JP5416592B2 - モールド製品及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、モールド製品を製造する方法に関する。

モールド製品（moulded product）の製造方法は、特に限定されるものではないが、構造物製品の製造において用いられている。構造物製品には、例えば自動車産業または他の産業で用いられる構造部品のようなものがある。この方法において使用される材料は、好ましくは炭素繊維が良いが、他の適宜の繊維であっても良い。炭素繊維は、軽い上に高い強度を兼ね備える利点がある。構造部品を製造する周知の方法では、炭素繊維マットが製造される。炭素繊維マットは、部品が望まれる最大の強度になる向きで配向された多数の炭素繊維からなる。炭素繊維マットは、織物になっていても良いし、不織物であっても良い。前者の場合、横糸が繊維の縦糸の配向を保持するようになっている。後者の場合、配向繊維は、横断する方向に延びた繊維が周りに取り巻かれた状態で保持される。製造された炭素繊維マットは、“プリプレグ（pre-preg）”とも呼ばれ、所望の形に裁断され、モールドツール（moulding tool）内に置かれる。それから樹脂が塗布され、続いてモールド製品を所望の形にするために樹脂は硬化される。

ところが、炭素繊維マットを製造し、所望の形に裁断する初期のステップにおいて、時間、労力、材料が無駄になっているという問題点がある。

本発明の目的は、これらの問題を解消するまたは軽減することにある。

本発明の一つの観点によれば、モールド製品を製造する方法は、繊維をロボット吐出ヘッド（robot delivery head）に供給し、供給された複数の繊維をある長さに裁断／剪断し、複数の繊維が所望の方向に配向されまたは実質的に配向され且つ設計厚さ及び強さを確立するために必要とされる数の複数の層となるように、予め決められた長さに短くされた長さの繊維をモールドツールに吐出し、配向された複数の繊維に樹脂を塗布し、樹脂を硬化させてモールド製品を形成する。

本発明の他の観点によれば、また本発明は、同じ方向に配向されまたは実質的に同じ方向に配向されており、硬化した樹脂でコーティングされた、複数の短く裁断された繊維からなるモールド製品として把握することができる。

本発明の好ましい実施の形態では、連続した長さの繊維がより短い長さに裁断され、被覆され、樹脂が完全に被包し、互いに接合される。

短くされた繊維の長さは、１０ｍｍから１２０ｍｍの間で変更すると良い。好ましくは、短くされる繊維の長さは１４ｍｍ若しくは２８ｍｍ、または５８ｍｍ若しくは１１５ｍｍが良い。

単位面積当たりに適用される繊維量は、１平方メートル当たり４００ｇから４０００ｇの間で変更すると良い。好ましくは、堆積率は１５００ｇｓｍ（１平方メートル当たりのグラム）または２５００ｇｓｍが良い。好ましい繊維の長さ及び堆積率は現存する装置によるが、使用法に応じて変えても良い。

以上は処理時間及び部品コストを削減できる完全自動成形を容易にする。また短くされた繊維の配向または実質的な配向を維持するために、繊維が所望の配向を維持するようにモールドツールの表面が部分的に真空状態にされている。

代替え方法では、繊維が炭素繊維であり、相互引力を発生するために、炭素繊維を静電的に帯電し、モールドツールの表面をアースに落としてもよい。

別の代替え方法では、炭素繊維に鉄粉を含浸（impregnated）するかまたはコーティングして、モールドツールの表面を効果的に磁化（または電磁化）しても良い。

更に代替え方法では、炭素繊維は適合性を具えた結晶状のエポキシ粉が被覆されている。そして、堆積により炭素繊維が表面で保持され、本格的な塗布（full application）及び接合樹脂の硬化前に、モールドが開始されるように、モールドツールの表面が加熱される。

また更に別の代替え方法では、炭素繊維を裁断／剪断し、吐出し、配向させる同様のロボットを使用し、短くされ堆積された炭素繊維に対して、適合性を具えたエポキシのミスト層が塗布される。その結果、塗布された層はモールドツールの表面で保持され、本格的な塗布及び接合樹脂の硬化前に、モールド・プロセスが開始される。

自動車のフロアパン／プラットフォームを示した図である。 フロアパンを成形する方法を用いるとき、配向され、成形される繊維部分を示した図である。 本発明に記載された装置の一つの形の部分的断面図である。簡単にするため、ロボットヘッドの動きに対して適宜関連する一組のエア出口ジェット（air outlet jets）だけを示す。 下から見た装置を示した平面図である。 図３及び図４の装置を部分的に大きなスケールにした斜視図である。

本発明を十分に理解するために、一つの実施の形態を、上記の添付された図を参照し、例の挙げて説明する。

モールド製品の製造方法の一実施の形態を、図を参照にして、自動車用のモールド構造複合フロアパンの製造に関連付けて説明する。図１に示されたフロアパン１は、複雑な形を備えている。使用時に、連続した長さの炭素繊維がロボットヘッドに供給され、この連続した長さの炭素繊維は、予め決められた長さに裁断／剪断されて、配向され、そしてモールドツールにまかれてもよい（sprayed）。

モールドツールのキャビティ（cavity）に対する、ヘッドの位置と角度は、個々の短くされた繊維がモールドツールのキャビティの所望の位置に所望の密度及び厚さで置かれるように変更することができる。十分な強度を達成するために完全な配向は必要としないが、複数の繊維は実質的に配向されていることが好ましい。

しかし、モールド製品の強度は、短くされた異なる長さの繊維をまくか、追加の複数の層の繊維の配向を変えることにより、所望の強度に最適化することが可能である。図２は、モールドツール内にある繊維３１の層３０を示した図である。

モールドツール内において、複数の繊維を正しい位置に保持するために、モールドツールの表面は部分的に真空状態にされる（evacuated）。機械的な方法が、長い繊維に作用し、繊維の配向は短線寸法効果（tow size effects）を少なくする。配向を高めることが、堆積率の低減を可能にし、そのことがプロセスの削減及びコストの節約の両者へと導く。

モールド（the mould）内における繊維の堆積に続いて、繊維は、硬化し得る樹脂、好ましくはエポキシの層により被覆され且つ完全に被包される。樹脂は実質的に硬化され、仕上がったモールド製品はモールド（the mould）から除去される。現存のモールド方法と比較して、個々の繊維をモールド（the mould）内に入れ、次に樹脂で複数の繊維を実質的にコーティングすることには、幾つかの利点がある。従来のモールド方法では、炭素繊維でできた材料（material）のピース（piece）が最初に製造される。この材料は織物であったり、不織物である場合もあるが、どちらの場合にも、モールドツール内に材料を載置し、材料を嵌め込む前に、通常は既存のパターン（pattern）を用いて材料を裁断する必要がある。まず織物状材料／不織物材料のピースを製造し、次にピースを所望の形に裁断する二重のステップは、時間及び労力の無駄であるばかりでなく、材料面の無駄でもある。これら両方のステップは、本発明の方法により効果的に除去される。材料面での無駄も、４０％近く軽減することができる。

本発明の上述した方法において、裁断／剪断される繊維の長さは、所望に応じて変えることができる。典型的な繊維の長さは、１１５ｍｍ、５８ｍｍ、２８ｍｍ、及び１４ｍｍである。表面上の繊維の密度は、所望に応じて選択されても良い。典型的な繊維の密度は１５００ｇｓｍ（１平方メートル当たりのグラム）及び２５００ｇｓｍである。

既に述べたように、不正確な配向では、繊維の強度において顕著な効果を示さない場合もあるので、方向性（directionality）は重要になる。方向性のレベル（level of directionality）の限界は、試験によって決められる。方向性のレベルは処理速度に基づき、堆積率は異なる方向性のレベルに応じて決めることができる。

上記処理に従って成形されたモールド製品に対して、以下の項目を決めるために試験が行われる。

繊維の長さの効果、繊維の長さの組合せ；
繊条化（filamentisation）の効果；
繊維の配向の効果；
繊維の長さに関する最大の獲得可能な方向性（Maximum attainable directionality）；
単位面積当たりのマス（mass）に関する最大の獲得可能な方向性；
繊維の長さに関する体積率（volume fraction）；
繊条化に関する体積率；
単位面積当たりの密度に関する体積率［ネスティングの効果（effect of nesting）］
繊維を配向する装置を、図３乃至図５を参照にして説明する。最も下の垂直位置にある吐出孔を簡単に示した図３及び図４を特に参照すれば、装置はハウジング１を備えていることが分かる。ハウジング１は、側面図で下向きに末広がりの形状を有しており、断面図で見ては両端が収束する形状（lozenge shape）を有している（図４に見られるように）。ハウジング１の均整（proportions）は、短くされた繊維を安定してスムーズに散布することに役立つ。断面図で見て両端が収束する形状をした出口／吐出スロット（図４に示す）は、短くされた繊維がモールドツール内に堆積（deposite）される場合に、短くされた繊維の配向の主要な配向を決める。両端が収束する形状は、半円部４及び５でそれぞれ対向する端部が接合された二つの並行する辺部２及び３を備えている。裁断／剪断ヘッド６は、ハウジング１内に配置されている。ヘッド６は、間にはさみ部（nip）９を形成する二つのローラ７及び８を備える。

ローラ７は加圧ローラであり、円筒状支持体（cylindrical support）１１に取り付けられている円筒状タイヤ（cylindrical tyre）１０を備える。円筒状タイヤ１０はゴムまたは他の適宜の材料でできている。ローラ８はブレードハウジングローラ（brade housing roller）である。ローラ８は、円筒状ハウジング（cylindrical housing）１２を備える。複数枚のブレードは、ゴムのような硬質だが弾性のある材料からできているブレードハウジングローラ８内に保持されている。二つのローラ７及び８の直径は同じである。円筒状ハウジング１２には、いくつもの細長い貫通スロット（through elongate slots）１３が形成されている。スロット１３は、円筒状ハウジングのシリンダの軸線方向に延び且つシリンダの周りに周方向に間隔をあけて配置されている。複数のスプライン（splines）（図示せず）を介したカムシャフト１５に取り付けられたカム１４が、円筒状ハウジング１２内に配置されている。カムシャフト１５は、複数の速度範囲の一つの速度でステッパモータ（図示せず）により駆動されるように配置されている。

複数のブレード１６（一つのみ図示）は、各スロット１３と連係している。また、ローラ７及び８の間に形成されたはさみ部を通り抜ける繊維を裁断／剪断するために、ステッパモータにより駆動されるカムシャフト１５により、ハウジング８内でカム１４が回転するときに、複数のブレード１６は、カム１４の動きにより対応するスロット１３を通って延び出るように配置されている。カム１４が各ブレード１６を通り過ぎると、ハウジング８のゴムの弾性により、ブレード１６は待避非動作位置に戻される。本例の場合では、円筒状ハウジング８の外周の周りに２２．５度の間隔をあけて、１６個のスロット１３が配置されている。１６個のブレード１６がこれらのスロット１３とそれぞれ連係する。しかし、スロット１３及びブレード１６の数は、所望に応じて変えることができる。カム１４によって提供されるカムリフト（cam lift）は略２ｍｍから３ｍｍであるが、これも所望に応じて変えることができる。ローラ７及び８の直径は、略３０ｍｍであるが、この直径も所望に応じて変えることができる。本例では、カムは一つの突出部（single lobe）を有しているが、より短い長さの繊維が望まれる場合には、複数の突出部を備えたカムを（multi lobe cam）用いることができる。

典型的には、裁断するブレード１６のためのカムリフトは、略１ｍｍの厚さの繊維を貫通して裁断するのに十分なものでなければならず、カムリフトは、加圧ローラ７では略０．２ｍｍの調整ができるようになっている。

ローラ７及び８のそれぞれの回転中心は、選択された繊維の直径に対するはさみ部（nip）が、調節（consistency）を保証し且つ上述の裁断制御基準に十分合うように調整される。

動作状態において、ローラ７及び８は、カムシャフト１５の速度に依存することのない同じ速度で駆動される。ローラ７及び８を通して供給される繊維の供給速度（rate of feed）は、これらローラのそれぞれの表面の円周速度に基づき決められる。ローラ７及び８の速度に関連して、カムシャフト１５を駆動するステッパモータの速度を変えることにより、ローラの間に供給され且つカム駆動されて対応する各スロットを貫通して延びる複数のブレードによって裁断／剪断される繊維の正確な長さが決められる。繊維が裁断／剪断されたとき、ローラ７及び８は、短くされた繊維を吐出スロットに向かって放出する。吐出スロットがローラ７及び８より低い位置にある特別な配置により、重力もまた助力になる。しかし、吐出スロットをローラ７及び８より高い位置にすることもできる。ローラ７及び８により裁断／剪断されて作られた短くされた繊維は、重力の作用によりハウジング１の底部に向って落ちる。落ちる経路は、４つのエアジェット孔から噴射されるエアジェット（air jets）により影響を受ける。４つのエアジェット孔は、ハウジング１の壁を貫通して延び、ハウジング１の上部及び下部にそれぞれ配置された２つの組になったエアジェット孔２０及び２１により構成される。各組の一つのエアジェット孔のみが図示されている。２つのエアジェット孔２０は、短い長さの繊維がローラ７及び８の間から放出されるレベルより若干下に配置される。エアジェット孔２０を通るエアジェットは、ロボットヘッドの動きに対する追跡エレメント（trailing elements）として作用し、エアジェット孔２１を通るエアジェットは動きの先端面（leading face of motion）に作用する。エアジェット孔２０を通るエアジェットの目的は、繊維からなる長い物を分散させることにある。繊維がまだローラに部分的に保持されている間で、繊維が裁断される前で、繊維がローラのはさみ部から解放される前で、且つ繊維が吐出スロットに向かって放出される前に、この分散作用は開始される。エアジェット孔２１は、エアジェット孔２０より低いレベルに配置される。エアジェット孔２１を通るエアジェットの目的は、並行する壁２及び３の間に形成された出口スロット２２の方向に、そして出口スロット２２内に、長さが短くされた繊維を回転させて、配向させることにある。出口スロット２２の寸法、ローラ７及び８と出口スロット２２との間の距離、及びエアジェット孔２０及び２１を通るジェットの空気圧は、繊維の長さに合わせ、且つ繊維の分配が所望の分配に最適化されるように調整される。

なお、以上の実施の形態は、例示により説明したが、本発明の範囲内において種々変更した形態にて実施することが可能である。配向されまたは実質的に配向されて短くされた繊維を保持するために、真空に代わるものを採用することができる。例えば、相互引力を発生するために、炭素繊維を静電的に帯電し、モールドツールの表面をアースに落としてもよい。相互間で静電力を発揮するように、炭素繊維は静電帯電され、モールドツールの表面はアースされていても良い。

別の代替え方法では、炭素繊維に鉄粉（ferric powder）を含浸（impregnated）させるかまたはコーティングして、モールドツールの表面を磁化（または電磁化）しても良い。

更に別の代替え方法では、炭素繊維は適合性を具えた結晶性エポキシ粉（compatible crystalline epoxy powder）がコーティングされている。そして、堆積により炭素繊維が表面に保持され、本格的な塗布及び接合樹脂の硬化前に、モールド・インテグレーション（mould integration）が開始されるように、モールドツールの表面が加熱される。

また更に別の代替え方法では、炭素繊維を裁断／剪断し、分配し且つ配向する同様のロボットを使用し、短くされた、堆積された炭素繊維に対して適合性を具えたエポキシ（compatible epoxy）のミスト層（mist layer）が付けられている。その結果、堆積された炭素繊維は表面に保持され、本格的な塗布及び接合樹脂の硬化前に、モールド・プロセスが開始される。

Claims (11)

1. 繊維をロボット吐出ヘッドに供給し、供給された複数の前記繊維をある長さに裁断／剪断し、前記複数の繊維が所望の方向に配向され且つ設計厚さ及び強さを確立するために必要とされる数の複数の層となるように、予め決められた長さに長さが短くされた繊維をモールドツールに吐出し、配向された前記繊維に樹脂を塗布し、前記樹脂を硬化させてモールド製品を製造するモールド製品の製造方法であって、
   前記複数の繊維が、所望の方向に配向されて前記モールドツールに吐出されるように、エアジェットを使用して、前記長さが短くされた繊維を、並行する複数の壁によって形成された出口スロット内で前記出口スロットの長手方向に回転させて配向させることを特徴とするモールド製品の製造方法。
2. 請求項１に記載のモールド製品の製造方法は、連続した長さの繊維が、より短い長さに裁断されることを特徴とするモールド製品の製造方法。
3. 請求項１または２に記載のモールド製品の製造方法は、前記樹脂が、前記より短くされた長さの繊維を被覆するように塗布されていることを特徴とするモールド製品の製造方法。
4. 請求項３に記載のモールド製品の製造方法は、前記より短くされた長さの繊維を完全に被包し、互いに接合されるように、前記樹脂が被覆されることを特徴とするモールド製品の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、前記モールドツールの表面が、前記より短くされた繊維の配向または実質的な配向を維持するために、部分的に真空状態にされていることを特徴とするモールド製品の製造方法。
6. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、前記繊維が炭素繊維であり、前記繊維及び前記モールドツールの表面が、相互間に引力を発生するために静電帯電されていることを特徴とするモールド製品の製造方法。
7. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、前記繊維は磁性材料が含浸されているかまたはコーティングされており、前記モールドツールの表面は、前記磁性材料がコーティングされた前記繊維を引き付けるように磁化されていることを特徴とするモールド製品の製造方法。
8. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、前記繊維がエポキシ粉で被覆されており、堆積により前記繊維が前記モールドツール上に保持されるように、前記モールドツールの表面が加熱されることを特徴とするモールド製品の製造方法。
9. 請求項１乃至５のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、前記より短くされた繊維が前記モールドツールの表面にその表面を接触させて保持されるように、エポキシのミスト層が前記より短くされた繊維に塗布されていることを特徴とするモールド製品の製造方法。
10. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、前記短くされた繊維の長さが、１０ｍｍから１２０ｍｍの間にあることを特徴とするモールド製品の製造方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のモールド製品の製造方法は、適用される前記繊維量が、１平方メートル当たり４００ｇから４０００ｇの間にあることを特徴とするモールド製品の製造方法。

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