JP2016182776A - Ｒｔｍ成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】皺の発生が無く、また、繊維の配向方向がずれたりしない、精度の高い繊維プリフォームの提供。
【解決手段】二次元形状の繊維基材シートを三次元形状の成品１１の展開形状に重ね代１６ａ，１６ｂ，１７ａを加えた形状に裁断・積層して積層繊維基材シート１３，１４を製造する第１工程、積層繊維基材シート１３，１４の隣接する重ね代１６ａ，１６ｂ，１７ａ同志を重ね合わせてステッチ糸で縫合し、三面合わせ部２０，２２の周囲に弛み部を有する繊維プリフォームを製造する第２工程、繊維プリフォームを成形金型のキャビティにセットする第３工程、成形金型のキャビティに樹脂を注入して成品１１を成形する第４工程、を含むＲＴＭ成形方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層繊維基材シートを所定形状に成形した繊維プリフォームを金型のキャビティにセットして樹脂を注入することで繊維強化樹脂部材を製造するためのＲＴＭ成形方法に関する。

凸状の賦形型の表面に平坦な繊維基材を乗せ、繊維基材の中央部を押さえた後に、繊維基材の中央部から端部に向かって順次押さえることで繊維プリフォームを製造するものが、下記特許文献１により公知である。

また金型を構成する治具上に繊維積層体を配置し、その上から治具の展開形状に合わせたシートを重ね合わせ、シートを介して繊維積層体に圧力を加えて治具に密着させることで、繊維積層体を治具の形状に賦形して繊維プリフォームを製造するものが、下記特許文献２により公知である。

また繊維の配向方向が異なる複数枚の繊維シートを積層してステッチ基材を構成し、そのステッチ基材をステッチ糸で縫合したものを金型でプレス成形して繊維プリフォームを製造するものが、下記特許文献３により公知である。

特開２００６−１８８９７１号公報 特開２００７−１１８５９８号公報 特開２０１１−１０２４６１号公報

ところで、特許文献１に記載されたものは、二次元形状の繊維基材を三次元形状の賦形型の表面に押し付けて賦形するため、賦形型の三面合わせ部（三つの面が集合する角部）の近傍で繊維基材に皺が発生するのが避けられず、繊維プリフォームの成形精度が低下する可能性があった。

また特許文献２に記載されたものは、繊維積層体に圧力を加えるシートは治具の展開形状に合わせられているが、繊維積層体自体は二次元形状であるため、特許文献１のものと同様に、治具の三面合わせ部の近傍で繊維積層体に皺が発生するのが避けられず、繊維プリフォームの成形精度が低下する可能性があった。

また特許文献３に記載されたものは、ステッチ基材自体は二次元形状であるため、特許文献１のものと同様に、金型の三面合わせ部の近傍でステッチ基材に皺が発生するのが避けられず、繊維プリフォームの成形精度が低下する可能性があった。

本発明は前述の事情に鑑みてなされたもので、精度の高い繊維プリフォームをプレス金型を必要とせずに製造することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に記載された発明によれば、二次元形状の繊維基材シートを三次元形状の成品の展開形状に重ね代を加えた形状に裁断・積層して積層繊維基材シートを製造する第１工程と、前記積層繊維基材シートの隣接する前記重ね代どうしを重ね合わせてステッチ糸で縫合し、三面合わせ部の周囲に弛み部を有する繊維プリフォームを製造する第２工程と、前記繊維プリフォームを成形金型のキャビティにセットして前記弛み部を該成形金型の成形面に緊密に当接させる第３工程と、前記成形金型のキャビティに樹脂を注入して前記成品を成形する第４工程とを含むことを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

また請求項２に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１工程において、複数個の繊維基材シートロールからそれぞれ引き出した複数枚の前記繊維基材シートを積層した状態で裁断することを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

また請求項３に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１工程において、複数枚の前記繊維基材シートを繊維の配向方向が少なくとも３軸以上になるように積層して一体に縫合した後に裁断することを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

また請求項４に記載された発明によれば、請求項１の構成に加えて、前記第１工程において、前記三面合わせ部の前記重ね代と平行になるように複数のクリールから引き出した複数の繊維テープの集合で前記繊維基材シートを構成することを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

また請求項５に記載された発明によれば、請求項１〜請求項４の何れか１項の構成に加えて、前記第２工程において、前記ステッチ糸は前記三面合わせ部のコーナー部において重ね合わされた前記重ね代どうしを縫合することを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

また請求項６に記載された発明によれば、請求項５の構成に加えて、前記第２工程において、前記ステッチ糸は前記三面合わせ部のコーナー部において重ね合わされた前記重ね代の両端部および中央部を縫合することを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

また請求項７に記載された発明によれば、請求項１〜請求項６の何れか１項の構成に加えて、前記第１工程において、前記積層繊維基材シートは前記三面合わせ部の三つのコーナー部に沿うように分割され、その分割部に設けた前記重ね代どうしを縫合することを特徴とするＲＴＭ成形方法が提案される。

尚、実施の形態の繊維強化樹脂部材１１は本発明の成品に対応し、実施の形態の第１積層繊維基材シート１３および第２積層繊維基材シート１４は本発明の積層繊維基材シートに対応し、実施の形態の第１繊維基材シート１６および第２繊維基材シート１７は本発明の繊維基材シートに対応する。

請求項１の構成によれば、第１工程で、二次元形状の繊維基材シートを三次元形状の成品の展開形状に重ね代を加えた形状に裁断・積層して積層繊維基材シートを製造し、第２工程で、積層繊維基材シートの隣接する重ね代どうしを重ね合わせてステッチ糸で縫合し、三面合わせ部の周囲に弛み部を有する繊維プリフォームを製造し、第３工程で、繊維プリフォームを成形金型のキャビティにセットして弛み部を該成形金型の成形面に緊密に当接させ、第４工程で、成形金型のキャビティに樹脂を注入して成品を成形するので、繊維プリフォームをプレス成形するための特別のプレス金型を不要にして製造コストを削減できるだけでなく、繊維の伸縮を伴う賦形を行う必要がないために繊維プリフォームが成形金型の成形面に密着し易くなり、成形金型のキャビティにセットされた繊維プリフォームに皺が発生したり繊維の配向方向がずれたりするのを防止して製品の成形精度を高めることができる。

また請求項２の構成によれば、第１工程において、複数個の繊維基材シートロールからそれぞれ引き出した複数枚の繊維基材シートを積層した状態で裁断するので、複数枚の繊維基材シートの積層作業が容易になるだけでなく、繊維基材シートを１枚ずつ裁断する場合に比べて裁断回数を減らして作業工数を削減できる。

また請求項３の構成によれば、第１工程において、複数枚の繊維基材シートを繊維の配向方向が少なくとも３軸以上になるように積層して一体に縫合した後に裁断するので、積層繊維基材シートの繊維の配向方向が３軸以上になって繊維プリフォームの強度が向上するだけでなく、繊維基材シートを１枚ずつ裁断する場合に比べて裁断回数を減らして作業工数を削減できる。しかも複数枚の繊維基材シートを積層した状態で一体に縫合するので層間の拘束が強くなり、成形金型のキャビティに樹脂を注入したときに繊維流れが発生し難くなって層間強度が向上する。

また請求項４の構成によれば、第１工程において、三面合わせ部の重ね代と平行になるように複数のクリールから引き出した複数の繊維テープの集合で繊維基材シートを構成するので、成品の展開形状に合わせて繊維テープを裁断する際に、無駄になる繊維テープの量を最小限に抑えることができる。

また請求項５の構成によれば、第２工程において、ステッチ糸は三面合わせ部のコーナー部において重ね合わされた重ね代どうしを縫合するので、繊維基材シートの繊維が切断されるために強度が低下し易いコーナー部で重ね代を２枚重ねにして充分な強度を確保することができる。

また請求項６の構成によれば、第２工程において、ステッチ糸は三面合わせ部のコーナー部において重ね合わされた重ね代の両端部および中央部を縫合するので、コーナー部の層間強度が一層向上して層間剥離の発生が確実に防止される。

また請求項７の構成によれば、第１工程において、積層繊維基材シートは三面合わせ部の三つのコーナー部に沿うように分割され、その分割部に設けた重ね代どうしを縫合するので、三面合わせ部の三つのコーナー部の全てにおいて重ね代どうしを重ね合わせて縫合することが可能となり、三面合わせ部の近傍における繊維プリフォームの強度を一層高めることができる。

繊維強化樹脂部材の斜視図。（第１の実施の形態） 第１繊維基材シートの形状を示す図。（第１の実施の形態） 第２繊維基材シートの形状を示す図。（第１の実施の形態） 第１積層繊維基材シートおよび第２積層繊維基材シートの分解斜視図。（第１の実施の形態） 繊維プリフォームの斜視図およびコーナー部の拡大断面図。（第１の実施の形態） 成形金型による繊維強化樹脂部材の成形工程の説明図。（第１の実施の形態） 積層繊維基材シートの製造方法の説明図。（第２の実施の形態） 積層繊維基材シートの製造方法の説明図。（第３の実施の形態） 積層繊維基材シートの製造方法の説明図。（第４の実施の形態） パッチによる繊維プリフォームの補強構造の説明図。（第４の実施の形態）

第１の実施の形態

以下、図１〜図６に基づいて本発明の第１の実施の形態を説明する。

本実施の形態は、例えば図１に示すような三次元形状の繊維強化樹脂部材１１を、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding：樹脂トランスファー成形）により製造するための方法に関する。ＲＴＭは、複数の繊維層を積層して所定の三次元形状に賦形した繊維プリフォーム１２（図５（Ａ）参照）を金型内にセットして型締めした後に、金型内に低粘度の樹脂を高圧で注入して繊維プリフォーム１２を包むように硬化させるものである。

本実施の形態の繊維強化樹脂部材１１は、四角錐台状の第１部分１１ａと、その周囲を取り囲む平坦な第２部分１１ｂとを備えており、繊維プリフォーム１２は、繊維強化樹脂部材１１の第１部分１１ａに埋設される第１積層繊維基材シート１３と、繊維強化樹脂部材１１の第２部分１１ｂに埋設される第２積層繊維基材シート１４とを一体に接合して構成される。

図２に示すように、第１積層繊維基材シート１３は、多数のカーボン繊維を相互に直交する二つの方向に配向した繊維基材シート素材１５を所定形状に裁断した第１繊維基材シート１６を複数枚積層したもので、第１繊維基材シート１６の形状は繊維強化樹脂部材１１の第１部分１１ａの展開形状の外周部に帯状の重ね代１６ａ…，１６ｂ…を突出させたものである。積層される複数枚の第１繊維基材シート１６…は、第１積層繊維基材シート１３の強度が高めるべく、相互に隣接する第１繊維基材シート１６，１６のカーボン繊維の配向方向が４５°ずれている（図２（Ａ）および図２（Ｂ）参照）。

図３に示すように、第２積層繊維基材シート１４は、多数のカーボン繊維を相互に直交する二つの方向に配向した繊維基材シート素材１５を所定形状に裁断した第２繊維基材シート１７を複数枚積層したもので、第２繊維基材シート１７の形状は繊維強化樹脂部材１１の第２部分１１ｂの形状の内周部に帯状の重ね代１７ａ…を突出させたものである。積層される複数枚の第２繊維基材シート１７…は、第２積層繊維基材シート１４の強度を高めるべく、相互に隣接する第２繊維基材シート１７，１７のカーボン繊維の配向方向が４５°ずれている（図３（Ａ）および図３（Ｂ）参照）。

図４に示すように、これらの第１積層繊維基材シート１３および第２積層繊維基材シート１４は、図示せぬステッチ糸で例えばジグザグに縫合されて積層状態に一体化されるため、その繊維の配向方向は０°、９０°、４５°および−４５°の４軸方向となる。

図５（Ａ）に示すように、第１積層繊維基材シート１３は、重ね合わされた４枚の第１繊維基材シート１６…の各々毎に８個の重ね代１６ａ…を備えており、隣接する重ね代１６ａ…，１６ａ…どうしを重ね合わせてステッチ糸１９…（図５（Ｂ）参照）で縫合することで、四角錐台状に構成される。この第１積層繊維基材シート１３は、四つの三面合わせ部２０…、つまり三つのコーナー部２１…で区画された三つの平面が集合する部分を備えており、各三面合わせ部２０の三つのコーナー部２１…のうちの一つのコーナー部２１がステッチ糸１９…で縫合されることになる。

また第１積層繊維基材シート１３は、重ね合わされた４枚の第１繊維基材シート１６…の各々毎に４個の重ね代１６ｂ…を備えるとともに、第２積層繊維基材シート１４は、重ね合わされた４枚の第２繊維基材シート１７…の各々毎に４個の重ね代１７ａ…備えており、第１積層繊維基材シート１３の重ね代１６ａ…および第２積層繊維基材シート１４の重ね代１７ａ…どうしを重ね合わせてステッチ糸１９…で縫合することで、繊維プリフォーム１２が構成される。この繊維プリフォーム１２は、更に四つの三面合わせ部２２…を備えており、各三面合わせ部２２の三つのコーナー部２１，２３，２３が全てステッチ糸１９…で縫合される。

以上のように、繊維プリフォーム１２のコーナー部２１…，２３…では、第１積層繊維基材シート１３あるいは第２積層繊維基材シート１４が２枚重ねになるため、その部分で繊維が切断されていても充分な強度が確保される。しかも２枚重ねになったコーナー部２１…，２３…の両端部をステッチ糸１９…で縫合するので、繊維プリフォーム１２の強度が向上する。このとき、コーナー部２１…，２３…の両端部に加えて中央部もステッチ糸１９…で縫合すれば、コーナー部２１…，２３…の層間強度が一層向上して層間剥離の発生が確実に防止される。（図５（Ｃ）参照）。

完成した繊維プリフォーム１２は三次元的な形状を有するものであるが、それをテーブル等の平坦な場所に置くと自己の形状を維持できずに潰れてしまう。しかしながら、潰れた繊維プリフォーム１２は完全な二次元形状にはならず、三面合わせ部２０…，２２…の周囲に弛み部２４…が形成される。

図６に示すように、繊維強化樹脂部材１１を成形する成形金型２５は雄型２６および雌型２７からなり、雄型２６の凸状の成形面２６ａおよび雌型２７の凹状の成形面２７ａ間にキャビティが形成される。繊維プリフォーム１２を雄型２６上にセットすると、四角錐台状に縫合された第１積層繊維基材シート１３が雄型２６の凸状の成形面２６ａに沿うことで、繊維プリフォーム１２の弛み部２４…が伸長し、雌型２７を型締めすると繊維プリフォーム１２が雄型２６および雌型２７の成形面２６ａ，２７ａに緊密に当接する。そして排気孔２７ｂからキャビティ内を真空引きしながら、注入孔２７ｃからキャビティ内に溶融した熱硬化性の樹脂を注入して硬化させることで、繊維強化樹脂部材１１を成形する。

以上のように、本実施の形態によれば、繊維強化樹脂部材１１の展開形状に合わせて裁断および積層した第１積層繊維基材シート１３および第２積層繊維基材シート１４を縫合して繊維プリフォーム１２を形成するので、繊維プリフォーム１２をプレス成形するための特別のプレス金型を不要にして製造コストを削減できるだけでなく、繊維の伸縮を伴う賦形を行う必要がないために繊維プリフォーム１２が成形金型２５の成形面２６ａ，２７ａに密着し易くなり、成形金型２５のキャビティにセットされた繊維プリフォーム１２に皺が発生したり繊維の配向方向がずれたりするのを防止して繊維強化樹脂樹部材１１の成形精度を高めることができる。

第２の実施の形態

次に、図７に基づいて本発明の第２の実施の形態を説明する。

第２の実施の形態は、繊維プリフォーム１２の素材である繊維基材シート素材１５が幅広の帯状に形成されて繊維基材シートロール３１に巻き取られており、複数の繊維基材シートロール３１…から引き出した繊維基材シート素材１５…を積層した状態で所定形状に裁断し、ステッチ糸１８…で縫合することで第１積層繊維基材シート１３あるいは第２積層繊維基材シート１４を構成する。繊維基材シートロール３１…から引き出した繊維基材シート素材１５は繊維配向方向が０°／９０°のものと、４５°／−４５°のものとがあり、それらを積層することで繊維が４軸方向に配向された第１積層繊維基材シート１３あるいは第２積層繊維基材シート１４を得ることができる。

本実施の形態によれば、繊維基材シートロール３１…から引き出した複数枚の繊維基材シート素材１５…を積層することで積層作業が容易になるだけでなく、積層した複数枚の繊維基材シート素材１５…を一括して裁断することで、繊維基材シート素材１５…を１枚ずつ裁断する場合に比べて作業工数が削減される。しかも第１繊維基材シート１６…あるいは第２繊維基材シート１７…を積層した状態でステッチ糸１８…で一体に縫合するので層間の拘束が強くなり、成形金型２５のキャビティに樹脂を注入したときに繊維流れが発生し難くなって層間強度が向上する。

第３の実施の形態

次に、図８に基づいて本発明の第３の実施の形態を説明する。

第３の実施の形態は、第１、第２の実施の形態の幅広の繊維基材シート素材１５に代えて、クリール３２に引き出し自在に巻き取られた数センチメートル程度の細幅の繊維テープ３３を用いる。繊維テープ３３は多数の繊維を平行に引き揃えたもので構成され、相互に平行に並置された複数のクリール３２…を、複数の繊維テープ３３…を引き出しながら移動させることで、１層分の第１繊維基材シート１６あるいは第２繊維基材シート１７を積層することができる。図８では、平行に並置された複数のクリール３２…のうちの１個だけが示される。

例えば、第１繊維基材シート１６を積層するとき、クリール３２…の移動方向を第１繊維基材シート１６の外周のラインと平行に、特に重ね代１６ａのラインと平行に移動させるとともに、各繊維テープ３３の始端および終端を重ね代１６ａの端部に一致させることで、繊維テープ３３の切除される部分を減らして歩留りを高め、コストダウンに寄与することができる。またクリール３２…の移動方向を各層毎に変化させることで、各層の繊維配向方向を任意に異ならせることができる。このようにして複数層に積層された第１繊維基材シート１６…をステッチ糸１８…で縫合することで、第１積層繊維基材シート１３が完成する。第２積層繊維基材シート１４も同様にして製造可能である。

第４の実施の形態

次に、図９および図１０に基づいて本発明の第４の実施の形態を説明する。

図９に示すように、第４の実施の形態は、第１の実施の形態の第１積層繊維基材シート１３を全てのコーナー部２１…において切断することで５枚の部材１３′…に分割したものであり、５枚の部材１３′…の外周には重ね代１６ａ…，１６ｂ…が形成されており、この重ね代１６ａ…，１６ｂ…と、第２積層繊維基材シート１４の重ね代１７ａ…とを重ね合わせて縫合することで、三次元形状の繊維プリフォーム１２が構成される。

第１の実施の形態では、第１積層繊維基材シート１３の三面合わせ部２０に集合する３本のコーナー部２１…のうちの１本のコーナー部２１だけが重ね代１６ａ…を重ね合わせて縫製されるが、第４の実施の形態では３本のコーナー部２１…の全てが重ね代１６ａ…を重ね合わせて縫製されるため、繊維プリフォーム１２の強度が大幅に向上する。このとき、第１繊維基材シート１６…および第２繊維基材シート１７…の積層枚数を５枚の部材１３′…で個々に異ならせることで、繊維プリフォーム１２の各部の強度配分を任意に設定することができる。

また、図１０に示すように、繊維プリフォーム１２の各コーナー部２１…，２３…に繊維基材シートを帯状に裁断したパッチ３４…を重ねて縫合すれば、繊維プリフォーム１２の強度を更に高めることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々の設計変更を行うことが可能である。

例えば、実施の形態では繊維プリフォーム１２を第１積層繊維基材シート１３および第２積層繊維基材シート１４の２部材で構成したが、１部材あるいは３部材以上で構成しても良い。

また繊維プリフォーム１２の繊維の配向方向は４軸方向に限定されず、３軸方向以上であれば良い。

１１ 繊維強化樹脂部材（成品）
１２ 繊維プリフォーム
１３ 第１積層繊維基材シート（積層繊維基材シート）
１４ 第２積層繊維基材シート（積層繊維基材シート）
１６ 第１繊維基材シート（繊維基材シート）
１６ａ 重ね代
１６ｂ 重ね代
１７ 第２繊維基材シート（繊維基材シート）
１７ａ 重ね代
１９ ステッチ糸
２０ 三面合わせ部
２１ コーナー部
２２ 三面合わせ部
２３ コーナー部
２４ 弛み部
２５ 成形金型
２６ａ 成形面
２７ａ 成形面
３１ 繊維基材シートロール
３２ クリール
３３ 繊維テープ

Claims (7)

1. 二次元形状の繊維基材シート（１６，１７）を三次元形状の成品（１１）の展開形状に重ね代（１６ａ，１６ｂ，１７ａ）を加えた形状に裁断・積層して積層繊維基材シート（１３，１４）を製造する第１工程と、
   前記積層繊維基材シート（１３，１４）の隣接する前記重ね代（１６ａ，１６ｂ，１７ａ）どうしを重ね合わせてステッチ糸（１９）で縫合し、三面合わせ部（２０，２２）の周囲に弛み部（２４）を有する繊維プリフォーム（１２）を製造する第２工程と、
   前記繊維プリフォーム（１２）を成形金型（２５）のキャビティにセットして前記弛み部（２４）を該成形金型（２５）の成形面（２６ａ，２７ａ）に緊密に当接させる第３工程と、
   前記成形金型（２５）に樹脂を注入して前記成品（１１）を成形する第４工程と、
   を含むことを特徴とするＲＴＭ成形方法。
2. 前記第１工程において、複数個の繊維基材シートロール（３１）からそれぞれ引き出した複数枚の前記繊維基材シート（１６，１７）を積層した状態で裁断することを特徴とする、請求項１に記載のＲＴＭ成形方法。
3. 前記第１工程において、複数枚の前記繊維基材シート（１６，１７）を繊維の配向方向が少なくとも３軸以上になるように積層して一体に縫合した後に裁断することを特徴とする、請求項１に記載のＲＴＭ成形方法。
4. 前記第１工程において、前記三面合わせ部（２０，２２）の前記重ね代（１６ａ，１６ｂ，１７ａ）と平行になるように複数のクリール（３２）から引き出した複数の繊維テープ（３３）の集合で前記繊維基材シート（１６，１７）を構成することを特徴とする、請求項１に記載のＲＴＭ成形方法。
5. 前記第２工程において、前記ステッチ糸（１９）は前記三面合わせ部（２０，２２）のコーナー部（２１，２３）において重ね合わされた前記重ね代（１６ａ，１６ｂ，１７ａ）どうしを縫合することを特徴とする、請求項１〜請求項４の何れか１項に記載のＲＴＭ成形方法。
6. 前記第２工程において、前記ステッチ糸（１９）は前記三面合わせ部（２０，２２）のコーナー部（２１，２３）において重ね合わされた前記重ね代（１６ａ，１６ｂ，１７ａ）の両端部および中央部を縫合することを特徴とする、請求項５に記載のＲＴＭ成形方法。
7. 前記第１工程において、前記積層繊維基材シート（１３）は前記三面合わせ部（２０）の三つのコーナー部（２１）に沿うように分割され、その分割部に設けた前記重ね代（１６ａ）どうしを縫合することを特徴とする、請求項１〜請求項６の何れか１項に記載のＲＴＭ成形方法。
   

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