JP4088093B2

JP4088093B2 - 繊維強化樹脂成形体の成形方法

Info

Publication number: JP4088093B2
Application number: JP2002099995A
Authority: JP
Inventors: 恒男高野; 喜春沼田
Original assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Chemical Corp; Mitsubishi Rayon Co Ltd
Priority date: 2002-04-02
Filing date: 2002-04-02
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-04-02
Also published as: JP2003291162A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、曲面形状や中空形状などの形態を有する薄肉の繊維強化樹脂成形体に関し、特に成形体の一部に湾曲部が局在する繊維強化樹脂成形体と、その製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化樹脂材料から構成される成形体は軽量、高剛性、高強度性能が得られるため、航空機、鉄道車両、自動車などの移動体で多く使用されている。特に連続する炭素繊維、ガラス繊維などを未硬化樹脂に含浸したシート状の繊維強化樹脂材料（以下、プリプレグという。）を積層、硬化した成形体は、繊維補強効率が高いため、薄肉であっても繊維方向を配向制御させることにより、所望の剛性、強度が得られる。大型成形体や複雑な形状であっても、型にプリプレグを分割積層して、加熱硬化することにより賦形可能であり、形状自由度の高いことが特徴となっている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように連続繊維を用いたプリプレグでは、軽量、高剛性、高強度の成形体が得られるが、角部を有する形状では、型転写性が低下する場合が生じる。例えば、２つの平面が交差して辺をなす凹角部を有する型において、辺に直交する方向に繊維が配向するプリプレグを積層し、さらにフィルムで覆った上から加圧して硬化する場合、繊維が角に沿って屈曲し難いため、型の角部とプリプレグとの間に空間が生じ、外観不良となる。また、仮に型転写良好な成形品が得られたとしても、樹脂が角部を埋めている状態が生じる。
【０００４】
そこでフィルムで覆った上からの加圧力を上げることや、プリプレグが介装される外側の剛性を有する型と柔軟性を有する合成樹脂フィルムなどの型との間の空間を減圧することが行われているが、単にこれらの手法を採用するだけでは、型転写領域が広がることはあっても十分とは言えなかった。また予め角部に沿った形状にプリプレグを予備賦形しておくことも有効ではあるが、未硬化のプリプレグは形状が変化しやすく、安定性に欠ける。角部の辺に平行な方向に繊維を配向させた場合は、型転写性の改善傾向が現れる場合もあるが、繊維も流動するため、繊維配向が乱れ、剛性強度の性能低下を来たす場合がある。
【０００５】
本発明は上記の問題点を解決することをその課題とする。すなわち、本発明の目的は、シート状繊維強化樹脂材料を積層して加熱硬化することにより成形される局部的に湾曲して角部を有する成形体において、角部における型転写性を良好に賦形することができ、外観に優れた成形体を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
かかる課題は、本発明の繊維強化樹脂成形体の成形方法の基本的な構成である、凹角部が一部に局在する成形型面に、積層されたシート状の未硬化繊維強化樹脂材料を配したのち、加圧、加熱硬化させることにより成形する繊維強化樹脂成形体の成形方法であって、前記シート状の未硬化繊維強化樹脂材料の少なくとも一層の繊維方向を前記凹角部の内面に沿って配向させて配すること、前記シート状の未硬化繊維強化樹脂材料の端部同士を凹角部の近傍位置にて積層して配すること、及び前記凹角部の内面に沿ってその最小半径Ｒ min の近似円弧端を越えて延びる一方のシート状の未硬化繊維強化樹脂材料の端部と他方のシート状の未硬化繊維強化樹脂材料の端部とを積層して配することを備えてなり、前記一方のシート状の未硬化繊維強化樹脂材料の前記端部の先端位置と前記凹角部の頂部における最小半径Ｒmin の前記先端位置に近い側の近似円弧端位置との間の距離Ｄを、最小半径Ｒmin の近似円弧部分の両端に正接する平面間の交差角をθ°としたとき、下式（１）を満足するように設定することを含んでなることを特徴とする繊維強化樹脂成形体の成形方法によって達成される。
Ｄ≦８×Ｒmin ×｛１８０／（１８０−θ）｝……（１）
ただし、Ｒ_min＝２〜３ｍｍである。
【０００７】
積層一体化される前記一端部が成形型の凹角部（湾曲部）の近傍に配されると、成形時に一端部を有するプリプレグが凹角部を移動しやすくなり、凹角部における成形体の型転写性がより向上するため好ましい。成形体を成形するときのプリプレグは、繊維の配向を一方向に揃えた複数枚のシート状プリプレグを積層してもよいし、繊維の配向が二方向である織物からなるシート状プリプレグを積層してもよい。この場合、積層にあたって各プリプレグの繊維方向が交差するように積層すると全方向に高強度が得られるため好ましい。
【０００８】
前記繊維強化樹脂材料は、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維の少なくともいずれかにより構成することが好ましく、前記繊維強化樹脂材料のマトリックス樹脂は、エポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂のいずれかで構成されることが好ましい。
【００１０】
かかる製造方法は、局部的な湾曲部を有する繊維強化樹脂成形体の成形にあたっても、良好な型転写性が得られ、仮に型面に２つの平面が交差して辺をなす凹角部が存在しても、辺に直交する方向に繊維を配向させたプリプレグを積層し、加圧して硬化する場合にも、繊維が角に沿って屈曲しやすくなり、型の凹角部とプリプレグとの間に空間が生じることがなく、しかも樹脂が凹角部の頂部側に偏在せず見栄えの点でも優れたものとなる。
【００１１】
前記成形型を剛性を有する金属製の型と柔軟性を有する合成樹脂フィルムなどからなる型とで構成し、剛性を有する型の内面と柔軟性を有する型の間にシート状のプリプレグを介装して、柔軟性を有する型側から加圧して成形することが好ましい。前記加圧により柔軟性を有する型はシート状のプリプレグの全面に密着する同時に、同シート状のプリプレグの全面を剛性を有する型の成形面に均等に且つ強く押し付けることができる。
【００１２】
前記加圧は、剛性を有する型と柔軟性を有する型との間のプリプレグが介装される密閉空間内を減圧するか、或いは剛性を有する型とは反対側の柔軟性を有する型の全面を加圧雰囲気に置くことで実現でき、しかも上述のように、プリプレグの全面を均等に押圧できるため、剛性を有する型の凹角部に対しても、加熱によるマトリックス樹脂の軟化あるいは溶融による流動化と、プリプレグ積層端部における繊維の移動や変形をしやすさとが相まって、繊維を凹角部の内面に沿うように湾曲させて成形することが可能となる。前記二つの加圧手法をくみあわせることもできる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施の形態を図面に基づいて詳しく説明する。
【００１４】
剛性を有する型にプリプレグを積層し、柔軟性を有する型で覆った上から加圧し、さらに加熱硬化して成形体を成形する場合、型に微小径の凹角部がある場合、強化繊維が凹角部に沿って湾曲し難いため、型転写性が低下し、外観不良になりやすい傾向があった。
【００１５】
そこで、本発明にあっては所定枚数のプリプレグを積層する場合、凹角部付近でプリプレグを分割してその端部同士を重ね合わせ、加圧昇温することにより、樹脂の軟化流動が生じ、繊維が型面とプリプレグ間で移動しやすくなるため、加圧により凹角部にプリプレグが沿うようになり、型転写が良好な成形体が得られる。型転写性を良好にするには、プリプレグの端部同士の積層位置は決めることが重要である。
【００１６】
図１及び図２は型内の凹角部の形態とその近傍に配されるプリプレグの端部同士の典型的な積層位置を模式的に示している。これらの図において、成形型１の凹角部２の角凹頂部Ｏを通る法線方向Ｃの断面Ｂ中で、角凹頂部Ｏの最小半径Ｒ_min部分を近似円弧とみなし、その円弧端Ａ，Ａ’に正接する接線間の交差角をθ°とすると、凹角部２の付近で分割されたプリプレグ３の端部同士を重ね合わせて成形したときの成形体の品質は、凹角部２の近似円弧半径Ｒ_minとθ°に依存する。
【００１７】
本発明にあって、型内の凹角部２の近傍に配されるプリプレグ３の端部３ａ，３ｂ同士の重ね合わせる位置は、凹角部２に沿って配される側のプリプレグ３の端部３ａが、対向側から延びて型面側に配されるプリプレグ３の端部３ｂに重ね合わされ、端部３ａ側にある上記円弧端Ａと端部３ａの先端位置との間の距離（間隔）Ｄを設定することにより決まる。
【００１８】
本発明による成形体の品質は、前記距離Ｄと上記交差角θ°とＲmin とによって大きく影響され、図２に示す凹角部２の上記円弧端Ａ，Ａ’における円弧半径Ｒmin が小さいほど、また、交差角θ°が小さいほど前記距離Ｄを短くする必要がある。
【００１９】
凹角部２の最小円弧部分の円弧端Ａ，Ａ’に正接する接線の交差角をθ°とすると、近似円周端Ａとプリプレグ端部３ａとの間の前記距離Ｄを、近似円弧半径Ｒ_minの８×（１８０/ （１８０−θ））倍以内として、凹角部２側のプリプレグ端と型面側のプリプレグ端とを積層することにより、型転写性が向上する。昇温時、分割され一部積層されたプリプレグ３の端部３ａ，３ｂ同士の界面と、型とプリプレグ３との界面が移動し、凹角部３側のプリプレグ端部３ａの挙動が型転写性に影響を与える。なお、本発明は凹角部２は平面が交差する直線状のみでなく、曲面同士の湾曲交差線状や、円錐形状の成形体にも適用できる。
【００２０】
さらに角部の近似円周径２・Ｒ_minが微小で、その近似円弧端Ａ，Ａ’に正接する接線の交差角θ°が狭い場合には、分割したプリプレグの端部３ａ，３ｂをそのまま積層すると、肉厚が２倍となるため、狭い成形空間にプリプレグや加圧するための柔軟性を有する型を詰め込むことが困難となる。そこで、積層するプリプレグ端部３ａ，３ｂの厚みを先端に向けて徐々に変化させれば、積層されたプリプレグ部分とその他のプリプレグ部分との厚み差が減少し、全体にほぼ均一な肉厚の積層構造とすることができる。プリプレグが狭い成形空間でも配置することができ、圧力も十分に付与することが可能となり、外観良好な成形品が得られる。さらに肉厚段差も低減されるため、強度向上や軽量化にも寄与する。
【００２１】
軽量、高剛性、高強度が得られるプリプレグ３の繊維材料としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエステル繊維が適しており、またこれらに限定されるものではないが、好ましくは炭素繊維が好適であり、これらの繊維材料を適宜組み合わせることも可能である。
【００２２】
プリプレグ３のマトリックス樹脂としてエポキシ樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂等を挙げることができるが、炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグが剛性強度の点で好ましい。繊維方向が一方向に揃えられたプリプレグを、０°、９０°、−４５°、４５°に組み合わせて積層することで等方性に近い性能が得られるが、０°、９０°の直交二方向に配向させたものを使用することで実質上十分な剛性強度を確保することができる。繊維が直交二方向に配向するプリプレグとしては、一方向に配向する繊維層を０°及び９０°方向に配向するように積層した積層材の他に、繊維が直交二方向に配向する織布を用いることもできる。マトリックス樹脂としてエポキシ樹脂を用いた炭素繊維強化樹脂材料の場合は、炭素繊維の含有量が３０〜７０容量％の範囲が好ましい。
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明する。
【００２３】
（実施例１）
図３は本発明の実施例１を示している。同図に示すように、正方形断面のパイプ（幅、高さ：８０ｍｍ、角部の円弧半径Ｒ：２ｍｍ、交差角９０°）形状の雌型を、パイプ軸方向に２分割して作製し、型内面に炭素繊維一方向性プリプレグをパイプ外側から９０°／０°／９０°／０°（０°はパイプ軸方向）の順で４層に積層した。このプリプレグには、三菱レイヨン（株）製「パイロフィルＴＲ３５０Ｈ１５０」（炭素繊維含有量５６容積％）を使用した。
【００２４】
プリプレグを４箇所の角部付近でパイプ軸方向に分割し、角部のＲ端から型面側プリプレグの端部先端までの距離（Ｄ）を１０ｍｍとして、これに角部側のプリプレグ端部を積層した。内圧を加えるため図示せぬナイロン製袋を、端部の積層を終えたプリプレグの内側に配置し、型締めを行った。
【００２５】
この型のナイロン製袋に圧力３ｋｇ／ｃｍ²の空気を加熱炉に圧入して、温度１３０℃、２時間の条件で加熱した。硬化後、型を割って脱型し、正方形断面のパイプを得た。このパイプは角部の型転写性が良好であり、しかも角部の樹脂比率が高くなることもなく、繊維の乱れのない外観となり、剛性、強度とも十分な性能であった。
【００２６】
（変形例１〜４）
図４〜図７は、上記実施例１の変形例を示している。これらの変形例では角部近傍のプリプレグ端部の積層の仕方を変えている。その他の、成形材料や成形手順は上記実施例１と同様である。図４に示す変形例１のパイプ構造にあって、実施例１と異なるところは、上下に割られた型に形成された正方形状の成形空間の上下辺部に配されるプリプレグを同辺部の長さよりも短くして、その端部は半径２ｍｍの角部円弧端（Ｒ端）からの距離Ｄを１０ｍｍに設定して配されるとともに、左右辺部に配されるプリプレグをそれぞれ角部において屈曲させ、その上下端部を前記上下辺部に配されるプリプレグの端部に積層している点にある。
【００２７】
図５に示す変形例２では、同様の成形空間の上下辺部の全長にわたって分割したプリプレグを配すると共に、その上下プリプレグの両端部に左右辺部プリプレグ端部を内側に屈曲させて積層している。図６に示す変形例３では、上記変形例１の上下左右に配される各プリプレグの端部を先端に向けて漸次肉薄となるように形成している。図７に示す変形例４は、前記変形例３において左右に配されるプリプレグの上下折り曲げ端部を型側に配している点で異なっている。
【００２８】
これらの変形例にあっても、積層端部位置としての角部Ｒ端からの距離Ｄが１０ｍｍに設定され、上記実施例１と同様の操作を行って得られたパイプは、角部の型転写性が良好であり、しかも角部の樹脂比率が他と同様であって、繊維の乱れのない外観をもち、剛性、強度とも十分な性能を備えていた。特に、変形例３及び４にあっては、角部近傍の端部積層部分の肉厚が他の部分の肉厚とほぼ等しくすることができるため、更に強度が向上する。
【００２９】
（比較例１）
図８は比較例１を示している。同図に示すように、プリプレグ端部の積層位置を１箇所とし、角部Ｒ端から型面側プリプレグ端部の距離Ｄを４０ｍｍとして積層した以外は、実施例１と同様の操作で成形を行った。硬化後、型を割って脱型し、正方矩形断面のパイプが得られたが、角部の型転写性不良であり、外観の満足するものは得られなかった。
【００３０】
（実施例２）
図９に示す偏平断面の翼形状の成形型（幅１００、高さ３０、角部Ｒ３ｍｍ、交差角２０°）を使用し、プリプレグを２箇所の角部付近でパイプ軸方向に分割し、角部Ｒ端から型面側のプリプレグ端部の距離Ｄを５ｍｍとして積層した以外は、実施例１と同様の操作で成形を行った。硬化後に、型を割って脱型して、翼部品を得た。この翼部品は、角部の型転写性が良好であり、外観、剛性、強度ともに十分な性能を備えていた。
【００３１】
（変形例５〜１１）
図１０〜図１６は、上記実施例２の変形例５〜１１を示している。これらの変形例５〜１１は、実施例２と同様の偏平断面をもつ翼部品の層構成を変更したものであり、それ以外は上記実施例１と同様の操作で成形を行った。硬化後に、型を割って脱型して得られた翼部品は、角部の型転写性は良好であり、しかも角部の樹脂比率が他と同様であって、繊維の乱れがない外観をもち、剛性、強度とも十分な性能を備えていた。
【００３２】
（比較例２）
図１７は比較例２を示している。上記比較例１と同様に、プリプレグ端部の積層位置を１箇所とし、角部Ｒ端から型面側プリプレグ端部の距離Ｄを４０ｍｍとして積層した以外は、実施例２と同様の操作で成形を行った。硬化後、型を割って脱型し、翼部品を得たが、角部の型転写性は不良であり、しかも外観の満足するものが得られなかった。
【００３３】
以上の説明からも明らかなように、本発明によれば微小径の凹角部を含む型形状であっても、繊維の乱れがない外観をもち、剛性、強度とも十分な性能を備えたの繊維強化樹脂成形体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る繊維強化樹脂成形体の成形型における凹角部の構造を模式的に示す説明図である。
【図２】同型の凹角部におけるプリプレグの端部積層構成の説明図である。
【図３】本発明の実施例１による分離プリプレグ端部の積層構成を示す正方形断面の繊維強化樹脂パイプの成形時の型断面図である。
【図４】実施例１の変形例１を示す同様の断面図である。
【図５】同変形例２を示す同様の断面図である。
【図６】同変形例３を示す同様の断面図である。
【図７】同変形例４を示す同様の断面図である。
【図８】比較例１の同様の断面図である。
【図９】本発明の実施例１による分離プリプレグ端部の積層構成を示す偏平断面の繊維強化樹脂翼部品の成形時の型断面図である。
【図１０】実施例２の変形例５を示す同様の断面図である。
【図１１】同変形例６を示す同様の断面図である。
【図１２】同変形例７を示す同様の断面図である。
【図１３】同変形例８を示す同様の断面図である。
【図１４】同変形例９を示す同様の断面図である。
【図１５】同変形例１０を示す同様の断面図である。
【図１６】同変形例１１を示す同様の断面図である。
【図１７】同比較例２を示す同様の断面図である。
【符号の説明】
１成形型
２凹角部
３プリプレグ
３ａ凹部側の分割プリプレグ端部
３ｂ型側の分割プリプレグ端部
Ｏ角凹頂部
Ａ，Ａ’ 円弧端
Ｂ断面
Ｃ角凹頂部の法線方向
Ｄ円弧端とプリプレグ積層端部の最小積層端との間の距離
Ｒ_min （近似）円弧半径
θ° 交差角

Claims

凹角部が一部に局在する成形型面に、積層されたシート状の未硬化繊維強化樹脂材料を配したのち、加圧、加熱硬化させることにより成形する繊維強化樹脂成形体の成形方法であって、
前記シート状の未硬化繊維強化樹脂材料の少なくとも一層の繊維方向を前記凹角部の内面に沿って配向させて配すること、
前記シート状の未硬化繊維強化樹脂材料の端部同士を凹角部の近傍位置にて積層して配すること、及び
前記凹角部の内面に沿ってその最小半径Ｒ min の近似円弧端を越えて延びる一方のシート状の未硬化繊維強化樹脂材料の端部と他方のシート状の未硬化繊維強化樹脂材料の端部とを積層して配することを備えてなり、
前記一方のシート状の未硬化繊維強化樹脂材料の前記端部の先端位置と前記凹角部の頂部における最小半径Ｒmin の前記先端位置に近い側の近似円弧端位置との間の距離Ｄを、最小半径Ｒmin の近似円弧部分の両端に正接する平面間の交差角をθ°としたとき、下式（１）を満足するように設定することを含んでなることを特徴とする繊維強化樹脂成形体の成形方法。
Ｄ≦８×Ｒmin ×｛１８０／（１８０−θ）｝……（１）
ただし、Ｒ_min＝２〜３ｍｍである。