JP2011084038A

JP2011084038A - 繊維強化複合材料の製造方法

Info

Publication number: JP2011084038A
Application number: JP2009240448A
Authority: JP
Inventors: Hironori Nagakura; 裕規長倉
Original assignee: Teijin Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2009-10-19
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2011-04-28
Anticipated expiration: 2029-10-19
Also published as: JP5603048B2

Abstract

【課題】強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料成形板の賦形と打ち抜き、またはトリミングを１工程の型締めで可能とする繊維強化複合材料の製造方法を提供すること。
【解決手段】強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料成形板を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上の温度まで、非晶性の場合はガラス転移温度以上の温度まで予備加熱し、予備加熱温度よりも低い温度でありかつ結晶性樹脂の場合は融点以下、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度以下の一定温度に保持された金型中で賦形し、金型中の切削機能部分にて打ち抜きまたはトリミングすることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
【選択図】なし

Description

本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料成形板の賦形と打ち抜き、またはトリミングを１工程の型締めで可能とする繊維強化複合材料の製造方法、もしくは成形加工方法に関するものである。

近年、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を強化繊維として用いた複合材料は、その高い比強度、比剛性を利用して、航空機等の構造材として多く用いられてきている。これらの複合材料は、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸された中間製品であるプリプレグから、加熱・加圧・賦形といった成形・加工工程を経て成形される場合が多い。

繊維強化複合材料の成形・加工をするにあたり、一般的には形状を賦形した後、切削・トリミング加工が行なわれるが、工程が煩雑になることで生産性が低くコストも高くなるという問題がある。これらの問題を解決するための手段として特許文献１には金型を用いた打ち抜き加工方法が記載されている。また、特許文献２には、あらかじめ必要な部分に貫通孔を形成しておくなどの成形方法が記載されているが、賦形と打ち抜き・トリミングの同時成形に関する技術は無かった。

特開２００９−１７２７５３号公報特開２００８−２９０２６９号公報

本発明は、従来の方法では２工程で成形を行なっていた賦形と打ち抜き、トリミングを同一の金型でバリを発生させること無く、１工程の型締めで行うことができる繊維強化複合材料の製造方法である。

本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料成形板を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上の温度まで、非晶性の場合はガラス転移温度以上の温度まで予備加熱し、金型が４０℃以上であり、予備加熱温度よりも低い温度でありかつ結晶性樹脂の場合は融点以下、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度以下の一定温度に保持された金型中で賦形し、金型中の切削機能部分にて打ち抜きまたはトリミングすることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法である。賦形と打ち抜き・トリミングの同時成形加工が可能となることを特徴とする。

本発明方法を用いることで、従来２工程以上必要であった工程を１工程で行うことが可能になり、かつバリを発生させること無く繊維強化複合材料の成形体を得ることができる。

本発明の金型構造例の概略図繊維強化複合材料成形板Ａの例示（シートと積層体の二種）繊維強化複合材料成形板Ｂの例示

本発明は繊維強化複合材料成形板を外部のヒーターにて予備加熱して、予備加熱された材料を金型内に移動させ、１工程の型締め操作に於いて賦形と打ち抜き、または、トリミングの同時成形できることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法である。

本発明における繊維強化複合材料成形板の予備加熱には赤外線ヒーター、カーボンヒーター、熱風乾燥機などが使用できるが、加熱速度が速く成形サイクルも上げられることから赤外線ヒーターやカーボンヒーターを使用することが好ましい。繊維強化複合材料成形板の予備加熱は１５０℃〜３５０℃の範囲とすることが好ましく、繊維強化複合材料成形板に使用されているマトリックス樹脂が結晶性樹脂の場合は融点（Ｔｍ）以上、樹脂の熱分解温度未満とし、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度（Ｔｇ）以上、樹脂の熱分解温度未満とする。結晶性樹脂の場合、融点未満では金型での賦形が出来ず、熱分解温度以上では樹脂が劣化して外観不良や耐候性に問題を生じる。非晶性樹脂の場合、ガラス転移温度未満では金型の賦形が出来ず、熱分解温度以上では樹脂が劣化して外観不良や耐候性に問題を生じる。

予備加熱温度は熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上の温度であるが、樹脂の種類にもよるが、融点以上〜１００℃（ただしその樹脂の熱分解温度未満）に設定することが好ましい。
予備加熱温度は非晶性の場合はガラス転移温度以上の温度であるが、樹脂の種類にもよるが、ガラス転移温度＋２０℃〜１００℃（ただしその樹脂の熱分解温度未満）に設定することが好ましい。

本発明に使用する金型の一例を図１に示す。金型はダイプレート１と打ち抜き刃２から構成されており、ダイプレート１と打ち抜き刃２のクリアランス３が１〜５０μｍで製作されている。クリアランス３が１μｍよりも小さい金型では、型締め時にタイプレート１と打ち抜き刃２が接触し、金型を破損することがある。クリアランス３が５０μｍよりも大きいと、ダイプレート１と打ち抜き刃２の隙間が大きくなりせん断力が弱くなるため、バリが発生したり、製品の寸法に誤差を生じる。また、ダイプレート１の打ち抜き部周辺にクッション材４が２ｍｍ〜１０ｍｍの幅で配置されており、型締めしたときに繊維強化複合材料成形板を押さえられる機構になっている。繊維強化複合材料成形板を押さえることで、バリや割れの発生が抑制され、寸法精度も向上する。クッション部４が２ｍｍ以下では押さえる力が弱く、バリや割れが発生することがあり、１０ｍｍ以上では賦形性が低下することがある。

成形板を押さえる圧力条件はとくに限定はなく、賦形が可能な圧力範囲内であればよく材料にもよるが、製品面に対して加圧が０．５ＭＰａ〜１０ＭＰａであることが好ましい。

本発明に使用する金型は温度調節が可能であり、金型温度は少なくとも４０℃〜２００℃の範囲で調節できることが好ましい。温度調節には棒ヒーター、熱媒油、温水、蒸気などが挙げられ、特に、上記温度範囲にて安定的に温度が上げられる棒ヒーターや熱媒油が好ましい。金型温度は予備加熱温度よりも低い温度とし、繊維強化複合材料成形板に使用されているマトリックス樹脂が結晶性樹脂の場合は融点以下とし、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度（Ｔｇ）以下とする。結晶性樹脂の場合、融点超では賦形した成形品の寸法誤差や外観不良の問題を生じ、非晶性樹脂の場合もガラス転移温度超では賦形した成形品の寸法誤差や外観不良の問題を生じる。

本発明の方法では予備加熱された繊維強化複合材料成形板を金型内で徐冷し、賦形するのと同時に打ち抜きまたはトリミングするが、予備加熱温度と金型温度との温度勾配により、成形速度がコントロールされる。金型温度を余りに低く設定すると急冷されすぎて賦形がうまくできないため、樹脂の種類にもよるが、金型温度は最低４０℃以上、好ましくは６０℃以上、より好ましくは８０℃以上とする。金型温度は、予備加熱温度に対して１００℃〜２００℃低く保持することが好ましい。

本発明の繊維強化複合材料成形板に用いられる強化繊維としては、樹脂と複合して成形体を得た際に強度を付与できるものであればよく,炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレンテレフタレート繊維などが使用できる。これらは単独または、２種類以上を併用して使用することも可能である。特に軽量性、強度、剛性に効果の大きい炭素繊維が好ましい。

本発明に使用される樹脂は熱可塑性樹脂の種類は特に限定は無く、具体的にはポリプロピレン等のポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ナイロン等のポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレートあるいはポリブチレンテレフタレート等のポリエステル、ポリ乳酸、ポリアセタール、ポリオキシメチレン、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン）系共重合体（ＡＢＳ樹脂）、ポリ（アクリロニトリル−スチレン）系共重合体（ＡＳ樹脂）あるいはハイインパクトポリスチレン（ＨＩＰＳ）等のスチレン系樹脂、ポリメチルメタクリレート等のアクリル系樹脂等を挙げることができる。

本発明に使用される繊維強化複合材料成形板の具体例として、好ましい例である繊維強化複合材料成形１および２を図２、３に示す。
繊維強化複合材料成形板Ａは図２に示すように強化繊維の織物、ランダムマット、または一方向シートに熱可塑性樹脂を含浸させたものを成形したシートである。繊維強化複合材料成形板Ａは、それらを２枚以上積層して成形した積層板としても良い。０．１ｍｍよりも薄い繊維強化複合材料成形板Ａを作製することは実質的に困難であり、２．０ｍｍよりも厚いと打ち抜き刃の磨耗が激しく、繊維強化複合材料成形板Ａにバリや割れが発生しやすくなるため、繊維強化複合材料成形板Ａのシートの厚みは０．１ｍｍ〜２．０ｍｍであることが好ましい。

繊維強化複合材料成形板Ｂは図３に示すとおり、サンドイッチ構造であり、表層は強化繊維の織物、ランダムマット、または一方向シートに熱可塑性樹脂を含浸させたシート、またはそれらを積層して成形した積層体である。繊維強化複合材料成形板Ｂの中間層は、熱可塑性樹脂シート若しくは発泡コアを有する。繊維強化複合材料成形板Ｂの表層の厚さは０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであることが好ましく、中間層は０．８ｍｍ〜１９．０ｍｍであることが好ましく、積層板全体の厚さは１．０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であることが好ましい。積層板全体の厚さが１．０ｍｍよりも薄い繊維強化複合材料成形板Ｂでは剛性が足りず成形品としては好ましくなく、２０ｍｍよりも厚いと打ち抜き刃の磨耗が激しくなる。

以下に実施例を示すが、本発明はこれらに制限されるものではない。
［実施例１］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した平織織物Ｗ３１０１を２枚、厚さ１２５μｍのポリカーボネート樹脂フィルム（帝人化成製：ガラス転移温度150℃）を積層して３００℃、２ＭＰａでホットプレスして厚さ０．８ｍｍの繊維強化複合材料成形板Ａを作製した。
この繊維強化複合材料成形板Ａを赤外線ヒーターで３２０℃まで予備加熱後、型締め装置に搬送し、１００℃に設定した金型にて賦形・打ち抜きを行ない、全体形状、角部形状、バリ、割れの有無を評価した。ダイプレートと打ち抜き刃のクリアランスは１０μｍに設定しクッション材部分の幅は５ｍｍとした。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［実施例２］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した平織織物Ｗ３１０１を１枚、厚さ１２５μｍのポリカーボネート樹脂フィルム（帝人化成製）を積層して３００℃、２ＭＰａでホットプレスして厚さ０．３ｍｍの繊維強化複合材料成形板Ａを２枚作製した。この繊維強化複合材料成形板Ａ２枚を厚さ１．０ｍｍのポリカーボネート樹脂の両面に貼り合わせて厚さ１．６ｍｍの繊維強化複合材料成形板Ｂを得た。繊維強化複合材料成形板Ｂを赤外線ヒーターで２８０℃まで予備加熱後、型締め装置に搬送し、１００℃に設定した金型にて賦形・打ち抜きを行なった。ダイプレートと打ち抜き刃のクリアランスは１０μｍに設定しクッション材部分の幅は５ｍｍとした。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［実施例３］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した平織織物Ｗ３１０１を２枚、厚さ１２５μｍのナイロン６（宇部興産製：融点１７０℃）のシートを積層して２７０℃、２ＭＰａでホットプレスして厚さ０．８ｍｍの繊維強化複合材料成形板Ａを作製した。この繊維強化複合材料成形板Ａを赤外線ヒーターで２５０℃まで予備加熱後、型締め装置に搬送、６０℃に設定した金型にて賦形・打ち抜きを行なった。ダイプレートと打ち抜き刃のクリアランスは１０μｍに設定しクッション材部分の幅は５ｍｍとした。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［実施例４］
炭素繊維ＨＴＡ−３Ｋ（東邦テナックス社製）を使用した平織織物Ｗ３１０１を１枚、厚さ１２５μｍのナイロン６（宇部興産製：融点１７０℃）のシートを積層して２７０℃、２ＭＰａでホットプレスして厚さ０．３ｍｍの繊維強化複合材料成形板Ａを２枚作製した。この繊維強化複合材料成形板Ａ２枚を厚さ１．０ｍｍのナイロン６シートの両面に貼り合わせて厚さ１．６ｍｍの繊維強化複合材料成形板Ｂを得た。
繊維強化複合材料成形板Ｂを赤外線ヒーターで２３０℃まで予備加熱後、型締め装置に搬送、６０℃に設定した金型にて賦形・打ち抜きを行なった。ダイプレートと打ち抜き刃のクリアランスは１０μｍに設定しクッション材部分の幅は５ｍｍとした。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［実施例５］
平織織物の代わりに炭素繊維ランダムマット（東邦テナックス社製ＳＴＳ２４Ｋを１０ｍｍにカットし目付２００ｇ／ｍ^２に抄紙したもの）を使用した他は実施例１と同様に、繊維強化複合材料成形板Ａを得て、金型にて賦形・打ち抜きを行なった。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［実施例６］
平織織物の代わりに炭素繊維ランダムマット（東邦テナックス社製ＳＴＳ２４Ｋを１０ｍｍにカットし目付２００ｇ／ｍ^２に抄紙したもの）を使用した他は実施例２と同様に、繊維強化複合材料成形板Ｂを得て、金型にて賦形・打ち抜きを行なった。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［比較例１］
実施例１と同様の炭素繊維平織物とポリカーボネート樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材料成形板Ａを赤外線ヒーターで３２０℃まで予備加熱後、型締め装置に搬送し、３０℃に設定した金型にて賦形・打ち抜きを行なった。ダイプレートと打ち抜き刃のクリアランスは１０μｍに設定しクッション材部分の幅は５ｍｍとした。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

［比較例２］
実施例１と同様の炭素繊維平織物とポリカーボネート樹脂をマトリックスとした繊維強化複合材料成形板Ａを赤外線ヒーターで１２０℃まで予備加熱後、型締め装置に搬送、１００℃に設定した金型にて賦形・打ち抜きを行なった。ダイプレートと打ち抜き刃のクリアランスは１０μｍに設定しクッション材部分の幅は５ｍｍとした。賦形・打ち抜きの結果を表１に示す。

表中の定義は以下である。
形状部分の区分は○は良好(形状と表面もきれい、型当たりしている、△は形状良好表面不良、型当たりが充分でない、×は形状も出ていないし、表面も不良
バリについては○バリ発生無し、×バリ発生有り
割れについては○割れ発生無し、×割れ発生有り

表１の実施例１〜６の結果から、本発明の加工方法により賦形・打ち抜き加工をした繊維強化複合材料成形板は、いずれもバリ、割れを発生させずに賦形と打ち抜きの同時加工が可能である。これに対し、比較例１〜２のように赤外線ヒーターの温度や金型温度が低いと賦形が出来なかったり、打ち抜き時のバリや割れの発生原因となる。

１：ダイプレート
２：打ち抜き刃
３：クリアランス
４：クッション
５：繊維強化複合材料成形板Ａシート
６：繊維強化複合材料成形板Ａ積層板
７：繊維強化複合材料成形板Ｂ
８：熱可塑性樹脂シート、発泡コア

Claims

強化繊維と熱可塑性樹脂とからなる繊維強化複合材料成形板を、熱可塑性樹脂が結晶性の場合は融点以上の温度まで、非晶性の場合はガラス転移温度以上の温度まで予備加熱し、４０℃以上であり、予備加熱温度よりも低い温度でありかつ結晶性樹脂の場合は融点以下、非晶性樹脂の場合はガラス転移温度以下の一定温度に保持された金型中で賦形し、金型中の切削機能部分にて打ち抜きまたはトリミングすることを特徴とする繊維強化複合材料の製造方法。
繊維強化複合材料成形板の予備加熱を赤外線ヒーター、またはカーボンヒーターで行なうことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材料の製造方法。
強化繊維が炭素繊維を含んでいることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
繊維強化複合材料成形板が、強化繊維の織物、ランダムマットまたは一方向シートに、熱可塑性樹脂を含浸させたシート、およびまたはそれらの積層体を含む請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法。
強化繊維の織物、ランダムマットまたは一方向シートに熱可塑性樹脂を含浸させたシート、またはそれらを積層して成形した積層体であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法に用いる繊維強化複合材料成形板。
サンドイッチ構造であり、表層は強化繊維の織物、ランダムマットまたは一方向シートに熱可塑性樹脂を含浸させたシート、またはそれらを積層して成形した積層体であって、中間層として熱可塑性樹脂シート若しくは発泡コアを有することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材料の製造方法に用いる繊維強化複合材料成形板。