(57)【要約】【課題】ＦＲＰ素材の繊維の密度や形状を自由に設定することができるようにする。【解決手段】基材５の表面５Ａ及び裏面５Ｂにそれぞれ表して表面５Ａ及び裏面５Ｂを覆うように高強度を有する繊維からなる糸６を設ける。糸６は、例えばミシンを使って刺繍をするように、糸６を針孔に通した針を基材５に刺して表面５Ａ、裏面５Ｂのいずれも面をも覆うようにその表面５Ａ、裏面５Ｂに縫い表したものである。このようなＦＲＰ素材９を、対向して接離可能な一対の金型間に配置し、型閉後にＦＲＰ素材９に常法とおりの高圧で高温の養生を行って成形を行う。ＦＲＰ成形品の形に合わせたＦＲＰ素材が自由に設計できて高精度設計が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰ素材であって、所定形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成し、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成したことを特徴とするＦＲＰ素材。
【請求項２】
ＦＲＰ素材であって、所定形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成し、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成し、前記基材の素材は、溶融処理によって除去され得る素材であることを特徴とするＦＲＰ素材。
【請求項３】
前記基材が熱可塑性合成樹脂により形成されたことを特徴とする請求項１又は２記載のＦＲＰ素材。
【請求項４】
ＦＲＰ素材であって、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を密に絡ませ、全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状となるように構成したことを特徴とするＦＲＰ素材。
【請求項５】
ＦＲＰ素材であって、最終製品となる部品の形状に近似した所定形状の基材に対して前記高強度繊維からなる糸を前記基材の表裏両表面を覆うように構成したことを特徴とする請求項１乃至３記載のうちの一つの請求項に記載されたＦＲＰ素材。
【請求項６】
ＦＲＰ素材の製造方法であって、基材の少なくとも一方の表面を覆うようにして高強度繊維からなる糸を前記基材に対して縫い表してＦＲＰ素材を製造する方法であって、
前記基材に対して前記高強度繊維からなる糸を運針により山折り状に縫い表して、該基材の少なくとも一方の表面の略全面を、所望の密度で配置された自由端を有したループ形状を呈した山折り状の糸で覆うようにしたことを特徴とするＦＲＰ素材の製造方法。
【請求項７】
ＦＲＰ素材の製造方法であって、前記高強度を有する繊維からなる糸が、カーボン繊維、ガラス繊維又はケブラー繊維であって、これ等の繊維の集合体であり、前記糸はミシンの針を介して運針され配置されることを特徴とする請求項６項に記載のＦＲＰ素材の製造方法。
【請求項８】
ＦＲＰ素材の製造方法であって、溶融処理によって除去され得る基材の少なくとも一方の表面を覆うように高強度繊維からなる糸を該基材に対して縫い表してＦＲＰ素材を製造する方法であって、
前記基材に対して前記高強度繊維からなる糸を運針により山折り状に縫い表して、該基材の少なくとも一方の表面の略全面を、所望の密度で配置された自由端を有したループ形状を呈した山折り状の糸で覆うようにし、該ＦＲＰ素材の保形状態を維持した上で、溶融処理によって前記基材を除去することを特徴とするＦＲＰ素材の製造方法。
【請求項９】
ＦＲＰ素材の製造方法であって、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を絡み合わせて全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状としたことを特徴とするＦＲＰ素材の製造方法。
【請求項１０】
ＦＲＰ成形品であって、最終製品の部品形状と近似した形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成されており、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されており、成形により前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部が夫々自由な方向に折り曲げられていることを特徴とするＦＲＰ成形品。
【請求項１１】
ＦＲＰ成形品であって、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を密に絡ませ、全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状となるように構成したＦＲＰ素材を成形して製造したことを特徴とするＦＲＰ成形品。
【請求項１２】
ＦＲＰ成形品の製造方法であって、
最終製品の部品形状と近似した形状の基材を準備し、
その基材に対して高強度繊維からなる糸を運針により刺し綴ることにより、前記基材の少なくとも一方の表面を覆うようにして、前記高強度繊維からなる糸を前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成して、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端を構成するように縫い表してＦＲＰ素材を得た後に、
上記ＦＲＰ素材を金型により高圧で高温の養生を行って、前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部を夫々自由な方向に折り曲げて成形することを特徴とするＦＲＰ成形品の製造方法。
【請求項１３】
ＦＲＰ成形品の製造方法であって、前記ＦＲＰ素材を金型により成形する前に、前記高強度繊維からなる糸に熱可塑性合成樹脂を含浸させる段階を備えたことを特徴とする請求項１２記載のＦＲＰ成形品の製造方法。
【請求項１４】
ＦＲＰ成形品の製造方法であって、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を密に絡み合わせ、全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状となるように構成したＦＲＰ素材を形成する段階と、そのＦＲＰ素材を金型により高圧で高温の養生を行って成形する段階を備えたことを特徴とするＦＲＰ成形品の製造方法。
【請求項１５】
ＦＲＰ成形品の製造方法であって、前記ＦＲＰ素材を金型により成形する段階の前に、前記高強度繊維からなる糸に熱可塑性合成樹脂を含浸させる段階を備えたことを特徴とする請求項１４記載のＦＲＰ成形品の製造方法。
【請求項１６】
前記請求項１２〜１５のいずれか１項の製造方法によって製造されたことを特徴とするＦＲＰ成形品。
【請求項１７】
ＦＲＰ素材であって、該ＦＲＰ素材の基材は予め最終製品の部品としての開口部を備えた所定形状を呈しており、該基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成されており、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されていることを特徴とするＦＲＰ素材。
【請求項１８】
ＦＲＰ成形品であって、そのＦＲＰ素材の基材は予め最終製品の部品としての開口部を備えた所定形状の基材に高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成されており、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されており、成形により前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部が夫々自由な方向に折り曲げられていることを特徴とする最終製品の部品としての開口部を備えたＦＲＰ成形品。
【請求項１９】
ＦＲＰ成形品の製造方法であって、そのＦＲＰ素材の基材として予め最終製品の部品としての開口部を備えた所定形状の基材を準備し、
その基材に対して高強度繊維からなる糸を運針により刺し綴ることにより、前記基材の少なくとも一方の表面を覆うようにして、前記高強度繊維からなる糸を前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成して、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端を構成するように縫い表してＦＲＰ素材を得た後に、
上記ＦＲＰ素材を金型により高圧で高温の養生を行って、前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部を夫々自由な方向に折り曲げて成形することを特徴とする最終製品の部品としての開口部を備えたＦＲＰ成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形品の製造に用いる新規なＦＲＰ成形品用の素材（本明細書においては、単に「ＦＲＰ素材」と称する）、及びその新規なＦＲＰ素材により成形されたＦＲＰ成形品（以下、「ＦＲＰ成形品」と称する）、さらにはそれ等のＦＲＰ素材及びＦＲＰ成形品の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＦＲＰ成形品は布状の繊維層を張り合わせ、合成樹脂で固めて成形するものが一般的であり、例えばエポキシ樹脂等を含浸させたカーボン繊維、ガラス繊維、ケブラー（Ｋｅｖｌａｒ）繊維等の高強度を有する布状繊維と樹脂からなるＦＲＰ素材を積層して、その積層したＦＲＰ素材を金型内において高圧で高温の養生を行って成形している。このような各繊維及び繊維層を樹脂により結合し、任意の形態とするＦＲＰ成形品は、その高剛性、軽量性、高強度または高耐候性などの特性から幅広い分野で利用されている。
【０００３】
その内でも炭素繊維に関する開発は盛んで、更に今後も、自転車、二輪車、自動車、船舶、鉄道車輌、航空機、宇宙船、ロケット、スペースシャトル等の全ての乗り物の部品や、人工衛星から建造物等の建築構造物、エネルギー関連産業用、さらには釣竿、ゴルフクラブ等のスポーツ用品や家電品等の日常的な製品までのあらゆる分野の製品にその適用の可能性は益々広がっている。このことは、例えば「素材産業からの低環境負荷社会への提言」（非特許文献１）又は「東レの炭素繊維複合材料事業の事業戦略」（非特許文献２）においても詳細に述べられている。従って、本明細書においては本発明の適用分野の広さについては特に説明を要しない。
【０００４】
特許文献でも、多くの技術が開示されており、例えば、布状繊維からなるＦＲＰ素材を積層する技術として、特開２００７−１６０５８７号公報（特許文献１）には、賦型性と取扱性とを両立し、かつ、ＦＲＰの生産性に優れた多層基材、それを用いたプリフォームおよびその製造方法を提供することを課題として、少なくとも２組の２軸ステッチ基材が積層されて係合材料にて一体化された多層基材であって、２軸ステッチ基材は、多数本の強化繊維糸条が並行に配列されたシート複数枚を強化繊維糸条が２方向に配向するように積層してステッチ糸Ａにて縫合してなり、係合材料の融点Ｔｍｃが８０〜２００℃の範囲内にあり、かつ、ステッチ糸Ａ融点Ｔｍａが（Ｔｍｃ＋１０）〜（Ｔｍｃ＋１２０）℃の範囲内にある多層基材とする技術が開示されている。
【０００５】
特開２００６−２４９７９７号公報（特許文献２）には、建築、土木分野等で使用するパネルであり、間隙を持って対向して配置した２枚の板材の層間強度を大きくしたものであって、連続した強化繊維とマトリックス樹脂を有するＦＲＰ材により、間隙をもって対向して配置された２枚の板材に設けられた多数の孔を貫通して両板材を縫いつけてパネルとし、板と板との間のはく離及びせん断に対する強度（いわゆる層間強度）を大きくすることができるもので、その製造方法は、強化繊維で縫い付けたのち、強化繊維にマトリックス樹脂を含浸させて硬化させればよいから、簡単にパネルを製造することができる技術が開示されている。
【０００６】
特開２００４−３４６１７５号公報（特許文献３）には、ＦＲＰを製造するためのプリプレグシート代用の積層シートを提供することを課題とし、この積層シートは、層Ａ、層Ｂ、層Ｃの順で積層されている部分を含み、層Ａは、一定の方向に平行に引き揃えられて、平面状に並んでいるフィラメントＡ群で構成され、層Ｂは、熱溶融性フィルムで構成され、この熱溶融性フィルムは、最終的に得られるＦＲＰの母体となるものであり、層Ｃは、フィラメントＡ群が引き揃えられている方向とは異なる方向に平行に引き揃えられて、平面状に並んでいるフィラメントＣ群で構成されており、層Ａ、層Ｂ及び層Ｃは、長手方向に走る複数本の縫い糸によって縫製されて一体化し、各縫い糸は、経編組織に編成されている積層シートの技術が開示されている。
【０００７】
特開２００４−１７４７７５号公報（特許文献４）には、強化繊維基材の「うねり」を小さくすることを課題として、ＦＲＰ用の強化繊維基材は、一方向繊維束群をマットで挟み、止め糸で縫い合わせて結束したもので、一方向繊維束群は、多数本の一方向繊維束を平行状態にして重ねることなく隣接配置してシート状にしたもので、マットは空隙率の多い繊維シートであり、止め糸で、マットを縫い合わせることにより、マットと一方向繊維束群とか結束され、このとき、止め糸のステッチ方向は、一方向繊維束と平行であり、止め糸は一方向繊維束を横切ることはないとした技術が開示されている。この結果、一方向繊維束群には「うねり」は生じないとしている。
【０００８】
特開２００１−７６２５号公報（特許文献５）には、肉厚が厚くても軽量であり剛性に優れたアンテナ用ラドームの成形方法を提供することを目的として、ラドーム形に形成されたポリエチレン系発泡樹脂芯材の表裏面に繊維強化材層が繊維質連結体により縫合固定されて芯体が形成され、該芯体の繊維強化材層と繊維質連結体に配合樹脂が含浸されてＦＲＰとして硬化され、芯材と結合一体に形成されているアンテナ用ラドームが開示されている。
【０００９】
特開平１１−２８７７７号公報（特許文献６）には、芯材を内在させたＦＲＰの製品を能率よく製造することができるようにすることを課題として、不織布からなるマットとガラス繊維のマットとが縫いつけられて形成されるＦＲＰ製品の製造技術が開示されている。
【００１０】
非特許文献３としての「ＦＲＰボディとその成形法」には、ＦＲＰを自動車ボディに適用した例が詳細に開示されている。第８４〜８７頁には、ＦＲＰ成形の方法と樹脂についての記載がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２００７−１６０５８７号公報
【特許文献２】特開２００６−２４９７９７号公報
【特許文献３】特開２００４−３４６１７５号公報
【特許文献４】特開２００４−１７４７７５号公報
【特許文献５】特開２００１−７６２５号公報
【特許文献６】特開平１１−２８７７７号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ．ｇｒ．ｊｐ／ｌｃａｍｏｄｅｌ．ｐｄｆ
【非特許文献２】ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｔｏｒａｙ．ｃｏ．ｊｐ／ｉｒ／ｐｄｆ／ｌｉｂ／ｌｉｂ＿ａ１４４．ｐｄｆ
【非特許文献３】ＦＲＰボディとその成形法  浜  素紀著  株式会社グランプリ出版（２００８年１０月６日第８刷発行）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
ここで、本発明を詳細に説明する前に、本明細書で用いる用語の定義を行う。まず、「成形品」、「素材」及び「基材」の用語の意義を説明する。「成形品」とは、最終製品又は装置を構成するように成型された部品である。「素材」とは、当該素材を成形・加工等することにより、最終製品又は装置を構成する素材となるものであり、成形前の物を言う。「基材」とは、素材を構成する基本的な部材であり、最終製品又は装置として残る場合もあるが、素材或いは成形品の製造過程において取り除かれてしまう場合もある。基材が最終的には製品又は装置から取り除かれてしまう場合には、基材の役割は製造工程中の高強度繊維からなる糸の保形手段である。
【００１４】
次に、「繊維」と「糸」であるが、これ等の高強度繊維、特に炭素繊維は、一般的に繊維１本（単繊維）の径が５μ程度で、それを千本から４、５千本程度合わせて１本の長繊維束（フィラメント）にしており、本発明ではこの長繊維束（フィラメント）を「糸」と称している。その際、４、５千本程度の繊維を撚って糸とするのが好ましいが、必ずしも撚って１本の糸とする必要はなく、多数本を集合させて１条の糸とされていればよい。図中では、４、５千本程度の単繊維の集合体から成る１条の糸を描くことは不可能なので１本の糸として図示されている。この繊維を集合させて１条の糸にする際の繊維の本数は高強度繊維の種類によって適宜選択することが可能である。また、この多数本の繊維を１条の糸にする際に合成樹脂を含浸させることにより、後段に説明する成形工程が良好に達成される。
【００１５】
以下、発明が解決しようとする課題を説明する。あらゆる製品の生産において、最終的には特定の商品形状に成形して製品化されるための素材であっても、例えば、素材としての鉄板やプラスチック板等は、素材メーカから最終的な製品形状に沿った形や構造で提供されるものは少ない。通常は、板状の素材やコイル状の素材として提供され、それを製品形状に合うように切断してから成形加工して最終製品を得るのが一般的な生産方法である。これは、従来のＦＲＰ成形品においても同様なことが言える。従来技術において、ＦＲＰ素材の製造では、最終的なＦＲＰ成形品の形状や構造を意図して製造されてはいない。例えば、炭素繊維等からＦＲＰ成形品を作る場合には、数千から数万本程度の繊維を１条とした炭素繊維のコイルから１条の炭素繊維を巻き戻し、これから布状の繊維層とし、その繊維層を複数重ね合わせた大きなＦＲＰ素材を作成し、その大きなＦＲＰ素材から必要な形状物を切り出して成形型に合わせてＦＲＰ成形品を製作するものが一般的である。しかしながら、大きな素材から切り出すことにより、当然のように無駄が発生するものであった。また、最終的な成形品が窓等の開口部を備えている場合には、当該開口部は素材から不要な部分として切り取る工程が必要であり、その切取り部分も廃棄されなければならなかった。
【００１６】
さらに、このような布状の繊維層の張り合わせたＦＲＰ素材からの成形品の加工では、複雑な形状の最終製品を得るための素材の設計は簡単ではなかった。例えば、上述のようにある箇所のみに窓孔形状のような開口を形成する場合には布状の繊維層の配置が簡単ではなかった。さらには、ある箇所では他の箇所より繊維の密度を高めて部分的に素材の強度の向上を図り、或いは繊維を積層させて最終製品の設計値として期待される強度を素材の段階で自由に設計することも簡単ではなかった。
【００１７】
そこで、本発明が解決しようとする課題は、如何にして、最終製品又は装置の部品となるＦＲＰ成形品の所望の形状や強度分布に合わせたＦＲＰ素材を提供するかということである。換言すれば、ＦＲＰ成形品の製造において、その素材を製造する段階から、繊維の密度（後段で説明する積層状態を含む）や形状（後段で説明するピッチ、ループ高さを含む）を自由に設定することができるＦＲＰ素材及びその製造方法を提供することである。つまり、本発明の課題は、最終製品又は装置の部品となるＦＲＰ成形品の設計仕様に沿ったＦＲＰ素材を得るために、繊維の密度や形状を自由に設定することができるＦＲＰ素材を提供することである。さらに、本発明の課題は、最終的にはＦＲＰ成形品を製造するためのＦＲＰ素材の製造段階において、最終製品としてのＦＲＰ成形品の形状及び強度を含んだ設計仕様に沿ったＦＲＰ素材及びその製造方法を提供しようとすることである。さらに、本発明の課題は、そのＦＲＰ素材で製造されたＦＲＰ成形品及びその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記の課題を達成するために、請求項１の発明のＦＲＰ素材は、所定形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成し、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されていることを特徴とする。ここで、「連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となる」とは、ＦＲＰ素材の成形の際に、「連続ループ形状の糸の山折り状先端部」が前後左右のいずれの方向にでも自由に移動・変形可能であることを意味する。
【００１９】
請求項２の発明のＦＲＰ素材は、所定形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成し、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成し、前記基材の素材は、溶融処理によって除去され得る素材であることを特徴とする。
【００２０】
請求項３の発明ＦＲＰ素材は、前記基材が熱可塑性合成樹脂により形成されたことを特徴とする。
【００２１】
請求項４の発明のＦＲＰ素材は、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を密に絡ませ、全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状となるように構成したことを特徴とする。
【００２２】
さらに、請求項５の発明のＦＲＰ素材は、最終製品となる部品の形状に近似した所定形状の基材に対して前記高強度繊維からなる糸を前記基材の表裏両表面を覆うように構成したことを特徴とする。
【００２３】
請求項６の発明のＦＲＰ素材の製造方法は、基材の少なくとも一方の表面を覆うようにして高強度繊維からなる糸を前記基材に対して縫い表してＦＲＰ素材を製造する方法であって、
前記基材に対して前記高強度繊維からなる糸を運針により山折り状に縫い表して、該基材の少なくとも一方の表面の略全面を、所望の密度で配置された自由端を有した連続ループ形状を呈した山折り状の糸で覆うようにしたことを特徴とする。
【００２４】
請求項７の発明のＦＲＰ素材の製造方法は、前記高強度を有する繊維からなる糸が、カーボン繊維、ガラス繊維又はケブラー繊維であって、これ等の繊維の集合体であり、前記糸はミシンの針を介して運針され配置されることを特徴とする。
【００２５】
請求項８の発明のＦＲＰ素材の製造方法は、溶融処理によって除去され得る基材の少なくとも一方の表面を覆うように高強度繊維からなる糸を該基材に対して縫い表してＦＲＰ素材を製造する方法であって、
前記基材に対して前記高強度繊維からなる糸を運針により山折り状に縫い表して、該基材の少なくとも一方の表面の略全面を、所望の密度で配置された自由端を有した連続ループ形状を呈した山折り状の糸で覆うようにし、該ＦＲＰ素材の保形状態を維持した上で、溶融処理によって前記基材を除去することを特徴とする。
【００２６】
請求項９の発明のＦＲＰ素材の製造方法は、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を絡み合わせて全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状としたことを特徴とする。
【００２７】
請求項１０の発明のＦＲＰ成形品は、最終製品の部品形状と近似した形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成されており、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されており、成形により前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部が夫々自由な方向に折り曲げられていることを特徴とする。
【００２８】
請求項１１の発明のＦＲＰ成形品は、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を密に絡ませ、全体として所定形状となるように構成したＦＲＰ素材を成形して製造したことを特徴とする。
【００２９】
請求項１２の発明のＦＲＰ成形品の製造方法は、
最終製品の部品形状と近似した形状の基材を準備し、
その基材に対して高強度繊維からなる糸を運針により刺し綴ることにより、前記基材の少なくとも一方の表面を覆うようにして、前記高強度繊維からなる糸を前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成して、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端を構成するように縫い表してＦＲＰ素材を得た後に、
上記ＦＲＰ素材を金型により高圧で高温の養生を行って、前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部を夫々自由な方向に折り曲げて成形することを特徴とする。
【００３０】
請求項１３の発明のＦＲＰ成形品の製造方法は、前記ＦＲＰ素材を金型により成形する段階の前に、前記高強度繊維からなる糸に熱可塑性合成樹脂を含浸させる段階を備えたことを特徴とする。
【００３１】
請求項１４の発明のＦＲＰ成形品の製造方法は、一方の高強度繊維からなる糸と、該一方の糸に隣接する他方の高強度繊維からなる糸を密に絡み合わせ、全体として最終製品の部品形状と近似した所定形状となるように構成したＦＲＰ素材を形成する段階と、そのＦＲＰ素材を金型により高圧で高温の養生を行って成形する段階を備えたことを特徴とする。
【００３２】
請求項１５の発明のＦＲＰ成形品の製造方法は、前記ＦＲＰ素材を金型により成形する段階の前に、前記高強度繊維からなる糸に熱可塑性合成樹脂を含浸させる段階を備えたことを特徴とする。
【００３３】
請求項１６の発明のＦＲＰ成形品は、前記請求項１３〜１６のいずれか１項の製造方法によって製造されたことを特徴とする。
【００３４】
請求項１７の発明のＦＲＰ素材は、該ＦＲＰ素材の基材は予め最終製品の部品としての開口部を備えた所定形状を呈しており、該基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成されており、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されていることを特徴とする。
【００３５】
請求項１８の発明のＦＲＰ成形品は、そのＦＲＰ素材の基材は予め最終製品の部品としての開口部を備えた所定形状の基材に高強度繊維からなる糸を縫い表して、該高強度繊維からなる糸によって前記基材の少なくとも一方の表面を覆うように構成しており、前記基材に対して運針により刺し綴った前記高強度繊維からなる糸は、前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成されており、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端となるように構成されており、成形により前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部が夫々自由な方向に折り曲げられていることを特徴とする最終製品の部品としての開口部を備えたＦＲＰ成形品である。
【００３６】
請求項１９の発明のＦＲＰ成形品の製造方法は、そのＦＲＰ素材の基材として予め最終製品の部品としての開口部を備えた所定形状の基材を準備し、
その基材に対して高強度繊維からなる糸を運針により刺し綴ることにより、前記基材の少なくとも一方の表面を覆うようにして、前記高強度繊維からなる糸を前記基材の前記少なくとも一方の面において山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状を形成して、当該表面側の連続ループ形状の糸の山折り状先端部は自由端を構成するように縫い表してＦＲＰ素材を得た後に、
上記ＦＲＰ素材を金型により高圧で高温の養生を行って、前記連続ループ形状の糸の山折り状先端部を夫々自由な方向に折り曲げて成形する段階を備えたことを特徴とする最終製品の部品としての開口部を備えたＦＲＰ成形品の製造方法である。
【発明の効果】
【００３７】
本発明によれば、所望の形状・構造、特に最終製品の部品として要求される形状・構造に近似した形状・構造のＦＲＰ素材を提供することができるので、材料に極力無駄のないＦＲＰ素材を提供することが可能となる。また、その製造方法においても、多くの工程を経ることなく、簡便で容易な方法を提供することができるものである。
【００３８】
本発明によれば、従来のように、ＦＲＰ素材を製造する際に、クロス（長繊維束の織布）の積層工程を経ずに所定形状の基材に高強度繊維からなる糸を縫い表して成形することができるので、ＦＲＰ素材としてもＦＲＰ成形品としても、その製造工程が簡単となる。
【００３９】
本発明によれば、予め最終製品の部品として要求される所望の形状・構造に近似した基材に対して、高強度繊維からなる糸を運針により刺し綴って構成するＦＲＰ素材であるために、最終製品の部品としてのＦＲＰ成形品の形に応じたＦＲＰ素材を提供することが可能であり、その形状・構造も自由に設計できて、さらに高精度設計が可能となる。
【００４０】
本発明によれば、高強度繊維からなる糸に熱可塑性合成樹脂を含浸させることにより設けたことで、金型による成形時に所定の高温とすることでＦＲＰ素材の形状を金型形状に沿って変形させると共に、合成樹脂の可塑化により成形品の形状を固定することができる。さらに実施例として、基材を熱可塑性合成樹脂として形成すれば、所定の高温とすることでＦＲＰ素材の形状を変形させた後に可塑化して成形させることができる。特に、基材の合成樹脂と親和性の高い合成樹脂を含浸樹脂として選択することにより、成形後の固化がより効果的に達成される。
【００４１】
本発明によれば、基材の素材を溶融処理で除去され得る合成樹脂素材とすることによって、当該溶融処理により基材を除去することで最終製品の部品としてのＦＲＰ成形品の軽量化を図ることができる。この際にも、基材の合成樹脂を繊維に含浸させた樹脂と親和性の高い合成樹脂を選択することにより、金型内での加熱成形時に溶融と同時に高強度繊維への樹脂の含浸が進行して一体化されたＦＲＰ成形品の成形が効果的に可能なものとなる。
【００４２】
本発明によれば、高強度繊維からなる糸を絡み合わせてＦＲＰ素材を形成することで、従来方法のように積層工程を経ずに、直接的にＦＲＰ成形品の形状により成形することができるので、ＦＲＰ成形品の形状・構造に応じたＦＲＰ素材が自由に設計できて高精度設計が可能となると共に、軽量化を図ることができる。この場合においても、高強度繊維からなる糸には合成樹脂を含浸させるのが好ましい。
【００４３】
本発明によれば、運針によって糸を配置することができ、さらに、その糸に熱可塑性合成樹脂を含浸により設けることで、金型内で所定の圧力と高温により成形し、ＦＲＰ素材の形状をＦＲＰ成形品の形状に沿って変形させると共に糸も成形することができる。
【００４４】
本発明によれば、高強度繊維からなる糸の繊維がカーボン織維、ガラス繊維又はケブラー繊維であるで、強度が大きいＦＲＰ成形品を提供することができる。
【００４５】
本発明によれば、ＦＲＰ素材の段階で、最終製品の部品であるＦＲＰ成形品の形状・構造に応じて、例えば、予め最終製品の開口部を形成したＦＲＰ素材等の形状・構造が自由に設計できて、素材としての無駄が省けて高精度設計が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】（Ａ）は本発明の実施例１のＦＲＰ素材の高強度繊維からなる糸の縫い表しを示す概略縦断面図であり、（Ｂ）はその斜視図である。
【図２】（Ａ）は本発明の実施例２のＦＲＰ素材を示す概略縦断面図であり、（Ｂ）はその変形例である。
【図３】本発明の実施例３のＦＲＰ素材を示す概略縦断面図である。
【図４】（Ａ）は本発明の実施例４のＦＲＰ素材の高強度繊維からなる糸の運針状態を示す概略平面図であり、（Ｂ）は針に高強度繊維からなる糸を通した概略図である。
【図５】（Ａ）は本発明の実施例４のＦＲＰ素材の変形例を示す概略平面図であり、（Ｂ）は針に高強度繊維からなる糸を通した概略図である。
【図６】本発明のＦＲＰ成形品の製造工程全体の流れを示す図である。
【図７】同実施例４のＦＲＰ素材の成形工程を含めて示した概略縦断面図であり、引出し図は連続ループ形状の糸が成形される際の概念図である。
【図８】同実施例４のＦＲＰ素材を成形した際の概略正面図である。
【図９】同実施例４のＦＲＰ素材を成形して得られたＦＲＰ成形品の平面図である。
【図１０】（Ａ）は３層の高強度繊維を備えたＦＲＰ素材であり、（Ｂ）はそのＦＲＰ成形品の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４７】
本発明における好適な実施の形態について、添付図面を参照しながら、最初に、ＦＲＰ素材及びその製造方法を説明し、次いで、そのＦＲＰ素材を用いて製造したＦＲＰ成形品及びその製造方法に関して説明する。尚、以下に説明する実施の形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容をその実施形態のみに限定するものではない。また、以下に説明される構成の全てが、本発明の必須要件であるとは限らない。本発明の技術的思想に基づいて当業者が容易になし得る設計変更等の範囲は本発明の発明思想に包含される。
【００４８】
まず、本発明のＦＲＰ素材及びその製造方法についての実施例を説明する。なお、実施例の番号は、ＦＲＰ素材の実施例としての番号である。以下、本発明の各実施例においては、特に限定しない場合には、高強度繊維は炭素繊維を例として説明するが、それを他の高強度繊維からなる糸に変更することは発明力を要せずに可能なものである。
【実施例１】
【００４９】
図１（Ａ）は、本発明のＦＲＰ素材の実施例１を示し、高強度繊維からなる糸６を刺し綴った状態の断面構成を示しており、図１（Ｂ）は、その素材表面の斜視図で、ＦＲＰ素材の表面において、糸６が山折り状に縫い表されて多数列に並んだ連続ループ形状が形成された状態を示している。図１（Ｃ）は、図１（Ａ）の変形例である。
【００５０】
図１中の符号９はＦＲＰ素材全体を示しており、符号５は基材を示す。実施例１のＦＲＰ素材９は、最終製品の部材として利用されるＦＲＰ成形品の形状に近似した形状の基材５を用いており、高強度繊維からなる糸６を基材５の表裏面から、或いは一方の面から運針により刺し綴ったことにより構成するものである。因みに、後述するが、図４（Ａ）は、基材５の一方の面（表面）から運針により刺し綴った構成を示している。基材５の表面及び裏面の両面から運針により刺し綴った構成は、図示していないが、運針の始端８Ａ及び終端８Ｂが２箇所となる。
【００５１】
この実施例１においては、図１（Ａ）に示すように、基材５に対して高強度繊維からなる糸６が山折り状に縫い表されて、基材５の表裏両面５Ａ，５Ｂに連続ループ形状６，６・・・が形成されている。このループ形状６は、運針のピッチがｐで、ループ形状の高さがｈである。一つの連続ループ形状６，６・・・（図１（Ａ）実線）とその隣の連続ループ形状６，６・・・（図１（Ａ）一点鎖線）との間隔はｗである（図１（Ｂ））。
【００５２】
ここで、図を用いて詳細に説明することはしないが、１枚の鉄板からプレス成形により製品（部材）を加工する際に、所定の形状に抜かれた板を製品（部材）形状にプレス加工すると同じ意味合いで、予め、最終製品の部品形状に近似した形状の基材５を準備するものである。例えば、自動車のバンパーを得るためのＦＲＰ成形品を得たいのであれば、最終製品としてのバンパーの形状に近似した基材を準備することになる。これにより、従来のように、例えば織ったカーボンクロス等の大きな素材を切り出して積層した後に、成形して成形品を得るものと比較すると、工程も簡単であり、製造過程において高強度繊維の切りくず等の発生を極力小さくでき、極めて効率的で安価な素材を提供することが可能なものである。
【００５３】
ここで実施例１のＦＲＰ素材９の設計仕様について詳細に説明する。実施例１のＦＲＰ素材９の場合には、成形品の強度に関係してくる仕様は、１条の糸とされる繊維の本数ｎ、運針のピッチｐ、ループ形状の高さｈ、隣接する運針列間の距離ｗ等である。ＦＲＰ素材９の強度設計は、最終製品の部品として要求される強度に合わせて設計される。そして、ＦＲＰ素材９の強度は、ＦＲＰ素材９の表面上の高強度繊維の長さの総計であるから、一つのループ形状を形成する高強度繊維の長さは近似的に２ｈとすれば、ＦＲＰ素材９の強度Ｑ（片面分）は以下のとおりである。従って、両面の強度は２Ｑに比例する。
Ｑ∝ｎ×２ｈ×ρ
但し、ρは、ループ形状の糸６先端の自由端６Ａの数が１ｃｍ２の単位面積当たりに存在する数であり、それを自由端密度と称する。
【００５４】
以上のように、本発明においては、これらの具体的数値の範囲は、製品として必要とされる強度によって、１条の糸とされる繊維の本数ｎ、運針のピッチｐｍｍ、ループ形状の高さｈｍｍ、隣接する運針列間の距離ｗｍｍ、その自由端密度ρ（個／ｃｍ２）が適宜選定される。これ等のＦＲＰ素材９の各設計仕様はＣＡＤ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｄｅｓｉｇｎ）によって設計され決定される。そして、それ等のデータはＣＡＭ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ  Ａｉｄｅｄ  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ）の制御手段に渡されて基材全面に対する運針制御が自動的に行われる。
【００５５】
以上ように、ＦＲＰ素材を成形してＦＲＰ成形品を得た場合の強度は、表面に存在する高強度繊維からなる糸の量に比例し、自由端密度ρ（単位面積当たりの自由端の数）と、１条の糸とされる繊維の本数ｎと、ループ形状の高さｈによって決定される。
【００５６】
つまり、以下の式（１）（２）となる。ここで、ｋは高強度繊維の種類によって相違する定数である。尚、式（１）は基材５の片面にループ形状の糸６先端６Ａの自由端を設けた場合（図１（Ｃ））であり（裏面側に存在する高強度繊維は無視している）、両面に設けた場合（図１（Ａ））は式（２）となる。
ＦＲＰ成形品を得た場合の強度（片面）＝ｋ×ρ×ｎ×２ｈ・・・・・（１）
ＦＲＰ成形品を得た場合の強度（両面）＝２（ｋ×ρ×ｎ×２ｈ）・・（２）
【００５７】
この強度は、基材５の材料、高強度繊維の種類や成形の方法等によっても相違するので、試行錯誤的に実験を行い適当な強度を得るように、上記仕様を選択する必要がある。
【００５８】
次に、本発明の実施例１のＦＲＰ素材の製造工程について説明する。図６は、本発明のＦＲＰ成形品の製造工程全体の流れを示すもので、ＦＲＰ素材の製造工程ということであれば、その内の（ａ）含浸工程及び（ｂ）糸の縫い表し工程である。以下、例えば、ＦＲＰ用繊維として一般的なカーボン繊維を例にして説明すると、カーボン繊維は、いろいろな形態で提供されているが、繊維状で提供される場合には、通常の千本から数万本程度の長繊維束を１本の糸にしてコイル状に巻いたフィラメントとして提供されている。
【００５９】
（糸と基材の準備工程）
そこで、３千本から５千本程度の高強度繊維の束からなる糸６を準備し、その１条の糸６を基材５の合成樹脂と親和性の高い合成樹脂溶液内に通して含浸させ（図６（ａ）工程）、乾燥させてリール等に巻き取っておく（図示なし）。その糸６をミシン針７の針孔７Ａに通す（図４（Ｂ）参照）。次いで、図１に示すように、熱可塑性合成樹脂板や織布、不織布などからなる基材５を準備する。この場合に、基材５の形状は、最終的に得ようとする製品又は部品の形状に合わせた形状とするのが好ましい。つまり、自動車のバンパーを得るための素材であれば、成形前の平板状に展開した形状が望ましく、ドア部分であれば予め窓としての開口部を備えている形状が望ましい。また、最終的な成形品を特定しない汎用性のあるＦＲＰ素材を提供しようとする場合は規格化した寸法・形状の基材５でも良い。これにより、製品メーカはＦＲＰ素材の規格品を購入して所望の形状に成形加工して使用することができ、ＦＲＰ素材提供メーカは大量生産により安価な素材を提供することができる。
【００６０】
（糸の縫い表し工程）
次に、糸の縫い表し工程の前に、最終的に得ようとする製品又は部品に必要とされる強度から、その運針の設計仕様をＣＡＤによって設計する段階が設けられる。そして、そのＣＡＤデータは、ミシンのＣＡＭ制御手段（図示なし）に渡される。このＣＡＤによって運針の仕様を設計する際に、特に炭素繊維の場合には折れ破損に対する考慮が必要である。つまり、炭素繊維は引っ張り強度は強いが曲げ強度には極端に弱く、曲げの曲率が一定以下になると簡単に破談してします。そこで、ＣＡＤ装置においては、炭素繊維の限界ループ径と限界ピッチのデータを入力しておいて、ＣＡＤ設計による仕様指示が夫々の限界値を超えないように制御している。これらの値は、１条を構成する繊維の本数ｎによっても相違するので、ｎと各限界値との相関関係もデータとして保有することが必要である。
【００６１】
このようにして、準備された基材５の一方の表面である表面５Ａ、及び他方の表面である裏面５Ｂにそれぞれ糸６を自動的に縫い表して、表面５Ａ及び裏面５Ｂを覆うように高強度を有する繊維からなる糸６を所望の設計仕様に応じて縫い表して設けることが可能となる。この際に、高強度を有する繊維からなる糸６は、カーボン繊維の他にも、ガラス繊維又はケブラー繊維などが可能であって、これ等の繊維の集合体（繊維束）である。
【００６２】
この高強度繊維からなる糸６には、例えばエポキシ樹脂等の熱可塑性合成樹脂を含浸させて設けると、成形品の成形工程によって良い効果が得られるものである。この場合は、前述の「糸の準備工程」において、糸６に対して、例えばエポキシ樹脂等の熱可塑性合成樹脂の含浸工程（図６の（ａ）工程）を行っても良いし、「糸の縫い表し工程」の際に、糸６に熱可塑性合成樹脂を含浸させながら縫い表し工程を行っても良い（図示なし）。実際の場合には、糸６に対してエポキシ樹脂等の含浸工程（図６の（ａ）工程）を行った後に、エポキシ樹脂等を含浸させた糸６を乾燥して再度コイル状に巻いて、次段の糸の縫い表し工程に用いるのが好ましい。後段の糸６に熱可塑性合成樹脂を含浸させながら縫い表し工程を行う場合には、未乾燥の糸６によって糸の縫い表し工程を実施することとなる。この場合、糸に含浸させる合成樹脂は、基材５を構成する合成樹脂と親和性が高い方が成形後の形状安定性が優れている。
【００６３】
この高強度繊維からなる糸６は、例えばＣＡＭ制御されているミシン（図示せず）を使って刺繍をするように、糸６を針孔７Ａに通した針７（図４（Ｂ）参照）により、基材５に対して針７を刺して、表面５Ａ、裏面５Ｂのいずれの面をも覆うようにその表面５Ａ、裏面５Ｂに縫い表したものである（図４（Ａ）参照）。この刺繍のような針７の縫いは、表面５Ａから裏面５Ｂに差し込んで糸６を通して表し、この後に隣接する箇所で裏面５Ｂから表面５Ａに針７を差し込んで糸６を通して表し、さらに再び進行方向の隣接する箇所において針７を基材５の表面５Ａから裏面５Ｂに差し込んで糸６を通し、これを連続することで、表面５Ａ、裏面５Ｂのそれぞれほぼ全面を所望の密度（所定ピッチｐ，所定列間距離ｗ）で配置された糸６の自由端６Ａを有した連続ループ形状体で覆うようにして（図１（Ｂ）参照）、ＦＲＰ素材９を形成する。尚、この糸６の縫い表しは、表面５Ａ、裏面５Ｂのいずれか一方でもよい（図１（Ｃ）参照）。
【００６４】
そして、糸６を通したミシンの針７の移動である運針方向による糸６の状態は、図１（Ａ）の縦断面図においては、基材５の表面５Ａに対して交差方向、好ましくはほぼ直角方向に糸６を通した針７を入れて表裏同じ細かな針目で縫うように糸６を配置するもので、一方の糸６が表面５Ａから裏面５Ｂ、さらに裏面５Ｂから表面５Ａへ、再び表面５Ａから裏面５Ｂにそれぞれ密集してループ形状が配置される（図１（Ｂ））。なお、図１（Ａ）では糸６が、基材５内を斜めに縫われた状態で図示されているが、実際の製造工程では、糸６は略垂直方向に縫われる。
【００６５】
また、ここで図示による説明はしていないが、成形品として必要な強度に応じた運針のピッチｐ、ループ形状の高さｈ、隣接する運針列間の距離ｗ等の変更はＣＡＤによって適宜変更することにより、図示していないミシンのＣＡＭ制御により自由に変更可能なものであることは説明を待たない。
【実施例２】
【００６６】
以下に、本発明のＦＲＰ素材の別の実施例について説明する。尚、前記実施例１と同一部分には同一符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
図２は、本発明のＦＲＰ素材の実施例２を示しており、実施例１において、基材５は最終製品としてのＦＲＰ成形品としても残るものであったが、実施例２においては、基材５′は最終製品が製造されるまでの何れかの製造過程において取り除かれるものである。従って、図面としては、基材５′が何れかのタイミングで取り除かれる材料により構成されているとする点以外は、図２（Ａ）と図１（Ａ）とは同じである。
【００６８】
このように、実施例２のＦＲＰ素材においては、基材５′は最終製品が製造されるまでの何れかの製造過程において取り除かれるものであるから、実施例１の基材５と素材としても同一である必要がなく、成形工程に入るまで一時的に高強度繊維からなる糸６の連続ループ形状を維持すればよいのであるから、例えば、その厚さにおいても図２（Ｂ）に示すように、薄い基材５′を用いることも可能である。
【００６９】
したがって、実施例２のＦＲＰ素材の製造方法は、実施例１と実質的に同じく、「糸と基材の準備工程」及び「糸の縫い表し工程」から成る。
【実施例３】
【００７０】
図３は、本発明のＦＲＰ素材の実施例３を示しており、この実施例３においては実施例１の基材５或いは実施例２の基材５′を用いずに、編み機（図示せず）を用いて毛糸を編むように、一方の高強度繊維からなる糸６と隣接する他方の高強度繊維からなる糸６を密に絡ませて所定形状のＦＲＰ素材９′′を形成したものである。尚、図３は、糸６相互を密ではなく、粗にした状態を示している。
【００７１】
つまり、実施例３のＦＲＰ素材の製造工程は、「糸の準備工程」に続いて「糸の編み工程」となる。そして、この「糸の準備工程」において、糸６に対して、例えばエポキシ樹脂等の熱可塑性合成樹脂の「含浸工程」を行っても良いし、「糸の編み工程」の際に、糸６に熱可塑性合成樹脂を含浸させながら編み工程を行っても良い。特に、糸６に熱可塑性合成樹脂を含浸させながら編み工程を行うことにより、素材全体としての保形作用を向上させることができる。
【００７２】
以上のように、この実施例３においては、当初より実施例１，２における基材５，５′がないので、その分の工程が不要となり、ＦＲＰ素材さらにＦＲＰ成形品の軽量化、薄肉化を図ることができる。
【実施例４】
【００７３】
図４（Ａ）は、本発明のＦＲＰ素材の実施例４を示している。図４中の符号５は熱可塑性合成樹脂板や織布、不織布などからなる基材５を示し、最終製品又は部品に備えられている窓孔４が予め形成されて、最終的なＦＲＰ成形品に近似した形状を呈しているものである。つまり、図４（Ａ）に示す基材５は、平面形状が全体的に四角形を成した板状体のＦＲＰ素材９の基礎となるものであって、その下部が矩形部２を呈しており、上部３には製品となった際には窓孔として利用される開口部４が予め形成されている。具体的に、製品としては、自動車のドア部材や鉄道車両の側壁面や航空機の胴体部分を念頭においたＦＲＰ素材９である。
【００７４】
本実施例４のＦＲＰ素材９は、このようなＦＲＰ素材９と実質的に同一形状の基材５の表面５Ａ及び裏面５Ｂから、高強度を有する繊維からなる糸６を運針により所望の密度で刺し綴っているものである。その際に、運針により刺し綴った高強度繊維からなる糸６は、基材５の表裏面夫々において多数列に並んだ連続ループ形状体を形成する（図１（Ｂ）参照）。表面５Ａ側のループ形状の糸６は表面５Ａに沿って折れ曲がってその先端６Ａは自由端となり、同様に、裏面５Ｂ側のループ形状の糸６は裏面５Ｂに沿って折れ曲がってその先端６Ａは自由端となっている。このように、本実施例のＦＲＰ素材９は、その基材５の表裏両面に多数の先端に自由端を有した高強度繊維からなる糸６の連続ループ形状を形成している。
【００７５】
糸６を通した針７の移動である運針方向８は、前述したＣＡＤによって設計仕様が決定され、ＣＡＭによって自動的に制御されるが、例えば図４（Ａ）に示すように、基材５の矩形部２の隅を始端８Ａとし、矩形部２を左右に往復しながら上方へ移動して指し綴るようにする。そして基材５の上部３においては、針７を引き続き縁に沿って運針方向８の終端８Ｂとすることで、基材５を構成する下部である矩形部２から上部３までを一筆書きのように連続した高強度繊維の束からなる１本の糸６のループ形状で覆うようにすることが可能である。勿論、基材５の下部矩形部２から上部３までを一筆書きで指し綴るか、下部矩形部２と上部３を別々に指し綴るかは、本発明としての必須の構成要件ではない。運針の方向は、例えば、図１（Ｂ）に示すように平行にしても良いし、それを直行させても良い。
【００７６】
図５（Ａ）は、本発明のＦＲＰ素材の実施例４の変形例を示しており、この変形実施例４においては実施例１の糸６の運針方向８において、密の箇所８Ｃと粗の箇所８Ｄと箇所を形成したものである。このように運針方向８の状態を制御することにより、糸の密度の密粗に伴ってＦＲＰ素材の部分的な強度の調整を行うことができる。
【００７７】
このように実施例４では、最終的なＦＲＰ成形品として利用される形状に近似した成形前の段階の形状をした基材５に対して、高強度繊維からなる糸６を基材５の表裏から或いは一方から運針により刺し綴ったＦＲＰ素材を提供しようとするものであり、従来のように大きな素材或いは基材から切り出し、成形して成形品を得るものと比較すると、製造工程も簡略化され、製造過程において切りくず等が全く発生せず、極めて効率的で安価な素材を提供することが可能なものである。
【００７８】
つまり、実施例４のＦＲＰ素材の製造工程は、「糸と基材の準備工程」に続いて「糸の縫い表し工程」となる。そして、この「糸の準備工程」において、糸６に対して、例えばエポキシ樹脂等の熱可塑性合成樹脂の「含浸工程」を行っても良いし、「糸の縫い表し工程」の際に、糸６に熱可塑性合成樹脂を含浸させながら縫い表し工程を行っても良い。
【００７９】
（ＦＲＰ成形品とその製造方法）
次に、ＦＲＰ成形品とその製造方法について図６（工程全体の流れ）及び図７（成形・養生工程）を用いて説明する。図８〜１０はカーボン繊維、ガラス繊維或いはケブラー繊維等をプラスチックで固めて成形したＦＲＰ成形品１の完成品を示しており、このＦＲＰ成形品１は板状であって、その下部が矩形部２で上部３が一体に設けられており、この上部３には縁に沿って開口した窓孔４が形成されたものであり、さらに一点鎖線で示すように上側の内側がやや図３において前方へ盛り上がっているものを示している。
【００８０】
本発明のＦＲＰ成形品が、特に自動車用部品、例えば、車体、ボンネット、バンパー、トランクカバー、ドア等の外層の部品から、シート等の内装品にも適用が可能なものである。この場合には、本発明を夫々の部品に適用するために、新しい発明が生まれ得るものの、最終的な成形品の形状に近似した形状の基材に対して高強度繊維からなる糸を縫い表してＦＲＰ素材を用意し、或いは基材を用いずに最終的な成形品の形状に近似した形状のＦＲＰ素材を用意し、それを成形して最終的なＦＲＰ成形品を得るという、本発明の基本的な技術思想は共通するものである。
【００８１】
（ＦＲＰ素材の製造工程としての第１工程）
次に、ＦＲＰ成形品の製造工程について説明する。図６の（ａ）及び（ｂ）に示す工程は、ＦＲＰ素材そのものの製造工程であるが、ＦＲＰ素材からの連続した製造であれば連続的に実施することも可能である。つまり、前述したとおり、「糸と基材の準備工程」と、それに続く「糸の縫い表し工程」はｍ成形工程の前段階としての第１工程であり、その第１工程では、熱可塑性合成樹脂板や織布、不織布などからなる基材５には、予め窓孔４が形成されている。そして、この基材５の一方の表面である表面５Ａ及び他方の表面である裏面５Ｂにそれぞれ表して表面５Ａ及び裏面５Ｂを覆うように高強度を有する繊維からなる糸６を表して設ける。高強度を有する繊維からなる糸６は、カーボン繊維、ガラス繊維又はケブラー繊維などである。更に、例えば、エポキシ樹脂等の熱可塑性合成樹脂を含浸させる工程を設けてもよいものである。この「含浸工程」は「糸の準備工程」と共に行っても良いし、「糸の縫い表し工程」の前段に行っても良い。
【００８２】
（ＦＲＰ成形品の成形工程としての第２工程）
図６に示す後段の工程では、ＦＲＰ素材製造工程としての第１工程で製造されたＦＲＰ素材９（或いは、全くの別工程として製造されたＦＲＰ素材９）を、対向して接離可能な一対の金型１０Ａ，１０Ｂ間に配置し、型閉後にＦＲＰ素材９に常法とおりの高圧で高温の養生を行って成形を行う。この際、高圧で高温の環境下にあって基材５の成分である熱可塑性合成樹脂及び糸に含浸させた熱可塑性合成樹脂が軟化して変形し、金型形状に沿って成形される。そしてその後に冷却されることでその変形した状態で硬化され、ＦＲＰ成形品として金型１０Ａ，１０Ｂから取り出される。この実施例では、図７の金型の断面形状に沿う如く、図８に示すように、例えば自動車のドア形状の如く、一点鎖線を境界として上側の内側がやや前方へ盛り上がって成形される。
【００８３】
この成形の際、基材５に対して表面５Ａ側のループ形状の糸６は、図７の引き出し拡大図に示すように、表面５Ａにおいて折り曲げられて表面５Ａに沿うように変形する。その際、先端６Ａは自由端となって金型内を自由に移動し、ループ形状は前後左右の各々ランダムの方向に曲げられる。同様に、裏面５Ｂ側のループ形状の糸６は、引き出し拡大図による図示はないが、裏面５Ｂにおいても折り曲げられて裏面５Ｂに沿うように、表面５Ａと同様に変形する。このように金型による成形の際に、ループ形状６の先端６Ａが自由端となることが重要である。このため、金型１０Ａ，１０Ｂ間にＦＲＰ素材９を収納し、そして型締め時において、ループ形状の糸６の自由端である先端６Ａが金型１０Ａのキャビティ面１１に沿って摺動して外側の糸６の先端６Ａ側が前後左右の各々自由な方向に変形することで、成形における型抵抗の低減を図ることができる。また、各々のループ形状６の先端６Ａが自由な方向に移動して変形するために、ＦＲＰ成形品全体に均一な高強度繊維の分布が達成できる。図９は図４及び５に対応したＦＲＰ成形品１を示しており、第２工程の成形・養生工程（図７）で成形したことで、隣接するループ形状の列の糸６，６が前後左右のランダムな方向に曲げられて成形され、隣接する列間の幅方向の隙間は埋められて、高強度繊維からなる糸６の連続ループ形状が基材５の表面５Ａ及び裏面５Ｂの全面を均一に覆って強固に一体化されている（図９参照）。
【００８４】
以上のように、この実施例においては、基材５の表面５Ａ、裏面５Ｂの全面を覆うように高強度を有する繊維からなる糸６を基材５に刺し綴って設けた後、この繊維が刺し綴られたＦＲＰ素材９を高圧で高温の養生を行って成形する製造方法及びそのＦＲＰ成形品１においては、製造途中で無裁断、無接着、無積層となり、それ等の工程が不要となり、ＦＲＰ成形品１の形が自由に設計できて高精度設計が可能となる。また、カーボン繊維、ガラス繊維、又はケブラー繊維などの超軽量、高剛性、高シールド性、衝突安全性、高衝撃吸収性、引張性、高伸度などの特性を損なわない。しかも、高強度繊維からなる糸の運針をＣＡＤによって設計し、そのデータに基づいてＣＡＭ制御するために、運針方向８をコンピュータを備えた運針駆動制御手段（図示せず）と連動することにより、多品種、小ロット化などにも対応することが容易となり、低コスト化を図れる。
【００８５】
さらに、基材５に対して表面５Ａ側の糸６は表面５Ａに山折り状となって外側に突設し、その先端６Ａは自由端となり、同様に裏面５Ｂ側の糸６は裏面５Ｂにおいて山折り状となって外側に突設してその先端６Ａは自由端となっており、このため、金型１０にＦＲＰ素材９を収納し、そして型締め時において、自由端である先端６Ａが金型１０Ａ，１０Ｂのキャビティ面１１に沿って前後左右の自由な方向に摺動して移動可能となることで、成形における型抵抗の低減を図ることができ、この結果、金型１０Ａ，１０Ｂによる絞り加工が容易になったり、曲面曲げなど成形する形状の自由度が向上できる。
【００８６】
（基材取り除き工程としての中間工程）
次に、実施例２のＦＲＰ素材９′を用いたＦＲＰ製品の製造方法を説明する。実施例２のＦＲＰ素材９′を用いたＦＲＰ製品の製造方法は、実施例１又は実施例４のＦＲＰ素材９を用いたＦＲＰ製品の製造方法と比較すると、実施例１又は実施例４の第１工程（ＦＲＰ素材製造工程の第１工程としての糸の縫い表し工程）と第２工程（ＦＲＰ成形品の第２工程としての成形・養生工程）との間、或いは第２工程の成形・養生工程中に、溶融処理による基材取り除き工程としての中間工程を設けたものである。この中間工程である基材取り除き工程では、基材５′を取り除くものである。この基材５′の取り除き工程には、いくつかの方法が考えられる。
【００８７】
その一つは、実施例１のＦＲＰ素材９を用いたＦＲＰ製品の製造方法の第２工程である養生処理の後に、例えば基材５′を溶かす溶剤中にＦＲＰ素材９′を浸漬して、溶解によって基材５′を取り除き、この後ＦＲＰ素材９′を、保形状態を維持して水洗した後、ＦＲＰ成形品として完成させるものである。そして、他にも、実施例２のＦＲＰ素材９′を、所定の金型により仮成形をした後に、溶解によって基材５′を取り除き、糸６のみから成るＦＲＰ素材９′の保形状態を維持しておき、その後に、別工程により前述の実施例１の第２工程と同様な工程によって成形を行うことも可能である。
【００８８】
いずれにしても、以上のようにこの実施例においては、中間工程では、基材５′を取り除くことで、その分の重量を削減でき、ＦＲＰ成形品１′の軽量化、薄肉化を図ることができる。
【００８９】
次に、実施例３のＦＲＰ素材９′′を用いたＦＲＰ製品の製造方法を説明する。実施例３のＦＲＰ素材９′′は、実施例１の基材５或いは実施例２の基材５′を用いずに、編み機（図示せず）を用いて毛糸を編むように、一方の高強度繊維からなる糸６と隣接する他方の高強度繊維からなる糸６を密に絡ませて所定形状のＦＲＰ素材９′′を形成し、そしてこのＦＲＰ素材９′′を実施例１の第２工程と同様に成形するものである。この実施例においても、ＣＡＤによって設計され、ＣＡＭによって編み機を制御して所定形状のＦＲＰ素材９′′を形成することが可能である。
【００９０】
以上のように、この実施例においては、当初より実施例１における基材５又は実施例２における基材５′がないので、その分の工程が不要となり、さらにＦＲＰ成形品の軽量化、薄肉化を図ることができる。
【００９１】
図１０は、３層の高強度繊維を備えたＦＲＰ素材（図１０（Ａ））及びＦＲＰ成形品（図１０（Ｂ））の概略図である。
【００９２】
図１０（Ａ）に示すように、３層の高強度繊維を備えたＦＲＰ素材９０は、基材５に対して、３つのループ形状高さｈ１，ｈ２及びｈ３を有した山折り状のループ形状６１，６２及び６３を備えている。３つのループ形状高さを有した高強度繊維からなる糸６１，６２及び６３が、夫々山折り状に縫い表されて、基材５の表裏両面５Ａ，５Ｂに連続ループ形状が形成されている。この場合には、例えば、ループ形状高さｈ１の一列目の連続ループ形状６１，６１・・・（図１０（Ａ）実線）が配置され、その隣にはループ形状高さｈ２の二列目の連続ループ形状６２，６２・・・（図１０（Ａ）一点鎖線）が配置され、更にその隣にはループ形状高さｈ３の三列目の連続ループ形状６３，６３・・・（図１０（Ａ）二点鎖線）が配置されている。夫々の列の間隔はｗである。
【００９３】
このＦＲＰ素材９０を、前述と同様の成形・養生工程によって成形すると、図１０（Ｂ）で示すように、あたかも３層の高強度繊維を備えたＦＲＰ成形品が得られるものである。
【００９４】
特に、このように３層の高強度繊維を備えたＦＲＰ素材の場合の運針の方向は、全てを平行状態に保つのではなく、各運針の方向を１２０度交差させて準じ縫い表すことが均一な強度を得るのに有利となる。図示はしないが、例えば、ループ形状高さｈ１の連続ループ形状６１，６１・・・を配置し、それに続いて１２０度交差した方向にはループ形状高さｈ２の連続ループ形状６２，６２・・・を配置し、更に１２０度傾斜して交差させてループ形状高さｈ３の連続ループ形状６３，６３・・・を配置する。これにより、異なったループ形状高さの連続ループ形状がＦＲＰ素材全面に均一に形成することができる。
【００９５】
この交差の角度はＣＡＤにより自由に設計できるものである。例えば水平方向、垂直方向及びそれ等に４５度で交差する方向とすることも可能である。また、層数も３層に限るものではなく、２層でも、４層以上でも良い。多層（ｎ層）の積層素材を得る場合には、各運針の交差の角度を３６０／ｎとしてランダムに運針させることも良い。
【００９６】
このように、運針方向を平行とする以外の技術は、当然に、ループ形状高さが等しい１種類の連続ループ形状を配置する場合（図１参照）にも適用され得ることは説明を待つまでもない。
【００９７】
以上のように、本発明に係るＦＲＰ成形品の製造方法及びＦＲＰ成形品は、日用品、家電製品から自動車、さらには飛行機などあらゆる産業に利用することができる。
【符号の説明】
【００９８】
１  ＦＲＰ成形品
５  基材
５Ａ  表面
６  糸
７  針
８  運針方向
９  ＦＲＰ素材
【図１】
2010280212.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010280212.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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