JP7733723B2 - 複合成形品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、熱可塑性樹脂に強化繊維を含有させた複合成形品を製造する方法に関する。

上記のような複合成形品を製造する一方法として、下記特許文献１のものが知られている。この特許文献１に記載の製造方法は、強化繊維が含有された熱可塑性樹脂からなるシート状のプリプレグ（ＵＤシート）をテープ状に裂く工程と、得られた複数のテープ状のプリプレグを円筒状に配しながら金型（引抜き装置の成形ダイ）に導入して加熱する工程とを含む。これにより、一定のリング状断面を有する円筒形の複合成形品が得られる。

ここで、上記特許文献１では、金型内に画成されたリング状のキャビティ（成形空間）を周方向に複数分割した各領域にテープ状のプリプレグが一枚ずつ導入されるようになっている。このため、上記特許文献１では、テープ状の各プリプレグの厚みを成形品の肉厚と同等以上の比較的大きい値に設定する必要がある。しかしながら、各プリプレグの厚みが大きければ、各プリプレグの剛直さが増す（形状追従性が低下する）ため、断面サイズが小さいかもしくは断面形状が複雑な成形品を成形することが困難になる。また、成形品の内部にボイド（空洞）が発生し易いという問題もある。

特開平０５－２６９８３１号公報

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、形状自由度が高くかつボイドの少ない複合成形品を製造することを目的とする。

前記課題を解決するためのものとして、本発明の複合成形品の製造方法は、熱可塑性樹脂からなるテープ状の基材シートと当該基材シートに同一方向に配向された状態で含浸された強化繊維とを含むＵＤテープを複数用意する第１の工程と、用意された複数の前記ＵＤテープを積層しつつ金型に連続的に導入して加熱することにより、所定の断面形状を有する複合成形品を成形する第２の工程とを含み、前記ＵＤテープとして、厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下、幅が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が３０ｇ／ｍ^２以上９５ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープを用いる、ことを特徴とするものである。

本発明の製造方法によれば、形状自由度が高くかつボイドの少ない複合成形品を製造することができる。

本発明の第１実施形態に係る複合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。 ＵＤシートを製造する装置の概略構成を示す図である。 ＵＤシートからＵＤテープを切り出す様子を示す図である。 ＵＤテープの概略断面図である。 ＵＤテープから複合成形品を製造する装置の概略構成を示す図である。 成形ダイおよびその内部の複合成形品の構造を示す断面図である。 上記第１実施形態の変形例を示す図４相当図である。 本発明の実施例および比較例の特性を示す表である。 本発明の第２実施形態を説明するための図６相当図である。 本発明の第３実施形態において製造される複合成形品の構造を示す断面図である。 上記第３実施形態で用いられる製造装置の概略構成を示す図である。 上記製造装置の成形ダイの構造を示す断面図である。

（１）第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る複合成形品２０（図５、図６）の製造方法の概略手順を示すフローチャートである。本実施形態において、複合成形品２０は、強化繊維が含有された熱可塑性樹脂からなる成形品であり、図１に示す各工程（Ｓ１～Ｓ３）により製造される。すなわち、本実施形態の複合成形品２０は、ＵＤシート１（図２）を成形する工程Ｓ１と、ＵＤシート１から複数のＵＤテープ１０（図３）を切り出す工程Ｓ２と、複数のＵＤテープ１０を引抜き成形に供することで複合成形品２０（図５、図６）を得る工程Ｓ３とを含む手順により製造される。各工程の詳細は次のとおりである。

［ＵＤシートの成形］
工程Ｓ１は、図２に示すように、基材シート２と強化繊維３からＵＤシート１を成形するシート成形工程である。具体的に、このシート成形工程Ｓ１では、熱可塑性樹脂製の基材シート２と、当該基材シート２の両面に同方向に配向された状態で含浸された多数の強化繊維３と、を含む繊維強化樹脂シート（ＦＲＴＰシート）を、ＵＤシート１として成形する。

強化繊維３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。

基材シート２は、一定の幅および厚みを有するシートであり、例えば熱可塑性樹脂をシート状に押出成形することにより成形される。

基材シート２の材料である熱可塑性樹脂、つまりＵＤシート１のマトリックス樹脂としては、ポリアミド（特にＰＡ６，ＰＡ９Ｔ，ＰＡ１２，ＰＡ６６）、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフェニレンサルファイド、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリアセタール、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基材シート２の材料として用いてもよい。

ＵＤシート１は、例えば図２に示されるシート製造装置５０を用いて製造することができる。このシート製造装置５０は、強化繊維の束である繊維束３’および熱可塑性の基材シート２から、ＵＤシート１を連続的に製造する装置である。

具体的に、シート製造装置５０は、上下に並ぶ複数対（ここでは２対）の加熱ローラ５１と、加熱ローラ５１の下側において上下に並ぶ複数対（ここでは２対）の冷却ローラ５２と、加熱ローラ５１と冷却ローラ５２との間に掛け回された一対の無端ベルト５４と、無端ベルト５４の下側に配置された一対の引き出しローラ５５と、引き出しローラ５５の下側に配置された巻き取り用のボビン５６とを備えている。

最上段の加熱ローラ５１の両側には、繊維束３’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３’を連続的に開繊することにより、薄い帯状に広がった多数の連続した強化繊維３を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。

図２の例において、上記開繊機構は、基材シート２の一方の面に開繊後の強化繊維３を供給する機構と、基材シート２の他方の面に開繊後の強化繊維３を供給する機構とを有する。前者の機構は、基材シート２の一方の面と当該面と接する加熱ローラ５１との間に強化繊維３を導入するように設けられ、後者の機構は、基材シート２の他方の面と当該面と接する加熱ローラ５１との間に強化繊維３を導入するように設けられる。

加熱ローラ５１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５１は、基材シート２およびその両面に導入された強化繊維３を無端ベルト５４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３を基材シート２に連続的に含浸させる。これにより、強化繊維３は、一方向（図２の上下方向）に引き揃えられた状態で基材シート２に含浸される。

冷却ローラ５２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５２は、強化繊維３が含浸された状態の基材シート２を無端ベルト５４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３を基材シート２に固定する。これにより、基材シート２（マトリックス樹脂）と強化繊維３とが一体化されたＵＤシート１が成形される。

引き出しローラ５５は、成形されたＵＤシート１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。

巻き取り用のボビン５６は、ＵＤシート１を巻き取るための芯材である。ボビン５６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５５により引き出されたＵＤシート１を順次巻き取ることにより、ＵＤシート１をロール状に纏める。

［ＵＤテープの成形］
工程Ｓ２は、上記シート成形工程Ｓ１により成形されたＵＤシート１からＵＤテープ１０を切り出すテープ切出し工程である。このテープ切出し工程Ｓ２では、図３に示すように、ＵＤシート１に対し長手方向に延びる複数の切込みＱ１を形成することにより、ＵＤシート１から複数のＵＤテープ１０を切り出す。具体的に、テープ切出し工程Ｓ２では、ＵＤシート１を長手方向に送り出しながら、その送り経路の途中の位置Ｐ１からカッティングを施すことにより、長手方向に延びる多数の切込みＱ１をＵＤシート１に形成する。これにより、ＵＤシート１が幅方向に細かく分断され、比較的小さい幅を有しかつ長手方向に長尺な複数のＵＤテープ１０が形成される。

上述した切込みＱ１のＵＤシート１への形成（カッティング）は、例えば、ＵＤシート１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行うことができる。このような等間隔に並ぶ刃を含む切断装置を用いた場合には、同一幅のＵＤテープ１０をＵＤシート１から一括して形成することが可能になる。なお、隣接する刃同士の間隔が刃の組合せごとに異なる切断装置を用いてもよく、このようにすれば、種々の異なる幅のＵＤテープ１０をＵＤシート１から形成することができる。

既述のとおり、ＵＤテープ１０が切り出される元のシートつまりＵＤシート１は、基材シート２に強化繊維３が含浸された熱可塑性の繊維強化樹脂シートである。このため、当該ＵＤシート１から切り出された各ＵＤテープ１０も、基材シート２と強化繊維３とを有する。すなわち、ＵＤテープ１０は、図４に示す概略断面図のとおり、熱可塑性樹脂製の基材シート２と、当該基材シート２に同一方向に配向された状態で含浸された強化繊維３とを有する。

より具体的に、本実施形態では、ＵＤテープ１０として、強化繊維３が基材シート２の両面に部分的に含浸された半含浸タイプのＵＤテープが用いられる。言い換えると、本実施形態におけるＵＤテープ１０は、テープ状の基材シート２と、当該基材シート２の両側の表層部にのみ含浸された強化繊維３とを有する。この場合、ＵＤテープ１０における大部分の強化繊維３は、基材シート２の外側に一部が露出するような状態で基材シート２に含浸され、基材シート２の内部に完全には含浸されない。上述したシート成形工程Ｓ１では、このような構造のＵＤテープ１０が得られるようにＵＤシート１が成形される。すなわち、シート製造装置５０（図２）を用いたＵＤシート１の成形の際に、強化繊維３が基材シート２の両側の表層部にのみ含浸するように、加熱ローラ５１（図２）による加圧力や加熱温度等が調整される。

図４に示すように、ＵＤテープ１０の厚みをｔ、幅をｗとする。ＵＤテープ１０の厚みｔ、つまり基材シート２とその両面の強化繊維３とを含む全体の厚みｔは、２０μｍ以上８０μｍ以下、好ましくは２５μｍ以上６０μｍ以下、さらに好ましくは３０μｍ以上５５μｍ以下に設定される。また、ＵＤテープ１０の幅ｗは、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以上５ｍｍ以下、さらに好ましくは１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下に設定される。

ＵＤテープ１０における強化繊維３の目付量、つまり基材シート２に対しその単位面積あたりに含浸される強化繊維３の重量は、３０ｇ／ｍ^２以上９５ｇ／ｍ^２以下、好ましくは４０ｇ／ｍ^２以上９０ｇ／ｍ^２以下、さらに好ましくは４５ｇ／ｍ^２以上８５ｇ／ｍ^２以下に設定される。

次の表１に、上述したＵＤテープ１０の仕様（厚み、幅、目付量）をまとめて表記する。

上述したシート成形工程Ｓ１およびテープ切出し工程Ｓ２は、上記表１のような仕様のＵＤテープ１０が得られるような態様で実施される。すなわち、シート成形工程Ｓ１では、上記表１に示されるＵＤテープ１０中の強化繊維３の目付量と同等の目付量（３０～９５ｇ／ｍ^２）をもったＵＤシート１が得られるように、基材シート２の両面に上記開繊機構から供給される強化繊維３の密度等が調整される。また、シート成形工程Ｓ１では、上記表１に示されるＵＤテープ１０の厚みｔと同等の厚み（２０～８０μｍ）をもったＵＤシート１が得られるように、基材シート２の厚みおよび強化繊維３の繊維径等が調整される。さらに、テープ切出し工程Ｓ２では、上記表１に示される幅ｗ（０．５～１０ｍｍ）をもった複数のＵＤテープ１０がＵＤシート１から切り出されるように、ＵＤシート１に形成される切込みＱ１（図３）のピッチが調整される。

［複合成形品の成形］
工程Ｓ３は、上記テープ切出し工程Ｓ２により形成された複数のＵＤテープ１０から、図５に示す引抜き装置６０を用いて複合成形品２０を連続成形する引抜き工程である。具体的に、本実施形態では、この引抜き工程Ｓ３において、引抜き装置６０を用いた連続成形により、軸方向に亘って一定の円形断面を有する丸棒状の複合成形品２０を成形する。

引抜き装置６０は、テープ送出機６１と、成形ダイ６２と、冷却器６３と、引取機６４と、巻取機６５とを備える。テープ送出機６１は、複数のＵＤテープ１０を集約しつつ下流側に送り出す装置である。成形ダイ６２は、テープ送出機６１から送出されたＵＤテープ１０を受け入れて加熱および加圧を行う金型であり、受け入れたＵＤテープ１０を断面円形の複合成形品２０に変化させた上で下流側に排出する。冷却器６３は、成形ダイ６２から排出された複合成形品２０を冷却する装置である。引取機６４は、冷却器６３から排出された複合成形品２０を引き取ってさらに下流側に送り出す装置である。巻取機６５は、引取機６４から送出された複合成形品２０を巻き取ってロール状に纏める装置である。

テープ送出機６１は、ＵＤテープ１０が巻き付けられた複数の送出ローラ７１と、送出ローラ７１の回転により送り出されたＵＤテープ１０が下流側の所期位置に向かうようにＵＤテープ１０を方向転換させる複数の案内ロール７２と、案内ロール７２の群よりも下流側において複数のＵＤテープ１０が徐々に集約されるように各ＵＤテープ１０の送り経路を規制する複数のガイド７３とを備える。複数のＵＤテープ１０は、全てのガイド７３を通過する過程で上下および左右に集約され、互いに積層された状態で成形ダイ６２に連続導入される。

成形ダイ６２は、図６に示すように、複合成形品２０の形状に対応した断面円形のキャビティＣ１を内部に有する上下２分割の金型である。すなわち、成形ダイ６２は、上型８１と、上型８１の下側に密着状態で配置される下型８２とを備え、これら上型８１および下型８２の各対向面にはそれぞれ半円形の凹部が形成されている。そして、上型８１および下型８２の各凹部が組み合わさることにより、断面円形のキャビティＣ１が形成されている。

成形ダイ６２には加熱装置が内蔵されている。この加熱装置は、成形ダイ６２のキャビティＣ１に導入されたＵＤテープ１０を加熱するものであり、当該加熱によってＵＤテープ１０を軟化させる。軟化したＵＤテープ１０は、キャビティＣ１内で加圧されて変形し、キャビティＣ１に対応した断面円形の複合成形品２０へと変化する。この複合成形品２０の断面積は種々設定し得るが、例えばＵＤテープ１０の断面積の２倍以上に設定することが好ましい。これは、後述する本実施形態の製造方法による効果（例えばボイドの抑制、機械的性質の向上等）を的確に得るためである。

冷却器６３は、成形ダイ６２の下流側に隣接して配置されている。冷却器６３は、成形ダイ６２から排出された高温の複合成形品２０を冷却し得るものであればその構造を問わないが、例えば、成形ダイ６２と同様のキャビティを有しかつ冷却水等の冷媒が導入される低温の金型とすることができる。この場合、成形ダイ６２と冷却器６３とを一連の金型により構成することも可能である。

図６には、複合成形品２０の断面の一部を拡大した拡大図が付記されている。この拡大図に示すように、複合成形品２０の内部では、複数のＵＤテープ１０が積層状態で互いに密着、固定されている。言い換えると、複合成形品２０は、基材シート２と強化繊維３とを含む複数のＵＤテープ１０がキャビティＣ１内で層状に一体化することにより形成された断面円形の繊維強化複合成形品である。

引取機６４は、複数対のローラ９１と、上下方向に対応配置されかつローラ９１に掛け回された一対の無端ベルト９２とを備える。ローラ９１は、無端ベルト９２を介して複合成形品２０を上下から挟み込んだ状態で回転することにより、成形ダイ６２から排出された複合成形品２０をさらに下流側に送り出す。

巻取機６５は、回転可能な巻取ローラ９５を備える。巻取ローラ９５は、複合成形品２０を巻き取る方向に回転し、引取機６４から送出された複合成形品２０を順次巻き取ってロール状に纏める。

引抜き工程Ｓ３では、以上のような構成の引抜き装置６０を用いて、ＵＤテープ１０から断面円形の複合成形品２０が連続成形される。

［作用効果］
以上説明したとおり、本実施形態では、テープ状の基材シート２と当該基材シート２に含浸された強化繊維３とを含む複数のＵＤテープ１０が用意されるとともに、用意されたＵＤテープ１０を積層しつつ成形ダイ６２に連続的に導入して加熱する等により一定の断面形状（ここでは円形断面）を有する複合成形品２０が成形される。このように、ＵＤテープ１０から複合成形品２０を連続成形（引抜き成形）する本実施形態によれば、複合成形品２０の形状自由度を高めつつ、当該複合成形品２０の内部にボイド（空洞）が発生するのを抑制できるという利点がある。

具体的に、本実施形態では、ＵＤテープ１０の厚みｔ、幅ｗ、および強化繊維３の目付量が、それぞれ上述した表１のとおり設定されるので、ＵＤテープ１０に適度な柔軟性を付与しつつ、強化繊維３による補強効果を十分に高めることができる。これにより、複合成形品２０の内部に発生するボイド（空洞）の割合を低減しつつ、複合成形品２０の機械的性質（引張強度、曲げ強度など）を十分に向上させることができる。

例えば、ＵＤテープ１０の厚みｔが８０μｍ以下（好ましくは６０μｍ以下、より好ましくは５５μｍ以下）とされるので、ＵＤテープ１０に適度な柔軟性が付与され、当該ＵＤテープ１０を適宜変形させつつ成形ダイ６２にスムーズに導入することができる。このことは、ＵＤテープ１０の幅ｗが１０ｍｍ以下（好ましくは５ｍｍ以下、より好ましくは３ｍｍ以下）であることと相俟って、成形ダイ６２の内部でのＵＤテープ１０の目詰まり等を防止する効果をもたらすので、多数のＵＤテープ１０を十分に密な状態で成形ダイ６２に導入することが可能になる。このため、例えば断面サイズが小さいかもしくは断面形状が複雑な複合成形品２０を成形する場合であっても、当該複合成形品２０の形状に対応した成形ダイ６２のキャビティＣ１に高い充填率で材料を充填することができ、ボイドが少ない高品質な複合成形品２０を得ることができる。

また、ＵＤテープ１０の厚みが上記のとおり小さくされる一方で、強化繊維３の目付量は３０ｇ／ｍ^２以上（好ましくは４０ｇ／ｍ^２以上、より好ましくは４５ｇ／ｍ^２以上）確保されるので、成形中に軟化した樹脂内で強化繊維３を比較的均一に分散させることができ、複合成形品２０の機械的性質を効率よく向上させることができる。

後述する各実施例（図８）にも示すように、上記表１に示した仕様のＵＤテープ１０を用いて複合成形品２０を製造する本実施形態の方法によれば、当該複合成形品２０におけるボイド（空洞）の割合つまりボイド率を、１５％以下に抑えることができる。このことは、強化繊維３の分散を均一化する上述した効果との相乗効果により、複合成形品２０の機械的強度を十分に向上させることを可能にする。なお、ボイド率とは、複合成形品２０の全体の断面積に占めるボイドの断面積の割合のことである。

また、本実施形態では、ＵＤテープ１０として、基材シート２に強化繊維３が部分的に含浸された半含浸タイプのＵＤテープが用いられるので（図４参照）、強化繊維３が基材シート２に完全に含浸された完全含浸タイプのＵＤテープを用いた場合（後述する図７参照）と比較して、ＵＤテープ１０の柔軟性をより高めることができる。これにより、成形ダイ６２へのＵＤテープ１０の導入時にキャビティＣ１に充填される材料の充填率を高めることができ、複合成形品２０内に発生し得るボイドの割合を十分に低減することができる。なお、本実施形態のように半含浸タイプのＵＤテープ１０を用いた場合でも、ＵＤテープ１０の成形ダイ６２への導入時に強化繊維３が樹脂内に完全に含浸するので、複合成形品２０の品質に特に問題が生じることはない。

［変形例］
上記第１実施形態では、円形断面を有する丸棒状の複合成形品２０をＵＤテープ１０から成形したが、ＵＤテープ１０から成形し得る複合成形品の形状はこれに限られず、種々の形状の複合成形品をＵＤテープ１０から成形することが可能である。例えば、扁平な矩形断面を有する平板状の複合成形品を成形することが可能である。

上記第１実施形態では、強化繊維３が基材シート２に部分的に含浸された半含浸タイプのＵＤテープ１０（図４）を用いたが、図７に示すような完全含浸タイプのＵＤテープ１０Ａを用いることも可能である。このＵＤテープ１０Ａは、強化繊維３が基材シート２に完全に含浸されたＵＤテープであって、基材シート２の外側に強化繊維３がほとんど露出しないように、実質的に強化繊維３の全部が基材シート２の内部に含浸されている。このような完全含浸タイプのＵＤテープ１０Ａを用いて複合成形品を成形した場合には、ＵＤテープ１０Ａが成形ダイ６２に導入される前に強化繊維３が基材シート２から外れるといった事態が起き難くなるので、強化繊維３による複合成形品の補強効果を十分に高めることができる。なお、半含浸タイプおよび完全含浸タイプのいずれのＵＤテープをも使用可能なことは、後述する第２実施形態および第３実施形態でも同様である。

上記第１実施形態では、引抜き装置６０の最下流部に、複合成形品を巻き取ってロール状に纏める巻取機６５を設けたが（図５参照）、この巻取機６５に代えて、複合成形品を一定の長さに切断する切断機を設けてもよい。

［実施例］
以上説明した第１実施形態またはその変形例の製造方法により実際に複合成形品を製造した結果物を、図８に実施例１～８として示す。すなわち、ＵＤテープ１０の仕様（厚み、幅、目付量）が異なる種々の条件下で、図１～図５に示した製造方法に従って平板状または丸棒状の複合成形品を製造し、得られた結果物をそれぞれ実施例１～８とする。各実施例の製造条件は次のとおりである。

（製造条件）
（ｉ）平板状の成形品（実施例１～７）
寸法：厚み×幅＝１ｍｍ×１０ｍｍ
マトリックス樹脂：ＰＡ６
強化繊維：ＰＡＮ系炭素繊維
加熱温度：２５０℃
冷却温度：３０℃
線速：０．１ｍ／ｍｉｎ
（ii）丸棒状の成形品（実施例８）
寸法：直径１．１ｍｍ
マトリックス樹脂：ＰＡ６
強化繊維：ＰＡＮ系炭素繊維
加熱温度：２８０℃
冷却温度：３０℃
線速：０．３ｍ／ｍｉｎ

なお、上記製造条件において、加熱温度とは、図５に示した成形ダイ６２での加熱温度のことであり、冷却温度とは、図５に示した冷却器６３での冷却温度のことである。また、線速とは、引取り機６４により複合成形品を引き取る速度、換言すれば成形ダイ６２での引抜き速度のことである。

図８には、比較例１～６が併せて示される。比較例１～６は、厚み、幅、目付量のいずれかを表１の範囲外としたＵＤテープ１０を用いて、実施例１～７と同様の製造条件で平板状の複合成形品を成形して得られた結果物である。

図８に示すように、ＵＤテープ１０の仕様が表１の範囲内である実施例１～８では、ボイド率がいずれも１５％以下に抑えられる。これに対し、ＵＤテープ１０の仕様が表１の範囲外である比較例１～６では、ボイド率が１５％を超えるか、または複合成形品として必要な形状（ここでは断面が１×１０ｍｍの平板形状）を得ることができなかった。図８では、このように必要な形状が得られなかったケースを「成形不可」として表記するとともに、その原因を（Ｉ）～（III）で示している。具体的に、成形不可（Ｉ）は、成形途中でＵＤテープ１０が切れるテープ切れを原因とした成形不良が生じたケースであり、成形不可（II）は、樹脂が強化繊維から分離して先行流出する樹脂流出を原因とした成形不良が生じたケースであり、成形不可（III）は、樹脂が不足する樹脂不足を原因とした成形不良が生じたケースである。

上述した実施例１～８と比較例１～６との比較より、表１に規定の厚み、幅、目付量をもったＵＤテープ１０を用いて複合成形品を成形することの優位性が認められる。

（２）第２実施形態
上記第１実施形態では、ＵＤテープ１０から中実の複合成形品２０を成形したが、中実ではなく中空の複合成形品を成形することも可能である。その一例を第２実施形態として説明する。

図９は、第２実施形態で用いられる成形ダイ１０２の構造を示す断面図である。本図に示すように、第２実施形態では、成形ダイ１０２を用いた引抜き成形により、断面角筒状の複合成形品２０ＡをＵＤテープ１０から連続成形する。成形ダイ１０２は、上下に重ね合わせられる上型１１１および下型１１２と、両者の間に配置される中子型１１３とを備え、これら３つの型１１１～１１３に囲まれた断面角筒状のキャビティＣ２が成形ダイ１０２の内部に形成される。ＵＤテープ１０としては、上記第１実施形態で用いたのと同様のＵＤテープ、つまり上記表１に規定の厚み、幅、目付量をもったＵＤテープが用いられる。このＵＤテープ１０は、図５に示したテープ送出機６１から成形ダイ１０２に送り込まれ、互いに積層されつつキャビティＣ２の内部に導入され、さらに引取機６４によって引き抜かれる。これにより、キャビティＣ２の形状に対応した断面角筒状の複合成形品２０Ａが連続成形される。

図９に示すように、複合成形品２０Ａの各コーナ部にはそれぞれ丸みが付けられている。ただし、各丸みの半径は比較的小さく、その最小半径は０．１ｍｍに設定される。一般に、このような小径のコーナ部では材料の充填率が低下し易い。このため、角筒状の複合成形品２０Ａは、本来であればその成形品質を確保し難いという問題がある。しかしながら、厚みｔおよび幅ｗが比較的小さい柔軟なＵＤテープ１０が用いられる第２実施形態では（表１参照）、角筒状の複合成形品２０Ａであってもこれを良好に成形することができる。すなわち、柔軟なＵＤテープ１０の使用によってキャビティＣ２の隅々まで材料が行き渡り易くなるので、小径の各コーナ部にも十分な充填率で材料を充填することができ、角筒状でありながら高品質な複合成形品２０Ａを得ることができる。

（３）第３実施形態
上記第１および第２実施形態では、ＵＤテープを成形ダイに導入することで複合成形品を成形したが、成形ダイに導入されたＵＤテープの周囲に溶融樹脂を導入する方法により、２層構造の複合成形品を成形することも可能である。その一例を第３実施形態として説明する。

図１０は、第３実施形態の製造方法により製造される複合成形品２０Ｂの構造を示す断面図である。本図に示すように、複合成形品２０Ｂは、複合部２１および表面部２２を備える。複合部２１は、上記表１の仕様のＵＤテープ１０が積層された層である。言い換えると、複合部２１は、熱可塑性樹脂製の基材シート２（マトリックス樹脂）と強化繊維３とが混合した繊維強化樹脂からなる。表面部２２は、複合部２１の周囲に形成された熱可塑性樹脂の層である。複合部２１とは異なり、表面部２２には強化繊維が含有されない。複合部２１と表面部２２とは、複合部２１の外周面に表面部２２が密着することで互いに一体化している。表面部２２の材質は、複合部２１のマトリックス樹脂と同一でもよいし、異なっていてもよい。

第３実施形態において、複合成形品２０Ｂは、軸方向に亘って一定の矩形断面を有する平板状の成形品である。すなわち、複合成形品２０Ｂは、扁平な矩形断面を有する複合部２１と、当該複合部２１を囲む角筒状の表面部２２とを有する。

複合成形品２０Ｂは、図１１に示される引抜き装置１６０を用いて製造される。本図に示すように、引抜き装置１６０は、テープ送出機１６１と、成形ダイ１６２と、押出機１６６と、冷却器１６３と、引取機１６４と、切断機１６７とを備える。テープ送出機１６１は、上記第１実施形態（図５）のテープ送出機６１と同様のものであり、複数のＵＤテープ１０を集約しつつ下流側に送り出す。成形ダイ１６２は、テープ送出機１６１から送出されたＵＤテープ１０を受け入れて加熱および加圧を行う金型である。押出機１６６は、成形ダイ１６２の内部に溶融樹脂を注入する装置である。冷却器１６３は、上記第１実施形態の冷却器６３と同様のものであり、成形ダイ１６２から排出された複合成形品２０Ｂを冷却する。引取機１６４は、上記第１実施形態の引取機６４と同様のものであり、冷却器１６３から排出された複合成形品２０Ｂを引き取ってさらに下流側に送り出す。切断機１６７は、引取機１６４から送出された複合成形品２０Ｂを所定の長さに切断するカッター１６７ａを含む装置である。

成形ダイ６２は、図１２に示すように、複合成形品２０Ｂの形状に対応した断面矩形のキャビティＣ３を内部に有する上下２分割の金型である。すなわち、成形ダイ１６２は、上型１８１と、上型１８１の下側に密着状態で配置される下型１８２とを備え、これら上型１８１および下型１８２の間に矩形断面のキャビティＣ３が形成されている。

キャビティＣ３の断面形状は、成形ダイ６２の途中で変化する。すなわち、キャビティＣ３は、上流キャビティＣ３ａと、上流キャビティＣ３ａよりも一回り大きい下流キャビティＣ３ｂとを含む。上流キャビティＣ３ａは、複合成形品２０Ｂの複合部２１に対応した矩形断面の空間である。下流キャビティＣ３ｂは、複合成形品２０Ｂの表面部２２に対応した相対的に大きい矩形断面の空間であり、上流キャビティＣ３ａの下流側に連続して形成されている。

押出機１６６は、図１２に示すように、下流キャビティＣ３ｂに連通するように上型１８１に接続されたシリンダ１６６ａと、シリンダ１６６ａの内部に配置されたスクリュー１６６ｂとを含む。スクリュー１６６ｂは、シリンダ１６６ａの内部に投入された樹脂を溶融、混練させつつ下側キャビティＣ３ｂへと圧送する。

テープ送出機１６１（図１１）から送出された複数のＵＤテープ１０は、上流キャビティＣ３ａに導入されて、当該上流キャビティＣ３ａ内での加熱および加圧を経て一体化される。これにより、上流キャビティＣ３ａに対応した矩形断面の複合部２１が形成される。そして、形成された複合部２１の周囲に、押出機１６６から吐出された溶融樹脂が供給される。すなわち、押出機１６６から下流キャビティＣ３ｂに溶融樹脂が吐出されることにより、当該下流キャビティＣ３ｂに導出された複合部２１の外周面と下流キャビティＣ３ｂの内周面との隙間が溶融樹脂によって充填される。これにより、複合部２１の周囲に表面部２２（図１０）が形成され、両者が一体化した２層構造の複合成形品２０Ｂが成形される。

なお、前記第３実施形態では、図１０に示したとおり、熱可塑性樹脂製の基材シート２（マトリックス樹脂）と強化繊維３とが混合した繊維強化樹脂製の複合部２１と、その周囲を覆う樹脂製の（強化繊維を含有しない）表面部２２と、を備えた２層構造の複合成形品２０Ｂを成形した例について説明したが、これ以外の構造をもった多層構造の複合成形品を成形することも可能である。例えば、繊維強化樹脂製の複合部の周囲の一部を樹脂製の表面部で覆った２層構造の複合成形品や、樹脂製の表面部の周囲をさらに繊維強化樹脂で覆った３層構造の複合成形品を成形することが可能である。あるいは、樹脂製の芯材の周囲の少なくとも一部を繊維強化樹脂で覆った２層構造の複合成形品を成形してもよい。

（４）まとめ
以上説明した各実施形態には、主に以下の発明が含まれる。

本発明の一局面に係る複合成形品の製造方法は、熱可塑性樹脂からなるテープ状の基材シートと当該基材シートに同一方向に配向された状態で含浸された強化繊維とを含むＵＤテープを複数用意する第１の工程と、用意された複数の前記ＵＤテープを積層しつつ金型に連続的に導入して加熱することにより、所定の断面形状を有する複合成形品を成形する第２の工程とを含む。前記ＵＤテープとしては、厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下、幅が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が３０ｇ／ｍ^２以上９５ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープが用いられる。

本発明によれば、ＵＤテープの厚みが８０μｍ以下とされるので、ＵＤテープに適度な柔軟性が付与され、当該ＵＤテープを適宜変形させつつ金型にスムーズに導入することができる。このことは、ＵＤテープの幅が１０ｍｍ以下であることと相俟って、金型内でのＵＤテープの目詰まり等を防止する効果をもたらすので、多数のＵＤテープを十分に密な状態で金型に導入することが可能になる。このため、例えば断面サイズが小さいかもしくは断面形状が複雑な複合成形品を成形する場合であっても、当該複合成形品の形状に対応した金型のキャビティに高い充填率で材料を充填することができ、ボイド（空洞）が少ない高品質な複合成形品を得ることができる。

また、ＵＤテープの厚みが前記のとおり小さくされる一方で、強化繊維の目付量は３０ｇ／ｍ^２以上確保されるので、成形中に軟化した樹脂内で強化繊維を比較的均一に分散させることができ、複合成形品の機械的性質を効率よく向上させることができる。

好ましくは、前記ＵＤテープとして、厚みが２５μｍ以上６０μｍ以下、幅が１ｍｍ以上５ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が４０ｇ／ｍ^２以上９０ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープを用いる。

このようにすれば、上述の効果をより高めることができる。

より好ましくは、前記ＵＤテープとして、厚みが３０μｍ以上５５μｍ以下、幅が１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が４５ｇ／ｍ^２以上８５ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープを用いる。

このようにすれば、上述の効果をさらに高めることができる。

好ましくは、前記ＵＤテープとして、前記基材シートに前記強化繊維が部分的に含浸された半含浸タイプのＵＤテープを用いる。

このように、半含浸タイプのＵＤテープを用いた場合には、強化繊維が基材シートに完全に含浸された完全含浸タイプのＵＤテープを用いた場合と比較して、ＵＤテープの柔軟性をより高めることができる。これにより、金型へのＵＤテープの導入時にキャビティに充填される材料の充填率を高めることができ、複合成形品内に発生し得るボイドの割合を十分に低減することができる。

好ましくは、前記第２の工程では、前記ＵＤテープの断面積の２倍以上の断面積を有する複合成形品を成形する。

このようにすれば、上述した作用効果（ボイドの抑制、機械的性質の向上等）を的確に得ることができる。

本発明の製造方法は、前記金型に導入された前記ＵＤテープの周囲に溶融樹脂を供給する第３の工程をさらに含んでもよい。

このようにすれば、ＵＤテープが積層された複合部と、その周りに形成される樹脂製の表面部と、を含む２層構造の複合成形品を製造することができる。

Claims (6)

1. 熱可塑性樹脂からなるテープ状の基材シートと当該基材シートに同一方向に配向された状態で含浸された強化繊維とを含むＵＤテープを複数用意する第１の工程と、
   用意された複数の前記ＵＤテープを積層しつつ金型に連続的に導入して加熱することにより、所定の断面形状を有する複合成形品を成形する第２の工程とを含み、
   前記ＵＤテープとして、厚みが２０μｍ以上８０μｍ以下、幅が０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が３０ｇ／ｍ^２以上９５ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープを用いる、ことを特徴とする複合成形品の製造方法。
2. 請求項１に記載の複合成形品の製造方法において、
   前記ＵＤテープとして、厚みが２５μｍ以上６０μｍ以下、幅が１ｍｍ以上５ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が４０ｇ／ｍ^２以上９０ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープを用いる、ことを特徴とする複合成形品の製造方法。
3. 請求項２に記載の複合成形品の製造方法において、
   前記ＵＤテープとして、厚みが３０μｍ以上５５μｍ以下、幅が１．５ｍｍ以上３ｍｍ以下、前記強化繊維の目付量が４５ｇ／ｍ^２以上８５ｇ／ｍ^２以下のＵＤテープを用いる、ことを特徴とする複合成形品の製造方法。
4. 請求項１～３のいずれか１項に記載の複合成形品の製造方法において、
   前記ＵＤテープとして、前記基材シートに前記強化繊維が部分的に含浸された半含浸タイプのＵＤテープを用いる、ことを特徴とする複合成形品の製造方法。
5. 請求項１～４のいずれか１項に記載の複合成形品の製造方法において、
   前記第２の工程では、前記ＵＤテープの断面積の２倍以上の断面積を有する複合成形品を成形する、ことを特徴とする複合成形品の製造方法。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の複合成形品の製造方法において、
   前記金型に導入された前記ＵＤテープの周囲に溶融樹脂を供給する第３の工程をさらに含む、ことを特徴とする複合成形品の製造方法。