JP3690744B2

JP3690744B2 - 繊維強化プラスチック部品の製造方法

Info

Publication number: JP3690744B2
Application number: JP2002126113A
Authority: JP
Inventors: 智裕桜庭; 保夫山根; 達男知浦
Original assignee: Honda Motor Co Ltd
Current assignee: Honda Motor Co Ltd
Priority date: 2002-04-26
Filing date: 2002-04-26
Publication date: 2005-08-31
Anticipated expiration: 2022-04-26
Also published as: JP2003311765A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自動車の高速走行時の安定を図るためのエアスポイラ（自動車の後部安定翼）の形状を成形する繊維強化プラスチック部品の製造方法に関し、特に、内圧成形によって微細成形する繊維強化プラスチック部品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭素繊維強化プラスチック（以下、ＣＦＲＰとも称す）などを成形する場合、多くはオートクレーブ法、ＲＴＭ法、さらにハンドレイアップによる成形がおこなわれ、これらの方法によって中空体を得るためには接着工程が用いられている。また、中空体を一体に成形するには、熱可塑性樹脂の射出成形に見られるように中子を用いている。
【０００３】
また、近年小型ヘリコプタのテールコーン部材などの円筒形状を有するもので、接着レス構造の内圧成形法の適用が見られるが、これは大面積の開口部を有している。また、開口部のほとんどない部材としては、比較的単純な断面構造のステアリングホイールなどが同製法で作られている。
【０００４】
さらに、自動車のエアスポイラとその製造方法に関して、特開平５−２１３２３５号公報のような技術が知られている。この技術は、熱可塑性樹脂によって上側部品と下側部品を成形し、上側部品と下側部品の合せ目にモールを固定したあと、上側部品と下側部品に接着リブを接着し合体させることでエアスポイラを形成するようになっている。
【０００５】
また、高速走行時の風圧に耐える、より軽量のエアスポイラを成形するような技術として、ガラス繊維を含んだシート状の熱硬化性の樹脂から熱間プレス法によって上側・下側部品を成形し、この上側・下側部品をなんらかの手段によって接着し合体させるという技術も知られている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の技術に対しては、所望の形状を中空一体成形する技術が望まれており、成形後に他の樹脂などを用いて造形することも可能である。しかし、造形部分の異材界面での接着強度不足や衝撃強度の低下などが懸念され、温度変化を含む外力の影響を受ける可能性もあった。
【０００７】
また、熱可塑性樹脂の射出成形に見られるように中子を用いる方法では、中子の位置決め、割り方、材質（溶融中子：低融点金属）などの種々の要因を解決する必要があった。
【０００８】
さらに内圧成形法の適用には、比較的単純な断面形状のものに限られており、微細な形状を有する製品については適用されていないという問題があった。
【０００９】
また、上側・下側部品を成形して接着し一体化するような方法は、工程数が多くなって製造コストがかかり、しかも美的外観を要求するエアスポイラのような部品では、上側・下側部品を治具にセットして合せ面の精度を出したり、その合せ面を仕上げる手間がかかったりという問題があった。
【００１０】
また、合せ面の接着を加熱処理でおこなうような場合、熱変形を防止するための配慮が必要であり、また、ガラス繊維入りの上側・下側部品の合せ面を接着する場合は、合せ面を加工する際に生じる粉塵にガラス繊維が入っているため、製造し難いという問題があった。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、微細な形状を持った中空成形部品を一体で成形する繊維強化プラスチック部品の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、炭素繊維を有する未硬化プラスチック層を成形型に積層して形成・硬化させる、中空の繊維強化プラスチック部品の製造方法において、前記成形型の内面に前記未硬化プラスチック層を積層する工程と、積層した前記未硬化プラスチック層の所定箇所に同種の材料をさらに積層する工程と、前記成形型内に前記未硬化プラスチック層の表面に沿ってバッグを設ける工程と、前記バッグにエアを充填して中空成形をおこなう工程とを含み、前記所定箇所は、前記中空の繊維強化プラスチック部品の内面視凸形状の角部であることを特徴とする。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、高圧の空気を吹き込んだバッグが成形型内で膨らむことによって、より好適な成形形状を得ることができる。また、中空部品の形状の精度が高まることにより、デザイナのデザインをより忠実に再現することができる。また、形状の精度の向上と、エッジ部が滑らかにつながることによって、部品の強度・剛性が向上し、さらにバッグをニアネット設計する必要が特になく、コストアップを防ぐことができる。また、型割り部位での炭素繊維（以下、ＣＦともいう）の継ぎ目がなく、意匠性を向上することができる。なお、未硬化プラスチック層は、プリプレグなどが該当する。
【００１４】
加えて、内面視凸形状の角部近傍に未硬化プラスチックをさらに積層して増肉部を形成して、バッグに対する張力を緩和するとともに、バッグの追従性が向上し、所望の部品形状に成形でき、美的外観及び設計強度を確保することができる。また、バッグから伝わる加圧力は、未硬化プラスチックに均一に付与することができ、強度を向上することができる。
【００１５】
この内面視凸形状の角部とは、たとえば後記する図３のような部分である（成形型の内側に尖端部が来る）。
【００２０】
【発明の実施の形態】
〔実施の形態〕
本発明に係る繊維強化プラスチック部品の製造方法の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明に係る繊維強化プラスチック部品の製造方法の概略を示し、図１（ａ）は炉内で加熱中の繊維強化プラスチック部品を示す断面図、図１（ｂ）は図１（ａ）におけるＡ部拡大図である。図１（ａ）、（ｂ）において、中空の繊維強化プラスチック部品であるエアスポイラ２０は、炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸して形成されたプリプレグ１１を、エアスポイラ２０を成形する成形型１０の内面に積層した後、積層したプリプレグ１１と同種の材料をさらに積層して、成形型１０の内面の形状を造形し、この内面形状を造形したプリプレグ１１の表面に沿ってバッグ１２を設け、このバッグ１２にエアを充填して内側から内圧をかけ、成形型１０に押し付けて形状転写して中空成形をおこなう。尚、エアは、コンプレッサ３によって発生した加圧空気であり、配管２によって成形型１０へ導かれている。なお、このように、同種の材料がさらに積層されるのは、図１に示されるような鋭角部分（尖端部分、内面視凹形状部）が考えられ、この点は、後で図４を参照して説明する。
【００２１】
ここでプリプレグについて説明する。プリプレグは、中間成形素材のことであり、繊維を編んでシート状にし、樹脂を含浸させて半硬化状態にしたもので、完全には硬化させていない。
【００２２】
成形時は、プリプレグを成形型１０の表面に置いて、その後、バッグ１２に内圧をかけて膨張させて、成形型１０に押し付ける。その状態で加熱して、エポキシ樹脂で成形・硬化する。
【００２３】
このように、エアによって内圧をかける成形法を用いて成形する場合、その成形の可否を決定するのは、成形型１０の内部に挿入するバッグ１２の追従性である。ちなみに、エアスポイラ２０の中空一体成形化は、継ぎ目を無くすこととともに、デザイン上の意匠性を上げることも可能としている。また、エアスポイラ２０は、空力特性を出すために所望の形状を必要とするため、微細形状の成形技術は重要なものとなっている。
【００２４】
このとき、バッグ１２は、事前に精度良く成形しておくニアネット形状にしておくほうが成形上は好ましいが、事前に精度良く成形すると、部品への大幅なコストアップを同時にもたらす。また、ニアネット形状の場合でも、バッグ１２の位置ずれが生じると成形に支障が生じる。このため、比較的単純な袋形状のバッグ１２を用いることにより、位置決めの問題は解決するが、新たに追従性の問題が発生する。
【００２５】
そのため、バッグ１２の圧力がかかるような部分まで、流動するような素材を充填する必要がある。ここではエポキシ樹脂や中間成形部材であるプリプレグ１１のような積層体を用いる。これらのエポキシ樹脂やプリプレグ１１は、加熱により流動化するので、流動しているものには圧損が少なく、中子のような剛体のものより、圧が伝わりやすい。この点は、後で図５を参照して説明する。
【００２６】
また、単純形状のバッグ１２を使うとずれの問題は無くなり、位置決めについても考慮する必要がなくなる。成形では、バッグ１２をつけたまま加熱炉１で加熱する。加熱炉１内の温度は１２０〜１３０℃の温度に維持されるが、バッグ１２は、耐熱温度が２００℃くらいあるナイロンから構成されるので、エポキシ樹脂を焼き固める時の温度では変質しない。
【００２７】
図２は、本発明に係る繊維強化プラスチック部品で作られたエアスポイラの概略を示し、（ａ）はエアスポイラの全体の概略を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。図２（ａ）に示す自動車用のエアスポイラ２０は、図２（ｂ）に示すように、中空部２１を有している。そして、この中空部２１は外部と連通する図示しない開口部を有し、この開口部に図示しないハイマウントランプなどが埋め込まれるとともに、このハイマウントランプに接続する配線を通すための穴などが設けられている。
【００２８】
図３は、本発明に係る加圧されたバッグの追従性を説明する図であり、（ａ）は、加圧されたバッグ１２が、成形型１０の角部３１近傍で破断している様子を示す断面図、（ｂ）は、加圧されたバッグ１２が、成形型１０の角部３１近傍で破断しない様子を示す断面図である。図３（ａ）に示すように、成形型１０の形状とバッグ１２の追従性に関して、エアスポイラ２０の内面から見る凸形状部は、成形型１０の内面のバッグ１２に対しては鋭角乃至直角な凸形状として作用し、バッグ１２は、バッグ１２内に向かって凸形状になる。そのためバッグ１２の追従性から考えると、比較的有利な形状であるが、成形型１０に角部３１を有する場合には追従しきれないことがあり、バッグ１２が成形型１０の角部３１近傍で局部的に伸びて薄くなって破断することがある。あるいは、プリプレグ１１が、局部的に肉厚が薄くなることがある。
【００２９】
そのため、図３（ｂ）に示すように、角部３１近傍にプリプレグ１１をさらに積層して増肉部３２を形成して、バッグ１２に対する張力を緩和するようにしている。このように、バッグ１２の張力を緩和するとともに、プリプレグ１１の増肉部３２が加熱されて流動するため、バッグ１２から伝わる加圧力は、プリプレグ１１に均一に付与することができる。
【００３０】
図４は、図１（ｂ）をさらに拡大したもので、加圧されたバッグの追従性を説明する図である。図４（ａ）は、加圧されたバッグ１２が、成形型１０の角部４１近傍で破断している様子を示す断面図、図４（ｂ）は、加圧されたバッグ１２が、成形型１０の角部４１近傍で破断しない様子を示す断面図である。図４（ａ）に示すように、エアスポイラ２０の内面から見る凹形状部は、成形型１０の内面のバッグ１２に対しては急な凹形状として作用し、バッグ１２は、バッグ１２の外側に向かって鋭角な凸形状になる。そのためバッグ１２の追従性から考えるとバッグ１２が追従できず、バッグ１２は、成形型１０の角部４１の付近でバッグ１２の伸び限度を超えて破損に至ることがある。
【００３１】
このように、バッグ１２に加圧空気によって内圧をかけて、バッグ１２を膨らませて形状転写をおこなう。しかし、直角や鋭角の形状転写は難しく、加圧しすぎるとバッグ１２が破れたり、吹き抜けたりする。また、加圧に耐えてもバッグ１２の膨らみはエッジの奥まで展開せず、ブリッジ状態になって、形状転写ができないことがある。そのため、バッグ１２の形状を成形型１０の形状に合わせたニアネット形状に仕上げる場合にコスト高になる。
【００３２】
そのため、図４（ｂ）に示すように、角部４１近傍にプリプレグ１１をさらに積層して増肉部４２を形成して、バッグ１２に対する張力を緩和するようにしている。このように、バッグ１２の張力を緩和するとともに、プリプレグ１１の増肉部４２が加熱されて流動するため、バッグ１２から伝わる加圧力は、プリプレグ１１に均一に付与される。そのため、バッグ１２が追従できる形状とし、所望の外観デザインを維持しつつ、成形時のバッグ１２の破れを防止するとともに、プリプレグ１１が加熱されて流動するため、成形型１０の内面に均一な圧力が付与され、強度低下を回避することができる。
【００３３】
つぎに、成形型１０の内面側に中子をセットしたり、形状自体を変更して、形状を大きなＲとして追従させるようにする方法が考えられる。
【００３４】
図５は、成形型に中子をセットした様子を示し、（ａ）は中子を用いて加圧している様子を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）における中子によって加圧力を伝播している様子を示す説明図である。この図は、いわば従来例を説明するものである。
【００３５】
図５（ａ）に示すように、中子５１は位置決めが難しく、バッグ１２の内部にエアが充填しても、中子５１が剛性部材であるため、プリプレグ１１には圧が低く伝わる。図５（ｂ）に示すように、ほぼ三角形の中子５１を使うとプリプレグ１１に伝わる圧力は、中子５１が固形であるため、三角形の辺Ｓ１を経て、辺Ｓ２と辺Ｓ３に分散され、プリプレグ１１に伝わる圧力は低くなる。このようにバッグ１２にかかる加圧力が中子５１を経て成形面にかかるため、プリプレグ１１に所望の圧で加圧せず成形品の強度が下がるという問題がある。そのため、形状転写が弱く、さらに位置決めも容易ではない。このように中子を用いる方法では、ある程度の形状はできるが充分ではない。さらに、図５（ａ）に示すように、中子５１を使用して、中空一体成形をおこなっても、中子５１の回収は難しい。そのため、エアスポイラ２０の軽量化に難がある。
【００３６】
図６は、成形型のデザインを変更した様子を示し、（ａ）はデザインを変更する前の断面図、（ｂ）はデザインを変更した後の断面図である。この図も、いわば従来例を説明する図である。図６（ｂ）に示すように、所望の成形を得るのが厳しくデザインを変更した場合、成形型６０は、外観商品性という観点からデザイナの意思に反してしまい、適用できないことが多い。さらに、エアスポイラの空気抵抗を減らすための性能上の観点から、形状については変更できないことが多い。つまり、形状自体に制限を加えることはデザインという商品性の低下を招くため実施できない。
【００３７】
本発明では、図３（ｂ）、図４（ｂ）に示すように、プリプレグ１１が成形型１０の内面に一旦積層された後に、積層材と同種の材料を積層して内面の形状を造形することにより、バッグ１２が追従できる形状とし、所望の外観デザインを維持しつつ、成形時のバッグ１２の破れを防止するとともに、プリプレグ１１が加熱されて流動するため、成形型１０の内面に均一な圧力が付与され、強度低下を回避することができる。しかも、流動性があるので、どの部分にもバッグ１２の内圧に近い圧力が加わり意図する形状を得ることができる。
【００３８】
以上述べた実施の形態は本発明を説明するための一例であり、本発明は、上記の実施の形態に限定されるものではなく、発明の要旨の範囲内で種々の変更が可能である。たとえば、本実施の形態では、バッグにかける圧力は加圧空気としたが、いわゆる、バッグが膨らみ、破損しない圧力で有れば良い。また、加圧空気の他に高圧液体であっても構わない。また、増肉部にプリプレグを積層する例で説明したが、樹脂などを充填しても良い。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、成形型の内面にプリプレグを積層した後、積層したプリプレグと同種の材料をさらに積層して、成形型の内面の形状を造形する部分を有し、成形型内に積層したプリプレグの表面に沿って設けられたバッグを含んだため、高圧の空気を吹き込んだバッグが成形型内で膨らむことによって、より好適な成形形状を得ることができる。また、バッグに対する張力を緩和することができるため、、バッグの追従性が向上し、バッグが成形型の角部近傍で局部的に伸びて薄くなって破断したり、あるいは、プリプレグの肉厚が局部的に薄くなることを防止することができる。このため、中空部の形状の精度が高まり、デザイナのデザインをより忠実に再現することができる。また、形状の精度の向上によりエッジ部が滑らかにつながって、部品の強度・剛性が向上し、さらに、バッグをニアネット設計する必要がなく、コストアップを防ぐことができる。
【００４２】
また、デザイナの要求に従って複雑な形状を簡易に成形することができ、部品の外観商品性を向上することができる。
【００４３】
以上のように本発明の樹脂成形品の製造方法は、半硬化状態の繊維強化プラスチック部材を熱処理して一体成形品を製造するので、接着剤やボルト、リベット等を必要とせず、得られた成形品は機械的強度に関して高い信頼性を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る繊維強化プラスチック部品の製造方法の概略を示し、（ａ）は炉内で加熱中の繊維強化プラスチック部品を示す断面図、（ｂ）は（ａ）におけるＡ部拡大図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る繊維強化プラスチック部品で作られたエアスポイラの概略を示し、（ａ）はエアスポイラの全体の概略を示す斜視図である。（ｂ）は（ａ）におけるＢ−Ｂ断面図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る加圧されたバッグの追従性を説明する図であり、（ａ）は、加圧されたバッグが、成形型の角部近傍で破断している様子を示す断面図、（ｂ）は、加圧されたバッグが、成形型の角部近傍で破断しない様子を示す断面図である。
【図４】本発明の実施の形態に係る加圧されたバッグの追従性を説明する図であり、（ａ）は、加圧されたバッグが、成形型の角部近傍で破断している様子を示す断面図、（ｂ）は、加圧されたバッグが、成形型の角部近傍で破断しない様子を示す断面図である。
【図５】本発明の実施の形態を説明するために、成形型に中子をセットした様子を示し、（ａ）は中子を用いて加圧している様子を示す断面図であり、（ｂ）は（ａ）における中子によって加圧力を伝播している様子を示す説明図である。
【図６】本発明の実施の形態を説明するために、成形型のデザインを変更した様子を示し、（ａ）はデザインを変更する前の断面図、（ｂ）はデザインを変更した後の断面図である。
【符号の説明】
１加熱炉
２加圧空気の配管
３コンプレッサ
１０成形型
１１プリプレグ
１２バッグ
２０エアスポイラ
２１中空部
３１、４１角部
３２、４２増肉部
５１中子
６０成形型

Claims

炭素繊維を有する未硬化プラスチック層を成形型に積層して形成・硬化させる、中空の繊維強化プラスチック部品の製造方法において、
前記成形型の内面に前記未硬化プラスチック層を積層する工程と、
積層した前記未硬化プラスチック層の所定箇所に同種の材料をさらに積層する工程と、
前記成形型内に前記未硬化プラスチック層の表面に沿ってバッグを設ける工程と、
前記バッグにエアを充填して中空成形をおこなう工程と、
を含み、
前記所定箇所は、前記中空の繊維強化プラスチック部品の内面視凸形状の角部であることを特徴とする繊維強化プラスチック部品の製造方法。