JP2005324340A - 繊維強化プラスチックおよび、その製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 強度を優先する部位に、連続繊維を補強材とする連続繊維強化樹脂シート2を配置し、成形能を優先する部位に、不連続繊維を補強材とする不連続繊維強化樹脂3を配置して、必要な強度を得ながら、必要な部位における成形を可能とする。
【選択図】 図1
Description
(作用)
強度を優先する部位には、強度が高い連続繊維強化樹脂シートが配置されているため、所望の強度が得られる。また、成形能を優先する部位には、変形しやすい不連続繊維強化樹脂が配置されているため、製品の設計(所望)形状が複雑な場合であっても、この形状に合わせて成形することができる。
(作用)
積層断面端部の凹部に不連続繊維強化樹脂が配置されるため、連続繊維強化樹脂シートと不連続繊維強化樹脂との密着性が向上する。
また、請求項3に記載の発明は、積層された連続繊維強化樹脂シートに、不連続繊維を補強材とする不連続繊維強化樹脂を介在させたことを特徴としている。
(作用)
連続繊維強化樹脂シート層に、機械的特性が等方である不連続繊維強化樹脂が介在されているため、繊維強化プラスチックの機械的特性の異方性が緩和される。
請求項2に記載の発明によれば、連続繊維強化樹脂シートと不連続繊維強化樹脂との密着性が向上し、成形(変形)が大きい場合でも、連続繊維強化樹脂シートと不連続繊維強化樹脂との剥離を抑制することができる。
請求項3に記載の発明によれば、機械的特性の異方性が緩和されるため、複数の方向に対する強度が必要な部材に対しても、この繊維強化プラスチックを用いることができる。
〈実施形態1〉
図1は、本実施形態に係わる繊維強化プラスチック1の製造工程を示す工程概略図である。この製造工程は、連続繊維強化樹脂シート2と不連続繊維強化樹脂シート3とを配置、積層する配置工程(図1(a))と、金型8のキャビティー8c内で連続繊維強化樹脂シート2と不連続繊維強化樹脂シート3とを加圧し、成型するプリフォーム工程(図1(b))と、最終形状を有するキャビティー9a内で連続繊維強化樹脂シート2と不連続繊維強化樹脂シート3とを成型し、硬化または固化させる定形化工程(図1(c))とから構成される。
本実施形態では、図2に示すように、連続繊維強化樹脂シート2は略正方形で、一方向に連続繊維を配向させ、これに樹脂を含浸させて加圧したものである。また、不連続繊維強化樹脂シート3は長方形で、ランダムに不連続繊維を配向させ、これに樹脂を含浸させて加圧したものである。これら連続繊維および不連続繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アルミナ繊維などが挙げられるが、これに限らず、いかなる繊維であってもよい。また、樹脂(マトリックス)としては、ナイロン6/6、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂、あるいは、ポリエステル、エポキシなどの熱硬化性樹脂のいずれであってもよい。
まず、配置工程において、図2に示すように、連続繊維強化樹脂シート2を中央部に配置し、その4辺に不連続繊維強化樹脂シート3を配置して、これらをローラなどで加圧する。これにより、連続繊維強化樹脂シート2と不連続繊維強化樹脂シート3とが一体化し、混合シート4が得られる。そして、この混合シート4を複数積層する。このとき、図1(a)に示すように、隣接する上下の連続繊維強化樹脂シート2の繊維方向が直交するように積層する。これにより、直交方向連続繊維として、直交する2方向での機械的特性などが等しくなるようになっている。なお、連続繊維強化樹脂シート2の繊維方向をすべて同一方向とする一方向連続繊維としてもよく、また、繊維方向を多数の角度に配置する(例えば、45度毎)多方向連続繊維としてもよい。
このように本実施形態では、4つの不連続繊維強化樹脂シート3を連続繊維強化樹脂シート2の4辺にそれぞれ配置させているが、図3に示すように、環状の不連続繊維強化樹脂シート5を製作し、この環内に連続繊維強化樹脂シート2を配置させて、混合シート4としてもよい。
続いて、プリフォーム工程において、金型8の上型8aと下型8bとを閉じ、混合シート4を加圧する。これにより混合シート4内の繊維および樹脂は、金型のキャビティー8cに沿って変形(流動)し、キャビティー8cの形状に成型される。この際、連続繊維(連続繊維強化樹脂シート2)の変形、流動は少なく、型締め方向に圧縮される。一方、不連続繊維(不連続繊維強化樹脂シート3)および樹脂は、水平方向(型締め方向と直交する方向)を含むあらゆる方法に変形、流動し、キャビティー8c内に充填されていく。すなわち、樹脂に覆われた連続繊維の周囲を不連続繊維が囲むように、キャビティー8cの形状に沿って成型される。
なお、プリフォーム工程後または後述する定形化工程後において、連続繊維強化樹脂シート2および不連続繊維強化樹脂シート3は、すでに独立したシート状を呈していないが、説明の便宜上、適宜、連続繊維強化樹脂シート2および不連続繊維強化樹脂シート3として説明する。
また、混合シート4内の樹脂が結晶性熱可塑性樹脂の場合、初期(本工程開始前)の材料温度を融点以上とし(ヒータなどで加熱)、金型温度を融点以下とする。さらに、非結晶性熱可塑性樹脂の場合、初期の材料温度をガラス転移点以上とし、金型温度をガラス転移点以下とする。
次に、定形化工程の準備として、図1(c)に示すように、プリフォーム工程で得られた被プリフォーム体(加圧成型された積層混合シート4)を最終金型9内に配置する。この最終金型9のキャビティー9aの形状は、最終製品の形状になっている。
混合シート4(樹脂シート2,3)内の樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、初期(本工程開始前)の材料温度を室温とし、金型温度を樹脂の熱硬化反応が可能な温度とする。ただし、材料温度は、定形化に悪影響を与えない範囲において、樹脂が硬化する温度まで加熱してもよい。
また、混合シート4内の樹脂が結晶性熱可塑性樹脂の場合、初期の材料温度を融点以上とし、金型温度を融点以下とする。さらに、非結晶性熱可塑性樹脂の場合、初期の材料温度をガラス転移点以上とし、金型温度をガラス転移点以下とする。
この定形化工程によって、混合シート4内の連続繊維、不連続繊維および樹脂がキャビティー9aの形状に成型されるとともに、この形状に固定化される。また、この工程によって、混合シート4同士(連続繊維強化樹脂シート2、2同士、不連続繊維強化樹脂シート3、3同士および、連続繊維強化樹脂シート2と不連続繊維強化樹脂シート3)が完全に圧着され、全体が一体化される。そして、金型9を開けて繊維強化プラスチック1を取り出す。
このようにして製造された繊維強化プラスチック1の平面形状は、図6(a)に示すように、中央部に連続繊維(連続繊維強化樹脂シート2)が配置され、この連続繊維を取り囲むように不連続繊維(不連続繊維強化樹脂シート3)が配置されたものとなる。また、繊維強化プラスチック1の断面形状は、図6(b)に示すように、連続繊維の両端部に不連続繊維が配置され、連続繊維と不連続繊維とは混合されていない。
このような繊維強化プラスチック1を素材として用いて、例えば、中央部には強度が優先され、端部には成形能が優先される製品を製作する場合、中央部には強度が高い連続繊維(連続繊維強化樹脂シート2)が配置されているため、所望の強度が得られる。また、端部には成形(変形)しやすい不連続繊維(不連続繊維強化樹脂シート3)が配置されているため、製品の設計形状が複雑な場合であっても成形可能となる。従って、従来のように、複雑形状の部位に、繊維強化プラスチックを所定の大きさ、形状に切断、成形し、これらを配置するという多工程が必要ない。
〈実施形態2〉
本実施形態における繊維強化プラスチック11は、図7に示すように、積層された連続繊維強化樹脂シート2,12の一部2が他のシート12よりも短くされ、これによって積層断面端部に凹部11aが設けられている点で、上記の実施形態1と構成が異なる。
この繊維強化プラスチック11の製造方法は、以下のとおりである。
まず、図8に示すように、実施形態1で説明したような方法により混合シート4を製作するとともに、この混合シート4と同じ表面積の連続繊維強化樹脂シート12を製作する(混合シート4中の樹脂シート2は、樹脂シート12よりも短い)。次に、混合シート4を少なくとも1枚、連続繊維強化樹脂シート12で挟み、図9に示すように、これを金型8のキャビティー8c内に配置する。これにより、積層断面端部(外周断面)に連続繊維強化樹脂シートの凹部11aが形成される。続いて、上記の実施形態1と同様にして、プリフォーム工程および定形化工程を行う。
このプリフォーム工程および定形化工程において、混合シート4中の不連続繊維強化樹脂3がキャビティー8c内を流動し、連続繊維強化樹脂シート12の外周端部(積層断面端部)とキャビティー8cとの隙間に充填される。この結果、図7(b)に示すように、凹部11aに不連続繊維強化樹脂3aが充填され、かつ、連続繊維強化樹脂シート12の外周端部に不連続繊維強化樹脂3bが配置された状態となる。
このように、積層断面端部の凹部11aに不連続繊維強化樹脂3aが充填されているため、連続繊維強化樹脂シート2,12とその外周端部に位置する不連続繊維強化樹脂3bとの密着性が向上する。このため、この繊維強化プラスチック11を素材とする製品の形状が複雑な(変形が大きい)場合でも、連続繊維強化樹脂シート2,12と不連続繊維強化樹脂3との剥離が抑制される。
〈実施形態3〉
本実施形態における繊維強化プラスチック21は、図12に示すように、積層された連続繊維強化樹脂シート22に不連続繊維強化樹脂シート23が介在している点で、上記の実施形態1と構成が異なる。
この繊維強化プラスチック21の製造方法は、以下のとおりである。
図13に示すように、少なくとも1枚の不連続繊維強化樹脂シート23を連続繊維強化樹脂シート22で挟み、これを金型8のキャビティー8c内に配置する。続いて、上記の実施形態1と同様にして、プリフォーム工程および定形化工程を行う。
このプリフォーム工程および定形化工程において、不連続繊維強化樹脂シート23が連続繊維強化樹脂シート22から押し出され、キャビティー8c内を流動し、連続繊維強化樹脂シート22の外周端部(積層断面端部)とキャビティー8cとの隙間に充填される。この結果、図12(b)に示すように、不連続繊維強化樹脂シート23の一部23aが連続繊維強化樹脂シート22に挟まれ、かつ、連続繊維強化樹脂シート22の外周端部(四方)に不連続繊維強化樹脂23bが配置された状態となる。
このように、連続繊維強化樹脂シート22層に、機械的特性が等方である不連続繊維強化樹脂23aが介在されているため、繊維強化プラスチック21の機械的特性の異方性が緩和される。このため、複数の方向に対する強度が必要な部材に対しても、この繊維強化プラスチック21を用いることができる。また、上記の実施形態1,2のように混合シート4などを製作する必要がなく、連続繊維強化樹脂シート22で不連続繊維強化樹脂シート23を挟むだけなので、製造工数が低減される。
〈実施形態4〉
本実施形態における繊維強化プラスチック31は、図14(b)に示すように、積層された連続繊維強化樹脂シート32の上面端縁部に、不連続繊維強化樹脂33が配置されている。
この繊維強化プラスチック31の製造方法は、以下のとおりである。
これを金型のキャビティー内に配置して、上記の実施形態1と同様にして、プリフォーム工程および定形化工程を実施する。この際、金型34の上型(図14(b)では、定形化工程での金型を示す)には、不連続繊維強化樹脂33が配置された位置に相応する部位に、丸みを帯びた凹部34aが形成されており、この凹部34aによって、不連続繊維強化樹脂33が丸みを帯びた凸状に形成されるようになっている。
2 連続繊維強化樹脂シート
3 不連続繊維強化樹脂シート
4 混合シート
8 金型
8c キャビティー
9 最終金型
9a キャビティー
Claims (6)
- 繊維状の補強材に樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを複数積層した繊維強化プラスチックであって、
強度を優先する部位に、連続繊維を補強材とする連続繊維強化樹脂シートを配置し、成形能を優先する部位に、不連続繊維を補強材とする不連続繊維強化樹脂を配置した、
ことを特徴とする繊維強化プラスチック。 - 積層された前記連続繊維強化樹脂シートの少なくとも1シートを他のシートよりも短くして、積層断面端部に凹部を設け、前記不連続繊維強化樹脂を前記積層断面端部に配置するとともに、前記凹部に前記不連続繊維強化樹脂を配置させた、
ことを特徴とする請求項1に記載の繊維強化プラスチック。 - 積層された前記連続繊維強化樹脂シートに、不連続繊維を補強材とする不連続繊維強化樹脂を介在させた、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の繊維強化プラスチック。 - 積層された前記連続繊維強化樹脂シートの端縁部の少なくとも一部に、前記不連続繊維強化樹脂を配置させた、
ことを特徴とする請求項1に記載の繊維強化プラスチック。 - 連続繊維を補強材とする連続繊維強化樹脂シートを複数積層して一体化させる繊維強化プラスチックの製造方法であって、
前記連続繊維強化樹脂シートの一部に、不連続繊維を補強材とする不連続繊維強化樹脂を配置する配置工程と、
型のキャビティー内で前記連続繊維強化樹脂シートと前記不連続繊維強化樹脂とを加圧し、硬化または固化させて、前記キャビティーの形状に固定化する定形化工程とを有する、
ことを特徴とする繊維強化プラスチックの製造方法。 - 前記配置工程と前記定形化工程との間に、前記連続繊維強化樹脂シートと前記不連続繊維強化樹脂とを加圧して前記キャビティーの形状に近い形状に成型するプリフォーム工程を設けた、
ことを特徴とする請求項5に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
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