(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】2021066081
(43)【公開日】20210430
(54)【発明の名称】繊維強化複合材およびその製造方法並びに樹脂成形品の製造方法
(51)【国際特許分類】
   B29B 11/16 20060101AFI20210402BHJP
   B29C 43/34 20060101ALI20210402BHJP
   B29C 70/16 20060101ALI20210402BHJP
   B29C 70/42 20060101ALI20210402BHJP
   B29K 105/12 20060101ALN20210402BHJP
   B29K 101/12 20060101ALN20210402BHJP
   B29K 105/08 20060101ALN20210402BHJP
【FI】
   !B29B11/16
   !B29C43/34
   !B29C70/16
   !B29C70/42
   !B29K105:12
   !B29K101:12
   !B29K105:08
【審査請求】未請求
【請求項の数】6
【出願形態】OL
【全頁数】12
(21)【出願番号】2019192785
(22)【出願日】20191023
(71)【出願人】
【識別番号】000010065
【氏名又は名称】フクビ化学工業株式会社
【住所又は居所】福井県福井市三十八社町33字66番地
(74)【代理人】
【識別番号】100067828
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 悦司
(74)【代理人】
【識別番号】100115381
【弁理士】
【氏名又は名称】小谷 昌崇
(74)【代理人】
【識別番号】100133916
【弁理士】
【氏名又は名称】佐藤 興
(72)【発明者】
【氏名】金森 尚哲
【住所又は居所】福井県福井市三十八社町33字66番地 フクビ化学工業株式会社内
(72)【発明者】
【氏名】兼岩 秀和
【住所又は居所】東京都品川区大井1丁目23番3号 フクビビル フクビ化学工業株式会社内
【テーマコード(参考)】
4F072
4F204
4F205
【Fターム(参考)】
4F072AA02
4F072AA08
4F072AB10
4F072AD02
4F072AD04
4F072AD05
4F072AD07
4F072AD09
4F072AD23
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4F072AD45
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4F072AD52
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4F072AH06
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4F072AH49
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4F204AA03
4F204AA13
4F204AA16
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4F204AA32
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4F205AA03
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4F205AB25
4F205AC03
4F205AD16
4F205HA08
4F205HA25
4F205HA45
4F205HB01
4F205HC04
4F205HF01
4F205HK03
4F205HK04
(57)【要約】
【課題】強化繊維を含有する比較的厚手の樹脂成形品を効率よく成形する。
【解決手段】1mm以上の厚みを有する繊維強化複合材CSを用いて樹脂成形品を成形する。繊維強化複合材CSは、厚み方向に積層、固定された複数のチョップ材Cを備える。複数のチョップ材Cは、それぞれ熱可塑性のマトリックス樹脂と当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維とを含み、強化繊維の繊維方向が二次元的にランダムになる状態で、強化繊維の目付量が700g/m以上になりかつ強化繊維の体積含有率が20%以上70%以下になるように積層される。
【選択図】図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
1mm以上の厚みを有する繊維強化複合材であって、
厚み方向に積層、固定された複数のチョップ材を備え、
複数の前記チョップ材は、それぞれ熱可塑性のマトリックス樹脂と当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維とを含むとともに、前記強化繊維の繊維方向が二次元的にランダムになる状態で、前記強化繊維の目付量が700g/m以上になりかつ前記強化繊維の体積含有率が20%以上70%以下になるように積層されている、ことを特徴とする繊維強化複合材。
【請求項2】
請求項1に記載の繊維強化複合材において、
前記複数のチョップ材を積層状態で支持する熱可塑性樹脂製のキャリアシートをさらに備えた、ことを特徴とする繊維強化複合材。
【請求項3】
請求項1または2に記載の繊維強化複合材において、
複数の前記チョップ材は、それぞれ10μm以上100μm以下の厚みを有し、かつ厚み方向に11枚以上積み重なるように積層されている、ことを特徴とする繊維強化複合材。
【請求項4】
請求項3に記載の繊維強化複合材において、
前記各チョップ材は、短辺の長さが2mm以上50mm以下でかつ長辺の長さが2mm以上80mm以下の長方形を呈するように形成されている、ことを特徴とする繊維強化複合材。
【請求項5】
1mm以上の厚みを有する繊維強化複合材を製造する方法であって、
熱可塑性のマトリックス樹脂と当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維とを含むUDシートを作製する第1の工程と、
前記UDシートを細断することにより所定サイズの複数のチョップ材を作製する第2の工程と、
作製された複数の前記チョップ材を、前記強化繊維の繊維方向が二次元的にランダムになる状態で厚み方向に積層、固定する第3の工程とを含み、
前記第3の工程では、前記強化繊維の目付量が700g/m以上になりかつ前記強化繊維の体積含有率が20%以上70%以下になるように前記チョップ材を積層させる、ことを特徴とする繊維強化複合材の製造方法。
【請求項6】
請求項5に記載の製造方法により製造された繊維強化複合材から、パンチおよびダイを含むプレス金型を用いて樹脂成型品を製造する方法であって、
複数の前記繊維強化複合材を積み重ねて前記ダイに配置する第4の工程と、
前記ダイに配置された前記繊維強化複合材を加熱しながら前記パンチを前記ダイに押し込むことにより、当該パンチとダイとの間の成形空間に対応した形状に前記繊維強化複合材を変形させる第5の工程とを含む、ことを特徴とする樹脂成型品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む繊維強化複合材に関する。
【背景技術】
【0002】
繊維強化複合材を製造する方法として、下記特許文献1のものが知られている。この特許文献1の製造方法は、一方向に引き揃えられた強化繊維をマトリックス樹脂に含浸させたセミプリプレグシートを作製する工程と、作製したセミプリプレグシートを細断して多数のチョップドセミプリプレグシートを作製する工程と、作製した多数のチョップドセミプリプレグシートを二次元的にランダムに配向して重ね合わせた状態で互いに一体化した層状体を作製する工程と、作製した層状体を複数積層して一体化することにより疑似等方補強シート材を作製する工程と、作製した疑似等方補強シート材を1枚もしくは複数枚積層し、加圧・加熱して所望の形状の成形品(複合材料成形品)を得る工程とを含む。
【0003】
疑似等方補強シート材は、ロール状に巻き取ることが可能な程度の柔軟性を有するものとされ、そのために種々の条件が課される。例えば、チョップドセミプリプレグシートを重ね合わせて疑似等方補強シート材を作製する場合には、チョップドセミプリプレグシート1枚あたり厚みが20〜80μmに制限され、かつその積み重ね枚数(厚み方向の平均枚数)が2〜10枚に制限される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2016−27956号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
上記特許文献1の製造方法によれば、二次元的にランダムに配向された強化繊維を含みかつ柔軟性に富んだ疑似等方補強シート材を用いて成形品が成形されるので、平板形状以外の曲面形状や凹凸形状等を有する金型を用いた場合でも、その金型の形状に沿って材料が流動し易い。このため、強化繊維による補強効果を享受しながら、成形品の形状自由度も確保できるという利点がある。
【0006】
しかしながら、上記特許文献1では、疑似等方補強シートの厚みが非常に小さい値(計算上は800μm以下)に制限されるので、この疑似等方補強シートを用いて比較的厚手の成形品を成形しようとした場合には、金型内に非常に多くの疑似等方補強シートを積み重ねて配置する必要があり、成形時の工数が増大するという問題があった。
【0007】
本発明は、上記のような事情に鑑みてなされたものであり、強化繊維を含有する比較的厚手の樹脂成形品を効率よく成形することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
前記課題を解決するためのものとして、本発明は、1mm以上の厚みを有する繊維強化複合材であって、厚み方向に積層、固定された複数のチョップ材を備え、複数の前記チョップ材は、それぞれ熱可塑性のマトリックス樹脂と当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維とを含むとともに、前記強化繊維の繊維方向が二次元的にランダムになる状態で、前記強化繊維の目付量が700g/m以上になりかつ前記強化繊維の体積含有率が20%以上70%以下になるように積層されている、ことを特徴とするものである(請求項1)。
【0009】
本発明によれば、比較的厚手の樹脂成形品を成形するための材料として好適な繊維強化複合材を提供することができる。すなわち、強化繊維の目付量が700g/m以上で体積含有率が20%以上70%以下である本発明の繊維強化複合材は、樹脂成形品をプレス加工により成形する際の材料として提供されることにより、当該樹脂成形品の強度を高めることに貢献する。また、繊維強化複合材は積層された複数のチョップ材を含み、かつ複数のチョップ材は強化繊維の繊維方向が二次元的にランダムになる状態で積層されているので、繊維強化複合材がプレス加工に供されたときに強化繊維が切断される可能性を低減できるとともに、プレス加工時の樹脂の流動を促進して樹脂成形品の形状自由度を高めることができる。これにより、強化繊維による補強効果を等方的に発揮させつつ、種々の形状の樹脂成形品を支障なく成形することができる。しかも、繊維強化複合材は1mm以上の厚みを有するので、プレス加工のために繊維強化複合材を金型内で積み重ねる回数を減らすことができる。言い換えると、比較的厚手の樹脂成形品を成形する場合であっても、繊維強化複合材を金型内で積み重ねる回数が極端に多くならないので、プレス加工の工数を削減することができ、比較的厚手の樹脂成形品を効率よく成形することができる。
【0010】
好ましくは、前記繊維強化複合材は、前記複数のチョップ材を積層状態で支持する熱可塑性樹脂製のキャリアシートをさらに備える(請求項2)。
【0011】
この構成によれば、キャリアシートの上にチョップ材をランダム配置しかつ加熱ローラで加圧・加熱する等の方法により、1mm以上の厚みを有する前記繊維強化複合材を比較的容易に作製することができる。
【0012】
前記繊維強化複合材の厚みを1mm以上にするための前記チョップ材の積層方法は種々考えられるが、好適な一例として、10μm以上100μm以下の厚みを有する前記チョップ材を厚み方向に11枚以上積み重ねることが考えられる(請求項3)。
【0013】
前記各チョップ材は、好ましくは、短辺の長さが2mm以上50mm以下でかつ長辺の長さが2mm以上80mm以下の長方形を呈するように形成される(請求項4)。
【0014】
チョップ材をこのようなサイズ(形状)に形成した場合には、当該チョップ材に含まれる強化繊維により繊維強化複合材の強度を効果的に向上させることができる。
【0015】
また、本発明は、1mm以上の厚みを有する繊維強化複合材を製造する方法であって、熱可塑性のマトリックス樹脂と当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維とを含むUDシートを作製する第1の工程と、前記UDシートを細断することにより所定サイズの複数のチョップ材を作製する第2の工程と、作製された複数の前記チョップ材を、前記強化繊維の繊維方向が二次元的にランダムになる状態で厚み方向に積層、固定する第3の工程とを含み、前記第3の工程では、前記強化繊維の目付量が700g/m以上になりかつ前記強化繊維の体積含有率が20%以上70%以下になるように前記チョップ材を積層させる、ことを特徴とするものである(請求項5)。
【0016】
さらに、本発明は、前記のようにして製造された繊維強化複合材から、パンチおよびダイを含むプレス金型を用いて樹脂成型品を製造する方法であって、複数の前記繊維強化複合材を積み重ねて前記ダイに配置する第4の工程と、前記ダイに配置された前記繊維強化複合材を加熱しながら前記パンチを前記ダイに押し込むことにより、当該パンチとダイとの間の成形空間に対応した形状に前記繊維強化複合材を変形させる第5の工程とを含む、ことを特徴とするものである(請求項6)。
【0017】
この方法によれば、比較的厚手でかつ高強度な樹脂成形品を効率よく成形することができる。
【発明の効果】
【0018】
以上説明したように、本発明によれば、強化繊維を含有する比較的厚手の樹脂成形品を効率よく成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】本発明の一実施形態にかかる樹脂成形品の製造方法の概略手順を示すフローチャートである。
【図2】UDシートを作製するシート製造装置の概略構成を示す図である。
【図3】UDシートからチョップ材を切り出す方法を説明するための図である。
【図4】積層チョップドシートを作製する方法を説明するための図である。
【図5】積層チョップドシートの断面図である。
【図6】熱プレス機の構成および当該熱プレス機を用いて積層チョップドシートから樹脂成形品を成形する方法を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
以下、図面を参照しつつ、本発明の一実施形態にかかる樹脂成形品の製造方法について説明する。本実施形態において、樹脂成形品は、強化繊維が含有された合成樹脂製の成形品(複合成形品)であり、図1に示す各工程(S1〜S5)により製造される。すなわち、本実施形態における樹脂成形品の製造方法は、UDシートを作製する工程S1と、UDシートを細断してチョップ材を作製する工程S2と、チョップ材をキャリアシートに積層して積層チョップドシートを作製する工程S4と、積層チョップドシートを金型に投入して熱プレス加工する工程S4,S5とを含む。各工程の詳細は次のとおりである。
【0021】
(1)UDシートの作製
工程S1は、図2に示すUDシートSを作製する工程(シート作製工程)である。このシート作製工程S1により作製されるUDシートSは、熱可塑性樹脂製の樹脂シートR0に強化繊維Fが含浸された繊維強化樹脂シート(FRTPシート)である。なお、シート作製工程S1は、本発明における「第1の工程」に相当する。
【0022】
強化繊維Fとしては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミックス繊維等を用いることができる。中でも炭素繊維は、成形品の強度および耐食性等を向上させる上で有利である。炭素繊維としては、強度が特に高いPAN(ポリアクリロニトリル)系の炭素繊維を用いることが好ましい。
【0023】
樹脂シートR0の材料である熱可塑性樹脂、つまりUDシートSのマトリックス樹脂としては、ポリアミド(特にPA6,PA9T)、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリカーボネート、アクリル樹脂、アクリロニトリル‐ブタジエン‐スチレン共重合体(ABS)、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリエーテルイミド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリイミド、ポリアリレート、フッ素樹脂、液晶ポリマー、熱可塑性エポキシ樹脂等を例示することができる。また、これらの熱可塑性樹脂を2種類以上混合したポリマーアロイを樹脂シートR0の材料として用いてもよい。
【0024】
UDシートSは、例えば図2に示されるシート製造装置1を用いて連続的に製造することができる。このシート製造装置1は、強化繊維の束である繊維束F0および熱可塑性の樹脂シートR0から、UDシートSを連続的に製造する装置である。
【0025】
具体的に、シート製造装置1は、上下に並ぶ複数対(図2では2対)の加熱ローラ2と、加熱ローラ2の下側において上下に並ぶ複数対(図3では2対)の冷却ローラ3と、加熱ローラ2と冷却ローラ3との間に掛け回された一対の無端ベルト4と、無端ベルト4の下側に位置する一対の引き出しローラ5と、引き出しローラ5の下側に配置された巻き取り用のボビン6とを備えている。
【0026】
最上段の加熱ローラ2の近傍には、繊維束F0を開繊して帯状に広げる開繊機構(図示省略)が設けられている。この開繊機構は、繊維束F0を連続的に開繊することにより、多数の連続した強化繊維Fを薄い帯状に広げつつ形成することが可能である。開繊機構としては、このような処理が可能な機構であればよく、繊維束を叩いて広げる機構、繊維束に風を当てて広げる機構、繊維束に超音波を当てて広げる機構など、種々の機構を用いることができる。
【0027】
図2の例において、上記開繊機構は、樹脂シートR0の一方の面に開繊後の強化繊維Fを供給する機構と、樹脂シートR0の他方の面に開繊後の強化繊維Fを供給する機構とを有する。前者の機構は、樹脂シートR0の一方の面と当該面と接する加熱ローラ2との間に強化繊維Fを導入するように設けられ、後者の機構は、樹脂シートR0の他方の面と当該面と接する加熱ローラ2との間に強化繊維Fを導入するように設けられる。ただし、開繊機構は、樹脂シートR0の一方の面のみに強化繊維Fを供給するものであってもよい。
【0028】
加熱ローラ2は、電気ヒータもしくは加熱媒体等により加熱された高温のローラである。加熱ローラ2は、樹脂シートR0およびその両面に導入された強化繊維Fを無端ベルト4を介して両側から挟み込みつつ加熱することにより、強化繊維Fを樹脂シートR0に連続的に含浸させる。強化繊維Fは、一方向(図2の上下方向)に引き揃えられた状態で樹脂シートR0に含浸される。
【0029】
冷却ローラ3は、冷却媒体等により冷却された低温のローラである。冷却ローラ3は、強化繊維Fが含浸された状態の樹脂シートR0を無端ベルト4を介して両側から挟み込みながら冷却することにより、強化繊維Fを樹脂シートR0に固定する。これにより、樹脂シートR0(マトリックス樹脂)と強化繊維Fとが一体化されたUDシートSが成形される。
【0030】
引き出しローラ5は、成形されたUDシートSに張力を付与しつつこれを下方へ引き出すローラである。
【0031】
巻き取り用のボビン6は、UDシートSを巻き取るための芯材である。ボビン6は、モータ等の駆動源により回転駆動され、引き出しローラ5により引き出されたUDシートSを順次巻き取ることにより、UDシートSをロール状に纏める。
【0032】
以上の工程により形成されるUDシートSの厚みは、10μm以上100μm以下とされる。このような厚みのUDシートSは、ロール状に纏めるのに支障のない高い柔軟性を有する。
【0033】
(2)チョップ材の切り出し
以上のようにしてUDシートSの作製が完了すると、次の工程S2において、UDシートSから図3に示すチョップ材Cを切り出す(細断工程)。この細断工程S2では、UDシートSを長手方向および幅方向に切断することにより、所定サイズの長方形状のチョップ材Cを多数作製する。具体的には、次のような手順でチョップ材Cを作製する。なお、細断工程S2は、本発明における「第2の工程」に相当する。
【0034】
まず、図3に示すように、長手方向に延びる切込みXを形成する。すなわち、UDシートSを長手方向に送り出しながら、その送り経路の途中の区間Iにおいて、長手方向に連続する多数の切込みXを形成する。切込みXは、例えば、UDシートSの幅方向に等間隔に並ぶ多数の刃を含む切断装置を用いて形成することができる。
【0035】
次いで、続く区間IIにおいて、UDシートSの幅方向の一端から他端まで連続する切込みYを形成する。切込みYは、例えばロータリーカッター等を用いて形成することができる。切込みYは、UDシートSが長手方向に一定距離ずつ送り出される度に形成される。これにより、切込みXのピッチに相当する長さの短辺と切込みYのピッチに相当する長さの長辺とを有する長方形状の多数のチョップ材Cが切り出される。
【0036】
上述したように、UDシートSは、その長手方向に配向された多数の強化繊維Fを含有する熱可塑性樹脂シートである。このため、当該UDシートSから切り出された各チョップ材Cも、その長手方向(長辺の方向)に配向された多数の強化繊維Fを含有している。すなわち、チョップ材Cは、熱可塑性のマトリックス樹脂と、当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維Fとを有している。
【0037】
チョップ材Cのサイズは、後述するプレス工程(S5)での材料の賦形性等を考慮した適宜のサイズに定められる。一例として、チョップ材Cは、短辺の長さが2mm以上50mm以下で、かつ長辺の長さが2mm以上80mm以下の長方形状に形成することができる。特に、チョップ材Cは5×20mmの長方形状に形成することが好ましい。
【0038】
チョップ材Cの厚みは、UDシートSの厚みと同一であり、10μm以上100μm以下である。
【0039】
(3)積層チョップドシートの作製
以上のようにしてチョップ材Cの作製が完了すると、次の工程S3において、チョップ材Cを積層して互いに一体化することにより、図4および図5に示す積層チョップドシートCSを作製する(積層工程)。この積層工程S3では、熱可塑性樹脂製のキャリアシートRの上面に多数のチョップ材Cを二次元的にランダムに配置しつつ積層、固定する。具体的には、次のような手順で積層チョップドシートCSを作製する。なお、積層工程S3は、本発明における「第3の工程」に相当する。
【0040】
まず、図4に示すように、キャリアシートRをその長手方向に送り出しながら、当該キャリアシートRの上面に多数のチョップ材Cを分散させつつ配置する。このチョップ材Cの分散配置には、例えばキャリアシートRの上方からチョップ材Cを振動させつつ落下させる落下装置を用いることができる。そして、このような落下装置を用いたチョップ材Cの落下操作をキャリアシートRの送り方向の複数個所で繰り返すことにより、キャリアシートR上のチョップ材Cの密度および積層枚数を増やしていく。すなわち、キャリアシートRの長手方向の複数の区間XI,XII,XIII‥‥において、上記落下装置を用いたチョップ材Cの落下操作を繰り返し行うことにより、各チョップ材Cに含有される強化繊維Fの繊維方向(換言すればチョップ材Cの長手方向)が水平面上で種々の方向にばらつき、かつ厚み方向に複数枚のチョップ材Cが積み重なるように、キャリアシートRの上に多数のチョップ材Cを積層する。このチョップ材Cの積層は、キャリアシートR上におけるチョップ材Cの積層枚数が11枚以上になるまで継続して行われる(図5参照)。
【0041】
次に、図外の加熱ローラを用いてキャリアシートRおよびその上のチョップ材Cを加圧および加熱し、キャリアシートRとチョップ材Cとを互いに一体化する。すなわち、上記加熱ローラを用いた加圧および加熱により、キャリアシートRとチョップ材Cとを結合(融着)するとともに、積層されたチョップ材Cどうしを互いに結合(融着)する。これにより、図5に示すように、キャリアシートRの上面に少なくとも11枚のチョップ材Cが積層、固定された積層チョップドシートCSが成形される。この積層チョップドシートCSの厚みt、つまりキャリアシートRとその上に11枚以上積層されたチョップ材Cとの合計の厚みは、1mm以上に設定される。言い換えると、チョップ材Cの積層枚数(少なくとも11枚)は、積層チョップドシートCSの厚みtが1mm以上になるような枚数に設定される。
【0042】
上記のように強化繊維Fを含むチョップ材Cが多数(厚みtが1mm以上になるまで)積層されることにより、積層チョップドシートCSに含有される強化繊維Fの量は十分に大きなものとなる。具体的に、積層チョップドシートCSにおける強化繊維Fの目付量、つまり単位面積に含有される強化繊維Fの重量は、700g/m以上とされる。また、積層チョップドシートCSにおける強化繊維Fの体積含有率、つまり強化繊維Fが占める体積を積層チョップドシートCS全体の体積で割った値は、20%以上70%以下とされる。
【0043】
キャリアシートRの材質としては、基本的にチョップ材Cのマトリックス樹脂と同一の熱可塑性樹脂を用いることができる。ただし、熱可塑性樹脂である限り種々の材質のキャリアシートRを使用可能であり、チョップ材Cとは異なる材質のキャリアシートRを用いてもよい。
【0044】
なお、図4および図5では、キャリアシートRの上面のみにチョップ材Cを積層して積層チョップドシートCSを作製する場合を例示したが、キャリアシートRの両面にチョップ材Cを積層することも当然に可能である。この場合は、キャリアシートRにチョップ材Cを積層、固定する作業(つまりチョップ材Cを多重にランダム配置して加圧・加熱する作業)を、キャリアシートRの上面および下面に対し順に行うとよい。すなわち、キャリアシートRの上面にチョップ材Cを積層、固定した後、キャリアシートRの下面が上にくるようにキャリアシートRを裏返し、その状態でチョップ材Cを積層、固定する作業を同様に繰り返すことにより、キャリアシートRの両面にチョップ材Cが積層された積層チョップドシートを作製することができる。
【0045】
(4)金型への投入
以上のようにして積層チョップドシートCSの作製が完了すると、次の工程S4において、図6に示す熱プレス機10の金型内に複数枚の積層チョップドシートCSを投入する(投入工程)。この投入工程S4は、本発明における「第4の工程」に相当する。
【0046】
具体的に、投入工程S4では、図6(a)に示すように、所定サイズに切り出された板状の積層チョップドシートCSを複数枚用意し、これを厚み方向に積み重ねつつ熱プレス機10の金型内に配置する。積層チョップドシートCSは、いずれも上述した積層工程S3を経て得られたシートであり、1mm以上の厚みを有している。
【0047】
図6に示すように、熱プレス機10は、パンチ11およびダイ12を備える。本実施形態において、ダイ12は、積層チョップドシートCSを受け入れ可能な凹部12aを有する金型(雌型)であり、パンチ11は、ベース部11aと当該ベース部11aの下面に突設された挿入部11bとを有する金型(雄型)である。積層チョップドシートCSは、互いに積み重ねられた状態でダイ12の凹部12a内に配置される。ダイ12には、凹部12a内の積層チョップドシートCSを高温に加熱するためのヒータ(図示省略)が取り付けられている。
【0048】
(5)プレス加工
以上のようにして熱プレス機10(ダイ12)への積層チョップドシートCSのセットが完了すると、次の工程S5において、積層チョップドシートCSを加熱しつつダイ12にパンチ11を押し込む本加工(型締め)を行うことにより、樹脂成形品Pを成形する(プレス工程)。このプレス工程S5は、本発明における「第5の工程」に相当する。
【0049】
具体的に、プレス工程S5では、上記ヒータによるダイ12の加熱を通じて積層チョップドシートCSを所定の温度まで上昇させるとともに、パンチ11の挿入部11bをダイ12の凹部12aに挿入した状態で図外の加圧装置によりパンチ11を下方に押圧し、積層チョップドシートCSを加圧する(図6(b)参照)。この積層チョップドシートCSへの加熱および加圧は、積層チョップドシートCSを軟化および変形させる。
【0050】
図6(c)は、パンチ11がストロークエンドまで押し付けられた状態を示している。この状態でパンチ11とダイ12との間に区画される空間(つまり成形キャビティ)は、変形した積層チョップドシートCSによって満たされる。すなわち、成形キャビティに対応した形状に積層チョップドシートCSが変形することにより、繊維強化樹脂製の成形品P(樹脂成形品)が得られる。樹脂成形品Pは、所定の冷却期間をおいた後、パンチ11をダイ12から抜き出した状態でダイ12から取り出される。
【0051】
(6)作用効果
以上説明したように、当実施形態では、熱可塑性のマトリックス樹脂(樹脂シートR0)と当該マトリックス樹脂に同一方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維Fとを含むチョップ材Cが、強化繊維Fの繊維方向が二次元的にランダムになる状態で積層、固定されることにより、厚みが1mm以上、強化繊維Fの目付量が700g/m以上、かつ強化繊維Fの体積含有率が20%以上70%以下である積層チョップドシートCSが作製される。そして、複数の積層チョップドシートCSが互いに積み重ねられた状態で熱プレス機10によりプレス加工されることにより、樹脂成形品Pが成形される。このような構成によれば、比較的厚手で高強度な樹脂成形品Pを効率よく成形できるという利点がある。
【0052】
すなわち、上記実施形態では、目付量が700g/m以上でかつ体積含有率が20%以上70%以下となる十分な量の強化繊維Fが含有された積層チョップドシートCSを用いて樹脂成形品Pが成形されるので、強化繊維Fによる十分な補強効果を得ることができ、樹脂成形品Pの強度を高めることができる。また、積層チョップドシートCSは積層された複数のチョップ材Cを含み、かつ複数のチョップ材Cは強化繊維Fの繊維方向が二次元的にランダムになる状態で積層されているので、積層チョップドシートCSがプレス加工に供されたときに強化繊維Fが切断される可能性を低減できるとともに、プレス加工時の樹脂の流動を促進して樹脂成形品Pの形状自由度を高めることができる。これにより、強化繊維Fによる補強効果を等方的に発揮させつつ、種々の形状の樹脂成形品Pを支障なく成形することができる。しかも、積層チョップドシートCSは1mm以上の厚みを有するので、プレス加工のために積層チョップドシートCSを金型内で積み重ねる回数を減らすことができる。言い換えると、比較的厚手の樹脂成形品Pを成形する場合であっても、積層チョップドシートCSを金型内で積み重ねる回数が極端に多くならないので、プレス加工の工数を削減することができ、比較的厚手の樹脂成形品Pを効率よく成形することができる。
【0053】
また、上記実施形態では、熱可塑性樹脂製のキャリアシートRの上に多数のチョップ材Cが積層、固定されることにより積層チョップドシートCSが作製されるので、キャリアシートRの上に多数のチョップ材Cをランダム配置しかつ加熱ローラで加圧・加熱する等の方法により、1mm以上の厚みを有する積層チョップドシートCSを比較的容易に作製することができる。
【0054】
(7)変形例
上記実施形態では、プレス工程S5において、複数枚の積層チョップドシートCSを熱プレス機10の金型内に積み重ねて配置し、その状態でダイ12にパンチ11を押し込む本加工(型締め)を行うようにしたが、このプレス工程S5の前に、複数枚の積層チョップドシートCSを一体に積層した積層体を成形することも可能である。この積層体の成形は、例えば、複数枚の積層チョップドシートCSを積み重ねて熱融着させることにより実現可能である。
【0055】
上記積層体は、1枚の積層チョップドシートCSの整数倍の厚みを持ったものとすることができる。このため、例えば比較的厚手の樹脂成形品Pを製造する際に、熱プレス機10の型内で材料を積み重ねる回数をさらに減らすことができ、プレス工程S5の作業効率をより向上させることができる。なお、積層チョップドシートCSの熱融着の際には、積み重ねられた複数枚の積層チョップドシートCSが運搬等の過程で自然分離しない程度の強度でマトリックス樹脂が互いに結合されればよい。熱融着では、このような要求に適した過度に高くない温度、圧力を積層チョップドシートCSに加えることが好ましい。
【0056】
上記実施形態では、積層チョップドシートCSを作製する際に、熱可塑性樹脂製のキャリアシートRの上に多数のチョップ材Cを積層、固定したが、キャリアシートRは省略してもよい。すなわち、積層チョップドシートとして、互いに積層、固定されたチョップ材Cのみからなる積層チョップドシートを作製するようにしてもよい。
【符号の説明】
【0057】
C チョップ材
CS 積層チョップドシート(繊維強化複合材)
F 強化繊維
R0 樹脂シート(マトリックス樹脂)
R キャリアシート
P 樹脂成形品
11 パンチ
12 ダイ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】