JPH0620778B2 - 圧縮モールド成形装置及び方法 - Google Patents

圧縮モールド成形装置及び方法

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JPH0620778B2
JPH0620778B2 JP23881690A JP23881690A JPH0620778B2 JP H0620778 B2 JPH0620778 B2 JP H0620778B2 JP 23881690 A JP23881690 A JP 23881690A JP 23881690 A JP23881690 A JP 23881690A JP H0620778 B2 JPH0620778 B2 JP H0620778B2
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  • Moulds For Moulding Plastics Or The Like (AREA)
  • Casting Or Compression Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

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型式の、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
った。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
っていることが判る。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イ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号明細書はフォーム材料
の誘電加熱を利用してフォ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、モールド部分は係合平面に沿って相互に着座し、
フォ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、フォ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、フォ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Ｏ−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１０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量でつくるとよい。剪断縁１
６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
鋼でつくった上方モールド半部分２０も加熱通路１４を
有する。加熱通路はモールドの補助加熱を供給するため
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２
０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
の鋼部分は、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２０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。
剪断縁は半電力損失性(semi-lossy)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１６の誘電材料
内に電力損失性(lossy）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一次元的に変化し、
２７℃で０．７２０６の最大電力損失因子を有し、１７
５℃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イ内に充填したとき、プレス２
４により上方モールド半部分２０をキャビティ内で押し
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。熱
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
図にように、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た
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℃の反応開始温度を有し、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℃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）、幅５．０８
ｃｍ（２インチ）の一層小さなナイロン複合部品は８０
秒以内で硬化した。
モールド表面のた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てある。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
向する外側モールド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てある。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
熱用の多キャビティ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：剪断縁 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 ５４：外側モールド、５６：コア ６０：高周波数電力発生器
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.5 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｋ 105:08

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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）の関連する一
    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（１
    ６）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、３
    ０）をそれぞれ有する装置。
  6. 【請求項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。
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