JPWO2018225271A1 - 複合材料の成形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】樹脂の含浸バラツキを抑制できる複合材料の成形方法を提供する。【解決手段】複合材料１３０の成形方法は、金型１１０内に形成される空洞に繊維基材１００を配置した状態で樹脂１２０を注入し、樹脂を硬化させて複合材料を成形する。複合材料の成形方法は、繊維基材の一部１０１で濡れ性を向上させ、金型の空洞を構成する隙間が他の箇所に比べて小さい狭隘部１１５に、繊維基材の濡れ性の向上した一部を配置する。【選択図】図５
Description
本発明は、複合材料の成形方法に関する。
従来、繊維基材に樹脂を含浸させた複合材料の成形方法として、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法、ＣＲＴＭ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法が知られている。
それらの成形方法では、金型内の空洞に繊維基材が配置され、そこに樹脂が注入されるが、繊維基材が流動抵抗となる。このため、流動抵抗を抑制する試みがなされており、例えば特許文献１では、成形品の厚みよりも大きい空洞を水平な成形面同士の間に形成することが開示されている。
しかしながら、金型の成形面は、上記従来技術で開示されているような単純な水平面だけではなく、実際には車体等の形状に対応した複雑な形状を有する。
このため、例えば水平な成形面同士の間に所定の間隔の隙間が形成されるように金型を制御したとしても、それ以外の例えば傾斜した成形面同士の間では隙間の狭い箇所が生じることがある。そしてそのような箇所では、他の箇所に比べて流動抵抗が高く樹脂が流れ難いため、樹脂の含浸にバラツキが生じる虞がある。樹脂の含浸バラツキは、強度や剛性の低下、さらには外観不良の要因となることがあり、好ましくない。
そこで、本発明は、樹脂の含浸バラツキを抑制できる複合材料の成形方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するための本発明の複合材料の成形方法は、金型内に形成される空洞に繊維基材を配置した状態で樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する。本発明の複合材料の成形方法は、前記繊維基材の一部で濡れ性を向上させ、前記空洞を構成する隙間が他の箇所に比べて小さい狭隘部に、前記繊維基材の前記一部を配置する。
本発明の複合材料の成形方法によれば、樹脂の含浸バラツキを抑制できる。
以下、添付した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。
＜第１実施形態＞
図１に示すように、本実施形態の複合材料の成形方法は、プリフォーム（繊維基材）の一部で濡れ性を向上させ（工程Ｓ１）、金型にプリフォームを配置する（工程Ｓ２）。その後、金型が閉じられ（工程Ｓ３）、金型内に樹脂が注入される（工程Ｓ４）。樹脂注入後、さらに金型が型締めされる（工程Ｓ５）。その後、樹脂は硬化され（工程Ｓ６）、複合材料が脱型される（工程Ｓ７）。以下、各工程について述べる。
図１に示すように、本実施形態の複合材料の成形方法は、プリフォーム（繊維基材）の一部で濡れ性を向上させ（工程Ｓ１）、金型にプリフォームを配置する（工程Ｓ２）。その後、金型が閉じられ（工程Ｓ３）、金型内に樹脂が注入される（工程Ｓ４）。樹脂注入後、さらに金型が型締めされる（工程Ｓ５）。その後、樹脂は硬化され（工程Ｓ６）、複合材料が脱型される（工程Ｓ７）。以下、各工程について述べる。
図２に示すように、工程Ｓ１では、プリフォーム１００の一部の傾斜した箇所に、プラズマまたは紫外線が照射されることによって、濡れ性の向上した濡れ性向上部１０１が形成される。濡れ性の向上する要因としては、例えば、親水性官能基が付与されることや基材が粗面化されること等が挙げられる。
プリフォーム１００は、複数の繊維基材１０２が接着剤１０３を介して積層された構成を有するが、これに限定されず、１つの繊維基材１０２だけからなる形態であってもよい。プリフォーム１００は、事前のプリフォーミングによって予め形状づけられており、本実施形態では略台形形状を有する。濡れ性向上部１０１は、その台形形状の脚をなす部分である。
本実施形態では、繊維基材１０２を形状づけしたプリフォーム１００の状態で部分的に濡れ性が向上されたが、この形態に限定されず、プリフォーミング前に部分的に濡れ性を向上させておいてもよい。例えば、プリフォーミングによって形状づけされる前の略平坦な状態の繊維基材１０２が所定の大きさに裁断される前に、または裁断された後に、その略平坦な繊維基材１０２の所定の箇所で、濡れ性を部分的に向上させておいてもよい。
繊維基材１０２は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリアミド（ＰＡ）繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、アクリル繊維等の繊維によって形成されたシート材である。繊維基材１０２は、例えば、繊維を縦横に組み合わせた織物の構造を有する。
接着剤１０３は、繊維基材１０２同士を接着可能であれば特に限定されず、その材料として、例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂、また、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂などが挙げられる。
図３に示すように、工程Ｓ２では、開いた金型１１０にプリフォーム１００が配置される。金型１１０は、可動型１１１および固定型１１２を有する。プリフォーム１００は、可動型１１１および固定型１１２の成形面の形状に沿うように予め形状づけられており、工程Ｓ２では固定型１１２の成形面に沿って配置される。
可動型１１１は、例えば油圧シリンダー等を備える不図示の駆動装置と接続しており、固定型１１２に対して近接離間自在である。可動型１１１には樹脂の注入口１１３が形成されている。
固定型１１２は、可動型１１１の凹状の成形面に対向して凸状の成形面を有する。これと異なり、可動型１１１に凸状の成形面が設けられ、固定型１１２に凹状の成形面が設けられてもよい。固定型１１２の外周には、例えばガスケット等のシール部材１１４が備えられている。シール部材１１４は、固定型１１２ではなく、可動型１１１の外周に備えられてもよい。
図４に示すように、工程Ｓ３では、可動型１１１が固定型１１２に近接するように移動し、閉じられた金型１１０内にプリフォーム１００が配置された状態になる。このとき、可動型１１１および固定型１１２がそれらの間に形成する空洞は、最終的に作製される複合材料の厚みよりも大きい。
また、その空洞を構成する隙間のうち、傾斜した成形面同士の間の隙間ｔ１は、水平な成形面同士の間の隙間ｔ２に比べて小さく（ｔ１＜ｔ２）、傾斜した成形面同士の間は、その小さい隙間ｔ１からなる狭隘部１１５を形成している。その狭隘部１１５に、濡れ性向上部１０１が配置される。隙間ｔ２で相対的に隙間の大きな箇所１１６（他の箇所）は、樹脂の注入口１１３と連通している。
図５に示すように、工程Ｓ４では、金型１１０内に注入口１１３から樹脂１２０が注入される。樹脂１２０は、相対的に隙間の大きな箇所１１６から狭隘部１１５へと流動しつつ、プリフォーム１００に含浸されていく。
樹脂１２０は、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等である。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用される。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、これらに限定されない。また、樹脂１２０は、熱硬化性樹脂に限定されず、熱可塑性樹脂であってもよい。また、樹脂１２０は離型剤を含んでもよい。
図６に示すように、工程Ｓ５では、金型１１０のさらなる型締めが行われる。このとき、金型１１０は、最終的に作製される複合材料の厚みと空洞とが略同等になるまで型締めされる。
工程Ｓ５でのさらなる型締めにともない、金型１１０内の圧力が増加するため、プリフォーム１００の全体へ、より確実に樹脂１２０が行きわたる。
工程Ｓ６では、プリフォーム１００に含浸されている樹脂１２０が硬化される。樹脂１２０が熱硬化性樹脂の場合、例えば、ヒータ等の加熱装置を用いて金型１１０を加熱することによって、プリフォーム１００に含浸されている樹脂１２０を硬化させることができる。
図７に示すように、工程Ｓ７では、可動型１１１が固定型１１２から離間するように移動して金型１１０が開き、成形品である複合材料１３０が脱型される。
複合材料１３０は、本実施形態では比較的単純な形状を有するが、これに限定されない。複合材料１３０は、例えば、自動車の車体に使用されるフロントサイドメンバーやピラー等の骨格部品、ルーフ等の外板部品として作製される場合、それらに対応したより複雑な形状を有する。
次に本実施形態の作用効果を述べる。
狭隘部１１５は、隙間の相対的に大きな箇所１１６に比べて狭いため、流動抵抗が高く、樹脂１２０が流れ難い。
しかし、本実施形態では、狭隘部１１５に、濡れ性向上部１０１（繊維基材の濡れ性の向上した一部）が配置されており、これによって狭隘部１１５での毛細管現象が強まるため、樹脂１２０が狭隘部１１５に引き込まれ易い。従って、樹脂１２０が全体に行きわたり易く、含浸バラツキを抑制できる。
図８を参照して、一般的に毛細管現象によって液体１０００が細管１１００に引き込まれる高さｈは、下の数式１によって表すことができ、濡れ性が向上して数式１の接触角θ（９０°＞θ＞０）が小さくなると、右辺のｃｏｓθが大きくなり、液体１０００の引き込まれる高さｈが増加する。つまり、濡れ性が向上するほど、液体１０００が細管１１００に引き込まれ易くなる。これと同様の原理で、狭隘部１１５では濡れ性向上部１０１が配置されることによって、樹脂１２０が引き込まれ易くなる。
数式１で、θ：接触角、σ：表面張力、ｒ：細管の半径、γ：液体の比重量である。
狭隘部１１５は、隙間の相対的に大きな箇所１１６に対し、樹脂１２０の流動方向下流側に位置しているが、下流側では、上流側での流動抵抗等によるエネルギー損失によって、樹脂１２０の流れが弱まるため、特に樹脂１２０が流動し難くなっている。
しかし、本実施形態では、下流側の狭隘部１１５に濡れ性向上部１０１が配置されており、毛細管現象による樹脂１２０の引き込みが増しているため、下流側であっても樹脂１２０が行きわたり易く、特に効果的に含浸バラツキを抑制できる。
プリフォーム１００（繊維基材）の一部で濡れ性を向上できるのであれば、本実施形態のようなプラズマまたは紫外線の部分的照射に限定されず、例えばサイジング剤を局所的に塗布してもよい。
しかしながら、例えばサイジング剤によって局所的に濡れ性を上げようとすると、プリフォーム１００にマスキングをしなければならず、手間がかかる。
これに対し、プラズマまたは紫外線によれば部分的に照射するだけで済むため、所定の範囲で簡単に濡れ性を上げることができる。
本実施形態では、プリフォーム１００の形成後に濡れ性を向上させており、プリフォーミング前に繊維基材１０２の濡れ性を上げておく場合に比べ、濡れ性を向上させてから樹脂１２０を注入する（工程Ｓ４）までの期間が短い。
このため、濡れ性が持続している間に樹脂１２０を注入でき、濡れ性向上部１０１による効果が損なわれ難い。
図９および図１０に示すように、濡れ性の大小は、基材上に垂らされた液滴１００１の接触角θの大小によって判別でき、接触角θが大きいほど濡れ性は小さく、接触角θが小さいほど濡れ性が大きい。
＜第２実施形態＞
図１１に示すように、第２実施形態では、第１実施形態と異なる金型２１０が用いられる。また、樹脂１２０を注入する工程Ｓ４において、狭隘部１１５が真空引きされる点で、本実施形態は第１実施形態と異なる。他の装置構成および工程については、本実施形態は第１実施形態と略同様であるため、ここでの重複する説明は省略する。
図１１に示すように、第２実施形態では、第１実施形態と異なる金型２１０が用いられる。また、樹脂１２０を注入する工程Ｓ４において、狭隘部１１５が真空引きされる点で、本実施形態は第１実施形態と異なる。他の装置構成および工程については、本実施形態は第１実施形態と略同様であるため、ここでの重複する説明は省略する。
金型２１０は、第１実施形態と異なる可動型２１１を有する。可動型２１１の成形面には、狭隘部１１５と連通する真空口２１７が形成されている。このような形態に限定されず、真空口２１７は、可動型２１１および固定型１１２のうちの少なくとも一方の成形面に形成されていればよい。
真空口２１７は、真空ポンプ２１８と連通している。また、真空口２１７に対して近接離間自在に、ピン状の開閉部材２１９が備えられている。真空ポンプ２１８は、真空口２１７を通じて狭隘部１１５を真空引きする。このとき、開閉部材２１９は真空口２１７から離間しており、真空口２１７は開いた状態である。
本実施形態の樹脂注入工程Ｓ４では、狭隘部１１５が真空引きされ、他の箇所１１６よりも負圧にされた状態で、樹脂１２０が注入される。
樹脂１２０が流動して真空口２１７に達する前に、開閉部材２１９は、押し込まれるようにして真空口２１７に近接し、真空口２１７を閉じる。このため、樹脂１２０が真空口２１７に流入しない。
本実施形態では、狭隘部１１５を他の箇所１１６よりも負圧にして樹脂１２０を注入するため、樹脂１２０が狭隘部１１５に引き込まれてより全体に行きわたり易く、含浸バラツキをより確実に防止できる。
また、真空口２１７への樹脂１２０の流入が開閉部材２１９によって防止されるため、脱型が容易であり、不要なバリ取りも省略できる。
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。
例えば、本発明は、上記実施形態の図１で示したような、ＣＲＴＭ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法と称される成形方法に限定されず、図１の工程Ｓ３において完全に型締めを行うようなＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法も含む。
この場合、工程Ｓ３において、金型１１０の空洞が複合材料１３０の厚みと略同等になるまで型締めされ、樹脂注入工程Ｓ４の後にさらなる型締め工程Ｓ５を行うことなく、樹脂の硬化工程Ｓ６が行われる。
１００ プリフォーム、
１０１ 濡れ性向上部（繊維基材の濡れ性の向上した一部）、
１０２ 繊維基材、
１０３ 接着剤、
１１０ 金型、
１１１ 可動型、
１１２ 固定型、
１１３ 樹脂の注入口、
１１４ シール部材、
１１５ 狭隘部、
１１６ 隙間の相対的に大きな箇所（他の箇所）、
１２０ 樹脂、
１３０ 複合材料、
２１０ 金型、
２１１ 可動型、
２１７ 真空口、
２１８ 真空ポンプ、
２１９ 開閉部材。
１０１ 濡れ性向上部（繊維基材の濡れ性の向上した一部）、
１０２ 繊維基材、
１０３ 接着剤、
１１０ 金型、
１１１ 可動型、
１１２ 固定型、
１１３ 樹脂の注入口、
１１４ シール部材、
１１５ 狭隘部、
１１６ 隙間の相対的に大きな箇所（他の箇所）、
１２０ 樹脂、
１３０ 複合材料、
２１０ 金型、
２１１ 可動型、
２１７ 真空口、
２１８ 真空ポンプ、
２１９ 開閉部材。
Claims (4)
- 金型内に形成される空洞に繊維基材を配置した状態で樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
前記繊維基材の一部で濡れ性を向上させ、
前記空洞を構成する隙間が他の箇所に比べて小さい狭隘部に、前記繊維基材の前記一部を配置する、複合材料の成形方法。 - 前記他の箇所よりも前記樹脂の流動方向下流側に位置する前記狭隘部に対し、前記繊維基材の前記一部を配置する、請求項１に記載の複合材料の成形方法。
- プラズマまたは紫外線を照射することによって、前記繊維基材の前記一部で濡れ性を高める、請求項１または請求項２に記載の複合材料の成形方法。
- 前記狭隘部を前記他の箇所よりも負圧にして前記樹脂を注入する、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の複合材料の成形方法。
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