２の内部に充填された樹脂ｒが裏面側に向って広がった形状となり、この樹脂形状が突出部材５の引き抜き方向に対して抵抗力となる。このため、樹脂シート１への突出部材５の結合強度がより一層強くなる。

図６（Ａ）のプラスチック成形品Ｂは突出部材６が厚板状のものである。図示された貫通孔３付きの膨出部２は３個であるが、これに限らず突出部材６の長手方向寸法に合わせて適数個形成すればよい。

突出部材は、図５（Ａ）のような棒状に限らず、図６（Ａ）に示す厚板状に形成して、リブの形態で使用することもできる。
さらに、棒状や厚板状に限らず、射出成形が可能なら、どのような形状の突出部材でも樹脂シート１上に形成できる。

樹脂シート１は図５および図６に示したものは、平板状であるが、これらに限らず多少湾曲したものも許容される。
図７（Ａ）は、樹脂シート１の成形用の固定金型１２と可動金型１３との対面が緩やかに湾曲したものを示している。この成形型１０を用いると、同図（Ｂ１、Ｂ２）に示すように、浅皿状に湾曲した樹脂シート１に突出部材５が形成されたプラスチック成形品Ｃが得られる。

図８（Ａ）は固定金型１２と可動金型１３との対面が深皿状に湾曲したものを示している。このような成形型１０を用いると同図（Ｂ１、Ｂ２）に示すように、深皿状に湾曲した樹脂シート１に突出部材５が形成されたプラスチック成形品Ｄが得られる。

なお、図７では浅皿状の樹脂シート１に棒状の突出部材５を形成したものを示しているが、厚板状の突出部材６を形成してもよい。図８では深皿状の樹脂シート１に厚板状の突出部材６を形成したものを示しているが、棒状の突出部材を形成してもよい。
また、樹脂シート１は、固定金型１２と可動金型１３を型締めして湾曲や深皿状に形成しても良く、成形型１０に挿入する前に別の加工手段で湾曲や深皿状に形成しても良い。
このように、樹脂シート１と突出部材５との組合せは任意であり、とくに制限は存在しない。

１ 樹脂シート
２ 膨出部
２ａ 内部空洞
３ 貫通孔
５，６ 突出部材
１０ 成形型
１１ キャビティ
２０ 押圧部材
２１ ロッド
２２ ピン

Claims (7)

1. 連続繊維を配向した熱可塑性樹脂シートの表面に、突出部材が設けられた繊維強化プラスチック成形品であって、
   前記熱可塑性樹脂シートにおける一方の表面から他方の表面側に突出するように形成された膨出部と、
   前記熱可塑性樹脂シートに形成された貫通孔と、
   前記熱可塑性樹脂シートの突出部材が前記膨出部と前記貫通孔を含む領域に接続されている、
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック成形品。
2. 前記貫通孔が前記膨出部の部分に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の繊維強化プラスチック成形品。
3. 前記貫通孔が膨出部の部分以外の領域に形成されている
   ことを特徴とする請求項１記載の繊維強化プラスチック成形品。
4. 前記膨出部は、その内部空洞が前記膨出部の頂部側から裏面側に向かって内径が広がるように形成されている
   ことを特徴とする請求項２または３記載の繊維強化プラスチック成形品。
5. 連続繊維を配向した熱可塑性樹脂シートの表面に、射出成形で突出部材を成形した繊維強化プラスチック成形品の成形方法であって、
   前記熱可塑性樹脂シートにおける一方の表面から押圧部材で押圧して他方の表面に膨出部を形成する工程と、
   前記熱可塑性樹脂シートに貫通孔を成形する工程と、
   前記熱可塑性樹脂シートに形成された前記膨出部および前記貫通孔を含む領域に、射出成形で前記突出部材を成形する工程とからなる、
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック成形品の成形方法。
6. 前記膨出部と前記貫通孔を形成する工程において、前記押圧部材で前記膨出部と前記貫通孔を同一の工程で形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の繊維強化プラスチック成形品の成形方法。
7. 前記膨出部と前記貫通孔を形成する工程において、前記膨出部と前記貫通孔を別々の工程で形成する
   ことを特徴とする請求項５記載の繊維強化プラスチック成形品の成形方法。

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