JP2003094449A

JP2003094449A - Ｆｒｐ構造体の製造方法

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Publication number: JP2003094449A
Application number: JP2001293906A
Authority: JP
Inventors: Shunei Sekido; 俊英関戸; Akihiko Kitano; 彰彦北野; Yasuhiro Tsuchiya; 泰広土屋; Yuichi Takano; 雄一高野; Hiroyuki Koyama; 広幸小山
Original assignee: Toray Industries Inc; Toyota Motor Corp
Current assignee: Toray Industries Inc; Toyota Motor Corp
Priority date: 2001-09-26
Filing date: 2001-09-26
Publication date: 2003-04-03

Abstract

(57)【要約】【課題】短い成形サイクルにて、形状の自由度が高く
複雑な形状部を有するものであっても優れた品質をもっ
て、かつ、高い物性を発現させつつ、一体成形すること
ができる、ＦＲＰ構造体の製造方法を提供する。【解決手段】膨張可能な中子に強化繊維基材をレイア
ップするＦＲＰ構造体の製造方法であって、前記中子の
膨張に追従するように隣接する強化繊維基材を摺動可能
にオーバラップすることを特徴とする、ＦＲＰ構造体の
製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＦＲＰ構造体の製
造方法に関し、とくに飛行機胴体や車両ボデー、船舶胴
体等の構造体を、ＦＲＰにより効率よく一体成形できる
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、たとえば小型、中型飛行機の
胴体を、軽量で高い剛性を有するＦＲＰで成形すること
が検討されている。従来の代表的な成形方法として、フ
ィラメントワインディング方式と、プリプレグを用いて
成形するプリプレグ方式とが知られている。

【０００３】ところが、飛行機胴体のような比較的大型
の構造体をＦＲＰで成形する場合、フィラメントワイン
ディング方式においては、成形に長時間を要するため成
形サイクルが長くなってコストアップとなる、成形品の
表面品位の向上に限界があり、品質上の問題が残る、強
化繊維のフィラメントを巻き付けることのできる形状に
限界があり、複雑な形状を有する部位の成形が困難であ
る、等の問題がある。

【０００４】また、プリプレグ方式においては、成形の
ために高温炉やオートクレーブが必要となるため、やは
りコスト高になる、分割したプリプレグを配置後成形す
る方式となるので、プリプレグ間で強化繊維が不連続と
なり、成形品の物性が、連続した強化繊維を用いた場合
よりも弱くなったり不安定になったりする、等の問題が
ある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そこで本発明の課題
は、短い成形時間、つまり短い成形サイクルにて、形状
の自由度が高く複雑な形状部を有するものであっても優
れた品質をもって、かつ、高い物性を発現させつつ、一
体成形することができる、ＦＲＰ構造体の製造方法を提
供することにある。

【０００６】

【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ＦＲＰ構造体の製造方法は、膨張可能
な中子に強化繊維基材をレイアップするＦＲＰ構造体の
製造方法であって、前記中子の膨張に追従するように隣
接する強化繊維基材を摺動可能にオーバラップすること
を特徴とする方法からなる。

【０００７】このＦＲＰ構造体の製造方法においては、
上記隣接する強化繊維基材同士のオーバラップが、熱で
軟化溶融することにより固定解除可能な固着剤によって
固定されることが好ましい。また、上記膨張可能な中子
は、膨張前に強化繊維基材を含むプリフォームを保持可
能な嵌合部を有することが好ましい。中子は、たとえば
熱可塑性樹脂で作製することができる。造方法。

【０００８】このような本発明に係るＦＲＰ構造体の製
造方法は、ＦＲＰ製飛行機胴体やＦＲＰ製車両ボデー、
ＦＲＰ製船舶胴体などの製造に適用でき、中でも、小
型、中型の飛行機の胴体をＦＲＰにて作製する場合に好
適である。

【０００９】ＦＲＰ構造体としてＦＲＰ製飛行機胴体を
製造する場合には、たとえば、飛行機胴体成形用の中子
に、強化繊維基材を含むフレーム用プリフォームをレイ
アップするとともに外皮用強化繊維基材をレイアップ
し、レイアップされた中子を金型のキャビティ内にセッ
トし、金型を加熱し、キャビティ内の吸引または／およ
び中子内部の加圧により中子をキャビティ内面方向に膨
張させた後、キャビティ内に樹脂を注入して硬化成形す
ることを特徴とする方法を採用できる。

【００１０】上記ＦＲＰ製飛行機胴体の製造方法におい
ては、中子は、たとえば可撓性または弾性を有する熱可
塑性樹脂で作製され、樹脂注入前にキャビティ内面方向
に膨張される。また、キャビティ内への注入樹脂には、
熱硬化性樹脂が用いられ、加熱により硬化成形される。

【００１１】フレーム用プリフォームは、たとえば、芯
材と、該芯材上に配置された強化繊維基材からなる。好
ましくは芯材の両側に、あるいは芯材の周囲に強化繊維
基材が配置され、芯材を間にしたサンドイッチ構造を取
ることが好ましい。また、外皮用強化繊維基材は、複数
枚の強化繊維基材の積層構造とすることが好ましい。

【００１２】前記レイアップ前のフレーム用プリフォー
ムと外皮用強化繊維基材を準備する際には、該フレーム
用プリフォームの強化繊維基材の固定および外皮用強化
繊維基材の固定（強化繊維基材同士の固定）に固着剤、
たとえば適当な接着剤や糊材を用いることができる。こ
の固着剤は、レイアップ後に、金型の加熱により溶融さ
せることが好ましい。

【００１３】また、本発明に係る方式においては、レイ
アップされる基材を分割構成とし、隣接基材をオーバー
ラップさせて中子にレイアップすることができる。これ
によって、分割基材構成であっても、強化繊維の不連続
状態を実質的に回避することができる。

【００１４】また、成形の際に樹脂を均一かつ迅速に拡
散させるために、中子に注入樹脂の流路となる溝を形成
しておくことが好ましい。同様の理由から、フレーム用
プリフォームの芯材にも注入樹脂の流路となる溝を形成
することが好ましい。

【００１５】上記のような本発明に係るＦＲＰ構造体の
製造方法においては、膨張可能な中子が用いられ、その
中子の膨張に追従するように隣接する中子に強化繊維基
材が摺動可能にオーバラップされてレイアップされる。
たとえば、ＦＲＰ製飛行機胴体を製造する場合、フレー
ム用プリフォームと外皮用強化繊維基材がレイアップさ
れ、それが金型内にセットされて、樹脂が注入され、い
わゆるＲＴＭ法（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏ
ｌｄｉｎｇ）により一体成形される。ＲＴＭ法では、樹
脂をキャビティ内に注入、拡散させることにより、フィ
ラメントワインディング方式に比べ短時間で成形可能で
あり、量産する際に成形サイクルが短縮される。また、
成形時間が短いこと、高温炉やオートクレーブ等の大型
設備が不要であることから、安価な成形が可能となる。

【００１６】また、金型内での成形であり、型成形によ
るものであるから、成形品の形状の自由度が高く、複雑
な部位を有する飛行機胴体であっても容易に一体成形で
きる。とくに、樹脂注入前に中子がキャビティ内面方向
に膨張され、中子上に配置された基材がキャビティ内面
に精度よく沿うように押し付けられるので、目標とする
形状に精度よく成形される。この状態で樹脂が注入さ
れ、硬化成形されるので、成形されたＦＲＰ構造体の表
面品位も極めて優れたものとなる。

【００１７】さらに、中子上に配置する基材を分割構成
とする場合にも、隣接基材をオーバーラップさせて配置
し、前述の如く樹脂注入前に中子を膨張させて基材をキ
ャビティ内面に押し付けることにより、実質的に連続し
た強化繊維が配置されているのと同等の状態にできる。
この状態で樹脂を注入して硬化成形するので、一体成形
されたＦＲＰ構造体は、各部位とも高い物性が確保され
る。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の望ましい実施の
形態を、ＦＲＰ製飛行機胴体を製造する場合について、
図面を参照しながら説明する。成形に先立って、図１に
示すように、成形すべき飛行機胴体の内面形状と同等の
形状を有する中子１を作製する。中子１には、飛行機胴
体のフレーム部分成形用の溝２と、外皮成形用の外面部
３が形成されている。中子１は、熱可塑性樹脂、たとえ
ばポリエチレンを用いて回転成形により、板厚が２〜５
ｍｍ程度の中空品として作製されている。中子１の長手
方向両端部には、後述の金型を用いて成形する際に、中
子１を金型内の所定位置に保持するための適当な支持部
４が設けられている。

【００１９】この中子１に、フレーム用プリフォームと
外皮用強化繊維基材がレイアップされる。フレーム用プ
リフォームは、たとえば図２〜図４に示すように形成さ
れる。図２に示すように、各々所定形状に分割された複
数のフレーム用プリフォーム５、６が形成されるが、各
プリフォーム５、６は、それぞれの芯材７、８に、裁断
された強化繊維基材９、１０を巻き付けることによって
形成される。このとき、強化繊維基材９、１０を芯材
７、８に固定するために、あるいは強化繊維基材９、１
０が複数枚の積層強化繊維基材からなる場合にはそれら
強化繊維基材同士を固定するために、固着剤１１（たと
えば、接着剤や糊材）を適宜用いることが好ましい。固
着剤１１は、たとえば収容缶１２からのスプレーにより
塗布すればよい。但し、この固着剤１１には、後述の金
型加熱の際に溶融するものを用いることが好ましい。

【００２０】芯材７、８の材質は特に限定されないが、
成形品全体の軽量化をはかる上からは極力軽量なものが
好ましく、発泡体（たとえば、発泡ウレタン）やハニカ
ム材等を使用できる。巻き付けられる強化繊維基材９、
１０は、たとえば図３に示すように、適宜複数枚の積層
構造とすることができる。図示例では、芯材７（８）の
長手方向に対し、６枚の強化繊維基材９ａ〜９ｆが積層
されており、０°／９０°層、±４５°層、０°／９０
°層、０°／９０°層、±４５°層、０°／９０°層の
積層形態とされている。

【００２１】また、フレーム用プリフォームは、図４に
示すような分岐部１３を有するが、この部分１３では、
強化繊維基材には、賦形のための切り込みを入れること
は極力回避し、切り込み無しのまま賦形することが好ま
しい。これによって、成形品に、強化繊維の不連続性に
よる局部的な強度低下部位が生じるのを防ぐことができ
る。

【００２２】外皮用強化繊維基材は、たとえば図５に示
すように形成される。図５に示す外皮用強化繊維基材２
１は、発泡体等からなる芯材２２の内外面上に、それぞ
れ２層ずつの強化繊維基材２３、２４および２５、２６
を積層配置したサンドイッチ構造に構成されている。但
し、外皮部分全域をこのようなサンドイッチ構造にする
必要がない場合には、部分的に芯材２２を設けずに、強
化繊維基材２３、２４、２５、２６を順次直接積層する
構成とすればよい。後述の中子上に配置する場合には、
インナースキンとなる強化繊維基材２３、２４、芯材２
２（あるいは芯材２２を設けずに）、アウタースキンと
なる強化繊維基材２５、２６を順次積層配置していくこ
とも可能であり、予め芯材２２を内包したサンドイッチ
構造のプリフォームの形態にしておいて、それを中子上
に配置することも可能である。

【００２３】フレーム用プリフォームおよび外皮用強化
繊維基材に用いるＦＲＰ用強化繊維としては、炭素繊
維、ガラス繊維、アラミド繊維、これらのハイブリッド
形態等を用いることができる。中でも、強度、軽量化効
果上優れた炭素繊維、それを用いたハイブリッド繊維が
好ましい。

【００２４】フレーム用プリフォームおよび外皮用強化
繊維基材は、次に中子１上の所定の位置にレイアップさ
れる。図６に示すように、フレーム用プリフォーム５、
６、３１が中子１のフレーム用溝２内にレイアップされ
る。また、図７に示すように、外皮用強化繊維基材４１
が中子１上にレイアップされる。外皮用としては、前述
の如く芯材２２を配置する部位と、配置しない部位とが
混在している。これらフレーム用プリフォームと外皮用
強化繊維基材のレイアップは、各隣接強化繊維基材がオ
ーバラップするように配置することが好ましく、それに
よって成形後における強化繊維の連続性が確保される。

【００２５】次に図８に示すように、フレーム用プリフ
ォームおよび外皮用強化繊維基材がレイアップされた中
子１は、金型５１のキャビティ５２内にセットされる。
本実施態様では、金型５１は左右の分割型５１ａ、５１
ｂから構成されており、中子１を挿入した後、両端の支
持部４で中子１をキャビティ５２内の所定の位置に保持
するようにセットされる。

【００２６】型締めした後には、たとえば図９に示すよ
うな状態となる。中子１の表面に強化繊維を含む基材６
１が配置され、部位によっては、芯材７（８）を間に挟
んだサンドイッチ構造のプリフォーム形態でレイアップ
されている。中子１をセットした状態では、基材６１と
キャビティ５２の内面との間には、隙間が形成されてい
る。この状態で、中子１の内部を加圧することにより、
または／および、キャビティ５２内を吸引することによ
り（図示例ではキャビティ５２から真空引き）、中子１
がキャビティ５２の内面方向に膨張され、基材６１がキ
ャビティ５２の内面に押し付けられる。すなわち、キャ
ビティ５２の内面によって決められる所定の飛行機胴体
の形状に正確に沿うように、基材６１がキャビティ５２
の内面に押し付けられる。次に樹脂注入が行われるが、
注入樹脂を素早く良好に拡散させるために、とくに中子
１の長手方向に迅速に拡散させるために、本実施態様で
は中子１の表面に注入樹脂の流路となる樹脂溝６２が適
当数刻設されている。また、図示は省略するが、各芯
材、とくにフレーム用プリフォームの芯材にも、注入樹
脂の流路となる溝が設けられていることが好ましい。

【００２７】樹脂の注入前に、図１０に示すように、金
型５１が加熱される。加熱方法はとくに限定しないが、
本実施態様では、ヒータ７１でオイル７２を所定温度に
加熱し、加熱されたオイル７２をポンプ７３により循環
ライン７４を介して金型５１に循環させることによって
行われるようになっている。この加熱により、前述した
固着剤１１は溶融される。

【００２８】樹脂の注入は、キャビティ５２内から真空
ポンプ７５により吸引しながら、樹脂タンク７６内の樹
脂７７を注入ポンプ７８を用いてキャビティ５２内に注
入することによって行われる。注入された樹脂は、キャ
ビティ５２に配置されている強化繊維基材中に拡散され
て強化繊維基材内に含浸される。この拡散、含浸は、キ
ャビティ５２内が真空引きされているので、特に樹脂の
圧入を要することなく、自然にかつ迅速に行われる。

【００２９】注入樹脂は、成形されるＦＲＰのマトリッ
クス樹脂となるものであり、熱硬化性樹脂が用いられ
る。使用する熱硬化性樹脂としては、たとえばエポキシ
樹脂、ビスマレイミド樹脂、熱硬化型ポリイミド樹脂、
不飽和ポリエステル樹脂等が用いられる。注入された樹
脂は、そのまま、加熱された金型５１の温度を利用して
硬化成形される。

【００３０】樹脂が硬化され、所定形状のＦＲＰ製の飛
行機胴体が成形された後に、脱型され、図１１に示すよ
うに、中子１がたとえば収縮変形された状態で成形ＦＲ
Ｐ製胴体８１中から取り出される。

【００３１】このようにして、図１２に示すような、所
定形状に成形されたＦＲＰ製飛行機胴体８１が完成す
る。この飛行機胴体８１は、さらに、加温炉中に所定時
間保持して２次硬化させてもよい。図１２に示すＦＲＰ
製飛行機胴体８１は、フレーム部８２、芯材を有するサ
ンドイッチ構造の外皮部８３、芯材をもたずインナース
キンとアウタースキンからなる外皮部８４等を備えた一
体成形品として製造されている。また、隔壁部あるいは
隔壁取付部８５も備えている。この場合、中子は該隔壁
部を境に前方部と後方部に分割される。

【００３２】上記のような成形においては、ＦＲＰ製飛
行機胴体８１が、中子１にフレーム用プリフォームと外
皮用強化繊維基材がレイアップされた後、金型５１内で
ＲＴＭ法により一体成形されるので、樹脂の注入、含浸
が短時間の内に迅速にかつ均一に行われ、成形時間は、
フィラメントワインディング方式やプリプレグ方式に比
べてはるかに短い。したがって、量産する場合の成形サ
イクルが短くなる。また、高温炉やオートクレーブ等大
型の設備も不要である。したがって、所定形状の比較的
大型の成形品であるＦＲＰ製飛行機胴体が安価に製造さ
れる。

【００３３】また、中子１や金型５１によって、目標と
する成形形状を正確に決めることができ、かつ、形状の
自由度が高いので、複雑な形状の部位も容易に一体成形
できる。とくに中子１を膨張させてキャビティ５２の内
面に押し付けるので、樹脂注入前に基材を目標形状によ
り正確に決めることができる。さらに、キャビティ５２
の内面に押し付けた状態で、樹脂注入、硬化成形が行わ
れるので、硬化後の成形品の表面も極めて滑らかで表面
品位に優れている。

【００３４】さらに、飛行機胴体８１の全体を一体成形
するから、全体として高い物性に保たれ、樹脂注入前に
隣接強化繊維基材がオーバーラップされて配置されるこ
とにより、成形品における強化繊維の連続性も確保さ
れ、局部的にみても高物性に保たれる。

【００３５】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のＦＲＰ構
造体の製造方法によれば、所定形状のＦＲＰ製構造体の
一体成形品を、短い成形時間で、形状の自由度を高く保
ちながら、高品質、高物性にて安価に製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施態様に係る方法に用いる中子の
斜視図である。

【図２】フレーム用プリフォームの作製方法を示す斜視
図である。

【図３】フレーム用プリフォームの作製方法を示す拡大
部分斜視図である。

【図４】フレーム用プリフォームの拡大部分斜視図であ
る。

【図５】外皮用強化繊維基材の一例を示す部分斜視図で
ある。

【図６】中子へのフレーム用プリフォームのレイアップ
の例を示す斜視図である。

【図７】中子への外皮用強化繊維基材のレイアップの例
を示す斜視図である。

【図８】中子の金型内へのセットの様子を示す斜視図で
ある。

【図９】金型内にセットされた中子を膨張させる様子を
示した概略縦断面図である。

【図１０】加熱および樹脂注入の様子を示す斜視図であ
る。

【図１１】脱型後中子を取り出す様子を示す斜視図であ
る。

【図１２】成形されたＦＲＰ製飛行機胴体の斜視図であ
る。

【符号の説明】

１中子２フレーム部分成形用の溝３外皮成形用の外面部４支持部５、６フレーム用プリフォーム７、８芯材９、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ、９ｅ、９ｆ、１０強化
繊維基材１１固着剤１２収容缶１３分岐部２１外皮用強化繊維基材２２芯材２３、２４、２５、２６強化繊維基材３１フレーム用プリフォーム４１外皮用強化繊維基材５１金型５１ａ、５１ｂ分割型５２キャビティ６１基材６２樹脂溝７１ヒータ７２オイル７３ポンプ７４循環ライン７５真空ポンプ７６樹脂タンク７７樹脂７８注入ポンプ８１ＦＲＰ製飛行機胴体８２フレーム部８３サンドイッチ構造の外皮部８４芯材をもたない外皮部８５隔壁部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考） // Ｂ２９Ｋ 101:10 Ｂ２９Ｋ 105:08 105:08 Ｂ２９Ｌ 22:00 Ｂ２９Ｌ 22:00 31:30 31:30 Ｂ２９Ｃ 67/14 Ｃ (72)発明者北野彰彦愛媛県伊予郡松前町大字筒井1515番地東レ株式会社愛媛工場内 (72)発明者土屋泰広愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者高野雄一愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内 (72)発明者小山広幸愛知県豊田市トヨタ町１番地トヨタ自動車株式会社内Ｆターム(参考） 4F202 AA36 AD16 AG07 AJ03 CA01 CB01 CK42 CK82 CM30 CM90 4F204 AA36 AA39 AA40 AA41 AD16 AD35 AG06 AH18 AH28 AH31 AJ03 EA03 EA04 EB01 EB11 EF01 EF05 EF27 EK13 EK17 EK24 EK25 4F205 AA36 AD16 AG23 AH31 HA03 HA06 HA14 HA18 HA24 HA33 HA35 HA44 HB01 HF30 HG04 HK24 HM02 HM06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】膨張可能な中子に強化繊維基材をレイア
ップするＦＲＰ構造体の製造方法であって、前記中子の
膨張に追従するように隣接する強化繊維基材を摺動可能
にオーバラップすることを特徴とする、ＦＲＰ構造体の
製造方法。
【請求項２】前記隣接する強化繊維基材同士のオーバ
ラップが、熱で軟化溶融することにより固定解除可能な
固着剤によって固定される、請求項１のＦＲＰ構造体の
製造方法。
【請求項３】前記膨張可能な中子は、膨張前に強化繊
維基材を含むプリフォームを保持可能な嵌合部を有す
る、請求項１または２のＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項４】中子を熱可塑性樹脂で作製する、請求項
１〜３のいずれかに記載のＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項５】ＦＲＰ構造体がＦＲＰ製飛行機胴体であ
る、請求項１〜４のいずれかに記載のＦＲＰ構造体の製
造方法。
【請求項６】飛行機胴体成形用の中子に、強化繊維基
材を含むフレーム用プリフォームをレイアップするとと
もに外皮用強化繊維基材をレイアップし、レイアップさ
れた中子を金型のキャビティ内にセットし、金型を加熱
し、キャビティ内の吸引または／および中子内部の加圧
により中子をキャビティ内面方向に膨張させた後、キャ
ビティ内に樹脂を注入して硬化成形することを特徴とす
る、請求項５のＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項７】キャビティ内への注入樹脂に熱硬化性樹
脂を用いる、請求項６のＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項８】前記フレーム用プリフォームが、芯材
と、該芯材上に配置された強化繊維基材からなる、請求
項６または７のＦＲＰ構造体の製造方法。
【請求項９】前記レイアップ前に、フレーム用プリフ
ォームの強化繊維基材および外皮用強化繊維基材の固定
に固着剤を用い、レイアップ後に、金型の加熱により固
着剤を溶融させる、請求項６〜８のいずれかに記載のＦ
ＲＰ構造体の製造方法。
【請求項１０】レイアップされる基材を分割構成と
し、隣接基材をオーバーラップさせて中子にレイアップ
する、請求項６〜９のいずれかに記載のＦＲＰ構造体の
製造方法。
【請求項１１】中子に注入樹脂の流路となる溝を形成
する、請求項６〜１０のいずれかに記載のＦＲＰ構造体
の製造方法。
【請求項１２】フレーム用プリフォームの芯材に注入
樹脂の流路となる溝を形成する、請求項６〜１１のいず
れかに記載のＦＲＰ構造体の製造方法。