JP4806866B2

JP4806866B2 - 真空ｒｔｍ成形方法

Info

Publication number: JP4806866B2
Application number: JP2001215210A
Authority: JP
Inventors: 俊英関戸; 浩樹大背戸
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2001-07-16
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2021-07-16
Also published as: JP2003025347A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空ＲＴＭ（Vacuum Resin Transfer Molding ）成形方法に関し、とくに、樹脂含浸不良の発生のない、優れた品質のＦＲＰ（繊維強化プラスチック）成形品を得ることができるようにした真空ＲＴＭ成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＦＲＰ、とくにＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）は、軽量で高い機械特性を発揮できる複合材料であり、各種分野に使用されている。ＦＲＰの代表的な成形方法の一つとして、真空ＲＴＭ成形方法が知られている。真空ＲＴＭ成形方法は、型内に強化繊維基材を配置し、その型のキャビティ内を減圧し、樹脂を、減圧されたキャビティ内圧力と外部圧力との差圧を利用してキャビティ内に注入し、注入した樹脂を強化繊維基材に含浸させた後、樹脂を硬化させ、硬化後に脱型してＦＲＰ成形品を得る方法である。
【０００３】
このような真空ＲＴＭ成形方法において、キャビティ内を減圧し、キャビティ内外の圧力差（最大、１ｋｇ／ｃｍ²）で樹脂を注入し、強化繊維基材に含浸するが、注入初期の段階では基材にまだ樹脂が十分に含浸されていないので流動抵抗が低く、速い流速で勢いよく流れる。しかし、基材は場所によって、流動抵抗に差があり、流動抵抗にばらつきが生じている。たとえば、基材がオーバーラップしている部分と、それ以外の部分での流動抵抗の差は、倍以上になることもある。そのような場合、オーバーラップ部分では大きな流動抵抗のために、樹脂含浸に比較的長時間を要するが、オーバーラップしていない部分では、流動抵抗が低いことから速やかに含浸が進行する。そのため、それらの部分間に、樹脂流動および含浸に時間的な差が生じ、流動抵抗の低い部分に樹脂が先回りして、流動抵抗の高い、未だ樹脂が十分に含浸されていない部分からの真空吸引経路を塞いでしまうことがある。このような状態が生じると、その樹脂未含浸部分からの真空吸引が阻害され、その部分における樹脂の流動速度が急激に低下し、やがて、樹脂が十分に含浸できないうちに樹脂がゲル化してしまい、その部分が未含浸状態のままになってしまうという問題を招く。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そこで本発明の課題は、上記のような真空ＲＴＭ成形方法における問題点に着目し、注入樹脂がキャビティ内に局部的に流動しすぎないようにし、とくに注入開始初期の段階で局部的に流動しすぎないようにし、含浸すべき強化繊維基材の全体にわたって、未含浸部の発生を防止できるようにした、真空ＲＴＭ成形方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明に係る真空ＲＴＭ成形方法は、強化繊維基材を配置した型のキャビティ内を減圧し、樹脂を、減圧されたキャビティ内圧力と外部圧力との差圧を利用してキャビティ内に注入し強化繊維基材に含浸する真空ＲＴＭ成形方法において、前記差圧による樹脂の注入速度を、少なくとも注入開始初期の段階でキャビティ内を減圧したまま、樹脂注入ラインのバルブを絞ることにより、何ら制御を行わない自然流速よりも低い流速に減速制御して、樹脂を注入することを特徴とする方法からなる。
【０００６】
この本発明に係る真空ＲＴＭ成形方法は、前述したような流動抵抗が高い部分にも十分に樹脂が含浸されるまで、流動抵抗の低い部分への樹脂流動、含浸が進みすぎないよう全体の流速を抑制するもので、とくに、流動開始初期（注入開始初期）の段階での流速を抑えるよう樹脂の注入速度を、何ら制御を行わない自然流速よりも低い流速に抑制する制御を行うものである。
【０００７】
樹脂注入速度の制御としては、樹脂の初期注入流速Ｖｃを、上記自然流速における初期注入流速Ｖｎの２／３以下に制御することが好ましい。このような制御により、とくに注入開始後の初期の段階で有効に、流動抵抗の低い部分への樹脂流動、含浸が進みすぎないようにでき、真空吸引経路が局部的に塞がれるのを防止して、基材全体への良好な樹脂含浸を達成でき、未含浸部の発生を防止できるようになる。
【０００８】
ただし、樹脂注入速度を低く抑えると、樹脂注入工程に要する時間が長くなり、樹脂注入工程を含めた成形工程全体のサイクル時間が長くなって生産性を低下させるおそれが生じる。そこで、樹脂注入工程の時間が長くなりすぎないようにするために、樹脂の粘度を下げて、樹脂の流動速度、含浸しやすさとしては比較的高い水準を保ち、その条件下において、局部的な未含浸部が発生しないようにすることが好ましい。そのためには、樹脂注入温度を、問題が生じない程度に高くして樹脂の粘度を下げることが好ましい。たとえば、樹脂を型温度５０℃以上で注入することが好ましい。また、同様に成形サイクルを短くする観点から、強化繊維基材に含浸した樹脂を型温度７０℃以上で硬化させることが好ましい。
【０００９】
このような要求を満たす注入樹脂として、ポリアミン硬化剤と液状エポキシ樹脂とからなる樹脂組成物を用いることができる。
【００１０】
また、本発明に係る真空ＲＴＭ成形方法においては、樹脂の拡散や基材への含浸をより促進し、局部的な未含浸部の発生をより確実に防止するために、強化繊維基材の表面上に、樹脂の流動抵抗を下げる樹脂拡散媒体を配置することができる。また、強化繊維基材間に、表面に樹脂流路としての溝を有するコア材を配置することもできる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明について、望ましい実施の形態とともに詳細に説明する。
図１は、本発明の真空ＲＴＭ成形方法の基本的なプロセスを示している。図１に示す基本プロセスは、材料準備工程１０１、材料配置工程１０２、真空吸引工程１０３、樹脂注入含浸工程１０４、樹脂硬化工程１０５、脱型工程１０６を有している。これら各工程について以下に説明する。
【００１２】
（１）材料準備工程
▲１▼強化繊維基材：炭素繊維やガラス繊維の織布を用いることが好ましく、それを所定の寸法に裁断する。必要によっては、製品形状に賦形し、固着材で形状保持させる。更に、所定の枚数、積層する。
▲２▼樹脂：とくに熱硬化性樹脂を使用し、主剤と硬化剤を個別に真空（加熱）脱泡させることが好ましい。中でも、ポリアミン硬化剤と液状エポキシ樹脂とからなる樹脂組成物を用いることが好ましい。
▲３▼コア材：コア材とその両面に強化繊維基材を配したサンドイッチ構造を成形する場合に使用する。コア材としては、主に、フォームコア（発泡体コア材）を用いることが、軽量化等の観点から望ましい。場合によっては、バルサコアや木材も用いることもできる。コア材の表面には、必要に応じて、樹脂流路用の溝を加工しておく。
▲４▼副資材：樹脂注入用や真空吸引用チューブや、必要に応じて樹脂拡散媒体や離型用織布、押圧板などを準備する。
【００１３】
（２）材料配置（レイアツプ）工程
▲１▼離型剤が塗布された成形型面上に、上記材料を所定の位置に配置する。
▲２▼配置する際、非成形面にマーキングされた基準線などを基準に、織物基材の繊維配向やコア材の向き等をセットするとよい。
【００１４】
（３）真空吸引工程
▲１▼強化繊維基材を配置した下型のキャビティを、上型で閉じてキャビティ内をシールするか、あるいは、下型のキャビティを可撓性材料からなるバッグ材（たとえば、フィルムやゴム材などからなるバッグ材）でバギングし、内部を外部に対してシールする。また、該可撓性材料からなるバッグ材と強化繊維基材の間に押圧板を配置する場合もある。
▲２▼上型で閉じた、あるいはバッグ材でバギングしたキャビティ内を真空吸引して減圧状態にする。
▲３▼真空吸引は、少なくとも２０ｔｏｒｒ以下、望ましくは１０ｔｏｒｒ以下にする。
▲４▼真空吸引は、吸引し続ける場合と２０ｔｏｒｒ以下に達した時点で、吸引口を閉鎖する場合がある。
【００１５】
（４）樹脂注入含浸工程
▲１▼成形型を加熱し、樹脂をキャビティ内に注入する。成形型は予め材料配置工程より加熱状態にあってもよい。
▲２▼樹脂注入は、大気圧による自然流速よりも遅い速度でゆっくり注入する。望ましくは、自然注入時の自然流速よりも２／３以下の速度に制御する。これは、初期の流速を自然流入のようにコントロールせずに注入すると、キャビティ内に流入した樹脂は先ず樹脂流動抵抗の低い部位を主体に流れ、例えば基材のオーバーラップ部や極端な変曲部などの高流動抵抗部分では流れが悪くなり（流れやすい部分との差が大きくなり）、流れの方向に流れが不揃いになって未含浸部が生じ、そのままボイドとして残る場合が多い。このような現象は流速の速い注入初期に生じやすいため、樹脂注入の開始直後から樹脂流動速度（注入速度）を抑制する必要がある。
▲３▼樹脂を注入して、含浸し終えたか否かの判断は、真空吸引口より樹脂が排出したか否かで行う。
【００１６】
上記の樹脂注入流速の減速は、樹脂注入ラインの配置されたバルブを絞ること等によって制御でき、たとえば図２に示すような流速パターンに制御できる。図２において、流速パターンＡは、減速しないで自然流速のまま樹脂を注入したばあいの流速を示しており、これに対し、たとえば樹脂注入ラインの配置されたバルブを、ある一定量絞り、絞ったままにすると、たとえば流速パターンＢ１のような流速特性になる。このパターンＢ１のような流速特性でもよいが、ある程度注入が進行した段階では、それほど流速を低下させないでも、すでに樹脂がキャビティ内に十分に良好に流動している場合が多いので、そのような場合には、成形サイクルを極力短縮する観点から、流速特性を途中で流速パターンＡに近づけ、たとえば流速パターンＢ２のような流速特性にすることができる。
【００１７】
（５）樹脂硬化工程
▲１▼樹脂注入含浸後、樹脂注入口を閉鎖する（空気の流入を防ぐ）。
▲２▼真空吸引側については、吸引し続ける場合と閉鎖する場合がある。特に、樹脂に溶媒を含む場合には吸引し続け、できるだけ発生ガスをキャビティ内より排出するようにする。
【００１８】
（６）脱型工程
▲１▼基本的には、型温度を殆ど下げずに成形品を型より取り出すことが好ましい。
▲２▼脱型が難しい場合は、故意に型温を下げて型の収縮力を利用し、脱型を助けることもある。
【００１９】
【実施例】
以下に、成形方法のより具体的な例を含めて、本発明を実施例に基づいて説明する。
実施例１
図３は、本発明の実施例１に係る真空ＲＴＭ成形方法を示している。図３においては、金属製の上型１と下型２の両面成形型によって、内部にキャビティ３が成形されている。上型１、下型２内には、型加熱様の熱媒流路４、５がそれぞれ内蔵されている。
【００２０】
型面上に離型剤を塗布し、予め熱媒流路５に温水を流して約４０℃に加熱した下型成形面上に強化繊維基材６（東レ（株）製、炭素繊維織物：”トレカ”Ｔ３００×２００ｇ／ｍ²×８ｐｌｙ）をレイアップした。その上に、離型用織布７（ナイロン製タフタ）と樹脂拡散媒体８（＃２００メッシュのポリエチレン製網状体）を配置した。
【００２１】
下型２と同様に、予め約４０℃に加熱した上型１を下型２上にガイドピンに沿って押圧して固定状態を保持し、型締めした。
【００２２】
キャビティ３の幅方向に形成された台形状の溝である減圧吸引部９に連通した吸引口より、バルブ１０、真空トラップ１１（樹脂の真空ポンプへの流入を阻止するためのトラップ）を介して真空ポンプ１２により真空吸引した。
【００２３】
キャビティ３内が１０ｔｏｒｒ以下に達した後、真空吸引用溝である上記減圧吸引部９と基材６が配置された成形部分を介して対比関係にある位置に、該減圧吸引部９と同様に幅方向に形成された台形状の溝である樹脂注入部１３に連通する樹脂注入ラインのバルブ１４を開いて、タンク１５に貯蔵されていた樹脂１６を大気圧でキャビティ３内に流入させた。真空吸引ライン上のバルブ１０は開いたままで真空吸引を続行した。樹脂及び真空シールは、型面上の全周にわたって配置したＯリング１７で行った。このとき、樹脂注入ラインのバルブ１４の開度を調整し、通常全開で注入している自然流速の約１／２の流速まで注入流速を低下させた。熱硬化性樹脂１６には、東レ（株）製ポリアミン硬化型エポキシ樹脂：ＴＲ−Ｃ３２（ポリアミン硬化剤とエポキシ樹脂からなる樹脂組成物）を使用した。
【００２４】
大気圧で加圧された樹脂１６は、一旦幅方向に溝が形成された樹脂注入部１３に到達して充満した後、キャビティ３との連通路である上下型の間隙で形成されたフィルムゲート１８（隙間＝約０．５ｍｍ）を通ってキャビティ３内に到達する。その後、基材６より流動抵抗が遙かに低い樹脂拡散媒体８に流れ込む。そして、その樹脂拡散媒体８内を主体に樹脂は流れながら、少しずつ厚み方向の基材６内に含浸して行き、やがて幅方向に溝が形成された減圧吸引部９に到達する。その後、真空吸引ライン上に樹脂が見えだした時点で樹脂注入ラインのバルブ１４を閉鎖し、樹脂注入をストップした。樹脂注入開始から真空吸引ライン上に樹脂が見えるまでの時間は約２０分であり、その２０分間に型温度を８０℃に昇温させた。樹脂注入流速を抑制したので、後述の成形品でチェックした結果、樹脂はキャビティ内、つまり、樹脂を含浸すべき部位に隈なく回り込んでおり、未含浸部の発生はなかった。
【００２５】
樹脂がキャビティ３内に充満し、型温度が８０℃の状態で基材６内に含浸したまま約１時間４０分保持した。該樹脂はやがて型からの加熱により脱型可能なまでに硬化した。
【００２６】
樹脂が硬化した後、型温度を降温し、上型１を上昇させて下型２から離型して成形品を型内より脱型させた。
【００２７】
脱型した成形品は自動車部材であるフェンダーであり、成形品に未含浸部位の発生はなく、表面状態は光沢があり、全くボイドやピンホールなどは見られない良品であった。
【００２８】
このように、熱硬化性樹脂の注入速度を適切に低下させることにより、成形サイクルを大幅に増加させることなく、成形部位の全体にわたって樹脂の良好な含浸性を確保でき、ＦＲＰ製品の良好な品質を得ることができた。
【００２９】
実施例２
本実施例では、片面型として下型２１を用い、上型は用いずにシート状のバッグ材２２で覆った。金属製の下型２１には、型加熱用の熱媒流路２３を形成されている。離型剤を型面上に塗布し、温水が通った熱媒流路２３によって型温度は約４０℃に加熱した。
【００３０】
その型面上に強化繊維基材２４（東レ（株）製、炭素繊維織物：”トレカ”Ｔ７００×３００ｇ／ｍ²×２ｐｌｙ）をレイアップした。更にその上にアクリル系のフォームコア材２５（厚さ：１０ｍｍ）を配置した後、その上に強化繊維基材２４（東レ（株）製、炭素繊維織物：”トレカ”Ｔ７００×３００ｇ／ｍ²×２ｐｌｙ）を配置した。そして、その上には、該フォームコア材２５と外寸が殆ど同一で厚さが３ｍｍのＦＲＰ製押圧板２６を載せ、下型表面の全体をナイロン製バッグ材２２で覆った。そのバッグ材２２と下型２１とのシールは、粘着性シール材で行った。更に、該バッグ材２２の上にヒータ線を内蔵したシリコン製ラバーヒータ２８を被せた。なお、上記フォームコア材２５には上下面共に、樹脂流入路用としての細溝（幅１．５ｍｍ×深さ３ｍｍ）を樹脂注入部２９から減圧吸引部３０方向に加工してある。
【００３１】
キャビティ３１の幅方向に形成された台形状の溝である減圧吸引部３０に連通した吸引口よりバルブ３２、真空トラップ３３を介して真空ポンプ３４によって真空吸引した。このときよりラバーヒータ２８を７０℃に昇温開始した。そして、キャビティ３１内が６ｔｏｒｒ以下に達した後、真空吸引用溝である上記減圧吸引部３０と基材２４が配置された成形部分を介して対比関係にある位置に、該減圧吸引部３０と同様に幅方向に形成された台形状の溝である樹脂注入部２９に連通する樹脂注入ラインのバルブ３５を開いてタンク３６に貯蔵された樹脂３７を大気圧でキャビティ３１内に流入させた。このとき、バルブ３５の開度を調整し、通常全開で注入している自然流速の約１／２の流速まで注入流速を低下させた。真空吸引ライン上のバルブ３２は開いたままで、真空吸引し続けた。なお、樹脂及び真空シールは、型面上の全周に連通したＯリング２７で行った。また、ここで用いた熱硬化性樹脂３７は、東レ（株）製ポリアミン硬化型エポキシ樹脂：ＴＲ−Ｃ３２であり、７０℃での粘度は約５０ｍＰａ・ｓである。
【００３２】
大気圧で加圧された樹脂３７は、前記図２記載の実施例１と同様に一旦樹脂注入部２９に到達し充満した後、キャビティ３１から延長して樹脂注入部２９まで配置された基材２４内を通ってキャビティ３１内に達する。但し、上記基材の延長部分には樹脂抵抗を下げる為に図３に記載したのと同様の樹脂拡散媒体を基材の上に配置した（図４では省略）。その後、基材２４より流動抵抗が遙かに低いコア材２５に形成された上記細溝内に流れ込む。そして樹脂３９は、コア材２５の上下面の細溝内を中心に流れながら少しずつ厚み方向の基材２４内に含浸していき、やがて減圧吸引部３０に到達する。その後、真空吸引ライン上に樹脂が見えだした時点で型温度を８０℃に上昇させるとともに、樹脂注入ラインのバルブ３５を閉鎖し、樹脂注入をストップした。
【００３３】
上記樹脂が８０℃に達した成形型のキャビティ３１内に充満し、基材２４内に含浸した状態で約１時間４０分保持した。該樹脂はやがて型からの加熱により硬化した。
【００３４】
樹脂が硬化した後、下型２１からラバーヒータ２８とバッグ材２２を剥奪して成形品を型内より脱型させた。この場合、型温度は８０℃から５０℃に降温している途中で行い、できるだけ成形サイクルの短縮化をはかった。
【００３５】
脱型した成形品は自動車部材であるボンネット・フードであり、樹脂の未含浸部の発生は全く見られなかった。意匠面はゲルコートによって一層光沢があり、塗装無しで基材の織物の織り目が外面に現われ、それによって商品価値を高めることができた。
【００３６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る真空ＲＴＭ成形方法によれば、樹脂の注入速度を適切に小さく抑えることにより、注入樹脂のキャビティ内での望ましくない流動を防止して未含浸部やボイドが発生するのを効果的に防止でき、ＦＲＰ成形品の優れた品質を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の真空ＲＴＭ成形方法の基本プロセスを示す工程フロー図である。
【図２】樹脂注入流速の特性図である。
【図３】本発明の実施例１に係る真空ＲＴＭ成形方法を示す概略構成図である。
【図４】本発明の実施例２に係る真空ＲＴＭ成形方法を示す概略構成図である。
【符号の説明】
１上型
２、２１下型
３、３１キャビティ
４、５、２３熱媒流路
６、２４強化繊維基材
７離型用織布
８樹脂拡散媒体
９、３０減圧吸引部
１０、１４、３２、３５バルブ
１１、３３真空トラップ
１２、３４真空ポンプ
１３、２９樹脂注入部
１５、３６タンク
１６、３７熱硬化性樹脂
１７、２７シール用Ｏリング
２２バッグ材
２５コア材
２６押圧板
２８ラバーヒータ

Claims

強化繊維基材を配置した型のキャビティ内を減圧し、樹脂を、減圧されたキャビティ内圧力と外部圧力との差圧を利用してキャビティ内に注入し強化繊維基材に含浸する真空ＲＴＭ成形方法において、前記差圧による樹脂の注入速度を、少なくとも注入開始初期の段階でキャビティ内を減圧したまま、樹脂注入ラインのバルブを絞ることにより、何ら制御を行わない自然流速よりも低い流速に減速制御して、樹脂を注入することを特徴とする真空ＲＴＭ成形方法。
樹脂の初期注入流速Ｖｃを、前記自然流速における初期注入流速Ｖｎの２／３以下に制御する、請求項１の真空ＲＴＭ成形方法。
樹脂を型温度５０℃以上で注入する、請求項１または２の真空ＲＴＭ成形方法。
強化繊維基材に含浸した樹脂を型温度７０℃以上で硬化させる、請求項１〜３のいずれかに記載の真空ＲＴＭ成形方法。
注入樹脂としてポリアミン硬化剤と液状エポキシ樹脂とからなる樹脂組成物を用いる、請求項１〜４のいずれかに記載の真空ＲＴＭ成形方法。
強化繊維基材の表面上に、樹脂の流動抵抗を下げる樹脂拡散媒体を配置する、請求項１〜５のいずれかに記載の真空ＲＴＭ成形方法。
強化繊維基材間に、表面に樹脂流路としての溝を有するコア材を配置する、請求項１〜５のいずれかに記載の真空ＲＴＭ成形方法。