JP4036900B2 - コンポジット製品の成形装置 - Google Patents

Description

技術分野
本発明はコンポジット製品、即ち、典型的には湾曲した樹脂マトリックス中の強化繊維格子からなる製品の製造に関する。より特定的には、本発明は、容易に交換可能な低コストのツール表面を備え、制御された温度の下でコンポジット製品を射出成形するのに適した、マッチドツール（matched-tool）成形装置に関するものである。
発明の背景
反応射出成形やトランスファー成形といったプロセスにおいては、乾燥した強化樹脂のプライや予成形品（プリフォーム）が、金型キャビティ中に装填される。キャビティの表面は、製造される製品の最終的な構成を規定している。その後、流動性の樹脂が圧力の下に金型キャビティ（成形プレナム）中へと注入され、それによって強化樹脂のプライ／プリフォームは湿潤、つまり濡らされる。樹脂加工されたプリフォームが成形プレナム中で硬化した後に、最終製品は金型から取り出される。
従来技術は、上記のような成形表面を提供する一対の相補的なツール、即ち「マッチド」ツールからなる射出成形装置を教示している。ツールの各々は例えば、使用される樹脂に関しては比較的非反応性の、剛性の金属から注意深く機械加工されたものである。こうしたマッチドダイ金型は、製造するのにコストが高くつき、また必然的に、所与のデザインの一種類の物品の製造に限定されてしまう。別の言い方をすれば、製造すべき製品について所望とされる構成に対する、ほんの僅かな変更であっても、全く新たに交換用ツールを機械加工することを必要とする。
加えて、こうした既知のダイツールは通常、かなりの熱質量を有し、これは金型温度が所望の処理温度から逸脱した場合には、逸脱の程度につれて大きな問題を呈する。そこでこうしたツールには多くの場合、内部加熱及び／又は冷却用のチューブ又は通路からなる一体型システムが備えられ、外部から供給される加熱／冷却液体がこれを通じて循環される。しかしながらこうした従来技術の構成の場合には、加熱／冷却通路はツール表面に対して、恐らくは２インチ（5cm）の最小間隔を置いて配置されるものであり、かくして結果的に得られる製品が、加熱及び冷却ライン又は帯域の影響を受けないようにされる。そうでなければ樹脂の硬化の際に加熱／冷却率が異なる結果として、製品にはこうした加熱／冷却ライン又は帯域が生じてしまう。しかしこうした最小間隔は、特にプロセスが発熱性である場合に、やはり射出成形プロセスの間に温度を正確に制御することについて、上記の従来技術のツールの能力を本質的に制限することになる。また成形プレナムの温度制御は、種々の異なる厚みを有する製品を製造する場合に、さらなる問題を呈する。というのは、製品のより厚い部分はより早期に十分に重合し、製品のより薄い部分よりも高温に達しがちだからである。
さらにまた、サイクル時間の短いプロセスにおいてマッチドダイツールが用いられた場合には、かかるダイツールのかなりの熱質量により、約375°Fから約400°Fの範囲のピーク温度がしばしば生成され、その結果「あれ」が生じて最終製品が使用不能になりがちである。従ってこうしたマッチドダイツールは、周期的に十分な時間だけ放熱させ、金型が許容できる動作温度まで冷却するようにしなければならないが、それによってかかるツールを用いて製品を製造するコストは実質的に増大される。最後に、温度スケールの反対側においては、低い金型温度は、スチレンモノマーを用いた樹脂について使用された場合には、スチレンの堆積物の割合を増大させることが知られている。これによってスチレン堆積物の除去頻度がより大きくなり、また関連する作業コストと設備の休止時間も増大し、プロセスコストの増大に繋がることになる。
温度制御を改善すると共に、金型装置からの最終製品の取り出しを容易にすることを目的として、従来技術は修正された成形装置を教示している。それによれば、金型表面の一方は、例えばゴムから形成された可撓性部材によって画定されるものである。他方の金型表面は依然として、剛性の、熱伝導性の金属製ダイツールによって画定され、その裏側にはスチームのような圧縮流体が供給されて、かくして硬化熱が金型キャビティに伝えられて、吸熱性の成形操作が行われるようになっている。しかし残念なことに、こうした吸熱性プロセスについては、金型キャビティの片側だけを加熱することは、表面仕上げその他の最終製品の特性についての融通性を限定することになり、またさらに、樹脂の硬化を促進しうる程度というものも制限される。さらにまた、こうした成形装置が発熱性反応に用いられる場合には、生成する熱が可撓性の金型表面の劣化を加速し、それによってこのツールを長期にわたって使用することは妨げられる。さらにまた、こうした成形装置は多くの場合に、内部に樹脂を注入するに先立って成形プレナムを排気することを必要とするが、こうしたことはかかる成形装置の使用と保守をより複雑なものとし、またかかる装置を採用するプロセスは、より時間集約的でコストの高いものとなる。
かくして必要とされるのは、交換可能な金型表面を特徴とするマッチドツール射出成形装置であって、既知の剛性又は可撓性ツールよりも容易且つ低コストで製造可能であり、また吸熱性及び発熱性の何れのプロセスにおいても改善された温度制御をもたらし、かくしてより短いサイクル時間で改良された品質の製品を製造し得るものである。
発明の概要
本発明の１つの目的は、再使用可能な低コストの金型表面を特徴とする射出成形装置を提供することである。
本発明の別の目的は、金型表面の温度制御の改善を特徴とし、それによって成形プロセスとそれに伴う製品特性の改良を達成することのできる、射出成形装置を提供することである。
本発明の下においては、射出成形装置は一対の金型セクションを含み、各々の金型セクションはそれ自体で、剛性のハウジングと、当該ハウジングに着脱可能に設けられて内部に液密チャンバを画定する半剛性膜とを含む。各々の金型セクションの膜はまた、その金型表面を規定するものであり、好ましくは安価なコンポジット材料、例えばガラス繊維その他による強化ナイロン等の適当な材料から形成される。そして本発明によれば、各金型セクションのそれぞれの膜として、異なる膜材料及び／又は特性を選択することができる。２つの金型セクションが、それぞれの金型表面が相互に向かい合うように組み立てられた場合に、成形プレナムが画定され、その中で所望の製品が製造されることになる。かくして本発明の下では、製品に対する設計変更は、低コストの膜を修正し又は交換することを通じて、容易に対処可能である。別の言い方ををすれば、本発明の下では、所与の金型セクションのハウジングには、種々の形状、大きさ、及び特徴を有するコンポジット製品の製造に有用な、多種多様の比較的安価なコンポジット膜を装着することができ、それによって従来技術と比較して、ツールのコストを大幅に低減することができる。
本発明によれば、各々の金型セクションのチャンバには非圧縮性の流体が導入されてこれを充填し、それによってそれぞれの膜が支持されて、最終製品の適切な寸法取りが行われると同時に、樹脂の注入に際して僅かな寸法的な可撓性が確保される。これにより、膜の表面全体にわたって、膜に対する注入圧力の負荷は一様に分散される。この特徴は、樹脂の注入段階において、注入圧力に過渡的な増大が生ずる場合に特に有利であることが判明しよう。さらなる利点として、樹脂の注入に際しての膜のかかる僅かな寸法的な可撓性は、成形プレナムを通じての樹脂の流れを改善し又は向上させると考えられる。拡張チャンバが、金型セクションの一方又は双方のチャンバと流体的に連通され、また樹脂の注入及び硬化の間にこれらのチャンバを拡張チャンバと隔絶するように動作するバルブが用いられて、成形プレナム中への樹脂の注入に先立って、また最終製品の硬化に続いて、膜の背後にある流体（バッキング流体）の熱膨張に対処する役割を果たすようにされる。
また本発明の別の特徴によれば、バッキング流体はそれ自体が、好ましく熱伝導性のものである。そして成形装置はさらに、バッキング流体の温度を調節するために、金型セクションの一方又は双方の内部にあるバッキング流体と熱的に連通する手段を含む。例えば、好ましい実施例においては、この温度調節手段は、各々のチャンバ内を延びるコイルシステムと、このコイルシステムに接続され、その内部を通して所定温度の温度制御流体を循環させるよう作動される、在来の構成の外部加熱／冷却ユニットを含む。このようにして、バッキング流体の温度、及びこれと相関して、各々の金型セクションの金型表面の温度は、厳密に調節することができ、それによって最終製品の特性の改善、及び／又は硬化時間や温度といったプロセスパラメータの制御の改良がもたらされる。金型表面のこうした温度調節の付加的な利点には、例えば、従来技術の成形装置と比較した場合の、スチレンの堆積の低減、それに伴う金型の休止時間や金型の保守コストの減少などがある。
【図面の簡単な説明】
図１は、部分的に概略化し、または部分的に展開してなる、本発明による射出成形装置の等測図であり、また
図２は、上部金型セクションを下部金型セクション上に組み立てた後の、図１の2-2線の垂直面に沿って取った、図１に示す装置の断面図である。
好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、コンポジット製品を成形するための本発明による例示的な装置10は、上部金型セクション14と下部金型セクション16を有する金型アセンブリ12を含み、これは位置決めピン18と相補的な位置決めスロット20の助けによって上部金型セクション14を下部金型セクション16上に組み立てた後に、その整合する（マッチド）金型表面24,26でもって、成形プレナム22を画定する。より具体的には、上部及び下部金型セクション14,16の各々は、剛性のハウジング28,30と、比較的薄い、半剛性の膜32,34とを含み、この膜はそれぞれのハウジング28,30に対して、膜の周縁のエッジ部分に沿って、クランプリング36の如きによって着脱可能且つ密封可能に固定されている。こうした組み立てられると、各々の金型セクション14,16のハウジング28,30と膜32,34は共働して、液密チャンバ38,40をその内部に画定する。
本発明の一つの特徴によれば、各々の膜32,34はそれ自体が、コンポジットオーバーレイから形成されるのが好ましい。これはその最も良好な形態では、製造される製品のブランクからの単なるスプラッシ（陰型）からなることができる。そして各々の膜32,34は好都合には、ガラス繊維又は強化ナイロンで形成することができるが、本発明は他の適切な材料から作成された半剛性膜32,34の使用をも考慮している。こうした材料には軽量シートメタルがあり、膜32,34はこれから好都合に且つ安価に、当業者に既知の手法によって、圧力チャンバ内で製造され、成形され、そして再成形されうる。この点につき、本発明は各々の金型セクション14,16のそれぞれの膜32,34として、同一の材料か又は異なる材料を使用することを考慮していることが注記される。これは例えば、シートに所望とされる特性（例えばその熱伝導性、成形性、及び使用寿命）、製造される製品に所望とされる特性（例えば表面仕上げ及び光沢）、及び／又は全体的なプロセスパラメータ（例えば樹脂の注入圧力、樹脂の硬化時間、及び金型アセンブリのサイクル時間）などに依存したものである。
各々の金型セクション14,16の内部に画定された液密チャンバ38,40は、成形プレナム22中に樹脂を注入するに先立って、流体供給ネットワーク44により供給される、実質的に非圧縮性の熱伝導性流体42で完全に充填される。各々のチャンバ38,40内の流体42はかくして、後述するようにして、樹脂の注入の際に圧縮を行う膜32,34の各々に対する支持をもたらす。
図１に示す好ましい実施例においては、膜のバッキング流体42は水道水であることが好都合であり、これはネットワーク44により、上部及び下部金型セクション14,16へと、入口の制御弁46と急速継手48の如きを通じて供給される。異なる動作範囲について有用である他の適切なバッキング流体（例えばより高い蒸発温度を有するもの）は、当業者には既知である。各々の入口制御弁46の下流には圧力ゲージ50を設けることができ、各々の金型セクション14,16のチャンバ38,40へのバッキング流体42の流量がモニタされる。各々のチャンバ38,40の充填及び排出を促進するために、各々の金型セクション14,16はベント52を備え、バッキング流体42でチャンバを充填するに際して、これを介して各々のチャンバ38,40内部の空気が抜気されうるようになっている。いったん充填されたなら、各々のチャンバのベント52はベントプラグ54で封止され、それによって各々の金型セクションの膜／金型表面24,26に対して所要の剛性が付与される。
図２に見られるように、例えば膜32,34と成形プレナム22の相対的な寸法は、図示の便宜のために誇張されているが、各々の金型セクション14,16には、その液密チャンバ38,40内を延びる加熱／冷却コイル56のシステムが含まれる。これらはそれ自体が急速継手58により、在来の構成の加熱／冷却ユニット60に結合されている。かくしてコイル56は、加熱／冷却ユニット60と関連して作動して、射出成形プロセス全体にわたって、バッキング流体42の温度、惹いては各々の膜32,34の金型表面24,26の温度を精密に調節する。そして、図２においてはコイルはコンポジット膜の裏側に近接して配置されるものとして示されているが、本発明の下においては、バッキング流体42の熱伝導性により、各々の金型セクション14,16のチャンバ38,40の内部におけるコイル56の配置に関して、かなりの設計変更が可能となる。このことは次いで、所与の金型セクションハウジング28,30とコイルシステム56を、多種多様な膜32,34について使用することを容易ならしめる。実際、本発明の下では、図２における例示的な装置10の膜32,34は、比較的一様な厚みを有するものとして示されているが、本発明の下で金型温度が制御されうる効率の故に、例えば最終製品に補強リブを備えさせる場合などに、所望に応じて厚みの変化する膜32,34を使用することが許容される。
各々の金型セクション14,16を充填するためのバッキング流体42が供給される温度が、所望とされるプロセス温度と異なる程度に応じて、流体供給ネットワーク44はさらに、低圧拡張チャンバ62を含む。かくして後で金型セクション14,16の各々を所望の温度まで加熱又は冷却するに際して、結果的に生ずる各々のチャンバ38,40内のバッキング流体42の熱膨張は拡張チャンバ62によって対処され、それによって膜32,34に対する歪み及び／又は有害な応力は防止される。
図面に戻ると、注入スプルー64が図２において、金型セクション14を介して延びるものとして看取され、適当なポンプ68によって圧力の下に、樹脂供給部66からの所望とする熱硬化性樹脂を、成形プレナム22の内部へと注入するための通路が提供されている。こうしたスプルー64の数と配置は、成形される製品の構成及び所望の特性、並びに使用される樹脂の流れ特性に依存しており、こうした態様は当業者には既知である。この点に関して、上部及び下部金型セクション14,16の向かい合ったクランプリング36の間に、一連の小さなベント70が備えられていることが看取される。成形プレナム22中への樹脂の注入の間に、トラップされた空気はこれらを介して大気中へと漏出することができる。
本発明の別の特徴によれば、例示的な成形装置10はさらに、金型アセンブリ12を、或いは少なくとも下部金型セクション16内に収容されたバッキング流体42を振動させるために、下部金型セクション16上に全体を参照番号72で示された機構を含んでいる。樹脂の注入の間の金型アセンブリ12／バッキング流体42の振動は、成形プレナム22中の樹脂の流動を容易にし、また内部に配置された強化繊維プリフォーム（図示せず）の湿潤又は濡れを改善すると考えられる。
本発明によれば、図面に示された例示的な成形装置は次のようにして使用される。即ち１又はより多くの繊維強化プリフォームが下部金型セクション16の「メス」金型表面26によって画定された金型キャビティ内に置かれる。上部金型セクション14がその後、下部金型セクション16上へと降下され、各々の位置決めピン18がそれぞれの位置決めスロット20に係合される（所望の場合には、上部金型セクション14は次いで、例えば図示しない適当なクランプの如きを使用して、下部金型セクション16に対して固定される）。次いで各々の金型セクション14,16は、バッキング流体（水）供給ネットワーク44に接続され、それぞれのベント52が開放されて入口弁46が作動され、それによって内部のチャンバ38,40が水で完全に充填される。
チャンバ38,40が完全に充填されたならば、各々の金型セクションのベント52はそれぞれのベントプラグ54で封止され、加熱／冷却ユニット60が作動されて、各々の金型セクション14,16は所望のプロセス温度へと持ってこられる。金型セクション14,16の各々入口弁46はその後閉じられて、それぞれのチャンバ38,40が流体供給ネットワークの拡張チャンバ62から隔絶される（入口弁が開いていれば、このチャンバは温度の標準化に際して、バッキング流体42のいかなる熱膨張にも対処する）。単なる例としてであるが、注入される樹脂が熱硬化性ポリエステル又はビニルエステル樹脂である場合、所与の熱硬化性ポリエステル又はビニルエステル樹脂について所望の流動特性をもたらすのに必要な、所望の作動温度は、140°Fから約150°Fであることが示されている。
所望とする樹脂はその後、注入スプルー64を介して、圧力を加えて成形プレナム22の中へと注入される。膜が、例えば恐らく約0.375インチ（0.95cm）の公称厚みのガラス繊維で形成される場合には、約400から500センチポイズの粘度を有する熱硬化性ポリエステル又はビニルエステル樹脂を成形プレナム22中へと注入するために用いられる、典型的な注入圧力は、好ましくは約200psig（690kPa）よりも小さく、最も好ましくは約60psig（410kPa）よりも小さい。勿論、樹脂が注入される最適流量は、当業者には周知の多数の要因に基づいている。
各々の金型セクション14,16のクランプリング36に形成された空気ブリード（漏出部）を介して樹脂が排出されるのを視覚的に確認するなどにより、成形プレナム22が樹脂で完全に充填されたならば、樹脂の注入は停止される。その後、各々の金型表面24,26の温度は加熱／冷却ユニット60の作動を介して調節され、それによって最適な硬化速度がもたらされる。そしてこの硬化速度により、最終製品の所望の表面仕上げ及び／又はその他の所望とする特性が得られ、或いはまた成形プロセスが最適化される。金型セクション14,16はその後分離され、最終製品が通常の手法でもって金型キャビティから取り出される。
本発明の別の特徴によれば、下部金型セクションの膜34の半剛性特性により、バッキング流体42が膜34の全表面にわたって生ずる注入圧力負荷を分散するに際して、膜34は樹脂の注入に際して寸法的に僅かに可撓性を有する。こうして、半剛性の膜34は、樹脂の注入の間、その金型表面26上に有害な応力集中が生ずるのを回避する。実際、樹脂の注入に際して膜32,34の一方又は双方の金型表面24,26に僅かな可撓性があると、成形プレナム22を通しての樹脂の流動性がさらに改良又は向上されると考えられる。この効果は、注入される樹脂を意図的に脈動させることによってさらに増強することができるが、これらは全て、成形ツール（膜32,34）に対する有害な影響なしに行われる。
上記においては本発明の好ましい実施例を開示してきたが、本発明はその思想、又は添付の請求の範囲の範疇から逸脱することなしに、修正を受けうるものであることが理解されねばならない。例えば、好ましい実施例で採用されている膜のバッキング流体42はそれ自体、加熱／冷却ユニット60によりコイル56を介して加熱又は冷却される金型セクション14,16の各々のチャンバ38,40の内部に完全に収容されているが、本発明は、閉ループの温度調節システムを使用することも考慮している。その場合は、バッキング流体42はそれ自体で、各々の金型セクションの内部チャンバ38,40と加熱／冷却ユニット60の間を循環することになる。

Claims (15)

1. 一対の対向する金型セクションからなる射出成形装置であって、前記金型セクションの各々が剛性のハウジングと当該ハウジングに着脱可能に設けられた半剛性の膜を含んで前記金型セクションの各々の内部に液密なチャンバを画定し、前記金型セクションの各々の前記膜が金型表面を画定し、前記金型セクションの対向する金型表面が金型キャビティを画定し、第１の非圧縮性流体が前記金型セクションの各々の前記チャンバ内に導入されてこれを充填しており、前記金型セクションの一方のチャンバと流体的に連通する拡張チャンバが設けられており、該拡張チャンバが、当該拡張チャンバを前記金型セクションの一方の前記チャンバから隔絶するための弁手段を含む、射出成形装置。
2. 前記金型セクションの一方の膜がコンポジット材料から形成される、請求項１の装置。
3. 前記金型セクションの一方の膜が第１の材料から形成され、前記金型セクションの他方の膜が第２の材料から形成される、請求項１の装置。
4. 前記第１の流体が熱伝導性であり、さらに前記金型セクションの一方のチャンバ内に配置された前記第１の流体と熱伝導状態にあり、前記第１の流体の温度を調節するための手段を含む、請求項１の装置。
5. 前記温度調節手段が前記金型セクションの一方のチャンバ内に延びるコイルシステムと、前記コイルシステムを介して温度調節された第２の流体による制御を及ぼすよう前記コイルシステムに接続された温度制御ユニットを含む、請求項４の装置。
6. 一対の対向する金型セクションからなる射出成形装置であって、前記金型セクションの各々が剛性のハウジングと当該ハウジングに着脱可能に設けられた半剛性の膜を含んで前記金型セクションの各々の内部に液密なチャンバを画定し、前記金型セクションの各々の前記膜が金型表面を画定し、前記金型セクションの対向する金型表面が金型キャビティを画定し、第１の非圧縮性流体が前記金型セクションの各々の前記チャンバ内に導入されてこれを充填し、前記金型セクションの一方のチャンバと流体的に連通する拡張チャンバが設けられており、該拡張チャンバが、当該拡張チャンバを前記金型セクションの一方の前記チャンバから隔絶するための弁手段を含み、加圧された樹脂を前記金型キャビティ中へと注入する手段が設けられ、前記金型セクションの各々のチャンバの内部の前記第１の流体の温度を制御するための温度制御手段が設けられていることからなる、射出成形装置。
7. 前記金型セクションの一方の膜がコンポジット材料から形成される、請求項６の装置。
8. 前記金型セクションの一方の膜が第１の材料から形成され、前記金型セクションの他方の膜が第２の材料から形成される、請求項６の装置。
9. 前記第１の流体が熱伝導性であり、さらに前記金型セクションの一方のチャンバ内に配置された前記第１の流体と熱伝導状態にあり、前記第１の流体の温度を調節するための手段を含む、請求項６の装置。
10. 前記温度調節手段が前記金型セクションの一方のチャンバ内に延びるコイルシステムと、前記コイルシステムを介して温度調節された第２の流体を配給するよう前記コイルシステムに接続された温度制御ユニットを含む、請求項９の装置。
11. クローズドシステムの射出成形プロセスであって、並置され間隔を置いた、成形すべき部材と同じ拡がりの一対の半剛性表面を、前記間隔により規定される厚みで形成して空間となし、前記空間を閉じ、前記表面を前記閉じた空間の外側から、前記表面に当接する流体で支持し、前記閉じた空間に対して樹脂を射出成形し、前記表面及び空間へと加熱／冷却を前記流体を介してもたらし、前記形状の硬化した成形部材を生成し、前記表面が、マッチドツールの対向する金型セクションのチャンバの、並置された内側の境界付けを行う閉じた壁として作用し、前記流体が前記チャンバ内へと導入され、樹脂の注入に先立って前記チャンバの外側で熱膨張が行われ、当該熱膨張から前記チャンバを隔絶することにより、樹脂の注入及び硬化に際しての熱膨張が防止されることからなるプロセス。
12. 前記半剛性表面が、それらの間で成形される部材の適切な寸法取りを確保するように支持されると同時に、樹脂の注入に際して僅かな寸法的可撓性を許容し、注入圧力の負荷を前記表面全体にわたって均一に分散させる、請求項11のプロセス。
13. 表面を支持する前記流体の温度が成形に際して調節され、硬化時間及びその結果の成形の休止時間の如き、成形される部材の特性及びプロセスのパラメータにおける所望の変更が成形に際して達成される、請求11のプロセス。
14. 前記温度が前記流体の加熱／冷却により制御される、請求項13のプロセス。
15. 前記表面が前記チャンバから着脱可能であり、また交換や同じ金型ツールの前記チャンバ内で異なる形状の部材を成形するなどのために、類似の若しくは異なる形状の境界壁表面によって交換可能である、請求項12のプロセス。

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