JP5074251B2

JP5074251B2 - 環状中空部材の成形方法

Info

Publication number: JP5074251B2
Application number: JP2008072645A
Authority: JP
Inventors: 裕也秦
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Toho Rayon Co Ltd
Priority date: 2008-03-20
Filing date: 2008-03-20
Publication date: 2012-11-14
Anticipated expiration: 2028-03-20
Also published as: JP2009226655A

Description

本発明は、プリプレグを用いたプレス成形において、環状中空部材を成形する方法に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケシン（ＰＥＥＫ）等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維からなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において利用されている。

従来、例えば、自動車等のハンドルは、金属製の芯材とそれを被覆する合成樹脂等の外被から構成されている（例えば、特許文献１と２）。しかしながら、かかる形態のハンドルは、当然のことながら重たいものであり、また、金属製の芯材と合成樹脂の接着性に問題がある場合がある。従って、前記のごとく軽量で且つ強度特性に優れたＦＲＰを用いて、ＦＲＰのみのハンドルを製作することも試みられている。
特公表２００４−５３７４７０号公報国際公開第９６／３１５６７号パンフレット

そして、自動車等のハンドルの様なＦＲＰの環状中空部材は、プリプレグを用いたプレス成形によって製作されるのが普通である。かかる成形においては、先ず（ａ）棒マンドレルにポリプロピレン等のフィルムを巻き付け、（ｂ）その上からプリプレグを巻き付け積層し、（ｃ）プレプレグの積層後、棒マンドレルを抜いてパイプ状の積層体のみとし、（ｄ）このパイプ状の積層体を円形の金型にセットして成形加工する方法が取られてきた。しかしこの方法では、棒状でパイプ状の積層体を円形に曲げるため、円形の内側にしわが発生し、その結果、成形品の品位が劣るだけでなく成形品ごとに品位が異なるという問題があった。

本発明の課題は、品位の優れた自動車等のハンドルの様なＦＲＰの環状中空部材を、プレス成形により成形する方法を提供することにある。

本発明の請求項１に記載された発明は、繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるプリプレグを用いて環状中空部材を成形するに際し、（１）該環状中空部材用のマンドレルを被覆するための、環状中空部材の上面部分用と下面部分用の２種類のドーナツ形状のプリプレグであって、それぞれの外円周及び内円周に沿って歯車形状のラップ部を設けたものを作製し、（２）該２種類のプリプレグを用いて、お互いのラップ部が互い違いになるようにして前記マンドレルを上下から被覆し、（３）得られた被覆物を上下分割型の環状金型にセットして賦形加工を行い賦形体とし、次いで、（４）前記金型の上型を取り外し、得られた賦形体を金型の下型にセットしたままの状態で、前記マンドレルを賦形体から引き抜いて取り除き、その後、（５）賦形体を成形用環状金型に再配置して成型加工を行うことを特徴とする環状中空部材の成形方法である。

そして、請求項２に記載された発明は、環状中空部材が、円形のハンドルであることを特徴とする請求項１記載の環状中空部材の成形方法である。この場合に、環状部材用のマンドレルは、通常、円形で輪状のものである。マンドレルの材質は、柔軟性があり変形自在のものである限り、金属製でも良いが、好ましくは、ゴムやポリメチルペンテンポリマー（ＰＭＰ）等の合成樹脂製のものである。

本発明においては、プリプレグの形状を、あらかじめ目的の成形品の形状にすること、且つ、歯車形状のラップ部を持たして、上下２枚のプリプレグが、歯車形状のラップ部で互い違いにオーバーラップして、環状中空部材を形成するように構成されている。従って、本発明によれば、プレス成形によって、しわ等の表面欠陥のないＦＲＰの環状中空部材、例えば、自動車等のハンドルを、生産効率良く成形することができる。表面の平滑性や品位も従来の方法によるものよりも優れたものが得られる。

本発明は、繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるプリプレグを用いて環状中空部材を成形す
る方法に関するものであるが、以下、本発明のステップごとに図を用いて説明する。

先ず工程（１）では、環状中空部材用のマンドレルを被覆するための、環状中空部材の上面部分用と下面部分用の２種類のドーナツ形状のプリプレグであって、それぞれの外円周及び内円周に沿って歯車形状のラップ部を設けたものを作製する。本発明において用いられるマンドレルは、後述の様に、マンドレルは賦形体から引き抜いて取り除くことかできるものでなければならないから、柔軟性があり変形自在のものである必要がある。好ましくは、ゴムやポリメチルペンテンポリマー（ＰＭＰ）等の合成樹脂製のものである。

プリプレグとは、繊維強化材に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などのマトリックス樹脂を含浸させ、流動性や粘着性を除いて取り扱い性を良くした成形中間材である。本発明において用いられるプリプリグについては、後述するが特に制限はない。本発明においては、環状中空部材用のマンドレルを被覆するためのドーナツ形状のプリプレグであって、それぞれの外円周及び内円周に沿って歯車形状のラップ部を設けたものを、シート状のプリプレグから切抜いて作製する。図１は、かかるドーナツ形状のプリプレグの一例を示している。図１の１は環状のマンドレルを被覆する部分であり、２は外円周及に沿って設けられた歯車形状のラップ部であり、３は内円周に沿って設けられた歯車形状のラップ部である。かかるプリプレグを、環状中空部材の上面（表面）部分用と下面（裏面）部分用の２枚準備する。

次に工程（２）では、前記のようにして作製された２枚のプリプレグを用いて、お互いのラップ部が互い違いになるようにして前記マンドレルを上下（表裏）から被覆し、被覆物を作成する。２枚のプリプレグは、全く同じ種類で同一形状のものであっても良いが、種類の違うプリプレグであっても良く、また、環状マンドレルを完全に被覆でき、且つ、完全に環状中空部材を形成できるものである限り、上面部分用と下面部分用で大きさ（図１の１の部分の幅）が異なっていても良く、あるいはラップ部の歯車形状が異なっていても良い。図２は、ドーナツ形状のプリプレグの他の例を示している。

次に工程（３）では、前記のごとくして得られた被覆物を上下分割型の環状金型にセットして賦形加工を行い賦形体とする。賦形加工の条件については特に制限はない。例えば、前記（２）で得られたドーナツ形状の被覆物を、上下分割型の下型にセットし、次いで上型をかぶせて上下型で締め込むことによって賦形体を得ることができる。

次に工程（４）では、賦形加工後、前記金型の上型を取り外し、得られた賦形体を金型の下型にセットしたままの状態で、前記マンドレルを賦形体から引き抜いて取り除く。本発明において用いられるマンドレルは、例えば、ゴムやＰＭＰ等の合成樹脂製で、柔軟性があり変形自在なものであるから、環状の賦形体に切れ目を入れ、その部分から引き抜いて取り除くことかできる。この際、賦形体は下型にセットされたままの状態であるので、賦形体が変形等することはない。マンドレルを引き抜き易くするためには、マンドレルに予めポリプロピレン等のフィルムを巻き付け被覆しておくのが好ましい。

その後、工程（５）では、前記のごとくして得られた賦形体を成形用金型に配置（セット）して、成型加工を行う。成形加工は、プレス成形によって行われる。プレス成形とは、プレス機と金型を使用して加熱・加圧・圧縮によりＦＲＰを成形する方法であり、本発明においては、特に制限はなく、通常の絞りプレス成形等を利用できる。金型の材質については特に制限はない。なお、賦形用の金型と成形用金型は、同一のものであっても別々のものであっても良い。

本発明において用いられるプリプレグとしては、補強用のガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の繊維強化材の織物、不織布等のシート状物に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させて得られたプリプレグが挙げられる。繊維強化材やマトリックス樹脂に関しては特に制限はないが、繊維強化材として好ましいのは炭素繊維又はガラス繊維であり、その織物が好ましい。織物としては、例えば、平織、綾織、朱子織等の経糸と緯糸から構成されるものの他、繊維束を一方向に引き揃えシート状としたもの、これを直角方向にステッチ糸で縫合した一軸織物、一方向に引き揃えたシート状物を角度を変えて複数積層し、これを直角方向にステッチ糸で縫合した多軸織物等が挙げられる。繊維強化材とマトリックス樹脂の割合は、繊維強化材が全体の３０〜７０重量％であるものが好ましい。なお、本発明において一方向配列繊維プリプレグとは、繊維束を一方向に引き揃えシート状にしたものとマトリックス樹脂からなるプリプレグを意味する（一軸織物を含む）。

マトリックス樹脂としては、熱硬化性や熱可塑性の樹脂を使用することができる。好ましいのは、熱硬化性樹脂であり、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂を予備重合した樹脂等が挙げられる。これらの熱硬化性樹脂は、適宜量配合したものでも良い。これらの樹脂のうち、耐熱性、弾性率、耐薬品性に優れたエポキシ樹脂組成物、ビニルエステル樹脂組成物が特に好ましい。これらの熱硬化性樹脂には、硬化剤、硬化促進剤等が含まれていても良い。以下、実施例で本発明を詳述する。

以下、実施例により本発明を説明する。円形環状の自動車用ハンドルを成形する例を説明する。先ず、図１に示したように、外円周及び内円周に沿って歯車形状のラップ部を設けたドーナツ形状のプリプレグを、シート状の炭素繊維のプリプレグから切抜いた。炭素繊維のプリプレグとしては、炭素繊維ＨＴＡ３Ｋ（東邦テナックス社製、汎用グレードの炭素繊維、３０００フィラメント）を経糸緯糸とした平織物（東邦テナックス社製、Ｗ−３１０１）に、エポキシ樹脂を含浸させたものを用いた（樹脂含有率：４０％）。このプリプレグを５枚、積層パターンが（０／９０）、（±４５）、（３０／１２０）、（±４５）、（０／９０）となる様に重ねてシート状にしたものを用いた。環状のマンドレルとしては、ＰＭＰ製の直径３０ｍｍの棒を、直径３６９ｍｍの円形にしたものを用いた。
マンドレルの両端部は接着により、あるいは両端部に穴を開けてピンにて固定した。また、マンドレルにはＰＰフィルムを巻き付けた後、成形用ナイロンバックを巻き付け被覆した。

図１において、１は上記環状のマンドレルを被覆する部分であり、幅が４０〜５０ｍｍとし、２は外円周及に沿って設けられた歯車形状のラップ部であり、高さが１０〜２０ｍｍで、上辺の長さが５０〜１００ｍｍで、下辺の長さを４５〜９５ｍｍとなるようにした。３は内円周に沿って設けられた歯車形状のラップ部であり、高さが１０〜２０ｍｍで、上辺の長さが３０〜５０ｍｍで、下辺の長さを３５〜５５ｍｍとなるようにした。かかるドーナツ形状のプリプレグを、環状中空部材の上面（表面）部分用と下面（裏面）部分用の２枚準備した。

次に、上記２種類のプリプレグを用いて、お互いのラップ部が互い違いになるようにして前記マンドレルを上下から被覆した。そして、得られた被覆物を上下分割型の環状金型にセットし、型締めして、賦形体とした。

その後、前記金型の上型を取り外し、得られた賦形体を金型の下型にセットしたままの状態で、環状の賦形体の一箇所（マンドレルの継ぎ目の箇所）に切れ目を入れ、その部分から前記マンドレルを引き抜いて取り除いた。そして、前記環状の成形用金型に配置して、面圧１０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力下、１１０℃で３０分間プレス成形を行った。その後、金型を冷却し脱型して得られたハンドル（環状中空部材）は、しわ等の表面欠陥のないものであった。

図１は、本発明で用いられる歯車形状のラップ部を有するドーナツ形状のプリプレグの一例を示す図である。図２は、本発明で用いられる歯車形状のラップ部を有するドーナツ形状のプリプレグの他の例を示す図である。

符号の説明

１環状のマンドレルを被覆する部分
２外円周に沿って設けられた歯車形状のラップ部
３内円周に沿って設けられた歯車形状のラップ部

Claims

繊維強化材とマトリックス樹脂とからなるプリプレグを用いて環状中空部材を成形するに際し、（１）該環状中空部材用のマンドレルを被覆するための、環状中空部材の上面部分用と下面部分用の２種類のドーナツ形状のプリプレグであって、それぞれの外円周及び内円周に沿って歯車形状のラップ部を設けたものを作製し、（２）該２種類のプリプレグを用いて、お互いのラップ部が互い違いになるようにして前記マンドレルを上下から被覆し、（３）得られた被覆物を上下分割型の環状金型にセットして賦形加工を行い賦形体とし、次いで、（４）前記金型の上型を取り外し、得られた賦形体を金型の下型にセットしたままの状態で、前記マンドレルを賦形体から引き抜いて取り除き、その後、（５）賦形体を成形用環状金型に再配置して成型加工を行うことを特徴とする環状中空部材の成形方法。
環状中空部材が、円形のハンドルであることを特徴とする請求項１記載の環状中空部材の成形方法。