专利名称：预成型体及其制造方法
技术领域：
本发明涉及尤其适合用于RTM(树脂传递成型(Resin Transfer Molding))成型方法的、层叠多个增强纤维基材而制作的预成型体的制造方法、和通过该方法制造而成的预成型体。
背景技术：
作为生产率优异的纤维增强塑料(FRP)的成型方法，已知所谓的RTM成型方法，即，将由干式增强纤维布帛形成的基材配置于成型模具内，将基质树脂注入到模具内并使其浸溃于增强纤维基材内，使树脂固化之后，将成型品脱模的方法。并且，在制造比较大型的成型品或厚壁的成型品时，作为高效的成型方法，大多采用如下的成型方法首先将增强纤维基材(例如，多个增强纤维基材)赋予规定形状、制作FRP的成型前体即增强纤维基材的预成型体，将该预成型体配置于成型模具内，将基质树脂注入到模具内，使浸溃于基材的 树脂固化。为了制作这样的RTM成型所使用的预成型体，目前，经过例如如下的一系列工序
(I)将多个层叠而成的基材载置于赋形模具中，关闭赋形模具，通过该赋形模具对基材赋予规定的形状；⑵加热该赋形模具(或预先加热)，间接对该基材加热，使介于基材之间的粘着材料软化或熔融；(3)通过赋形模具保持预成型体的形状并冷却预成型体，使上述粘着材料固化以将基材的层间粘着；(4)从赋形模具取出经赋形的预成型体。在这样的一系列工序中，作为上述工序(2)中加热赋形模具的方法，采用通过热介质、电加热器等进行加热的方法，作为工序(3)的冷却方法，采用通过空气(常温、冷却)、冷却水等进行冷却的方法。但是，在对这样的赋形模具(通常为金属模具)整体进行反复加热、冷却的方法中，I个周期所需的时间较长。此外，加热所需的能量消耗也较大。此外，对于加热、冷却金属模具的方法，还已知仅加热金属模具表面的方法(例如，专利文献I)，即便是金属模具表面的加热，也遗留有如下问题由于有热的转移，能量消耗仍较大。专利文献I :日本特表2009-507674号公报
发明内容
如上所述，在进行规定形状的预成型体的赋形时，在以往通常的对金属模具整体加热的方法的情形中，存在加热、冷却周期耗费时间、能量消耗较大这一问题，在对金属模具表面加热的方法的情形中，也存在热的转移较大、能量消耗较大这一问题。从这些方面出发，在这样的现有技术的状态下，规定形状的预成型体的赋形难以应对相继要求的大量生产。因此，本发明的技术问题在于，鉴于如上述的现有技术的现状，提供一种生产率优异的预成型体的制造方法以及通过该方法制造而成的预成型体，所述制造方法可以以较短赋形周期时间、较小能量消耗进行RTM成型时的FRP的成型前体即规定形状的预成型体的赋形。
为了解决上述技术问题，本发明的预成型体的制造方法包括用于RTM成型方法的预成型体的制造方法，所述RTM成型方法是如下方法层叠多个基材以形成层叠体，该基材将以热塑性树脂为主要成分的粘着材料附着在增强纤维布帛上而成，通过使用赋形模具将该层叠体赋形从而制作FRP的成型前体即预成型体，将该预成型体配置于成型模具内，注入树脂后使树脂固化，通过脱模得到FRP成型体，所述预成型体的制造方法的特征在于，通过赋形模具将前述层叠体压制成规定的形状，在压制后的状态下直接加热层叠体中的前述粘着材料或基材或这两者以使前述粘着材料熔融，然后进行冷却从而使该粘着材料固化、将基材彼此在层间粘接以保持预成型体的赋形形状。S卩，本发明的预成型体的制造方法中，并非是以作为赋形模具的金属模具的整体或金属模具的表面为加热对象，而是以配置于赋形模具内的增强纤维基材的层叠体作为加热对象，通过直接加热该增强纤维基材，制作规定形状的预成型体。如上所述，通过仅以赋形模具内的增强纤维基材为加热对象，与加热作为赋形模具的金属模具的情形相比，可在短时间内进行加热进而冷却，可缩短赋形周期时间。此外，由于并非以热容量较大的金属模具整体为加热对象，因而可将规定的加热所需的能量消耗量抑制得较小。因此，可直接加热增强纤维基材而在短时间内将增强纤维基材的温度升至规定温度以使表面的粘着材料熔融，加热结束后迅速冷却以使其降温，从而将基材彼此在层间粘接，可以以较短赋形周期时 间且较小能量消耗高效制作规定形状的预成型体，可实现生产率的大幅提高。这样的本发明的预成型体的制造方法中，作为上述直接加热层叠体中的粘着材料或基材或这两者的方法，可采用借助电磁感应的方法。例如，可以是上述基材具有导电性，通过电磁感应直接加热该基材。即,对具有导电性的基材感应加热、升温、使粘着材料熔粘，此时停止加热，使其迅速降温。此外，可以是上述基材含有具有导电性的纤维，通过电磁感应直接加热该基材。作为具有导电性的纤维，尤其可使用碳纤维。即，对增强纤维具有导电性的基材感应加热、升温、使粘着材料熔粘，此时停止加热，使其迅速降温。或者，还可以是上述粘着材料具有导电性，通过电磁感应直接加热该粘着材料。即，为了容易感应加热而对粘着材料赋予导电性，对该粘着材料感应加热，从而借助粘着材料使基材彼此相互熔粘，停止加热、使其迅速降温。如此通过使用借助电磁感应的加热方法，可以集中于作为加热对象的基材、构成基材的纤维、粘着材料而直接加热该加热对象，无需以作为赋形模具的金属模具为加热对象，由此，可以以较短赋形周期时间、较小能量消耗高效制造期望的预成型体。这样的借助电磁感应的加热方法中，由于金属模具并非是加热对象，因而作为赋形模具无需使用金属模具，可使用由非导电性材料形成的赋形模具、例如由非金属形成的赋形模具。若如此使用由非导电性材料形成的赋形模具，则在借助电磁感应的加热时，可以将赋形模具积极地排除在加热对象之外，仅以上述增强纤维基材、构成基材的纤维、粘着材料等为加热对象，对这些加热对象进行高效地加热。为了进行上述借助电磁感应的加热，基本上使用电磁感应用线圈即可，只要使该线圈流通必要的电流以形成适当的磁场、对该磁场中的如上所述的本发明的加热对象进行加热即可。电磁感应用线圈还可与赋形模具分开设置，也可以使用具备电磁感应用线圈的赋形模具。使用电磁感应用线圈时，优选上述线圈的中心与上述层叠体之间的距离在5mm 30mm的范围。线圈的中心与层叠体之间的距离不足5mm时，除了有可能难以控制适当的加热以外，由于赋形模具的表层部非常薄，必须是具有刚性的材料，因此有可能非常难以进行这样方式的制作。反之，上述距离超过30mm时,无法充分遍布带来感应加热的来自线圈的磁场，为了遍布磁场而需要输出功率较大的振荡器，故不优选。此外，上述线圈的借助电磁感应进行加热的部分的相邻线圈的中心之间的距离(即线圈间距)优选在5mm 60mm的范围内。该线圈间距不足5mm时,在线圈与线圈之间部分的层叠体会集中地过热，有可能会将赋形模具的表层部损坏。线圈间距超过60_时，与前述同样地，无法充分遍布带来感应加热的来自线圈的磁场，为了遍布磁场而需要输出功率较大的振荡器，故不优选。此外，本发明的预成型体的制造方法中，上述粘着材料的玻璃化温度(Tg)优选在50 80°C的范围内。粘着材料的Tg低于50°C时，有可能在输送基材时基材彼此会贴上等、操作性变差。反之，Tg超过80°C时，由于必须进一步提高赋形温度，因而加热时间变长、赋形时间变长，除此之外还必须提高模具的耐热温度，不优选。此外，进行借助电磁感应的加热时，优选为上述赋形模具的上模和下模中至少一 个由至少位于上述层叠体侧的表层部、配置于其背面侧的电磁感应用线圈、以及基底部这3个可分离的构件构成。通过将模分为表层部、线圈、基底部，从而例如在层叠体过热时可仅更换表层部，与埋入线圈的模具的情形相比，维护变得容易。此时，上述赋形模具的基底部优选由耐热温度比上述赋形模具的表层部高的材料构成。即，通过预先使作为支撑表层部的基底部的耐热温度更高，从而可将赋形模具的形态保持在规定的形态，且能可靠地将表层部支撑为期望的姿势。此外，上述赋形模具的基底部优选由具有200°C以上的耐热温度的材料构成。SP，假设在例如100°C 150°c的温度范围内进行加热时，预先使赋形模具的基底部对该加热温度具有充分高的耐热性。此外，本发明的预成型体的制造方法中，在制作预成型体时，可以在加热上述层叠体之后、通过使用上述赋形模具冷却该层叠体以使上述粘着材料固化。即，如上所述在加热时实质上不使用赋形模具，在冷却时积极地采用借助赋形模具进行的冷却。由于在加热时不积极地加热赋形模具，因而赋形模具不会达到高温，维持在在比较低温的状态下，因此，可在不使这样的赋形模具有较大的能量消耗的情况下用于规定的冷却。换言之，赋形模具的使用方法是，用于对规定形状的压制赋形，在加热中实质上不使用，专门在加热后的冷却中积极地使用。对于这样的利用赋形模具进行的冷却，例如，可通过在赋形模具中流通冷却介质以冷却该赋形模具的赋形面，并经由该赋形面的冷却而冷却上述层叠体。若如此，可高效地将赋形模具的赋形面侧作为冷却对象来冷却，即，可高效地将应冷却的具有粘着材料的层叠体作为冷却对象来冷却，可实现冷却时间的缩短，并且还可降低冷却所需能量的消耗量。此外，本发明的预成型体的制造方法中，可在压制后的状态下进行上述层叠体的冷却。通过在压制后的状态下进行冷却，可得到尺寸精度高的预成型体。反之，若放开压制来冷却，则在开放的体系中粘着材料固化，有可能基材因冷却手段而膨胀等无法得到目标的预成型体。进而，本发明的预成型体的制造方法中，还可使上述赋形模具的上模、下模的至少一个构成为分割模具，且分别对各分割模具进行控制以进行加热或冷却或这两者。若如此，可对应加热、冷却的层叠体各部位进行最有效的加热、冷却，因此，可进一步缩短赋形周期时间、降低消耗能量。此外，本发明的预成型体的制造方法中，作为直接加热上述层叠体中的粘着材料或基材或这两者的方法，还可使用在上述赋形模具中安装超声波振动装置的方法，通过由该超声波振动装置对上述粘着材料或基材或这两者进行超声波振动以使上述粘着材料熔融。即，使用超声波振动、将粘着材料自身或带有粘着材料的基材相对瞬间地升温、粘着材料熔融使基材熔粘，此时停止振动，使其降温、粘着。例如，通过对颗粒状等的粘着材料自身进行超声波振动，或者，通过使基材超声波振动以使与该基材接触的粘着材料振动、或将振动的基材与粘着材料接触，从而可加热、熔融粘着材料。这样的超声波振动装置由于具有超声波振子，因而将该超声波振子的振荡端朝向上述层叠体方向即可。这样的借助超声波振动的加热方法中，也可集中于作为加热对象的基材、构成基材的纤维、粘着材料而直接加热该加热对象，由此，可以以较短赋形周期时间、较小能量消耗来高效制造期望的预成型体。本发明的预成型体是使用如上述的方法制造而成的。如上所述，通过本发明的预成型体的制造方法，可以以较短赋形周期时间且较小 能量消耗高效地将进行RTM成型时的FRP的成型前体、即预成型体赋形为规定形状，可以以优异的生产率制造期望的预成型体。
图I是显示RTM成型方法的整体工序的说明简图。图2是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的一例的立体简图。图3是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的其它例子的立体简图。图4是图3的加热形态的截面简图。图5是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的另一例的立体简图。图6是图5的加热形态的截面简图。图7是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的另一例的立体简图。图8是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的另一例的截面简图。图9是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的另一例的截面简图。图10是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的另一例的截面简图。图11是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的加热形态的另一例的截面简图。图12是显示本发明的预成型体的制造方法中的层叠体的冷却形态的一例的截面简图。
具体实施例方式以下，参照说明书附图对本发明优选的实施方式进行说明。图I简要显示了 RTM成型方法的简要的整体工序，以及整体工序中本发明的预成型体的赋形工序的位置。图I中，I表示将以热塑性树脂为主要成分的粘着材料2附着在增强纤维布帛上而成的基材(以下，有时还称为增强纤维基材。)，多个增强纤维基材I被层叠形成层叠体3。该层叠体3配置在赋形模具4内(也可在赋形模具4内层叠基材I而形成层叠体3。)，使用赋形模具4将FRP的成型前体即规定形状的预成型体5赋形。赋形为规定形状的预成型体5配置于RTM成型用的成型模具6内，注入树脂7，而后树脂固化。由树脂固化形成的FRP成型体8从成型模具6脱模。
在制造用于这样的RTM成型方法的预成型体时，使用如下的方法。层叠体3在赋形模具4内被压制成规定形状，在压制后的状态下直接加热层叠体3中的上述粘着材料2或基材I或这两者，粘着材料2熔融，然后冷却，从而将粘着材料2固化，由此将基材I彼此在层间粘接，保持了预成型体5的规定的赋形形状。如上所述，直接加热层叠体3中的粘着材料2或基材I或这两者而将粘着材料2熔融，该加热可采用以下这样的各种方法。参照图2 图11说明各种方式。图2所示的方式中，在由下模11和上模12形成的赋形模具13内的规定位置配置层叠体14，压制赋形，在压制状态下，在下模11所具备的电磁感应用线圈15(本实施方式中，线圈15被埋设于下模11中)中流通规定电流，仅以层叠体14作为加热对象，通过电磁感应直接加热层叠体14中的上述粘着材料2或基材I或这两者，粘着材料2熔融。图3、图4所示的方式中，与图2所示的方式相比，上模由多个分割上模21构成，各分割上模21可根据需要(例如，根据应赋形的预成型体的形状、基材的层叠方式等)依次压制工作、或者一起工作。其它的结构基于图2所示的方式。图5、图6所示的方式中，与图3、图4所示的方式相比，多个电磁感应用线圈31被埋设于下模32中，可分别对各线圈31的布线进行电流的控制。若如此，可根据作为加热对象的层叠体14的各部位(例如，根据该部位的厚度、基材的层叠个数、配置密度、粘着材料2的分布等)来控制加热量，可达到作为层叠体14整体更期望的加热状态。其它的结构基于图3、图4所不的方式。图7所示的方式中，与图2 图6所示的方式相比，电磁感应用线圈42未埋设于下模41中，而作为下模41所具备的线圈42而设于下模41上。并且，为了避免线圈42与层叠体14直接接触，而在线圈42与层叠体14之间插入成型用板43，在插入成型用板43的状态下压制赋形，进行层叠体14的加热。若如此，线圈42的维护变得容易，此外，通过适当更换成型用板43，可容易对应各种形状的赋形。其它的结构基于图3、图4所示的方式。图8所示的方式中，上模51由位于层叠体52侧的表层部53和配置于其背面侧的基底部54这些可分离的构件构成，下模55由位于层叠体52侧的表层部56、配置于其背面侧的电磁感应用线圈57、以及配置于其背面侧的基底部58这3个可分离的构件构成。由于表层部53、56由可分离的构件构成，因而可容易根据需要更换。尤其是，由于下模55由表层部56、线圈57和基底部58这些可分离的构件构成，因而在例如层叠体52过热时可仅更换表层部56，与埋入了线圈型的情形相比，维护变得容易。
图9所不的方式中也一样,上模61由位于层叠体62侧的表层部63、配置于其背面侧的基底部64这些可分离的构件构成，下模65由位于层叠体62侧的表层部66、配置于其背面侧的电磁感应用线圈67、以及配置于其背面侧的基底部68这3个可分离的构件构成。由于表层部63、66由可分离的构件构成，因而可容易根据需要更换。尤其是，由于下模65由表层部66、线圈67和基底部68这些可分离的构件构成，因而可根据需要仅更换表层部66，与埋入了线圈的模具的情形相比，维护变得容易。此外，图10所示的方式中，与如上所述的借助电磁感应的加热不同，在下模71与上模72之间配置所压制赋形的层叠体73进行压制赋形，在压制状态下通过安装于下模71的超声波振动装置74(图中作为超声波振子74显示。)进行超声波振动，从而仅以层叠体73为加热对象，直接加热层叠体73中的前述粘着材料2或基材I或这两者，粘着材料2熔融。此外，图11所示的方式中，与图10所示的方式相比，在由下模81和由分割模具形成的上模82所构成的赋形模具当中，在下模81上安装多个超声波振子83，各超声波振子·83的振荡端分别朝向所压制赋形的层叠体84方向。若如此，可根据作为加热对象的层叠体84的各部位来适当控制由超声波振动产生的加热量，可达到作为层叠体84整体更期望的加热状态。其它的结构基于图10所示的方式。进而，图12显示了本发明中将经熔融的粘着材料2冷却、将基材彼此在层间粘接以维持赋形形状时的、冷却方式的一例。图12所示的例子中，在下模91与分割上模92之间将层叠体93压制赋形。对于冷却，例如，通过设于下模91内的冷却介质流路94内流通的冷却介质(例如，液体)、或者可在由泵96从设于下模91内的冷却介质流路95内送出之后向层叠体93喷出的冷却介质(例如气体)，从而积极地且强制地进行。此外，还可根据情况预先在分割上模92中也设置同样的冷却介质流路97 (例如，冷却介质为液体)。通过这样的冷却方式，可有效冷却层叠体93。此外,根据本发明方法，由于原本赋形模具未被积极地加热，未达到高温，因而通过这样的强制冷却，可迅速进行必要的降温，尤其是在连续大量生产的情形中，缩短赋形周期时间成为可能，可有助于生产率的提高。工业上的可利用性本发明的预成型体的制造方法尤其可适用于要求缩短赋形周期时间、要求高效生产的、所有预成型体的制造。符号说明I增强纤维基材2粘着材料3层叠体4赋形模具5预成型体6RTM成型用的成型模具7 树脂8FRP 成型体11 下模12 上模
13赋形模具14层叠体15电磁感应用线圈21分割上模31电磁感应用线圈32 下模41 下模
42电磁感应用线圈43成型用板51 上模52层叠体53上模表层部54上模基底部55 下模56下模表层部57电磁感应用线圈58下模基底部61 上模62层叠体63上模表层部64上模基底部65 下模66下模表层部67电磁感应用线圈68下模基底部71 下模72 上模73层叠体74超声波振子8I 下模82分割上模83超声波振子84层叠体91 下模92分割上模93层叠体94、95、97冷却介质流路96 泵
权利要求
1.一种预成型体的制造方法，为用于RTM成型方法的预成型体的制造方法，所述RTM成型方法是如下方法层叠多个基材以形成层叠体，该基材将以热塑性树脂为主要成分的粘着材料附着在增强纤维布帛上而成，使用赋形模具将该层叠体赋形从而制作FRP的成型前体即预成型体，将该预成型体配置于成型模具内，注入树脂后使树脂固化，通过脱模得到FRP成型体，所述预成型体的制造方法的特征在于，通过赋形模具将所述层叠体压制成规定的形状，在压制后的状态下直接加热层叠体中的所述粘着材料或基材或这两者以使所述粘着材料熔融，然后进行冷却从而使该粘着材料固化、将基材彼此在层间粘接以保持预成型体的赋形形状。
2.根据权利要求I所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述基材具有导电性，通过电磁感应直接加热该基材。
3.根据权利要求I或2所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述基材含有具有导电性的纤维，通过电磁感应直接加热该基材。
4.根据权利要求3所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述具有导电性的纤维由碳纤维形成。
5.根据权利要求I 4中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述粘着材料具有导电性，通过电磁感应直接加热该粘着材料。
6.根据权利要求2 5中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，使用由非导电性材料形成的赋形模具。
7.根据权利要求6所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述赋形模具由非金属形成。
8.根据权利要求2 7中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，使用电磁感应用线圈进行借助所述电磁感应的加热。
9.根据权利要求8所述的预成型体的制造方法，其特征在于，使用具备电磁感应用线圈的赋形1吴具。
10.根据权利要求8或9所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述线圈的中心与所述层叠体之间的距离在5mm 30mm的范围内。
11.根据权利要求8 10中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述线圈的借助电磁感应进行加热的部分的相邻线圈的中心之间的距离在5mm 60mm的范围内。
12.根据权利要求I 11中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述粘着材料的玻璃化温度(Tg)在50 80°C的范围内。
13.根据权利要求2 12中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述赋形模具的上模和下模中的至少一个由至少位于所述层叠体侧的表层部、配置于其背面侧的电磁感应用线圈、以及基底部这3个可分离的部件构成。
14.根据权利要求13所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述赋形模具的基底部由耐热温度高于所述赋形模具的表层部的耐热温度的材料构成。
15.根据权利要求13或14所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述赋形模具的基底部由具有200°C以上的耐热温度的材料构成。
16.根据权利要求I 15中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，在制作所述预成型体时，在加热所述层叠体之后，通过所述赋形模具冷却该层叠体，由此，使所述粘着材料固化。
17.根据权利要求16所述的预成型体的制造方法，其特征在于，通过在所述赋形模具中流通冷却介质以冷却该赋形模具的赋形面，并通过该赋形面的冷却而冷却所述层叠体。
18.根据权利要求I 17中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，在压制后的状态下进行所述层叠体的冷却。
19.根据权利要求I 18中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述赋形模具的上模、下模中的至少一个构成为分割模具，且分别对各分割模具进行控制以进行加热或冷却或这两者。
20.根据权利要求1、16 19中任一项所述的预成型体的制造方法，其特征在于，在所述赋形模具中安装有超声波振动装置，通过该超声波振动装置对所述粘着材料或基材或这两者进行超声波振动以使所述粘着材料熔融。
21.根据权利要求20所述的预成型体的制造方法，其特征在于，所述超声波振动装置具有超声波振子，该超声波振子的振荡端朝向所述层叠体方向。
22.—种预成型体，其特征在于，其使用权利要求I 21中任一项所述的方法制造而成。
全文摘要
本发明提供一种预成型体的制造方法以及通过该方法制造而成的预成型体，所述制造方法的特征在于，在通过层叠多个附着有粘着材料的基材以形成层叠体、并使用赋形模具将该层叠体赋形，从而制作FRP的RTM成型的前体即预成型体时，使用赋形模具将层叠体压制成规定的形状，在压制后的状态下将层叠体中的粘着材料或基材或这两者直接加热以使粘着材料熔融，然后通过冷却使该粘着材料固化，将基材彼此在层间粘接以保持预成型体的赋形形状。可以以较短赋形周期时间、且较小能量消耗将进行RTM成型时的FRP的成型前体即预成型体高效赋形为规定形状，可以以优异的生产率制造期望的预成型体。
文档编号B29B15/12GK102753321SQ20108006369
公开日2012年10月24日 申请日期2010年12月16日 优先权日2010年2月23日
发明者山崎真明, 樋野丰和, 辻诚司 申请人:东丽株式会社