JP2007038669A - プレス成形型の設計方法、プレス成形型および繊維強化複合材料成形品、ならびに、繊維強化複合材料製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ＦＲＰのプレス成形において、外観にボイドやかすれのない製品を生産性良く得ることができるＦＲＰ製品の製造方法、ならびにＦＲＰプレス成形型を提供することを目的とする。
【解決手段】熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体をプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の複数の製品を一方向に、または、縦横に平面状に、連結した繊維強化複合材料成形品を得るホットプレス成形に用いるプレス成形型の設計方法であって、複数の製品対応部と、該製品対応部の間に連結部を配置し、該連結部の内部には気泡誘導部を配置することを特徴とするプレス成形型の設計方法。前記ホットプレス成形に用いる成形型であって、製品対応部を含むプレス部と、製品対応部の間に位置しプレス部よりも成形型間のクリアランスが大きい気泡誘導部を有することを特徴とする繊維強化複合材料のプレス成形型。
【選択図】図１

Description

本発明は、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグをホットプレス成形法により成形して得られる、例えば、医療用品、スポーツ・レジャー用品、電気・電子機器用部品などに用いられる板状の繊維強化複合材料製品を複数同時に成形するのに適したプレス成形型、およびそれに用いた繊維強化複合材料製品の製法に関する。

熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグをプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の繊維強化複合材料（ＦＲＰ）成形品を得るホットプレス成形は、以前より広く利用されている。特に、Ｘ線カセッテ、密着板、Ｘ線装置天板などの医療用品、スキー板、スノーボード板や競技用自転車のホイールなどのスポーツ・レジャー用品はホットプレス成形で成形されることが多い。

これらの用途に加え、最近ではノートパソコン筐体などの電気・電子機器用部品繊維強化複合材料成形品が使用され始めている。これらの用途では以前より高品位で安定した成形品外観が求められており、成形品表面に発生するボイド（プリプレグの層間や樹脂内部に含まれる気泡の逃がし不足）や、かすれ（成形時に樹脂がスムーズに流動せず、プレス圧力が均一にかからないことが原因）が重要視されるようになってきた。

このような成形品の表面品位が求められる用途に適した成形法として真空プレス法がある。本方法は、プリプレグ積層品をバッグに入れ、加圧タンク内でバッグ内を真空脱気することにより、プリプレグの層間に含まれる気泡をプレス成形前に除去することができるが、使用する副資材が多いこと、設備が高価であること、１回の成形に要する時間が長いなどの問題があった。そこで、かかる問題を解決すべくノートパソコン筐体などの電気・電子機器用部品の成形にも前述のホットプレス成形の検討がされ始めているが、ホットプレス成形では、前述の成形品表面に発生するボイドや、かすれが発生することがあり品位面での問題が発生する場合があった。

ホットプレス成形でのボイド低減を開示したものとして、多層プリント板のプレス成形において、型の周囲に所定間隔の空間を形成し、成形時のプリプレグの流体圧を所定の圧力以上として気泡を圧潰する成形方法が提案されているが（例えば、特許文献１参照）、成形品の面積が大きい場合に型の中央付近の気泡を除去できない場合が多いという問題があった。
特公平５−６４０９７号公報

本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑み、ＦＲＰのプレス成形において、外観にボイドやかすれのない製品を生産性良く得ることができるＦＲＰ製品の製造方法、ならびにＦＲＰプレス成形型を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するため、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体をプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の複数の製品を一方向に、または、縦横に碁盤目状に、連結した繊維強化複合材料成形品を得るホットプレス成形に用いるプレス成形型の設計方法であって、複数の製品対応部と、該製品対応部の間に連結部を配置し、該連結部の内部には気泡誘導部を配置することを特徴とするプレス成形型の設計方法。
（２）前記気泡誘導部の面積を、前記製品対応部と前記連結部の面積の和に対し０．０２〜０．３倍とする前記（１）に記載のプレス成形型の設計方法。
（３）前記気泡誘導部のクリアランスの平均値を、前記製品対応部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍とする前記（１）または（２）に記載のプレス成形型の設計方法。
（４）前記気泡誘導部が、前記気泡誘導部が含まれる連結部に隣接する製品部外周と等距離を保つ形状である、前記（１）〜（３）のいずれかに記載のプレス設計型の設計方法。
（５）前記気泡誘導部の長さが、該部分を含む連結部に隣接する製品対応部の長さの０．３〜１．０倍である、請求項１〜４のいずれかに記載のプレス設計型の設計方法。
（６）熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体をプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の複数の製品を一方向に、または、縦横に平面状に、連結した繊維強化複合材料成形品を得るホットプレス成形に用いる成形型であって、製品対応部を含むプレス部と、製品対応部の間に位置しプレス部よりも成形型間のクリアランスが大きい気泡誘導部を有することを特徴とする繊維強化複合材料のプレス成形型。
（７）前記気泡誘導部の面積が、前記プレス部の面積に対し０．０２〜０．４倍である前記（６）に記載のプレス成形型。
（８）前記気泡誘導部のクリアランスの平均値が、前記プレス部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍である前記（６）または（７）に記載のプレス成形型。
（９）熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする板状の繊維強化複合材料成形品であって、該成形品は、複数の製品が一方向に、または、縦横に平面状に、連結されたものであり、気泡を実質的に含有しない各製品部を含む部分の間の少なくとも一部に気泡を１〜２０体積％含有する部分を有することを特徴とする繊維強化複合材料成形品。
（１０）前記気泡を１〜２０体積％含有する部分の面積が、その他部分の面積に対し０．０２〜０．４倍である前記（９）に記載の繊維強化複合材料成形品。
（１１）前記気泡を１〜２０体積％含有する部分の平均厚みが、その他部分の厚みに対し１．５〜５．０倍である前記（９）または（１０）に記載の繊維強化複合材料成形品。
（１２）前記製品部の厚みの最大値が、前記製品部の厚みの最小値の１．０〜１．２倍である、前記（９）〜１１に記載の繊維強化複合材料成形品。
（１３）熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体を前記（６）〜（８）のいずれかに記載の繊維強化複合材料のプレス成形型を用いて加圧、加熱硬化した後、気泡を１〜２０体積％含有する部分を含む製品間の領域を切除し製品を得ることを特徴とする繊維強化複合材料製品の製造方法。

本発明のプレス成形型の設計方法で作製したプレス成形型を用いることにより、一度のプレスで同時に多数の、ボイドやかすれのない高品位な成形品を得ることができる。また、本成形品を切断して製品とすることにより、生産性良く高品位のＦＲＰ製品を得ることができる。

本発明における成形材料は熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体である。プリプレグの補強繊維はガラス繊維、アラミド繊維、炭素繊維等が挙げられるが、剛性、軽量性、電磁波シールド性が要求される電子機器筐体用途には、炭素繊維が好ましい。また、本発明におけるプリプレグのマトリックス樹脂として使用される熱硬化樹脂はエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等が挙げられるが、成形品の表面品位、成形性からエポキシ樹脂が好ましい。

本発明の対象とする成形プロセスは、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体をプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の複数の製品を得るプレス成形であるが、本成形時の被成形体としては、板状の複数の製品を一方向に、または、縦横に平面状に、連結し、一度の成形で複数の製品を含んだ成形品を得ることができるものである。複数の製品を含んだ成形品を一度の成形で得られることにより、製品１個当たりの成形時間を短縮できるという利点がある。かかる複数の製品を含んだ成形品は、一方向に、または、縦横に平面状に、連結したものであり、製品が平面状のものであれば、一方向に、または、縦横に平面状に、連結したもののいずれでも良く、断面がＬ字、コの字等のように平板を曲げた形状の場合は、一方向に連結したもので対応できる。ここでいう、縦横に平面状に、とは、複数の製品が一方向に並ぶのではなく２次元的な広がりをもって並ぶことを示す。例えば、長方形の製品を碁盤目状に整列させる態様が挙げられ、本態様は、製品として活用できない連結部の面積を最小限に抑えられることから、好ましい。また、製品の一部または全体が曲面形状であっても、形状に応じて、一方向に、または、縦横に平面状に、連結させることができる。

なお、断面がＬ字、コの字等のように平板を曲げた形状の場合や製品の一部または全体が曲面形状の場合は、プリプレグまたはその積層体を予めその形状に沿うように積層しておいても良いし、平板状に積層しておきプレス成形時に当該断面形状となるように変形させても良い。

本発明のプレス成形型の設計方法は、上記のようなプリプレグまたはその積層体を高品位に成形するために、複数の製品対応部と、該製品対応部の間に連結部を配置し、さらに該連結部の内部に気泡誘導部を配置することを特徴とするものである。ここで、連結部の内部に気泡誘導部を配置するとは、連結部の全体が気泡誘導部となる場合も含むものとする。製品対応部とは、製品となる部分をプレスする部分であり、連結部とは、製品部と製品部の間の通常切り代となる部分をいう。従来技術では、複数の製品を１の成形品より切り出す場合、切り代は、原料に対する製品の収率の観点から、ダイヤモンドカッターなどの切断手段により切断するのに必要な最小限の幅に設定することが好ましいと考えられてきた。しかし本発明では、連結部として一定以上の幅を設定し、かつ、該連結部の内部に気泡誘導部を配置して、成形後に切断・廃棄する部分に気泡を誘導することにより、気泡のない高品位な製品部を得ることを可能としたものである。

なお、本発明において、製品対応部は、１の製品に対応していても良いし、従来技術での切り代（本発明における気泡誘導部を内部に有する連結部ではない）を介して複数の製品をつなげたものであっても良い。比較的小さな製品を製造する場合において、後者の構成を採れば、収率の低下を最小限に押さえることが可能となるため好ましい。

気泡誘導部とは、成形型に凹部や穴を設けて成形型間のクリアランスを大きくすることにより、成形型からの圧力がかからないようにした部分をいう。このような気泡誘導部は、成形型の上型、下型の両方に配置しても良いし、いずれか一方に配置しても良い。気泡誘導部は、成形型からの圧力がかからないため、該気泡誘導部の周辺の圧力がかかる部分より厚く成形される。成形品が平板の場合、成形型の上型、下型の片側だけに凹部や穴を配置した気泡誘導部とすれば、一方の面は完全に平面となるため成形品を製品に切断する際の取り扱い性に優れたものとなることから好ましい。また、成形型の上型、下型の両方に凹部や穴を配置した気泡誘導部とすれば、より面積の少ない気泡誘導部で気泡除去効果を挙げることができることから、原料に対する製品収率を挙げることができ好ましい。また、気泡誘導部の断面形状は、例えば、気泡誘導部を成形型の上型あるいは下型のいずれか一方に配置して半円形状、三角形、長方形等としたものや、気泡誘導部を成形型の上型、下型の両方に配置して円形、長方形、六角形等としたものを適用することができる。
連結部とは、上述のように従来技術では製品部と製品部の間の通常切り代となる部分であったが、本発明では、その内部に気泡誘導部を設ける点での意義が大きいものである。第１の好ましい成形型の設計の態様として、連結部をすべて気泡誘導部とする態様が挙げられる。本態様では、切除部分を最小限度とすることができ原料に対する製品の収率を上げることができ好ましい。また第２の好ましい成形型の設計の態様としては、連結部の幅を気泡誘導部の幅より１〜１０ｍｍ広めにとり、連結部の気泡誘導部以外の部分を製品対応部分と同様の条件で成形できるようにすることである。かかる態様では、製品部の周囲に製品部と同様の厚みで、かつ、気泡が無い部分が形成可能となるため、後工程である各製品への切断時に切断位置のずれに対する許容が得られ、また、気泡誘導部とプレス部の境界で強化繊維の配向乱れが生じた場合でも、この強化繊維の配向乱れが製品部分に及ぶことを防止でき、不良品率を抑制する観点から好ましい。

また、気泡誘導部の面積を、製品対応部と連結部の面積の和に対し０．０２〜０．３倍とすることが好ましい。気泡誘導部の面積が、製品対応部と連結部の面積の和に対し０．０２倍に満たない場合、気泡の押し出しが相対的に減少し、０．３倍を超える場合は、気泡誘導部への樹脂の流れ込みが大きくなることから、これらの領域では、プレス圧や加圧タイミングなどの厳密な制御が必要となる。これに対し、気泡誘導部の面積を、製品対応部と連結部の面積の和に対し０．０２〜０．３倍とすれば、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の影響を最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れて成形条件設定の自由度が広がるためである。

気泡誘導部のクリアランスの平均値は、製品対応部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍であることが好ましい。ここでいうクリアランスとは、上型と下型の間の距離を示す。気泡誘導部のクリアランスの平均値が、製品対応部のクリアランスの平均値に対し１．５倍に満たない場合、気泡の押し出しが相対的に減少し、５．０倍を超える場合は、気泡誘導部への樹脂の流れ込みが大きくなることから、これらの領域では、プレス圧や加圧タイミングなどの厳密な制御が必要となる。これに対し、気泡誘導部のクリアランスの平均値を、製品対応部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍とすれば、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れて成形条件設定の自由度が広がるためである。

製品内の気泡を均一に誘導するためには、気泡誘導部は、該気泡誘導部が含まれる連結部に隣接する製品部外周と等距離を保つ形状であることが好ましい。例えば、製品部が長方形であれば気泡誘導部は長方形の一辺と平行な直線形状であることが好ましく、また、製品部が円形である場合は、気泡誘導部は製品部円と中心を共有する円弧形状であることが好ましい。さらに、気泡誘導部は、連続形状であることが好ましい。気泡誘導部の長さが、該部分を含む連結部に隣接する製品対応部の長さに対し０．３倍に満たない場合、気泡の押し出しが相対的に減少する。気泡誘導部の長さは、該部分を含む連結部に隣接する製品対応部の長さに対し０．３〜１．０倍とすることが好ましい。

本発明のプレス成形型は、上記のような考え方により設計されたものであり、複数の製品対応部と、該製品対応部の間に連結部を配置し、該連結部の内部には気泡誘導部を配置したことを特徴とするものである。なお、製品対応部と、連結部のうち気泡誘導部以外の部分は、プレス部として、上型、下型により成形時均等な圧力がかかる部分であり、気泡誘導部は成形型に凹部や穴を設け成形型間のクリアランスが大きくすることにより、その部分だけ成形品に成形型からの圧力がかからないようにした部分となっている。かかるプレス部の態様として、製品対応部のみをプレス部とする態様が挙げられる。本態様では、切除部分を最小限度とすることができ原料に対する製品収率を挙げることができ好ましい。また、プレス部の別の態様として大きさを製品対応部の大きさより１〜１０ｍｍ大きくとり（製品対応部の大きさより１〜１０ｍｍ大きくとった部分は、連結部のうち気泡誘導部以外の部分に対応する）、製品対応部分を含む広めの部分を製品対応部分と同様の条件で成形できるようにすることである。かかる態様では、製品部の周囲に製品部と同様の厚みで、かつ、気泡が無い部分が形成できるため、後工程である各製品への切断時に切断位置のずれに対する許容が得られ、また、気泡誘導部とプレス部の境界で強化繊維の配向乱れが生じた場合でも、この強化繊維の配向乱れが製品部分に及ぶことを防ぐことができ、不良品率を抑制する観点からも好ましい。本態様の場合、プレス部内に、製品対応部と連結部の境界はとくに設ける必要はないが、製品部を切り出すために便宜上、前記境界線や切断のための基準線が出るように、浅い線状の溝や出っ張り等を適宜設けても構わない。気泡誘導部は、成形型の上型、下型の両方に配置しても良いし、いずれか一方に配置されていても良い。

また、気泡誘導部の面積が、プレス部に対し０．０２〜０．４倍であることが好ましい。気泡誘導部の面積が、プレス部に対し０．０２倍に満たない場合、気泡の押し出しが相対的に減少し、０．４倍を超える場合は、気泡誘導部への樹脂の流れ込みが大きくなることから、これらの領域では、プレス圧や加圧タイミングなどの厳密な制御が必要となる。これに対し、気泡誘導部の面積が、製品対応部と連結部の面積の和に対し０．０２〜０．４倍であれば、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の影響を最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れるため、成形条件設定の自由度が広がるためである。

気泡誘導部のクリアランスの平均値は、プレス部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍であることが好ましい。気泡誘導部のクリアランスの平均値が、プレス部のクリアランスの平均値に対し１．５倍に満たない場合、気泡の押し出しが相対的に減少し、５．０倍を超える場合は、気泡誘導部への樹脂の流れ込みが大きくなることから、これらの領域では、プレス圧や加圧タイミングなどの厳密な制御が必要となる。これに対し、気泡誘導部のクリアランスの平均値を、プレス部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍とすれば、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れて成形条件設定の自由度が広がるためである。

本発明の成形品は、上記の成形型を用いて熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体を加圧、加熱硬化して得られ、複数の製品が一方向に、または、縦横に平面状に、連結したものであり、各製品部を含む部分は気泡を実質的に含有せず、各製品部を含む部分の間の少なくとも一部に気泡を１〜２０体積％含有する部分を有することを特徴とする繊維強化複合材料成形品となる。また、製品を含む部分をプレスしたときに隣接する気泡誘導部に気泡が集まることにより上記特定の部分のみに気泡を１〜２０体積％含有する部分を有する成形品として得られるので、気泡を１〜２０体積％含有する部分を含む製品間の領域を切除して得られる個々の製品は気泡を含まない高品位な製品が得られるのである。

気泡を１〜２０体積％含有する部分の平均厚みは、各製品部を含む部分の平均厚みの１．５〜５．０倍であることが好ましい。気泡を１〜２０体積％含有する部分の平均厚みが、各製品部を含む部分の平均厚みに対し１．５倍に満たない場合、気泡の押し出しが相対的に減少し、５．０倍を超える場合は、気泡を１〜２０体積％含有する部分への樹脂の流れ込みが大きくなることから、これらの領域では、プレス圧や加圧タイミングなどの厳密な制御が必要となる。これに対し、気泡を１〜２０体積％含有する部分の平均厚みを、各製品部を含む部分の平均厚みの１．５〜５．０倍とすれば、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れて成形条件設定の自由度が広がるためである。

さらに、製品部の厚みの最大値は、製品部の厚みの最小値の１．０〜１．２倍であることが好ましい。製品部の厚みの最大値が製品部の厚みの最小値の１．２倍を超える場合、製品部内で厚み最大となる部分は製品部内で厚み最小となる部分と比較してプレス成形時にかかる圧力が小さくなり、製品部内で厚み最大となる部分に気泡が集まりやすくなることから、これらの領域では、プレス圧や加圧タイミングなどの厳密な制御が必要となる。これに対し、製品部の厚みの最大値を製品部の厚みの最小値の１．０〜１．２倍とすれば、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れて成形条件設定の自由度が広がるためである。

本発明の繊維強化複合材料製品の製造方法は、上記の成形型を用いて熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体を加圧、加熱硬化して得られる、複数の製品が一方向に、または、縦横に平面状に、連結した繊維強化複合材料成形品（各製品部を含む部分は気泡を実質的に含有せず、各製品部を含む部分の間の少なくとも一部に気泡を１〜２０体積％含有する部分を有する）を作製し、次いで、製品間の領域（気泡を１〜２０体積％含有する部分を含む）を切除して得られた個々の製品を得る繊維強化複合材料製品の製造方法である。本製造方法によれば、複数の製品を含む成形品を一度の成形で得られるため、生産効率が向上し、かつ、複数の製品を連結した繊維強化複合材料成形品は、成形型の気泡誘導部により製品部に気泡を含まないものとなるので、この成形品から個々の製品を切り出すことで、高品位な繊維強化複合材料製品を生産性良く得ることができるのである。

以下、本発明の実施形態の例を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の１実施態様（連結部が全て気泡誘導部となっている態様）にかかるＦＲＰのプレス成形例を示す全体斜視図である。
図１において、１は上型であり、２は下型の成形型をそれぞれ示し、上型１および下型２には、それぞれ上型１および下型２を閉じて成形するときにプリプレグまたはその積層体３をプレスする複数のプレス部１ａ、２ａを有する。該成形型の一部にはプレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂを有する。図１の実施態様では、同一型から気泡誘導部３ｂで区切られた９枚の四角形の製品部３ａを有する成形品を得ることができる。

図２は、図１で示した本発明の一実施態様にかかるＦＲＰのプレス成形例の、成形中のプリプレグまたはその積層体３および成形型の中央部での断面を示す断面図である。図２に示すように、上型１および下型２は、製品部３ａに対応するプレス部１ａ、２ａと、プレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂとで構成されている。プリプレグまたはその積層体３は、図２に示すように上型１および下型２によって加圧された状態で同時に加熱硬化され、型から取り出された成形品を気泡誘導部１ｂ、２ｂに沿って切断加工して連結部（この例の場合は成形型の気泡誘導部に対応する成形体の部分と同じ場所）を取り除くことにより、所望の製品を得ることができる。

プリプレグまたはその積層体３に用いる熱硬化性樹脂は、成形上型１および下型２で加熱されると一時的に粘度が下がり、その後化学反応によって硬化が進む。従来技術では、外観品位の高い成形品を得るため、一時的に樹脂の粘度が下がった時点で加圧力をかけることにより、樹脂内に含まれる空気や積層工程においてプリプレグの層間に含まれた空気を、少量の樹脂と共に成形品の外部に押し出すことが一般的に行われている。

本発明の実施態様においては、プリプレグまたはその積層体３は、場所によらず一定の厚みを有しているので、ＦＲＰのプレス成形中には、製品部に対応するプレス部１ａ、２ａでは、成形に必要な圧量が加わるが、それらの間に位置するプレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂでは、ＦＲＰ基材３と上型１および下型２の間に隙間を生じる。このため、製品部３ａに対応するプレス部１ａ、２ａから押し出された空気と少量の樹脂は、上型１および下型２の外部へ出るばかりでなく、複数のプレス部１ａ、２ａの間に位置する、プレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂへも押し出されることになる。

図１に示すように、全ての製品部に対応するプレス部１ａ、２ａの間に位置する、境界部の全延長に渡ってプレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂを配置することにより、どのプレス部１ａ、２ａにおいても同じ条件で、樹脂内に含まれる空気や積層工程においてプリプレグの層間に含まれた空気を、少量の樹脂と共に成形品の外部に押し出すことができ、成形型内における配置位置の違いによる成形のボイド発生やかすれ、厚み不均一を防ぎ、安定した成形品を得ることができる。

なお、本実施態様では、プレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂは、成形上型１および下型２の両方に凹みを設けることで形成されているが、気泡誘導部１ｂ、２ｂの形状には何の制約もない。例えば、成形上型１または下型２のいずれか片方にのみ凹みを設けた形状で気泡誘導部１ｂまたは２ｂを形成することも可能である。

また、連結部により形成される気泡誘導部１ｂ、２ｂは、無圧の状態であるか、もしくはプリプレグの層間に含まれた空気を製品部の外部に押し出すことができるものであれば低い圧力がかかったものも含まれる。

図３は、本発明の別の実施態様にかかるＦＲＰのプレス成形例を示す全体斜視図である。本実施態様では、同一型から３枚の逆Ｕ字型断面を有する製品を得ることができる。

図３において、１は上型であり、２は下型の成形型をそれぞれ示し、上型１および下型２には、それぞれ上型１および下型２を閉じて成形するときにプリプレグまたはその積層体３をプレスする複数のプレス部１ａ、２ａを有する。該成形型の一部にはプレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部１ｂ、２ｂ（２ｂはＦＲＰ基材３の下に隠れている）を有する。図３の実施態様では、同一型から気泡誘導部３ｂで区切られた３枚の逆U字型断面製品部３ａを有する製品を得ることができる。

本実施態様では、製品が逆Ｕ字型断面を有しているために、成形時に型が閉じる過程において、プレス部に圧力がかかる前に逆Ｕ字型断面の両立面部に圧力がかかり、プレス部から両立面部を通って型の外部へは、樹脂内に含まれる空気や、積層工程においてプリプレグの層間に含まれた空気を、少量の樹脂と共に製品の外部に押し出すことができない。

しかしながら、本発明の態様では、図３に示すように各プレス部の間に位置する部分に、プレス部よりも成形時の型間クリアランスが大きい気泡誘導部を設けることにより、中央に位置するプレス部においても、樹脂内に含まれる空気や、積層工程においてプリプレグの層間に含まれた空気を、少量の樹脂と共に隣接する気泡誘導部に押し出すことができ、成形型内における配置位置の違いによる製品のボイドやかすれ発生を防ぎ、安定した外観品位、厚み均一性を有する製品を得ることができる。

［参考例］プリプレグの作成
１．使用原料
＜エポキシ樹脂＞
“エピコート（登録商標）”８２８、“エピコート（登録商標）”８３４、 “エピコート（登録商標）”１００１（以上、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製）、“エピコート（登録商標）”１５４（以上、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、ジャパンエポキシレジン（株）製）
＜硬化剤＞
ＤＩＣＹ７（ジシアンジアミド、ジャパンエポキシレジン（株）製）
＜硬化促進剤＞
“オミキュア（登録商標）”２４（２，４−トルエンビス（ジメチルウレア）、ピイ・ティ・アイジャパン（株）製）
＜熱可塑性樹脂＞
“ビニレック（登録商標）”Ｋ（ポリビニルホルマール、チッソ（株）製）
＜炭素繊維＞
“トレカ（登録商標）”Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ−５０Ｃ（引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率２３５ＧＰａ、繊維比重１．８０）、“トレカ（登録商標）”Ｍ４０ＪＢ―１２Ｋ−５０Ｂ（引張強度４４００ＭＰａ、引張弾性率３８５ＧＰａ、繊維比重１．７５）（以上、東レ（株）製）
２．エポキシ樹脂を含むマトリックス樹脂［Ａ］の未硬化樹脂組成物（本実施例中では、エポキシ樹脂組成物と略す）の調整方法
以下に示す原料および組成比をもって下に示す手順でニーダーで混合し、ポリビニルホルマールが均一に溶解したエポキシ樹脂組成物を得た。
エポキシ樹脂組成物の原料および組成比
“エピコート（登録商標）”８２８ ２０
“エピコート（登録商標）”８３４ ２０
“エピコート（登録商標）”１００１ ２５
“エピコート（登録商標）”１５４ ３５
ＤＩＣＹ７ ４
“オミキュア（登録商標）”２４ ５
“ビニレック（登録商標）”Ｋ ５
（１）各エポキシ樹脂原料とポリビニルホルマールとを１５０〜１９０℃に加熱しながら１〜３時間攪拌し、ポリビニルホルマールを均一に溶解する。
（２）樹脂温度を５５〜６５℃まで降温し、ジシアンジアミド、および３−（３，４−ジクロロフェニル）−１，１−ジメチルウレアを加え、該温度で３０〜４０分間混練後、ニーダー中から取り出してエポキシ樹脂組成物を得る。

３．炭素繊維一方向プリプレグの作製
前記エポキシ樹脂組成物をリバースロールコータを用いて離型紙上に塗布して樹脂フィルムを作製した。樹脂フィルムの単位面積あたりの塗布量は、３８ｇ／ｍ^２とした。

次に、単位面積あたりの繊維重量が１５０ｇ／ｍ^２となるようにシート状に一方向に整列させた炭素繊維“トレカ（登録商標）”Ｔ７００ＳＣ−１２Ｋ―５０Ｃ（東レ株式会社製、引張強度４９００ＭＰａ、引張弾性率２３０ＧＰａ）に前記樹脂フィルムを両面から重ね、加熱加圧してエポキシ樹脂組成物を含浸させ、一方向プリプレグを作製した。

＜実施例１＞
図４に示す成形型を使用した。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。本成形型には上型１に１列に並んだ４箇所のプレス部１ａと、プレス部よりも型間のクリアランスが大きい気泡誘導部１ｂを有している。このとき、プレス部１ａの寸法はいずれも２７０ｍｍ×１５０ｍｍで、外周部を除く成形型の寸法は、２７０ｍｍ×６３０ｍｍであった。また、気泡誘導部は、幅５ｍｍ×深さ０．５ｍｍ×長さ２５０ｍｍの、長方形断面を有する溝状で、上型１にのみ設けられている。また、成形型の６３０ｍｍ長さの辺は、型閉め時のクリアランス形状が上下方向に５ｍｍの垂直面を持つように、上型の外周部が下方に張り出している。

図４に示す成形型に、参考例の炭素繊維一方向プリプレグを５枚積層した、３００ｍｍ×７００ｍｍのＦＲＰ基材を、その両面に離型フィルムを配置した状態でセットし、加圧力６０ｔ、型温度１６０℃にて２０分プレスすることにより硬化させ、型から取り出した後に切断加工にて連結部に相当する箇所を取り除き、寸法２７０ｍｍ×１５０ｍｍのＦＲＰ製品４体を得た。

得られた製品の外観は、４体ともボイドやかすれのない良好な状態であった。また、製品の厚さは０．７ｍｍ±０．０５ｍｍで、成形型内の位置による著しい厚み差は認められなかった。
＜実施例２＞
図５に示す成形型を使用した。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。本成形型には上型１に１列に並んだ３箇所のプレス部１ａと、プレス部よりも型間のクリアランスが大きい気泡誘導部１ｂを有している。このとき、プレス部１ａの寸法はいずれも３０５ｍｍ×２７０ｍｍで、外周部を除く成形型の寸法は、３０５ｍｍ×８３１ｍｍであった。また、気泡誘導部は、幅４ｍｍ×深さ０．５ｍｍ×長さ２８５ｍｍの、長方形断面を有する溝状で、上型１にのみ設けられている。また、成形型の８３１ｍｍ長さの辺は、型閉め時のクリアランス形状が上下方向に５ｍｍの垂直面を持つように、上型の外周部が下方に張り出している。

図５に示す成形型に、参考例の炭素繊維一方向プリプレグを５枚積層した、３５０ｍｍ×９００ｍｍのＦＲＰ基材を、その両面に離型フィルムを配置した状態でセットし、加圧力９５ｔ、型温度１６０℃にて２０分プレスすることにより硬化させ、型から取り出した後に切断加工にて連結部に相当する箇所を取り除き、寸法１５０ｍｍ×２７０ｍｍのＦＲＰ製品６体を得た。

プレス部の面積が実施例１より大きいため、得られた製品の厚さは実施例１と比較して均一性に劣る０．７ｍｍ±０．０７ｍｍであったが、得られた製品の外観は、６体ともボイドやかすれのない良好な状態であった。
＜実施例３＞
図６に示す成形型を使用した。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。本成形型には上型１に縦横に並んだ６箇所のプレス部１ａと、プレス部よりも型間のクリアランスが大きい気泡誘導部１ｂを有している。このとき、プレス部１ａの寸法はいずれも２７０ｍｍ×１５０ｍｍで、外周部を除く成形型の寸法は、３２０ｍｍ×８３５ｍｍであった。また、気泡誘導部は、幅５ｍｍ×深さ０．５ｍｍの、長方形断面を有する溝状で、上型１にのみ設けられている。また、成形型の８３５ｍｍ長さの辺は、型閉め時のクリアランス形状が上下方向に５ｍｍの垂直面を持つように、上型の外周部が下方に張り出している。

図６に示す成形型に、参考例の炭素繊維一方向プリプレグを５枚積層した、３５０ｍｍ×９００ｍｍのＦＲＰ基材を、その両面に離型フィルムを配置した状態でセットし、加圧力６０ｔ、型温度１６０℃にて２０分プレスすることにより硬化させ、型から取り出した後に切断加工にて連結部に相当する箇所を取り除き、寸法２７０ｍｍ×１５０ｍｍのＦＲＰ製品６体を得た。

得られた製品の外観は、６体ともボイドやかすれのない良好な状態であった。また、製品の厚さは０．７ｍｍ±０．０２ｍｍで、実施例１や実施例２と比較して厚みの均一性に優れるものであった。これは、プレス時に基材にかかる圧力がより均一であることから、一般的なプリプレグの厚さの誤差や、プレス機や金型の精度、加圧力や温度等の成形条件の微小な変動の影響を最小限に抑えることができ、気泡を残存させない条件範囲が広く採れて成形条件設定の自由度が広がることを示唆するものであった。
＜比較例１＞
気泡誘導部を有していない成形型を使用した他は実施例１と同様にして、成形型に、参考例の炭素繊維一方向プリプレグを５枚積層した、３００ｍｍ×７００ｍｍのＦＲＰ基材を、その両面に離型フィルムを配置した状態でセットし、加圧力６０ｔ、型温度１６０℃にて２０分プレスすることにより硬化させ、型から取り出した後に切断加工にて連結部に相当する箇所を取り除き、寸法２７０ｍｍ×１５０ｍｍのＦＲＰ製品４体を得た。

得られた製品は、成形型の中央側で成形した２体は、ほぼ全断面に渡ってボイドが散在しており、成形型の端側で成形した２体は、成形型の両端側にはボイドはなかったが中央寄りの４〜５ｃｍの範囲にはボイドが散在しており製品として、良好なものを得ることができなかった。

本発明Ｘ線カセッテ、密着板、Ｘ線装置天板などの医療用品、スキー板、スノーボード板や競技用自転車のホイールなどのスポーツ・レジャー用品、ノートパソコン筐体などの電気・電子機器用部品に広く利用することができるが、その応用範囲は、これらに限られるものではなく、多層プリント板のプレス成形などにも利用することができる。

本発明の一実施態様にかかるＦＲＰのプレス成形例の全体斜視図である。 本発明の一実施態様にかかるＦＲＰのプレス成形例の中央部断面図である。 本発明の別の実施態様にかかるＦＲＰのプレス成形例の全体斜視図である。 本発明の実施例４に用いた成形型の三面図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。 本発明の実施例５に用いた成形型の三面図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。 本発明の実施例６に用いた成形型の三面図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は正面図、（Ｃ）は側面図である。

符号の説明

１：上型
２：下型
１ａ：上型１のプレス部
１ｂ：上型１の気泡誘導部
２ａ：下型２のプレス部
２ｂ：下型２の気泡誘導部
３ ： プリプレグまたはその積層体

Claims (13)

1. 熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体をプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の複数の製品を一方向に、または、縦横に平面状に、連結した繊維強化複合材料成形品を得るホットプレス成形に用いるプレス成形型の設計方法であって、複数の製品対応部と、該製品対応部の間に連結部を配置し、該連結部の内部には気泡誘導部を配置することを特徴とするプレス成形型の設計方法。
2. 前記気泡誘導部の面積を、前記製品対応部と前記連結部の面積の和に対し０．０２〜０．３倍とする請求項１に記載のプレス成形型の設計方法。
3. 前記気泡誘導部のクリアランスの平均値を、前記製品対応部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍とする請求項１または２に記載のプレス成形型の設計方法。
4. 前記気泡誘導部が、前記気泡誘導部が含まれる連結部に隣接する製品部外周と等距離を保つ形状である、請求項１〜３のいずれかに記載のプレス設計型の設計方法。
5. 前記気泡誘導部の長さが、該部分を含む連結部に隣接する製品対応部の長さの０．３〜１．０倍である、請求項１〜４のいずれかに記載のプレス設計型の設計方法。
6. 熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体をプレス機により加圧すると同時に加熱硬化して板状の複数の製品を一方向に、または、縦横に平面状に、連結した繊維強化複合材料成形品を得るホットプレス成形に用いる成形型であって、製品対応部を含むプレス部と、製品対応部の間に位置しプレス部よりも成形型間のクリアランスが大きい気泡誘導部を有することを特徴とする繊維強化複合材料のプレス成形型。
7. 前記気泡誘導部の面積が、前記プレス部の面積に対し０．０２〜０．４倍である請求項６に記載のプレス成形型。
8. 前記気泡誘導部のクリアランスの平均値が、前記プレス部のクリアランスの平均値の１．５〜５．０倍である請求項６または７に記載のプレス成形型。
9. 熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする板状の繊維強化複合材料成形品であって、該成形品は、複数の製品が一方向に、または、縦横に平面状に、連結されたものであり、気泡を実質的に含有しない各製品部を含む部分の間の少なくとも一部に気泡を１〜２０体積％含有する部分を有することを特徴とする繊維強化複合材料成形品。
10. 前記気泡を１〜２０体積％含有する部分の面積が、その他部分の面積に対し０．０２〜０．４倍である請求項９に記載の繊維強化複合材料成形品。
11. 前記気泡を１〜２０体積％含有する部分の平均厚みが、その他部分の厚みに対し１．５〜５．０倍である請求項９または１０に記載の繊維強化複合材料成形品。
12. 前記製品部の厚みの最大値が、前記製品部の厚みの最小値の１．０〜１．２倍である、請求項９〜１１に記載の繊維強化複合材料成形品。
13. 熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とするプリプレグまたはその積層体を請求項６〜８のいずれかに記載の繊維強化複合材料のプレス成形型を用いて加圧、加熱硬化した後、気泡を１〜２０体積％含有する部分を含む製品間の領域を切除し製品を得ることを特徴とする繊維強化複合材料製品の製造方法。

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