JP5017040B2 - プリフォームの製造方法および製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、強化繊維に未硬化樹脂が含浸されたプリプレグを成形してプリフォームを製造するプリフォームの製造方法および製造装置に関する。

繊維強化樹脂の成形品を作製する方法として、例えば、強化繊維に未硬化樹脂が含浸されたシート状のプリプレグを成形してプリフォームを製造し、このプリフォームを成形する方法が知られている。
プリフォームを製造する際には、作製しようとする成形品の形状に応じて、シート状のプリプレグの周縁部を折曲することがある。ところが、周縁部を折曲すると、得られるプリフォームに皺が発生することがあった。例えば、多角形状のシートの周縁部を折曲した場合には、隅の部分にて皺が発生した。この皺は、プリプレグを折曲した際に、隅の部分にて所定の形状に対してプリプレグが余剰になり、その余剰部分が折り重なるために生じる。
そこで、プリプレグに切り込みを形成しておき、その切り込みの両側の近傍同士を重ね合わせることによって、余剰の部分が折り重ならないようにすることがある。
切り込みの両側の近傍同士を重ね合わせる作業は手作業で行われていたが、手作業では生産性が低い。そのため、特許文献１では、複数の型を用い、成形機を適用して、切り込みの両側を重ね合わせる方法が提案されている。
再公表ＷＯ２００４／０１８１８６号公報

しかしながら、特許文献１に記載の方法では、プリフォームの製造に要する工程数が多くなるため、生産性を充分に高くできなかった。
しかも、プリプレグを雌型と雄型とで挟んでプリフォームを製造する場合には、プリプレグに切り込みを形成しても、得られるプリフォームに皺が発生することがあった。
本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、プリフォーム製造の生産性が高い上に、切り込みを形成したプリプレグを雌型と雄型とで挟んでプリフォームを製造する場合でも、得られるプリフォームにおける皺の発生を抑制できるプリフォームの製造方法および製造装置を目的とする。

本発明者が調べた結果、プリプレグを雌型と雄型とで挟んだ場合には、切り込みの両側の近傍同士が重なり合わず、皺が発生する場合があることを見出した。そして、その知見に基づき、さらに検討して、以下のプリフォームの製造方法および製造装置を発明した。

すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
［１］ シート状のプリプレグを切り込んで、その両側を重ね合わせて賦形するプリフォームの製造方法であって、
雌型に取り付けた帯状または棒状の弾性部材によって、プリプレグの、切り込みの片側の近傍を雄型に押圧しながら、プリプレグを雄型により雌型内に押し込んで賦形することを特徴とするプリフォームの製造方法。
［２］ 雌型および雄型を具備し、シート状のプリプレグに形成された切り込みの両側を重ね合わせて賦形するプリフォームの製造装置であって、
プリプレグを雄型により雌型内に押し込む際に、プリプレグの、切り込みの片側の近傍を雄型に押圧する帯状または棒状の弾性部材が雌型に取り付けられていることを特徴とするプリフォームの製造装置。

本発明のプリフォームの製造方法および製造装置によれば、プリフォーム製造の生産性が高い上に、切り込みを形成したプリプレグを雌型と雌型とで挟んでプリフォームを製造する場合でも、得られるプリフォームにおける皺の発生を抑制できる。

（プリフォームの製造装置）
本発明のプリフォームの製造装置（以下、製造装置と略す。）の一実施形態例について説明する。
図１および図２に、本実施形態例の製造装置を示す。この製造装置１は、雌型１０と雄型２０とを具備し、隅部３１に切り込み３２が形成されたシート状のプリプレグ３０（図３参照）を雌型１０と雄型２０とで挟み、プリプレグ３０を賦形して、プリフォームを製造するものである。

本実施形態例における雌型１０は、直方体であって、上面１１にて開口したキャビティ１２を有するものである。キャビティ１２は、開口部１２ａおよび底面１２ｂが共に略正方形であって、開口部１２ａから底面１２ｂに向かうにつれて開口面積が次第に小さくなっている空間である。

雄型２０は、上下動し、雌型１０のキャビティ１２に嵌合するものである。本実施形態例における雄型２０は、胴部２１と胴部２１より下に位置する下端部２２とからなり、水平方向に切断した際の切断面が略正方形のものである。雄型２０の下端部２２は、雌型１０側になるにつれて、その面積が小さくなっている。具体的には、胴部２１の切断面は雌型１０のキャビティ１２の開口部１２ａと同一形状になっており、下端部２２の底面２２ａは雌型１０のキャビティ１２の底面１２ｂと同一形状になっている。

また、本実施形態例における製造装置１では、帯状の弾性部材４０が、雌型１０に取り付けられている。具体的には、弾性部材４０は、プリプレグ３０を雌型１０の上面１１に載せた際に、図４および図５に示すように、プリプレグ３０の、切り込み３２の片側の近傍部３３（以下、切り込み近傍部３３と略す。）の下に配置されるように、雌型１０に取り付けられている。本実施形態例では、図３に示すように、弾性部材４０が４つ設けられているが、そのうちの２つは、プリプレグ３０の一辺（第１の辺３５）に接し、残りの２つは第１の辺３５に対向する第２の辺３６に接するようになっている。
また、弾性部材４０は、その先端が、下降中の雄型２０の側面に達するように取り付けられている。
弾性部材４０が上記のように取り付けられていることにより、プリプレグ３０を雄型２０により雌型１０内に押し込む際に、プリプレグ３０の切り込み近傍部３３を雄型２０に押圧するようになっている。

弾性部材４０を構成する材料としては、例えば、金属やプラスチックの薄片からなる板ばねなどが挙げられる。

この製造装置１により賦形されるプリプレグ３０は、平面形状が略正方形であって、キャビティ１２の開口部１２ａより僅かに大きいものである（図３参照）。
プリプレグ３０を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも比強度および比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。
熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硬化後の強度を高くできることから、エポキシ樹脂が好ましい。
プリプレグ３０中には、硬化剤、離型剤、脱泡剤、紫外線吸収剤、充填材などの各種添加剤などが含まれてもよい。
プリプレグ３０の形態は、強化繊維が一方向に引き揃えられたＵＤプリプレグであってもよいし、強化繊維が製織された織物プリプレグであってもよい。

（プリフォームの製造方法）
次に、上述した製造装置１を用いたプリフォームの製造方法の実施形態例について説明する。
本実施形態例の製造方法では、まず、プリプレグ３０を雌型１０の開口部１２ａ上に載せる。その際、図３に示すように、プリプレグ３０の四隅が開口部１２ａの四隅に対応し、かつ、図４および図５に示すように、弾性部材４０がプリプレグ３０の切り込み近傍部３３の下に位置するように、プリプレグ３０を配置する。また、必要に応じて、プリプレグ３０を加熱することができる。

加熱する場合の加熱温度は４０〜８０℃であることが好ましい。加熱温度を４０℃以上にすれば、所定のプリフォームの形状に容易に成形でき、８０℃以下にすれば、プリフォーム製造時の硬化性樹脂の硬化を防ぐことができる。

次いで、雄型２０を下降させて雌型１０内に押し込む。図６に示すように、雄型２０が下降して、雄型２０の底面２２ａが弾性部材４０を押圧するようになると、弾性部材４０がプリプレグ３０の切り込み近傍部３３を雄型２０に押圧するようになる。
次いで、弾性部材４０によってプリプレグ３０の切り込み近傍部３３を雄型２０に押圧しながら雄型２０をさらに下降させ、プリプレグ３０を雌型１０と雄型２０とで挟み込んで、所定のプリフォームの形状に賦形する。

賦形時の圧力は０．０１〜０．１ＭＰａであることが好ましい。圧力を０．０１ＭＰａ以上にすれば、所定のプリフォームの形状に容易に成形でき、０．１ＭＰａ以下にすれば、製造装置を単純化できる。

その後、雄型２０を上昇させて、得られたプリフォームを雌型１０のキャビティ１２から取り出す。プリフォームを雌型１０から取り出した後、弾性部材４０の形状は元の状態に戻るため、再度、切り込み近傍部３３を雄型２０に押圧できる。
このようにして製造したプリフォームを、金型内に配置し、加熱することにより、所定の形状の繊維強化樹脂製の成形品を得ることができる。

以上説明した製造装置１を用いた製造方法では、プリプレグ３０を雄型２０により雌型１０に押し込む際に、プリプレグ３０の切り込み近傍部３３を弾性部材４０によって雄型２０に押圧するため、プリプレグ３０の切り込み近傍部３３を、もう一方の片側の切り込み近傍部３４より先に折曲させることができる（図７参照）。その後、プリプレグ３０を雌型１０と雄型２０とで挟み、切り込み近傍部３４を折曲させることにより、図８に示すように、切り込み近傍部３３に切り込み近傍部３４を重ねることができる。したがって、この製造方法によれば、切り込み３２を形成したプリプレグ３０を雌型１０と雄型２０とで挟んでも、切り込み近傍部３３，３４同士が突き合って折り重なることを防止できるため、プリフォームにおける皺の発生を抑制できる。
また、この方法では、プリフォームの製造で複数の雌型を使用しなくてもよく、工程数を少なくできるため、生産性が高い。

このようにして製造したプリフォームを、金型内に配置し、加熱することにより、所定の形状の繊維強化樹脂製の成形品を得ることができる。

なお、本発明は上述した実施形態例に限定されない。例えば、雌型及び雄型の形状は特に制限されず、雌型はプリフォームの形状に応じたキャビティを有していればよく、雄型はキャビティに嵌合する形状であればよい。キャビティの水平方向に切断した際の切断面の形状は、三角形状、正方形以外の四角形状等の多角形状、円形状、楕円形状、扇形状などであってもよい。
また、弾性部材は棒状であっても構わない。
また、シート状のプリプレグは複数枚重ねてもよい。ただし、シート状のプリプレグを重ねる場合には、図９に示すように、切り込み３２，３２，３２をずらして配置することが好ましい。このように配置した場合には、図１０に示すように、得られるプリフォームの隅部において、局所的な肉厚が生じないようにプリプレグ３０，３０，３０・・・同士が重なる。したがって、応力が集中することによる強度低下を防ぐことができ、かつ、プリフォームの皺の発生をより抑制することができる。

炭素繊維を一方向に引き揃えた一方向材にエポキシ樹脂を加熱含浸させて、一方向プリプレグを得た。このプリプレグを２枚重ねてプリプレグ積層体を得た。その際、炭素繊維の方向が交互に直交するようにプリプレグを積層した。
次いで、上記プリプレグ積層体を略正方形に裁断し、また、隅部に楔形状の切り込みを形成した。

次いで、切り込みを形成したプリプレグ積層体（以下、「プリプレグ積層体」のことも説明の便宜上「プリプレグ」という。）を、図１および図２に示す製造装置１における雌型１０の開口部１２ａ上に載せた。その際、図３に示すように、プリプレグ３０の四隅が開口部１２ａの四隅に対応し、かつ、図４および図５に示すように、プリプレグ３０の切り込み近傍部３３の下に弾性部材４０である板ばねが位置するように、プリプレグ３０を配置した。
さらに、そのプリプレグ３０の上に、切り込み３２を形成したプリプレグ３０を３つ積層した。その際にも、プリプレグ３０の切り込み近傍部３３の下に板ばねが位置し、さらに、各プリプレグ３０の切り込み３２が順次ずれるように、プリプレグ３０を配置した。

次いで、積層したプリプレグ３０を赤外線ヒータにより加熱した後、雄型２０を下降させ、プリプレグ３０を雌型１０内に押し込んだ。このとき、板ばねによって、各プリプレグ３０の切り込み近傍部３３を雄型２０に押圧させた。
次いで、積層したプリプレグ３０を、雌型１０と雄型２０とで挟み込んで、プリプレグ３０の切り込み近傍部３３以外の部分を折曲し、切り込み３２の両側同士を重ね合わせ、賦形して、プリフォームを得た。そして、雌型１０および雄型２０に空気を吹き付けて冷却した後、雄型２０を上昇させて、得られたプリフォームを雌型１０のキャビティ１２から取り出した。

次いで、得られたプリフォームを圧縮成形用の下型内に配置し、これを上型で挟み、加熱加圧して、繊維強化樹脂製の成形品を得た。

プリプレグを雄型により雌型に押し込む際にプリプレグの切り込み近傍部を板ばねによって雄型に押圧した上記実施例では、プリフォーム製造の生産性が高い上に、得られるプリフォームにおける皺の発生を抑制できた。そのため、このプリフォームから得られた成形品についても皺の発生が抑制されていた。

本発明のプリフォームの製造装置の一実施形態例を示す上面図である。 図１のプリフォームの製造装置の縦断面図である。 プリプレグの切り込み及び弾性部材の配置を説明する図である。 図３における弾性部材付近を拡大した上面図である。 図４のＩ−Ｉ断面図である。 図１のプリフォームの製造装置を用いたプリフォームの製造方法を説明する図である。 図６の要部を拡大した図である。 プリプレグの、切り込みの両側の近傍同士を重ね合わせた状態を示す図である。 プリプレグを複数枚重ねた形態を示す図である。 プリフォームにおけるプリプレグの積層状態を示す断面図である。

符号の説明

１ 製造装置（プリフォームの製造装置）
１０ 雌型
１１ 上面
１２ キャビティ
１２ａ 開口部
１２ｂ 底面
２０ 雄型
２１ 胴部
２２ 下端部
２２ａ 底面
３０ プリプレグ
３１ 隅部
３２ 切り込み
３３，３４ 切り込み近傍部
４０ 弾性部材

Claims (2)

1. シート状のプリプレグを切り込んで、その両側を重ね合わせて賦形するプリフォームの製造方法であって、
   雌型に取り付けた帯状または棒状の弾性部材によって、プリプレグの、切り込みの片側の近傍を雄型に押圧しながら、プリプレグを雄型により雌型内に押し込んで賦形することを特徴とするプリフォームの製造方法。
2. 雌型および雄型を具備し、シート状のプリプレグに形成された切り込みの両側を重ね合わせて賦形するプリフォームの製造装置であって、
   プリプレグを雄型により雌型内に押し込む際に、プリプレグの、切り込みの片側の近傍を雄型に押圧する帯状または棒状の弾性部材が雌型に取り付けられていることを特徴とするプリフォームの製造装置。

Images