(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状の強化繊維材料が成形型の成形空間内に配され、同繊維材料を被包するバッグフィルムと、バッグフィルム内を減圧する減圧源と、前記繊維材料にマトリックス樹脂を注入する注入口とを有する繊維強化プラスチックの真空注入成形装置であって、
前記成形空間の一面側が開放され、
前記繊維材料の開放側表面と周縁が型に密封固定された前記バッグフィルムとの間に多数の小孔を有する多孔フィルムが配され、
同多孔フィルムと前記バッグフィルムとの間に脱気回路を有する脱気用シートが配され、
前記バッグフィルムと前記脱気用シートとの間の密閉空間に前記減圧源が接続され、
前記繊維材料の前記多孔フィルムとは反対側の底部に向けて前記樹脂注入口が配されてなる、
ことを特徴とする繊維強化プラスチック成形体の成形装置。
【請求項２】
前記脱気用シートがガラス繊維織物である請求項１記載の成形装置。
【請求項３】
前記多孔フィルムが１ｍ2 あたりに２〜１０００ｍｍ2 の開口面積を有してなることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形装置。
【請求項４】
前記多孔フィルムが１ｍ2 あたりに１００個以下で孔を有してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の成形装置。
【請求項５】
シート状の強化繊維材料を成形型の成形空間内に配し、同繊維材料をバッグフィルムにて気密に被包し、前記繊維材料にマトリックス樹脂を注入するとともに、バッグフィルム内を減圧して、繊維強化プラスチックを成形する真空注入成形方法にあって、
前記成形空間の一面を開放すること、
前記成形型内に強化繊維材料を配すること、
同繊維材料の表面に多数の小孔を有する多孔フィルムにて配すること、
多孔フィルムの表面側に脱気回路を有する脱気用シートを配すること、
バッグフィルムを成形空間内が密閉状態となるように前記脱気用シートの表面側に配すること、
外部の減圧源により前記脱気用シートを介して成形空間内を減圧下におくこと、及び
減圧下にある成形空間内の前記繊維材料の底部に、樹脂注入時の樹脂粘度が２０Poise 以下であるマトリックス樹脂を注入すること、
を含んでなることを特徴とする繊維強化プラスチック成形体の成形方法。
【請求項６】
前記シート状強化繊維材料が多層であることを含んでなる請求項５記載の成形方法。
【請求項７】
バッグフィルムの周縁を成形型にシール材を介して気密に固定すること、
を含んでなる請求項５または６に記載の成形方法。
【請求項８】
シート状の強化繊維材料の間にコア材を配することを含んでなることを特徴とする請求項７記載の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）の成形装置とその成形方法に関し、具体的には成形型内に配されたシート状の強化繊維材料をバッグフィルムにて気密に被包し、バッグフィルム内を減圧しながら強化繊維材料にマトリックス樹脂を注入して成形する繊維強化プラスチックの真空注入成形装置とその成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＲＰ成形体は、スプレーアップ法やＲＴＭ法、プレス成形など、種々の方法により成形がなされているが、大型の成形体の場合はハンドレイアップ法にて成形されることが多かった。このハンドレイアップ法は、比較的古くから行われてきた成形方法であるが、強化繊維材料に対するマトッリクス樹脂の含浸の状態を人手で管理しているがため、その人員を確保することが難しく、作業中に逸散する臭気によって近隣に迷惑をかけたりするなどの問題があった。
【０００３】
そこで、密閉された成形型に強化繊維材料を配するとともに真空圧下でマトリックス樹脂を注入する方法が考えられたが、樹脂がうまく含浸できないなどの問題が生じていた。これを改良するため、例えば特開２０００−４３１７２号公報では、発泡体からなるコア材の表裏両面に樹脂製の網状体を配するとともに、さらに各網状体の表面に強化繊維材料を配して、これらの全体をバッグフィルムで被包したのち、バッグフィルムで被包された内部を真空状態として、コア材の表面に形成された複数の溝を介してマトリックス樹脂を注入し、前記網状体の網目を通して強化繊維材料の表面方向に拡散させて、樹脂を強化繊維材料に含浸一体化させる方法を提案している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに前記公報に開示されたＦＲＰの成形方法では、マトリックス樹脂が強化繊維材料の全体に均等に含浸させるためには、コア材の表面に形成する溝のピッチを細かくしたりするなどの必要があり、その溝加工が煩雑であったり、真空で引かれて網状体を通ったマトリックス樹脂が強化繊維材料に含浸する途中で満たされると、強化繊維材料の表面側では真空による吸引力が全体に均等に働かず、強化繊維材料の表面側では樹脂含浸量が均等に含浸しなかったり、或いは真空による吸引力が樹脂の注入圧力を上回ると強化繊維材料の形状が保持できにくくなるという問題が生じる。
【０００５】
本発明は、かかる課題を解決すべく開発されたものであり、その具体的な目的は真空吸引によるＦＲＰの成形装置及び成形方法であっても、樹脂の含浸が強化繊維材料の全体にわたって均等になされるとともに、安定した形状が得られるＦＲＰの成形装置とその成形方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段及び作用効果】
上記課題を解決すべくＦＲＰの真空注入成形法について種々検討した結果、樹脂の含浸が良好で、且つ、生産性も良好な方法を発明するに至った。
【０００７】
すなわち、本発明に係る成形装置の基本構成は、シート状の強化繊維材料が成形型の成形空間内に配され、同繊維材料を被包するバッグフィルムと、バッグフィルム内を減圧する減圧源と、前記繊維材料にマトリックス樹脂を注入する注入口とを有する繊維強化プラスチックの真空注入成形装置であって、前記成形空間の一面側が開放され、前記繊維材料の開放側表面と周縁が型に密封固定された前記バッグフィルムとの間に多数の小孔を有する多孔フィルムが配され、同多孔フィルムと前記バッグフィルムとの間に脱気回路を有する脱気用シートが配され、前記バッグフィルムと前記脱気用シートとの間の密閉空間に前記減圧源が接続され、前記繊維材料の前記多孔フィルムとは反対側の底部に向けて前記樹脂注入口が配されてなることを特徴とする繊維強化プラスチック成形体の成形装置にある。かかる構成により、樹脂含浸が良好で、且つ高い生産性をもたらす。
【０００８】
ここで用いられる成形型の材質は、金属製、繊維強化樹脂製、樹脂製、木製のいずれであってもよく、用いるマトリックス樹脂の硬化温度によって適切に選択すればよい。また、その型形状は成形体の形状により決まる。しかして、成形にあたってはシート状の強化繊維材料の片面全面をバッグフィルムで被包する。前記シート状強化繊維材料は単層である必要はなく多層に積層されたものであってもよく、更には積層される繊維材料が同一の材質でなくてもよい。また同シート状繊維材料の内部に所望の形状をもつコア材を介装することも可能である。コア材には様々な合成樹脂が採用でき、更なる軽量化が必要な場合には発泡体とすることが好ましい。また、コア材の他にも、例えば金属製の機械部品を強化繊維材料に添装又は介装することもある。
【０００９】
このとき用いられるバッグフィルムは、この種の真空注入成形法に一般に用いられる気密な合成樹脂製のフィルムであれば制限されない。このバッグフィルムは成形空間内の減圧が保持されるように、その周縁をシールテープや粘着材料などにより成形型に気密に固定する。また上記多孔フィルムは、その内側表面にフッ素樹脂などを配して離型性を備えさせることが好ましいが、その材質はマトリックス樹脂と非接着性材料であれば特に限定されない。
【００１０】
この多孔フィルムに形成される孔の開口面積は２〜１０００ｍｍ2 ／ｍ2 であり、これ以下では、真空吸引の効果が得られず、これ以上であると樹脂の吸い上げが著しくなり、真空吸引の効果が低くなる。また孔の開口数は、前述の範囲で１ｍ2 当たり１００個以下であることが望ましく、１００個以上の場合には、樹脂の吸い上げに伴い脱気用シートの閉塞が発生し、良好な含浸特性が得られない。
【００１１】
前記脱気回路用の脱気用シートには、成形空間内を減圧するため、真空が引けるように真空ポンプ等の減圧源に接続する吸引口が設けられている。この脱気用シートの材質は、特に規定しないが、ナイロン繊維やガラス繊維等が挙げられ、織組織について規定しないが織布や不織布が挙げられる。このシートの目付についても特に規定しないが、使用減圧下での吸引回路が確保できるようなものを選択する。そのためには、上記多孔フィルムと同様に、構成繊維材料としてはマトリックス樹脂に対する非接着性の材料であることが望ましい。
【００１２】
この状態で、真空吸引による減圧環境下で樹脂注入口よりマトリックス樹脂を注入し、成形体を得る。この樹脂注入時の粘度は２０Poise 以下であることが必要であり、これを超えるような粘度では、シート状強化繊維材料に対して樹脂の未含浸部分が発生する可能性があるため不適当である。用いられる樹脂の種類としては特に規定しないが、エポキシ樹脂，ビニルエステル樹脂，不飽和ポリエステル樹脂，フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられる。
【００１３】
また、シート状強化繊維材料の材質としては、炭素繊維製織物、同繊維製不織布、炭素繊維トウや、ガラス繊維製織物、その不織布、ロービングを、単独で又は組合せて、あるいは炭素線，糸ガラス繊維とを混合して使用することが好ましい。特に軽量化と強度を得るには炭素繊維の使用が好ましい。複数の炭素繊維トウを拡幅してシートを形成するときは、積層する繊維の配向を変えて積層すれば、全ての方向に所望の機械特性が得られるため好ましい。通常、炭素繊維トウ１本のフィラメント数は１０，０００〜３００，０００本の範囲、より好ましくは５０，０００〜１５０，０００本の範囲にある。
【００１４】
本発明に係るＦＲＰ成形体は、既述したとおり、シート状の強化繊維材料単独、或いは強化繊維材料の間にコア材を介装させた構造体を含んでいる。これらの強化繊維材料及びコア材の全体を、多孔フィルム、脱気用シート、バッグフイルムの順で内側から順次被包し、脱気用シートを介してバッグフイルムで覆われた内部を減圧状態として、マトリックス樹脂を強化繊維材料の底部に注入し、吸引により前記強化繊維材料を介して前記強化繊維材料の面方向に拡散させ、該樹脂を強化繊維材料に満遍なく含浸させることにより全体を一体に成形する。このとき、多孔フィルムと脱気用シートは、脱気用シートを介して吸引される成形空間内の気体の流れが脱気用シートと多孔フィルムによって分散され、強化繊維材料の全体にわたり均等な吸引力が働き、注入されたマトリックス樹脂を強化繊維材料の内部に均等に含浸させるようになる。
【００１５】
その成形方法にあって、開閉可能な上下型を用いずに、一面側が開放する金型を単独で用いるときは、その開放側に上記多孔フィルム、脱気用シート、バッグフイルムの順に積層し、バッグフィルムの周縁をシール材を介して型に固着し、型と多孔フィルムとの間に形成される空間を密閉された成形空間とし、その密閉空間に強化繊維材料を配置する。内部をコア材を介装するときは、そのコア材の外形が型材の型面をなし、シート状の強化繊維材料を介して被包される上記多孔フィルム、脱気用シート、バッグフイルムが自由に形態変化できるため、成形される構造体もコア材の外形に追従することになる。
【００１６】
脱気用シートを介して成形空間内の気体を吸引すると、強化繊維材料の内部の気体をも含めて、多孔フィルムの孔を通って外部に引かれ、同時に繊維材料に向けて注入されるマトリックス樹脂は、繊維材料内を満遍なく拡散して強化繊維材料の全体に含浸する。このとき、脱気回路をもつ脱気用シートは、既述したごとく、多孔フィルムを介してシート全体にわたって均一に吸気しており、その吸気により成形空間内の圧力が所定の値まで減圧される。この減圧状態が維持されている間に、注入された所要量のマトリックス樹脂は繊維材料の全体にわたり均一に拡散して含浸する。すなわち、強化繊維材料へのマトリックス樹脂の含浸が極めて円滑にかつ均一に行われ、高品質のＦＲＰ構造体が安定して効率的に、しかも安価に製造される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面に基づいて具体的に説明する。図１は本発明の第１実施形態である長尺の平板状ＦＲＰ成形体を真空注入成形時の状態を模式的に示している。
【００１９】
本実施形態による平板状ＦＲＰ成形体の真空注入成形装置は、水平に配された平板状の成形型１と、所要の成形空間を設けて前記成形型１の上面に配される多孔フィルム２と、同多孔フィルム２の上面に配される脱気シート３と、同脱気シート３の更に上面に配されるバッグフィルム４とを備えている。成形時には、最内層の前記多孔フィルム２と前記平板状型１との間に形成される成形空間内には平板状の強化繊維材料５が介装され、同強化繊維材料５を介装したのち、前記脱気シート３及びバッグフィルム４の周縁を、シール材６を介して前記成形型１の上面に密封固定する。
【００２０】
一方、上記平板状の成形型１にはマトリックス樹脂の注入口１ａが貫通して形成されており、同注入孔１ａの上端は樋状の溝１ｂとなって成形型１の長手方向に延びている。この樹脂注入口１ａは外部の図示せぬ樹脂貯留槽と配管を介して接続されている。また、前記脱気シート３の周縁部の一部に成形空間内の気体を吸引する吸気口７が形成されており、この吸気口７はバッグフィルムを介して外部に配設された真空ポンプ８の吸気ポートに配管９を介して接続されている。ここで、脱気シート３にはナイロン繊維やガラス繊維から構成される織布や不織布が使われ、上記多孔フィルム２と併用することにより吸引空気に一方向の流れを生じさせることなく、強化繊維材料の全面に均一な吸気流れを発生させる。
【００２１】
多孔フィルム２に形成される孔の開口面積は、真空吸引の効果が得られる２〜１０００ｍｍ2 ／ｍ2 とすることが好ましく、また孔の開口数も、前述の範囲で１ｍ2 当たり１００個以下であることが望ましい。１００個以上の場合には、樹脂の吸い上げに伴い脱気用シートの閉塞が発生し、良好な含浸特性が得られない。ＦＲＰのマトリックス樹脂として、エポキシ、不飽和ポリエステル、フェノール、ビニルエステルなどの熱硬化性樹脂が使われる。勿論、ポリエステルやナイロン、ＡＢＳ樹脂等の熱可塑性樹脂を単独で、或いはそれらと熱硬化性樹脂との混合樹脂も使用が可能である。
【００２２】
図２は、本発明の第２実施形態を模式的に示している。本実施形態による成形型１０は、内部に成形空間を有するとともに、その上面が外部に開放された箱型形態を備えている。本実施形態にあっては、強化繊維材料１５の間にコア材１６を介装させている。所望の形状をもつコア材１６の上面に第１の強化繊維材料１５ａを載置すると共に、コア材１６の側面と下面とを被覆するように第２の繊維強化材料１５ａを配し、これを前記成形型１０の成形空間に収容する。コア材としては、軽量化には硬質の発泡体やコルク等を使用することが好ましく、またアルミ材からなるハニカムを使うこともできる。本実施形態によるコア材１６には、その中央部に上下に貫通する樹脂流通孔１６ａが形成されている。
【００２３】
この状態で、上記第１実施形態例と同様に、内側から多孔フィルム１２、脱気用シート１３及びバッグフィルム１４を順次積層し、多孔フィルム１２及び脱気用シート１３の周縁をシール材１１を介して密封固定する。多孔フィルム１２には、同じく上記第１実施形態と同様に、多数の孔が開けられており、脱気用シート１３の周縁の一部に吸気口１７が形成され、バッグフィルム１４を介して外部に設置された真空ポンプ１８の吸入ポートに配管１９を介して接続されている。また、本実施形態では前記多孔フィルム１２、脱気用シート１３及びバッグフィルム１４を順次貫いて、前記箱型の成形型１０の底面に向けたマトリックス樹脂の管状注入口１０ａが配され、同注入口１０ａが図示せぬ配管を介して同じく図示せぬマトリックス樹脂槽に接続されている。
【００２４】
いま、吸気口１７から吸気することにより、成形空間内は減圧化される。この吸気を持続しながら、前記管状注入口１０ａを介してマトリックス樹脂が成形型１０の底部に配された第２強化繊維材料１５ｂへと注入される。脱気用シート１３の周縁の一部に形成された吸気口１７から、成形空間内の気体を吸気すると、多孔フィルム１２の存在により、吸気される気体は一方向に流れずに、多孔フィルム１２に形成された多数の孔を通して均等に吸気される。そのため、その吸引力も繊維材料の全体にわたって均等になされ、前述のように、下部強化繊維材料１５ｂに注入されたマトリックス樹脂は、同第２強化繊維材料１５ｂの全体にわたって吸引拡散し、第１強化繊維材料１５ａに達する。このときも、吸引力は第１強化繊維材料１５ａの全体に均等に働くため、マトリックス樹脂は上部強化繊維材料１５ａにも均等に吸引されて行き渡り含浸する。
【００２５】
本実施形態ではコア材１６の全面を強化繊維材料１５で被包しているが、コア材１６の片面を外部に露呈し、或いはコア材１６の上下の面にだけ繊維材料１５を配することもできる。
【００２６】
次に、本発明の実施例に基づいて、より具体的に説明する。
［実施例１］
長さ１. ８ｍ，幅０. ９ｍでその一辺に樹脂注入用の長溝が形成された、図１に示す平板状成形型に対して、基材Ａ（ガラスチョップドストランドマット：２２５ｇ／ｍ2 ）／基材Ｂ（三菱レイヨン製炭素繊維織物：ＴＲＫ９１０）／基材Ａの順で生機を配置した。次に２００ｍｍ間隔で１ｍｍφ程度の孔を２７個開口したフィルム（デュポン社製テドラフィルム）をその上より覆い、各周縁部をシール材にて粘着固定した。この孔を開けた多孔フィルムについて測定したところ、１ｍ2 当たりの開口面積が１３. ０９ｍｍ2 、開口数が１６. ７個／ｍ2 であった。
【００２７】
次に、脱気回路用の脱気シート（ガラス製織物：目付２５０ｇ／ｍ2 ）をその上より被せた。更にその上からバッグフィルム（Ａｉｒｔｅｃｈ社製ナイロンフィルム  厚み０．００２inch）を被せてシール材に粘着固定した。その後、樹脂の注入口とは反対側のバッグフィルムに真空引き用の吸気口を配管を介して真空ポンプに接続した。次に、真空ポンプを稼動させ、所定の減圧が保持されるようにバッグフィルムとシール材の気密性を確認し、約３０分間、７５０ｍｍＨｇの減圧状態を保持した。このとき、マトリックス樹脂の注入口は閉じられたままであり、空気が入り込まないようにした。
【００２８】
次に、２２℃での粘度が１０ｐｏｉｓｅである常温硬化タイプのビニルエステル樹脂を用いて、樹脂注入口より注入を開始した。注入時の真空圧力は３００ｍｍＨｇとし、樹脂注入方法は自然落下方式を採用し、無真空状態での注入口での注入圧力範囲が０. ０５〜０. ０１ＭＰａとなるようにした。所定の樹脂注入量でマトリックス樹脂を注入完了後、注入口を閉鎖し樹脂注入を停止した。その後、真空圧力を５００ｍｍＨｇまで減圧保持し、樹脂を硬化させた。
得られた積層板は、樹脂の未含浸部分がほとんど無い表面状態の良好な成形板であった。
【００２９】
［実施例２］
長さ３. ０ｍ，幅２. ４ｍの図２に示す成形型に対して、基材Ａ（ガラスチョップドストランドマット：２２５ｇ／ｍ2 ）／基材Ｂ（三菱レイヨン製炭素繊維織物：ＴＲＫ９１０）／基材Ａの順で構成された第２強化繊維材料からなる第２スキン層を配置した。更にその上より、コア材を配置し、第２スキン層と同様の手順で基材Ａ／基材Ｂ／基材Ａを順次積層した第１強化繊維材料からなる第１スキン層を配置した。次に、約５００ｍｍ間隔で３ｍｍφ程度の孔を４２個開口したフィルム（デュポン社製テドラフィルム）をその上から覆い、同多孔フィルムの周縁部をシール材にて粘着固定した。この孔が開けられたフィルムについて測定したところ、１ｍ2 当たり開口面積で４１. ２３ｍｍ2 および開口数が約５. ８個／ｍ2 であった。
【００３０】
次に、脱気用シート（ガラス製織物：目付２５０ｇ／ｍ2 ）をその上から被せた。更に、その上よりバッグフィルム（Ａｉｒｔｅｃｈ社製ナイロンフィルム  厚み０．００２inch）を被せてシール材に粘着固定した。その後、長さ方向の一辺に樹脂の注入口を約５００ｍｍ間隔で７個設け、それとは反対側のバッグフィルムの端部に真空引き用の吸気口を開け、そこに配管を介して真空ポンプに接続した。次に、真空ポンプを稼動させ、減圧が保持されるようにバッグフィルムとシール材の気密性を確認し、約６０分間、７５０ｍｍＨｇの常圧状態を保持した。このとき、各樹脂注入口は閉じられたままであって、空気が入り込まないようにした。
【００３１】
次に、２５℃での粘度が５ｐｏｉｓｅである常温硬化タイプのビニルエステル樹脂を用いて、樹脂注入口より樹脂の注入を開始した。注入時の真空圧力は４００ｍｍＨｇとし、樹脂注入方法は自然落下方式を採用し、減圧状態にある注入口での注入圧力範囲を０. ０５〜０. ０１ＭＰａとなるようにした。所定の樹脂注入量が注入された後、順次、注入口を閉鎖して樹脂の注入を停止した。その後、真空圧力を６５０ｍｍＨｇに減圧保持し、マトリックス樹脂を硬化させた。
得られたサンドイッチ積層板の未含浸の状態を超音波により測定したところ、ほとんどに樹脂が含浸している表面状態の良好なサンドイッチ成形体が得られていることが分かった。
【００３２】
このように、本発明によれば、従来問題であった樹脂の未含浸部分がほとんど無くなり、臭気も少なく生産性の優れた成形が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＦＲＰ成形時の成形状態を模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第２実施形態に係るＦＲＰ成形時の成形状態を模式的に示す断面図である。
【符号の説明】
１，１０            成形型
１ａ                樹脂注入口
１ｂ                溝
１０ａ              管状注入口
２，１２            多孔フィルム
３，１３            脱気用シート
４，１４            バッグフィルム
５，１５            強化繊維材料
１５ａ，１５ｂ      上下部強化繊維材料
６                  シール材
７，１７            吸気口
８，１８            真空ポンプ
９，１９            配管
１１                  シール材
１６                  コア材
１６ａ                樹脂流通孔
【図１】
0004160771.tif 000002
【図２】
0004160771.tif 000003