JP2014100821A - 賦形成形方法及び繊維強化樹脂成形品 - Google Patents

Abstract

【課題】成形原反材を用い強度の強い成形品を形状自由度高くかつ効率よく３次元形状に賦形することができる賦形成形方法及び繊維強化樹脂成形品を提供する。
【解決手段】成形原反材１を積層し、予備積層成形型で予備圧縮成形した積層成形材５を予備加熱型６で近赤外線放射装置７によって近赤外線で予備加熱型６内の熱盤８上に載置された積層成形材５を予熱し、一方３次元形状を有する賦形型である成形型９を予熱して成形原反材１の前記熱硬化性樹脂の硬化温度に昇温する。次に積層成形材５を予熱された成形型９に収納し、成形型９によって積層成形材５を圧縮する。これによって織物基材３に付着している樹脂材料４を硬化して積層成形材５の層間を接着し、形状を保持させる。その後成形型９を固化温度に急冷して型を開き離型する各工程によって成形原反材１を積層して３次元形状に賦形する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、強化炭素繊維とマトリクス樹脂とからなり、例えば、自動車や航空機などの繊維強化樹脂製部材を賦形型を使用して３次元形状に賦形する賦形成形方法及び繊維強化樹脂成形品に関する。

従来より、炭素繊維を強化繊維とする繊維強化樹脂の成形法として平板状の積層成形品を型上に配置し、金型内部を真空状態にして樹脂を注入し、前記平板状の積層成形品に樹脂を拡散、含浸させるレジントランスファーモールディング成形法が知られている。

特許文献１には、このレジントランスファーモールディング成形法に用いるのに好適な３次元形状を有する平板状の積層成形品を、高精度、かつ自動的に製造することのできる賦形成形方法が開示された。

特開２００３−２１１４４７号公報

特許文献１に開示された賦形成形方法は強化繊維と熱硬化性樹脂からなる平板状の積層成形品を用いるものであって、炭素繊維と熱硬化性樹脂成形材料の積層品を硬化温度で圧縮成形する際、上下型の分割面より積層品から熱硬化性樹脂のみ流出し、成形品に充分な肉厚が得られない。これを上下型の型締め方向にストッパーを設けて型締めを規制することによって対策する場合、製品部に充分な型締め圧がかからず、得られる成形品に充分な強度を与えることができない。
本発明は以上の従来技術における問題に鑑み、強化繊維と熱硬化性樹脂からなる成形原反材を用い、強度の強い成形品を効率よく製造することができる賦形成形方法及び繊維強化樹脂成形品を提供することを目的とする。

すなわち本発明の賦形成形方法は、複数本の炭素繊維束を含む織物基材の少なくとも一方の表面に熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂材料が付着された成形原反材を裁断し積層した積層成形材を成形型に投入配置し、加圧、加熱して複数本の炭素繊維束を含む織物基材に付着している樹脂材料を硬化して繊維間及び成形原反材の層間を接着する賦形成形方法において、賦形をする上部型と下部型とからなる成形型を前記熱硬化性樹脂の硬化温度に昇温する工程と、積層成形材を成形型へ配置する配置工程と、上下型の分割面に柔らかい弾性部材を配置する工程と、成形型を型締し加圧する工程とを有することを特徴とする。
この本発明の賦形成形方法によって、成形型を熱硬化性樹脂材の硬化温度に加熱することによって熱硬化性樹脂を炭素繊維によって強化して十分な強度の熱硬化性樹脂成形品を成形することが可能となる。

また上部型と下部型とからなる成形型による賦形成形工程では、温度上昇による膨張圧で上部型と下部型の分割部分から樹脂材料がはみ出しを起こす。積層成形材の樹脂材料が炭素繊維から離脱して一部が金型合わせ目部分にはみ出す。このはみ出しは、フラッシュ、バリ、スピューとも呼ばれ、分割部分のはみ出し部に生じる線はパーティングライン、フラッシュラインと呼称される。
本発明の賦形成形方法でも、対策しない場合には、炭素繊維と熱硬化性樹脂成形材料の積層品を硬化温度で圧縮成形すると、型分割面より熱硬化性樹脂のみ流出し、肉厚が薄くなる問題が生じ得る。

そこで本発明の賦形成形方法によれば上下型の分割面に柔らかい弾性部材を配置する工程を有する。
この柔らかい弾性部材によって上下型の分割面を圧迫して上述したはみ出しは抑制される。また柔らかい弾性部材は型に配置し易い。

前記弾性部材が前記積層成形材と実質的に凸側型とほぼ同一の賦形成形面形状を有し、前記積層成形材と凸側型の間に配置することができる。
また前記弾性部材が前記積層成形材の周縁領域を被覆するように帯状に前記積層成形材の上下型の分割線に沿って凸側型に配置されることによって賦形中央成形部は型で賦形し前記弾性部材の被覆を容易にして、バリの発生が確実に抑制される。

前記弾性部材が前記積層成形材の周縁領域を被覆するように帯状に前記積層成形材の上下型の分割線に沿って凸側型に配置されるようにすることができる。

前記弾性部材が前記積層成形材の外周形状と実質的に同一の内周形状を有し、前記上下型間の分割線で型開方向へ所定距離筒状の分割面を設け、これより外側に上型の成形型面を貫通可能に配置されるようにすることによって、成形効率を向上することができる。

複数の前記積層成形材間に介装部材を配置し複数の積層成形材を同時成形することによって高い生産性を達成することができる。

前記弾性部材をシリコンゴム又はウレタンゴム又はフッ素ゴムとすることができ、また前記熱硬化性樹脂をエポキシとすることができる。

以上の本発明の賦形成形方法によって製造された繊維強化樹脂成形品は、高強度軽量で効率よく安価に製造でき、しかも複雑形状の附形も可能であることから、各種用途に適用が可能となる。

本発明に係る賦形成形方法及び繊維強化樹脂成形品によれば、成形原反材を用い強度の強い成形品を効率よく賦形することができる。

（ａ）本発明の賦形成形方法で用いる成形原反材の概念図である。（ｂ）図１（ａ）に示す成形原反材を構成する織物基材の概念図である。 本発明の一実施の形態の賦形成形方法で用いる賦形成形装置の説明図である。 本発明の一実施の形態の賦形成形方法で用いる賦形成形装置の説明図であって、（ａ）平面模式図、（ｂ）縦方向断面模式図、である。 本発明の他の実施の形態の賦形成形方法で用いる賦形成形装置の説明図であって、（ａ）平面模式図、（ｂ）縦方向断面模式図、である。 本発明のさらに他の実施の形態の賦形成形方法で用いる賦形成形装置の説明図であって、（ａ）平面模式図、（ｂ）縦方向断面模式図、（ｃ）縦方向断面部分拡大模式図、である。 本発明の別の実施の形態の賦形成形方法の説明図である。 本発明の実施例及び比較例の成型工程で発生するバリ重量を測定した結果を示すグラフである。

本発明の賦形成形方法は、図１（ａ）に示す成形原反材１を用いて行う。図１（ａ）に示すように、成形原反材１は、複数本の炭素繊維束２を含む織物基材３の少なくとも一方の表面に熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂材料４が付着してなる。

織物基材３は、図１（ｂ）に示すように互いに平行となるよう一方向に引き揃えられた複数本の炭素繊維束２を直交する二方向に織成してなる二方向性織物である。二方向性織物は、炭素繊維束２間の相対位置の変化による変形がしやすく立体形状に変形しやすいこと、少ない枚数で力学的に擬似等方性を有する積層成形材を得やすい利点がある。
炭素繊維束２を用いることにより、最終製品である繊維強化樹脂成形品の力学特性を高いものとすることができる。

織物基材３の表面に付着している樹脂材料４は、織物基材３の層間を接着する作用を得ることができる熱硬化性樹脂を主成分とする。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシを用いることができる。樹脂材料４が熱硬化性樹脂を主成分とするものとすることによって成形原反材１を積層して、立体形状へと変形させた後に織物基材３の層間を接着させる場合の取り扱い性が向上し、生産性が向上する。なお、主成分とは樹脂材料４を構成する成分の中で、その割合が最も多い成分である。

以下に本発明の一実施の形態の賦形成形方法を図２を参照して詳述する。
先ず成形原反材１を積層し、予備積層成形型（図示せず）で予備圧縮成形した積層成形材５を予備加熱型６で予備加熱する。
予備加熱にあたっては上部より近赤外線放射装置７によって近赤外線で予備加熱型６内の熱盤８上に載置された積層成形材５を加熱し、遠赤外線温度センサ−（図示せず）で積層成形材５の温度を検知し、近赤外線放射装置７による近赤外線の強度を調整し所定の温度に積層成形材５を昇温させる。
一方３次元形状を有する賦形型である成形型９を予熱して成形原反材１の硬化温度に昇温する。次に積層成形材５を予熱された成形型９に収納し、成形型９によって積層成形材５を圧縮する。これによって織物基材３に付着している樹脂材料４を硬化して積層成形材５の層間を接着し、形状を保持させる。
その後成形型９を開き離型する。以上の各工程によって成形原反材１を積層して３次元形状に賦形する。

積層成形材５を加熱する温度は、樹脂材料４が硬化して積層成形材５の層間を接着させる温度である。積層成形材５が加圧されながら加熱されることで、積層成形材５を構成する複数本の炭素繊維束２を含む織物基材３が互いに強く押付けられ、炭素繊維束の単糸の間に浸透している硬化した樹脂材料４が対向する複数本の炭素繊維束を含む織物基材に付着し、積層成形材５の層間を接着する。

この様に積層成形材５を立体形状に変形させ層間を接着することにより、シワが無い立体形状の成形体を製造することができる。またこの成形体は積層成形材５の層間が接着されているために、剛性が高く形状保持性に優れており、取り扱いが効率よく行える。

成形型９は製品部型１０と、蓄熱盤１１とからなり、製品部型１０に備えたヒ−タ−１２と蓄熱盤１１よりの熱伝導で成形型９の型温を昇温させる。製品部型１０は上型１０ａと下型１０ｂとからなり上部型１０ａが下部型１０ｂに嵌入して型合わせされることによって製品の成型が行われる。また成形型９はエア−と蒸気を含む水冷のための冷却通水経路１３を備え、成形型９は冷却通水経路１３に通水することによって急冷される。冷却通水経路１３はエア−を印加することによって効率的に水を抜き取り降下させることができる。すなわち成形型９の型温が所定の冷却温度に達した後、冷却通水経路１３における通水を止めエア−を印加することによって、成形型９の冷却を終了し、成形型９内の製品を取り出した後に、成形型９の再度の昇温を効率的に開始することができる。

さらに以上の本発明の賦形成形方法は、柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）を用いて行う。この柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）を用いる態様としては図３、図４又は図５に示す実施の形態がある。ただしこれらに限定されるものではない。

図３に示す実施の形態では成形型９（上部型１０ａ、下部型１０ｂ）内に積層成形材５と、積層成形材５と同じ大きさの柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）としてシリコンゴムのシートを重ねて積層成形材５を圧縮する。このようにすることによって、成形過程におけるバリ流出を少なくし、樹脂圧を逃がさないようにして、得られる成形品の強度を高くすることができる。

図４に示す実施の形態では成形型９（上部型１０ａ、下部型１０ｂ）の１方、本例では上部型１０ａの外周縁領域に柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）としてシリコンゴムの帯平面形状シートを重ねて積層成形材５を圧縮する。このようにすることによっても、成形過程におけるバリ流出を少なくし、樹脂圧を逃がさないようにして、得られる成形品の強度を高くすることができる。

図５に示す実施の形態では成形型９（上部型１０ａ、下部型１０ｂ）の成形品外周分割部分に、型締方向に所要の長さの縦押し切り面９ａを設け、さらにその縦押し切り面９ａと連続する横押し切り面９ｂを設け、その横押し切り面９ｂ上に柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）としてシリコンゴムの帯平面形状シートを配置する。このようにすることによっても、成形過程におけるバリ流出を少なくし、樹脂圧を逃がさないようにして、得られる成形品の強度を高くすることができる。
この図５に示す実施の形態では柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）が積層成形材５の外周形状と実質的に同一の内周形状を有し、成形型９の上下型間の分割線で縦押し切り面９ａによって型開方向へ所定距離筒状の分割面を設け、これより外側に上型の成形型面を貫通可能に柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）が配置される。

本発明の賦形成形方法では図３〜図５に示すように、積層成形材５を予熱して成形型９へ投入配置する予熱工程の後に、積層成形材５を成形型９に配置する際に、柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）を載置する工程を行う。その後、上部型１０ａと下部型１０ｂとが型合わせされることによって製品の成型が行われる。このように、柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）を載置しない場合には、上部型１０ａと下部型１０ｂの分割部分から成型課程における温度上昇による膨張圧で積層成形材５の表面の樹脂の一部が金型合わせ目部分にはみ出しバリを形成する。しかし柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）を載置することによって積層成形材５の表面の樹脂がはみ出しバリを形成することが防止される。

次に本発明の他の実施の形態の賦形成形方法を図６を参照して説明する。
この実施の形態では複数の積層成形材５間に介装部材として積層成形材５と同一の平面形状のステンレス板３０を配置し複数の積層成形材５を同時成形することによって効率を向上する。その際、図４に示す態様を採用する場合には最上方の積層成形材５の外周縁近傍領域にＳＥＭを載置する。

二方向性織物基材３の一方の表面に、エポキシを主成分とする樹脂材料４が表面に付着した１００ｍｍ×１００ｍｍの大きさの正方形の成形原反材１を複数用意した。この各成形原反材１は正方形の辺の方向をそれぞれ０°、９０°方向としたときに、繊維軸方向が概ね０°、９０°方向となるものとした。
この各成形原反材１を、最上面の炭素繊維織物のみ樹脂材料４が付着した面を下側にし、それ以外は樹脂材料４が付着した面を上側にして積層した積層成形材１４を得た。

その積層成形材１４を熱盤８上に配置し、上部より近赤外線放射装置７によって近赤外線で積層成形材１４を加熱した。遠赤外線温度センサ−で積層成形材１４の温度を検知し、近赤外線放射装置７による近赤外線の強度を調整し積層成形材１４を昇温させ予熱した。
近赤外線の強度は、近赤外線放射装置７への通電圧の連続降下で調整した。

一方、製品部型１０と、蓄熱盤１１とからなり、製品部型１０に備えたヒ−タ−１２と蓄熱盤１１よりの熱伝導で成形型９の型温を昇温させて予熱した。

実施例１（シリコン積層）
予熱された成形型９に予熱した積層成形材１４を収納し、下部型１０ｂに載置した積層成形材１４の上部型１０ａと向き合う側面に柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）として図３に示すように１ｍｍ厚のシリコンゴムを載置した。次に加圧しながら成形型９の提供する平板状の平板積層成形品形状に変形させると共に硬化した平板積層成形品１５を得た。

実施例２（シリコン中間ＰＬ）
他は実施例１と同様にして、図５に示すように成形型９の成形品外周分割部分に、型締方向に所要の長さの縦押し切り面９ａを設け、さらにその縦押し切り面９ａと連続する横押し切り面９ｂを設け、その横押し切り面９ｂ上にシリコンゴムを載置した。次に加圧しながら成形型９の提供する平板状の平板積層成形品形状に変形させると共に硬化した平板積層成形品１５を得た。

実施例３（シリコン外周積層）
他は実施例１と同様にして、図４に示すように上部型１０ａの外周縁領域に５ｍｍ幅で柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）としてシリコンゴムのシートを重ねて配置した。次に加圧しながら成形型９の提供する平板状の平板積層成形品形状に変形させると共に硬化した平板積層成形品１５を得た。

他は各実施例と同様にして、柔らかい弾性部材（ＳＥＭ）を用いないで成型する比較例を行った。
以上の各実施例及び比較例で得られた平板積層成形品１５の成形過程で発生するバリ重量を測定した。その結果を図７に示す。図７においてＰＬシール構造とは成形型分割線のシール構造を意味する。図７に示すように、実施例１で発生したバリ重量が１％程度若しくは１％に達しないのに対して、比較例では５％を超えるバリが発生しており、円滑な成形が行われていないことが分かる。

１・・・成形原反材、２・・・炭素繊維束、３・・・織物基材、４・・・樹脂材料、５，１４・・・積層成形材、６・・・予備加熱型、７・・・近赤外線放射装置、９・・・成形型、１０・・・製品部型、１１・・・蓄熱盤、１３・・・冷却通水経路、１２・・・ヒ−タ−、１５・・・平板積層成形品、１０ｂ・・・下部型、１０ａ・・・上部型。

Claims (8)

1. 複数本の炭素繊維束を含む織物基材の少なくとも一方の表面に熱硬化性樹脂を主成分とする樹脂材料が付着された成形原反材を裁断し積層した積層成形材を成形型に投入配置し、加圧、加熱して複数本の炭素繊維束を含む織物基材に付着している樹脂材料を硬化して繊維間及び成形原反材の層間を接着する賦形成形方法において、賦形をする上部型と下部型とからなる成形型を前記熱硬化性樹脂の硬化温度に昇温する工程と、積層成形材を成形型へ配置する配置工程と、上下型の分割面に柔らかい弾性部材を配置する工程と、成形型を型締し加圧する工程とを有することを特徴とする賦形成形方法。
2. 前記弾性部材が前記積層成形材と実質的に凸側型とほぼ同一の賦形成形面形状を有し、前記積層成形材と凸側型の間に配置されることを特徴とする請求項１記載の賦形成形方法。
3. 前記弾性部材が前記積層成形材の周縁領域を被覆するように帯状に前記積層成形材の上下型の分割線に沿って凸側型に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の賦形成形方法。
4. 前記弾性部材が前記積層成形材の外周形状と実質的に同一の内周形状を有し、前記上下型間の分割線で型開方向へ所定距離筒状の分割面を設け、これより外側に上型の成形型面を貫通可能に配置される請求項１に記載の賦形成形方法。
5. 複数の前記積層成形材間に介装部材を配置し複数の積層成形材を同時成形することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれか一に記載の賦形成形方法。
6. 前記弾性部材がシリコンゴム又はウレタンゴム又はフッ素ゴムを用いてなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれか一に記載の賦形成形方法。
7. 前記熱硬化性樹脂がエポキシであることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一に記載の賦形成形方法。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか一記載の賦形成形方法によって製造された繊維強化樹脂成形品。
   

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