JP4706244B2 - Ｆｒｐ中空構造体の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＲＰ（繊維強化樹脂）中空構造体の成形方法に関し、とくに、膨縮可能な中空中子を用いたＦＲＰ中空構造体の成形方法に関する。

従来から、生産性に優れたＦＲＰ構造体の成形方法としては、例えばレジン・トランスファー・モールディング成形法（以下、ＲＴＭ法と記す。）等の注入成形法が知られている（例えば特許文献１や非特許文献１）。かかるＲＴＭ法では、マトリックス樹脂が予備含浸されていない（ドライな）強化繊維基材を成形型のキャビティ内に配置して、液状（低粘度）のマトリックス樹脂を注入することにより強化繊維基材中にマトリックス樹脂を含浸させて成形する。このような方法において、中空構造を有するＦＲＰ中空構造体を成形する場合には、一般に、中子の外周全てに強化繊維基材を被覆し、成形型のキャビティ内に配置した後、その１辺または１点より樹脂を加圧注入するようにしている。

ところが、このような従来技術においては、注入された樹脂が均等に流れず、各方向に流動斑が生じることがある。樹脂流れの遅いところではガス溜まりができて、樹脂の充填（含浸）不良、即ちボイドとなる可能性もある。この理由は、以下のように考えられる。（１）中子の全周に強化繊維基材を配置すると、三次元形状を有する中子の端部などで基材のオーバーラップや皺などが生じ、他の部分に比べて基材の充填密度が異なったり、基材の無い微少な隙間が生じたりすることがある。
（２）基材密度が異なると、樹脂流動抵抗の違いが生じ、そのために樹脂流速に差が生じる。当然低密度部分は流速は速く、高密度部分は流速が遅く、場合によっては流れないこともある。
（３）また、（１）項に記載したような微少でも隙間が生じると、その隙間部分の流動抵抗が周囲よりも極端に低くなるため、加圧注入された樹脂は選択的にその部分へと流れていくことになり、樹脂流れや樹脂含浸に大きな斑が生じることがある。

このような不具合の発生のおそれは安定したＦＲＰ構造体の成形を阻害するとともに、このような不具合が生じると、ボイド発生部分や樹脂含浸不十分な部分の補修などの仕上げ加工に大きな負担を生じることになり、成形収率を低下させるばかりか、成形サイクルが長くなり、生産性を低下させることになる。
特開平７−６０７６５号公報 「わかりやすい実践ＦＲＰ成形」（１９９８年２月２０日発行、株式会社工業調査会

そこで本発明の課題は、膨縮可能な中空中子を用いてＦＲＰ中空構造体を安定して成形でき、ボイドレス成形による成形収率の向上、補修などの仕上げ加工の不要化あるいはその負担軽減が可能な、ＦＲＰ中空構造体の成形方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法は、外周に強化繊維基材を配置した中空中子を、複数の型からなる成形型のキャビティ内に配設し、型締めした後、中子内を加圧しながら成形型内に樹脂を注入して成形するＦＲＰ中空構造体の成形方法において、前記中空中子として、端部に流体による加圧を行うための流体注入口を有するものを用い、前記キャビティ内に、前記中空中子の端部に対し強化繊維基材非配置部分を設け、該中空中子の強化繊維基材非配置部分を、中子内の加圧により成形型のキャビティ面に圧接することを特徴とする方法からなる。

また、上記中空中子がブロー成形品からなり、端部に流体注入口を有している構成であると、本発明に係る成形方法をより容易に実施できる。

また、上記強化繊維基材として、その最外層だけ独立した構成を有しているものを使用することができ、それによって成形されたＦＲＰ中空構造体の表面の意匠性の向上をはかることができる。強化繊維基材としては、とくに限定しないが、炭素繊維織物からなる強化繊維基材を用いると、高強度のＦＲＰ中空構造体を得ることができる。上記最外層の強化繊維基材と内層の強化繊維基材との間に該強化繊維基材より低目付のガラス繊維マットを配置する構成を採用することもできる。ガラス繊維マットにより内層側の凹凸を緩和すると共に、強化繊維基材より低目付のガラス繊維マットを用いることによって、最外層に残ったガスが該マット側に抜け易くなり、最外層の強化繊維基材と樹脂とのＦＲＰ表面層によって形成される表面が、平滑性の向上とピンホール発生の抑制によって意匠性の向上をはかることができる。

このような本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法は、次のような技術思想に基づいて完成されたものである。すなわち、樹脂を一様に流し、流れが遅いところを作らないこと、つまり、流れが他の部分より先回りして流れる部分を作らないようにする。その為には、樹脂が流れ易い成形型のキャビティ面と強化繊維基材や中子との間に隙間を作らない為に基材をオーバーラップさせたりせず、三次元形状中子の端部などに発生し易い基材の皺を作らないようにする。

このような技術思想を実現するために、本発明では、上記の如く、中空中子の外周に強化繊維基材を配置するものの、キャビティ内に位置される中空中子の全体を覆うのではなく、一部分でも基材を配置しない強化繊維基材非配置部分、即ち中子を露出させる部分を設ける（とくに本発明では、後述の実施の形態にも示すように、中空中子の端部に対し強化繊維基材非配置部分を設ける）。そして、一部に強化繊維基材が配置されていない部分を有するプリフォームを成形型のキャビティ内に配置し、型を閉じた後に中子に流体（圧空等）を注入して中子を加圧し、基材を配置していない中子の部分を膨張させて該部分をキャビティ面に張り付かせる（好ましくは、圧接させる）。それによって、中子の強化繊維基材非配置部分へは樹脂は流れず、基材の存在する部分だけに樹脂が流動することになる。従って、強化繊維基材の配置部分（オーバーラップ等がない）では流動抵抗が均一になり、強化繊維基材非配置部分では中子が成形型キャビティ面に張り付いて樹脂は流れないことから、基材配置部分を流れる樹脂は均一でかつ一様流れが可能になる。その結果、ボイドレス成形が可能になり、また、均一な樹脂含浸が可能になる。

本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法によれば、中空中子を用いたＦＲＰ中空構造体の良好な成形を安定して迅速に行うことができるようになり、ボイドレス成形により成形収率を向上でき、補修などの仕上げ加工の不要化あるいはその負担軽減が可能になり、総合的に生産性を大幅に向上することができる。

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具体的に説明する。
本発明において、ＦＲＰとは、強化繊維により強化されている樹脂を指し、強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維、あるいはアラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。中でも炭素繊維を使用すると、高強度・高弾性の中空ＦＲＰ構造体を成形できる。ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用可能である。

本発明に係る成形方法で使用する樹脂としては、とくにＲＴＭ成形法で使用する樹脂としては、粘度が低く強化繊維への含浸が容易な熱硬化製樹脂または熱可塑性樹脂を形成するＲＩＭ（Reaction Injection Molding）用モノマーが好適であり、その中でもＦＲＰ成形体の熱収縮を低減させ、クラックの発生を抑えるという点から、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂または熱可塑性樹脂やゴム成分などを配合した変性エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂がより適している。

本発明で使用する強化繊維基材は、例えば樹脂の含浸されていない強化繊維からなる基材を指し、その強化繊維の織物やチョップドファイバー、マット、ニット材料、さらにこれらとインサート部品との組み合わせ等が挙げられ、その用途により使い分けられる。前記インサート部品とは、例えばスチールやアルミニウムなどの金属板や、金属柱、金属ボルト、ナット、ヒンジなどの接合用の金属、アルミハニカムコア、あるいはポリウレタン、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノール、アクリルなどの高分子材料からなるフォーム材やゴム質材、木質材等が挙げられ、主として、釘が効くことや、ネジが立てられる等の接合を目的としたインサート部品、中空構造で軽量化を目的としたインサート部品、振動の減衰を目的としたインサート部品などが多く用いられる。

本発明のＦＲＰ中空構造体の成形に用いる膨縮可能な中空中子としては、特に規定されないが、ブロー成形や回転成形で成形された中空中子やフィルムを融着して袋状にした中空中子，ディッピングにより風船状の形状を有した中空中子等が挙げられ、その材質としては、ポリプロピレンやポリエチレン，ナイロン，各種ゴム類等が挙げられる。

なお、中空中子にかける圧力範囲としては、中子の形状，材質にもよるが、圧力の下限として０．３ＭＰａ以上が、中子の一部をキャビティ面に圧接させる観点から好ましく、上限として、１ＭＰａ以下が、成形体への変形ダメージを防止する観点から好ましい。より好ましくは、下限としては０．５ＭＰａ以上、また上限としては１．５ＭＰａ以下である。

本発明で使用する成形型は、例えば上型と下型とからなる成形金型からなり、例えば上型が金型昇降装置に取り付けられる。下型には強化繊維基材と中子を設置する。この強化繊維基材は、事前に成形型に納まりやすいように強化繊維基材を製品形状に賦形することを目的とした賦形型により作成する。成形型の材質としてはＦＲＰ、鋳鋼、構造用炭素鋼、アルミニウム合金、亜鉛合金、ニッケル電鋳、銅電鋳などが挙げられる。量産には、剛性、耐熱性、作業性の面から構造用炭素鋼が好適である。

本発明に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法の具体的な実施の形態を、以下に図面を参照しながら説明する。以下の実施態様は、ＦＲＰ中空構造体として例えば、自動車のリアスポイラーの水平ウィングや風車翼などを成形する方法について説明する。

図１は、樹脂製又はゴム製の中空中子１を示している。樹脂製の中空中子１とする場合、例えば、熱可塑性樹脂からなり、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン、ＡＢＳ等の樹脂を使用できる。このような中空中子１の製造方法として最も好適な方法はブロー成形方法である。但し、長さが２ｍ以上の比較的大きい場合には回転成形が良い。ブロー成形体の中子としての厚みは0.5 〜３ｍｍが好適である。また、場合によっては数百ミクロンの樹脂フィルムで袋状のものを形成することもできる。ゴム製の中空中子１とする場合には、クロロプレン、ポリイソプレン、ブタジエン、シリコーン等のゴムを使用できる。このような中空中子１の片側には、流体（例えば、圧空）による加圧を行うための流体注入口２を設ける。

図２に示すように、中空中子１の外周に強化繊維基材３を配置する。図２に示す例では強化繊維基材３を巻き付けている。強化繊維基材３を配置する際、中空中子１に対して強化繊維基材非配置部分１１を設ける。本例では、中空中子１の端部を残して強化繊維基材３を配置している。

次に図３に示すように、上型４と下型５からなるＲＴＭ成形型（例えば、金属製金型）の下型５のキャビティ１２部に、強化繊維基材３を配置した中空中子１をセットし、上型４を閉じる。但し、下型５には樹脂注入ランナー６に通じる樹脂注入口８と余剰樹脂と共に型内に残存するガスを排出する樹脂排出ランナー７に通じる樹脂排出口９が設けてある。それらを囲み、樹脂や空気をシールするＯ−リング（図示略）が配置されている。中空中子１の流体注入口２は金型より飛び出しており、圧空等を供給する流体配管又はチューブ（図示略）と連結される。金型は樹脂を加熱硬化するために電熱器又は温水を用いて加熱される。

図４に示すように、上型４が閉じられた状態（型閉めした状態）で中空中子１の流体注入口２より加圧された流体を注入し（Ｃ）、中子１を膨張させて、強化繊維基材３および中空中子１の強化繊維基材非配置部分１１を金型のキャビティ面に押し当てる。

その状態の変化を、金型を縦中央で切断した断面図である図５に示す。即ち、金型キャビティ１２部に配置されただけの状態では、図５（１）の状態図に示すように、中空中子１の強化繊維基材非配置部分１１とキャビティ１２面との間には、実質的に強化繊維基材３の厚み相当分の隙間１０が生じる。その状態で中空中子１に流体注入口２より圧空等の加圧流体を注入した結果が図５（２）の状態図である。即ち、中空中子１の強化繊維基材非配置部分１１がキャビティ１２面に圧接され、樹脂の流動を完全に抑制可能な状態になる。この状態で樹脂注入口８より熱硬化性樹脂等のＦＲＰマトリックス樹脂を加圧注入する（図４のＡ）。樹脂は、図３に示した樹脂注入ランナー６に充填された後、該ランナー６から幅方向に一様に樹脂排出ランナー７に向かって流動する。そして、その間に強化繊維基材３に樹脂が含浸されていく。樹脂は金型内の残存ガスと共に、樹脂排出ランナー７に一旦は充填されるが、やがて樹脂排出口９を通して金型外に排出される（図４のＢ）。また、金型は充填樹脂が所定の硬化時間で硬化するように、所定の温度で加熱されており、樹脂硬化により、所定のＦＲＰ中空構造体が成形される。

そして、樹脂が硬化した後、図６に示すように、上型４を開放し、上型４の開放前に中空中子１の流体注入口２から流体を排出して減圧する（Ｄ）。中空中子１（例えば樹脂製）は金型で加熱されているので軟化状態にあり、減圧によって容易に収縮する（凹んだ状態になる）。

図７に示すように、成形品としてのＦＲＰ中空構造体２０を金型から脱型した後、減圧により収縮した（凹んだ状態になった）中空中子１を成形品２０内から抜き取る。抜き取られた成形品２０は図８に示すように所定形状のＦＲＰ中空構造体となる。抜き取られた中空中子１は、場合によっては再利用も可能である。特に、ゴム製の場合は再利用できる可能性が高い。

長さ１ｍ、翼弦長２５０ｍｍ、翼高（最高部）３０ｍｍ、平均厚み１．５ｍｍの水平ウィングを成形した例について説明する。金型は上型４、下型５共に厚さ２００ｍｍ、長さ１４００ｍｍ、幅４００ｍｍのものを用いた。この金型には、温調のために、幅方向へ１００ｍｍピッチで温水流路（直径１０ｍｍ）が形成されている。中空中子１にはポリプロピレン製で長さ１１００ｍｍ、翼弦長２４７ｍｍ、翼高（最高部）２７ｍｍ、平均厚さ２．０ｍｍのものを用いた。

上記中空中子１に、強化繊維基材、即ち東レ（株）製”トレカ”Ｔ３００平織物（目付；200 ｇ／ｍ² ）を６ply 、平均張力８kg/ ｍで巻き付けた。下型５に強化繊維基材を巻き付けた中空中子１をセットし、上型４を閉じた。金型は、温水によって上下型共に約９５℃に加熱されている。この状態で中空中子１の流体注入口２より約0.6Mpaの圧縮空気を注入した。その後、樹脂注入口８よりエポキシ樹脂〔主剤；”エピコート”８２８（油化シェルエポキシ社製エポキシ樹脂）、硬化剤；東レ（株）製ブレンドＴＲ−Ｃ３５Ｈ（イミダゾール誘導体）〕を樹脂圧0.5MPaで注入した。約３分後に樹脂排出ランナー７を介して、樹脂排出口９からガスを含んだエポキシ樹脂が排出されてきた。その後約１分間樹脂を排出し続け、排出樹脂の中のガスが無くなったことを確認した後、樹脂排出口９のバルブを閉鎖した。その後30秒間樹脂注入口８側からの樹脂を加圧しながら保持した後、樹脂注入口８側のバルブも閉鎖した（但し、各バルブは図示略）。全バルブ閉鎖後、約１５分間金型での樹脂の硬化時間を持った。

その後、中空中子１の加圧を止め、流体注入口２に真空吸引ホースを接続し、約10秒間吸引して中空中子１内を減圧した。上型４を開放し、中空中子１と成形品２０を金型から脱型した。その後、成形品２０から中空中子１を引き抜いた。中空中子１は減圧により凹んだ状態にあり、その為比較的簡単に引き抜くことができた。中空中子１が引き抜かれたＣＦＲＰ（炭素繊維強化樹脂）成形品として、その全周のどこにもボイドや歪みのない翼形状をした水平ウィングの良品が得られた。

上記実施例１と同様の強化繊維基材、樹脂を用い、成形条件（温度や諸圧力）も全く同一とするが、中空中子１に強化繊維基材を５ply 巻き付けた後に、その上にガラス繊維マット（目付：７０ｇ／ｍ²)を１ply 巻き付け、更にその上に強化繊維基材を１ply 巻き付けた。但し、５ply までは、平均張力は同様の８ｋｇ／ｍとし、マットは殆ど無張力で皺がないように配置し、最表層の強化繊維基材１ply は約２ｋｇ／ｍの張力で、平織物の織り模様が乱れないように巻き付けた。

上記プリフォームを金型に配置して、実施例１と同様のＲＴＭ成形を行った結果、実施例１の成形品よりも外表面（意匠面）は、より平滑でピンホールが殆ど無い高品位のＣＦＲＰ製水平ウィングが得られた。

本発明に係る成形方法は、中空構造を有するあらゆるＦＲＰ構造体の成形に適用でき、中でも、自動車部材などの大量生産されるＦＲＰ中空構造体や、風車翼などの比較的大型のＦＲＰ中空構造体の成形に好適である。

本発明の一実施態様に係るＦＲＰ中空構造体の成形方法を実施する様子を示す中空中子の斜視図である。 図１の中空中子の外周に強化繊維基材を配置する様子を示す中空中子と強化繊維基材の斜視図である。 図２の強化繊維基材が配置された中空中子を成形型にセットする様子を示す成形型の分解斜視図である。 図３の成形型を閉じた様子を示す成形型の斜視図である。 図４に示した状態で中空中子内の加圧前（１）と加圧後（２）の状態を示す成形型の部分縦断面図である。 樹脂硬化後の成形型の型開きの様子を示す成形型の分解斜視図である。 脱型されたＦＲＰ中空構造体から中空中子を抜き出す様子を示す中空中子とＦＲＰ中空構造体の斜視図である。 成形されたＦＲＰ中空構造体の斜視図である。

符号の説明

１ 中空中子
２ 流体注入口
３ 強化繊維基材
４ 上型
５ 下型
６ 樹脂注入ランナー
７ 樹脂排出ランナー
８ 樹脂注入口
９ 樹脂排出口
１０ 隙間
１１ 強化繊維基材非配置部分
１２ キャビティ
２０ 成形品（ＦＲＰ中空構造体）

Claims (5)

1. 外周に強化繊維基材を配置した中空中子を、複数の型からなる成形型のキャビティ内に配設し、型締めした後、中子内を加圧しながら成形型内に樹脂を注入して成形するＦＲＰ中空構造体の成形方法において、前記中空中子として、端部に流体による加圧を行うための流体注入口を有するものを用い、前記キャビティ内に、前記中空中子の端部に対し強化繊維基材非配置部分を設け、該中空中子の強化繊維基材非配置部分を、中子内の加圧により成形型のキャビティ面に圧接することを特徴とするＦＲＰ中空構造体の成形方法。
2. 前記中空中子がブロー成形品からなる、請求項１のＦＲＰ中空構造体の成形方法。
3. 前記強化繊維基材が、その最外層だけ独立した構成を有している、請求項１または２のＦＲＰ中空構造体の成形方法。
4. 前記強化繊維基材が炭素繊維織物からなる、請求項１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ中空構造体の成形方法。
5. 前記最外層の強化繊維基材と内層の強化繊維基材との間に該強化繊維基材より低目付のガラス繊維マットを配置する、請求項３のＦＲＰ中空構造体の成形方法。

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