JP4962844B2 - 真空バッグ成形方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空バッグ成形方法および装置に関し、とくに、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）のプリプレグを用いた被成形物の成形に好適な真空バッグ成形方法および装置に関する。

従来から、被成形物の成形に、とくに、ＦＲＰからなる被成形物の成形に、被成形物をバッグ材で覆い、該バッグ材の内部を減圧して真空度を高めるとともに、所定の成形温度へと加熱しながら、真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧により被成形物を加圧成形する、いわゆる真空バッグ成形方法と呼ばれる方法が知られている。この成形方法では、通常、バッグ材の外部が大気圧であり、減圧されたバッグ材の内部との差圧が実質的に１気圧程度しか発生せず、その圧力を成形圧力として負荷するようになっている。ところが、ＦＲＰプリプレグを用いた被成形物の成形にこのような真空バッグ成形方法をそのまま適用すると、プリプレグの樹脂成分に含まれている揮発成分を適切に逃がすことが困難であり、揮発成分が封じ込められて内部にボイドが発生したり、揮発成分が逃げきらず表面にピット状の痕跡（レジンスターブ）が発生したりする。

そのため、ＦＲＰプリプレグを用いた被成形物の成形には、通常、オートクレーブやオーブンが使用され、とくにプリプレグの良好な成形状態の成形品を得るためには、加熱中に６気圧程度の高圧で加圧し、プリプレグの樹脂成分に含まれている揮発成分を強制的に押し出すようにした成形が必要と考えられている。また、オートクレーブやオーブンを用いるとともに、バッグ材を用い、バッグ材の内部を減圧し、バッグ材の外部から上記のような比較的高圧の圧力を負荷する成形方法も知られている。さらに、ＦＲＰプリプレグに用いられているマトリックス樹脂は、通常、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂であり、このような樹脂は、加熱に伴って一旦粘度が低下し、その後の加熱により粘度上昇して硬化される特性を有することも知られている。このような一般的な知見は、例えば非特許文献１、２に記載されている。

上記のような従来のオートクレーブやオーブンを用いるとともにバッグ材を用いた成形方法においては、プリプレグのオートクレーブあるいはオーブン加熱でのプリプレグに対する圧力負荷は、オートクレーブでは、加熱前半にはバッグ材内の減圧（真空圧）が作用し、バッグ材内外の差圧による圧力が負荷されることになり、加熱後半にはオートクレーブの圧力が作用（バッグ内は開放）し、その圧力が被成形物に負荷されることになる。オーブン加熱においては、加熱中の全域にわたってバッグ内の減圧（真空圧）が作用し、バッグ材内外の差圧による圧力が負荷されることになる。すなわち、従来のオートクレーブやオーブンを用いた真空バッグ成形方法においては、プリプレグには常に圧力を作用させていることになる。
「複合材料を作る」、第６章複合材料の成形、共立出版株式会社、１９９５年９月１５日初版１刷発行 「プラスチック系先端複合材料」、社団法人強化プラスチック協会、平成元年１０月１日発行

前述の如く、プリプレグに用いられているマトリックス樹脂は、通常、加熱に伴って一旦粘度が低下し、その後の加熱により粘度上昇して硬化される特性を有するので、加熱中の粘度が低下した時点では、樹脂の流動性が高められて樹脂に含まれている揮発成分が逃げやすくなっており、ボイド等が発生しにくくなっていると考えられるが、上記の如く、従来の成形方法では最初からプリプレグには常に圧力が作用されるので、その負荷圧力により揮発成分が封じ込められやすい条件が継続されることになってしまう。揮発成分が封じ込められた状態にて樹脂の硬化が進んでいくと、その揮発成分を押し出すためには、より高い圧力を負荷する必要が生じるので、前述の如く、６気圧程度の比較的高圧での加圧が要求されることとなっている。高圧が要求される結果、成形設備が大がかりになるとともに、成形作業の困難性も増すこととなっている。

そこで本発明の課題は、オートクレーブを用いない通常の真空バッグ成形方法であっても、つまり、バッグ材の外部が大気圧であり、減圧されたバッグ材の内部との差圧が実質的に１気圧程度しか発生せず、その圧力を成形圧力として負荷するようにした真空バッグ成形方法であっても、ボイドや表面ピットを発生させることなく、良好な成形状態の成形品を容易にかつ確実に得ることが可能な、真空バッグ成形方法および装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る真空バッグ成形方法は、繊維強化プラスチックのプリプレグを用いた被成形物をバッグ材で覆い、該バッグ材の内部を減圧して真空度を高めるとともに、所定の成形温度へと加熱しながら、真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧により被成形物を加圧成形する真空バッグ成形方法において、前記バッグ材と被成形物との間に、前記バッグ材内外の差圧による加圧によっては自身の変形を生じないプレス材（例えば、成形品の外形形状に沿った形状のプレス板）を介装し、前記成形温度に至る前の予め定められた途中温度までの加熱前半段階では、前記真空度は高めるが該真空度に基づく前記バッグ材内外の差圧による前記被成形物への加圧を、前記プレス材を被成形物から浮かせて支持することにより停止し、その後の加熱後半段階では、前記支持を解除し加圧停止を解除して前記真空度に基づく前記バッグ材内外の差圧による前記被成形物への加圧を行うことにより加圧のタイミングを制御することを特徴とする方法からなる。

とくに、本発明に係る真空バッグ成形方法は、上記プリプレグにおける樹脂が、加熱に伴い一旦粘度が低下し、その後に粘度上昇する樹脂からなる場合に有効である。

すなわち、本発明では、加熱前半段階では、バッグ材内部が減圧雰囲気中にあるものの、プリプレグに対しては無加圧とされ、加熱後半段階で、バッグ内部の減圧（真空圧）状態が作用されて被成形物への加圧（バッグ材内外の差圧による加圧）を行うようにしたものである。つまり、従来の成形方法では、常にプリプレグには圧力が作用しているのに対し、本発明では、加熱状態で、減圧（真空）雰囲気状態とされている段階にて、プリプレグには無加圧の時間が設けてあるという、従来方法に対してプロセス上の決定的な違いがある。

この無加圧の時間に下記のようなプロセスが進行する。すなわち、真空雰囲気下に晒されているので、樹脂中に含まれている揮発成分の容積が大きくなる（気泡になり得る）が、この段階では樹脂の粘度が未だ高いので気泡は移動できない（樹脂の中から出られない）。加熱の進行に伴って、樹脂の粘度が低下し、樹脂の粘度が下がると、樹脂中の揮発成分による気泡がプリプレグの表面へと移動できるようなり、プリプレグ表面では破泡する。つまり、樹脂中の揮発成分が適切に逃がされて減少する。その後の加熱により、樹脂の粘度が上がり出したところで上記加圧停止（無加圧状態）を解除して被成形物への加圧を開始し（例えば、プレス材を、バッグ材の内外差圧に相当する圧力（例えば、略大気圧）にてプリプレグに押し当て）、同時に加熱硬化を進めれば、樹脂の揮発分を取り除いた状態で成形を進めることができ、内部のボイドが少なく、かつ、表面も平滑な（樹脂粘度がある程度上がったところで加圧するので）成形品を得ることができる。したがって、オートクレーブのような高い圧力（約６気圧）を負荷しなくても、真空圧程度（約１気圧）で、低ボイドで表面平滑な成形品を成形することができる。

このような本発明に係る真空バッグ成形方法は、例えば、上記被成形物が、予め成形された部材の外周に繊維強化プラスチックのプリプレグを配置したものからなる場合にも適用できる。また、被成形物が、閉空間を有する被成形物からなる場合には、閉空間を潰してしまうような大きな成形圧力を加えることが出来ないため、本発明に係る真空バッグ成形方法は、大気圧程度で良好な成形品が成形できるので、とくに好ましい適用形態である。

本発明に係る真空バッグ成形装置は、繊維強化プラスチックのプリプレグを用いた被成形物をバッグ材で覆い、該バッグ材の内部を減圧して真空度を高めるとともに、所定の成形温度へと加熱しながら、真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧により被成形物を加圧成形する真空バッグ成形装置において、前記成形温度に至る前の予め定められた途中温度までの加熱前半段階では、前記真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧による前記被成形物への加圧を停止し、その後の加熱後半段階では、加圧停止を解除して前記真空度に基づく前記バッグ材内外の差圧による前記被成形物への加圧を行う加圧タイミング制御手段を設けられており、該加圧タイミング制御手段が、前記バッグ材と被成形物との間に介装される、前記バッグ材内外の差圧による加圧によっては自身の変形を生じないプレス材を有し、該プレス材は、前記加熱前半段階では被成形物から浮かせて支持されることにより前記被成形物への加圧を停止可能に、前記加熱後半段階では該支持を解除し加圧停止を解除して前記被成形物への加圧を行うことを可能に構成されていることを特徴とするものからなる。

この本発明に係る真空バッグ成形装置も、上記プリプレグにおける樹脂が、加熱に伴い一旦粘度が低下し、その後に粘度上昇する樹脂からなる場合に好適なものである。また、この本発明に係る真空バッグ成形装置は、例えば、上記被成形物が、予め成形された部材の外周に繊維強化プラスチックのプリプレグを配置したものからなる場合にも適用できる。また、被成形物が、閉空間を有する被成形物からなる場合にも適用できる。

このように、本発明に係る真空バッグ成形方法および装置によれば、オートクレーブやオーブン等を用いた大がかりな設備とすることなく、単に加圧のタイミングを加熱や真空負荷に対してタイムラグを持たせて最適なタイミングとするだけで、容易にかつ確実に、低圧でもボイドや表面ピットの発生のない良好な成形状態の成形品を得ることが可能になる。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施態様に係る真空バッグ成形方法および装置を示している。図１において、１は被成形物を示しており、本実施態様では、被成形物１はベースプレート２上に、とくに、ラバー３を介して配置される。このラバー３を省略することも可能であるが、このラバー３は、後述の加圧の際のクッション材として機能できる。

本実施態様では、被成形物１は、予め硬化されたＦＲＰ製あるいは樹脂製の芯材４の外周側に、未硬化の強化繊維プリプレグ６（ＦＲＰのプリプレグ）が単層あるいは複数層積層の形態で、鉢巻き状に巻かれたものからなり、内部に閉空間７が形成されたものからなる。

この被成形物１がバッグ材８で覆われ、バッグ材８の周縁部がシール材９でシールされる。そして、本実施態様では、バッグ材８と被成形物１との間に、被成形物１の上面側外形形状に沿った形状の板状のプレス材１０が介装され、該プレス材１０は、加熱前半段階では、図示の如く支持部材１１により被成形物１から浮かされて支持され、加熱後半段階では、支持部材１１が除去され、吸引手段１２により減圧されたバッグ材８の内部の圧力とバッグ材８の外部の圧力（例えば、大気圧）との差圧による圧力によって、プレス材１０が被成形物１に押し当てられて加圧成形される。したがって、プレス材１０およびその支持部材１１は、成形温度に至る前の予め定められた途中温度までの加熱前半段階では、真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧による被成形物への加圧を停止し、その後の加熱後半段階では、加圧停止を解除して上記真空度に基づくバッグ材内外の差圧による被成形物への加圧を行う加圧タイミング制御手段を構成している。

この被成形物１の成形においては、例えば図２に示すようなタイミングで減圧、加熱、加圧が行われる。図２に示すプロセスでは、まず、吸引手段１２によるバッグ材８の内部からの吸引によりバッグ材８の内部が所定の真空度に減圧される。この減圧は、最初から行ってもよい。この減圧時には、バッグ材８の内外差圧により、バッグ材８は被成形物１側に向けて収縮しようとするが、支持部材１１により被成形物１から浮かせた状態で支持されているプレス材１０が介在し、このプレス材１０には、上記バッグ材８の内外差圧による加圧によっては自身の変形が生じないだけの強度、剛性が付与されているので、被成形物１は無加圧の状態に保たれる。

加熱の進行により図２に示すようにプリプレグ６の樹脂の温度の上昇に伴って、該樹脂の粘度が一旦低下するので、樹脂の流動性が上がって、樹脂中の揮発成分が膨張してプリプレグ６の表面側へと移動され表面で破泡して樹脂中から抜け出す。したがって、内部にボイドが発生しにくい状態とされる。この状態で、支持部材１１による支持を解除してプレス材１０を被成形物１に対してフリー状態にすると、バッグ材８の内外差圧による圧力がプレス材１０を介して被成形物１に加わり始める。この加圧初期段階では、未だ樹脂の粘度はそれ程上昇していないので、たとえ上記の如くプリプレグ６の表面で破泡による乱れがあったとしても、プレス材１０の押しつけにより平滑な表面へと成形される。また、本実施態様では、プレス材１０を介した加圧が行われる際、ラバー３が適当なクッション材として機能し、プレス材１０のプリプレグ６表面への押しつけ力が適切に調整され、良好な表面状態への成形に寄与する。

この状態で所定の成形温度まで加熱が続行され、加圧も続行されて、プリプレグ６の樹脂が加熱硬化されていく。この段階ではプリプレグ６の樹脂の粘度は上昇し続けるが、すでに樹脂中の揮発成分が適切に除去され、表面も樹脂が比較的柔らかい内に平滑に成形されているので、ボイドや表面ピットの発生のない良好な成形状態の成形品が得られることになる。

なお、本発明におけるプリプレグのＦＲＰとしてはとくに限定されず、その強化繊維としては例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、あるいはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の繊維形態などを使用でき、マトリックス樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を使用できる。

本発明に係る真空バッグ成形方法および装置は、プリプレグを用いたあらゆる被成形物の成形に適用でき、閉空間を有する複雑な形状の被成形物の成形にも適用できる。

本発明の一実施態様に係る真空バッグ成形装置の概略構成図である。 本発明における減圧、加熱、加圧のタイミングの一例を示すタイムチャートである。

符号の説明

１ 被成形物
２ ベースプレート
３ ラバー
４ 芯材
６ プリプレグ
７ 閉空間
８ バッグ材
９ シール材
１０ プレス材
１１ 支持部材
１２ 吸引手段

Claims (8)

1. 繊維強化プラスチックのプリプレグを用いた被成形物をバッグ材で覆い、該バッグ材の内部を減圧して真空度を高めるとともに、所定の成形温度へと加熱しながら、真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧により被成形物を加圧成形する真空バッグ成形方法において、前記バッグ材と被成形物との間に、前記バッグ材内外の差圧による加圧によっては自身の変形を生じないプレス材を介装し、前記成形温度に至る前の予め定められた途中温度までの加熱前半段階では、前記真空度は高めるが該真空度に基づく前記バッグ材内外の差圧による前記被成形物への加圧を、前記プレス材を被成形物から浮かせて支持することにより停止し、その後の加熱後半段階では、前記支持を解除し加圧停止を解除して前記真空度に基づく前記バッグ材内外の差圧による前記被成形物への加圧を行うことにより加圧のタイミングを制御することを特徴とする真空バッグ成形方法。
2. 前記プリプレグにおける樹脂が、加熱に伴い一旦粘度が低下し、その後に粘度上昇する樹脂からなる、請求項１に記載の真空バッグ成形方法。
3. 前記被成形物が、予め成形された部材の外周に繊維強化プラスチックのプリプレグを配置したものからなる、請求項１または２に記載の真空バッグ成形方法。
4. 前記被成形物が、閉空間を有する被成形物からなる、請求項１〜３のいずれかに記載の真空バッグ成形方法。
5. 繊維強化プラスチックのプリプレグを用いた被成形物をバッグ材で覆い、該バッグ材の内部を減圧して真空度を高めるとともに、所定の成形温度へと加熱しながら、真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧により被成形物を加圧成形する真空バッグ成形装置において、前記成形温度に至る前の予め定められた途中温度までの加熱前半段階では、前記真空度が高められたバッグ材の内部の圧力とバッグ材の外部の圧力との差圧による前記被成形物への加圧を停止し、その後の加熱後半段階では、加圧停止を解除して前記真空度に基づく前記バッグ材内外の差圧による前記被成形物への加圧を行う加圧タイミング制御手段を設けられており、該加圧タイミング制御手段が、前記バッグ材と被成形物との間に介装される、前記バッグ材内外の差圧による加圧によっては自身の変形を生じないプレス材を有し、該プレス材は、前記加熱前半段階では被成形物から浮かせて支持されることにより前記被成形物への加圧を停止可能に、前記加熱後半段階では該支持を解除し加圧停止を解除して前記被成形物への加圧を行うことを可能に構成されていることを特徴とする真空バッグ成形装置。
6. 前記プリプレグにおける樹脂が、加熱に伴い一旦粘度が低下し、その後に粘度上昇する樹脂からなる、請求項５に記載の真空バッグ成形装置。
7. 前記被成形物が、予め成形された部材の外周に繊維強化プラスチックのプリプレグを配置したものからなる、請求項５または６に記載の真空バッグ成形装置。
8. 前記被成形物が、閉空間を有する被成形物からなる、請求項５〜７のいずれかに記載の真空バッグ成形装置。

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