(57)【要約】【課題】複雑な曲面を有する複合材部品であっても、製造コストを抑制しつつ、成形性を向上させられる強化基材および複合材部品の製造方法を提供することを目的とする。【解決手段】本発明は、繊維強化複合材料製の複合材部品に用いられる強化基材６を製造する方法であって、前記複合材部品の輪郭を目的形状とし、第１の強化繊維糸２で連続的ループ３を作り、該連続的ループ３を組み合せて前記目的形状に倣った曲面を有する編物層を編成し、第２の強化繊維糸４を前記連続的ループ３に通して前記編物層に編み込んで強化部を形成する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化複合材料製の複合材部品に用いられる強化基材を製造する方法であって、
前記複合材部品の輪郭を目的形状とし、
第１の強化繊維糸で連続的ループを作り、該連続的ループを組み合せて前記目的形状に倣った曲面を有する編物層を編成し、
第２の強化繊維糸を前記連続的ループに通して前記編物層に編み込んで強化部を形成する強化基材の製造方法。
【請求項２】
前記強化基材を型に積層して賦形する工程を備えた請求項１に記載の強化基材の製造方法。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載された方法で製造された強化基材に、マトリックスを含浸させる工程を備えた複合材部品の製造方法。
【請求項４】
目的形状に倣った曲面を有し、該曲面が第１の強化繊維糸の連続的ループを組み合せて編成された編物層と、
第２の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、
を備えた複合材部品用の強化基材。
【請求項５】
目的形状に倣った曲面を有し、該曲面が第１の強化繊維糸の連続的ループを組み合せて編成されている編物層と、第２の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、を備えた強化基材と、
マトリックスと、
を含む複合材部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材部品用の強化基材、複合材部品およびそれらの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）は、繊維を強化材とし、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂をマトリックスとする複合材料である。繊維強化プラスチックは、軽量かつ高強度であるため、航空機、自動車、船舶等の構造部材として広く用いられている（特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特表２０１１−５１６２９４号公報（要約、段落［０００３］および段落［０００４］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
繊維強化プラスチックを用いて構造部材を製作する場合、まず、成形品１０の形状に合わせて型紙１１を作成する（図６（ａ）および図６（ｂ））。次に、型紙１１に合わせてシート状のプレフォーム１２を裁断（図６（ｃ））する。裁断したプレフォーム１２’を成形型１３に押し当て、立体形状を作り出す（図６（ｄ））。
【０００５】
プレフォーム１２には、一方向繊維強化材（Ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｆｉｂｒｅ  ｒｅｉｎ  ｆｏｒｃｅｄ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）または織物材が用いられる。一方向繊維強化材は、一方向のみに繊維方向を揃えた複合材料である。織物材は、繊維の糸を交差させてなる繊維織物を含む複合材料である。
【０００６】
一方向繊維強化材および織物材は、複雑な曲面に対して馴染みにくく、柔軟性および成形性が悪いという特性を有する。そのため、一方向繊維強化材および織物材のシートをそのまま複雑な曲面に押し付けて賦形しようとすると繊維配向がずれるもしくは皺が生じてしまう。そこで複雑な曲面を有する構造部材を製作する場合、部品を分割作成するか、または、成形が困難な部分については一部の繊維を切断して成形を行っている（図６（ｃ）参照）。
【０００７】
繊維を切断する操作は、プレフォーム１２の一体性を損ない、強度低下の原因となるため好ましくない。特許文献１では、織られた繊維プレフォームを用いて補強することで、端部結合を不要とし、かつ、等方性を確保して、複合構造物の強度を向上させている。
【０００８】
一方向繊維強化材または織物材を用いる場合、必要な方向に必要な分だけ繊維を配向して、構造部材の強度を確保する。そのため、分割作成や繊維裁断による強度低下があると一方向繊維強化材または織物材の積層回数が増えてしまい、製造コストの悪化につながる。
【０００９】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複雑な曲面を有する複合材部品であっても、製造コストを抑制しつつ、成形性を向上させられる複合材部品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明の複合材部品用の強化基材、複合材部品およびそれらの製造方法は以下の手段を採用する。
【００１１】
本発明の第一の態様は、繊維強化複合材料製の複合材部品に用いられる強化基材を製造する方法であって、前記複合材部品の輪郭を目的形状とし、第１の強化繊維糸で連続的ループを作り、該連続的ループを組み合せて前記目的形状に倣った曲面を有する編物層を編成し、第２の強化繊維糸を前記連続的ループに通して前記編物層に編み込んで強化部を形成する強化基材の製造方法を提供する。
上記第一の態様では、前記強化基材を型に積層して賦形する工程を備えていてもよい。
【００１２】
本発明の第二の態様は、上記第一の態様で製造された強化基材に、マトリックスを含浸させる工程を備えた複合材部品の製造方法を提供する。
【００１３】
本発明の第三の態様は、目的形状に倣った曲面を有し、該曲面が第１の強化繊維糸の連続的ループを組み合せて編成された編物層と、第２の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、を備えた複合材部品用の強化基材を提供する。
【００１４】
本発明の第四の態様は、目的形状に倣った曲面を有し、該曲面が第１の強化繊維糸の連続的ループを組み合せて編成されている編物層と、第２の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、を備えた強化基材と、マトリックスと、を含む複合材部品を提供する。
【００１５】
複合材部品の輪郭に倣った曲面を有するよう編物層を編み上げることで、型に押し付けて賦形する際に、強化基材の繊維配向のずれや皺を抑えることができる。そのため、賦形のために強化基材を切断する作業が不要となる、あるいはその回数を大幅に減らすことができる。編物層は連続的ループの組み合せからなるため、伸張性能を有する。これにより高い柔軟性と成形性を備えた編物層とすることができる。
【００１６】
編物層に第２の強化繊維を編み込むことで、高強度な強化基材とすることを実現可能とする。それにより強化基材の積層回数を低減できるため、製造コストも抑制できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、編み技術により形成した強化基材を用いることにより、複雑な曲面を有する複合材部品であっても、製造コストを抑制しつつ、成形性を向上させて複合材部品を製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態に係る編物層の構成を説明する図である。
【図２】図１の編物層を幅方向に引っ張った時の状態を例示する図である。
【図３】第２の強化繊維糸の配向例を示す図である。
【図４】第２の強化繊維糸の配向例を示す図である。
【図５】強化基材の積層例を示す図である。
【図６】繊維強化プラスチックを用いて構造部材を製作する従来法について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下に、本発明に係る複合材部品用の強化基材、複合材部品およびそれらの製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。
【００２０】
複合材部品は、繊維強化複合材料製である。繊維強化複合材料は、マトリックスおよび強化基材を含んでいる。複合材部品は、複数の強化基材が積層された構成であってよい。
【００２１】
マトリックスは、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等である。熱硬化性樹脂は、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などである。熱可塑性樹脂はポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）やポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）などである。
【００２２】
強化基材は、編物層と強化部とを備えている。強化基材は、編み技術で形成されたものである。
【００２３】
図１に編物層の構成を説明する図を示す。編物層１は、第１の強化繊維糸２の連続的なループ３を組み合せて編成された層である。ループ３はたて方向（長さ方向Ｌ）またはよこ方向（幅方向Ｗ）のどちらに連綴させてもよい。図１ではループ３をたて方向に連綴させた場合（緯編）の編物層１を例示している。
【００２４】
編物層１は、長さ方向Ｌおよび幅方向Ｗの少なくとも２方向に伸張する伸張性能を有する。それにより、長さ方向Ｌ、および、幅方向Ｗに柔軟性が生まれる。図２に、図１の編物層１を幅方向Ｗに引っ張った時の状態を例示する。緯編の編物層１を幅方向Ｗに引っ張ると、ループ３の形状が変形して幅方向Ｗに伸びる。ループ３は幅方向Ｗだけでなく、他の方向にも変形可能である。
【００２５】
編物層１は１層構成である。編物層１は目的形状に倣った曲面を有するよう編まれている。目的形状とは、複合材部品の輪郭である。目的形状に倣った曲面とは、複合材部品の設計時の輪郭に近い形状であればよく、必ずしも複合材部品の輪郭に完全に一致する必要はない。「近い」とは、編物層１の伸張性能の範囲内に収まる程度の差を意味する。
【００２６】
第１の強化繊維糸２は、編物層１を編める程度の柔軟性を有し、且つ、マトリックスの材料と接着可能な材料からなる。第１の強化繊維糸２の材料は、樹脂系繊維、炭素繊維、ガラス繊維などである。樹脂系繊維にはポリアミド系繊維などがある。ポリアミド系繊維は、脂肪族ポリアミドまたは芳香族ポリアミドの繊維である。脂肪族ポリアミドは、例えばナイロン（登録商標）である。芳香族ポリアミドは、例えばアラミドである。
【００２７】
第１の強化繊維糸２は、編物層１の編成に耐え得る程度の太さ（直径）を有する。
【００２８】
強化部は、第２の強化繊維糸がループ３に通されて編物層１に編み込まれてなる。第２の強化繊維糸は、編物層１に複数本、編み込まれている。編み込まれた複数の第２の強化繊維糸は、編物層１中で一方向または二方向に配向されている。編み込まれた複数の第２の強化繊維糸は、編物層１中で複数方向に配向されていてもよい。図３および図４に第２の強化繊維糸の配向を例示する。図３は、緯編した編物層１の幅方向Ｗに第２の強化繊維糸４を配向した図である。図４は、緯編した編物層１の長さ方向Ｌに第２の強化繊維糸４を配向した図である。図３，４で示すように第２の強化繊維糸４の編み込みの周期は編物層内で同一であってもよいし、異なる周期であってもよい。また、第２の強化繊維糸４は長さ方向Ｌ、幅方向Ｗ以外にも、斜め方向に配向してもよい。
【００２９】
第２の強化繊維糸４の材料は、炭素繊維、ガラス繊維、樹脂系繊維などである。第２の強化繊維糸４は、編物層１のループ３に編み込める程度の太さ（直径）を有する。第２の強化繊維糸４が炭素繊維の場合、繊維束が１２０００本以上３００００本以下の太さを有することが好ましいが、この限りでない。
【００３０】
次に、強化基材および複合材部品の製造方法について説明する。
（強化基材の形成）
第１の強化繊維糸２で連続的なループ３を作り、編物層１を編成する。編物層１は、緯編または経編で編むことができる。緯編は、平編、ゴム編、パール編、レース編等である。経編は、シングル・デンビー編、シングル・バンダイク編等である。
【００３１】
編物層１を編む際、目的形状に倣った曲面を編物層１に付与する。編物層１を編む際、曲面の形状に応じて適宜編み方を変えてもよい。例えば、編目を増減させることで部分的に立体的となる三次元構造を付与できる。例えば、目移しなどの手法により組織全体の幅を絞る、編み方を違う様式に変更することで部分的に長さや幅を変えて曲面を付与することができる。目的形状は、製造対象の複合材部品の輪郭である。曲面は、目的形状に完全に一致する必要はないが、目的形状に近い形状であることが好ましい。
【００３２】
編物層１を編む際、並行して第２の強化繊維糸４を編物層１に編み込み強化基材５，６とする。例えばインレイ編みで編物層１に編み込むことができる。インレイ編みとは、ベースとなる編地に糸をインレイ（挿入）する編み方で、編地のループに糸を通すことで実現する。第２の強化繊維糸４は編物層１と並行して編んでもよいし、編物層１の一部または全てを形成した後で編んでもよい。
【００３３】
編物層１に編み込む際、第２の強化繊維糸４の向きは一方向または二方向に揃えて配置する。例えば、図４のように第２の強化繊維糸４を長さ方向Ｌに揃えて配置する。例えば、図３のように第２の強化繊維糸４を幅方向Ｗに揃えて配置する。例えば一部の第２の強化繊維糸４の向きを長さ方向Ｌに揃え、残りの第２の強化繊維糸４の向きを幅方向Ｗに揃えて配置してもよい。
【００３４】
（強化基材の成形）
目的形状に倣った曲面を有する強化基材５を、型に積層する。型の輪郭は、複合材部品の輪郭と略同じである。よって、強化基材５を型に積層する際には、対応する部分に曲面が整合するよう位置を合わせする。
【００３５】
位置合わせができたら、強化基材５を型に押し付けて賦形する。強化基材５は既に目的形状に倣った曲面を有しているため、強化基材５に切り込み等を入れなくても直接型に押し付けて賦形することができる。賦形時の強化基材５の変形量が小さく、型の輪郭に合致しない曲面部分があっても、編物層１の伸長性能で対応することができる。例えば、型の輪郭よりも曲面部分が小さい場合には、編物層１が伸びることで強化基材５を型の輪郭に馴染ませることができる。これにより複雑曲面を有する複合材部品であっても成形性を向上させることができる。
【００３６】
強化基材５は、型上に複数層積層する。賦形は積層の都度行うあるいは複数層重ねてから賦形を行う。図５に、積層例を示す。図５（ａ）は、成形品形状８である。図５（ｂ）は、賦形前の強化基材７Ａ，７Ｂ．７Ｃである。第１強化基材７Ａ，第２強化基材７Ｂ，第３強化基材７Ｃは、それぞれ第２の強化繊維糸４の配向が異なる。第１強化基材７Ａは、第２の強化繊維糸４が０°に配向する。第２強化基材７Ｂは、第２の強化繊維糸４が９０°に配向する。第３強化基材７Ｃは第２の強化繊維糸が＋４５°に配向する。例えば、第１強化基材７Ａを型上に積層した後賦形し、賦形した第１強化基材７Ａ上に第２強化基材７Ｂを積層した後第２強化基材７Ｂを賦形し、賦形した第２強化基材７Ｂ上に第３強化基材７Ｃを積層した後、第３強化基材７Ｃを賦形する。
【００３７】
配向の異なる第１強化基材７Ａ，第２強化基材７Ｂ，第３強化基材７Ｃを重ねることで、複数方向からの荷重に対して複合材部品の強度を向上させることができる。第２の強化繊維糸４を所定方向に重点的に配向することで、特に必要な方向に必要な強度を持たせることができる。
【００３８】
（マトリックス含浸）
賦型後、強化基材（図５では第１強化基材７Ａ，第２強化基材７Ｂ，第３強化基材７Ｃを堆積させたもの）にマトリックスを含浸させる。例えば、型および強化基材をバッグで被覆し、バッグ内部を減圧した状態で強化基材にマトリックスを含浸させることができる。例えば、上型と下型とから構成される成形型内に強化基材をはめ込み、成形型内を減圧してマトリックスを含浸させることができる。
【００３９】
マトリックスを含浸させた第１強化基材７Ａ，第２強化基材７Ｂ，第３強化基材７Ｃ強化基材の厚さは、それぞれ例えば０．１ｍｍから０．５ｍｍ程度であり、強化基材の厚さは例えば０．５ｍｍから１０ｍｍ程度である。
【００４０】
含浸後、マトリックスを硬化させる。例えば、マトリックスとしてエポキシ樹脂を用いた場合、マトリックスを含浸させた強化基材を硬化温度（１８０℃以上）に加熱して、硬化させる。これにより複合材部品を得ることができる。
【００４１】
なお、上記実施形態では、強化基材を型に積層した後、マトリックスを含浸させているが、これに限定されず、マトリックスを強化基材に含浸させたプリプレグを形成した後、該プリプレグを型に積層して賦形してもよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  編物層
２  第１の強化繊維糸
３  ループ
４  第２の強化繊維糸
５，６  強化基材
７Ａ  第１強化基材
７Ｂ  第２強化基材
７Ｃ  第３強化基材
８  成形品形状
【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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【図６】
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