JP5833460B2 - 金型及び熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法 - Google Patents
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Description
(1)金型のキャビティ面に薄肉の金属殻が形成されており、該金属殻を高周波誘導加熱により直接加熱する金型(特許文献1)。
(2)金型のキャビティ面を加熱する加熱配管を加熱するために、発熱体及び該発熱体を高周波誘導加熱する誘導加熱コイルを設けた金型(特許文献2)。
(3)樹脂の転写性と流動性を高めるため、金型のキャビティ近傍に、高周波誘導加熱する誘導加熱コイルが設けられ、かつ金型内に冷水を流通して金型を冷却する冷却水路が形成された射出成形用金型(特許文献3)。
また、本発明は、前記金型を用いたハイサイクルな熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法の提供を目的とする。
〔1〕20℃における熱伝導率が100〜450W/m/Kである非磁性金属材料により形成されたキャビティ面を有する一対のキャビティ型を具備し、前記一対の型のそれぞれに、内部に冷媒を流通して前記キャビティ型を冷却するための、該型内を貫通する冷却回路を有し、かつ前記一対のキャビティ型の外面にそれぞれ20℃における固有抵抗値が4.0〜100μΩ・cmである高周波誘導により発熱する磁性体を密接し、かつ該磁性体の外面に誘導加熱コイルが設けられている金型。
〔2〕キャビティ型がアルミニウムまたはアルミニウム系合金により形成されている、前記〔1〕に記載の金型。
〔3〕キャビティ型表面が、窒化金属コート、炭化金属コート、金属メッキのいずれかで処理されたアルミニウムまたはアルミニウム系合金により形成されている、前記〔1〕に記載の金型。
〔4〕一対のキャビティ型それぞれの厚さが、5〜150mmである前記〔1〕又は、〔2〕又は、〔3〕に記載の金型。
〔5〕前記〔1〕又は、〔2〕又は、〔3〕又は、〔4〕に記載の金型を用いた熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、
加圧チューブの周囲に巻き付けた熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を、該加圧チューブがキャビティの長手方向に沿うように、前記金型のキャビティ内に配置して該金型を閉じる配置工程と、
前記誘導加熱コイルに電流を通じて加熱板を高周波誘導加熱し、熱伝導によりキャビティ型を熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料の成形温度に調節した後、前記加圧チューブを加圧して膨張させ、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料をキャビティ面に内側から密着させ、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料に内部から圧力をかけて内圧成形する成形工程と、
前記成形工程の後に、前記高周波誘導加熱を停止し、前記冷却回路に冷媒を流通させてキャビティ面を冷却し、前記熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を固化する冷却工程と、
前記冷却工程の後に、金型から熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品を取り出す取り出し工程と、
を有する熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法。
〔6〕前記〔1〕又は、〔2〕又は、〔3〕又は、〔4〕に記載の金型を用いた熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、
前記金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を配置する配置工程と、
前記誘導加熱コイルに電流を通じて加熱板を高周波誘導加熱し、熱伝導によりキャビティ型を熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料の成形温度に調節した後、金型で熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を圧縮成形する成形工程と、
前記成形工程の後に、前記高周波誘導加熱を停止し、前記冷却回路に冷媒を流通させてキャビティ面を冷却し、前記熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を固化する冷却工程と、
前記冷却工程の後に、金型から熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品を取り出す取り出し工程と、
を有する熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法。
また、本発明の製造方法によれば、ムラがなく高品質な熱可塑性樹脂系複合材料成形品をハイサイクルに製造できる。
本発明の金型は、20℃における熱伝導率が100〜450W/m/Kである非磁性金属材料により形成されたキャビティ面を有する一対の型を具備し、前記一対の型のそれぞれに、内部に冷媒を流通して前記キャビティ型を冷却するために、該型内を貫通する冷却回路を有し、かつ前記一対のキャビティ型の外面にそれぞれ20℃における固有抵抗値が4.0〜100μΩ・cmである高周波誘導により発熱する磁性体を密接し、かつ該磁性体の外面に誘導加熱コイルが設けられている金型である。
以下、本発明の金型の実施形態の一例を示して詳細に説明する。
本実施形態の金型1は、図1及び図2に示すように、相対移動可能な、直方体形状の一対の上型10と下型20を具備している。
上型10は、キャビティ型11の短手方向の中央に、キャビティ型11の長手方向に沿ってキャビティ26が形成されている。上型のキャビティ型11と下型のキャビティ型21が型締めで接触する。また、上型10は、上型10の長手方向に沿ってキャビティ型11を貫通する複数本の冷却回路14が並べて設けられている。また、上型10の内部の冷却回路14より更に外側(キャビティ型11の反対側)には、磁性体(加熱板)12を高周波誘導加熱する誘導加熱コイル15が設けられている。
下型20は、上型10と同様に、キャビティ型21の短手方向の中央に、キャビティ型21の長手方向に沿ってキャビティ26が形成されている。また、下型20は、下型20の長手方向に沿ってキャビティ型21を貫通する複数本の冷却回路24が並べて設けられており、下型20の外側(キャビティ型21の反対側)に、磁性体22を高周波誘導加熱する誘導加熱コイル25が設けられている。
上型誘導加熱コイルケース13と下型誘導加熱コイルケース23は、電気的に完全に絶縁されている本実施形態では、キャビティ型21と11が絶縁層となっている。
金型1は、図1(B)及び図2(B)に示すように、上型10と下型20を閉じることで、両端が開放された円柱状のキャビティ26が形成される。
取り付け板や側板を形成する材料の具体例としては、例えば、セラミック、耐熱強化プラスチック、無機断熱材、コンクリートが挙げられる。
冷却回路14と24の本数は、キャビティ型11と21を急速に冷却するのに充分な本数であればよく、上型10の強度を考慮しつつ適宜設定できる。冷却回路14と24は、キャビティ型11と21全体を均一に冷却できるように、複数本を平行にかつ等間隔に設けることが好ましい。
誘導加熱コイル15と25は、加熱板12と22を高周波誘導加熱して伝熱によりキャビティ型11と21を加熱できるものであればよく、一般には外側が絶縁された集束された銅線が用いられる。
誘導加熱コイル15と25は、本実施形態では、型本体の内部で加熱板12と22の外側(キャビティ型11と21の反対側のコイルケース13と23内)に設けられている。誘導加熱コイル15と25を敷設するコイルケースは、誘導加熱しくい材質であることが好ましく、樹脂製、セラミック製、石綿製、木網セメント板製、非磁性金属製などが挙げられる。これらの中では、断熱性が高い樹脂製や石綿製、木網セメント板が好ましい。
また、冷却回路は、金型本体の長手方向に沿って設ける態様には限定されず、金型の短手方向に沿って設けてもよい。ただし、冷却回路は、キャビティ面の冷却効率の点から、キャビティが形成されている向きに沿って設けることが好ましい。
次に、本発明の金型の他の実施形態例を示して詳細に説明する。
本実施形態の金型2は、図3(A)に示すように、相対移動可能な一対の上型と下型を具備する。金型2は、上型と下型がそれぞれ直方体形状であり、図3(B)に示すように、上型と下型を閉じることで、キャビティ型31,41に発現する密閉空間として36,46が形成される。すなわち、金型2により、立体状の成形品を製造できる。
キャビティ型31,41の材質としては、第1実施形態のキャビティ型11で挙げた材質と同じ材質が挙げられ、好ましい態様も同じである。
加熱板32,42は、ρが4.0〜100μΩ・cmの磁性金属材料からなり、第1実施形態の加熱板12,22と同じものが挙げられ、好ましい態様も同じである。
本発明の熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法は、本発明の金型を用いた製造方法であって、下記工程を有する。
配置工程:金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を配置し、金型を閉じる。なお、予め、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を溶融させておき、キャビティ内に配置してもよい。この態様は、後述する第2実施形態においても採用可能である。
成形工程:誘導加熱コイルに電流を通じて磁性体(加熱板)を高周波誘導加熱し、加熱板から伝熱でキャビティを均一に加熱する。熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を加熱し、必要に応じて溶融させ、更に内部から圧力をかけることによって内圧成形する。なお、「必要に応じて溶融させ」るのは、配置工程で、溶融していない熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を配置した場合のことである。この態様は、後述する第2実施形態においても同様である。
冷却工程:前記成形工程の後に、前記加熱板の高周波誘導加熱を停止し、キャビティ型内の冷却回路に冷媒を流通させてキャビティ面を冷却し、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を固化する。
取り出し工程:前記冷却工程の後に、金型から熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品を取り出す。
この状態でチューブ内にガスを送入して加圧チューブ51を膨張させることで熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料Xを内側からキャビティ面16,26に密着させて、さらに加圧することができるようになっている。
以上の工程により、図8に例示した円筒状の熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品50が得られる。
以下、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の他の製造方法について説明する。該方法は、本発明の金型を用いた製造方法であって、下記工程を有する。
配置工程:金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を配置し、金型を閉じる。
成形工程:誘導加熱コイルに電流を通じて加熱板を高周波誘導加熱し、伝熱によりキャビティ型を成形温度まで加熱する。キャビティ内の熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を加熱し、必要に応じて溶融させ、次いで加圧して、金型内で圧縮成形する。
冷却工程:前記成形工程の後に、前記加熱板の高周波誘導加熱を停止し、キャビティ型内の冷却回路に冷媒を流通させてキャビティ面を冷却し、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を固化する。
取り出し工程:前記冷却工程の後に、金型から熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品を取り出す。
図1に例示した構造の金型を製作した。上型、下型とも全く同じ仕様とした。キャビティ型は、上型と下型を向き合わせて閉じたときに、直径50mmの円柱状のキャビティが形成されるようなキャビティ面を有し、上型と下型との接触面の幅が左右両側とも25mm、長手方向の長さが300mmであり、アルミニウム1000製(20℃における熱伝導率240W/m/K)のものを使用した。
冷却回路は、キャビティに直径6.0mmの貫通孔を開け、金型外は直径6.0mmの市販の銅管(非磁性体、ρ=1.69μΩ・cm、株式会社コベルコマテリアル製)を使用し、図10に示すように連通し、片側につき6本、合計13本をスネーク状に配置した。上型、下型それぞれまとめて冷却水を流せるようにした。
誘導加熱コイルは、直径10mmの市販の銅管(株式会社コベルコマテリアル製)の表面を絶縁コーティングしたものを用い、コイルケース内に、図11に示すように、銅管の間隔が10mmとなるよう渦状に配置した。コイルケースは、厚さ8mm、幅50mmの石綿スレート板製により枠組した。加熱板は、鉄鋼(磁性体、ρ=10.0μΩ・cm、厚さ5mm)を使用した。
キャビティ型として、アルミニウム板の代わりに同じ寸法のジュラルミンA2017(アルミニウム−銅合金、20℃における熱伝導率230W/m/K)を使用した以外は、実施例1と全く同じ仕様、構成で金型を作製し、実施例1と同じ条件で誘導加熱を行った。その結果、約55秒でキャビティ型の温度が300℃に達した。誘導加熱を中止し、冷却回路に冷却水を通水したところ、キャビティ表面温度が20秒で80℃まで下がった。
キャビティ型として、アルミニウム板の代わりに同じ寸法の炭素鋼(20℃の熱伝導率53W/m/K)を使用した以外は、実施例1と全く同じ仕様、構成で金型を作製し、実施例1と同じ条件で誘導加熱を行った。その結果、キャビティ型の温度が平均250℃に達するのに340秒かかった。キャビティの最高温度と最低温度の差は72℃であった。誘導加熱を中止し、冷却回路に冷却水を通水したところ、キャビティ表面温度が45秒で80℃まで下がった。
以上のように、本発明の金型は、キャビティ型の加熱及び冷却が急速に行え、またキャビティ面の温度分布が均一であるため、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品をハイサイクルで表面外観ムラのない成形ができる。
10:上型、20:下型、11:上キャビティ型、21:下キャビティ型、12:上型発熱磁性体、22:下型発熱磁性体、13:上型誘導加熱コイルケース、23:下型誘導加熱コイルケース、14:上型冷却回路(冷却管)、24:下型冷却回路(冷却管)、15:上型加熱コイル、25:下型加熱コイル、16:上型キャビティ、26:下型キャビティ
<金型2>
30:上型、40:下型、31:上キャビティ型、41:下キャビティ型、32:上型発熱磁性体、42:下型発熱磁性体、33:上型誘導加熱コイルケース、43:下型誘導加熱コイルケース、34:上型取り付け板、44:下型取り付け板、35:上型側板、45:下型側板、36:上型キャビティ、46:下型キャビティ、37:上型冷却回路(冷却管)、47:下型冷却回路(冷却管)、38:上型加熱コイル、48:下型加熱コイル、
50:熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品、 51:加圧チューブ、
X:熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料、
Y:成形前熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料
Z:成形後熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料
Claims (6)
- 20℃における熱伝導率が100〜450W/m/Kである非磁性金属材料により形成されたキャビティ面を有する一対のキャビティ型を具備し、前記一対の型のそれぞれに、内部に冷媒を流通して前記キャビティ型を冷却するための、該型内を貫通する冷却回路を有し、かつ前記一対のキャビティ型の外面にそれぞれ20℃における固有抵抗値が4.0〜100μΩ・cmである高周波誘導により発熱する磁性体を密接し、かつ該磁性体の外面に誘導加熱コイルが設けられていることを特徴とする金型。
- 前記一対のキャビティ型がそれぞれアルミニウムまたはアルミニウム系合金により形成されている、請求項1に記載の金型。
- 前記一対のキャビティ型表面が、窒化金属コート、炭化金属コート、金属メッキのいずれかで処理されたアルミニウムまたはアルミニウム系合金により形成されている、請求項1に記載の金型。
- 前記一対のキャビティ型のそれぞれの厚さが、5〜150mmである請求項1〜3のいずれかに記載の金型。
- 請求項1〜4のいずれかに記載の金型を用いた熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、
加圧チューブの周囲に巻き付けた熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を、該加圧チューブがキャビティの長手方向に沿うように、前記金型のキャビティ内に配置して該金型を閉じる配置工程と、
前記誘導加熱コイルに電流を通じて磁性体を高周波誘導加熱し、熱伝導によりキャビティ型を熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料の成形温度に調節した後、前記加圧チューブを加圧して膨張させ、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料をキャビティ面に内側から密着させ、熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料に内部から圧力をかけて内圧成形する成形工程と、
前記成形工程の後に、前記高周波誘導加熱を停止し、前記冷却回路に冷媒を流通させてキャビティ面を冷却し、前記熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を固化する冷却工程と、
前記冷却工程の後に、金型から熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品を取り出す取り出し工程と、
を有する熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法。 - 請求項1〜4のいずれかに記載の金型を用いた熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法であって、
前記金型のキャビティ内に熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を配置する配置工程と、
前記誘導加熱コイルに電流を通じて磁性体を高周波誘導加熱し、熱伝導によりキャビティ型を熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料の成形温度に調節した後、金型で熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を圧縮成形する成形工程と、
前記成形工程の後に、前記高周波誘導加熱を停止し、前記冷却回路に冷媒を流通させてキャビティ面を冷却し、前記熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料を固化する冷却工程と、
前記冷却工程の後に、金型から熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品を取り出す取り出し工程と、
を有する熱可塑性樹脂系繊維強化複合材料成形品の製造方法。
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