(57)【要約】【課題】発泡芯材を強化繊維で包囲したものをプリフォームとするＦＲＰ構造体の成形品質を高める。【解決手段】二つのコア素片２ａ，２ｂの間に強化繊維９を挟み込んでなる発泡コア２を強化繊維１０で包囲してプリフォーム１１とする。各コア素片２ａ，２ｂの表層部には予め未発泡シート７を埋設しておく。プリフォーム１１を加熱された成形型１２に入れて型締めし、マトリックス樹脂として熱硬化性の樹脂材料を充填して強化繊維９，１０に含浸させ、強化繊維９をリブ４とし且つ強化繊維１０を表皮層３とするＦＲＰ構造体１を成形する。未発泡シート７の膨張によって強化繊維１０を型面に押し付けることでしわの発生や偏肉等の成形不良を防ぐ。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発泡芯材とこの発泡芯材を包囲している繊維強化樹脂製の表皮層とを有していて、発泡芯材の内部には表皮層と一体で且つその発泡芯材を横断するリブが形成されているＦＲＰ構造体の製造方法であって、
少なくとも二分割された発泡芯材の表層部に未発泡の発泡材を埋め込む工程と、
それら発泡芯材同士の間に強化繊維を挟み込んだ上で発泡芯材全体を強化繊維で包囲してプリフォームとする工程と、
プリフォームを成形型内に入れて型締めした上で加熱して未発泡の発泡材を発泡させる工程と、
上記加熱後もしくは加熱処理と並行して成形型内にマトリックス樹脂を充填して強化繊維に含浸させつつ表皮層を所定形状に成形する工程と、
を含むことを特徴とするＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項２】
発泡芯材とこの発泡芯材を包囲している繊維強化樹脂製の表皮層とを有していて、発泡芯材の内部には表皮層と一体で且つその発泡芯材を横断するリブが形成されいているＦＲＰ構造体の製造方法であって、
少なくとも二分割された発泡芯材の表層部に未発泡の発泡材を埋め込む工程と、
それら発泡芯材同士の間に強化繊維を挟み込んだ上で発泡芯材全体を強化繊維で包囲してプリフォームとする工程と、
プリフォームを成形型内に入れて型締めする工程と、
成形型内にマトリックス樹脂を充填して強化繊維に含浸させる工程と、
マトリックス樹脂の充填後に加熱して、強化繊維に含浸させたマトリックス樹脂を硬化させて表皮層を所定形状に成形しながら未発泡の発泡材を発泡させる工程と、
を含むことを特徴とするＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項３】
発泡芯材の表層部に未発泡の発泡材を受容する凹状部を予め形成しておき、この凹状部に未発泡のシート状の発泡材を配置することを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項４】
凹状部に未発泡のシート状の発泡材を配置した上で、発泡芯材と同材質の蓋体で発泡芯材の表面と面一状態となるように被覆することを特徴とする請求項４に記載のＦＲＰ構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材料の構造体として代表的なＦＲＰ（繊維強化プラスチックス）構造体の製造方法に関し、特に発泡芯材とこの発泡芯材を包囲している繊維強化樹脂製の表皮層とを有していて、発泡芯材の内部には表皮層と一体で且つその発泡芯材を横断するリブが形成されているＦＲＰ構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
中空状で三次元形状をなすＦＲＰ構造体を製作する場合、芯材としていわゆる風船状の中空バッグを使用して一体成形を行う工法のほか、いわゆる最中構造として半割り状のプリフォームを成形した上でそのプリフォーム同士を接着接合する工法が多く採用されている。
【０００３】
しかしながら、前者の工法では、構造体としての剛性や強度を高めるために内部に隔壁状のリブを設定したい場合にリブの位置決めや形状保持が困難であること、また後者の工法では、接着工程が増えることにより製作に要する時間が長くなるばかりでなく、プリフォーム同士の位置合わせ精度の確保等のために生産性が大きく低下する、等の理由から、第３の方法として、中空部を密度の小さい発泡材としてその周りを繊維強化樹脂で覆う方法が例えば特許文献１，２として試みられている。
【０００４】
この方法によれば、発泡材を芯材（コア）とすることにより、リブに相当する部分でその芯材を分割し、分割した芯材同士の間に強化繊維を挟み込むことにより精度の良好なリブを一体に成形することが可能となり、しかもこの中間成形体を成形型内に入れて成形することで外表面の良好な製品を得ることが可能となる。
【０００５】
【特許文献１】
特開平１１−２５４５６６号公報  （図２）
【０００６】
【特許文献２】
特開２０００−２３３４６４号公報  （第３頁および図４）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、発泡体はその特殊性として全体にわたり気泡が存在しているため、外部からの荷重を受けると表面が容易に窪んだり陥没しやすく、特により軽量な製品を成形するべく発泡材の密度を小さいものにするほど上記の傾向が顕著となる。
【０００８】
そのため、発泡芯材を強化繊維で覆う際もしくは強化繊維で覆った発泡芯材を成形型内にセットする際に、その発泡芯材が窪んだり陥没してしまうと、含浸する樹脂の量が多くなって製品板厚が局部的に厚くなったり強度の低下を招くほか、強化繊維が余り気味となることによって製品表面にしわが発生する等の不具合が発生する。
【０００９】
また、外部荷重に対して硬く且つ表面に窪みや陥没が発生しにくい発泡材の使用も可能ではあるが、そのタイプの発泡材は非常に高価であり、特に安価で且つ軽量な製品を製作したい場合には採用することができない。
【００１０】
本発明はこのような課題に着目してなされたものであり、特に繊維強化樹脂製の表皮層で包囲されている発泡芯材の内部に表皮層と一体で且つその発泡芯材を横断するリブが形成されているＦＲＰ構造体を前提として、安価な発泡芯材の使用で品質の良好な製品を成形できるようにした方法を提供するものである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、先に述べたように、発泡芯材とこの発泡芯材を包囲している繊維強化樹脂製の表皮層とを有していて、発泡芯材の内部には表皮層と一体で且つその発泡芯材を横断するリブが形成されているＦＲＰ構造体の製造方法であることを前提としている。その上で、少なくとも二分割された発泡芯材の表層部に未発泡の発泡材を埋め込む工程と、それら発泡芯材同士の間に強化繊維を挟み込んだ上で発泡芯材全体を強化繊維で包囲してプリフォームとする工程と、プリフォームを成形型内に入れて型締めした上で加熱して未発泡の発泡材を発泡させる工程と、上記加熱後もしくは加熱処理と並行して成形型内にマトリックス樹脂を充填して強化繊維に含浸させつつ表皮層を所定形状に成形する工程とを含むことを特徴としている。
【００１２】
この場合、加熱する時期とマトリックス樹脂を充填する時期とを入れ換えて、請求項２に記載のように、プリフォームを成形型内に入れて型締めした後に、先ず成形型内にマトリックス樹脂を充填して強化繊維に含浸させ、その後に加熱して、強化繊維に含浸させたマトリックス樹脂を硬化させて表皮層を所定形状に成形しながら未発泡の発泡材を発泡させるようにしてもよい。
【００１３】
また、構造体の表面品質を一段と高める上では、請求項３に記載のように、発泡芯材の表層部に未発泡の発泡材を受容する凹状部を予め形成しておき、この凹状部に未発泡のシート状の発泡材を配置したり、あるいは請求項４に記載のように、凹状部に未発泡のシート状の発泡材を配置した上で、発泡芯材と同材質の蓋体で発泡芯材の表面と面一状態となるように被覆することが望ましい。
【００１４】
したがって、請求項１に記載の発明では、プリフォームを成形型内に入れて型締めした後に初めて未発泡の発泡材が発泡することになるので、発泡芯材を覆っている強化繊維を外側すなわち成形型に押し付ける効果が発揮される。これにより、強化繊維ひいては表皮層のしわの発生や肉厚をばらつき等を未然に防止できるようになる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、未発泡の発泡材の発泡をもってその外側の強化繊維を成形型に押し付けるようにしているため、強化繊維を含む表皮層の板厚がばらつくことがなく、その厚み精度が向上するとともに強度的にも安定した構造体を成形できるほか、強化繊維のしわの発生を防止できるので表面品質も併せて向上する。また、上記のような品質向上によって安価で且つ軽量な発泡芯材の使用で足りることから、コストアップの少ない軽量な構造体を容易に成形できる利点がある。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１〜３は本発明の好ましい実施の形態を示す図であり、特に図１は成形されたＦＲＰ構造体の概略構造を、図２はそのＦＲＰ構造体１となるべき発泡芯材（発泡コア）および未発泡の発泡材等との相互関係を分解斜視図としてそれぞれ示している。
【００１７】
図１に示すＦＲＰ構造体１の全体形状は略中実角柱状もしくは直方体形状のものであって、発泡コア２を芯材としてその六面全面が熱硬化性の繊維強化樹脂からなる表皮層（スキン層）３にて覆われているとともに、内部中央には表皮層３と一体化されながら発泡コア２を横断する単一の隔壁状のリブ４が形成されている。このリブ４があるために発泡コア２は実質的に左右二つのもの２ａ，２ｂに分割されている。ここでは、表皮層３で覆われたコア全体を発泡コア２と呼び、リブ４の存在により二分された左右同一形状のコアのそれぞれをコア素片２ａ，２ｂと呼ぶものとする。
【００１８】
各コア素片２ａ，２ｂは、図２に示すように例えば硬質ポリウレタンフォーム製のものであって、その外周面である六面それぞれの表層部には凹状部として矩形状の受容凹部５を個別に形成してあるとともに、その受容凹部５よりも一回り大きな段状部６をもって同じく矩形状の開口部６を個別に形成してある。なお、上記の硬質ポリウレタンフォームとしては、例えば東洋ゴム工業（株）社製の硬質ウレタンフォーム「ソフラン−Ｒ  Ｗ−３０」などの密度の小さな軽量なものが好ましい。また、受容凹部５や開口部６は必ずしも六面全面に設けることなく、製品機能の上で必要な面のみに設定することもできる。
【００１９】
それぞれの受容凹部５には未発泡の発泡材として矩形状の未発泡シート７を配設するようになっているとともに、その上から各コア素片２ａ，２ｂと同材質（硬質ポリウレタンフォーム）の蓋体として同じく矩形状のカバーシート８をコア素片２ａ，２ｂの外周面と面一状態となるように開口部６に装着して未発泡シート７を隠蔽し、これをもって実質的に未発泡シート７を各コア素片２ａ，２ｂ内に埋め込むようになっている。なお、未発泡シート７としては、例えばＨｅｘｃｅｌ社製の発泡接着剤「ＲＥＤＵＸ２０６ＮＡ」を使用するものとするが、シート状のものであれば必ずしも接着剤である必要はない。
【００２０】
したがって、上記の受容凹部５は未発泡シート７を受容し得る大きさに、開口部６はカバーシート８を受容し得る大きさにそれぞれ設定されている。なお、図２では、各コア素片２ａ，２ｂの六面のうち特定の一面にのみ装着されることになる未発泡シート７とカバーシート８を描いてあり、それ以外の各面の未発泡シート７とカバーシート８は図示省略してある。
【００２１】
また、一対のコア素片２ａ，２ｂ同士の間には図１のリブ４に相当するものとしてコア素片２ａ，２ｂのうちその最大面積の面と同サイズの強化繊維（単繊維層を何層か積層したもの）９を挟み込むものとする。
【００２２】
図１に示したＦＲＰ構造体１の成形にあたっては、先に述べたように一対のコア素片２ａ，２ｂについてそれぞれの受容凹部５に未発泡シート７を置いた上で開口部６にカバーシート８をはめ込んで蓋をする。これにより、各コア素片２ａ，２ｂの表層部には実質的に未発泡シート７が埋め込まれたことになる。
【００２３】
次いで、コア素片２ａ，２ｂ同士の間に強化繊維９を挟み込みようにしてそのコア素片２ａ，２ｂ同士を組み合わせて発泡コア２とする。さらにコア素片２ａ，２ｂ同士を組み合わせてなる発泡コア２を包囲するようにして図３の（Ａ）に示すようにその全周を強化繊維（単繊維層を何層か積層したもの）１０で覆う。ここにいう強化繊維１０は図１の表皮層３となるべきものであり、リブ４に相当する強化繊維９と同材質のものである。すなわち、リブ４となるべき強化繊維９を挟み込んだ発泡コア２をさらに表皮層３となるべき強化繊維１０で覆うことで、図３の（Ａ）に示すようなＦＲＰ構造体１となるべきプリフォーム１１となる。
【００２４】
ここで、発泡コア２を強化繊維１０で包囲しただけでは図３の（Ａ）に示すようにその表面にしわＱや単繊維層間の隙間Ｇの発生が不可避であるが、ここでは特に問題としない。
【００２５】
こうしてプリフォーム１１が得られたならば、図３の（Ｂ）に示すように上下型（金型）１３，１４からなる成形型１２のうちその下型１４側のキャビティ１５にプリフォーム１１をセットして型締めする。この場合、プリフォーム１１をセットするまでの間に予め成形型１２そのものを加熱して、例えば１００〜１２０℃前後の温度に調整しておく。
【００２６】
成形型１２内にプリフォーム１１をセットして型締めすると、プリフォーム１１内の未発泡シート７が成形型１２からの熱を受けて発泡を開始する。それまで未発泡であったシート７の発泡はその体積膨張を伴うことから、図３の（Ｂ）に示すように発泡コア２の内部からその発泡コア２を介してコア外周の強化繊維１０を成形型１２のキャビティ面（型面）に押し付けることになる。
【００２７】
続いて、成形型１２に設けられたランナー１６を通してキャビティ１５内にマトリックス樹脂として例えばエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料を充填し、リブ４に相当する強化繊維９や表皮層３に相当する強化繊維１０に含浸させる。この時、特に表皮層３となるべき強化繊維１０は未発泡シート７の発泡によって予めキャビティ面に押し付けられることから、同図（Ａ）に示したようなしわＱが解消されて強化繊維１０が弛むことはなく、また強化繊維１０を形成しているところの積層した単繊維層間に大きな隙間Ｇ（図３の（Ａ）参照）が発生することもない。
【００２８】
そして、熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料の充填を終えたならば所定の保圧状態としてその熱硬化性樹脂の硬化を促進させる。この硬化進行に伴い、図３の（Ｂ）に示すように親和性の良い各コア素片２ａ，２ｂとシート７およびカバーシート８の三者が一体化され、同時に各コア素片２ａ，２ｂと強化繊維９，１０も一体化される。つまり、熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料を含浸した強化繊維９相当部がリブ４となり、同様に熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料を含浸した強化繊維１０相当部が表皮層３となる。この後、所定時間経過後に脱型して製品としてのＦＲＰ成形品１を得る。
【００２９】
ここで、熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料を充填する際には成形型１２を常温もしくは未発泡シート７が発泡しないような温度に設定しておき、溶融樹脂材料の充填を終えてから初めて未発泡シート７が発泡し且つ溶融樹脂材料が硬化する温度まで成形型１２の温度を上昇させるようにしてもよい。つまり、熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料の特性として、未発泡シート７が発泡する時間より遅れて硬化する性質のものとしておく。
【００３０】
こうすることにより、熱硬化性樹脂の溶融樹脂材料を成形型１２に充填する際には、未発泡シート７が未発泡であるが故に、表皮層３となるべき強化繊維１０のキャビティ面に対する押し付け力が先に実施の形態のものより小さくなり、その結果として強化繊維１０を形成している単繊維層間に隙間が存在して、充填された溶融樹脂材料がキャビティ１５全体を流動しやすくなり、強化繊維１０への含浸が均一且つ安定したものとなる。
【００３１】
そのために、強化繊維１０への溶融樹脂材料の含浸性の良い成形が可能となり、特に含浸性のばらつきに基づく偏肉等の成形不良の発生を未然に防止できるほか、従来では樹脂材料の流動性や含浸性が悪くて成形が困難であったＦＲＰ構造体の成形をも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＦＲＰ構造体の一例としてその概略構造を示す斜視図。
【図２】図１のＦＲＰ構造体を形成することになるコア素片や未発泡シート等との相互関係を示す分解斜視図。
【図３】（Ａ）は図２に示す要素をもって形成されたプリフォームと成形型との関係を示す断面図、（Ｂ）はＦＲＰ構造体の成形が完了した状態を示す断面図。
【符号の説明】
１…ＦＲＰ構造体
２…発泡コア（発泡芯材）
２ａ，２ｂ…コア素片
３…表皮層
４…リブ
５…受容凹部（凹状部）
６…開口部
７…未発泡シート（未発泡の発泡材）
８…カバーシート（蓋体）
９，１０…強化繊維
１１…プリフォーム
１２…成形型
【図１】
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【図２】
2004306398.tif 000004
【図３】
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