JP2010131838A - 繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】過剰な手間・コストを要することなく、中空部を有する繊維強化樹脂成形品を精度高く製造する方法を提供する。
【解決手段】中空部５bとその開口部２０bを有する成形品を製造する繊維強化樹脂成形品の製造方法において、その真空バッグ１０は、被成形物３の中空部５ｂ内に挿入させて内側から密着する内バッグ１０ｂと、外型２１，２２の外面総てを覆って密着する外バッグ１０ａとからなり、内バッグ１０ｂの開放側端縁が外バッグ１０ａの切り欠き部端縁に内外気密的に接続されてなり、真空バッグ１０内を減圧することで外バッグ１０ａを外型２１，２２の外面に密着させて外側から押圧するとともに、内バッグ１０ｂを内側から密着させて被成形物３を外型２１，２２の内面に押圧し、且つ非加圧雰囲気内で加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂成形品の製造方法に関し、殊に、中空部を有する成形品を高精度に成形するための繊維強化樹脂成形品の製造方法に関する。

近年、ＦＲＰ（繊維強化樹脂材料）からなる成形品を製造する方法として、強化繊維シートにフェノール等の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグシートを型内面に敷設して被成形物とし、その露出した内面を樹脂シート製の真空バッグで覆ってバッグ内部を吸引・減圧することにより、外気との差圧で被成形物を型に密着・押圧した状態とし、所定温度に加熱して熱硬化性樹脂を硬化させて成形する、いわゆる真空バッグ成形と呼ばれる成形方法が普及している。

この真空バッグ成形においては、プリプレグシートの樹脂中に含まれる揮発成分や水分、或いはプリプレグシートの積層部分に封入された空気が、成形後にボイドとなって成形品の精度を低下させることがある。そのため、真空バッグ成形をオートクレーブ内の加圧環境で行い、外部からの圧力で強制的に余分な流体を押し出して除くことが行われている。

ところが、オートクレーブを用いた成形を実施しようとする場合、装置自体が大規模且つ高価であり、設備投資と装置の維持・運転経費が過大となってコスト的に見合わなくなるケースも多い。また、６気圧程度の加圧状態で成形を実施するため、中空部を有する成形品の場合に、外側から比較的大きな圧力が加わる部分の型の強度を確保する必要が生じてコストが嵩みやすいものとなる。さらに、内部空間が円柱状のオートクレーブにあっては、成形品のサイズにも自ずと限界が生じて一体成形の不可能な状況も多く生じ得る。

このような問題に対し、特開２００８−１８６２４号公報には、真空バッグ成形を加圧手段のないオーブン内で実施する際に、加熱前半段階で真空度は高めるがバッグ内外の差圧による被成形物への加圧は停止させ、その後の加熱後半段階で加圧停止を解除して差圧による被成形物への加圧を行なうものとして、成形工程における被成形物へのバッグによる加圧のタイミングを制御することにより、ボイドの発生を回避するようにした成形方法が提案されている。

この成形方法では、真空バッグ内は減圧環境としながら被成形物には圧力を加えない状態で加熱することにより、樹脂の粘度を低下させて気泡が流動しやすい状況として被成形物表面に気泡を逃がした後、加圧状態にして樹脂を硬化させることによりボイドの発生を回避しやすいものとしている。

しかしながら、この成形方法の場合には、加熱前半段階に所定のプレス材を被成形物から浮かせて支持し、その後、支持を解除して加圧するという複数の手順が必要となり、製品毎に固有のプレス材を用意するコストに加え、その各段階におけるセッティングに要する手間も過大なものとなる。そのため、特に多品種少量生産の場合には、コスト及び労力が見合わないものとなってしまう。

また、開口部が内部空間の径よりも小さな中空部を有して１つの内型（芯材）では型抜きしにくい形状の成形品を真空バッグ成形で製造する場合には、開口部を通過できるサイズに分割した複数のブロックからなる内型を準備し、且つ、その挿脱の手間を要することになるため、低コストで精密な成形を実現することが困難となりやすい。
特開２００８−１８６２４号公報

本発明は、上記のような問題点を解決しようとするものであり、過剰な手間・コストを要することなく、中空部を有する繊維強化樹脂成形品を精度高く製造できるようにすることを課題とする。

そこで、本発明は、強化繊維シートに熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグシートを型の内面に複数枚敷設して被成形物とし、この被成形物を真空バッグで覆い、所定の吸引手段で真空バッグと被成形物との間の空気を吸引・減圧して被成形物を型に押圧しながら、所定の加熱手段で加熱し熱硬化性樹脂を硬化させて成形することにより、中空部とその開口部を有する成形品を製造するものとした繊維強化樹脂成形品の製造方法において、その真空バッグは、被成形物の開口部及びこれに一致する位置に設けた型の開口部を介し被成形物の中空部内に挿入させて内側から被成形物に密着する内バッグと、型の外面総てを覆って密着する外バッグとからなり、内バッグの開放側端縁が外バッグの所定位置に設けた切り欠き部の端縁に内外気密的に接続されてなるものであり、真空バッグ内を減圧することにより、外バッグを型の外面に密着させて外側から押圧するとともに内バッグを内側から密着させて被成形物を型の内面に押圧した状態とし、且つ、非加圧雰囲気内で加熱することを特徴とする、繊維強化樹脂成形品の製造方法とした。

このように、中空部を有する被成形物の開口部を介して内バックを挿入し、この内バッグの開放側端縁が型の外面を覆う外バックに気密的に接続したものとして、真空バッグの内部空気を吸引・減圧することにより型内面に敷設した被成形物を内外のバッグで両側から挟むように密着・押圧しながら加熱するものとしたことで、オートクレーブによる加圧を要することなく被成形物への充分な加圧状態を確保して、オーブン等の非加圧式加熱手段を用いた成形でもボイドの原因となる余分な流体を排除可能なものとなり、また複数に分割された内型やプレス材の配設を不要として、中空部を有する繊維強化樹脂成形品を比較的容易に製造できるものとなる。

また、この場合、被成形物の内バッグが密着する面と内バッグとの間に、被成形物から滲出した余分な流体を吸収しながら空気の流通を確保する機能を有したシート材を介装しておくことを特徴としたものとすれば、吸引による空気の流通が不充分な部分ができることによる差圧のムラが発生しにくくなるとともに、揮発成分、樹脂、水分、空気等の余分な流体を充分に除きやすいものとなる。

さらに、上述した繊維強化樹脂成形品の製造方法において、内バッグが密着する面のうち、成形品の形状により内バックの圧迫による成形が不充分となりやすい部分に、所定形状の補助パッドを内バッグの内側に挟装したことを特徴としたものとすれば、角部や複雑な形状部分も精度高く成形することができるようになる。

さらにまた、上述した繊維強化樹脂成形品の製造方法において、その加熱工程の際に、先にプリプレグシートの熱硬化性樹脂が硬化せずに軟化・流動化する温度で所定時間加熱して、被成形物内に存在した余分な流体を表面に移動させて除いてから、熱硬化性樹脂が硬化する温度にして成形することを特徴としたものとすれば、余分な流体が確実に除去できるようになって成形品の精度を一層確保しやすいものとなる。

加えて、上述した繊維強化樹脂成形品の製造方法において、その加熱手段は温度調整機能を備えたオーブンであり、その内部に吸引手段から延設され真空バッグに接続される吸引用配管が配設されている、ことを特徴としたものとすれば、精密な温度制御のもとで真空バッグ成形を実施できるものとなる。

被成形物の開口部を介し外バッグに接続した内バッグを中空部内に挿入して吸引・減圧することにより型の内外から真空バッグで押圧しながら成形するものとした本発明によると、過剰な手間・コストを要することなく中空部を有する繊維強化樹脂成形品を精度高く製造することができるものである。

以下に、図面を参照しながら、本発明を実施するための最良の形態を説明する。

図２は、本発明における実施の形態である繊維強化樹脂成形品の製造方法により製造される成形品の一例を示す斜視図である。本実施の形態の製造方法では、比較的薄肉で軽量でありながら高い強度を備えた繊維強化樹脂成形品を精度高く製造することを目的としたものであり、図示したように中空部を有するとともにその中空部と外部とを連通する開口部２０ａ，２０ｂを備え、その中空部内に挿入する内型は分割しなければ抜けない構造部分を有している成形品２のような形状の場合を想定している。

図１は、前述した成形品２を加熱・成形して製造する直前の状態を示すものであって、本実施の形態である繊維強化樹脂成形品の製造方法における準備段階について説明するための縦断面図（端面図）を示している。その製造方法の手順としては、先ず、ＦＲＰ等からなる比較的肉薄で２つ割式の外型２１，２２を接合させた状態とし、その内面に未硬化の繊維強化樹脂からなる複数枚のプリプレグシート３０を大きい方の開口部２０ａを介し敷設して、被成形物３とする。尚、本実施の形態においては、以下に述べるようにオートクレーブ等による加圧雰囲気で加熱・成形を行わないことから、使用する型には高い強度を必要としないものとなっている。

使用するプリプレグシート３０は、強化繊維シートに予め熱硬化性樹脂を含浸させたものを用いるが、フェノール樹脂やエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂をグラスファイバー等の強化繊維シートに含浸して作成した市販製品をそのまま用いることができる。尚、本発明の繊維強化樹脂成形品の製造方法は、例えば厚さ０．２５ｍｍのプリプレグシートを４枚重ね程度までの厚さを有する成形品の製造に適したものとなっている。

そして、本実施の形態においては、所定範囲の内部空間からなる中空部５ａは、外型２１，２２を接合・固定した状態で形成される開口部２０ａを介して内型が抜ける構造であるため、１つのブロックからなる内型２３を挿設するものとしているが、それより奥の中空部５ｂは１つの内型では抜けない構造となっている。

そこで、この中空部５ｂについては、内型を用いずにその内部空間と外部とを接続する開口部２０ｂを介して挿入する内バッグ１０ｂが内型の代わりとされて、その内バッグ１０ｂの開放側端縁が外型２１，２２の外面総てを覆う外バッグ１０ａにおける開口部２０ｂに一致する位置に設けた切り欠き部の端縁に内外気密的に接続されてなる真空バッグ１０を使用するものとしており、この点が本実施の形態における第１の特徴部分となっている。

即ち、上述したように、オートクレーブを使用しないで従来のバッグ成形を実施する場合は、図２に示した中空部を有する成形品２のような形状の成形品を製造する場合に、被成形物への均一かつ充分な加圧が困難となりやすいために、ボイドを生じて高い製品精度を確保しにくくなるとともに、内型を複数に分割する必要が生じて手間とコストが過大になりやすく、また、前述の特許文献に記載されたプレス材を介装して温度制御を行う成形方法の場合でも、手間とコストが嵩みやすいという難点があった。

そこで、図のように外バッグ１０ａと、外バッグ１０ａに設けた切り欠き部端縁に開放側端縁を内外気密的に接続された内バッグ１０ｂからなる真空バッグ１０を予め作成しておき、中空部５ｂ内にその開口部２０ｂを介して内バッグ１０ｂを挿入するとともに、外バッグ１０ａで外型２１，２２及び開口部２０ａ側を塞いだ内型２３底面の総てを覆った状態として、真空バッグ１０内側を吸引・減圧するものとした。

これにより、内型が使用しにくい形状の中空部５ｂにおいて、プリプレグシート３０からなる被成形物３内面に内バッグ１０ｂが密着するとともに、外型２１，２２の外面から外バッグ１０ａが密着するものとし、被成形物３を内外両側から押圧するものとして、精密な成形と余分な流体を除くのに充分な加圧状態を実現させるようにしたものである。

尚、図示したように、外型２１，２２内面に敷設した複数のプリプレグシート３０からなる被成形物３の内面（露出面）側に、プリプレグシート３０から滲出した余分な流体を吸収させるとともに離型性を高め、且つ、空気の流通を確保する機能を有したシート材１２を、内バッグ１０ｂとの間に介装することが推奨される。

このシート材１２としては、ピールクロスやブレザークロスを用いることができるが、これに加えて、表面が平滑な樹脂シートに表裏を連通させる複数の連通孔を均一に設けた離型フィルム１１を、図のようにシート材１２と被成形物３との間に介装することにより、シート材１２がプリプレグシート３０に接着して剥離困難になることを回避可能とすることができる。

ところで、内バッグ１０ｂを内側から被成形物３に密着させて成形する場合、完成後の成形品２における角部や精密な形状を有する部分については、被成形物３への内バッグ１０ｂによる内側からの充分な密着度及び押圧力が実現しにくい部分が生じ得る。即ち、図１においては角部５１，５２，５３部分の成形精度が問題となりやすい。

そこで、本実施の形態においては、これらの部分の被成形物３内側面で内バッグ１０ｂとの間に補助パッド５１０，５２０，５３０を挟装して圧力が加わりにくい角部５１，５２，５３の先端まで充分に力が加わるようにして、精密な成形を実現可能なものとしている。尚、補助パッド５１０，５２０，５３０は、一方の側に成形する部分の内側形状が設けてあり、他方の側は比較的平滑で内バッグ１０ｂが密着しやすい形状とされており、その材質は適度な弾性を有して圧力を平均的に伝えやすいシリコンゴム等の弾性樹脂が好適である。

そして、図１のような状態としたものを、オーブン等の所定の加熱手段の内部に配設し、その加熱手段に付設した吸引手段から延設された吸引用配管を真空バッグ１０の図示しない接続部に接続して、真空バッグ１０内部を吸引・減圧して真空度を高めながら加熱して成形を行う。

尚、この場合、複数の被成形品を加熱手段内に並列配置しながら、同時に成形を実施できるように吸引用配管を加熱手段内に複数並列的に設けることが推奨される。次に、その加熱・成形工程における本実施の形態の特徴部分について説明する。

本実施の形態においては、加熱処理の前半部分を熱硬化性樹脂が軟化して被成形物３内部に存在する空気等の余分な流体が移動しやすい状態とし、これらの流体が被成形物３の外面に抜けた後に、加熱処理の後半部分を熱硬化性樹脂が硬化する温度に上げて成形を行うようにしており、この点が本実施の形態の第２の特徴部分となっている。例えば、プリプレグシート３０に用いた熱硬化性樹脂がフェノール樹脂の場合は、加熱処理の前半部分を所定の昇温パターンにて上昇させ１００度で６０分間維持した後、後半部分を１３０度で１８０分間加熱して成形するものとしている。

このようにすることで、プリプレグシート３０中またはその積層部分に含まれた余分な流体を充分に除くことができ、また、これらの余分な流体が被成形物３の表面で破泡して凹凸を形成しても、熱硬化性樹脂が硬化する前の段階で真空バッグ１０により内側と外側の両方で型内面に圧迫されて表面が平滑になるため、ボイドやピットが残りにくいものとなって、成形品２を精度高く製造することが可能なものとなる。

さらに、本実施の形態においては、吸引手段の駆動制御を行ないながら、使用するプリプレグシート３０の種類、被成形物３の厚さ及び全体形状に応じて、最適な真空度になるように制御するものとして、適度な密着・押圧状態が確保されるように精密に調整を行うことが推奨される。

このようにして成形された繊維強化樹脂の成形品２は、肉薄で軽量でありながら優れた強度と精度を実現したものとなり、その製造手順は上述したように比較的簡易なものであるため、過大な設備投資や維持・運転経費を要さずに、しかも過剰な手間を要することなく成形可能なものとなり、少量多品種生産の場合にも好適なものとなる。

以上、述べたように、本発明により過剰な手間・コストを要することなく、中空部を有する繊維強化樹脂成形品を精度高く製造できるようになった。

本発明における実施の形態を説明するための縦断面（端面）図。 図１による成形品の例を示す斜視図。

符号の説明

２ 成形品、３ 被成形物、５ａ，５ｂ 中空部、１０ 真空バッグ、１０ａ 外バッグ、１０ｂ 内バッグ、１１ 離型フィルム、１２ シート材、２０ａ，２０ｂ 開口部、２１，２２ 外型、２３ 内型、３０ プリプレグシート、５１，５２，５３ 角部、５１０，５２０，５３０ 補助パッド

Claims (5)

1. 強化繊維シートに熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグシートを型の内面に複数枚敷設して被成形物とし、該被成形物を真空バッグで覆い、所定の吸引手段で該真空バッグと前記被成形物との間の空気を吸引・減圧して前記被成形物を前記型に押圧しながら、所定の加熱手段で加熱し前記熱硬化性樹脂を硬化させて成形することにより、中空部と該中空部の開口部を有する成形品を製造するものとした繊維強化樹脂成形品の製造方法において、
   前記真空バッグは、前記被成形物の開口部及び該開口部に一致する位置に設けた前記型の開口部を介し前記被成形物の中空部内に挿入させて内側から該被成形物に密着する内バッグと、前記型の外側総てを覆って密着する外バッグとからなり、前記内バッグの開放側端縁が前記外バッグの所定位置に設けた切り欠き部の端縁に内外気密的に接続されてなるものであり、該真空バッグ内を減圧することにより、前記外バッグを前記型の外面に密着させて外側から押圧するとともに前記内バッグを内側から密着させて前記被成形物を前記型の内面に押圧した状態とし、且つ、非加圧雰囲気内で加熱することを特徴とする、繊維強化樹脂成形品の製造方法。
2. 前記被成形物の前記内バッグが密着する面と前記内バッグとの間に、前記被成形物から滲出した余分な流体を吸収しながら空気の流通を確保する機能を有したシート材を介装しておくことを特徴とする、請求項１に記載した繊維強化樹脂成形品の製造方法。
3. 前記被成形物の前記内バッグが密着する面のうち、前記成形品の形状により前記内バックの押圧による成形が不充分となりやすい部分に、所定形状の補助パッドを前記内バッグとの間に挟装したことを特徴とする、請求項１または２に記載した繊維強化樹脂成形品の製造方法。
4. 加熱工程の際に、先に前記プリプレグシートの熱硬化性樹脂が硬化せずに軟化・流動化する温度で所定時間加熱して、前記被成形物内に存在した余分な流体を該被成形物表面に移動させて除いてから、前記熱硬化性樹脂が硬化する温度にして成形する、ことを特徴とする請求項１，２または３に記載した繊維強化樹脂成形品の製造方法。
5. 前記加熱手段は、温度調整機能を備えたオーブンであり、内部に前記吸引手段から延設され前記真空バッグに接続される吸引用配管が配設されている、ことを特徴とする請求項１，２，３または４に記載した繊維強化樹脂成形品の製造方法。
   

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