JP6709056B2 - 繊維強化樹脂構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂構造体の製造方法に関する。

自動車車体の構造部品は、従来、鋼材等の金属材料により構成されていた。近年、車体の軽量化のために、炭素繊維強化樹脂（ＣＦＲＰ）等の繊維強化樹脂からなる構成部品が使用されつつある。このような繊維強化樹脂からなる構成部品は、例えば、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを積層し、得られた積層体を、金型を用いてプレス加工することにより成形される。

例えば、特許文献１には、繊維強化プラスチックの製造において、優れた力学特性、その低バラツキ性、優れた寸法安定性を安定して発現させるために、一方向に引き揃えられた強化繊維とマトリックス樹脂とを含んで構成されるプリプレグ基材の積層数が多い厚肉部と、プリプレグ基材の積層数が少ない薄肉部と、厚肉部と薄肉部の境界である段差部とが形成されるように積層し、板厚の異なる平板状の積層体を得る積層工程と、成形型に設けられている段差部に積層体の段差部が位置するように位置決めして配置し、積層体を伸張させて充填させる成形工程と、成形型から繊維強化樹脂を取り出す脱型工程と、を含む繊維強化プラスチックの製造方法に関する技術が開示されている。

特開２００９−２９２００２号公報

特許文献１に開示されている技術では、繊維強化樹脂シートの積層工程において、特定の部分に他の部分と比較して多くの繊維強化樹脂シートを積層することにより、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体の製造が実現される。ここで、特定の部分に他の部分と比較して多くの繊維強化樹脂シートを積層するためには、積層工程において、積層された繊維強化樹脂シート上の特定の部分に、さらに、部分的に繊維強化樹脂シートを積層する必要がある。しかしながら、積層工程において、このように特定の部分に部分的に繊維強化樹脂シートを積層することによって、材料の位置決めの工数が増大し得る。また、積層工程の後工程である、積層体を加熱する加熱工程又は積層体をプレス加工するプレス工程において、厚肉部に相当する箇所の部分的に積層された繊維強化樹脂シートの位置がずれるおそれがある。ゆえに、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体の製造効率を向上させることが望ましいと考えられる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体の製造効率を向上させることが可能な、新規かつ改良された繊維強化樹脂構造体の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、一方向に配向した連続繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向繊維強化樹脂シートを含む複数の繊維強化樹脂シートを積層して繊維強化樹脂積層体を形成する工程と、前記繊維強化樹脂積層体を加熱する加熱工程と、加熱した前記繊維強化樹脂積層体を第１の型と第２の型により挟んでプレス加工し、繊維強化樹脂構造体を成形するプレス工程と、を備え、前記第１の型のプレス面は、前記第２の型のプレス面と対向する第１平行部と、前記第２の型のプレス面と対向し、前記第１平行部と比較して、前記第２の型のプレス面に近い側に設けられる第２平行部と、前記第１平行部と前記第２平行部との間に位置し、前記第２平行部の端部から前記第１平行部の端部にかけて前記第２の型のプレス面から遠ざかるように傾斜する傾斜部と、を備え、前記第１の型の前記傾斜部と前記第２の型のプレス面との間には、少なくとも１つの前記一方向繊維強化樹脂シートの前記連続繊維の配向方向に対して直交する方向に沿って前記第１の型と前記第２の型との間隔が拡大する拡大領域が設けられ、前記プレス工程において、前記繊維強化樹脂積層体は、前記第２平行部と前記第２の型のプレス面によって挟まれ前記第１平行部及び前記傾斜部とは接していない状態で変形し始め、前記第１平行部及び前記傾斜部との接触面積を増大させながら変形を続けた後、前記第２の型と前記第１の型によって形成される閉空間に充填される、繊維強化樹脂構造体の製造方法が提供される。

前記プレス工程において、前記連続繊維を前記配向方向に対して直交する方向に流動させることによって、前記繊維強化樹脂構造体が成形されてもよい。

前記プレス工程において、前記第１の型における前記第１平行部の前記傾斜部側の一部、前記第２平行部の前記傾斜部側の一部、及び、前記傾斜部を含む領域の温度と、前記第２の型における当該領域と対向する領域の温度が、前記第１の型及び前記第２の型における他の部分と比較して高温に設定されてもよい。

以上説明したように本発明によれば、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体の製造効率を向上させることが可能となる。

本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法によって製造される繊維強化樹脂構造体の一例を示す斜視図である。 同実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法を示す説明図である。 同実施形態に係るプレス工程で用いられる金型の構成の一例を示す説明図である。 同実施形態に係るプレス工程について説明するための説明図である。 同実施形態に係るプレス工程における連続繊維の流動について説明するための説明図である。 同実施形態に係るプレス工程における連続繊維の流動について説明するための説明図である。 同実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法を利用して製造される繊維強化樹脂構造体の一例を示す斜視図である。 変形例に係るプレス工程において用いられる金型の構成の一例を示す説明図である。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素を、同一の符号の後に異なるアルファベットを付して区別する場合もある。ただし、実質的に同一の機能構成を有する複数の構成要素の各々を特に区別する必要がない場合、同一符号のみを付する。

＜１．繊維強化樹脂構造体＞
本発明の実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法は、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させた繊維強化樹脂シートを積層した繊維強化樹脂積層体をプレス加工することによって繊維強化樹脂構造体を成形する繊維強化樹脂構造体の製造方法である。本実施形態によれば、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体の製造効率を向上させることが可能となる。以下、本実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法によって製造される繊維強化樹脂構造体の構成例について説明した後に、繊維強化樹脂構造体の製造方法について説明する。

図１は、本実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法によって製造される繊維強化樹脂構造体２０の一例を示す斜視図である。繊維強化樹脂構造体２０は、繊維強化樹脂を用いて成形され、鋼板からなる構造体と比較して軽量でありつつ、高い強度を有している。繊維強化樹脂構造体２０の用途は特に限定されないが、繊維強化樹脂構造体２０は、例えば、自動車車体用の構造部品として使用される。

繊維強化樹脂構造体２０の成形素材となる繊維強化樹脂シートは、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させて形成される。使用される強化繊維は、特に限定されるものではなく、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等であってもよく、さらにはこれらの強化繊維を組み合わせて使用してもよい。中でも、炭素繊維は、機械特性が高く、強度設計を行いやすいことから、強化繊維が炭素繊維を含むことが好ましい。

強化繊維としては、繊維強化樹脂シートの一端から他端まで連続する連続繊維が用いられる。繊維強化樹脂シートとしては、連続繊維が一方向に配向した一方向繊維強化樹脂シートが用いられる。なお、繊維強化樹脂構造体２０を構成する繊維強化樹脂シートは、一方向繊維強化樹脂シート以外の繊維強化樹脂シートを含んでもよい。例えば、繊維強化樹脂構造体２０を構成する繊維強化樹脂シートは、繊維強化樹脂シートの一端から他端までの長さより短い短繊維の強化繊維を含む繊維強化樹脂シートや、強化繊維が複数方向に向けて配置された繊維強化樹脂シートを含んでもよい。

また、繊維強化樹脂シートのマトリックス樹脂には熱可塑性樹脂が用いられる。マトリックス樹脂としては、例えば、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリスチレン樹脂、ＡＳ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリカーボネート樹脂、熱可塑性ポリエステル樹脂、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂、フッ素樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルケトン樹脂、ポリイミド樹脂などが例示される。これらの熱可塑性樹脂うちの１種類、あるいは２種類以上の混合物を使用することができる。これら熱可塑性樹脂は、単独でも、混合物でも、また共重合体であってもよい。混合物の場合には相溶化剤を併用してもよい。さらに、難燃剤として臭素系難燃剤、シリコン系難燃剤、赤燐などを加えてもよい。

この場合、使用される熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリオレフィン系樹脂、ナイロン６、ナイロン６６等のポリアミド系樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル系樹脂、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルフォン、芳香族ポリアミド等の樹脂が挙げられる。中でも可塑性マトリックス樹脂がポリアミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン及びフェノキシ樹脂からなる群より選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。

なお、積層される複数の繊維強化樹脂シートは、それぞれ強化繊維の種類や含有率等が異なっていてもよい。また、積層される複数の繊維強化樹脂シートにおいて、マトリックス樹脂が相溶性を有する異なる材料同士であってもよく、あるいは、同一のマトリックス樹脂に対して異なる添加物等が混合されていてもよい。この場合においても、繊維強化樹脂シートの溶融及び硬化を効率的に行えるように、マトリックス樹脂の融点が近似することが好ましい。

繊維強化樹脂シートは、例えば、一般的なフィルム含浸法や溶融含浸法等のプロセスにより、強化繊維を連続的に送り出しながらマトリックス樹脂を当該強化繊維に含浸させる方法により製造される。この繊維強化樹脂シートを所望のサイズに切断することにより、成形素材としての繊維強化樹脂シートが得られる。所望のサイズに切断した複数の繊維強化樹脂シートの幅方向の端部を接着剤等により互いに接合して、所望の幅及び長さの繊維強化樹脂シートを形成してもよい。繊維強化樹脂シートの厚さは、例えば、０．０３〜１ｍｍの範囲内の値とすることができる。

本実施形態において、繊維強化樹脂シートを用いて成形される繊維強化樹脂構造体２０では、図１に示すように、部分的に板厚が異なる。具体的には、繊維強化樹脂構造体２０は、互いに板厚が異なる厚肉部２０ａ及び薄肉部２０ｂを有する。図１に示すように、厚肉部２０ａの板厚が、薄肉部２０ｂの板厚と比較して、厚い。また、図１に示すように、薄肉部２０ｂから厚肉部２０ａにかけて板厚が拡大する板厚拡大部２０ｃが設けられる。繊維強化樹脂構造体２０は、その使用条件により、厚肉部２０ａに他の部分と比較して大きな応力が負荷される部材となっている。このような繊維強化樹脂構造体２０としては、例えば、構造部材において応力が高くなる締結部分を有する構造体等が挙げられる。なお、繊維強化樹脂構造体２０は、部分的に板厚が異なる板厚分布を有していればよく、図１に例示した形状に限られない。

＜２．繊維強化樹脂構造体の製造方法＞
本実施形態に係る繊維強化樹脂構造体２０の製造方法について具体的に説明する。図２は、成形素材としての繊維強化樹脂シート１０から繊維強化樹脂構造体２０が得られるまでの工程を模式的に示した説明図である。当該製造方法は、積層工程と、加熱工程と、プレス工程と、を備える。以下、各工程について詳細に説明する。

[２−１．積層工程]
積層工程は、複数の繊維強化樹脂シート１０を積層して繊維強化樹脂積層体１２を形成する工程である。本実施形態では、一方向に配向した連続繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向繊維強化樹脂シートを含む複数の繊維強化樹脂シート１０が用いられる。ここで、図２に示した繊維強化樹脂シート１０の積層枚数は一例に過ぎず、他の数であってもよい。以下では、積層される複数の繊維強化樹脂シート１０の各々は、一方向繊維強化樹脂シートであり、各繊維強化樹脂シート１０の連続繊維の配向方向が同一である例について説明する。各繊維強化樹脂シート１０の連続繊維の配向方向を揃えることによって、得られる繊維強化樹脂構造体２０の当該配向方向に対する強度を効果的に向上させることができる。なお、複数の繊維強化樹脂シート１０のうちの少なくとも１枚の繊維強化樹脂シート１０の連続繊維の配向方向を異ならせて繊維強化樹脂シート１０を積層してもよく、その場合には、得られる繊維強化樹脂構造体２０の強度に異方性を持たせることができる。

上述のとおり、成形素材としての繊維強化樹脂シート１０は、繊維強化樹脂シートを所望のサイズに切断したものであってもよく、所望のサイズに切断した繊維強化樹脂シートの幅方向の端部を互いに接合して所望の幅にしたものであってもよい。積層する繊維強化樹脂シート１０の枚数や平面視の大きさは、製造する繊維強化樹脂構造体２０の厚さや大きさに応じて、適宜選択し得る。

[２−２．加熱工程]
加熱工程は、繊維強化樹脂積層体１２を加熱する工程である。加熱工程では、例えば、繊維強化樹脂積層体１２が加熱装置４０に投入される。当該繊維強化樹脂積層体１２は、上面側及び下面側から、電熱線や遠赤外線ヒータ等の加熱手段４１，４３によって加熱される。加熱装置４０の温度は、マトリックス樹脂の融点以上に設定される。加熱工程では、マトリックス樹脂が分解しないように、繊維強化樹脂積層体１２が溶融状態にされる。用いられる加熱装置は、特に限定されない。

[２−３．プレス工程]
プレス工程は、溶融状態の繊維強化樹脂積層体１２をプレス加工し、所望の形状の繊維強化樹脂構造体２０を成形する工程である。プレス工程では、プレス装置５０に取り付けられた第１の型５１及び第２の型５３の温度がマトリックス樹脂の融点未満にされる。プレス工程において、第２の型５３上に溶融状態の繊維強化樹脂積層体１２が設置された後に、対向する第１の型５１及び第２の型５３が互いに接近させられることによって、繊維強化樹脂積層体１２が第１の型５１と第２の型５３により挟まれてプレス加工される。これにより、繊維強化樹脂積層体１２が硬化して、所望の形状の繊維強化樹脂構造体２０が得られる。第１の型５１及び第２の型５３は、例えば、一組の金型である。

ここで、本実施形態に係る繊維強化樹脂構造体２０の製造方法では、プレス工程において、連続繊維の流動を利用して、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０の成形が行われる。それにより、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０の製造効率を向上させることができる。なお、プレス工程における連続繊維の流動において、連続繊維は、当該連続繊維の周囲のマトリックス樹脂とともに流動する。以下、このようなプレス工程における金型及びプレス加工について詳細に説明する。

（金型）
まず、本実施形態のプレス工程において用いられる金型の構成について説明する。本実施形態では、第１の型５１と第２の型５３との間には、少なくとも１つの一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向に対して略直交する方向に沿って第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する拡大領域が設けられる。

図３は、本実施形態に係るプレス工程で用いられる金型の構成の一例を示す説明図である。具体的には、図３は、プレス工程において、第２の型５３上に設置される繊維強化樹脂積層体１２に含まれる一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向に直交する断面における断面図である。換言すると、プレス工程において、繊維強化樹脂積層体１２は、当該連続繊維の配向方向が図３の紙面に対して直交する方向に沿う姿勢で、第２の型５３上に設置される。図３に示した矢印Ｂ１０は、当該連続繊維の配向方向に略直交する方向を示す。

図３に示したように、第２の型５３は、例えば、ベース部５３ａと、壁部５３ｂと、を備える。ベース部５３ａは、第１の型５１と対向する平坦なプレス面５３ｐを有する。壁部５３ｂは、ベース部５３ａのプレス面５３ｐ側に設けられ、プレス工程において第２の型５３上に設置される繊維強化樹脂積層体１２のプレス加工時の平面方向の寸法の変動を抑制する。壁部５３ｂは環状であってもよく、プレス工程において、繊維強化樹脂積層体１２は、ベース部５３ａと壁部５３ｂによって形成される収容空間に収容される。なお、当該収容空間は、多角柱形状、円柱形状又は楕円柱形状を含み得る。ベース部５３ａと壁部５３ｂにより形成される収容空間の形状と繊維強化樹脂積層体１２の形状とは対応するように構成され得る。壁部５３ｂは、複数の部材によって構成されてもよい。

また、第１の型５１が第２の型５３に接近した状態において、第１の型５１の側面は、壁部５３ｂにより覆われる。壁部５３ｂの内側面の形状と第１の型５１の側面の形状とは対応するように構成され得る。それにより、プレス工程において、第１の型５１及び第２の型５３が互いに接近させられることによって、第２の型５３のベース部５３ａ及び壁部５３ｂと第１の型５１によって閉空間が形成される。本実施形態に係るプレス工程では、繊維強化樹脂積層体１２は、第１の型５１及び第２の型５３により押圧され、当該閉空間に充填されるように変形する。なお、本実施形態に係るプレス工程における繊維強化樹脂積層体１２の変形挙動の詳細については、後述する。

第１の型５１のプレス面５１ｐは、第２の型５３のプレス面５３ｐに対して略平行な第１平行部５１ａ及び第２平行部５１ｂと、第２の型５３のプレス面５３ｐに対して傾斜し、第１平行部５１ａと第２平行部５１ｂとの間に位置する傾斜部５１ｃと、を備える。例えば、図３に示したように、第２平行部５１ｂは、第１平行部５１ａと比較して、第２の型５３のプレス面５３ｐに近い側に設けられ、傾斜部５１ｃは、第２平行部５１ｂの端部から第１平行部５１ａの端部にかけて第２の型５３のプレス面５３ｐから遠ざかるように傾斜する。

図３に示すように、第１の型５１の傾斜部５１ｃと第２の型５３のプレス面５３ｐとの間に設けられる拡大領域Ｅ１０において、矢印Ｂ１０が示す方向に沿って第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する。ゆえに、拡大領域Ｅ１０において、繊維強化樹脂積層体１２に含まれる一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向に対して略直交する方向に沿って第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する。

なお、本明細書において、第１の型５１と第２の型５３との間隔とは、それぞれの位置における第１の型５１のプレス面５１ｐと第２の型５３のプレス面５３ｐとの最短距離を指す。また、図３に例示したプレス工程で用いられる金型は、一例に過ぎず、上述した拡大領域が設けられれば、他の形状を有していてもよい。

また、拡大領域Ｅ１０における、矢印Ｂ１０が示す方向についての、第１の型５１と第２の型５３のなす傾斜角は、プレス工程において、当該連続繊維の流動が促進される角度であることが好ましい。当該傾斜角が過度に大きい場合には、プレス加工時に、第１の型５１と第２の型５３とが接近する過程において、傾斜部５１ｃと繊維強化樹脂積層体１２との接触が不十分となり得るので、連続繊維の流動が促進されにくい。よって、拡大領域Ｅ１０における、矢印Ｂ１０が示す方向についての、第１の型５１と第２の型５３のなす傾斜角に相当する傾斜部５１ｃと第２の型５３のプレス面５３ｐのなす角の角度について、連続繊維の流動を促進させる観点から、設定範囲を規定する上限値が設定され得る。

（プレス加工）
次に、上記第１の型５１及び第２の型５３を用いて実施されるプレス加工について説明する。図４は、本実施形態に係るプレス工程について説明するための説明図である。

上述したように、プレス工程では、対向する第１の型５１及び第２の型５３が互いに接近させられることによって、繊維強化樹脂積層体１２が第１の型５１と第２の型５３により挟まれてプレス加工される。第１の型５１及び第２の型５３は、例えば、図３に模式的に示したプレス装置５０に取り外し可能に固定されている。プレス装置５０は、一般的なプレス機であってよく、プレス方向は特に限定されない。例えば、プレス装置５０のプレス方向は、鉛直方向であってもよく、水平方向であってもよい。また、プレス工程において、第１の型５１及び第２の型５３は互いに相対的に可動であればよく、第１の型５１及び第２の型５３の少なくとも一方は非可動であってもよい。以下では、第２の型５３が非可動であって、第１の型５１が鉛直方向へ可動であるように構成されている例について説明する。

プレス工程において、まず、第２の型５３上に溶融状態の繊維強化樹脂積層体１２が設置された後、第１の型５１が第２の型５３に近づくように降下を開始する。第１の型５１が降下することによって、繊維強化樹脂積層体１２が第１の型５１と第２の型５３により挟まれてプレス加工される。本実施形態では、第１の型５１と第２の型５３との間には、少なくとも１つの一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向に対して略直交する方向に沿って第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する拡大領域Ｅ１０が設けられる。それにより、当該プレス加工において、第１の型５１の降下に伴って、繊維強化樹脂積層体１２の連続繊維が流動することによって、繊維強化樹脂積層体１２が変形する。そして、図４に示したように、第１の型５１が下死点に到達したときに、繊維強化樹脂積層体１２は、第２の型５３のプレス面５３ｐ及び壁部５３ｂの内側面と第１の型５１のプレス面５１ｐによって形成される閉空間に充填される。当該プレス加工の過程において、繊維強化樹脂積層体１２では、温度が低下していくとともに、硬化が進展していく。第１の型５１は、下死点に到達した後、第２の型５３から遠ざかるように上昇を開始し、所望の形状に成形された繊維強化樹脂構造体２０が金型から取り出される。

続いて、本実施形態に係るプレス工程における繊維強化樹脂積層体１２の変形挙動について、詳細に説明する。上述したように、本実施形態では、プレス加工において、第１の型５１の降下に伴って、繊維強化樹脂積層体１２の連続繊維が流動することによって、繊維強化樹脂積層体１２が変形する。図５及び図６は、本実施形態に係るプレス工程における連続繊維の流動について説明するための説明図であり、繊維強化樹脂積層体１２の変形挙動が模式的に示されている。また、図５及び図６は、繊維強化樹脂積層体１２に含まれる一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維９０の配向方向に直交する断面における断面図である。具体的には、図５は、プレス工程において、第１の型５１が降下を開始した後、第１の型５１のプレス面５１ｐの一部である第２平行部５１ｂが繊維強化樹脂積層体１２に接した時点での様子を示す。図６は、第１の型５１が図５に示した位置よりさらに下方に降下した時点での様子を示す。

プレス工程において、図５に示したように、第１の型５１のプレス面５１ｐの一部である第２平行部５１ｂが繊維強化樹脂積層体１２に接した時点から繊維強化樹脂積層体１２の変形が開始される。図５に示した状態では、繊維強化樹脂積層体１２において、第２平行部５１ｂと第２の型５３のプレス面５３ｐによって挟まれる部分に、板厚方向の押圧力が負荷される。また、第１平行部５１ａ及び傾斜部５１ｃは、繊維強化樹脂積層体１２と接していないので、繊維強化樹脂積層体１２において、第１平行部５１ａ及び傾斜部５１ｃと第２の型５３のプレス面５３ｐの間に位置する部分には、板厚方向の押圧力が負荷されていない。また、繊維強化樹脂積層体１２の平面方向の寸法の変動は、第２の型５３の壁部５３ｂによって、抑制されている。ゆえに、繊維強化樹脂積層体１２において、第２平行部５１ｂと第２の型５３のプレス面５３ｐによって挟まれる部分を、拡大領域Ｅ１０において、第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する方向へ押し込むような力が生じる。

一般に、繊維強化樹脂積層体に外力を負荷することにより、当該繊維強化樹脂積層体に含まれる繊維を流動させる場合、連続繊維のように繊維長さが長い繊維ほど、流動が生じにくくなると考えられている。本件発明者は、繊維強化樹脂積層体に含まれる連続繊維の流動について創意工夫を重ね、結果、一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維は、当該連続繊維の配向方向に対して略直交する方向に、流動し得ることを見出した。本実施形態では、拡大領域Ｅ１０において、連続繊維９０の配向方向に対して略直交する方向に沿って、第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大している。それにより、プレス工程において、繊維強化樹脂積層体１２の連続繊維９０を、拡大領域Ｅ１０において、第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する方向へ流動させやすくすることができる。

プレス工程では、上述したように、金型の温度はマトリックス樹脂の融点未満である。ゆえに、繊維強化樹脂積層体１２と金型とが接触した後、繊維強化樹脂積層体１２の金型と接した表層部側から温度が低下し始め、表層部から内部へ順に硬化が進展していく。よって、図５及び図６に示したように、例えば、繊維強化樹脂積層体１２の内部に位置する連続繊維９０ａが、拡大領域Ｅ１０において、第１の型５１と第２の型５３との間隔が拡大する方向へ流動し得る。

プレス加工前の繊維強化樹脂積層体１２の厚さは、プレス工程において、連続繊維９０の流動が促進される厚さであることが好ましい。上述したように、プレス工程において、繊維強化樹脂積層体１２と金型とが接触した後、繊維強化樹脂積層体１２の表層部から内部へ順に硬化が進展していく。ゆえに、繊維強化樹脂積層体１２の厚さが過度に薄い場合には、繊維強化樹脂積層体１２と金型とが接触した時点から繊維強化樹脂積層体１２の内部へ硬化が進展するまでの時間が短くなることにより、プレス加工において、連続繊維９０が流動可能な時間が短くなる。ゆえに、連続繊維９０の流動が促進されにくくなる。繊維強化樹脂積層体１２の厚さは、連続繊維の流動を促進させる観点から、例えば、２ｍｍ以上の値に設定され得る。

第１の型５１が繊維強化樹脂積層体１２に接触し、繊維強化樹脂積層体１２の変形が開始した後、第１の型５１の降下に伴って、繊維強化樹脂積層体１２の連続繊維９０の流動が生じることによって、繊維強化樹脂積層体１２が変形する。具体的には、図６に示したように、繊維強化樹脂積層体１２は、第１平行部５１ａ及び傾斜部５１ｃとの接触面積を増大させながら変形を続けた後、第２の型５３のプレス面５３ｐ及び壁部５３ｂの内側面と第１の型５１のプレス面５１ｐによって形成される閉空間に充填される。

このようなプレス加工によって、繊維強化樹脂積層体１２の厚さは、第２平行部５１ｂと第２の型５３のプレス面５３ｐによって挟まれる部分については減少し、第１平行部５１ａと第２の型５３のプレス面５３ｐの間に位置する部分については増大する。プレス加工における繊維強化樹脂積層体１２の第２平行部５１ｂと第２の型５３のプレス面５３ｐによって挟まれる部分が、図１に示した繊維強化樹脂構造体２０の薄肉部２０ｂに相当する。また、プレス加工における繊維強化樹脂積層体１２の第１平行部５１ａと第２の型５３のプレス面５３ｐによって挟まれる部分が、図１に示した繊維強化樹脂構造体２０の厚肉部２０ａに相当する。また、プレス加工における繊維強化樹脂積層体１２の傾斜部５１ｃと第２の型５３のプレス面５３ｐによって挟まれる部分が、図１に示した繊維強化樹脂構造体２０の板厚拡大部２０ｃに相当する。

プレス加工前の繊維強化樹脂積層体１２の厚さは、プレス加工によって得られる繊維強化樹脂構造体２０の寸法の設計値に基づいて算出され得る。また、プレス加工前の繊維強化樹脂積層体１２の厚さは、プレス加工による薄肉部２０ｂの板厚の変化率に基づいて、連続繊維の流動を促進させ得る値に設定されてもよい。

以上説明したように、本実施形態に係る繊維強化樹脂構造体２０の製造方法によれば、プレス工程において、連続繊維の流動を利用して、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０の成形が行われる。具体的には、プレス工程において、連続繊維９０を当該連続繊維９０の配向方向に対して略直交する方向に流動させることによって、繊維強化樹脂構造体２０が成形される。それにより、積層された繊維強化樹脂シート上の特定の部分に、さらに、部分的に繊維強化樹脂シートを積層する工程を行わずに、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０を成形することができる。ゆえに、工数を増大させることなく、かつ、繊維強化樹脂シートの位置のずれの発生を防止させつつ、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０を成形することができる。従って、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０の製造効率を向上させることができる。

上記では、図１を参照して説明した繊維強化樹脂構造体２０の製造方法について説明したが、本発明に係る技術を適用して製造し得る繊維強化樹脂構造体は、係る例に限定されない。例えば、使用する繊維強化樹脂シートの形状及び積層枚数並びに金型の形状を製造される繊維強化樹脂構造体の形状に応じて適宜設定することにより、種々の形状の繊維強化樹脂構造体を、本発明に係る製造方法によって、製造することができる。

図７は、本実施形態に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法を利用して製造される繊維強化樹脂構造体２２の一例を示す斜視図である。図７に示した繊維強化樹脂構造体２２は、本発明に係る製造方法によって製造される部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体に、穴明け加工を行うことにより得られる。繊維強化樹脂構造体２２は、厚肉部２２ａ、薄肉部２２ｂ及び板厚拡大部２２ｃを有する。図７に示したように、繊維強化樹脂構造体２２の厚肉部２２ａには貫通孔Ｈ１０が穿孔される。厚肉部２２ａに設けられた貫通孔Ｈ１０には、例えば、繊維強化樹脂構造体２２と他の部品とを締結するために用いられるネジが貫通する。このように、締結部分である厚肉部２２ａは、繊維強化樹脂構造体２２において応力が高くなるので、他の部分と比較して板厚が厚くなるように設計される。本発明に係る製造方法を利用することによって、このような締結部分を有する繊維強化樹脂構造体２２の製造効率を向上させることができる。

＜３．変形例＞
続いて、プレス工程において、金型の温度を制御することによって、連続繊維の流動を促進させる変形例について説明する。変形例に係る繊維強化樹脂構造体の製造方法のプレス工程では、図３を参照して説明した金型と比較して、異なる構成を有する金型が用いられる。以下、変形例に係るプレス工程における金型及びプレス加工について詳細に説明する。

図８は、変形例に係るプレス工程において用いられる金型の構成の一例を示す説明図である。具体的には、図８は、プレス工程において、第２の型７３上に設置される繊維強化樹脂積層体に含まれる一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向に直交する断面における断面図である。

変形例に係る金型において、図８に示したように、第１の型７１及び第２の型７３には、それぞれ加熱部Ｃ１０及び加熱部Ｃ２０が設けられる。加熱部Ｃ１０（加熱部Ｃ２０）は、第１の型７１のプレス面５１ｐ（第２の型７３のプレス面５３ｐ）の近傍に設けられ、プレス面５１ｐ（プレス面５３ｐ）の温度を調整する。加熱部Ｃ１０（加熱部Ｃ２０）は、例えば、電熱線であってもよく、図示しない電力供給装置から当該電熱線に供給される電力の大きさに応じて発熱することによって、プレス面５１ｐ（プレス面５３ｐ）の温度を調整し得る。

加熱部Ｃ１０（加熱部Ｃ２０）は、図８に示したように、複数設けられてもよい。また、各加熱部Ｃ１０（加熱部Ｃ２０）は、例えば、水平方向について等間隔に配置され、各加熱部Ｃ１０（加熱部Ｃ２０）には、位置に応じた電力が電力供給装置から供給されるように構成され得る。それにより、各加熱部Ｃ１０（加熱部Ｃ２０）へ供給される電力を調整することによって、プレス面５１ｐ（プレス面５３ｐ）の温度分布を調整することができる。

変形例では、第１の型７１及び第２の型７３の温度を、プレス工程において、連続繊維の流動が促進される温度に設定する。例えば、プレス面５１ｐ（プレス面５３ｐ）の温度分布を、プレス工程において、連続繊維の流動が促進され得る温度分布に設定する。上述したように、プレス工程では、金型の温度はマトリックス樹脂の融点未満である。ゆえに、繊維強化樹脂積層体１２と金型とが接触した後、繊維強化樹脂積層体１２の表層部から内部へ順に、温度の低下に伴い、硬化が進展していく。ここで、繊維強化樹脂積層体１２の硬化が進んだ部分の連続繊維ほど、流動性が低下する。ゆえに、金型の温度を上昇させることにより、繊維強化樹脂積層体１２の硬化の進展速度を緩めることによって、連続繊維の流動を促進させることができる。

変形例では、具体的には、繊維強化樹脂積層体１２において連続繊維の流動が生じ得る部分の近傍の金型の温度は、他の部分と比較して、高温に設定される。連続繊維の流動が生じ得る部分の近傍の領域は、例えば、図８に示したように、第１平行部５１ａの傾斜部５１ｃ側の一部と、第２平行部５１ｂの傾斜部５１ｃ側の一部と、傾斜部５１ｃと、を含む領域Ｅ２１及び第２の型７３において当該領域Ｅ２１と対向する領域Ｅ２３である。この場合において、領域Ｅ２１及び領域Ｅ２３におけるプレス面５１ｐ及びプレス面５３ｐの温度が、他の部分と比較して、高温に設定される。それにより、繊維強化樹脂積層体１２において連続繊維の流動が生じ得る部分の硬化の進展速度を、他の部分と比較して、緩めることができる。ゆえに、連続繊維の流動を促進させることができる。

プレス工程において、金型の温度は、例えば、設定された加工時間に対して、繊維強化樹脂積層体１２を所望の形状に成形可能であるような温度に設定される。金型の温度が高くなるほど、繊維強化樹脂積層体１２の冷却速度が遅くなるので、金型の温度が過度に高い場合には、繊維強化樹脂積層体１２を所望の形状に成形することが困難となり得る。ゆえに、繊維強化樹脂積層体１２において連続繊維の流動が生じ得る部分以外の部分の近傍の金型の温度は、繊維強化樹脂積層体１２の成形性を優先して設定され得る。

＜４．まとめ＞
以上説明したように、本発明の実施形態によれば、第１の型と第２の型との間には、少なくとも１つの一方向繊維強化樹脂シートの連続繊維の配向方向に対して略直交する方向に沿って第１の型と第２の型との間隔が拡大する拡大領域が設けられる。それにより、プレス工程において、連続繊維の流動を利用して、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体２０の成形が行われる。ゆえに、積層された繊維強化樹脂シート上の特定の部分に、さらに、部分的に繊維強化樹脂シートを積層する工程を行わずに、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体を成形することができる。従って、部分的に板厚が異なる繊維強化樹脂構造体の製造効率を向上させることができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明は係る例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例又は応用例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

１０ 繊維強化樹脂シート
１２ 繊維強化樹脂積層体
２０、２２ 繊維強化樹脂構造体
２０ａ、２２ａ 厚肉部
２０ｂ、２２ｂ 薄肉部
２０ｃ、２２ｃ 板厚拡大部
４０ 加熱装置
４１、４３ 加熱手段
５０ プレス装置
５１、７１ 第１の型
５１ａ 第１平行部
５１ｂ 第２平行部
５１ｃ 傾斜部
５１ｐ プレス面
５３、７３ 第２の型
５３ａ ベース部
５３ｂ 壁部
５３ｐ プレス面
９０、９０ａ 連続繊維

Claims (3)

1. 一方向に配向した連続繊維にマトリックス樹脂を含浸させた一方向繊維強化樹脂シートを含む複数の繊維強化樹脂シートを積層して繊維強化樹脂積層体を形成する工程と、
   前記繊維強化樹脂積層体を加熱する加熱工程と、
   加熱した前記繊維強化樹脂積層体を第１の型と第２の型により挟んでプレス加工し、繊維強化樹脂構造体を成形するプレス工程と、を備え、
   前記第１の型のプレス面は、
   前記第２の型のプレス面と対向する第１平行部と、
   前記第２の型のプレス面と対向し、前記第１平行部と比較して、前記第２の型のプレス面に近い側に設けられる第２平行部と、
   前記第１平行部と前記第２平行部との間に位置し、前記第２平行部の端部から前記第１平行部の端部にかけて前記第２の型のプレス面から遠ざかるように傾斜する傾斜部と、を備え、
   前記第１の型の前記傾斜部と前記第２の型のプレス面との間には、少なくとも１つの前記一方向繊維強化樹脂シートの前記連続繊維の配向方向に対して直交する方向に沿って前記第１の型と前記第２の型との間隔が拡大する拡大領域が設けられ、
   前記プレス工程において、
   前記繊維強化樹脂積層体は、前記第２平行部と前記第２の型のプレス面によって挟まれ前記第１平行部及び前記傾斜部とは接していない状態で変形し始め、前記第１平行部及び前記傾斜部との接触面積を増大させながら変形を続けた後、前記第２の型と前記第１の型によって形成される閉空間に充填される、
   繊維強化樹脂構造体の製造方法。
2. 前記プレス工程において、前記連続繊維を前記配向方向に対して直交する方向に流動させることによって、前記繊維強化樹脂構造体が成形される、請求項１に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。
3. 前記プレス工程において、前記第１の型における前記第１平行部の前記傾斜部側の一部、前記第２平行部の前記傾斜部側の一部、及び、前記傾斜部を含む領域の温度と、前記第２の型における当該領域と対向する領域の温度が、前記第１の型及び前記第２の型における他の部分と比較して高温に設定される、請求項２に記載の繊維強化樹脂構造体の製造方法。

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