JPH0399813A - 圧縮モールド成形装置及び方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は圧縮モールド成形方法及び装置に関し、特に、
例えばヨーロッパ特許出願第 ０２３２８４６号明細書に記載されて如き、部品を形成
するような形を樹脂材料に与えるための一対の共働する
モールド部分と、これらのモールド部分に関連する一対
の電極と、これらの電極間の樹脂材料を硬化温度に誘電
的に加熱するのに十分な電界を前記モールド部分間に発
生させるため電極に高周波数電力を印加する手段とを備
えたを式の、加圧下でポリマー材料を誘電的に加熱する
圧縮モールド成形方法及び装置に関する。

［従来の技術］ 複合材料を含むポリマー材料の部品の製造は高価な装置
を必要とする一大産業である。従来のモールド成形技術
では、モールド内で未硬化材料の充填物を圧縮すること
により熱硬化性樹脂（補強繊維を含んだものも含む）を
加熱し、モールドを加熱し熱拡散によって充填物を加熱
し、樹脂内で発熱反応を開始させ、反応が完了するまで
圧力を維持して樹脂を硬化させ、更に樹脂を冷却させる
ことが必要である。大形の部品をモールド成形するため
には３０分又はそれ以上の作業時間が必要となる。それ
故、大容量の生産を行うには、設備及び工場スペースに
ついて莫大な資本が必要となる。

熱源と熱硬化すべき部品との間の拡散熱交換に基づく既
存の圧縮モールド成形技術は、肉厚で不良熱伝導性の複
合層を製造する場合には、不満足なものであることが判
っＩ；。熱伝導に専ら依存する場合には、硬化される材
料がある程度大きくなると硬化処理時間が遅くなるばか
りか、全体の製造工程期間中著しく不均一な温度分布が
生じてしまう。その結果、硬化処理は部品の横断面内の
別々の位置において別々の速度で行われることとなる。

化学反応において熱を放出すると、更に一層不均一な温
度分布となってしまう。部品は高温モールド表面近傍か
ら硬化を開始し、硬化の波は材料内部へ徐々に伝達して
いく。この状態を第１図にグラフ的に示す。第１図のモ
ールドにより加熱された大形部品の硬化の度合に対する
部品の深さを示し、グラフの右側境界はモールドのモー
ルド上半部を表し、グラフの左側境界はモールドのマン
ドレル即ちキャビティ側半部の位置を表す。グラフ内の
各曲線は特定な時間における硬化の度合を示す。それ故
、材料の外部が固化しても材料の内部は液体状態に留ど
まりでいることが判る。化学反応が進むと、部品の外側
部分はモールドの温度レベルに維持されるが、依然とし
て反応している中心部分は化学反応熱を放出し、その結
果部品内に温度逆転が生じる。中心において生じたピー
ク温度は部品の外方へ作用する機械的な圧力に変換され
、部品をモールドキャビティから排出するときに完全に
自己破壊がない場合でも、部品に微細なひび割れが発生
する。既に硬化した部品をモールドキャビティ内に長く
置くほど製品の品質は向上するが、処理時間が不可避的
に長くなってしまう。

上述の問題点を解決するため、モールド内の部品を誘電
加熱する技術が提案された。部品はその体積にわたって
迅速かつ比較的均一に加熱され、硬化した部品内の極端
な温度状態を回避すると共に、加熱及び硬化処理時間を
短縮させる。誘電加熱方式は既に提案されているが、こ
の方式の有効な使用を阻害する問題が依然として残って
いた。

米国特許第４，１３４，９４２号明細書は７オーム材料
の誘電加熱を利用してフオーム部品を製造する方法を開
示している。この米国特許明細書に開示されたモールド
はエポキシ樹脂でつくった２つのモールド部分を有し、
モールド部分はそのモールド表面の近傍でモールド部分
内に埋設した金属電極を有する。モールドを閉じたとき
には、モールド部分は保合平面に沿って相互に着座し、
７オーム材料を収納するキャビティを形成する。電極は
互いに絶縁され、７オーム材料を加熱するために高周波
数発生器に接続される。モールド内の圧力は材料内の化
学反応から得られる。

すなわち、モールドは圧力をかけないが、フオーム材料
の圧力を単に閉じ込めるだけである。

米国特許第４，４２３，１９１号明細書は補強した熱硬
化複合物品を加熱し硬化するための高周波数電界を開示
している。この米国特許明細書に開示されたモールドは
、極めて低い誘電損失を有する誘電材料の外側中空部材
と、充填樹脂を圧縮するため外側中空部材内で可動な２
つの対向するアルミニウムプラグと、プラグと外側中空
部材との間の接面をシールする０−リングと、充填樹脂
からプラグを分離し熱的に絶縁するＰＴＦＥディスクと
を具備する。電極は一様に離間しており、極めて低い損
失タンジェントの誘電材料が電極とキャビティとの間に
配置され、キャビティ内に均一な場を保証するように形
造られている。

米国特許第４，６５９，０７１号明細書はエポキシ樹脂
材料で含浸した繊維のより糸から板バネを作り高周波電
界によりプレスモールド内で材料を加熱する方法を開示
している。モールドは発電機への接続のための電極とし
て作用する金属層により被覆されたプレス表面を有する
誘電材料の２つのモールド半部分を具備する。上記米国
特許４．１３４，９４２号明細書に記載のものと同様、
モールド半部分は係合面で互いに着座してその内部に充
填材料を収容する。モールド内の供給ダクトを介して液
体プラスチック材料を供給することにより、モールドキ
ャビティを満たす。圧縮モールド成形に適したモールド
は開示されていない。

［発明の目的］ 本発明の目的は誘電加熱でポリマー及び複合材料を圧縮
モールド成形するためのモールドを提供することである
。特定の目的は大形部品をモールド成形するための大量
生産使用に適した頑丈な構造のモールドを提供すること
である。

本発明の別の目的は、誘電加熱でポリマー又はポリマー
複合部品を圧縮モールド成形するための方法を提供する
ことである。

［発明の構成並びに作用効果］ 本発明の特徴とするところは、各モールド部分が電極の
１つとして作用する導電性部分を有し、少なくとも一方
のモールド部分が誘電材料でできた剪断縁を有していて
、導電性部分を電気的に隔離した状態でモールド部分が
密着できるようになっていることである。

本発明に係る装置は、部品を形成するため材料の本体に
形を与えるための一対の共働するモールド部分（各モー
ルド部分は電極として作用する導電性部分を有し、少な
くとも一方のモールド部分は誘電材料の剪断縁を有して
おり、それにより、モールド部分が互いに密着接触し導
電性部分の電気的な隔離を維持できる）と、電極間の材
料本体を硬化温度に誘電的に加熱するのに十分な電界を
モールド部分間に確立するために電極に高周波数電力を
供給するための手段とを有する。

本発明に係る方法は、上記の如き誘電剪断縁を備えたモ
ールド内でポリマー又はポリマー複合材料を圧縮モール
ド成形するための方法であって、加圧下でモールド部分
を一緒に入れ子式に動かすことによりモールドキャビテ
ィ内でポリマー材料の充填物を圧縮する工程と、充填物
を通る高周波数場を確立するためモールド部分を互いに
電気的に隔離維持した状態でモールド部分を横切る高周
波数電圧を供給することにより充填物を誘電的に加熱す
る工程と、少なくともポリマーの硬化が部分的に完了す
るまで充填物を加圧下に維持する工程とを有する。

［実施例］ 誘電的に加熱されている間に加圧下で溶けるナイロンで
被覆した繊維より糸の如き補強熱硬化性樹脂又は熱可塑
性樹脂でできた部品又は大形部品に特に適するモールド
構造及びモールド成形方法について本発明を説明する。

熱可塑性材料を使った場合は、その横断面全体にわたっ
て迅速に加熱し均一な温度を維持するばかりでなく、高
周波数（ＲＦ）エネルギの供給が停止されると部品は材
料の導電性特性に応じてモールドの材料温度まで冷却す
るので、作業サイクル時間が著しく短くなる。本明細書
で使用する「硬化」なる用語は熱硬化性材料内の架橋反
応を意味するのみならず、熱可塑性材料の熔融及び固化
をも意味するものとする。

本明細書で開示するモールドの特定な利点は、既存の構
造及びこれに関連する設備に適合でき伝統的なプラスチ
ックモールド成形施設においての使用を許容するように
従来のモールド構造を改作できることである。従って、
主な出費は、必要な高周波数エネルギのための電力供給
源及び誘電剪断縁のための費用で済む。

第２図にはモールドの断面を概略的に示し、このモール
ドは、工具鋼でつくった本体１２と、鋼本体１２を貫通
する加熱通路１４と、本体１２にボルト止めした２つの
誘電剪断縁１６とを具備した下方モールド半部分１ｏを
有する。剪断縁１６はアルミナの如きセラミック又はエ
ポキシ樹脂の如き他の誘電材料でつくるとよい。剪断縁
１６は本体１２内に差込んでもよいし、本体１２の表面
上に着座させてもよい。本体の表面により画定された剪
断縁間の空間はモールドキャビティ１８を形成する。工
具鋼でつくっｔ；上方モールド半部分２０も加熱通路１
４を有する。加熱通路はモールドの補助加熱を提供する
ため循環する蒸気又は高温液体を収容する。代わりに、
抵抗性加熱カートリッジの如き別の補助加熱を利用して
もよい。上方モールド半部分２０は、剪断縁１６間に嵌
入し、モールドキャビティ１８内の任意の材料を閉じ込
め圧迫するコアを有する。従って、上方モールド半部分
２０は剪断縁１６間で運動し、部品形状の上面を画定し
、一方、モールドキャビティ１８は部品形状の残りの面
を画定する。上方モールド半部分２０は高周波数（ＲＦ
）電力発電器２２の高電圧端子に接続されて高電圧電極
を構成し、下方モールド半部分１０の本体１２は接地さ
れている。

もちろん、これらモールド半部分の極性を逆にしてもよ
い。いずれにしても、モールド半部分の導電性の鋼部針
は、誘電剪断縁１６及びキャビティ内の誘電性材料が存
在するため、互いに接触することはない。上方モールド
半部分２ｏは、絶縁体２６によりモールドから電気的に
隔離されたプレス２４により制御可能な状態で支持され
ている。

剪断縁は主電力損失性（ｓｅｍｉ−１ｏｓｓｙ）のもの
であるのが好ましい。すなわち、剪断縁１６の電力損失
係数は部品の電力損失係数より小さくなっていて、剪断
縁は部品より低い温度に加熱される。これは、剪断縁１
６の誘電材料内に電力損失性（Ｉｏｓｓｙ）ドーパント
を混入することにより、達成される。モールド成形材料
として使用する樹脂系は温度に応じて大きく変化する電
力損失係数を有する場合が多い。例えば、ある樹脂系（
樹脂と触媒）の電力損失係数はその温度範囲にわたり非
−次元的に変化し、２７℃で０．７２０６の最大電力損
失因子を有し、１７５℃で０．２０９３．７５℃で０．
１５９１の最小電力損失因子を有する。半電力損失性材
料はモールド材料の最大電力損失係数より遥かに小さく
又は最小電力損失係数より小さい電力損失係数を有する
ものと考えられる。モールド材料の最小電力損失係数よ
りも小さいが有意義な加熱に寄与するのに十分な電力損
失係数を有する剪断縁材料を装置に使用するのが好まし
い。０．１４４の電力損失係数を有するエポキシ樹脂は
、上述のモールド材料に使用するのに十分なものである
。

作動において、従来のモールドと同様、高温液体を通路
１４内で流通させることにより、モールド半部分に補助
熱を加える。モールドは、プラスチック充填材料に主熱
エネルギを提供するのに十分な程度には加熱されないが
、部品表面の冷却効果を阻止するには十分なだけ加熱さ
れる。モールドが冷却した場合、部品の表皮を冷却する
のに有効な吸熱源となり、部品は硬化しなくなる。誘電
剪断縁材料が熱絶縁体である場合、剪断縁１６は一層小
さな吸熱源となる。しかし、ある場合は、剪断縁を加熱
するのが望ましい。これは、剪断縁用に電力損失性又は
半電力損失性材料を使用することにより、達成される。

剪断縁は、高周波数場の存在で熱を発生させる。

モールド材料をキャビティ内に充填したとき、プレス２
４により上方モールド半部分２０をキャビティ内へ押し
下げて部品２６′を形成する。高周波数場を発生させて
部品を加熱する。もちろん、部品は、電場エネルギを熱
エネルギに変換するため、電力損失性材料で構成される
か、電力損失性ドーパントを含まなければならない。黙
エネルギは部品全体にわたって迅速かつ均一に発生し、
主外部エネルギ源となる。熱硬化性材料の場合、樹脂の
発熱反応が付加的な熱を提供し、一部の熱はモールドか
ら得られ、場合によっては剪断縁からも得られる。第３
図のグラフはこの部品における硬化の進行を示す。第１
図のように、曲線は異なる時間における部品全体にわた
る硬化の度合を表す。

最初は、加熱されたモールドのＩ；め、表面から硬化し
始める。次いで、部品の残りの部分の硬化の度合が進行
し、表面部分の硬化の度合に追いつく。

部品における硬化速度は第１図の従来の加熱方式に比べ
て一層均一であり、大きな温度差は生じない。更に、全
体の処理時間は従来の加熱に必要な時間の数分の１であ
る。

モールド成形期間中、かけられる圧力は２０６８．４３
ｋＰａ　（３００プサイ）程度である。熱硬化性材料は
ほぼ８５℃の父応開始温度を有し、モールドの温度は反
応開始温度付近で十分である。

誘電加熱方法を使用した場合、熱硬化性樹脂で被覆した
繊維のより糸でできた長さ１５２．４ｃｍ（６０インチ
）、幅５．０８ｃｍ（２インチ）、厚さ６．３５ｃｍ（
２，５インチ）の板バネは、約３分で硬化することがで
きる。ナイロンの如き熱可塑性樹脂で被覆した繊維のよ
り糸でできた同じ寸法の板バネは２９０　’Ｏの温度で
熔融し、１７５℃のモールド温度を必要とするが、この
場合も約３分で硬化する。熔融温度に達したときにナイ
ロンがまず溶け、高周波数場の供給を停止すると、極め
て迅速に熔融温度以下に下がる。厚さ１．９０５ｃｍ（
３／４インチ）、輻５．０８ｃｍ（２インチ）の−層小
さなナイロン複合部品は８０秒以内で硬化した。

モールド表面のだめの補助加熱はモールド表面に設けた
半電力損失性誘電層により提供することができ、この層
は、剪断縁と同様、部品のモールド成形期間中に高周波
数場を発生させたときに、熱を発生させる。第４図にお
いて、下方モールド半部分１０は、加熱媒体のための通
路を有さない鋼本体１２と、誘電剪断縁１６と、剪断縁
１６間の本体上に設けた誘電材料の層３０とを有する。

上方モールド半部分２０も通路を有さないが、その底面
に半電力損失性誘電材料の層３２を有する。

誘電材料層３０．３２には、材料を所望量に加熱するの
に十分な電力損失性添加物を混入しである。

従って、モールド成形されている部品は暖かな誘電モー
ルド表面により取り囲まれている。

不均一な厚さを有する部品をモールド成形するためには
、均一な加熱を与えることが必要である。

これは、部品の厚さ変化に対応する補完的厚さ変化を有
する誘電面材料をモールド上に設けることにより、達成
される。これにより、キャビティに沿っての全体の誘電
的な厚さが均一となり、その結果、部品全体にわたり均
一な電場を発生させることができる。均一な電場を発生
させる別の方法としては、電気的な給電リード線をモー
ルドに接続するか、電場の定常波の分布を制御する回転
スタブを使用する。これは、使用する高周波数の波長が
通常部品の長さに匹敵するので、可能である。

大容量の設備に対しては、従来は、１サイクルで数個の
部品を作るために複数のモールドキャビティを使用して
いた。これは、加熱の迅速性及び均一性のため、誘電加
熱方式においても採用でき、良好に実施できる。第５．
６図はトラックのための板バネを製造するための６つの
キャビティを有するモールドを示す。軸４２に回転装着
した内側モールド４０は鋼本体４４を有し、この本体は
２つの対向するモールド面４６と、各面内の３つのキャ
ビティ４８とを有する。誘電剪断縁５０が各キャビティ
の両側縁の境界を画定する。第７図は、より糸５２をキ
ャビティ内に巻き付けた状態での内側モールド４０の斜
視図である。より糸は、普通の方法で、リールから供給
され、液体エポキシ樹脂槽内を通される。モールドが開
いている間に内側モールド４０は回転せしめられ、各よ
り糸は対向する対のキャビティ内に巻かれる。２つの対
向する外側そ−ルド５４が、内側モールド４０に接して
閉じるように及び内側モールドの回転を許容するために
開くように、可動な状態で装着される。外側モールドは
、モールドが閉じたときに剪断面縁５０間に摺動嵌入す
るコア５６を有し、各コアはモールド成形すべき部品の
外表面に対応する形状の表面を有する。高周波数電力発
生器６０の高電圧端子が内側モールドに接続され、外側
モールドは接地しである。必要なら、この電気的な接続
を逆にしてもよい。このようにして、高周波数場は２つ
の経路に分割され、各経路は平行に３つのキャビティを
横切る。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の加熱モールドにおける熱拡散により加熱
される、熱硬化性樹脂部品の硬化の度合と部品の部位と
の関係を示すグラフ、 第２図は高周波数エネルギ源により給電される、本発明
のプレスの圧縮モールドの断面立面図、第３図は誘電加
熱及び補助加熱により加熱される熱硬化性樹脂部品の硬
化の度合と部品の部位との関係を示すグラフ、 第４図は本発明の別の実施例に係る圧縮モールドの断面
立面図、 第５図及び第６図は、本発明の他の実施例に係る誘電加
熱用の多キヤビテイ付圧縮モールドのそれぞれ前面及び
側面断面図で、第５図は第６図の５−５線における断面
図、第６図は第５図の６−６線における断面図、 第７図はモード材料を装填した状態での第５図及び第６
図の実施例の内側モールドの斜視図である。符号の説明 １０：下方モールド半部分 １４：加熱通路（補助手段）　　　１６：剪断線１８：
モールドキャビティ ２０：上方モールド半部分 ２２：高周波数電力発生器　　２６′：部品３０．３２
：誘電材料層　　４０：内側モールド４６：モールド面
　　４８：キャビティ ５０：剪断縁　　５２：より糸 　４ ：外側モールド ５６：コア ６０：高周波数電力発生器 外４名 ＩＧ　１ ＩＧ　３

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、部品を形成するような形を樹脂材料に与えるための
   一対の共働するモールド部分（１０、２０）と、これら
   のモールド部分（１０、２０）に関連する一対の電極と
   、これらの電極間の樹脂材料を硬化温度に誘電的に加熱
   するのに十分な電界を前記モールド部分間に発生させる
   ため同電極に高周波数電力を印加する手段（２２）とを
   備えた、樹脂材料を圧縮し硬化するための装置において
   、 前記各モールド部分（１０、２０）が前記電極の１つと
   して作用する導電性部分を有し、少なくとも一方の前記
   モールド部分（１０）が誘電材料でできた剪断縁（１６
   ）を有していて、同導電性部分を電気的に隔離した状態
   で同モールド部分（１０、２０）が密着できるようにな
   っていることを特徴とする装置。 ２、請求項１に記載の装置において、前記部品の硬化期
   間中同部品の表面の冷却を阻止するため前記モールド部
   分（１０、２０）が補助手段（１４）により加熱される
   装置。 ３、請求項１に記載の装置において、前記モールド部分
   （１０、２０）が雄型モールド部分及び雌型モールド部
   分を有し、これらの雄型モールド部分及び雌型モールド
   部分の各々が、鋼製の本体を有し、前記部品をモールド
   成形するためのキャビティ（１８）を共働して形成する
   ような形状を有しており、該雌型モールド部分（１０）
   が該雄型モールド部分（２０）に対して入れ子式関係と
   なった剪断縁（１６）を有する装置。 ４、請求項１ないし３のいずれかに記載の装置において
   、前記剪断縁（１６）の誘電材料を、部品の縁部に熱を
   与えるため電界による加熱を受ける電力損失性材料とし
   た装置。 ５、請求項３に記載の装置において、前記雄型モールド
   部分（２０）及び雌型モールド部分（１０）のキャビテ
   ィ形成表面が、モールド成形期間中部品の表面を所望の
   温度に維持するため電界による加熱を受け、部品に隣接
   する電力損失性誘電材料でできた層（３２、３０）をそ
   れぞれ有する装置。 ６、請求項１又は２に記載の装置において、前記モール
   ド部分（１０、２０）が不均一な厚さの形状を画定し、
   少なくとも一方のモールド部分が、キャビティに隣接し
   部品の材料の誘電定数と実質上同じ誘電定数をもつ誘電
   材料でできた面部分を有し、かつ、すべての電界経路が
   誘電材料の実質上等しい厚さ部分を含み、部品のすべて
   の部分が電界により同じ程度の加熱を受けるように、部
   品の厚さ変化を補償する形状を呈している装置。 ７、請求項１に記載の装置であって、複数個のポリマー
   複合部品を同時に圧縮し硬化するための装置において、 相互に反対側にある２つの対向する面（４６）と、該各
   面（４６）上で並置した複数個のキャビティ（４８）と
   を有する雌型モールド部分（４０）；該雌型モールド部
   分（４０）の両側に位置した２つの雄型モールド部分（
   ５４）；及び、前記雌型モールド部分（４０）と前記各
   雄型モールド部分（５４）との間に前記電界を生じるよ
   うに、同雌型モールド部分（４０）に対しては一方の極
   性でしかも同雄型モールド部分（５４）に対しては逆の
   極性でこれらの雌型及び雄型モールド部分に高周波数エ
   ネルギ源（６０）を接続する手段；を備え、 前記各キャビティは電気的に絶縁性の剪断縁（５０）に
   よりその縁部を画定され、モールド成形すべき材料を収
   容するようになっており、前記各雄型モールド部分が前
   記面（４６）の１つと整合する複数個のコア（５６）を
   有し、同各コアが前記キャビティ（４８）内で前記材料
   を圧縮するため隣接する前記剪断縁（５０）間で対応す
   る該キャビティ（４８）内へ摺動できるようになってい
   る装置。 ８、請求項１に記載の装置におけるモールド内でポリマ
   ー又はポリマー複合材料を圧縮モールド成形する方法に
   おいて、 加圧下でモールド部分（１０、２０）を一緒に入れ子式
   に運動させることによりモールドキャビティ（１８）内
   でポリマー材料の充填物を圧縮する工程と、 前記充填物を通る高周波数場を生じるため前記モールド
   部分（１０、２０）を互いに電気的に隔離維持した状態
   で同モールド部分を横切る高周波数電圧を供給すること
   により同充填物を誘電的に加熱する工程と、 少なくともポリマーの硬化が部分的に完了するまで前記
   充填物を加圧下に維持する維持工程と、を有する圧縮モ
   ールド成形方法。 ９、請求項８に記載のモールド内でポリマー又はポリマ
   ー複合材料を圧縮モールド成形する方法において、ポリ
   マー材料を繊維より糸（５２）上に被覆した熱可塑性材
   料とし、前記維持工程が、前記充填物を固めるように熱
   可塑性材料が溶け次いで同熱可塑性材料が冷却して少な
   くとも部分的に固化できるまで、圧力を加える工程を有
   する圧縮モールド成形方法。 １０、請求項８に記載のモールド内でポリマー又はポリ
   マー複合材料を圧縮モールド成形する方法において、ポ
   リマー材料を繊維より糸（５２）により補強された熱硬
   化性材料とし、前記維持工程が、前記充填物を固めるよ
   うに熱硬化性材料が少なくとも部分的に架橋するまで、
   圧力を加える工程を有する圧縮モールド成形方法。