JP2008290421A - プリプレグ積層体からなる成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高価な設備コストを不要とでき、何らの熟練を要すことなく、簡易な方法で品質に優れたプリプレグ積層体からなる成形品を製造する方法を提供する。
【解決手段】プリプレグ積層体からなる成形品の製造方法は、マトリックス樹脂が予備含浸された強化繊維基材を所定形状に切断してプリプレグ片Ｐ１，…を製作する第１の工程と、相隣るプリプレグ片Ｐ１，Ｐ１を当接または間隔を置いて突き合わせた姿勢で相互に繋ぎ合わせ、所定の立体形状の複合材Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を製作する第２の工程と、複数の複合材Ｂ１，Ｂ２，Ｂ３を成形型内で加圧成形しながら順次重ね合わせることで立体形状の成形体Ｂ４を製造する第３の工程と、からなる。
【選択図】図２

Description

本発明は、強化繊維基材に樹脂が含浸硬化してなるプリプレグ材が積層されてできる成形品の製造方法に関するものである。

航空機や船舶、自動車などの構造部材として使用される、強化繊維基材の積層体に樹脂が含浸硬化してなる強化繊維積層体の成形方法においては、ドライな強化繊維基材を複数積層して成形型内に配設し、マトリックス樹脂を注入しながら加圧成形するＲＴＭ法（レジン・トランスファー・モールディング）や、強化繊維基材を所定形状に切断してなるプリプレグ片を貼り付けて賦形し、加熱しながらへらやローラ等で加圧していく手貼り法などがある。

上記する手貼り法では、最終製品の形状が複雑な場合に貼り合わせ途中でしわが生じ易く、適宜に引張ったり押さえつけたりしながら製造していく必要があって高い熟練を要し、生産歩留まりの低下は否めない。一方、ＲＴＭ法（真空注入法を含む）では、成形型内を真空引きする真空装置や、マトリックス樹脂を成形型内に注入する注入機、注入樹脂圧を拘束するための型閉め機が必要となり、設備コストが高価となる。さらには、この方法では、炭素繊維が樹脂（エポキシ樹脂）にて予め一体とされておらず、成形型内に樹脂を注入して含浸硬化させるものであることから、型内成形時に繊維方向の配向が乱され易く（繊維がよれ易い）、所要の引張強度部材を得るためには手貼り法に比して多数のプリプレグ材を積層させる必要が生じるといった問題もある。

ところで、特許文献１では、一方向に並行するように引きそろえられた複数本の強化繊維糸条を該強化繊維糸条に交差するように延在した補助糸によって拘束することにより、平面形態を保持した二枚の一方向性基材を含む強化繊維基材が開示されている。強化繊維糸条方向に並行な端部を持つ一方向性基材同士が、互いに重なり合わず、該端部の位置で接続手段によって繋がれている。この強化繊維基材の製造方法も、上記するＲＴＭ法によるものであり、上記する課題を解決するには至らず、さらには、製造品が平面状のものを対象としていることから、立体形状のプリプレグ積層体からなる成形品を製造する場合の種々の課題を解決するには至らない。

特開２００６−２０００９４号公報

立体形状のプリプレグ積層体からなる成形品を製造する場合の課題とは、たとえば、該成形品が複数方向に広がる面を有していることで、プレス賦形時の加圧方向が一様な場合（型締め、型開き方向）に、該方向に直交する面のプレス賦形は確実に実行される一方で、その他の面では十分なプレス賦形が実行されず、したがって成形品のすべての部位において強度が一様であったり、厚みが一様であるといった品質の高い成形品が得られ難いという課題である。

本発明は、上記する問題に鑑みてなされたものであり、高価な設備コストを不要とでき、何らの熟練を要すことなく、簡易な方法で品質に優れたプリプレグ積層体からなる成形品を製造する方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成すべく、本発明によるプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法は、マトリックス樹脂が予備含浸された強化繊維基材を所定形状に切断してプリプレグ片を製作する第１の工程と、相隣る前記プリプレグ片を当接または間隔を置いて突き合わせた姿勢で相互に繋ぎ合わせ、所定の立体形状の複合材を製作する第２の工程と、複数の前記複合材を成形型内で加圧成形しながら順次重ね合わせることで立体形状の成形体を製造する第３の工程と、からなることを特徴とするものである。

本発明のプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法は、マトリックス樹脂が予備含浸された強化繊維基材を所定形状に切断してプリプレグ片とし、相隣るプリプレグ片を当接または間隔を置いて突き合わせた姿勢で相互に繋ぎ合わせることで立体形状の複合材を製作し、複数の複合材を成形型内に重ね合わせた姿勢で配設するとともに成形型内で加熱および加圧することによって所望の立体形状の成形体を製造する方法である。

本発明の製造方法は、特に立体形状の複合材およびこれを複数積層してなる成形体を製造対象としている。第１の工程では、マトリックス樹脂が予備含浸された強化繊維基材（プリプレグ片）を使用することから、ＲＴＭ法の場合のように成形品の繊維の配向性の乱れが生じ得ない。また、第２の工程では、相隣る前記プリプレグの端辺同士が当接した姿勢もしくはたとえば５ｍｍ程度クリアランスを設けた姿勢で縫製機等で縫い合わされて一体とされる。なお、プリプレグ片は１ｍｍ厚程度で比較的柔らかい素材であり、縫製機による縫製は容易である。また、縫製時の縫い方は千鳥縫い、クランク縫いのいずれであってもよく、さらには、プリプレグ片同士の突合せ部（クリアランス）で上下の糸の縫い合い部（ステッチ）を設けることでプリプレグ片の変形への追従性を高めることもできる。

ここで、使用されるプリプレグ片は直交する２方向の炭素繊維同士を編んでできる２方向性プリプレグ（ＵＤプリプレグ）や１方向の炭素繊維を直交する糸で一体とした一方向性プリプレグのいずれであってもよい。第２の工程では、複数のプリプレグ片が縫い合わされてなる、一層で所定の立体形状の複合材が製造される。この第２の工程では、積層数に応じて複数の複合材が製造されるが、特に、積層方向で相隣る複合材のそれぞれの繋ぎ部が相互に相違する部位、すなわち、セットバックされた部位に形成されているのが好ましい。繋ぎ部（突合せ部）は一層の複合材の中でも強度的に弱部となり易いことから、これを積層して多層構造とした場合に、積層方向の同一箇所で複数の繋ぎ部が形成されると成形品における強度的弱部となるためである。

第３の工程では、複合材を一層ずつ成形型のキャビティ内に載置し、順次加圧成形することによって複数の複合材が積層されてなる加圧成形品を製造する。この加圧成形では、成形型内が高温雰囲気で加圧する際にプリプレグ片内の予備含浸樹脂が溶け出し、立体形状の積層複合材を一体とする。

上記する本発明のプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法によれば、立体形状のプリプレグ積層体からなる成形品の製造に際し、プリプレグ片同士を付き合わせた姿勢で縫製することで所望の立体形状の複合材を容易に形成することができ、加圧成形時にプリプレグ片同士がばらけることがないため、高品質な成形品を製造することができる。さらには、型内を密閉し、樹脂を含浸させる必要がないことから、ＲＴＭ法の場合のように、精巧な密閉構造の成形型や真空装置、注入樹脂圧を拘束するための型閉め機等が不要であり、装置コストは極めて低廉となる。

また、本発明によるプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法の好ましい実施の形態は、成形型の型閉めおよび型開き方向を第１の方向とし、該第１の方向に交差する方向を第２の方向とした場合に、前記第３の工程における加圧成形は、少なくとも前記第１の方向と前記第２の方向でおこなわれものであり、該第１の方向および第２の方向のそれぞれが前記複合材を構成する複数の面に対して垂直方向または略垂直方向となっていることを特徴とするものである。

前記複合材が３次元的な立体形状であることから、該複合材は、たとえば成形型の型閉めおよび型開き方向に直交する方向に広がる面と、この面に所定角度で交差する方向に広がる面を少なくとも有している。すなわち、複合材を構成する面の数だけ複数の角度方向への広がり面を有することになる。

ここで、従来のプレス成形のごとく、型閉めおよび型開き方向のみにプレス加工を施す成形型を使用した場合には、本発明の製造方法が対象とする、立体形状の複合材を複数積層してなる積層体のすべての面を同様の押圧力でプレス賦形することができず、したがって面ごとに厚みや強度が異なる成形品が製造される可能性が高い。そこで、本発明の製造方法は、すべての面に対して垂直方向または略垂直方向から同様の押圧力にて押圧することにより、かかる課題を効果的に解消しようとするものである。なお、ここでいう垂直方向とは、押圧対象の面が曲面の場合には法線方向を含む意味である。

たとえば、成形型を構成する可動型にカム機構を具備した成形型を使用し、このカム機構による押圧方向を型閉めおよび型開き方向とは異なる適宜の方向（複合材を構成する任意の面に直交する方向等）に調整しておき、かかる調整方向でカムを押して複合材の任意面を押圧することにより、型閉めおよび型開き方向に直交する方向以外の方向に広がる面に対しても該面に垂直方向から所望の押圧力でプレス賦形することができる。なお、ここでいうカム機構の一実施の形態としては、可動型の押圧方向を型閉めおよび型開き方向とした場合に、この可動型に対して前方面が所定角度に傾斜したカムを取り付けておき、可動型を押圧することでカムが押され、該カムを介して積層体の任意面が押圧されるような簡易な機構を挙げることができる。

本発明の製造方法によれば、立体形状のプリプレグ積層体からなる成形品のすべての面を同様の押圧力でプレス賦形することができ、したがって強度特性に優れ、部材厚が高精度に管理された高品質な成形品を製造することが可能となる。

さらに、本発明によるプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法の他の実施の形態は、前記プリプレグ積層体からなる成形品の製造方法において、成形型を構成する固定型および可動型が型締めされた際のキャビティのクリアランス厚は、３層分の複合材の厚み以上に設定されており、１層目の複合材が加圧成形される際には、成形型内に該１層目の複合材が載置され、その上に２層目および３層目の複合材の厚み以上の厚みを有するスペーサを載置して前記可動型にて加圧するものであり、２層目の複合材が加圧成形される際には、前記１層目の複合材の上に２層目の複合材が載置され、その上に３層目の複合材の厚み以上の厚みを有するスペーサを載置して前記可動型にて加圧するものであり、３層目の複合材が加圧成形される際には、前記２層目の複合材の上に３層目の複合材が載置され、その上に所定厚のスペーサを載置して前記可動型にて加圧するものであることを特徴とする。

ここで、使用されるスペーサはキャビティの部位により、クリアランス厚が不均一であっても可動型等で押圧した際に適宜に変形してこの不均一性を解消しながら一様の押圧力で押圧できるように弾性部材であることが好ましい。また、スペーサはたとえば１つの複合材の厚みを有するスペーサを２枚と複合材の厚み未満の厚みを有するスペーサを１枚用意しておき、さらにはキャビティのクリアランス厚を３層分の複合材の厚み以上に設定しておく。成形型のキャビティ内で１層ずつ順次複合材を加圧成形していく際に、複合材が載置された姿勢における残りのクリアランスに上記スペーサを適宜重ね合わせる等して加圧することにより、良好な加圧成形を実現することができる。

以上の説明から理解できるように、本発明のプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法によれば、高品質な立体形状のプリプレグ積層体からなる成形品を製造歩留まりを高めながら、かつ、製造コストを廉価としながら製造することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１は製作されたプリプレグ片を展開させた図であり、図２，４，５はそれぞれ、プリプレグ片同士を付き合わせた姿勢で縫製して製造された第１、第２、第３の複合材を示した斜視図である。図３ａ〜図３ｈはそれぞれプリプレグ片同士の縫製態様を示した模式図である。図６は第１の複合材〜第３の複合材が積層され、プレス賦形されてなる成形品の一実施の形態を示した斜視図である。図７ａ〜図７ｄは順に、プレス賦形方法の一実施の形態を示した模式図であり、図８ａ、ｂは、プレス賦形方法の他の実施の形態を示した模式図である。

図１は、最終的に成形されるプリプレグ積層体からなる成形品の立体形状に応じて複数のプリプレグ片Ｐ１，…をそれぞれ所定形状にカットしてなる展開図を示している。このプリプレグ片Ｐ１は、マトリックス樹脂であるエポキシ樹脂が炭素繊維内に予備含浸されてなる強化繊維基材が所定形状にカットされたものである。このプリプレグ片Ｐ１を使用して複合材を製造する場合には、たとえば炭素繊維が一方向に配向された各プリプレグ片を用意し、各構成部位ごとで引張強度が要求される方向に炭素繊維を配向させた姿勢でプリプレグ片同士を付きあわせて縫製する形態であってもよいし、２方向性のプリプレグ片を用意し、同様に付き合わせて縫製する形態であってもよい。

図２は、相隣るプリプレグ片Ｐ１，Ｐ１同士を縫製機にて縫製してできる所定の立体形状の複合材（第１の複合材Ｂ１）を示している。

ここで、縫製態様は図３の（ａ）〜（ｄ）に示すような千鳥縫いや（ｅ）〜（ｈ）に示すようなクランク縫いなど、所定の引張強度を有する縫製糸Ｔを使用した適宜の縫製態様を選定できる。中でも、図３ｃ、ｄ、図３ｇ、ｈのごとく、突合せ部にステッチＳを設けることで、プリプレグ片Ｐ１の変形に追随し易くなる。

図４は、図２で示した第１の複合材Ｂ１の上方に積層される第２の複合材Ｂ２を示したものであり、図５は、さらに第２の複合材Ｂ２の上方に積層される第３の複合材Ｂ３を示している。

図２と図４、図５を比較して明らかなように、各複合材Ｂ１，Ｂ２、Ｂ３で、それぞれが積層された際にすべての縫製ラインが異なるようにそれぞれの突合せ部（縫製部）が調整（セットバック）されており、これによって積層体強度の弱部が縫製部に集中しないようになっている。

各複合材Ｂ１〜Ｂ３は、後述のごとく、成形型を構成する固定型のキャビティに一層ずつ載置され、キャビティ内を所定の高温雰囲気とした姿勢で可動型にてプレスされ、これが３層に亘って実行されることにより、図６に示すように所定の立体形状を呈する成形品Ｂ４が製造される。

次に、図７、図８に基づいて、２つのプレス賦形方法を概説する。なお、各図における方法の説明では、図６のＡ−Ａラインの矢視図（断面図）を取り上げており、断面視で略Ω状を呈する成形品Ｂ４がプレス賦形されるものとする。

図７は、（ａ）〜（ｄ）にかけて順にプレス賦形方法の一実施の形態を示している。図７ａでは、固定型Ｄ２と可動型Ｄ１を型締めした際に、成形品の側面（ハの字部分）では３層分（複合材Ｂ１〜Ｂ３）のクリアランスＣが確保されており、可動型Ｄ１を型締めすることで上面がプレス賦形される。なお、このクリアランスＣは複合材Ｂ１〜Ｂ３を積層した厚み程度に設定されている。

次いで、図７ｂに移行し、可動型Ｄ１を型開きし、複合材Ｂ１の上方に複合材Ｂ２を積層し、図７ｃのごとく可動型Ｄ１を型締めすることで複合材Ｂ１，Ｂ２の上面がプレス賦形される。

次いで、図７ｄに移行し、可動型Ｄ１を型開きし、複合材Ｂ３を複合材Ｂ２の上方に積層し、可動型Ｄ１を鉛直下方（図中の矢印方向）に型締めすることで複合材Ｂ１〜Ｂ３の上面がプレス賦形される。

一方、図８は、（ａ）、（ｂ）の順にプレス賦形方法の他の実施の形態を示している。この方法は、図７の方法で使用される成形型を改良することにより、成形品を構成する各面に対するプレス加工時の押圧力を一様とすることで、プレス賦形後の品質（各面の強度、厚みなど）をより向上できる方法である。

図７に示す方法では、設定されたクリアランス幅（厚み）が所望の幅を有していない場合に側面部に対する押圧力が変化することとなり、したがって成形品のすべての面でプレス加工後の強度や厚みが異なる可能性がある。

そこで、図８ａに示すように、可動型Ｄ４の先端傾斜面に同様の傾斜面を有するカムＤ３を装着しておき、可動型Ｄ４を型締めすることでカムＤ３を所定の角度方向へ押出すようなカム機構を形成しておく。

カムＤ３の先端面の傾斜は成形品Ｂ４の側面角度に一致するように調整されており、３つの複合材Ｂ１〜Ｂ３の該側面はこれに直交する方向から随時カムＤ３で押圧されることになる。図示するカム機構を設けることにより、任意の角度面に対して押圧方向を調整することが可能となり、さらには、この角度面が湾曲状の場合にはカムＤ３の先端面の形状を対応した湾曲状に設定することで面形状の変化にも対応することができる。すなわち、任意の面形状、面角度を勘案して、該面の垂線方向または法線方向に所定の押圧力でプレス加工することが可能となり、立体形状を呈する成形品を構成するすべての面を同様の強度および厚みに成形することができる。

図８ｂは、図８ａの成形型を使用し、第１の複合材Ｂ１をプレス賦形するより詳細な方法を説明した図である。

固定型Ｄ１のキャビティ面に第１の複合材Ｂ１を載置し、その上方に、弾性素材でその表面がすべり易くなっている２枚のスペーサＷ１，Ｗ２を被せた姿勢で可動型Ｄ２を型締め方向（鉛直下方）にプレスすることにより、少なくとも成形品の上面を所定の厚みとなるまでプレス賦形する。

ここで、上記スペーサＷ１，Ｗ２により、断面Ω状の脚部の隅角部において生じ易いボイドや剥離を防止するととともに、クリアランスの不均一による剥離等も防止される。スペーサＷ１，Ｗ２は弾性素材ゆえにクリアランスの不均一性にも対応しながら一様の押圧力にて複合材を押圧することができる。なお、図中、型クリアランスは複合材Ｂ１〜Ｂ３の層厚に余裕厚αが加味されたクリアランスとなっている。

２層目（複合材Ｂ２）のプレス賦形の際にはスペーサＷ１を取り除き、スペーサＷ２＋αの型クリアランスで同様に型締めし、最後の３層目（複合材Ｂ３）のプレス賦形の際には不図示の厚みαのスペーサを介して型締めすることにより、成形品Ｂ４がプレス賦形される。

図８ａ，ｂに示したように、カム機構を具備した成形型を使用するととともに適宜のスペーサを介在させて複合材の積層体をプレス賦形することにより、立体形状の成形品を構成するすべての面を同様の強度および厚みに成形することが可能となる。

以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。

製作されたプリプレグ片を展開させた図である。 プリプレグ片同士を付き合わせた姿勢で縫製して製造された第１の複合材を示した斜視図である。 （ａ）〜（ｈ）はそれぞれプリプレグ片同士の縫製態様を示した模式図である。 プリプレグ片同士を付き合わせた姿勢で縫製して製造された第２の複合材を示した斜視図である。 プリプレグ片同士を付き合わせた姿勢で縫製して製造された第３の複合材を示した斜視図である。 第１の複合材〜第３の複合材が積層され、プレス賦形されてなる成形品の一実施の形態を示した斜視図である。 （ａ）〜（ｄ）の順に、プレス賦形方法の一実施の形態を示した模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、プレス賦形方法の他の実施の形態を示した模式図である。

符号の説明

Ｐ１…プリプレグ片、Ｔ…縫製糸、Ｓ…ステッチ、Ｂ１…第１の複合材、Ｂ２…第２の複合材、Ｂ３…第３の複合材、Ｂ４…成形品、Ｄ１…可動型、Ｄ２…固定型、Ｄ３…カム、Ｄ４…可動型、Ｃ…クリアランス、Ｗ１，Ｗ２…スペーサ

Claims (4)

1. マトリックス樹脂が予備含浸された強化繊維基材を所定形状に切断してプリプレグ片を製作する第１の工程と、
   相隣る前記プリプレグ片を当接または間隔を置いて突き合わせた姿勢で相互に繋ぎ合わせ、所定の立体形状の複合材を製作する第２の工程と、
   複数の前記複合材を成形型内で加圧成形しながら順次重ね合わせることで立体形状の成形体を製造する第３の工程と、からなる、プリプレグ積層体からなる成形品の製造方法。
2. 成形型の型閉めおよび型開き方向を第１の方向とし、該第１の方向に交差する方向を第２の方向とした場合に、前記第３の工程における加圧成形は、少なくとも前記第１の方向と前記第２の方向でおこなわれものであり、該第１の方向および第２の方向のそれぞれが前記複合材を構成する複数の面に対して垂直方向または略垂直方向となっていることを特徴とする、請求項１に記載のプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法。
3. 請求項２に記載のプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法において、
   前記第１の方向は可動型の移動方向であり、前記第２の方向は該可動型の移動に応じて移動されるカムの移動方向もしくはカムの略移動方向である、プリプレグ積層体からなる成形品の製造方法。
4. 請求項２または３に記載のプリプレグ積層体からなる成形品の製造方法において、
   成形型を構成する固定型および可動型が型締めされた際のキャビティのクリアランス厚は、３層分の複合材の厚み以上に設定されており、
   １層目の複合材が加圧成形される際には、成形型内に該１層目の複合材が載置され、その上に２層目および３層目の複合材の厚み以上の厚みを有するスペーサを載置して前記可動型にて加圧するものであり、
   ２層目の複合材が加圧成形される際には、前記１層目の複合材の上に２層目の複合材が載置され、その上に３層目の複合材の厚み以上の厚みを有するスペーサを載置して前記可動型にて加圧するものであり、
   ３層目の複合材が加圧成形される際には、前記２層目の複合材の上に３層目の複合材が載置され、その上に所定厚のスペーサを載置して前記可動型にて加圧するものである、プリプレグ積層体からなる成形品の製造方法。

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