JP2022171389A

JP2022171389A - preform

Info

Publication number: JP2022171389A
Application number: JP2021077994A
Authority: JP
Inventors: 吉宏岩野; Yoshihiro Iwano
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2021-04-30
Filing date: 2021-04-30
Publication date: 2022-11-11

Abstract

To obtain a preform capable of preventing or effectively suppressing generation of voids when molding a carbon fiber reinforced composite material by impregnating, heating, and pressurizing a resin.SOLUTION: A preform includes: a thermoplastic resin film 12; a carbon fiber bundle 14 as a carbon fiber arranged on the thermoplastic resin film 12; and a thermoplastic resin yarn 16 sawed to the thermoplastic resin film 12 for fixing the carbon fiber bundle 14 to the thermoplastic resin film 12. When the preform is impregnated with a resin, heated, and pressurized, the thermoplastic resin yarn 16 and the thermoplastic resin film 12 are respectively molten by heat, and these respectively entangle with the carbon fiber bundle 14 and the resin. Thereby, the generation of voids is prevented or effectively suppressed.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、プリフォームに関する。 The present invention relates to preforms.

炭素繊維強化複合材を製造するための技術が種々知られている（例えば、下記特許文献１参照）。このような技術の中には、例えば、炭素繊維を縫製して製作されたプリフォームに樹脂を含浸させて加熱及び加圧することで炭素繊維強化複合材を成形する技術がある。 Various techniques for producing carbon fiber reinforced composite materials are known (see, for example, Patent Document 1 below). Among such techniques, for example, there is a technique of forming a carbon fiber reinforced composite material by impregnating a preform made by sewing carbon fibers with a resin and applying heat and pressure.

特開２０１３－１１９６７９号公報JP 2013-119679 A

しかしながら、このような技術を用いて炭素繊維強化複合材を成形した場合、ボイドが発生して炭素繊維と樹脂との結合に影響を与えることが懸念される。 However, when a carbon fiber reinforced composite material is molded using such a technique, there is concern that voids may occur and affect the bonding between the carbon fiber and the resin.

本発明は、上記事実を考慮して、樹脂を含浸させて加熱及び加圧することで炭素繊維強化複合材を成形したときにボイドの発生を防止又は効果的に抑制することができるプリフォームを得ることが目的である。 In consideration of the above facts, the present invention obtains a preform that can prevent or effectively suppress the generation of voids when a carbon fiber reinforced composite material is molded by impregnating it with a resin and applying heat and pressure. That is the purpose.

請求項１に記載する本発明のプリフォームは、熱可塑性樹脂フィルムと、前記熱可塑性樹脂フィルム上に配置された炭素繊維と、前記熱可塑性樹脂フィルムに縫い付けられて前記炭素繊維を前記熱可塑性樹脂フィルムに固定する熱可塑性樹脂糸と、を有する。 The preform of the present invention described in claim 1 comprises a thermoplastic resin film, carbon fibers arranged on the thermoplastic resin film, and sewn to the thermoplastic resin film to convert the carbon fibers to the thermoplastic resin film. and a thermoplastic resin thread fixed to the resin film.

上記構成によれば、熱可塑性樹脂糸が熱可塑性樹脂フィルムに縫い付けられると共に炭素繊維が当該熱可塑性樹脂糸によって当該熱可塑性樹脂フィルムに固定されることで、プリフォームが形成されている。これにより、炭素繊維強化複合材を成形するために、プリフォームに樹脂を含浸させて加熱及び加圧すると、熱で熱可塑性樹脂糸及び熱可塑性樹脂フィルムがそれぞれ融けてそれらが炭素繊維及び含浸樹脂とそれぞれ絡み合う。これによって、ボイドの発生が防止又は効果的に抑制される。 According to the above configuration, the preform is formed by sewing the thermoplastic resin thread to the thermoplastic resin film and fixing the carbon fibers to the thermoplastic resin film by the thermoplastic resin thread. As a result, when the preform is impregnated with resin and heated and pressurized in order to mold the carbon fiber reinforced composite material, the thermoplastic resin yarn and the thermoplastic resin film are melted by the heat and the carbon fiber and the impregnated resin are melted. intertwined with each other. This prevents or effectively suppresses the generation of voids.

以上説明したように、本発明のプリフォームによれば、樹脂を含浸させて加熱及び加圧することで炭素繊維強化複合材を成形したときにボイドの発生を防止又は効果的に抑制することができるという優れた効果を有する。 As described above, according to the preform of the present invention, it is possible to prevent or effectively suppress the generation of voids when a carbon fiber reinforced composite material is molded by impregnating it with a resin and applying heat and pressure. It has an excellent effect of

本発明の一実施形態に係るプリフォームを製作している状態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing a state of manufacturing a preform according to one embodiment of the present invention; FIG. 下金型にプリフォームを配置した状態を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing a state in which a preform is arranged in a lower mold; ＲＴＭ工法の各工程を示す模式図である。図３（Ａ）は下金型にプリフォームを配置して上金型を下降させる工程を示す。図３（Ｂ）は金型内に樹脂を注入してプリフォームに樹脂を含浸する工程を示す。図３（Ｃ）は金型で加圧しながら加熱する工程を示す。図３（Ｄ）は金型を開く工程を示す。It is a schematic diagram which shows each process of a RTM construction method. FIG. 3(A) shows the process of placing the preform in the lower mold and lowering the upper mold. FIG. 3(B) shows the process of injecting resin into the mold and impregnating the preform with the resin. FIG. 3(C) shows a step of heating while pressurizing with a mold. FIG. 3D shows the step of opening the mold. ＲＴＭ工法を経て成形された完成品であるリアウィングピラーを示す図である。FIG. 4 is a diagram showing a rear wing pillar that is a finished product formed through the RTM construction method;

本発明の一実施形態に係るプリフォームについて図１～図４を用いて説明する。図１には、本実施形態に係るプリフォーム１０（図２参照）を製作している状態が斜視図で示されている。図２には、下金型４６にプリフォーム１０を配置した状態の斜視図が示されている。なお、図２では、下金型４６に配置する前の状態のプリフォーム１０を二点鎖線（想像線）で示している。 A preform according to one embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 4. FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a state in which a preform 10 (see FIG. 2) according to this embodiment is being manufactured. FIG. 2 shows a perspective view of the state in which the preform 10 is arranged in the lower mold 46. As shown in FIG. In FIG. 2, the preform 10 in a state before being placed in the lower mold 46 is indicated by a chain double-dashed line (imaginary line).

本実施形態のプリフォーム１０は、図４に示されるリアウィングピラー２０を成形するための基材である。リアウィングピラー２０は、車両（より具体的にはスポーツカー）の後部に固定される部材である。図４は、リアウィングピラー２０を車両後部に固定して車両側方側から見た場合と同様の方向視の図である。若干補足すると、リアウィングピラー２０は、車両後部のトランクリッドの上面後部における車両幅方向中間部に左右一対で配置されて固定され、空力部品であるリアウィングを保持する。本実施形態のリアウィングピラー２０は、炭素繊維強化複合材（ＣＦＲＰ）からなり、アルミダイキャスト製のものよりも軽量である。 The preform 10 of this embodiment is a base material for molding the rear wing pillar 20 shown in FIG. The rear wing pillar 20 is a member fixed to the rear portion of the vehicle (more specifically, sports car). FIG. 4 is a view in the same direction as when the rear wing pillar 20 is fixed to the rear portion of the vehicle and viewed from the side of the vehicle. Slightly supplementary, the rear wing pillars 20 are arranged and fixed as a pair of left and right in the middle portion in the vehicle width direction at the rear portion of the top surface of the trunk lid at the rear portion of the vehicle, and hold the rear wing, which is an aerodynamic component. The rear wing pillar 20 of this embodiment is made of a carbon fiber reinforced composite material (CFRP) and is lighter than an aluminum die-cast one.

図２に示されるプリフォーム１０は、図１に示される熱可塑性樹脂フィルム１２と、熱可塑性樹脂フィルム１２上に配置された炭素繊維としての炭素繊維束１４と、熱可塑性樹脂フィルム１２に縫い付けられて炭素繊維束１４を熱可塑性樹脂フィルム１２に固定する熱可塑性樹脂糸１６と、を有する。 The preform 10 shown in FIG. 2 includes the thermoplastic resin film 12 shown in FIG. and thermoplastic yarns 16 that secure the carbon fiber bundles 14 to the thermoplastic film 12 .

熱可塑性樹脂フィルム１２及び熱可塑性樹脂糸１６には、公知の各種熱可塑性樹脂を適用可能である。本実施形態において適用可能な熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド（ＰＡ）樹脂、ポリウレタン（ＰＵ）樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、アクリロニトリル－ブタジエン－スチレン共重合体（ＡＢＳ）樹脂及びポリプロピレン（ＰＰ）樹脂が挙げられる。これらの中でも、ＰＡ樹脂及びＰＰ樹脂が好ましい。 Various known thermoplastic resins can be applied to the thermoplastic resin film 12 and the thermoplastic resin threads 16 . Examples of thermoplastic resins applicable in the present embodiment include polycarbonate resins, polyamide (PA) resins, polyurethane (PU) resins, polyvinyl chloride resins, acrylonitrile-butadiene-styrene copolymer (ABS) resins and polypropylene ( PP) resins. Among these, PA resin and PP resin are preferred.

炭素繊維束１４は、連続繊維からなる炭素繊維の束である。また、熱可塑性樹脂糸１６は、炭素繊維束１４を繰り返し跨ぐように熱可塑性樹脂フィルム１２に縫い付けられることで、炭素繊維束１４を固定している。なお、図２に示されるプリフォーム１０は、熱可塑性樹脂フィルム１２（図１参照）のうち不要部分がカットされた状態のものである。 The carbon fiber bundle 14 is a carbon fiber bundle made up of continuous fibers. Further, the thermoplastic resin thread 16 is sewn onto the thermoplastic resin film 12 so as to repeatedly straddle the carbon fiber bundle 14 , thereby fixing the carbon fiber bundle 14 . The preform 10 shown in FIG. 2 is in a state in which unnecessary portions are cut from the thermoplastic resin film 12 (see FIG. 1).

図１に示されるように、本実施形態では、プリフォーム１０は、ＴＦＰ（ＴａｉｌｏｒｅｄＦｉｂｅｒＰｌａｃｅｍｅｎｔ）工法により製作される。図１に示されるプリフォーム１０の製作には、刺繍機（「ミシン機」ともいう）３０が用いられる。刺繍機３０は、熱可塑性樹脂フィルム１２が載置される台（図示省略）と、前記台に載置された熱可塑性樹脂フィルム１２を熱可塑性樹脂糸１６により縫製するミシン針３２と、ミシン針３２の近傍に設けられて供給口３４Ａから炭素繊維束１４を供給する繊維供給機構３４と、を備える。ミシン針３２及び供給口３４Ａは、炭素繊維束１４を順次配置していくための経路に沿って移動するように構成されている。なお、刺繍機３０では、前記経路を予め指定することが可能になっている。 As shown in FIG. 1, in this embodiment, the preform 10 is manufactured by the TFP (Tailored Fiber Placement) method. An embroidery machine (also referred to as a "sewing machine") 30 is used to manufacture the preform 10 shown in FIG. The embroidery machine 30 includes a table (not shown) on which the thermoplastic resin film 12 is placed, a sewing needle 32 for sewing the thermoplastic resin film 12 placed on the table with the thermoplastic resin thread 16, and a sewing needle. 32 and a fiber supply mechanism 34 that supplies the carbon fiber bundle 14 from a supply port 34A. The sewing needle 32 and the supply port 34A are configured to move along a path for sequentially arranging the carbon fiber bundles 14 . In the embroidery machine 30, it is possible to specify the path in advance.

次に、図２に示される形状を有するプリフォーム１０の製作方法について概説する。まず、図１に示される熱可塑性樹脂フィルム１２が刺繍機３０の台（図示省略）に載置される。次に、刺繍機３０の図示しないスタートボタンが押されると、炭素繊維束１４を順次配置していくための経路に沿って供給口３４Ａ及びミシン針３２が移動しつつ、ミシン針３２が上下動する。これにより、所定の経路に配置されていく炭素繊維束１４を固定するように熱可塑性樹脂糸１６が熱可塑性樹脂フィルム１２に縫い付けられていく。炭素繊維束１４が前記経路の終点まで固定されたら、熱可塑性樹脂フィルム１２への熱可塑性樹脂糸１６の縫い付けが終了される。以上により縫製されたものから熱可塑性樹脂フィルム１２のうちの不要部分がカットされることで図２に示されるプリフォーム１０が製作される。 Next, a method for manufacturing the preform 10 having the shape shown in FIG. 2 will be outlined. First, the thermoplastic resin film 12 shown in FIG. 1 is placed on a table (not shown) of the embroidery machine 30 . Next, when the start button (not shown) of the embroidery machine 30 is pressed, the supply port 34A and the sewing needle 32 move along the path for sequentially arranging the carbon fiber bundles 14, and the sewing needle 32 moves up and down. do. As a result, the thermoplastic resin thread 16 is sewn onto the thermoplastic resin film 12 so as to fix the carbon fiber bundles 14 arranged along a predetermined path. When the carbon fiber bundle 14 is fixed to the end point of the path, the sewing of the thermoplastic resin thread 16 to the thermoplastic resin film 12 is completed. The preform 10 shown in FIG. 2 is manufactured by cutting unnecessary portions of the thermoplastic resin film 12 from the sewn material as described above.

次に、図３を参照しながら、プリフォーム１０（図２参照）と樹脂とから炭素繊維強化複合材を成形するための成形装置４０の一例について概説する。図３に示されるように、成形装置４０は金型４２を有する。金型４２は、上金型４４と下金型４６とで構成されている。上金型４４は、定盤４３に固定され、定盤４３と共に型締め方向（図３（Ａ）の矢印Ａ方向参照）及び型開き方向（図３（Ｄ）の矢印Ｃ方向参照）に移動可能とされている。下金型４６は基台４７に固定されている。上金型４４と下金型４６とを閉じた状態で金型４２内にはキャビティが形成される。成形装置４０には、定盤４３及び上金型４４を上下に貫通した注入孔４１が形成されている。また、成形装置４０は、注入孔４１に対して、図３（Ｂ）に示される混合注入部４５を介して接続可能な第一槽４８及び第二槽４９を備える。第一槽４８には、プリフォーム１０に含浸させる樹脂５４の主剤５０が貯留され、第二槽４９には硬化剤５２が貯留される。また、混合注入部４５は、主剤５０と硬化剤５２とを混合させるミキサー部４５Ａを備える。 Next, an example of a molding apparatus 40 for molding a carbon fiber reinforced composite material from the preform 10 (see FIG. 2) and resin will be outlined with reference to FIG. As shown in FIG. 3, molding device 40 has a mold 42 . The mold 42 is composed of an upper mold 44 and a lower mold 46 . The upper mold 44 is fixed to the surface plate 43 and moves together with the surface plate 43 in the mold closing direction (see arrow A direction in FIG. 3A) and the mold opening direction (see arrow C direction in FIG. 3D). It is possible. A lower mold 46 is fixed to a base 47 . A cavity is formed in the mold 42 with the upper mold 44 and the lower mold 46 closed. The molding device 40 is formed with an injection hole 41 that vertically penetrates the surface plate 43 and the upper mold 44 . The molding device 40 also includes a first tank 48 and a second tank 49 that can be connected to the injection hole 41 via the mixing injection part 45 shown in FIG. 3(B). The first tank 48 stores the main agent 50 of the resin 54 with which the preform 10 is impregnated, and the second tank 49 stores the curing agent 52 . Further, the mixing injection section 45 includes a mixer section 45A for mixing the main agent 50 and the curing agent 52 .

次に、成形装置４０を用いてプリフォーム１０と樹脂５４（図３（Ｂ）参照）とから炭素繊維強化複合材を成形する方法及び本実施形態の作用及び効果について説明する。 Next, a method for molding a carbon fiber reinforced composite material from the preform 10 and the resin 54 (see FIG. 3B) using the molding device 40 and the operation and effects of this embodiment will be described.

図２に示されるように、製作されたプリフォーム１０は、下金型４６に配置される。図３（Ａ）～図３（Ｄ）には、成形装置４０を用いて炭素繊維強化複合材を成形するためのＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒｓｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）工法の各工程が模式図で示されている。このＲＴＭ工法では、まず、図３（Ａ）に示されるように、金型４２にプリフォーム１０を配置した状態で上金型４４を下降させる（矢印Ａ参照）。 The fabricated preform 10 is placed in the lower mold 46, as shown in FIG. FIGS. 3(A) to 3(D) show schematic diagrams of each step of the RTM (Resin Trnsfer Molding) method for molding a carbon fiber reinforced composite material using the molding apparatus 40. In this RTM construction method, first, as shown in FIG. 3A, the upper mold 44 is lowered with the preform 10 placed in the mold 42 (see arrow A).

次に、図３（Ｂ）に示されるように、第一槽４８の主剤５０と第二槽４９の硬化剤５２とを混合した樹脂５４を金型４２内に注入し、プリフォーム１０に樹脂５４を含浸する。樹脂５４は、熱硬化性樹脂（例えばエポキシ樹脂）であり、マトリックス樹脂として把握される。次に、図３（Ｃ）に示されるように、上金型４４を更に下降させて（矢印Ｂ参照）金型４２の内部を加圧しながら加熱する。このときに熱で熱可塑性樹脂糸１６及び熱可塑性樹脂フィルム１２（いずれも図１参照）がそれぞれ融けてそれらが炭素繊維束１４（図１参照）及び樹脂５４（図３（Ｂ）参照）とそれぞれ絡み合う。これによって、ボイドの発生が防止又は効果的に抑制される。 Next, as shown in FIG. 3B, a resin 54 obtained by mixing the main agent 50 in the first tank 48 and the curing agent 52 in the second tank 49 is injected into the mold 42, and the preform 10 is coated with the resin. impregnate 54; The resin 54 is a thermosetting resin (for example, epoxy resin) and is understood as a matrix resin. Next, as shown in FIG. 3C, the upper mold 44 is further lowered (see arrow B), and the inside of the mold 42 is heated while being pressurized. At this time, the thermoplastic resin thread 16 and the thermoplastic resin film 12 (both see FIG. 1) are melted by the heat, and they become the carbon fiber bundles 14 (see FIG. 1) and the resin 54 (see FIG. 3B). intertwined with each other. This prevents or effectively suppresses the generation of voids.

その後、図３（Ｄ）に示されるように、上金型４４を上昇させて（矢印Ｃ参照）金型４２を開き、金型４２から炭素繊維強化複合材となった成形品１８を取り出す。そして、成形品１８からバリ等を切除する等して完成品であるリアウィングピラー２０（図４参照）にする。 Thereafter, as shown in FIG. 3D, the upper mold 44 is lifted (see arrow C) to open the mold 42, and the molded product 18, which is a carbon fiber reinforced composite material, is taken out from the mold 42. Then, burrs and the like are removed from the molded product 18 to form a rear wing pillar 20 (see FIG. 4) which is a finished product.

以上説明したように、本実施形態の図３（Ａ）に示されるプリフォーム１０によれば、樹脂を含浸させて加熱及び加圧することで図３（Ｄ）に示される炭素繊維強化複合材（成形品１８）を成形したときにボイドの発生を防止又は効果的に抑制することができる。その結果、成形品１８において炭素繊維束１４（図１参照）の強度を効果的に活かすことが可能となる。 As described above, according to the preform 10 shown in FIG. 3A of the present embodiment, the carbon fiber reinforced composite material shown in FIG. It is possible to prevent or effectively suppress the generation of voids when the molded product 18) is molded. As a result, it is possible to effectively utilize the strength of the carbon fiber bundles 14 (see FIG. 1) in the molded product 18 .

なお、上記実施形態の変形例として、図２に示されるプリフォーム１０と実質的に同様の構成のプリフォームを複数枚製造し、それら複数枚のプリフォームに熱硬化性樹脂をそれぞれ含浸させてプリプレグと呼ばれる中間基材を複数枚を製造し、更にそれら複数枚のプリプレグを積層したものを加圧及び加熱して所定形状の炭素繊維強化複合材を成形することも可能である。 As a modification of the above embodiment, a plurality of preforms having substantially the same configuration as the preform 10 shown in FIG. It is also possible to produce a plurality of intermediate substrates called prepregs, and then pressurize and heat the laminate of the plurality of prepregs to form a carbon fiber reinforced composite material of a predetermined shape.

以上、本発明の一例について説明したが、本発明は、上記に限定されるものでなく、上記以外にも、その主旨を逸脱しない範囲内において種々変形して実施可能であることは勿論である。 An example of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above, and it goes without saying that it is possible to implement various modifications without departing from the gist of the present invention. .

１０プリフォーム
１２熱可塑性樹脂フィルム
１４炭素繊維束（炭素繊維）
１６熱可塑性樹脂糸 10 preform 12 thermoplastic resin film 14 carbon fiber bundle (carbon fiber)
16 thermoplastic resin thread

Claims

熱可塑性樹脂フィルムと、
前記熱可塑性樹脂フィルム上に配置された炭素繊維と、
前記熱可塑性樹脂フィルムに縫い付けられて前記炭素繊維を前記熱可塑性樹脂フィルムに固定する熱可塑性樹脂糸と、
を有するプリフォーム。 a thermoplastic resin film;
Carbon fibers arranged on the thermoplastic resin film;
a thermoplastic resin thread sewn onto the thermoplastic resin film to fix the carbon fibers to the thermoplastic resin film;
A preform having