JP2017128012A - オートクレーブ成形方法、オートクレーブ成形装置及びこれらに用いる成形型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】未硬化繊維強化複合材であるワークをオートクレーブ成形する際に所定成形温度まで効率良く加熱して省エネルギー化を図ると共に生産性を向上させ、かつ成形品質を向上させたオートクレーブ成形方法を提供する。【解決手段】複数の未硬化プリプレグ３を積層したワークが真空バッグ２に収納されてシールされた成形型１をオートクレーブ容器５内へ収容し、真空バッグ２内を真空引きして真空にすると共にオートクレーブ容器５内の気体を加圧し、成形型１の型面に転写された導電性金属溶射被膜１ａに通電して型面を面発熱させてワークを熱硬化させる。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば複合材料の成形に用いるオートクレーブ成形方法、オートクレーブ成形装置及びこれらに用いる成形型の製造方法に関する。

例えば、航空機や鉄道、自動車等、強度に優れかつ軽量化が求められる分野では、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いた成形品が用いられている。この成形品は、オートクレーブ成形法によって製造されることが知られている。
例えば、コア材の両側にプリプレグ（未硬化繊維強化樹脂シート）を積層した状態で、成形型の上に載せ、ナイロン等の真空バッグで包んだ状態で、成形室（オートグレー部容器）内に収納する。そして、真空バッグ内を真空引きして成形室内に備えた熱源（例えば電気ヒータ）を発熱させ加熱気体を循環させて加熱加圧することで、コア材に樹脂成分を含浸させた状態で加熱硬化させて成形品が得られる（特許文献１，２参照）。

特開平１０−１２８７７８号公報 特開２００９−５１０７４号公報

しかしながら、オートクレーブ成形法は、未硬化繊維強化複合材であるプリプレグをオートクレーブ容器に密閉した状態で、圧縮空気を封入して数気圧の圧力をかけながら熱源を発熱させてオートクレーブ容器内の空気を所定温度で加熱する。そして、加熱空気をオートクレーブ容器内で循環させながら数時間プリプレグの樹脂成分を加熱硬化させて成形される。
このため、ワーク及びオートクレーブ容器を所定成形温度まで昇温させるまでに多大な熱エネルギーと時間を要し、生産コスト並びに生産性が低いという課題があった。

また、ワークに密着する成形型の材質や面性状にもよるが、成形型を均一に昇温させて熱伝達を効率良く行うことが困難であり、成形品の成形品質が低下し易い。更には成形品を平滑面に仕上げたいというニーズもあった。

本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、その目的とするところは、未硬化繊維強化複合材であるワークをオートクレーブ成形する際に所定成形温度まで効率良く加熱して省エネルギー化を図ると共に生産性を向上させ、かつ成形品質を向上させたオートクレーブ成形方法及び装置、並びに当該オートクレーブ成形に最適な成形型の製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
成形型面に未硬化繊維強化複合材を積層して真空バッグ内に収納され、これらをオートクレーブ容器内に収容して加熱加圧して成形されるオートクレーブ成形方法であって、複数の未硬化プリプレグを積層したワークを、硬化した繊維強化複合材を支持体とする成形型の型面に載置したままフィルムで覆ってシールすることにより真空バッグを形成する工程と、前記ワークが前記真空バッグに収納されてシールされた前記成形型をオートクレーブ容器内へ収容し、前記真空バッグ内を真空引きして真空にすると共に前記オートクレーブ容器内の気体を加圧する工程と、前記成形型の型面に転写された導電性金属溶射被膜に通電して型面を面発熱させて前記ワークを熱硬化させる工程と、を含むことを特徴とする。

また、オートクレーブ成形装置においては、硬化した繊維強化複合材を支持体とする型面に導電性金属溶射被膜が形成され、通電により前記導電性金属溶射被膜を面発熱させる成形型と、複数の未硬化プリプレグを積層したワークを前記成形型の型面に載置したままフィルムで覆ってシールすることにより形成される真空バッグと、前記ワークが前記真空バッグに覆われてシールされた前記成形型を収容して密閉し、密閉容器内の気体を加圧可能なオートクレーブ容器と、を具備し、前記オートクレーブ容器に収容された前記真空バッグ内を真空引きして真空にすると共に前記オートクレーブ容器内の気体を加圧し、前記成形型の型面に形成された導電性金属溶射被膜に通電して型面を面発熱させて前記ワークを熱硬化させることを特徴とする。

上記オートクレーブ成形方法及び装置を用いると、成形型のワークに密着する型面に形成された導電性金属溶射被膜に通電して面発熱させると共にオートクレーブ容器内の気体を加圧するので、ワークを短時間で効率良く所定成形温度まで昇温させて樹脂成分を加熱硬化させてオートクレーブ成形することができ、省エネルギー化を図りかつ生産性が向上する。また、成形型がワーク（未硬化繊維強化複合材：プリプレグ）と同質の繊維強化複合材を用いることで、ワークとの熱膨張率も差異はなく、成形品質が向上する。

上述したオートクレーブ成形装置及び方法に用いる成形型の製造方法においては、母型の型面上に導電性金属材を溶射して導電性金属溶射被膜を形成する工程と、前記導電性金属溶射被膜に複数の未硬化プリプレグを積層して加熱することで、前記導電性金属溶射被膜に溶融した樹脂成分を含浸させて加熱硬化させた成形体を形成する工程と、前記成形体を前記母型から分離し硬化した繊維強化複合材に鏡面状の前記導電性金属溶射被膜が転写された成形型を製造する工程と、を含むことを特徴とする。

これにより、導電性金属溶射被膜にプリプレグの樹脂成分を含浸させて一体成形し成形体を母型から分離することで、硬化した繊維強化複合材に鏡面状の導電性金属溶射被膜が形成された成形型を製造することができる。この成形型を鏡面状の導電性金属溶射被膜が形成された転写面を型面として使用することで、成形品を平滑面に仕上げて成形品質が向上しかつワークに密着する導電性金属溶射被膜に通電して面発熱させることでワークを効率良く加熱することできる。
尚、成形型の型面は平面に限らず曲面であってもよい。また、母型は、電鋳型、石膏型、樹脂型等様々な型材が用いられる。

また、前記導電性金属溶射被膜は、例えばニッケル‐クロム合金よりなる金属粉末若しくは金属ワイヤを母型の型面に溶射し、これを繊維強化複合材に転写して形成される。
これによれば、導電性を有する薄膜状の面状発熱体の製造が容易となる。また、型面となる導電性金属溶射被膜は、母型から分離した離型面であるため平滑面となり、かつ成形型がワーク（未硬化繊維強化複合材）と同質の硬化した繊維強化複合材を用いることで、ワークとの熱膨張率も差異はなく、成形品質が向上する。

また、前記プリプレグはガラスクロスのような強化繊維とエポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂を用いた繊維強化複合材（ＦＲＰ）が用いられる。
尚、プリプレグとして、例えば炭素繊維が混入した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を用いる場合には、母型の型面に導電性金属溶射被膜を形成したうえに、電気絶縁層としてガラス繊維強化複合材（ＦＲＰ）を積層するかセラミック粉末を溶射して形成される。

上述したオートクレーブ成形装置及び方法を用いれば、成形型のワークに密着する型面に形成された導電性金属溶射被膜に通電して面発熱させると共にオートクレーブ容器内の気体を加圧するので、ワークを短時間で効率良く所定成形温度まで昇温させて樹脂成分を加熱硬化させてオートクレーブ成形することができ、省エネルギー化を図りかつ生産性が向上する。
オートクレーブ成形装置及び方法を用いる成形型の製造方法にあっては、導電性金属溶射被膜にプリプレグの樹脂成分を含浸させて一体成形し成形体を母型から分離することで、硬化した繊維強化複合材に鏡面状の導電性金属溶射被膜が形成された成形型を製造することができる。この成形型を鏡面状の導電性金属溶射被膜が転写された転写面を型面として使用することで、成形品を平滑面に仕上げて成形品質が向上しかつワークに密着する導電性金属溶射被膜に通電して面発熱させることでワークを効率良く加熱することできる。

オートクレーブ成形装置の模式説明図である。 成形治具の製造工程を示す説明図である。 図２に続く成形治具の製造工程を示す説明図である。 図３に続く成形治具の製造工程を示す説明図である。

以下、本発明に係るオートクレーブ成形方法及び装置の実施形態について、添付図面を参照しながら説明する。本実施形態では、ワークとして熱硬化性繊維強化複合材（例えば未硬化プリプレグ）を用いてオートクレーブ成形する場合について説明する。

図１を参照して、オートクレーブ成形装置の概略構成について説明する。
ワークに密着する成形型は、硬化した繊維強化複合材を支持体として型面に導電性金属溶射被膜に電極を介して導線が接続されている。成形型は、下型のみであってもよいし上下一対の型（例えば成形型とカウルプレート（当て板））の形態であってもよい。また、成形型の型面は平面に限らず曲面であってもよい。

図１に示すように、本実施例では、成形型１は、支持体としてワークと同質の繊維強化複合材、例えばＦＲＰ（繊維強化プラスチック材）が好適に用いられる。
成形型１について説明すると、導電性金属溶射被膜１ａは、後述するように繊維強化複合材１ｂ上に転写法により積層形成される。導電性金属溶射被膜１ａとしては、例えばニッケル‐クロム合金等の金属溶射膜により形成され、通電により面発熱するようになっている。導電性金属溶射被膜１ａには電極１ｃが設けられ、図示しない導線により電源に接続されている。

真空バッグ２内には、成形型１に複数のシート状に形成された未硬化プリプレグ３（ＦＲＰ）が積層されたものが収納される。真空バッグ２は、ワークとして用いられる複数のプリプレグ３から蒸発成分（反応ガスや水分）を除去するために用いられる。真空バッグ２は、成形型１を覆って設けられ、型面との間に設けられたシール材４によってシールされる。真空バッグ２の一部に設けられた吸引路２ａから図示しない真空吸引装置によりエアが吸引されてプリプレグ３どうし、或いはプリプレグ３と成形型１とを密着させる。真空バッグ２としては、例えば気密性が保て、耐熱性を有するナイロンフィルム等が用いられる。

尚、成形型１の型面には離型剤が塗布されていてもよく、或いはフッ素系の離型フィルムで覆われていてもよい。離型フィルムを用いる場合には、空気の逃げ道となる切り込み等を設けることが望ましい。また、真空バッグ２と最上層のプリプレグ３との間に、ブリーザー（不織布）を設けて、真空引きする際の空気の逃げ道を確保するようにしてもよい。
また、ワークである複数のプリプレグ３を重ねた周囲にエッジダムが設けられていてもよい。エッジダムは、プリプレグ３を加熱加圧した際に溶融した樹脂成分の流れ出しを防ぐために設けられる。

オートクレーブ容器５は耐圧容器である。ワークが真空バッグ２に収納されてシールされた成形型１をオートクレーブ容器５に収容して密閉し、密閉容器内の気体を加圧可能になっている。オートクレーブ容器５内の気圧を高めるため、図示しないポンプにより気体（例えば圧縮空気、窒素ガス等）を封入できるようになっている。また、オートクレーブ容器５内には熱源となる電気ヒータや熱気を循環させる送風ファン（図示せず）が設けられている。これにより、密閉空間内の気体を加熱しかつ気圧を高めることで、真空バッグ２に収納されたワークを加熱加圧して加熱硬化させることができる。

本実施例では、真空バッグ２を真空引きした真空雰囲気中で、成形型１の導電性金属溶射被膜１ａに通電して型面を面発熱させると共にオートクレーブ容器５内の気体の加圧を並行してワークの樹脂成分を加熱硬化させることができるようになっている。

ここでオートクレーブ成形方法の一例について説明する。
先ず、成形型１の型面に、ワークとして未硬化繊維強化複合材（複数のプリプレグ３）を重ね合わせ、これらを真空バッグ２内に収納する。プリプレグ３は、予め所定温度以下の冷凍庫で保管することが好ましい。プリプレグ３としては、強化繊維（例えばガラス繊維、アラミド繊維等）に半硬化状態の樹脂（エポキシ系樹脂、フェノール系樹脂等）を含浸させた平織されたシート状のもの等が用いられる。プリプレグ３は、連続したシート状に成形されているため、予めこれをワークサイズに合わせて裁断し、重ね合わせることが望ましい。

上述した真空バッグ２をオートクレーブ容器５に収納する。真空バッグ２は、オートクレーブ容器５内に密閉されて収納される。また、真空バッグ２内を真空ポンプにより真空引きして例えば真空圧８０kpa以上で真空にする。真空引きは、真空バッグ２をオートクレーブ容器５内に収納する前から行ってもよいし、収納後に行ってもいずれでもよい。

次に、成形型１の型面に形成された導電性金属溶射被膜１ａに接続された電極１ｃに連なる導線に通電してワークに密着する型面を面発熱させる。導電性金属溶射被膜１ａの発熱温度は、熱硬化性樹脂の硬化温度（例えば１３０℃〜１８０℃等）に合わせて面発熱させる。また、これに合わせてオートクレーブ容器５内にエア（図１矢印Ｐ）を圧入して所定気圧（例えば容器内圧５００kPa〜６００kPa）に加圧する。これによりプリプレグ３の樹脂成分を溶融させて熱硬化させる。よって、ワークを短時間で効率良く所定成形温度まで昇温して樹脂成分を加熱硬化させてオートクレーブ成形することができ、省エネルギー化を図りかつ生産性が向上する。
尚、オートクレーブ容器５内に備わる電気ヒータの使用や送風動作は、成形品によっては省略してもよい。

次にオートクレーブ成形装置及び方法に用いる成形型１の製造方法の一例について、図２〜図４を参照して説明する。以下では、一例として成形型１の製造方法について説明する。
図２において、母型６の型面上に導電性金属材を溶射して導電性金属溶射被膜１ａを形成する。母型６は、電鋳型、石膏型、樹脂型等様々な型材が用いられる。母型６の型面には、離型層６ａを設けておくことが好ましい。例えば型面に予め離型剤を塗布しておくことが好ましい。離型剤に替えて四フッ化エチレン粘着テープを貼り付けてもよいし、テフロン（登録商標）焼付けコーティングを行ってもよい。導電性金属溶射被膜１ａは、例えばニッケル‐クロム合金よりなる金属粉末若しくは金属ワイヤを母型６の型面に金属溶射して薄膜状（例えば厚さ0.2〜0.3mm程度）に形成される。

次に、図３に示すように、導電性金属溶射被膜１ａにプリプレグ３を複数積層して加熱加圧することで、当該導電性金属溶射被膜１ａの多孔質面に溶融した樹脂成分を含浸させて加熱硬化させた成形体８（図４参照）を形成する。

具体的には、図３に示すように母型６に形成された導電性金属溶射被膜１ａと最下層のプリプレグ３との間に電極１ｃを挟み込んで複数のプリプレグ３（例えばガラス繊維強化プラスチック）を積層する。これらの積層体７を図１に示す真空バッグ２内に収納する。この積層体７を積層した母型６を、オートクレーブ容器５内に収容して密閉する。真空バッグ２内で真空引きされた状態でオートクレーブ容器５内にポンプにより圧縮空気を封入しつつ電気ヒータで容器内の気体を加熱しかつ気圧を高めることで真空バッグ２に収納された積層体７を加熱加圧してプリプレグ３の樹脂成分を導電性金属溶射被膜１ａの凹凸面に含浸させて加熱硬化させる（キュア）。

尚、オートクレーブ成形に替えて、積層体７を電気オーブン等に収納して加熱硬化させてもよい。
また、積層体７を所定温度（例えば９０℃前後）で一次キュアし、それより高い温度（１８０℃前後）で二次キュア（ポストキュア）することで加熱硬化させてもよい。

最後に、図４において、成形体８をオートクレーブ容器５から取り出して母型６から分離する。これにより硬化した繊維強化複合材１ｂに鏡面状の導電性金属溶射被膜１ａが積層した成形型１（図１参照）を製造することができる。成形型１は、導電性金属溶射被膜１ａを型面として使用する。尚、成形型１として、カウルプレート（当て板）を製造する場合も、同様の工程を経て製造することができる。

また、成形型１が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を繊維強化複合材１ｂとする場合、繊維強化複合材１ｂに導電性があるため、母型６の型面に導電性金属溶射被膜１ａを形成したうえに、電気絶縁層を形成する必要がある。この場合、電気絶縁層を形成する方法としては、導電性金属溶射被膜１ａ上にプリプレグ３（ガラス繊維強化複合材（ＧＦＲＰ）を積層するか或いはセラミック粉末を溶射して積層形成するのが望ましい。

以上より、繊維強化複合材１ｂに対して導電性金属溶射被膜１ａよりなる面状発熱体の製造が容易となる。また、成形型１の型面となる導電性金属溶射被膜１ａは、母型６から分離した離型面であるため平滑面となり、かつワーク（プリプレグ３）と同質の硬化した繊維強化複合材１ｂを用いることで熱膨張率の差異はなく、成形品質が向上する。また、プリプレグ３の樹脂成分が導電性金属溶射被膜１ａの多孔質層内に浸透し硬化しているため、導電性金属溶射被膜１ａが繊維強化複合材１ｂに強固に結合して成形型１から剥離することがない。

上述したように、導電性金属溶射被膜１ａの凹凸面にプリプレグ３の樹脂成分を含浸させて一体成形し成形体８を母型６から分離することで、繊維強化複合材１ｂに鏡面状の導電性金属溶射被膜１ａが形成された成形型１を製造することができる。この成形型１を鏡面状の導電性金属溶射被膜１ａが形成された平滑面を型面として使用することで成形品の成形品質が向上しかつプリプレグ３に密着する導電性金属溶射被膜１ａに通電して面発熱させることでワークを効率良く加熱することできる。

尚、上述したプリプレグ３には、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂を用いた場合を例示したが、熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂としては、FRP（繊維強化プラスチック）のマトリックス樹脂に多く用いられているナイロンだけではなく、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）、PPS（ポリフェニレンサルファイド）、PEK（ポリエーテルケトン）、PEI（ポリエーテルイミド）なども使用可能である。

１ 成形型 １ａ 導電性金属溶射被膜 １ｂ 繊維強化複合材 １ｃ 電極 ２ 真空バッグ ２ａ 吸引路 ３ プリプレグ ４ シール材 ５ オートクレーブ容器 ６ 母型 ６ａ 離型層 ７ 積層体 ８ 成形体

Claims (3)

1. 成形型面に未硬化繊維強化複合材を積層して真空バッグ内に収納され、これらをオートクレーブ容器内に収容して加熱加圧して成形されるオートクレーブ成形方法であって、
   複数の未硬化プリプレグを積層したワークを、硬化した繊維強化複合材を支持体とする成形型の型面に載置したままフィルムで覆ってシールすることにより真空バッグを形成する工程と、
   前記ワークが前記真空バッグに収納されてシールされた前記成形型をオートクレーブ容器内へ収容し、前記真空バッグ内を真空引きして真空にすると共に前記オートクレーブ容器内の気体を加圧する工程と、
   前記成形型の型面に転写された導電性金属溶射被膜に通電して型面を面発熱させて前記ワークを熱硬化させる工程と、
   を含むことを特徴とするオートクレーブ成形方法。
2. 硬化した繊維強化複合材を支持体とする型面に導電性金属溶射被膜が形成され、通電により前記導電性金属溶射被膜を面発熱させる成形型と、
   複数の未硬化プリプレグを積層したワークを前記成形型の型面に載置したままフィルムで覆ってシールすることにより形成される真空バッグと、
   前記ワークが前記真空バッグに収納されてシールされた前記成形型を収容して密閉し、密閉容器内の気体を加圧可能なオートクレーブ容器と、を具備し、
   前記オートクレーブ容器に収容された前記真空バッグ内を真空引きして真空にすると共に前記オートクレーブ容器内の気体を加圧し、前記成形型の型面に形成された導電性金属溶射被膜に通電して型面を面発熱させて前記ワークを熱硬化させることを特徴とするオートクレーブ成形装置。
3. 母型の型面上に導電性金属材を溶射して導電性金属溶射被膜を形成する工程と、
   前記導電性金属溶射被膜に複数の未硬化プリプレグを積層して加熱することで、前記導電性金属溶射被膜に溶融した樹脂成分を含浸させて加熱硬化させた成形体を形成する工程と、
   前記成形体を前記母型から分離し硬化した繊維強化複合材に鏡面状の前記導電性金属溶射被膜が転写された成形型を製造する工程と、を含むことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の成形型の製造方法。

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