JP4941811B2 - プリフォーム、ｆｒｐ成形体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、プリフォーム、ＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）の製造方法に関し、とくに湾曲もしくは屈曲している面を有するプリフォーム、湾曲もしくは屈曲している面を有する板状体と強化繊維プリフォームとを一体化したプリフォーム、それらプリフォームに樹脂を含浸・硬化させて成形したＦＲＰ成形体を、容易にかつ安価に、しかも高品質をもって製造可能な方法に関する。

周知の通り、軽量で高強度な素材として、ＦＲＰが各種産業分野で注目されている。特に車両や船舶、航空機、建築部材など種々の分野における構造体等として適用が拡大されてきており、今後もさらなる拡大が見込まれる素材である。

特に高荷重がかかるようなＦＲＰ構造体は、板状部材等とそれを補強するストリンガ部材（以下、「補強部材」と呼ぶこともあり、本願では、「ストリンガ」と「補強部材」を同義語として使用する。）との一体構造として成形されることが多い。板状部材等の基材とそれを補強するストリンガとからなるＦＲＰ成形体の製造方法においては、基材とストリンガをリベットなどを用いて機械的に結合する方法が広く用いられている。しかしながら、この方法には、製造コスト面と重量面から多くの問題がある。一方、各部材を接着剤により接合する方法についても広く用いられているが、とくに接着面での層間強度が十分ではなく、また広い接着面での適用には品質確保と製造コストに問題がある。

また、特許文献１に記載の方法では、予め硬化させた部材（例えば、ストリンガ部材）とドライプリフォームの部材（例えば、基材プリフォーム）に、熱硬化性樹脂を含浸させて２つの部材を一体化するようにしている。

この特許文献１に記載の方法のように、ストリンガ部材を予め硬化させた部材として準備する場合には、とくにストリンガ部材を沿わせようとする基材側に厚みの変化等による表面位置の変化が有る場合、ストリンガ部材をその変化に応じた形状に予め成形しておかなければならず、変化形状が異なると、もはやその成形体には適用できない。

また、ＦＲＰ成形のための樹脂含浸前の強化繊維のプリフォームの段階で、ストリンガプリフォームを予め上記のような基材表面形状の変化に対応させた形状に賦形しておくことも考えられるが、基材側の表面形状の変化に応じたストリンガプリフォームをそれぞれ形成しなければならず、個々のストリンガプリフォームとしては寸法の固定されたものとなり、汎用性はまったく無い。また、個々のストリンガプリフォームを、最終的に成形しようとするＦＲＰ成形体の表面形状等に応じてそれぞれ賦形しなければならず、自動化が困難であり、ストリンガプリフォームの製造が高コストになる。また、ステッチ等で固定された真直なストリンガプリフォームを予め上記表面形状の変化等に応じて屈曲させようとすると、屈曲時にステッチ糸による拘束のため強化繊維に折れや断列、蛇行等を生じることがある。さらに、ストリンガプリフォームを急峻な変化に対応させることが困難であり、対応できない箇所に対して強化繊維材等を充填すると、全体の重量増加を招いてしまう。

また、たとえば特許文献２には、弾性材料からなるマンドレルを使用して補強部材を成形する方法が開示されている。また、特許文献３には、剛性材料かシリコーン製のマンドレルを使用して、真空ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法で外板と補強部材を成形する方法が示されている。さらに、特許文献４および特許文献５には、強化繊維プリフォームを予め所望の形状に成形し、その後硬化する方法が開示されている。

特許文献２、３に記載されるように、弾性材料からなるマンドレルを使用して成形を行う場合には、マンドレルが弾性変形するため、マンドレルを複雑形状に加工する必要が無く、真直なマンドレルを用いれば良いように考えられる。しかしながら、弾性材料は圧力により簡単に変形するため、成形時の寸法の安定性には劣ると言う品質上の問題がある。さらに、弾性材料は熱膨張率が高く、加熱成形においては、マンドレルの膨張が大きいため、所望する寸法を有する成形品を製造することが難しい。

また、特許文献４および特許文献５に記載されるように、予め必要とする立体形状に成形された繊維強化プリフォームを用いて、軸心方向に湾曲もしくは屈曲しているＦＲＰ製補強部材を製造することも可能ではある。しかしながら、この場合も、予め形状を賦したプリフォームを製作すると、先述した通り、複数種のプリフォームを製作する必要があるため、プリフォームの製造コストが高くなる。

そして、これらの方法のように複数種のプリフォームやマンドレルを使用する必要がある場合は製造工程が煩雑になるという問題もある。
特許第３３２００５１号公報 特開平５−１１６１６２号公報 米国特許出願公開第２００３／００１９５６７号明細書 特開昭６４−５２８４５号公報 特開２００３−２８６６３９号公報

そこで本発明の課題は、容易に量産可能な所定断面形状の、たとえば、真直な、ストリンガプリフォームを使用し、それを表面形状が変化する、つまり、湾曲もしくは屈曲している面を有する板状体に対しても、問題を生じることなく容易に沿わせることができるようにし、目標とするＦＲＰ成形体を、安価に効率よく、かつ不要な重量増加を招くことなく、しかも高品質をもって製造できるようにした、プリフォーム、ＦＲＰ成形体の製造方法を提供することにある。

また、本発明の課題は、前述の従来技術の問題を解決し、コスト低減を図りつつ高い寸法精度で、軸心方向に湾曲もしくは屈曲しているＦＲＰ製補強部材自体あるいは湾曲もしくは屈曲している面を有する板状体と一体化されたＦＲＰ構造体を製造することが可能なプリフォーム、ＦＲＰ成形体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るプリフォームの製造方法は、湾曲もしくは屈曲している面を有する、成形型、強化繊維、ＦＲＰのいずれかからなる板状体の該面上に、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材の積層体からなるストリンガ用の強化繊維プリフォームを配置し、前記強化繊維プリフォームに沿わせて複数個に分割されたマンドレルを配置し、全体を密閉媒体で覆って、該密閉媒体の内部を減圧することにより、前記強化繊維プリフォームに大気圧を負荷し前記強化繊維プリフォームを前記板状体の前記面に沿うように変形させて前記板状体に密着させるとともに加熱する、または密着させた後に加温することを特徴とする方法からなる。すなわち、湾曲もしくは屈曲している面を有するストリンガプリフォーム（補強部材用プリフォーム）自体を製造する方法である。

また、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、湾曲もしくは屈曲している面を有する、成形型、強化繊維、ＦＲＰのいずれかからなる板状体の該面上に、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材の積層体からなるストリンガ用の強化繊維プリフォームを配置し、前記強化繊維プリフォームに沿わせて複数個に分割されたマンドレルを配置し、全体を密閉媒体で覆って、該密閉媒体の内部を減圧することにより、前記強化繊維プリフォームに大気圧を負荷し前記強化繊維プリフォームを前記板状体の前記面に沿うように変形させて前記板状体に密着させるとともに加熱し、または密着させた後に加温し、しかる後に減圧された内部にて前記板状体に密着された前記強化繊維プリフォームに樹脂を注入してＦＲＰを成形することを特徴とする方法からなる。すなわち、湾曲もしくは屈曲している面を有するＦＲＰ製ストリンガ（ＦＲＰ製補強部材）自体を製造する方法である。

さらに、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、湾曲もしくは屈曲している面を有する板状体の該面上にストリンガが設けられたＦＲＰ成形体を製造するに際し、前記板状体を強化繊維、ＦＲＰのいずれかから構成し、前記板状体の前記面上に、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材の積層体からなる前記ストリンガ用の強化繊維プリフォームを配置し、前記ストリンガ用強化繊維プリフォームに沿わせて複数個に分割されたマンドレルを配置し、全体を密閉媒体で覆って、該密閉媒体の内部を減圧することにより、前記ストリンガ用強化繊維プリフォームに大気圧を負荷し前記ストリンガ用強化繊維プリフォームを前記板状体の前記面に沿うように変形させて前記板状体に密着させるとともに加熱し、または密着させた後に加温し、しかる後に減圧された内部にて、少なくとも前記板状体に密着された前記ストリンガ用強化繊維プリフォームに樹脂を注入してＦＲＰを成形することを特徴とする方法からなる。すなわち、湾曲もしくは屈曲している面を有するＦＲＰ製ストリンガ（ＦＲＰ製補強部材）を備えたＦＲＰ成形体を製造する方法である。この方法においても、上記板状体を強化繊維からなる構成とすることもできるし、板状体がＦＲＰやスチール、アルミ、インバー等の他の材料からなる構成とすることもできる。

上記のような本発明に係るプリフォーム、ＦＲＰ成形体の製造方法においては、上記強化繊維プリフォームの上記板状体の上記面に沿うように変形される前の形状が、真直に延びる形状からなることが好ましい。真直に延びる強化繊維プリフォームは、容易に低コストで大量生産でき、それを用いて効率よく、かつ、精度良く所定目標形状を有するプリフォーム、ＦＲＰ成形体を製造することが可能になる。

また、上記樹脂組成物が、強化繊維材に対し０．１〜３０重量％の範囲内で分散付与されていることが好ましい。

上記強化繊維プリフォームの強化繊維としては特に限定されないが、炭素繊維を含む場合に本発明はとくに有効である。

本発明に係る方法は、上記板状体の上記面が、１／１０〜１／２００の範囲の傾きを有する部位を含んでいる場合にも十分に対応できる。

本発明に係る方法は、上記板状体の上記面が、厚み方向に５ｍｍ以下の表面変位を有する部位を含んでいる場合にも十分に対応できる。

本発明に係る上記のような方法においては、上記マンドレルとしては、上記板状体の上記面の形状に沿った形状を有するものを使用することもでき、強化繊維プリフォームが上記板状体の上記面に沿って変形するように、複数個に分割されたものを使用することができる。複数個に分割されたマンドレルを使用すると、マンドレル自体の製作も容易で安価に製造でき、かつ、成形の際の取扱性の向上、および、自由度の増大を図ることが可能になり、とくに好ましい。

また、上記複数個に分割されたマンドレルを使用する場合には、複数個に分割されたマンドレルを、隣接するマンドレル間に空隙が生じるように強化繊維プリフォームに併設することが好ましい。

また、マンドレル間に空隙固定手段を設け、この空隙固定手段によりマンドレル間の空隙の大きさを一定範囲に維持することが好ましい。空隙固定手段としては、たとえば、スペーサ部材を配置することができる。

この場合、上記スペーサ部材とマンドレルとの接触面積が、マンドレルの横断面積の１／２以下であることが好ましい。また、スペーサ部材は、マンドレルとの接触面が曲面であることが好ましい。また、スペーサ部材に凸部を設け、該凸部に嵌合する凹部を上記マンドレルに設けることも好ましい。さらに、スペーサ部材とマンドレルとを一体化することもできる。

また、前記空隙固定手段が複数個に分割されたマンドレルを可動に連結する連結部材であって、該連結部材によりマンドレル間の空隙の大きさを一定範囲に維持する構成とすることもできる。

また、上記のように複数個に分割されたマンドレルが直方体である場合、該直方体の高さをＨ、前記板状体の湾曲もしくは屈曲している面の変形高さをＴ、変形長さをＬとしたとき、上記マンドレル間の空隙の大きさをＨ×Ｔ／Ｌ以上に設定することが好ましい。

前記のようなＦＲＰ成形体の製造方法においては、前記密閉媒体の内部を減圧して成形するにあたり、該密閉媒体の内圧と大気圧との差圧を利用して該密閉媒体の内部に樹脂を注入し、該樹脂を硬化してＦＲＰを成形することが好ましい。

このような本発明に係るプリフォーム、ＦＲＰ成形体の製造方法においては、上記強化繊維プリフォームは、たとえば、Ｉ型、Ｔ型、Ｃ型、Ｌ型、Ｚ型、Ｊ型から選ばれた横断面形状を有するものに形成できる。

本発明におけるプリフォームは、上記のような方法により製造されたものからなる。また、本発明におけるＦＲＰ成形体は、上記のような方法により製造されたものからなる。

本発明によれば、たとえば所定の一定断面形状の真直なストリンガプリフォームを用い、それを無理なく適切に変形させて板状体の湾曲もしくは屈曲した面に沿わせて密着させることができるようになる。個々の成形体形状に対応させることなく、容易に大量生産可能な真直なストリンガプリフォームを用いることができるため、プリフォームの製造、ひいてはＦＲＰ成形体の製造の低コスト化をはかることができる。

また、急峻な厚み変化等にも対応できるようになるため、プリフォーム、ひいてはＦＲＰ成形体の重量低減をはかることもできる。

また、ストリンガプリフォームを板状体の表面形状に沿わせて良好に密着させることができ、板状体側に厚み変化等があってもそれを良好に吸収できるため、高品質のＦＲＰ成形体を得ることができる。

さらに、マンドレルを用い、特に複数個に分割されたマンドレルを用いれば、寸法精度を高めつつもマンドレルの構成および製造プロセスを簡易化でき、コストを抑えて軸心方向に湾曲もしくは屈曲しているプリフォーム、ＦＲＰ成形体を容易に精度良く製造することができる。

以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに、さらに詳細に説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係るプリフォームの製造方法を示している。図１は、湾曲もしくは屈曲した面（以下、第１の表面と言うこともある。）を有する板状体としての、平板状の基材部に横断面形状がＩ型のストリンガ部を一体に成形するＦＲＰ成形体用のプリフォームの製造を行う場合を示している。本実施態様では、板状体とストリンガ部とを一体化したＦＲＰ成形体用のプリフォームの製造を行う場合を示しているが、ストリンガ部用プリフォームだけを製造する場合にも、本実施態様に係る方法を同様に適用できる。図１において、その（Ａ）に示すように、１は横断面形状がＩ型の真直に延びる、強化繊維からなるストリンガプリフォームを示している。このような真直なストリンガプリフォーム１は、容易に賦形できるものであり、容易に大量生産できる。

このような真直なストリンガプリフォーム１に対して、本実施態様では、図１（Ｂ）に示すように、後述の基材の第１の表面の形状に沿った形状に屈曲した（とくに、平板状基材の厚み変化に合わせて屈曲した）マンドレル２が準備される。このマンドレル２は一対（２本）準備され、図１（Ｃ）に示すように、マンドレル２がＩ型横断面形状のストリンガプリフォーム１の両側のＩ型内に装着され、ストリンガプリフォーム１とマンドレル２との組合せ状態の組合せ体３とされる。この組合せ体３では、ストリンガプリフォーム１はまだ真直に延びたままの状態にあり、Ｉ型内に装着された各マンドレル２とストリンガプリフォーム１の上下の内面との間には、マンドレル２の屈曲に対応して隙間が断続的に形成されている。

図１（Ｄ）に示すように、下型ａ４（本例では、定盤）の上に、厚み変化を有する（図の上面である第１の表面５ａの位置が面方向に変化している）板状体としての平板状基材プリフォーム５が配置され、その上に、上記組合せ体３が配置され、これら全体がバッグ材６で覆われその周囲がシール材７でシールされて内部が密閉される。これら一連の操作によって、プリフォーム賦形（成形）の準備が完了する。この段階では、ストリンガプリフォーム１はまだ真直に延びたままの状態にあり、該ストリンガプリフォーム１の下面と、表面位置が変化している基材プリフォーム５の上面との間には断続的に隙間が形成されている。

そして、図１（Ｅ）に示すように、バッグ材６で覆われた内部が真空引きにより減圧され、該減圧およびバッグ材６の収縮により、真直に延びていたストリンガプリフォーム１が、表面位置が変化している基材プリフォーム５の上面の形状およびそれと同じ形状を有し両側に装着されていたマンドレル２の形状に沿って変形され、基材プリフォーム５の上面およびマンドレル２に密着される。このとき、図示の如く、加熱を伴う加熱工程を併用すると、ストリンガプリフォーム１は一層容易に所望形状に沿いやすくなる。とくに、後述の如く、ストリンガプリフォーム１を強化繊維材の積層体に構成し、強化繊維材に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物を分散付与している場合には、その樹脂組成物が適切に軟化あるいは溶融され、積層形態を維持しつつ上記のような表面変化形状に良好に沿わせることが可能になる。

このようにして、ストリンガプリフォーム１が、基材プリフォーム５の表面形状に沿った形状で、該基材プリフォーム５に良好に密着され、目標とするＦＲＰ成形用プリフォームが形成される。真直なストリンガプリフォーム１を用いてそれを屈曲等により基材プリフォーム５の表面に沿わせるので、目標とする形状のプリフォームの製造が容易になり、低コスト化をはかることができる。つまり、同一断面形状の真直なストリンガプリフォーム１を製造して、それを図１に示したようなプリフォーム製造プロセスに供すればよいので、予めストリンガプリフォームを屈曲等により所定形状に形成する方法に比べ、大幅な低コスト化をはかることができる。また、同一断面形状の真直なストリンガプリフォーム１を用いて異なる表面形状の基材プリフォーム５に対しても所望のプリフォームを形成できることから、プリフォーム製造の連続化、自動化も容易になる。したがって、この面からも、一層の低コスト化をはかることができる。さらに、この方法では、基材プリフォーム５の表面が前述したような比較的急峻な表面の傾きや厚み変化を有する場合にも、十分に対応できるようになり、ストリンガプリフォーム１の断面としては必要最小限のサイズでよく、また、ストリンガプリフォーム１と基材プリフォーム５との間に余分な強化繊維材を充填する必要もないことから、全体としての軽量化もはかれる。

このように形成されたプリフォームを用いて、例えば図２に示すようにＦＲＰ成形体が製造される。ＦＲＰ成形体の製造に際しては、上記プリフォーム形成に用いた下型ａ４等をそのまま使用してもよいし、別の成形型を用いて成形してもよい。また、上記マンドレルをそのままＩ型断面部両側の保持成形型として用いることも可能であり、別の成形型を用いて成形してもよい。さらに上記バッグ材をそのまま用いることも可能であり、別のバッグ材を用いて成形してもよい。

図２に示すＦＲＰ成形体の製造方法においては、上記のように目標とする屈曲形状に賦形されたストリンガプリフォーム１と、該ストリンガプリフォーム１が表面に密着された基材プリフォーム５とからなる所定形状のプリフォーム１１が、平板状の下型ｂ１２上に配置され、必要に応じた数だけの他の成形型が配置されるとともに、樹脂を良好に拡散させるための樹脂拡散媒体１３および成形後の剥離のためのピールプライ１４が配置され、これらの全体がバッグ材１５で覆われその周囲がシール材１６でシールされて内部が密閉される。密閉された内部が真空ポンプ１７により減圧された後、樹脂ポット１８に収容されていたＦＲＰのマトリックス樹脂が注入され、樹脂拡散媒体１３を介して拡散されるとともにプリフォーム１１の全体にわたって強化繊維内に含浸される。樹脂含浸後に、所定の温度にて樹脂が硬化され、脱型されるとともに必要に応じてピールプライ１４および樹脂拡散媒体１３が剥離除去され、所定のＦＲＰ成形体が取り出される。

前述の如く、ＦＲＰ成形前のプリフォーム１１の段階で、ストリンガプリフォーム１が基材プリフォーム５と良好に密着されているので、図３に示すような目標とする最終形状のＦＲＰ成形体２１が精度よく成形され、かつ高品質のＦＲＰを低コストで得ることができるようになる。

なお、上記実施態様では、バッグ材１５を用いた真空引きによるＦＲＰ成形の例を示したが、前記マンドレル２をＦＲＰ成形にそのまま使用する場合や、ＦＲＰ成形の際にマンドレルと同様の形状を有するＩ型断面保持型を使用する場合には、必ずしもバッグ材１５を用いた真空引きによるＦＲＰ成形による必要はなく、所定の型内への樹脂の加圧注入による成形法を採用することも可能である。

なお、上記実施態様では、ストリンガプリフォーム１自体、それを用いて成形されたＦＲＰ製ストリンガ自体に関しても、基材プリフォーム５と同一形状の板状部材を配置し、成形段階で板状部材を剥離させることで、同様に製造できる。

本発明において、プリフォームの強化繊維については、特に限定されるものではないが、例えば、ガラス繊維などの無機繊維、あるいは、炭素繊維、アラミド繊維、その他有機繊維が挙げられる。とくに本発明は、ストリンガプリフォームの屈曲化時に、折れや断列、蛇行等が生じやすい強化繊維を使用している場合に有効である。なかでも、構造体としての軽量性、強度に優れる炭素繊維が含まれている強化繊維を使用することがより好ましい。

また、プリフォームが強化繊維材を複数層積み重ねた構造である場合、成形品の強化繊維材の層間強度を向上させ、プリフォームの寸法を安定化させる点から、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材を複数層積み重ねた構造であることが好ましい。その場合、樹脂組成物が、強化繊維材に対し０．１〜３０重量％、好ましくは０．５〜２０重量％の範囲内で分散付与されていることが望ましい。層間が強化されることにより力学特性が向上するだけでなく、プリフォームのタック機能を有しており、繊維含有率が高く寸法精度に優れるプリフォームを形成しやすい。そして、プリフォームの精度向上により、ＦＲＰ成形体の力学特性の向上と寸法精度の安定をはかることができる。また、図１（Ｅ）に示したようにプリフォームの加熱工程を設けることにより、プリフォームを成す強化繊維材間の樹脂組成物が軟化し、容易にストリンガプリフォームが基材プリフォームの表面形状に沿いやすくなって該プリフォームの形状が容易に変化できるため、強化繊維に折れや断列、蛇行等が生じにくくなって、目標とするプリフォームが一層容易にかつ良好に得られるようになり、最終的にはＦＲＰ成形体の品質向上につなげることができる。さらに、この熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物は、ストリンガプリフォームと基材プリフォームとの間にも分散付与されていることが好ましい。これらの間に樹脂組成物が分散付与されることにより、ＦＲＰ成形の際のマトリックス樹脂の流動の妨げることなく、両部間の接合の強度を向上させる効果が得られる。

次に、本発明の別の実施態様に係る方法、とくに、複数個に分割されたマンドレルを用いたＦＲＰ成形体（本実施態様では、ＦＲＰ製補強部材と言うこともある。）の製造方法の一工程を、図４に斜視図として示す。図５は、本実施態様に係るＦＲＰ製補強部材の製造方法の一工程を示す側面図である。図６は、本実施態様に係るＦＲＰ製補強部材の製造方法における成形工程を示す概略構成図である。

本発明は、たとえば図９に示すような軸心方向に湾曲もしくは屈曲しているＦＲＰ製補強部材８０を製造する方法に関する。従来は、たとえば図８に示すような、元々屈曲しているマンドレル７０に予め所望の形状に強化繊維を配置して、補強部材用プリフォームを形成した後、樹脂を含浸して、図９に示すようなＦＲＰ製補強部材８０が製造されていた。本発明に係る製造方法においては、まず、たとえば図５（ａ）に示すように、軸心方向に湾曲もしくは屈曲している面を有する板状体３１のその湾曲面もしくは屈曲面の上に補強部材の強化繊維プリフォーム３２を配置し、その強化繊維プリフォーム３２の上に、長手方向に複数個に分割されたマンドレル３３ａ〜３３ｃを併設する。ここで、マンドレル３３ａ〜３３ｃは、板状体３１の湾曲面もしくは屈曲面に対応するように長手方向に分割し、また、隣接するマンドレル間に空隙を設けるように配置する。なお、マンドレル３３ａ〜３３ｃは、上述したように強化繊維プリフォーム３２を板状体３１の上に配置した状態で併設配置してもよいし、また、強化繊維プリフォーム３２を板状体３１の上に配置する前に予め強化繊維プリフォーム３２に併設させておいておいてもよい。

次に、板状体上に配置された強化繊維プリフォーム３２およびマンドレル３３ａ〜３３ｃの全体を、図６に示すように、ナイロン製バギングフィルムなどの密閉媒体４３で覆う。このとき、強化繊維プリフォーム３２の上部には成形治具３７を配置し、強化繊維プリフォーム３２とマンドレル３３との間には、離型材としてのピールプライ３５、樹脂拡散媒体３６を配置する。そして、密閉媒体４３の内部を真空ポンプ４４により減圧する。その結果、密閉媒体４３内の圧力と大気圧との差圧により強化繊維プリフォーム３２及びマンドレル３３ａ〜３３ｃには大気圧が負荷され、マンドレル３３ａ〜３３ｃは高さ方向に荷重を受ける。そして、板状体３１の形状に追従して隣接するマンドレル間に形成される空隙形状が図５（ｂ）に示すように変形し、プリフォーム３２もマンドレル３３ａ〜３３ｃに追従して軸心方向に湾曲もしくは屈曲する。その後、図６に示すように、密閉媒体内の圧力と大気圧の差圧を利用して強化繊維プリフォーム３２に樹脂４６を注入、含浸、硬化させて補強部材を成形する。このとき、ＶａＲＴＭ（Vacuum assisted Resin Transfer Molding）成形方法がコストの点から好ましい

本発明によれば、板状体３１の湾曲面や屈曲面に沿って変形するように複数個に分割されただけの単純な形状のマンドレルを使用するため、複雑な形状のマンドレルを製作する必要が無くなり、初期コストを安価にできる。また、複雑な形状のマンドレルの場合には、期的に寸法検査を実施し、変形が生じていれば修正などの加工をする必要があったが、マンドレルの構成が簡易化できるため、マンドレルの管理コストも削減することが可能となる。さらに、マンドレルの材質を自由に選択することができるため、補強部材を高い寸法精度で製造することができる。したがって、本発明により、ＦＲＰ製補強部材を安価でかつ高い寸法精度で得ることが可能となる。

また、本発明によれば、強化繊維プリフォーム３２としては、板状体３１に沿った方向（軸心方向）にわたって真直な形状のものを用いることができる。従来はたとえば予め所望の形状に賦形したプリフォームを使用する必要があったが、本発明の場合には、板状体３１に沿った方向に真直な形状の強化繊維プリフォーム３２であっても、マンドレルの変形によって強化繊維プリフォーム３２が追従して変形するために、真直な強化繊維プリフォームを使用することが可能となる。

本発明において板状体３１は上述したように成形型として使用することが可能であるが、その場合、材質としては、ＦＲＰ、スチール、アルミ、インバーなどを使用することができる。また、板状体３１と強化繊維プリフォーム３２とを最終的に一体化して補強部材とする場合には、強化繊維プリフォーム３２と同材質のＦＲＰであることが接着の点から好ましい。

マンドレル３３ａ〜３３ｃの材質は特に限定されるものではないが、例えば、アルミ、インバー、スチール、アルミなどの剛性材料を使用することが、寸法精度安定化の点から好ましい。加熱成形の場合には、熱膨張の影響を考慮すれば、インバーやＣＦＲＰなどの低熱膨張率の材料を使用することがより好ましい。

そして、上述した態様ではマンドレル３３ａ〜３３ｃとして複数個に分割された直方体のマンドレルを使用し、かつ、隣接するマンドレル間に空隙を設けるように配置しているが、この空隙の大きさが一定範囲内になるように制御することが好ましい。直方体マンドレルの高さをＨ、板状体１の湾曲もしくは屈曲している面の変形高さをＴ、変形長さをＬとしたとき、空隙の大きさがＨ×Ｔ／Ｌ以上になるように設定することが好ましい。ここで、空隙の大きさは、板状体３１の長手方向の長さであり、マンドレルの高さＨは、板状体３１の長手方向に対して垂直な方向の長さである。また、湾曲もしくは屈曲している面の変形高さＴおよび変形長さＬは、板状体３１の非平面部分の高さおよび長さであって、板状体３１の長手方向に対して垂直な方向の長さ、および、板状体３１の長手方向の長さである。空隙４の大きさをＨ×Ｔ／Ｌ以上に設定することにより、マンドレルが変形部に応じて追従しやすくなり、強化繊維プリフォーム３２をより精度良く変形することが可能となる。そして、空隙の大きさは１０ｍｍ以下にすることがより好ましい。マンドレル間の空隙が大きすぎる場合、空隙に強化繊維プリフォーム３２の強化繊維が入り込みやすく、その場合、ＦＲＰ製補強部材に成形した後、表面に凹凸が生じ、表面平滑度が低下する。また、強化繊維の局所的に屈曲してしまい、ＦＲＰ製補強部材の強度が低下しやすくもなる。

そして、このように空隙の大きさを一定の範囲内にするには、図７に示すように、マンドレル間にスペーサー部材５０や連結部材６０などの空隙固定手段を設けることが好ましい。図７（ａ）、（ｂ）は、マンドレル間にスペーサ部材５０を配置して空隙の大きさを一定範囲内に維持しているものであり、これにより安定した寸法精度で成形することが可能となる。

スペーサ部材５０の材質としては、シリコーンなどの弾性部材を用いて変形性を持たせても良いが、例えばアルミ、スチール、ＦＲＰ、インバーなどの剛性部材を使用し、前記スペーサ部材とマンドレルの接触面積をマンドレルの断面積の１／２以下とし、スペーサ部材５０を支点としてマンドレルが変形させることもできる。

スペーサ部材５０の形状については特に限定されるものではなく、マンドレルに接触する面が平面であっても曲面であってもよいが、曲面にすることによりマンドレルの変形を滑らかすることができ、寸法精度を安定させることができる。また、スペーサ部材５０は、マンドレルと一体化されていてもよい。スペーサ部材５０がマンドレルと一体化されることにより、スペーサの位置が固定されるため、マンドレル間の隙間を安定して制御することができ、ＦＲＰ製補強部材の寸法精度を安定化できる。

さらに、図７（ｃ）に一例を示すように、スペーサ部材５０に凸部５１を設け、その凸部に嵌合する凹部５２（嵌合孔）を隣接するマンドレルに設けてもよい。このように嵌合させることでマンドレル間の相対的な位置精度が向上し、ＦＲＰ製補強部材の寸法精度を向上させることができる。

また、マンドレル間の空隙固定手段としては、図７（ｄ）に示すような連結部材６０であってもよい。連結部材６０により隣接するマンドレルを可動に連結することで、マンドレル間の隙間の大きさを制御するだけでなく、マンドレル間の相対的な位置精度が向上する。また、連結部を可動状態にすることにより、大気圧の負荷によりマンドレルが容易に変形できるため、より寸法精度の高いＦＲＰ製補強部材を得ることができる。

次に、とくに上記のような複数個に分割されたマンドレルを使用する場合の実施例について説明する。

＜実施例１＞
断面形状がＩ型の強化繊維プリフォームを次の手段で賦形した。まず、炭素繊維（東レ（株）製Ｔ８００Ｓ）の一方向織物にポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）とエポキシからなる高靱性化粒子を分散付与した強化繊維基材を切断し、疑似等方性配向になるように８ｐｌｙ積層し、断面が１００ｍｍ×５０ｍｍで長さが５００ｍｍ、各角が径５ｍｍのＲ加工した直方体マンドレルの３つの面にしわが生じないように沿わせて賦形し、ナイロン製バギングフィルムで密閉して真空引きした後、６０℃で一時間加熱して、Ｃ型プリフォームを形成した。これを２つ形成し、得られた２つのＣ型プリフォームを互いに背中合わせにし、両者の間の曲面部に生じる空洞部に東レ（株）製炭素繊維Ｔ８００Ｓの一方向織物を詰めて、最後に同じ高靱性化粒子を分散付与した東レ（株）製炭素繊維織物を疑似等方に８ｐｌｙ積層した１００ｍｍ×５００ｍｍの積層体を背中合わせにしたＣ型プリフォームの上下両面に重ねて、再びバギングフィルムで密閉して真空引きし、６０℃で１時間加熱して、長手方向に真直な形状のＩ型の強化繊維補強部材プリフォームを賦形した。

次に、図５に示すように屈曲面を有するアルミ製板状治具（板状体）のその屈曲面上に、長手方向に真直な形状の上記I型の強化繊維プリフォームを配置した。そして、断面が１００ｍｍ×５０ｍｍで、各角を径５ｍｍのＲ加工した長さが２００ｍｍ、１００ｍｍ、２００ｍｍの３つのアルミ製直方体マンドレルを、板状治具の各屈曲部でそれぞれ１ｍｍの空隙が生じるように、強化繊維プリフォーム上に配置した。つぎに、そして、ピールプライとしてナイロン製タフタ、樹脂拡散媒体としてポリプロピレン製メッシュ材、密閉媒体としてナイロン製バギングフィルムを用いて、図６に示すように強化繊維プリフォームを密閉した。なお、強化繊維プリフォームの周りにはシーラントを配置した。

その後、密閉媒体内部を真空吸引し、差圧によりバギングフィルムに大気圧を負荷した。この結果、マンドレルは、板状治具の形状に沿って動き、Ｉ型の強化繊維プリフォームもそれに追従し、図５（ｂ）に示すような形状に変形した。その後、６０℃まで昇温してエポキシ樹脂を注入し、樹脂注入完了後に１３０℃に昇温して２時間放置、冷却して一次硬化させ、ＦＲＰ製補強部材を治具から取り出した。このＦＲＰ製補強部材を１８０℃に昇温したオーブンに入れて２時間放置し、硬化させ目標とするＦＲＰ製補強部材を完成させた。

ＦＲＰ製補強部材の変形部の形状、各部の板厚を測定した結果、屈曲部の形状は、設計寸法に対して、長手に垂直な方向に±0.1mm以内の精度であり、また、各部断面の板厚のばらつきは±0.05mm以内の精度であり、高精度な寸法で成形出来ることが確認された。

また、得られたＦＲＰ製補強部材の断面を切断して状態を観察した結果、ボイドや、局所的な樹脂リッチや繊維うねりなどの強度上に問題となる不具合が無いことが確認された。

本発明は、車両、船舶、航空機、あるいは建築部材など種々の分野に用いられるＦＲＰ製補強部材の製造に適用することがより特徴を発揮できる点から好ましいが、その他の産業用途、スポーツ用途など、広範囲なＦＲＰ成形体の製造に適用が可能である。

本発明の一実施態様に係るプリフォームの製造方法を示す各工程の概略縦断面図である。 図１の方法で得られたプリフォームを用いてＦＲＰ成形体を製造する方法の一例を示す概略構成図である。 図２の方法で得られたＦＲＰ成形体の概略断面図である。 本発明の別の実施態様に係るＦＲＰ製補強部材の製造方法の一工程を示す斜視図である。 図４に示した別の実施態様に係るＦＲＰ製補強部材の製造方法の一工程を示す側面図である。 図４に示した別の実施態様に係るＦＲＰ製補強部材の製造方法における成形工程を示す概略構成図である。 図４に示した別の実施態様に係るＦＲＰ製補強部材の製造方法の一工程における空隙固定手段とマンドレルとの概略縦断面図である。 従来技術におけるマンドレルの一例を示す斜視図である。 軸方向に屈曲しているＦＲＰ製補強部材の一例を示す概略斜視である。

符号の説明

１ ストリンガプリフォーム
２ マンドレル
３ 組合せ体
４ 下型ａ
５ 板状体としての平板状基材プリフォーム
５ａ 第１の表面
６ バッグ材
７ シール材
１１ プリフォーム
１２ 下型ｂ
１３ 樹脂拡散媒体
１４ ピールプライ
１５ バッグ材
１６ シール材
１７ 真空ポンプ
１８ 樹脂ポット
１９ マトリックス樹脂
２１ ＦＲＰ成形体
３１ 板状体
３２ 強化繊維プリフォーム
３３ａ〜３３ｂ 分割マンドレル
３４ 空隙
３５ ピールプライ
３６ 樹脂拡散媒体
３７ 成形治具
３８ 注入口
３９ 吸引口
４２ シーラント
４３ 密閉媒体
４４ 真空ポンプ
４６ 樹脂
５０ スペーサ部材
５１ 凸部
５２ 凹部（嵌合孔）
６０ 連結部材
７０ 従来例のマンドレル
８０ 軸方向に屈曲しているＦＲＰ製補強部材

Claims (20)

1. 湾曲もしくは屈曲している面を有する、成形型、強化繊維、ＦＲＰのいずれかからなる板状体の該面上に、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材の積層体からなるストリンガ用の強化繊維プリフォームを配置し、前記強化繊維プリフォームに沿わせて複数個に分割されたマンドレルを配置し、全体を密閉媒体で覆って、該密閉媒体の内部を減圧することにより、前記強化繊維プリフォームに大気圧を負荷し前記強化繊維プリフォームを前記板状体の前記面に沿うように変形させて前記板状体に密着させるとともに加熱する、または密着させた後に加温することを特徴とする、プリフォームの製造方法。
2. 湾曲もしくは屈曲している面を有する、成形型、強化繊維、ＦＲＰのいずれかからなる板状体の該面上に、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材の積層体からなるストリンガ用の強化繊維プリフォームを配置し、前記強化繊維プリフォームに沿わせて複数個に分割されたマンドレルを配置し、全体を密閉媒体で覆って、該密閉媒体の内部を減圧することにより、前記強化繊維プリフォームに大気圧を負荷し前記強化繊維プリフォームを前記板状体の前記面に沿うように変形させて前記板状体に密着させるとともに加熱し、または密着させた後に加温し、しかる後に減圧された内部にて前記板状体に密着された前記強化繊維プリフォームに樹脂を注入してＦＲＰを成形することを特徴とする、ＦＲＰ成形体の製造方法。
3. 湾曲もしくは屈曲している面を有する板状体の該面上にストリンガが設けられたＦＲＰ成形体を製造するに際し、前記板状体を強化繊維、ＦＲＰのいずれかから構成し、前記板状体の前記面上に、少なくとも片面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂組成物が分散付与された強化繊維材の積層体からなる前記ストリンガ用の強化繊維プリフォームを配置し、前記ストリンガ用強化繊維プリフォームに沿わせて複数個に分割されたマンドレルを配置し、全体を密閉媒体で覆って、該密閉媒体の内部を減圧することにより、前記ストリンガ用強化繊維プリフォームに大気圧を負荷し前記ストリンガ用強化繊維プリフォームを前記板状体の前記面に沿うように変形させて前記板状体に密着させるとともに加熱し、または密着させた後に加温し、しかる後に減圧された内部にて、少なくとも前記板状体に密着された前記ストリンガ用強化繊維プリフォームに樹脂を注入してＦＲＰを成形することを特徴とする、ＦＲＰ成形体の製造方法。
4. 前記強化繊維プリフォームの前記板状体の前記面に沿うように変形される前の形状が、真直に延びる形状からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記樹脂組成物が、前記強化繊維材に対し０．１〜３０重量％の範囲内で分散付与されている、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記強化繊維プリフォームの強化繊維に炭素繊維を含む、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記板状体の前記面が、１／１０〜１／２００の範囲の傾きを有する部位を含んでいる、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記板状体の前記面が、厚み方向に５ｍｍ以下の表面変位を有する部位を含んでいる、請求項１〜７のいずれかに記載の方法。
9. 前記マンドレルが前記板状体の前記面の形状に沿った形状を有する、請求項１〜８のいずれかに記載の方法。
10. 前記複数個に分割されたマンドレルを、隣接するマンドレル間に空隙が生じるように強化繊維プリフォームに併設する、請求項１〜９のいずれかに記載の方法。
11. マンドレル間に空隙固定手段を設け、この空隙固定手段によりマンドレル間の空隙の大きさを一定範囲に維持する、請求項１０に記載の方法。
12. 前記空隙固定手段として、スペーサ部材を配置する、請求項１１に記載の方法。
13. 前記スペーサ部材とマンドレルとの接触面積が、マンドレルの横断面積の１／２以下である、請求項１２に記載の方法。
14. 前記スペーサ部材は、マンドレルとの接触面が曲面である、請求項１２または１３に記載の方法。
15. 前記スペーサ部材に凸部を設け、該凸部に嵌合する凹部を前記マンドレルに設ける、請求項１２〜１４のいずれかに記載の方法。
16. 前記スペーサ部材と前記マンドレルとを一体化することを特徴とする、請求項１２〜１５のいずれかに記載の方法。
17. 前記空隙固定手段が複数個に分割されたマンドレルを可動に連結する連結部材であって、該連結部材によりマンドレル間の空隙の大きさを一定範囲に維持する、請求項１１に記載の方法。
18. 前記複数個に分割されたマンドレルが直方体であって、該直方体の高さをＨ、前記板状体の湾曲もしくは屈曲している面の変形高さをＴ、変形長さをＬとしたとき、前記マンドレル間の空隙の大きさをＨ×Ｔ／Ｌ以上に設定する、請求項１〜１７のいずれかに記載の方法。
19. 前記密閉媒体の内部を減圧して成形するにあたり、該密閉媒体の内圧と大気圧との差圧を利用して該密閉媒体の内部に樹脂を注入し、該樹脂を硬化してＦＲＰを成形することを特徴とする、請求項２〜１８のいずれかに記載の方法。
20. 前記強化繊維プリフォームがＩ型、Ｔ型、Ｃ型、Ｌ型、Ｚ型、Ｊ型から選ばれた横断面形状を有する、請求項１〜１９のいずれかに記載の方法。

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