JP4103768B2

JP4103768B2 - Ｆｒｐ中空構造体の成形方法およびこの成形方法に使用する中子

Info

Publication number: JP4103768B2
Application number: JP2003362201A
Authority: JP
Inventors: 広幸小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2008-06-18
Anticipated expiration: 2023-10-22
Also published as: JP2005125558A

Description

本発明は、ＦＲＰ中空構造体の成形方法およびこの成形方法に使用される中子に関し、詳しくは、内部に梁構造を有するＦＲＰ中空構造体の成形方法およびこの成形方法に使用される中子に関するものである。

従来、複雑な形状のＦＲＰ製構造体を製造するのに好適な製造方法として、ＦＲＰ製構造体を構成する複数の構造部材をプリプレグにより各々成形し、各構造部材を半硬化状態に仮成形した後、各構造部材を組み合せてプリフォームとし、このプリフォームを硬化処理してＦＲＰ製構造体を製造する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。

ここで、特許文献１によれば、プリプレグにより成形される各構造部材には、マトリックス樹脂の反応率を０．２〜０．８とする半硬化処理、すなわち、硬化深度（Cure Index）を２０〜８０％とする半硬化処理が施され、この状態で各構造部材がプリフォームとして組み合わされる。
特開２０００−１５７１０号公報

ところで、特許文献１に記載のように、硬化深度を２０〜８０％とする半硬化処理が施された各構造部材は、再加熱しても流動が起き難く、表面が柔らかなゲル状となるに留まり、粘着性（タック性）が発現しない恐れが多大にある。このため、各構造部材をプリフォームとして組み合せて硬化処理しても、各構造部材が強固に接着できない恐れがあり、接着剤などを併用しないと、強固なＦＲＰ製構造体を製造できないという懸念がある。

また、一般に中空のＦＲＰ製構造体を製造するには中子が使用されるが、この中子はＦＲＰ製構造体の成形後に除去する必要がある。すなわち、中空のＦＲＰ製構造体の製造には中子の除去工程が不可欠となり、工数が嵩むという問題がある。

そこで、本発明は、中子の除去工程が不要でありながら、内部に梁構造を有する強固なＦＲＰ中空構造体を確実に成形することができるＦＲＰ中空構造体の成形方法を提供することを課題とし、また、このＦＲＰ中空構造体の成形方法に使用するのに好適な中子を提供することを課題とする。

本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法は、内部に梁構造を有するＦＲＰ中空構造体の成形方法であって、それぞれ所定形状のツールにプリプレグを積層することで梁構造を有する内殻プリフォームの各部のパーツプリフォームを成形するパーツプリフォーム成形工程と、成形された各パーツプリフォームを内殻プリフォームとして組み立てる内殻プリフォーム組立工程と、組み立てられた内殻プリフォームを予備加熱して所定の硬化深度（Cure Index）まで硬化させる予備加熱硬化工程と、予備加熱された内殻プリフォームを中子としてその外周にプリプレグを積層することで外郭プリフォームを成形する外郭プリフォーム成形工程と、内殻プリフォームと共に外郭プリフォームを型枠内で本加熱して硬化させる本加熱硬化工程とを備え、予備加熱硬化工程では、内殻プリフォームを５〜１５％の硬化深度まで硬化させることを特徴とする。

本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法において、予備加熱硬化工程により５〜１５％の硬化深度まで硬化された内殻プリフォームは、表面硬度の上昇により高い寸法精度を有するため、外郭プリフォーム成形工程により外郭プリフォームを成形する際の中子として確実に機能する。また、このように５〜１５％の硬化深度まで硬化された内殻プリフォームは、本加熱硬化工程により再加熱されることで表面が軟化、流動化して粘着性が発現するため、外郭プリフォームに良好に接着して確実に一体化される。

従って、本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法では、パーツプリフォーム成形工程、内殻プリフォーム組立工程、予備加熱硬化工程、外郭プリフォーム成形工程および本加熱硬化工程を経ることにより、梁構造を有する内殻プリフォームと、この内殻プリフォームを中子としてその外周に成形された外郭プリフォームとが確実に一体化して硬化する。その結果、内殻プリフォームを構造部材として内部に梁構造を有する強固なＦＲＰ中空構造体が確実に成形される。そして、中子としての内殻プリフォームは、ＦＲＰ中空構造体の構造部材として強度および剛性の向上に寄与する。

一方、本発明に係る中子は、内部に梁構造を有するＦＲＰ中空構造体の成形方法に使用される中子であって、それぞれ所定形状のツールにプリプレグを積層して成形された複数のパーツプリフォームを組み立てた梁構造を有する中子プリフォームからなり、この中子プリフォームを予備加熱により５〜１５％の硬化深度まで硬化させて構成したことを特徴とする。

本発明に係る中子は、中子プリフォームを予備加熱により５〜１５％の硬化深度まで硬化させて構成されており、表面硬度の上昇により高い寸法精度を有するため、その外周にプリプレグを積層して外郭プリフォームを成形するＦＲＰ中空構造体の成形方法において、外郭プリフォームを成形するための中子として確実に機能する。また、このように５〜１５％の硬化深度まで硬化された中子は、再加熱により表面が軟化、流動化して粘着性が発現するため、その外周に成形された外郭プリフォームと共に本加熱されることで、外郭プリフォームに良好に接着して確実に一体化され、内部に梁構造を有する強固なＦＲＰ中空構造体の構造部材として強度および剛性の向上に寄与する。

なお、本発明のＦＲＰ中空構造体の成形方法およびこの成形方法に使用する中子において、使用される「プリプレグ」は、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の成形用中間材料である。強化繊維としては、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの無機繊維の他、各種の金属繊維が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。

本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法によれば、梁構造を有する内殻プリフォームと、この内殻プリフォームを中子としてその外周に成形された外郭プリフォームとを確実に一体化して硬化させることができるため、内殻プリフォームを構造部材として内部に梁構造を有する強固なＦＲＰ中空構造体を確実に成形することができる。また、中子としての内殻プリフォームがＦＲＰ中空構造体の構造部材となるため、従来のような中子の除去工程が不要となり、ＦＲＰ中空構造体の成形工数を低減できる。

一方、本発明に係る中子は、表面硬度の上昇により高い寸法精度を有するため、その外周にプリプレグを積層して外郭プリフォームを成形するＦＲＰ中空構造体の成形方法において、外郭プリフォームを成形するための中子としての機能を確実に発揮することができる。また、この中子は、再加熱により表面が軟化、流動化して粘着性が発現するため、その外周に形成された外郭プリフォームと共に本加熱されることで、外郭プリフォームに良好に接着して確実に一体化することができ、内部に梁構造を有する強固なＦＲＰ中空構造体の構造部材として強度および剛性の向上に寄与することができる。

以下、図面を参照して本発明に係るＦＲＰ製構造体の成形方法およびこの成形方法に使用される中子の実施の形態を説明する。参照する図面において、図１は一実施形態に係る成形方法によって成形されるＦＲＰ中空構造体の構造を示す斜視図、図２は一実施形態に係る成形方法によってＦＲＰ中空構造体を成形するための作業工程図である。

一実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法は、図１に示すようなＦＲＰ中空構造体１を成形する方法であって、図２に示すパーツプリフォーム成形工程Ａ、内殻プリフォーム組立工程Ｂ、予備加熱硬化工程Ｃ、外郭プリフォーム成形工程Ｄおよび本加熱硬化工程Ｅを経ることにより、図１に示したＦＲＰ中空構造体１を成形する。

ＦＲＰ中空構造体１は、溝形断面（コの字形断面またはＵ字形断面）の梁構造部２Ａ，２Ｂが左右の壁面に対向して成形された角筒状の内殻プリフォーム２（図３参照）と、この内殻プリフォーム２の外周に成形される外郭プリフォーム３とが加熱処理により硬化して一体に接着することで、内部に梁構造を有する角筒状に成形される。

ここで、パーツプリフォーム成形工程Ａ（図２参照）では、図３に示す内殻プリフォーム２を例えば図４に示すように６個のパーツに分割した各パーツプリフォーム２Ａ〜２Ｆをそれぞれ成形する。すなわち、溝形断面の梁構造部２Ａ，２Ｂに対応したパーツプリフォーム２Ａ，２Ｂと、このパーツプリフォーム２Ａ，２Ｂが嵌め込まれる切欠きを有する形状で上下に２分割され、かつ、切欠き部分で前後に２分割された各パーツプリフォーム２Ｃ〜２Ｆを成形する。

パーツプリフォーム２Ａ，２Ｂは、長方形に裁断したプリプレグを専用のツール（図示省略）の外周に積層することで、溝形断面の前後に接合代が連続したハット形の断面形状にそれぞれ形成する。すなわち、パーツプリフォーム２Ａは、前後に接合代２Ａ１，２Ａ２が連続したハット形の断面形状に成形し、パーツプリフォーム２Ｂは、前後に接合代２Ｂ１，２Ｂ２が連続したハット形の断面形状に成形する。

一方、パーツプリフォーム２Ｃ〜２Ｆは、パーツプリフォーム２Ａ，２Ｂが嵌め込まれる切欠きに対応した突片２Ｃ１〜２Ｆ１をそれぞれ有する形状の概略長方形に裁断したプリプレグを専用のツール（図示省略）の外周に積層してコの字形の断面形状にそれぞれ成形する。

各パーツプリフォーム２Ａ〜２Ｆの成形に使用するプリプレグは、強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の成形用中間材料であり、例えばカーボン繊維にエポキシ樹脂を含浸させたカーボン／エポキシプリプレグ（例えば東邦テナックス社製W3101/Q-11２J）を使用する。そして、このプリプレグを例えば１１層に積層して各パーツプリフォーム２Ａ〜２Ｆを成形する。

内殻プリフォーム組立工程Ｂ（図２参照）では、図４に示す形状に成形された各パーツプリフォーム２Ａ〜２Ｆを図３に示す形状の内殻プリフォーム２として組み立てる。その際、パーツプリフォーム２Ａの前側の接合代２Ａ１は、パーツプリフォーム２Ｃ，２Ｄの突片２Ｃ１，２Ｄ１が突出する後側の一方の側面に重ね、後側の接合代２Ａ２は、パーツプリフォーム２Ｅ，２Ｆの突片２Ｅ１，２Ｆ１が突出する前側の一方の側面に重ねる。また、パーツプリフォーム２Ｂの前側の接合代２Ｂ１は、パーツプリフォーム２Ｃ，２Ｄの突片２Ｃ１，２Ｄ１が突出する後側の他方の側面に重ね、後側の接合代２Ｂ２は、パーツプリフォーム２Ｅ，２Ｆの突片２Ｅ１，２Ｆ１が突出する前側の他方の側面に重ねる。

予備加熱硬化工程Ｃ（図２参照）では、図３に示す形状に組み立てられた内殻プリフォーム２を図示しない加熱炉内で予備加熱して５〜１５％（好ましくは５〜１０％）の硬化深度（Cure Index）まで硬化させる。その際、内殻プリフォーム２の予備加熱温度は、カーボン／エポキシプリプレグの硬化温度として推奨されている１２０〜１３０℃より少なくとも５０℃程度低い７０〜８０℃の温度とする。

また、内殻プリフォーム２の硬化深度は、内殻プリフォーム２の表面に貼り付けた誘電特性センサの検出信号に基づいて判定する。そして、誘電特性センサの検出信号値が５〜１５％（好ましくは５〜１０％）の硬化深度に対応する値として予め求められている値に達した時点で内殻プリフォーム２を冷却してその硬化反応を停止させる。

この予備加熱硬化工程Ｃの具体例を述べると以下のとおりであり、内殻プリフォーム２（図３参照）の表面に誘電特性センサ（NETZSCH-Geratebau社製IDEX-Midcon）を貼り付け、この内殻プリフォーム２を熱電対と共に加熱炉内に投入し、８０℃／０．２気圧の加温加圧雰囲気で予備加熱した。そして、測定システムであるマイクロダイエレクトロメータ（Microdielectrometer）（NETZSCH-Geratebau社製Eumetric systemIII）により内殻プリフォーム２の樹脂温度、樹脂粘度、硬化深度（Cure Index）を測定した。

なお、測定システムによる硬化深度（Cure Index）の測定に先立って、内殻プリフォーム２と同等の試験片を急加温徐冷して１００％硬化させる実験を実施し、この実験により同測定システムで得られたデータから測定パラメータを抽出した。そして、測定システムによる硬化深度（Cure Index）の測定に際しては、同測定システムにより予め抽出された測定パラメータに基づいて硬化深度（Cure Index）を補正した。

そして、測定システムによる硬化深度（Cure Index）の測定結果が１０％に達した時点で加熱炉による内殻プリフォーム２の加熱を停止させ、内殻プリフォーム２を急冷してその硬化反応を停止させた。加熱炉による予備加熱処理の経過時間は８０分、内殻プリフォーム２の樹脂の到達温度は８４℃であった（図５参照）。

このような予備加熱硬化工程Ｃを経て成形された内殻プリフォーム２は、１０％の硬化深度（Cure Index）まで硬化されており、表面硬度の上昇により高い寸法精度を有するため、次の外郭プリフォーム成形工程Ｄ（図２参照）により外郭プリフォーム３を成形する際の中子として確実に機能する。

そこで、外郭プリフォーム成形工程Ｄでは、予備加熱硬化工程Ｃにより１０％の硬化深度（Cure Index）まで硬化させた内殻プリフォーム２を中子として、その外周に帯状のプリプレグを例えば１２層の積層状態に巻き付けて外郭プリフォーム３を成形する（図６参照）。使用するプリプレグは、内殻プリフォーム２の成形に使用したプリプレグと同じカーボン／エポキシプリプレグ（例えば東邦テナックス社製W3101/Q-11２J）である。

本加熱硬化工程Ｅ（図２参照）では、内殻プリフォーム２の外周に積層した外郭プリフォーム３を内殻プリフォーム２と共に型枠内で本加熱して硬化させる。すなわち、内殻プリフォーム２の外周に積層された外郭プリフォーム３を図７に２点鎖線で示すような上下２分割構造のＦＲＰ型４内に投入し、図示しないオートクレーブ内において例えば１３０℃／４気圧の加温加圧雰囲気で４時間本加熱する。

このような本加熱硬化工程Ｅにおいて、予め１０％の硬化深度に硬化された内殻プリフォーム２は、本加熱時間の経過の初期に表面が一旦軟化、流動化して粘着性を発現し、外郭プリフォーム３の内面に良好に接着して確実に一体化される。その後、本加熱時間の経過と共に内殻プリフォーム２および外郭プリフォーム３は一体となって硬化する。

従って、一実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法によれば、図１に示すように、内部に梁構造部２Ａ，２Ｂを有する強固なＦＲＰ中空構造体１を確実に成形することができる。そして、外郭プリフォーム３を成形するための中子としての内殻プリフォーム２は、そのままＦＲＰ中空構造体１の構造部材として強度および剛性の向上に寄与するため、中子の除去工程が不要となり、ＦＲＰ中空構造体１の成形工数を低減することができる。

本発明によるＦＲＰ中空構造体の成形方法は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば、外郭プリフォーム成形工程Ｄ（図２参照）においては、図８に示すように、内殻プリフォーム２の梁構造部２Ａ，２Ｂの各凹部に芯材となる適宜のフォーム材５，５を嵌め込んだものを中子とし、その外周に外郭プリフォーム３を積層して成形してもよい。

また、予備加熱硬化工程Ｃ（図２参照）においては、以下の実験結果により、前述した測定システムによる硬化深度（Cure Index）の測定結果が５〜１５％の範囲の任意の値に達した時点で加熱炉による内殻プリフォーム２の加熱を停止させるようにしてもよい。

図９は、硬化深度を５％とした内殻プリフォーム２および硬化深度を１５％とした内殻プリフォーム２を試料とし、これらの内殻プリフォーム２の再加熱による樹脂粘度の変化を測定した実験結果を示している。この実験においては、試料とする２つの内殻プリフォーム２を５日間室温で保持し、その後これらの内殻プリフォーム２を前述した本加熱硬化工程Ｅと同様に１３０℃／４気圧の加温加圧雰囲気で４時間再加熱した。

ここで、図９の実験結果のグラフに示すように、硬化深度を５％とした内殻プリフォーム２は、再加熱により樹脂粘度が大きく低下するため（図中実線のグラフで示す）、流動性が高くなって良好な粘着性（タック性）を発現した。一方、硬化深度を１５％とした内殻プリフォーム２は、硬化深度を５％とした内殻プリフォーム２と較べると、再加熱による樹脂粘度の低下幅が小さいため（図中破線のグラフで示す）、流動性が低くなっているが、それでも僅かに粘着性（タック性）を発現した。この実験結果により、硬化深度が１５％を超える内殻プリフォーム２は、粘着性（タック性）を発現できないが、硬化深度が１５％以下では粘着性（タック性）を発現することが判明した。

本発明の一実施形態に係る成形方法によって成形されるＦＲＰ中空構造体の構造を示す斜視図である。一実施形態に係る成形方法によってＦＲＰ中空構造体を成形するための作業工程図である。図２の内殻プリフォーム組立工程により組みたたられる内殻プリフォームの構造を示す斜視図である。図３に示した内殻プリフォームを６個のパーツに分割した各パーツプリフォームの斜視図である。図３に示した内殻プリフォームの予備加熱温度と内殻プリフォームの樹脂の硬化深度との関係を示すグラフである。図２の外郭プリフォーム成形工程により成形される外郭プリフォームを内殻プリフォームと共に示す斜視図である。図２の本加熱硬化工程に使用されるＦＲＰ型を内殻プリフォームおよび外郭プリフォームと共に示す斜視図である。図２の外郭プリフォーム成形工程で使用される中子の変形例を示す斜視図である。図３に示した内殻プリフォームと同様の硬化深度の異なる２つの内殻プリフォームの再加熱実験による樹脂粘度の変化を示すグラフである。

符号の説明

１ＦＲＰ中空構造体
２内殻プリフォーム
２Ａ梁構造部（パーツプリフォーム）
２Ｂ梁構造部（パーツプリフォーム）
２Ｃ〜２Ｆパーツプリフォーム
３外郭プリフォーム
４ＦＲＰ型
５フォーム材
Ａパーツプリフォーム成形工程
Ｂ内殻プリフォーム組立工程
Ｃ予備加熱硬化工程
Ｄ外郭プリフォーム成形工程
Ｅ本加熱硬化工程

Claims

内部に梁構造を有するＦＲＰ中空構造体の成形方法であって、
それぞれ所定形状のツールにプリプレグを積層することで梁構造を有する内殻プリフォームの各部のパーツプリフォームを成形するパーツプリフォーム成形工程と、
成形された各パーツプリフォームを前記内殻プリフォームとして組み立てる内殻プリフォーム組立工程と、
組み立てられた内殻プリフォームを予備加熱して所定の硬化深度まで硬化させる予備加熱硬化工程と、
予備加熱された内殻プリフォームを中子としてその外周にプリプレグを積層することで外郭プリフォームを成形する外郭プリフォーム成形工程と、
前記内殻プリフォームと共に前記外郭プリフォームを型枠内で本加熱して硬化させる本加熱硬化工程とを備え、
前記予備加熱硬化工程では、前記内殻プリフォームを５〜１５％の硬化深度まで硬化させることを特徴とするＦＲＰ中空構造体の成形方法。
内部に梁構造を有するＦＲＰ中空構造体の成形方法に使用される中子であって、
それぞれ所定形状のツールにプリプレグを積層して成形された複数のパーツプリフォームを組み立てた梁構造を有する中子プリフォームからなり、
この中子プリフォームを予備加熱により５〜１５％の硬化深度まで硬化させて構成したことを特徴とする中子。