JP2007001298A - プリフォームの製造方法およびプリフォームの製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＴＭ成型法の成否を左右するのに重大な要素となる所定の３次元形状を有するプリフォームを賦形するにおいて、基礎的な形状となるコの字形断面形状のプリフォームを正確に効率よく成形することのできるプリフォームの製造方法、製造装置を提供する。
【解決手段】強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体を、コの字形の内側形状をなす内型上に配置し、該積層体を内型表面に押し付けるよう加圧すると同時に加熱して積層体の形状を固定するプリフォームの製造方法であって、上記積層体を内型表面に押し付けるに際し、コの字形を取り囲む少なくとも２つの外型により押圧することを特徴とするプリフォームの製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化複合材料（以下、ＦＲＰという。）を成形する際に用いるプリフォームの製造方法および製造装置に関し、さらに詳しくは、積層体からコの字形プリフォームを連続的に製造する製造方法および製造装置、ならびに上記製造方法、製造装置で製造されたプリフォームとＦＲＰに関する。

従来から、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維を強化繊維として用いたＣＦＲＰやＧＦＲＰは、軽量でかつ高い耐久性を有するものであることから、自動車や航空機などを構成する各種の構成部材として理想的な材料である。

これらＣＦＲＰやＧＦＲＰを成形する方法としては、例えば強化繊維と高靭性のエポキシ樹脂からなる、プリプレグシートを積層した積層体をオートクレーブ（圧力釜）で加圧・加熱して硬化させるオートクレーブ成形法が一般的なものであった。

しかしながら、一般にプリプレグシートでは、複雑な３次元形状の成形が難しいという問題があった。また、材料費や成形時間が掛かり過ぎてコストが高くなるがゆえに、従来のプリプレグ使用のオートクレーブ成形では、なかなか適用が広がっていかないのが現状である。

そこで、近年ではＣＦＲＰ板を従来のプリプレグ使いのオートクレーブ成形より、安価で成形時間が短縮できる成形方法として、Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ（以下、ＲＴＭという。）成形方法や真空ＲＴＭ成形方法などが注目されている。

この成形方法は、マトリックス樹脂が含浸されていない、ドライな強化繊維基材を複数枚積層したものを成形型に配置し、低粘度の液状マトリックス樹脂をこれに注入することにより、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させて複合材料を成形するものである。このようにＲＴＭ成形方法ではドライな基材を用いるため、強化繊維基材を複雑な３次元形状に沿わせて賦形することが可能となるが、一方で、強化繊維基材を必要枚数だけ積層したものを単に成形型に置いただけでは、プリプレグシートを用いたオートクレーブ法で得られるような、シワなく均質かつ高い繊維体積含有率の複合材料を得ることは難しい。これを解決する方法として、強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、最終製品の形状を考慮してあらかじめ成型すべき形状に賦形しておく、プリフォーム工程があるが、このプリフォーム工程にかかる手間、および形成されたプリフォームの精度が、複合材料のコストと品質に多大な影響を与えることとなる。

このプリフォームに関し、従来、強化繊維基材に接着樹脂を付加した基材を用い、複数層に積層して賦形用芯材に沿わせた後、フィルムで全体を覆いバギングし、次に芯材とフィルム間を真空とすることで強化繊維基材を芯材に押圧し、オーブンなどの加熱手段で全体を加熱することで接着樹脂に熱を加え積層間を接着し、形態を保持するプリフォームの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかしながら、このような方法ではプリフォームを成形するまでの工程に多大な時間を要すうえ、バギングするためのフィルム掛け作業やバギング時のシワ発生を除去する作業のために人手作業が不可欠となる。また、形態を保持するための加熱には、賦形用芯材を始めとするプリフォーム用の成形型全体をオーブンなどで昇温して成形したあと、プリフォームの脱型時には降温する工程が必要となり、非常に長いサイクルとなる。さらに、長尺タイプのプリフォームを成形するには、生産性が悪いことやバギングに用いるフィルムやシール材などは再利用が困難であることから、経済的にもコストアップの原因となる。
特開２００４−２１６８０５号公報

本発明の目的は、前記した従来技術の問題点を解決しようとするものであり、ＲＴＭ成形用の強化繊維基材を積層した積層体から立体形状のプリフォームを、単体もしくは連続的に正確に効率よく製造することのできるプリフォームの製造方法およびプリフォームの製造装置、さらにはコの字形プリフォームおよび複合材料を提供せんとするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、以下の手段を採用するものである。

（１）強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体を、コの字形の内側形状をなす内型上に配置し、該積層体を内型表面に押し付けるよう加圧すると同時に加熱して積層体の形状を固定するプリフォームの製造方法であって、上記積層体を内型表面に押し付けるに際し、コの字形に取り囲む少なくとも２つの外型により押圧することを特徴とするプリフォームの製造方法。

（２）前記外型が、コの字形の中央面部分から２分割した２つのＬ字型からなる前記（１）に記載のプリフォームの製造方法。

（３）前記外型が、少なくともコの字形の中央面を押す中央型と、少なくともコの字形の側面を押す２つの側面型からなる前記（１）に記載のプリフォームの製造方法。

（４）前記外型の中央型が押し付ける範囲が、コの字形の中央面および、コの字形の中央面とコの字形の側面との間を繋ぐ曲面部を含むものである前記（３）に記載のプリフォームの製造方法。

（５）前記積層体を内型表面に押し付ける順番を、中央型を押圧した後に側面型を押圧する前記（３）または（４）に記載のプリフォームの製造方法。

（６）前記積層体を加熱するに際し、内型と外型の双方より熱を加える前記（１）〜（５）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（７）強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体のコの字形の成形型の中央面に位置する部分の少なくとも一部を事前に加圧・加熱して固定した後、前記積層体をコの字形の内型上に配置する前記（１）〜（６）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（８）前記積層体を内型表面に押し付けるに際し、積層体と外型の間にコの字形に連続したシート状部材を介在させる前記（１）〜（７）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（９）前記外型により押圧するに際し、予め前記シート状部材に張力を付与してシート状部材を内型表面へ押し付ける前記（８）に記載のプリフォームの製造方法。

（１０）前記内型と外型による型締めおよび型開き動作を交互に繰り返し、型開き時に、積層体を搬送することにより、連続的に長尺のプリフォームを形成する前記（１）〜（９）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（１１）前記（１）〜（１０）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法により製造された２つのコの字形プリフォームを、コの字形の中央部同士が背中合わせの状態で、加圧および加熱し一体化することを特徴とするＩ型プリフォームの製造方法。

（１２）強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体を内型と外型で構成される成形型により加圧すると同時に加熱して積層体の形状を固定するプリフォームの製造装置であって、上記成形型の形状が、コの字形の内側形状をなす内型と、該内型の外周を囲む少なくとも２つの外型により構成されていることを特徴とするプリフォームの製造装置。

（１３）前記外型が、コの字形の中央面部分から２分割した２つのＬ字型により構成されている前記（１２）に記載のプリフォームの製造装置。

（１４）前記外型形状が、少なくともコの字形の中央面を押す中央型と、少なくともコの字形の側面を押す２つの側面型により構成されている前記（１２）に記載のプリフォームの製造装置。

（１５）前記外型の中央型が、コの字形の中央面および、コの字形の中央面とコの字形の側面とを繋ぐ曲面部を含む型形状を有するものである前記（１４）に記載のプリフォームの製造装置。

（１６）前記内型および外型の間に、コの字形に連続したシート状部材を有する前記（１２）〜（１５）のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。

（１７）前記シート状部材を内型表面へ押し付ける手段を備えている前記（１６）に記載のプリフォームの製造装置。

（１８）前記内型と外型による型締めおよび型開き動作を交互に繰り返す手段と、この開閉動作に合わせて積層体を搬送する搬送手段とを備えている前記（１２）〜（１７）のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。

（１９）前記外型が積層体を押圧し型が開いたあとに積層体を冷却する冷却手段を備えている前記（１２）〜（１８）のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。

（２０）前記（１）〜（１１）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法、もしくは前記（１２）〜（１８）のいずれかに記載のプリフォームの製造装置により製造されてなるプリフォーム。

（２１）前記（２０）に記載のプリフォームに、マトリックス樹脂が含浸されてなる複合材料。

本発明のプリフォームの製造方法、製造装置によれば、コの字形の内側形状をなす内型に強化繊維基材の積層体を押圧するに際し、外型により直接圧力を付与するため、従来のように真空により大気圧を作用させるためのバギングフィルムの必要がなく、これを取り付けるための作業と資材を省略することができる。さらに、外型を少なくとも２分割として構成しているため、外型をコの字形を構成する各面に向かう方向に押し付けることができ、型締めの際に嵩高な積層体を噛み込むことを防止できる上、分割した各外型の型締めのタイミングを調整することで、積層体を折り曲げた際の厚さ方向の経路差から生じる弛みを防止することができる。これにより、シワがなく、強化繊維の体積含有率（＝Ｖｆ）の精度の高いプリフォームを得ることができる。

また、積層体を加熱するに際し、内型、外型両面から接触により加熱することで、積層体、ひいては層間にある接着樹脂を素早く昇温することが可能となり、形態固着にかかる時間を短縮でき、この結果、プリフォーム工程に要する時間を大幅に早めることができる。

以下、本発明のプリフォームの製造方法とその製造装置の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。

図１〜図４は、本発明のコの字形のプリフォームの製造ステップの一例を現す概略図である。コの字形を形成するための型は、内側に位置する内型１と、外側に位置する外型からなる。外型は、図１〜図４の態様においては、コの字形の中央面を押す中央型２ａとコの字形の側面を押す２つの側面型２ｂ、２ｂ′、の計３つの外型からなり、内型をコの字形に取り囲んでいる。

ここで「コの字形」とは、一つの平面の両端を２本の平行な稜線に沿って両端が対峙する方向に、おおよそ直角に折り曲げた形状を指し、「コの字形の中央面」とは２本の稜線の間に位置する平面部を指し、「コの字形の側面」とは折り曲げられた両端の面を指す。また、「中央面」と「側面」の間を繋ぐ稜線部分は緩やかに曲げられ、この部分を「コの字形の曲面」と呼ぶこととする。なお、中央面、側面は完全な平面に限定するものではなく、多少湾曲した形態のものも含み、折り曲げの角度は完全な直角に限定するものではなく、多少側面同士が開いていたり、逆に閉じる方向に向かっているものも含むものとする。

また、外型が内型をコの字形に取り囲むとは、外型が内型に強化繊維基材の積層体を押し付けるように加圧した状態において、少なくともコの字形の中央面の一部およびコの字型の両側面の一部を外型が押圧する状態をいうものとする。また、単に外型といった場合は、内型をコの字形に取り囲む全ての型（図１〜図４の態様においては、２ａ、２ｂ、２ｂ′）をまとめて指すものとする。

ここで、中央型２ａの好ましい形状の一例を図１を基に説明する。図１において、中央型２ａはコの字形の中央面を押さえる平面部Ａおよび、コの字形の曲面を押さえる曲面部Ｂを含む凹型の形状になっている。こうすることで、中央型一つの押し付け動作で、積層体の中央面だけでなく曲面までも確実に押圧でき、内型１に押圧した際、凹型形状に内型１がはまり込む形になるため、内型１と中央型２ａの芯に多少の狂いがあったとしても自動的に調整され、曲面部分を左右均等に押圧できる。 また、図１〜図４の態様においては、各成形型にはプリフォーム形成時に必要とされる、熱を供給するヒータ機能を有するヒータ４ａ、４ｂ、４ｂ′、４ｃが内蔵されており、各型を加熱可能としている。なお、各型を加熱する方法としては、これらの態様に示した型に内蔵したヒーターに限らず、型に熱媒の流路を設けて加熱した熱媒を通す方法や、装置全体をオーブンに投入して加熱する方法等も適用できる。各型の加熱は内型外型両方を加熱するのではなく片側のみ、例えば内型だけを加熱して強化繊維基材の積層体に熱を供給しても良いが、積層体の厚さ方向の温度分布の均一性や、昇温速度の早さの観点から、図１〜図４で内型と外型両方にヒータを設けたように、双方から加熱することが好ましい。

さらに、内型１と外型の間には、シート状部材５を配置している。

プリフォームを製造するに際し、まず、図１に示すように、熱可塑性の接着樹脂粒子を層間に介して積層された強化繊維基材の積層体３を、このシート状部材５と内型１の間に挟む位置に設置する（製造ステップ１）。

次に、図２に示すように、外型の中央型２ａが内型１に対して、垂直方向に降下してシート状部材５を介して積層体３の平面部と両方の曲面部まで（凹型形状）を挟み込み、押圧しながら保持する（製造ステップ２）。

次に、図３に示すように、内型１の両側にある外型の側面型２ｂ、２ｂ′が内型１に対して、垂直方向に両側からシート状部材５を介して、積層体３を挟み込み押圧しながら保持する（製造ステップ３）。

この加圧しながら保持することにより、積層体３は単に型形状に沿った形に変形するだけでなく、強化繊維の体積含有率Ｖｆを高め、狙いとするコの字形断面形状となる。また、各型はあらかじめ加熱されており、積層体３の層間部には熱可塑性の接着樹脂粒子が含まれるため、接着樹脂粒子が加熱により軟化し、加圧により変形することで、積層体を構成する強化繊維基材の各層間を接着し、プレスされた形態を維持する役目を果たす。

最後に、図４に示すように、内型１へ積層体３を押圧した外型の中央型２ａと両側の側面型２ｂ、２ｂ′を型開放して、シート状部材５からプリフォーム形成された積層体３を取り外し、型の奥行きの長さを持ったプリフォームが完成する（製造ステップ４）。

以上のように、内型１に対して３つのブロックからなる外型が、コの字形を構成する各面に対して垂直方向に力が掛かるように積層体３を加熱しながら押圧し保持することで、積層体３のＶｆの精度が高いものが得られる。また、製造ステップ２，製造ステップ３を同時に行うことも可能であるが、本製造方法で示したように、外型の押圧する稼動順序を、コの字形の中央面を押す中央型２ａで最初に型押しを開始し、次に両側の側面型２ｂ、２ｂ′で型押しすると、積層体３の厚さ方向の経路差が調整されて、積層体３にシワや弛みが発生しないため好ましい。そして、内型１と外型の両側から積層体３に熱を加えるので、積層体３の昇温が早くなり、プリフォームにかかる成形サイクルも早くすることができる。また、シート状部材５を外型と積層体３の間に介在させるので、成形型の隙間に積層体３が噛み込まれることがない。

シート状部材５を使用しなくてもプリフォームの製造は可能であるが、この場合、強化繊維が外型同士の隙間に噛み込む不具合を防止するため、型隙間を極限まで狭く設計したり、型の不連続部で強化繊維が折れるのを避けるため、型締めの動作を製造ステップ２と３を同期させて行うなど、種々の配慮が必要となる。特に嵩密度の低い、嵩高な積層体を使う場合などは、上記の問題が顕著となるため、シート状部材５を使用するのが効果的であり、好ましい。

シート状部材の材質としては、紙、樹脂フィルム、ゴム・エラストマーシート、織物・編み物・不織布等の繊維布帛、繊維布帛に樹脂を含浸したシート、アルミ・ステンレス等の金属の薄板等があげられ、この厚さは、外型の積層体への押し付けを妨げない程度に薄く、かつ、型の隙間へ自身が噛み込まない程度の厚さを選択するのが良い。特にガラス繊維織物に“テフロン（登録商標）”を含浸させた０．１〜０．３ｍｍ程度の厚さの“テフロン（登録商標）”含浸シートは耐熱性、柔軟性、耐久性の点で優れ、更に後述のように、接着樹脂材料が積層体表面に付着したものを扱う場合においては、“テフロン（登録商標）”の剥離性が有効に働くため、特に好ましい。また、シート状部材は、積層体と共に挿入、取り出しするのではなく、常に内型と外型の間に固定して配置することもできる。この場合、シート状部材には型へ固定して形状を保つ剛性と、繰り返しの使用に耐える耐久性が求められ、金属の薄板を用いるのが好ましく、前記のように剥離性を求められる場合には、薄板の表面に“テフロン（登録商標）”等の離型性の高いコーティングを施すのが良い。

また、シート状部材５に張力を与え、積層体３を内型１へ軽く押し付けた状態で型締めを行うことが、より確実にシワや弛みの発生を押さえることができ、プリフォームが綺麗に仕上がることから好ましい。

積層体の層間に介在させる接着樹脂材料としては、前述の実施形態では熱可塑性樹脂としたが、この成分としては、例えば、ポリオレフィン、スチレン系樹脂、ナイロン、ポリウレタンなどが挙げられるがこれに限るものでない。また、熱硬化性樹脂を使用することも可能であり、例えばエポキシ、フェノール、不飽和ポリエステル等が挙げられる。また、接着樹脂材料は、層間だけでなく積層体表面に付着させることもでき、積層体同士を接着し一体化させる場合に有効となる。

また、成形型の開閉動作は、扱いやすいエアーによるシリンダーにより行うことが良いが、油圧によるシリンダーの他に、モーター駆動、カム機構、リンク機構などやその組合せであってもよいし、これに限るものではない。

本発明においては、コの字形の内側形状をなす内型を採用するが、ここで言う「コの字形」とは、基本的に平坦な３つの面より構成された形状で、台形のような両端部が広がっている状態のものから、逆台形のように両端部が狭くなった形態も含み、また、各面は場合によっては多少曲面形状をしている形態のものも含む形状である。

また、型の動作としては、前述の実施形態では図１〜４において、コの字形の成形型の内型１と中央型２ａは、内型１が固定で外型である中央型２ａが動くようになっているが、反対に外型である中央型２ａに向かって内型１が動くようにしても構わない。

また、成形型の設置する方向は、図１〜４に示したものを横倒しや、上下反転した状態に配置してもよい。

以上、本発明の実施の形態を、外型を中央型２ａと側面型２ｂ，２ｂ′の計３つで構成するものを例に出して説明してきたが、本発明はその構成に限定されるものではなく、外型が少なくとも２つの型により構成されていれば、本発明の効果を発揮することができる。例えば、外型の形状を、図５（Ａ）に示すように、コの字形を中央から２分割した２つのＬ字型２ｃ、２ｄの形状とすることで、外型により積層体を内型１に向かって押し付け、加圧することができる。この場合、成形型の数を少なくし駆動装置も減らせるため、設備費低減の効果がある。２つのＬ字型２ｃ、２ｄで積層体をコの字形の中央面と側面の双方に向かって押し付けるには、Ｌ字型２ｃ、２ｄを、図５（Ａ）中の太い矢印で示したおよそ斜め上方向から内型１に向かう方向に押し付ければ良く、押し付ける角度を若干調整すれば、中央面と側面のプリフォームの厚さをコントロールすることができ好ましい。更にＬ字型２ｃ、２ｄの型締めタイミングを片方ずつ交互に動作させれば、積層体３の厚さ方向の経路差によりコの字形の中央面に生じる危険のある弛みをコの字形の側面方向へ逃がすことができ好ましい。

また、外型を２つの型により構成する場合の別の例として、図５（Ｂ）に示すように、Ｌ字型２ｅとＩ字型２ｆのような形に分割するものを挙げることができるが、この場合左右のバランスが崩れるため、Ｌ字型２ｅとＩ字型２ｆの内型１への押す方向と押し付け圧力に配慮が必要である。

また、外型を３分割する場合は前述のように、中央型２ａを平面部とその両側の曲面部までを含む形状とするのが好ましいが、図６（Ａ）に示すように、中央型２ｇを平面部のみの形状として、中央面と側面をつなぐ曲面を、側面型２ｈ、２ｉに含むような形状にしてもよい。但しこの場合、側面型２ｈ、２ｉをコの字型の側面に向かって垂直に押し付けると、曲面を押した反力が、側面型を押す方向に直行する横方向（図６中の上方）に向かって作用し、側面型の押し付け軌道が曲げられ、側面の均一な加圧が妨げられるため、この横方向の力に抵抗する装置的な配慮が必要となる。また、図６（Ｂ）のように外型を、１つの中央面と２つの側面、および中央面と側面をつなぐ２つの曲面の計５つの面にそれぞれ対応した５つの型から構成するようにしても良い。

なお、内型１を取り囲む複数の外型同士の間隔は、シート状部材５を用いない場合は前述の通り極力狭くする必要があるが、シート状部材を用いる場合は、この間隔を広くとることができ、この許容される間隔は、用いるシート状部材の曲げ剛性が高い程広くなる。例えば、シート状部材に剛性の高い金属の薄板等を用い、図６（Ｃ）のように、コの字形の曲面に相対する外型をなくした構成とすることも可能となる。この場合、更に前述のように、シート状部材５に張力を与え、コの字形の曲面を内型１へ押し付けた状態で型締めを行うことが、曲面を確実に押さえることができ効果的である。

また、長尺のプリフォームをさらに効率的に製造する方法として、図７に示すように、内型１と外型よりなる成形型の型締めおよび型開きの動作を交互に繰り返し、この動作に合わせて、型開き時に成形型内に長尺の積層体３を搬送することにより、連続的に長尺のプリフォームを製造することが可能である。この場合、長尺の積層体３が成形型を通過するのに伴い、コの字形の折り曲げ位置が、次第に狙いの位置からずれて、２つの側面の長さが異なってくる場合があり、これを防止する手段として、成形型の前後で積層体３、およびできたコの字形プリフォーム９を狙いの中心位置に導く導入ガイド７と排出ガイド８を設置することが好ましい。

また、以上示した実施形態のように、積層体３を一度にコの字形に加工するのではなく、その前にコの字形の中央面に位置する部分の少なくとも一部を予め加圧と加熱により形状固定すれば、次のコの字形の加工の際に、積層体３が各層間で不均一にズレることを防止できることから好ましく、更に中央面に対応する部分のほぼ全面を予め加圧と加熱により形状固定すれば、コの字形の折り曲げ部を狙いの位置に安定化させる効果があり、上述のように、長尺のプリフォームを連続的に製造する場合に起きやすいコの字形の折り曲げ位置のずれを防止するのに特に効果的であることからさらに好ましい。

それを行う中央プレス装置の実施形態の例を図８に示す。上下に配置されたプレス金型の下型１０は平らな面からなり、上型１１は前述にあるコの字形を構成する内型１と同じ断面形状に加工された凸型形状としている。また、上下金型にはヒータ４が設置され、各金型を加熱し、積層体３の位置調整ができるように下型１０にはガイド１２が左右対称に備わっており、上型１１は矢印方向に降下し、積層体３に凸型形状を押圧することができる。

また、完成したコの字型のプリフォームを用いて、さらに別の形のプリフォームを製造することもできる。その例として、図９にＩ形のプリフォームの製造方法および装置の概要を示す。まず、図９（Ａ）のように、コの字形の外周側表面に接着樹脂材料が付着した２つのコの字形プリフォーム９をコの字形中央面が背中合わせになるように配置する。次に、図９（Ｂ）のように、両サイドに用意した加熱した左右の成形型１５により、２つのコの字形プリフォーム９を両側から押圧する。次に、図９（Ｃ）のように、背中合わせのプリフォーム９の上下位置に、積層体を平面状にしたキャッププリフォーム１３と、背中合わせのプリフォーム９とキャッププリフォーム１３の間に生じる、コーナー部の隙間を埋めるためのフィラー１４を上下に配置し、図９（Ｄ）のように、加熱した上下の成形型１６で挟み込み押圧する。この状態で保持することで、コの字形プリフォーム９の外周側表面の接着樹脂材料の作用により、各プリフォームおよびフィラーは接着され、一つのプリフォームとなる。最後に、不要なプリフォーム成形体のエッジ部をカッターなどでトリミングして、図９（Ｅ）に示すＩ形プリフォーム１７が完成する。

なお、このようにコの字形のプリフォームができた後に、他の部材と貼り合わせる必要がある場合には、少なくても片側表面に接着樹脂材料が付着している積層体を用い、コの字形の外周面に接着樹脂を配置した状態で、コの字の成形を行うことが必要となるが、このような場合には、成形の型を開いた時点で、できたコの字形プリフォームが接着樹脂材料の作用により、外型、シート状部材を使用する場合にはこのシート状部材に貼り付き、できたプリフォームを容易に取り出せないという問題が発生する。

この時、シート状部材を使用する場合で、かつシート状部材が積層体さらにはコの字形プリフォームといっしょに進むものであれば、型の外へでた後にプリフォームを冷却し、あらためて引き剥がすことができるが、図７に示したように連続的に製造を行う装置においては、このシート状部材を剥がす作業が労力的にも、これを設備化する上でも厄介なものとなる。そこで、シート状部材を長手方向に動かず、装置に固定したものとして、型が開いた時点でコの字形プリフォームをシート状部材から上手に引き剥がすことが求められる。当然、シート状部材を用いない場合においても同様に、貼り付いたプリフォームを外型から上手に引き剥がす必要がある。

それを実現する方法として、コの字形プリフォームと外型、もしくはシート状部材の間に圧縮空気を吹き付けるノズルを設け、このノズルの噴流の威力で相方を引き剥がすのが、コの字形プリフォームに与えるダメージも少なく効果的である。

更に外型やシート状部材は、“テフロン（登録商標）”等の離型性の高い材質とすることで、プリフォームの引き剥がしを更に容易にすることができるが、装置として安定に動作させるには、更に母材を鋼材等の金属材にて製作し、表面に“テフロン（登録商標）”等のコーティングを施す、および／または表面に微細な凹凸をつける等の表面処理を行うのが、耐久性と離型性を両立できて好ましい。
なお、このプリフォームが成形型に貼り付くという問題は、以上説明したコの字形プリフォームを成形する場合以外にも、前述のコの字形の中央面のみをプレスする際や、場合によってはＩ形のプリフォームを製造するのに必要な平板状のキャッププリフォームを製造する際にも生じる。これらの場合も、コの字形プリフォーム成形の時と同様に、ノズルにより圧縮空気を吹き付けてプリフォームや積層体を引き剥がし、更には型の表面には離型性を高める表面処理を施すのが好ましい。

以下、本発明の一実施例を図面を参照しながら説明する。

本実施例では、図１０に示すコの字形成形型のプレス装置１８を用いた。すなわち主要部品は、内型１と中央型２ａと側面型２ｂ、２ｂ′であり、これらはそれぞれ、ガイド板２１、２２、２３、２３′に取り付けられ、中央型２ａ、側面型２ｂ、２ｂ′は、ガイドバー２０の案内と、エアー・シリンダー２４ａ、２４ｂ、２４ｂ′の動作により、ガイド板２２、２３、２３′と共に内型１に向かって押し付けたり、離したりできるようになっている。各型にはヒーター４ａ、４ｂ、４ｂ′、４ｃが内蔵されており、型温度を９５℃に保持した。なお、内型１、中央型２ａ、側面型２ｂ、２ｂ′の奥行きは１２０ｍｍである。

そしてまず、長さ１０００ｍｍのコの字形プリフォームを製作し、次に２つのコの字形プリフォームを背中合わせにして、更に上下面にキャップとフィラーを加え、Ｉ型のプリフォームを製作することにした。材料となる強化繊維基材には、東レ（株）製炭素繊維“トレカ（登録商標）”Ｔ８００Ｇを一方向に引き揃えた状態で織り上げた一方向織物（目付は１９０ｇ／ｍ^２）を用い、これの片側表面に接着樹脂材料としてナイロン樹脂粒子を約２０ｇ／ｍ^２付着させた。

そしてこの織物から、回転刃式のハンドカッターにより帯状片（幅１３５ｍｍ×長さ１０００ｍｍ）を切り出したが、このとき、帯状片の長手方向と強化繊維方向がなす角度を０°、４５°、−４５°、９０°とした４種類のものを切り出した。次に、この帯状片を平面テーブル上で、強化繊維方向が下層から順に４５°／０°／−４５°／９０°／−４５°／０°／４５°方向に配向するように７層積層して、帯状の積層体を得た。この積層体は、基材をただ重ねただけでは１枚１枚が離れており、めくれやズレが生じて取り扱いが難しいので、ハンドリング性を良くするために、加熱プレート上に積層体を置いて約８０℃に加熱しながら、やはり８０℃に加熱した「はんだごて」を押し付け、積層体を部分的に加熱しナイロン樹脂粒子を溶かして仮固着させた。

コの字形成形型のプレス装置１８の各成形型は機械構造用炭素鋼材Ｓ４５Ｃを用いて、金型の表面粗度をＲａ１．０とした。

次に、エアー・シリンダー２４ａ、２４ｂ、２４ｂ′のハンド・バルブ（図示は省略）を操作し、側面型２ｂ、２ｂ′と中央型２ａを順次開にして積層体３を成形型内に導入する隙間を開けた。この隙間のクリアランスは、積層体が型の間で安定する５ｍｍ程度とした。そこに、帯状片の積層体サイズより幅１０ｍｍ大きく長さは１５００ｍｍにカットした、“テフロン（登録商標）”含浸グラスシート（０．１ｍｍ厚さ）２５の中央部に積層体３（１３５ｍｍ×１０００ｍｍ）を、接着樹脂面を“テフロン（登録商標）”含浸グラスシート側に向けて耐熱テープで部分的に固定したものを挿入した。次に、まず中央型２ａのシリンダー２４ａを作動し積層体３を“テフロン（登録商標）”含浸グラスシート２５ごとプレスし、次いで両側面型２ｂのシリンダー２４ｂ、２４ｂ′を作動し、側面をプレスした。押圧力は、４ｋｇ／ｃｍ^２になるようにシリンダー２４ａ、２４ｂ、２４ｂ′へのエアー圧力を調整した。

次に、５分間クランプした後、再び各エアーシリンダーを作動させて各型を開き、６０ｍｍだけ積層体３を送り出し、以後プレスの開閉と１回６０ｍｍの送り出し作業を繰り返して長さ１０００ｍｍのコの字形断面のプリフォームを成形した。そして、成形型から取り出したコの字形プリフォームの形状を崩さないように、“テフロン（登録商標）”含浸グラスシート２５を剥がし取りコの字形プリフォームを取り出した。

次に、このようにして出来たコの字形プリフォーム成形体を２つ準備し、図９に示したように互いを背中合わせにし、更に上下両面にコの字形プリフォームと同じ材料の積層体を用いて別途作成した平板のキャッププリフォームと、やはり同じ炭素繊維材料からなるフィラーを合わせ、加圧・加熱処理を行い接着し、Ｉ形のプリフォームとした。

次にできたＩ形プリフォームのエッジ部を、回転刃式のハンドカッターと簡易押さえ治具を用いてトリミングし、長さ１０００ｍｍ、幅８０ｍｍ、高さ３５ｍｍ（コの字の内側の高さ）のＩ形プリフォーム成形体を完成させた。

次にこのプリフォームにマトリックス樹脂を含浸・硬化させ、Ｉ形断面形状のＣＦＲＰを完成させた。

品質は、以前のバキングのフィルムを用いた真空成形により得られたプリフォーム成形体を用いた場合と変わらないものであったうえに、バギングフィルムを用いる場合の煩雑な取付け、取り外しの作業がなくなり作業効率が大幅に向上した上、トータルでの処理時間も大幅に短縮することができた。

本実施例では、実施例１に用いた“テフロン（登録商標）”含浸グラスシートは用いず、替わりにコの字形のシート状部材（材質ＳＵＳ３０４、厚さ０．１ｍｍ、表面に２０μｍの“テフロン（登録商標）”コーティングを施したもの。図示は省略。）を、プリフォーム装置１８の中で、積層体３と各外型の間に固定して配置し、更にプリフォーム成形体をこのシート状部材からスムーズに取り外すために、脱型ノズル装置２６をコの字形成形型のプレス装置１８に設置した。

脱型ノズル装置２６は、詳細を図１１に示すが、コの字形成形型のプレス装置１８の下流側に設置されており、３つのエアーノズル２７がプリフォーム成形体９とシート状部材（図示は省略）との隙間に噴流を吹き付けられるようになっている。
この装置を用い、実施例１と同じ材料を準備し、同様の手順でＩ形プリフォームを成形し、更にマトリックス樹脂を含浸・硬化させて、Ｉ形断面形状のＣＦＲＰを製作した。但し、この過程でコの字形プリフォームを成形するにあたり、積層体３を成形型に導入する際には“テフロン（登録商標）”含浸グラスシートを使用せず、積層体単体を導入し、プレス保持後に型を開いた際には、エアーノズル２７がシート状部材とコの字形プリフォーム９の隙間にエアー噴流を吹き付けて双方を引き剥がした。このようにしてできたＣＦＲＰは、品質において、実施例１と同様、以前のバギングのフィルムを使った真空成形により得られたプリフォームを用いた場合と変わらないものであったうえに、更に実施例１に対して、“テフロン（登録商標）”含浸グラスシートの貼り付け、取り外し作業を省略することができた。

本発明にかかるコの字型のプリフォームの製造ステップ１の一例を示す概略図である。 本発明にかかるコの字型のプリフォームの製造ステップ２の一例を示す概略図である。 本発明にかかるコの字型のプリフォームの製造ステップ３の一例を示す概略図である。 本発明にかかるコの字型のプリフォームの製造ステップ３の一例を示す概略図である。 本発明にかかるコの字形成形型の外型を２分割した形状例の概略断面図である。 本発明にかかるコの字形成形型の他の形状例の概略断面図である。 本発明にかかるコの字形成形型に前後のガイドを設けた斜視図である。 本発明にかかる中央プレス型の形状例の概略断面図である。 本発明にかかるＩ形成形型の成形工程を示す概略断面図である。 本発明にかかるコの字形成形型のプレス装置の概略断面図である。 本発明にかかるコの字形成形型の下流側にエアーノズルを設けた斜視図である。

符号の説明

１ ：内型
２ａ：中央型
２ｂ、２ｂ′：側面型
２ｃ、２ｄ ：Ｌ字型
２ｅ：Ｌ字型
２ｆ：Ｉ字型
２ｇ：中央型
２ｈ、２ｉ ：側面型
２ｊ、２ｋ ：曲面型
２ｍ、２ｎ ：側面型
３ ：積層体
４、４ａ、４ｂ、４ｂ′、４ｃ：ヒータ
５ ：シート状部材
７ ：導入ガイド
８ ：排出ガイド
９ ：コの字形プリフォーム
１０：下型
１１：上型
１２：ガイド
１３：キャッププリフォーム
１４：フィラー
１５：左右の成形型
１６：上下の成形型
１７：Ｉ形プリフォーム
１８：コの字形成形型のプレス装置
１９：ベース
２０：ガイドバー
２１：内型を支えるガイド板
２２：中央型を支えるガイド板
２３、２３′：側面型を支えるガイド板
２４ａ、２４ｂ、２４ｂ′：エアー・シリンダー
２５：“テフロン（登録商標）”含浸グラスシート
２６：脱型ノズル装置
２７：エアーノズル
Ａ ：平面部
Ｂ ：曲面部

Claims (21)

1. 強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体を、コの字形の内側形状をなす内型上に配置し、該積層体を内型表面に押し付けるよう加圧すると同時に加熱して積層体の形状を固定するプリフォームの製造方法であって、上記積層体を内型表面に押し付けるに際し、コの字形に取り囲む少なくとも２つの外型により押圧することを特徴とするプリフォームの製造方法。
2. 前記外型が、コの字形の中央面部分から２分割した２つのＬ字型からなる請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
3. 前記外型が、少なくともコの字形の中央面を押す中央型と、少なくともコの字形の側面を押す２つの側面型からなる請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
4. 前記外型の中央型が押し付ける範囲が、コの字形の中央面および、コの字形の中央面とコの字形の側面との間を繋ぐ曲面部を含むものである請求項３に記載のプリフォームの製造方法。
5. 前記積層体を内型表面に押し付ける順番を、中央型を押圧した後に側面型を押圧する請求項３または４に記載のプリフォームの製造方法。
6. 前記積層体を加熱するに際し、内型と外型の双方より熱を加える請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
7. 強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体のコの字形の成形型の中央面に位置する部分の少なくとも一部を事前に加圧・加熱して固定した後、前記積層体をコの字形の内型上に配置する請求項１〜６のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
8. 前記積層体を内型表面に押し付けるに際し、積層体と外型の間にコの字形に連続したシート状部材を介在させる請求項１〜７のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
9. 前記外型により押圧するに際し、予め前記シート状部材に張力を付与してシート状部材を内型表面へ押し付ける請求項８に記載のプリフォームの製造方法。
10. 前記内型と外型による型締めおよび型開き動作を交互に繰り返し、型開き時に、積層体を搬送することにより、連続的に長尺のプリフォームを形成する請求項１〜９のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載のプリフォームの製造方法により製造された２つのコの字形プリフォームを、コの字形の中央部同士が背中合わせの状態で、加圧および加熱し一体化することを特徴とするＩ型プリフォームの製造方法。
12. 強化繊維基材の複数枚が接着樹脂材料を介して積層された積層体を内型と外型で構成される成形型により加圧すると同時に加熱して積層体の形状を固定するプリフォームの製造装置であって、上記成形型の形状が、コの字形の内側形状をなす内型と、該内型の外周を囲む少なくとも２つの外型により構成されていることを特徴とするプリフォームの製造装置。
13. 前記外型が、コの字形の中央面部分から２分割した２つのＬ字型により構成されている請求項１２に記載のプリフォームの製造装置。
14. 前記外型形状が、少なくともコの字形の中央面を押す中央型と、少なくともコの字形の側面を押す２つの側面型により構成されている請求項１２に記載のプリフォームの製造装置。
15. 前記外型の中央型が、コの字形の中央面および、コの字形の中央面とコの字形の側面とを繋ぐ曲面部を含む型形状を有するものである請求項１４に記載のプリフォームの製造装置。
16. 前記内型および外型の間に、コの字形に連続したシート状部材を有する請求項１２〜１５のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
17. 前記シート状部材を内型表面へ押し付ける手段を備えている請求項１６に記載のプリフォームの製造装置。
18. 前記内型と外型による型締めおよび型開き動作を交互に繰り返す手段と、この開閉動作に合わせて積層体を搬送する搬送手段とを備えている請求項１２〜１７のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
19. 前記外型が積層体を押圧し型が開いたあとに積層体を冷却する冷却手段を備えている請求項１２〜１８のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
20. 請求項１〜１１のいずれかに記載のプリフォームの製造方法、もしくは請求項１２〜１８のいずれかに記載のプリフォームの製造装置により製造されてなるプリフォーム。
21. 請求項２０に記載のプリフォームに、マトリックス樹脂が含浸されてなる複合材料。

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