JP5956187B2 - 立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法 - Google Patents
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Description
本発明は、熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂をマトリクス樹脂とした繊維強化複合材料であって、箱型、平板、カギ型などのシェル構造に、例えばリブやねじ孔などの立体的な補強構造（以下、「立体添加物」という。）を有する立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法に関するものである。
従来、箱型、平板、カギ型などのシェル構造に、例えばリブやねじ孔などの立体的な補強構造などとされる立体添加物を備えた立体添加物付き繊維強化プラスチックを一体化された成形体として成形する方法が種々提案されている。
特許文献１は、繊維強化した熱硬化樹脂シートで成形された第１成形品と、射出成形にて成形された熱可塑性合成樹脂から成形された第２成形品とからなる合成樹脂製複合成形体であって、前記第１成形品と前記第２成形品とが熱融着により一体化されていることを特徴とする。同方法は強化繊維と熱硬化性樹脂にて成形されたシェル構造の繊維強化プラスチックを射出成型の型にセットしてから、熱可塑性樹脂を射出成形にて熱融着によりシェル構造に取り付けるものである。
特許文献１に記載の成形は、熱硬化性樹脂によるＦＲＰ成形と、その後の射出成形の２段成形となりコストがかかる。
特許文献２は、実質的に２次元ランダムに配向しかつ特定の開繊状態を満たす炭素繊維が熱可塑性樹脂中に存在する複合材料からなるランダム層と、炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向材と熱可塑性樹脂とからなる一方向材層とを有する成形体とすることで、剛性に優れた炭素繊維複合材料を成形するものである。繊維長５ｍｍ超１００ｍｍ以下の炭素繊維と熱可塑性樹脂とから構成されるランダム層と、炭素繊維が一方向に引き揃えられた一方向材と熱可塑性樹脂とからなる一方向材層とをプレス成形して得られる炭素繊維複合成形体である。
特許文献２に記載の技術では比較的大型な成形物としての成形には適するが、細かなリブ構造やねじ孔などを成形すると付加する立体構造部分の形状が不安定になることや、高さの高い立体構造が成形し難い。
特許文献３には、長繊維基材とＳＭＣなどの短繊維基材とを組み合わせて、リブ構造を有する車両用フードの成形方法が記載されている。特許文献３の成形方法は、比較的大型の成形物に適用されるものである。
本発明者らは、上記特許文献１、２、３に記載する技術の問題点を解決するために多くの研究実験を行った結果、使用する強化繊維の繊維長さ、含有量、更には、金型の構造、などを調整することによって、一方向や織物形状の連続の強化繊維によるシェル構造に、ねじ孔や細かなリブ構造を有する繊維強化プラスチック成形体を１回のプレス成形にて短時間に成形し得ることを見出した。
本発明は斯かる本発明者らの新規な知見に基づきなされたものである。
本発明の目的は、箱型、平板、カギ型などのシェル構造に、リブやねじ孔などの立体的な補強構造を有する立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法を提供することである。
本発明の他の目的は、箱型、平板、カギ型などのシェル構造に、リブやねじ孔などの立体的な補強構造を有する立体添加物付き繊維強化プラスチックを１回のプレス成形にて短時間に成形することのできる立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法を提供することである。
上記目的は本発明に係る立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法にて達成される。要約すれば、本発明は、繊維長さが０．０１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下の長さの短繊維が５〜５０ｗｔ％の配合量でランダム配向されたシート状、フレーク状或いはペレット状の熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂とされる短繊維強化樹脂と、
熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂が含浸された一方向或いは織物の連続強化繊維プリプレグと、
を有する繊維強化プラスチック材を、外金型及び内金型を有する金型による１回のプレス成形により、前記連続強化繊維プリプレグと前記短繊維強化樹脂にて成形された連続繊維層と短繊維層の積層体から成るシェルと、前記短繊維強化樹脂にて成形された立体添加物とを有する繊維強化プラスチック成形体を成形する方法であって、
前記外金型及び前記内金型は、互いに組み合わせて成形加工状態に配置された時、互いに対向配置されて前記外金型と前記内金型との間に前記繊維強化プラスチック成形体を形成するための成形空間を形成する鍔部分を有しており、
前記鍔部分は、前記成形空間から外方へと２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下にて前記外金型及び前記内金型の外周辺に延在して形成されており、
対向配置された前記両金型の前記鍔部分のクリアランスを、成形しようとする前記繊維強化プラスチック成形体の前記シェルの板厚（ｔｍｍ）に対して０．５・ｔ（ｍｍ）以上、０．７５・ｔ（ｍｍ）以下に調整することによって、プレスの圧力を生じさせ、このプレスの圧力によって、樹脂を流動させて前記鍔部分のクリアランスに樹脂をはみ出させることを特徴とする立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法である。
熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂が含浸された一方向或いは織物の連続強化繊維プリプレグと、
を有する繊維強化プラスチック材を、外金型及び内金型を有する金型による１回のプレス成形により、前記連続強化繊維プリプレグと前記短繊維強化樹脂にて成形された連続繊維層と短繊維層の積層体から成るシェルと、前記短繊維強化樹脂にて成形された立体添加物とを有する繊維強化プラスチック成形体を成形する方法であって、
前記外金型及び前記内金型は、互いに組み合わせて成形加工状態に配置された時、互いに対向配置されて前記外金型と前記内金型との間に前記繊維強化プラスチック成形体を形成するための成形空間を形成する鍔部分を有しており、
前記鍔部分は、前記成形空間から外方へと２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下にて前記外金型及び前記内金型の外周辺に延在して形成されており、
対向配置された前記両金型の前記鍔部分のクリアランスを、成形しようとする前記繊維強化プラスチック成形体の前記シェルの板厚（ｔｍｍ）に対して０．５・ｔ（ｍｍ）以上、０．７５・ｔ（ｍｍ）以下に調整することによって、プレスの圧力を生じさせ、このプレスの圧力によって、樹脂を流動させて前記鍔部分のクリアランスに樹脂をはみ出させることを特徴とする立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法である。
本発明の一実施態様によると、前記鍔部分のうち前記成形空間から少なくとも１５〜３０ｍｍの間には、前記クリアランスを樹脂流動方向へと０．１°以上、２０°以下の勾配をつけ徐々に狭くすることによって、プレスの圧力を前記金型内部の前記成形空間に生じさせて前記短繊維強化樹脂を流動させる。
本発明の他の実施態様によると、前記連続強化繊維プリプレグの樹脂及び前記短繊維強化樹脂の樹脂が熱可塑性樹脂である場合、前記繊維強化プラスチック材を当該熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に予備加熱した後に、該融点よりも低い温度に調整した前記金型でプレス成形する。
本発明の他の実施態様によると、前記連続強化繊維プリプレグの樹脂及び前記短繊維強化樹脂の樹脂が熱硬化性樹脂である場合、前記繊維強化プラスチック材を該熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い温度に調整した前記金型でプレス成形する。
本発明によれば、箱型、平板、カギ型などのシェル構造に、リブやねじ孔などの立体的な補強構造を有する立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体を高精度に成形することができる。また、本発明によれば、箱型、平板、カギ型などのシェル構造に、リブやねじ孔などの立体的な補強構造を有する立体添加物付き繊維強化プラスチックを１回のプレス成形にて短時間に成形することができる。
以下、本発明に係る立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法を図面に則して更に詳しく説明する。
実施例１
図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の一実施例に従った立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法について説明する。
図１（ａ）、（ｂ）及び図２（ａ）、（ｂ）を参照して本発明の一実施例に従った立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法について説明する。
本発明によれば、図１（ａ）及び図２（ａ）、（ｂ）に示すように、連続繊維の強化繊維にマトリクス樹脂が含浸された連続強化繊維プリプレグ１１と、所定の繊維長さとされる短繊維の強化繊維が所定量配合された短繊維強化樹脂１２とを有する繊維強化プラスチック材１０が使用される。この繊維強化プラスチック材１０は、図１（ａ）に示すように、金型１００（例えば、内金型１０１及び外金型１０２）にて１回のプレス成形を行い、その時のプレス圧力によって短繊維強化樹脂１２を流動させ、それによって、図１（ｂ）に示すように、連続繊維強化プラスチック層（連続繊維層）１１Ａ及び短繊維強化プラスチック層（短繊維層）１２Ａの積層体から成るシェル１Ａと、短繊維強化プラスチック層１２Ａからなる立体的添加物２Ａとを備えた立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体１を成形する。
更に説明すると、連続強化繊維プリプレグ１１は、一方向或いは織物とされる強化繊維に熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂が含浸された一方向或いは織物の連続強化繊維プリプレグとされる。
強化繊維としては、炭素繊維が最も好ましいが、その他、種々の繊維を使用し得る。例えば、強化繊維としては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、バサルト繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；更には、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。
また、樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。
連続強化繊維プリプレグ１１は、強化繊維を一方向に引き揃えて形成された強化繊維シートに樹脂を含浸させて形成したＵＤ形状のプリプレグか、或いは、強化繊維を織成して形成された平織り、綾織り、朱子織り、などの織物に樹脂を含浸させて形成したクロスプリプレグとされる。樹脂含浸量は、３０〜７０ｗｔ％、好ましくは、４０〜６０ｗｔ％とされる。
一方、本発明によれば、短繊維強化樹脂１２は、強化繊維と樹脂とを含み、強化繊維は繊維長さが０．０１〜２．０ｍｍ（０．０１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下）の長さの短繊維とされ、樹脂は熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂とされる。短繊維強化樹脂１２において、強化繊維は、５〜５０ｗｔ％の配合量にて含まれている。短繊維強化樹脂１２は、強化繊維がランダムに配向されたシート状（図２（ｂ））、フレーク状或いはペレット状（図２（ａ））とされる。
本発明にて、上述のように、短繊維強化樹脂１２に配合される強化繊維は繊維長さが０．０１〜２．０ｍｍの長さの短繊維とされるが、繊維が３ｍｍ以上では、細かなリブ構造や、高さの高い立体構造の立体的添加物を成形すると、樹脂の流動性が悪化して微細構造の形成が難しく、十分な高さの立体構造の成形が難しい。繊維長さが０．０１未満では、短繊維強化樹脂１２としての十分な強度を得ることができない。
また、強化繊維は、５〜５０ｗｔ％（５ｗｔ％以上、５０ｗｔ％以下）の配合量にて含まれているが、含有量が５０ｗｔ％を超えると、やはり樹脂の流動性が悪化して、微細構造の形成が難しく、十分な高さの立体構造の成形が難しい。また、含有量が５ｗｔ％未満では、固化後の熱収縮によって構造体に歪みが生じることがあり、樹脂中に繊維が５ｗｔ％以上含まれることが必要である。好ましくは、繊維長さは０．３〜１．０ｍｍ、繊維の配合量は、５〜３０ｗｔ％である。
短繊維強化樹脂１２に使用する強化繊維及び樹脂は、上記連続強化繊維プリプレグ１１と同様とし得る。つまり、強化繊維としては、炭素繊維が最も好ましいが、その他、種々の繊維を使用し得る。例えば、強化繊維としては、炭素繊維の他に、ガラス繊維、バサルト繊維；ボロン繊維、チタン繊維、スチール繊維などの金属繊維；更には、アラミド、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンズビスオキサゾール）、ポリアミド、ポリアリレート、ポリエステルなどの有機繊維；が単独で、又は、複数種混入してハイブリッドにて使用することができる。
また、樹脂としては、上述のように、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を使用することができ、熱硬化性樹脂としては、常温硬化型或は熱硬化型のエポキシ樹脂、ビニールエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、又はフェノール樹脂などが好適に使用され、又、熱可塑性樹脂としては、ポリカーボネイト樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリエーテルケトンケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、アクリル樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ樹脂、ナイロン、ビニロンなどが好適に使用可能である。
本発明者らは、上述のように、短繊維強化樹脂１２と連続強化繊維プリプレグ１１とを備えた繊維強化プラスチック材１０を１回のプレス成形にて、特に、プレス成形時のプレスの圧力によって短繊維強化樹脂１２を流動させ、連続繊維強化プラスチック層（連続繊維層）１１Ａ及び短繊維強化樹脂層（短繊維層）１２Ａの積層体とされるシェル１Ａと、短繊維強化樹脂層（短繊維層）１２Ａによる立体的添加物２Ａと、にて構成される繊維強化プラスチック成形体１を好適に成形し得ることを見出した。
図１（ｂ）に示す繊維強化プラスチック成形体１の一例では、箱形の成形体１の外周の側面壁体及び底面壁体とされるシェル１Ａが、連続繊維強化プラスチック層（連続繊維層）１１Ａ及び短繊維強化プラスチック層（短繊維層）１２Ａの積層体とされ、底面壁体に形成された部品取り付け台部及びリブなどが短繊維強化プラスチック層（短繊維層）１２Ａによる立体的添加物２Ａである。
本発明の成形方法では、プレス成形するときの金型１００の内部に圧力をかけることが重要である。
つまり、プレス時の金型１００の、即ち、内金型１０１と外金型１０２とにて形成される成形空間Ｖ（図４（ｃ）参照）の上面のクリアランスＣＬを小さくすることで、金型１００を押し切る直前に、金型上面の成形空間Ｖの周辺部分が密閉され、内部に圧力がかかる構造にすることが必要である。斯かる構造とすることで、その圧力で短繊維強化樹脂１２が流動し、短繊維強化樹脂１２が金型内のリブ構造やねじ孔構造、また高さの高い（幅に対して５倍以上の）立体構造部分に緻密に入り込む。
短繊維強化樹脂１２中の繊維が長かったり、繊維量が多すぎると、金型内の細部まで樹脂が充填されず、正確な立体構造を得ることが難しい。また、固化後の冷却による収縮で部材が歪まないようにするには、ある程度の繊維量（５〜５０ｗｔ％）を含む樹脂が好ましい。
次に、本発明に従って構成される金型１００について更に説明する。図４（ａ）〜（ｃ）には、詳しくは後述するように、本発明の作用効果を立証するための具体例１、２にて使用した金型１００（内金型１０１、外金型１０２）を示す。
図４（ａ）の（イ）、（ロ）は、それぞれ、上金型（内金型）１０１の中央縦断面図及び中央横断面図である。また、図４（ｂ）の（イ）、（ロ）は、それぞれ、下金型（外金型）１０２の中央縦断面図及び中央横断面図である。
一般的に言えば、外金型１０２は凹部１０２Ａを備えており、内金型１０１は外金型１０２の凹部１０２Ａに嵌り合う凸部１０１Ａを備えている。成形加工時には、内金型１０１の凸部１０１Ａが外金型１０２の凹部１０２Ａに組み合わせられ、成形加工状態に配置された時、互いに対向配置されて外金型１０２と内金型１０１との間に繊維強化プラスチック成形体１を形成するための成形空間（Ｖ）（図４（ｃ）参照）が形成される。実際の成形加工時には、この成形空間Ｖに本発明に従って構成される繊維強化プラスチック材１０が配置され、内金型１０１と外金型１０２とにてプレス成形されることとなる。
また、本発明に従った金型１００は、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、内金型１０１の凸部１０１Ａ、及び、外金型１０２の凹部１０２Ａの外周辺エッジ部分には、それぞれ、鍔部分１０１ａ、１０２ａが形成されている。この鍔部分１０１ａ、１０２ａは、図４（ｃ）に示すように、内金型１０１及び外金型１０２が互いに組み合わせられて成形加工状態に配置された時、凸部１０１Ａ及び凹部１０２Ａにて形成される成形空間Ｖを閉空間とするべく互いに対向配置される。
鍔部分１０１ａ、１０２ａは、内方端部、即ち、成形空間Ｖの上面から外方へと、幅Ｗ１０１ａ、Ｗ１０２ａが２０〜１００ｍｍ（２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下）にて延在している。
また、成形される繊維強化プラスチック成形体１の外周辺エッジ部分に形成した鍔部分１０１ａ、１０２ａは、実際の成形加工時には密着することはなく、図４（ｃ）に示すように、両金型の鍔部分１０１ａ、１０２ａは、所定のクリアランス（間隙）ＣＬを設けて設置される。本発明に従えば、両金型の鍔部分１０１ａ、１０２ａにて形成されるクリアランスＣＬは、成形しようとする繊維強化プラスチック成形体１におけるシェル部分１Ａに相当する成形空間Ｖの空隙、即ち、シェル１Ａの板厚（ｔ）（ｍｍ）（図３（ｂ）参照）の０．５以上、０．７５以下（０．５・ｔ（ｍｍ）≦ＣＬ≦０．７５・ｔ（ｍｍ））に調整することが必要である。
鍔部分のクリアランスＣＬを上述のように調整することによって、成形加工時に成形空間Ｖにプレス圧力を生じさせ、このプレス時の圧力によって、短繊維強化樹脂１２を成形空間Ｖから外周辺エッジ部分へと流動させることができる。
つまり、本発明によれば、上述のように、金型１００（内金型１０１、外金型１０２）には幅（Ｗ１０１ａ、Ｗ１０２ａ）が２０〜１００ｍｍの鍔部分１０１ａ、１０２ａを設け、外金型（下金型）１０２と内金型（上金型）１０１のクリアランスＣＬは、連続強化繊維プリプレグ１１と短繊維強化樹脂１２にて成形される成形物のシェル構造部分１Ａの厚み（ｔ）に対して、（０．５〜０．７５）・ｔ（ｍｍ）の範囲に調整される。
本発明では、金型１００の鍔部分１０１ａ、１０２ａは、幅（Ｗ１０１ａ、Ｗ１０２ａ）が２０〜１００ｍｍとされ、該鍔部分内で短繊維含有樹脂を冷え固まらせることによって金型内へとプレス圧力を生じさせてリブ及びボス等の立体添加物を成型させる。鍔部分１０１ａ、１０２ａが２０ｍｍ未満の場合は、鍔部分１０１ａ、１０２ａ内で樹脂を急速に固まらせることが必要となり、金型温度を低くする必要がある。そのため、金型内の樹脂も十分な流動ができないままプレスト中で硬化してしまい、シェル部板厚（ｔ）などが所定の寸法以上で成形されることとなる。また、良好なリブ構造等ができなくなる虞がある。また、鍔部分１０１ａ、１０２ａが１００ｍｍを超える場合は、この１００ｍｍを超える鍔部分１０１ａ、１０２ａに樹脂を流動させて固化させようとすると、そのためには、金型温度を高くする必要がある。これにより、樹脂は十分な流動性を持って鍔部分１０１ａ、１０２ａを移動することとなる。そのため、金型内にプレス圧力を保持させるためには樹脂の逃げが多すぎて、プレス圧力を保持させることが困難となる。そのため、プレス中に圧力が逃げ易くなり、良好なリブ構造等が成形できなくなる。
また、クリアランスＣＬが０．５・ｔ（ｍｍ）より小さいときは、長繊維基材である連続強化繊維プリプレグ１１の厚みと、短繊維強化樹脂１２からのはみ出した樹脂がクリアランスＣＬを埋め尽くしてしまい、所定の厚みまで押し切ることが出来ず、寸法通りに仕上げることが出来ない。また、０．７５・ｔ（ｍｍ）よりも大きなクリアランスＣＬを設けると、短繊維強化樹脂１２からのはみ出し樹脂で十分クリアランスＣＬが埋まりきらず、内部の圧力が逃げてしまい平滑な表面に仕上がらない。
鍔部分１０１ａ、１０２ａには内側端部（成形空間Ｖ）から外方へと、即ち、短繊維強化樹脂１２の流動方向へと、少なくとも、幅Ｗ１０１ａ（Ｗ１０２ａ）が１５〜３０ｍｍの範囲に０．１〜２０°（０．１°以上、２０°以下）の内勾配（θ）をつけて、外側になるほど徐々にクリアランスＣＬが狭くなるような加工を施すことが好ましい。図４（ｃ）には、勾配（θ）は、外金型１０２の鍔部分１０２ａに設けるものとして図示されているが、勿論、内金型１０１の鍔部分１０１ａの側に設けてもよく、或いは、両鍔部分１０１ａ、１０２ａの両方に設けてもよい。
上述したように、本発明では、短繊維強化樹脂１２及び連続繊維強化プリプレグ１１に使用する樹脂は熱可塑性樹脂でも、熱硬化性樹脂でも良いが、短繊維強化樹脂１２及び連続繊維強化プリプレグ１１に熱可塑性樹脂を使用した場合は、短繊維強化樹脂１２及び連続繊維強化プリプレグ１１から成る繊維強化プラスチック材１０を熱可塑性樹脂の融点より高い温度に予備加熱した後に、樹脂の融点よりも低い温度に調整された金型１００にてプレス成形することで成形できる。
また、短繊維強化樹脂１２及び連続繊維強化プリプレグ１１に熱硬化性樹脂を使用した場合には、樹脂が硬化する温度より高い温度に金型１００を予備加熱熱してから、短繊維強化樹脂１２及び連続繊維強化プリプレグ１１から成る繊維強化プラスチック材１０を該金型１００でプレス成形して、硬化終了後に金型１００を開放することで成形可能である。
図２、図３を参照して、本発明の補強方法を更に具体的に説明する。
（具体例１）
図３に、本具体例にて成形した立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体（以下、単に「成形体」という。）１の全体構成を示す。
図３に、本具体例にて成形した立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体（以下、単に「成形体」という。）１の全体構成を示す。
本具体例の成形体１は、外形寸法が、幅（Ｗ０）６０ｍｍ、長さ（Ｌ０）１００ｍｍ、高さ（Ｈ０）２０ｍｍとされる箱形シェル１Ａの内部に、高さ（Ｈ）１５ｍｍの十文字のリブ構造２Ａを有する構造体とされる。シェル１Ａの厚さｔは１ｍｍ、リブ２Ａの厚さｔ２Ａは１．５ｍｍとした。
上述したように、本具体例では、図４（ａ）〜（ｃ）に示す構造の金型１００を使用した。
本具体例にて使用した外金型１０２は、内寸法が、幅（Ｗ１０２）６０ｍｍ、長さ（Ｌ１０２）１００ｍｍ、深さ（Ｈ１０２）２０ｍｍで、幅（Ｗ１０２ａ）が２５ｍｍとされる鍔１０２ａの付いた鋼製の金型である。出隅部（Ｒ１０２ａ）は３ｍｍのＲ加工を施し、入り隅部（Ｒ１０２ｂ）は角形状のままとした。
本例にて使用した内金型１０１は、外寸法が、幅（Ｗ１０１）が５８ｍｍ、長さ（Ｌ１０１）が９８ｍｍ、高さ（Ｈ１０１）が１９．５ｍｍで、幅（Ｗ１０１ａ）が２５ｍｍとされる鍔１０１ａの付いた鋼製の金型である。また、内金型１０１には、リブ構造成形のための幅（Ｗ１０１ｂ）が１．５ｍｍで、深さ（Ｈ１０１ｂ）が１５ｍｍの溝１０１ｂを十文字の形状にて溝加工を施した。内金型１０１の出隅部（Ｒ１０１ａ）は２ｍｍのＲ加工を施し、入り隅部（Ｒ１０１ｂ）は角形状のままとした。
更に、外金型１０２の鍔部分１０２ａは、図４（ｃ）に示すように、内側（即ち、成形空間Ｖの側）に低くなるように、角度（θ）が少なくとも０．１°となるような傾斜（勾配）が付いており、本例では、角度（θ）が約０．３°とされ、外方端部では内面に比べて高さ（ｈ）が約０．１ｍｍ程度高くなっている。また、両鍔部分１０１ａ、１０２ａのクリアランスＣＬは０．５ｍｍとした。
本具体例にて使用した材料は以下の通りである。
・連続強化繊維プリプレグ（１１）
炭素繊維平織りクロスプリプレグ：Ｐｏｒｃｈｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ製（ＰＩＰＲＥＧ Ｃ／ＰＣ（商品名）（ポリカーボネイト樹脂の織物プリプレグ／炭素繊維目付け：１９６ｇ／ｍ2、樹脂含有率：４５ｗｔ％）
・短繊維強化樹脂（１２）
三菱レイヨン製（ＰＣ−Ｃ−３０：商品名）（炭素繊維の短繊維補強ポリカーボネイト樹脂ペレット／炭素繊維長さ：平均０．３ｍｍ、炭素繊維含有率：３０ｗｔ％）
図２に示すように、上記炭素繊維平織りクロスプリプレグ（連続強化繊維プリプレグ）１１を幅（Ｗ１１）１７０ｍｍ、長さ（Ｌ１１）２１０ｍｍに切断し、上記樹脂ペレット（短繊維強化樹脂）１２を２５ｇ、炭素繊維平織りクロスプリプレグ１１の中心部になるべく均等になるように乗せ、２辺をバネ付きのクリップで固定して、加熱オーブン中に放置して３００℃に加熱した。その後、このようにして得られた繊維強化プラスチック材１０を、金型１００にセットしてプレスした。金型温度は５０〜７０℃であった。
・連続強化繊維プリプレグ（１１）
炭素繊維平織りクロスプリプレグ：Ｐｏｒｃｈｅｒ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ製（ＰＩＰＲＥＧ Ｃ／ＰＣ（商品名）（ポリカーボネイト樹脂の織物プリプレグ／炭素繊維目付け：１９６ｇ／ｍ2、樹脂含有率：４５ｗｔ％）
・短繊維強化樹脂（１２）
三菱レイヨン製（ＰＣ−Ｃ−３０：商品名）（炭素繊維の短繊維補強ポリカーボネイト樹脂ペレット／炭素繊維長さ：平均０．３ｍｍ、炭素繊維含有率：３０ｗｔ％）
図２に示すように、上記炭素繊維平織りクロスプリプレグ（連続強化繊維プリプレグ）１１を幅（Ｗ１１）１７０ｍｍ、長さ（Ｌ１１）２１０ｍｍに切断し、上記樹脂ペレット（短繊維強化樹脂）１２を２５ｇ、炭素繊維平織りクロスプリプレグ１１の中心部になるべく均等になるように乗せ、２辺をバネ付きのクリップで固定して、加熱オーブン中に放置して３００℃に加熱した。その後、このようにして得られた繊維強化プラスチック材１０を、金型１００にセットしてプレスした。金型温度は５０〜７０℃であった。
本具体例では、成形体箱形シェル部分１Ａの厚み（ｔ）は１ｍｍに対して、鍔部分１０１ａ、１０２ａの金型のクリアランスＣＬは０．５ｍｍとなり、プレスする瞬間に溶融したペレット樹脂が上昇して、鍔部分１０１ａ、１０２ａのクリアランスＣＬを埋め尽くすため、金型内部全体に圧力がかかる形式とした。
この結果、図３（ａ）、（ｂ）に示すような成形体１を得ることができた。つまり、箱形シェル部分１Ａは、外層１１Ａと内層１２Ａとを有し、外層１１Ａは、長繊維の炭素繊維の平織りクロスの炭素繊維強化プラスチック層とされ、内層１２Ａは強化繊維として短繊維の炭素繊維を含む短繊維強化プラスチック層とされた。また、内部のリブ部２Ａは、箱形シェル部分１Ａの内層１２Ａと同じ樹脂材料のみにて成形された。
シェル１Ａの厚み（ｔ）１．０±０．０５ｍｍで、中央の十文字リブの高さ（Ｈ）１５ｍｍ、厚み（ｔ２Ａ）１．５ｍｍで、表面性が良好でリブ部の角欠けなどの無い良好な成形品ができた。
具体例２
本具体例では、連続強化繊維プリプレグ１１として、一方向熱可塑性樹脂プリプレグを使用した。このプリプレグ１１は、Ｓｃｈａｐｐｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ製ＴＰＦＬ−ＵＤ（商品名）（ナイロン１２樹脂の一方向プリプレグ／炭素繊維目付２８８ｇ／ｍ2、樹脂含有量：６８ｗｔ％）であった。この一方向熱可塑性プリプレグを縦横２枚積層したものを、具体例１と同じ形状にカットし、具体例１と同じ熱可塑性樹脂ペレット１２を同量だけ乗せて、具体例１と同様にプレスした。
本具体例では、連続強化繊維プリプレグ１１として、一方向熱可塑性樹脂プリプレグを使用した。このプリプレグ１１は、Ｓｃｈａｐｐｅ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ製ＴＰＦＬ−ＵＤ（商品名）（ナイロン１２樹脂の一方向プリプレグ／炭素繊維目付２８８ｇ／ｍ2、樹脂含有量：６８ｗｔ％）であった。この一方向熱可塑性プリプレグを縦横２枚積層したものを、具体例１と同じ形状にカットし、具体例１と同じ熱可塑性樹脂ペレット１２を同量だけ乗せて、具体例１と同様にプレスした。
その結果、表面性が良好でリブ部の角欠けなどの無い良好な成形品ができた。
１ 添加物付き繊維強化プラスチック成形体
１Ａ シェル
２Ａ 立体添加物
１０ 繊維強化プラスチック材
１１ 連続強化繊維プリプレグ
１１Ａ 連続繊維強化プラスチック層（連続繊維層）
１２ 短繊維強化樹脂
１２Ａ 短繊維強化プラスチック層（短繊維層）
１００ 金型
１０１ 上金型（内金型）
１０１ａ 鍔部分
１０２ 下金型（外金型）
１０２ａ 鍔部分
１Ａ シェル
２Ａ 立体添加物
１０ 繊維強化プラスチック材
１１ 連続強化繊維プリプレグ
１１Ａ 連続繊維強化プラスチック層（連続繊維層）
１２ 短繊維強化樹脂
１２Ａ 短繊維強化プラスチック層（短繊維層）
１００ 金型
１０１ 上金型（内金型）
１０１ａ 鍔部分
１０２ 下金型（外金型）
１０２ａ 鍔部分
Claims (4)
- 繊維長さが０．０１ｍｍ以上、２．０ｍｍ以下の長さの短繊維が５〜５０ｗｔ％の配合量でランダム配向されたシート状、フレーク状或いはペレット状の熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂とされる短繊維強化樹脂と、
熱可塑性樹脂或いは熱硬化性樹脂が含浸された一方向或いは織物の連続強化繊維プリプレグと、
を有する繊維強化プラスチック材を、外金型及び内金型を有する金型による１回のプレス成形により、前記連続強化繊維プリプレグと前記短繊維強化樹脂にて成形された連続繊維層と短繊維層の積層体から成るシェルと、前記短繊維強化樹脂にて成形された立体添加物とを有する繊維強化プラスチック成形体を成形する方法であって、
前記外金型及び前記内金型は、互いに組み合わせて成形加工状態に配置された時、互いに対向配置されて前記外金型と前記内金型との間に前記繊維強化プラスチック成形体を形成するための成形空間を形成する鍔部分を有しており、
前記鍔部分は、前記成形空間から外方へと２０ｍｍ以上、１００ｍｍ以下にて前記外金型及び前記内金型の外周辺に延在して形成されており、
対向配置された前記両金型の前記鍔部分のクリアランスを、成形しようとする前記繊維強化プラスチック成形体の前記シェルの板厚（ｔｍｍ）に対して０．５・ｔ（ｍｍ）以上、０．７５・ｔ（ｍｍ）以下に調整することによって、プレスの圧力を生じさせ、このプレスの圧力によって、樹脂を流動させて前記鍔部分のクリアランスに樹脂をはみ出させることを特徴とする立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法。 - 前記鍔部分のうち前記成形空間から少なくとも１５〜３０ｍｍの間には、前記クリアランスを樹脂流動方向へと０．１°以上、２０°以下の勾配をつけ徐々に狭くすることによって、プレスの圧力を前記金型内部の前記成形空間に生じさせて前記短繊維強化樹脂を流動させることを特徴とする請求項１に記載の立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法。
- 前記連続強化繊維プリプレグの樹脂及び前記短繊維強化樹脂の樹脂が熱可塑性樹脂である場合、前記繊維強化プラスチック材を当該熱可塑性樹脂の融点よりも高い温度に予備加熱した後に、該融点よりも低い温度に調整した前記金型でプレス成形することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法。
- 前記連続強化繊維プリプレグの樹脂及び前記短繊維強化樹脂の樹脂が熱硬化性樹脂である場合、前記繊維強化プラスチック材を該熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高い温度に調整した前記金型でプレス成形することを特徴とする請求項１又は２に記載の立体添加物付き繊維強化プラスチック成形体の成形方法。
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