特許 7548330 成形方法

(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】2024-09-02

(45)【発行日】2024-09-10

(54)【発明の名称】成形方法

(51)【国際特許分類】

   B29C 51/28 20060101AFI20240903BHJP

   B29C 51/10 20060101ALI20240903BHJP

【ＦＩ】

B29C51/28

B29C51/10

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2022564919

(86)(22)【出願日】2020-11-27

(86)【国際出願番号】 JP2020044158

(87)【国際公開番号】W WO2022113250

(87)【国際公開日】2022-06-02

【審査請求日】2023-04-11

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】四方田 英利

(72)【発明者】

【氏名】佐竹 涼

【審査官】久慈 純平

(56)【参考文献】

【文献】特開２００１－４７５０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００６－２１２８７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２５４５１８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－２２６０１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表平１１－５０１８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１９－５１３９６２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｂ２９Ｃ ５１／２８

Ｂ２９Ｃ ５１／１０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

プリプレグを、凹凸面を備える第１の型に密着させて成形する成形方法であって、
前記第１の型の前記凹凸面に前記プリプレグを配置する工程と、
前記プリプレグ上に前記凹凸面のうち凹部の形状に沿った先端形状を有する突起部を備える弾性シートを配置する工程と、
前記プリプレグが配置された前記第１の型と前記弾性シートとの間の空間を密閉し、前記空間を真空吸引する工程と、を備え、
前記凹部及び前記突起部は曲率を有する形状であり、
前記突起部の曲率半径は、前記凹部の曲率半径未満であり、
前記突起部の曲率半径は、前記凹部の曲率半径の半分以上であり、
前記真空吸引する工程において、前記凹部に位置する前記プリプレグが、前記弾性シートが備える前記突起部によって押圧され、前記第１の型の前記凹凸面に密着する、
成形方法。

【請求項2】

前記突起部は、前記弾性シートを構成する材料と同一の材料から構成され、前記弾性シートと一体成形されている、請求項１に記載の成形方法。

【請求項3】

前記突起部は、前記弾性シートを構成する材料と異なる材料から構成され、前記弾性シートに取り付け可能な別体である、請求項１に記載の成形方法。

【請求項4】

前記真空吸引後、前記プリプレグを前記第１の型の前記凹凸面に密着させた状態で前記弾性シートを取り外し、前記第１の型と前記第１の型に嵌合するように形成された第２の型とによって前記プリプレグを挟持し、加熱成形する工程をさらに備える、請求項１～３のいずれか一項に記載の成形方法。

【請求項5】

事前に前記第１の型の前記凹部の位置をＣＡＥ解析により特定し、特定された前記凹部の形状に沿うように前記弾性シートの前記突起部が形成される工程をさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の成形方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は成形方法に関する。

【背景技術】

【0002】

炭素繊維に熱硬化性樹脂を含侵させたプリプレグは、オートクレーブ成形方法によって成形できることが知られている。特許文献１には、プリプレグのオートクレーブ成形方法として、下型の上に配置したプリプレグをシリコーンゴムシートで覆い、下型とシリコーンゴムシートとの間を真空引きする成形方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００１－０４７５０７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

発明者らは、下型とシリコーンゴムシートなどの弾性シートを用いてプリプレグの成形を行った場合、次のような問題が生じることを見出した。すなわち、プリプレグを複雑な形状に成形したい場合に、真空引きを行った後においても、複雑な形状を有する下型の凹部においてプリプレグが浮いた状態が発生し、高い転写性を得ることができないという問題がある。

【0005】

本発明は、上記の問題を鑑みてなされたものであり、高い転写性を得ることが可能な成形方法を提供するものである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る成形方法は、
プリプレグを、凹凸面を備える第１の型に密着させて成形する成形方法であって、
前記第１の型の前記凹凸面に前記プリプレグを配置する工程と、
前記プリプレグ上に前記凹凸面のうち凹部の形状に沿った先端形状を有する突起部を備える弾性シートを配置する工程と、
前記プリプレグが配置された前記第１の型と前記弾性シートとの間の空間を密閉し、前記空間を真空吸引する工程と、を備え、
前記真空吸引する工程において、前記凹部に位置する前記プリプレグが、前記弾性シートが備える前記突起部によって押圧され、前記第１の型の前記凹凸面に密着する。

【0007】

本発明に係る成形方法では、真空吸引する工程において、凹部に位置するプリプレグが、弾性シートが備える突起部によって押圧され、第１の型の凹凸面に密着する。よって、高い転写性を得ることが可能な成形方法を提供できる。

【発明の効果】

【0008】

本発明により、高い転写性を得ることが可能な成形方法を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態に係る成形方法の一連の流れを示すフローチャートである。

【図2】実施の形態に係る成形方法において、第１の型にプリプレグを配置した状態を示す斜視図である。

【図3】実施の形態に係る成形方法において、プリプレグ上に弾性シートを配置した状態を示す正面図である。

【図4】実施の形態に係る成形方法において、真空吸引を行った後の、図３のＩＶで示す領域の拡大図である。

【図5】実施の形態に係る成形方法において、ＣＡＥを用いたシミュレーション上で真空吸引を行った状態を示す解析モデルの図である。

【図6】図５のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面を示す拡大正面断面図である。

【図7】図６の凹部の位置を特定した状態を示す解析モデルの図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の具体的な実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
なお、図に示した右手系ｘｙｚ座標は、構成要素の位置関係を説明するための便宜的なものである。特に言及のない限り、ｚ軸プラス向きが鉛直上向きである。また、ｘｙ平面が水平面である。

【0011】

＜実施の形態＞
本実施の形態に係る成形方法は、プリプレグを、凹凸面を備える第１の型に密着させて成形する成形方法である。すなわち、第１の型の凹凸面の形状を、プリプレグに転写する成形方法である。ここで成形対象であるプリプレグとは、繊維に熱硬化性樹脂を含侵させたものである。繊維としては、例えば炭素繊維（Carbon Fiber）や、ガラス繊維（Glass Fiber）を用いることができる。なお、本実施の形態に係る成形方法では、プリプレグを複数枚積層した状態で成形することもできる。

【0012】

図１は、実施の形態に係る成形方法の一連の流れを示すフローチャートである。図１に示すように、本実施の形態に係る成形方法は、まず、第１の型の凹凸面にプリプレグを配置する（ステップＳ１）。次に、プリプレグ上に、第１の型の凹凸面のうち凹部の形状に沿った先端形状を有する突起部を備える弾性シートを配置する（ステップＳ２）。続いて、プリプレグが配置された第１の型と弾性シートとの間の空間を密閉し、当該空間を真空吸引する（ステップＳ３）。
以下、上記各ステップについて、図１の各ステップに対応する図２～図４を参照し説明する。

【0013】

＜ステップＳ１：第１の型にプリプレグを配置＞
ステップＳ１では、第１の型１１にプリプレグ１３を配置する。
図２は、実施の形態に係る成形方法において、第１の型１１にプリプレグ１３を配置した状態を示す斜視図である。

【0014】

図２に示すように、第１の型１１は上面（ｚ軸正側のｘｙ平面）に凹凸面１１ａを有する型である。第１の型１１の凹凸面１１ａは所望の任意の形状を有する。図２に示すように、第１の型１１の凹凸面１１ａは、一例として、凹部１２ａ及び凹部１２ｂを有する。

【0015】

第１の型１１は、例えば、アルミニウム、鉄、ステンレス、合金などの金属製でもよく、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂などの熱可塑性樹脂製でもよく、エポキシ樹脂、ウレタン樹脂などの熱硬化性樹脂製でもよく、ＣＦＲＰ（Carbon Fiber Reinforced Plastic）やＧＦＲＰ（Glass Fiber Reinforced Plastic）などの繊維強化プラスチック製でもよい。第１の型１１は、上記の材料のうち、耐熱性及び耐圧性を有する材料を用いて製造されたものでもよい。

【0016】

図２に示すように、第１の型１１の凹凸面１１ａにプリプレグ１３を配置する。なお、図２に示すプリプレグ１３は第１の型１１の凹凸面１１ａの一部に配置されているが、プリプレグ１３のｘ軸方向の長さ及びｙ軸方向の幅は所望の成形品の大きさに応じて適宜変更可能である。

【0017】

続くステップＳ２において、プリプレグ１３上に、突起部１５を備える弾性シート１４を配置する。図２に示すように、弾性シート１４のｘ軸方向及びｙ軸方向の幅は、プリプレグ１３より大きく構成されている。換言すると、弾性シート１４のｘ軸方向及びｙ軸方向の幅は、少なくともプリプレグ１３を覆うことが可能な幅を有する。突起部１５の詳細は、図３及び図４を用いて後述する。なお、図２に示すように、弾性シート１４の大きさは、第１の型１１の全体を覆うことが可能な大きさを有していてもよい。

【0018】

＜ステップＳ２：プリプレグ上に弾性シートを配置＞
ステップＳ２では、プリプレグ上に弾性シートを配置する。
図３は、実施の形態に係る成形方法において、プリプレグ１３上に弾性シート１４を配置した状態を示す正面図である。図３に示すように、弾性シート１４は、第１の型１１の凹凸面１１ａのうち凹部１２ａ，１２ｂの形状に沿った先端形状を有する突起部１５ａ，１５ｂを備える。凹部１２ａと突起部１５ａの位置、及び、凹部１２ｂと突起部１５ｂの位置が一致するように、プリプレグ１３上に弾性シート１４を配置する。

【0019】

弾性シート１４及び突起部１５の材料は、弾性体である。より具体的には、弾性シート１４は例えば、シリコーンゴム、スチレン・ブタジエンゴム（ＳＢＲ）、クロロプレンゴム（ＣＲ）、アクリロニトリルゴム（ＮＢＲ）、ブチルゴム、エチレンプロピレンゴム、フッ素ゴム及びこれらの組み合わせなどから構成されている。

【0020】

突起部１５は、弾性シート１４と一体成形されていてもよいし、弾性シート１４に接着や嵌め込みなどで取り付け可能な別体であってもよい。突起部１５を嵌め込みによって取り付ける場合は、弾性シート１４は当該突起部を嵌め込み可能な接続穴を有していてもよい。

【0021】

突起部１５が弾性シート１４と一体成形されている場合は、突起部１５は弾性シート１４を構成する材料と同一の材料から構成されてもよい。突起部１５が弾性シート１４に取り付け可能な別体である場合は、同一の材料から構成されてもよいし、それぞれ異なる任意の材料から構成されてもよい。

【0022】

弾性シート１４及び突起部１５の材料は上述の通りともに弾性体である。ただし、次のステップＳ３において真空吸引した際に、弾性シート１４は当該吸引によって変形可能である一方で、突起部１５は変形し難いように形成されている。弾性シート１４と突起部１５とが別体である場合、例えば、弾性シート１４は容易に変形しやすい弾性率を有する材料で作製してもよい。一方で突起部１５は、プリプレグ１３を押圧しやすい、すなわち弾性シート１４に比べて変形し難い弾性率を有する材料で作製してもよい。また、弾性シート１４には、真空吸引を行う機器に接続可能な吸引孔（不図示）が設けられていてもよい。

【0023】

図３に示すように、凹部１２及び突起部１５は曲率を有する形状である。突起部１５の曲率半径は、凹部１２の曲率半径以下であることが好ましい。さらに好ましくは、突起部１５の曲率半径が、凹部１２の曲率半径の半分以上である。具体例として、凹部１２ａの曲率半径が３ｍｍであるとき、突起部１５ａの曲率半径は２ｍｍとすることができる。同様に、例えば、凹部１２ｂの曲率半径が１０ｍｍであるとき、突起部１５ｂの曲率半径は５ｍｍとすることができる。

【0024】

＜ステップＳ３：真空吸引＞
ステップＳ３では、プリプレグが配置された第１の型と弾性シートとの間の空間を密閉し、当該空間を真空吸引する。第１の型１１と弾性シート１４との間の密閉は、例えば第１の型１１と弾性シート１４全体を覆うようにバギングしてもよいし、第１の型１１と弾性シート１４との境界部分を密閉してもよい。第１の型１１と弾性シート１４との境界部分を密閉する場合、密閉には例えば樹脂製のフィルムを用いてもよいし、樹脂又は金属などで構成された枠を用いてもよい。

【0025】

図４は、実施の形態に係る成形方法において、真空吸引を行った後の、図３のＩＶで示す領域の拡大図である。図４に示すように、第１の型１１の凹部１２ａ，１２ｂに位置するプリプレグ１３が、弾性シート１４が備える突起部１５ａ，１５ｂによってそれぞれ押圧され、第１の型１１の凹凸面１１ａに密着する。なお、図４では、プリプレグ１３を見やすくするために、便宜的に右上がり斜線のハッチングを施している。

【0026】

なお、本実施の形態では第１の型１１の上にプリプレグ１３を配置し、プリプレグ１３の上に弾性シート１４を配置しているが、これに限定されない。例えば、状況に応じて任意の方向に第１の型を傾斜させた状態で各工程を行うことも可能である。また、成形前のプリプレグ１３を軟化させ成形しやすくするために、プリプレグ１３を予め加熱しておいてもよい。
以上が本実施の形態に係る成形方法の一連の流れである。

【0027】

本実施の形態に係る成形方法はさらに、第２の型を用いてプリプレグを加熱成形する、オートクレーブ成形の工程を備えていてもよい（不図示）。第２の型は、第１の型に篏合するように形成された型であり、耐熱性及び耐圧性を有する材料で製造されている。上述の真空吸引の工程後に、弾性シートを取り外す。そして、第１の型と第２の型とによってプリプレグを挟持し、加熱成形する。このとき、第１の型と同じ形状を有し、耐熱性及び耐圧性を有する第３の型にプリプレグを移動させてから、当該第３の型と第２の型とによってプリプレグを挟持してもよい。一方、耐熱性及び耐圧性を有する材料を用いて製造された第１の型を用いる場合は、プリプレグを第３の型に移動させることなく加熱成形を行うことができるため、成形を効率よく行うことができる。

【0028】

本実施の形態に係る成形方法では、成形に用いる弾性シートの突起部の成形のために、突起部を設けない弾性シートを用いて真空引き工程まで行った上で第１の型の凹部の位置を特定し、当該位置に突起部を設けてもよいが、さらに別の工程を備えていてもよい。例えば、事前にＣＡＥ（Computer Aided Engineering）解析などのコンピュータシミュレーションを用いた解析により、第１の型の凹部の形状の位置を特定し、特定された凹部の形状に沿うように弾性シートの突起部を形成する工程をさらに備えていてもよい。第１の型の凹部の形状の位置の解析には、例えば、有限要素法、有限差分法、有限体積法、粒子法など様々な方法を用いることができる。これらの複数種類の数値解析手法を、必要に応じて組み合わせて用いてもよい。

【0029】

まず、各種パラメータをコンピュータに入力し、ＣＡＥを用いて解析モデルを作製する。パラメータの例としては、第１の型の形状、プリプレグの積層数、プリプレグを構成する繊維の方向の角度、プリプレグの弾性率、プリプレグを複数積層する場合はプリプレグ同士が接触した面の摩擦係数、プリプレグと第１の型との間の摩擦係数、プリプレグと弾性シートとの間の摩擦係数、ゴムの弾性率などである。
以下、図５～図７を用いて説明する。

【0030】

図５は、実施の形態に係る成形方法において、ＣＡＥを用いたシミュレーション上で真空吸引を行った状態を示す解析モデルの図である。図５に示す解析モデルは、一例として有限要素法を用いて作製したものを示す。第１の型２１は、台２０上に載置されている。第１の型２１の凹凸面にプリプレグ２３が配置され、プリプレグ２３上に弾性シート２４が配置されている。弾性シート２４の外周は、第１の型２１と弾性シート２４との間を密閉可能な封止部材３０を用いて密閉されている。図５は、プリプレグ２３が配置された第１の型２１と弾性シート２４との間の密閉された空間の真空引きが行われた状態を示している。図５では、弾性シート２４には突起部が設けられていない。

【0031】

図６は、図５のＶＩ－ＶＩ線に沿う断面を示す拡大正面断面図である。図６に示すように、突起部が設けられていない弾性シート２４を用いた場合、凹部２２とプリプレグ２３との間が密着せず浮いた状態となり、空隙１００が発生する。

【0032】

図７は、図６の凹部２２の位置を特定した状態を示す解析モデルの図である。図７に示すように、特定した凹部２２の位置に突起部を設ける。より具体的には、ＣＡＥ解析を用いたシミュレーション上で凹部２２の位置を特定した状態で、弾性シート２４を、真空引きを行う前の状態に戻す。平板状に戻した弾性シート２４の凹部２２の位置に、凹部２２の形状に沿い、空隙１００を押圧可能な厚さを有する突起部を設ける。このようにＣＡＥ解析を用いることにより、空隙１００を押圧し、プリプレグ２３を凹部２２に密着させることが可能な突起部を設けることができる。

【0033】

発明者らは、下型とシリコーンゴムシートなどの弾性シートを用いてプリプレグの成形を行った場合、次のような問題が生じることを見出した。すなわち、プリプレグを複雑な形状に成形したい場合に、真空引きを行った後においても、複雑な形状を有する下型の凹部においてプリプレグが浮いた状態が発生し、高い転写性を得ることができないという問題がある。

【0034】

これに対し、本実施の形態に係る成形方法では、真空吸引する工程において、凹部に位置するプリプレグが、弾性シートが備える突起部によって押圧され、第１の型の凹凸面に密着する。よって、高い転写性を得ることが可能な成形方法を提供できる。

【0035】

本実施の形態に係る成形方法は高い転写性を得ることができるため、成形時に凹部におけるプリプレグの突っ張りを抑制することができ、後の工程で第２の型を篏合させた際にプリプレグが損傷することを抑制することもできる。

【0036】

また、本実施の形態に係る成形方法は、押圧が必要な凹部に対応する部分にのみ突起部が設けられ、他の部分に追加部品が不要な弾性シートを用いるため、成形におけるコストを抑制することもできる。

【0037】

また、本実施の形態に係る成形方法では、弾性シートと突起部とが同一の材料から構成され、弾性シートと一体成形されている。したがって、突起部を備える弾性シートを容易に成形することができる。一方、突起部が弾性シートに取り付け可能な別体である場合、成形ごとに突起部の位置の微調整を行うことが可能である。また、弾性シートと突起部とが異なる材料から構成される場合は、弾性シートはより変形しやすい弾性率を有し、突起部は弾性シートに比べて変形し難い弾性率を有していてもよい。したがって、突起部がプリプレグを押圧しやすく、プリプレグを凹部の形状に沿って精度よく密着させることができる。

【0038】

また、本実施の形態に係る成形方法では、凹部及び突起部が曲率を有する形状であり、突起部の曲率半径は、凹部の曲率半径以下である。さらに好ましくは、突起部の曲率半径が、凹部の曲率半径の半分以上である。したがって、突起部がプリプレグを精度よく押圧し、プリプレグを凹部の形状に沿って精度よく密着させることができる。

【0039】

さらに、本実施の形態に係る成形方法は、真空吸引後、プリプレグを第１の型の凹凸面に密着させた状態で弾性シートを取り外し、第１の型と第１の型に嵌合するように形成された第２の型とによってプリプレグを挟持し、加熱成形する工程をさらに備える。したがって、突起部の押圧によってプリプレグが第１の型の凹部に密着していない部分があった場合であっても、プリプレグの凹部からの浮きをさらに抑制することができる。したがって、成形の精度を上げることができる。

【0040】

また、本実施の形態に係る成形方法は、事前に第１の型の凹部の形状の位置をＣＡＥ解析により特定し、特定された凹部の形状に沿うように弾性シートの突起部が形成される工程をさらに備える。したがって、凹部の位置を特定するために、第１の型と突起部を備えていない弾性シートとを用いた実際の試験を行うことなく、コンピュータシミュレーション上で事前に凹部の位置を特定することができる。したがって、実際の試験を行うことなく、突起部が必要な箇所に突起部を形成することができる。ＣＡＥ解析によって第１の型の凹部の位置及び形状を特定する場合、第１の型が複雑な形状である場合でも容易に凹部の位置及び形状を特定できるため、実際の試験を行う場合に比べて、突起部の形成が容易である。

【0041】

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0042】

１１ 第１の型
１１ａ 凹凸面
１２、１２ａ、１２ｂ 凹部
１３ プリプレグ
１４ 弾性シート
１５、１５ａ、１５ｂ 突起部
２０ 台
２１ 第１の型
２２ 凹部
２３ プリプレグ
２４ 弾性シート
３０ 封止部材
１００ 空隙

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】