JP2016135573A - 複合材料の成形方法および成形装置 - Google Patents

Abstract

【課題】キャビティ内へ樹脂を充填するための最終注入圧力を抑えることによって型締圧力の低減を図ることを可能にし、設備投資費の削減および成形型の長寿命化を図り得る複合材料の成形方法および成形装置を提供する。【解決手段】複合材料の成形方法は、成形型を型閉じすることにより、強化基材が配置さていない所定の隙間空間をキャビティ内に区画する工程（ステップＳ１２）と、隙間空間を区画した状態でキャビティ内へ樹脂を注入する工程（ステップＳ１４）と、を有する。【選択図】図２

Description

本発明は、複合材料の成形方法および成形装置に関する。

近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられている。複合材料の成形方法として、量産化に適したＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法が注目されている（下記特許文献１を参照）。

ＲＴＭ成形法にあっては、まず、開閉自在な一対の下型（雌型）、上型（雄型）からなる成形型内のキャビティに強化基材を配置する。型を閉締した後、樹脂注入口から樹脂を注入し、強化基材に樹脂を含浸させる。そして、キャビティ内に注入した樹脂を硬化させることによって複合材料を完成させる。樹脂を注入している最中は、キャビティ内の圧力の増加による成形型の意図しない型開きが発生しないように、所定のプレス機を使用して型締圧力を付与している。

特開２００５−１９３５８７号公報

上記のような複合材料の成形方法において、キャビティ内に注入された樹脂は、強化基材の内部を含浸しながらキャビティ全体に広がるように移動する。キャビティ内の圧力は、樹脂の注入量に比例して増加し、充填作業の最終段階には最も高くなる。このため、樹脂を注入するための注入圧力は、キャビティ内への樹脂の注入が継続的に円滑に行われ得るように、キャビティ内の圧力の増加に比例して高くなるように調整される。

キャビティ内へ注入した樹脂は、キャビティ内を広がりながら流動して、最終的には注入位置からより遠い位置、例えば、キャビティの周縁部まで移動する。注入した樹脂は、キャビティ内を流動する過程で強化基材の内部を含浸しながら通過するため、注入位置からより遠い位置に樹脂を到達させるためには、注入圧力を高圧に設定せざるを得ない。このため、注入作業の最終段階における注入圧力は、特に高い圧力に設定する必要がある。しかしながら、樹脂を充填するための最終注入圧力を高圧に設定すると、その分、注入作業の最終段階におけるキャビティ内の圧力も増加する。したがって、注入作業中に成形型の不用意な型開きが発生するのを防止するために、より大きな型締圧力を付与することが可能な大型のプレス機を使用しなければならない。

このような理由より、従来の複合材料の成形方法では、設備投資費の増加や、成形型に対する負荷の増加に伴う装置の低寿命化といった点が問題となっている。また、樹脂を注入するための設備についても高圧注入が可能な高性能なものが必要になるため、高圧注入用の設備を使用することによる設備投資費の増加も問題となっている。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、キャビティ内へ樹脂を充填するための最終注入圧力を抑えることによって型締圧力の低減を図ることを可能にし、設備投資費の削減および成形型の長寿命化を図り得る複合材料の成形方法および成形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形方法は、開閉自在な成形型内のキャビティに強化基材を配置し、成形型に型締圧力を負荷した状態において樹脂をキャビティ内に注入し、樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、成形型を型閉じすることにより、キャビティにおいて強化基材が配置された部位に隣接させて、成形型の型開き方向に伸びる、強化基材が配置さていない隙間空間をキャビティ内に区画する工程を有している。さらに、隙間空間を区画した状態でキャビティ内へ樹脂を注入する工程を有している。

上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形装置は、強化基材が配置されるキャビティを形成する開閉自在な成形型と、成形型に型締圧力を負荷するプレス部と、キャビティ内に樹脂を注入する樹脂注入部と、を有している。そして、成形型は、キャビティにおいて強化基材が配置される部位に隣接させて、成形型の型開き方向に伸びる、強化基材が配置さていない隙間空間をキャビティ内に区画する相対的に接近離反移動自在な第１の型と第２の型とを有する。

本発明に係る複合材料の成形方法および成形装置によれば、キャビティ内に注入した樹脂は、強化基材を含浸して通過した後、強化基材が配置された部位に隣接して区画された隙間空間に到達すると、この隙間空間を伝わり強化基材の影響を受けることなくキャビティ内を速やかに移動する。これにより、樹脂の注入工程の最終段階においても注入圧力を大幅に増加させる必要がなくなるため、キャビティ内の圧力を比較的小さく抑えることができ、設備投資費の削減および成形型の長寿命化を図ることができる。

本発明の実施形態に係る複合材料の成形装置の概略図である。 実施形態に係る複合材料の成形方法を示すフローチャートである。 図３は、実施形態に係る成形型の概略断面図であり、図３（Ａ）は型開きした際の成形型を示す図、図３（Ｂ）は型閉じした際の成形型を示す図である。 図４は、実施形態に係る複合材料の成形方法の作用を説明するための図であり、図４（Ａ）は型閉じした際の様子を示す成形型の部分拡大図、図４（Ｂ）はキャビティ内への樹脂の注入を開始した際の様子を示す成形型の部分拡大図である。 図５は、実施形態に係る複合材料の成形方法の作用を説明するための図であり、図５（Ａ）は樹脂が隙間空間に到達した際の様子を示す成形型の部分拡大図、図５（Ｂ）はキャビティを密封した際の様子を示す成形型の部分拡大図である。 図６は、キャビティ内を樹脂が流動する様子を模式的に示す平面図であり、図６（Ａ）は注入工程の初期段階に樹脂が流動する様子を模式的に示す図、図６（Ｂ）は注入工程の最終段階に樹脂が流動する様子を模式的に示す図である。 実施形態に係る複合材料の成形方法を実施した際のキャビティ内の圧力の時間推移を示す図である。 図８は、実施形態に係る複合材料の成形方法を適用して成形した自動車部品を示す図であり、図８（Ａ）は、複合材料を使用した各種の自動車部品を示す図、図８（Ｂ）は、自動車部品を接合して形成した車体を示す図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

図１は、実施形態に係る複合材料の成形装置１００の概略図である。図２は、実施形態に係る複合材料の成形方法を示すフローチャートである。図３は、実施形態に係る複合材料の成形装置１００が備える成形型１１０を簡略化して示す断面図である。図４〜図６は、実施形態に係る複合材料の成形方法の作用の説明に供する図である。図７は、実施形態に係るキャビティ１５０内の圧力の時間推移を示す図である。図８は、実施形態に係る複合材料２００を使用した自動車部品３０１〜３０３および車体３００の概略図である。

以下、各図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。

本実施形態に係る複合材料の成形方法によって得られる複合材料２００は、強化基材２１０と樹脂２２０によって構成されている。複合材料２００は、強化基材２１０と樹脂２２０が組み合わせられることにより、樹脂単体で構成される成形品に比べて高い強度および剛性を備えたものとなる。また、図８に示すような自動車の車体３００（図８（Ｂ）を参照）に使用されるフロントサイドメンバー３０１やピラー３０２等の骨格部品、ルーフ３０３等の外板部品に複合材料２００を適用することによって、鉄鋼材料からなる部品を組み付けて構成した車体と比べて、車体３００の軽量化を図ることができる。

強化基材２１０は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等の織物シートによって形成することができる。強化基材２１０は、例えば、所定のプリフォーム成形型（図示省略する）を使用して、所定の形状に予めプリフォームした状態で準備することができる。本実施形態においては、強化基材２１０として炭素繊維を使用した例を説明する。炭素繊維は、熱膨張係数が小さく、寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ないという特徴があるため、自動車の車体３００等の複合材料２００の強化基材として好適に使用することができる。

樹脂２２０は、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。本実施形態においては、機械的特性、寸法安定性に優れたエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用する。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、特にこれに限定されるものではなく、所望の材料特性に合わせて適宜選択できる。

図１を参照して、本実施形態に係る複合材料の成形装置（以下、「成形装置」とする）１００は、概説すると、強化基材としての炭素繊維２１０が配置されるキャビティ１５０を形成する開閉自在な成形型１１０と、成形型１１０に型締圧力を負荷するプレス部２０と、キャビティ１５０内に樹脂２２０を注入する樹脂注入部３０と、を有している。成形型１１０は、相対的に接近離反移動自在な上型（第１の型に相当する）１３０と下型（第２の型に相当する）１４０とを有している。

また、成形装置１００は、樹脂２２０の注入圧力を調整自在なバルブ４０と、キャビティ１５０内の圧力を測定する圧力計５０と、成形型１１０内を真空引きする吸引部６０と、成形型１１０の温度を調整する成形型温度調整部７０と、成形装置１００全体の動作を制御する制御部８０と、をさらに有している。

図１を参照して、成形装置１００の各構成について説明する。

プレス部２０は、例えば、油圧等の流体圧を用いたシリンダー２１を備え、油圧等を制御することによって型締圧力を調整自在なプレス機により構成することができる。

樹脂注入部３０は、主剤を充填した主剤タンク３１と、硬化剤を充填した硬化剤タンク３２と、主剤、硬化剤、およびそれらが混合された樹脂２２０の搬送流路を形成するチューブ３６と、キャビティ１５０内への樹脂２２０の注入圧力を測定する圧力計３４と、樹脂２２０の注入圧力を調整自在なバルブ４０と、を有する。

樹脂注入部３０は、主剤タンク３１から供給される主剤と、硬化剤タンク３２から供給される硬化剤とを一定の圧力下において循環させつつ、成形型１１０へ供給可能な公知の循環式のポンプ機構により構成することができる。圧力計３４は、樹脂２２０の注入圧力を測定するために、注入口１３付近のチューブ３６に配置する。樹脂注入部３０は、バルブ４０の開度を調整することによって、キャビティ１５０内への樹脂２２０の注入量および成形型１１０に供給される樹脂２２０の注入圧力を調整する。

圧力計５０は、ひずみゲージ等を備え、キャビティ１５０内の圧力を測定するために成形型１１０に配置される。

吸引部６０は、真空ポンプ（図示省略）を有する。吸引部６０は、樹脂２２０の注入前に成形型１１０に取り付けた吸引口１４を介してキャビティ１５０内の空気を吸引（真空引き）し、キャビティ１５０内を真空状態にする。

成形型温度調整部７０は、成形型１１０を樹脂２２０の硬化温度まで加熱し、キャビティ１５０内に注入された樹脂２２０を硬化させる。成形型温度調整部７０には、加熱を行うための装置として、例えば、成形型１１０を直接的に加熱する電気ヒーターや、油などの熱媒体を循環させることによって温度調整を行う温度調整機構等を備えさせることができる。

制御部８０は、成形装置１００全体の動作を制御する。制御部８０は、記憶部８１と、演算部８２と、各種データや制御指令の送受信を行う入出力部８３と、を有する。入出力部８３は、圧力計３４、５０と、バルブ４０と、吸引部６０と、成形型温度調整部７０とに電気的に接続している。

記憶部８１は、ＲＯＭやＲＡＭから構成し、キャビティ１５０内の圧力等のデータを記憶する。演算部８２は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部８３を介して圧力計３４、５０からの樹脂２２０の注入圧力およびキャビティ１５０内の圧力のデータを受信する。演算部８２は、記憶部８１から読み出したデータおよび入出力部８３から受信したデータに基づいて、バルブ４０の開度、吸引部６０の吸入圧、成形型温度調整部７０による成形型１１０の加熱温度等を算出する。算出したデータに基づく制御信号は、入出力部８３を介してバルブ４０、吸引部６０、成形型温度調整部７０へ送信する。このようにして、制御部８０は、樹脂２２０の注入圧力、真空引き時のキャビティ１５０内の圧力、成形型１１０の温度等を制御する。

図３（Ａ）、（Ｂ）に示すように、成形型１１０が備える上型１３０は、複合材料２００の外形形状に合致した形状の成形面１３１と、型合わせ面１３３と、成形型１１０へ供給される樹脂２２０の通り道となる樹脂流路１３５と、樹脂流路１３５の先端側に位置し、キャビティ１５０内へ樹脂２２０を導くゲート部１３６と、を有する。樹脂流路１３５は、注入口１３を介して、樹脂注入部３０のチューブ３６と液密・気密に連結している。

成形型１１０が備える下型１４０は、複合材料２００の外形形状に合致した形状の成形面１４１と、型合わせ面１４３と、を有する。

上型１３０は、下型１４０に対して、接近離反移動自在に構成されており、図３（Ａ）に示すように、上型１３０が下型１４０から離反すると、成形型１１０が型開きした状態となる。成形型１１０を開くことにより、プリフォームされた炭素繊維２１０を下型１４０に配置することが可能になる。また、図３（Ｂ）に示すように、上型１３０を下型１４０に接近移動させると、上型１３０の成形面１３１と下型１４０の成形面１４１との間にキャビティ１５０が形成される。図３中の矢印ｕは、上型１３０の離反移動方向（型開き方向）を示し、矢印ｄは、上型１３０の接近移動方向（型閉じ方向）を示す。

上型１３０および下型１４０は、型閉じした際に、図４（Ａ）に示すように、所定の隙間空間１５１をキャビティ１５０内に区画する。図４（Ａ）は、図３（Ｂ）に示す破線部４Ａ部分を拡大した図である。

隙間空間１５１は、キャビティ１５０において炭素繊維２１０が配置された部位に隣接するように形成される。本実施形態においては、炭素繊維２１０の外形をなす末端部２１１が配置されるキャビティ１５０の周縁部に連なるように、上型１３０の立ち上がり部１３７と下型１４０の立ち上がり部１４７との間に隙間空間１５１を区画している。また、隙間空間１５１は、炭素繊維２１０の末端部２１１の外周を囲むように、キャビティ１５０の全周に亘って形成している（図６（Ａ）を参照）。

図５（Ｂ）に示すように、上型１３０の立ち上がり部１３７は所定の傾斜角度θ１で傾斜した形状で型開き方向（図中の上下方向）に伸びており、下型１４０の立ち上がり部１４７は略直線状に伸びている。キャビティ１５０内へ樹脂２２０を注入する際、隙間空間１５１には炭素繊維２１０を配置しない。後述するように、隙間空間１５１は、炭素繊維２１０の末端部２１１付近に到達した樹脂２２０を流通させるための樹脂流路として機能する。

隙間空間１５１は、成形型１１０の型開き方向と平行な断面において、型開き方向側の先端部１５３に向けて断面積が徐々に小さくなる先細り形状に形成することができる。隙間空間１５１の断面形状を先細り形状に形成するために、上型１３０の立ち上がり部１３７は、所定の傾斜角度θ１で傾斜した形状に形成している。

成形型１１０に負荷する型締圧力は、成形型１１０において注入された樹脂２２０から受ける圧力が作用する面積、すなわちキャビティ１５０とともに樹脂２２０が流入し得る部分の合計の投影面積（成形型１１０を平面視した際の面積）に依存する。このため、例えば、隙間空間１５１を型開き方向と直交する方向（図３の左右方向）に形成すると、その分、投影面積が大きくなるため、型締圧力を大きくしなければならない。本実施形態においては、隙間空間１５１を型開き方向に平行に伸びるように形成することによって、隙間空間１５１の形成に伴って投影面積が過剰に大きくなることを防止している。

ここで、図６を参照して、キャビティ１５０内に注入された樹脂２２０がキャビティ１５０を流動する経路について説明する。図６は、炭素繊維２１０が配置された下型１４０を模式的に示した平面図である。矢印ａは樹脂２２０の移動方向を示し、二点鎖線で囲まれた部分は隙間空間１５１を示す。

図６（Ａ）に示すように、キャビティ１５０内へ注入された樹脂２２０は、キャビティ１５０内を同心円状に広がりながら移動し、炭素繊維２１０に含浸されていく。樹脂２２０の注入が継続してなされると、図６（Ｂ）に示すように樹脂２２０は、最終的に、炭素繊維２１０の外形をなす末端部２１１付近に位置する隙間空間１５１に到達する。隙間空間１５１に到達した樹脂２２０は、隙間空間１５１を通り、炭素繊維２１０の末端部２１１（最終充填部）の周囲を回り込むように移動して、炭素繊維２１０に含浸する。

複合材料の成形を行う際に、キャビティ１５０内に注入された樹脂２２０は、炭素繊維２１０の微小な間隙内を毛管現象によって移動するため、その移動に大きな抵抗が掛かり、注入速度が大幅に低下する。炭素繊維２１０に含浸される樹脂２２０の注入速度は、一般的に５〜３０ｍｍ／秒とされている。一方、隙間空間１５１を移動する樹脂２２０は、炭素繊維２１０による抵抗を受けないため、炭素繊維２１０内を移動する樹脂２２０の注入速度よりも非常に速い速度（数十倍程度の速度）で移動する。このため、隙間空間１５１に樹脂２２０が到達した後は、ゲート部１３６側から炭素繊維２１０の末端部２１１へ樹脂２２０が到達する時間よりも短い時間で、隙間空間１５１側から炭素繊維２１０の末端部２１１へ樹脂２２０が回り込む。その結果、炭素繊維２１０の全周方向から樹脂２２０を速やかに含浸させることが可能になる。

また、炭素繊維２１０は樹脂２２０の移動を抑制する抵抗となるため、注入工程の進行に合わせて、最終的な樹脂の注入圧力は非常に高く設定せざるを得ない。しかしながら、前述したように、隙間空間１５１を経由させて樹脂２２０を炭素繊維２１０の末端部２１１に含浸させることが可能になると、注入工程の最終段階における樹脂２２０の注入圧力を大幅に低減させることができる。したがって、隙間空間１５１を形成した状態で樹脂２２０の注入を行うことにより、樹脂の注入工程の最終段階においても注入圧力を大幅に増加させる必要がなくなる。

図５（Ｂ）を参照して、隙間空間１５１の厚みＤは、例えば、０．５ｍｍ以上、かつ、成形品である複合材料２００の肉厚以下であることが好ましい。隙間空間１５１の高さＨは、炭素繊維２１０の末端部２１１へ回り込む樹脂２２０の速度を考慮して、例えば、複合材料２００の肉厚の５〜１０倍であることが好ましく、本実施形態では１０ｍｍに設定している。傾斜角θ１は、複合材料２００を成形型１１０から脱型する際の抜け易さを考慮して、例えば、５°以上が好ましく、本実施形態では１０°に設定している。

次に、実施形態に係る複合材料２００の成形方法を説明する。

図２に示すように、複合材料２００の成形方法は、キャビティ１５０内に炭素繊維２１０を配置する工程（ステップＳ１１）と、成形型１１０を閉じてキャビティ１５０内に隙間空間１５１を区画する工程（ステップＳ１２）と、真空吸引を行う工程（ステップＳ１３）と、樹脂２２０を注入する工程（ステップＳ１４）と、成形型１１０を密閉する工程（ステップＳ１５）と、複合材料２００を成形型１１０から脱型する工程（ステップＳ１６）と、を有する。制御部８０は、成形装置１００の各部を動作制御することにより、ステップＳ１１を除く各工程を実行する。

各工程について説明する。

まず、ステップＳ１１として、成形型１１０を型開きし、下型１４０の成形面１４１にプリフォームした炭素繊維２１０を配置する（図３（Ａ）を参照）。成形に先立って、上型１３０の成形面１３１および下型１４０の成形面１４１には、所定の有機溶剤を用いた脱脂処理と、離型剤を用いた離型処理を施しておく。

次に、ステップＳ１２として、成形型１１０を閉じて、キャビティ１５０を形成する（図３（Ｂ）を参照）。また、キャビティ１５０内には、炭素繊維２１０が配置されていない隙間空間１５１を区画する（図４（Ａ）を参照）。

図４（Ａ）に示すように、本実施形態に係る成形方法においては、成形型１１０を型閉じした際に、上型１３０の型合わせ面１３３と下型１４０の型合わせ面１４３との間に、隙間空間１５１に連通する隙間部１６１を形成する。隙間部１６１は、キャビティ１５０内を真空吸引した際においても十分な減圧作用が得られるように、型開き方向に数ミリの大きさで形成する。隙間部１６１は、隙間空間１５１と同様に、成形型１１０の全周方向に亘って形成することができる。

次に、ステップＳ１３として、キャビティ１５０内の空気を吸引し、真空引きを行い、キャビティ１５０内を真空状態にする。真空引きを行うことによって、キャビティ１５０内に注入した樹脂２２０の表面に気泡が発生するのを防止することが可能になる。これにより、成形品である複合材料２００にボイドやピットが発生するのを抑制することができ、複合材料２００の機械的特性や意匠性を向上させることが可能になる。

次に、ステップＳ１４として、キャビティ１５０内への樹脂２２０の注入を開始する。樹脂２２０の注入は、キャビティ１５０に隙間空間１５１を区画し、各型合わせ面１３３、１３４の間に隙間部１６１を形成した状態で行う。樹脂注入部３０から成形型１１０へ供給された樹脂２２０は、上型１３０に設けた注入口１３を介して樹脂流路１３５へ流入し、上型１３０のゲート部１３６を通過してキャビティ１５０内へ注入される（図３（Ｂ）を参照）。

樹脂２２０は、キャビティ１５０内に注入されると、図４（Ｂ）に示すように、炭素繊維２１０に含浸されながら、炭素繊維２１０の末端部２１１へ向けて移動する。

次に、ステップＳ１５として、樹脂２２０の少なくとも一部が隙間空間１５１に到達した後、上型１３０を下型１４０に接近移動させることにより成形型１１０を閉じて、各型合わせ面１３３、１４３の間に形成した隙間部１６１を密封する（図５（Ｂ）を参照）。隙間部１６１を密封するタイミングは、成形型１１０の外部へ樹脂２２０が漏洩しないように、樹脂２２０が隙間空間１５１に完全に充填される前に実施する。

隙間部１６１を形成してキャビティ１５０内と成形型１１０の外部とを連通しておくことにより、樹脂２２０の注入に伴うキャビティ１５０内の圧力の増加を抑えることができる。さらに、隙間空間１５１に樹脂２２０が到達した後に、隙間部１６１を密封するように成形型１１０を閉じると、隙間空間１５１の断面積が小さくなるため、隙間空間１５１を流れる樹脂２２０が炭素繊維２１０の末端部２１１側へ押し出される。押し出された樹脂２２０は、末端部２１１において含浸されるため、樹脂２２０を炭素繊維２１０の全域により一層速やかに行き渡らせることができる。これにより、注入工程の最終段階における樹脂２２０の注入圧力をより一層低減させることが可能になる。

図５（Ｂ）に示すように、成形型１１０を閉じた状態において、隙間空間１５１は先端部１５３側が先細りした形状となる。先端部１５３側へ行くほど、樹脂２２０の流入抵抗が大きくなるため、樹脂２２０が先端部１５３に到達し難くなる。このため、先端部１５３を伝って型合わせ面１３３、１４３に樹脂２２０が到達するのを好適に防止することができ、意図しないバリ等が発生するのを未然に防止できる。

キャビティ１５０内に規定量の樹脂２２０を注入し終えた後、キャビティ１５０内の樹脂２２０が十分硬化するまで放置する。なお、成形型１１０全体は、成形型温度調整部７０によって樹脂２２０の硬化温度に温度調節する。

次に、ステップＳ１６として、樹脂２２０が硬化した後、成形型１１０を開いて、炭素繊維２１０および樹脂２２０が一体化された複合材料２００を脱型する。成形型１１０の上型１３０には、複合材料２００を脱型する際の抜き勾配を形成する立ち上がり部１３７が設けられているため、脱型を容易かつ円滑に行うことができる。脱型を終えると、成形が完了する。

図７には、成形型１１０のキャビティ１５０内の圧力変化の推移が示される。図中の実線は本実施形態に係る成形方法を適用した結果を示し、図中の破線は対比例に係る従来の成形方法を適用した結果を示す。

前述したように、本実形態に係る成形方法においては、炭素繊維２１０の末端部２１１に樹脂２２０を回り込ませる樹脂流路として機能する隙間空間１５１を形成しているため、注入工程の最終段階における樹脂２２０の注入圧力（最終注入圧力）を大幅に低減させることが可能になる。そして、注入圧力を低減させることにより、樹脂２２０の注入完了時のキャビティ１５０内の圧力を下げることができる。一方、対比例に係る従来の成形方法では、隙間空間１５１を利用した注入圧力を低減させる効果は得られないため、樹脂２２０の注入完了時のキャビティ内の圧力は、本実施形態に係る成形方法と比較して高くなる。その結果、成形型の型締圧力は、本実施形態に係る成形方法と比較して高くなるため、大型のプレス機を使用せざるを得なくなる。

以上説明したように、本実施形態に係る複合材料の成形方法および成形装置１００によれば、キャビティ１５０内に注入した樹脂２２０は、強化基材２１０を含浸して通過した後、強化基材２１０が配置された部位に隣接して区画された隙間空間１５１に到達すると、この隙間空間１５１を伝わり強化基材２１０の影響を受けることなくキャビティ１５０内を速やかに移動する。これにより、樹脂２２０の注入工程の最終段階においても注入圧力を大幅に増加させる必要がなくなるため、キャビティ１５０内の圧力を比較的小さく抑えることができ、設備投資費の削減および成形型１１０の長寿命化を図ることができる。さらに、隙間空間１５１を型開き方向に伸びるように形成しているため、隙間空間１５１の形成に伴う投影面積の増加が生じることを抑制することができ、型締圧力の増加を防止できる。

また、隙間空間１５１が、型開き方向と平行な断面において、型開き方向側の先端部１５３に向けて断面積が徐々に小さくなる先細り形状を有するため、樹脂２２０が先端部１５３に到達し難くなり、先端部１５３を伝わって型合わせ面１３３、１４３に樹脂２２０が到達するのを好適に防止することができ、意図しないバリ等が発生するのを未然に防止することが可能になる。

また、成形型１１０を型閉じした際に、型合わせ面１３３、１４３の間に隙間空間１５１に連なる隙間部１６１を形成し、樹脂２２０の少なくとも一部が隙間空間１５１に到達した後、成形型１１０を閉じて隙間部１６１を密閉しているため、樹脂２２０の注入に伴うキャビティ１５０内の圧力の増加をより一層効果的に抑えることができる。

また、樹脂２２０の注入工程の前に、キャビティ１５０内を真空引きする工程を有するため、キャビティ１５０内に注入した樹脂２２０の表面に気泡が発生するのを防止することが可能になる。これにより、成形品である複合材料２００にボイドやピットが発生するのを抑制することができ、複合材料２００の機械的特性や意匠性を向上させることが可能になる。

以上、実施形態を通じて複合材料の成形方法および成形装置１００を説明したが、本発明は実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。

例えば、本実施形態においては、樹脂２２０として熱硬化性樹脂を使用しているが、熱可塑性樹脂を用いてもよい。この場合は、成形型温度調整部７０には、所定の冷却装置が備えられる。キャビティ１５０内に樹脂２２０を注入している間は成形型１１０を所定の加熱装置によって加熱し、樹脂２２０の注入後は成形型１１０を冷却する。これによって、樹脂２２０の注入時の粘度を低下させて炭素繊維２１０に含浸し易くし、注入後に冷却することで樹脂２２０を硬化することができる。

例えば、隙間空間１５１の断面形状等は、成形型１１０の型開き方向に伸びて形成されていればよく、実施形態において説明したような先細り形状のみに限定されることはない。また、隙間空間１５１は、キャビティ１５０の全周に亘って形成されている必要はなく、炭素繊維２１０の少なくとも一部の末端部２１１へ樹脂２２０を回り込ませて含浸させることが可能な限りにおいて形成する位置や範囲等は適宜変更することが可能である。

その他、成形方法の各工程および成形装置の各部の構成は、キャビティにおいて強化基材が配置された部位に隣接させて、強化基材が配置さていない隙間空間をキャビティ内に区画した状態で樹脂を注入することにより、樹脂の注入圧力およびキャビティ内の圧力の低減を図り得る限りにおいて、適宜変更することが可能である。

１００ 成形装置、
１１０ 成形型、
１３０ 上型（第１の型）、
１３３ 型合わせ面、
１４０ 下型（第２の型）、
１４３ 型合わせ面、
１５０ キャビティ、
１５１ 隙間空間、
１５３ 隙間空間の先端部、
１６１ 隙間部、
２００ 複合材料、
２１０ 炭素繊維（強化基材）、
２１１ 末端部、
２２０ 樹脂、
３００ 車体。

Claims (5)

1. 開閉自在な成形型のキャビティに強化基材を配置し、前記成形型に型締圧力を負荷した状態において樹脂を前記キャビティ内に注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
   前記成形型を型閉じすることにより、前記キャビティにおいて前記強化基材が配置された部位に隣接させて、前記成形型の型開き方向に伸びる、前記強化基材が配置さていない隙間空間を前記キャビティ内に区画する工程と、
   前記隙間空間を区画した状態で前記キャビティ内へ前記樹脂を注入する工程と、を有する複合材料の成形方法。
2. 前記隙間空間は、前記型開き方向と平行な断面において、前記型開き方向側の先端部に向けて断面積が徐々に小さくなる先細り形状を有する請求項１に記載の複合材料の成形方法。
3. 前記成形型を型閉じした際に、前記成形型の型合わせ面の間に前記隙間空間に連なる隙間部を形成し、
   前記樹脂を注入する工程は、前記隙間空間および前記隙間部を形成した状態で開始し、
   前記樹脂の少なくとも一部が前記隙間空間に到達した後、前記成形型を閉じて前記隙間部を密閉する工程をさらに有する請求項１または請求項２に記載の複合材料の成形方法。
4. 前記樹脂を注入する工程の前に、前記キャビティ内を真空引きする工程をさらに有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
5. 強化基材が配置されるキャビティを形成する開閉自在な成形型と、
   前記成形型に型締圧力を負荷するプレス部と、
   前記キャビティ内に樹脂を注入する樹脂注入部と、を有し、
   前記成形型は、前記キャビティにおいて前記強化基材が配置される部位に隣接させて、前記成形型の型開き方向に伸びる、前記強化基材が配置さていない隙間空間を前記キャビティ内に区画する相対的に接近離反移動自在な第１の型と第２の型とを有する、複合材料の成形装置。