JP2006187947A - プリフォームの製造方法、繊維強化複合材料の製造方法、プリフォーム及びこれを用いた繊維強化複合材料 - Google Patents

Abstract

【課題】三次元形状のプリフォームにおいて、基材の目開きや薄層化を防止し、部分的に強度が低下しない、生産効率の高い製造方法を提供する。
【解決手段】表面が平坦な二次元形状と表面に凹凸を有する三次元形状とを含む所定の立体形状に繊維基材を賦形する場合、連続繊維基材を二次元形状に賦形して凸状部プリフォーム３を得て、短繊維基材を三次元形状に賦形して平坦部プリフォーム４を得て、凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とを接合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材料の中間製品であるプリフォームの製造方法に関し、特に三次元形状のプリフォームの製造方法に関する。

織物などの二次元の基材を三次元形状に賦形して、三次元形状のプリフォームを製造する技術（特許文献１〜３参照）が知られている。
しかしながら、二次元の基材を目的の三次元形状に賦形させると、三次元形状の凸状の部分では表面積が増加するため、二次元の基材に目開きや薄層化が生じ、強化繊維密度（面積あたりの繊維量）が部分的に低下するという問題があった。強化繊維密度が減少した部分は、強度が部分的に低下するため、破壊の開始点を構成するという不都合があった。
また、特許文献４のように、短繊維を吹き付けて目的の三次元形状のプリフォームを形成する手法は、比較的処理時間がかかってしまうという問題に加えて、短繊維のみを強化基材とするため、十分な強度を確保することができないという問題があった。
特開平４−９７８２８号公報 特開２００１−２６９９８７号公報 特開２００３−２１１４４７号公報 特開２００４−１１４４３９号公報

本発明は、以上の課題を鑑みてなされたものであり、高い強度を維持しつつ、処理効率の高いプリフォームの製造方法を提供することを目的とする。
本発明によれば、表面が平坦な二次元形状と表面に凹凸を有する三次元形状とを含む所定の立体形状に繊維基材を賦形する場合に、第１繊維基材を二次元形状に賦形し、第２繊維基材を三次元形状に賦形し、これらを接合させて目的の立体形状のプリフォームを製造するプリフォームの製造方法が提供される。

本発明のプリフォームの製造方法によれば、高強度のプリフォームを高い処理効率で製造することができる。

＜第１実施形態＞
以下、図１〜図７に基づいて、本発明に係る第１実施形態のプリフォーム製造方法について説明する。本実施形態のプリフォーム製造方法は、表面が平坦な二次元形状と表面に凹凸を有する三次元形状とを含む所定の立体形状に繊維基材を賦形する方法である。図１に本実施形態のプリフォーム製造方法を含む、繊維強化複合材料の製造方法の手順を示した。

まず、目的の立体形状を決定し、その立体形状を形成する成形型を準備する（Ｓ１０１）。 この目的の立体形状について、各領域（部分）の表面の凹凸を検出し（Ｓ１０２）、領域ごとに表面に凹凸があるか否かを判断する。特に限定されないが、本実施形態では、各領域において予め設定された基準面と、各領域の表面との段差の絶対値が所定値以上である場合には凹凸があると判断する。なお、領域は立体形状の表面を識別可能な所定区画ごとに分割することにより、予め定義しておくことが好ましい。

各領域の表面に凹凸があると判断した場合（Ｓ１０３でＹ）、Ｓ１０４へ進み、三次元形状領域を決定する。三次元形状領域が決定されたら、その凹凸形状を形成する成形型を準備する（Ｓ１０５）。この成形型は、相対的に接近可能な雌雄一対の上型と下型とを有し、間に繊維基材を挟んだ状態で上型と下型とが接近し、型締めされることにより繊維基材を所望の形状に成形する。賦形された繊維基材の離型を容易にする観点から、成形型の賦形型面にシリコン系離型材を塗布してもよいし、賦形型面をシリコンフィルム又はポリエチレンフィルム等で被覆してもよい。

図２に成形型の下型１０を示した。この形状は目的の立体形状とほぼ共通する。図２（Ａ）は目的とする立体形状を形成する成形型の下型１０の斜視図、図２（Ｂ）は（Ａ）に示した成形型の下型１０の上面図、図２（Ｃ）は（Ａ）に示した成形型の下型１０の側面図である。下型１０は、表面が平坦な二次元形状に対応する平面型１と、凹凸を有する三次元形状に対応する凸型２とを有している。

成形型の準備と並行して、三次元形状に賦形される第２繊維基材を準備する（Ｓ１０５）。第２繊維基材は、強化基材（強化繊維）として短繊維を用いたものであることが好ましい。強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維を用いることができる。本実施形態では、ミルドファイバー、チョップドストランド、チョップドストランドマットの等の短繊維を用いる。短繊維の長さは３ｍｍ以上５０mm以下、好ましくは３ｍｍ以上２５ｍｍ以下であることが好ましい。第２繊維基材には、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又は高分子を含む繊維集束機能を有するバインダと混合することが好ましい。

三次元形状の成形型１０と第２繊維基材の準備ができたら、第２繊維基材を三次元形状に賦形する（Ｓ１０６）。具体的には、第２繊維基材を三次元形状の成形型の下型１０上に配列して成形してもよいし、第２繊維基材とバインダの混合物を三次元形状の成形型の下型１０上に注入、塗布又は吹き付けて成形してもよい。さらに、三次元形状に賦形した第２繊維基材の形状を安定させるために、固着剤又は糊剤を塗布又は吹き付けることが好ましい。下型１０の凸型２を用いて、三次元形状に賦形された第２繊維基材の凸状部プリフォーム３を図３（Ａ）に示した。

Ｓ１０３に戻り、表面に凹凸がないと判断された領域を二次元形状領域として決定する（Ｓ１１４）。二次元形状領域が決定されたら、その平坦形状を形成する成形型を準備する（Ｓ１１５）。本例では、図２に示した成形型の下型１０を準備する。

成形型の準備と並行して、二次元形状に賦形される第１繊維基材を準備する（Ｓ１１５）。第１繊維基材は、強化基材（強化繊維）として連続繊維を用いたものであることが好ましい。強化繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維を用いることができる。本実施形態では、平織、朱子織などにより構成された織物、編物（ニット）、不織布、マットなどの布帛状の連続繊維を用いる。毛羽立ちの防止、形態安定性の向上の観点から、第１繊維基材に、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又は高分子を含む繊維集束機能を有するバインダを添加することが好ましい。

二次元形状の成形型１０と第１繊維基材の準備ができたら、第１繊維基材を二次元形状に賦形する（Ｓ１１６）。具体的には、第１繊維基材を二次元形状領域に沿って切り抜く。二次元形状に賦形した第２繊維基材の形状を安定させ、扱い易くするために、固着剤又は糊剤を塗布又は吹き付けることが好ましい。下型１０の平坦型１を用いて、二次元形状に賦形された第１繊維基材の平坦部プリフォーム４を図３（Ｂ）に示した。

後の積層処理工程において必要な積層数に応じて、凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とを準備する（Ｓ１２０）。

賦形された繊維基材が必要な積層数分だけ準備できたら、Ｓ１２１に進む。Ｓ１２１において、凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とを接合する。具体的には、まず、成形型１０の凸型２に凸状部プリフォーム３をセットする。この状態を図４に示した。図４（Ａ）は凸型２に凸状部プリフォーム３をセットした上面図であり、図４（Ｂ）はその側面図である。次に、セットした凸状部プリフォーム３の上から、平坦型１の形状に切り抜かれた平坦部プリフォーム４を重畳する。この状態を図５に示した。図５（Ａ）は凸状部プリフォーム３の上から平坦部プリフォーム４を重畳させた上面図であり、図５（Ｂ）はその側面図である。所定数の凸状部プリフォーム３と所定数の平坦部プリフォーム４とを交互に重畳させ、成形型を用いて目的の立体形状に賦形されたプリフォーム５を得る。これを図６に示した。なお、本例では先に凸状部プリフォーム３をセットしたが、先に平坦部プリフォーム４をセットしてもよい。凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とを交互に積層することによって、凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４との接合力を強めることができ、プリフォーム全体の強度を向上させることができる。

図７に、プリフォーム５の断面図を示した。 図７に示すプリフォーム５は先に平坦部プリフォーム４をセットし、その上から凸状部プリフォーム３をセットし、その上から平坦部プリフォーム４をセットした例である。図７に示すように、最下層に平坦部プリフォーム４１がセットされ、その上層に凸状部プリフォーム３がセットされ、その上層に平坦部プリフォーム４２がセットされている。凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とは、これらの境界近傍の接合領域（Ｘ１，Ｘ２）が互いに重なるように形成されている。本例では、凸状型２の周囲を覆うように凸状部プリフォーム３を形成することにより、接合領域（Ｘ１，Ｘ２）において凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とが重なるようにした。この接合領域（Ｘ１，Ｘ２）の幅は５mm以上１００mm未満、さらに１０mm以上１００ｍｍ未満であることが好ましい。連続繊維の弾性率と短繊維の弾性率には差があり、重なり合う部分では応力状態が急変するため、この接合領域が小さい（５mm未満）と、境界領域での破壊が起こりやすい傾向があるからである。他方、接合領域が大きすぎる（１００mm以上）であると、プリフォーム５の重量が増加するため、接合領域の幅を１００mm未満とすることが好ましい。

このように、所定幅の接合領域を設けることにより、別々に準備した凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とが強固に接合され、バラけることがない。これにより、作成されたプリフォームの形状が安定し、取り扱いが容易となり、生産効率を向上させることができる。また、このプリフォームが繊維強化複合材料に用いられた場合であっても、破壊の開始点となることを防止することができる。

特に限定されないが、本実施形態では、積層された凸状部プリフォーム３（第２繊維基材）と平坦部プリフォーム４（第１繊維基材）との接合領域において、３以上の奇数層となるように積層することが好ましい。たとえば、連続繊維の第１繊維基材と短繊維２の第２繊維基材とが１層ずつ積層されている場合、プリフォーム５の厚さに部分的な差が生じてしまい、面内に応力が発生した場合、厚み方向に浮き上がる変形モーメントが発生して、設計荷重以下の低荷重で破壊が生じる可能性がある。これに対して、図７に示す本実施形態では、３層以上の奇数層となるように凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４とを積層するため、プリフォーム５の厚さを比較的均一にすることができる。また、最下層および最上層は平坦部プリフォーム４を配置することにより、プリフォームの接合領域において他の部材との段差の発生を抑制し、変形モーメントの発生を抑制することができる。

本実施形態では、凸状部プリフォーム３と平坦部プリフォーム４との積層工程において、積層された凸状部プリフォーム３（第２繊維基材）又は平坦部プリフォーム４（第１繊維基材）のそれぞれの表面にバインダを塗布する（Ｓ１２２）。第１繊維基材及び／又は第２繊維基材にバインダが含有されている場合には、この工程を省略してもよい。バインダは、プリフォームの形態／形状を安定させることができればよく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ゴム、でんぷん等を用いることが好ましい。具体的に、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂などを例示することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂を例示することができる。また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを含むバインダを用いることもできる。特に限定されないが、繊維強化複合材料の製造において用いられる樹脂と同じ樹脂を用いることが好ましい。バインダの塗布・散布に際しては、バインダをアセトン、ＭＥＫ（methyl ethyl ketone）などの溶媒で希釈する。希釈により樹脂の粘度、散布量、噴霧状態を調節することができる。バインダを塗布することにより、作成されたプリフォームの形状が安定し、取り扱いが容易となり、生産効率を向上させることができる。

凸状部プリフォーム３（第２繊維基材）と平坦部プリフォーム４（第１繊維基材）との積層、及びバインダの散布を、所定の積層数となるまで繰り返す（Ｓ１２３）。所定の積層数になったら、プリフォーム用の成形型を型締めして、加温し、所定の立体形状のプリフォームを得る（Ｓ１２４）。

このような製造方法により、表面が平坦な二次元形状に賦形された第１繊維基材と表面に凹凸を有する三次元形状に賦形された第２繊維基材とが、接合されたハイブリッドプリフォームを得ることができる。

本実施形態では、織物等の連続繊維を二次元形状に合わせて切り抜いて（賦形して）平坦部プリフォーム４を形成するため、一次元の（二次元ではない）短繊維を二次元領域に並べる又は短繊維を二次元領域に吹き付けてプリフォームを得る手法よりも生産効率を向上させることができる。また、連続繊維は二次元領域を斑なく被覆することができるので、短繊維の配置や吹きつけよりも無駄がなく、プリフォームの軽量化を図ることができる。

ガラス繊維、炭素繊維、ポリエステル繊維などの高強度、高剛性の強化繊維は連続繊維として用いられたとき、その力学的特性が最も良く発揮される。本実施形態では、二次元領域について連続繊維を含む繊維基材を用いるため、二次元領域を含むプリフォーム全体の強度を向上させることができる。加えて、二次元領域において適当な繊維配向を付与することができる。

また、連続繊維を凹凸部分（三次元形状）に賦形すると目開きや皺などが生じてしまう傾向があるが、凹凸部分と平坦部分（二次元形状）とを区分して、平坦部とは別に、短繊維を含む第２繊維基材を用いて凹凸部分の凸状部プリフォーム３を作成することにより、目開きや皺を発生させることなくプリフォームを製造することができる。この方法によれば、平坦部分には連続繊維（織物等）を用いることができるので、短繊維を全体に吹き付けて作成するよりも繊維のロスを低減させることができる。

このように二次元形状は第１繊維基材を用い、三次元形状は第２繊維基材を用いることにより、強度を維持しつつ軽量化を図ることができ、生産効率を向上させることができる。加えて、凸状部プリフォーム３を平坦部プリフォーム４と別工程で製造するため、不良品の発生確率が比較的高い三次元形状に賦形された凸状部プリフォーム３について事前検査を行うことができるため、プリフォームの不良品発生確率を低減させることができる。

次に、得られたプリフォームを用いて繊維強化複合材料を製造する。本実施形態では、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形法を用いて、繊維強化複合材料を得る。雌雄一対の気密型に予め得たプリフォームと、必要なインサート部品類をセットする。セット後、気密型の型締めを行い、樹脂を含むマトリックスを圧入充填する。これによりプリフォームにマトリックスを含浸させる（Ｓ１２５）。繊維強化複合材料のマトリックスは、特に限定されないが、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂を用いることができる。また熱可塑性樹脂としては汎用プラスチックとエンジニアリングプラスチックを用いることができるが、主に後者を利用することが好ましい。エンジニアリングプラスチックとしては、ポリアミド、ポリアセタール、ポリブチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、ナイロン、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミドイミドなどを例示することができる。

続いて、マトリックス含浸後、加温等により樹脂を硬化させる（Ｓ１２６）。温度低下後、離型し、目的の立体形状に賦形された繊維強化複合材料を得る（Ｓ１２７）。

プリフォームの生産効率の向上により、繊維強化複合材料の生産効率も向上させることができる。プリフォームの軽量化により、繊維強化複合材料の軽量化を図ることができる。また、三次元形状の凸状部プリフォーム３と二次元形状の平坦部プリフォーム４とは、高い強度で接合されているため、ハンドリング性が高く繊維強化複合材料の生産効率を向上させることができる。また、プリフォームの段階で不良が発生しやすい凸状部プリフォーム３の事前検査を行うことができるため、繊維強化複合材料の不良品発生率を抑制することができる。

＜実施例１＞
東レ株式会社製のＴ３００短繊維（長さ２５mm）を、図２（A）〜（C）に示す下型１０の凸型２を用いて三次元形状に賦形し、図３（A）に示す凸状部プリフォーム３を得た。東レ株式会社製ＣＯ６３４３クロス基材を裁断して、図２（A）〜（C）に示す下型１０の平坦型１を用いて二次元形状に賦形し、図３（B）に示す平坦部プリフォーム４を得た。この平坦部プリフォーム４は凸型２に対応する部分が切り抜かれている。凸型２に表面に短繊維基材を配置し、その後、平坦部プリフォーム４を図２の下型１０にセットした。下型１０に対向する上型（図示しない）を下型１０に接近させて型締めを行い、図６及び図７に示した目的の立体形状のプリフォームを得た。このプリフォームについて、成形工程における扱い易さの評価、ハンドリング性評価、外観評価を行った。成形工程において障害は一切発生しなかった。ハンドリング性は良好であった。外観上、ヨレや皺の発生は認められなかった。

＜比較例１＞
東レ株式会社製ＣＯ６３４３クロス基材を準備し、このクロス基材（連続繊維）を図２（A）〜（C）に示す下型１０の上にセットした。クロス基材は、下型１０の全体、すなわち平坦部１及び凸型２を覆うようにセットした。下型１０に対向する上型（図示しない）を下型１０に接近させて型締めを行い、立体形状のプリフォームを得た。このプリフォームについて、成形工程における扱い易さの評価、ハンドリング性評価、外観評価を行った。成形工程において成形型が閉まらず、型締めができないという障害が生じた。原因は、凸型２の部分で皺が発生し、皺の部分が成形型に挟まったためであった。このため、離型して得たプリフォームのハンドリング性は不良であった。外観にヨレや皺が認められ外観は不良であった。特に凸型２に対応する位置ではヨレや皺が発生していた。

このように、連続繊維により凹凸を有する三次元形状を含む立体形状のプリフォームを作成することはできなかった。成形型の操作が不能となるなど、生産効率を低下させる障害が発生した。これに対して、本発明に係る実施例では、成形工程において障害は一切発生せず、得られたプリフォームはハンドリング評価及び外観評価において高い評価を得た。

＜第２実施形態＞
次に、図８〜図１３に基づいて、本発明に係る第２実施形態のプリフォームの製造方法について説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様に、表面が平坦な二次元形状と表面に凹凸を有する三次元形状とを含む所定の立体形状に繊維基材を賦形する方法である。図８に本実施形態のプリフォーム製造方法を含む、繊維強化複合材料の製造方法の手順を示した。基本的な部分は第１実施形態と共通するので、ここでは、異なる部分を中心に説明する。図８に示すＳ２０１から２０４は、図１に示したＳ１０１からＳ１０４と共通する。本実施形態では、三次元形状領域が決定されたら（Ｓ２０４）、その凹凸形状を形成する成形型を準備する（Ｓ２０５）。この成形型は、短繊維とバインダとの混合材料を上方から吹きつけ可能な下型を有している。混合材料の吹きつけ後は、下型に相対的に接近可能な上型を下型に接近させて圧接し、吹き付けた繊維基材を所望の形状に成形することができる。賦形された繊維基材の離型を容易にする観点から、成形型の賦形型面にシリコン系離型材を塗布してもよいし、賦形型面をシリコンフィルム又はポリエチレンフィルム等で被覆してもよい。

図９に成形型の下型１０を示した。この形状は目的の立体形状とほぼ共通する。本例では略円錐をその回転軸に沿って分割し、その断面を平面に合わせた形状である。図９（Ａ）は目的とする立体形状を形成する成形型の下型１０の上面図、図９（Ｂ）は（Ａ）に示した成形型の下型１０の側面図である。下型１０は、表面が平坦な二次元形状に対応する平面型１１と、凹凸を有する三次元形状に対応する凸型２２とを有している。

成形型の準備と並行して、三次元形状に賦形される第２繊維基材にバインダを混合させた繊維基材を準備する（Ｓ２０６）。第２繊維基材は、第１実施形態において説明した第２繊維基材を用いることができる。本実施形態の第２繊維基材は、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂又は高分子を含む繊維集束機能を有するバインダと混合することが好ましい。バインダは、プリフォームの形態／形状を安定させることができればよく、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、ゴム、でんぷん等を用いることが好ましい。具体的に、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂などを例示することができる。熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリカーボネート樹脂を例示することができる。また、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂の両方を含むバインダを用いることもできる。特に限定されないが、繊維強化複合材料の製造において用いられる樹脂と同じ樹脂を用いることが好ましい。

Ｓ２０３に戻り、表面に凹凸がないと判断された領域を二次元形状領域として決定する（Ｓ２１４）。二次元形状領域が決定されたら、その平坦形状を形成する成形型を準備する（Ｓ２１５）。本例では、図９に示した成形型の下型１１を準備する。成形型の準備と並行して、二次元形状に賦形される第１繊維基材を準備する（Ｓ２１５）。第１繊維基材は、強化繊維として連続繊維を用い、第１実施形態と同様のものを用いることができる。

二次元形状の成形型１０と第１繊維基材の準備ができたら、第１繊維基材を二次元形状に賦形する（Ｓ２１６）。具体的には、第１繊維基材を二次元形状領域に沿って切り抜く。二次元形状に賦形した第２繊維基材の形状を安定させ、扱い易くするために、固着剤又は糊剤を塗布又は吹き付けることが好ましい。下型１０の平坦型１１を用いて、二次元形状に賦形された第１繊維基材の平坦部プリフォーム４１を図１０に示した。第１繊維基材を二次元形状に賦形した平坦部プリフォーム４１を、積層数に応じて準備する（Ｓ２２０）。

賦形された繊維基材が必要な積層数分だけ準備できたら、Ｓ２２１に進む。Ｓ２２１においては、立体形状に対応する部分の繊維基材層の形成を行う。まず、図１０に示した平坦部プリフォーム４１を図９に示した下型１０にセットする（Ｓ２２１）。このとき、３次元形状に対応する部分に繊維基材層は形成されておらず、下型１０の凸型２２はむき出しである。この３次元形状に対応する部分及び３次元形状と２次元形状との境界部分に、バインダを含有させた第２繊維基材を吹き付ける（Ｓ２２２）。この状態を図１１に示した。繊維供給装置７は、切断したファイバーとバインダとを混合したものを吹き付ける装置である。繊維供給装置７により吹き付けられた第２繊維基材は、繊維基材層を形成し、凸型２２の形状に賦形される（Ｓ２２２）。これにより、三次元形状に対応する部分には、平坦部プリフォーム４１とは異なり、強化基材（強化繊維）が短繊維である凸状部プリフォーム３１が形成される。

また、図１２に示すように、三次元形状に対応する部分に、連続繊維を当ててから短繊維の繊維基材を吹き付けてもよい。織物等の連続繊維は強度面において優れるが、凹凸形状等を含む立体形状に賦形すると、凹凸形状部分の繊維が目開き（経糸及び／又は緯糸の密度が粗となる）が生じてしまう。目開きが生じた部分（図１２のβ領域）と目開きが生じていない部分（図１２のα領域）とは、その単位面積当たりの繊維量が異なるため、部分的な強度のアンバランスが生じ、破壊のトリガとなる可能性がある。本実施形態では、目開きが生じている部分にだけ繊維の吹きつけを行うようにした。連続繊維を用いることにより強度を高めるとともに、短繊維を部分的に吹き付けることにより、連続繊維を３次元形状に賦形したことにより生じた強度のアンバランスを補正することができる。

短繊維の吹きつけは、３次元形状に対応する部分及び３次元形状と２次元形状との境界部分にも行われるから、この部分では第１繊維基材と第２繊維基材とが積層された状態となる。第１繊維基材と第２繊維基材の積層数が所定数になったら(Ｓ２２３でＹ)、成形型を用いて成形し、目的の立体形状に賦形されたプリフォーム５を得る(Ｓ２２４)。このように、接合領域において、凸状部プリフォーム３１と平坦部プリフォーム４１とを積層させることによって、凸状部プリフォーム３１と平坦部プリフォーム４１との接合力を強めることができ、プリフォーム全体の強度を向上させることができる。凸状部プリフォーム３１と平坦部プリフォーム４１とが接合されたプリフォーム５１の断面を図１３に示した。積層の態様は第１実施形態と同様とすることができる。

続いて、プリフォーム５を用いて繊維強化複合材料を製造する。この製造ステップにかかるＳ２２５〜Ｓ２２７は、第１実施形態のＳ１２５〜Ｓ１２７と同様である。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、短繊維を部分的に吹き付けることにより、第２繊維基材を三次元形状に賦形する工程の作業効率を向上させることができる。

＜第３実施形態＞
次に、図１４及び図１５に基づいて、本発明に係る第３実施形態のプリフォームの製造方法について説明する。本実施形態は、第１実施形態と同様に目的の立体形状に繊維基材を賦形する方法である。本実施形態は、目的の立体形状のうち、表面が平坦な第１部分と、第１部分に比べて凹凸が存在する第２部分とを決定する手法に特徴がある。

図１４に本実施形態のプリフォーム製造方法を含む、繊維強化複合材料の製造方法の手順を示した。基本的な部分は第１実施形態と共通するので、ここでは、異なる部分を中心に説明する。まず、目的の立体形状を決定し、その立体形状を形成する成形型を準備する（Ｓ３０１）。 この目的の立体形状について、立体形状の投影面に対する比表面積を領域（部分）ごとに算出する。

比表面積の検出手法の一例を図１５に基づいて説明する。図１５には目的の立体形状である車両用フロアパネルのモデル８を示した。この車両用フロアパネルのモデル８についての比表面積の算出例を説明する。図１５のＸ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４は、車両用フロアパネルのモデル８の載置面Ｘである。この載置面Ｘ（Ｘ１，Ｘ２，Ｘ３，Ｘ４）と平行な投影面Ｙ（Ｙ１，Ｙ２，Ｙ３，Ｙ４）を設定する。車両用フロアパネルのモデル８上の点を投影面Ｙに投影させた点をプロットし、２つの点を対応づける。車両用フロアパネルのモデル８上の３以上の点により領域を決定する。領域が定義されたら、決定された領域に含まれるモデル８の表面積を検出するとともに、この領域の投影面の面積を算出する。そして、投影面（面積）に対するモデル８の表面積を、比表面積として算出する。

Ｓ３０３において、算出した比表面積が所定値以上であるか否かを判断する（Ｓ３０３）。投影面積に対するモデル８の表面積（比表面積）が所定値以上であれば、その領域に対応する第２部分は凹凸形状を有する三次元形状であると判断できる。他方、投影面積に対するモデル８の表面積（比表面積）が所定値未満であれば、その領域に対応する第１部分は凹凸形状が比較的少ない乃至凹凸形状が存在しない二次元形状であると判断できる。

この観点から、Ｓ３０３において、比表面積が所定値以上である場合、その領域に対応する第２部分は凹凸形状が含まれる三次元形状であると判断できる（Ｓ３０４）。

図１５に示す例では、モデル８のＡ１〜Ａ４の領域を投影面Ｙに投影したＢ１〜Ｂ４の「投影面積Ｂ」に対するモデル８のＡ１〜Ａ４の「表面積Ａ」、すなわち比表面積Ａ／Ｂを算出する。他方、モデル８のＣ１〜Ｃ１２の領域を投影面Ｙに投影したＤ１〜Ｄ１２の面積Ｄに対するモデル８のＣ１〜Ｃ１２の表面積Ｃ、すなわち比表面積Ｃ／Ｄを算出する。本例では、比表面積Ａ／Ｂは所定値未満であるので、モデル８の領域Ａ１〜Ａ４は第１部分（二次元領域）であると判断する。他方、比表面積Ｃ／Ｄは所定値以上であるので、モデル８の領域Ｃ１〜Ｃ１２は第２部分（三次元領域）であると判断する。本例では、領域をモデル８の形状に基づいて予め設定したが、所定のメッシュにより領域を定義してもよい。

ちなみに、本実施形態の第２部分は、第１実施形態及び第２実施形態における凹凸を含む三次元形状と同様に扱うことができる。続くＳ３０５，Ｓ３０６は図１のＳ１０５，Ｓ１０６と共通する。他方、Ｓ３０３において比表面積が所定値未満である場合、その部分を第１部分と判断する（Ｓ３１４）。本実施形態の第１部分は、第１実施形態及び第２実施形態における表面が平坦な二次元形状と同様に扱うことができる。続くＳ３１５，Ｓ３１６は図１のＳ１１５，Ｓ１１６と共通する。また、Ｓ３０６及びＳ３１６に続くＳ３２０からＳ３２７は、図１のＳ１２０〜Ｓ１２７と共通する。図示はしなかったが、Ｓ３０５からＳ３０６、Ｓ３１５からＳ３１６及びＳ３２０からＳ３２７のステップに代えて、Ｓ２０５及びＳ２１５からＳ２２７のステップを実行してもよい。

本実施形態によれば、第１実施形態及び第２実施形態と同様の効果を奏する。また、本実施形態は、比表面積に基づいて、立体形状を表面が比較的平坦な第１部分と表面に凹凸がある第２部分とに区分する。これにより、立体平面の凹凸がある三次元領域と平坦な二次元領域とを定量的に判断することができる。つまり、凹凸の有無のみではなく、凹凸の程度（凹凸の深さ、面積あたりの凹凸の数など）までも考慮に入れて、２次元形状と三次元形状とを判断することができる。たとえば、比表面積に基づいて判断することにより、多少の凹凸はあるものの連続繊維で賦形することができる領域を第１部分と判断することができる。

このように２次元形状と三次元形状とを適切に判断することにより、連続繊維と短繊維とを領域ごとに適切に使い分けたハイブリッドフォームを得ることができ、強度の維持向上及び生産効率の向上を図ることができる。

なお、以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするために記載されたものであって、本発明を限定するために記載されたものではない。したがって、上記の実施形態に開示された各要素は、本発明の技術的範囲に属する全ての設計変更や均等物をも含む趣旨である。

第１実施形態のプリフォームの製造手順を示すフローチャート図である。 （Ａ）は第１実施形態の成形型の一例を示す斜視図、（Ｂ）はその成形型の平面図、（Ｃ）はその成形型の側面図である。 （Ａ）は凸状部プリフォームを示す図、（Ｂ）は平坦部プリフォームを示す図である。 （Ａ）は凸状部プリフォームを下型にセットした状態を示す平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。 （Ａ）は平坦部プリフォームを下型にセットした状態を示す平面図であり、（Ｂ）はその側面図である。 第１実施形態のプリフォームを示す斜視図である。 第１実施形態のプリフォームの断面図である。 第２実施形態のプリフォームの製造手順を示すフローチャート図である。 （Ａ）は第２実施形態の成形型の一例を示す平面図、（Ｂ）はその成形型の側面図である。

信頼度と制御内容との対応情報の一例である。
第２実施形態の平坦部プリフォームを示す図である。 第２繊維基材を吹き付ける工程を説明するための図である。 第２繊維基材を吹き付ける他の工程を説明するための図である。 第２実施形態のプリフォームの断面図である。 第３実施形態のプリフォームの製造手順を示すフローチャート図である。 比表面積の算出手法を説明するための図である。

符号の説明

１０…プリフォーム用の成形型
１，１１…凸状型
２，２２…平坦型
３，３１…凸状部プリフォーム
４，４１…平坦部プリフォーム
５，５１…プリフォーム

Claims (14)

1. 繊維基材を所定の立体形状に賦形するプリフォーム製造方法であって、
   強化基材として連続繊維を含む第１繊維基材を、前記所定の立体形状の投影面に対する当該立体形状の比表面積が所定値未満の第１部分の形状に賦形するステップと、
   前記ステップに相前後して、強化基材として短繊維を含む第２繊維基材を、前記比表面積が所定値以上の第２部分の形状に賦形するステップと、
   前記第１部分の形状に賦形された第１繊維基材と前記２部分の形状に賦形された第２繊維基材とを接合して、前記所定の立体形状に賦形されたプリフォームを得るステップとを有するプリフォーム製造方法。
2. 繊維基材を、表面が平坦な二次元形状と表面に凹凸を有する三次元形状とを含む所定の立体形状に賦形するプリフォーム製造方法であって、
   強化基材として連続繊維を含む第１繊維基材を前記二次元形状に賦形するステップと、
   前記ステップに相前後して、強化基材として短繊維を含む第２繊維基材を前記三次元形状に賦形するステップと、
   前記二次元形状に賦形された第１繊維基材と前記三次元形状に賦形された第２繊維基材とを接合して、前記所定の立体形状に賦形されたプリフォームを得るステップとを有するプリフォーム製造方法。
3. 前記二次元形状に賦形された第１繊維基材と前記三次元形状に賦形された第２繊維基材とは、それらの境界近傍の所定領域が重なるように接合する請求項２に記載のプリフォーム製造方法。
4. 前記所定領域の幅は、５mm以上１００mm未満である請求項３に記載のプリフォーム製造方法。
5. 繊維基材を、表面が平坦な二次元形状と表面に凹凸を有する三次元形状とを含む所定の立体形状に賦形するプリフォーム製造方法であって、
   強化基材として連続繊維を含む第１繊維基材を前記二次元形状に賦形するステップと、
   この二次元形状に賦形された第１繊維基材を、前記所定の立体形状に対応する型にセットし、強化基材としての短繊維とバインダとを含む前記第２繊維基材を、前記三次元形状に対応する部分および前記二次元形状との境界部分に吹き付けて、前記所定の立体形状に賦形されたプリフォームを得るステップとを有するプリフォーム製造方法。
6. 前記第１繊維基材と前記第２繊維基材との境界近傍において、これらが交互に積層された状態となるように接合する請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォーム製造方法。
7. 前記第１繊維基材と前記第２繊維基材とが、３以上の奇数層に積層された状態となるように接合する請求項６に記載のプリフォーム製造方法。
8. 前記積層された前記第１繊維基材と前記第２繊維基材の最上層及び／又は最下層は、第１繊維基材である請求項７に記載のプリフォーム製造方法。
9. 前記積層される第１繊維基材及び／又は第２繊維基材にバインダを塗布するステップをさらに有する請求項１〜８のいずれかに記載のプリフォーム製造方法。
10. 前記請求項１〜９のいずれかに記載された製造方法により得られたプリフォームに樹脂を含むマトリックスを含浸させるステップと、前記樹脂を硬化させるステップとをさらに有する繊維強化複合材料の製造方法。
11. 前記請求項１〜９のいずれかに記載された製造方法により得られたプリフォーム。
12. 前記請求項１０に記載された製造方法により得られた繊維強化複合材料。
13. 二次元形状に賦形された第１繊維基材と三次元形状に賦形された第２繊維基材とが接合され、所定の立体形状に賦形されたプリフォームであって、
    前記第１繊維基材は強化基材として連続繊維を含み、前記第２繊維基材は強化基材として短繊維を含むことを特徴とするプリフォーム。
14. 前記二次元形状に賦形された第１繊維基材と三次元形状に賦形された第２繊維基材との接合領域は、第１繊維基材と第２繊維基材とが交互に積層されている請求項１３に記載のプリフォーム。