JP2014076548A - 炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 生産性に優れ、炭素繊維複合成形品の製造コストの低減を図ることの可能な炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス方法を提供する。
【解決手段】加圧板２０の間で前記熱可塑性樹脂層Ｒと炭素繊維層Ｃからなる積層成形体Ｗ１を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品Ｗ２を成形する炭素繊維複合成形品Ｗ２のプレス成形装置１１であって、少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板２０と、前記加圧板２０が格納されるチャンバ２３と、前記チャンバ２３を真空状態とする真空ポンプ２４とが設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板２０間で前記熱可塑性樹脂層Ｒと炭素繊維層Ｃを加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品Ｗ２を成形する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加圧板の間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス成形方法に関するものである。

従来、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを更に加熱および加圧して硬化成形体にするプリフォーム工程と、その後の炭化処理工程等により、炭素繊維複合成形品を得る方法としては、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１において炭素繊維複合成形品に使用される樹脂（マトリックス樹脂）は、フェノール等の熱硬化性樹脂であるが、プリフォーム工程よりも後工程において高圧で長時間加圧する工程が必要となり、設備コストとランニングコストが高額になるという問題があった。また特許文献２にも炭素繊維が載置され真空吸引されたキャビティ内に熱硬化性樹脂を注入して炭素繊維複合成形品を成形する成形方法が記載されている。特許文献２には炭素繊維の注入してからの時間は記載されていないが、一定以上の時間、高温での硬化処理が必要となるものであった。また特許文献１、特許文献２ともに熱硬化性樹脂を用いるので、前記成形の後に加熱・加圧して２次的な賦形を行うことは難しいものであった。

一方特許文献３のように、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用して炭素繊維複合成形品を成形することも行われている。特許文献３の成形方法は、強化繊維と炭素繊維を含浸させつつ所定の形状に賦形するものである。特許文献３には成形時間に関する記載は無いが、１個の成形品を成形するためには、２枚の加圧板の間で長時間をかけて炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸、および成形が行われるものであると想定され、成形効率の点で問題があるものであった。また特許文献３は、前記成形を常圧下で行うため、気泡が完全に抜けていない炭素繊維複合成形品となる恐れが十分にあった。なお特許文献３の（０００２）には、炭素繊維複合成形品の各種成形法が記載されている。

特許文献４についても熱可塑性を用いた炭素繊維複合成形品の成形が記載され、成形を真空状態で行うことが記載されている。しかし特許文献４は、２枚の加圧板の間を真空状態にしてから成形を行うので生産性に劣るものであった。また特許文献４は、プレス成形装置において炭素繊維層に熱可塑性樹脂を含浸させながら炭素繊維複合成形品（最終成形品）までを成形するので、特許文献３と同様に成形効率の問題を有するものであった。更にまた特許文献４では、プレス型の平坦な部分と傾斜した部分で、炭素繊維複合成形品が受ける圧力分布が異なるので、炭素繊維複合成形品の平坦な部分と傾斜した部分で樹脂および炭素繊維の密度や分布にムラが発生しやすいという問題があった。

更に、特許文献５、特許文献６については、１次成形と２次成形の２工程により炭素繊維複合成形品を成形することが記載されている。しかし特許文献５の１次成形については、最終成形品の形状に応じた形状となっており、１次成形型の製造コストが高いものであった。そして生産効率を上げようとすると１次成形型と２次成形型の両方を多数・準備する必要があり、コストが高くなるものであった。また特許文献５の１次成形型（１次成形品）は２次成形型（２次成形品）のための専用品であり、１次成形品としては汎用性のないものであった。特許文献６については、マトリックス樹脂は熱硬化性であり、２次成形後にオートクレーブ内で完全硬化する必要があるものであった。従って特許文献６は特許文献１と同様に設備コストとランニングコストの点で問題があるものであった。

特開昭５９−６９４０８号公報（特許請求の範囲、第１図） 特開平９−１１７９６４号公報（請求項１、０００２、００１７、図１） 特開２０１１−２１８７９８号公報（請求項１、図２） 特開２００９−１１３３６９号公報（請求項１、００７７ないし００８３、図１１） 特開２００４−３２２４４２号公報（請求項１、図２） 特開２００５−１８６５５８号公報（請求項１、００２９、図２）

上記のように、特許文献１、特許文献２では、マトリックス樹脂に主に熱硬化性材料を使用するため、加熱炉や加圧装置の金型の温度の上限が高く設定する必要があり、成形装置のコストとランニングコストの両方のコストが高額になりすぎるという問題があった。成形品１個あたりの成形時間が長く必要であるという問題があった。更にはまた熱硬化性樹脂を使用した成形品に２次加工を行いにくいという問題があった。一方、特許文献３、特許文献４は、マトリックス樹脂に主に熱可塑性樹脂を使用するため、加圧装置の金型の温度が熱硬化性樹脂と比較して低温でよく、ランニングコストが抑えられるという点では優れている。しかし特許文献３、特許文献４は、炭素繊維を含浸させながら最終成形品を１個づつ成形するので、依然として炭素繊維複合成形品１個あたりの成形時間が長くなるという点では問題があった。

更には平坦な成形品以外の成形品を成形する場合には、場合によってプレス型の平坦な部分と傾斜した部分で、炭素繊維複合成形品が受ける圧力分布が異なるので均一な材料分布になりにくいという問題があった。更にまた特許文献５、特許文献６は、炭素繊維複合成形品を１次成形と２次成形に分けて成形するものである。しかし特許文献５は、１次成形型が専用型であり、型の形状が複雑であるので高価になりがちな上に１次成形された成形品に汎用性がないものだった。また特許文献６については、マトリックス樹脂に熱硬化性樹脂を使用するものであり、上記した特許文献１、特許文献２と同様に２次成形の後にも熱処理等を行う必要があり、成形装置のコストとランニングコストの両方のコストが高額になりすぎるという問題があった。従ってこれら特許文献１ないし特許文献６では、炭素繊維複合成形品１個あたりの製造コストが高くなってしまうという問題があった。

そこで本発明の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス方法では、生産性に優れ、炭素繊維複合成形品の製造コストの低減を図ることの可能な炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス方法を提供することを目的とする。またはボイド等がほとんど無く良好な含浸が可能な炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス方法を提供することを目的とする。更には発明全体に該当するわけではないが、平坦でない成形品であっても材料分布を良好にした炭素繊維複合成形品のプレス成形装置、炭素繊維複合成形品のプレス成形システム、および炭素繊維複合成形品のプレス方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置は、加圧板の間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形装置であって、少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、前記加圧板が格納されるチャンバと、前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形することを目的とする。

本発明の請求項２に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置は、請求項１において、前記加圧板は表面が平坦であって内部に熱媒通路またはヒータが設けられた熱板であり、平坦な炭素繊維複合成形品を成形することを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形システムは、加圧板の間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形システムであって、少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、前記加圧板が格納されるチャンバと、前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス装置と、前記炭素繊維複合成形品のプレス装置の複数の加圧板間に前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を供給する供給装置と、前記プレス装置の少なくとも３枚以上の加圧板間から複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を取出す搬出装置と、が設けられたことを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形システムは、請求項３において、搬出装置で取出された炭素繊維複合成形品は、２次成形プレス成形装置へ送られるか、または２次成形プレス成形装置へ送られる前にストック装置に送られることを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法は、加圧板の間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形方法であって、少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、前記加圧板が格納されるチャンバと、前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形することを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の炭素繊維複合成形品のプレス方法は、請求項５において、成形された炭素繊維複合成形品は表面が平坦な一次成形品であって、２次成形プレス装置で更に賦形されることを特徴とする。

本発明の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置は、加圧板の間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形装置であって、少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、前記加圧板が格納されるチャンバと、前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形するので、熱可塑性の炭素繊維複合成形品を一度に大量生産することができ、成形コストを低減することができる。また本発明の炭素繊維複合成形品のプレス成形システムおよび炭素繊維複合成形品のプレス方法についても、本発明の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置と同じく、熱可塑性の炭素繊維複合成形品を一度に大量生産することができ、成形コストを低減することができる。

本実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形システム関する説明図である。 本実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置に関する説明図である。 本実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法に用いられる樹脂シートと炭素繊維マットからなる積層成形体に関する説明図である。 第２の実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置に関する説明図である。 第３の実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法に関する説明図である。 第３の実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法に用いられる枠体に関する説明図である。

図１、図２により本実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形システム１０（以下単にプレス成形システム１０と略す）と炭素繊維複合成形品のプレス成形装置１１（以下単にプレス成形装置１１と略す）について説明する。本実施形態のプレス成形システム１０は、炭素繊維複合成形品Ｃの成形を１次成形と２次成形に分けて行うものである。

まずプレス成形システム１０の仕込装置１２について説明する。仕込装置１２は、ステンレス、銅などの金属薄板または金属箔といったプレス用薄板Ｐの間に、それぞれ複数枚の熱可塑性樹脂層である熱可塑性樹脂シートＲ（板状のものを含む）と炭素繊維層である炭素繊維シートＣからなる積層成形体Ｗ１と挟み、更に搬送用の載置プレートＰ２の上に載置し、積層成形体セットＷ１ａとしてプレス成形装置１１へ搬送および成形可能な状態にするものである。なお本発明においてプレス用薄板Ｐの厚みは一例として０．０２ｍｍ〜５．０ｍｍ程度の範囲で選択される。またプレス用薄板Ｐは、金属ではなく、樹脂フィルム、紙、布等であってもよく、一例としてテフロン（登録商標）のプレートなどでもよい。またプレス用薄板Ｐは、必須のものではなく、何も使用しない場合も想定される。また載置プレートＰ２は厚さ０．５〜５．０ｍｍ程度のステンレス等の金属板が使用されるが、こちらも使用しない場合も想定される。

仕込装置１２においてセットされた熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体Ｗ１とプレス用薄板Ｐと載置プレートＰ２とからなる積層成形体セットＷ１ａは、コンベア１３により多段形成装置１４に送られる。多段形成装置１４は、多数の棚１４ａが上下方向に昇降移動可能となっており、積層成形体セットＷ１ａが棚１４ａに搬入・載置されると、図示しない駆動機構により、載置された棚１４ａが順次上昇されて、次工程の搬入装置１５のアーム１５ａと略同じ高さにそれぞれの棚１４ａが位置決めされてセットされる。

搬入装置１５は、多段形成装置１４の棚１４ａの上下方向の位置および後述するプレス成形装置１１の加圧板２０の上下方向の位置に対応して、上下に複数のアーム１５ａが設けられている。各アーム１５ａは水平に設けられ上面は積層成形体セットＷ１ａを載置する載置部となっている。各アーム１５ａは、図示しない駆動機構により昇降および前後進移動可能となっている。また搬入装置１５自体も図示しない駆動機構により自走可能となっている。そして搬入装置１５は、多段形成装置１４の棚１４ａに載置されている前記積層成形体セットＷ１ａをアーム１５ａの載置部に載置して、プレス成形装置１１に向けて移動し、プレス成形装置１１の各加圧板２０の上面に前記積層成形体Ｗを載置可能となっている。なお搬入装置１５は図示のものに限定されず、多段形成装置１４からプレス成形装置１１の各加圧板２０上へ直接、積層成形体セットＷ１ａを押し出して搬入するものや、多段形成装置１４を設けず１つづつ積層成形体セットＷ１ａを加圧板２０上へ搬入するものなど他の装置でもよい。

図２に概略が示されるようにプレス成形装置１１は、上盤１６と下盤１７の間にタイバ１８にガイドされて昇降可能な可動盤１９が設けられ、その間に複数の加圧板２０が上下方向に多段に配設されている。なお待機時（型開時）において加圧板２０は、図示しない段板の上にそれぞれが所定間隔を保って載置されている。そして可動盤１９の下方には油圧ポンプ２５ａとその油圧回路２５により駆動制御される圧縮用シリンダ２１のラム２１ａが固定されている。そして可動盤１９と前記可動盤１９に固定された加圧板２０は、圧縮用シリンダ２１の駆動により押し上げられ、下方の加圧板２０から順次、上方の加圧板２０に当接して上盤１６に固定される加圧板２０に向けて押し上げられる。なおプレス成形装置１１の駆動源は電動機を用いたもの等でもよく加圧機構もリンク式など他の機構であってもよい。

そして各加圧板２０の間で、前記積層成形体セットＷ１ａの熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維シートＣからなる積層成形体Ｗ１の加熱・加圧が行われる。また前記上盤１６と下盤１７の間の可動盤１９、加圧板２０等が配設される成形空間は、真空室２３ａにより外界とは密閉可能なチャンバ２３内に格納され、チャンバ２３は管路を介して真空ポンプ２４に連通されている。そしてプレス成形装置１１には成形開始から成形完了までの加圧板２０の温度、加圧力、真空度などを制御する制御装置３８が配置されている。

加圧板２０は、上下の表面が平坦面からなる均等な板厚の金属板（一般的には鉄板）である。そして内部には熱媒油が流通可能な通路２０ａがそれぞれ形成されている。加圧板２０の前記通路２０ａは、供給側、排出側ともに、管路２２を介して、熱媒油の加熱と冷却を制御する熱媒供給装置２６に接続されている。そして熱媒供給装置２６には電気ヒータからなり熱媒油を加熱するための加熱手段２７と、冷却水により熱媒油を冷却する冷却手段２８が設けられ、図示しないバルブにより切替られるようになっている。また熱媒供給装置２６には熱媒を加圧板２０に循環させるポンプ２９が設けられている。なお加圧板２０の加熱は、加圧板２０内に設けられた電気ヒータや、加圧板２０内の通路２０ａに蒸気を供給して行うようにしてもよく、加圧板２０の冷却についても通路２０ａに水を供給して行うようにしてもよい。

図１、図２においてプレス成形装置１１は、加圧板２０（熱板）が７枚（成形スペースとしては６段）で構成されているが、加圧板２０の枚数は少なくとも３枚以上であれば限定されない。一般的には５枚から２０枚程度の加圧板２０のプレス成形装置１１が多いが、プレス成形装置１１を大型化した場合の加圧板２０の枚数は、３０枚程度までのものが想定される。またプレス成形装置１１を２基以上併設して処理能力を高めたり、積層成形体Ｗ１の種類に応じてプレス成形装置１１を使い分けるようにしてもよい。またプレス成形装置１１は、加圧板２０が加熱専用のホットプレス装置と、加圧板が冷却専用のコールドプレスをそれぞれ別個に設けたものでもよい。前記の場合、積層成形体Ｗ１の炭素繊維層への熱可塑性樹脂の含浸はホットプレス装置で行い、冷却、反りの除去、賦形をコールドプレスで行う。

また多段のプレス成形装置１１の後工程には、プレス成形装置１１で成形の完了した炭素繊維複合成形品Ｗ２とプレス用薄板Ｐと載置プレートＰ２とをプレス成形装置１１から後工程へ搬出する搬出装置３０が設けられている。搬出装置３０も搬入装置１５と同様にプレス成形装置１１の加圧板２０の上下方向の位置に対応して多段の載置用のアーム３０ａが設けられている。各アーム１５ａは水平に設けられ上面は炭素繊維複合成形品Ｗ２等を載せた載置プレートＰ２を載置する載置部となっている。そして各アーム１５ａは、図示しない駆動機構により昇降および前後進移動可能となっている。また搬入装置１５自体も図示しない駆動機構により自走可能となっている。そして搬出装置３０は、プレス成形装置１１の各加圧板２０上から取出した炭素繊維複合成形品Ｗ２（プレス用薄板Ｐと載置プレートＰ２を含む）をアーム３０ａの載置部に載置して、後工程の段解除装置３１へ移動させる。なお搬出装置３０は、多段のプレス成形装置１１から１段づつ後工程へ搬出するものなど他のタイプの装置でもよい。また搬入装置１５と搬出装置３０は、一部または全部を共通の装置としてもよい。

段解除装置３１は、多段形成装置１４と同様の構造であって、多数の棚３１ａが上下方向に移動可能となっている。そして段解除装置３１の後工程にはコンベア３２が設けられている。段解除装置３１の各棚３１ａに炭素繊維複合成形品Ｗ２等を載せた載置プレートＰ２が載置されると、各棚３１ａは下降され、最下方の棚３１ａから順に、コンベア３２により、炭素繊維複合成形品Ｗ２とプレス用薄板Ｐと載置プレートＰ２を次の分解装置３３へ移動させる。

分解装置３３では、送られてきた炭素繊維複合成形品Ｗ２から、まず載置プレートＰ２が分離され、次に上下のプレス用薄板Ｐが剥がされる。そして炭素繊維複合成形品Ｗ２については、別のコンベア３４によりストック装置３５へ貯蔵されるか、そのまま次の２次成形用プレス成形装置４０へ再び送られる。また載置プレートＰ２については、汚れやキズ等がなければそのまま仕込装置１２へ送られる。またプレス用薄板Ｐについては、材質に応じて、再利用されるものと使い捨てられるものの両方の種類がある。また場合によってはこの分解工程３３でプレス用薄板Ｐを剥がさないで、２次成形工程へ送る場合もあり得る。

ストック装置３５は、１次成形された炭素繊維複合成形品Ｗ２を２次成形までの間、貯留する設備である。ストック装置３５は、多数の棚を有し、表面が平坦な平板か平板状の炭素繊維複合成形品Ｗ２が重ねられて保管される。炭素繊維複合成形品Ｗ２は表面が平坦な平板か平板状であるので、容積を取らずに多数枚数をストック装置３５に保管することができる。なおストック装置３５に保管の際には、炭素繊維複合成形品Ｗ２の間に紙、樹脂フィルム等を介在させるようにしてもよい。そしてストック装置３５は、温度等をコントロール可能として、アニーリングなどができるようにしてもよい。

またストック装置３５は、１次成形側の多段のプレス成形装置１１と２次成形側の２次成形用プレス成形装置４０の間でのバッファ機能のみを有するものでもよい。その場合、ストック装置３５は、分解装置３３と２次成形用プレス成形装置４０の間に配置され、成形サイクルは長いが同時に多数枚数が成形される１次成形側の多段のプレス成形装置１１と、成形サイクルは短いが同時に１枚または２枚（或いは４枚など成形枚数は限定されない）といった少数枚数しか成形されない２次成形側の２次成形用プレス成形装置４０の間で、炭素繊維複合成形品Ｗ２を順番に２次成形用プレス成形装置４０へ供給する役割をする。

ストック装置３５と２次成形用プレス成形装置４０の間には、炭素繊維複合成形品Ｗ２を予熱する予熱装置３６が設けられている。ストック装置３５から予熱装置３６へは、コンベア３７により炭素繊維複合成形品Ｗ２が送られる。予熱装置３６は、赤外線ヒータや電気ヒータ、誘導加熱装置等が設けられ、炭素繊維複合成形品Ｗ２を熱変形温度近くまで昇温する。予熱装置３６と２次成形用プレス成形装置４０の間には、２次成形用プレス成形装置４０の下型４１に予熱された炭素繊維複合成形品Ｗ２を供給する供給装置３９が設けられている。なおストック装置３５が、１次成形側の多段のプレス成形装置１１と２次成形側の２次成形用プレス成形装置４０の間でバッファ機能のみしか有さないものである場合、ストック装置３５と予熱装置３６は兼用されるものでもよく、１次成形した後温度低下する前に２次成形用プレス成形装置４０に送られる場合には予熱しないものでもよい。

２次成形用プレス成形装置４０は、炭素繊維複合成形品Ｗ２を最終形状の炭素繊維複合成形品Ｗ３に成形するための成形装置である。２次成形用プレス成形装置４０は、固定的に設けられた下固定盤４２にタイバ４３が上方に向けて固定され、タイバ４３の上側には上盤４４が固定されている。上盤４４には圧縮用シリンダ４５が設けられている。また下固定盤４２と上盤４４の間には上可動盤４６が昇降自在に設けられている。下固定盤４２には下型４１が取付けられ、上可動盤４６には下型４１に嵌合される上型４７が取付けられている。２次成形用プレス成形装置４０の下型４１および上型４７は、最終成形品の形状に応じて凹凸や輪郭等が形成されている。２次成形用プレス成形装置４０の下型４１および上型４７は、１次成形用の多段のプレス成形装置１１と同じく、それぞれ加熱と冷却が可能となっている。

本実施形態において２次成形用プレス成形装置４０は１段（下型４１が１個と上型４７が１個）だが、金型またはキャビティの数は、２個以上の複数個であってもよい。図１において２次成形用プレス成形装置４０は、真空化できるチャンバを備えていないが、真空化したチャンバ内で２次成形を行うものでもよい。また２次成形用プレス装置４０は、駆動源や可動盤や固定盤の配置等も限定されない。更に２次成形用プレス成形装置４０は、生産規模に応じて複数台が設置されるものでもよい。更にまた成形品の形状によっては、２次成形用プレス成形装置４０の後工程に、更に３次成形などを行うプレス成形装置を設けたものでもよい。プレス成形システム１０の２次成形用プレス成形装置４０は、同じ工場内に設けられておらず、別の工場に設けられたものでもよい。

なお上記のプレス成形システム１０において、仕込装置１２、仕込装置１２から１次成形を行う多段のプレス成形装置１１への積層成形体セットＷ１ａの搬入、前記多段のプレス成形装置１１から後工程の分解装置３３への炭素繊維複合成形品Ｗ２等と載置プレートＰ２の搬出、分解装置３３などは、全自動で行われる装置の他、作業員の入力により半自動で行われる装置、または作業員が一部または全部の作業を手作業により行うものでもよい。

次に本実施形態のプレス成形方法について説明する。一例として本実施形態で使用される炭素繊維層は、厚みが１〜５ｍｍ、一辺の長さが４０ｃｍ四方の正方形の炭素繊維マットＣである。炭素繊維マットＣは、方向性を持って織られたものでもよく、不織状態のものでもよい。または塊状のものを複数配置して層状にしたものでもよい。また炭素繊維マットＣは炭素繊維に加えて、別の繊維層（一例としてガラス繊維、金属繊維、アラミド繊維など）を加えたものでもよい。

また本実施形態で使用されるマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂は、ポリアミド６樹脂からなり、厚みが０．５〜５ｍｍ、一辺の長さが４０ｃｍ四方の正方形の熱可塑性樹脂シートＲである。ポリアミド６樹脂は溶融時の流動性に優れており、炭素繊維マットへの含浸に優れている。しかしながら本発明に用いられるマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂であって、他のポリアミド、ポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ フェニレンサルファイド、熱可塑ポリウレタン等の他の熱可塑性樹脂であってもよい。また前記熱可塑性樹脂同士、前記熱可塑性樹脂と他の熱可塑性樹脂が混合されたものでもよい。更には熱可塑性樹脂に熱硬化性樹脂を混入されたものであっても、再度の賦形が可能なものは本発明では熱可塑性樹脂層に含まれるものとする。また熱可塑性樹脂層はシートＲが取扱い上好ましいが、もっと薄い樹脂フィルムや、シートよりももっと硬さがあって厚みもある樹脂板からなる熱可塑性樹脂層であってもよい。また更には熱可塑性樹脂は、粉状や粒状のものを全体に行渡るように熱可塑性樹脂層として使用してもよい。

また積層成形体Ｗは、炭素繊維マットＣと熱可塑性樹脂シートＲ以外に、別の繊維層や熱硬化樹脂層などを加えたものでもよい。それらであっても炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させるものは、本発明の炭素繊維層と熱可塑性樹脂層からなる積層成形体Ｗに該当するものとする。

これらの熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＣは、事前に図示しない乾燥炉で所定時間以上、乾燥したものが望ましい。熱可塑性樹脂シートＲまたは炭素繊維Ｃに水分が含まれていると、炭素繊維複合成形品Ｗ２を成形する際に、前記水分が水蒸気となりボイドが発生し、炭素繊維Ｃに対する熱可塑性樹脂の含浸を阻害する。熱可塑性樹脂が粉状や粒状などの場合も乾燥することが望ましい点は同じである。

一例として図３に示されるように、積層成形体セットＷ１ａの形成に使用されるプレス用薄板Ｐは、厚みが０．０５ｍｍの銅箔であって、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＣが前記プレス用薄板Ｐに挟まれる。そして搬送用の載置プレートＰ２に載置されて積層成形体セットＷ１ａを構成する。積層成形体Ｗ１における熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＣのそれぞれの枚数は、熱可塑性樹脂シートＲや炭素繊維マットＣの厚みや種類により相違し特に限定はされない。しかし一例として積層成形体Ｗ１全体（プレス用薄板Ｐおよび載置プレートＰ２は除く）に占める炭素繊維の重量パーセント比が、２５〜９８％、更に望ましくは３５〜６０％にとなるようにすることが望ましい。

そしてプレス成形システム１０の仕込装置１２で形成された積層成形体セットＷ１ａが、搬入装置１５により多段のプレス成形装置１１へ搬入され各加圧板２０の上にそれぞれ１セットづつ載置される。本実施形態では、加圧板２０の上には積層成形体セットＷ１ａを１セットづつ載置するのは上下からの熱伝達を均等にするためであって、基本は加圧板２０と加圧板２０の間で１枚の炭素繊維複合成形品Ｗ２が成形される。しかし非常に薄い炭素繊維複合成形品Ｗ２の場合では、加圧板２０と加圧板２０に間で複数枚の炭素繊維複合成形品Ｗ２を加圧するものをまったく除外するものではない。

加圧板２０の上にた積層成形体セットＷ１ａが載置され、搬入装置１５が後退すると、プレス成形装置１１のチャンバ２３は密閉され、チャンバ２３内は真空ポンプ２４により吸引され、一例として１０ｈＰａ〜１００ｈＰａに真空化される。プレス成形装置１１の成形雰囲気が真空化されることにより、炭素繊維とマトリックス樹脂内の空気や水分が奪われ、炭素繊維複合成形品の中のマトリックス樹脂の部分に空洞などが無くなり、熱可塑性樹脂と炭素繊維の密着性が非常に良好な含浸が行える。または真空により炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の含浸が促進されて成形時間が短時間でよくなる。

積層成形体セットＷ１ａをプレス成形装置１１の加圧板２０に載置する際の加圧板２０の温度は、限定されないが、一例として３０℃〜２００℃程度であって、マトリックス樹脂の熱変形温度よりも低いことが望ましい。それは主として積層成形体Ｗ１の上下から均等に熱が伝わるようにするためである。加圧板２０へ積層成形体セットＷ１ａが載置されるとチャンバ２３内の真空化のスタートと並行して、またはやや遅れて加圧板２０の温度も昇温させる。そしてチャンバ２３内の真空化のスタートと並行して、またはやや遅れて圧縮用シリンダ２１を作動させて加圧板２０を上昇させ、それぞれの積層成形体セットＷ１ａを上方の加圧板２０に当接させる。本実施形態では、全ての積層成形体セットＷ１ａの上面が上側の加圧板２０の下表面に当接した状態で、一旦保持する。そしてプレス用薄板Ｐ等を介して上下の加圧板２０から略均等に積層成形体Ｗ１を加熱する。この際、炭素繊維マットＣはまだ完全には押しつぶされておらず、成形空間が真空化されていることから炭素繊維マットＣや熱可塑性樹脂シートＲから良好に空気を抜きつつ加熱を行うことができる。なおこの際に最初から或いは途中から、一例として０．５ＭＰａ以下で加圧を行うものでもよい。

そして加圧板２０の温度がマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂シートＲの熱変形温度と融点の間の温度となると、圧縮用シリンダ２１を作動させ加圧力を上昇させる。本実施形態の面圧は、あまり強圧を加えると熱可塑性樹脂シートＲの樹脂が流動してしまうので、一例として１．３ＭＰａないし５．０ＭＰａが望ましい。そして加圧開始後も更に加圧板２０の温度は昇温され、熱可塑性樹脂シートＲの融点を超えて、融点＋１０℃〜融点７０℃までの範囲に維持される。またこの熱可塑性樹脂シートＲが溶融する過程で発生したガスや水分も成形空間が真空状態にあるために発生する都度、吸引される。

圧縮用シリンダ２１による積層成形体Ｗ１の加圧時間は一例として８分〜１２０分が望ましいが前記に限定されるものではない。なお本実施形態のプレス成形装置１１は、加圧板２０の冷却も可能となっており、加圧時間の後半は、加圧板２０の温度が、マトリックス樹脂の熱変形温度よりも低温になるように制御される。そして加圧時間が経過するとチャンバ２３内を大気圧に戻し、圧縮用シリンダ２１を作動させて加圧板２０をそれぞれ段板の上に下降させて積層成形体Ｗ１の加圧を終了する。なお多段のプレス成形装置１１では、厳密には型閉時には下側の加圧板２０同士の方が先に当接され、型開時には上側に加圧板２０同士のほうが後に当接が解除されるが、同じサイクルで成形される炭素繊維複合成形品は同時に成形されたものである。

そして前記の多段のプレス成形装置１１で成形された炭素繊維複合成形品Ｗ２とプレス用薄板Ｐと載置プレートＰ２は、搬出装置３０、段解除装置３１、コンベア３２を経て分解装置３３に送られる。そして分解装置３３にてプレス用薄板Ｐが剥離され、載置プレートＰ２が分離される。そして炭素繊維複合成形品Ｗ２は、ストック装置３５に送られるか、またはそのまま２次成形プレス装置４０へ送られる。そしてストック装置３５に炭素繊維複合成形品Ｗ２が送られた際は、予熱装置３６で炭素繊維複合成形品Ｗ２の予熱がなされてから２次成形用プレス成形装置４０に送られてくる。

２次成形用プレス成形装置４０においては、圧縮用シリンダ４５の駆動により、最終成形品の形状に応じた下型４１と上型４７の間で炭素繊維複合成形品Ｗ２が加圧され、最終成形品Ｗ３に賦形される。なお２次成形用プレス成形装置４０の下型４１および上型４７も、加熱と冷却が可能となっていて、加圧前半は下型と上型が炭素繊維複合成形品Ｗ２を構成する熱可塑性樹脂の熱変形温度以上であって融点以下に加熱され、加圧後半は下型と上型が熱変形温度以下に冷却される。しかし使用さっるマトリックス樹脂の種類や成形方法によっては融点プラス２０℃程度まで加熱してもよい。２次成形用プレス成形装置４０による炭素繊維複合成形品Ｗ２の加圧時間は、既に炭素繊維への樹脂の含浸は完了しているので、厚みや形状、樹脂の種類によっても異なるが、３０秒〜１０分程度である。

なお１次成形用の多段のプレス成形装置１１で含浸および成形された１次成形品である炭素繊維複合成形品Ｗ２を２次成形用プレス成形装置４０に送る前の工程のどこかで、図示しないウォータージェット式の切断機などで周辺をトリミングして、２次成形に適した形にしてもよい。またマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂の部分だけば外側に流出してバリのような状態になっている場合はそれらを切除して、形状を整えるようにしてもよい。または２次成形用プレス成形装置４０で成形された炭素繊維複合成形品Ｗ３についても更に、更にプレス、切削、穴あけ、接合、部品取り付け、塗装、コーティング等の後加工を行うものでもよい。

そして本発明は、このようにしてバインダの役割をするマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂の樹脂シートＲと炭素繊維のマットＣとを積層した積層成形体Ｗ１を多段のプレス成形装置１１により加圧成形することにより、平板状の炭素繊維複合成形品Ｗ２の１次成形品を同時に大量に成形することができる。そして炭素繊維へのマトリックス樹脂の含浸に時間がかかる場合であっても、同時に大量にプレス成形ができるので、１枚あたりの成形時間として演算すれば、効率のよい成形が可能となる。また特に本発明では、１次成形を真空状態で行う際にチャンバ内を真空化する一定時間必要となるるが、同時に大量の炭素繊維複合成形品Ｗ２の１次成形品を成形することができるので、１枚あたりの真空化に関する時間が短くて済む。また加圧板２０（熱板）は表面が平坦であるので、複雑な成形面を有する成形金型を複数準備することと比較するとプレス成形装置１１およびその成形金型のコストを低減することができる。更には３枚以上の多層に配設された加圧板２０間で複数の積層成形体Ｗ１の成形が、１個の圧縮用シリンダ２１による圧縮で同時に行えるので、エネルギー効率がよい。更にまた本発明では、加圧板２０の間で、それぞれ１枚づつ炭素繊維複合成形品Ｗ２の成形を行うことを基本とするので、１枚づつ成形した場合は、上下の加圧板２０から良好に加熱を行うことができる。例えば特許文献４の図１３には複数枚の炭素繊維複合成形品を同時に加圧板の間で成形する例が記載されているが、加圧板に近い成形品と加圧板に遠い成形品では品質にムラが生じやすい。

更には本発明では、炭素繊維マットＣに熱可塑性樹脂を含浸させ１次成形品Ｗ２を成形する工程は、平坦面同士の間で加圧が行われるので、均一な加圧ができ、炭素繊維と樹脂の分布を略均一にすることができる。その点、特許文献４や図６のように成形品に傾斜面があるものや垂直面があるものにおいて、炭素繊維層に熱可塑性樹脂を含浸させつつ最終成形品を成形しようとすると炭素繊維と樹脂の分布を略均一にならない場合がある。これはキャビティ内を上方から加圧された際に、炭素繊維層により溶融樹脂の流動が妨げられられたり部分的に活発になり、理論通りにパスカルの法則が適用されないからである。また本発明の平坦な１次成形品Ｗ２は、多様な２次成形品の成形に用いることができ、汎用性がある。更に平坦な１次成形品Ｗ２は、ストック装置３５への貯蔵や他工場への流通の際も場所を取らず、取扱いが容易である。

次に図４に示される第２の実施形態のプレス成形装置５１について説明する。図４に示されるプレス成形装置５１も、加圧板５２の間でマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＣを加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品Ｗ２を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形装置５１であって、少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板５２と、前記加圧板５２が格納されるチャンバと、前記チャンバを真空状態とする図示しない真空ポンプと、図示しない加圧板５２を圧縮する圧縮用シリンダ等が設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板５２間で前記熱可塑性樹脂層Ｒと炭素繊維層Ｃを加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品Ｗ２を成形する点では、図２のプレス成形装置１１と同じである。

両者の相違点については、図４に示されるプレス成形装置５１は、加圧板５２の加圧面が平坦ではなく、凹部５３が形成されている点である。各加圧板５１には成形される炭素繊維複合成形品Ｗの大きさと板厚に対応する凹部５３が形成されている。通常は加圧板５１の上面のみに前記の凹部５３が形成されるが、上側の加圧板５１の下面と下側の加圧板５１の上面の少なくとも一方に凹部５３が形成されていればよい。平面視した凹部５２の輪郭形状は、矩形の他、他の多角形や円形など限定されず、最終成形品Ｗ３の形状に対応させることができる。

ここで凹部５２の目的は、加圧板５１により加圧および加熱された積層用成形体Ｗのうちの溶融樹脂（マトリックス樹脂）が、外側へ流動せずに、一定の形状に収まるようにするためのものである。図４に示される別の実施形態の場合もプレス用薄板Ｐと載置プレートＰ２は使用することも想定されるが、載置プレートＰ２は凹部の形状に倣った形状とすることが考えられる。また図４には記載されないが、加圧板５２には、凹部の底面の部分の一部または全部が周囲の部分に対して上昇し、成形の終了した炭素繊維複合成形品Ｗ２を離型するエジェクタ装置を設けてもよい。

なお図４の実施形態についても、加圧板５１の形状を複雑化させずに、平坦または略平坦な１次成形品Ｗ２を成形することを主眼としている。しかし加圧板５１の凹部５２の表面形状を最終成形品Ｗ３の形状に似せて、一部または全体に凹凸がある１次成形品Ｗ２を成形するものでもよい。または加圧板５１の表面形状を最終成形品の形状として、そのまま最終成形品を成形するものでもよい。その場合であっても、含浸に時間のかかる炭素繊維を１台のプレス成形装置５１において、同時に大量の炭素繊維複合成形品Ｗ３を成形できるので効率はよい。

具体的な例としては、自動車の車体板、シャーシなど比較的大型のパーツの場合、そのパーツ専用の加圧板５１を取付けた多段のプレス成形装置５１により、真空下で、炭素繊維を含浸させた１次成形品Ｗ２を同時に複数枚（または複数個）成形する。その１次成形品Ｗ２については、外形は最終形状のパーツに応じた形状となっている。そして前記の１次成形品を２次成形用プレス成形装置４０に移動させて最終成形品Ｗ３に成形する。なお１次成形において立体形状に凹凸や曲面を設けるかどうかは、部品により相違する。２次成形が平板から成形可能であれば、１次成形品は表面が平坦な平板であるほうが望ましいが、２次成形が表面が平坦な平板から成形するには支障がある場合は、１次成形において立体形状に凹凸や曲面を設ける場合もあり得る。

また図４に示される例では、加圧板５２の下面は平坦になっているが、加圧面５２の下面を突状に形成し、凹部５３に嵌合されるようにしてもよい。このようなインロー構造の加圧板５２，５２を使用することにより、更に種々の形状の炭素繊維複合成形品Ｗ３を成形できる。

次に図５、図６に示される第３の実施形態のプレス成形方法について説明する。図５等に示されるプレス成形方法に使用されるプレス成形装置１１の構成は、図２に記載されたものと同じである。図５等に示される別の実施形態のプレス成形システム１０では、仕込装置１２において積層成形体セットＷ１ａを形成する際に、下側のプレス用薄板Ｐ上に中央部に穴６２の開いた枠体６１を載置し、前記枠体６１の穴６２内に炭素繊維マットＣとマトリックス樹脂の樹脂シートＲを積層して載置する。そして前記枠体６１、炭素繊維シートＣおよび樹脂シートＲからなる積層成形体Ｗ１の上面に別のプレス用薄板Ｐを載置され、搬送・加圧用の積層成形体セットＷ１ａが形成される。なお第３の実施形態においても載置プレートＰ２は必要に応じて使用される。

図６に示されるように枠体６１は、枠部６３がそれぞれ所定の幅と高さを有する金属、樹脂、ゴム等からなる部材である。枠体５１の高さは、積層された炭素繊維マットＣと樹脂シートＲの高さよりも低くて加圧シロがあるようになっている。そして枠体５１の高さは、プレス成形された際の炭素繊維複合成形品Ｗ２の高さと略同じに設定されている。また枠部６３の幅は所定の強度を有する幅となっている。枠体６１の内側の穴６２の平面形状は、矩形の他、他の多角形や円形など限定はされず、最終成形品Ｗ３の形状に略対応させることができる。枠体６１の目的は、図４の凹部５２と同様に、加圧板２０により加熱された溶融樹脂（マトリックス樹脂）が、外側へ流動せずに、一定の形状の収まるようにするためのものである。

そして多段のプレス成形装置１１で炭素繊維複合成形品Ｗ２の１次成形が終了すると、分解装置３３でプレス用薄板Ｐを剥離する際に、同時に枠体６１も外される。プレス用薄板Ｐと枠体６１の間にマトリックス樹脂のバリが形成され、それが２次成形にとって問題となる場合は、２次成形を開始する前にバリは除去される。

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。本発明の多段のプレス成形装置１１，５１または２次成形用のプレス成形装置４０で成形された炭素繊維複合成形品Ｗ３は、引張り強度等に優れた成形品であり、航空機、自動車、二輪車、鉄道等の輸送機器に使用されるほか、高層建築等の建築物、家電製品、産業機械、兵器、スポーツ用品等、軽量化と強度が求められるあらゆる製品に用いられる。

１０ プレス成形システム
１１，５１ プレス成形装置
１２ 仕込装置
２０、５２ 加圧板
２１，４５ 圧縮用シリンダ
２６ 熱媒供給装置
２７ 加熱手段
２８ 冷却手段
３３ 分解装置
３５ ストック装置
３６ 予熱装置
４０ ２次成形用プレス成形装置
４１ 下型
４７ 上型
Ｃ 炭素繊維マット（炭素繊維層）
Ｐ プレス用薄板
Ｐ２ 載置プレート
Ｒ 熱可塑性樹脂シート（熱可塑性樹脂層）
Ｗ１ 積層成形体
Ｗ１ａ 積層成形体セット
Ｗ２ 炭素繊維複合成形品（１次成形品）
Ｗ３ 炭素繊維複合成形品（最終成形品）

Claims (6)

1. 加圧板の間で熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形装置であって、
   少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、
   前記加圧板が格納されるチャンバと、
   前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、
   少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形することを特徴とする炭素繊維複合成形品のプレス成形装置。
2. 前記加圧板は表面が平坦であって内部に熱媒通路またはヒータが設けられた熱板であり、平坦な炭素繊維複合成形品を成形することを特徴とする請求項１に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形装置。
3. 加圧板の間で熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形システムであって、
   少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、前記加圧板が格納されるチャンバと、前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス装置と、
   前記炭素繊維複合成形品のプレス装置の複数の加圧板間に前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を供給する供給装置と、
   前記プレス装置の少なくとも３枚以上の加圧板間から複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を取出す搬出装置と、が設けられたことを特徴とする炭素繊維複合成形品のプレス成形システム。
4. 搬出装置で取出された炭素繊維複合成形品は、２次成形プレス装置へ送られるか、または２次成形プレス装置へ送られる前に炭素繊維複合成形品を貯留するストック装置に送られることを特徴とする請求項３に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形システム。
5. 加圧板の間で熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形する炭素繊維複合成形品のプレス成形方法であって、
   少なくとも３枚以上が多層に配置された加圧板と、
   前記加圧板が格納されるチャンバと、
   前記チャンバを真空状態とする真空ポンプとが設けられ、
   少なくとも３枚以上の加圧板間で前記熱可塑性樹脂層と炭素繊維層からなる積層成形体を加熱および加圧して同時に複数の熱可塑性樹脂が含浸された炭素繊維複合成形品を成形することを特徴とする炭素繊維複合成形品のプレス成形方法。
6. 請求項５において成形された炭素繊維複合成形品は表面が平坦な一次成形品であって、２次成形プレス装置で更に賦形されることを特徴とする請求項５に記載の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法。