JP2019116016A

JP2019116016A - 繊維強化樹脂の成形方法

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Publication number: JP2019116016A
Application number: JP2017251215A
Authority: JP
Inventors: 浦山　裕司; Yuji Urayama; 裕司浦山
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2019-07-18
Anticipated expiration: 2037-12-27
Also published as: JP7003650B2

Abstract

【課題】マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂を成形型内において所要の形状に賦形する成形方法において、賦形時の繊維強化樹脂の流動に起因して生じる恐れのある反りや変形を大きく抑制することのできる、あらたな成形方法を提供する。【解決手段】マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂１０を成形型１内において所要の形状に賦形する成形方法において、繊維強化樹脂１０を少なくとも成形型の内周縁部（キャビティ４の内周壁６）に沿って配置し、加熱プレスによって繊維強化樹脂１０を成形型の内周縁部から内側に向けて流動させながら所要形状に賦形する。【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化樹脂の成形方法に関する。

マトリックス樹脂内に強化用繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂（例えば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ））は、軽量かつ高強度であることから、自動車産業や建設産業、航空産業等、様々な産業分野で使用されている。

繊維強化樹脂を特定の成形品に成形するに当たっては、成形品の形状に沿った成形型が用いられる。成形型内に繊維強化樹脂を配置した後、加熱して樹脂を流動化し、さらにプレスすることで、繊維強化樹脂は、所要形状に賦形される。賦形後に脱型し冷却することで、所望の成形品が得られる。近年では、前記繊維強化樹脂として、大量生産や意匠性に適したシートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ：Sheet Molding Compound）も用いられている。

成形型を用いた繊維強化樹脂の従来の成形方法の一例が特許文献１に記載されている。図３および図４は、従来の成形方法の一例を工程順に説明している。図３は断面による側面図を示し、図４は工程の各段階での繊維強化樹脂の状態を上方から見て示している。図示のように、成形型１として、上型２と下型３からなるものを用いる。最初に、下型３のキャビティ４内のほぼ中央部に、半硬化状態でありシート状の繊維強化樹脂１０を配置する。配置した繊維強化樹脂１０と、キャビティ４の外縁である下型３の内周壁６との間には、空間７が存在する（図３（ａ）、図４（ａ））。

次に、上型２をキャビティ４内に向けて下降させる（図３（ｂ））。成形型１は、適宜の手段で加熱されており、繊維強化樹脂１０はマトリックス樹脂の流動または溶融温度以上に加熱される。上型２の底面２ａがキャビティ４内に配置された繊維強化樹脂１０の上面に当接し、さらに下降することで、流動性を増した繊維強化樹脂１０は加圧され、前記した空間７内を、キャビティ４の外縁である下型３の内周壁６に向けて流動する（図４（ｂ））。

上型２が所定距離だけ下降することで、繊維強化樹脂１０に対するプレスは終了する。その時点では、繊維強化樹脂１０は、下型３のキャビティ４の底面５の全域に亘って存在する状態となり、繊維強化樹脂１０の外周縁が下型３の内周壁６に接した状態で、所定厚みに賦形される（図３（ｃ）、図４（ｃ））。その後、型が開かれて、成形品は成形型１から脱型される。

特開２０１５−１７８２４１号公報

上記した成形方法において、マトリックス樹脂内に強化用繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂１０が加熱されて流動化した状態では、通常、マトリックス樹脂の流動性は強化繊維の流動性よりも高い。そのために、図示のように、成形型１の下型３のほぼ中央部に繊維強化樹脂１０を配置し、加熱により流動化した繊維強化樹脂を上型２によりプレスして下型３の内周壁６に向けて流動させるようにして賦形する方法では、賦形後の繊維強化樹脂１０の周縁部では中央部と比較して樹脂の割合が高くなる傾向がある。また、繊維はほとんど収縮しないが、樹脂は比較して大きな収縮を起こす。そのために、硬化時に、周縁部で反りや変形が発生する恐れがある。また、樹脂の流動によって周縁部では繊維が放射状に配向する恐れがあり、それも反りや変形の一因となることが起こり得る。

そのようなことから、従来の繊維強化樹脂の成形方法では、反りや変形のない均質な成形品を得るために、成形型の中央部に配置する繊維強化樹脂の量や面積等に、慎重な配慮を払うことが求められている。また、マトリックス樹脂および強化繊維の選定にも配慮が求められている。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂を成形型内において所要の形状に賦形する成形方法において、賦形時の繊維強化樹脂の流動に起因して生じる恐れのある反りや変形を大きく抑制することのできる、あらたな成形方法を提供することを課題とする。

本発明による繊維強化樹脂の成形方法は、マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂を成形型内において所要の形状に賦形する成形方法において、前記繊維強化樹脂を少なくとも前記成形型の内周縁部に沿って配置し、加熱プレスによって前記繊維強化樹脂を前記成形型の内周縁部から内側に向けて流動させながら所要形状に賦形することを特徴とする。

なお、繊維強化樹脂を形成するマトリックス樹脂は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂のいずれであってもよい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂やフェノール樹脂、メラミン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などを挙げることができる。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、メタクリル樹脂、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエステル、ポリアセタール（ＰＯＭ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリフッ化ビニリデン、ポリフェニレンオキサイド、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルエーテルケトン、液晶ポリマー、ポリエーテルイミド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、熱可塑性エポキシ樹脂などのいずれか一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。また、前記熱可塑性樹脂を主成分とする共重合体やグラフト樹脂やブレンド樹脂、例えばエチレン−塩化ビニル共重合体、酢酸ビニル−エチレン共重合体、酢酸ビニル−塩化ビニル共重合体、ウレタン−塩化ビニル共重合体、アクリル酸変性ポリプロピレン、マレイン酸変性ポリエチレンなどを導入することもできる。

また、繊維強化樹脂に含有される繊維材は、いわゆる短繊維材（例えば１ｍｍ以下）や長繊維材（例えば５０ｍｍ以下）のいずれであってもよいし、短繊維材と長繊維材とが混合されていてもよい。繊維材としては、例えば、ボロンやアルミナ、炭化ケイ素、窒化ケイ素、ジルコニアなどのセラミック繊維や、ガラス繊維や炭素繊維といった無機繊維、銅や鋼、アルミニウム、ステンレス等の金属繊維、ポリアミドやポリエステル、セルロース、ポリプロピレン、ポリエチレンなどの有機繊維のいずれか一種もしくは二種以上の混合材を挙げることができる。

本発明の成形方法では、軟化または溶融した繊維強化樹脂は、基本的に、成形型の周縁部から内側に向けて流動する。そのために、従来法と比較して、周縁部での樹脂の割合が内側よりも高くなるのを回避できる。それにより、硬化後の成形品において、樹脂の収縮に起因して周縁部に反りや変形が起こるのを大きく抑制することができる。また、周縁部での繊維の方向のランダム性は維持されるので、繊維の方向性に起因する反りや変形も回避できる。

本発明による繊維強化樹脂の成形方法の一実施の形態を工程順に説明する図。図１に示す各段階での繊維強化樹脂の状態を上方から見て示す図。従来の繊維強化樹脂の成形方法を工程順に説明する図。図３に示す各段階での繊維強化樹脂の状態を上方から見て示す図。

以下、図面を参照しながら本発明による繊維強化樹脂の成形方法の一実施の形態を説明する。

図１は、一実施の形態を工程順に説明する図であり、図２は、図１に示す各段階での繊維強化樹脂の状態を上方から見て示す図である。なお、図１および図２に示す実施の形態において、繊維強化樹脂１０を、成形型１である下型３のキャビティ４内に配置する場所を除き、他の構成は、実質的に、図３および図４に基づき説明した成形方法と同じであってよい。したがって、図１および図２において、図３および図４に基づき説明したと同じ部材には、同じ符号を付している。

本実施の形態の製造方法では、マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂１０として、半硬化状態でありシート状にされた繊維強化樹脂１０を用いる。そして、該繊維強化樹脂１０を、図１（ａ）で示すように、上型２と下型３とからなる成形型１の下型３内に配置する。具体的には、下型３はキャビティ４を有し、該キャビティ４は、下型３の底面５と下型３の内周壁６の一部とで構成される。本実施の形態において、前記キャビティ４の一部を構成する下型３の内周壁６の部分が、本発明でいう「成形型の内周縁部」に相当する。

本実施の形態では、繊維強化樹脂１０は、キャビティ４の中央部ではなく、成形型の内周縁部に沿うようにして配置される。すなわち、繊維強化樹脂１０は、この例では、下型３の内周壁６に沿うようにして矩形状に配置され、図１（ａ）および図２（ａ）に示すよう、配置された繊維強化樹脂１０の内側には、繊維強化樹脂１０が存在しない矩形状の空間７ａが存在する。

必須ではないが、この例では、キャビティ４の底面５の中央部には、貫通孔８が形成されている。また、キャビティ４の平面視での形状、すなわち、下型３の内周壁６の平面視での形状は矩形状であるが、キャビティ４の平面視での形状は任意であり、得ようとする成形品に応じて、適宜設定される。底面５も平坦面でなくてもよい。

上記のようして、繊維強化樹脂１０を配置した後、上型２をキャビティ４内に向けて下降させる（図１（ｂ））。成形型１は、適宜の手段で加熱されており、配置された繊維強化樹脂１０は、マトリックス樹脂の流動または溶融温度以上に加熱される。上型２の底面２ａが、配置された繊維強化樹脂１０の上面に当接し、さらに下降することで、加熱され流動性を増した繊維強化樹脂１０はプレスされる。プレスされることで、図２（ｂ）に示すように、配置された繊維強化樹脂１０は、その内側に存在する前記した繊維強化樹脂１０が存在しない空間７ａに向けて、次第に流動していく。

上型２が所定距離だけ下降することで、繊維強化樹脂１０に対するプレス操作は終了する。その時点で、前記空間７ａは繊維強化樹脂１０によってすべて覆われる。すなわち、繊維強化樹脂１０はキャビティ４の底面５の全域に亘って存在する状態となるとともに、その外周縁を下型３の内周壁６に接した状態で、所定厚みに賦形される（図１（ｃ）、図２（ｃ））。その後、型が開かれて、成形品は成形型１から脱型される。なお、本実施の形態では、下型３の底面であるキャビティ４の底面５のほぼ中央には貫通孔８が形成されており、流動または溶融した樹脂の一部１１は、該貫通孔８内にも流入する。

上記のように、本実施の形態による繊維強化樹脂の成形方法にあっては、繊維強化樹脂１０を構成する流動または溶融したマトリックス樹脂は、賦形の過程で、下型３の内周壁６である「成形型の内周縁部」側から、キャビティ４の中央部、すなわち成形型の内側に向けて流動していく。そのために、賦形後の繊維強化樹脂１０での周縁部の樹脂の割合が、中央部と比較して高くなるのを回避できる。それにより、硬化時に生じる樹脂の収縮の程度を、全体にわたってほぼ等しくすることができ、成形品に反りや意図しない変形が生じるのを抑制することができる。また、従来法でのように、樹脂の流動により周縁部において繊維が放射状に配向するのも抑制することができ、この点からも成形品の反りや変形が生じるのを抑制することができる。

また、本実施の形態では、下型３は、キャビティ４の底面５ほぼ中央に貫通孔８を有しており、前記したように、流動または溶融した樹脂の一部は、貫通孔８を通って、下型３の外に排出される。成形型１の形状や賦形後の繊維強化樹脂１０の厚みによっては、プレス時に、周縁部よりも中央部における樹脂の割合が高くなることも起こり得る。貫通孔８が存在することで、このような場合での樹脂量の偏りを解消することができ、成形品の反りや変形が生じるのをさらに抑制することができる。

なお、本実施の形態では、下型３内に繊維強化樹脂１０を配置したときに、図示のように、下型３の内周壁６の全周縁部（成形型の全内周縁部）に繊維強化樹脂１０が位置するようにしたが、周縁部の一部のみに沿って配置するようにしてもよい。また、本実施の形態では、配置した繊維強化樹脂１０の内側部に樹脂の存在しない「空間７ａ」が形成されるようにしたが、配置した繊維強化樹脂１０の量を周縁部から中央部側に向けて次第に少なくする、換言すれば、周縁部から中央部に向けて次第に少なくなるように繊維強化樹脂１０の量に勾配を付けるような配置であっても、所期の目的は達成できる。配置する繊維強化樹脂１０の位置による量の調整は、シート状である繊維強化樹脂１０の厚みを変えることで、あるいは、同じ厚みのシート状の繊維強化樹脂１０の積層枚数を変えることで、適宜行うことができる。

［実施例］
以下、実施例と比較例により、本実施の形態の優位性を検証する。

［実施例］
成形型１として、図１および図２で説明したものを用いた。繊維強化樹脂１０には、厚さ２ｍｍの、炭素繊維をマトリックス樹脂内に混合したシートモールディングコンパウンド（Ｃ−ＳＭＣ）を用いた。マトリックス樹脂は、ビニルエステル樹脂とした。

下型３のキャビティ４の内周壁６の全周に沿うようにして、繊維強化樹脂１０を配置した。材料チャージ率、すなわち、下型３のキャビティ４の全底面積に対する繊維強化樹脂１０が占める割合を、６０〜９０％となるようにし、配置した繊維強化樹脂１０の内側部には、キャビティ４の全底面積の４０〜１０％の繊維強化樹脂１０が存在しない空間７ａが形成されるようにして、繊維強化樹脂１０を配置した。

繊維強化樹脂１０を配置し、成形型１の温度を１３０〜１５０℃に維持して、８〜１２ＭＰａで繊維強化樹脂１０をプレスした。加熱プレス処理は、９０〜１８０秒の間で行った後、脱型し冷却して、成形品とした。

上記の条件内で複数個の成形品を製造し、目視により、成形品に反りや予期しない変形があるかどうかを観察した。いずれの成形品にも、有意な反りや予期しない変形は、観察されなかった。

［比較例］
実施例と同じ成形型１と繊維強化樹脂１０を用いた。ただし、図３および図４に示すように、繊維強化樹脂１０を下型３のキャビティ４の底面中央部に配置し、配置した繊維強化樹脂１０の周囲には、繊維強化樹脂１０が存在しない空間７が形成されるようにした。材料チャージ率は実施例と同じとした。配置した繊維強化樹脂１０に対して、実施例と同じ加熱プレス処理を行った。

脱型し冷却して得た複数個の成形品を、目視により、反りや予期しない変形があるかどうか観察した。いくつかの成形品には、無視できない反りや予期しない変形が生じていた。

１…成形型、
２…上型、
２ａ…上型の底面、
３…下型、
４…キャビティ、
５…下型の底面（キャビティの底面）、
６…下型の内周壁（キャビティの内周壁）（成形型の内周縁部）、
７、７ａ…繊維強化樹脂が存在しない空間、
８…貫通孔、
１０…マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂。

Claims

マトリックス樹脂内に繊維材が混合されてなる繊維強化樹脂を成形型内において所要の形状に賦形する成形方法において、
前記繊維強化樹脂を少なくとも前記成形型の内周縁部に沿って配置し、加熱プレスによって前記繊維強化樹脂を前記成形型の内周縁部から内側に向けて流動させながら所要形状に賦形することを特徴とする繊維強化樹脂の成形方法。