JP6586399B2

JP6586399B2 - 炭素繊維強化プラスチックの加工方法

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Publication number: JP6586399B2
Application number: JP2016131416A
Authority: JP
Inventors: 石川　章; 章石川
Original assignee: Suncorona Oda Co., Ltd.
Current assignee: Suncorona Oda Co., Ltd.
Priority date: 2016-07-01
Filing date: 2016-07-01
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-07-01
Also published as: JP2018001600A

Description

本発明は、強化材として炭素繊維を用いた炭素繊維強化プラスチックの加工方法に関する。

上記炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ［Carbon Fiber Reinforced Plastic］）は、炭素繊維とマトリックス樹脂とからなり、機械特性、軽量性、耐腐食性等に優れることから、種々の用途に幅広く展開されている。マトリックス樹脂としては、加熱すると軟化して成形が容易な熱可塑性樹脂が近年において注目されている。その熱可塑性樹脂を用いて平面板状の炭素繊維強化プラスチックを成形し、その成形された平面板状の炭素繊維強化プラスチックを立体形状に成形する方法としては、所望の形状の下型と上型とを用いて上下から加圧プレスして成形するＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法がある。このＲＴＭ法で平面板状の炭素繊維強化プラスチックを立体形状に成形する場合において、炭素繊維に含浸されている合成樹脂の流動を最小限にすることによって、炭素繊維の配列が変更されて強度低下を招くことを回避することが望まれる。しかし、溶融される合成樹脂量が十分でないため、炭素繊維強化プラスチックに所望の大きさの圧力を加えることができず、立体形状に成形された炭素繊維強化プラスチックの表面を光沢のある平滑面にすることができない。

そこで、炭素繊維を、１０００本以下の少ない本数にして炭素繊維強化プラスチックを成形することによって、炭素繊維に対する合成樹脂量の割合を高めるものが提案されている（例えば特許文献１）。

特開平１−１６３２１８号公報

上記特許文献１の構成では、炭素繊維強化プラスチックに所望の大きさの圧力を加えることができるものの、炭素繊維の本数が少なくなった分だけ、強度が低下するという問題がある。また、立体形状に成形した炭素繊維強化プラスチックに孔を形成する場合には、ロボットアームの先端にノズルを取り付け、ロボットアームの動きを制御する制御装置を備えた高価なウォータージェット加工装置が必要になり、設備コスト面において不利であり、実現し難いものであった。

そこで、本発明は、かかる事情に鑑みてなされたもので、強度低下を招くことがなく、表面を光沢のある平滑面にすることができ、しかも設備コスト面において有利になる炭素繊維強化プラスチックの加工方法を提供することを課題とする。

本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの加工方法は、炭素繊維の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂を該炭素繊維に含浸させて構成された平面板状の炭素繊維強化プラスチックに孔を形成した後、前記熱可塑性樹脂の融点以上でかつ前記炭素繊維の融点よりも低い温度で前記炭素繊維強化プラスチックを加熱して軟化させながら又は軟化させた後に折り曲げることで立体成形し、該立体成形された立体成形物を冷却し、冷却した前記立体成形物の孔の内径寸法よりも僅かに小さな外径寸法を有する突出部を備える入子を用意し、用意した入子の突出部に孔が入り込むように前記立体成形物を該入れ子にセットし、該立体成形物がセットされた入子を開閉自在な一対の成形型を有する金型の一方の成形型にセットし、前記熱可塑性樹脂と同一材料又は相溶性の良い熱可塑性樹脂で成形され、かつ、前記金型で圧縮される厚みを有する樹脂フィルムを前記立体成形物に被せた状態でセットし、該樹脂フィルムに接触する側となる他方の成形型を該樹脂フィルムの融点以上でかつ前記炭素繊維の融点よりも低い温度で加熱しつつ前記一対の成形型を型締めして該樹脂フィルムを圧縮することによって、溶融した樹脂フィルムの熱可塑性樹脂が、前記立体成形物の他方の成形型側の面を覆うとともに前記孔と前記突出部との間の僅かな隙間に入り込んで該孔の表面を覆い、この後冷却することにより前記熱可塑性樹脂で前記他方の成形型側の面及び前記孔の表面が被覆された立体成形物を得るようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、まず、平面板状の炭素繊維強化プラスチックに孔を形成することによって、立体形状にした炭素繊維強化プラスチックに孔を形成する場合に必要となる高価なウォータージェット加工装置を不要にすることができる。前記平面板状の炭素繊維強化プラスチックに孔を形成するには、例えば、簡易なウォータージェット加工装置による孔開け加工、プレス加工による孔開け加工、刃具（例えばドリル）による孔開け加工を用いることができる。孔を形成した後は、熱可塑性樹脂の融点以上でかつ前記炭素繊維の融点よりも低い温度で前記炭素繊維強化プラスチックを加熱して軟化させながら又は軟化させた後に折り曲げることで立体成形する。このとき、炭素繊維強化プラスチックを折り曲げるだけで、炭素繊維強化プラスチックには圧力が加わっていないので、炭素繊維の配列が変更されることがない。立体成形された炭素繊維強化プラスチックを冷却して得た立体成形物の孔の内径寸法よりも僅かに小さな外径寸法を有する突出部を備える入子を用意し、用意した入子の突出部に孔が入り込むように立体成形物を該入れ子にセットし、立体成形物がセットされた入子を開閉自在な一対の成形型を有する金型の一方の成形型にセットし、熱可塑性樹脂と同一材料又は相溶性の良い熱可塑性樹脂で成形され、かつ、金型で圧縮される厚みを有する樹脂フィルム（金型で圧縮できる量の樹脂量を備えた樹脂フィルム）を立体成形物に被せた状態でセットする。この後、樹脂フィルムに接触する側となる他方の成形型を樹脂フィルムの融点以上でかつ炭素繊維の融点よりも低い温度で加熱しつつ一対の成形型を型締めして樹脂フィルムを圧縮することによって、金型面に接触している樹脂フィルムが先に溶融し、その溶融された樹脂フィルムの熱可塑性樹脂が流動して立体成形物の他方の成形型側の面を覆うとともに孔と突出部との間の僅かな隙間に入り込んで孔の表面を覆い、この後冷却することによって熱可塑性樹脂で他方の成形型側の面及び孔の表面が被覆されて光沢のある平滑面になった立体成形物を得ることができる。

また、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの加工方法は、前記熱可塑性樹脂が、エポキシ樹脂であることが好ましい。

以上の如く、本発明によれば、平面板状の炭素繊維強化プラスチックに孔を形成した後に、平面板状の炭素繊維強化プラスチックを立体形状に成形し、立体成形物の外面及び内面のうちの少なくとも一方の面に熱可塑性樹脂と同一材料又は相溶性の良い熱可塑性樹脂で成形された樹脂フィルムを被せて金型で圧縮成形することによって、強度低下を招くことがなく、表面を光沢のある平滑面にすることができ、しかも設備コスト面において有利になる炭素繊維強化プラスチックの加工方法を提供することができる。

（ａ）は平面板状の炭素繊維強化プラスチックの平面図、（ｂ）は（ａ）の平面板状の炭素繊維強化プラスチックに６個の孔を形成した後の状態を示す平面図である。炭素繊維強化プラスチックの加工方法に用いる金型を開放した状態の縦断正面図である。同金型を閉じて炭素繊維強化プラスチックを曲げた状態の縦断正面図である。図３の閉じた金型を開放した状態の縦断正面図である。図２で示した組替入子とは異なる第２組替入子に曲げた炭素繊維強化プラスチックを被せた状態を示す金型の縦断正面図である。図５の炭素繊維強化プラスチックにフィルムを被せる直前の状態を示す金型の縦断正面図である。図６の開放した状態から金型を閉じた状態を示す金型の縦断正面図である。図７の閉じた状態から金型を開放した状態を示す金型の縦断正面図である。図８で取り出した組替入子に被せた炭素繊維強化プラスチックを組替入子から取り外した状態を示す正面図である。（ａ），（ｂ）は第１組替入子を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図、（ｃ），（ｄ）は第２組替入子を示し、（ｃ）は正面図、（ｄ）は側面図である。

図２及び図３に、本発明の炭素繊維強化プラスチックの加工方法で用いる金属製の金型１を示している。この金型１は、凹部２ａを有する雌型に構成された成形型である上型２と、雄型に構成された成形型である下型３とを備えている。上型２は、前記凹部２ａが形成された雌型の本体部２Ａと、本体部２Ａの上端に備える矩形状の水平板部２Ｂとを備えている。また、下型３は、土台となる矩形状の水平板部３Ａと、上型２の本体部２Ａの下端を受ける一対の当接部３Ｂ，３Ｂと、前記凹部２ａに入り込む雄型の本体部３Ｃとを備えている。また、上型２は、図示していない支持部を介して上下動自在に支持されるとともに、図示していないアクチュエータにより上下動可能に構成されている。従って、上型２は、図２に示す下型３の上方に位置する開放位置と、図３に示す下型３を覆うように下方に位置した閉じ位置とに位置変更可能な可動式に構成されている。ここでは、上型２を可動式に構成しているが、下型３を可動式に構成してもよいし、上型２及び下型３の両方を可動式に構成してもよい。また、上下方向に移動する金型１に構成されているが、水平方向に移動する金型であってもよい。

雄型の本体部３Ｃは、逆Ｔ字状の固定部３１と、この固定部３１に着脱自在に取り付けられる一対の第１組替入子３２，３２とを備えている（図１０（ａ），（ｂ）に一方の第１組替入子３２を図示している）。これら第１組替入子３２，３２の他、一対の第２組替入子３３，３３を取り替えて使用して（図１０（ｃ），（ｄ）に一方の第２組替入子３３を図示している）、炭素繊維強化プラスチックを加工する。

各第１組替入子３２は、図１０（ａ），（ｂ）に示すように、表面（外面）がフラットな略矩形状（長方形状）で板状の金属材料から構成されている。また、各第２組替入子３３は、図１０（ｃ），（ｄ）に示すように、前記第１組替入子３２と同様な形状と大きさの金属材料からなり、かつ、表面（外面）から突出する３つの異なる形状の突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを備えている。具体的には、図１０（ｃ）に示すように、四角の突出部３３Ａ、円形の突出部３３Ｂ、三角の突出部３３Ｃを第２組替入子３３の長手方向に所定間隔を置いて形成している。これら突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの形状は、後述する炭素繊維強化プラスチック（板材４）に形成する孔４Ａ，４Ｂ，４Ｃと同一形状にしているが、炭素繊維強化プラスチック（板材４）に形成する孔の形状及び大きさ並びに個数に応じて変更することになる。尚、表面（外面）からの突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの突出量は、炭素繊維強化プラスチックの板厚と同一に（又は板厚よりも大きくしてもよいし、逆に小さくしてもよい）している。尚、炭素繊維強化プラスチックの板厚よりも突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの突出量を大きくする場合には、後述する炭素繊維強化プラスチック（板材４）に樹脂フィルム５を被せて型締めした時に、炭素繊維強化プラスチック（板材４）に圧力がかかるように突出量の大きさを設定することになる。また、突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの大きさ（外形寸法）は、炭素繊維強化プラスチック（板材４）に形成する孔４Ａ，４Ｂ，４Ｃの内径寸法よりも僅かに小さく設定されている。

繊維強化プラスチックに使用される熱可塑性樹脂としては、エポキシ樹脂が好適に使用されるが、ＡＢＳ樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリエチレンテレフタレート樹脂、ナイロン樹脂、ポリカーボネイト樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フッ素樹脂、ウレタン樹脂などが挙げられる。

まず、炭素繊維の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂を該炭素繊維に含浸させて平面板状の炭素繊維強化プラスチックを製造する。例えば、炭素繊維の連続繊維に熱可塑性樹脂を含浸したシートを作成し、そのシートを予備加熱して柔らかくした状態でプレス成形したのち、熱可塑性樹脂の融点以下まで冷却することにより、平面板状の炭素繊維強化プラスチックを製造する。尚、この製造方法に限定されることなく、公知の真空成形又は真空圧空成形などの他の成形方法を用いて、平面板状の炭素繊維強化プラスチックを製造してもよい。

前記製造された平面板状の炭素繊維強化プラスチック（以下、単に板材という）を加工して製品化する方法について説明する。まず、図１（ａ）に示す板材４を用意し、図示していないウォータージェット加工装置を用いて板材４に要求されている形状の孔を開ける。具体的には、図１（ｂ）に示すように、３つの異なる形状の孔である四角の孔４Ａ、円形の孔４Ｂ、三角の孔４Ｃを板材４の左右両端部のそれぞれに開けることによって、合計６個の孔を開ける。このように孔加工された板材４を予め融点以上でかつ炭素繊維の融点未満に加熱して柔らかくする。その柔らかくなった板材４を、図２に示すように、上方に位置している上型２と、一対の第１組替入子３２，３２がセット（装着）された下型３との間にセット（配置）する。この状態で、上型２を下降させることによって、図３に示すように、板材４を門型に曲げる。このとき、図３の拡大図に示すように、上型２と下型３とで形成される空間の大きさ（上型２の凹部２ａと下型３の外面３ａとの距離）が板材４の厚みよりも大きくなるように設定されているため、板材４に金型１からの圧力が加わることがない。図３の拡大図に、板材４と上型２の凹部２ａとの間に隙間Ｓが発生している状態を示している。そのため、板材４の炭素繊維の配列が変更されることがなく、板材４が変形して曲げられることによって樹脂が延びることになる。このような状態では、金型１からの圧力が加わっていない板材４の表面及び裏面は、平滑ではない凹凸を有する面となる。ここでは、ウォータージェット加工装置を用いて板材４に孔を形成しているが、プレス加工であってもよいし、刃具（例えばドリル）により孔開けを行うようにしてもよい。

板材４を曲げて立体形状に成形した後は、金型１を冷却して樹脂の融点よりも低い温度にしてから、上型２を上方の開放位置まで上昇させて立体成形物となった板材４を取り出す（図４参照）。尚、この板材４の形状は、精度の良い状態ではないため、後述する再度圧力を加えて二次加工することによって、精度良く仕上げることができる。

続いて、図５に示すように、立体成形物に成形された板材４を一対の第２組替入子３３，３３に被せるようにセットする。つまり、各第２組替入子３３の突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃに板材４の一方側の３個の孔４Ａ，４Ｂ，４Ｃが入り込むようにセットする。このとき、前述したように３個の孔４Ａ，４Ｂ，４Ｃの内径寸法を突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃの外形寸法よりも僅かに大きく設定しているので、３個の孔４Ａ，４Ｂ，４Ｃに僅かに遊びのある状態で突出部３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃが入り込んでいる。

次に、前記のように板材４がセットされた一対の第２組替入子３３，３３を下型３の固定部３１にセットする（図６参照）。この後、板材４の外面に板材４を構成している熱可塑性樹脂と同一材料（相溶性の良い樹脂でもよい）の熱可塑性樹脂（ここではエポキシ樹脂）で成形された樹脂フィルム（金型で圧縮できる量（厚み）になるように成形された樹脂フィルム）５を被せる（図６では被せる直前の状態を示している）。続いて、上型２を下降して、上型２を樹脂フィルム５の融点以上でかつ炭素繊維の融点よりも低い温度で加熱しつつ型締め（下降）して圧縮することによって、上型２の内面（凹部２ａ）に接触している樹脂フィルム５が先に溶融し、その溶融された熱可塑性樹脂が流動して立体成形物である板材４の一方の面（外面）を覆うとともに僅かな隙間Ｓ１（図７の拡大図参照）に入り込んで６個の孔４Ａ…の表面を覆い（図５（ａ）の拡大図参照）、この後冷却して上型２を開放するとともに第２組替入子３３，３３を取り外す（図８参照）。取り外した第２組替入子３３，３３から立体成形物である板材４を分離することによって熱可塑性樹脂で立体成形物の板材４の表面及び孔４Ａ…の表面が被覆されて光沢のある平滑面になった立体成形物である板材４を得ることができる（図９参照）。尚、立体成形物の板材４を得た後は、余分な部分にくっ付いている熱可塑性樹脂を取り除く作業を行う。

前記相溶性が良いとは、熱力学的な相互溶解性が良好であることであり、言い換えれば硬化後に両者間において分離しないことである。具体的には、系統が同じ樹脂を選択することが望ましい。例えば、エポキシ樹脂と相溶性が良い樹脂としては、ポリエステルポリオール、アクリルポリオール、ビニル樹脂、アクリル樹脂、ウレタン樹脂、合成ゴム等が挙げられる。

上記のように、下型３に第２組替入子３３，３３を装着して、立体成形物である板材４の孔４Ａ…を僅かな隙間を残した状態で埋めることによって、孔４Ａ…の表面に溶融された熱可塑性樹脂で覆うことができるとともに、孔４Ａ…の周縁部が金型１からの圧力を受けて変形することを防止できる。また、第１組替入子３２，３２及び第２組替入子３３，３３を備えることによって、同一の成形型２，３を用いることができ、例えば２種類の組替入子に対応する形状に構成された２種類の下型を用意する場合に比べて、コスト面において有利になる。

尚、本発明に係る炭素繊維強化プラスチックの加工方法は、実施形態に限定されるものではなく、本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。

前記実施形態では、立体成形物である板材４の一方の面（外面）のみを樹脂フィルム５で覆ったが、他方の面（内面）のみを樹脂フィルム５で覆ってもよいし、両面のそれぞれを樹脂フィルム５で覆ってもよい。尚、他方の面（内面）のみを樹脂フィルム５で覆う場合には、下型３のみを加熱し、両面のそれぞれを樹脂フィルム５で覆う場合には、上型２及び下型３の両方の成形型を加熱して成形することになる。

また、前記実施形態では、立体成形物を異なる方向に沿う３つの面を有するものに成形したが、異なる方向に沿う２つの面又は４つ以上の面を有する形状のものに成形してもよい。

また、前記実施形態では、一方の成形型に入子を装着して立体成形物の孔を僅かな隙間を残した状態で埋めるようにしたが、一方の成形型を入子の形状に合わせた成形型に構成した２種類の形状の成形型を備えていてもよい。

また、前記実施形態では、成形型を上型２と下型３の２つの型から構成したが、３つ以上の型から構成してもよい。

また、前記実施形態では、立体成形された立体成形物の外面及び内面のうちの少なくとも一方の面に樹脂フィルムを被せた状態で型締めする一対の成形型と同一の成形型を用いることによって、設備コストの低減を図りながら平面板状の炭素繊維強化プラスチックを折り曲げて立体成形物を得るようにしたが、例えば押圧ローラで平面板状の炭素繊維強化プラスチックを下型に押し付けることにより折り曲げて立体成形物を得るようにしてもよい。

１…金型、２…上型、２Ａ…本体部、２Ｂ…水平板部、２ａ…凹部、３…下型、３Ａ…水平板部、３Ｂ…当接部、３Ｃ…本体部、３ａ…外面、４…板材（炭素繊維強化プラスチック）、４Ａ，４Ｂ，４Ｃ…孔、５…樹脂フィルム、３１…固定部、３２…第１組替入子、３３…第２組替入子、３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ…突出部、Ｓ，Ｓ１…隙間

Claims

炭素繊維の融点よりも低い融点を有する熱可塑性樹脂を該炭素繊維に含浸させて構成された平面板状の炭素繊維強化プラスチックに孔を形成した後、前記熱可塑性樹脂の融点以上でかつ前記炭素繊維の融点よりも低い温度で前記炭素繊維強化プラスチックを加熱して軟化させながら又は軟化させた後に折り曲げることで立体成形し、該立体成形された立体成形物を冷却し、冷却した前記立体成形物の孔の内径寸法よりも僅かに小さな外径寸法を有する突出部を備える入子を用意し、用意した入子の突出部に孔が入り込むように前記立体成形物を該入れ子にセットし、該立体成形物がセットされた入子を開閉自在な一対の成形型を有する金型の一方の成形型にセットし、前記熱可塑性樹脂と同一材料又は相溶性の良い熱可塑性樹脂で成形され、かつ、前記金型で圧縮される厚みを有する樹脂フィルムを前記立体成形物に被せた状態でセットし、該樹脂フィルムに接触する側となる他方の成形型を該樹脂フィルムの融点以上でかつ前記炭素繊維の融点よりも低い温度で加熱しつつ前記一対の成形型を型締めして該樹脂フィルムを圧縮することによって、溶融した樹脂フィルムの熱可塑性樹脂が、前記立体成形物の他方の成形型側の面を覆うとともに前記孔と前記突出部との間の僅かな隙間に入り込んで該孔の表面を覆い、この後冷却することにより前記熱可塑性樹脂で前記他方の成形型側の面及び前記孔の表面が被覆された立体成形物を得るようにしたことを特徴とする炭素繊維強化プラスチックの加工方法。
前記熱可塑性樹脂が、エポキシ樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維強化プラスチックの加工方法。