JP2014237221A - 繊維強化プラスチック部材の成形方法及び成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プレッシャープレートの製作コストを抑えることで、繊維強化プラスチック部材の製造コストを低減できる成形方法を提供する。【解決手段】成形型１とバッグフィルム６の間に形成される成形空間Ｓ内に強化繊維基材２を配置した後に、成形空間Ｓの内部を減圧するとともに、強化繊維基材２に含まれる樹脂組成物Ｒを硬化させる繊維強化プラスチック部材の成形方法であって、強化繊維基材２とバッグフィルム６の間に、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレート５を配置することを特徴とする。プレッシャープレート５は、成形空間Ｓの内部を減圧している間、強化繊維基材２の形状に倣って弾性変形し、樹脂組成物Ｒの硬化後に、減圧を開放し、バッグフィルム６を取り除くと、当初の偏平な形状に復元する。【選択図】図２

Description

本発明は、繊維強化プラスチック部材の成形方法及び成形装置に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）は、軽量かつ、機械的強度に優れているため、航空機、風車ブレード、自動車、船舶、鉄道車両等の構造部材に使用されている。
繊維強化プラスチック部材を成形する方法の一つとして、例えば特許文献１に示される真空補助樹脂注入成形法（ＶａＲＴＭ；Vacuum assisted Resin Transfer Molding）が知られている。
ＶａＲＴＭ法は、成形型に配置した繊維基材を被覆材であるバッグフィルムで覆った後、バッグフィルム内を所定の真空度にまで減圧させることでバッグフィルムの内側に樹脂を注入し、繊維基材に含浸した樹脂を加熱して硬化させる方法である。ＶａＲＴＭ法は、バッグフィルムで覆われたプリプレグをオートクレーブの中で加圧するとともに加熱硬化するオートクレーブ成形法に比べて、低コストで繊維強化プラスチック部材を成形できる。

ＶａＲＴＭ法において、バッグフィルムと繊維基材の間にプレッシャープレートを介在させることがある。プレッシャープレートは、バッグフィルムと対向する繊維強化プラスチック部材の表面を平滑にするために設けられる。成形される繊維強化プラスチック部材が平坦な場合には、プレッシャープレートは平坦な板状の金属材料を用いればよい。しかし、繊維強化プラスチック部材の断面形状が例えば円弧状である場合には、図４に示すように、成形型２００の繊維強化プラスチック部材２０５と対向する成形面２０１を円弧状に形成するとともに、プレッシャープレート２０２の繊維強化プラスチック部材２０５と対向する成形面２０３を円弧状に形成していた。

特許第４８０５３７５号公報

プレッシャープレート２０２の成形面２０３は、従来、冷間圧延材などを切削加工により削り出しで形成されていた。また、繊維強化プラスチック部材２０５の断面形状に応じた成形面２０３を有するプレッシャープレート２０２を作製しなければならないために、断面形状が異なる繊維強化プラスチック部材２０５にそれぞれ対応するプレッシャープレート２０２を用意する必要があった。したがって、削り出しによって製造されるプレッシャープレート２０２は高価なものとなり、ＶａＲＴＭ法による繊維強化プラスチック部材２０５の製造コスト低減の妨げとなる。
本発明は、このような課題に基づいてなされたもので、プレッシャープレートの製作コストを抑えることで、繊維強化プラスチック部材の製造コストを低減できる繊維強化プラスチック部材の成形方法を提供することを目的とする。

本発明の繊維強化プラスチック部材の成形方法は、成形型と被覆材の間に形成される成形空間内に、成形型と対向して繊維強化プラスチック素材を配置するとともに、繊維強化プラスチック基材と被覆材の間に、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートを配置する工程と、成形空間に成形負荷を与える工程と、繊維強化プラスチック素材に含まれる樹脂組成物を硬化させる工程と、を備えることを特徴としている。
本発明の成形方法は、プレッシャープレートをばね用鋼から構成するので、プレッシャープレートを偏平に形成したとしても、成形空間の内部に成形負荷を与えている間、繊維強化プラスチック素材の形状に倣って弾性変形し、樹脂組成物の硬化後に、成形負荷を開放し、被覆材を取り除くと、当初の偏平な形状に復元することができる。しかも、プレッシャープレートが偏平であるから、形状の異なる複数種の繊維強化プラスチック素材に対して、１枚のプレッシャープレートを共通に用いることができる。このように、本発明によると、削り出し加工の必要がない偏平なプレッシャープレートを、異なる複数種の繊維強化プラスチック素材に共通に用いることができるので、プレッシャープレートの製作・維持管理コストを低減することで、繊維強化プラスチック部材の製造コストを低減できる。

本発明の成形方法は、前述したＶａＲＴＭ法に限らず、オートクレーブ成形法にも適用できる。
ＶａＲＴＭ法は、繊維強化プラスチック素材としての強化繊維基材を成形型に載せる配置工程と、成形型に載せられた強化繊維基材を被覆材で覆う被覆工程と、成形負荷として成形空間の内部を減圧する減圧工程と、減圧された成形空間内に流動状態にある樹脂組成物を供給し、強化繊維基材に含浸させる樹脂含浸工程と、樹脂組成物を加熱して硬化させる樹脂硬化工程と、を備えるが、被覆工程において、強化繊維基材と被覆材の間に、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートを配置することになる。

また、オートクレーブ成形法は、繊維強化プラスチック素材として、繊維基材とマトリクス樹脂組成物を含むプリプレグを成形型に載せる配置工程と、成形型に載せられたプリプレグを被覆材で覆う被覆工程と、成形空間の内部を減圧して排気する減圧工程と、成形負荷として被覆材を介して成形空間の内部を加圧するとともに、プリブレグ材の樹脂組成物を加熱して硬化させる樹脂硬化工程と、備えるが、被覆工程において、プリプレグと被覆材の間に、プレッシャープレートを配置することになる。

本発明において、プレッシャープレートを構成するばね用鋼は、耐力が５００Ｎ／ｍｍ^２以上、硬さが３００Ｈｖ以上、縦弾性係数が１８０×１０^６Ｎ／ｍｍ^２以上の少なくとも１つの機械的特性を有するステンレス鋼からなることが好ましい。
また、本発明は、成形型と、成形型と対向して配置される繊維強化プラスチック素材を覆う被覆材と、繊維強化プラスチック素材と被覆材の間に配置される、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートと、を備える、ことを特徴とする繊維強化プラスチック部材の製造装置が提供される。

本発明によれば、削り出し加工の必要がない偏平なプレッシャープレートを、異なる複数種の繊維強化プラスチック素材に共通に用いることができるので、プレッシャープレートの製作コストを低減することで、繊維強化プラスチック部材の製造コストを低減できる。

ＶａＲＴＭ法を適用した本実施形態の成形方法を説明する図である。 本実施形態における、プレッシャープレートの変形履歴を示し、図１（ａ）のＸ−Ｘ線断面（横断面）について、成形型１、強化繊維基材２及びプレッシャープレート５のみを示す図である。 本実施形態の適用例を示し、図２と同様の断面を示す図である。 従来のプレッシャープレートを用いた成形法を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る実施の形態を詳細に説明する。
本実施形態は、本発明にＶａＲＴＭ法を適用した例に関するものである。
はじめに、図１を参照して、本実施の形態により成形される繊維強化プラスチック部材及びその成形方法の要旨について説明する。

図１（ｃ）に示すように、成形される繊維強化プラスチック部材１００は、強化繊維基材１１０と強化繊維基材１１０に含浸されたマトリックス樹脂１２０とからなる。強化繊維基材１１０を構成する繊維には、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の公知の任意の繊維を用いることができる。
マトリックス樹脂１２０を構成する樹脂組成物Ｒとしては、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の加熱することで硬化される熱硬化性樹脂を組成するものであってもよいし、ナイロン，ポリエチレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニル，ポリブチレンテレフタレート等に代表される熱可塑性樹脂を組成するものであってもよい。
本発明により形成される繊維強化プラスチック部材１００の形状は任意であり、ここでは横断面が矩形の板状部材の例を示しているが、例えば、Ｃ字状の断面、Ｔ字状の断面など、種々の形態に適用することができる。ただし、後述するプレッシャープレート５を用いて成形することが前提となる。

次に、繊維強化プラスチック部材１００を成形する手順を、図１に加え、図２を参照して説明する。［配置・被覆ステップ］
図１（ａ）に示すように、成形型１の上にシート状の強化繊維基材２を重ねて配置する。また、強化繊維基材２の上に離型シート３、離型シート３の上にパスメディア４をこの順で配置し、さらに、パスメディア４の上にプレッシャープレート５を配置する。その後、強化繊維機材２，離形シート３，パスメディア４およびプレッシャープレート５をバッグフィルム６で覆う。バッグフィルム６の周縁と成形型１の上面の間にシール部材１１を設けることにより、密閉された成形空間Ｓがバッグフィルム６と成形型１の間に形成され、強化繊維基材２、離型シート３、パスメディア４及びプレッシャープレート５は、この成形空間Ｓに配置される。バッグフィルム６は吸引口７及び注入口８を備えており、吸引口７は真空ポンプ９に接続され、注入口８は液状の樹脂組成物Ｒが貯留される貯留槽１０に接続されている。ここで、「組成物」との表現は、未だ硬化されていない状態を特定する際に用い、すでに硬化されている場合の「樹脂」と区別する。

成形型１は、鉄系の金属材料、例えばＪＩＳ ＳＵＳ３０４などのステンレス鋼から構成される。もっとも、その機能を発揮する限り、成形型１を構成する材質は任意である。成形型１は、図２（ａ）に示すように、強化繊維基材２が載置され、繊維強化プラスチック部材１００（繊維基材２）の形状を成形する成形面１ａが円弧状に窪んでいる。この成形面１ａは、作製したい繊維強化プラスチック部材１００の横断面形状に対応している。なお、図２は、説明を理解しやすくするために、離型シート３及びパスメディア４の記載を省略している。

離型シート３は、繊維強化プラスチック部材１００の表面性状を滑らかに整えるとともに、パスメディア４及びそれよりも上層に位置するプレッシャープレート５、バッグフィルム６を、成形された繊維強化プラスチック部材１００から剥離するために設けられる。離型シート３は、成形空間Ｓの内部に注入される樹脂組成物Ｒが透過可能で、かつ平面が滑らかな素材で構成される。
パスメディア４は、注入された樹脂組成物Ｒを成形空間Ｓに行き渡らせる流路として機能する。パスメディア４は、メッシュ状のシートから構成される。

プレッシャープレート５は、本実施形態の特徴部分であり、ばね性を備えるステンレス鋼から構成される。プレッシャープレート５は、図２（ａ）に示すように、外力が加わらない自由状態では、偏平な板状をなしているが、ばね性を備えているために、外力が加わったときに弾性変形する範囲（変形能）が大きく、かつ、外力を解除したときに偏平板状に容易に復元される。

［減圧・樹脂含浸ステップ］
バッグフィルム６と成形型１の間に成形空間Ｓを形成したのち、図１（ｂ）に示すように、真空ポンプ９を駆動させて吸引口７から吸引し、成形空間Ｓを減圧する。成形空間Ｓの内部に配置される強化繊維基材２には、成形空間Ｓ内の圧力とバッグフィルム６の外部の大気圧との差分の圧力（成形負荷）がプレッシャープレート５を介して作用する。したがって、図２（ｂ）に示すように、強化繊維基材２が成形型１の成形面１ａに倣って横断面が円弧状に変形するとともに、ばね性を有するプレッシャープレート５が円弧状に変形する。
また、成形空間Ｓを減圧すると、注入口８には貯留槽１０が接続されているので、注入口８を介して減圧下の成形空間Ｓの内部に貯留層１０内の液状の樹脂組成物Ｒが注入される。成形空間Ｓに注入された樹脂組成物Ｒは、パスメディア４及び離型シート３を順に通過して、強化繊維基材２に含浸される。

［樹脂硬化ステップ］
必要な量の樹脂組成物Ｒが強化繊維基材２に含浸されたならば、含浸された樹脂組成物Ｒを硬化させる。樹脂組成物Ｒが熱硬化性樹脂である場合、成形空間Ｓを加熱することで硬化させる。なお、樹脂組成物Ｒの硬化工程においても、成形空間Ｓを減圧に維持することが好ましい。樹脂組成物Ｒを加熱するために、任意の加熱装置を用いることができる。例えば、ヒーターを内蔵するマットをバッグフィルム６の上に載せて樹脂組成物Ｒを加熱することができる。
樹脂組成物Ｒが硬化した後、減圧及び加熱を解除する。そして、吸引口７と真空ポンプ９の接続及び注入口８と貯留槽１０の接続を各々解除したのち、離型シート３を硬化した繊維強化プラスチック部材１００から剥離し、パスメディア４、プレッシャープレート５及びバッグフィルム６を取り外す。その後、成形を終えた繊維強化プラスチック部材１００を成形型１から取り出す。
以上で、繊維強化プラスチック部材１００の一連の成形工程が終了する。

［プレッシャープレートの変形履歴］
次に、以上説明した繊維強化プラスチック部材１００の成形過程におけるプレッシャープレート５の変形の履歴を説明する。
図２（ａ）に示すように、プレッシャープレート５は、外力が加わらない自由状態で偏平である。しかし、強化繊維基材２の上に配置された後に、成形空間Ｓが減圧されると、図２（ｂ）に示すように、プレッシャープレート５は、成形型１の成形面１ａに倣って円弧状に変形する。この円弧状の変形を維持したままで、強化繊維基材２に含浸された樹脂組成物Ｒの加熱、硬化がなされる。樹脂組成物Ｒの硬化後に、成形空間Ｓの減圧を止めると、図２（ｃ）に示すように、プレッシャープレート５は、再び外力の加わらない自由状態となり、円弧状から偏平な形状に復元する。
このように、プレッシャープレート５がばね性を有するステンレス鋼から構成されているために、円弧状の横断面を有する繊維強化プラスチック部材１００を成形するのに、偏平なプレッシャープレート５を用いることができる。すなわち、材料に切削加工を施すことなく偏平な板材をそのままプレッシャープレート５として使用することができるので、プレッシャープレート５の製作コストを低減することができる。
また、レッシャープレート５は、偏平な形状に容易に復元するので、その後に行なわれる繊維強化プラスチック部材１００の成形に繰り返して利用することができる。
また、図３（ａ）と図３（ｂ）に示すように、共通のプレッシャープレート５を用いて成形することができる。したがって、形状の異なる繊維強化プラスチック部材１００を成形するのに、用意するプレッシャープレート５の種類を最小限に抑えることができるので、プレッシャープレート５の製作や維持管理に費やされるコストを低減することができる。なお、図２と同様に、図３も離型シート３及びパスメディア４の記載を省略している。
ここで、強化繊維基材２とプレッシャープレート５の間には実際には離型シート３及びパスメディア４が存在しているが、この存在の如何にかかわらず、プレッシャープレート５が成形型１に倣って変形することができる。離形シート３及びパスメディア４は、強化繊維基材２及びプレッシャープレート５の変形を損なわないように変形が容易な素材で構成されているからである。

［プレッシャープレートの好適な材質］
プレッシャープレート５は、ばね性を有するステンレス鋼から構成される。
プレッシャープレート５がばね性を必要とする理由は上述の通りであるが、プレッシャープレート５を繰り返して使用する観点から、耐食性を備えるステンレス鋼を用いる。
本発明においては、ばね性を耐力で判断し、耐力が５００Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、７００Ｎ／ｍｍ^２以上であることがより好ましい。
また、本発明に用いるステンレス鋼は、樹脂組成物Ｒの硬化後の脱型時にプレッシャープレート５に傷が付き難いことが好ましい。傷が付くと、繊維強化プラスチック部材１００の表面性状を整えるというプレッシャープレート５の機能を損なうおそれがあるからである。そこで、本発明で用いるステンレス鋼は、硬さが３００Ｈｖ以上であることが好ましく、３５０Ｈｖ以上であることがより好ましい。ただし、ステンレス鋼自体の硬さを３００Ｈｖ以上とするのに代えて、熱処理、溶射、メッキ、コーティングなどの表面処理によりプレッシャープレート５の表面の硬さを３００Ｈｖ以上とすることもできる。
さらに、プレッシャープレート５は、繊維強化プラスチック部材１００の成形過程において、強化繊維基材２の形状に倣って容易に弾性変形し、かつ、復元できることが望ましい。したがって、本発明に用いるステンレス鋼は、弾性係数（ヤング率）が１８０×１０^３Ｎ／ｍｍ^２以上であることが好ましく、１９０×１０^３Ｎ／ｍｍ^２以上であることがより好ましい。
以上の機械的な性質を備えるステンレス鋼の代表例を表１に示す。

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

例えば、本発明は、繊維強化プラスチック素材としてプリプレグを用いるオートクレーブ成形法にも適用できる。オートクレーブ成形法は、概略以下の工程を辿る。
成形型の上に複数枚のプリプレグを積層した後に、積層されたプリプレグと成形型をバッグフィルムで覆う。バッグフィルムで覆われた成形空間の内部を減圧して排気した後に、プリプレグ及びバッグフィルムが載せられた成形型をオートクレーブの内部に搬入する。バッグフィルムの内部が減圧された状態で、オートクレーブの内部を加圧すると、バッグフィルムを介して成形空間の内部が加圧される（成形負荷）。所定の圧力まで加圧したならば、オートクレーブの内部の温度を、室温から樹脂の硬化温度まで昇温する。硬化温度に到達後、オートクレーブの内部を当該温度に所定時間だけ保持する。保持後、オートクレーブの内部を所定温度まで降下させる。また、オートクレーブ内の圧力も降下させる。途中、適当な温度でバッグフィルム内部の圧力を大気圧にすることができる。
その後、オートクレーブから成形型を搬出後、繊維強化プラスチック部材を成形型から離型する。
以上のオートクレーブ成形法においても、プリプレグとバッグフィルムの間にプレッシャープレートを介在させることがあるので、本発明によるプレッシャープレートを適用することができる。

また、本実施形態はマトリックス樹脂として熱硬化性樹脂を用いたが、本発明は熱可塑性樹脂を用いることもできる。マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合には、マトリックス樹脂を溶融させて、成形空間内に注入して強化繊維基材に浸透させた後に、冷却して硬化させればよい。

また、繊維強化プラスチック部材１００の円弧状の横断面はあくまで一例であり、本発明のプレッシャープレートは、他の横断面の形状、例えば階段状の横断面に対しても適用することができる。さらに、以上の実施形態は、繊維強化プラスチック部材１００の横断面の形状に倣ってプレッシャープレート５が変形する例を示したが、本発明は、縦断面の形状に倣ってプレッシャープレート５が変形する場合をも包含する。

１ 成形型
１ａ 成形面
２ 強化繊維基材
３ 離型シート
４ パスメディア
５ プレッシャープレート
６ バッグフィルム
７ 吸引口
８ 注入口
９ 真空ポンプ
１０ 貯留槽
１１ シール部材
１００ 繊維強化プラスチック部材
１１０ 強化繊維基材
１２０ マトリックス樹脂
２００ 成形型
２０１ 成形面
２０２ プレッシャープレート
２０３ 成形面
２０５ 繊維強化プラスチック部材
Ｒ 樹脂組成物
Ｓ 成形空間

Claims (6)

1. 成形型と被覆材の間に形成される成形空間内に、前記成形型と対向して繊維強化プラスチック素材を配置するとともに、前記繊維強化プラスチック素材と前記被覆材の間にばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートを配置する工程と、
   前記成形空間の内部に成形負荷を与える工程と、
   前記繊維強化プラスチック素材に含まれる樹脂組成物を硬化させる工程と、
   を備えることを特徴とする繊維強化プラスチック部材の成形方法。
2. 繊維強化プラスチック素材としての強化繊維基材を成形型に載せる配置工程と、
   前記成形型に載せられた前記強化繊維基材を前記被覆材で覆う被覆工程と、
   成形負荷として前記成形空間の内部を減圧する減圧工程と、
   減圧された前記成形空間内に流動状態にある前記樹脂組成物を供給し、前記強化繊維基材に含浸させる樹脂含浸工程と、
   前記樹脂組成物を加熱して硬化させる樹脂硬化工程と、を備え、
   前記被覆工程において、
   前記強化繊維基材と前記被覆材の間に、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートを配置する、
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック部材の成形方法。
3. 繊維強化プラスチック素材として、繊維基材とマトリクス樹脂組成物を含むプリプレグを成形型に載せる配置工程と、
   前記成形型に載せられた前記プリプレグを前記被覆材で覆う被覆工程と、
   前記成形空間の内部を減圧して排気する減圧工程と、
   成形負荷として前記被覆材を介して前記成形空間の内部を加圧するとともに、前記プリブレグ材の前記樹脂組成物を加熱して硬化させる樹脂硬化工程と、備え、
   前記被覆工程において、
   前記プリプレグと前記被覆材の間に、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートを配置する、
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック部材の成形方法。
4. 前記ばね用鋼は、
   耐力が５００Ｎ／ｍｍ^２以上、
   硬さが３００Ｈｖ以上、
   縦弾性係数が１８０×１０^３Ｎ／ｍｍ^２以上、
   の少なくとも１つの機械的特性を有するステンレス鋼からなる、
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック部材の成形方法。
5. 前記プレッシャープレートは、
   前記成形空間の内部に前記成形負荷を付与している間、前記繊維強化プラスチック素材の形状に倣って弾性変形し、
   前記樹脂組成物の硬化後に、前記成形負荷を開放し、前記被覆材を取り除くと、偏平な形状に復元する、
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化プラスチック部材の成形方法。
6. 成形型と、
   前記成形型と対向して配置される繊維強化プラスチック素材を覆う被覆材と、
   前記繊維強化プラスチック素材と前記被覆材の間に配置される、ばね用鋼からなる偏平なプレッシャープレートと、を備える、
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック部材の成形装置。

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