ＦＲＰ中空構造体の製造方法
【課題】バッグ等の袋体を使用する従来の製造方法の問題点を一挙に解決できるＦＲＰ中空構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】予備加熱硬化工程Ｂでプリプレグが１５〜２０％の硬化深度まで硬化された内殻プリフォームは、中子として必要な表面硬度と、内圧の付与によって十分に膨張できる必要な柔軟性および気密性とを有するため、外殻プリフォーム形成工程Ｄでは、内殻プリフォームを中子として外殻プリフォームが容易かつ確実に形成され、本加熱硬化工程Ｅでは、内殻プリフォームが内圧の付与により十分に膨張して外殻プリフォームを成形型の内面に確実に押し付ける。その際、本加熱された内殻プリフォームの表面には粘着性が発現するため、内殻プリフォームが外殻プリフォームに接合して一体化される。
【解決手段】予備加熱硬化工程Ｂでプリプレグが１５〜２０％の硬化深度まで硬化された内殻プリフォームは、中子として必要な表面硬度と、内圧の付与によって十分に膨張できる必要な柔軟性および気密性とを有するため、外殻プリフォーム形成工程Ｄでは、内殻プリフォームを中子として外殻プリフォームが容易かつ確実に形成され、本加熱硬化工程Ｅでは、内殻プリフォームが内圧の付与により十分に膨張して外殻プリフォームを成形型の内面に確実に押し付ける。その際、本加熱された内殻プリフォームの表面には粘着性が発現するため、内殻プリフォームが外殻プリフォームに接合して一体化される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ中空構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ中空構造体は、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）からなる中空構造体である。この種のＦＲＰ中空構造体の製造方法としては、例えば特許文献１に記載のように、成形型の内面にプリプレグを積層し、このプリプレグ積層体の内側に、加圧空気の充填によって膨張するバッグを配置し、このバッグの膨張によりプリプレグ積層体を成形型の内面に押し付けながらプリプレグ積層体を加熱して硬化させる製造方法が一般に知られている。
【特許文献１】特許第３６９０７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載の製造方法を含め、バッグ等の袋体を使用してその膨張によりプリプレグ積層体（プリフォーム）を成形型の内面に押し付けながら加熱して硬化させる従来のＦＲＰ中空構造体の製造方法には、以下のような問題がある。
【０００４】
すなわち、成形型の内面に複雑な凹凸部が存在する場合、成形型の内面形状に沿って袋体を適切に配置し、また、成形型の内面形状に確実に追従するように袋体を膨張させることが難しいため、複雑な内面形状を有するＦＲＰ中空構造体を製造するのが非常に難しい。殊に、袋体がゴム製である場合にはこの傾向が顕著である。
【０００５】
また、袋体はＦＲＰ中空構造体の製造工程でのみ使用するものであって、製造後には不要となるものであるから、袋体を使用する従来のＦＲＰ中空構造体の製造方法では、袋体を製造するために余分な製造工数および製造コストが掛かる。また、製造されたＦＲＰ中空構造体の内部から袋体を除去する場合には、その除去工程が余分に必要となる。
【０００６】
ここで、製造されたＦＲＰ中空構造体の内部に袋体を残置すると、袋体の分だけＦＲＰ中空構造体の重量が増加する。また、袋体がＦＲＰ中空構造体の内部に残置されると、ＦＲＰ中空構造体をリベット等のかしめにより他部材に締結する際に軟質な袋体の一部が噛み込まれることがあり、この場合、軟質な袋体の噛み込まれた部分のクリープ現象が原因で締結力が弱まり、十分な締結強度が得られなくなる虞がある。
【０００７】
一方、製造されたＦＲＰ中空構造体の内部から袋体を除去する場合には、袋体の抜き出し穴をＦＲＰ中空構造体に開ける必要があるが、袋体が萎縮性の低いゴム製の場合には、大きな抜き出し穴をＦＲＰ中空構造体に開ける必要があり、ＦＲＰ中空構造体の強度が低下する虞がある。
【０００８】
そこで、本発明は、前述したバッグ等の袋体を使用する従来の製造方法の問題点を一挙に解決できるＦＲＰ中空構造体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法は、ＦＲＰ中空構造体の内面側を構成する内殻プリフォームと、外面側を構成する外殻プリフォームとを一体に硬化させるＦＲＰ中空構造体の製造方法であって、内殻プリフォームを構成するプリプレグを柔軟性が残留する範囲の硬化深度まで予備加熱して硬化させる予備加熱硬化工程と、プリプレグが予備加熱された内殻プリフォームを中子としてその外面にプリプレグを積層することで外殻プリフォームを形成する外殻プリフォーム形成工程と、内殻プリフォームと共に外殻プリフォームを成形型内で本加熱して硬化させる本加熱硬化工程とを備え、本加熱硬化工程では、内殻プリフォームを内圧の付与により膨張させて外殻プリフォームを成形型の内面に押し付けつつ内殻プリフォームを外殻プリフォームと一体化させることを特徴とする。
【００１０】
ここで、「プリフォーム」とは、プリプレグまたはその積層体を予め所定形状に形成したもの、あるいは、これらを所定形状に組み立てたものを言うこととする。「プリプレグ」は、強化繊維からなる織り目の細かいクロスに熱硬化性樹脂を含浸させた成形用中間材料をいう。プリプレグ用の強化繊維としては、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの無機繊維の他、各種の金属繊維が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
【００１１】
本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法において、予備加熱硬化工程では、内圧の付与によって内殻プリフォームが十分に膨張できる必要な柔軟性が内殻プリフォームのプリプレグに残留する。また、内殻プリフォームのプリプレグに含浸されている熱硬化性樹脂が一旦溶融してクロスに浸透し、クロスの織り目や継ぎ目を封止するため、内殻プリフォームには、内圧の付与によって十分に膨張できる必要な気密性が発現する。さらに、内殻プリフォームの表面硬度が中子として必要な硬度まで上昇する。
【００１２】
外殻プリフォーム形成工程では、表面硬度が上昇した内殻プリフォームが中子として十分に機能するため、外殻プリフォームが容易かつ確実に形成される。
【００１３】
本加熱硬化工程では、プリプレグに柔軟性および気密性が確保された内殻プリフォームが流動することなく軟化して内圧の付与により十分に膨張し、外殻プリフォームを成形型の内面に確実に押し付ける。その際、本加熱された内殻プリフォームの表面には粘着性が発現するため、内殻プリフォームが外殻プリフォームに確実に接合して一体化される。
【００１４】
ここで、予備加熱硬化工程では、中子として必要な表面硬度と、内圧の付与によって十分に膨張できる必要な柔軟性および気密性とを確保するように、内殻プリフォームのプリプレグを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させるのが好ましい。
【００１５】
また、内殻プリフォームは、その角部に気密性を有する弾性接続部材が配置され、この弾性接続部材を介して複数の平板状のプリプレグ積層体が相互に接続された構造とされているのが好ましい。この場合、平板状のプリプレグ積層体を使用できるため、内殻プリフォームの組立形成が容易となる。また、内殻プリフォームの角部の気密性が弾性接続部材により十分に確保されるため、角部の気密性を確保するようにプリプレグを立体状に多層に積層する必要がなく、平板状のプリプレグ積層体の積層数を減少させることも可能となる。
【００１６】
さらに、内殻プリフォームは、その内面間に配置される補強リブと、この補強リブの端部を内殻プリフォームの内面に固定する補強部材とを備え、この補強部材が折返し部で屈曲できる柔構造の折返し片を有し、この折返し片が内殻プリフォームの内面に接合される構造とされているのが好ましい。この場合、本加熱硬化工程で内殻プリフォームが膨張する際、補強部材の折返し片が内殻プリフォームの内面から剥離することなくその内面に追従するため、補強リブの端部が内殻プリフォームの内面に確実に固定される。
【００１７】
ここで、補強部材は、プリプレグ積層体を折り曲げ加工したパーツプリフォームで構成されており、折返し片を除く部分が予備加熱により硬化され、折返し片が未硬化状態に保持されているのが好ましい。この場合、未硬化状態に保持された折返し片が本加熱硬化工程で内殻プリフォームの内面に強固に接合される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法において、本加熱硬化工程では、柔軟性および気密性が確保された内殻プリフォームが内圧の付与により十分に膨張して外殻プリフォームを成形型の内面に確実に押し付けることにより、内殻プリフォームが外殻プリフォームに確実に接合して一体化される。
【００１９】
このように、本発明のＦＲＰ中空構造体の製造方法によれば、柔軟性および気密性を有する内殻プリフォームが従来のバッグ等の袋体に代わって機能するため、バッグ等の袋体を使用する従来の製造方法の問題点を一挙に解決できる。すなわち、複雑な内面形状を有するＦＲＰ中空構造体も容易に製造できる。余分な製造工数や製造コストを削減してＦＲＰ中空構造体を製造できる。不必要な重量増加を回避したＦＲＰ中空構造体を製造できる。リベット等のかしめにより他部材に締結する際にも十分な締結強度を発揮するＦＲＰ中空構造体を製造できる。不必要な抜き出し穴による強度低下を回避したＦＲＰ中空構造体を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係る製造方法によって製造されるＦＲＰ中空構造体の外観を示す斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は一実施形態の製造方法の作業工程図である。
【００２１】
一実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法は、図１および図２に示すようなＦＲＰ中空構造体１を製造する方法であり、図３に示す各作業工程、すなわち、パーツプリフォーム形成工程Ａ、予備加熱硬化工程Ｂ、内殻プリフォーム組立工程Ｃ、外殻プリフォーム形成工程Ｄおよび本加熱硬化工程Ｅを経てＦＲＰ中空構造体１を成形する。
【００２２】
まず、一実施形態のＦＲＰ中空構造体の製造方法によって製造されるＦＲＰ中空構造体１について説明する。このＦＲＰ中空構造体１は、例えば図１に示すようなＬ字形の平面形状を呈する所定の厚みの中空構造体であり、その断面形状は、例えば図２に示すような概略台形の中空断面形状となっている。このＦＲＰ中空構造体１は、その内面側を構成する内殻プリフォーム２と、その外面側を構成する外殻プリフォーム３とが加熱処理により硬化して一体化したものである。
【００２３】
内殻プリフォーム２は、ＦＲＰ中空構造体１の下壁部の内面を構成する下部プリフォーム２Ａと、ＦＲＰ中空構造体１の上壁部からその周囲の側壁部に亘る部分の内面を構成する上部プリフォーム２Ｂとで構成されている。そして、下部プリフォーム２Ａには、内殻プリフォーム２内に内圧を付与するための内圧付与口２Ｃが外殻プリフォーム３の外面から突出するように形成されている。この内圧付与口２Ｃの開口径は１〜２ｍｍ程度である。
【００２４】
このような内殻プリフォーム２には、内圧の付与により膨張して外殻プリフォーム３を押圧する際にその角部を良好に押圧できるようにするため、外殻プリフォーム３の下角部に対応して下部プリフォーム２Ａの周囲に配置される下部フォーム材４と、外殻プリフォーム３の上角部に対応して上部プリフォーム２Ｂの上角部の周囲に配置される上部フォーム材５とが付設されている。なお、下部フォーム材４および上部フォーム材５として、一実施形態では、硬質ウレタンフォーム（１０倍発泡、独立気泡）を使用した。
【００２５】
外殻プリフォーム３の下角部に対応する下部プリフォーム２Ａの周縁部および上部プリフォーム２Ｂの周縁部は、相互に突き当たって平坦面を形成するように折り曲げられている。これに対応して、下部フォーム材４は、下部プリフォーム２Ａの周縁部と上部プリフォーム２Ｂの周縁部とで形成される平坦面に沿う三角形の断面形状に形成されている。
【００２６】
また、外殻プリフォーム３の上角部に対応する上部プリフォーム２Ｂの上角部は、面取り状の平坦面を呈するように折り曲げられている。これに対応して、上部フォーム材５は、上部プリフォーム２Ｂの上角部の平坦面に沿うカマボコ状の断面形状に形成されている。
【００２７】
つぎに、一実施形態のＦＲＰ中空構造体の製造方法を図３に示す各作業工程毎に説明する。まず、パーツプリフォーム形成工程Ａでは、それぞれ所定形状に立体裁断したプリプレグを図示しない適宜の専用ツールの外面にそれぞれ少なくとも５層ずつ積層することで、図２に示した下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂを形成する。なお、プリプレグは、カーボン繊維やガラス繊維からなる織り目の細かいクロスにエポキシ樹脂を含浸させたものが一般的であり、本実施形態では、カーボン／エポキシプリプレグ（東邦テナックス社製 W3101/Q112J）を使用した。
【００２８】
予備加熱硬化工程Ｂでは、パーツプリフォーム形成工程Ａで所定形状に形成された下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂをそれぞれ図示しない石膏ボード型に収容し、これらをオーブン内で予備加熱することにより、所定の柔軟性が残留する範囲の硬化深度（Cure Index）まで硬化させる。すなわち、内殻プリフォーム２が０．２〜０．６ＭＰａ程度の内圧で十分に膨張できる硬化深度として、１５〜２０％の硬化深度まで硬化させる。その際、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの予備加熱温度は、カーボン／エポキシプリプレグの硬化温度として推奨されている１２０〜１３０℃より少なくとも４０℃程度低い８０〜８５℃の温度とするのが好ましい。
【００２９】
ここで、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの硬化深度は、予備加熱温度と加熱時間とをパラメータとして予め求めたデータに基づいて簡便に制御することができる。例えば、予備加熱温度を８５℃とした場合、４ｈｒ程度の加熱時間で硬化深度は１５％となる。
【００３０】
なお、硬化深度を正確に制御したい場合には、図示しない石膏ボード型の温度上昇最遅延部に誘電特性センサ（ＩＤＥＸセンサ）を埋設しておき、この誘電特性センサの検出信号値（Cure Index値）が１５〜２０％の硬化深度に対応する値に達した時点で、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの加熱を停止して冷却することにより、その硬化反応を停止させる。こうすることで、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの硬化深度を１５〜２０％の範囲に正確に制御することができる。
【００３１】
このような予備加熱硬化工程Ｂにより、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂには、内殻プリフォーム２が０．２ＭＰａ程度の内圧の付与によって十分に膨張できる必要な柔軟性が残留する。また、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂを構成する各層のカーボン／エポキシプリプレグに含浸されているエポキシ樹脂が一旦溶融して各層のクロスに浸透し、各層のクロスの織り目や継ぎ目を封止するため、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂには、内殻プリフォーム２が内圧の付与によって十分に膨張できる必要な気密性が発現する。さらに、内殻プリフォーム２が中子として十分に機能する必要な硬度まで下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの表面硬度が上昇する。
【００３２】
内殻プリフォーム組立工程Ｃでは、図４に示す外観を呈する中空構造の内殻プリフォーム２を組み立てる。すなわち、予備加熱硬化工程Ｂで予備加熱されて１５〜２０％の硬化深度まで硬化した下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの周縁部同士を突き合わせ、その下角部の平坦面に下部フォーム材４を接着して下部プリフォーム２Ａと上部プリフォーム２Ｂとを組み立てる。また、上部プリフォーム２Ｂの上角部の平坦面に上部フォーム材５を接着する。なお、本実施形態においては、接着剤として、例えば軟質エポキシ系の接着剤を使用した。
【００３３】
外殻プリフォーム形成工程Ｄでは、内殻プリフォーム組立工程Ｃで組み立てられた内殻プリフォーム２を中子として外殻プリフォーム３を形成する。すなわち、内殻プリフォーム２の外面を覆うようにプリプレグを２〜６層程度積層することで外殻プリフォーム３を形成する。この場合、内殻プリフォーム２の表面硬度が中子として必要な硬度まで上昇しており、内殻プリフォーム２が中子として十分に機能するため、外殻プリフォーム３が容易かつ確実に形成される。なお、プリプレグは、パーツプリフォーム形成工程Ａで使用したプリプレグと同種のものであり、本実施形態では、カーボン／エポキシプリプレグ（東邦テナックス社製 W3101/Q112J）を使用した。
【００３４】
本加熱硬化工程Ｅでは、外殻プリフォーム形成工程Ｄで内殻プリフォーム２の外面に形成された外殻プリフォーム３を成形型にセットし、この外殻プリフォーム３を内殻プリフォーム２と共に加圧下で本加熱して硬化させる。すなわち、図５に示すような下型６Ａと上型６Ｂからなる上下２分割構造の成形型６内に外殻プリフォーム３をセットし、図示しないオートクレーブ内において、０．２〜０．６ＭＰａ程度の加圧下のもとに、３時間ほど本加熱する。例えば０．２ＭＰａの加圧下のもとに、９０℃で１ｈｒほど加熱した後、１３０℃で２ｈｒほど加熱する。
【００３５】
なお、この本加熱に先立ち、成形型６の内面と外殻プリフォーム３との間の空気は予め抜き取っておく。例えば、上型６Ｂおよびその周囲に露出する下型６Ａのフランジ部６Ａ１をナイロンフィルム製のバッグ７で覆い、このバッグ７と内殻プリフォーム２の内圧付与口２Ｃとの間をシール部材８でシールすると共にバッグ７と下型６Ａのフランジ部６Ａ１との間をシール部材９でシールする。そして、この状態で図示しない脱気装置により下型６Ａのフランジ部６Ａ１と上型６Ｂとの間から成形型６の内面と外殻プリフォーム３との間の空気を抜き取る。
【００３６】
このような本加熱硬化工程Ｅにおいては、内殻プリフォーム２の内圧付与口２Ｃから０．２〜０．６ＭＰａ程度の内圧が付与されて内殻プリフォーム２の内面に作用する。このため、予め１５〜２０％の硬化深度まで硬化されて０．２ＭＰａ程度の内圧により十分に膨張できる柔軟性および気密性が確保されている内殻プリフォーム２は、流動することなく軟化して十分に膨張し、外殻プリフォーム３を成形型６の内面に確実に押し付ける。
【００３７】
その際、内殻プリフォーム２は、下部フォーム材４および上部フォーム材５を介して外殻プリフォーム３の下角部をおよび上角部を成形型６の内面に確実に押し付ける。そして、１３０℃で２ｈｒほど本加熱された内殻プリフォーム２の表面には粘着性が発現するため、内殻プリフォーム２の外面が外殻プリフォーム３の内面に確実に接合して両者が一体化される。
【００３８】
従って、一実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法によれば、従来のようなバッグ等の袋体を使用する製造方法の問題点を一挙に解決することができる。すなわち、成形型６の複雑な内面形状に沿って適切に配置し、確実に膨張させることが難しい従来の袋体に代わって内殻プリフォーム２が機能し、この内殻プリフォーム２の形状を成形型６の内面形状に応じて容易に形成することができるため、複雑な内面形状および外面形状を有するＦＲＰ中空構造体１も容易に製造することができる。
【００３９】
また、ＦＲＰ中空構造体１の製造後に不要となる従来の袋体に代わって内殻プリフォーム２が機能するため、余分な製造工数や製造コストを削減してＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。
【００４０】
さらに、ＦＲＰ中空構造体１の製造後に不要となる従来の袋体に代わって内殻プリフォーム２が機能し、この内殻プリフォーム２が外殻プリフォーム３と一体化してＦＲＰ中空構造体１を構成するため、不必要な重量増加を回避したＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。また、リベット等のかしめにより他部材に締結する際にも十分な締結強度を発揮するＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。さらに、従来のような袋体の抜き出し穴が不要であるため、強度低下を回避したＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。
【００４１】
特に、本実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法によれば、図２に示したように、ＦＲＰ中空構造体１の上下の角部に下部フォーム材４および上部フォーム材５を内包した二重壁構造を有する強度および剛性の高いＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。
【００４２】
本発明のＦＲＰ中空構造体の製造方法は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば内殻プリフォーム組立工程Ｃで組み立てられる内殻プリフォーム２（図４参照）は、図示しない補強用のインサート等を所望の箇所に予め組み付けた構造としてもよいし、図６に示す断面形状の内殻プリフォーム２に変更し、あるいは図７の斜視図に示すような内殻プリフォーム２に変更してもよい。
【００４３】
図６に示す内殻プリフォーム２は、周縁部が折り曲げられていない平板状の下部プリフォーム２Ａと、外殻プリフォーム３の上壁部の内面に沿う平板状の上部プリフォーム２Ｂと、外殻プリフォーム３の側壁部の内面に沿う平板状の側部プリフォーム２Ｄと、外殻プリフォーム３の下角部の内面に沿うように配置される下部弾性接続部材２１と、外殻プリフォーム３の上角部の内面に沿うように配置される上部弾性接続部材２２とを備え構成されている。
【００４４】
下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２は、例えば厚さ１ｍｍのシリコンゴム未加硫シートを図示しない石膏ボード型に１層積層し、これをオーブン内にて１２０℃で１０ｍｉｎほど加熱した後、２００℃で４ｈｒほど加熱して加硫することにより、それぞれ所定の断面形状とする。
【００４５】
そして、下部弾性接続部材２１を例えば軟質エポキシ系の接着剤により下部プリフォーム２Ａの周縁部の外面と側部プリフォーム２Ｄの下縁部の内面とに接着し、室温で２ｈｒほど放置して接着剤を硬化させることにより、下部プリフォーム２Ａの周縁部と側部プリフォーム２Ｄの下縁部との間を下部弾性接続部材２１で接続する。同様に、上部弾性接続部材２２を軟質エポキシ系の接着剤により上部プリフォーム２Ｂの周縁部の内面と側部プリフォーム２Ｄの上縁部の内面とに接着し、室温で２ｈｒほど放置して接着剤を硬化させることにより、上部プリフォーム２Ｂの周縁部と側部プリフォーム２Ｄの上縁部との間を上部弾性接続部材２２で接続する。
【００４６】
このようにして図６に示す断面形状に形成した内殻プリフォーム２は、前述した本加熱硬化工程Ｅにおいて、例えば０．６ＭＰａの加圧下のもとに、９０℃で１ｈｒほど加熱した後、１３０℃で２ｈｒほど加熱する。この加熱処理により、図６に示した内殻プリフォーム２は、０．６ＭＰａの内圧が付与されて十分に膨張する。その際、平板状の下部プリフォーム２Ａ、上部プリフォーム２Ｂ、各側部プリフォーム２Ｄが外殻プリフォーム３の対応する部位を成形型６の内面に確実に押し付け、同時に下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２が外殻プリフォーム３の下角部をおよび上角部を成形型６の内面に確実に押し付ける。
【００４７】
ここで、図６に示した断面形状の内殻プリフォーム２は、その角部の気密性が下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２により十分に確保されるため、角部の気密性を確保するようにプリプレグを立体状に多層に積層する必要がない。このため、下部プリフォーム２Ａ、上部プリフォーム２Ｂおよび各側部プリフォーム２Ｄを平板状のプリプレグ積層体で形成でき、しかも、そのプリプレグ積層体の積層数を２層程度まで減少させることができる。
【００４８】
従って、図６に示した断面形状の内殻プリフォーム２は、組立形成が容易である。また、図２に示した下部フォーム材４および上部フォーム材５に較べて下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２が軽量であるため、その分、ＦＲＰ中空構造体１の重量を軽減することができる。
【００４９】
一方、図７に示す内殻プリフォーム２は、図２または図６に示した内殻プリフォーム２と略同様に構成されているが、その剛性、強度を増大するための補強リブ３１，３１が内面間に配置されている。この補強リブ３１は、既に完全硬化したＦＲＰや金属板で構成されており、その適当な箇所には、内殻プリフォーム２内の補強リブ３１で区画される両側の空間を相互に連通させる直径１ｍｍ程度の小孔３１Ａが形成されている。
【００５０】
図８に示すように、補強リブ３１の上縁部は左右対称のＬ字形の断面形状に形成された上部の左右一対の補強部材３２，３２を介して上部プリフォーム２Ｂの内面に固定されている。また、補強リブ３１の下縁部も同様に形成された下部の左右一対の補強部材３２，３２を介して下部プリフォーム２Ａの内面に固定されている。
【００５１】
ここで、各補強部材３２は、プリプレグを２〜５層（例えば３層）積層してＬ字形の断面形状に形成した後、これを予備加熱処理して１５〜２０％（例えば１５％）の硬化深度まで硬化させたパーツプリフォームであり、その一片３２Ａの外側には折返し片３２Ｂが形成され、他片３２Ｃの外側にも折返し片３２Ｄが形成されている。
【００５２】
補強部材３２の一片３２Ａとその折返し片３２Ｂとの間には、折返し片３２Ｂが折返し部で屈曲できる柔構造とするために、０．５〜１．０ｍｍ程度の隙間が設けられている。同様に、補強部材３２の他片３２Ｃとその折返し片３２Ｄとの間にも、折返し片３２Ｄが折返し部で屈曲できる柔構造とするために、０．５〜１．０ｍｍ程度の隙間が設けられている。
【００５３】
ここで、上部の補強部材３２は、例えば軟質エポキシ系の接着剤を使用してその一片３２Ａの折返し片３２Ｂを補強リブ３１の上縁部に接着接合し、他片３２Ｃの折返し片３２Ｄを上部プリフォーム２Ｂの内面に同様の接着剤で接着接合する。この場合、上部プリフォーム２Ｂの内面には、補強部材３２の他片３２Ｃと折返し片３２Ｄとの折返し部に近接して補強部２Ｅを形成しておく。この補強部２Ｅは、予め所定の短冊形状に裁断したプリプレグを上部プリフォーム２Ｂの内面に２〜３層ほど積層しておき、これを上部プリフォーム２Ｂと共に予備加熱して１５〜２０％（例えば１５％）の硬化深度まで硬化させて形成する。
【００５４】
同様に、下部の補強部材３２は、その一片３２Ａの折返し片３２Ｂを補強リブ３１の下縁部に接着接合し、他片３２Ｃの折返し片３２Ｄを下部プリフォーム２Ａの内面に接着接合する。この場合、下部プリフォーム２Ａの内面には、補強部材３２の他片３２Ｃと折返し片３２Ｄとの折返し部に近接して補強部２Ｆを形成しておく。なお、この補強部２Ｆは、上部プリフォーム２Ｂ側の補強部２Ｅと同様に形成されるものでるため、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
図８に示した補強リブ３１が内面間に固定された内殻プリフォーム２は、前述した本加熱硬化工程Ｅにおいて膨張する際、図９に示す補強リブ３１の上縁部近傍および下縁部近傍が拘束点となるため、この拘束点を節とし、拘束点から離れた部位を腹として膨張する。その際、上部の各補強部材３２の折返し片３２Ｄは、折返し部で柔軟に屈曲することにより、上部プリフォーム２Ｂの内面から剥離することなくその内面の膨張に追従する。
【００５６】
同様に、下部の各補強部材３２の折返し片３２Ｄは、折返し部で柔軟に屈曲することにより、下部プリフォーム２Ａの内面から剥離することなくその内面の膨張に追従する。このため、補強リブ３１は、上部プリフォーム２Ｂおよび下部プリフォーム２Ａの内面に確実に固定された状態を維持する。従って、図７〜図９に示した内殻プリフォーム２は、その内面間に配置した補強リブ３１，３１により、ＦＲＰ中空構造体１の剛性、強度を確実に増大することができる。
【００５７】
ここで、図８に示した各補強部材３２は、その全体が１５〜２０％（例えば１５％）の硬化深度まで硬化されているが、折返し片３２Ｂ，３２Ｄのみが未硬化状態に保持されていると、本加熱硬化工程Ｅで本過熱される際にこれらの折返し片３２Ｂ，３２Ｄの対応する接着部位への接着強度が増大するので好ましい。
【００５８】
図１０は、補強部材３２の折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄを未硬化状態に保持しつつ一片３２Ａおよび他片３２Ｃを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させる装置を示している。この装置は、補強部材３２の外面側の折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄに沿うようにＬ字状の断面形状に形成された熱容量の大きなアルミニウム製の吸熱型４１と、補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃの内面に沿うようにＬ字状の断面形状に形成された面状発熱体４２と、この面状発熱体４２を覆うナイロンフィルム製のバッグ４３と、このバッグ４３と吸熱型４１との間をシールすることでバッグ４３に作用する吸引負圧により面状発熱体４２を補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃの内面に密着させるシール部材４４とを備えている。
【００５９】
面状発熱体４２は、電熱線をシリコンゴム材で封止した構造のものであり、図示しないコントローラにより発熱温度が制御される。そこで、この面状発熱体４２の発熱温度を８０℃に制御し、補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃを８０℃に加温して１５〜２０％の硬化深度まで硬化させる。
【００６０】
その際、補強部材３２の一片３２Ａから折返し片３２Ｂに伝わる熱および他片３２Ｃから折返し片３２Ｄに伝わる熱は、熱容量の大きな吸熱型４１に放熱されるため、折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄの温度は、プリプレグの硬化が進行するのに十分な温度（６０℃以上）に達しない。従って、この装置によれば、補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させ、折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄを未硬化状態に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるＦＲＰ中空構造体の外観を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】一実施形態の製造方法の作業工程図である。
【図４】図３に示した内殻プリフォーム組立工程で組み立てられる内殻プリフォームの外観を示す斜視図である。
【図５】図３に示した本加熱硬化工程で使用される成形型内のＦＲＰ中空構造体を示す図２に対応した断面図である。
【図６】図３に示した内殻プリフォーム組立工程で組み立てられる内殻プリフォームの変形例を示す図２に対応した断面図である。
【図７】図３に示した内殻プリフォーム組立工程で組み立てられる内殻プリフォームの他の変形例を一部破断して示す斜視図である。
【図８】図７に示した補強リブの固定構造を示す内殻プリフォームの部分断面図である。
【図９】図８に示した内殻プリフォームの膨張状態を示す部分断面図である。
【図１０】図８に示した補強部材の折返し片を未硬化状態に保持しつつ一片および他片を所定の硬化深度まで硬化させる装置の部分断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…ＦＲＰ中空構造体、２…内殻プリフォーム、２Ａ…下部プリフォーム、２Ｂ…上部プリフォーム、２Ｃ…内圧付与口、３…外殻プリフォーム、４…下部フォーム材、５…上部フォーム材、６…成形型、Ａ…パーツプリフォーム形成工程、Ｂ…予備加熱硬化工程、Ｃ…内殻プリフォーム組立工程、Ｄ…外殻プリフォーム形成工程、Ｅ…本加熱硬化工程。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＦＲＰ中空構造体の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＦＲＰ中空構造体は、ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics）からなる中空構造体である。この種のＦＲＰ中空構造体の製造方法としては、例えば特許文献１に記載のように、成形型の内面にプリプレグを積層し、このプリプレグ積層体の内側に、加圧空気の充填によって膨張するバッグを配置し、このバッグの膨張によりプリプレグ積層体を成形型の内面に押し付けながらプリプレグ積層体を加熱して硬化させる製造方法が一般に知られている。
【特許文献１】特許第３６９０７４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、特許文献１に記載の製造方法を含め、バッグ等の袋体を使用してその膨張によりプリプレグ積層体（プリフォーム）を成形型の内面に押し付けながら加熱して硬化させる従来のＦＲＰ中空構造体の製造方法には、以下のような問題がある。
【０００４】
すなわち、成形型の内面に複雑な凹凸部が存在する場合、成形型の内面形状に沿って袋体を適切に配置し、また、成形型の内面形状に確実に追従するように袋体を膨張させることが難しいため、複雑な内面形状を有するＦＲＰ中空構造体を製造するのが非常に難しい。殊に、袋体がゴム製である場合にはこの傾向が顕著である。
【０００５】
また、袋体はＦＲＰ中空構造体の製造工程でのみ使用するものであって、製造後には不要となるものであるから、袋体を使用する従来のＦＲＰ中空構造体の製造方法では、袋体を製造するために余分な製造工数および製造コストが掛かる。また、製造されたＦＲＰ中空構造体の内部から袋体を除去する場合には、その除去工程が余分に必要となる。
【０００６】
ここで、製造されたＦＲＰ中空構造体の内部に袋体を残置すると、袋体の分だけＦＲＰ中空構造体の重量が増加する。また、袋体がＦＲＰ中空構造体の内部に残置されると、ＦＲＰ中空構造体をリベット等のかしめにより他部材に締結する際に軟質な袋体の一部が噛み込まれることがあり、この場合、軟質な袋体の噛み込まれた部分のクリープ現象が原因で締結力が弱まり、十分な締結強度が得られなくなる虞がある。
【０００７】
一方、製造されたＦＲＰ中空構造体の内部から袋体を除去する場合には、袋体の抜き出し穴をＦＲＰ中空構造体に開ける必要があるが、袋体が萎縮性の低いゴム製の場合には、大きな抜き出し穴をＦＲＰ中空構造体に開ける必要があり、ＦＲＰ中空構造体の強度が低下する虞がある。
【０００８】
そこで、本発明は、前述したバッグ等の袋体を使用する従来の製造方法の問題点を一挙に解決できるＦＲＰ中空構造体の製造方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法は、ＦＲＰ中空構造体の内面側を構成する内殻プリフォームと、外面側を構成する外殻プリフォームとを一体に硬化させるＦＲＰ中空構造体の製造方法であって、内殻プリフォームを構成するプリプレグを柔軟性が残留する範囲の硬化深度まで予備加熱して硬化させる予備加熱硬化工程と、プリプレグが予備加熱された内殻プリフォームを中子としてその外面にプリプレグを積層することで外殻プリフォームを形成する外殻プリフォーム形成工程と、内殻プリフォームと共に外殻プリフォームを成形型内で本加熱して硬化させる本加熱硬化工程とを備え、本加熱硬化工程では、内殻プリフォームを内圧の付与により膨張させて外殻プリフォームを成形型の内面に押し付けつつ内殻プリフォームを外殻プリフォームと一体化させることを特徴とする。
【００１０】
ここで、「プリフォーム」とは、プリプレグまたはその積層体を予め所定形状に形成したもの、あるいは、これらを所定形状に組み立てたものを言うこととする。「プリプレグ」は、強化繊維からなる織り目の細かいクロスに熱硬化性樹脂を含浸させた成形用中間材料をいう。プリプレグ用の強化繊維としては、カーボン繊維、ガラス繊維、アラミド繊維などの無機繊維の他、各種の金属繊維が挙げられる。また、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、シリコーン樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられる。
【００１１】
本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法において、予備加熱硬化工程では、内圧の付与によって内殻プリフォームが十分に膨張できる必要な柔軟性が内殻プリフォームのプリプレグに残留する。また、内殻プリフォームのプリプレグに含浸されている熱硬化性樹脂が一旦溶融してクロスに浸透し、クロスの織り目や継ぎ目を封止するため、内殻プリフォームには、内圧の付与によって十分に膨張できる必要な気密性が発現する。さらに、内殻プリフォームの表面硬度が中子として必要な硬度まで上昇する。
【００１２】
外殻プリフォーム形成工程では、表面硬度が上昇した内殻プリフォームが中子として十分に機能するため、外殻プリフォームが容易かつ確実に形成される。
【００１３】
本加熱硬化工程では、プリプレグに柔軟性および気密性が確保された内殻プリフォームが流動することなく軟化して内圧の付与により十分に膨張し、外殻プリフォームを成形型の内面に確実に押し付ける。その際、本加熱された内殻プリフォームの表面には粘着性が発現するため、内殻プリフォームが外殻プリフォームに確実に接合して一体化される。
【００１４】
ここで、予備加熱硬化工程では、中子として必要な表面硬度と、内圧の付与によって十分に膨張できる必要な柔軟性および気密性とを確保するように、内殻プリフォームのプリプレグを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させるのが好ましい。
【００１５】
また、内殻プリフォームは、その角部に気密性を有する弾性接続部材が配置され、この弾性接続部材を介して複数の平板状のプリプレグ積層体が相互に接続された構造とされているのが好ましい。この場合、平板状のプリプレグ積層体を使用できるため、内殻プリフォームの組立形成が容易となる。また、内殻プリフォームの角部の気密性が弾性接続部材により十分に確保されるため、角部の気密性を確保するようにプリプレグを立体状に多層に積層する必要がなく、平板状のプリプレグ積層体の積層数を減少させることも可能となる。
【００１６】
さらに、内殻プリフォームは、その内面間に配置される補強リブと、この補強リブの端部を内殻プリフォームの内面に固定する補強部材とを備え、この補強部材が折返し部で屈曲できる柔構造の折返し片を有し、この折返し片が内殻プリフォームの内面に接合される構造とされているのが好ましい。この場合、本加熱硬化工程で内殻プリフォームが膨張する際、補強部材の折返し片が内殻プリフォームの内面から剥離することなくその内面に追従するため、補強リブの端部が内殻プリフォームの内面に確実に固定される。
【００１７】
ここで、補強部材は、プリプレグ積層体を折り曲げ加工したパーツプリフォームで構成されており、折返し片を除く部分が予備加熱により硬化され、折返し片が未硬化状態に保持されているのが好ましい。この場合、未硬化状態に保持された折返し片が本加熱硬化工程で内殻プリフォームの内面に強固に接合される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法において、本加熱硬化工程では、柔軟性および気密性が確保された内殻プリフォームが内圧の付与により十分に膨張して外殻プリフォームを成形型の内面に確実に押し付けることにより、内殻プリフォームが外殻プリフォームに確実に接合して一体化される。
【００１９】
このように、本発明のＦＲＰ中空構造体の製造方法によれば、柔軟性および気密性を有する内殻プリフォームが従来のバッグ等の袋体に代わって機能するため、バッグ等の袋体を使用する従来の製造方法の問題点を一挙に解決できる。すなわち、複雑な内面形状を有するＦＲＰ中空構造体も容易に製造できる。余分な製造工数や製造コストを削減してＦＲＰ中空構造体を製造できる。不必要な重量増加を回避したＦＲＰ中空構造体を製造できる。リベット等のかしめにより他部材に締結する際にも十分な締結強度を発揮するＦＲＰ中空構造体を製造できる。不必要な抜き出し穴による強度低下を回避したＦＲＰ中空構造体を製造できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、図面を参照して本発明に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法の最良の実施形態を説明する。この説明において、同一または同様の構成要素については、同一の符号を付して重複した説明を省略することがある。ここで、参照する図面において、図１は一実施形態に係る製造方法によって製造されるＦＲＰ中空構造体の外観を示す斜視図、図２は図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図、図３は一実施形態の製造方法の作業工程図である。
【００２１】
一実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法は、図１および図２に示すようなＦＲＰ中空構造体１を製造する方法であり、図３に示す各作業工程、すなわち、パーツプリフォーム形成工程Ａ、予備加熱硬化工程Ｂ、内殻プリフォーム組立工程Ｃ、外殻プリフォーム形成工程Ｄおよび本加熱硬化工程Ｅを経てＦＲＰ中空構造体１を成形する。
【００２２】
まず、一実施形態のＦＲＰ中空構造体の製造方法によって製造されるＦＲＰ中空構造体１について説明する。このＦＲＰ中空構造体１は、例えば図１に示すようなＬ字形の平面形状を呈する所定の厚みの中空構造体であり、その断面形状は、例えば図２に示すような概略台形の中空断面形状となっている。このＦＲＰ中空構造体１は、その内面側を構成する内殻プリフォーム２と、その外面側を構成する外殻プリフォーム３とが加熱処理により硬化して一体化したものである。
【００２３】
内殻プリフォーム２は、ＦＲＰ中空構造体１の下壁部の内面を構成する下部プリフォーム２Ａと、ＦＲＰ中空構造体１の上壁部からその周囲の側壁部に亘る部分の内面を構成する上部プリフォーム２Ｂとで構成されている。そして、下部プリフォーム２Ａには、内殻プリフォーム２内に内圧を付与するための内圧付与口２Ｃが外殻プリフォーム３の外面から突出するように形成されている。この内圧付与口２Ｃの開口径は１〜２ｍｍ程度である。
【００２４】
このような内殻プリフォーム２には、内圧の付与により膨張して外殻プリフォーム３を押圧する際にその角部を良好に押圧できるようにするため、外殻プリフォーム３の下角部に対応して下部プリフォーム２Ａの周囲に配置される下部フォーム材４と、外殻プリフォーム３の上角部に対応して上部プリフォーム２Ｂの上角部の周囲に配置される上部フォーム材５とが付設されている。なお、下部フォーム材４および上部フォーム材５として、一実施形態では、硬質ウレタンフォーム（１０倍発泡、独立気泡）を使用した。
【００２５】
外殻プリフォーム３の下角部に対応する下部プリフォーム２Ａの周縁部および上部プリフォーム２Ｂの周縁部は、相互に突き当たって平坦面を形成するように折り曲げられている。これに対応して、下部フォーム材４は、下部プリフォーム２Ａの周縁部と上部プリフォーム２Ｂの周縁部とで形成される平坦面に沿う三角形の断面形状に形成されている。
【００２６】
また、外殻プリフォーム３の上角部に対応する上部プリフォーム２Ｂの上角部は、面取り状の平坦面を呈するように折り曲げられている。これに対応して、上部フォーム材５は、上部プリフォーム２Ｂの上角部の平坦面に沿うカマボコ状の断面形状に形成されている。
【００２７】
つぎに、一実施形態のＦＲＰ中空構造体の製造方法を図３に示す各作業工程毎に説明する。まず、パーツプリフォーム形成工程Ａでは、それぞれ所定形状に立体裁断したプリプレグを図示しない適宜の専用ツールの外面にそれぞれ少なくとも５層ずつ積層することで、図２に示した下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂを形成する。なお、プリプレグは、カーボン繊維やガラス繊維からなる織り目の細かいクロスにエポキシ樹脂を含浸させたものが一般的であり、本実施形態では、カーボン／エポキシプリプレグ（東邦テナックス社製 W3101/Q112J）を使用した。
【００２８】
予備加熱硬化工程Ｂでは、パーツプリフォーム形成工程Ａで所定形状に形成された下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂをそれぞれ図示しない石膏ボード型に収容し、これらをオーブン内で予備加熱することにより、所定の柔軟性が残留する範囲の硬化深度（Cure Index）まで硬化させる。すなわち、内殻プリフォーム２が０．２〜０．６ＭＰａ程度の内圧で十分に膨張できる硬化深度として、１５〜２０％の硬化深度まで硬化させる。その際、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの予備加熱温度は、カーボン／エポキシプリプレグの硬化温度として推奨されている１２０〜１３０℃より少なくとも４０℃程度低い８０〜８５℃の温度とするのが好ましい。
【００２９】
ここで、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの硬化深度は、予備加熱温度と加熱時間とをパラメータとして予め求めたデータに基づいて簡便に制御することができる。例えば、予備加熱温度を８５℃とした場合、４ｈｒ程度の加熱時間で硬化深度は１５％となる。
【００３０】
なお、硬化深度を正確に制御したい場合には、図示しない石膏ボード型の温度上昇最遅延部に誘電特性センサ（ＩＤＥＸセンサ）を埋設しておき、この誘電特性センサの検出信号値（Cure Index値）が１５〜２０％の硬化深度に対応する値に達した時点で、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの加熱を停止して冷却することにより、その硬化反応を停止させる。こうすることで、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの硬化深度を１５〜２０％の範囲に正確に制御することができる。
【００３１】
このような予備加熱硬化工程Ｂにより、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂには、内殻プリフォーム２が０．２ＭＰａ程度の内圧の付与によって十分に膨張できる必要な柔軟性が残留する。また、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂを構成する各層のカーボン／エポキシプリプレグに含浸されているエポキシ樹脂が一旦溶融して各層のクロスに浸透し、各層のクロスの織り目や継ぎ目を封止するため、下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂには、内殻プリフォーム２が内圧の付与によって十分に膨張できる必要な気密性が発現する。さらに、内殻プリフォーム２が中子として十分に機能する必要な硬度まで下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの表面硬度が上昇する。
【００３２】
内殻プリフォーム組立工程Ｃでは、図４に示す外観を呈する中空構造の内殻プリフォーム２を組み立てる。すなわち、予備加熱硬化工程Ｂで予備加熱されて１５〜２０％の硬化深度まで硬化した下部プリフォーム２Ａおよび上部プリフォーム２Ｂの周縁部同士を突き合わせ、その下角部の平坦面に下部フォーム材４を接着して下部プリフォーム２Ａと上部プリフォーム２Ｂとを組み立てる。また、上部プリフォーム２Ｂの上角部の平坦面に上部フォーム材５を接着する。なお、本実施形態においては、接着剤として、例えば軟質エポキシ系の接着剤を使用した。
【００３３】
外殻プリフォーム形成工程Ｄでは、内殻プリフォーム組立工程Ｃで組み立てられた内殻プリフォーム２を中子として外殻プリフォーム３を形成する。すなわち、内殻プリフォーム２の外面を覆うようにプリプレグを２〜６層程度積層することで外殻プリフォーム３を形成する。この場合、内殻プリフォーム２の表面硬度が中子として必要な硬度まで上昇しており、内殻プリフォーム２が中子として十分に機能するため、外殻プリフォーム３が容易かつ確実に形成される。なお、プリプレグは、パーツプリフォーム形成工程Ａで使用したプリプレグと同種のものであり、本実施形態では、カーボン／エポキシプリプレグ（東邦テナックス社製 W3101/Q112J）を使用した。
【００３４】
本加熱硬化工程Ｅでは、外殻プリフォーム形成工程Ｄで内殻プリフォーム２の外面に形成された外殻プリフォーム３を成形型にセットし、この外殻プリフォーム３を内殻プリフォーム２と共に加圧下で本加熱して硬化させる。すなわち、図５に示すような下型６Ａと上型６Ｂからなる上下２分割構造の成形型６内に外殻プリフォーム３をセットし、図示しないオートクレーブ内において、０．２〜０．６ＭＰａ程度の加圧下のもとに、３時間ほど本加熱する。例えば０．２ＭＰａの加圧下のもとに、９０℃で１ｈｒほど加熱した後、１３０℃で２ｈｒほど加熱する。
【００３５】
なお、この本加熱に先立ち、成形型６の内面と外殻プリフォーム３との間の空気は予め抜き取っておく。例えば、上型６Ｂおよびその周囲に露出する下型６Ａのフランジ部６Ａ１をナイロンフィルム製のバッグ７で覆い、このバッグ７と内殻プリフォーム２の内圧付与口２Ｃとの間をシール部材８でシールすると共にバッグ７と下型６Ａのフランジ部６Ａ１との間をシール部材９でシールする。そして、この状態で図示しない脱気装置により下型６Ａのフランジ部６Ａ１と上型６Ｂとの間から成形型６の内面と外殻プリフォーム３との間の空気を抜き取る。
【００３６】
このような本加熱硬化工程Ｅにおいては、内殻プリフォーム２の内圧付与口２Ｃから０．２〜０．６ＭＰａ程度の内圧が付与されて内殻プリフォーム２の内面に作用する。このため、予め１５〜２０％の硬化深度まで硬化されて０．２ＭＰａ程度の内圧により十分に膨張できる柔軟性および気密性が確保されている内殻プリフォーム２は、流動することなく軟化して十分に膨張し、外殻プリフォーム３を成形型６の内面に確実に押し付ける。
【００３７】
その際、内殻プリフォーム２は、下部フォーム材４および上部フォーム材５を介して外殻プリフォーム３の下角部をおよび上角部を成形型６の内面に確実に押し付ける。そして、１３０℃で２ｈｒほど本加熱された内殻プリフォーム２の表面には粘着性が発現するため、内殻プリフォーム２の外面が外殻プリフォーム３の内面に確実に接合して両者が一体化される。
【００３８】
従って、一実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法によれば、従来のようなバッグ等の袋体を使用する製造方法の問題点を一挙に解決することができる。すなわち、成形型６の複雑な内面形状に沿って適切に配置し、確実に膨張させることが難しい従来の袋体に代わって内殻プリフォーム２が機能し、この内殻プリフォーム２の形状を成形型６の内面形状に応じて容易に形成することができるため、複雑な内面形状および外面形状を有するＦＲＰ中空構造体１も容易に製造することができる。
【００３９】
また、ＦＲＰ中空構造体１の製造後に不要となる従来の袋体に代わって内殻プリフォーム２が機能するため、余分な製造工数や製造コストを削減してＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。
【００４０】
さらに、ＦＲＰ中空構造体１の製造後に不要となる従来の袋体に代わって内殻プリフォーム２が機能し、この内殻プリフォーム２が外殻プリフォーム３と一体化してＦＲＰ中空構造体１を構成するため、不必要な重量増加を回避したＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。また、リベット等のかしめにより他部材に締結する際にも十分な締結強度を発揮するＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。さらに、従来のような袋体の抜き出し穴が不要であるため、強度低下を回避したＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。
【００４１】
特に、本実施形態に係るＦＲＰ中空構造体の製造方法によれば、図２に示したように、ＦＲＰ中空構造体１の上下の角部に下部フォーム材４および上部フォーム材５を内包した二重壁構造を有する強度および剛性の高いＦＲＰ中空構造体１を製造することができる。
【００４２】
本発明のＦＲＰ中空構造体の製造方法は、前述した一実施形態に限定されるものではない。例えば内殻プリフォーム組立工程Ｃで組み立てられる内殻プリフォーム２（図４参照）は、図示しない補強用のインサート等を所望の箇所に予め組み付けた構造としてもよいし、図６に示す断面形状の内殻プリフォーム２に変更し、あるいは図７の斜視図に示すような内殻プリフォーム２に変更してもよい。
【００４３】
図６に示す内殻プリフォーム２は、周縁部が折り曲げられていない平板状の下部プリフォーム２Ａと、外殻プリフォーム３の上壁部の内面に沿う平板状の上部プリフォーム２Ｂと、外殻プリフォーム３の側壁部の内面に沿う平板状の側部プリフォーム２Ｄと、外殻プリフォーム３の下角部の内面に沿うように配置される下部弾性接続部材２１と、外殻プリフォーム３の上角部の内面に沿うように配置される上部弾性接続部材２２とを備え構成されている。
【００４４】
下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２は、例えば厚さ１ｍｍのシリコンゴム未加硫シートを図示しない石膏ボード型に１層積層し、これをオーブン内にて１２０℃で１０ｍｉｎほど加熱した後、２００℃で４ｈｒほど加熱して加硫することにより、それぞれ所定の断面形状とする。
【００４５】
そして、下部弾性接続部材２１を例えば軟質エポキシ系の接着剤により下部プリフォーム２Ａの周縁部の外面と側部プリフォーム２Ｄの下縁部の内面とに接着し、室温で２ｈｒほど放置して接着剤を硬化させることにより、下部プリフォーム２Ａの周縁部と側部プリフォーム２Ｄの下縁部との間を下部弾性接続部材２１で接続する。同様に、上部弾性接続部材２２を軟質エポキシ系の接着剤により上部プリフォーム２Ｂの周縁部の内面と側部プリフォーム２Ｄの上縁部の内面とに接着し、室温で２ｈｒほど放置して接着剤を硬化させることにより、上部プリフォーム２Ｂの周縁部と側部プリフォーム２Ｄの上縁部との間を上部弾性接続部材２２で接続する。
【００４６】
このようにして図６に示す断面形状に形成した内殻プリフォーム２は、前述した本加熱硬化工程Ｅにおいて、例えば０．６ＭＰａの加圧下のもとに、９０℃で１ｈｒほど加熱した後、１３０℃で２ｈｒほど加熱する。この加熱処理により、図６に示した内殻プリフォーム２は、０．６ＭＰａの内圧が付与されて十分に膨張する。その際、平板状の下部プリフォーム２Ａ、上部プリフォーム２Ｂ、各側部プリフォーム２Ｄが外殻プリフォーム３の対応する部位を成形型６の内面に確実に押し付け、同時に下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２が外殻プリフォーム３の下角部をおよび上角部を成形型６の内面に確実に押し付ける。
【００４７】
ここで、図６に示した断面形状の内殻プリフォーム２は、その角部の気密性が下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２により十分に確保されるため、角部の気密性を確保するようにプリプレグを立体状に多層に積層する必要がない。このため、下部プリフォーム２Ａ、上部プリフォーム２Ｂおよび各側部プリフォーム２Ｄを平板状のプリプレグ積層体で形成でき、しかも、そのプリプレグ積層体の積層数を２層程度まで減少させることができる。
【００４８】
従って、図６に示した断面形状の内殻プリフォーム２は、組立形成が容易である。また、図２に示した下部フォーム材４および上部フォーム材５に較べて下部弾性接続部材２１および上部弾性接続部材２２が軽量であるため、その分、ＦＲＰ中空構造体１の重量を軽減することができる。
【００４９】
一方、図７に示す内殻プリフォーム２は、図２または図６に示した内殻プリフォーム２と略同様に構成されているが、その剛性、強度を増大するための補強リブ３１，３１が内面間に配置されている。この補強リブ３１は、既に完全硬化したＦＲＰや金属板で構成されており、その適当な箇所には、内殻プリフォーム２内の補強リブ３１で区画される両側の空間を相互に連通させる直径１ｍｍ程度の小孔３１Ａが形成されている。
【００５０】
図８に示すように、補強リブ３１の上縁部は左右対称のＬ字形の断面形状に形成された上部の左右一対の補強部材３２，３２を介して上部プリフォーム２Ｂの内面に固定されている。また、補強リブ３１の下縁部も同様に形成された下部の左右一対の補強部材３２，３２を介して下部プリフォーム２Ａの内面に固定されている。
【００５１】
ここで、各補強部材３２は、プリプレグを２〜５層（例えば３層）積層してＬ字形の断面形状に形成した後、これを予備加熱処理して１５〜２０％（例えば１５％）の硬化深度まで硬化させたパーツプリフォームであり、その一片３２Ａの外側には折返し片３２Ｂが形成され、他片３２Ｃの外側にも折返し片３２Ｄが形成されている。
【００５２】
補強部材３２の一片３２Ａとその折返し片３２Ｂとの間には、折返し片３２Ｂが折返し部で屈曲できる柔構造とするために、０．５〜１．０ｍｍ程度の隙間が設けられている。同様に、補強部材３２の他片３２Ｃとその折返し片３２Ｄとの間にも、折返し片３２Ｄが折返し部で屈曲できる柔構造とするために、０．５〜１．０ｍｍ程度の隙間が設けられている。
【００５３】
ここで、上部の補強部材３２は、例えば軟質エポキシ系の接着剤を使用してその一片３２Ａの折返し片３２Ｂを補強リブ３１の上縁部に接着接合し、他片３２Ｃの折返し片３２Ｄを上部プリフォーム２Ｂの内面に同様の接着剤で接着接合する。この場合、上部プリフォーム２Ｂの内面には、補強部材３２の他片３２Ｃと折返し片３２Ｄとの折返し部に近接して補強部２Ｅを形成しておく。この補強部２Ｅは、予め所定の短冊形状に裁断したプリプレグを上部プリフォーム２Ｂの内面に２〜３層ほど積層しておき、これを上部プリフォーム２Ｂと共に予備加熱して１５〜２０％（例えば１５％）の硬化深度まで硬化させて形成する。
【００５４】
同様に、下部の補強部材３２は、その一片３２Ａの折返し片３２Ｂを補強リブ３１の下縁部に接着接合し、他片３２Ｃの折返し片３２Ｄを下部プリフォーム２Ａの内面に接着接合する。この場合、下部プリフォーム２Ａの内面には、補強部材３２の他片３２Ｃと折返し片３２Ｄとの折返し部に近接して補強部２Ｆを形成しておく。なお、この補強部２Ｆは、上部プリフォーム２Ｂ側の補強部２Ｅと同様に形成されるものでるため、その詳細な説明は省略する。
【００５５】
図８に示した補強リブ３１が内面間に固定された内殻プリフォーム２は、前述した本加熱硬化工程Ｅにおいて膨張する際、図９に示す補強リブ３１の上縁部近傍および下縁部近傍が拘束点となるため、この拘束点を節とし、拘束点から離れた部位を腹として膨張する。その際、上部の各補強部材３２の折返し片３２Ｄは、折返し部で柔軟に屈曲することにより、上部プリフォーム２Ｂの内面から剥離することなくその内面の膨張に追従する。
【００５６】
同様に、下部の各補強部材３２の折返し片３２Ｄは、折返し部で柔軟に屈曲することにより、下部プリフォーム２Ａの内面から剥離することなくその内面の膨張に追従する。このため、補強リブ３１は、上部プリフォーム２Ｂおよび下部プリフォーム２Ａの内面に確実に固定された状態を維持する。従って、図７〜図９に示した内殻プリフォーム２は、その内面間に配置した補強リブ３１，３１により、ＦＲＰ中空構造体１の剛性、強度を確実に増大することができる。
【００５７】
ここで、図８に示した各補強部材３２は、その全体が１５〜２０％（例えば１５％）の硬化深度まで硬化されているが、折返し片３２Ｂ，３２Ｄのみが未硬化状態に保持されていると、本加熱硬化工程Ｅで本過熱される際にこれらの折返し片３２Ｂ，３２Ｄの対応する接着部位への接着強度が増大するので好ましい。
【００５８】
図１０は、補強部材３２の折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄを未硬化状態に保持しつつ一片３２Ａおよび他片３２Ｃを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させる装置を示している。この装置は、補強部材３２の外面側の折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄに沿うようにＬ字状の断面形状に形成された熱容量の大きなアルミニウム製の吸熱型４１と、補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃの内面に沿うようにＬ字状の断面形状に形成された面状発熱体４２と、この面状発熱体４２を覆うナイロンフィルム製のバッグ４３と、このバッグ４３と吸熱型４１との間をシールすることでバッグ４３に作用する吸引負圧により面状発熱体４２を補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃの内面に密着させるシール部材４４とを備えている。
【００５９】
面状発熱体４２は、電熱線をシリコンゴム材で封止した構造のものであり、図示しないコントローラにより発熱温度が制御される。そこで、この面状発熱体４２の発熱温度を８０℃に制御し、補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃを８０℃に加温して１５〜２０％の硬化深度まで硬化させる。
【００６０】
その際、補強部材３２の一片３２Ａから折返し片３２Ｂに伝わる熱および他片３２Ｃから折返し片３２Ｄに伝わる熱は、熱容量の大きな吸熱型４１に放熱されるため、折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄの温度は、プリプレグの硬化が進行するのに十分な温度（６０℃以上）に達しない。従って、この装置によれば、補強部材３２の一片３２Ａおよび他片３２Ｃを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させ、折返し片３２Ｂおよび折返し片３２Ｄを未硬化状態に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施形態に係る製造方法によって製造されるＦＲＰ中空構造体の外観を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線に沿う断面図である。
【図３】一実施形態の製造方法の作業工程図である。
【図４】図３に示した内殻プリフォーム組立工程で組み立てられる内殻プリフォームの外観を示す斜視図である。
【図５】図３に示した本加熱硬化工程で使用される成形型内のＦＲＰ中空構造体を示す図２に対応した断面図である。
【図６】図３に示した内殻プリフォーム組立工程で組み立てられる内殻プリフォームの変形例を示す図２に対応した断面図である。
【図７】図３に示した内殻プリフォーム組立工程で組み立てられる内殻プリフォームの他の変形例を一部破断して示す斜視図である。
【図８】図７に示した補強リブの固定構造を示す内殻プリフォームの部分断面図である。
【図９】図８に示した内殻プリフォームの膨張状態を示す部分断面図である。
【図１０】図８に示した補強部材の折返し片を未硬化状態に保持しつつ一片および他片を所定の硬化深度まで硬化させる装置の部分断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１…ＦＲＰ中空構造体、２…内殻プリフォーム、２Ａ…下部プリフォーム、２Ｂ…上部プリフォーム、２Ｃ…内圧付与口、３…外殻プリフォーム、４…下部フォーム材、５…上部フォーム材、６…成形型、Ａ…パーツプリフォーム形成工程、Ｂ…予備加熱硬化工程、Ｃ…内殻プリフォーム組立工程、Ｄ…外殻プリフォーム形成工程、Ｅ…本加熱硬化工程。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＦＲＰ中空構造体の内面側を構成する内殻プリフォームと、外面側を構成する外殻プリフォームとを一体に硬化させるＦＲＰ中空構造体の製造方法であって、
前記内殻プリフォームを構成するプリプレグを柔軟性が残留する範囲の硬化深度まで予備加熱して硬化させる予備加熱硬化工程と、
前記プリプレグが予備加熱された内殻プリフォームを中子としてその外面にプリプレグを積層することで外殻プリフォームを形成する外殻プリフォーム形成工程と、
前記内殻プリフォームと共に外殻プリフォームを成形型内で本加熱して硬化させる本加熱硬化工程とを備え、
前記本加熱硬化工程では、前記内殻プリフォームを内圧の付与により膨張させて前記外殻プリフォームを成形型の内面に押し付けつつ内殻プリフォームを外殻プリフォームと一体化させることを特徴とするＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項２】
前記予備加熱硬化工程では、前記内殻プリフォームを構成するプリプレグを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項３】
前記内殻プリフォームは、その角部に気密性を有する弾性接続部材が配置され、この弾性接続部材を介して複数の平板状のプリプレグ積層体が相互に接続された構造とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項４】
前記内殻プリフォームは、その内面間に配置される補強リブと、この補強リブの端部を内殻プリフォームの内面に固定する補強部材とを備え、この補強部材は、折返し部で屈曲できる柔構造の折返し片を有し、この折返し片が内殻プリフォームの内面に接合される構造とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項５】
前記補強部材は、プリプレグ積層体を折り曲げ加工したパーツプリフォームで構成されており、前記折返し片を除く部分が予備加熱により硬化され、前記折返し片が未硬化状態に保持されていることを特徴とする請求項４に記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項１】
ＦＲＰ中空構造体の内面側を構成する内殻プリフォームと、外面側を構成する外殻プリフォームとを一体に硬化させるＦＲＰ中空構造体の製造方法であって、
前記内殻プリフォームを構成するプリプレグを柔軟性が残留する範囲の硬化深度まで予備加熱して硬化させる予備加熱硬化工程と、
前記プリプレグが予備加熱された内殻プリフォームを中子としてその外面にプリプレグを積層することで外殻プリフォームを形成する外殻プリフォーム形成工程と、
前記内殻プリフォームと共に外殻プリフォームを成形型内で本加熱して硬化させる本加熱硬化工程とを備え、
前記本加熱硬化工程では、前記内殻プリフォームを内圧の付与により膨張させて前記外殻プリフォームを成形型の内面に押し付けつつ内殻プリフォームを外殻プリフォームと一体化させることを特徴とするＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項２】
前記予備加熱硬化工程では、前記内殻プリフォームを構成するプリプレグを１５〜２０％の硬化深度まで硬化させることを特徴とする請求項１に記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項３】
前記内殻プリフォームは、その角部に気密性を有する弾性接続部材が配置され、この弾性接続部材を介して複数の平板状のプリプレグ積層体が相互に接続された構造とされていることを特徴とする請求項１または２に記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項４】
前記内殻プリフォームは、その内面間に配置される補強リブと、この補強リブの端部を内殻プリフォームの内面に固定する補強部材とを備え、この補強部材は、折返し部で屈曲できる柔構造の折返し片を有し、この折返し片が内殻プリフォームの内面に接合される構造とされていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【請求項５】
前記補強部材は、プリプレグ積層体を折り曲げ加工したパーツプリフォームで構成されており、前記折返し片を除く部分が予備加熱により硬化され、前記折返し片が未硬化状態に保持されていることを特徴とする請求項４に記載のＦＲＰ中空構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２００８−１６８４８９（Ｐ２００８−１６８４８９Ａ）
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２５８９（Ｐ２００７−２５８９）
【出願日】平成１９年１月１０日（２００７．１．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月２４日（２００８．７．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１０日（２００７．１．１０）
【出願人】（０００００３２０７）トヨタ自動車株式会社 (59,920)
【Ｆターム（参考）】
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