JPWO2015181870A1 - 複合材料成形体及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

中間層(3)が、不織布(U)と発泡樹脂(F)とが混合された複合成形体(30)からなる複合材料成形体(M)。

Description

本発明は、複合材料成形体及びその製造方法に関する。
特許第4615398号公報は、2層の表皮層間に不織布からなるコア層を挟持した炭素繊維複合材料成形体を開示している。
複合材料成形体において中間層であるコア層を不織布とした場合、製品表面を押圧した際に、コア層の不織布が潰れ変形しやすいため押圧による変形量が大きくなってしまう。一方、この変形量を抑えるためにコア層の不織布全体にマトリックス樹脂を含浸させると、マトリックス樹脂量が増大し、製品質量が増大してしまう。
本発明は、中間層に不織布を備えた複合材料成形体において、押圧による変形量を小さくし、且つ、質量の増大を抑制することを目的とする。
本発明の一態様は、中間層が、不織布と発泡樹脂とが混合された複合成形体からなる複合材料成形体である。
この複合材料成形体は、中間層が、不織布と発泡樹脂とが混合された複合成形体、即ち、不織布の繊維によって補強された発泡樹脂の成形体から構成されているので、中間層を不織布から構成した場合と比較して、製品表面を押圧した際に中間層が潰れ変形し難い。このため、この複合材料成形体によれば、押圧による変形量を小さくすることができる。また、上記中間層を構成する複合成形体は、発泡樹脂をマトリックスとしており、複数の気泡を内部に含んでいる。このため、この複合材料成形体によれば、中間層におけるマトリックス樹脂量を減らして、質量の増大を抑制することができる。
図1は、本発明の実施形態にかかる複合材料成形体の断面図である。 図2は、図1の複合材料成形体の製造方法を説明する図である。 図3は、図1の複合材料成形体の他の製造方法を説明する図である。 図4は、図1の複合材料成形体のコア材の作製方法を説明する図である。 図5は、図1の複合材料成形体のコア材の他の作製方法を説明する図である。 図6は、図1の複合材料成形体の他の製造方法を説明する図である。 図7は、図1の複合材料成形体の他の製造方法を説明する図である。 図8は、図1の複合材料成形体の他の製造方法を説明する図である。 図9は、図1の複合材料成形体の他の製造方法を説明する図である。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。また、以下の説明における「上」「下」など方向を表す用語は、各部の位置関係を説明するために便宜上定めたものであり、実際の取り付け姿勢等を限定するものではない。
<複合材料成形体>
本発明の実施形態にかかる複合材料成形体(以下、成形体Mと称する)について、図1を参照して説明する。
図1に示すように、成形体Mは、第1の表面層1と第2の表面層2と、それらの間に介在する中間層3とを備えている。
第1の表面層1は、繊維強化プラスチックからなるシート状の第1の表皮材10から構成され、第2の表面層2は、繊維強化プラスチックからなるシート状の第2の表皮材20から構成されている。各表面層1,2の厚さ、即ち、各表皮材10,20の厚さは、特に限定されず、成形体Mに要求される強度、剛性等に応じて適宜設定できる。自動車等車両の部品として用いられる成形体Mであれば、表皮材10,20の厚さは、例えば、0.4〜3.0mm程度に設定される。なお、表皮材10,20は、同一の繊維強化プラスチックから構成してもよいし、要求される強度、剛性、成形時の賦形性等に応じて、互いに異なる繊維強化プラスチックから構成してもよい。
上記繊維強化プラスチックの材料は、特に限定されない。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ポリアラミド繊維、アルミナ繊維、シリコンカーバイド繊維、ボロン繊維、炭化ケイ素繊維などを用いることができる。炭素繊維は、例えば、ポリアクリロニトリル(PAN系)、ピッチ系、セルロース系、炭化水素による気相成長系炭素繊維、黒鉛繊維などを用いることができる。これらの繊維を2種類以上組み合わせて用いてもよい。また、マトリックス樹脂としては、公知の熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂を用いることができる。典型例としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、ポリアミド(PA)樹脂、液晶ポリマー樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、ポリアリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリフェニレンスルファイド(PPS)樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリスルフォン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、変性ポリスチレン樹脂、AS樹脂(アクリロニトリルとスチレンとのコポリマー)、ABS樹脂(アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレンのコポリマー)、変性ABS樹脂、MBS樹脂(メチルメタクリレート、ブタジエン及びスチレンのコポリマー)、変性MBS樹脂、ポリメチルメタクリレート(PMMA)樹脂、変性ポリメチルメタクリレート樹脂等が挙げられる。
中間層3は、シート状のコア材30から構成されている。コア材30は、不織布Uを繊維基材とする発泡樹脂Fの成形体(不織布Uと発泡樹脂Fとが混合された複合成形体)である。中間層3の厚さ、即ち、コア材30の厚さは、特に限定されず、成形体Mに要求される強度、剛性等に応じて適宜設定できる。自動車等車両の部品として用いられる成形体Mであれば、コア材30の厚さは、例えば、1.0〜20.0mm程度に設定される。
成形体Mは、コア材30の両面上に表皮材10,20がそれぞれ配置された、いわゆるサンドイッチ構造を有している。コア材30の上側の面31は、表皮材10の下側の面(裏面)11と面接合されており、コア材30の下側の面32は、表皮材20の上側の面(裏面)21と面接合されている。また、成形体Mの両端縁部では、表皮材10,20の端部13,23同士が接合されており、これにより、成形体Mの曲げ剛性が高められている。なお、成形体Mの端縁部の構造はこれに限らず、端部13,23の一部のみが接合されていてもよいし、端部13,23の全体が接合されていなくてもよい。
コア材30は、無数の気泡Cを含む多孔質樹脂の内部に不織布Uの繊維が取り込まれた構造を有する。不織布Uの繊維は、気泡壁を構成する樹脂の中に埋没または固着してこれを補強することで、コア材30の強化繊維として機能する。不織布Uの繊維の一部は、気泡Cの内部に入り込んでいてもよい。また、コア材30は、周囲を気泡Cに囲まれた状態の樹脂塊が不織布Uの繊維によって支持された構造を含んでいてもよい。また、気泡Cの構造は、特に限定されず、気泡同士が互いに隔膜で区切られた独立気泡と、気泡同士がつながっている連続気泡とが混在してもよく、いずれか一方のみから構成されていてもよい。なお、コア材30の独立気泡率を高く、連続気泡率を低くすることで、成形体Mの強度及び硬度を高めることができる。
コア材30の密度は、表皮材10,20を構成する繊維強化プラスチックの密度よりも小さくなるように設定されている。表皮材10,20の材料として、例えば、エポキシ樹脂をマトリックス樹脂とする炭素繊維強化プラスチック(比重1.55程度)を採用した場合であれば、コア材30の密度は、例えば、比重0.1以上1.5以下となるように設定される。コア材30の密度は、発泡樹脂Fの材料、気孔率(または発泡率)、繊維基材(不織布U)の体積含有率等を調節することで、適宜所望の密度に設定することができる。発泡樹脂Fの材料の具体例としては、ポリウレタン(PU)、ポリスチレン(PS)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)、エチレンプロピレンジエンゴム(EPDM)、アクリル、ポリイミド(PI)、塩化ビニル(PVC)、フェノール(PF)、シリコーン(SI)、ポリエチレンテレフタレート(PET)、エチレン酢酸ビニル共重合体(EVA)などが挙げられる。また、コア材30の強度、剛性等は、上記コア材30の密度の他、コア材30の厚さ、繊維基材(不織布U)の繊維径、繊維長、材料等を調節することで、所望の強度、剛性等に設定することができる。
不織布Uは、繊維が一方向またはランダムに配向した繊維シート、ウェブまたはバットである。繊維同士は、交絡、融着、接着等によって互いに結合されている。不織布Uの繊維材料は、特に限定されない。具体的な例としては、炭素繊維、ガラス繊維、セルロース繊維、ナイロン繊維、ビニロン繊維、ポリエステル繊維、ポリオレフィン繊維、レーヨン繊維、アラミド繊維、フェルトなどが挙げられる。これらのうち一種を単独で用いてもよいし、二種以上を組み合わせて用いてもよい。
成形体Mは、中間層3が、不織布Uと発泡樹脂Fとが混合された複合成形体、即ち、不織布Uの繊維によって補強された発泡樹脂Fの成形体から構成されているので、中間層を不織布から構成した場合と比較して、製品表面を押圧した際に中間層3が潰れ変形し難い。このため、成形体Mによれば、押圧による変形量を小さくすることができる。また、中間層3を構成する複合成形体は、発泡樹脂Fをマトリックスとしており、複数の気泡Cを内部に含んでいる。このため、成形体Mによれば、中間層3におけるマトリックス樹脂量を減らして、質量の増大を抑制することができる。
以下、成形体Mを効率よく製造する方法について、図2乃至図9を参照して説明する。
<成形体Mの製造方法P1>
成形体Mの製造方法P1について、図2を参照して説明する。
まず、第1の表皮材10の繊維基材となる第1の強化繊維体10fと、第2の表皮材20の繊維基材となる第2の強化繊維体20fとを樹脂を含浸させていない所謂ドライ状態の強化繊維から作製する。各強化繊維体10f,20fは、強化繊維束を一方向もしくは角度を変えて積層してステッチ糸で結束したもの若しくはステッチ糸を用いずに熱融着により保形したもの、或いは、強化繊維の織物等から構成される。強化繊維体10f,20fを構成する強化繊維は、連続した強化繊維、不連続の強化繊維、またはそれらの組み合わせであってもよい。
また、後述するコア材30の作製方法C1またはC2により、コア材30を作製する。
次に、図2(a)に示すように、コア材30の上側に強化繊維体10fを配置し、コア材30の下側に強化繊維体20fを配置して、第1の積層体S1を形成する。
次に、図2(b)に示すように、第1の積層体S1を成形型5内にセットする。成形型5は、上型5Aと下型5Bとを有する。上型5Aには成形面5aを有する凹部51が形成され、下型5Bには成形面5bを有する凹部52が形成されている。成形型5が閉じられたとき、凹部51と凹部52とが互いに対向して配置され、成形面5aと成形面5bとによって閉じられた成形空間(キャビティ)CVが画成される。
次に、図2(c)に示すように、成形型5を閉じて成形型5内に第1の積層体S1を封入し、成形型5に設けたマトリックス樹脂注入口55から溶融状態のマトリックス樹脂MRをキャビティCV内に注入する。注入されたマトリックス樹脂MRは、コア材30の周囲の、コア材30の外周面と各成形面5a,5bとの間に形成される隙間内を広がり、強化繊維体10f,20fを構成する強化繊維間に含浸されつつ両強化繊維体10f,20fの全域に行き渡る。なお、注入時の液圧、液温、注入速度などは、使用するマトリックス樹脂MRの推奨成形条件を基準として定めることができ、表皮材10,20の寸法等に応じて適宜調節することができる。例えば、エポキシ樹脂を採用した場合、液圧は7〜20MPaに、液温は40〜80℃に設定することができる。
その後、上型5Aと下型5Bとによって第1の積層体S1をマトリックス樹脂MRの硬化温度(例えば、120〜130℃)で加圧、加熱することで、強化繊維体10f,20fに注入されたマトリックス樹脂MRを硬化させる。強化繊維体10f,20fは、マトリックス樹脂MR硬化後、表皮材10,20となり、コア材30と一体成形される。その後、図2(d)に示すように、型開きし、一体成形された表皮材10,20及びコア材30を成形型5から取り出すことで、成形体Mが得られる。
以上説明した通り、製造方法P1では、コア材30を強化繊維体10f,20fの間に介在させて成形型5内に封入し、強化繊維体10f,20fに溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入する。これにより、成形型5の成形面5a,5bによって目標とする形状に精度よく賦形することができるので、複雑な表面形状を有する成形体Mを効率的に製造することができる。
また、コア材30は、不織布Uと発泡樹脂Fとが混合された複合成形体であり、その繊維基材である不織布Uには発泡樹脂Fが含浸しているため、コア材30のなかには、強化繊維体10f,20fに注入されたマトリックス樹脂MRが浸み込んでいきにくい。このため、製造方法P1によれば、成形体Mにおける2つの表面層1,2と中間層3との間に、より明確な境界面を形成することができる。これにより、成形体Mの各層1,2,3において所望の厚さを安定して得ることができるので、成形体Mの強度・剛性の信頼性を高めることができる。
<成形体Mの他の製造方法P2>
次に、成形体Mの他の製造方法P2について、図3を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、第1の強化繊維体10fにマトリックス樹脂を含浸させて半硬化状態にした第1のプリプレグ10pと、第2の強化繊維体20fにマトリックス樹脂を含浸させて半硬化状態にした第2のプリプレグ20pとを作製する。
また、後述するコア材30の作製方法C1またはC2により、コア材30を作製する。
次に、図3(a)に示すように、コア材30の上側にプリプレグ10pを配置し、コア材30の下側にプリプレグ20pを配置して、第2の積層体S2を形成する。
次に、図3(b)に示すように、第2の積層体S2を成形型5内にセットする。
次に、図3(c)に示すように、成形型5を閉じ、上型5Aと下型5Bとによって第2の積層体S2をマトリックス樹脂の硬化温度で加圧、加熱することで、プリプレグ10p,20pのマトリックス樹脂を硬化させる。これにより、プリプレグ10p,20pは、表皮材10,20となり、コア材30と一体成形される。その後、図3(d)に示すように、型開きし、一体成形された表皮材10,20及びコア材30を成形型5から取り出すことで、成形体Mが得られる。
以上説明した通り、製造方法P2では、コア材30をプリプレグ10p,20pの間に介在させたものを成形型5で加圧成形する。プリプレグ10p,20pの繊維基材(強化繊維体10f,20f)には予めマトリックス樹脂が含浸されているため、これにマトリックス樹脂を注入する必要はない。従って、製造方法P2によれば、加圧成形時における強化繊維体10f,20fへのマトリックス樹脂の注入を省略することができる。また、製造方法P2によれば、成形型5から樹脂注入口を省略することができるので、成形型5の構造をよりシンプルにすることができる。
また、製造方法P2では、成形型5内に溶融状態の樹脂を注入しないため、表皮材10,20のマトリックス樹脂とコア材30の発泡樹脂Fとの混合が起こりにくい。具体的には、表皮材10,20のマトリックス樹脂がコア材30の不織布Uのなかに混入したり、コア材30の発泡樹脂Fが表皮材10,20の強化繊維体10f,20fのなかに混入したりすることが防止される。このため、製造方法P2によれば、成形体Mにおける2つの表面層1,2と中間層3との間に、より明確な境界面を形成することができる。これにより、成形体Mの各層1,2,3において所望の厚さを安定して得ることができるので、成形体Mの強度・剛性の信頼性を高めることができる。
<コア材30の作製方法C1>
次に、コア材30の作製方法C1について、図4を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、図4(a)に示すように、コア材30の繊維基材となるコア繊維体30fを不織布Uから形成する。コア繊維体30fの厚さは、要求されるコア材30の厚さに応じて調節する。コア材30に比較的大きな厚さが要求されている場合は、不織布Uを複数枚積層してコア繊維体30fを形成してもよい。複数枚の不織布Uは、ニードルパンチ法、サーマルボンド法、ケミカルボンド法、スティッチボンド法、スパンレース法など公知の結合方法を用いて互いに結合させ、一体化することができる。
次に、図4(b)に示すように、コア繊維体30fを型7内にセットする。型7は、上型7Aと下型7Bとを有する。上型7Aには成形面7aを有する凹部71が形成され、下型7Bには成形面7bを有する凹部72が形成されている。型7が閉じられたとき、凹部71と凹部72とが互いに対向して配置され、成形面7aと成形面7bとによって閉じられた成形空間(キャビティ)CVが画成される。
次に、図4(c)に示すように、型7を閉じて型7内にコア繊維体30fを封入する。そして、発泡樹脂Fの材料であるポリウレタン(PU)等の合成樹脂に不活性ガス等の発泡剤を溶解させた溶融状態の樹脂(以下、発泡性樹脂FRと称する)を、型7に設けた樹脂注入口75からキャビティCV内に注入する。注入された発泡性樹脂FRは、発泡しながらキャビティCV内を広がり、コア繊維体30fを構成する不織布Uの繊維間に含浸されつつキャビティCV全域に行き渡る。なお、注入時の液圧、液温、注入速度などは、使用する発泡性樹脂FRの推奨成形条件を基準として定めることができ、コア材30の寸法等に応じて適宜調節することができる。例えば、樹脂としてポリウレタンを採用した場合、液圧は7〜20MPaに、液温は20〜40℃に設定することができる。
注入された発泡性樹脂FRがキャビティCV内で発泡しつつ固化する間、上型7Aと下型7Bとによって加圧した状態を保持する。これにより、コア繊維体30fと、発泡性樹脂FRを発泡、固化させて得た発泡樹脂Fとを一体成形する。その後、図4(d)に示すように、型開きし、一体成形されたコア繊維体30f及び発泡樹脂Fを型7から取り出すことで、コア材30が得られる。
以上説明した通り、作製方法C1では、型7内に封入されたコア繊維体30fに溶融状態の発泡性樹脂FRを注入する。注入された発泡性樹脂FRは、発泡しながらコア繊維体30f内を広がる。即ち、発泡性樹脂FRは、自らの発泡圧によって推進されながらコア繊維体30fの繊維間を流れ、コア繊維体30fの隅々まで移動する。このため、作製方法C1によれば、コア繊維体30fに均一に樹脂が含浸されたコア材30を、少量の樹脂から効率的に作製することができる。
<コア材30の他の作製方法C2>
次に、コア材30の他の作製方法C2について、図5を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、図5(a)に示すように、上記コア繊維体30fのなかにビーズ(発泡原料)Bを均一に分散させたコア繊維体−ビーズ混合体(以下、混合体30cと称する)を形成する。ビーズBは、発泡樹脂Fの材料であるポリスチレン(PS)、ポリエチレン(PE)、ポリプロピレン(PP)等の合成樹脂に発泡剤、発泡助剤等を配合した粒状体である。ビーズBは、予備発泡させてもよいし、させなくてもよい。混合体30cは、コア繊維体30fとなる不織布UにビーズBをまぶすことで得ることができる。混合体30cの厚さは、要求されるコア材30の厚さに応じて調節することができる。例えば、ビーズBをまぶした不織布Uを複数枚積層し、これをニードルパンチ法で使用されるニードルで上下から繰り返し突き刺すことで、内部にビーズBが均一に分散した、比較的厚い混合体30cを形成することができる。
次に、図5(b)に示すように、混合体30cを型7内にセットする。
次に、図5(c)に示すように、型7を閉じて型7内に混合体30cを封入し、型7に設けたガス注入口76から、例えば、100〜130℃の熱風または水蒸気(以下、高温ガスHGと総称する)をキャビティCV内に注入する。高温ガスHGは、混合体30cに浸透しつつキャビティCV全域に行き渡り、混合体30c内のビーズBを加熱する。加熱されたビーズBは、溶融または半溶融状態となって発泡、膨張し、互いに融着する。ビーズBの樹脂は、混合体30cを構成するコア繊維体30fの繊維間に浸透しつつキャビティCV全域に広がる。なお、高温ガスHGの温度は、使用するビーズBの材料等に応じて適宜設定することができる。
そして、ビーズBがキャビティCV内で発泡、膨張しつつ固化する間、上型7Aと下型7Bとによって混合体30cを加圧した状態を保持する。これにより、混合体30cを構成するコア繊維体30fとビーズBを発泡させて得た発泡樹脂Fとを一体成形する。その後、図5(d)に示すように、型開きし、一体成形されたコア繊維体30f及び発泡樹脂Fを型7から取り出すことで、コア材30が得られる。
以上説明した通り、作製方法C2では、コア繊維体30fとビーズBとの混合体30cを型7内に封入し、これに高温ガスHGを注入してビーズBを発泡させる。作製方法C1と同様に、コア繊維体30fへの樹脂の含浸を、樹脂の発泡圧を利用して行うことができるので、コア繊維体30fに均一に樹脂が含浸されたコア材30を、少量の樹脂から効率的に作製することができる。
また、作製方法C2では、混合体30cのなかにビーズBを均一に分散させておくことで、より均質なコア材30を得ることができる。さらに、作製方法C2は、発泡成形時のコア繊維体30fに対する樹脂の移動量を小さくすることができるので、発泡成形の前後にわたってコア繊維体30fの繊維の配置または分布を維持しやすい。
<成形体Mの他の製造方法P3>
次に、成形体Mの他の製造方法P3について、図6を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、図6(a)に示すように、コア繊維体30fの上側に第1の強化繊維体10fを配置し、コア繊維体30fの下側に第2の強化繊維体20fを配置して、第3の積層体S3を形成する。
次に、図6(b)に示すように、第3の積層体S3を成形型5内にセットする。
次に、図6(c)に示すように、成形型5を閉じて成形型5内に第3の積層体S3を封入する。そして、成形型5に設けたマトリックス樹脂注入口55から溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入するとともに、成形型5に設けた発泡性樹脂注入口56から不活性ガス等を溶解させた溶融状態の発泡性樹脂FRを注入する。
マトリックス樹脂MRは、キャビティCV内の強化繊維体10f,20fに注入される。注入されたマトリックス樹脂MRは、コア繊維体30fの周囲の、コア繊維体30fの外周面と各成形面5a,5bとの間に形成される隙間内を広がり、強化繊維体10f,20fを構成する強化繊維間に含浸されつつ両強化繊維体10f,20fの全域に行き渡る。
発泡性樹脂FRは、キャビティCV内のコア繊維体30fに注入される。注入された発泡性樹脂FRは、発泡しながらコア繊維体30f内を広がり、コア繊維体30fを構成する不織布Uの繊維間に含浸されつつコア繊維体30f全域に行き渡る。
製造方法P3では、コア繊維体30fへの発泡性樹脂FRの注入開始は、強化繊維体10f,20fへのマトリックス樹脂MRの注入が開始された後に行われる。従って、コア繊維体30f内を広がっていく発泡性樹脂FRがコア繊維体30fと強化繊維体10f,20fとの間の境界面に到達する時には、当該境界面の外側に位置する強化繊維体10f,20fにはマトリックス樹脂MRが含浸されている。このため、コア繊維体30fへ注入された発泡性樹脂FRが強化繊維体10f,20fのなかに浸潤していくことが抑制される。なお、マトリックス樹脂MR及び発泡性樹脂FRの注入時の液圧、液温、注入速度などは、各樹脂材料の推奨成形条件を基準として定めることができる。両樹脂の注入開始のタイムラグは、表皮材10,20の寸法、コア材30の寸法、発泡性樹脂FRがコア繊維体30f内を移動する速度、マトリックス樹脂MRが強化繊維体10f,20f内を移動する速度等を考慮して適宜設定することができる。
次に、上型5Aと下型5Bとによって第3の積層体S3をマトリックス樹脂MRの硬化温度で加圧、加熱することで、強化繊維体10f,20fに注入されたマトリックス樹脂MRを硬化させつつ、コア繊維体30fに注入された発泡性樹脂FRを発泡、固化させる。これにより、強化繊維体10f,20fは、マトリックス樹脂MR硬化後、表皮材10,20となる。また、発泡性樹脂FRの発泡、固化が完了したコア繊維体30fは、コア材30となって両表皮材10,20と一体成形される。その後、図6(d)に示すように、型開きし、一体成形された表皮材10,20及びコア材30を成形型5から取り出すことで、成形体Mが得られる。
以上説明した通り、製造方法P3では、製造方法P1と同様に、成形型5内の強化繊維体10f,20fに溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入する。そのため、成形型5の成形面5a,5bによって目標とする形状に精度よく賦形することができるので、複雑な表面形状を有する成形体Mを効率的に製造することができる。 また、製造方法P3では、発泡性樹脂FRの発泡圧により、表皮材10,20となる強化繊維体10f,20f及びマトリックス樹脂MRに対してより均一な圧力を付与することができる。このため、表皮材10,20の表面をより滑らかにして、成形体Mの外観品質を向上させることができる。
さらに、製造方法P3では、コア繊維体30fを強化繊維体10f,20fの間に介在させた状態で成形型5内に封入する。そして、成形型5内の強化繊維体10f,20fに溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入するとともに、成形型5内のコア繊維体30fに溶融状態の発泡性樹脂FRを注入する。従って、表皮材10,20とコア材30とを一つの成形型5を用いて一つの工程で成形することができるので、成形体Mの製造コストを抑えることができる。
また、製造方法P3では、コア繊維体30fへの発泡性樹脂FRの注入開始を、強化繊維体10f,20fへのマトリックス樹脂MRの注入開始よりも後に行う。そのため、コア繊維体30f内を広がっていく発泡性樹脂FRがコア繊維体30fと強化繊維体10f,20fとの間の境界面に到達する前に、当該境界面の外側に位置する強化繊維体10f,20fにマトリックス樹脂MRを含浸させることができる。注入された発泡性樹脂FRは、マトリックス樹脂MRが含浸された強化繊維体10f,20fのなかには浸み込んでいきにくい。このため、製造方法P3では、成形体Mにおける2つの表面層1,2と中間層3との間に、より明確な境界面を形成することができる。これにより、成形体Mの各層1,2,3において所望の厚さを安定して得ることができるので、成形体Mの強度・剛性の信頼性を高めることができる。
<成形体Mの他の製造方法P4>
次に、成形体Mの他の製造方法P4について、図7を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、図7(a)に示すように、コア繊維体30fの上側に第1のプリプレグ10pを配置し、コア繊維体30fの下側に第2のプリプレグ20pを配置して、第4の積層体S4を形成する。
次に、図7(b)に示すように、第4の積層体S4を成形型5内にセットする。
次に、図7(c)に示すように、成形型5を閉じて成形型5内に第4の積層体S4を封入する。そして、成形型5に設けた発泡性樹脂注入口56から、不活性ガス等を溶解させた溶融状態の発泡性樹脂FRを、キャビティCV内のコア繊維体30fに注入する。注入された発泡性樹脂FRは、発泡しながらコア繊維体30f内を広がり、コア繊維体30fを構成する不織布Uの繊維間に含浸されつつコア繊維体30f全域に行き渡る。なお、発泡性樹脂FRの注入時の液圧、液温、注入速度などは、使用する発泡性樹脂FRの推奨成形条件を基準として定めることができ、コア材30の寸法等に応じて適宜調節することができる。
その後、上型5Aと下型5Bとによって第4の積層体S4をマトリックス樹脂の硬化温度で加圧、加熱することで、プリプレグ10p,20pのマトリックス樹脂を硬化させつつ、コア繊維体30fに注入された発泡性樹脂FRを発泡、固化させる。これにより、プリプレグ10p,20pは、マトリックス樹脂硬化後、表皮材10,20となる。また、発泡性樹脂FRの発泡、固化が完了したコア繊維体30fは、コア材30となって表皮材10,20と一体成形される。その後、図7(d)に示すように、型開きし、一体成形された表皮材10,20及びコア材30を成形型5から取り出すことで、成形体Mが得られる。
以上説明した通り、製造方法P4では、コア繊維体30fをプリプレグ10p,20pの間に介在させた状態で成形型5内に封入し、成形型5内のコア繊維体30fに溶融状態の発泡性樹脂FRを注入する。プリプレグ10p,20pの繊維基材である強化繊維体10f,20fには、予めマトリックス樹脂が含浸されているため、コア繊維体30fに注入された発泡性樹脂FRはプリプレグ10p,20pの強化繊維体10f,20fのなかに浸み込んでいきにくい。このため、製造方法P4では、成形体Mにおける2つの表面層1,2と中間層3との間に、より明確な境界面を形成することができる。これにより、成形体Mの各層1,2,3において所望の厚さを安定して得ることができるので、成形体Mの強度・剛性の信頼性を高めることができる。
また、製造方法P4では、発泡性樹脂FRの発泡圧により、表皮材10,20となるプリプレグ10p,20pに対してより均一な圧力を付与することができるので、表皮材10,20の表面をより滑らかにして、成形体Mの外観品質を向上させることができる。さらに、製造方法P4では、表皮材10,20とコア材30とを一つの成形型5を用いて一つの工程で成形することができるので、成形体Mの製造コストを抑えることができる。また、製造方法P4では、コア繊維体30fに発泡性樹脂FRを注入する必要があるものの、マトリックス樹脂を成形型5内に注入する必要がない。従って、成形型5に設ける樹脂注入口の数を製造方法P3に用いる成形型5よりも少なくでき、成形型5の構造がよりシンプルになる。
上述の製造方法P3及びP4では、上述のコア材30の作製方法C1と同様に、コア繊維体30fに発泡性樹脂FRを注入してコア材30を作成するため、作製方法C1の効果と同様の効果を得ることができる。
<成形体Mの他の製造方法P5>
次に、成形体Mの他の製造方法P5について、図8を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、図8(a)に示すように、混合体30cの上側に第1の強化繊維体10fを配置し、混合体30cの下側に第2の強化繊維体20fを配置して、第5の積層体S5を形成する。
次に、図8(b)に示すように、第5の積層体S5を成形型5内にセットする。
次に、図8(c)に示すように、成形型5を閉じて成形型5内に第5の積層体S5を封入する。そして、成形型5に設けたマトリックス樹脂注入口55から溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入するとともに、成形型5に設けたガス注入口57から例えば、100〜130℃の高温ガスHGを注入する。
マトリックス樹脂MRは、キャビティCV内の強化繊維体10f,20fに注入される。注入されたマトリックス樹脂MRは、混合体30cの周囲の、混合体30cの外周面と各成形面5a,5bとの間に形成される隙間内を広がり、強化繊維体10f,20fを構成する強化繊維間に含浸されつつ両強化繊維体10f,20fの全域に行き渡る。
高温ガスHGは、キャビティCV内の混合体30cに注入される。注入された高温ガスHGは、混合体30cに浸透しつつ混合体30c全域に行き渡り、混合体30c内のビーズBを加熱する。加熱されたビーズBは、溶融または半溶融状態となって発泡、膨張し、互いに融着する。ビーズBの樹脂は、混合体30cを構成するコア繊維体30fの繊維間に浸透しつつコア繊維体30f全域に広がる。なお、高温ガスHGの温度は、使用するビーズBの材料等に応じて適宜設定することができる。
製造方法P5では、混合体30cへの高温ガスHGの注入開始は、強化繊維体10f,20fへのマトリックス樹脂MRの注入が開始するよりも先に行われる。従って、混合体30c内のビーズBを十分に発泡、膨張させ、混合体30cのコア繊維体30fを樹脂で含浸した状態にした後に、混合体30cの周囲の隙間内にマトリックス樹脂MRを流すことができる。これにより、マトリックス樹脂MRが混合体30cのなかに浸潤していくことが抑制される。なお、マトリックス樹脂MRの注入時の液圧、液温、注入速度、高温ガスHGの温度などは、使用するマトリックス樹脂MRの推奨成形条件を基準として定めることができ、表皮材10,20の寸法等に応じて適宜調節することができる。
その後、上型5Aと下型5Bとによって第5の積層体S5をマトリックス樹脂MRの硬化温度で加圧、加熱することで、強化繊維体10f,20fに注入されたマトリックス樹脂MRを硬化させつつ、ビーズBを発泡、固化させる。これにより、強化繊維体10f,20fは、マトリックス樹脂MR硬化後、表皮材10,20となる。また、ビーズBの発泡、固化が完了した混合体30cは、コア材30となって表皮材10,20と一体成形される。その後、図8(d)に示すように、型開きし、一体成形された表皮材10,20及びコア材30を成形型5から取り出すことで、成形体Mが得られる。
以上説明した通り、製造方法P5では、製造方法P1と同様に、成形型5内の強化繊維体10f,20fに溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入する。このため、成形型5の成形面5a,5bによって目標とする形状に精度よく賦形することができるので、複雑な表面形状を有する成形体Mを効率的に製造することができる。
また、製造方法P5では、ビーズBの発泡圧により、表皮材10,20となるマトリックス樹脂MR及び強化繊維体10f,20fに対してより均一な圧力を付与することができる。このため、表皮材10,20の表面をより滑らかにして、成形体Mの外観品質を向上させることができる。さらに、製造方法P5では、混合体30cを強化繊維体10fと強化繊維体20fとの間に介在させた状態で成形型5内に封入する。そして、成形型5内の強化繊維体10f,20fに溶融状態のマトリックス樹脂MRを注入するとともに、成形型5内の混合体30cに高温ガスHGを注入する。従って、表皮材10,20とコア材30とを一つの成形型5を用いて一つの工程で成形することができるので、成形体Mの製造コストを抑えることができる。
また、製造方法P5では、混合体30cへの高温ガスHGの注入開始を、強化繊維体10f,20fへのマトリックス樹脂MRの注入開始よりも先に行う。そのため、混合体30c内のビーズBを十分に発泡、膨張させ、混合体30cのコア繊維体30fを樹脂で含浸した状態にした後に、混合体30cの周囲の隙間内にある強化繊維体10f,20fにマトリックス樹脂MRを流すことができる。注入されたマトリックス樹脂MRは、ビーズBの樹脂が含浸された後のコア繊維体30fのなかには浸み込んでいきにくい。このため、製造方法P5では、成形体Mにおける2つの表面層1,2と中間層3との間に、より明確な境界面を形成することができる。これにより、成形体Mの各層1,2,3において所望の厚さを安定して得ることができるので、成形体Mの強度・剛性の信頼性を高めることができる。
<成形体Mの他の製造方法P6>
次に、成形体Mの他の製造方法P6について、図9を参照して説明する。なお、上記において既に説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付し、その説明を省略する。
まず、図9(a)に示すように、混合体30cの上側に第1のプリプレグ10pを配置し、混合体30cの下側に第2のプリプレグ20pを配置して、第6の積層体S6を形成する。
次に、図9(b)に示すように、第6の積層体S6を成形型5内にセットする。
次に、図9(c)に示すように、成形型5を閉じて成形型5内に第6の積層体S6を封入する。そして、成形型5に設けたガス注入口57から、例えば、100〜130℃の高温ガスHGを注入する。
高温ガスHGは、キャビティCV内の混合体30cに注入される。注入された高温ガスHGは、混合体30cに浸透しつつ混合体30c全域に行き渡り、混合体30c内のビーズBを加熱する。加熱されたビーズBは、溶融または半溶融状態となって発泡、膨張し、互いに融着する。ビーズBの樹脂は、混合体30cを構成するコア繊維体30fの繊維間に浸透しつつコア繊維体30f全域に広がる。なお、高温ガスHGの温度は、使用するビーズBの材料等に応じて適宜設定することができる。
その後、上型5Aと下型5Bとによって第6の積層体S6をマトリックス樹脂の硬化温度で加圧、加熱することで、プリプレグ10p,20pのマトリックス樹脂を硬化させつつ、混合体30c内のビーズBを発泡、固化させる。これにより、プリプレグ10p,20pは、マトリックス樹脂硬化後、表皮材10,20となる。また、ビーズBの発泡、固化が完了した混合体30cは、コア材30となって表皮材10,20と一体成形される。その後、図9(d)に示すように、型開きし、一体成形された表皮材10,20及びコア材30を成形型5から取り出すことで、成形体Mが得られる。
以上説明した通り、製造方法P6では、混合体30cをプリプレグ10p,20pの間に介在させた状態で成形型5内に封入し、成形型5内の混合体30cに高温ガスHGを注入する。プリプレグ10p,20pの繊維基材である強化繊維体10f,20fには、予めマトリックス樹脂が含浸されているため、混合体30c内で発泡していくビーズBの樹脂は、プリプレグ10p,20pの強化繊維体10f,20fのなかには浸み込んでいきにくい。このため、製造方法P6では、成形体Mにおける2つの表面層1,2と中間層3との間に、より明確な境界面を形成することができる。これにより、成形体Mの各層1,2,3において所望の厚さを安定して得ることができるので、成形体Mの強度・剛性の信頼性を高めることができる。
また、製造方法P6では、ビーズBの発泡圧により、表皮材10,20となるプリプレグ10p,20pに対してより均一な圧力を付与することができるので、表皮材10,20の表面をより滑らかにして、成形体Mの外観品質を向上させることができる。さらに、製造方法P6では、表皮材10,20とコア材30とを一つの成形型5を用いて一つの工程で成形することができるので、成形体Mの製造コストを抑えることができる。また、製造方法P6では、混合体30cに高温ガスHGを注入する必要があるものの、マトリックス樹脂を成形型5内に注入する必要がない。従って、樹脂注入口を成形型5に設ける必要がなく、成形型5の構造がよりシンプルになる。
上述の製造方法P5及びP6では、上述のコア材30の作製方法C2と同様に、混合体30cにまぶしたビーズBを発泡、膨張させてコア材30を作成するため、作製方法C2の効果と同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の実施形態について説明したが、これらの実施形態は本発明の理解を容易にするために記載された単なる例示に過ぎず、本発明は当該実施形態に限定されるものではない。本発明の技術的範囲は、上記実施形態で開示した具体的な技術事項に限らず、そこから容易に導きうる様々な変形、変更、代替技術なども含むものである。
上記実施形態では、中間層3をコア材30のみから構成していたが、コア材30と第1の表皮材10との間またはコア材30と第2の表皮材20との間に他の層材を介在させてもよい。例えば、コア材30と表皮材10,20との密着性を高めるために、ホットメルト接着剤などからなる接着層を介在させてもよい。また、表面層1,2の外側に他の層を設けてもよい。例えば、表皮材10,20の外側表面に装飾用表面材等を設けてもよい。
また、マトリックス樹脂注入口55、発泡性樹脂注入口56,75、ガス注入口57,76の配置、個数は、図示したものに限らず、表皮材10,20の寸法、コア材30の寸法、使用する樹脂材料に応じて適当な箇所に複数個設定できることは勿論である。
本発明は、中間層に不織布を備えた複合材料成形体に適用できる。
M 複合材料成形体
1 第1の表面層(第1の層)
2 第2の表面層(第2の層)
3 中間層
10 第1の表皮材(第1の繊維強化樹脂)
10f 第1の強化繊維体(第1の強化繊維基材)
10p 第1のプリプレグ(第1の繊維強化樹脂材料)
20 第2の表皮材(第2の繊維強化樹脂)
20f 第2の強化繊維体(第2の強化繊維基材)
20p 第2のプリプレグ(第2の繊維強化樹脂材料)
30 コア材(不織布と発泡樹脂とが混合された複合成形体)
30f コア繊維体(コア繊維基材)
30c コア繊維体−ビーズ混合体(混合体)
U 不織布
F 発泡樹脂
B ビーズ(発泡原料)
MR マトリックス樹脂
FR 発泡性樹脂
HG 熱風または水蒸気(高温ガス)
5 成形型
7 型

Claims (9)

  1. 第1の繊維強化樹脂からなる第1の層と、
    第2の繊維強化樹脂からなる第2の層と、
    前記第1の層と第2の層との間に介在する中間層とを備え、
    前記中間層が、不織布と発泡樹脂とが混合された複合成形体からなる、複合材料成形体。
  2. 不織布と発泡樹脂とが混合された複合成形体であるコア材を成形する工程と、
    前記コア材を第1の強化繊維基材と第2の強化繊維基材との間に介在させた状態で成形型内に封入する工程と、
    前記成形型内の第1及び第2の強化繊維基材にマトリックス樹脂を注入する工程と、
    を備えた複合材料成形体の製造方法。
  3. 不織布と発泡樹脂とが混合された複合成形体であるコア材を成形する工程と、
    第1の強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させた第1の繊維強化樹脂材料と、第2の強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させた第2の繊維強化樹脂材料との間に前記コア材を介在させ、これを成形型で加圧成形する工程と、
    を備えた複合材料成形体の製造方法。
  4. 前記コア材を成形する工程が、
    不織布からなるコア繊維基材を型内に封入する工程と、
    前記型内のコア繊維基材に発泡性樹脂を注入する工程と、
    を含む請求項2または3に記載の複合材料成形体の製造方法。
  5. 前記コア材を成形する工程が、
    不織布と発泡原料との混合体を型内に封入する工程と、
    前記型内の混合体に高温ガスを注入して前記発泡原料を発泡させる工程と、
    を含む請求項2または3に記載の複合材料成形体の製造方法。
  6. 不織布からなるコア繊維基材を第1の強化繊維基材と第2の強化繊維基材との間に介在させた状態で成形型内に封入する工程と、
    前記成形型内の第1及び第2の強化繊維基材にマトリックス樹脂を注入するとともに、前記成形型内のコア繊維基材に発泡性樹脂を注入する工程と、
    を備えた複合材料成形体の製造方法。
  7. 不織布からなるコア繊維基材を、第1の強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させた第1の繊維強化樹脂材料と、第2の強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させた第2の繊維強化樹脂材料との間に介在させた状態で成形型内に封入する工程と、
    前記成形型内のコア繊維基材に発泡性樹脂を注入する工程と、
    を備えた複合材料成形体の製造方法。
  8. 不織布と発泡原料との混合体を第1の強化繊維基材と第2の強化繊維基材との間に介在させた状態で成形型内に封入する工程と、
    前記成形型内の第1及び第2の強化繊維基材にマトリックス樹脂を注入するとともに、前記成形型内の混合体に高温ガスを注入して前記発泡原料を発泡させる工程と、
    を備えた複合材料成形体の製造方法。
  9. 不織布と発泡原料との混合体を、第1の強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させた第1の繊維強化樹脂材料と、第2の強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させた第2の繊維強化樹脂材料との間に介在させた状態で成形型内に封入する工程と、
    前記成形型内の混合体に高温ガスを注入して前記発泡原料を発泡させる工程と、
    を備えた複合材料成形体の製造方法。

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