JP2007118598A - プリフォームの製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易的な設備で大型の複合材料成型品の物性や品位を損なわないプリフォームを得ることが可能なプリフォームの製造方法および製造装置を提供する。
【解決手段】少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の工程または手段を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法および製造装置。
（Ａ）ツール面上に治具を配置し、その上に繊維積層体を配置する繊維積層体のセット工程または手段。
（Ｂ）前記繊維積層体の上側に前記治具の展開図形状に形成されたシートを、該シートの展開基準領域が治具の対応する面に実質的に重なるように配置するシートのセット工程または手段。
（Ｃ）前記シートを介して繊維積層体に圧力をかけることにより、繊維積層体を治具の形状に沿わせた際に、治具とツール面で形成されるコーナー部に前記シートが密着しない位置に前記シートの端部を固定するシートの固定工程または手段。
（Ｄ）前記シートを介して前記繊維積層体に圧力を加える圧力付加工程または手段。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック（以下、単にＦＲＰという。）製の構造体をＲｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ法（以下、単にＲＴＭ法という。）、Ｒｅｓｉｎ Ｆｉｌｍ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ法などで製造する際に使用する繊維積層体（以下、単にプリフォームという。）の製造方法に関する。さらに詳しくは、例えば、航空機、船舶、自動車部材の構造部材であるＦＲＰ製スキンパネルの補強部材となる航空機翼のストリンガーやリブ、船舶の船底補強のスティフナやリブなどの成形に使用するプリフォームの製造方法において、プリフォームの一括賦形による製造時間短縮およびプリフォームの寸法精度向上や品位向上等を実現させることのできるプリフォームの製造方法に関する。

従来、例えば、航空機、自動車、船舶、建築などの複合材料構造部材の成形方法においては、ＲＴＭ成形法が生産性と製造コストの点で優れることから広く採用され、最近では樹脂注入工程において成形すべき繊維積層体をバッグ材で密閉し、減圧吸引した状態でマトリクス樹脂を注入する、いわゆるＶａｃｕｕｍ−Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ（真空ＲＴＭ成形）法が主流になっている。

ＲＴＭ成形は、予め強化繊維基材を積層してなる繊維積層体を最終製品形状に賦形したプリフォームを準備した後、このプリフォームにマトリクス樹脂を注入、硬化する特徴を有する。このため、繊維積層体を最終製品形状に賦形するプリフォーム工程が必要であり、最終製品の形状、品位はプリフォームの形状に大きく依存するため、プリフォーム工程は非常に重要な工程である。

繊維積層体を３次元形状に賦形する時に、プリフォームに皺が生じやすいため、強化繊維基材を一枚毎に賦形することもあるが、積層枚数が多数の場合、プリフォーム工程に長時間を要するなどの問題がある。そのため、予め強化繊維基材を所定の積層構成に基づき積層した繊維積層体を最終製品形状に一括賦形することが求められている。

繊維積層体からＣ型などの３次元形状のプリフォームを得る従来の方法として、複数枚の繊維積層体を所望の形状の治具に配置した後、まとめてバッグ材で覆い、内部を真空圧状態にして、大気圧で繊維積層体を治具に押しつけつつ加熱を行う方法がある（例えば、特許文献１参照）。このような単に真空圧を利用して賦形する方法では、作業の効率という点では優れるものの、加圧する方向、順序を制御することができないため、曲げの内側と外側の周長の差を緩和するような基材間のすべりが円滑におこらず、曲げのコーナー部に皺やたるみが生じるという問題があった。この皺やたるみを有するプリフォームを用いて成形した場合、成形品の表面にも皺が生じたり、たるみ部分には樹脂リッチ層やボイドが生じたりするなどの品位低下が見られる可能性が大きい。

また、３次元形状のプリフォームを得る別の技術として、繊維積層体を雌型冶具上に載せ、雌型内に雄型冶具を押し込むことで所定形状のプリフォームを作る方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、この方法も雄型を雌型に押し込む際に基材がずれたり、皺が生じてしまう。また、両面金型を必要とするため、航空機主翼部材などの大型成型品のプリフォームを準備するために、金型設備のコストが高くなってしまうという問題を有していた。
特開２００４−２１６８０５号公報 特開平６−１５５４８３号公報

本発明の目的は、かかる従来の問題点を解決し、簡易的な設備で、繊維積層体を一括賦形することにより、皺やたるみなどの品位が損なわれることがなく、また優れた力学特性を有する繊維強化プラスチックを得ることができるプリフォームの製造方法および製造装置を提供することにある。

上記課題を達成するために、本発明は、以下の構成を採用する。すなわち、
（１）少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の工程を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法。
（Ａ）ツール面上に治具を配置し、その上に繊維積層体を配置する繊維積層体のセット工程。
（Ｂ）前記繊維積層体の上側に前記治具の展開図形状に形成されたシートを、該シートの展開基準領域が治具の対応する面に実質的に重なるように配置するシートのセット工程。
（Ｃ）前記シートを介して繊維積層体に圧力をかけることにより、繊維積層体を治具の形状に沿わせた際に、治具とツール面で形成されるコーナー部に前記シートが密着しない位置に前記シートの端部を固定するシートの固定工程。
（Ｄ）前記シートを介して前記繊維積層体に圧力を加える圧力付加工程。

（２）前記圧力付加工程（Ｄ）において、まず、シートの展開基準領域に圧力を付与した後、シートの展開端部に向かって圧力付与領域を拡大していくことを特徴とする前記（１）に記載のプリフォームの製造方法。

（３）前記シートの固定工程（Ｃ）において、シートの端部を固定する位置を、ツール面と治具で形成される治具の輪郭線を法線方向に平行移動した線上に設定することを特徴とする前記（１）または（２）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（４）シートの伸度が０．００２％以上３０％以下の範囲内であることを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（５）繊維積層体の層間に樹脂材料を含むことを特徴とする前記（１）〜（４）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（６）バッグ材で少なくとも繊維積層体を覆って真空引きすることにより、シートを介して繊維積層体に圧力を加えることを特徴とする前記（１）〜（５）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（７）前記圧力付加工程（Ｄ）において、少なくとも繊維積層体を４０℃以上１８０℃以下の範囲内に加熱することを特徴とする前記（１）〜（６）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（８）前記シートが繊維積層体に対して離型性を有するものであることを特徴とする前記（１）〜（７）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。

（９）プリフォームの強化繊維体積含有率Ｖｐｆが３５％〜６５％であることを特徴とする、（１）〜（８）のいずれかに記載のプリフォームの製造方法によって得られたプリフォーム。

（１０）（９）に記載のプリフォームに、マトリックス樹脂を注入、含浸、硬化して得られる強化繊維体積含有率Ｖｆが４０％〜７２％の範囲内である繊維強化プラスチック成形品。

（１１）少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の手段を含むことを特徴とするプリフォームの製造装置。
（Ａ）治具を配置するためのツールと、該ツール面上に配置された治具と、さらに該治具の上面に配置される繊維積層体とを有する繊維積層体のセット手段。
（Ｂ）前記繊維積層体の上側に配置される前記治具の展開図形状に形成されたシートを有し、該シートは該シートの展開基準領域が治具の対応する面に実質的に重なるように配置されるようにしたシートのセット手段。
（Ｃ）前記シートを介して繊維積層体に圧力をかけることにより、繊維積層体を治具の形状に沿わせた際に、治具とツール面で形成されるコーナー部に前記シートが密着しない位置に前記シートの端部を固定するシートの固定手段。
（Ｄ）前記シートを介して前記繊維積層体に圧力を加える圧力付加手段。

本発明は、上記構成を採用することにより、簡易な設備で、繊維積層体を一括賦形することにより、皺やたるみなどを抑制でき、品位の優れたプリフォームを得ることができる。

以下、さらに詳しく本発明のプリフォームの製造方法および製造装置について図面を用いて説明する。

図１は本発明のプリフォームの製造方法および製造装置を説明するための概略断面図であり、図２は図１の斜視図である。

本発明のプリフォームの製造方法および製造装置は、炭素繊維やガラス繊維などの強化繊維基材２からなる繊維積層体１を、ツール５面上にセットされた所望の形状の治具４の上側に配置し、その上から治具４の展開図形状に形成されたシート３で該シート３の展開基準領域が治具４の対応する面に実質的に重なるように配置させ、さらに繊維積層体１を加圧して治具４の形状に沿わせた後も、治具４とツール５面で形成されるコーナー部７にシート３が密着しない位置にシート３をツール５面上の固定部６に固定させ、さらに該シート３を介して繊維積層体１全体に圧力を加えて所望の形状にせしめてプリフォームを製造するものである。

すなわち、本発明のプリフォームの製造方法および製造装置は、次に記載する（Ａ）〜（Ｄ）の工程または手段を少なくとも含んでなるものである。
（Ａ）ツール面上に配置された治具の上側に繊維積層体を配置する繊維積層体のセット工程もしくは手段。
（Ｂ）前記繊維積層体の上側に前記治具の展開図形状に形成されたシートを、該シートの展開基準領域が治具の対応面に実質的に重なるように配置するシートのセット工程もしくは手段。
（Ｃ）前記シートを介して繊維積層体に圧力をかけることにより、繊維積層体を治具の形状に沿わせた際に、治具とツール面で形成されるコーナー部に前記シートが密着しない位置に前記シートの端部を固定するシートの固定工程もしくは手段。
（Ｄ）前記シートを介して前記繊維積層体に圧力を加える圧力付加工程もしくは手段。

上記（Ａ）の工程もしくは手段において、ツール５は治具４を配置するために平面状の型に形成されたものであり、治具４は繊維積層体１を所望の形状に賦形するための所望の３次元の立体形状に形成されたものであり、後述する圧力付加工程で加える圧力によって塑性変形しないような材質である金属製、合成樹脂製またはＧＦＲＰ、ＣＦＲＰ製が好ましい。

繊維積層体１は強化繊維基材２が複数枚積層されたものである。積層枚数は特に限定されるものではなく、一括で賦形できることから枚数が多ければ多いほど効率が良く本発明の効果を発揮することができる。強化繊維基材２の強化繊維としてはカーボン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維が好ましいが、強化繊維の形態については、成形すべきＦＲＰにより、織物、一方向基材などの用途に応じて様々なものを使用することができ、目付、繊維の繊度、弾性率等の諸特性値についても同様である。

また、基材間は、取り扱い性の観点から熱可塑性樹脂を含む樹脂材料を介して接合されていることが好ましい。基材間が接合一体化されていることにより、繊維積層体１を治具に配置する際の搬送性が向上し、また、賦形時の基材のずれや脱落によるプリフォーム不良を防止することができる。また、接合部の強さや分布などは適宜選択することができ、取り扱い性を満たし、且つ、繊維積層体１を賦形したときに曲げの内側と外側の周長の差を緩和するような基材間のすべりが円滑におこるならば、特に限定されるものではない。

上記（Ｂ）の工程もしくは手段において、治具４の展開図形状に形成されたシート３とは、（１）治具４の立体形状を構成する面を平面上に展開した治具形状展開領域（展開する面は賦形する形状によって適宜選択可能）、と（２）ツール５の面を覆う領域、の２つの領域を有した形状を成すシートのことをいう。

治具形状展開領域は、後述する面圧付加工程において、シートが繊維積層体に密着でき、かつ、後述する面圧付加時に治具とツール面からなるコーナー部に密着しないのであれば、特に限定されるものではなく、展開する面、部分は適宜選択することができる。また、治具とプリフォームの賦形形状が異なる場合は、プリフォーム形状を構成する面を平面上に展開して治具形状展開領域としても良い。また治具形状展開領域は治具形状が複雑で、同一平面で展開できない場合は、複数の平面を継ぎ合わせて形成しても良い。

ツール面を覆う領域の形状は、後述するシートの固定位置に固定できる形状ならば特に限定されるものではない。

また、シートの展開基準領域とは、（Ａ）の繊維積層体１のセット工程もしくは手段において、治具４の上に繊維積層体１を配置したときに治具４と繊維積層体１が接する面（図１では治具の上面部）に対応するシートの領域のことである。ここで、シートの展開基準領域が治具４の対応する面に実質的に重なるとは、圧力付加工程（Ｄ）において、シートが、治具４の形状に沿うように変形する時に、各面が抵抗なく沿える程度に、展開基準領域と治具４の対応する面の中央の位置と方向が一致している状態をいい、通常、ズレが、０〜２０ｍｍ、０〜±１０°以内であれば、かかる状態をえることができる。

治具４の展開図形状に形成されたシート３を用いることにより、圧力付加工程（Ｄ）において、シート３が隙間なく繊維積層体１に密着することができるので、シート３を介して繊維積層体１に隈なく力を伝えることができ、結果として皺のないプリフォームを得ることができる。

また、本発明で用いるシート３は、（Ｃ）工程で圧力を付与した際に伸びずに、治具４とツール５面からなるコーナー部７に密着しないことが求められるため、伸縮性の小さいものが好ましい。そのため、シート３に用いる材料の伸度は、０．００２％以上３０％以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは、０．００２％以上１０％以下の範囲内である。伸度が０．００２％未満の場合、伸度が小さすぎるために、複雑形状への賦形が困難であるため、好ましくない。一方、３０％より大きいと、圧力をかけた場合シート３自体が伸びることにより、繊維積層体１を治具４に密着、賦形させる力を十分に発現できないため、好ましくない。

ここでいうシートの伸度とは、ＪＩＳ Ｌ１０９６−６（引張り強さ及び伸び率）に準じて測定した値をいう。具体的には、先ずシートから幅５ｃｍ、長さ３０ｃｍになるように裁断し、試験片とする。次に、試験片を引っ張り試験機のつかみでつかみ間隔が２０ｃｍとなるように把持し、引っ張り速度３０ｃｍ／ｍｉｎで試験を行い、切断時の伸びを測定した。伸度は以下の式で算出し、５回の測定の平均値で表す。

具体的なシート３の材質としては、ガラスクロス、アラミドクロス、金属などの薄板等を用いることが可能である。

さらに本発明で用いるシート３は、繊維積層体１に対し離型性があることが好ましい。シート３は繊維積層体１に圧力を付与する際に、直接に繊維積層体１に接触するため、繊維積層体１に対して離型性を有していないと、圧力付与後にシート３を繊維積層体１から外すときに繊維積層体１の品位を劣化させる懸念があるため好ましくない。とりわけ、強化繊維基材２が、層間強化もしくはタック性付与による取り扱い性の向上を目的として、基材の表面に熱可塑性樹脂もしくは熱硬化性樹脂もしくはその両方を有している場合には、シート３が繊維積層体１に密着するため、シート３に離型性が求められる。

具体的には、上記のガラスクロス、アラミドクロス、金属薄板などの表面は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレン−ヘキサフルオロプロピレン共重合体）、ＰＦＡ（テトラフルオロエチレンパーフルオロアルキルビニルエーテルコポリマー）、ＥＴＦＥ（エチレンテトラフルオロエチレン共重合体）などのフッ素樹脂等がコーティングされていることが好ましい。

上記（Ｃ）の工程もしくは手段における、シート３の固定部６を図３を用いて説明する。シート３の固定部６は繊維積層体１を加圧して治具４の形状に沿わせた後も、治具４とツール５面で形成されるコーナー部７にシート３が密着しない位置とする。またここでいうコーナー部７は、治具４の製品部よりも下側部分とツール５面で形成される部分をいう。前述の様に固定部６を設定することにより、コーナー部７では、シートが繊維積層体１または治具に密着しない、つまり繊維積層体１には圧力がかからない。シート３をコーナー部７に密着させないことにより、圧力を付加したときに、Ａ部に付加された圧力がシート３と繊維積層体１の間に、下方向にずりさげるような力Ｆを生む。この力Ｆが働くことにより賦形中にシートを介して繊維積層体１に下方向にテンションがかかる。この下方向への力Ｆが作用することは、皺などの不良のないプリフォームが得られる条件の一つであるが、以下に図８を用いて説明する。繊維積層体１に圧力が付加されると、板厚が減少するが、それにより圧力付加後の繊維積層体１１のコーナーＲ部の周長は圧力付加前の繊維積層体１に比べて短くなる。この短くなった周長差分が緩和されずにそのまま残ると、皺に繋がってしまうが、図に示すように下方向にずりさげる力Ｆが繊維積層体に作用し続けることにより、この周長差が端部に逃げやすくなり、結果として皺のないプリフォームを得ることができる。

また、図４は図３の治具４、ツール５、固定部６を真上から見た図であるが、シート３の端部を固定する固定部６の位置は、ツール５面と治具４で形成される治具４の輪郭線８を法線方向に平行移動した線上に設定することが好ましい。

固定部６がツール５面と治具４で形成される治具４の輪郭線８を法線方向に平行移動した線上に設定された位置でないと、シート３と繊維積層体１との間に隙間やシート３で覆えない部分がでてくる。シート３と繊維積層体１の間に隙間や覆えない部分があると、圧力を付与したときにシート３を介して圧力を付与できない部分が生じてしまい、皺などの形状不良の発生の原因になる。また平行移動した線は、ずれ角α°の範囲を有していても良く、具体的なα°としては上述した効果が得やすいことから、±１０°以内であることが好ましく、より好ましくは±５°以内であり、さらに好ましくは±３°以内である。

シート３の固定方法は、圧力付加中に固定がはずれたりしなければ限定されるものではないが、テープ等の粘着力を用いたシート固定、磁石により挟み込み、機械的に圧力を付与するシート固定、ピン等を刺すシート固定、磁石シートと金型を磁力により固定する等の方法や、これらの組み合わせ方法が好ましく使用される。

上記（Ｄ）の工程もしくは手段において、圧力は図１に示すように、シート３を介して図の矢印で示す方向に圧力を繊維積層体１に加える。この場合の圧力としては、３０ｋＰａ以上５００ｋＰａ以下が好ましい。この圧力が３０ｋＰａ未満であると前記繊維積層体１の押さえが不十分であるため成形工程で皺になり易く、一方、５００ｋＰａを越えると、前記シート３が賦形中に破断する懸念がある。

図９は繊維積層体１に圧力が付加される順番を説明するためのものであるが、シート３は図９の（a）に示すようようにシートの展開基準領域が治具の対応面上に実質的に重なるように配置する。
そうすることにより、図９の（ｂ）に示すようにシート３に圧力を付加したときに、先に凸部を形成する繊維積層体１に力がかかり、繊維積層体１の上面部を先に賦形することができる。続いて、側面部を形成する繊維積層体１の側面上方から下方に向かって力が付与される（図９の（ｃ）（ｄ）参照）ために、繊維積層体１の側面上方から順番に賦形することができ、屈曲部の繊維積層体１の内外の周長の差を緩和するすべりが円滑に起こるため、皺やたるみを抑制した賦形が可能となる。従来の賦形方法では、ランダムな位置に力を付与していたので、先に曲面部の両脇が固定されると、その間に挟まれた部分が周長差を端部に円滑に逃がすことができず、結果として皺が発生していたが、本発明の賦形方法により、内外の周長差を緩和するすべりを円滑に起こすことができる様になった。
また上述の効果をより良好に得るため、シートの展開基準領域と治具の対応面のずれ角β°は±５°以内であることが好ましく、±３°以内であれば、より好ましい。

具体的な圧力付加方法としては、シートの展開基準領域に圧力を賦与した後、シートの展開端部に向かって圧力賦与領域が拡大していけば特に限定されるものではないが、設備が簡便であることから、ツール５の面の全体をバッグ材で覆い、周囲を密閉し、ツール５とバッグ材で形成される閉空間内を吸引して減圧雰囲気にする、真空バック方式が好ましく使用される。

また、圧力付加の際に少なくとも繊維積層体１を含む全体の温度を加熱することが好ましい。加熱温度の範囲は４０℃以上１８０℃以下の範囲内に加熱することが好ましく、より好ましくは５０℃以上１３０℃以下である。その理由は基材間の樹脂材料などを介して効率良く、所望の形状に賦形した状態を維持、固定できるからである。

本発明は、以上の（Ａ）〜（Ｄ）の４工程もしくは手段を経ることにより、簡易な設備で皺やうねり等の少ない品位に優れたプリフォームを得ることができる。

本発明のプリフォームは、上記プリフォームの製造方法によって得られ、且つ強化繊維体積含有率Ｖｐｆが３５％〜６５％の範囲内であることが好ましい。

該強化繊維体積含有率Ｖｐｆが３５％未満であると、プリフォームが嵩高となるので、成形品であるＦＲＰの強化繊維体積含有率が低下するため好ましくない。一方、該強化繊維体積含有率Ｖｐｆが６５％よりも大きいと、マトリックス樹脂が含浸しにくくなり、未含浸やボイドなどの欠陥が発生しやすくなるため好ましくない。

また、プリフォームの形状を維持、固定するために、基材間に樹脂材料が付着していることが好ましい。

樹脂材料としては、粒子状樹脂、繊維状樹脂またはフィルム状樹脂が付着していることが望ましい。具体的な樹脂材料としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂が挙げられ、これらを単独で使用しても組み合わせて使用しても良い。

熱可塑性樹脂としては、ポリアミド、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルニトリル、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリエーテルケトンケトン、これらの変性樹脂、共重合樹脂などを使用するのが好ましく、その中でもポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリエーテルスルホンを使用するのが層間の強度を増加させることができる点でより好ましい。

熱硬化性樹脂としては、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、フェノール樹脂などが好ましく使用することができる。

また、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂を組み合わせて使用することは、両者の優れた点を両立でき好ましい。例えば、熱可塑性樹脂を熱硬化性樹脂で改質することにより、熱可塑性樹脂の耐溶剤性を熱硬化性樹脂により改善しかつ、熱可塑性樹脂の特有の高い靭性向上効果を得ることが可能となる。

本発明のＦＲＰ成形品は、上記プリフォームにマトリックス樹脂を注入し、強化繊維体積含有率Ｖｆが４０％〜７２％の範囲内にあることを特徴とするものである。

すなわち、ＦＲＰの強化繊維体積含有率Ｖｆが４０％よりも低いと、ＦＲＰとして強度、弾性率が低く、所定の力学特性を発現するためには、厚みが必要となり、結果として軽量化の効果が小さくなる懸念があるため、好ましくない。

一方、強化繊維体積含有率Ｖｆが７２％よりも高いと、マトリックス樹脂の量が少なすぎることにより、ボイドなどの欠陥が発生しやすいため好ましくない。

また、ＦＲＰの強化繊維体積率Ｖｆは、プリフォームの強化繊維体積率Ｖｐｆ−５％以上Ｖｐｆ＋２０％以下に調節することが好ましい。マトリックス樹脂注入前のＶｐｆで表される単位体積当たりの強化繊維含有量の値と、成形後のＶｆで表される単位体積当たりの強化繊維含有量の値との差を、上記範囲内に制御することにより、含浸から成形に至る過程における厚み変化を抑制でき、ひいてはかかる厚み変化に伴う周長差変化に起因する積層体各層のズレが抑えられることから、基材のシワの発生をより効果的に抑えることができるためである。ＦＲＰの強化繊維体積率Ｖｆは、プリフォームにマトリックス樹脂を注入した後、吸引口および／もしくは真空吸引口からマトリックス樹脂を吸引する時間や温度、さらにはプリフォームへの外部からの加圧などにより、マトリックス樹脂の排出量を制御することにより調整可能である。

以下に本発明のＦＲＰ成形品の製造方法の一例について、図面を用いて詳細に説明する。先ず図１０に示すように、ベースツール５面上に配置された治具４の所定位置に上記方法で作成したプリフォーム１２を配置する。ベースツール５や治具４は、別途準備する手間が省けることから、プリフォームの製造に用いたものをそのまま転用することが好ましい。

次に、マトリックス樹脂を注入して成形するために必要な成形用副資材を配置する。ここでいう成形用副資材とは、ピールプライ１３、樹脂流路用メディア１４、などのことである。図１０では、プリフォーム１２の上にピールプライ１３、ピールプライ１３の上に樹脂流路用メディア１４を配置している。また治具４の一端側の位置にはマトリックス樹脂の注入口が設けられているとともに、該注入口１６に対応する治具の他端側の位置にはプリフォーム１２および成形用副資材の上から全体を覆うバッグ材９とツール５面で構成されるキャビティを真空吸引する吸引口が設けられている。該注入口１６、吸引口１７は別途チャンネル材などを配置してもよいが、配置の手間が省けることから、ベースツール５にあらかじめ溝加工されているものが好ましい。

さらに、該注入口１６の上から治具４にかけて、マトリックス樹脂をプリフォームに導くメディア１４が配置されている。樹脂流路用メディア１４は、ポリプロピレンやポリエチレンなどからなる厚みが０．１５〜１．０ｍｍ程度のネット状物が好ましく用いられる。

また、吸引口１７からはマトリックス樹脂を吸引するための樹脂流路用メディア１８が配置されている。樹脂流路用メディア１８は、樹脂流路用メディア１４と同じものを用いることができる。樹脂流路用メディア１８の上には、必要に応じて、マトリックス樹脂がショートパスを形成して、プリフォーム１２に含浸する前に吸引口１７から吸引されることを防ぐために、フィルム１５を配置するのも好ましい。フィルム１５は真空バッグ成形のバッグ材９に用いられる、ナイロン製のものを使用することができる。

次に、プリフォーム１２および成形用副資材の上から全体をバッグ材９で覆い、バッグ材９の端部をシーラントテープ１０を用いてベースツール５に密着させ、内部を真空吸引する。真空吸引後、これら一式を熱風炉などに投入し、プリフォーム全体が所定温度になるように加熱し、樹脂を注入する。ボイドなどの成形品を抑制する点からも、真空リーク量は少ないほうが好ましく、具体的には２Ｔｏｒｒ／分以下が好ましく、より好ましくは１Ｔｏｒｒ／分以下である。

樹脂の注入温度は、マトリックス樹脂の硬化特性やプリフォームへの樹脂含浸特性、成形品強度などへの影響がなければ特に限定されるものではないが、強化繊維体積含有率Ｖｆの高いＦＲＰ成形品を得るために、強化繊維体積含有率Ｖｐｆの高いプリフォームを使用する場合、マトリックス樹脂の含浸性が低下する傾向にある。この場合においても、マトリックス樹脂を加熱することにより粘度を低下させて、注入、含浸させることが好ましい。また所望の強化繊維体積含有率Ｖｆを得るために、注入後、吸引口および／もしくは真空吸引口からマトリックス樹脂を吸引する時間や温度、さらにはプリフォームへの外部からの加圧などにより、マトリックス樹脂の排出量を制御してもよい。

以下、本発明の実施例を図面に示す実施例に基づいて説明する。

（実施例１）
図５は本発明の実施例に係る縦断面図であり、バッグ材９でツール５の面を密閉し、内部を減圧している様子を示している。図６は図５のツール５の面、治具４、シートの固定部６を真上から見た図であり、図７は治具４の展開図形状に形成されたシート３の形状を示した図である。

（Ａ）繊維積層体１のセット工程
まず図５に示すように、ツール５の面上にアルミニューム製の凸型治具４（異型断面、最大幅：３００ｍｍ、長さ：６００ｍｍ、高さ：７０ｍｍ、コーナー半径Ｒ：５ｍｍ）を配置した。次に、凸型治具４上に表面に粒子状樹脂を有する基材（東レ株式会社製炭素繊維基材：炭素繊維Ｔ８００Ｓ、目付２５０ｇ／ｍ^２）を２４枚積層した繊維積層体１を配置した。

（Ｂ）シートのセット工程
図７に示す凸型治具４の展開図形状に形成されたＰＴＦＥをコーティングしたガラスクロスのシート３を繊維積層体１の上に配置し、該シート３の展開基準領域が治具４の対応面上に重なるようにシート３を配置した。

（Ｃ）シートの固定工程
図７に示すシート３の端部を、（１）図５に示すように繊維積層体１に圧力をかけて治具４の形状に沿わせた後も、治具４とツール５面で形成されるコーナー部７にシート３が密着しない位置で、かつ（２）図６に示すようにツール５面と治具４で形成される治具４の輪郭線を法線方向に７０ｍｍ平行移動した線上に位置する場所に、固定部６としてＰＥ（ポリエチレン）テープで固定した。

（Ｄ）圧力付加工程
ツール５面上にシーラントテープ１０、バッグ材９を図５のように配置し、バッグ材９とツール５面で構成される空間を減圧し、真空度が７５０ｍｍＨｇ以上であることを確認し、加熱炉内に入れた。次に、常温２０℃から７０℃まで加熱し、７０℃で２時間保持した。その後、賦形品を冷却してから脱型したところ、皺などの品質不良のないプリフォームを得ることができた。

（比較例１）
（Ｃ）シートの固定工程において、凸型治具４とツール５面で構成されるコーナー部７に前記シート３が密着するようにシート３の端部を固定した以外は、実施例１と同様にして繊維積層体を加熱、冷却してプリフォームを作製したところＢ部に高さ１ｍｍの皺が生じていた。

（比較例２）
（Ｃ）シートの固定工程において、シートの固定位置と輪郭線８のずれ角を１５°に設定した以外は実施例１と同様に賦形を行った。賦形後のプリフォームのコーナーＲ部を観察したところ、高さ２ｍｍほどの皺が散在していた。

（比較例３）
（Ｂ）シートのセット工程において、ＰＴＦＥをコーティングしたガラスクロスのシートの代わりに、伸度が４００％のナイロン製のフィルムを用いた以外は実施例１と同様に賦形を行った。バッグ材９とツール５面で構成される空間を減圧後、凸型治具４とツール５面で構成されるコーナー部７を観察したところ、ナイロン製のフィルムとコーナー部が密着していた。

その後、繊維積層体１を加熱、冷却してプリフォームを作製したところ、高さ１ｍｍほどの皺が生じていた。

（実施例２）
実施例１と同じ繊維積層体１と、同じ形状の凸型治具４を用いて、賦形、成形を行った。

（Ａ）繊維積層体１のセット工程
図１１に示すように繊維積層体１の上に繊維積層体１の全体を覆うピールプライ１３と樹脂流路用メディア１４を配置した。また、ベースツール５には注入口１６、吸引口１７用の樹脂溝が加工されたものを用い、注入口１６の上から治具４にかけて樹脂流路用メディア１４を設け、また治具の側面の所定位置から吸引口にかけて吸引用の樹脂流路用メディア１８および樹脂ショートパス対策用のフィルム１５を配置した。この繊維積層体１のセット工程において、後述する成形工程に必要な副資材などの組付は完了させた。

（Ｂ）シートのセット工程
実施例１と同様に凸型治具４の展開図形状に形成されたＰＴＦＥをコーティングしたガラスクロスのシート３を樹脂流路用メディア１４の上に配置し、該シート３の展開基準領域が治具４の対応面上に重なるようにシート３を配置した。

（Ｃ）シートの固定工程
実施例１と同様に、繊維積層体１に圧力をかけて治具４の形状に沿わせた後、治具４とツール５面で形成されるコーナー部７にシート３が密着しない位置でかつツール５面と治具４で形成される治具４の輪郭線を法線方向に７０ｍｍ平行移動した線上に位置する場所（樹脂溝より外側）に、固定部６としてＰＥ（ポリエチレン）テープで固定した。

（Ｄ）圧力付加工程
ツール５面上にシーラントテープ１０、バッグ材９を配置し、バッグ材９とツール５面で構成される空間を減圧し、真空度が７５０ｍｍＨｇ以上であることを確認し、加熱炉内に入れた。次に、繊維積層体１の全体が７０℃になるよう加熱し、２時間保持しプリフォーム１２を作製した。
その後冷却し、バッグ材９、シート３を取り外してから、図１０に示すようにプリフォーム１２および成形用副資材の上から全体をバッグ材９で覆い、バッグ材９の端部をシーラントテープ１０を用いてベースツール５に密着させ、内部を真空吸引した。
真空吸引後、これら一式を熱風炉に投入し、プリフォーム１２全体が所定温度になるように加熱した。加熱した状態で真空リーク量を測定した結果２Ｔｏｒｒ／分であった。

その後１８０℃硬化型のエポキシ樹脂を６０℃に保温した後、注入口１６から注入した。マトリックス樹脂は樹脂流路用メディア１４を通じてプリフォーム１２全体に拡散した。
マトリックス樹脂がプリフォーム１２に含浸し、吸引用メディア１４から吸引され始めたのを確認すると共に、吸引口１７を閉じて、マトリックス樹脂の吸引を止めた。注入口１６を真空吸引ラインにつなぎ、過剰に注入されたマトリックス樹脂を吸引して、ブリードさせた。ブリード後、熱風炉の温度を上げて、マトリックス樹脂を１３０℃、２時間にて１次硬化させた。
バッグ材９を開放し、１次硬化したＦＲＰ成形品を治具４から脱型して取り出した。得られた成形品を目視により外観検査をした結果、皺のないＦＲＰ成形品を得ることができた。
上面部の厚みを５カ所計測し、厚みから強化繊維体積含有率Ｖｆを算出したところ、Ｖｆは５９％であった。

本発明は自動車、航空機、船舶、産業用途の型材・補強部材としてのスティフナやスパーのプリフォームに用いられるが、これに限らず三次元形状を有するプリフォームを作る際に応用することができる。

本発明のプリフォームの製造方法において、繊維積層体を治具上に配置する工程の一例を示す模式断面図である。 図１の斜視図である。 本発明のシート固定工程の一例を示す模式断面図である。 図１の一部を真上から見た図である。 本発明の圧力付加工程の一例を示す模式断面図である。 図５の一部を真上から見た図である。 展開図形状のシートの一例を示した図である。 賦形中の繊維積層体のコーナーR部の変化を示した図である。 繊維積層体に圧力付加の順番を示した図である。 本発明の繊維強化プラスチックの製造方法の一例を示す模式断面図である。 本発明のプリフォームの製造方法の一例を示す模式断面図である。

符号の説明

１：繊維積層体
２：強化繊維基材
３：シート
４：治具
５：ツール
６：固定部
７：コーナー部
８：治具の輪郭線
９：バッグ材
１０：シーラントテープ
１１：圧力付加後の繊維積層体
１２：プリフォーム
１３：ピールプライ
１４：樹脂流路用メディア
１５：フィルム
１６：注入口
１７：吸引口
１８：樹脂流路用メディア

Claims (11)

1. 少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の工程を含むことを特徴とするプリフォームの製造方法。
   （Ａ）ツール面上に治具を配置し、その上に繊維積層体を配置する繊維積層体のセット工程。
   （Ｂ）前記繊維積層体の上側に前記治具の展開図形状に形成されたシートを、該シートの展開基準領域が治具の対応する面に実質的に重なるように配置するシートのセット工程。
   （Ｃ）前記シートを介して繊維積層体に圧力をかけることにより、繊維積層体を治具の形状に沿わせた際に、治具とツール面で形成されるコーナー部に前記シートが密着しない位置に前記シートの端部を固定するシートの固定工程。
   （Ｄ）前記シートを介して前記繊維積層体に圧力を加える圧力付加工程。
2. 前記圧力付加工程（Ｄ）において、まず、シートの展開基準領域に圧力を付与した後、シートの展開端部に向かって圧力付与領域を拡大していくことを特徴とする請求項１に記載のプリフォームの製造方法。
3. 前記シートの固定工程（Ｃ）において、シートの各端部を固定する位置を、ツール面と治具で形成される治具の輪郭線の各辺を当該各辺の法線方向に平行移動した位置に設定することを特徴とする請求項１または２のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
4. シートの伸度が０．００２％以上３０％以下の範囲内であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
5. 繊維積層体の層間に樹脂材料を含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
6. バッグ材で少なくとも繊維積層体を覆って真空引きすることにより、シートを介して繊維積層体に圧力を加えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
7. 前記圧力付加工程（Ｄ）において、少なくとも繊維積層体を４０℃以上１８０℃以下の範囲内に加熱することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
8. 前記シートが繊維積層体に対して離型性を有するものであることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
9. プリフォームの強化繊維体積含有率Ｖｐｆが３５％〜６５％であることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載のプリフォームの製造方法によって得られたプリフォーム。
10. 請求項９に記載のプリフォームに、マトリックス樹脂を注入、含浸、硬化して得られる強化繊維体積含有率Ｖｆが４０％〜７２％の範囲内である繊維強化プラスチック成形品。
11. 少なくとも下記（Ａ）〜（Ｄ）の手段を含むことを特徴とするプリフォームの製造装置。
    （Ａ）治具を配置するためのツールと、該ツール面上に配置された治具と、さらに該治具の上面に配置される繊維積層体とを有する繊維積層体のセット手段。
    （Ｂ）前記繊維積層体の上側に配置される前記治具の展開図形状に形成されたシートを有し、該シートは該シートの展開基準領域が治具の対応する面に実質的に重なるように配置されるようにしたシートのセット手段。
    （Ｃ）前記シートを介して繊維積層体に圧力をかけることにより、繊維積層体を治具の形状に沿わせた際に、治具とツール面で形成されるコーナー部に前記シートが密着しない位置に前記シートの端部を固定するシートの固定手段。
    （Ｄ）前記シートを介して前記繊維積層体に圧力を加える圧力付加手段。

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