JP2020049716A - 複合シート材料の製造方法および製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、離型シート材や搬送用ベルトなどの副資材を使用せず、繊維材料に樹脂材料を付着、半含浸または含浸させた長尺のシート状となった複合シート材料を得る製造方法及び製造装置を提供する。【解決手段】成形領域において間隔を空けて配置された複数の加熱領域の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定し、前記成形領域を繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料に接近又は接触もしくは接触後加圧させた後、前記加熱領域を前記被成形材料に加圧させ、前記樹脂材料を溶融させて前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させ、その後、前記加熱領域を前記被成形材料から離間させる複合シート材料の製造方法及び製造装置。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素繊維、ガラス繊維などの繊維材料にエポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂などの樹脂材料を含浸または溶着させシート状となった複合シート材料を得る製造方法及び製造装置に関する。

従来から、熱硬化性樹脂、又は熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とする繊維強化複合材料は、金属材料に比べて軽量で比強度、比剛性に優れ、樹脂材料のみに比べて高弾性かつ高強度である。このため、航空・宇宙分野、自動車分野、土木・建築分野、運動器具分野等の幅広い分野で注目されている材料である。

繊維強化複合材料の成形品は、炭素繊維、ガラス繊維などの強化繊維からなる繊維材料にマトリックスとなる樹脂材料を溶着させたシート状の複合シート材料を種々の方向に積層させた積層物に形成して、前記積層物を加熱加圧成形などの方法により繊維材料にマトリックスとなる樹脂材料を含浸させた所要形状の積層成形体として製造するものが多い。

複合シート材料は、繊維材料の補強方向、繊維材料の状態そしてマトリックスとなる樹脂材料の繊維材料内の空隙への浸透の程度を示す含浸状態などから大別される。繊維材料の補強方向から見た場合、一方向強化シート材料、織物強化シート材料そして多軸強化シート材料などに大別される。また、繊維材料の状態からは、連続繊維形態によるもの、短繊維形態によるものなどに大別される。そして、樹脂材料の繊維材料への含浸状態からは、樹脂材料が繊維材料内の空隙にほとんど浸透していない未含浸、樹脂材料が繊維材料内の空隙に一部浸透する半含浸、樹脂材料が繊維材料内の空隙を充填するように浸透する含浸などに大別される。

繊維材料にマトリックスとなる樹脂材料を付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を製造するときほとんどの場合、加熱加圧を行う。このとき、加熱加圧を行う部分に樹脂材料が付着し、連続加工ができなくなることを防止するため、繊維材料及び樹脂材料の被成形材料と加熱加圧を行う部材の間には離型シート材を設ける。しかし、前記離型シート材などのような副資材は高価であり、また、離型シート材の有限長さから、複合シート材料の得られる長さは離型シート材の長さに影響され、長尺の複合シート材料を得ることが難しいといった課題がある。

こうした課題に対処するために、特許文献１では、離型シート材の代わりに２本の搬送用ベルトが対となって、加熱加圧ロール、次いで冷却ロールの間を走行する機構となっている装置によって、２本の搬送用ベルト間に繊維材料及び樹脂材料の被成形材料を挟み、繊維材料中に樹脂材料を含浸または半含浸させながら、連続して複合シート材料を製造する方法が記載されている。前記装置では、離型シート材に代わりに搬送用ベルトを用いているため、製造される複合シート材料の長さに制限はなく、長尺の複合シート材料を製造することが可能となった。

特開２０１７―３１３４２号公報

特許文献１では、離型シート材の代わりに搬送用ベルトを用いるが、装置構成として、搬送用ベルトの内側に加熱加圧ロール及び冷却ロールを挿入し設置しなければならない。搬送用ベルトの内側にロールを挿入し設置するには、全てのロールを一度取り外すなどの工程が必要となり、時間を要する作業となっている。

また、搬送用ベルトから複合シート材料が離れて次工程に進まなければならないため、搬送用ベルトと複合シート材料が接触する部分には離型処理を施す必要がある。加熱温度が３００度程度までは、フッ素系の離型処理が施された搬送用ベルトが市場には流通しているが、加熱温度が３００度以上、特に４００度前後になると、その温度に適した離型処理を施された搬送用ベルトが流通しておらず得ることが難しいといった課題がある。

そこで、本発明は、離型シート材や搬送用ベルトなどの副資材を使用せず、繊維材料に樹脂材料を付着、半含浸または含浸させた長尺のシート状となった複合シート材料を得る製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。

本発明に係る複合シート材料の製造方法は、繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を成形する複合シート材料の製造方法において、成形領域において間隔を空けて配置された複数の加熱領域の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定し、前記冷却状態で前記加熱領域において前記被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を溶融させ、前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させる。さらに、前記被成形材料に対して前記成形領域を相対移動させ、前記被成形材料の相対移動に合わせて前記加熱領域で順次加熱加圧して前記被成形材料を成形処理する。さらに、前記加熱領域の周囲を前記冷却状態に設定する冷却処理部を前記被成形材料に接近又は接触もしくは接触後加圧させて冷却し、前記加熱領域を加熱加圧する加熱処理部を前記被成形材料に接触もしくは接触後加圧させて前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させ、前記加熱処理部を前記被成形材料から離間させた後前記冷却処理部を前記被成形材料から離間させる。さらに、前記成形領域を複数配置する。さらに、複数配置された前記成形領域のそれぞれの前記加熱領域において加圧力を調整して加熱加圧する。

本発明に係る複合シート材料の製造装置は、繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を溶融させる加熱処理部を備え、溶融した前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を成形する複合シート材料の製造装置において、前記加熱処理部は、所定の間隔を空けて配置された複数の加熱体を備えており、前記加熱体の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定する冷却処理部と、前記加熱処理部及び前記冷却処理部を前記被成形材料の表面に対して接近又は離間する方向に移動させる動作処理部とを備えている。さらに、前記動作処理部は、前記冷却処理部を前記被成形材料の表面に接近又は接触もしくは接触後加圧させて表面を冷却状態に設定するとともに冷却状態に設定された前記被成形材料の表面に前記加熱処理部を接触させて加熱加圧するように設定する。さらに、前記被成形材料に対して少なくとも前記加熱処理部及び前記冷却処理部を相対移動させる移動部を備えている。さらに、前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が丸形状に形成されており、前記加熱面の面積が１０００ｍｍ^２以下である。さらに、前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が角形状に形成されており、前記加熱面の面積が１０００ｍｍ^２以下である。さらに、前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が細長形状に形成されており、前記加熱面の長辺長さが短辺長さの２倍以上で、かつ短辺長さが３０ｍｍ以下である。

本発明は、上記の構成を備えているので、離型シート材や搬送用ベルトなどの副資材を使用せず、繊維材料に樹脂材料を付着、半含浸または含浸させた長尺のシート状となった複合シート材料を得ることが可能となる。

本発明に係る複合シート材料の製造装置に関する概略側面図である。 本発明に係る複合シート材料の製造装置による複合シート材料の製造に関する説明図である。 本発明に係る加熱体と冷却処理部に関する説明図である。 本発明に係る複数の加熱体と冷却処理部に関する説明図である。 本発明に係る別の複合シート材料の製造装置による複合シート材料の製造に関する説明図である。 本発明に係る別の複合シート材料の製造装置による複合シート材料の製造に関する説明図である。 本発明の実施例に係る複数の加熱体と冷却処理部の構成に関する説明図である。

以下、本発明に係る実施形態について詳しく説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、本発明に係る複合シート材料の製造装置に関する概略側面図である。本発明の複合シート材料の製造装置１は少なくとも加熱処理部２、冷却処理部３、動作処理部４から構成される。

図１の複合シート材料の製造装置１において、加熱処理部２は複数の加熱体２１から構成されている。加熱体２１は棒状のものであり、その断面形状は丸状、四角状などである。図１では、断面形状が丸状を採用している。そして、それぞれの加熱体２１には、図示されていないが、ヒータと温度センサーがセットされ、ある定まった温度になるように制御されている。加熱温度の制御は、加熱体それぞれにヒータとセンサーを組み込み制御しても良いし、ある加熱体のみにセンサーを組み込み複数本を一括して制御してもよい。個々の制御方法は、精度の良い加熱が行えるが、装置コストが高くなる。一括の制御方法は、加熱温度にバラツキを生じる可能性があるが、装置コストが抑えられる。加熱温度は、樹脂材料が溶融する温度、または、加熱加圧したときに樹脂の粘度が下がり、樹脂材料が繊維材料に付着、半含浸または含浸できる状態になる温度に設定されていれば良い。加熱温度の目安としては樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）もしくは融点（Ｔｍ）の上下温度になる。

冷却処理部３は、一つの冷却体３１から構成されている。板状の冷却体３１に、加熱体２１が通過できる通し穴を開けている。そして、冷却体３１を冷却する方法として冷却用パイプ３２を貫通させ、冷却エアー、または冷却水、または冷却オイルなどが循環できるようになっている。冷却温度は、樹脂材料が溶融しない温度、または、加熱加圧したときに冷却体３１に樹脂材料が付着しない状態になる温度に設定されていれば良い。冷却温度としては樹脂のガラス転移温度（Ｔｇ）以下になるのが好ましい。冷却温度は循環するエアー、水、オイルの温度をセンサーなどで測定し、設定された温度に制御するようにすれば良い。なお、図１では一つの冷却体３１によって、それぞれの加熱領域（加熱体２１）の周囲が冷却状体に設定できるようにしているが、一つの加熱体２１に一つの冷却体３１を配置して制御することも可能である。

動作処理部４は、加熱処理部２と冷却処理部３を昇
降させる機構である。加熱処理部２と冷却処理部３を昇降させるための加圧用シリンダー４１、加圧用シリンダーの動作を正確に伝える加圧用ロッド４２、加圧用シリンダー４１を固定する固定板４３、加熱処理部２と冷却処理部３の昇降する動作をスムースに精度良く行うためのガイド棒４４、加熱処理部２と冷却処理部３を固定し、加圧用シリンダー４１の動きを伝達する加圧板４５、加圧板４５の動きをそれぞれの加熱体２１及び冷却体３１に伝達するバネ４６、そして、加熱処理部２及び冷却処理部３の加圧による移動量がある定まった量以上にならないようにする止め具４７、４８などから構成されている。

図２は、図１で示した複合シート材料の製造装置１を用いて、繊維材料Ｔと樹脂材料Ｒから複合シート材料Ｓを製造する説明図である。

図２では、繊維材料Ｔの両表面に樹脂材料Ｒを配置し、その状態で一対の案内用ローラ６１の間を通しながら重ね合わせて被成形材料Ｍとし、前記被成形材料Ｍを連続して搬送用ベルト６３上に供給する。当該ベルト６３は片方の案内用ローラ６１と駆動用ローラ６２によって張力が負荷され張った状態にある。そして、駆動用ローラ６２が図示されない駆動機構によってある速度で回転することで当該ベルト６３が駆動する機構となっている。なお、ベルトの材質は、金属でも樹脂でも構わない。また、ベルトの状態は、シート状、網状のどちらでも良い。

図２（ａ）に示すように、前記被成形材料Ｍの上面に複合シート材料の製造装置１が配置される。つまり、搬送用ベルト６３と複合シート材料の製造装置１の間に被成形材料Ｍが配置される構成となっている。そして、図２（ａ）に示す状態から、固定板４３に固定された加圧用シリンダー４１が動作し、加圧用ロッド４２を下降させる、つまり、加熱処理部２及び冷却処理部３を被成形材料Ｍに加圧させる方向に動作する。加圧用ロッド４２の下降により、加圧板４５が下降する。このとき、加圧板４５には固定板４３に固定されたガイド棒４４が通されているため加圧板４５はスムースにかつ正確に下降する。そして、加圧板４５が複数の加熱体２１および一つの冷却体３１に連結するバネ４６を加圧することで、加熱体２１と冷却体３１を下降させる。

図２（ｂ）に示す状態は、加圧用シリンダー４１が動作し、加圧用ロッド４２を下降させることで、加圧板４５が加熱体２１と冷却体３１を下降させるが、冷却体３１と連結するガイド棒４４の上部に取り付けられた止め具４７が固定板４３と接することで、それ以上冷却体３１は下降しないようになっている。止め具の位置により、冷却体と被成形材料の間隔が決まる。

図２（ｃ）に示す状態は、加圧用シリンダー４１が動作し、加圧用ロッド４２を下降させることで、加圧板４５がさらに下降し、バネ４６を通して加熱体２１を下降させ、加熱体２１のみが被成形材料Ｍに接圧するようになっている。このとき、冷却体３１がこれ以上下降しないのは、冷却体用の止め具４７が固定板４３と接しているからである。また、図では、複数の加熱体２１が配置されており、かつ各加熱体２１にはバネ４６が配置されている。このようにすることで、加圧板４５からの加圧力を各加熱体２１はバネ４６を通して受けるが、被成形材料Ｍを加圧するとき、被成形材料Ｍに厚さの差があった場合においても、各加熱体２１はバネ４６の作用により，加熱体の１本１本が被成形材料Ｍを加圧することが可能となっている。

加熱体２１が被成形材料Ｍに接触または加圧することで、被成形材料Ｍを構成する樹脂材料Ｒが軟化もしくは溶融して繊維材料Ｔに付着、半含浸または含浸し、被成形材料Ｍが複合シート材料Ｓに成形される。

ここでは、付着とは、樹脂材料が繊維材料の表面に位置する繊維に引っ付いた状態であって、樹脂材料が繊維材料の内部にほとんど浸透していない状態のことを意味する。また、半含浸とは、樹脂材料が繊維材料の内部に一部浸透した状態であり、含浸とは、樹脂材料が繊維材料の内部に完全に浸透した状態のことを意味する。

加熱体２１が被成形材料Ｍに接触または加圧する時間、加圧する力、加熱体の温度などを制御することで付着、半含浸または含浸を制御することができる。例えば、加熱体の温度が樹脂の溶融温度よりも高く、被成形材料を加圧する力が大きく、そして加圧時間が十分に長ければ、樹脂材料が溶融して繊維材料の内部に完全に浸透することが可能となる。また、加熱体の温度を樹脂が溶融するかしない程度に設定し、被成形材料を短時間で加圧すると、樹脂材料が繊維材料の表面に付着することが可能となる。

そして、図示しないが、加圧用シリンダー４１の動作により加圧用ロッド４２を上昇させ、加圧板４５を上昇させる。つまり、加熱処理部及び冷却処理部を複合シート材料から離間させる方向に動作する。加圧板４５は、加熱体２１及び冷却体３１にそれぞれ連結する止め具４８まで上昇し、さらに上昇すると、止め具４８はガイド棒４４に固定されているため、加熱体２１及び冷却体３１を上昇、つまり複合シート材料からさらに離間する方向に動作する。そして、図２（ａ）の状態になる。

本発明の図２では、被成形材料Ｍの移動に応じて複合シート材料の製造装置１を移動させる移動部５を有している。移動部５は、複合シート材料の製造装置１を移動させる移動用シリンダー５１、移動用シリンダーの動作を正確に伝える移動用ロッド５２、加熱処理部２と冷却処理部３、動作処理部４が被成形材料Ｍの片面を移動できるための移動用レール５３とスムースな移動を可能とする移動用ローラ５４、移動用ロッド５２の動作を加熱処理部２、冷却処理部３そして動作処理部４に正確に伝える連結ロッド５５から構成されている。

移動部５の動作としては、例えば、被成形材料Ｍが連続して移動しているとき、加熱処理部２、冷却処理部３そして動作処理部４を被成形材料Ｍと同速に、同方向に移動するよう稼働し、加熱処理部２の加熱体２１が複合シート材料Ｓから離間した瞬間に、加熱処理部２、冷却処理部３そして動作処理部４を所定の元の位置に移動させる。そして、その場所から、加熱処理部２、冷却処理部３そして動作処理部４を被成形材料Ｍと同速に、同方向に移動させる。この移動中に動作処理部４の稼働により、加熱処理部２、冷却処理部３を被成形材料Ｍに接近するよう下降させ、さらに、加熱体２１を被成形材料Ｍに接圧させる動作を行う。

なお、図２では、搬送用ベルトと複合シート材料の製造装置の間に被成形材料Ｍを配置し、前記被成形材料Ｍの片側から加熱加圧を行い、複合シート材料Ｓの製造を行っているが、被成形材料Ｍの両表面に複合シート材料の製造装置を配置し、前記被成形材料Ｍの両表面から加熱加圧を行い、複合シート材料Ｓを製造しても良い。

図２では、被成形材料Ｍとして、繊維材料Ｔの表面に樹脂材料Ｒを配置している。繊維材料Ｔとは、炭素繊維束、ガラス繊維束、アラミド繊維束などの強化繊維束を複数本並べて一方向に引き揃えたシート状のもの、前記強化繊維束を製織、製編した布状のもの、または前記強化繊維束を短繊維にして絡めた不織布状のものなどである。なお、これらの材料を単一、または組み合わせて繊維材料Ｔとして構成し使用しても良い。

樹脂材料Ｒとしては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂、またはポリアミド（ＰＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルサルフォン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）などの熱可塑性樹脂などである。そして、その形態は、フィルム、不織布などがある。

被成形材料Ｍとしては、繊維と樹脂が既に一体化、つまり、繊維束中に樹脂が含浸または半含浸状態にあるシート状のものを複数枚、同方向または異方向に重ねた状態のものであっても良いし、繊維束中に樹脂が含浸または半含浸したプリプレグシートを短冊形状に切断し、前記短冊形状をシート状にばらまいた擬似等方の積層材であっても良い。

図３は図１で説明した複合シート材料の製造装置の加熱処理部と冷却処理部の関係についてである。図３では、加熱体２１の被成形材料Ｍに接触する部分からみた図である。加熱体２１の周りには冷却体３１が配置されている。

加熱体２１により加熱領域が設定され、その周囲を冷却体３１により冷却状態に設定されている。図３（ａ）では加熱体２１の被成形材料に接する加熱面が丸形状、図３（ｂ）では加熱体２１の被成形材料に接する加熱面が四角形状、そして、図３（ｃ）では加熱体２１の被成形材料に接する加熱面が細長形状である。図３（ａ）、（ｂ）のように加熱体の周囲を取り囲むように冷却状態が設定されても良いし、図３（Ｃ）のように、細長形状の加熱体の長辺に沿って冷却状態が設定されても良い。

加熱体の加熱面が被成形材料Ｍに接触し加圧することで樹脂材料Ｒが溶融し繊維材料Ｔに付着、半含浸または含浸し、その後、加熱体が被成形材料Ｍから離間するが、このとき、加熱体の加熱面の周囲に冷却状態を設定することで、溶融した樹脂、または繊維が加熱体の加熱面に付着することが防止される。そして、加熱体の加熱面の面積が広くなってしまうと樹脂が溶融するまたは軟化する面積が広くなり、加熱体の加熱面に樹脂や繊維が付着し易くなってしまう。

発明者等が検討した結果、加熱体の加熱面が丸形状の場合、面積で約８００ｍｍ^２以下、直径では約３０ｍｍ以下のとき、さらには直径約３ｍｍ〜１５ｍｍの範囲にあることが好ましい。直径３ｍｍ以下であれば樹脂への加熱加圧の面積が狭く、樹脂材料Ｒの繊維材料Ｔへの付着、半含浸または含浸が不十分となる。直径１５ｍｍ以下であれば、加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。

加熱体の加熱面が四角形状の場合、面積で約９００ｍｍ^２以下、たて×よこの長さでは約３０ｍｍ以下×３０ｍｍ以下で、さらには一辺の長さが約３ｍｍ〜１５ｍｍの範囲であることが好ましい。一辺の長さが３ｍｍ以下であれば樹脂の付着、半含浸または含浸の面積が狭く、樹脂材料Ｒの繊維材料Ｔへの付着、半含浸または含浸が不十分となる。一辺の長さが１５ｍｍ以下であれば、加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。

加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。加熱体が細長形状の場合、当該形状の長辺長さが短辺長さの２倍以上あって、かつ短辺長さが３０ｍｍ以下、さらには長さが約３ｍｍ〜１５ｍｍの範囲であることが好ましい。短辺長さが３ｍｍ以下であれば樹脂の付着、半含浸または含浸面積が狭く、樹脂材料Ｒの繊維材料Ｔへの付着、半含浸または含浸が不十分となる。短辺長さが１５ｍｍ以下であれば、加熱体の加熱面への樹脂や繊維付着をより確実に防止できる。

加熱体２１と冷却体３１の隙間は、加熱体２１と冷却体３１の隙間が広いほど、被成形材料Ｍの樹脂材料Ｒが加熱体からの熱を受け溶融し加熱体２１の加熱面の面積より広く溶融状態となってしまう。樹脂の溶融面積が広くなることで加熱体２１の加熱面に溶融樹脂が付着し易くなってしまう。しかし、加熱体２１と冷却体３１の隙間が狭くなりすぎると、冷却体３１に影響され、加熱体２１の設定温度を維持し難くなってしまう。また、加熱体２１の上昇下降などの移動が冷却体３１に接触し、加熱体２１のスムースで正確な移動が阻害される可能性がある。よって、発明者等が検討した結果、加熱体２１と冷却体３１の隙間は、０．１ｍｍ〜１０ｍｍの範囲、さらには０．５ｍｍ〜２ｍｍの範囲に設定されているのが好ましい。

なお、図３（ａ）、（ｂ）では、加熱体２１の周囲には途切れることなく冷却状態が構成されているが、加熱体により設定される周囲を途切れながら、冷却状態を構成していても良い。

図４は、図１で説明した複合シート材料の製造装置の加熱処理部と冷却処理部の関係についてである。一つの冷却体３１に複数の通し穴を設け、その通し穴に加熱体２１を配置
したものである。図４では加熱体２１として、その断面形状が四角形のものを用いている。

図４のようにすることで、各加熱体２１により得られる加熱領域の周囲には、冷却体が構成される。そして、冷却体３１を冷却するために、冷却体３１には冷却用パイプ３２が通されており、片方から、冷却水または冷却オイルを流し、もう一方のパイプから前記冷却水または冷却オイルを排出し、冷却水の循環を行うことで一定の温度になるよう制御している。

複数の加熱体２１は縦方向、横方向に一定の間隔で配置されているが、千鳥状に配置されても良い。また、図４では、加熱体の加熱面は四角形状であったが、丸形状や細長形状であって、複数配置されていても良い。図４では、一つの冷却体を用いているが、各加熱体に一つの冷却体を設け、その組み合わせを複数配置させても良い。

図５は図１および図２で説明した複合シート材料の製造装置１とは別の構成の装置である。図１および図２では、加熱体２１の先端部分が冷却体３１の底面つまり被成形材料Ｍと対面する側の面から飛び出した位置になっているが、図５では、加熱体２１の先端部分が冷却体３１の中に位置している。

この状態から、固定板４３に固定された加圧用シリンダー４１を動作させ、加圧用ロッド４２を下降させる、つまり、加熱処理部２及び冷却処理部３を被成形材料Ｍに加圧させる方向に動作させる。加圧用ロッド４２の下降により、加圧板４５が下降し、加熱体２１および冷却体３１も下降する。このとき、ガイド棒４４に取り付けられる止め具４７の位置を固定板４３と十分な間隔をもって取り付けることで、冷却体３１は被成形材料Ｍに接するまで下降させることができ、さらには加圧用シリンダー４１の動作により、冷却体３１を被成形材料Ｍに押し付け、加圧することが可能となる。

冷却体３１が被成形材料Ｍに接触または加圧した状態で、さらに加圧用シリンダー４１の動作により加圧板４５を下降させると、バネ４６を通して加熱体２１はさらに下降し、被成形材料Ｍに接圧するようになる。加熱体２１が被成形材料Ｍに接触または加圧することで、被成形材料Ｍを構成する樹脂材料Ｒが軟化もしくは溶融して繊維材料Ｔに付着、半含浸または含浸し、被成形材料Ｍは複合シート材料Ｓに成形される。なお、このとき、冷却体３１を押し込むバネ４６はさらに縮み、被成形材料Ｍをしっかりと押さえ込むことができている。

そして、加圧用シリンダー４１を動作させ加圧用ロッド４２を上昇させ、加圧板４５を上昇させる、つまり、加熱処理部２および冷却処理部３を複合シート材料Ｓから離間させる方向に動作すると、加圧板４５は、加熱体２１および冷却体３１にそれぞれ連結する止め具４８まで上昇するが、このとき、冷却体３１を押し込むバネ４６の押し込み量と、加熱体２１を押し込むバネ４６の押し込み量に差があり、冷却体３１を押し込むバネ４６の方がより縮んでいるため、加熱体２１の方が冷却体３１より先に複合シート材料Ｓから離間する。冷却体３１を複合シート材料Ｓに接圧させた状態で、加熱体２１を複合シート材料Ｓから離間させることは、加熱体の加熱面に樹脂や繊維を付着させること、および繊維を蛇行させることをより防ぐことが可能となる

なお、図５では、冷却体３１が断熱板３３に取り付けられて冷却処理部３として構成されている。断熱板３３を設けることで、加熱体２１および冷却体３１それぞれが熱の影響を受け難くなり、それぞれが設定温度に対して制御し易くなる。

図６は図１、図２および図５で説明した複合シート材料の製造装置１とは別の構成の装置である。図１、図２および図５では加熱体２１は、図示されていないが、ヒータと温度センサーがセットされ、ある定まった温度になるように制御される機構となっていたが、図６の実施形態では複数の加熱体２１を加熱板２２に接触させて加熱する方法が採用されている。

複数の加熱体２１が配列され、それぞれが加熱板２２と冷却体３１を貫通するようにセットされている。加熱板２２と冷却体３１の間には断熱板３２が配置され加熱板２２と冷却体３１の間で熱移動がないようになっている。そして、加熱板２２と断熱板３２の間は冷却体３１と被成形材料Ｍとの間隔以上の隙間が設けられるようにセットされている。

そして、加熱体２１がバネ４６により加熱板２２に接触しており、加熱体２１は加熱板２２によって加熱されるようになっている。なお、加熱体２１の加熱板２２と接触する部分を大きくすることで、加熱体２１を安定的に短時間で加熱するようにしている。また、図示はされていないが、加熱体２１の先端に温度センサーを設け、加熱体２１が所定の温度になるよう、加熱板２２は中に組み込まれた棒ヒータ２３によって加熱されている。なお、加熱体２１に設けられる温度センサーは全ての加熱体２１に設置しても良いし、代表的な部分に位置する加熱体２１のみに設置しても良い。図６のように加熱板２２を設け複数の加熱体２１を加熱することにより、装置コストを低減することが可能となる。

この状態から、固定板４３に固定された加圧用シリンダー４１を動作させ、加圧用ロッド４２を下降させる、つまり、加熱処理部２および冷却処理部３を被成形材料Ｍに加圧させる方向に動作させると、まず、断熱板３２を押し込むバネ４６を通して冷却体３１が被成形材料Ｍに接し加圧する。そして、冷却体３１が被成形材料Ｍを加圧した状態で、加圧用シリンダー４１により加圧板４５を下降させると、加熱体２１を押し込むバネ４６を通して加熱体２１はさらに下降し、被成形材料Ｍに接圧するようになる。加熱体２１が被成形材料Ｍに接触または加圧することで、被成形材料Ｍを構成する樹脂材料Ｒが軟化もしくは溶融して繊維材料Ｔに付着、半含浸または含浸し、被成形材料Ｍは複合シート材料Ｓに成形される。

そして、加圧用シリンダー４１を動作させ加圧用ロッド４２を上昇させ、加圧板４５を上昇させる、つまり、加熱処理部２および冷却処理部３を複合シート材料Ｓから離間させる方向に動作すると、まず、加熱体２１が複合シート材料Ｓから離間し、次いで冷却体３１が複合シート材料Ｓから離間する。冷却体３１を複合シート材料Ｓに接圧させた状態で、加熱体２１を複合シート材料Ｓから離間させることは、加熱体の表面に樹脂や繊維を付着させること、および繊維を蛇行させることをより防ぐことが可能となる

〈製造装置〉 図５に示す製造装置により複合シート材料を製造した。図７に示すように、複合シート材料の製造装置の加熱体２１は冷却体３１に貫通しており、複合シート材料の走行方向に間隔３０ｍｍピッチで１０本、幅方向に間隔５０ｍｍピッチで６本、千鳥状に並べて配置されている。冷却体３１において、加熱体２１と加熱体２１の間には冷却用パイプが貫通し、冷却水が循環している。複数の加熱体２１のうち、ある加熱体２１の先端には熱電対がセットされ、複数の加熱体２１の温度制御がなされている。なお、加熱体２１の先端は円形状で、直径は５ｍｍとなっている。

〈使用材料および被成形材料〉 使用材料として、繊維材料に炭素繊維束（三菱ケミカル株式会社製；ＴＲ５０Ｓ−１５Ｋ−ＧＦ １５ ０００本／束 単糸直径７μｍ）を、樹脂材料に熱可塑性樹脂材料 ＰＡ６樹脂フィルム（三菱ケミカル株式会社製；ダイアミロン 厚さ２０μｍ）を用い、特開２０１６−０２７９５６の実施例１のセミプリプレグシート材の製造方法により、ＰＡ６樹脂フィルムの両表面に繊維目付け約４３ｇ／ｍ^２が半含浸した幅１８０ｍｍのセミプリプレグシートを製造し、前記セミプリプレグシートを厚さ方向に５枚、連続して重ねたシートを被成形材料とした。

〈製造条件〉 複合シート材料の製造装置の加熱体２１の先端を３００度になるように温度制御した。被成形材料は搬送ベルトにより３ｍ／ｍｉｎの速度で走行させた。複合シート材料の製造装置は、加熱処理部と冷却処理部が下降し、被成形材料に接触・接圧している間は被成形材料と同速で移動し、その後、加熱処理部と冷却処理部を上昇させ初期位置に戻すという動作を繰り返すように設定した。繰り返しは６秒で１サイクルとした。なお、加熱処理部が被成形材料に接触・接圧する時間は２秒とした。また、加熱体２１が被成形材料を加圧する力は約２０Ｎになるようにバネを選定した。

〈複合シート材料の製造状態〉 本製造を実施したところ、複合シート材料の製造装置の加熱体が被成形材料に接圧し、離間する繰り返し動作がスムースに実施されることを確認できた。また、製造中、加熱体に炭素繊維や樹脂が付着するトラブルはなく、連続した複合シート材料を製造するとことを確認した。また、製造された複合シート材料の状態を確認した結果、5枚重ねたセミプリプレグシートは加熱体によって接圧された部分において、炭素繊維束中に樹脂が含浸した状態になっており、シートとして一体化した状態となっていることが確認できた。

１ 複合シート材料の製造装置２ 加熱処理部２１ 加熱体２２ 加熱板２３ 棒ヒーター３ 冷却処理部３１ 冷却体３２ 冷却用パイプ３３ 断熱板４ 動作処理部４１ 加圧用シリンダー４２ 加圧用ロッド４３ 固定板４４ ガイド棒４５ 加圧板４６ バネ４７、４８ 止め具５ 移動部５１ 移動用シリンダー５２ 移動用ロッド５３ 移動用レール５４ 移動用ローラ５５ 連結ロッド６ シート搬送部６１ 案内用ローラ６２ 駆動用ローラ６３ 搬送用ベルトＴ 繊維材料Ｒ 樹脂材料Ｍ 被成形材料Ｓ 複合シート材料

Claims (11)

1. 繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を成形する複合シート材料の製造方法において、成形領域において間隔を空けて配置された複数の加熱領域の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定し、前記冷却状態で前記加熱領域において前記被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を溶融させ、前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させる複合シート材料の製造方法。
2. 前記被成形材料に対して前記成形領域を相対移動させ、前記被成形材料の相対移動に合わせて前記加熱領域で順次加熱加圧して前記被成形材料を成形処理する請求項１に記載の複合シート材料の製造方法。
3. 前記加熱領域の周囲を前記冷却状態に設定する冷却処理部を前記被成形材料に接近又は接触もしくは接触後加圧させて冷却し、前記加熱領域を加熱加圧する加熱処理部を前記被成形材料に接触もしくは接触後加圧させて前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させ、前記加熱処理部を前記被成形材料から離間させた後前記冷却処理部を前記被成形材料から離間させる請求項１又は２に記載の複合材料の製造方法。
4. 前記成形領域を複数配置する請求項１から３のいずれかに記載の複合シート材料の製造方法。
5. 複数配置された前記成形領域のそれぞれの前記加熱領域において加圧力を調整して加熱加圧する請求項４に記載の複合シート材料の製造方法。
6. 繊維材料と樹脂材料から成る被成形材料を加熱加圧して前記樹脂材料を溶融させる加熱処理部を備え、溶融した前記樹脂材料を前記繊維材料に付着、半含浸または含浸させて複合シート材料を成形する複合シート材料の製造装置において、前記加熱処理部は、所定の間隔を空けて配置された複数の加熱体を備えており、前記加熱体の周囲を前記樹脂材料の溶融温度より低温となる冷却状態に設定する冷却処理部と、前記加熱処理部及び前記冷却処理部を前記被成形材料の表面に対して接近又は離間する方向に移動させる動作処理部とを備えている複合シート材料の製造装置。
7. 前記動作処理部は、前記冷却処理部を前記被成形材料の表面に接近又は接触もしくは接触後加圧させて表面を冷却状態に設定するとともに冷却状態に設定された前記被成形材料の表面に前記加熱処理部を接触させて加熱加圧するように設定する請求項６に記載の複合シート材料の製造
   装置。
8. 前記被成形材料に対して少なくとも前記加熱処理部及び前記冷却処理部を相対移動させる移動部を備えている請求項６又は７に記載の複合シート材料の製造装置。
9. 前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が丸形状に形成されており、前記加熱面の面積が８００ｍｍ^２以下である請求項６から８のいずれかに記載の複合シート材料の製造装置。
10. 前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が角形状に形成されており、前記加熱面の面積が９００ｍｍ^２以下である請求項６から８のいずれかに記載の複合シート材料の製造装置。
11. 前記加熱体は、前記被成形材料に接する加熱面が細長形状に形成されており、前記加熱面の長辺長さが短辺長さの２倍以上で、かつ短辺長さが３０ｍｍ以下である請求項６から８のいずれかに記載の複合シート材料の製造装置。