JP2006334831A - 熱硬化型樹脂の成形装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】成形物が大型化又は長尺化した場合においても生産効率の低下を伴うことなく良好な樹脂硬化を達成することができる熱硬化型樹脂の成形装置及び方法を提供する。
【解決手段】炉内温度を制御する炉内温度制御部１１を備える常圧の炉１２と、前記炉１２内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物１３に成形する上型１４−１と下型１４−２からなる金型１４と、前記金型１４の形状に応じて温度制御する３つの金型温度制御部１５−１〜１５−３と、前記炉１２内、金型１４、成形物１３の各温度を計測する炉内温度計Ｔ１、上型温度計Ｔ２、下型温度計Ｔ３、成形物温度計Ｔ４と、前記各温度計Ｔ−１〜Ｔ−４の情報により各温度制御部１５−１〜１５−３を制御する制御部１６とを具備する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば大型船舶構造物部材、大型航空・宇宙構造物部材、大型厚肉成形物の樹脂成形物の生産効率を向上させることができる熱硬化型樹脂の成形装置及び方法に関する。

樹脂と強化繊維が複合する熱硬化性強化複合材は、その用途が多方面に拡大している。その用途として、船体構造物、航空機構造物、風車翼のような大型構造物に対する適用が注目されている。熱硬化樹脂系複合材料の成形技術として、加圧下で加熱するオートクレーブ成形が知られている。

複合材料のオートクレーブ成形過程は、昇温工程と、温度保持工程と、冷却工程とからなる。図７６は、前記オートクレーブ成形過程の標準的な樹脂硬化の温度サイクルを例示している。硬化過程では、一般的に発熱的化学反応が生じている。熱硬化材料は、オートクレーブの中の環境温度に基づく加熱と自己発熱に基づく加熱とを受けることとなる。

このような両加熱が複合して、図７の破線に示されるように、過加熱に基づく過昇温現象が生じる可能性がある。このような過昇温は、成形後のＣＦＲＰ(Carbon Fiber Reinforced Plastics :炭素繊維強化プラスチック)又はＧＦＲＰ(Glass Fiber Reinforced Plastics:ガラス繊維強化プラスチック)の強度の低下要因となる。過昇温実験によれば、圧縮強度と層間せん断強度が低下することが知られている。昇温速度が遅くなれば過昇温は回避されるが、昇温速度が遅くなれば成形時間が長くなる、という生産効率の低下が懸念される。

このため、従来は、例えば図８に示すように、オートクレーブ炉１００内の温度計Ｔ１の計測値に加えて、成形物１０２に取り付けられた温度計Ｔ２の計測値に基づいてガス温度制御が行われ、成形対象物が望ましい温度に保たれる「物温制御」が一般に実行されている（特許文献１）。なお、図中、１０３は金型、１０４はバグフィルム、１０５はシーラント、１０６はオートクレーブ制御装置を各々図示する。

特開２００４−８２６４４号公報

しかしながら、成形対象物が厚板の場合には単位面積あたりの発熱量が大きくなって、オートクレーブの冷却能力では十分に制御することができない可能性がある。

また、一体成形物内で板厚が大きく異なる場合には、場所による温度ムラによって、残留応力による強度低下や反り等が生じる可能性がある。このような問題は厚板部に合わせた炉内温度制御とすることで抑止することになるため、生産効率低下は避けられない。

本発明は、前記問題に鑑み、成形物が大型化又は長尺化した場合においても生産効率の低下を伴うことなく良好な樹脂硬化成形を達成することができる熱硬化型樹脂の成形装置及び方法を提供することを課題とする。

上述した課題を解決するための本発明の第１の発明は、炉内温度を制御する炉内温度制御部を備える炉と、前記炉内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物に成形する金型と、前記金型の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上の金型温度制御部と、前記炉内、金型、成形物の各温度を計測する温度計と、前記各温度計の情報により各温度制御部を制御する制御部とを具備することを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第２の発明は、第１の発明において、前記金型の温度を計測する金型温度計及び前記成形物の温度を計測する成形物温度計の総数が、前記金型温度制御部の数と対応していることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第３の発明は、炉内温度を制御する炉内温度制御部を備える炉と、前記炉内に設けられ、熱硬化型樹脂をダミー成形物に成形するダミー用金型と、前記ダミー用金型の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上のダミー用金型温度制御部と、前記炉内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物に成形する製品用金型と、前記製品用金型の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上の製品用金型温度制御部と、前記炉内、ダミー用金型及び製品用金型、ダミー成形物の各温度を計測する温度計と、前記各温度計の情報により各温度制御部を制御する制御部とを具備することを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第４の発明は、第３の発明において、前記ダミー用金型及び製品用金型の温度を計測する温度計及び前記ダミー成形物の温度を計測するダミー成形物温度計の総数が、前記金型温度制御部の数と対応していることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第５の発明は、第１乃至４のいずれか一つの発明において、前記金型温度制御部が金型の裏面側に設けてなることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第６の発明は、第１乃至５のいずれか一つの発明において、前記金型が上型と下型とからなり、金型温度制御部が上型又は下型のいずれか一方もしくは両方に設けてなることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第７の発明は、第１乃至６のいずれか一つの発明において、前記炉がオートクレーブであることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第８の発明は、第１乃至７のいずれか一つの発明において、前記成形物が大型船舶構造物部材、大型航空・宇宙構造物部材、大型厚肉成形物のいずれかであることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置にある。

第９の発明は、第１乃至８のいずれか一つの熱硬化型樹脂の成形装置を用い、金型の形状又は厚みに応じて金型温度制御部の温度を制御しつつ成形物を成形することを特徴とする熱硬化型樹脂の成形方法にある。

本発明によれば、一体成形物内で厚さが大きく異なっていても、各肉厚部位に温度管理する温度制御部を設置することにより、生産効率の低下を招くことなく、成形物を成形することができる。更に、炉内のガス温度が場所によりバラツキがあるような場合においても、その影響を受けることがなく、適切な温度管理により、残留応力による強度低下や反り等が少ない良質な樹脂硬化品を製造することができる。

以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施例における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。

本発明による実施例１に係る熱硬化型樹脂の成形装置について、図面を参照して説明する。図１は、実施例１に係る熱硬化型樹脂の成形装置を示す概念図である。
図１に示すように、本実施例に係る熱硬化型樹脂の成形装置１０Ａは、炉内温度を制御する炉内温度制御部１１を備える常圧の炉１２と、前記炉１２内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物１３に成形する上型１４−１と下型１４−２からなる金型１４と、前記金型１４の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上の金型温度制御部（本実施例では３つ）１５−１〜１５−３と、前記炉１２内、金型１４、成形物１３の各温度を計測する炉内温度計Ｔ１、上型温度計Ｔ２、下型温度計Ｔ３、成形物温度計Ｔ４と、前記各温度計Ｔ１〜Ｔ４の情報により各温度制御部である炉内温度制御部１５−１〜１５−３を制御する制御部（ＣＰＵ）１６とを具備するものである。
本実施例では、成形物１３の形状が三種類の肉厚を有しているので、それに対応して、下型１４−２の裏面側に金型温度制御部として第１〜第３金型温度制御部１５−１〜１５−３が設けられている。
そして、第１〜第３の金型温度制御部１５−１〜１５−３に対応するように、３つの下型温度計Ｔ３−１〜Ｔ３−３と、３つの成形物温度計Ｔ４−１〜Ｔ４−３とが各々設置されている。

また、前記温度制御部１５−１〜１５−３には温度状況に応じて金型を加熱又は冷却するための熱媒体２１又は冷媒体２２を、熱媒体供給部２３又は冷媒体供給部２４から適宜供給するようにしている。なお、図１においては、供給された熱媒体２１又は冷媒体２２の排出ラインは省略している。

ここで、前記熱媒体２１及び冷媒体２２としては、液体(水、油等)、気体（スチーム、空気、窒素等）を用いることができる。なお、熱媒体２１の代わりにヒータ等の加熱手段を適用するようにしてもよい。

前記熱硬化型樹脂の成形装置を用いて、樹脂硬化する場合には、金型１４内に設置された樹脂又は樹脂積層体に対して、炉１２内温度を炉内温度制御部１１で制御して硬化させる。この硬化の過程において、上型温度計Ｔ２、３つの下型温度計Ｔ３−１〜Ｔ３−３及び成形物温度計Ｔ４−１〜Ｔ４−３の情報を元に、制御部１６で制御することにより、必要に応じて熱媒体供給部２３又は冷媒体供給部２４から熱媒体２１や冷媒体２２を前記第１〜第３金型温度制御部１５−１〜１５−３に供給して、個別に温度調節することができる。この結果、炉１２内のガス温度が場所によりバラツキがあった場合においても、その形状に応じて個別に温度制御することができる。

これにより、一体成形物内で厚さが大きく異なっていても、各肉厚部位毎に温度管理する金型温度制御部を設置することにより、生産効率の低下を抑止することができる。
更に、炉内のガス温度が場所によりバラツキがあるような場合においても、その影響を受けることがなく、適切な温度管理ができ、残留応力による強度低下や反り等が少ない良質な樹脂硬化品を製造することができる。
よって、本実施例のような製造装置を適用することで、複雑な形状を有する大型品において、残留応力による強度低下や反り等が少ない良質な樹脂硬化品を製造することができ、製品品質の向上を図ることができる。

本発明の成形物としては、その大きさを問うものではないが、特には、前記成形物が大型船舶構造物部材、大型航空・宇宙構造物部材、大型厚肉成形物のいずれかとすることで、従来における大型成形物の硬化収縮（硬化時の樹脂の収縮。繊維は収縮しないため残留応力発生）と熱収縮（硬化温度から常温へ移行する際の収縮。繊維と樹脂の線膨張係数の違いから残留応力発生）が場所によって異なることで生じる強度低下や反り等の発生を低減することとなる。

例えば、図６に示すような２０〜５０ｍの長さの大型風車の風車翼５０を製造する場合においても、金型の裏面側に例えば１〜２ｍ毎に温度制御部を各々設置して個別の温度制御を適切に行うことができる。

この結果、熱硬化樹脂の硬化作業において適切な昇温条件とすることができるので、一体成形物内で板厚が大きく異なる場合や厚板の場合にも好適な成形方法を提供でき、成形時間が短縮され、生産効率の向上を図ることができる。

樹脂の硬化法としては、流動性樹脂を型内に導入して反応熱または加熱によって硬化する方法や型の上にプリプレグシートを積層したものを加熱硬化する方法等が公知の樹脂硬化方法として知られており、本実施例を適用することができる。また、上型の代わりに、バグフィルムを用いるようにしてもよい。

本発明による実施例２に係る熱硬化型樹脂の成形装置について、図面を参照して説明する。
図２は、実施例２に係る熱硬化型樹脂の成形装置を示す概念図である。なお、図１に示した実施例１と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図２に示すように、本実施例に係る熱硬化型樹脂の成形装置１０Ｂは、上型１４−１に対しても第１〜第３の金型温度制御部１５−１〜１５−３を設置したものである。

そして、実施例１に加えて３つの上型温度計Ｔ２−１〜Ｔ２−３による温度情報をもとにして、第１〜第３の金型温度制御部１５−１〜１５−３により適切な管理をすることで、成形物１３の形状に応じたきめ細かな制御を行うことができる。

本発明による実施例３に係る熱硬化型樹脂の成形装置について、図面を参照して説明する。
図３は、実施例３に係る熱硬化型樹脂の成形装置を示す概念図である。なお、図１に示した実施例１と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図３に示すように、本実施例に係る熱硬化型樹脂の成形装置１０Ｃは、実施例１の炉１２に代えて圧力制御部３２を有するオートクレーブ３１としたものである。
これにより、オートクレーブ加圧条件においても、成形物１３の形状に応じたきめ細かな制御を行うことができる。

本発明による実施例４に係る熱硬化型樹脂の成形装置について、図面を参照して説明する。
図４は、実施例４に係る熱硬化型樹脂の成形装置を示す概念図である。なお、図１に示した実施例１と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図４に示すように、本実施例に係る熱硬化型樹脂の成形装置１０Ｄは、ダミー成形物１３Ａと製品成形物１３Ｂとを同一の炉１２内においてそれぞれの金型（ダミー用金型１４Ａ、製品用金型１４Ｂ）を用いて製造するものである。

すなわち、図４に示すように、炉１２内温度を制御する炉内温度制御部１１を備える炉１２と、前記炉１２内に設けられ、熱硬化型樹脂をダミー成形物１３Ａに成形するダミー用金型１４Ａと、前記ダミー用金型１４Ａの形状に応じて温度制御する少なくとも２以上（本実施例では３つ）のダミー用の第１〜第３の金型温度制御部１５Ａ−１〜１５Ａ−３と、前記炉１２内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物１３Ｂに成形する製品用金型１４Ｂと、前記製品用金型１４Ｂの形状に応じて温度制御する少なくとも２以上（本実施例では３つ）の製品用の第１〜第３の金型温度制御部１５Ｂ−１〜１５Ｂ−３と、前記炉１２内、ダミー用金型１４Ａ及び製品用金型１４Ｂ、ダミー成形物１３Ａの各温度を計測する炉内温度計Ｔ１、上型温度計Ｔ２、下型温度計Ｔ３、ダミー成形物温度計Ｔ５と、前記各温度計Ｔ１〜Ｔ３，Ｔ５の情報により各金型温度制御部１５Ａ−１〜１５Ａ−３、１５Ｂ−１〜１５Ｂ−３を制御する制御部１６とを具備するものである。

前記ダミー用金型１４Ａは製品形状と同一又は縮尺のもの又は製品形状を模擬したダミー成形物１３Ａを成形するものとすることができる。また製品の複数種類の厚みに対応した型としてもよい。通常は、製品の複数種類の厚みに対応した小型のものがよい。

本実施例では、ダミー成形物１３Ａ（製品成形物１３Ｂとは別に例えば数種類の板厚の積層物）を別途炉１２内に設置し、そのダミー成形物１３Ａ内部温度や硬化度、並びにダミー用金型１４Ａの温度をリアルタイムに計測し、その計測結果に応じて温度制御部１５Ａ−１〜１５Ａ−３、１５Ｂ−１〜１５Ｂ−３を制御することで、製品成形物１３Ａの温度を計測せずに、温度制御を行うことができる。

すなわち、製品成形物１３Ｂの形状や厚さに応じたダミー成形物の硬化状況を把握することで、製品成形物１３Ｂの状況を予測することができ、製品成形物の形状に対応したダミー成形物の部位の温度制御と同様な制御をすることで、良好な製品成形物の製造を行うことができる。

また、リアルタイムの型温度制御により製品成形物１３Ｂの温度制御が迅速になり、過昇温現象を抑止することができる。
また、一体成形物内で板厚が大きく異なっても、各板厚部位毎に温度制御するため生産効率の低下を抑止することができる。

さらに、ダミー成形物１３Ａを用いることで、製品成形物１３Ｂに温度計の温度センサー跡などの傷をつけることがなく、製品品質の向上を図れる。

本発明による実施例５に係る熱硬化型樹脂の成形装置について、図面を参照して説明する。
図５は、実施例５に係る熱硬化型樹脂の成形装置を示す概念図である。なお、図１に示した実施例１乃至４と同様の部材については、同一符号を付してその説明は省略する。
図５に示すように、本実施例に係る熱硬化型樹脂の成形装置１０Ｅは、ダミー部Ａと製品部Ｂとからなり、ダミー成形物１３Ａと製品成形物１３Ｂとを異なる炉１２Ａと１２Ｂ内においてそれぞれの金型（ダミー用金型１４Ａ、製品用金型１４Ｂ）を用いて製造するものである。

すなわち、図５に示すように、熱硬化型樹脂の成形装置１０Ｅは、炉内温度を制御する炉内温度制御部１１Ａを備えるダミー用炉１２Ａと、前記炉１２Ａ内に設けられ、熱硬化型樹脂をダミー成形物１３Ａに成形するダミー用金型１４Ａと、前記ダミー用金型１４Ａの形状に応じて温度制御する少なくとも２以上（本実施例では３つ）のダミー用の第１〜第３の金型温度制御部１５Ａ−１〜１５Ａ−３と、前記炉１２Ａ、ダミー用金型１４Ａ及びダミー成形物１３Ａの各温度を計測する炉内温度計Ｔ１Ａ、上型温度計Ｔ２Ａ、下型温度計Ｔ３Ａ、ダミー成形物温度計Ｔ５とからなるダミー部Ａと、炉内温度を制御する炉内温度制御部１１Ｂを備える製品用炉１２Ｂと、前記炉１２Ｂ内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物１３Ｂに成形する製品用金型１４Ｂと、前記製品用金型１４Ｂの形状に応じて温度制御する少なくとも２以上（本実施例では３つ）の製品用の第１〜第３の金型温度制御部１５Ｂ−１〜１５Ｂ−３と、前記炉１２Ｂ、製品用金型１４Ｂ及び製品成形物１３Ｂの各温度を計測する炉内温度計Ｔ１Ｂ、上型温度計Ｔ２Ｂ、下型温度計Ｔ３Ｂとからなる製品部Ｂと、前記各温度計Ｔ１Ａ〜Ｔ３Ａ，Ｔ５、Ｔ１Ｂ〜Ｔ３Ｂ，Ｔ５の情報により各金型温度制御部１５Ａ−１〜１５Ａ−３、１５Ｂ−１〜１５Ｂ−３を制御する制御部１６とを具備するものである。

前記ダミー用金型１４Ａは製品形状と同一又は縮尺のもの又は製品形状を模擬したダミー成形物１３Ａを成形するものとすることができる。また製品の複数種類の厚みに対応した型としてもよい。通常は、製品の複数種類の厚みに対応した小型のものがよい。

本実施例では、ダミー成形の成形過程を製品成形より時間差を設けて早く開始し、ダミー成形物１３Ａ（製品成形物１３Ｂとは別に例えば数種類の板厚を有する小型の積層物）を小型のダミー用炉１２Ａ内に設置し、そのダミー成形物１３Ａ内部温度や硬化度、並びにダミー用金型１４Ａの温度をリアルタイムに計測し、その計測結果を製品成形過程のフィードフォワード制御に用いて、製品成形物１３Ａに対して過昇温を未然防止しつつ、製品用の炉内温度制御部１１Ｂと金型温度制御部１５Ｂの温度制御を行うことができる。

すなわち、製品成形物１３Ｂの形状や厚さに応じたダミー成形物１３Ａの温度状況や硬化状況を事前に把握することで、製品成形物１３Ｂの未来の状況を予測することができ、製品成形物の形状に対応したダミー成形物の部位の温度計測結果に基づき、製品部Ｂの温度をフィードフォワード制御することで、良好な製品成形物の製造を行うことができる。

以上のように、本発明に係る熱硬化型樹脂の成形装置は、成形物の形状に応じた温度制御を行うようにするので、生産効率を低下させずに反応熱による温度の異常上昇と硬化収縮と熱収縮による残留応力が場所によって異なることで生じる強度低下や反り等を抑制することができ、大型の樹脂構造物の製造に好適に用いることができる。

実施例１に係る熱硬化型樹脂の成形装置の概略図である。 実施例２に係る熱硬化型樹脂の成形装置の概略図である。 実施例３に係る熱硬化型樹脂の成形装置の概略図である。 実施例４に係る熱硬化型樹脂の成形装置の概略図である。 実施例５に係る熱硬化型樹脂の成形装置の概略図である。 熱硬化型樹脂からなる風車翼の概略図である。 樹脂成形における昇温、温度保持、冷却における時間と温度との関係図である。 従来技術に係る熱硬化型樹脂の成形装置の概略図である。

符号の説明

１１ 炉内温度制御部
１１Ａ ダミー用炉内温度制御部
１１Ｂ 製品用炉内温度制御部
１２ 炉
１２Ａ ダミー用炉
１２Ｂ 製品用炉
１３ 成形物
１３Ａ ダミー成形物
１３Ｂ 製品成形物
１４ 金型
１４Ａ ダミー用金型
１４Ｂ 製品用金型
１５ 温度制御部
１５Ａ ダミー用温度制御部
１５Ｂ 製品用温度制御部
１６ 制御部（ＣＰＵ）
３１ オートクレーブ

Claims (9)

1. 炉内温度を制御する炉内温度制御部を備える炉と、
   前記炉内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物に成形する金型と、
   前記金型の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上の金型温度制御部と、
   前記炉内、金型、成形物の各温度を計測する温度計と、
   前記各温度計の情報により各温度制御部を制御する制御部とを具備することを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
2. 請求項１において、
   前記金型の温度を計測する金型温度計及び前記成形物の温度を計測する成形物温度計の総数が、前記金型温度制御部の数と対応していることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
3. 炉内温度を制御する炉内温度制御部を備える炉と、
   前記炉内に設けられ、熱硬化型樹脂をダミー成形物に成形するダミー用金型と、
   前記ダミー用金型の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上のダミー用金型温度制御部と、
   前記炉内に設けられ、熱硬化型樹脂を成形物に成形する製品用金型と、
   前記製品用金型の形状に応じて温度制御する少なくとも２以上の製品用金型温度制御部と、
   前記炉内、ダミー用金型及び製品用金型、ダミー成形物の各温度を計測する温度計と、
   前記各温度計の情報により各温度制御部を制御する制御部とを具備することを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
4. 請求項３において、
   前記ダミー金型及び製品金型の温度を計測する温度計及び前記ダミー成形物の温度を計測するダミー成形物温度計の総数が、前記金型温度制御部の数と対応していることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つにおいて、
   前記金型温度制御部が金型の裏面側に設けてなることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つにおいて、
   前記金型が上型と下型とからなり、金型温度制御部が上型又は下型のいずれか一方もしくは両方に設けてなることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
7. 請求項１乃至６のいずれか一つにおいて、
   前記炉がオートクレーブであることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
8. 請求項１乃至７のいずれか一つにおいて、
   前記成形物が大型船舶構造物部材、大型航空・宇宙構造物部材、大型厚肉成形物のいずれかであることを特徴とする熱硬化型樹脂の成形装置。
9. 請求項１乃至８のいずれか一つの熱硬化型樹脂の成形装置を用い、金型の形状又は厚みに応じて金型温度制御部の温度を制御しつつ成形物を成形することを特徴とする熱硬化型樹脂の成形方法。

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