JPWO2020178949A1 - 治具台 - Google Patents

Abstract

繊維強化プラスチック積層体の成形工程において、離型処理工程を省略できる治具台を提供する。治具台３０表面に離型フィルム４０が接着されている。離型フィルム４０はＦＥＰフィルム４１と、シリコン系接着フィルム４２とが接着されて形成される。離型フィルム４０は薄い（１００μｍ以下）方が好ましい。離型フィルム４０は自由表面を有する治具台３０に対して好適である。一般に既設治具台３０は金属製である。薄い離型フィルム４０は伸張性を有し、皺発生を抑制しながら治具台３０自由表面に接着できる。薄い離型フィルム４０であれば、製品形状精度に影響を与えない。従来の離型剤塗布と比べると、離型フィルム４０の厚さは均一である。製品製造全体工程において、成形前後の離型処理や清掃処理省略できる。その結果、繊維強化プラスチック積層体の製品製造全体工程を簡略化できる。

Description

本発明は、繊維強化プラスチックを成形する際に用いる治具台に関する。

近年、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの繊維強化プラスチックが注目されている。軽量・高強度という特徴を生かして、航空機や自動車などの材料として様々な産業分野に適用されている。なお、ガラス繊維や石英ガラス繊維やアラミド繊維を用いることもある。

繊維強化プラスチック積層体の成形方法の一例について簡単に説明する。治具台上にプリプレグシート積層体を積層して製品形状に賦形する。プリプレグシートは、炭素繊維等の補強材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたものでありシート状に形成されている。

熱硬化性樹脂として、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。

さらに、賦形された繊維強化プラスチック積層体を治具台とともに真空バッグによりバギングして真空引きし、オートクレーブ装置に搬送し、加熱加圧する。これにより樹脂が硬化し繊維強化プラスチック積層体（製品）が成形される。その後、製品を脱型する。

なお、熱硬化性樹脂に代えてポリアミド樹脂やポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることもある。熱可塑性樹脂は加熱により軟化し、その後冷却により固化する。

特開２００３−２００５１０号公報

上記にて繊維強化プラスチック積層体の成形方法の概略について説明したが、実際には細々としたいくつかの工程が含まれる。工程が複雑化すると、製品コストに影響を与える。工程が複雑化することにより、不具合の発生リスクが高くなる。したがって、工程を少しでも減らすことが重要となる。

上記細々としたいくつかの工程には、治具台の離型処理工程がある。

プリプレグは未硬化の熱硬化性樹脂を含む。プリプレグを治具台上に積層し、真空引き、オートクレーブを用いた加熱加圧成形をする際に、熱硬化性樹脂の一部が治具台に付着するおそれがある。これにより、製品脱型時の不具合が発生する。

このような不具合に対し、治具台表面に予めフッ素系樹脂やシリコン系樹脂などの離型剤を塗布（液体コーティング）し、離型膜を形成しておく。

離型処理は、繊維強化プラスチック積層体の成形工程毎に、手作業で行われることが多い。その結果、作業時間が長くなり、塗布ムラが発生するおそれもある。塗布ムラは製品不具合にの遠因ともなる。

本願発明者は、離型処理工程を省略することを検討した。

本発明は上記課題を解決するものであり、離型処理工程を省略できる治具台を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、樹脂を含む繊維シートを載置し、積層し、真空引きし、加温加圧し、脱型して繊維強化プラスチックを成形する治具台である。治具台表面に離型フィルムが接着されている。

これにより離型処理工程を省略できる。その結果、繊維強化プラスチック積層体の成形工程（製品製造全体工程）を簡略化できる。また、ムラの多い離型剤塗布と比べると、離型フィルムの厚さは均一である。

好ましくは、前記離型フィルムは、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体により構成されているフィルムを含む。

フッ素系フィルムの中でも、ＦＥＰフィルムは薄くできる。

好ましくは、前記離型フィルムの厚さは、１００μｍ以下である。

薄い離型フィルムの伸張性により、皺発生を抑制しながら治具台表面に接着できる。薄い離型フィルムであれば製品形状精度に影響を与えない。

好ましくは、前記離型フィルムはシリコン系接着フィルムを含む。

シリコン系接着フィルムが介挿されることにより、ＦＥＰフィルムは治具台表面に接着可能となる。

好ましくは、治具台は既設である。

好ましくは、治具台は自由曲面を有する。

好ましくは、金属製である。

本願離型フィルムは、金属製治具台が既設である場合や、自由表面を有する場合の課題を解決するのに好適である。

本発明に係る治具台を用いれば、離型処理工程を省略できる。その結果、繊維強化プラスチック積層体の成形工程（製品製造全体工程）を簡略化できる。

従来工程と本願工程の比較 製品製造工程の要部抜粋 オートクレーブ装置における加熱加圧プロファイル 離型フィルム概略構成 自由曲面とフィルム厚の関係

〜製品製造全体工程〜

図１は、製品製造に係る従来工程概略と本願工程概略の比較図である。図２は、製品製造工程の要部を抜粋したものである。従来工程と本願工程とにおいて要部は共通する。

まず、従来工程概略について説明する。

図２上段は、製造開始前の治具台３０を示す。最初に、治具台３０の離型処理をおこなう。具体的には、治具台表面に予めフッ素系樹脂やシリコン系樹脂などの離型剤を塗布（液体コーティング）し、離型膜を形成する。

治具台３０上に、プリプレグシートを積層し、製品形状に賦形する（図２中段）。積層完了後、未硬化の積層体を治具台３０とともに真空バッグによりバギングする（図２下段）。

治具台３０ごとオートクレーブ装置に搬送し、加熱加圧する。これにより樹脂が硬化し、繊維強化プラスチック積層体（製品）が成形される。

図３は、オートクレーブ装置における加熱加圧プロファイル例である。横軸は時間である。ただし、一例であり本願はこれに限定されない。

まず、真空バッグ内を−０．１ＭＰａに減圧する。減圧状態で加熱を開始する。さらに、減圧を維持しつつ、加圧を開始する。加圧を増しながら減圧状態を徐々に大気圧に戻す。このときの温度を１２０℃（±１０℃）程度とする（第１加熱段階）。また、０．３ＭＰａまで加圧する。

さらに、数十分〜数時間かけて、１８０℃（±２０℃）程度とし、数時間維持する（第２加熱段階）。たとえばエポキシ樹脂の場合１６０℃超にて硬化が開始する。その後、また１時間程度かけて６０℃以下まで冷却し、除圧を始める。

治具台３０とともにオートクレーブ装置から搬出し、製品を脱型する。

脱型後、熱硬化性樹脂の一部がはみ出して硬化した部位などが治具台３０表面に付着している場合もある。製品成形前に形成した離型膜が劣化している場合もある。したがって、治具台３０表面を清掃し、更にもう一度離型処理をする。再離型処理により離型膜が堆積され、次回使用時の離型効果を期待できる。この状態で治具台を保管する。

図１に戻り、本願工程概略について説明する。本願工程は従来工程とほぼ同様である。ところで、治具台３０表面には、離型フィルム４０が接着されている。これにより、本願工程は、成形前後の離型処理を省略できる。また、成形後の清掃処理も、エアブローを吹き付けるのみの簡単な作業であり、事実上省略できる。その結果、繊維強化プラスチック積層体の成形工程（製品製造全体工程）を簡略化できる。

〜離型フィルム基本構成〜
図４は、離型フィルム概略構成図である。離型フィルム４０は治具台３０表面に接着されている。離型フィルム４０は、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体により構成されている第１フィルム（ＦＥＰフィルム）４１と、シリコン系接着フィルムである第２フィルム４２とから形成されている。

第１フィルム４１裏面はプラズマ等により表面改質処理されており、第２フィルム４２と接着している。すなわち、第１フィルム４１は、第２フィルム４２を介して、治具台３０表面に接着されている。

なお、本願発明者が、フッ素系離型フィルムの中でも、特にＦＥＰフィルムを選択したのは、フィルム厚（薄さ）に着目したためである。離型フィルム４０の厚さは１００μｍ以下であることが好ましい。

試作モデルでは、ＦＥＰフィルムとしてSOLVAY Cytec社の製品名「A5000 CLEAR NP NP
CEMENTABLE」を用いた。シリコン系接着フィルムとして太陽金網社の製品名「ポリシル」を用いた。

試作モデルでは、ＦＥＰフィルム４１の厚さは２５μｍであり、シリコン系接着フィルム４２の厚さは５０μｍであり、離型フィルム４０の厚さは７５μｍ（＜１００μｍ）であった。

なお、フッ素系離型フィルムの中で一般に用いられるＰＴＦＥ樹脂（ポリテトラフルオロエチレン、いわゆるテフロン（登録商標））フィルムは、ＦＥＰフィルムに比べて厚くなりやすい（例えば１ｍｍ以上）。

一方、従来の離型剤塗布と比べると、離型フィルムの厚さは均一である。

〜治具台詳細〜
本願は、治具台３０が既存である場合や自由曲面を有する場合に限定されるものではない（新設や平面や単純曲面を含んでもよい）が、治具台３０が既存である場合や自由曲面（図２上段参照）を有する場合には、本願離型フィルム４０が好適である。

自由曲面とは、空間に交点と曲率をいくつか設定し、高次方程式でそれぞれの交点を補間して表現される曲面である。球面や円柱面などのように単純な数式で表わすことのできる単純曲面とは異なる。

なお、航空機や自動車など工業製品は自由曲面を有する。製品形状は治具台形状に追従する。したがって、治具台３０は自由曲面を有する。例えば、図２上段に示す試作モデルに用いた治具台は、自由曲面を有する。

なお、一般に治具台３０は金属製である。

〜自由曲面とフィルム厚の関係〜
図５は、自由曲面とフィルム厚の関係を示す説明図である。自由曲面を模式化した。下に凸の曲面（図示左側）と、上に凸の曲面（図示右側）が連続している。

下に凸の曲面では、治具台表面の曲率Ｌ１に対し、フィルム表面の曲率Ｌ２は、大きくなる（曲げがきつい）。一方、上に凸の曲面では、治具台表面の曲率Ｒ１に対し、フィルム表面の曲率Ｒ２は、小さくなる（曲げが緩い）。

フィルムが厚くなるほど、フィルム表面形状と治具台表面形状に誤差が発生しやすい。その結果、製品形状精度に影響する。

新設治具台であれば、誤差を予め考慮して治具台表面形状を設計してもよいが、既設治具台では誤差を抑制するように、なるべくフィルムが薄いことが好ましい。

さらに、フィルムが厚いと剛性を有し、自由曲面上に貼ると皺が発生する。これに対し、薄いフィルムは伸張性を有し、自由曲面に追従するため、皺が発生しない。

〜備考１ 本願に至る経緯〜
プレプレグシートの保護（ゴミ付着防止）として低密度/高密度ポリエチレンフィルムが用いられることが多いが、代替としてＦＥＰフィルムとすることを検討した。その過程で、離型剤塗布による離型膜に代えて、ＦＥＰフィルムを含むフッ素樹脂系の離型フィルムを用いることを検討した。

ＰＴＦＥの融点が３２７℃であるのに対し、ＦＥＰの融点は２６０℃である。耐熱の観点からは、ＰＴＦＥの方が好ましい材料とも思われる。ところで、オートクレーブでは１８０℃程度まで加熱する。発明者は、ＦＥＰフィルムでも、オートクレーブ成型時の加熱に対し充分な耐熱性があるのではと考え、実験によりこれを確認した。

次いで、ＦＥＰフィルムを治具台表面に接着することを考えた。調査の結果、薄いシリコン系接着フィルムが市販されていることが分かった。シリコン系接着フィルムの接着力は充分であり、ＦＥＰフィルムを接着可能であることを実験により確認した。

さらに、薄い離型フィルムが繰り返しの加熱加圧により、損傷するリスクについて検証した。ここで、オートクレーブ成型時に一度真空にするという特徴ある使用方法を経るため、酸素接触による劣化は生じないのではと、つまり、薄い離型フィルムでも損傷リスクは低いと、発明者は考えた。

本願治具台を用いて１００回以上製品成形を繰り返したが、離型フィルムは損傷しないことを確認した。

以上の様に、いくつかの試行錯誤過程を経て、発明者は本願発明に想到した。

〜備考２ 接着容易性に係る補足〜
本願離型フィルム４０は薄く伸張性を有するため、自由曲面に追従する。また、接着性もよい。したがって、容易に治具台３０に接着できる。しかも、一度接着した後は、繰り返しの使用に耐えられる。

したがって、離型フィルム接着作業は、全体工程に対しほとんど負担とならない。

仮に、繰り返しの使用を経て損傷したとしても、容易に貼りかえることができる。

〜まとめ〜
治具台３０表面に離型フィルム４０が接着されている。離型フィルム４０はＦＥＰフィルム４１と、シリコン系接着フィルム４２が接着されて形成される。離型フィルム４０は薄い（１００μｍ以下）方が好ましい。離型フィルム４０は自由表面を有する治具台３０に対して好適である。一般に既設治具台３０は金属製である。

薄い離型フィルム４０は伸張性を有し、皺発生を抑制しながら治具台３０自由表面に接着できる。薄い離型フィルム４０であれば、製品形状精度に影響を与えない。従来の離型剤塗布と比べると、離型フィルム４０の厚さは均一である。

製品製造全体工程において、成形前後の離型処理や清掃処理省略できる。その結果、繊維強化プラスチック積層体の製品製造全体工程を簡略化できる。

３０ 治具台
４０ 離型フィルム
４１ 第１フィルム（ＦＥＰフィルム）
４２ 第２フィルム（シリコン系接着フィルム）

Claims (7)

1. 樹脂を含む繊維シートを載置し、積層し、真空引きし、加温加圧し、脱型して繊維強化プラスチックを成形する治具台であって、
   治具台表面に離型フィルムが接着されている
   ことを特徴とする治具台。
2. 前記離型フィルムは、テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体により構成されているフィルムを含む
   ことを特徴とする請求項１記載の治具台。
3. 前記離型フィルムの厚さは、１００μｍ以下である
   ことを特徴とする請求項１または２記載の治具台。
4. 前記離型フィルムはシリコン系接着フィルムを含む
   ことを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の治具台。
5. 既設である
   ことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の治具台。
6. 自由曲面を有する
   ことを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の治具台。
7. 金属製である
   ことを特徴とする請求項１〜６いずれか記載の治具台。

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