(57)【要約】【課題】  プレス成型によりプリプレグを所望の形状に賦形させる成形方法において、成形品の物性を維持できる成形方法に関する。【解決手段】  強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とを含むプリプレグを、雄型と雌型との嵌合により賦形させる成形品の製造方法において、非線形解析ソフトを用いた賦形性シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ  Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となるプリプレグの場所に、切れ目作成手段により切れ目を施してから、雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを賦形する成形品の製造方法により解決する。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とを含むプリプレグを、雄型と雌型との間に配置して、雄型と雌型を嵌合させることにより、賦形する成形品の製造方法において、
非線形解析ソフトを用いた賦形性シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ  Ｓｔｒｅｓｓ）が１００．０ＭＰａ以上となるプリプレグの場所に、
切れ目作成手段により強化繊維を切断する切れ目を作成し、
雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを賦形する成形品の製造方法。
【請求項２】
前記切れ目作成手段がレーザー照射装置を用いたものである請求項１に記載の成形品の製造方法。
【請求項３】
前記切れ目を施した箇所の強化繊維の長さが、５〜１００ｍｍである請求項１または２に記載の成形品の製造方法。
【請求項４】
前記切れ目を施した箇所が複数個所あって、それぞれの切れ目箇所の幅が、０．１〜０．４ｍｍである請求項１〜３のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。
【請求項５】
強化繊維に熱可塑性樹脂組成物を含浸ロールで含浸させプリプレグとする工程、
切れ目作成手段によりプリプレグを切断する切れ目を作成する工程、
切れ目を施した複数のプリプレグを積層して積層体とする工程、
雄型と雌型との間に積層体を配置して、雄型と雌型を嵌合させることにより、賦形する工程、
賦形した成形品を雄型と雌型との間から取り出す工程を有する請求項１〜４のいずれか一項に記載の成形品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、熱可塑性プリプレグを用いた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチックの成形体は、航空機の胴体や翼のような大型の成形体から、自転車のフレーム、テニスラケット、釣竿やゴルフシャフト等の小型の成形体まで幅広く利用されている。また、開断面を有する繊維強化プラスチックの成型体は、ヘルメットなどに幅広く利用されている。
そこで従来はマトリックス樹脂として、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が使用されてきたが、熱硬化性樹脂は、脆く、耐衝撃性に劣る、成型時間が長いという欠点を有するため、それら欠点を改良するために熱可塑性樹脂をプリプレグとして検討されている。
【０００３】
繊維強化プラスチックの製造方法としては、プリプレグの中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けながら、雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを所望の形状に賦形させること（特許文献１）が知られている。
【０００４】
しかしながら、外周コーナーのようなプリプレグが余るように賦形される箇所は、テンションを掛けることによりプリプレグをバイアス方向に伸ばしつつ固定型に押し付けることでシワを取り除くことは可能であるが、内周コーナーのようなプリプレグが不足するように賦形される箇所は、突っ張りが発生し賦形することが困難であった。
【０００５】
そのため、特許文献２には、プリプレグを複数に分割して固定型に押し付けることによって、内周コーナーのような部分でも突っ張りを生じることなく賦形可能な技術が開示されている。しかしながら、このようなプリプレグを複数に分割して固定型に押し付ける方法では、分割部分で強度が低下する問題があり、強度低下回避のために積層層ごとに分割位置をずらす必要があり、作業効率が低下する問題があった。
【０００６】
また、特許文献３には、プリプレグに切り込みを施す技術が記載されているが、賦形時に外周全てが固定されているため、所望の形状を得るためには、大部分の領域に切り込みを設ける必要があるため、得られた成形品は十分な物性を持つものではなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１１−１１０８９９号公報
【特許文献２】特開２００９−１１９６１９号公報
【特許文献３】特開２００８−２７９７５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
プリプレグの中央側から外側へ伸ばしつつ固定型に押し付けながら、雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを所望の形状に賦形させる成形方法において、成形品の物性を維持できる成形方法に関する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、強化繊維と熱可塑性樹脂組成物とを含むプリプレグを、雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを賦形させる成形品の製造方法において、非線形解析ソフトを用いた賦形性シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ  Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となるプリプレグの場所に、切れ目作成手段により切れ目を施してから、雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを賦形する成形品の製造方法である。
【発明の効果】
【００１０】
本願発明によれば、プリプレグが不足するように賦形される箇所であっても、賦形の際に突っ張りの発生を防止でき、また、強度低下回避のために積層層ごとに分割位置をずらす必要がなく、それゆえ、作業性が良く、さらに、切れ目が必要な箇所を最低限に抑止できるため、成形品の物性を維持できる製造方法である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の成形品の製造方法に用いることができる雌型の一例である。
【図２】本発明の成形品の製造方法に用いることができる雄型の一例である。
【図３】本発明の成形品の製造方法の一例である。
【図４】本発明の成形品の製造方法において、切れ目作成手段により切れ目を施す場合の製造方法の一例である。
【図５】本発明の成形品の製造方法において、プリプレグを積層して積層体とする場合の製造方法の一例である。
【図６】本発明の成形品の製造方法において、積層体に溶着処理を施す場合の製造方法の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（プリプレグ）
本発明の成形品の製造方法に用いることができる強化繊維としては、特には限定されないが、炭素繊維が好ましく用いられる。望ましくはＰＡＮ系炭素繊維である。炭素繊維は、同じプリプレグについて１種類のものを使用しても良いし、複数種類のものを使用してもかまわない。単繊維繊度は特に限定されるものではないが、均一性等に優れたプリプレグを製造するに当たり、１．２〜２．４ｄｔｅｘ、真円度が０．７以上０,９５以下である炭素繊維束をしようすることができる。
熱可塑性樹脂プリプレグの製造法としては、例えば、ペレット状、フイルム状、パウダー状の樹脂を加熱溶融して強化繊維材料に含浸させる方法（溶融含浸法）、粉末状の樹脂を流動床法や懸濁法によって強化繊維材料に塗布・融着させる方法（パウダー法）、樹脂を溶液化し、強化繊維材料に含浸後溶媒を除去する方法（溶液含浸法）が知られている。これらは特に限定されるものではないが、望ましくは溶融含浸法であり、ペレット状、フイルム状、パウダー状の樹脂を加熱溶融して、炭素繊維束に熱可塑性樹脂を含浸させる方法である。例えば、押出成形法、フィルムスタック法などを使用する事ができる。
【００１３】
本発明の成形品の製造方法に用いることができる熱可塑性樹脂の種類としては、特には制限はないが、耐衝撃性に優れ、かつ、成形が容易である熱可塑性樹脂が好ましい。そのような熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、液晶ポリエステル等のポリエステルや、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブチレン等のポリオレフィンや、ポリオキシメチレン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリメチレンメタクリレート、ポリ塩化ビニル、ポリフェニレンスルフィド、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、フェノール（ノボラック型）等や、これらの共重合体、変性体、および２種類以上ブレンドした樹脂等が挙げられる。また、更に耐衝撃性向上のために、上記樹脂にエラストマー、もしくは、ゴム成分を添加した樹脂であっても良い。また、難燃剤、耐候性改良剤、その他酸化防止剤、熱安定剤、紫外線吸収剤、可塑剤、滑剤、着色剤、相溶化剤、充填剤、導電性フィラー、カーボンブラック等を適宜添加しておくことができる。また、これら２種以上の混合体を添加してもよい。
【００１４】
（成形品の製造方法）
本発明の成形品の製造方法では、熱可塑性樹脂プリプレグを、プレス成型によって製造する。加熱プレスによりプリプレグの中央部から外側へ伸ばしつつ、雄型と雌型とを有する一対の型に押し付けることが、プリプレグの切れ目部分を延伸させる点で必要である。
加熱プレスの温度条件は、熱可塑性樹脂の種類によるが、熱可塑性樹脂の溶融温度Ｔ±２０℃、更に好ましくは溶融温度Ｔ±１０℃である。圧力条件には特に制限は無いが、通常１０ＭＰａ以下にて成型する。複雑形状の成型においては、５０ＭＰａ以上の圧力が必要な場合もある。
【００１５】
また加熱成形後は、コールドプレスにより、熱可塑性樹脂の軟化温度よりも３０℃以上低い温度に冷却して取り出す事が好ましい。
【００１６】
（切れ目）
本発明の成形品の製造方法では、切れ目のデザインを賦形性シミュレーションによって算出し、切れ目作成手段により切れ目を施してから、雄型と雌型との嵌合によりプリプレグを賦形することが必要である。賦形性シミュレーションソフトは特に限定されるものではないが、非線形解析ソフト（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）が好ましい。
【００１７】
一例として、賦形させたい３次元ＣＡＤデータに対して、非線形解析ソフト（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）を用いた賦形性シミュレーションを行い、当該シミュレーションによって算出される応力値（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ  Ｓｔｒｅｓｓ）が１００ＭＰａ以上となる箇所を特定し、切込みをデザインする事ができる。
【００１８】
また、当該シミュレーションを行うにあたり、プリプレグの特性を定義するために使用した入力値を表１に記載する。入力値の算出方法に関しては、以下に記載する。
【００１９】
（弾性率とポアソン比）
一方向プリプレグシートを同一方向に１０枚積層してプリプレグ積層体を得た後、その積層体を測定したい繊維方向が長手方向となるよう、カッターにて幅２０ｍｍ×長さ２００ｍｍに切り出した。その切り出し品を万能試験機（インストロン社製）にて、引張方向に荷重を負荷し、それぞれの方向での弾性率とポアソン比を求めた。
【００２０】
（せん断弾性率）
一方向プリプレグシートを４５°、−４５°方向に交互に１０枚積層してプリプレグ積層体を得た後、その積層体をカッターにて幅２０ｍｍ×長さ２００ｍｍに切り出した。万能試験機（インストロン社製）を用いて、引張方向に荷重を負荷し、切り出し品のせん断弾性率を求めた。
【００２１】
特定した領域の外周部分に相当する座標をテキストファイルにて出力し、当該ファイルをエクセルファイルに変換した後、３次元ＣＡＤソフト（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＰＬＭ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ社製、製品名：ＮＸ）へ入力させて、賦形させたい３次元ＣＡＤデータへ反映させる。
【００２２】
前記反映された３次元ＣＡＤデータを、賦形性解析ソフト（Ｖｉｓｔａｇｙ社製、製品名：ＦｉｂｅｒＳｉｍ）を用いて賦形時に使用する２次元パターンへ展開させ、切れ目を設ける箇所を特定した。
【００２３】
（切れ目作成手段）
本発明の成形品の製造方法で用いることができる切れ目作成手段としては、カッターを用いての手作業や裁断機により切れ目を入れる方法、あるいはプリプレグの製造工程において所定の位置に刃を配置した回転ローラーを連続的に押し当てたり、多層にプリプレグを重ねて所定の位置に刃を配置した型で押し切ったりするなどの方法、さらにカッター等の刃物に替えて、レーザー照射装置を用いる方法があり、必要に応じていずれの手段を用いても良いが、なかでも、切れ目作成手段にレーザー照射を用いた場合には、レーザー照射位置を移動させることで、切れ目形状を複雑な形状とすることが可能となり、さらに、刃物の磨耗による切れ目が不均一になる問題や、刃物の破片の混入等の問題が生じないことから、特に好ましい。
【００２４】
本発明の成形品の製造方法で用いることができるレーザー照射装置としては、例えば炭酸ガスレーザーやエキシマレーザーなどの気体レーザー、ＹＡＧレーザーやＹＶＯ４レーザーなどの固体レーザー及びファイバーレーザーなどが使用できるが、短時間の照射で帯状物を良好に切断できる点では、ＹＡＧレーザー及びＹＶＯ４レーザーなどの固体レーザー及びファイバーレーザーが好ましい。また、レーザー出力、発振モード、走査する速度、パルス幅、パルス周波数などをプリプレグの材質、厚み、供給される速度、厚み方向の切断の度合いに応じて設定することが好ましい。
【００２５】
本発明の成形品の製造方法で用いることができるプリプレグには、切れ目があることが必要である。ここでいう、切れ目とは、プリプレグを部分的に切断する部分のことをいい、切れ目により、プリプレグを構成する強化繊維が切断されていることで、成形中の変形が容易になる。切れ目を入れる際には、前記切れ目を施した箇所の強化繊維の長さが、２〜２００ｍｍとなるように切れ目を入れることが成形品の強度と賦形性の点で好ましい。さらに好ましくは、５〜１００ｍｍである。
【００２６】
本発明の成形品の製造方法で用いることができるプリプレグに切れ目を入れる際には、それぞれの切れ目箇所の幅が、０．１〜０．４ｍｍとなるように切れ目を入れることが成形品の強度と賦形性の点で好ましい。さらに好ましくは、０．２〜０．３ｍｍである。また切れ目の角度は、繊維方向に対して、３０°以上、好ましくは４５°以上が好ましい。
生産性やコストの観点より、プリプレグ製造から、切れ目、積層、プレス成型、取り出しの一連の工程を同一ラインにて製造する事が好ましい。
【実施例】
【００２７】
（実施例１，２）
一方向に引き揃えた炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸した下記プリプレグシート（プリプレグ１、２）４枚を用いて、１枚ずつ所望の形状に裁断した。
（プリプレグ１）
炭素繊維束（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ５０Ｓ）を用い、直径４０ｍｍの単軸押出機に設置された電線被覆法用のコーティングダイ中を通過させ、押出機からダイ中に２００℃で溶融させた変性ＰＰ樹脂（三菱化学（株）製“モディック"Ｐ９５８、溶融温度１６０℃）を吐出させ、複合体を得た後、一直線上に配置された表面温度２２０℃、圧力０．２ＭＰａの含浸ロール３を通過させ、巻取速度は３０ｍ／分にて、プリプレグ１を得た。
（プリプレグ２）
炭素繊維束（三菱レイヨン社製、製品名：ＴＲ５０Ｓ）を用い、直径４０ｍｍの単軸押出機に設置された電線被覆法用のコーティングダイ中を通過させ、押出機からダイ中に２６０℃で溶融させたポリアミド樹脂（宇部興産（株）製“ＵＢＥナイロン"１０１３Ｂ、溶融温度２２０℃）を吐出させ、複合体を得た後、一直線上に配置された表面温度２６０℃、圧力０．２ＭＰａの含浸ロール３を通過させ、巻取速度は３０ｍ／分にて、プリプレグ２を得た。
裁断後の各プリプレグシートに対して、非線形解析ソフト（Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社製、製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）による賦形性シミュレーションによって算出された応力値（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ  Ｓｔｒｅｓｓ）が１００．０ＭＰａ以上となった箇所に、レーザーマーカー（パナソニック電工サンクス社製、製品名：ＬＰＳ−５００）を用いて、強化繊維の長さが２５ｍｍ、切れ目箇所の幅が０．２ｍｍ、切れ目箇所のどうしの間隔が０．４ｍｍとなるようにレーザーを照射して、プリプレグに切れ目を設けた。
切れ目を設けた４枚のプリプレグを、０／９０／９０／０となるように積層して、プリプレグ積層体を得た。
【００２８】
前記プリプレグ積層体を２００℃に加熱したオーブン内に入れ、プリプレグ１では表面温度が１６０℃、プリプレグ２では表面温度が２００℃に達した時点で取り出し、下型の上に置き、一気に型締めを行った。このときのプレス圧は６ＭＰａとなるよう調節した。積層体の温度が下がりきる前にコールドプレスし、金型内で９０秒間放置した後、脱型し、最終成形品を得た。得られた成形品の物性は表１に示した。
【００２９】
賦形させたい３次元ＣＡＤデータに対して、非線形解析ソフト（製品名：ＬＳ−ＤＹＮＡ）による賦形性シミュレーションを行い、当該シミュレーションによって応力値（Ｖｏｎ  Ｍｉｓｅｓ  Ｓｔｒｅｓｓ）が１００．０ＭＰａ以上となる箇所を求めた。その際、プリプレグの特性を定義するために使用した入力値を表１に記載する。
特定した領域の外周部分に相当する座標をテキストファイルにて出力し、当該ファイルをエクセルファイルに変換した後、３次元ＣＡＤソフト（Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＰＬＭ  Ｓｏｆｔｗａｒｅ社製、製品名：ＮＸ）へ入力し、賦形させたい３次元ＣＡＤデータへ反映させる。  ３次元ＣＡＤデータを、賦形性解析ソフト（Ｖｉｓｔａｇｙ社製、製品名：Ｆｉｂｅｒ  Ｓｉｍ）を用いて賦形時に使用する２次元パターンへ展開させ、切れ目を設ける箇所の情報を得た。
【００３０】
（比較例１）
プリプレグ１に切れ目を設けないこと以外は、実施例と同様にプリプレグを賦形した。その結果、プリプレグの突っ張りが発生し、所望の形状へ賦形することができなかった。
【００３１】
（比較例２）
プリプレグ１全面に実施例と同様の方法で切れ目を設けたこと以外は、実施例と同様にプリプレグを賦形した。その結果、所望の形状に賦形されたプリプレグが得られた。
この賦形品を実施例と同様の方法で加熱加圧成形し、最終成形品を得た。得られた成形品は物性を表１に示した。
【００３２】
【表１】
2014087963.tif 000003
【００３３】
【表２】
2014087963.tif 000004
【符号の説明】
【００３４】
１・・・下型、
２・・・上型、
３・・・強化繊維
４・・・熱可塑性樹脂供給ダイ
５・・・含浸ロール
６・・・レーザー照射装置
７・・・プリプレグ積層装置
８・・・プリプレグ
９・・・多軸ロボット
１０・・・吸着装置
１１・・・プリプレグ積層体
１２・・・溶着装置
【図１】
2014087963.tif 000005
【図２】
2014087963.tif 000006
【図３】
2014087963.tif 000007
【図４】
2014087963.tif 000008
【図５】
2014087963.tif 000009
【図６】
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