特許 7093073 熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-06-21

(45)【発行日】2022-06-29

(54)【発明の名称】熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 43/34 20060101AFI20220622BHJP

   B29C 48/305 20190101ALI20220622BHJP

   B29C 70/52 20060101ALI20220622BHJP

【ＦＩ】

B29C43/34

B29C48/305

B29C70/52

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2018065468

(22)【出願日】2018-03-29

(65)【公開番号】P2019171796

(43)【公開日】2019-10-10

【審査請求日】2021-03-10

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）平成２６年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構「革新的新構造材料等研究開発のうち熱可塑性ＣＦＲＰの開発及び構造設計・応用加工技術の開発」に係る委託研究、産業技術力強化法第１９条の適用を受ける特許出願

(73)【特許権者】

【識別番号】000005326

【氏名又は名称】本田技研工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000006286

【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000002082

【氏名又は名称】スズキ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003001

【氏名又は名称】帝人株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000003159

【氏名又は名称】東レ株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504139662

【氏名又は名称】国立大学法人東海国立大学機構

(73)【特許権者】

【識別番号】312016780

【氏名又は名称】共和工業株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】000005348

【氏名又は名称】株式会社ＳＵＢＡＲＵ

(74)【代理人】

【識別番号】110001807

【氏名又は名称】特許業務法人磯野国際特許商標事務所

(72)【発明者】

【氏名】小林 正俊

【審査官】田代 吉成

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－２６３６２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００６－５０２８８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５４４４８５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ４３／３４

Ｂ２９Ｃ ４８／３０

Ｂ２９Ｃ ７０／５０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱可塑性樹脂に強化繊維が分散した熱可塑性樹脂複合材料の製造方法であって、
熱可塑性樹脂と強化繊維とを加熱下に混錬し、この混練物を所定形状の開口を介して押し出して前記開口の形状に倣った断面形状を有する予備成形体を成形する予備成形工程と、
前記予備成形体を金型内で型締めし、所定形状の前記熱可塑性樹脂複合材料を成形するプレス成形工程と、を有し、
前記予備成形体の型締め方向に対応する前記開口の第一幅は、この第一幅に交差する方向の前記開口の第二幅に渡って不均一になっており、
前記開口の形状は、前記第二幅の延びる方向の少なくとも一方の端部が、前記第二幅の延びる方向の中央部よりも前記第一幅が大きく、前記中央部側から前記第一幅が大きい部位側に向かって前記第一幅が大きくなるテーパ状に形成されており、
前記開口は、前記中央部として矩形部を有していることを特徴とする熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載の熱可塑性樹脂複合材料の製造方法において、
前記開口の形状は、前記第二幅の延びる方向の少なくとも一方の端部での前記第一幅が最も大きいことを特徴とする熱可塑性樹脂複合材料の製造方法。

【請求項3】

熱可塑性樹脂と強化繊維とを加熱下に混練して押し出す押出機と、
前記押出機から押し出された押出物を型締めして熱可塑性樹脂複合材料を成形するプレス機と、を備える熱可塑性樹脂複合材料の製造装置であって、
前記押出物が押し出される前記押出機のダイの開口は、前記押出物の型締め方向に対応する前記開口の第一幅が、この第一幅に交差する方向の前記開口の第二幅に渡って不均一になっており、
前記開口の形状は、前記第二幅の延びる方向の少なくとも一方の端部が、前記第二幅の延びる方向の中央部よりも前記第一幅が大きく、前記中央部側から前記第一幅が大きい部位側に向かって前記第一幅が大きくなるテーパ状に形成されており、
前記開口は、前記中央部として矩形部を有していることを特徴とする熱可塑性樹脂複合材料の製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、熱可塑性樹脂と強化繊維とを加熱下に混練して押し出す押出機と、押出機からの押出物（成形材料）を型締めして成形するプレス機と、を備える熱可塑性樹脂複合材料の製造装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
このような熱可塑性樹脂複合材料の製造装置では、押出機に供給されて溶融した熱可塑性樹脂と強化繊維とが混練される。押出機は、この混練物を所定開口幅のダイから平板状に押し出す。そして、この押出物（成形材料）がプレス機の金型内に供給されて型締めされることで所定形状の熱可塑性樹脂複合材料（成形品）が製造される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００６－３２７２１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、従来の製造装置（例えば、特許文献１参照）を使用した熱可塑性樹脂複合材料の製造方法では、比較的高粘度となる成形材料の金型内における流動性の向上を目的に、成形材料の温度を高く設定したい要請がある。しかし、過加熱による熱可塑性樹脂の劣化を考慮すると、成形材料の加熱温度は低く制限される。また、脱型時における成形品を十分に固化させる必要があるために、金型温度も低く制限される。そのため、従来の製造方法では、金型内での成形材料の流動距離を増加させることが極めて困難になっている。
また、従来の製造方法においては、金型内で成形材料に生じる圧力分布及び温度分布に起因して脱型後の成形品に不均一な収縮を発生させる。そのため、得られた成形品には反りなどの変形が比較的大きい問題がある。

【0005】

そこで、本発明の課題は、熱可塑性樹脂に対する過加熱を防止しつつ金型内での成形材料の流動性を向上させることができるとともに、成形品たる熱可塑性樹脂複合材料の反りなどの変形量を低減することができる熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0006】

前記課題を解決する本発明の熱可塑性樹脂複合材料の製造方法は、熱可塑性樹脂に強化繊維が分散した熱可塑性樹脂複合材料の製造方法であって、熱可塑性樹脂と強化繊維とを加熱下に混錬し、この混練物を所定形状の開口を介して押し出して前記開口の形状に倣った断面形状を有する予備成形体を成形する予備成形工程と、前記予備成形体を金型内で型締めし、所定形状の前記熱可塑性樹脂複合材料を成形するプレス成形工程と、を有し、
前記予備成形体の型締め方向に対応する前記開口の第一幅は、この第一幅に交差する方向の前記開口の第二幅に渡って不均一になっており、前記開口の形状は、前記第二幅の延びる方向の少なくとも一方の端部が、前記第二幅の延びる方向の中央部よりも前記第一幅が大きく、前記中央部側から前記第一幅が大きい部位側に向かって前記第一幅が大きくなるテーパ状に形成されており、前記開口は、前記中央部として矩形部を有していることを特徴とする。

【0007】

また、本発明の熱可塑性樹脂複合材料の製造装置は、熱可塑性樹脂と強化繊維とを加熱下に混練して押し出す押出機と、前記押出機から押し出された押出物を型締めして熱可塑性樹脂複合材料を成形するプレス機と、を備える熱可塑性樹脂複合材料の製造装置であって、前記押出物が押し出される前記押出機のダイの開口は、前記押出物の型締め方向に対応する前記開口の第一幅が、この第一幅に交差する方向の前記開口の第二幅に渡って不均一におり、前記開口の形状は、前記第二幅の延びる方向の少なくとも一方の端部が、前記第二幅の延びる方向の中央部よりも前記第一幅が大きく、前記中央部側から前記第一幅が大きい部位側に向かって前記第一幅が大きくなるテーパ状に形成されており、前記開口は、前記中央部として矩形部を有していることを特徴とする。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、熱可塑性樹脂に対する過加熱を防止しつつ、金型内での熱可塑性樹脂の流動性を向上させ、得られた熱可塑性樹脂複合材料の変形量を低減する熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】本発明の実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造装置の構成説明図である。

【図2】熱可塑性樹脂複合材料の製造装置を構成する押出機の部分断面図である。

【図3】押出機のダイの正面図（端面図）であり、押出物の断面を含む図である。

【図4】金型内での成形開始から脱型後、室温に冷却されるまでの成形材料の温度と、成形材料の比容積との関係を示すグラフである。

【図5】型締めによる成形材料の流動パターンを説明するための概略図である。（ａ）は、本発明の実施例の流動パターンを示し、（ｂ）は、比較例の流動パターンを示している。

【図6】（ａ）及び（ｂ）は、変形例に係る予備成形体の構成説明図である。

【図7】本発明の熱可塑性樹脂複合材料の製造方法が奏する作用効果の検証に使用した成形材料の斜視図である。（ａ）は実施例で使用した成形材料の斜視図、（ｂ）は比較例で使用した成形材料の斜視図である。

【図8】（ａ）は実施例で使用した予備成形体（成形材料）の平面図、（ｂ）は比較例で使用した予備成形体（成形材料）の平面図である。

【図9】実施例の予備成形体と比較例の予備成形体とにおける、型締め開始から１．６０［ｓｅｃ］経過後の流動距離の比較図である。

【図10】実施例の予備成形体と比較例の予備成形体とにおける、型締め開始から実施例で１０．７０［ｓｅｃ］経過後、比較例で１０．８０［ｓｅｃ］経過後の流動距離の比較図である。

【図11】実施例の予備成形体と比較例の予備成形体とにおける、型締め開始から１２．００［ｓｅｃ］経過後の流動距離の比較図である。

【図12】実施例の予備成形体と比較例の予備成形体とにおける、型締め開始から実施例で１６．０１［ｓｅｃ］経過後、比較例で１６．００［ｓｅｃ］経過後の流動距離の比較図である。

【図13】（ａ）は、型締め充填後の実施例の予備成形体における温度分布を示す平面図、（ｂ）は、型締め充填後の比較例の予備成形体における温度分布を示す平面図である。

【図14】（ａ）は、型締め充填後の実施例の予備成形体における圧力分布を示す平面図、（ｂ）は、型締め充填後の比較例の予備成形体における圧力分布を示す平面図である。

【図15】（ａ）は、脱型後における実施例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の反り量分布を示す平面図、（ｂ）は、脱型後における比較例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の反り量分布を示す平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

次に、本発明の実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造装置及びこの製造装置を使用して行われる熱可塑性樹脂複合材料の製造方法について詳細に説明する。以下では、まず熱可塑性樹脂複合材料について説明した後に、製造装置と製造方法とについて説明する。

【0011】

≪熱可塑性樹脂複合材料≫
本実施形態での熱可塑性樹脂複合材料は、熱可塑性樹脂と、強化繊維とを主に含んで構成されている。
熱可塑性樹脂としては、例えば、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド樹脂、ポリアセタール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトンなどの結晶性樹脂；ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、変性ポリフェニレンエーテルなどの非結晶樹脂が挙げられるがこれらに限定されるものではない。中でもポリアミド樹脂が好ましい。

【0012】

強化繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、ホウ素繊維、金属繊維（例：ステンレス繊維、アルミニウム繊維、銅繊維など）などの無機系のものや、ポリパラフェニレンテレフタルアミド繊維、ポリメタフェニレンテレフタルアミド繊維、ポリパラフェニレンイソフタルアミド繊維、ポリメタフェニレンイソフタルアミド繊維、ジアミノジフェニルエーテルとテレフタル酸又はイソフタル酸からの縮合物から得られる繊維等の全芳香族ポリアミド繊維、あるいは、全芳香族液晶ポリエステル繊維などの有機系のものが挙げられるがこれらに限定されるものではない。中でも炭素繊維が好ましい。この炭素繊維としては、ＰＡＮ系、ピッチ系のいずれでも構わない。
このような強化繊維には、熱可塑性樹脂との間の接着性を向上させるカップリング剤などによる表面処理を行うこともできる。また、強化繊維には、ポリマーなどからなる集束剤を含めることもできる。

【0013】

また、熱可塑性樹脂複合材料には、さらに各種添加剤を含めることもできる。
添加剤としては、公知のものを使用することができ、例えば、着色剤、難燃剤、酸化防止剤、安定剤、紫外線吸収剤、帯電防止剤などが挙げられるがこれに限定されるものではない。

【0014】

熱可塑性樹脂複合材料における熱可塑性樹脂に対する強化繊維の含有率は、熱可塑性樹脂複合材料の用途に応じて適宜に設定することができる。例えば、車両用構成部材として熱可塑性樹脂複合材料を利用する場合には、炭素繊維の体積分率（Ｖｆ）で２０％以上、６０％以下が好ましい。この炭素繊維の体積分率（Ｖｆ）は、ＪＩＳ Ｋ ７０３５（２０１４年）に規定される繊維体積含有率（Ｖｆ）と同義である。

【0015】

このような熱可塑性樹脂複合材料は、後記するように、前記の熱可塑性樹脂、強化繊維などを所定量で含む溶融混練物がプレス成形されて得られる。
本実施形態での熱可塑性樹脂複合材料は、前記の車両構成部材として使用されるものを想定している。このような車両構成部材としては、例えば、パネル部材や、サイドシル、センタピラー、フロアクロスメンバなどの主要骨格部材が挙げられる。
しかしながら、このような熱可塑性樹脂複合材料は、その用途が前記の車両構成部材に限定されるものではなく、例えば、船舶、航空機のような車両以外の移動体の構成部材のほか、例えば建築物、各種機器装置などの構成部材にも適用することができる。

【0016】

≪熱可塑性樹脂複合材料の製造装置≫
次に、本実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造装置について説明する。
図１は、本実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造装置１０の構成説明図である。図２は、図１の製造装置１０を構成する押出機１の部分断面図である。なお、図２中、ダイ１５は仮想線（点線）で示している。

【0017】

図１に示すように、製造装置１０は、押出機１と、プレス機２とを主に備えて構成されている。
押出機１は、二軸スクリュ押出機であり、複数のシリンダブロック１９が連なって形成されるシリンダ１１と、このシリンダ１１の内側に配置される後記のスクリュ１２（図２参照）とを備えている。

【0018】

シリンダ１１の一端には、シリンダ１１内に熱可塑性樹脂のペレットを供給するホッパ１３が設けられている。
また、シリンダ１１の他端には、ダイ１５が配置されている。このダイ１５については後に詳しく説明する。

【0019】

シリンダ１１の長手方向の略中央には、強化繊維３の投入口１４が設けられている。なお、本実施形態での投入口１４は、繊維束からなるいわゆるロービング状の強化繊維３が供給されるものを想定している。しかし、投入口１４は、予め所定長さに切断された強化繊維３が投入されるものであってもよい。

【0020】

また、シリンダ１１におけるホッパ１３と強化繊維３の投入口１４との間には、ガス抜きのベント１６が設けられている。
図１中、符号１８は、スクリュ１２（図２参照）の駆動部である。この駆動部１８は、図示しないモータ、変速機などを備えている。

【0021】

図２に示すように、押出機１は、前記したように、シリンダ１１の内側にスクリュ１２を有している。このスクリュ１２は、駆動部１８（図１参照）によって軸周りに回転することによって、シリンダ１１の内容物を一端側から他端側へと輸送する。つまり、本実施形態での押出機１においては、ホッパ１３が配置されるシリンダ１１の一端側に上流側が規定され、ダイ１５が配置されるシリンダ１１の他端側に下流側が規定されている。

【0022】

シリンダ１１内には、上流側から下流側に向けて、樹脂フィード部１１ａと、輸送部１１ｂと、混練部１１ｃと、後輸送部１１ｄと、を有している。そして、これらの樹脂フィード部１１ａ、輸送部１１ｂ、混練部１１ｃ、及び後輸送部１１ｄには、それぞれに対応してスクリュ１２を構成する各スクリュエレメントが配置されている。

【0023】

この押出機１では、ホッパ１３から投入されたペレット状の熱可塑性樹脂が、樹脂フィード部１１ａで加熱されて溶融され、下流側に輸送される。なお、本実施形態での押出機１は、ペレット状の熱可塑性樹脂を、ホッパ１３を介して投入するものを想定しているがこれに限定されずに、ホッパ１３の位置に予め可塑化した熱可塑性樹脂を投入するための押出機（図示省略）をさらに備える構成とすることもできる。

【0024】

輸送部１１ｂは、樹脂フィード部１１ａと混練部１１ｃとの間に設けられている。輸送部１１ｂは、投入口１４から投入された強化繊維３（図１参照）を、樹脂フィード部１１ａで生成された溶融熱可塑性樹脂に混入させるとともに、これらを混練部１１ｃに向けて輸送する。

【0025】

混練部１１ｃは、溶融熱可塑性樹脂と強化繊維３（図１参照）とを混練する。この際、強化繊維３は、ロービングの解繊・切断が促進される。切断された強化繊維３は、溶融熱可塑性樹脂に均一に分散される。

【0026】

後輸送部１１ｄは、強化繊維３（図１参照）と溶融熱可塑性樹脂との混練物をダイ１５に向けて安定的に押出すように設けられたものである。
そして、この混練物は、図１に示すように、ダイ１５から押出物４として押し出される。なお、図１中、符号１７は、ダイ１５から押し出された押出物４を所定長さに切断するカッタである。

【0027】

図１に示すように、プレス機２は、上型２１ａと下型２１ｂとからなる金型２１と、下型２１ｂを支持するベース２２と、下型２１ｂの上方で上型２１ａを支持するとともに、下型２１ｂに対して上型２１ａを上下移動させる昇降部２３と、を主に備えている。
金型２１には、上型２１ａと下型２１ｂとが上下方向に相互に重ね合わせられた内側にキャビティが形成される。
昇降部２３によってベース２２上の下型２１ｂに向けて上型２１ａが所定圧で押圧されて型締めされることで、キャビティ内に配置された成形材料（押出物４）がプレス成形される。
図１中、符号６で示される矢示方向は、押出物４の型締め方向である。

【0028】

また、本実施形態の製造装置１０は、これらの押出機１及びプレス機２に加えて、図示しないが、保温炉、押出物４の搬送機構などを備えることもできる。
保温炉としては、カッタ１７で所定長さに切断された押出物４を、押出機１の押出口から離れる方向に送り出すコンベヤ（図示省略）と、このコンベヤによって送り出される押出物４を所定温度に保温するヒータ（図示省略）と、を備えるものが挙げられる。
押出物４の搬送機構としては、押出物４を把持してプレス機２の金型２１内に配置するマテリアルハンドリングロボット（図示省略）などが挙げられる。

【0029】

次に、押出機１のダイ１５について説明する。
図３は、押出物４の断面を含むダイ１５の正面図（端面図）である。
図３に示すように、ダイ１５は、押出物４が押し出される開口１５ａを有している。押出物４は、開口１５ａの形状に倣った断面形状を有している。
後に説明する熱可塑性樹脂複合材料の製造方法では、開口１５ａの形状に倣った断面形状の押出物４で予備成形体５（図１参照）が形成される。そして、この予備成形体５は、カッタ１７（図１参照）にて所定長さに切断されることで、成形材料としてプレス機２（図１参照）に供給される。

【0030】

図３に示すように、ダイ１５の開口１５ａは、押出物４の型締め方向６（図１で符号６を付した方向に同じ）に対応する開口１５ａの第一幅Ｗ１が、この第一幅Ｗ１に交差する方向（本実施形態では直交する方向）の開口１５ａの第二幅Ｗ２に渡って不均一になっている。

【0031】

具体的には、ダイ１５の開口１５ａの形状は、第二幅Ｗ２の延びる方向（第二幅Ｗ２の幅方向）の両端部での第一幅Ｗ１が、第二幅Ｗ２の幅方向の中央部よりも大きくなっている。さらに具体的には、ダイ１５の開口１５ａの形状は、第二幅Ｗ２の幅方向の中央部でこの幅方向に延びる細長い矩形部１５ｂと、第二幅Ｗ２の幅方向の両端部のそれぞれで斜辺同士が矩形部１５ｂを挟んで向き合うように配置される、互いに対称形状となる一対の直角台形部１５ｃと、で形成されている。

【0032】

これによりダイ１５の開口１５ａの形状は、第二幅Ｗ２の幅方向の端部における第一幅Ｗ１、つまり直角台形部１５ｃの高さに相当する部分が最も大きくなっている。また、開口１５ａには、直角台形部１５ｃの斜辺に対応する部分によって、第二幅Ｗ２の幅方向中央から幅方向端部に向かって第一幅Ｗ１が大きくなるテーパＴａが形成されている。

【0033】

そして、このようなダイ１５の開口１５ａから押し出されて形成される予備成形体５は、前記のように開口１５ａの形状に倣った断面形状を有する。つまり、予備成形体５は、開口１５ａの形状に倣って矩形部１５ｂと直角台形部１５ｃとを有する。

【0034】

また、このようなダイ１５の開口１５ａの形状は、第二幅Ｗ２の幅方向の両端部のそれぞれにおける第一幅Ｗ１が中央部における第一幅Ｗ１よりも大きいものに限定されない。つまり、ダイ１５の開口１５ａの形状は、第二幅Ｗ２の幅方向の両端部のうち、少なくとも一端部における第一幅Ｗ１が中央部における第一幅Ｗ１よりも大きいものであればよい。

【0035】

≪熱可塑性樹脂複合材料の製造方法≫
本実施形態の製造方法は、図１に示すように、押出機１からの押出物４（予備成形体５）を直接的にプレス機２にて成形するダイレクトプレス成形法である。
以下に、熱可塑性樹脂複合材料の製造装置１０の動作について図１から図３に基づいて説明しながら、本実施形態の熱可塑性樹脂複合材料の製造方法について説明する。

【0036】

この製造方法においては、暖機後の定常運転時の製造装置１０において、ホッパ１３を介してシリンダ１１内に熱可塑性樹脂が投入されるとともに、投入口１４から強化繊維３が供給される。
樹脂フィード部１１ａで加熱溶融された熱可塑性樹脂には、輸送部１１ｂで強化繊維３が混入されて混練部１１ｃに向けて輸送される。溶融熱可塑性樹脂と強化繊維３とは、混練部１１ｃで混練される。これにより溶融熱可塑性樹脂には、強化繊維３が均一に分散された混練物が形成される。

【0037】

この混練物は、後輸送部１１ｄを介してダイ１５から押し出される。そして、ダイ１５の開口１５ａから押し出された押出物４は、開口１５ａの形状に倣った断面形状を有する予備成形体５となる。
なお、ダイ１５の開口１５ａは、特許請求の範囲にいう「所定形状の開口」に相当する。また、混練物をダイ１５の開口１５ａから押し出して、開口１５ａの形状に倣った断面形状の予備成形体５を形成する工程は、特許請求の範囲にいう「予備成形工程」に相当する。

【0038】

次に、この製造装置１０では、カッタ１７にて所定長さに切断された押出物４（予備成形体５）が、プレス機２の金型２１内に配置されて型締めされる。予備成形体５は、金型２１内で流動し、冷却されることで所定形状の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）となる。
なお、予備成形体５を金型２１で型締めして成形品（熱可塑性樹脂複合材料）を成形する工程は、特許請求の範囲にいう「プレス成形工程」に相当する。
そして、金型２１から成形品（熱可塑性樹脂複合材料）を脱型することで、一連の熱可塑性樹脂複合材料の製造方法が終了する。

【0039】

≪作用効果≫
次に、本実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置１０が奏する作用効果について説明する。
図４は、金型２１（図１参照）内での成形開始から脱型後、室温に冷却されるまでの成形材料の温度と、成形材料の比容積との関係を示すグラフである。なお、図４中、ａ´－ｂ´－ｃ´で示される線分は、金型２１内での成形開始圧力が比較的低圧である成形材料の温度・比容積の相対変化を示す線分である。ａ－ｂ－ｃで示される線分は、金型２１内での成形開始圧力が比較的高圧である成形材料の温度・比容積の相対変化を示す線分である。また、図４のグラフの縦軸で示される比容積は、その増大方向が成形材料の膨張を表し、その減少方向が成形材料の収縮を表している。

【0040】

図４に示すように、ａ´－ｂ´－ｃ´線分及びａ－ｂ－ｃ線分で示される成形材料（予備成形体５（図１参照））のそれぞれは、金型２１（図１参照）内に供給された後、下型２１ｂ（図１参照）に向かって降下する上型２１ａ（図１参照）が成形材料に接触することでプレス成形が開始する。
金型２１（図１参照）内で成形を開始する際の成形材料の温度は、図４中、「成形樹脂温度」で示している。

【0041】

下型２１ｂ上に配置された成形材料に対して上型２１ａが接触した後、さらに上型２１ａが降下して下型２１ｂに近づくにつれて、成形材料は金型２１内で流動し広がっていく。成形材料は金型２１に冷却されて温度を下げていく。それとともに成形材料は金型２１内で型締めされて比容積はこの温度降下にともなって減少する。そして、金型２１内で結晶化又は固化することで成形材料の比容積は急激に減少する。成形材料の結晶化が終了すると比容積の減少率は緩慢となる。その後、成形材料は、室温に冷却されるまで、大凡この緩慢な減少率で室温まで比容積が推移するが、成形材料の温度が金型温度に到達した際に、金型２１から脱型される。
脱型後、成形材料は、外気に晒されることで室温まで放冷される。

【0042】

つまり成形材料は、図４に示すように、金型２１（図１参照）による成形開始から室温に放冷されるまでの比容積の差分によって、収縮量が決定される。
したがって、成形開始時の成形材料の温度が低いほど、また成形開始圧力が高いほど、成形材料の収縮量が小さくなる。

【0043】

次に参照する図５は、型締めによる予備成形体５（成形材料）の流動パターンを説明するための概略図である。図５（ａ）は、本発明の実施例の流動パターンを示し、図５（ｂ）は、比較例の流動パターンを示している。また、図５（ａ）及び（ｂ）中、白抜き矢印を挟んで型締め前と型締め時の予備成形体５（成形材料）の様子をそれぞれ表している。

【0044】

なお、図５（ａ）及び（ｂ）において、符号Ａは、予備成形体５（成形材料）が下型２１ｂ上に配置された際の下型接触層である。符号Ｂは、下型接触層Ａに隣接する下側内層である。符号Ｃは、予備成形体５（成形材料）の表層である。符号Ｄは、表層Ｃに隣接する上側内層である。符号Ｅは、下側内層Ｂと上側内層Ｄとの間の中央層である。

【0045】

まず、比較例の予備成形体５（成形材料）における流動パターンについて説明する。
図５（ｂ）に示すように、下型２１ｂ上に配置する比較例の予備成形体５の形状は、略平板状のものを想定している（図５（ｂ）中、型締め前の図参照）。
この比較例において、予備成形体５を下型２１ｂ上に配置した後、型締め直前における予備成形体５の各層Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにおける温度の大小関係は、次のようになっている。
下型接触層Ａ＜下側内層Ｂ＜表層Ｃ＜上側内層Ｄ＜中央層Ｅ
また、予備成形体５の各層Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにおける粘度の大小関係は、次のようになっている。
下型接触層Ａ＞下側内層Ｂ＞表層Ｃ＞上側内層Ｄ≫中央層Ｅ

【0046】

そして、予備成形体５に対して上型２１ａ及び下型２１ｂによる型締めが開始すると（図５（ｂ）中、型締め時の図参照）、予備成形体５の各層Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅは、次のような順番で冷却が開始されていく。
下型接触層Ａ＞下側内層Ｂ＞表層Ｃ＞上側内層Ｄ＞中央層Ｅ
その結果、下型２１ｂ上で固化層（スキン層）を形成する下型接触層Ａを覆うように、下側内層Ｂが流動する。
次いで、上型２１ａに接触することで冷却が促進された表層Ｃが固化するとともに、この固化層を覆うように上側内層Ｄが流動する。

【0047】

そして、最も冷却開始のタイミングが遅く、最も粘度が低い中央層Ｅは、下側内層Ｂと上側内層Ｄとの間から符号７の矢示方向に湧き出し流れ（ファウンテンフロー）を形成する。つまり、高い温度で低圧の中央層Ｅが上型２１ａと下型２１ｂとの間を優先的に広がっていく。
このような中央層Ｅの湧き出し流れ（ファウンテンフロー）で上型２１ａと下型２１ｂとの間に広がった高温・低圧部分は、図４に示したように、冷却後の収縮量が大きくなる。つまり、図５（ｂ）に示すように、中央層Ｅの湧き出し流れ（ファウンテンフロー）にて広がった部分は、収縮量増大領域Ｃｔ２を形成する。

【0048】

次に、本発明の実施例の予備成形体５（成形材料）における流動パターンについて説明する。
図５（ａ）に示すように、下型２１ｂ上に配置する比較例の予備成形体５の形状は、図３に示したものと同様のものを想定している（図５（ａ）中、型締め前の図参照）。
つまり、この実施例の予備成形体５は、矩形部１５ｂと、この矩形部１５ｂを挟むように形成された一対の直角台形部１５ｃとを有している。
そして、実施例の予備成形体５は、比較例の予備成形体５と異なって、表層Ｃと上側内層Ｄとが一対の直角台形部１５ｃに対応して二分されている。
なお、このような予備成形体５の各層Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅにおける温度及び粘度の大小関係、並びに各層Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅの冷却開始のタイミングは、前記比較例のものを同様である。

【0049】

そして、予備成形体５に対して上型２１ａ及び下型２１ｂによる型締めが開始すると（図５（ａ）中、型締め時の図参照）、下型２１ｂ上で固化層（スキン層）を形成する下型接触層Ａを覆うように、下側内層Ｂが流動する。

【0050】

次いで、二分された表層Ｃのそれぞれが上型２１ａに接触することで固化するとともに、二分された表層Ｃのそれぞれの固化層を覆うように上側内層Ｄが流動する。つまり、実施例における上側内層Ｄは、比較例における上側内層Ｄよりも上型２１ａに沿った流動距離が長くなる。
そのため、下側内層Ｂと上側内層Ｄとの間からの湧き出し流れ７にて形成される収縮量増大領域Ｃｔ１は、比較例の収縮量増大領域Ｃｔ２よりも狭められる（Ｃｔ１＜Ｃｔ２）。
したがって、実施例における湧き出し流れ７に起因する成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の収縮は、比較例よりも抑制される。

【0051】

本実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置１０は、熱可塑性樹脂と強化繊維との混錬物を所定形状の開口１５ａから押し出した押出物４（予備成形体５）を直接金型２１内で型締めして熱可塑性樹脂複合材料を製造する。

【0052】

このような製造方法及び製造装置１０によれば、予備成形体５の温度を高温に維持したまま金型２１内へ投入可能となる。また、予備成形体５を構成する混錬物は高温で柔らかく、開口１５ａの形状に倣って形成される押出物４で予備成形体５が容易に形成される。したがって、この製造方法によれば、混練物を予備成形体５に成形するための設備を別途に配置する必要がない。よって、本実施形態によれば、熱可塑性樹脂複合材料の製造設備の小型化が可能となる。

【0053】

また、本実施形態に係る熱可塑性樹脂複合材料の製造方法及び製造装置１０によれば、押出機１から排出された予備成形体５をそのまま金型２１内へ投入可能であるため、金型２１内への投入に係る時間が増加せず、予備成形体５の成形が容易になる。

【0054】

また、本実施形態の製造方法及び製造装置１０は、開口１５ａの形状が、第二幅Ｗ２の延びる方向の少なくとも一方の端部での第一幅Ｗ１が最も大きい。

【0055】

一般に、成形材料をプレス機でダイレクトプレス成形をする際に、成形材料の外側の方が金型への接触面積が大きいために急速に冷えやすい。成形材料が急速に冷えると（成形材料の低下温度幅が大きいと）、収縮量が大きくなる。そのため成形材料の中心部分と外側部分とで収縮量に差が生まれて成形品に反りなどの変形が生じる。

【0056】

これに対して本実施形態では、予備成形体５の厚みが厚い部分は金型２１の型締めの際、厚みの薄い部分よりも先に金型２１に当接する。そして、金型２１と当接した部分から熱引きが行われて、硬化（固化）が先に始まる。つまり、前記のように湧き出し流れ（ファウンテンフロー）が弱くなるため、収縮変形が小さくなる。よって成形後金型２１から取り出しても成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の変形が抑制される。

【0057】

また、本実施形態では、第二幅Ｗ２の幅方向端部で成形材料が多く配置されるため、金型２１内の隅部に対する成形材料の流動が促進される。これにより本実施形態によれば、ヒケのない成形品（熱可塑性樹脂複合材料）を得ることができる。

【0058】

本実施形態の製造方法及び製造装置１０は、開口１５ａにおける第二幅Ｗ２の中央部側から端部側に向かってテーパＴａが形成されている。予備成形体５（成形材料）は、この開口１５ａの形状に倣って形成されるので同様のテーパＴａが形成される。ちなみに、第一幅Ｗ１は、金型２１による型締め方向６に一致している。

【0059】

このような本実施形態によれば、予備成形体５（成形材料）が金型２１で型締めされる際に、第一幅Ｗ１が厚い予備成形体５（成形材料）の端部は、テーパによって第二幅Ｗ２の幅方向の外側に向かって容易に流動することができる。したがって、金型２１内の隅部に対する成形材料の流動が促進される。これにより本実施形態によれば、ヒケのない成形品（熱可塑性樹脂複合材料）を得ることができる。

【0060】

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は前記した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々変更することができる。
前記実施形態では、予備成形体５として、矩形部１５ｂと、この矩形部１５ｂを挟むように形成された一対の直角台形部１５ｃとを有するものについて説明したが、予備成形体５はこれに限定されるものではない。

【0061】

図６（ａ）及び（ｂ）は、変形例に係る予備成形体５の構成説明図である。
図６（ａ）に示すように、予備成形体５は、前記実施形態での直角台形部１５ｃ（図３参照）に代えて、中央部の矩形部１５ｂよりも第一幅Ｗ１よりも大きい第一幅Ｗ１を有する矩形部１５ｄを有している。

【0062】

また、予備成形体５は、図６（ｂ）に示すように、一対の矩形部１５ｄ同士と矩形部１５ｃとを一体に繋ぐ縦壁部１５ｅを有する構成とすることもできる。
このような予備成形体５は、図６（ａ）に示すように、ダイ１５を固定ダイ１５０と、固定ダイ１５０に対して進退可能な可動ダイ１５１とによって構成することで成形可能となる。
つまり、縦壁部１５ｅの成形時には、可動ダイ１５１の下縁８ａを二点鎖線で示す下線８ｂまで移動させ、矩形部１５ｃ，１５ｄの成形時には、可動ダイ１５１の下縁８ａを図６（ａ）に示す位置に復元することで、図６（ｂ）に示す予備成形体５を得ることができる。
また、固定ダイ１５０によって成形した樹脂に、別途加熱しておいた樹脂を金型に配置する前に積層することによって縦壁部１５eを有する予備成形体５を成形することも可能である。

【実施例】

【0063】

次に、本発明が奏する作用効果を検証した実施例について説明する。
図７（ａ）は実施例で使用した予備成形体５（成形材料）の斜視図である。図７（ｂ）は比較例で使用した予備成形体５０（成形材料）の斜視図である。
図７（ａ）に示すように、実施例の予備成形体５は、前記実施形態に係る予備成形体５（図３参照）と同様に、矩形部１５ｂと、直角台形部１５ｃとを備えている。
この予備成形体５は、熱可塑性樹脂としての６ナイロンに対して強化繊維としての炭素繊維の体積分率（Ｖｆ）が３０％となるように含むものを想定している。

【0064】

予備成形体５の押出幅Ｗは１８０ｍｍであり、押出長さＬは７００ｍｍである。また、図示しないが、予備成形体５の最大高さｔ１は４５ｍｍであり、予備成形体５の矩形部１５ｂの高さｔ２は６ｍｍである。また、予備成形体５の直角台形部１５ｃにおける上底の長さＷ´１は１５ｍｍであり、下底の長さＷ´３は４２ｍｍである。
そして、後記の「成形材料の流動距離」の測定では、図７（ａ）中、点線で区画した予備成形体５の４分の１サイズのものを試料Ｓとして設定した。

【0065】

図７（ｂ）に示すように、比較例の予備成形体５０は、実施例の予備成形体５と体積が略同じの平板体（直方体）である。この予備成形体５０は、予備成形体５と同様に、熱可塑性樹脂としての６ナイロンに対して強化繊維としての炭素繊維の体積分率（Ｖｆ）が３０％となるように含むものを想定している。
ちなみに、予備成形体５０の押出幅Ｗは１８０ｍｍであり、押出長さＬは７００ｍｍであり、高さｔ´は１７．８ｍｍである。
そして、後記の「成形材料の流動距離」の測定では、図７（ｂ）中、点線で区画した予備成形体５０の４分の１サイズのものを試料Ｓとして設定した。

【0066】

図８（ａ）は実施例で使用した予備成形体５（成形材料）の平面図である。
そして、後記の「成形材料の温度分布」、「成形材料の圧力分布」及び「成形品の反り量分布」の測定では、図８（ａ）中、点線で区画した予備成形体５の４分の１サイズのものを試料Ｓとして設定した。

【0067】

図８（ｂ）は比較例で使用した予備成形体５０（成形材料）の平面図である。
そして、後記の「成形材料の温度分布」、「成形材料の圧力分布」及び「成形品の反り量分布」の測定では、図８（ｂ）中、点線で区画した予備成形体５０の４分の１サイズのものを試料Ｓとして設定した。
なお、図８（ａ）及び（ｂ）に示す「対称軸」は、予備成形体５，５０のＸＹ平面の中央部において、ＸＹ平面に直交する方向（図８紙面の直交方向）に延びる軸である（以下、図９から図１５において同じ）。

【0068】

本実施例では、（１）金型内での成形材料（試料Ｓ）の流動距離、（２）型締め充填後の成形材料（試料Ｓ）の温度分布、（３）型締め充填後の成形材料（試料Ｓ）の圧力分布、及び（４）脱型後の成形品の反り量分布についてＣＡＥ（computer aided engineering）による測定試験を行った。
なお、予備成形体５，５０の成形条件は、次のように設定した。
押出物の温度：２６５℃
金型温度：１８０℃
押出物と空気（２５℃）の熱伝達係数：１０Ｗ／ｍ²℃
押出物と金型間の熱伝達係数：１０００Ｗ／ｍ²℃
初期型開き：５０ｍｍ
流動距離測定時のプレス速度：３ｍｍ／ｓ
流動距離測定時のプレス力：２００ｔ
反り量測定時のプレス速度：５０ｍｍ／ｓ
反り量測定時のプレス力：７００ｔ

【0069】

（１）金型内での成形材料の流動距離の測定結果を図９から図１２に示す。
図９から図１２は、実施例の予備成形体５（試料Ｓ（図７（ａ）参照））と、比較例の予備成形体５０とについて、型締め開始から所定時間経過後の流動距離（第１ステージから第４ステージ）の測定結果を示す比較図である。
図９は、型締め開始から１．６０［ｓｅｃ］経過後の流動距離比較図である。図１０は、型締め開始から、実施例で１０．７０［ｓｅｃ］経過後、比較例で１０．８０［ｓｅｃ］経過後の流動距離比較図である。図１１は、型締め開始から、１２．００［ｓｅｃ］経過後の流動距離比較図である。図１２は、型締め開始から、実施例で１６．０１［ｓｅｃ］経過後、比較例で１６．００［ｓｅｃ］経過後の流動距離比較図である。
また、予備成形体５，５０の流動距離比較は、比較例の予備成形体５０の流動先端を基準に行っている。
なお、図９から図１２において、予備成形体５，５０には、経過時間に応じた温度分布を高温（白抜き）、中温（網掛け）、及び低温（黒塗り）で表している。

【0070】

図９から図１２に示すように、実施例の予備成形体５の金型内での流動距離は、比較例の予備成形体５０と比べて、第１ステージから第４ステージの全てにおいて長いことが確認された。
また、図１２に示すように、金型内に広がった実施例の予備成形体５の温度は、比較例の予備成形体５０に比べて低く、収縮量が小さくなることが確認された。

【0071】

（２）型締め充填後の成形材料（試料Ｓ）の温度分布の測定結果を図１３（ａ）及び（ｂ）に示す。
図１３（ａ）は、型締め充填後の実施例の予備成形体５における温度分布を示す平面図である。図１３（ｂ）は、型締め充填後の比較例の予備成形体５０における温度分布を示す平面図である。
なお、温度分布は、Ｔ１＜Ｔ２＜Ｔ３＜Ｔ４＜Ｔ４＜Ｔ５の大小関係を表す網掛けで表現している。

【0072】

図１３（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例の予備成形体５は、比較例の予備成形体５０と異なって、対称軸に近い領域で温度が低いＴ１領域が現れている。
これにより実施例の予備成形体５は、比較例の予備成形体５０と比べて収縮量が小さくなることが確認された。

【0073】

（３）型締め充填後の成形材料（試料Ｓ）の圧力分布の測定結果を図１４（ａ）及び（ｂ）に示す。
図１４（ａ）は、型締め充填後の実施例の予備成形体５における圧力分布を示す平面図である。図１４（ｂ）は、型締め充填後の比較例の予備成形体５０における圧力分布を示す平面図である。
なお、圧力分布は、Ｐ１＜Ｐ２＜Ｐ３＜Ｐ４＜Ｐ５の大小関係を表す網掛けで表現している。

【0074】

図１４（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例の予備成形体５は、比較例の予備成形体５０と比べて、対称軸に近い領域で、圧力の高いＰ５領域が広いことが確認された。
これにより実施例の予備成形体５は、比較例の予備成形体５０と比べて収縮量が小さくなることが確認された。

【0075】

（４）脱型後における成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の反り量分布の測定結果を図１５（ａ）及び（ｂ）に示す。
図１５（ａ）は、脱型後における実施例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の反り量分布を示す平面図である。図１５（ｂ）は、脱型後における比較例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）の反り量分布を示す平面図である。
なお、反り量分布は、Ｗｐ１＜Ｗｐ２＜Ｗｐ３＜Ｗｐ４＜Ｗｐ５の大小関係を表す網掛けで表現している。

【0076】

図１５（ａ）及び（ｂ）に示すように、実施例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）は、比較例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）と異なって、最も反り量が大きいＷｐ５領域がなく、反り量が比較的大きいＷｐ４領域も小さいことが確認された。また、実施例の成形品（熱可塑性樹脂複合材料）は、反り量が比較的小さいＷｐ１領域及びＷｐ２領域が広いことも確認された。

【符号の説明】

【0077】

１ 押出機
２ プレス機
３ 強化繊維
４ 押出物
５ 予備成形体
６ 型締め方向
７ 湧出し流れ
１０ 製造装置
１１ シリンダ
１１ａ 樹脂フィード部
１１ｂ 輸送部
１１ｃ 混練部
１１ｄ 後輸送部
１２ スクリュ
１５ ダイ
１５ａ ダイの開口
２１ 金型
２１ａ 上型
２１ｂ 下型
Ｗ１ 開口の第一幅
Ｗ２ 開口の第二幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】