JP4429341B2 - フランジ付き繊維強化樹脂中空部品 - Google Patents

Description

本発明は先端にフランジ部を一体に持つ繊維強化樹脂中空部品およびその成形方法に関する。

自動車部品の一つとして、一端にフランジを持つ中空部品が多く用いられる。フランジ部は他の部材と結合するときの結合基板として用いられ、また本体部分を中空とすることにより、部品としての軽量化を図っている。従来、この種の中空部品は主に金属材料により作られていたが、より軽量化した中空部品として、繊維強化樹脂を用いて成形することが試みられている。

繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と強化繊維とを一体化したものであり、軽量でかつ強度特性に優れている。用いられる熱硬化性樹脂の例としては、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等を挙げることができ、熱可塑性樹脂の例としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等を挙げることができる。強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等を挙げることができる。

繊維強化樹脂を用いて中空の部品を作る方法もいくつか提案されており、その一つに内圧成形法がある。内圧成形法は、成形型のキャビティ内に中空状の成形素材を配置し、中空素材の内側から内圧を加えて中空素材を成形型に密着させた状態とし、その状態で加熱成形する方法である。内圧成形法を用いて繊維強化樹脂中空部品を成形する場合、成形時にフランジ部を一体成形することは困難であり、従来の繊維強化樹脂中空部品はフランジ部を備えないか、備える場合でも、成形後の繊維強化樹脂中空部品に対して後工程で適宜のフランジ部を付加しているのが普通である。

前記した内圧成形法を用いて異形断面の繊維強化樹脂中空部品を成形する一例が特許文献１に記載されている。そこでは、断面が円形のマンドレルにプリプレグを巻回し、その後マンドレルを引き抜いてプリプレグの中空部品を作成し、該プリプレグの中空部品の中空部分に圧力バッグを挿入し、該圧力バッグが挿入された中空部品を、中空部品の異形状に対応した形状を有する金型であって異形部に補充用のプリプレグを配置した金型内に配置し、次いで、内圧成形法により成形することによって、均質な断面異形のＦＲＰ製中空部品を得るようにしている。

また、特許文献２には、建築構造で用いる構造部材とその製造方法が記載されており、そこにおいて、熱可塑性樹脂等の伸縮可能な材料からなる中空円筒形状のライナー（型材）の周囲に、強化繊維をブレイディング法により巻き付けた組み物を作成し、該組み物を成形型内に配置したのち、その強化繊維中に樹脂を含浸し硬化させるようにしている。樹脂含浸時には、ライナー（型材）内に加圧空気を供給してライナーが変形するのを防止している。

特開２００６−１２３４７５号公報 特開２００３−３２８４９８号公報

特許文献１に記載の方法は、プリプレグを断面円形のマンドレル（中空コア）に巻き付け、その後マンドレルを引き抜いてプリプレグからなる中空部品を作成するようにしており、所要の肉厚を持つようにプリプレグをマンドレルに巻き付けるのに多くの時間を必要とする。また、マンドレルが引き抜かれたプリプレグからなる中空部品は強度的に弱く、圧力バッグを介して加圧しながら成形するときに、局部的な変形や肉厚の相違が生じたり、しわが発生する可能性がある。また、マンドレルとして断面円形のものを用いることから、プリプレグからなる中空部品も実質的に円筒形状であり、異形部を持つ成形品とするために、異形部に相当する個所において成形型内に別途プリプレグを配置することが必要となる。そのために、この内圧成形法では、異形断面であって肉厚がほぼ等しくされた成形品を成形することはできない。さらに、マンドレルの引き抜きが前提となることから、曲がり部を持つようなフランジ付き繊維強化樹脂中空部品をこの方法により成形することは困難である。先端にフランジ部を備えた成形品を得ようとする場合には、本体部の先端にフランジ部の形状に合わせてプリプレグを組み付けていく作業が必要であり、作業量として大きくなる。

特許文献２に記載の方法は、中空円筒形状のライナー（型材）に強化繊維をブレイディング法により巻き付けて中空部品である組み物を成形するようにしており、特許文献２には記載がないが、この方法を用いることによって、断面が円形でないあるいは曲がり部を持つ中空の組み物を比較的容易に作ることができる。しかし、特許文献２には、先端にフランジ部を備えた繊維強化樹脂中空部品を成形することに関しては、何の記載もない。

従って、本発明は、内圧成形法を用いながら、成形時にフランジ部を一体成形した繊維強化樹脂中空部品を得ることを第１の課題とする。また、そのフランジ付き繊維強化樹脂中空部品を容易に成形することのできる成形方法を得ることを第２の課題とする。

本発明によるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品は、先端に繊維強化樹脂中空部品の成形時に一体成形されたフランジ部を備えることを特徴とする。このフランジ付き繊維強化樹脂中空部品は、充分な強度を備えながら、金属製のフランジ付き中空部品と比較して軽量であり、かつ、フランジ部が中空部に対して一体成形により形成されているので、本体部とフランジ部とのつなぎ目の強度も安定する。

また、本発明は、上記の先端にフランジ部を一体に持つ繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する方法として、予備成形した中空樹脂コアの先端に第２のコアを接続する工程と、前記中空樹脂コアと第２のコアの外周に強化繊維とマトリックス用樹脂とを積層して中空積層体を形成する工程と、前記中空積層体から前記第２のコアを引き抜く工程と、前記中空積層体における前記第２のコアが引き抜かれた領域を押圧してフランジ状に成形する工程と、前記中空積層体を成形型内に配置する工程と、成形型内に配置した中空積層体に内圧を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する工程と、を含むことを特徴とするフランジ付き繊維強化樹脂中空部品の成形方法を開示する。

さらに、本発明は、上記の先端にフランジ部を一体に持つ繊維強化樹脂中空部品を内圧成形法により成形する他の方法として、予備成形した中空樹脂コアの先端に第２のコアを接続する工程と、前記中空樹脂コアと第２のコアの外周に強化繊維を積層して中空積層体を形成する工程と、前記中空積層体から前記第２のコアを引き抜く工程と、前記中空積層体における前記第２のコアが引き抜かれた領域を押圧してフランジ状に成形する工程と、
前記中空積層体を成形型内に配置する工程と、成形型内にマトリックス用樹脂を注入する工程と、成形型内に配置した中空積層体に内圧を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化する工程と、を含むことを特徴とするフランジ付き繊維強化樹脂中空部品の成形方法を開示する。

本発明によるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品の成形方法では、中空樹脂コアとその先端に接続した第２のコアとの連続体に対して強化繊維を積層し中空積層体を得るようにしており、強化繊維の積層は容易である。そのようにして形成した中空積層体から第２のコアを引き抜き、その引き抜いた領域の強化繊維を押圧して例えば扁平なフランジとして形成するので、フランジ部は中空部である本体部と連続したものとなり、強度的にも安定したものとなる。また、それを成形型内に配置し、配置した中空積層体に内圧を付与しながら加熱して樹脂と強化繊維とを一体化するようにしており、本体部である中空部とフランジ部とが連続した繊維強化樹脂により一体成形された、軽量かつ高強度のフランジ付き繊維強化樹脂中空部品が得られる。

本発明によるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品の成形方法において、好ましくは、前記中空積層体を成形型内に配置する工程の前の工程として、前記中空積層体の中空樹脂コア内に加圧用バッグを挿入配置する工程を含み、前記成形型内に配置した中空積層体への内圧の付与を、前記加圧用バッグに圧力を付与することによって行うようにする。

この態様では、強化繊維を巻き付けるための部材と内圧成形時に付与される内圧が直接作用する部材とを、中空樹脂コアおよび加圧用バッグとして分離したことにより、中空樹脂コアをマンドレルとしての機能のみを果たすものとすることができ、そのために薄肉化と軽量化が可能となる。そして、内圧付加時に用いる加圧用バッグは、成形後の中空部品から除去されるので、十分に軽量化したフランジ付き繊維強化樹脂中空部品を得ることができる。

また、中空樹脂コアは得ようとする繊維強化樹脂中空部品に形状に合わせて予備成形したものであり、その中空樹脂コアは中空積層体にそのまま残されるので、ほぼ等しい肉厚を持つ３次元異形断面のフランジ付き繊維強化樹脂中空部品を、容易にかつ低コストで成形することができる。

本発明によるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品の成形方法において、中空樹脂コアおよび第２のコアの外周に強化繊維を積層する方法に特に制限はないが、任意の形状の中空部品を得やすいことから、積層をブレイディング法による組糸の編み込みにより行うことは、好ましい。さらに、より薄い肉厚で曲げに対する大きな強度が得られる等の理由から、ブレイディング法による組糸の編み込みを、軸線に対する組角度が０度である組糸層と軸線に対する組角度がθ度である組糸層とを交互に積層するようして積層していくことは、より好ましい態様である。

なお、本発明において、予備成形した中空樹脂コアおよび第２のコアの外周に強化繊維とマトリックス用樹脂とを積層して中空積層体を形成する工程における強化繊維とマトリックス用樹脂との積層は、強化繊維層とマトリックス用樹脂層とを順次積層することばかりでなく、強化繊維と繊維状のマトリックス用樹脂とを糸状に編み込んだものを中空樹脂コアの外周に積層していくことも含んでいる。

本発明によるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品の成形方法において、好ましくは、前記中空積層体を成形型内に配置する工程の前の工程として、前記中空積層体の中空部とフランジ状とされた部分との境界領域に縫い込みを入れる工程をさらに含むようにする。この態様では、内圧成形時に、付与された内圧によって、フランジ状に押圧された部分が不要に開いてしまうのを確実に阻止することができる。

本発明によれば、軽量でかつ強度的に極めて安定したフランジ付き繊維強化樹脂中空部品が得られる。また、本発明による成形方法よれば、異形断面や曲がり部を持つフランジ付き繊維強化樹脂中空部品を、十分に軽量化した状態で、かつ肉厚もほぼ等しい状態で、容易にかつ低コストで成形することができる。

以下、図面を参照した実施の形態の説明に基づき、本発明をより詳細に説明する。図１は本発明の方法で用いる予備成形した中空樹脂コアと第２のコアの一例を示す図であり、図１（ａ）は分解した状態を、図１（ｂ）は一体に接続した状態を示す。図２はそれを用いて作られる中空積層体の一例を説明する図であり、図３は図２に示す中空積層体から第２のコアを引き抜く状態を、図４は第２のコアが引き抜かれた領域を押圧してフランジ状に成形した状態の中空積層体を示す。図５は図４に示す中空積層体の他の形態を示す。図６は中空積層体を成形型内に配置し、フランジ付き繊維強化樹脂中空部品として成形する一例を説明する図である。図７は中空積層体の他の例を説明する図であり、図８はその中空積層体を成形型内に配置し、フランジ付き繊維強化樹脂中空部品として成形する他の例を説明する図である。図９は中空積層体をフランジ付き繊維強化樹脂中空部品として成形するさらに他の例を示す図である。

図１に示す中空樹脂コア１０は、一端１１側は開放し、他端１２側は閉鎖し、途中には曲がり部１３を有する形状であり、内部は空間１４となっている。中空樹脂コア１０は、ＡＢＳ樹脂、ＰＳ樹脂、ＰＣ樹脂等の熱可塑性樹脂で作られており、好ましくは、後記する繊維強化樹脂中空部品を成形するときの温度で軟化はするが溶融はしない樹脂材料が用いられる。肉厚としては１ｍｍ前後のものでよい。真空成形等によって２分割品を作りそれを接着して図示のような形状としてもよく、ブロー成形等によって一体成形したものであってもよい。中空樹脂コア１０の寸法は、成形しようとするフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０の外形から肉厚分内側にオフセットした寸法であることが望ましい。なお、ここで肉厚分とは、フランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０における中空部での繊維強化樹脂の厚さをいっている。

１５は第２のコアであり、この例ではアルミニウム材から作られた中空筒体である。第２のコア１５は、その一端側が中空樹脂コア１０の閉鎖端１２側に適宜の手段で装着できるような形状とされている。長さは成形しようとするフランジ部の長さに応じて設定される。なお、第２のコア１５はそこに積層される強化繊維の圧力に耐える材料であれば、アルミニウム材に限らず、樹脂材料等の任意の材料で作ることができる。

図１（ｂ）に示すように、中空樹脂コア１０の閉鎖端１２側に第２のコア１５を仮接合する。その外周に強化繊維を積層して強化繊維層２１を形成し、得ようとする繊維強化樹脂中空部品の形状に近似した形状の中空積層体２０とする。ここで、強化繊維とは従来知られた繊維強化樹脂で用いられている強化繊維であってよく、例えば、炭素繊維が好適に用いられる。中空樹脂コア１０および第２のコア１５は、常温あるいは常温以下で行う強化繊維の積層の際には、コア（マンドレル）として十分な剛性を保ち、強化繊維層の肉厚を管理しながら積層することが容易である。中空樹脂コア１０および第２のコア１５の外周に強化繊維を積層する方法も任意であるが、好ましくは、従来知られたブレイディング法（円筒織り）を用いて、織り角を調整しながら積層する。この際に、中空樹脂コア１０の細径部は組角度θを小さく、大径部は組角度θを大きくとることにより、織り目の詰まり状態を制御しながら織り込むことで、隙間のないブレイディング層（強化繊維層）２１を形成することができる。

さらに好ましくは、図２に示すように、中空樹脂コア１０および第２のコア１５の外周に強化繊維を積層するときに、図２のＡ−Ａ断面に示すように、軸線に対する組角度が０度である組糸層２２と、軸線に対する組角度がθ度である組糸層２３とを交互に積層する。なお、図では４層の強化繊維層２１を示しているが、層の数は任意であり、求められる強度を考慮して適宜な層数とする。この形態の強化繊維層２１とすることにより、長手方向の引き張り強度を向上させ、またコントロールすることができる。それにより、同じ強度の中空積層体２０をより肉薄の強化繊維層２１で形成することができ、軽量化にも資することができる。作業に要する時間も短縮でき、プリプレグを手貼りにより積層する場合には４〜５時間かかる工程を、３０分以下に抑えることができる。

図２に示す例では、組糸層２２と組糸層２３との間に、マトリックス用樹脂フィルム２４をさらに積層している。マトリックス用樹脂は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂でもよく、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド等の熱可塑性樹脂でもよい。得ようとするフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０の用途や求められる物性値等を勘案して適宜選択する。例えば、自動車用のピラーをフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０で製造する場合には、熱硬化性樹脂を用いることが望ましい。

形成した中空積層体２０から、図３に示すように、仮接合しておいた第２コア１５を引き抜く。引き抜いた後、中空積層体２０における第２コア１５が存在していた領域を適宜の手段で上下から押圧し、図４に示すように、フランジ状部分２６を形成する。フランジ状部分２６は平板状に形成するのが普通であるが、フランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０の使用態様に応じて曲率を持つ形状、曲がり部を持つ形状等に押圧してもよい。

好ましくは、図５に示すように、少なくとも前記フランジ状部分２６と中空部分の境界領域に、ミシン等を用いて、縫い込み２７を入れる。この縫い込みは図示のようにフランジ状部分２６の全域に行ってもよい。縫い込みに用いる糸は、強化繊維層２１を形成する糸と同一材質のもの（例えば、炭素繊維）が好ましいが、熱可塑性樹脂等の一般的な糸を用いることもできる。

次に、形成した中空積層体２０の前記中空樹脂コア１０の内部空間１４内に、加圧用バッグ３０を挿入配置する。加圧用バッグ３０は、成形時に加圧用バッグ３０内に付与される圧力を、前記した中空樹脂コア１０を介して強化繊維層２１に伝達する役目を果たすものであり、弾性がありかつ変形が容易な材料、例えば合成ゴムやナイロンシート、ウレタンシート等の樹脂シートのような材料で作られる。加圧用バッグ３０の形状は中空樹脂コア１０の内面側の形状と一致していることが望ましいが、内圧が掛かることにより変形して中空樹脂コア１０の内面に密着できる形状であれば、中空樹脂コア１０の内面側の形状に近似した形状であってよい。

そして、図６に示すように、中空樹脂コア１０の内部空間１４に加圧用バッグ３０を挿入した中空積層体２０を、ヒータ（不図示）を備えた成形型４０のキャビティ内に配置する。成形型４０は、前記中空樹脂コア１０の開放した端部１１が位置する個所に、加圧空気供給バルブ４１を備えると共に、キャビティ空間を真空ポンプＰに接続する排気ポート４２を備える。また、前記した中空積層体２０に形成したフランジ状部分２６に対応したキャビティ領域も備える。

成形型４０を閉じた後、真空ポンプＰを作動して、キャビティ内の真空引きを行う。それにより、中空積層体２０の強化繊維層２１内は脱気される。その状態でヒータを作動し、強化繊維層間に配置したマトリックス用樹脂フィルム２４の溶融温度にまで昇温する。それにより、溶融した樹脂は繊維間に含浸していく。樹脂が溶融し含浸を開始した前後に、加圧空気供給バルブ４１を開き、加圧用バッグ３０に加圧空気を供給する。圧力は、０．１ＭＰａ〜１ＭＰａ程度であってよく、より高い圧力であってもよい。加圧空気の供給により加圧用バッグ３０には内圧がかかり、その圧力は軟化した中空樹脂コア１０を介して強化繊維層２１を外側に膨出させる。それにより、強化繊維層２１はキャビティ内面に押し付けられた姿勢となり、賦形される。この賦形は、前記のように弾性がありかつ変形が容易な材料で作られた加圧用バッグ３０から作用する圧力で行われるので、強化繊維層２１の中空部分に対応する全域にほぼ等しい圧力が作用し、異形断面を備えた領域においても、肉厚が不均一になることはない。

キャビティ内にフランジ状部分２６には前記加圧用バッグ３０からの圧力は作用せず、型締めによってのみ賦形がなされる。しかし、内圧は、ラフンジ状部分２６と中空部分の境界領域に作用し、フランジ状部分２６を開く方向に変形させようとする。前記した縫い込み２７は、この変形を防止するために設けられる。

マトリックス用樹脂が熱硬化性樹脂の場合には、さらに硬化温度まで昇温し、その温度を保持する。それにより、樹脂は強化繊維との間でマトリックスを組むようにして硬化し、繊維強化樹脂となる。樹脂の硬化終了後、加圧用バッグ３０の内圧を抜き、冷却して成形型を開く。成形型から樹脂の硬化したフランジ付き繊維強化樹脂中空部品を取り出し、加圧用バッグ３０を除去することにより、本発明による十分に軽量化したフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０が得られる。

図７は、本発明によるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０の成形方法の他の形態で用いる中空積層体２０Ａを示している。この中空積層体２０Ａは、マトリックス用樹脂フィルム２４を繊維層２２、２３の間に介装していない点でのみ、図２に示した中空積層体２０と相違している。他の構成は同じであってよく、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

図８は、前記中空積層体２０Ａを成形型４０Ａ内に配置してフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０を成形する場合を説明している。ここで、成形型４０Ａは樹脂注入ポート４３を備え、樹脂タンク４４からマトリックス用樹脂４５が前記ポート４３を介してキャビティ内に供給できるようになっている。他の構成は、図６に示した成形型４０と同じであり、同じ部材には同じ符号を付して説明は省略する。

成形に当たっては、中空樹脂コア１０の内部空間１４内に加圧用バッグ３０を挿入した中空積層体２０Ａを、成形型４０Ａのキャビティ内に配置する。成形型４０を閉じた後、真空ポンプＰを作動して、キャビティ内の真空引きを行う。また、その状態でヒータを作動してマトリックス用樹脂４５の溶融温度にまで昇温し、樹脂注入ポート４３からマトリックス用樹脂４５をキャビティ内に供給する。供給されたマトリックス用樹脂４５は繊維間に含浸していく。十分な量の樹脂が供給された時点で、樹脂注入ポート４３を閉じる。

樹脂供給が開始した前後に、加圧空気供給バルブ４１を開き、加圧用バッグ３０に加圧空気を供給する等、それ以降の手順は、図６に基づき説明した成形手順と同じであり、説明は省略する。この成形方法によっても、全体にほぼ等しい肉厚でありかつ十分に軽量化したフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０を得ることができる。

図９は、中空積層体２０をフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０として成形するさらに他の例を示している。ここで用いる中空積層体２０は図４または図５で説明したものと同じであり、成形型４０も図６で説明したものと同じである。ただ、成形に当たって、前記した加圧用バッグ３０を用いず、加圧空気供給バルブ４１から入り込む加圧空気の圧力を、直接中空樹脂コア１０の内面に作用させている点で相違する。中空樹脂コア１０が充分な気密性を有している場合には、この成形方法も可能である。この成形方法は、図８に基づき説明した中空積層体２０と成形型４０Ａを用いる成形方法にも適用することができる。

上記したように、本発明による成形方法で得られるフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０は、中空本体部分とフランジ部とが連続する繊維強化樹脂によって一体に作られており、軽量でありながらフランジ部およびその中空本体部分との境界部も含めて高い機械的強度を備えたフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０となる。

なお、本発明による成形方法は、３次元的異形断面を有しかつ曲がり部を持つような形状のフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０を作るのに特に好適に用いられるが、それに限らず、断面が円形のような単純断面のフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０あるいは直線状のフランジ付き繊維強化樹脂中空部品５０を作るのにも用いうることは当然である。

また、上記の説明では、第２のコア１５を筒状のものとして説明したが、フランジとなる領域の周長が一致することを条件に、開放した湾曲板のような形状であってもよい。

本発明の方法で用いる予備成形した中空樹脂コアと第２のコア一例を示す図であり、図１（ａ）は分解した状態を、図１（ｂ）は一体に接続した状態を示す。 中空積層体の一例を説明する図。 図２に示す中空積層体から第２のコアを引き抜く状態示す図。 第２のコアが引き抜かれた領域を押圧してフランジ状に成形した状態の中空積層体を示す図。 図４に示す中空積層体の他の形態を示す図。 中空積層体を成形型内に配置し、フランジ付き繊維強化樹脂中空部品として成形する一例を説明する図。 中空積層体の他の例を説明する図。 図７に示す中空積層体を成形型内に配置し、フランジ付き繊維強化樹脂中空部品として成形する他の例を説明する図。 中空積層体をフランジ付き繊維強化樹脂中空部品として成形するさらに他の例を示す図。

符号の説明

１０…中空樹脂コア、１１…開放端、１２…閉鎖端、１３…曲がり部、１４…内部空間、１５…第２のコア、２０、２０Ａ…中空積層体、２１…強化繊維層（ブレイディング層）、２２…軸線に対する組角度が０度である組糸層、２３…軸線に対する組角度がθ度である組糸層、２４…マトリックス用樹脂フィルム、２６…フランジ状部分、２７…縫い込み、３０…加圧用バッグ、４０，４０Ａ…成形型、４１…加圧空気供給バルブ、４２…排気ポート、４３…樹脂注入ポート、４４…樹脂タンク、４５…マトリックス用樹脂、５０…フランジ付き繊維強化樹脂中空部品

Claims (1)

1. 一方端が閉じている繊維強化樹脂中空部品であって、閉じている側の先端に繊維強化樹脂中空部品の成形時に強化繊維層が押圧されることによって一体成型された扁平なフランジ部を備え、該フランジ部は中空部との境界領域に縫い込みが入れられていることを特徴とするフランジ付き繊維強化樹脂中空部品。
   

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