JP4965296B2

JP4965296B2 - プリフォームおよびｆｒｐの製造方法

Info

Publication number: JP4965296B2
Application number: JP2007072070A
Authority: JP
Inventors: 西山　　茂; 文人武田; 晃之助山本; 知行篠田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toray Industries Inc
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd; Toray Industries Inc
Priority date: 2007-03-20
Filing date: 2007-03-20
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2027-03-20
Also published as: JP2008230020A

Description

本発明は、コーナー部を有するプリフォームの製造方法、およびその方法により製造されたプリフォームを用いるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の製造方法に関する。

ドライの強化繊維基材を成形型上に配置し、全体をバッグ材で覆って内部を減圧し、樹脂を注入して強化繊維基材に含浸させることによりＦＲＰを成形する真空ＲＴＭ（Resin Transfer Molding) 成形方法が知られている（例えば、特許文献１）。この真空ＲＴＭ成形方法においては、通常、強化繊維基材は予め所定の形状に賦形され、そのプリフォームが成形型上に配置される。また、ＦＲＰ成形の際の注入樹脂を均一に拡散させるための、樹脂拡散用の媒体や、該樹脂拡散媒体をＦＲＰ成形後にＦＲＰから剥離させるための剥離層（以下、ピールプライと呼ぶこともある。）等の副資材を用いる成形方法も知られている（同特許文献１）。

ところが、成形すべきＦＲＰがコーナー部を有する場合、したがって、強化繊維基材のプリフォームがコーナー部を有する場合、以下のような問題を生じることがある。例えば図２に副資材を用いない場合の例を、図３に副資材を用いる場合の例を、それぞれ示す。図２に示す例においては、コーナー部を有する雌型１０１内に、対応するコーナー部を有する形状に賦形された強化繊維基材１０２が配置され、全体がバッグ材としてのバギングフィルム１０３（例えば、ナイロンフィルム）で覆われ、外部に対して内部がシール材１０４でシールされる（図２（Ａ））。この状態で、内部が真空吸引され、減圧された内部に樹脂が注入されて、樹脂が強化繊維基材１０２に含浸される（図２（Ｂ））。このとき、バギングフィルム１０３から強化繊維基材１０２には加圧力が作用するが、コーナー部においては強化繊維基材１０２がブリッジ状に突っ張るため、その部位における強化繊維基材１０２の厚みＡ（隙間が形成される場合にはその隙間込みの厚み）が他の部位よりも厚くなり、例えば型底部部位での強化繊維基材１０２の厚みＢ以上に厚くなる。この状態で樹脂を硬化させＦＲＰを成形すると、図２（Ｃ）に示すように、成形されたＦＲＰ１０５も同様に、対応する部位間に、Ａ’≧Ｂ’の関係が生じることになり、目標とする寸法精度が得られないおそれがある。また、厚みの厚い部位Ａ’では、強化繊維の体積含有率Ｖｆが小さくなったり、樹脂リッチ部が生じたり、場合によってはボイドが発生するおそれもある。

また、図３に示す例においては、コーナー部を有する雌型１１１内に、対応するコーナー部を有する形状に賦形された強化繊維基材１１２が配置され、その上に、ピールプライ１１３、樹脂拡散媒体１１４（例えば、ポリプロピレン製のメディア）が順次配置され、これら全体がバッグ材としてのバギングフィルム１１５（例えば、ナイロンフィルム）で覆われ、外部に対して内部がシール材１１６でシールされる（図３（Ａ））。この状態で、内部が真空吸引され、減圧された内部に樹脂が注入されて、樹脂が樹脂拡散媒体１１４を介して拡散されつつ強化繊維基材１１２に含浸される（図３（Ｂ））。このとき、バギングフィルム１１５から強化繊維基材１１２には加圧力が作用するが、コーナー部においては強化繊維基材１１２やピールプライ１１３、樹脂拡散媒体１１４の副資材がブリッジ状に突っ張るため、その部位における強化繊維基材１１２の厚みＣが厚くなったり、隙間１１７が形成されたりし、例えば型底部部位での強化繊維基材１１２の厚みＢ以上に厚くなる。この状態で樹脂を硬化させＦＲＰを成形すると、図３（Ｃ）に示すように、成形されたＦＲＰ１１８も同様に、対応する部位間に、Ｃ’≧Ｂ’の関係が生じることになり、目標とする寸法制度が得られないおそれがある。また、厚みの厚い部位Ａ’では、強化繊維の体積含有率Ｖｆが小さくなったり、隙間１１７が形成された部位では、樹脂リッチ部分１１９が生じたり、場合によってはボイドが発生するおそれもある。
特開２００４−１３０５９９号公報

そこで本発明の課題は、とくに上記のようなコーナー部における問題点に着目し、ＦＲＰ成形時における強化繊維基材や副資材のブリッジを防止し、コーナー部における厚みを所定の厚みに維持するとともに、コーナー部に樹脂リッチ部分やボイドを発生させないようにした、プリフォームの製造方法、およびその方法により製造されたプリフォームを用いるＦＲＰ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、強化繊維基材を用いて形成される、コーナー部を有するＦＲＰ成形用のプリフォームを製造する方法であって、プリフォームのコーナー部に対応するコーナー部を有する賦形治具上に、副資材として、ＦＲＰ成形の際に樹脂を拡散させる樹脂拡散媒体と該樹脂拡散媒体を成形後ＦＲＰから剥離させるための剥離層をこの順に配置し、その上に、強化繊維基材を前記副資材との間に接着材料を介在させて配置し、その上にゴムシートを被せ内部を減圧することによりゴムシートによる加圧力を作用させ、前記副資材および前記強化繊維基材を前記接着材料を介して一体化しつつ、該一体化材を前記賦形治具に沿わせて賦形した後、ゴムシートによる加圧を解除してから該プリフォームを脱型することにより、少なくとも前記プリフォームのコーナー部およびその両側部分にわたって、前記強化繊維基材に副資材を一体化した状態にプリフォームを賦形することを特徴とする方法からなる。

すなわち、本発明においては、コーナー部を有するプリフォームが、ＦＲＰ成形に使用される前に、予め、強化繊維基材に副資材を一体化した状態で所定形状のプリフォームとして賦形される。強化繊維基材と副資材が一体化されることにより、互いに所定形状に維持し合うことになるので、コーナー部におけるブリッジの発生が防止され、コーナー部で強化繊維基材の厚みが増加することが防止され、成形時にコーナー部で隙間が発生することが防止されて樹脂リッチ部やボイドの発生が防止される。

より具体的には、例えば、上記プリフォームのコーナー部に対応するコーナー部を有する賦形治具上に、上記副資材と上記強化繊維基材を両者間に接着材料を介在させて配置し、その上にゴムシートを被せ内部を減圧することによりゴムシートによる加圧力を副資材および強化繊維基材に作用させ、該副資材および強化繊維基材を上記接着材料を介して一体化しつつ、該一体化材を上記賦形治具に沿わせて賦形する。この賦形時には、ゴムシートによる加圧に加え、一体化材を加熱することにより、賦形の容易化をはかるとともに、接着材料による一体化を促進することもできる。

上記一体化材を上記賦形治具に沿わせて賦形した後、ゴムシートによる加圧は解除すればよく、加圧解除後に、所定形状に賦形されたプリフォームを賦形治具から脱型し、ＦＲＰの成形に供すればよい。

上記副資材としては、ＦＲＰ成形の際に樹脂を拡散させる樹脂拡散媒体および該樹脂拡散媒体を成形後ＦＲＰから剥離させるための剥離層（つまり、前述のピールプライ）からなる構成を採用する。

本発明では、このようなプリフォームの製造方法によって製造されたプリフォーム、つまり少なくともコーナー部において強化繊維基材と副資材が一体化されたプリフォームが提供される。

本発明に係るＦＲＰの製造方法は、上記のような方法により製造されたプリフォームを成形型上に配置し、該プリフォーム全体をバッグ材で覆って内部を減圧し、該プリフォームに対し樹脂を注入する方法からなる。

また、本発明に係るＦＲＰの製造方法は、上記のような方法により製造されたプリフォームを、上記賦形治具の形状を反転した形状を有する雌型内に配置し、該プリフォーム全体をバッグ材で覆って内部を減圧し、該プリフォームに対し樹脂を注入する方法からなる。

このようなＦＲＰの製造方法においては、プリフォーム賦形段階での強化繊維体積含有率Ｖｐｆ（％）とＦＲＰ成形後の強化繊維体積含有率Ｖｆ（％）がＶｆ−５≦Ｖｐｆ≦Ｖｆ＋２の関係にあることが好ましい。この範囲への制御は、例えば、賦形温度と上記ゴムシート介した賦形圧力と保持時間の設定、制御によって行うことが可能である。このＶｆ（％）は、ＦＲＰの設計目標値である。Ｖｐｆ（％）がＶｆ−５（％）よりも低いと、図３に示したような従来と同様の問題が生じるおそれが高くなり、Ｖｐｆ（％）がＶｆ＋２（％）よりも高いと、ＦＲＰ成形時にＶｐｆがＶｆに戻されようとする際に、局部的にしわが発生しやすくなるおそれが高くなる。

本発明によれば、強化繊維基材と副資材を一体化したプリフォームとすることにより、ＦＲＰ成形の際のコーナー部での強化繊維基材や副資材のブリッジの発生を防止でき、コーナー部で強化繊維基材の厚みが増加したり、コーナー部で隙間が発生したりすることを防止して、所定寸法への成形を確実に行うことができるとともに、樹脂リッチ部やボイドの発生を防止して均一なＦＲＰ物性を達成できる。

また、強化繊維基材と副資材の一体化により、ＦＲＰ成形時の副資材のずれを防止することもできる。さらに、ＦＲＰ成形時に副資材を個別に配置する必要がなくなるので、副資材を配置する際の、あるいは配置前の、異物の混入（コンタミ）がなくなり、ＦＲＰ成形品へのコンタミを防ぐこともできる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
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、および、その方法により製造されたプリフォームを用いてＦＲＰを成形するまでの一連の工程を示している。図１（Ａ）、（Ｂ）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（Ａ）に示すように、ベースツール１上に、コーナー部を有する賦形治具としての雄型２が設けられており、本実施態様では、雄型２内に加熱のための温水用配管３が埋設されている。この賦形治具としての雄型２上に、副資材としての、樹脂拡散媒体４（例えば、ポリプロピレン製樹脂拡散媒体）と剥離層としてのピールプライ５（例えば、ナイロン製ピールプライ）がこの順に配置され、その上に、副資材側の表面に接着材料６（例えば、熱可塑性樹脂）が散布された強化繊維基材７（例えば、複数の基材の積層体からなる強化繊維基材）が配置される。その上にゴムシート８が被せられ、周囲がシール材９でシールされる。

この状態で、図１（Ｂ）に示すように、真空ポンプ（図示略）等による真空吸引によりゴムシート８で覆われた内部が減圧され、それによってゴムシート８による加圧力が作用されて、強化繊維基材７と上記副資材が雄型２の外面に沿うように密着されるように賦形されるとともに、強化繊維基材７と副資材との間に介在された接着材料６によって強化繊維基材７と副資材が一体化されたプリフォーム１０として賦形される。本実施態様では、この賦形時に、ゴムシート８上に断熱カバー１１が配置され、温水用配管３に温水が通水されて、加熱も行われ、それによってプリフォーム１０の賦形と接着材料６による強化繊維基材７と副資材の一体化が促進されるようになっている。所定の賦形が終了したら、コーナー部を有するプリフォーム１０が雄型２から脱型され、本発明に係るプリフォーム１０が得られる。

このプリフォーム１０を用いて、本発明に係るＦＲＰの製造方法は、図１（Ｃ）、（Ｄ）、（Ｅ）に示すように実施される。図１（Ｃ）に示すように、プリフォーム１０が、プリフォーム１０のコーナー部に対応するコーナー部を有する（つまり、上記賦形治具としての雄型２の形状を反転した形状を有する）、成形型としての雌型１２内に配置され、バッグ材としてのバギングフィルム１３で覆われて周囲がシール材１４でシールされる。この状態で、図１（Ｄ）に示すように、バギングフィルム１３で覆われた内部が真空ポンプ（図示略）等による真空吸引により減圧され、減圧された内部に、ＦＲＰのマトリックス樹脂となる液状の樹脂が注入され、いわゆる真空ＲＴＭ成形が行われる。この真空ＲＴＭ成形時においては、プリフォーム１０は、強化繊維基材７と副資材が予め一体化されたものからなるので、その形状、とくにコーナー部の形状は、所定の成形目標形状に相当する形状に維持され、コーナー部で強化繊維基材７や副資材がブリッジ状に突っ張ることが防止される。したがって、コーナー部における強化繊維基材７の厚みＥと、それ以外の部位の厚み、例えば雌型１２の底部における強化繊維基材７の平坦部の厚みＤとは実質的に等しい厚みに保たれる。また、成形品の表面性状を向上させるためにカールプレートをプリフォームの表面、または、前記副資材の上に配してもよい。

上記真空ＲＴＭ成形において、樹脂の硬化が終了したら、バギングフィルム１３が取り外され、成形体が雌型１２から脱型され、さらに、ピールプライ５の剥離によりピールプライ５と樹脂拡散媒体４が除去されて、図１（Ｅ）に示すようなＦＲＰ１５（ＦＲＰ成形品）が得られる。上記の如く真空ＲＴＭ成形時の強化繊維基材７の厚みＥとＤとが等しく保たれているので、この成形後のＦＲＰ１５においても、コーナー部における厚みＥ’と底部平坦部における厚みＤ’も実質的に等しい厚みとなり、ＦＲＰ１５は全体にわたって目標とする形状、寸法に仕上げられる。

なお、この真空ＲＴＭ成形においては、前述したように、プリフォーム１０の賦形段階における強化繊維基材７の強化繊維体積含有率Ｖｐｆ（％）とＦＲＰ成形後の強化繊維体積含有率Ｖｆ（％）がＶｆ−５≦Ｖｐｆ≦Ｖｆ＋２の関係にあることが好ましい。この範囲への制御は、上記温水の温度を制御して賦形温度を適切に設定、制御すること、上記真空吸引による減圧度を制御してゴムシート８による賦形加圧力を適切に設定、制御することによって容易に行うことが可能である。前述の如く、ＦＲＰ１５の設計目標値であるＶｆ（％）に対し、Ｖｐｆ（％）がＶｆ−５（％）よりも低いと、図３に示したような従来と同様の問題が生じるおそれが高くなり、Ｖｐｆ（％）がＶｆ＋２（％）よりも高いと、ＦＲＰ１５の成形時にＶｐｆがＶｆに戻されようとする際に、局部的にしわが発生しやすくなるおそれが高くなる。

このプリフォームにおける強化繊維体積含有率Ｖｐｆは、次のように算出することができる。
Ｖｐｆ＝Ｗ１／（ρ×Ｔ１）×１００（％）
ここで、
Ｗ１：プリフォーム１ｃｍ²当たりの強化繊維の重量（ｇ／ｃｍ²）
ρ：強化繊維の密度（ｇ／ｃｍ³）
Ｔ１：ＪＩＳＲ７６０２に準拠し、０．１ＭＰａの荷重下で測定したプリフォームの厚さ（ｃｍ）
である。

ＦＲＰ成形品における高Ｖｆを達成するためには、このプリフォームにおけるＶｐｆも高いことが好ましく、好ましいＶｐｆとして、例えば４５〜６０％の範囲が挙げられる。４５％未満であると、真空ＲＴＭ成形における樹脂の含浸性は良いが、繊維体積含有率の小さなＦＲＰとなり、その分ＦＲＰの機械的特性も低くなる。一方、６０％を越えると、強化繊維糸条間や繊維間の隙間が小さくなって、樹脂が流れ難くなり好ましくない。本成形品の強化繊維体積含有率Ｖｆの測定方法は、ＡＳＴＭＤ３１７１−９９（２００４）に準拠し、厚みは、０．００１ｍｍまで表示可能なダブルボールマイクロメータ（ボール直径６ｍｍ）を用いて測定し、下記式により算出する。
Ｖｆ＝Ｗ２／（ρ×Ｔ２）×１００（％）
ここで、
Ｗ２：強化繊維基材１ｍ²当たりの質量
Ｔ２：厚さ（１０点箇所の平均値）
ρ：強化繊維密度（ｇ／ｃｍ³）
である。

本発明は、コーナー部を有するあらゆるプリフォーム、ＦＲＰに対して適用可能である。

本発明の一実施態様に係るコーナー部を有するプリフォームの製造方法、および、その方法により製造されたプリフォームを用いてＦＲＰを成形するまでの一連の工程を示す、概略断面図である。従来のコーナー部を有するＦＲＰの製造方法における一連の工程を示す概略断面図である。従来の別のコーナー部を有するＦＲＰの製造方法における一連の工程を示す概略断面図である。

符号の説明

１ベースツール
２賦形治具としての雄型
３温水用配管
４樹脂拡散媒体
５剥離層としてのピールプライ
６接着材料
７強化繊維基材
８ゴムシート
９シール材
１０プリフォーム
１１断熱カバー
１２成形型としての雌型
１３バッグ材としてのバギングフィルム
１４シール材
１５ＦＲＰ

Claims

強化繊維基材を用いて形成される、コーナー部を有するＦＲＰ成形用のプリフォームを製造する方法であって、プリフォームのコーナー部に対応するコーナー部を有する賦形治具上に、副資材として、ＦＲＰ成形の際に樹脂を拡散させる樹脂拡散媒体と該樹脂拡散媒体を成形後ＦＲＰから剥離させるための剥離層をこの順に配置し、その上に、強化繊維基材を前記副資材との間に接着材料を介在させて配置し、その上にゴムシートを被せ内部を減圧することによりゴムシートによる加圧力を作用させ、前記副資材および前記強化繊維基材を前記接着材料を介して一体化しつつ、該一体化材を前記賦形治具に沿わせて賦形した後、ゴムシートによる加圧を解除してから該プリフォームを脱型することにより、少なくとも前記プリフォームのコーナー部およびその両側部分にわたって、前記強化繊維基材に副資材を一体化した状態にプリフォームを賦形することを特徴とするプリフォームの製造方法。
請求項１に記載の方法により製造されたプリフォームを成形型上に配置し、該プリフォーム全体をバッグ材で覆って内部を減圧し、該プリフォームに対し樹脂を注入する、ＦＲＰの製造方法。
請求項１に記載の方法により製造されたプリフォームを、前記賦形治具の形状を反転した形状を有する雌型内に配置し、該プリフォーム全体をバッグ材で覆って内部を減圧し、該プリフォームに対し樹脂を注入する、ＦＲＰの製造方法。