JPWO2018135424A1 - 繊維強化プラスチックの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、2017年1月18日に日本に出願された特願2017−006767、および2017年3月22日に日本に出願された特願2017−056123に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
(1)プリプレグの縁部をクランプ等で把持してプリプレグに対して外方に張力を加えながら、プレス型によって賦形し、予備成形品を得る方法(特許文献1〜3)。
(2)強化繊維基材の端部をジグで把持して引張ることによって、強化繊維基材に引張荷重を加えてあらかじめせん断変形させた後、せん断変形した強化繊維基材をプレス型によって賦形し、プリフォームを得る方法(特許文献4)。
[1]
連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートを立体形状に賦形して繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、
前記繊維強化プラスチック(a)がせん断変形している領域(X’)に対応する、前記プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部の連続繊維が、予め面内方向に湾曲されている、
繊維強化プラスチックの製造方法。
[2]
前記領域(X’)が、立体形状の繊維強化プラスチックにおける連続繊維の繊維配置を決定できるシミュレーションソフトによって前記繊維強化プラスチック(a)と同じ形状の繊維強化プラスチックにおける連続繊維の繊維配置に基づくせん断角度分布を求めた際に、前記せん断角度分布においてせん断角度が5°以上となる領域である、[1]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[3]
前記領域(X)の少なくとも一部が、前記領域(X’)におけるせん断変形の方向と同じ方向にせん断変形した状態と同じ状態となるように前記プリプレグシートを作製することを含む、[1]または[2]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[4]
前記プリプレグシートの面内方向に沿って点在する複数の固定部にて前記プリプレグシートを固定し、前記複数の固定部の少なくとも一部を前記プリプレグシートの面内方向に移動させることで、前記連続繊維を前記プリプレグシートの面内方向に湾曲させる、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[5]
前記領域(X)の少なくとも一部を、前記プリプレグシートを固定するとともに前記プリプレグシートの面内方向に沿って点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を前記プリプレグシートの面内方向に移動し得るせん断変形手段によってせん断変形させ;前記プリプレグシートをせん断変形させると同時にまたは前記プリプレグシートをせん断変形させた後に、前記プリプレグシートを賦形することを含む、[1]〜[4]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[6]
前記せん断変形手段が、前記プリプレグシートを固定するとともに前記プリプレグシートの面内方向に沿って四方格子の格子点に位置するように点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を結んだ単位格子がせん断変形するように前記固定部を前記プリプレグシートの面内方向に移動し得るせん断変形手段である、[5]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[7]
前記せん断変形手段が、前記プリプレグシートの面内方向に前記固定部を移動し得るとともに、前記プリプレグシートの面内方向に直交する方向に前記固定部を移動し得るものである、[5]または[6]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[8]
前記連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートとして、複数の強化繊維を束ねたトウに樹脂材料を含浸した複数のトウプリプレグをシート上に配置したプリプレグシートを使用し、前記領域(X)の少なくとも一部に対応する部分の前記トウプリプレグを前記プリプレグシートの面内方向に湾曲させながら、前記複数のトウプリプレグを引き揃えて前記プリプレグシートを作製し、
前記プリプレグシートを作製すると同時にまたは前記プリプレグシートを作製した後に、前記プリプレグシートを賦形することを含む、[1]〜[3]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[9]
前記領域(X)の少なくとも一部が、前記領域(X’)におけるせん断変形の方向と同じ方向にせん断変形した状態と同じ状態となるように、前記領域(X)の少なくとも一部に対応するトウプリプレグを変形させて前記プリプレグシートを作製する、[8]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[10]
前記トウプリプレグを供給対象に押し付けながら送り出す供給ヘッドと、前記供給ヘッドと前記供給対象とを相対的に移動させる移動手段とを備えたトウプリプレグ配置装置によって前記複数のトウプリプレグを引き揃えて前記プリプレグシートを作製する、[8]または[9]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[11]
前記プリプレグシートを作製した後に、前記プリプレグシートをプレス型を用いて賦形する、[1]〜[10]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[12]
前記プリプレグシートが、前記プリプレグシートを2枚以上積層した積層プリプレグシートである、[1]〜[11]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[13]
強化繊維基材を立体形状に賦形してプリフォーム(b)を得て、前記プリフォーム(b)に樹脂材料を含浸させ、樹脂材料を含浸させた前記プリフォーム(b)を固化させて繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、
前記プリフォーム(b)がせん断変形している領域(Y’)に対応する、前記強化繊維基材の領域(Y)の少なくとも一部が、予め面内方向に湾曲されている、
繊維強化プラスチックの製造方法。
[14]
前記領域(Y’)が、立体形状のプリフォームにおける強化繊維基材の繊維配置を決定できるシミュレーションソフトによって前記プリフォーム(b)と同じ形状のプリフォームにおける強化繊維基材の繊維配置に基づくせん断角度分布を求めた際に、前記せん断角度分布においてせん断角度が5°以上となる領域である、[13]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[15]
前記領域(Y)の少なくとも一部が、前記領域(Y’)におけるせん断変形の方向と同じ方向にせん断変形した状態と同じ状態となるように前記強化繊維基材を作製することを含む、[13]または[14]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[16]
前記繊維強化基材の面内方向に沿って点在する複数の固定部にて前記強化繊維基材を固定し、前記複数の固定部の少なくとも一部を前記強化繊維基材の面内方向に移動させることで、前記強化繊維基材を前記強化繊維基材の面内方向に湾曲させる、[13]〜[15]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[17]
前記領域(Y)の少なくとも一部を、前記強化繊維基材が固定されるとともに前記強化繊維基材の面内方向に沿って点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を前記強化繊維基材の面内方向に移動し得るせん断変形手段によってせん断変形させ;前記強化繊維基材をせん断変形させると同時にまたは前記強化繊維基材をせん断変形させた後に、前記強化繊維基材を賦形することを含む、[13]〜[16]のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[18]
前記せん断変形手段が、前記強化繊維基材を固定するとともに前記強化繊維基材の面内方向に沿って四方格子の格子点に位置するように点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を結んだ単位格子がせん断変形するように前記固定部を前記強化繊維基材の面内方向に移動し得るせん断変形手段である、[17]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
[19]
前記せん断変形手段が、前記強化繊維基材の面内方向に前記固定部を移動し得るとともに、前記強化繊維基材の面内方向に直交する方向に前記固定部を移動し得るものである、[17]または[18]に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
「せん断変形」とは、1軸方向(0°方向)または2軸方向以上(例えば0°および90°方向)に強化繊維が配向したプリプレグシート、積層プリプレグシートまたは強化繊維基材における少なくとも一部の領域を面内方向かつ強化繊維が配向していない方向(例えば+45°または−45°の方向)に伸長した際に生じる変形を意味する。
「プリフォーム」には、プリプレグシートを立体形状に賦形した成形品のうち最終成形品に加工する前の予備成形品、または樹脂材料が未含浸の強化繊維基材(少量の樹脂が付着していてもよい)を立体形状に賦形した立体形状の強化繊維基材の2通りの意味があるが、本発明においては、立体形状の強化繊維基材をプリフォームと定義する。
「繊維強化プラスチック」は、それ自体が製品となり得る最終成形品、および再度プレス成形する、他の部品と接合する等によって最終成形品に加工する前の予備成形品を包含する。
「四方格子」とは、1つの格子点に対して最も近接する格子点が4個存在する四角形状の配列パターンを意味する。
「格子線」とは、最も近接する格子点間を結ぶ線を意味する。
「単位格子」とは、格子線で囲まれた領域を意味する。四方格子の場合は、四角形状の領域となる。
数値範囲を示す「〜」は、その前後に記載された数値を下限値および上限値として含むことを意味する。
図1〜図19における寸法比は、説明の便宜上、実際のものとは異なったものである。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の第1の態様(以下、単に「本発明の第1の態様」とも言う。)および繊維強化プラスチックの製造方法の第2の態様(以下、単に「本発明の第2の態様」とも言う。)は、連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートを立体形状に賦形して繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、この繊維強化プラスチック(a)がせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部の連続繊維が、予め面内方向に湾曲されている点に特徴を有するものである。
領域(X’)の決定方法としては、せん断変形している領域(X’)を精度よくかつ効率よく決定でき、立体形状の繊維強化プラスチック(a)を精度よくかつ効率よく製造できる点から、シミュレーションソフトを用いる方法が好ましい。
まず、立体形状の繊維強化プラスチックにおける連続繊維の繊維配置を決定できるシミュレーションソフトによって繊維強化プラスチック(a)と同じ形状の繊維強化プラスチックにおける連続繊維の繊維配置に基づくせん断角度分布を求める。
シミュレーションソフトとしては、Fibersim(登録商標、Simens PLM Software社製)、LS−DYNA(Livermore Software Technology Corporation社製)等が挙げられる。Fibersim(登録商標)を用いたせん断角度分布の求め方としては、前述の特許文献3に記載の方法等が挙げられる。
シミュレーションソフトによって、図6および図7に示すような、L字形状のコーナーチャンネル30における連続繊維の繊維配置に基づくせん断角度分布を求める。図示例のせん断角度分布においては、格子状に引かれた線が連続繊維の繊維配置を表し、最も細い線のある領域がせん断角度0°以上15°未満の領域Aであり、つぎに太い線のある領域がせん断角度15°以上30°未満の領域Bであり、最も太い線のある領域がせん断角度30°以上の領域Cである。
図5に示すL字形状のコーナーチャンネル30においては、図6および図7に示すせん断角度分布におけるせん断角度が30°以上の領域Cが、繊維強化プラスチックにおいてシワや突張りが最も発生しやすい領域となる。よって、領域Cを領域(X’)としてもよい。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の第1の態様は、連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートを立体形状に賦形して繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、プリプレグシートの面内方向に沿って点在する複数の固定部にてプリプレグシートを固定し、複数の固定部の少なくとも一部をプリプレグシートの面内方向に移動させることで、連続繊維をプリプレグシートの面内方向に湾曲させることを特徴とするものである。
工程(I):プリプレグシートを立体形状に賦形した際に繊維強化プラスチック(a)においてせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部を、特定のせん断変形手段によってせん断変形させる工程。
工程(II):工程(I)のプリプレグシートのせん断変形と同時にまたは工程(I)のプリプレグシートのせん断変形の後に、プリプレグシートを賦形して繊維強化プラスチック(a)を得る工程。
上記のような工程により、目的とする繊維強化プラスチック(a)が複雑な立体形状を有する場合であっても、成形時におけるシワの発生や、特に内側コーナー部分の凹面における突張りの発生等を抑えることができる。
本発明において好適に利用されるせん断変形手段は、プリプレグシートを固定するとともにプリプレグシートの面内方向に沿って点在する複数の固定部を有し、かつ固定部をそれぞれ独立してプリプレグシートの面内方向に移動し得るせん断変形手段である。
せん断変形手段10は、四方格子の格子点に直立するように互いに平行にかつ等間隔で配置された複数のロッド12と;最も近接するロッド12間を結ぶように、両端の貫通孔のそれぞれにロッド12が挿通されて配置された、四方格子の格子線をなす複数のリンク14とを有するリンクアレイである。
連続繊維とは、1本当たりの繊維長が50mm以上であることを意味し、本発明においては、連続繊維を使用した強化繊維基材を挙げることができる。
強化繊維基材は、強化繊維を含むシート状の基材である。
強化繊維基材は、1軸方向に強化繊維が配向したトウ(束)であってもよく、2軸直交方向に強化繊維が配向した織物であってもよい。
織物としては、平織の織物、綾織の織物、朱子織の織物、簾織りの織物、ノンクリンプファブリック等が挙げられる。
無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維等が挙げられる。
有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。
金属繊維としては、ステンレス繊維、鉄繊維、チタン繊維、金属を被覆した炭素繊維等が挙げられる。
強化繊維としては、軽量、高剛性かつ高強度の繊維強化プラスチックが得られ、プリプレグシートや強化繊維基材の賦形性が良好である点から、炭素繊維が好ましい。
強化繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
樹脂材料は、樹脂と、必要に応じて添加剤を含む。
樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が挙げられる。
プリプレグシートは、連続繊維に樹脂材料が含浸したものである。
プリプレグシートは、1軸方向に強化繊維が配向したUDプリプレグであってもよく、2軸直交方向に強化繊維が配向したクロスプリプレグであってもよい。
工程(I)においては、プリプレグシートを立体形状に賦形した際に繊維強化プラスチック(a)においてせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部を、特定のせん断変形手段によってせん断変形させる。
外側コーナー部分では、せん断変形の方向が曲がり方向に対して直交する方向(上下方向)となる。コーナーチャネル30を製造する際に、プリプレグシートに上下方向の張力Tがかかり、プリプレグシートが上下方向に伸長してせん断変形すると、二点鎖線の正方形の形状32から実線のひし形の形状34になる。ひし形における破線はプリプレグシートまたはコーナーチャネル30における強化繊維の繊維配向36を示す。せん断角度θは、伸長方向(せん断変形の方向)における強化繊維の交差角をαとすると、90−αとなる。
内側コーナー部分では、せん断変形の方向が曲がり方向(横方向)となる。コーナーチャネル30を製造する際に、プリプレグシートに横方向の張力Tがかかり、プリプレグシートが横方向に伸長してせん断変形すると、二点鎖線の正方形の形状32から実線のひし形の形状34になる。ひし形における破線はプリプレグシートまたはコーナーチャネル30における強化繊維の繊維配向36を示す。せん断角度θは、伸長方向(せん断変形の方向)における強化繊維の交差角をβとすると、90−βとなる。
複数のプリプレグシートを積層する場合、強化繊維の配向を一致または直交させて積層することによって、複数のプリプレグシートを同時にせん断変形させることができる。
ここで、プリプレグシート20が1軸方向に強化繊維が配向したものの場合は、プリプレグシート20の1軸方向とせん断変形手段10の四方格子の2方向の格子線のうち一方の格子線(リンク14の方向)とを一致させる。プリプレグシート20が2軸方向に強化繊維が配向したものの場合は、プリプレグシート20の2軸方向とせん断変形手段10の四方格子の2方向の格子線(リンク14の方向)とを一致させる。
図10および図11に示すように、上下のせん断変形手段10について、格子点に位置する固定部12aを結んだ単位格子がせん断変形するように固定部12a、すなわちロッド12をプリプレグシート20の面内方向に移動させる。これによって、領域(X’)に対応するプリプレグシート20の領域(X)の少なくとも一部をせん断変形手段10によってせん断変形させる。
工程(II)においては、プリプレグシートを、工程(I)と同時にまたは工程(I)の後に、賦形して繊維強化プラスチック(a)を得る。
方法(A):プリプレグシートを工程(I)の後に賦形する場合は、プリプレグシートを、工程(I)でせん断変形手段を用いてせん断変形させた後に、工程(II)でプレス型を用いて賦形する。
方法(B):プリプレグシートを工程(I)と同時に賦形する場合は、せん断変形手段として、固定部をプリプレグシートの面内方向に移動し得るとともに、固定部をプリプレグシートの面内方向に直交する方向に移動し得るものを用いて、プリプレグシートをせん断変形させると同時に賦形する。
せん断変形手段10から取り外したプリプレグシート20を、図12に示すように、L字形状のコーナーチャンネル30に対応する下凸型42の上面に、図11のコーナーチャンネル30の上面輪郭線(破線)とプリプレグシート20の輪郭線(二点破線)の位置関係になるように配置する。
ここで、プリプレグシート20が1軸方向に強化繊維が配向したものの場合は、せん断変形させる前のプリプレグシート20の1軸方向と下凸型42のL字形状部分の長手方向のうちの1方向とを一致させる。プリプレグシート20が2軸方向に強化繊維が配向したものの場合は、せん断変形させる前のプリプレグシート20の2軸方向と下凸型42のL字形状部分の長手方向の2方向とを略一致させる。
なお、複数のプリプレグシート20を積層する場合、せん断変形させる前の強化繊維の配向を一致または直交させて積層してもよく、繊維配向が0°および90°のプリプレグシート20と繊維配向が±45°のプリプレグシート20とを積層(擬似等方積層)してもよい。
なお、上凹型44の代わりにバッグフィルムを用い、下凸型42およびプリプレグシート20をバッグフィルム内に密封し、バッグフィルム内を真空引きすることによって賦形してもよい。
図13に示すように、上下のせん断変形手段10について、格子点に位置する固定部12aを結んだ単位格子がせん断変形するように固定部12aをプリプレグシート20の面内方向に移動させると同時に、ロッド12をプリプレグシート20の面内方向に直交する方向に摺動させることによって固定部12aをプリプレグシート20の面内方向に直交する方向に移動させる。これによって、領域(X’)に対応するプリプレグシート20の領域(X)の少なくとも一部をせん断変形手段10によってせん断変形させると同時に、プリプレグシート20をL字形状のコーナーチャンネル30の形状に賦形する。
予備成形品を最終成形品に加工する場合は、下凸型42の形状が最終成形品の形状と一致している必要はなく、概略一致している形状とし、プレス成形時に、角部を形成することも可能である。
以上説明した本発明の第1の態様にあっては、プリプレグシートを立体形状に賦形した際に繊維強化プラスチック(a)においてせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部の連続繊維がせん断変形するように、予めプリプレグシートの面内方向に湾曲されているため、プリプレグシートをプレス型によって賦形した際に、プリプレグシートのせん断変形した部分がプレス型の曲率が大きい凸面や凹面に追随しやすくなる。そのため、繊維強化プラスチック(a)におけるシワや突張りの発生を抑えることができる。その結果、均一な品質の繊維強化プラスチックを、安定してかつ高効率に製造できる。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の第2の態様は、連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートを立体形状に賦形して繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートとして、複数の強化繊維を束ねたトウに樹脂材料が含浸したトウプリプレグを使用し、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部に対応する部分のトウプリプレグをプリプレグシートの面内方向に湾曲させながら、複数本のトウプリプレグを引き揃えてプリプレグシートを作製する工程を有するものである。
工程(α):プリプレグシートを立体形状に賦形した際に繊維強化プラスチック(a)においてせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部がせん断変形した状態と同じ状態となるように、領域(X)の少なくとも一部に対応するトウプリプレグを変形させてプリプレグシートを作製する工程。
工程(β):プリプレグシートを、工程(α)と同時にまたは工程(α)の後に、賦形して繊維強化プラスチック(a)を得る工程。
上記のような工程により、目的とする繊維強化プラスチック(a)が複雑な立体形状を有する場合であっても、成形時におけるシワの発生や、特に内側コーナー部分の凹面における突張りの発生等を抑えることができる。
トウは、複数の強化繊維を束ねた強化繊維束である。
トウ1本あたりの強化繊維の数(フィラメント数)は、通常、1000〜60000本である。
無機繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、黒鉛繊維、炭化珪素繊維、窒化珪素繊維、アルミナ繊維、タングステンカーバイド繊維、ボロン繊維等が挙げられる。
有機繊維としては、アラミド繊維、高密度ポリエチレン繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維等が挙げられる。
金属繊維としては、ステンレス繊維、鉄繊維、チタン繊維、金属を被覆した炭素繊維等が挙げられる。
強化繊維としては、軽量、高剛性かつ高強度の繊維強化プラスチックが得られ、プリプレグシートや強化繊維基材の賦形性が良好である点から、炭素繊維が好ましい。
強化繊維は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
樹脂材料は、樹脂と、必要に応じて添加剤を含む。
樹脂としては、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂が挙げられる。
トウプリプレグは、トウに樹脂材料が含浸したものである。
トウと樹脂材料との比率は、特に限定されず、通常の範囲内であればよい。
トウへの樹脂材料の含浸は、常法によって行えばよい。
本発明の第2の態様におけるプリプレグシートは、複数本のトウプリプレグをシート状に引き揃えたものである。
プリプレグシートは、プリプレグシートを2枚以上積層した積層プリプレグシートであってもよい。
積層プリプレグシートは、強化繊維の種類が同じ複数のプリプレグシートを積層したものであってもよく、強化繊維の種類が異なる複数のプリプレグシートを積層したものであってもよい。
工程(α)においては、プリプレグシートを立体形状に賦形した際に繊維強化プラスチック(a)においてせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部がせん断変形した状態と同じ状態となるように、領域(X)の少なくとも一部に対応するトウプリプレグを変形させてプリプレグシートを作製する。
積層プリプレグシート50は、面方向に湾曲しながら引き揃えられた複数本のトウプリプレグ52からなる第1のプリプレグシート54と;第1のプリプレグシート54の上で面方向に湾曲しながら、第1のプリプレグシート54のトウプリプレグ52に対して交差する方向に引き揃えられた複数本のトウプリプレグ52からなる第2のプリプレグシート56とを有する。
図15に示すように、L字形状のコーナーチャンネル30の外側コーナー側の領域(X’)(以下、領域(X1’)とも記す。)に対応する部分では、せん断変形の方向D1が外側コーナーと内側コーナーとを結ぶ方向となる。領域(X1’)に対応する積層プリプレグシート50の領域(X1)においては、方向D1にせん断変形した状態と同じ状態となるようにトウプリプレグ52が変形している。領域(X1)においては、方向D1における強化繊維の交差角α’は、コーナーチャンネル30の領域(X1’)の方向D1における強化繊維の交差角αとほぼ同じとされる。すなわち、コーナーチャンネル30の領域(X1’)に対応する部分では、せん断角度θ’(積層プリプレグシート50の領域(X1)のせん断角度)は、コーナーチャンネル30の領域(X1’)におけるせん断角度θとほぼ同じとされる。
なお、本発明におけるプリプレグシートは、複数本のトウプリプレグを引き揃えたシート状のものであればよく、図示例の積層プリプレグシート50に限定されない。
例えば、1枚のプリプレグシートからなるものであってもよく、3枚以上のプリプレグシートが積層されたものであってもよい。
プリプレグシートは、賦形後に余分な部分を切り落とすことを前提として繊維強化プラスチック(a)よりも大きいサイズに作製してもよく;賦形後にちょうど繊維強化プラスチック(a)のサイズおよび形状となるように作製してもよい。
複数本のトウプリプレグ52を、1本ずつ面方向に湾曲しつつトウプリプレグ52の幅方向に並べていき、第1のプリプレグシート54とする。同様に、複数本のトウプリプレグ52を、1本ずつ面方向に湾曲しつつ、強化繊維の方向が第1のプリプレグシート54の強化繊維の方向と交差するように、第1のプリプレグシート54の上にトウプリプレグ52の幅方向に並べていき、第2のプリプレグシート56とし、積層プリプレグシート50を作製する。
トウプリプレグ配置装置60は、トウプリプレグ52が配置される平面台62(供給対象)と;トウプリプレグ52を平面台62の表面に押し付けながら送り出す供給ヘッド64と;供給ヘッド64を面方向(X方向およびY方向)に移動させる移動手段とを備える。
移動手段は、平面台62の1辺に設けられた長尺の第1のX方向レール66と;第1のX方向レール66と対向する平面台62の1辺に設けられた長尺の第2のX方向レール68と;第1のX方向レール66に沿ってX方向に移動する第1のX方向移動体70と;第2のX方向レール68に沿ってX方向に移動する第2のX方向移動体72と;第1のX方向移動体70と第2のX方向移動体72との間に架け渡された長尺のY方向レール74と;Y方向レール74に沿ってY方向に移動するY方向移動体76と備える。
供給ヘッド64は、トウプリプレグ52を平面台62の表面に押し付けながら送り出す圧接ロール80と;圧接ロール80よりも上流側でトウプリプレグ52を切断するカッター82と;カッター82で切断された後のトウプリプレグ52を圧接ロール80に向かって再び送り出すための一対の再スタートロール84とを備える。
トウプリプレグ配置装置60によれば、面方向に移動自在とされた供給ヘッド64を備えているため、複数本のトウプリプレグ52を、1本ずつ面方向に湾曲しつつ、平面台62(供給対象)または平面台62の上の第1のプリプレグシート54(供給対象)の上にトウプリプレグ52の幅方向に並べていくことができる。
例えば、供給ヘッドが固定されて平面台が面方向に移動自在にされたトウプリプレグ配置装置であってもよい。また、後述する多関節ロボット(いわゆるロボットアーム)の先端に供給ヘッドを取り付けたトウプリプレグ配置装置であってもよい。
工程(β)においては、プリプレグシートを、工程(α)と同時にまたは工程(α)の後に、賦形して繊維強化プラスチック(a)を得る。
方法(A):プリプレグシートを工程(α)の後に賦形する場合は、プリプレグシートを作製した後に、工程(β)でプレス型を用いてプリプレグシートを賦形する。
方法(B):プリプレグシートを工程(α)と同時に賦形する場合は、繊維強化プラスチック(a)と同じ形状の型の上でトウプリプレグの複数本を引き揃えることによって、プリプレグシートを立体形状に賦形しながら作製する。
領域(X’)に対応する積層プリプレグシート50における領域(X)の少なくとも一部がせん断変形した状態と同じ状態にされた積層プリプレグシート50を、図18に示すように、L字形状のコーナーチャンネル30に対応する下凸型42の上面に、図15のコーナーチャンネル30の上面輪郭線(破線)と積層プリプレグシート50との位置関係になるように配置する。
このとき、変形していない部分の積層プリプレグシート50の強化繊維の2軸方向と下凸型42のL字形状部分の長手方向の2方向とを略一致させる。
なお、下凸型42の上面にて複数のプリプレグシートを積層する場合、変形していない部分のプリプレグシートの強化繊維の配向を一致または直交させて積層してもよく、繊維配向が0°および90°の積層プリプレグシートと繊維配向が±45°の積層プリプレグシートとを積層(擬似等方積層)してもよい。
なお、上凹型44の代わりにバッグフィルムを用い、下凸型42および積層プリプレグシート50をバッグフィルム内に密封し、バッグフィルム内を真空引きすることによって賦形してもよい。
図19に示すように、多関節ロボット90(いわゆるロボットアーム)の先端に供給ヘッド64を取り付けたトウプリプレグ配置装置を用い、L字形状のコーナーチャンネル30に対応する下凸型42の上面に、複数本のトウプリプレグ52を、1本ずつ下凸型42の上面の面方向に湾曲しつつトウプリプレグ52の幅方向に並べていき、第1のプリプレグシート54とする。同様に、複数本のトウプリプレグ52を、1本ずつ面方向に湾曲しつつ、強化繊維の方向が第1のプリプレグシート54の強化繊維の方向と交差するように、第1のプリプレグシート54の上にトウプリプレグ52の幅方向に並べていき、第2のプリプレグシート56とする。
このとき、領域(X’)に対応する積層プリプレグシート50における領域(X)の少なくとも一部がせん断変形した状態と同じ状態となるように、領域(X)の少なくとも一部に対応するトウプリプレグ52を変形させる。また、トウプリプレグ52を変形させる際には、赤外線、熱風等によって加熱してトウプリプレグ52を軟化させてもよい。
予備成形品を最終成形品に加工する場合は、下凸型42の形状が最終成形品の形状と一致している必要はなく、概略一致している形状とし、プレス成形時に、角部を形成することも可能である。
以上説明した本発明の第2の態様にあっては、プリプレグシートを立体形状に賦形した際に繊維強化プラスチック(a)においてせん断変形している領域(X’)に対応する、プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部の連続繊維がせん断変形した状態と同じ状態にしているため、プリプレグシートをプレス型によって賦形した際に、プリプレグシートの予め変形させた部分がプレス型の曲率が大きい凸面や凹面に追随しやすくなる。そのため、繊維強化プラスチック(a)におけるシワや突張りの発生を抑えることができる。その結果、均一な品質の繊維強化プラスチックを、安定してかつ高効率に製造できる。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の第3の態様(以下、単に「本発明の第3の態様」とも言う。)は、強化繊維基材を立体形状に賦形して立体形状のプリフォーム(b)を得て、プリフォーム(b)に樹脂材料を含浸させ、固化させて立体形状の繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、このプリフォーム(b)がせん断変形している領域(Y’)に対応する、強化繊維基材の領域(Y)の少なくとも一部が、あらかじめ面内方向に湾曲されている点に特徴を有するものである。
工程(i):強化繊維基材を立体形状に賦形した際にプリフォーム(b)においてせん断変形が大きくなる領域(Y’)に対応する、強化繊維基材の領域(Y)の少なくとも一部を、特定のせん断変形手段によってせん断変形させる工程。
工程(ii):強化繊維基材を、工程(i)と同時にまたは工程(ii)の後に、賦形してプリフォーム(b)を得る工程。
工程(iii):プリフォーム(b)に樹脂材料を含浸させ、固化させて繊維強化プラスチック(a)を得る工程。
上記のような工程により、目的とする繊維強化プラスチック(a)が複雑な立体形状を有する場合であっても、成形時におけるシワの発生や、特に内側コーナー部分の凹面における突張りの発生等を抑えることができる。
本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の第3の態様において用いうるせん断変形手段としては、本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の第1の態様において説明したせん断変形手段を用いることができる。
工程(i)においては、強化繊維基材を立体形状に賦形した際にプリフォーム(b)においてせん断変形している領域(Y’)に対応する、強化繊維基材の領域(Y)の少なくとも一部を、特定のせん断変形手段によってせん断変形させる。
また、せん断変形手段による強化繊維基材のせん断変形については、本発明の第1の態様および本発明の第2の態様におけるプリプレグシートを強化繊維基材に、本発明の第1の態様および本発明の第2の態様における繊維強化プラスチックをプリフォームに読み替えて、本発明の第1の態様および本発明の第2の態様と同様にして強化繊維基材のせん断変形を行うことができる。本発明の第3の態様に係る強化繊維基材のせん断変形における好ましい形態は、本発明の第1の態様および本発明の第2の態様に係るプリプレグシートのせん断変形における好ましい形態と同様である。
工程(ii)においては、強化繊維基材を、工程(i)と同時にまたは工程(i)の後に、賦形してプリフォーム(b)を得る。
工程(iii)においては、プリフォーム(b)に樹脂材料を含浸させ、固化させて繊維強化プラスチックを得る。
予備成形品を最終成形品に加工する場合は、下凸型42の形状が最終成形品の形状と一致している必要はなく、概略一致している形状とし、プレス成形時に、角部を形成することも可能である。
以上説明した本発明の第3の態様にあっては、本発明の第1の態様と同様の作用機序によって、複雑な立体形状の繊維強化プラスチックを製造する場合であっても、曲率が大きい凸面や凹面におけるシワや突張りの発生を同時に抑えることができる。
プリプレグとして、炭素繊維強化エポキシ樹脂プリプレグ(三菱ケミカル社製、TR3110 360GMP、平織の織物からなる炭素繊維基材にエポキシ樹脂を含浸したもの。)を20cm角に裁断し、2プライを繊維配向が一致するように積層したものを用意した。
トウプリプレグとして、炭素繊維トウ(フィラメント数24000本)にエポキシ樹脂を含浸した一方向プリプレグを、長さ20cm、幅6mmに裁断したものを用意した。
図5に示すL字形状のコーナーチャンネル30について、シミュレーションソフト(Simens PLM Software社製、Fibersim(登録商標))によって、炭素繊維基材の繊維配置に基づくせん断角度分布を求めた。せん断角度分布を図6および図7に示す。せん断角度分布におけるせん断角度θが30°以上となる領域Cを、せん断変形している領域(X’)とした。
図10の左側に示すように、プリプレグ20の上にさらに別のせん断変形手段10を配置し、上下のせん断変形手段10における各ロッド12の固定部12aがプリプレグ20を介して突き合わさるように位置合わせし、各ロッド12によって上下からプリプレグ20を狭持した。
プリプレグ20を赤外線によって加熱してせん断変形が戻らない程度に軟化させた後、図12に示すように、下凸型42と、L字形状のコーナーチャンネル30に対応する上凹型44とを、プリプレグ20を挟んだ状態でプレス嵌合させ、プリプレグ20を賦形した。賦形されたプリプレグ20を冷却し、固定化することによってコーナーチャンネル30を得た後、コーナーチャンネル30を下凸型42および上凹型44から脱型した。
得られたコーナーチャンネル30は、曲率が大きい外側コーナー部分や内側コーナー部分にシワや突張りの発生がなく、良好な状態であった。
外側コーナー側の領域(X1’)および内側コーナー側の領域(X2’)のそれぞれに対応するプリプレグの領域(X)に、領域(X1’)におけるせん断変形の方向(強化繊維基材の伸長方向)と同じ方向に張力が加わるように、実施例1と同じ積層したプリプレグの縁部の2箇所をクランプで把持した。
得られたコーナーチャンネルは、外側コーナー部分にシワが発生しなかったが、内側コーナー部分に突張りが発生した。
図5に示すL字形状のコーナーチャンネル30について、シミュレーションソフト(Simens PLM Software社製、Fibersim(登録商標))によって、炭素繊維の繊維配置に基づくせん断角度分布を求めた。せん断角度分布を図6および図7に示す。せん断角度分布におけるせん断角度θが30°以上となる領域Cを、せん断変形している領域(X’)とした。
積層プリプレグシート50を赤外線によって加熱してトウプリプレグ52の変形が戻らない程度に軟化させた後、図18に示すように、下凸型42と、L字形状のコーナーチャンネル30に対応する上凹型44とを、積層プリプレグシート50を挟んだ状態でプレス嵌合させ、積層プリプレグシート50を賦形した。賦形された積層プリプレグシート50を冷却し、固定化することによってコーナーチャンネル30を得た後、コーナーチャンネル30を下凸型42および上凹型44から脱型した。
得られたコーナーチャンネル30は、曲率が大きい外側コーナー部分や内側コーナー部分にシワや突張りの発生がなく、良好な状態であった。
複数本のトウプリプレグを、面方向に湾曲させることなく、トウプリプレグの幅方向に並べていき、第1のプリプレグシートとした。同様に、複数本のトウプリプレグを、面方向に湾曲させることなく、強化繊維の方向が第1のプリプレグシートの強化繊維の方向と直交するように、第1のプリプレグシートの上にトウプリプレグの幅方向に並べていき、第2のプリプレグシートとし、積層プリプレグシートを作製した。積層プリプレグシートを空冷によって冷却し、固定化した。
得られたコーナーチャンネルは、外側コーナー部分にシワが発生しなかったが、内側コーナー部分に突張り、その他にも炭素繊維の目開き、目乱れが発生した。
12 ロッド、
12a 固定部、
14 リンク、
16 板状部、
16a 貫通孔、
18 連結部、
20 プリプレグシート、
30 コーナーチャンネル、
32 正方形の形状、
34 ひし形の形状、
36 繊維配向、
42 下凸型、
44 上凹型、
50 積層プリプレグシート、
52 トウプリプレグ、
54 第1のプリプレグシート、
56 第2のプリプレグシート、
60 トウプリプレグ配置装置、
62 平面台、
64 供給ヘッド、
66 第1のX方向レール、
68 第2のX方向レール
70 第1のX方向移動体、
72 第2のX方向移動体、
74 Y方向レール、
76 Y方向移動体、
80 圧接ロール、
82 カッター、
84 再スタートロール、
90 多関節ロボット。
Claims (19)
- 連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートを立体形状に賦形して繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、
前記繊維強化プラスチック(a)がせん断変形している領域(X’)に対応する、前記プリプレグシートの領域(X)の少なくとも一部の連続繊維が、予め面内方向に湾曲されている、
繊維強化プラスチックの製造方法。 - 前記領域(X’)が、立体形状の繊維強化プラスチックにおける連続繊維の繊維配置を決定できるシミュレーションソフトによって前記繊維強化プラスチック(a)と同じ形状の繊維強化プラスチックにおける連続繊維の繊維配置に基づくせん断角度分布を求めた際に、前記せん断角度分布においてせん断角度が5°以上となる領域である、請求項1に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記領域(X)の少なくとも一部が、前記領域(X’)におけるせん断変形の方向と同じ方向にせん断変形した状態と同じ状態となるように前記プリプレグシートを作製することを含む、請求項1または2に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記プリプレグシートの面内方向に沿って点在する複数の固定部にて前記プリプレグシートを固定し、前記複数の固定部の少なくとも一部を前記プリプレグシートの面内方向に移動させることで、前記連続繊維を前記プリプレグシートの面内方向に湾曲させる、請求項1〜3のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記領域(X)の少なくとも一部を、前記プリプレグシートを固定するとともに前記プリプレグシートの面内方向に沿って点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を前記プリプレグシートの面内方向に移動し得るせん断変形手段によってせん断変形させ;前記プリプレグシートをせん断変形させると同時にまたは前記プリプレグシートをせん断変形させた後に、前記プリプレグシートを賦形することを含む、請求項1〜4のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記せん断変形手段が、前記プリプレグシートを固定するとともに前記プリプレグシートの面内方向に沿って四方格子の格子点に位置するように点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を結んだ単位格子がせん断変形するように前記固定部を前記プリプレグシートの面内方向に移動し得るせん断変形手段である、請求項5に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記せん断変形手段が、前記プリプレグシートの面内方向に前記固定部を移動し得るとともに、前記プリプレグシートの面内方向に直交する方向に前記固定部を移動し得るものである、請求項5または6に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記連続繊維に樹脂材料を含浸したプリプレグシートとして、複数の強化繊維を束ねたトウに樹脂材料を含浸した複数のトウプリプレグをシート上に配置したプリプレグシートを使用し、前記領域(X)の少なくとも一部に対応する部分の前記トウプリプレグを前記プリプレグシートの面内方向に湾曲させながら、前記複数のトウプリプレグを引き揃えて前記プリプレグシートを作製し、
前記プリプレグシートを作製すると同時にまたは前記プリプレグシートを作製した後に、前記プリプレグシートを賦形することを含む、請求項1〜3のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。 - 前記領域(X)の少なくとも一部が、前記領域(X’)におけるせん断変形の方向と同じ方向にせん断変形した状態と同じ状態となるように、前記領域(X)の少なくとも一部に対応するトウプリプレグを変形させて前記プリプレグシートを作製する、請求項8に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記トウプリプレグを供給対象に押し付けながら送り出す供給ヘッドと、前記供給ヘッドと前記供給対象とを相対的に移動させる移動手段とを備えたトウプリプレグ配置装置によって前記複数のトウプリプレグを引き揃えて前記プリプレグシートを作製する、請求項8または9に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記プリプレグシートを作製した後に、前記プリプレグシートをプレス型を用いて賦形する、請求項1〜10のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記プリプレグシートが、前記プリプレグシートを2枚以上積層した積層プリプレグシートである、請求項1〜11のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 強化繊維基材を立体形状に賦形してプリフォーム(b)を得て、前記プリフォーム(b)に樹脂材料を含浸させ、樹脂材料を含浸させた前記プリフォーム(b)を固化させて繊維強化プラスチック(a)を製造する方法であり、
前記プリフォーム(b)がせん断変形している領域(Y’)に対応する、前記強化繊維基材の領域(Y)の少なくとも一部が、予め面内方向に湾曲されている、
繊維強化プラスチックの製造方法。 - 前記領域(Y’)が、立体形状のプリフォームにおける強化繊維基材の繊維配置を決定できるシミュレーションソフトによって前記プリフォーム(b)と同じ形状のプリフォームにおける強化繊維基材の繊維配置に基づくせん断角度分布を求めた際に、前記せん断角度分布においてせん断角度が5°以上となる領域である、請求項13に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記領域(Y)の少なくとも一部が、前記領域(Y’)におけるせん断変形の方向と同じ方向にせん断変形した状態と同じ状態となるように前記強化繊維基材を作製することを含む、請求項13または14に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記繊維強化基材の面内方向に沿って点在する複数の固定部にて前記強化繊維基材を固定し、前記複数の固定部の少なくとも一部を前記強化繊維基材の面内方向に移動させることで、前記強化繊維基材を前記強化繊維基材の面内方向に湾曲させる、請求項13〜15のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記領域(Y)の少なくとも一部を、前記強化繊維基材が固定されるとともに前記強化繊維基材の面内方向に沿って点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を前記強化繊維基材の面内方向に移動し得るせん断変形手段によってせん断変形させ;前記強化繊維基材をせん断変形させると同時にまたは前記強化繊維基材をせん断変形させた後に、前記強化繊維基材を賦形することを含む、請求項13〜16のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記せん断変形手段が、前記強化繊維基材を固定するとともに前記強化繊維基材の面内方向に沿って四方格子の格子点に位置するように点在する複数の固定部を有し、かつ前記固定部を結んだ単位格子がせん断変形するように前記固定部を前記強化繊維基材の面内方向に移動し得るせん断変形手段である、請求項17に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
- 前記せん断変形手段が、前記強化繊維基材の面内方向に前記固定部を移動し得るとともに、前記強化繊維基材の面内方向に直交する方向に前記固定部を移動し得るものである、請求項17または18に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
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