(57)【要約】【課題】樹脂注入口と減圧吸気口との間に成形基材を配置し、減圧状態にして注入樹脂を成形基材に含浸させるＦＲＰの真空含浸成形方法において、供給樹脂中に存在する気泡を効果的に除去する方法が無いので、成形品の硬化後ボイド発生による品質低下が生じ易く、また成形時の供給樹脂の流動方向をコントロールする手段がないため、樹脂供給に関わるトラブルに対処し難い。【解決手段】成形用樹脂を溜めた樹脂容器と樹脂注入口とを連結する樹脂供給ホースの中途において、成形基材の予定含浸範囲の最高点より１０〜１５０ｃｍ高い位置に気泡溜め部を設けて供給樹脂中の気泡を膨張させてトラップし、気泡の成形部への流入を阻止すると共に、該気泡溜め部に真空源と連通する真空ホースを連結し、樹脂供給ホースと真空ホースとを流通制御することにより、樹脂供給ホース内を流れる樹脂の流動方向を制御して、成形中の樹脂供給に関わるトラブルに対処し易くする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂注入口と減圧吸気口との間に成形基材を配置し、減圧状態にして注入樹脂を成形基材に含浸させる真空含浸成形方法において、成形用樹脂を溜めた樹脂容器と樹脂注入口とを連結する樹脂供給ホースの中途において、成形基材の予定含浸範囲の最高点より１０ｃｍから１５０ｃｍ高い位置に気泡溜め部を設けたことを特徴とする真空含浸成形装置。
【請求項２】
請求項１における気泡溜め部に真空源と連通する真空ホースを連結したことを特徴とする真空含浸成形装置。
【請求項３】
請求項２における真空含浸成形装置を用いて気泡溜め部に連結された樹脂供給ホースと真空ホースとを流通制御することにより、樹脂供給ホース内を流れる樹脂の流動方向を制御することを特徴とする真空含浸成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、宇宙航空分野の構造部材、舟艇構造部材、プラントタンク、風車発電ブレードなどの繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Fiber Reinforced Plastics）製品の真空含浸成形法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ構造の真空含浸成形法は、成形型の上にドライ状態の強化繊維布等を積層した成形基材に樹脂注入口と減圧吸引口とを設けてバギング材で覆い、覆った周囲全周を気密にシールし、減圧吸引口に連結した真空源により成形基材を減圧し、樹脂容器に溜めた成形用樹脂を、樹脂供給ホースを用いて樹脂注入口に導き、成形基材に含浸させて成形する方法である。
【０００３】
特許文献1には、成形用樹脂に混入している気泡は成形時の減圧状態により膨張し、硬化後にボイド欠陥となるため、供給する樹脂中の気泡を除去減少させる手段として、樹脂注入部の直前に気泡溜りを配置する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開2002−254446号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
真空含浸成形法は、高額の設備投資が必要な上成形コストも高いオートクレーブ成形法に代替し得る成形法として期待されている。しかし、オートクレーブ成形法ではオートクレーブ釜の中で数気圧の圧力をかけて樹脂を硬化させるため、樹脂中の気泡をつぶして溶け込ませることが出来るので、非常に気泡量を少なくできるのに対し、真空含浸成形法では大気圧以上の圧力はかけられないため、樹脂中に含まれている気泡が成形品中に残り、ボイドとなって成形品の外観を損ねたり、機械的強度を低下させるなど品質低下を招くという欠点がある。オートクレーブ成形品並みの高い信頼性を得るためには、樹脂中の気泡をできるだけ除く必要があるものの、従来の真空含浸成形法では、樹脂容器から樹脂注入口までの間を樹脂供給ホースにより連結しただけなので、成形用樹脂中に存在する微細な気泡に対して、樹脂供給ホース内を流れる過程で取り除くことはできず、そのまま樹脂注入口から成形基材に流れ込んでいた。特開2002-254446では、樹脂注入口に流入する直前に気泡溜り部を形成して、気泡の流れ込みを阻止していたが、気泡を積極的に大きく膨張させて浮き易くして取り除こうとする発想はなく、微細な気泡は取り除けないという課題がある。  
【０００６】
また、成形用樹脂を溜めた樹脂容器と樹脂注入口とを連結する樹脂供給ホース内を樹脂が流れる方向は、樹脂容器から樹脂注入口に向かう一方向だけに限られるので、異物や空気吸い込みなどが生じても逆流させて吐出させることはできない。更に、含浸成形が終了する前に樹脂容器中の樹脂のゲル化が起こりそうになった際でも成形用樹脂を交換することができないなど、樹脂供給に関するトラブルへの対処は難しい。更にまた、成形作業が終わった後に、成形基材への供給樹脂量が多過ぎたことが判明しても、含浸済みの樹脂の一部を樹脂注入口から逆流させて、目的とする含浸樹脂量に調整することはできないという課題がある。
【０００７】
本発明は、上記のような課題に鑑み、成形用樹脂中に含まれる微細な気泡を樹脂供給ホースの途中で効率よく除去減少させ、樹脂注入口から入り込むことを防いで、成形体におけるボイドが非常に少ない、オートクレーブ成形品並みの高品質なFRP製品を成形することができる真空含浸成形装置及び成形方法を提供することを目的としている。
また、樹脂供給ホース内の樹脂を成形作業中に逆流させることを可能にし、樹脂供給ホースの吸い込み口から吸い込んだ空気や異物を吐出させると共に、成形部の含浸完了前に成形用樹脂のゲル化が切迫した際には樹脂容器中の樹脂を入れ替えて再開継続させ、更に、成形基材への含浸が終了した後も含浸済みの成形基材から樹脂を逆流させて、余分な樹脂を取り除く手段を与えるものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
樹脂容器から供給される樹脂を樹脂注入口まで流送する樹脂供給ホースの中途において、成形基材の含浸予定範囲の最高点より１０ｃｍから１５０ｃｍ高い位置に気泡溜め部を設置し、気泡溜め部内の負圧を成形基材内より高めることにより、成形樹脂中に存在する気泡を膨張、浮上させて効率良くトラップし、気泡が樹脂注入口に流入するのを阻止する。
また、樹脂が出入りする２本の樹脂供給ホースが連結された該気泡溜め部に真空チャンバーと連通する真空ホースを連結し、これら３本のホースをそれぞれ折り曲げたり、曲げ戻したり、クリップ着脱するなどして流通を開通閉止する流通制御を行うことにより、樹脂供給ホース内の樹脂の流れ方向をコントロールし、溜った気泡ガスを真空チャンバーに流し去ったり、樹脂供給ホースに吸い込まれた空気や異物を吐出させると共に、成形部の含浸完了前に成形用樹脂のゲル化が切迫した際に樹脂容器中の樹脂を入れ替えて再開継続することを可能とする。更に、成形基材への含浸が終了した後も含浸済みの成形基材から一部の樹脂を逆流させて、余分な樹脂を取り除く手段を与える。
本発明の手順を表１に示す。
【表１】
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【発明の効果】
【０００９】
含浸しようとする成形基材全体の最高点より１０ｃｍから１５０ｃｍ高い位置に気泡溜め部を設置することにより、成形用樹脂中に存在していた気泡を成形基材全体の最高点よりも設定高さ差の液圧分だけ低い圧力状態として膨張させて浮き易くし、浮き上がった気泡を気泡溜め部の上部に留めることにより流出しないようトラップして、成形基材に供給する前に気泡を大幅に減少させることができ、ボイド欠陥が殆どない成形品が得られる。
【００１０】
また、設置する気泡溜め部に真空源と連通する真空ホースを連結し、その真空ホースの流通制御を行うことにより、溜った気泡を必要に応じて真空チャンバーに流し去ることができ、気泡の少ない含浸成形を安定して継続できる。更に、気泡溜め部に連結された樹脂供給ホースと真空ホースとをそれぞれ流通制御することにより、樹脂供給ホース内の樹脂流の流れ方向をコントロールすることを可能とし、樹脂供給ホースの吸い込み口から空気や異物を吸い込んでしまっても、それを逆流させて吐出させることが可能となり、含浸成形が終了する前に樹脂容器中の樹脂のゲル化が起こりそうになった際の樹脂容器中の成形用樹脂を交換することができるなど、樹脂供給ホースが関係するトラブルに対処し易くなる。更にまた、成形基材への含浸が完了した後に、予定より過多の供給量であったことが判明した際には、成形基材に対する含浸済みの樹脂の一部を樹脂注入口から逆流させて、目的とする含浸樹脂量に調整することができる。
【００１１】
こうして、成形基材に供給する樹脂中の気泡を非常に少なくできるので、オートクレーブ成形法に比べて欠点とされていた気泡の多さを克服することができ、信頼性の高い安定した品質のＦＲＰ成形品が得られると共に、成形作業時の樹脂注入に関する操作自由度が高まり、トラブルに対処し易い真空含浸成形法が実現できるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態に係るＦＲＰ製品の製造装置の概要を示す側面図である。
【図２】図１の成形基材２の積層部分に関する詳細図である。
【図３】図１のＦＲＰ成形に関わる他の形態の例である。
【図４】図１の気泡溜め部１３に流れる気泡入り樹脂から気泡を分離しトラップしている様子である。
【図５】図１の気泡溜め部１３に真空チャンバー１６に連なる第２の真空ホース１５を連結すると共に、ホースの流通制御を行うＡ、Ｂ、Ｃの概略位置を示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係るＦＲＰ製品の真空含浸成形法を実施するための製造装置の概要を示す側面図であり、図２は図１の成形部を拡大したものである。
成形基材２は複数の強化繊維布積層体３２を積層した上に、硬化後に成形部以外の資材を離型させるためのピールプライ３３、樹脂含浸を進行させる樹脂拡散メディア３４を積層した積層体である。成形基材２の一方に設けた樹脂注入口４では、第２の樹脂供給ホース１２と連結された注入樹脂展開ライン５から注入された樹脂を成形基材の含浸方向とほぼ直角方向の幅方向に展開させる。成形基材２の他方に設けた減圧吸気口７では、成形基材中の空気や成形進行時の樹脂から発せられる揮発性ガスを集める空気ガス収集ライン６を設けて第１の真空ホース１４を連結する。ここで、注入樹脂展開ライン５や空気ガス収集ライン６はパイプに多数の円孔またはスリットなどを開けるなどしてパイプ内外に樹脂または気体の出入りを可能にしたものである。
次いで、成形基材２、注入樹脂展開ライン５、空気ガス収集ライン６全体をバギング材３で覆い、成形物周囲シール８で囲って気密状態を形成する。第１の真空ホース１４は真空チャンバー１６及び真空ポンプ１７と連通しているので、真空ポンプ１７を作動させると、気密状態にされた成形基材２全体を真空減圧状態にさせることができる。真空チャンバー１６は成形時の真空状態を安定して保つと共に、第１の真空ホース１４を通って成形樹脂が流入しても直接真空ポンプ１７に流出しないようトラップする役割も持っている。樹脂含浸が成形基材２の全域に進行した後、第１の真空ホースの流通制御部１８付近をクランプして空気ガスの流通を閉止させ、樹脂が硬化するのを待って成形作業を終了させる。クランプの際は、クリップやクランパーなどクランプ器具を使用したり、ホースを折り曲げてテープ固定したりすることによって閉止させことができる。
【００１４】
図３は図１で示した四角形平面形状の成形体が立体形状となった場合を示す。樹脂の含浸する方向が型の上下方向となる場合、樹脂中の気泡が上方に逃げ易いよう、樹脂注入口４の位置は成形基材の高さ方向最低の位置とし、減圧吸気口の配置位置は最高点位置とすることが一般的である。また、成形基材２は、成形型１の上で作る単板だけでなくサンドイッチパネルであってもよく、あるいは心材上の片側だけにサンドイッチ表皮を形成するものでもよい。
【００１５】
成形用樹脂１０は、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂などの液状の熱硬化性樹脂である。成形用樹脂１０は使用直前に、ビニルエステル樹脂や不飽和ポリエステル樹脂の場合には有機過酸化物などの硬化剤を、エポキシ樹脂の場合にはエポキシ硬化剤を添加して樹脂の重合反応を開始させる。樹脂への硬化剤の添加時は、ガラス棒などを用いてかき混ぜたり、回転プロペラによる撹拌機のなどを利用して撹拌するので、撹拌の際には周囲の空気を巻き込むため樹脂中に多数の気泡が発生するため、暫く放置して気泡が浮上してはじけるのを待ったり、樹脂容器９ごと別途用意した真空容器に入れて減圧することにより気泡を膨張させ、浮上消滅させる真空脱泡を行うこともある。但し、エポキシ樹脂では揮発性化合物は少ないものの、ビニルエステル樹脂や不飽和ポリエステル樹脂では、スチレンなど多量の揮発性化合物を含んでおり、それらは真空脱泡すると沸騰して揮散を促進させることとなり、長時間実施することはできないので多少の気泡を含んだ状態で使用することとなる。
【００１６】
樹脂のゲル化時間は成形温度と硬化剤の添加量によって調整することができ、ビニルエステル樹脂や不飽和ポリエステル樹脂では通常３０分から１時間３０分程度、エポキシ樹脂では数時間程度となることが多い。樹脂含浸の成形作業は、ゲル化が始まる前に成形基材２の全域にわたる含浸を終了させる必要がある。これは、ゲル化が始まると樹脂粘度が急速に高まって、樹脂含浸を継続させることができなくなるためである。この樹脂のゲル化は樹脂成分の重合の連鎖反応が終了に近づいた時に起こるものであり、ゲル化が始まる時間は樹脂量の多い樹脂容器９内にある成形用樹脂１０で早く起こり、成形基材２に含浸した部分では数分程度遅れて起こるので、成形基材２の全域への樹脂含浸が完了する前に成形用樹脂１０のゲル化の兆候があった際には、本提案技術を用いて樹脂容器９内の成形用樹脂１０を新しく用意した硬化剤添加済み樹脂と交換することにより、ゲル化を遅らせて樹脂含浸をより長く継続させることができる。これは、成形基材２の樹脂含浸最前線には成形用樹脂１０が樹脂拡散メディア３４を流路として流れているので、ゲル化が迫った樹脂を樹脂含浸最前線に送りだした後、新しく用意した硬化剤添加済み樹脂を供給できるため可能である。
【００１７】
樹脂容器９の高さ位置は、樹脂注入口４に対し樹脂の自重による自然流入が発生しないよう、成形基材２の設置面より下方に設置しなければならない。成形用樹脂１０は第１の樹脂供給ホース１１により、気泡溜め部１３に吸い上げられ、気泡をトラップして減少させた後、第２の樹脂供給ホース１２を通して樹脂注入口４に運ばれる。
気泡溜め部１３の高さ位置は、高くするほど樹脂を吸い上げるための負圧力が大きくなって樹脂中の気泡を膨張させ、浮上し易くできるため、気泡を効果的に分離しトラップする効果が高い。但し、樹脂容器９に溜められた成形用樹脂１０は樹脂液面に働く大気圧により第１の樹脂供給ホース１１に送り込まれているので、いくら真空圧を上げても樹脂が到達できる高さは大気圧相当の圧力となる樹脂水頭高さ以下という限界がある。樹脂溜め部１３の位置は、成形基材２の最高点より高く設置することにより、成形基材２の中の樹脂よりも大きな負圧力で気泡を膨張させ、効率的にトラップできるので、成形基材２に流入する気泡を非常に減少させることができる。真空含浸成形を行う際の絶対圧力の最大値は通常、樹脂の高さにして１０ｃｍ相当程度なので、気泡溜め部１３の高さ位置を成形基材２の最高点よりも１０ｃｍ高い位置に設定すれば、設定圧力の２倍の負圧力を負荷することとなり、成形基材２と同じ高さ位置で気泡を除去するよりも２倍の成形基材２の圧力効果で気泡を除去できる。気泡溜め部１３の位置を高くすればするほど、より効果的に気泡を除去できるが、設置する際の作業性や、ホースが長くなって増大する樹脂流れの抵抗などを考慮すると、成形基材２の最高点より１０ｃｍから１５０ｃｍ高い位置に設けるのが適当である。図１及び図３では、気泡溜め部１３を高い位置に設置するため、吊り下げライン２２を取り付けて天井フック２３に引っ掛けて持ち上げているが、高台を設けてその上に設置しても構わない。
【００１８】
次に図４にて、気泡溜め部１３の作用について説明する。第１の樹脂供給ホース１１が連結された入り口では、樹脂容器９からの流れ２７が流入し、樹脂の流れ２８となり、樹脂注入口４への流れ２９となって流出する。その際、流入する樹脂中に含まれる気泡２４はホースの上部に位置しながら流れており、気泡溜め部１３に流入した途端に気泡の浮上方向２６のように上方に浮上し、そのうち一部ははじけて気泡溜め部１３の上部に気泡ガス２５となって溜まり、上部空間を形成する。樹脂中の気泡には目視できない微小気泡が多数含まれており、それらは浮上するのに時間がかかるので、気泡溜め部１３に溜まった樹脂中の気泡存在密度による比重差が生じ、微小気泡の存在密度が大きい程軽くなって上方に向かい、微小気泡の存在密度が小さい程重くなって下方に向かう。そこで、第２の樹脂供給ホースは気泡溜め部１３の中で、微小気泡の存在密度が小さい底部に連結することにより、最も微小気泡の含有が少ない部分の樹脂が樹脂注入口への流れ２９となって流出するので、効果的に気泡を減少させることができる。成形基材２に含浸する樹脂に働く圧力は気泡溜め部１３との高低差に樹脂の密度を乗じた分だけ差圧がかかって圧力が高くなるので、樹脂中の気泡はつぶされて小さくなり、気泡が存在したとしても気泡体積量は気泡溜め部１３より小さくなる。
【００１９】
次に、図５により、気泡溜め部１３に第２の真空ホース１６を連結した場合の実施形態について説明する。１９、２０、２１はいずれもホース内の樹脂ないし空気ガスの流通を制御するためのホースの流通制御部の概略位置を示したものであり、厳密な位置を指定したものではない。樹脂や空気ガスの流通を制御するためのホースの流通制御はクリップやクランパーなどクランプ器具を使用したり、ホースを折り曲げてテープ固定したりすることによって閉止させことができ、またクランプ器具を除去したりホース折り曲げを解除したりすることによって開通させることができる。
【００２０】
表１には、真空ホースや樹脂供給ホースの流通制御部１９、２０、２１をそれぞれＣ、Ａ、Ｂと名付け、成形準備段階から含浸終了段階まで、成形過程に応じたホースの流通制御により、空気ガスないし樹脂の流通を閉止させた場合を×、開通させた場合を○で表し、各段階毎の流通制御法をまとめたので、以下に説明する。
【００２１】
成形準備段階
バギング材３で覆われ、成形物周囲シール部８で囲われた成形基材２からなる成形部を真空減圧状態にする際は、第１の樹脂供給ホース１１の流通制御部Ａは閉止しておき、第１の真空ホース１４に加えて第２の真空ホース１５の流通制御部Ｃも開通させて、真空減圧作業を効率的に行うことができる。所要の真空度が達成された後、第２の真空ホース１５の流通制御部Ｃを閉止する。
【００２２】
成形作業時
第１の樹脂供給ホース１１を閉止していた流通制御部Ａを開通させることにより樹脂吸込みを開始する。その後の成形時は第２の真空ホース１５の流通制御部Ｃは閉止状態にしたままとする。成形時には気泡溜め部１３の上部から第２の真空ホース１５の流通制御部Ｃにかけて供給樹脂からトラップされた気泡がはじけて空気ガスが溜まり、気泡溜め部の液位が下がってくるので、第２の供給ホース１２への気泡流出が起きないよう、溜った空気ガスを真空チャンバーに流す必要が生じた際には、閉止していた流通制御部Ｃを一時開通させた後再び閉止させることにより、空気ガスを流し去り、空気ガス溜まりを除去することができる。
【００２３】
樹脂容器内樹脂交換時
成形終了前に樹脂容器内の成形用樹脂のゲル化が起きそうになったり、誤操作や偶発的トラブルにより樹脂容器ないし樹脂供給ホースに異物が混入した時などは、容器内の樹脂を交換する必要が生ずる。その際には第２の樹脂供給ホース１２の流通制御部Ｂを閉止した後、第１の樹脂供給ホース１１を樹脂容器９から引き揚げてホース内の樹脂及び気泡溜め部を含む流通制御部Ｂ、Ｃより上流のホース内樹脂を樹脂容器９に流し去った後、新しい樹脂を用意して第１の樹脂供給ホース１１を再セットし、流通制御部Ｃを開通させてホース内及び気泡溜め部内を新しい樹脂で満たした後閉止し、流通制御部Ｂを開通させて含浸作業を再開継続させることができる。なお、ゲル化は通常樹脂容量が大きい樹脂容器部から始まり、ホース部や成形基材部は数分程度遅れるので、樹脂容器内の樹脂ゲル化が迫った際に樹脂を新しい樹脂に交換して再開する際には成形部のゲル化開始していないので、樹脂含浸を継続させることができる。
【００２４】
含浸終了後
成形基材への樹脂含浸が終了した後、樹脂のゲル化が始まる前なら、含浸部から余分の樹脂を逆流させて、成形部における繊維含有率を高めることができる。その際には、成形終了後に第１の樹脂供給ホース１１の流通制御部Ａを閉止させた後、第２の真空ホースの流通制御部Ｃを開通させて気泡溜め部に負圧をかけることにより、樹脂注入口４から第２の樹脂供給ホース１２を通して樹脂を逆流させ、余分な樹脂を真空チャンバーに向けて流すことができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  成形型
２  成形基材
３  バギング材
４  樹脂注入口
５  注入樹脂展開ライン
６  空気ガス収集ライン
７  減圧吸気口
８  成形物周囲シール
９  樹脂容器
１０  成形用樹脂
１１  第１の樹脂供給ホース
１２  第２の樹脂供給ホース
１３  気泡溜め部
１４  第１の真空ホース
１５  第２の真空ホース
１６  真空チャンバー
１７  真空ポンプ
１８  第１の真空ホースの流通制御部
１９  第２の真空ホースの流通制御部：Ｃ
２０  第１の樹脂供給ホースの流通制御部：Ａ
２１  第２の樹脂供給ホースの流通制御部：Ｂ
２２  吊下げライン
２３  天井フック
２４  気泡
２５  気泡ガス
２６  気泡の浮上方向
２７  樹脂容器からの流れ
２８  樹脂の流れ方向
２９  樹脂注入口への流れ
３０  微小気泡の密度大
３１  微小気泡の密度小
３２  強化繊維布積層体
３３  ピールプライ
３４  樹脂拡散メディア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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