(57)【要約】【課題】成形時に発生する歪（反り、ねじれ）を最小限に抑え、品質の優れた長尺成形体を得るための成形方法・手段を提供すること。【解決手段】ＦＲＰ長尺パイプ状成形体を金型を用いて成形するに際し、金型として、該長尺パイプ状成形体の成形型を長手方向に複数に分割した小型金型を、成形定盤上に複数載置したものを使用することを特徴とするＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法、及びそれに使用する金型。成形定盤に設けられた小突起は、小型金型の下型に設けられた嵌合溝と嵌合し、小型金型は成形定盤上をスライドできるようになっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰ長尺パイプ状成形体を金型を用いて成形するに際し、金型として、該長尺パイプ状成形体の成形型を長手方向に複数に分割した小型金型を、成形定盤上に複数載置したものを使用することを特徴とするＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法。
【請求項２】
小型金型を成形定盤上に載置する機構が、該成形定盤に設けられた小突起と、該小型金型の下型に設けられた、前記小突起がスライド可能に嵌合するための嵌合溝とからなるものである請求項１記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法。
【請求項３】
隣接する小型金型同士は、一方の小型金型の端面に設けられたガイドと、他方の小型金型の端面に前記ガイドに対応する位置に設けられたガイド穴によって、連結できるようになっている請求項１又は２記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法。
【請求項４】
ＦＲＰ長尺パイプ状成形体の長さが５００〜２０００ｃｍであり、小型金型の長さが１００〜２５０ｃｍである請求項１又は２記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法。
【請求項５】
ＦＲＰ長尺パイプ状成形体を成形するための金型であって、該長尺パイプ状成形体の成形型を長手方向に複数に分割した小型金型を、成形定盤上に複数載置してなるＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型。
【請求項６】
小型金型を成形定盤上に載置するために、該成形定盤に小突起が設けられており、該小型金型の下型には、前記小突起がスライド可能に嵌合するための嵌合溝が設けられている請求項５記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型。
【請求項７】
隣接する小型金型において、一方の小型金型の端面にはガイドが設けられており、他方の小型金型の端面には、その端面の前記ガイドに対応する位置にガイド穴が設けられている
請求項５又は６記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、上下分割型金型を用いて繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）長尺パイプ状成形体を成形する際の改良法と、それに使用する金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰは、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や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維からなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において利用されている。具体的には、例えば、産業機械分野で、風車の翼、ロボットアーム、各種パイプ等の長尺物の成形体にも広く用いられるようになってきた。
【０００３】
これらの成形体（成形品又は複合材料と同義）は、例えば、強化繊維にマトリックス樹脂が含浸された中間製品であるプリプレグから、加熱・加圧といった成形・加工工程を経て成形される。そして、ＦＲＰ製の長尺成形体は、上型と下型とからなる金型を用いてプリプレグから成形される場合が多いが、かかる場合、長い金型が必要となる。ところが、長い金型を用いる成形の場合、加熱硬化時に金型のキヤビティ内圧によって金型にたわみが発生する。また、金型と成形材料の線膨張の差が、成形体に歪を与えるという問題もある。そして、これらの結果、成形品が不良なものになるという問題があった。
【０００４】
金型のたわみを解決するためには、例えば、金型を肉厚なものにすれば問題は解決するものの、それでは、金型が高価格となり、また重くなって取り扱いに支障が生じるという問題がある。その他にも、金型のたわみの発生を防止する方法がいくつか提案されている。例えば、金型のキャビティの特定空間に作動油を入れる方法（特許文献１）、金型の型締機構等を工夫したもの（特許文献２〜４）が提案されている。しかし、本発明のような長尺成形体の成形、特に、金型と成形材料の線膨張の差が問題となるような長尺成形体の成形においては、必ずしも適切に応用することはできなかった。
【特許文献１】特開昭６３−５３００７号公報
【特許文献２】特開平５−３４５６２４号公報
【特許文献３】特開平８−３２３７６５号公報
【特許文献４】特開２００３−２９１１８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、成形時に発生する歪（反り、ねじれ）を最小限に抑え、品質の優れた長尺成形体を得るための成形方法・手段を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ＦＲＰ長尺パイプ状成形体で、例えば、その外側表面に高い寸法精度及び面粗度が要求される場合、金型による成形が必要であるが、硬化温度での金型と成形体の熱膨張差のために、成形後に残有応力の影響で成形品に歪が発生する。本発明者は、金型の熱膨張を最小限に抑える方法として、成形型を長手方向に複数に分割し、短くなった各パーツ部分（小型金型）で残有応力を分散する方法を知見し、本発明に到達したものである。
【０００７】
本発明のうち請求項1に記載された発明は、ＦＲＰ長尺パイプ状成形体を金型を用いて成形するに際し、金型として、該長尺パイプ状成形体の成形型を長手方向に複数に分割した小型金型を、成形定盤上に複数載置したものを使用することを特徴とするＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法である。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、小型金型を成形定盤上に載置する機構が、該成形定盤に設けられた小突起と、該小型金型の下型に設けられた、前記小突起がスライド可能に嵌合するための嵌合溝とからなるものである請求項１記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法である。
【０００９】
請求項３に記載された発明は、隣接する小型金型同士は、一方の小型金型の端面に設けられたガイドと、他方の小型金型の端面に前記ガイドに対応する位置に設けられたガイド穴によって、連結できるようになっている請求項１又は２記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法である。
【００１０】
請求項４に記載された発明は、ＦＲＰ長尺パイプ状成形体の長さが５００〜２０００ｃｍであり、小型金型の長さが１００〜２５０ｃｍである請求項１又は２記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体の成形方法である。
【００１１】
請求項５に記載された発明は、ＦＲＰ長尺パイプ状成形体を成形するための金型であって、該長尺パイプ状成形体の成形型を長手方向に複数に分割した小型金型を、成形定盤上に複数載置してなるＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型である。
【００１２】
請求項６に記載された発明は、小型金型を成形定盤上に載置するために、該成形定盤に小突起が設けられており、該小型金型の下型には、前記小突起がスライド可能に嵌合するための嵌合溝が設けられている請求項５記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型である。
【００１３】
そして、請求項７に記載された発明は、隣接する小型金型において、一方の小型金型の端面にはガイドが設けられており、他方の小型金型の端面には、その端面の前記ガイドに対応する位置にガイド穴が設けられている請求項５又は６記載のＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によると、成形時の歪（反り、ねじれ）が最小限に抑えられた、高品質の長尺成形体を得ることができる。具体的には、例えば、炭素繊維の長繊維を強化繊維とし、これと熱硬化性樹脂とから、一辺が１５０ｍｍ（外寸法）の四角断面で、長さが６０００ｍｍの長尺で且つ薄肉（約５ｍｍ）の角パイプを、成形時に発生する歪を最小限に抑えて成形することもできる。かかる長尺成形体は、高品質のものは、従来の金型では成形ができなかったが、本発明の金型によればそれが可能であるばかりでなく、本発明の金型は、上下分割型金型が長手方向に複数に分割されている小型金型からなるものであるから、その取り扱いも非常に便利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、ＦＲＰ長尺成形体を上下分割型金型を用いて成形するに際し、該上下分割型金型を長手方向に複数に分割した小型金型であって、該小型金型を直列に並べて成形定盤上に載置したものを使用する成形方法である。
【００１６】
本発明を図面を用いながら説明する。図１は、本発明において用いられる金型（３つの小型金型に分割したもの）の一例であり、本発明の方法を説明するための概略図である。１０はＦＲＰ長尺成形体を成形するための上下分割型金型、２０は上下分割型金型を載置するための成形定盤（台座）である。上下分割型金型１０は、３つの小型金型１１、１２、１３に分割されている。金型としては、単純な上下分割型だけでなく、上下型、側盤を組み立てる形式のものでも良い。成形定盤は、通常用いられるようなもので良いが、小型金型の下型に設けられた嵌合溝に、スライド可能に嵌合するための小突起を有するものが好ましい。また、移動が容易なように、専用成形台車になっているものが好ましい。
【００１７】
長尺パイプ状成形体の成形型の長さと、それを複数に分割した小型金型の長さについては特に制限はないが、成形するＦＲＰ長尺パイプ状成形体の長さとしては、５００〜２０００ｃｍが適当であり、小型金型の長さが１００〜２５０ｃｍのものであるのが好ましい。小型金型の数は、２〜８個程度が好ましい。
【００１８】
金型の材質としては、例えば、耐熱鋼、高張力鋼、炭素鋼、ステンレス鋼、チタン合金、アルミニュウム、アルミ合金、銅合金が挙げられる。
【００１９】
小型金型は、図１に示したように、クリアランスを設けることなく直列に並べて成形定盤上に複数載置される。隣接する小型金型同士は、硬化のための加熱とその後の冷却で１．５〜３ｍｍ程度スライドする状態が好ましい。
【００２０】
小型金型を成形定盤上に載置する機構は、図２に示したように、成形定盤の表面２１に設けられた小突起２２と、小型金型の下型１４に設けられた、前記小突起がスライド可能に嵌合するための嵌合溝１５とからなる。小突起２２は、嵌合溝１５に嵌合する。そして、金型が硬化温度まで加熱されると、金型は熱膨張で伸張し、前記小突起と嵌合溝は自由にスライドし、成形終了後の冷却で収縮した分が、隣接する小型金型同士の隙間（クリアランス）となって現れる。なお、小突起が小型金型の下型に設けられ、嵌合溝が成形定盤の表面に設けられた構成になっていても良い。
【００２１】
本発明の隣接する小型金型において、一方の小型金型の端面にはガイドが設けられており、他方の小型金型の端面には、その端面の前記ガイドに対応する位置にガイド穴が設けられている。図３に示したように、一方の小型金型１６の端面にガイド（小突起）１７、１８が設けられており、他方の小型金型の端面（図示せず）には、その端面に前記ガイドに対応する位置にガイド穴（凹部）が設けられている。ガイドとガイド穴は、端面に一組だけ設けられていても良い。
【００２２】
本発明においては、特に図には示さなかったが、分割配置した小型金型の曲がりの補正をするために、成形定盤上に横方向曲がり防止のピンを立てて、それぞれの小型金型の横方向の動きを抑制するようにしても良い。
【００２３】
本発明においては、図１のように小型金型を、成形定盤上に複数載置する。そして、先ず、上型を除き、下型にプリプレグを敷設・積層する。そして、別途上型に敷設・積層したプリプレグをこれに重ねて金型を型締めする。上下のプリプレグの接合部は、あらかじめテーパーになるように積層しておく。
【００２４】
次いで、本発明においては、上記のごとく準備された金型は、加熱及び／又は加圧することによってＦＲＰ長尺パイプ状成形体が成形される。加熱及び／又は加圧する方法としては、特に制限されないが、例えば、通常の真空成形、オートクレーブによる成形、熱硬化炉による成形等の方法がある。成形条件は、圧力は０．０５〜０．５ＭＰａ、温度は８０〜２００℃、時間は１〜５時間が適当である。プリプレグを加熱硬化させた後、金型を冷却し、成形品を脱型して取り出す。
【００２５】
本発明において用いられるプリプレグは、どんなものでも良く特に制限されるものではない。プリプレグとは、繊維強化材に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などのマトリックス樹脂を含浸させ、流動性や粘着性を除いて取り扱い性を良くした成形中間材である。本発明においては、プリプレグを形成する繊維強化材の形態については特に制限はない。繊維強化材は、通常、例えば、平織、綾織、朱子織等の経糸と緯糸から構成されるものの他、繊維束を一方向に引き揃えシート状とし、これを直角方向にステッチ糸で縫合した一軸織物、一方向に引き揃えたシート状物を角度を変えて複数積層し、これを直角方向にステッチ糸で縫合した多軸織物等の形で用いられる。あるいは、繊維束（ストランド）を平行に一方向に引き揃えシート状とし、これに樹脂を含浸させたもの、あるいは、繊維束を±４５度に配列し、これに樹脂を含浸させたテープ状のプリプレグ（バイアステーププリプレグ）等からなるものでも良い。繊維強化材としては、特に制限はなく、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等が挙げられる。好ましいのは炭素繊維である。
【００２６】
マトリックス樹脂に関しても特に制限はい。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、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂の予備重合樹脂から選ばれる樹脂がある。これらは１種又は２種以上の混合物として用いることもできる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、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、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミドがある。これらの樹脂は、２種以上併用しても良い。以下、実施例により本発明を具体的に説明する。
【実施例】
【００２７】
図１に示したような３分割型の金型を用いて、長尺パイプ状成形体を作製した、成形品形状は、２００Ｗ×１８０Ｈ×６０００Ｌ×５ｔ（ｍｍ）の角パイプ形状である。成形品全長が６０００ｍｍであり、金型の線膨張歪を緩和させるため、成形型（金型）を長手方向に３分割した。６０００ｍｍの金型では、硬化温度（１００℃）時に常温での状態から約６ｍｍ伸びることとなるが、２０００ｍｍの小型金型とすることで、それぞれは約２ｍｍの膨張で、歪を３箇所に分割することができる。
【００２８】
金型は、各小型金型の結合部で真直度を出すため、図２のような成形定盤上でスライドする機構を有している。スライド部は、成形定盤側に  Φ２０×２０ｍｍの小突起（定盤表面から１０ｍｍ突き出ており、先端を面取りしたもの）が設けられており、金型の下型側には、Φ２０×２５Ｌ×１０（深さ）ｍｍの長穴が設けられている。また、隣り合う小型金型の端面同士は、一方の小型金型の端面に設けられたガイドと、他方の小型金型の端面に前記ガイドに対応する位置に設けられたガイド穴によって、連結できるようになっているものである。
【００２９】
成形定盤は、面盤（金型設置面）が１６ｍｍｔ〜２０ｍｍｔの金属プレート（継ぎ目の無い、１ピース）を使用し、平面度０．５、表面精度２５Ｓ（フライス削り）のものを用いた。
【００３０】
金型の上型と下型にそれぞれ炭素繊維のプリプレグを敷設・積層を行い、上型の積層品を取り外しておく。下型は積層品とともに、成形定盤へセットする。金型の下型の長穴の中央に成形定盤側からの小突起（ダボ）が入るようにセットした。長手方向へは、端面のガイドを隣接する金型の穴に入るようにセットした。なお、炭素繊維のプリプレグとしては、炭素繊維ＨＴＡ３Ｋ（東邦テナックス社製、汎用グレードの炭素繊維、３０００フィラメント）を経糸緯糸とした平織物（東邦テナックス社製、Ｗ−３１０１）に、汎用エポキシ樹脂を含浸させたものを用いた（樹脂含有率：４０％）。このプリプレグを５枚、積層パターンが（０／９０）、（±４５）、（３０／１２０）、（±４５）、（０／９０）となる様に重ねて敷設・積層した。
【００３１】
下型の積層品に上型の積層品を合せ、加熱して固定し、リリースフィルム・ブリーザークロス・真空バッグ等を配置し、上型を下型上に組み付けた。その後、０．５ＭＰａで管内を加圧し、１００℃で４時間かけて硬化させた（オートクレーブ成形）。硬化後、隣接する型のクリアランスが１．５〜３ｍｍで全てのクリアランスが同じであることを確認し、真空バッグ等を取外し、角パイプを得た。脱型後、１２０℃で２時間のポストキュアを行った。
【００３２】
得られた角パイプの成形品の真直度（歪）は、±１ｍｍ以下に抑えられており、また、ＮＣマシンにより測定した反りも、最大で０．６ｍｍであり、非常に精度の良い成形品であった。なお、本発明の方法によらない、６０００ｍｍの長さの金型を用いた従来の成形では、±５ｍｍ程度の変形が推測される。
【００３３】
ＦＲＰ成形材料を用いる成形では、成形材料と成形金型の線膨張の差が成形品の歪に与える影響が大きい。また、中空形状の成形品をオートクレーブ成形を行う場合、金型を支える定盤が必要であるが、１００Ｈｍｍを超える成形品では、定盤の線膨張も歪の原因となる。本発明の方法及び金型を用いると、前記問題点が全て解消できることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明のＦＲＰ長尺パイプ状成形体用の金型の一例を示す図である。
【図２】本発明の小型金型を成形定盤上に載置する機構を説明するための図である。
【図３】本発明の小型金型の端面に設けられたガイド（小突起）を示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１０  ＦＲＰ長尺成形体を成形するための上下分割型金型
１１、１２、１３  小型金型
１４  小型金型の下型
１５  嵌合溝
１６  小型金型
１７、１８  ガイド（小突起）
２０  上下分割型金型を載置するための成形定盤（台座）
２１  成形定盤の表面
２２  小突起
【図１】
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【図２】
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【図３】
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