JP2006007492A

JP2006007492A - Ｆｒｐ製プリフォームの製造方法

Info

Publication number: JP2006007492A
Application number: JP2004185469A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Koyama; 広幸小山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2004-06-23
Filing date: 2004-06-23
Publication date: 2006-01-12

Abstract

【課題】リプレグを複数積層した状態で、ＦＲＰ製構造体を成形するとともに、各プリプレグにおける皺の発生を抑制し、もって効率的にＦＲＰ製プリフォームを製造する。
【解決手段】ＦＲＰ製プリフォームを製造するにあたり、複数のプリプレグを積層したプリフォーム基材１０を用いる。プリフォーム基材１０には、所定枚数から２枚の数を減じた数のプリプレグ１，１…を積層するとともに、その最上層および最下層にそれぞれ半硬化プリプレグ２，２を積層する。このプリフォーム基材１０を所定の形状の凸型形状をなすプリフォームツール２３が載置されたベッド２０上に置く。それから、フレーム３０におけるゴム膜３２でプリフォーム基材１０をベッド２０に押し付けながら、真空引きすることによりプリフォームＰを製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＦＲＰ製プリフォームの製造方法に係り、特に、強化基材としてのプリプレグを用いたＦＲＰ製プリフォームの製造方法に関する。

ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）製構造体、たとえばＦＲＰ製プリフォームとしては、プリプレグを用いたものがある。プリプレグは、ガラス繊維や炭素繊維などの強化繊維に、フェノール樹脂やエポキシ樹脂などのマトリックス樹脂を含浸させたものである。このプリプレグを複数積層することによってプリフォームを製造する。

このようなプリプレグを用いたＦＲＰ製プリフォームの製造方法として、従来、特開２０００−１５７１０号公報に開示されたものがある。このＦＲＰ製プリフォームの製造方法は、プリプレグを用いてプリフォームを構成する複数の構造部材を各々成形し、各構造部材を半硬化状態に仮成形した後、各構造部材を組み合わせてプリフォームとするというものである。
特開２０００−１５７１０号公報

しかし、上記特許文献１に開示されたＦＲＰ製プリフォームの製造方法では、プリプレグからなる各構造部材を各々成形している。このため、構造部材を成形する手間が非常に掛かるという問題があった。この問題に対して、複数のプリプレグを積層し、一気に成形する方法が考えられる。このように、複数のプリプレグを積層して一気に成形することにより、構造部材を各々成形する手間が省けることになる。

ところが、各プリプレグは、プリフォームの強度を確保するために、それぞれ繊維方向が異なるように配置されている。このため、複数のプリプレグを一気に成形しようとすると、それぞれのプリプレグの繊維方向に違いにより、各プリプレグに発現する伸びの向きが大きく異なる。また、隣接する層のプリプレグは、粘着性によって互いに貼り付いているため、各プリプレグに皺が発生してしまうという問題があった。

この問題に対して、たとえば硬質の雄雌の金型を用いて、皺を矯正しながらプリフォームを成形することも考えられる。ところが、金型を用いた場合には、凸型の断面形状を有するプリフォームについては、頂点での張力が過剰となり、繊維が切断するおそれがある。また、角部では部分的にきつい拘束が発生し、型が滑らないことがある。このため、金型を用いたプリフォームでは、成形ができないか、その成形が非常に困難になるものであった。

そこで、本発明の課題は、プリプレグを複数積層した状態で、ＦＲＰ製プリフォームを成形するとともに、各プリプレグにおける皺の発生を抑制し、もって効率的にＦＲＰ製プリフォームを製造することができるＦＲＰ製プリフォームの製造方法を提供することにある。

上記課題を解決した本発明に係るＦＲＰ製プリフォームの製造方法は、複数のプリプレグのうち少なくとも一部が、半硬化温度範囲で半硬化状態となる半硬化プリプレグである複数のプリプレグを積層してプリフォーム基材を作成し、所定の凸型が形成されたベッド上に、半硬化温度範囲内の温度に昇温させたプリフォーム基材を載置し、所定の凸型に沿った形状のＦＲＰ製プリフォームを製造することを特徴とする。

本発明に係るＦＲＰ製プリフォームの製造方法においては、複数のプリプレグを積層するにあたり、プリプレグのうちの少なくとも一部を半硬化プリプレグとしている。また、ＦＲＰ製プリフォームを製造するにあたり、プリフォーム基材を半硬化温度範囲内の温度に昇温させている。このため、プリフォーム基材に含まれる半硬化プリプレグは、半硬化となり、比較的剛性の大きい状態となっている。この比較的剛性の大きい半硬化プリプレグでプリプレグを拘束することにより、各プリプレグにおける皺の発生を抑制することができる。したがって、プリプレグを複数積層した状態で、ＦＲＰ製プリフォームを成形するとともに、各プリプレグにおける皺の発生を抑制し、もって効率的にＦＲＰ製プリフォームを製造することができる
ここで、半硬化温度範囲が、５０℃以上６０℃以下である態様とするのが好適である。

半硬化プリプレグは、５０℃以上６０℃以下の範囲である程度柔らかい状態となり、皺を抑えるのに好適な程度の硬さとなるので、プリプレグに生じる皺を好適に抑えることができる。また、上記の範囲に設定したのは、５０℃未満であると、半硬化プリプレグは硬いままであるため、皺を効果的に抑えることができず、６０℃を超えると、プリフォームの硬化が始まってしまうからである。

また、半硬化プリプレグは、硬化深度５〜１５％とされている態様とするのが好適である。

半硬化プリプレグとしては、硬化深度が５〜１５％の範囲に設定することにより、皺を抑える程度の硬さを有する半硬化プリプレグとすることができる。

さらに、半硬化プリプレグは、積層された複数のプリプレグの積層方向最上層位置および最下層位置に配置されている態様とするのが好適である。

プリプレグは、すべてのプリプレグを半硬化プリプレグとすることもできるが、すべてのプリプレグを半硬化プリプレグとすると、処理時間および処理手数の増大を招いてしまう。これに対して、最上層および最下層のプリプレグを半硬化プリプレグとすることにより、他のプリプレグを拘束して、皺の発生を好適に抑えることができるとともに、処理時間および処理手数の増大を少なくすることができる。

そして、プリフォーム基材をベッドに形成された凸型に沿わせる際、複数のプリプレグを弾性体膜で付勢して凸型に沿わせる態様とすることもできる。

このように、プリフォーム基材を弾性体膜、たとえばゴム膜によって付勢することにより、硬質な金型で押圧するときに発生するような部分的なきつい拘束が生じないようにすることができる。

本発明に係るＦＲＰ製プリフォームの製造方法によれば、プリプレグを複数積層した状態で、ＦＲＰ製プリフォームを成形するとともに、各プリプレグにおける皺の発生を抑制し、もって効率的にＦＲＰ製プリフォームを製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本実施形態に係るＦＲＰ製プリフォームの製造方法では、ＦＲＰ製プリフォームとして、たとえば図１に示す車両のアンダーボディの構造要素であるロッカーパネル・ピラーのプリフォームＰを製造する。この製造工程について説明する。

プリフォームは、所定の複数枚のプリプレグ（強化基材）を重ねて製造する。そのため、まず、図２に示すように、所定枚数から２枚を減じた枚数の未熱処理のプリプレグ１，１…を重ねる。このとき、各プリプレグ１，１…における繊維方向を適宜変えた状態で、各プリプレグ１，１…が重ねられる。

プリプレグ１，１…を重ねたら、その上下に半硬化プリプレグ２，２をそれぞれ重ね、プリプレグ１，１…を半硬化プリプレグ２，２で挟み込んだ状態とする。半硬化プリプレグ２，２は、硬化深度が５〜１５％となるように、たとえば８０℃の温度で熱処理されたものである。このようにして、所定の複数枚のプリプレグ１，２を重ねることにより、プリフォーム基材１０を作製する。

こうして、プリフォーム基材１０を作製したら、図３（ａ）に示すベッド２０を用意する。ベッド２０は、矩形の外枠２１を有しており、外枠２１の内側には、載置面２２が形成されている。載置面２２上には、図３（ｂ）に示すプリフォームツール２３が載置されており、ベッド２０の下方位置には、真空ラインが設けられている。ベッド２０における外枠２１の側面には、真空ラインの真空ポート２４が形成されている。プリフォームツール２３は、プリフォームＰの形状に合わせた凸型の形状をなしている。

また、図３（ｂ）に示すように、ベッド２０の上側には、蓋となるフレーム３０が取り付け可能とされている。フレーム３０は、矩形の型枠３１を有しており、型枠３１の内側には、弾性膜であるゴム膜３２が張設されている。型枠３１の大きさは、ベッド２０の外枠２１の大きさとほぼ同じとされており、ゴム膜３２の張設面積は、ベッド２０における載置面２２の大きさとほぼ同じとされている。

ベッド２０を用意したら、図３（ｃ）に示すように、作製したプリフォーム基材１０をベッド２０の上に置く。それから、フレーム３０をベッド２０上に載置する。フレーム３０をベッド２０上に載置する際には、ベッド２０の外枠２１と、フレーム３０の型枠３１との位置を合わせる。このとき、ベッド２０の載置面２２の上に、フレーム３０のゴム膜３２が配置されるようになる。また、プリフォーム基材１０をベッド２０上に載置する前段階として、プリフォーム基材１０は、６０℃の温度に昇温させておく。この温度が６０℃を超えると、プリフォーム基材１０の硬化が始まってしまうことから、プリフォーム基材１０の温度は６０℃としておく。

その後、図４（ａ）に示すように、クランプ材４０を用いて、フレーム３０における型枠３１をベッド２０における外枠２１に固定することにより、ベッド２０にフレーム３０を固定する。ベッド２０にフレーム３０を固定すると、ベッド２０上に載置されたプリフォームツール２３およびプリフォーム基材１０の突起形状に合わせて、フレーム３０におけるゴム膜３２が伸長する。このゴム膜３２の伸長により、プリフォーム基材１０は、ゴム膜３２の弾性力によって、ベッド２０における載置面２２およびプリフォームツール２３に付勢される。

こうして、ベッド２０にフレーム３０を固定したら、図４（ｂ）に示すように、ベッド２０に設けられた真空ポート２４から空気を抜き、真空ラインを利用して真空引きを行う。こうして、ゴム膜３２およびプリフォーム基材１０をプリフォームツール２３の形状に沿わせる。その後、冷却装置４１によって冷風を供給して、プリフォーム基材１０を強制冷却し、プリフォーム基材１０を室温まで下げた。このようにして、ベッド２０に載置されたプリフォーム基材１０を成形することにより、所定のプリフォームＰを製造する。

真空引きおよび強制冷却を行う際、プリフォーム基材１０においては、最上層および最下層に半硬化プリプレグ２，２が配置されている。この半硬化プリプレグ２，２が半硬化状態にあって比較的剛性が高いことから、真空引きおよび強制冷却が行われている間、半硬化プリプレグ２，２に挟まれた複数のプリプレグ１，１…における皺の発生を効果的に防止することができる。

また、プリフォーム基材１０をプリフォームツール２３に沿わせて曲げるにあたり、プリフォーム基材１０は、弾性を有するゴム膜３２に付勢されてプリフォームツール２３に押し付けられている。このため、まずプリフォーム基材１０におけるプリフォームツール２３の頂部に当接する部分が拘束され、真空引きの作用により、順次その稜線が拘束されていく。このようなゴム膜３２の挙動により、硬質な金型を用いた場合に発生するような部分的にきつい拘束は発生せず、プリフォームＰの成形を容易に行うことができる。

他方、本実施形態に係るプリフォームの製造方法では、２枚のプリプレグのみについて、半硬化処理を行っている。このため、他のプリプレグをも半硬化処理を行う場合と比較して、処理時間および処理手数の増加を防止することができる。しかも、半硬化プリプレグを最上層および最下層に配置していることから、各プリプレグにおける皺の発生を効果的に抑制することができる。

次に、本発明の実施例について説明する。

本実施例では、半硬化プリプレグを製造するにあたり、カーボン／エポキシプリプレグ（Ｗ３１０１／Ｑ−１１２１、東邦テナックス社製）の原反の一部に誘電特性センサー（IDEX‐Midcon；ＮＥＴＺＳＣＨ−Ｇａｒａｔｅｂａｕ社製）を貼り付け、８０℃の加熱炉に投入し、予備加熱を行って硬化反応をさせた。予備加熱時に、プリプレグの誘電特性を、誘電特性解析システム（Microdielectrometer、Eumetric systemIII：ＮＥＴＺＳＣＨ−Ｇａｒａｔｅｂａｕ社製）を用いて測定した。硬化深度の測定に際しては、上記誘電特性解析システムを用いて、同じ材料を用いた急加温徐冷による１００％硬化実験を予め行って得られたデータから測定パラメータを抽出し、上記誘電解析特性システムで補正している。

この予備加熱処理で硬化深度が１０％になった時点で加温を停止し、急冷し、硬化反応を終了させた。こうして、半硬化プリプレグを作製した。なお、硬化反応を開始させてからの硬化深度およびプリプレグに用いられた樹脂の到達温度を計測した結果を図５に示す。図５において、プリプレグの硬化深度をグラフαで示し、樹脂の到達温度をグラフβで示す。図５に示すように、硬化反応を開始させてから、硬化深度が１０％になるまでの時間はおよそ８０分であり、樹脂の到達温度は８４℃となった。

続いて、作製した半硬化プリプレグを所定の形状に裁断して、所定の形状の半硬化プリプレグを２枚作製した。また、未熱処理のプリプレグを用意し、同様の所定の形状となるように、プリプレグを裁断した。こうして、プリフォームを製造する所定枚数のプリプレグから２枚を減じた数の未熱処理プリプレグを作製した。それから、これらの未熱処理プリプレグを積層した。この積層時における各未熱処理プリプレグの繊維配向構成は、擬似等方とした。

それから、未熱処理プリプレグの層の最上層および最下層に半硬化処理プリプレグをそれぞれ積層した。その後、未熱処理プリプレグおよび半硬化処理プリプレグの層を６０℃の温度で３０分間加熱し、プリフォーム基材を作製した。

その後、プリフォームツールが載置されたベッド上にプリフォーム基材を置き、ゴム膜が設けられたフレームでプリフォーム基材を押さえつけた。ゴム膜は、シリコンゴム膜であり、膜厚は０．５ｍｍとした。そして、ベッドに設けられた真空ポートから空気を抜き、ゴム膜およびプリフォーム基材をプリフォームツールに沿わせた。

それから、スポットクーラーでプリフォーム基材を強制冷却して、室温まで下げた。このようにすることにより、所定形状のプリフォームを得ることができた。プリフォームには、皺などが確認されず、良好なプリフォームを製造することができた。また、その製造工程も簡素なものとすることができた。

他方、硬化深度を５％および１５％で一旦停止させたプリプレグをそれぞれ５日間室温で保持し、再度１３０℃の温度で加熱する実験を行った。この実験では、再加熱の際に誘電特性解析システムで樹脂粘度の変化も見た。その結果について、硬化深度が５％ものを図６（ａ）に示し、硬化深度が１５％のものを（ｂ）に示す。

図６（ａ）、（ｂ）から分かるように、硬化深度が深い１５％の方が、硬化深度が浅い５％のものよりも再加熱時の樹脂粘度が高くなる傾向が確認された。また、測定時の外観観察の結果から、硬化深度が１５％のものは、表面樹脂流動によるタック性の発現がわずかに確認されるにとどまった。

本発明に係る製造方法で製造するプリフォームの例の斜視図である。プリフォーム基材の構成図である。プリフォームを製造する工程を示す工程図である。図３に続く工程を示す工程図である。半硬化プリプレグを製造する際の硬化深度および樹脂の到達温度の時間変化を示すグラフである。（ａ）は、硬化深度が５％の半硬化プリプレグを再加熱したときの樹脂粘度の時間変化を示すグラフ、（ｂ）は、硬化深度が１５％の半硬化プリプレグを再加熱したときの樹脂粘度の時間変化を示すグラフである。

符号の説明

１…プリプレグ、２…半硬化プリプレグ、１０…プリフォーム基材、２０…ベッド、２１…外枠、２２…載置面、２３…プリフォームツール、２４…真空ポート、３０…フレーム、３１…型枠、３２…ゴム膜、４０…クランプ材、４１…冷却装置、Ｐ…プリフォーム。

Claims

複数のプリプレグのうち少なくとも一部が、半硬化温度範囲で半硬化状態となる半硬化プリプレグである前記複数のプリプレグを積層してプリフォーム基材を作成し、
所定の凸型が形成されたベッド上に、前記半硬化温度範囲内の温度に昇温させた前記プリフォーム基材を載置し、前記所定の凸型に沿った形状のＦＲＰ製プリフォームを製造することを特徴とするＦＲＰ製プリフォームの製造方法。
前記半硬化温度範囲が、５０℃以上６０℃以下である請求項１に記載のＦＲＰ製プリフォームの製造方法。
前記半硬化プリプレグは、硬化深度５〜１５％とされている請求項１または請求項２に記載のＦＲＰ製プリフォームの製造方法。
前記半硬化プリプレグは、積層された前記複数のプリプレグの積層方向最上層位置および最下層位置に配置されている請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載のＦＲＰ製プリフォームの製造方法。
前記複数のプリプレグを前記ベッドに形成された凸型に沿わせる際、前記プリフォーム基材を弾性体膜で付勢して前記凸型に沿わせる請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載のＦＲＰ製プリフォームの製造方法。