JP2016221884A - 繊維強化樹脂構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】繊維強化樹脂構造体の屈曲部へのボイドの残留を抑制し、繊維強化樹脂構造体の強度の低下を抑制可能な、繊維強化樹脂構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを複数枚積層して繊維強化樹脂積層体を形成する工程と、前記繊維強化樹脂積層体を加熱する工程と、加熱した前記繊維強化樹脂積層体を、冷間プレス装置を用いてプレス加工し、繊維強化樹脂構造体を成形する工程と、を備え、プレス時に前記繊維強化樹脂積層体に形成される屈曲部又は前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力を相対的に高めた状態で前記プレス加工を行う。
【選択図】図６

Description

本発明は、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを用いて繊維強化樹脂構造体を成形する繊維強化樹脂構造体の製造方法に関する。

自動車車体の構造部品は、従来、鋼材等の金属材料により構成されていた。近年、車体の軽量化のために、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等の繊維強化樹脂からなる構成部品が使用されつつある。かかる繊維強化樹脂からなる構成部品は、例えば、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを積層し、当該積層体を、金型を用いてプレス加工することにより成形される。繊維強化樹脂からなる構成部品（以下、「繊維強化樹脂構造体」ともいう。）の内部にボイドが残留すると、繊維強化樹脂構造体の強度が低下するおそれがあるため、以下の特許文献では、繊維強化樹脂の内部にボイドが残されることを抑制する技術が提案されている。

例えば、特許文献１には、熱硬化性樹脂を用いた繊維強化樹脂の製造方法に関する技術として、熱硬化性樹脂を加熱硬化して成形品を製造するにあたり、真空ポンプを用いて熱硬化性樹脂成形素材内から脱気する技術が開示されている。かかる特許文献１では、熱硬化性樹脂成形素材が硬化反応を起こさない程度に設定された金型間にシート状の熱硬化性樹脂成形素材が積層配置され、熱硬化性樹脂成形素材を型閉したまま真空ポンプを作動させることにより金型内のエアーが排気される。

また、特許文献２には、真空ポンプ等に接続された真空吸引配管を繊維強化樹脂成形用基材内の密閉空間内に差し込んで内部を減圧した後に周囲を密閉して作成した繊維強化樹脂成形用基材を用いて、繊維強化樹脂を成形する技術が開示されている。

特開平８−１４２２０５号公報 特開２００２−２４８６２０号公報

ここで、繊維強化樹脂シートのマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂が用いられる場合、繊維強化樹脂構造体は冷間プレス加工により成形される。冷間プレス加工では、溶融状態の繊維強化樹脂シートの積層体（以下、単に「繊維強化樹脂積層体」ともいう。）が、融点よりも低い温度の金型によりプレスされる。このように、熱可塑性樹脂を用いた繊維強化樹脂積層体を冷間プレス加工する場合、熱可塑性樹脂は、金型に接した後、速やかに硬化し始める。そのため、特許文献１に記載されたような、熱硬化性樹脂を用いた繊維強化樹脂の製造方法による真空引きの手法を、熱可塑性樹脂を用いた繊維強化樹脂の製造方法に適用しても、内部のボイドをすべて除くことは困難である。

また、特許文献２に記載された技術では、１枚又は複数枚積層された繊維強化樹脂シートを熱可塑性樹脂シートで上下両面から覆うことで閉空間を形成し、当該閉空間内を減圧することで、強化繊維にマトリックス樹脂を充分に含浸させた繊維強化樹脂成形用基材が作成される。しかしながら、シート間に挟まれた空気を完全に脱気することは困難であり、当該基材を融点以上に加熱した後、融点未満の温度の金型を用いて冷間プレス成形した際に、成形品にボイドが生じるおそれがある。

このボイドが発生あるいは残留する位置は予測困難である場合が多いため、成形される繊維強化樹脂構造体において、想定していた物性が発現されない場合が生じ得る。特に、繊維強化樹脂構造体が屈曲部分を有する場合、プレス成形時の金型のプレス方向と、当該屈曲部分を成形するためのプレス面との成す角度が小さくなって、プレス成形中において当該屈曲部分には圧力がかかりにくくなる。そのため、他の領域で発生するボイドが屈曲部分に移動しやすい。繊維強化樹脂構造体の使用時において屈曲部分には応力が集中しやすく、ボイドが残されていると強度が著しく低下するおそれがある。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、繊維強化樹脂構造体の屈曲部へのボイドの残留を抑制し、繊維強化樹脂構造体の強度の低下を抑制可能な、繊維強化樹脂構造体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを複数枚積層して繊維強化樹脂積層体を形成する工程と、前記繊維強化樹脂積層体を加熱する工程と、加熱した前記繊維強化樹脂積層体を、冷間プレス装置を用いてプレス加工し、繊維強化樹脂構造体を成形する工程と、を備え、プレス時に前記繊維強化樹脂積層体に形成される屈曲部又は前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力を相対的に高めた状態で前記プレス加工を行う、繊維強化樹脂構造体の製造方法が提供される。

前記冷間プレス装置が、前記繊維強化樹脂積層体を挟んでプレスするための第１の金型及び第２の金型を備え、前記屈曲部における折れ曲がり方向の両側に位置する前記第１の金型のプレス面及び前記第２の金型のプレス面のうちの少なくとも一方のプレス面に、前記折れ曲がり方向に対して交差する凸状部を有することにより、前記繊維強化樹脂積層体に形成される前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められてもよい。

前記凸状部の高さが、成形される前記繊維強化樹脂構造体の厚さの１／３未満、かつ、０．１ｍｍ以上の値であってもよい。

前記凸状部の端部と前記屈曲部の頂点との距離が１．０〜１０．０ｍｍの範囲内の値であってもよい。

前記繊維強化樹脂積層体における、少なくとも前記屈曲部に隣接する領域の厚さを、他の領域の厚さよりも厚くし、前記プレス加工を行うことにより、前記繊維強化樹脂積層体に形成される前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められてもよい。

前記繊維強化樹脂積層体における、少なくとも前記屈曲部に隣接する領域に、層厚増加材料を配置し、前記プレス加工を行うことにより、前記繊維強化樹脂積層体に形成される前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められてもよい。

前記繊維強化樹脂積層体における前記屈曲部に隣接する領域に前記層厚増加材料を配置することは、フィルム状又はシート状の樹脂材料あるいは前記繊維強化樹脂シートを積層することであってもよい。

前記樹脂材料は前記マトリックス樹脂の材料と同系の材料であってもよい。

以上説明したように本発明によれば、繊維強化樹脂構造体の屈曲部へのボイドの残留が抑制され、繊維強化樹脂構造体の強度の低下を抑制することができる。

繊維強化樹脂構造体の一例を示す斜視図である。 繊維強化樹脂構造体の製造方法を示す説明図である。 第１の実施の形態の冷間プレス工程で用いられる金型を示す説明図である。 従来の冷間プレス工程における屈曲部分の様子を示す説明図である。 従来の冷間プレス工程における面圧及び間隙の幅の変化を示す説明図である。 同実施形態の冷間プレス工程における屈曲部分の様子を示す説明図である。 スリットを介してボイドを排出する様子を示す説明図である。 第２の実施の形態の冷間プレス工程を示す説明図である。 同実施形態の冷間プレス工程における面圧の変化を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。

＜＜１．第１の実施の形態＞＞
第１の実施の形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法は、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化樹脂積層体を冷間プレス加工することによって繊維強化樹脂構造体を成形する繊維強化樹脂構造体の製造方法である。本実施形態においては、繊維強化樹脂構造体の屈曲部に隣接する領域に付加される圧力を高めた状態で冷間プレス加工が行われる。以下、繊維強化樹脂構造体の構成例について説明した後に、繊維強化樹脂構造体の製造方法について説明する。

＜１−１．繊維強化樹脂構造体＞
図１は、繊維強化樹脂構造体２０の一例を示す斜視図である。繊維強化樹脂構造体２０は、繊維強化樹脂を用いて成形され、鋼板からなる構造体と比較して軽量でありつつ、高い強度を有している。繊維強化樹脂構造体２０の用途は特に限定されないが、繊維強化樹脂構造体２０は、例えば、自動車車体用の構造部品として使用される。

繊維強化樹脂構造体２０の成形素材となる繊維強化樹脂シートは、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させて形成される。使用される強化繊維は、特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等であってもよく、さらにはこれらの強化繊維を組み合わせて使用してもよい。中でも、炭素繊維は、機械特性が高く、強度設計を行いやすいことから、強化繊維が炭素繊維を含むことが好ましい。

強化繊維は、長さが比較的短い短繊維であってもよいし、長さが比較的長い長繊維であってもよい。また、強化繊維は、繊維強化樹脂シートの一端から他端まで連続する連続繊維であってもよい。さらに、繊維強化樹脂シートは、強化繊維が一方向に向けて配置された一方向繊維強化樹脂シートであってもよいし、強化繊維が複数方向に向けて配置された繊維強化樹脂シートであってもよい。

また、繊維強化樹脂シートのマトリックス樹脂には熱可塑性樹脂が用いられる。マトリックス樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂などが例示される。これらの熱可塑性樹脂うちの１種類、あるいは２種類以上の混合物を使用することができる。これら熱可塑性樹脂は、単独でも、混合物でも、また共重合体であってもよい。混合物の場合には相溶化剤を併用してもよい。さらに、難燃剤として臭素系難燃剤、シリコン系難燃剤、赤燐などを加えてもよい。

この場合、使用される熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等の樹脂が挙げられる。中でも可塑性マトリックス樹脂がポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン及びフェノキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

なお、積層される複数の繊維強化樹脂シートは、それぞれ強化繊維の種類や含有率等が異なっていてもよい。また、積層される複数の繊維強化樹脂シートにおいて、マトリックス樹脂が相溶性を有する異なる材料同士であってもよく、あるいは、同一のマトリックス樹脂に対して異なる添加物等が混合されていてもよい。この場合においても、繊維強化樹脂シートの溶融及び硬化を効率的に行えるように、マトリックス樹脂の融点が近似することが好ましい。

繊維強化樹脂シートは、例えば、一般的なフィルム含浸法や溶融含浸法等のプロセスにより、強化繊維を連続的に送り出しながらマトリックス樹脂を当該強化繊維に含浸させる方法により製造される。この繊維強化樹脂シートを所望のサイズに切断することにより、成形素材としての繊維強化樹脂シートが得られる。所望のサイズに切断した複数の繊維強化樹脂シートの幅方向の端部を接着剤等により互いに接合して、所望の幅及び長さの繊維強化樹脂シートを形成してもよい。繊維強化樹脂シートの厚さは、例えば、０．０３〜０．５０ｍｍの範囲内の値とすることができる。

本実施形態において、繊維強化樹脂シートを用いて成形される繊維強化樹脂構造体２０は、図１に示すように、屈曲部Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）と、屈曲部Ｒ（Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４）の両端に連続して形成された平面部２２，２６及び壁部２４を有する。屈曲部Ｒは、繊維強化樹脂構造体２０の面が折れ曲がって形成された部分である。一般的に、屈曲部Ｒには応力が集中しやすく、繊維強化樹脂構造体２０に荷重が与えられたときに、屈曲部Ｒが損傷しやすい。そのため、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法では、屈曲部Ｒへのボイドの残留が抑制されるように繊維強化樹脂構造体２０が成形されるようになっている。

なお、繊維強化樹脂構造体２０は、構成面が折れ曲がった屈曲部Ｒを有していればよく、図１に例示した形状に限られない。

＜１−２．繊維強化樹脂構造体の製造方法＞
本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法について具体的に説明する。図２は、成形素材としての繊維強化樹脂シート１０から繊維強化樹脂構造体２０が得られるまでの工程を模式的に示した説明図である。かかる製造方法は、積層工程と、加熱工程と、冷間プレス工程とを備える。以下、各工程について詳細に説明する。

（１−２−１．積層工程）
積層工程は、複数枚の繊維強化樹脂シート１０を積層して繊維強化樹脂積層体１２を形成する工程である。本実施形態では、それぞれ連続繊維が一方向に向けて配置された４枚の繊維強化樹脂シート１０が用いられる。このとき、４枚のうちの少なくとも１枚の繊維強化樹脂シート１０の連続繊維の配置方向を異ならせて繊維強化樹脂シート１０を積層することにより、得られる繊維強化樹脂構造体２０の強度に異方性を持たせることができる。

上述のとおり、成形素材としての繊維強化樹脂シート１０は、繊維強化樹脂シートを所望のサイズに切断したものであってもよく、所望のサイズに切断した繊維強化樹脂シートの幅方向の端部を互いに接合して所望の幅にしたものであってもよい。積層する繊維強化樹脂シート１０の枚数や平面視の大きさは、製造する繊維強化樹脂構造体２０の厚さや大きさに応じて、適宜選択し得る。

（１−２−２．加熱工程）
加熱工程は、繊維強化樹脂積層体１２を加熱する工程である。加熱工程では、例えば、繊維強化樹脂積層体１２が加熱装置４０に投入される。当該繊維強化樹脂積層体１２は、上面側及び下面側から、電熱線や遠赤外線ヒータ等の加熱手段４１，４３によって加熱される。加熱装置４０の温度は、マトリックス樹脂の融点以上に設定される。加熱工程では、マトリックス樹脂が分解しないように、繊維強化樹脂積層体１２が溶融状態にされる。用いられる加熱装置は、特に限定されない。

（１−２−３．冷間プレス工程）
冷間プレス工程は、溶融状態の繊維強化樹脂積層体１２を冷間プレス加工し、所望の形状の繊維強化樹脂構造体２０を成形する工程である。冷間プレス工程では、冷間プレス装置５０の第１の金型５１及び第２の金型５３の温度がマトリックス樹脂の融点未満にされる。かかる冷間プレス工程において、第２の金型５３上に溶融状態の繊維強化樹脂積層体１２が設置された後に、対向する第１の金型５１及び第２の金型５３が互いに近接させられて繊維強化樹脂積層体１２がプレス加工される。これにより、繊維強化樹脂積層体１２が硬化して、所望の形状の繊維強化樹脂構造体２０が得られる。

ここで、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法では、繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒへのボイドの残留を抑制するために、屈曲部Ｒ又は屈曲部Ｒに隣接する領域に付加される圧力を相対的に高めた状態で冷間プレス加工が行われる。屈曲部Ｒ又は屈曲部Ｒに隣接する領域に付加される圧力を相対的に高めることによって、繊維強化樹脂積層体１２内のボイドが他の領域から屈曲部Ｒへと移動することが抑制される。

（１−２−３−１．金型）
まず、本実施形態の冷間プレス工程において用いられる金型の構成について説明する。図３は、冷間プレス工程で用いられる第１の金型５１及び第２の金型５３のうち、繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒを含む領域を成形する部分を部分的に示した断面図である。第１の金型５１は、平面部２２，２６を成形するための平坦面５２ａ，５２ｅと、屈曲部Ｒを成形するための屈曲面５２ｂ，５２ｄと、壁部２４を成形するための交差面５２ｃとを有する。

第２の金型５３は、平面部２２，２６を成形するための平坦面５４ａ，５４ｅと、屈曲部Ｒを成形するための屈曲面５４ｂ，５４ｄと、壁部２４を成形するための交差面５４ｃとを有する。また、第２の金型５３は、３つの凸状部５５（５５ａ，５５ｂ，５５ｃ）を有する。凸状部５５ａは、屈曲面５４ｂに隣接する平坦面５４ａに設けられる。凸状部５５ｂは、屈曲面５４ｄと交差面５４ｃとの境界に設けられる。凸状部５５ｃは、屈曲面５４ｄに隣接する平坦面５４ｅに設けられる。

本実施形態では、第２の金型５３に凸状部５５を設けることにより、当該凸状部５５の位置における第１の金型５１と第２の金型５３との間隙の幅が、他の位置における間隙の幅よりも小さくなる。これにより、繊維強化樹脂積層体１２を冷間プレス加工する際に、凸状部５５に対応する位置に付加される圧力が相対的に高められる。これにより、屈曲部Ｒに隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められ、繊維強化樹脂積層体１２内における他の領域から屈曲部Ｒへのボイドの移動が抑制される。

ここで、屈曲面５４ｄと交差面５４ｃとの境界に凸状部５５ｂが設けられる一方、屈曲面５４ｂと交差面５４ｃとの境界に凸状部が設けられていないのは、繊維強化樹脂積層体１２の壁部２４がプレスされた際に、当該壁部２４に存在するボイドが、プレス方向前方の屈曲面５４ｄ側に押し出されるからである。ただし、屈曲面５４ｂと交差面５４ｃとの境界に凸状部が設けられていてもよい。

なお、本明細書において、第１の金型５１と第２の金型５３との「間隙の幅」とは、それぞれの位置における第１の金型５１と第２の金型５３との最短距離を指す。

図３では、凸状部５５が断面により示されているが、凸状部５５は、屈曲面５４ｂ，５４ｄに沿って長尺に設けられる。すなわち、凸状部５５は、成形される屈曲部Ｒの折れ曲がり方向に対して交差するように設けられている。それぞれの凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃは、屈曲面５４ｂ，５４ｄに沿って連続する１本の凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃとしてもよいし、断続的に形成されていてもよい。ただし、それぞれの凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃを断続的に形成する場合、ボイドの移動を堰き止められるように、隣との間隔が適切に設定される。図３に例示した凸状部５５の断面形状は台形状であるが、凸状部５５の断面形状は、矩形状や円弧状等の他の形状であってもよい。

また、凸状部５５の高さは、成形される繊維強化樹脂構造体２０の厚さの１／３未満、かつ、０．１ｍｍ以上の値であることが好ましい。例えば、繊維強化樹脂構造体２０の平面部２２，２６の厚さが１ｍｍの場合の凸状部５５の高さの上限は０．３ｍｍであり、平面部２２，２６の厚さが３ｍｍの場合の凸状部５５の高さの上限は１．０ｍｍである。凸状部５５の高さが低い場合には、屈曲部Ｒに隣接する領域に付加される圧力を相対的に高めることができずに、ボイドの移動を抑制できないおそれがある。また、凸状部５５の高さが高すぎる場合には、得られる繊維強化樹脂構造体２０の厚さが部分的に薄くなって、強度が低下するおそれがある。係る凸状部５５の高さの上限は、繊維強化樹脂構造体２０の厚さの１／４未満であることがより好ましく、１／５未満であることがさらに好ましい。

また、凸状部５５を設ける位置に関し、屈曲面５４ｂ，５４ｄの頂点Ｐ１，Ｐ２から凸状部５５の端部までの距離が、例えば、１．０〜１０．０ｍｍの範囲内の値であることが好ましい。凸状部５５を設ける位置が屈曲面５４ｂ，５４ｄから離れすぎている場合には、繊維強化樹脂構造体２０における凸状部５５に対応する領域と屈曲部Ｒとの間にボイドが含まれやすくなって、ボイドを屈曲部Ｒ側に移動させてしまうおそれがある。また、凸状部５５を設ける位置が屈曲面５４ｂ，５４ｄに重なっている場合、凸状部５５の幅にもよるが、ボイドを屈曲部Ｒから遠ざけにくくなって、屈曲部Ｒの強度が低下するおそれがある。したがって、屈曲面５４ｂ，５４ｄの頂点Ｐ１，Ｐ２から凸状部５５の端部までの距離が、２．０〜９．０ｍｍの範囲内の値であることがより好ましく、３．０〜８．０ｍｍの範囲内の値であることがさらに好ましい。

なお、凸状部５５は、第２の金型５３ではなく、第１の金型５１に設けられてもよく、第１の金型５１及び第２の金型５３の両方に設けられてもよい。凸状部５５を第１の金型５１及び第２の金型５３の両方に設ける場合には、繊維強化樹脂構造体２０の厚さが部分的に著しく薄くならないように、それぞれの凸状部５５の位置や高さ等が適宜設定される。

（１−２−３−２．冷間プレス加工）
次に、上記第１の金型５１及び第２の金型５３を用いて実施される冷間プレス加工について説明する。以下、繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒにボイドが残留しやすいことについて説明した後、本実施形態による冷間プレス加工について説明する。

図４は、凸状部が設けられていない第１の金型１５１及び第２の金型１５３を用いて冷間プレス加工を実施している様子を示す説明図である。かかる図４は、繊維強化樹脂構造体１２０の屈曲部Ｒを含む領域がプレス成形される様子を示す断面図である。図５は、冷間プレス加工中における繊維強化樹脂積層体１２に対する面圧の変化、及び第１の金型１５１と第２の金型１５３との間隙の幅の変化をそれぞれ示す図である。

図４及び図５に示すエリアＡは、平面部２２，２６に対応するエリアであって、プレス面がプレス方向に対して直交するエリアである。エリアＢは、壁部２４に対応するエリアであって、プレス方向に対するプレス面の角度が小さくなっているエリアである。エリアＣは、屈曲部Ｒ１，Ｒ２に対応するエリアである。また、図４の上から一段目の図は、図５の時刻ｔ０の状態を示し、図４の上から二段目の図は、図５の時刻ｔ１の状態を示し、図４の上から三段目の図は、図５の時刻ｔ２の状態を示す。図４の一番下の図は、成形された繊維強化樹脂構造体１２０を部分的に示す断面図である。

図４に示すように、第２の金型１５３上に繊維強化樹脂積層体１２を設置した状態で第１の金型１５１と第２の金型１５３とを近接させると、各エリアＡ，Ｂ，Ｃにおける第１の金型１５１と第２の金型１５３との間隙の幅は次第に小さくなる。このとき、エリアＢにおける第１の金型１５１と第２の金型１５３との間隙の幅の減少度合いは、エリアＡ及びエリアＣの減少度合いに比べて大きい（図５の時刻ｔ０〜ｔ１）。

そのため、エリアＢにおいては、第１の金型１５１と第２の金型１５３との間隙の幅が、他のエリアＡ及びエリアＣよりも早く所定値以下となって、面圧が上昇し始める（時刻ｔ１）。また、繊維強化樹脂積層体１２は、マトリックス樹脂の融点未満の温度にされた第１の金型１５１又は第２の金型１５３に接触した箇所から硬化し始めるため、面圧が上昇し得るエリアＢに存在するボイド１４ａは、繊維強化樹脂積層体１２内に閉じ込められる。その結果、エリアＢに存在するボイド１４ａは、繊維強化樹脂積層体１２内で、早い段階で壁部２４から屈曲部Ｒ側へ押し出される。

引き続き第１の金型１５１と第２の金型１５３とを近接させることにより、エリアＡ及びエリアＣにおける間隙の幅が所定値以下となって、エリアＡ及びエリアＣにおいても面圧が上昇し始める。ただし、プレス面がプレス方向に対して直交するエリアＡでは、プレス面とプレス方向との成す角度がエリアＡよりも小さいエリアＣに比べて面圧が高められやすい。そのため、エリアＡの面圧の上昇度合いはエリアＣの面圧の上昇度合いよりも大きい（時刻ｔ１〜ｔ２）。これにより、エリアＡに存在するボイド１４は、繊維強化樹脂積層体１２内で、平面部２２，２６から屈曲部Ｒ側に移動する。

したがって、面圧の上昇時期が遅く、また、面圧が高められにくいエリアＣの屈曲部Ｒにはボイド１４が残留しやすくなる。なお、プレス面とプレス方向とのなす角度が小さくなるほど繊維強化樹脂積層体１２に対して面圧が高められにくくなるため、第１の金型１５１と第２の金型１５３とを最も近づけた状態（図４の上から三段目の状態）においては、エリアＡ、エリアＣ、エリアＢの順に面圧が大きくなっている（図５を参照）。

これに対して、第２の金型５３に凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃを設けて冷間プレス加工を実施した場合には、屈曲部Ｒへのボイドの残留が抑制される。図６は、第２の金型５３に凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃを設けた冷間プレス装置５０を用いて冷間プレス加工を実施している様子を示す説明図である。

第２の金型５３に凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃが設けられている場合においても、基本的には、エリアＡ、エリアＢ、エリアＣそれぞれにおける第１の金型５１と第２の金型５３との間隙の幅及び面圧は、図５に示したように変化する。したがって、第１の金型５１と第２の金型５３とを近接させた場合、エリアＢにおける第１の金型５１と第２の金型５３との間隙の幅が他のエリアＡ，Ｃよりも早く所定値以下となって、エリアＢから面圧が上昇し始める。ただし、第２の金型５３には、屈曲面５４ｄと交差面５４ｃとの境界に凸状部５５ｂが設けられている。そのため、エリアＢから屈曲部Ｒ２側に押し出されるボイド１４ａは、凸状部５５ｂが位置する領域を超えて屈曲部Ｒ２へ侵入できない（図６の上から二段目の図を参照）。

また、第１の金型５１と第２の金型５３とをさらに近接させると、エリアＡ及びエリアＣの面圧がともに上昇し始める。このとき、エリアＡの面圧の上昇度合いが、エリアＣの面圧の上昇度合いよりも大きく、エリアＡに存在するボイド１４が、面圧が低いエリアＣに向けて移動し始める。ただし、第２の金型５３には、屈曲面５４ｂ，５４ｄに隣接する平坦面５４ａ，５４ｅに凸状部５５ａ，５５ｃが設けられている。そのため、エリアＡから屈曲部Ｒ１，Ｒ２側に押し出されるボイド１４ｂは、凸状部５５ａ，５５ｃが位置する領域を超えて屈曲部Ｒ１，Ｒ２へ侵入できない（図６の上から三段目の図を参照）。

このように、第２の金型５３の屈曲面５４ｂ，５４ｄに隣接する位置に凸状部５５ａ，５５ｂ，５５ｃを設けて冷間プレス工程を実施することにより、プレス時に、屈曲部Ｒ１，Ｒ２に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められる。その結果、他の領域から屈曲部Ｒ１，Ｒ２へのボイド１４ａ，１４ｂの侵入が阻止されやすくなる。これにより、図６に示したように、得られる繊維強化樹脂構造体２０における屈曲部Ｒ１，Ｒ２へのボイド１４の残留が抑制される。

以上説明したように、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法によれば、冷間プレス加工により繊維強化樹脂構造体２０を製造するにあたり、繊維強化樹脂積層体１２内のボイド１４の屈曲部Ｒ１，Ｒ２への移動が抑制される。したがって、得られる繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒ１，Ｒ２へのボイド１４の残留が抑制され、繊維強化樹脂構造体２０の強度の低下が抑制される。

また、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法は、真空引きによって繊維強化樹脂積層体１２内を脱気する工程がないため、製造効率を向上させることができるとともに、脱気装置等の設備が不要となって製造コストを抑えることができる。ただし、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法は、真空引きの工程を含んでいてもよい。冷間プレス工程の前に繊維強化樹脂積層体１２内を脱気することにより、得られる繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒ１，Ｒ２へのボイド１４の残留をさらに抑制することができる。

＜＜２．第２の実施の形態＞＞
次に、第２の実施の形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法について説明する。本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法は、繊維強化樹脂積層体の表面にスリットを形成した状態で冷間プレス工程が実施される点において、第１の実施の形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法とは異なる。以下、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法の冷間プレス工程について、第１の実施の形態にかかる冷間プレス工程と異なる点を中心に説明する。

図７は、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法における冷間プレス工程を実施している様子を示す説明図である。図７の上段の図は、図６の上から三段目の図に対応する図であり、図７の下段の図は、上段の図の部分拡大図である。本実施形態においても、第２の金型５３Ａには、屈曲部Ｒ１，Ｒ２を成形するための屈曲面５４ｂ，５４ｄに隣接する平坦面５４ａ，５４ｅに凸状部５５ａ，５５ｂが設けられている。

ここで、本実施形態では、第２の金型５３Ａの平坦面５４ｅにおける、凸状部５５ｂの近傍に凹部５７が設けられている。凹部５７は、凸状部５５ｂを挟んで、屈曲面５４ｄ側とは反対側に設けられている。また、繊維強化樹脂積層体１２には、第２の金型５３Ａに接する表面のうちの、第２の金型５３Ａに設けられた凹部５７に対向する位置に、あらかじめスリット１６が形成されている。

したがって、繊維強化樹脂積層体１２を冷間プレス加工した際に、平面部２６から屈曲部Ｒ２側に移動するボイド１４ｂが、凸状部５５ｂが位置する領域で堰き止められるとともに、スリット１６を介して、第２の金型５３の凹部５７に排出される。繊維強化樹脂積層体１２は、第１の金型５１及び第２の金型５３Ａに接触した部分から硬化し始めるが、スリット１６の周囲は凹部５７に対向しており、硬化し始めるタイミングが周辺の領域よりも遅くなる。そのため、ボイド１４ｂが排出されるタイミングでは、スリット１６が塞がれにくくなっている。

繊維強化樹脂積層体１２に形成されるスリット１６の幅は、例えば、０．０５〜０．７ｍｍの範囲内の値であることが好ましい。スリット１６の幅が大きすぎると、硬化前の繊維強化樹脂が漏れ出るおそれがある。一方、スリット１６の幅が小さすぎると、ボイド１４ｂが排出されないおそれがある。したがって、スリット１６の幅は、０．１〜０．６ｍｍの範囲内の値であることがより好ましく、０．１〜０．５ｍｍの範囲内の値であることがさらに好ましい。

また、繊維強化樹脂積層体１２に形成されるスリット１６の深さは、例えば、１．０〜１０．０ｍｍの範囲内の値であることが好ましい。スリット１６が深すぎると、溶融状態の繊維強化樹脂積層体１２の取り扱いが困難になったり、成形される繊維強化樹脂構造体２０の強度が低下したりするおそれがある。一方、スリット１６が浅すぎると、繊維強化樹脂積層体１２の内部のボイド１４ｂが排出されないおそれがある。したがって、スリット１６の深さは、１．５〜８．０ｍｍの範囲内の値であることがより好ましく、２．０〜５．０ｍｍの範囲内の値であることがさらに好ましい。

かかるスリット１６は、繊維強化樹脂積層体１２の表層に位置する少なくとも１枚の繊維強化樹脂シートにあらかじめ形成されていてもよいし、積層工程で繊維強化樹脂積層体１２を形成した後に形成されてもよい。また、第１の金型５１の平坦面５２ａ，５２ｅに凹部５７が設けられ、スリット１６が、繊維強化樹脂積層体１２における第１の金型５１に接する表面側に形成されてもよい。さらに、第１の金型５１又は第２の金型５３Ａの交差面５２ｃ，５４ｃの少なくとも一方に凹部５７が設けられ、スリット１６が、繊維強化樹脂積層体１２の壁部２４に相当する部分の表面に形成されてもよい。図７に例示したスリット１６の断面形状は矩形状であるが、スリット１６の断面形状は円弧状等の他の形状であってもよい。

以上説明したように、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法によっても、第１の実施の形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法では、凸状部５５ｂにより堰き止められるボイド１４ｂがスリット１６を介して、繊維強化樹脂積層体１２外に排出される。したがって、得られる繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒ２へのボイド１４の残留がさらに抑制され、繊維強化樹脂構造体２０の強度の低下が抑制される。

＜＜３．第３の実施の形態＞＞
次に、第３の実施の形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法について説明する。本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法では、金型に凸状部を設けるのではなく、面圧が高められにくい範囲の繊維強化樹脂積層体の厚さを厚くすることによって、屈曲部Ｒ又は屈曲部Ｒに隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められる。以下、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体の製造方法の冷間プレス工程について、第１の実施の形態にかかる冷間プレス工程と異なる点を中心に説明する。

図８は、本実施形態における冷間プレス工程を実施している様子を示す説明図である。本実施形態において用いられる第１の金型５１Ｂ及び第２の金型５３Ｂは、凸状部を有しない点を除いて、第１の実施の形態において用いられる第１の金型５１及び第２の金型５３と同様の構成を有している。一方、第２の金型５３Ｂに設置された繊維強化樹脂積層体１２における、屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分の厚さが他の領域に比べて厚くされている。本実施形態では、繊維強化樹脂積層体１２の屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分に層厚増加材料１８を配置することによって、当該部分の厚さが厚くされている。

すでに述べたように、屈曲部Ｒ及び壁部２４では、平面部２２，２６に比べて、プレス面とプレス方向とがなす角度が小さくなり、面圧が上昇しにくくなっている。これに対して、屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分の繊維強化樹脂積層体１２の厚さを厚くすることによって、当該部分には、平面部２２，２６において生じる面圧よりも大きい面圧が生じやすくなり、平面部２２，２６から屈曲部Ｒへのボイドの侵入が抑制される。

図９は、本実施形態による冷間プレス加工中における繊維強化樹脂積層体１２に対する面圧の変化を示す図である。図８の上から一段目の図は、図９の時刻ｔ１０の状態を示し、図８の上から二段目の図は、図９の時刻ｔ１１の状態を示し、図８の上から三段目の図は、図９の時刻ｔ１２の状態を示す。図８の一番下の図は、成形される繊維強化樹脂構造体２０を部分的に示す断面図である。

図８に示すように、屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分に層厚増加材料１８が配置された繊維強化樹脂積層体１２を第２の金型５３Ｂ上に設置した状態で第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとを近接させると、各エリアＡ，Ｂ，Ｃにおける第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとの間隙の幅は次第に小さくなる。このとき、エリアＢにおける第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとの間隙の幅の減少度合いは、エリアＡ及びエリアＣの減少度合いに比べて大きい。

さらに、エリアＢの繊維強化樹脂積層体１２上には層厚増加材料１８が配置されているため、エリアＢにおいては、第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとの間隙の幅が、他のエリアＡ及びエリアＣよりも早く所定値以下となって、面圧が上昇し始める（時刻ｔ１１）。このとき、エリアＢでは、繊維強化樹脂積層体１２の厚さが厚くされていることから、エリアＢの厚さが厚くされていない図５の場合の面圧の上昇度合いに比べて、面圧の上昇度合いは大きくなる。

また、繊維強化樹脂積層体１２は、マトリックス樹脂の融点未満の温度にされた第１の金型５１Ｂ又は第２の金型５３Ｂに接触した部分から硬化し始めるため、面圧が上昇し得る領域に存在するボイド１４ａは、繊維強化樹脂積層体１２内に閉じ込められる。その結果、エリアＢに存在するボイド１４ａは、繊維強化樹脂積層体１２内で、早い段階で壁部２４から屈曲部Ｒ側へ押し出される（図８の上から二段目の図を参照）。

引き続き第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとを近接させることにより、層厚増加材料１８が配置されているエリアＣにおける第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとの間隙の幅が所定値以下となる。そのため、本来面圧が上昇しやすいエリアＡよりも先に、エリアＣにおける面圧が上昇し始める。したがって、エリアＢから移動したボイド１４ａを含め、エリアＣに存在するボイド１４は、エリアＡ側に押し出される。

さらに第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとを近接させることにより、層厚増加材料１８が配置されていないエリアＡにおいても第１の金型５１Ｂと第２の金型５３Ｂとの間隙の幅が所定値以下となって、エリアＡの面圧が上昇し始める。ただし、時刻ｔ１１〜ｔ１２の期間、エリアＡにおいて生じる面圧は、層厚増加材料１８が配置されたエリアＣにおいて生じている面圧を上回ることがない。したがって、エリアＡに存在するボイド１４は、屈曲部Ｒ１，Ｒ２へ侵入できない。（図８の上から三段目の図を参照）。あるいは、エリアＡにおいて生じる面圧がエリアＣにおいて生じている面圧を上回るとしても、その時点ではマトリックス樹脂が硬化して、ボイド１４が屈曲部Ｒ１，Ｒ２へ侵入できない状態になっている。

このように、繊維強化樹脂積層体１２における屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分の厚さを厚くして冷間プレス工程を実施することにより、プレス時に、屈曲部Ｒ１，Ｒ２に付加される圧力が相対的に高められる。その結果、図８に示したように、得られる繊維強化樹脂構造体２０において、屈曲部Ｒ１，Ｒ２へのボイド１４ａ，１４ｂの残留が抑制される。また、繊維強化樹脂積層体１２の層厚が厚くされた領域では、成形される繊維強化樹脂構造体２０において他の領域に比べて樹脂の密度が高められる。したがって、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法により得られる繊維強化樹脂構造体２０では、屈曲部Ｒ１，Ｒ２の強度が高められている。

繊維強化樹脂積層体１２の屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分に層厚増加材料１８を配置する方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。一つは、積層工程で形成された繊維強化樹脂積層体１２の所定の位置に、フィルム状又はシート状の熱可塑性樹脂や、積層に使用している繊維強化樹脂シートを積層する方法である。熱可塑性樹脂は、溶着やホットスタンプ等によって繊維強化樹脂積層体１２上に積層あるいは固定されてもよい。

このとき積層される熱可塑性樹脂材料は、繊維強化樹脂シート１０のマトリックス樹脂の材料と同系の材料であることが好ましい。すなわち、積層される熱可塑性樹脂材料の融点は、マトリックス樹脂の融点と近似していることが好ましく、樹脂として相溶するもの同士であることがより好ましい。マトリックス樹脂と層厚増加材料１８の融点が近似していれば、加熱工程や冷間プレス工程が効率的に実施される。

また、積層される熱可塑性樹脂の厚さは、例えば、０．１〜１．５ｍｍの範囲内の値であることが好ましい。当該熱可塑性樹脂の厚さが厚すぎると、冷間プレス時において、層厚が薄い領域への加圧が不十分になるおそれがある。また、当該熱可塑性樹脂の厚さが薄すぎると、屈曲部Ｒにおける面圧の増加が不十分となって、屈曲部Ｒへのボイド１４の侵入を抑制できないおそれがある。したがって、積層される熱可塑性樹脂の厚さは、０．１５〜１．３ｍｍの範囲内の値であることがより好ましく、０．２〜１．０ｍｍの範囲内の値であることがさらに好ましい。

また、繊維強化樹脂積層体１２上に層厚増加材料１８を配置する時期は、加熱工程が終了するまでの間であれば、特に限定されない。積層工程においてあらかじめ層厚増加材料１８が積層されてもよいし、加熱工程の前あるいは途中で層厚増加材料１８が積層されてもよい。

なお、本実施形態では、繊維強化樹脂積層体１２における屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分の厚さを厚くしているが、層厚を厚くする領域は、少なくとも屈曲部Ｒ又は屈曲部Ｒに隣接する領域であればよい。かかる領域における繊維強化樹脂積層体１２の厚さを厚くすることによって、冷間プレス時に、屈曲部Ｒあるいは屈曲部Ｒに隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められる。これにより、屈曲部Ｒへのボイド１４ａ，１４ｂの侵入が堰き止められ、あるいは、屈曲部Ｒのボイド１４ａ，１４ｂが他の領域へと押し出される。したがって、屈曲部Ｒへのボイド１４ａ，１４ｂの残留が抑制され、得られる繊維強化樹脂構造体２０の強度の低下が抑制される。

以上説明したように、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法によっても、第１の実施の形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法と同様の効果を得ることができる。また、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法では、屈曲部Ｒ及び壁部２４に相当する部分の繊維強化樹脂積層体１２の厚さを厚くすることにより、冷間プレス時に当該部分に付加される圧力が相対的に高められる。したがって、成形される繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒへのボイド１４ａ，１４ｂが抑制され、繊維強化樹脂構造体２０の強度が高められる。

さらに、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法は、冷間プレス加工に用いる金型の改良を要しない。したがって、従来の冷間プレス装置を用いて冷間プレス工程を実施することによっても、成形される繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒへのボイド１４ａ，１４ｂの侵入が抑制される。

なお、本実施形態にかかる繊維強化樹脂構造体２０の製造方法においても、第２の実施の形態で説明したように、繊維強化樹脂積層体１２の表面にスリット１６を形成するとともに、当該スリット１６に対向する金型のプレス面に凹部５７を設けて、ボイド１４ｂを排出してもよい。これにより、繊維強化樹脂構造体２０の屈曲部Ｒへのボイド１４ｂの残留がさらに抑制されやすくなる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 繊維強化樹脂シート
１２ 繊維強化樹脂積層体
１４，１４ａ，１４ｂ ボイド
１６ スリット
１８ 層厚増加材料
２０ 繊維強化樹脂構造体
２２，２６ 平面部
２４ 壁部
４０ 加熱装置
５０ 冷間プレス装置
５１，５１Ｂ 第１の金型
５３，５３Ａ，５３Ｂ 第２の金型
５４ａ，５４ｅ 平坦面
５４ｂ，５４ｄ 屈曲面
５４ｃ 交差面
５５，５５ａ，５５ｂ，５５ｃ 凸状部
５７ 凹部
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 屈曲部

Claims (8)

1. 強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを複数枚積層して繊維強化樹脂積層体を形成する工程と、
   前記繊維強化樹脂積層体を加熱する工程と、
   加熱した前記繊維強化樹脂積層体を、冷間プレス装置を用いてプレス加工し、繊維強化樹脂構造体を成形する工程と、を備え、
   プレス時に前記繊維強化樹脂積層体に形成される屈曲部又は前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力を相対的に高めた状態で前記プレス加工を行う、繊維強化樹脂構造体の製造方法。
2. 前記冷間プレス装置が、前記繊維強化樹脂積層体を挟んでプレスするための第１の金型及び第２の金型を備え、
   前記屈曲部における折れ曲がり方向の両側に位置する前記第１の金型のプレス面及び前記第２の金型のプレス面のうちの少なくとも一方のプレス面に、前記折れ曲がり方向に対して交差する凸状部を有することにより、前記繊維強化樹脂積層体に形成される前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められる、請求項１に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
3. 前記凸状部の高さが、成形される前記繊維強化樹脂構造体の厚さの１／３未満、かつ、０．１ｍｍ以上の値である、請求項２に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
4. 前記凸状部の端部と前記屈曲部の頂点との距離が１．０〜１０．０ｍｍの範囲内の値である、請求項２又は３に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
5. 前記繊維強化樹脂積層体における、少なくとも前記屈曲部に隣接する領域の厚さを、他の領域の厚さよりも厚くし、前記プレス加工を行うことにより、前記繊維強化樹脂積層体に形成される前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められる、請求項１に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
6. 前記繊維強化樹脂積層体における、少なくとも前記屈曲部に隣接する領域に、層厚増加材料を配置し、前記プレス加工を行うことにより、前記繊維強化樹脂積層体に形成される前記屈曲部に隣接する領域に付加される圧力が相対的に高められる、請求項１又は５に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
7. 前記繊維強化樹脂積層体における前記屈曲部に隣接する領域に前記層厚増加材料を配置することは、フィルム状又はシート状の樹脂材料あるいは前記繊維強化樹脂シートを積層することである、請求項６に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
8. 前記樹脂材料は前記マトリックス樹脂の材料と同系の材料である、請求項７に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
   

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