JP6421387B2 - 繊維プリフォームのプレス成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、上型および下型の少なくとも一方が複数のセグメントに分割された金型と、繊維テープを引き出し可能に巻き取った複数のクリールを前記上型および前記下型間に前進・後退可能に並置したクリール群とを用いて、繊維強化樹脂部材の補強材となる繊維プリフォームをプレス成形する繊維プリフォームのプレス成形方法に関する。

繊維強化樹脂部材の製造方法の一つであるＲＴＭ（樹脂トランスファー成形法）は、複数の繊維層を積層して所定の三次元形状に賦形した繊維プリフォームを金型内にセットして型締めした後に、金型内に低粘度の樹脂を高圧で注入して繊維プリフォームを包むように硬化させるものである。樹脂の硬化後に金型から取り出された製品は、外周部のトリム加工や孔あけ加工を経て完成品となる。

かかる繊維プリフォームを製造する方法として、繊維テープを引き出し可能に巻き取った複数のクリールを金型の一側に並置し、複数のクリールに対応して設けた複数のグリッパで繊維テープの端部を掴んで開いた金型を横断するように引き出した後、金型を閉じて繊維テープをプレスすることで繊維プリフォームを成形するものが、下記特許文献１により公知である。

特表２０１４−５１０１７８号公報

ところで、上記従来のものは、一端がグリッパに固定されて他端がクリールに固定された繊維テープが金型を横断する状態でプレス成形されるため、固定部であるグリッパおよびクリールから離れた繊維テープの中間部が金型に対して位置ずれしてしまい、繊維テープの密度が局部的に不均一になって繊維プリフォームの成形精度が低下する問題があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、クリールから引き出した繊維テープを金型でプレスして成形される繊維プリフォームの成形精度を高めることを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、上型および下型の少なくとも一方が複数のセグメントに分割された金型と、繊維テープを引き出し可能に巻き取った複数のクリールを前記上型および前記下型間に前進・後退可能に並置したクリール群とを用いて、繊維強化樹脂部材の補強材となる繊維プリフォームをプレス成形する繊維プリフォームのプレス成形方法であって、型開きした前記上型および前記下型間に前記金型の一端側から他端側に向けて前記複数のクリールを前進させる工程と、前記複数のクリールからそれぞれ引き出した前記繊維テープを前記金型の他端側に固定する工程と、前記複数のクリールを前記金型の他端側から一端側に向けて後退させながら、前記複数のセグメントを前記金型の他端側のものから一端側のものへと順番に加圧する工程とを含むことを特徴とする繊維プリフォームのプレス成形方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記クリールから引き出した前記繊維テープを固定するクランプを前記金型の他端側に昇降自在に設けたことを特徴とする繊維プリフォームのプレス成形方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１または請求項２の構成に加えて、前記金型は、前記上型および前記下型の開閉方向に延びる軸線まわりに回転可能であることを特徴とする繊維プリフォームのプレス成形方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１〜請求項３の何れか１項の構成に加えて、前記クリール群は、相互に交差する方向に前進・後退可能に並置された複数のクリール群からなることを特徴とする繊維プリフォームのプレス成形方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記上型および前記下型が共に複数のセグメントに分割されることを特徴とする繊維プリフォームのプレス成形方法が提案される。

尚、実施の形態の上型セグメント１１ａおよび下型セグメント１２ａは本発明のセグメントに対応し、実施の形態の第１クリール１５Ａおよび第２クリール１５Ｂは本発明のクリールに対応し、実施の形態の第１クリール群１６Ａおよび第２クリール群１６Ｂは本発明のクリール群に対応する。

請求項１の構成によれば、上型および下型の少なくとも一方が複数のセグメントに分割された金型と、繊維テープを引き出し可能に巻き取った複数のクリールを上型および下型間に前進・後退可能に並置したクリール群とを用いて、繊維強化樹脂部材の補強材となる繊維プリフォームをプレス成形するので、１枚の繊維シートから繊維プリフォームをプレス成形する場合に比べて、繊維プリフォームに発生する皺を低減することができる。

しかも型開きした上型および下型間に金型の一端側から他端側に向けて複数のクリールを前進させ、次に複数のクリールからそれぞれ引き出した繊維テープを金型の他端側に固定し、次に複数のクリールを金型の他端側から一端側に向けて後退させながら、複数のセグメントを金型の他端側のものから一端側のものへと順番に加圧するので、繊維テープは常に固定された部分の近傍でプレス成形されることになり、繊維テープの位置ずれを防止して皺の発生を一層低減するとともに繊維プリフォームの成形精度を一層高めることができる。

また請求項２の構成によれば、クリールから引き出した繊維テープを固定するクランプを金型の他端側に昇降自在に設けたので、繊維テープの端部を金型のプレス面の高さに合わせて固定することで、繊維テープの弛みを防止しながら精度良くプレス成形することができる。

また請求項３の構成によれば、金型は、上型および下型の開閉方向に延びる軸線まわりに回転可能であるので、繊維の配向方向が異なる複数層の繊維テープを積層して強度の高い繊維プリフォームを得ることができる。

また請求項４の構成によれば、クリール群は、相互に交差する方向に前進・後退可能に並置された複数のクリール群からなるので、複数層の繊維テープを同時にプレス成形して繊維プリフォームの生産効率を高めることができる。

また請求項５の構成によれば、上型および下型が共に複数のセグメントに分割されるので、目標とする繊維プリフォームの形状に合わせて上型のセグメントおよび下型のセグメントを同時に上下動させることで、複雑な形状の繊維プリフォームを皺の発生を防止しながら容易に成形することができる。

金型およびクリール群の斜視図。（第１の実施の形態） 図１の２Ａ−２Ａ線断面図および図２（Ａ）の２Ｂ方向矢視図。（第１の実施の形態） 繊維プリフォームの第１層の繊維テープのプレス工程の説明図（その１）。（第１の実施の形態） 繊維プリフォームの第１層の繊維テープのプレス工程の説明図（その２）。（第１の実施の形態） 繊維プリフォームの第２層の繊維テープのプレス工程の説明図（その１）。（第１の実施の形態） 繊維プリフォームの第２層の繊維テープのプレス工程の説明図（その２）。（第１の実施の形態） 図５（Ｆ）に対応するプレス工程の説明図。（第２の実施の形態） 金型およびクリール群の斜視図。（第３の実施の形態） 図８の９Ａ−９Ａ線断面図および図９（Ａ）の９Ｂ方向矢視図。（第３の実施の形態） 繊維プリフォームの第１層および第２層の繊維テープのプレス工程の説明図。（第３の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

図１および図２に示すように、繊維プリフォームの製造装置は、上型１１および下型１２よりなる金型１３を備える。上型１１は碁盤目状に分割された複数の上型セグメント１１ａ…からなり、各々の上型セグメント１１ａ…は図示せぬシリンダに接続されて独立に昇降可能である。同様に、下型１２は碁盤目状に分割された複数の下型セグメント１２ａ…からなり、各々の下型セグメント１２ａ…は図示せぬシリンダに接続されて独立に昇降可能である。上型１１の下面には繊維プリフォームを成形するための凹部１３ａが形成され、下型１２の上面には繊維プリフォームを成形するための凸部１３ｂが形成される。金型１３は、上型１１および下型１２を結ぶ方向に延びる軸線Ｌまわりに任意角度回転自在である。

繊維テープ１４を引き出し可能に巻き取った複数のクリール１５…よりなるクリール群１６が一方向に並置されており、これらのクリール１５…は、ロッド１７…の先端に支持されて図示せぬシリンダにより前記一方向に直交する他方向に進退することで、型開きした上型１１および下型１２の間を通って金型１３を横断可能である。繊維テープ１４は、例えば一方向に引き揃えたカーボン繊維１８…にバインダを塗布してテープ形状を保持したものであり、繊維テープ１４に熱可塑性のバインダを用いた場合には、クリール１５に熱可塑性のバインダを溶融するための昇温装置が設けられ、また繊維テープ１４に熱硬化性のバインダを用いた場合には、金型１３に熱可塑性のバインダを硬化させるための昇温装置が設けられる。

次に、上記構成を備えた本発明の第１の実施の形態の作用を説明する。

図３（Ａ）に示すように、金型１３の上型１１および下型１２を型開きした状態で、上型１１および下型１２間を通過するようにクリール群１６を前進させる。続いて、図３（Ｂ）に示すように、クリール群１６の前進方向端部に位置する１列目の上型セグメント１１ａ…を下降させるとともに、これらの上型セグメント１１ａ…に対向する１列目の下型セグメント１２ａ…を上昇させることで、１列目の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…間にクリール１５…から引き出された繊維テープ１４…の端部をクランプして固定する。続いて、図３（Ｃ）に示すように、端部をクランプされた繊維テープ１４…を引き出しながらクリール群１６を１ピッチ後退させた後に、２列目の上型セグメント１１ａ…を下降させるとともに２列目の下型セグメント１２ａ…上昇させることで、２列目の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…で繊維テープ１４…をプレスして成形する。

以下、図４（Ｄ）に示すように、クリール群１６を１ピッチ後退させて繊維テープ１４…を引き出す毎に、次の列の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…を閉じて繊維テープ１４…をプレスして成形する。そして全ての上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…が閉じて繊維プリフォーム１９の１層目の繊維層のプレス成形が完了すると、図４（Ｅ）に示すように、繊維テープ１４…を切断してクリール１５…から切り離す。

繊維プリフォーム１９の２層目の繊維層のプレス成形を行うには、図５（Ｆ）に示すように、金型１３を軸線Ｌまわりに４５°回転させて型開きした状態で、上型１１および下型１２間を通過するようにクリール群１６を前進させ、１列目の上型セグメント１１ａ…を下降させることで、１列目の下型セグメント１２ａ…および繊維プリフォーム１９の１層目の繊維層間にクリール群１６から引き出された繊維テープ１４…の先端をクランプして固定する。このとき、金型１３は４５°回転しているため、１列目の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…は、金型１３の隣接する二つの辺に沿ってＶ字状に配置されたものとなる。

続いて、図５（Ｆ）に示すように、クリール群１６を僅かに前進させるとともに弛んだ繊維テープ１４を巻き取ることで張力を与えた状態で、図５（Ｇ）に示すように、Ｖ字状に配置された２列目の上型セグメント１１ａ…を下降させ、Ｖ字状に配置された２列目の下型セグメント１２ａ…との間に繊維プリフォーム１９の１層目の繊維層および繊維テープ１４…をプレスして成形する。

以下、図６（Ｈ）に示すように、クリール群１６を１ピッチ後退させて繊維テープ１４…を引き出す毎に、次の列の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…を閉じて１層目の繊維層の上に２層目の繊維テープ１４…をプレスして成形する。そして全ての上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…が閉じて繊維プリフォーム１９の２層目の繊維層のプレス成形が完了すると、図６（Ｉ）に示すように、繊維テープ１４…を切断してクリール１５…から切り離す。

このようにして繊維プリフォーム１９の１層目および２層目の繊維層の成形が完了すると、その都度金型１３を軸線Ｌまわりに回転させながら繊維プリフォーム１９の３層目以降の成形を行うことで、所定数の繊維層が所定の方向に配向された繊維プリフォーム１９を完成する。

以上のように、１枚の繊維シートをプレスして繊維プリフォームを成形するのではなく、平行に分割された複数の繊維テープ１４…をプレスして繊維プリフォーム１９を成形するので、プレス成形時に繊維プリフォーム１９の周縁部に皺が発生するのを防止して成形精度を高めることができる。

しかも上型１１および下型１２をそれぞれ複数の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…に分割し、型開きした上型１１および下型１２間に金型１３の一端側から他端側に向けてクリール群１６を前進させ、複数のクリール１５…からそれぞれ引き出した繊維テープ１４…を金型１３の他端側に固定し、複数のクリール１５…を金型１３の他端側から一端側に向けて後退させながら、上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…を金型１３の他端側のものから一端側のものへと順番に加圧するので、繊維テープ１４…は常に固定された部分の近傍でプレス成形されることになる。その結果、プレス成形時に繊維テープ１４…が位置ずれし難くなることで、皺の発生を一層低減して繊維プリフォーム１９の成形精度を一層高めることができる。

第２の実施の形態

上述した第１の実施の形態では、繊維プリフォーム１９の１層目の繊維層をプレス成形するときには、１列目の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…を利用して繊維テープ１４…の端部をクランプしているが（図３（Ｂ）参照）、繊維プリフォーム１９の２層目以降の繊維層をプレス成形するときには、既に繊維プリフォーム１９の１層目の繊維層が乗っている下型１２の下型セグメント１２ａ…を上昇させることができないため、クリール１５から繊維テープ１４を余分に引き出して１列目の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…を利用して繊維テープ１４…の端部をクランプした後に、余分の繊維テープ１４をクリール１５に引き込んで張力を与える必要があった（図５（Ｆ）参照）。

上述した２層目以降の繊維層をプレス成形するときの繊維テープ１４…のクランプを効率化するために、第２の実施の形態の繊維プリフォームの製造装置は、各クリール１５…に対応して設けられた複数の開閉自在なクランプ２０…を備える。各クランプ２０は、水平面内で任意の位置に移動可能であり、かつ昇降自在である。よって、２層目以降の繊維層をプレス成形するときに、繊維テープ１４…の先端をクリール１５…と同じ高さでクランプ２０…によりクランプした後に、そのクリール１５…から繊維テープ１４…を引き出しながらクランプ２０…を下型１２の高さまで下降させる。

これにより、一旦クリール１５…から余分に引き出した繊維テープ１４…を再びクリール１５…に巻き取る工程が不要になって作業効率が向上するだけでなく、繊維テープ１４…の弛みを防止しながら精度良くプレス成形することができる。

第３の実施の形態

次に、図８〜図１０に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

図１に示すように、上述した第１の実施の形態は複数のクリール１５…を第１の方向に並置したクリール群１６を備えているが、図８および図９に示すように、第２の実施の形態は複数の第１クリール１５Ａ…を第１の方向に並置した第１クリール群１６Ａと、複数の第２クリール１５Ｂ…を第１の方向に対して直交する第２の方向に並置した第２クリール群１６Ｂとを備える。第１、第２クリール群１６Ａ，１６Ｂは、相互に干渉しないように高さを異ならせて配置される。

本実施の形態によれば、先ず図１０（Ａ）に示すように、金型１３の上型１１および下型１２を型開きした状態で、上型１１および下型１２間を通過するように第１クリール群１６Ａの第１クリール１５Ａ…を前進させるとともに第２クリール群１６Ｂの第２クリール１５Ｂ…を前進させる。この状態から、図１０（Ｂ）に示すように、金型１３の頂点をＰとしたときに、第１クリール群１６Ａの頂点Ｐ側の１個の第１クリール１５Ａ…と、第２クリール群１６Ｂの頂点Ｐ側の１個の第２クリール１５Ｂ…とを１ピッチずつ後退させると、金型１３の頂点Ｐに位置する各１個の上型セグメント１１ａおよび下型セグメント１２ａ（符号ａ参照）間で、１個の第１クリール１５Ａから引き出された繊維テープ１４と、１個の第２クリール１５Ｂから引き出された繊維テープ１４とが重なり合うため、符号ａで示す各１個の上型セグメント１１ａおよび下型セグメント１２ａを加圧して重なった２枚の繊維テープ１４，１４をクランプする。

続いて、第１クリール群１６Ａの頂点Ｐ側から２個の第１クリール１５Ａ…と、第２クリール群１６Ｂの頂点Ｐ側から２個の第２クリール１５Ｂ…とを１ピッチずつ後退させると、図１０（Ｃ）に示すように、新たに各２個の上型セグメント１１ａ，１１ａおよび下型セグメント１２ａ，１２ａ（符号ｂ，ｂ参照）間で２枚の繊維テープ１４，１４が重なり合うため、符号ｂ，ｂで示す各２個の上型セグメント１１ａ，１１ａおよび下型セグメント１２ａ，１２ａを加圧して重なった２枚の繊維テープ１４，１４をクランプする。

続いて、第１クリール群１６Ａの頂点Ｐ側から３個の第１クリール１５Ａ…と、第２クリール群１６Ｂの頂点Ｐ側から３個の第２クリール１５Ｂ…とを１ピッチずつ後退させると、図１０（Ｄ）に示すように、新たに各３個の上型セグメント１１ａ…および下型セグメント１２ａ…（符号ｃ，ｃ，ｄ参照）間で２枚の繊維テープ１４，１４が重なり合うため、符号ｃ，ｃで示す各２個の上型セグメント１１ａ，１１ａおよび下型セグメント１２ａ，１２ａを加圧して重なった２枚の繊維テープ１４，１４をクランプするとともに、符号ｄで示す各１個の上型セグメント１１ａおよび下型セグメント１２ａを加圧して重なった２枚の繊維テープ１４，１４をプレス成形する。

以上の過程を繰り返すことにより、金型１３の頂点Ｐから対角位置にある他の頂点Ｐ′に向かって斜め方向に一列ずつ繊維テープ１４…をクランプおよびプレス成形することで、１層目および２層目の繊維層を有する繊維プリフォーム１９をプレス成形することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の実施の形態と同様に繊維プリフォーム１９に皺が発生するのを防止して成形精度を高めながら、２層の繊維層を同時にプレス成形することで繊維プリフォーム１９を短時間で効率的に製造することができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では上型１１を複数の上型セグメント１１ａに分割し、下型１２を複数の下型セグメント１２ａに分割しているが、上型１１および下型１２の一方だけを複数のセグメントに分割しても良い。但し、上型１１および下型１２の両方を複数のセグメント１１ａ，１２ａに分割した方が、１層目の繊維層をプレス成形する際に繊維テープ１４の上下方向の移動量が小さくなって成形精度が更に向上する。

また実施の形態では上型セグメント１１ａおよび下型セグメント１２ａを全て同一寸法に分割しているが、異なる寸法に分割しても良い。

１１ 上型
１１ａ 上型セグメント（セグメント）
１２ 下型
１２ａ 下型セグメント（セグメント）
１３ 金型
１４ 繊維テープ
１５ クリール
１５Ａ 第１クリール（クリール）
１５Ｂ 第２クリール（クリール）
１６ クリール群
１６Ａ 第１クリール群（クリール群）
１６Ｂ 第２クリール群（クリール群）
１９ 繊維プリフォーム
２０ クランプ
Ｌ 軸線

Claims (5)

1. 上型（１１）および下型（１２）の少なくとも一方が複数のセグメント（１１ａ，１２ａ）に分割された金型（１３）と、繊維テープ（１４）を引き出し可能に巻き取った複数のクリール（１５，１５Ａ，１５Ｂ）を前記上型（１１）および前記下型（１２）間に前進・後退可能に並置したクリール群（１６，１６Ａ，１６Ｂ）とを用いて、繊維強化樹脂部材の補強材となる繊維プリフォーム（１９）をプレス成形する繊維プリフォームのプレス成形方法であって、
   型開きした前記上型（１１）および前記下型（１２）間に前記金型（１３）の一端側から他端側に向けて前記複数のクリール（１５，１５Ａ，１５Ｂ）を前進させる工程と、
   前記複数のクリール（１５，１５Ａ，１５Ｂ）からそれぞれ引き出した前記繊維テープ（１４）を前記金型（１３）の他端側に固定する工程と、
   前記複数のクリール（１５，１５Ａ，１５Ｂ）を前記金型（１３）の他端側から一端側に向けて後退させながら、前記複数のセグメント（１１ａ，１２ａ）を前記金型（１３）の他端側のものから一端側のものへと順番に加圧する工程と、
   を含むことを特徴とする繊維プリフォームのプレス成形方法。
2. 前記クリール（１５，１５Ａ，１５Ｂ）から引き出した前記繊維テープ（１４）を固定するクランプ（２０）を前記金型（１３）の他端側に昇降自在に設けたことを特徴とする、請求項１に記載の繊維プリフォームのプレス成形方法。
3. 前記金型（１３）は、前記上型（１１）および前記下型（１２）の開閉方向に延びる軸線（Ｌ）まわりに回転可能であることを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の繊維プリフォームのプレス成形方法。
4. 前記クリール群（１６Ａ，１６Ｂ）は、相互に交差する方向に前進・後退可能に並置された複数のクリール群（１６Ａ，１６Ｂ）からなることを特徴とする、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の繊維プリフォームのプレス成形方法。
5. 前記上型（１１）および前記下型（１２）が共に複数のセグメント（１１ａ，１２ａ）に分割されることを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の繊維プリフォームのプレス成形方法。

Images