JP2012106460A - 繊維強化複合成形体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】強度、剛性が向上した繊維強化複合成形体を得る。
【解決手段】この発明の繊維強化複合成形体は、第１の成形体曲面２ａ、第２の成形体曲面２ｂ、第１の成形体曲面２ａと第２の成形体曲面２ｂとを連結する連結線部３、第１の成形体曲面２ａの連結線部３と対向する部位である第１の成形体辺部４ａ及び第２の成形体曲面２ｂの連結線部３と対向する部位である第２の成形体辺部４ｂを有しており、繊維強化複合成形体の基材である強化繊維クロスは、連結線部３を介して連続的に設けられている。
【選択図】図１

Description

この発明は、繊維強化複合成形体及びその製造方法に関し、特にＶａＲＴＭ法を用いて成形される多面連結形状の成形体及びその製造方法に関するものである。

繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Pｌａｓｔｉｃｓ：以下、ＦＲＰとも称する）は、軽量・高強度の複合材料であり、人工衛星・航空機などで採用されている。
ＦＲＰの製造方法としては、これまでオートクレーブ成形が一般的であったが、近年、大型成形体を低コストで製造することが可能な真空含浸成形法（Ｖａｃｕｕm ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ：以下、ＶａＲＴＭとも称する）が注目されている。
ＶａＲＴＭ法は、ドライな複数の強化繊維クロスからなるプリフォームを成形型に沿って積層し、これを真空フィルムでもって覆い、その後真空ポンプを用いて強化繊維間へマトリックス樹脂を含浸させて繊維強化複合成形体を製造する方法である。
このＶａＲＴＭ法では、タック性のあるプリプレグではなくドライな強化繊維クロスを成形型に賦型する必要がある。
そのため、複雑な形状の成形体を得るためには、特殊なプリフォームが必要である。

このものとして、例えば座ぐり構造を有するＦＲＰの製造方法を知られている（特許文献１参照）。
この製造方法は、座ぐり形状に沿うように切り目を入れた強化繊維クロスを複数層積層することにより、座ぐり部およびその周囲を賦形することが特徴である。

特開２００６-２３１８４８号公報

複数の曲面が連結された形状(以降、曲面連結形状と称する)に強化繊維クロスを賦型する方法について考える。
まず考えられる方法として、各曲面の形状に強化繊維クロスを切り出し、各曲面に強化繊維クロスを密着させるように賦型する方法が挙げられる。
しかしながら、この方法では、各曲面の繊維配向方向を制御しながら賦型を行うことができるが、強化繊維クロスの辺部が各曲面の連結される部位(以降、連結部位と称する)になってしまうので、連結部位で繊維が不足し、繊維強化複合成形体の強度、剛性が低下するという問題点があった。
第２の方法として、連結部位を覆うように成形型上に１枚の強化繊維クロスを置き、強化繊維クロスを伸ばすようにしながら所望の形状に強化繊維クロスを賦型する方法が考えられる。
しかしながら、この方法では、ただ無造作に強化繊維クロスを伸ばすだけでは、繊維配向方向を制御できないという問題点があった。

この発明は、上記のような問題点を解決することを課題とするものであって、強度、剛性が向上した繊維強化複合成形体、及びその製造方法を得ることを目的とする。

この発明に係る繊維強化複合成形体は、多面形状であって強化繊維クロスを積層して構成された繊維強化複合成形体であって、
前記強化繊維クロスは、稜線を介して連続的に設けられている。

また、この発明に係る繊維強化複合成形体の製造方法は、強化繊維クロスを成形型の表面に仮止めする工程と、
繊維配向方向に対して斜め方向にテンションを加えて強化繊維クロスを成型型に密着させる工程と、
前記強化繊維クロスへ樹脂を含浸し、硬化させる工程と、
前記成型型から前記繊維強化複合成形体を脱型する工程と
を備えている。

この発明に係る繊維強化複合成形体によれば、強化繊維クロスは、稜線を介して連続的に設けられているので、強度、剛性が向上する。
また、この発明に係る繊維強化複合成形体の製造方法によれば、強度、剛性が向上した繊維強化複合成形体を簡単に得ることができる。

この発明の実施の形態１における繊維強化複合成形体の概略を示す全体斜視図である。 図１の第１の成形体曲面の正面図である。 図１の第２の成形体曲面の正面図である。 図１の複合材成形体の斜視図である。 図１の複合材成形体の基材である第１の強化繊維クロスを示す正面図である。 図１の複合材成形体の基材である第２の強化繊維クロスを示す正面図である。 図５の第１の強化繊維クロスの賦型を説明する図である。 図６の第２の強化繊維クロスの賦型を説明する図である。 成形型から成形体を脱型する様子を示す図である。 図１の繊維強化複合成形体の用途例を示す斜視図である。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における繊維強化複合成形体（以下、成形体と略称する）を概略的に示す図である。
図１に示すように、成形体１は、第１の成形体曲面２ａ、第２の成形体曲面２ｂ、第１の成形体曲面２ａと第２の成形体曲面２ｂとを連結する稜線である連結線部３、第１の成形体曲面２ａの連結線部３と対向する部位である第１の成形体辺部４ａ及び第２の成形体曲面２ｂの連結線部３と対向する部位である第２の成形体辺部４ｂを有している。

図２は第１の成形体曲面２ａの形状を説明する説明図である。
第１の成形体曲面２ａは、円筒の一部を三角形状に切り取った形状である。
即ち、円筒の第１の中心軸１７ａに対して曲面の法線ベクトルは直交する。第１の辺部４ａは、第１の中心軸１７ａに直交する平面と第１の成形体曲面２ａとの交線である。
図３は第２の成形体曲面２ｂの形状を説明する説明図である。
第２の成形体曲面２ｂは、円筒の一部を三角形状に切り取った形状である。
即ち、円筒の第２の中心軸１７ｂに対して曲面の法線ベクトルは直交する。第２の辺部４ｂは、第２の中心軸１７ｂに直交する平面と第２の成形体曲面２ｂとの交線である。
図４は、図２に示された曲面形状の第１の成形体曲面２ａと図３に示された曲面形状の第２の成形体曲面２ｂとが合体した成形体１の斜視図である。

第１の成形体曲面２ａ及び第２の成形体曲面２ｂは、それぞれ２枚以上の強化繊維クロスから構成されている。
なお、図１において、Ｌ、Ｈはそれぞれ、成形体１の幅、高さを示す。
成形体１を構成する基材は、強化繊維と樹脂とからなる複合材料であればよく、その複合材料中の強化繊維の種類（カーボン繊維、ガラス繊維）、含有率などは特に限定されるものではない。

次に、この実施の形態の成形体１の製造方法について、図５〜図９に基づいて説明する。
先ず、成形体１の基材となる第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂを用意する（図５及び図６参照）。
この発明の実施の形態１における成形体１では、第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂは同数枚で構成される。

第１の強化繊維クロス５ａは、図５に示すように繊維配向方向に沿って切り出され、第２の強化繊維クロス５ｂは、図６に示すように繊維配向方向に対して４５°方向に切り出される。
第１の強化繊維クロス５ａは、図５において左上の角部が直角であり、第２の強化繊維クロス５ｂも、図６において左上の角部が直角である。
また、同角部に隣接する、図５、図６における上辺、左辺である辺部の長さｌは、ともに少なくとも第１の成形体辺部４ａ、第２の成形体辺部４ｂの長さよりも長くする必要性がある。
第１の成形体辺部４ａ、第２の成形体辺部４ｂの長さは、図２及び図３から分るように、円筒の全周の長さ（2πＲ）の（１／４）でありことから、辺部の長さｌは、この値よりも大きい。
第１の成形体辺部４ａ、第２の成形体辺部４ｂを除いた、第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂの他の各辺部についての長さ、形状については、曲面連結形状の成形型６を充分に覆うことのできる強化繊維クロスの大きさが確保されるなら、特に限定されない。
但し、作業の簡便性から鑑みて、第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂの形状は、一辺がｌより若干長い正方形とする場合が、最も作業性が容易であると考える。

図７は第１の強化繊維クロス５ａの賦型を説明する図であり、図８は第２の強化繊維クロス５ｂの賦型を説明する図であり、図７及び図８に示す、それぞれの強化繊維クロス５ａ，５ｂの各賦型を交互に繰り返し、強化繊維クロス５ａ，５ｂが積層されたプリフォームを賦型する。
このとき、第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂは、それぞれ同数枚積層されればよく、積層順は特に限定されない。

プリフォームを賦型するには、先ず曲面連結形状の成形型６を準備する。
成形型６は、第１の成形型曲面９ａと、この第１の成形型曲面９ａと直角に交差した第２の成形体曲面２ｂと、第１の成形型曲面９ａ及び第２の成形型曲面９ｂのそれぞれ頂部で円滑に連設された四角形状の平面１０と、第１の成形型曲面９ａの底部で円滑に連設された第１の下部平面１１ａと、第２の成形型曲面９ｂの底部で円滑に連設され第１の下部平面１１ａと直交した第２の下部平面１１ｂと、第１の成形型曲面９ａと第２の成形型曲面９ｂとを連結した第１の結合線１２ａと、第１の下部平面１１ａと第２の下部平面１１ｂとを連結した角部である第２の結合線１２ｂとを有している。

第１の強化繊維クロス５ａの賦型では、先ず曲面連結形状の成形型６の表面に第１の強化繊維クロス５ａを配置し、第１の粘着材７ａを第１の成形型曲面９ａ側の第１の強化繊維クロス５ａの縁部に沿って接着する。
このとき、第１の粘着材７ａは、第１の中心軸１７ａに直交する平面と第１の成形型曲面９ａとの交線に沿って接着する。
同様に、第２の粘着材７ｂを第２の成形型曲面９ｂ側の第１の強化繊維クロス５ａの縁部に沿って接着する。
このとき、第２の粘着材７ｂは、第２の中心軸１７ｂに直交する平面と第２の成形型曲面９ｂとの交線に沿って接着する。

こうして、第１の強化繊維クロス５ａの両縁部を第１の粘着材７ａ及び第２の粘着材７ｂで成形型６に仮止めした後、次に成形型６に第１の強化繊維クロス５ａを密着させる。
即ち、第１の成形型曲面９ａ、第２の成形型曲面９ｂ、第１の下部平面１１ａ及び第２の下部平面１１ｂの各面が全て隣接する点１３付近から、矢印８ａで示す鉛直下向き方向に沿って第１の強化繊維クロス５ａにテンションを加える。
第１の強化繊維クロス５ａは、２軸直角配向のクロスであるため、テンションを加え続けることで繊維の配向方向が変化し、クロスの目付け量や繊維束のピッチ幅・繊度によって決まる限界点まで第１の強化繊維クロス５ａを引き伸ばすことができる。

この実施の形態では、図７の点線で示した、第１の強化繊維クロス５ａの繊維配向方向が、第２の結合線１２ｂと、第１の成形型曲面９ａと第１の下部平面１１ａとが接する第１の接線１４ａと、第２の成形型曲面９ｂと第２の下部平面１１ｂとが接する第２の接線１４ｂとにおいて、それぞれ４５°の角度をなす位置まで達した時点でテンションの付加を止める。
最後に、この引き伸ばされた第１の強化繊維クロス５ａの下辺部を接着材（図示せず）で成形型６に仮止めし、余分な強化繊維を除去することにより、第１の強化繊維クロス５ａを賦型することができる。

第２の強化繊維クロス５ｂの賦型では、先ず成形型６の表面上に第２の強化繊維クロス５ｂを配置し、第３の粘着材７ｃで第２の強化繊維クロス５ｂの頂点を成形型６の平面１０のコーナ部に仮止めする。
また、第４の粘着材７ｄで第２の強化繊維クロス５ｂの底辺中心部を成形型６の点１３に仮止めする。
このとき、第２の強化繊維クロス５ｂは、繊維配向方向が第２の結合線１２ｂに沿うように仮止めする。

こうして、第２の強化繊維クロス５ｂを繊維配向方向が第２の結合線１２ｂに沿うように成形型６に仮止めした後、成形型６に強化繊維クロス５ａを密着させる。
即ち、矢印８ｂ、矢印８ｃに沿って強化繊維クロス５ｂにテンションを加える。
矢印８ｂのテンションの付加方向は、第１の下部平面１１ａに平行であり、かつ第１の接線１４ａに対して４５°の角度であり、第２の強化繊維クロス５ｂの繊維配向方向が、第１の接線１４ａに対して４５°の角度をなす位置でテンションの付加を止める。
また、矢印８ｃのテンションの付加方向は、第２の下部平面１１ｂに平行であり、かつ第２の接線１４ａｂ対して４５°の角度であり、第２の強化繊維クロス５ｂの繊維配向方向が、第２の接線１４ｂに対して４５°の角度をなす位置でテンションの付加を止める。
最後に、この引き伸ばされた第２の強化繊維クロス５ｂの下辺部を接着材（図示せず）で成形型６に仮止めし、余分な第２の強化繊維クロス５ｂを除去することにより、第２の強化繊維クロス５ｂを賦型することができる。

上述した手順で第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂの各賦型を交互に繰り返すことで、第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂがそれぞれ同数枚積層されたプリフォームが形成され、この後このプリフォームを真空フィルムで覆う。
以上で、プリフォームの賦型工程が完了する。

次に、真空ポンプを用いてプリフォーム内へ樹脂を含浸、硬化させる。
最後に、図９に示すように、成形型６から成形体１を脱型し、積層された粘着材からなる仮止め部１５を除去し、成形体１を得る。

この成形体１は、例えば図１０に示すように、エレベーターかご１６の上面及び底面に設置することにより、エレベーターかご１６の上昇・下降に伴う気流を整え、空気抵抗を低減させる効果が期待できる。

以上説明したように、この実施の形態１の成形体１によれば、第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂは、成形体１の稜線である連結線部３を介して連続的に設けられているので、稜線で繊維が不足することはなく、強度、剛性が向上する。

また、第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂは、２軸直角配向の強化繊維クロスであって、繊維の配向方向に沿って切断した第１の強化繊維クロス５ａと、繊維の配向方向に対して４５°の方向に沿って切断した第２の強化繊維クロス５ｂとは疑似等方積層されているので、成形体１の面内方向について等方的な機械特性が得られ、成形体１の強度向上を図ることができる。
ここで、擬似等方積層とは、ある繊維の配向方向を基準(０°)としたとき、その繊維に対して、他の繊維の配向方向が約９０°、±４５°となり、各配向方向に対して繊維の量が等量となる積層構成である。
ただし、強化繊維クロスを配置した際に繊維によれ等が生じる場合があり、上記角度を中心値として±１０°程度、繊維配向が局所的にずれた場合についても、擬似等方積層と呼ぶ。

また、第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂの各賦型で用いた仮止め用の粘着材７ａ〜７ｄは、最終製品である成形体１では除去されており、粘着材による樹脂拡散性、強度、剛性の低下を防止することができる。

また、第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂのそれぞれの積層枚数は同数であるので、成形体１のより高い強度が確保される。

なお、上記実施の形態では、第１の成形体曲面２ａは、円筒の一部を三角形状に切り取った形状であり、この第１の成形体曲面２ａと連結線部３を介して連結された第２の成形体曲面２ｂも、円筒の一部を三角形状に切り取った形状であり、成形体１は、２曲面連結形状であるが、勿論この形状に限定されるものではなく、稜線を介して両面が平面であってもよく、また面数は３面以上であってもよい。
また、成形体１の形状が曲面連結形状である場合には、第１の強化繊維クロス５ａと第２の強化繊維クロス５ｂとが疑似等方積層すべく、第１の強化繊維クロス５ａ及び第２の強化繊維クロス５ｂテンションにテンションを加えて成形型に密着させたが、成形体の形状が各面で平面の場合には、テンションを加えることなく、疑似等方積層の成形体が得られる。

実施例１．
実施例１では、基本的には、上述した実施の形態１における成形体１の製造方法にしたがった。
具体的には、形状が図１と同様で、各寸法がＬ=５００mm、Ｈ=５００mmとなる成形体１の成形を行った。
このとき、第１の成形体辺部４ａ、第２の成形体辺部４ｂは真円の１/４円弧であり、図５に示した第１の強化繊維クロス５ａの辺の長さｌ、図６に示した第２の強化繊維クロス５ｂの辺の長さｌは、ｌ=５００×π/２=７８５.４mmとなる。
そこで、一辺が７８５.４mmより大きい８５０mmの正方形で、繊維配向方向が図５、図６と同様となる炭素繊維クロス(東レ製、Ｔ７００炭素繊維平織りクロス)をそれぞれ２枚ずつ準備した。

次に、曲面連結形状の成形型６を準備した。
成形型６の形状は、実施の形態１の曲面連結形状の成形型６と同様とし、頂部平面１０の寸法が２００×２００mmの正方形、第１の下部平面１１ａ、第２の下部平面１１ｂの寸法が２００mm×７００mmの長方形となるよう、成形型６の寸法を決定した。
成形型６の離型性を鑑み、成形型６の表面にはフッ素樹脂をコーティングした。

プリフォームの賦型工程では、第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂ、第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂの順序で交互に積層した。
第１の強化繊維クロス５ａでは図７に示すように仮止めした後、第１の強化繊維クロス５ａに図７の矢印８ａに示す方向にテンションを加えて成形型６に第１の強化繊維クロス５ａを密着させた。
同様に、第２の強化繊維クロス５ｂでは図８に示すように仮止めした後、第２の強化繊維クロス５ｂに図８の矢印８ｂ，８ｃに示す方向にテンションを加えて成形型６に第２の強化繊維クロス５ａを密着させた。

全ての第１の強化繊維クロス５ａ、第２の強化繊維クロス５ｂの仮止めが終了した後、その外側にピールプライ（ＡｉｒＴｅｃｈ製、ＢＬＥＥＤＥＲ ＬＥＡＥＡＳＥ-Ｂ、耐熱２３２℃）、フローメディア（ＡｉｒＴｅｃｈ製、ＧＲＥＥＮ ＦＲＯＷ ７５、耐熱１６１℃）、真空フィルム（ＡｉｒＴｅｃｈ製、ＷＬ７４００、耐熱２０４℃）を順次重ね、テフロン（登録商標）チューブ（外径：９.５２mm、内径：６.３５mm、耐熱２６０℃）、バルブで樹脂注入口、吸引口を設け、シール材（ＡｉｒＴｅｃｈ製、ＡＴ-２００Ｙ、耐熱２０４℃）で密閉した。

次に、吸引口を真空ポンプに接続し、樹脂注入口を密栓し、真空引きした。
次に、真空フィルム内に樹脂（昭和高分子製、ビニルエステル樹脂リポキシＳ５１０（１００重量部）、過酸化物３２８Ｅ（１重量部）、オクチル酸コバルト（０.２重量部）の混合樹脂）を注入、プリフォームに樹脂を含浸させた。
次に、樹脂を室温で硬化させた。６０mｉｎ後、樹脂が硬化していることを確認した後、ピールプライ、フローメディア、バギングフィルム、樹脂注入口、吸引口、シール材を取り除いた。
次に、箱型成形型６から成形体１を脱型し、仮止め部１５を除去し、成形体１を得た。

１ 繊維強化複合成形体、２ａ 第１の成形体曲面、２ｂ 第２の成形体曲面、３ 連結線部（稜線）、４ａ 第１の成形体辺部、４ｂ 第２の成形体部、５ａ 第１の強化繊維クロス、５ｂ 第２の強化繊維クロス、６ 成形型、７ａ〜７ｄ 第１の粘着材〜第４の粘着材、９ａ 第１の成形型曲面、９ｂ 第２の成形型曲面、１０ 頂部平面、１１ａ 第１の下部平面、１１ｂ 第２の下部平面、１２ａ 第１の結合線、１２ｂ 第２の結合線、１３ 点、１４ａ 第１の接線、１４ｂ 第２の接線、１５ 仮止め部、１６ エレベーターかご。

Claims (6)

1. 多面形状であって強化繊維クロスを積層して構成された繊維強化複合成形体であって、
   前記強化繊維クロスは、稜線を介して連続的に設けられていることを特徴とする繊維強化複合成形体。
2. 前記強化繊維クロスは、２軸直角配向の強化繊維クロスであって、繊維の配向方向に沿って切断した第１の強化繊維クロスと、繊維の配向方向に対して４５°の方向に沿って切断した第２の強化繊維クロスとは疑似等方積層されていることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合成形体。
3. 前記第１の強化繊維クロス及び前記第２の強化繊維クロスのそれぞれの積層枚数は同数であることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維強化複合成形体。
4. エレベーターかごの上面または底面の少なくとも一方に設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の繊維強化複合成形体。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の繊維強化複合成形体の製造方法であって、
   前記強化繊維クロスを成形型の表面に仮止めする仮止め工程と、
   前記強化繊維クロスを前記成型型に密着させる密着工程と、
   前記強化繊維クロスへ樹脂を含浸し、硬化させる硬化工程と、
   前記成型型から前記繊維強化複合成形体を脱型する脱型工程と
   を備えたことを特徴とする繊維強化複合成形体の製造方法。
6. 前記稜線間の面は曲面連結形状であって、前記密着工程では、前記繊維の前記配向方向に対して斜め方向にテンションを加えて前記強化繊維クロスを前記成型型に密着させる請求項５に記載の繊維強化複合成形体の製造方法。

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