WO2010104129A1 - 樹脂成形装置及び樹脂成形方法 - Google Patents

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桑原　秀行
傳生 片山
田中　和人
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Definitions

  • the present invention relates to a resin molding apparatus and a resin molding method, and more particularly, to a resin molding apparatus and a resin molding method for press molding a thermoplastic resin material.
  • the present application claims priority based on the Paris Convention or the laws and regulations in the country to which the application is based on Japanese Patent Application No. 2009-060143 filed on Mar. 12, 2009. The contents of the basic application are incorporated herein by reference.
  • injection molding is known as a method for molding such a thermoplastic resin material.
  • Injection molding is one of the methods suitable for mass production because its molding cycle is extremely short compared to other molding methods.
  • a thermoplastic resin is heated and melted in an injection machine, mechanically kneaded with a screw or the like, and injected into a mold. Thereafter, the mold is cooled and the molded product is taken out.
  • stamping molding the fiber reinforced thermoplastic composite material is heated and melted above the melting point of the thermoplastic resin outside the mold, charged to a mold having a temperature lower than the melting point of the thermoplastic resin, and compression molded by a press molding machine. To do.
  • a heating means used for this stamping molding for example, heating by a far infrared heater (IR heater) is used.
  • IR heater far infrared heater
  • Patent Document 1 proposes a method in which a composite sheet in which a nonwoven fabric made of a thermoplastic resin and continuous reinforcing fibers are integrated is placed in a mold and press molded. Yes.
  • a mold heating means an electromagnetic induction heating means is cited.
  • Thermoplastic resin materials are lighter than metals such as iron and aluminum, and have the required strength. It is considered as a useful material for the purpose of use. However, in order to be put into practical use for these applications, it is necessary to stabilize the quality and improve the productivity.
  • stamping molding requires a step of heating a thermoplastic resin material in advance and a step of molding, and has a limit in shortening the molding cycle. There is also a problem in workability such as handling of a thermoplastic resin material after the heating step.
  • Patent Document 1 an electromagnetic induction heating means is mentioned as the mold heating means.
  • the heating means heats the mold by electromagnetic induction, the apparatus configuration is large and complicated. Become. Further, when an induced current is generated, energy loss occurs, and the energy required for molding increases as a whole. For this reason, there is room for further improvement in energy saving. Accordingly, the present invention proposes a completely new resin molding apparatus in view of the problems of the conventional molding method as described above.
  • the resin molding apparatus is a resin molding apparatus that press-molds a thermoplastic resin material.
  • This resin molding apparatus includes a pair of molds arranged with an insulating material so as to be insulated from the ground.
  • a pair of molds forms a molding part in which the resin material is arranged.
  • At least one of the pair of molds has electrodes provided at two points sandwiching the molding part. And it is electrically connected to two electrodes which pinch
  • the mold is provided with a pair of electrodes at two points sandwiching the molding portion, and a high frequency current having a frequency of 10 kHz or more is caused to flow by a high frequency current generator connected to the electrodes.
  • a high-frequency current having a frequency of 10 kHz or more is passed, the surface of the molding part of the mold is particularly heated, and the resin material can be efficiently heated.
  • the time required for cooling the mold can be shortened, and the molding cycle as a whole can be shortened.
  • a resin material in which reinforcing fibers are arranged in a predetermined direction is arranged in a molding part of a mold. Thereafter, the mold is closed, and the high frequency current generator is electrically connected to the two electrodes sandwiching the molding portion, and a high frequency current having a frequency of 10 kHz or more is allowed to flow between the electrodes.
  • the resin material can be melted and molded into a predetermined shape by rapid heating of the mold surface.
  • the molding since the molding is performed by press molding, the length of the reinforcing fiber can be increased and the direction of the reinforcing fiber can be maintained to some extent, and the fiber can be maintained longer than the injection molding.
  • thermoplastic resin material is disposed in a molding part of a pair of molds disposed via an insulating material so as to be insulated from the ground.
  • the pair of molds is heated to mold the resin material disposed in the molding portion.
  • the resin material can be efficiently heated, and the molding cycle can be shortened as a whole.
  • the thermoplastic resin material contains reinforcing fibers, the length and direction of the reinforcing fibers can be maintained to some extent.
  • FIG. 1 is a sectional view showing a resin molding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a use state of the resin molding apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram showing an energized state of the resin molding apparatus according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a sectional view showing a use state of a resin molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing an energized state of a resin molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a view showing a resin molding apparatus according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic view showing the structure of the resin molding apparatus 100.
  • the resin molding apparatus 100 includes molds 10 and 20 and a high-frequency current generator 70.
  • the molds 10 and 20 are arranged via insulating materials 11 and 21 so as to be insulated from the ground, respectively.
  • the pair of molds 10 and 20 are disposed in the press device 200.
  • the press device 200 includes a fixed portion 210 that is fixed, and a movable portion 220 that faces the fixed portion 210 in the vertical direction and is movable in the vertical direction.
  • the pressing device 200 can forcibly lower the movable portion 220 toward the fixed portion 210 with a required force.
  • the upper mold 10 of the pair of molds 10 and 20 is installed on the movable portion 220 with the insulating material 11 interposed therebetween.
  • the lower mold 20 is installed on the fixed portion 210 with the insulating material 12 interposed therebetween.
  • the upper and lower molds 10 and 20 are insulated from the movable portion 220 and the fixed portion 210 by the insulating materials 11 and 12, respectively.
  • the insulating materials 11 and 12 may be formed of an insulating resin material (for example, nylon, Teflon (registered trademark), etc.) or ceramics (for example, alumina, magnesia, etc.).
  • the pair of molds 10 and 20 is made of a metal material, in particular, a steel material or cast iron, especially a mold steel, a super hard material, or a conductive ceramic (for example, TiN, Cr2N, CrN, etc.) It has the required rigidity and conductivity.
  • a metal material in particular, a steel material or cast iron, especially a mold steel, a super hard material, or a conductive ceramic (for example, TiN, Cr2N, CrN, etc.) It has the required rigidity and conductivity.
  • the materials of the insulating materials 11 and 12 and the molds 10 and 20 are not limited to the above materials, and an appropriate material may be selected so as to exhibit a required function.
  • the pair of molds 10 and 20 are provided with a molding part 40 on which the resin material 30 is disposed and the resin material 30 is molded.
  • electrodes 50 and 60 are provided at two points sandwiching the molding part 40.
  • the high-frequency current generator 70 is a device that generates a high-frequency current, and is electrically connected between the electrodes 50 and 60 provided in the mold 10.
  • the high-frequency current generator 70 can flow a high-frequency current between the pair of electrodes 50 and 60.
  • a device capable of adjusting the frequency and voltage of the high-frequency current is preferably used.
  • a high-frequency current generator 70 for example, MK3, MK12, MK15, MK16A, MK18, MK19, MK20, MK22, MK22A, MK24, MK30, MK40, MK50-51, etc., manufactured by High Frequency Thermal Engineering Co., Ltd. may be used. it can.
  • the high-frequency current generator 70 is electrically connected between the electrodes 50 and 60 provided on the mold 10. Therefore, the high-frequency current generator 70 may be used in combination with an appropriate tank circuit. The tank circuit is not shown. *
  • the resin material 30 is arranged in the molding part 40 with the pair of molds 10 and 20 being opened.
  • a resin material including a thermoplastic resin and reinforcing fibers may be used.
  • Various resin materials can be used as the resin material 30.
  • a resin material in which reinforcing fibers are arranged in a predetermined direction is disposed in the molding part 40 of the mold.
  • a preferred example of the resin material 30 is a prepreg in which a reinforcing fiber fabric is impregnated with a thermoplastic resin in advance.
  • a reinforcing fiber is impregnated with a thermoplastic resin in advance, and the direction of the reinforcing fiber is held in advance. Further, since the thermoplastic resin is further impregnated into the reinforcing fiber by being reheated when being molded in the mold, the degree of bonding between the reinforcing fiber and the thermoplastic resin is strengthened.
  • the composite sheet proposed in Patent Document 1 described above can be used as another suitable example of the resin material 30, for example.
  • this composite sheet continuous reinforcing fibers are arranged in a certain direction in each layer and laminated with different directions of continuous reinforcing fibers for each layer, and a nonwoven fabric made of a thermoplastic resin is laminated together with the continuous reinforcing fibers to form a stitch.
  • the continuous reinforcing fiber and the nonwoven fabric are integrated.
  • such a composite sheet is used as the resin material 30.
  • symbol 34 has shown the lamination
  • symbol 32 has shown the nonwoven fabric which consists of a thermoplastic resin which was stitched and integrated with the continuous reinforcement fiber.
  • a nonwoven fabric 32 made of a thermoplastic resin is superimposed on a laminated portion 34 in which continuous reinforcing fibers are laminated.
  • the nonwoven fabric 32 made of a thermoplastic resin may be disposed in the molding portion 40 toward the mold 10 (upper mold).
  • the pair of molds 10 and 20 are closed.
  • a high frequency current is passed between the pair of electrodes 50, 60 of the mold 10 by the high frequency current generator 70.
  • the high-frequency current for example, a high-frequency current having a frequency of 10 kHz or more is preferably passed.
  • the high-frequency current is more preferably 100 kHz or higher.
  • the high-frequency current is more preferably 400 kHz or less so that an appropriate output can be obtained.
  • Equation 1 When a high-frequency current is passed between the pair of electrodes 50 and 60 of the mold 10, as shown in FIG. 3, as a characteristic of the high-frequency current, most of the high-frequency current is a skin portion 16 (a depth from the surface) Sano layer).
  • the depth ⁇ (cm) of the skin portion 16 is theoretically obtained by Equation 1.
  • ⁇ (cm) is the depth of the layer from the surface through which 73% of the total current flows.
  • ⁇ ( ⁇ -cm) is a specific resistance value of the metal used for the mold 10.
  • f (Hz) is a frequency.
  • ⁇ is the relative permeability.
  • the amount of heat Q generated in the skin portion 16 is theoretically obtained by Equation 2.
  • R ( ⁇ ) represents the resistance value of the skin portion 16
  • i (A) represents the current value flowing through the skin portion 16
  • t (s) represents the time during which the high-frequency current flowed. Yes.
  • Equation 1 the higher the frequency f of the high-frequency current flowing between the pair of electrodes 50 and 60 of the mold 10 by the high-frequency current generator 70, the smaller ⁇ becomes.
  • the skin portion 16 through which a large amount of current flows becomes shallow. For this reason, the mold 10 is likely to generate heat on the surface layer.
  • a steel material (SUS430 in this embodiment) is used for the mold 10.
  • the specific resistance ⁇ ( ⁇ -cm) of the mold 10 is about 60 to 70 ( ⁇ -cm).
  • the relative permeability of the mold 10 is about 20.
  • a high frequency current of 10 kHz or more flows as the high frequency current.
  • the depth ⁇ of the skin portion 16 through which about 63% of the high-frequency current flows is about 0.09 cm or less.
  • the higher the frequency of the high-frequency current the shallower the skin portion 16 through which most of the high-frequency current flows, and heat generation at the skin of the mold 10 becomes easier. As shown in FIG.
  • the skin portion 16 of the molding part 40 of the mold 10 generates heat by the action of the high-frequency current. At this time, the skin portion 16 of the mold 10 generates heat rapidly.
  • the time during which the high-frequency current flows is preferably adjusted to such an extent that the thermoplastic resin in the resin material 30 can be sufficiently melted and molded.
  • thermoplastic resin materials include, for example, SKS, SKD, SKT, SKH used as tool steel, SUS, SUH used for special purpose steel, and the like.
  • These specific resistances ⁇ ( ⁇ -cm) are about 8 to 120 ( ⁇ -cm), and the relative permeability is about 300 to 1.
  • the high-frequency current generator 70 can flow a high-frequency current having a frequency of 10 kHz or more as a high-frequency current through the mold. In this case, since the frequency of the high-frequency current is too high compared to the specific resistance ⁇ ( ⁇ -cm) and the relative permeability of the mold material, as can be seen from the above equation 1, the skin portion where most of the high-frequency current flows.
  • the depth ⁇ of 16 is generally determined by the frequency of the high-frequency current flowing through the mold.
  • a high-frequency current of 10 kHz or more is passed through the mold, the depth ⁇ of the skin portion 16 through which most of the high-frequency current flows can be reduced to about 0.009 cm or less with a general mold material.
  • the resin material 30 can be rapidly heated. Further, the skin portion 16 of the mold 10 generates heat, the inside of the mold 10 is only heated by the heat transfer, and the entire mold 10 is not heated to such an extent that the resin is melted. For this reason, also in a cooling process, cooling of the metal mold
  • the cooling structure of the mold 10 is not illustrated, for example, a flow path may be formed in the mold 10 and the mold may be cooled by passing cooling water through the flow path.
  • the mold 10 generates heat around the skin portion 16.
  • the skin portion 16 of the mold 10 may be at a required temperature required for molding the resin material during molding.
  • energization to the mold 10 may be controlled so that the mold 10 does not become so hot except for the skin portion 16. Thereby, it can prevent that the metal mold
  • FIG. it is less necessary to consider the temperature dependence on the rigidity of the mold 10. For this reason, even if a large pressure is applied to the mold 10, deformation and damage of the mold 10 can be suppressed.
  • this resin molding apparatus 100 since it can shape
  • the lower mold 20 has no electrode and is not directly energized, but no short circuit occurs even when electricity flows through the reinforcing mold through the lower mold 20.
  • the molds 10 and 20 are electrically insulated, and even when electricity flows to the lower mold 20 through the reinforcing fibers, electricity flows (returns) to the upper mold 10 through the reinforcing fibers as well. A potential difference that causes a short circuit between the mold 10 and the mold 20 does not occur.
  • the resin molding apparatus 100 can appropriately heat the resin material 30 placed on the molding unit 40 without causing a short circuit when the molds 10 and 20 are closed.
  • the electrodes 50 and 60 provided so as to sandwich the molding part 40 in the upper mold 10 are energized with a high-frequency current.
  • the non-conductive fiber such as glass fiber may be used as the reinforcing fiber of the resin material 30, but a highly conductive fiber such as carbon fiber may be used.
  • a conductive fiber is used as the reinforcing fiber, a high-frequency current may flow through the resin material 30 through the fiber.
  • the upper and lower molds 10 and 20 are completely insulated from the ground by the insulating materials 11 and 12. For this reason, even when a high-frequency current flows through the reinforcing fiber through the resin material 30, electricity returns to the mold 10 through the reinforcing fiber, so that no short circuit occurs.
  • the reinforcing fiber itself can generate heat. Furthermore, since the thermoplastic resin is heated around the reinforcing fibers, the viscosity of the resin is lowered and the fluidity of the resin is improved. As a result, the thermoplastic resin is easily impregnated around the reinforcing fibers. Furthermore, the degree of bonding between the reinforcing fiber and the thermoplastic resin is improved, and the mechanical properties of the molded product are also improved.
  • electrodes 50, 52, 60, and 62 are provided at two points sandwiching the molding part 40 of the pair of molds 10 and 20, respectively.
  • the high-frequency current generator 70 is configured such that the upper mold is connected to a circuit that connects the electrodes 50 and 60 provided so as to sandwich the molding portion 40 between the upper mold 10. 10 may be connected in parallel with electrodes 52 and 62 provided so as to sandwich the molding portion 40 therebetween.
  • high-frequency current flows through the upper and lower molds 10 and 20, but the upper and lower molds 10 and 20 are connected in parallel to the high-frequency current generator 70 as described above.
  • the resin molding apparatus 100A can appropriately heat the resin material 30 placed on the molding unit 40 without causing a short circuit. In this case, the skin portions 16 of the upper and lower molds 10 and 20 are heated, and the resin material 30 can be heated at an early stage.
  • the surfaces of the molding portions 40B of the molds 10B and 20B have an irregular shape.
  • dies 10B and 20B are arrange
  • the molding portion 40B forms a molding space having a circular cross section by combining the upper and lower molds 10B and 20B.
  • the high-frequency current generator 70 is connected in parallel to the two electrodes 50, 52, 60, 62 that sandwich the molding part 40B of the pair of molds 10B, 20B.
  • the skin part of the molding part 40B of the molds 10B and 20B is heated by utilizing the property that high-frequency current flows in the skin part of the molding part 40B of the molds 10B and 20B.
  • the skin part of the molding part 40B is appropriately heated regardless of the shape of the molding part 40B. Therefore, molding is possible even if the shape of the molded product is an irregular shape.
  • this resin molding apparatus since there is a degree of freedom in arrangement of the electrodes, it is possible to design a mold considering only its shape without considering the thickness of the molded product. For this reason, the shape of the molded product is also highly flexible.
  • the resin molding apparatus includes a pair of molds 10 and 20 disposed via the insulating materials 11 and 21 so as to be insulated from the ground, and a pair of molds. 10 and 20, and a molding portion 40 in which the resin material 30 is disposed is provided. At least one of the pair of molds 10 and 20 is provided with electrodes 50 and 60 at two points sandwiching the molding part 40. The two electrodes 50 and 60 are connected to a high-frequency current generator 70 that can flow a high-frequency current having a frequency of 10 kHz or more.
  • the resin material 30 is disposed in the molding part 40 and the molds 10 and 20 are closed.
  • a high frequency voltage can be applied to the molds 10 and 20.
  • the molds 10 and 20 are provided with a pair of electrodes 50 and 60 at two points sandwiching the molding part 40, and a high frequency current generator 70 connected to the electrodes 50 and 60 has a high frequency of 10 kHz or more. A current flows.
  • the resin molding apparatus can heat the resin material 30 efficiently. Further, in this resin molding apparatus 100, since the surfaces of the molds 10 and 20 are particularly heated, the time required for cooling the molds 10 and 20 can be shortened, and the molding cycle as a whole can be shortened.
  • the movable mold may be made thinner than the fixed mold to reduce the weight. In this case, it is possible to reduce the burden on a drive device (for example, a press device) that drives the movable mold. Thereby, the energy cost of resin molding can be reduced.
  • the fiber reinforced thermoplastic composite material is exemplified as the thermoplastic resin material.
  • a fiber reinforced thermoplastic composite material for example, as disclosed in Japanese Patent No. 3947560 (Patent Document 1), a composite sheet in which a nonwoven fabric made of a thermoplastic resin and continuous reinforcing fibers are integrated. Is included.
  • thermoplastic resin material examples include a fiber-reinforced thermoplastic composite material.
  • examples of the reinforcing fibers contained in the fiber-reinforced thermoplastic composite material include carbon fibers and glass fibers.
  • the reinforcing fiber contained in the fiber-reinforced thermoplastic composite material is not limited to this, and may be a plant-derived fiber, for example.
  • thermoplastic resin material is not limited to the above, but includes various thermoplastic resin materials.
  • thermoplastic resin material suitable for being molded by the resin molding apparatus and the resin molding method according to the present invention include polyolefin resins such as polyethylene and polypropylene, nylon 6, nylon 66, nylon 12, and nylon 46.

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Abstract

樹脂成形装置１００は、それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材１１、２１を介して配置された一対の金型１０、２０と、一対の金型１０、２０によって形成され、樹脂材料３０が配置される成形部４０を備えている。一対の金型１０、２０のうち少なくとも一方の金型１０には、成形部４０を挟む２点に電極５０、６０が設けられている。そして、かかる２つの電極５０、６０には、周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流すことができる高周波電流発生装置７０が接続されている。

Description

樹脂成形装置及び樹脂成形方法
　本発明は、樹脂成形装置及び樹脂成形方法に関し、特に、熱可塑性の樹脂材料をプレス成形する樹脂成形装置及び樹脂成形方法に関する。なお、本願は、２００９年３月１２日に出願された日本国特許出願２００９－０６０１４３号を基礎出願として、パリ条約又は移行する国における法規に基づく優先権を主張するものである。当該基礎出願の内容は、本願中に参照として組み込まれている。
　かかる熱可塑性の樹脂材料の成形方法としては、例えば、射出成形が知られている。射出成形は、その成形サイクルが、他の成形方法に比べて極めて短いことから、大量生産に適した方法の一つである。射出成形では、射出機内において、熱可塑性樹脂を加熱溶融し、スクリューなどで機械的に混練し、金型に射出される。その後、金型を冷却して成形品を取り出す。また、他の成形方法としては、スタンピング成形と言われている圧縮成形法がある。スタンピング成形は、金型の外で繊維強化熱可塑性複合材料を熱可塑性樹脂の融点以上に加熱、溶融し、熱可塑性樹脂の融点より低い温度の金型にチャージして、プレス成形機によって圧縮成形するものである。このスタンピング成形に用いられる加熱手段としては、例えば、遠赤外線ヒータ（ＩＲヒータ）による加熱が用いられる。
　また、日本国特許３９４７５６０号公報（特許文献１）には、熱可塑性樹脂からなる不織布と、連続強化繊維とを一体化した複合シートを金型内に設置し、プレス成形する方法が提案されている。また、金型の加熱手段としては、電磁誘導方式の加熱手段が挙げられている。
日本国特許３９４７５６０号公報
　熱可塑性の樹脂材料（例えば、繊維強化熱可塑性複合材料）は、鉄やアルミニウムなどの金属に比べて軽量であり、所要の強度を備えていることから、将来、パソコン筐体や自動車外板などの用途に有用な素材と考えられている。しかしながら、これらの用途に実用化されるためには、品質を安定させることや、生産性を向上させることなどが必要である。
　熱可塑性の樹脂材料の成形では、成形品の機械的性質（例えば、曲げ強度、引っ張り強度など）を向上させるため、樹脂中に含まれる強化繊維を長繊維に保ちたい場合がある。また、成形品の品質を安定させるためには、成形品における強化繊維の方向をできる限り、コントロールしたい。一般的な射出成形では、溶融させた樹脂材料をスクリューなどで機械的に混練した後、射出機で金型内に射出される。この場合、溶融させた樹脂材料をスクリューなどで機械的に混練する際に、樹脂材料に含まれる強化繊維が切れる。このため、樹脂材料中の強化繊維を長く保つことができない。また、射出機で金型内に射出されるため、強化繊維の方向をコントロールすることは極めて難しい。
　また、他の成形方法としてスタンピング成形は、熱可塑性の樹脂材料を予め加熱する工程と、成形する工程とを要し成形サイクルを短くするのに限界がある。また加熱する工程後の熱可塑性の樹脂材料の取り扱いなど作業性にも難点がある。
　また、特許文献１では、その金型の加熱手段として、電磁誘導方式の加熱手段が挙げられているが、かかる加熱手段は電磁誘導により金型を加熱するため、装置構成が大きく、また複雑になる。また、誘導電流を生じさせる際にエネルギ損失が生じ、成形に要するエネルギが総じて大きくなる。このためエネルギの省力化などにおいても、さらなる改良の余地がある。そこで、本発明は、上記のような従来の成形方法の問題点を鑑み、全く新しい樹脂成形装置を提案する。
　本発明に係る樹脂成形装置は、熱可塑性の樹脂材料をプレス成形する樹脂成形装置である。この樹脂成形装置は、それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材を介して配置された一対の金型を備えている。一対の金型によって、樹脂材料が配置される成形部が形成されている。一対の金型のうち少なくとも一方の金型には、成形部を挟む２点に設けられた電極を有している。そして、成形部を挟む２つの電極に電気的に接続され、電極間に周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流す高周波電流発生装置を備えている。
　この樹脂成形装置は、一対の金型が絶縁材を介在させて設置されているので、成形部に樹脂材料を配置し、その後、高周波電流発生装置によって金型に高周波電流を流しても短絡が生じない。また、金型には成形部を挟む２点に一対の電極が設けられており、当該電極に接続された高周波電流発生装置によって周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流が流される。かかる構成によって周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流が流された際には、金型の成形部の表面が特に加熱され、樹脂材料を効率よく加熱できる。また、この樹脂成形装置では、金型は表面が特に加熱されるので、金型の冷却に要する時間を短くでき、成形サイクルを全体として短くできる。
　また、この樹脂成形装置によれば、例えば、強化繊維を所定の方向に配した樹脂材料を金型の成形部に配置する。その後に金型を閉じて、高周波電流発生装置によって、成形部を挟む２つの電極に電気的に接続され、電極間に周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流すとよい。これによって、金型表面の急速加熱によって、樹脂材料を溶融させ、所定の形状に成形することができる。この場合、プレス成形によって成形されるので、射出成形に比べても、強化繊維の長さを長くできるともに、強化繊維の方向もある程度維持され、繊維を長く保つことができる。
　また、本発明に係る樹脂成形方法は、それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材を介して配置された一対の金型の成形部に、熱可塑性の樹脂材料を配置する。次に、一対の金型に設けた電極を通じて、一対の金型に高周波電流を流すことによって、一対の金型を加熱して、成形部に配置された樹脂材料を成形する。この樹脂成形方法によれば、樹脂材料を効率よく加熱でき、また成形サイクルを全体として短くできる。また、熱可塑性の樹脂材料が強化繊維を含む場合でも、強化繊維の長さ及び方向をある程度維持することができる。
図１は本発明の一実施形態に係る樹脂成形装置を示す断面図である。 図２は本発明の一実施形態に係る樹脂成形装置の使用状態を示す断面図である。 図３は本発明の一実施形態に係る樹脂成形装置の通電状態を示す図である。 図４は本発明の他の実施形態に係る樹脂成形装置の使用状態を示す断面図である。 図５は本発明の他の実施形態に係る樹脂成形装置の通電状態を示す図である。 図６は本発明の他の実施形態に係る樹脂成形装置を示す図である。
　以下、本発明の一実施形態に係る樹脂成形装置を図面に基づいて説明する。なお、各実施形態を説明する図において、同様の作用を奏する部材、部位には、同じ符号を付している。
　図１は、樹脂成形装置１００の構造を示す概略図である。この樹脂成形装置１００は、図１に示すように、金型１０、２０と、高周波電流発生装置７０とを備えている。
　金型１０、２０は、それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材１１、２１を介して配置されている。この実施形態では、一対の金型１０、２０は、プレス装置２００に配設されている。プレス装置２００は固定された固定部２１０と、当該固定部２１０に上下に対向し、上下方向に移動可能な可動部２２０とを有している。このプレス装置２００は、固定部２１０に向けて、所要の力で強制的に可動部２２０を降下させることができる。
　一対の金型１０、２０のうち上型をなす金型１０は、絶縁材１１を介在させて可動部２２０に設置されている。また、下型をなす金型２０は、絶縁材１２を介在させて固定部２１０に設置されている。この際、上下の金型１０、２０は、それぞれ絶縁材１１、１２によって、可動部２２０と固定部２１０から絶縁されている。ここで絶縁材１１、１２は、絶縁性を有する樹脂材料（例えば、ナイロン、テフロン（登録商標）など）やセラミックス（例えば、アルミナ、マグネシアなど）で形成するとよい。また、一対の金型１０、２０は、金属材料、特に、鉄鋼材料や鋳鉄、中でも金型用鋼、超硬材料、導電性セラミックス（例えば、TiN、Cr2N、CrNなど）で形成されており、所要の剛性と、導電性を有している。なお、絶縁材１１、１２、金型１０、２０の材料は、ともに上記材料に限定されず、所要の機能を奏するように適当な材料を選択するとよい。
　かかる一対の金型１０、２０は、樹脂材料３０が配置され、当該樹脂材料３０を成形する成形部４０を備えている。また、一対の金型１０、２０のうち少なくとも一方の金型（この実施形態では、上側の金型１０）において、成形部４０を挟む２点に電極５０、６０が設けられている。
　高周波電流発生装置７０は、高周波電流を発生させる装置であり、金型１０に設けられた電極５０、６０間に電気的に接続されている。この高周波電流発生装置７０は、当該一対の電極５０、６０間に高周波電流を流すことができる。かかる高周波電流発生装置７０は、高周波電流の周波数や、電圧を調整できる装置を用いると良い。かかる高周波電流発生装置７０としては、例えば、高周波熱錬株式会社製のMK3、MK12、MK15、MK16A、MK18、MK19、MK20、MK22、MK22A、MK24、MK30、MK40、MK50-51などを用いることができる。この実施形態では、高周波電流発生装置７０は、金型１０に設けられた電極５０、６０間に電気的に接続される。このため高周波電流発生装置７０には、適切なタンク回路（tank circuit）を組み合わせて用いるとよい。なお、タンク回路については図示を省略している。　
　この樹脂成形装置１００によれば、図１に示すように、一対の金型１０、２０を開いた状態で成形部４０に樹脂材料３０を配置する。樹脂材料３０は、例えば、熱可塑性樹脂と強化繊維を含む樹脂材料を用いるとよい。かかる樹脂材料３０としては、種々の樹脂材料を用いることができるが、好ましくは、強化繊維を所定の方向に配した樹脂材料を金型の成形部４０に配置するとよい。かかる樹脂材料３０の好適な一例としては、強化繊維の織物に、熱可塑性樹脂を予め含浸させたプリプレグが挙げられる。かかるプリプレグは、強化繊維に、熱可塑性樹脂が予め含浸しており、強化繊維の方向が予め保持されている。また、金型内で成形される際に再加熱されることによって、熱可塑性樹脂がさらに強化繊維に含浸するので、強化繊維と熱可塑性樹脂との結合度合いが強固になる。
　また、樹脂材料３０の他の好適な一例として、例えば、上述した特許文献１で提案されている複合シートを用いることができる。この複合シートは、連続強化繊維を各層において一定の方向に並べて、各層毎に連続強化繊維の方向を異ならせて積層するとともに、連続強化繊維と一緒に熱可塑性樹脂からなる不織布を積層し、スティッチングを施して連続強化繊維と不織布を一体化している。この実施形態では、樹脂材料３０として、かかる複合シートが用いられている。図３中、符号３４は連続強化繊維が積層された積層部分を示しており、符号３２はスティッチングが施されて連続強化繊維と一体化された熱可塑性樹脂からなる不織布を示している。この複合シート３０は、連続強化繊維が積層された積層部３４に、熱可塑性樹脂からなる不織布３２が重ねられている。この場合、図３に示すように、熱可塑性樹脂からなる不織布３２を、金型１０（上型）に向けて成形部４０に配置するとよい。
　この実施形態では、図２に示すように、成形部４０に樹脂材料３０を配置した後、一対の金型１０、２０を閉じる。そして、高周波電流発生装置７０によって、金型１０の一対の電極５０、６０の間に高周波電流を流す。ここでは、高周波電流として、例えば、周波数が１０ｋHｚ以上の高周波電流を流すとよい。なお、高周波電流は、より好ましくは１００ｋＨｚ以上の高周波電流を流すとよい。また、高周波電流は、適切な出力が得られるように、より好ましくは４００ｋＨｚ以下の高周波電流を流すとよい。
　金型１０の一対の電極５０、６０の間に高周波電流が流されると、図３に示すように、高周波電流の特性として、高周波電流の多くは金型１０の表皮部分１６（表面からある深さの層）を流れる。表皮部分１６の深さδ（ｃｍ）は、理論的には、数式１によって求められる。同式中、「δ（ｃｍ）」は、全電流の７３％の電流が流れる表面からの層の深さである。「ρ（μΩ-ｃｍ）」は、金型１０に用いられる金属の固有抵抗値である。ｆ（Ｈｚ）は周波数である。「μ」は比透磁率である。そして、当該表皮部分１６で生じる熱量Ｑは、理論的には、数式２によって求められる。同式中、Ｒ（Ω）は、当該表皮部分１６の抵抗値を、ｉ（Ａ）は当該表皮部分１６を流れる電流値を、ｔ（ｓ）は高周波電流が流れた時間を、それぞれ示している。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　この場合、数式１からも分かるように、高周波電流発生装置７０によって、金型１０の一対の電極５０、６０の間に流される高周波電流の周波数ｆが高くなればなるほど、δが小さくなり、高周波電流の多くが流れる表皮部分１６が浅くなる。このため、金型１０は、表層が発熱し易くなる。
　この実施形態では、金型１０には、鋼材（この実施形態では、ＳＵＳ４３０）が用いられている。金型１０の固有抵抗ρ（μΩ-ｃｍ）は、約６０～７０（μΩ-ｃｍ）である。また、金型１０の比透磁率は、約２０である。また、高周波電流として、１０ｋＨｚ以上の高周波電流が流れる。このため、高周波電流の約６３％が流れる表皮部分１６の深さδは、約０．０９ｃｍ以下になる。この際、高周波電流の周波数を高くすればするほど、高周波電流の多くが流れる表皮部分１６は浅くなり、金型１０の表皮で発熱し易くなる。このように高周波電流の作用によって、図３に示すように、金型１０の成形部４０の表皮部分１６が発熱する。この際、金型１０の表皮部分１６は急速に発熱する。高周波電流を流す時間は、樹脂材料３０中の熱可塑性樹脂を十分に溶融させ、成形できる程度に調整するとよい。
　熱可塑性樹脂材料に用いられる一般的な金型材料は、例えば、工具鋼として用いられるＳＫＳ、ＳＫＤ、ＳＫＴ、ＳＫＨや、特殊用途鋼に用いられるＳＵＳやＳＵＨなどである。これらの固有抵抗ρ（μΩ-ｃｍ）は、約８～１２０（μΩ-ｃｍ）であり、また、比透磁率は、約３００～１である。高周波電流発生装置７０は、高周波電流として、周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を金型に流すことができる。この場合、金型材料の固有抵抗ρ（μΩ-ｃｍ）や比透磁率に比べて、高周波電流の周波数があまりに高いので、上記の数式１からも分かるように、高周波電流の多くが流れる表皮部分１６の深さδは、概ね金型に流される高周波電流の周波数によって決まる。１０ｋＨｚ以上の高周波電流を金型に流すと、一般的な金型材料であれば、高周波電流の多くが流れる表皮部分１６の深さδは約０．００９ｃｍ以下にできる。
　この樹脂成形装置１００によれば、主に金型１０の成形部４０の表皮部分１６が発熱するので、樹脂材料３０を急速に加熱することができる。また、金型１０の表皮部分１６が発熱し、金型１０の内部は、その伝熱によって加熱されるのみで、金型１０全体は樹脂を溶融させる程度にまで加熱されない。このため、冷却工程においても、金型１０及び樹脂材料３０の冷却を急速に冷却させることができる。かかる金型１０の冷却構造は、図示は省略するが、例えば、金型１０内に流路を形成し、当該流路に冷却水を通して金型を冷却してもよい。
　また、この実施形態では、金型１０の表皮部分１６に高周波電流の多くが流れる。かかる表皮部分１６の深さδは約０．００９ｃｍ以下であり、金型１０はこの表皮部分１６を中心に発熱する。金型１０の表皮部分１６は、成形時に樹脂材料の成形に要する所要の温度になればよい。この場合、表皮部分１６を除いて金型１０がそれ程高温にならないように、金型１０への通電を制御するとよい。これにより、表皮部分１６を除いて金型１０がそれ程高温にならないようにできる。この場合、金型１０の剛性に対する温度依存性を考慮する必要が少なくなる。このため、金型１０により大きな圧力を加えて成形しても、金型１０の変形、損傷を抑止できる。このように、この樹脂成形装置１００によれば、金型１０により大きな圧力を加えて成形できるから、成形能力を向上させることができる。
　また、この実施形態では、下側の金型２０には、電極がなく、直接通電されていないが、強化繊維を通じて下側の金型２０に電気が流れても短絡は生じない。当該金型１０、２０は電気的に絶縁されており、強化繊維を通じて下側の金型２０に電気が流れても同様に強化繊維を通じて上側の金型１０に電気が流れる（戻る）ので、金型１０と金型２０に短絡を生じさせるような電位差は生じない。この樹脂成形装置１００は、金型１０、２０が閉じている状態においては、短絡を生じさせず、成形部４０に置かれた樹脂材料３０を適切に加熱することができる。
　また、この樹脂成形装置１００によれば、上側の金型１０に成形部４０を挟むように設けられた電極５０、６０に高周波電流で通電される。この場合、樹脂材料３０の強化繊維には、ガラス繊維のように導電性がない繊維が用いられる場合もあるが、炭素繊維のように導電性が高い繊維が用いられる場合がある。強化繊維として導電性を有する繊維が用いられる場合には、当該繊維を通じて樹脂材料３０にも高周波電流が流れる場合がある。上下の金型１０、２０は、絶縁材１１、１２によってグランドから完全に絶縁されている。このため、強化繊維を通じて樹脂材料３０に高周波電流が流れた場合でも、当該強化繊維を通じて金型１０に電気が戻るので、短絡が生じることはない。また、当該強化繊維に高周波電流が流れる場合には、強化繊維自体を発熱させることができる。さらに、強化繊維の回りで熱可塑性樹脂が加熱されるので、当該樹脂の粘度が低下し、当該樹脂の流動性が向上する。これによって強化繊維周りに熱可塑性樹脂が含浸し易くなる。さらに、強化繊維と熱可塑性樹脂との結合度合が良くなり、成形品の機械的性質も向上する。
　また、他の実施形態に係る樹脂成形装置１００Ａでは、図４に示すように、一対の金型１０、２０の成形部４０を挟む２点に、それぞれ電極５０、５２、６０、６２が設けられている。この場合、上記高周波電流発生装置７０は、図４に示すように、上側の金型１０に成形部４０を挟むように設けられた電極５０、６０を接続する回路に対して、上側の金型１０に成形部４０を挟むように設けられた電極５２、６２を並列に接続するとよい。この場合、図５に示すように、上下の金型１０、２０にそれぞれ高周波電流が流れるが、上記のように、上下の金型１０、２０は高周波電流発生装置７０に並列に接続されているので、上下の金型１０、２０に短絡を生じさせるような電位差は生じない。この樹脂成形装置１００Ａは、短絡を生じさせずに成形部４０に置かれた樹脂材料３０を適切に加熱することができる。この場合、上下の金型１０、２０の表皮部分１６がそれぞれ加熱され、早期に樹脂材料３０を加熱することができる。
　また、他の実施形態に係る樹脂成形装置１００Ｂでは、図６に示すように、金型１０Ｂ、２０Ｂの成形部４０Ｂの表面が異型形状である。なお、図６では、図示は省略するが、金型１０Ｂ、２０Ｂは、それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材（図示省略）を介して配置されている。図６に示す例では、成形部４０Ｂは、上下の金型１０Ｂ、２０Ｂを合わせて断面円形の成形空間を形成する。この樹脂成形装置１００Ｂでは、上記高周波電流発生装置７０は、一対の金型１０Ｂ、２０Ｂの成形部４０Ｂを挟む２つの電極５０、５２、６０、６２に並列に接続されている。この場合、金型１０Ｂ、２０Ｂの成形部４０Ｂの表皮部分に、高周波電流が流れる性質を利用して、金型１０Ｂ、２０Ｂの成形部４０Ｂの表皮部分を加熱する。このため成形部４０Ｂの形状には特に関係なく、成形部４０Ｂの表皮部分が適切に加熱される。従って、成形品の形状が異型形状でも、成形が可能である。この樹脂成形装置によれば、電極の配置に自由度があるために成形品の厚さを考慮せずにその形状のみを考えて型を設計することができる。このため、成形品の形状も自由度が高い。
　以上のように、本発明の一実施形態に係る樹脂成形装置は、それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材１１、２１を介して配置された一対の金型１０、２０と、一対の金型１０、２０によって形成され、樹脂材料３０が配置される成形部４０を備えている。一対の金型１０、２０のうち少なくとも一方の金型１０には、成形部４０を挟む２点に電極５０、６０が設けられている。そして、かかる２つの電極５０、６０には、周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流すことができる高周波電流発生装置７０が接続されている。
　かかる樹脂成形装置では、一対の金型１０、２０が絶縁材１１、１２を介在させて設置されているので、成形部４０に樹脂材料３０を配置し、金型１０、２０を閉じた状態で、金型１０、２０に高周波電圧を印加することができる。この際、金型１０、２０に高周波電流を流しても、金型１０、２０は絶縁材１１、２１によってそれぞれグランドから絶縁されるので短絡が生じない。また、金型１０、２０には成形部４０を挟む２点に一対の電極５０、６０が設けられており、当該電極５０、６０に接続された高周波電流発生装置７０によって周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流が流される。
　かかる構成によって周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流が流された際には、金型１０、２０の成形部４０の表面が特に加熱される。このため、樹脂成形装置は、樹脂材料３０を効率よく加熱することができる。また、この樹脂成形装置１００では、金型１０、２０は表面が特に加熱されるだけなので、金型１０、２０の冷却に要する時間を短くでき、かつ、成形サイクルを全体として短くできる。また、樹脂成形装置では、例えば、可動型は固定型よりも薄くし、軽量化を図ってもよい。この場合、可動型を駆動させる駆動装置（例えば、プレス装置）の負担を軽減することができる。これにより、樹脂成形のエネルギーコストを低減させることができる。
　以上、本発明の一実施形態に係る樹脂成形装置及び樹脂成形方法を説明したが、本発明に係る樹脂成形装置及び樹脂成形方法は、上述した実施形態に限定されない。
　例えば、上述した実施形態では、熱可塑性の樹脂材料として、繊維強化熱可塑性複合材料を例示した。また、かかる繊維強化熱可塑性複合材料としては、例えば、日本国特許３９４７５６０号公報（特許文献１）に開示されるような、熱可塑性樹脂からなる不織布と、連続強化繊維とを一体化した複合シートが含まれる。
　また、熱可塑性の樹脂材料は、繊維強化熱可塑性複合材料が挙げられる。繊維強化熱可塑性複合材料に含まれる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維を例示した。繊維強化熱可塑性複合材料に含まれる強化繊維は、これに限定されず、例えば、植物由来の繊維でもよい。
　また、熱可塑性の樹脂材料としては、上記に限らず、種々の熱可塑性の樹脂材料が含まれる。本発明に係る樹脂成形装置及び樹脂成形方法によって成形されるのに適した熱可塑性の樹脂材料としては、例えば、ポリエチレンやポリプロピレンなどのポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６、ナイロン１２、ナイロン４６に代表されるポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレートやポリブチレンテレフタレートなどのポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂などが挙げられるが、特にこれらに限定されるものではない。
１０、１０Ｂ  金型
１１、１２    絶縁材
１６、 表皮部分
２０、２０Ｂ  金型
３０   複合シート（樹脂材料）
３２   不織布
３４   積層部
４０、４０Ｂ  成形部
５０、５２、６０、６２      電極
７０   高周波電流発生装置
１００、１００Ａ、１００Ｂ  樹脂成形装置
２００ プレス装置
２１０ 固定部
２２０ 可動部

Claims (3)

  1. 　熱可塑性の樹脂材料をプレス成形する樹脂成形装置であって、
    　それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材を介して配置された一対の金型と、
    　前記一対の金型によって形成され、前記樹脂材料が配置される成形部と、
    　前記一対の金型のうち少なくとも一方の金型において、前記成形部を挟む２点に設けられた電極と、
    　前記成形部を挟む２つの電極に電気的に接続され、前記電極間に周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流すことができる高周波電流発生装置と、
    を備えた、樹脂成形装置。
  2. 　前記一対の金型は、それぞれ前記成形部を挟む２点に電極が設けられており、
    　前記高周波電流発生装置は、一対の金型の成形部を挟む２つの電極に並列に接続されている、請求項１に記載の樹脂成形装置。
  3. 　それぞれグランドから絶縁されるように絶縁材を介して配置された一対の金型の成形部に、熱可塑性の樹脂材料を配置する工程と、
    　前記一対の金型に設けた電極を通じて、前記一対の金型に周波数が１０ｋＨｚ以上の高周波電流を流すことによって、前記一対の金型を加熱して、前記成形部に配置された樹脂材料を成形する工程と、
    を備えた樹脂成形方法。
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