CN103298593B - 预成型体的制造装置及制造方法以及通过该方法制造的预成型体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及预成型体的制造装置、预成型体的制造方法、及通过该方法制造的预成型体，所述预成型体的制造装置的特征在于：将附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材多片层叠而成的层叠体，利用由彼此相对的模构成的赋形模通过加热赋形为规定形状，由此制造用于RTM成型的预成型体，仅在第一模上设置加热机构，并且第二模的至少与所述增强纤维基材接触的接触面由导热率低于第一模的材料形成。本发明提供能够将放热抑制在低水平、提高加热效率从而实现节能化、即使是赋形成复杂的形状的预成型体也能够尺寸精度良好地制作、能够容易地制造用于RTM成型的预成型体的、装置以及方法、通过该方法制造的预成型体。

Description

预成型体的制造装置及制造方法以及通过该方法制造的预成型体

技术领域

本发明涉及用于RTM(树脂传递模塑，ResinTransferMolding)成型的预成型体的制造装置及制造方法以及通过该方法制造的预成型体，特别是涉及将为了预成型体的赋形而进行加热时所产生的放热控制在最低限、同时能够提高预成型体的赋形精度的技术。

背景技术

在用于RTM成型的预成型体的制作中，以往，例如经过以下一系列工序：(1)在赋形模内配置多片层叠的增强纤维基材，关闭赋形模，通过赋形模赋予形状；(2)加热赋形模(或者预先加热)，由此加热基材，使基材上附着的固着材料熔融；(3)通过赋形模保持形状的同时，冷却预成型体，使固着材料固化，将基材的层间固着；(4)将赋形后的预成型体从赋形模中取出。在这样的预成型体的赋形中，作为赋形模，通常使用金属制的模，通常，在下模、上模的任意一模中设置加热机构(使热介质流通、或者设置电加热器的机构)。

另外，在比较简单的赋形形状的情况下，赋形模仅为下模，将层叠的基材配置在下模上，从其上方用膜制成袋状，将用膜和模包围的空间抽真空，由此，利用大气压借助膜按压基材，能够得到规定的赋形形状(例如，专利文献1)。但是，这样的使用膜的赋形方法中，多数情况下利用人工进行作业，因此，生产率低，成本增高。因此，作为赋形模，多数情况下使用上下模。例如，专利文献2中，使用铝制的上下模；赋形为包括三维形状在内的复杂形状时，如专利文献3所示可以使用由多个可移动式的模构成的上模。

专利文献1：日本特开2006-123404号公报

专利文献2：日本特开2006-123402号公报

专利文献3：日本特开2009-119701号公报

非专利文献1：基础化学工学、社团法人化学工学会编、1999年

发明内容

但是，如上所述，在上下模均为金属制的模的情况下，存在如下的问题。

首先，仅在下模中设置加热机构的情况下，向相反侧的上模的放热增大，因此，为了将用于赋形的温度保持为一定的温度，多数情况下必须将下模进行必要以上的加热。因此，用于加热的能量增大，节能变困难。另外，仅在下模中设置加热机构，相对于上模在其间设置发泡材料等隔热材料的情况下，在用于赋形的按压时发泡材料等隔热材料发生变形，因此，做成的预成型体的尺寸精度降低。另一方面，在上下模二者中均设置加热机构的情况下，将至少任意一模制成分开模、对应复杂形状的赋形变困难。

因此，本发明着眼于如上所述的问题，其课题在于提供一种能够将放热抑制在低水平由此提高加热效率从而实现节能化、即使为赋形成复杂形状的预成型体也能够尺寸精度良好地制作、能够确实且容易地制造用于RTM成型的预成型体的装置及方法、以及通过该方法制造的预成型体。

为了解决上述课题，本发明的预成型体的制造装置的特征在于：所述制造装置将附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材多片层叠而成的层叠体，利用由彼此相对的第一模、第二模构成的赋形模通过加热赋形为规定形状，由此制造用于RTM成型的预成型体，仅在第一模中设置加热机构，并且第二模的至少与上述增强纤维基材接触的接触面由导热率低于第一模的材料形成。

在这样的本发明的预成型体的制造装置中，仅在赋形模的一个模(第一模)中设置加热机构，仅从该第一模侧进行加热，而另一个模(第二模)由导热率更低的材料形成，因此，能够将向该第二模的导热、以及来自该第二模的放热抑制在低水平。其结果，配置在赋形模内的、附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材的层叠体，即使在少的热量下也能高效地加热至期望的温度。通过使加热效率上升，能够实现节能化。另外，无需在其间设置容易变形的隔热材料，因此，能够提高预成型体的赋形尺寸精度。另外，没有设置加热机构的另一个模(第二模)可以容易地以分开模的形式构成，由此，即使是向复杂形状的赋形也具有高尺寸精度，也能够容易地对应。

上述接触面优选由例如导热率为0.01W/m·K以上且10W/m·K以下的材料形成，更优选由导热率为5W/m·K以下的材料形成。第二模的形成材料的导热率越低越优选，由此，能够实现如上所述的高加热效率、优异的节能化。但是，在接触面的导热率过低的情况下，在固着剂的固化工序中在关闭赋形模的状态下进行冷却时，没有进行来自模内的放热，因此，有可能预成型体的冷却需要时间。因此，接触面的形成材料的导热率优选0.01W/m·K以上、进一步优选0.1W/m·K以上。

作为这样的低导热率的接触面的形成材料，可以举出至少具有5mm厚度的非金属材料，其中，从制造的容易程度等出发，优选低导热率且高耐热性的树脂等材料。也可以使用例如环氧树脂(导热率：0.2～0.4W/m·K)、酚醛树脂(phenolresins；导热率：0.13～0.25W/m·K)、酚醛树脂(bakeliteresins；导热率：0.33～0.67W/m·K)、PTFE树脂(约0.25W/m·K)这样的常用树脂；化学加工用材(导热率：0.1～1.8W/m·K)、耐热板材(例如，LossnaBoard(日光化成株式会公司制)、导热率：0.24W/m·K)这样的材料。但是，不限于列举的材料。另外，耐热性只要是仅能耐受预成型体的赋形温度、用于使作为上述固着材料的热塑性树脂熔融的温度的耐热性即可。

但是，在非金属材料中，膜这样的薄型的原材料，不适合作为上述接触面的形成材料。在利用膜袋的赋形中，如上所述，人工作业增多，能产生生产率降低、成本增加的问题。另外，也有可能在第二模侧无法赋予形状。此外，薄型的原材料极易受到外界气温的影响，因此，将从设置加热源的第一模传来的热放出。因此，在第二模侧也需要设置加热源。优选该第二模至少具有5mm以上的厚度。

相对于此，第一模优选由用于朝向基材侧传热的具有较高导热率的材料形成，特别优选为金属制。例如，可以使用铝(导热率：204～230W/m·K)、碳钢(导热率：36～53W/m·K)、铬钢(导热率：22～60W/m·K)等。但是，不限于列举的材料。

另外，如上所述，在本发明中的第二模中没有设置加热机构，因此，能够容易地以分开模的形式构成。通过以分开模的形式构成，也能够对应复杂形状的预成型体的赋形。

对于构成上述层叠体的增强纤维基材的种类，没有特别限定，可以使用碳纤维基材、玻璃纤维基材、芳族聚酰胺纤维基材、以及将它们组合而成的混合构成的增强纤维基材，其中，由在RTM成型时具有高尺寸精度、并且能够谋求预成型体赋形的碳纤维基材构成时，本发明特别有效。

另外，关于本发明的预成型体的制造装置中使用的增强纤维基材，优选上述固着剂的玻璃化转变温度(Tg)在50～80℃的范围内。固着剂的Tg低于50℃的情况下，有可能出现在基材的运输时基材之间发生粘合等操作性变差的问题。相反，超过80℃的情况下，需要使赋形温度上升，有可能需要特别是在第二模中使用耐热温度高的特殊的材料。

作为在增强纤维基材的表面上附着的固着剂，优选以热塑性树脂作为主成分。作为热塑性树脂，例如有：聚酰胺、聚砜、聚醚酰亚胺、聚苯醚、聚酰亚胺、聚酰胺酰亚胺、聚乙烯醇缩甲醛等，没有特别限定。树脂材料以热塑性树脂作为主成分时，在增强纤维织物中散布并使其固着的情况下，在进一步层叠增强纤维织物、使其向立体形状变形后，使层间粘合时的处理性提高，生产率提高。需要说明的是，主成分是指在构成树脂材料的成分中其比例最多的成分。其中，固着剂中包含环氧树脂、酚醛树脂这样的热固性树脂，但并不限于此，可以适当选择使用热塑性树脂和/或热固性树脂。

本发明的预成型体的制造方法的特征在于，通过如下方式制造用于RTM成型的预成型体：将附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材多片层叠而成的层叠体，利用由彼此相对的第一模、第二模构成的赋形模，通过加压赋形为规定形状，同时通过加热使存在于增强纤维基材之间的上述固着材料熔融，熔融后进行冷却，由此，使上述固着材料固化，使增强纤维基材之间粘合，保持赋形形状，在上述加热中，仅从第一模进行加热，同时使第二模的至少与上述增强纤维基材接触的接触面由导热率低于第一模的材料形成，抑制向第二模侧的导热。

在这样的预成型体的制造方法中，上述接触面优选由导热率为0.01W/m·K以上且10W/m·K以下的材料形成，更优选由5W/m·K以下的材料形成。

另外，上述接触面优选由如上所列举的至少具有5mm厚度的非金属材料形成，第一模也优选由如上所列举的金属材料形成。但是，从上述理由出发，该方法中，也优选接触面的形成材料的导热率为0.01W/m·K以上、进一步优选为0.1W/m·K以上。

另外，没有设置加热机构的第二模可以由分开模构成，由此，即使是对于向复杂形状的赋形，也具有高尺寸精度，能够容易地对应。

另外，本发明的预成型体的制造方法中，在上述冷却的过程中，可以在保持对上述层叠体加压的状态下进行冷却。如果在释放压力的状态下进行冷却时，则在释放的系统中固着材料固化，有可能预成型体的尺寸精度降低。另一方面，由此，在利用加热的赋形操作之后，能够连续地进行冷却操作，因此，也可以缩短赋形时间，提高制造效率。

另外，如上所述，使用的增强纤维基材的种类没有特别限定，本发明在增强纤维基材由碳纤维基材构成的情况下特别有效。

另外，本发明的预成型体的制造方法中，也优选上述固着剂的玻璃化转变温度(Tg)在50～80℃的范围内。

另外，本发明也提供使用如上所述的方法制造的预成型体。本发明中，能够以较少热能高效地制造尺寸精度高的预成型体。

如上所述，根据本发明，能够将放热抑制在低水平、高效地加热基材，从而使加热效率上升，能够实现节能化。另外，即使在向复杂形状的赋形时，也能够具有高尺寸精度和高生产率，能够确实且容易地制造期望的用于RTM成型的预成型体。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的预成型体的制造装置的剖面简图。

图2是本发明的实施例、比较例中使用的试验装置的结构简图。

图3是表示本发明的实施例中的温度分布的一例的特性简图。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

图1示出了本发明的一个实施方式的预成型体的制造装置1。在该预成型体的制造装置1中，在由彼此相对的作为第一模的下模2以及作为第二模的上模3构成的赋形模4内，配置将增强纤维基材多片层叠而成的层叠体5，所述增强纤维基材附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料。仅在下模2中配设作为加热机构6的、使热水或者加热后的油循环的热介质流路，本实施方式中，进一步在下模2中设置空气冷却或者水冷却方式的冷却机构7。作为加热机构，除了如上所述的热介质循环方式之外，也可以为具备加热器的机构。作为冷却机构7，例如可以采用下述方式：从设置在下模2中的贯通孔向预成型体供给压缩空气，由此，冷却预成型体的方式；或者在设置于下模2内的流路中使冷却水循环的方式。另外，本实施方式中，没有设置加热机构6的上模3以分开成多个的分开模的形式构成。在该上模3上，使上模3相对于下模2进行开关，同时连接加压机构8，该加压机构8产生用于层叠体5的赋形的按压力(加压)。

在这样的赋形模4内配置层叠体5，该赋形模4中，通过来自下模2的加热和由加压机构8产生的来自上模3的加压，将层叠体5赋形成规定形状，由此，制造用于RTM成型的预成型体。另外，赋形模4中的上模3由导热率低于下模2的材料构成。更具体而言，例如，下模2为铝(20℃的导热率：228W/m·K)或者铝合金、钢(20℃的纯铁的导热率：72.7W/m·K)等金属制，上模3为具有耐热性的树脂制(例如，20℃的酚醛树脂的导热率：0.233W/m·K)。

如上所述的用于RTM成型的预成型体的制造装置1中，层叠体5在赋形模4的下模2、上模3之间通过加压被赋形成规定形状，同时在来自下模2侧的由加热机构6产生的加热的作用下，存在于增强纤维基材之间的固着材料熔融，熔融后通过利用冷却机构7冷却，固着材料固化，增强纤维基材之间粘合，保持赋形形状。上述加热中，仅从设置有加热机构6的下模2侧进行加热，但由于上模3由导热率低于下模2的材料构成，所以可以将向该上模3的导热、进而从该上模3向外部的放热抑制在低水平。其结果，配置在赋形模4内的、附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材的层叠体5，即使以较少的热量也能够高效地赋予固着材料熔融所需的热量，然后，通过固化后的固化材料，基材之间粘合。这样，使由加热机构6产生的加热的效率上升，由此，赋形时的使用能量降低，能够实现节能化。另外，也无需在其间设置如上所述的容易变形的隔热材料，因此，能够提高被赋形的预成型体的尺寸精度。另外，如图所示，没有设置加热机构6的上模3能够以分开模的形式构成，因此，也能够对应向复杂形状的赋形，并且能够以高尺寸精度赋形为该复杂形状。

为了考察如上所述的本发明的构成带来的效果，进行如图2所示的试验。在具备加热机构11(图示例中为加热器)、加热至100℃的下模12上，设置层叠有4片碳纤维织物13的层叠体14，通过在关闭上模15后的各碳纤维织物13层间及层叠体14的两侧配置的热电偶16[(1)、(2)、(3)、(4)、(5)]，测定各部位的温度。需要说明的是，在上模15中没有设置作为加热源的装置。将下模12为铝制、上模15为树脂制(化学加工用材料、导热率：1.5W/m·K)的情况作为实施例，将下模12为铝制(导热率：228W/m·K)、上模15也为铝制的情况作为比较例，实施试验，测定关闭模后各部位的温度如何变化。将试验的结果示于表1。

表1

如表1所示，上模为树脂制的情况(实施例)下，即使是距加热源最远的部位(5)，在30秒后也达到97.4℃。这表示：来自下模的热未传导至导热率低的上模，几乎都用于碳纤维织物的加热。相对于此，上模为导热率高的铝制的情况(比较例)下，在距加热源最远的部位(5)，即使经过600秒也仅达到53.0℃，而且，就连距加热源最近的部位(1)，也仅上升至78.1℃。这表示下模的热传至上模侧。关于所得到的预成型体，在实施例的情况下也能得到各层间牢固地固着的预成型体，相对于此，在比较例的情况下，固着材料不熔融，因此，层间的固着未充分地进行。因此，在运送预成型体时，形状破坏，不能用于RTM成型。

实施例

图3是表示本发明的实施例中的温度分布的一例的特性简图。图3示意地示出了：在作为第一模的下模2与作为第二模的上模3之间夹着增强纤维基材的层叠体5(5层结构)、从下模2向上模3产生热传递Q的状态下的各部位的温度。T(T₁～T₈)为各部位的接触面的温度(℃)，l(l₁～l₇)为各层的厚度(m)，λ(λ₁～λ₇)为各材料的导热率(W/m·K)。

图3中，将下模2、上模3以及层叠体5的各层视作互相密合的平行平面板，忽略不计层间的接触面中的接触热电阻，假定热的传递Q为恒定导热(T₁一定并且T₈一定)的情况下，每单位面积传递的热量q(W/m²)通过下述的数学式表示。

$q=\frac{(T_1-T_8)}{\underset{n=1}{\overset{8}{\mathrm{\Σ}}}\frac{l_n}{{\mathrm{\λ}}_n}}$

此时，T₂至T₇可以用下述的数学式表示(其中，2≤i≤7)。

$T_i=T_1-\left(\underset{n=2}{\overset{i}{\mathrm{\Σ}}}\frac{l_n}{{\mathrm{\λ}}_n}\right)q$

其中，假定T₁为100℃、T₈为25℃，将在沥青类碳纤维(Cytec公司制、TheonelK-1000、λ₂～λ₆＝1000W/m·K)、PAN类碳纤维(东丽株式会公司制、ToraycaT300、λ₂～λ₆＝6.5W/m·K)、及玻璃纤维(日东纺制、E玻璃类、λ₂～λ₆＝1.03W/m·K)的各纤维中求出的T₂至T₇的结果示于表2～5。其中，l₁＝0.02m、l₂～l₆＝0.0015m、l₇＝0.1m。

表2是下模2为铝制(λ₁＝228W/m·K)、上模3为铝制(λ₇＝228W/m·K)的情况的计算结果。

表2

表3是下模2为铝制(λ₁＝228W/m·K)、上模3为树脂制(λ₇＝1.5W/m·K)的情况的计算结果。

表3

表4是下模2为碳钢制(λ₁＝45W/m·K)、上模3为碳钢制(λ₇＝45W/m·K)的情况的计算结果。

表4

表5是下模2为碳钢制(λ₁＝45W/m·K)、上模3为树脂制(λ₇＝1.5W/m·K)的情况的计算结果。

表5

由表2、4可知，远离加热源的上模3由导热率高的铝或碳钢构成的情况下，在上模3内的温度差变小，因此，上模3表面的温度降低。特别是增强纤维基材由导热率低的PAN类的碳纤维或玻璃纤维构成的情况下，来自下模2的导热变小，因此，上模3表面的温度的降低变显著。

但是，在将上模3变更为导热率小的树脂制的情况下，上模3内的导热的速度受限，温度差变大，因此，即使使用导热率小的PAN类的碳纤维或玻璃纤维作为增强纤维基材，也能够减小增强纤维基材的各层内的温度降低。

将上述计算结果应用于实际的预成型体制作装置时，在上模3由导热率高的材料构成的情况下，通常认为上模3内的导热进行，所以上模3附近的增强纤维基材的各层的加热需要时间。另一方面，上模3由导热率低的材料构成的情况下，上模3内的导热的速度受限，因此，能够防止上模3附近的温度降低，即使增强纤维基材为导热率低的PAN类的碳纤维，也能够迅速地加热增强纤维基材的各层。

产业上的可利用性

本发明的预成型体的制造装置及制造方法，可以应用于要求实现节能化并且精度良好地赋形用于RTM成型的预成型体的所有用途中。

符号说明

1预成型体的制造装置

2作为第一模的下模

3作为第二模的上模

4赋形模

5增强纤维基材的层叠体

6加热机构

7冷却机构

8加压机构

Q热的传递

l、l₁～l₇厚度

T、T₁～T₈接触面的温度

λ、λ₁～λ₇导热率

Claims (9)

1.一种预成型体的制造装置，其特征在于，

所述制造装置将附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材多片层叠而成的层叠体，利用由彼此相对的第一模、第二模构成的赋形模通过加热赋形为规定形状，由此制造用于RTM成型的预成型体，

仅在由金属材料形成的第一模中设置加热机构，并且第二模的至少与所述增强纤维基材接触的接触面由至少具有5mm厚度且导热率为0.01W/m·K以上且10W/m·K以下的非金属材料形成。

2.如权利要求1所述的预成型体的制造装置，其中，第二模由分开模构成。

3.如权利要求1或2所述的预成型体的制造装置，其中，所述固着材料的玻璃化转变温度在50～80℃的范围内。

4.如权利要求1或2所述的预成型体的制造装置，其中，所述增强纤维基材由碳纤维基材构成。

5.一种预成型体的制造方法，其特征在于，

所述制造方法通过如下方式制造用于RTM成型的预成型体：将附着有以热塑性树脂作为主成分的固着材料的增强纤维基材多片层叠而成的层叠体，利用由彼此相对的第一模、第二模构成的赋形模，通过加压赋形为规定形状，同时通过加热使存在于增强纤维基材之间的所述固着材料熔融，熔融后进行冷却，由此，使所述固着材料固化，使增强纤维基材之间粘合，保持赋形形状，

在所述加热中，仅从由金属材料形成的第一模进行加热，同时使第二模的至少与所述增强纤维基材接触的接触面由至少具有5mm厚度且导热率为0.01W/m·K以上且10W/m·K以下的非金属材料形成，抑制向第二模侧的导热。

6.如权利要求5所述的预成型体的制造方法，其中，第二模由分开模构成。

7.如权利要求5或6所述的预成型体的制造方法，其中，所述固着材料的玻璃化转变温度在50～80℃的范围内。

8.如权利要求5或6所述的预成型体的制造方法，其中，在所述冷却中，在保持对所述层叠体加压的状态下进行冷却。

9.如权利要求5或6所述的预成型体的制造方法，其中，所述增强纤维基材由碳纤维基材构成。