JP2009143178A - 繊維強化樹脂中空部品の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】異形断面や曲がり部を持つ繊維強化樹脂中空部品を、十分に軽量化した状態でかつ肉厚もほぼ等しい状態で、容易にかつ低コストで成形することができる繊維強化樹脂中空部品の成形方法を提供する。
【解決手段】予備成形した中空樹脂コア１０の外周に強化繊維２１とマトリックス用樹脂２４とを積層して中空積層体２０とする。その中空樹脂コア１０内に加圧用バッグ３０を挿入配置する。中空積層体２０を成形型４０内に配置する。次に、成形型内に配置した中空積層体２０の加圧用バッグ３０内に圧力を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する。
【選択図】図３

Description

本発明は繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する方法に関する。

繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と強化繊維とを一体化したものであり、軽量でかつ強度特性に優れていることから多くの分野で使用されている。用いられる熱硬化性樹脂の例としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、熱可塑性樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等を挙げることができる。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を挙げることができる。

繊維強化樹脂を用いて中空の部品を作ることも行われており、その成形法の一つに内圧成形法がある。内圧成形法は、成形型のキャビティ内に中空状の成形素材を配置し、中空素材の内側から内圧を加えて中空素材を成形型に密着させた状態とし、その状態で加熱成形する方法である。

内圧成形法を用いて異形断面の繊維強化樹脂中空部品を成形する一例が特許文献１に記載されている。そこでは、断面が円形のマンドレルにプリプレグを巻回し、その後マンドレルを引き抜いてプリプレグの中空部品を作成し、該プリプレグの中空部品の中空部分に圧力バッグを挿入し、該圧力バッグが挿入された中空部品を、中空部品の異形状に対応した形状を有する金型であって異形部に補充用のプリプレグを配置した金型内に配置し、次いで、内圧成形法により成形することによって、均質な断面異形のＦＲＰ製中空部品を得るようにしている。

特許文献２には、建築構造で用いる構造部材とその製造方法が記載されており、そこにおいて、熱可塑性樹脂等の伸縮可能な材料からなる中空円筒形状のライナー（型材）の周囲に、強化繊維をブレイディング法により巻き付けた組み物を作成し、該組み物を成形型内に配置したのち、その強化繊維中に樹脂を含浸し硬化させるようにしている。樹脂含浸時には、ライナー（型材）内に加圧空気を供給してライナーが変形するのを防止している。

２００６−１２３４７５号公報 特開２００３−３２８４９８号公報

特許文献１に記載の方法は、プリプレグを断面円形のマンドレル（中空コア）に巻き付け、その後マンドレルを引き抜いてプリプレグからなる中空部品を作成するようにしており、所要の肉厚を持つようにプリプレグをマンドレルに巻き付けるのに多くの時間を必要とする。また、マンドレルが引き抜かれたプリプレグからなる中空部品は強度的に弱く、圧力バッグを介して加圧しながら成形するときに、局部的な変形や肉厚の相違が生じたり、しわが発生する可能性がある。さらに、マンドレルとして断面円形のものを用いることから、プリプレグからなる中空部品も実質的に円筒形状であり、異形部を持つ成形品とするために、異形部に相当する個所において成形型内に別途プリプレグを配置することが必要となる。そのために、この内圧成形法では、異形断面であって肉厚がほぼ等しくされた成形品を成形することはできない。さらに、マンドレルの引き抜きが前提となることから、曲がり部を持つような繊維強化樹脂中空部品をこの方法により成形することは困難である。

特許文献２に記載の方法は、中空円筒形状のライナー（型材）に強化繊維をブレイディング法により巻き付けて中空部品である組み物を成形するようにしており、特許文献２には記載がないが、この方法を用いることによって、断面が円形でないあるいは曲がり部を持つ中空の組み物を比較的容易に作ることができる。しかし、樹脂含浸時の加圧空気による内圧が、強化繊維を巻き付けた中空円筒形状のライナー（型材）に直接作用するようになっていることから、中空円筒形状のライナー（型材）は、マンドレルとしての本来の機能に加えて、含浸樹脂あるいは付与された内圧により生じる局部的な集中応力によって不要な変形が生じないようにするために、十分な厚みと機械的強度を備えることが必要とされ、軽量化の観点からは、なお改善すべき課題がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、異形断面や曲がり部を持つ繊維強化樹脂中空部品であっても、十分に軽量化が可能であり、かつ肉厚もほぼ等しい状態で容易にかつ低コストで成形することのできる、繊維強化樹脂中空部品の内圧成形法による成形方法を提供することを課題とする。

上記の課題は、内圧成形法による繊維強化樹脂中空部品の成形方法において、予備成形した中空樹脂コアを用いて強化繊維を積層した中空積層体を作ると共に、その中空樹脂コア内に加圧用バッグを取り出し可能に挿入配置することにより解決される。

すなわち、第１の発明は、繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する方法であって、予備成形した中空樹脂コアの外周に強化繊維とマトリックス用樹脂とを積層して中空積層体を形成する工程と、前記中空積層体の中空樹脂コア内に加圧用バッグを挿入配置する工程と、前記中空積層体を成形型内に配置する工程と、成形型内に配置した中空積層体の加圧用バッグ内に圧力を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する工程と、一体化した成形品から圧力バックを除去する工程と、を含むことを特徴とする。

また、第２の発明は、繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する成形方法であって、予備成形した中空樹脂コアの外周に強化繊維を積層して中空積層体を形成する工程と、前記中空積層体の中空樹脂コア内に加圧用バッグを挿入配置する工程と、前記中空積層体を成形型内に配置する工程と、成形型内にマトリックス用樹脂を注入する工程と、成形型内に配置した中空積層体の加圧用バッグ内に圧力を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する工程と、一体化した成形品から圧力バックを除去する工程と、と含むことを特徴とする。

本発明による繊維強化樹脂中空部品の内圧成形方法では、強化繊維を巻き付けるための部材と内圧成形時に付与される内圧が直接作用する部材とを、中空樹脂コアおよび加圧用バッグとして分離したことにより、中空樹脂コアをマンドレルとしての機能のみを果たすものとすることができ、そのために薄肉化と軽量化が可能となる。そして、内圧付加時に用いる加圧用バッグは、成形後の中空部品から除去されるので、十分に軽量化した繊維強化樹脂中空部品を得ることができる。

また、中空樹脂コアは得ようとする繊維強化樹脂中空部品に形状に合わせて予備成形したものであり、その中空樹脂コアは中空積層体にそのまま残されるので、ほぼ等しい肉厚を持つ３次元異形断面の繊維強化樹脂中空部品を、容易にかつ低コストで成形することができる。

本発明による繊維強化樹脂中空部品の成形方法において、中空樹脂コア外周に強化繊維を積層する方法に特に制限はないが、任意の形状の中空部品を得やすいこと、より薄い肉厚で曲げに対する大きな強度が得られること等の理由から、中空樹脂コア外周に強化繊維を積層する工程を、ブレイディング法により行うことが好ましい。さらに、ブレイディング法による積層時に、軸線に対する組角度が０度である組糸層と軸線に対する組角度がθ度（０度を含まない。好ましくは、４０度〜７０度）である組糸層とを交互に積層するようして積層していくことは、より好ましい態様である。また、上記第１の発明において、予備成形した中空樹脂コアの外周に強化繊維とマトリックス用樹脂とを積層して中空積層体を形成する工程における強化繊維とマトリックス用樹脂との積層は、強化繊維層とマトリックス用樹脂層とを順次積層することばかりでなく、強化繊維と繊維状のマトリックス用樹脂とを糸状に編み込んだものを中空樹脂コアの外周に積層していくことも含んでいる。

本発明による繊維強化樹脂中空部品の内圧成形法による成形方法よれば、異形断面や曲がり部を持つ繊維強化樹脂中空部品を、十分に軽量化した状態で、かつ肉厚もほぼ等しい状態で、容易にかつ低コストで成形することができる。

以下、図面を参照した実施の形態の説明に基づき、本発明をより詳細に説明する。図１は本発明の方法で用いる予備成形した中空樹脂コアの一例を示す断面図、図２はそれを用いて作られる中空積層体の一例を説明する図、図３はその中空積層体を成形型内に配置した繊維強化樹脂中空部品を成形する一例を説明する図である。図４は中空積層体の他の例を説明する図であり、図５はその中空積層体を成形型内に配置して繊維強化樹脂中空部品を成形する他の例を説明する図である。

図１に示す中空樹脂コア１０は、一端１１側は開放し、他端１２側は閉鎖し、途中には曲がり部１３を有する形状であり、内部は空間１４となっている。中空樹脂コア１０は、ＡＢＳ樹脂、ＰＳ樹脂、ＰＣ樹脂等の熱可塑性樹脂で作られており、好ましくは、後記する繊維強化樹脂中空部品を成形するときの温度で軟化はするが溶融はしない樹脂材料が用いられる。肉厚としては１ｍｍ前後のものでよい。真空成形等によって２分割品を作りそれを接着して図示のような形状としてもよく、ブロー成形等によって一体成形したものであってもよい。

中空樹脂コア１０の寸法は、成形しようとする繊維強化樹脂中空部品の外形から肉厚分内側にオフセットした寸法であることが望ましい。なお、ここで肉厚分とは、繊維強化樹脂中空部品における繊維強化樹脂の厚さを言っている。

前記した中空樹脂コア１０の外周に強化繊維を積層して強化繊維層２１を形成し、得ようとする繊維強化樹脂中空部品の形状に近似した形状の中空積層体２０とする。ここで、強化繊維とは従来知られた繊維強化樹脂で用いられている強化繊維であってよく、例えば、炭素繊維が好適に用いられる。中空樹脂コア１０は、常温あるいは常温以下で行う強化繊維の積層の際には、コア（マンドレル）として十分な剛性を保ち、強化繊維層の肉厚を管理しながら積層することが容易である。中空樹脂コア１０の外周に強化繊維を積層する方法も任意であるが、好ましくは、従来知られたブレイディング法（円筒織り）を用いて、織り角を調整しながら積層する。この際に、中空樹脂コア１０の細径部は組角度θを小さく、大径部は組角度θを大きくとることにより、織り目の詰まり状態を制御しながら織り込むことにより、隙間のないブレイディング層（強化繊維層）２１を形成することができる。

さらに好ましくは、図２に示すように、中空樹脂コア１０の外周に強化繊維を積層するときに、図２のＡ−Ａ断面に示すように、軸線に対する組角度が０度である組糸層２２と、軸線に対する組角度がθ度である組糸層２３とを交互に積層する。この場合、組糸層２３の軸線に対する組角度θ度は、好ましくは、４０度から７０度の範囲である。なお、図では４層の強化繊維層２１を示しているが、層の数は任意であり、求められる強度を考慮して適宜な層数とする。この形態の強化繊維層２１とすることにより、長手方向の引き張り強度を向上させ、またコントロールすることができる。それにより、同じ強度の中空積層体２０をより肉薄の強化繊維層２１で形成することができ、軽量化にも資することができる。作業に要する時間も短縮でき、プリプレグを手貼りにより積層する場合には４〜５時間かかる工程を、３０分以下に抑えることができる。

図２に示す例では、組糸層２２と組糸層２３との間に、マトリックス用樹脂フィルム２４をさらに積層している。マトリックス用樹脂は、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でもよく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂でもよい。得ようとする繊維強化樹脂中空部品の用途や求められる物性値等を勘案して適宜選択する。例えば、自動車用のピラーを繊維強化樹脂中空部品で製造する場合には、熱硬化性樹脂を用いることが望ましい。

形成した中空積層体２０の前記中空樹脂コア１０の内部空間１４内に、加圧用バッグ３０を挿入配置する。加圧用バッグ３０は、成形時に加圧用バッグ３０内に付与される圧力を、前記した中空樹脂コア１０を介して強化繊維層２１に伝達する役目を果たすものであり、弾性がありかつ変形が容易な材料、例えば合成ゴムやポリアミド系樹脂フィルム、ウレタン樹脂フィルムのような材料で作られる。加圧用バッグ３０の形状は中空樹脂コア１０の内面側の形状と一致していることが望ましいが、内圧が掛かることにより変形して中空樹脂コア１０の内面に密着できる形状であれば、中空樹脂コア１０の内面側の形状に近似した形状であってよい。

次に、図３に示すように、中空樹脂コア１０の内部空間１４に加圧用バッグ３０を挿入した中空積層体２０を、ヒータ（不図示）を備えた成形型４０のキャビティ内に配置する。成形型４０は、前記中空樹脂コア１０の開放した端部１１が位置する個所に、加圧空気供給バルブ４１を備えると共に、キャビティ空間を真空ポンプＰに接続する排気ポート４２を備える。

成形型４０を閉じた後、真空ポンプＰを作動して、キャビティ内の真空引きを行う。それにより、中空積層体２０の強化繊維層２１内は脱気される。その状態でヒータを作動し、強化繊維層間に配置したマトリックス用樹脂フィルム２４の溶融温度にまで昇温する。それにより、溶融した樹脂は繊維間に含浸していく。樹脂が溶融し含浸を開始した前後に、加圧空気供給バルブ４１を開き、加圧用バッグ３０に加圧空気を供給する。圧力は、０．１ＭＰａ〜１ＭＰａ程度であってよく、より高い圧力であってもよい。加圧空気の供給により加圧用バッグ３０には内圧がかかり、その圧力は軟化した中空樹脂コア１０を介して強化繊維層２１を外側に膨出させる。それにより、強化繊維層２１はキャビティ内面に押し付けられた姿勢となり、賦形される。この賦形は、前記のように弾性がありかつ変形が容易な材料で作られた加圧用バッグ３０から作用する圧力で行われるので、強化繊維層２１の全域にほぼ等しい圧力が作用し、異形断面を備えた領域においても、肉厚が不均一になることはない。

マトリックス用樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、さらに硬化温度まで昇温し、その温度を保持する。それにより、樹脂は強化繊維との間でマトリックスを組むようにして硬化し、繊維強化樹脂となる。樹脂の硬化終了後、加圧用バッグ３０の内圧を抜き、冷却して成形型を開く。成形型から樹脂の硬化した繊維強化樹脂中空部品を取り出し、加圧用バッグ３０を除去することにより、本発明による十分に軽量化した繊維強化樹脂中空部品が得られる。

図４は、本発明による繊維強化樹脂中空部品の成形方法の他の形態で用いる中空積層体２０Ａを示している。この中空積層体２０Ａは、マトリックス用樹脂フィルム２４を繊維層２２、２３の間に介装していない点でのみ、図２に示した中空積層体２０と相違している。他の構成は同じであってよく、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

図４は、前記中空積層体２０Ａを成形型４０Ａ内に配置して繊維強化樹脂中空部品を成形する場合を説明している。ここで、成形型４０Ａは樹脂注入ポート４３を備え、樹脂タンク４４からマトリックス用樹脂４５が前記ポート４３を介してキャビティ内に供給できるようになっている。他の構成は、図３に示した成形型４０と同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

成形に当たっては、中空樹脂コア１０の内部空間１４内に加圧用バッグ３０を挿入した中空積層体２０Ａを、成形型４０Ａのキャビティ内に配置する。成形型４０を閉じた後、真空ポンプＰを作動して、キャビティ内の真空引きを行う。また、その状態でヒータを作動してマトリックス用樹脂４５の溶融温度にまで昇温し、樹脂注入ポート４３からマトリックス用樹脂４５をキャビティ内に供給する。供給されたマトリックス用樹脂４５は繊維間に含浸していく。十分な量の樹脂が供給された時点で、樹脂注入ポート４３を閉じる。

樹脂供給が開始した前後に、加圧空気供給バルブ４１を開き、加圧用バッグ３０に加圧空気を供給する等、それ以降の手順は、図３に基づき説明した成形手順と同じであり、説明は省略する。この成形方法によっても、全体にほぼ等しい肉厚でありかつ十分に軽量化した繊維強化樹脂中空部品を得ることができる。

上記したように、本発明による成形方法は、３次元的異形断面を有しかつ曲がり部を持つような形状の繊維強化樹脂中空部品を作るのに特に好適に用いられるが、それに限らず、断面が円形のような単純断面の繊維強化樹脂中空部品あるいは直線状の繊維強化樹脂中空部品を作るのにも用いうることは当然である。

本発明の方法で用いる予備成形した中空樹脂コアの一例を示す断面図。 図１に示す中空樹脂コアを用いて作られた中空積層体の一例を説明する図。 図２に示す中空積層体を成形型内に配置して繊維強化樹脂中空部品を成形する一例を説明する図。 中空積層体の他の例を説明する図。 図４に示した中空積層体を成形型内に配置して繊維強化樹脂中空部品を成形する他の例を説明する図。

符号の説明

１０…中空樹脂コア、１１…中空樹脂コアの開放端、１３…曲がり部、１４…中空樹脂コアの内部空間、２０、２０Ａ…中空積層体、２１…強化繊維層（ブレイディング層）、２２…軸線に対する組角度が０度である組糸層、２３…軸線に対する組角度がθ度（０度を含まない）である組糸層、２４…マトリックス用樹脂フィルム、３０…加圧用バッグ、４０、４０Ａ…成形型、４１…加圧空気供給バルブ、Ｐ…真空ポンプ、４２…排気ポート、４３…樹脂注入ポート、４４…樹脂タンク、４５…マトリックス用樹脂

Claims (4)

1. 繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する方法であって、
   予備成形した中空樹脂コアの外周に強化繊維とマトリックス用樹脂とを積層して中空積層体を形成する工程と、
   前記中空積層体の中空樹脂コア内に加圧用バッグを挿入配置する工程と、
   前記中空積層体を成形型内に配置する工程と、
   成形型内に配置した中空積層体の加圧用バッグ内に圧力を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する工程と、
   一体化した成形品から圧力バックを除去する工程と、
   を含むことを特徴とする繊維強化樹脂中空部品の成形方法。
2. 繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する成形方法であって、
   予備成形した中空樹脂コアの外周に強化繊維を積層して中空積層体を形成する工程と、
   前記中空積層体の中空樹脂コア内に加圧用バッグを挿入配置する工程と、
   前記中空積層体を成形型内に配置する工程と、
   成形型内にマトリックス用樹脂を注入する工程と、
   成形型内に配置した中空積層体の加圧用バッグ内に圧力を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する工程と、
   一体化した成形品から圧力バックを除去する工程と、
   を含むことを特徴とする繊維強化樹脂中空部品の成形方法。
3. 請求項１または２に記載の繊維強化樹脂中空部品の成形方法であって、中空樹脂コア外周に強化繊維を積層する工程が、ブレイディング法により組糸層を交互に積層する工程を含むことを特徴とする繊維強化樹脂中空部品の成形方法。
4. 請求項３に記載の繊維強化樹脂中空部品の成形方法であって、中空樹脂コア外周に強化繊維を積層する工程が、ブレイディング法により軸線に対する組角度が０度である組糸層と軸線に対する組角度がθ度（０度を含まない）である組糸層とを交互に積層する工程を含むことを特徴とする繊維強化樹脂中空部品の成形方法。

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