(57)【要約】【課題】得られるＦＲＰの強度低下を十分防止でき、整形が容易で、整形後は形状を保持できるＦＲＰ用プリフォーム及びその製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、強化繊維３ａで作られたシート部３を積層した積層体４に対し、熱可塑性樹脂５を含む複数のビーム８を貫通させた後、加熱溶融し積層体４を整形するプリフォーム２の製法である。この場合、整形後の積層体の形状保持に適した熱可塑性樹脂量はビーム８で自在に調整できる。従って、ビーム８を積層体４に貫通し加熱溶融することで、作業者の熟練度に関係なく熱可塑性樹脂を過不足無く積層体４中に含浸できる。またビーム８の溶融、硬化は熱のみで管理されるため、ビーム８の溶融後、任意のタイミングで積層体４を整形でき、整形後は、硬化した熱可塑性樹脂により整形時の積層体４の形状が保持される。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維で作られた複数のシート部を含み且つ前記複数のシート部が積層されている積層体に対し、熱可塑性樹脂を含む複数本のビームを貫通させるビーム貫通工程と、
前記ビームを加熱して溶融させる溶融工程と、
前記積層体を整形する整形工程と、
を含むことを特徴とする繊維強化プラスチック用プリフォームの製造方法。
【請求項２】
前記ビームが、その延び方向に沿った強化繊維を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック用プリフォームの製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の繊維強化プラスチック用プリフォームの製造方法により製造される繊維強化プラスチック用プリフォーム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ　Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　Ｐｌａｓｔｉｃ）を製造する時に補強材として使用されるＦＲＰ用プリフォーム及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来技術】
繊維強化プラスチック（以下、「ＦＲＰ」と言う）は、プラスチック中に強化繊維を導入することによりプラスチックの機械的強度を補強するものであり、軽量性、耐衝撃性等の利点を備えていることから、航空機、自動車等、種々の分野で用いられている。
【０００３】
このようなＦＲＰの製造方法として、プリフォームを型の中に入れ、型の内部を減圧して樹脂を注入する樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ：Ｒｅｓｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）法がよく知られている。
【０００４】
このようなＲＴＭ法に用いられるプリフォームは、ＦＲＰを製造する時の補強材として使用されるものであり、このプリフォームの作製方法として、従来、複数枚のシート状の強化繊維体（ドライ強化繊維体）を積層した積層体を、少量の糊剤を付与しながら貼り合わせ、真空バッグなどを用いて加圧することにより積層体を整形してプリフォームを作製する方法が知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前述した従来のプリフォームの製造方法は、以下に示す課題を有していた。
【０００６】
すなわち上記製造方法においては、糊剤として通常、ゴム系のエマルジョンを用いており、糊剤を付与する際には、積層体に対し糊剤をスプレー状に吹き付ける。このため、作業者の熟練度によって糊剤の塗布量が異なり、次のような問題を生じていた。
【０００７】
すなわち塗布量が過剰になると、マトリクスとなる熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、熱硬化性樹脂の硬化収縮が大きい場合には糊剤の部分に割れが生じ、得られるＦＲＰ製品の機械的強度が低下するおそれがある。一方、塗布量が少ないと、強化繊維体の積層体を所望の形状に整形しても、積層体が元の形状に戻ってしまい、その形状を保持することが困難となる。
【０００８】
また、糊剤を強化繊維体の積層体に吹き付けると、糊剤は通常、揮発性の高い分散溶媒を使用するため、数分で硬化してしまう。このため、糊剤塗布後、短時間で積層体の整形を行わなければ、積層体を所望の形状に整形することが困難であるという問題もあった。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、得られるＦＲＰ製品の機械的強度の低下を十分防止でき、プリフォームを容易に整形でき、整形後の形状を保持できるＦＲＰ用プリフォームの製造方法及びＦＲＰ用プリフォームを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、強化繊維で作られた複数のシート部を含み且つ前記複数のシート部が積層されている積層体に対し、熱可塑性樹脂を含む複数本のビームを貫通させるビーム貫通工程と、前記ビームを加熱して溶融させる溶融工程と、前記積層体を整形する整形工程とを含むことを特徴とする。
【００１１】
この発明によれば、ビームが加熱により溶融されると、熱可塑性樹脂が積層体中に含浸される。このとき、整形後の積層体の形状を保持するのに適した熱可塑性樹脂の量は、ビーム１本あたりに含まれる熱可塑性樹脂の量及びビームの本数により調整することが可能である。従って、本発明のようにビームを積層体に貫通して加熱溶融することで、作業者の熟練度に関係なく、しかも熱可塑性樹脂を過不足無く積層体中に含浸させることが可能となる。またビームの溶融及び硬化は、与えられる熱によって管理されるため、ビームは、熱を与えていれば硬化せずに溶融した状態を維持する。このため、熱を与えていれば、整形前に熱可塑性樹脂が硬化することはなく、ビームの溶融後、任意のタイミングで積層体の整形を行うことが可能となる。そして整形を行った後は、熱可塑性樹脂の冷却により熱可塑性樹脂が硬化し、硬化した熱可塑性樹脂により、整形時の積層体の形状が保持される。また積層体中に、硬化収縮の小さい熱可塑性樹脂が含浸されるため、プリフォームに硬化収縮の大きな熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、その樹脂割れの発生が十分に防止され、ＦＲＰ製品の機械的強度の低下を十分に防止できる。
【００１２】
上記製造方法においては、ビームが、その延び方向に沿った強化繊維を更に含むことが好ましい。
【００１３】
この場合、ビームを積層体に貫通させることにより強化繊維が積層体に対して三次元的に容易に編み込まれる。従って、プリフォームについて三次元補強効果が得られる。
【００１４】
また本発明は、上記製造方法により製造されるＦＲＰ用プリフォームである。このＦＲＰ用プリフォームにおいては、積層体中に空隙部が硬化収縮の小さい熱可塑性樹脂で埋められるため、プリフォームに熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、その樹脂割れの発生が十分に防止され、ＦＲＰ製品の機械的強度の低下を十分に防止できる。またプリフォームに含まれる熱可塑性樹脂の溶融及び硬化は、与えられる熱のみによって管理される。従って、一度プリフォームを作製した後、必要に応じて何度でもプリフォームの形状を変更できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本発明に係るＦＲＰ用プリフォームの一実施形態を概略的に示す部分断面図である。図１に示すように、ＦＲＰ用プリフォーム（以下、単に「プリフォーム」と言う）２は積層体４を備えており、積層体４は、複数のシート部３を積層することにより構成されている。
【００１７】
各シート部３は、プリフォーム２の基本骨格を形成するものであり、強化繊維３ａで作られている。シート部３は、強化繊維３ａを、例えば平織り、あや織りすることにより作られている。強化繊維３ａは、ガラス、カーボン、アラミド繊維等、通常のＦＲＰを構成する繊維で構成されている。
【００１８】
プリフォーム２においては、硬化した熱可塑性樹脂５が含まれている。熱可塑性樹脂５は、隣接するシート部３同士を接着すると共に、積層体４の形状を所定形状に保持する糊剤として機能している。
【００１９】
熱可塑性樹脂５は、上記機能を有するものであれば特に制限されないが、熱可塑性樹脂５としては、ナイロン（ＰＡ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等の結晶化度が低く且つエポキシ樹脂等のＦＲＰのマトリクス樹脂と親和性の高い樹脂が好ましい。
【００２０】
このプリフォーム２においては、積層体４中に、硬化収縮の小さい熱可塑性樹脂５が含浸されているため、プリフォーム２に硬化収縮の大きい熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、樹脂割れの発生が十分に防止され、ＦＲＰ製品の機械的強度の低下を十分に防止できる。また熱可塑性樹脂５の溶融と硬化は、熱のみによって自在に調整できる。従って、一度プリフォーム２を作製した後でも、加熱によりプリフォーム２の形状を変更でき、冷却によりその変更後の形状を保持できる。このため、例えばプリフォーム２の輸送時に万一形状が崩れたとしても、プリフォーム２の加熱冷却により元の形状に復元することができる。
【００２１】
次に、上述したプリフォーム２の製造方法について説明する。
【００２２】
図２に示すように、まず複数の穴６ａが形成されたプレート６を用意する。そして、プレート６の上に、強化繊維で作られた複数のシート部３を積層し、プレート６上に積層体４を形成する。
【００２３】
次に、複数本の中空状のニードル７を積層体４に対して垂直に射し込み、その先端がプレート６の穴６ａに入り込むまで押し込み、こうしてニードル７を積層体４に貫通させる。
【００２４】
ここで、複数本のニードル７は、プレートの一面に固定されていることが好ましい。この場合、複数本のニードル７を一括して積層体４に貫通させることができ、複数本のニードル７を１本ずつ積層体４に貫通させる場合に比べてニードル７の貫通作業を効率よく行うことができる。
【００２５】
次に、熱可塑性樹脂からなるビーム８を積層体４に貫通させる。この場合、ビーム８をニードル７の内部に挿入することにより、積層体４に複数本のビーム８を貫通させる。ここで、積層体４に貫通させるビーム８の本数は、ビーム１本あたりに含まれる熱可塑性樹脂の量と、積層体４の形状を所定形状に保持するのに適した熱可塑性樹脂の総量によって決定される。従って、作業者の熟練度に関係なく、しかも熱可塑性樹脂を過不足無く、積層体４中に含浸させることが可能となる。
【００２６】
こうしてビーム８を積層体４に貫通させた後は、ニードル７を積層体４から引き抜く。これにより、図３に示すように、複数本のビーム８が積層体４を貫通した状態になる（ビーム貫通工程）。
【００２７】
次に積層体４に、ＦＲＰ製品の概略形状を与える。そのため、積層体４を簡易型、中子等の上に配置し、ビーム８が溶融せず軟化する温度に加温し、ＦＲＰ製品の概略形状に腑形する。
【００２８】
続いて、積層体４の全体にナイロンバッグ等を被せて積層体４を密封し、バッグ内を減圧しながらビーム８を加熱して溶融させる（溶融工程、整形工程）。これにより、バッグで積層体４を加圧して積層体４を所望の形状に整形する。
【００２９】
このとき、熱可塑性樹脂は溶融状態にあるため、積層体４の整形を容易に行うことができる。ここで、ビーム８の溶融及び硬化は、与えられる熱のみによって管理されるため、ビーム８は、熱を与えてさえいれば硬化せずに溶融した状態を維持する。このため、ビーム８に熱を与えてさえいれば整形前に樹脂が硬化することはなく、ビーム８の溶融後、任意のタイミングで積層体４の整形を行うことが可能となる。
【００３０】
整形を行った後は、熱可塑性樹脂の冷却により熱可塑性樹脂が硬化し、硬化した熱可塑性樹脂により、積層体４が整形時の形状で保持される。また積層体４中の空隙部が、硬化収縮の小さい熱可塑性樹脂で埋められるため、プリフォーム２にエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、樹脂割れの発生が十分に防止され、ＦＲＰ製品の機械的強度の低下を十分に防止できる。
【００３１】
次に、本発明に係るプリフォームの製造方法の第２実施形態について説明する。
【００３２】
本実施形態の製造方法は、ビーム８が、図４に示すように、その延び方向に沿った強化繊維９を更に含む点で第１実施形態の製造方法と相違する。この場合、積層体４にビーム８を貫通させることにより、強化繊維９が積層体４に対して三次元的に編み込まれる。
【００３３】
従来は、プリフォームを作製する方法として、強化繊維を三次元的に編み込み、ＦＲＰ製品の形状とほぼ同一の形状とする方法も知られており、この方法を実施するために大掛かりな専用設備と多大な製造時間を要していた。しかし、本実施形態のようにビーム８にその延び方向に沿った強化繊維９を含め且つビーム８を積層体４に貫通させることにより、強化繊維が積層体４に対し三次元的に編み込まれることになるため三次元的補強効果が得られる。またビーム８を熱可塑性樹脂の軟化温度まで加温すれば腑形性が良好となる。このため、従来の方法のように強化繊維を三次元的に編み込んでＦＲＰ製品とほぼ同一形状とする必要が無くなり、大掛かりな専用設備、多大な製造時間が必要でなくなる。
【００３４】
また上記従来の方法では、繊維が三次元的に交絡するため、プリフォームにおいて、繊維が三次元的に交絡しない場合に比べて繊維間に大きな空隙部が形成される。そのため、プリフォームに熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を作製すると、熱硬化性樹脂の硬化収縮が大きい場合にはその部分に樹脂割れが生じ、機械的特性が低下するおそれがあった。しかし、本実施形態のようにビーム８を加熱溶融させることで、積層体４における繊維間の空隙部を熱可塑性樹脂で埋めることができるため、プリフォーム２に硬化収縮の大きな熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を作製しても、その製品強度に影響を与えるような樹脂割れの発生を十分に防止することができる。
【００３５】
本発明は、前述した第１及び第２実施形態に限定されるものではない。例えば上記第１及び第２実施形態では、ビーム８を積層体４に貫通させるためにニードル７を使用しているが、ニードル７は、ビーム８の貫通を容易にするために使用したものであり、本発明のプリフォームの製造方法において必ずしも必要なものではない。従って、ビーム８を直接積層体４に貫通させてもよい。
【００３６】
また上記実施形態では、積層体４に対して垂直にビーム８を貫通させているが、ビーム８が積層体４に貫通されればよく、従って、積層体４に対して斜めにビーム８を貫通させてもよい。
【００３７】
更に上記実施形態では、ビーム８を加熱溶融すると同時に積層体４の整形を行っているが、ビーム８を加熱溶融した後に積層体４の整形を行ってもよい。
【００３８】
また上記実施形態では、複数枚のシート部３を積層しているが、強化繊維で作られ複数のシート部を有する１つのシートを折り畳むことにより複数のシート部が積層されるようにしてもよい。
【００３９】
更に上記実施形態では、プリフォーム２は、ＲＴＭ法で作製されているが、プリフォーム２は、ＲＴＭ法に限らず、積層体４にビーム８を貫通させた後、加熱したローラを用いて、ビーム８を溶融しながら整形するハンドレイアップ法などによって作製することができる。
【００４０】
次に、本発明の内容を、実施例を用いてより具体的に説明するが、本発明は、これら実施例に何ら限定されるものではない。
【００４１】
【実施例】
（実施例１）
まずカーボン繊維平織り（３００ｍｍ×３００ｍｍ）を２０枚準備した。カーボン繊維平織りは、カーボン繊維としてＴ３００　３Ｋを用い、折り目ピッチを約２ｍｍとした。
【００４２】
一方、内径２ｍｍ、深さ１ｍｍの複数の下穴をあけた厚さ１０ｍｍの平板状の金属プレートを準備した。金属プレートにおいて、複数の下穴は格子状に形成し、下穴のピッチは２０ｍｍとした。
【００４３】
そして、上記金属プレート上に、カーボン繊維平織りの積層体を配置した。
【００４４】
またニードル付きプレートを準備した。ニードル付きプレートにおいては、複数の中空状ニードルをプレート上に格子状に配置し、ニードルのピッチを２０ｍｍとした。またニードルの外径は１．５ｍｍ、内径は１．１ｍｍとした。このニードル付きプレートを、ニードルを積層体側に向け、ニードルを織り目（縦糸と横糸が交絡した部分）に射し込み、その先端が金属プレートの下穴に挿入されるまでニードル付きプレートを押し込んだ。
【００４５】
一方、ＰＡ（ナイロン）原料を溶融した後、内径１ｍｍの孔を有する複数のノズルより原料を押し出し、冷却して４ｍｍに裁断し、ＰＡ製のビーム（φ１ｍｍ、長さ４ｍｍ）を得た。そして、このビームをニードルの中に挿入した後、ニードル付きプレートを積層体から取り外した。
【００４６】
続いて、積層体に対し、予め２３０℃に加熱された金属製プレートを約１分間押し当ててビームを加熱溶融させた後、金属製プレートを外し、そのまま冷却し、プリフォーム原反を得た。
【００４７】
このプリフォーム原反を所定形状のオス型に押し当て、アイロンで加熱、腑形させ、プリフォームを得た。このプリフォームを、１時間放置したところ、形状はほとんど変わらなかった。
【００４８】
最後に、プリフォームを所定の金型に配置し、エポキシ樹脂を注入した後、加熱、硬化させ、所定形状のＦＲＰを得た。このＦＲＰについて機械的強度を測定したところ、機械的強度は、曲げ強度で８８０ＭＰａ、層間剪断強度で６４ＭＰａであり、ゴム系糊剤を塗布したものに比べると各々３３％、４１％向上した。尚、同機械的特性は、ＪＩＳ規格（曲げ；ＪＩＳ　Ｋ　７０７４、層間剪断；ＪＩＳ　Ｋ　７０７８）に準拠した。
（実施例２）
ＰＡ繊維がコミングル（混織）された炭素繊維を、内径１ｍｍの孔を有し２３０℃に加熱されたダイスを通して成形（プルトルージョン成形）し、これを４ｍｍに裁断してビームを得た以外は、実施例１と同様にしてプリフォームを作製した。このプリフォームを、実施例１と同様にして放置したところ、形状はほとんど変わらなかった。
【００４９】
またこのプリフォームを用いて、実施例１と同様にして所定形状のＦＲＰを作製した。そして、このＦＲＰについて機械的強度としての衝撃後圧縮強度（ＣＡＩ）を測定したところ、ＣＡＩは約４００ＭＰａであった。尚、衝撃後圧縮強度の測定は、ＳＡＣＭＡ　ＳＲＭ２に準拠した。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のＦＲＰ用プリフォームの製造方法によれば、ビームにより、整形後の積層体の形状を保持するのに適した熱可塑性樹脂の量を調整できるため、作業者の熟練度に関係なく、しかも熱可塑性樹脂を過不足無く積層体中に含浸させることが可能となる。従って、プリフォームに熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、樹脂割れの発生を十分に防止でき、機械的強度の低下を十分に防止できる。またビームの溶融及び硬化は熱のみによって管理されるため、ビームに熱を与えてさえいれば任意のタイミングでプリフォームの整形を行うことが可能となる。更に整形後は、熱可塑性樹脂は冷却により硬化するので、整形後、プリフォームを所望形状に保持することができる。
【００５１】
また本発明のＦＲＰ用プリフォームによれば、積層体中に硬化収縮の小さい熱可塑性樹脂が含浸されているため、プリフォームに熱硬化性樹脂を注入してＦＲＰ製品を製造しても、樹脂割れの発生を十分に防止でき、機械的強度の低下を十分に防止できる。更にまた熱可塑性樹脂の粘度は加熱と冷却により自在に調整できる。従って、一度プリフォームを作製した後、必要に応じて何度でもプリフォームの形状を変更できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＦＲＰ用プリフォームの一例を示す部分断面図である。
【図２】本発明のＦＲＰ用プリフォームの製造方法の初期の工程を示す斜視図である。
【図３】ビームが積層体を貫通している状態を示す斜視図である。
【図４】ビームの他の実施形態を示す部分断面図である。
【符号の説明】
２…プリフォーム、３…シート部、４…積層体、５…熱可塑性樹脂、８…ビーム、９…強化繊維。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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