一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法及び成形用金型
【課題】一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体であって、厳密な直角度が要求される部材を、効率良く成形する方法、及び、それに用いる成形用金型を提供すること。
【解決手段】一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、この直方体の外面を形成する金属製の主型と、直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いることを特徴とする成形方法。例えば、主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなる金型を用いる。また、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入配置しても良い。
【解決手段】一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、この直方体の外面を形成する金属製の主型と、直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いることを特徴とする成形方法。例えば、主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなる金型を用いる。また、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入配置しても良い。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ製成形品あるいはその部品として使用される、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法、及び、それに用いる成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維からなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において利用されている。
【０００３】
ＦＲＰ製品を成形する場合、繊維強化材に樹脂を含浸させ、流動性や粘着性を除いて取り扱い性を良くしたシート状の成形中間体である、プリプレグが用いられる場合が多い。そして、プリプレグを用いて、中空の部材を成形するための方法としては、オートクレーブ成形法、ホットプレス成形法、真空バッグ成形法等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３３４８３６号公報
【０００４】
しかしながら、複雑あるいは精密な形状のＦＲＰ成形品を得ようとすると、従来の手段・手法では、必ずしも十分なものが得られない場合があった。例えば、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形する場合に、直方体に厳密な直角度が要求される場合には、従来の主型と入子を用いるプレス成形では、離型操作が難しいという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ＦＲＰ製成形品あるいはその部品として使用される、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体であって、厳密な直角度が要求される部材を、効率良く成形する方法、及び、それに用いる成形用金型を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の中の請求項１の発明は、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いることを特徴とする一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法である。
【０００７】
そして、請求項２の発明は、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入することを特徴とする請求項１記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法である。
【０００８】
更に、請求項３の発明は、直方体が、開口部にフランジが付設されているものである請求項１又は２記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法である。
【０００９】
請求項４の発明は、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形する金型であって、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型である。
【００１０】
また、請求項５の発明は、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型が挿入されてなる請求項４記載の成形用金型であり、そして、請求項６の発明は、その中の特に好ましい態様を規定するもので、主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなる請求項４又は５記載の成形用金型である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＦＲＰ製成形品あるいはその部品として使用される、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体であって、厳密な直角度を有するものを、効率良く成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、中空の直方体の外面を形成する金属製の主型（少なくとも上型と下型から構成される）と、この直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いるものであるが、主型用の金属としては、好ましいのは、熱膨張係数が８〜１１×１０−６
程度の金属、例えば、耐熱鋼、高張力鋼、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）、チタン合金（６ＡＬ４Ｖ）が挙げられる。主型より熱膨張係数が大きい入子用の金属としては、好ましいのは、熱膨張係数が１５〜２５×１０−６程度の金属、例えば、アルミニュウム、アルミ合金（２０１７）、銅合金、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）が挙げられる。
特に好ましいのは、主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなるものの組合せである。
【００１３】
本発明の金型においては、主型より熱膨張係数が大きい入子を用い、入子の熱膨張圧を利用して、プリプレグ等のＦＲＰを主型の内壁に密着させるものであるが、更に、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入することによって、ゴムの膨張圧も付加することもできる。ゴム基板の材質は、金型の加熱温度に耐えるものである限り、特に問わない。
【００１４】
本発明において成形加工される成形品は、中空の直方体の開口部にフランジが付設されているものであっても良い。この様な成形品で厳密な直角度が要求されるものは、従来のプレス成形では、特に成形が困難であるが、本発明の金型、方法を用いると、通常の硬化炉を用いて容易に製造することができる。その他、中空の直方体の開口部には、用途に応じて種々の加工をしたり、種々の部品を設置することができる。また、直方体の壁面やフランジ部には、必要に応じて、例えば、ボルト孔を設けることもできる。そして、部品の設置やボルト孔の穴あけ等は、直方体を成形した後行っても良く、あるいは、成形と同時に行っても良い。
【００１５】
本発明において、ＦＲＰ製の中空の直方体を成形するためには、成形中間基材としてプリプレグを使用するのが適当である。プリプレグとしては、補強用のガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の繊維強化材の織物、不織布等のシート状物に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させて得られたプリプレグが挙げられる。繊維強化材やマトリックス樹脂に関しては特に制限はないが、繊維強化材として好ましいのはガラス繊維と炭素繊維であり、その織物が好ましい。織物としては、例えば、平織、綾織、朱子織等の経糸と緯糸から構成されるものの他、繊維束を一方向に引き揃えシート状とし、これを直角方向にステッチ糸で縫合した一軸織物、一方向に引き揃えたシート状物を角度を変えて複数積層し、これを直角方向にステッチ糸で縫合した多軸織物等が挙げられる。繊維強化材とマトリックス樹脂の割合は、繊維強化材が全体の３０〜７０重量％であるものが好ましい。
【００１６】
本発明の実施態様の一つを図を用いて説明する。図１は、開口部にフランジが付設された中空の直法体を成形する場合の、金型の断面図を示している。図１において、１は金型の主型の下型であり、２は同じく上型であり、３は入子である。図１は、開口部にフランジが付設された中空の直法体５（プリプレグからなる）を成形する場合であるから、入子３は断面がＴ字形のものである。４は、ゴム基板からなる補助型である。先ず、主型の下型１の内壁に沿ってプリプレグ５を敷設し、次いで、入子３を挿入・配置し、そして、入子３のＴ字形上面にゴム基板４を介して主型の上型を設置し、金型を型締めする。型締めした金型は、例えば、硬化炉に入れ、９０〜１８０℃で１〜２時間加熱される。加熱による主型１、２と入子３の熱膨張圧の差により、更に補助型のゴム基板の膨張圧も加わって、プリプレグ５は下型の内壁に強く押し付けられた状態で硬化する。そして、金型の冷却後、成型品である直方体５は、金型から容易に離型し取り出すことができる。
【実施例１】
【００１７】
図１にその断面を示した金型を用いて、開口部にフランジが付設された中空の直法体を成形した。炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製の主型の下型１のキャビティ内面に、プリプレグ５を敷設した。プリプレグとしては、炭素繊維ＨＴＡ３Ｋ（東邦テナックス社製、汎用グレードの炭素繊維、３０００フィラメント）を経糸緯糸とした平織物（東邦テナックス社製、Ｗ−３１０１／Ｑ−１９５）に、エポキシ樹脂を含浸させたものを用いた（樹脂含有率：４０％）。このプリプレグを５枚、積層パターンが（０／９０）、（±４５）、（３０／１２０）、（±４５）、（０／９０）となる様に重ねて、金型に敷設した。
【００１８】
主型の下型１のキャビティ内に、プリプレグ５を介してアルミ合金（２０１７）製の入子３を挿入・配置し、次いで、入子３のＴ字形上面にゴム基板４を介して主型の上型２を設置し、金型を型締めした。型締めした金型を、硬化炉内に置き、１２０〜１３０℃で１．５時間加熱した。金型を取り出し冷却後、開口部にフランジが付設された中空の直法体５は、金型から簡単に離型して取り出すことができた。得られた成形品は、厳密な直角度を有するフランジ付の中空の直方体であった。
【実施例２】
【００１９】
ガラス繊維の織物（目付：２００ｇ／ｍ２、ＷＥ１８Ｋ、日東紡社製）にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグ（樹脂含有率：３８％）を８枚積層して用いる以外は、実施例１と同様にして、肉厚が３．５ｍｍのフランジ付の中空の直方体を得た。このものも厳密な直角度を有していた。
【００２０】
［比較例１］
比較のために、主型も入子も炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製の金型を用いて、実施例１と同じ様に成形を行ったところ、金型の冷却後に、成形品を金型から取り出すのが非常に困難であった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一つの実施態様の説明図（金型の断面図）である。
【符号の説明】
【００２２】
１ 金型の主型の下型
２ 金型の主型の上型
３ 金型の入子
４ ゴム基板の補助型
５ プリプレグ（又は成形品の直方体）
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ製成形品あるいはその部品として使用される、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法、及び、それに用いる成形用金型に関する。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂や、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアミド、ＰＰＳ、ＰＥＥＫ等の熱可塑性樹脂のマトリックス樹脂と、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維からなるものであり、軽量で且つ強度特性に優れるため、近年、航空宇宙産業から一般産業分野に至るまで、幅広い分野において利用されている。
【０００３】
ＦＲＰ製品を成形する場合、繊維強化材に樹脂を含浸させ、流動性や粘着性を除いて取り扱い性を良くしたシート状の成形中間体である、プリプレグが用いられる場合が多い。そして、プリプレグを用いて、中空の部材を成形するための方法としては、オートクレーブ成形法、ホットプレス成形法、真空バッグ成形法等が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−３３４８３６号公報
【０００４】
しかしながら、複雑あるいは精密な形状のＦＲＰ成形品を得ようとすると、従来の手段・手法では、必ずしも十分なものが得られない場合があった。例えば、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形する場合に、直方体に厳密な直角度が要求される場合には、従来の主型と入子を用いるプレス成形では、離型操作が難しいという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、ＦＲＰ製成形品あるいはその部品として使用される、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体であって、厳密な直角度が要求される部材を、効率良く成形する方法、及び、それに用いる成形用金型を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の中の請求項１の発明は、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いることを特徴とする一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法である。
【０００７】
そして、請求項２の発明は、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入することを特徴とする請求項１記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法である。
【０００８】
更に、請求項３の発明は、直方体が、開口部にフランジが付設されているものである請求項１又は２記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法である。
【０００９】
請求項４の発明は、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形する金型であって、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型である。
【００１０】
また、請求項５の発明は、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型が挿入されてなる請求項４記載の成形用金型であり、そして、請求項６の発明は、その中の特に好ましい態様を規定するもので、主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなる請求項４又は５記載の成形用金型である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＦＲＰ製成形品あるいはその部品として使用される、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体であって、厳密な直角度を有するものを、効率良く成形することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明は、一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、中空の直方体の外面を形成する金属製の主型（少なくとも上型と下型から構成される）と、この直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いるものであるが、主型用の金属としては、好ましいのは、熱膨張係数が８〜１１×１０−６
程度の金属、例えば、耐熱鋼、高張力鋼、炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）、フェライト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４３０）、マルテンサイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ４２０Ｊ２）、チタン合金（６ＡＬ４Ｖ）が挙げられる。主型より熱膨張係数が大きい入子用の金属としては、好ましいのは、熱膨張係数が１５〜２５×１０−６程度の金属、例えば、アルミニュウム、アルミ合金（２０１７）、銅合金、オーステナイト系ステンレス鋼（ＳＵＳ３０４）が挙げられる。
特に好ましいのは、主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなるものの組合せである。
【００１３】
本発明の金型においては、主型より熱膨張係数が大きい入子を用い、入子の熱膨張圧を利用して、プリプレグ等のＦＲＰを主型の内壁に密着させるものであるが、更に、主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入することによって、ゴムの膨張圧も付加することもできる。ゴム基板の材質は、金型の加熱温度に耐えるものである限り、特に問わない。
【００１４】
本発明において成形加工される成形品は、中空の直方体の開口部にフランジが付設されているものであっても良い。この様な成形品で厳密な直角度が要求されるものは、従来のプレス成形では、特に成形が困難であるが、本発明の金型、方法を用いると、通常の硬化炉を用いて容易に製造することができる。その他、中空の直方体の開口部には、用途に応じて種々の加工をしたり、種々の部品を設置することができる。また、直方体の壁面やフランジ部には、必要に応じて、例えば、ボルト孔を設けることもできる。そして、部品の設置やボルト孔の穴あけ等は、直方体を成形した後行っても良く、あるいは、成形と同時に行っても良い。
【００１５】
本発明において、ＦＲＰ製の中空の直方体を成形するためには、成形中間基材としてプリプレグを使用するのが適当である。プリプレグとしては、補強用のガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維等の繊維強化材の織物、不織布等のシート状物に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させて得られたプリプレグが挙げられる。繊維強化材やマトリックス樹脂に関しては特に制限はないが、繊維強化材として好ましいのはガラス繊維と炭素繊維であり、その織物が好ましい。織物としては、例えば、平織、綾織、朱子織等の経糸と緯糸から構成されるものの他、繊維束を一方向に引き揃えシート状とし、これを直角方向にステッチ糸で縫合した一軸織物、一方向に引き揃えたシート状物を角度を変えて複数積層し、これを直角方向にステッチ糸で縫合した多軸織物等が挙げられる。繊維強化材とマトリックス樹脂の割合は、繊維強化材が全体の３０〜７０重量％であるものが好ましい。
【００１６】
本発明の実施態様の一つを図を用いて説明する。図１は、開口部にフランジが付設された中空の直法体を成形する場合の、金型の断面図を示している。図１において、１は金型の主型の下型であり、２は同じく上型であり、３は入子である。図１は、開口部にフランジが付設された中空の直法体５（プリプレグからなる）を成形する場合であるから、入子３は断面がＴ字形のものである。４は、ゴム基板からなる補助型である。先ず、主型の下型１の内壁に沿ってプリプレグ５を敷設し、次いで、入子３を挿入・配置し、そして、入子３のＴ字形上面にゴム基板４を介して主型の上型を設置し、金型を型締めする。型締めした金型は、例えば、硬化炉に入れ、９０〜１８０℃で１〜２時間加熱される。加熱による主型１、２と入子３の熱膨張圧の差により、更に補助型のゴム基板の膨張圧も加わって、プリプレグ５は下型の内壁に強く押し付けられた状態で硬化する。そして、金型の冷却後、成型品である直方体５は、金型から容易に離型し取り出すことができる。
【実施例１】
【００１７】
図１にその断面を示した金型を用いて、開口部にフランジが付設された中空の直法体を成形した。炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製の主型の下型１のキャビティ内面に、プリプレグ５を敷設した。プリプレグとしては、炭素繊維ＨＴＡ３Ｋ（東邦テナックス社製、汎用グレードの炭素繊維、３０００フィラメント）を経糸緯糸とした平織物（東邦テナックス社製、Ｗ−３１０１／Ｑ−１９５）に、エポキシ樹脂を含浸させたものを用いた（樹脂含有率：４０％）。このプリプレグを５枚、積層パターンが（０／９０）、（±４５）、（３０／１２０）、（±４５）、（０／９０）となる様に重ねて、金型に敷設した。
【００１８】
主型の下型１のキャビティ内に、プリプレグ５を介してアルミ合金（２０１７）製の入子３を挿入・配置し、次いで、入子３のＴ字形上面にゴム基板４を介して主型の上型２を設置し、金型を型締めした。型締めした金型を、硬化炉内に置き、１２０〜１３０℃で１．５時間加熱した。金型を取り出し冷却後、開口部にフランジが付設された中空の直法体５は、金型から簡単に離型して取り出すことができた。得られた成形品は、厳密な直角度を有するフランジ付の中空の直方体であった。
【実施例２】
【００１９】
ガラス繊維の織物（目付：２００ｇ／ｍ２、ＷＥ１８Ｋ、日東紡社製）にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグ（樹脂含有率：３８％）を８枚積層して用いる以外は、実施例１と同様にして、肉厚が３．５ｍｍのフランジ付の中空の直方体を得た。このものも厳密な直角度を有していた。
【００２０】
［比較例１］
比較のために、主型も入子も炭素鋼（Ｓ４５Ｃ）製の金型を用いて、実施例１と同じ様に成形を行ったところ、金型の冷却後に、成形品を金型から取り出すのが非常に困難であった。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一つの実施態様の説明図（金型の断面図）である。
【符号の説明】
【００２２】
１ 金型の主型の下型
２ 金型の主型の上型
３ 金型の入子
４ ゴム基板の補助型
５ プリプレグ（又は成形品の直方体）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いることを特徴とする一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法。
【請求項２】
主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入することを特徴とする請求項１記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法。
【請求項３】
直方体が、開口部にフランジが付設されているものである請求項１又は２記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法。
【請求項４】
一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形する金型であって、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型。
【請求項５】
主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型が挿入されてなる請求項４記載の成形用金型。
【請求項６】
主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなる請求項４又は５記載の成形用金型。
【請求項１】
一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形するに際し、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型を用いることを特徴とする一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法。
【請求項２】
主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型を挿入することを特徴とする請求項１記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法。
【請求項３】
直方体が、開口部にフランジが付設されているものである請求項１又は２記載の一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体の成形方法。
【請求項４】
一面が開口したＦＲＰ製の中空の直方体を成形する金型であって、該直方体の外面を形成する金属製の主型と、該直方体の内面を形成する、主型より熱膨張係数が大きい金属製の入子とからなる成形用金型。
【請求項５】
主型の上型と入子との間に、ゴム基板からなる補助型が挿入されてなる請求項４記載の成形用金型。
【請求項６】
主型が炭素鋼からなり、入子がアルミニュウム又はアルミニュウム合金からなる請求項４又は５記載の成形用金型。
【図１】
【公開番号】特開２００６−２１８６３４（Ｐ２００６−２１８６３４Ａ）
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３１４６８（Ｐ２００５−３１４６８）
【出願日】平成１７年２月８日（２００５．２．８）
【出願人】（０００００３０９０）東邦テナックス株式会社 (246)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月２４日（２００６．８．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月８日（２００５．２．８）
【出願人】（０００００３０９０）東邦テナックス株式会社 (246)
【Ｆターム（参考）】
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