JPH1034756A

JPH1034756A - Ｆｒｐ成形方法および装置

Info

Publication number: JPH1034756A
Application number: JP8187020A
Authority: JP
Inventors: Norman Greave Bruce; ノーマングリーブブルース
Original assignee: Budd Co
Current assignee: ThyssenKrupp Budd Co
Priority date: 1996-06-28
Filing date: 1996-06-28
Publication date: 1998-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】均質なＦＲＰ成形体を比較的簡単な設備を用
いて比較的安価に製造する。【構成】補強繊維と熱可塑性樹脂マトリクス繊維とを
有する混合物からプリフォームを成形し、プリフォーム
を熱可塑性樹脂マトリクス繊維を溶融するに十分な温度
に加熱して熱可塑性樹脂マトリクス繊維を補強繊維を囲
むように流動させ、プリフォームを冷却して熱可塑性樹
脂マトリクス繊維を固化してＦＲＰ構造体を成形する。
混合物に十分な量の補強繊維と熱可塑性樹脂マトリクス
繊維が配合されていることにより、補強繊維がＦＲＰ構
造体に剛性を与え、熱可塑性樹脂マトリクス繊維がＦＲ
Ｐ構造体に実質的な均質性を与える。

Description

【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）構造体を製造するためのＦＲＰ成形方法お
よび装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＦＲＰ成形体ないし部品は公知であり、
様々な用途に供されている。ＦＲＰ成形体は、一般に、
カーボン、ファイバーグラスその他の補強繊維がプラス
チック内に分散されて該プラスチックの強度を増大させ
ている。

【０００３】ＦＲＰ成形体を製造する方法の一つとして
レジントランスファ成形法（ＲＴＭ）（別名レジンイン
ジェクション成形法）が知られている。このＲＴＭは、
繊維材料をセットした型に樹脂を注入して繊維材料を樹
脂含浸し、硬化させて成形体を得るものである。ＲＴＭ
の数例が米国特許第４７４０３４６号、第４８４９１４
７号、第４８６３７７１号および第５２８６３２６号に
開示されている。

【０００４】ＲＴＭでは、しばしば、型に配置する前に
繊維材料を所定の予備的形状に成形することが行われ
る。この予備成形品はプリフォームと呼ばれ、金型のダ
イ表面形状に略対応するように成形される。

【０００５】プリフォームは幾つかの異なる方法で成形
されてきた。一つの方法は、空気流によりチョップドフ
ァイバ（繊維片）をスクリーンに吹き付けてプリフォー
ムを成形するものである。この方法における一つの問題
は、所望の繊維配向を得ることが困難なことである。

【０００６】他の方法によれば、繊維材料のマットから
プリフォームを成形するが、膨大な量のスクラップが発
生すると共に多大な労働力を要するため、製造コストが
嵩むという不利がある。

【０００７】さらに別の方法はウエットスラリー法と呼
ばれるもので、Ｋｅｏｕｎらによる文献に記載されてい
る。ウエットスラリー法は、ガラス繊維のチョップドス
トランドを含むスラリーを真空吸引して、スクリーンで
被覆されたチャンバー内に吹き付けて、繊維をスクリー
ン上に付着させるものである。しかしながら、この方法
にも幾つかの欠点がある。一つの欠点は、所望の繊維配
向と繊維密度とを両立させることが必ずしも容易ではな
いことである。加えて、スラリーを吸引してスクリーン
に付着させるためにはポンプその他の複雑な設備を用い
て必要な真空条件を作り出さなければならず、さらには
その保守にも多大な費用と労力を要する。また、この方
法は比較的緩慢であって製品歩留まりが良好でない。

【０００８】ウエットスラリー法の改良が米国特許第５
０３９４６５号に開示されている。この改良法は、繊維
のスラリーを収容するタンクからスクリーンを引き上げ
ることにより、繊維をスクリーンに付着させることを提
案するものである。さらに、スクリーンに特異形状の穴
を設けて繊維に所定の配向を与えている。

【０００９】あらゆるプリフォーム成形法において、プ
リフォームの形状あるいは繊維配向を損なわずにプリフ
ォームを取り扱うことが重要である。このために、米国
特許第５２８６３２６号では、プリフォーム成形時に接
着性物質を繊維と共に付着させることを開示している。
接着性物質はプリフォームに十分な強度を与え、その形
状ないし繊維配向を損なわずにプリフォームを取り扱う
ことを可能にする。主として接着性物質には熱可塑性繊
維が用いられ、これをウエットスラリー処理法において
補強繊維と共にスラリーに混合する。あるいは空気吹き
付け法が用いられる場合には熱可塑性繊維を補強繊維と
共にスクリーン上に吹き付ける。

【００１０】スクリーン上に付着されたままの状態で成
形されたプリフォームは、次いで高周波電磁界において
数秒間の処理を受ける。これにより、接着性物質である
熱可塑性繊維が溶融し、プリフォームの補強繊維を接着
する。その後プリフォームは直ちにスクリーンから取り
除くことが可能であり、ダメージを与えずに取り扱うこ
とが可能となる。その後、型に樹脂を注入してプリフォ
ーム内の繊維に含浸させて所定の構造体を成形する。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上述の従来技術はいず
れも若干の不利欠点を伴っている。改良されたウエット
スラリー法は概ね満足すべきものではあるが、なお一層
優れたＦＲＰ成形技術の開発が望まれる。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は上述の課題を解
決することを目的とする。すなわち、本発明によるＦＲ
Ｐ成形方法は、（ａ）補強繊維と熱可塑性樹脂マトリク
ス繊維とを有する混合物からプリフォームを成形し、
（ｂ）プリフォームを熱可塑性樹脂マトリクス繊維を溶
融するに十分な温度に加熱して熱可塑性樹脂マトリクス
繊維を補強繊維を囲むように流動させ、（ｃ）プリフォ
ームを冷却して熱可塑性樹脂マトリクス繊維を固化して
ＦＲＰ構造体を成形し、（ｄ）かくして、混合物に十分
な量の補強繊維と熱可塑性樹脂マトリクス繊維が配合さ
れていることにより、補強繊維がＦＲＰ構造体に剛性を
与え、熱可塑性樹脂マトリクス繊維がＦＲＰ構造体に実
質的な均質性を与えることを特徴とする。

【００１３】本発明の異なる態様によるＦＲＰ成形方法
は、（ａ）液体を充填したタンク内に所定形状のスクリ
ーンを配置し、（ｂ）液体に補強繊維を加えてスラリー
とし、（ｃ）スラリーに可溶性の樹脂マトリクス繊維を
加え、（ｄ）スラリーにさらに可溶性のバインダー繊維
を加え、（ｅ）スクリーンをタンク内において上昇さ
せ，てこれら繊維をスクリーン上に付着させ、（ｆ）ス
クリーンをタンクから取り除き、（ｇ）スクリーン上に
付着されたプリフォームを樹脂マトリクス繊維を溶融さ
せるに十分な温度に加熱することにより、樹脂マトリク
ス繊維をプリフォームの全体に流動させてＦＲＰ構造体
を得、（ｈ）ＦＲＰ構造体を回収することを特徴とす
る。

【００１４】さらに、本発明によるＦＲＰ成形装置は、
（ａ）補強繊維、熱可塑性バインダー繊維および熱可塑
性樹脂マトリクス繊維よりなる混合物を収容するタンク
と、（ｂ）タンク内に設けられる所定形状のスクリーン
と、（ｃ）スクリーンをタンク内において移動させるこ
とにより混合物をスクリーン上に堆積させてプリフォー
ムを得るための移動手段と、（ｄ）プリフォームおよび
スクリーンに高温流体を通すことにより熱可塑性バイン
ダー繊維を溶融させてプリフォームの粘性を高めるため
の第１の加熱手段と、（ｅ）プリフォームに高温流体を
通すことにより熱可塑性樹脂マトリクス繊維を溶融させ
て補強繊維を相互接着せしめるための第２の加熱手段と
を有することを特徴とする。

【００１５】本発明によれば、補強繊維と可溶樹脂マト
リクス繊維との混合体としてのプリフォームが成形され
る。プリフォームは樹脂マトリクス繊維を溶融させるに
十分な温度に加熱され、これにより、溶融した樹脂マト
リクス繊維が流動して補強繊維を取り囲み、冷却後には
実質的に均質なＦＲＰ構造体が得られる。

【００１６】好ましくは、２つの異なるタイプの熱可塑
性繊維を補強繊維と共にスラリーに導入するスラリー法
によってプリフォームを成形する。第１のタイプの熱可
塑性繊維はバインダーとしての熱可塑性繊維であり、第
２のタイプの熱可塑性繊維よりも低い融点を有し、プリ
フォームを仮接着ないし仮成形し、あるいはその粘着性
を高める働きをなす。第２の熱可塑性繊維は第１の熱可
塑性繊維よりも低い融点と低い配合量（concentration
）とを有する。第２の熱可塑性繊維は樹脂マトリクス
繊維として働き、加熱された後に補強繊維を保持して構
造体としての成形性を与えるためのマトリクスとなる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に添付図面を参照しながら本
発明の実施例について説明するが、本発明はこれら実施
例に限定されるものではなく、広範な範囲において様々
な変形態様を取りうることを理解されたい。

【００１８】以下に述べる実施例は、既述した米国特許
第５０３９４６５号に開示されるウエットスラリー法に
本発明を適用した例を示すものである。

【００１９】図１ないし図７を参照して、所定パターン
に配置された穴を有する所定形状のスクリーン１６がマ
スク１４の表面に形成された開口１９内に配置されてい
る。開口１９に臨むマスク１４の内縁部の上面側はさね
はぎされて（図７参照）、このさねはぎ部に断面Ｌ字状
の端部形状を有するリング状のシール１８が嵌着されて
おり、さらに該シール１８上にスクリーン１６の上端か
ら外方に延長しているリップ１７が支持されている。シ
ール１８とリップ１７はマスク１４の表面１５と面一に
設けられている。

【００２０】マスク１４とスクリーン１６はフレーム２
８とマトリクスサブフレーム３０により支持されてい
る。サブフレーム３０は金属製の垂直バーと水平バーと
による格子体である。サブフレーム３０は全体としてス
クリーン１６の形状に沿うように各垂直バーの頂部高さ
位置が定められており、スクリーン１６の全表面に対す
る支持体として働く。サブフレーム３０の底部はフレー
ム２８上に支持されている。図５に示されるように、サ
ブフレーム３０には複数の穴３０が設けられ、液体がス
クリーン１６を通過可能にしている。

【００２１】図１に示されるように、スクリーン１６は
処理開始時にはタンク１２の底部に配置される。次いで
タンク１２には水とグラスファイバー、グラファイト、
ポリエステルその他の適当な補強繊維片（チョップドス
トランド）が充填される。補強繊維は一般に約５００本
のフィラメントの束であり、その径は２．５〜２５ミク
ロンであって、０．５〜６インチ（約１．３〜１５．２
ｃｍ）の長さにカットされたものである。このスラリー
３５にさらにバインダー繊維５０を混合する。好適に
は、バインダー繊維は、スラリー３５を形成するために
添加された繊維の全重量の約３〜１０重量％、より好ま
しくは約６％とされる。

【００２２】バインダー繊維５０の一例が、熱可塑性材
料５２に強磁性の充填材料５４が分散された複合材料と
して、図８に示されている。熱可塑性材料５２は熱可塑
性ポリエステル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイ
ロン等の繊維に成形するに適当な任意の熱可塑性材料で
あってよい。充填材料５４は任意の強磁性材料であって
よく、たとえば微粒状として熱可塑性マトリクス５２に
分散される。好適な強磁性材料はたとえば米国特許第２
３９３５４１号に開示されるものであり、鉄、ニッケ
ル、コバルト、あるいはそれらの強磁性合金または酸化
物を含有する。好適な一例として、バインダー繊維５０
には、熱可塑性ポリエステルのマトリクスに約０．５〜
５ミクロン径の不規則球形を有する酸化鉄粒子を５〜２
０重量％分散させたものを用いることができる。

【００２３】高周波電磁界に晒されると、充填材料５４
が発熱して熱可塑性材料５２を溶融し、所定位置にセッ
トされたプリフォームの補強繊維同士を接着する。バイ
ンダー繊維５０は、熱可塑性材料の塊を溶融し、これに
多量の強磁性材料を加えて混合して均質な混合物とし、
スピネレット（紡績口金）その他の適当な装置を介して
この混合物を押し出しもしくはスピニングして所定径に
成形することができる。この繊維は次いで所定長さにカ
ットされる。本発明ではバインダー繊維５０は好ましく
は２５〜５０ミクロン径であり、約０．２５〜１．２５
インチ（約０．６〜３．２ｃｍ）の長さにカットされた
ものが用いられる。

【００２４】再び図１および図２を参照して、スクリー
ン１６、マスク１４およびフレーム２８は、フレーム２
８に取り付けたピストン３１を作動させることにより、
タンク１２の頂部に向けて上昇する。スクリーン１６を
タンク１２の頂部に上昇させる際にスクリーン１６の下
方に局部的な真空が形成されるように十分に速い速度で
上昇させることが好ましい。この局部的真空は、スラリ
ー３５に対して作用する大気圧と相まって、スラリー３
５をスクリーン１６に通過させ、スクリーン１６上に繊
維を分散させる働きをなす。なお、スラリー３５がマス
ク１４とタンク１２の壁との間を通過して漏出しないよ
うにシール２０が設けられている。

【００２５】上述の圧力差は、マスク１４またはスクリ
ーン１６の一部がスラリー３５の表面上に現れ、スクリ
ーン１６を通過するスラリー３５の流動が停止したとき
に均衡化される。したがって、できるだけ長い間スクリ
ーン１６がスラリー３５の表面よりも下方に止まるよう
に維持することが好適である。

【００２６】図５に示されるように、タンク１２の内壁
に接する端部から開口１９に至る領域においてマスク１
４は平坦な表面１５を有している。これにより、スクリ
ーン１６がタンク１２の頂部に到達するまでの間スクリ
ーン１６およびマスク１４の実質的にすべての部分がス
ラリー３５の表面下に維持され、上述の圧力差が維持さ
れる時間が最大限確保されるように配慮されている。

【００２７】平坦なマスク表面１５はまた、タンク１２
の頂部に向けてスクリーン１６を上昇させる際に、スラ
リー３５の繊維の実質的全量をスクリーン１６内に進入
させるべく働く。マスク１４およびその平坦表面１５の
もう一つの有利な点は、補強繊維を均一に混合するため
の手段を与えていることである。

【００２８】図５および図６に示されるように、複数の
分散チューブ２４が平坦表面１５の下方位置にてマスク
１４に埋設されており、孔２６を介してマスク表面１５
に開口している。空気や水その他の流体がその供給源３
４から中空のピストンロッド３１を介して分散チューブ
２４に供給される。チューブ２４に供給された流体は孔
２６を介してタンク１２内に導入される。かくしてスラ
リー３５はこの導入空気等の流体によりマスク表面１５
の上方域において激しく攪拌されるため、スラリー３５
内の補強繊維およびバインダー繊維を均一に分散させる
と共に、スラリー３５の流動をマスク表面１５からスク
リーン１６に向けて円滑に案内する作用を果たす。

【００２９】図２および図３には本発明装置の第１実施
例が処理終了時の位置にあるものとして示されている。
スクリーン１６が上昇してタンク１２の頂部に到達した
とき、スクリーン１６の表面にはスラリー３５の補強繊
維とバインダー繊維とが付着されて繊維プリフォーム３
６となる。次いで、高周波電磁界発生装置４０が繊維プ
リフォーム３６に近接する位置に下降する。この実施例
に示される高周波電磁界発生装置４０においては、プリ
フォーム３６と実質的に同一形状をなすプラグ４２がベ
ース４５に設けられている。プラグ４２の表面４３近く
には複数の電磁誘導コイル４４が埋設されている。プラ
グ４２がピストン４８により下降すると、プリフォーム
３６がプラグ４２表面により圧縮され、且つ、高周波電
磁界が形成されることにより、熱可塑性のバインダー繊
維が溶融してプリフォーム３６の補強繊維を一時的に接
着する。

【００３０】本発明においては、適当な制御装置（図示
せず）により２ＫＨｚ〜２ＭＨｚの範囲の高周波電磁界
が形成される。好適な一実施例においては、２〜１５秒
間、特に好適には約５秒間、１ＭＨｚの高周波電磁界が
形成される。

【００３１】本発明による接着作用の詳細は必ずしも理
論的に完全には解明されていないが、電磁界によるバイ
ンダー繊維の加熱がその隣接領域の温度を高め、バイン
ダー繊維の近くの水滴を集中的に蒸発させるものと理解
される。また、電磁界形成中に水滴が高温のバインダー
繊維によって駆逐されるため、バインダー繊維の溶融を
助長し、隣接する補強繊維同士を接着させるための接着
剤としての作用を果たす。電磁界が取り除かれると、毛
細現象により隣接領域にある水滴が元の位置に戻ろうと
し、これによりバインダー繊維を冷却固化する。したが
って、電磁界の形成は、水分を多く含む取り扱いにくい
未硬化プリフォームを取り扱い容易な成形体とするに必
要且つ十分な短い時間に限定する必要がある。

【００３２】プリフォーム３６の補強繊維同士が仮接着
された後、適当な方法によりプリフォーム３６をスクリ
ーン１６から取り除く。図示実施例により成形されるプ
リフォームが図４に例示されている。本発明の実施に際
しては、プリフォーム３６の除去作業を容易にするため
に、スクリーン１６の表面にテフロン（登録商標）その
他のコーティングを施して、プリフォーム３６がスクリ
ーン表面に貼り付くことを防止することが好適である。

【００３３】スクリーン１６から取り除かれたプリフォ
ーム３６は、残余の水分を除去するために必要に応じて
乾燥される。プリフォーム３６の乾燥は圧縮空気を対流
させる方法、その他本発明において採用可能な任意の方
法により行うことができる。プリフォーム３６の乾燥
後、これを成形型に配置し、型に樹脂を注入することに
より、プリフォームの繊維に樹脂が含浸され、所定形状
のＦＲＰ成形体が得られる。

【００３４】図９ないし図１２は本発明の第２の実施例
を示す。これらの図において、先述の実施例と同様の要
素には同じ参照番号が付されている。

【００３５】図９に示されるように、所定形状のスクリ
ーン１６の処理開始時の位置はタンク１２の底部であ
る。次いでタンク１２には水と補強繊維の切断小片が充
填され、得られたスラリー３５に更にバインダー材料が
添加される。

【００３６】この実施例で用いられるバインダー材料は
熱可塑性材料、好ましくは熱可塑性繊維の単一材料より
なるマトリクスである。このマトリクスとなる材料に
は、熱可塑性のポリエステル、ポリプロピレン、ポリエ
チレン、ナイロンその他、繊維状に成形可能な任意の熱
可塑性材料が用いられ得る。バインダー材料の好適な一
例として、高温蒸気に晒されたときに溶融する熱可塑性
ポリエステル繊維を用いることができる。溶融した熱可
塑性ポリエステル繊維は後に冷却されたときに固化し
て、所定位置にセットされたプリフォームの補強繊維を
接着させる。

【００３７】バインダー繊維は、熱可塑性材料の塊を溶
融し、これに多量の強磁性材料を加えて混合して均質な
混合物とし、スピネレット（紡績口金）その他の適当な
装置を介してこの混合物を押し出しもしくはスピニング
して所定径に成形することによって製造することができ
る。この繊維は次いで所定長さにカットされる。

【００３８】この実施例ではバインダー繊維は好ましく
は２５〜５０ミクロン径であり、約０．２５〜１．２５
インチ（約０．６〜３．２ｃｍ）の長さにカットされた
ものが用いられる。

【００３９】図９および図１０を参照して、フレーム２
８に取り付けられたピストン３１を作動させることによ
り、先述の実施例におけると同様にして、取り外し可能
な所定形状のスクリーン１６、マスク１４およびフレー
ム２８がタンク１２の頂部に向けて上昇する。

【００４０】図１０および図１１は処理終了位置にある
装置を示している。タンク１２の頂部に到達すると、ス
ラリー３５の補強繊維とバインダー繊維がスクリーン１
６に付着して所定形状のプリフォーム３６が得られる。
この実施例ではプリフォーム３６の内面の形状および大
きさに対応させた第２のスクリーン６６がベース４５に
設けられている。ピストン４８の作動時に第２のスクリ
ーン６６はベース４５と共に下降し、スクリーン１６内
に入れ子状に収容されて、補強繊維とバインダー繊維を
適所に保持する。スクリーン１６、６６には、それらの
間に配置される補強繊維とバインダー繊維を圧縮し、そ
れら繊維よりなるプリフォーム３６内の水分を除去する
に十分な圧力が相対的に近づく方向に与えられる。

【００４１】高温蒸気供給管６８と冷却空気供給管７０
がベース４５に接続されている。ベース４５には高温蒸
気供給管６８に通ずる供給口７２が設けられ、高温蒸気
を供給管６８を通じてチャンバ７６、更には第２のスク
リーン６６の内面に供給することを可能にしている。高
温蒸気は、第２のスクリーン６６に設けられた複数の排
出口７８（図１１）およびプリフォーム３６から排出さ
れる。ベースには更に冷却空気供給管７０に通ずる供給
口７４が設けられ、冷却空気を供給管７０からベース４
５を通じてプリフォーム３６に供給することを可能にし
ている。

【００４２】この装置の稼働中、取り外し可能なスクリ
ーン１６、補強繊維、バインダー繊維および第２のスク
リーン６６は高温蒸気（またはその他の適当な加熱流
体）に晒されることになる。この高温蒸気はバインダー
繊維を溶融させるに十分に高温（少なくとも１５０℃）
であり、且つ、十分な時間（１５ないし９０秒間）維持
される。高温蒸気でバインダー繊維が加熱されることに
より、該バインダー繊維の周辺領域におけるプリフォー
ム温度が上昇され、該バインダー繊維の近くにある水滴
を蒸発させる。

【００４３】バインダー繊維が溶融した後、スクリーン
１６、補強繊維、バインダー繊維および第２のスクリー
ン６６は約１０〜３０秒間約１５０℃以下の冷却空気に
晒される。これによりバインダー繊維が固化し、補強繊
維を仮接着して適所に固定する。

【００４４】以上の説明から理解されるように、高温蒸
気および冷却空気による処理は、水分を多く含んで取り
扱い困難な未硬化状態のプリフォームを取り扱い容易な
成形体に変換するに必要且つ十分な限られた時間内で行
う必要がある。

【００４５】プリフォーム３６の補強繊維同士を接着さ
せた後、第２のスクリーン６６をタンク１２の上方位置
に後退移動する。次いでスクリーン１６、マスク１４お
よびフレーム２８をタンク１２内に下降させる。これに
より、スラリー表面とマスク１４底面との間に残存する
空気がスクリーン１６を通じて排出されるため、この排
出空気により、プリフォーム３６がスクリーン１６から
離脱する。離脱したプリフォーム３６は適当な任意の方
法で回収される。

【００４６】回収したプリフォーム３６は必要に応じて
残余水分を除去するために乾燥される。プリフォーム３
６の乾燥は圧縮空気を対流させる方法、その他本発明に
おいて採用可能な任意の方法により行うことができる。

【００４７】プリフォーム３６の乾燥後、これを成形型
に配置し、好ましくは既述したレジントランスファ成形
法（ＲＴＭ）を用いて型に樹脂を注入することにより、
プリフォームの繊維に樹脂が含浸され、所定形状のＦＲ
Ｐ成形体が得られる。

【００４８】図１３ないし図１７は本発明の第３の実施
例を示す。これらの図において、先述の実施例と同様の
要素は同じ符号で示されている。この実施例では、最終
製品のＦＲＰ成形体を得るための樹脂注入工程は不要で
ある。

【００４９】第３の実施例によるＦＲＰ成形体の製造工
程が図１３に簡潔に示されている。図１３において工程
２００として示され、また図１４に示されるように、所
定形状のスクリーンは処理開始時にはタンク１２の底部
に位置している。タンク１２には次いで水と補強繊維片
８１が充填されてスラリー３５を形成する。この実施例
では、先述の実施例において述べたタイプのバインダー
繊維８３が樹脂マトリクス繊維８５と共にスラリー３５
に添加される。

【００５０】バインダー繊維８３は熱可塑性材料で形成
され、樹脂マトリクス繊維８５よりも低い融点と低い重
量比を有する。典型的には、バインダー繊維８３はプリ
フォームの全重量の約２〜７％を占め、約２８０°Ｆ
（約１３０℃）以下の融点を有する。一方、熱可塑性樹
脂マトリクス繊維８５はプリフォームの全重量の約３０
〜７０を占め、約３００〜約４５０°Ｆ（約１５０〜２
３０℃）の融点を有する。最終製品のＦＲＰ成形体の残
重量％は補強繊維８１よりなる。

【００５１】先述の実施例でも述べたように、補強繊維
８１はグラスファイバー、グラファイト、ポリエステル
その他の適当な補強繊維よりなる。典型的には、補強繊
維８１は長さ約０．５〜４インチ（約１．３〜１０．２
ｃｍ）で２５〜５０ミクロン径のものである。

【００５２】バインダー繊維８３には約２５〜５０ミク
ロン径で長さ約０．２５〜１．２５インチ（約０．６〜
３．２ｃｍ）のものが典型的に用いられる。バインダー
繊維８３は、先述の実施例と同様、熱可塑性ポリエステ
ル、ポリプロピレン、ポリエチレン、ナイロン等の熱可
塑性樹脂よりなるものとすることができる。

【００５３】熱可塑性樹脂マトリクス繊維８５はプリプ
ロピレン、熱可塑性ポリエステル（ＰＥＴｓ）、ナイロ
ン等で成形可能であり、その長さは約０．５〜３インチ
（約１．３〜７．６ｃｍ）、その径は約２５〜５０ミク
ロンとすることができる。バインダー繊維８３を熱可塑
性樹脂マトリクス繊維８５と別に用いることに代えて、
単一の繊維を用いてもよい。この場合の繊維材料は、異
なる融点を有する２種またはそれ以上の熱可塑性樹脂を
異なる重量比で配合して得る。

【００５４】図１３の工程２０２を参照して、図１４お
よび図１５に示されるように、先述の実施例におけると
同様、フレーム２８に取り付けたピストン３１の作動に
より、取り外し可能な所定形状のスクリーン１６、マス
ク１４およびフレーム２８がタンク１２の頂部に上昇移
動する。

【００５５】タンク１２の頂部に到達したとき、スラリ
ー３５の補強繊維８１、接着繊維８３および樹脂マトリ
クス繊維８５はスクリーン１６に付着して所定形状のプ
リフォーム３６をなしている。

【００５６】この実施例では、高含水状態のプリフォー
ム３６がタンク１２の頂部に到達した直後に、スクリー
ン１６と高含水状態のプリフォーム３６とがタンク１２
から取り外されて、図１３の工程２０４および図１６に
示されるようにオーブン７９に投入される。プリフォー
ム３６の頂部と底部の間に負圧差を作ることにより蒸気
のような高温流体をプリフォーム３６に吹き付ける。こ
のようにして発生した高温流体もしくは蒸気は熱可塑性
バインダー繊維８３を溶融させるには十分であるが、よ
り高い融点を有する熱可塑性樹脂マトリクス繊維８５を
溶融させるものではない。たとえばプリフォーム３６は
オーブン７９内で約１分間約３００°Ｆ（約１５０℃）
に加熱される。

【００５７】冷却後、補強繊維８１は溶融したバインダ
ー繊維８３により仮接着されて、高粘性プリフォーム８
０を作る。高粘性プリフォームとは、プリフォーム３６
をスクリーンから除去可能であって且つ保形性をもって
取り扱い可能なほどに十分に一体的に成形されたものを
意味している。しかしながら、これは最終製品に必要と
される構造的一体性ないし剛性を有するものではない。
たとえば、高粘性プリフォームは約２０ｐｓｉ（約１４
０ｇ／ｃｍ２）の圧力を受けても実質的に変形すること
なく耐えるが、より高い圧力を受けた場合には変形す
る。

【００５８】図１３の工程２０６および２０８に示さ
れ、また図１７に示されるように、高粘性プリフォーム
８０をスクリーン１６から取り外した後、相補的形状の
キャビティ８２に配置する。型８４はスムースな成形表
面８６を有する。

【００５９】型８４は開放されたものでもよいが、好ま
しくはカバー８８を有する。カバー８８は様々な形態を
取りうるが、真空条件下においてプリフォームの上面に
密着されるような柔軟なダイアフラムよりなるものとす
ることが好適な一例であると考えられる。しかしなが
ら、図１７では、カバー８８は、プリフォームに対応し
た下面形状を有する開閉可能な剛性の蓋体として示され
ている。カバー８８は公知のヒンジ機構９０により型８
４に取り付けられ、公知のラッチ機構９２により閉塞位
置に保持される。カバー８８は、型８４のキャビティ８
２に支持されている高粘性プリフォーム８０の外面に対
して圧接する位置に保持される。閉塞されたカバー８８
により高粘性プリフォーム８０に与えられる荷重は比較
的小さなものであるが、成形体の輪郭を定義するには十
分なものである。

【００６０】図１３の工程２０８に示され、また図１７
に示されるように、高温流体もしくは蒸気の供給源９４
と冷却空気供給源９６からの供給はバルブ９８により制
御される。供給管９９がバルブ９８と型８４とを接続す
る。型８４内には熱交換路１００が設けられ、供給源９
４からの高温流体ないし蒸気または供給源９６からの冷
却空気を型８４に供給することを可能にしている。熱交
換路１００は型８４を十分に加熱または冷却するために
公知のパターンで配置されている。型８４が部分的に異
なる熱交換率を有するように熱交換路１００を配置する
ことも可能である。

【００６１】型８４は、熱可塑性樹脂マトリクス繊維８
５の融点を越える温度に加熱される。これにより熱可塑
性樹脂マトリクス繊維８５が溶融し、プリフォーム内を
流動し、補強繊維８１を包囲する。典型的には、型８４
は約３０〜１２０秒間、約３００〜約４５０°Ｆ（約１
５０〜２３０℃）に加熱される。

【００６２】熱可塑性樹脂マトリクス繊維８５が溶融し
た後、冷却空気供給源９６から十分な量の冷却空気その
他の冷却流体がバルブ９８、供給管９９および熱交換路
１００に供給されて、型８４を冷却する。これにより高
粘性プリフォーム８０が冷却され、溶融した繊維８５が
固化し、補強繊維８１を適所において接着させ、十分な
密度の樹脂マトリクス繊維と補強繊維を有して機械的強
度および剛性を高められた実質的に均質なＦＲＰ構造体
が得られる。典型的には、型は１５〜３０秒間約２９０
°Ｆ（約１４０℃）に冷却される。

【００６３】冷却後、得られた最終製品を型８４から取
り外す。最終製品は高粘性プリフォームに比べると格段
に優れた構造的剛性を有する。一例として、最終製品は
５０００ｐｓｉ（約３５０ｋｇ／ｃｍ２）以上の引っ張
り荷重を受けても実質的に変形することなく耐えること
ができる。

【００６４】上述の本発明の第３の実施例の方法および
装置の利点は、スラリー工程を経た時点で既に繊維がプ
リフォーム内に均等に分散されるため、従来のシートモ
ールディング成形法（ＳＭＣ）に比べて繊維の偏りが実
質的に見られないことである。したがって、ニットライ
ン（ｋｎｉｔｌｉｎｅ）に遭遇することなく、より良
好でスムースな製品表面を得ることができる。また、所
望のＦＲＰ構造体を成形するために大型のプレス装置を
用いる必要がない。本発明の熱可塑性製品はその後に再
加熱して再成形することも可能である。さらに、本発明
ではスチレンを用いないため、本発明の熱可塑性製品は
リサイクル可能であり、環境を守る上でも好適である。

【００６５】他の顕著な利点は、先述の第１および第２
の実施例に関連して述べたＲＴＭ法とは異なって、最終
製品を成形するための樹脂注入工程が不要なことであ
る。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、均質なＦＲＰ成形体を
比較的簡単な設備を用いて比較的安価に製造することが
できる。

【００６７】

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＦＲＰプリフォーム成形装置を、その
スクリーンがタンク底部に位置するものとして示す図で
あり、図５中１−１切断線による縦断面図である。

【図２】図１の成形装置を、スクリーンがタンク頂部に
上昇すると共に、電磁界発生装置がＦＲＰプリフォーム
に近接移動した後の状態として示す縦断面図である。

【図３】スクリーンに付着したＦＲＰプリフォームの繊
維に電磁界発生装置が接して該繊維を圧縮している状態
を示す、成形装置の部分拡大横断面図である。

【図４】本発明のＦＲＰプリフォームの一例を示す斜視
図である。

【図５】成形装置の一部破断頂面図である。

【図６】成形装置の部分拡大横断面図であってスラリー
攪拌のための構成部分を詳細に示す図である。

【図７】成形装置の部分拡大横断面図であってスクリー
ンの端部支持のための構成部分を詳細に示す図である。

【図８】本発明で用いられるバインダー繊維の一例を示
す部分斜視図である。

【図９】本発明の第２の実施例によるＦＲＰプリフォー
ム成形装置を、そのスクリーンがタンク底部に位置する
ものとして示す、図１と同様の縦断面図である。

【図１０】図９の成形装置を、そのスクリーンがタンク
頂部に上昇すると共に第２のスクリーンがＦＲＰプリフ
ォームに近接移動した後の状態として示す縦断面図であ
る。

【図１１】スクリーン上のＦＲＰプリフォームの補強繊
維とバインダー繊維に第２のスクリーンが接してこれら
繊維を圧縮している状態を示す、成形装置の部分拡大横
断面図である。

【図１２】図１０に示される状態から第２のスクリーン
をＦＲＰプリフォームから後退させ、さらに第２のスク
リーンからＦＲＰプリフォームを除去回収した状態を示
す縦断面図である。

【図１３】本発明の第３の実施例によるＦＲＰ構造体の
成形方法を示す工程図である。

【図１４】本発明の第３の実施例によるＦＲＰ構造体の
成形装置を、その取り外し可能なスクリーンがタンク底
部に位置する状態として示す、図１および図９と同様の
縦断面図である。

【図１５】図１４の成形装置を、そのスクリーンがタン
ク頂部に上昇した後の状態として示す縦断面図である。

【図１６】本発明の第３の実施例においてオーブン内で
ＦＲＰプリフォームとスクリーンに高温蒸気（流体）を
通入して高粘性プリフォームとする工程を示す説明図で
ある。

【図１７】本発明の第３の実施例において高粘性プリフ
ォームが型内キャビティにセットされた状態を示す図で
ある。

【符号の説明】

１２タンク１４マスク１６スクリーン２８フレーム３０サブフレーム３５スラリー３６プリフォーム４０高周波電磁界発生装置５０バインダー繊維６６第２のスクリーン７９オーブン８１補強繊維８３バインダー繊維８４型８５樹脂マトリクス繊維

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】（ａ）補強繊維と熱可塑性樹脂マトリク
ス繊維とを有する混合物からプリフォームを成形し、
（ｂ）上記プリフォームを上記熱可塑性樹脂マトリクス
繊維を溶融するに十分な温度に加熱して上記熱可塑性樹
脂マトリクス繊維を上記補強繊維を囲むように流動さ
せ、（ｃ）上記プリフォームを冷却して上記熱可塑性樹
脂マトリクス繊維を固化してＦＲＰ構造体を成形し、
（ｄ）かくして、上記混合物に十分な量の上記補強繊維
と上記熱可塑性樹脂マトリクス繊維が配合されているこ
とにより、上記補強繊維が上記ＦＲＰ構造体に剛性を与
え、上記熱可塑性樹脂マトリクス繊維が上記ＦＲＰ構造
体に実質的な均質性を与えることを特徴とするＦＲＰ成
形方法。
【請求項２】上記熱可塑性樹脂マトリクス繊維が第１
の熱可塑性繊維よりなると共に、上記プリフォームにさ
らに第２の熱可塑性繊維が用いられ、上記第１および第
２の熱可塑性繊維を実質的に均等に上記プリフォーム内
の上記補強繊維に分散することを特徴とする請求項１の
ＦＲＰ成形方法。
【請求項３】上記第２の熱可塑性繊維が上記第１の熱
可塑性繊維よりも低い融点と低い配合量とを有すること
を特徴とする請求項２のＦＲＰ成形方法。
【請求項４】上記工程（ａ）が、上記補強繊維と上記
第１および第２の熱可塑性繊維をタンク内で混合してス
ラリーとし、上記タンク内のスクリーンを上昇させるこ
とによりこれら繊維を上記スクリーン上に付着させてプ
リフォームとし、上記プリフォームを上記第２の熱可塑
性繊維の融点よりも高く且つ上記第１の熱可塑性繊維の
融点よりも低い温度に加熱することにより上記プリフォ
ーム内の上記補強繊維同士を仮接着して高粘性プリフォ
ームとし、次いで上記高粘性プリフォームを上記第１の
熱可塑性繊維の融点よりも高い温度に加熱することによ
り上記第１の熱可塑性繊維を溶融させて上記高粘性プリ
フォームの全体に流動させ、その後上記プリフォームを
冷却することにより上記補強繊維が実質的に均等に分散
されると共に少なくとも上記第１の熱可塑性繊維により
相互接着されてなるＦＲＰ構造体を得ることからなるこ
とを特徴とする請求項２のＦＲＰ成形方法。
【請求項５】上記熱可塑性樹脂マトリクス繊維が上記
プリフォームの全量の約３０〜７０重量％を占めること
を特徴とする請求項１のＦＲＰ成形方法。
【請求項６】上記第２の熱可塑性繊維が上記プリフォ
ームの全量の約２〜７重量％を占め、その融点が約２７
０°Ｆ（約１３０℃）よりも低いことを特徴とする請求
項２のＦＲＰ成形方法。
【請求項７】上記工程（ｂ）が、上記プリフォームに
高温流体を吹き付けて上記第２の熱可塑性繊維を溶融さ
せることにより比較的取り扱い容易な高粘性プリフォー
ムを成形し、その後上記高粘性プリフォームを上記スク
リーンから取り除くことを特徴とする請求項２のＦＲＰ
成形方法。
【請求項８】上記高粘性プリフォームは最終製品とし
ての上記ＦＲＰ構造体の形状に近いものとして成形さ
れ、上記工程（ｂ）が、所定形状に成形された上記プリ
フォームを相補的形状の型キャビティに配置し、上記型
を上記第１の熱可塑性繊維の融点を上回る温度に加熱す
ることを特徴とする請求項７のＦＲＰ成形方法。
【請求項９】上記加熱工程の間上記プリフォーム上に
カバーを配置し、上記加熱工程およびその後の冷却工程
の間上記プリフォームに圧力を掛けて所定形状に保持す
ることを特徴とする請求項８のＦＲＰ成形方法。
【請求項１０】（ａ）液体を充填したタンク内に所定
形状のスクリーンを配置し、（ｂ）上記液体に補強繊維
を加えてスラリーとし、（ｃ）上記スラリーに可溶性の
樹脂マトリクス繊維を加え、（ｄ）上記スラリーにさら
に可溶性のバインダー繊維を加え、（ｅ）上記スクリー
ンを上記タンク内において上昇させて上記各種繊維を上
記スクリーン上に付着させ、（ｆ）上記スクリーンを上
記タンクから取り除き、（ｇ）上記スクリーン上に付着
されたプリフォームを上記樹脂マトリクス繊維を溶融さ
せるに十分な温度に加熱することにより、上記樹脂マト
リクス繊維を上記プリフォームの全体に流動させてＦＲ
Ｐ構造体を得、（ｈ）上記ＦＲＰ構造体を回収すること
を特徴とするＦＲＰ成形方法。
【請求項１１】上記可溶性の樹脂マトリクス繊維およ
び上記可溶性のバインダー繊維がいずれも熱可塑性繊維
よりなることを特徴とする請求項１０のＦＲＰ成形方
法。
【請求項１２】上記バインダー繊維が上記樹脂マトリ
クス繊維よりも低い融点と低い配合量とを有することを
特徴とする請求項１１のＦＲＰ成形方法。
【請求項１３】上記バインダー繊維が上記プリフォー
ムの全量の約２〜７重量％を占め、その融点が約２７０
°Ｆ（約１３０℃）よりも低いものであり、上記樹脂マ
トリクス繊維が上記プリフォームの全量の約３０〜７０
重量％を占め、その融点が約３００〜約４５０°Ｆ（約
１５０〜２３０℃）であることを特徴とする請求項１１
のＦＲＰ成形方法。
【請求項１４】上記樹脂マトリクス繊維と上記バイン
ダー繊維がいずれも熱可塑性ポリエステル繊維よりなる
ことを特徴とする請求項１１のＦＲＰ成形方法。
【請求項１５】上記工程（ｆ）の後、（１）上記プリ
フォームを上記バインダー繊維の融点よりも高く且つ上
記樹脂マトリクス繊維の融点よりも低い温度に加熱して
高粘性プリフォームとし、（２）上記高粘性プリフォー
ムを相補的形状の型キャビティに配置し、（３）上記高
粘性プリフォームを加熱して上記樹脂マトリクス繊維を
溶融させることにより上記樹脂マトリクス繊維を上記高
粘性プリフォームの全体に流動させ、（４）上記高粘性
プリフォームを冷却することにより上記補強繊維が実質
的に均等に分散されると共に少なくとも上記樹脂マトリ
クス繊維により相互接着されてなるＦＲＰ構造体を得、
（５）上記ＦＲＰ構造体を上記型キャビティから取り除
くことを特徴とする請求項１１のＦＲＰ成形方法。
【請求項１６】上記工程（２）の後、上記加熱工程の
間上記プリフォーム上にカバーを配置し、上記加熱工程
およびその後の冷却工程の間上記プリフォームに圧力を
掛けて所定形状に保持することを特徴とする請求項１５
のＦＲＰ成形方法。
【請求項１７】（ａ）補強繊維、熱可塑性バインダー
繊維および熱可塑性樹脂マトリクス繊維よりなる混合物
を収容するタンクと、（ｂ）上記タンク内に設けられる
所定形状のスクリーンと、（ｃ）上記スクリーンを上記
タンク内において移動させることにより上記混合物を上
記スクリーン上に堆積させてプリフォームを得るための
移動手段と、（ｄ）上記プリフォームおよび上記スクリ
ーンに高温流体を通すことにより上記熱可塑性バインダ
ー繊維を溶融させて上記プリフォームの粘性を高めるた
めの第１の加熱手段と、（ｅ）上記プリフォームに高温
流体を通すことにより上記熱可塑性樹脂マトリクス繊維
を溶融させて上記補強繊維を相互接着せしめるための第
２の加熱手段とを有することを特徴とするＦＲＰ成形装
置。
【請求項１８】上記スクリーンが取り外し可能である
ことを特徴とする請求項１７のＦＲＰ成形装置。
【請求項１９】上記熱可塑性バインダー繊維が上記熱
可塑性樹脂マトリクス繊維よりも低い融点と低い配合量
を有することを特徴とする請求項１８のＦＲＰ成形装
置。
【請求項２０】上記バインダー繊維が上記プリフォー
ムの全量の約２〜７重量％を占め、その融点が約２７０
°Ｆ（約１３０℃）よりも低いものであり、上記樹脂マ
トリクス繊維が上記プリフォームの全量の約３０〜７０
重量％を占め、その融点が約３００〜約４５０°Ｆ（約
１５０〜２３０℃）であることを特徴とする請求項１９
のＦＲＰ成形装置。
【請求項２１】上記第２の加熱手段が、上記プリフォ
ームを収容するための相補的形状のキャビティを有する
加熱された型よりなることを特徴とする請求項１７のＦ
ＲＰ成形装置。
【請求項２２】前記型が柔軟なダイアフラムよりなる
カバーを有し、上記カバーが上記プリフォーム上に配置
されることにより加熱中およびその後の冷却中に上記プ
リフォームに圧力を与えて上記ＦＲＰ構造体の所定形状
を維持することを特徴とする請求項２１のＦＲＰ成形装
置。