JP2022022602A - Ｆｒｐの成形方法およびコア - Google Patents

Abstract

【課題】ワックスからなるコアを用いてプリプレグを加圧しながら硬化させることを含む、改良されたＦＲＰ成形方法の提供。【解決手段】ＦＲＰ成形方法は、コア本体１とその表面を覆う外皮２とからなるコア３を準備するコア準備工程と、プリプレグを該コアと共に金型内に配置し、該金型内で硬化させて硬化物を得る硬化工程とを有し、該硬化工程では該プリプレグの少なくとも一部が該コアの膨張により加圧される。該コア本体は、第一ワックスからなるマトリクス１ａと有機材料からなるフィラービーズ１ｂとからなり、該硬化工程の後に該フィラービーズが該マトリクスと共に該硬化物から除去される。【選択図】図１

Description

本発明は、主として、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastic）の成形方法およびＦＲＰの成形に用いられるコアに関する。

ＦＲＰは自動車用の補強部材（reinforcement）を含む様々な用途で使用されている。
中空部や断面Ｕ字形部を有するＦＲＰの成形方法として、プリプレグ予備成形体（prepreg preform）をワックスからなるコアと共に金型内に配置し、該金型内で該コアを膨張させることにより、加圧しながら硬化させる方法が提案されている（特許文献１）。

国際公開第２０１８／０７９８２４号

本発明は、ワックスからなるコアを用いてプリプレグを加圧しながら硬化させることを含むＦＲＰ成形方法に関連する有益な改良を提供することを主たる目的とする。
本発明の各実施形態により解決される課題は、本明細書中に明示的または黙示的に開示される。

本発明の実施形態は以下を含むが、これらに限定されるものではない。
［ａ１］コア本体とその表面を覆う外皮とからなるコアを準備するコア準備工程と、プリプレグを該コアと共に金型内に配置し、該金型内で硬化させて硬化物を得る硬化工程とを有し、該硬化工程では該プリプレグの少なくとも一部が該コアの膨張により加圧されるＦＲＰ成形方法であって、該コア本体が第一ワックスからなるマトリクスと有機材料からなるフィラービーズとからなること、および、該硬化工程の後に該フィラービーズが該マトリクスと共に該硬化物から除去されることを特徴とするＦＲＰ成形方法。
［ａ２］前記硬化工程において前記マトリクスの一部または全部が融解する、［ａ１］に記載の成形方法。
［ａ３］前記フィラービーズの重量にして９０％以上が０．１ｃｍ以上、０．５ｃｍ以上または１ｃｍ以上の粒径を有する、［ａ１］または［ａ２］に記載の成形方法。
［ａ４］前記外皮が前記コア本体の表面全部を覆っている、［ａ１］～［ａ３］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ５］前記硬化工程における硬化温度と前記マトリクスの融点の差が６０℃以上である、［ａ１］～［ａ４］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ６］前記マトリクスの融点が８０℃未満である、［ａ１］～［ａ５］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ７］前記硬化工程における硬化温度が１４０℃以上である、［ａ１］～［ａ６］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ８］前記フィラービーズの重量にして９０％以上が同じ粒形状と粒径を有する、［ａ１］～［ａ７］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ９］前記同じ粒形状が、球、円柱、角を丸めた円柱、角柱または角を丸めた角柱から選ばれるいずれかの形状である、［ａ８］に記載の成形方法。
［ａ１０］前記フィラービーズがポリマーからなる、［ａ１］～［ａ９］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ１１］前記フィラービーズが前記第一ワックスと相溶しない第二ワックスからなる、［ａ１］～［ａ９］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ１２］前記第一ワックスと前記第二ワックスの一方が極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスであり、他方が炭化水素を主成分とするワックスである、［ａ１１］に記載の成形方法。
［ａ１３］前記極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスが、ヒドロキシ脂肪酸アミド、脂肪酸アミド、ヒドロキシ脂肪酸エステルおよび脂肪酸エステルから選ばれる一種以上の化合物を含有する、［ａ１２］に記載の成形方法。
［ａ１４］前記炭化水素を主成分とするワックスが、石油ワックス、フィッシャー・トロプシュ・ワックス、ポリエチレンワックスおよびポリプロピレンワックスから選ばれる一種以上のワックスを含有する、［ａ１２］または［ａ１３］に記載の成形方法。
［ａ１５］前記硬化工程の前に前記コアを予備加熱する、［ａ１］～［ａ１４］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ１６］高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加され、前記予備加熱が誘導加熱により行われる、［ａ１５］に記載の成形方法。
［ａ１７］マイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加され、前記予備加熱がマイクロ波加熱により行われる、［ａ１５］に記載の成形方法。
［ａ１８］前記コア準備工程で準備された段階において、前記コア本体が前記フィラービーズを含有する第一タイプ個片と前記フィラービーズを含有しない第二タイプ個片とを含む複数の個片からなる、［ａ１］～［ａ１７］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ１９］前記第一タイプ個片が前記外皮と接しないように配置されている、［ａ１８］に記載の成形方法。
［ａ２０］前記コア準備工程で準備された段階の前記コアにおいては前記フィラービーズが融着により一時的に一体化されており、前記コア準備工程の後において前記マトリクスの膨張により前記フィラービーズが互いに離れ離れとなる、［ａ１］～［ａ１９］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ２１］前記プリプレグが炭素繊維プリプレグである、［ａ１］～［ａ２０］のいずれかに記載の成形方法。
［ａ２２］［ａ１］～［ａ２１］のいずれかに記載の成形方法でＦＲＰを成形することを含む、ＦＲＰ製品の製造方法。

［ｂ１］コア本体とその表面を覆う外皮とからなり、プリプレグを金型内で硬化させるときに該プリプレグの少なくとも一部を加圧するために用いられるコアであって、該コア本体が第一ワックスからなるマトリクスと有機材料からなるフィラービーズとからなることを特徴とするコア。
［ｂ２］前記フィラービーズの重量にして９０％以上が０．１ｃｍ以上、０．５ｃｍ以上または１ｃｍ以上の粒径を有する、［ｂ１］に記載のコア。
［ｂ３］前記外皮が前記コア本体の表面全部を覆っている、［ｂ１］または［ｂ２］に記載のコア。
［ｂ４］前記マトリクスの融点が８０℃未満である、［ｂ１］～［ｂ３］のいずれかに記載のコア。
［ｂ５］前記フィラービーズが１４０℃以下の温度で融解しない、［ｂ１］～［ｂ４］のいずれかに記載のコア。
［ｂ６］前記フィラービーズの重量にして９０％以上が同じ粒形状と粒径を有する、［ｂ１］～［ｂ５］のいずれかに記載のコア。
［ｂ７］前記同じ粒形状が、球、円柱、角を丸めた円柱、角柱または角を丸めた角柱から選ばれるいずれかの形状である、［ｂ６］に記載のコア。
［ｂ８］前記フィラービーズがポリマーからなる、［ｂ１］～［ｂ７］のいずれかに記載のコア。
［ｂ９］前記フィラービーズが前記第一ワックスと相溶しない第二ワックスからなる、［ｂ１］～［ｂ７］のいずれかに記載のコア。
［ｂ１０］前記第一ワックスと前記第二ワックスの一方が極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスであり、他方が炭化水素を主成分とするワックスである、［ｂ９］に記載のコア。
［ｂ１１］前記極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスが、ヒドロキシ脂肪酸アミド、脂肪酸アミド、ヒドロキシ脂肪酸エステルおよび脂肪酸エステルから選ばれる一種以上の化合物を含有する、［ｂ１０］に記載のコア。
［ｂ１２］前記炭化水素を主成分とするワックスが、石油ワックス、フィッシャー・トロプシュ・ワックス、ポリエチレンワックスおよびポリプロピレンワックスから選ばれる一種以上のワックスを含有する、［ｂ１０］または［ｂ１１］に記載のコア。
［ｂ１３］高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加されている、［ｂ１］～［ｂ１２］のいずれかに記載のコア。
［ｂ１４］マイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加されている、［ｂ１］～［ｂ１２］のいずれかに記載のコア。
［ｂ１５］前記コア本体が、前記フィラービーズを含有する第一タイプ個片と前記フィラービーズを含有しない第二タイプ個片とを含む複数の個片からなる、［ｂ１］～［ｂ１４］のいずれかに記載のコア。
［ｂ１６］前記第一タイプ個片が前記外皮と接しないように配置されている、［ｂ１５］に記載のコア。
［ｂ１７］前記フィラービーズが融着により一時的に一体化されている、［ｂ１］～［ｂ１６］のいずれかに記載のコア。

ワックスからなるコアを用いてプリプレグを加圧しながら硬化させることを含むＦＲＰ成形方法に関連する有益な改良が提供される。

図１は、実施形態に係るＦＲＰ成形方法で使用され得るコアの構造例を示す断面図である。 図２は、実施形態に係るＦＲＰ成形方法で使用され得るコアの構造例を示す断面図である。 図３は、プリプレグ予備成形体がコアの周囲に配置されたところを示す断面図である。 図４は、プリプレグ予備成形体が、その内側に包まれたコアと共に金型内に配置されたところを示す断面図である。 図５（ａ）は、プリプレグシートの端部同士間の突き合わせ接合部を示す断面図であり、図５（ｂ）は、プリプレグシートの端部同士間のオーバーラップ接合部を示す断面図である。 図６は、ワックス除去工程においてＦＲＰ成形品の内部からコア本体の材料を排出させるところを示す断面図である。

プリプレグ（prepreg: pre-impregnated composite material）は、ＦＲＰ製品の製造で中間材料として使用される、繊維と熱硬化性樹脂とからなる複合体である。ＦＲＰは一般に、プリプレグを予備成形したうえ、金型内で硬化させることにより成形される。
プリプレグにおける繊維の形態は、長繊維、織物、不織布、ノンクリンプファブリック、短繊維など様々である。ひとつの平面内で一方向に引き揃えた長繊維を樹脂で含浸させたものは一方向プリプレグ（ＵＤプリプレグ）と呼ばれ、織物を樹脂で含浸させたものはクロスプリプレグと呼ばれる。短繊維からなるマットを樹脂で含浸させたプリプレグはＳＭＣ（sheet molding compound）と呼ばれる。単一の長繊維束を樹脂で含浸させたプリプレグは、トウプリプレグと呼ばれる。
プリプレグに使用される繊維は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、金属繊維である。２種以上の繊維が併用されることもある。
炭素繊維と熱硬化性樹脂とからなるプリプレグは炭素繊維プリプレグと呼ばれる。

プリプレグに用いられる熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、ビニルエステル樹脂（エポキシアクリレート樹脂とも呼ばれる）、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂である。２種以上の熱硬化性樹脂が混合されて用いられることもある。
プリプレグにおける熱硬化性樹脂の含有量は、限定するものではないが、多くの場合１５～５０重量％である。該含有量は、１５～２０重量％、２０～２５重量％、２５～４０重量％、４０～４５重量％または４５～５０重量％であり得る。
プリプレグには、様々な添加剤が添加され得る。例えば、難燃剤、消泡剤、脱泡剤、離型剤、粒子状フィラー、着色剤、シランカップリング剤等である。

１．ＦＲＰの成形方法
本発明の実施形態のひとつはＦＲＰの成形方法に関する。
好適例に係るＦＲＰ成形方法は、大きく分けて次の３つの工程からなる。
（i）コア本体とその表面を覆う外皮とからなるコアを準備するコア準備工程。
（ii）プリプレグを該コアと共に金型内に配置し、該金型内で硬化させて硬化物（ＦＲＰ）を得る硬化工程。
（iii）硬化工程の後、該硬化物から該コア本体の材料を除去するコア除去工程。
このＦＲＰ成形方法は、屈曲または湾曲した壁面を含む構造を備えるＦＲＰ製品の製造に好ましく用いることができる。
屈曲または湾曲した壁面を含む構造の典型例は、中空構造、筒状構造、断面Ｕ字形構造および断面Ｌ字形構造である。例えば、中空の直方体は、９０度の角度で屈曲した壁面を有している。
アンダーカットを有する構造物は、構造中に屈曲または湾曲した壁面を含むことが多い。
以下、ＦＲＰからなる中空の直方体を成形する場合を例に、図面を参照しつつ、実施形態に係るＦＲＰ成形方法を詳細に説明する。

（１）コア準備工程
コア準備工程では、コア本体とその表面を覆う外皮とからなるコアが準備される。コア本体は、第一ワックスからなるマトリクスと、有機材料からなるフィラービーズとからなる。
粒径の定義は後述する。
図１はかかるコアの構造を示す断面図である。図１において、コア３は、マトリクス１ａとフィラービーズ１ｂとからなるコア本体１と、コア本体１の表面を覆う外皮２とから構成されている。
コア本体１において、マトリクス１ａはフィラービーズ１ｂ間の隙間を充たしている。マトリクス１ａ中にフィラービーズ１ｂが埋め込まれていると言い換えてもよい。

第一ワックスからなるマトリクス１ａは、室温（２５℃）において固体であり、その融点は通常４０℃以上である。マトリクス１ａの融点は５０℃以上であってもよい。
マトリクス１ａの融点は、硬化工程における硬化温度より低くなくてはならない。硬化温度は、通常１２０℃から１８０℃の範囲内である。
第一ワックスは、炭化水素を主成分とするワックスであってもよいし、極性基を有する有機化合物を含有するワックスであってもよく、必要な特性を備えるものを市販のワックスから適宜選択して用いることができる。

硬化工程における硬化温度とマトリクス１ａの融点との温度差は、好ましくは５０℃超、より好ましくは６０℃超、更に好ましくは７０℃超である。この温度差が大きい程、硬化工程においてマトリクス１ａが早く融解する。
硬化工程における硬化温度がどうであろうと、マトリクス１ａの融点は８０℃未満であることが好ましく、７０℃未満であることがより好ましい。融点が低い程、硬化工程においてマトリクス１ａは早く融解するからである。

フィラービーズ１ｂは有機材料からなるため、比較的低い比重を有する。このことは、コア３を軽量化し、そのハンドリングを容易にするうえで有利である。
フィラービーズ１ｂをなす有機材料には、硬化工程において実質的に分解も融解もしないものが選ばれる。フィラービーズ１ｂの材料には、更に、硬化工程において、マトリクス１ａに実質的に溶解しないことと、マトリクス１ａをなす第一ワックスにより実質的に膨潤しないこととが要求される。フィラービーズ１ｂはかかる有機材料を用いて形成されるので、その粒形状が硬化工程の前後で大きく変わることがない。
フィラービーズ１ｂは、硬化工程で受ける圧力に耐える必要があることから、好ましくは中実である。

フィラービーズ１ｂの材料の一例はポリマーである。
ポリマーは熱可塑性であっても熱硬化性であってもよく、必要な特性を備えるものを適宜選択して用いることができる。
熱可塑性ポリマーとしては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリエステル、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルイミド、ポリスルフォン、ポリアミドイミド、フッ素樹脂などが例示される。
熱硬化性ポリマーとしては、シリコーン樹脂、フェノール樹脂、ユリア樹脂、メラミン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などが例示される。

フィラービーズ１ｂの材料の他の一例はワックスである。すなわち、フィラービーズ１ｂは、マトリクス１ａをなす第一ワックスと相溶しない第二ワックスからなり得る。
第一ワックスと第二ワックスが相溶しないとき、第二ワックスは第一ワックスの融解物に実質的に溶解しない。また、第一ワックスの融解物と第二ワックスの融解物をひとつの容器に入れたとき、両者は二相に分離する。

本発明者等が調べたところでは、極性基を有する有機化合物を含有するワックスと、炭化水素を主成分とするワックスは、互いに相溶しない傾向にある。
極性基とは、水酸基、アミノ基、アミド基、カルボニル基、カルボキシル基、エステル基のような、炭素と酸素の結合または炭素と窒素の結合を含む官能基（エーテル基を除く）である。主要成分としてヒドロキシ脂肪酸アミド、脂肪酸アミド、ヒドロキシ脂肪酸エステルまたは脂肪酸エステルを含有するワックスは、極性基を有する有機化合物を含有するワックスの典型例である。
炭化水素を主成分とするワックスには、パラフィンワックスおよびマイクロクリスタリンワックスのような石油ワックスの他、合成ワックスであるフィッシャー・トロプシュ・ワックス、ポリエチレンワックス、ポリプロピレンワックスなどがある。

第一ワックスと第二ワックスは、いずれか一方が極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスであり、他方が炭化水素を主成分とするワックスであり得る。
極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスは、例えば、ヒドロキシ脂肪酸アミド、脂肪酸アミド、ヒドロキシ脂肪酸エステルおよび脂肪酸エステルから選ばれる一種以上の化合物を含有し得る。
炭化水素を主成分とするワックスは、例えば、石油ワックス、フィッシャー・トロプシュ・ワックス、ポリエチレンワックスおよびポリプロピレンワックスから選ばれる一種以上のワックスを含有し得る。

フィラービーズ１ｂの粒形状は球であることが好ましいが、限定するものではない。フィラービーズ１ｂの粒形状は、例えば、円柱、角を丸めた円柱、角柱（四角柱、六角柱、八角柱など）、角を丸めた角柱などであってもよい。好ましい粒形状のひとつである立方体は角柱の一種である。
フィラービーズ１ｂの殆ど全て、例えば、重量にして９０％以上が同じ粒形状と粒径を有するとき、マトリクス１ａとフィラービーズ１ｂの体積比が制御し易い利点がある。

フィラービーズ１ｂの粒形状が球のとき、その粒径は球の直径を意味する。フィラービーズ１ｂの粒形状が球以外であるときは、当該粒と同じ体積を有する球の直径を、その粒径と見なす。
フィラービーズ１ｂは、重量にして９０％以上が好ましくは０．１ｃｍ以上、より好ましくは０．５ｃｍ以上の粒径を有する。フィラービーズ１ｂは重量にして９０％以上が粒径１ｃｍ以上、１．５ｃｍ以上または２ｃｍ以上の粒からなってもよい。粒径が大きい程、コア除去工程におけるフィラービーズ１ｂの除去は容易である。
フィラービーズ１ｂの粒径に特段の上限はないが、実際には、コア本体１のサイズや、コア本体１が脆くなることなく含有し得るフィラービーズ１ｂの量により制約される。成形すべきＦＲＰ製品が中空の場合には、そのＦＲＰ製品に設けることが許される排出孔（後述する）のサイズによっても、フィラービーズ１ｂの粒径が制限される。

一例において、コア本体１は、第一ワックスとフィラービーズ１ｂの混合物から、注型成形により作製することができる（コア本体の第一の作製法）。
他の一例において、コア本体１は、フィラービーズ１ｂを容器に充填し、次いで第一ワックスの融解物を該容器に注入した後、該容器内で第一ワックスを固化させることによって作製することができる（コア本体の第二の作製法）。
コア本体の第一の作製法または第二の作製法により得られたコア本体１の外形は、必要に応じて機械加工により整えることができる。

上述のコア本体の第二の作製法において、第一ワックスの融解物を容器に注入する前に、短時間の加熱によって容器内のフィラービーズ１ｂの表面のみを一時的に融解させることで、フィラービーズ１ｂを一体化させてもよい（コア本体の第三の作製法）。そうすることで、得られるコア本体１の強度を高くすることができる。
このコア本体の第三の作製法で得たコア本体１を有するコア３では、硬化工程でマトリクス１ａを膨張させたときにフィラービーズ１ｂ間の融着接合部が壊れて、フィラービーズ１ｂが互いに離れ離れになる。
一例において、コア本体１は、フィラービーズ１ｂを含有する第一タイプ個片１１と、フィラービーズ１ｂを含有しない第二タイプ個片１２とを含む複数の個片からなってもよい。この場合、図２に示すように、第一タイプ個片１１が外皮２と接しないように配置されてもよい。

コア３は、コア本体１を作製した後、そのコア本体１を外皮２用に準備したポリマーフィルムで包み、接着または融着により密封することにより製造することができる。
外皮２は、ポリマーからなるシュリンクチューブを用いて形成することもできる。コア本体１を入れたシュリンクチューブを熱収縮させ、更に該シュリンクチューブの両端をヒートシールすればよい。

硬化工程におけるコア本体１の膨張によって外皮２が破断しないために、外皮２の材料は伸び変形が可能でなくてはならない。この伸び変形は、弾性的であっても、塑性的であっても、その両方の性質を有してもよい。
外皮２の材料は、限定するものではないが、好ましくはポリオレフィン、ポリアミド、ポリエステル、ポリウレタン、シリコーン、フッ素ゴムのような合成ポリマーであり、これらのポリマーからなるエラストマーであってもよい。

外皮２は、低温硬化型の液状ゴムを用いて形成することもできる。コア本体１の表面に液状ゴムを塗布し、コア本体１が融解しない温度で硬化させればよい。変形法では、液状ゴムをコア本体１の表面に塗布した後、塗布面に補強材として合成樹脂製の伸び変形可能な不織布を貼り付け、さらにその上に追加の液状ゴムを塗布したうえで、液状ゴムを硬化させてもよい。
外皮２は、ＵＶ硬化型エラストマーで形成することもできる。ＵＶ硬化型エラストマーは、硬化物がゴムのような弾性体となるＵＶ硬化型樹脂であり、その一例はＵＶ硬化型シリコーンゴムやＵＶ硬化型ウレタンアクリレートである。ＵＶ硬化型エラストマーは、室温でも短時間で硬化させることができる点で、外皮２の材料に好適である。
外皮２はコア本体１の表面全部を覆っていることが好ましいが、必須ではない。

一例では、高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料の粒子をコア３に添加することで、コア３を誘導加熱可能とし得る。かかる材料の例は、強磁性材料、フェリ磁性材料および導電性材料である。強磁性材料の例として、鉄、ニッケル、コバルト、鉄合金、ニッケル合金、コバルト合金、パーマロイ、および多くの鋼が挙げられる。フェリ磁性材料の例として、マグネタイト、ニッケル－亜鉛フェライト、マンガン－亜鉛フェライトおよび銅－亜鉛フェライトが挙げられる。導電性材料の例として、銅、アルミニウムおよび黄銅が挙げられる。

他の一例では、マイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子をコア３に添加することで、コア３をマイクロ波加熱可能とし得る。かかる材料の例として、炭化ケイ素、フェライト、チタン酸バリウム、アナターゼ形酸化チタン、黒鉛およびカーボンブラックが挙げられる。
コアの誘導加熱またはマイクロ波加熱は、硬化工程にて行い得る他、硬化工程の前に金型の外でコアを予備加熱するときに行い得る。

高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料またはマイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子は、コア本体１と外皮２のいずれか一方に添加してもよいし、両方に添加してもよく、また、コア本体１に添加するときは、マトリクス１ａとフィラービーズ１ｂのいずれか一方に添加してもよいし、両方に添加してもよい。好ましくは、かかる粒子はコア本体１にのみ添加され、より好ましくはフィラービーズ１ｂにのみ添加される。
フィラービーズ１ｂのみを誘導加熱またはマイクロ波加熱可能とすることにより、硬化工程の直前にフィラービーズ１ｂ間の隙間を充たすマトリクス１ａが融点より僅かに低い温度となるようにコア３を予備加熱することができる。

（２）硬化工程
硬化工程では、通常、１枚または２枚以上のプリプレグシートから、ほぼ正味形状（near net shape）を有するプリプレグ予備成形体４を作製し、これを図３に示すように、コア３の周囲に配置する。一例では、プリプレグ予備成形体４を別途工程で作製してからコア３と組み合わせるのではなく、最初からコア３を内包した状態、すなわち図３に示す状態となるように、プリプレグ予備成形体４を作製してもよい。
プリプレグ予備成形体４は、異種のプリプレグを組み合わせて作製してもよい。一例では、ＳＭＣを、一方向プリプレグ、クロスプリプレグおよびトウプリプレグから選ばれる一種以上のプリプレグと組み合わせて、プリプレグ予備成形体４を作製することができる。
プリプレグ予備成形体４は、プリプレグとプリプレグではない樹脂シートからなる積層構造を有してもよい。

プリプレグ予備成形体４の作製後、図４に示すように、プリプレグ予備成形体４をその内側に包まれたコア３と共に、下型１０２と上型１０４とからなる金型１００のキャビティ内に配置する。通常、この時点で金型１００は硬化温度と同じ温度に加熱されている。金型１００は、好ましくは、真空機構を有する。
次いで、金型１００を型締めして、プリプレグ予備成形体４を硬化させる。硬化時の金型１００の温度である硬化温度は、限定するものではないが、通常１２０℃から１８０℃の範囲内であり、好ましくは１４０℃以上である。硬化温度が高い程、プリプレグ予備成形体４の硬化時間を短縮することができる。硬化時間は、プリプレグ予備成形体４の厚さに応じて適宜設定することができ、限定するものではないが、好ましくは２０分間以下である。
ここでいう硬化時間は、金型１００の型締めの開始から型開きまでの時間である。

金型１００からプリプレグ予備成形体４を通して伝わる熱を吸収してコア３は膨張し、プリプレグ予備成形体４を金型１００の内面に押し付ける。換言すれば、金型１００の型締め力に抗してコア３が膨張しようとすることで発生する内圧が、プリプレグ予備成形体４に印加される。
型締め直後はコア３の体積が熱膨張により緩やかに増加するだけなので、プリプレグ予備成形体４に加わる圧力は弱いが、コア本体１の温度が第一ワックスの融点に達し、マトリクス１ａが融解し始めると、プリプレグ予備成形体４に加わる圧力は急激に上昇する。第一ワックスの体積が融解に伴い大きく増加するからである。

マトリクス１ａの融解物すなわち融解した第一ワックスは流動して、コア本体１の未融解部分と外皮２の間のスペース全体に万遍なく行き渡る。融解した第一ワックスが圧力媒体として作用することにより、プリプレグ予備成形体４の全ての部分が、実質的に同じ圧力で金型１００の内面に強く押し付けられる。

コア本体がフィラービーズを含有せず、実質的に第一ワックスのみからなる場合、金型からコア本体に伝わる熱の殆ど全てが第一ワックスの融解に費やされるため、第一ワックスの融解量が過大となる。第一ワックスの融解量が過大であると、金型内の圧力が型締め力を上回るために金型が開いてしまい、正常な成形が不可能となる。
それに対し、コア本体１がフィラービーズ１ｂを含有すると、金型１００からコア本体１に伝わる熱の一部はフィラービーズ１ｂの温度上昇に費やされ、その分だけマトリクス１ａの融解量が減少するので、金型１００内の圧力の極端な上昇を防止することができる。
一例では、マトリクス１ａが全量融解しても金型１００内の圧力が型締め力を超えなくなるまで、コア本体１に添加するフィラービーズ１ｂの量を増やすこともできる。

プリプレグ予備成形体４が厚く、熱が金型１００からコア３に伝わるのが遅いときには、マトリクス１ａを融点の低い第１ワックスで構成することが好ましい。そうすることで、マトリクス１ａの融解前、すなわち、金型１００内の圧力が十分に高くなる前に、プリプレグ予備成形体４が金型１００と接する部分で硬化し始めることを防止できる。
プリプレグ予備成形体４が十分に加圧されない状態で硬化すると、得られるＦＲＰがボイドを含んだり、外観品質の低いものとなったりする。

コア３が例えば図２に示すように構成されているとき、すなわち、コア本体１のうち外皮と接する部分にはフィラービーズ１ａが添加されていないとき、マトリクス１ａのみからなるコア本体１の表層部は、金型１００からコア３に伝わる熱によって、早くかつ均一に融解する。従って、図２に示すコアを用いることは、金型１００内の圧力が十分に高くなる前にプリプレグ予備成形体４が硬化し始めることを防止するうえで有利である。

他の一例では、マトリクス１ａの融解を早めるために、硬化工程の前にコア３を予備加熱してもよい。
この予備加熱は、マトリクス１ａが融解しないように行う必要がある。なぜならば、予備加熱の段階でマトリクス１ａを融解させてしまうと、硬化工程において、マトリクス１ａの融解に伴うコア３の大きな膨張を利用したプリプレグ予備成形体４の加圧ができないからである。
コア３の予備加熱には熱風循環炉を好ましく用い得るが、追加手段または代替手段として誘電加熱またはマイクロ波加熱を利用すれば、より短時間でコア３の予備加熱を行うことができる。
誘電加熱を利用するには、高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料の粒子をコア３に添加すればよい。
マイクロ波加熱を利用するには、マイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子をコア３に添加すればよい。

プリプレグ予備成形体４はプリプレグシートから作られているため、図５（ａ）に示すようなプリプレグシート５同士間の突き合わせ接合部、および、図５（ｂ）に示すようなプリプレグシート５同士間のオーバーラップ接合部の、少なくともいずれかを有している。
コア３の外皮２には、このような接合部にあるプリプレグシート５同士間の隙間をシールして、融解したワックスがプリプレグ予備成形体４と金型１００の間に入り込むことを防止する役割がある。それ故に、外皮２の材料は柔軟で変形可能でなくてはならない。また、融解したワックスがプリプレグ予備成形体４と金型１００の間に入り込むことが確実に防止されるように、コア本体１の表面は、実質的に全部が外皮２で覆われていることが好ましい。

（３）ワックス除去工程
ワックス除去工程では、プリプレグ予備成形体４を硬化させてなるＦＲＰ成形品６を金型１００から取り出し、その内部からコア本体１をなすマトリクス１ａとフィラービーズ１ｂを除去する。
マトリクス１ａは、凝固する前に、あるいは、いったん凝固した場合には再び加熱して融解させてから、排出孔７から排出させる。排出孔７は、硬化工程の後に、ドリルやホールソーを用いてＦＲＰ成形品６に設けられる。排出孔７に加えてエアブロー孔（図示せず）を設け、エアブローを行うことにより、排出を促進してもよい。

フィラービーズ１ｂは、排出孔７の直径をフィラービーズ１ｂの粒径より大きくすることにより、融解させることなく、マトリクス１ａの融解物と共にＦＲＰ成形品６から除去することができる。これは、ワックス除去工程の時点では、マトリクス１ａのみが融解していればよいことを示す。そのため、ワックス除去工程は極めて短時間で完了させることができる。
特に、マトリクス１ａをなす第一ワックスの融点が低いと、硬化工程の後もマトリクス１ａを融解状態に保つことが容易であり、また、マトリクス１ａが凝固した場合にも、再度融解させることが容易である。

ＦＲＰ成形品６から除去した第一ワックスとフィラービーズ１ｂは、再利用することができる。
フィラービーズ１ｂが、第一ワックスと相溶しない第二ワックスからなるとき、ＦＲＰ成形品６から除去したフィラービーズ１ｂは一旦溶融させてから再利用してもよい。
外皮２は、ＦＲＰ成形品６の内面に固着していてＦＲＰ成形品６の機能と外観に影響しなければ、除去する必要はない。

以上、ＦＲＰからなる中空の直方体を成形する場合を例に、実施形態に係るＦＲＰ成形方法を説明したが、この方法で成形し得るＦＲＰ製品の外形は直方体に限定されるものではない。この成形方法は、屈曲または湾曲した壁面を含む構造を備える、各種のＦＲＰ成形品の製造に適用することができる。
実施形態に係るＦＲＰ成形方法は、ＦＲＰのみからなる構造体の製造だけではなく、ＦＲＰが金属部品と一体的に成形された構造体の製造や、熱硬化性樹脂からなるＦＲＰと熱可塑性樹脂からなるＦＲＰとが一体的に成形された構造体の製造にも使用できる。

以上、本発明を具体的な実施形態に即して説明したが、各実施形態は例として提示されたものであり、本発明の範囲を限定するものではない。本明細書に記載された各実施形態は、発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、様々に変形することができ、かつ、実施可能な範囲内で、他の実施形態により説明された特徴と組み合わせることができる。

本明細書に開示された発明は、屈曲または湾曲した壁面を含む構造を備えるＦＲＰ成形品の製造に好ましく用いることができる。
本明細書に開示された発明は、限定するものではないが、自動車、船舶、鉄道車両、航空機その他の輸送機器のための部品（構造部品を含む）や、自転車のフレーム、テニスラケットおよびゴルフシャフトを含む各種のスポーツ用品を、繊維強化樹脂で製造するときに好ましく用いることができる。

１ コア本体
１ａ マトリクス
１ｂ フィラービーズ
１１ 第一タイプ個片
１２ 第二タイプ個片
２ 外皮
３ コア
４ プリプレグ予備成形体
５ プリプレグシート
６ ＦＲＰ成形品
７ 排出孔
１００ 金型
１０２ 下型
１０４ 上型

Claims (39)

1. コア本体とその表面を覆う外皮とからなるコアを準備するコア準備工程と、プリプレグを該コアと共に金型内に配置し、該金型内で硬化させて硬化物を得る硬化工程とを有し、該硬化工程では該プリプレグの少なくとも一部が該コアの膨張により加圧されるＦＲＰ成形方法であって、該コア本体が第一ワックスからなるマトリクスと有機材料からなるフィラービーズとからなること、および、該硬化工程の後に該フィラービーズが該マトリクスと共に該硬化物から除去されることを特徴とするＦＲＰ成形方法。
2. 前記硬化工程において前記マトリクスの一部または全部が融解する、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記フィラービーズの重量にして９０％以上が０．１ｃｍ以上、０．５ｃｍ以上または１ｃｍ以上の粒径を有する、請求項１または２に記載の成形方法。
4. 前記外皮が前記コア本体の表面全部を覆っている、請求項１～３のいずれか一項に記載の成形方法。
5. 前記硬化工程における硬化温度と前記マトリクスの融点の差が６０℃以上である、請求項１～４のいずれか一項に記載の成形方法。
6. 前記マトリクスの融点が８０℃未満である、請求項１～５のいずれか一項に記載の成形方法。
7. 前記硬化工程における硬化温度が１４０℃以上である、請求項１～６のいずれか一項に記載の成形方法。
8. 前記フィラービーズの重量にして９０％以上が同じ粒形状と粒径を有する、請求項１～７のいずれか一項に記載の成形方法。
9. 前記同じ粒形状が、球、円柱、角を丸めた円柱、角柱または角を丸めた角柱から選ばれるいずれかの形状である、請求項８に記載の成形方法。
10. 前記フィラービーズがポリマーからなる、請求項１～９のいずれか一項に記載の成形方法。
11. 前記フィラービーズが前記第一ワックスと相溶しない第二ワックスからなる、請求項１～９のいずれか一項に記載の成形方法。
12. 前記第一ワックスと前記第二ワックスの一方が極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスであり、他方が炭化水素を主成分とするワックスである、請求項１１に記載の成形方法。
13. 前記極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスが、ヒドロキシ脂肪酸アミド、脂肪酸アミド、ヒドロキシ脂肪酸エステルおよび脂肪酸エステルから選ばれる一種以上の化合物を含有する、請求項１２に記載の成形方法。
14. 前記炭化水素を主成分とするワックスが、石油ワックス、フィッシャー・トロプシュ・ワックス、ポリエチレンワックスおよびポリプロピレンワックスから選ばれる一種以上のワックスを含有する、請求項１２または１３に記載の成形方法。
15. 前記硬化工程の前に前記コアを予備加熱する、請求項１～１４のいずれか一項に記載の成形方法。
16. 高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加され、前記予備加熱が誘導加熱により行われる、請求項１５に記載の成形方法。
17. マイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加され、前記予備加熱がマイクロ波加熱により行われる、請求項１５に記載の成形方法。
18. 前記コア準備工程で準備された段階において、前記コア本体が前記フィラービーズを含有する第一タイプ個片と前記フィラービーズを含有しない第二タイプ個片とを含む複数の個片からなる、請求項１～１７のいずれか一項に記載の成形方法。
19. 前記第一タイプ個片が前記外皮と接しないように配置されている、請求項１８に記載の成形方法。
20. 前記コア準備工程で準備された段階の前記コアにおいては前記フィラービーズが融着により一時的に一体化されており、前記コア準備工程の後において前記マトリクスの膨張により前記フィラービーズが互いに離れ離れとなる、請求項１～１９のいずれか一項に記載の成形方法。
21. 前記プリプレグが炭素繊維プリプレグである、請求項１～２０のいずれか一項に記載の成形方法。
22. 請求項１～２１のいずれかに記載の成形方法でＦＲＰを成形することを含む、ＦＲＰ製品の製造方法。
23. コア本体とその表面を覆う外皮とからなり、プリプレグを金型内で硬化させるときに該プリプレグの少なくとも一部を加圧するために用いられるコアであって、該コア本体が第一ワックスからなるマトリクスと有機材料からなるフィラービーズとからなることを特徴とするコア。
24. 前記フィラービーズの重量にして９０％以上が０．１ｃｍ以上、０．５ｃｍ以上または１ｃｍ以上の粒径を有する、請求項２３に記載のコア。
25. 前記外皮が前記コア本体の表面全部を覆っている、請求項２３または２４に記載のコア。
26. 前記マトリクスの融点が８０℃未満である、請求項２３～２５のいずれか一項に記載のコア。
27. 前記フィラービーズが１４０℃以下の温度で融解しない、請求項２３～２６のいずれか一項に記載のコア。
28. 前記フィラービーズの重量にして９０％以上が同じ粒形状と粒径を有する、請求項２３～２７のいずれか一項に記載のコア。
29. 前記同じ粒形状が、球、円柱、角を丸めた円柱、角柱または角を丸めた角柱から選ばれるいずれかの形状である、請求項２８に記載のコア。
30. 前記フィラービーズがポリマーからなる、請求項２３～２９のいずれか一項に記載のコア。
31. 前記フィラービーズが前記第一ワックスと相溶しない第二ワックスからなる、請求項２３～２９のいずれか一項に記載のコア。
32. 前記第一ワックスと前記第二ワックスの一方が極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスであり、他方が炭化水素を主成分とするワックスである、請求項３１に記載のコア。
33. 前記極性基を有する有機化合物を一種以上含有するワックスが、ヒドロキシ脂肪酸アミド、脂肪酸アミド、ヒドロキシ脂肪酸エステルおよび脂肪酸エステルから選ばれる一種以上の化合物を含有する、請求項３２に記載のコア。
34. 前記炭化水素を主成分とするワックスが、石油ワックス、フィッシャー・トロプシュ・ワックス、ポリエチレンワックスおよびポリプロピレンワックスから選ばれる一種以上のワックスを含有する、請求項３２または３３に記載のコア。
35. 高周波電磁界下で発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加されている、請求項２３～３４のいずれか一項に記載のコア。
36. マイクロ波を吸収して発熱する性質を有する材料の粒子が前記コアに添加されている、請求項２３～３４のいずれかに記載のコア。
37. 前記コア本体が、前記フィラービーズを含有する第一タイプ個片と前記フィラービーズを含有しない第二タイプ個片とを含む複数の個片からなる、請求項２３～３６のいずれか一項に記載のコア。
38. 前記第一タイプ個片が前記外皮と接しないように配置されている、請求項３７に記載のコア。
39. 前記フィラービーズが融着により一時的に一体化されている、請求項２３～３８のいずれか一項に記載のコア。

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