JP2006123472A

JP2006123472A - Ｆｒｐ製中空部材の成形方法

Info

Publication number: JP2006123472A
Application number: JP2004318407A
Authority: JP
Inventors: Kentaro Shima; 健太郎島
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2004-11-01
Filing date: 2004-11-01
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】複雑な形状を有するＦＲＰ製中空部材、特に、本体部とこれにほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材を、内圧成形法で一体的に成形する方法を提供すること。
【解決手段】本体部と本体部にほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材を成形するに際し、曲部に、補強用の織物プリプレグを、本体部のプリプレグと繊維方向を揃えて重層し、本体部のプリプレグの外周の少なくとも６０％を覆う様に巻付け、次いで内圧成形法により一体成形する成形方法である。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＦＲＰ製中空部材の成形方法、更に詳しくは、本体部とこれにほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材の一体成形方法に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維からなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において利用されている。

ＦＲＰを管状ないし中空状の中空部材に成形する方法としては、遠心成形法、プルトルージョン成形法、フィラメントワインディング成形法、内圧成形法等が知られている。遠心成形法は、回転する円筒体の内面に、この円筒体内に同心的に配備されたローラから繊維を巻き付け、この繊維にマトリックス用の樹脂を噴霧して含浸させた後、硬化させる方法であり、比較的径が大きく、単純な形状の製品を製造するのに適している。プルトルージョン成形法は、樹脂を強化繊維基材に含浸させた後、金型を利用して引き抜き、樹脂を固化或いは硬化させて成形品を得る方法であり、一様の断面の真直ぐなパイプの製造に用いられる。フィラメントワインディング成形法は、樹脂を含浸した繊維をマンドレルに巻き付け、樹脂が固化或いは硬化した後にマンドレルを引き抜く方法であり、長繊維の比率を高めることができるので比較的高強度で、軸対称の中空体を製造するのに用いられる。内圧成形法は、金型キャビティ内に筒状の成形素材を配置し、これを筒の内側から圧力を与えて金型に密着させた状態にて加熱硬化させる方法であり、マトリックス樹脂が熱硬化性であっても熱可塑性であっても適用可能であり、通常の中空管状のＦＲＰ製品を成形するのに適している。
特開平６−１５５５９５号公報

内圧成形法で中空管状のＦＲＰ製品を成形するには、通常、プリプレグを用い、金型キャビティ内に中空管状に配置したプリプレグの内部に、膨張性を有するバッグやチューブ等を入れる。次いで、圧縮空気等を用いてバッグやチューブ等をふくらませ、型の内側から圧力をかけてプリプレグを型の内壁面に押しつけ、この状態でプリプレグを加熱硬化させ成形を行う加圧バッグ成形法が用いられている。しかしながら、上記のような従来の加圧バッグ成形法によって製造することができる中空管状成形品は、パイプ等の形状が簡単なものに限られ、複雑な形状をした中空管状成形品を一体成形により製造することはできない。複雑な形状をした中空管状成形品、例えば、Ｌ字状締結部やＴ字状締結部の様な曲部を有する中空部材を製造する場合には、まず目的とする成形品を複数の部分に分けて成形し、接着等により最後に各部分成形品を組立てて目的とする成形品を得るという方法を用いている。しかし、この方法は作業性、生産性が悪いという問題がある。
特開２００３−３３４８３５号公報

本発明の課題は、複雑な形状を有するＦＲＰ製中空部材、特に、本体部とこれにほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材を、内圧成形法で一体的に成形する方法を提供することにある。

本発明は、本体部と本体部にほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材を成形するに際し、曲部に、補強用の織物プリプレグを、本体部のプリプレグと繊維方向を揃えて重層し、本体部のプリプレグの外周の少なくとも６０％を覆う様に巻付け、次いで内圧成形法により一体成形することを特徴とするＦＲＰ製中空部材の成形方法である。

本発明によれば、Ｌ字状締結部、Ｔ字状締結部、十字状締結部の様な曲部を有する中空部材が、従来の内圧成形法により一体成形でき、簡単に、且つコスト的に有利に、しかも機械的強度にも優れた中空部材が得られる。

本発明の一つの実施態様を図で説明する。図１は、ＦＲＰ製のＬ字型の締結部を有する中空管状体を成形する場合の例である。図１において、１は中空管状体の本体部であり、２は本体部にほぼ直角の曲部であり、３は補強用の織物プリプレグである。補強用の織物プリプレグ３は、曲部の形状に応じた形状・大きさのものを準備すれば良い。図１の場合には、補強用の織物プリプレグ３は、本体部のプリプレグ１（中空管状体の本体部と同じ）と繊維方向を揃えて重層される。図１においては、左右に伸びる本体部のプリプレグの繊維方向と、補強用の織物プリプレグの繊維方向が揃っている。なお、上下方向に伸びる本体部のプリプレグの繊維方向と、補強用の織物プリプレグの繊維方向は９０度になっている。本発明においては、これは逆であってももちろん構わない。

曲部に、補強用の織物プリプレグ３を、本体部のプリプレグ１と繊維方向を揃えて重層し、本体部のプリプレグ１の外周の少なくとも６０％を覆う様に巻付ける方法としては、図１に示した様に、曲部２にそれを十分に覆う大きさの織物プリプレグ３を重ねて置き、織物プリプレグ３に切込み４を入れ、本体部のプリプレグ１に少なくとも外周の６０％を覆う程度に巻付ければ良い。図１においては、補強用の織物プリプレグ３の部分３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄが、それぞれ本体部のプリプレグ１に巻きつけられる。この際、本体部のプリプレグ１の外周の少なくとも６０％を覆う様に巻付ける必要がある。それ以下では強度の補強効果が十分には得られない。なお、この際、曲部にも巻付ける様にしても良い。

補強用の織物プリプレグは、織物一枚のものであっても複数のものであっても良いが、通常は、繊維軸方向が、例えば、（０／９０）となる様に、二枚で構成されている。好ましいのは、複数の織物からなるプリプレグ、あるいはプリプレグが積層された状態で複数の織物からなっているプリプレグであり、織物の角度が、表面と裏面で０度と９０度で、内層で±３０〜±６０度に積層されたものである。積層された複数の織物プリプレグの内層は、特に４５度前後のものが好ましい。かかるプリプレグを用いると、例えば、図１の場合、補強用の織物プリプレグの表面と裏面の繊維方向が、それぞれ本体部のプリプレグの繊維方向と一致し、且つ、内層の繊維方向は本体部のプリプレグの繊維方向に対して３０〜６０度の斜め方向に配置されているので、補強効果がより優れたものとなる。積層された複数の織物からなるプリプレグを用いる場合は、表面と裏面の繊維方向を、それぞれ本体部のプリプレグの繊維方向と一致させるのが好ましい。

本発明は、本体部と本体部にほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材を成形するものであるが、「ほぼ直角の曲部」とは、典型的なＴ字型やＬ字型や十字型だけでなく、それらに類似した曲部であって、従来、一体成形しにくく、別々の中空部材を接着して形成していた曲部を意味する。また、中空部材とは、中空である限り断面形状はどんなものでも構わない。

本発明において、補強用のプリプレグとしては織物プリプレグが用いられる。プリプレグとは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の繊維強化材に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などのマトリックス樹脂を含浸させ、流動性や粘着性を除いて取り扱い性を良くした成形中間材である。本発明においては、用いられる繊維強化材やマトリックス樹脂に関しては特に制限はい。織物としては、例えば、平織、綾織、朱子織等の経糸と緯糸から構成されるものの他、繊維束を一方向に引き揃えシート状とし、これを直角方向にステッチ糸で縫合した一軸織物、一方向に引き揃えたシート状物を角度を変えて複数積層し、これを直角方向にステッチ糸で縫合した多軸織物等が挙げられる。織物の中では平織物が好ましく用いられる。なお、本体部のプリプレグは織物プリプレグに限られず、例えば、繊維束を一方向に引き揃えたシート状の繊維強化材を用いたプリプレグであっても良い。

本発明においては、補強用の織物プリプレグを曲部に、重層し、巻付けた後、次いで内圧成形法により一体成形する。内圧成形法とは、金型キャビティ内に筒状の成形素材を配置し、これを筒の内側から圧力を与えて金型に密着させた状態にて加熱硬化させる方法であり、内圧を付与するための手段によって次のような方法に分類される。

（１）耐熱性に優れ且つ熱膨張率の高い材料、例えば、合成ゴムや四フッ化樹脂からなるコアに、プリプレグ等の成形素材を筒状に巻き付け、金型キャビティ内に配置し、加熱によりコアが熱膨張する際の圧力をもって、成形素材を金型内面に押し付けて成形する方法。（２）ナイロンやシリコンゴムのような、可撓性があり且つ耐熱性に優れた材料で形成したバッグに、プリプレグ等の成形素材を筒状に巻き付け、あるいは、芯金を用いて予備成形した成形素材の中心にこのバッグを配置したものを、金型キャビティ内に配備し、バッグ内に圧縮空気のような加圧流体を送り込んでバッグを膨張させ、成形素材を金型内面に押し付けて成形する方法、等がある。本発明においては、この様な方法を含め、どの様な内圧成形法であっても採用することができる。例えば、複数のバッグを用いても良いし、金型とバッグ間を減圧しながら成形しても良い。以下、実施例により本発明を説明する。

図１にその一部を示したＬ字型締結部を有するＬ字型のＦＲＰ製中空部材を成形するため、
Ｌ字型曲部を有する金型（アルミ製）を用い、金型のキャビティ内面に、本体部のプリプレグを敷設した。プリプレグとしては、炭素繊維ＨＴＡ３Ｋ（東邦テナックス社製、汎用グレードの炭素繊維、３０００フィラメント）を経糸緯糸とした平織物（東邦テナックス社製、Ｗ−３１０１／Ｑ−１９５）に、エポキシ樹脂を含浸させたものを用いた（樹脂含有率：４０％）。このプリプレグを５枚、積層パターンが（０／９０）、（±４５）、（３０／１２０）、（±４５）、（０／９０）となる様に重ねて、金型に敷設した。

補強用の織物プリプレグとしても、本体部のプリプレグと同じものを用い、これを３枚、積層パターンが（０／９０）、（±４５）、（０／９０）となる様に重ねて、図１の様に曲部に重層した。この際、図１に示した様に、補強用の織物プリプレグの表面と裏面の繊維方向（経糸方向）が、それぞれ本体部のプリプレグの繊維方向（経糸方向）と一致する様に重層した（図１では便宜上、プリプレグ表面の織物の経糸方向のみが実線で示されている）。

次いで、織物プリプレグの部分３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄをそれぞれ対応する本体部のプリプレグに巻きつけた。巻き具合は、本体部のプリプレグを丁度一回りするほどであった（外周の１００％）。次いで、ナイロンバッグ（ＷＲＩＧＨＴＬＯＮ#７４００、ＡＩＲＴＥＣＨ社製）を２本挿入して型締めを行った。その後、金型全体をナイロンバッグ（ＷＲＩＧＨＴＬＯＮ#７４００）で覆い、内側のバッグ２本と、外側のバッグをシーラントテープでシールし、バッグ内を真空ポンプで減圧した。その後、オートクレーブ内で圧力０．５ＭＰａで加圧下、１２０℃中２時間プリプレグを加熱硬化し、Ｌ字管を得た。

「比較例１」
比較のために補強用のプリプレグとして、織物プリプレグの代わりに、炭素繊維を一方向に配列させたものからなるプリプレグ（ＵＤプリプレグ）を用いて、実施例１と同じ条件で成形してＬ字管を得た。そして、実施例１と比較例１で得られたＬ字管の強度を比較したところ、比較例のものは本発明の実施例のものの約１／２であった。

本発明の一つの実施態様の説明図である。

符号の説明

１本体部（本体部のプリプレグ）
２曲部
３補強用の織物プリプレグ
３ａ、３ｂ、３ｃ、３ｄ補強用の織物プリプレグの部分
４切込み

Claims

本体部と本体部にほぼ直角の曲部を有するＦＲＰ製中空部材を成形するに際し、曲部に、補強用の織物プリプレグを、本体部のプリプレグと繊維方向を揃えて重層し、本体部のプリプレグの外周の少なくとも６０％を覆う様に巻付け、次いで内圧成形法により一体成形することを特徴とするＦＲＰ製中空部材の成形方法。
補強用の織物プリプレグが、積層された複数の織物プリプレグからなり、織物の角度が、表面と裏面で０度と９０度で、内層で±３０〜±６０度に積層されたものである請求項１記載のＦＲＰ製中空部材の成形方法。
織物が平織物である請求項１又は２記載のＦＲＰ製中空部材の成形方法。