JP2009012297A - Ｆｒｐ成形品の樹脂トランスファー成形法 - Google Patents

Abstract

【課題】自動車の整流板のような稜線部を有するＦＲＰ成形品を、樹脂トランスファー成形法で一体的に成形する方法を提供すること。
【解決手段】稜線部を有するＦＲＰ成形品であって、且つ、成形後切り抜き除去される部分を含むＦＲＰ成形品を、樹脂トランスファー成形法により一体的に成形するに際し、繊維強化材からなる基材を成形型に敷設・積層し、前記成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に、前記稜線部にほぼ平行に切り込みを入れ、次いで、樹脂トランスファー成形法により成形する方法。
【選択図】図２

Description

本発明は、樹脂トランスファー（ＲＴＭ）成形法による、特殊なＦＲＰ成形品の成形方法に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の繊維強化材とからなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において利用されている。そして、その成形方法としては色々な方法・手段が知られているが、ＲＴＭ成形法は、特に多品種中量生産に適する成形法として注目されている。

樹脂トランスファー（以下、ＲＴＭと略称する場合もある）成形法においては、上型と下型からなる金型内部に、繊維強化材を成形品形状に賦形したプリフォーム又はシート状の繊維強化材（ドライ基材）を配置し、金型を型締めした後、上型と下型が形成するキャビティ内を、金型の排出口から排出用ホースを介して排気し、一方、金型の注入口から注入用ホースを介して樹脂をキャビティ内に注入して繊維強化材に含浸せしめ、そして必要なら加熱して硬化させる方法がとられる。このようなＲＴＭ成形法は、従来幾つかの部品の組み立てによって製作していた複雑な製品を、一体的に成形することができるという特徴を有する。

前記のごとくＲＴＭ成形法は、ドライ基材を密閉された金型内に配置し、金型外部より樹脂を注入することで行われるが、その表面の品位は、金型のクリアランスと配置した基材の厚み（量）、そして表層基材上に乗った樹脂の厚みに大きく影響される。一方、成形品形状が複雑化するほど、織物基材の賦型は困難となる。その結果、基材には突っ張りやダブつきが起こり、特にアール部（稜線部）において、局所的な樹脂ヒケによる凹形状が成形品表面に発生し、意図しない品位の低下を招くことがある。

本発明者らは、複雑な製品、例えば、自動車の整流板（ディフューザー）のような稜線部を有するＦＲＰ成形品を、ＲＴＭ成形法で一体的に成形することを検討する過程で前記のような問題点に遭遇した。自動車の整流板とは、自動車の高速走行時のタイヤと路面の摩擦力を高めるため、いわゆるダウンフォースを発生させるために、車体後端部に装着される翼形様の板状部材である。従来のアルミ製の整流板に替えて、より軽量のＦＲＰ製の整流板が用いられつつある（特許文献１〜３参照）。
特開２０００−３０２０６２号公報 特開２００１−１７１５６１号公報賦 特開２００６−３６０５７号公報

本発明者らは、前記のごとく複雑な製品、例えば、自動車の整流板のような稜線部を有するＦＲＰ成形品を、ＲＴＭ成形法で一体的に成形することを検討している過程で、稜線部の品位の向上、繊維強化材（例えば、織物基材）の賦型性の向上を達成するための方法・手段を知見し本発明に到達した。

本発明の請求項１に記載された発明は、稜線部を有するＦＲＰ成形品であって、且つ、成形後切り抜き除去される部分を含むＦＲＰ成形品を、樹脂トランスファー成形法により一体的に成形するに際し、繊維強化材からなる基材を成形型に敷設・積層し、前記成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に、前記稜線部にほぼ平行に切り込みを入れ、次いで、樹脂トランスファー成形法により成形することを特徴とするＦＲＰ成形品の樹脂トランスファー成形法である。

そして、請求項２に記載された発明は、稜線部を有するＦＲＰ成形品が、自動車用整流板であることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰ成形品の樹脂トランスファー成形法である。本発明は、稜線部を有するＦＲＰ成形品である限りどのようなものにも適用できるが、特に、自動車用整流板の成形のために最適に用いられる。

本発明においては、金型（又は成形型）に敷設・積層された繊維強化材からなる基材であって、成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に、成形品の稜線部にほぼ平行に、はさみ等で切り込みが入れられているので、賦型時に、小さな曲率を有するアール部（稜線部）に発生するひずみを逃がすことができ、従って、基材の賦型性が向上し、その結果、樹脂ヒケ等のない高品位の表面や稜線部を持ったＦＲＰ成形品が得られる。

本発明は、稜線部を有するＦＲＰ成形品であって、且つ、成形後切り抜き除去される部分を含むＦＲＰ成形品を、ＲＴＭ成形法により一体的に成形するに際し、繊維強化材からなる基材を成形型に敷設・積層し、前記成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に、前記稜線部にほぼ平行に切り込みを入れ、次いで、ＲＴＭ成形法により成形する方法である。本発明において、稜線部とは、小さな曲率のアール部あるいはそのようなアール部が連続した、ある長さの峰状の構造をいう。

稜線部を有するＦＲＰ成形品としては、特に制限はないが、例えば、自動車用整流板や自動車用天井材が挙げられる。成形後切り抜き除去される部分とは、最終的に製品とはならない不要な部分であるが、成形工程上の都合・便利のため、必要な部分と共にＲＴＭ成形法により一体的に成形される部分であり、成形後、即ち脱型後、切り取り除去される部分を意味する。

稜線部を有するＦＲＰ成形品の場合、金型に敷設・積層された基材にひずみがかかり、そのまま成形すると、硬化斑が発生し表面に樹脂ヒケが現れ易い。樹脂ヒケとは、ＲＴＭ成形法において基材に含浸した樹脂が硬化する際に、硬化斑のために表面に現れた凹凸の状態をいう。従って、本発明においては、成形後切り抜き除去される部分、即ち、製品とはならない部分をハサミ等で裁断するか、あるいは切り込みを入れることによって、基材のひずみを逃がし、それによって稜線部への賦型性を向上させるものである。なお、本発明において、「稜線部にほぼ平行に切り込みを入れ」とは、製品とはならない部分をハサミ等で一部裁断除去するものも含み、また、「ほぼ平行」とは、ひずみを逃がす効果がある程度に同じ方向に切込みを入れることを意味し、例えば、稜線部に直角に切り込みを入れる場合は含まない。切り込みの程度は、特に制限はなく、ひずみを逃がすことができる程度であれば十分である。

本発明で用いられるＲＴＭ成形法は、長繊維や短繊維からなる繊維強化材を、成形品形状に賦形したプリフォームあるいはシート状で、上型下型からなる金型内部に配置し、金型を型締めした後、樹脂注入口から樹脂を減圧下に注入して繊維強化材に含浸させ、必要なら加熱して硬化の後、金型を開いて脱型する成形方法である。いわゆるプリプレグが必要でなく、オートクレーブ法やハンドレイアップ法に比べて生産性が良く、両面の仕上がりの良い、品質の優れた成形品が得られるという特徴がある。

以下、本発明について図を用いて説明する。図１は、従来の成形後の自動車用整流板(成形後切り抜き除去される部分を含む)を裏側から見た概略図であり、破線で示した１、２、３、４がそれぞれ稜線部を示す。この稜線部に、樹脂ヒケによる凹部が発生し易い。図２は、本発明において、図１と同様な自動車用整流板を成形する前の基材の配置状態を示しており、成形後切り抜き除去される部分において、基材部分５が稜線部にほぼ平行に切り取られている様子を示している。基材を５のように切り取る代わりに、稜線部にほぼ平行に、切り込み６を入れても良い。かかる切り込み（一部を切り取る場合も含む）の存在のために、基材に自由度を持たせ、図２において矢印で示した方向にひずみを逃がすことができ、その結果、基材の稜線部への賦型性が向上する。

本発明のＲＴＭ成形法で、ＦＲＰ成形品を成形するに際し用いられるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂があるが、好ましいのは熱硬化性樹脂である。熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂を混合して用いることもできる。好ましい熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂を予備重合した樹脂等があり、これらの熱硬化性樹脂を適宜量配合したものでも良い。これらの樹脂のうち、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂が好ましい。これらの熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤等が含まれていてもよい。

繊維強化材としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の、通常の繊維強化材に用いる材料が使用できる。中でも、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維が好ましい。繊維強化材の形態としては特に制限されず、織物又は不織布等が利用できる。織物としては、平織物、綾織物、朱子織物等、あるいは一軸織物、多軸織物等を挙げることができる。織物を形成する強化繊維ストランドは、繊維径４〜８μｍのモノフィラメントを一束あたり５００〜２４，０００本とすることが好ましい。織物等の厚さは、成形品の用途により適宜選択するものであり、特に制限はない。なお、一軸織物とは、互いに平行に並んだ強化繊維ストランドをナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等で編んだ織物をいう。多軸織物とは、互いに平行に並んだ強化繊維ストランドを角度を変えて積層してナイロン糸、ポリエステル糸、ガラス繊維糸等で編んだ織物をいう。

本発明のＲＴＭ成形法おいて用いられる金型（又は成形型）としては、特に制限はないが、剛性の高い金属の金型やＦＲＰ型等の金型が用いられる。下型には、シリコーンワックス等の公知の離型剤を用いて離型処理した後、繊維強化材を敷設・積層しても良い。また、成形品を取出す際の離型性を高める目的で、繊維強化材上にはピールクロス等を重ねても良い。以下、実施例により本発明を詳述する。

（１）金型
金型は、繊維強化材からなる基材が配置できるだけのクリアランスを有しているものを用いた。このクリアランスは上下面間で１±０．３ｍｍとなるようにした。目的の製品であるＦＲＰ成形品は、自動車用整流板であり、平板が３次元的に高さを持った形状を有しており、水平方向から高さ方向へ移行する峰状の部分（稜線部）が存在する（図１参照）。

また、金型には、樹脂注入口と排出口の役割を担う穴が最低２つあり、穴径Φ１０ｍｍ、穴の金型外側には３／８Ｂのテーパメスネジを深さ１５ｍｍで切っている。ここに一般で市販されているプッシュワン（メイルコネクタとも称される）（Φ１０ｍｍ×３／８Ｂ、オス・テーパネジ）を差し込んだ。

なお、このプッシュワンには細工を施した。即ち、ネジ側よりプッシュワン内部の真空用Ｏリングまで、Φ１０ｍｍのドリルを用いて既存の穴を広げておいた。これにより、金型内部まで樹脂製ホースを挿入することができる上、真空を保持しながら樹脂注入・排出が容易に可能となる。また、下型パーティングライン面上の外周には、金型内キャビティを真空状態に保ち、更に、注入される樹脂が外部に漏れるのを防ぐためのＯリングを配置した。Ｏリング配置用のミゾ形状は、高さ４．２ｍｍｈ×幅７．５ｍｍとした。また使用したＯリングは、外径Φ７ｍｍ×内径Φ３ｍｍのシリコン製中空ホースであった。

（２）基材
繊維強化材からなる基材には、東邦テナックス社製の炭素繊維の２／２綾織物を３層構造にしたものを用いた（全体の目付９６０ｇ／ｍ^２、Ｗ−７Ｕ６１：３８０ｇ／ｍ^２／Ｗ−３１６１：２００ｇ／ｍ^２／Ｗ−７Ｕ６１：３８０ｇ／ｍ^２の３層積層体）。

（３）成形準備
まず金型に基材である上記炭素繊維綾織物を配置した。そして、この時点で、賦型性向上を目的とした基材の切り込みを行った。切り込みは最終製品とならない部分で実施した（図２参照）。そして、
金型への基材織物を賦型後、金型を閉じた。

（４）成形加工
樹脂注入口及び排出口にウレタン製中空ホース（外径Φ１０ｍｍ×内径Φ８ｍｍ）を差しこみ、樹脂注入口側のホースをクランプ等で閉じ、樹脂排出口側のホース端は真空ポンプにつないだ。真空ポンプを動作させ、金型内を真空状態にした。その後、樹脂注入ホースの先端を樹脂タンクの中に差し込み、クランプを開放した。真空圧力を利用し、樹脂タンクから金型内に樹脂が注入された。なお、樹脂としては、エポキシ樹脂であるアデカレジンＥＰ−４９０１（アデカ社製）を１００重量部と１，３−ＢＡＣ（三菱ガス化学社製）を２０重量部混合した混合液を用いた。金型内に樹脂が十分充填された後、樹脂注入口側及び排出口側のホースをクランプ等で閉じた。金型内は密閉状態となり、金型内部に注入された樹脂はその後硬化した。

（５）脱型
樹脂が十分硬化した後、金型を開放し脱型を行い、ＦＲＰ成形品を得た。その結果、ＦＲＰ成形品の稜線にあたる部分において、基材が成形品の表面側と裏側に適度に賦型され、成形品の厚み方向全体で、樹脂の割合が、硬化収縮による樹脂ヒケの少ない程度に抑制され、表面品位の高いＦＲＰ成形品を得ることができた。

図３に示したように、稜線部のクリアランスを変更した以外は、実施例１と同様な金型を用いた。図３は、本実施例で用いた金型の、稜線部のクリアランスを示す説明図（断面図）である。本実施例での金型のクリアランスは、一般面（図３の７）に対しては１．５±０．３ｍｍとなるようにした。目的の製品であるＦＲＰ成形品は、実施例１と同じ自動車用整流板であり、平板が３次元的に高さを持った形状を有しており、水平方向から高さ方向へ移行する峰状の部分（稜線部）が存在する（図１参照）。そして、本実施例の金型において、この稜線部分のクリアランス（図３の８）を、１＋０〜０．２ｍｍとなるようにした。その他は、実施例１の金型と同じにした。

金型に実施例１と同じ基材（目付９６０ｇ／ｍ^２）を敷設・配置した。この場合、クリアランスが
１．５ｍｍの箇所は繊維体積含有率（Ｖｆ）が３６％、クリアランスが１．０ｍｍの箇所は繊維体積含有率（Ｖｆ）が５４％に調整した。成形品形状に起因する、基材の突っ張りやすい稜線部のクリアランスを意図的に薄くし、賦形性の向上を図ることができる。その後は実施例１と同様に、成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に切り込みを入れ、金型への基材織物を賦型後、金型を閉じた。そして、実施例１と同様に、成形加工、脱型を行いＦＲＰ成形品を得た。

その結果、クリアランスが１．５ｍｍで繊維体積含有率（Ｖｆ）が３６％で均一の場合は、樹脂ヒケが少し発生していたが、稜線部のクリアランスを１．０ｍｍ（Ｖｆ＝５４％）に調整型調整した結果、樹脂ヒケは殆どなくなり表面品位は非常に向上した。本実施例においては、成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に切り込みを入れた効果にプラスして、稜線部のクリアランスを１．０ｍｍにすることで、基材繊維が製品面側の型面に寄り、最適な樹脂の量が基材表面に乗ったため、より樹脂ヒケ防止効果が得られたものである。

［比較例１］
前記実施例２と全く同じ実験を、但し、成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に切り込みを入れることなく、成形加工を行いＦＲＰ成形品を得た。この場合も、実施例２よりはやや劣るが、従来ものよりは樹脂ヒケの少ない、表面品位の高いＦＲＰ成形品を得ることができた。基材の突っ張りやすい稜線部のクリアランスを意図的に薄くすることだけでも、賦形性の向上を図ることができることが確認できた。

従来の成形後の自動車用整流板(成形後切り抜き除去される部分を含む)を裏側から見た概略図である。 本発明において、図１と同様な自動車用整流板を成形する前の基材の配置状態を示す図である。 図３は、実施例２で用いた金型の、稜線部のクリアランスを示す説明図（断面図）である。

符号の説明

１、２、３、４ 稜線部
５ 成形後切り抜き除去される部分において、稜線部にほぼ平行に切り取られた基材部分
６ 成形後切り抜き除去される部分において、稜線部にほぼ平行に基材に入れられた切り込み
７ 上型と下型の間のクリアランス
８ 稜線部のクリアランス

Claims (2)

1. 稜線部を有するＦＲＰ成形品であって、且つ、成形後切り抜き除去される部分を含むＦＲＰ成形品を、樹脂トランスファー成形法により一体的に成形するに際し、繊維強化材からなる基材を成形型に敷設・積層し、前記成形後切り抜き除去される部分を形成する基材部分に、前記稜線部にほぼ平行に切り込みを入れ、次いで、樹脂トランスファー成形法により成形することを特徴とするＦＲＰ成形品の樹脂トランスファー成形法。
2. 稜線部を有するＦＲＰ成形品が、自動車用整流板であることを特徴とする請求項１記載のＦＲＰ成形品の樹脂トランスファー成形法。
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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