JPWO2005095079A1 - プリフォーム、frpおよびそれらの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係るプリフォームは、少なくとも強化繊維糸条によって形成された強化繊維基材を複数枚積層してなるプリフォームであって、プリフォームの厚み方向に複数枚の強化繊維基材を貫通する孔が形成されていることを特徴とする。
(A)少なくとも強化繊維糸条によって強化繊維基材を複数枚形成し、これらの基材をプリフォーム型内に複数枚積層する積層工程
(B)積層された積層体をプリフォーム型内に配置する配置工程
(C)積層体を加熱し、強化繊維基材と樹脂材料とを含む各層を、少なくとも部分的に接着する加熱工程
(D)積層体を冷却する冷却工程
(E)プリフォームの厚み方向に、複数枚の強化繊維基材を貫通する孔を形成させる貫通工程
(F)少なくとも強化繊維糸条によって形成された強化繊維基材を複数枚成形し、これをプリフォーム型内に複数枚積層する積層工程
(G)積層体の厚み方向に、複数枚の強化繊維基材を針またはピンで貫通させる積層体の貫通工程
(H)積層体をプリフォーム型内に配置する配置工程
(I)積層体を加熱し、強化繊維基材と樹脂材料とを含む各層を、少なくとも部分的に接着する加熱工程
(J)積層体を冷却する冷却工程
(K)針またはピンを除去する除去工程
(L)プリフォームを成形型に配置するセット工程
(M)液体化しているマトリックス樹脂を、成形型に注入してプリフォームにマトリックス樹脂を含浸させる注入工程
(N)マトリックス樹脂を固化させる固化工程
2:強化繊維層
3:樹脂材料
4:貫通孔
5:シーラント
6:真空ポンプ
7:バッグ材
8、8a:通気材料
8b:排気ライン
9:加圧板
41:段差部(パッドアップ部)
42:薄肉部
61:貫通孔の跡
71:プリフォーム型
72:貫通型
81:貫通針
82:保護板
91:ピン
92:ピン付き加圧板
101:樹脂ポット
102:樹脂注入口
103:成形型
104:ピールプライ
105:樹脂拡散媒体
図1は、本発明の一実施態様に係るプリフォームを示す斜視図であり、図2は図1のプリフォームのA−A線に沿う断面図、図3は図2の変形例に係るプリフォームの断面図である。
Vpf=(W1×100)/(ρ×T1) (%)
ここで、W1:プリフォームの1cm3 あたりの強化繊維の重量(g/cm3 )
ρ:強化繊維の密度(g/m2 )
T1:1気圧の荷重下で測定したプリフォームの板厚(cm)
図4は、図1の変形例に係る図1とは異なる態様のプリフォームの斜視図、図5は図4のプリフォームのB−B線に沿う断面図である。
図6は本発明の一実施態様に係るFRPの斜視図であり、このFRP61は、上述のプリフォーム1に、マトリックス樹脂が含浸され、硬化されたものである。かかるマトリックス樹脂の好ましい例としては、例えば、熱硬化性樹脂、RIM用熱可塑性樹脂等が挙げられるが、中でも注入成形に好適であるエポキシ、フェノール、ビニルエステル、不飽和ポリエステル、シアネートエステル、ビスマレイミドおよびベンゾオキサジンから選ばれる少なくとも1種であるのが好ましい。
Vf=(W2×100)/(ρ×T2) (%)
ここで、W2:FRP1cm2当たりの強化繊維の重量(g/cm2)
ρ:強化繊維の密度(g/cm3)
T2:FRPの厚さ(cm)
図7、図8は、本発明の第1の実施態様に係るプリフォームの製造方法を示すプリフォーム製造装置の概略縦断面図であり、図7はそのうちのプリフォーム成形工程の断面図、図8はその後の貫通工程の断面図である。
図7に示すように、まず平板状のプリフォーム型71の上に、少なくとも一方の表面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料3を有する強化繊維糸条によって形成された強化繊維基材2を複数枚積層する。
次に、前記プリフォーム型71の上に配置した、強化繊維基材2の上に加圧板9を載置し、さらにその上からバッグ材7で覆い、その外周部をシーラント5で密閉する。そして、最下層の強化繊維基材に通気材料8aを接続し、排気ライン8b経由で、系外に設けた真空ポンプ6と連通する。しかる後に真空ポンプ6を運転し、バッグ材7内部を減圧状態にすることにより、プリフォーム1の全体に対し、バッグ材7内外の差圧による大気圧を負荷させ、プリフォーム1の積層体全体を型71上に圧縮させる。なお、配置工程において、プリフォーム型71は、その一方がバッグ材7であり、もう一方が雄型または雌型のいずれかであってもよいし、バッグ材7を用いない雄型および雌型であってもよい。また、プリフォーム型71は成形型として用いられても何ら問題はなく、特に大型FRPの場合には、設備費を安価にするためプリフォーム化と成形とに兼用できる型を用いるのが好ましい。バッグ材7としては、例えば、フィルム、柔軟ラバー等があり、プリフォーム型71としては、例えば、金型、木型、樹脂型またはFRP型等を用いることができる。
次に、図7に示すように例えば熱風などでプリフォーム1の全体を加熱することにより、主に熱可塑性樹脂からなる樹脂材料3が軟化して、プリフォーム1の厚みが減少し、強化繊維基材2と樹脂材料3とを含む各層を部分的に接着させる。
次に、積層体全体が所望の厚みになったところで、冷却工程にてプリフォーム1の全体を冷却して、樹脂材料3が固化して、強化繊維基材2が固定される。
次に、図8に示す通り、貫通工程において、保護板82の上においたプリフォーム1の厚み方向に、貫通針81を使用して、複数の強化繊維基材2を貫通する孔4を形成する。具体的にはまず、前記冷却工程でプリフォームを冷却した後、バッグ材7および加圧板9の覆いを取り外し、プリフォーム1を保護板82を介して型72上に置き直す。そして、貫通針81をプリフォーム1に適当なピッチで先端が保護板82に届くまで差し込む。この際、貫通針81を加熱しておくことも好ましい。
まず、前述の第1実施態様と同様に、後工程の貫通工程に備えて、少なくとも一方の表面に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料3を有する強化繊維糸条によって形成された強化繊維基材2をプリフォーム型71に複数枚積層する。
次に、ピン91が一体化された加圧板92を、前記プリフォーム型71上に積層された強化繊維基材2の上から厚み方向に押圧し、貫通させる。この第2の実施態様においても第1の実施態様と同様に、積層された強化繊維基材2とプリフォーム型71の間に保護板を配置して、ピン91を完全に貫通させる方法を用いることも好ましい。また、ピン91は、第1の実施態様の貫通針81と同様で特に限定するものではなく、ピン91は単独の部品であってもよいし、プリフォーム型71と一体で構成されていてもよく、積層工程でピン91に強化繊維基材2を貫通させながら積層することもできるし、積層された強化繊維基材2の上に設置される加圧板9と一体で構成して、加圧板9を配置するときに、ピン91を貫通させてもよい。本発明に係るプリフォームの製造方法においては、ピン91の長さを所望の強化繊維体積含有率Vpfに対応するプリフォームの板厚T1に設定して、プリフォーム1の板厚を制御してもよい。積層体厚みTLのうち、所望のプリフォーム板厚に相当するピン91長さTP分の強化繊維基材2をピン91で貫通する(多くの場合TL≧TPとなる)。
次に、プリフォーム型71に配置された、ピン91を貫通させた積層体を、バッグ材7で覆って周囲をシーラント5で密封する。プリフォーム1と通気材料8で連通された真空ポンプ6でバッグ材7の内部を減圧状態にして、プリフォーム1にはバッグ材7内外の差圧により大気圧が負荷される。次に、例えば熱風などで積層体を加熱することにより、主に熱可塑性樹脂からなる樹脂材料3が軟化して、プリフォーム1の厚みが減少し、強化繊維基材2と樹脂材料3とを含む各層を部分的に接着する。
次に、前記加熱工程で積層体が所望の厚みになったところで積層体を冷却し、樹脂材料3を固化して、強化繊維基材2が固定される。
次に、バッグ材7とともに、強化繊維基材2が固定された積層体からから加熱板92、およびピン91を除去することにより、貫通孔を有し板厚がTPに高精度に制御されたプリフォーム1が得られる。
まず、図10に示すように、本発明にかかるプリフォーム1を成形型103に配置する。次にプリフォーム1の少なくとも最表面に樹脂拡散媒体105を積層し、プリフォーム1と樹脂拡散媒体105の間に、成形後に樹脂拡散媒体105が簡単に分離できるようにピールプライ104を配置する。次に、樹脂注入口102を介して樹脂ポット101と樹脂拡散媒体105を連通させ、もう一方では、通気材料8を介してプリフォーム1と真空ポンプ6とを連通させる。次に、バッグ材7で全体を覆い、シーラントで周囲を密封する。
次に、バッグ材7内を真空ポンプ6で脱気して、真空に保ちながらマトリックス樹脂101を注入して、まずマトリックス樹脂を優先的に樹脂拡散媒体105に含浸させ、続いてプリフォーム1の貫通孔4を通り板厚方向に含浸した後、各強化繊維層2の面内(層間)方向に樹脂が拡散して、プリフォーム1全体に樹脂が含浸する。
次に、硬化工程にてマトリックス樹脂を硬化させる。また、硬化させる際、硬化効率を上げるために加熱するのが好ましい。必要に応じて、マトリックス樹脂の硬化を確実なものにするために、FRPを再度加熱して硬化するアフターキュア(二次硬化)工程を経てもよい。
実施例1
まず、強化繊維基材2として一方向性炭素繊維織物(東レ株式会社製)をサイズ:150mmx150mmに切り出した強化繊維基材2を64枚x3セットを用意した。該織物は強化繊維糸条として炭素繊維T800S(東レ株式会社製、密度:1.8g/m3 )を使用した炭素繊維目付190g/m2 の一方向性織物であり、表面には熱可塑性樹脂を主成分とする粒子状樹脂材料3が30g/m2の目付で予め付着させてある。これを用いて以下の要領で3種類のプリフォーム1を作成した。
第一のセット:48%
第二のセット:48%
第三のセット:48%
プリフォームNo.2:54%
プリフォームNo.3:54%
プリフォームNo.2を使用したCFRP:55%
プリフォームNo.3を使用したCFRP:55%
Claims (31)
- 少なくとも強化繊維糸条によって形成された強化繊維基材を複数枚積層してなるプリフォームであって、プリフォームの厚み方向に複数枚の強化繊維基材を貫通する孔が形成されていることを特徴とするプリフォーム。
- 前記貫通孔中には強化繊維フィラメントの切断端部が実質的に無いことを特徴とする、請求項1に記載のプリフォーム。
- 前記貫通孔の短径の長さが0.1〜3mmであることを特徴とする、請求項1または2に記載のプリフォーム。
- 前記プリフォーム内の強化繊維基材が目止めされている、請求項1〜3のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記プリフォーム内の強化繊維基材層間に熱可塑性樹脂を主成分とする樹脂材料を有している、請求項1〜4のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記プリフォームにおける強化繊維含有体積率Vpfが、45〜62%の範囲内にあることを特徴とする、請求項1〜5のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記プリフォームにおける強化繊維体積含有率Vpf(%)が、該プリフォームを成形して得られるFRPの強化繊維体積含有率Vf(%)に対して、Vf−5≦Vpf≦Vf+5の範囲内にあることを特徴とする、請求項1〜6のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記樹脂材料の含有率が、プリフォームに対して、1〜20重量%の範囲内にあることを特徴とする、請求項5〜7のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記樹脂材料の形態が、粒子の形態を有するものであることを特徴とする、請求項5〜8のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記樹脂材料の形態が、有機繊維糸によって形成された有機繊維布帛の形態を有するものであることを特徴とする、請求項5〜8のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記強化繊維基材が、強化繊維糸条が一方向に並行に配列された状態で形態が安定化された一方向シートであることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記強化繊維基材が、強化繊維糸条が一方向に並行に配列された形態を有し、かつ他方向には補助糸が配列された織組織を有する一方向性織物であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記強化繊維基材が、強化繊維糸条が長さ方向と幅方向とにそれぞれ並行に配列された織り組織を有する二方向織物であることを特徴とする、請求項1〜10のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記強化繊維基材が、並行に配列された強化繊維糸条が層構成をなし、これらがステッチ糸で一体化されている多軸ステッチ基材であることを特徴とする、請求項1〜13のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記プリフォームが、強化繊維基材の積層枚数が異なる段差部を有することを特徴とする、請求項1〜14のいずれかに記載のプリフォーム。
- 前記プリフォームが、面内の任意の部位に、局所的に貫通孔が形成されたものであることを特徴とする、請求項1〜15のいずれかに記載のプリフォーム。
- 請求項1〜16のいずれかに記載のプリフォームに、マトリックス樹脂が含浸されて硬化されたものであることを特徴とするFRP。
- 前記FRPにおける強化繊維体積含有率Vfが、45〜70%の範囲内にあることを特徴とする、請求項17に記載のFRP。
- 用途が、航空機、自動車、船舶の輸送機器のいずれかにおける一次構造部材、二次構造部材、外装部材または内装部材であることを特徴とする、請求項17または18に記載のFRP。
- 少なくとも強化繊維糸条によって強化繊維基材を複数枚形成し、これらの基材をプリフォーム型内に複数枚積層する積層工程、積層体の厚み方向に複数枚の強化繊維基材を貫通する孔を形成させる貫通工程を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法。
- 少なくとも次の工程(A)〜(E)を順次経てプリフォームを製造することを特徴とする、請求項20に記載のプリフォームの製造方法。
(A)少なくとも強化繊維糸条によって強化繊維基材を複数枚形成し、これらの基材をプリフォーム型内に複数枚積層する積層工程
(B)積層された積層体をプリフォーム型内に配置する配置工程
(C)積層体を加熱し、強化繊維基材と樹脂材料とを含む各層を、少なくとも部分的に接着する加熱工程
(D)積層体を冷却する冷却工程
(E)プリフォームの厚み方向に、複数枚の強化繊維基材を貫通する孔を形成させる貫通工程 - 少なくとも次の工程(F)〜(K)を経てプリフォームを製造することを特徴とする、請求項20に記載のプリフォームの製造方法。
(F)少なくとも強化繊維糸条によって形成された強化繊維基材を複数枚成形し、これをプリフォーム型内に複数枚積層する積層工程
(G)積層体の厚み方向に、複数枚の強化繊維基材を針またはピンで貫通させる積層体の貫通工程
(H)積層体をプリフォーム型内に配置する配置工程
(I)積層体を加熱し、強化繊維基材と樹脂材料とを含む各層を、少なくとも部分的に接着する加熱工程
(J)積層体を冷却する冷却工程
(K)針またはピンを除去する除去工程 - 前記貫通工程において、短軸の長さが0.1〜3mmの針またはピンを使用することを特徴とする、請求項20〜22のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
- 前記貫通工程において、針またはピンに超音波を付与しながら貫通孔を形成することを特徴とする、請求項20〜23のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
- 貫通工程における針またはピンが、プリフォーム型あるいは積層体の上に配設される加圧板と一体化されていることを特徴とする、請求項20〜24のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
- 貫通工程における針またはピンの長さを、所望のプリフォームの板厚と同等に設定し、積層体の上に配設される加圧板とプリフォーム型の間で針またはピンをブリッジさせて、プリフォームの板厚を制御することを特徴とする、請求項20〜25のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
- 配置するプリフォーム型の一方がバッグ材であり、もう一方が雄型または雌型であることを特徴とする、請求項20〜26のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
- 前記加熱工程において、予め配置工程(B)または(H)で積層体をプリフォーム型内に密閉してプリフォーム型内を大気圧以下に減圧することにより、大気圧でプリフォームを加圧することを特徴とする、請求項21〜27のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
- 請求項1〜16のいずれかに記載のプリフォームを用いて、少なくとも次の工程(L)〜(N)を経て、FRPを製造することを特徴とするFRPの製造方法。
(L)プリフォームを成形型に配置するセット工程
(M)液体化しているマトリックス樹脂を、成形型に注入してプリフォームにマトリックス樹脂を含浸させる注入工程
(N)マトリックス樹脂を固化させる固化工程 - セット工程(L)において、成形型が少なくとも雌型または雄型のいずれかとバッグ材とによって形成されることを特徴とする、請求項29に記載のFRPの製造方法。
- セット工程(L)において、プリフォームの最表面に樹脂拡散媒体を積層し、注入工程(M)において、まずマトリックス樹脂を優先的に樹脂拡散媒体に注入した後に、貫通孔でプリフォームの厚み方向に含浸させ、貫通孔からプリフォームの面内方向に含浸させて、プリフォーム全体に含浸させることを特徴とする、請求項29または30に記載のFRPの製造方法。
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