JPH07195376A - 繊維強化プラスチック成形型、マスター型及びそれらの製造方法 - Google Patents

繊維強化プラスチック成形型、マスター型及びそれらの製造方法

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JPH07195376A
JPH07195376A JP35017593A JP35017593A JPH07195376A JP H07195376 A JPH07195376 A JP H07195376A JP 35017593 A JP35017593 A JP 35017593A JP 35017593 A JP35017593 A JP 35017593A JP H07195376 A JPH07195376 A JP H07195376A
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mold
reinforced plastic
fiber
master
ceramic material
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Keizo Matsumoto
敬三 松本
Koji Shiraishi
浩司 白石
Makoto Nasu
誠 那須
Masaru Sugano
勝 菅野
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Honda Motor Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 (修正有) 【目的】 複雑な工程を必要とすることがなく、かつ繊
維強化プラスチックとほぼ等しい熱膨張率を有する繊維
強化プラスチック用成形型及びマスター型を提供する。 【構成】 繊維強化プラスチック用成形型及びマスター
型は、いずれも繊維強化プラスチック材とほぼ同じ熱膨
張率を有する易加工性セラミック材で形成されており、
少なくとも表面近傍が良好な気密性を有する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、繊維強化プラスチック
成形型、マスター型及びそれらの製造方法に関し、特に
複雑なプロセスを必要とすることなく、加工したセラミ
ック材のままで使用することができる成形型、マスター
型及びそれらの製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】繊維強化プラスチック材は軽量で非常に
優れた機械的強度を有するので、様々な構造体等に広く
利用されている。均一な繊維強化プラスチック材を形成
するには、通常あらかじめカーボン等の強化用繊維から
なる織布に熱硬化樹脂を含浸させたもの(プリプレグ)
を使用し、それらの織布を複数枚積層し、加熱加圧す
る。この際、もし繊維強化プラスチック材の成形に利用
する型が繊維強化プラスチック材と同じ熱膨張率を有さ
ないと、加熱工程を経て得られた成形体の寸法精度が低
くなる。そのために、通常繊維強化プラスチック材の成
形型として、同じ繊維強化プラスチック材からなるもの
を使用している。
【0003】上述の繊維強化プラスチック材からなる成
形型を製造する型を一般にマスター型と呼ぶが、このマ
スター型も、同様に成形型と同じ熱膨張率を有する必要
がある。従って、従来はマスター型も同じ繊維強化プラ
スチック材により形成していた。従来の方法の一例を図
6〜8に示す。
【0004】図6において、アルミニウム等の定盤51上
に支持体52を固定し、その上に石膏53を盛り付ける(工
程(a) )。石膏53が凝固した後、ボールエンドミル54で
表面を、最終製品の外形と正確に同じになるように研削
し、一次型55を形成する(工程(b) )。得られた一次型
55を型枠56内に設置し、石膏57を流し込む(工程
(c))。石膏57が凝固した後、型枠から取り出して一次
型55を除去することにより、石膏型(二次型)58を得る
(工程(d) )。これにより、最終製品の外形は反転して
石膏型58の凹面56a に転される。なお、この方法におい
て、一次型55を石膏の代わりに木材の加工により形成し
た木型としても良い。
【0005】石膏型58は繊維強化プラスチックと非常に
異なる熱膨張率を有するので、そのまま成形型としても
マスター型としても使用することができない。従って、
一旦石膏型58から繊維強化プラスチックのマスター型を
形成する必要がある。これには、まず図7に示すよう
に、石膏型(二次型)58の凹面58a に強化用繊維の織布
を一枚づつレイアップし、硬化性樹脂を含浸させる(ウ
エットレイアップ工程(a) )。硬化した繊維強化プラス
チック成形体からなるマスター型60は最終製品の外形と
同じ外面を有する。つまり、石膏の研削面を繊維強化プ
ラスチック成形体からなるマスター型60に転写したこと
になる。図7の(b) は、適当な支持体61に支持されたマ
スター型60を示す。
【0006】しかし、マスター型60は凸面60a が成形面
(表面性の良い面)であるので、マスター型60の凸面60
a を転写した凹型(ツール型)を形成する必要がある。
すなわち、再度反転型を作製する必要がある。
【0007】反転型であるツール型を作製するための工
程を図8に示す。まず、図8の(a)に示すように、支持
体61で支持した成形型60の表面に複数の繊維強化プラス
チック用プリプレグ72を載置した後で、耐熱性バギング
フィルム73で覆い、耐熱性シール材74でシールし、吸引
口(75)より吸引することによりバギングフィルム73内
を減圧する。この状態で、図8の(b) に示すように、全
体をオートクレーブ76内に入れ、加熱・加圧をすること
により、プリプレグを硬化させる。このようにして得ら
れた繊維強化プラスチック成形体80は、内面80a が良好
な表面性を有し、適当な支持体81で支持することにより
凹型の成形型として使用することができる。
【0008】また上記石膏型による方法の他に、エポキ
シ樹脂又はフェノール樹脂等のブロック材からマスター
型を形成することも知られている。この場合、ブロック
材を積層し、最終製品の外形と同じになるように表面を
研削する。この方法の場合、直接マスター型から繊維強
化プラスチック成形型を形成することができるという利
点がある。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、石膏型
又は木型を原型とする上記従来の繊維強化プラスチック
成形用型の製造方法には、反転型を含む3種の型を作製
する等、非常に複雑な工程を必要とするだけでなく、石
膏型の保管(恒温恒湿管理)が煩雑であるという問題が
ある。また、石膏の収縮、膨張又は変形等によりマスタ
ー型の寸法精度が低いという問題もある。さらに、石膏
の塗布及び注型作業が必要なため、作業環境が悪いとい
う問題もある。
【0010】樹脂ブロック材を使用する場合、材料コス
トが高いだけでなく、樹脂ブロック材が繊維強化プラス
チック成形時の加熱により若干変形するという問題があ
る。また、樹脂自体の熱膨張率が30〜40×10-6/℃と繊
維強化プラスチックの熱膨張率(5〜7×10-6/℃)よ
り大きいので、特に大型の成形型とする場合に熱膨張に
よる寸法精度の低下が著しくなる。
【0011】従って、本発明の目的は、複雑な工程を必
要とすることがなく、かつ繊維強化プラスチックとほぼ
等しい熱膨張率を有する繊維強化プラスチック成形型製
造用マスター型、及びその製造方法を提供することであ
る。
【0012】
【課題を解決するための手段】上記目的に鑑み鋭意研究
の結果、本発明者らは、繊維強化プラスチックとほぼ同
じ熱膨張率を有する易加工性モデル材を使用し、モデル
材の加工後に表面に硬化性樹脂を含浸することにより、
良好な気密性を有するマスター型を得ることができるこ
とを発見し、本発明を完成させた。
【0013】すなわち、本発明の繊維強化プラスチック
成形型及びマスター型は、いずれも繊維強化プラスチッ
ク材とほぼ同じ熱膨張率を有する易加工性セラミック材
で形成され、少なくともその表面近傍が良好な気密性を
有することを特徴とする。
【0014】また、本発明の繊維強化プラスチック成形
型及びマスター型の製造方法は、いずれも易加工性セラ
ミック材の表面を最終製品の外形形状に加工し、前記易
加工性セラミック材の表面に硬化性樹脂を含浸させるこ
とにより、少なくとも表面層を良好な気密性を有する緻
密層とすることを特徴とする。
【0015】
【実施例】本発明を以下詳細に説明する。
【0016】[1] マスター型−成形型−成形体の手順の
場合 まずモデル材を最終製品の外形に研削してマスター型を
作成し、このマスター型の反転型として成形型を作成
し、最後に成形型から成形体を作成する。
【0017】(1) マスター型の構成 本発明のマスター型は、機械加工が容易であるのみなら
ず、繊維強化プラスチック材とほぼ同じ熱膨張率(約5
〜9×10-6/℃)及び良好な耐熱性を有する易加工性セ
ラミック材からなるモデル材により形成されている。こ
のような特性を有する易加工性セラミック材としては、
無機物として珪酸カルシウムを主体とし、強化用繊維及
びバインダー樹脂を含有するものが好ましい。強化用繊
維としては、ガラス短繊維、カーボン繊維又はアラミド
繊維等を使用することができ、またバインダー樹脂とし
てはスチレン−ブタジエンゴム(SBR)等のゴム、そ
の他の熱硬化性樹脂を使用することができる。また、強
化用繊維及びバインダー樹脂の含有のために、このセラ
ミック材は、機械加工によってもクラックや欠けが発生
せず、またそのままモデル材として使用した場合に良好
な耐久性を示す。
【0018】このセラミック材は多くの気泡を有するの
で、硬化性樹脂を含浸して緻密化した表面層を有する。
気泡を残したままではバギングフィルムで被覆した後で
の減圧処理をすることができないので、この緻密化は必
須である。含浸する樹脂としては、加熱下又は常温で硬
化する樹脂であればいかなるものでも使用可能であり、
例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、
ポリエステル樹脂等が好ましい。硬化性樹脂の含浸層
(緻密層)は、充分な気密性を確保するために、表面か
ら少なくとも約5mmの深さまであることが望ましい。
なお、緻密層はマスター型の成形面を形成するので、凹
型の場合には凹面に、また凸型の場合には凸面にそれぞ
れ緻密層を形成する必要がある。この緻密層により充分
な気密性が確保されるので、バギングフィルムで被覆し
た後の減圧処理を効果的に行うことができる。
【0019】(2) マスター型の製造方法 上記構成を有するマスター型の製造例を以下に説明す
る。
【0020】(i) 大型マスター型の場合 珪酸カルシウム材からなるモデル材は通常ブロックの形
状で市販されているので、このモデル材ブロックを積み
上げて原型を作製する。そのために、図1の(a) に示す
ように、まずアルミニウム等の定盤1上に原型を補強す
るためのフレーム2を固定する。フレーム2は、支持枠
として機能できればいかなる材料で形成したものでもよ
く、例えばスチールやアルミニウム等により形成するこ
とができる。
【0021】フレーム2の上にモデル材ブロック3を積
層し、各ブロック間は耐熱性接着剤(例えばエポキシ樹
脂)で固着する(工程(b) )。図1(c) は、モデル材ブ
ロックの積層状態の一例を示す。後述するように、繊維
強化プラスチック材の加熱加圧工程の際に、モデル材と
フレームとは異なる熱膨張を示す。従って、もし両者が
強固に固定されているとモデル材の変形が生じるので、
モデル材はいわゆるフローティング構造で支持する必要
がある。ここで、フローティング構造とは、半径方向及
び長手方向のいずれにおいてもモデル材がフレームに対
して相対的に移動自在となっている構造をいう。このフ
ローティング構造により、繊維強化プラスチック材の加
熱加圧工程の際にモデル材自体に何の変形も生じない。
【0022】次に、図2(a) に示すように、モデル材3
をボールエンドミル等の工具4で所望の外形に研削す
る。研削したモデル材3の表面層にエポキシ樹脂等の硬
化性樹脂を含浸させ、良好な気密性を有する緻密層5を
形成する(図2(b) )。このようにして、マスター型10
を得る。上記構成により、マスター型は100℃以上の
耐熱性を有し、特に150℃以上の耐熱性を有する。
【0023】(ii)小型マスター型の場合 図3(a) に示すように、小型のマスター型の場合、モデ
ル材ブロック3を積層し、耐熱性接着剤で固着するだけ
で良い。次に大型の場合と同様に、積層したモデル材3
をボールエンドミル等の工具4で所望の外形に研削し
(図3(b) )、モデル材3の表面層にエポキシ樹脂等の
硬化性樹脂を含浸させて緻密層5を形成し、マスター型
10を得る(図3(c) )。
【0024】(3) 繊維強化プラスチック成形型(ツール
型)の製造 図4(a) 及び(b) は、マスター型を用いて繊維強化プラ
スチック成形型を製造する例を示す。成形型は最終製品
である成形体と同じ繊維強化プラスチックにより形成す
る。定盤1上に載置されたマスター型10の表面に離型剤
を塗布した後で、形成すべき繊維強化プラスチック成形
型用のプリプレグ12を複数枚載置する。プリプレグ12
は、強化繊維と熱硬化性マトリックス樹脂とからなる。
この時、プリプレグ12の周囲に充分なスペースを確保す
る。なお、強化繊維としては、炭素繊維、アラミド繊
維、ガラス繊維、ボロン繊維等、通常の複合材に用いる
補強用の長繊維を用いることができる。また硬化性マト
リックス樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹
脂、フェノール樹脂等を用いることができる。
【0025】載置したプリプレグ12をバギングフィルム
13で完全に被覆し、バギングフィルム13の周囲を耐熱性
シール材14で気密状態になるようにマスター型10に密着
させる。この状態でバギングフィルム13の吸気孔15から
吸引し、バギングフィルム13の内部を減圧する。この状
態で、全体をオートクレーブ内に入れ、加熱・加圧す
る。オートクレーブ内の温度は室温〜180℃とするの
が好ましく、また圧力は200 〜700 kPaとするのが好
ましい。
【0026】繊維強化プラスチック内の樹脂が完全に硬
化した後、バギングフィルム13を取り外して、成形型を
得る。この実施例では、マスター型10は凸型である(凸
面が成形面である)ので、得られた成形型は凹型である
(凹面が成形面である)。
【0027】(4) 繊維強化プラスチック成形体の製造 繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、基本的には
成形型の製造方法と同じである。すなわち、上記成形型
の凹面上に、繊維強化プラスチック用のプリプレグを複
数枚載置し、プリプレグをバギングフィルムで完全に被
覆し、シールした後内部を減圧し、オートクレーブ内で
加熱・加圧する。オートクレーブ内の温度及び圧力は上
記のものと同じで良い。このようにして得られる成形体
は、外面が成形面となっているので、良好な外観を有す
る。
【0028】[2] 成形型−成形体の手順の場合 最終製品の反転型となるようにモデル材を研削して成形
型を直接作成し、この成形型から成形体を作成する。
【0029】(1) 成形型 図5の(a) に示すように、フレーム2の上にモデル材ブ
ロック3を積層し、各ブロック間は耐熱性接着剤で固着
する。この際、[1] の場合と同様にモデル材をフローテ
ィング構造で支持する。次に、図5(b) に示すように、
積層したモデル材3の内面をボールエンドミル等の工具
4で最終製品の外形に研削する。研削したモデル材3の
表面層にエポキシ樹脂等の硬化性樹脂を含浸させ、良好
な気密性を有する緻密層5を形成する(図5(c) )。こ
のようにして、モデル材ブロック3から成形型を直接形
成する。得られた成形型は、緻密層5のために良好な気
密性を有するのみならず、耐久性にも優れている。
【0030】(2) 繊維強化プラスチック成形体の製造 繊維強化プラスチック成形体の製造方法は、基本的には
[1] の場合と同様である。すなわち、上記成形型の凹面
上に、繊維強化プラスチック用のプリプレグを複数枚載
置し、プリプレグをバギングフィルムで完全に被覆し、
シールした後内部を減圧し、オートクレーブ内で加熱・
加圧する。このようにして得られる成形体は、外面が成
形面となっているので、良好な外観を有する。
【0031】実施例 本発明を以下の実施例によりさらに詳細に説明するが、
本発明はこれに限定されるものてはない。
【0032】実施例1 モデル材として、熱膨張率が6.5×10-6/℃で200
℃以上の耐熱性を有する易加工性ゾノトライトブロック
(CaSiO3 +ガラス繊維+SBR、小野田(株)製
「パールボード」)を使用し、図1(b) に示すように、
積層して各ブロック間をエポキシ樹脂で固定した。次に
積層したブロックの表面をボールエンドミルで所定の形
状にNC加工した。得られた原型は長手方向が2.9
m、径方向が1.8mの半周品であった。
【0033】原型の表面に耐熱エポキシ樹脂を含浸さ
せ、常温硬化させて、マスター型を得た。含浸部分の顕
微鏡観察の結果、含浸による緻密層は表面から約5mm
の深さまであり、かつ表面は非常に緻密であることが分
かった。また、同じ材料及び同じ方法で形成したテスト
ピースでリークテストを行った結果、5分間は全くリー
クがなかった。なお、含浸しないテストピースでは5分
も経たないうちに大気圧まで戻ってしまった。
【0034】マスター型を100℃に保持した結果、モ
デル材とフレームとの熱膨張の差は長手方向に約2mm
であったが、両者はフローティング構造で結合している
ので、モデル材に全く変形は認められなかった。
【0035】マスター型上に、図4(a) に示すように、
カーボン繊維織布に熱硬化型エポキシ樹脂を含浸したプ
リプレグ(ツールライト、三菱化成(株)製)を複数枚
載置し、バギングフィルムで被覆し、シールした後で内
部を減圧した。この状態でオートクレーブ内に入れ、9
6±3℃、7kg/cm2 で6時間保持し、繊維強化プ
ラスチック製のツール型を完成した。
【0036】このツール型を用いて、上記と同様の条件
で繊維強化プラスチック成形体を形成した。得られた成
形体について、マスター型の表面に入れておいたケガキ
線の転写位置を測定したところ、マスター型上のケガキ
線の位置とのずれは0.5mm以内であった。
【0037】以上、本発明を添付図面を参照して説明し
てきたが、これに限定されず種々の変更を加えることが
できる。例えば、上記実施例と反対にマスター型を凹型
とすれば、成形型は凸型となり、従って成形体は内面の
表面性及び寸法精度が良好となる。また成形型及び成形
体用にプリプレグを使用したが、代わりに常温硬化型樹
脂を用いるウエットレイアップ方式を採用することもで
きる。ただし本発明の効果は、プリプレグを使用して加
熱・加圧する場合に最も良く得られる。
【0038】
【発明の効果】以上詳述したように、本発明のマスター
型は、繊維強化プラスチックとほぼ同じ熱膨張率を有
し、機械加工が容易なセラミック材からなるので、原型
を研削し、表面緻密化用の硬化性樹脂を含浸させるだけ
で形成することができる。また、表面層に良好な気密性
を有する緻密層が形成されているので、そのまま繊維強
化プラスチック用プリプレグを載置し、バギングフィル
ムで被覆して減圧することができる。さらに、本発明の
マスター型は熱的に安定なため、熱サイクルを加えた後
でも十分な寸法精度を有し、複数個のツール型を製作す
るのに十分な耐久性を有している。このため、本発明の
マスター型を利用することにより、繊維強化プラスチッ
ク成形体を非常に低コストで効率的に製造することがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の大型のマスター型を製造する工程を示
し、(a) はマスター型を支持するフレームを示す概略斜
視図であり、(b) はフレームにモデル材ブロックを積層
した状態を示す概略斜視図であり、(c) は積層したモデ
ル材ブロックを示す断面図である。
【図2】本発明のマスター型を製造する工程を示し、
(a) はモデル材ブロックの表面を研削する様子を示す断
面図であり、(b) はモデル材ブロックの表面層に硬化性
樹脂を含浸させて緻密層を形成した状態を示す断面図で
ある。
【図3】本発明の小型のマスター型を製造する工程を示
し、(a) はモデル材ブロックを積層した状態を示す断面
図であり、(b) はモデル材ブロックの表面を研削する様
子を示す断面図であり、(c) はモデル材ブロックの表面
層に硬化性樹脂を含浸させて緻密層を形成した状態を示
す断面図である。
【図4】マスター型上にプリプレグ及びバギングフィル
ムを載置して繊維強化プラスチック成形型を製造する様
子を示し、(a) は概略斜視図で、(b) はその部分断面図
である。
【図5】本発明の成形型を製造する工程を示し、(a) は
フレーム上に積層したモデル材ブロックを示す断面図で
あり、(b) はモデル材ブロックの表面を研削する様子を
示す断面図であり、(c) はモデル材ブロックの表面層に
硬化性樹脂を含浸させて緻密層を形成した状態を示す断
面図である。
【図6】従来のマスター型を製造する工程を示し、(a)
は土台上に石膏を堆積した状態を示す断面図であり、
(b) は石膏の表面を研削する様子を示す断面図であり、
(c) は表面を研削した石膏型を型枠内に載置して石膏を
流し込む様子を示す断面図であり、(d) は得られた石膏
型を示す断面図である。
【図7】従来のマスター型を製造する工程を示し、(a)
は石膏型の表面に繊維強化プラスチック用の強化繊維織
布をウエットレイアップした状態を示す断面図であり、
(b) は繊維強化プラスチックにより形成したマスター型
を示す断面図である。
【図8】従来の成形型を製造する工程を示し、(a) はマ
スター型の表面に繊維強化プラスチック用プリプレグ及
びバギングフィルムをレイアップした状態を示す断面図
であり、(b) はレイアップしたものをオートクレーブ内
に載置した様子を示す断面図であり、(c) は得られた成
形型(ツール型)を示す断面図である。
【符号の説明】
1・・・定盤 2・・・フレーム 3・・・モデル材ブロック 4・・・工具 5・・・緻密層 10・・・マスター型 12・・・プリプレグ 13・・・バギングフィルム 14・・・耐熱性シール材 15・・・吸引孔 76・・・オートクレーブ 80・・・成形型(ツール型)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 菅野 勝 埼玉県和光市中央一丁目4番1号 株式会 社本田技術研究所内

Claims (10)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 繊維強化プラスチック用成形型におい
    て、前記繊維強化プラスチック材とほぼ同じ熱膨張率を
    有する易加工性セラミック材で形成され、少なくともそ
    の表面近傍が良好な気密性を有することを特徴とする成
    形型。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の繊維強化プラスチック
    成形型において、前記易加工性セラミック材は珪酸カル
    シウムと、強化用繊維と、バインダー樹脂とを含有する
    ことを特徴とする成形型。
  3. 【請求項3】 請求項1又は2に記載の繊維強化プラス
    チック成形型において、前記易加工性セラミック材の表
    面層に硬化性樹脂を含浸させ、前記硬化性樹脂を硬化さ
    せることにより良好な気密性を有する緻密層を形成した
    ことを特徴とする成形型。
  4. 【請求項4】 請求項1乃至3のいずれかに記載の繊維
    強化プラスチック成形型において、前記セラミック材は
    フレームに支持されており、前記フレームによる前記セ
    ラミック材の支持構造はフローティング構造となってい
    ることを特徴とする成形型。
  5. 【請求項5】 繊維強化プラスチック成形型製造用マス
    ター型において、前記繊維強化プラスチック材とほぼ同
    じ熱膨張率を有する易加工性セラミック材で形成され、
    少なくともその表面近傍が良好な気密性を有することを
    特徴とするマスター型。
  6. 【請求項6】 請求項5に記載の繊維強化プラスチック
    成形型製造用マスター型において、前記易加工性セラミ
    ック材は珪酸カルシウムと、強化用繊維と、バインダー
    樹脂とを含有することを特徴とするマスター型。
  7. 【請求項7】 請求項5又は6に記載の繊維強化プラス
    チック成形型製造用マスター型において、前記易加工性
    セラミック材の表面層に硬化性樹脂を含浸させ、前記硬
    化性樹脂を硬化させることにより良好な気密性を有する
    緻密層を形成したことを特徴とするマスター型。
  8. 【請求項8】 請求項5乃至7のいずれかに記載の繊維
    強化プラスチック成形型製造用マスター型において、前
    記セラミック材はフレームに支持されており、前記フレ
    ームによる前記セラミック材の支持構造はフローティン
    グ構造となっていることを特徴とするマスター型。
  9. 【請求項9】 繊維強化プラスチック成形型の製造方法
    において、易加工性セラミック材の表面を最終製品の外
    形形状に加工し、前記易加工性セラミック材の表面に硬
    化性樹脂を含浸させることにより、少なくとも表面層を
    良好な気密性を有する緻密層とすることを特徴とする方
    法。
  10. 【請求項10】 繊維強化プラスチック成形型製造用マ
    スター型の製造方法において、易加工性セラミック材の
    表面を最終製品の外形形状に加工し、前記易加工性セラ
    ミック材の表面に硬化性樹脂を含浸させることにより、
    少なくとも表面層を良好な気密性を有する緻密層とする
    ことを特徴とする方法。
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