(57)【要約】【課題】従来のＲＴＭ成形に於いてコストアップの要因となっていた外周部分のトリム加工が簡便に実施でき、且つ製品外周部の強度低下が小さい繊維強化プラスチック成形体を得る。【解決手段】少なくとも強化繊維のみからなる第１の基材と、強化繊維に予め樹脂を含浸させた第２の基材とから構成され、第２の基材が第１の基材の外周部の少なくとも一部に配置されてなるとともに、第２の基材の厚みが第１の基材の厚みより厚いことを特徴とするプリフォーム。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも強化繊維のみからなる第１の基材と、強化繊維に予め樹脂を含浸させた第２の基材とから構成され、第２の基材が第１の基材の外周部の少なくとも一部に配置されてなるとともに、第２の基材の厚みが第１の基材の厚みより厚いことを特徴とするプリフォーム。
【請求項２】
前記第２の基材の厚みが、前記第１の基材の厚みの１．５倍以下であることを特徴とする請求項１に記載のプリフォーム。
【請求項３】
強化繊維のみからなる第１の基材の外周部の少なくとも一部に、強化繊維に予め樹脂を含浸させた第２の基材を配置したプリフォームを構成し、該プリフォームを金型のキャビティ内に収納した後、樹脂を注入・硬化させることを特徴とする、繊維強化プラスチックの成型方法。
【請求項４】
第２の基材が配置された該プリフォームの高さが、該金型のキャビティの高さより高いことを特徴とする請求項３に記載の繊維強化プラスチックの成型方法。
【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（ＦＲＰ）を成型するためのプリフォームおよび繊維強化プラスチックの成型方法に関する。特にプリフォームを予め成型型のキャビティにセットした後に液状の樹脂を注入するＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）成型に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック、特に炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は軽量且つ高い機械的特性を持つ複合材料として様々な分野で利用されている。特に自動車分野は燃費向上の点からも車体の軽量化要求が高まり、ＣＦＲＰが利用されつつある。ＦＲＰの成型方法の一つとして成形型のキャビティ内に予め強化繊維基材配置し、型締め後、液状のマトリックス樹脂を注入し、強化繊維基材に含浸・加熱硬化させるＲＴＭ成型法が知られている。ＲＴＭ成型法はＣＦＲＰの特徴である軽量且つ高い機械的特性を効果的に発現し、且つ樹脂注入前に予めキャビティ内を減圧状態にすることで、成型表面にピンホールなどの欠陥が少ない、良好な外観を併せ持つことができる。従って、外観品位の要求レベルが高い自動車用途では、有効な成型方法の一つである。
【０００３】
しかしながら成形後の後加工として得られた成形体の外縁の不要部分を切り落とすトリム加工が必要となり、ウォータジェット加工やＮＣルーター加工などの手法を用いることから、コストの大幅な増加をもたらしていた。特にＣＦＲＰは強化繊維が固いことから、加工速度を上げることができず、また、機械加工用工具の摩耗が著しく早いなど、コストアップの大きな要因となっている。
【０００４】
このようなコストアップをもたらすトリム加工を省略するために、製品となる形状に出来るだけ近い強化繊維基材の形状（ニヤネットシェイプ）を得ようとして、強化繊維の基材の賦形に関する提案が種々なされている。しかしながら、ＲＴＭ成型法においてトリム加工を省略しようとすると、所定の製品形状より小さ目に賦形されたプリフォームを用意し、金型のキャビティからプリフォームがはみ出さないよう配置することが必要になる。このような成型方法では製品の外周部分に強化繊維を含まないマトリックス樹脂のみで構成される部分が生じるために、中央部分との熱膨張差から外周部分が欠けるなどの不具合を生じる。
【０００５】
これに対して、強化繊維基材の外周部にトリム加工しやすい基材を配置する提案がなされている。
【０００６】
例えば本体部と本体部外周の縁から外方向に延びるバリ成形部とから成り、バリ成形部を本体より強度が低く、薄い材料でプリフォーム（前駆体）を構成することが提案されている（特許文献１）。
【０００７】
しかしながら、上記のような従来の方法では、成形直後に製品外周部が欠けることはなくなるものの、製品の外周に強度の低い部分が生じることになる。例えば図１に示す自動車用のルーフを従来の方法で製作した場合、製品外周部の取付孔を加工した際に外周部が欠ける問題を生じることが多い。
【特許文献１】特開２００６−１８８０５０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで本発明の課題は、上述する従来のプリフォームおよび繊維強プラスチックの成型方法の問題点を克服し、軽量かつ機械的強度が高く、良好な外観を確保しながら、トリム加工を簡単に行うことができ、外周部分の強度が製品中央部分と同等となる、プリフォームおよび繊維強化プラスチックの成型方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するために本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）少なくとも強化繊維のみからなる第１の基材と、強化繊維に予め樹脂を含浸させた第２の基材とから構成され、第２の基材が第１の基材の外周部の少なくとも一部に配置されてなるとともに、第２の基材の厚みが第１の基材の厚みより厚いことを特徴とするプリフォーム。
（２）前記第２の基材の厚みが、前記第１の基材の厚みの１．５倍以下であることを特徴とする（１）に記載のプリフォーム。
（３）強化繊維のみからなる第１の基材の外周部の少なくとも一部に、強化繊維に予め樹脂を含浸させた第２の基材を配置したプリフォームを構成し、該プリフォームを金型のキャビティ内に収納した後、樹脂を注入・硬化させることを特徴とする、繊維強化プラスチックの成型方法。
（４）第２の基材が配置された該プリフォームの高さが、該金型のキャビティの高さより高いことを特徴とする（３）に記載の繊維強化プラスチックの成型方法。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、軽量かつ機械的強度が高く、良好な外観を確保しながら、トリム加工を簡単に行うことができ、外周部分の強度が製品中央部分と同等となる、プリフォームおよび繊維強化プラスチックの成型方法を提供することができる。
【００１１】
具体的には、型締め時に第２の基材を押し潰す際、第２の基材に含まれる樹脂は半硬化の状態になっているため粘度が高いことから、補強基材と樹脂が一緒に流動し、強度の高い外周部分を構成することができる。この時点では製品内側には樹脂が含浸していないため空間が残り、第２基材の内余剰部分は、上下型の合わせ面より抵抗の低い製品内部側に流動するため、補強繊維を含む強固なバリは殆ど発生しない。このように外周部の形状が形作られた後、粘度の低い液状樹脂を注入するので、製品の大部分はピンホールの少ない外観のきれいな成型品を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の望ましい実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
本発明におけるプリフォームとは強化繊維基材を積層・一体化し、成形する形状に概ね賦形した形態を指す。図２、図３に本発明の代表的な実施例を示す。
【００１４】
強化繊維としては、例えば炭素繊維、ガラス繊維などの無機繊維、あるいはアラミド繊維、ポリエチレン繊維などの有機繊維が挙げられるが、軽量で機械的強度が高いことから炭素繊維が好ましい。また、耐衝撃性向上や成型時の含浸性向上、表面意匠性の向上などを目的に、他の繊維と合わせて使用することも可能である。
【００１５】
第１の基材は成形体の主構造をなすものであり、強度の面から連続繊維で形成されていることが好ましく、たとえは織物などを選択することが出来る。織物を使用する場合、織り構成は特に制限されるものではない。平織りや朱子織り、綾織りはもちろんのこと、一方向織物やノンクリンプクロスなどが適宜選択できるが、クリア塗装で織り目を製品表面に見せる場合には平織りまたは綾織りを用いると意匠性が高くなる。また、朱子織りや綾織りはドレープ性が良いため、深さの深い３次元形状を成形する場合に使用すると良い。織物以外にも一方向に引き揃えた補強繊維をバインダーやステッチで合わせた基材なども使用できる。
【００１６】
第１の基材は樹脂を含浸していないため、各層はバインダーやステッチなどで一体化しておくことが好ましい。バインダーとしては熱可塑樹脂系、熱硬化樹脂系やこれらを合わせた材料、あるいはスプレー状の糊など種々の材料が選択できる。ステッチ用の糸も特に限定されるものではないが、応力集中による強度低下を防ぐために出来るだけ細い糸を使用することが好ましい。例外的に平板などの単純形状を成形する場合には一体していなくても成形可能である。
【００１７】
第１の基材の積層構成も特に制限されることはなく、成型品に加わる力の方向や大きさに合わせて適宜配向させることができる。
【００１８】
第２の基材は成形体の外周部分を構成する材料であり、第１の基材に比べると強度が低くても良い。例えば２．５ｃｍ（１インチ）程度の長さにカットした補強繊維を用いることも可能である。当然第１の基材と同じように連続繊維を用いることも可能である。
【００１９】
また、予め樹脂含浸を済ませていた材料であり、一方向プリプレグやクロスプリプレグ、ＳＭＣ（シートモールディングコンパウンド）などが選択できる。含浸しておく樹脂材料は成型品の物性面からエポキシ樹脂が好ましいが、不飽和ポリエステル樹脂やビニルエステル樹脂、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂も選択することができる。また、この樹脂は第１の基材に注入する樹脂と同じ種類の樹脂を選択することが好ましい。第１の基材に注入する樹脂と第２の基材に予め含浸した樹脂は全く同じ組成である必要はないが、互いの反応を阻害しないことが大切である。違った種類の樹脂材料を選択する場合には、第２の基材に含浸した樹脂材料の硬化反応が終わった後で第１の基材に樹脂を注入する必要があり、成形サイクルが長くなる。
【００２０】
次に第１の基材と第２の基材の位置関係は、図２および図３に示すように第１の基材の外周部の少なくとも一部に第２の基材を配置させる。このとき、第１の基材と第２の基材は一部重なり合うように積層すると２つの基材のつなぎ目の強度が高くなり好ましい。
【００２１】
第１の基材は、成型品の寸法に合うよう金型のキャビティの厚みとほぼ同等の厚みになるように積層することが好ましい。第１の基材の厚みが金型のキャビティの厚みより薄い場合には、厚み方向に対して含浸させる樹脂層の厚みにムラが生じ、局所的に剛性の弱い部分が生じるおそれがある。また、厚過ぎる場合には、第１の基材にシワ等が生じてしまい、外観面に凹凸を生じさせたりするおそれがある。
【００２２】
また、第２の基材を積層した部分は、その厚みが金型のキャビティより厚くなっていることが好ましい。プリフォームを金型のキャビティ内に納めるには、キャビティの開口面積に対して小さめにプリフォームを作っておく必要がある。つまり、キャビティの外周部分とプリフォームの外周部分には若干の隙間を生じさせておき、金型を閉じる際に第２の基材が押し潰されることによって、キャビティの外周部とプリフォームの外周部とが、ぴったり一致するのである。このとき第２の基材の厚みはキャビティの厚みに対し１１０％から１５０％の範囲が好ましい。第２の基材の厚みが厚すぎると、内側に押し広げられた第２の基材によって第１の基材が蛇行してしまうことがある。
【００２３】
また、金型の端部から樹脂を注入する場合には、図４の様に第２の基材を配置しない部分を設けても良い。第２の基材を配置しない部分は従来のように端部強度が低くなっているので、強度を必要としない部分を選択する必要がある。
【実施例】
【００２４】
以下、実施例に基づいてさらに詳細に説明する。
【００２５】
各実施例、比較例においては、キャビティ寸法が縦１０００ｍｍ、横１０００ｍｍ厚み１．４ｍｍの金型と同じキャビティを持つプリフォーム用樹脂型を使用し平板を成形した。
【００２６】
材料として、第１の基材には引張強さ４．９ＧＰａのＰＡＮ系炭素繊維を目付２００ｇ／ｍ２に平織りした織物、第２の基材には第１の基材と同じ炭素繊維を目付２００ｇ／ｍ２で一方向に広げた状態で汎用プリプレグ用エポキシ樹脂を含浸した重量樹脂含有率３３％のプリプレグ、第１の基材に注入するマトリックス樹脂としてはＲＴＭ成形用に調合された低粘度エポキシ樹脂を用いた。また、第１の基材に用いる炭素繊維織物には予め熱可塑性樹脂を主成分とする融点７１℃のバインダーを付与しておいた。
【００２７】
これらの材料を用いて以下の方法で成型した。
【００２８】
（実施例１）
まず、第２の基材に使用するプリプレグを繊維方向に沿って幅１３ｍｍに裁断し、プリフォーム型の外周部沿って積層した。次に同じプリプレグを幅８ｍｍに裁断して、１層目と同様にプリフォーム型の外周に沿って積層した。次に第１の基材に使用する炭素繊維織物を９８２ｍｍ角の寸法に裁断し、第２の基材の２層目の内側に積層した。次に第２の基材の１層目と同様に３層目を裁断・積層し、第１の基材の炭素繊維織物を９６９ｍｍ角に裁断して第２の基材の３層目の内側に積層した。このとき、下の炭素繊維織物とバインダーが溶着するように軽くアイロンで圧着した。
【００２９】
以下、８ｍｍ幅の第２の基材と９７９ｍｍ角の第１の基材、１３ｍｍ幅の第２の基材と９６９ｍｍ角の第１の基材、８ｍｍ幅の第２の基材と９７９ｍｍ角の第１の基材の順で積層を繰り返し、さらに、１３ｍｍ幅の第２の基材を積層した後、最後に９９５ｍｍ×１００５ｍｍの寸法に裁断した炭素繊維織物を積層した。このように積層したプリフォームは図２，図３に示す形態であり、これをプリフォーム型から取り外し、厚みをマイクロメータで測定したところ、第２の基材を配置した外周部分は１．５５ｍｍであった。また、Ｕ字型マイクロメータで第１の基材が積層された部分の厚みを測定すると１．３８ｍｍであった。
【００３０】
このプリフォームを１００℃に加熱した金型にセットした。セットした状態を図５に示す。このとき一番上の炭素繊維織物が金型のフィルムゲート部分（０．５ｍｍ厚）にはみ出した状態であり、このまま上型を閉じた。次に金型の樹脂注入口と樹脂吸引口にホースを接続し、まず樹脂吸引側からキャビティ内の空気を吸引した。この状態で３分間放置した後、樹脂注入側からＲＴＭ用低粘度エポキシ樹脂を市販の樹脂注入装置で注入した。
【００３１】
樹脂注入開始後、１分で樹脂吸引口から樹脂が排出され始めたので、バイスクリップで排出側ホースを閉じ、２０秒間保圧した後、再度樹脂を排出する操作を５回繰り返し、最後に排出側、注入側双方をバイスクリップで閉じた。この状態４０分間放置し、樹脂を硬化させた後、上型を開いて成形体を取り出した。
【００３２】
成型品を観察するとフィルムゲートには炭素繊維織物１枚が入っているが、ゲートの無い辺は薄い樹脂バリが付いているだけであった。また、外観上繊維の著しい乱れはなく、製品端部も炭素繊維の入っていることを示す黒い色を呈しており、きれいに仕上がっていた。
【００３３】
フィルムゲートは棒状の金属ヤスリを用いて３０秒で取り去ることが出来、薄い樹脂バリは１０秒で取り去ることが出来た。さらに成形体の端から５ｍｍの位置に直径７ｍｍの孔をハンドドリルで開けたが、きれいに加工することが出来た。
【００３４】
（実施例２）
実施例１と同様に成形を行った。ただし、最初に１３ｍｍ幅の第２の基材を積層する際、一度に４枚積層し、積層後の外周部分の厚みは２．１５ｍｍであった。
この成形体を観察すると、第１の基材と第２の基材の境界付近の繊維が蛇行しており、表面にもうねりが生じていた。
【００３５】
（比較例１）
実施例１と同様に成形を行った。ただし、最初の１３ｍｍ幅の第２の基材を省略して積層し、積層後の外周部分の厚みは１．３５ｍｍであった。
【００３６】
この成形体を観察すると、成型品の端部に気泡が生じていた。
【００３７】
（比較例２）
第１の基材に使用する炭素繊維織物を９９５ｍｍ角の寸法に５枚裁断し、プリフォーム型に積層した。このとき、下の炭素繊維織物とバインダーが溶着するように１層毎に軽くアイロンで圧着した。次に９９５ｍｍ×１００５ｍｍの寸法に裁断した炭素繊維織物を積層し、同様にアイロンで圧着した。このように積層したプリフォームをプリフォーム型から取り外し、厚みをＵ字型マイクロメータで測定したところ、１．３６ｍｍであった。
【００３８】
このプリフォームを実施例１と同様に成形した後、成型品を観察したところ、製品端部の樹脂のみの色を呈している部分が見られた。また、実施例１と同様に棒状の金属ヤスリで樹脂バリを取り除く作業を行ったところ、樹脂のみの色を呈している部分が欠けてしまった。
【００３９】
（比較例３）
比較例２と同様に炭素繊維織物５枚を積層した後、プリフォーム型の隙間から外側にはみ出すように目付３０ｇ／ｍ２のガラスサーフェスマットを積層した。この後、比較例２と同様に成形を行い、できあがった成型品を観察したところ、製品端部に樹脂みにと同じ色を呈している部分が見られた。実施例１と同様にハンドドリルで孔空け作業を行ったところ、孔と外周部の間が欠けてしまった。
【産業上の利用可能性】
【００４０】
本発明に隅々まで強化繊維の配置が望まれるＦＲＰ構造体の製造方法、およびその成形に用いるプリフォームに適用できる。特に自動車部品や航空機部品、その他一般作業用途で端部の強度が要求されるＦＲＰ製薄板構造体に適用できるが、適用範囲はこれらに限られるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の適用に適する一例の斜視図。
【図２】本発明のプリフォームの一例の縦断面図。
【図３】本発明のプリフォームの一例の上面図。
【図４】本発明のプリフォームの一例の上面図。
【図５】本発明のプリフォームを金型にセットした状態を示す縦断面図。
【符号の説明】
【００４２】
１： 第１の基材
２： 第２の基材
３： 下型
３ａ： キャビティ
３ｂ： フィルムゲート
３ｃ： 樹脂注入口
３ｄ： 樹脂吸引口
４： 上型
１０： 自動車用ルーフ
１１： 取付孔
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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