JPH06349B2 - 繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形用金型 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は合成樹脂の成形用金型に係り、特に繊維強化熱
可塑性合成樹脂のホットプレス法による成形において用
いる金型に関するものである。

（従来技術） 近年軽量でしかも高い強度を持つ材料としてガラス繊維
や炭素繊維で強化したいわゆる繊維強化合成樹脂への関
心が高まっている。

従来の繊維強化合成樹脂はエポキシ樹脂、ポリエステル
樹脂等の熱硬化性合成樹脂を基本としたものであり、こ
のような材料を利用しての１つの成形法として、炭素系
長繊維のエポキシ系プリプレグ材を所定形状積層法で積
層後オートクレーブ中で加熱加圧してキュアーさせる方
法がある。

このような成形法は、成形前段階での準備例えば成形体
中のボイド除去の為の処置が必要であったり、或はオー
トクレーブ中でキュアー時間が４〜５時間と長くかかり
非常に生産能率が悪いものであった。

このため最近は、熱可塑性合成樹脂をベースとした繊維
強化合成樹脂すなわちＦＲＴＰへの関心が高まってい
る。

特に最近開発されたＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケ
トン）樹脂は、耐熱性、強靭性、耐薬品性、耐炎性等が
既存のいわゆるエンジニアリングプラスチックと比べて
数段優れていることから、これをベースとしたＦＲＴＰ
が注目されている。

従来のＦＲＴＰの成形は第６図に示す如くホットプレス
成形装置を利用して行われていた。

１は型締用油圧シリンダー、２は補強板、３は水冷却管
８の配設された隔熱冷却板、４は断熱材、５は加熱冷却
板であり、加熱冷却板５内には水冷却管７及びカートリ
ッジヒータ６が配設されている。

ＰＥＥＫをベース樹脂とし炭素繊維で強化したＦＲＴＰ
の成形に際しては、該成形材料はタック性がないので先
ずバットジョイントでプリプレグ材のレイアップを行
う。

すなわちプレプレグ材を所定のプライ数レイアップした
後全体がばらばらにならないよう４辺をハンダゴテを用
いてレジンを溶かし圧着させて接合する。

厚いラミネートを作る場合には、例えば８プライ程度づ
つに仮止めしたものを必要枚数重ねた後接合する。

前記した如くして所定プライ数レイアップされたプリプ
レグを用いての成形は、第７図に示す如くプリプレグ１
２を離型剤の塗布されたアルミ箔１０を介して２枚の必
要に応じてキャビティ及びコアの形成された金型本体と
してのプレッシャープレート９にて挟持し、第１図に示
すホットプレス装置に装着し加熱加圧して行う。

尚１１はプレッシャープレート９の四周に配設されるプ
リプレグのはみ出しを防ぐためのピクチャーフレームで
ある。

成形条件は第８図に示す如くであり、先ず４００℃にな
るまで８プライで５分程度の予熱時間で先ず予熱する。

尚予熱時間は１＋１／２Ｐ分（Ｐ…プライ数）程度とす
る。

この予熱に際して若干の圧力（７０ｐｓｉ程度）をかけ
るとガス抜き効果がある。

次いで圧力を２００psi程度として４００℃−５分加熱
した後圧力はそのまま保持して２００℃程度に急冷し、
さらに圧力を３００psi程度として５分間保持し一サイ
クルの成形を終わる。

（発明が解決しようとする課題） 前記した成形条件において成形体の温度を４００℃から
２００℃に急冷する際、この冷却速度によってＰＥＥＫ
の如き結晶性合成樹脂の場合は結晶化度が変化し、冷却
速度が１０℃／分以下と遅い場合には結晶化度が高くな
って靭性が低下し、一方冷却速度７００℃／分以上と急
冷すると結晶化度が低下して強度、剛性、耐薬品性等が
低下する。

したがって靭性、強度、耐薬品性等の物性値を使用目的
に応じて最適とするには、冷却速度をコントロールして
結晶化度を最適とする必要があるが、実際にはこれは極
めて難しい。

このため結晶化度をコントロールする方法として、先ず
極めて早い冷却速度で急冷し殆ど結晶化しない状態とし
た後、この成形品を２００〜３００℃で２０分程度の再
加熱によるアニールをして最適の物性値の得られる結晶
化度とする方法が採られる。

しかしながら第６図に示した如き水冷却管７に冷却水を
通して加熱冷却板５を冷却して成形体を冷却する方法を
採った場合には、成形温度が４００℃と極めて高いこと
もあって冷却速度は極めて遅くなり結晶化度の低い成形
体を得ることは出来なかった。

したがって当然のことながら、アニールによる結晶化度
のコントロールは不可能で、せっかく特性のすぐれたＰ
ＥＥＫをベース樹脂として利用しても優れた特性のＦＲ
ＴＰ成形体を得ることは出来なかった。

本発明は、前記したような従来技術の課題を解決するた
め、ホットプレス成形法による成形において成形体を急
冷する効果的な方法を提供することを目的に創案された
ものである。

（課題を解決するための手段） すなわち本発明は、繊維強化熱可塑性合成樹脂シートを
ホットプレス成形するための金型装置であって、上下の
金型本体としてのプレッシャープレートと、このプレッ
シャープレートに熱を伝えるため裏面に接する均熱板
と、この均熱板を加熱するため裏面に接する熱源の配備
された加熱板とから成り、前記加熱板に挿入溝を介して
出入自在の冷媒噴射管ユニットを配備したことを特徴と
する繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形用金型であり、ま
た加熱板加熱する熱源が、嵌合穴を介して出入自在のカ
ートリッジヒータユニットとして配備されたことを特徴
とする前記繊維強化熱可塑性合成樹脂の成形用金型であ
る。

（作用） 本発明の構成は前記したようなのものであり、その作用
は次の通りである。

先ず、成形作業終了後直ちに加熱板の溝に冷媒噴射管ユ
ニットを挿入して均熱板に冷却媒体を噴射してこの冷却
を行うと、従来の加熱板に埋設された冷却管に冷却媒体
を流通させて冷却する場合に比べてはるかに冷却効率が
高く急冷が可能となる。

したがってこの均熱板から熱伝導を受けている成形体も
急冷され、結晶化度の低い成形体が容易に得られること
となる。

また、前記した均熱板を急冷するための冷媒噴射管ユニ
ットは加熱板に対して出入自在であるので、成形作業時
には加熱板から離れた退避位置に位置させられ、成形作
業時に冷却ユニットも加熱されてしまうこともなくな
り、冷却媒体の噴出が効果的に行えて均熱板の冷却効率
が高まり、同時に加熱板も冷却ユニット分の体積が減少
するので熱容量が小さくなり、加熱板を加熱する際の熱
効率が向上する。

さらに加熱用のカートリッジヒータユニットも加熱板に
対して出入自在とすると、加熱板からヒータユニットを
冷媒噴射管ユニットで均熱板を冷却する際には離れた位
置に退避させておけるので、冷却媒体がカートリッジヒ
ータユニットに噴射されてこれが損傷しなくなる。

さらに、均熱板を冷却するための冷媒噴射管からの冷媒
の噴射量は、制御装置の制御によって成形温度に応じて
変化させられるので、ＰＥＥＫ樹脂のように成形温度の
高い樹脂を成形した場合でも、その成形温度に応じて冷
媒の噴射量が多くして高い冷却速度で冷却することが可
能となる。

（実施例） 本発明の実施例について第１図及び第２図にもとづいて
説明する。

第１図に示すように、本発明の金型は型締用油圧シリン
ダー１３の配備された従来のホットプレス装置のプラテ
ン１８に断熱板１４を介して取り付けられている。

１５が加熱板、１６は均熱板、１７はプレッシャープレ
ートであり、２枚のプレッシャープレート１７に挟持さ
れた成形材のプリプレグ１９は、加熱板１５から伝熱さ
れる均熱板１６を介して加熱されつつ型締用油圧シリン
ダー１３によって加圧されて成形される。前記した成形
機に取り付けられた金型の詳細は第２図に示すようなも
のであり、加熱板１５には凹溝が等間隔で形成されてお
り、この凹溝に多数の噴射孔４２を有する冷媒噴射管ユ
ニット２１が自在に出入できるようになっている。

加熱板１５の凸部にはカートリッジヒーター２７を挿入
するための取付穴が設けられており、ここに挿入された
カートリッジヒーター２７によって加熱板１５が加熱さ
れるが、このカートリッジヒーター２７はユニット化
し、加熱板１５の嵌合穴に対し出入自在にするのが好ま
しい。

また加熱板１５は溝部が設けられた分、体積が減少し熱
容量が小さくなっており、当然この加熱に要する熱量は
小さくなる。

加熱板１５はアルミニウム、銅等の熱伝導性の良い材料
にて形成され、この加熱板１５には銀、銅、アルミニウ
ム等の熱導電性の良い金属、もしくはこれらのクラッド
材で形成された均熱板１６が固着されている。

加熱板１５に対して均熱板１６を配設するのは加熱板１
５に溝が設けられているので加熱板１５からプレッシャ
ープレート１７への伝熱を効果的に行わせるためであ
る。

したがって、加熱板１５に与えられた熱は均熱板１６を
介してプレッシャープレート１７に挟持された成形材料
のプリプレグ１９を加熱することとなる。

加熱板１５の冷媒噴射管ユニット２１が挿入される溝部
には冷媒噴射管ユニット２１が所定位置迄挿入されたか
否かを検出するための位置確認手段としてのリミットス
イッチ２８が装着されている。

冷媒噴射管ユニット２１には、駆動手段としての油圧シ
リンダー２９の油圧シリンダーロッド２２が固着されて
おり、この油圧シリンダー２９の駆動によって、冷媒噴
射管ユニット２１は加熱板１５の溝部に挿入されたり、
或は加熱板１５から離れた退避位置に移動されたりす
る。

２６は、冷媒貯蔵用のタンクであり、このタンク２６内
には一般には冷媒としての水が貯蔵されており、ポンプ
２５によって供給管３０を経て冷媒噴射管ユニット２１
に送られる。

２４は、冷媒の供給量を増減するための流量調節装置、
２３は冷媒の供給を開始したり、或は停止したりするた
めのシャットオフ弁装置、２０はプレッシャープレート
１７の温度を検知するための熱電対のような温度センサ
ーである。

前記したように構成される金型を利用しての成形作業を
行う場合の制御機構について第３図のシステムブロック
にもとづいて説明する。

３１は、成形用の型が所定の成形温度に達したか否か、
或は所定の冷却温度迄冷却されたか否かを検知するため
の型温度検知手段であり、実施例の成形機では、プレッ
シャープレート１７に装着された温度センサー２０がこ
れに相当する。

３２は、冷媒噴射管ユニット２１が加熱板１５の溝の所
定の位置迄挿入されたか否かを確認する定位置確認手段
であり、加熱板１５の溝部に装着されたリミットスイッ
チ２８がこれに相当する。

３３は、中央演算処理をするための演算手段、３４は予
め制御プログラムが記憶されたＲＯＭ、３５はデータを
一時的に記憶するためＲＡＭである。

３６は、型が所定の成形温度に達した後の保持時間を測
定するためのタイマー、３７はカートリッジヒータユニ
ット化した加熱ユニットを加熱板１５に設けた嵌合穴に
挿入したり、或は加熱板１５から離れた退避位置に移動
させたりする加熱ユニット駆動手段、３８は冷媒噴射管
ユニット２１を加熱板１５の溝部に挿入したり、或は加
熱板１５から離れた退避位置に移動させたりする噴射管
駆動手段である。

噴射管駆動手段３８は、油圧シリンダー２９として示し
てあり、加熱ユニット駆動手段３７としても同様の装置
を利用する。

３９は、冷媒を冷媒噴射管ユニット２１に供給するため
のポンプ２５を駆動するためのポンプ駆動手段、４０は
冷媒の供給量を調節する流量調節装置２４の調節弁を冷
却供給量に応じて設定するための流量調節弁設定手段、
４１は冷媒の供給を開始したり、或は停止したりするシ
ャットオフ弁装置２３の弁の開閉を行うシャットオフ弁
開閉手段である。

次に、以上のように構成される制御機構により制御され
つつ行われる一連の本発明の成形作業について第４図の
流れ図にもとづいて説明する。

成形機に対して成形材料のプリプレグ１９が、プレッシ
ャープレート１７に挟持され油圧シリンダー１３によっ
て所定の圧力で加圧してセットされると、カートリッジ
ヒーター２７への通電によって加熱板１５が加熱され
る。

勿論、この際には冷媒噴射管ユニット２１は、加熱板１
５の位置から離れた退避位置にある。

加熱板１５の加熱により均熱板１６を介してプレッシャ
ープレート１７が加熱されるので、第１ステップとし
て、プレッシャープレート１７が所定の成形温度に達し
たか否かを、型温度検知手段３１としての温度センサー
２０で検知する。

プレッシャープレート１７が所定の成形温度に達したこ
とが検知されると、第２ステップとしてタイマー３６が
作動し、所定の成形時間に達したか否かを測定する。

タイマー３６によって成形時間が所定の時間に達したこ
とが検知されると、第３ステップとして加熱ユニット２
７としてのユニツト化されたカートリッジヒータ２７が
加熱板１５から離れた退避位置迄加熱ユニット駆動手段
３７によって後退させられ、第４ステップとして噴射管
駆動手段３８としての油圧シリンダー２９の駆動により
冷媒噴射管ユニット２１を加熱板１５の溝部に挿入させ
るため前進させる。

尚加熱ユニット２７を特に加熱板１５から退避させる必
要が無い場合は、第３ステップは省略される。

第５ステップとしては、加熱板１５の溝部に挿入された
冷媒噴射管ユニット２１が、所定位置に達したか否かを
定位置確認手段３２としてのリミットスイッチ２８によ
って確認される。

定位置確認手段３２により冷媒噴射管ユニット２１が定
位置迄前進したことが確認されると、第６ステップとし
てポンプ駆動手段３９によってポンプ２５が駆動され
る。

第７ステップとして、流動調節弁装置２４の流量調節弁
が、型温度検知手段３１としての温度センサー２０で検
知されたプレッシャープレート１７の成形温度に応じ
て、流量調節弁設定手段４０によって設定される。

流量調節弁が成形温度に応じた所定の流量に設定される
と、第８ステップとしてシャトオフ弁装置２３のシャッ
トオフ弁が、シャットオフ弁開閉手段４１によって開か
れる。

シャットオフ弁装置２３のシャットオフ弁が開かれる
と、冷媒噴射管ユニット２１の噴射孔４２から冷媒とし
ての水の均熱板１６に対して噴射が開始され、均熱板１
６を介してプレッシャープレート１７の冷却が行われ
る。

第９ステップとして、型温度検知手段３１としての温度
センサー２０によって、プレッサープレート１７が所定
の温度迄冷却されたか否かが検知される。

プレッシャープレート１７が所定の冷却温度に達したこ
とが検知されると、第１０ステップとしてシャットオフ
弁装置２３のシャットオフ弁がシャットオフ弁開閉手段
４１によって閉じられ、冷媒噴射管ユニット２１からの
均熱板１６に対する冷媒の噴射は停止される。

シャットオフ弁が閉じられ冷媒の噴射が停止されると、
第１１ステップとして冷媒噴射管ユニット２１は、噴射
管駆動手段３８としての油圧シリンダー２９によって駆
動され、加熱板１５の溝部から離れ退避位置に後退す
る。

冷媒噴射管ユニット２１が退避位置に後退すると、退避
位置にあった加熱ユニット２７が加熱ユニット駆動手段
３７によって駆動されて前進し、加熱板１５に装着され
次の成形に備えらえる。

尚、第８図に示した如く、成形作業時には油圧シリンダ
ー１３による成形圧力も成形温度及び冷却温度の型温度
と成形時間とによって制御されているが、この制御も型
温度検知手段３１としての温度センサー２０及びタイマ
ー３６によって行われる。

（効果） 本発明の構成及び作用は前記したようなものであり、そ
の効果を示すものとして、本発明と従来例との冷却速度
の比較を第５図に示す。

この図において、実線で示すaは温度19.5℃の水を約１
６／分の噴射量で均熱板に噴射した本発明の実施例、
点線で示すbは、加熱板に埋設された冷却管に１７℃の
水を１３／分の通水量で通水した従来例のプレッシャ
ープレートの温度を測定して得た成形体の冷却カーブが
示されている。

この図から明らかな如く、本発明の実施例の冷却速度
は、４００℃−２００℃の間で７２７℃／分と従来例の
１９０℃／分よりもはるかに速く、成形温度が４００℃
と極めて高い場合でも急冷が可能であることを示してい
る。

本発明が従来例に比べてこのように速い冷却速度が得ら
れるのは、前記したように加熱板に溝を設けているので
熱容量が約１／３程度と少なくなっていること、冷却水
の通水量を３／分多くできること、冷却が噴射水を利
用したものであるために水蒸気膜を除去した効率の高い
冷却方式であること等によるものである。

前記したような条件でＰＥＥＫ樹脂を成形し結晶化度を
測定したところ、成形体は殆ど結晶化されていないこと
が確認された。

したがってこの結晶化度の低い成形体を再度加熱してア
ニールすることにより適度の結晶化度とすることが容易
に行えた。

以上のように本発明は、ＰＥＥＫ樹脂のような成形温度
の高い結晶性熱可塑性樹脂をベースにした繊維強化熱可
塑性樹脂をも良好な品質状態で成形することのできる金
型を提供するものである。

【図面の簡単な説明】

第１及び第２図は本発明の成形機を、第３図及び第４図
は本発明の制御機構を、第５図は本発明の効果を、第６
図及び第７図は従来例の成形機を、第８図はＰＥＥＫ樹
脂の成形条件を示す図である。 １５…加熱板、１６…均熱板、１７…プレッシャープレ
ート、１９…プリプレグ、２０…温度センサー、２１…
冷媒噴射管ユニット、２３…シャットオフ弁装置、２４
…流量調節弁装置、２７…カートリッジヒーター、２８
…リミットスイッチ、２９…油圧シリンダー、３６…タ
イマー

フロントページの続き (72)発明者 内藤 晶弘 東京都江東区白河２丁目15番４号 株式会 社丸東製作所内 (72)発明者 松永 昇 東京都中央区京橋３丁目１番１号 蛇の目 ミシン工業株式会社内 (72)発明者 畔柳 和好 東京都中央区京橋３丁目１番１号 蛇の目 ミシン工業株式会社内 審査官 野村 康秀 (56)参考文献 特公 昭49−47908（ＪＰ，Ｂ１) 実公 昭62−41780（ＪＰ，Ｙ２) 実公 平３−49862（ＪＰ，Ｙ２)

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】繊維強化熱可塑性合成樹脂シートをホット
   プレス成形するための金型装置であって、上下の金型本
   体としてのプレッシャープレートと、このプレッシャー
   プレートに熱を伝えるため裏面に接する均熱板と、この
   均熱板を加熱するため裏面に接する熱源の配備された加
   熱板とから成り、前記加熱板に挿入溝を介して出入自在
   の冷媒噴射管ユニットを配備したことを特徴とする繊維
   強化熱可塑性合成樹脂の成形用金型。
2. 【請求項２】加熱板を加熱する熱源が、嵌合穴を介して
   出入自在のカートリッジヒータユニットとして配備され
   たことを特徴とする請求項１記載の繊維強化熱可塑性合
   成樹脂の成形用金型。