JP7287526B2 - Method for producing fiber-reinforced plastic molded article - Google Patents
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本発明は、繊維強化プラスチック成形体の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for producing a fiber-reinforced plastic molded article.
中空形状、U字状等の繊維強化プラスチック(FRP;Fiber Reinforced Plastics)成形体は、航空機の胴体や翼等の大型ものものから、自転車のフレーム、テニスラケット、釣竿やゴルフシャフト等の小型のものまで幅広く利用されている。 Fiber reinforced plastics (FRP) moldings of hollow shape, U shape, etc., range from large ones such as aircraft fuselages and wings to small ones such as bicycle frames, tennis rackets, fishing rods and golf shafts. is widely used.
中空形状、U字状等の繊維強化プラスチック成形体の製造方法としては、繊維(フィラメント)に樹脂を含浸させたプリプレグを中子の周囲に配置して成形を行った後に、前記中子を取り除く方法が知られている。
例えば、ワックス製成形型にFRP材を積層し、成形硬化後、ワックス製成形型を溶融除去する方法が提案されている(特許文献1)。
また、合成ワックスで中子を作製する工程と、前記中子の外面全体にプリプレグを貼付し、貼付したプリプレグにワックス排出孔を形成する工程と、中子とプリプレグを加熱し、プリプレグを熱硬化させつつ、溶融した合成ワックスをワックス排出孔から排出して繊維強化プラスチック成形体を得る工程と、を有する方法が提案されている(特許文献2)。
As a method for producing a hollow, U-shaped, or other fiber-reinforced plastic molded body, a prepreg in which fibers (filaments) are impregnated with a resin is placed around a core, and the core is removed after molding. method is known.
For example, a method has been proposed in which an FRP material is laminated on a wax mold, and after the molding is cured, the wax mold is melted and removed (Patent Document 1).
Further, a step of making a core with synthetic wax, a step of attaching a prepreg to the entire outer surface of the core, forming a wax discharge hole in the attached prepreg, heating the core and the prepreg, and thermosetting the prepreg. (Patent Document 2).
さらに、繊維強化材と熱硬化性樹脂とを含むプリプレグを、中実なマンドレル材料の周囲に配置する工程と、前記プリプレグを硬化させて繊維強化プラスチック成形体を形成する工程と、前記繊維強化プラスチック成形体のガラス転移温度よりも低い温度で前記マンドレル材料を溶融させて液体材料とする工程と、前記液体材料を排出する工程と、前記繊維強化プラスチック成形体を冷却する工程と、を有する方法が提案されている(特許文献3)。
また、変形容易な中空体からなるマンドレルに流体を封入し、マンドレルの周囲に網目状に連続した樹脂含浸繊維束を巻きつけた後、加熱された成形型で拘束しながらマンドレルの内圧を高めて上記の樹脂を硬化させる方法が提案されている(特許文献4)。
Furthermore, the steps of placing a prepreg containing a fiber reinforcement and a thermosetting resin around a solid mandrel material, curing the prepreg to form a fiber-reinforced plastic molding, and A method comprising the steps of melting the mandrel material to a liquid material at a temperature lower than the glass transition temperature of the molded article, discharging the liquid material, and cooling the fiber-reinforced plastic molded article. It has been proposed (Patent Document 3).
In addition, fluid is enclosed in a mandrel made of an easily deformable hollow body, and after winding a continuous resin-impregnated fiber bundle in a mesh shape around the mandrel, the internal pressure of the mandrel is increased while restraining it with a heated molding die. A method for curing the above resin has been proposed (Patent Document 4).
特許文献1の方法では、常温硬化で成形を行うため、硬化時間が長くなり、生産効率の低下を招く。また、ワックス表層に直接ハンドレイアップを行うため、ワックス溶融除去後、フィラメント間にワックスが残留する可能性がある。
特許文献2の方法では、プリプレグを硬化させつつ中子を溶融させて除去するため、工程数が少ない。しかし、プリプレグの硬化が充分に進む前に中子の一部が除去されやすく、特に大型の繊維強化プラスチック成形体の場合に形状が安定せず、また成形体にボイド等の空隙が生じることがある。そのため、高品質な繊維強化プラスチック成形体を効率的に得ることが難しく、経済的にも不利である。
In the method of
In the method of
さらに、特許文献3の方法では、特に上型と下型を備える成形用金型等の型締め時の圧力が一方向にかかりやすい場合に、マンドレル材料に均一に圧力が加わり難く、立ち面(金型キャビティ底部から上方向に延びる面)のボイドや角部の欠け等の成形不良が生じやすい。
また、特許文献4の方法では、マンドレル内に空気等のガスを封入するため、成形圧力が低くなりやすく、立ち面や角部では成形不良が生じやすい。
Furthermore, in the method of
Further, in the method of
本発明は、容易に中子の圧力を制御することができ、中空形状の繊維強化プラスチック成形体を効率的かつ経済的に製造できる繊維強化プラスチック成形体の製造方法を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method for producing a fiber-reinforced plastic molded article that can easily control the pressure of the core and can efficiently and economically produce a hollow fiber-reinforced plastic molded article. .
本発明は、以下の構成を有する。
[1]熱可塑性の固形物を含む中子の周囲に、熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を、成形用金型により加熱圧縮成形した後、前記熱可塑性の固形物を排出することにより中空形状の繊維強化プラスチック成形体を得る、繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
[2]前記成形前駆体の中子の体積が、前記中空形状の中空部の体積以下である、[1]に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
[3]前記熱可塑性の固形物が、粒状の樹脂あるいは粉状の樹脂である、[1]又は[2]に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
[4]前記熱可塑性の固形物に、凹凸加工、穴開け加工および溝加工の少なくとも1つが施されている、[1]又は[2]に記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
[5]前記熱可塑性の固形物の内部に空隙が存在する、[1]~[4]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
[6]前記熱可塑性の固形物がワックスである、[1]~[5]のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。
The present invention has the following configurations.
[1] A molding precursor in which a prepreg containing a thermosetting resin and fibers is arranged around a core containing a thermoplastic solid is heat-compressed using a molding die, and then the thermoplastic solid A method for producing a fiber-reinforced plastic molded article, in which a hollow-shaped fiber-reinforced plastic molded article is obtained by discharging an object.
[2] The method for producing a fiber-reinforced plastic molded article according to [1], wherein the volume of the core of the molding precursor is equal to or less than the volume of the hollow portion of the hollow shape.
[3] The method for producing a fiber-reinforced plastic molded article according to [1] or [2], wherein the thermoplastic solid is granular resin or powdery resin.
[4] The method for producing a fiber-reinforced plastic molded article according to [1] or [2], wherein the thermoplastic solid material is subjected to at least one of uneven processing, hole processing and groove processing.
[5] The method for producing a fiber-reinforced plastic molded article according to any one of [1] to [4], wherein voids are present inside the thermoplastic solid.
[6] The method for producing a fiber-reinforced plastic molded article according to any one of [1] to [5], wherein the thermoplastic solid is wax.
本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法によれば、容易に中子の圧力を制御することができ、中空形状の繊維強化プラスチック成形体を効率的かつ経済的に製造できる。 According to the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present invention, the core pressure can be easily controlled, and a hollow fiber-reinforced plastic molded article can be produced efficiently and economically.
本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、熱可塑性の固形物を含む中子の周囲に、熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを配置した成形前駆体を、成形用金型により加熱圧縮成形した後、前記熱可塑性の固形物を排出することにより中空形状の繊維強化プラスチック成形体を得る方法である。 In the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present invention, a molding precursor in which a prepreg containing a thermosetting resin and fibers is arranged around a core containing a thermoplastic solid is heated by a molding die. After compression molding, the thermoplastic solid matter is discharged to obtain a hollow fiber-reinforced plastic molding.
本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法によって得られる繊維強化プラスチック成形体は、繊維強化プラスチックからなる外層を有する中空形状の成形品である。
本発明で用いる熱可塑性の固形物は、中空形状や断面U字状等の繊維強化プラスチック成形体を製造する際に用いる中子としての機能を有するものである。また、本発明で用いる熱可塑性の固形物は、常温(20℃)に代表される加熱加圧成形前の雰囲気温度下では可塑性を示さないが、加熱圧縮成型時には軟化又は溶融し、自由に変形する性質を持つ物質から構成されるものである。
この熱可塑性の固形物は、加熱圧縮成形後、例えば、成形体の熱変形温度以下、かつ熱可塑性の固形物の融点以上の温度とすることで、得られた成形体から容易に除去することができる。
A fiber-reinforced plastic molded article obtained by the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present invention is a hollow molded article having an outer layer made of fiber-reinforced plastic.
The thermoplastic solid material used in the present invention has a function as a core used when manufacturing a fiber-reinforced plastic molded article having a hollow shape or a U-shaped cross section. In addition, the thermoplastic solid used in the present invention does not show plasticity under the atmospheric temperature before heat and pressure molding, typified by room temperature (20 ° C.), but softens or melts and freely deforms during heat compression molding. It consists of substances that have the property of
The thermoplastic solid matter can be easily removed from the obtained molded article after hot compression molding, for example, by setting the temperature to a temperature equal to or lower than the heat distortion temperature of the molded article and equal to or higher than the melting point of the thermoplastic solid matter. can be done.
この熱可塑性の固形物を構成する物質としては、例えば、ポリオレフィン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリウレタン、アクリル樹脂等の熱可塑性樹脂、スズ、インジウム等のような低融点金属、はんだ、ウッド合金、ローズ合金、リポヴィッツ合金、ニュートン合金等のような易融合金、低融点ガラス、ワックス等が挙げられる。
これらの中でも、プリプレグの成形温度以下の融点を有することができるとともに、所望の形状への加工が容易であり、かつ密度が低く、上記の成形前駆体を軽量化できる点から、ワックスを使用することが好ましい。
Substances constituting this thermoplastic solid include, for example, thermoplastic resins such as polyolefin, polyvinyl chloride, polystyrene, polyvinyl acetate, polyurethane, and acrylic resins, low melting point metals such as tin and indium, solder, Examples include fusible metals such as Wood alloys, Rose alloys, Lipovitz alloys, Newton alloys, low-melting glass, and waxes.
Among these, wax is used because it can have a melting point lower than the molding temperature of the prepreg, can be easily processed into a desired shape, has a low density, and can reduce the weight of the molding precursor. is preferred.
このワックスとしては、パラフィンワックス等のような天然ワックス、フィッシャートロプシュワックス、ポリエチレンワックス等のような合成ワックスを適宜選択して使用することができる。ワックスとしては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。ワックスとしては、比較的低温で溶けるロストワックス鋳造(lost-wax casting)用ワックスを使用することが好ましい。ロストワックス鋳造用ワックスを使用することにより、本発明の繊維強化プラスチック成形体の成形後のワックスの除去が容易となる傾向にある。
これらワックスは、その融点(Tm)が、プリプレグの成形温度(Tf)に対して、Tf-60≦Tm≦Tfの関係にあることが好ましい。融点Tmが前記範囲内であれば、成形不良が生じることを抑制でき、外観に優れた繊維強化プラスチック成形体が得られる。融点Tmを好ましくはTf-60以上、より好ましくはTf-50以上、さらに好ましくはTf-40以上とすることによって、加熱圧縮成形前にはワックスが軟化し難く、中子の形状が安定するため、加熱圧縮成形前にプリプレグにシワが生じて繊維強化プラスチック成形体の外観が低下することを抑制できる。融点Tmを好ましくはTf以下、より好ましくはTf-10以下、さらに好ましくはTf-20以下とすることによって、加熱圧縮成形時にワックスが溶融して中子の内圧が高まりやすく、成形不良を抑制しやすい。
Natural wax such as paraffin wax and synthetic wax such as Fischer-Tropsch wax and polyethylene wax can be appropriately selected and used as the wax. As the wax, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination. As the wax, it is preferable to use a lost-wax casting wax that melts at a relatively low temperature. The use of the lost wax casting wax tends to facilitate the removal of the wax after molding of the fiber-reinforced plastic molded article of the present invention.
The melting point (Tm) of these waxes preferably satisfies the relation of Tf-60≦Tm≦Tf with respect to the molding temperature (Tf) of the prepreg. If the melting point Tm is within the above range, it is possible to suppress the occurrence of molding defects and obtain a fiber-reinforced plastic molded article excellent in appearance. By setting the melting point Tm to preferably Tf-60 or higher, more preferably Tf-50 or higher, and even more preferably Tf-40 or higher, the wax is less likely to soften before hot compression molding, and the shape of the core is stabilized. Also, it is possible to suppress deterioration of the appearance of the fiber-reinforced plastic molded article caused by wrinkles in the prepreg before heat compression molding. By setting the melting point Tm to preferably Tf or less, more preferably Tf-10 or less, and even more preferably Tf-20 or less, the wax melts during hot compression molding, the internal pressure of the core tends to increase, and molding defects are suppressed. Cheap.
本発明に用いる熱可塑性の固形物を含む中子の体積は、成形後の中空形状の中空部の体積以下とすることが好ましい。繊維強化プラスチック成形体の成形前駆体を加熱圧縮する際に、熱可塑性の固形物が温度上昇により体積膨張して、中子の内圧が高まる。熱可塑性の固形物の体積膨張が大きく、中子の内圧が過大となって、成形不良が生じる可能性がある場合には、予め熱可塑性の固形物の体積を、成形後の中空形状の中空部の体積より小さくしておき、中子の内圧を制御する。熱可塑性の固形物の体積は、熱可塑性の固形物の各種材料選定や成形温度の条件により、適宜変更される。 The volume of the core containing the thermoplastic solid material used in the present invention is preferably equal to or less than the volume of the hollow portion of the hollow shape after molding. When the molding precursor of the fiber-reinforced plastic molding is heat-compressed, the volume of the thermoplastic solid expands due to the temperature rise, and the internal pressure of the core increases. If there is a possibility that the volume expansion of the thermoplastic solid is large and the internal pressure of the core becomes excessive and molding defects may occur, the volume of the thermoplastic solid is preliminarily adjusted to the hollow shape of the hollow shape after molding. The internal pressure of the core is controlled by making it smaller than the volume of the core. The volume of the thermoplastic solid can be appropriately changed depending on the selection of various materials for the thermoplastic solid and the conditions of the molding temperature.
熱可塑性の固形物の体積を小さくする方法としては、熱可塑性の固形物を粒状の樹脂あるいは粉状の樹脂とする方法、熱可塑性の固形物に、凹凸加工、穴開け加工および溝加工の少なくとも1つを施す方法、熱可塑性の固形物の内部に空隙を形成する方法が好ましい。これらの方法は、目的とする中子の内圧に応じて適宜選択される。また、熱可塑性の固形物の体積が、成形後の中空形状の中空部の体積と同じ場合であっても、熱可塑性の固形物の体積を小さくする方法を適用することにより、中子の内圧の上昇挙動を、前記の方法を適用しない場合と異なるようにすることが可能である。 As a method for reducing the volume of the thermoplastic solid, there is a method of making the thermoplastic solid into a granular resin or a powdery resin, and the thermoplastic solid is subjected to at least uneven processing, drilling and grooving. A method of applying one, forming voids inside a thermoplastic solid, is preferred. These methods are appropriately selected according to the target inner pressure of the core. In addition, even if the volume of the thermoplastic solid is the same as the volume of the hollow part of the hollow shape after molding, by applying a method for reducing the volume of the thermoplastic solid, the internal pressure of the core can be reduced. It is possible to make the rising behavior of .DELTA.
以下、本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法の一例について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図の寸法等は一例であって、本発明は各図に示したものに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。 An example of the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. It should be noted that the dimensions and the like in each drawing are examples, and the present invention is not necessarily limited to those shown in each drawing, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of not changing the gist of the invention.
本実施形態の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、下記の成形工程を有し、さらに、下記のワックス等に代表される熱可塑性の固形物の排出工程を有する。
本実施形態の繊維強化プラスチック成形体の製造方法では、熱可塑性の固形物としてワックスを使用する場合を例示する。また、本実施形態の繊維強化プラスチック成形体の製造方法では、中子が、ワックスと、ワックスを包囲するバリア層とからなる場合を例示する。
成形工程:図1に示すように、ワックス1をバリア層2内に収容した中子3の周囲にプリプレグ4を配置した成形前駆体5を、成形用金型10によりワックス1の少なくとも一部を溶融させつつ加熱圧縮成形する。
熱可塑性の固形物の排出工程:図2A~図2Cに示すように、成形工程後で得られた繊維強化プラスチック成形体6からワックス1を排出する。
この例は、パイプ等に用いられる四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を製造するものである。
The method for producing a fiber-reinforced plastic molded article according to the present embodiment includes the following molding steps, and further includes a step of discharging thermoplastic solids such as wax described below.
In the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present embodiment, the case of using wax as the thermoplastic solid is exemplified. Further, in the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present embodiment, a case where the core is made of wax and a barrier layer surrounding the wax is exemplified.
Molding step: As shown in FIG. 1, a
Step of discharging thermoplastic solids: As shown in FIGS. 2A to 2C, the
In this example, a rectangular tube-shaped fiber-reinforced
(成形工程)
図1は、成形用金型10の長さ方向に対して垂直な方向に切断した断面図である。
本実施形態の成形工程では、まず、図1に示すように、ワックス1をバリア層2内に収容した中子3の周囲にプリプレグ4を配置した成形前駆体5を、成形用金型10により加熱圧縮成形する。これにより、プリプレグ4が硬化して、図2Aに示すように、中子3を内包する繊維強化プラスチック成形体6が得られる。なお、中子3の周囲にプリプレグ4を配置する際には、中子3の外面に添って(中子3の外形形状に添って)プリプレグ4を配置する。
(Molding process)
FIG. 1 is a cross-sectional view taken in a direction perpendicular to the length direction of the
In the molding process of this embodiment, first, as shown in FIG. Heat compression molding. As a result, the
中子3を形成する方法は、特に限定されない。中子3を形成する方法としては、例えば、事前に型で所定の形状に成形したワックス1を、バリア層2を形成するフィルムで覆い、該フィルムの端部同士を接着するか熱融着してバリア層2を形成し、バリア層2内にワックス1を密封して中子3とする方法が挙げられる。また、シュリンクチューブ内に予め所定の形状に成形したワックス1を入れ、該シュリンクチューブを熱収縮させてワックス1に密着させるとともに、該シュリンクチューブの両端部を熱融着して密封することによりバリア層2を形成して、中子3とする方法を採用してもよい。シュリンクチューブを用いる方法は、バリア層2がワックス1の形状に添い易く、容易に密封できる点で有利である。また、所定の形状にブロー成形して得たバリア層2内にワックスを溶融させて充填し、バリア層2の開口部を熱融着して密封し、中子3を形成してもよい。
あるいは、バリア層2となる液体ゴムをワックス1の周囲全面に塗布し、その液体ゴムを乾燥させてバリア層2とし、中子3を形成してもよい。さらに別の方法として、液体ゴムをワックス1の周囲全面に塗布した後、その液体ゴムの塗布面に繊維補強材となる不織布を貼り付け、さらに不織布に液体ゴムを塗布して、液体ゴムと不織布からなるバリア層2を形成し、中子3を形成する方法を採用してもよい。
A method for forming the
Alternatively, the liquid rubber to be the
プリプレグ4は、繊維と熱硬化性樹脂とを含む成形用複合材料である。プリプレグ4としては、例えば、繊維を一方向に引き揃えたUD(uni-directional)材、繊維を製織したクロス材、繊維からなる不織布や繊維をチョップしたSMC(sheet molding compound)等の繊維強化材に、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状のプリプレグが挙げられる。
繊維としては、特に限定されず、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、炭化ケイ素繊維、金属繊維等が挙げられる。これらのうち、繊維強化プラスチック成形体6に求められる形状安定性、機械的強度等の性能が発現し易いという観点から、炭素繊維が好ましい。繊維としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
The
The fibers are not particularly limited, and examples thereof include carbon fibers, glass fibers, aramid fibers, silicon carbide fibers, metal fibers and the like. Among these, carbon fiber is preferable from the viewpoint that performance required for the fiber-reinforced plastic molded
熱硬化性樹脂としては、特に限定されず、例えば、エポキシ樹脂、ユリア樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、フェノール樹脂等が挙げられる。熱硬化性樹脂としては、1種を単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。 Thermosetting resins are not particularly limited, and examples thereof include epoxy resins, urea resins, vinyl ester resins, unsaturated polyesters, polyurethanes, and phenol resins. As the thermosetting resin, one type may be used alone, or two or more types may be used in combination.
また、プリプレグ4全質量に対する熱硬化性樹脂の含有量(以下、「樹脂含有量」という)は、15~50質量%が好ましく、20~45質量%がより好ましく、25~40質量%がさらに好ましい。樹脂含有量が、15質量%以上であれば、繊維と熱硬化性樹脂との接着性を充分に確保することができる。一方、樹脂含有量が、50質量%以下であれば、繊維強化プラスチック成形体6の難燃性がより向上する。
In addition, the content of the thermosetting resin (hereinafter referred to as "resin content") with respect to the total mass of the
プリプレグ4は、必要に応じて、繊維及び熱硬化性樹脂以外の任意成分(添加剤)を含んでいてもよい。そのような任意成分の例としては、例えば、難燃剤(例えば、リン含有エポキシ樹脂や赤燐、ホスファゼン化合物、リン酸塩類、リン酸エステル類等)、シリコーンオイル、湿潤分散剤、消泡剤、脱泡剤、天然ワックス類、合成ワックス類、直鎖脂肪酸の金属塩、酸アミド、エステル類、パラフィン類等の離型剤、結晶質シリカ、溶融シリカ、ケイ酸カルシウム、アルミナ、炭酸カルシウム、タルク、硫酸バリウム等の粉体やガラス繊維、炭素繊維等の無機充填剤、カーボンブラック、ベンガラ等の着色剤、シランカップリング剤等が挙げられる。
また、プリプレグ4全質量に対する任意成分の含有量は、0~25質量%が好ましく、1~20質量%がより好ましく、1~15質量%がさらに好ましい。
The
Also, the content of the optional component with respect to the total mass of the
成形前駆体5の形態は、特に限定されず、例えば、2枚のシート状のプリプレグ4で中子3全体を包み込むように配置した形態が挙げられる。
The form of the molded
この例の成形用金型10は、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を製造するためのものであり、下型12と上型14とを備える。下型12の上面側には凹部12aが形成されている。上型14の下面側には、下型12の凹部12aに嵌まり込む凸部14aが形成されている。成形用金型10においては、下型12と上型14とを近接させて型締めすることで、内部に目的の繊維強化プラスチック成形体6の形状と相補的な形状のキャビティ(凹部12aと凸部14aによって形成される空間)が形成される。
A molding die 10 of this example is for manufacturing a rectangular tube-shaped fiber-reinforced
成形用金型10は開閉機構を備えていれば充分であり、高圧プレス機を採用していなくてもよい。つまり、下型12と上型14とを互いに近接させて型締めした段階では、成形前駆体5にかかる圧力は必ずしも充分に高くなくてもよい。型締めの段階で成形前駆体5にかかる圧力が不充分であっても、後述するように加熱圧縮成形時にワックス1が溶融して中子3の内圧が高まることで、成形前駆体5に充分な圧力がかかる。そのため、成形不良が起きることを抑制でき、寸法精度の高い繊維強化プラスチック成形体6が得られる。
It is sufficient for the molding die 10 to have an opening/closing mechanism, and a high-pressure press may not be used. That is, at the stage where the
成形前駆体5を成形用金型10で加熱圧縮成形する方法としては、例えば、以下の方法が挙げられる。中子3の周囲にプリプレグ4を配置して成形前駆体5を形成した後、成形前駆体5を、室温にて成形用金型10のキャビティ形状と略同じ形状に予備賦形して、プリフォームとする。次いで、予め加熱した成形用金型10の下型12の凹部12a内に成形前駆体5(プリフォーム)を載置し、成形用金型10を型締めして加熱圧縮成形し、プリプレグ4を硬化させる。
Examples of the method of heat-compression molding the
なお、加熱圧縮成形方法は、前記方法に限定されない。例えば、以下のRTM(レジントランスファー成形)法を採用してもよい。具体的には、中子3の周囲に、プリプレグの代わりに、熱硬化性樹脂を含浸していない繊維強化材(ファブリック)を配置し、下型12の凹部12a内に中子3と繊維強化材を載置し、成形用金型10を型締めする。次いで、成形用金型10内に未硬化の熱硬化性樹脂を注入し、繊維強化材に熱硬化性樹脂を含浸させた後、成形用金型10を加熱硬化して成形体6を得る。
In addition, the hot compression molding method is not limited to the above method. For example, the following RTM (resin transfer molding) method may be employed. Specifically, instead of the prepreg, a fiber reinforcing material (fabric) that is not impregnated with a thermosetting resin is arranged around the
本発明においては、成形温度以下で溶融する熱可塑性の固形物を中子に使用することが好ましい。このようにすれば、中子においてバリア層内に収容した熱可塑性の固形物の少なくとも一部を溶融させつつ成形前駆体を加熱圧縮成形することができる。
この例では、成形用金型10の熱がプリプレグ4に伝わり、さらにバリア層2を介してワックス1にも伝わることで、ワックス1の少なくとも一部が溶融する。
In the present invention, it is preferable to use a thermoplastic solid that melts below the molding temperature for the core. In this way, the molding precursor can be heat-compression-molded while at least part of the thermoplastic solid contained in the barrier layer is melted in the core.
In this example, the heat of the molding die 10 is transmitted to the
ワックス1は加熱により膨張し、さらに溶融時に大きく膨張するため、加熱圧縮成形時には中子3の内圧が高まる。また、バリア層2内で溶融状態となったワックス1は流動するため、中子3全体で内圧が均一になる。中子3の内圧が均一になることで、加熱圧縮成形において、プリプレグ4には成形用金型10の下型12と上型14とを閉じる上下方向以外の方向にも圧力が均一にかかる。
Since the
中子3ではワックス1がバリア層2に収容されているため、溶融したワックス1がプリプレグ4の外側に漏れ出すことが抑制されている。また、バリア層2は可撓性を有し伸延できるため、ワックス1の流動に伴う中子3の外形形状の変形を許容できる。そのため、ワックス1の膨張により内圧が高まると中子3が広がる。これにより、仮に中子3とその周囲に配置したプリプレグ4との間に空隙が形成されていても、中子3の変形によって該空隙が埋められる。また、成形用金型10内の隅部において成形面とプリプレグ4との間に空隙が形成されていたとしても、中子3の変形(膨張)に伴ってプリプレグ4が成形面に押し付けられることで該空隙が埋められる。このように、プリプレグ4が中子3と成形用金型10の成形面に隙間なくしっかりと密着するため、成形不良が生じることが抑制される。これにより、特に立ち面の曲がりやシワ、ボイド等が生じ難くなり、所定の肉厚を有する寸法精度の高い繊維強化プラスチック成形体6が得られる。角部が直角の繊維強化プラスチック成形体6を製造する場合も、成形用金型10の隅部にプリプレグ4が充分に満たされ、該角部が成形用金型10の成形面に沿って高い精度で直角になる。
Since the
加熱圧縮成形時に、成形用金型10の型締め圧力よりもワックス1の膨張に起因する中子3の内圧が大きくなり過ぎると、成形用金型10が開くことになる。また、中子3の内圧が過大になるとバリア層2の破損や、プリプレグ4の繊維の目開きの原因となり、成形不良につながる。その対策として、予めワックス1の体積を、成形後の中空形状の中空部の体積より小さくしておき、体積膨張による中子3の内圧を制御する。予め小さくしておくワックス1の体積は、成形時に膨張したワックス1の体積と中空部の体積が同等になるようにしておくことが好ましい。
During hot compression molding, if the internal pressure of the
図3には、ワックス1の体積を減らす方法の一つとして、直方体状のワックス1に穴開け加工を施した例を示す。ここでは、ワックス1に、その高さ方向(下型12と上型14とを閉じる上下方向)に貫通する2つの貫通穴1aを、ワックス1の縦方向(ワックス1の上面1bおよび下面1cの長辺方向)に等間隔に形成した場合を示す。貫通穴1aは、ワックス1の上面1bおよび下面1cに開口部を有する。また、貫通穴1aの開口部は、ワックス1の上面1bおよび下面1cにて、等間隔に配置されている。この例では、成形時の加熱により、表層から溶融したワックス1は、貫通穴1aに流れ込み、ワックス1が中実の場合と比較して中子3の内部におけるワックス1の体積が減るため、中子3の内圧の上昇が抑制される。また、貫通穴1aの直径、数、深さ等を適宜調整することにより、中子3の内圧の上昇挙動を制御することが可能になる。
FIG. 3 shows an example in which a
図4には、ワックス1の体積を減らす方法の一つとして、直方体状のワックス1の表層に溝加工を施した例を示す。ここでは、ワックス1の表層(上面1b側の層)に、ワックス1の縦方向(ワックス1の上面1bおよび下面1cの長辺方向)の全長に延在する2つの溝1dを、ワックス1の横方向(ワックス1の上面1bおよび下面1cの短辺方向)に等間隔に形成した場合を示す。溝1dは、ワックス1の縦方向と垂直な断面において、上面1bから下面1c側に窪む凹状をなしている。この例では、成形時の加熱により、表層から溶融したワックス1は、溝1dに流れ込み、ワックス1が中実の場合と比較して中子3の内部におけるワックス1の体積が減るため、成形開始初期の中子3の内圧の上昇を抑えることができる。溝1dの形状、大きさ(幅、深さ)、数等を適宜調整することにより、中子3の内圧の上昇挙動を制御することが可能になる。
FIG. 4 shows an example in which the surface layer of the
図5には、ワックス1の体積を減らす方法の一つとして、直方体状のワックス1の内部に空間1eを形成した例を示す。ここでは、ワックス1の内部に空間1eを形成した場合を示す。空間1eは直方体状をなしている。この例では、成形時の加熱により、ワックス1の溶融が進んだ際、ワックス1が中実の場合と比較して中子3の内部におけるワックス1の体積が減るため、中子3の内圧の上昇を抑えることができる。空間1eの位置、形状、大きさ、数等を適宜調整することにより、中子3の内圧の上昇挙動を制御することが可能になる。
FIG. 5 shows an example in which a
加熱圧縮成形においては、ワックス1の一部のみを溶融させてもよく、全体を溶融させてもよい。ワックス1は、成形用金型10からの熱伝導により溶融する。ワックス1は熱伝導率が低いため、特に中子3の容積が大きく、成形時間が短い場合には、ワックス1の表層のみが溶融する。
加熱圧縮成形における成形サイクルを向上させるには、プリプレグ4を効率良く加熱する必要がある。中子3のワックス1を溶融させるために熱が消費されるほど、プリプレグ4の温度を上げるのに時間を要する。成形サイクルの向上の点では、加熱圧縮成形においてワックス1の表層のみを溶融させることが好ましい。また、ワックス1の表層のみを溶融させる場合は、仮に溶融したワックス1がバリア層2から漏れ出すことがあったとしも、溶融している量が少量である。よって、成形用金型10から漏れ出したワックス1は急激に冷却されて固化するため、ワックス1の漏れ出しによる悪影響を最小限にできる。
In hot compression molding, only a part of the
In order to improve the molding cycle in hot compression molding, it is necessary to heat the
(熱可塑性の固形物の排出工程)
成形工程後で得られた繊維強化プラスチック成形体6からワックス1を排出する。ワックス1を排出する方法としては、加熱圧縮成形後において、繊維強化プラスチック成形体6の熱変形温度以下、かつワックス1の融点以上の温度で、ワックス1を繊維強化プラスチック成形体6の外部に排出する方法が好ましい。具体的には、ワックス1の融点+20度以上の温度にすれば、排出が促進されるため好ましい。
具体的には、例えば、図2Bに示すように、繊維強化プラスチック成形体6に排出孔7を形成した後、繊維強化プラスチック成形体6を、その熱変形温度以下で、かつワックス1の融点以上に加熱する。これにより、図2Cに示すように、溶融したワックス1が排出孔7から繊維強化プラスチック成形体6の外部に排出される。ワックス1を溶融させることで排出孔7が小径であっても、ワックス1を排出させることができる。
(Step of discharging thermoplastic solids)
The
Specifically, for example, as shown in FIG. 2B, after the discharge holes 7 are formed in the fiber-reinforced plastic molded
繊維強化プラスチック成形体6に排出孔7を形成する方法としては、特に限定されず、例えば、ドリル加工、ホールソー加工等が挙げられる。
中子3及び繊維強化プラスチック成形体6を加熱する方法としては、特に限定されず、例えば、オーブン加熱、赤外線加熱等が挙げられる。
A method for forming the discharge holes 7 in the fiber-reinforced plastic molded
A method for heating the
この例のように長尺な繊維強化プラスチック成形体6の場合には、製品の品質に悪影響がない範囲で、繊維強化プラスチック成形体6に排出孔7に加えてエアブロー孔をさらに設け、エアブロー孔を通じてエアブローを行って排出孔7からのワックス1の排出を促進してもよい。また、中子3内に予め紐を配置しておき、ワックス1の排出時に紐を引き出すことにより、ワックス1の排出を促すこともできる。
繊維強化プラスチック成形体6内のバリア層2は、必要に応じて引き出してもよく、そのまま繊維強化プラスチック成形体6内に残してもよい。
In the case of the long fiber-reinforced plastic molded
The
以上説明した本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法においては、ワックス等に代表される熱可塑性の固形物を含む中子を用いて加熱圧縮成形を行う。圧縮成形時に熱可塑性の固形物の少なくとも一部を溶融させることにより、中子の内圧を充分に高めることができるため、中子とプリプレグの間や、プリプレグと成形用金型の成形面の間に空隙が存在した状態でプリプレグの硬化が進行することを抑制できる。また、熱可塑性の固形物を含む中子の体積を、成形後の中空形状の中空部の体積以下とすることにより、中子の内圧を制御することができる。加熱圧縮成形前には熱可塑性の固形物が軟化し難く中子の形状が安定するため、加熱圧縮成形前にプリプレグにシワが生じることは少なく、繊維強化プラスチック成形体にもシワができることを抑制できる。このように、大型の繊維強化プラスチック成形体であっても成形不良が生じることを抑制でき、外観に優れた中空形状の繊維強化プラスチック成形体を効率的かつ経済的に製造することができる。 In the method for producing a fiber-reinforced plastic molded article of the present invention described above, hot compression molding is performed using a core containing a thermoplastic solid material such as wax. By melting at least a part of the thermoplastic solid matter during compression molding, the internal pressure of the core can be sufficiently increased. It is possible to suppress the progress of hardening of the prepreg in a state where voids exist in the prepreg. In addition, the internal pressure of the core can be controlled by setting the volume of the core containing the thermoplastic solid to be equal to or less than the volume of the hollow portion of the hollow shape after molding. Before hot compression molding, the thermoplastic solid is hard to soften and the shape of the core is stable, so wrinkles are less likely to occur in the prepreg before hot compression molding, and wrinkles are suppressed in fiber-reinforced plastic moldings. can. As described above, it is possible to suppress the occurrence of molding defects even in a large-sized fiber-reinforced plastic molded article, and to efficiently and economically produce a hollow-shaped fiber-reinforced plastic molded article having an excellent appearance.
なお、本発明の繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、前記した方法には限定されない。例えば、前記した方法は、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体を製造する方法であったが、断面U字状の繊維強化プラスチック成形体を製造する方法であってもよい。
この場合は、中子の一部が露出し、それ以外の部分がプリプレグで覆われた成形前駆体を形成し、中子の一部が成形用金型の成形面に接する状態で加熱圧縮成形を行う。また、ワックス等に代表される熱可塑性の固形物の排出においては、繊維強化プラスチック成形体に排出孔を設ける必要はない。
The method for producing the fiber-reinforced plastic molded article of the present invention is not limited to the method described above. For example, the method described above is a method for manufacturing a fiber-reinforced plastic molded article having a rectangular cylindrical shape, but it may be a method for manufacturing a fiber-reinforced plastic molded article having a U-shaped cross section.
In this case, a molding precursor is formed in which a part of the core is exposed and the other part is covered with prepreg, and heat compression molding is performed in a state where a part of the core is in contact with the molding surface of the molding die. I do. Further, in discharging thermoplastic solids such as wax, it is not necessary to provide a discharge hole in the fiber-reinforced plastic molding.
以下、実施例によって本発明をさらに説明するが、本発明は以下の記載によっては限定されない。 EXAMPLES The present invention will be further described with reference to examples below, but the present invention is not limited by the following description.
[中子の内圧、ワックスの表面温度及び中心温度]
加熱圧縮成形における中子の内圧は、下金型端面と面位置が同じになるように圧電圧力センサーを取り付け、測定した。また、中子内のワックスの表面温度及び中心温度は、熱電対により測定した。
[Internal pressure of core, surface temperature and center temperature of wax]
The inner pressure of the core in hot compression molding was measured by attaching a piezoelectric pressure sensor so that the surface position was the same as the end surface of the lower mold. Also, the surface temperature and center temperature of the wax in the core were measured with a thermocouple.
[参考例1]
ワックス1として合成ワックス(製品名「File-A-Wax Green」、Freeman Manufacturing & Supply Company社製、融点Tm:117℃、密度:0.9g/cm3)を用い、このワックス1をポリオレフィン製のシュリンクチューブ(厚み:15μm;融点Tb:145℃)内に入れ、該シュリンクチューブを熱収縮させてワックス1に密着させるとともに、該シュリンクチューブの両端部を熱融着して密封することにより、シュリンクチューブからなるバリア層2を形成して中子3を作製した。
ワックス1の形状を、縦100mm、横50mm、高さ24mmの直方体とした。また、図3と同様の向きに、ワックス1に直径6mmの貫通穴1aを均等な間隔で18カ所形成した。これにより、穴開け加工前に対して、ワックス1の重量を10%程度減らした。
次いで、プリプレグ4として、炭素繊維からなる繊維強化材にエポキシ樹脂を含浸したプリプレグ(三菱レイヨン社製、製品名「TR3110 360GMP」;樹脂含有率:40質量%)を用い、該プリプレグ2枚を中子3の周囲全体を覆うように配置した後、成形用金型10のキャビティ形状と略同形状に、室温にて予備賦形して成形前駆体5(プリフォーム)を得た。
次いで、成形用金型10の下型12の凹部12a内に成形前駆体5を配置して成形用金型10を型締めした。型締めから型開きまでの平均成形温度を140℃、成形時間を5分として加熱圧縮成形を実施して、中子3を内包する繊維強化プラスチック成形体6を作製した。
次いで、ドリル加工により、繊維強化プラスチック成形体6にワックス排出用の排出孔7(直径:10mm)を形成した。
次いで、オーブン加熱により中子3及び繊維強化プラスチック成形体6を130℃に加熱し、ワックス1を溶融させて排出孔7から排出し、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を得た。
[ Reference example 1]
As the
The shape of the
Next, as the
Next, the
Next, a discharge hole 7 (diameter: 10 mm) for discharging wax was formed in the fiber-reinforced
Next, the
[参考例2]
ワックス1の形状を、縦100mm、横50mm、高さ24mmの直方体の上面1bおよび下面1cに、図4と同様の向きに、幅5mm、深さ4mmの溝1dを均等な間隔で3つずつ形成したものとした。これにより、溝加工前に対して、ワックス1の重量を10%程度減らしたこと以外は参考例1と同様にして、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を得た。
[ Reference example 2]
The shape of the
[参考例3]
ワックス1を、次のように形成した。縦50mm、横50mm、高さ24mmの直方体のワックスに、その側面から中心部に向かい、かつ直方体の上面および下面と平行に、縦30mm、横20mm、高さ10mmの穴を形成し、穴開け加工前に対して、10%程度重量を減らした、中空形状のワックスを2つ用意した。次いで、その中空形状のワックスにおける穴を形成した面(穴の開口部が存在する面)同士を溶着させて、図5に示すような、内部に空間1eを有するワックス1を形成した。このワックス1を使用したこと以外は参考例1と同様にして、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を得た。
[ Reference example 3]
[参考例4]
ワックス1に形成する貫通穴1aの数を9カ所とし、穴開け加工前に対して、ワックス1の重量を5%程度減らしたこと以外は参考例1と同様にして、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を得た。
[ Reference Example 4]
In the same manner as in Reference Example 1, except that the number of through-
[参考例5]
ワックス1の形状を、縦100mm、横50mm、高さ24mmの中実な直方体としたこと以外は参考例1と同様にして、四角筒状の繊維強化プラスチック成形体6を得た。
[ Reference Example 5 ]
A fiber-reinforced
図6に型締めから型開きまでの成形時間5分間における、中子の内圧の経時変化挙動を示した。縦軸は、成形開始の金型を閉じた際の圧力を初期圧力として、測定圧力を初期圧力で割った値を示している。各実施例、比較例を比較したところ、比較例1に対し、実施例1~4のいずれの場合も、緩やかな上昇カーブとなった。また、実施例4は、実施例1と比較例1の間の上昇挙動を示し、中子の内圧の上昇挙動を制御することができた。 FIG. 6 shows the change behavior of the internal pressure of the core over time during a molding time of 5 minutes from mold closing to mold opening. The vertical axis indicates the value obtained by dividing the measured pressure by the initial pressure, with the pressure when the mold is closed at the start of molding as the initial pressure. When each example and comparative example were compared, all of examples 1 to 4 showed a gentle upward curve compared to comparative example 1. In addition, Example 4 exhibited a rise behavior between Example 1 and Comparative Example 1, and was able to control the rise behavior of the internal pressure of the core.
1 ワックス(熱可塑性の固形物)
2 バリア層
3 中子
4 プリプレグ
5 成形前駆体
6 繊維強化プラスチック成形体
7 排出孔
10 成形用金型
12 下型
14 上型
1 wax (thermoplastic solid)
2
Claims (5)
熱硬化性樹脂と繊維とを含むプリプレグを、ワックスからなるワックス部を含む中子の周囲に配置し、成形用金型により加熱圧縮成形した後、前記ワックス部を溶融させて排出することにより前記中空部を形成することを含み、前記加熱圧縮成形においては前記ワックス部の表層のみが溶融する、中空形状の繊維強化プラスチック成形体の製造方法。 A method for producing a fiber-reinforced plastic molded article having a hollow portion,
A prepreg containing a thermosetting resin and fibers is arranged around a core containing a wax portion made of wax, and heat-compressed using a molding die, and then the wax portion is melted and discharged. A method for producing a hollow-shaped fiber-reinforced plastic molded article, comprising forming a hollow portion, wherein only the surface layer of the wax portion melts in the heat compression molding.
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