JP6209095B2 - Ｆｒｐ成形治具及びｆｒｐ構造体の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＲＰ（繊維強化プラスチック）構造体の成形に用いるＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の成形方法に関する。

近年、工業製品に対しＦＲＰ構造体の適用範囲が拡大している。ＦＲＰ構造体のメリットとして、一体成形することで部品点数、及び組立工数の削滅を図ることができる点が挙げられる。

部品の一体成形化を進める際、どうしても構造上閉空間となってしまう箇所がしばしば存在する。閉空間を持つＦＲＰ構造体を成形する場合には、圧力をかける方法、及び治具との関係が問題となる。

例えば、米国特許出願公開第２０１３／００２０４３８号明細書（特許文献１）では、ＦＩＧ．２５に示されるように、波形の治具の上に第１のファイバープリフォームを配置しておき、第２のファイバープリフォームを被せた中子（マンドレル）を、更に波形の治具の上方に配置し、フィレット成形用の治具を配置して、第３のファイバープリフォームを上から被せている。そして、積層したプリフォーム及び治具を吸引バッグで包んだ後に真空に引いて、母材のマトリックス樹脂を注入する。その後加熱、硬化を経て、所定の長さに切断した後に外板に結合させている。

米国特許出願公開第２０１３／００２０４３８号明細書 米国特許第６７０２９１１号明細書 米国特許第５４６９６８６号明細書 米国特許第７６２５６１８号明細書

特許文献１に記載されている成形方法は、硬質な中子を用いて強化繊維同士を位置決めして、小規模なＦＲＰ構造体を成形する方法である。このような成形方法では、力学特性が優れたプリプレグ材を用いた大型のＦＲＰ構造体を成形することは困難である。また、治具や中子とＦＲＰ構造体との熱膨張率の差異により、寸法精度が悪化するという問題点もある。

図８及び図９は、円筒形のＦＲＰ構造体を成形する従来の成形方法を説明する断面図である。図８に示すＦＲＰ構造体の成形方法は、先ず硬質中子９０（ハードツール）の外側に強化繊維９２を配置して、外周を吸引バッグ９４で被う。そして、吸引バッグ９４の内部を真空に引く。そして加熱、硬化を行った後に、吸引バッグ９４を剥がし、硬質中子９０を引き抜いて、円筒形のＦＲＰ構造体が完成する。この成形時においては、硬質中子９０は正圧の環境下に存在している。

図９に示すＦＲＰ構造体の成形方法は、先ず硬質外型９１（ハードツール）の内側に強化繊維９２を配置して、強化繊維９２の更に内側に加圧バッグ９５を配置する。そして、加圧バッグ９５により加圧する。そして加熱、硬化を行った後に、加圧バッグ９５を剥がす。そして、硬質外型９１から円筒形のＦＲＰ構造体を引き抜いて完成する。

図８に示す成形方法では、閉空間が一定断面ではなく、曲率を有する複雑な形状を有する場合には、硬質中子９０を用いて成形した後に、硬質中子９０を取り外す離型の処理が困難となることが多い。又、成形時の外形寸法精度を向上させるためには、図９に示す成形方法を用いることが望ましいが、複雑な形状に対し硬質外型９１の内部から加圧する方法が課題である。このような理由から、複数の閉空間を有する複雑な形状のＦＲＰ構造体を成形することは困難であった。

本発明の目的は、閉空間を有するＦＲＰ構造体を高精度に成形するＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の成形方法を提供することである。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

本発明によるＦＲＰ成形治具は、複数の繊維コンポーネント（１２、１４、１６）を組み合わせて成形されるＦＲＰ構造体（１０、３０）の成形に用いる中子（２０）と、バッグ（２２、２４）とを備える。バッグ（２２、２４）は、中子（２０）の外周を被う中子用バッグ部（２４）と、複数の繊維コンポーネント（１２、１４、１６）を外部から被う外被バッグ部（２２）とを有する。そして、中子用バッグ部（２４）と外被バッグ部（２２）との間の、繊維コンポーネント（１２、１４、１６）が配置された部位を真空に引くことにより、繊維コンポーネント（１２、１４、１６）同士を押圧して成形を行う。

バッグ（２２、２４）は、繊維コンポーネント（１２、１４、１６）が配置された部位を真空に引いた際においても中子（２０）が大気圧環境下に存在する構成である。

中子（２０）は、複数のコア部品から構成される割型構造である。

中子（２０）は、加熱により収縮性又は溶融性を有する素材である。

成形時において、繊維コンポーネント（１２、１４、１６）同士の接合部（１８）に接着剤又はマトリックス樹脂が配置される。中子（２０）は、接着剤又はマトリックス樹脂の硬化温度以下で収縮又は溶融する素材である。

中子（２０）は、脆性を有し、粉砕により離型可能な素材、又は柔軟性を有する素材である。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、第１の繊維コンポーネント（１２）を治具上に配置する工程と、第１の繊維コンポーネント（１２）上に、中子用バッグ部（２４）で外周を被った第１の中子（２０）を配置する工程と、第１の繊維コンポーネント（１２）及び第１の中子（２０）の上に第２の繊維コンポーネント（１４）を配置する工程とを有する。更に、繊維コンポーネント（１２、１４）を外被バッグ部で被う工程と、繊維コンポーネント（１２、１４）が配置された部位を真空に引く工程とを有する。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、外被バッグ部（２２）を治具（４０）上に配置する工程と、外被バッグ部（２２）内に第１の繊維コンポーネント（１２）を配置する工程と、第１の繊維コンポーネント（１２）上に、中子用バッグ部（２４）で外周を被った第１の中子（２０）を配置する工程とを有する。更に、第１の繊維コンポーネント（１２）及び第１の中子（２０）の上に第２の繊維コンポーネント（１４）を配置する工程と、繊維コンポーネント（１２、１４）が配置された部位を真空に引く工程とを有する。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、第２の繊維コンポーネント（１４）の上に第２の中子（２０）を配置する工程と、第２の繊維コンポーネント（１４）及び第２の中子（２０）の上に第３の繊維コンポーネント（１６）を配置する工程とを更に有する。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、複数の繊維コンポーネント（１２、１４、１６）間に接着剤を配置する工程を更に有する。

また、繊維コンポーネント（１２、１４、１６）が配置された部位を真空に引く工程の後に、加熱により接着剤を硬化させる工程を更に有する。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、複数の繊維コンポーネント（１２、１４、１６）が配置されている部位にマトリックス樹脂を注入する工程を更に有する。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、繊維コンポーネント（１２、１４、１６）が配置された部位を真空に引く工程の後に、加熱によりマトリックス樹脂を硬化させる工程を更に有する。

本発明によるＦＲＰ構造体の成形方法は、外被バッグ部（２２）を取り外す工程と、中子用バッグ部（２４）及び中子（２０）を取り外す工程とを更に有する。

本発明に係るＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の成形方法を用いることによって、閉空間を有するＦＲＰ構造体を高精度に成形することができる。

図１は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いて成形したＦＲＰ構造体の外観斜視図である。 図２は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体を成形する状態を示す図であり、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図３は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体を成形する状態を示す図であり、図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。 図４は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体を成形する他の実施形態を示す図であり、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。 図５は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いて成形したＦＲＰ構造体の外観斜視図である。 図６は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体を成形する状態を示す図であり、中子が収縮する前の状態を示す断面図である。 図７は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体を成形する状態を示す図であり、中子が収縮した後の状態を示す断面図である。 図８は、外部から加圧するＦＲＰ構造体の成形方法を説明する断面図である。 図９は、内部から加圧するＦＲＰ構造体の成形方法を説明する断面図である。

添付図面を参照して、本発明によるＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の成形方法の実施の形態を以下に説明する。

図１は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いて成形したＦＲＰ構造体１０の外観斜視図である。図２は、ＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体１０を成形する状態を示す図であり、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。図３は、ＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体１０を成形する状態を示す図であり、図１におけるＢ−Ｂ矢視断面図である。

図１を参照して、ＦＲＰ構造体１０は、外板１２と、ストリンガー１４と、外板１２とストリンガー１４とを接合する接合部１８とを有している。図１に示すＦＲＰ構造体１０は、ストリンガー１４と外板１２との間に台形断面の閉空間を有している。

外板１２は例えば板状のＦＲＰであり、ストリンガー１４は例えば凸型の断面形状を有するＦＲＰの形材である。図１に示すＦＲＰ構造体１０は、外板１２に一列のストリンガー１４を配置した実施例を示してあるが、外板１２に複数列のストリンガー１４を配置することもできる。また、外板１２の大きさも、小型のものから大型のものまで対応することができる。

接合部１８は、外板１２とストリンガー１４とを接合している部位であり、接着フィルムや接着剤、マトリックス樹脂等を用いて接合する。

図２及び図３を参照して、ＦＲＰ構造体１０の成形方法について説明する。ＦＲＰ構造体１０を成形する場合には、先ず所定の形状を有する治具４０の上部に、外被バッグ部２２（第１の外被バッグ部）を配置する。そして、外被バッグ部２２の内部に外板１２（第１の繊維コンポーネント）を配置する。次に、外被バッグ部２２内の外板１２上に、中子用バッグ部２４を用いて外周を被った中子２０を配置する。

外板１２とストリンガー１４との間に接着フィルム等の接着剤を配置してもよい。そして、外板１２及び中子２０の上にストリンガー１４（第２の繊維コンポーネント）を配置する。

次に、外被バッグ部２２及び中子用バッグ部２４の端部をバッグ接合部２５にて接合して気密性を確保する（図３参照）。そして、外板１２及びストリンガー１４の繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引いて、大気圧を用いて接合部１８に押圧力を印加する。このとき、外板１２又はストリンガー１４の素材に、樹脂を含侵していない強化繊維基材を用いる場合には、マトリックス樹脂を注入して含侵させる。なお、外板１２及びストリンガー１４が配置された部位を真空に引いた場合であっても、中子２０は大気圧の環境下に存在している。このため、中子２０の変形を少なくすることができ、ＦＲＰ構造体１０の寸法精度を向上させることができる。

接着剤又はマトリックス樹脂として熱硬化型のものを用いる場合には、真空に引いた後に加熱を行って、接着剤又はマトリックス樹脂を硬化させる。

接着剤又はマトリックス樹脂が硬化したら、外被バッグ部２２を取り外し、中子用バッグ部２４及び中子２０をＦＲＰ構造体１０の閉空間から取り外す。こうして、図１に示すＦＲＰ構造体１０が得られる。

外板１２や、ストリンガー１４の繊維コンポーネントの構成として、強化繊維基材を用いる場合には、連続した強化繊維糸条がお互いに並行するように引き揃えた強化繊維糸条群を用いることができる。また、必要に応じて強化繊維糸条による一方向性基材、二方向性基材、多方向性基材を用いることができる。また、強化繊維基材の他の組織形態として、例えば、織組織（織物）、編組織（たて編、よこ編）、不織組織、又はこれらの組み合わせを用いることもできる。

また、繊維コンポーネントにおける強化繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール繊維、フェノール繊維、ポリエチレン繊維、ポリビニルアルコール繊維等の有機繊維、金属繊維、又はセラミック繊維、これらの組み合わせ等を使用することもできる。

また、マトリックス樹脂として、熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を使用することができる。成形性や、力学特性の面からは、現状では熱硬化性樹脂を用いることが好ましい。熱硬化性樹脂として、例えば、エポキシ、フェノール、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、シアネートエステル、ビスマレイミド、ベンゾオキサジン、アクリルその他の樹脂を用いることができる。更に、エラストマー、ゴム、硬化剤、硬化促進剤、触媒等を添加したものも使用することができる。なお、外被バッグ部２２及び中子用バッグ部２４の繊維コンポーネント側には、離型剤や樹脂拡散メディアを配置しておくことが好ましい。

また、中子２０の素材として、柔軟性を有する素材（硬質ゴム、シリコンゴム等）や、粉砕により離型が容易となる脆性を有する素材（石膏等）を用いることができる。

次に、図４を参照して、治具４０上に直接外板１２を配置してＦＲＰ構造体１０を成形する実施形態、及び、割型構造の中子２０を用いた実施形態について説明する。図４は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体を成形する他の実施形態を示す図であり、図１におけるＡ−Ａ矢視断面図である。なお、図１乃至図３に示した実施形態における構成部分と同一の作用を有する部位については、同一の符号を付してその説明を省略する。

図２及び図３に示した実施形態では、治具４０上に外被バッグ部２２を配置して、この外被バッグ部２２の内部に外板１２を配置した。これに対し、図４に示す実施形態では、気体の遮蔽効果を有する治具４０上に直接外板１２を配置して、外板１２及びストリンガー１４（第１及び第２の繊維コンポーネント）が配置された部位を真空に引いて、大気圧を用いて接合部１８に押圧力を印加する。このように構成しても、閉空間を有するＦＲＰ構造体１０を成形することができる。

また、図４に示すように、中子２０の構成として、長手方向スライドコア２０Ａと、横方向移動コア２０Ｂ、２０Ｃとの複数の部品から構成される割型構造を用いることもできる。この場合には、先ず長手方向スライドコア２０Ａを（図４の紙面の手前方向に）引き抜いてから、横方向移動コア２０Ｂ、２０Ｃを閉空間内において横方向（図４の紙面の左右方向）に移動させて、横方向移動コア２０Ｂ、２０ＣをＦＲＰ構造体１０から離型しやすくする。その後、横方向移動コア２０Ｂ、２０ＣをＦＲＰ構造体１０の閉空間から（図４の紙面の手前方向に）引き抜いて、中子２０の離型を行うことができる。

次に、図５、図６及び図７を参照して、複数のストリンガー１４を外板１２と内板１６とで挟んだサンドイッチ構造のＦＲＰ構造体３０を成形する実施形態について説明する。図５は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いて成形したＦＲＰ構造体３０の外観斜視図である。図６は、本発明のＦＲＰ成形治具を用いてＦＲＰ構造体３０を成形する状態を示す図であり、中子２０が収縮する前の状態を示す断面図である。図７は、中子２０が収縮した後の状態を示す断面図である。なお、図１乃至図３に示した実施形態における構成部分と同一の作用を有する部位については、その説明を省略する。

図１乃至図４では、外板１２とストリンガー１４とを接合したＦＲＰ構造体１０の成形について説明した。これに対して図５に示すＦＲＰ構造体３０は、複数のストリンガー１４を外板１２と内板１６とで挟んだ構造を有している。この図５に示すＦＲＰ構造体３０も、図６及び図７に示すように、中子２０の外周を被う中子用バッグ部２４と、複数の繊維コンポーネントを外部から被う外被バッグ部２２とを用いて成形することができる。

図６を参照して、ＦＲＰ構造体３０を成形する場合には、先ず所定の形状を有する治具４０の上部に外被バッグ部２２（第１の外被バッグ部）を配置する。そして、外被バッグ部２２の内部に外板１２（第１の繊維コンポーネント）を配置する。次に、外被バッグ部２２内の外板１２上に、中子用バッグ部２４を用いて外周を被った第１の中子２０を、必要に応じて複数配置する。

外板１２とストリンガー１４との間に接着フィルム等の接着剤を配置してもよい。そして、外板１２及び第１の中子２０の上にストリンガー１４（第２の繊維コンポーネント）を配置する。

再びストリンガー１４（第２の繊維コンポーネント）の上に、中子用バッグ部２４で外周を被った第２の中子２０を配置する。そして、必用に応じてストリンガー１４と内板１６との間に接着フィルム等の接着剤を配置して、第２の中子２０及びストリンガー１４の上に内板１６（第３の繊維コンポーネント）を配置する。

次に、外板１２、ストリンガー１４及び内板１６の繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引いて、大気圧を用いて接合部１８に押圧力を印加する。このとき、外板１２、ストリンガー１４又は内板１６の素材に、樹脂を含侵していない強化繊維基材を用いる場合には、マトリックス樹脂を注入する。

接着剤又はマトリックス樹脂として熱硬化型のものを用いる場合には、真空状態にした後に加熱を行って、接着剤又はマトリックス樹脂を硬化させる。

また、図７に示すように、中子２０の素材として、加熱により収縮する素材（硬質ポリスチレンフォーム、硬質ウレタンフォーム等）を用いる場合には、硬化時の加熱により中子２０が収縮する。中子２０が収縮することにより、中子２０をＦＲＰ構造体１０の閉空間から引き抜くことが容易となる。中子２０の素材として、接着剤又はマトリックス樹脂の硬化温度以下で収縮する特性を有する素材（硬質ポリスチレンフォーム、硬質ウレタンフォーム等）を用いることができる。この場合、例えば５０℃以上で硬化温度以下の温度域の温度で熱収縮する特性を有する材料が望ましく、接着剤又はマトリックス樹脂の流動性がなくなる温度以上で硬化温度以下の温度域で収縮する特性を有する材料がより望ましい。また、加熱により溶融するロウ材を用いることもできる。この場合も、例えば５０℃以上で硬化温度以下の温度域の温度で溶融する特性を有する材料が好ましく、接着剤又はマトリックス樹脂の流動性がなくなる温度以上で硬化温度以下の温度域で溶融する特性を有する材料がより望ましい。

以上、実施の形態を参照して本発明によるＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の製造方法を説明したが、本発明によるＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の製造方法は上記実施形態に限定されない。上記実施形態に様々の変更を行うことが可能である。上記実施形態に記載された事項と上記他の実施形態に記載された事項とを組み合わせることが可能である。

また、本発明に係るＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の製造方法を用いて成形したＦＲＰ構造体は、車両、船舶、航空機、あるいは建築部材など種々の分野に用いられる。本発明に係るＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の製造方法は、２つ以上の繊維コンポーネントを一体成形することにより、閉空間を有する複雑な最終形状を成形する場合に好適である。また、本発明に係るＦＲＰ成形治具及びＦＲＰ構造体の製造方法は、ＲＦＩ（レジンフィルムインフュージョン成形法）、ＲＴＭ（樹脂トランスファー成形法）、ＶａＲＴＭ（真空含浸工法）その他のＦＲＰ構造体の成形に用いることができる。

１０、３０...ＦＲＰ構造体
１２...外板
１４...ストリンガー
１６...内板
１８...接合部
２０...中子
２０Ａ...長手方向スライドコア
２０Ｂ、２０Ｃ...横方向移動コア
２２...外被バッグ部
２４...中子用バッグ部
２５...バッグ接合部
９０...硬質中子
９１...硬質外型
９２、９３...強化繊維
９４...加圧バッグ
９５...加圧バッグ

Claims (13)

1. 複数の繊維コンポーネントを組み合わせて成形されるＦＲＰ構造体の成形に用いる中子と、バッグとを備え、
   前記バッグは、
   前記中子の外周を被う中子用バッグ部と、
   前記複数の繊維コンポーネントを外部から被う外被バッグ部と、
   を有し、
   前記バッグは、前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引いた際においても前記中子が大気圧環境下に存在する構成であり、
   前記中子用バッグ部と前記外被バッグ部との間の、前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引くことにより、前記繊維コンポーネント同士を押圧して成形を行うＦＲＰ成形治具。
2. 前記中子は、複数の部品から構成される割型構造である請求項１に記載のＦＲＰ成形治具。
3. 前記中子は、加熱により収縮性又は溶融性を有する素材である請求項１に記載のＦＲＰ成形治具。
4. 前記成形時において、前記繊維コンポーネント同士を接合する部分に接着剤又はマトリックス樹脂が配置され、
   前記中子は、前記接着剤又はマトリックス樹脂の硬化温度以下で収縮又は溶融する素材である請求項３に記載のＦＲＰ成形治具。
5. 前記中子は、脆性を有し、粉砕により離型可能な素材、又は柔軟性を有する素材である請求項１に記載のＦＲＰ成形治具。
6. 第１の繊維コンポーネントを治具上に配置する工程と、
   前記第１の繊維コンポーネント上に、中子用バッグ部で外周を被った第１の中子を配置する工程と、
   前記第１の繊維コンポーネント及び前記第１の中子の上に第２の繊維コンポーネントを配置する工程と、
   前記繊維コンポーネントを外被バッグ部で被う工程と、
   前記中子用バッグ部と前記外被バッグ部とは、前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引いた際においても前記第１の中子が大気圧環境下に存在する構成であって、前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引く工程と
   を有するＦＲＰ構造体の成形方法。
7. 外被バッグ部を治具上に配置する工程と、
   前記外被バッグ部内に第１の繊維コンポーネントを配置する工程と、
   前記第１の繊維コンポーネント上に、中子用バッグ部で外周を被った第１の中子を配置する工程と、
   前記第１の繊維コンポーネント及び前記第１の中子の上に第２の繊維コンポーネントを配置する工程と、
   前記中子用バッグ部と前記外被バッグ部とは、前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引いた際においても前記第１の中子が大気圧環境下に存在する構成であって、前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引く工程と
   を有するＦＲＰ構造体の成形方法。
8. 前記第２の繊維コンポーネントの上に、中子用バッグ部で外周を被った第２の中子を配置する工程と、
   前記第２の繊維コンポーネント及び前記第２の中子の上に第３の繊維コンポーネントを配置する工程と
   を更に有する請求項６又は７に記載のＦＲＰ構造体の成形方法。
9. 前記複数の繊維コンポーネント間に接着剤を配置する工程
   を更に有する請求項６乃至８のいずれかに記載のＦＲＰ構造体の成形方法。
10. 前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引く工程の後に、加熱により前記接着剤を硬化させる工程
    を更に有する請求項９に記載のＦＲＰ構造体の成形方法。
11. 前記複数の繊維コンポーネントが配置されている部位にマトリックス樹脂を注入する工程
    を更に有する請求項６乃至８のいずれかに記載のＦＲＰ構造体の成形方法。
12. 前記繊維コンポーネントが配置された部位を真空に引く工程の後に、加熱により前記マトリックス樹脂を硬化させる工程
    を更に有する請求項１１に記載のＦＲＰ構造体の成形方法。
13. 前記外被バッグ部を取り外す工程と、
    前記中子用バッグ部及び前記中子を取り外す工程と
    を更に有する請求項６乃至１２のいずれかに記載のＦＲＰ構造体の成形方法。

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