JP6646737B2 - 成形用金型および圧縮成形方法 - Google Patents
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Description
またさらに、特許文献4には、キャビティ面側に冷却機構と、その背後に加熱機構を有する金型を用いた複合材料のプレス成形方法が提案されている。
一方、生産性を上げるために、板状の布帛を作製することなく、布状の布帛を金型内に挿入し、短い時間で温度差の大きな加熱および冷却を行うことが考えられる。しかしながら、上記特許文献に記載の技術では、金型温度を急加熱・急冷却するのに必要な加熱速度、冷却速度、および加熱温度と冷却温度との差を達成するには限界がある。また、上記特許文献には、複合材料を、温度差の大きな加熱・冷却をハイサイクルで行う方法に関して何ら開示されていない。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、熱可塑性樹脂と強化繊維を含む複合材料(熱可塑性樹脂繊維複合材料;以下、単に複合材料ともいう)の成形体をハイサイクルで生産可能な成形用金型および圧縮成形方法を提供することを目的とするものである。
すなわち、本発明は、以下の通りである。
キャビティ面近傍にキャビティ面を少なくとも冷却することができる第一の温度調節手段と、前記第一の温度調節手段の前記キャビティ面とは反対側に、キャビティ面を少なくとも加熱することができる第二の温度調節手段とを備え、
キャビティ面から第一の温度調節手段までの距離L0、キャビティ面からキャビティ面とは反対側の金型部分の面までの距離L1が、下記の関係を満たすものである。
(L1/L0)>3
L2>L0
(V0/V(I))>1.3
(V0/V(I))<3
ここで、硬度HB(ブリネル硬さ)は、ISO 6506に従って求められる値である。
すなわち、本発明は、以下の通りである。
金型のキャビティに、熱可塑性樹脂繊維複合材料を挿入した後、金型を型締めし、キャビティ面を熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度以上の加熱温度まで昇温して熱可塑性樹脂を溶融する第一の工程と、
第一の工程後、金型を型締めした状態でキャビティ面を、熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度未満の冷却温度まで降温して熱可塑性樹脂を冷却固化し、その後、金型を開放して、複合成形体を取り出す第二の工程と、を備え、
第一の工程における昇温速度が30℃/分以上であり、第二の工程における降温速度が30℃/分以上であり、かつ加熱温度と冷却温度との差が80℃以上である。
第一部分のうち複数の冷却媒体通路の中心軸を結んで形成される平面と金型キャビティ面とで挟まれた部分の体積V(III)(cm3)と、冷却時の冷却媒体の流量A{L(cm3)/分}との比(A/V(III))で表される冷却効率が、15/分以上であることが好ましい。
また、本発明の圧縮成形方法によれば、熱可塑性樹脂繊維複合材料の成形体をハイサイクルで生産性良く提供することができる。
本発明の圧縮成形方法は、熱可塑性樹脂繊維複合材料からなる複合成形体の成形をハイサイクルで行うものであって、成形体を賦形させる金型のキャビティ面を熱可塑性樹脂の融点又はガラス転移温度以上である高温まで急加熱し、熱可塑性樹脂の融点又はガラス転移温度未満の温度まで急冷却することで、キャビティでの熱可塑性樹脂の加熱溶融及び冷却固化を迅速に実施するものである。
まず、図1aに示すように、金型部分10,20からなる金型100のキャビティ面31,32を、成形体の材料である複合材料(布帛)を構成する熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度未満の温度に維持した状態で、金型を開放する。
次に、図1cに示すように、金型100を閉鎖(型締め)し、キャビティ面の温度を上昇させる。金型のキャビティ面の温度は、複合材料を構成する熱可塑性樹脂の融点以上又はガラス転移温度以上に設定し、第二の温度調節手段14,24によって常に一定温度に温調しておく。加熱されたキャビティ面により、キャビティにセットした布帛の熱可塑性樹脂部分が素早く溶融される(第一の工程)。得られる成形体の所望の肉厚により、キャビティ30に挿入する布帛70の枚数を調整する。
次に、図1dおよび図1eに示すように、金型100を開放して、成形体71を取り出す(第二の工程)。
昇温速度は生産性の観点から30℃/分以上とすることが好ましく、降温速度は生産性の観点から30℃/分以上とすることが好ましく、温度差は、樹脂の強化連続繊維への含浸性、成形体を取り出すときの固化性・離型性の観点から80℃以上であることが好ましい。高温ほど含浸性は良くなり、低温ほど固化性および離型性はよくなる。
以降、第一の工程と第二の工程を繰り返して成形体を作製する。
さらに300℃以上の過熱蒸気を、布帛を挿入前のキャビティ面に流通させてキャビティ面を加熱してもよい。
本発明の圧縮成形方法は、さらに射出成形工程を組み合わせてハイブリッド成形方法として利用することができる。図2にハイブリッド成形の概略図を示す。図1と同様の要素には同符号を付し、その説明を省略する。
図2aおよび図2bに示すように、圧縮成形方法と同様の手順で布帛70を挿入する。
図2cに示すようにハイブリッド成形を行うための金型200の金型部分201には、射出成形機80から熱可塑性樹脂を充填するランナー部90が公知の方法により設けられている。
熱可塑性樹脂を充填後、図2dに示すように、金型を解放し、図2eに示すように、布帛70と熱可塑性樹脂81とからなるハイブリッド成形体72を取り出す。
次に、本発明の圧縮成形方法に用いることができる本発明の成形用金型について図面を参照しながら説明する。本発明の成形用金型は以下に説明するものに限定されない。図3に金型の一実施形態の概略断面図を示す。
図3に示すように、金型100は、上金型である金型部分10と、下金型である金型部分20と、断熱板15,25とを備えてなり、金型部分10と金型部分20とにより、キャビティ30を形成する。キャビティ30に複合材料等を設置して成形体を賦型するものである。
また、金型部分20も同様に、キャビティ面32近傍にキャビティ面32を少なくとも冷却することができる複数の冷却媒体通路からなる第一の温度調節手段23と、第一の温度調節手段23のキャビティ面32とは反対側に、キャビティ面32を少なくとも加熱することができる複数の棒状カートリッジヒーターからなる第二の温度調節手段24とを備える。
また、金型部分20も同様に、第一の温度調節手段23を有する第一部分21と、第二の温度調節手段24を有する第二部分22とに分割された構造であり、第一部分21と第二部分22とが、ばね40によって離間可能に構成されている。
図4に示すように、金型部分10は、キャビティ面31から第一の温度調節手段13までの距離L0、キャビティ面31からキャビティ面31とは反対側の面16までの距離L1が、下記の関係を満たすものである。
(L1/L0)>3
また、金型部分20についても同様に、キャビティ面32から第一の温度調節手段23までの距離L0、およびキャビティ面32からキャビティ面32とは反対側の面26までの距離L1は、上記の関係を満たすものである。
また、第一の温度調節手段から第二の温度調節手段までの距離L2とは、金型のキャビティ面に対して垂直な断面における、第一の温度調節手段の中心から第二の温度調節手段の中心までの距離を意味する。
また、キャビティ面からキャビティ面とは反対側の面までの距離L1とは、金型のキャビティ面に対して垂直な断面における距離であり、金型部分の厚さを意味するものでもある。
また、キャビティ面が凹凸形状であって、第一の温度調節手段がその凹凸形状に沿ってキャビティ面から同距離に設けられている場合は、第一の温度調節手段から第二の温度調節手段までの距離L2は場所によって異なる。この場合の、第一の温度調節手段から第二の温度調節手段までの距離L2とは、異なるL2のうち最短距離を意味する。
また、キャビティ面が凹凸形状の場合の、キャビティ面からキャビティ面とは反対側の面までの距離L1とは、異なるL1の平均距離を意味する。
本発明の成形用金型は、成形体を賦型させるキャビティ面を結晶性樹脂の場合は熱可塑性樹脂の融点以上、非結晶性樹脂の場合はガラス転移温度以上の高温まで加熱し、熱可塑性樹脂の固化温度以下の温度まで冷却を素早く行うことで、キャビティでの熱可塑性樹脂の加熱溶融および冷却固化を迅速に、ハイサイクルで実施することを可能とする。
上限は特に制限はないが、過剰な大気への放熱と設備の大型化を防止するよう適宜選択することが好ましい。
(L1/L0)>3とすることにより、冷却部分に比して高温である蓄熱部分の容量を大きくすることで、金型加熱時の急加熱を効率よく実施することができる。さらに冷却を行う第一の温度調節手段がキャビティ面に近いほど、冷却時に素早く成形体を冷却できる。また、冷却部分が少ないほど、金型加熱時に金型を素早く加熱することができる。
ここで、冷却部分とは、第一の温度調節手段で冷却される部分であって、少なくとも第一部分を示す。また、蓄熱部分とは、第二の温度調節手段で加熱される部分であって、少なくとも第二部分を示す。
L2>L0とすることにより、冷却時には、第二の温度調節手段まで冷却してしまうのを良好に防ぐことができ、一方、加熱時には、第二の温度調節手段の制御パワーの乱れを防ぐことができる。
キャビティ面の温度制御において、キャビティ温度の増減がわずかな場合は、L0とL2はできるだけ近い方がよい。しかし、複合材料を成形する場合には、金型キャビティ温度の上限値と下限値の差が、例えば50℃以上、好ましくは100℃以上、さらに好ましくは150℃以上と大きいため、上記範囲とすることが好ましい。
第一部分と第二部分の材質としては、例えば、コルソン合金、炭素鋼、およびステンレスを挙げることができる。
{V(II)×(1/C(II))}/{V(I)×(1/C(I))}>3
更に好ましくは、 {V(II)×(1/C(II))}/{V(I)×(1/C(I))}>5最も好ましくは、 {V(II)×(1/C(II))}/{V(I)×(1/C(I))}>10
である。
{V(II)×(1/C(II))}/{V(I)×(1/C(I))}>3とすることによって、冷却時には迅速にキャビティ面を冷却することができ、加熱時には、第二部分の蓄熱によって迅速に昇温することができる。
少なくとも第一の温度調節手段を有する部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)は、100J/s・m・K以上であることが好ましい。例えば、コルソン合金の熱伝導率は165(J/s・m・K)であり、炭素鋼の熱伝導率は40(J/s・m・K)である。
また、コルソン合金の熱拡散率は4.63×10−5(m2/s)であり、炭素鋼の熱拡散率は1.12×10−5(m2/s)であり、ステンレスの熱拡散率は4.81×10−6(m2/s)である。
具体的な方法としては、第一部分と第二部分の間にばね40を挿入することによって、金型を僅かに開放することにより、キャビティを閉鎖したまま第一部分と第二部分とを分離することができる。分離は、複数の金型部分の少なくとも一つで行ってよい。
そのために、各冷却媒体通路に独立して冷却媒体を流通できるような構造とすることが好ましい。具体例として同温度の冷却媒体を同時に流通させることができるマニホールドが挙げられる。マニホールドを金型外部の冷却媒体通路の流入側に設置し、マニホールドから同時に冷却媒体を各冷却媒体通路に流通させてもよく、さらに冷却媒体の排出側にもマニホールドを設置して排出すれば、より効率的である。
流量は、冷却効率に大きく影響し、必要に応じて加圧ポンプ等を用いて冷媒を流通させてもよい。また、市販の加圧温調機を用いることも可能である。
冷却効率が15/分以上であることにより、よりハイサイクルで成形を行うことができる。
なお、もう一方の金型部分20についても同様に、冷却効率は15/分以上であり、より好ましくは25/分以上である。
第二部分の平均温度とは、金型第二部分の平均温度であり、測定法の一例としては、第二温度調節手段の近傍、10mm〜30mm離れた位置の金型内部に温度計を入れて温度を測定する方法が用いられる。第二温度調節手段にカートリッジヒーターを用いる場合、温度制御は、前述の温度を検知して電源の入切制御をしたり、PID制御(Proportional-Integral-Differential Controller)をして電源の容量を調整する方法などがある。
本発明の圧縮成形方法は、熱可塑性樹脂繊維複合材料の成形に効果を有する。
熱可塑性樹脂繊維複合材料は、強化繊維と熱可塑性樹脂からなる。
強化繊維は、通常の繊維強化複合材料として使用されるものを用いることができ、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール系繊維、液晶ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、金属繊維、セラミック繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種があげられる。機械的特性、熱的特性、汎用性の観点から、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維が好ましく、経済性の面からは、ガラス繊維が好ましい。
強化繊維として、ガラス繊維を選択した場合、集束剤を用いてもよく、集束剤としてはシランカップリング剤、潤滑剤及び結束剤からなることが好ましい。
上記のガラス繊維及び集束剤の詳細に関しては、適宜特許文献1に記載のものを用いることができる。
強化繊維の単糸数は、混繊工程における開繊性、及び取扱い性の観点から30〜15,000本であることが好ましい。
集束剤、潤滑剤、結束剤の種類については、特に制限はなく公知の物が使用できる。具体的材料としては、特許文献1に記載の物が使用できる。
熱可塑性樹脂に特に制限はなく、通常のものを使用することができ、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂;ポリアミド6、ポリアミド66、ポリアミド46等のポリアミド系樹脂;ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリトリメチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂;ポリオキシメチレン等のポリアセタール系樹脂;ポリカーボネート系樹脂;ポリエーテルケトン;ポリエーテルエーテルケトン;ポリエーテルスルフォン;ポリフェニレンサルファイド;熱可塑性ポリエーテルイミド;テトラフルオロエチレン−エチレン共重合体等の熱可塑性フッ素系樹脂、及びこれらを変性させた変性熱可塑性樹脂から選ばれた少なくとも1種の熱可塑性樹脂を溶融紡糸して得られた強化繊維であることが好ましい。これらの熱可塑性樹脂の中でも、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、熱可塑性ポリエーテルイミド、及び熱可塑性フッ素系樹脂が好ましく、ポリオレフィン系樹脂、変性ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂及びポリエステル系樹脂が、機械的物性、汎用性の観点からより好ましく、熱的物性の観点を加えるとポリアミド系樹脂及びポリエステル系樹脂がさらに好ましい。また、繰り返し荷重負荷に対する耐久性の観点からポリアミド系樹脂がよりさらに好ましく、ポリアミド66を好適に用いることができる。
ポリエステル系樹脂とは、主鎖に−CO−O−(エステル)結合を有する高分子化合物を意味する。例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリテトラメチレンテレフタレート、ポリ−1,4−シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート、ポリエチレン−2,6−ナフタレンジカルボキシレート等が挙げられるが、これらに限定されるものではない。
その他のポリエステル系樹脂の詳細に関しては、適宜特許文献1記載のものを用いることができる。
ポリアミド系樹脂とは、主鎖に−CO−NH−(アミド)結合を有する高分子化合物を意味する。例えば、ラクタムの開環重合で得られるポリアミド、ω−アミノカルボン酸の自己縮合で得られるポリアミド、ジアミン及びジカルボン酸を縮合することで得られるポリアミド、並びにこれらの共重合物が挙げられるが、これらに限定されるものではない。ポリアミドとしては、1種を単独で用いてもよく、2種以上の混合物として用いてもよい。その他の上記のラクタム、ジアミン(単量体)、ジカルボン酸(単量体)の詳細に関しては、適宜特許文献1に記載のものを用いることができる。
その他、混繊法の詳細については、適宜特許文献1に記載の方法を用いることができる。
その他の布帛の形態等については、適宜特許文献1に記載の方法を用いることができる。
金型は、図3〜図5に示す金型を用いた。以下に金型の構成を示す。
(第一部分、第二部分)
冷却媒体通路13,23を有する第一部分11,21は、熱伝導率165J/s・m・Kのコルソン合金(マテリオン ブラッシュ社製、商品名「モールドマックス−V」、硬度HB:270)を用いた。
棒状カートリッジヒーター14,24を有する第二部分12,22は、熱伝導率40J/s・m・Kの炭素鋼(S55C)を用いた。
金型の第一部分と第二部分との間に、ばねは設置せず、成形時も分離させなかった。また、成形時に金型内を真空引きする作業も行わなかった。
棒状カートリッジヒーター14,24は、1600W(10mmΦ×400mm、ワット密度12.7W/cm2、株式会社八光電機製)を用いた。金型の加熱密度(第二部分の総加熱能力容量kW/第一部分の重量kg)は、0.75kW/kgであった。
冷却媒体通路13,23は、内径8mmで中心部からキャビティ面までの距離L0(図4参照)が10mmの位置に26mm間隔(L)で10本の冷却水路を設置したものを用いた。
冷却媒体通路の中心から棒状カートリッジヒーターの中心までの距離L2(図4参照)は25mmであった。
図5に示すように、金型の第一部分の厚み(T1)は30mmとし、第二部分の厚み(T2)は30mmとした。
また、冷却水は、マニホールドを介して金型内を並列に流動させた。冷却水の流量Aは、上金型、下金型それぞれ25000cm3/分であった。
また、複数の冷却媒体通路の中心軸Xを結んで形成される平面とキャビティ面31(または32)とで挟まれた部分の体積V(III)は、842.4cm3であった。冷却効率A/V(III)は30/分であった。
・シランカップリング剤:γ−アミノプロピルトリエトキシシラン0.6質量%〔商品名:KBE−903(信越化学工業(株)製)〕
・潤滑剤:ワックス0.1質量%〔商品名:カルナウバワックス((株)加藤洋行製)〕
・結束剤:アクリル酸/マレイン酸共重合体塩5質量%〔商品名:アクアリックTL(日本触媒(株)製)〕
熱可塑性樹脂繊維として、交絡処理を施していないポリアミド66繊維〔商品名:レオナ(登録商標)470/144BAU(旭化成せんい(株)製)、繊度470dtex、単糸数144本〕を用いた。
繊度685dtexで単糸数400本のガラス繊維2束と繊度470dtexのPA繊維2束を合糸し、引き揃えた後、流体交絡ノズルに実質的に垂直に供給し、下記条件で流体交絡させて、複合糸を得た。
・流体交絡ノズル:京セラ KC−AJI−L(1.5mm径、推進型)
・空気圧:2kg/cm2
・加工速度:30m/分
成形体を図1に示す圧縮成形の成形工程に沿って下記の手順に従って作製した。
成形機は、最大型締め力300トンの東芝機械製(S100V−8A)を用いた。金型および各工程の詳細条件を表1に示す。
[工程1](布帛のセット及び金型型締め)金型を開放し、上記所望の形状に裁断した布帛7枚を金型内の所定の位置にキャビティ面の温度が180℃の時にセットし、次いで型締め力240MPaで型締めした。
得られた成形体の寸法は、250mm×250mm、肉厚2mmであった。
上記[工程1]で、(布帛のセット及び金型型締め)金型を開放し、所望の形状に裁断した布帛7枚を金型内の所定の位置にキャビティ面の温度が300℃の時にセットし、次いで型締め力240MPaで型締めした以外は、実施例1と同様の方法で成形体を得た。
実施例2の加熱密度および冷却効率は、実施例1と同様、0.75kW/kgおよび30/分であった。
金型の第一部分に炭素鋼を用いた以外は、実施例1と同様の方法で成形体を作製した。
実施例3におけるキャビティ温度の昇温速度は110℃/分、降温速度は300℃/分で、成形サイクルは180秒であった。
実施例3の加熱密度は0.83kW/kgであり、冷却効率は30/分であった。
金型の第一部分に炭素鋼を用い、1000W(10mmΦ×400mm、ワット密度8.3W/cm2)(株式会社八光電機製GLE4103)を用い、また第一部分の厚さ(T1)が40mm、第二部分の厚さ(T2)が100mmの金型を用い、冷却水が金型内を直列に流水するように複数のホースで接合し、さらに、上記[工程1]で、金型表面温度が300℃になってから布帛を投入した以外は、実施例1と同様に成形体を作製した。
実施例4におけるキャビティ温度の昇温速度は60℃/分、降温速度は100℃/分で、成形サイクルは300秒であった。
実施例4の加熱密度は0.1kW/kgであり、冷却効率は6/分であった。
第一部分の厚さ(T1)が60mm、第二部分の厚さ(T2)が240mmの金型を用い、マニホールト゛は使用せず、冷却水が金型内を直列に流水するように複数のホースで接合した以外は、実施例1と同様に成形体を作製した。
実施例5におけるキャビティ温度の最初に金型温度が150℃に達してからの昇温速度は40℃/分、降温速度120℃/分で、成形サイクルは280秒であった。金型を最初に150℃まで加熱するのに実施例1に比べて3倍の時間を要した。
実施例5の加熱密度は0.75kW/kgであり、冷却効率は10/分であった。
ヒーターとして1000W(10mmΦ×400mm、ワット密度8.3W/cm2)(株式会社八光電機製GLE4103)を用い、冷却水の流量Aを12000cm3/分にした以外は、実施例1と同様に成形体を作製した。
実施例6におけるキャビティ温度の昇温速度は100℃/分、降温速度450℃/分で、成形サイクルは150秒であった。
実施例6の加熱密度は0.24kW/kgであり、冷却効率は15/分であった。
冷却媒体通路13,23は、内径8mmで中心部からキャビティ面までの距離L0が10mmの位置に20mm間隔(L)で設置した金型を用い、成形時は、キャビティを真空にした。
冷却媒体通路の中心から棒状カートリッジヒーターの中心までの距離L2は40mmとした。
棒状カートリッジヒーター1000W(10mmΦ×400mm、ワット密度8.3W/cm2)(株式会社八光電機製GLE4103)を用いた。
金型の第一部分と第二部分との間にばねを設置して、冷却時、上型と下型のそれぞれについて、第一部分と第二部分との間を5mm分離した。
金型の第一部分の厚み(T1)は60mmとし、第二部分の厚み(T2)は240mmとした。すなわち、金型の厚さ(L1)を300mmとした。
さらに、冷却水は、マニホールドを介して金型内を並列に流動させた。冷却水の流量Aは、上金型、下金型それぞれ25000cm3/分であった。
実施例7の加熱密度は0.24kW/kgであり、冷却効率は15/分であった。
キャビティ面側の金型部分の材質を炭素鋼に変え、第一部分と第二部分との間を10mmに分離したこと、および金型温度を320℃にしたこと以外は、実施例7と同様に成形体を作製した。実施例8における金型の昇温速度は150℃/分、降温速度は300℃/分、成形サイクルは120秒であった。
実施例8の加熱密度は0.25kW/kgであり、冷却効率は15/分であった。
キャビティ面の冷却時に第一部分と第二部分を分離しなかったこと、成形時キャビティを真空にしなかったこと、および金型温度を320℃にしたこと以外は、実施例7と同様に成形体を作製した。実施例9における金型の昇温速度は70℃/分、降温速度は400℃/分、成形サイクルは220秒であった。
実施例9の加熱密度は0.24kW/kgであり、冷却効率は15/分であった。
キャビティ面側の第一部分の材質を炭素鋼に変え、キャビティ面の冷却時に第一部分と第二部分を分離しなかったこと、成形時キャビティを真空にしなかったこと、および金型温度を320℃にしたこと以外は、実施例7と同様の方法で成形体を作製した。実施例10における金型の昇温速度は100℃/分、降温速度は300℃/分、成形サイクルは230秒であった。
実施例10の加熱密度は0.25kW/kgであり、冷却効率は15/分であった。
キャビティ面側の第一部分の材質を炭素鋼に変え、L0=30mm、L1=200mm、L2=50mmに変え、キャビティ面の冷却時に第一部分と第二部分を分離しなかったこと、成形時キャビティを真空にしなかったこと、および金型温度を320℃にしたこと以外は、実施例7と同様の方法で成形体を作製した。実施例11における金型加熱の昇温速度は60℃/分、冷却速度は150℃/分で成形サイクルは280秒であった。
実施例11の加熱密度は0.25W/kgであり、冷却効率は5/分であった。
キャビティ面側の第一部分の材質を炭素鋼に変え、L0=30mm、L1=150mm、L2=50mmに変え、キャビティ面の冷却時に第一部分と第二部分を分離しなかったこと、成形時キャビティを真空にしなかったこと、および金型温度を320℃にしたこと以外は、実施例7と同様の方法で成形体を作製した。実施例12における金型加熱の昇温速度は50℃/分、冷却速度は150℃/分、成形サイクルは300秒であった。
実施例12の加熱密度は0.25kW/kgであり、冷却効率は5/分であった。
図6に示すように、第一の温度調節手段313と第二の温度調節手段323と有する第一部分310,320を有する金型を用いて図7に示す成形体400を作製した。実施例13における金型加熱の昇温速度は180℃/分、冷却速度は420℃/分、成形サイクルは100秒であった。成形体400の外寸は、250mm×250mm、肉厚2mmであり、穴401の直径は15mmであり、穴402の直径は10mmである。
ボス409は、一辺26mm四角柱の上部に直径8mmの穴が開いた高さ8mm、肉厚2mmのボスであり、ボス410は一辺26mm四角柱の上部に直径6mmの穴が開いた高さ8mm、肉厚2mmのボスである。
実施例13の加熱密度は0.24kW/kgであり、冷却効率は10/分であった。
図3においてL0=70mm、L1=200mm、L2=40mm金型加熱用のヒーターが冷却媒体通路よりもキャビティ面に近い位置に設置した金型を用いて成形体品を作製した。
使用した材料は、実施例7と同様であるが、金型温度を320℃にし、キャビティ面の冷却時に第一部分と第二部分を分離せず、金型の各冷却水通路は、直列に連結し、冷却水は同時ではなく連続して流した。
(引張強度)
引張強度は、ISO527−1に準じ以下の条件にて測定した。
・試験環境:23℃50RH%
・成形品:JIS K7113 3号試験片
・引張速度:5mm/分
・チャック間:50mm
・使用機器:インストロン50kN(インストロン社製)
曲げ剛性は、ISO178に準じ以下の条件にて測定した。
・試験環境:23℃50RH%
・成形品:幅10mm、長さ100mm、肉厚2mmの短冊状
・試験速度:1mm/分
・スパン間:32mm
・使用機器:インストロン50kN(インストロン社製)
曲げ強度は、ISO178に準じて求めた。
最大衝撃強度は、JIS K7211−1;2006に準じて以下の条件で測定した。
・試験環境:23℃
・高速衝撃試験機 島津HYDRO SHOT HITS−P10(島津製作所)
・試験片形状:60mm角平板、肉厚2mm
・試験速度:4.4mm/s
最大衝撃点エネルギーは、JIS K7211−2:2006に準じて求めた。
特に、金型キャビティ温度が180℃の時に布帛をセットした実施例1、3、および6では、成形体に黄変が見られず良好であった。布帛を金型キャビティ温度が300℃の時にセットした実施例2および4では、若干、繊維の乱れと成形体の黄変が確認されたが、強度は優れていた。また、マニホールドを用いなかった実施例5は、マニホールドを用いた実施例1に比べ成形体に若干黄変が見られたが、強度は優れていた。
また、金型部分の第一部分にコルソン合金を使用し、かつ、第一部分と第二部分が分離可能な構造を備えた実施例7は、第一部分に炭素鋼を用いた実施例8、および分離構造を有しない実施例9に比べて、ハイサイクルで成形を行うことができることがわかった。
一方、L1/L0が3以下の比較例1は、サイクル時間が長く生産性に劣った。
10,20,201 金型部分
11,21,310,320 第一部分
12,22 第二部分
13,23,313,323 第一の温度調節手段(冷却媒体通路)
14,24 第二の温度調節手段(棒状カートリッジヒーター)
15,25 断熱板
16,26 キャビティ面とは反対側の面
30 キャビティ
31,32 キャビティ面
33 経路
40 ばね
50 シール用パッキング
60 真空ライン
70 布帛
71,400 成形体
72 ハイブリッド成形体
80 射出成形機
90 ランナー部
L0 キャビティ面から第一の温度調節手段までの距離
L1 キャビティ面からキャビティ面とは反対側の面までの距離
L2 第一の温度調節手段から第二の温度調節手段までの距離
V0 金型部分の体積
V(I) 第一部分の体積
V(II) 第二部分の体積
V(III) 第一部分のうち複数の冷却媒体通路の中心軸を結んで形成される平面と金型キャビティ面とで挟まれた部分の体積
401,402 穴
403,404,405,406,407,408 リブ
409,410 ボス
411,412 円錐柱
413 四角錐柱
Claims (19)
- 複数の金型部分で形成されるキャビティで成形体を賦型する成形用金型であって、
前記キャビティ面近傍に該キャビティ面を少なくとも冷却することができる第一の温度調節手段と、該第一の温度調節手段の前記キャビティ面とは反対側に、前記キャビティ面を少なくとも加熱することができる第二の温度調節手段とを備え、
前記キャビティ面から前記第一の温度調節手段までの距離L0と、前記キャビティ面から該キャビティ面とは反対側の面までの距離L1が、下記の関係を満たし、
(L1/L0)>3
前記金型部分は、前記第一の温度調節手段を有する第一部分と、前記第二の温度調節手段を有する第二部分とを備え、
前記金型部分において、前記第一部分の体積V(I)と前記金型部分の体積V0とが、下記の関係を満たし、
1.3<(V0/V(I))<3
前記第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)が、前記第二部分の材質の熱伝導率C(II)(J/s・m・K)の3.5倍以上、および/または、前記第一部分の材質の熱拡散率(m 2 /s)が、前記第二部分の材質の熱拡散率(m 2 /s)の3.5倍以上である成形用金型。 - 前記第一の温度調節手段から前記第二の温度調節手段までの距離L2が、下記の関係を満たす請求項1記載の成形用金型。
L2>L0 - 前記第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)が、100J/s・m・K以上である請求項1または2に記載の成形用金型。
- 前記第一部分の材質の硬度HBが200以上である請求項1から3いずれか1項記載の成形用金型。
- 前記第一部分の材質の硬度HBが250以上である請求項4記載の成形用金型。
- 前記キャビティ面を冷却する際、前記第一部分と前記第二部分とが離間可能である請求項1から5いずれか1項に記載の成形用金型。
- 前記第一の温度調節手段が、冷却用媒体が流通する冷却媒体通路を複数備えてなり、該複数の冷却媒体通路に同温度の冷却媒体を同時に流通させるマニホールドを少なくとも一つ有する請求項1から6いずれか1項記載の成形用金型。
- 型締め時に前記キャビティを減圧するための減圧経路を有する請求項1から7いずれか1項記載の成形用金型。
- 強化繊維と熱可塑性樹脂からなる熱可塑性樹脂繊維複合材料を、複数の金型部分で形成されるキャビティを有する金型で圧縮成形して複合成形体を得る圧縮成形方法であって、
前記金型のキャビティに、前記熱可塑性樹脂繊維複合材料を挿入した後、前記金型を型締めし、前記キャビティ面を前記熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度以上の加熱温度まで昇温して前記熱可塑性樹脂を溶融する第一の工程と、
該第一の工程後、前記金型を型締めした状態で前記キャビティ面を、前記熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度未満の冷却温度まで降温して前記熱可塑性樹脂を冷却固化し、その後、前記金型を開放して、前記複合成形体を取り出す第二の工程と、を備え、
前記第一の工程における昇温速度が30℃/分以上であり、前記第二の工程における降温速度が30℃/分以上であり、かつ前記加熱温度と前記冷却温度との差が80℃以上であり、
前記金型部分は、前記第一の温度調節手段を有する第一部分と、前記第二の温度調節手段を有する第二部分とを備え、
前記金型部分において、前記第一部分の体積V(I)と前記金型部分の体積V0とが、下記の関係を満たし、
1.3<(V0/V(I))<3
前記第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)が、前記第二部分の材質の熱伝導率C(II)(J/s・m・K)の3.5倍以上、および/または、前記第一部分の材質の熱拡散率(m 2 /s)が、前記第二部分の材質の熱拡散率(m 2 /s)の3.5倍以上である圧縮成形方法。 - 前記キャビティに前記熱可塑性樹脂繊維複合材料を挿入する時の前記キャビティ面の温度が、前記熱可塑性樹脂繊維複合材料を構成する熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度未満の冷却温度に維持されている請求項9記載の圧縮成形方法。
- 前記昇温速度が80℃/分以上であり、降温速度が100℃/分以上であり、かつ、前記加熱温度と前記冷却温度との差が100℃以上である請求項9または10記載の圧縮成形方法。
- 前記昇温速度が150℃/分以上であり、降温速度が200℃/分以上あり、前記加熱温度と前記冷却温度との差が120℃以上である請求項11記載の圧縮成形方法。
- 前記熱可塑性樹脂繊維複合材料が、前記強化繊維と熱可塑性樹脂繊維からなる請求項9から12いずれか1項記載の圧縮成形方法。
- 前記強化繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、超高強力ポリエチレン繊維、ポリベンザゾール系繊維、液晶ポリエステル繊維、ポリケトン繊維、金属繊維、およびセラミック繊維からなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項9から13いずれか1項記載の圧縮成形方法。
- 前記熱可塑性樹脂繊維複合材料が布帛である請求項9から14いずれか1項記載の圧縮成形方法。
- 前記熱可塑性樹脂が結晶性樹脂であり、かつ、ポリオレフィン系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、および熱可塑性ポリエーテルイミドからなる群から選ばれる少なくとも1種である請求項9から15いずれか1項記載の圧縮成形方法。
- 前記第一の温度調節手段が、冷却用媒体が流通する冷却媒体通路を複数備えてなり、該複数の冷却媒体通路に同温度の冷却媒体を同時に流通させるマニホールドを少なくとも一つ有し、
前記第一部分のうち複数の冷却媒体通路の中心軸を結んで形成される平面と金型キャビティ面とで挟まれた部分の体積V(III)(cm3)と、冷却時の冷却媒体の流量A{L(cm3)/分}との比(A/V(III))で表される冷却効率が、15/分以上である請求項9から16いずれか1項記載の圧縮成形方法。 - 前記第二部分の総加熱能力容量kW/前記第一部分の重量kgで表される前記金型部分の加熱時の加熱密度が、0.6kw/kg以上である請求項17記載の圧縮成形方法。
- 前記キャビティ面を冷却する際、前記第一部分と前記第二部分とが離間可能である請求項9から18いずれか1項記載の圧縮成形方法。
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