JP2015100930A

JP2015100930A - プリフォーム

Info

Publication number: JP2015100930A
Application number: JP2013241121A
Authority: JP
Inventors: 俊久野; Shun Kuno; 堀　藤夫; Fujio Hori; 藤夫堀
Original assignee: Toyota Industries Corp
Current assignee: Toyota Industries Corp
Priority date: 2013-11-21
Filing date: 2013-11-21
Publication date: 2015-06-04

Abstract

【課題】プリフォームの賦形性を向上するとともに強化繊維積層体と強化繊維束片との離脱を防止する。
【解決手段】プリフォーム１は、強化繊維積層体４と強化繊維積層体４の垂直方向に挿入された強化繊維束片５により構成される。強化繊維束片５は、Ｘ方向糸２、Ｙ方向糸３と同一種類の強化繊維６及び熱可塑性繊維を混繊したコミングル繊維束により構成される。プリフォーム１を熱可塑性繊維の溶融温度以上の加熱により、加熱溶融された熱可塑性繊維は、強化繊維束片５の強化繊維６を強化繊維積層体４のＸ方向糸２及びＹ方向糸３に接合し、接合部８を形成する。また、加熱溶融された熱可塑性繊維は、強化繊維６の相互間を接合する。強化繊維積層体４及び強化繊維束片５は、接合部８及び接合部９により一体化され、プリフォーム１は、強化繊維積層体４の一部と強化繊維束片５との離脱を招くこと無く、大きな変形を伴う複雑な形状であっても自由に賦形される。
【選択図】図４

Description

本願発明は、三次元構造体からなるプリフォームに関する。

繊維強化複合材を成形するための三次元構造体からなるプリフォームは、例えば、特許文献１及び特許文献２に開示されている。

特許文献１に開示された複合材料用三次元組織体は、次のように構成される。補強繊維からなる複数枚の織物は、各織物の織目が互いに一致するように積層されている。前記積層体の織目には、繊維強化樹脂または繊維強化金属からなる棒体が挿通され、三次元組織体が形成される。複合材料は、三次元組織体に樹脂を含浸して固化することにより成形される。その後、複合材料は、突出している棒体が切削により除去され、所望の形状に加工される。

特許文献２に開示された三次元繊維強化複合材料は、次のように構成される。強化繊維の織物又は一方向配向プリプレグの繊維軸を多方向へ規則的に向けて積層した繊維積層体を形成する。繊維積層体は２枚の多孔板で挟まれ、一方の多孔板の孔から他方の多孔板の孔へ針状体が挿入される。多孔板間の繊維積層体を高圧力で挟圧保持しながら、針状体と強化繊維束片とが置換され、強化繊維束片が繊維積層体内に挿入固定される。三次元繊維強化複合材料は、強化繊維束片を挿入した繊維積層体内に未硬化マトリックスを含浸し、加熱又は冷却してマトリックスを硬化した後、繊維積層体の挟圧保持を解除することにより成形される。

実公平３−２４３５６号公報特開昭６４−３３２６０号公報

繊維強化複合材の成形方法として、繊維強化樹脂または繊維強化金属からなる棒体が挿通された三次元組織体あるいは強化繊維束片が挿入された繊維積層体からなるプリフォームを賦形し、その後、賦形されたプリフォームに樹脂を含浸し、硬化することにより所望の形状を得る方法がある。特許文献１に開示された三次元組織体では、積層体に繊維強化樹脂または繊維強化金属からなる硬化された棒体が挿入されているため、プリフォームの段階で賦形することが困難である。また、プリフォームを変形させた時、積層体の一部が棒体から抜けて、離脱する恐れがある。

特許文献２では、樹脂で硬化されていない強化繊維束片が繊維積層体に挿入されているため、プリフォームの段階での賦形は容易となる。しかし、強化繊維束片は繊維積層体に挿入されただけの形態であるため、繊維積層体を種々の形状に変形させた時、強化繊維束片の端部に位置する繊維積層体が強化繊維束片から抜け、離脱する恐れがある。

本願発明は、プリフォームの賦形性を向上するとともに強化繊維積層体と強化繊維積層体に対し垂直方向に挿入される強化繊維束片との離脱を防止することを目的とする。

請求項１は、水平面で交差するＸ軸方向の強化繊維面内糸とＹ軸方向の強化繊維面内糸を少なくとも有する強化繊維積層体を形成し、前記強化繊維積層体の積層方向に対し垂直方向に強化繊維束片を挿入した三次元繊維構造体からなるプリフォームにおいて、前記強化繊維束片は、強化繊維と熱可塑性繊維とから形成され、加熱溶融された前記熱可塑性繊維により前記強化繊維を前記強化繊維積層体に接合した接合部を有することを特徴とする。

請求項１によれば、加熱溶融された熱可塑性繊維により強化繊維束片と強化繊維積層体とを接合することができるため、強化繊維積層体と強化繊維束片とを一体化し、強化繊維束片からの強化繊維積層体を構成する層の離脱を防止できる。また、強化繊維束片が硬化されていないため、プリフォームの賦形性を高めることができる。

請求項２は、前記強化繊維束片は、前記強化繊維束片の両端部側に前記強化繊維積層体との前記接合部を有し、前記強化繊維束片の長さ方向の中央部側に前記強化繊維積層体との非接合部を有することを特徴とする。請求項２によれば、強化繊維束片の中央部側が強化繊維積層体と接合されていないため、プリフォームの賦形性をより高めることができる。また、強化繊維束片の両端部側では強化繊維束片と強化繊維積層体とが接合されているため、強化繊維束片の中央部側が強化繊維積層体と接合されていなくても層が離脱することはない。

請求項３は、加熱溶融された前記熱可塑性繊維は、前記強化繊維束片を形成する前記強化繊維の間を接合していることを特徴とする。請求項３によれば、強化繊維束片を形成する複数の強化繊維の間が接合され、さらに強化繊維束片が強化繊維積層体に接合されているため、強化繊維束片からの強化繊維の一部離脱の恐れが無く、プリフォームの強度低下を防止することができる。

請求項４は、前記強化繊維束片は、前記強化繊維積層体の表面層から突出し、前記表面層の表面に前記強化繊維と前記熱可塑性繊維とをフランジ状に拡開した状態で加熱溶融された前記熱可塑性繊維により前記強化繊維を前記表面層の表面に接合した前記接合部を有することを特徴とする。請求項４によれば、強化繊維束片は強化繊維積層体の表面層の表面で接合されているため、強化繊維積層体からの表面層の離脱を防止し、プリフォームの賦形性を高めることができる。

本願発明は、プリフォームの賦形性を高めながら強化繊維積層体と強化繊維積層体に対し垂直方向に挿入される強化繊維束片との離脱を防止することができる。

第１の実施形態におけるプリフォームを示す斜視図である。図１のＡ−Ａ線断面図である。強化繊維束片の接合前の状態を示すプリフォームの一部の平面図である。強化繊維束片の接合した状態を示すプリフォームの一部の平面図である。強化繊維束片の接合した状態を示すプリフォームの一部の縦断面図である。第２の実施形態における強化繊維束片の接合した状態を示すプリフォームの一部の縦断面図である。第３の実施形態を示すプリフォームの一部の縦断面図である。強化繊維束片の接合前の状態を示すプリフォームの一部の平面図である。強化繊維束片の接合した状態を示すプリフォームの一部の平面図である。

（第１の実施形態）
第１の実施形態を図１〜図５に基づいて説明する。図１は、方形状に形成された三次元繊維構造体からなるプリフォーム１を示す。プリフォーム１は、水平に配列された複数のＸ軸方向の強化繊維面内糸（以下、Ｘ方向糸）２とＸ方向糸２に対して水平面で直角に交差する複数のＹ軸方向の強化繊維面内糸（以下、Ｙ方向糸）３とをそれぞれ１層として複数層を積層した強化繊維積層体４を有する。Ｘ方向糸２及びＹ方向糸３は、炭素繊維、ガラス繊維及び有機繊維（合成繊維等）等の強化繊維を使用している。なお、本実施形態は、Ｘ方向糸２及びＹ方向糸３からなる層を１８層に積層している。

また、プリフォーム１は、強化繊維積層体４の積層方向に対して垂直方向に挿入された強化繊維束片５を有する。強化繊維束片５は、積層された強化繊維積層体４の厚み（強化繊維束片５の挿入方向の厚み）Ｌ１と同等の長さに揃えられ、強化繊維積層体４の水平面上で一定のピッチとなるように位置決めされた複数箇所（本実施形態では、４９箇所）に挿入されている。強化繊維束片５は、図２及び図３に示すように、Ｘ方向糸２及びＹ方向糸３と同一種類の強化繊維６と熱可塑性繊維７とを混繊したコミングル繊維束によって構成されている。なお、強化繊維束片５のＸ方向糸２やＹ方向糸３に対する太さは、図中では誇張して図示されているが、Ｘ方向糸２及びＹ方向糸３と強化繊維束片５とは同じ太さの繊維束であってもよい。

プリフォーム１は、強化繊維積層体４に強化繊維束片５を挿入後、例えば、加熱炉のような適宜加熱手段（図示せず）により、プリフォーム１全体が熱可塑性繊維７の溶融温度以上に加熱される。図４及び図５に示すように、強化繊維束片５の周辺に位置する加熱溶融された熱可塑性繊維７は、強化繊維束片５の周辺の強化繊維６を強化繊維積層体４のＸ方向糸２及びＹ方向糸３に接合する。このため、強化繊維束片５には、強化繊維積層体４と接合する接合部８が形成されている。また、強化繊維束片５の中心側の加熱溶融された熱可塑性繊維７は、強化繊維６の相互間を接合するため、強化繊維束片５には、強化繊維６の間を接合する接合部９が形成されている。

なお、強化繊維６を強化繊維積層体４に接合する接合部８を強化繊維束片５に形成したプリフォーム１は、所望の形状に賦形された後、例えば、熱硬化性樹脂を含浸されて加熱硬化され、所望の形状の繊維強化複合材に成形される。

本実施形態では、プリフォーム１が全体を加熱されるため、加熱溶融された熱可塑性繊維７は、図５に示すように、強化繊維積層体４の厚さＬ１方向全域に接合部８及び接合部９を形成する。強化繊維積層体４及び強化繊維束片５は、接合部８及び接合部９によって一体化されるため、プリフォーム１は、強化繊維積層体４の一部と強化繊維束片５との離脱を招くこと無く、大きな変形を伴う複雑な形状であっても自由に賦形される。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第２の実施形態は、プリフォーム１の加熱領域を強化繊維束片５の端面１０側及び端面１１側に特定し、両端面１０、１１側に加熱溶融された熱可塑性繊維７による接合部１２、１３を形成した構成である。

プリフォーム１の加熱は、強化繊維積層体４に対して、端面１０側の３層と端面１１側の３層程度を加熱可能な加熱手段を用いて行うことができる。例えば、強化繊維積層体４の周囲から加熱手段を当てるか、あるいは端面１０及び端面１１に加熱手段を当てることにより、熱可塑性繊維７を加熱することが可能である。

端面１０側で加熱溶融された熱可塑性繊維７は、強化繊維束片５の一方の端部を強化繊維積層体４に接合し、端面１１側で加熱溶融された熱可塑性繊維７は、強化繊維束片５の他方の端部を強化繊維積層体４に接合する。また、加熱溶融された熱可塑性繊維７は、強化繊維束片５を構成する強化繊維６の間を接合する。従って、強化繊維束片５には、端面１０側に接合部１２が形成され、端面１１側に接合部１３が形成されることにより、強化繊維積層体４と強化繊維束片５とが一体化される。また、強化繊維束片５の長さ方向の中央部１４側は、加熱されることが無いため、強化繊維束片５の中央部１４側には、強化繊維積層体４との非接合部が形成される。

第２の実施形態では、強化繊維束片５の両端面１０、１１側に形成された接合部１２、１３により、強化繊維積層体４の両端面１０、１１側の層が強化繊維束片５から離脱することを防止する。また、強化繊維束片５の中央部１４側に非接合部を形成することにより、プリフォーム１の賦形性をより高めることができる。また、強化繊維束片５の両端面１０、１１側では強化繊維束片５と強化繊維積層体４とが接合されているため、強化繊維束片５の中央部１４側が強化繊維積層体４と接合されていなくても層が離脱することはない。

（第３の実施形態）
図７〜図９は、第３の実施形態を示したもので、第１の実施形態と同一の構成については同一の符号を付し、詳細な説明を省略する。第３の実施形態では、強化繊維束片５の長さＬ２が強化繊維積層体４の厚さＬ１より長く構成されている。強化繊維束片５が強化繊維積層体４に挿入された時、強化繊維束片５の両端部１５、１６は、図７の仮想線で示すように、強化繊維積層体４の第１層となる一方の表面層の表面１７及び第１８層となる他方の表面層の表面１８から外方に突出している。

強化繊維束片５の両端部１５、１６は、図７及び図８に示すように、強化繊維６及び熱可塑性繊維７が表面１７及び表面１８にフランジ状に拡げられる。なお、図８では、理解し易いように、強化繊維束片５の周辺側の強化繊維６及び熱可塑性繊維７が拡げられた状態のみを示し、中心側の強化繊維６及び熱可塑性繊維７は位置のみを仮想線で示している。

強化繊維束片５の両端部１５、１６の強化繊維６及び熱可塑性繊維７がフランジ状に拡開された状態で、強化繊維積層体４の表面１７、１８に加熱手段を当て、加熱することにより、熱可塑性繊維７が溶融される。加熱溶融された熱可塑性繊維７は、図９に示すように、強化繊維６を強化繊維積層体４の表面１７、１８に接合し、また、強化繊維６の間を接合する。このため、強化繊維束片５の両端部１５、１６には、強化繊維６を強化繊維積層体４の表面１７、１８に接合した接合部１９が形成される。なお、強化繊維積層体４の内部に挿入されている強化繊維束片５は加熱されないため、強化繊維積層体４との接合部は形成されず、プリフォーム１の賦形性を向上させる。

第３の実施形態では、強化繊維積層体４の表面１７、１８に接合部１９が形成されるため、強化繊維積層体４の一部が強化繊維束片５から離脱することを防止できるとともに、プリフォーム１の賦形性を高めることができる。

本願発明は、前記した各実施形態の構成に限定されるものではなく、本願発明の趣旨の範囲内で種々の変更が可能であり、次のように実施することができる。

（１）第１〜第３の実施形態において、強化繊維束片５は、コミングル繊維束に限らず、強化繊維６に熱可塑性繊維７を巻付けたカバーリング繊維束あるいは強化繊維６に熱可塑性繊維７を組み合わせたブレイディング繊維束によって構成しても良い。なお、カバーリング繊維束は、熱可塑性繊維７の巻付けにおいて、種々の巻付けピッチを組み合わせることができるため、接合部８、９を部分的に形成し易い利点がある。

（２）第１〜第３の実施形態において、強化繊維積層体４は、Ｘ方向糸２となる緯糸及びＹ方向糸３となる経糸により織成された平面織物の層を複数層積層して構成しても良い。また、強化繊維積層体４は、Ｘ方向糸２及びＹ方向糸３に加えてＸ方向糸２又はＹ方向糸３に対して斜状に交差するバイアス糸を加えた層を複数層積層して構成しても良い。
（３）第３の実施形態において、強化繊維積層体４の全体あるいは一部を加熱して、強化繊維積層体４内で強化繊維束片５の全体又は一部に接合部を形成するように構成しても良い。

１プリフォーム
２Ｘ方向糸（Ｘ軸方向の強化繊維面内糸）
３Ｙ方向糸（Ｙ軸方向の強化繊維面内糸）
４強化繊維積層体
５強化繊維束片
６強化繊維
７熱可塑性繊維
８、９、１２、１３、１９接合部
１０、１１強化繊維束片の端面
１４強化繊維束片の中央部
１５、１６強化繊維束片の端部
１７、１８表面層の表面
Ｌ１強化繊維積層体の厚み
Ｌ２強化繊維束辺の長さ

Claims

水平面で交差するＸ軸方向の強化繊維面内糸とＹ軸方向の強化繊維面内糸を少なくとも有する強化繊維積層体を形成し、前記強化繊維積層体の積層方向に対し垂直方向に強化繊維束片を挿入した三次元繊維構造体からなるプリフォームにおいて、
前記強化繊維束片は、強化繊維と熱可塑性繊維とから形成され、加熱溶融された前記熱可塑性繊維により前記強化繊維を前記強化繊維積層体に接合した接合部を有することを特徴とするプリフォーム。
前記強化繊維束片は、前記強化繊維束片の両端部側に前記強化繊維積層体との前記接合部を有し、前記強化繊維束片の長さ方向の中央部側に前記強化繊維積層体との非接合部を有することを特徴とする請求項１に記載のプリフォーム。
加熱溶融された前記熱可塑性繊維は、前記強化繊維束片を形成する前記強化繊維の間を接合していることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のプリフォーム。
前記強化繊維束片は、前記強化繊維積層体の表面層から突出し、前記表面層の表面に前記強化繊維と前記熱可塑性繊維とをフランジ状に拡開した状態で加熱溶融された前記熱可塑性繊維により前記強化繊維を前記表面層の表面に接合した前記接合部を有することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のプリフォーム。