JP5845531B2 - 炭素繊維部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維部材の技術、特に、炭素繊維部材の製造方法、及びその方法を用いて製造された炭素繊維部材に関する。

科学技術の発展及び適用要求の増大に伴って、多様な電子製品が集積されていて、軽さ及び薄さに対する開発傾向が次第に示されてきている。一方で、集積された製品が同じ性能を有するという前提において、好ましい外観効果を備えた製品が使用者の選択に直に影響を与えている。

例えば、携帯電話の最近の傾向は、軽くて薄く、大型スクリーンを有することである。大型スクリーン、軽さ、及び薄さを備えた設計を採用すると、携帯電話の筐体の強度が低下することは明らかである。従って、携帯電話の筐体を製造するための既存の設計では、より高い比強度を備えた材料が一般的に選択される。炭素繊維複合材は、機械的特性の優れた新規材料である。ステンレス鋼と比較して、炭素繊維複合材の比重はステンレス鋼のものの１／４未満であるが、その引っ張り強度は、ステンレス鋼のものの７〜９倍である。現在、炭素繊維複合材は多様な技術分野において広く応用されていて、また、携帯電話や他の支圧部材の筐体に適用されることも多い。特に、炭素繊維シートの表面上の特別なウィービングテクスチャは、優れた外観及び視界的効果をもたらすことができる。

従来技術において、多層の炭素繊維シートを、熱硬化接着剤を用いて取り付けて積層させた後に、熱成形して、そして、後の段階で、コンピュータ数値制御（ＣＮＣ，ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ）機械を用いて、カード留め具等のコーディネート構造に加工及び製造する。しかしながら、この方法は、その独自の特性によって制限され、以下の克服不可能な欠点を有する：（ａ）多層の炭素繊維シートの圧縮成形には、比較的長い時間がかかり（熱成形＋冷間成形）、生産性が低く、コストが高いこと；（ｂ）多層の炭素繊維シートが熱硬化接着剤を用いて取り付けられるので、この処理によって得られたカード留め具構造は比較的脆く、強度が不十分であること；（ｃ）部材の圧縮成形中に、炭素繊維シートが、伸びによって歪み、部材表面上における不均一な炭素繊維テクスチャの外観がもたらされ、外観の質に影響すること。

この点に鑑み、炭素繊維部材を製造するための既存の設計を最適化して、部材強度の効果的な向上を前提として、生産性や好ましい外観等の要求も考慮することができる新規方法を見出すことが急務である。

本発明において解決される技術的課題は、上記欠点に鑑みた炭素繊維部材の製造方法を提供することである。これに基づき、本発明は、更に、その製造方法を用いて製造された炭素繊維部材を提供する。

本発明は、
第一面にテクスチャを備えた膜を型の中に、膜の第二面が型の内壁に接するように配置するステップと、
型の射出ポートを介して、溶融した炭素繊維複合プラスチックを第一面に射出して、第一形状の部材を得るステップと、
材料除去法を用いて、第一形状の部材から第二形状の部材を得るステップと、を備えた炭素繊維部材の製造方法を提供することである。

従来技術と比較して、本発明の炭素繊維部材の製造方法は、インモールド装飾、射出成形、及び材料除去などの技術的手段を合理的に統合している。本方法では、インモールド装飾用の膜をキャリアとして用いて、外観に表されるテクスチャを形成することによって、好ましい外観効果に対する使用者の要求に応える。他の態様では、取り付け、積層、及び熱成形用に熱硬化接着剤を採用している従来の方法と比較して、射出成形は、生産効率を大幅に増大させて、従来技術の低生産性及び高コストの問題を効果的に解決することができる。更に、本方法は、射出成形及び材料除去法に基づいて、処理マージンを合理的に割り当てるので、射出成形における製品の厚さを比較的厚くすることができ、薄肉型等の特別な部品における低い許容生産率の問題を回避して、成形設備に対して比較的低い要件が課されて、処理コストを更に制御し得る。比較的高い部材強度を前提として、本製造方法を採用して製造された炭素繊維部材は、生産性や好ましい外観効果等の態様に対する要求に合致することができる。

本発明は、更に、上述の製造方法を用いて製造された炭素繊維部材を提供する。

本発明において提供される炭素繊維部材の製造方法は、支圧強度が要求される薄くて軽いタイプの部材、特に、多様な電子デバイスの薄肉型部材に適用可能である。

本発明の実施形態における技術的解決法をより明確に説明するため、以下、それら実施形態を説明するための添付図面について概説する。以下で説明される添付図面が、本発明の一部の実施形態のみを示していることは明らかであり、当業者は、創作的な苦労なく、添付図面とは異なる図面を想定することができるものである。

第一実施形態に係る炭素繊維部材の製造方法の流れ図である。 第一実施形態に係る炭素繊維部材の製造方法の各工程の簡略図である。 第二実施形態に係る炭素繊維部材の製造方法の流れ図である。

本発明の主題は、炭素繊維部材の製造方法を提供することであり、比較的高い生産性を満たすことを前提として、この製造方法を用いて製造された炭素繊維部材が、支圧強度及び好ましい外観効果に対する要求に合致することができるようにする。以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

一般性を損なうことなく、携帯電話を対象として、実施形態を説明する。この携帯電話に基づいた炭素繊維部材の製造方法の具体的な説明は、例えば、ノート型コンピュータ、ＰＡＤタブレット等の他の電子デバイスにも適用可能である。

筐体、筐体内にはめ込まれたディスプレイ（又は表示及び入力機能の両方を備えたもの）、及び携帯電話のボタンが、完全な携帯電話の外装部を構成し、その携帯電話の外装部の中に、アンテナ、電源及び電源制御モジュール、無線通信プロセッサ、無線周波数回路、携帯電話会社のＳＩＭカード（取り外し可能又は取り外し不可能）、多数の電話番号等の情報を記憶するための可変プログラマブルメモリ、言語処理モジュール、携帯番号を書き込むためのインターフェース等の電子素子が配置される。筐体以外の他の全ての機能的素子については従来技術通りであり得て、本願では更に説明しない。

図１を参照すると、図１は、第一実施形態に係る炭素繊維部品の製造方法の流れ図である。

本実施形態における携帯電話の筐体は、この製造方法を用いて製造される。理解を容易にするため、図２を参照すると、図２は、本実施形態における炭素繊維部材の製造方法の各工程の簡略図である。

本方法は、以下のステップに従って実行される：
ａ． 所定の形状の膜１を作製するステップ。膜の第一面１１はテクスチャを有する。

このテクスチャは、インクコーティング法を採用することによって形成され得る。装飾テクスチャを得るため、エンボス加工法を採用することが好ましい。所定の形状の膜を作製するステップは、この応用における炭素繊維部材を製造するための方法の任意の／好ましいステップであることを理解されたい。

ｂ． ステップａで得られた膜を型（モールド）２の中に配置するステップ。膜１の第二面１２が型２の内壁に接する。射出成形が完了した後に、第二面１２が、携帯電話の筐体の外面上に形成される。

ｃ． 型を閉じて、溶融した炭素繊維複合プラスチックの射出を行うステップ。好ましくは、射出ポート３を、膜１の第一表面１１と同じ側に設けて、第一面に溶融した炭素繊維複合プラスチックを射出して、炭素繊維複合プラスチックを本体として備えた筐体基板を形成する。

ｄ． 型を開けて、第一形状の筐体を得るステップ。

ｅ． 材料除去法を用いて、第一形状の筐体から第二形状の筐体を得るステップ。第二形状は筐体の所定の形状と同一である。本明細書において、所定の形状は製品設計形状である。このステップに含まれる物質除去法は、筐体の肉厚の処理を含み、また、カード留め具等のエンティティ機能構造、及びホールやスロット（図示せず）等の具体的な機能構造の処理も含む。

本方法は、ＩＭＬ（Ｉｎ‐ｍｏｌｄ‐ｌａｂｅｌ，インモールドラベル）法を採用し、膜１を、装飾テクスチャを表すためのキャリアとして用い、表示機能や外観効果の要求に応じて予測される触感を得て、好ましい外観を有するようにする。更に、テクスチャは膜１の内面に取り付けられるので、色の変化や退色等の現象が生じず、装飾効果が一貫性のあるものになる。一方、筐体の積層では、射出成形用の炭素繊維複合プラスチックを採用し、従来技術と比較して、生産性を顕著に上昇させて、比較的高い強度を有する。また、具体的な実施プロセス中に、当業者は、射出成形及び材料除去法に基づいて、処理マージンを適宜決定することができ、これは、射出成形工程における技術的コストを顕著に下げることができる。

本方法で用いられる膜１の材料は、実際の状況に応じて選択され得て、例えば、ＰＥＴプラスチックやＰＣプラスチックを採用する。膜１の第一面１１上のテクスチャは、炭素繊維シートのテクスチャであり得て、その有機的な平面の性質は、実際の炭素繊維テクスチャのものと厳密に同じであり得る。更に、エンボス加工によって、三次元パターンを形成することもできる。つまり、対応するパターンの内側にくぼんだ深さも、実際の炭素繊維テクスチャのものと同一であり、製品の豊かさが増大して、使用者に、より豊かな外観と、実際の材料そのままの触感を与える。

また、三次元パターン設計は、溶融した炭素繊維複合プラスチックを、毛細管作用で内側にくぼんだパターンに入れることも可能にし得て、これは、膜１と溶融した炭素繊維複合プラスチックとの間の比表面積を増大させることによって、固化後の両者の接続安定性を増大させて、膜１がひび割れることを効果的に防止する。

この三次元パターンの内側にくぼんだ深さも、材料除去法によって形成され得る点を理解されたい。

ベース材料として機能する膜１の炭素繊維シートの厚さは比較的薄い。必然的に、材料除去法を用いた炭素繊維シートテクスチャの形成には、比較的技術的コストの高い技術的手段が必要とされる。従って、エンボス加工法を用いて膜１の第一面１１上に三次元炭素繊維テクスチャを形成することが、最適な解決法である。

上記解決法では、膜１の第一面１１上のテクスチャは炭素繊維シートテクスチャである。より個人仕様の審美的効果を得るために、他の人工パターンのテクスチャも設計可能であることは明らかである。社会の発展並びに科学技術及び経済の急速な発展に伴い、消費者は個人仕様の好みを益々追及し続けている。従って、携帯電話の筐体のテクスチャ設計も進歩し続けていて、例えば、高度にデジタル化された三次元パターンや、機械加工中に残る痕跡のシミュレーション、木材や毛皮や金属に直接触れたような触感に特性を近付けて製品の本物感を増大させるシミュレーションが挙げられる。

色彩設計も、テクスチャ設計において重要な役割を果たす。多様な人間の要求に応えるため、完全に同じパターンが、多様な色を有することもある。例えば、炭素繊維に対して最も一般的に使用される色は黒色又は白色である。本解決法は、よりカラフルな色も採用可能であり、例えば、メノウのピンク色、サンゴの青色、ワインレッド色、サンライトオレンジ色、茶色、メタルグレー色等が挙げられる。こうした色は、膜１に対する印刷によって全て実現可能であり、携帯電話の筐体が多彩な色を有するようになる。

本実施形態における携帯電話の筐体等の薄肉型炭素繊維部材については、本方法の実際の実施工程における射出成形法の難しさ及び処理コストを考慮する必要がある。生産試験によって、厚さ０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの炭素繊維複合プラスチック層を備えて設計された筐体製品について、又は、第二形状の部材の厚さ０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの炭素繊維複合プラスチック層を備えて設計された完成品について、上述の工程における第一形状の部材の炭素繊維複合プラスチック層の厚さが、１．０ｍｍ〜２．０ｍｍであると求められている。一態様では、この工程におけるサイズ構成は、炭素繊維複合プラスチックの流動性に効果的に適合することができ、また、半完成品の射出成形の効率を保証することを前提として、この工程における成型デバイスの選択における要求を低下させることができる。他の態様では、複雑な製品構造を実現し得て、材料除去法の処理マージン及び処理コストを最大限制御し得る。

また、好ましくは、材料除去法は、対応する材料を除去するのにＣＮＣ（コンピュータ数値制御）機械を採用する。ＣＮＣ機械は、以下の特徴を有する：高い処理精度が安定した処理品質を提供すること；多数のコーディネートの結合を行うことができて、複雑な形状の一部を処理することができること；一般的機械の通常３〜５倍の高い生産性；作業者の労働集約度を緩和し得る高い自動化度；製品の品質の簡単な管理のためのバッチ製造。従って、生産性を更に増大させて、製品の精度を制御するために、ＣＮＣ機械を採用し得る。

溶融した炭素繊維複合プラスチックが、流動プロセス中に上述のテクスチャの取り付けの安定性に影響を与えることを防止するため、具体的な射出成形法を考慮して合理的に、パラメータを更に最適化し得る。好ましくは、溶融した炭素繊維複合プラスチック用の射出成形圧力は、１００ＭＰａ以下であり、射出速度は６０ｍｍ／ｓ以下である。生産試験によって、厚さ０．３ｍｍ〜０．６ｍｍの炭素繊維複合プラスチック層を備えて設計された筐体製品について、射出成形圧力が７０ＭＰａであり、射出速度が３０ｍｍ／ｓである場合に、生産性及び歩留まりを考慮した最適な効果が達成可能であると求められている。

上記第一実施形態に係る炭素繊維部材の製造方法において、ステップａは、炭素繊維部材の製造方法における任意の好ましいステップである。この点に基づき、本願は、更に、炭素繊維部材の製造方法に関係した他の実施形態を提供する。詳細について図３を参照すると、図３は、第二実施形態に係る炭素繊維部材の製造方法の流れ図である。

本方法は、以下のステップに従って実施される：

ｂ． 所定の形状の膜１を型２の中に配置するステップ（膜１の第一面１１はテクスチャを有し、膜１の第二面１２が型２の内壁に接する）。射出成形が完了した後に、第二面１２が、携帯電話の筐体の外面上に形成される。

ｃ． 型を閉じて、溶融した炭素繊維複合プラスチックの射出を行い、本体として炭素繊維複合プラスチックを備えた筐体基板を形成するステップ。

ｄ． 型を開けて、第一形状の筐体を得るステップ。

ｅ． 材料除去法を用いて第一形状の筐体から第二形状の筐体を得るステップ（第二形状は、筐体の所定の形状と同一である）。

本発明の炭素繊維携帯電話筐体の製造方法に関する技術的思想は、ＰＡＤコンピュータやノートブック型コンピュータ等の電子デバイスの他の筐体や支圧部材にも適用可能である。

上述の説明は、本発明の例示的な実施形態についてのものに過ぎない。当業者は、本発明の原理から逸脱せずに、複数の改良及び修正を行うことができて、そのような改良及び修正も本発明の保護範囲内に存するものであることに留意されたい。

１ 膜
１１ 第一面
１２ 第二面
２ 型
３ 射出ポート

Claims (7)

1. 第一面にテクスチャを備えた膜を型の中に、前記膜の第二面が前記型の内壁に接するように配置するステップと、
   前記型の射出ポートを介して、溶融した炭素繊維複合プラスチックを前記第一面に射出して、第一形状の部材を得るステップと、
   材料除去法を用いて、前記第一形状の部材から第二形状の部材を得るステップと、を備えた炭素繊維部材の製造方法であって、
   前記炭素繊維部材が電子デバイスの筐体であり、
   前記第一形状の部材の炭素繊維複合プラスチック層の厚さが１．０ｍｍ〜２．０ｍｍであり、前記第二形状の部材の炭素繊維複合プラスチック層の厚さが０．３ｍｍ〜０．６ｍｍである、炭素繊維部材の製造方法。
2. 前記部材が薄肉型部材である、請求項１に記載の炭素繊維部材の製造方法。
3. 前記溶融した炭素繊維複合プラスチックの射出成形圧力が１００ＭＰａ以下であり、射出速度が６０ｍｍ／ｓ以下である、請求項１又は２に記載の炭素繊維部材の製造方法。
4. 前記材料除去法が、コンピュータ数値制御機械を用いて対応する材料を除去する、請求項１から３のいずれか一項に記載の炭素繊維部材の製造方法。
5. 前記テクスチャが、エンボス加工法を用いて形成された炭素繊維テクスチャである、請求項１から４のいずれか一項に記載の炭素繊維部材の製造方法。
6. 前記炭素繊維テクスチャが特に三次元パターンである、請求項５に記載の炭素繊維部材の製造方法。
7. 前記膜の材料が特にＰＥＴプラスチック又はＰＣプラスチックである、請求項１から６のいずれか一項に記載の炭素繊維部材の製造方法。