JP2017105062A - 繊維強化プラスチック製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱可塑性ＦＲＰ成形品を、ほぼ所定寸法通りの形状（ニアネットシェイプ）にヒート＆クール成形するに際して、成形時において余剰樹脂の流動の防止を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供する
【解決手段】一対の上下型からなり、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された繊維強化プラスチックの製造装置であって、前記上下型の少なくとも一方の型に配置されたプリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を有する、繊維強化プラスチックの製造装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略称することもある。）の製造装置および製造方法に関し、特に、熱可塑性ＦＲＰ成形品をヒート＆クール成形するに際して、樹脂の流動を防止できる、繊維強化プラスチックの製造装置および方法に関する。

ＦＲＰの製造方法として、上型と下型から形成されるキャビティ内に強化繊維基材と熱可塑性樹脂を配置し、型を加熱し熱可塑性樹脂を融解し、型を加圧することによって型締めして、加圧した樹脂を強化繊維基材に含浸させ、含浸した樹脂を冷却固化させることにより、所定厚みのＦＲＰ成形品を成形する、上型と下型を用いたヒート＆クール法が知られている。

不連続繊維を材料とした流動性の高い中間基材を成形する際、流動を防止する技術としてマッチドダイを用いる手法が知られている。（例えば、特許文献１）特許文献１に開示された技術では、ガラス繊維と熱可塑性樹脂からなるプリフォームを金型内に設置し、プレス機を用いたヒート＆クール法をおこなうことで、所定形状のプラスチック成形品をえることができる。

また、余剰樹脂を吸引する技術として、減圧吸引機構を用いる手法が提案されている。（例えば、特許文献２）特許文献２に開示された技術では、成形型内に、強化繊維基材からなる積層体を配置し、該積層体の厚みによって形成される側壁に沿うように平滑な支持部材が配置され、樹脂注入口と反対側に位置する該積層体の厚みによって形成される側壁に沿って配置される前記支持部材に、樹脂吸引用貫通孔を有しており、該樹脂吸引用貫通孔から樹脂を吸引する。これにより、RTM法またはVaRTM法において、特に厚みが１０ｍｍから数十ｍｍの厚いFRP成形品の端面形状の品位を向上させることができる。

特開２００７−３１３７２６号公報 特開２０１３−１９９０１６号公報

特許文献1に開示されるような、マッチドダイを用いる技術においては、製品ごとに、金型を作る必要があるため、多品種生産する場合、費用が多くかかるという問題、および、限られた金型内部に加熱機構と冷却機構と脱型機構を両立させることが困難であった。

また、特許文献２に開示される技術では、熱可塑性樹脂のような高粘度な樹脂に対して適用させることは、困難であった。

そこで本発明の課題は、特に、熱可塑性ＦＲＰ成形品を、ほぼ所定寸法通りの形状（ニアネットシェイプ）にヒート＆クール成形するに際して、成形時において余剰樹脂の流動を防止できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供することにある。

上記課題を達成するために本発明のＦＲＰの製造装置は、以下の構成を採用する。すなわち、少なくとも一対の上下型からなる繊維強化熱可塑性プラスチックの製造装置であって、前記上下型の少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に設けられるとともに、前記一方の型に配置されるプリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置してなる、繊維強化プラスチックの製造装置である。

また、上記課題を達成するために本発明の繊維強化プラスチックの製造方法は、以下の構成を採用する。すなわち、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型に、マトリックス樹脂用フィルムと、プリフォームと、該プリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置し、前記上下型を近接させてキャビティを形成し、前記プリフォームを加圧、加熱して前記プリフォーム内にマトリックス樹脂を含浸させ、冷却後に取り出す繊維強化プラスチックの製造方法である。

もしくは、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型に、プリフォームと該プリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置し、前記上下型を近接させてキャビティを形成し、前記キャビティにマトリックス樹脂を注入しながら、またはマトリックス樹脂を注入後、前記プリフォームを加圧、加熱して前記プリフォーム内にマトリックス樹脂を含浸させ、冷却後に取り出す繊維強化プラスチックの製造方法である。

本発明によれば、熱可塑性ＦＲＰ成形品を、ニアネットシェイプにヒート＆クール成形するに際して、成形時において余剰樹脂の流動を防止できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供することができる。

本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造装置の横断面概略図である。 本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法において、（ａ）下型にプリフォームを配置した状態、（ｂ）余剰樹脂吸収体をプリフォームの周縁部の一部に配置した状態、（ｃ）上型と下型を近接させて成形を行った後のプリフォームの状態をそれぞれ示す概略斜視図である。 本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法において、上型と下型を近接させて成形を行った後、トリムをして成形品を切り離した状態を示す概略斜視図である。 本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法において、プリフォーム２を余剰樹脂吸収体３で囲った状態を示す概略斜視図である。 本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法において、プリフォーム２の端部にプリフォームのうち強化繊維のみ含む部分２１を配置し、中央部にプリフォームのうち強化繊維とマトリックス樹脂を含む部分２２を配置し、端部に配置したプリフォームのうち強化繊維のみ含む部分２１を余剰樹脂吸収体３とした状態を示す概略斜視図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であり、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。

本発明の第１の実施態様について、図１〜３を用いて説明する。図１は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰの製造装置の概略側面図を示している。また、図１で使用するＦＲＰの製造装置８における余剰樹脂吸収体３と下型４の概略図を図２に示す。また、図３は、得られた成形体５をトリムし、製品５１を得る概略図をそれぞれ示している。

図１と図２において、ＦＲＰの製造装置８は、昇降機構７と加熱冷却機構６とを有する上型１と、上型１に対向する位置に加熱冷却機構６と余剰樹脂吸収体３とを有する下型４とが設けられている。成形の際には、下型４の上にプリフォーム２を配置し、その周囲に複数の余剰樹脂吸収体３を並べた上で、上型１を近接させ、加圧、加熱して成形することができる。

本発明において、上型１、下型４は、必要な強度、剛性があれば特に材料および形態を限定するものではない。中でも、成形品の精度と成形品の表面品位を高めるために、材料は金属であることが望ましく、例えば、スチールであることが好ましく、さらには、熱膨張の観点から、インバーであることがより好ましい。本実施態様では、上型１は平面状のプレートであり、下型４もまた平面状のプレートである。上型１と下型４とを近接させた際、上型１と下型４から形成されるキャビティは端部が開放された状態となる。

また、加熱冷却機構６は、プリフォーム２を適切に加熱・冷却できれば、特に機構および形態を限定するものではない。加熱機構としては、例えば、電熱線や電磁誘導や高温流体やマイクロ波等を利用することができ、特に制御の簡便性や安全性が高いものとして、電熱線を利用することが好ましい。また、冷却機構としては、例えば、低温流体を利用することができ、特に取扱いの簡便性や冷却能力が高いものとして、水を利用することが好ましい。

さらに、昇降機構７は、上型１と下型４とを適切に近接・加圧・離隔できれば、特に機構および形態を限定するものではない。中でも、動作の精度と加圧力を発揮するために、動力源は流体であることが望ましく、油圧ジャッキであることが好ましい。さらには、型の面積が大きい場合は、装置全体の費用を下げるために、ブラダーと圧空を用いた大面積加圧を採用することが、より好ましい。

本発明で使用するプリフォーム２は、特に材料および形態を限定しないが、ＦＲＰを成形するためのマトリックス樹脂があらかじめ配合されたものを配置することが好ましい。強化繊維基材を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましく、強化繊維の形態としては、例えば、織物、編物、不織布、一方向基材を例示することができる。また、強化繊維基材は、予め設計により定められた繊維配向と繊維量を満たしていることが好ましい。設計に応じた強化繊維基材を利用することにより、繊維配向に沿った強度・剛性をより有効に発現できるようになる。また、強化繊維基材の表面に層間粒子を散布することや、強化繊維基材の内部に熱可塑糸を混在することもできる。また、マトリックス樹脂としては、例えば熱可塑性樹脂が好ましく、例えば、ナイロン樹脂やＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂が利用できる。

本発明において、余剰樹脂吸収体３は、図２に示すように、プリフォーム２の周縁部に配置、接合されることが好ましい。余剰樹脂吸収体３は、必要な吸収能、吸収量があれば特に材料および形態を限定するものではないが、成形体の厚みまで容易に圧縮できるような材料が好ましい。例えば、プリフォーム２の強化繊維の一部により構成されていると、樹脂との親和性もよく、好ましい。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましく、強化繊維の形態としては、例えば、織物、編物、不織布、一方向基材を例示することができる。

また、余剰樹脂を吸引した後の余剰樹脂吸収体の繊維体積含有率は５％から７５％であることが好ましく、１０％から７０％であることがさらに好ましい。繊維体積含有率が５％未満だと余剰樹脂吸収体の形態安定性が悪化する点で望ましくなく、繊維体積含有率が７５％を超えると樹脂吸収能力が悪化する点で望ましくない。

余剰樹脂吸収体３はプリフォーム２の周縁部に配置、接合されるが、余剰樹脂吸収体３がプリフォーム２を囲った状態であってもよい。プリフォーム２の端部にプリフォームのうち強化繊維のみ含む部分２１を配置し、中央部にプリフォームのうち強化繊維とマトリックス樹脂を含む部分２２を配置し、端部に配置したプリフォームのうち強化繊維のみ含む部分２１を余剰樹脂吸収体３とすることも可能である。

本発明に係るＦＲＰの製造方法実施形態の一例について、余剰樹脂吸収体３に着目しながら説明する。

最初に、下型４を準備する。図２（ａ）に示すように、下型４にプリフォーム２を配置する。プリフォーム２の周囲には、余剰樹脂吸収体３が配置できる余地があることが好ましい。下型４にプリフォーム２の置き位置をマーキングすること、または位置決め用の治具を利用することも可能である。下型４は、プリフォーム２の配置前に、十分に離形処理を行うことが望ましい。

次に、下型４に配置されたプリフォーム２の周縁部の一部に余剰樹脂吸収体３を配置した状態を、図２（ｂ）に示す。下型４に余剰樹脂吸収体３の置き位置をマーキングすること、または位置決め用の治具を利用することも可能である。

さらに、上型１（図示せず）を下型４に近接させて、プリフォーム２を成形した後、上型１を離隔させた状態を図２（ｃ）に示す。このとき、プリフォーム２と余剰樹脂吸収体３は一体化し、成形体５となる。上型１を下型４に近接させてキャビティを形成した後に、適切に加熱・加圧を行うことで、マトリックス樹脂を強化繊維基材に十分含浸させることができる。また、マトリックス樹脂を強化繊維基材に十分含浸させた後、マトリックス樹脂を冷却固化させ、成形品を得ることができる。上型１を下型４から離隔させて、成形品を脱型することができる。

最後に、成形後に成形体５をトリムする状態を図３に示す。余剰樹脂吸収体３を含むトリム端部５２を成形体５から除去し、製品５１を得る。

本発明において、マトリックス樹脂の供給方法としては、以下の方法を採用することができる。
（１）プリフォーム２を下型４に配置する際、プリフォーム２の上下面（いずれか一方でもよい）に、マトリックス樹脂用のフィルム（図示せず）を配置することができる。マトリックス樹脂の必要量によっては、プリフォーム２を賦形する際、プリフォームを構成する強化繊維基材とフィルムとを積層することもできる。
（２）上型１を下型４に近接させてキャビティを形成した後、プリフォームを加圧・加熱前に、図示しないマトリックス樹脂注入口からマトリックス樹脂を注入することができる。また、プリフォームを加圧・加熱しながらマトリックス樹脂を注入することも可能である。注入口は複数設けてもよく、注入のタイミングは、加圧・加熱前に一部を注入し、残りを加圧・加熱しながら注入する組合せとしてもよい。

このように、本発明に係るＦＲＰの製造装置および製造方法によれば、例えば、熱可塑性ＦＲＰ成形品をヒート＆クール成形する場合に、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型に、プリフォームとプリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置し、前記上下型を近接させてキャビティを形成し、前記強化繊維基材を加圧、加熱してマトリックス樹脂を含浸させ、冷却後に取り出すことができるので、流動性の高いプリフォーム２の成形時における余剰樹脂の流動防止を、簡易な装置構成で、従来よりも成形作業性、生産性を大幅に向上し、短時間のうちに製造することができる。

また、図４で示す実施形態のように、本発明では、余剰樹脂吸収体３でプリフォーム２を囲ってもよい。特に流動性の高いプリフォームにおいて、余剰樹脂の流動を防止することができ、好ましい。

また、図５で示す実施形態のように、本発明では、プリフォーム２の端部にプリフォームのうち強化繊維のみ含む部分２１を配置し、中央部にプリフォームのうち強化繊維とマトリックス樹脂を含む部分２２を配置し、端部に配置したプリフォームのうち強化繊維のみ含む部分２１を余剰樹脂吸収体３とすることも出来る。

本発明に係るＦＲＰの製造装置およびその製造方法を用いることにより、実質的にあらゆるＦＲＰ製成形品の製造に適用可能であり、とくに、自動車など大量生産が求められる部材の製造に好適に適用できる。

１ 上型
２ プリフォーム
２１ プリフォームのうち強化繊維のみ含む部分
２２ プリフォームのうち強化繊維とマトリックス樹脂を含む部分
３ 余剰樹脂吸収体
４ 下型
５ 成形体
５１ 製品
５２ トリム端部
６ 加熱冷却機構
７ 昇降機構
８ 製造装置

Claims (7)

1. 少なくとも一対の上下型からなる繊維強化熱可塑性プラスチックの製造装置であって、前記上下型の少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に設けられるとともに、前記一方の型に配置されるプリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置してなる、繊維強化プラスチックの製造装置。
2. 前記余剰樹脂吸収体が、強化繊維による布帛により構成されている、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
3. 前記余剰樹脂吸収体が、前記プリフォームの強化繊維の一部により構成されている、請求項１または２に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
4. 余剰樹脂を吸引した後の前記余剰樹脂吸収体の繊維体積含有率が５％から７５％である、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
5. 少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型に、マトリックス樹脂用フィルムと、プリフォームと、該プリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置し、前記上下型を近接させてキャビティを形成し、前記プリフォームを加圧、加熱して前記プリフォーム内にマトリックス樹脂を含浸させ、冷却後に取り出す繊維強化プラスチックの製造方法。
6. 少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型に、プリフォームと該プリフォームの周縁部の少なくとも一部に余剰樹脂吸収体を配置し、前記上下型を近接させてキャビティを形成し、前記キャビティにマトリックス樹脂を注入しながら、またはマトリックス樹脂を注入後、前記プリフォームを加圧、加熱して前記プリフォーム内にマトリックス樹脂を含浸させ、冷却後に取り出す繊維強化プラスチックの製造方法。
7. 前記加熱、冷却方法が金型内に設けた温調による、請求項５または６に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。

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