特許 7049616 繊維強化樹脂成形品の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-03-30

(45)【発行日】2022-04-07

(54)【発明の名称】繊維強化樹脂成形品の製造方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 43/12 20060101AFI20220331BHJP

   B29C 43/18 20060101ALI20220331BHJP

   B29C 64/10 20170101ALI20220331BHJP

   B29C 65/02 20060101ALI20220331BHJP

   B29C 70/06 20060101ALI20220331BHJP

   B29C 70/44 20060101ALI20220331BHJP

   B29C 70/84 20060101ALI20220331BHJP

   B33Y 10/00 20150101ALI20220331BHJP

   B32B 5/28 20060101ALI20220331BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20220331BHJP

   B29K 307/04 20060101ALN20220331BHJP

【ＦＩ】

B29C43/12

B29C43/18

B29C64/10

B29C65/02

B29C70/06

B29C70/44

B29C70/84

B33Y10/00

B32B5/28 Z

B29K105:08

B29K307:04

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2019162348

(22)【出願日】2019-09-05

(65)【公開番号】P2021037733

(43)【公開日】2021-03-11

【審査請求日】2022-01-05

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000208765

【氏名又は名称】株式会社エンプラス

(73)【特許権者】

【識別番号】516092913

【氏名又は名称】株式会社 ＭＯＮＯＰＯＳＴ

(74)【代理人】

【識別番号】100095407

【弁理士】

【氏名又は名称】木村 満

(74)【代理人】

【識別番号】100177149

【弁理士】

【氏名又は名称】佐藤 浩義

(74)【代理人】

【識別番号】100136342

【弁理士】

【氏名又は名称】中村 成美

(74)【代理人】

【識別番号】100132883

【弁理士】

【氏名又は名称】森川 泰司

(72)【発明者】

【氏名】滝澤 勝利

(72)【発明者】

【氏名】鳥山 倫靖

【審査官】酒井 英夫

(56)【参考文献】

【文献】特表２０１６－５３１７７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０６９５７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２８８７８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００１－５２４８９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ４３／００－４３／５８

Ｂ２９Ｃ ６４／００－６４／４０

Ｂ２９Ｃ ６５／００－６５／８２

Ｂ２９Ｃ ７０／００－７０／８８

Ｂ３２Ｂ １／００－４３／００

Ｂ３３Ｙ １０／００，３０／００，８０／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

立体造形物の少なくとも一部を、強化用繊維とマトリクス樹脂とを含有するシート状の繊維強化樹脂基材で被覆して積層体を得る被覆工程と、
排気口を備える軟質気密容器の内部に、前記積層体と粉体とを、前記軟質気密容器の内側面と前記積層体との間に前記粉体が存在し、かつ前記積層体と前記粉体との間に離形材を配置するように充填して封止する封止工程と、
封止した前記軟質気密容器を排気することで前記立体造形物と前記繊維強化樹脂基材とが密着した状態で前記軟質気密容器内を加熱して前記繊維強化樹脂基材を前記立体造形物と結着させる結着工程と、
前記軟質気密容器から前記立体造形物と結着した前記繊維強化樹脂基材との複合体を取り出すとともに前記粉体を取り除くことで繊維強化樹脂成形品を得る取出工程と、
を含む、繊維強化樹脂成形品の製造方法。

【請求項2】

前記粉体は、複数種の粉体からなる混合物である、請求項１に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。

【請求項3】

前記封止工程において、前記軟質気密容器内に、熱膨脹材を更に充填する、請求項１又は２に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。

【請求項4】

前記強化用繊維は、炭素繊維である、請求項１～３のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。

【請求項5】

前記立体造形物は、３Ｄプリンタで造形した立体造形物である、請求項１～４のいずれか１項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、繊維強化樹脂成形品の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

樹脂原料に炭素繊維やグラスファイバーなどの繊維を混合することで、樹脂成型品の強度が強化される。繊維強化された樹脂成形品は、例えばプレス成型法、オートクレーブ法によって製造されている。

【0003】

プレス成型法（ＲＴＭ法）においては、シート状繊維品を、製造する樹脂成形品の形状に対応する雌雄一対の金型の間に配置し、キャビティに樹脂成分を注入して硬化することで繊維強化樹脂成形品を得る。

【0004】

オートクレーブ法においては、プリプレグを、製造する成形品に対応する金型の上に配置し、金型とプリプレグを気密性の袋に入れ、その袋ごとオートクレーブに入れて加圧しかつ袋内を減圧することで金型とプリプレグを密着させながら加熱し、プリプレグ中の熱硬化性樹脂を硬化させて繊維強化樹脂成形品を得る。

【0005】

また、プレス成型法やオートクレーブ法を改善したものとして、特許文献１には、熱プレス機やオートクレーブなどの装置が不要となる、繊維強化樹脂成形品の製造方法が開示されている。この方法では、繊維強化樹脂基材を型の内面に配置し、繊維強化樹脂基材型のコア空間部に熱膨張性カプセルを含む粉体混合物を充填し、繊維強化樹脂基材型を密閉した後、繊維強化樹脂基材と型の内面との間の空気を排気し、次いで加熱している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特許第６４０５４３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、これらの方法は、前述のとおり、いずれも高価な金型を必要とするため、安価な製品の製造には不向きであり、加工工程に手間を要するといった問題があった。

【0008】

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、繊維強化樹脂成形品を容易に製造することができる方法、それによって得られる繊維強化樹脂成形品を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

前記目的を達成するため、本発明の第一の観点に係る繊維強化樹脂成形品の製造方法は、
立体造形物の少なくとも一部を、強化用繊維とマトリクス樹脂とを含有するシート状の繊維強化樹脂基材で被覆して積層体を得る被覆工程と、
排気口を備える軟質気密容器の内部に、前記積層体と粉体とを、前記軟質気密容器の内側面と前記積層体との間に前記粉体が存在し、かつ前記積層体と前記粉体との間に離形材を配置するように充填して封止する封止工程と、
封止した前記軟質気密容器を排気することで前記立体造形物と前記繊維強化樹脂基材とが密着した状態で前記軟質気密容器内を加熱して前記繊維強化樹脂基材を前記立体造形物と結着させる結着工程と、
前記軟質気密容器から前記立体造形物と結着した前記繊維強化樹脂基材との複合体を取り出すとともに前記粉体を取り除くことで繊維強化樹脂成形品を得る取出工程と、を含む。

【0010】

前記粉体は、複数種の粉体からなる混合物である、と好ましい。

【0011】

前記封止工程において、前記軟質気密容器内に、熱膨脹材を更に充填すると好ましい。

【0012】

前記強化用繊維は、炭素繊維である、と好ましい。

【0013】

前記立体造形物は、３Ｄプリンタで造形した立体造形物である、と好ましい。

【発明の効果】

【0017】

本発明の繊維強化樹脂成形品の製造方法によれば、容易に高強度な繊維強化樹脂成形品が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第一の実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の製造方法の流れ図。

【図2】第一の実施形態に係る被覆工程を示す概略図。

【図3】第一の実施形態に係る積層体を示す概略図。

【図4】第一の実施形態に係る封止工程を示す概略図。

【図5】第一の実施形態に係る結着工程の排気を示す概略図。

【図6】第一の実施形態に係る結着工程を示す概略図。

【図7】第一の実施形態に係る取出工程を示す概略図。

【図8】実施例に係る立体造形物及び繊維強化樹脂成形品の写真。

【図9】実施例に係る被覆工程及び封止工程を示す概略図。

【図10】実施例に係る封止工程を示す概略図。

【図11】実施例に係る封止工程を示す概略図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明の一実施形態に係る繊維強化樹脂成形品の製造方法について、図を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。

【0020】

本製造方法は、図１に示すように、被覆工程Ｓ１と、封止工程Ｓ２と、結着工程Ｓ３と、取出工程Ｓ４と、を少なくとも含む。以下各工程について詳細に説明する。

【0021】

（被覆工程Ｓ１）
被覆工程Ｓ１では、図２に示すように、立体造形物１の少なくとも一部を、強化用繊維２とマトリクス樹脂３とを含有するシート状の繊維強化樹脂基材４で被覆して、図３に示すような積層体５を得る。

【0022】

立体造形物１は、繊維強化樹脂成形品の形状の元になるものであり、被覆工程Ｓ１、封止工程Ｓ２及び結着工程Ｓ３で変形しない程度の強度があれば組成や形状は特に限定されない。組成としては、樹脂、セラミック、紙、金属、木質材などが挙げられる。立体造形物１の形状は、図２に示すような空洞部分があるものであってもよいが、後述する、封止工程Ｓ２において空洞部分に粉体を充填する出入り口を有する形状であることが好ましい。立体造形物１に空洞部分があると得られる繊維強化樹脂成形品の軽量化の点で好ましい。

【0023】

立体造形物１は、その製造方法によっては限定されないが、例えば、３Ｄプリンタで造形することが好ましい。３Ｄプリンタで造形することで、空洞部分を有するような立体形状や二連リング形状のように従来の金型では成形することが困難な複雑な形状も成形することができる。また、少量生産にも好適である。

【0024】

繊維強化樹脂基材４は、強化用繊維２とマトリクス樹脂３とを含有するシート状の材料である。

【0025】

強化用繊維２は、繊維強化樹脂基材４中で一方向に並んでいても、平織、綾織、朱子織などの織物状で存在していても、無秩序に分散していてもよい。

【0026】

強化用繊維２としては、結着工程Ｓ３の加熱温度で劣化しない繊維であれば特に限定されず、炭素繊維、カーボンナノチューブ、グラフェンシート、セルロースナノファイバー、ガラス繊維、鉱物繊維などが挙げられる。中でも、得られる繊維強化樹脂成形品の強度の点で、炭素繊維が好ましい。強化用繊維２のサイズは特に限定されないが、例えば繊維長が数百ｎｍ以上数ｍｍ以下の繊維を用いることができる。

【0027】

強化用繊維２は、一種単独で又は複数種を組み合わせて用いることができる。

【0028】

マトリクス樹脂３は、被覆工程Ｓ１においては柔軟性を有し、結着工程Ｓ３で結着できる樹脂であれば特に限定されないが、例えばエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、フェノール樹脂などの熱硬化性樹脂の半硬化樹脂や、ポリ塩化ビニリデン系樹脂、アクリル系樹脂、ＡＮ系共重合体系樹脂などの熱可塑性樹脂が挙げられる。

【0029】

マトリクス樹脂３は、繊維強化樹脂基材４中において、繊維と繊維の間、繊維の周囲にマトリクス（母材）として存在する。

【0030】

繊維強化樹脂基材４としては、強化用繊維２にマトリクス樹脂３を含浸させてシート状にした、プリプレグとして市販されているものを用いることができる。プリプレグは、強化用繊維に熱硬化性樹脂を含浸させ、加熱又は乾燥して半硬化状態にした樹脂のシート、または、強化用繊維に溶融した熱可塑性樹脂を含浸させ、その熱可塑性樹脂を固化したシートである。例えば、炭素繊維強化プラスチック（Carbon Fiber Reinforced Plastic：ＣＦＲＰ）の熱硬化性樹脂プリプレグとして東レ株式会社のトレカ（登録商標）やＣＦＲＰの熱可塑性樹脂プリプレグとして日鉄ケミカル＆マテリアル株式会社のＴＥＰｒｅｇ（登録商標）等の各種プリプレグを用いることができる。繊維強化樹脂基材４の厚みは特に限定されないが、例えば０．０７ｍｍ以上０．２ｍｍ以下である。

【0031】

繊維強化樹脂基材４の積層数は適宜選択することができ、単層であっても複層であってもよい。

【0032】

繊維強化樹脂基材４は、予め超音波カッターなどで切断して、立体造形物１の形状や凹凸に合わせたものを用いることができる。

【0033】

立体造形物１を繊維強化樹脂基材４で被覆する際に、立体造形物１が空筒部分を形成しており外側面と内側面を有している場合には、必要とされる強度により、外側面と内側面のいずれか一方又は両面を被覆することができる。

【0034】

立体造形物１と繊維強化樹脂基材４とが直接接触した状態で被覆を行うと、後述する結着工程Ｓ３で、立体造形物１と繊維強化樹脂基材４を結着することができる。また、部分的に立体造形物１と繊維強化樹脂基材４の間に離形層を設けたり、繊維強化樹脂基材４にしわを寄せて被覆したりすすることで、部分的に立体造形物１と硬化した繊維強化樹脂基材４の間に空間を生じさせて、結着させないこともできる。非結着部分は、繊維強化樹脂成形品１４の可動部とすることが可能である。

【0035】

（封止工程Ｓ２）
封止工程Ｓ２では、図４に示すように、排気口６を備える軟質気密容器７の内部に、積層体５と粉体８とを、軟質気密容器７の内側面と前記積層体５との間に粉体８が存在するように充填して封止する。

【0036】

軟質気密容器７は、積層体５と粉体８を収納できる大きさであり、軟質気密容器７の外側と内側で圧力を伝達できる柔軟性を備える材質であれば特に限定されない。例えば、図４に示すような耐熱性ビニール袋や、チューブの一端を閉じたチューブ容器などを用いることができる。袋の口は、積層体５と粉体８の出入り口になるとともに、管を挟んで閉じることで排気口６として機能する。このように積層体５等の出入り口を排気口６として共用することができるが、積層体５等の出入り口と異なる部分に別途排気口６を設けることもできる。

【0037】

粉体８は、流動性と熱伝導性があれば、大きさ、形状、材質は特に限定されない。粉体８としては、例えば、平均粒径１～２００μｍの有機粉体又は無機粉体を用いることができる。粉体８は、一種単独で用いることができ、又、粒径、形状などの異なる複数種の粉体８を用いることできる。粉体８として粒径の異なる複数種の粉体からなる混合物を用いると、軟質気密容器７中での充填性に優れ、かつ脱気の際に同伴する粉体８を減らすことができるので好ましい。

【0038】

封止工程Ｓ２において、粉体８に加えて他の部材を充填することができる。他の部材としては、チョップドファイバーや、熱膨脹材などが挙げられる。

【0039】

チョップドファイバーを用いる場合には、繊維径が１～２０μｍ、長さ０．５～５ｍｍにカットしたチョップドファイバーが好ましい。

【0040】

熱膨脹材としては、熱膨張性マイクロカプセルが挙げられる。熱膨脹材を用いると、硬化工程Ｓ３の際に熱膨脹材が熱で膨脹し、軟質気密容器７の中の圧力を高めて繊維強化樹脂基材４の立体造形物１の形状への追随性を向上させることができる。熱膨脹材は、粉体８と均一に混合して用いることができる。また、粉体８を再利用する観点で、熱膨脹材を伸縮性のある包装フィルムなどで包装してスティック形状にして、粉体８と共に軟質気密容器７内に配置することが好ましい。

【0041】

積層体５と粉体８との間には、薄い紙などの離形材を配置することができる。離形材を配置することで取出工程Ｓ４における粉体８の除去が容易になる。離形材としては、フッ素樹脂フィルムやシリコーンフィルムなどのフィルム類が用いられる。

【0042】

軟質気密容器７に積層体５と粉体８とを、軟質気密容器７の内側面と積層体５との間に粉体８が存在するように充填して封止する方法としては、例えば、軟質気密容器７に積層体５を入れて、積層体５の空筒部分と積層体５の周囲に粉体８を充填し、積層体５と粉体８の出入り口（排気口６）に管を挟み込んで封止する（図４参照）。

【0043】

（結着工程Ｓ３）
結着工程Ｓ３では、図５に示すように、封止した軟質気密容器７を排気することで立体造形物１と繊維強化樹脂基材４とが密着した状態で軟質気密容器７内を加熱して繊維強化樹脂基材４を立体造形物１と結着させる。

【0044】

封止した軟質気密容器７の排気口６からガス９（空気）を排気すると、外気圧１０で軟質気密容器７が収縮し、その外気圧１０が軟質気密容器７及び粉体８を通して立体造形物１と繊維強化樹脂基材４とを密着させる。粉体８が存在することで、立体造形物１の凸部分が軟質気密容器７に直接接触することを防ぐとともに、外気圧１０を繊維強化樹脂基材４の凹部分を含む全面に均等に伝えて立体造形物１と繊維強化樹脂基材４との間の隙間を埋めて密着させる。粉体８は、圧及び熱を伝えるとともに、排気の際にはガス流路として機能する。

【0045】

排気は、減圧ポンプ１１などで排気口６から直接行うことができるが、図５に示すように減圧ポンプ１１と排気口６の間に、同伴した粉体８を捕捉するトラップ１２を設けることが好ましい。

【0046】

軟質気密容器７内の加熱は、図６に示すように、立体造形物１と繊維強化樹脂基材４とが密着した状態の軟質気密容器７をオーブン１３に入れて行うことができる。また、軟質気密容器７の内部にヒータを配置して加熱することもできる。

【0047】

加熱温度は、繊維強化樹脂基材４が結着する温度であれば特に限定されず、用いるマトリクス樹脂３の種類によって適宜選択できる。例えば、常温以上２００℃以下とすることができる。

【0048】

前述の排気は、加熱中にも行うことが好ましい。繊維強化樹脂基材４の結着の際にガスが発生することがあるが、そのガスを排気することで、立体造形物１と繊維強化樹脂基材４の密着を保つことができる。

【0049】

繊維強化樹脂基材４が結着することで、積層体５の立体造形物１と繊維強化樹脂基材４とが一体となった複合体１４となる。

【0050】

（取出工程Ｓ４）
取出工程Ｓ４では、図７に示すように、軟質気密容器７から立体造形物１と繊維強化樹脂基材４との複合体１４を取り出すとともに粉体８を取り除き、繊維強化樹脂成形品１４を得る。

【0051】

取り除いた粉体８、軟質気密容器７は再利用することができる。

【0052】

繊維強化樹脂成形品１４中の繊維強化樹脂基材４は、立体造形物１の表面凹凸のアンカー効果などにより、立体造形物１と強固に結着している。従って、繊維強化樹脂成形品１４中の立体造形物１は取り除く必要はないが、研磨することなどで除去することも可能である。

【0053】

繊維強化樹脂成形品１４は、立体造形物１の形状で、用いる繊維強化樹脂の強度をそのまま備えるので、様々な形状、大きさのものを製造することができ、オーダーメイドの医療用具、ロボットの部品など、様々な用途に使用することができる。

【0054】

（実施例）
本発明の実施例を説明するが、本発明はこれに限定されない。なお、ここではマトリクス樹脂として熱硬化性樹脂を用い、結着工程では、熱硬化性樹脂を硬化することで立体造形物と繊維強化樹脂基材を結着している。
また、１つの軟質気密容器で１つの繊維強化樹脂成形品を成形する例を示すが、本発明はこれに限定されず、１つの軟質気密容器で複数の繊維強化樹脂成形品を成形してもよい。

【0055】

３Ｄプリンタで図８（左）に示す義指装具の形状の立体造形物１を造形した。この義指装具は、指にはめることができると共に、切り欠き部分１５で屈曲可能である。

【0056】

次に、シート状のＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）プリプレグを、立体造形物１の形状に合わせて加工して繊維強化樹脂基材４を準備した。繊維強化樹脂基材４は、筒状に加工してあり、立体造形物１を差し込むことで、立体造形物１に繊維強化樹脂基材４を被覆することができる（図９参照）。

【0057】

繊維強化樹脂基材４を立体造形物１に被覆して積層体５とした後、薄い包装材（離型材１６）で包装し、立体造形物１の内側に粉体８を充填して密封して梱包物１７を作成した（図９参照）。粉体８は、平均粒径１～２００μｍの無機粉体であり、繊維径が１～２０μｍ、長さ０．５～５ｍｍにカットしたチョップドファイバーとの混合物である。

【0058】

次に、梱包物１７の周囲に３つの熱膨脹材１８を均等に配置して、粉体８と共に、薄い包装材（離型材１９）で包装し梱包物２０を作成した（図１０参照）。熱膨脹材１８は、熱膨張性マイクロカプセルを伸縮性のある包装フィルムに充填してスティック状に包装したものである。

【0059】

次に、梱包物２０を軟質気密容器７に入れた。軟質気密容器７は気密性のある耐熱シートで、排気口６を備えている。梱包物２０の周囲に粉体８を充填し、排気口６にホース２１を通して閉じた（図１１参照）。そのホース２１をトラップ１２を介して減圧ポンプに接続してガスを排気し減圧した。減圧することで、立体造形物１と繊維強化樹脂基材４の隙間が無くなると共に、粉体８を介して、外気圧が均等に繊維強化樹脂基材４にかかり、立体造形物１と繊維強化樹脂基材４が互いに密着する。

【0060】

次に、軟質気密容器７をオーブンに入れ、軟質気密容器７を減圧しながら加熱して、繊維強化樹脂基材４を硬化させた。

【0061】

次に、軟質気密容器７から、立体造形物１と繊維強化樹脂基材４との複合体を取り出し粉体８を取り除き、繊維強化樹脂成形品１４を得た。図８には、立体造形物１（左）と、繊維強化樹脂成形品１４（右）が示されている。なお、図８の繊維強化樹脂成形品１４は、繊維強化樹脂基材４の立体造形物１の切り欠き部分１５に対応する部分を結着後に切り取ったものである。繊維強化樹脂成形品１４の切り欠き部分２２は、立体造形物１と同様に屈曲性を示した。繊維強化樹脂成形品１４は、軽量でありながら繊維強化樹脂基材４に由来する強度を備えていた。

【0062】

本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

【符号の説明】

【0063】

１ 立体造形物
２ 強化用繊維
３ マトリクス樹脂
４ 繊維強化樹脂基材
５ 積層体
６ 排気口
７ 軟質気密容器
８ 粉体
９ ガス
１０ 外気圧
１１ 減圧ポンプ
１２ トラップ
１３ オーブン
１４ 複合体（繊維強化樹脂成形品）
１５ 切り欠き部分
１６ 離型材
１７ 梱包物
１８ 熱膨脹材
１９ 離型材
２０ 梱包物
２１ ホース
２２ 切り欠き部分
Ｓ１ 被覆工程
Ｓ２ 封止工程
Ｓ３ 結着工程
Ｓ４ 取出工程

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】