(57)【要約】【課題】本発明では、平面状の部分と、これより複雑な形状となる部分とを含んだ成形体を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる繊維強化複合材からなる成形体およびその製造方法を提供することを課題とする。【解決手段】板状部品２は、その構造体平面部２１が、第一の母材と、長繊維をシート状にした強化部材とを有し、そのリブ２２が、第二の母材と、短繊維とを有している。【選択図】        図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状の構造体平面部と、この構造体平面部よりも複雑形状となる構造体詳細造形部とを含んで構成される、繊維強化複合材からなる成形体であって、
前記構造体平面部は、第一の母材と、長繊維をシート状にした強化部材とを有し、
前記構造体詳細造形部は、第二の母材と、短繊維とを有することを特徴とする繊維強化複合材からなる成形体。
【請求項２】
前記構造体詳細造形部は、前記構造体平面部を補強するリブであることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材からなる成形体。
【請求項３】
平面状の構造体平面部と、この構造体平面部よりも複雑形状となる構造体詳細造形部とを含んで構成される、繊維強化複合材からなる成形体の製造方法であって、
第一の母材と、長繊維をシート状にした強化部材とから長繊維基材を形成する第一工程と、
第二の母材と、短繊維とから短繊維基材を形成する第二工程と、
前記長繊維基材を型内の前記構造体平面部に相当する箇所に配設するとともに、前記短繊維基材を前記型内の前記構造体詳細造形部に相当する箇所に配設する第三工程と、
前記長繊維基材と前記短繊維基材とを前記型で加圧および加熱する第四工程とを有することを特徴とする成形体の製造方法。
【請求項４】
前記長繊維基材を、前記型内への投入前に予め複数積層しておき、前記第三工程において、前記型内の前記構造体平面部に相当する箇所に前記長繊維基材を配設することを特徴とする請求項３に記載の成形体の製造方法。
【請求項５】
前記長繊維基材と前記短繊維基材とを、前記型内への投入前に予め積層しておくことを特徴とする請求項４に記載の成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化複合材からなる成形体およびその製造方法に関し、特に、板状部分と複雑形状部分を有する成形体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、板状のＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ    Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ    Ｐｌａｓｔｉｃｓ）成形体の強度を高めるために、連続繊維（以下、「長繊維」ともいう）が引き揃えられた基材を用いている。このような長繊維の基材からなるＦＲＰ成形体は、一般に、オートクレーブやＲＴＭ（レジントランスファ成型）といった製造方法により製造されている。これらの製造方法は、高い強度で形成することができるメリットを有する反面、型上に薄い基材をなじませるように積層させる必要があるため、多大な工数がかかるとともに、熟練した作業者でなければ良好に成型できないといったデメリットも有している。
【０００３】
また、前記のような製造方法に対して、ＳＭＣ（Ｓｈｅｅｔ    ｍｏｌｄｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）製法という製法があり、この製法は、基材を型になじませる必要がないので、工数が少なくて済むとともに、熟練した作業者でなくても簡単に成型が行えるといったメリットを有している。この製法では、繊維を数センチ程度にカットしたチョップ（以下、「短繊維」ともいう）、あるいは連続繊維をスパイラル状にして、繊維が自由に動けるようにしたもので形成された基材が用いられており、この基材を型内で加圧および加熱することでＳＭＣ成形体を成型している（たとえば、特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−７２１８６号公報（段落番号〔００１８〕）
【０００５】
このようなＳＭＣ製法は、短繊維で形成される流動性の良い基材を用いるため複雑な形状であっても簡単に成型することができるメリットを有する反面、前記のような長繊維の基材で成型した板状部品に比べて面に沿った方向の剛性が低いといったデメリットも有している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、板状に形成される部品においては、厚さ方向の剛性を高めるためや、他の部品と固定するために、補強用のリブやボス形状などを設けることがある。しかしながら、このように補強用のリブやボス形状を設ける場合には、従来のような材料では以下に示す問題があった。
【０００７】
長繊維からなる基材では、その流動性が悪いため、板状部分とリブを一体に形成することができなかった。そのため、このような長繊維の基材で形成した板状部品にリブやボスを設ける場合は、成型後の板状部品に、別部品のリブやボスを接着剤などで取り付ける必要があり、板状部品の成型工程とは別に工程が必要であった。また、長繊維の基材を多めに積層させることで板状部品の厚さを増やして、その剛性を上げる方法もあるが、薄い反物状の基材を一枚ずつハンドレイアップする必要があるため多大な工数がかかっていた。
【０００８】
チョップなどの短繊維からなる基材では、ＳＭＣ製法により板状部分とリブなどを一体成型することができるが、その板状部分が長繊維で形成したものと比べて面に沿う方向の剛性が低くなる問題があった。
【０００９】
そこで、本発明の課題は、平面状の部分と、これより複雑な形状となる部分とを含んだ成形体を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる繊維強化複合材からなる成形体およびその製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決した本発明のうちの請求項１に記載の発明は、平面状の構造体平面部と、この構造体平面部よりも複雑形状となる構造体詳細造形部とを含んで構成される、繊維強化複合材からなる成形体であって、前記構造体平面部は、第一の母材と、長繊維をシート状にした強化部材とを有し、前記構造体詳細造形部は、第二の母材と、短繊維とを有することを特徴とする。
【００１１】
ここで、「第一の母材、第二の母材」とは、通常同じ材料、特に熱硬化性樹脂に、重合単量体、低収縮剤、増粘剤、硬化剤および充填剤などを混合したものをいう。ただし、これらの母材は、これに限定されず、たとえば前記熱硬化性樹脂を熱可塑性樹脂に代えてもよい。また、互いの接着性が良ければ、第一の母材と第二の母材が異なる材質であってもよい。
【００１２】
「長繊維、短繊維」は、炭素繊維であることが望ましいが、たとえばガラス繊維、アラミド繊維などであっても構わない。また、「長繊維」は、平織り、綾織りなどによりシート状に形成されており、「短繊維」は、成型時に流動可能な程度の長さとなる繊維で、たとえば３０ｍｍ程度の長さで形成される。なお、この短繊維の長さは、任意であり、たとえば１ｍｍ以下であっても構わない。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、成形体のうち構造体平面部がシート状となる長繊維によって面に沿った方向の剛性が高い状態で形成され、構造体詳細造形部が短繊維の流動により良好に形成されるので、型内で加圧や加熱を行うＳＭＣ製法のような製法の一工程で構造体平面部と構造体詳細造形部を同時に成型することができる。そのため、このような成形体を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明の構成において、前記構造体詳細造形部は、前記構造体平面部を補強するリブであることを特徴とする。
【００１５】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、構造体平面部が短繊維で形成されるリブで補強されるので、その分構造体平面部の厚さを薄く設定することができる。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、平面状の構造体平面部と、この構造体平面部よりも複雑形状となる構造体詳細造形部とを含んで構成される、繊維強化複合材からなる成形体の製造方法であって、第一の母材と、長繊維をシート状にした強化部材とから長繊維基材を形成する第一工程と、第二の母材と、短繊維とから短繊維基材を形成する第二工程と、前記長繊維基材を型内の前記構造体平面部に相当する箇所に配設するとともに、前記短繊維基材を前記型内の前記構造体詳細造形部に相当する箇所に配設する第三工程と、前記長繊維基材と前記短繊維基材とを前記型で加圧および加熱する第四工程とを有することを特徴とする。
【００１７】
請求項３に記載の発明によれば、まず、第一の母材と長繊維をシート状にした強化部材とから長繊維基材を形成し、第二の母材と短繊維とから短繊維基材を形成する。次に、型内の構造体詳細造形部に相当する箇所に短繊維基材を配設し、同じく型内の構造体平面部に相当する箇所に長繊維基材を配設する。そして、これらの基材を型内で同時に加圧および加熱すると、構造体平面部が長繊維基材によって面に沿った方向の剛性が高い状態で形成され、構造体詳細造形部が短繊維基材の流動により良好に形成される。そのため、このような構造体平面部と構造体詳細造形部とを有する成形体を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる。
【００１８】
請求項４に記載の発明は、前記長繊維基材を、前記型内への投入前に予め複数積層しておき、前記第三工程において、前記型内の前記構造体平面部に相当する箇所に前記長繊維基材を配設することを特徴とする。
【００１９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明による効果に加え、長繊維基材が型内への投入前に予め積層されているので、型内で煩雑な積層作業を行う必要がなくなり、その製造にかかる時間を短縮することができる。
【００２０】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明の構成において、前記長繊維基材と前記短繊維基材とを、前記型内への投入前に予め積層しておくことを特徴とする。
【００２１】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明による効果に加え、長繊維基材と短繊維基材が型内への投入前に予め積層されているので、型内における煩雑な設置作業を行う必要がなくなり、その製造にかかる時間を短縮することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係る繊維強化複合材からなる成形体およびその製造方法の詳細について説明する。参照する図面において、図１は本発明に係る成形体である板状部品を形成する材料を示す分解斜視図、図２は図１の炭素繊維強化複合材を金型内に投入した状態を示す側面図、図３は図１の炭素繊維強化複合材で形成された板状部品の要部を示す要部拡大斜視図である。
【００２３】
本発明に係る成形体である板状部品２（図３参照）は、図１に示す炭素繊維強化複合材１で形成されている。この炭素繊維強化複合材１は、長繊維基材１１ａ，１１ｂ，１１ｂ，１１ａが四枚積層されて構成される長繊維積層体１１と、第二の母材（熱硬化性樹脂に増粘剤などを含ませたもの）と短繊維とからなる短繊維基材１２とを有している。長繊維積層体１１は、図３に示すような板状部品２における平面状の構造体平面部２１を形成するものであり、その繊維配向角が−４５°となる長繊維基材１１ａと＋４５°となる長繊維基材１１ｂとが所定の順番で四枚積層されて形成されている。そして、これらの長繊維基材１１ａ，１１ｂ，１１ｂ，１１ａは、それぞれ長繊維をシート状にした強化部材に第一の母材（熱硬化性樹脂に増粘剤などを含ませたもの）を含浸することで形成され、その間に液状の樹脂が塗布されることで接着された状態となっている。
【００２４】
なお、この長繊維基材１１ａ，１１ｂは、加圧および加熱により熱硬化したときに、面に沿った方向の剛性が高くなる材料であればどのようなものであってもよい。また、本実施形態では、四枚の長繊維基材１１ａ，１１ｂ，１１ｂ，１１ａを金型３（図２参照）への投入前に予め積層して接着させた状態としているが、本発明はこれに限定されず、金型３内で四枚の長繊維基材１１ａ，１１ｂ，１１ｂ，１１ａを液状の樹脂で接着しつつ積層してもよい。さらに、長繊維基材１１ａ，１１ｂの積層枚数は何枚であってもよい。
【００２５】
短繊維基材１２は、図３に示すような板状部品２の構造体平面部２１を補強するリブ（構造体詳細造形部）２２や図示しない複雑形状となる部分（構造体詳細造形部）を形成するものである。そのため、図１に示すように、この短繊維基材１２は、リブ２２を形成するために長繊維積層体１１の下面側に配設されるとともに、複雑形状部を形成するために長繊維積層体１１の上面の両端に配設されている。そして、この短繊維基材１２と長繊維積層体１１は、これらの間に液状の樹脂が塗布されることで接着された状態となっている。なお、この短繊維基材１２は、加熱前において高い流動性を有する熱硬化性樹脂であればどのようなものであってもよい。また、この短繊維基材１２は、型内へ投入する前においては、その表面が粘着性のある状態となっているため、長繊維積層体１１に対して積層するだけでも接着される。
【００２６】
次に、この炭素繊維強化複合材１を用いた板状部品２の製造方法について説明する。
図１に示すように、まず、第一の母材と長繊維をシート状にした強化部材とから四枚の長繊維基材１１ａ，１１ｂ，１１ｂ，１１ａを形成し（第一工程）、第二の母材と短繊維とから短繊維基材１２を形成する（第二工程）。金型３への投入前に、四枚の長繊維基材１１ａ，１１ｂ，１１ｂ，１１ａを予め積層して接着させておくとともに、このようにして形成された長繊維積層体１１の下面や上面の両端部（構造体詳細造形部に相当する箇所）に短繊維基材１２を配置し、これらを長繊維積層体１１に液状の樹脂を介して予め接着させておく。そして、この長繊維積層体１１と短繊維基材１２が一体となった炭素繊維強化複合材１を、図２に示すように、金型３内の所定位置へ配設する（第三工程）。ここで、この金型３内に配設された炭素繊維強化複合材１のうち長繊維積層体１１は、構造体平面部２１に相当する箇所に位置することになり、短繊維基材１２は、リブ２２や前記複雑形状部に相当する箇所に位置することとなる。
【００２７】
そして、このようにセットされた長繊維積層体１１と短繊維基材１２を、いわゆるＳＭＣ製法と同様に金型３内で加圧および加熱する（第四工程）。ここで、長繊維積層体１１の上面側に配設された短繊維基材１２は、加圧により流動することで金型３の形状に沿った複雑形状に形成されるとともに、長繊維積層体１１の下面側に配設された短繊維基材１２は、下型３１に形成された溝３１ａに流入してリブ２２の形状に形成される。
【００２８】
すなわち、この炭素繊維強化複合材１を金型３内で加圧および加熱することで、長繊維積層体１１が熱硬化して図３に示すような面に沿った方向に高い剛性を示す構造体平面部２１として形成され、短繊維基材１２が流動した後に熱硬化することで長繊維積層体１１と一体に前記複雑形状部やリブ２２として形成される。以上により、平面状の構造体平面部２１と、この構造体平面部２１よりも複雑形状となる複雑形状部やリブ２２とを含んで構成される板状部品２が成型されることとなる。
【００２９】
以上によれば、本実施形態において、次のような効果を得ることができる。
（１）構造体平面部２１が長繊維積層体１１で形成され、構造体詳細造形部である複雑形状部やリブ２２が短繊維基材１２で形成されることにより、板状部品２を一度の加圧・加熱工程で成型することができるので、この板状部品２を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる。
（２）短繊維基材１２で形成されるリブ２２が構造体平面部２１を補強することによって、構造体平面部２１の厚さを薄くでき長繊維基材１１ａ，１１ｂの枚数を少なくできるので、その分長繊維基材１１ａ，１１ｂを積層する時間を省くことができる。
【００３０】
（３）長繊維基材１１ａ，１１ｂが金型３内への投入前に予め積層されているので、金型３内で煩雑な積層作業を行う必要がなくなり、その製造にかかる時間を短縮することができる。
（４）長繊維積層体１１と短繊維基材１２が金型３内への投入前に予め接着されているので、金型３内における煩雑な設置作業を行う必要がなくなり、その製造にかかる時間を短縮することができる。
【００３１】
【実施例】
次に、前記炭素繊維強化複合材１を、車体の前部に配設されるフード（ボンネット）の材料として適用した実施例について説明する。参照する図面において、図４は図１の炭素繊維強化複合材が適用されたフードを示す分解斜視図であり、図５は図４のフードの下面に形成されるリブなどを示す下面図である。
【００３２】
図４に示すように、前記長繊維積層体１１は、フード（成形体）４の外面となる平面状の構造体平面部４１を形成する材料として利用され、その形状は完成品であるフード４の平面形状に合わせて形成されている。前記短繊維基材１２は、図５に示すような、構造体平面部４１よりも複雑形状となる構造体詳細造形部４２を形成する材料として利用されている。ここで、図５に示すように、構造体詳細造形部４２は、フード４の構造体平面部４１を補強するリブ４２ａと、他部品にこのフード４を取り付けるための取付ボス４２ｂ，４２ｂと、他部品にこのフード４を係止させるためのフック４２ｃとで主に構成されている。
【００３３】
なお、短繊維基材１２は、構造体詳細造形部４２を形成可能な量だけあればどのような形状に形成しておいてもよい。たとえば、図４に示すようにフード４の形状と略同一となるような形状に形成してもよいし、図５に示すように単なる四角形状であってもよい。そして、このように短繊維基材１２を単なる四角形状にした場合は、少なくとも取付ボス４２ｂ，４２ｂとフック４２ｃの三点で囲まれた三角形領域内に四角形状の短繊維基材１２を三枚配設すれば、その三角形領域内のリブ４２ａが形成されて十分な剛性を確保できる。すなわち、単純な四角形状となる短繊維基材１２を利用した場合は、前記三角形領域内の適所に配設することでフード４の剛性を十分確保できるとともに、複雑な形状に形成した場合に比べて無駄な材料が出ず、その歩留まりを向上させることができる。
【００３４】
そして、この長繊維積層体１１と短繊維基材１２を型内で加圧・加熱すると、面に沿った方向に高い剛性を有する構造体平面部４１と、この構造体平面部４１の厚さ方向の剛性を高めるリブ４２ａなどが一体に成型されて、どの方向においても高い剛性を有するフード４が成型されることとなる。
【００３５】
なお、本実施例では、炭素繊維強化複合材１を材料にした部品をフード４としたが、本発明はこれに限定されず、平面状の構造体平面部と、この構造体平面部よりも複雑形状となる構造体詳細造形部とを含んで構成される成形体であればどのような部品であってもよい。
【００３６】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、構造体平面部が長繊維で形成され、構造体詳細造形部が短繊維で形成されることにより、成形体をＳＭＣ製法のような型内で加圧と加熱を行う製法で成型することができるので、この成形体を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる。
【００３７】
請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の発明による効果に加え、短繊維で形成されるリブが構造体平面部を補強することによって、構造体平面部の厚さを薄くできるので、たとえば長繊維を含んだ基材を複数積層する場合は、その積層にかかる時間を省くことができる。
【００３８】
請求項３に記載の発明によれば、型内において構造体平面部が長繊維基材によって剛性が高い状態で形成され、構造体詳細造形部が短繊維基材の流動により良好に形成されるので、このような成形体を、工数をかけずに、かつ高い剛性で成型することができる。
【００３９】
請求項４に記載の発明によれば、請求項３に記載の発明による効果に加え、長繊維基材が型内への投入前に予め積層されているので、型内で煩雑な積層作業を行う必要がなくなり、製造にかかる時間を短縮することができる。
【００４０】
請求項５に記載の発明によれば、請求項４に記載の発明による効果に加え、長繊維基材と短繊維基材が型内への投入前に予め積層されているので、型内における煩雑な設置作業を行う必要がなくなり、その製造にかかる時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る成形体である板状部品を形成する材料を示す分解斜視図である。
【図２】図１の炭素繊維強化複合材を金型内に投入した状態を示す側面図である。
【図３】図１の炭素繊維強化複合材で形成された板状部品の要部を示す要部拡大斜視図である。
【図４】図１の炭素繊維強化複合材が適用されたフードを示す分解斜視図である。
【図５】図４のフードの下面に形成されるリブなどを示す下面図である。
【符号の説明】
１      炭素繊維強化複合材
１１    長繊維積層体
１１ａ，１１ｂ  長繊維基材
１２    短繊維基材
２      板状部品（成形体）
２１    構造体平面部
２２    リブ（構造体詳細造形部）
３      金型
４      フード（成形体）
４１    構造体平面部
４２    構造体詳細造形部
４２ａ  リブ
４２ｂ  取付ボス
４２ｃ  フック
【図１】
2004262120.tif 000003
【図２】
2004262120.tif 000004
【図３】
2004262120.tif 000005
【図４】
2004262120.tif 000006
【図５】
2004262120.tif 000007