JP6646737B2 - 成形用金型および圧縮成形方法 - Google Patents

成形用金型および圧縮成形方法 Download PDF

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Description

本発明は熱可塑性樹脂繊維複合材料からなる複合成形体を圧縮成形する成形用金型および圧縮成形方法に関する。
近年、各種機械および自動車等の構造部品、圧力容器、および管状の構造物等に使用される複合材料成形体の材料として強化繊維と熱可塑性樹脂繊維が連続して均一に混じり合った複合糸および複合糸からなる布帛が提案されている。このような布帛を用いた成形体の成形方法として、例えば、特許文献1には、布帛を280℃に加熱した金型に配置し、布帛の熱可塑性樹脂部分を溶融した後に、金型を50℃に冷却して固化させる方法が提案されている。
また、特許文献2および特許文献3には、熱可塑性樹脂材料を射出成形する場合に用いる金型であって、金型に冷却通路と加熱通路とを設けて、金型を加熱および冷却する技術も提案されている。
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。
特開2015−101794号公報 特許第4334469号公報 特開2014−226851号公報 特開2013−203020号公報
布帛の外観および強度を良好なものとするためには、布帛の網目の間に熱可塑性樹脂を充分含浸させて成形する必要がある。このため、従来、複合糸からなる布帛の成形は、まず布帛の熱可塑性樹脂を溶融して板状の布帛を製造する工程と、この板状の布帛を予備加熱した金型に挿入し、赤外線等で金型を一定温度に昇温した後、数分間圧縮する工程とが必要であった。しかし、板状の布帛を高低差の大きい形状を有する金型で圧縮成形するには、凹凸形状の角の部分で複合糸中の強化繊維が切断され、その部分での外観または強度が劣るという問題がある。
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。
本発明者らは鋭意検討した結果、特定の構造の金型を用いることにより、熱可塑性樹脂、または熱可塑性樹脂に強化繊維を含む複合材料を用いた成形体をハイサイクルで製造することができることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、以下の通りである。
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、
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
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、下記の関係を満たすことが好ましい。
L2>L0
金型部分は、第一の温度調節手段を有する第一部分と、第二の温度調節手段を有する第二部分とを備えることが好ましい。
金型部分において、第一部分の体積V(I)と金型部分の体積V0とは、下記の関係を満たすことが好ましい。
(V0/V(I))>1.3
第一部分の体積V(I)と金型部分の体積V0とは、下記の関係を満たすことが好ましい。
(V0/V(I))<3
第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)は、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、第一部分の材質の熱拡散率(m/s)は、第二部分の材質の熱拡散率(m/s)の3.5倍以上であることが好ましい。
第一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。
第一部分の材質の硬度HB(ブリネル硬さ)は200以上であることが好ましい。
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。
第一部分の材質の硬度HB(ブリネル硬さ)は250以上であることが好ましい。
キャビティ面を冷却する際、第一部分と第二部分とは離間可能であることが好ましい。
第一の温度調節手段は、冷却用媒体が流通する冷却媒体通路を複数備えてなり、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ものであることが好ましい。
本発明の成形用金型は、型締め時にキャビティを減圧するための減圧経路を有してもよい。
また、本発明者らによる鋭意検討の結果、特定の昇温速度、降下速度、かつ温度差で圧縮成形することにより、複合材料を用いた成形体をハイサイクルで製造することができることを見出し、本発明に至った。
すなわち、本発明は、以下の通りである。
本発明の圧縮成形方法は、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、
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。
キャビティに熱可塑性樹脂繊維複合材料を挿入する時のキャビティ面の温度は、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ことが好ましい。
昇温速度は80℃/分以上であり、降温速度は100℃/分以上であり、かつ、加熱温度と冷却温度との差は100℃以上であることがさらに好ましい。
昇温速度は150℃/分以上であり、降温速度は200℃/分以上あり、加熱温度と冷却温度との差が120℃以上であることが好ましい。
熱可塑性樹脂繊維複合材料は、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維からなることが好ましい。
強化繊維は、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種であることが好ましい。
熱可塑性樹脂繊維複合材料は布帛であることが好ましい。
熱可塑性樹脂は結晶性樹脂であり、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種であることが好ましい。
金型部分は、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を有する第一部分と、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を有する第二部分とを備えることが好ましい。
第一の温度調節手段は、冷却用媒体が流通する冷却媒体通路を複数備えてなり、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、
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)(cm)と、冷却時の冷却媒体の流量A{L(cm)/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。
第二部分の総加熱能力容量kW/第一部分の重量kgで表される金型部分の加熱時の加熱密度は、0.6k/kg以上であることが好ましい。
第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)は、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、第一部分の材質の熱拡散率(m/s)は、第二部分の材質の熱拡散率(m/s)の3.5倍以上であることが好ましい。
キャビティ面を冷却する際、第一部分と第二部分とが離間可能であることが好ましい。
本発明の成形用金型によれば、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。
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。
図1は、本発明の圧縮成形方法を示す概略図である。 図2は、本発明の圧縮成形方法に射出成形を組み合わせたハイブリッド成形法を示す概略図である。 図3は、本発明の圧縮成形方法に用いる金型の一実施形態の概略断面図である。 図4は、本発明の圧縮成形方法に用いる金型の一実施形態の詳細を説明するための概略断面図である。 図5は、第一部分の詳細を説明する概略断面図である。 図6は、実施例13で用いた金型の金型部分の概略断面図である。 図7は、実施例13で作製した成形体の概略上面図である。
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。本発明は、以下の実施形態にのみ限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。
[圧縮成形方法]
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。
本発明の圧縮成形方法の一実施形態について説明する。図1に圧縮成形方法の概略図を示す。
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1bに示すように、複合材料である布状の基材である布帛70を所望の形状に裁断し、キャビティ30に挿入する。
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。
必要に応じて、金型閉鎖後にキャビティ30内を減圧し、金型内の空気及び基材の布帛中に存在する空気を排出することにより、溶融した熱可塑性樹脂を素早く強化繊維に含浸させることが可能となる。減圧は、例えばキャビティ面が真空引きできるように、キャビティ30の外に樹脂を漏らすことなくキャビティ面から空気のみが抜ける1/10mm以下のスリット部分をキャビティ面に設けて、そこから金型外への吸気ラインを設ける、あるいは、突出しピンに設けたガス抜き設備を利用して真空ラインを設置することで行うことができる。また必要に応じて、金型キャビティ面や突出しピンの所定の位置にパッキングを設けて、真空引き中に外部から空気がキャビティ内に入らない様な構造にすることが望ましい。
次に、金型を型締めした状態で金型100のキャビティ面31,32を、熱可塑性樹脂の融点又はガラス転移温度未満の冷却温度に冷却して熱可塑性樹脂を冷却固化する。
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)。
第一の工程における昇温速度は30℃/分以上であり、第二の工程における降温速度は30℃/分以上であり、かつ加熱温度と冷却温度との差は80℃以上である。昇温速度は80℃/分以上であり、降温速度は100℃/分以上であり、かつ、加熱温度と冷却温度との差が100℃以上であることが好ましく、昇温速度は150℃/分以上であり、降温速度は200℃/分以上であり、加熱温度と冷却温度との差は120℃以上であることがさらに好ましい。
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。
成形体を取り出した後、再び複合材料である布状の基材である布帛を所望の形状に裁断し、キャビティに挿入し、金型を閉鎖する。
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。
成形体の取り出しと同時、あるいは成形体の取り出し後に、例えば、金型の冷却媒体通路に高圧の過熱蒸気や低圧の過熱蒸気を流通させて金型キャビティ面の温度を上げることも可能である。
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。
また、布帛をキャビティに挿入後、真空ラインからキャビティ内に300℃以上の過熱蒸気を挿入し、基材を直接加熱することも可能である。金型内に挿入した過熱蒸気は、所望時間挿入後に真空ラインから除去することも可能である。
本発明によれば、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又はガラス転移温度以上にキャビティ面を急加熱することで熱可塑性樹脂を溶融し、次いで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又はガラス転移温度未満に急冷却して熱可塑性樹脂を冷却固化することができるので、ハイサイクルで経済性に優れた熱可塑性樹脂繊維複合成形体を得ることができる。
[ハイブリッド成形]
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。
[成形用金型]
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。
金型部分10は、キャビティ面31近傍にキャビティ面31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13と、第一の温度調節手段13のキャビティ面31とは反対側に、キャビティ面31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14とを備える。
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。
金型部分10は、第一の温度調節手段13を有する第一部分11と、第二の温度調節手段14を有する第二部分12とに分割された構造であり、第一部分11と第二部分12が、ばね40によって離間可能に構成されている。
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。
金型部分20には、型締め時にキャビティ30を減圧するための減圧経路33が設けられている。減圧経路33は、真空ライン60によって成形用金型の外部に設置された減圧手段(不図示)に連結されている。金型部分10と金型部分20との間にはシール用パッキング50が設けられている。
次に、図4を用いてさらに金型部分の詳細について説明する。図4は、金型の詳細を説明するための概略断面図であり、一部構成要素を省略している。
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。
成形用金型が複数の金型部分で構成される場合、上記数値範囲を満たす金型部分は少なくとも一つあればよく、全ての金型部分で上記数値範囲を満たすことがより好ましい。
ここで、キャビティ面から第一の温度調節手段までの距離L0とは、金型のキャビティ面に対して垂直な断面における、キャビティ面から第一の温度調節手段の中心までの距離を意味する。
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。
キャビティ面が凹凸形状であってキャビティ面から第一の温度調節手段までの距離が場所によって異なる場合は、キャビティ面から第一の温度調節手段の中心までの距離L0は、それらのうちの最短距離を意味する。
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。
また、第一の温度調節手段および第二の温度調節手段が複数の冷却媒体通路または複数のヒーターを備えてなる場合は、1つの通路またはヒーターについて、キャビティ面からの距離が場所によって異なる場合は、全ての通路またはヒーターについての最短距離の平均値とする。
また、第一部分と第二部分とが同素材で一体的に形成された場合、第一部分と第二部分との境界は、キャビティ面に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側にL0離れた位置とする。
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。
本実施形態の金型は、キャビティ面近傍に少なくとも冷却を行う第一の温度調節手段を設けた構造を有し、第一の温度調節手段よりもキャビティ面から遠方に少なくとも加熱を行う第二の温度調節手段を設けたものである。第二の温度調節手段は、金型部分全体を加熱することにより、キャビティ面を加熱するものである。
第一の温度調節手段は、キャビティ面に近いほど好ましいが、金型の強度、設計上の制約から一定の距離に設ける必要がある。キャビティ面から第一の温度調節手段までの距離L0は、第一の温度調節手段の寸法にもよるが、30mm以下が好ましく、20mm以下がより好ましく、10mm以下がさらに好ましい。L0の下限値に特に制限はないが、第一の温度調節手段の寸法にもよるが、金型の強度上の制約からは、第一の温度調節手段の端部から金型キャビティ面までの距離が、3mm以上が好ましく、6mm以上がより好ましい。
本実施形態の金型では、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面までの距離L1との関係は、(L1/L0)>3であり、より好ましくは、(L1/L0)>5であり、最も好ましくは、(L1/L0)>10である。
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。
さらに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、L2>L0であり、好ましくは、2<L2/L0<10である。
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。
金型部分は、第一温度調節手段を有する第一部分と、第二の温度調節手段を有する第二部分とを備えてなるものであってもよい。その場合、第一部分と第二部分とは、同じ材質の材料を用いてもよいが、より好ましくは、第一部分の材料に第二部分の材料よりも熱伝導率のよい材質のものを用いる。第一部分に熱伝導率の良い材質の材料を用いることによって、冷却時に第一部分を急速に冷却することができる。さらに第一部分の第一の温度調節手段の冷却を止めて加熱する時にも第二の温度調節手段を有する第二部分に蓄熱された熱を素早く伝導することが可能となる。
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。
また、第一の温度調節手段である冷却媒体通路を有する第一部分と第二の温度調節手段を有する第二部分とを備えた構造の場合、図4に示すように、第一部分の体積V(I)と、実質的に加熱される金型部分の体積V0との関係は、(V0/V(I))>1.3であることが好ましい。また、(V0/V(I))<3であることが好ましい。第一部分を急速加熱、急速冷却させるためには、V(I)を小さくした方がよく、第二部分の体積V(II)は、熱をためる観点からは容量が大きいほうが良いため、(V0/V(I))>1.3が好ましい。一方、V(I)の容量は、金型の強度やキャビティ面の形状制約の問題等から減量化には限界がある。第二部分の体積V(II)が大きすぎると初期加熱に時間がかかる、あるいは、熱の金型外への放出が大きくなる等の問題から制限がある。さらに、V(I)の減量化は、強度やキャビティ形状による制限から限界があり、(V0/V(I))<3が好ましい。
すなわち、キャビティ面の加熱は、熱を一定量蓄熱した蓄熱部分の役割を有する第二部分からの熱の供給によりキャビティ面を急加熱してキャビティに設置された材料の熱可塑性樹脂を加熱溶融できる。ここで蓄熱部分の容量が大きいほど効果的にキャビティ面を加熱することができる。ただし、蓄熱部分の容量の大きさには、設備上、加熱に伴う消費エネルギー量の観点から、金型や成形設備の大きさに応じて適宜決定することができる。
一方、キャビティ面の冷却は、例えば、第一の温度調節手段を複数の冷却媒体通路とした場合には、キャビティ面近傍の冷却媒体通路に冷却媒体を流通することにより、キャビティ面を急冷却し、溶融した熱可塑性樹脂を冷却固化することが可能となる。この際、キャビティ面近傍のみを冷却するためには、金型の冷媒通路を有する部分の容量が小さいほど好ましく、冷却媒体通路は、よりキャビティ面に近い方が好ましい。
第一部分と第二部分の材質は、同じものを用いてもよいが、熱伝導率の異なる材料を用いてもよい。第一部分の体積V(I)および第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)と、第二部分の体積V(II)および第二部分の材質の熱伝導率C(II)(J/s・m・K)とは、好ましくは、
{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。
また、第一部分の材質の熱伝導率C(I)(J/s・m・K)は、第二の温度調節手段を有する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、第一部分の材質の熱拡散率(m/s)は、第二部分の材質の熱拡散率(m/s)の3.5倍以上であることが好ましい。すなわち冷却時には熱伝導率が高い方が、早く冷却でき、加熱時には熱伝導率が高い方が、素早く蓄熱部から熱を奪って加熱することができる。これは、特に第一部分を冷却する際に分離することにより、より高い効果を得ることができる。冷却時に分離しない場合は、第一部分の熱伝導率が良いと冷却時に蓄熱部の機能を有する第二部分を冷却することもあり、適宜、材料を最適化する必要がある。
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(m/s)であり、炭素鋼の熱拡散率は1.12×10−5(m/s)であり、ステンレスの熱拡散率は4.81×10−6(m/s)である。
また、第一部分の材質の硬度HBは、200以上であることが好ましく、250以上であることがより好ましい。第一部分の材質の硬度HBが200以上であることにより、圧縮成形に対する耐久性を有する。
第一部分と第二部分とは、分離できる構造とすることがさらに好ましい。キャビティを所望の温度に加熱した後に金型をキャビティが閉じた状態でわずかに型開動作を行い、第一部分11と第二部分12、及び第一部分21と第二部分22とを分離し、空気の断熱層を設けることも成形サイクルを上げるために有効である。
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。
金型を分離した状態で冷却水を冷却媒体通路等に圧入し、キャビティを含む第一部分を急冷する。この際、キャビティが開放しないようにばねや油圧シリンダーを用いて金型キャビティ面は閉鎖状態を保つ。キャビティ面が一定時間、熱可塑性樹脂の加熱変形温度以下になった後に冷却水を止め、必要に応じて冷却媒体通路に圧縮空気を導入し、冷却媒体通路内の水を排出する。
第一部分の冷却は、第一の温度調節手段を複数の冷却媒体通路で構成した場合は、冷却媒体を流通することで達せられるが、冷却媒体をいかに素早く多量に流通させるかが、キャビティ面の急冷却を可能にするかどうかを左右する。
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。
マニホールドを有する場合、図5に示すように、金型部分10において、第一部分11のうち複数の冷却媒体通路13の中心軸Xを結んで形成される平面と金型キャビティ面31とで挟まれた部分のV(III)(cm)と、冷却時の冷却媒体の流量A{L(cm)/分}との比(A/V(III))で表される冷却効率は、15/分以上であることが好ましい。より好ましくは25/分以上である。
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。
冷却媒体通路に流通させる媒体としては、水、チラー液、炭酸ガス、圧縮気体等を上げることができる。また媒体は、1種類でもよいが、温度の異なる媒体を多段で流通してもよい。たとえば、キャビティ温度を300℃まで加熱した場合に、150℃の加圧温水を数秒流し、その後、60℃の温調水、さらに10℃の冷却水を多段で流し、金型が一定温度に達したときに再び150℃の加圧温水を流してキャビティ面が均一温度になるように調整してもよい。
本発明による成形において、複合材料をキャビティに設置してキャビティ内で加熱圧縮成形して複合材料の熱可塑性樹脂を溶融固化して成形体を得る場合、強化繊維への熱可塑性樹脂の含浸性が得られる成形体の特性に大きく影響する。金型内に空気が存在すると、空気が熱可塑性樹脂の溶融時に成形体の中にボイドとなって残り、強化繊維内に微細な未含浸部分を形成する原因となる。これらの空気や樹脂から発生するガス体を金型内で除去することにより、より素早く熱可塑性樹脂が含浸した成形体を得ることができる。型締め時にキャビティを真空に減圧できる減圧経路を設けることが好ましい。
本発明に用いる金型の一つの使用形態として複合材料を金型内で加熱し熱可塑性樹脂を溶融することが求められる。熱可塑性樹脂の種類にもよるが、第二の温度調節手段は、第二部分の平均温度を、非結晶性樹脂の場合は、キャビティに設置する熱可塑性樹脂材料のガラス転移温度以上、好ましくはガラス転移温度+30℃以上、最も好ましくはガラス転移温度+50℃以上に設定する。結晶性樹脂の場合は、キャビティに設置する熱可塑性樹脂材料の融点以上、好ましくは融点+30℃以上、最も好ましくは融点+50℃以上に設定する。
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。
また、第二の温度調節手段に特段の制約はなく、棒状カートリッジヒーター以外に、加熱オイル、水蒸気のような加熱媒体でも電気抵抗を利用したヒーター等があるが、金型を熱可塑性樹脂の融点以上である高温に保持するには、汎用性、性能の面から加熱ヒーターであることが好ましい。ヒーターの種類としては、セラミックスヒーター、シーズヒーターなどがあるが、棒状カートリッジヒーターが簡便性、性能上好ましく使用される。
本実施形態では、金型部分10および金型部分20は、それぞれ第一部分11,21と、第二部分12,22とが離間可能に構成された場合について説明したが、ばね40を設けず、接着剤等で一体的に形成されていてもよい。
また、断熱板15,25は、第二の温度調節手段を有する金型部分から成形機への熱伝導による熱流動を抑制する役割を有するため、金型100と成形機(不図示)との連結部に設けることが好ましい。
上記のような成形用金型は、圧縮成形に適用可能であるが、適宜射出成形可能な機構、例えば、スプルー形成部、ランナー形成部等を設けることにより、圧縮成形後に熱可塑性樹脂を溶融充填する射出成形とのハイブリッド成形にも、適用可能である。
<熱可塑性樹脂繊維複合材料>
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>
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。
(強化繊維の形態)
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。
強化繊維として、炭素繊維を選択した場合、集束剤は潤滑剤、結束剤からなることが好ましい。
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。
その他の強化繊維を用いる場合、強化繊維の特性に応じ、ガラス繊維、炭素繊維に用いる集束剤の種類、付与量を適宜選択すればよく、炭素繊維に用いる集束剤に準じた集束剤の種類、付与量とすることが好ましい。
<熱可塑性樹脂>
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−
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−
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。
ポリアミドの具体例としては、例えば、ポリアミド4(ポリα−ピロリドン)、ポリアミド6(ポリカプロアミド)、ポリアミド11(ポリウンデカンアミド)、ポリアミド12(ポリドデカンアミド)、ポリアミド46(ポリテトラメチレンアジパミド)、ポリアミド66(ポリヘキサメチレンアジパミド)、ポリアミド610、ポリアミド612、ポリアミド6T(ポリヘキサメチレンテレフタルアミド)、ポリアミド9T(ポリノナンメチレンテレフタルアミド)、及びポリアミド6I(ポリヘキサメチレンイソフタルアミド)、並びにこれらを構成成分として含む共重合ポリアミドが挙げられる。
共重合ポリアミドとしては、例えば、ヘキサメチレンアジパミド及びヘキサメチレンテレフタルアミドの共重合物、ヘキサメチレンアジパミド及びヘキサメチレンイソフタルアミドの共重合物、並びにヘキサメチレンテレフタルアミド及び2−メチルペンタンジアミンテレフタルアミドの共重合物が挙げられる。
本実施形態において、熱可塑性樹脂繊維複合材料は、熱可塑性樹脂と強化繊維とからなるものが好ましい。例えば混繊糸を用いたものであってもよい。混繊糸の具体的製造方法は、特に制限されないが、混繊する方法は公知の方法を利用できる。例えば、静電気力や流体噴霧による圧力、ローラー等に押し付ける圧力等による外力によって開繊した後、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維を開繊したままの状態で合糸または引き揃える開繊合糸法、および流体交絡(インターレース)法が挙げられる。なかでも強化繊維の損傷が抑制でき、開繊性に優れ、かつ均一に混合可能な流体交絡法が好ましく、流体交絡(インターレース)法としては、空気、窒素ガス及び水蒸気等の流体による渦流乱流帯域を糸軸とほぼ平行に2個又はそれ以上作り、この帯域に繊維を導いてループや捲縮を生じない程度の張力下で非嵩高性の糸条とする方法や、強化繊維のみ開繊した後、又は強化繊維と熱可塑性樹脂繊維共に開繊した後に流体交絡させる方法(開繊後流体交絡法)等が挙げられる。特に、熱可塑性樹脂繊維に単独で熱加工を含む工程で仮撚加工を施した後、同一の装置で連続して、流体交絡法で混繊することが好ましい。
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。
熱可塑性樹脂繊維複合材料を構成する熱可塑性樹脂は、強化繊維にコーティングして複合糸としたものでもよく、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸させたものでもよい。熱可塑性樹脂のコーティングや含浸は、強化繊維の製造時に行ってもよいし、強化繊維を製造した後に別工程で行ってもよい。
熱可塑性樹脂繊維複合材料の形態に特に制限はなくシート状、フィルム状、ペレット状でも構わないが、操作性、形状柔軟性の観点から布帛状が好ましい。
布帛を得る方法は特に限定されず、用途、目的に応じて選定した適切な布帛を作製する公知の方法を用いることができる。例えば、織物は、シャトル織機、レピア織機、エアジェット織機、ウォータージェット織機等の製織機を用い、少なくとも一部に複合糸を含んでいればよい。好ましくは、複合糸を含む繊維を配列させた経糸に、緯糸を打ち込むことによって、得てもよい。編物は、丸編み機、横編み機、トリコット編み機、ラッシェル編み機等の編み機を用い、少なくとも一部に複合糸を含む繊維を編成することによって得られる。不織布は、少なくとも一部に複合糸を含む繊維をウェブと呼ばれるシート状の繊維集合体とした後、ニードルパンチ機、ステッチボンド機、柱状流機等の物理作用やエンボスロール等による熱作用や接着剤によって繊維同士を結合させることによって、得られる。
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。
また、基材として布帛を用いる場合、基材を所望の形状に裁断する方法としては、ウォータージェットカッター、レーザーカッター、プロッタカッター、超音波カッター、超鋼刃プレスカッター、熱刃プレスカッター等があるが、経済性、生産性、性能面から熱刃プレスカッターが好ましい。熱刃プレスカッターの刃の温度は、素材により適宜設定されるが、熱可塑性樹脂の融点またはガラス転移温度以上、好ましくは融点+30℃以上またはガラス転移温度+30℃以上、更に好ましくは融点+70℃以上またはガラス転移温度+70℃以上である。
以下に、実施例を挙げて本発明をさらに具体的に説明する。以下の実施例に示す材料、使用量、割合、処理条件等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り、適宜、変更することができる。従って、本発明の範囲は以下に示す具体例に限定されるものではない。
〔実施例1〕
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)
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/cm、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、L0、L1、L2)
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。
(第一部分の厚さT1、第二部分の厚さT2)
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25000cm/分であった。
(冷却効率A/V(III))
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、842.4cmであった。冷却効率A/V(III)は30/分であった。
下記集束剤を1.0質量%付着させた繊度685dtexで単糸数400本のガラス繊維を連続強化繊維として用いた。
(集束剤の組成(固形分換算))
・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)〕
(布帛)
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/cm
・加工速度:30m/分
複合糸を経糸および緯糸として用い、経糸密度が6本/5mmおよび緯糸密度が6本/5mmの織物(布帛)を製織した。製織時に毛羽やフィブリル状物の発生はなく、織機にも糸くずや毛玉の付着は観察されず製織性は良好であった。
布帛は、7枚重ねにして所望の圧縮成形体の形状に適するように裁断した。熱刃を温度330℃に加熱したものを用いて、積層枚数7枚重ねで切断した。切断面は、融着し、取扱いに優れた基材が得られた。
(成形方法)
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。
[工程2](金型加熱)金型を型締めした状態でキャビティ面の温度を300℃まで急加熱し、布帛を構成するポリアミド樹脂を金型内で溶融し、連続ガラス繊維内に含浸させた。この時、金型の加熱部分の温度は、350℃に設定した。
[工程3](金型分離、冷却)型締め力を下げ、キャビティを閉鎖した状態で、冷却媒体通路に25℃の冷却水を通水して、キャビティ面を急冷却した。キャビティ面の温度が、150℃に達してから5秒後に通水を停止し、通水停止後10秒後に金型を開放し、同時に冷却媒体通路の水を圧縮空にて排出した。
[工程4](離型)金型離型後、直ちに成形体を取り出し、工程1に戻した。
実施例1におけるキャビティ温度の昇温速度は150℃/分、降温速度は600℃/分で、成形サイクルは90秒であった。
得られた成形体の寸法は、250mm×250mm、肉厚2mmであった。
降温速度とは、目標高温温度(上記のキャビティ温度300℃)から目標低温温度(上記のキャビティ温度150℃)までにキャビティ面を冷却したときの降温速度である。また、昇温速度とは、目標低温温度から目標高温温度までにキャビティを昇温したときの昇温速度である。また、キャビティ面の温度とは、予めキャビティ面とキャビティ面近傍の温度との相関関係を求めておき、成形時の実際の温度制御はキャビティ面近傍の温度に基づいて行った。
〔実施例2〕
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。
〔実施例3〕
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。
〔実施例4〕
金型の第一部分に炭素鋼を用い、1000W(10mmΦ×400mm、ワット密度8.3W/cm)(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。
〔実施例5〕
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。
〔実施例6〕
ヒーターとして1000W(10mmΦ×400mm、ワット密度8.3W/cm)(株式会社八光電機製GLE4103)を用い、冷却水の流量Aを12000cm/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。
〔実施例7〕
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/cm)(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25000cm/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、1667cmであった。冷却効率A/V(III)は15/分であった。
実施例7における金型の昇温速度は200℃/分、降温速度は500℃/分、成形サイクルは90秒であった。
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。
〔実施例8〕
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。
〔実施例9〕
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。
〔実施例10〕
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。
〔実施例11〕
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。
〔実施例12〕
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。
〔実施例13〕
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。
図6および図7に示すように、リブ403は、根本3mm、先端1.5mm、高さ15mmである。リブ404は、根本3mm、先端1.5mm、高さ10mmである。リブ405は、根本5mm、先端3mm、高さ10mmである。リブ406は、根本1.5mm、先端0.8mm、高さ10mmである。リブ407は、根本5mm、先端4mm、高さ5mmである。リブ408は、根本3mm、先端1.5mm、高さ20mm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。
円錐柱411は、底部外径13.8mm、上部外径8mm、高さ15mm、肉厚2mmのボス状である。円錐柱412は、底部外径28.5mm、上部外径17.5mm、高さ15mm、肉厚2mmのボス状である。四角錐柱413は、底部一辺28.5mmの正方形、上部一辺17.5mm、高さ15mm、肉厚2mmである。
あらかじめリブ部には布帛1枚を一部押し込み、底面部に合計7枚重ねたものを圧縮して成形した。
キャビティ面側の第一部分の材質は、実施例7と同じコルソン合金でL0=15mm、L1=300mm、L2=30mmとした以外は、実施例7と同様の金型を用いた。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。
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。
得られた成形体は、リブ、ボスのある成形体で円錐柱411,412や四角錐柱413のような複雑形状部分をガラス繊維の破断なしにできる強度に優れるものであった。
〔比較例1〕
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。
[評価条件]
(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)
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)
曲げ強度は、ISO178に準じて求めた。
(最大衝撃強度)
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)
最大衝撃点エネルギーは、JIS K7211−2:2006に準じて求めた。
実施例および比較例の製造条件および得られた成形体の物性を表1および表2に示す。
Figure 0006646737
Figure 0006646737
表1および表2の実施例に示すように、本発明の成形用金型を用いて製造した成形品は、強度に優れ、サイクル時間を短くすることができた。
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。
なお、本発明によれば、強度、特に衝撃強度に優れる成形品を得ることができる。例えば、本実施例1と同じ材料で箱型(高さ45mm、縦150mm、横200mm、厚み3mmの底板を有する箱型成形品)試験体を作成し、箱を伏せた状態で試験台に設置し、箱の底板に与えるエネルギーを250Jに設定して大型高速衝撃圧縮試験機で衝撃試験を行った。エネルギー250Jを与える落下物として、下面直径185mmの錐形状体を使用した。ガラス短繊維50%/ポリアミド66複合材料を射出成形にて成形した同形状の成形品は本衝撃試験にて材料が飛び散り、形状を保持することができなかった。一方、実施例1と同様の材料による成形体は、本衝撃試験でも形状を保持して破壊せず、落下物を底板で数回、反発させることができた。
本発明によれば、各種機械や自動車等の構造部品等、高レベルでの機械的物性が要求される熱可塑性樹脂繊維複合成形体をハイサイクルで圧縮成形できる方法を提供することができる。
100,200 金型
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)

  1. 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 /s)が、前記第二部分の材質の熱拡散率(m /s)の3.5倍以上である成形用金型。
  2. 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
  3. 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。
  4. 前記第一部分の材質の硬度HBが200以上である請求項1からいずれか1項記載の成形用金型。
  5. 前記第一部分の材質の硬度HBが250以上である請求項記載の成形用金型。
  6. 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。
  7. 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からいずれか1項記載の成形用金型。
  8. 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からいずれか1項記載の成形用金型。
  9. 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 /s)が、前記第二部分の材質の熱拡散率(m /s)の3.5倍以上である圧縮成形方法。
  10. 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記載の圧縮成形方法。
  11. 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℃以上である請求項または10記載の圧縮成形方法。
  12. 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。
  13. 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から12いずれか1項記載の圧縮成形方法。
  14. 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種である請求項から13いずれか1項記載の圧縮成形方法。
  15. 前記熱可塑性樹脂繊維複合材料が布帛である請求項から14いずれか1項記載の圧縮成形方法。
  16. 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種である請求項から15いずれか1項記載の圧縮成形方法。
  17. 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)(cm)と、冷却時の冷却媒体の流量A{L(cm)/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。
  18. 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。
  19. 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から18いずれか1項記載の圧縮成形方法。
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