JP2014088487A - 繊維強化プラスチックの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 プリプレグの中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けながら、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを所望の形状に賦形させる成形方法において、成形品の物性を維持できる成形方法に関する。
【解決手段】 強化繊維と熱硬化性樹脂組成物とを含むプリプレグを、雄型と雌型との勘合により賦形させる成形品の製造方法において、非線形解析ソフトを用いた賦形性シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となるプリプレグの場所に、切れ目作成手段により切れ目を施してから、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを賦形する成形品の製造方法により解決する。
【選択図】 図４

Description

本願発明は、プリプレグを用いた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）の製造方法に関する。

繊維強化プラスチックの成形体は、航空機の胴体や翼のような大型の成形体から、自転車のフレーム、テニスラケット、釣竿やゴルフシャフト等の小型の成形体まで幅広く利用されている。また、開断面を有する繊維強化プラスチックの成型体は、ヘルメットなどに幅広く利用されている。

繊維強化プラスチックの製造方法としては、プリプレグの中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けながら、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを所望の形状に賦形させること（特許文献１）が知られている。

しかしながら、外周コーナーのようなプリプレグが余るように賦形される箇所は、テンションを掛けることによりプリプレグをバイアス方向に伸ばしつつ固定型に押し付けることでシワを取り除くことは可能であるが、内周コーナーのようなプリプレグが不足するように賦形される箇所は、突っ張りが発生し賦形することが困難であった。

そのため、特許文献２には、プリプレグを複数に分割して固定型に押し付けることによって、内周コーナーのような部分でも突っ張りを生じることなく賦形可能な技術が開示されている。しかしながら、このようなプリプレグを複数に分割して固定型に押し付ける方法では、分割部分で強度が低下する問題があり、強度低下回避のために積層層ごとに分割位置をずらす必要があり、作業効率が低下する問題があった。

また、特許文献３には、プリプレグに切り込みを施す技術が記載されているが、賦形時に外周全てが固定されているため、所望の形状を得るためには、大部分の領域に切り込みを設ける必要があるため、得られた成形品は十分な物性を持つものではなかった。

特開２０１１−１１０８９９号公報 特開２００９−１１９６１９号公報 特開２００８−２７９７５３号公報

プリプレグの中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けながら、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを所望の形状に賦形させる成形方法において、成形品の物性を維持できる成形方法に関する。

本発明は、強化繊維と熱硬化性樹脂組成物とを含むプリプレグを、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを賦形させる成形品の製造方法において、非線形解析ソフトを用いた賦形性シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となるプリプレグの場所に、切れ目作成手段により切れ目を施してから、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを賦形する成形品の製造方法である。

本願発明によれば、プリプレグが不足するように賦形される箇所であっても、賦形の際に突っ張りの発生を防止でき、また、強度低下回避のために積層層ごとに分割位置をずらす必要がなく、それゆえ、作業性が良く、さらに、切れ目が必要な箇所を最低限に抑止できるため、成形品の物性を維持できる製造方法である。

本発明の成形品の製造方法に用いることができる雌型の一例である。 本発明の成形品の製造方法に用いることができる雄型の一例である。 本発明の成形品の製造方法において、雄型に押し付ける工程を含む場合の製造方法の一例である。 本発明の成形品の製造方法において、切れ目作成手段により切れ目を施す場合の製造方法の一例である。

（プリプレグ）
本発明の成形品の製造方法に用いることができる強化繊維としては、特には限定されないが、炭素繊維が好ましく用いられる。望ましくはＰＡＮ系炭素繊維である。炭素繊維は、同じプリプレグについて１種類のものを使用しても良いし、複数種類のものを規則的に、または不規則に並べて使用してもかまわない。通常、特定方向に比強度、比弾性率が高いことを要求される用途には単一方向プリプレグが最も適しているが、あらかじめ長繊維マットや織物などのシート形態に加工したものを使用することも可能である。

本発明の成形品の製造方法に用いることができる熱硬化性樹脂組成物は、特には限定されないが、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、アセチレン末端を有する樹脂、ビニル末端を有する樹脂、シアン酸エステル末端を有する樹脂等を含む樹脂組成物が挙げられる。望ましくはエポキシ樹脂を含む樹脂組成物である。

（成形品の製造方法）
本発明の成形品の製造方法では、プリプレグを、プリプレグの中央部から外側へ伸ばしつつ、雄型と雌型とを有する一対の型に押し付けることが、プリプレグの切れ目部分を延伸させる点で必要である。プリプレグの中央部から外側へ伸ばす際の張力としては、１０．００Ｎ〜５０．００Ｎの範囲であることが好ましい。

また、プリプレグの中央部から外側へ伸ばす際に、予めプリプレグを加熱することで、プリプレグ中の樹脂組成物を軟化させておくことが好ましい。

本発明の成形品の製造方法では、前記型にプリプレグを押し付ける工程に引き続き、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを賦形させることが必要である。プリプレグを賦形する際の温度については、４０〜８０℃であることが好ましく、さらに５０〜７０℃であることが好ましい。プリプレグを賦形する際の温度を４０℃以上にすれば、所定の形状に容易に賦形でき、８０℃以下にすれば、熱硬化性樹脂組成物の硬化を防ぐことができるので好ましい。

またプリプレグを賦形する際の圧力については、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、所定の形状に容易に賦形でき、０．１ＭＰａ以下であれば、賦形するための装置を簡易することができるので好ましい。

（切れ目）
本発明の成形品の製造方法では、非線形解析ソフト（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）による賦形性シミュレーションによって算出された応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となった箇所に、切れ目作成手段により切れ目を施してから、雄型と雌型との勘合によりプリプレグを賦形することが必要である。
本発明の成形品の製造方法で用いる賦形性シミュレーションは、賦形させたい３次元ＣＡＤデータに対して、非線形解析ソフト（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）を用いた賦形性シミュレーションを行い、当該シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となる箇所を特定した。
また、当該シミュレーションを行うにあたり、プリプレグの特性を定義するために使用した入力値を表１に記載する。入力値の算出方法に関しては、以下に記載する。

（弾性率とポアソン比）
一方向プリプレグシート（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ３９１Ｅ１２５Ｓ）を同一方向に１０枚積層してプリプレグ積層体を得た後、その積層体を測定したい繊維方向が長手方向となるよう、カッターにて幅２０ｍｍ×長さ２００ｍｍに切り出した。その切り出し品を万能試験機（インストロン社製）にて、引張方向に荷重を負荷し、それぞれの方向での弾性率とポアソン比を求めた。

（せん断弾性率）
一方向プリプレグシート（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ３９１Ｅ１２５Ｓ）を４５°、−４５°方向に交互に１０枚積層してプリプレグ積層体を得た後、その積層体をカッターにて幅２０ｍｍ×長さ２００ｍｍに切り出した。万能試験機（インストロン社製）を用いて、引張方向に荷重を負荷し、切り出し品のせん断弾性率を求めた。

特定した領域の外周部分に相当する座標をテキストファイルにて出力し、当該ファイルをエクセルファイルに変換した後、３次元ＣＡＤソフト（Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＬＭ Ｓｏｆｔｗａｒｅ社製、製品名：ＮＸ）へ入力させて、賦形させたい３次元ＣＡＤデータへ反映させる。

前記反映された３次元ＣＡＤデータを、賦形性解析ソフト（Ｖｉｓｔａｇｙ社製、製品名：ＦｉｂｅｒＳｉｍ）を用いて賦形時に使用する２次元パターンへ展開させ、切れ目を設ける箇所を特定した。

（切れ目作成手段）
本発明の成形品の製造方法で用いることができる切れ目作成手段としては、カッターを用いての手作業や裁断機により切れ目を入れる方法、あるいはプリプレグの製造工程において所定の位置に刃を配置した回転ローラーを連続的に押し当てたり、多層にプリプレグを重ねて所定の位置に刃を配置した型で押し切ったりするなどの方法、さらにカッター等の刃物に替えて、レーザー照射装置を用いる方法があり、必要に応じていずれの手段を用いても良いが、なかでも、切れ目作成手段にレーザー照射を用いた場合には、レーザー照射位置を移動させることで、切れ目形状を複雑な形状とすることが可能となり、さらに、刃物の磨耗による切れ目が不均一になる問題や、刃物の破片の混入等の問題が生じないことから、特に好ましい。

本発明の成形品の製造方法で用いることができるレーザー照射装置としては、例えば炭酸ガスレーザーやエキシマレーザーなどの気体レーザー、ＹＡＧレーザーやＹＶＯ４レーザーなどの固体レーザー及びファイバーレーザーなどが使用できるが、短時間の照射で帯状物を良好に切断できる点では、ＹＡＧレーザー及びＹＶＯ４レーザーなどの固体レーザー及びファイバーレーザーが好ましい。また、レーザー出力、発振モード、走査する速度、パルス幅、パルス周波数などをプリプレグの材質、厚み、供給される速度、厚み方向の切断の度合いに応じて設定することが好ましい。

本発明の成形品の製造方法で用いることができるプリプレグには、切れ目があることが必要である。ここでいう、切れ目とは、プリプレグを部分的に切断する部分のことをいい、切れ目により、プリプレグを構成する強化繊維が切断されていることで、成形中の変形が容易になる。切れ目を入れる際には、前記切れ目を施した箇所の強化繊維の長さが、１５〜３０ｍｍとなるように切れ目を入れることが成形品の強度と賦形性の点で好ましい。さらに好ましくは、２０〜２５ｍｍである。

本発明の成形品の製造方法で用いることができるプリプレグに切れ目を入れる際には、それぞれの切れ目箇所の幅が、０．１〜０．４ｍｍとなるように切れ目を入れることが成形品の強度と賦形性の点で好ましい。さらに好ましくは、０．２〜０．３ｍｍである。

一方向に引き揃えた炭素繊維にエポキシ樹脂組成物を含浸したプリプレグシート（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ３９１Ｅ１２５Ｓ）４枚を用いて、１枚ずつ所望の形状に裁断した。
裁断後の各プリプレグシートに対して、非線形解析ソフト（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）による賦形性シミュレーションによって算出された応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００．０ＭＰａ以上となった箇所に、レーザーマーカー（パナソニック電工サンクス社製、製品名：ＬＰＳ−５００）を用いて、強化繊維の長さが２５ｍｍ、切れ目箇所の幅が０．２ｍｍ、切れ目箇所のどうしの間隔が０．４ｍｍとなるようにレーザーを照射して、プリプレグに切れ目を設けた。
切れ目を設けた４枚のプリプレグを、０／９０／９０／０となるように積層して、プリプレグ積層体を得た。

前記プリプレグ積層体を下型にセットし、プリプレグ積層体の外周部４箇所を引張バネ（初期加重１２．７５Ｎ、バネ定数０．７９Ｎ／ｍｍ）を配置したクランプでチャックすることで、バイアス方向にテンションを付与した。テンション付与後のプリプレグ積層体を赤外線ヒーターを用いて、所定時間加熱し、プリプレグ積層体を軟化させた。
プリプレグ積層体を軟化させた後、上型を下降させたところ、切れ目部分が延伸されたことで、所望の形状に賦形させたプリプレグが得られた。
賦形させた後にプリプレグの余剰部分をトリミングした後、賦形品を圧縮成形用の下型にセットして、加熱加圧成形を実施し、最終成形品を得た。得られた成形品の物性は良好であった。

賦形させたい３次元ＣＡＤデータに対して、非線形解析ソフト（製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）による賦形性シミュレーションを行い、当該シミュレーションによって応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００．０ＭＰａ以上となる箇所を求めた。その際、プリプレグの特性を定義するために使用した入力値を表１に記載する。
特定した領域の外周部分に相当する座標をテキストファイルにて出力し、当該ファイルをエクセルファイルに変換した後、３次元ＣＡＤソフト（Ｓｉｅｍｅｎｓ ＰＬＭ Ｓｏｆｔｗａｒｅ社製、製品名：ＮＸ）へ入力し、賦形させたい３次元ＣＡＤデータへ反映させる。 ３次元ＣＡＤデータを、賦形性解析ソフト（Ｖｉｓｔａｇｙ社製、製品名：Ｆｉｂｅｒ Ｓｉｍ）を用いて賦形時に使用する２次元パターンへ展開させ、切れ目を設ける箇所の情報を得た。

（比較例１）
プリプレグに切れ目を設けないこと以外は、実施例と同様にプリプレグを賦形した。その結果、プリプレグの突っ張りが発生し、所望の形状へ賦形することができなかった。

（比較例２）
プリプレグ全面に実施例と同様の方法で切れ目を設けたこと以外は、実施例と同様にプリプレグを賦形した。その結果、所望の形状に賦形されたプリプレグが得られた。
この賦形品を実施例と同様の方法で加熱加圧成形し、最終成形品を得た。得られた成形品は物性に劣るものであった。

１・・・下型、
２・・・上型、
３・・・プリプレグ
４・・・レーザー照射装置
５・・・クランプ
６・・・切れ目

Claims (5)

1. 強化繊維と熱硬化性樹脂組成物とを含むプリプレグを、雄型と雌型との間にプリプレグを配置して、雄型と雌型を勘合させることにより、賦形させる成形品の製造方法において、
   非線形解析ソフトを用いた賦形性シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ Ｍｉｓｅｓ Ｓｔｒｅｓｓ）が１００．０ＭＰａ以上となるプリプレグの場所に、
   切れ目作成手段によりプリプレグを切断する切れ目を作成し、
   雄型と雌型との勘合によりプリプレグを賦形する成形品の製造方法。
2. 前記切れ目作成手段がレーザー照射装置を用いたものである請求項１に記載の成形品の製造方法。
3. 前記切れ目を施した箇所の強化繊維の長さが、１５〜３０ｍｍである請求項１または２に記載の成形品の製造方法。
4. 前記切れ目を施した箇所が複数個所あって、それぞれの切れ目箇所の幅が、０．１〜０．４ｍｍである請求項１〜３のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。
5. 前記雄型と雌型との勘合によるプリプレグを賦形する工程に先立って、プリプレグの中央部から外側へ伸ばしつつ、雄型に押し付ける工程を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。