JP6075675B1 - 繊維強化複合材料成形品の脱型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化複合材料成形品をプリプレグから製造する方法において、プレス成形された繊維強化複合材料成形品を、短時間で効率良く、しかも低エネルギーで脱型する方法を提供することを目的とする。【解決手段】プリプレグからプレス成形により製造される繊維強化複合材料成形品を脱型する方法であって、プレス成形後、上金型と下金型との間に繊維強化複合材料成形品が挟み込まれた状態から、上金型と下金型とを互いに離す工程と、前記上金型及び前記下金型の一方のプレス面に付着している繊維強化複合材料成形品と、付着している前記プレス面との間に向かって冷却ガスを吹き付けて、繊維強化複合材料成形品を金型からはずす工程とを含む、方法。【選択図】図４

Description

本発明は、プレス成形された繊維強化複合材料成形品を金型から脱型する方法に関する。

エポキシ等の樹脂及び繊維束から構成される繊維強化複合材料成形品は、エポキシ樹脂を繊維束に含浸・乾燥させて得られるプリプレグを、加熱及び加圧により硬化させて製造することができる。特許文献１の段落［００２２］に記載されているように、従来から、このような製造には、オートクレーブ成形、真空バグ成形、ＲＴＭ法、プレス成形が用いられてきた。

この中でも、生産性が高く、良質な繊維強化複合材料成形品が得られるという観点から、プレス成形法が望ましいとされている。

国際公開第２０１３／０８１０５８号パンフレット

しかしながら、プリプレグは金属材料とは異なり、プレス成形の際に、金型に硬化したプリプレグが付着しやすい。付着した硬化済プリプレグを金型からはずす（脱型する）ときは、金型を冷却する必要があり、冷却時間により、単位時間あたりの生産性が低くなってしまう。従来から、金型全体を冷却するために水冷又は油冷が用いられてきたが、時間がかかり、また、冷却後、連続的に繊維強化複合材料成形品を製造する場合は、冷却した金型を元の温度まで加熱しなければならず、繊維強化複合材料成形品を連続的に製造するためには、多く時の時間がかかっていた。

本発明は、繊維強化複合材料成形品をプリプレグから製造する方法において、プレス成形された繊維強化複合材料成形品を、短時間で効率良く、しかも低エネルギーで脱型する方法を提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、本発明に到達した。すなわち、本発明の１つは、プリプレグからプレス成形により製造される繊維強化複合材料成形品を脱型する方法であって、プレス成形後、上金型と下金型との間に繊維強化複合材料成形品が挟み込まれた状態から、上金型と下金型とを互いに離す工程と、前記上金型及び前記下金型の一方のプレス面に付着している繊維強化複合材料成形品と、付着している前記プレス面との間に向かって冷却ガスを吹き付けて、繊維強化複合材料成形品を金型からはずす工程とを含む、方法である。

本発明の製造方法では、金型に付着した硬化済プリプレグを短時間で脱型することができる。しかも、金型は脱型できる硬化済プリプレグと同一温度になるまで冷却する必要がないため、温度の上昇下降の幅が小さく、消費エネルギーを抑えることができる。

図１は、下金型にプリプレグを配置した時の図である。 図２は、上金型を降ろして、上金型と下金型でプリプレグを挟み込み、加圧しながら、加熱している状態の図である。 図３は、上金型を元の位置に戻した時の図である。プリプレグが上金型に付着している。 図４は、上金型の斜視図Ａである。 図５は、上金型の側面図である。 図６は、上金型の斜視図Ｂである。斜視図Ａの状態から裏返した状態である。 図７は、上金型の断面図である。

本発明を、実施例を用いて詳細に説明する。なお、本発明は、実施例に限定されるものではなく、当業者に周知された範囲で適宜設計変更等することが可能である。

［繊維強化複合材料成形品の脱型方法について］
本明細書において、繊維強化複合材料成形品とは、繊維基材と、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、又は樹脂組成物との複合体を加熱及び加圧することにより得られるものである。また、プリプレグは、繊維基材、例えば、カーボンファイバー、カラスファイバー等の繊維基材に、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を塗工（含浸）し、乾燥及び加熱させた半硬化させたものである。繊維基材としては、０．０３ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さの炭素繊維材が好ましい。また、本発明におけるプリプレグの材料として使用する樹脂としては、熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂のどちらでも使用することができるが、１００〜１５０℃程度で硬化する熱硬化性樹脂が好ましい。好ましい熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂等が挙げられる。また本発明におけるプリプレグには、熱可塑性樹脂を使用してもよい。使用できる熱可塑性樹脂としては、アクリル、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、塩化ビニール、ポリアミド樹脂が挙げられる。これらは、単独で用いてもよいし、複数混合して用いてもよい。また、熱硬化性樹脂の少なくとも一種に、他の樹脂（例えば、他の熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等）の少なくとも一種とを混合させて得られる熱硬化性樹脂組成物も好ましく用いることができる。なお、繊維強化樹脂複合材料成形品と、前記プリプレグ及びアルミ、鉄、チタン等の金属を加熱・加圧して接合させた繊維強化樹脂複合材料・金属一体化成形品とを含むものとする。繊維強化複合材料成形品は、用途・形状に応じて、繊維強化複合材料を成形させたもので、航空機、自動車等の部品等に使用することができる。

本実施例の脱型方法について説明する。本発明の脱型方法は、プリプレグをプレス成形により加熱及び加圧し、繊維強化複合材料成形品を製造する際において、プレス成形して得られた繊維強化複合材料が型に付着している状態から、脱型する方法である。本発明の脱型方法を含む、プリプレグをプレス成形により加熱及び加圧し繊維強化複合材料成形品を製造する装置は、図１のような上金型３、下金型４を備えるプレス成形機１を使用する。プレス成形機１は、上金型３を上下可動でき、上金型３と、下金型４との間にある物を圧縮（プレス）することができる。プレス成形機１は、上金型用加熱部６、下金型加熱部７を備え、上金型３、下金型４をそれぞれ加熱することができる。また、プレス成形機１は、冷却部５，５を備えている。

本実施例では、繊維強化複合材料成形品の中で繊維強化樹脂複合材料成形品の製造について説明する。まず、上金型３及び下金型４を１２０℃〜１６０℃程度に加熱する。熱可塑性樹脂を用いた場合は２３０℃〜２９０℃程度である。この金型温度は、使用するプリプレグの樹脂の硬化温度に応じて適宜選択する。次に、下金型４の上の中央付近にカーボンファイバー含有エポキシ樹脂のプリプレグ２を配置させる。このとき、プリプレグ２は、必要により予備加熱したものを使用する。この状態を図１で示す。なお、繊維強化樹脂複合材料成形品ではなく、繊維強化複合材料・金属一体化成形品を製造する場合は、シート状の鉄、アルミニウム、チタン等の金属の上にプリプレグを配置させる。

そして、上金型３を下方に移動させて、プリプレグ２を上金型３と、下金型４とで挟み込み、加圧する。この時の圧力は、１ＭＰａ〜８ＭＰａ程度である。プレス時間は３０秒〜１８０秒程度である。なお、この時の状態を図２で示す。

上記の加圧・加熱により、プリプレグ２は硬化し、硬化済プリプレグ２１（繊維強化複合材料成形品）となる。

製造した硬化済プリプレグ２１を取り出すために、上金型３を上昇させる。このとき、硬化済プリプレグ２１は、上金型３の表面に付着している。この時点では、硬化済プリプレグ２１及び上金型３ともに高温であり、すぐに硬化済プリプレグ２１を上金型３から脱型することができない。

硬化済プリプレグ２１を脱型するために、冷却ガス誘導管５２，５２により、誘導された冷却ガスを、冷却ガス吹出部５１，５１から硬化済プリプレグ２１の横方向から吹きかける。冷却ガスは、硬化済プリプレグ２１と、上金型３との間に冷却ガスが入り込むように、吹きかけることが好ましい。

冷却ガス吹出部５１，５１は、硬化済プリプレグ２１に横から広範囲にあたるように、丸型よりも扁平状に近い形状の吹出口を有するものが好ましい。

冷却ガスを吹きかけると、硬化済プリプレグ２１と、上金型３のプレス面３１（表面）が瞬間的に冷却され、硬化済プリプレグ２１を脱型することができる。

ここで、冷却ガスは、硬化済プリプレグ２１とプレス面３１とが瞬時に冷却できる冷却ガスであれば特に限定されないが、−３０℃以上−５℃以下の空気を使用することが好ましい。例えば、−２０℃程度の空気を作る装置としては、日本精器株式会社製「ジェットクーラー（商品名）」等が挙げられる。

冷却ガスにより冷却された硬化済プリプレグ２１は、上金型３から脱型する。脱型するまでにかかる時間は、冷却ガスを吹き付けてからおおよそ５秒〜６０秒程度であり、極めて短時間である。しかも、硬化済プリプレグ２１を脱型したあとの金型の温度は、１１０〜１５０℃程度である。また、熱可塑性樹脂を用いた場合は、２２０〜２８０℃である。本発明の脱型方法では、冷却ガスを用いるが、金型の温度は−５℃〜−１０℃程度しか低下しない。

熱硬化性樹脂の代わりに熱可塑性樹脂を含浸させた場合は、例えば、プリプレグ２を予め加熱して賦形したプリフォームを製造してから、加熱及び加圧（プレス成形）することにより、繊維強化複合材料成形品を製造することができる。このときの脱型方法はすでに説明したものと同様であるが、加熱温度は、熱硬化性樹脂を使用する場合に比べて金型温度を高い温度に設定することが好ましい。

［金型について］
上記したように、本発明の脱型方法は、冷却ガスを、金型に付着したプリプレグと、プレス面との間に向けて吹き付けることで、金型と硬化済プリプレグとの付着部分が急速に冷却されて、取り出すことができる特徴を有している。

金型（図４では実施例の上金型３）は、上記冷却ガスが、付着している硬化済プリプレグ２１と、プレス面３１との間に入りやすくなっている構造を有している。

具体的には、図４（斜視図Ａ）のように、上金型３は、冷却ガスを、プレス面３１の中央に導入しやすくするための傾斜部３２，３２を有している。冷却ガス吹出部５１，５１から吹き出された冷却ガスが、付着している硬化済プリプレグ２１と、プレス面３１との間に入り込みやすくなるように、傾斜部３２，３２は、冷却ガス吹出部５１，５１の近傍に配置されることが好ましい。

傾斜部３２，３２は、プレス面３１全体に冷却ガスが広がるような形状であることが好ましく、具体的には、傾斜部３２，３２の形状は、上金型３の端から中心に向かって広がるような形状を有することが好ましく、そのような形状の一例として、図４の実施例のように台形のような形状が挙げられる。

傾斜部３２，３２の傾斜角は、特に限定されるものではないが、通常、上金型の設置面に対して１０〜４５度程度である。

上金型３は、図５（側面図）、図６（斜視図Ｂ）、図７（断面図）で示すように、プレス面３１の反対側の面は中空部３５を有するようにくりぬいてあることが好ましい。なお、中空部とは、上金型又は下金型においてプリプレグが接触する面に向かい合う反対側の面がくりぬかれた部分を指す（図６等参照）。中空部の形状は、図６のように、直方体状でもよいし、他の形状でもよい。また、中空部の大きさは特に限定されないが、金型全体の体積に対して、５０％〜８０％にすることができる。また、金属のインゴットから中をくりぬいて金型を製作するだけでなく、板状の金属を組み合わせて、接合させて金型を製作することもできる。このように板材を組み合わせて製作した金型も、本発明の範囲内とする。板材を組み合わせて製作した場合は、廃棄物を抑えつつ、大きな中空部を設けることができる。

本実施例の場合、金型の水冷却は行わないため、金型内に水冷管を配置する必要がないので金型に中空部を設けることができる。金型は、当然のごとく、図１〜図７でも示せるように、把持部３３を有し、必要な形状を有する金型を交換することができるが、本発明では、中空部３４を有することで、中空部３４を有さないインゴット状の金型に比べて、重量が２／３〜１／２程度減少することになり、容易に金型の交換を行うことができ、しかも加熱による温度上昇が早くなるため、好ましい。

また、本発明の繊維強化複合材料成形品は、シート状のものだけでなく、その他の形状も制作することが可能である。

以下、本実施例の効果について説明する。
［効果］
［１］プリプレグ２からプレス成形により製造される繊維強化複合材料成形品（硬化済プリプレグ２１）を脱型する方法であって、プレス成形後、上金型３と下金型４との間に繊維強化複合材料成形品が挟み込まれた状態から、上金型３と下金型４とを互いに離す工程と、前記上金型３及び前記下金型４の一方のプレス面に付着している繊維強化複合材料成形品と、付着している前記プレス面との間に向かって冷却ガスを吹き付けて、繊維強化複合材料成形品を金型3又は４からはずす工程とを含む、方法は、金型に付着した硬化済プリプレグ２１を短時間で脱型することができる。しかも、硬化済プリプレグは短時間に脱型することができるため、温度の上昇下降の幅が小さく、消費エネルギーを抑えることができる。具体的には、冷却ガスを、硬化済プリプレグ２１と、前記プレス面３１との間に向かって冷却ガスを吹き付けると、付着している部分が急速に冷却され、短時間で、硬化済プリプレグ２１を脱型することができる。短時間で硬化済プリプレグ２１をはがすことができれば、次に製造するために所定の温度（１３０〜１５０℃）に加熱するための時間も短くなる。さらには、金型全体の温度を下げる必要がないため、金型の温度は、低くなりすぎず（−５℃〜−１０℃程度しか下がらない）、所定の温度に加熱しやすくなる。一方、従来の技術による水冷では、金型温度が、１００℃以下まで低下するため、再加熱する際に、時間とエネルギーが必要になる。すなわち、本発明は、時間を短縮するだけでなく、加熱に必要な消費カロリーを低くおさえることができるため、極めて経済的である。さらに、樹脂内で、繊維束が変形して、繊維束の配置がずれてしまうことを防止し、意匠性を高めることができる。

［２］前記プリプレグ２は、熱硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂組成物と、炭素繊維基材とを含む場合は、所定の温度で樹脂が硬化するため、冷却ガスの吹き付けにより、容易に金型から外すことできる。

［３］前記冷却ガスが前記繊維強化複合材料成形品２１と前記プレス面と３１との間に入り込みやすくなるように、前記プレス面３１の端に傾斜部３２，３２を備え、前記冷却ガスは前記傾斜部３２，３２から前記プレス面の中心に向かって導入されるのであれば、より多くの冷却ガスを硬化済プリプレグ２１と、プレス面との間に取り込みやすくなるため、プレス面の冷却速度が極めて速くなる。

［４］前記傾斜部３２，３２が、前記プレス面３１の端から前記プレス面３１の中心に向かって広がるような形状を有するのであれば、傾斜部３２，３２から導入されるガスを、付着している硬化済プリプレグ２１と、プレス面３１との間に広く拡散することができため、他時間で硬化済プリプレグ２１をはがすことができる。

［５］前記上金型３と前記下金型４の少なくとも一方が、中空の金型であれば、冷却して硬化済プリプレグ２１を脱型した後、素早く所定の温度まで加熱することができるため、製造工程における時間的なロスが少なく、単位時間あたりに硬化済プリプレグ２１の製造量を増加させることができる。また、金型が中空にすれば、軽量になり、金型の交換が容易である。このような効果は、水冷金型では奏することができない効果である。

［６］冷却ガスの温度が、−３０℃以上−５℃以下であるであれば、繊維強化複合材料成形品及び繊維強化複合材料成形品が付着している金型表面を瞬時に冷却することができ、その結果、短時間で脱型することができる。

１ プレス成形機
２ プリプレグ
２１ 硬化済プリプレグ（繊維強化複合材料成形品）
３ 上金型
３１ プレス面
３２ 傾斜部
３３ 把持部
３４ 中空部
４ 下金型
５ 冷却部
５１ 冷却ガス吹出部
５２ 冷却ガス誘導管
６ 上金型加熱部
７ 下金型加熱部

Claims (5)

1. プリプレグからプレス成形により製造される繊維強化複合材料成形品を脱型する方法であって、
   プレス成形後、上金型と下金型との間に繊維強化複合材料成形品が挟み込まれた状態から、上金型と下金型とを互いに離す工程と、
   前記上金型のプレス面に付着している繊維強化複合材料成形品と、付着している前記プレス面との間に向かって冷却ガスを吹き付けることにより、繊維強化複合材料成形品を金型からはずす工程とを含み、
   前記プリプレグは、熱硬化性樹脂又は熱硬化性樹脂組成物と、炭素繊維基材とを含む、方法。
2. 前記冷却ガスが前記繊維強化複合材料成形品と前記プレス面との間に入り込みやすくなるように、前記プレス面の端に傾斜部を備え、前記冷却ガスは前記傾斜部から前記プレス面の中心に向かって導入される、請求項１に記載の方法。
3. 前記傾斜部が、前記プレス面の端から中心に向かって広がるような形状を有する、請求項２に記載の方法。
4. 前記上金型と前記下金型の少なくとも一方が、中空の金型である、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 冷却ガスの温度が、−３０℃以上−５℃以下である、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。