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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO/0
(43)【国際公開日】2018年12月13日
【発行日】2019年12月26日
(54)【発明の名称】複合材料の成形方法
(51)【国際特許分類】
   B29C 70/48 20060101AFI20191129BHJP
【FI】
   B29C70/48
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】14
【出願番号】特願2019-523336(P2019-523336)
(21)【国際出願番号】PCT/0/0
(22)【国際出願日】2017年6月9日
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,ST,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,KM,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BN,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DJ,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IR,IS,JO,JP,KE,KG,KH,KN,KP,KR,KW,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PA,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SA,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT
(71)【出願人】
【識別番号】000003997
【氏名又は名称】日産自動車株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000671
【氏名又は名称】八田国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】上原 茂高
【テーマコード(参考)】
4F205
【Fターム(参考)】
4F205AA37
4F205AA39
4F205AB11
4F205AC03
4F205AD16
4F205AD32
4F205HA06
4F205HA22
4F205HA33
4F205HA35
4F205HA42
4F205HB01
4F205HF01
4F205HF30
4F205HG01
4F205HK03
4F205HK04
4F205HK05
4F205HK24
4F205HM02
4F205HT02
4F205HT13
4F205HT26
(57)【要約】
【課題】樹脂の含浸バラツキを抑制できる複合材料の成形方法を提供する。
【解決手段】複合材料130の成形方法は、金型110内に形成される空洞に繊維基材100を配置した状態で樹脂120を注入し、樹脂を硬化させて複合材料を成形する。複合材料の成形方法は、繊維基材の一部101で濡れ性を向上させ、金型の空洞を構成する隙間が他の箇所に比べて小さい狭隘部115に、繊維基材の濡れ性の向上した一部を配置する。
【選択図】図5
【特許請求の範囲】
【請求項1】
金型内に形成される空洞に繊維基材を配置した状態で樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
前記繊維基材の一部で濡れ性を向上させ、
前記空洞を構成する隙間が他の箇所に比べて小さい狭隘部に、前記繊維基材の前記一部を配置する、複合材料の成形方法。
【請求項2】
前記他の箇所よりも前記樹脂の流動方向下流側に位置する前記狭隘部に対し、前記繊維基材の前記一部を配置する、請求項1に記載の複合材料の成形方法。
【請求項3】
プラズマまたは紫外線を照射することによって、前記繊維基材の前記一部で濡れ性を高める、請求項1または請求項2に記載の複合材料の成形方法。
【請求項4】
前記狭隘部を前記他の箇所よりも負圧にして前記樹脂を注入する、請求項1〜請求項3のうちのいずれか1つに記載の複合材料の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複合材料の成形方法に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、繊維基材に樹脂を含浸させた複合材料の成形方法として、RTM(Resin Transfer Molding)成形法、CRTM(Compression Resin Transfer Molding)成形法が知られている。
【0003】
それらの成形方法では、金型内の空洞に繊維基材が配置され、そこに樹脂が注入されるが、繊維基材が流動抵抗となる。このため、流動抵抗を抑制する試みがなされており、例えば特許文献1では、成形品の厚みよりも大きい空洞を水平な成形面同士の間に形成することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−221642号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、金型の成形面は、上記従来技術で開示されているような単純な水平面だけではなく、実際には車体等の形状に対応した複雑な形状を有する。
【0006】
このため、例えば水平な成形面同士の間に所定の間隔の隙間が形成されるように金型を制御したとしても、それ以外の例えば傾斜した成形面同士の間では隙間の狭い箇所が生じることがある。そしてそのような箇所では、他の箇所に比べて流動抵抗が高く樹脂が流れ難いため、樹脂の含浸にバラツキが生じる虞がある。樹脂の含浸バラツキは、強度や剛性の低下、さらには外観不良の要因となることがあり、好ましくない。
【0007】
そこで、本発明は、樹脂の含浸バラツキを抑制できる複合材料の成形方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記目的を達成するための本発明の複合材料の成形方法は、金型内に形成される空洞に繊維基材を配置した状態で樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する。本発明の複合材料の成形方法は、前記繊維基材の一部で濡れ性を向上させ、前記空洞を構成する隙間が他の箇所に比べて小さい狭隘部に、前記繊維基材の前記一部を配置する。
【発明の効果】
【0009】
本発明の複合材料の成形方法によれば、樹脂の含浸バラツキを抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】実施形態の成形方法の概要を示すフローチャートである。
図2】繊維基材の一部で濡れ性を向上させる処理を模式的に示す図である。
図3】金型への繊維基材の配置を模式的に示す図である。
図4】繊維基材を配置して金型を閉じた状態を模式的に示す図である。
図5】金型への樹脂の注入を模式的に示す図である。
図6】樹脂注入後に金型をさらに型締めした状態を模式的に示す図である。
図7】成形品の脱型を模式的に示す図である。
図8】毛細管現象を説明するための図である。
図9】液滴の接触角と濡れ性との関係を説明するための図である。
図10】液滴の接触角と濡れ性との関係を説明するための図である。
図11】真空引きをともなう樹脂の注入を模式的に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる。
【0012】
<第1実施形態>
図1に示すように、本実施形態の複合材料の成形方法は、プリフォーム(繊維基材)の一部で濡れ性を向上させ(工程S1)、金型にプリフォームを配置する(工程S2)。その後、金型が閉じられ(工程S3)、金型内に樹脂が注入される(工程S4)。樹脂注入後、さらに金型が型締めされる(工程S5)。その後、樹脂は硬化され(工程S6)、複合材料が脱型される(工程S7)。以下、各工程について述べる。
【0013】
図2に示すように、工程S1では、プリフォーム100の一部の傾斜した箇所に、プラズマまたは紫外線が照射されることによって、濡れ性の向上した濡れ性向上部101が形成される。濡れ性の向上する要因としては、例えば、親水性官能基が付与されることや基材が粗面化されること等が挙げられる。
【0014】
プリフォーム100は、複数の繊維基材102が接着剤103を介して積層された構成を有するが、これに限定されず、1つの繊維基材102だけからなる形態であってもよい。プリフォーム100は、事前のプリフォーミングによって予め形状づけられており、本実施形態では略台形形状を有する。濡れ性向上部101は、その台形形状の脚をなす部分である。
【0015】
本実施形態では、繊維基材102を形状づけしたプリフォーム100の状態で部分的に濡れ性が向上されたが、この形態に限定されず、プリフォーミング前に部分的に濡れ性を向上させておいてもよい。例えば、プリフォーミングによって形状づけされる前の略平坦な状態の繊維基材102が所定の大きさに裁断される前に、または裁断された後に、その略平坦な繊維基材102の所定の箇所で、濡れ性を部分的に向上させておいてもよい。
【0016】
繊維基材102は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリアミド(PA)繊維、ポリプロピレン(PP)繊維、アクリル繊維等の繊維によって形成されたシート材である。繊維基材102は、例えば、繊維を縦横に組み合わせた織物の構造を有する。
【0017】
接着剤103は、繊維基材102同士を接着可能であれば特に限定されず、その材料として、例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂等の熱可塑性樹脂、また、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂などが挙げられる。
【0018】
図3に示すように、工程S2では、開いた金型110にプリフォーム100が配置される。金型110は、可動型111および固定型112を有する。プリフォーム100は、可動型111および固定型112の成形面の形状に沿うように予め形状づけられており、工程S2では固定型112の成形面に沿って配置される。
【0019】
可動型111は、例えば油圧シリンダー等を備える不図示の駆動装置と接続しており、固定型112に対して近接離間自在である。可動型111には樹脂の注入口113が形成されている。
【0020】
固定型112は、可動型111の凹状の成形面に対向して凸状の成形面を有する。これと異なり、可動型111に凸状の成形面が設けられ、固定型112に凹状の成形面が設けられてもよい。固定型112の外周には、例えばガスケット等のシール部材114が備えられている。シール部材114は、固定型112ではなく、可動型111の外周に備えられてもよい。
【0021】
図4に示すように、工程S3では、可動型111が固定型112に近接するように移動し、閉じられた金型110内にプリフォーム100が配置された状態になる。このとき、可動型111および固定型112がそれらの間に形成する空洞は、最終的に作製される複合材料の厚みよりも大きい。
【0022】
また、その空洞を構成する隙間のうち、傾斜した成形面同士の間の隙間t1は、水平な成形面同士の間の隙間t2に比べて小さく(t1<t2)、傾斜した成形面同士の間は、その小さい隙間t1からなる狭隘部115を形成している。その狭隘部115に、濡れ性向上部101が配置される。隙間t2で相対的に隙間の大きな箇所116(他の箇所)は、樹脂の注入口113と連通している。
【0023】
図5に示すように、工程S4では、金型110内に注入口113から樹脂120が注入される。樹脂120は、相対的に隙間の大きな箇所116から狭隘部115へと流動しつつ、プリフォーム100に含浸されていく。
【0024】
樹脂120は、例えば、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等である。エポキシ樹脂は2液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用される。主剤はビスフェノールA型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、これらに限定されない。また、樹脂120は、熱硬化性樹脂に限定されず、熱可塑性樹脂であってもよい。また、樹脂120は離型剤を含んでもよい。
【0025】
図6に示すように、工程S5では、金型110のさらなる型締めが行われる。このとき、金型110は、最終的に作製される複合材料の厚みと空洞とが略同等になるまで型締めされる。
【0026】
工程S5でのさらなる型締めにともない、金型110内の圧力が増加するため、プリフォーム100の全体へ、より確実に樹脂120が行きわたる。
【0027】
工程S6では、プリフォーム100に含浸されている樹脂120が硬化される。樹脂120が熱硬化性樹脂の場合、例えば、ヒータ等の加熱装置を用いて金型110を加熱することによって、プリフォーム100に含浸されている樹脂120を硬化させることができる。
【0028】
図7に示すように、工程S7では、可動型111が固定型112から離間するように移動して金型110が開き、成形品である複合材料130が脱型される。
【0029】
複合材料130は、本実施形態では比較的単純な形状を有するが、これに限定されない。複合材料130は、例えば、自動車の車体に使用されるフロントサイドメンバーやピラー等の骨格部品、ルーフ等の外板部品として作製される場合、それらに対応したより複雑な形状を有する。
【0030】
次に本実施形態の作用効果を述べる。
【0031】
狭隘部115は、隙間の相対的に大きな箇所116に比べて狭いため、流動抵抗が高く、樹脂120が流れ難い。
【0032】
しかし、本実施形態では、狭隘部115に、濡れ性向上部101(繊維基材の濡れ性の向上した一部)が配置されており、これによって狭隘部115での毛細管現象が強まるため、樹脂120が狭隘部115に引き込まれ易い。従って、樹脂120が全体に行きわたり易く、含浸バラツキを抑制できる。
【0033】
図8を参照して、一般的に毛細管現象によって液体1000が細管1100に引き込まれる高さhは、下の数式1によって表すことができ、濡れ性が向上して数式1の接触角θ(90°>θ>0)が小さくなると、右辺のcosθが大きくなり、液体1000の引き込まれる高さhが増加する。つまり、濡れ性が向上するほど、液体1000が細管1100に引き込まれ易くなる。これと同様の原理で、狭隘部115では濡れ性向上部101が配置されることによって、樹脂120が引き込まれ易くなる。
【0034】
【数1】
【0035】
数式1で、θ:接触角、σ:表面張力、r:細管の半径、γ:液体の比重量である。
【0036】
狭隘部115は、隙間の相対的に大きな箇所116に対し、樹脂120の流動方向下流側に位置しているが、下流側では、上流側での流動抵抗等によるエネルギー損失によって、樹脂120の流れが弱まるため、特に樹脂120が流動し難くなっている。
【0037】
しかし、本実施形態では、下流側の狭隘部115に濡れ性向上部101が配置されており、毛細管現象による樹脂120の引き込みが増しているため、下流側であっても樹脂120が行きわたり易く、特に効果的に含浸バラツキを抑制できる。
【0038】
プリフォーム100(繊維基材)の一部で濡れ性を向上できるのであれば、本実施形態のようなプラズマまたは紫外線の部分的照射に限定されず、例えばサイジング剤を局所的に塗布してもよい。
【0039】
しかしながら、例えばサイジング剤によって局所的に濡れ性を上げようとすると、プリフォーム100にマスキングをしなければならず、手間がかかる。
【0040】
これに対し、プラズマまたは紫外線によれば部分的に照射するだけで済むため、所定の範囲で簡単に濡れ性を上げることができる。
【0041】
本実施形態では、プリフォーム100の形成後に濡れ性を向上させており、プリフォーミング前に繊維基材102の濡れ性を上げておく場合に比べ、濡れ性を向上させてから樹脂120を注入する(工程S4)までの期間が短い。
【0042】
このため、濡れ性が持続している間に樹脂120を注入でき、濡れ性向上部101による効果が損なわれ難い。
【0043】
図9および図10に示すように、濡れ性の大小は、基材上に垂らされた液滴1001の接触角θの大小によって判別でき、接触角θが大きいほど濡れ性は小さく、接触角θが小さいほど濡れ性が大きい。
【0044】
<第2実施形態>
図11に示すように、第2実施形態では、第1実施形態と異なる金型210が用いられる。また、樹脂120を注入する工程S4において、狭隘部115が真空引きされる点で、本実施形態は第1実施形態と異なる。他の装置構成および工程については、本実施形態は第1実施形態と略同様であるため、ここでの重複する説明は省略する。
【0045】
金型210は、第1実施形態と異なる可動型211を有する。可動型211の成形面には、狭隘部115と連通する真空口217が形成されている。このような形態に限定されず、真空口217は、可動型211および固定型112のうちの少なくとも一方の成形面に形成されていればよい。
【0046】
真空口217は、真空ポンプ218と連通している。また、真空口217に対して近接離間自在に、ピン状の開閉部材219が備えられている。真空ポンプ218は、真空口217を通じて狭隘部115を真空引きする。このとき、開閉部材219は真空口217から離間しており、真空口217は開いた状態である。
【0047】
本実施形態の樹脂注入工程S4では、狭隘部115が真空引きされ、他の箇所116よりも負圧にされた状態で、樹脂120が注入される。
【0048】
樹脂120が流動して真空口217に達する前に、開閉部材219は、押し込まれるようにして真空口217に近接し、真空口217を閉じる。このため、樹脂120が真空口217に流入しない。
【0049】
本実施形態では、狭隘部115を他の箇所116よりも負圧にして樹脂120を注入するため、樹脂120が狭隘部115に引き込まれてより全体に行きわたり易く、含浸バラツキをより確実に防止できる。
【0050】
また、真空口217への樹脂120の流入が開閉部材219によって防止されるため、脱型が容易であり、不要なバリ取りも省略できる。
【0051】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲内で種々改変できる。
【0052】
例えば、本発明は、上記実施形態の図1で示したような、CRTM(Compression Resin Transfer Molding)成形法と称される成形方法に限定されず、図1の工程S3において完全に型締めを行うようなRTM(Resin Transfer Molding)成形法も含む。
【0053】
この場合、工程S3において、金型110の空洞が複合材料130の厚みと略同等になるまで型締めされ、樹脂注入工程S4の後にさらなる型締め工程S5を行うことなく、樹脂の硬化工程S6が行われる。
【符号の説明】
【0054】
100 プリフォーム、
101 濡れ性向上部(繊維基材の濡れ性の向上した一部)、
102 繊維基材、
103 接着剤、
110 金型、
111 可動型、
112 固定型、
113 樹脂の注入口、
114 シール部材、
115 狭隘部、
116 隙間の相対的に大きな箇所(他の箇所)、
120 樹脂、
130 複合材料、
210 金型、
211 可動型、
217 真空口、
218 真空ポンプ、
219 開閉部材。
図1
図2
図3
図4
図5
図6
図7
図8
図9
図10
図11
【国際調査報告】