JP7230832B2 - 繊維強化樹脂成形品の製造方法および製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、繊維によって補強（強化）された高圧タンク等の繊維強化樹脂成形品の製造方法および製造装置に関するものである。
燃料電池車には、天然ガスや水素ガス等の燃料ガスを貯蔵する高圧タンク（以下、単にタンクという場合がある）が用いられる。このような高圧タンクは、ガスバリア性を有する中空のライナーをコア材とし、ライナーを炭素繊維強化プラスチックやガラス繊維強化プラスチック（以下、総じて、繊維強化樹脂層とする）で被覆した繊維強化樹脂成形品として製造される。ライナーとしては、軽量化等の観点から、通常、樹脂製の中空容器が用いられる。
高圧タンクの製造方法として、従来から、ＦＷ（Filament Winding）法やＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法が知られている。例えば特許文献１は、ＲＴＭ法を利用した高圧タンクの製造方法を開示している。この製造方法では、高圧タンクの内部空間を形成するライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを金型内に配置し、前記金型内に配置された前記プリフォームに向けてゲートから樹脂を射出しながら、前記プリフォームの中心軸線を回転中心にして、前記プリフォームを前記金型内で周方向に回転させる。
特開２０１９－０５６４１５号公報
上記ＲＴＭ法を利用した製造方法では、高温の樹脂を金型内に射出（注入）し、プリフォームの樹脂層（束）の内層部まで樹脂を含浸させるため、高温下でライナーが酸化して劣化してしまうおそれがある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、プリフォームを構成するライナーの高温時の酸化・劣化を防止することのできる繊維強化樹脂成形品の製造方法および製造装置を提供することを目的とする。
前記目的を達成すべく、本発明の一態様は、中空のライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを形成し、前記プリフォームの前記繊維層に樹脂を含浸させて硬化させた繊維強化樹脂成形品の製造方法であって、前記プリフォームに内圧をかけながら、前記プリフォームを金型内に配置する工程と、前記金型内を真空脱気する工程と、前記金型内に不活性ガスを充填する工程と、前記金型内に樹脂を注入して前記繊維層に含浸させる工程と、を含むことを特徴とする。
好ましい態様では、前記金型は、第１の型と第２の型とを含み、前記プリフォームを前記金型内に配置する工程において、前記第１の型と前記プリフォームとの間の第１の隙間よりも大きい第２の隙間を前記第２の型と前記プリフォームとの間に形成するように、前記プリフォームを前記第１の型と前記第２の型との間に配置し、前記金型内に不活性ガスを充填する工程において、前記金型内の前記第２の隙間に向けて前記不活性ガスを充填し、前記金型内に不活性ガスを充填する工程の後かつ前記金型内に樹脂を注入する工程の前に、前記第２の型を前記プリフォームに相対的に接近させることによって、前記金型内の前記不活性ガスを加圧充填する工程をさらに含む。
別の好ましい態様では、不活性ガスを用いて前記プリフォームに内圧をかける。
また、本発明の他の態様は、中空のライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを形成し、前記プリフォームの前記繊維層に樹脂を含浸させて硬化させた繊維強化樹脂成形品の製造装置であって、金型と、前記金型を開閉方向に駆動するための駆動機構と、前記金型内を真空脱気するための真空脱気機構と、前記金型内に不活性ガスを充填するための不活性ガス充填機構と、前記金型内に樹脂を注入するための樹脂注入機構と、前記プリフォームに内圧をかけるための内圧付与機構と、前記駆動機構、前記真空脱気機構、前記不活性ガス充填機構、前記樹脂注入機構、および前記内圧付与機構の稼働状態を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記内圧付与機構によって、前記プリフォームに内圧をかけながら、前記駆動機構によって、前記プリフォームを前記金型内に配置し、前記真空脱気機構によって、前記金型内を真空脱気し、前記不活性ガス充填機構によって、前記金型内に不活性ガスを充填し、前記樹脂注入機構によって、前記金型内に樹脂を注入して前記繊維層に含浸させることを特徴とする。
好ましい態様では、前記金型は、第１の型と第２の型とを含み、前記制御装置は、前記プリフォームを前記金型内に配置するときに、前記駆動機構によって、前記第１の型と前記プリフォームとの間の第１の隙間よりも大きい第２の隙間を前記第２の型と前記プリフォームとの間に形成するように、前記プリフォームを前記第１の型と前記第２の型との間に配置し、前記金型内に不活性ガスを充填するときに、前記不活性ガス充填機構によって、前記金型内の前記第２の隙間に向けて前記不活性ガスを充填し、前記金型内に不活性ガスを充填した後かつ前記金型内に樹脂を注入する前に、前記駆動機構によって、前記第２の型を前記プリフォームに相対的に接近させることによって、前記金型内の前記不活性ガスを加圧充填する。
別の好ましい態様では、前記内圧付与機構は、不活性ガスを用いて前記プリフォームに内圧をかける。
本発明の一態様によれば、樹脂を注入する前に金型内に不活性ガス（窒素ガス等）を充填しておくことによって、高温の樹脂を注入しても、高温下でライナーが酸化して劣化することを防止することができる。
実施形態に係る高圧タンク（繊維強化樹脂成形品）の製造装置を示す縦断面図である。 実施形態に係る高圧タンク（繊維強化樹脂成形品）の製造方法を説明するフローチャートである。 実施形態に係る高圧タンクの製造装置の、プリフォーム配置工程の状態を示す縦断面図である。 実施形態に係る高圧タンクの製造装置の、真空脱気工程の状態を示す縦断面図である。 実施形態に係る高圧タンクの製造装置の、金型内窒素ガスパージ工程の状態を示す縦断面図である。 実施形態に係る高圧タンクの製造装置の、本締め工程および樹脂注入工程の状態を示す縦断面図である。 実施形態に係る高圧タンクの製造装置の、樹脂注入停止工程および樹脂硬化工程の状態を示す縦断面図である。
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
以下では、繊維強化樹脂成形品の一例としての燃料電池車用高圧タンクを例に挙げて説明する。但し、本発明の適用対象となる繊維強化樹脂成形品は、燃料電池車用高圧タンクに限定されるものではなく、繊維強化樹脂成形品を構成するライナーないしプリフォームの形状、素材等も図示例に限られない。
ＲＴＭ法においては、ライナーに炭素繊維を幾重（幾層）にも巻き付ける（巻回する）ことによってライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを作製し、プリフォームの繊維層にエポキシ樹脂を含浸させて硬化させることによって、ライナーの外周に炭素繊維とエポキシ樹脂を含む繊維強化樹脂層が形成された燃料電池車用高圧タンクが製造される。ライナーは、高圧タンクの内部空間を形成する樹脂製（例えばナイロン樹脂製）の中空容器である。
燃料電池車用高圧タンクは、炭素繊維が厚肉に積層されるため、高圧で樹脂を注入しないと、炭素繊維の内層まで樹脂が含浸していかない。そのため、タンク自体に高圧がかかり、タンクやライナーの変形等による品質、性能低下等の不具合が発生する。特に、ゲート付近等は高温、高圧になり、その部位では、変形等が発生しやすい。つまり、燃料電池車用高圧タンクの炭素繊維の積層厚みは、強度確保のため、非常に厚く（通常のＲＴＭ成形外板、外装部品の約１０倍）、樹脂含浸が困難であり、且つ、特に、ゲート付近等は、樹脂注入圧力によって部分的に高圧になるため、タンクや内側の樹脂製ライナーの変形が発生するなど、品質、性能低下が発生しやすい。また、タンク内側のライナーが樹脂製ライナーである場合、特に、高温高圧での樹脂注入の影響が大きく（高温高圧下で酸化・劣化が発生しやすく）、タンクやその内側の樹脂製ライナー自体の変形と共に、ライナーの酸化・劣化が発生するなどの品質、性能低下が発生する。これは、剛性アップのため、リブをつけたり、板厚をアップしても効果は少ない。さらに、エポキシ樹脂硬化反応により、樹脂温度は急激に上昇する等、成形時の温度制御は難しい。
そこで、本実施形態は、以下の構成が採用されている。
［高圧タンクの製造装置］
図１は、実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の一例としての高圧タンクの製造装置を示す縦断面図である。
本実施形態において製造される高圧タンクの中間体としてのプリフォーム２は、ライナーと、ライナーの外表面に形成され、ライナーと一体になった繊維層とを含む。ライナーは、高圧タンクの内部空間を形成する、ガスバリア性を有する樹脂製の中空容器である。中空（換言すれば、筒状）のライナーは、例えば、０．５ｍｍ～１ｍｍ程度の厚みを有する。繊維層は、例えば、１５ｍｍ～３０ｍｍ程度の厚みを有する。繊維層は、フィラメントワインディング法によって、ライナーの外表面に繊維が幾重にも巻き付けられることによって形成される。
ライナーに巻回される繊維としては、例えば、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等を用いることができる。繊維は、連続繊維から構成されてもよく、長繊維や短繊維から構成されてもよい。後述するように、ライナーに巻回された繊維（層）に樹脂を含浸させて硬化させることにより、ライナーの周囲を被覆する繊維強化樹脂層が形成される。樹脂としては、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン樹脂やポリエステル樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることが可能である。
製造装置１は、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法を用いて、プリフォーム２を構成する繊維層に樹脂３（符号は図６等に図示）を含浸させ、さらに、含浸させた樹脂３を硬化させることによって、高圧タンクを製造する。
製造装置１は、複数の型、例えば、固定型である下型１１と、可動型である上型１２とからなる金型１０を備える。下型１１と上型１２とを閉じる（型締めともいう）ことによって、繊維強化樹脂層のためのキャビティーが形成される。繊維を積層したプリフォーム２を金型１０内に配置するため、例えば、金型１０のキャビティーは、プリフォーム２の公差分だけ大きく作製される。
なお、ここでは、下型１１を固定型、上型１２を可動型（固定型に対して可動する型）としているが、例えば、上型１２を固定型、下型１１を可動型としてもよいし、下型１１および上型１２の双方を可動型としてもよい。また、ここでは、金型１０を、下型１１および上型１２の２個の型で構成しているが、３個以上の型で構成してもよい。
プリフォーム２は、ライナーの軸に沿って配置される中空のシャフト２５により金型１０内に軸支されている。つまり、シャフト２５は、プリフォーム２を金型１０内（キャビティー内）に支持する支持機構を構成している。
金型１０（図示例では下型１１）には、真空脱気配管１５が埋設されている。真空脱気配管１５には真空ポンプ５０が接続されている。真空ポンプ５０を駆動することによって真空脱気配管１５を介して金型１０内（キャビティー内）を真空脱気（排気）することが可能である。つまり、真空ポンプ５０と真空脱気配管１５は、金型１０内（キャビティー内）を真空脱気する真空脱気機構を構成している。
また、金型１０（図示例では上型１２）には、キャビティーに開口するゲート（樹脂注入口）１４を形成する樹脂注入配管１６が埋設されている。ゲート１４は、本例では、プリフォーム２の（軸方向の）中央部に対向する位置に配置されている。樹脂注入配管１６には樹脂注入機６０が接続されている。樹脂注入機６０から樹脂注入配管１６を介してゲート１４から金型１０内（キャビティー内）に樹脂３を注入（供給）することができる。つまり、樹脂注入機６０と樹脂注入配管１６は、金型１０内（キャビティー内）に樹脂３を注入する樹脂注入機構を構成している。樹脂３は、例えば、主剤と硬化剤とからなる２液系の熱硬化性のエポキシ樹脂である。そのため、樹脂注入機６０は、主剤用の樹脂貯蔵器６１、樹脂溜まり６２、加圧装置６３と、硬化剤用の樹脂貯蔵器６６、樹脂溜まり６７、加圧装置６８と、主剤と硬化剤を混合した樹脂３として樹脂注入配管１６に供給する開閉バルブ６５とを備える。
本例では、金型１０（図示例では下型１１）に、タンク内窒素ガスパージ配管１７が埋設されている。タンク内窒素ガスパージ配管１７には窒素ガスバージ装置７０が接続されている。窒素ガスバージ装置７０からタンク内窒素ガスパージ配管１７（および中空のシャフト２５）を介してプリフォーム２（のライナー）の内側に窒素ガスをパージ（加圧充填）し、プリフォーム２（のライナー）に内圧をかけることができる。つまり、窒素ガスバージ装置７０とタンク内窒素ガスパージ配管１７は、プリフォーム２（のライナー）に内圧をかける内圧付与機構を構成している。窒素ガスバージ装置７０は、本例では、調圧バルブ７５が付設された窒素ガスタンク７１を備える。
また、金型１０（図示例では上型１２）に、金型内窒素ガスパージ配管１８が埋設されている。金型内窒素ガスパージ配管１８には窒素ガスバージ装置８０が接続されている。窒素ガスバージ装置８０から金型内窒素ガスパージ配管１８を介して金型１０内（つまり、金型１０内に配置されたプリフォーム２の外側）に窒素ガスをパージ（加圧充填）することができる。つまり、窒素ガスバージ装置８０と金型内窒素ガスパージ配管１８は、金型１０内に窒素ガスをパージ（加圧充填）する窒素ガス（不活性ガス）充填機構を構成している。窒素ガスバージ装置８０は、本例では、調圧バルブ８５が付設された窒素ガスタンク８１を備える。
なお、本例では、窒素ガスを用いているが、窒素ガス以外の不活性ガスを利用してもよいことは勿論である。
また、製造装置１は、プリフォーム２を所定位置まで搬送するための搬送機構２０と、金型１０（詳しくは、上型１２）を開閉方向（上下方向）に駆動するための駆動機構３０と、金型１０（下型１１、上型１２）の温度を制御する温度制御装置４０と、製造装置１全体の稼働状態（詳しくは、搬送機構２０、駆動機構３０、温度制御装置４０、真空脱気機構である真空ポンプ５０、樹脂注入機構である樹脂注入機６０の加圧装置６３、６８と開閉バルブ６５、内圧付与機構である窒素ガスバージ装置７０の調圧バルブ７５、窒素ガス（不活性ガス）充填機構である窒素ガスバージ装置８０の調圧バルブ８５の稼働状態等）を制御するコントローラとしての制御装置９０とを備える。
［高圧タンクの製造方法］
図２は、実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の一例としての高圧タンクの製造方法を説明するフローチャートである。また、図３～図７はそれぞれ、プリフォーム配置工程、真空脱気工程、金型内窒素ガスパージ工程、本締め工程および樹脂注入工程、樹脂注入停止工程および樹脂硬化工程の状態を示す縦断面図である。
（金型準備工程：Ｓ２０１）
まず、前述した構成の下型１１と上型１２とからなる金型１０を用意する。
（プリフォーム準備工程：Ｓ２０２）
また、前述したように、中空のライナーの外表面に繊維を巻き付ける（巻回する）ことによって繊維層を形成したプリフォーム２を予め用意する。
（金型保温工程：Ｓ２０３）
次に、制御装置９０が温度制御装置４０を制御することによって、金型１０（下型１１、上型１２）を所定温度に保温する。樹脂３が熱硬化性樹脂である場合、この所定温度は、樹脂３の硬化温度以上の温度である。
なお、ここでは、最初に金型１０を樹脂３の硬化温度以上に保温しているが、例えば、最初は金型１０を樹脂３の硬化温度未満に保温しておき、後述する工程の適宜のタイミング（例えば樹脂３を注入して樹脂３が積層内に含浸完了した後等）において金型１０を樹脂３の硬化温度以上に保温してもよい。
（プリフォーム配置工程：Ｓ２０４）
続いて、制御装置９０が搬送機構２０と駆動機構３０を制御することによって、プリフォーム２を金型１０内（つまり、下型１１と上型１２との間）に配置する（図１、図３）。このとき、制御装置９０が窒素ガスバージ装置７０の調圧バルブ７５を開くことによって、窒素ガスタンク７１からプリフォーム２（のライナー）の内側に窒素ガスをパージ（加圧充填）し、プリフォーム２（のライナー）に窒素ガスで内圧をかける。具体的には、上型１２を開いた状態で、搬送機構２０が、制御装置９０の制御に従って、下型１１にプリフォーム２を載置する。このとき、プリフォーム２がシャフト２５により軸支される。その後、窒素ガスバージ装置７０の調圧バルブ７５が、制御装置９０の制御に従って開かれ、窒素ガスタンク７１からプリフォーム２（のライナー）の内側に窒素ガスをパージ（加圧充填）してプリフォーム２（のライナー）に窒素ガスで所定圧で内圧をかけながら、駆動機構３０が、制御装置９０の制御に従って、型締めを開始し、上型１２を仮締めする。仮締めとは、上型１２が開いた状態と本締めの状態との中間的な状態であって、下型１１と上型１２とが隙間を空けた状態として、図３に示すように、上型１２とプリフォーム２との間に数ｍｍの隙間（第２の隙間）が空く位置に移動させることである。この上型１２とプリフォーム２との間に形成される隙間（第２の隙間）は、下型１１とプリフォーム２との隙間（第１の隙間）よりも大きい。
（真空脱気工程：Ｓ２０５）
次に、上記の仮締めの状態において（言い換えれば、型締め完了前に）、プリフォーム２（のライナー）内の窒素ガス加圧を維持しつつ、制御装置９０が真空ポンプ５０を制御することによって、金型１０内を真空脱気する（図４）。
（金型内窒素ガスパージ工程：Ｓ２０６）
上記の真空脱気停止（完了）後、制御装置９０が窒素ガスバージ装置８０の調圧バルブ８５を開くことによって、窒素ガスタンク８１から金型１０内に窒素ガスを所定圧でパージ（加圧充填）する（図５）。上型１２が仮締めであるため、上型１２とプリフォーム２（の上面）との間に形成された隙間（第２の隙間）に向けて窒素ガスが吐出（加圧充填）される。
（本締め工程：Ｓ２０７）
続いて、金型１０内に窒素ガスをパージしつつ、制御装置９０が駆動機構３０を制御することによって、上型１２を下降端まで下降して完全に閉じて（プリフォーム２に相対的に接近させて）、上型１２および下型１１を完全に型締め（本締め）する（図６）。これによって、窒素ガスをプリフォーム２の繊維層の積層内まで充填する。
（樹脂注入工程：Ｓ２０８）
窒素ガスをプリフォーム２の繊維層の積層内まで充填した後、樹脂３を金型１０内に射出・注入する（図６）。具体的には、制御装置９０は、開閉バルブ６５を開き、樹脂溜まり６２に貯留されている主剤を加圧装置６３によって加圧し、樹脂溜まり６７に貯留されている硬化剤を加圧装置６８によって加圧し、主剤と硬化剤を混合して（未硬化の）樹脂３とする。これによって、上型１２に設けられた樹脂注入配管１６内を（未硬化の）樹脂３が流れ、ゲート（図示例では、プリフォーム２の中央部に設けられたゲート）１４から、プリフォーム２に向けて樹脂３が射出・注入され、プリフォーム２の繊維層の積層内に含浸される。
（樹脂注入停止工程：Ｓ２０９）
樹脂３がプリフォーム２の繊維層の積層内に含浸完了し、樹脂３の硬化発熱終了後、樹脂３の注入を停止する（図７）。
（樹脂硬化工程：Ｓ２１０）
前述の樹脂３の注入停止後、樹脂３を硬化させる（図７）。
（脱型工程：Ｓ２１１）
樹脂３が硬化した後、制御装置９０が駆動機構３０を制御することによって、上型１２を開く。樹脂３の硬化が完了することで、ライナーの外周に繊維強化樹脂層が形成された高圧タンク４が得られる。
以上で説明したように、燃料電池車用高圧タンクにおいて、ＲＴＭ含浸技術による高圧タンク製造時、エポキシ樹脂を炭素繊維に含浸しながら硬化する際、樹脂製ライナーの酸化・劣化による耐熱温度により、金型温度と樹脂の硬化発熱温度を低く設定しなければならず、生産性低下と高コスト要因になっている。
本実施形態は、ＲＴＭ成形時の樹脂製ライナーに圧力がかかった状態での高温時の酸化・劣化を防止するため、樹脂製ライナーの内外を窒素ガスパージしながら成形する。
ＲＴＭ成形する際、エポキシ樹脂注入時の圧力によるライナー変形を防止するため、ライナー内側から窒素ガスで内圧をかけると共に、ＲＴＭ金型内に高温樹脂が注入された際のライナー外側の酸化・劣化を防止するため、樹脂注入前に上型１２とタンク（プリフォーム２）の間に隙間を形成して窒素ガスパージした後、上型１２を閉じ、炭素繊維積層内にも窒素ガスを充填させた後に、高温のエポキシ樹脂を注入、含浸することで、樹脂製ライナー内外の酸化・劣化を防止する。
ハイサイクル成形のために、金型温度、樹脂温度が高い状態でも、樹脂製ライナーの品質とタンク性能を確保できるため、高圧タンクの高性能と高生産、大幅な低コストを両立した高圧タンクを成形することができる。さらに、タンクやライナー自体に剛性アップ用リブ等を追加する等の形状変更で生じる不具合を防止できるとともに、ライナーの板厚アップによるコストアップ、水素搭載量減少や物性（伸縮性等）低下等の問題もない。
したがって、本実施形態では、ＲＴＭ含浸技術によりエポキシ樹脂を含浸させる際、金型温度、樹脂温度が高い状態でも、樹脂製ライナーの酸化・劣化を防止することで、変形、品質、性能低下を防止できるため、高圧タンクの高性能と高生産、低コストを両立した高圧タンクを成形することができる。
このように、本実施形態によれば、樹脂３を注入する前に金型１０内に不活性ガス（窒素ガス等）を充填しておくことによって、高温の樹脂３を注入しても、高温下でライナーが酸化して劣化することを防止することができる。
また、金型１０内に不活性ガス（窒素ガス等）を充填した後に、プリフォーム２との間に隙間（第２の隙間）を空けて配置した上型（第２の型）１２を閉じる（プリフォーム２に相対的に接近させる）ことによって、金型１０内の不活性ガス（窒素ガス等）が繊維層の内部にも加圧充填されるため、ライナーの高温時の酸化・劣化をより確実に防止することができる。
また、不活性ガス（窒素ガス等）を用いてプリフォーム２に内圧をかけることによって、ライナー内側の酸化・劣化を防止することもできる。
以上、本発明の実施の形態を図面を用いて詳述してきたが、具体的な構成はこの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における設計変更等があっても、それらは本発明に含まれるものである。
１ 高圧タンク（繊維強化樹脂成形品）の製造装置
２ プリフォーム
３ 樹脂
４ 高圧タンク（繊維強化樹脂成形品）
１０ 金型
１１ 下型（第１の型）
１２ 上型（第２の型）
１４ ゲート（樹脂注入口）
１５ 真空脱気配管（真空脱気機構）
１６ 樹脂注入配管（樹脂注入機構）
１７ タンク内窒素ガスパージ配管（内圧付与機構）
１８ 金型内窒素ガスパージ配管（窒素ガス（不活性ガス）充填機構）
２０ 搬送機構
２５ シャフト
３０ 駆動機構
４０ 温度制御装置
５０ 真空ポンプ（真空脱気機構）
６０ 樹脂注入機（樹脂注入機構）
６１、６６ 樹脂貯蔵器
６２、６７ 樹脂溜まり
６３、６８ 加圧装置
６５ 開閉バルブ
７０ 窒素ガスバージ装置（内圧付与機構）
７１ 窒素ガスタンク
７５ 調圧バルブ
８０ 窒素ガスバージ装置（窒素ガス（不活性ガス）充填機構）
８１ 窒素ガスタンク
８５ 調圧バルブ
９０ 制御装置

Claims (6)

  1. 中空のライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを形成し、前記プリフォームの前記繊維層に樹脂を含浸させて硬化させた繊維強化樹脂成形品の製造方法であって、
    前記プリフォームに内圧をかけながら、前記プリフォームを金型内に配置する工程と、
    前記金型内を真空脱気する工程と、
    前記金型内に不活性ガスを充填する工程と、
    前記金型内に樹脂を注入して前記繊維層に含浸させる工程と、を含み、
    前記金型は、第１の型と第２の型とを含み、
    前記プリフォームを前記金型内に配置する工程において、前記第１の型と前記プリフォームとの間の第１の隙間よりも大きい第２の隙間を前記第２の型と前記プリフォームとの間に形成するように、前記プリフォームを前記第１の型と前記第２の型との間に配置し、
    前記金型内に不活性ガスを充填する工程において、前記金型内の前記第２の隙間に向けて前記不活性ガスを充填し、
    前記金型内に不活性ガスを充填する工程の後かつ前記金型内に樹脂を注入する工程の前に、前記第２の型を前記プリフォームに相対的に接近させることによって、前記金型内の前記不活性ガスを加圧充填する工程をさらに含むことを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
  2. 請求項１に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法において、
    不活性ガスを用いて前記プリフォームに内圧をかけることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
  3. 請求項１に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法において、
    前記ライナーは、樹脂製であり、
    前記樹脂は、熱硬化性樹脂で構成されていることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。
  4. 中空のライナーの外表面に繊維層が形成されたプリフォームを形成し、前記プリフォームの前記繊維層に樹脂を含浸させて硬化させた繊維強化樹脂成形品の製造装置であって、
    金型と、
    前記金型を開閉方向に駆動するための駆動機構と、
    前記金型内を真空脱気するための真空脱気機構と、
    前記金型内に不活性ガスを充填するための不活性ガス充填機構と、
    前記金型内に樹脂を注入するための樹脂注入機構と、
    前記プリフォームに内圧をかけるための内圧付与機構と、
    前記駆動機構、前記真空脱気機構、前記不活性ガス充填機構、前記樹脂注入機構、および前記内圧付与機構の稼働状態を制御する制御装置と、を備え、
    前記制御装置は、
    前記内圧付与機構によって、前記プリフォームに内圧をかけながら、前記駆動機構によって、前記プリフォームを前記金型内に配置し、
    前記真空脱気機構によって、前記金型内を真空脱気し、
    前記不活性ガス充填機構によって、前記金型内に不活性ガスを充填し、
    前記樹脂注入機構によって、前記金型内に樹脂を注入して前記繊維層に含浸させ、
    前記金型は、第１の型と第２の型とを含み、
    前記制御装置は、
    前記プリフォームを前記金型内に配置するときに、前記駆動機構によって、前記第１の型と前記プリフォームとの間の第１の隙間よりも大きい第２の隙間を前記第２の型と前記プリフォームとの間に形成するように、前記プリフォームを前記第１の型と前記第２の型との間に配置し、
    前記金型内に不活性ガスを充填するときに、前記不活性ガス充填機構によって、前記金型内の前記第２の隙間に向けて前記不活性ガスを充填し、
    前記金型内に不活性ガスを充填した後かつ前記金型内に樹脂を注入する前に、前記駆動機構によって、前記第２の型を前記プリフォームに相対的に接近させることによって、前記金型内の前記不活性ガスを加圧充填することを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造装置。
  5. 請求項４に記載の繊維強化樹脂成形品の製造装置において、
    前記内圧付与機構は、不活性ガスを用いて前記プリフォームに内圧をかけることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造装置。
  6. 請求項４に記載の繊維強化樹脂成形品の製造装置において、
    前記ライナーは、樹脂製であり、
    前記樹脂は、熱硬化性樹脂で構成されていることを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造装置。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102390520B1 (ko) * 2021-12-31 2022-04-27 이금영 열경화성 수지 냉각탑 외장 재활용 복합소재, 이로써 제조된 냉각탑 외장 제품 및 이의 제조 방법

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000018566A1 (fr) 1998-09-30 2000-04-06 Toray Industries, Inc. Structure creuse en resine renforcee par des fibres et son procede de fabrication
JP2008213389A (ja) 2007-03-07 2008-09-18 Toyota Industries Corp 繊維強化プラスチックの製造方法及び繊維強化プラスチック成形用中子
JP2010064392A (ja) 2008-09-11 2010-03-25 Toyota Motor Corp 繊維強化プラスチックの製造方法および製造装置
JP2019056415A (ja) 2017-09-21 2019-04-11 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクの製造方法および製造装置
JP2019142118A (ja) 2018-02-21 2019-08-29 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクの製造方法

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3028284A (en) * 1953-11-24 1962-04-03 John F Reeves Molding method for plastic bodies
US3612387A (en) * 1970-01-07 1971-10-12 Aeronca Inc Brazing method and apparatus
US3902944A (en) * 1974-02-14 1975-09-02 Fiber Science Inc Noncircular filament wound article of manufacture and method of making same
US5259901A (en) * 1992-05-27 1993-11-09 Thiokol Corporation Method for constructing an inflatable mandrel
US20190152104A1 (en) 2017-11-20 2019-05-23 Jtekt Corporation Production method for resin molding
JP2019093700A (ja) 2017-11-20 2019-06-20 株式会社ジェイテクト 樹脂成形体の製造方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2000018566A1 (fr) 1998-09-30 2000-04-06 Toray Industries, Inc. Structure creuse en resine renforcee par des fibres et son procede de fabrication
JP2008213389A (ja) 2007-03-07 2008-09-18 Toyota Industries Corp 繊維強化プラスチックの製造方法及び繊維強化プラスチック成形用中子
JP2010064392A (ja) 2008-09-11 2010-03-25 Toyota Motor Corp 繊維強化プラスチックの製造方法および製造装置
JP2019056415A (ja) 2017-09-21 2019-04-11 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクの製造方法および製造装置
JP2019142118A (ja) 2018-02-21 2019-08-29 トヨタ自動車株式会社 高圧タンクの製造方法

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