JP2014073580A - プリフォームの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化樹脂製成形品を得るための成形材料であるプリフォームの製造方法を提供する。
【解決手段】第１の型と、半球凸部を有する第２の型を用いて、プリフォーム基材を、半球状のプリフォームとする製造方法であって、プリフォーム基材を中心部から外縁部に向かって、張力を加えながら、第１の型２２に押し当てて変形させ、第１のプリフォーム５１とする工程、引き続き、第１のプリフォーム５１を、第２の型でプレス成形することにより、半球状を有するプリフォームとする工程を含み、第１のプリフォーム５１の曲率半径をＲ１、第２の型の半球凸部の直径をＲ２としたとき、Ｒ１とＲ２が、式（１）を満たすプリフォームの製造方法により解決される。０．５≦（Ｒ１／Ｒ２）≦０．７・・・（１）
【選択図】図４ａ

Description

本発明は、繊維強化樹脂製成形品を得るための成形材料であるプリフォームの製造方法に関する。

繊維強化樹脂の成形品を作製する方法として、例えば、強化繊維に未硬化樹脂を含浸させたプリプレグを賦形して成形体の前駆体であるプリフォームを製造し、このプリフォームを成形する方法が知られ、例えば、プリプレグを複数枚積層し、そのプリプレグに切り込みを入れ、さらに周縁部を手作業であるいは成形機により折曲し、賦形する方法が知られている（特許文献１）。しかし、比較的成形が難しい曲面形状有するプリフォーム型の場合、単純に型勘合や真空バッグ等で成形品形状に賦形しただけではプリフォームに皺が入る場合があった。プリフォームに皺が入ったまま成形した場合、成形品にも皺が入ってしまい、当該部分の強度や外観（成形品表面の平滑性等）が著しく低下する可能性があった。

また、プリプレグを賦形する際に、皺の発生を効果的に抑制するため、固定型またはその近傍に、布目に対して斜め４５度方向へ張力を付与する張力付与機構が設けたプリフォームの製造装置が知られている。（特許文献２）。プリプレグを布目に対して斜め４５度方向への張力を付与することにより、プリプレグにせん断変形が加わり皺の発生を抑制させることができる。しかし、この場合、型と張力付与機構が接触する恐れがある。また張力付与機構の構造上、プリプレグの余剰部分が必要となり、プリプレグの材料ロスが発生し、またプリプレグ余剰部分をカットする必要があり、生産性が低下する場合があった。

再公表ＷＯ２００４／０１８１８６号公報 特開２０１１−１１０８９９号公報

プリフォーム作成時の皺発生、さらに張力付与機構と型との接触による型の破損などの不具合、プリプレグの余剰部分の削減を課題とする。

本願発明は、 第１の型と、半球凸部を有する第２の型を用いて、プリフォーム基材を、半球状のプリフォームとする製造方法であって、
プリフォーム基材を中心部から外縁部に向かって、張力を加えながら、第１の型に押し当てて変形させ、第１のプリフォームとする工程、
引き続き、第１のプリフォームを、第２の型でプレス成形することにより、半球状を有するプリフォームとする工程を含み、
第１のプリフォームの曲率半径をＲ１、第２の型の半球凸部の直径をＲ２としたとき、Ｒ１とＲ２が、式（１）を満たすプリフォームの製造方法である。
０．５≦（Ｒ１／Ｒ２）≦０．７・・・（１）

第２の型でプレス成形する前に、第１の型を用いて、予めプリフォーム基材にせん断変形を加えることで、皺の発生を抑制し、張力付与機構を第２の型に備える必要がなくなり、型と張力付与機構が接触したりする恐れが無い。また第２の型の勘合の際に、張力付与機構が不要なことで、プリプレグまたは積層体に張力付与の余剰部分を取り除くことができ材料のロスを低減したり、トリム工程を省略したりすることにより作業効率が向上する。

強化繊維が２方向に配向した布帛基材の変形性を示した模式図である。 強化繊維が４方向に配向した布帛基材の変形性を示した模式図である。 強化繊維が１方向に配向した布帛基材の変形性を示した模式図である。 布帛基材のせん断変形の説明図。 半球凸部を有する型（雄型）。 本発明のプリフォームの製造方法の一実施形態例の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の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の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の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の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の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の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の一工程を示す図である。 従来技術のプリフォームの製造方法の一実施形態例の一工程を示す図である。 プリプレグパターンにおけるせん断変形方向の説明図である。 プリプレグパターンにおけるせん断変形箇所の説明図である。 比較例余剰部分の説明図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。

本発明のプリフォーム製造方法は、 第１の型と、半球凸部を有する第２の型を用いて、プリフォーム基材を、半球状のプリフォームとする製造方法であって、
プリフォーム基材を中心部から外縁部に向かって、張力を加えながら、第１の型に押し当てて変形させ、第１のプリフォームとする工程、
引き続き、第１のプリフォームを、第２の型でプレス成形することにより、半球状を有するプリフォームとする工程を含み、
第１のプリフォームの曲率半径をＲ１、第２の型の半球凸部の直径をＲ２としたとき、Ｒ１とＲ２が、式（１）を満たすプリフォームの製造方法である。
０．５≦（Ｒ１／Ｒ２）≦０．７・・・（１）

（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フォーム基材は、強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂組成物を含浸させてプリプレグとしたものを使用することができる。また、シート状のクロスプリプレグ（２方向性織物）または一方向性プリプレグとしたものを使用することができる。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、ナイロン繊維などを用いることが好ましい。これらの中でも比強度および比弾性に優れることから、炭素繊維がさらに好ましい。

また、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熱硬化性樹脂組成物としては、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を含むものが挙げられる。これらの中でも、硬化後の強度を高くできることから、エポキシ樹脂を含む樹脂組成物が好ましい。

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フォーム基材は、１枚のシート状のクロスプリプレグ（２方向性織物）や、複数枚のクロスプリプレグを積層した積層体や、１枚の一方向性プリプレグや、複数枚の一方向性プリプレグを強化繊維の交差角度が実質的に直交するように積層した積層体のいずれかを好ましく用いることができる。

（せん断変形）
プリフォーム基材を複雑形状に賦形する際には、皺が発生しないようプリフォーム基材で変形を吸収する必要がある。通常、ＦＲＰ製造に用いられるプリプレグは強化繊維が拘束されて布帛状となっているので、実質的に強化繊維が引き抜けることはない。そのため、図１ｂに示すように、強化繊維が３方向以上に配されている場合、強化繊維同士の交錯点の拘束を守ったまま、変形するためには、強化繊維を伸ばして変形するしかない。しかしながら、強化繊維を伸ばすことは困難であるため、賦形性が極端に悪い。
また、図１ｃに示すような、強化繊維が１方向のみに配され、樹脂などの固着材料で拘束されているプリフォーム基材（例えば一方向性プリプレグの基材）は、せん断変形を起こすよりも、強化繊維と強化繊維との間の拘束を引き離すことが簡単であり、複雑な形状に賦形した場合、強化繊維が存在しない部分ができてしまい品位が悪くなることがある。すなわち、せん断変形させることが困難である。

一方、図１ａに示すように強化繊維が２方向に配されているプリフォーム基材では強化繊維と強化繊維の交錯点で拘束されたまま、強化繊維の存在しない方向へ変形、すなわち、せん断変形を起こすことができるので、容易に変形可能である。

図２はせん断変形を説明する図である。図２において、正方形状のプリフォーム基材４は、面内にせん断荷重を加えるとひし形状のプリフォーム基材５に変形する。

本発明のプリフォームの製造方法では、プリフォーム基材を中心部から外延部に向かって引っ張ることが必要であるが、第１の型の形状が半球状を有するものであると、プリフォーム基材が積層体で、積層体を構成する強化繊維の方向が０度と、９０度に配向させて積層されている場合は、引っ張ることにより、せん断変形させる方向は±４５度方向となる。せん断変形させるための方向ならびに張力は、実際に使用するプリフォーム基材をプリフォーム型で賦形してトライアンドエラーで確認する。

型の形状によっては、せん断変形が必要な部分と不要な部分が混在する場合もあるが、せん断変形が不要な部分は上型と下型などで押さえ、せん断変形できないようにして必要部分だけにせん断変形を加えることもできる。

（第１の型）
本発明のプリフォームの製造方法では、第１の型が必要である。例えば図４ａ、図４ｂのような型を用いることができる。
特に、本発明の製造方法では、２次曲面を有し、賦形の際にプリフォームがせん断変形させられるような型、且つせん断変形を加える張力付与機構と型が接触しない形状の型が好ましく用いられる。プリフォーム型の材質は金属、ケミカルウッド等、プリフォーム基材を型表面に押し付け可能であれば特に問わない。

（第２の型）
第２の型は、第１の型でせん断変形させたプリフォーム基材を型表面に押し付けることで最終なプリフォーム形状まで賦形させる以外は第１の型と変わりない。第１の型は張力付与機構により積層体にせん断変形をさせる型であり、第２の型は張力付与機構を備えず、プリフォーム基材を最終プリフォーム形状まで賦形する型である。
また、前記第１の型の底面の曲率半径Ｒ１と、第２の型の直径Ｒ２は、０．５≦Ｒ１／Ｒ２≦０．７の関係を満たすことが必要である。

（賦形、層間密着）
予めせん断変形させたプリフォーム基材を第２の型に賦形、層間密着させる方法としていくつか挙げられる。例えば、雄雌型を型勘合させることでプリプレグを型に押し付ける方法、プリフォーム型とプリプレグの上からバギングフィルムで覆いバギングフィルム内を真空脱気する真空バッグ方法で先行してせん断変形させたプリプレグをプリフォーム型に賦形、層間密着させる方法がある。プリフォーム型にプリプレグを賦形、層間密着可能であれば特に方法は問わない。ここでの賦形とは第２の型にプリプレグを沿わせる作業を指し、層間密着は積層時に抜けなかった積層体内部の層間空気を、層間密着させることで層間空気を抜くことを指す。層間空気を成形前に抜いておくことで成形品の物性低下や外観のボイドを防ぐことになる。

（皺）
本発明で使用する「皺」という語は、プリフォーム基材を賦形させたときに発生する、プリフォーム基材の余剰分が型勘合等により折り畳まれ、凹凸形状を示すものをさす。

（型勘合）
例えば第２の型を雄雌の２つの型による型勘合の一実施形態例について説明する。本実施例は所望のプリフォーム型の雌型と雄型との間に、先行してせん断変形させたプリフォーム基材をセットし雌型と雄型を型勘合させることでプリフォーム基材を挟み、プリフォーム基材の賦形およびプリフォーム基材の層間密着させる方法である。

図５ｂに、本発明の実施形態の一例の製造装置を示す。この製造装置は、雌型２０と、雄型３０と、加熱機４０とを具備して、積層体５１のプリフォームの賦形およびプリフォーム基材の層間密着させる装置である。

本実施形態例における雌型２０は固定された下型である。本実施形態例における雄型３０は、型が閉じされたときに雌型２０の底面２１を押圧する上面（凸面）３１を備え、雄型３０は鉛直方向に上下移動可能な上型である。

加熱機４０は、必要に応じて賦形前にプリプレグ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、中でも、迅速に加熱できる点では、赤外線式が好ましい。また、本実施形態例における加熱機４０はプリプレグを加熱するときに、型開きした雌型２０と雄型３０の間に位置し、それ以外のときには、雌型２０と雄型３０との間に位置しないように移動するようになっている。

具体的には、まず、図５ａに示すように、雌型２０の上に先行してせん断変形させたプリフォーム基材を配置する。ここで、プリフォーム基材の形態は、上記で積層し先行してせん断変形させたものであり、プリフォーム基材の形状としては、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、目的とするプリフォームの形状に応じて適宜選択すればよい。

その後、必要に応じて図５ａに示すように、加熱機４０をプリフォーム基材と雄型３０との間に配置させて、プリフォーム基材を加熱する。プリフォーム基材を加熱することにより樹脂粘度が下がり、所定のプリフォーム形状に賦形し易くなる。

次いで、図５ｃに示すように、雄型３０を下降させて、雌型２０と雄型３０とを閉じ、雄型３０の上面３１を雌型２０の底面２１に押圧させる。これにより、雌型２０の底面２１と雄型３０の上面３１との間にプリフォーム基材を挟む。その結果、プリフォーム基材を所定のプリフォーム形状に沿って賦形ができ、プリフォーム基材の層間密着も可能である。

（実施例１）
本発明は実施例に限定されるものではない。
本発明のプリフォームの製造方法を用いて、半球状のプリフォーム型を用いてクロスプリプレグのプリフォームを製造する場合を例に説明する。プリフォーム基材はクロスプリプレグ（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ３１１０ ３９１ＩＭＵ）を１枚使用した。

前記クロスプリプレグを図７の形状に裁断した。プリプレグ裁断形状のサイズは２００ｍｍ×２００ｍｍである。賦形後は直径１５０ｍｍ×深さ７５ｍｍの半球状となる。

（第１の型による賦形）
本検討では図４ａに示すような第１の型を使用した。底面２３の曲率半径はＲ＝７７．０ｍｍであり、第１の型の曲率半径Ｒ１、第２の型の直径Ｒ２としたとき０．５≦Ｒ１／Ｒ２≦０．７の関係を満たすものであった。
せん断変形を加える角度は、プリフォーム基材が、一方向性プリプレグを複数積層した積層体の場合、強化繊維の長手方向を０度とし、もう一方を９０度とした。また、プリフォーム基材が、クロスプリプレグ（２方向性織物）である場合は、強化繊維の縦糸を０度とし、横糸を９０度とした。その他、せん断変形が不可能なクロスプリプレグ（３方向性以上の織物）はプリフォームできないので好ましくない。図９に示すように、クロスプリプレグに４５度、１３５度、２２５度、３１５度（それぞれの許容範囲±１５度）の方向に、順々に張力を加えることで、せん断変形させた。

せん断変形必要箇所は図９ｂの斜線で囲まれた部分１０である。プリフォーム基材にせん断変形を加えるため、第１の型とプリフォーム基材をそれぞれ図６ｂのように配置する。張力付与機構はプリフォーム基材にせん断を加えられる位置に設置し、また本形状では図９ｂの中央部１１にせん断不要部分が存在するため図６ａの様に中央部は上下型でプリフォーム基材を押さえせん断変形不可状態にすると同時にプリフォーム基材位置ズレを防ぐ。図６ａの状態で積層体にせん断変形を加えていった。

せん断変形させる際の張力は５〜１０ｋｇの範囲が好ましく、さらに張力を６〜８ｋｇとすることがより好ましい。
せん断変形させる際のプリフォーム基材の表面温度は約２２〜３５度の範囲が好ましく、さらに２８〜３２度とすることがより好ましい。赤外線ヒーター等によりプリフォーム基材表面を加熱させることで樹脂組成物の粘度を低下させ、せん断変形を容易にさせることができる。

本発明のプリフォームの製造方法を半球状のプリフォーム型に用いる場合は、賦形に必要なせん断変形させることが可能であれば回数は関係ない。

プリフォーム基材に張力を加え、せん断変形させることで、せん断変形部分は元の形状に戻ろうとする力が働く。プリフォーム基材にせん断変形を加えた後、第２の型にセットするまでプリフォーム基材を約１５度の温度に保たせた。プリフォーム基材を一定の温度かに保存し、樹脂組成物の粘度を上げることによりプリフォーム基材が元の形状に戻らないようにした。

(第２の型による賦形条件）
加熱温度 ：プリプレグ表面温度 ６６℃
型締め速度 ：毎秒５０ｍｍ
型締め圧 ：１０８ｋｇ（ＳＭＣ製、製品名：シリンダ−ＭＧＰＭ５０―２５０―Ｚ７３）
型締め時間 ：９０秒
型締め温度 ：２２℃
形状 ：直径１５０ｍｍ×深さ７５ｍｍの半円球状
材質 ：ケミカルウッド

図５ｂに示す製造装置における雌型２０上にせん断変形させたクロスプリプレグを載せた。
次いで、赤外線式ヒーターによりプリプレグを加熱。
加熱後、図５ａのように赤外線式ヒーターを横に移動させ、図５ｃに示すように、雌型２０と雄型３０とを閉じて、雄型３０の上面３１を雌型２０の底面２１に押圧させて、雌型２０の底面２１と雄型３０の上面３１との間にプリフォーム基材を挟んだ。
その後、雄型３０を上昇させて、得られたプリフォームを雌型２０から取り出した。

上記の順序で得られたプリフォームは皺無く良好であった。

（実施例２）
プリフォーム基材として一方向性プリプレグ（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ３９１Ｅ１２５ＳＢ）を図７の形状に複数枚、裁断し、裁断された複数の一方向性プリプレグをそれぞれの強化繊維の交差角度が実質的に直交するように順次重ねて強化繊維が２方向に配向されるように積層した。前記積層体を用いた以外は、実施例１と同様にしてプリフォームを製造した。

（比較例１，２）
比較例１は、プリフォーム基材に先行してせん断変形を施さなかった以外は実施例１と同様の方法で得られたプリフォームを得た。

比較例２は、プリフォーム基材に先行してせん断変形を施さず、加熱を加えた上で、なおかつ積層体に余剰部分を設けて（図８）張力付与機構で型勘合の際にせん断変形させた以外は実施例１と同様にしてプリフォームを得た。

（評価方法）
実施例１、２および比較例１，２における評価は、プリフォーム外観（皺の発生、余剰部分の発生）により評価した。
（プリフォーム外観の皺の発生）
評価方法：プリプレグの折り畳まれた部分での皺の発生の有無を目視で評価した。
○：無し、×：有り

（プリフォーム外観の余剰部分の発生）
ここでいう余剰部分とは本来製品部分ではないが皺抑制のため張力付与機構設置部分のために設けられたプリプレグの部分。図１０の斜線部分1０に当たる。
○：無し、×：有り

表１に示すように、本発明のプリフォーム製造方法を用いたプリフォームでは成形品外観に悪影響である皺の発生および生産性低下に繋がる余剰部分の発生を防ぐことが可能であった。

一方、先行せん断変形無しの比較例１では皺が発生、プリフォーム外観が悪い結果となった。また、張力付与機構により型勘合の際せん断変形させた比較例２では皺は発生しなかったものの余剰部分が発生した。もし、強化繊維樹脂成形品を得ようとした場合余剰部分のトリム工程が入り作業性の低下に繋がる。

１・・・・・強化繊維
２・・・・・せん断変形の方向
３・・・・・目開き
４・・・・・せん断変形前の布帛形状
５・・・・・せん断変形後の布帛形状
６・・・・・半球上のプリフォーム型（雄型）
７・・・・・張力付与機構を使用しない半球状のプリフォーム基材
８・・・・・張力付与機構を使用するために余剰部分を設けた半球状のプリフォーム基材
９・・・・・張力付与機構取り付け部
１０・・・・せん断変形必要部分
１１・・・・せん断変形不要部分（中央部）
１２・・・・半円球状における余剰部分
２０・・・・第２の型（半球状雌型）
２１・・・・第２の型（半球状雌型底面）
２２・・・・第１の型（雄型）
２３・・・・第１の型（雄型底面）
３０・・・・第２の型（半球状雄型）
３１・・・・第２の型（半球状雄型底面）
３２・・・・中央部押さえ
３３・・・・中央部押さえ底面
４０・・・・加熱器
５０・・・・せん断変形させる前のプリフォーム基材
５１・・・・せん断変形させた後のプリフォーム基材
６０・・・・張力付与機構

Claims (5)

1. 第１の型と、半球凸部を有する第２の型を用いて、プリフォーム基材を、半球状のプリフォームとする製造方法であって、
   プリフォーム基材を中心部から外縁部に向かって、張力を加えながら、第１の型に押し当てて変形させ、第１のプリフォームとする工程、
   引き続き、第１のプリフォームを、第２の型でプレス成形することにより、半球状を有するプリフォームとする工程を含み、
   第１のプリフォームの曲率半径をＲ１、第２の型の半球凸部の直径をＲ２としたとき、Ｒ１とＲ２が、式（１）を満たすプリフォームの製造方法。
   ０．５≦（Ｒ１／Ｒ２）≦０．７・・・（１）
2. 前記第１の型が半球凸部を有する請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
3. 前記プリフォーム基材が、複数の一方向性プリプレグを積層した一方向性プリプレグ積層体である請求項１または２に記載のプリフォームの製造方法。
4. 前記プリフォーム基材が、クロスプリプレグである請求項１または２に記載のプリフォームの製造方法。
5. 前記プリフォーム基材が、複数のクロスプリプレグを積層したクロスプリプレグ積層体である請求項１または２に記載のプリフォームの製造方法。