(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリプレグの積層体からなる本体部の表面に立体形状部を突設してなる繊維強化複合材料成形品において、
前記立体形状部が、前記本体部の表面から離間した上壁と、該上壁の外縁から本体部に向けて延びる支持壁と、該支持壁の先端縁から本体部の表面に沿って延びる板状部とからなり、
前記立体形状部の外面側がプリプレグにより成形されると共に、前記上壁及び支持壁の内面側がシートモールディングコンパウンドにより補強され、
かつ前記板状部がプリプレグのみで成形されて、この板状部が本体部の表面に面接触して一体化してなる繊維強化複合材料成形品。
【請求項２】
前記板状部が、前記立体形状部の外面側を成形するプリプレグからなる外層と、該外層と本体部との間に挟まれるプリプレグからなる内層とからなり、
前記内層が前記シートモールディングコンパウンドの本体部側の端縁と本体部との間に挟まれる請求項１に記載の繊維強化複合材料成形品。
【請求項３】
本体部の表面に立体形状部を突設してなる繊維強化複合材料成形品の製造方法において、
当該成形品の成形型内に本体部成形用のプリプレグを配置し、このプリプレグの表面上に立体形状部成形用の中子、シートモールディングコンパウンド及びプリプレグを順に配置し、
立体形状部形成用のプリプレグにのみ、本体部成形用のプリプレグの表面に沿って延びる板状部を設け、
この板状部を本体部成形用のプリプレグの表面に直接又は他のプリプレグを介して間接的に面接触させた状態で、各素材を一体化し、硬化させて当該成形品を得る繊維強化複合材料成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プリプレグやシートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）等の繊維強化複合材料からなる繊維強化複合材料成形品及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えば実質的に連続した強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸してなるプリプレグと、短繊維状の強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸してなるシートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）とを、互いに重ね合わせて成形型内にセットし、これらに加熱、加圧を施すことで、所定形状の繊維強化複合材料成形品を得る技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、プリプレグやＳＭＣでコア材を巻いてこれらに加熱、加圧を施すことで、中空の繊維強化複合材料成形品を得る技術もある（例えば、特許文献２参照。）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第０４／４８４３５号パンフレット
【特許文献２】特開平５−３３７９６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、通常のプリプレグを使用した成形品において、平坦状の本体部の一側面（表面）にクリップ座面等の所定強度の立体形状部を突設することがある。前記立体形状部は、例えば本体部の一側面から離間する上壁と、該上壁の外縁から本体部に向けて延びる支持壁と、該支持壁の先端縁から本体部の一側面に沿って延びる板状部とを有する中空状とされ、前記板状部が本体部の一側面に面接触して溶着されることで、本体部に立体形状部が強固に固定される。
この場合、立体形状部成形用の中子の外面にプリプレグを馴染ませるために、該プリプレグに切り込みを設けることが一般的である。このとき、プリプレグを複数積層した際に切り込みが重なって立体形状部の強度を低下させないように、プリプレグ毎に異なる切り込みを設ける必要がある。すると、プリプレグのカットパターン数が多くなって積層作業が複雑になり、作業効率を低下させるという問題がある。
他方、型に馴染ませ易いＳＭＣを用いて立体形状部を成形することも考えられるが、この場合、本体部は強度確保の面からプリプレグで成形されるため、本体部（プリプレグ）にＳＭＣを面接触させて溶着する必要が生じる。すると、両素材の硬化収縮率の違いから本体部の他側面（意匠面）にヒケが発生し、外観性を低下させるという問題がある。
【０００５】
そこでこの発明は、繊維強化複合材料成形品及びその製造方法において、平坦状の本体部の一側面に所定強度の立体形状部を容易に成形可能とし、かつ該立体形状部の成形による本体部の他側面のヒケの発生を防止することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題の解決手段として、請求項１に記載した発明は、
プリプレグの積層体からなる本体部の表面に立体形状部を突設してなる繊維強化複合材料成形品において、
前記立体形状部が、前記本体部の表面から離間した上壁と、該上壁の外縁から本体部に向けて延びる支持壁と、該支持壁の先端縁から本体部の表面に沿って延びる板状部とからなり、
前記立体形状部の外面側がプリプレグにより成形されると共に、前記上壁及び支持壁の内面側がシートモールディングコンパウンドにより補強され、
かつ前記板状部がプリプレグのみで成形されて、この板状部が本体部の表面に面接触して一体化してなる。
請求項２に記載した発明は、
前記板状部が、前記立体形状部の外面側を成形するプリプレグからなる外層と、該外層と本体部との間に挟まれるプリプレグからなる内層とからなり、
前記内層が前記シートモールディングコンパウンドの本体部側の端縁と本体部との間に挟まれる。
請求項３に記載した発明は、
本体部の表面に立体形状部を突設してなる繊維強化複合材料成形品の製造方法において、
当該成形品の成形型内に本体部成形用のプリプレグを配置し、このプリプレグの表面上に立体形状部成形用の中子、シートモールディングコンパウンド及びプリプレグを順に配置し、
立体形状部形成用のプリプレグにのみ、本体部成形用のプリプレグの表面に沿って延びる板状部を設け、
この板状部を本体部成形用のプリプレグの表面に直接又は他のプリプレグを介して間接的に面接触させた状態で、各素材を一体化し、硬化させて当該成形品を得る。
【発明の効果】
【０００７】
この発明によれば、立体形状部の厚さの一部を比較的賦形性（流動性）の高いシートモールディングコンパウンドで成形することで、立体形状部の強度及び厚さを確保した上で、賦形性が問われる立体形状部を成形するに当たり切り込みを異ならせたプリプレグを複数積層するような手間を削減し、作業効率を向上させて低コスト化を図ることができる。
また、本体部の一側面に面接触して溶着される立体形状部の接合（溶着）部分を、本体部と同等の収縮率を有するプリプレグのみで構成することで、意匠性が問われる本体部の他側面（意匠面）のヒケの発生を抑止し、外観性に優れた当該成形品を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】この発明の実施例における繊維強化複合材料成形品の要部の斜視図である。
【図２】上記繊維強化複合材料成形品及びその成形型の断面図である。
【図３】上記繊維強化複合材料成形品の変形例の断面図である。
【図４】上記繊維強化複合材料成形品の立体形状部成形用のプリプレグの斜視図であり、（ａ）はシート状のプリプレグに切り込みを設けた状態、（ｂ）は前記プリプレグの切り込み部を隆起させた状態、（ｃ）は繊維強化複合材料成形品成形後の状態をそれぞれ示す。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、この発明の実施例について図面を参照して説明する。なお、説明都合上、図中矢印ＦＲは前方、矢印ＬＨは左方、矢印ＵＰは上方を示すものとする。
【００１０】
図１，２は、例えば自動車のＡピラーの車内側に用いられる繊維強化複合材料成形品１の要部を示す。繊維強化複合材料成形品１は、例えば平板状の本体部２と、該本体部２の一側面２ａ（表面）に中空状に突設される立体形状部３とを一体に有する。本体部２の他側面２ｂは、車内側に露出する平坦状の意匠面を形成する（以下、他側面２ｂを意匠面２ｂということがある）。一方、立体形状部３は、車内側に露出しない側で例えば他部品との結合用のクリップ座面５を形成する。なお、前記意匠面２ｂは平面に限らず湾曲面等も含むものとする。
【００１１】
繊維強化複合材料成形品１は、この実施例では二種類の硬化前の繊維強化樹脂を成形型２０内に適宜配置し、例えばオートクレーブ（圧力釜）により加圧、加熱を施すことで、一体に溶着、硬化された当該成形品１となる。
【００１２】
本体部２は、例えばシート状の一方向プリプレグ（又はクロスプリプレグ）を複数積層することで、所定厚さの平板状に形成されてなる。
一方、立体形状部３は、例えば平面視矩形状をなして本体部２から隆起する外殻３ａと、該外殻３ａの本体部２側の端縁から本体部２の一側面２ａに沿って延びる平板部３ｂとを有してなる。
【００１３】
外殻３ａは、その一側が本体部２の面沿い方向一側（図の前方）に向けて開口するもので、本体部２の一側面２ａから離間する平板状の上壁６と、該上壁６の左右側縁から本体部２に向けて斜め下外側に延びる平板状の左右傾斜壁７と、上壁６の後縁から本体部２に向けて斜め下後側に延びる平板状の後傾斜壁８とを有する。
【００１４】
上壁６は本体部２の一側面２ａと略平行をなし、前記クリップ座面５を形成する。上壁６の左右中間部の前側には、クリップ保持用のスリット状の切り欠き６ａが設けられる。
各傾斜壁７，８の本体部２側の端縁からは、本体部２の一側面２ａに沿って前記平板部３ｂが延出し、この平板部３ｂが本体部２の一側面２ａに面接触して溶着されることで、立体形状部３が本体部２に一体的に固定される。
【００１５】
ここで、立体形状部３の外殻３ａは、その外面側がプリプレグにより成形される一方、内面側がシートモールディングコンパウンド（カットした強化繊維に樹脂を含有させたもの、以下、ＳＭＣということがある）により成形された二層構造とされる。
【００１６】
外殻３ａの外面側を構成するプリプレグ層１４ａは、本体部２を成形するプリプレグと同等の硬化収縮率を有する例えば一枚のプリプレグからなる。
一方、外殻３ａの内面側を構成するＳＭＣ層１４ｂ（補強層）は、本体部２を成形するプリプレグとは異なる硬化収縮率を有している。
【００１７】
平板部３ｂは、平面視コ字状をなして外殻３ａの本体部２側の端縁の外側に延びる。平板部３ｂは、外殻３ａの外面側を成形するプリプレグ層１４ａを外側に延出してなる外層１６と、該外層１６と本体部２との間に挟まれるプリプレグからなる内層１７とからなる。内層１７を構成するプリプレグも外層１６と同様、本体部２を成形するプリプレグと同等の硬化収縮率を有する。すなわち、平板部３ｂは、本体部２と同等の硬化収縮率を有するプリプレグのみからなる。
【００１８】
内層１７は平板状をなし、平板部３ｂを外殻３ａと同等の厚さにするべく任意の厚さに設けられる。この内層１７（プリプレグ）の内側縁部１７ａが前記ＳＭＣ層１４ｂの本体部２側の端縁と本体部２（プリプレグ）の一側面２ａとの間に挟まれることで、ＳＭＣ層１４ｂと本体部２（プリプレグ）との直接的な接触が回避される。そして、この状態で平板部３ｂが本体部２の一側面２ａに面接触して溶着されることで、ＳＭＣ層１４ｂがその外面側からプリプレグ層１４ａに保持された状態で立体形状部３が本体部２に一体的に固定される。
【００１９】
前記プリプレグは、実質的に連続した強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸してなる。
前記強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも比強度および比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。
また、前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硬化後の強度を高くできることから、エポキシ樹脂が好ましい。
【００２０】
さらに、プリプレグ中には、硬化剤、離型剤、脱泡剤、紫外線吸収剤、充填材などの各種添加剤などが含まれてもよい。
プリプレグの積層枚数としては２〜２０枚であることが好ましい。プリプレグの積層枚数が２枚以上であれば、充分な強度の成形品を得ることができ、２０枚以下であれば、成形品のコストを抑えることができる。
【００２１】
一方、前記シートモールディングコンパウンドは、通常１２〜５０ｍｍに切断した短繊維状の強化繊維に熱硬化性樹脂を含浸してなる。
前記強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、高強度ポリエステル繊維、ボロン繊維、アルミナ繊維、窒化珪素繊維、ナイロン繊維などが挙げられる。これらの中でも比強度および比弾性に優れることから、炭素繊維が好ましい。また、プリプレグに用いられる強化繊維と、シートモールディングコンパウンドに用いられる強化繊維とは、同じであっても異なっていても良い。
また、前記熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、アクリル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂などが挙げられる。これらの中でも、硬化を早くできることから、ビニルエステル樹脂が好ましい。また、プリプレグに用いられる熱硬化性樹脂と、シートモールディングコンパウンドに用いられる熱硬化性樹脂とは、同じであっても異なっていても良い。
【００２２】
外殻３ａをＳＭＣ層１４ｂとプリプレグ層１４ａとの二層で構成したのは、複数のプリプレグを積層するのみで所定厚さの外殻３ａを成形すると、プリプレグのカットパターン数が多くなって積層作業を複雑にするからであり、他方、プリプレグの枚数を減らせばクリップ座面５の強度や厚さの確保が困難になるからである。また、ＳＭＣのみで外殻３ａを形成すると、これを本体部２に固定するための平板部３ｂをＳＭＣで形成する必要が生じ、該平板部３ｂを本体部２に面接触させて溶着することで本体部２の意匠面２ｂにヒケを生じさせるからである。
【００２３】
そこで、比較的賦形性（流動性）の高いＳＭＣで立体形状部３（外殻３ａ）の厚さの大部分を形成し、その外面にのみプリプレグを配置することで、プリプレグのカットパターン数の増加を抑えて積層作業の簡素化を図ると共に、クリップ座面５の強度及び厚さの確保を容易にし、かつ立体形状部３の固定にプリプレグのみからなる平板部３ｂを用いることで、立体形状部３（外殻３ａ）の本体部２への固定強度を確保できると共に、本体部２にはこれと同等の硬化収縮率を有するプリプレグのみを面接触させて溶着することによって、本体部２の意匠面２ｂにおけるヒケの発生を防止できる。
【００２４】
図２は、外殻３ａ及び平板部３ｂを互いに同一厚さとした例を示す。この場合、プリプレグを複数積層して立体形状部３を形成していた従来の成形型２０の使用が可能である。前記内層１７は平板部３ｂと同様の平面視コ字状をなし、その内側縁部１７ａが外層１６の内側縁部よりも内側に延出する。この内側縁部１７ａ上にＳＭＣ層１４ｂの本体部２側の端縁が突き当たることで、ＳＭＣ層１４ｂと本体部２（プリプレグ）との間に内側縁部１７ａが介装されることとなり、ＳＭＣ層１４ｂの本体部２（プリプレグ）への直接的な接触が完全に回避され、本体部２の意匠面２ｂのヒケの発生がより確実に防止される。
【００２５】
一方、図３の繊維強化複合材料成形品１’は、前記繊維強化複合材料成形品１に対して内層１７を無くし、立体形状部３の外殻３ａに対して平板部３ｂの厚さを抑えたものである。この場合、ＳＭＣ層１４ｂの本体部２側の端縁のみが本体部２に接触することとなるが、ＳＭＣ層１４ｂが本体部２に面接触する場合と比べてその接触面積が少ない等の理由から、前記同様、本体部２の意匠面２ｂのヒケの発生が防止され、かつ構成の簡素化による低コスト化が図られる。
【００２６】
次に、上記繊維強化複合材料成形品１（及び１’）の製造方法の一例について図２，４を参照して説明する。
まず、所望の形状に製作したＣＦＲＰ下型２１に離型剤（例えば、ケムリース社製  ＭＲ−３）を塗布し、その上に本体部２形成用のプリプレグ１２（例えば、三菱レイヨン社製  ＴＲＫ５１０  ３２１ＧＭＰ、使用するエポキシ樹脂の硬化収縮率は約３％）を複数積層した。
【００２７】
次いで、積層したプリプレグ１２の一側面上の所定位置に、下型２１と同一材料を所望の形状に削り出して製作したスライド型２３を配置すると共に、該スライド型２３の周囲の平面部分に、所望の形状に切り出した内層１７形成用のプリプレグ１５を配置し（成形品１’の場合プリプレグ１５は不要）、かつスライド型２３の外面には、立体形状部３の外殻３ａ内面側成形用のＣＦ−ＳＭＣ１３ｂ（例えば、クワンタム社製  ＡＭＣ８５９０ＢＫ、使用するビニルエステル樹脂の硬化収縮率は約１０％）を配置し、さらにこれらスライド型２３及びＳＭＣ１３ｂをその上方から覆うように、所定の切り込み２５を入れたプリプレグ１３ａを配置した。
【００２８】
次いで、所定の形状の作製したＣＦＲＰ上型２２に離型剤を塗布した後、これを下型２１上に配置してスタックを挟み込み、型外周を締結手段２４等により適宜固定した。この状態で成形型２０ごとスタックをオートクレーブ内に投入し、所定の加圧加熱処理（８０℃×２０分→１３０℃×６０分、昇温１．５℃／分、６気圧）を施すことで、型内のスタックを硬化させた。その後、オートクレーブから成形型２０を取り出し、スタックを脱型させて所望の一体成形品１を得た。
【００２９】
なお、立体形状部３成形用のＳＭＣ１３ｂは、その流動性（賦形性）が高いことから、概ね素材形状のまま型内にセットできるが、立体形状部３成形用のプリプレグ１３ａは、図４（ａ）に示す如く例えば平面視Ｙ字状の切り込み２５を設け、この切り込み２５を広げるようにしてその周囲を隆起させることで（図４（ｂ）参照）、プリプレグ１３ａをスライド型２３の外面形状に馴染ませる。このとき、前記Ｙ字形状の切り込み２５の下部が前記クリップ保持用の切り欠き６ａを形成する。広げられた切り込み２５の内側には、各素材の加圧、加熱時にＳＭＣ１３ｂが充填され、繊維強化複合材料成形品１の成形後にはプリプレグ１３ａ及びＳＭＣ１３ｂにより平板状の上壁６を含む外殻３ａが成形される。
【００３０】
以上説明したように、上記実施例における繊維強化複合材料成形品１，１’は、プリプレグからなる平坦状の本体部２の一側面２ａに所定強度の立体形状部３を突設してなるものであって、前記立体形状部３が、前記本体部２の一側面２ａから離間する上壁６と、該上壁６の外縁から本体部２に向けて延びる各傾斜壁７，８と、該各傾斜壁７，８の先端縁から本体部２の一側面２ａに沿って延びる平板部３ｂとからなる中空状とされ、前記立体形状部３の外面側がプリプレグ１３ａにより成形されると共に、前記上壁６及び支持壁の内面側がシートモールディングコンパウンド１３ｂにより補強され、かつ前記平板部３ｂがプリプレグ１３ａ，１５のみ（又はプリプレグ１３ａのみ）で成形されて、この平板部３ｂが本体部２の一側面２ａに面接触して溶着されるものである。
【００３１】
この繊維強化複合材料成形品１，１’を製造する際は、まず成形型２０内に本体部２成形用のプリプレグ１２を配置し、このプリプレグ１２の一側面上に立体形状部３成形用のスライド型２３、シートモールディングコンパウンド１３ｂ及びプリプレグ１３ａを順に配置し、立体形状部３形成用のプリプレグ１３ａにのみ、本体部２成形用のプリプレグ１２の一側面に沿って延びる平板部３ｂを設け、この平板部３ｂを本体部２成形用のプリプレグ１２の一側面に直接又は他のプリプレグ１５を介して間接的に面接触させた状態で、各素材を一体に溶着、硬化させて当該成形品１，１’を得ることとなる。
【００３２】
この構成によれば、立体形状部３の厚さの一部を比較的賦形性（流動性）の高いシートモールディングコンパウンド１３ｂで成形することで、立体形状部３の強度及び厚さを確保した上で、賦形性が問われる立体形状部３を成形するに当たり切り込み２５を異ならせたプリプレグを複数積層するような手間を削減し、作業効率を向上させて低コスト化を図ることができる。
また、本体部２の一側面２ａに面接触して溶着される立体形状部３の接合（溶着）部分を、本体部２と同等の収縮率を有するプリプレグ１３ａ，１５のみ（又はプリプレグ１３ａのみ）で構成することで、意匠性が問われる本体部２の他側面（意匠面）２ｂのヒケの発生を抑止し、外観性に優れた当該成形品１，１’を得ることができる。
【００３３】
さらに、前記繊維強化複合材料成形品１は、前記平板部３ｂが、前記立体形状部３の外面側を成形するプリプレグ１３ａからなる外層１６と、該外層１６と本体部２との間に挟まれるプリプレグ１５からなる内層１７とからなり、前記内層１７が前記シートモールディングコンパウンド１３ｂの本体部２側の端縁と本体部２との間に挟まれることで、シートモールディングコンパウンド１３ｂの本体部２（プリプレグ１２）への直接的な接触を完全に回避でき、本体部２の意匠面２ｂのヒケの発生をより確実に防止できる。
他方、前記繊維強化複合材料成形品１’は、前記平板部３ｂが、前記立体形状部３の外面側を成形するプリプレグ１３ａのみからなることで、本体部２の意匠面２ｂのヒケの発生を防止しつつ構成の簡素化による低コスト化を図ることができる。
【００３４】
なお、この発明は上記実施例に限られるものではなく、例えば、立体形状部３が開形状であれば上記実施例の如く着脱可能なスライド型２３を利用できるが、立体形状部３が閉形状であれば発泡コア等のコア材を使用すればよい。
そして、上記実施例における構成はこの発明の一例であり、当該発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００３５】
１，１’  繊維強化複合材料成形品
２  本体部
２ａ  一側面
３  立体形状部
３ｂ  平板部（板状部）
６  上壁
７  左右傾斜壁（支持壁）
８  後傾斜壁（支持壁）
１２，１３ａ，１５  プリプレグ
１３ｂ  シートモールディングコンパウンド（ＳＭＣ）
１６  外層
１７  内層
２０  成形型
２３  スライド型（中子）
【図１】
0005640357.tif 000002
【図２】
0005640357.tif 000003
【図３】
0005640357.tif 000004
【図４】
0005640357.tif 000005