JP5963059B2

JP5963059B2 - Ｒｔｍ方法

Info

Publication number: JP5963059B2
Application number: JP2013509337A
Authority: JP
Inventors: 晃之助山本; 誠司辻; 和矢渡邉
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2012-02-22
Filing date: 2013-02-21
Publication date: 2016-08-03
Anticipated expiration: 2033-02-21
Also published as: EP2818294B1; US9616622B2; JPWO2013125641A1; EP2818294A4; US20150048546A1; CN104066564A; CN104066564B; WO2013125641A1; KR20140126691A; KR102024401B1; EP2818294A1

Description

本発明は、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）方法に関し、とくに、複数の注入口からキャビティ内に樹脂を注入するＲＴＭ方法の改良に関する。

成形型のキャビティ内に強化繊維基材から形成されたプリフォームを配置し、複数の注入口からキャビティ内に樹脂を注入してプリフォームに含浸させるＲＴＭ方法はよく知られている。例えば特許文献１には、キャビティ内に配置された強化繊維基材に対し、成形品の製品範囲内位置に配置された複数の注入口から同時に樹脂を注入する方法、いわゆる多点注入法が開示されている。また、特許文献２には、樹脂が流動する方向の両側部に樹脂流動を制御するシール部を設け、キャビティの外周部側から樹脂を注入する成形方法が開示されている。

上記特許文献１に開示されているような多点注入法では、例えば図１（Ａ）に示すように、強化繊維基材から形成されたプリフォーム１に対し、最終成形品の製品ライン２の範囲内に配置された複数の注入口３から樹脂（矢印）が注入されるが、各注入口３からの樹脂がプリフォーム１の全体に行き渡るのに比較的長い時間を要し、樹脂含浸が遅いという問題がある。また、特許文献２に開示されているようなキャビティの外周部側から樹脂を注入する方法では、例えば図１（Ｂ）に示すように、プリフォーム１に対し、その外周部側に配置された注入口４から樹脂（矢印）が注入されるが、やはり、各注入口４からの樹脂がプリフォーム１の全体に行き渡るのに比較的長い時間を要し、樹脂含浸が遅いという問題がある。

図１（Ａ）、（Ｂ）に示したような方法における問題点を解決するために、例えば図１（Ｃ）に示すように両者を組み合わせることも考えられるが、単に組み合わせるだけでは、プリフォーム１への樹脂含浸は速くなるものの、最終成形品の製品ライン２の範囲内のある部位５に、とくに注入口３からの樹脂の流れと注入口４からの樹脂の流れが衝突する部位等に、樹脂の硬化に伴うヒケが生じる可能性があり、それが成形品の品位を阻害するおそれがある。また、単に組み合わせるだけでは、成形製品内への樹脂含浸の改良のための樹脂流れに関して、積極的に外周側部分を利用する流し方とはならず、特許文献２ではむしろ積極的な外周の流れを阻害するためにシール部を設けている。

また、本発明に関連する文献として特許文献３が挙げられ、この特許文献３では、成形中の温度をパラメータとしたＲＴＭ方法が示されているが、金型内の温度分布を積極的に制御する試みについては記載されていない。つまり、樹脂含浸の高速化を積極的に狙ったものではなく、また、樹脂含浸の高速化と成形品の品位向上の両立を意図しているものでもない。

特開２００５−２４６９０２号公報特開２００７−１４４９９４号公報特開２００３−７１８５６号公報

そこで本発明の課題は、複数の注入口から樹脂を注入するＲＴＭ方法において、従来技術では想定されていなかった改良を加えることで、樹脂含浸の高速化と成形品の品位向上の両方を達成することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るＲＴＭ方法は、成形型のキャビティ内に強化繊維基材から形成されたプリフォームを配置し、複数の注入口からキャビティ内に樹脂を注入してプリフォームに含浸させるＲＴＭ方法であって、前記複数の注入口を、前記プリフォームにおける最終成形品の製品範囲内位置に対応してキャビティの中央部に位置する第１の位置と、前記プリフォームにおける最終成形品の製品範囲外位置に対応して、または前記キャビティ内の前記プリフォームの範囲外位置に対応して、キャビティの外周部に位置する第２の位置とに配置し、少なくとも、前記第１の位置に配置された注入口と前記第２の位置に配置された注入口との間で樹脂注入後の注入口閉タイミングを異ならしめ、かつ、前記第１の位置に配置された注入口からの注入樹脂の温度を、前記第２の位置に配置された注入口からの注入樹脂の温度よりも低く制御し、さらに、予め減圧したキャビティ内に樹脂を注入することを特徴とする方法からなる。

このような本発明に係るＲＴＭ方法においては、キャビティの中央部の第１の位置に配置された注入口とキャビティの外周部の第２の位置に配置された注入口との両方から樹脂が注入されるので、プリフォームへの樹脂含浸が短時間で行われることになり、まず樹脂含浸の高速化が達成される。そして、第１の位置に配置された注入口と第２の位置に配置された注入口との間で樹脂注入後の注入口閉タイミングが異なるので、先に閉じられた注入口側から注入され、ある領域に広がった樹脂は、相対的に早く硬化しようとし、その際に硬化収縮によるヒケを生じさせようとするが、未だ閉じられていない注入口側から注入されてくる樹脂が、このヒケを生じさせようとしている部位に補充されることになり、結果的に上記硬化収縮に伴うヒケの発生を抑制または防止することができるようになる。ヒケ発生の抑制または防止により成形品の品位が向上される。その結果、樹脂含浸の高速化と成形品の品位向上の両方の達成が可能となる。さらには、外周流路からのみ樹脂を注入した場合の最終含浸位置が最終的に製品内で点に集約されることを避けることができるため、前記集約により発生するプリフォームの目ヨレを抑制することができる。また、逆に中央部の流動を支配的にした場合は樹脂の流動自体が、例えば織物の場合は、プリフォームを構成する強化繊維を内から外に伸ばす方向に動くため、適切な時間に外周部の流動に切り替えることで、適宜、該目ヨレを抑制することができる。該目ヨレが発生するクライテリアはプリフォームの材料構成に由来するが、本発明の範囲内で本発明を適切に適用することで目ヨレを抑制する効果が期待できる。

上記本発明に係るＲＴＭ方法において、樹脂注入後の注入口閉タイミングとしては、とくに、上記第１の位置に配置された注入口を上記第２の位置に配置された注入口よりも先に閉じることが好ましい。これにより、第１の位置に配置された注入口から注入され、キャビティの中央部に対応するプリフォームの中央部に含浸された樹脂はより早く硬化しようとし、その際に硬化収縮に伴うヒケが発生しようとするが、その部位に対して未だ閉じられていない第２の位置に配置された注入口から注入されてくる樹脂が十分に補充され、ヒケの発生が効率よく抑制または防止される。すなわち、積極的に外周側からの注入樹脂の流れが利用され、成形品の品位が向上される。

また、上記本発明に係るＲＴＭ方法においては、上述の如く、上記第１の位置に配置された注入口からの注入樹脂の温度を、上記第２の位置に配置された注入口からの注入樹脂の温度よりも低く制御する。このようにすれば、樹脂の硬化収縮に伴う最終的なヒケを、外周側に集中させることが可能になり、意匠性が要求される成形品中央部により確実にヒケの発生のない製品形態を実現可能となる。とくに、プリフォーム外周部に、最終成形品の製品範囲外となる部位が初期設定されており、その部位が成形後に成形品から除去される形態の場合には、とくに有効な手法である。

また、上記本発明に係るＲＴＭ方法においては、目ヨレを抑制するために、プリフォームへの樹脂充填完了前に、注入初期の樹脂注入流量または注入圧力を減じることも好ましい。樹脂の最終含浸地点ではフローフロントが小さくなり圧力が急激に上がりやすく、目ヨレが発生するリスクも高くなるので、このような手法を適用することにより目ヨレを抑制することが可能になる。

また、プリフォームに樹脂を含浸させた後にも、上記第２の位置に配置された注入口、乃至、注入口近傍に配置された圧力供給源からキャビティ内に樹脂圧をかけるようにすることも好ましい。このようにすれば、例えば、第１の位置に配置された注入口から注入され、キャビティの中央部に対応するプリフォームの中央部に含浸されて先に硬化しようとする樹脂が存在する場合、その部位の外周側から樹脂圧が加わることになるので、樹脂硬化に伴ってその部位が負圧になることが回避され、硬化収縮に伴うヒケの発生も回避される。

また、上記第２の位置に配置された注入口からの樹脂注入完了後に、該第２の位置に配置された注入口、乃至、注入口近傍に配置された圧力供給源からキャビティ内にかかる樹脂圧を高めるようにすることも好ましい。このようにすれば、上記同様、第１の位置に配置された注入口から注入され、キャビティの中央部に対応するプリフォームの中央部に含浸されて先に硬化しようとする樹脂が存在する場合、その部位の樹脂は硬化収縮に伴って流動しようとするが、この硬化収縮時の樹脂流動に対して意図的に効率よく外周側から樹脂を供給、補充できるようになり、樹脂の硬化収縮に伴うヒケの発生を抑制または防止できるようになる。

また、本発明に係るＲＴＭ方法において、複数の注入口からキャビティ内に樹脂を注入する方法は、とくに限定されないが、予めキャビティ内を減圧し、減圧したキャビティ内に樹脂を注入するようにすることが好ましい。このようにすれば、プリフォームの広い範囲にわたって隅々まで良好に樹脂を含浸させることが可能になる。

このように、本発明に係るＲＴＭ方法によれば、キャビティの中央部の第１の位置に配置された注入口とキャビティの外周部の第２の位置に配置された注入口との両方から樹脂を注入することにより、プリフォームへの樹脂含浸の高速化を達成できるとともに、両注入口間で樹脂注入後の注入口閉タイミングを適切に異ならしめることにより、注入された樹脂が硬化しようとする際の硬化収縮に伴うヒケの発生を抑制または防止することができ、樹脂流動中に発生するプリフォームの目ヨレを抑制することで成形品の品位向上も同時に達成できる。

本発明の課題を説明するための樹脂注入手法を示す模式図である。本発明の一実施態様に係るＲＴＭ方法を示す模式図である。図２のＢ−Ｂ線に沿う縦断面の一例を示す成形装置の概略縦断面図である。本発明に係るＲＴＭ方法の一例（水準１）を示す工程図である。本発明に係るＲＴＭ方法の別の例（水準２）を示す工程図である。本発明に係るＲＴＭ方法のさらに別の例（水準３）を示す工程図である。

以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図２は、本発明の一実施態様に係るＲＴＭ方法を示している。図２において、１１は、図３を用いて後述するような成形装置の成形型のキャビティ内に配置される、強化繊維基材から形成されたプリフォームを示しており、１２は、プリフォーム１１における最終成形品の製品範囲を示す製品ラインを示している。本実施態様に係るＲＴＭ方法においては、複数の注入口からキャビティ内に樹脂を注入してプリフォーム１１に含浸させるが、複数の注入口は、プリフォーム１１における最終成形品の製品範囲内位置（製品ライン１２の範囲内位置）に対応してキャビティ（図３に例示）の中央部に位置する第１の位置（つまり、中央部の位置）に配置された注入口１３（３つの注入口１３を図示）と、キャビティ内のプリフォーム１１の範囲外位置に対応してキャビティの外周部に位置する第２の位置（つまり、外周部の位置）に配置された注入口１４（２つの注入口１４を図示）とからなる。前述したように、外周部側の注入口１４は、プリフォーム１１における最終成形品の製品範囲外位置に対応して（つまり、図２におけるプリフォーム１１の外形線と製品ライン１２の間の領域に）配置することもできる。なお、本発明に係るＲＴＭ方法における注入樹脂としては、熱硬化性樹脂の他、熱可塑性樹脂も可能である。

上記中央部に配置された各注入口１３から注入される樹脂は、図の矢印で示す如く、注入口１３から放射状に円状に広がり、プリフォーム１１に含浸されていく。また、外周部に配置された各注入口１４から注入される樹脂は、図の矢印で示す如く、プリフォーム１１の外周に沿って流れるとともにプリフォーム１１の内部に向けて流れ、プリフォーム１１の外周側から中央部に向けて含浸されていく。図におけるＴ１は注入口１４から注入される樹脂の温度を、Ｔ２は注入口１３から注入される樹脂の温度を、それぞれ示している。本発明に係るＲＴＭ方法においては、中央部に配置された注入口１３と外周部に配置された注入口１４との間で樹脂注入後の注入口閉タイミングが異なるタイミングとされる。とくに、後述の表１、図４〜図６に示すように、中央部に配置された注入口１３を、外周部に配置された注入口１４よりも先に閉じることが好ましい。

このように、中央部に配置された注入口１３と外周部に配置された注入口１４との間で樹脂注入後の注入口閉タイミングが異なるタイミングとされること以外、例えば以下のような条件が採用されることが好ましい。同じく図２を参照しながら説明するに、例えば、注入樹脂の温度をＴ１＞Ｔ２とすることで、最終ヒケを外周部側に集中させることが可能となる。また、注入樹脂が熱硬化性樹脂の場合、注入口１３からの樹脂と注入口１４からの樹脂との衝突部に生じやすいウェルドラインを配慮する必要がなくなる可能性もある。また、予め減圧したキャビティ内に樹脂を注入する真空成形を行う場合には、両注入口からので樹脂合流部でのボイド配慮を配慮する必要がなくなる可能性もある。

また、注入口１４から例えばプリフォーム１１に至るまでの部分を成形品厚み以下としておけば、成形後の廃棄樹脂量を低減することができる。さらには、高反応性の樹脂を用いた場合に、樹脂のみの板厚を減じることになり自己発熱によるポットライフの減少を抑制する効果も期待できる。また、温度Ｔ１部分での発熱等による成形製品内領域への影響を抑制することもできる。また、成形温度が高い場合には、例えば、注入口１４からの樹脂注入圧力を樹脂注入完了後により高くなるようにすれば、ヒケ発生の抑制が可能になる。

ここで、プリフォーム１１に生じる可能性がある目ヨレを抑制するために、樹脂充填完了の前（完全充填量の８５〜９９％）において樹脂の流量や注入圧力を低減させることも効果があり好ましい。最終含浸地点ではフローフロントが小さくなり圧力が急激に上がりやすく、目ヨレが発生するリスクも高くなるためである。

上記目ヨレを抑制するその他の方法として、中央部の流れを外周に比べて支配的にする方法が挙げられる。目ヨレの発生は外周部から中央部に向かう流れに起因し、中央部から外周部に向かう流れにおいてはプリフォームの目を伸ばす方向となり発生しにくい。そのため、本発明は目ヨレの抑制にも利用することができる。

また、樹脂注入、含浸完了後に注入口１４からの注入に関してのみ樹脂圧かけておくことも好ましい。このようにすれば、製品内と中央部はＴ１より温度が高く先に硬化する場合、その製品内部分が硬化時に負圧とならないため、成形品のヒケの発生を抑えることが可能になる。また、上記注入口１４以外から樹脂圧をかける方法として、金型やプレス機の機能でも代用してもよい。

また、外周部側から圧力を付与しておけば、樹脂硬化収縮時の樹脂流動に伴い要求される樹脂供給も効率的に行うことが可能になる。

上記のような樹脂注入は、例えば図３に示すようなＲＴＭ成形装置を用いて行われる。図３は、図２のＢ−Ｂ線に沿う縦断面の一例を示す成形装置の縦断面図として例示してある。図３に例示した成形装置２１は、キャビティ２２を形成する成形型２３としての上型２４と下型２５を備えており、上型２４は、プレス機構２６によって型締め、型開けされるようになっている。キャビティ２２内には、例えば強化繊維基材の積層体からなり、予め所定形状に賦形されたプリフォーム２７が配置される。このプリフォーム２７がキャビティ２２内に配置された状態で、上型２４が下型２５に対し型締めされ、樹脂供給路２８からＦＲＰを構成するための樹脂が供給され、複数の注入口１３、１４からキャビティ２２内に樹脂が注入されてプリフォーム２７に含浸される。樹脂注入口１３、１４は、例えばピン状の弁体２９、３０によって開閉され、キャビティ２２の周囲はシール材３１でシールされている。成形型２３は、例えば熱媒流通路３２が流通される熱媒によって加熱、冷却され、樹脂注入時には加熱されて樹脂の良好な含浸がはかられ、樹脂含浸後には、冷却(自然放冷も可能)されて注入、含浸された樹脂が硬化されて、所定のＦＲＰ成形品が作製される。

本発明における樹脂の注入開始から停止、樹脂硬化までの各動作のタイミングは、例えば表１に示す水準１、水準２、水準３のように実施することができる。表１における温度の項で、外から内が０〜−ΔＴと記載されているのは、外周部の温度に比べて中央部(製品範囲内部)の温度が相対的にΔＴだけ低いことを示している。

水準１においては、図４（Ａ）に示すように、キャビティ４１内に外周部の注入口４２と中央部の注入口４３からの樹脂注入が開始され(注入動作は黒丸印で表示してある)、外周部の注入口４２からの注入樹脂は、外周部の流路４４を介してプリフォーム４５内（符号４５はプリフォームの端部を示している。）まで流動されて流動先端部としてのフローフロント４６を形成する。中央部の注入口４３からの注入樹脂は、円状に広がるように流動されて流動先端部としてのフローフロント４７を形成する。なお、４８は、所定範囲外への樹脂の流動を阻止するシールラインを示している。

上記状態で各注入口からの樹脂注入、流動が進められるが、次いで、図４（Ｂ）に示すように、中央部の注入口４３のみが先に閉じられ（注入口閉は×印で表示してある）、外周部の注入口４２からの注入樹脂の流動は進められる。

やがて、図４（Ｃ）に示すように、実質的に必要な量の樹脂注入が完了し、プリフォーム４５の全領域にわたって樹脂が含浸された流動停止状態に至るが、このときにも、外周部の注入口４２は開かれたままで、それによって外周部の注入口４２からの注入樹脂の圧力が外周側からかけられる（流動停止（１））。これによって、前述の如くヒケの発生が抑制されるとともに、製品内部領域における樹脂流動に伴う供給樹脂の不足も防止される。

次いで、図４（Ｄ）に示すように、プリフォーム４５の中央部領域から樹脂の硬化が先に進み（硬化が進んでいるエリア４９）、その段階で、開けられていた外周部の注入口４２が閉じられ、すべての注入樹脂の流動が停止される（流動停止（２））。図４（Ｄ）に示す状態にてプリフォーム４５の全領域にわたって樹脂硬化が進められ、成形が完了する。

水準２は、図５（Ａ）〜（Ｄ）に示すように動作が進められるが、図４に示したのと同等の符号を用いて説明する。水準２においては、図５（Ａ）に示す動作は図４（Ａ）に示したのと同等の条件で進められるが、図５（Ｂ）に示す動作においては、図４（Ｂ）に示した動作に比べ、中央部の注入口４３は開かれたままで、プリフォーム４５内への樹脂流動先端部としてのフローフロント４６がより進められる。やがて、図５（Ｃ）に示すように、図４（Ｃ）に示したのと同等の状態に至るが、上記の如く図５（Ｂ）に示す動作において中央部の注入口４３が閉じられないので、プリフォーム４５の必要な領域への樹脂注入、含浸は水準１に比べより早く完了する。図５（Ｃ）、（Ｄ）に示す動作の条件は、実質的に図４（Ｃ）、（Ｄ）に示した動作の条件と同じである。

水準３は、図６（Ａ）〜（Ｅ）に示すように動作が進められるが、図５に示したのと同等の符号を用いて説明する。水準３においては、図５に示した水準２の動作に比べ、図６（Ｄ）に示すように、流動停止（２）の段階では、外周部の注入口４２が開かれたままとされ、そこからの注入樹脂の圧力がより高められる。そして、この樹脂圧の増大によって、プリフォーム４５内での樹脂の硬化収縮によって生じるおそれのあるヒケの発生が十分に阻止されるとともに、樹脂流動に伴い要求される可能性のある樹脂の補充が外周側から十分に行われる。これにより、図６（Ｅ）に示すように、図６（Ｄ）における硬化が進んでいるエリア４９が硬化したエリア５０に変化し、残りのエリアが硬化が進んでいるエリア５１となり、その状態で、外周部の注入口４２が閉じられる。図６（Ａ）〜（Ｃ）に示す動作の条件は、実質的に図５（Ａ）〜（Ｃ）に示した動作の条件と同じである。

上記図４〜図６に例示したように、外周部の注入口４２、中央部の注入口４３の閉タイミングは各種の条件を採り得る。

いずれの動作水準の場合においても、注入口からの樹脂注入後の圧力アップ゜は成形品の表面性向上にとって望ましい。ただし、注入口直下に強化繊維基材の織り目乱れが発生する場合には注入直後部位の圧力を落とすと良い。また、早い含浸を実現できる条件を採用すると、ハイサイクル化（大量生産）が可能となる。注入時間と硬化時間に関しては、同じ樹脂を同じ温度で硬化させる場合、注入と硬化時間の比率はほぼ同じである。圧力を上げることで早くすることもできるが、圧力を上げ過ぎると繊維乱れが発生しやすくなり、例えば外周部注入ではプリフォーム端部乱れが発生するため端部は製品として利用できず、大きめのプリフォームを準備する必要がある。ただし、外周部に捨て代が必要な場合はこの限りではない。

本発明に係るＲＴＭ方法は、樹脂含浸の高速化と成形品の品位向上の両方の達成が要求されるあらゆるＦＲＰ（繊維強化プラスチック）の成形に適用可能である。

１プリフォーム
２製品ライン
３、４注入口
５製品ラインの範囲内のある部位
１１プリフォーム
１２製品ライン
１３中央部の注入口
１４外周部の注入口
２１成形装置
２２キャビティ
２３成形型
２４上型
２５下型
２６プレス機構
２７プリフォーム
２８樹脂供給路
２９、３０ピン状の弁体
３１シール材
４１キャビティ
４２外周部の注入口
４３中央部の注入口
４４外周部の流路
４５プリフォーム
４６、４７フローフロント
４８シールライン
４９硬化が進んでいるエリア
５０硬化したエリア
５１硬化が進んでいるエリア

Claims

成形型のキャビティ内に強化繊維基材から形成されたプリフォームを配置し、複数の注入口からキャビティ内に樹脂を注入してプリフォームに含浸させるＲＴＭ方法であって、前記複数の注入口を、前記プリフォームにおける最終成形品の製品範囲内位置に対応してキャビティの中央部に位置する第１の位置と、前記プリフォームにおける最終成形品の製品範囲外位置に対応して、または前記キャビティ内の前記プリフォームの範囲外位置に対応して、キャビティの外周部に位置する第２の位置とに配置し、少なくとも、前記第１の位置に配置された注入口と前記第２の位置に配置された注入口との間で樹脂注入後の注入口閉タイミングを異ならしめ、かつ、前記第１の位置に配置された注入口からの注入樹脂の温度を、前記第２の位置に配置された注入口からの注入樹脂の温度よりも低く制御し、さらに、予め減圧したキャビティ内に樹脂を注入することを特徴とするＲＴＭ方法。
前記第１の位置に配置された注入口を前記第２の位置に配置された注入口よりも先に閉じる、請求項１に記載のＲＴＭ方法。
プリフォームへの樹脂充填完了前に、注入初期の樹脂注入流量または注入圧力を減じる、請求項１または２に記載のＲＴＭ方法。
プリフォームに樹脂を含浸させた後にも、前記第２の位置に配置された注入口、乃至、注入口近傍に配置された圧力供給源からキャビティ内に樹脂圧をかける、請求項１〜３のいずれかに記載のＲＴＭ方法。