JPWO2014192601A1 - 繊維強化プラスチックの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

上型と下型によって形成されるキャビティ内に、強化繊維基材からなり三次元形状を有するプリフォームと、上下方向と異なる横方向に動作可能な内型を配置し、プリフォームの板厚を、得られる成形品の厚みよりも大きくした状態にして、マトリックス樹脂をプリフォームに注入、含浸させ、しかる後に、上型または下型の少なくとも一方を他方に向けて動作させるとともに内型を横方向に動作させて、プリフォームを加圧することにより、プリフォームの厚みが所定の製品の厚みになるように制御し、次いで加熱してマトリックス樹脂を硬化させて成形品を得る繊維強化プラスチックの製造方法およびそれに用いる繊維強化プラスチックの製造装置。

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略称することもある。）の製造方法および製造装置に関し、特に、三次元形状で、かつ、厚肉のＦＲＰ成形品を製造するに際して、繊維体積含有率（以下、Ｖｆと略称することもある。）を比較的高くしつつ、しかもその状態を容易に制御できるとともに、航空機の部品など高品質が求められる構造体として用いるＦＲＰ成形品を、簡易な装置によってＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法で製造できる、繊維強化プラスチックの製造方法および装置に関する。

ＦＲＰを製造する方法として、上型と下型から形成されるキャビティ内に強化繊維基材を配置し、型を加圧することによって型締めして、加圧したマトリックス樹脂を強化繊維基材に注入して含浸させ、含浸した樹脂を硬化させることにより、所定厚みのＦＲＰ成形品を成形する、上型と下型を用いるＲＴＭ法が知られている。上型と下型を用いるＲＴＭ法において、特に大型のＦＲＰ構造体を成形するための技術として、広い面積にわたってマトリックス樹脂を良好に強化繊維基材に注入、含浸する目的を達成するために、樹脂を複数箇所からほぼ同時に注入するようにした多点注入技術も提案されている（例えば、特許文献１）。

一方、上記のような、上型と下型を用いるＲＴＭ法に対し、上型の代わりに樹脂製フィルムなどのバッグ材を用い、下型の上に設置された強化繊維基材をバッグ材で覆うとともに、バッグ材と下型とをシール材で密閉し、バッグ材で覆われた内部を真空吸引して減圧するとともにその減圧状態を利用して内部にマトリックス樹脂を注入して強化繊維基材に含浸させ、含浸した樹脂を硬化させるようにした、バッグ材を用いるＲＴＭ法が知られている。また、バッグ材を用いるＲＴＭ法において、樹脂含浸後、バッグ材内部に配置した吸引ラインから強化繊維基材内の余剰樹脂を吸引除去することによりＶｆを制御するようにした技術も知られている（例えば、特許文献２）。

また、上記した上型と下型を用いるＲＴＭ法では、強化繊維基材の厚みが成形により得ようとする成形品、いわゆる製品の厚みと同等になるようにキャビティの内寸法の高さを調整した状態で、加圧したマトリックス樹脂を強化繊維基材に注入、含浸させるのが、一般的である。しかしながら、上型と下型を用いるＲＴＭ法において、大型のＦＲＰ構造体の成形に適用する技術として、上型と下型によって形成されるキャビティ内に強化繊維基材を配置し、製品の厚みよりもキャビティの内寸法の高さを大きくした状態で樹脂を強化繊維基材に注入、含浸させ、しかる後に、強化繊維基材に余剰に注入、含浸された樹脂を吸引、除去するとともに、上型および下型の少なくとも一方を他方に向けて加圧することによりキャビティの内寸法の高さを、強化繊維基材の厚みが製品の厚みになるように制御し、その状態にて樹脂を硬化させる技術が知られている（例えば、特許文献３）。特許文献３に開示された技術を用いることにより、大型厚肉かつ高Ｖｆである、平板状の成形品を効率よく製造することができるようになる。

また、ＦＲＰの成形時に必要な圧力の供給源としてゴムやエラストマーの熱膨張を利用した技術が知られている（例えば、特許文献４、５）。特許文献４に開示された技術では、加熱することによりゴム層が膨張して余分な樹脂を押し出し、安定した量の樹脂が付着し固化した構造体を製造できるようになり、特許文献５に開示された技術では、プリプレグ成形法において、オートクレーブ装置を使用せずに大型成形品を製造できるようになる。

特開２００５−２４６９０２号公報 特許第４１０４４１３号公報 国際公開２０１１／０４３２５３号公報 特開昭６２−２１１１１２号公報 特開平４−２９４１２６号公報

特許文献1に開示されるような、上記上型と下型を用いるＲＴＭ法においては、樹脂の注入、含浸時に、強化繊維基材が既に加圧されているため強化繊維基材の強化繊維密度が高くなり、その分、樹脂が強化繊維基材内を流動しにくくなっている。そのため、樹脂の含浸距離が制限され、ひいては製品の厚みが制限されるという問題があった。

一方、特許文献２に開示されるような、バッグ材を用いるＲＴＭ法では、一つの成形品を成形する度にバッグ材で密閉する必要があるため、製造時間と労力が多くかかるという問題、および、バッグ材および密閉用のシール材を、成形サイクル毎に、毎回廃棄する必要があるため、資材の無駄が生じるとともに、コストが大きくなるという問題があった。また、マトリックス樹脂の加圧源が大気圧のみであるため、樹脂を含浸できる強化繊維基材の厚みに限界があった。

また、特許文献３に開示される技術では、金型の動作が上下の一方向であるため、例えば航空機の部品など、平板状のベース部と補強部で構成されるような三次元形状の航空機部品に適用することが困難であった。

また、特許文献４または特許文献５に開示される技術では、それをＲＴＭ法として、そのまま利用した場合、プリフォームがゴムやエラストマーに接触し、製品の成形面の品質にバラツキが生じるとともに、成形品の板厚が制御なされていないため、高品質・高精度の製品を再現良く生産することを求められる航空機部品に適用することは困難であった。

そこで本発明の課題は、特に、三次元形状で、かつ、厚肉の成形品を製造するに際し、所望の状態のプリフォームに、容易に短時間で樹脂を含浸させることができ、かつ、得られる成形品について高Ｖｆに制御できる、成形作業性に優れたＦＲＰの製造方法および装置を提供することにある。

上記課題を達成するために本発明のＦＲＰの製造方法は、以下の構成を採用する。すなわち、上型と下型によって形成されるキャビティ内に、強化繊維基材からなり、三次元形状を有するプリフォームと、上下方向と異なる横方向に動作可能な内型を配置し、プリフォームの板厚を、得られる成形品の厚みよりも大きくした状態にして、マトリックス樹脂をプリフォームに注入、含浸させ、しかる後に、上型または下型の少なくとも一方を他方に向けて動作させるとともに、内型を横方向に動作させて、プリフォームを加圧することにより、プリフォームの厚みが得られる成形品の厚みになるように制御し、次いで加熱してマトリックス樹脂を硬化させ成形品を得る、繊維強化プラスチックの製造方法である。

また、上記課題を達成するために本発明のＦＲＰの製造装置は、以下の構成を採用する。すなわち、強化繊維基材からなり三次元形状を有するプリフォームを配置するためのキャビティを形成可能であるとともに、少なくとも一方を他方に向けて動作可能である上型と下型、キャビティ内で、上下方向と異なる横方向にプリフォームを加圧するように動作可能である内型、キャビティ内にマトリックス樹脂を注入するための樹脂注入手段、および、マトリックス樹脂を硬化させるための加熱手段を有する、繊維強化プラスチックの製造装置である。

本発明に係るＦＲＰの製造方法および装置によれば、例えば平板状のベース部と補強部で構成されるような三次元形状の成形品を成形する場合に、樹脂が完全に含浸可能な低Ｖｆになるように、プリフォームの厚みを調整した状態において、プリフォームに樹脂を注入、含浸した後、上下方向は、上型および下型の少なくとも一方を他方に向けて動作させることによりキャビティの内寸法の高さを調整し、高さ方向とは別の横方向には、キャビティ内に配置した横方向に動作可能な内型を横方向に動作させて、キャビティの横方向の寸法を調整し、キャビティ内に配置されている三次元形状のプリフォームの厚みを、成形により得るべき成形品の厚みに相当する寸法に調整できるので、高Ｖｆに制御した三次元形状の成形品を、簡易な装置で、従来よりも成形作業性、生産性を大幅に向上し、短時間のうちに製造することができる。

本発明の一実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の全体像を示す概略斜視図である。 図１に示すＦＲＰの製造装置の縦断面図である。 図２に示すＦＲＰの製造方法において、（ａ）上型と下型によって形成される、プリフォームと内型設置前のキャビティ、（ｂ）マトリックス樹脂を含浸する前の内型の位置、（ｃ）マトリックス樹脂を硬化する時の内型の位置、を示す、金型の概略縦断面図である。 本発明の別の実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の全体像を示す概略斜視図である。 図４に示すＦＲＰの製造装置の縦断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の縦断面図である。 図６に示すＦＲＰの製造方法において、（ａ）マトリックス樹脂を含浸する前の内型と熱膨張体の位置、（ｂ）マトリックス樹脂を硬化する時の内型と熱膨張体の位置、（ｃ）脱型する時の内型と熱膨張体の位置、を示す、金型の部分的概略縦断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の縦断面図である。 本発明のさらに別の実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の縦断面図である。 本発明に係るＦＲＰの製造方法で好適に得られる成形品に用いるプリフォームを示す概略斜視図である。

以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。

本発明の第１の実施態様について、図１〜３を用いて説明する。図１は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の概略斜視図を示しており、その縦断面図を図２に示している。また、図１，２に示すＦＲＰの製造装置における金型の概略縦断面図を図３に示している。図１〜３において、ＦＲＰの製造装置１は、上型２と下型３を有しており、本実施態様では、上型２は平面状のプレートであり、下型３の断面形状は凹型の枠体の中に凸部１０が形成されており、上型２と下型３によって形成されるキャビティ４の断面形状はＣ型となる。

本発明において、上型２、下型３、内型６は、必要な強度、剛性があれば特に材料および形態を限定しないが、成形品の精度と成形品の表面品位を高めるために、材料は金属であることが望ましく、例えば、スチールであることが好ましく、さらには、熱膨張の観点から、インバーであることがより好ましい。

本実施態様では、キャビティ４内に、三次元形状のプリフォームとして、ベース部３０と補強部３１で構成されるＣ型断面形状を有し、強化繊維基材からなるプリフォーム５を、下型の凸部１０に沿うように配置し、キャビティの両補強部３１において、プリフォーム５と下型３の側壁との間に、凸部１０と相対する形状の内型６を配置する。ベース部は水平側面を呈し、補強部は垂直側面を呈している。

本発明において、内型６は、キャビティ内で少なくとも上下方向と異なる横方向にプリフォームを加圧するように動作可能となっている。また、本実施態様では、内型６は、樹脂を注入する前の時点でキャビティ４に隙間ができない程度のサイズであることが好ましい。プリフォーム５の板厚は、得ようとする成形品の厚み、すなわち製品の厚みよりも大きい状態（つまり、製品におけるＶｆよりも低Ｖｆの状態）に形成されている。

下型３の側壁には貫通孔８が設けられており、棒状体７が貫通孔８を通って、内型６と接触している。本実施態様においては、棒状体７は雄ネジのボルトで構成され、貫通孔８には雌ネジが設けられているのがよい。貫通孔は、図１や図２では下型に設けられているが、成形品や金型の形状に対応して、上型と下型のいずれか、もしくは両方に設けられていても良い。

上型２と下型３の間には、キャビティ４の周囲に全周にわたって延びる、シール手段としてのＯリング９が設けられ、Ｏリング９を介して、キャビティ４が上型２と下型３とで密閉される。Ｏリング９を用いていることにより、上型２と下型３の間に隙間ができ、上型２と下型３は、少なくとも一方を他方に向けて動作可能となっている。そして、上型２と下型３の間に隙間があることにより、マトリックス樹脂を含浸する際にプリフォームを低Ｖｆ状態とでき、マトリックス樹脂の流路が大きくなる。上型２と下型３を押圧するか、キャビティ４を減圧にすることにより、上型２と下型３は、一方が他方に向けて動作し、シール手段としてのＯリング９の潰れ量が大きくなり、プリフォーム５におけるベース部の厚みが、徐々に薄くなり、上型２と下型３の表面が接触して止まることによって、所定の製品の厚みになるように制御される。

Ｏリングは、特に材料および形態を限定しないが、材料として、例えばニトリルゴム、スチロールゴム、フッ素ゴム、シリコーンゴムを利用することができ、特に離型特性が高いものが好ましいため、シリコーンゴムを使用することが好ましい。

また、本実施態様では、キャビティ４にマトリックス樹脂を注入するための樹脂注入手段として、下型３に樹脂注入口１２を備えている。プリフォーム５の厚みが製品の厚みよりも大きい状態（つまり、プリフォームのＶｆが、得ようとする製品のＶｆよりも低い状態）にて、樹脂ポット１１内に収容されているマトリックス樹脂が、樹脂注入ライン１３を介して、樹脂注入ライン１３に接続されて下型３に形成された樹脂注入口１２から、キャビティ４内のプリフォーム５に向けて注入され、含浸される。

なお、本発明では、図２に示すように、下型３とプリフォーム５の間に樹脂拡散媒体２１を介装し、樹脂拡散媒体２１を介してマトリックス樹脂がより均一に拡散された状態でプリフォーム５に注入、含浸できるようにしてもよい。樹脂拡散媒体２１としては、樹脂の拡散を促進する機能を有すれば、特に材料および形態を限定しないが、樹脂の流動抵抗が、プリフォーム５を構成する強化繊維基材内を流れる場合の流動抵抗に比べ１／１０以下の低い抵抗であるシート状の媒体であることが好ましく、具体的には、ポリエチレンやポリプロピレン製のメッシュ織物で、目開きがメッシュ数４００以下（ピッチ６３．５μｍ以上）のものが好ましい。

また、図１、２に示す装置では、真空ポンプ１８により、樹脂トラップ１９を介して上型２に形成された真空吸引口１５を通してキャビティ４内を吸引により減圧状態にし、その減圧状態を利用してマトリックス樹脂が樹脂注入口１２からプリフォーム５に注入、含浸されるようになっている。ただし、本発明では、この減圧状態を利用した注入、含浸の代わりに、後述するように、マトリックス樹脂を加圧注入することも可能であり、減圧状態を利用した注入と加圧注入とを併用することも可能である。キャビティ内を減圧状態にすると、残存空気が排除でき、成形品内の空隙といった不具合を減少させることができる。

樹脂ポット１１、樹脂トラップ１９、樹脂注入ライン１３および真空吸引ライン１６は、良好な樹脂含浸を達成できるような樹脂粘度を保つため、加温機能もしくは保温機能を有していることが望ましい。樹脂注入口１２、樹脂注入ライン１３、真空吸引口１５および真空吸引ライン１６については、その個数、その径、その位置といった条件を、樹脂拡散媒体２１の性能や成形品の大きさや形状を考慮して決定することが望ましい。なお、真空吸引口１５は、プリフォームにおいて樹脂の含浸が最も遅れる位置に設置されることが望ましい。

やがて、マトリックス樹脂がプリフォーム５全体にわたって含浸され、含浸完了後には、真空吸引口１５からマトリックス樹脂が真空吸引ライン１６に向けて流出するようになる。このマトリックス樹脂の注入、含浸時には、目標とする高Ｖｆの製品の厚みよりプリフォームの厚みの方が大きいので、この状態では、マトリックス樹脂は未だ硬化されていないものの、この状態でのＶｆは、目標とする高Ｖｆの成形品のＶｆよりも低い。したがって、樹脂を注入、含浸する際のプリフォームにおける強化繊維の嵩密度が、目標とする高Ｖｆの成形品における強化繊維の嵩密度よりも低く、プリフォーム５内で樹脂が流動しやすくなっているので、比較的厚いプリフォームであっても、マトリックス樹脂は高い注入圧を加えないでも十分に良好に含浸される。すなわち、先ず、低Ｖｆ状態ではあるが、プリフォームに容易にかつ十分に良好にマトリックス樹脂が含浸された状態が形成される。

このように低Ｖｆ状態にてプリフォーム５に十分に良好にマトリックス樹脂が含浸された後、上記のように使用している樹脂の真空吸引ライン１６で、プリフォーム５に余剰に注入、含浸された樹脂が吸引、除去される。樹脂が、プリフォームの全体に含浸する前に、真空吸引口１５に到達すると、樹脂は真空吸引口１５から排出され、プリフォーム内への樹脂の含浸が進行しなくなり、未含浸部が生じることがある。斯かる不都合を避けるために、複数の真空吸引口１５を配置し、樹脂が排出されるようになった真空吸引口１５から延びる真空吸引ライン１６を、クランプなどを用いて塞ぐことが望ましい。このとき、真空吸引により減圧されたキャビティ４の内圧と上型２の外面にかかっている大気圧との差圧を利用して、上型２が押し下げられ、上型２がプリフォーム５を加圧することで、キャビティ４内に配置されているプリフォーム５の厚みが製品の厚みになるように、キャビティ４の内寸法の高さが制御される。

そして、キャビティ４の外部から、棒状体７で内型６を押圧して、上下方向（図２では高さ方向）とは別の横方向に所定量動作させることにより、キャビティ４の横方向の寸法を、キャビティ４内に配置されているプリフォーム５の厚みが製品の厚みになるように制御した後に、加熱手段で加熱をすることによりマトリックス樹脂を硬化させる。

棒状体７は、内型を押圧出来る構造であれば特に形態は限定されないが、例えば油圧や空圧のシリンダーで圧縮する構造とすることも出来る。また、より精度良く成形品の板厚を制御するためには、棒状体の変位量を計測出来ることが好ましい。たとえば、棒状体７を雄ネジのボルトとし、貫通孔８に雌ネジを設けることにより、貫通孔の中で棒状体７を回転させ、その回転数によって棒状体７の移動量を制御することができる。雌ネジは貫通孔８の内部に設けられていても良いし、雌ネジが切られたナット状の治具を貫通孔８に固定しても良い。

図３（ａ）は、本実施態様において、上型２と下型３によって形成されるキャビティについて、プリフォームと内型を設置する前の状態を示しており、図３（ｂ）は、そこに、プリフォーム５と内型６を設置して、マトリックス樹脂を含浸する前の状態を示している。図３（ｂ）の状態で、マトリックス樹脂をプリフォーム５に注入、含浸した後に、上型２および下型３の少なくとも一方を他方に向けて動作するとともに、キャビティ４の外部から、棒状体７で内型６を押圧して、横方向に所定量動作させることにより、図３（ｃ）の状態としてから、加熱手段で加熱してマトリックス樹脂を硬化させるのである。

本発明において通常、マトリックス樹脂には熱硬化性樹脂（例えば、エポキシ樹脂）が用いられ、マトリックス樹脂の硬化は加熱手段によって行われる。加熱手段としては、金型に内設したヒータや熱媒等の周知の手段（図示は省略されている）を用いればよい。

このように、所定の製品の厚みに維持されているプリフォーム５に含浸されたマトリックス樹脂が硬化することにより、目標とする高ＶｆのＦＲＰ成形品が得られる。樹脂の硬化完了後に、型を開いて成形品を取り出せばよい。

なお、本発明に係る、上下方向と異なる横方向とは、上型２と下型３の上下の型締め方向以外の全ての方向を含み、通常、プリフォーム５の三次元形状に対応して、補強部３１の板厚方向を意味する。

プリフォーム５は、形状付与された強化繊維基材から構成され三次元形状を有していれば、特に形態は問わないが、マトリックス樹脂含浸時の板厚を製品厚みよりも大きい状態に固定するために、複数の強化繊維基材を、バインダー（接着樹脂）を介して接着して、嵩高く形状固定されていることが好ましい。また、マトリックス樹脂含浸後に、板厚が薄くなるように変形するために、バインダーはマトリックス樹脂に溶解する特性を有するものであることが好ましく、熱可塑樹脂を主成分とするものであることが好ましい。強化繊維基材は、強化繊維で構成されるシート状の基材であり、強化繊維基材としては、強化繊維で構成される、織物、編物、不織布、一方向基材を例示できる。強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましい。また、強化繊維基材は、予め設計により定められた繊維配向と繊維量を満たしている。設計に応じた強化繊維基材を利用することにより、繊維配向に沿った強度・剛性をより有効に発現するようになる。

上型２および下型３の少なくとも一方を他方に向けて動作するとともに内型６を横方向に動作させて、プリフォーム５を加圧するのは、プリフォーム５に完全にマトリックス樹脂が含浸された後であっても良いし、十分な樹脂量が注入されていればプリフォーム５への含浸途中で行っても良い。含浸途中にプリフォーム５を加圧すれば、樹脂の余剰量を少なくでき、樹脂の無駄を削減出来る。

図４は、第２の実施態様に係るＦＲＰの製造装置の概略斜視図を示しており、その縦断面図を図５に示している。第１の実施態様と同様に、上型２と下型３によって形成されるキャビティ４の断面形状はＣ型であり、キャビティ４内に、三次元形状のプリフォームとして、ベース部３０と補強部３１で構成されるＣ型断面形状を有し、強化繊維基材からなるプリフォーム５を下型の凸部１０に沿うように配置している。

下型３のキャビティ４とは反対側の外部に位置する、下型３の下側に、複数のブラダーバッグ２２を配置し、それらブラダーバッグ２２の内部に加圧流体（例えば、圧縮空気）を導入してブラダーバッグ２２を膨張させることにより、下型３を上型２側に向けて動作させ、それによりプリフォームを加圧する態様を例示している。このとき、上型２の位置を固定しておくために、上型／下型固定治具２３が用いられている。もちろん、プリフォームを加圧するように下型３を動作させるとともに、真空吸引ライン１６を介して余剰樹脂の吸引、除去も行われる。なお、図５では、ブラバーバッグ２２および上型／下型固定治具２３について表示を省略している。

そして、本実施態様では、キャビティ４の両補強部において、プリフォーム５と下型３の側壁との間に、凸部１０と相対する形状で、かつ、移動可能な内型６と、膨張可能な袋体２４を配置している。すなわち、内型６と下型３との間隙に、袋体２４を設置しており、袋体２４は、袋体用の加圧流体導入孔２５より加圧流体（例えば、圧縮空気）を封入することにより膨張できる。袋体は、図５では、内型と下型との間隙に設置されているが、成形品や金型の形状に対応して、内型と上型との間隙に設置されてもよい。

また、図５で示すように、本発明では、内型６と下型の凸部１０の間にスペーサー１７を設置してもよい。マトリックス樹脂を注入する前の時点で、袋体２４にある程度の加圧流体を封入して膨張させ、キャビティ４に隙間が無くなる程度に、袋体２４と内型６とでキャビティ４の容積を占めるようにすることが好ましい。

第１の実施態様と同様に、上型２と下型３の間には、キャビティ４の周囲に全周にわたって延びるシール手段としてのＯリング９が設けられ、Ｏリング９を介して、キャビティ４が上型２と下型３とで密閉される。

また、第１の実施態様と同様に、キャビティにマトリックス樹脂を注入するための樹脂注入手段として、下型３に樹脂注入口１２を備えており、プリフォーム５の厚みが製品の厚みよりも大きい状態（つまり、プリフォームのＶｆが、得ようとする製品のＶｆよりも低い状態）にて、樹脂ポット１１内に収容されているマトリックス樹脂が、樹脂注入ライン１３を介して、樹脂注入ライン１３に接続されて下型３に形成された樹脂注入口１２から、キャビティ４内のプリフォーム５に向けて注入され、含浸される。なお、本発明では、前記したように、マトリックス樹脂をプリフォームに注入、含浸するに際して、キャビティ内を減圧状態とするか、注入するマトリックス樹脂を加圧状態とするかすれば十分であるが、図４，５に示すように、加圧源２０により、樹脂ポット１１を介して下型に形成された樹脂注入口１２を通して樹脂を加圧状態にして、キャビティ内の減圧状態とマトリックス樹脂の加圧状態を併用すれば、マトリックス樹脂がプリフォーム５に、より確実に注入、含浸されるようになる。また、第１の実施態様と同様に、下型３とプリフォーム５の間に樹脂拡散媒体２１を介装し、樹脂拡散媒体２１を介してマトリックス樹脂がより均一に拡散された状態でプリフォーム５に注入、含浸できるようになっている。

本実施態様では、上型２と下型３との間の隙間は確保しつつ、マトリックス樹脂を加圧して注入しても上型２と下型３とが外れない程度に、上型２と下型３とを上型／下型固定治具２３で固定した上で、ブラダーバッグ２２の内部に、ある程度の量の加圧流体を導入してブラダーバッグ２２を膨張させる。この状態では、上型２と下型３との間の隙間を確保しているので、プリフォームは低Ｖｆの状態にある。そして、真空ポンプ１８により、樹脂トラップ１９を介して下型３に形成された真空吸引口１５を通してキャビティ４内を吸引により減圧状態にするとともに、マトリックス樹脂を加圧注入してマトリックス樹脂がプリフォーム５に注入、含浸されるようになっている。やがて、マトリックス樹脂がプリフォーム５の全体にわたって含浸され、含浸完了後に、真空吸引口１５からマトリックス樹脂が流出するようになれば、マトリックス樹脂の供給を停止する。

このように低Ｖｆ状態にてプリフォーム５に十分に良好にマトリックス樹脂が含浸された後、図５に示すように、上記のように使用しているマトリックス樹脂の真空吸引ライン１６で、プリフォーム５に余剰に注入、含浸されたマトリックス樹脂が吸引、除去される。このとき、それらブラダーバッグ２２の内部に加圧流体をさらに導入してブラダーバッグ２２の内部圧力を高めることにより、シール手段としてのＯリング９の潰れ量が大きくなり、プリフォーム５のベース部の厚みが徐々に薄くなり、上型２と下型３の表面が接触して止まることによって、プリフォーム５のベース部の厚みは、所定の製品の厚みになるように制御される。

さらに、同様に、マトリックス樹脂含浸完了後に、袋体２４に加圧流体をさらに導入して、袋体２４の内部圧力を高めることにより、袋体２４を更に膨張させて、内型６を下型の凸部１０に向かって移動させることにより、プリフォーム５の補強部は、内型６により加圧され、板厚が徐々に薄くなっていく。そして、内型６がキャビティ４内に設置されたスペーサー１７に当接することによって、内型６の動作が停止し、動作距離を制御、すなわち、プリフォーム５の補強部を所定の製品の厚みになるように制御することが出来る。

このように所定の製品の厚みに維持されているプリフォーム５に含浸されたマトリックス樹脂が硬化することにより、目標とする高ＶｆのＦＲＰ成形品が得られる。樹脂の硬化完了後に、型を開いて成形品を取り出せばよい。

袋体２４は、圧縮空気を入れた時に、空気が漏れない密閉性と、体積が大きくなる膨張性、所定の温度、大きさまでは破裂しない強度を有していれば、特に材質、形態を限定するものでは無いが、例えば、ナイロン、ポリプロピレンなどの樹脂製のフィルムを密閉シールして袋状にしたものや、シリコーンゴム、ブチルゴムなどを材料としたゴム状のシートを接着して袋状にしたものを用いることが好ましい。

スペーサー１７は、内型６との当接により、プリフォーム５が所定の板厚になったときに、内型６の移動を止めるような寸法であれば、特に材質や、形態を限定するものでは無いが、耐久性の観点から、上型２や下型３、内型６と同じ材料であることが好ましく、例えば、スチールやアルミが好ましく、さらには、熱膨張の観点から、インバーであることがより好ましい。また、スペーサー１７は、金型とは別体で、単体であっても良いし、内型６、下型３、または上型２と一体化していても良い。なお、スペーサーにより、内型の移動量を制御する手段は、第２の実施態様に限らず、本発明では好適に利用できる。

図６は、第３の実施態様に係るＦＲＰの製造方法に用いる製造装置の縦断面図を示している。内型６と下型３の側壁との間には、熱膨張体１４が配置されている。熱膨張体１４は延設部１１４を備えており、延設部１１４を、内型６と上型２との間隙に配設するために、上型２は下型３の凸部１０と対応する位置に上型の凸部を有している。したがって、上型２と下型３によって形成されるキャビティ４の断面形状はＨ型となっており、キャビティ４内に、三次元形状のプリフォームとして、ベース部３０と補強部３１で構成されるＣ型断面形状の強化繊維基材からなるプリフォーム５を下型の凸部１０に沿うように配置している。熱膨張体１４は、本実施態様では内型と下型との間隙に設置され、延設部１１４は内型と上型との間隙に配設されているが、成形品や金型の形状に対応して、熱膨張体を、内型と上型との間隙に設置し、延設部１１４を内型と下型との間隙に配設してもよい。

これまでに説明した実施態様と同様に、低Ｖｆ状態ではあるが、プリフォーム５に容易にかつ十分に良好にマトリックス樹脂が含浸された状態を形成した後、上型または下型の少なくとも一方を他方に向けて動作させるとともに、キャビティ４内を加熱することにより熱膨張体１４を膨張させ、熱膨張体１４で内型６を押圧して、上下方向とは別の横方向に所定量動作させる。それにより、キャビティ４の横方向の寸法を、キャビティ４内に配置されているプリフォーム５の厚みが製品厚みになるように制御した後に、成形温度に加熱をすることによりマトリックス樹脂を硬化させる。内型６と上型２との間に存在する熱膨張体を加熱することで、熱膨張体の延設部１１４も熱膨張し、延設部１１４を配設した内型６と上型２との間隙を横面と縦面ともに確実にシールすることができる。また、脱型する際の温度を成形温度より低くすることで、延設部１１４もマトリックス樹脂硬化時から熱収縮し、延設部１１４を配設した内型６と上型２との間隙を生成し、容易に成形品を脱型することができる。

図７は、図６に示すＦＲＰの製造装置における金型の片側部分を拡大して示したもので、（ａ）、（ｂ）、（ｃ）はそれぞれ（ａ）マトリックス樹脂を含浸する時の内型と熱膨張体、（ｂ）マトリックス樹脂を硬化する時の内型と熱膨張体、（ｃ）脱型する時の内型と熱膨張体、について位置関係を模式図で示しているものである。

マトリックス樹脂を含浸する時に、図７（a）で示すように、プリフォーム５は、その板厚が、製品の厚みよりも大きく、低Ｖｆの状態となっているため、プリフォーム５内にマトリックス樹脂が容易に含浸される。そして、マトリックス樹脂を硬化する時に、成形温度を、樹脂を含浸する際の温度より高くすることで、図７（ｂ）で示すように、熱膨張体１４は、図７（a）で示す状態から熱膨張し、内型６はスペーサー１７に当接し、プリフォーム５は製品の厚みに制御される。成形により得られた成形品を脱型する時に、図７（ｃ）で示すように、熱膨張体１４は、脱型する際の温度を成形温度より低くすることで、図７（ｂ）で示す状態から熱収縮し、キャビティ内に隙間を生じさせ、容易に成形品を脱型することが出来るようになる。

図８は、図６で示す実施態様において、下型を、枠体２７とハット状の凸部２８で構成し、その間に底部熱膨張体１１５が配置され、加熱により底部熱膨張体１１５が膨張することにより、下型３のハット状の凸部２８を上型２側に向けて動作させ、それによりプリフォームを加圧する態様を例示している。下型を構成しているハット状の凸部２８を上型２側に向けて動作させる際に、上型２の位置を固定しておくために、図示しない上型固定治具が用いられる。上型固定治具には、クランプやプレス装置等の周知の手段を用いればよい。上型と下型とによる加圧とともに、真空吸引ライン１６を介して余剰樹脂の吸引、除去を行なう。キャビティには、ベース部の厚みが製品の厚みになったときに、上型２とハット型の凸部２８のそれぞれに当接するように長さが調節された上下方向スペーサー２９が配され、ハット型の凸部２８の移動距離は、上下方向スペーサー２９と上型２の当接を利用して制御できるようになっている。

なお、熱膨張体１４や底部熱膨張体１１５は、型の材料よりも大きな熱膨張率を有していれば、特に材料および形態は限定されないが、線膨張係数の大きな材料を用いるが好ましく、例えばエラストマーを利用することもできる。本発明に好適な熱膨張体または底部熱膨張体は、その線膨張係数が１．０×１０^−４／℃以上であることが好ましく、１．５×１０^−４／℃以上、３．０×１０^−４／℃以下であることがより好ましい。熱膨張体または底部熱膨張体としては、離型特性と熱膨張特性と可撓性を考慮して、シリコーンゴムを使用することが特に好ましい。

図９に示す実施態様では、図６で示す実施態様に加えて、プリフォームを加圧するように下型３を上型２側に向けて動作させるために、下型３のキャビティ４とは反対側の外部に位置する、下型３の下側に、複数のブラダーバッグ２２が配置されている。図９において、ブラダーバッグ２２は、下型固定治具３２の上に、下型を持ち上げる形態で配置されているが、上型を押し下げるために、上型の上に配置されても良い。また、ブラダーバッグ２２の代わりに、熱膨張体と同様の材料でできた、熱膨張性を有する部材を配置することも可能である。このとき、上型２の位置を固定しておくために、上型固定治具３３が用いられる。下型固定治具３２や上型固定治具３３には、クランプやプレス装置等の周知の手段を用いればよい。下型３を上型２側に向けて動作させるために、下型３を上型２に向けて加圧するとともに、真空吸引ライン１６を介して余剰樹脂の吸引、除去を行なう。

上記説明してきたように、本発明においては、プリフォーム５のベース部の厚みは、キャビティ４の減圧度、または、ブラダーバッグ２２などによる外部からの圧力によって制御できる。例えば、潰れ量の大きいＯリング９を用いて、減圧度または圧力と潰れ量の相関関係から、減圧度または圧力によって、プリフォーム５のベース部の厚みを制御することが出来る。または、上型２と下型３の間に、例えば樹脂製またはゴム製の隙間調整板を配置しておき、プリフォームへの樹脂含浸後に、隙間調整板の厚みを、ブラダーバッグ２２などによる外部からの圧力による潰れや、外部からの温度負荷による熱膨張で制御することにより、ベース部の厚みを制御してもよい。

図１０は、長手方向に板厚の変化点を有した成形品に用いるプリフォームを示す斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の裏面である。ここで、板厚の変化点とは、断面において板厚が変化し始める角の部分を意味する。プリフォーム２６が、長手方向に板厚の変化点１３１を有した場合、板厚が異なる部位に、個別に内型６を配置して、変化する板厚に応じて内型６の移動量を個別に制御することも出来る。例えば、板厚が厚い部分は、内型６の移動量を小さくし、薄い部分は、移動量を大きくすることにより、繊維体積含有率が高く安定した成形品を得ることが出来る。

すなわち、図１０に示すプリフォーム２６を、図１に示すような、第１の実施態様の製造装置に適用した場合は、プリフォーム２６の長手方向に、複数の内型６を配置し、複数の貫通孔８（図１は貫通孔３個を例示）に挿通させた棒状体７により、個別に内型６の移動量を制御すればよい。

また、図１０に示すプリフォーム２６を、図６に示すような、第３の実施態様の製造装置に適用した場合は、プリフォーム２６の長手方向に、複数の内型６を配置し、複数の熱膨張体１４により、個別に内型６の移動量を制御すればよい。

このようにして、本発明によれば、簡易な成形装置にて、優れた成形作業性をもって短時間のうちに、高Ｖｆの成形品を製造することができ、三次元形状を有し、比較的厚みが厚い構造体であっても、容易に効率よく製造することが可能になる。

本発明に係るＦＲＰの製造方法および装置は、実質的にあらゆるＦＲＰ製成形品の製造に適用可能であり、とくに、航空機や風車の部品など高品質が求められる大型の構造体の製造に好適に適用できる。

１ ＦＲＰの製造装置
２ 上型
３ 下型
４ キャビティ
５ プリフォーム
６ 内型
７ 棒状体
８ 貫通孔
９ Ｏリング
１０ 下型の凸部
１１ 樹脂ポット
１２ 樹脂注入口
１３ 樹脂注入ライン
１４ 熱膨張体
１１４ 熱膨張体延設部
１１５ 底部熱膨張体
１５ 真空吸引口
１６ 真空吸引ライン
１７ スペーサー
１８ 真空ポンプ
１９ 樹脂トラップ
２０ 加圧源
２１ 樹脂拡散媒体
２２ ブラダーバッグ
２３ 上型／下型固定治具
２４ 袋体
２５ 袋体用の加圧流体導入孔
２６ 長手方向に板厚の変化点を有するプリフォーム
２７ 枠体
２８ ハット型の凸部
２９ 上下方向スペーサー
３０ ベース部
３１ 補強部
１３１ 板厚変化点
３２ 下型固定治具
３３ 上型固定治具

Claims (16)

1. 上型と下型によって形成されるキャビティ内に、強化繊維基材からなり、三次元形状を有するプリフォームと、上下方向と異なる横方向に動作可能な内型を配置し、プリフォームの板厚を、得られる成形品の厚みよりも大きくした状態にして、マトリックス樹脂をプリフォームに注入、含浸させ、しかる後に、上型または下型の少なくとも一方を他方に向けて動作させるとともに、内型を横方向に動作させて、プリフォームを加圧することにより、プリフォームの厚みが得られる成形品の厚みになるように制御し、次いで加熱してマトリックス樹脂を硬化させ成形品を得る、繊維強化プラスチックの製造方法。
2. 上型または下型に設けられ、キャビティ内と外部とを連通する貫通孔に挿通させた棒状体で、内型をキャビティの外部から押圧して動作させる、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
3. 棒状体が雄ネジのボルトであり、貫通孔に設けられた雌ネジによって棒状体を回転させ、その回転数によって棒状体の移動量を制御する、請求項２に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
4. 内型と、上型または下型との間隙に、袋体を設置し、袋体に加圧流体を封入して膨張させることにより内型を動作させる、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
5. 内型と、上型または下型との間隙に、熱膨張体を設置し、熱膨張体を加熱して熱膨張させることで、内型を動作させる、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
6. 熱膨張体が延設部を備えており、延設部を、内型と、上型または下型との間隙に配設し、熱膨張体を加熱して熱膨張させることで、内型と、上型または下型との間隙を延設部でシールする、請求項５に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
7. キャビティ内に設置されたスペーサーによって内型の動作距離を制御する、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
8. プリフォームがベース部と補強部で構成される、請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
9. プリフォームがＣ型断面形状で構成される、請求項１〜８のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
10. プリフォームの長手方向に複数の内型を配置し、プリフォームの形状に応じて、複数の内型の移動量を個別に制御する、請求項１〜９のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
11. プリフォームは長手方向に板厚の変化点を有し、板厚が異なる部位に個別に内型を配置し、板厚に応じて内型の移動量を個別に制御する、請求項１０に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
12. 強化繊維基材からなり三次元形状を有するプリフォームを配置するためのキャビティを形成可能であるとともに、少なくとも一方を他方に向けて動作可能である上型と下型、キャビティ内で、上下方向と異なる横方向にプリフォームを加圧するように動作可能である内型、キャビティ内にマトリックス樹脂を注入するための樹脂注入手段、および、マトリックス樹脂を硬化させるための加熱手段を有する、繊維強化プラスチックの製造装置。
13. 上型または下型に、キャビティ内と外部とを連通する貫通孔を有し、内型をキャビティの外部から押圧して動作させるための棒状体が貫通孔に挿通されている、請求項１２に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
14. 内型と、上型または下型との間隙に、加圧流体を封入して膨張する袋体を設置してなる、請求項１２に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
15. 内型と、上型または下型との間隙に、加熱により熱膨張する熱膨張体を設置してなる、請求項１２に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
16. 熱膨張体が延設部を備えており、延設部を、内型と、上型または下型との間隙に配設してなる、請求項１５に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。

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