JP5424549B2 - 繊維強化樹脂製構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂製構造体の製造方法に関する。

繊維強化樹脂製の構造体は、高強度かつ高剛性であるという点から、スポーツやレジャー用途、航空機等の産業用途といった幅広い分野で利用されている。また、このような繊維強化樹脂製構造体は、圧縮成形により製造する方法が広く行われている。成形材料としては、補強繊維に熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグや、シートモールディングコンパウンド（以下、ＳＭＣという）等が用いられている。

ＳＭＣは繊維長が短いため、一般にプリプレグに比べて繊維強化樹脂製構造体の強度が低くなるものの、凸条等の複雑な形状を形成するのに好適である。
ＳＭＣを用いた繊維強化樹脂製構造体の製造では、例えば、図２に示すような、上型２１と、凸条を形成する凸条用キャビティ２３、２４が設けられた下型２２とを備える圧縮成形用金型２０を用いる。まず、ＳＭＣをそれぞれの凸条用キャビティ２３、２４に充填する量ごとに細かく切断し、それらをそれぞれの凸条用キャビティ２３、２４の部分に必要に応じて積層して配置する。その後、そのＳＭＣ上に基板を形成するプリプレグをさらに配置し、圧縮成形用金型２０内でＳＭＣとプリプレグとを加熱、加圧して圧縮成形する（たとえば特許文献１）。
特開２００４−３３９７７８号公報

しかし、このような方法では、細かく切断したＳＭＣを各凸条用キャビティの部分にそれぞれ配置しなければならないため、生産効率が低くなってしまう。
また、細かく切断したＳＭＣを各凸条用キャビティに配置する際、ＳＭＣの量や配置する位置に誤差が生じることがあり、良好な品質の繊維強化樹脂製構造体が安定して得られないことがあった。
また、ＳＭＣのみで製造するとプリプレグを使用するものに比べて強度が低くなり、用途が限られてしまうという問題もあった。

そこで、本発明では、高強度で品質の良好な、２つ以上の凸条を有する繊維強化樹脂製構造体を高い生産効率で安定して製造する方法を目的とする。

本発明の繊維強化樹脂製構造体の製造方法は、基板と、該基板の同一面に形成された２つ以上の凸条とを有する繊維強化樹脂製構造体を、凸条を形成する凸条用キャビティが２つ以上設けられた圧縮成形用金型を用いて製造する方法において、前記凸条を形成するシートモールディングコンパウンドを、前記圧縮成形用金型内の、同一面の凸条を形成する凸条用キャビティと凸条用キャビティとの間に配置する工程と、前記圧縮成形用金型内に、前記基板を形成するプリプレグ積層体を配置する工程と、圧縮成形用金型内でシートモールディングコンパウンドとプリプレグ積層体を加熱、加圧して圧縮成形する工程とを含む方法である。

本発明の製造方法によれば、高強度で品質の良好な、２つ以上の凸条を有する繊維強化樹脂製構造体を高い生産効率で安定して製造できる。

本発明の製造方法は、基板と、該基板の同一面に形成された２つ以上の凸条とを有する繊維強化樹脂製構造体を、補強繊維に熱硬化性樹脂を含浸した、ＳＭＣとプリプレグとを圧縮成形用金型により圧縮成形して製造する方法である。

本発明の製造方法で用いるＳＭＣ及びプリプレグは、繊維強化樹脂製構造体の製造に通常用いられるものが使用できる。
補強繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、炭化珪素繊維、高強度ポリエチレン、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）繊維、ナイロン繊維、ステンレススチール繊維等が挙げられ、なかでも軽量で剛性が高いことから炭素繊維が好ましい。
また、補強繊維としては、長繊維及び短繊維が挙げられ、ＳＭＣでは通常２５ｍｍ長程度の短繊維が用いられる。また、プリプレグでは、剛性の点から長繊維が好ましい。長繊維の形態としては、一方向に揃えられたもの、長繊維からなる織物等が挙げられる。

熱硬化性樹脂としては、例えば、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、ポリイミド樹脂、マレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。補強繊維として炭素繊維を用いる場合は、炭素繊維との接着性の点からエポキシ樹脂やビニルエステル樹脂が望ましい。エポキシ樹脂組成としては、エポキシ樹脂成分、硬化剤成分以外に、エラストマー成分を含有することが更に好ましい。エラストマー成分としてはCarboxy-Terminated Butadiene Acrylonitrile Copolymer（ＣＴＢＮ）等が挙げられる。

［第１実施形態］
以下、本発明の製造方法の第１実施形態として、図１に例示する繊維強化樹脂製構造体１０（以下、構造体１０という）を製造する方法について説明する。
（繊維強化樹脂製構造体）
構造体１０は、図１に示すように、長尺の平板状の基板１１（以下、基板１１という）と、基板１１の片面（同一面）の幅方向の両側に該基板１１の長手方向に沿って形成された断面三角状の凸条１２、１３とからなる。

（圧縮成形用金型）
構造体１０を製造する圧縮成形用金型２０は、図２に示すように、相対移動が可能な上型２１及び下型２２を備えている。下型２２には、構造体１０の凸条１２、１３を成形する凸条用キャビティ２３、２４が設けられている。また、上型２１と下型２２とを近接させることにより、上型２１と下型２２との間に基板１１を成形する平板用キャビティ２５が形成される。

（製造方法）
本実施形態例の製造方法は、成形材料としてＳＭＣ及びプリプレグを使用し、圧縮成形用金型２０の内部に、凸条１２、１３を形成するＳＭＣを配置する工程（１）と、基板１１を形成するプリプレグを配置する工程（２）と、圧縮成形用金型２０内でＳＭＣとプリプレグを加熱、加圧して圧縮成形する工程（３）とを含む。

工程（１）では、図３に示すように、凸条１２、１３の形成に必要な量のＳＭＣ３０を用意し、凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４との間の下型内面２２ａ上にＳＭＣ３０を配置する。
工程（２）では、プリプレグを用意し、ＳＭＣ３０上に基板１１の形成に必要な量のプリプレグ４０を配置する。
工程（３）では、図４に示すように、上型２１及び下型２２を相対移動させて圧縮成形用金型２０を閉じ、上型２１及び下型２２によりＳＭＣ３０及びプリプレグ４０を加熱、加圧して圧縮成形する。圧縮成形後、圧縮成形用金型２０を開いて構造体１０を得る。

工程（１）と工程（２）の順序は特に限定されず、下型内面２２ａ上にＳＭＣ３０を配置し（工程（１））、その後、配置したＳＭＣ３０上に、必要な量のプリプレグを積層してプリプレグ４０を配置する（工程（２））方法が考えられる。
特に好ましい方法は、圧縮成形用金型２０の外で、必要な量のプリプレグを積層したプリプレグ４０と、圧縮成形用金型２０内に配置した際に凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４との間に位置するように、プリプレグ４０上に積層されたＳＭＣ３０とを用意し、その後に、ＳＭＣ３０が下型内面２２ａに接するようにＳＭＣ３０とプリプレグ４０とを同時に圧縮成形用金型２０内に配置する方法である（工程（１）と工程（２）を同時に行う）。この方法によれば、圧縮成形用金型２０を予め圧縮成形時の温度まで加熱しておくことができるため、生産効率が高くなる。

本実施形態の製造方法は、このように基板１１の同一面の凸条１２、１３を形成する凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４との間に、凸条１２、１３を形成するＳＭＣを配置することを特徴とする。
このように配置されたＳＭＣは、圧縮成形用金型２０を閉じた際に、上型２１及び下型２２により挟まれる圧力によって圧縮成形用金型２０の下型内面２２ａ上を流動し、凸条用キャビティ２３、２４に充填される。このとき、配置したＳＭＣは、全てが凸条用キャビティ２３、２４に充填されるわけではなく、圧縮成形用金型２０の下型内面２２ａ上にも薄く残る（図４）。
配置されるＳＭＣは、凸条の数（２つ）よりも少ない枚数（１枚）とすることが特に好ましい。ＳＭＣの枚数を少なくすれば、作業効率を高くすることができる。

ＳＭＣの使用量は、圧縮成形の際に圧縮成形用金型２０の下型内面２２ａ上にＳＭＣが薄く残ることを考慮して、凸条１２、１３の成形に必要な量を合計したものよりも多めに設定することが好ましい。余分に多くするＳＭＣの分量については、下型内面２２ａの面積等によって決定すればよい。

ＳＭＣを配置する位置は、凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４との中間部とすることが好ましい。このようにＳＭＣを配置すれば、ＳＭＣが配置された位置と凸条用キャビティ２３との距離、およびＳＭＣが配置された位置と凸条用キャビティ２４との距離が同じになるため、圧縮成形時において凸条用キャビティ２３、２４にＳＭＣが均等に配分されやすくなり、良好な品質の構造体１０をより安定に製造することができる。

圧縮成形後は、構造体１０の基板１１の表面１１ａ上（図１）にはＳＭＣが薄く残っているものの、表面１１ａの状態は良好である。

以上説明した本実施形態の製造方法では、凸条を形成するＳＭＣを各凸条用キャビティの大きさや位置に合わせて、細かく切断してそれぞれ配置する必要がないため、高い生産効率で構造体１０を製造できる。
また、ＳＭＣをそれぞれの凸条用キャビティの形状や位置に合わせて配置しなくてもよいため、用いるＳＭＣの枚数が少なくすることにより、製造する構造体１０毎のＳＭＣの使用量や配置の誤差が少なくできるので、良好な品質の構造体１０を安定して得ることができる。
また、成形材料としてＳＭＣだけでなくプリプレグを用いているため、ＳＭＣのみで製造した繊維強化樹脂製構造体に比べて強度が高い。

［第２実施形態］
つぎに、本発明の製造方法の第２実施形態として、図５に例示する繊維強化樹脂製構造体５０（以下、構造体５０という）を製造する方法について説明する。
（繊維強化樹脂製構造体）
構造体５０は、長尺の平板状の基板５１（以下、基板５１という）と、基板５１の片面（同一面）の幅方向の両側と中間部とに該基板５１の長手方向に沿って形成された凸条５２、５３、５４とからなる。
凸条５２の形状は断面矩形状であり、凸条５３は断面台形状であり、凸条５４は断面三角状である。

（圧縮成形用金型）
構造体５０を製造する圧縮成形用金型６０は、図６に示すように、相対移動が可能な上型６１及び下型６２を備えている。下型６２には、構造体５０の凸条５２、５３、５４を成形する凸条用キャビティ６３、６４、６５が設けられている。また、上型６１と下型６２とを近接させることにより、上型６１と下型６２との間に基板５１を成形する平板用キャビティ６６が形成される。

（製造方法）
本発明の製造方法は、成形材料としてＳＭＣ及びプリプレグを使用し、圧縮成形用金型６０の内部に、凸条５２、５３、５４を形成するＳＭＣを配置する工程（１）と、基板５１を形成するプリプレグを配置する工程（２）と、圧縮成形用金型６０内でＳＭＣとプリプレグを加熱、加圧して圧縮成形する工程（３）とを含む。

工程（１）では、図７に示すように、凸条５２、５３、５４の形成に必要な量のＳＭＣ７０を用意し、凸条用キャビティ６３と凸条用キャビティ６５との間の、下型内面６２ａ及び６２ｂ上にＳＭＣ７０を配置する。
工程（２）では、ＳＭＣ７０上に基板５１の形成に必要な量のプリプレグ８０を配置する。
工程（３）では、図８に示すように、上型６１及び下型６２を相対移動させて金型を閉じ、上型６１及び下型６２によりＳＭＣ７０及びプリプレグ８０を加熱、加圧して圧縮成形する。圧縮成形後、圧縮成形用金型６０を開いて構造体５０を得る。

工程（１）と工程（２）の順序は特に限定されず、下型内面６２ａ、６２ｂ上にＳＭＣ７０を配置し（工程（１））、その後、配置したＳＭＣ７０上に、必要な量のプリプレグを積層してプリプレグ８０を配置する（工程（２））方法が考えられる。
特に好ましい方法は、圧縮成形用金型６０の外で、必要な量のプリプレグを積層したプリプレグ８０と、圧縮成形用金型２０内に配置した際に凸条用キャビティ６３と凸条用キャビティ６５との間に位置するように、プリプレグ８０上に積層されたＳＭＣ７０とを用意し、その後に、ＳＭＣ７０が下型内面６２ａ、６２ｂ側にくるようにＳＭＣ７０とプリプレグ８０とを同時に圧縮成形用金型６０内に配置する方法である（工程（１）と工程（２）を同時に行う）。この方法によれば、圧縮成形用金型６０を予め圧縮成形時の温度まで加熱しておくことができるため、生産効率が高くなる。

本実施形態の製造方法は、このように、基板５１の同一面の凸条５２、５３、５４を形成する凸条用キャビティ６３と凸条用キャビティ６５との間に、凸条５２、５３、５４を形成するＳＭＣを配置することを特徴とする。
このように配置されたＳＭＣは、圧縮成形用金型６０を閉じた際に、上型６１及び下型６２により挟まれる圧力によって圧縮成形用金型６０の下型内面６２ａ、６２ｂ上を流動し、凸条用キャビティ６３、６４、６５に充填される。このとき、配置したＳＭＣは、全てが凸条用キャビティ６３、６４、６５に充填されるわけではなく、圧縮成形用金型６０の下型内面６２ａ、６２ｂ上にも薄く残る（図８）。
配置されるＳＭＣは、凸条の数よりも少ない枚数（本実施形態では３つの凸条に対して１枚のＳＭＣ）とすることが特に好ましい。配置するＳＭＣの枚数を少なくすることで、作業効率を高くすることができる。

ＳＭＣの使用量は、圧縮成形の際に圧縮成形用金型６０の下型内面６２ａ、６２ｂ上にＳＭＣが薄く残ることを考慮して、凸条５２、５３、５４の成形に必要な量を合計したものよりも多めに設定することが好ましい。余分に多くするＳＭＣの分量については、下型内面６２ａ、６２ｂの面積等によって決定すればよい。

ＳＭＣを配置する位置は、凸条用キャビティ６３と凸条用キャビティ６５との中間部とすることが好ましい。このようにＳＭＣを配置すれば、ＳＭＣが配置された位置と凸条用キャビティ６３との距離、およびＳＭＣが配置された位置と凸条用キャビティ６５との距離が同じになるため、圧縮成形時において凸条用キャビティ６３、６５にＳＭＣが均等に配分され易くなり、良好な品質の構造体５０をより安定に得ることができる。

圧縮成形後は、構造体５０の平板の表面５１ａ上（図５）にはＳＭＣが薄く残るものの、表面５１ａの状態は良好である。

以上説明した本実施形態の製造方法では、凸条を形成するＳＭＣを各凸条用キャビティの大きさや位置に合わせて、細かく切断してそれぞれ配置する必要がないため、高い生産効率で構造体５０を製造できる。
また、ＳＭＣをそれぞれの凸条用キャビティの形状や位置に合わせて配置しなくてもよいため、用いるＳＭＣの枚数が少なくなることにより、製造する構造体５０毎のＳＭＣの使用量や配置の誤差が少なくなるので、良好な品質の構造体５０を安定に製造することができる。
また、成形材料としてＳＭＣだけでなくプリプレグを用いているため、ＳＭＣのみで製造した繊維強化樹脂製構造体に比べて強度が高い。

以上のように、本発明の製造方法によれば、基板と、該基板の同一面に２つ以上の凸条を有する繊維強化樹脂製構造体を高い生産効率で製造できる。また、このような繊維強化樹脂製構造体を良好な品質で安定して製造できる。また、本発明の製造方法によれば、高強度な繊維強化樹脂製構造体が得られる。

ＳＭＣを細かく切断すると、ＳＭＣが有する補強繊維がより短くなることにより物性が変化してしまうおそれがある。ＳＭＣを切断して積層することを避けるには、各凸条用キャビティに必要な量のＳＭＣを折り畳んで配置することも考えられるが、この方法では折り畳んだＳＭＣ内部に空気が抱き込まれるおそれがある。
本発明の製造方法はＳＭＣを細かく切断したり積層したりする必要がないため、前記のような問題が生じるおそれがほとんどない。

尚、本発明の製造方法おいては、例えば、上型に２つの凸条用キャビティが設けられている圧縮成形用金型を用いる場合には、下型にプリプレグを配置した後（工程（２））、該プリプレグ上の、２つの凸条用キャビティの間にＳＭＣを配置する（工程（１））方法としてもよい。

また、本発明の製造方法により製造する繊維強化樹脂製構造体の形状は、図示したものには限定されない。例えば、同一面に形成する凸条の数は４つ以上であってもよい。また、基板の凸条を形成する面は片面に限定されず、例えば、基板の両面に凸条を有する繊維強化樹脂製構造体であってもよい。
この場合には、圧縮用金型内の下型にＳＭＣを配置し、その上にプリプレグを配置し、さらにその上にＳＭＣを配置するようにすればよく、ＳＭＣを配置する方法については第１及び第２実施形態と同じようにすればよい。
また、凸条の形状は、断面三角状、断面矩形状、断面台形状のいずれであってもよく、それ以外の形状であってもよい。
また、基板の形状は、図示例のような平板状には限定されず、例えば、アーチ状の基板であってもよい。

また、本発明の製造方法では、例えば、第２実施形態のように基板の同一面に３つ以上凸条を形成させる場合には、用いるＳＭＣの枚数は１枚に限定されず、凸条用キャビティの数よりも少なければよい。例えば、凸条用キャビティ６３及び凸条用キャビティ６４の間の下型表面６２ａと、凸条用キャビティ６４及び凸条用キャビティ６５の間の下型表面６２ｂとに、ＳＭＣを１枚ずつ配置する方法であってもよい。凸条用キャビティが４つ以上ある場合についても同様である。

以下、実施例及び比較例を示して本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。本実施例では、図２に例示した圧縮成形用金型２０を用いて、図１に例示した構造体１０の製造を行った。
［実施例１］
プリプレグとして、ＴＲ３９０Ｅ２５０Ｓ（三菱レイヨン社製）を用意した。このプリプレグは、引張弾性率２４０ＧＰａ、引張強度４９００ＭＰａの炭素繊維を、目付けが２５０ｇ／ｍ^２となるように一方向に引き揃え、エポキシ樹脂を含有量が３０質量％となるように含浸させてなる一方向（ＵＤ）プリプレグである。ついで、このプリプレグを基板１１（７０ｍｍ×９００ｍｍ）の投影形状に対して全周２．５ｍｍずつ小さくなるように切り出し、これらを順次繊維方向が０°／９０°／０°／９０°／０°となるように５枚積層し、プリプレグ積層体を準備した。
また、ＳＭＣとして、凸条１２、１３を形成する量よりも少し多い量のＡＭＣ８５９０（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ社製）を１枚用意した。このＳＭＣは、１インチに切断した炭素繊維（ＣＦ）を、ビニルエステル樹脂に含有量が５５質量％となるように分散させたＣＦ−ＳＭＣである。
ついで、圧縮成形用金型２０内に配置した際、下型内面２２ａ上の、凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４との中間部に位置するように、前記ＳＭＣ（ＳＭＣ３０）を前記プリプレグ積層体（プリプレグ４０）上に積層した後、ＳＭＣ３０が、下型内面２２ａ上の、凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４との中間部に接する様に、ＳＭＣ３０とプリプレグ４０との積層体を下型内面２２ａ上へ配置した。ついで、上型２１と下型２２を近接させて、ＳＭＣとプリプレグを加圧しながら圧縮成形用金型２０内で１４０℃、５分間加熱し、繊維強化樹脂製構造体１０を得た。

［比較例１］
実施例１で用いたものと同じＳＭＣを６枚に切断し、圧縮成形用金型２０内に配置した際、下型内面２２ａ上の、凸条用キャビティ２３と凸条用キャビティ２４の部分に位置する様に、実施例１と同様に切り出して積層したプリプレグ積層体上にＳＭＣを３枚ずつ積層し、その後、それぞれのＳＭＣが凸条用キャビティ２３、２４の部分に接する様にＳＭＣとプリプレグ積層体を下型内面２２ａ上へ配置した以外は実施例１と同様にして繊維強化樹脂製構造体を得た。

実施例１の製造方法では、高い作業効率で、表面状態の良好な繊維強化樹脂製構造体が得られた。
一方、比較例１の製造方法では、表面状態の良好な繊維強化樹脂製構造体が得られたものの、ＳＭＣを細かく切断し、圧縮成形用金型内に配置した際に各凸条用キャビティ部分に位置する様に、プリプレグ積層体上に切断したＳＭＣをそれぞれ積層しなければならなかったため、作業効率が悪かった。

本発明の製造方法は、高い生産効率で、品質の良好な繊維強化樹脂製構造体を安定して製造できるため、様々な繊維強化樹脂製構造体の製造方法として好適に使用できる。

第１実施形態の製造方法により製造された繊維強化樹脂製構造体を示した斜視図である。 第１実施形態の製造方法に用いる圧縮成形用金型を示した断面図である。 図２の下型２２にＳＭＣとプリプレグとを配置した形態を示した断面図である。 図３のＳＭＣとプリプレグを圧縮成形用金型で圧縮成形した様子を示した断面図である。 第２実施形態の製造方法により製造された繊維強化樹脂製構造体を示した斜視図である。 第２実施形態の製造方法に用いる圧縮成形用金型を示した断面図である。 図６の下型６２にＳＭＣとプリプレグとを配置した形態を示した断面図である。 図７のＳＭＣとプリプレグを圧縮成形用金型で圧縮成形した様子を示した断面図である。

符号の説明

１０ 繊維強化樹脂製構造体
１１ 基板
１２、１３ 凸条
２０ 圧縮成形用金型
２３、２４ 凸条用キャビティ
３０ ＳＭＣ
４０ プリプレグ
５０ 繊維強化樹脂製構造体
５１ 基板
５２、５３、５４ 凸条
６０ 圧縮成形用金型
６３、６４、６５ 凸条用キャビティ
７０ ＳＭＣ
８０ プリプレグ

Claims (1)

1. 基板と、該基板の同一面に形成された２つ以上の凸条とを有する繊維強化樹脂製構造体を、凸条を形成する凸条用キャビティが２つ以上設けられた圧縮成形用金型を用いて製造する方法において、
   前記凸条を形成するシートモールディングコンパウンドを、前記圧縮成形用金型内の、同一面の凸条を形成する凸条用キャビティと凸条用キャビティとの間に配置する工程と、
   前記圧縮成形用金型内に、前記基板を形成するプリプレグ積層体を配置する工程と、
   圧縮成形用金型内でシートモールディングコンパウンドとプリプレグ積層体を加熱、加圧して圧縮成形する工程とを含む繊維強化樹脂製構造体の製造方法。

Images