CN104602887B - 纤维增强复合材料成型品的制造方法及纤维增强复合材料成型品 - Google Patents

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Abstract

在纤维增强复合材料成型品的制造方法中,准备含有增强纤维和基体树脂组合物的片状预浸料;通过对所述预浸料进行预赋形,制作多个部分预成型体,所述部分预成型体的形状具有将所述纤维增强复合材料成型品的形状分割而得到的形状;制作第1部分预成型体群和第2部分预成型体群,其通过组合而成为具有所述纤维增强复合材料成型品的形状,其中,所述第1部分预成型体群和第2部分预成型体群,分别通过组合所述多个部分预成型体而形成,其组合方式为,在与厚度方向垂直的方向,以所述多个部分预成型体的端部彼此在厚度方向上不重叠的方式;通过使所述第1及第2部分预成型体群在厚度方向上密接,制作预成型体;使用成型模具对所述预成型体进行压缩成型,得到具有立体形状的纤维增强复合材料成型品。

Description

纤维增强复合材料成型品的制造方法及纤维增强复合材料成 型品
技术领域
本发明涉及纤维增强复合材料成型品的制造方法,为了得到具有所希望的立体形状的纤维增强树脂成型品,在正式成型工序前,对片状预浸料进行预赋形,来形成预成型体。
背景技术
在专利文献1中公开了,将并丝成纤维方向为单向的UD预浸料(单向预浸料)以各自纤维方向不同的方式层叠,制作层叠板,将该层叠板切断,来得到具有所希望的形状这样的多种切断品。进而,在专利文献1中公开了,在得到上述切断品后,将该切断品组合,制作三维形状的预成型体后,对该预成型体进行加压成型,来得到成型品。
但是,专利文献1中公开的切断品中,在制作预成型体时,将预浸料的层叠板的端部设计成在层叠板的厚度方向上重叠。即,在将该切断品组合而制作的预成型体中,会产生厚度不均匀的部分。因此,由于在加压成型时对该重叠部分施加的压力变得过大,大量产生所得的成型品的增强纤维扭曲的部位。这样的结果会导致成型品的强度大幅下降这样的问题。
此外,在专利文献1中没有公开具体的预成型体的制作方法。这种情况下,推测是将所得到的切断品分别由人工贴附成所希望的形状,一次性制作具有三维形状的预成型体。因此,由于在制作预成型体是需要大量的时间,估计有作业效率非常差的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:美国专利申请公开第2011/0064908号说明书
发明内容
发明要解决的课题
本发明是鉴于上述情况而做成的,本发明的目的在于提供纤维增强复合材料成型品的制造方法,可效率良好地制作具有三维形状的预成型体,对该预成型体进行加压成型而得到的成型品的物性良好。
解决课题的方法
本发明的第1方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法中,准备含有增强纤维和基体树脂组合物的片状预浸料;通过对所述预浸料进行预赋形,制作多个部分预成型体,所述部分预成型体的形状具有将所述纤维增强复合材料成型品的形状分割而得到的形状;制作第1部分预成型体群和第2部分预成型体群,其通过组合而成为具有所述纤维增强复合材料成型品的形状,其中,所述第1部分预成型体群和第2部分预成型体群,分别通过组合所述多个部分预成型体而形成,其组合方式为,在与厚度方向垂直的方向,以所述多个部分预成型体的端部彼此在厚度方向上不重叠的方式;通过使所述第1及第2部分预成型体群在厚度方向上密接,制作预成型体;使用成型模具对所述预成型体进行压缩成型,得到具有立体形状的纤维增强复合材料成型品。
对所述层叠的预浸料进行预赋形的工序还可以包括至少通过弯曲或挤压将平面的所述预浸料预赋形为立体形状。
所述预浸料可以为层叠预浸料,其层叠多张预浸料片而成,其中所相邻的预浸料片的增强纤维取向方向不同。
在所述第1部分预成型体群和第2部分预成型体群中,可以使所述多个部分预成型体的端面彼此对接来配置。
在把将所述纤维增强复合材料成型品的形状分割为所述多个部分形状的线作为分割线的情况下,还可以将构成所述第1部分预成型体群的所述多个部分形状的分割线与构成所述第2部分预成型体群的所述多个部分形状的分割线以不为在同一线上彼此重叠的方式配置。
所述立体形状也可以是包含3个以上的面在1点相交的点的立体形状。
本发明的第2方式的纤维增强复合材料成型品是通过上述本发明的第1方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法来制作的纤维增强复合材料成型品。
发明效果
本发明的方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法能够效率良好地制作具有三维形状的预成型体,能够使通过对该预成型体加压成型而得到的成型品的物性变得良好。
附图说明
图1是本发明的第1实施例的成型品的立体图。
图2是显示本发明的第1实施例的成型品的部分形状的图。
图3是显示本发明的第1实施例的成型品的部分形状的图。
图4是显示本发明的第1实施例的平面形状的图。
图5是显示本发明的第1实施例的平面形状的图。
图6是显示本发明的第1实施例的成型品的图。
图7是显示本发明的第1实施例的成型品的图。
图8A是从斜上方看到本发明的第2实施例的成型品形状时的图。
图8B是从上面看到图8A所示的成型品形状时的图。
图8C是从侧面看到图8A所示的成型品形状时的图。
图8D是从正面看到图8A所示的成型品形状时的图。
图9是显示本发明的第2实施例的成型品的部分形状的图。
图10是显示本发明的第2实施例的成型品的部分形状的图。
图11是显示本发明的第2实施例的平面形状的图。
图12是显示本发明的第2实施例的成型品的平面形状的图。
图13是显示由本发明的第1实施例得到的成型品的强度试验的图。
图14是显示由本发明的第2实施例得到的成型品的强度试验的图。
具体实施方式
(片状预浸料)
本发明的实施方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法中使用的片状预浸料是含有增强纤维和基体树脂组合物的片状预浸料。
预浸料的形态可以是将增强纤维排列成单向的UD预浸料,也可以是将增强纤维编织而成的织物预浸料。此外,也可以是由所谓无屈曲织物(NCF)构成的预浸料,所谓无屈曲织物是,将增强纤维单向排列而成为增强纤维片,并将多个增强纤维片分别以不同的方向重叠且由辅助纤维一体化而成的。
(增强纤维)
作为本发明的实施方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法中所使用的增强纤维,可以列举例如碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、高强度聚酯纤维、硼纤维、氧化铝纤维、氮化硅纤维及尼龙纤维等。这些当中,由于比强度和比弹性优异,因此优选碳纤维。
(基体树脂组合物)
作为本发明的实施方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法中所使用的基体树脂组合物,可以列举例如环氧树脂、不饱和聚酯树脂、丙烯酸树脂、乙烯基酯树脂、酚醛树脂和苯并恶嗪树脂等。这些树脂中,由于能够提高固化后的强度,因此优选环氧树脂。
在预浸料中还可以含有固化剂、脱模剂、脱泡剂、紫外线吸收剂或填充材等各种添加剂等。
(决定部分形状的方法)
部分形状是对作为最终形状的成型品的形状进行分割而得到的形状。部分形状采用如下的形状:在之后对将多张片状预浸料层叠而成的层叠体进行预赋形来制作部分预成型体时,能够合理地赋形的形状。在此,将成型品的形状分割成多个部分形状时的分割线定义为分割线图案。
如果更具体地说明,只要是通过使所述层叠体伸展或延伸一些(以下,这样的变形称为“剪切变形”)所能够赋形的形状,都可以用作本发明的实施方式的部分形状。此外,为了更容易进行后述的赋形,更优选使用不进行剪切变形而仅通过例如弯折或弯曲就能赋形的形状。
此外,作为部分形状的大小,只要是能够容易进行前述的剪切变形的大小即可,没有特别限定。此外,优选的是,以在将全部部分形状接连时成为与所要得到的成型品的形状相同的方式进行确定。此外,例如欲将与成型品的形状同样的部分预成型体群(后述)和成型品的一部分欠缺的形状的部分预成型体群重叠而制作成型品的,作为将全部的部分形状接连而成的形状,也可以使用成型品的一部分欠缺的形状,只要在制品设计时适宜地决定即可。
上文中记述了自成型品形状分割成单一方式的部分形状,而如果采用多种方式的部分形状而分割成不同形状的,优选将分割线配置成如下,即在将后述的部分预成型体(部分预成型体群)彼此组合时,在厚度方向上各分割线不为在同一线上重叠。换而言之,当制作多个不同的分割线图案时,优选将分割线分别配置成如下,即在将部分预成型体组合时,在厚度方向上各分割线不为在同一线上重叠。
通过这样配置多个不同的分割线,成型品的纤维即使在一定部分预成型体中在端部间断,应力传播于与之重叠的其他部分预成型体中,也能够传递应力。因此,能够防止所得到的成型品的强度降低。
需说明的是,分割线并不限于由直线构成的情形,也可以由曲线、波形、三角波、脉冲波或正弦波等构成。在通过后述的压缩成型将部分预成型体的端面彼此接合的情况下,分割线的长度越长,被接合的端面的表面积就越大,接合强度增大。
(根据部分形状决定平面形状的方法)
平面形状是能够通过赋形来制作前述的部分形状的形状,是赋形前的形状。作为决定平面形状的方法,可以列举例如以下的方法:将多张预先切割成较大的片状预浸料层叠而得到层叠体,使用模具通过人工等使该层叠体赋形后,修剪外周部分,得到具有所希望的部分形状的赋形品。之后,从模具中取出该赋形品,使其伸开来返回至二维形状后,由扫描仪获取该形状,或由三维测定机测量外周形状,从而决定平面形状。
此外,可以列举如下的方法:如果有成型品的形状的三维CAD数据等,则使用能够进行如下操作的软件来决定平面形状,即从该三维CAD数据提取所希望的部分形状的数据,制作将该部分形状的数据展开的平面形状数据(例如Siemens PLM Software公司制,制品名:FiberSim)。由于能够提高所得到的平面形状的精度,因而优选使用软件。
(部分预成型体的制作方法)
作为部分预成型体的制作方法,依照以下的步骤来进行。
(1)将预浸料切断为所希望的平面形状。
(2)将切断的预浸料层叠,得到具有所希望的层叠构成的层叠体。
(3)对该层叠体通过所希望的方法进行预赋形,得到部分预成型体。但是,也可以省略上述步骤(2),在上述步骤(3)中,使用上述步骤(1)中所得到的切断的预浸料来替代层叠体。
以下对上述步骤进行详述。
首先,将片状预浸料以能够得到上述的平面形状的方式进行切断。作为切断的方法,可以使用剪刀等来切断,如果有二维CAD数据,则也可以使用切绘机依据该数据来切断。由于能够提高切断形状的精度,优选使用切绘机来切断。
接着,将切断的预浸料层叠,得到具有所希望构成的层叠体。作为层叠构成,不限定于单向层叠、垂直层叠、伪各向同性层叠等,但从易于使预浸料剪切变形的角度出发,优选垂直层叠。特别是,在使用由织物预浸料或NCF构成的预浸料的情形下,大多不必得到层叠体。
此外,作为层叠体厚度,优选为0.1~5.0mm,更优选为0.4mm~2.0mm。在层叠体的厚度小于上述下限值(0.1mm)时,其厚度过薄,不仅难以保持之后得到的部分预成型体的形状,还增加层叠作业的次数,因而作业效率降低。此外,在层叠体的厚度为上述上限值(5.0mm)以上时,其厚度过厚,难以进行赋形,有可能在得到的赋形品中产生皱折等。
然后,通过所希望的方法对该层叠体或切断的预浸料进行预赋形,得到部分预成型体。作为用于得到部分预成型体的方法,例如可以是通过人工贴附到模具上而对层叠体进行赋形,也可以是在模具上配置层叠体,从其上部配置橡胶膜等后,对内部抽真空,将橡胶膜隔着层叠体向模具压接,从而对层叠体进行赋形,也可以在简易的成型机中配置凸模及凹模,由凸模及凹模挤压层叠体来进行赋形。由于即使是较大的形状也能在短时间内进行赋形,因此优选通过由凸模及凹模来挤压对层叠体进行赋形。
进而,如果准备多台成型机,使其同时运转,可以同时制作多种部分预成型体,因此能够大幅缩短工序。
(预成型体)
能够在本发明的实施方式的纤维增强复合材料成型品的制造方法中使用的预成型体,优选通过将多种部分预成型体进行组合、一体化来制作预成型体。作为组合方法,只要是将全部的分割的部分形状的部分预成型体进行组合,而且在与厚度方向垂直的方向相邻接的部分预成型体的端部彼此在厚度方向上没有大幅重叠,或者端部之间没有产生较大间隙,就没有特别限制。
如果是部分预成型体欠缺其一部分的,或是在与厚度方向垂直的方向相邻接的部分预成型体的端部彼此在厚度方向上大幅重叠的,或者是端部之间产生较大间隙的,则会产生预成型体的厚度不均匀的部分。因此,由于加压成型时施加到该部分的压力不均匀,在得到的成型品中产生显著的增强纤维的扭曲,其结果会产生成型品的强度大幅下降的问题,因此需要避免这样的问题。需说明的是,为了使预成型体的厚度恒定,优选在组合时,在与厚度方向垂直的方向配置成相邻接的部分预成型体彼此的端面在厚度方向上不重叠,也可以配置成部分预成型体的端面彼此对接。需说明的是,本发明中端面彼此对接的状态不仅包括端面彼此间完全接触的状态,还包括端部与端部之间留有少许间隙的状态。
此外,作为组合部分预成型体的顺序,在多种方式分割成部分形状时,优选首先将一种方式所分割的部分预成型体全部组合而得到整体形状的预成型体后,又组合其他方式所分割的部分预成型体。
换而言之,在多个不同的分割线图案构成之中,将由一种分割线图案所构成的部分预成型体组合,形成有整体形状的预成型体(第1部分预成型体群)。接着,将由其他分割线图案所构成的部分预成型体组合,形成有整体形状的别的预成型体(第2部分预成型体群),按照在先得到的有整体形状的预成型体之上重叠有整体形状的别的预成型体(第2部分预成型体群)的方式,组合部分预成型体,优选如此形成。这种情况下,如上所述,在将部分第1及第2部分预成型体群重叠时,优选将各分割线配置成在厚度方向各分割线不为在同一线上彼此重叠。
需说明的是,对于上述整体形状的预成型体(部分预成型体群)的重叠数没有特别限定,可以根据成型品所要求的特性适当地设计。这种情况下,也优选以全部的部分预成型体群的分割线不为在同一线上彼此重叠的方式分别配置各分割线。
通过以这样的顺序来组合部分预成型体,能够作业效率好地进行组合。
此外,作为将组合后的部分预成型体一体化的方法,例如可以仅仅通过人工来配置全体的部分预成型体,也可以在模具内配置全体部分预成型体,从其上部配置橡胶膜等后,对内部抽真空,将橡胶膜隔着部分预成型体向模具压接,从而制作预成型体。此外,还可以在简易的成型机中配置凸模及凹模,在其中的一个模具中配置全体的部分预成型体后,密闭另一模具,由凸模及凹模挤压部分预成型体,来制作预成型体。由于易于除去在部分预成型体之间的空气,优选通过抽真空而将橡胶膜隔着部分预成型体向模具压接的方法。
(成型工序)
将通过上述方法制作的预成型体放入到设定了与预成型体厚度对应的间隔的金属模具内,使用加压机,通过所希望的温度、压力进行加热加压,从而使预成型体固化,得到成型品。
这时,优选将金属模具调温到所希望的温度,在压缩成型后,在该温度下直接将成型品取出。如果这样进行话,就不需要对成型模具进行升降温,可以提高成型循环性。因而能够提高生产性。
实施例
以下通过实施例更具体地说明本发明。但是,本发明并不限定于实施例。
(实施例1)
本实施例中,针对用于得到具有图1所示形状的成型品1的纤维增强复合材料成型品的制造方法进行说明。
首先,如图2所示,准备将成型品1的形状分割成2部分的部分形状2和部分形状3。此外,如图3所示,准备将成型品1的形状分割成2部分的部分形状4和部分形状5。
这时,将部分形状2与部分形状3的分割线和部分形状4与部分形状5的分割线设定不为在同一线上彼此重叠。
然后,由成型品1的三维CAD数据提取部分形状2、部分形状3、部分形状4、部分形状5的三维CAD数据。
接着,如图4、图5所示,使用制作平面形状的软件(Siemens PLM Software公司制,制品名:FiberSim),基于部分形状2的三维CAD数据制作平面形状20。同样地,基于部分形状3制作平面形状30,基于部分形状4制作平面形状40,基于部分形状5制作平面形状50。
接着,准备排列成单向的碳纤维之间含浸环氧树脂组合物而成的预浸料片(三菱丽阳株式会社制造,制品名:TR391E250S,每张的厚度:0.22mm)。
之后,使用切绘机,将该预浸料片以图4的箭头方向为碳纤维的0°方向的方式切断成与平面形状20相同的形状的3张,并以与图4的箭头方向垂直的方向成为碳纤维的0°方向的方式切断成与平面形状20相同形状的2张。
将该切断的预浸料片按照碳纤维(增强纤维)的取向方向为0/90/0/90/0的方式(按照相互重叠的预浸料片的碳纤维取向方向不同的方式)进行层叠,制作层叠片6(层叠预浸料)。
接着,准备用于将切断成平面形状20的层叠片6赋形为部分形状2所需的凹模7和凸模8以及用于使凹模7和凸模8动作的成型机9,在成型机9上配置凹模7和凸模8。这时,在上部模具上配置作为可动模具的凹模7,在下部模具上配置作为固定模具的凸模8。
接着,将层叠片6配置在凸模8之上后,由红外线加热器10加热到层叠片6的表面温度达到约60℃。在加热层叠片6后,使凹模7下降,由凸模和凹模夹住层叠片6,对层叠片6进行赋形(图6)。
接着,对凸模和凹模吹送空气来冷却层叠片6后,使凹模7上升,从凸模8上取出由层叠片6赋形为部分形状2而形成的部分预成型体21。
此外,对于部分形状3、4、5也进行与上述同样的操作,得到部分预成型体31、41、51。
然后,如图7所示,准备能够形成成型品1的形状的预成型体模具11,在其上配置部分预成型体21、31。然后,从其上方配置部分预成型体41、51。这时,将部分预成型体21、31、41、51分别配置成:在其与厚度方向垂直的方向上相邻接的部分预成型体的端部彼此不大幅重叠,不产生较大间隙。
然后,从配置的部分预成型体的上部配置橡胶膜后,对内部抽真空,以夹着预成型体的状态,将橡胶膜向预成型体模具11压接。由此,使部分预成型体彼此密接,得到预成型体60。这样,能够效率良好地制作具有三维形状的预成型体。
然后,在加热到规定温度的压缩成型用下部模具中配置预成型体60,由上部模具和下部模具夹住该预成型体60,进行加热加压,由此得到纤维增强树脂成型品。得到的成型品中没有发现增强纤维的扭曲。
接着,对得到的成型品进行如下的试验:如图13所示,将成型品的角部3点固定,对剩下的1点从上部施加荷重。其结果是,超过目标荷重,因此得到的成型品的物性良好。
(实施例2)
本实施例中,对用于得到具有如图8A~图8D所示形状的成型品100的纤维增强复合材料成型品的制造方法进行说明。
首先,将成型品100的形状分割成如图9所示的部分形状200、部分形状300和部分形状400。此外,作为其他分割图案,分割成如图10所示的部分形状500、部分形状600和部分形状700。
然后,根据成型品100的三维CAD数据,提取部分形状200、部分形状300、部分形状400、部分形状500、部分形状600、部分形状700的三维CAD数据。
接着,如图11、图12所示,使用制作平面形状的软件(Vistagy公司制,制品名:FiberSim),基于部分形状200的三维CAD数据制作平面形状201。同样地,基于部分形状300制作平面形状301,基于部分形状400制作平面形状401,基于部分形状500制作平面形状501,基于部分形状600制作平面形状601,基于部分形状700制作平面形状701。
从部分形状200、300、400得到的分割线与从部分形状500、600、700得到的分割线不为在同一线上彼此重叠。
所使用的预浸料片、层叠构成以及部分预成型体的制作方法等与实施例1同样地进行,制作预成型体800。其结果是能够效率良好地制作具有三维形状的预成型体。
然后,在加热至规定温度的压缩成型用下部模具中配置预成型体800,用上部模具和下部模具夹住该预成型体800,进行加热加压,由此得到纤维增强树脂成型品。在得到的成型品中没有发现增强纤维的扭曲。
接着,对得到的成型品在图14所示的成型品的角部3点进行固定,对于剩余的1点从上部施加荷重。结果是,超过目标荷重,因此得到的成型品的物性良好。
符号说明
1 成型品
2 部分形状
3 部分形状
4 部分形状
5 部分形状
6 层叠片
7 凹模
8 凸模
9 成型机
10 红外线加热器
11 预成型体模具
20 平面形状
30 平面形状
40 平面形状
50 平面形状
21 部分预成型体
31 部分预成型体
41 部分预成型体
51 部分预成型体
60 预成型体
100 成型品
200 部分形状
300 部分形状
400 部分形状
500 部分形状
600 部分形状
700 部分形状
201 平面形状
301 平面形状
401 平面形状
501 平面形状
601 平面形状
701 平面形状

Claims (6)

1.一种纤维增强复合材料成型品的制造方法,其中,
准备含有增强纤维和基体树脂组合物的片状预浸料;
通过对所述预浸料进行预赋形,制作多个部分预成型体,所述部分预成型体的形状具有将所述纤维增强复合材料成型品的形状分割而得到的形状;
制作第1部分预成型体群和第2部分预成型体群,其通过组合而成为具有所述纤维增强复合材料成型品的形状,其中,
所述第1部分预成型体群和第2部分预成型体群,分别通过组合所述多个部分预成型体而形成,其组合方式为,在与厚度方向垂直的方向,以所述多个部分预成型体的端部彼此在厚度方向上不重叠的方式;
通过使所述第1及第2部分预成型体群在厚度方向上密接,制作预成型体;
使用成型模具对所述预成型体进行压缩成型,得到具有立体形状的纤维增强复合材料成型品,
对所述预浸料进行预赋形的工序包括通过弯曲或挤压将平面的所述预浸料预赋形为立体形状。
2.如权利要求1所述的纤维增强复合材料成型品的制造方法,所述预浸料为层叠预浸料,其层叠多张预浸料片而成,其中所相邻的预浸料片的增强纤维取向方向不同。
3.如权利要求1所述的纤维增强复合材料成型品的制造方法,在所述第1部分预成型体群和第2部分预成型体群中,使所述多个部分预成型体的端面彼此对接来配置。
4.如权利要求1所述的纤维增强复合材料成型品的制造方法,在把将所述纤维增强复合材料成型品的形状分割为所述多个部分形状的线作为分割线的情况下,将构成所述第1部分预成型体群的所述多个部分形状的分割线与构成所述第2部分预成型体群的所述多个部分形状的分割线以不为在同一线上彼此重叠的方式配置。
5.如权利要求1所述的纤维增强复合材料成型品的制造方法,所述立体形状是包含3个以上的面在1点相交的点的立体形状。
6.一种纤维增强复合材料成型品,是通过权利要求1~5任一项权利要求所述的纤维增强复合材料成型品的制造方法来制作的。
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