JP6907637B2 - 強化繊維積層シートおよび樹脂成形品の生産方法 - Google Patents
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強化繊維積層シートであって、
積層された複数の強化繊維層を備え、
前記複数の強化繊維層は、
それぞれ一方向に沿って並べられた複数の強化繊維束を含んでおり、
前記強化繊維積層シートが3次元形状に変形されるときの温度よりも低い軟化点を有する第1の糸と、2以上の前記強化繊維層を通っており、前記強化繊維積層シートが3次元形状に変形されるときの前記温度よりも高い軟化点を有するかまたは軟化点を有さない第2の糸と、によって、縫合されることにより、互いに拘束されており、
前記第1の糸が、前記第2の糸のループの内側を通り抜けて配されている、強化繊維積層シート。
樹脂成形品の生産方法であって、
(a)強化繊維積層シートを準備する工程であって、
前記強化繊維積層シートは、積層された複数の強化繊維層を備え、
前記複数の強化繊維層は、
それぞれ一方向に沿って並べられた複数の強化繊維束を含んでおり、
軟化点を有する第1の糸と、2以上の前記強化繊維層を通っており、前記第1の糸よりも高い軟化点を有するかまたは軟化点を有さない第2の糸と、によって、縫合されることにより、互いに拘束されており、前記第1の糸が、前記第2の糸のループの内側を通り抜けて配されている、強化繊維積層シートの準備工程と、
(b)前記第1の糸の軟化点よりも高い温度に前記第1の糸を昇温させる工程であって、前記第2の糸が軟化点を有する場合には、前記昇温の温度は、前記第2の糸の軟化点よりも低い温度である、工程と、
(c)前記工程(b)を実行しつつ、または前記工程(b)の後に、前記強化繊維積層シートを3次元形状に変形させる工程と、
(d)変形後の前記強化繊維積層シートに樹脂を含浸させて固化させる工程と、を備える、樹脂成形品の生産方法。
このような態様とすれば、強化繊維積層シートを変形させる前または変形させると同時に、第1の糸の軟化点よりも高い温度であって、第2の糸が軟化点を有する場合には第2の糸の軟化点よりも低い温度に、第1の糸を昇温させることによって、第1と第2の糸による複数の強化繊維層の拘束を緩和することができる。このため、第1と第2の糸による複数の強化繊維層の拘束を緩和し得ない強化繊維積層シートに比べて、容易に強化繊維積層シートを変形させることができる。また、その際、第2の糸は、依然として2以上の強化繊維層を通っている状態にある。このため、第2の糸により、2以上の強化繊維層は、それまでよりも緩やかに互いに拘束されている。このため、強化繊維層同士を拘束する手段が失われる態様に比べて、強化繊維積層シートを変形させる際に強化繊維層同士が大きくずれにくい。
この樹脂成形品の生産方法は:(a)強化繊維積層シートを準備する工程であって;前記強化繊維積層シートは、積層された複数の強化繊維層を備え;前記複数の強化繊維層は;それぞれ一方向に沿って並べられた複数の強化繊維束を含んでおり;軟化点を有する第1の糸と、2以上の前記強化繊維層を通っており、前記第1の糸よりも高い軟化点を有するかまたは軟化点を有さない第2の糸と、によって、縫合されることにより、互いに拘束されている、強化繊維積層シートの準備工程と;(b)前記第1の糸の軟化点よりも高い温度に前記第1の糸を昇温させる工程であって、前記第2の糸が軟化点を有する場合には、前記昇温の温度は、前記第2の糸の軟化点よりも低い温度である、工程と;(c)前記工程(b)を実行しつつ、または前記工程(b)の後に、前記強化繊維積層シートを変形させる工程と;(d)変形後の前記強化繊維積層シートに樹脂を含浸させて固化させる工程と、を備える。
このような態様とすれば、強化繊維積層シートを変形させる前または変形させると同時に、第1の糸の軟化点よりも高い温度であって、第2の糸が軟化点を有する場合には第2の糸の軟化点よりも低い温度に、第1の糸を昇温させることによって、第1と第2の糸による複数の強化繊維層の拘束を緩和することができる。このため、第1と第2の糸による複数の強化繊維層の拘束を緩和し得ない強化繊維積層シートに比べて、容易に強化繊維積層シートを変形させることができる。また、その際、第2の糸は、依然として2以上の強化繊維層を通っている状態にある。このため、第2の糸と、各強化繊維層の摩擦力により、2以上の強化繊維層は、それまでよりも緩やかに互いに拘束されている。このため、強化繊維層同士を拘束する手段が失われる態様に比べて、強化繊維積層シートを変形させる際に強化繊維層同士が大きくずれにくい。このため、高品質な樹脂成形品を生産することができる。
図1は、本開示に係る強化繊維積層シート100の一実施態様を示す斜視図である。強化繊維積層シート100は、複数の強化繊維層101が積層されることにより形成される。それぞれの強化繊維層101は、一方向に沿って並べられた複数の強化繊維束を備える。各強化繊維束は、複数の強化繊維で構成される強化繊維の束である。それぞれの強化繊維層101は、強化繊維積層シート100が最終的に形成される成形品に合わせた適切な形状となるようように、適切な長さに切断されて配置されている。なお、ここでは、技術の理解を容易にするため、すべての強化繊維層101が同じ形状を有している例を示している。
図11は、強化繊維積層シート100を使用した樹脂成形品の生産方法を示すフローチャートである。ステップS100においては、軟化点の異なる縫合糸の組み合わせによって縫合されている状態の強化繊維積層シート100(図1〜図3、図5、図6、図8および図9参照)が準備される。より具体的には、製品の形に合わせた好ましい形状をそれぞれ有する複数の強化繊維積層シート100が用意される。そして、各強化繊維積層シート100は、適切な相対位置に配されて積層され基材積層体が構成される。この段階においては、強化繊維積層シート100は、それぞれ縫合糸の組み合わせによって強固に縫合されている。このため、取り扱いが容易である。言い換えれば、運搬および積層の際に、強化繊維層の端部から強化繊維が脱落しにくい。
図12は、強化繊維層の目標形状Fmiと、強化繊維層1011Nを構成する複数の強化繊維束100FBNの配置と、の関係を説明するための平面図である。図13は、強化繊維層の目標形状Fmiと、強化繊維層1011Wを構成する複数の強化繊維束100FBWの配置と、の関係を説明するための平面図である。図13に示される形状Fmiは、図12に示される形状Fmiと同じである。
図14は、強化繊維積層シート100Sにおける位置に応じた縫合の方法を示す説明図である。強化繊維積層シートにおいては、図1〜図10で示した強化繊維層1011〜1013のように、各強化繊維層の外形形状が、互いに一致するとは限らない。強化繊維積層シート100Sにおいては、一部の領域A1においてすべての強化繊維層101が重なっており、他の一部の領域A2,A3において一部の強化繊維層101のみが重なってる。
本開示の強化繊維積層シートについて、実施例に基づいて説明する。
<強化繊維>
強化繊維束として、予めサイジング処理を施した、東レ株式会社製炭素繊維「トレカ」(登録商標)T800SCを使用した。強化繊維束の幅が6.5mmで、強化繊維束の単繊維数が24000本の強化繊維束を使用した。
散布装置を用いて、エポキシ樹脂粒子(Huntsman社製LT3366、粒径:100μm、融点:80℃)を強化繊維束に散布し、赤外線ヒータを用いて、表層の強化繊維層が130℃の温度の状態で30秒間加熱して、エポキシ樹脂粒子を強化繊維束上に付着した。
ファイバープレイスメントヘッドを用いて、架台上に樹脂バインダを付与した強化繊維束を一方向に隙間なく引き揃え、200mm×300mmの長方形形状となるように強化繊維層を2層作成した。
まず、用意した2層の強化繊維層のうち1層の上に、他の1層の強化繊維層を、強化繊維層の強化繊維束の配向角度が、下層の強化繊維層の強化繊維束の配向角度に対して90°となるように配置した。その後、赤外線ヒータを用いて、表層の強化繊維層が130℃の温度の状態で30秒間加熱し、層間を固着して強化繊維シートを製作した。同様の処理により、4枚の強化繊維シートを製作した。同様にして別途作成した強化繊維シートについて、表層の強化繊維層を剥がして層間の固着状態を観察したところ、溶融した樹脂バインダが強化繊維層の面上に離散的に存在し、層間を固着している様子が確認できた。
4枚の強化繊維シートの外輪郭が一致するように、4枚の強化繊維シートを積層し、端から10mm内側の位置を、ミシンを用いて縫合して、強化繊維積層シートを作成した。ミシンの上糸にはポリアミド繊維糸(融点:140℃、繊度:75dtex)を用いた。ミシンの下糸にはポリアミド繊維糸(融点:85℃、繊度:75dtex)を用いた。このようにして4枚の強化繊維シートを積層して作成された強化繊維積層シートが、図1の強化繊維積層シート100に対応する。
100℃に加熱した湾曲形状型(幅:100mm、高さ:100mm、長さ:1000mm、曲率:3000mm)の上に、作成した強化繊維積層シートを配置して、下糸を溶融させた。型の温度が40℃まで下がったのを確認した後、プレス賦形を実施した。その結果、強化繊維積層シートは、繊維束同士の相対位置関係を崩すことなく型形状に沿うことができ、良好な賦形性能を有することが確認できた。その後、型を110℃に加熱し、50kPaで加圧、30秒間保持することにより、プリフォームを作成した。
プリフォームを110℃の温度に保ったRTM成形用両面型の下型に載置し、上型を閉じ、真空ポンプによって型内の空気を排出した。次いで、型内に2液性エポキシ樹脂(主剤:Momentive社製、硬化剤:東レ株式会社製、酸無水物系硬化剤)を、注入圧0.5MPaで注入し、プリフォームに含浸させ、10分間放置した。このようにして、繊維強化樹脂成形品を得た。
<強化繊維>
実施例1と同じ強化繊維束を使用した。
実施例1と同じ強化繊維束を使用した。
実施例1と同じ強化繊維層を使用した。
実施例1と同じ方法で、4枚の強化繊維シートを製作した。
各強化繊維シートの外輪郭が一致するように、4枚の強化繊維シートを積層し、積層した強化繊維シート層の端から10mm内側の位置を、ハンディステッチ装置を用いて鎖編縫合パターンで縫合して、強化繊維積層シートを作成した。縫合糸として、ポリアミド繊維糸(融点:140℃、繊度:75dtex)と、ポリアミド繊維糸(融点:60℃、繊度:110dtex)を用いた。
100℃に加熱した湾曲形状型(幅:100mm、高さ:100mm、長さ:1000mm、曲率:3000mm)の上に、作成した強化繊維積層シートを配置して、下糸を溶融させた。型の温度が40℃まで下がったのを確認した後、プレス賦形を実施した。その結果、強化繊維積層シートは、繊維束同士の相対位置関係を崩すことなく型形状に沿うことができ、良好な賦形性能を有することが確認できた。その後、型を110℃に加熱し、50kPaで加圧、30秒間保持することにより、プリフォームを作成した。
上記プリフォームを使用して、実施例1と同じ手法で繊維強化樹脂成形品を得た。
F1.変形例1:
上記実施形態の説明においては説明を省略したが、強化繊維束(図3の1011FB,1012FB,1013FB参照)は、例えば、事前にサイジング処理、開繊処理およびバインダ付与等の前処理を施した強化繊維束を用いることができる。サイジング処理を施すことにより、強化繊維束の集束性を向上させ、毛羽の発生を抑制させることができる。開繊処理を施すことにより、強化繊維束の厚みと幅の比(アスペクト比)を調整して、後工程のプリフォーム工程、RTM成形工程の条件に適したアスペクト比に設定することができる。バインダ付与等の前処理を施すことにより、強化繊維束間の固着状態を均一なものにすることができる。
上記実施形態においては、一つの強化繊維層101は、1層の強化繊維束によって構成され、隣り合う強化繊維層101は、互いに強化繊維束の向きが90度をなすように積層されている。しかし、一つの強化繊維層は、平行に配され2段以上重ねられた強化繊維束を含んでいてもよい。
(1)上記実施形態においては、粉末状の樹脂バインダ102が使用される(図1参照)。しかし、強化繊維層同士を拘束するための樹脂バインダの形態は、例えば、線状や、不織布形態など、他の形態とすることもできる。
(1)上記実施形態においては、異なる部位を縫合する縫合糸104p2,104q2,104r2が、同一の素材で構成される。そのため、それらの軟化点は同一である。また、異なる部位を縫合する縫合糸104p1,104q1,104r1が、同一の素材で構成される。そのため、それらの軟化点は同一である。しかし、異なる部位を縫合する縫合糸104p2,104q2,104r2、ならびに縫合糸104p1,104q1,104r1は、互いに異なる軟化点温度を有していてもよい。
注入した際の温度から樹脂の硬化温度まで樹脂を昇温させ、硬化させるのに必要な時間が長くなる。
上記実施形態では、ミシン編み(図2〜図4参照)、鎖編み(図5〜図7参照)、1/1トリコット編(図8〜図10)の縫合パターンを例に挙げて、強化繊維層の縫合方法について説明した。しかし、強化繊維層の縫合方法は、他の方法であってもよい。強化繊維層の縫合方法は、たとえば、鎖編と1/1トリコット編を複合した変則1/1トリコット編や、ワンサイドステッチマシンを用いた縫合パターン(鎖編、1/1トリコット編、変則1/1トリコット編、ブラインドステッチ、ダブルニードル、タフティング)、あるいはこれらを複合した縫合パターンであってもよい。
上記実施形態においては、強化繊維積層シート100は、その外周近傍の位置Pにおいて、縫合糸104p1,104p2によって、外周に沿って内部を囲むように縫合されている(図1参照)。しかし、強化繊維積層シートは、外周に沿って、外周の一部においてのみ、2種類の縫合糸によって縫合されていてもよい。
上記実施形態においては、図11のステップS200において、強化繊維積層シート100(基材積層体)を昇温させた後に、ステップS300において、強化繊維積層シート100(基材積層体)を3次元形状に変形させている。しかし、第1の糸による拘束を緩和または解除するために強化繊維積層シートを昇温する処理と、強化繊維積層シートとは、同時に、または一部を平行して、行ってもよい。そのような態様とすれば、それらの処理を異なる時間区間で行う態様に比べて、樹脂成形品の製造リードタイムを短縮することができる。
上記実施形態においては、図11のステップS400で使用される樹脂は、熱硬化性樹脂である。しかし、強化繊維積層シートに含浸させ固化させる樹脂としては、アクリル樹脂やポリアミド樹脂、およびポリオレフィン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用することができる。そのような態様においては、熱可塑性樹脂を強化繊維積層シートに含浸させる際の熱可塑性樹脂の温度は、第1の糸の軟化点よりも高いことが好ましい。そして、第2の糸が軟化点を有する場合には、熱可塑性樹脂を強化繊維積層シートに含浸させる際の熱可塑性樹脂の温度は、第2の糸の軟化点よりも高いことが好ましい。
100FBN,100FBW…強化繊維束
101…強化繊維層
102…溶融前の樹脂バインダ
103…溶融後の樹脂バインダ
104…縫合糸
104a,104b…一対の縫合糸
104p1,q1,r1…軟化点が低い縫合糸
104p2,q2,r2…軟化点が高い縫合糸
1011〜1013…強化繊維層
1011FB〜1013FB…強化繊維束
1011N,1011W…強化繊維層
A1…強化繊維積層シートのうち内側の領域
A2,A3…強化繊維積層シートのうち外側の領域
Fmi…強化繊維層の目標形状
P…強化繊維積層シートの外周近傍の部位
P1…強化繊維積層シートの外周近傍の位置
P2…強化繊維積層シートの内側の位置
Q…強化繊維積層シートの一部
R…強化繊維積層シートの一部
Claims (9)
- 強化繊維積層シートであって、
積層された複数の強化繊維層を備え、
前記複数の強化繊維層は、
それぞれ一方向に沿って並べられた複数の強化繊維束を含んでおり、
前記強化繊維積層シートが3次元形状に変形されるときの温度よりも低い軟化点を有する第1の糸と、2以上の前記強化繊維層を通っており、前記強化繊維積層シートが3次元形状に変形されるときの前記温度よりも高い軟化点を有するかまたは軟化点を有さない第2の糸と、によって、縫合されることにより、互いに拘束されており、
前記第1の糸が、前記第2の糸のループの内側を通り抜けて配されている、強化繊維積層シート。 - 請求項1記載の強化繊維積層シートであって、
前記複数の強化繊維層は、前記強化繊維積層シートの外周の少なくとも一部に沿って、前記第1の糸と前記第2の糸とによって、縫合されている、強化繊維積層シート。 - 請求項1または2記載の強化繊維積層シートであって、
前記第1の糸の軟化点は、60〜120℃である、強化繊維積層シート。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の強化繊維積層シートであって、
前記第2の糸の軟化点は、120〜200℃である、強化繊維積層シート。 - 請求項1から3のいずれか1項に記載の強化繊維積層シートであって、
前記第2の糸は前記強化繊維層を構成する強化繊維によって構成される、強化繊維積層シート。 - 請求項1から5のいずれか1項に記載の強化繊維積層シートであって、
前記強化繊維は、炭素繊維である、強化繊維積層シート。 - 樹脂成形品の生産方法であって、
(a)強化繊維積層シートを準備する工程であって、
前記強化繊維積層シートは、積層された複数の強化繊維層を備え、
前記複数の強化繊維層は、
それぞれ一方向に沿って並べられた複数の強化繊維束を含んでおり、
軟化点を有する第1の糸と、2以上の前記強化繊維層を通っており、前記第1の糸よりも高い軟化点を有するかまたは軟化点を有さない第2の糸と、によって、縫合されることにより、互いに拘束されており、前記第1の糸が、前記第2の糸のループの内側を通り抜けて配されている、強化繊維積層シートの準備工程と、
(b)前記第1の糸の軟化点よりも高い温度に前記第1の糸を昇温させる工程であって、前記第2の糸が軟化点を有する場合には、前記昇温の温度は、前記第2の糸の軟化点よりも低い温度である、工程と、
(c)前記工程(b)を実行しつつ、または前記工程(b)の後に、前記強化繊維積層シートを3次元形状に変形させる工程と、
(d)変形後の前記強化繊維積層シートに樹脂を含浸させて固化させる工程と、を備える、樹脂成形品の生産方法。 - 請求項7記載の方法であって、
前記工程(d)において、
前記樹脂を固化させる際の前記樹脂の温度は、前記第1の糸の軟化点よりも高い、方法。 - 請求項7または8記載の方法であって、
前記第2の糸は軟化点を有し、
前記工程(d)において、
前記強化繊維積層シートに前記樹脂を含浸させる際の前記樹脂の温度は、前記第2の糸の軟化点よりも低く、
前記樹脂を固化させる際の前記樹脂の温度は、前記第2の糸の軟化点よりも高い、方法。
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