JP6415885B2 - 孔あき炭素繊維複合材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、孔あき炭素繊維複合材の製造方法に関する。

炭素繊維に樹脂を含浸させて半乾燥させた炭素繊維プリプレグを複数枚積層して、熱プレスにより一体化した炭素繊維複合材が、軽量性と剛性が求められる部材に使用されるようになってきた。前記炭素繊維複合材は、製品あるいは使用部位によっては孔が必要となることがある。

従来、炭素繊維複合材の孔あけ加工は、図６の（６−１）、（６−２）に示すように、ドリルの刃７１を回転させながら、炭素繊維複合材６１の表面から炭素繊維複合材６１内に押し込んで孔６３を貫通形成し、その後に図６の（６−３）のように前記孔６３からドリルの刃７１を引き抜いている。符号６２Ａ〜６２Ｄは各層を示す。

しかし、前記炭素繊維複合材６１の表面側の層６２Ａは、内側の中間層６２Ｂ、６２Ｃと異なって内側のみが他の層６２Ｂと接着し、外側には他の層が存在しないため、他の中間層６２Ｂ、６２Ｃと較べて剥離強度が低くなっており、前記ドリルの刃７１を孔６３から引き抜く際に、図６の（６−３）のように、孔６３の周縁部分６４がドリルの刃７１で剥がされて外方へめくれしまう。また、めくれが生じた表面は、ピラピラと動くため、塗装後に不良品になってしまう。なお、めくれた部分を除去するには、めくれた部分の周縁までやすりで削り取らねばならず、多大な工数を必要とする。

なお、孔開け加工の際のバリ発生を抑制するため、炭素繊維強化樹脂基材の両面にガラス繊維強化樹脂表皮材を貼付して孔開け加工を行うものが提案されている。しかし、この場合には、ガラス繊維の存在によって製品が重くなる問題がある。

特開平８−２８１５０８号公報 特開２００９−０２３１６３号公報

本発明は前記の点に鑑みなされたものであって、孔の周縁にめくれを生じ難い軽量な孔あき炭素繊維複合材の製造方法の提供を目的とする。

請求項１の発明は、炭素繊維プリプレグの硬化層と多孔質プリプレグの硬化層が積層一体化されて孔が形成された孔あき炭素繊維複合材の製造方法であって、発泡体からなる多孔質材に熱硬化性樹脂が含浸した多孔質プリプレグの少なくとも１層を炭素繊維プリプレグ間に配置し、熱プレスして硬化させ、前記熱プレス時に前記炭素繊維複合材の表面に炭素繊維プリプレグが屈曲されると共に前記多孔質プリプレグが圧縮されて凹部を形成し、前記炭素繊維を屈曲させて凹部に沿って配置し、凹部の周縁に前記炭素繊維が屈曲状態で硬化した立壁からなる凹部の内壁面を形成し、前記凹部に孔をあけることを特徴とする。

請求項２の発明は、請求項１において、前記凹部は、前記孔の径と等しい径であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１または２において、前記発泡体は、連続気泡構造であることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１から３の何れか一項において、前記凹部が円形であり、ドリルで前記孔を貫通孔に形成することを特徴とする。

本発明によれば、炭素繊維複合材表面の凹部は、熱プレス時に炭素繊維プリプレグの表面が押圧されて内部の多孔質プリプレグが圧縮されることにより表面が内方へ屈曲して形成される。そのため、凹部の周縁では表面側の層が裏面側へ向けて引っ張られて曲がった状態で硬化しており、凹部に孔をあける際には孔の周縁が表面側へめくれ難くなる。また、凹部の周縁では表面側の層が裏面側へ曲げられているため、形状的に剛性が高まり、孔あけ時に孔の周縁がめくれ難くなる。従って、ドリルの刃を孔から引き抜く際に、孔の周縁がめくれ難くなり、孔周縁の後加工工数を減らすことができると共に、塗装外観が良好となる。さらには、孔周縁のめくれ防止（バリ防止）のためのガラス繊維の層が不要なため、軽量な孔あけ加工品を得ることができる。

凹部形成時の熱プレス型の断面図である。 表面に凹部が形成された炭素繊維複合材の断面図である。 孔あけ時を示す断面図である。 本発明の孔あけ加工方法により孔があけられたロボットハンド用部材の斜視図である。 図４の５−５拡大断面図である。 従来の孔あけ加工を示す断面図である。

以下に、本発明の実施形態について説明する。本発明による孔あき炭素繊維複合材の製造方法では、まず凹部形成工程を行う。
凹部形成工程では、図１に示すように、炭素繊維プリプレグ２１Ａ、２３Ａ間に少なくとも１枚の多孔質プリプレグ３１Ａを配置した積層体１０Ａを熱プレスし、図２に示すように表面に凹部１１の形成された炭素繊維複合材１０Ｂを成形する。符号２１、２３は炭素繊維プリプレグが硬化した層、符号３１は多孔質プリプレグが硬化した層である。

前記炭素繊維プリプレグ２１Ａ、２３Ａは、炭素繊維織物に熱硬化性樹脂が含浸したものからなる。前記炭素繊維織物は、軽量及び高剛性に優れるものであり、特に、繊維が一方向のみではない織り方のものが好ましく、例えば、縦糸と横糸で構成される平織、綾織、朱子織及び３方向の糸で構成される三軸織などが好適である。また、前記炭素繊維織物は、熱硬化性樹脂の含浸及び剛性の点から、繊維重さが５０〜６００ｇ／ｍ^２のものが好ましい。

前記炭素繊維織物に含浸する熱硬化性樹脂は、特に限定されないが、前記炭素繊維複合材１０の剛性を高めるためには、熱硬化性樹脂自体がある程度の剛性を有する必要があり、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の混合物からなる群より選択することができる。また、前記炭素繊維複合材１０に難燃性が求められる場合、前記熱硬化性樹脂は難燃性のものが好ましい。フェノール樹脂は、その組成を理由に難燃性を付与する添加物を削減でき良好な難燃性を有するため、前記炭素繊維織物に含浸させる熱硬化性樹脂として好適なものである。

また、前記熱硬化性樹脂は、炭素繊維プリプレグにおける樹脂重量比率が５０〜８０％、特には５５〜７０％となるように前記炭素繊維織物に含浸させることが好ましい。前記樹脂比率とすることにより、軽量性及び剛性をより良好にすることができる。

前記多孔質プリプレグ３１Ａは、多孔質材に熱硬化性樹脂が含浸したものである。
多孔質材としては、特に限定されるものではなく、発泡体、繊維製品等を挙げることができる。発泡体としては連続気泡構造からなる発泡体が適し、例えば、ウレタン樹脂発泡体、メラミン樹脂発泡体、ポリオレフィン（ポリアミド）樹脂発泡体等から選択することができる。発泡体は連続気泡であることで、熱硬化性樹脂が含浸できるだけでなく、高い圧縮率で成形が可能となる。繊維製品としては、具体的には、原繊維、糸、パイル、綿状物、織布、編布、不織布、ネット、植毛布及び、これらの裁断品を挙げることができる。上記素材を多孔質材として選ぶことにより炭素繊維織物を積層した厚みにまで圧縮成形が可能である。炭素繊維複合材に難燃性が求められる場合には、前記多孔質材としては難燃性のものが好ましく、メラミン樹脂発泡体は良好な難燃性を有するため、前記多孔質材として好適なものである。前記多孔質材の圧縮前の元厚みは適宜設定され、例えば１〜２５ｍｍを挙げる。また、前記多孔質材が発泡体からなる場合、発泡体は圧縮容易性、含浸性、軽量性、剛性の点から、圧縮前の密度が５〜８０ｋｇ／ｍ^３のものが好ましい。

前記多孔質材に含浸する熱硬化性樹脂は、特に限定されないが、前記炭素繊維複合材の剛性を高めるためには、熱硬化性樹脂自体がある程度の剛性を有する必要があり、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、エポキシ樹脂とフェノール樹脂の混合物からなる群より選択することができる。また、前記炭素繊維複合材に難燃性が求められる場合、前記熱硬化性樹脂は難燃性のものが好ましい。フェノール樹脂は良好な難燃性を有するため、前記多孔質材に含浸させる熱硬化性樹脂として好適なものである。また、多孔質プリプレグに含浸させる熱硬化性樹脂と、炭素繊維プリプレグに含浸させる熱硬化性樹脂は、同じものであることが好ましく、密着性が高まることで層間剥離の発生が著しく低減される。

なお、前記炭素繊維プリプレグの層数は、炭素繊維複合材の表面と裏面の少なくとも２層であり、それ以上であってもよい。また、前記多孔質プリプレグの層数は、前記炭素繊維プリプレグ間に少なくとも１層であり、それ以上であってもよい。例えば、少なくとも片面側を、炭素繊維プリプレグの２層以上の積層体で構成したり、前記炭素繊維プリプレグ間に多孔質プリプレグを２層以上重ねて設けたり、２層以上の多孔質プリプレグ間にさらに炭素繊維プリプレグを配置したりしてもよい。前記炭素繊維プリプレグの層数及び前記多孔質プリプレグの層数は炭素繊維複合材の用途等に応じて適宜決定される。

熱プレスは、下側熱プレス型４１と上側熱プレス型４２とにより行われる。前記上側熱プレス型４２の型面には凹部形成用突部４３が形成されている。前記凹部形成用突部４３は、所定突出厚みの円盤状（円柱状）からなる。前記凹部形成用突部４３の径ａは、形成する凹部１１の径ｂと等しい。前記凹部形成用突部４３の立壁は、垂直もしくは傾斜面すなわちテーパがあってもよいが、テーパがある方が、金型の脱型が容易となり好ましい。炭素繊維複合材に形成する孔の径ｃは、形成する凹部１１の径ｂと等しい。ドリルの刃５１の径は、形成する凹部１１の径ｂと等しいものを選ぶ。ドリルの刃５１で穿孔した後、刃５１を引抜くと、形成する凹部１１の底面の径ｂ’の周縁に炭素繊維が分断されたメクレができる。このメクレは、刃５１の引抜きと同時に上側熱プレス型方向、凹部１１の立壁内側面に添って突き出るようにメクレを形成するが、凹部立壁の深さがあることで炭素繊維複合材の表面まで突き出ることはない。なお、前記凹部形成用突部４３の径ａは、ドリルの規格に応じた径を選択できるが、５．２５ｍｍもしくは６．７５ｍｍの孔をあける場合、前記凹部の深さは、０．５ｍｍで良い。

前記下側熱プレス型４１と上側熱プレス型４２を接近させて前記炭素繊維プリプレグ２１Ａと前記多孔質プリプレグ３１Ａと前記炭素繊維プリプレグ２３Ａとからなる積層体１０Ａを熱プレス（加圧すると共に加熱）する。前記下側熱プレス型４１と上側熱プレス型４２は、電熱ヒーター等の加熱手段によって前記熱硬化性樹脂が硬化可能な温度に加熱されている。

前記下側熱プレス型４１と上側熱プレス型４２による前記積層体１０Ａの熱プレス時、前記上側熱プレス型４２の凹部形成用突部４３によって表面側の前記炭素繊維プリプレグ２１Ａが前記積層体１０Ａの裏面側へ押されて屈曲すると共に前記多孔質プリプレグ３１Ａが圧縮されて前記凹部１１が表面に形成される。その状態で前記炭素繊維プリプレグ２１Ａ、２３Ａ及び多孔質プリプレグ３１Ａに含浸している熱硬化性樹脂が硬化し、それによって、前記炭素繊維プリプレグ２１Ａ、２３Ａと多孔質プリプレグ３１Ａが一体化すると共に形状が固定され、図２に示した前記凹部１１が表面に形成された炭素繊維複合材１０Ｂが得られる。

次に孔あけ工程を行う。孔あけ工程は、図３に示すようにドリルによって行う。図３における符号５１はドリルの刃である。図３の（３−１）に示すように回転させたドリルの刃５１を前記凹部１１に押し当てて、図３の（３−２）に示すようにドリルの刃５１を前記凹部１１に押し込んで前記炭素繊維複合材１０Ｂの裏面まで貫通した孔１３をあける。その後、図３の（３−３）に示すように、回転するドリルの刃５１を前記孔１３から引き抜く。符号１０は孔あけ後の炭素繊維複合材である。

前記孔あけ加工の際、孔があけられる前記凹部１１の周縁は、前記熱プレス時に前記炭素繊維複合材１０Ｂの裏面側へ向けて屈曲し、硬化しているため、屈曲によって剛性が高くなると共に、裏面側へ向かって屈曲し引っ張られた状態で硬化している。そのため、前記ドリルの刃５１が、孔をあけてもメクレの繊維長が短く分断されており、前記ドリルの刃５１を孔１３から引き抜く際に、前記孔１３の周縁までメクレが突き出ることなく、きれいな孔１３が形成される。
なお、前記ドリルの刃５１の径ｄは、前記凹部の径ｂおよび形成する孔１３の径ｃと等しい。前記ドリルの刃５１の径ｄが、前記凹部１１の径ｂと等しいことで、前記凹部の立壁内壁面でメクレが生じることなく、前記凹部の底面周縁でメクレが生じることになる。このメクレは、凹部の立壁の深さにより、上側にカエリとなっても複合成形体の表面から突き出ることはない。

図４及び図５に、前記実施形態の孔あけ加工が行われた炭素繊維複合材１０を示す。孔あけ後の前記炭素繊維複合材１０は、産業用ロボットのアーム部に取り付けられるロボットハンド部材として使用されるものである。炭素繊維複合材１０の孔は、ロボットが搬送する搬送物等を支持するための空気吹き出し及び／または吸引路、或いは各種センサーのための電気配線路等を通すための穴あけや、アーム部先端と取り付けるためのネジ孔とするために施される。得られた前記孔１３の周縁は、メクレなどのない良好なものであった。なお、実施する形態として、貫通孔を設けた例を示したが、本願発明の孔は、貫通孔に限られず、貫通しない穴、深くえぐり取られたくぼみであっても良い。

このように、本発明の孔あき炭素繊維複合材の製造方法によれば、孔の周縁がめくれ難くなり、孔周縁の後加工工数を減らすことができると共に、塗装外観を良好なものにでき、孔を設けた炭素繊維複材で構成される種々の製品に適用することができる。しかも、孔周縁のめくれを防ぐためにガラス繊維などの重くなる部材が不要なため、軽量な孔あけ加工品を得ることができる。

１０ 孔あけ後の炭素繊維複合材
１０Ａ 炭素繊維プリプレグ間に多孔質プリプレグを配置した積層体
１０Ｂ 表面に凹部の形成された炭素繊維複合材
１１凹部
１３ 孔
２１Ａ、２３Ａ 炭素繊維プリプレグ
２１、２３ 炭素繊維プリプレグの硬化層
３１Ａ 多孔質プリプレグ
３１ 多孔質プリプレグの硬化層
４１ 下側熱プレス型
４２ 上側熱プレス型
４３ 凹部形成用突部
５１ ドリルの刃

Claims (4)

1. 炭素繊維プリプレグの硬化層と多孔質プリプレグの硬化層が積層一体化されて孔が形成された孔あき炭素繊維複合材の製造方法であって、
   発泡体からなる多孔質材に熱硬化性樹脂が含浸した多孔質プリプレグの少なくとも１層を炭素繊維プリプレグ間に配置し、
   熱プレスして硬化させ、
   前記熱プレス時に前記炭素繊維複合材の表面に炭素繊維プリプレグが屈曲されると共に前記多孔質プリプレグが圧縮されて凹部を形成し、
   前記炭素繊維を屈曲させて凹部に沿って配置し、凹部の周縁に前記炭素繊維が屈曲状態で硬化した立壁からなる凹部の内壁面を形成し、
   前記凹部に孔をあけることを特徴とする孔あき炭素繊維複合材の製造方法。
2. 前記凹部は、前記孔の径と等しい径であることを特徴とする請求項１に記載の孔あき炭素繊維複合材の製造方法。
3. 前記発泡体は、連続気泡構造であることを特徴とする請求項１または２に記載の孔あき炭素繊維複合材の製造方法。
4. 前記凹部が円形であり、ドリルで前記孔を貫通孔に形成することを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の孔あき炭素繊維複合材の製造方法。

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