JP2014051077A - プリフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明のプリフォームの製造方法によれば、プリフォームのシワ回避と所望形状への賦形の両立が可能となる。
【解決手段】 立体形状を有する繊維強化樹脂成形品を得るべく、強化繊維とマトリックス樹脂を含むシート状のプリプレグを雄雌型でプレスすることで、プリフォームとするプリフォームの製造方法であって、前記シート状のプリプレグを雄雌型のプレスする際に、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を加えながらシート状のプリプレグを雄雌型でプレスすることで賦形するプリフォームの製造方法により解決する。
【選択図】図１

Description

本発明は、所望の立体形状を有する繊維強化樹脂成形品を得るべく、その本成形に先立って、シート状のプリプレグを雄雌型の間でプレスすることにより、プリフォームとするプリフォームの製造方法に関する。

従来、例えば強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させてなるシート状のプリプレグを成形型内で加熱、加圧することで、所定形状の繊維強化樹脂成形品を得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

また、曲面を含む三次元形状を有するような繊維強化樹脂成形品を製造する場合には、シート状のプリプレグから最終成形品の形状を考慮した所定形状のプリフォームを、本成形に先立って予め賦形する技術も知られている。このような、プリフォームの賦形方法としては、例えば、シワの発生を抑制するために、部分的に延長させたプリプレグを複数枚積層し、その延長させた部分を成形機に設置した張力付与手段により張力を付与させながら雄雌型でプレスすることにより賦形させて、賦形後にその延長部分を切除して所望のプリフォームを得る方法も知られている（例えば、特許文献２参照）。

国際公開第２００４／０１８１８６号 特開２０１１−１１０８９９号公報

しかしながら、深絞り等複雑形状の賦形を行う場合、張力付与手段が固定されていることで、張力付与手段の位置でプリプレグが拘束され、張力のかかる方向がプレスしている間で大きく変動してしまうため、プリフォームの表面にシワができたり、所望の形状までプリプレグを賦形させることができなかったりする問題があった。

また、上記の影響が出ないように、プリプレグの余剰部分を大きく延長させた場合は、シワの回避が困難であり、シワ回避が可能となるまで張力を加えるためには、より大きな荷重で張力を加えることが必要となり、その結果、装置が大型化することや、それに伴って高価な装置となる問題があった。また、プリプレグの余剰部分はロスとなるので、ロスが多くなりコストアップの要因となった。

本発明は、前記事情を鑑みてなされたものであり、プリフォームのシワ回避と所望形状への賦形の両立が可能となるプリフォームの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、立体形状を有する繊維強化樹脂成形品を得るべく、強化繊維とマトリックス樹脂を含むシート状のプリプレグを雄雌型の間でプレスすることで、プリフォームとするプリフォームの製造方法であって、
前記シート状のプリプレグを雄雌型のプレスする際に、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を加えながらシート状のプリプレグを雄雌型でプレスすることで賦形するプリフォームの製造方法にある。

本発明のプリフォームの製造方法によれば、プリフォームのシワ回避と所望形状への賦形の両立が可能となる。

本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明とは異なるプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明とは異なるプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明とは異なるプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。 本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例における一工程を示す図である。

本発明のプリフォームの製造方法における第一の実施形態例について説明する。以下の工程（１）〜（５）を順次経てプリフォームを製造する。
（１）雌雄型の間に強化繊維とマトリックス樹脂を含むシート状のプリプレグを配置する。
（２）シート状のプリプレグの外延部の必要箇所をクランプで把持して、シート状のプリプレグに張力を付与させる。
（３）シート状のプリプレグに張力を付与したまま、加熱する。
（４）クランプの位置をプリフォーム型（雄雌型）がプレスする際に移動する方向に可動するようにしたのち、加熱したプリプレグをプリフォーム型でプレスして賦形させる。
（５）張力を除去し、クランプを外した後、プリフォーム型を開き、プリフォームを取り出す。
具体的にはまず、図１に示すようにプリフォーム型（雌型１０及び雄型２０）にプリプレグ３０を配置する。

（プリフォーム型）
本実施形態例におけるプリフォーム型は、型を挟圧させたときにプリプレグ３０を所望の形状に賦形できるようなプリフォーム型であれば、本発明のプリフォームの製造方法に用いることができる。
図１では、上型に雌型１０、下型に雄型２０を用いているが、それが反対になっていても構わないし、また、どちらか一方が固定型でもう一方が可動型であっても構わない。
プリフォーム型の材質は金属、ケミカルウッドなどプリプレグを賦形させることができるものであれば特に制限はないが、材料が安価であること、加工が容易であることからケミカルウッドであることが好ましい。

（プリプレグ）
本発明のプリフォームの製造方法に用いることができるプリプレグ３０の大きさは必要箇所をクランプできる程度に賦形後に得たい形状より大きければよい。また、プリプレグ３０の形態は、強化繊維が一方向に引き揃えられたＵＤプリプレグであってもよいし、強化繊維が製織された織物プリプレグであってもよい。さらに、プリプレグ３０の形状としては、例えば、三角形状、矩形状、菱形状等の多角形状、円形状、楕円形状、扇形状などが挙げられるが、所望の成形品に応じて適宜選択すればよい。

本発明のプリフォームの製造方法に用いることができるプリプレグ３０に含まれる強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも比強度および比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。

本発明のプリフォームの製造方法に用いることができるプリプレグ３０に含まれるマトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硬化後の強度を高くできることから、エポキシ樹脂であることがさらに好ましい。
プリプレグ３０に含まれるマトリックス樹脂中には、硬化剤、離型剤、脱泡剤、紫外線吸収剤、充填材などの各種添加剤などが含まれてもよい。

本発明のプリフォームの製造方法に用いることができるプリプレグ３０は、２〜３０枚積層して積層体として用いることが好ましい。プリプレグ３０の積層枚数が２枚以上であれば、充分な強度の成形品を得ることができ、３０枚以下であれば、積層のコストを抑えることができるので好ましい。

（張力付与手段）
本発明のプリフォームの製造方法では、シート状のプリプレグを雄雌型のプレスする際に、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を付与させることが必要である。図２にその一例を示す。
本発明のプリフォームの製造方法では、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を付与させる際に、シート状のプリプレグの外延部を把持するクランプ４１と、雄雌型のプレスする際にシート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を付与する張力付与機構４２と、クランプの把持する位置をプレスする方向に可動できる位置可動機構４３とを有する張力付与手段４０を有することが好ましい。

クランプ４１の材質としては、プリフォームを成形する温度では変形せず、また、加熱して軟化したプリプレグを十分把持できるものであれば特に制限はないが、加工性や入手のしやすさからプラスチック製品であることが好ましい。また、クランプする方式としては、バネ式やエアシリンダー式などが挙げられるが、荷重を大きくする際の作業性からエアシリンダー式であることが好ましい。また、プリプレグをクランプで把持する位置は、実際に賦形させてシワ回避の状況を確認しながらトライアンドエラーで決めても構わないし、必要があれば、賦形させたい形状の賦形性解析を行い、シワが混入しやすいと思われる位置をクランプで把持しても構わない。
プリプレグ３０をクランプ４１で把持させた後、雄雌型でプレスする際に、張力付与機構４２を用いて、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を付与することが望ましい。

図３に示すように、垂直方向より上方向に張力を付与する場合は、プリプレグ３０が上方向に移動するため、雄雌型でプレスする際に、雄雌型の移動を妨げる方向に荷重が加わることで、所望の形状にプリプレグを賦形させることが困難となる。
また図４に示すように、垂直方向より下方向に張力を付与する場合は、プリプレグ３０が下方向に移動するため、賦形させたい形状によっては、雄雌型でプレスするために型で挟み込む前に、プリプレグと型が接触してしまう。その状態でプレスを行うと、形状が乱れてしまう恐れがある。
張力を付与する方式としては、エアシリンダー方式や巻きバネ方式などが挙げられるが、荷重を受けた際にスムーズに可動できる点から巻きバネ方式が望ましい。また、張力付与機構４２により、プリプレグ３０に付与する張力としては、０．１〜５．０ｋｇであることが好ましい。

本発明のプリフォームの製造方法では、プリプレグ３０に張力を付与したまま所定の温度まで加熱した後、位置可動機構４３で、クランプで把持する位置を型のプレス方向に可動できるようにすることがさらに好ましい。
図５に示すように、クランプで把持する位置が固定されてしまう場合は、型でプレスする時にその位置でプリプレグが拘束されてしまうため、所望の形状までプリプレグを賦形させることができない。
クランプで把持する位置を可動させる方法としては、エアシリンダー方式や巻きバネ方式などが挙げられるが、荷重を受けた際にスムーズに可動できる点から巻きバネ方式が望ましい。図２では、張力付与手段４０の自重を支えるよう巻きバネが配置さえており、雄雌型でプレスする時に受けた荷重に合わせてチャック位置が可動できるようになっている。

（加熱機）
本発明のプリフォームの製造方法では、図６に示すように、プリプレグ３０を加熱機５０で加熱させることが好ましい。加熱機５０は、賦形前にプリプレグ３０を軟化させるために加熱するものである。加熱方式としては、例えば、熱風式、赤外線式などが挙げられるが、加熱時間を短縮できる点から赤外線式が好ましい。

また、この加熱機５０は、加熱するときのみプリプレグ３０の上部に位置し、それ以外のときは型の動作の妨げにならないように場所に位置している。また、プリプレグ３０の加熱温度は４０〜８０℃であることが好ましい。加熱温度を４０℃以上にすれば、所定のプリフォームの形状に容易に成形でき、８０℃以下にすれば、プリフォーム製造時の熱硬化性樹脂の硬化を防ぐことができる。その後、図７で示すように、雌型１０を下降させて、雄型２０と雌型１０とでプレスしてプリプレグ３０を賦形させる。その際、張力付与機構４２にて雄雌型でプレスする方向に対して垂直方向に適切な張力を付与しながら、雄雌型でプレスするのに合わせてプリプレグが引き込まれている。また、位置可動機構４３にて雄雌型でのプレスの進行状況に合わせてクランプの把持する位置が可動している。

また、雄雌型でプレスする時の圧力は０．０１〜０．１ＭＰａであることが好ましい。圧力を０．０１ＭＰａ以上にすれば、所定のプリフォームの形状に容易に成形でき、０．１ＭＰａ以下にすれば、プリフォームの製造装置を単純化することができる。
ついで図８で示すように、張力を除去してクランプ４１を外した後、雌型１０を上昇させて、図９に示すように、雄型２０から賦形されたプリプレグ３０を取り出す。

以上説明したプリフォームの製造方法では、プリフォーム型（雌型１０と雄型２０）に積層済みプリプレグ３０を配置した後、プリプレグ３０の外延部を張力付与手段４０のクランプ４１にて把持し、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を付与する。雌雄型でプレスしてプリプレグを賦形させる。
このように、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって張力を付与させて、クランプ位置を雄雌型のプレス方向に可動できるようにすることで、雄雌型を閉じるまでの間、プリプレグに、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を加えることができる。その結果、プリフォームのシワ回避と所望形状への賦形の両立が可能となる。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。ただし、本発明は実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
所望の成形機に対して、図１に示すように可動型として上型に雌型１０を配置し、固定型として下型に雄型２０を配置した。
次に、一方向に引き揃えた炭素繊維にエポキシ樹脂組成物を加熱含浸したＵＤプリプレグシートを所望の形状に裁断し、このプリプレグシートを炭素繊維の配向が０°と９０°と交互になるように１０枚積層してプリプレグ積層体を得た（以下、「プリプレグ積層体」のことも説明の便宜上、「プリプレグ」という。）のち、このプリプレグ３０を雄型２０の上に配置した。
その後、図２に示すように、プリプレグ３０の外延部を張力付与手段４０のクランプ４１にて把持した。その後、張力付与機構４２にてシート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を付与させた。このとき張力付与機構４２に設置されている巻きバネを調整して、張力を２．０ｋｇに設定した。

赤外線ヒーター（加熱機５０）をプリプレグ３０の上部に配置し、プリプレグ３０を約６０℃になるまで加熱してプリプレグを軟化させた。その後、位置可動機構４３にてクランプの把持する位置を、型でプレスする方向に可動できるようにした後、図７に示すように、雌型１０を下降させて、雄型２０と雌型１０とでプレスしてプリプレグ３０を賦形させた。

その後、図８に示すように、張力付与機構４２の張力を除去してクランプ４１を外したのち、雌型１０を上昇させて、図９に示すように、雄型２０からプリプレグ３０を脱型した。脱型されたプリプレグ３０は、シワなく所望の形状のプリフォームへ賦形されていた。このプリフォームを所定の温度まで加熱している圧縮成形用の下型に配置し、これを上型で挟み、加熱加圧を行うことで、繊維強化樹脂成形品を得た。得られた成形品は強度、外観に優れており、また、成形時の安定性にも優れていた。

（実施例２）
炭素繊維織物にエポキシ樹脂組成物を加熱含浸したクロスプリプレグシートを用いたこと以外は、実施例１と同様の方法でプリフォームを製作した。得られたプリフォームはシワなく所望の形状へ賦形されていた。
また、このプリフォームを実施例１と同様の方法で圧縮成形したところ、得られた成形品は強度、外観に優れており、また、成形時の安定性にも優れていた。

（比較例１）
張力付与手段４０を使用しないこと以外は、実施例１と同様の方法でプリフォームを製造した。得られたプリフォームにはシワが多発している状態であった。
また、このプリフォームを実施例１と同様の方法で圧縮成形したところ、得られた成形品は強度、外観が優れず、また、成形時の安定性にも欠けるものであった。

（比較例２）
図３に示すように、張力付与機構４２にて垂直方向より上方向に張力を付与させた以外は、実施例１と同様の方法でプリフォームを製造した。
その結果、雄雌型でプレスする際、型の移動を妨げる方向に荷重が加わり、所望の形状にプリプレグを賦形させることができなかった。このプリフォームを実施例１と同様の方法で圧縮成形したところ、得られた成形品は強度、外観が優れず、また、成形時の安定性にも欠けるものであった。

（比較例３）
図４に示すように、張力付与機構４２にて垂直方向より下方向に張力を付与させた以外は、実施例１と同様の方法でプリフォームを製造した。
その結果、雄雌型でプレスする前に、プリプレグと型が接触してしまい、その状態のまま雄雌型でプレスしたため、プリフォームの形状が大きく乱れてしまった。このプリフォームを実施例１と同様の方法で圧縮成形したところ、得られた成形品は強度、外観が優れず、また、成形時の安定性にも欠けるものであった。

（比較例４）
図５に示すように、位置可動機構４３を使用しないこと以外は、実施例１と同様の方法でプリフォームを製造した。得られたプリフォームにシワは回避されていたが、プリプレグが拘束されてしまい、所望の形状に賦形することができなかった。
このプリフォームを実施例１と同様の方法で圧縮成形したところ、得られた成形品は強度、外観が優れず、また、成形時の安定性にも欠けるものであった。

１０ 雌型
２０ 雄型
３０ プリプレグ
４０ 張力付与手段
４１ クランプ
４２ 張力付与機構
４３ 位置可動機構
５０ 加熱機

Claims (2)

1. 立体形状を有する繊維強化樹脂成形品を得るべく、強化繊維とマトリックス樹脂を含むシート状のプリプレグを雄雌型でプレスすることで、プリフォームとするプリフォームの製造方法であって、
   前記シート状のプリプレグを雄雌型のプレスする際に、シート状のプリプレグの中心部から外縁部に向かって、雄雌型でプレスする方向に対して垂直な方向に張力を加えながらシート状のプリプレグを雄雌型でプレスすることで賦形するプリフォームの製造方法。
2. 前記雄雌型によるプレスが完了するまでの間、中心部から外縁部に向かって同じ方向に張力を加える請求項１に記載のプリフォームの製造方法。