JP2017205887A - ２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】内部の隙間を大きくし、表面部分の補強を多くすることで、少ない補強材の量で高強度を確保できる２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法を提供することにある。【解決手段】高強度のピアノ線を含む鋼線を織り、または編み込むことにより作製した２次元スチール製織物４をプレス等で俯形して成る俯形構造体６が成形金型８にインサートされて樹脂成形されることにより、頑強で堅牢な樹脂成形体１１となる。俯形構造体６の少なくとも２枚をそれぞれ上方型７ａおよび下方型７ｂに配置した後、樹脂成形する。これにより、俯形構造体６の相互間に十分な隙間が確保され、樹脂が俯形構造体６の隅々まで満遍なく広がって樹脂と一体となった表面強化部位を形成し、堅牢で高剛性の樹脂成形体１１を確保することができる。しかも、鋼材の有する強度、靱性および価格などを利用して市場優位性のある製品を得ることができる。【選択図】図４

Description

本発明は２次元スチール製織物と一体化したパネル状の樹脂構造体の成形方法に関する。パネル状の樹脂構造体の表面部および裏面部にスチール製織物を配置し、スチール製織物と一体化したパネル状樹脂構造体の成形を容易化する成形方法を提案する。
パネル状樹脂構造体の成形プラスチック複合成形の方法に関しては、金属網と樹脂との一体化技術（特許文献２）、表面材との複合成型技術（特許文献３）、ならびに金属層、補強繊維層および網目状シートを樹脂で一体化する方法（特許文献４）、カーボンファイバー織物による強化方法（特許文献５）、スチール製３次元織物をインサートする方法（特許文献６）が知られている。
このうち、金属網と樹脂とを一体に成型する技術（特許文献２）は、熱した金網を発泡性樹脂に埋め込む方法であり、コンクリート型枠等の単純な形状では有効であっても、自動車の外板等の薄く複雑な形状の作製は困難である。
表面材との複合成型技術（特許文献３）では、パネル状製品（インストルメントパネル）の補強材との一体化を意図したものであり、表面材と補強材と樹脂との複合構造体であり、表面材を有しない構造体とは根本的に異なるものである。
金属層、補強繊維層および網目状シートを樹脂で一体化する方法（特許文献４）では、ＶａＲＴＭに対抗する方法であり、難燃性を確保するため両面の金属箔を強化樹脂と一体成型する技術を構成している。
この方法は、あくまで前後両面の金属箔を補強して樹脂で固めることを目的としており、自動車の外板などの薄く、複雑な形状の複合パネルの成型は想定しておらず、幾層かの強化材をセットにして樹脂を含浸、硬化させる複雑な工程を有している。さらに、金属箔を含むパネルの最終的な強度も複雑な構造の割りには高くならないという不利がある。
ＣＦＲＰなどのカーボンファイバーによる製法では、強化材である平織や綾織のカーボンマットを樹脂で固めて製作し、８枚ほど重ね合わせて接着し、俯形した後に金型に挿入して樹脂を注入充填している（例えば、特許文献１、２参照）。これは、カーボンファイバーが極めて細くて剛性に乏しいという不利を補うものである。この方法では、カーボンファイバー製の織物自体が高価となり、織物のカット、接着、俯形と樹脂との一体化成型に多くの手間を要する上に、接着剤で固めた積層マットのインサートされた金型を樹脂で充満させなければならず、成型に多くの困難が伴う不都合がある。
たとえ、特許文献７−９に示すように、３次元織りなど複雑な織方を可能にしたとしても、これを工業化するには３次元織物自体の難しさなど多くの困難を抱えている。
特開０７−７６８９０号公報 特開０６−２９３０９８号公報 特許第３５８７１６９号公報 特開２０１３−１４６９８８号公報 特開２００５−３２９５６７号公報 特開２００３−０１１２３３号公報 特表平０９−５０６６７６号公報 米国特許第５１３７０５８号明細書 特表平１１−５１４９２８号公報
樹脂成型のおける補強方法としては、粉体などの充填と補強材のインサートがある。機械的強度を高めるためのインサート成型では、鋼板などの硬い材質の材料を入れての成型が主流である。しかしながら、鋼板などの硬い材質の材料が重量化を招く決定的な難点が生じる。その他幾つかの強化方法があるが、自動車の外板などの薄く、複雑な形状の複合パネル等の成型品を簡易で安価に製造する方法は知られていない。
一般に、厚みのある構造体の曲げ強度は、表面部分の引張り強さに大きく依存している。板状の製品の場合、強化材が上下両方の表面に満遍なく行き渡っておれば、曲げられる製品の表面が強化材により保護されて格段に強度を増大させることができる。しかも、その強化材がマトリックス（樹脂材）によって完全に包まれて樹脂と一体となって固着している場合は尚更である。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、スチール製の織物である２次元スチール製織物だけを補強材とすることにより、内部の隙間を大きくし、表面部分の補強を多くすることで、少ない量の補強材で高強度を確保できる２次元スチール製織物を強化材とする樹脂構造体の成形方法を提供することにある。
・本発明では、単に硬く強度のある鋼材をインサートや張り付けを行うのではなく、鋼材を素線とする織物や編み物（スチールマット）を作製し、これを対象製品の両表面に載置した後、樹脂を充填硬化することにより、表面が補強材と樹脂との複合品で覆われ、内部は樹脂のみで構成された鋼材の箱パイプに類似する高強度の複合製品を作製することができる。
・本発明において、２次元スチール製織物を樹脂製品の表裏両方の表面に設置して立体的な補強構造を成すことの利点は、内部の隙間を大きくして樹脂の浸透を容易にする他、表面部分を補強材（スチールマット）と樹脂の複合品で覆うことにより、少ない量の補強材で樹脂製品に高強度を確保することにある。
・この際の曲げ強度に関係する要素として、厚み部分の座屈による影響もあるものの、強化材が金属の織物であることから、表面部分が樹脂と一体化されており、内部のマトリックスを適切に選択することにより、座屈変形に対する強い変形抵抗力を付与することができる。
・また、スチール製織物を強化材として表面にマトリックスと一体化した複合強化構造を成すことは、強度の変異面を和らげる重要な役割を有する。
・一般に、鋼材とプラスチックのように強度が極端に異なる材料同士が合わさっている場合、合わさった部分に強度の変異面が生じてしまい、接着力が十分であったとしても、衝撃力などの外力に対して脆弱化する傾向がある。
・これに対して、本発明では、強化された部位が同じスケールでも網状マットで内部まで樹脂が浸入して樹脂と一体となった補強部分を構成しており、それと内部の樹脂部との接触面には極端な強度の変異は存在せず、比較的なだらかな変異面となり、衝撃力などの外力に対して十分な耐力を有するようになる。
（請求項１について）
織上げ工程では、それぞれがピアノ線を含む鋼材から成る縦糸および横糸を平面的に織り上げて成る２次元スチール製織物を作製する。
俯形工程では、２次元スチール製織物を裁断した後、プレス成型を含む俯形成型手段により所定の形状に俯形して俯形構造体とする。
樹脂成型工程では、俯形構造体を複数枚のインサートとし、成形金型の上方型と下方型にそれぞれ一枚ずつ設置し、樹脂を成形金型に注入充填して俯形構造体と一体となった樹脂成形体を形成する。
請求項１では、俯形構造体をピアノ線を含む高強度鋼線だけから構成することができるため、高圧高温に耐えられる頑強な構造体となる。これにより、俯形構造体に対して射出成型を含む全ての既存の樹脂成型方法を使用することが可能となる。さらには、樹脂成型工程に伴い、互いに離れた俯形構造体の間を樹脂が容易に拡がって俯形構造体と高密度で密着し、連続的な強度変位を成す立体的な強化構造体を形成し、頑丈で堅牢な樹脂成形体を確保することができる。
（請求項２について）
縦糸および横糸は、それぞれ複数の素線を撚った撚線から成るため、俯形構造体がしなやかになって成形性が向上する利点が得られる。
（請求項３について）
樹脂は、熱硬化性および熱可能性の樹脂を含み、ポリプロピレン、ポリスチレンおよびポリウレタンを含むインジェクションまたは注入成型が可能な樹脂群のうちから選択された一つである。
この場合、樹脂の種類を問わないことから、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂などの比較的安価な樹脂を使用することで、樹脂成形体としてのコストの低減化に寄与することができる。
（請求項４について）
成形金型は、第１の磁石辺を埋設した上方型と第２の磁石辺を埋設した下方型とを有する。俯形構造体の複数枚を樹脂成型工程で成形金型に設置する際、俯形構造体のうち一方側は、第１の磁石辺の磁気吸着力により上方型に固定され、俯形構造体のうち他方側は、第２の磁石辺の磁気吸着力により下方型に固定される。
請求項４では、成形金型に第１の磁石辺および第２の磁石辺を設けているので、樹脂成型工程の際、鋼材としての俯形構造体が有する磁気特性を利用することで、接着剤を用いることなく俯形構造体の位置決め固定を行うことができる。
（請求項５について）
成形金型は、第１の電磁石を埋設した上方型と第２の電磁石を埋設した下方型とを有する。樹脂成型工程の際、成形金型に対する俯形構造体の配置時に第１の電磁石および第２の電磁石が通電され、成形金型の型開き時に第１の電磁石および第２の電磁石が無通電となるように構成されている。
これにより、樹脂成型工程を行う際、成形金型に対する俯形構造体の配置時に磁気吸着により、上方型と下方型とに対する俯形構造体の位置決め固定を行い、成形金型の型開き時に俯形構造体を磁気吸着の拘束から自由にして成形金型のキャビティから外部に取り出し易くすることができる。
上記をまとめると本発明は次のような概要となる。
・ピアノ線を含む高強度の鋼材から成るワイヤを織り、あるいは編み合わせてスチールマットを作製する。
・複数のスチールマットを適宜に長さに裁断する。裁断後のスチールマットを曲げやプレス加工などの俯形成型手段により製品と同一形状に成型する。
・必要に応じて、追加のインサートをセットしてもよい。追加のインサートはスチールマットに付けることも、金型に装着することも可能である。
・強化材をそれぞれ上方型および下方型に設置して樹脂を注入することで、高強度の樹脂成型品を得ることができる。
２次元スチール製織物の樹脂成形体の製造工程を示すブロック図である（実施例１）。 （ａ）は２次元スチール製織物を示す平面図、（ｂ）は所定の長さに裁断された３次元スチール製織物の平面図である（実施例１）。 （ａ）、（ｂ）は２次元スチール製織物の樹脂成形体の製造工程を説明するための断面図である（実施例１）。 （ａ）−（ｃ）は２次元スチール製織物の樹脂成形体の製造工程を説明するための断面図である（実施例１）。 （ａ）−（ｃ）は素線を構成する縦糸および横糸の変形例である（実施例１の変形例）。 （ａ）−（ｃ）は２次元スチール製織物の樹脂成型工程を説明するための断面図である（実施例２）。 （ａ）−（ｃ）は、平織金網の他の例として挙げた綾織金網、平畳織金網および撚線金網を示す平面図である。
本願発明では、２次元の平面構造を有する２次元スチール製織物（スチールマット）をインサート成型した樹脂製品であり、より高い強度を付与するため、各面（上下面）にそれぞれ複数のスチールマットをインサートとしてセットすることが可能である。この際、鋼材の有する磁気特性を利用することで、接着剤を用いることなく複数のスチールマットをインサートとして位置決め固定することができる。
３次元スチール製織物をインサートする製法では、上下面の強化材は一体化しているため、樹脂成型による重合収縮時に、スチールの一部が樹脂表面から浮き出てしまうという看過できない欠点がある。
本発明では、互いに所定の間隔を離した複数のスチールマットをセットしているので、樹脂内で一方のスチールマットが他方のスチールマットを拘束することがなくなり、おのおのが樹脂内を個別に自由移動可能となり、樹脂成型による重合収縮時に、スチールの一部が樹脂表面から浮き出てしまうという欠点が解消される。
スチールマットだけを金型にセットして樹脂成型するため（接着剤を使用していないため）、特定の成型方法に限らず、モールド成型やインジェクションモールド成型など種々の樹脂成型手段を用いることができる。
２次元スチール製織物は高強度の頑丈かつ堅牢な構造体となっている。織物の繊維径は、ミクロン代からミリ代まで自由に選択可能であり、粗にも密にも自由に織り上げることが可能である。
ワイヤ（横糸、縦糸）の太さ性状および織り形状や編み形状あるいは密度を変更して、マトリックスとなる樹脂を選択することで、軽量性や強度（引張りや曲げ強度）など最終製品に必要な特性を自由に設定することができる。
スチールマットは、樹脂の厚みに対して少なくとも２枚がセットされるものの、より高い補強を必要とする部位には、スチールマットを所望個数だけ余分に付加してもよい。
〔実施例１の構成〕
本発明の実施例１について、図１ないし図４を参照ながら説明する。
本発明に係る「２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法」では、図１に示すように、織上げ工程Ａ、裁断工程Ｂ、俯形工程Ｃおよび樹脂成型工程Ｄからなっている。
織上げ工程Ａでは、既存の織機（図示せず）を用いて、それぞれが鋼材から成る縦糸１および横糸２をワイヤとして平面的に織り上げ、あるいは編み上げて成る２次元スチール製織物４をスチールマットとして作製する（図２（ａ）参照）。
縦糸１および横糸２、すなわち２次元スチール製織物４を後述する俯形構造体６としてピアノ線を含む高強度鋼線だけから構成している。
この場合、縦糸１および横糸２とは、ともにピアノ線を含む高強度鋼線を材料とし、織り上げ、あるいは編み上げて、例えば平織金網として作製されている。
裁断工程Ｂでは、図２（ｂ）に示すように、２次元スチール製織物４を予め設定された適宜の長さＬに裁断する。
俯形工程Ｃでは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、長さＬに裁断された２次元スチール製織物４を俯形成型手段としてのプレス金型７に設置し、プレス成型により所定の形状に俯形して俯形構造体６とする。プレス金型７に代わって、曲げ加工、水圧あるいは油圧などを俯形成型手段として２次元スチール製織物４を俯形してもよい。
この場合、プレス金型７は所定のキャビティ７ｃを有し、上型７ａおよび下型７ｂを備えている。プレス金型７のキャビティ７ｃは、後述する樹脂成型工程Ｄにおける成形金型８のキャビティ８ｃに形状を対応させている。
樹脂成型工程Ｄでは、例えば２枚の俯形構造体６をインサートとし、図４（ａ）に示すように、上方型８ａと下方型８ｂとを備えた成形金型８のキャビティ８ｃ内に設置する。 すなわち、樹脂を成形金型８に注入充填する前に、俯形構造体６を２枚のインサートとし、成形金型８の上方型８ａと下方型８ｂとにそれぞれ一枚ずつ設置する。
また、上方型８ａには、左右の突出部９が形成され、下方型８ｂには、突出部９に対向する嵌合溝部１０が設けられている。突出部９には、第１の磁石辺９ａ、９ｂが左右に埋め込まれており、下方型８ｂの嵌合溝部１０の近傍には、第２の磁石辺１０ａ、１０ｂが左右に埋め込まれている。
俯形構造体６を設置した後の型締めに伴い、注入成型または射出成型（インジェクションモールド）により樹脂をキャビティ８ｃに注入充填して俯形構造体６と一体となった樹脂成形体１１を所定時間だけ型締め状態にして形成する。
成形金型８に注入充填する樹脂としては、熱可能性および熱硬化性の双方の樹脂を含み、インジェクション成型または注入成型可能（樹脂成型可能）であれば、エンジニアリングプラスチックを含むポリプロピレン、ポリスチレンあるいはポリウレタンなどの樹脂群からの一つを選択可能で、成型樹脂の種類は問わない。この場合、比較的安価な樹脂を選択することにより、樹脂成形体１１を成すコストの低減化に寄与することができる。
その後、成形金型８では、型締め後の型開きにより、図４（ｃ）に示すように、２枚の俯形構造体６をモールド成型した樹脂成形体１１をキャビティ８ｃから樹脂成型品として取り出す。樹脂成形体１１では、図示上下に微小距離を隔てて並列状態に埋設された俯形構造体６が樹脂成形体１１の補強材として作製される。
〔実施例１の効果〕
このように、実施例１では、それぞれが鋼材から成る縦糸１および横糸２を平面的に織り上げ、あるいは編み上げて所定形状を成す２次元スチール製織物４としている。２次元スチール製織物を俯形した成る俯形構造体６を備えている。２枚の俯形構造体６を樹脂成形して樹脂成形体１１を構成している。
樹脂成形体１１は、注入成型あるいは射出成型（インジェクションモールド成型）により俯形構造体６を樹脂成形して成る。
実施例１における樹脂成形体１１では、ピアノ線を含む高強度鋼材から成る２次元スチール製織物４だけを補強材とすることにより、注入成型だけでなく、強い圧力を負担する射出成型（インジェクションモールド成型）の適用を可能とする。この場合、２次元スチール製織物４を強化材として、内部の隙間を大きくし、表面部分の補強を多くすることで、少ない補強材の量で高強度を確保することができる。
また、成形金型８に第１の磁石辺９ａ、９ｂおよび第２の磁石辺１０ａ、１０ｂを設けているので、樹脂成型工程において、鋼材としての俯形構造体６が有する磁気特性を利用することで、位置決め工程として接着剤を用いることなく、俯形構造体６の位置決め固定を行うことができる。
なお、縦糸１および横糸２については、図５（ａ）に示すように、それぞれ断面十字状に形成してもよい。これにより、樹脂成形体１１に対する俯形構造体６の接触面積を増し、樹脂成形体１１に対する俯形構造体６の結束性が向上する。
また、縦糸１および横糸２は、図５（ｂ）に示すように、それぞれ複数の素線同士を捻って形成した撚線から構成し、あるいは図５（ｃ）に示すように、蔓巻き状に巻回する螺旋体としてもよい。この場合、俯形構造体６の柔軟性が増加して成形し易くなるといった利点が得られる。
〔実施例２の構成〕
図６（ａ）−（ｃ）は本発明の実施例２を示す。成形金型８の上方型８ａに磁石辺９ａ、９ｂを設け、下方型８ｂに磁石辺１０ａ、１０ｂを設けた実施例１に対して、実施例２では、これら磁石辺に代わって、第１の電磁石Ｍ１、第２の電磁石Ｍ２、電源Ｓおよび中央演算部（ＣＰＵ）を有する通電回路を設けている。
実施例２では、樹脂成型工程を行う際、位置決め工程として第１の電磁石Ｍ１と第２の電磁石Ｍ２とが電磁コイルとして作動し、成形金型８に対する俯形構造体６の配置時に中央演算部（ＣＰＵ）により通電され、「型開き」時に無通電となるように構成されている。
このため、図６（ａ）に示すように、樹脂成型工程時に位置決め工程として、俯形構造体６の配置時に磁気吸着により、上方型８ａと下方型８ｂとに対する俯形構造体６の位置決め固定を行う。成形金型８の「型開き」時に、図６（ｃ）に示すように、俯形構造体６を磁気吸着の拘束から外し、樹脂成形体１１として成形金型８のキャビティ８ｃから外部に取り出し易くすることができる。
なお、２次元スチール製織物４としては、平織金網に限らず、綾織金網、平畳織金網、撚線金網（図７（ａ）、（ｂ）、（ｃ）参照）あるいは綾畳織金網を用いてもよい。これら金網の素線の断面形状は、円形、矩形、楕円形、五角形、六角形など必要に応じて種々の形状に変更してもよい。
１ 縦糸（鋼線）
２ 横糸（鋼線）
４ ２次元スチール製織物
６ 俯形構造体
７ プレス金型（俯形成型手段）
８ 樹脂成型工程における成形金型
８ａ 成形金型の上方型
８ｂ 成形金型の下方型
８ｃ 成形金型のキャビティ
９ａ、９ｂ 第１の磁石辺
１０ａ、１０ｂ 第２の磁石辺
１１ 樹脂成形体
Ｍ１ 第１の電磁石（電磁コイル）
Ｍ２ 第２の電磁石（電磁コイル）
樹脂成型における補強方法としては、粉体などの充填と補強材のインサートがある。機械的強度を高めるためのインサート成型では、鋼板などの硬い材質の材料を入れての成型が主流である。しかしながら、鋼板などの硬い材質の材料が重量化を招く決定的な難点が生じる。その他幾つかの強化方法があるが、自動車の外板などの薄く、複雑な形状の複合パネル等の成型品を簡易で安価に製造する方法は知られていない。
（請求項１について）
織上げ工程では、それぞれがピアノ線を含む鋼材から成る縦糸および横糸を平面的に織り上げて成る２次元スチール製織物を作製する。
俯形工程では、２次元スチール製織物を裁断した後、プレス成型を含む俯形成型手段により所定の形状に俯形して俯形構造体とする。
樹脂成型工程では、俯形構造体を複数枚のインサートとし、成形金型の上方型と下方型にそれぞれ一枚ずつ設置し、樹脂を成形金型に注入充填して俯形構造体と一体となった樹脂成形体を形成する。樹脂成形体には、俯形構造体を微小距離を隔てて並列状態に埋設した補強材として作製する。
（請求項３について）
樹脂は、熱硬化性および熱可塑性の双方の樹脂を含み、ポリプロピレン、ポリスチレンおよびポリウレタンを含むインジェクションまたは注入成型が可能な樹脂群のうちから選択された一つである。
この場合、樹脂の種類を問わないことから、ポリプロピレン、ＡＢＳ樹脂などの比較的安価な樹脂を使用することで、樹脂成形体としてのコストの低減化に寄与することができる。
成形金型８に注入充填する樹脂としては、熱可塑性および熱硬化性の双方の樹脂を含み、インジェクション成型または注入成型可能（樹脂成型可能）であれば、エンジニアリングプラスチックを含むポリプロピレン、ポリスチレンあるいはポリウレタンなどの樹脂群からの一つを選択可能で、成型樹脂の種類は問わない。この場合、比較的安価な樹脂を選択することにより、樹脂成形体１１を成すため、コストの低減化に寄与することができる。

Claims (5)

  1. それぞれがピアノ線を含む鋼材から成る縦糸および横糸を平面的に織り上げて成る２次元スチール製織物を作製する織上げ工程と、
    前記２次元スチール製織物を裁断した後、プレス成型を含む俯形成型手段により所定の形状に俯形して俯形構造体とする俯形工程と、
    前記俯形構造体を複数枚のインサートとし、成形金型の上方型と下方型とにそれぞれ一枚ずつ設置し、樹脂を前記成形金型に注入充填して前記俯形構造体と一体となった樹脂成形体を形成する樹脂成型工程とを具備して成る２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法。
  2. 前記縦糸および前記横糸は、それぞれ複数の素線を撚った撚線から成ることを特徴とする請求項１に記載の２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法。
  3. 前記樹脂は、熱硬化性および熱可能性の樹脂を含み、ポリプロピレン、ポリスチレンおよびポリウレタンを含む樹脂成型可能な樹脂群のうち選択された一つであることを特徴とする請求項１に記載の２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法。
  4. 前記成形金型は、第１の磁石辺を埋設した前記上方型と第２の磁石辺を埋設した前記下方型から成り、前記俯形構造体の複数枚を前記樹脂成型工程で前記成形金型に設置する際、前記俯形構造体のうち一方側は、前記第１の磁石辺の磁気吸着力により前記上方型に固定され、前記俯形構造体のうち他方側は、前記第２の磁石辺の磁気吸着力により前記下方型に固定されることを特徴とする請求項１に記載の２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法。
  5. 前記成形金型は、第１の電磁石を埋設した前記上方型と第２の電磁石を埋設した前記下方型から成り、前記樹脂成型工程の際、前記成形金型に対する前記俯形構造体の配置時に前記第１の電磁石および前記第２の電磁石が通電され、前記成形金型の型開き時に前記第１の電磁石および前記第２の電磁石が無通電となるように構成されたことを特徴とする請求項１に記載の２次元スチール製織物と一体化した樹脂構造体の成形方法。
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