JP5556147B2 - プリフォームの製造装置及び製造方法 - Google Patents

Description

この発明は、所望の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、シート状のプリプレグを成形型により予め所定形状に賦形してなるプリフォームの製造装置及び製造方法に関する。

従来、例えば強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させてなるシート状のプリプレグを成形型内で加熱、加圧することで、所定形状の繊維強化樹脂成形品を得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
そして、上記繊維強化樹脂成形品を製造する際、これが曲面を含む三次元形状を有するような場合には、シート状の強化繊維基材またはプリプレグから最終成形品の形状を考慮した所定形状のプリフォームを、上記技術により本成形に先立って予め賦形する技術も知られている（例えば、特許文献２，３参照。）。

国際公開第０４／４８４３５号パンフレット 特開２００７−１２９８号公報 特開２００６−７４９２号公報

しかし、特に大型のプリフォームを製造する場合には、シート状のプリプレグの賦形時に位置ズレやシワが生じ易いという問題がある。
例えば車両のトランクリッドの如く、比較的成形が容易な平面状の本体部と、比較的成形が難しい曲面状の側面部とを有するプリフォームを、１対１の型嵌合により賦形する場合には、形状全体の賦形性に関しては下型上に載置したプリプレグに大きく位置ズレが発生し、側面部の賦形性に関してはシワ無く賦形可能となる条件が非常に狭いという問題がある。また、前記プリフォームを真空バックによる賦形で製造する場合には、形状全体の賦形性に関しては賦形を開始するための位置決めが困難であり、側面部の賦形性に関しては著しくシワが発生するという問題がある。

そこでこの発明は、所望の繊維強化樹脂成形品を得るためのプリフォームの製造装置及び製造方法において、シート状のプリプレグを賦形する際の位置ズレ及びシワの発生を効果的に抑制することを目的とする。

上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、
所望の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、シート状のプリプレグを成形型により予め、平面状の本体部と、該本体部の少なくとも一側から屈曲して延びる側面部とを有する所定形状に賦形するプリフォームの製造装置であって、
前記成形型が、固定型と該固定型に近接離反可能な可動型とを備え、
前記可動型が、前記プリプレグの本体形成部のみを固定型と共に挟圧するメイン型と、前記メイン型とは別個に作動して前記プリプレグの側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付ける側面形成手段とを有し、
前記固定型又はその近傍に、前記側面形成部にそのバイアス方向への張力を付与する張力付与手段が設けられる。
請求項２に記載した発明は、
前記側面形成手段が、前記側面形成部に転接するローラからなり、前記ローラが、前記本体部と側面部との間の屈曲部に沿うように複数配置され、これら各ローラが、前記側面形成部の中央側から外側へ順に転接する。
請求項３に記載した発明は、
前記各ローラの少なくとも一部が、ローラ可動手段を介して個別に作動可能とされる。
請求項４に記載した発明は、
前記可動型が、前記メイン型とは別個に作動して前記プリプレグの側面形成部のみを固定型と共に挟圧するサブ型を有する。
請求項５に記載した発明は、
所望の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、シート状のプリプレグを成形型により予め、平面状の本体部と、該本体部の少なくとも一側から屈曲して延びる側面部とを有する所定形状に賦形するプリフォームの製造方法であって、
前記成形型が、固定型と該固定型に近接離反可能な可動型とを備え、
前記可動型が、前記プリプレグの本体形成部のみを固定型と共に挟圧するメイン型と、前記プリプレグの側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付ける側面形成手段とを有し、
前記固定型又はその近傍に、前記側面形成部にそのバイアス方向への張力を付与する張力付与手段が設けられ、
前記張力付与手段により前記プリプレグにバイアス方向の張力を付与した状態で、
前記メイン型が前記本体形成部を挟圧して前記本体部を形成すると共に、該メイン型が前記本体形成部を挟圧した状態で、前記側面形成手段が前記側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けて前記側面部を形成する。

この発明によれば、プリフォームにおける比較的賦形が容易な本体部は、シート状のプリプレグを直接挟圧して賦形すると共に、この状態で比較的賦形が難しい側面部を賦形することで、シート状のプリプレグの位置ズレを抑えてプリフォームの形状全体の賦形性を良好に確保でき、かつ側面部におけるシワの発生を抑えてプリフォームの繊維乱れの発生を抑制でき、繊維強化樹脂成形品の高効率な製造を実現できる。特に、側面形成手段がメイン型の型締めに連動して、プリプレグの側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けて側面部を形成することで、側面部におけるシワの発生をより効果的に抑え、高品質な繊維強化樹脂成形品を迅速かつ確実に製造できる。

この発明の実施例におけるプリフォームの斜視図である。 （ａ）は上記プリフォームの上面図、（ｂ）は上記プリフォームの要部拡大図である。 上記プリフォームの成形性向上の第一の対策案を（ａ）〜（ｃ）の順に示す説明図である。 （ａ）は上記プリフォームの成形性向上の第二の対策案に応じたプリフォーム基材の平面図、（ｂ）は上記第二の対応案の実施状況の斜視図である。 （ａ）は上記プリフォームの成形性向上の第三の対策案に応じた可動型の正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。 （ａ）、（ｂ）共に上記第三の対応案のローラの配置例を示す斜視図である。 （ａ）は上記第三の対応案の変形例として上記ローラをローラ可動手段を介して支持した状態の正面図、（ｂ）は（ａ）の側面図である。

以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、説明都合上、図中矢印ＦＲは前方、矢印ＬＨは左方、矢印ＵＰは上方を示すものとする。

図１，２は、例えば自動車のトランクリッドアウターを繊維強化樹脂にて製造する際の中間成形品として、その本成形に先立ってトランクリッドアウターの形状を考慮した所定形状に予め成形されたプリフォーム１を示す。

プリフォーム１は、例えばシート状の一方向プリプレグ（又はクロスプリプレグ）を複数積層して平板状とし、該プリプレグを所定のパターンに切断してプリフォーム基材２とした後、該プリフォーム基材２を成形型１０により賦形することで、所定形状に成形してなる。

プリフォーム１は、平面視（上面視）で横長の略長方形状をなす略水平な平坦状の本体部３と、該本体部３の後縁部から下方に屈曲して延びるラウンド状の側面部４とを一体に有する。プリフォーム１は、プリプレグの繊維方向が自身（トランクリッドアウター）の前後左右方向に沿うように成形される。

前記プリプレグは、強化繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させてなる。
前記強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも比強度および比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。
また、前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硬化後の強度を高くできることから、エポキシ樹脂が好ましい。

さらに、プリプレグ中には、硬化剤、離型剤、脱泡剤、紫外線吸収剤、充填材などの各種添加剤などが含まれてもよい。
プリプレグの積層枚数としては２〜２０枚であることが好ましい。プリプレグの積層枚数が２枚以上であれば、充分な強度の成形品を得ることができ、２０枚以下であれば、成形品のコストを抑えることができる。

本体部３と側面部４との間の屈曲部５（本体部３の後縁部）は、平面視（上面視）で後方に凸の湾曲状をなし、この屈曲部５から斜め後下方に延びる側面部４も、後方に凸の湾曲状をなすように形成される。プリフォーム１外周の端縁には、プリフォーム１内側に向けて起立する短フランジ７（Ｒ形状）が形成される（図２（ｂ）参照）。

このようなプリフォーム１の特に側面部４や短フランジ７を成形する際には、平板状のプリフォーム基材２に大きな位置ズレが生じたり、各部にシワが混入したりする虞がある。プリフォーム基材２の位置ズレは外観性の低下の原因となり、シワの混入はプリフォーム１の繊維乱れを発生させることとなって、何れも最終成形品の品質を低下させてしまうため、このような課題の対策が必要である。

上記課題の第一の対策案としては、まず、図３に示すように、下型（固定型１１）をコア型、上型（可動型１２）をキャビ型とし、かつ可動型１２であるキャビ型を、プリフォーム１の本体部３を形成するメイン型１３と、プリフォーム１の側面部４を形成するサブ型１４とに分割することが考えられる。

この場合、まずメイン型１３のみを下降させ（図３（ａ）参照）、固定型１１（コア型）上に載置してプリフォーム基材２の本体形成部２ａ（本体部３を形成する部位）のみを固定型１１と共に挟圧し、比較的賦形が容易な本体部３を位置ズレ及びシワの発生なく賦形すると共に、このメイン型１３により比較的大面積の本体形成部２ａを挟圧してプリフォーム基材２の位置ズレを防止した状態で、サブ型１４を別個に下降させ（図３（ｂ）参照）、プリフォーム基材２の比較的小面積の側面形成部２ｂ（側面部４を形成する部位）を固定型１１と共に挟圧することで、比較的賦形が難しいラウンド状の側面部４を位置ズレなく賦形することができる。このとき、賦形条件の厳しい側面形成部２ｂへの加熱を本体形成部２ａへの加熱よりも十分に行うことはいうまでもない。

上記対応によれば、プリフォーム基材２の位置ズレの発生を抑制でき、かつプリフォーム基材２に対する加熱条件等を整えることで、シワの発生等を抑えた上で賦形を行うことが可能であるが、その加工条件は比較的厳密になるケースがあるため、さらなる改善が要望される。

そこで、側面部４のシワの発生をより確実に抑制するために、第二の対策案として、例えば図４に示すように、側面形成部２ｂの下縁部両側の角部に、例えば下型に設置した張力付与手段１５からの張力を付与するための延長部２ｃを設け、該延長部２ｃに張力付与手段１５からプリプレグのバイアス方向（繊維方向に対する約４５度の方向）に沿う斜め下方向（キャビティ型に押し付ける側への方向）への張力を付与した状態で、側面形成部２ｂをその左右中央側から左右外側へ伸ばしつつサブ型１４による賦形を行うようにしてもよい。この場合、側面部４のシワの発生をより確実に抑制できる。

張力付与手段１５による張力の付与は、その箇所が多いほど側面部４のシワの発生を抑制する効果が高まるが、当該各部位に形成した前記延長部２ｃ等をプリフォーム１の賦形後に切除する等の手間を考慮すると、その数は少ない方が望ましいといえる。

そこでさらに、第三の対策案として、図５に示すように、可動型１２（サブ型１４）又はこれを支持する可動部に、その下降時に側面形成部２ｂに屈曲部５側から転接可能なローラ１６を複数設け、これら各ローラ１６により、側面形成部２ｂを屈曲部５側からしごくように伸ばしつつ固定型１１に押し付けることで、側面部４の賦形を行うようにしてもよい。

各ローラ１６は、サブ型１４の下降に連動して側面形成部２ｂに弾接するように、例えばバネ鋼材等からなる弾性アーム１７を介してサブ型１４又はその近傍に支持される。これら各ローラ１６は、側面形成部２ｂにバイアス方向の張力を付与する際の作用と同様、側面形成部２ｂをその左右中央側から左右外側へ伸ばすように、側面形成部２ｂの左右中央側から左右外側へ順に転接するように設けられる。

すなわち、各ローラ１６は、図６（ｂ）に示す如く完全に屈曲部５に沿って湾曲配置される（ほぼ同時に屈曲部５に接するように配置される）ようにしてもよいが、略水平に設けられる屈曲部５に対して各ローラ１６がその左右中央側から左右外側へ順に転接するように、各ローラ１６を同一高さ（略水平）に配置するのではなく、図６（ａ）に示す如く屈曲部５に対して各ローラ１６をその左右中央側が低く左右外側に向かって高くなるように配置することによって、各ローラ１６が側面形成部２ｂにその左右中央側から左右外側へ伸ばすように順に転接することとなり、シワの発生を抑制する効果が高まる。

なお、各ローラ１６を側面形成部２ｂに転接させた後、さらにサブ型１４で側面形成部２ｂを挟圧して賦形を行うようにしてもよいが、各ローラ１６の転接のみでも側面部４の賦形は可能である。また、各ローラ１６に代わり側面形成部２ｂに摺接して側面部４を形成するような側面形成手段を用いることも可能である。

ところで、前述の如く各ローラ１６を弾性支持した場合でも、弾性アーム１７の変形の段階で側面形成部２ｂの左右中央側から左右外側へ順に各ローラ１６が接しない場合も有り得る。そこで、上記対策案の変形例として、図７に示すように、エアシリンダ等からなる複数のローラ可動手段１８を介して各ローラ１６を個別に支持し、これら各ローラ可動手段１８を個別に作動させることで、各ローラ１６を任意に可動させるようにしてもよい。これにより、各ローラ１６を側面形成部２ｂにその左右中央側から左右外側へ順に確実に接触させることができる。

各ローラ可動手段１８は、各ローラ１６の上下方向の往復動の他に、例えば前後方向での水平移動や揺動をも可能とすることで、側面部４の３次元形状に追従させてより確実に賦形を行うことが可能である。なお、各ローラ１６の内の一部のみをローラ可動手段１８により支持するようにしてもよい。

このようなプリフォーム１の成形により、プリフォーム基材２の位置ズレを抑えてプリフォーム１の形状全体の賦形性を良好に確保でき、かつ側面部４等のシワの発生を抑えてプリフォーム１の繊維乱れの発生を抑制でき、良好な賦形性を確保できる。
そして、上述の如く賦形したプリフォーム１を本成形型にセットし、該成形型内で加熱、加圧による本成形を行うことで、最終成形品であるトランクリッド（繊維強化樹脂成形品）が得られる。このように、高品質な繊維強化樹脂成形品を迅速かつ確実に製造することができる。

以上説明したように、上記実施例のプリフォームの製造装置は、所望の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、シート状のプリプレグを成形型１０により予め、平面状の本体部３と、該本体部３の少なくとも一側から屈曲して延びる側面部４とを有する所定形状に賦形してなるプリフォーム１の製造に適用されるものであって、前記成形型１０が、互いに近接離反する固定型１１及び可動型１２を備え、前記可動型１２が、前記プリプレグの本体形成部２ａのみを固定型１１と共に挟圧するメイン型１３と、前記メイン型１３とは別個に作動して前記プリプレグの側面形成部２ｂをその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型１１に押し付ける側面形成手段（各ローラ１６）とを有するものである。

この構成によれば、前記メイン型１３が前記本体形成部２ａを挟圧して前記本体部３を形成すると共に、該メイン型１３が前記本体形成部２ａを挟圧した状態で、前記側面形成手段（各ローラ１６）が前記側面形成部２ｂをその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型１１に押し付けて前記側面部４を形成することが可能となる。

これにより、プリフォーム１における比較的賦形が容易な本体部３は、シート状のプリプレグを直接挟圧して賦形すると共に、この状態で比較的賦形が難しい側面部４を賦形することで、シート状のプリプレグの位置ズレを抑えてプリフォーム１の形状全体の賦形性を良好に確保でき、かつ側面部４におけるシワの発生を抑えてプリフォーム１の繊維乱れの発生を抑制でき、繊維強化樹脂成形品の高効率な製造を実現できる。特に、側面形成手段がメイン型１３の型締めに連動して、プリプレグの側面形成部２ｂをその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型１１に押し付けて側面部４を形成することで、側面部４におけるシワの発生をより効果的に抑え、高品質な繊維強化樹脂成形品を迅速かつ確実に製造できる。

また、上記製造装置は、前記側面形成手段が、前記側面形成部２ｂに転接するローラ１６からなり、前記ローラ１６が、前記本体部３と側面部４との間の屈曲部５に沿うように複数配置され、これら各ローラ１６が、前記側面形成部２ｂの中央側から外側へ順に転接することで、側面形成部２ｂの擦り傷等の発生を抑えた上で該側面形成部２ｂを固定型１１にしっかり押し付けることができる。

また、上記製造装置は、前記各ローラ１６がローラ可動手段１８を介して個別に作動可能とされることで、側面部４が曲面を含む３次元形状を有する場合でも、これに各ローラ１６を追従させて側面形成部２ｂの左右中央側から左右外側へ順に確実に転接させることができる。

また、上記製造装置は、前記固定型１１又はその近傍に、前記側面形成部２ｂにそのバイアス方向への張力を付与する張力付与手段１５が設けられることで、側面形成部２ｂをその中央側から外側へしっかり伸ばしてシワの発生を抑えることができる。

また、上記製造装置は、前記可動型１２が、前記メイン型１３とは別個に作動して前記プリプレグの側面形成部２ｂのみを固定型１１と共に挟圧するサブ型１４を有することで、メイン型１３により比較的大面積の本体形成部２ａを挟圧してプリフォーム基材２の位置ズレを防止した状態で、サブ型１４により比較的小面積の側面形成部２ｂを挟圧することで、比較的賦形が難しい側面部４のみを確実に賦形することができる。

なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、例えば、実施例中の各対策案を可能な範囲で適宜組み合わせて実施してもよい。また、単層のシート状のプリプレグからなるプリフォームを製造する際にも適用可能である。
そして、上記実施例における構成はこの発明の一例であり、当該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。

１ プリフォーム
２ プリフォーム基材
２ａ 本体形成部
２ｂ 側面形成部
３ 本体部
４ 側面部
５ 屈曲部
１０ 成形型
１１ 固定型
１２ 可動型
１３ メイン型
１４ サブ型
１５ 張力付与手段
１６ ローラ（側面形成部）
１８ ローラ可動手段

Claims (5)

1. 所望の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、シート状のプリプレグを成形型により予め、平面状の本体部と、該本体部の少なくとも一側から屈曲して延びる側面部とを有する所定形状に賦形するプリフォームの製造装置であって、
   前記成形型が、固定型と該固定型に近接離反可能な可動型とを備え、
   前記可動型が、前記プリプレグの本体形成部のみを固定型と共に挟圧するメイン型と、前記メイン型とは別個に作動して前記プリプレグの側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付ける側面形成手段とを有し、
   前記固定型又はその近傍に、前記側面形成部にそのバイアス方向への張力を付与する張力付与手段が設けられるプリフォームの製造装置。
2. 前記側面形成手段が、前記側面形成部に転接するローラからなり、前記ローラが、前記本体部と側面部との間の屈曲部に沿うように複数配置され、これら各ローラが、前記側面形成部の中央側から外側へ順に転接する請求項１に記載のプリフォームの製造装置。
3. 前記各ローラの少なくとも一部が、ローラ可動手段を介して個別に作動可能とされる請求項２に記載のプリフォームの製造装置。
4. 前記可動型が、前記メイン型とは別個に作動して前記プリプレグの側面形成部のみを固定型と共に挟圧するサブ型を有する請求項１から３の何れか１項に記載のプリフォームの製造装置。
5. 所望の繊維強化樹脂成形品を得るべくその本成形に先立って、シート状のプリプレグを成形型により予め、平面状の本体部と、該本体部の少なくとも一側から屈曲して延びる側面部とを有する所定形状に賦形するプリフォームの製造方法であって、
   前記成形型が、固定型と該固定型に近接離反可能な可動型とを備え、
   前記可動型が、前記プリプレグの本体形成部のみを固定型と共に挟圧するメイン型と、前記プリプレグの側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付ける側面形成手段とを有し、
   前記固定型又はその近傍に、前記側面形成部にそのバイアス方向への張力を付与する張力付与手段が設けられ、
   前記張力付与手段により前記プリプレグにバイアス方向の張力を付与した状態で、
   前記メイン型が前記本体形成部を挟圧して前記本体部を形成すると共に、該メイン型が前記本体形成部を挟圧した状態で、前記側面形成手段が前記側面形成部をその中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けて前記側面部を形成するプリフォームの製造方法。

Images