(57)【要約】【課題】繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の中空体を、内面形状を精度良く成形でき、且つ成形した製品の取り出しを容易に行なうことができる成形用中子を提供する。【解決手段】複数の型部材同士が水溶性の接合部材を介して相互に接合されて成り、個々の該接合部材の内部に給水路を備えている。【選択図】　　　図２
2004130726.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の型部材同士が水溶性の接合部材を介して相互に接合されて成り、個々の該接合部材の内部に給水路を備えたことを特徴とする繊維強化プラスチック成形用中子。
【請求項２】
接合部材が変形可能であり、中子が全体として気密構造を有しかつ一部に圧縮空気注入口を備えたことを特徴とする請求項１記載の繊維強化プラスチック成形用中子。
【請求項３】
上記変形可能な接合部材が、繊維強化プラスチック成形体の角部を成形する型部材の両側に位置することを特徴とする請求項２記載の繊維強化プラスチック成形用中子。
【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を成形して構造体を作製する際に用いる中子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ−Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ　Ｐｌａｓｔｉｃ）は種々の構造体に用いられている。
【０００３】
本出願人は、特願２００１−２９３９０６号において、特に航空機の胴体や翼、トラックの荷台やバスのボディーのような大型の構造体の成形に適した方法を提案した。
【０００４】
上記提案の方法は、中子に熱可塑性樹脂を用いることによって伸縮自在とし、成形圧の付与、易離脱性を与えている。
【０００５】
しかし、特に製品の内面形状に精度を求める場合には、中子に用いた樹脂の収縮などのため、形状精度を確保することが困難である。
【０００６】
一方、硬質発泡体のような快削材を機械加工した中子は、形状精度は確保できるが、易離脱性を付与することができない。
【０００７】
更に、ワックス、岩塩など、熱や水などの溶媒で崩壊してしまう材料を用いて中子を作製することも考えられるが、大型構造体を成形する場合、中子を崩壊させるのに多大な時間と労力を要するため実用的でない。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の中空体を、内面形状を精度良く成形でき、且つ成形した製品の取り出しを容易に行なうことができる成形用中子を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明による繊維強化プラスチック成形用中子は、複数の型部材同士が水溶性の接合部材を介して相互に接合されて成り、個々の該接合部材の内部に給水路を備えたことを特徴とする。
【００１０】
これにより、内面形状を精度良く成形できると同時に製品の易離脱性が達成される。
【００１１】
接合部材が変形可能であり、中子が全体として気密構造を有しかつ一部に圧縮空気注入口を備えた構造とすることができる。これにより、内面形状に加えて外面形状も精度良く成形できると同時に製品の易離脱性が達成される。
【００１２】
上記変形可能な接合部材が、繊維強化プラスチック成形体の角部を成形する型部材の両側に位置する構造とすることができる。これにより、成形体角部の肉厚均一性を高めることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に示す繊維強化プラスチック製中空構造体１を成形するための本発明による中子Ａを図２に示す。
【００１４】
中子Ａは、複数に分割された型部材としてのＨＴＵ（ｈａｒｄ　ｔｏｏｌ　ｕｎｉｔ）２と、接合部材３とが交互に接着されて成る。
【００１５】
ＨＴＵ２は、典型的には硬質ウレタンフォーム、石膏、硬質樹脂のバルク等の快削材から成り、最終的な成形体の形状に精度良く機械加工されている。ＨＴＵ２の他の形態としては、所定形状の凹型にＣＦプリプレグを積層・硬化させて作製すれば、軽量かつ高強度のＨＴＵとすることができる。
【００１６】
接合部材３は、典型的にはポリビニルアルコール等の水溶性の熱可塑性樹脂を、所定形状の成形型に注入して硬化させて作製する。この接合部材３は、図３に示したように、その長手方向に延在する給水路４を備えており、給水路４には長手方向に渡ってスリット５が開口している。これには、接合部材３を成形する際に、例えば図示のように接合部材３が幅３０ｍｍであれば、予め幅１ｍｍ以上のスリットを長手方向に沿って開けた径１０ｍｍのポリビニルクロライド（ＰＶＣ）等の軟質樹脂製のチューブ４を、接合部材３の長手方向に渡って埋設する。
【００１７】
ＨＴＵ２と接合部材３とは、３の熱溶着または通常の接着剤により相互に接着される。
【００１８】
本発明の中子Ａを用いた成形操作は下記の手順で行なう。
【００１９】
１）中子Ａに、未硬化のＦＲＰ素材を巻きつけた後に、加熱して硬化させる。
【００２０】
２）ＦＲＰが硬化した後、接合部材３に埋設したチューブ（給水路）４内に水を注入して循環させる。これには、例えば７０〜８０℃程度の温水が適している。
【００２１】
３）注入された水は、チューブ４に設けたスリット５を介して接合部材３に浸透する。これにより、ポリビニルアルコール等から成る水溶性の接合部材３が容易に温水に溶融・流出して崩壊する。
【００２２】
４）中子Ａは、接合部材３の崩壊により、もはやその形状を維持することができなくなり、個々のＨＴＵ２が分離した状態になる。
【００２３】
５）図４に示したように、分離したＨＴＵ２を個々に抜き取れば、所定形状のＦＲＰ成形体１が得られる。
【００２４】
このように本発明による中子は、型部材２に快削材を用いて成形体の形状精度を確保し、型部材２を接合する接合部材３に水溶性の熱可塑性樹脂を用いて易離脱性を確保することができる。
【００２５】
本発明による中子は、基本的にはＦＲＰの成形方式および素材を限定しない。ただし、ＦＲＰを構成する樹脂については、熱可塑性樹脂の場合には溶融温度が、また熱硬化性樹脂の場合には硬化温度が、それぞれ接合部材３の溶融温度未満である必要がある。例えば接合部材３にポリビニルアルコール等の水溶性の熱可塑性樹脂を用いた場合には、その溶融温度はほぼ１５０℃程度であるので、これを超えないことが必要である。
【００２６】
本発明の一実施形態によれば、内面形状に加えて外面形状も精度良く成形できる。すなわち、ＦＲＰ構造体の内面形状だけでなく外面形状の寸法精度も求められる場合には、本発明による中子と共に、製品外形形状を成形するために図５に示すように外型Ｂを併用する必要がある。
【００２７】
そのような場合には、図６に示す本発明の中子ＡＸを用いると外面形状も精度良く成形できる。この中子ＡＸは、変形可能な接合部材３Ｘを備え、中子全体として気密構造とし、一部に圧縮空気注入口６を設けてある。ＦＲＰ成形時に注入口６から中子ＡＸ内に圧縮空気を送り込めば、ＦＲＰの樹脂硬化温度により軟化した接合部材３Ｘが図７（Ａ）〜（Ｂ）に示したように伸びて、中子ＡＸは全体として膨張し、外型ＢにＦＲＰ素材を押圧することで成形圧を付与できる。これにより中子ＡＸと外型Ｂによって内面および外面を同時に精度良く型成形できる。
【００２８】
上記のように外型を併用して中子膨張により加圧成形する実施形態において、中子ＡＸの変形可能な接合部材３Ｘを、ＦＲＰ成形製品の角部を成形する型部材２の両側に選択的に配置すると、成形圧の届き難い角部のＦＲＰ素材を選択的に伸ばすことができるので、ＦＲＰ全体として均一な肉厚に成形することができる。
【００２９】
以下に、本発明の中子と、それを用いたＦＲＰ成形方法の具体例を説明する。
【００３０】
【実施例】
〔実施例１〕
図２に示した本発明の中子Ａを作製し、これを用いて図１のＦＲＰ構造体１の成形を行なう手順の具体例を説明する。
【００３１】
１）無機粒子を添加した熱硬化性樹脂のバルク（レジンコンクリート）を機械加工して、ＨＴＵ２用の凹型を作製する。
【００３２】
２）得られた凹型にＣＦクロス／エポキシ・プリプレグを４層重ね、１２０℃×２ｈｒの熱処理により加熱硬化させ、製品内面形状を４分割した型部材としてのＨＴＵ２を４個（中子１個分）作製する。
【００３３】
３）無機粒子を添加した熱硬化性樹脂のバルクを機械加工して、接合部材３用の凹型を作製する。
【００３４】
４）予め側面に幅約１ｍｍのスリットを開けたＰＶＣ製チューブを、３）で作製した接合部材３用の凹型内に接合部材全長に渡るように配置した後、加熱溶融させたポリビニルアルコールを注型し、冷却硬化させて４個の接合部材３を得る。
【００３５】
５）上記で各々作製した４個のＨＴＵ２と４個の接合部材３とを、エポキシ系接着剤で交互に接着し、図２の中子Ａを得る。
【００３６】
６）得られた中子Ａの外表面にＳｉ系の離型剤を塗布した後、ＣＦ平織り／エポキシ・プリプレグを４層積層し、更にその外周をピールプライ、ブリーザー、ナイロンバッグの順で覆い、ナイロンバッグ内を真空ポンプで減圧させながら、１２０℃×２ｈｒの熱処理により加熱硬化させて図１のＦＲＰ構造体１を成形する。
【００３７】
７）接合部材３に埋設されているＰＶＣチューブ４に８０℃の温水を注入・循環させることにより、水溶性の接合部材３を溶融・崩壊させる。
【００３８】
８）接合部材３の溶融・崩壊により個々に分離されたＨＴＵ２を１個づつＦＲＰ構造体１から抜き取る。
【００３９】
このようにして、内面形状を精度良く成形されたＦＲＰ構造体１が得られ、且つ成形した製品ＦＲＰ構造体１の取り出しを容易に行なうことができる。
【００４０】
〔実施例２〕
本実施例では、図６に示した中子ＡＸを用いて、内面形状に加えて外面形状も精度良く型成形する手順の具体例を説明する。
【００４１】
１）無機粒子を添加した熱硬化性樹脂のバルク（レジンコンクリート）を機械加工して、ＨＴＵ２用の凹型を作製する。
【００４２】
２）得られた凹型にＣＦクロス／エポキシ・プリプレグを４層重ね、１２０℃×２ｈｒの熱処理により加熱硬化させ、製品内面形状を４分割した型部材としてのＨＴＵ２を４個（中子１個分）作製する。
【００４３】
３）無機粒子を添加した熱硬化性樹脂のバルクを機械加工して、接合部材３Ｘ用の凹型を作製する。
【００４４】
４）予め側面に幅約１ｍｍのスリットを開けたＰＶＣ製チューブを、３）で作製した接合部材３Ｘ用の凹型内に接合部材全長に渡るように配置した後、加熱溶融させたポリビニルアルコールを注型し、冷却硬化させて４個の接合部材３Ｘを得る。
【００４５】
５）上記で各々作製した４個のＨＴＵ２と４個の接合部材３Ｘとを、エポキシ系接着剤で交互に接着し、図２の中子Ａを得る。
【００４６】
６）中子Ａの一端面中央に径２０ｍｍの丸穴を開け、金属製のエアインレットノズル６を挿入後、接着剤で封止し、図６の中子ＡＸを得る。
【００４７】
７）外型Ｂとして、製品外面形状をキャビティ−内面に機械加工した２分割式の金型を作製する。
【００４８】
８）上記６）で作製した中子ＡＸに、シリコン系の離型剤を塗布した後、ＣＦ平織り／エポキシ・プリプレグを４層積層する。
【００４９】
９）キャビティ−内面にＳｉ系離型剤を塗布した外型Ｂに、上記プリプレグ積層後の中子ＡＸを挿入し、外型Ｂを閉じる。
【００５０】
１０）上記９）の状態でオーブン内に装入し、１３０℃で加熱してプリプレグの樹脂を硬化させる。
【００５１】
１１）上記１０）の操作の際に、中子ＡＸのエアインレットノズル６から２気圧の圧縮空気を注入して中子ＡＸを膨張させ、これにより中子ＡＸ外表面に積層されているプリプレグを外型Ｂのキャビティ−内面に押圧して加圧成形する。
【００５２】
１２）硬化完了後、接合部材３Ｘに埋設されているＰＶＣチューブ４に８０℃の温水を注入・循環させることにより、水溶性の接合部材３を溶融・崩壊させる。
【００５３】
１３）接合部材３Ｘの溶融・崩壊により個々に分離されたＨＴＵ２を１個づつＦＲＰ構造体１から抜き取る。
【００５４】
このようにして、内面形状および外面形状を共に精度良く成形されたＦＲＰ構造体１が得られ、且つ成形した製品ＦＲＰ構造体１の取り出しを容易に行なうことができる。
【００５５】
〔実施例３〕
本実施例では、特に断面形状に角部を持つＦＲＰの成形に本発明を適用する具体例を説明する。
【００５６】
一般に、図８に示すように角部Ｃを備えた断面を有し全体が均等に膨張可能な中子ａに内圧を負荷すると、角部Ｃは形状効果により剛性が大きいため、角部Ｃ以外の平坦部が矢印のように優先的に膨張し、断面全体としては図中に破線ａ’で示したように円形に近づくように変形する。その結果、角部Ｃでは成形圧が平坦部より小さくなり、成形製品の肉厚が角部Ｃで厚く平坦部で薄い不均等な肉厚分布になり易い。
【００５７】
本実施例においては、製品肉厚を均等化すべく、実施例２の中子ＡＸにおいて、ＦＲＰ成形製品の角部を成形する型部材の両側に変形可能な接合部材３Ｘを選択的に配置した中子ＡＹを作製し、角部の成形効果を実験的に確認する。
【００５８】
図９（Ａ）に示す断面構造を持つ中子ＡＹを作製した。この中子ＡＹは概略矩形断面を持ち、型部材としてのＨＴＵ２が４個の角部Ｃと４個の平坦部Ｐとで構成され、個々のＨＴＵ２間を変形可能な接合部材３Ｘで接合した構造である。ＨＴＵ２の角部Ｃはそれぞれ両側の変形可能な接合部材３Ｘで挟まれている。
【００５９】
この中子ＡＹに圧縮空気を注入して内圧を負荷すると、角部Ｃの両側にある変形可能な接合部材３Ｘが伸びることにより角部Ｃが容易に外方へ変位する。その結果、中子ＡＹは全体として均等に膨張し、角部Ｃおよび平坦部Ｐにより同等の成形圧が作用し、成形製品の肉厚分布が均等化される。
【００６０】
この肉厚均等化効果を確認するために下記の実験を行なった。
【００６１】
先ず、比較例として、図１０（Ａ）および（Ｂ）に示す中子ａと外型Ｂを作製した。図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）の丸囲み部分の拡大図である。比較例の中子ａは６００ｍｍ×６００ｍｍの矩形断面を持ち、各角部Ｃは半径５０ｍｍの円弧形状であり、材質は低密度ポリエチレンから成り、内圧の負荷により膨張可能である。外型Ｂは、中子ａの外周との間に３ｍｍのクリアランスをとったキャビティ−内面の形状・寸法を持ち、材質は金属製である。
【００６２】
本発明例の中子ＡＹも比較例の中子ａと同一の断面形状・寸法であるが、材質構成は図９（Ａ）を参照して上記に説明したようにして作製した。外型Ｂは比較例と同じものを用いた。
【００６３】
先ず、比較例の中子ａを用いて、図１０（Ｂ）に示したように、中子ａと外型Ｂとの間のクリアランス内に粘土球Ｍを配置した。粘土球Ｍは直径３ｍｍであり、クリアランスを画定している中子ａの外表面と外型Ｂのキャビティ−面とに接触して配置されている。
【００６４】
図１０（Ｂ）に示した中子ａ／外型Ｂのアセンブリを６０℃に保温し、中子ａ内に圧縮空気を注入して７００ｍｍＨｇの内圧を負荷し、３０分間保持した。その後、圧縮空気を排出して、中子ａを外型Ｂから取り出した。
【００６５】
粘土球Ｍを観察した結果、平坦部Ｐに配置した粘土球Ｍには加圧による潰れが発生していたが、角部Ｃに配置した粘土球Ｍには潰れの発生が認められなかった。この結果から、全体を同一材質で構成した比較例の中子ａでは、平坦部Ｐには成形圧が付与されたが、角部Ｒには成形圧が付与されなかったことが判った。
【００６６】
次に、本発明の中子ＡＹを用いて、同じく図１０（Ｂ）のようにアセンブリをくみ、比較例と同一の保温・内圧条件で試験をした。試験後の粘土球Ｍを観察した結果、角部Ｃおよび平坦部Ｐにおいて粘土球Ｍに同程度の潰れが発生していた。この結果から、全体を型部材（ＨＴＵ）２と変形可能な接合部材３Ｘとの交互接合構造とし、角部Ｃの型部材２を両側から挟み込む位置に接合部材３Ｘを配置した本発明例の中子ＡＹを用いたことにより、角部Ｃと平坦部Ｐに均等に成形圧が付与されたことが判った。
【００６７】
〔実施例４〕
本実施例では、特にＲＴＭ成形（Ｒｅｓｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）およびＲＩＭ成形（Ｒｅａｃｔｉｏｎ　Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）によるＦＲＰの成形に本発明を適用する具体例を説明する。
【００６８】
ＲＴＭ成形、ＲＩＭ成形においては、樹脂の注入・浸透性の悪さが頻繁に問題となる。すなわち、これらの成形法は、非膨張タイプの中子Ｒと外型Ｂ（図１２（Ａ））との間の間隙として形成された型内に強化繊維のプリフォームを装入し、樹脂を注入する。注入された樹脂は、図１２（Ａ）のように注入口ｉから強化樹脂間に浸透しつつ、型内全体に広がって行って充填される。このように、型内への樹脂充填の全過程が流動抵抗の大きい強化樹脂間への浸透により行なわれるため、高い注入圧を要する上に浸透に長時間を要し、注入・浸透性が悪い。
【００６９】
これに対して、本発明の中子を適用する際に以下の改良を加えることにより、樹脂の注入・浸透性を格段に高めることができる。
【００７０】
図１１に、本実施例の中子に用いる接合部材３Ｚを示す。この接合部材３Ｚには、外周面すなわちＦＲＰ構造体の内面を成形する成形作用面に、図示のような溝７を長手方向に沿って設けてある。溝７はＦＲＰ成形時の樹脂注入口に連通している。溝７は、接合部材３Ｚの成形時に初めから設けるか、あるいは成形した接合部材３Ｚを機械加工して設ける。
【００７１】
このように接合部材３Ｚに溝７を設けると、注入口ｉから注入された樹脂は、先ず溝７内に進入する。溝７は、数ｍｍ程度の幅／深さで形成されており、数１０μｍ以下の強化樹脂間に比べて遥かに流動抵抗が小さい。そのため、溝７内に進入した樹脂流は、低い注入圧でも溝７に沿って型の最奥部まで迅速に到達し、その後図１２（Ｂ）のように溝７の全長から強化繊維間に供給され浸透する。
【００７２】
すなわち、従来法では、注入口という単一の点を起点として強化繊維間に浸透させて型全面に樹脂を行き渡らせるに対して、本発明法では、溝という線を起点として強化繊維間に浸透させて型全面に樹脂を行き渡らせる。しかも、溝は複数個の接合部材にそれぞれ設けられているので、複数の線が複数の起点として作用する。その結果、単一の点からの樹脂供給により繊維間浸透が進行する従来法に比べて、複数の線からの樹脂供給により繊維間浸透が進行するので、樹脂充填時間が大幅に短縮し、注入・浸透性が大幅に向上する。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の中空体を、内面形状を精度良く成形でき、且つ成形した製品の取り出しを容易に行なうことができる成形用中子が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の中子を用いて成形する製品例としてのＦＲＰ中空構造体を示す斜視図である。
【図２】図２は、図１のＦＲＰ中空構造体の成形に用いる本発明の実施例１による中子を示す斜視図である。
【図３】図３は、本発明の実施例１による中子の構成要素である接合部材の一部を示す斜視図である。
【図４】図４は、本発明の実施例１による中子を用いて成形したＦＲＰ中空構造体から中子の構成要素である型部材（ＨＴＵ）を取り出す操作を示す斜視図である。
【図５】図５は、ＦＲＰ中空構造体と、その成形に用いる外型とを示す斜視図である。
【図６】図６は、図５の外型と組み合わせて加圧成形を行なうための本発明の実施例２による変形可能な中子を示す斜視図である。
【図７】図７は、図６の中子を用いて加圧成形を行なう際の（Ａ）中子構成要素の配置と（Ｂ）内圧負荷時の各構成要素の変位とを示す断面図である。
【図８】図８は、角部を備えた断面形状を有する中子に内圧を負荷した際の中子各部位の変位を示す断面図である。
【図９】図９は、図８の断面形状を有する中子に本発明を適用した実施例３の中子について、（Ａ）中子構成要素の配置と（Ｂ）内圧負荷時の各構成要素の変位とを示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の実施例３による成形圧均等化効果を調べる実験用の中子／外型アセンブリを示す（Ａ）断面図および（Ｂ）拡大部分断面図である。
【図１１】図１１は、本発明の実施例４による中子の構成要素である溝付き接合部材を部分的に示す斜視図である。
【図１２】図１２は、ＲＴＭ成形あるいはＲＩＭ成形の際の樹脂充填の進行状況を（Ａ）従来の中子を用いた場合および（Ｂ）本発明の実施例４による中子を用いた場合についてそれぞれ示す斜視透視図である。
【符号の説明】
１…繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製中空構造体
２…型部材（ＨＴＵ：ｈａｒｄ　ｔｏｏｌ　ｕｎｉｔ）
３、３Ｘ…接合部材
４…給水路
５…スリット
６…エアインレットノズル
７…溝
Ａ、ＡＸ、ＡＹ…本発明の中子
ａ…従来の中子（膨張可能タイプ）
Ｒ…従来の中子（非膨張タイプ）
Ｂ…外型
Ｃ…角部
Ｐ…平坦部
【図１】
2004130726.tif 000003
【図２】
2004130726.tif 000004
【図３】
2004130726.tif 000005
【図４】
2004130726.tif 000006
【図５】
2004130726.tif 000007
【図６】
2004130726.tif 000008
【図７】
2004130726.tif 000009
【図８】
2004130726.tif 000010
【図９】
2004130726.tif 000011
【図１０】
2004130726.tif 000012
【図１１】
2004130726.tif 000013
【図１２】
2004130726.tif 000014