(57)【要約】【課題】熱可塑性ＦＲＰ成形品を、ほぼ所定寸法通りの形状（ニアネットシェイプ）にヒート＆クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供する【解決手段】一対の上下型からなり、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された繊維強化プラスチックの製造装置であって、前記上下型の少なくとも一方の型の周縁部に溝が設けられ、溝の内部には、外縁方向に移動可能な枠構成部材と、前記枠構成部材よりも外縁側に熱膨張体が差し込まれており、前記枠構成部材は、前記周縁部の溝に部分的に差し込まれた差込部と、該差込部以外で変形可能な変形部とからなる、繊維強化プラスチックの製造装置である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一対の上下型からなり、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された繊維強化プラスチックの製造装置であって、前記上下型の少なくとも一方の型の周縁部に溝が設けられ、前記溝の内部には、外縁方向に移動可能な枠構成部材と、前記枠構成部材よりも外縁側に熱膨張体が差し込まれ、前記枠構成部材は、前記溝に部分的に差し込まれた差込部と、該差込部以外で変形可能な変形部とからなる、繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項２】
前記上下型を近接させ、前記枠構成部材を前記上下型の周縁部と接触させてキャビティを形成する、請求項１に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項３】
前記変形部は、前記上下型を離隔させるのに伴って、前記周縁部から離隔するように変形する、請求項１または２に記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項４】
前記枠構成部材が位置決め機構を有している、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項５】
前記枠構成部材が板バネである、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項６】
前記枠構成部材がバイメタルである、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項７】
前記枠構成部材が、前記上下型の少なくとも一方の型の周縁部全体を囲むように設けられている、請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造装置。
【請求項８】
少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型の周縁部に溝が設けられ、前記溝の内部には、外縁方向に移動可能な枠構成部材と、前記枠構成部材よりも外縁側に熱膨張体が差し込まれ、前記枠構成部材は、前記周縁部の溝に部分的に差し込まれた差込部と、該差込部以外で変形可能な変形部とからなり、前記枠構成部材の内側に強化繊維基材を配置し、前記上下型を近接させて前記変形部を前記上下型の周縁部を接触させ、前記強化繊維基材を位置決めするキャビティを形成し、前記強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させる、繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項９】
前記マトリックス樹脂を含浸させた後、前記上下型を離隔させて、前記変形部を前記周縁部から離隔させ、繊維強化プラスチックを脱型する、請求項８に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１０】
前記変形部がバイメタルであり、あらかじめ前記上下型を加熱して該バイメタルを変形させ、前記上下型の周縁部に接触させる、請求項９に記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１１】
前記マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であり、冷却後に脱型する、請求項８〜１０のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１２】
前記マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であり、前記強化繊維基材に加圧したマトリックス樹脂を含浸させた後、加熱することを特徴とする、請求項８〜１０のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１３】
前記強化繊維基材の表面に散布された層間粒子、または前記強化繊維基材の内部に混在された熱可塑糸を、加圧、加熱、溶融してプリフォームとする、請求項８〜１２のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【請求項１４】
前記上下型内に設けた温調機構により加熱、冷却する、請求項８〜１３のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチック（以下、ＦＲＰと略称することもある。）の製造装置および製造方法に関し、特に、熱可塑性ＦＲＰ成形品をヒート＆クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰの製造方法として、上型と下型から形成されるキャビティ内に強化繊維基材と熱可塑性樹脂を配置し、型を加熱し熱可塑性樹脂を融解し、型を加圧することによって型締めして、加圧した樹脂を強化繊維基材に含浸させ、含浸した樹脂を冷却固化させることにより、所定厚みのＦＲＰ成形品を成形する、上型と下型を用いたヒート＆クール法が知られている。
【０００３】
基材を金型上に配置する技術として、金型と基材の両方に対して位置決め基準のマーキングを行う手法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２）。特許文献１に開示された技術は、ドライクロスからなるプリフォームに位置決めラインを油性マーカペンにより手書きでマーキングし、成形型に予めマーキングされていた基準線とプリフォームの基準線とを合わせ、プリフォームを成形型内に位置決め配置することができるようにしたものである。特許文献２に開示された技術は、プリフォームの位置決めラインのマーキングに、糸状繊維を利用することで、より安定した状態で確実にマーキングすることができるようにしたものである。
【０００４】
ＦＲＰ成形品を脱型する技術として、金型に備えられたエジェクターピンや圧空により、成形品を金型から取り出す手法が知られている。（例えば、特許文献３）特許文献３に開示された技術は、脱型時間を短縮するほか、成形体が薄いものであったり、サンドイッチ構造を含むものであったりしても、成形体の意匠面を傷つけずに、脱型することができるようにしたものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００３−１２７１５７号公報
【特許文献２】特開２００６−３４７１３３号公報
【特許文献３】特開２００９−２０２４４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１や特許文献２に開示されるような、金型と基材の両方に対して位置決め基準のマーキングを行い、その基準線を合わす技術においては、目視などで基準線を合わせる必要があるため、製造時間と労力が多くかかるという問題、および、基材の形態保持性が悪いとマーキングが乱れるという問題があった。
【０００７】
また、特許文献３に開示される技術では、エジェクターピン周りの清掃に時間と労力が多くかかるという問題、および、限られた金型内部に加熱機構と冷却機構と脱型機構を両立させることが困難であった。
【０００８】
そこで本発明の課題は、特に、熱可塑性ＦＲＰ成形品を、ほぼ所定寸法通りの形状（ニアネットシェイプ）にヒート＆クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を達成するために本発明のＦＲＰの製造装置は、以下の構成を採用する。すなわち、一対の上下型からなり、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された繊維強化プラスチックの製造装置であって、上下型の少なくとも一方の型の周縁部に溝が設けられ、溝の内部には、外縁方向に移動可能な枠構成部材と、枠構成部材よりも外縁側に熱膨張体が差し込まれ、枠構成部材は、周縁部の溝に部分的に差し込まれた差込部と、この差込部以外で変形可能な変形部とからなる、繊維強化プラスチックの製造装置である。
【００１０】
また、上記課題を達成するために本発明の繊維強化プラスチックの製造方法は、以下の構成を採用する。すなわち、少なくとも一方の型が他方の型に近接可能に構成された一対の上下型の、少なくとも一方の型の周縁部に溝が設けられ、溝の内部には、外縁方向に移動可能な枠構成部材と、この枠構成部材よりも外縁側に熱膨張体が差し込まれており、枠構成部材は、溝に部分的に差し込まれた差込部と、この差込部以外で変形可能な変形部とからなり、枠構成部材の内側に強化繊維基材を配置し、上下型を近接させて変形部をこの上下型の周縁部を接触させて、強化繊維基材を位置決めするキャビティを形成し、強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸させる、繊維強化プラスチックの製造方法である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、熱可塑性ＦＲＰ成形品を、ニアネットシェイプにヒート＆クール成形するに際して、嵩高い基材と熱可塑性樹脂の配置工程における位置決め機構と、脱型工程における取り出し機構を、簡易な装置で成立できる、繊維強化プラスチックの製造装置および製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】（ａ）本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造装置の横断面概略図、（ｂ）（ａ）における繊維強化プラスチックの製造装置のＡ−Ａ’断面図、をそれぞれ示す概略図である。
【図２】図１に示す製造装置における、（ａ）変形可能な枠と熱膨張体と下型の概略斜視図、（ｂ）上面図、（ｃ）正面図である。
【図３】本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法において、（ａ）強化繊維基材とマトリックス樹脂を配置する前の下型と変形可能な枠と熱膨張体を準備した状態、（ｂ）強化繊維基材を下型に配置した状態、（ｃ）上型と下型を近接させて成形を行った後の状態、（ｄ）成形後、枠を変形させた状態、をそれぞれ示す概略斜視図である。
【図４】本発明の一実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造方法の樹脂含浸工程において、（ａ）昇温前の状態、（ｂ）昇温後の、樹脂含浸時の状態、（ｃ）冷却後の状態、をそれぞれ示す概略図である。
【図５】本発明のさらに別の実施態様に係る繊維強化プラスチックの製造装置の概略図であり、（ｂ）は（ａ）の拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。ただし、以下に示す実施態様は、あくまで本発明の望ましい実施の形態の例示であって、本発明は、これら実施態様に限定されるものではない。
【００１４】
本発明の第１の実施態様について、図１〜３を用いて説明する。図１の（ａ）は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰの製造装置の概略側面図を示しており、（ｂ）は（ａ）における繊維強化プラスチックの製造装置のＡ−Ａ’断面図を示す。また、図１に示すＦＲＰの製造装置における変形可能な枠と熱膨張体と型の概略図を図２に示す。図３は、ＦＲＰの製造方法における、工程毎の変形可能な枠と型の位置をそれぞれ示したものである。また、図４は、ＦＲＰの製造方法における、工程毎の変形可能な枠と熱膨張体と型の位置をそれぞれ示したものである。
【００１５】
図１と図２において、ＦＲＰの製造装置８は、昇降機構７と加熱冷却機構６とを有する上型１と、加熱冷却機構６と変形可能な枠３とを有する下型４と、強化繊維基材２と、熱膨張体９にて、構成されている。
【００１６】
本発明において、昇降機構７は、上型１と下型４とを適切に近接・加圧・離隔できれば、特に機構および形態を限定するものではない。中でも、動作の精度と加圧力を発揮するために、動力源は流体であることが望ましく、油圧ジャッキであることが好ましい。さらには、型の面積が大きい場合は、装置全体の費用を下げるために、ブラダーと圧空を用いた大面積加圧を採用することが、より好ましい。
【００１７】
本発明において、加熱冷却機構６は、強化繊維基材２を適切に加熱・冷却できれば、特に機構および形態を限定するものではない。加熱機構としては、例えば、電熱線や電磁誘導や高温流体やマイクロ波等を利用することができ、特に制御の簡便性や安全性が高いものとして、電熱線を利用することが好ましい。また、冷却機構としては、例えば、低温流体を利用することができ、特に取扱いの簡便性や冷却能力が高いものとして、水を利用することが好ましい。
【００１８】
本発明において、上型１、下型４は、必要な強度、剛性があれば特に材料および形態を限定するものではない。中でも、成形品の精度と成形品の表面品位を高めるために、材料は金属であることが望ましく、例えば、スチールであることが好ましく、さらには、熱膨張の観点から、インバーであることがより好ましい。
【００１９】
上型１、下型４の少なくとも一方の型の周縁部に溝が設けられおり、この溝には、後述する変形可能な枠３と熱膨張体９が差し込まれており、外縁側に熱膨張体９が配置されている。溝の幅は、室温において、変形可能な枠３と熱膨張体９とを合わせた幅より大きく、昇温時において、変形可能な枠３と熱膨張体９とを合わせた幅とおおよそ等しくなるような設計が好ましい。図１や図２では、上型１、下型４ともに平面状の略正方形状のプレートであり、上型１と下型４とを近接させた際、上型１と下型４と変形可能な枠３から形成されるキャビティの断面形状は四角形とすることができる。キャビティの断面形状は本形状に限定されるものではなく、所望の形状に応じて、上型１、下型４、下型４に設ける溝、変形可能な枠３の形状や配置を適宜設定することができる。
【００２０】
本発明において、変形可能な枠３は、図２で示すように、下型４の周縁部の溝に部分的に差し込まれた差込部３１と、変形可能な変形部３２とから構成されている。
【００２１】
変形可能な枠３は、必要な強度、剛性があれば特に材料および形態を限定するものではないが、基材配置工程の位置決めの際に、基材の厚みよりも、変形可能な枠３の最高点が高い位置にあり、また基材脱型工程の際には、成形体の厚みよりも変形可能な枠３の最高点が高い位置に来ることができるような、適切な反りを生じる材料が望ましい。材質としては、上型１と下型４とを離隔させるのに伴って、下型４の周縁部から離隔するように変形可能となるものが好ましく、長期間にわたって変形可能な状態を持続できる材質であることがより好ましい。例えば、金属や強化繊維複合材料による板バネ状であると、バネの反発力に応じて容易に変形可能となり好ましい。また、バイメタルを利用して、温度で反りを制御することもできる。変形可能な枠３の厚みは、得ようとする成形品の厚みと同等か、少し薄い程度のものが望ましい。
【００２２】
本発明において、強化繊維基材２は、特に材料および形態を限定しないが、ＦＲＰを成形するためのマトリックス樹脂があらかじめ含浸されたものを配置することが好ましい。強化繊維基材を構成する強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ケブラー繊維等を用いることが好ましく、強化繊維の形態としては、例えば、織物、編物、不織布、一方向基材を例示することができる。また、強化繊維基材は、予め設計により定められた繊維配向と繊維量を満たしていることが好ましい。設計に応じた強化繊維基材を利用することにより、繊維配向に沿った強度・剛性をより有効に発現できるようになる。また、強化繊維基材の表面に層間粒子を散布することや、強化繊維基材の内部に熱可塑糸を混在することもできる。また、マトリックス樹脂としては、例えば熱可塑性樹脂が好ましく、例えば、ナイロンやＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）樹脂が利用できる。
【００２３】
本発明において、熱膨張体９は、型の材料よりも大きな熱膨張率を有していれば、特に材料および形態は限定されないが、線膨張係数の大きな材料を用いることが好ましく、例えばエラストマーを利用することもできる。本発明に好適な熱膨張体は、その線膨張係数が１．０×１０−４／℃以上であることが好ましく、１．５×１０−４／℃以上、３．０×１０−４／℃以下であることがより好ましい。熱膨張特性と可撓性を考慮して、シリコーンゴムを使用することが特に好ましい。熱膨張体９の代表長の設計にあたり、熱膨張体９の代表長と線膨張係数とを乗じた値が、型の代表長と線膨張係数とを乗じた値と等しくなるような値が参考値となる。
【００２４】
本発明に係るＦＲＰの製造方法について、まず、変形可能な枠３の変形に着目しながら説明する。
【００２５】
最初に、下型４を準備する。図３（ａ）に示すように、強化繊維基材２を配置する前は、変形可能な枠３の変形部３２が持ち上がった位置にあることが好ましい。強化繊維基材２を位置決めする際の基準としては、変形可能な枠３の内縁を使用することができる。変形可能な枠３は、強化繊維基材２の厚み方向に向かって反っており、下型４の表面から高さ方向に離れた位置に存在する嵩高い強化繊維基材２の位置決めに際しても、変形可能な枠３の内縁を基準位置として使用することができる。変形可能な枠３と下型４には、強化繊維基材２の配置前に、十分離形処理を行うことが望ましい。
【００２６】
次に、下型４に強化繊維基材２を配置した状態を、図３（ｂ）に示す。強化繊維基材２を配置する際、手やクランプやロボットハンド等の把持具と、変形可能な枠３との干渉を軽減し、強化繊維基材２の金型へのアクセスを容易にするために、強化繊維基材２の把持する位置と、変形可能な枠３の差込部３１の位置を合わせることが望ましい。強化繊維基材２は、変形可能な枠３の内縁に接するように配置することが可能である。
【００２７】
さらに、上型１（図示せず）を下型４に近接させて、強化繊維基材２を成形した後、上型１を離隔させた状態を図３（ｃ）に示す。上型１を下型４に近接させ、変形可能な枠３の変形部３２を上型３および下型４の周縁部と接触させて、キャビティを形成することが可能である。この際、上型１および下型４と、変形可能な枠３の表面とが接触して止まることによって、成形品の厚みを変形可能な枠３の厚みで制御することも可能である。また、成形する際に、強化繊維基材２に対して、内部の空隙をなくすような十分な加圧を与えるために、成形品の厚みに対して、変形可能な枠３の厚みを少し薄くすることも可能である。この厚みのオフセット量は、使用する樹脂の粘度に従って定めることができる。上型１を下型４に近接させてキャビティを形成した後に、適切に加熱・加圧を行うことで、マトリックス樹脂を強化繊維基材に十分含浸させることができる。
【００２８】
最後に、成形後に強化繊維基材２を脱型する状態を図３（ｄ）に示す。マトリックス樹脂を強化繊維基材に十分含浸させて、成形品を得ることができる。上型１を下型４から離隔させて、変形可能な枠３の変形部３２を上型１および下型４の周縁部と成形体から分離させ、その分離点を起点として、成形品を脱型することができる。
【００２９】
続いて、本発明に係るＦＲＰの製造方法の樹脂含浸工程について、熱膨張体９の変形に着目しながら、図４を用いて説明する。
【００３０】
昇温前の状態を、図４（ａ）に示す。上型１（図示せず）を下型４に近接させ、変形可能な枠３の変形部３２を上型３および下型４の周縁部と接触させて、キャビティを形成する。キャビティ内には、含侵前の強化繊維基材２１が存在する。下型４の周縁部における溝幅は、変形可能な枠３と熱膨張体９の幅より大きく、溝内に空間が存在している。本実施態様では、この空間は、下型４と熱膨張体９の間に存在するが、下型４と変形可能な枠３との間に存在することも可能であり、変形可能な枠３と熱膨張体９の間に存在することも可能である。
【００３１】
続いて、昇温後の、樹脂含浸時の状態を、図４（ｂ）に示す。昇温により、製造装置８自体も熱膨張し、図４（ａ）と比較してキャビティの容積が大きくなる。下型４に設けられた溝内の熱膨張体９も熱膨張し、溝内を埋めるとともに、変形可能な枠３を溝の内縁側に押し付けることで、キャビティの容積を制御することができ、後述する成形体５の寸法精度を高めることができる。
【００３２】
最後に、冷却後の状態を、図４（ｃ）に示す。下型４と成形体５の線膨張係数の差が起因となり、成形体５が変形可能な枠３を外縁に移動させる。
【００３３】
このように、本発明に係るＦＲＰの製造装置および製造方法によれば、例えば、熱可塑性ＦＲＰ成形品をヒート＆クール成形する場合や、熱硬化性樹脂を含浸して硬化させるＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｅｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形する場合に、嵩高い強化繊維基材２の配置工程における位置決めと、脱型工程における取り出しを、簡易な装置構成で、従来よりも成形作業性、生産性を大幅に向上し、短時間のうちに製造することができる。ここで、熱硬化性樹脂を含浸させる際、加圧して強化繊維基材に含浸させると、短時間での含浸が可能となる。
【００３４】
特にマトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、金型を温調機構により加熱、冷却してＦＲＰ成形品を取り出すため、ＦＲＰ成形品を傷つけることなく容易に取り出すことができ、さらに次の成形を行うための強化繊維基材の配置を短時間で正確に行うことが可能となる。
【００３５】
一方、マトリックス樹脂を含浸させる前に強化繊維基材２を複雑形状にあらかじめ賦形したプリフォームを形成することも可能である。具体的には、強化繊維基材２の表面に散布された層間粒子、または強化繊維基材２の内部に混在された熱可塑糸を、加圧、加熱、溶融してプリフォームとすることが好ましい。このようなプリフォームは、ＲＴＭ成形する場合に特に好適に用いられる。
【００３６】
また、図５で示す実施形態のように、本発明では、変形可能な枠３と下型４とに位置決め機構３３を設けてもよい。図５では、下型４に凹部形状の位置決め機構３３を、変形可能な枠３に凸部形状の位置決め機構３３を設けることで、変形可能な枠３の移動方向を制限することが可能である。本実施形態では、凹凸形状を利用しているが、特に形態を限定するものではなく、電磁力や治具なども好適に利用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係るＦＲＰの製造装置およびその製造方法を用いることにより、実質的にあらゆるＦＲＰ製成形品の製造に適用可能であり、とくに、自動車など大量生産が求められる部材の製造に好適に適用できる。
【符号の説明】
【００３８】
１  上型
２  強化繊維基材
２１  含侵前の強化繊維基材
２２  含侵中の強化繊維基材
３  変形可能な枠
３１  差込部
３２  変形部
３３  位置決め機構
４  下型
５  成形体
６  加熱冷却機構
７  昇降機構
８  製造装置
９  熱膨張体
【図１】
2017177387.tif 000003
【図２】
2017177387.tif 000004
【図３】
2017177387.tif 000005
【図４】
2017177387.tif 000006
【図５】
2017177387.tif 000007