JP2023093152A - コアの製造方法およびｆｒｐ製品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】プリプレグをワックスからなる可融部を有するコアと共に金型内に投入し、該金型内で加熱して硬化させるＦＲＰ製品の製造方法で用いられるコアについて、その好ましい製造方法を提供すること。【解決手段】ワックスからなる可融部を有するコアの、前記可融部の少なくとも一部を、熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて造形する、コアの製造方法が提供される。更に、ワックスからなる可融部を有するコアの、前記可融部の少なくとも一部を、３Ｄプリンティングシステムを用いて造形された成形型を用いて成形する、コアの製造方法が提供される。【選択図】図１

Description

本発明は、主として、プリプレグを金型内で硬化させてＦＲＰ製品を製造するときに用いられるコアの製造方法と、プリプレグをコアと共に金型内に配置し、該金型内で加熱して硬化させることを含むＦＲＰ製品の製造方法に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、自動車、船舶、鉄道車両、有人航空機、無人航空機その他の輸送機器の部品に適した、軽量かつ力学特性に優れた材料であり、近年その重要度はますます高くなっている。
中空部や断面Ｕ字形部を有するＦＲＰ製品の製造方法として、プリプレグをワックスからなる可融部を有するコアと共に金型内に配置し、該金型内で加熱して硬化させる方法が提案されている（特許文献１）。
プリプレグは、繊維補強材（fiber reinforcement）を未硬化の熱硬化性樹脂組成物で含浸させた中間材料である。

国際公開第２０１８／０７９８２４号

本発明の主たる目的は、プリプレグをワックスからなる可融部を有するコアと共に金型内に投入し、該金型内で加熱して硬化させるＦＲＰ製品の製造方法で用いられるコアについて、その好ましい製造方法を提供することにある。

本発明の一実施形態は、ワックスからなる可融部を有するコアの製造方法であって、前記可融部の少なくとも一部が熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて造形されることを特徴とする。
本発明の他の一実施形態は、ワックスからなる可融部を有するコアの製造方法であって、前記可融部の少なくとも一部が、３Ｄプリンティングシステムを用いて造形された成形型を用いて成形されることを特徴とする。

本発明の一態様によれば、プリプレグをワックスからなる可融部を有するコアと共に金型内に投入し、該金型内で加熱して硬化させるＦＲＰ製品の製造方法で用いられるコアについて、その好ましい製造方法が提供される。

図１（ａ）および（ｂ）は、それぞれ、コアの構造を示す断面図である。 図２は、プリプレグ予備成形体をコアの周囲に配置したところを示す断面図である。 図３は、プリプレグ予備成形体をコアと共に金型の内部に投入したところを示す断面図である。 図４（ａ）はプリプレグの縁部間の突き合わせ部を示し、図４（ｂ）はプリプレグの縁部間のオーバーラップ部を示す。

１．ＦＲＰ製品の製造方法
実施形態に係る製造方法で製造されるコアは、典型的には以下の３つの工程を含むＦＲＰ製品の製造方法で使用される。
（i）ワックスからなる可融部を有するコアを製作するコア製作工程。
（ii）プリプレグを前記コアと共に金型内に投入し、前記金型内で加熱して硬化物とする成形工程。
（iii）前記硬化物から前記ワックスを除去するワックス除去工程。

この製造方法は、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られる。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字形構造を含むが、これらに限定されない。各種のアンダーカット部も、構造中に屈曲または湾曲した壁面を含むことが多い。
ＦＲＰ製品として中空の直方体物品を製造する場合を例に、図面を参照しつつ、上記（i）～（iii）の各工程を説明すると次の通りである。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。

（１）コア製作工程
図１は、コア製作工程（i）で製作されるコアの構造を示す断面図であり、図１（ａ）の例ではコア３はワックスからなる可融部１のみからなり、図１（ｂ）の例ではコア３は可融部１と外皮２とからなる。
後の成形工程（ii）で、膨張したコア３によってプリプレグ予備成形体４が金型１０の内面に押し付けられるようにするには、ほぼ正味形状に賦形されたプリプレグ予備成形体４とコア３との間の隙間が十分小さくなくてはならない。
コア３の構造と製作方法については後で詳しく説明する。

（２）成形工程
成形工程（ii）では、まず、少なくとも１枚のプリプレグを用いて、ほぼ正味形状（near net shape）を有するプリプレグ予備成形体４を作製する。
プリプレグ予備成形体４は、図２に示すように、コア３の周囲に配置される。
プリプレグ予備成形体４は、別途工程で作製してからコア３の周囲に配置してもよいし、あるいは、最初からコア３を内包した状態、すなわち図２に示す状態となるように作製してもよい。作製方法に限定はなく、例えば、コアがプリプレグで包まれるように手でプリプレグを賦形してもよいし、あるいは、ファイバープレースメント装置を用いてコアの周囲にプリプレグを巻き付けることによりプリプレグ予備成形体を作製してもよい。

プリプレグ予備成形体４に用いるプリプレグの種類に特段の限定はなく、一方向プリプレグ（ＵＤプリプレグ）、織物プリプレグ、不織布プリプレグ、ＳＭＣ（sheet molding compound）およびトウプリプレグを含む様々なプリプレグを用いることができる。異なるプリプレグを組み合わせて使用することもできる。
プリプレグの繊維補強材に用いられる繊維の典型例は炭素繊維、ガラス繊維およびアラミド繊維であるが、植物繊維のような天然繊維を用いたプリプレグも好ましく使用することができる。

プリプレグに用いられる熱硬化性樹脂組成物のベース樹脂の典型例はエポキシ樹脂、ユリア樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂およびフェノール樹脂であるが、これらに限定されるものではない。熱硬化性樹脂組成物には、硬化剤に加えて、増粘剤、反応性希釈剤、低収縮剤、難燃剤、消泡剤、脱泡剤、離型剤、粒子状充填剤、着色剤、シランカップリング剤等、必要に応じて様々な添加剤が添加され得る。
プリプレグの繊維含有量は、例えば、３０～７０ｗｔ％の範囲内である。異なる繊維含有量を有するプリプレグを組み合わせて使用することもできる。

プリプレグ予備成形体４の作製後、図３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１２と上型１４とからなる金型１０の内部に投入する。好ましくは、この時点で金型１０は成形温度と同じ温度に加熱されている。
次いで、金型１０を型締めして、プリプレグ予備成形体４を硬化させる。金型１０の温度は、限定するものではないが、通常１２０℃～１８０℃の範囲内である。

プリプレグ予備成形体４と共に金型１０に投入されたコア３は、金型１０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膨張し、プリプレグ予備成形体４を金型１０の内面に押し付けられる。換言すれば、金型１０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。
一例では、コア３の可融部１の少なくとも一部が融解してもよい。ワックスが融解して固体から液体になるときには体積が大きく増加するので、プリプレグ予備成形体４が強く圧縮され、ボイドの無い硬化物が生じる。

プリプレグの形態はシートまたはテープであることから、プリプレグ予備成形体４は、図４（a）に示すようなプリプレグ５の縁部間の突き合わせ部、および、図４（ｂ）に示すようなプリプレグ５の縁部間のオーバーラップ部の、少なくともいずれかを有している。
コア３が有する外皮２の役割は、融解した融解したワックスがこれらの部分を通ってプリプレグ予備成形体４と金型１０の間に漏れ出ることを防止するためのシールである。
従って、成形工程でコア３の可融部１の表層部分を融解させない態様では、コア３に外皮２を設ける必要がない。

（３）ワックス除去工程
ワックス除去工程（iii）では、成形工程（ii）でプリプレグ予備成形体４が硬化することにより生じるＦＲＰ製品を金型１０から取り出し、その内部の空洞を満たしているコア３から、可融部１をなすワックスを除去する。外皮２は、ＦＲＰ製品の内面に固着していてＦＲＰ製品の機能と外観に影響しなければ、除去する必要はない。
可融部１をなすワックスは、例えばオーブン中で加熱することにより融解させ、ドリルやホールソーを用いてＦＲＰ製品に設けられる排出孔から排出させる。加熱の際は、ＦＲＰ製品の温度が熱変形温度（荷重たわみ温度）に達しないようにする。

２．コアの製造方法
次に、上記１．で説明したＦＲＰ製品の製造方法で用いられるコアと、その製造方法を説明する。

２．１．外皮の無いコア
外皮の無いコアとは、ワックスからなる可融部のみからなるコアであり、成形工程においてコアの可融部の表層部分を融解させない態様において使用される。
外皮の無いコアは、単一のワックスで形成されてもよいし、互いに相溶しない２種のワックスから形成されてもよい。

外皮の無いコアは、熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて、ワックスからなる可融部を所定形状に造形することにより製作される。
ほぼ正味形状に賦形されたプリプレグ予備成形体がコアの周囲に配置されたときに、コアとプリプレグ予備成形体との間に形成される隙間が十分小さくなるように、コアの外形は定められる。
使用する３Ｄプリンティングシステムで製作できる造形物の大きさには限りがあるので、必要であれば、製作すべき可融部を複数の部分に分割し、各部分を３Ｄプリンティングシステムで製作した後に、組み合わせることで可融部を完成させてもよい。

３Ｄプリンティングシステムによれば、ＣＡＤデータに基づいて所望形状のコアを直接的に造形することができる。つまり、高価な成形型の製作が不要という利点がある。また、コアを用いてＦＲＰ製品の成形を行った後、その結果に基づいてコアの形状を修正することも容易である。

互いに相溶しない２種のワックスから３Ｄプリンティングシステムでコアを製作する場合、一方のワックスで構成される部分を先に造形してから、他方のワックスで構成される部分を造形してもよいし、あるいは、マルチノズルの３Ｄプリンティングシステムを用いてコア全体を一度に造形してもよい。
２種のワックスの融点の差が大きい場合には、融点が高い方のワックスで構成される部分を先に造形してから、融点が低い方のワックスで構成される部分を造形することが好ましい。

一例では、コアの中心部を融点が高い方のワックスで、３Ｄプリンティングシステムを用いて造形した後、その表面に融点が低い方のワックスからなる表層をスプレー等の方法で塗布することによってコアを製作することができる。
他の一例では、コアの外殻を融点が高い方のワックスで、３Ｄプリンティングシステムを用いて造形した後、融点が低い方のワックスの融解物を、その外殻の内側に流し込んでコアを製作することができる。この場合、融点が高い方のワックスで外殻を造形する際に、外殻だけでなく、外殻を補強する構造を、同じワックスを用いて外殻の内側に形成してもよい。

３Ｄプリンティングシステムを用いて製作したコアは、成形工程で使用するまでの間、保温した状態で貯蔵しておくことができる。貯蔵温度は、コアの融解も変形も生じない範囲内で適宜定められる。保温することによりコアの全体にわたって温度が均一となるので、成形工程において、コアの一部が他の部分よりも大きく膨張することや、その反対にコアの一部で膨張が他の部分より小さくなることが、防止される。

２．２．外皮を有するコア
外皮を有するコアは、成形工程においてコアの可融部の表層部分を融解させる態様において使用される。外皮を有するコアの可融部は、単一のワックスで形成されてもよいし、互いに相溶しない２種のワックスから形成されてもよい。
外皮を有するコアの製造方法には、以下に説明する第一の方法と第二の方法とがある。

（１）第一の方法
第一の方法では、コアの可融部を熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて造形した後、従来から知られる技法で可融部の表面に外皮を形成することによりコアを製作する。
可融部の作製は、外皮の無いコアを作製する場合と同様にして行われる。
外皮の形成は、例えば、次のようにして行うことができる。

・可融部を、外皮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。
・可融部をポリマーからなるシュリンクチューブの内側に配置した状態で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る（シュリンクチューブで外皮を形成）。
・可融部の表面に液状ゴムを塗布し、該ワックスが融解しない温度で硬化させる（低温硬化型の液状ゴムで外皮を形成）。
・可融部の表面にＵＶ硬化型エラストマーの原料液を塗布し、ＵＶ照射して硬化させる（ＵＶ硬化型エラストマーで外皮を形成）。

成形工程（ii）において前述のシールとしての役割を果たし得るために、外皮の材料には成形温度において伸び変形可能であることが求められる。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。
従って、外皮の好ましい材料は有機材料であり、特にポリマーである。具体的には、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が挙げられ、更には、これらのポリマーからなるエラストマーが挙げられる。

（２）第二の方法
第二の方法では、可融部と外皮を含めたコア全体を、熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて造形する。可融部を先に造形してから外皮を造形しても良いし、マルチノズルの３Ｄプリンティングシステムを用いてコア全体を一度に造形しても良い。
外皮の材料には、熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムで造形できるように、好ましくは熱可塑性エラストマーである熱可塑性ポリマーが用いられる。

外皮を有するコアの場合も、製作してから使用するまでの間、保温した状態で貯蔵しておくことができる。貯蔵温度は、コアの可融部の融解も変形も生じない範囲内で、できるだけ高いことが好ましい。コアを保温しておくことで、成形工程で金型内にコアを投入してから可融部が融解し始めるまでの時間を短縮することができる。言い換えれば、金型の内圧が立ち上がるタイミングを早めて、硬化が進む前にプリプレグを十分に加圧することができる。

２．３．ワックスの種類
外皮の無いコアの場合も、外皮を有するコアの場合も、可融部を互いに相溶しない２種のワックスで形成することができる。この２種のワックスは、コアの使用後に可融部を融解させることで容易に分離させることができる。
互いに相溶しないワックスの組合せとして、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の組合せが挙げられる。

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。

３．その他の実施形態
更なる実施形態においては、３Ｄプリンティングシステムをコアの造形ではなく、コアの可融部を成形するための成形型の造形に用いることができる。成形型の材料は、可融部の材料に用いるワックスの融点よりも高いガラス転移温度を持つ樹脂、または、金属であればよい。従って、３Ｄプリンティング技法として、対象物を光硬化性樹脂で造形する技法を用いることもできるし、粉末焼結積層造形法を用いることもできる。

互いに相溶しない２種のワックスで可融部を形成する場合、一方のワックスからなる部分と他方のワックスからなる部分を、どちらも３Ｄプリンティングシステムを用いて造形した異なる成形型を用いて、それぞれ成形した後、これらの部分を組み合わせてひとつの可融部を形成することができる。

４．実施形態のまとめ
［実施形態１］
プリプレグを金型内で加熱して硬化させることによりＦＲＰ製品を得るときに、前記プリプレグと共に前記金型内に投入されるコアを製造する方法であって、前記コアはワックスからなる可融部を有し、前記可融部の少なくとも一部が熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて造形される、製造方法。
［実施形態２］
プリプレグを金型内で加熱して硬化させることによりＦＲＰ製品を得るときに、前記プリプレグと共に前記金型内に投入されるコアを製造する方法であって、前記コアはワックスからなる可融部を有し、前記可融部の少なくとも一部が、３Ｄプリンティングシステムを用いて造形された成形型を用いて成形される、製造方法。
［実施形態３］
実施形態１または２に記載の製造方法を用いてコアを製作するコア製作工程と、プリプレグを前記コアと共に金型内に投入し、前記金型内で加熱して硬化させる成形工程と、前記コアに含まれるワックスを前記硬化物から除去するワックス除去工程とを有する、ＦＲＰ製品の製造方法。

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、発明の効果が奏される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、限定するものではないが、自動車、船舶、鉄道車両、航空機、無人航空機その他の輸送機器のための部品や、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 可融部
２ 外皮
３ コア
４ プリプレグ予備成形体
５ プリプレグ
１０ 金型
１２ 下型
１４ 上型

Claims (3)

1. プリプレグを金型内で加熱して硬化させることによりＦＲＰ製品を得るときに、前記プリプレグと共に前記金型内に投入されるコアを製造する方法であって、前記コアはワックスからなる可融部を有し、前記可融部の少なくとも一部が熱溶解積層方式の３Ｄプリンティングシステムを用いて造形される、製造方法。
2. プリプレグを金型内で加熱して硬化させることによりＦＲＰ製品を得るときに、前記プリプレグと共に前記金型内に投入されるコアを製造する方法であって、前記コアはワックスからなる可融部を有し、前記可融部の少なくとも一部が、３Ｄプリンティングシステムを用いて造形された成形型を用いて成形される、製造方法。
3. 請求項１または２に記載の製造方法を用いてコアを製作するコア製作工程と、プリプレグを前記コアと共に金型内に投入し、前記金型内で加熱して硬化させる成形工程と、前記コアに含まれるワックスを前記硬化物から除去するワックス除去工程とを有する、ＦＲＰ製品の製造方法。

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