JP2012166463A - 繊維強化樹脂板材の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】長繊維に熱硬化性樹脂が含浸したプリプレグを具備するシート状物13の少なくとも一部に、角パイプ12などの金属製部材を配置し、シート状物13の両側端部を角パイプ12に巻き付けて角パイプ12の外周を覆うなどして、プリフォーム14を製造する。ついで、金型で圧縮成形して、平板状のFRP板材本体の片面に2本の角パイプ12を備えたFRP板材を製造する。
【選択図】図2
Description
前記シート状物は2層以上から構成され、前記シート状物の前記金属製部材と接する層の樹脂含有量が、それ以外の層の樹脂含有量よりも大きいことが好適である。
前記金型のキャビティは、前記シート状物が硬化した繊維強化樹脂と前記金属製部材との線膨張係数の差によって生じる繊維強化樹脂板材の反り変形を打ち消す形状に、予め形成されていることが好適である。
図1は、本発明の製造方法により製造された繊維強化樹脂板材の一例を示す(a)斜視図、(b)断面図である。
図1の繊維強化樹脂板材10Aは、繊維強化樹脂(以下、FRPという場合もある。)からなる長方形の平板状のFRP板材本体11と、FPR板材本体11の片面において、長手方向の両側端部に沿って配置され、FRP板材本体11を補強する2本の金属製の角パイプ(金属製部材)12とを備えている。この例のFRP板材10Aは、2本の角パイプ12の外周がFRP板材本体11の両側端部によりそれぞれ被覆された状態で、FRP板材本体11と角パイプ12とが一体化したものである。
長繊維とは、FRP板材本体11中において途切れのない連続した繊維のことを意味し、例えば炭素繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、スチール繊維、PBO繊維、高強度ポリエチレン繊維、ガラス繊維などを例示でき、これらを1種以上使用できる。これらのなかでも、炭素繊維を使用すると、より剛性が高く、例えば鉄道車両のドアやシートの背もたれの芯材として好適なFRP板材10Aを製造することができる。
金属製部材の材質(金属)としては、アルミニウム、鉄、ステンレス、各種合金等が挙げられる。これらのなかでも、コストを重視する場合は、SS400(JIS規格)などの汎用鋼材が好ましく、軽量性を重視する場合はアルミニウムが好ましい。
まず、FRP板材本体11を形成するためシート状物として、一方向に配向した長繊維に熱硬化性樹脂が含浸したプリプレグを具備するものを用意する。
シート状物は、少なくとも1層のプリプレグを備えたものであればよく、場合によっては、シート状物の一方の表面に、長繊維を含まない樹脂層を備えたものでもよい。この例では、長繊維の配向角度が0°の層と90°の層とが互い違いに5層積層した構成となるようにプリプレグを積層した、いわゆる5ply(0/90/0/90/0)のプリプレグ積層体をシート状物として使用する。
なお、プリフォーム14の製造時には、角パイプ12とシート状物13との付着性を高めるために、あらかじめ角パイプ12の外周をアセトンなどの有機溶剤で拭いて、脱脂処理しておくことが好ましい。また、シート状物13の両側端部を角パイプ12に巻き付けた後には、脱気処理を行い、シート状物13と角パイプ12との間のエアや、シート状物13を構成するプリプレグ間のエアを抜き、密着性を高めることが好ましい。
ついで、この金型20内にプリフォーム14を配置して金型20を閉じ、圧縮成形する。成形温度(金型温度)、成形圧力、成形時間(硬化時間)などの圧縮条件は、シート状物13のプリプレグを構成する熱硬化性樹脂の種類などに応じて適宜決定することができる。また、金型には、適宜必要な抜き勾配を設定することができる。
このように金型20を用いて圧縮成形することにより、プリフォーム14のシート状物13に含まれる熱硬化性樹脂が熱硬化するとともに、熱硬化したシート状物13、すなわちFRP平板本体11と角パイプ12とが一体化し、平板状のFRP板材本体11の片面に2本の角パイプ12を備えた図1のFRP板材10Aを製造することができる。
また、以上説明したFRP板材10Aの製造方法は、プリプレグを具備するシート状物13の片面に、金属製部材を配置し、シート状物13と金属製部材とを金型20で圧縮成形して一体化する方法であって、補強材をFRP板材本体に接着する接着工程や、短繊維系材料を用いたリブの形成などの後加工が不要である。よって、工程数を増加させることなく、高い剛性を備えたFRP板材10Aを製造することができる。
そこで、このような反り変形を抑制するために、圧縮成形に用いる金型として、そのキャビティが、成形後のFRP板材10Aのこのような反り変形を打ち消す形状に予め形成された金型を用いることが好ましい。具体的には図5に示すように、上型21’および下型22’において、角パイプ12の各面に対応する面部分Pのキャビティ形状がそれぞれ内側(金属製部材側)に凸とされ、反り変形と逆の形状に形成された金型20’を用いる。このようにキャビティが、FRPと金属製部材との線膨張係数の差によって生じるFRP板材10Aの反り変形を打ち消す形状に予め形成されていると、圧縮成形後の冷却により金属製部材が大きく収縮しても、反り変形の抑制されたFRP板材10Aを得ることができる。
なお、キャビティ形状を金属製部材側に凸とする程度は、FRP板材10Aに要求される寸法精度、金属製部材およびFRPの材質(両者の線膨張係数の差の度合い)などに応じて、適宜設定できる。
なお、シート状物が3層以上である場合には、金属製部材と接する層の樹脂含有量がそれ以外の2層以上の層の平均の樹脂含有量よりも大きければよい。
また、シート状物をこのような構成とするとともに、圧縮成形時には図5に示すような金型20’を用いる方法によれば、より反り変形を抑制することができる。
例えば、図6に示すように、FRP板材本体11の両側端部に加えて、長手方向の一端部にも配置されているコ字状の配置形態や、図7に示すように、両側端部に加えて長手方向の両端部にも配置され、すなわちFRP板材本体11の全外周縁部に亘って枠状に配置されているロ字状の配置形態など、FRP板材本体11の外周縁部の少なくとも一部に配置されている各種形態が例示できる。
また、図8に示すように、FRP板材本体11の全外周縁部に加えて、両側端部の角パイプ12を連結する1本以上の角パイプ12をさらに備えた梯子状の配置形態なども例示できる。これらのいずれの配置パターンの場合でも、角パイプ12の外周はFRP板材本体11により被覆されていることが好ましい。角パイプ12を被覆する際には、プリフォームの製造時において、シート状物に角パイプ12の配置パターンに応じた切込みを入れるなどして、角パイプ12の全外周を被覆できるようにすればよい。
さらに、FRP板材の形状としても、図示例のような四角形(長方形)に限定されず、概略平板状であれば、目的に応じて種々の形状にすることができる。
また、シート状物が2層以上のプリプレグを備える場合、各プリプレグに含まれる熱硬化性樹脂の種類は異なっていてもよいが、互いの密着性の観点からは、同じ熱硬化性樹脂であることが好ましい。また、各プリプレグに含まれる長繊維の種類は、同じでも異なっていてもよい。
図9のFRP板材10Bは、FRPからなる長方形の概略平板状のFRP板材本体11と、FPR板材本体11の片面において、短手方向の中央部に長手方向に沿って配置され、FRP板材本体11を補強する1枚の金属板(金属製部材)15とを備え、金型での圧縮成形により、FRP板材本体11と金属板15とが一体化したものである。この例のFRP板材10Bの両側端部は、金属板15が配置された側に向けて立ち上がる立上がり部11a,11bになっていて、金属板15は、立上がり部11a、11b以外の部分に長手方向に沿って配置されている。
まず、図10に示すように、上型31と下型32からなり、FRP板材10Bに沿う形状のキャビティを形成する金型30を用意する。具体的には、この金型30のキャビティは、立上がり分11a,11bに対応する部分も含めた幅がW3で、長さがL2であり、所定の絞り量(FRP板材10Bの深さ)となるように形成されたものである。また、金型を閉じた際に上型31と下型32とで形成される隙間のうち、金属板が有る部分(金属板インサート部)に対応する隙間と、金属板が無い部分に対応する隙間は、それぞれ適切な範囲に設定されている。
このように圧縮成形することにより、シート状物に含まれる熱硬化性樹脂が熱硬化するとともに、熱硬化したシート状物(FRP板材本体11)と金属板15とが一体化し、平板状のFRP板材本体11と、その片面に配置された金属板15とが一体化した図9のFRP板材10Bを製造することができる。
そこで、この例の場合にも、反り変形を抑制するために、圧縮成形に用いる金型として、そのキャビティが、成形後のFRP板材のこのような反り変形を打ち消す形状に予め形成された金型を用いることが好ましい。具体的には、図12のイメージ図に示すように、反り変形に応じた所定の曲率で、長手方向のキャビティCの形状が金属板15の配置された側(図12中上側)に凸となるように湾曲した金型を用いる。図12の金型では、このような湾曲により、キャビティCの上型側の長さL2’が下型側の長さL2’’よりもやや長くなっている。
これにより、圧縮成形後に金属製部材である金属板15が大きく収縮しても、長手方向の反り変形の抑制されたFRP板材10Bを得ることができる。
なお、短手方向の反りも抑制する必要がある場合には、短手方向のキャビティ形状についても同様に金属板15側に凸に湾曲させた金型を用いればよい。また、キャビティ形状を金属製部材側に凸とする程度は、FRP板材10Bに要求される寸法精度、金属製部材およびFRPの材質(両者の線膨張係数の差の度合い)などに応じて、適宜設定できる。
[実施例1]
図1に示すように、長方形の平板状のFRP板材本体11と、FPR板材本体11の片面において、長手方向の両側端部に沿って配置された2本の金属製の角パイプ12とを備えたFRP板材10Aを次のようにして製造した。
まず、一方向に配向した長繊維(炭素繊維)に熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂)が含浸した一方向プリプレグ(樹脂含有量:30質量%、厚み0.2mm、三菱レイヨン(株)製「TR391E250S」)を用意し、長繊維の配向角度が0°の層と90°の層とが5層積層した構成となるように該プリプレグを積層し、5ply(0/90/0/90/0)のシート状物(300mm×300mm)を作製した。
ついで、図2に示すように、このシート状物13の片面に、角パイプ12を略平行に配置し、シート状物13の両側端部を角パイプ12に巻き付けて角パイプ12の外周を覆い、プリフォーム14を製造した。
角パイプ12としては、横断面が28mm×28mmの正方形であり、長さが300mm、厚みが2mmである鋼材(SS400)製角パイプを用いた。
また、プリフォーム14の製造に際しては、角パイプ12とシート状物13との付着性を高めるために、あらかじめ角パイプ12の外周をアセトンで拭く脱脂処理を行った。そして、シート状物13の両側端部を角パイプ12に巻き付けた後には、角パイプ12の両端にゴム材で栓をしたうえで脱気処理(デバルク)を行い、シート状物13と角パイプ12との間のエアや、シート状物13の層間のエアを抜き、密着性を向上させた。
ついで、図3に示す金型20を用意し、金型20内にプリフォーム14を配置して金型20を閉じ、圧縮成形した。その後、金型20を開き、図1のFRP板材10Aを得た。
成形温度(金型温度):上型140℃、下型140℃
成形圧力:3.6MPa
成形時間(硬化時間):600秒
上型の凸部:幅W1=40mm、長さL1=300mm、高さH1=39mm
下型の凹部:幅W2=100mm、長さL1=300mm、深さD1=30mm
図9に示すように、長方形の平板状のFRP板材本体11と、FPR板材本体の片面において、短手方向の中央部に長手方向に沿って配置された1枚の金属板15とを備えたFRP板材10Bを次のようにして製造した。
まず、一方向に配向した長繊維(炭素繊維)に熱硬化性樹脂(エポキシ樹脂)が含浸した一方向プリプレグ(樹脂含有量:30質量%、厚み0.2mm)を用意し、長繊維の配向角度が0°の層と−45°の層と+45°の層とが5層積層した構成となるように該プリプレグを積層し、5ply(0/+45/0/−45/0)のシート状物(110mm×400mm)を作製した。
ついで、図10に示す金型30を用意した。
そして下型上に、シート状物と金属板(鋼材平板:79mm×399mm×2mm(t))15とを順次配置して金型30を閉じ、実施例1と同じ条件で圧縮成形した。その後、金型30を開き、図9のFRP板材10Bを得た。
なお、金型30を閉じて形成されるキャビティは以下のサイズである。
幅W3=100mm
長さL2=400mm
絞り量(深さ)=10mm
金属板が有る部分(金属板インサート部)に対応する隙間=4mm
金属板が無い部分に対応する隙間=2mm
シート状物として、一方の表面を構成する層(配向角度0°の層)のみ、プリプレグの樹脂含有量を40質量%とし、それ以外の4層のプリプレグの樹脂含有量を30質量%とした5plyのシート状物を用いた以外は、実施例2と同様にして、図9のFRP板材11Bを圧縮成形により得た。なお、樹脂含有量が40質量%とされた層と金属板15とが接するように、これらを金型30内に配置した。
図12に示すように、長手方向のキャビティCの形状が金属板側に凸となるように湾曲した金型を用いた以外は、実施例2と同様にして、図9のFRP板材10Bを得た。具体的には、キャビティCの上型側の長さL2’が400.44mm、下型側の長さL2’’が400.01mmとなるような曲率で湾曲した金型を用いた。
また、特に実施例2と、実施例3および4とで得られたFRP板材を比較すると、実施例2で得られたFRP板材には、FRP板材本体側に凸の反り変形が認められたが、実施例3および4で得られた各FRP板材にはこのような反り変形はほとんど認められず、実施例3および4の方法によれば、FRP板材の反り変形を抑制できることが明らかであった。
12 角パイプ(金属製部材)
13 シート状物
15 金属板(金属製部材)
20,30 金型
C キャビティ
Claims (3)
- 長繊維に熱硬化性樹脂が含浸したプリプレグを具備するシート状物の少なくとも一部に、金属製部材を配置し、前記シート状物と前記金属製部材とを金型で圧縮成形し一体化する、繊維強化樹脂板材の製造方法。
- 前記シート状物は2層以上から構成され、前記シート状物の前記金属製部材と接する層の樹脂含有量が、それ以外の層の樹脂含有量よりも大きい、請求項1に記載の繊維強化樹脂板材の製造方法。
- 前記金型のキャビティは、前記シート状物が硬化した繊維強化樹脂と前記金属製部材との線膨張係数の差によって生じる繊維強化樹脂板材の反り変形を打ち消す形状に、予め形成されている、請求項1または2に記載の繊維強化樹脂板材の製造方法。
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