JPWO2012026031A1 - 繊維強化樹脂材の製造方法 - Google Patents

Abstract

強化繊維の破損及び欠損を低減し、これらを容易に位置決めして積層するとともに、成形時に、型形状に容易に倣わせることができる繊維強化樹脂材の製造方法を提供する。強化繊維シート（２）と、熱可塑性樹脂からなる樹脂シート（３Ａ）とから繊維強化樹脂シート（４Ａ）を製造する工程と、繊維強化樹脂シート（４Ａ）の一方の面（４ａ）に一方向に沿って凸部（４ｃ）が形成され、他方の面（４ｂ）に前記一方向に沿って凹部（４ｄ）が形成されるように、繊維強化樹脂シート（４Ａ）を成形する工程と、成形された繊維強化樹脂シート（５Ａ）の少なくとも凸部（４ｃ）を積層する繊維強化樹脂シート（５Ａ）に係合させながら、繊維強化樹脂シート（５Ａ）を積層する工程と、熱可塑性樹脂が前記強化繊維に含浸するように、積層された繊維強化樹脂シート（５Ａ）を加圧及び加熱しながら、繊維強化樹脂材に成形する工程と、を少なくとも含む。

Description

本発明は、強化繊維に熱可塑性樹脂を含浸した繊維強化樹脂材の製造方法に関する。

従来から、強化繊維にマトリクス樹脂を含浸した繊維強化樹脂材（ＦＲＰ）は、金属材料に比べて軽量であり、樹脂材料に比べて高強度である。特に、マトリクス樹脂に熱可塑性樹脂を用いたものは、成形加工が容易であるため、車両用部材等の機械製品への適用に注目されている。

しかし、マトリクス樹脂に熱可塑性樹脂を用いた場合、熱可塑性樹脂は、熱硬化性樹脂に比べて高粘度であるため、強化繊維の間に熱可塑性樹脂を含浸させることは、容易ではない。そこで、例えば、マルチフィラメントを開繊すること等により、同じ方向に引き揃えられた強化繊維の束の厚みをより薄くして、熱可塑性樹脂を含浸させるようなことが成されている。しかし、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化樹脂シートの厚みは薄くなるため、所望の厚みとするために、これらのシートを積層し、一体成形している。

例えば、特許文献１の繊維強化樹脂材に製造方法では、まず、複数の補強繊維（強化繊維）が同じ方向に引き揃えられた補強繊維シートと、熱可塑性樹脂シートからなる熱可塑性樹脂補強シートを、複数枚積層する。次いで、これらのシート材の位置決めを行うべく、シート材間を熱可塑性樹脂のステッチ糸で固定する。その後積層したシート材を加熱及び加圧することにより、繊維強化樹脂材を製造する。

このような製造方法によれば、ステッチ糸で積層したシート間を一体化させているため、シートのずれは生じ難く操作性もよい。さらに、ステッチ糸が熱可塑性樹脂からなることにより、このステッチ糸は、成形時には強化繊維間に含浸される。

また、特許文献２には、同じ方向に引き揃えられた強化繊維シートと、該強化繊維シートの繊維方向と異なる配向角度を有する傾斜強化繊維シートとを、熱可塑性樹脂のマトリクス層を介して積層し、これらの層間を熱接着剤で固着する多軸積層強化繊維シート（繊維強化樹脂材）の製造方法が提案されている。

さらに、特許文献３には、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる素材シートを積層し、超音波によるスポット溶着でシート間を熱融着させる繊維強化樹脂材の製造方法が提案されている。

特開２００８−１４９７０８号公報 特開２００６−１３０６９８号公報 特開平５−１８５５３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の製造方法では、ステッチ糸を積層したシートの厚さ方向に沿って貫通させるため、強化繊維の破損や欠損が生じ易く、製造された繊維強化樹脂材の強度が低下する。

この点を鑑みると、特許文献２に記載の製造方法によれば、熱接着剤を用いることにより、強化繊維の破損や欠損を回避して、これらシートの層間を固定することができる。しかしながら、この場合であっても、熱接着剤は、マトリクス樹脂である熱可塑性樹脂とは異なる樹脂であるため、繊維強化樹脂材に成形した際には、マトリクス樹脂に異種の樹脂が混在することになる。この結果、製造された繊維強化樹脂材の力学的強度が低下するおそれがある。

これらの点を鑑みると、特許文献３に記載の製造方法によれば、ステッチ糸及び熱接着剤を用いずに、熱可塑性樹脂を溶融して、これらシートの層間を融着するので、一見好適な方法に思われる。しかしながら、超音波により溶着するには、融着するシートの厚みの制限がある。また、超音波により融着させる作業の際には、積層したシートを固定する必要がある。これらのことを考えると、１シート（一層）ずつ融着する手法を取らざるをえず、時間と手間を要することになる。

さらに、上述した方法により積層されたシートは、層間において完全に固定されるので、プレス時には、強化繊維の動きが制限されてしまい、成形型の型形状に沿わして成形することが困難な場合がある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、繊維強化樹脂シートを積層する際に、強化繊維の破損及び欠損を低減し、容易にこれらを位置決めして積層するとともに、成形時に、強化繊維が成形型の型形状に容易に倣うことができる繊維強化樹脂材の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決すべく、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、繊維強化樹脂シートを積層する前に、これらの繊維強化樹脂シートに位置決め用の凹凸の形状を付与し、これらの形状を利用して、繊維強化樹脂シート同士を仮止めすれば、ステッチや熱接着剤を用いることなく、繊維強化樹脂シート同士の位置ずれ及び強化繊維の切断等の破損を同時に軽減し、成形時に強化繊維が層間において移動し、成形型の型形状に容易に倣うことができるとの新たな知見を得た。

本発明に係る繊維強化樹脂材の製造方法は、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化樹脂材の製造方法であって、前記強化繊維が同じ方向に引き揃えられた強化繊維シートと、前記熱可塑性樹脂からなる樹脂シートと、から繊維強化樹脂シートを製造する工程と、該繊維強化樹脂シートの一方の面に一方向に沿って凸部が形成され、該凸部の反対側に位置する他方の面に前記一方向に沿って凹部が形成されるように、前記繊維強化樹脂シートの少なくとも前記凸部及び前記凹部に相当する部分を加熱及び加圧することにより、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程と、該成形された繊維強化樹脂シートの少なくとも前記凸部を積層する繊維強化樹脂シートに係合させながら、前記繊維強化樹脂シートを積層する工程と、前記熱可塑性樹脂が前記強化繊維に含浸するように、前記積層された繊維強化樹脂シートを加圧及び加熱しながら、前記繊維強化樹脂材に成形する工程と、を少なくとも含むことを特徴とする。

本発明によれば、まず、繊維強化樹脂シートを製造する工程において、強化繊維として同じ方向に引き揃えられた強化繊維シートと、この強化繊維に含浸するための熱可塑性樹脂からなる樹脂シートとを接触または付着させることにより、これらからなる繊維強化樹脂シートを製造する。なお、この際に、熱可塑性樹脂を強化繊維間に含浸してもよい。

次に、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、製造された繊維強化樹脂シートの少なくとも前記凸部及び前記凹部に相当する部分を加熱及び加圧することにより、一方の面に一方向に沿って形成された凸部が形成され、凸部の反対側に位置する他方の面に凹部が形成される。

次に、繊維強化樹脂シートを積層する工程において、前記凸部を、積層される繊維強化樹脂シートに対して係合させながら複数の前記繊維強化樹脂シート同士を順次積層するので、繊維強化樹脂シート同士の位置決めを容易に行いつつ繊維強化樹脂シート同士を仮止めすることができる。これにより、ステッチまたは接着剤等を用いることなく、繊維強化樹脂シートの形状により、繊維強化樹脂シートの積層状態を維持することができる。

さらに、積層された繊維強化樹脂シートを加圧及び加熱して成形する際、繊維強化樹脂シート同士は仮止め状態であるので、繊維強化樹脂シート同士の位置ずれがほとんどなく、強化繊維を成形型の型形状に容易に倣わせて繊維強化樹脂材に成形することができる。

繊維強化樹脂シートを成形する工程において、加熱及び加圧することにより、繊維強化樹脂シートに前記凹部及び凸部が形成されるのであれば、プレス成形等、特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、一方のロール周面に少なくとも凸条部が形成され、他方のロール周面に該凸条部の形状に対応した凹溝部が形成された一対の加熱ロールを用いて、該一対の加熱ロール間において、前記凸条部と前記凸溝部との間に前記繊維強化樹脂シートを挟み込みながら加圧及び加熱することにより、前記凸部及び凹部を成形する。

このような態様によれば、一対の加熱ロール間において、繊維強化樹脂シートを連続して通過させることにより、凸条部が接する位置に凹部が形成され、凹溝部が接する位置に凸部が形成され、これらの凸部と凹部とを規則的に成形することができる。

また、前記繊維強化樹脂シートを積層する工程において、繊維強化樹脂シート同士が、凸部により係合し、繊維強化樹脂シート同士を仮止めして、これらの積層状態を維持することができるのであれば、特に限定されるものではない。しかしながら、より好ましい態様としては、前記繊維強化樹脂シートを積層する工程において、前記積層する繊維強化樹脂シート同士の前記凸部と前記凹部とが重なり合うように、前記繊維強化樹脂シートを積層する。

この態様によれば、前記積層する繊維強化樹脂シート同士の前記凸部と前記凹部とを重ね合わせることにより、凸部を凹部に係合させて、前記繊維強化樹脂シートを積層することができる。これにより、容易にこれらシートをより安定的に位置決めしつつ仮止めし、積層することができる。この結果、積層時の繊維強化樹脂シートの位置や角度がずれることなく、成形後の強化繊維の繊維配向を正確に固定することが可能になる。

また、積層する繊維強化樹脂シートの強化繊維の繊維方向は、同一であってもよいが、得られる繊維強化樹脂材が機械的に擬似的な等方性を有するには、これらの繊維方向は異なるほうが好ましい。従って、より好ましい態様としては、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、積層する繊維強化樹脂シート毎の前記凸部が、前記強化繊維が引き揃えられた繊維方向に対して異なる方向に沿って形成されるように、該異なる方向に沿った凸部に応じた複数の繊維強化樹脂シートを成形し、該異なる方向に沿って凸部が形成された繊維強化樹脂シート同士を積層する。

本発明によれば、異なる方向に沿って前記凸部及び凹部が形成された各繊維強化樹脂シート同士を積層することにより、積層された繊維強化樹脂シートの強化繊維の繊維方向は、異なるものとなり、強化繊維が多軸に配向されるので、得られる繊維強化樹脂材が機械的に等方性（擬似等方性）を有することになる。

また、より好ましい態様としては、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程は、前記強化繊維が引き揃えられた繊維方向に対して交差する第１の方向に沿って、前記凸部及び前記凹部が形成されるように、第１の繊維強化樹脂シートを成形する工程と、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って、前記凸部及び前記凹部が形成されるように、第２の繊維強化樹脂シートを成形する工程と、を少なくとも含み、前記繊維強化樹脂シートを積層する工程を積層する工程において、前記第１及び第２の繊維強化樹脂シートを交互に積層する。

本発明によれば、少なくともこれら２つの繊維強化樹脂シートの強化繊維の繊維方向が交差するので、より簡易的に、機械的に擬似的な等方性を有した繊維強化樹脂材を得ることができる。

さらに、より具体的な第１の態様としては、前記第１の方向は、前記繊維方向に対して直交する方向であり、前記第２の方向は、前記繊維方向であることがより好ましく、より具体的な第２の態様としては、前記第１の方向は、前記繊維方向に対して所定角度を以って交差した方向であり、前記第２の方向は、前記繊維方向に沿った方向または前記繊維方向と直交する方向であることがより好ましい。

第１の態様によれば、強化繊維が９０°に交差するように、２軸に沿って配向した強化繊維を含む繊維強化樹脂材を得ることができる。また、第２の態様によれば、強化繊維が所定の角度（たとえば４５°）に交差した２軸の強化繊維を含む繊維強化樹脂材を得ることができる。

さらに、繊維強化樹脂シートを成形する工程において、凸部を積層する繊維強化樹脂シートに係合することができるのであれば、特にその個数などは、限定されるものではないが、より好ましくは、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、前記繊維強化樹脂シートが、一定の周期を有した波状シートとなるように前記凸部及び前記凹部を成形する。

この態様によれば、一定の周期を有した波状シートとすることにより、シート積層時の位置ずれ及び角度ずれをより低減することができ、この結果、繊維強化樹脂シートの積層状態を維持することができる。

また、上述した方法では、積層時において、前記凸部と前記凹部とが重なり合うようにして、前記繊維強化樹脂シートを積層したが、別の態様としては、前記繊維強化樹脂シートを製造する工程において、前記熱可塑性樹脂シートとして、熱可塑性樹脂からなる樹脂繊維のシートを用い、該樹脂繊維が、前記繊維方向と同じ方向に沿って引き揃えて配置されるように、繊維強化樹脂シートを製造し、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、前記凸部及び凹部が少なくとも前記繊維方向に対して交差する方向に沿って形成されるように、前記凸部及び前記凹部のみの樹脂繊維の熱可塑性樹脂を溶融して前記繊維強化樹脂シートを成形し、前記繊維強化樹脂シートを積層する工程を積層する工程において、前記繊維強化樹脂シートの凸部が、前記積層される繊維強化樹脂シートの前記強化繊維及び前記樹脂繊維の間に入り込むように前記繊維強化樹脂シートを積層することがより好ましい。

この態様によれば、繊維強化樹脂シートの積層時に、前記繊維強化樹脂シートの凸部を、強化繊維及び樹脂繊維の間に入り込ませることにより、繊維強化樹脂シートを位置合わせしつつ仮止めすることができる。これにより、ステッチや熱接着剤などの異種材料が混在することがない。また、超音波を利用した特殊な装置などを使用せずに、位置決めした状態（積層状態）を維持することができる。

また、より好ましい態様としては、繊維強化樹脂シートを製造する工程において、前記強化繊維として強化繊維束を開繊した強化繊維シートを用いる。この態様によれば、開繊した強化繊維シートを用いることにより、強化繊維間に、熱可塑性樹脂を含浸しやすくなる。また、開繊した強化繊維シートは、従来のものに比べてその厚さが薄いので、繊維強化樹脂シートの成形において、凸部及び凹部が形成し易くなる。

本発明によれば、繊維強化樹脂シートを積層する際に、強化繊維の破損及び欠損を低減し、これらを容易に位置決めして積層するとともに、成形時に、強化繊維を成形型の型形状に容易に倣わせることができる。

本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂シートを製造する工程及び繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図。 本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、４枚の同一の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図。 本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂材に成形する工程を説明するための成形型の模式的断面図であり（ａ）は、本実施形態の積層された繊維強化樹脂シートの成形を説明するための図であり、（ｂ）は、従来の積層された繊維強化樹脂シートの成形を説明するための図。 本発明の第２実施形態に係る繊維強化樹脂材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ｂ）は、成形された繊維強化樹脂シートの模式的斜視図。 本発明の第２実施形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、４枚の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図。 本発明の第２実施形態の別の態様に係る繊維強化樹脂材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ｂ）は、成形された繊維強化樹脂シートの模式的斜視図。 本発明の第３実施形態に係る繊維強化樹脂シートを製造する工程及び繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図。 本発明の第３実施形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、４枚の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図。 本発明の第３実施形態の別の形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、２枚の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図。 本発明の第３実施形態の別の態様に係る繊維強化樹脂シートを製造する工程を説明するための模式的斜視図。

以下、図面を参照して、本発明をいくつかの実施の形態に基づき説明する。図１は、本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂シートを製造する工程及び繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図である。図２は、本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、４枚の同一の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図である。

図３は、本発明の第１実施形態に係る繊維強化樹脂材に成形する工程を説明するための成形型の模式的断面図であり（ａ）は、本実施形態の積層された繊維強化樹脂シートの成形を説明するための図であり、（ｂ）は、従来の積層された繊維強化樹脂シートの成形を説明するための図である。

本実施形態は、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化樹脂材の製造方法である。図１に示すように、強化繊維として強化繊維束（マルチフィラメント）２ａを準備し、開繊装置２０を用いて、強化繊維束２ａを開繊して、強化繊維が同じ方向に引き揃えられた強化繊維シート２を製造する。ここで、強化繊維束を幅方向Ｂに広げ（ほぐし）、所定の厚さの強化繊維樹脂シート２に開繊することができるのであれば、空気を利用した開繊、超音波を利用した開繊、バー又はローラを利用した開繊など、いずれ方法で開繊してもよく、開繊装置２０は、これらの方法を実施することができる一般的に知られた開繊装置である。また、本実施形態では、開繊装置２０を用いたが、予め、開繊された強化繊維シートを用いてもよい。

一方、熱可塑性樹脂として、ロール状に巻かれた熱可塑性樹脂からなるフィルム状の樹脂シート３Ａを、開繊された繊維強化シート２に供給する。これにより、強化繊維シート２と、樹脂シート３Ａと、から繊維強化樹脂シート４Ａが製造される。

なお、強化繊維シート２と、樹脂シート３Ａとを、加熱ロール等を用いることにより、これらを予め加熱及び加圧して、樹脂シート３Ａの熱可塑性樹脂の少なくとも一部を、強化繊維シート２の強化繊維間に含浸してもよい。また、ここでは、樹脂シート３Ａとして、フィルム状の樹脂シートを用いたが、一方向に引き揃えられた樹脂繊維であってもよく、押出し成形機から押し出された溶融樹脂であってもよい。

ここで、強化繊維束２ａ及び強化繊維シート２を構成する強化繊維は、繊維強化樹脂材の機械的強度を強化するための樹脂強化用の繊維をいい、このような強化繊維としては、例えば、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維、ボロン繊維、スチール繊維、ＰＢＯ繊維、天然繊維、又は高強度ポリエチレン繊維などの繊維が挙げられる。

また、樹脂シート３Ａを構成する熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン系樹脂、ナイロン系樹脂、エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂、メラミン系樹脂、尿素系樹脂、シリコーン系樹脂、マレイミド系樹脂、ビニルエステル系樹脂、不飽和ポリエステル系樹脂、シアネート系樹脂、又はポリイミド系樹脂等の樹脂を挙げられることができ、強化繊維と合わせて所定の強度を保つことができるのであれば特にその種類は限定されるものではない。

次に、一対の加熱ロール４１Ａ，４２Ａを用いて、製造された繊維強化樹脂シート４Ａを成形する。この加熱ロール４１Ａ，４２Ａは、それぞれモータ４８，４８に接続されている。双方の加熱ロール４１Ａ，４２Ａは、繊維強化樹脂シート４Ａを成形して、これに凹凸の形状を付与するためのロールである。

加熱ロール４１Ａ，４２Ａの双方には、ロール周面に、軸方向に沿って、周方向に等間隔に、凸条部４３Ａ及び凸条部４３Ａの形状に対応した凹溝部４４Ａが形成されている。また、加熱ロール４１Ａ，４２Ａの内部には、ヒータ（図示）が設けられている。このヒータより、加熱ロール４１Ａ，４２Ａの周面が、熱可塑性樹脂の融点以上の温度にまで加熱される。

繊維強化樹脂シート４Ａの一方の面４ａに幅方向Ｂに沿って凸部４ｃが形成され、凸部４ｃの反対側に位置する他方の面４ｂに幅方向（繊維方向Ｌと直交する方向）Ｂに沿って凹部４ｄが形成されるように、繊維強化樹脂シート４Ａの少なくとも凸部４ｃ及び凹部４ｄに相当する部分を加熱及び加圧する。

具体的には、加熱ロール間において、凸条部４３Ａと凹溝部４４Ａとの間に繊維強化樹脂シート４Ａを挟み込みながら、繊維強化樹脂シート４Ａを加熱及び加圧することにより、幅方向Ｂに沿って凸部４ｃ及び凹部４ｄを成形する。

また、加熱ロール４１Ａ，４２Ａに、繊維強化樹脂シート４Ａを挟み込みながら、加熱ロール４１Ａ，４２Ａを回転させるので、繊維強化樹脂シート４Ａが、一定の周期を有した波状シート５Ａとなるように、繊維強化樹脂シート４Ａの両面４ａ，４ｂに、凸部４ｃ及び凹部４ｄが成形される。

ここで、波状シート５Ａ（成形された繊維強化樹脂シート４Ａ）の形状は、図１に示す繊維方向Ｌに沿った断面が、正弦波のような波形形状が好ましく、その波長は、シート幅の２倍以下、より好ましくは１倍以下である。また、波形の高さである振幅は、５ｍｍ以下が好ましい。

ここでは、凸条部４３Ａ及び凹溝部４４Ａにより、凸部４ｃ及び凹部４ｄが形成されていることが重要であり、ヒータは、凸条部４３Ａ及び凹溝部４４Ａを局所的に加熱してもよく、熱可塑性樹脂の含浸を行う場合には、加熱ロール全体を加熱するように、ヒータを設けてもよい。

次に、図２（ａ），（ｂ）に示すように、波状シート５Ａ（成形された繊維強化樹脂シート４Ａ）を複数枚（図では４枚）準備し、波状シート５Ａの少なくとも凸部を積層する波状シート５Ａに係合させながら、波状シート５Ａを積層する。具体的には、積層する波状シート５Ａ，５Ａ同士の対向する面の凸部４ｃと凹部４ｄとが重なり合うように、波状シート５Ａを積層する。これにより、図２（ｂ）に示す積層体６Ａを得ることができる。

積層時には、波状シート５Ａ，５Ａ同士の位置決め及び角度決め（繊維方向０°となる１軸の強化繊維の配向）を容易に行いつつ、波状シート５Ａ，５Ａ同士を仮止めすることができる。また、ステッチまたは接着剤等を用いることなく、波状シート５Ａの形状により、波状シート５Ａ（成形された繊維強化樹脂シート４Ａ）の積層状態を維持することができるので、強化繊維が破損及び欠損するとなく、異種の樹脂が混在することはない。

さらに、図３（ａ）に示すように、加熱された上型６１及び下型６２からなる成形型６０を用いて、熱可塑性樹脂が強化繊維に含浸するように、積層された波状シート５Ａ（積層体６Ａ）を加圧及び加熱しながら、繊維強化樹脂材に成形する。このようにして、一方向に強化された（一方向に沿って強化繊維が配向された）繊維強化樹脂材を得ることができる。

従来では、図３（ｂ）に示すように、上型６１の凹部と、下型６２の凸部で繊維距離が異なり、繊維強化樹脂シートの積層体９は、ステッチ９ａや接着剤で層間が固定されているので、積層体９を立体形状に賦形しようとすると、強化繊維の動きが制限され、型形状に沿わして（倣わせて）、積層体９を成形することは困難であった。

しかしながら、本実施形態の場合には、積層された波状シート５Ａ（積層体６Ａ）を加圧及び加熱して成形する際、波状シート５Ａ，５Ａ同士は、上述したように仮止め状態であるので、プレス時には、波状シート５Ａ，５Ａ同士の位置ずれ、角度ずれがほとんどなく、強化繊維を成形型の型形状に容易に倣わせて（沿わせて）、繊維強化樹脂材に成形することができる。

図４は、本発明の第２実施形態に係る繊維強化樹脂材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ｂ）は、成形された繊維強化樹脂シートの模式的斜視図である。

図５は、本発明の第２実施形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、４枚の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図である。

第２実施形態が、第１実施形態と異なる点は、繊維強化樹脂シートを成形する工程と、成形された繊維強化樹脂シート（波状シート）を積層する工程である。従って、第１実施形態と同じ構成は同じ符号を付してその説明を省略し、以下にその相違する点のみを詳細に説明する。

本実施形態では、繊維強化樹脂シートを成形する工程において、積層する繊維強化樹脂シートの凸部が、繊維方向に対して異なる方向に沿って形成されるように、凸部に応じて２種類の繊維強化樹脂シートを成形し、異なる方向に沿って凸部が形成された繊維強化樹脂シート同士を交互に積層するものである。

具体的には、図４（ａ），（ｂ）に示すように、一対の加熱ロール４１Ｂ，４２Ｂを用いて、繊維強化樹脂シート４Ａを成形する。加熱ロール４１Ｂ，４２Ｂの双方には、ロール周面に、周方向に沿って、凸条部４３Ｂ及び凸条部４３Ｂの形状に対応した凹溝部４４Ｂが、等間隔で形成されている。また、加熱ロール４１Ｂ，４２Ｂの内部には、ヒータ（図示）が設けられている。このヒータより、加熱ロール４１Ｂ，４２Ｂの周面が、熱可塑性樹脂の融点以上の温度にまで加熱される。

このようにして、繊維強化樹脂シート４Ａの一方の面４ａに長手方向（繊維方向）Ｌに沿って凸部４ｅが形成され、凸部４ｅの反対側に位置する他方の面４ｂに長手方向Ｌに沿って凹部４ｆが形成されるように、繊維強化樹脂シート４Ａの少なくとも凸部４ｃ及び凹部４ｄに相当する部分が加熱及び加圧される。

具体的には、加熱ロール４１Ｂ，４２Ｂ間において、凸条部４３Ｂと凹溝部４４Ｂとの間に繊維強化樹脂シート４Ａを挟み込みながら、繊維強化樹脂シート４Ａを加熱及び加圧することにより、繊維方向（長手方向）Ｌに沿って凸部４ｅ及び凹部４ｆが成形される。

周方向に沿って、凸条部４３Ｂ及び凸条部４３Ｂの形状に対応した凹溝部４４Ｂが、等間隔で形成されているので、繊維強化樹脂シート４Ａが、幅方向Ｂに沿った断面が一定の周期を有した波状シート５Ｂとなるように、繊維強化樹脂シート４Ａの両面４ａ，４ｂに、凸部４ｅ及び凹部４ｆが成形されることになる。

次に、図５（ａ），（ｂ）に示すように、第１実施形態で成形した波状シート５Ａと、本実施形態で成形した波状シート５Ｂを複数枚（図では各２枚）準備し、具体的には、積層する波状シート５Ａ，５Ｂ同士の凸部と凹部とが重なり合うように、波状シート５Ａ，５Ｂを交互に積層する。

本実施形態では、強化繊維が引き揃えられた繊維方向に対して直交する幅方向Ｂ（第１の方向）に沿って、凸部及び凹部が形成されるように、第１実施形態において、繊維強化樹脂シート（第１の繊維強化樹脂シート）を成形し、波状シート５Ａを製造した。一方、繊維方向Ｌ（第１の方向とは異なる第２の方向）に沿って、凸部及び凹部が形成されるように、第２の繊維強化樹脂シート（第２の繊維強化樹脂シート）を成形し、波状シート５Ｂを製造した。

そして、成形された凸部及び凹部が重なるように、波状シート５Ａ，５Ｂを交互に積層することにより、積層時の角度合わせをすることなく、簡単かつ正確に、強化繊維が９０°に交差する積層体６Ｂを得ることができ、これにより、２軸に沿って配向した強化繊維を含む繊維強化樹脂材を製造することができる。そして、製造された繊維強化樹脂材は、機械的に擬似的な等方性を有することになる。

図６は、本発明の第２実施形態の別の態様に係る繊維強化樹脂材の製造方法を説明するための図であり、（ａ）は、繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ｂ）は、成形された繊維強化樹脂シートの模式的斜視図である。

具体的には、図６（ａ），（ｂ）に示すように、一対の加熱ロール４１Ｃ、４２Ｃを用いて、繊維強化樹脂シート４Ａを成形する。加熱ロール４１Ｃ，４２Ｃの双方には、ロール周面に、周方向に沿って、凸条部４３Ｃ及び凹溝部４４Ｂが、螺旋状に等ピッチで形成されている。

繊維強化樹脂シート４Ａの一方の面４ａに所定の角度θ（図では４５°）で交差する方向Ｄに沿って凸部４ｇが形成され、凸部４ｇの反対側に位置する他方の面４ｂに前記方向Ｄに沿って凹部４ｈが形成されるように、加熱ロール４１Ｃ，４２Ｃ間において、凸条部４３Ｃと凹溝部４４Ｃとの間に繊維強化樹脂シート４Ａを挟み込みながら、繊維強化樹脂シート４Ａの少なくとも凸部４ｇ及び凹部４ｈに相当する部分が加熱及び加圧される。これにより、繊維方向Ｌに対して所定の角度θ（図では４５°）で交差する方向Ｄに沿って凸部４ｇ及び凹部４ｈが成形される。

このようにして、周方向に沿って、凸条部４３Ｃ及び凸条部４３Ｃの形状に対応した凹溝部４４Ｃが、螺旋状に等ピッチで形成されているので、繊維強化樹脂シート４Ａが、一定の周期を有した波状シート５Ｃとなるように、繊維強化樹脂シート４Ａの両面４ａ，４ｂに、凸部４ｇ及び凹部４ｈが成形される。

このような波状シート５Ｃを、上述した波状シート５Ａ及び／または波状シート５Ｂに積層することにより、強化繊維が所定の角度θ（たとえば４５°）に交差した多軸の強化繊維を含む繊維強化樹脂材を得ることができる。

図７は、本発明の第３実施形態に係る繊維強化樹脂シートを製造する工程及び繊維強化樹脂シートを成形する工程を説明するための模式的斜視図である。図８は、本発明の第３実施形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、４枚の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図である。

また、図９は、本発明の第３実施形態の別の形態に係る繊維強化樹脂シートを積層する工程を説明するための模式的斜視図であり、（ａ）は、２枚の繊維強化樹脂シートを積層する前の状態を示した図であり、（ｂ）は、積層後の状態を示した図である。

第３実施形態が、第１実施形態と異なる点は、繊維強化樹脂シートを製造する工程と、繊維強化樹脂シートを成形する工程と、成形された繊維強化樹脂シート（波状シート）を積層する工程である。従って、第１実施形態と同じ構成は同じ符号を付してその説明を省略し、以下にその相違する点のみを詳細に説明する。

本実施形態では、図７に示すように、繊維強化樹脂シートを製造する工程において、樹脂シート３Ｂとして、ロール７１に巻きつけられた熱可塑性樹脂からなる樹脂繊維からなるシートを用いる。すなわち、樹脂繊維は、一方向に引き揃えられて、シート状を成している。

ロール７２に巻きつけられた開繊された強化繊維シート２を強化繊維シートに用いる。そして、樹脂繊維が、強化繊維の繊維方向Ｌと同じ方向に沿って引き揃えて配置されるように、押えロール７３を用いて、繊維強化樹脂シート４Ｂを製造する。

次に、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、加熱ロール４１Ｄ，４２Dを用いて、繊維強化樹脂シートを成形する。加熱ロール４１Ｄ，４２Dには、Ｖ字状の凸条部４３Ｄ及び凸条部４３Ｄの形状に対応したＶ字状の凹溝部４４Ｄが一組形成されており、加熱ロール４１Ｄ，４２Dの内部には、凸条部４３Ｄ及び凹溝部４４Ｄを局所的に加熱するヒータ（図示せず）が配置されている。

そして、加熱ロール４１Ｄ，４２Dを用いて、加熱ロール４１Ｄ，４２D間において、凸条部４３Ｄと凹溝部４４Ｄとの間に繊維強化樹脂シート４Ｂを挟み込みながら、Ｖ字状の凸部４ｉ及び凹部４ｊが、少なくとも繊維方向Ｌに対して交差する方向（繊維方向に直交する幅方向Ｂ）に沿って、凸部４ｉ及び凹部４ｊに相当する部分のみの樹脂繊維の熱可塑性樹脂を溶融して繊維強化樹脂シート５Ｄを成形する。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、繊維強化樹脂シート５Ｄを積層する工程を積層する工程において、繊維強化樹脂シート５Ｄの凸部４ｉ及び凹部４ｊが重なり合うように、繊維強化樹脂シート５Ｄを積層することにより、第１実施形態と同様に、同じ方向に強化繊維が配向した積層体６Cを得ることができる。

一方、別の態様では、図９（ａ），（ｂ）に示すように、繊維強化樹脂シート５Ｄを積層する工程において、繊維強化樹脂シートの凸部４ｉが、積層される繊維強化樹脂シート５Ｄの強化繊維及び前記熱可塑性樹脂の樹脂繊維の間に入り込むように繊維強化樹脂シートを積層する。

このように、繊維強化樹脂シート５Ｄの積層時に、繊維強化樹脂シート５Ｄの凸部４ｉを、強化繊維及び樹脂繊維の間に入り込ませることにより、繊維強化樹脂シート５Ｄを位置合わせしつつ仮止めすることができる。これにより、ステッチや熱接着剤などの異種材料が混在することなくシートの位置合わせできる。また、超音波を利用した特殊な装置などを使用せずに、位置決めした状態（積層状態）を維持することができる。また、積層時の角度合わせをすることなく、簡単かつ正確に、強化繊維が９０°に交差する積層体６Ｄを得ることができ、２軸に沿って配向した強化繊維を含む繊維強化樹脂材を製造することができる。

なお、ここでは、Ｖ字状の凸部４ｉ及び凹部４ｊを成形したが、繊維強化樹脂シートの凸部が、強化繊維及び前記熱可塑性樹脂の繊維の間に入り込むことができるのであれば、Ｕ字状、または矩形状の凸部及び凹部を成形してもよい。そして、これらの深さは、繊維強化樹脂シート４Ｂの厚みと同程度、もしくはそれ以上が好ましい。

図１０は、本発明の第３実施形態の別の態様に係る繊維強化樹脂シートを製造する工程を説明するための模式的斜視図である。ここでは、加熱ロール及び該加熱ロールにより成形される繊維強化樹脂シートのみが相違するのでその点のみを以下に説明する。

具体的には、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、一対の加熱ロール４１Ｅ、４２Ｅを用いて、繊維強化樹脂シート４Ｂを成形する。加熱ロール４１Ｅ，４２Ｅの双方には、ロール周面に、周方向に沿って、凸条部４３Ｅ及び凸条部４３Ｅの形状に対応した凹溝部４４Ｅが、螺旋状に形成されている。

このようにして、一対の加熱ロール４１Ｅ、４２Ｅを用いて、繊維強化樹脂シート４Ａの一方の面４ａに長手方向（繊維方向）Ｌにと所定の角度θで交差する方向Ｄに凸部４ｋが形成され、凸部４ｋの反対側に位置する他方の面４ｂに前記方向Ｄに沿って凹部４ｌが形成されるように、繊維強化樹脂シート４Ａの少なくとも凸部４ｋ及び凹部４ｌに相当する部分が加熱及び加圧される。これにより、繊維方向Ｌに対して所定の角度θ（図では４５°）で交差する方向に沿って凸部４ｋ及び凹部４ｌが成形された繊維強化樹脂シート５Ｅを得ることができる。

そして、上述した繊維強化樹脂シート５Ｄと繊維強化樹脂シート５Ｅを、図９（ａ），（ｂ）に示すように積層すれば、積層時の角度合わせをすることなく、簡単かつ正確に、強化繊維が所定の角度θ（例えば４５°）に交差するように、２軸に沿って配向した強化繊維を含む繊維強化樹脂材を製造することができる。

以上、本発明の実施形態について詳述したが、本発明は、前記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の精神を逸脱しない範囲で、種々の設計変更を行うことができるものである。

第１〜第３の実施形態では、加熱ロールにより、凸部及び凹部が形成されるように繊維強化樹脂シートを成形したが、凸部及び凹部が形成されるのであれば、例えばプレス装置を用いて、繊維強化樹脂シートを成形してもよい。

２ａ：強化繊維束、２：強化繊維シート、３Ａ，３Ｂ：樹脂シート、４Ａ〜４Ｅ：繊維強化樹脂シート、４ｃ，４ｅ，４ｇ，４ｉ，４ｋ：凸部、４ｄ，４ｆ，４ｈ，４ｊ，４ｌ：凹部、５Ａ〜５Ｃ：波型シート、５Ｄ，５Ｅ：成形された繊維強化樹脂シート、６Ａ〜６D：積層体、４１Ａ〜４１Ｅ，４２Ａ〜４２Ｅ：加熱ロール、４３Ａ〜４３Ｅ：凸条部、４４Ａ〜４４Ｅ：凹溝部、４８：モータ、６０；成形型、６１：上型、６２：下型、Ｂ：幅方向、Ｌ：繊維方向、７３：押えロール

Claims (10)

1. 強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化樹脂材の製造方法であって、
   前記強化繊維が同じ方向に引き揃えられた強化繊維シートと、前記熱可塑性樹脂からなる樹脂シートと、から繊維強化樹脂シートを製造する工程と、
   前記繊維強化樹脂シートの一方の面に一方向に沿って凸部が形成され、該凸部の反対側に位置する他方の面に前記一方向に沿って凹部が形成されるように、前記繊維強化樹脂シートの少なくとも前記凸部及び前記凹部に相当する部分を加熱及び加圧することにより、前記繊維強化樹脂シートを成形する工程と、
   該成形された繊維強化樹脂シートの少なくとも前記凸部を積層する繊維強化樹脂シートに係合させながら、前記繊維強化樹脂シートを積層する工程と、
   前記熱可塑性樹脂が前記強化繊維に含浸するように、前記積層された繊維強化樹脂シートを加圧及び加熱しながら、前記繊維強化樹脂材に成形する工程と、を少なくとも含む繊維強化樹脂材の製造方法。
2. 前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、一方のロール周面に少なくとも凸条部が形成され、他方のロール周面に該凸条部の形状に対応した凹溝部が形成された一対の加熱ロールを用いて、該一対の加熱ロール間において、前記凸条部と前記凸溝部との間に前記繊維強化樹脂シートを挟み込みながら加圧及び加熱することにより、前記凸部及び前記凹部を成形することを特徴とする請求項１に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
3. 前記繊維強化樹脂シートを積層する工程において、前記積層する繊維強化樹脂シート同士の前記凸部と前記凹部とが重なり合うように、前記繊維強化樹脂シートを積層することを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
4. 前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、積層する繊維強化樹脂シートの前記凸部が、異なる方向に沿って形成されるように、該異なる方向に沿った凸部に応じた複数の繊維強化樹脂シートを成形し、
   該異なる方向に沿って凸部が形成された繊維強化樹脂シート同士を積層する請求項３に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
5. 前記繊維強化樹脂シートを成形する工程は、前記強化繊維が引き揃えられた繊維方向に対して交差する第１の方向に沿って、前記凸部及び前記凹部が形成されるように、第１の繊維強化樹脂シートを成形する工程と、前記第１の方向とは異なる第２の方向に沿って、前記凸部及び前記凹部が形成されるように、第２の繊維強化樹脂シートを成形する工程と、からなり、
   前記繊維強化樹脂シートを積層する工程を積層する工程において、前記第１及び第２の繊維強化樹脂シートを交互に積層することを特徴とする請求項４に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
6. 前記第１の方向は、前記繊維方向に対して直交する方向であり、前記第２の方向は、前記繊維方向に沿った方向であることを特徴とする請求項５に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
7. 前記第１の方向は、前記繊維方向に対して所定角度を以って交差した方向であり、前記第２の方向は、前記繊維方向に沿った方向または前記繊維方向と直交する方向であることを特徴とする請求項５に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
8. 前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、前記繊維強化樹脂シートが、一定の周期を有した波状シートとなるように、前記凸部及び前記凹部を成形することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
9. 前記繊維強化樹脂シートを製造する工程において、前記熱可塑性樹脂シートとして、熱可塑性樹脂からなる樹脂繊維のシートを用い、該樹脂繊維が、前記繊維方向と同じ方向に沿って引き揃えて配置されるように、繊維強化樹脂シートを製造し、
   前記繊維強化樹脂シートを成形する工程において、前記凸部及び前記凹部が、少なくとも前記繊維方向に対して交差するように、前記凸部及び前記凹部に相当する部分のみの前記熱可塑性樹脂を溶融して前記繊維強化樹脂シートを成形し、
   前記繊維強化樹脂シートを積層する工程を積層する工程において、前記繊維強化樹脂シートの凸部が、前記積層される繊維強化樹脂シートの前記強化繊維及び前記樹脂繊維の間に入り込むように前記繊維強化樹脂シートを積層することを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化樹脂材の製造方法。
10. 繊維強化樹脂シートを製造する工程において、前記強化繊維として強化繊維束を開繊した強化繊維シートを用いることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化樹脂材の製造方法。

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