ＦＲＰ成形体の製造方法
【課題】従来人手により成されていた脱型作業を大幅に省力化し、安価で良好な脱型が可能なＦＲＰ成形体の製造方法を提供する。
【解決手段】中空構造を有するＦＲＰ成形体の製造方法であって、成形型中で樹脂を硬化させた後、ＦＲＰ成形体の中空構造の内側に圧力を加えることにより、ＦＲＰ成形体を成形型より脱型することを特徴とするＦＲＰ成形体の製造方法。
【解決手段】中空構造を有するＦＲＰ成形体の製造方法であって、成形型中で樹脂を硬化させた後、ＦＲＰ成形体の中空構造の内側に圧力を加えることにより、ＦＲＰ成形体を成形型より脱型することを特徴とするＦＲＰ成形体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空構造を有するＦＲＰ成形体（強化繊維プラスチックス成形体）の製造方法に関し、とくに、成形における脱型の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維複合材料としてのＦＲＰ成形体は、優れた力学特性、軽量性等の要求特性を満たすことができることから、主に各種産業、中でも航空、宇宙用途、スポーツ用途等に広く用いられている。ＦＲＰ成形体の代表的な製造方法としては、例えばオートクレーブ成形法が挙げられる。この成形法は、強化繊維にマトリックス樹脂を予め含浸させたプリプレグと呼ばれるシート状の材料を、成形型に積み重ねてオートクレーブにて加熱・加圧して成形品を得る方法である。
【０００３】
あるいは、ハンドレイアップ成形法と呼ばれる、成形型にドライな基材を配置しながら直接樹脂を塗布して含浸させ硬化させる方法もある。
【０００４】
これらの方法は、容易に所定の形状を得ることができ、且つ、高い機械特性を得ることができる反面、生産性が低いことから、航空、宇宙用途といった、軽量性や力学特性を必要とする比較的生産数量の少ない用途で主に用いられる方法である。
【０００５】
上記の成形方法は、比較的少量の生産に適していることから、成形に関わるサイクルタイムを差ほど気にする必要はなく、脱型に関しても、成形型と成形品の間にクサビ状のヘラや冶工具を挿入するなどして行うことが多い。また、こうして得られた成形品は、脱型時に、冶工具を挿入した時の傷等が成形品表面につきやすく、それを仕上げて修正するのに少なからず時間を要するという問題点もある。
【０００６】
一方、複合材料の生産性に優れる成形法としては、例えばレジン・トランスファー・モールディング成形法（以下、ＲＴＭ法と記す。）等の注入成形が挙げられる（例えば特許文献１）。かかるＲＴＭ法では、マトリックス樹脂が予備含浸されていない（ドライな）強化繊維基材を複雑な成形型の中に配置して、液状（低粘度）のマトリックス樹脂を注入することにより強化繊維中にマトリックス樹脂を含浸させて成形する。この方法は、比較的生産数量が多い場合に適用されるので、前述のような人手に頼るようなことでは、成形サイクルタイムが遅くなり、生産性に問題が出てくる。そこで、脱型用のエジェクター機構を型に設けたりするなど、脱型に要する時間を短くして生産性を向上させる方式が知られている。
【０００７】
しかしながら、この方式は、例えば熱可塑性樹脂による成形では、樹脂の粘度が比較的高いことからエジェクター機構の中に樹脂の混入がなく有効であるが、強化繊維プラスチックスのＲＴＭ成形法では、強化繊維に樹脂を含浸させることが必要であり、極めて低粘度の樹脂を用いることが必要となるので、結果として、樹脂注入時の圧力でエジェクター機構から樹脂が漏れたりすることがあり、期待される機能が発揮されないばかりか、エジェクター機構を設ける為の設備費用が高くなるという問題がある。
【特許文献１】特開平７−６０７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、これらの問題を解決すべく、従来問題であった脱型方法について検討をした結果、機構追加に付随するコストを低減し、かつ、極低粘度樹脂の環境下でも十分に機能を果たすことが可能な脱型方法を見出した。すなわち、本発明の課題は、従来人手により成されていた脱型作業を大幅に省力化し、安価で良好な脱型が可能なＦＲＰ成形体の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】
上記課題を解決するために、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、中空構造を有するＦＲＰ成形体の製造方法であって、成形型中で樹脂を硬化させた後、ＦＲＰ成形体の中空構造の内側に圧力を加えることにより、ＦＲＰ成形体を成形型より脱型することを特徴とする方法からなる。すなわち、本発明では、成形体の内側に内圧を付与することで成形体形状を一時的に変形させて成形型と異なる外形状とし、この変形を利用してＦＲＰ成形体を脱型する。
【００１０】
このＦＲＰ成形体の製造方法においては、成形すべきＦＲＰ成形体の内側に膨縮可能な中空構造体を予め配置し、樹脂硬化後、中空構造体の内側に圧力を加えることによりＦＲＰ成形体を成形型より脱型することができる。この場合、上記中空構造体として、ブロー成形により成形された中空構造体、あるいは、回転成形により成形された中空構造体を用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法によれば、従来人手により成されていた脱型作業を大幅に省力化でき、かつ、安価に、傷等を発生させない良好な脱型を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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具体的に説明する。
本発明において、ＦＲＰとは、強化繊維により強化されている樹脂を指し、強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維、あるいはアラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用可能である。
【００１３】
本発明におけるＲＴＭ成形法で使用する樹脂としては、粘度が低く強化繊維への含浸が容易な熱硬化製樹脂または熱可塑性樹脂を形成するＲＩＭ（Reaction Injection Molding）用モノマーが好適であり、その中でもＦＲＰ成形体の熱収縮を低減させ、クラックの発生を抑えるという点から、エポキシ樹脂または熱可塑性樹脂やゴム成分などを配合した変性エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂がより適している。
【００１４】
本発明で使用する強化繊維基材は、例えば樹脂の含浸されていない強化繊維からなる基材を指し、その強化繊維の織物やチョップドファイバー、マット、ニット材料、さらにこれらとインサート部品との組み合わせ等が挙げられ、その用途により使い分けられる。前記インサート部品とは、例えばスチールやアルミニウムなどの金属板や、金属柱、金属ボルト、ナット、ヒンジなどの接合用の金属、アルミハニカムコア、あるいはポリウレタン、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノール、アクリルなどの高分子材料からなるフォーム材やゴム質材、木質材等が挙げられ、主として、釘が効くことや、ネジが立てられる等の接合を目的としたインサート部品、中空構造で軽量化を目的としたインサート部品、振動の減衰を目的としたインサート部品などが多く用いられる。
【００１５】
本発明で使用する成形すべきＦＲＰ成形体の内側に用いる膨縮可能な中空構造体としては、特に規定されないが、ブロー成形や回転成形で成形された中空構造体やフィルムを融着して袋状にした中空構造体，ディッピングにより風船状の形状を有した中空構造体等が挙げられ、その材質としては、ポリプロピレンやポリエチレン，ナイロン，天然ゴム等が挙げられる。
【００１６】
脱型時に中空構造体に付与する圧力のかけ方は特に規定しないが、液体加圧や気体加圧，固体加圧が挙げられる。液体加圧の媒体としては、水，油等が、気体加圧の場合は、空気や窒素等が、挙げられ、固体加圧の場合は、シリコンゴム等を加熱膨張させることで得られる圧力等が挙げられる。
【００１７】
なお、中空構造体にかける圧力範囲としては、構造体の形状，材質にもよるが、圧力の下限として５ｋＰａ以上が、成形体の形状を変形させる観点から必要であり、上限として、１ＭＰａ以下が、成形体への変形ダメージを防止する観点から好ましい。より好ましくは、下限としては１０ｋＰａ以上、また上限としては１００ｋＰａ以下である。
【００１８】
本発明で使用する成形型は、例えば上型と下型とからなる成形金型からなり、例えば上型が金型昇降装置に取り付けられる。下型には強化繊維基材を設置する。この強化繊維基材は、事前に成形型に納まりやすいように強化繊維基材を製品形状に賦形することを目的とした賦形型により作成する。成形型の材質としてはＦＲＰ、鋳鋼、構造用炭素鋼、アルミニウム合金、亜鉛合金、ニッケル電鋳、銅電鋳などが挙げられる。量産には、剛性、耐熱性、作業性の面から構造用炭素鋼が好適である。
【００１９】
図１は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰ成形体の製造方法を実施するための成形システムを示している。図１において、２は、上型と下型とを有する成形型としての成形金型を示しており、その上型が金型昇降装置１に取り付けられている。金型昇降装置１は、油圧ポンプ１０、油圧シリンダー１１を備えた油圧ユニット９を有しており、上型の作動、加圧が油圧により制御されるようになっている。
【００２０】
成形型２には、注入口８ａに繋がる樹脂注入流路１３、排出口８ｂに繋がる排出路１４が接続されている。樹脂注入流路１３、排出路１４は各々注入バルブ２２ａ、排出バルブ２２ｂを介して注入口８ａ、排出口８ｂに接続する。注入バルブ２２ａ、排出バルブ２２ｂの開閉作動およびその作動タイミングは、制御装置２２ｃからの指令に基づいて行われる。樹脂注入流路１３には樹脂注入装置３が接続されている。樹脂注入装置３は、主剤タンク５、硬化剤タンク６にそれぞれ主剤、硬化剤を収容し、それぞれのタンクは加温できる機構を備えているとともに、真空ポンプ２４により真空脱泡できるようになっている。樹脂注入時にはそれぞれのタンクから加圧装置２３により樹脂を樹脂注入流路１３に向かって押し流す。逆止弁１２を介して設けられた加圧装置２３にはシリンジポンプを用いており、シリンジを同時に押し出すことで定量性も確保することが、２液混合により硬化する樹脂には好ましい。主剤、硬化剤は混合ユニット４で混合され、樹脂注入流路１３に至る。排出路１４には、真空ポンプ７ａあるいは加圧ポンプ７ｂへの樹脂の流入を防ぐために、樹脂トラップ１５が介装されている。
【００２１】
なお、注入口８ａの数や位置は成形型の形状や寸法、１型内で同時に成形する成形品の数量などによって異なるが、注入口８ａはできるだけ少ないことが好ましい。これは樹脂注入装置３からの注入用流路１３を注入口８ａに接続する箇所が増えて注入作業が繁雑になることを防ぐためである。
【００２２】
樹脂注入流路１３の材料は十分な流量の確保と樹脂との適合性（温度や耐溶剤性、耐圧）を考慮する必要がある。チューブには口径５〜３０ｍｍのものを用い、樹脂の注入圧力に耐えるために１．０ＭＰａ以上の耐圧性、樹脂硬化時の温度に耐えるために１００℃以上の耐熱性が必要となり、厚みが２ｍｍ程度の”テフロン”（登録商標）などのフッ素樹脂製チューブが好適である。ただし、”テフロン”（登録商標）以外にも、比較的安価なポリエチレン、ナイロン等のプラスチック製のチューブやスチール、アルミ等の金属管であってもよい。
【００２３】
また、排出口８ｂの数や位置は成形型の形状や寸法、１型内で同時に成形する成形品の数量などによって異なるが、排出口もできるだけ少ないことが好ましい。また、排出口８ｂは、型内に残留する気体が抜けやすいように注入口８ａよりも気体が浮動し易い方向である高い位置に設置されることが好ましい。
【００２４】
排出路１４の材料は、樹脂注入流路１３と同様に十分な流量の確保と樹脂との適合性（温度や耐溶剤性、耐圧）を考慮する必要がある。排出路１４としてはスチール、アルミ等の金属管、あるいはポリエチレン、ナイロン、”テフロン”（登録商標）等のプラスチック製のチューブが挙げられるが、直径５〜１０ｍｍ、厚み１〜２ｍｍの”テフロン”（登録商標）製チューブが作業性の面からより好適である。
【００２５】
樹脂注入時の樹脂注入流路１３、排出路１４の途中に設置する注入バルブ２２ａや排出バルブ２２ｂは、バイスグリップ等により、直接作業者により流路を挟むことで全域開閉や口径を変化させることができる。例えば図２に示すように、上型１６と下型１７からなる成形型の上型１６側へと接続された樹脂注入流路１３、排出路１４の途中に、バイスグリップ２１を設けることができる。
【００２６】
樹脂の加圧は、前述の如きシリンジポンプなどによる加圧方法によれば定量性も得られる。樹脂の注入圧Ｐｉは０．１〜１．０ＭＰａの範囲で用いるのが好ましい。ここで樹脂の注入圧Ｐｉとは、加圧装置２３により加圧される最大圧力を指し、図１の注入圧力計３１で表示させる圧力を表す。最終的に樹脂が型内の基材に完全に含浸され排出路１４まで到達したら排出路１４を閉じ、その後暫くしてから注入用流路１３も閉じて樹脂注入を終了する。成形型２は、例えば温調機２５、２６によって加温されており、これにより樹脂を硬化させる。なお、型内樹脂圧Ｐｍとは、型内圧力計３２の圧力を表す。
【００２７】
図５を用いて従来方法と本発明方法を説明するに、従来の方法では、硬化後に下型５５から上型５４を図示しないプレス機等で上昇させた後、ＦＲＰ成形体５３と下型５５の境界に図示しないクサビ状の冶工具を何度か挿入することを繰り返すことで製品の脱型を行っていた。しかしながら、この方法では脱型に必要な時間が要したり、ＦＲＰ成形体５３を冶工具により傷つけたりすることで後工程での工数が増えたり、あるいは下型５５を傷つけたりすることがあり、問題となっていた。
【００２８】
そこで、本発明では、注入口５８ａからランナー５６を介しての樹脂注入、ランナー５７、吸引口５８ｂを介して型内からの真空吸引によるＲＴＭ成形、樹脂硬化の完了後、下型５５から上型５４を図示しないプレス機等で一旦僅かであるが上昇させた後、膨縮可能な中空構造体５１（中空ブロー構造体）からなる中子の内側に圧力口５２から空気圧等の圧力を加えてＦＲＰ成形体５３を膨張変形させることで下型５５から離型させ、上型５４を完全に上昇させた後で、ＦＲＰ成形体５３を脱型をさせる。こうすることで、冶工具等によるＦＲＰ成形体の傷付きを防止し、かつ、脱型に要する時間を短時間に抑えることが可能となる。
【実施例】
【００２９】
以下に、実施例に基づいてより具体的な説明する。実施例では以下の基材（強化繊維基材）、樹脂、膨縮可能な中空構造体（中子）を使用した。
【００３０】
基材ａ：東レ（株）製、炭素繊維織物ＣＯ６３４３Ｂ（織り組織：平織り，織物目付：１９８ｇ／ｍ2 ，強化繊維：Ｔ３００Ｂ−３Ｋ，弾性率：２３０ＧＰａ，強度：３５３０ＭＰａ，繊度１９８ｔｅｘ，フィラメント数：３，０００本）
基材ｂ：日東紡社製、ガラス繊維サーフェースマットＭＦ３０Ｐ１００ＢＳ６（布帛の形態：不織布，ガラス繊維の種類＝Ｅガラス，織物目付３０ｇ／ｍ2 ）
樹脂ａ：”エピコート”８２８／ＴＲ−Ｃ３５Ｈ＝１００：１０．９
”エピコート”８２８：油化シェルエポキシ社製、エポキシ樹脂
ＴＲ−Ｃ３５Ｈ：東レ（株）製、イミダゾール誘導体
中子ａ：中空翼断面構造のポリプロピレン製中子（みのる化成社製）
成形方法：ブロー成形、平均厚み：約１．７ｍｍ
中子ｂ：ナイロンフィルム製中子：東レ（株）製
平均厚み：約５０μｍ
【００３１】
実施例１
図３に示すように中子ａからなる中空構造体３４の周囲に、基材３５を下記構成で巻き付けて成形前駆体３３を得た。
基材３５＝基材ａ（0/90）４層＋基材ｂ１層＋基材ａ(0/90)１層
【００３２】
この成形前駆体３３を図１に示す上下割りの成形型２内にセットした。次に中空構造体３４の中に空気圧で０．５MPaに加圧し保持した。成形型２は、温調機２６に接続されており、９５℃で保持されるようにセットした。また、この成形型２は樹脂トラップ１５を途中に有する真空ポンプ７ａから真空をバルブ２２ｂで接続することで、型内を真空に保持した。
【００３３】
次に、樹脂注入機３から真空脱泡された樹脂ａを混合しながらバルブ２２ａを通じて型内に注入した。注入開始後、約１分で樹脂がバルブ２２ｂ側に流出してきた。この時、２０秒間バルブ２２ｂを閉止し、次いで２０秒間バルブ２２ｂを開放し、この閉止と開放を４回繰り返し、最後にバルブ２２ｂを閉じ、次いでバルブ２２ａを閉じた。
【００３４】
その後、そのままの状態を２０分間保持し、樹脂ａを硬化させた。硬化後、中空構造体３４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を上昇させ、１５mm浮かせた状態で停止した。次に中空構造体３４に空気圧として０．０２MPaにて空気を注入したところ、成形体が脱型された。脱型にかかった時間は、僅かに３秒であった。
【００３５】
この後、上型を完全に上昇させ、中空構造体３４と共に成形体を得た。成形体の表面を確認したところ、脱型によって発生した傷は皆無であった。
【００３６】
実施例２
図４に示すように中子ｂからなる中空構造体４４の周囲に、基材４５を下記構成で巻き付けて成形前駆体４３を得た。
基材４５＝基材ａ（0/90）５層
【００３７】
この成形前駆体４３を用いたことを除き、実施例１と同様にして、樹脂を注入し硬化させた。
【００３８】
硬化後、中空構造体４４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を上昇させ、約５mm浮かせた状態で停止した。次に中空構造体４４に空気圧として０．０３MPaにて空気を注入したところ、成形体が脱型された。脱型に掛かった時間は、僅か４秒であった。
【００３９】
この後、上型を完全に上昇させ、中空構造体４４と共に成形体を得た。成形体の表面を確認したところ、脱型によって発生した傷は皆無であった。
【００４０】
比較例１
図３に示すように中子ａからなる中空構造体３４の周囲に、基材３５を下記構成で巻き付けて成形前駆体３３を得た。
基材３５＝基材ａ（0/90）４層＋基材ｂ１層＋基材ａ(0/90)１層
【００４１】
この成形前駆体３３を用いて、実施例１と同様に、樹脂を注入し硬化させた。硬化後、中空構造体３４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を完全に上昇させたところ、成形体は成形型２の下型に固着していた。この成形型２の下型と成形体との境目に薄い軽金属製のヘラを挿入しながら、脱型を行ったところ、要した時間は４６秒であった。
【００４２】
次に、成形体の表面状態を確認したところ、ヘラを挿入した部分に補修を要する傷跡が６カ所に見られた。
【００４３】
比較例２
図４に示すように中子ｂからなる中空構造体４４の周囲に、基材４５を下記構成で巻き付けて成形前駆体４３を得た。
基材４５＝基材ａ（0/90）５層
【００４４】
この成形前駆体４３を用いて、実施例２と同様に、樹脂を注入し硬化させた。硬化後、中空構造体４４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を完全に上昇させたところ、成形体は成形型２の下型に固着していた。中空構造体４４をつかんで脱型を試みたが、中空構造体４４は成形体の端部のところで脱型はできなかった。次にこの成形型２の下型と成形体との境目に薄いプラスチックス製のヘラを挿入しながら、脱型を行ったところ、要した時間は５０秒であった。
【００４５】
次に、成形体の表面状態を確認したところ、ヘラを挿入した部分に補修を要する傷跡が２カ所に見られた。
【００４６】
このように、本発明を適用することで、ＦＲＰ成形体を傷つけることなく、極めて短時間で脱型することができることが確認できた。
【００４７】
なお、図６に、上記のような本発明方法を用いることができるＲＴＭ成形の装置構成の外観例を示す。上型６４、下型６５からなる成形型に対し、樹脂を注入する注入口６８ａと型内を真空吸引する吸引口６８ｂを設け、中空構造体の内部に気体等の圧力をかける圧力口６２を設けた構造である。Ａは注入樹脂、Ｂは、型内からの吸引、Ｃは供給圧力空気をそれぞれ示している。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る方法は、中空構造を有するあらゆるＦＲＰ成形体の製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施態様に係るＲＴＭ成形システムの機器系統図である。
【図２】図１のシステムで採用可能な成形型部分の概略斜視図である。
【図３】本発明方法の一例を示す成形前駆体の概略斜視図である。
【図４】本発明方法の一例を示す成形前駆体の概略斜視図である。
【図５】本発明方法の一例を示す上型上昇時の概略斜視図である。
【図６】本発明方法を用いることができるＲＴＭ成形の装置構成の外観例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 金型昇降装置
２ 成形型
３ 樹脂注入装置
４ 混合ユニット
５ 主剤タンク
６ 硬化剤タンク
７ａ 真空ポンプ
７ｂ 加圧ポンプ
８ａ 注入口
８ｂ 排出口
９ 油圧ユニット
１０ 油圧ポンプ
１１ 油圧シリンダー
１２ 逆止弁
１３ 樹脂注入流路
１４ 排出路
１５ 樹脂トラップ
１６ 上型
１７ 下型
２１ バイスグリップ
２２ａ 注入バルブ
２２ｂ 排出バルブ
２２ｃ 制御装置
２３ 加圧装置
２４ 真空ポンプ
２５、２６ 温調機
３１ 注入圧力計
３２ 型内圧力計
３３ 成形前駆体
３４ 中空構造体（中子）
３５ 強化繊維基材
４３ 成形前駆体
４４ 中空構造体（中子）
４５ 強化繊維基材
５１ 中空ブロー構造体（中子）
５２ 圧力口
５３ 強化繊維基材
５４ 上型
５５ 下型
５６ ランナー
５７ ランナー
５８ａ注入口
５８ｂ吸引口
６２ 圧力口
６４ 上型
６５ 下型
６８ａ注入口
６８ｂ吸引口
【技術分野】
【０００１】
本発明は、中空構造を有するＦＲＰ成形体（強化繊維プラスチックス成形体）の製造方法に関し、とくに、成形における脱型の方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
強化繊維複合材料としてのＦＲＰ成形体は、優れた力学特性、軽量性等の要求特性を満たすことができることから、主に各種産業、中でも航空、宇宙用途、スポーツ用途等に広く用いられている。ＦＲＰ成形体の代表的な製造方法としては、例えばオートクレーブ成形法が挙げられる。この成形法は、強化繊維にマトリックス樹脂を予め含浸させたプリプレグと呼ばれるシート状の材料を、成形型に積み重ねてオートクレーブにて加熱・加圧して成形品を得る方法である。
【０００３】
あるいは、ハンドレイアップ成形法と呼ばれる、成形型にドライな基材を配置しながら直接樹脂を塗布して含浸させ硬化させる方法もある。
【０００４】
これらの方法は、容易に所定の形状を得ることができ、且つ、高い機械特性を得ることができる反面、生産性が低いことから、航空、宇宙用途といった、軽量性や力学特性を必要とする比較的生産数量の少ない用途で主に用いられる方法である。
【０００５】
上記の成形方法は、比較的少量の生産に適していることから、成形に関わるサイクルタイムを差ほど気にする必要はなく、脱型に関しても、成形型と成形品の間にクサビ状のヘラや冶工具を挿入するなどして行うことが多い。また、こうして得られた成形品は、脱型時に、冶工具を挿入した時の傷等が成形品表面につきやすく、それを仕上げて修正するのに少なからず時間を要するという問題点もある。
【０００６】
一方、複合材料の生産性に優れる成形法としては、例えばレジン・トランスファー・モールディング成形法（以下、ＲＴＭ法と記す。）等の注入成形が挙げられる（例えば特許文献１）。かかるＲＴＭ法では、マトリックス樹脂が予備含浸されていない（ドライな）強化繊維基材を複雑な成形型の中に配置して、液状（低粘度）のマトリックス樹脂を注入することにより強化繊維中にマトリックス樹脂を含浸させて成形する。この方法は、比較的生産数量が多い場合に適用されるので、前述のような人手に頼るようなことでは、成形サイクルタイムが遅くなり、生産性に問題が出てくる。そこで、脱型用のエジェクター機構を型に設けたりするなど、脱型に要する時間を短くして生産性を向上させる方式が知られている。
【０００７】
しかしながら、この方式は、例えば熱可塑性樹脂による成形では、樹脂の粘度が比較的高いことからエジェクター機構の中に樹脂の混入がなく有効であるが、強化繊維プラスチックスのＲＴＭ成形法では、強化繊維に樹脂を含浸させることが必要であり、極めて低粘度の樹脂を用いることが必要となるので、結果として、樹脂注入時の圧力でエジェクター機構から樹脂が漏れたりすることがあり、期待される機能が発揮されないばかりか、エジェクター機構を設ける為の設備費用が高くなるという問題がある。
【特許文献１】特開平７−６０７６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明者らは、これらの問題を解決すべく、従来問題であった脱型方法について検討をした結果、機構追加に付随するコストを低減し、かつ、極低粘度樹脂の環境下でも十分に機能を果たすことが可能な脱型方法を見出した。すなわち、本発明の課題は、従来人手により成されていた脱型作業を大幅に省力化し、安価で良好な脱型が可能なＦＲＰ成形体の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】
上記課題を解決するために、本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法は、中空構造を有するＦＲＰ成形体の製造方法であって、成形型中で樹脂を硬化させた後、ＦＲＰ成形体の中空構造の内側に圧力を加えることにより、ＦＲＰ成形体を成形型より脱型することを特徴とする方法からなる。すなわち、本発明では、成形体の内側に内圧を付与することで成形体形状を一時的に変形させて成形型と異なる外形状とし、この変形を利用してＦＲＰ成形体を脱型する。
【００１０】
このＦＲＰ成形体の製造方法においては、成形すべきＦＲＰ成形体の内側に膨縮可能な中空構造体を予め配置し、樹脂硬化後、中空構造体の内側に圧力を加えることによりＦＲＰ成形体を成形型より脱型することができる。この場合、上記中空構造体として、ブロー成形により成形された中空構造体、あるいは、回転成形により成形された中空構造体を用いることができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係るＦＲＰ成形体の製造方法によれば、従来人手により成されていた脱型作業を大幅に省力化でき、かつ、安価に、傷等を発生させない良好な脱型を行うことが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
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具体的に説明する。
本発明において、ＦＲＰとは、強化繊維により強化されている樹脂を指し、強化繊維としては、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、金属繊維等の無機繊維、あるいはアラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリアミド繊維などの有機繊維からなる強化繊維が挙げられる。ＦＲＰのマトリックス樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂が挙げられ、さらには、ポリアミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂、ポリウレタン樹脂、ポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂も使用可能である。
【００１３】
本発明におけるＲＴＭ成形法で使用する樹脂としては、粘度が低く強化繊維への含浸が容易な熱硬化製樹脂または熱可塑性樹脂を形成するＲＩＭ（Reaction Injection Molding）用モノマーが好適であり、その中でもＦＲＰ成形体の熱収縮を低減させ、クラックの発生を抑えるという点から、エポキシ樹脂または熱可塑性樹脂やゴム成分などを配合した変性エポキシ樹脂、ナイロン樹脂、ジシクロペンタジエン樹脂がより適している。
【００１４】
本発明で使用する強化繊維基材は、例えば樹脂の含浸されていない強化繊維からなる基材を指し、その強化繊維の織物やチョップドファイバー、マット、ニット材料、さらにこれらとインサート部品との組み合わせ等が挙げられ、その用途により使い分けられる。前記インサート部品とは、例えばスチールやアルミニウムなどの金属板や、金属柱、金属ボルト、ナット、ヒンジなどの接合用の金属、アルミハニカムコア、あるいはポリウレタン、ポリスチレン、ポリイミド、塩化ビニル、フェノール、アクリルなどの高分子材料からなるフォーム材やゴム質材、木質材等が挙げられ、主として、釘が効くことや、ネジが立てられる等の接合を目的としたインサート部品、中空構造で軽量化を目的としたインサート部品、振動の減衰を目的としたインサート部品などが多く用いられる。
【００１５】
本発明で使用する成形すべきＦＲＰ成形体の内側に用いる膨縮可能な中空構造体としては、特に規定されないが、ブロー成形や回転成形で成形された中空構造体やフィルムを融着して袋状にした中空構造体，ディッピングにより風船状の形状を有した中空構造体等が挙げられ、その材質としては、ポリプロピレンやポリエチレン，ナイロン，天然ゴム等が挙げられる。
【００１６】
脱型時に中空構造体に付与する圧力のかけ方は特に規定しないが、液体加圧や気体加圧，固体加圧が挙げられる。液体加圧の媒体としては、水，油等が、気体加圧の場合は、空気や窒素等が、挙げられ、固体加圧の場合は、シリコンゴム等を加熱膨張させることで得られる圧力等が挙げられる。
【００１７】
なお、中空構造体にかける圧力範囲としては、構造体の形状，材質にもよるが、圧力の下限として５ｋＰａ以上が、成形体の形状を変形させる観点から必要であり、上限として、１ＭＰａ以下が、成形体への変形ダメージを防止する観点から好ましい。より好ましくは、下限としては１０ｋＰａ以上、また上限としては１００ｋＰａ以下である。
【００１８】
本発明で使用する成形型は、例えば上型と下型とからなる成形金型からなり、例えば上型が金型昇降装置に取り付けられる。下型には強化繊維基材を設置する。この強化繊維基材は、事前に成形型に納まりやすいように強化繊維基材を製品形状に賦形することを目的とした賦形型により作成する。成形型の材質としてはＦＲＰ、鋳鋼、構造用炭素鋼、アルミニウム合金、亜鉛合金、ニッケル電鋳、銅電鋳などが挙げられる。量産には、剛性、耐熱性、作業性の面から構造用炭素鋼が好適である。
【００１９】
図１は、本発明の一実施態様に係るＦＲＰ成形体の製造方法を実施するための成形システムを示している。図１において、２は、上型と下型とを有する成形型としての成形金型を示しており、その上型が金型昇降装置１に取り付けられている。金型昇降装置１は、油圧ポンプ１０、油圧シリンダー１１を備えた油圧ユニット９を有しており、上型の作動、加圧が油圧により制御されるようになっている。
【００２０】
成形型２には、注入口８ａに繋がる樹脂注入流路１３、排出口８ｂに繋がる排出路１４が接続されている。樹脂注入流路１３、排出路１４は各々注入バルブ２２ａ、排出バルブ２２ｂを介して注入口８ａ、排出口８ｂに接続する。注入バルブ２２ａ、排出バルブ２２ｂの開閉作動およびその作動タイミングは、制御装置２２ｃからの指令に基づいて行われる。樹脂注入流路１３には樹脂注入装置３が接続されている。樹脂注入装置３は、主剤タンク５、硬化剤タンク６にそれぞれ主剤、硬化剤を収容し、それぞれのタンクは加温できる機構を備えているとともに、真空ポンプ２４により真空脱泡できるようになっている。樹脂注入時にはそれぞれのタンクから加圧装置２３により樹脂を樹脂注入流路１３に向かって押し流す。逆止弁１２を介して設けられた加圧装置２３にはシリンジポンプを用いており、シリンジを同時に押し出すことで定量性も確保することが、２液混合により硬化する樹脂には好ましい。主剤、硬化剤は混合ユニット４で混合され、樹脂注入流路１３に至る。排出路１４には、真空ポンプ７ａあるいは加圧ポンプ７ｂへの樹脂の流入を防ぐために、樹脂トラップ１５が介装されている。
【００２１】
なお、注入口８ａの数や位置は成形型の形状や寸法、１型内で同時に成形する成形品の数量などによって異なるが、注入口８ａはできるだけ少ないことが好ましい。これは樹脂注入装置３からの注入用流路１３を注入口８ａに接続する箇所が増えて注入作業が繁雑になることを防ぐためである。
【００２２】
樹脂注入流路１３の材料は十分な流量の確保と樹脂との適合性（温度や耐溶剤性、耐圧）を考慮する必要がある。チューブには口径５〜３０ｍｍのものを用い、樹脂の注入圧力に耐えるために１．０ＭＰａ以上の耐圧性、樹脂硬化時の温度に耐えるために１００℃以上の耐熱性が必要となり、厚みが２ｍｍ程度の”テフロン”（登録商標）などのフッ素樹脂製チューブが好適である。ただし、”テフロン”（登録商標）以外にも、比較的安価なポリエチレン、ナイロン等のプラスチック製のチューブやスチール、アルミ等の金属管であってもよい。
【００２３】
また、排出口８ｂの数や位置は成形型の形状や寸法、１型内で同時に成形する成形品の数量などによって異なるが、排出口もできるだけ少ないことが好ましい。また、排出口８ｂは、型内に残留する気体が抜けやすいように注入口８ａよりも気体が浮動し易い方向である高い位置に設置されることが好ましい。
【００２４】
排出路１４の材料は、樹脂注入流路１３と同様に十分な流量の確保と樹脂との適合性（温度や耐溶剤性、耐圧）を考慮する必要がある。排出路１４としてはスチール、アルミ等の金属管、あるいはポリエチレン、ナイロン、”テフロン”（登録商標）等のプラスチック製のチューブが挙げられるが、直径５〜１０ｍｍ、厚み１〜２ｍｍの”テフロン”（登録商標）製チューブが作業性の面からより好適である。
【００２５】
樹脂注入時の樹脂注入流路１３、排出路１４の途中に設置する注入バルブ２２ａや排出バルブ２２ｂは、バイスグリップ等により、直接作業者により流路を挟むことで全域開閉や口径を変化させることができる。例えば図２に示すように、上型１６と下型１７からなる成形型の上型１６側へと接続された樹脂注入流路１３、排出路１４の途中に、バイスグリップ２１を設けることができる。
【００２６】
樹脂の加圧は、前述の如きシリンジポンプなどによる加圧方法によれば定量性も得られる。樹脂の注入圧Ｐｉは０．１〜１．０ＭＰａの範囲で用いるのが好ましい。ここで樹脂の注入圧Ｐｉとは、加圧装置２３により加圧される最大圧力を指し、図１の注入圧力計３１で表示させる圧力を表す。最終的に樹脂が型内の基材に完全に含浸され排出路１４まで到達したら排出路１４を閉じ、その後暫くしてから注入用流路１３も閉じて樹脂注入を終了する。成形型２は、例えば温調機２５、２６によって加温されており、これにより樹脂を硬化させる。なお、型内樹脂圧Ｐｍとは、型内圧力計３２の圧力を表す。
【００２７】
図５を用いて従来方法と本発明方法を説明するに、従来の方法では、硬化後に下型５５から上型５４を図示しないプレス機等で上昇させた後、ＦＲＰ成形体５３と下型５５の境界に図示しないクサビ状の冶工具を何度か挿入することを繰り返すことで製品の脱型を行っていた。しかしながら、この方法では脱型に必要な時間が要したり、ＦＲＰ成形体５３を冶工具により傷つけたりすることで後工程での工数が増えたり、あるいは下型５５を傷つけたりすることがあり、問題となっていた。
【００２８】
そこで、本発明では、注入口５８ａからランナー５６を介しての樹脂注入、ランナー５７、吸引口５８ｂを介して型内からの真空吸引によるＲＴＭ成形、樹脂硬化の完了後、下型５５から上型５４を図示しないプレス機等で一旦僅かであるが上昇させた後、膨縮可能な中空構造体５１（中空ブロー構造体）からなる中子の内側に圧力口５２から空気圧等の圧力を加えてＦＲＰ成形体５３を膨張変形させることで下型５５から離型させ、上型５４を完全に上昇させた後で、ＦＲＰ成形体５３を脱型をさせる。こうすることで、冶工具等によるＦＲＰ成形体の傷付きを防止し、かつ、脱型に要する時間を短時間に抑えることが可能となる。
【実施例】
【００２９】
以下に、実施例に基づいてより具体的な説明する。実施例では以下の基材（強化繊維基材）、樹脂、膨縮可能な中空構造体（中子）を使用した。
【００３０】
基材ａ：東レ（株）製、炭素繊維織物ＣＯ６３４３Ｂ（織り組織：平織り，織物目付：１９８ｇ／ｍ2 ，強化繊維：Ｔ３００Ｂ−３Ｋ，弾性率：２３０ＧＰａ，強度：３５３０ＭＰａ，繊度１９８ｔｅｘ，フィラメント数：３，０００本）
基材ｂ：日東紡社製、ガラス繊維サーフェースマットＭＦ３０Ｐ１００ＢＳ６（布帛の形態：不織布，ガラス繊維の種類＝Ｅガラス，織物目付３０ｇ／ｍ2 ）
樹脂ａ：”エピコート”８２８／ＴＲ−Ｃ３５Ｈ＝１００：１０．９
”エピコート”８２８：油化シェルエポキシ社製、エポキシ樹脂
ＴＲ−Ｃ３５Ｈ：東レ（株）製、イミダゾール誘導体
中子ａ：中空翼断面構造のポリプロピレン製中子（みのる化成社製）
成形方法：ブロー成形、平均厚み：約１．７ｍｍ
中子ｂ：ナイロンフィルム製中子：東レ（株）製
平均厚み：約５０μｍ
【００３１】
実施例１
図３に示すように中子ａからなる中空構造体３４の周囲に、基材３５を下記構成で巻き付けて成形前駆体３３を得た。
基材３５＝基材ａ（0/90）４層＋基材ｂ１層＋基材ａ(0/90)１層
【００３２】
この成形前駆体３３を図１に示す上下割りの成形型２内にセットした。次に中空構造体３４の中に空気圧で０．５MPaに加圧し保持した。成形型２は、温調機２６に接続されており、９５℃で保持されるようにセットした。また、この成形型２は樹脂トラップ１５を途中に有する真空ポンプ７ａから真空をバルブ２２ｂで接続することで、型内を真空に保持した。
【００３３】
次に、樹脂注入機３から真空脱泡された樹脂ａを混合しながらバルブ２２ａを通じて型内に注入した。注入開始後、約１分で樹脂がバルブ２２ｂ側に流出してきた。この時、２０秒間バルブ２２ｂを閉止し、次いで２０秒間バルブ２２ｂを開放し、この閉止と開放を４回繰り返し、最後にバルブ２２ｂを閉じ、次いでバルブ２２ａを閉じた。
【００３４】
その後、そのままの状態を２０分間保持し、樹脂ａを硬化させた。硬化後、中空構造体３４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を上昇させ、１５mm浮かせた状態で停止した。次に中空構造体３４に空気圧として０．０２MPaにて空気を注入したところ、成形体が脱型された。脱型にかかった時間は、僅かに３秒であった。
【００３５】
この後、上型を完全に上昇させ、中空構造体３４と共に成形体を得た。成形体の表面を確認したところ、脱型によって発生した傷は皆無であった。
【００３６】
実施例２
図４に示すように中子ｂからなる中空構造体４４の周囲に、基材４５を下記構成で巻き付けて成形前駆体４３を得た。
基材４５＝基材ａ（0/90）５層
【００３７】
この成形前駆体４３を用いたことを除き、実施例１と同様にして、樹脂を注入し硬化させた。
【００３８】
硬化後、中空構造体４４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を上昇させ、約５mm浮かせた状態で停止した。次に中空構造体４４に空気圧として０．０３MPaにて空気を注入したところ、成形体が脱型された。脱型に掛かった時間は、僅か４秒であった。
【００３９】
この後、上型を完全に上昇させ、中空構造体４４と共に成形体を得た。成形体の表面を確認したところ、脱型によって発生した傷は皆無であった。
【００４０】
比較例１
図３に示すように中子ａからなる中空構造体３４の周囲に、基材３５を下記構成で巻き付けて成形前駆体３３を得た。
基材３５＝基材ａ（0/90）４層＋基材ｂ１層＋基材ａ(0/90)１層
【００４１】
この成形前駆体３３を用いて、実施例１と同様に、樹脂を注入し硬化させた。硬化後、中空構造体３４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を完全に上昇させたところ、成形体は成形型２の下型に固着していた。この成形型２の下型と成形体との境目に薄い軽金属製のヘラを挿入しながら、脱型を行ったところ、要した時間は４６秒であった。
【００４２】
次に、成形体の表面状態を確認したところ、ヘラを挿入した部分に補修を要する傷跡が６カ所に見られた。
【００４３】
比較例２
図４に示すように中子ｂからなる中空構造体４４の周囲に、基材４５を下記構成で巻き付けて成形前駆体４３を得た。
基材４５＝基材ａ（0/90）５層
【００４４】
この成形前駆体４３を用いて、実施例２と同様に、樹脂を注入し硬化させた。硬化後、中空構造体４４の中の圧力を大気開放した。そして、成形型２の上型を完全に上昇させたところ、成形体は成形型２の下型に固着していた。中空構造体４４をつかんで脱型を試みたが、中空構造体４４は成形体の端部のところで脱型はできなかった。次にこの成形型２の下型と成形体との境目に薄いプラスチックス製のヘラを挿入しながら、脱型を行ったところ、要した時間は５０秒であった。
【００４５】
次に、成形体の表面状態を確認したところ、ヘラを挿入した部分に補修を要する傷跡が２カ所に見られた。
【００４６】
このように、本発明を適用することで、ＦＲＰ成形体を傷つけることなく、極めて短時間で脱型することができることが確認できた。
【００４７】
なお、図６に、上記のような本発明方法を用いることができるＲＴＭ成形の装置構成の外観例を示す。上型６４、下型６５からなる成形型に対し、樹脂を注入する注入口６８ａと型内を真空吸引する吸引口６８ｂを設け、中空構造体の内部に気体等の圧力をかける圧力口６２を設けた構造である。Ａは注入樹脂、Ｂは、型内からの吸引、Ｃは供給圧力空気をそれぞれ示している。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明に係る方法は、中空構造を有するあらゆるＦＲＰ成形体の製造に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の一実施態様に係るＲＴＭ成形システムの機器系統図である。
【図２】図１のシステムで採用可能な成形型部分の概略斜視図である。
【図３】本発明方法の一例を示す成形前駆体の概略斜視図である。
【図４】本発明方法の一例を示す成形前駆体の概略斜視図である。
【図５】本発明方法の一例を示す上型上昇時の概略斜視図である。
【図６】本発明方法を用いることができるＲＴＭ成形の装置構成の外観例を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１ 金型昇降装置
２ 成形型
３ 樹脂注入装置
４ 混合ユニット
５ 主剤タンク
６ 硬化剤タンク
７ａ 真空ポンプ
７ｂ 加圧ポンプ
８ａ 注入口
８ｂ 排出口
９ 油圧ユニット
１０ 油圧ポンプ
１１ 油圧シリンダー
１２ 逆止弁
１３ 樹脂注入流路
１４ 排出路
１５ 樹脂トラップ
１６ 上型
１７ 下型
２１ バイスグリップ
２２ａ 注入バルブ
２２ｂ 排出バルブ
２２ｃ 制御装置
２３ 加圧装置
２４ 真空ポンプ
２５、２６ 温調機
３１ 注入圧力計
３２ 型内圧力計
３３ 成形前駆体
３４ 中空構造体（中子）
３５ 強化繊維基材
４３ 成形前駆体
４４ 中空構造体（中子）
４５ 強化繊維基材
５１ 中空ブロー構造体（中子）
５２ 圧力口
５３ 強化繊維基材
５４ 上型
５５ 下型
５６ ランナー
５７ ランナー
５８ａ注入口
５８ｂ吸引口
６２ 圧力口
６４ 上型
６５ 下型
６８ａ注入口
６８ｂ吸引口
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空構造を有するＦＲＰ成形体の製造方法であって、成形型中で樹脂を硬化させた後、ＦＲＰ成形体の中空構造の内側に圧力を加えることにより、ＦＲＰ成形体を成形型より脱型することを特徴とするＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項２】
成形すべきＦＲＰ成形体の内側に膨縮可能な中空構造体を予め配置し、樹脂硬化後、中空構造体の内側に圧力を加えることによりＦＲＰ成形体を成形型より脱型する、請求項１のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項３】
前記中空構造体として、ブロー成形により成形された中空構造体を用いる、請求項２のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項４】
前記中空構造体として、回転成形により成形された中空構造体を用いる、請求項２のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項１】
中空構造を有するＦＲＰ成形体の製造方法であって、成形型中で樹脂を硬化させた後、ＦＲＰ成形体の中空構造の内側に圧力を加えることにより、ＦＲＰ成形体を成形型より脱型することを特徴とするＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項２】
成形すべきＦＲＰ成形体の内側に膨縮可能な中空構造体を予め配置し、樹脂硬化後、中空構造体の内側に圧力を加えることによりＦＲＰ成形体を成形型より脱型する、請求項１のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項３】
前記中空構造体として、ブロー成形により成形された中空構造体を用いる、請求項２のＦＲＰ成形体の製造方法。
【請求項４】
前記中空構造体として、回転成形により成形された中空構造体を用いる、請求項２のＦＲＰ成形体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００６−１５９４２０（Ｐ２００６−１５９４２０Ａ）
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３４９５８６（Ｐ２００４−３４９５８６）
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月２２日（２００６．６．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１２月２日（２００４．１２．２）
【出願人】（０００００３１５９）東レ株式会社 (7,677)
【Ｆターム（参考）】
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