JP4718694B2 - 繊維強化複合材料成形品の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、立体形状をなす繊維強化複合材料成形品の製造方法及び成形装置に関し、特にプリプレグを使用して曲率の大きな立体形状の成形品を製造するのに適した繊維強化複合材料成形品の製造方法及び成形装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、強化繊維に樹脂を含浸させて半硬化させたプリプレグを使用して、容器形状などの立体形状をなす繊維強化複合材料成形品を成形する際、その立体形状が曲率の小さな緩やかな凸形状又は凹形状の場合には、所望の形状をなすプレス型によりプリプレグを両面から押圧、延伸させることにより成形できる。
【０００３】
例えば、特開平６−９８９５３号公報に開示されているゴルフクラブの製造方法では、立体形状をなすゴルフクラブのヘッド部分を予備成形する際に、複数のパーツに分割している。各パーツの予備成形品は、所定の形状に切断されたプリプレグをプレス型により押圧成形することで得られる。こうして予備成形されたヘッドの各パーツと、予備成形されたシャフトとを中空の成形型内に挿入し、それら予備成形品の内側から圧力を加えて加熱成形し、ゴルフクラブに接合一体化させている。
【０００４】
しかしながら、プリプレグを用いて立体形状の成形品をプレス型により押圧成形する方法では、成形品が曲率の大きな急峻な凸形状又は凹形状をなす場合に、プレス型面にシート状のプリプレグを載置して押圧成形するとシワが入ってしまう。そのため、曲率の大きな立体形状に成形する場合には、プリプレグに予め部分的に切込み又は切欠きを形成し、その切込み又は切欠きの端縁部分同士を重ね合わせてシワが入らないように積層させて成形している。
【０００５】
例えば、半球状に成形する場合には、まずプリプレグを円形に裁断する。そして図７に示すように、円形プリプレグ３の中心領域３ａを残して放射状に等間隔で複数本の切込み３ｂを形成し、或いは図８に示すように、円形プリプレグ４の中心領域４ａを残して放射状に等間隔で切欠き４ｂを形成する。その後、円形プリプレグ３，４の中心領域３ａ，４ａを図９に示す半球凸部２０ａをもつプレス型２０の頂点部分に合わせ、或いは図１０に示す半球凹部２１ａをもつプレス型２１の底中央部分に合わせて、半球状のプレス型２０又は２１に積層する。このとき、切込み３ｂ又は切欠き４ｂの隣り合う端縁部分を互いに重ね合わせる。その後、相手方のプレス型を被せて押圧成形し、全体が半球状の成形品が成形される。
【０００６】
この切込み３ｂや切欠き４ｂはプリプレグ３，４にシワが生じない程度の本数及び長さで形成されている。特に切欠き４ｂを形成する場合には、端縁部分のプリプレグを重ね合わせる際に、端縁間に隙間ができない程度に余分なプリプレグを切除できるため、成形品の軽量化を図ることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来はプレス型にプリプレグを載置し、切込み又は切欠きの端縁部分を重ねる工程を、通常は手作業で行っている。そのため、成形品の品質の安定性、均一性や生産性の点で不十分である。また相手方のプレス型を被せてプレス成形を行う際に、引き込まれなどによりシワが入りやすく、また強化繊維の配列を乱すため、高度の強度及び外観が要求される成形品では、前述の方法は採用されていない。
【０００８】
本発明は、前述のごとき従来の課題を解決すべくなされたものであり、その具体的な目的は、所定形状に裁断されたプリプレグを用いて、プレス成形により立体形状をなす繊維強化複合材料の成形品を製造する方法及び成形装置において、成形品にシワが生じることがなく、均一な品質の成形品を安定して且つ高効率に製造可能である繊維強化複合材料成形品の製造方法及び成形装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上述した目的を達成するために、本件請求項１に係る発明の基本構成は、所定形状に裁断された繊維強化樹脂プリプレグに二以上の切込み又は切欠きを形成し、同切込み又は切欠きの隣接する端縁部分同士を重ね合わせて成形し、立体形状をなす繊維強化複合材料成形品を製造する方法において、前記切込み又は切欠きにより分離された一部分離片をプレス成形により立体形状に成形し、前記一部分離片にプレス成形により残部分離片の一部を重ねて、全体を所望の立体形状に成形する、ことを特徴としている。
【００１０】
なお、本発明における繊維強化複合材料成形品とは、それ自体が製品となり得る最終成形品だけでなく、後に他の部品と接合一体化させるなどして最終製品に形成する以前の予備成形品をも含むものである。
【００１１】
上述した製造方法によれば、先ず、前記切込み又は切欠きにより分離された一部分離片を加熱プレス成形により立体形状に成形し、その後、前記一部分離片に、別途プレス成形により残部分離片の一部を重ねるため、その作業が容易であり、しかも型締めの際にも引き込まれによりシワや強化繊維の配列の乱れも生じることもない。
【００１２】
更に、本件請求項２に係る発明によれば、前記一部分離片を位置決め片として、プレス型の所定部位に位置決めセットすることを含んでいる。
このように前記一部分離片を位置決め片として利用することにより、精密な精度で成形が可能となり、しかも作業効率も向上し、高品質の成形品を安定して製造可能である。また、成形の自動化も可能となるため、製造効率も著しく向上する。
【００１３】
本件請求項３に係る発明では、炭素繊維を強化繊維として、同炭素繊維が一方向に引き揃えられてなるプリプレグを用いている。或いは本件請求項４に係る発明では、炭素繊維を強化繊維として、同炭素繊維を経糸と緯糸とに使われた炭素繊維二方向性織物であるプリプレグを用いている。これらは繊維強化複合材料の用途や要求される強度などに応じて適宜選択が可能である。
【００１４】
また、本件請求項５に係る発明では、前記プリプレグを複数枚重ねて同時に成形する。このようにプリプレグを複数枚重ねることにより、所望の肉厚の繊維強化複合材料成形品を製造可能である。
【００１５】
更に、上述した製造方法に適した成形装置として、本件請求項６に係る発明は、第１及び第２の対となるプレス型を備え、請求項１〜５に係る発明方法に好適に適用され、立体形状を有する繊維強化複合材料成形品を成形するための成形装置であって、第１及び第２の対となるプレス型を備え、前記第１プレス型は、裏面側立体形状成形品のネガ形状の一部に前記残部分離片が載置される突起部と、前記突起部に隣接するネガ形状の残部に前記一部分離片が位置決め載置される凹溝部とを有し、前記第２プレス型は、表面側立体形状成形品のネガ形状の一部に前記突起部に嵌着する嵌着形状を有してなる、ことを特徴としている。
【００１６】
第１プレス型の前記突起部には前記プリプレグの前記一部分離片を位置決めセットし、第２プレス型との間で前記一部分離片をプレス成形する。
その後、全体が裏面側立体形状成形品のネガ形状をもつプレス型と、全体が表面側立体形状成形品のネガ形状をもつプレス型とにより、残る分離片を折り曲げ、前記分離片と一部重ね合わせ、全体を立体形状にプレス成形される。なお、これらのプレス型は上記第１及び第２プレス型とは別途のものであってもよく、例えば、前記第１及び第２プレス型を凹凸部を可動の駒部材を用いて構成し、第１及び第２プレス型により全体を立体形状にプレス成形することも可能である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して具体的に説明する。
【００１８】
例えば半球状の繊維強化複合材料成形品を製造する場合、先ずプリプレグを円形に裁断する。そしてこの円形プリプレグ１に図５に示すように、中央部分１ａを残して２本１組の平行線状の切込み１ｂを４組、十文字に形成し、周縁を本発明の一部分離片となる矩形の分離片１ｃと残部分離片となる扇形の分離片１ｄとに分離する。なお、前記プリプレグの裁断形状は必ずしも円形である必要はなく、必要とする端縁形状となるように適宜の形状に裁断が可能である。
【００１９】
次いで、この切込み１ｂが形成された円形プリプレグ１のうち、先ず、矩形分離片１ｃのみを半球状に湾曲させて成形した後、扇形分離片１ｄを半球状に湾曲させて同矩形分離片１ｃに一部を重ねた状態で成形する。その具体的な成形方法について説明する。
【００２０】
前記矩形分離片１ｃのみを半球状に成形する際には、図２及び図３に示すプレス型１０，１１を用いる。図２に示す第１プレス型１０は、成形品裏面側半球形状のネガ形状の一部、十文字状の半球面凹溝部１０ａを有し、その他の部位、すなわち、前記円形プリプレグ１の扇形分離片１ｄに対応する位置には、平坦上面をもつ扇形突起１０ｂが、前記１０ａ半球の頂部と略同一の高さまで突設されている。
【００２１】
一方、図３に示す第２プレス型１１は、前記半球状凹溝部１０ａに嵌着するネガ形状を有しており、前記第１プレス型１０と所定のクリアランスを取って嵌合する。同第２プレス型１１は、枠体１１ａの中央に円形開口１１ｂが形成されており、同円形開口１１ｂに、前記扇形突起１０ｂ間に嵌合し、前記十文字状の凹溝部１０ａの表面に密着する半球状十文字突起部１１ｃが形成されている。
【００２２】
上記プレス型１０，１１を用いて成形するには、先ず、前記第１プレス型１０に前記円形プリプレグ１を載置する。このとき、図４に示すように、円形プリプレグ１の中央部分１ａを前記第１プレス型１０の半球１０ａの頂部に載置し、前記矩形分離片１ｃを前記プレス型１０の十文字状の半球凹溝部１０ａ上に沿わせると共に、前記扇形分離片１ｄを同プレス型１０の扇形突起１０ｂ上に位置させる。
【００２３】
かかる形状のプレス型１０を用いることにより、前記矩形分離片１ｃを前記扇形突起１０ｂ間に形成された十文字状の凹溝部１０ａにより前記円形プリプレグ１は前記プレス型１０に対して常に一定の位置に正確に位置決めして載置することができる。また、上記円形プリプレグ１は、２本１組の切込み１ｂが平行であるため、その２本の切込み１ｂの間の矩形分離片１ｃは、隣接する扇形分離片１ｄを載置するプレス型１０の扇形突起１０ｂと干渉することがない。かかる干渉を回避する目的から、前記切込み１ｂは上述のように互いに平行か、或いは外周に向けて狭まるように形成することが好ましい。
【００２４】
この状態で、前記第２プレス型１１を前記第１プレス型１０に嵌合させて、円形プリプレグ１の中央部分１ａ及び矩形分離片１ｃを第１プレス型１０の十文字状の凹溝部１０ａと第２プレス型１１の半球状十文字突起部１１ｃとによりプレス成形する。
【００２５】
次に、図５及び図９に示すように、半球状の凸部２０ａをもつ第３プレス型２０に、中央部分１ａと矩形分離片１ｃとが半球状に成形された円形プリプレグ１を、前記凸部２０ａの中心と前記中央部分１ａの中心とを位置合わせてして載置し、図１０に示す半球状の凹部２１ａをもつ第４プレス型２１を前記第３プレス型２０に嵌合させてプレス成形し、扇形分離片１ｄの端縁部分を矩形分離片１ｃの端縁部分の表面に重ねる。
【００２６】
このとき、上述したように円形プリプレグ１の中央部分１ａと矩形分離片１ｃとが半球状に成形されているため、前記扇形分離片１ｄはシワなどが生じることなく前記矩形分離片１ｃの一部表面に容易に重ねることができ、また、型締めの際にも引き込まれによって前記扇形分離片１ｄにシワが生じることもない。この状態で、半球状にプリフォーム成形され、さらに加熱することで繊維強化複合材料成形品が形成される。
【００２７】
このように、半球状の繊維強化複合材料成形品を成形するにあたって、本発明は、中央部分１ａ及び矩形分離片１ｃの十文字状の部分を半球状に成形する第一の工程と、残りの扇形分離片１ｄをその一部を前記矩形分離片１ｃに重ねて半球状に成形する第二の工程との２つの工程を経て、プレス成形を行う。この方法によれば、第一の工程において円形プリプレグ１は切込み１ｂを利用してプレス型に正確に位置決めされるため、均一な品質の成形品を製造することができる。また、第二の工程ではその略半分が半球状に成形されているため、残部をシワが生じることなく先に成形された部分に成形一体化される。
【００２８】
なお、上述した実施形態にあっては、切込み１ｂが形成された円形プリプレグ１を採用しているが、図６に示す円形プリプレグ２のように、中央部分２ａを残して十文字に切欠き２ｂを形成し、周縁を矩形分離片２ｃと扇形分離片２ｄとに分離してもよい。この場合には、切欠き２ｂを挟んで隣り合う矩形分離片２ｃと扇形分離片２ｄとの重なりを、両者の間に隙間が生じない程度に最小限に抑えることができ、不要な重なりを取り除くことができる。そのため、重なり部分の肉厚差を小さくできる。
【００２９】
また、上述した実施形態にあっては、上述した２つの工程をそれぞれ別個のプレス型を用いて行っているが、例えば第１プレス型１０の扇形突起１０ｂを可動の駒部材により構成したり、第２プレス型１１の円形開口１０ａに可動式の駒部材を嵌合させるなどにより、一組のプレス型によって成形することも可能である。
【００３０】
更に、突起や凹部の形状は必ずしもプリプレグの切込み形状と完全に一致させる必要はなく、所定の立体形状に折り曲げ又は湾曲させたり、重ねることが可能な程度であれば十分である。
【００３１】
また、上下のプレス型間に複数枚のプリプレグを積層させて成形できるクリアランスをあけることにより、複数枚のプリプレグを同時に立体形状に成形一体化し厚肉の成形品を製造することができる。この際、複数のプリプレグは、切込みの形成位置を同じ位置としてもよく、或いは切込みを意図的に若干ずらして形成し、上下のプリプレグにおいて切込み端縁同士の重なり部分をずらし、肉厚差を低減し、段差の発生を改善することができる。この際、プレス型の突起は各切り込み位置と距離を保つ必要がある。さらにはガラス繊維、樹脂繊維、金属繊維などの異種材料からなるプリプレグを同時または別途に成形し、一体成形することも可能である。
【００３２】
前記プリプレグとしては、強化繊維を一方向に引き揃えたシートにマトリックス樹脂を含浸させたもの、例えば一方向性炭素繊維強化エポキシ樹脂プリプレグを使用することができる。更には、一方向性炭素繊維強化エポキシ樹脂プリプレグを、繊維が０°方向と９０°方向との２方向になるよう複数層に積層したものや、それに更に±４５°方向を加えたり、これらを繰り返し積層させて成形することもできる。その場合には、他方向にわたって強化繊維による強度が得られ、強度バランスが取りやすい。
【００３３】
或いは、たて糸とよこ糸とに強化繊維を用いた織布にマトリックス樹脂を含浸させた、例えば二方向性織布炭素繊維強化エポキシ樹脂プリプレグを採用することもできる。
【００３４】
本発明による製造方法は、繊維強化複合材料成形品は半球状に限らず、矩形の箱状、紡錘形状など、様々な立体形状の成形に適用できる。また、この成形品は最終製品に限定されるものではなく、例えば容器形状の予備成形品を本発明の方法により成形し、その後、成形型内で予備成形品を組み合わせ、内圧成形により中空構造の最終製品を製造することも可能である。
上述した本発明による成形品の製造方法は、例えば立体形状のヘルメットや、ゴルフヘッドの製造に好適に適用される。
【００３５】
以下、本発明について具体的な実施例及び比較例を挙げて説明する。
（実施例）
炭素繊維織布強化エポキシ樹脂プリプレグとして、三菱レイヨン（株）製「パイロフィルＴＲ３５０Ｈ１７５Ｓ」（炭素繊維含有量５６体積％）を、繊維が０°及び９０°の方向となるよう積層して使用し、半球状にプリフォーム成形を行った。
【００３６】
先ず、プリプレグを円形に裁断し、図１に示す様に切込み１ｂを形成した。円形プリプレグ１の中央部分１ａを図２に示す第１プレス型１０の十文字状半球１０ａの頂部に載置し、矩形分離片１ｃを前記半球凹溝部１０ａ上に沿わせると共に、扇形分離片１ｄを同プレス型１０の扇形突起１０ｂ上に位置させる。次いで図３に示す第２プレス型１１を前記第１プレス型１０に嵌合させて、前記中央部分１ａと矩形分離片１ｃとを半球状にプレス成形して賦形する。プレス型１０及び１１を嵌合する前に、プリプレグを軟化させるため、赤外線ヒーターで８０℃１０秒加熱した。その後、プレス型１０，１１内をエアブローで２０℃冷却した後、プリプレグの形状を固定化し脱型した。
【００３７】
取り出したプリプレグを、図５に示す第３プレス型２０の半球凸部２０ａ上に、同凸部２０ａの頂部と前記プリプレグ１の中央領域とを合わせて配置し、赤外線ヒーターで８０℃１０秒で加熱して軟化させ、図１０に示す第４プレス型２１を被せて扇形分離片１ｄを半球状に湾曲させて前記矩形分離片１ｃに接着させる。その後、プレス型内にエアブローで２０℃に冷却した後、プリプレグ形状を固定化して脱型し、プリフォーム成形品を得た。
【００３８】
このプリフォーム成形品を成形型にセットして、圧力４Ｋｇｆ／ｃｍ² でバッグ成形を行い、１２０℃２時間硬化を行い、成形品を得た。強度や、外観は良好で、生産安定性に優れる製品を得ることができた。
【００３９】
（比較例）
図１に示すように切り込みを入れた円形プリプレグ１を、図９及び図１０に示すプレス型２０，２１のみを用いて一度に半球状にプレス成形をした以外は上述した実施例と同様に成形を行った。その結果、プリプレグがプレス型に引き込まれ、シワや繊維の乱れが発生し、十分な品質のプリフォームが得られなかった。
【００４０】
以上説明したように、本発明の繊維強化複合材料成形品の製造方法にあっては、曲率が大きな立体形状であっても、シワが生じることなく、且つ均一な品質で効率よく製造することが可能である。更には、従来の手作業での積層を自動化することも可能であり、さらに品質安定性及び製造効率の向上を図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法において好適に使用されるプリプレグの平面図である。
【図２】本発明の製造方法において第一の成形時に好適に使用される第１プレス型の概略斜視図である。
【図３】図２の第１プレス型に対応した第２プレス型の裏面斜視図である。
【図４】本発明の製造方法における第一の成形時の状態を示す説明図である。
【図５】本発明の製造方法における第二の成形時の状態を示す説明図である。
【図６】本発明の製造方法において好適に使用される他のプリプレグの平面図である。
【図７】従来の製造方法において使用されるプリプレグの平面図である。
【図８】従来の製造方法において使用される他のプリプレグの平面図である。
【図９】従来の製造方法に使用される、及び本発明の製造方法における第二の成形時に好適に使用されるプレス型の概略斜視図である。
【図１０】図９のプレス型に対応したプレス型の裏面概略斜視図である。
【符号の説明】
１ 円形プリプレグ
１ａ 中央部分
１ｂ 切込み
１ｃ 矩形分離片（一部分離片）
１ｄ 扇形分離片（残部分離片）
２ 円形プリプレグ
２ａ 中央部分
２ｂ 切欠き
２ｃ 矩形分離片（一部分離片）
２ｄ 扇形分離片（残部分離片）
３ 円形プリプレグ
３ａ 中央部分
３ｂ 切込み
４ 円形プリプレグ
４ａ 中央部分
４ｂ 切欠き
１０ 第１プレス型
１０ａ 十文字状の凹溝部（凹溝部）
１０ｂ 扇形突起（突起部）
１１ 第２プレス型
１１ａ 枠体
１１ｂ 円形開口（嵌着形状）
１１ｃ 半球状十文字部
２０ 第３プレス型
２０ａ 半球状凸部
２１ 第４プレス型
２１ａ 半球状凹部

Claims (6)

1. 所定形状に裁断された繊維強化樹脂プリプレグ（１，２）に二以上の切込み（１ｂ）又は切欠き（２ｂ）を形成し、同切込み又は切欠きの隣接する端縁部分同士を重ね合わせて成形し、立体形状をなす繊維強化複合材料成形品を製造する方法において、
   前記切込み（１ｂ）又は切欠き（２ｂ）により分離された一部分離片（１ｃ，２ｃ）をプレス成形により立体形状に成形し、
   次に、前記一部分離片（１ｃ，２ｃ）にプレス成形により残部分離片（１ｄ，２ｄ）の一部を重ねて、全体を所望の立体形状に成形する、
   ことを特徴とする繊維強化複合材料成形品の製造方法。
2. 前記一部分離片（１ｃ，２ｃ）を位置決め片として、プレス型の所定部位に位置決めセットする、請求項１記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
3. 炭素繊維を強化繊維として、同炭素繊維が一方向に引き揃えられてなるプリプレグを用いる、請求項１又は２記載の繊維強化複合材料の製造方法。
4. 炭素繊維を強化繊維として、同炭素繊維を経糸と緯糸とに使われた炭素繊維二方向性織物であるプリプレグを用いる、請求項１又は２記載の繊維強化複合材料の製造方法。
5. 前記プリプレグを複数枚重ねて同時に成形する、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形品の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の製造方法を実施するための、立体形状を有する繊維強化複合材料成形品を成形する成形装置であって、
   第１及び第２の対となるプレス型（１０，１１）を備え、
   前記第１プレス型（１０）は、裏面側立体形状成形品のネガ形状の一部に前記残部分離片（１ｄ，２ｄ）が載置される突起部（１０ｂ）と、前記突起部（１０ｂ）に隣接するネガ形状の残部に前記一部分離片（１ｃ，２ｃ）が位置決め載置される凹溝部（１０ａ）とを有し、
   前記第２プレス型（１１）は、表面側立体形状成形品のネガ形状の一部に前記突起部（１０ｂ）に嵌着する嵌着形状（１１ｂ）を有してなる、
   ことを特徴とする繊維強化複合材料成形品の成形装置。

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