JP6786989B2

JP6786989B2 - 複合材料の成形方法

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Publication number: JP6786989B2
Application number: JP2016183245A
Authority: JP
Inventors: ジヤア蒋
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 2016-09-20
Filing date: 2016-09-20
Publication date: 2020-11-18
Anticipated expiration: 2036-09-20
Also published as: JP2018047577A

Description

本発明は、複合材料の成形方法に関する。

近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられている。複合材料の成形方法としては、量産化に適したＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）成形法がある。

ＲＴＭ成形法では、金型の空洞内に強化基材が配置され、そこに樹脂が注入される。このとき、金型は、成形品と略同様の形状を有する空洞を形作るように完全に型締めされている。サイクルタイム短縮のためには、金型の空洞内に高圧で樹脂を注入して注入時間を短くする必要があるが、空洞内に配置されている強化基材が流動抵抗となる。

これに対し、ＣＲＴＭ（ＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）成形法と称される成形方法では、樹脂注入の際には金型が完全には型締めされておらず、金型と強化基材との間で隙間を拡げた状態で樹脂が注入され、その後に金型が完全に型締めされる。そのため、流動抵抗が抑制される。

例えば、特許文献１は、成形品の厚みよりも大きい空洞を水平な成形面同士の間に形成し、そこに繊維材からなる強化基材を配置して樹脂を注入することを開示している。

特開２０１０−２２１６４２号公報

しかしながら、金型の成形面は、上記従来技術で開示されているような単純な水平面だけではなく、実際には車体等の形状に対応した複雑な形状を有する。

このため、例えば水平な成形面と強化基材との間に所定の間隔の隙間が形成されるように金型を制御したとしても、それ以外の例えば傾斜した成形面と強化基材との間には隙間がほとんど形成されない場合がある。そしてそのような箇所では、流動抵抗が高く樹脂が流れ難いため、上記従来の方法によって実際の複雑な形状を成形しようとすると、樹脂が局所的に未含浸となった箇所が生じる虞がある。

またその一方で、未含浸箇所の形成を防ぐために金型と強化基材との間の隙間をより拡げるようにすれば、金型から強化基材への押圧による保持力が弱まる。このため、高圧で注入される樹脂の流動によって、強化基材を構成している繊維が動かされ、繊維の配向に乱れが生じる虞がある。繊維の配向が乱れると、成形品の強度や剛性が低下し、外管品質が損なわれるため、好ましくない。

そこで、本発明は、流動抵抗を抑制しつつ、樹脂の未含浸箇所の形成および繊維の乱れを防止できる複合材料の成形方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の複合材料の成形方法は、金型の空洞内に強化基材を配置した状態で、樹脂を注入し、樹脂を硬化させて複合材料を成形する。また、樹脂の注入前、強化基材と積層するように多孔質層を配置しておく。

上記構成を有する複合材料の成形方法によれば、流動抵抗を抑制でき、かつ樹脂の未含浸箇所の形成および繊維の乱れを防止できる。

実施形態の成形方法の概要を示すフローチャートである。強化基材および多孔質層を金型に配置する様子を模式的に示す図である。図２の符号３の方向から見た斜視図である。樹脂注入前の金型を閉じた状態を模式的に示す図である。金型への樹脂の注入を模式的に示す図である。樹脂注入後に金型をさらに型締めした状態を模式的に示す図である。成形品の脱型を模式的に示す図である。多孔質層の代わりに隙間を設けて樹脂を注入する比較例を模式的に示す図である。比較例で生じる樹脂の未含浸箇所を模式的に示す図である。比較例において樹脂の流動によって強化基材の繊維が乱れる様子を模式的に示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。

図１に示すように、本実施形態の複合材料の成形方法は、金型にプリフォーム等を配置し（工程Ｓ１）、金型を閉じる（工程Ｓ２）。そして金型内に樹脂が注入され（工程Ｓ３）、さらに金型が型締めされる（工程Ｓ４）。その後、樹脂が硬化され（工程Ｓ５）、複合材料が脱型される（工程Ｓ６）。

図２に示すように、工程Ｓ１では、金型１００に対してプリフォーム１１０および多孔質層１２０が積層して配置される。金型１００は、可動型１０１および固定型１０２を有する。

可動型１０１は、例えば油圧シリンダー等を備える不図示の駆動装置と接続しており、固定型１０２に対して近接離間自在である。可動型１０１には樹脂の注入口１０３が形成されている。また、可動型１０１の外周には、ゴム等の弾性材料からなるシール部材１０４が備えられている。シール部材１０４は、可動型１０１ではなく、固定型１０２の外周に備えられてもよい。

固定型１０２は、可動型１０１の凹状の成形面に対向して凸状の成形面を有する。これと異なり、可動型１０１に凸状の成形面が設けられ、固定型１０２に凹状の成形面が設けられてもよい。固定型１０２の成形面に沿ってプリフォーム１１０および多孔質層１２０が配置される。

プリフォーム１１０は、複数の強化基材１１１が接着剤１１２を介して積層された構成を有するが、これに限定されず、１つの強化基材１１１だけからなる形態であってもよい。プリフォーム１１０は、固定型１０２の成形面の形状に沿うように事前のプリフォーミングによって予め形状づけられている。

強化基材１１１は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリアミド（ＰＡ）繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、アクリル繊維等の繊維によって形成されたシート材である。強化基材１１１は、例えば、繊維を縦横に組み合わせた織物の構造を有する。

接着剤１１２は、強化基材１１１同士を接着可能であれば特に限定されず、その材料として、例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂、また、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂などが挙げられる。

多孔質層１２０は、プリフォーム１１０（強化基材）よりも大きな樹脂含浸性を有する。多孔質層１２０の形成材料は、好ましくはフェルトであるが、樹脂含浸性が良好であれば特に限定されず、例えば、不織布、またはウレタン等の樹脂によって形成されたスポンジであってもよい。多孔質層１２０は、柔軟性を有しており、プリフォーム１１０の形状に沿わせて配置可能である。

図３に示すように、多孔質層１２０には溝１２１および貫通孔１２２が形成されている。溝１２１は複数形成されており、それらは互いに平行に並んでいる。貫通孔１２２は、金型１００の傾斜した成形面に沿う箇所に複数形成されている。

本実施形態では、多孔質層１２０に、溝１２１および貫通孔１２２が形成されているが、これに限定されず、それらのうちの一方だけが多孔質層１２０に形成されていてもよく、また、それらの形状や形成される場所も特に限定されず適宜設定できる。また、溝１２１および貫通孔１２２のない形態も本発明に含まれ、この場合、多孔質層１２０が例えば平らな表面を有する。

図４に示すように、工程Ｓ２では、可動型１０１が固定型１０２に近接するように移動し、閉じられた金型１００内にプリフォーム１１０および多孔質層１２０が配置された状態になる。このとき、可動型１０１および固定型１０２がそれらの間に形成する空洞は、最終的に作製される複合材料の厚みよりも大きい。

図５に示すように、工程Ｓ３では、閉じた金型１００の空洞内へと樹脂１３０が注入される。このとき、例えば金型１００の空洞と連通するポンプによって、空洞内を真空引きしてもよい。

多孔質層１２０がプリフォーム１１０よりも高い樹脂含浸性を有するため、樹脂１３０は、プリフォーム１１０よりも先に多孔質層１２０の全体に行きわたり、多孔質層１２０からプリフォーム１１０へと移行して含浸される。シール部材１０４は、金型１００の空洞からの樹脂１３０の漏出を防止する。

樹脂１３０は、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等である。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用される。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、これらに限定されない。また、樹脂１３０は、熱硬化性樹脂に限定されず、熱可塑性樹脂であってもよい。また、樹脂１３０は離型剤を含んでもよい。

図６に示すように、工程Ｓ４では、金型１００のさらなる型締めが行われる。このとき、金型１００は、最終的に作製される複合材料の厚みと空洞とが略同等になるまで型締めされる。

工程Ｓ４でのさらなる型締めにともない、金型１００の空洞内の圧力が増加するため、プリフォーム１１０および多孔質層１２０に含浸されている樹脂１３０を、より確実にそれらの全体へと行きわたらせることができる。

工程Ｓ５では、プリフォーム１１０および多孔質層１２０に含浸されている樹脂１３０が硬化される。樹脂１３０が熱硬化性樹脂の場合、例えば、ヒータ等の加熱装置を用いて金型１００を加熱することによって、プリフォーム１１０および多孔質層１２０に含浸されている樹脂１３０を硬化させることができる。

図７に示すように、工程Ｓ６では、可動型１０１が固定型１０２から離間するように移動して金型１００が開き、成形品である複合材料１４０が脱型される。

複合材料１４０は、本実施形態では比較的単純な形状を有するが、これに限定されない。複合材料１４０は、例えば、自動車の車体に使用されるフロントサイドメンバーやピラー等の骨格部品、ルーフ等の外板部品として作製される場合、それらに対応したより複雑な形状を有する。

次に本実施形態の作用効果を述べる。

本実施形態では、多孔質層１２０がプリフォーム１１０（強化基材）と積層するように配置される。多孔質層１２０は、プリフォーム１１０に比べ、高い樹脂含浸性を有しており、樹脂１３０の流動が妨げられ難いため、流動抵抗を抑制できる。

図８に示すように、本実施形態と異なり、多孔質層１２０の代わりに金型１００とプリフォーム１１０との間に隙間ｔ_１、ｔ_２を設けることも可能である。この場合、傾斜した成形面１０６での隙間ｔ_２が、水平な成形面１０５での隙間ｔ_１よりも狭くなるため（ｔ_１＞ｔ_２）、傾斜した成形面１０６では、樹脂１３０が流れ難い。

その結果、図９に示すように、樹脂１３０の未含浸箇所１３１が形成される虞がある。未含浸箇所１３１では、強化基材１１１を構成する繊維１１３が樹脂１３０によって覆われず、強度低下が生じる虞があるため、好ましくない。

一方、本実施形態では、樹脂含浸性に優れた多孔質層１２０を介して、例えば傾斜した成形面１０６のような狭い箇所にも樹脂１３０が入り込んでいくため、樹脂１３０の未含浸箇所１３１の形成を防止できる。

また、図８で示したような比較的大きな隙間ｔ_１が金型１００とプリフォーム１１０との間に形成されていると、金型１００からプリフォーム１１０（強化基材）への押圧による保持力が弱まる。

その結果、図１０に示すように、高圧で注入される樹脂１３０の流動によって、繊維１１３が動かされ、繊維１１３の配向に乱れが生じる虞がある。繊維１１３の配向が乱れると、成形品である複合材料１４０の強度や剛性が低下し、外管品質が損なわれるため、好ましくない。

一方、本実施形態では、樹脂１３０を含浸して膨潤した多孔質層１２０からの押圧によって、プリフォーム１１０が強く保持されるため、樹脂１３０の流動による繊維乱れを防止できる。

多孔質層１２０がフェルトによって形成されていれば、多孔質層１２０が好ましい樹脂含浸性を示すため、上で述べた流動抵抗の抑制、樹脂未含浸箇所の発生防止、および繊維乱れの防止を特に効果的に発揮できる。

図８の隙間ｔ_１、ｔ_２で示したように、金型１００とプリフォーム１１０（強化基材）との間に形成され得る隙間の大小、ひいてはそれに起因した流動抵抗は、場所によって異なる。また、それに対応して多孔質層１２０における相対的な流動抵抗も場所によって異なり得る。具体的に、多孔質層１２０では、傾斜した成形面１０６に面する箇所の流動抵抗が、水平な成形面１０５に面する箇所の流動抵抗よりも相対的に大きくなり易い。

しかし、本実施形態では、そこに貫通孔１２２が形成されており、これによって局所的な流動抵抗の増加が抑制される。また、本実施形態では貫通孔１２２が形成されているが、それとは異なり、相対的な流動抵抗の異なる複数個所の間で溝１２１の形状を変化させることによって、局所的な流動抵抗の増加を抑制してもよい。例えば、流動抵抗が相対的に高くなり易い箇所では、溝１２１の幅を大きくすることによって流動抵抗を抑制することが可能である。

このように、金型１００とプリフォーム１１０（強化基材）との間に形成され得る隙間の大小に応じ、貫通孔１２２および溝１２１のうちの少なくとも一方によって、多孔質層１２０の形状を変えるようにすれば、流動抵抗の局所的な増加が抑えられるため、樹脂１３０をまんべんなく流動させることができる。

また、本実施形態では、貫通孔１２２や溝１２１によって多孔質層１２０の形状を変え、これによって流動抵抗の局所的な増加を抑えているが、それとは異なり、多孔質層１２０の厚みを変えることによっても同様の作用効果を得ることができる。具体的に、流動抵抗が相対的に高くなり易い箇所で多孔質層１２０の厚みを小さくすれば、局所的な流動抵抗の増加を抑制することができる。

＜実施例＞
本発明者らは、上記実施形態に準じて成形を行うとともに（実施例１、２）、図８に示した比較例に基づく成形も行い（比較例１、２）、上記実施形態による効果を検証した。

実施例１では、本発明者らは、図３で示したような溝１２１および貫通孔１２２のない、平坦な表面を有するフェルトを多孔質層１２０として使用するとともに、ガラス繊維によって形成されたプリフォーム１１０を使用した。

実施例２では、本発明者らは、図３で示したような溝１２１がなく、貫通孔１２２だけが形成されたフェルトを多孔質層１２０として使用するとともに、炭素繊維によって形成されたプリフォーム１１０を使用した。

比較例１、２は、多孔質層１２０を使用しない点で実施例１、２と異なり、図１で示した工程と略同様の工程で本発明者らは成形を行った。

比較例１、２の結果を下の表１に示し、実施例１、２の結果を下の表２に示す。

表１、２において、Ｖ_ｆ１は、工程Ｓ２での金型１００の空洞に対するプリフォーム１１０の体積割合を示し、Ｖ_ｆ２は、工程Ｓ４での金型１００の空洞に対するプリフォーム１１０の体積割合を示す。

表１、２の「繊維の乱れ」の欄で、△印は繊維１１３に乱れが生じたことを表し、○印は繊維１１３の乱れが抑制されたことを表す。

表１、２の「含浸性」の欄で、△印は樹脂の未含浸箇所１３１が生じたことを表し、○印は樹脂の未含浸箇所１３１が抑制されたことを表す。

比較例１の結果のように、多孔質層１２０がなくても樹脂１３０の流量が少なければ、繊維１１３の乱れは抑制されるものの、樹脂１３０の含浸性が不良であった。一方、比較例２のように、樹脂１３０の流量を増加させれば、含浸性は改善するものの、繊維１１３の乱れが生じてしまう。

これに対し、実施例１、２のように、多孔質層１２０を配置すれば、樹脂１３０の流量が多くても繊維１１３の乱れが抑制され、かつ樹脂１３０の含浸性が良好であり、相反する効果を両立できることが確認できた。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。

例えば、本発明は、上記実施形態の図１で示したような、ＣＲＴＭ（ＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）成形法と称される成形方法に限定されず、図１の工程Ｓ２において完全に型締めを行うようなＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）成形法も含む。

この場合、工程Ｓ２において、金型１００の空洞が複合材料１４０の厚みと略同等になるまで型締めされ、樹脂注入工程Ｓ３の後にさらなる型締め工程Ｓ４を行うことなく、樹脂の硬化工程Ｓ５が行われる。

１００金型、
１０１可動型、
１０２固定型、
１０３樹脂注入口、
１０４シール部材、
１０５水平な成形面、
１０６傾斜した成形面、
１１０プリフォーム、
１１１強化基材、
１１２接着剤、
１１３強化基材の繊維、
１２０多孔質層、
１２１溝、
１２２貫通孔、
１３０樹脂、
１３１樹脂の未含浸箇所、
１４０複合材料、
ｔ_１、ｔ_２隙間。

Claims

金型の空洞内に強化基材を配置した状態で、前記金型を閉じて樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
前記樹脂の注入前、前記金型の前記空洞内において、水平方向に延在する隙間よりも狭い隙間を生じさせる傾斜した成形面に前記強化基材を配置するとともに、前記傾斜した成形面に配置された前記強化基材に多孔質層を積層し、前記多孔質層を前記強化基材よりも、前記樹脂の注入方向に対して手前に配置しておく、複合材料の成形方法。
フェルトによって形成された前記多孔質層を配置する、請求項１に記載の複合材料の成形方法。
前記多孔質層に溝および貫通孔のうちの少なくとも一方が形成されており、前記少なくとも一方によって、前記多孔質層の形状を、前記金型と前記強化基材との間に形成され得る隙間の大小に応じて変える、請求項１または請求項２に記載の複合材料の成形方法。
前記多孔質層の厚みを、前記金型と前記強化基材との間に形成され得る隙間の大小に応じて変える、請求項１〜請求項３のうちのいずれか１つに記載の複合材料の成形方法。