JP2007152718A

JP2007152718A - Ｆｒｐ成形品とその成形方法

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Publication number: JP2007152718A
Application number: JP2005350502A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Matsuda; 猛松田; Takeshi Naito; 猛内藤; Sadataka Umemoto; 禎孝梅元
Original assignee: Teijin Techno Products Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2005-12-05
Filing date: 2005-12-05
Publication date: 2007-06-21

Abstract

【課題】コンピュータ−制御によるロボットアーム型のガン装置を用いるプリフォームの成形方法を利用して、直接、ＦＲＰ成形品を得る方法を提供すること。
【解決手段】ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、噴射流体の作用により、強化繊維とマトリックス樹脂を成形型に吹付けて供給しＦＲＰ成形品を成形するに際し、（１）強化繊維として長さが３〜３００ｍｍの短繊維を用い、（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％の範囲で用い、（３）噴射流体として前記熱可塑性樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、（４）前記成形型で賦形し、次いで（５）成形型を冷却してマトリックス樹脂を固化させ、その後（６）成形品を脱型することからなるＦＲＰ成形品の成形方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）成形品の成形方法、詳しくは、コンピュータ−制御によるロボットアーム型のガン装置を用いたＦＲＰ成形品の成形方法、及びその方法により得られた成形品に関する。

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、航空宇宙産用や自動車産業用の部品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は、通常の金属製部品よりも軽量で、更に、完全自動化、制御精度の向上、部品間の整合性の向上、廃棄物の削減、部品性能の維持若しくは向上を可能とするといった効果も得ることが出来る。

そして、ＦＲＰ成形品の製造には、繊維強化材を予備成形により賦形したプリフォームが使用される場合がある。かかる場合において、繊維強化材として、例えば、５０ｍｍ長程度にカットしたガラス繊維又は炭素繊維を使用した場合には、これらの繊維を接着剤と一緒に予備成形用の型に吹き付け、加熱硬化させてプリフォームを得ている。あるいは、繊維強化プラスチック成形品に高い物性が要求される場合には、連続繊維をシート状に加工した織物、多軸織物等の繊維強化材を用いてプリフォームを得ている。そしてプリフォームは、通常、樹脂トランスファー成形法（ＲＴＭ法）又はレジンフィルムインフュージョン成形法（ＲＦＩ法）を用いて成形品に成形される。

プリフォームの製造法あるいは予備成形法として、コンピュータ−制御によるロボットアーム型のガン装置を用いる方法が提案され、また実用化されている（例えば、特許文献１〜４参照）。それらによると、例えば、強化繊維はロボット制御を用いて、切断され、そして粉状のバインダーと共に型内のプリフォーム用スクリーンへ塗布される。スクリーンを通過する気流が、スクリーンの表面に切断された材料を保持する。吹付けが完了すると、型が閉じられ、プリフォームが所望の厚さまで圧縮される。次に、バインダーを溶かすために、加熱空気がスクリーンを通して吸引される。その後、冷却空気がプリフォームを通して吸引され、最終形状が形成される。プリフォームが完成すると、プリフォームは型から外されて、次のＦＲＰ成形品の成形工程である、ＲＴＭ又はＲＦＩ工程へ移送される。
特開平８−２９０４８１号公報特開２００２−２２５０６０号公報特表２００４−５３１４０５号公報国際公開０３／０５７４５４号公報

上記方法においては、コンピューター制御により、強化繊維の長さや配向を正確に調整することができ、バインダーとしては、熱硬化性と熱可塑性のいずれの樹脂でも使用でき、配向制御され空隙のない高い強度のプリフォームが得られるとされている。また、工程としては、生産サイクル、エネルギー消費量、廃棄物量が少なく、コストパフォーマンスに優れていると言われている。

上記した様に、ロボットアーム型のガン装置を用いる方法は、優れた方法ではあるが、従来は、予備成形かプリフォームの製造のために用いられ、いずれにしろ最終成形品の成形とは別の工程として実施されており、ＦＲＰ成形品の成形方法としては効率的ではなかった。従って、本発明の課題は、コンピュータ−制御によるロボットアーム型のガン装置を用いるプリフォームの成形方法を利用して、繊維強化材、マトリックス樹脂、噴射流体等に関し最適な条件を設定・工夫することによって、直接、ＦＲＰ成形品を得る方法を提供することにある。

本発明の請求項１に記載された発明は、ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、噴射流体の作用により、強化繊維とマトリックス樹脂を成形型に吹付けて供給しＦＲＰ成形品を成形するに際し、（１）強化繊維として長さが３〜３００ｍｍの短繊維を用い、（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％の範囲で用い、（３）噴射流体として前記熱可塑性樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、（４）前記成形型で賦形し、次いで（５）成形型を冷却してマトリックス樹脂を固化させ、その後（６）成形品を脱型することからなるＦＲＰ成形品の成形方法である。

請求項２に記載された発明は、強化繊維として、連続繊維状で供給された強化繊維を、ガン装置に付属したカッターで長さが３〜３００ｍｍの短繊維に裁断したものを用いる請求項１記載のＦＲＰ成形品の成形方法である。

請求項３に記載された発明は、強化繊維の長さが８〜８０ｍｍの短繊維である請求項１又は２記載のＦＲＰ成形品の成形方法である。

そして、請求項４に記載された発明は、ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、噴射流体の作用により、強化繊維とマトリックス樹脂を成形型に吹付けて供給し成形して得られたＦＲＰ成形品であって、（１）強化繊維として長さが３〜３００ｍｍの短繊維を用い、（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％の範囲で用い、（３）噴射流体として前記熱可塑性樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、（４）前記成形型で賦形し、次いで（５）成形型を冷却してマトリックス樹脂を固化させ、その後（６）成形品を脱型して得られた、長さが３〜３００ｍｍの短繊維がマトリックス樹脂中にランダムに配向・配置されているＦＲＰ成形品である。

本発明によると、ＦＲＰ成形品が、強化繊維と熱可塑性樹脂を同時に成形型に吹き付け成形することにより、中間基材を経ないで直接得られる。強化繊維と熱可塑性樹脂の成形型への供給は、プログラム制御された、ロボットアームの先端部に配置されたガン装置からなされる。そして、プログラム制御により、強化繊維の繊維配向、繊維長、繊維及び熱可塑性樹脂の量はコントロールされる。熱可塑性樹脂は、吹き付け時に熱を与えることにより、融解し強化繊維と共に成形型に固着する。従って、中間基材を経ないで直接ＦＲＰ成形品を得ることが可能である。

本発明は、ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、噴射流体の作用により、強化繊維とマトリックス樹脂を成形型に吹付けて供給する方法である。ガン装置は、通常、強化繊維の供給装置、強化繊維の裁断装置、熱風又は冷風の送風機（噴射装置）から構成されており、これらはコンピューターによって制御できるようになっている。

ガン装置は、成形型に樹脂を吹き付けるための複数個のノズルを有する。また、ガン装置にはカッターが備えられており、例えば、強化繊維として、強化繊維が連続繊維状で供給された場合には、このカッターで長さが３〜３００ｍｍの短繊維に裁断されるようになっている。裁断された短繊維は、供給口からノズルとノズルの間に供給され、これらのノズルから熱可塑性樹脂を成形型に向けて吹き付けると共に、カッターで裁断した短繊維を供給口から供給すると、成形品型の表面に繊維強化樹脂層が吹き付けられる。このときガン装置は、コンピューターによって制御され、成形型の全面に繊維強化樹脂層が均一に積層されるようになっている。

ガン装置から吹き付けられる強化繊維の長さは３〜３００ｍｍの短繊維が用いられるが、好ましくは、強化繊維の長さが８〜８０ｍｍの短繊維である。マトリックス樹脂としては熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％、好ましくは６０〜７０重量％の範囲で用いる。このようにすると、強化繊維に樹脂がスムーズに含浸されて、気泡を殆ど発生しないように繊維強化樹脂層が吹き付けられる。

強化繊維としては特に制限はなく、一般にＦＲＰにおける強化繊維として使用されるものが使用できる。具体的には、無機繊維、有機繊維、金属繊維、金属被覆繊維、天然繊維又はそれらの混合から成り、無機繊維としては炭素繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイト繊維、ボロン繊維、ガラス繊維等を用いることができる。有機繊維の場合にはアラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等の有機繊維が挙げられる。天然繊維としては、ジュート、マニラ麻、サイザル麻、ケナフ、ヘンプ等が挙げられる。本発明においては、比強度および比弾性率が高い炭素繊維あるいは黒鉛繊維が好ましい。

強化繊維の形状としては、連続繊維状、例えば、長繊維の束、粗紡糸若しくはそれらを分繊、開繊したような状態で供給されるものが好ましく、これらはガン装置に付属したカッターで長さが３〜３００ｍｍの短繊維に裁断して用いられる。

熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミドがある。これらの樹脂は、２種以上併用しても良い。これらの樹脂は、固体、液体、粉体、発泡状態で用いることができるが、ガン装置を用いて吹き付けるのには、高粘度の状態のものが好ましい。また、熱可塑性樹脂は、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％、好ましくは６０〜７０重量％の範囲で用いられる。

従来技術で使用される樹脂は、強化繊維間を接合するバインダーとして用いられる。一般的に、エポキシやポリエステル樹脂があり、常温下で液状もしくは乳化状である。このため、バインダーの噴出量を多くすると付着時にたれが生じ、厚みむらなどの成形不良を生じる。前記特許文献１によれば、ガラス繊維長が短いもの、あるいは繊維含有量を少なくして吹き付けた場合、樹脂のずれ落ちによる「たれ」の度合いが不良であると記載されている。

本発明においては、噴射流体として前記熱可塑性樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、そして成形型で賦形し、成形型を冷却して熱可塑性樹脂を固化させ、その後成形品を脱型する。熱風は、バーナーあるいは赤外線ヒーター等によって空気を加温することによって得られる。

本発明では、「たれ」が生じないで、且つ、成形型への樹脂の付着を可能にするために、高融点樹脂（一般的な熱可塑性樹脂）を使用し、吹き付け時に融解させる熱源（たとえば赤外線など）を裁断装置に設置している。これにより、吹きつけ時に熱せられた樹脂が融解し、その状態で成形型に付着し、その後樹脂の融点以下にすることで樹脂を固化させるのである。本発明では、最終成形品のマトリックス樹脂の含有量が５０〜８０重量％になるように吹き付けるものである。これにより、一工程で強化繊維と樹脂との一体成形を可能にしている。

本発明の成形方法、即ち、ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、（１）強化繊維として長さが３〜３００ｍｍの短繊維を用い、（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％の範囲で用い、（３）強化繊維とマトリックス樹脂を、噴射流体として前記樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、（４）前記成形型で賦形し、次いで（５）成形型を冷却してマトリックス樹脂を固化させ、その後（６）成形品を脱型することによって、長さが３〜３００ｍｍの短繊維がマトリックス樹脂中にランダムに配向・配置されている本発明のＦＲＰ成形品が得られる。

本発明の具体例を図を用いて説明する。図１において、１はロボットアーム、２はガン装置であって、強化繊維の裁断装置と熱源及び空気噴射装置を備えている。３は強化繊維のボビン、４はマトリックス樹脂とその供給手段、５は成形型の上型で６は下型、７は成形品を示す。本実施例では、強化繊維としては、炭素繊維ＳＴＳ−２４Ｋ（東邦テナックス社製、フィラメント数２４，０００本）を使用し、マトリックス樹脂としては、熱可塑性樹脂のＰＡ６（ナイロン樹脂、宇部興産社製）を使用した。ガン装置としては、Applicator System AB社のものを用いた。これらは、コンピューターで制御できるようになっている。

図１において、炭素繊維のボビン３から、ガン装置２に炭素繊維の束を供給し、繊維裁断装置で５０〜６０ｍｍの長さに切断した。一方、マトリックス樹脂とその供給手段４からは、熱可塑性樹脂のＰＡ６を供給し、赤外線ヒーターで３００℃に加熱された熱風を用いて、空気噴射装置で繊維と樹脂を混合しながら成形型の下型６に、均等に吹き付けて供給した。樹脂の量は、繊維と樹脂の合計量に対して約７０重量％になるように調整した。吹き付けたものの厚さが約５０ｍｍになった時点で吹き付けをやめ、成形型の上型５を型締めして吹き付けたものを賦形し、次いで成形型を室温まで冷却してマトリックス樹脂を固化させた。その後成形品を脱型したところ、炭素繊維がランダムに配向し、炭素繊維のＶｆ（繊維体積率）が約３０％の成形品７が得られた。

本発明の一つの実施の態様を説明するための図である。

符号の説明

１ロボットアーム、
２ガン装置
３強化繊維のボビン、
４マトリックス樹脂とその供給手段、
５成形型の上型
６成形型の下型、
７成形品

Claims

ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、噴射流体の作用により、強化繊維とマトリックス樹脂を成形型に吹付けて供給しＦＲＰ成形品を成形するに際し、（１）強化繊維として長さが３〜３００ｍｍの短繊維を用い、（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％の範囲で用い、（３）噴射流体として前記熱可塑性樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、（４）前記成形型で賦形し、次いで（５）成形型を冷却してマトリックス樹脂を固化させ、その後（６）成形品を脱型することからなるＦＲＰ成形品の成形方法。
強化繊維として、連続繊維状で供給された強化繊維を、ガン装置に付属したカッターで長さが３〜３００ｍｍの短繊維に裁断したものを用いる請求項１記載のＦＲＰ成形品の成形方法。
強化繊維の長さが８〜８０ｍｍの短繊維である請求項１又は２記載のＦＲＰ成形品の成形方法。
ロボットアームの先端部に設けられたガン装置を用いて、噴射流体の作用により、強化繊維とマトリックス樹脂を成形型に吹付けて供給し成形して得られたＦＲＰ成形品であって、（１）強化繊維として長さが３〜３００ｍｍの短繊維を用い、（２）マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を、成形品中の樹脂含量として５０〜８０重量％の範囲で用い、（３）噴射流体として前記熱可塑性樹脂の軟化点以上の熱風を用いて成形型に吹付けて供給し、（４）前記成形型で賦形し、次いで（５）成形型を冷却してマトリックス樹脂を固化させ、その後（６）成形品を脱型して得られた、長さが３〜３００ｍｍの短繊維がマトリックス樹脂中にランダムに配向・配置されているＦＲＰ成形品。