WO2018047761A1 - 繊維強化プラスチック成形体の製造方法 - Google Patents

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WO2018047761A1
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reinforcing fiber
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cavity
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健 ▲高▼木
貴啓 市瀬
治 久松
宜実 ▲高▼▲杉▼
翔大 木田
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川崎重工業株式会社
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    • B29C70/548—Measures for feeding or distributing the matrix material in the reinforcing structure using distribution constructions, e.g. channels incorporated in or associated with the mould

Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a fiber reinforced plastic (Fiber Reinforced Plastics; hereinafter referred to as “FRP”) molded body.
  • FRP Fiber Reinforced Plastics
  • an FRP molded body in which the thickness of the reinforcing fiber base material in the stacking direction exceeds approximately 100 mm is referred to as a “thick FRP molded body”.
  • RTM (Resin Transfer Molding) method is one of FRP molding methods.
  • the RTM method is a method in which a reinforcing fiber base material is disposed in a cavity of a mold, a liquid matrix resin is injected into the cavity, and the resin is cured.
  • an FRP composed of reinforcing fibers and a resin can be molded while impregnating the reinforcing fiber base with the resin.
  • Patent Document 1 describes a method for forming FRP by such an RTM method.
  • a laminate of fiber sheets in which fiber bundles are aligned or woven is used as the reinforcing fiber base material of the FRP molded body.
  • a reinforcing fiber substrate has a resin permeation path such as a fiber gap of sub-micrometer order, an interlayer of fiber sheets of micrometer order (or a gap between a fiber sheet and a mold). Since the sizes of these permeation paths are minute and uneven, it is difficult to uniformly infiltrate the resin into the reinforcing fiber base material.
  • Patent Document 1 in order to uniformly impregnate a reinforcing fiber base material with a resin in the RTM method, the reinforcing fiber base material is pressed with a mold before injection of the resin, and the fiber volume content (Vf: fiber relative to the total volume) In other words, the volume ratio is less than 60%, the resin injection pressure is increased stepwise, and the fiber sheet is oriented so as not to be perpendicular to the injected resin flow.
  • Patent Document 1 does not assume molding of a thick FRP molded body. This is because if the thick FRP molded body is to be molded using the method described in Patent Document 1, the gap between the fiber sheets is narrowed by pressing, and the flow resistance of the resin may be excessively increased. If the flow resistance of the resin increases, the resin viscosity increases with an increase in the resin filling time, which may result in poor penetration. Further, in the method described in Patent Document 1, there is a risk that the arrangement of the resin sheets may be disturbed, such as spreading between the resin sheet layers, at the start of resin injection and when the injection pressure is increased stepwise.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and the purpose thereof is FRP molding using the RTM method, which is suitable for producing a thick FRP molded body in which a reinforcing fiber base material is homogeneously impregnated with a resin. It is in providing the manufacturing method of a body.
  • a method for producing a fiber-reinforced plastic molded body includes: Arranging a reinforcing fiber base material formed by laminating a plurality of fiber sheets in a cavity of a mold so that a sheet laminating direction, which is a direction in which the plurality of fiber sheets are laminated, is a horizontal direction; Injecting resin in the antigravity direction into the cavity from an injection port provided below the reinforcing fiber base disposed in the cavity, and impregnating the resin into the reinforcing fiber base; Pressurizing the reinforcing fiber base impregnated with the resin in the sheet stacking direction; Curing the resin impregnated in the reinforcing fiber base material.
  • the sheet lamination direction of the reinforcing fiber base is horizontal, and the resin injection direction is the antigravity direction. For this reason, the resin easily penetrates into the reinforcing fiber base material and the liquid level of the penetrating resin is leveled, so that the resin is easily impregnated uniformly into the reinforcing fiber base material.
  • the reinforcing fiber base impregnated with the resin is compressed in the sheet stacking direction and cured. Thereby, disorder of the arrangement
  • a plurality of the injection ports are provided dispersed in the sheet stacking direction, and at the beginning of the injection of the resin into the cavities,
  • the amount of the resin injected from the injection port provided below both ends in the sheet stacking direction is the amount from the injection port provided below the central portion of the reinforcing fiber base in the sheet stacking direction. More than the amount of resin injected, the liquid level of the resin that permeates the reinforcing fiber base so that both ends are higher than the central portion in the sheet lamination direction, and then the liquid level of the resin
  • the injection amount of at least one of the injection ports may be changed so as to equalize.
  • a plurality of the injection ports are provided dispersed in the sheet lamination direction, and the sheet lamination of the reinforcing fiber base material among the plurality of injection ports. After the injection of the resin is started from the injection ports provided below both ends in the direction, the injection of the resin may be started from the other injection ports.
  • the liquid level of the resin that permeates the reinforcing fiber base is set to be higher at both ends than the center in the sheet stacking direction.
  • an FRP molded body manufacturing method suitable for manufacturing a thick FRP molded body in which a reinforcing fiber base material is uniformly impregnated with a resin.
  • FIG. 1 is a schematic view of a molding apparatus used in a method for producing an FRP molded body according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a diagram showing a flow of a method for manufacturing an FRP molded body.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining how the resin penetrates into the reinforcing fiber base at the beginning of resin injection.
  • FIG. 4 is a diagram for explaining how the resin penetrates into the reinforcing fiber base at the beginning of resin injection after FIG.
  • FIG. 5 is a diagram for explaining how the resin penetrates into the reinforcing fiber base at the beginning of resin injection after FIG.
  • FIG. 6 is a chart summarizing the production conditions of Examples and Comparative Examples 1 to 4 and the observation results of the produced FRP molded bodies.
  • the FRP molded body manufactured by the method for manufacturing an FRP molded body according to the present embodiment includes a reinforcing fiber substrate (preform) and a resin (matrix) impregnated and cured in the reinforcing fiber substrate.
  • This method of manufacturing an FRP molded body is suitable for manufacturing a “thick” FRP molded body having a thickness (dimension in the sheet stacking direction to be described later) of more than 100 mm.
  • Examples of such thick-walled FRP molded bodies include aircraft wings and fuselage parts, leaf spring parts of railway vehicle carts, blades of wind power generators, and the like.
  • the application range of the manufacturing method of the FRP molded body is not particularly limited to the thick-walled FRP molded body, and can be applied to the manufacture of an FRP molded body having a thickness smaller than that of the thick-walled FRP molded body.
  • the reinforcing fiber base material is a laminate of a plurality of fiber sheets in the thickness direction.
  • sheet stacking direction the stacking direction of the plurality of fiber sheets.
  • the reinforcing fiber substrate may be one in which a core material is disposed between a plurality of laminated fiber sheets.
  • attachment, sewing, etc. is used as a reinforced fiber base material.
  • the type of reinforcing fiber is not particularly limited, and various fibers conventionally used in FRP such as carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber can be used.
  • the form of the fiber sheet is not particularly limited, and fabrics such as plain weave, twill weave and satin weave, fibers in which fibers in one direction or a plurality of directions are collected with stitch yarns, and knitted fabrics can be used.
  • thermosetting resins such as epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, phenol resins, and bismaleimide resins.
  • FIG. 1 is a schematic view of a molding apparatus 1 used in a method for producing an FRP molded body according to an embodiment of the present invention. This figure shows a vertical cross section parallel to the sheet stacking direction D of the mold 2 when the resin 4 is injected into the cavity 20 of the mold 2.
  • the molding apparatus 1 illustrated in FIG. 1 includes a molding die 2, a clamping device (not shown) for clamping the molding die 2 (for example, a press device), an injection device 40, a heating device 3, an exhaust device 6, and an air supply device 7. It has.
  • the molding die 2 includes an upper die and a lower die, and cavity forming portions 20a and 20b are provided respectively. Then, the upper mold and the lower mold are clamped, and the cavities 20 are formed by combining both of the cavity forming portions 20a and 20b.
  • a plurality of injection ports 21 are provided in the cavity forming portion 20 b of the mold 2. Each injection port 21 opens upward at the bottom of the cavity forming portion 20b so as to inject the resin 4 from the bottom of the cavity 20 in the antigravity direction.
  • the injection direction of the resin from the injection port 21 is not strictly limited to the antigravity direction, and some inclination (about ⁇ 10 °) from the antigravity direction is allowed.
  • the plurality of injection ports 21 are dispersed in the sheet stacking direction D of the reinforcing fiber base 8 disposed in the cavity 20.
  • Each injection port 21 is connected to an injection device 40.
  • the injection device 40 includes a container 45 in which the liquid resin 4 is stored, a supply pipe 41 that connects the container 45 and the injection port 21, and an opening / closing device 42 that switches between opening and closing of the injection port 21.
  • the opening / closing device 42 may be, for example, a valve provided in the supply pipe 41.
  • an opening / closing device 42 is provided corresponding to each injection port 21, but an opening / closing device 42 is provided for a combination of a plurality of injection ports 21, and the plurality of injection ports 21 are simultaneously opened / closed. May be.
  • the cavity forming portion 20a of the mold 2 is provided with a plurality of discharge ports 22.
  • the plurality of discharge ports 22 are desirably dispersed over the sheet lamination direction D of the reinforcing fiber base 8 disposed in the cavity 20.
  • Each discharge port 22 is opened in the ceiling part of the cavity formation part 20a so that it can exhaust from the top part of the cavity 20.
  • Each discharge port 22 is connected to the exhaust device 6 and the air supply device 7 via an exhaust pipe 43.
  • the discharge port 22 can be switched between a state connected to the exhaust device 6, a state connected to the air supply device 7, and a closed state. This switching is performed by the switching device 44.
  • the switching device 44 may be configured by, for example, one or a plurality of valves provided in the exhaust pipe 43.
  • the mold 2 is provided with a heating device 3 for heating the resin 4 filled in the cavity 20.
  • the heating device 3 includes known configurations such as a heat medium passage formed in the mold 2, a heater that heats the heat medium flowing through the heat medium passage, a heating wire, and a power supply device that supplies power to the heating wire. It may be.
  • the molding die 2 is provided with a pressing device 5 that pressurizes the reinforcing fiber base 8 (including the reinforcing fiber base 8 impregnated with the resin 4) disposed in the cavity 20 in the sheet stacking direction D. ing.
  • the reinforcing fiber substrate 8 is pressed in the sheet stacking direction D by the pressing device 5
  • the reinforcing fiber substrate 8 sandwiched between the pressing device 5 and the mold 2 is pressed from both sides in the sheet stacking direction D.
  • the pressing device 5 may be constituted by, for example, a pusher exposed to the cavity 20 and an actuator that moves the pusher forward and backward in the horizontal direction.
  • FIG. 2 is a flowchart of a method for manufacturing an FRP molded body.
  • the reinforcing fiber base 8 is placed in the mold 2 (step S1).
  • the reinforcing fiber base 8 is disposed in the cavity forming portion 20b of the mold 2 so that the sheet stacking direction D is the horizontal direction.
  • the reinforcing fiber base 8 is a material in which a plurality of fiber sheets 80 are stacked in advance in the thickness direction, the working efficiency is good.
  • the sheet stacking direction D is not strictly limited to the horizontal direction, and some inclination (about ⁇ 10 °) from the horizontal direction is allowed.
  • step S2 the mold 2 is assembled (step S2).
  • the upper mold is combined and fixed to the lower mold of the mold 2.
  • the assembled mold 2 is clamped by a mold clamping device (step S3). Thereby, the cavity 20 is formed inside the mold 2.
  • the reinforcing fiber base 8 disposed in the cavity 20 is pressed in the sheet stacking direction D by the pressing device 5 (step S4).
  • the reinforcing fiber base 8 is pressed in the sheet stacking direction D so that a desired fiber volume content (Vf) at the time of injection is obtained.
  • the fiber volume content (Vf) at the time of injection is suppressed to such an extent that the penetration of the resin 4 into the reinforcing fiber base 8 is not inhibited (for example, 50 to 55%).
  • the cavity 20 is evacuated.
  • the cavity 20 is substantially evacuated (step S5).
  • all the injection ports 21 are closed, and each discharge port 22 is connected to the exhaust device 6.
  • the cavity 20 is evacuated (forced exhaustion) until the vacuum is almost reached.
  • the air mixed in the resin 4 can be reduced by making the cavity 20 vacuum.
  • each discharge port 22 is connected to the exhaust device 6, and the cavity 20 is continuously evacuated. Further, the injection port 21 is opened, and the molten resin in the container 45 is injected into the cavity 20 by the injection device 40.
  • the resin 4 is injected from the injection port 21 into the cavity 20 in the antigravity direction. That is, the injection direction of the resin 4 and the in-plane direction of each fiber sheet 80 of the reinforcing fiber base 8 are parallel. Therefore, the penetration of the resin 4 is not easily inhibited by the fiber sheet 80 of the reinforcing fiber base 8. Thereby, compared with the case where the injection direction of the resin 4 and the in-plane direction of the fiber sheet 80 intersect, the injection of the resin 4 can be performed in a short time. Further, since the penetration of the resin 4 is not easily inhibited by the fiber sheet 80, the penetration direction of the resin 4 into the reinforcing fiber base 8 is the antigravity direction. Furthermore, since the penetration direction of the resin 4 is the antigravity direction, the liquid level of the rising resin 4 is horizontal, and the penetration of the resin 4 between the inside of the fiber sheet 80 and the interlayer of the fiber sheet 80 having different flow resistances. To be balanced.
  • the liquid level 4L of the resin 4 penetrating the reinforcing fiber base 8 is set to both ends of the sheet stacking direction D from both ends. After that, the injection of the resin 4 is controlled so that the liquid level 4L of the resin 4 is leveled.
  • the “end portion” of the reinforcing fiber base 8 in the sheet stacking direction D refers to the end of the reinforcing fiber base 8 from the end of the reinforcing fiber base 8 in the sheet stacking direction D. It means a range within 20% of the overall dimension in the sheet stacking direction D.
  • the injection ports 21 positioned below both ends of the reinforcing fiber base 8 in the sheet lamination direction D are opened, and then, as shown in FIG.
  • the injection port 21 located on the center side in the sheet stacking direction D from the injection port 21 thus opened is opened.
  • the injection amount of the resin 4 from each injection port 21 is equal.
  • the liquid level 4L of the resin 4 penetrating both ends is greater than the central portion in the sheet lamination direction D of the reinforcing fiber base 8. Get higher.
  • the height of the liquid surface level 4L of the resin 4 penetrating into the reinforcing fiber base 8 is gradually increased from the central part in the sheet stacking direction D of the reinforcing fiber base 8 toward both ends. . That is, in the reinforcing fiber base 8, the fiber sheets 80 at both ends in the sheet stacking direction D are subjected to greater pressure than the fiber sheet 80 in the center in the sheet stacking direction D.
  • a force that pushes the fiber sheet 80 toward the center in the sheet stacking direction D due to the pressure difference in the reinforcing fiber base 8 that is, a force that compresses the reinforcing fiber base 8 in the sheet stacking direction D. Act. Thereby, the spread between the layers of the fiber sheet 80 (that is, disorder of the arrangement of the fiber sheets 80) is suppressed.
  • the injection port so that the liquid level 4L of the resin 4 is leveled.
  • the injection amount from at least one of 21 is changed.
  • the injection port 21 located below the central portion in the sheet lamination direction D of the reinforcing fiber base 8 is opened to increase the injection amount from the injection port 21. Thereby, the homogenization of the penetration of the resin 4 into the reinforcing fiber base 8 is promoted.
  • the reinforcing fiber base material 8 can also be reduced by reducing the injection amount of the injection port 21 located below the central portion of the reinforcing fiber base material 8 in the sheet stacking direction D than the injection amount of the injection port 21 positioned. Similar pressure differences can be produced.
  • step S7 when the resin 4 overflows from all the discharge ports 22, it is assumed that the resin 4 is filled in the cavity 20, and the injection of the resin 4 is terminated (step S7). Specifically, all the injection ports 21 are closed by the opening / closing device 42.
  • step S8 pressurized gas is supplied to the discharge port 22 (step S8).
  • the switching device 44 switches to a state in which each discharge port 22 and the air supply device 7 are connected.
  • a gas (air) having a pressure larger than the pressure of the resin 4 is supplied from the air supply device 7 to the discharge port 22.
  • the flow of the resin 4 from the injection port 21 toward the discharge port 22 is stopped, and the resin 4 filled in the cavity 20 is pressurized, and bubbles are mixed in the resin 4 and the reinforcing fiber base 8. Is reduced.
  • the resin 4 and the reinforcing fiber base 8 filled in the cavity 20 are pressurized in the sheet stacking direction D (step S9).
  • the resin 4 and the reinforcing fiber base 8 are pressed from both sides in the sheet stacking direction D by the pressing device 5 so as to have a fiber volume content (Vf) required for the FRP molded body. That is, in this step, the fiber volume content (Vf) of the FRP molded body can be adjusted. Further, by pressing the resin 4 and the reinforcing fiber base 8 from both sides in the sheet stacking direction D, it is possible to eliminate the disorder of the arrangement of the fiber sheets 80 of the reinforcing fiber base 8 and the opening between the layers.
  • the resin 4 is cured under heating by the heating device 3 or at normal temperature while pressing the reinforcing fiber base 8 impregnated with the resin 4 in the sheet stacking direction D. (Step S10).
  • seat lamination direction D of the reinforced fiber base material 8 which the resin 4 impregnated is resin before starting the hardening process of the resin 4, and after starting the hardening process of the resin 4. It may be either until 4 is cured.
  • the FRP molded body composed of the resin 4 and the reinforcing fiber base 8 is released from the mold 2 (step S11).
  • the FRP molded body can be manufactured through the above steps.
  • the reinforcing fiber substrate 8 formed by laminating a plurality of fiber sheets 80 is formed on the mold 2 so that the sheet lamination direction D is the horizontal direction.
  • a step of placing in the cavity 20 (step S1), a step of injecting resin into the cavity 20 in the antigravity direction to impregnate the reinforcing fiber substrate 8 with the resin 4 (step S6), and a reinforcing fiber impregnated with the resin 4 A step of pressing the base material 8 in the sheet stacking direction D (step S9) and a step of curing the resin 4 impregnated in the reinforcing fiber base material 8 while maintaining the pressurization (step S10) are included.
  • the sheet stacking direction D of the reinforcing fiber base 8 is horizontal, and the injection direction of the resin 4 is the antigravity direction.
  • the resin 4 is easy to permeate and the liquid level of the permeating resin 4 is leveled, so that the reinforcing fiber base 8 is easily impregnated with the resin 4 uniformly.
  • the reinforcing fiber base impregnated with the resin 4 is used after the injection of the resin and before the curing is completed by using the pressing device 5 capable of pressing the reinforcing fiber base 8 in the cavity 20 at an arbitrary timing.
  • the material 8 is compressed in the sheet stacking direction D.
  • step S6 which impregnates the reinforcement fiber base material 8 with resin 4
  • pouring start of resin 4 to the cavity 20 is the beginning of the reinforcement fiber base material 8 of the beginning.
  • the amount of resin 4 injected from the injection port 21 provided below both ends in the sheet stacking direction D is the same as the amount of resin injected from the injection port 21 provided below the center of the reinforcing fiber substrate 8 in the sheet stacking direction D.
  • the liquid level 4L of the resin 4 penetrating the reinforcing fiber base 8 is set to be higher at both ends than the central part in the sheet stacking direction D, and then the liquid level of the resin 4 The injection amount of at least one of the injection ports 21 is changed so that the level 4L is leveled.
  • the injection of the resin 4 from the injection ports 21 provided below both ends of the reinforcing fiber base 8 in the sheet lamination direction D among the plurality of injection ports 21. After starting, injection of the resin 4 is started from the remaining injection port 21.
  • the liquid surface level 4L of the resin 4 penetrating the reinforcing fiber base 8 is strengthened by making both ends higher than the central portion in the sheet stacking direction D. Since both ends of the resin 4 penetrating the fiber base 8 are subjected to pressure greater than the center of the reinforcing fiber base 8 in the sheet stacking direction D, the reinforcing fiber base 8 is centered from both ends of the sheet stacking direction D. A force directed toward the portion is generated, and the disorder of the arrangement of the fiber sheet 80 due to the injection of the resin 4 and the suppression of the spread between the layers of the fiber sheet 80 are expected.
  • the disorder of the arrangement of the fiber sheet 80 and the spread between the layers of the fiber sheet 80 are suppressed, so that the penetration of the resin 4 is hardly inhibited, and the reinforcing fiber Differences in the penetration of the resin 4 are less likely to occur at each part of the substrate 8.
  • the improvement of the homogeneity of the impregnation (penetration) of the resin 4 is expected. If the homogeneity of the impregnation of the resin 4 into the reinforcing fiber base 8 is improved, the formation of voids accompanying the advance of the resin 4 is suppressed.
  • the reinforcing fiber base material can be uniformly impregnated with the resin, And disorder of arrangement of fiber sheet 80 which constitutes a reinforced fiber base material, and spread of layers can be controlled. Therefore, according to said manufacturing method, it becomes possible to manufacture the thick FRP molded object which the resin was uniformly impregnated into the reinforcing fiber base material.
  • Example 1 As the reinforcing fiber substrate, a laminate of 400 mm ⁇ 75 mm fiber sheets made of E glass fiber NCF (Non-Crimped Fibers) was used. An epoxy resin was used as the resin (matrix). As the epoxy resin, a premixed liquid main component and liquid curing agent component were used.
  • Step S1 The reinforcing fiber base was placed in the mold so that the sheet lamination direction was a horizontal direction.
  • Steps S2 and S3 The mold was assembled and clamped.
  • Step S4 The reinforcing fiber base was pressurized from both sides in the sheet lamination direction so that the fiber volume content (Vf) during injection was 55%.
  • Step S5 The cavity was forcibly evacuated until it became a vacuum.
  • Step S6 Resin was injected in the antigravity direction from the bottom of the cavity while evacuating the cavity.
  • Step S7 and S8 After confirming that the cavity was filled with the resin, the injection of the resin was terminated, and the forced exhaust was switched to the supply of the pressurized gas. Step S9: The reinforcing fiber base impregnated with the resin was pressurized from both sides in the sheet lamination direction so that the fiber volume content (Vf) was 60%.
  • Step S10 While pressing the reinforcing fiber base impregnated with resin from both sides in the sheet stacking direction, the resin was heat-cured in the mold.
  • Step S11 After the curing was completed, the mold was cooled and the FRP molded body was released.
  • the FRP molded body obtained by performing the above steps S1 to S11 was used as the FRP molded body according to Example 1.
  • the dimension of the FRP molded object which concerns on Example 1 was 400 mm x 75 mm x T600 mm (sheet lamination direction thickness).
  • the time required for impregnation with the resin was about 30 minutes.
  • Example 2 In Example 2, the same process as in Example 1 was performed except that all injection ports were opened simultaneously at the start of injection of resin into the cavity in Step S6 of Example 1, and Example 2 was performed. The FRP molded object which concerns on was obtained.
  • Comparative Example 1 In Comparative Example 1, the same process as in Example 1 was performed except that Step S9 of Example 1 was omitted, and an FRP molded body according to Comparative Example 1 was obtained. In addition, the dimension of the FRP molded object which concerns on the comparative example 1 was 400 mmx75mmxT650mm (sheet lamination direction thickness) by omitting step S9, and the fiber volume content rate (Vf) was 55%.
  • Comparative Example 2 In Comparative Example 2, except that all the injection ports were opened simultaneously at the start of injection of the resin into the cavity in Step S6 of Example 1, and Step S9 of Example 1 was omitted. The process similar to Example 1 was implemented and the FRP molded object which concerns on the comparative example 2 was obtained. In addition, the dimension of the FRP molded object which concerns on the comparative example 2 was 400 mmx75mmxT650mm (sheet lamination direction thickness) by omitting step S9, and the fiber volume content rate (Vf) was 55%.
  • Comparative Example 3 In Comparative Example 3, after performing Steps S1 to S5 of Example 1 above, in Step S6, all injection ports were opened simultaneously at the start of injection of resin into the cavity, and the resin was injected in the direction of gravity. In Comparative Example 3, since the penetration of the resin is inhibited by the reinforcing fiber base material, it takes an excessive amount of time to inject the resin, and the injection pressure due to the resin curing excessively increased in the middle of step S6, so the molding was stopped. did.
  • the homogeneity of the resin impregnation was evaluated based on the variation of the injection time of each discharge port with respect to the average injection time in the step of impregnating the reinforcing fiber substrate with the resin (step S6).
  • the “injection time” is the time from when the first injection port is opened to when the resin reaches the discharge port for each discharge port.
  • the “average injection time” is an average value of the injection times of all the discharge ports. For each discharge port, the “homogeneity evaluation value” was calculated by the following formula.
  • Homogeneity evaluation value (average injection time ⁇ injection time) / (average injection time) ⁇ 100 [%] The largest absolute value is extracted from the homogeneity evaluation values of all the discharge ports as the “maximum absolute value of the homogeneity evaluation value”.
  • the maximum absolute value of the homogeneity evaluation value is 0 to 10% or less, “resin impregnation” Is extremely good (AA) ”, and the maximum absolute value of the homogeneity evaluation value is greater than 10% and 20% or less,“ the homogeneity of resin impregnation is good (A) ”, and the maximum absolute value of the homogeneity evaluation value When the value was larger than 20%, it was regarded as “poor homogeneity of resin impregnation (B)”.
  • step S6 even better resin impregnation uniformity can be obtained by shifting the release timing corresponding to the sheet lamination direction of the reinforcing fiber base material of the injection port at the start of the injection of the resin into the cavity.
  • step S6 in the step of impregnating the reinforcing fiber base material with the resin (step S6), even if the injection start timing of the injection port is not shifted, the homogeneity of the resin impregnation is obtained within an allowable range as in Comparative Example 2. It has been.
  • the injection start timing of the injection port is not shifted, instead of providing a plurality of injection ports dispersed in the sheet stacking direction, a long slit-shaped injection port is provided in the sheet stacking direction. Even if the resin is injected from the port, it is considered that the homogeneity of impregnation of the resin can be obtained within an allowable range.
  • the resin impregnation step (step S6) may be performed once, and if the volume of the FRP molded body is about 400 ⁇ 75 ⁇ 600 mm, the resin injection time is about 30 minutes. According to the manufacturing method of the FRP molded object which concerns on invention, it is possible to improve the mass productivity of FRP products.
  • Molding device 2 Molding die 3: Heating device 5: Pressing device 6: Exhaust device 7: Air supply device 8: Reinforcing fiber substrate 20: Cavity 20a: Cavity forming portion 20b: Cavity forming portion 21: Injection port 22: Discharge port 40: Injection device 41: Supply pipe 42: Opening / closing device 43: Exhaust pipe 44: Switching device 45: Container 80: Fiber sheet D: Sheet stacking direction

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Abstract

厚肉ＦＲＰ成形体の製造に好適なＦＲＰ成形体の製造方法は、強化繊維基材を繊維シートの積層方向（シート積層方向）が水平方向となるように成形型のキャビティに配置し、キャビティに配置された強化繊維基材の下方に設けられた注入ポートからキャビティへ反重力方向に樹脂を注入して、前記強化繊維基材に前記樹脂を含浸させ、樹脂が含浸した強化繊維基材をシート積層方向に加圧し、強化繊維基材に含浸した樹脂を硬化させることを含む。

Description

繊維強化プラスチック成形体の製造方法
　本発明は、繊維強化プラスチック（Fiber　Reinforced　Plastics；以下、「ＦＲＰ」と称する）成形体の製造方法に関する。
　近年、ＦＲＰの軽量性などに注目が集まっており、従来の金属製部品のＦＲＰ部品への置き換えが進んでいる。特に、大型・厚肉の部品では、金属製部品をＦＲＰ部品へ置き換えると、顕著な軽量化効果が得られる。なお、本明細書では、強化繊維基材の積層方向の厚みが概ね１００ｍｍを超えるＦＲＰ成形体を「厚肉ＦＲＰ成形体」と称することとする。
　ＦＲＰの成形方法の１つにＲＴＭ（Resin　Transfer　Molding）法がある。ＲＴＭ法は、成形型のキャビティに強化繊維基材を配置し、そのキャビティに液体状のマトリクス樹脂を注入し、当該樹脂を硬化させる方法である。ＲＴＭ法によれば、強化繊維基材に樹脂を含浸させつつ、強化繊維と樹脂からなるＦＲＰを成形することができる。このようなＲＴＭ法によりＦＲＰを成形する方法が特許文献１に記載されている。
特開２００６－２１３０５９号公報
　ＦＲＰ成形体の強化繊維基材には、一般的に、繊維束が引き揃えられた又は織り込まれた繊維シートの積層体が用いられる。このような強化繊維基材には、サブマイクロメートルオーダーの繊維の空隙、マイクロメートルオーダーの繊維シートの層間（又は、繊維シート－金型間の間隙）、などの樹脂の浸透パスが存在する。これらの浸透パスの大きさが微小且つ不揃いであるため、強化繊維基材に樹脂を均質に浸透させることが困難となっている。
　特に、ＲＴＭ法で厚肉ＦＲＰ成形体を得る場合には、強化繊維基材を構成する繊維シートの積層枚数が多いことから、繊維シートの配列の乱れなどの薄肉ＦＲＰ成形体の成形時には無視できる因子によって、強化繊維基材に樹脂を均質に浸透させることが更に難しくなる。繊維シートの配列の乱れは、ＦＲＰ成形体の性能低下につながることから、望ましくない。
　特許文献１では、ＲＴＭ法において強化繊維基材に樹脂を一様に含浸させるために、樹脂の注入前に強化繊維基材を型で圧締めして繊維体積含有率（Ｖｆ：全体積に対する繊維の体積の割合）を６０％未満としたり、樹脂の注入圧力を段階的に増大したり、繊維シートを注入された樹脂の流れと垂直とならないように配向したりすることが記載されている。
　しかし、上記特許文献１に記載の方法は、厚肉ＦＲＰ成形体の成形を想定していないと推定される。なぜなら、仮に、特許文献１に記載の方法を用いて厚肉ＦＲＰ成形体の成形しようとすれば、圧締めによって繊維シート間の間隔が狭まり、樹脂の流動抵抗が過度に高まるおそれがある。樹脂の流動抵抗が高まると、樹脂の充填時間の増加に伴って樹脂の粘度が増大する結果、浸透不良が生じるおそれがある。また、上記特許文献１に記載の方法では、樹脂の注入開始時及び注入圧の段階的な増加時に、樹脂シートの層間が広がるなどの樹脂シートの配列の乱れが生じるおそれがある。
　本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、強化繊維基材に樹脂が均質に含浸した厚肉ＦＲＰ成形体を製造するために好適な、ＲＴＭ法を用いたＦＲＰ成形体の製造方法を提供することにある。
　本発明の一態様に係る繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、
複数の繊維シートが積層されて成る強化繊維基材を、前記複数の繊維シートが積層されている方向であるシート積層方向が水平方向となるように成形型のキャビティに配置するステップと、
前記キャビティに配置された前記強化繊維基材の下方に設けられた注入ポートから前記キャビティへ反重力方向に樹脂を注入して、前記強化繊維基材に前記樹脂を含浸させるステップと、
前記樹脂が含浸した前記強化繊維基材を前記シート積層方向に加圧するステップと、
前記強化繊維基材に含浸した前記樹脂を硬化させるステップとを、含むことを特徴としている。
　上記繊維強化プラスチック成形体の製造方法では、強化繊維基材のシート積層方向が水平であり、且つ、樹脂の注入方向が反重力方向である。このことから、樹脂が強化繊維基材に浸透しやすく、且つ、浸透する樹脂の液面が均されるので、強化繊維基材に樹脂が均質に含浸しやすい。一方で、繊維シートの層間の広がりや配列の乱れが懸念される。そこで、上記の製造方法では、樹脂が含浸した強化繊維基材を、シート積層方向に圧縮し、硬化させる。これにより、繊維シートの配列の乱れや、繊維シートの層間の広がりを抑えることができる。
　上記の前記樹脂を含浸させるステップにおいて、前記注入ポートは、複数が前記シート積層方向に亘って分散して設けられており、前記キャビティへの前記樹脂の注入開始当初は、前記強化繊維基材の前記シート積層方向の両端部の下方に設けられた前記注入ポートからの前記樹脂の注入量を、前記強化繊維基材の前記シート積層方向の中央部の下方に設けられた前記注入ポートからの前記樹脂の注入量よりも多くして、前記強化繊維基材を浸透する前記樹脂の液面レベルを前記シート積層方向の中央部よりも両端部が高くなるようにし、その後、前記樹脂の液面レベルが均されるように前記注入ポートのうち少なくとも１つの注入量を変化させるようにしてよい。
　また、上記の前記樹脂を含浸させるステップにおいて、前記注入ポートは、複数が前記シート積層方向に亘って分散して設けられており、前記複数の注入ポートのうち前記強化繊維基材の前記シート積層方向の両端部の下方に設けられた注入ポートから前記樹脂の注入を開始した後で、余の注入ポートからを前記樹脂の注入を開始するようにしてもよい。
　上記のように、複数の注入ポートを操作して、キャビティへ樹脂の注入開始当初において、強化繊維基材を浸透する樹脂の液面レベルをシート積層方向の中央部よりも両端部が高くなるようにすることで、キャビティへ注入される樹脂による繊維シートの配列の乱れや、繊維シートの層間の広がりを、更に抑えることができる。
　本発明によれば、強化繊維基材に樹脂が均質に含浸した厚肉ＦＲＰ成形体を製造するために好適な、ＦＲＰ成形体の製造方法を提供することができる。
図１は、本発明の一実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法に使用する成形装置の概略図である。 図２は、ＦＲＰ成形体の製造方法の流れを示す図である。 図３は、樹脂の注入開始当初において、強化繊維基材に樹脂が浸透していく様子を説明する図である。 図４は、図３よりも後の樹脂の注入開始当初において、強化繊維基材に樹脂が浸透していく様子を説明する図である。 図５は、図４よりも後の樹脂の注入開始当初において、強化繊維基材に樹脂が浸透していく様子を説明する図である。 図６は、実施例及び比較例１～４の製造条件と製造されたＦＲＰ成形体の観察結果とをまとめた図表である。
　次に、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
〔ＦＲＰ成形体の構成〕
　本実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法によって製造されるＦＲＰ成形体は、強化繊維基材（プリフォーム）と、強化繊維基材に含浸し硬化した樹脂（マトリックス）とから成る。このＦＲＰ成形体の製造方法は、厚み（後述するシート積層方向の寸法）が概ね１００ｍｍを超える、「厚肉」のＦＲＰ成形体の製造に適している。このような厚肉ＦＲＰ成形体として、例えば、航空機の翼や機体部品、鉄道車両台車の板バネ部品、風力発電装置のブレードなどを挙げることができる。但し、このＦＲＰ成形体の製造方法の適用範囲は、厚肉ＦＲＰ成形体に特に限定されず、厚肉ＦＲＰ成形体よりも厚みの小さいＦＲＰ成形体の製造にも適用可能である。
　強化繊維基材は、複数の繊維シートをその厚み方向に積層したものである。以下、複数の繊維シートの積層方向を、「シート積層方向」と称する。強化繊維基材は、積層された複数の繊維シートの間にコア材が配置されたものであってもよい。本実施形態では、複数の繊維シートを積層して簡易接着や縫合などで一纏めにしたものを強化繊維基材として用いる。強化繊維の種類については特に限定されず、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等、従来ＦＲＰに用いられている各種繊維を使用できる。繊維シートの形態についても特に限定されず、平織、綾織、朱子織等の織物や、一方向又は複数の方向の繊維をステッチ糸で取りまとめたものや、編物などを使用できる。
　上記の樹脂は、所定温度（例えば、６０℃）で流動性のある液状の樹脂を使用することができる。具体的には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ビスマレイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。
〔ＦＲＰ成形体の製造方法〕
　図１は、本発明の一実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法に使用する成形装置１の概略図である。この図には、成形型２のキャビティ２０に樹脂４を注入する際の、成形型２のシート積層方向Ｄと平行な垂直断面が示されている。
　本実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法では、図１に例示される成形装置１を使用する。成形装置１は、成形型２と、成形型２を型締めする図示されない型締め装置（例えば、プレス装置）と、注入装置４０と、加熱装置３と、排気装置６と、給気装置７とを備えている。
　成形型２は、上型と下型とから成り、それぞれにキャビティ形成部２０ａ，２０ｂが設けられている。そして、上型と下型とが型締めされ、双方のキャビティ形成部２０ａ，２０ｂが合わさることによって、キャビティ２０が形成される。
　成形型２のキャビティ形成部２０ｂには、複数の注入ポート２１が設けられている。各注入ポート２１は、キャビティ２０の底部から反重力方向へ向けて樹脂４を注入するように、キャビティ形成部２０ｂの底部に上向きに開口している。但し、注入ポート２１からの樹脂の注入方向は厳密に反重力方向に限定されず、反重力方向から幾分かの傾き（±１０°程度）が許容される。複数の注入ポート２１は、キャビティ２０に配置された強化繊維基材８のシート積層方向Ｄに亘って分散している。
　各注入ポート２１は、注入装置４０と接続されている。注入装置４０は、液体状の樹脂４が貯溜された容器４５と、容器４５と注入ポート２１とを接続する供給管４１と、注入ポート２１の開／閉を切り替える開閉装置４２とを備えている。開閉装置４２は、例えば、供給管４１に設けられたバルブであってよい。なお、図１では、各注入ポート２１に対応して開閉装置４２が設けられているが、複数の注入ポート２１の組み合わせに対し開閉装置４２が設けられて、複数の注入ポート２１が同時に開閉されてもよい。
　成形型２のキャビティ形成部２０ａには、複数の排出ポート２２が設けられている。複数の排出ポート２２も、注入ポート２１と同様に、キャビティ２０に配置された強化繊維基材８のシート積層方向Ｄに亘って分散していることが望ましい。各排出ポート２２は、キャビティ２０の頂部から排気できるように、キャビティ形成部２０ａの天井部に開口している。各排出ポート２２は、排気装置６及び給気装置７と排気管４３を介して接続されている。排出ポート２２は、排気装置６と接続された状態、給気装置７と接続された状態、及び、閉止された状態に切り替えることができる。この切り替えは、切替装置４４によって行われる。切替装置４４は、例えば、排気管４３に設けられた１又は複数のバルブによって構成されていてよい。
　成形型２には、キャビティ２０に充填された樹脂４を加熱する加熱装置３が設けられている。加熱装置３は、例えば、成形型２に形成された熱媒体通路と当該熱媒体通路を流れる熱媒体を加熱する加熱器、電熱線とそれに電力を供給する電源装置などの、既知の構成を備えていてよい。
　成形型２には、キャビティ２０に配置された強化繊維基材８（これには、樹脂４を含浸した強化繊維基材８も含む）をシート積層方向Ｄへ加圧する、押圧装置５が設けられている。押圧装置５により強化繊維基材８がシート積層方向Ｄへ押圧されることによって、押圧装置５と成形型２に挟まれた強化繊維基材８がシート積層方向Ｄの両側から加圧される。なお、押圧装置５は、例えば、キャビティ２０に露出したプッシャと、プッシャを水平方向に進退移動させるアクチュエータとによって構成されていてよい。
　以下、ＦＲＰ成形体の製造方法の流れについて、図２を用いて詳細に説明する。図２は、ＦＲＰ成形体の製造方法の流れ図である。先ず、成形型２内に、強化繊維基材８を配置する（ステップＳ１）。ここで、成形型２のキャビティ形成部２０ｂ内に、シート積層方向Ｄが水平方向となるように強化繊維基材８が配置される。強化繊維基材８は、予め複数の繊維シート８０が厚み方向に重ねられて一纏めにされたものを用いると、作業効率が良い。但し、成形型２のキャビティ形成部２０ｂ内に、シート積層方向Ｄが水平方向となるように複数の繊維シート８０を並べることによって、複数の繊維シート８０が積層されて成る強化繊維基材８を成形型２内に配置してもよい。また、成形型２のキャビティ形成部２０ｂ内に、繊維シート８０が厚み方向に重ねられて一纏めにされたものを、複数配置してもよい。なお、シート積層方向Ｄは厳密に水平方向に限定されず、水平方向から幾分かの傾き（±１０°程度）が許容される。
　次に、成形型２を組立てる（ステップＳ２）。ここでは、成形型２の下型に上型を組み合わせて固定する。更に、組立てられた成形型２を、型締め装置で型締めする（ステップＳ３）。これにより、成形型２の内部にキャビティ２０が形成される。
　続いて、キャビティ２０に配置された強化繊維基材８を、押圧装置５によってシート積層方向Ｄに加圧する（ステップＳ４）。ここでは、所望の注入時繊維体積含有率（Ｖｆ）が得られるように、強化繊維基材８がシート積層方向Ｄに加圧される。なお、注入時繊維体積含有率（Ｖｆ）は、強化繊維基材８への樹脂４の浸透が阻害されない程度（例えば、５０～５５％）に抑えられている。
　続いて、キャビティ２０が排気される。ここでは、キャビティ２０を、ほぼ真空とする（ステップＳ５）。この際、全ての注入ポート２１が閉止されるとともに、各排出ポート２２が排気装置６と接続される。排気装置６の稼働によって、ほぼ真空となるまでキャビティ２０が真空引き（強制排気）される。このようにキャビティ２０を真空とすることで、樹脂４に混入する空気を低減することができる。
　続いて、キャビティ２０を真空引きするとともに、キャビティ２０へ反重力方向に樹脂４を注入することにより、強化繊維基材８に樹脂４を含浸させる（ステップＳ６）。ここで、各排出ポート２２は排気装置６と接続されており、引き続きキャビティ２０は真空引きされている。また、注入ポート２１が開放されて、注入装置４０によって容器４５内の溶融した樹脂がキャビティ２０に注入される。
　注入ポート２１からキャビティ２０へ反重力方向に樹脂４が注入される。つまり、樹脂４の注入方向と、強化繊維基材８の各繊維シート８０の面内方向とが平行となる。そのため、樹脂４の浸透が、強化繊維基材８の繊維シート８０によって阻害されにくい。これにより、樹脂４の注入方向と繊維シート８０の面内方向とが交差している場合と比較して、樹脂４の注入を短時間で行うことが可能となる。また、樹脂４の浸透が繊維シート８０によって阻害されにくいので、強化繊維基材８への樹脂４の浸透方向が反重力方向となる。更に、樹脂４の浸透方向が反重力方向であるので、上昇する樹脂４の液面が水平となり、流動抵抗が異なる繊維シート８０の内部と繊維シート８０の層間との間で樹脂４の浸透が均衡化される。
　樹脂４の注入に際し、注入開始当初（即ち、注入を開始してから僅かな間）において、強化繊維基材８を浸透する樹脂４の液面レベル４Ｌをシート積層方向Ｄの中央部よりも両端部が高くなるようにし、その後、樹脂４の液面レベル４Ｌが均されるように、樹脂４の注入が制御される。なお、この明細書及び特許請求の範囲において、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの「端部」とは、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの端から、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの全体寸法の２０％以内の範囲のことをいう。
　具体的には、図３に示すように、先ず、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの両端部の下方に位置する注入ポート２１が開放され、次に、図４に示すように、開放された注入ポート２１よりシート積層方向Ｄの中央側に位置する注入ポート２１が開放される。ここで、各注入ポート２１からの樹脂４の注入量は等しいものとする。
　これにより、図３及び図４に示された注入開始当初において、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの中央部よりも両端部の方が、浸透している樹脂４の液面レベル４Ｌが高くなる。ここでは、強化繊維基材８に浸透している樹脂４の液面レベル４Ｌの高さが、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの中央部から両端部へ向けて徐々に高くなっている。つまり、強化繊維基材８において、シート積層方向Ｄの中央部の繊維シート８０よりも、シート積層方向Ｄの両端部の繊維シート８０の方が大きな圧力を受けている。このような強化繊維基材８内の圧力差により、繊維シート８０にシート積層方向Ｄの中央へ向けて押し込まれるような力（即ち、強化繊維基材８をシート積層方向Ｄへ圧縮する力）が作用する。これにより、繊維シート８０の層間の広がり（即ち、繊維シート８０の配列の乱れ）が抑制される。
　上記のように樹脂４の注入初期において、樹脂４の液面レベル４Ｌの高さをシート積層方向Ｄの位置で変化させた後、樹脂４の液面レベル４Ｌが均されるように、注入ポート２１のうち少なくとも１つからの注入量を変化させる。ここでは、図５に示すように、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの中央部の下方に位置する注入ポート２１を開放して、当該注入ポート２１からの注入量を増加させる。これにより強化繊維基材８への樹脂４の浸透の均質化が促進される。本実施形態では、図３～５に段階的に示されるように、注入ポート２１を開放するタイミングをシフトさせることによって、強化繊維基材８にシート積層方向Ｄの圧力差を生じさせ、その圧力差を徐々に緩和するようにしている。なお、最初に注入ポート２１が開放されてから全ての注入ポート２１が開放されるまでの時間は、キャビティ２０の容量や形状、樹脂４の注入量などにも左右されるが、一例として、３～５分程度である。
　なお、注入ポート２１を開放するタイミングをシフトさせることに限定されず、樹脂４の注入初期において、全ての注入ポート２１を同時に開き、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの両端部の下方に位置する注入ポート２１の注入量よりも、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの中央部の下方に位置する注入ポート２１の注入量を少なくすることによっても、強化繊維基材８に上記と同様の圧力差を生じさせることができる。
　やがて、全ての排出ポート２２から樹脂４が溢れたら、キャビティ２０に樹脂４が充填されたと見做して、樹脂４の注入を終了する（ステップＳ７）。具体的には、開閉装置４２によって全ての注入ポート２１を閉止する。
　続いて、排出ポート２２へ加圧気体を供給する（ステップＳ８）。ここでは、切替装置４４によって、各排出ポート２２と給気装置７とが接続された状態に切り替えられる。そして、給気装置７から排出ポート２２へ、樹脂４の圧力よりも大きい圧力の気体（空気）が供給される。これにより、注入ポート２１から排出ポート２２へ向かう樹脂４の流れが止まり、また、キャビティ２０内に充填された樹脂４が加圧されて、樹脂４及び強化繊維基材８に混入している気泡が縮小化される。
　続いて、キャビティ２０に充填された樹脂４及び強化繊維基材８をシート積層方向Ｄに加圧する（ステップＳ９）。ここでは、ＦＲＰ成形体に要求される繊維体積含有率（Ｖｆ）となるように、押圧装置５によって、樹脂４及び強化繊維基材８がシート積層方向Ｄの両側から加圧される。つまり、この工程で、ＦＲＰ成形体の繊維体積含有率（Ｖｆ）を調整することができる。また、樹脂４及び強化繊維基材８がシート積層方向Ｄの両側から加圧されることで、強化繊維基材８の繊維シート８０の配列の乱れや層間の開きを解消することができる。
　樹脂４が強化繊維基材８に十分含浸した後、樹脂４が含浸した強化繊維基材８をシート積層方向Ｄへ加圧しながら、加熱装置３による加熱下又は常温下で、樹脂４を硬化させる（ステップＳ１０）。なお、樹脂４が含浸した強化繊維基材８のシート積層方向Ｄへの加圧を開始するタイミングは、樹脂４の硬化処理を開始する前、及び、樹脂４の硬化処理を開始してから樹脂４が硬化するまでの間のいずれかであってよい。最後に、樹脂４が硬化したら、樹脂４及び強化繊維基材８から成るＦＲＰ成形体を成形型２から離型する（ステップＳ１１）。以上の工程で、ＦＲＰ成形体を製造することができる。
　以上説明した通り、本実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法では、複数の繊維シート８０が積層されて成る強化繊維基材８を、シート積層方向Ｄが水平方向となるように成形型２のキャビティ２０に配置するステップ（ステップＳ１）と、キャビティ２０へ反重力方向に樹脂を注入して、強化繊維基材８に樹脂４を含浸させるステップ（ステップＳ６）と、樹脂４が含浸した強化繊維基材８をシート積層方向Ｄに加圧するステップ（ステップＳ９）と、その加圧を維持しながら強化繊維基材８に含浸した樹脂４を硬化させるステップ（ステップＳ１０）とを、含んでいる。
　上記のＦＲＰ成形体の製造方法では、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄが水平であり、且つ、樹脂４の注入方向が反重力方向であることから、樹脂４が強化繊維基材８に浸透しやすく、且つ、浸透する樹脂４の液面が均されるので、強化繊維基材８に樹脂４が均質に含浸しやすい。一方で、繊維シート８０の層間の広がりや配列の乱れが懸念される。
　そこで、上記製造方法では、任意のタイミングでキャビティ２０内の強化繊維基材８を押圧可能な押圧装置５を用いて、樹脂の注入終了後且つ硬化完了前に、樹脂４が含浸した強化繊維基材８を、シート積層方向Ｄに圧縮している。これにより、ＦＲＰ成形体における繊維シート８０の配列の乱れや、繊維シート８０の層間の広がりの矯正効果が期待される。
　また、本実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法では、強化繊維基材８に樹脂４を含浸させるステップ（ステップＳ６）において、キャビティ２０へ樹脂４の注入開始当初は、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの両端部の下方に設けられた注入ポート２１からの樹脂４の注入量を、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの中央部の下方に設けられた注入ポート２１からの樹脂４の注入量よりも多くして、強化繊維基材８を浸透する樹脂４の液面レベル４Ｌをシート積層方向Ｄの中央部よりも両端部が高くなるようにし、その後、樹脂４の液面レベル４Ｌが均されるように注入ポート２１のうち少なくとも１つの注入量を変化させるようにしている。
　一例として、上記実施形態では、樹脂４の注入開始当初において、複数の注入ポート２１のうち強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの両端部の下方に設けられた注入ポート２１から樹脂４の注入を開始した後で、余の注入ポート２１からを樹脂４の注入を開始するようにしている。
　上記のように、樹脂４の注入開始当初に、強化繊維基材８を浸透する樹脂４の液面レベル４Ｌをシート積層方向Ｄの中央部よりも両端部が高くなるようにすることで、強化繊維基材８を浸透する樹脂４から、強化繊維基材８のシート積層方向Ｄの中央部よりも両端部が大きな圧力を受けるので、強化繊維基材８にシート積層方向Ｄの両端部から中央部へ向かう力が生じ、樹脂４の注入による繊維シート８０の配列の乱れや、繊維シート８０の層間の広がりの抑制が期待される。更に、樹脂４が強化繊維基材８に浸透する過程で、繊維シート８０の配列の乱れや、繊維シート８０の層間の広がりが抑制されることで、樹脂４の浸透が阻害されにくく、強化繊維基材８の各部位において樹脂４の浸透の差が生じにくくなる。これにより、樹脂４の含浸（浸透）の均質性の向上が期待される。強化繊維基材８への樹脂４の含浸の均質性が向上すると、樹脂４の先回りなどに伴うボイドの形成が抑制される。
　よって、本実施形態に係るＦＲＰ成形体の製造方法によれば、シート積層方向Ｄの厚みの大きい厚肉ＦＲＰ成形体であっても、強化繊維基材に樹脂が均質に含浸させることができ、且つ、強化繊維基材を構成している繊維シート８０の配列の乱れや層間の広がりを抑制することができる。よって、上記の製造方法によれば、強化繊維基材に樹脂が均質に含浸した厚肉ＦＲＰ成形体を製造することが可能となる。
〔実施例及び比較例〕
　以下、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法の有用性を実証するための実施例１，２、及び、この実施例１，２と比較するための比較例１～３について説明する。
（実施例１）
　強化繊維基材として、Ｅガラス繊維ＮＣＦ（Non－Crimped　Fibers）から成る４００ｍｍ×７５ｍｍの繊維シートを積層したものを用いた。樹脂（マトリクス）として、エポキシ樹脂を用いた。エポキシ樹脂は、液状の主剤成分と液状の硬化剤成分とを予混合したものを用いた。
　以下のステップＳ１～１１（各ステップは、上記実施形態で説明したステップＳ１～１１と対応している）を実施してＦＲＰ成形体を得た。
ステップＳ１：強化繊維基材をそのシート積層方向が水平方向となるように成形型内に配置した。
ステップＳ２，Ｓ３：成形型を組立て、型締めした。
ステップＳ４：注入時繊維体積含有率（Ｖｆ）が５５％となるように強化繊維基材をシート積層方向の両側から加圧した。
ステップＳ５：キャビティを真空となるまで強制排気した。
ステップＳ６：キャビティを真空引きしつつ、キャビティの底部から反重力方向に樹脂を注入した。樹脂の注入開始当初において、注入ポートの開閉操作により、初めに、強化繊維基材のシート積層方向の両端部の下方に位置する注入ポートを開き、次いで、それよりもシート積層方向の中央側の注入ポートを開き、続いて、残りの注入ポートを開いた。初めに開いた注入ポートからの注入量と、全ての注入ポートからの注入量との体積比は、３：１０であった。
ステップＳ７，Ｓ８：キャビティに樹脂が充填されたことを確認して樹脂の注入を終了し、強制排気を加圧気体の供給に切り替えた。
ステップＳ９：繊維体積含有率（Ｖｆ）が６０％となるように、樹脂が含浸した強化繊維基材をシート積層方向両側から加圧した。
ステップＳ１０：樹脂が含浸した強化繊維基材をシート積層方向両側から加圧しながら、成形型内で樹脂を加熱硬化させた。
ステップＳ１１：硬化完了後に、成形型を冷却し、ＦＲＰ成形体を離型した。
　上記ステップＳ１～１１を実施して得られたＦＲＰ成形体を、実施例１に係るＦＲＰ成形体とした。実施例１に係るＦＲＰ成形体の寸法は、４００ｍｍ×７５ｍｍ×Ｔ６００ｍｍ(シート積層方向厚み)であった。また、樹脂の含浸に要した時間は３０分程度であった。
（実施例２）
　実施例２では、上記実施例１のステップＳ６において、キャビティへの樹脂の注入開始時に全ての注入ポートを同時に開いたことを除いて、上記実施例１と同様の工程を実施し、実施例２に係るＦＲＰ成形体を得た。
（比較例１）
　比較例１では、上記実施例１のステップＳ９を省略したことを除いて、上記実施例１と同様の工程を実施し、比較例１に係るＦＲＰ成形体を得た。なお、比較例１に係るＦＲＰ成形体の寸法は、ステップＳ９を省いたことで、４００ｍｍ×７５ｍｍ×Ｔ６５０ｍｍ(シート積層方向厚み)であり、繊維体積含有率（Ｖｆ）は５５％であった。
（比較例２）
　比較例２では、上記実施例１のステップＳ６において、キャビティへの樹脂の注入開始時に全ての注入ポートを同時に開いたこと、及び、上記実施例１のステップＳ９を省略したことを除いて、上記実施例１と同様の工程を実施し、比較例２に係るＦＲＰ成形体を得た。なお、比較例２に係るＦＲＰ成形体の寸法は、ステップＳ９を省いたことで、４００ｍｍ×７５ｍｍ×Ｔ６５０ｍｍ(シート積層方向厚み)であり、繊維体積含有率（Ｖｆ）は５５％であった。
（比較例３）
　比較例３では、上記実施例１のステップＳ１～５を実施したのち、ステップＳ６において、キャビティへの樹脂の注入開始時に全ての注入ポートを同時に開き、樹脂を重力方向に注入した。比較例３では、強化繊維基材によって樹脂の浸透が阻害されるため、樹脂の注入に過大な時間を要し、ステップＳ６の途中で樹脂の硬化による注入圧力が過度に上昇したため、成形を中止した。
　実施例１，２及び比較例１，２に係るＦＲＰ成形体について、樹脂の含浸の均質性を評価し、割れ及びシート配列の乱れを目視観察した。実施例１，２及び比較例１～３に係るＦＲＰ成形体の製造条件と、樹脂の含浸の均質性の評価結果と、割れ及びシート配列の乱れの観察結果とが、図６に示されている。
　図６に示すように、実施例１，２及び比較例１に係るＦＲＰ成形体では、割れや、繊維シートの層間の開きが生じていなかった。一方、比較例２に係るＦＲＰ成形体では、シート積層方向の中央部分で繊維シートの層間の開きが生じており、その開きを起点とする割れが生じていた。
　また、実施例１，２に係るＦＲＰ成形体では、繊維シートの蛇行（うねり）が生じていなかった。一方、比較例１に係るＦＲＰ成形体では、シート積層方向の中央部分において、繊維シートの蛇行が生じていた。また、比較例２に係るＦＲＰ成形体では、シート積層方向の全体に亘って、繊維シートの蛇行が生じていた。
　樹脂の含浸の均質性は、樹脂を強化繊維基材に含浸させるステップ（ステップＳ６）における、平均注入時間に対する各排出ポートの注入時間のバラツキに基づいて評価した。「注入時間」とは、各排出ポートについて、最初の注入ポートを開放してから当該排出ポートに樹脂が到達するまでの時間である。「平均注入時間」とは、全ての排出ポートの注入時間の平均値である。各排出ポートについて、次式で「均質性評価値」を算出した。
均質性評価値＝（平均注入時間－注入時間）／（平均注入時間）×１００［％］
全ての排出ポートの均質性評価値から最も絶対値の大きなものを「均質性評価値の最大絶対値」として抽出し、均質性評価値の最大絶対値が０～１０％以下では「樹脂の含浸の均質性が極めて良好（ＡＡ）」とし、均質性評価値の最大絶対値が１０％より大きく２０％以下では「樹脂の含浸の均質性が良好（Ａ）」、均質性評価値の最大絶対値が２０％より大きいときは「樹脂の含浸の均質性が不良（Ｂ）」とした。
　実施例１及び比較例１に係るＦＲＰ成形体では、樹脂の含浸の均質性は極めて良好（ＡＡ）であった。比較例２に係るＦＲＰ成形体では、樹脂の含浸の均質性が良好（Ａ）であった。一方、比較例２に係るＦＲＰ成形体では、樹脂の含浸の均質性が不良（Ｂ）であった。この評価結果によれば、樹脂を強化繊維基材に含浸させるステップ（ステップＳ６）において、キャビティへの樹脂の注入開始時に全ての注入ポートを同時に開いても良好な樹脂の含浸の均質性が得られるが、キャビティへの樹脂の注入開始時に注入ポートの強化繊維基材のシート積層方向に対応して解放タイミングをシフトさせることで、更に良好な樹脂の含浸の均質性が得られる。但し、樹脂を強化繊維基材に含浸させるステップ（ステップＳ６）において、注入ポートの注入開始タイミングをシフトさせずとも、比較例２のように、許容され得る範囲で樹脂の含浸の均質性が得られている。注入ポートの注入開始タイミングをシフトさせない場合は、複数の注入ポートをシート積層方向に亘って分散して設ける代わりに、シート積層方向に亘って長いスリット状の注入ポートを設け、このスリット状の注入ポートから樹脂を注入しても、許容され得る範囲で樹脂の含浸の均質性を得られると考えられる。
　以上の評価及び観察結果から、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法によれば、従来のＲＴＭ法では困難とされていた、シート積層方向の寸法が１００ｍｍを大きく上回る６００ｍｍの厚肉ＦＲＰ成形体を製造することが可能である。この製造方法では、樹脂の含浸工程（ステップＳ６）は１回で済み、また、ＦＲＰ成形体の体積が４００×７５×６００ｍｍ程度であれば樹脂の注入時間は３０分程度で済むことから、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法によれば、ＦＲＰ製品の量産性を高めることが可能である。
１　　　　：成形装置
２　　　　：成形型
３　　　　：加熱装置
５　　　　：押圧装置
６　　　　：排気装置
７　　　　：給気装置
８　　　　：強化繊維基材
２０　　　：キャビティ
２０ａ　　：キャビティ形成部
２０ｂ　　：キャビティ形成部
２１　　　：注入ポート
２２　　　：排出ポート
４０　　　：注入装置
４１　　　：供給管
４２　　　：開閉装置
４３　　　：排気管
４４　　　：切替装置
４５　　　：容器
８０　　　：繊維シート
Ｄ　　　　：シート積層方向

Claims (3)

  1. 　複数の繊維シートが積層されて成る強化繊維基材を、前記複数の繊維シートが積層されている方向であるシート積層方向が水平方向となるように成形型のキャビティに配置するステップと、
    　前記キャビティに配置された前記強化繊維基材の下方に設けられた注入ポートから前記キャビティへ反重力方向に樹脂を注入して、前記強化繊維基材に前記樹脂を含浸させるステップと、
    　前記樹脂が含浸した前記強化繊維基材を前記シート積層方向に加圧するステップと、
    　前記強化繊維基材に含浸した前記樹脂を硬化させるステップとを、含む、
    繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
  2. 　前記樹脂を含浸させるステップにおいて、
    　前記注入ポートは、複数が前記シート積層方向に亘って分散して設けられており、
    　前記キャビティへの前記樹脂の注入開始当初は、前記強化繊維基材の前記シート積層方向の両端部の下方に設けられた前記注入ポートからの前記樹脂の注入量を、前記強化繊維基材の前記シート積層方向の中央部の下方に設けられた前記注入ポートからの前記樹脂の注入量よりも多くして、前記強化繊維基材を浸透する前記樹脂の液面レベルを前記シート積層方向の中央部よりも両端部が高くなるようにし、その後、前記樹脂の液面レベルが均されるように前記注入ポートのうち少なくとも１つの注入量を変化させる、
    請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
  3. 　前記樹脂を含浸させるステップにおいて、
    　前記注入ポートは、複数が前記シート積層方向に亘って分散して設けられており、
    　前記複数の注入ポートのうち前記強化繊維基材の前記シート積層方向の両端部の下方に設けられた注入ポートから前記樹脂の注入を開始した後で、余の注入ポートからを前記樹脂の注入を開始する、
    請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
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