JP4396057B2 - Frp積層体及びfrpの成形方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はFRP(繊維強化プラスチック)成形技術に関し、特に補強個所における成形品質を向上させるものに関する。
【0002】
【従来の技術】
通常、FRPはエポキシ樹脂等を含浸させたガラス繊維、カーボン繊維等の高強度を有する繊維と樹脂からなるFRP素材を積層して、その積層したFRP素材から真空吸引等により余剰樹脂成分を排除し、その後高温高圧養生を行って成形することで得られる。このような各繊維及び繊維層を樹脂により結合し、任意の形態とするFRPはその軽量性、高剛性、高強度または高耐候性などの特性から各種航空・宇宙機器部品から日常的な製品まで幅広い分野において使用されている。
【0003】
基本的にFRPは繊維層を張り合わせ、合成樹脂で固めて成形するために立体的な成形物を得ることが可能である。また製作される成形物の寸法も繊維層同士を張り合わせることで形成されるので、理論上は大規模の物でも一体製作可能である。現実には製作スペースの制約等の関係から、ある程度の大きさに区分して成形するが、成形されたFRP同士を接合することで大規模構造物を得ることができる。
【0004】
一方、小規模なFRP成形物においても、FRPとFRPの接合、もしくはFRPと金属フレーム等との接合など、他の部材との結合が製作工程において必要な場合が多々ある。
【0005】
このような成形したFRP同士の接合及び他の部材との接合、または成形したFRP成形材と他のFRP成形材との接合では、金属材料等のように溶接等で部材と部材を融合させ接続する方法は採用できず、一般的には接着剤やボルトによる接合、またはリベット接合等の方法によって接合される。
【0006】
上記のボルト接合またはリベット接合等の際には、FRP成形物における接合個所にボルト、リベット等の締結具の貫通孔を設ける必要であり、一般的には接合する部材どうしを重合し、この孔に締結具を挿通させて締結することになる。
【0007】
しかし、FRPは強度及び剛性が高い反面、脆弱性をも有する。そのため前記貫通孔にボルト等の締結具を挿通させ、この締結具による締付けをした場合、脆弱性のため、応力集中の度合いが金属に比べて高く、金属より低い強度しか得られない場合がある。
【0008】
よって上記のような締結用の貫通孔を設けた部分を補強するために、樹脂を含浸した繊維層であるFRP素材を積層する際、貫通孔が設けられる個所の周辺に補強材としての金属板等を配するため、この補強材をFRP素材の間に積層することがある。
【0009】
このようにすればFRPが有する脆性を補い、締結具を貫通させたFRP成型物の貫通孔周辺の強度を向上させることができる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、上記の金属板等を補強材を積層時に、FRP素材の間に挿入することによりFRPの脆性を改良することはできるが、その補強材が存在することにより、FRP成形時に、補強材が挿入されている個所の合成樹脂、また補強材の間に封入された空気が十分に外部に排出されない場合がある。
【0011】
一般にFRPは、成形段階においてその単位体積中に占める樹脂の割合を低下させる方が高品質のFRPが得られるため、積層したFRP素材に対して真空吸引をして余剰樹脂等を外部に排出する。
【0012】
ところが、図10に示すように補強材50が存在すると補強材50が存在する個所にある余剰樹脂の十分な吸引、排出が行われず、その吸引後も余剰樹脂による樹脂溜まりや、また空気が排出されない場合は空気泡51が形成される。よって成型物52が、厚み等が不均一な低品質なものになるおそれがあった。
【0013】
本発明は上記の問題に鑑みてされたものであり、補強材の間に狭持されたFRP素材より余剰な樹脂及び空気を外部に排出し、品質低下のないFRP成形体を得ることを技術的課題とする。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するにあたり、本発明は以下のような構成としている。すなわち、FRP素材を複数積層して形成され、少なくとも一部にFRP素材とともに補強材を積層した補強部分を備えたFRP積層体であって、前記補強材のFRP素材と接する面には成形時に余剰樹脂及び空気を排出するための空間を設けたことを特徴とする。したがって成形時には、この空間から余剰樹脂及び空気をFRP素材の外部に排出される。このようなFRP積層体を用いることで、余剰樹脂や空気が外部に排出され内部に気泡等がなく、密度の高いFRP成形物を得ることができる。
【0015】
前記補強材に設ける空間として、例えば貫通孔を開け、この貫通孔から余剰樹脂及び空気が外部に排出されるようにすることができる。
【0016】
または前記補強材に空間としての溝を設け、その溝により余剰樹脂や空気を外部に排出する構造とすることができる。
【0017】
前記補強材に貫通孔を開けるに場合には、後にボルト等の締結具を取り付ける箇所に孔を設けても良く、また、パンチングメタル等のように、補強板全体に小孔が設けられているような補強材を使用しても良い。しかし、高強度の確保が必要であれば前者がより望ましい。
【0018】
また補強材に溝を設けるには、例えば補強材中央から外側に向かって補強材の端部まで達する溝を放射状に設けるか、あるいは補強材の表面に格子状の溝を設けることができる。
【0019】
前記溝は、補強材に設けた溝の部分が補強材の他の個所より肉薄となるように設けるか、または補強材の一部を溝の形状に曲成して溝を形成することができる。
【0020】
なお、前記補強材に貫通孔と溝の双方を設けることも勿論可能であり、必要に応じて適宜これらを組み合わすことで、効率的な余剰樹脂の排出が可能である。。
【0021】
本発明によれば、このように補強材とFRP素材との間に空間を設けることで、FRPの成形時に補強部分における余剰樹脂や空気を効果的に外部に排出することができる。
【0022】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態として好適な例を示す。
(実施の形態1)
実施の形態1として、中央部に貫通孔を有する円形の金属板を補強材として使用して、FRP積層成形を行う場合について図面を参照して説明する。
【0023】
図1(a)に示すように、炭素繊維を樹脂に浸し、この樹脂を含浸させたシート状の炭素繊維複合材料(以下、CFRP材料という)を形成する。 このようなCFRP材料1を複数積層してCFRP成形物を得るが、接合部等の補強が必要な部分については、CFRP材料1の複数を積層する層間に、中央部に貫通孔8を有する肉薄の補強板2を配置し、それぞれが交互に位置されるように積層する。
【0024】
上記のようにして、シート状のCFRP材料1と補強板2とを交互に積層したFRP積層体Sを得る。次に図1(b)のように、CFRP積層体Sを型3内に設置する。この型3の開口部を樹脂の吸収紙として機能するブリーダー4で覆い、さらにその上部にパッキンの役割を果たすビニールシート5を被せ、このビニールシート5には吸込口6を設ける。
【0025】
この吸込口6には真空ポンプ(図外)を接続して吸引を行い、CFRP材料に含浸している余剰のエポキシ樹脂7を排出しつつ各層間を接着する。
【0026】
この吸引の間に、補強板2に接しているCFRP材料1に含まれるエポキシ樹脂7が貫通孔8を通過し、内部に溜まること無くCFRP材料1の外部に排出される。このとき余剰のエポキシ樹脂は矢印7で示すようにCFRP材料1の外部に排出される。同様にして補強板2とCFRP材料1の間に存在する空気も、CFRP材料1の外部に排出される。
【0027】
このようにして各層が一体となった状態でCFRP材料1と補強板2からなるCFRP積層体Sは、図示しない圧力釜内に移される。この圧力釜内では高温高圧下で養生されて図1(c)に示すように、CFRP材料が結合して一体となったCFRP成形物9が得られる。
【0028】
本実施の形態では、補強板2の中央にのみ貫通孔8を有し、この貫通孔8は、後にボルト等の締結具を貫通させる際の下孔とすることができる。
【0029】
本実施の形態では、成形時に余剰樹脂と空気が排出でき、かつ必要な個所以外に貫通孔が存在しない高強度の補強板2による補強がされることになる。
【0030】
ここで、図1(a)のCFRP材料1と補強板2を積層する際、予め締結具の貫通孔より小さい貫通孔8を補強板2に設置しておき、これを基準として補強板2等の積層、成形後にその貫通孔8を含む、さらに径大な正確な締結具の寸法に合致した貫通孔を形成することが望ましい。このようにすれば補強板2の積層時における貫通孔のずれ等の成形上の誤差が吸収されるので、製品についての不都合が発生しにくい。。
(実施の形態2)
ここでは、図2に示すように補強材の中央部から外方に向けて放射状に溝12を形成した形態の円形の補強板11を使用する場合について説明する。
【0031】
補強材11は、図3(a)、(b)に示すように補強材11の中央部から外方に向かって、複数の放射状に溝12を備えている。
【0032】
図2に示すように補強板11とCFRP材料1をそれぞれ交互に積層した後、図1(b)に示す場合と同様に、型3に入れ余剰樹脂の吸引を行う。このとき補強板11に成形した上記溝12により、補強板11に接するCFRP材料1の余剰樹脂、及びこれに含まれる空気を補強板11外部に排出しつつ、CFRPの成形が行われる。
【0033】
なお、補強板11をCFRP材料1とともに積層する際、上下のCFRP材料1と接する補強板の溝12が重合すると溝12によって形成される隙間が少なくなる。よって補強板11に成形された溝12が重合しないように、補強板11を交互に回転させて積層することが望ましい。
【0034】
また、補強板2をに少しずつ交互に回転させて積層することにより、溝12の凹所13の反対面の凸所14と、この凸所14の上部に積層される補強板11及びCFRP材料1の平面が重なることにより、新たな隙間が生じて樹脂及び空気の排出がされることも期待できる。
【0035】
本実施の形態では、補強板11の中央部から補強板11の外部に連通する放射状の隙間により、余剰樹脂及び空気が排出可能となる。
【0036】
なお、補強材に凹凸となるよう立体的に溝を形成することにより積層後のFRP成形物の厚みが増すことが問題となるケースでは、図4(a)(b)に示すように円形の補強材16に、放射状の空間となるスリット17を設け、そのスリット17からなる空間から、補強材16内部の余剰樹脂及び空気を外部に排出することも可能である。
【0037】
また、補強材16に放射状のスリット17による溝を設けることにより、異種素材であるCFRP材料1と補強材16の接合が、スリット17による投錨効果によって、より剛性が高くなることが期待できる。
(実施の形態3)
ここでは図5に示すように、貫通孔22を有しかつ、溝23も有する形態の補強材21について説明する。
【0038】
補強材は、図6(a)(b)示すように中央の孔22aより四方に放射状に延びる凹凸を備えた溝23aと、貫通孔22bを有している。、すなわちこの溝23aに直径の四分点で接線方向に設けられた四本の溝23bと、溝23a、23bの交差点上に設けられた4個の貫通孔22bと、から構成される。
【0039】
本実施の形態では、万一、FRP成形時に積層した補強材21、21・・・にずれが生じて、個々の補強材21の貫通孔22が下面から上面まで貫通しなくなる状況があり得ても、補強材21に設けられた溝23a、23bより余剰樹脂及び空気が外部に排出される。
【0040】
また本実施の形態では、中央部の貫通孔22a以外に、その四方に貫通孔22bを設けることにより、CFRP材料1と補強材21の異種材料からなる複合材としての結合剛性が高まることも期待できる。
【0041】
さらに、図7(a)(b)に示すような補強材26で中央部に貫通孔27を開け、その貫通孔27を中心として放射状にスリットを設け、そのスリットによ
る溝28と、前記貫通孔27により余剰樹脂と空気を排出することが可能である。
【0042】
以上のようにして成形されたCFRP成形物9は、図8及び図9に示すように、その中央にボルト孔30を貫通させた後、ボルト31により締結される。
【0043】
また前記の締結具としてボルトを例に示したが、締結具はこれに限定されるものではない。また余剰樹脂等の排出のための空間を形成する貫通孔、溝等の形状や大きさ、数について限定されるものでなく、これらは適宜選択され組み合わすことが可能である。
【0044】
さらには積層されるFRP素材(プリプレグ)や補強板の数や大きさ、形状についても限定されるものではなく、補強板は1または2以上であればよい。この場合、プリプレグには、炭素繊維ばかりでなく他のガラス繊維、アラミド繊維等の繊維複合材料も含まれる。
【0045】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、FRP素材とともに補強材を積層したFRP積層体の補強部分に空間を形成したFRP積層体を使用することで、成形時に余剰樹脂や空気を十分に排出することができる。よってFRP成形物の品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施の形態1のFRPの成形過程を示した図であり、(a)はCFRP材料と補強材を積層する概念図、(b)は積層したFRPよ樹脂成分を吸引排出する概念図、(C)はFRP形成後の補強積層部の断面図である。
【図2】実施の形態2の溝を設けた補強材を使用した場合のCFRP材料と補強材を積層する概念図である。
【図3】実施の形態2の補強板を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。
【図4】実施の形態3の補強板を示す図であり、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。
【図5】実施の形態3の通孔と溝を併設した補強材とCFRP材料を積層する概念図である。
【図6】貫通孔と溝を併設した補強材を示す図であって、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。
【図7】貫通孔と傷による溝を併設した補強材を示す図であって、(a)はその平面図、(b)はその側面図である。
【図8】補強部分にボルト孔を設けたFRP成形体の一部断面図である。
【図9】補強部分にボルトを取り付けたFRP成形体の一部断面図である。
【図10】補強部分から余剰樹脂や空気が排出されていない成形体の一部断面図である。
【符号の説明】
1 CFRP材料
2 補強板
3 型
4 ブリーダー(樹脂の吸収紙)
5 ビニールシート
6 吸い込み口
7 エポキシ樹脂
8 貫通孔
9 FRP複合材
11 補強板
12 放射状溝
13 凹所
14 凸所
16 補強材
17 放射状傷溝
21 補強材
22 貫通孔
22a 中央貫通孔
22b 四方の貫通孔
23 溝
23a 放射状溝
23b 接線方向溝
26 補強材
27 貫通孔
28 放射状傷溝
30 ボルト孔
31 ボルト
50 補強材
51 空気泡
52 成型物
Claims (7)
- FRP素材を複数積層して形成され、少なくとも一部にFRP素材とともに補強材を積層した補強部分を備え、補強部分が締結具により締結されるFRP積層体であって、
前記補強材には成形時に余剰樹脂及び空気を排出するための貫通孔であって、前記締結具の寸法に合致した貫通孔より小さく、積層時に重ねられて積層、成形後に当該余剰樹脂及び空気を排出するための貫通孔を含むさらに径大な前記締結具の寸法に合致した貫通孔を形成する際の基準となる貫通孔を設けたことを特徴とするFRP積層体。 - 前記補強材のFRP素材と接する面に溝を設けた請求項1に記載のFRP積層体。
- 前記溝は、前記補強材の中央部から外方に向かって放射状に形成される請求項2に記載のFRP積層体。
- 前記溝は、格子状に形成される請求項2に記載のFRP積層体。
- 請求項1から4の何れかに記載のFRP積層体を用いて形成されたFRP成形物。
- FRP素材を複数積層してFRP成形物を形成するに際し、FRP素材とともに補強材を積層し、これらを一体成形し、少なくとも一部のFRP素材とともに前記補強材を積層した補強部分が締結具により締結されるFRPの成形方法において、
前記補強材には、余剰樹脂及び空気を排出するための貫通孔であって、前記締結具の寸法に合致した貫通孔より小さい貫通孔を設け、前記余剰樹脂及び空気を排出するための貫通孔を重ねてFRP素材とともに前記補強材を積層し、積層、成形後に重ねられた前記余剰樹脂及び空気を排出するための貫通孔を基準として前記余剰樹脂及び空気を排出するための貫通孔含むさらに径大な前記締結具の寸法に合致した貫通孔を形成することを特徴とするFRPの成形方法。 - 前記補強材のFRP素材と接する面に溝を設けた請求項6に記載のFRPの成形方法。
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