JP4061744B2

JP4061744B2 - Ｆｒｐ構造体およびその製造方法

Info

Publication number: JP4061744B2
Application number: JP32195898A
Authority: JP
Inventors: 俊英関戸
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1997-11-26
Filing date: 1998-11-12
Publication date: 2008-03-19
Anticipated expiration: 2018-11-12
Also published as: JPH11216789A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＦＲＰ構造体およびその製造方法に関し、とくにコア材を用いた軽量で高強度のＦＲＰ構造体の、コア材およびその周辺部の最適設計技術、およびそのＦＲＰ構造体を安価に効率よく製造できる方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軽量で高強度な素材として、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）が各種産業分野で注目されており、中でもＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）が、その優れた機械特性等から注目されている。
【０００３】
このＦＲＰは、比較的大型の部材に成形する場合には、ＦＲＰのスキン材と軽量のコア材との組み合わせ構造、とくにコア材の両面にＦＲＰスキン板を配置したサンドイッチ構造を採ることがある。このような構成により、大型でありながら軽量で、必要な強度、剛性を備えたＦＲＰ構造体が得られる。さらに補強するために、適当な部位にリブやキャップ部材の補強部材を配置することが有効であることも知られている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、比較的大型のＦＲＰ構造体は、ハンドレイアップ法等で成形されることが多かったため、製造が容易ではなく、かつ、コストも比較的高いという問題があった。
【０００５】
今度本発明者らは、比較的大型のＦＲＰ構造体を、容易にかつ安価に製造できる成形技術を確立した。
【０００６】
そこで本発明の課題は、従来の技術に対し容易にかつ安価に製造できる、軽量かつ高強度、高剛性のＦＲＰ構造体と、その製造方法を提供することにあり、とくに、コア材およびその周辺部の最適な構造を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のＦＲＰ構造体は、コア材の両面にＦＲＰ板が配置されたサンドイッチ構造を有し、前記ＦＲＰ板に対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有するＦＲＰ製の補強部材とを備えたＦＲＰ構造体であって、前記コア材の一端部の両面に、前記補強部材のＦＲＰ板に対し実質的に並行に延びる部分が嵌着される凹部が切り欠かれており、かつ、前記ＦＲＰ板と前記ＦＲＰ製の補強部材及び前記コア材が樹脂によって一体化されているとともに、前記コア材が、前記切り欠き凹部へと連通して成形時の樹脂の流路となる溝を有していることを特徴とするものからなる。
【０００８】
このようなサンドイッチ構造により、軽量のコア材によってＦＲＰ構造体全体の軽量性を確保しつつ、両面に配置されたＦＲＰ板で強度、剛性及び表面の耐久性が確保でき、さらに垂直に延びる補強部材によってＦＲＰ構造体全体の一層高い強度、剛性を確保できる。
また、前記溝が大溝と、該大溝から分岐した小溝とに効果的に形成されており、前記切り欠き凹部に連通する溝が、該切り欠き凹部の底面まで延びていることから、大型の構造体でも効率良く成形出来る構造になっている。
そして、また前記溝の深さをｈ、溝幅をｗ、溝の配設ピッチをｐとするとき、
（ａ）２００≧ｗ×ｈ≧１（ｍｍ^２），（ｂ）３００≧ｐ≧５（ｍｍ）
の関係が満たされる構造となっていることを特徴としている。
一端部の両面に切り欠き凹部が設けられ、該切り欠き凹部へと連通して樹脂の流路となる溝を有しているコア材と、該コア材の両面においてコア材の面方向に延びる強化繊維基材と、該強化繊維基材に対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有し、該並行に延びる部分が前記切り欠き凹部内に位置された補強部材形成用基材とを配置しておき、全体をバッグフイルムで覆った後バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、樹脂を前記溝に注入してコア全体に樹脂を流動させながら、該樹脂を強化繊維基材に含浸することにより一発成形することを特徴とするＦＲＰ構造体の製造方法。
【０００９】
また、本発明に係るＦＲＰ構造体の製造方法は、型内に、一端部の両面に切り欠き凹部が設けられ、該切り欠き凹部へと連通して樹脂の流路となる溝を有しているコア材と、該コア材の両面においてコア材の面方向に延びる強化繊維基材と、該強化繊維基材に対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有し、該並行に延びる部分が前記切り欠き凹部内に位置された補強部材形成用基材とを配置しておき、全体をバッグフイルムで覆った後バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、樹脂を前記溝に注入してコア全体に樹脂を流動させながら、該樹脂を強化繊維基材に含浸することにより一発成形することを特徴とする製造方法からなる。この方法においては、注入された樹脂はコアに形成された溝を効果的に流動しながら該樹脂が強化繊維基材の厚み方向に順次含浸する。
【００１０】
この一発成形により、比較的大型の補強部材内蔵ＦＲＰ構造体が、軽量かつ高強度、高剛性の特性が確保されつつ、容易に効率よく、しかも安価に製造される。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
本発明に係るＦＲＰ構造体は、コア材と、該コア材の少なくとも片面に配置されたＦＲＰ板と、コア材の少なくとも一端部に配置され、ＦＲＰ板に対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有する（つまり、Ｌ字形やコ字形、Ｔ字形、Ｉ字形等の断面を有する）ＦＲＰ製の補強部材とを備えたものである。このＦＲＰ板と補強部材は、強化繊維とマトリックス樹脂とを含む複合材料である。これらＦＲＰ材の強化繊維としては、炭素繊維の織物、マット、ストランドや、ガラス繊維の織物、マット、ロービングを単独あるいは混合して使用することが好ましい。特に軽量化効果を最大限に発揮するためには炭素繊維の使用が好ましい。そして、その炭素繊維も、炭素繊維糸１糸条のフィラメント数が通常の１０，０００本未満のものではなく、１０，０００〜３００，０００本の範囲、より好ましくは５０，０００〜１５０，０００本の範囲にあるトウ状の炭素繊維フィラメント糸を使用する方が、樹脂の含浸性、強化繊維基材としての取扱い性、さらには強化繊維基材の経済性において、より優れるため、好ましい。またＦＲＰ構造体の表面に炭素繊維の織物を配置すると、表面の意匠性が高められ、より好ましい。また、必要に応じて、あるいは要求される機械特性等に応じて、強化繊維の層を複数層に積層して強化繊維基材を形成し、その強化繊維基材に樹脂を含浸する。積層する強化繊維層には、一方向に引き揃えた繊維層や織物層を適宜積層でき、その繊維配向方向も、要求される強度の方向に応じて適宜選択できる。
【００１３】
ＦＲＰの樹脂としては、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂が、成形性・コストの点で好ましい。ただし、ナイロンやＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂や、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の混合樹脂も使用可能である。
【００１４】
コア材としては、発泡体や木材等を使用でき、軽量化の点で発泡体が好ましい。発泡体の材質としては、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ＰＶＣ、シリコンなどを用い、その比重は０．０２から０．２の間で選択することが好ましい。比重が０．０２未満のものを用いると、十分な強度が得られなくなる恐れが生じる。また、比重が０．２を超えると、強度は高くなるが、重量が嵩み軽量化という目的に反するものになってしまう。また、コア材としてハニカム材を用いることもできる。ハニカム材の材質としてはアルミハニカム、アラミドハニカムなどがあり、必要とされる強度等によりその材質、寸法を選択することができる。
【００１５】
図１に、本発明に係るＦＲＰ構造体の代表的な構造例を示す。ＦＲＰ構造体１は、コア材２と、コア材２の少なくとも一面（本実施態様では両面）に配置されたＦＲＰ板３ａ、３ｂと、各コア材２の少なくとも一端部（本実施態様では両端部）に配置された断面コ字状のＦＲＰ製の補強部材４ａ、４ｂとを有している。ＦＲＰ構造体１の中央部に配置された補強部材４ａは、補強用リブとして機能し、端部に配置された補強部材４ｂはキャップ部材として機能している。これら補強部材４ａ、４ｂの断面形状はコ字状以外にも、Ｌ字形やＴ字形、Ｉ字形等であっもよい。ＦＲＰ板３ａまたは３ｂに対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有する形状であればよい。このＦＲＰ板に対し実質的に並行に延びる部分、図１の例ではコ字状断面形状のフランジ部が、コア材２の端部の少なくとも一面に形成された切り欠き凹部２ａに嵌着されている。この切り欠き凹部２ａの深さと、そこに嵌着される補強部材部分の厚さとは実質的に等しいことが好ましく、それによってその上に配置されるＦＲＰ板の平面性が確保される。
【００１６】
コア材２の切り欠き凹部は、たとえば図２に示すように形成されている。図２において、（イ）は、たとえば発泡体からなるコア材用の素材１１であり、たとえば矩形に形成されている。この素材１１の少なくとも一端部に、図２の（ロ）、（ハ）に示すように凹部が切り欠かれる。図２（ロ）に示す例では、図１に示したような断面コ字状の補強部材が装着できるように、両面に切り欠き凹部１２ａ、１２ｂが設けられたコア材１３とされ、図２（ハ）に示す例では、片面のみに切り欠き凹部１４が設けられたコア材１５とされている。
【００１７】
上記のようなＦＲＰ構造体は、真空バッグ法による一発成形法によって成形できる。この一発成形は、たとえば図３に示すように行われる。図３では、サンドイッチ構造を有するＦＲＰ構造体の成形について説明する。
【００１８】
図３に示す方法においては、型２１内に、発泡体等からなるコア材２２が配置されるとともに、少なくともその両面に強化繊維基材２３が配置される。コア材２２は、本実施態様では複数の分割構成とされ、複数のコア材２２が平面的にみて縦横に配列されている。配列されたコア材２２の列の端部は、上記強化繊維基材２３がコア材２２を包み込むように配置されてもよいし、図３に示すように、コ字状のキャップ状強化繊維基材２８を配置してもよい。
【００１９】
各コア材２２はたとえば図４に示すように構成されており、樹脂の通り道となる大溝２４と、該大溝２４から分岐した多数の小溝２５を有している。この大溝２４および小溝２５を介して樹脂が強化繊維基材２３の面方向に拡散され、拡散された樹脂が強化繊維基材２３の厚み方向に基材２３に含浸される。この実施態様では、コア材２２自身に、溝部分により、樹脂を基材面方向に拡散するための拡散路を付与してあるが、この構造とは別に、あるいはこの構造とともに、別部材からなる、樹脂を強化繊維基材の面方向に拡散するシート状の媒体を設けてもよい。この媒体は、強化繊維基材２３の上面側に、あるいは上下両面側に配置することができる。媒体の構造は特に限定されないが、図４に示したと同様の溝構造を有するシート状部材、あるいは縦横に溝を有するシート状部材、さらには網状部材等から構成できる。
【００２０】
そして図４に示した実施態様では、コア材２２の両側部（または四辺部）に切り欠き凹部２６が形成されており、該切り欠き凹部２６に図３に示すように断面コ字状のリブ用補強部材を形成するための強化繊維基材２７が配置されている。パネルの中央部ではこのリブを形成するコ字状強化繊維基材２７同士が突き合わされており、配列されたコア材２２の端部部分では、コ字状のキャップ用強化繊維基材２８が配置されており、これらがコア材２２とともに、両面に配置した強化繊維基材２３で覆われている。但し、配列されたコア材２２の端部部分を強化繊維基材２３で覆うようにする場合等には、該端部部分のコ字状のキャップ状強化繊維基材２８は必ずしも設ける必要はない。
【００２１】
上記強化繊維基材２３の型の上面側が、バッグフイルム２９で覆われ、内部が真空ポンプ３０による吸引によって真空状態にされる。次いで、バルブ３１を開いて、液状の樹脂３２が上記真空状態に保たれた型２１内に注入される。注入は、多孔質材等からなるエッジブリーザ３３を介して行われ、ポンプ３０への吸引も同様のエッジブリーザ３４を介して行われる。樹脂の注入位置、真空吸引位置、エッジブリーザは３３、３４の設置位置は、適宜変更できる。たとえば、ＦＲＰ構造体の中央部から樹脂を注入するようにすることもできる。また、本実施態様では、強化繊維基材２３の上面を直接バッグフイルム２９で覆うようにしたが、必要に応じて、間に成形後に剥離される離型資材（図示略）を介装してもよい。上記実施態様では、バッグフイルム２９自身が離型資材の機能を備えている。必要に応じて設ける離型資材としては、樹脂は通過できるが硬化後に剥がされＦＲＰ構造体から取り除くことが可能な離型資材（たとえば、ナイロン製タフタ織物シートなど）が好ましい。さらにまた、バッグフイルム２９と強化繊維基材２３の型の上面側との間に、鉄板等の剛性板を配置してもよい。
【００２２】
注入された樹脂は、前述の如く、コア材２２の大溝２４、小溝２５に沿って強化繊維基材２３の表面の面方向に速やかに拡散しつつ、強化繊維基材２３の厚み方向に徐々に含浸される。このとき同時に、リブやキャップを形成するコ字状強化繊維基材２７、２８にも樹脂が含浸され、リブやキャップが一体に成形される。含浸された樹脂が、常温で、場合によっては加熱によって硬化され、ＦＲＰ構造体が完成する。硬化後にバッグフイルム２９が取り除かれ、硬化したＦＲＰ構造体が型２１から取り出される。このように、ＦＲＰ構造体が一発成形される。上記成形において、コア材に設けられた溝は、成形の際の樹脂の通り道となる。この溝と前述のコア材に設ける切り欠き凹部との関係は、各種の態様を採ることができる。
【００２３】
たとえば図５（イ）に示すように、コア材４１に溝４２を複数条並設し、該溝４２を、端部に設けた切り欠き凹部４３と連通するように形成すれば、成形時に樹脂を円滑に切り欠き凹部４３に導いて、該部分に配置されている補強部材形成用基材に容易に樹脂を拡散させることができる。また、図５（ロ）に示すように、溝５２が切り欠き凹部５３の底面まで延びるコア材５１とすれば、一層良好な樹脂の拡散を行わせることができるとともに、この延長部分は樹脂のみあるいは樹脂リッチの部分に成形されるのでボイドの逃げ場にもなり、ＦＲＰ成形部分のボイド率の低下にも寄与できる。
【００２４】
上記図５（イ）、（ロ）に示したコア材４１、５１に、ＦＲＰ製の補強部材６１、６２あるいは該補強部材形成用の強化繊維基材を配置した構造は、それぞれ、図６の（イ）、（ロ）のようになる。
【００２５】
さらに、図５の（ハ）に示すように、コア材７１に、切り欠き凹部７３の延設方向と並行する方向に延びる溝７２を刻設することもでき、さらにコア材７１の他の部位の表面に、溝７２と並行する溝７４を刻設しておくこともできる。溝７２は、主として補強部材部分への樹脂の拡散に寄与し、溝７４はＦＲＰ板形成用強化繊維基材への樹脂拡散に寄与する。
【００２６】
上記のようなコア材に形成される溝は、図７に示すように、そのピッチｐ、深さｈ、幅ｗを、成形条件（温度、圧力等）や用いる樹脂の粘度等に応じて適宜設定できる。たとえば、
（ａ）２００≧ｗ×ｈ≧１（ｍｍ²），（ｂ）３００≧ｐ≧５（ｍｍ）
より好ましくは、
（ａ）１００≧ｗ×ｈ≧５（ｍｍ²），（ｂ）１００≧ｐ≧２０（ｍｍ）
に設定される。ｗ×ｈが小さすぎると成形速度が遅くなる。逆に大きすぎると樹脂が多くなり、成形体の重量が大きくなる。ｐが狭すぎると樹脂が多くなり、成形体の重量が大きくなる。逆に広すぎると成形速度が遅く、また、含浸不良となり、安定成形が困難になる。
【００２７】
このように、切り欠き凹部、溝を有する最適なコア材が設計され、それによって、補強部材部分を含めたＦＲＰ構造体全体の一発成形が容易化される。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のＦＲＰ構造体およびその製造方法によれば、とくにコア材の構造の最適化により、軽量で高強度、高剛性の比較的大型のＦＲＰ構造体を一発成形により容易にかつ安価に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施態様に係るＦＲＰ構造体の断面図である。
【図２】本発明におけるコア材の切り欠き凹部の形成例を示す部分斜視図である。
【図３】本発明に係る一発成形方法の一例を示す概略構成図である。
【図４】図３の方法で用いられるコア材の拡大斜視図である。
【図５】コア材の溝形成例を示す部分斜視図である。
【図６】図５の（イ）、（ロ）に対応するコア材の端部断面図である。
【図７】コア材の溝部の断面図である。
【符号の説明】
１ＦＲＰ構造体
２、１３、１５、２２、４１、５１、７１コア材
３ａ、３ｂＦＲＰ板
４ａ、４ｂ、６１、６２補強部材
１１コア材の素材
１２ａ、１２ｂ、１４、２６、４３、５３、７３切り欠き凹部
２１型
２３強化繊維基材
２４、２５、４２、５２、７２、７４溝
２７、２８コ字状強化繊維基材
２９バッグフイルム
３０真空ポンプ
３１バルブ
３２樹脂
３３、３４エッジブリーザ

Claims

コア材の両面にＦＲＰ板が配置されたサンドイッチ構造を有し、前記ＦＲＰ板に対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有するＦＲＰ製の補強部材とを備えたＦＲＰ構造体であって、前記コア材の一端部の両面に、前記補強部材のＦＲＰ板に対し実質的に並行に延びる部分が嵌着される凹部が切り欠かれており、かつ、前記ＦＲＰ板と前記ＦＲＰ製の補強部材及び前記コア材が樹脂によって一体化されているとともに、前記コア材が、前記切り欠き凹部へと連通して成形時の樹脂の流路となる溝を有していることを特徴とするＦＲＰ構造体。
前記溝が、大溝と、該大溝から分岐した小溝とに形成されている、請求項１に記載のＦＲＰ構造体。
前記切り欠き凹部に連通する溝が、該切り欠き凹部の底面まで延びている、請求項１に記載のＦＲＰ構造体。
前記切り欠き凹部の底面と、それ以外のコア材の表面とに、それぞれ溝が設けられている、請求項１に記載のＦＲＰ構造体。
前記溝が複数条並設されている、請求項１に記載のＦＲＰ構造体。
前記溝の深さをｈ、溝幅をｗ、溝の配設ピッチをｐとするとき、
（ａ）２００≧ｗ×ｈ≧１（ｍｍ^２），（ｂ）３００≧ｐ≧５（ｍｍ）
の関係が満たされている、請求項１に記載のＦＲＰ構造体。
型内に、一端部の両面に切り欠き凹部が設けられ、該切り欠き凹部へと連通して樹脂の流路となる溝を有しているコア材と、該コア材の両面においてコア材の面方向に延びる強化繊維基材と、該強化繊維基材に対し実質的に並行に延びる部分と垂直に延びる部分とを有し、該並行に延びる部分が前記切り欠き凹部内に位置された補強部材形成用基材とを配置しておき、全体をバッグフイルムで覆った後バッグフイルムで覆われた内部を真空状態にし、樹脂を前記溝に注入してコア全体に樹脂を流動させながら、該樹脂を強化繊維基材に含浸することにより一発成形することを特徴とするＦＲＰ構造体の製造方法。
前記補強部材形成用基材も強化繊維基材からなる、請求項７に記載のＦＲＰ構造体の製造方法。
前記補強部材形成用基材が、予め成形されたＦＲＰ製の基材からなる、請求項７に記載のＦＲＰ構造体の製造方法。