JP2011504823A - 力の伝達及び応力を最適化した繊維配向をもつ繊維複合中空体の製造方法 - Google Patents

Abstract

繊維複合中空体、特に中空の車両用繊維複合部品の製造方法であり、
ａ）後に空洞部となる消失型へエンドレス強化繊維を取り付け固定する工程、ここで、製造するべき繊維複合中空体に対して繊維材料は、力の伝達及び応力を最適化した状態に構成されている、工程、
ｂ）硬化性樹脂によって強化繊維を含浸する工程、
ｃ）繊維複合部品の形成において適用された樹脂を硬化する工程、
ｄ）前記繊維複合中空体の形成において前記消失型を溶解、溶融又は除去する工程、
という工程段階を含み、
複雑な形状の消失型が使用され、前記繊維は、表面輪郭が完全に反映された状態で前記消失型の表面に密着して取り付けられることを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、複雑な繊維複合中空体、特に中空の車両用繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）構成部品の製造方法に関し、この場合、製造する繊維複合中空体の繊維材料は、力の伝達及び応力を最適化した状態に構成されている。

回転対称形の繊維強化複合体、又は繊維強化プラスチック（ＦＶＫ）の一般的な製造方法は、ラッピング法である。この場合、チューブを作るためには、繊維ストランド、繊維束又は繊維帯などに反応樹脂を浸み込ませて、それを回転している円筒形の型に巻き付ける。繊維の接着は、取り付けられたストランドの引張応力によって行われる。樹脂の硬化後、完成したチューブから型が取り除かれる。

この方法では、例えばアンダーカット又は凹凸のある移行部など、より複雑な形状を有する部品を作ることはほとんど不可能である。このような場合は、塩類、ワックス又はその他の物質からなる消失型の上に繊維が巻き付けられ、ラッピング構造が完成し、樹脂が硬化した後で、消失型が溶解又は溶融されてなくなる。この場合も、繊維は、その引張応力によって型に接着しなければならないため、繊維形状に関して、非常に多くの形状的制限が生じる。複雑な形状の場合、消失する中子の上に繊維材料を取り付ける圧力も極めて大きくなり、このことが中子の形態及び製造プロセスを複雑にし、コストを高くしている。このような方法は、例えば、特許文献１から知られている。

もう１つの既知の繊維強化複合体の製造方法は、いわゆる圧縮法であり、この方法は、中空の強化プラスチック部品の大量生産に用いることができる。強化材料は、裁断された布、網、ＳＭＣ又は予備成形された補強材の形で、２つの部分からなる型の中にセットされる。圧力バッグ（Drucksack）がこの型の中に取り付けられ、型が閉じられる。次に、強化材料に樹脂を浸み込ませるために、液状樹脂がこの型の中に注入される。続いて圧力バッグが膨張させられると、型の内側に押し付けられる。この状態において、樹脂が硬化する。型を外す際、圧力バックは空気を抜かれ、再び取り除かれる。圧力バッグによるラッピング手順は、例えば特許文献２において公開されている。この方法には、負荷経路を最適化した適切な繊維配向が生じないという欠点がある。

独国特許第６９８１０４８７Ｔ２号明細書 米国特許第３６１０５６３号明細書

この周知の方法は、負荷経路を最適化した状態に配向する強化繊維の調整が非常に制限されるという欠点をもっている。表面形状、特にアンダーカット、又は比較的小さな凹部を反映することはほとんどできない。例えばラッピング法の場合では、繊維に引張応力を加えなければならないため、繊維が型のアンダーカット及び凹部を跨いでしまい、これらをかたどることができない。繊維にほんの少しの引張応力しか加わっていない、又は全く引張応力が加わっていない箇所では、繊維が表面に密着しなくなり、表面形状を忠実にかたどることもできない。同様のことが、圧縮法にも当てはまる。

ラッピング法の場合、強化繊維の幾何配向も、繊維の引張応力、又は中子への圧縮応力を可能にする選択しかすることができないため、著しく制限されている。圧縮法の場合、型の中に繊維を適切に配向して収納することは非常に難しい。圧力バッグによる圧縮によって、繊維配向はさらに顕著に変化してしまう。

従って、本発明の課題は、アンダーカット又は凹凸のある移行部といった複雑な形状をもつ部品輪郭を形成することが可能であり、負荷経路を最適化した繊維の配向ができるような、中空の繊維強化複合部品、特にＦＶＫ部品（繊維強化プラスチック部品）の製造方法を提供することである。

この課題は、本発明に基づき、繊維複合中空体、特に中空の車両用繊維複合部品の製造方法によって解決され、次のような工程段階が含まれている。
ａ）後に空洞部となる消失型へエンドレス強化繊維を取り付け固定する工程、ここで、製造するべき繊維複合中空体に対して繊維材料は、力の伝達及び応力を最適化した状態に構成されている、工程、
ｂ）硬化性樹脂によって強化繊維を含浸する工程、
ｃ）繊維複合部品の形成において適用された樹脂を硬化する工程、
ｄ）前記繊維複合中空体の形成において前記消失型を溶解、溶融又は除去する工程、
ここで、複雑な形状の消失型が使用され、前記繊維は、請求項１の特徴に基づいて、表面輪郭が完全に反映された状態で前記消失型の表面に密着して取り付けられる。

もう１つの解決方法は、次のような一定の工程段階を伴う方法によって提供される。
Ｉ）樹脂コーティングされたエンドレス強化繊維の形成においてエンドレス強化繊維又は繊維束へ樹脂を塗布する工程、
ＩＩ）後に空洞部となる消失型へ樹脂コーティングされたエンドレス強化繊維を取付ける工程であって、ここで、製造するべき繊維複合中空体に対して繊維材料は、力の伝達及び応力を最適化した状態に構成されている、工程、
ＩＩＩ）繊維複合部品の形成において取り付けられた繊維材料を硬化する工程、
ＩＶ）前記繊維複合中空体の形成において前記消失型を溶解、溶融又は除去する工程、
ここで、前記繊維材料の取付けが、請求項３の特徴に基づいて、前記消失型への留置、織り込み、編み込み、縫い付け及び／又は縫着によって行われる。

発明に基づく第１の形態においては、負荷経路を最適化された状態に、又は製造する繊維複合中空体に関して力の伝達及び応力を最適化した状態に、強化繊維が消失型に取り付けられるように準備されている。この場合、重要であるのは、表面輪郭が完全に反映された状態で、繊維を消失型の表面に密着して取り付けることである。強化繊維を取り付ける場合、これらの強化繊維は、適切な手段によって消失する中子の上に固定される。この固定によって繊維の中子表面への必要な接触圧力が得られるため、繊維は中子表面に密着して接触し、輪郭を反映する。繊維、特に繊維束又は繊維ストランドの幾何配向は、この場合、ラッピング法又は圧縮法における制限はない。

もう１つの発明に基づく形態においては、あらかじめ樹脂が含浸されたエンドレス強化繊維が使用される。この場合、繊維材料の取付けは、消失型への留置、織り込み、編み込み、縫い付け及び／又は縫着によって行われることが重要である。この方法によって、繊維が密接に表面に接触し、消失型の表面輪郭を忠実に反映し、消失型のアンダーカット又は凹部も正確にかたどることが確実に行われる。エンドレス強化繊維の含浸には、液状樹脂の他に固形の樹脂粉末も適しており、固定する前に繊維に添加される。例えば、いわゆる混合糸などの繊維形態で個形樹脂を用いる変形例も適している。

その他の工程段階及び特にそれらの実施形態は、含浸された強化繊維又はまだ含浸されていない強化繊維に対して同様に用いることができる。

エンドレス強化繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、金属繊維、天然繊維又はこれらの繊維材料の少なくとも２つを混合したものからなる。特に好ましいのは、炭素繊維、アラミド繊維及びガラス繊維である。本発明のもう１つの形態では、強化繊維が熱可塑性樹脂繊維も含んでいる。

強化繊維の取付けは、繊維加工において一般的な、自動織り機、編み機、縫製機又はミシンなどの繊維技術装置を用いて行うことができる。ここでの「繊維」とは、要約すると、単繊維を意味することもでき、また、エンドレス強化繊維からなる繊維束、ロービング又は糸を意味することもできる。

この場合、繊維の固定は様々な方法で行うことができ、特に、縫い付け、縫着、接着又は機械的な固定手段により、取り付けられたエンドレス強化繊維を固定することによって行われる。様々な固定方法を、適切な方法で組み合わせることもできる。これは、本発明の方法に基づき、非常に簡単に行うことができる。なぜなら、加工する消失型の表面全体が外側にあるためであり、若しくはプレス成形型又は同様のものによってアクセスが妨害されないためである。

好ましい形態においては、強化繊維が中子の下地又は表面に縫着されるか、又は縫い付けられて固定される。このために、消失性中子は縫糸又は縫い付けに適した接着面を提供する繊維表面を有していることが好ましい。これは、例えば、消失性中子のカバーとすることができ、消失性中子の除去後、完成した複合部品内の消失性中子側に残る。縫着又は縫い付けには、樹脂製中子、特にポリマー発泡体による中子も適している。

消失性中子表面への繊維の留置、又は輪郭に沿った織り込みも、好ましくは縫着又は縫い付けと組み合わせることができる。同様に、針を刺して固定することも適している。

繊維を表面に固定するその他の方法は、機械的な固定手段である。これには、例えば、クリップ又は粘着テープなどがある。

さらに、別々の接着点又は接着面によって固定することもできる。このとき、繊維を留置する前に接着剤が消失型に塗布されると有利である。好ましい形態では、消失型の表面の少なくとも繊維取付け部分に粘着性の樹脂が塗布される。アクリレート接着剤又は天然ゴム系接着剤も、接着剤に適している。

この場合、消失型を、例えば、特に粘着性の反応樹脂でコーティングしておくことができ、この反応樹脂は、繊維の上に塗布される開始剤によって初めて硬化される。例えば繊維を取り付ける直前に、液状の開始剤を繊維に薄くコーティングしておくことができるため、反応樹脂は、繊維の取付けに続いて素早く硬化する。この方法の場合、特に、低温硬化性反応樹脂が適している。

もう１つの適切な変形例では、取り付けられたエンドレス強化繊維の固定が、エンドレス繊維上にある樹脂の粘着作用によって行われる。このために、樹脂又は接着剤が、好ましくは消失型への取付け直前に繊維の上に塗布される。このことは、例えば、含浸プール又は繊維機械の糸ヘッド（Fadenkopf）の含浸ノズルによって行われる。

本発明のさらなる好ましい形態では、消失型の表面に強化繊維を固定するために保持構造が設けられている。典型的な保持構造は、面ファスナーのようになっている微小のフック、スリング又は逆鉤である。この構造は、消失型の独立した表面層、例えば表面に固定された面ファスナー組織となり得る。後者の場合には、消失型の除去後、この組織は複合部品に残される。もう１つの好ましい形態では、保持構造が接着剤と組み合わせて使用される。

強化繊維の固定後、又は強化繊維の付着後、硬化性樹脂の形で、マトリクス材料を繊維に入れ込む必要がある。この含浸は、繊維と消失性中子とからなる形成物全体に浸潤させることによって行われる。ここでは、ＲＴＭ（樹脂含浸成形法）又は真空注入などの周知の方法が用いられる。これらの方法では、マトリクス樹脂の硬化は、通常、繊維複合構成部品の形成において、含浸の直後に行われる。

マトリクス用の硬化性樹脂としては、もっとも一般的な熱硬化性、低温硬化性又は紫外線硬化樹脂が適している。好ましい樹脂には、ポリエステル、ポリウレタン及び／又はポリアミドが含まれる。

熱硬化樹脂の硬化には、オートクレーブの使用が特に適している。硬化中に作用する圧力により、複合部品の細孔及び欠陥が少なくなる。この場合、外部コアを追加的に使用することにより、特に正確な形状を作ることができ、表面の品質の向上が可能となる。ここでは、通常、スチール又はアルミニウム製の追加工具を用いる必要はない。そのため、試作品及び数の少ない部品も経済的に製造することができる。

しかし、工程段階ｃ）による硬化は、圧縮により、必要に応じて加熱しながらプレス成形型の中で行うことも可能である。この場合、一般的には、単純な輪郭をもつ複合部品をプレス成形型で再現する場合にはそれで十分である。細かい輪郭又はアンダーカット及び凹部がある場合は、本発明に基づき、繊維を密着して取り付け、固定することによって再現することができる。

特に成形中子によって形成されている消失型は、硬化後に取り除かれる（工程段階ｄ）。この場合、溶解又は溶融することのできる型又は消失する中子を使用するのが好ましい。プラスチック製中子には、ポリマー発泡体による中子が特に好ましい。溶解可能な中子には、プラスチック又はワックスによる中子も適している。同様に、ワックス又はプラスチックを結合させた砂中子も利用可能である。プラスチック製中子は、一般的に、接着剤又は特殊な保持手段による貼り付けに良好な接着面を提供する。中子は、この場合、中実である必要はなく、同様に空洞部を有することもできる。これによって、製造が簡単になり、材料の使用を少なくすることができる。

中子を取り除くために適切な方法で解体することのできる組立て型中子も適している。

極めて有利な方法において、エンドレス強化繊維を取付け、固定する工程段階は、同時に繊維構造に機能部品を統合するのに適している。この機能部品は、例えば、繊維の中に縫い込むか、又は縫い付けることができる。

好ましい変形例では、この機能部品が消失型の表面に配置されているため、消失型が支持構造として作用する。付着のために、例えば部分的にこの部品を消失性中子の中に突出させることができる。機能部品は、繊維プリプレグ、金属部品及び／又はプラスチック部品から選択されるのが好ましい。

繊維プリプレグを機能部品として使用する場合、中実の材料集合部分又は部品厚さによって制限される部分を非常に低コストで製造することができる。プリプレグの硬化は、段階ｃ）において適切に行われる。

金属の機能部品としては、ボルト及び溶接プレート又はヒンジなどの金属製固定エレメントのスリーブが特に重要である。

このような繊維複合部品の適用に好ましいのは、自動車製造分野であり、特に車両キャビネット若しくは自動車の内装における床部品又は壁部品の製造分野である。

繊維複合中空体は、ＣＦＣ（炭素繊維強化炭素）、又はＣ／Ｃ複合体、又はＣＭＣ複合体（セラミックス基複合材料）を製造するための素地としても使用可能である。このために、繊維強化プラスチック部品が周知の方法で炭化され、必要な場合には浸潤され、リプレッシングされる。

Claims (19)

1. 繊維複合中空体、特に中空の車両用繊維複合部品の製造方法であり、
   ａ）後に空洞部となる消失型へエンドレス強化繊維を取り付け固定する工程、ここで、製造するべき繊維複合中空体に対して繊維材料は、力の伝達及び応力を最適化した状態に構成されている、工程、
   ｂ）硬化性樹脂によって強化繊維を含浸する工程、
   ｃ）繊維複合部品の形成において適用された樹脂を硬化する工程、
   ｄ）前記繊維複合中空体の形成において前記消失型を溶解、溶融又は除去する工程、
   という工程段階を含み、
   複雑な形状の消失型が使用され、前記繊維は、表面輪郭が完全に反映された状態で前記消失型の表面に密着して取り付けられることを特徴とする方法。
2. 前記繊維材料の取付けが、前記消失型への留置、織り込み、編み込み、縫い付け及び／又は縫着によって行われることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
3. 繊維複合中空体、特に中空の車両用繊維複合部品の製造方法であり、
   Ｉ）樹脂コーティングされたエンドレス強化繊維の形成においてエンドレス強化繊維又は繊維束へ樹脂を塗布する工程、
   ＩＩ）後に空洞部となる消失型へ樹脂コーティングされたエンドレス強化繊維を取付ける工程であって、ここで、製造するべき繊維複合中空体に対して繊維材料は、力の伝達及び応力を最適化した状態に構成されている、工程、
   ＩＩＩ）繊維複合部品の形成において取り付けられた繊維材料を硬化する工程、
   ＩＶ）前記繊維複合中空体の形成において前記消失型を溶解、溶融又は除去する工程、
   という工程段階を含み、
   前記繊維材料の取付けが、前記消失型への留置、織り込み、編み込み、縫い付け及び／又は縫着によって行われることを特徴とする方法。
4. 取り付けられた前記エンドレス強化繊維の固定が、縫い付け、縫着、接着又は機械的な固定手段によって行われることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
5. 取り付けられた前記エンドレス強化繊維の固定が、前記エンドレス繊維の上にある樹脂の粘着作用によって行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記消失型の表面の少なくとも繊維設置部分に、粘着性の樹脂が塗布されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記消失型の表面の少なくとも前記繊維設置部分に、保持構造、特に面ファスナーのようになっている逆鉤が取り付けられていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記消失型の表面の少なくとも前記繊維設置部分が、繊維材料によって形成されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記エンドレス強化繊維と前記消失型との固定が、機械的な固定手段によって行われることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. アンダーカット又は表面の凹部を有する消失型が使用されることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記樹脂が、熱硬化性、低温硬化性又は紫外線硬化性のポリエステル、ポリウレタン、及び／又はポリアミドの中から選択されていることを特徴とする、請求項１又は３に記載の方法。
12. 前記硬化が、工程段階ｃ）に基づき、圧縮及び／又は加熱を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記消失型が、溶融可能及び／又は可溶性のプラスチック又は発泡プラスチックから構成されていることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記消失型が、ワックスから構成されていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
15. 前記エンドレス強化繊維が、ガラス繊維、炭素繊維、セラミック繊維、金属繊維、天然繊維又はこれらの繊維材料の少なくとも２つの混合又はこれらの繊維と熱可塑性樹脂繊維との組合せからなることを特徴とする、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記エンドレス強化繊維を取り付ける際、機能部品が前記繊維構造の中に組み込まれることを特徴とする、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記機能部品が、前記消失型の表面に配置されており、前記消失型は支持構造として作用することを特徴とする、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 前記機能部品が、繊維プリプレグ、金属部品及び／又はプラスチック部品から選択されていることを特徴とする、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 請求項１〜１８のいずれか一項に従って製造された、中空の車両用繊維複合部品。