JPWO2018029792A1 - 複合材料の成形方法および複合材料用中間部材 - Google Patents
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Abstract
【課題】成形型のキャビティ内に樹脂を注入する際における強化基材の配置の乱れを抑制して複合材料の外観品質を向上させるとともに、樹脂の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる成形方法および複合材料用中間部材を提供する。【解決手段】複合材料１０の成形方法によれば、強化基材３１に支持部材４０を固定して、支持部材の少なくとも一方の端部４０ａ、４０ｂが強化基材から突出するように配置する。次に、成形型３１０のキャビティ３１４内に強化基材および支持部材を配置し、成形型を閉じて、キャビティを形成する成形型の壁面３１１ａ、３１２ａによって支持部材の少なくとも一方の端部を当接させ、壁面に端部を当接させた状態を維持したまま、成形型の注入口３１５からキャビティ内に樹脂５０を注入する。【選択図】図５
Description
本発明は、複合材料の成形方法および複合材料用中間部材に関する。
近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられている。複合材料の成形方法として、量産化に適したＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法が注目されている。ＲＴＭ成形法にあっては、まず強化基材を成形型内のキャビティに配置し、キャビティ内に樹脂を流し込み、強化基材に樹脂を含浸させ、樹脂を硬化させることによって、複合材料を形成する。
キャビティ内に樹脂を流し込む際に、樹脂の流動によって強化基材の配置に乱れが生じてしまう場合がある。強化基材の配置に乱れが生じてしまうと、成形品である複合材料の強度が低下したり、外観品質が悪くなったりするという問題があった。
例えば、下記特許文献１には、強化基材の配置の乱れを抑制するため、樹脂を注入する際に成形型の壁面によって強化基材を挟持して強化基材の配置の乱れを抑制する方法が開示されている。
ところで、成形時間を短縮するためには、樹脂を高圧注入する必要がある。樹脂を高圧注入する場合、成形型の壁面によって強化基材を抑えるだけでは、強化基材の配置の乱れを十分に抑制できない。一方で、強化基材の配置の乱れを抑制するために樹脂を低圧注入すると、強化基材に対する樹脂の含浸が遅くなるため成形時間が長くなってしまう。
そこで、本発明は、成形型のキャビティ内に樹脂を注入する際における強化基材の配置の乱れを抑制して複合材料の外観品質を向上させるとともに、樹脂の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる成形方法および複合材料用中間部材を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形方法は、開閉可能な成形型のキャビティ内に強化基材を配置して、樹脂を前記キャビティ内に注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法である。当該複合材料の成形方法によれば、前記強化基材に支持部材を固定して、前記支持部材の少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置し、前記キャビティ内に前記強化基材および前記支持部材を配置する。さらに、前記成形型を閉じて、前記キャビティを形成する前記成形型の壁面に前記支持部材の少なくとも一方の端部を当接させ、前記壁面に前記端部を当接させた状態を維持したまま、前記成形型の注入口から前記キャビティ内に前記樹脂を注入する。
上記目的を達成する本発明に係る複合材料用中間部材は、強化基材を所定の形状に賦形したプリフォームと、前記強化基材に固定されて、少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置される支持部材と、を有する。
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
（複合材料）
複合材料１０は、一般的に、強化基材３１および樹脂５０を組み合わせることにより、樹脂５０単体で構成される成形品に比べて高い強度および剛性を備えている。例えば、図９Ａに示すような自動車の車体５００（図９Ｂを参照）に使用されるフロントサイドメンバー５０１やピラー５０２等の骨格部品、ルーフ５０３等の外板部品に複合材料１０を適用することができる。複合材料１０は鉄鋼材料よりも軽量なため、鉄鋼材料からなる部品を組み付けて構成した車体と比べて、図９Ｂに示すような車体５００の軽量化を図ることができる。
複合材料１０は、一般的に、強化基材３１および樹脂５０を組み合わせることにより、樹脂５０単体で構成される成形品に比べて高い強度および剛性を備えている。例えば、図９Ａに示すような自動車の車体５００（図９Ｂを参照）に使用されるフロントサイドメンバー５０１やピラー５０２等の骨格部品、ルーフ５０３等の外板部品に複合材料１０を適用することができる。複合材料１０は鉄鋼材料よりも軽量なため、鉄鋼材料からなる部品を組み付けて構成した車体と比べて、図９Ｂに示すような車体５００の軽量化を図ることができる。
本実施形態に係る複合材料１０は、後述する複合材料用中間部材２０を成形型３１０に配置し、樹脂５０を含浸させて硬化させることによって成形される。
樹脂５０は、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。本実施形態においては、機械的特性、寸法安定性に優れたエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用する。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、特にこれに限定されるものではなく、所望の材料特性に合わせて適宜選択できる。なお、樹脂５０は、熱硬化性樹脂に限定されず、熱可塑性樹脂を用いてもよい。
また、樹脂５０には、複合材料１０を成形した後の脱型を容易に行い得るように、内部離型剤を含ませている。内部離型剤の種類は、特に限定されず、公知のものを使用することができる。
（複合材料用中間部材）
複合材料用中間部材（以下、「中間部材」と称する）２０は、図１Ａに示すように、強化基材３１を所定の形状に賦形したプリフォーム３０と、その一端部に配置された貫通部材（支持部材に相当）４０とを備えている。貫通部材４０は、図１Ｂに示すように、強化基材３１に貫通して固定されて、両端部４０ａ、４０ｂが強化基材３１から突出するように配置されている。なお、貫通部材４０の配置や数は、注入口３１５の配置、樹脂５０の注入圧力、プリフォーム３０の形状等に応じて適宜変更することができる。
複合材料用中間部材（以下、「中間部材」と称する）２０は、図１Ａに示すように、強化基材３１を所定の形状に賦形したプリフォーム３０と、その一端部に配置された貫通部材（支持部材に相当）４０とを備えている。貫通部材４０は、図１Ｂに示すように、強化基材３１に貫通して固定されて、両端部４０ａ、４０ｂが強化基材３１から突出するように配置されている。なお、貫通部材４０の配置や数は、注入口３１５の配置、樹脂５０の注入圧力、プリフォーム３０の形状等に応じて適宜変更することができる。
以下、プリフォーム３０および貫通部材４０の構成について詳細に説明する。
（プリフォーム）
本実施形態に係るプリフォーム３０は、図１Ｂに示すように、複数の強化基材３１を積層し、接着剤３２を付与して所定の形状に賦形して形成される。
本実施形態に係るプリフォーム３０は、図１Ｂに示すように、複数の強化基材３１を積層し、接着剤３２を付与して所定の形状に賦形して形成される。
強化基材３１は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリアミド（ＰＡ）繊維、ポリプロピレン（ＰＰ）繊維、アクリル繊維等によって形成することができる。本実施形態では、強化基材３１として炭素繊維を使用した例を説明する。炭素繊維は、熱膨張係数が小さく、寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ないという特徴があるため、自動車の車体５００（図９Ｂを参照）等の複合材料１０の強化基材３１として好適に使用することができる。強化基材３１は、例えば、繊維が一方向に引き揃えられたＵＤ（一方向）材や繊維を縦横に組み合わせた織物材等のシート状の炭素繊維を使用することができる。
接着剤３２は、強化基材３１に付与されて、強化基材３１同士を接着する。これにより、強化基材３１を所望の形態に安定して維持することができ、強化基材３１の配置のばらつきを抑制することができる。また、接着剤３２は、強化基材３１を所望の形状に賦形した際に、その形態を保持する役割も果たす。
接着剤３２を構成する材料は、材質は特に限定されず、公知のものを使用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂、また、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂などが挙げられる。
（貫通部材）
貫通部材４０は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、円柱状であり、一方の端部４０ａに形成された頭部４１ａと、他方の端部４０ｂに形成された頭部４１ｂと、頭部４１ａ、４１ｂよりも直径が小さい胴部４２とを備えている。貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂは、強化基材３１から突出するように配置される。貫通部材４０の頭部４１ｂは、胴部４２をプリフォーム３０に貫通した後、他方の端部４０ｂを潰して形成される。ここで、頭部４１ｂは、胴部４２よりも直径が大きくなるように形成される。貫通部材４０は、頭部４１ａ、４１ｂおよび胴部４２によって強化基材３１に固定されるリベットとしての機能を有している。なお、貫通部材４０の形状は、円柱状に限定されず、例えば、角柱状であってもよい。
貫通部材４０は、図１Ａおよび図１Ｂに示すように、円柱状であり、一方の端部４０ａに形成された頭部４１ａと、他方の端部４０ｂに形成された頭部４１ｂと、頭部４１ａ、４１ｂよりも直径が小さい胴部４２とを備えている。貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂは、強化基材３１から突出するように配置される。貫通部材４０の頭部４１ｂは、胴部４２をプリフォーム３０に貫通した後、他方の端部４０ｂを潰して形成される。ここで、頭部４１ｂは、胴部４２よりも直径が大きくなるように形成される。貫通部材４０は、頭部４１ａ、４１ｂおよび胴部４２によって強化基材３１に固定されるリベットとしての機能を有している。なお、貫通部材４０の形状は、円柱状に限定されず、例えば、角柱状であってもよい。
後述するように、貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂは、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間に介在して隙間Ｇ（図５を参照）を形成する。貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂの高さを調整することによって、隙間Ｇの大きさを適宜変更することができる。
貫通部材４０を構成する材料は、熱によって軟化する性質を備えることが好ましい。貫通部材４０が熱によって軟化する性質を備えることによって、樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって頭部４１ａ、４１ｂが軟化して潰れて、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間の隙間Ｇを徐々に小さくすることができる。
また、貫通部材４０を構成する材料は、熱によって軟化する性質を備える材料の中でも有機系の材料である熱可塑性樹脂であることがより好ましい。有機系の材料を使用することによって、成形品である複合材料１０を廃棄処分する際に、リサイクルや焼却処理しやすくなる。また、貫通部材４０が熱可塑性樹脂によって形成されることによって、強化基材３１に樹脂５０を含浸させる際に、流動する樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって、貫通部材４０を溶融させることができる。
さらに、貫通部材４０を構成する材料は、樹脂５０と親和性を有することが好ましい。ここで、「親和性」とは、混ざり合いやすい性質を意味する。本実施形態では、親和性を有する材料として、貫通部材４０が溶融して樹脂５０と混ざり合い、かつ、樹脂５０の物性に影響を与えないような材料を選択する。このような親和性を有する材料としては、例えば、澱粉樹脂等の強化基材３１のサイジングに使用される材料が挙げられる。
貫通部材４０が樹脂５０と親和性を有することによって、強化基材３１に樹脂５０を含浸させる際に、貫通部材４０が溶融して樹脂５０と混ざり合って一体に形成される。このため、均質な複合材料１０を形成することができるとともに、貫通部材４０および貫通部材４０を配置した強化基材３１の周辺部分を除去する後加工を削減することができる。したがって、成形時間を短縮できるとともに、歩留りを向上させることができる。また、複合材料１０の強度等の品質も向上させることができる。
なお、貫通部材４０を構成する材料やその大きさは、複合材料１０全体の樹脂５０に対する混入割合を考慮して、樹脂５０に溶け込んでも複合材料１０の物性に影響を与えない程度に調整する。
（成形装置）
図２Ａ〜図３を参照して、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を具現化した成形装置１００の一例について説明する。なお、成形装置１００は、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を実現可能な限りにおいて、その構成は以下に示すものに特に限定されない。
図２Ａ〜図３を参照して、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を具現化した成形装置１００の一例について説明する。なお、成形装置１００は、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を実現可能な限りにおいて、その構成は以下に示すものに特に限定されない。
成形装置１００は、中間部材２０を形成する中間部材形成部２００（図２Ａ〜図２Ｃを参照）と、中間部材２０を用いて複合材料１０を成形する複合材料成形部３００（図３を参照）と、中間部材形成部２００および複合材料成形部３００の作動を制御する制御部４００とを有している。
中間部材形成部２００は、図２Ａに示すように、一方の端部４０ａの頭部４１ａに押圧力を付与する押圧部２１０と、貫通部材４０の他方の端部４０ｂに当接する受け部２２０とを有している。
押圧部２１０は、モータ等の駆動源（図示せず）によって駆動されて、貫通部材４０の胴部４２が、強化基材３１の積層方向（図２Ａ中の矢印方向）に向かって強化基材３１を貫通するように、貫通部材４０に押圧力を付与する。また、押圧部２１０は、図２Ｂに示すように、貫通部材４０が強化基材３１を貫通した後、貫通部材４０にさらに押圧力を付与して、貫通部材４０の端部４０ｂを受け部２２０に押し付ける。
受け部２２０は、その上面に凹部２２０ａを備えている。押圧部２１０から受ける押圧力によって貫通部材４０の端部４０ｂが凹部２２０ａに押し付けられて変形し、図２Ｃに示すように、貫通部材４０の端部４０ｂに凹部２２０ａの形状を転写した頭部４１ｂが形成される。これにより、貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂによって強化基材３１を挟持して、貫通部材４０を強化基材３１に対して固定することができる。
複合材料成形部３００は、図３に示すように、中間部材２０が配置されるキャビティ３１４を形成する開閉自在な成形型３１０と、成形型３１０に型締圧力を負荷するプレス部３２０と、キャビティ３１４内に溶融した樹脂５０を注入する樹脂注入部３３０と、を有している。
成形型３１０は、開閉可能な一対の上型３１１および下型３１２と、シール部３１３と、を有している。上型３１１の壁面３１１ａと、下型３１２の壁面３１２ａと、シール部３１３との間に、密閉自在なキャビティ３１４を形成している。また、成形型３１０は、キャビティ３１４内に樹脂５０を注入する注入口３１５をさらに有している。
シール部３１３は、ゴム等の弾性材料によって形成され、上型３１１と下型３１２の合わせ面を密封する。シール部３１３は、成形型３１０の型締圧力に応じて変形し、上型３１１と下型３１２との間隔を調整する。これによって、キャビティ３１４の高さを調整することができる。なお、密閉されたキャビティ３１４を形成し、上型３１１と下型３１２との間隔を調整することができる限りにおいて、成形型３１０は上記構成に限定されない。
図５に示すように、中間部材２０がキャビティ３１４内に配置された状態において、貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂは、強化基材３１から突出するように配置されている。このため、中間部材２０をキャビティ３１４内に配置した状態において、頭部４１ａ、４１ｂが成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間に介在する。これにより、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間に隙間Ｇが形成される。当該隙間Ｇを流路として利用することによって、キャビティ３１４内に注入された樹脂５０を円滑に流動させることができる。樹脂５０が強化基材３１に含浸しやすくなるため、樹脂５０の注入速度（単位時間あたりの樹脂５０の注入量）を上げることができる。これによって、成形品である複合材料１０の成形時間をさらに短縮することができる。
再び図３を参照して、注入口３１５は、キャビティ３１４と樹脂注入部３３０とを連通可能に設けられている。本実施形態では、注入口３１５は、上型３１１のキャビティ３１４の端部（シール部３１３）付近に１つだけ設けられている。樹脂注入部３３０から注入された樹脂５０は、プリフォーム３０の表面から内部に含浸する。なお、成形型３１０にキャビティ３１４内を真空引きして空気を吸引する吸引口を別途設けてもよい。
プレス部３２０は、例えば、油圧等の流体圧を用いたシリンダー３２１を備え、油圧等を制御することによって成形型３１０に付与する型締圧力を調整自在なプレス機によって構成することができる。
樹脂注入部３３０は、主剤タンク３３１から供給される主剤と、硬化剤タンク３３２から供給される硬化剤とを循環させつつ、成形型３１０へ供給可能な公知の循環式のポンプ機構により構成することができる。樹脂注入部３３０は、注入口３１５に連通してキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する。
制御部４００は、成形装置１００全体の作動を制御する。具体的には、図３を参照して、制御部４００は、記憶部４１０と、演算部４２０と、各種データや制御指令の送受信を行う入出力部４３０と、を有している。入出力部４３０は、押圧部２１０、プレス部３２０、樹脂注入部３３０などの装置各部に電気的に接続している。
記憶部４１０は、ＲＯＭやＲＡＭから構成し、貫通部材４０の形状（高さ）や成形品である複合材料１０の設計板厚等のデータを記憶する。演算部４２０は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部４３０を介して型締圧力やキャビティ３１４の高さ等のデータを受信する。演算部４２０は、記憶部４１０から読み出したデータおよび入出力部４３０から受信したデータに基づいて、成形型３１０の型締圧力や樹脂５０の注入圧力等を算出する。算出したデータに基づく制御信号は、入出力部４３０を介してプレス部３２０、樹脂注入部３３０などの装置各部へ送信する。このようにして、制御部４００は、成形型３１０の型締圧力や樹脂５０の注入圧力等を制御する。
（成形方法）
次に、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を説明する。複合材料１０の成形方法は、図４に示すように、概説すると、まず、プリフォーム３０を形成し（ステップＳ１１）、プリフォーム３０に貫通部材４０を配置して中間部材２０を形成する（ステップＳ１２）。次に、成形型３１０のキャビティ３１４内に中間部材２０を配置し（ステップＳ１３）、貫通部材４０の両端部４０ａ、４０ｂを、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって挟持する（ステップＳ１４）。次に、成形型３１０のキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する（ステップＳ１５）。キャビティ３１４内に樹脂５０を充填した後、成形型３１０をさらに閉じて、貫通部材４０の一部を圧潰する（ステップＳ１６）。次に、樹脂５０を硬化させ（ステップＳ１７）、複合材料１０を脱型する（ステップＳ１８）。以下、複合材料１０の成形方法について詳述する。
次に、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を説明する。複合材料１０の成形方法は、図４に示すように、概説すると、まず、プリフォーム３０を形成し（ステップＳ１１）、プリフォーム３０に貫通部材４０を配置して中間部材２０を形成する（ステップＳ１２）。次に、成形型３１０のキャビティ３１４内に中間部材２０を配置し（ステップＳ１３）、貫通部材４０の両端部４０ａ、４０ｂを、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって挟持する（ステップＳ１４）。次に、成形型３１０のキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する（ステップＳ１５）。キャビティ３１４内に樹脂５０を充填した後、成形型３１０をさらに閉じて、貫通部材４０の一部を圧潰する（ステップＳ１６）。次に、樹脂５０を硬化させ（ステップＳ１７）、複合材料１０を脱型する（ステップＳ１８）。以下、複合材料１０の成形方法について詳述する。
ステップＳ１１では、複数の強化基材３１を積層し、接着剤３２付与して所定の形状に賦形したプリフォーム３０を形成する。まず、シート状の強化基材３１に接着剤３２を付与する。次に、接着剤３２が付与された複数の強化基材３１を積層する。その後、積層した強化基材３１を賦形型（図示せず）によって賦形して所定形状のプリフォーム３０を形成する（図１Ａを参照）。なお、強化基材３１を賦形する前に加熱して、接着剤３２を軟化させてもよい。また、強化基材３１を賦形する前あるいは賦形した後に、強化基材３１を所定の形状に切断してもよい。
ステップＳ１２では、まず、図２Ａに示すように、貫通部材４０をプリフォーム３０の一方の面に配置し、中間部材形成部２００の押圧部２１０によって貫通部材４０の頭部４１ａに強化基材３１の積層方向（図２Ａ中の矢印方向）に向かって押圧力を付与する。これにより、図２Ｂに示すように、貫通部材４０の胴部４２は、強化基材３１の繊維同士の隙間Ｇを通ってプリフォーム３０（強化基材３１）を貫通する。
さらに、押圧部２１０によって貫通部材４０に押圧力を付与する。貫通部材４０の端部４０ｂを受け部２２０の凹部２２０ａに押し付けて変形させて、図２Ｃに示すように、貫通部材４０の端部４０ｂに凹部２２０ａの形状を転写した頭部４１ｂが形成される。このようにして、貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂによって強化基材３１を挟持するように強化基材３１に対して固定された中間部材２０を形成する。
ステップＳ１３では、図３、図５に示すように、貫通部材４０が成形型３１０の注入口３１５近傍で、かつ、注入口３１５よりも強化基材３１の外周縁３１ａ側になるように、キャビティ３１４内に中間部材２０を配置する。注入口３１５近傍は、樹脂５０の流動が最も速いため、強化基材３１の配置に乱れが生じやすい。上記のように、注入口３１５近傍に貫通部材４０を配置することによって、強化基材３１の配置の乱れを好適に抑制することができる。また、貫通部材４０を注入口３１５よりも強化基材３１の外周縁３１ａ側に配置することによって、貫通部材４０が樹脂５０の流動を妨げることを抑制することができる。
ステップＳ１４では、図５に示すように、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａ間の距離が貫通部材４０の高さと一致するように成形型３１０を閉じる。これによって、貫通部材４０の頭部４１ａ、４１ｂ（両端部４０ａ、４０ｂ）に壁面３１１ａ、３１２ａが当接して、壁面３１１ａ、３１２ａによって貫通部材４０を挟持して固定することができるとともに、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間の少なくとも一部に隙間Ｇを形成することができる。
ステップＳ１５では、図６に示すように、貫通部材４０を挟持した状態を維持したまま、樹脂注入部３３０によって注入口３１５を介してキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する。この際、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間の隙間Ｇを流路として利用することによって、キャビティ３１４内に注入された樹脂５０を円滑に流動させることができる。樹脂５０が強化基材３１に含浸しやすくなるため、樹脂５０の注入速度（単位時間あたりの樹脂５０の注入量）を上げることができる。なお、樹脂５０の注入によるキャビティ３１４内の内圧の上昇によって、成形型３１０が開かないように、プレス部３２０が付与する型締圧力を調整する。
仮に、図８Ａに示す対比例のように、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって強化基材３１を挟持した状態で、キャビティ３１４内に樹脂５０を注入すると、強化基材３１が樹脂５０の流動の妨げとなる。これにより、本実施形態のように隙間Ｇを形成する場合に比べて流動抵抗が高くなってしまう。成形時間を短縮するために、樹脂５０の注入圧力を上げると、図８Ｂ、図８Ｃに示すように、樹脂５０の流動によって強化基材３１の配向に乱れが生じる。この状態で、樹脂５０を硬化すると、複合材料１０の品質が低下する原因となってしまう。
本実施形態では、樹脂５０をキャビティ３１４内に注入する際、貫通部材４０によって強化基材３１の配向の乱れを抑制することができる。さらに、隙間Ｇを形成することによって樹脂５０の流動抵抗を低下することができる。これにより、樹脂５０の注入速度を上げても強化基材３１の配向が乱れることなく、より高品質な複合材料１０を比較的短時間で成形することができる。
ステップＳ１６では、プレス部３２０によって成形型３１０に型締圧力を増加させて、成形型３１０をさらに閉じることによって、図７Ａに示すように貫通部材４０の一部を圧潰する。これによって、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間の隙間Ｇを小さくすることができる。ここで、貫通部材４０は熱によって軟化する性質を備えるため、流動する樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって軟化し、成形型３１０を閉じる方向に圧潰して成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間の隙間Ｇを好適に小さくすることができる。
樹脂５０の流動がさらに進むと、熱可塑性樹脂である貫通部材４０は徐々に溶融して樹脂５０と混ざり合う。これにより、図７Ｂに示すように、貫通部材４０が存在していた部位を樹脂５０によって置換する。なお、図７Ａに示すように貫通部材４０を圧潰するのと同時に、貫通部材４０を溶融させて、図７Ｂに示すように貫通部材４０が存在していた部位を樹脂５０によって置換してもよい。
また、貫通部材４０は、樹脂５０と親和性を有する材料によって形成されているため、複合材料１０の物性に影響を与えるような界面等を形成することなく、均質に混ざり合うことができる。
ステップＳ１７では、キャビティ３１４内の樹脂５０を硬化させる。この際、成形型３１０を加熱してもよいし、予め成形型３１０を加熱しておいてもよい。ステップＳ１８では、樹脂５０が硬化した後、成形型３１０を開いて、複合材料１０を脱型する。これにより、複合材料１０の成形が完了する。
以上説明したように、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法によれば、強化基材３１に貫通部材４０を固定して、貫通部材４０の少なくとも一方の端部４０ａ、４０ｂが強化基材３１から突出するように配置し、キャビティ３１４内に強化基材３１および貫通部材４０を配置する。次に、成形型３１０を閉じて、キャビティ３１４を形成する成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａに貫通部材４０の少なくとも一方の端部４０ａ、４０ｂを当接させ、壁面３１１ａ、３１２ａに端部４０ａ、４０ｂを当接させた状態を維持したまま、成形型３１０の注入口３１５からキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する。
このように構成した複合材料１０の製造方法によれば、成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａに強化基材３１に固定した貫通部材４０の端部４０ａ、４０ｂを当接させて、貫通部材４０および成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって強化基材３１を保持する。このため、キャビティ３１４内に樹脂５０を注入する際に樹脂５０の流動によって生じる強化基材３１の配置の乱れを抑制することができる。これにより、成形品である複合材料１０の外観品質を向上させるとともに、樹脂５０の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる。
また、強化基材３１に貫通部材４０を貫通して、貫通部材４０の両端部４０ａ、４０ｂが強化基材３１から突出するように配置し、キャビティ３１４内に強化基材３１および貫通部材４０を配置する。次に、成形型３１０を閉じて、キャビティ３１４を形成する成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって貫通部材４０の両端部４０ａ、４０ｂを挟持し、貫通部材４０を挟持した状態を維持したまま、成形型３１０の注入口３１５からキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する。これにより、強化基材３１に貫通した貫通部材４０を成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって挟持するため、キャビティ３１４内に樹脂５０を注入する際に樹脂５０の流動によって生じる強化基材３１の配置の乱れをより確実に抑制することができる。
また、樹脂５０を注入する際に、貫通部材４０の両端部４０ａ、４０ｂによって強化基材３１と成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａとの間の少なくとも一部に隙間Ｇを形成する。隙間Ｇを利用してキャビティ３１４内に注入された樹脂５０がより円滑に流動し、樹脂５０が強化基材３１に含浸しやすくなるため、樹脂５０の注入速度（単位時間あたりの樹脂５０の注入量）を上げることができる。これによって、成形品である複合材料１０の外観品質をより一層向上させるとともに、成形時間をさらに短縮することができる。
また、貫通部材４０は、キャビティ３１４内において注入口３１５の近傍で、かつ、注入口３１５よりも強化基材３１の外周縁３１ａ側に配置する。これによって、貫通部材４０が樹脂５０の流動を妨げることがなく、円滑に樹脂５０を強化基材３１に含浸させることができるため、成形時間を短縮することができる。
また、貫通部材４０を強化基材３１に貫通する前に、複数の強化基材３１を積層するため、複数の強化基材３１のばらつきを抑制することができる。
また、貫通部材４０は、熱によって軟化する性質を備え、キャビティ３１４内に樹脂５０を注入した後、成形型３１０をさらに閉じて、貫通部材４０の少なくとも一部を、成形型３１０を閉じる方向に圧潰する。キャビティ３１４内に樹脂５０を注入した後は、貫通部材４０は、流動する樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって軟化し、成形型３１０を閉じる方向に圧潰して成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａと強化基材３１との間の隙間Ｇを好適に小さくすることができる。これによって、複合材料１０の表面に過剰な樹脂リッチ部分が形成されることを抑制し、複合材料１０の強度を向上させることができる。
また、貫通部材４０は、熱可塑性樹脂によって形成され、強化基材３１に樹脂５０を含浸させる際に、流動する樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって、貫通部材４０が溶融して、貫通部材４０が存在していた部位を、樹脂５０によって置換することができる。このため、貫通部材４０および貫通部材４０を配置した強化基材３１の周辺部分を除去する後加工を削減することができる。したがって、成形時間を短縮できるとともに、歩留りを向上させることができる。
また、貫通部材４０は、キャビティ３１４内に注入される樹脂５０と親和性を有する材料によって形成される。このため、均質な複合材料１０を形成することができるとともに、貫通部材４０および貫通部材４０を配置した強化基材３１の周辺部分を除去する後加工を削減することができる。したがって、成形時間を短縮できるとともに、歩留りを向上させることができる。また、複合材料１０の強度等の品質も向上させることができる。
また、本実施形態に係る中間部材２０によれば、強化基材３１を所定の形状に賦形したプリフォーム３０と、強化基材３１に固定されて、少なくとも一方の端部４０ａ、４０ｂが強化基材３１から突出するように配置される貫通部材４０と、を有している。複合材料１０を成形する際に、端部４０ａ、４０ｂおよび成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって強化基材３１を保持することができる。このため、成形型３１０のキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する際に樹脂５０の流動によって生じる強化基材３１の配置の乱れを抑制することができる。これにより、成形品である複合材料１０の外観品質を向上させるとともに、樹脂５０の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる。
また、貫通部材４０は、強化基材３１に貫通して、両端部４０ａ、４０ｂが強化基材３１から突出するように配置されている。複合材料１０を成形する際に、貫通部材４０の両端部４０ａ、４０ｂを成形型３１０の壁面３１１ａ、３１２ａによって挟持することによって強化基材３１をより確実に保持することができる。
また、プリフォーム３０は、複数の強化基材３１を含むため、複数の強化基材３１のばらつきを抑制することができる。
また、貫通部材４０は、熱によって軟化する性質を備えるため、成形型３１０の型締圧力によって貫通部材４０を圧潰することができる。これによって、所望の複合材料１０の厚さに合わせて貫通部材４０の高さを調整することができるため、複合材料１０の表面に樹脂リッチが形成されることを抑制し、複合材料１０の強度および外観品質を向上させることができる。
また、貫通部材４０は、熱可塑性樹脂によって形成されるため、強化基材３１に樹脂５０を含浸させる際に、流動する樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって、貫通部材４０が溶融して、貫通部材４０が存在していた部位を、樹脂５０によって置換することができる。このため、貫通部材４０および貫通部材４０を配置した強化基材３１の周辺部分を除去する後加工を削減することができる。したがって、成形時間を短縮できるとともに、歩留りを向上させることができる。
また、貫通部材４０は、複合材料１０に使用される樹脂５０と親和性を有する材料によって形成されている。これにより、強化基材３１に樹脂５０を含浸させる際に、流動する樹脂５０の反応熱や成形型３１０の熱によって、貫通部材４０が溶融して樹脂５０と混ざり合って一体に形成される。このため、均質な複合材料１０を形成することができるとともに、貫通部材４０および貫通部材４０を配置した強化基材３１の周辺部分を除去する後加工を削減することができる。したがって、成形時間を短縮できるとともに、歩留りを向上させることができる。また、複合材料１０の強度等の品質も向上させることができる。
〈変形例〉
図１０、図１１を参照して、変形例に係る複合材料用中間部材６２０および複合材料１０の成形方法を説明する。
図１０、図１１を参照して、変形例に係る複合材料用中間部材６２０および複合材料１０の成形方法を説明する。
変形例に係る複合材料用中間部材６２０の支持部材６４０は、強化基材３１に貫通した部分を有さず、一方の端部６４０ａが強化基材３１から突出するように固定されている点で前述した実施形態の貫通部材（支持部材）４０と異なる。なお、前述した実施形態と同一の構成には、同一の符号を付し、説明を省略する。
支持部材６４０は、図１０に示すように、プリフォーム３０の強化基材３１の一部を挟持するクリップ状に構成されている。支持部材６４０は、強化基材３１から突出するように固定された一方の端部６４０ａと、強化基材３１の一部を挟んで一方の端部６４０ａに対向するように配置された他方の端部６４０ｂと、端部６４０ａ、６４０ｂ同士を接続する接続部６４２と有している。
支持部材６４０を構成する材料は、前述した実施形態に係る貫通部材４０を構成する材料と同様の材料を使用することができる。
変形例に係る複合材料１０の成形方法は、ステップＳ１２（図４を参照）において、支持部材６４０をプリフォーム３０に貫通させない点、およびステップＳ１４（図４を参照）において、支持部材６４０の両端部６４０ａ、６４０ｂを挟持しない点で前述した実施形態と異なる。変形例に係る複合材料１０の成形方法のその他の工程は、前述した実施形態と同様なので説明を省略する。
変形例に係る複合材料１０の成形方法のステップＳ１２では、強化基材３１の一部を支持部材６４０によって挟持する。これにより、支持部材６４０は、強化基材３１に固定されて、支持部材６４０の一方の端部６４０ａが強化基材３１から突出するように配置される。支持部材６４０を強化基材３１に貫通させないため、比較的短時間で容易に支持部材６４０を強化基材３１に固定することができる。
ステップＳ１４では、図１１に示すように、成形型３１０の一方の壁面３１１ａに支持部材６４０の一方の端部６４０ａを当接させる。支持部材６４０の端部６４０ａは、成形型３１０の一方の壁面３１１ａと強化基材３１との間に介在して隙間Ｇを形成する。
図１１に示す状態を維持したまま、次の工程でキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する。このとき、隙間Ｇを流路として利用することによって、キャビティ３１４内に注入された樹脂５０を円滑に流動させることができる。
以上説明したように、変形例に係る複合材料１０の成形方法および複合材料用中間部材６２０によれば、前述した実施形態と同様の構成によって同様の効果を奏する。
さらに、変形例に係る複合材料１０の成形方法によれば、強化基材３１に支持部材６４０を固定して、支持部材６４０の一方の端部６４０ａが強化基材３１から突出するように配置し、キャビティ３１４内に強化基材３１および支持部材６４０を配置する。次に、成形型３１０を閉じて、キャビティ３１４を形成する成形型３１０の一方の壁面３１１ａによって支持部材６４０の一方の端部６４０ａを当接させ、一方の壁面３１１ａに端部６４０ａを当接させた状態を維持したまま、成形型３１０の注入口３１５からキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する。
このように構成した複合材料１０の製造方法によれば、一方の壁面３１１ａに支持部材６４０の端部６４０ａを当接させて、支持部材６４０の端部６４０ａと他方の壁面３１１ｂによって強化基材３１を挟持する。このため、キャビティ３１４内に樹脂５０を注入する際に樹脂５０の流動によって生じる強化基材３１の配置の乱れを抑制することができる。これにより、成形品である複合材料１０の外観品質を向上させるとともに、樹脂５０の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる。
また、本実施形態に係る複合材料用中間部材６２０によれば、強化基材３１を所定の形状に賦形したプリフォーム３０と、強化基材３１に固定されて、一方の端部６４０ａが強化基材３１から突出するように配置される支持部材６４０と、を有している。複合材料１０を成形する際に、一方の壁面３１１ａに支持部材６４０の端部６４０ａを当接させて、支持部材６４０と他方の壁面３１１ｂによって強化基材３１を挟持することができる。このため、成形型３１０のキャビティ３１４内に樹脂５０を注入する際に樹脂５０の流動によって生じる強化基材３１の配置の乱れを抑制することができる。これにより、成形品である複合材料１０の外観品質を向上させるとともに、樹脂５０の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる。
以上、実施形態および変形例を通じて複合材料の成形方法および複合材料用中間部材を説明したが、本発明は実施形態および変形例において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
例えば、複合材料の成形方法および複合材料用中間部材において、支持部材は、強化基材を貫通や挟持することによって強化基材に固定される構成に限定されず、例えば、接着剤等によって接合されることによって強化基材に固定されてもよい。
また、複合材料の成形方法において、成形型のキャビティ内に複合材料用中間部材を配置し、成形型の壁面によって支持部材の両端部を挟持する構成に限定されず、成形型の壁面に支持部材の少なくとも一方の端部を当接させていればよい。
また、支持部材の形状は、強化基材を固定して、支持部材の少なくとも一方の端部が強化基材から突出するように配置される限りにおいて、実施形態および変形例において説明した形状に特に限定されない。
また、支持部材を形成する材料は、樹脂等の有機系の材料に限定されず、例えば、金属材料等の無機系の材料であってもよい。この場合、成形型の型締圧力によって圧潰することができる程度に柔らかい材料を使用することが好ましい。柔らかい材料としては、例えば、アルミニウムが挙げられる。
また、支持部材を形成する熱によって軟化する材料は、熱可塑性樹脂に限定されず、例えば、低分子エポキシ等の熱硬化性樹脂でもよい。複合材料の母材である樹脂と同種の材料を使用することによって、より均質な複合材料を形成することができる。また、キャビティ内に樹脂を注入する際に、支持部材が存在していた部位の全部を注入した樹脂によって置換する構成に限定されず、支持部材が存在していた部位の少なくとも一部を、注入した樹脂によって置換すればよい。
また、成形型のキャビティ内に樹脂を注入した後に、支持部材および支持部材を配置した強化基材の周辺部分を除去する後加工を施してもよい。
また、複合材料は、複数の強化基材を積層して形成するとしたが、１枚の強化基材によって複合材料を形成してもよい。
１０ 複合材料、
２０、６２０ 複合材料用中間部材、
３０ プリフォーム、
３１ 強化基材、
３１ａ 外周縁、
３２ 接着剤、
４０ 貫通部材（支持部材）、
６４０ 支持部材、
４０ａ、４０ｂ、６４０ａ、６４０ｂ 端部、
５０ 樹脂、
１００ 成形装置、
２００ 中間部材形成部、
３００ 複合材料成形部、
３１０ 成形型、
３１１ａ、３１２ａ 壁面、
３１４ キャビティ。
２０、６２０ 複合材料用中間部材、
３０ プリフォーム、
３１ 強化基材、
３１ａ 外周縁、
３２ 接着剤、
４０ 貫通部材（支持部材）、
６４０ 支持部材、
４０ａ、４０ｂ、６４０ａ、６４０ｂ 端部、
５０ 樹脂、
１００ 成形装置、
２００ 中間部材形成部、
３００ 複合材料成形部、
３１０ 成形型、
３１１ａ、３１２ａ 壁面、
３１４ キャビティ。
【０００２】
浸が遅くなるため成形時間が長くなってしまう。
［０００７］
そこで、本発明は、成形型のキャビティ内に樹脂を注入する際における強化基材の配置の乱れを抑制して複合材料の外観品質を向上させるとともに、樹脂の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる成形方法および複合材料用中間部材を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記目的を達成する本発明に係る複合材料の製造方法は、開閉可能な成形型のキャビティ内に強化基材を配置して、樹脂を前記キャビティ内に注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法である。当該複合材料の成形方法によれば、前記強化基材に支持部材を貫通して、前記支持部材の少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置し、前記キャビティ内に前記強化基材および前記支持部材を配置する。さらに、前記成形型を閉じて、前記キャビティを形成する前記成形型の壁面に前記支持部材の少なくとも一方の端部を当接させ、前記壁面に前記支持部材の少なくとも一方の端部を当接させた状態を維持したまま、前記成形型の注入口から前記キャビティ内に前記樹脂を注入する。
［０００９］
上記目的を達成する本発明に係る複合材料用中間部材は、強化基材を所定の形状に賦形したプリフォームと、前記強化基材に貫通して、少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置される支持部材と、を有する。
図面の簡単な説明
［００１０］
［図１Ａ］実施形態に係る複合材料用中間部材を示す斜視図である。
［図１Ｂ］図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。
［図２Ａ］実施形態に係る中間部材形成部によって貫通部材を強化基材に配置する動作を説明するための部分断面図である。
［図２Ｂ］実施形態に係る中間部材形成部によって貫通部材を強化基材に配置する動作を説明するための部分断面図である。
［図２Ｃ］実施形態に係る中間部材形成部によって貫通部材を強化基材に配置す
浸が遅くなるため成形時間が長くなってしまう。
［０００７］
そこで、本発明は、成形型のキャビティ内に樹脂を注入する際における強化基材の配置の乱れを抑制して複合材料の外観品質を向上させるとともに、樹脂の高圧注入を可能とすることによって成形時間を短縮することができる成形方法および複合材料用中間部材を提供することを目的とする。
課題を解決するための手段
［０００８］
上記目的を達成する本発明に係る複合材料の製造方法は、開閉可能な成形型のキャビティ内に強化基材を配置して、樹脂を前記キャビティ内に注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法である。当該複合材料の成形方法によれば、前記強化基材に支持部材を貫通して、前記支持部材の少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置し、前記キャビティ内に前記強化基材および前記支持部材を配置する。さらに、前記成形型を閉じて、前記キャビティを形成する前記成形型の壁面に前記支持部材の少なくとも一方の端部を当接させ、前記壁面に前記支持部材の少なくとも一方の端部を当接させた状態を維持したまま、前記成形型の注入口から前記キャビティ内に前記樹脂を注入する。
［０００９］
上記目的を達成する本発明に係る複合材料用中間部材は、強化基材を所定の形状に賦形したプリフォームと、前記強化基材に貫通して、少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置される支持部材と、を有する。
図面の簡単な説明
［００１０］
［図１Ａ］実施形態に係る複合材料用中間部材を示す斜視図である。
［図１Ｂ］図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線に沿う断面図である。
［図２Ａ］実施形態に係る中間部材形成部によって貫通部材を強化基材に配置する動作を説明するための部分断面図である。
［図２Ｂ］実施形態に係る中間部材形成部によって貫通部材を強化基材に配置する動作を説明するための部分断面図である。
［図２Ｃ］実施形態に係る中間部材形成部によって貫通部材を強化基材に配置す
Claims (14)
- 開閉可能な成形型のキャビティ内に強化基材を配置して、樹脂を前記キャビティ内に注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
前記強化基材に支持部材を固定して、前記支持部材の少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置し、
前記キャビティ内に前記強化基材および前記支持部材を配置し、
前記成形型を閉じて、前記キャビティを形成する前記成形型の壁面に前記支持部材の少なくとも一方の端部を当接させ、
前記壁面に前記端部を当接させた状態を維持したまま、前記成形型の注入口から前記キャビティ内に前記樹脂を注入する、複合材料の成形方法。 - 前記支持部材を配置する際に、前記強化基材に前記支持部材を貫通して、前記支持部材の両端部が前記強化基材から突出するように配置し、
前記成形型を閉じる際に、前記成形型の前記壁面によって前記支持部材の前記両端部を挟持し、
前記樹脂を注入する際に、前記支持部材を挟持した状態を維持する、請求項１に記載の複合材料の成形方法。 - 前記樹脂を注入する際に、前記支持部材の前記端部によって前記強化基材と前記成形型の前記壁面との間の少なくとも一部に隙間を形成する、請求項１または請求項２に記載の複合材料の成形方法。
- 前記支持部材は、前記キャビティ内において前記注入口の近傍で、かつ、前記注入口よりも前記強化基材の外周縁側に配置する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
- 前記支持部材を前記強化基材に貫通する前に、複数の前記強化基材を積層する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
- 前記支持部材は、熱によって軟化する性質を備え、
前記樹脂を注入した後、前記成形型をさらに閉じて、前記支持部材の少なくとも一部を、前記成形型を閉じる方向に圧潰する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。 - 前記支持部材は、熱可塑性樹脂によって形成され、
前記キャビティ内に前記樹脂を注入する際に、前記支持部材が存在していた部位の少なくとも一部を、注入した前記樹脂によって置換する、請求項６に記載の複合材料の成形方法。 - 前記支持部材は、前記キャビティ内に注入される前記樹脂と親和性を有する材料によって形成される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
- 強化基材を所定の形状に賦形したプリフォームと、
前記強化基材に固定されて、少なくとも一方の端部が前記強化基材から突出するように配置される支持部材と、を有する、複合材料用中間部材。 - 前記支持部材は、前記強化基材に貫通して、両端部が前記強化基材から突出するように配置される、請求項９に記載の複合材料用中間部材。
- 前記プリフォームは、複数の前記強化基材を含む、請求項９または請求項１０に記載の複合材料用中間部材。
- 前記支持部材は、熱によって軟化する性質を備える、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の複合材料用中間部材。
- 前記支持部材は、熱可塑性樹脂によって形成される、請求項１２に記載の複合材料用中間部材。
- 前記支持部材は、複合材料に使用される樹脂と親和性を有する材料によって形成される、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の複合材料用中間部材。
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