JP2021142643A - 溶着方法及び溶着装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複合材料の溶着におけるヒータと複合材料との間の絶縁性を担保する絶縁性の部材の提供。【解決手段】導電性の複合材料Ｗを溶着する方法であって、ヒータ５と、複合材料との間に、複数枚のシート６ｂ、６ｃ、６ｄからなる絶縁性の部材を配置するステップと、絶縁性の部材を介在させて、ヒータと、溶着対象とを押圧するステップとを備える。【選択図】図１

Description

本開示は、溶着方法及び溶着装置に関するものである。

繊維複合材料を所望の形状とする際には、複数のプリプレグ片を積層し、溶着することがある。例えば、特許文献１には、熱可塑性樹脂を炭素繊維に含侵させたプリプレグ片を複数積層し、押圧しつつ加熱することにより各層を溶着させ、板状体を形成する繊維強化樹脂構造物の製造方法が開示されている。

再公表ＷＯ２０１７／０６８８１２号公報

シート状の繊維複合材料の積層体の加熱に、通電される加熱面が露出した電熱ヒータ(例えば、急速な昇温が可能なインパルスヒータ)を用いることが考えられる。他方、シート状の繊維複合材料の中には、電気的に導電性材料となるものがある。例えば、含む炭素繊維強化プラスチック(CFRP)は内部に炭素繊維を含んでいる。このような炭素繊維強化プラスチックは、当該炭素繊維の導電性のため、電気的には導電性材料となりうる。このため、複合材料に押圧された状態で発熱するヒータと、導電性の複合材料との絶縁性の確保が重要になる。

電熱ヒータと、導電性の複合材料との絶縁性を確保する方法として、電熱ヒータと、導電性の複合材料との間に絶縁性の薄膜シートを介在させることが考えられる。
しかしながら、本開示の発明者が試行を行った結果、繊維複合材料の表面から突出した繊維が、シートを傷つけ、損耗させる可能性があることが判明した。
本開示は、上述の課題に鑑みてなされたもので、導通を抑制する溶着方法及び、絶縁性の材料を用いた溶着装置を提供することを目的とする。

本開示は、上記課題を解決するために、溶着方法に係る第１の手段として、導電性の複合材料を溶着する方法であって、ヒータと、前記複合材料との間に、複数枚のシートからなる絶縁性の部材を配置するステップと、前記絶縁性の部材を介在させて、前記ヒータと、前記複合材料とを押圧するステップとを備える、という構成を採用する。

溶着方法に係る第２の手段として、上記第１の手段において、前記絶縁性の部材は、押圧していない状態で、相互にスライド可能とされる１対の対向したシートを備える、という構成を採用する。

溶着方法に係る第３の手段として、上記第２の手段において、前記絶縁性の部材は、押圧していない状態で前記１対のシートが相互にスライドしない固定領域を備える、という構成を採用する。

溶着方法に係る第４の手段として、上記第１の手段において、前記絶縁性の部材は、絶縁性の第１のシートと前記複合材料に当接する第２のシートとを備え、前記第２のシートは、前記第１のシートより離形性が高い、という構成を採用する。

溶着方法に係る第５の手段として、上記第４の手段において、前記第１のシートは、前記第２のシートよりも耐熱性が高い、という構成を採用する。

溶着方法に係る第６の手段として、上記第４または第５の手段において、前記絶縁性の部材は、前記第１のシートと前記第２のシートとの間に介在し、前記第２のシートよりも強度の高い第３のシートを備える、という構成を採用する。

溶着方法に係る第７の手段として、上記第６の手段において、前記第３のシートは、前記複合材料より強度が高い、という構成を採用する。

溶着装置に係る第１の手段として、導電性の複合材料を溶着する溶着装置であって、ヒータと、前記ヒータと前記複合材料とを相互に押圧させる押圧機構と、前記溶着対象と対向する面に取り付けられた、複数枚のシートからなる絶縁性の部材とを備える、という構成を採用する。

溶着装置に係る第１の手段として、上記第１の手段において、前記絶縁性の部材は、一端が前記ヒータに取り付けられ、前記一端と対向する他端が自由端となっている、という構成を採用する。

また、本開示では、溶着方法に係る手段として、導電性の強化材料を含む複合材料を溶着する溶着方法であって、 前記複合材料の加熱源としてヒータを用い、前記ヒータと複合材料との間に絶縁性を有する第１のシートを配置し、前記第１のシートと前記複合材料との間に、前記第１のシートよりも離形性に優れた第２のシートを配置し、前記第１のシート及び前記第２のシートを挟んだ状態で前記ヒータを前記複合材料に押圧させて前記複合材料を溶着させる、という構成を採用する。

本開示によれば、電熱ヒータと溶着対象との間の絶縁性を担保する構造の強度を向上させることが可能である。

本開示の第１実施形態に係る溶着装置の構成を示す模式図である。 本開示の第１実施形態に係る溶着装置におけるシートの配置を示す部分拡大図である。 本開示の第２実施形態に係る溶着装置の構成を示す模式図である。 本開示の第２実施形態に係る溶着装置の模式的な側面図である。

以下、図面を参照して、本開示の一実施形態に係る溶着装置及び溶着方法について説明する。

［第１実施形態］
本開示の第１の態様に係る溶着装置１は、ワークＷを加熱溶着させるインパルス式の装置である。この溶着装置１は、図１に示すように、制御装置２と、ヒータコントローラ３と、押付機構４と、ヒータ５と、４枚のシート６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと、受け台７とを備えている。

なお、ワークＷは、シート状の複合材料の積層体である。また、複合材料は、例えば熱可塑性樹脂をマトリックスとし、炭素繊維を強化材料とするシート状のプリプレグ片である。さらに、上記炭素繊維は、周知のように電気的には導電性材料である。すなわち、本実施形態におけるワークＷは、導電性材料を材料の一部として含む積層体である。

このようなワークＷは、シート状のプリプレグ片を所定枚数積層した積層体であり、最終製品の製造過程で製造される中間製造物である。すなわち、このようなワークＷ（積層体）を加熱溶着させる溶着装置１は、製造設備の１つである。

制御装置２は、予めプログラムされた処理フローに基づいて押付機構４及びヒータコントローラ３の制御を行う所謂ＰＬＣ（Programmable Logic Controller）である。この制御装置２は、ヒータコントローラ３にヒータ５の制御情報を出力すると共に、押付機構４の制御情報を出力する。

ヒータコントローラ３は、後述するヒータ５の電極端子５ｂと接続されている。ヒータコントローラ３は、制御装置２から入力される制御情報に基づいて、ヒータ５に所定のパルス幅かつ所定レベルのインパルス状駆動電流を出力する。このインパルス状駆動電流におけるパルス幅及びレベルは、ヒータ５の発熱量を規定するものであり、制御装置２から入力される制御情報に基づいて適宜設定される。

押付機構４は、伸縮部４ａと、押付ブロック４ｂとを備えている。伸縮部４ａは、シリンダ構造とされ、不図示のモータによって伸縮可能な長尺部材である。また、このような押付機構４は、溶着装置１において複数個所（例えば、４カ所）に設けられている。なお、伸縮部４ａに設けられるモータは、制御装置２から入力される制御情報に基づいて制御される。

押付ブロック４ｂは、直方体状の金属部材である。この押付ブロック４ｂは、複数の伸縮部４ａの一端と固定されることにより、ワークＷが載置された受け台７に近づく方向または離れる方向へと移動される。また、押付ブロック４ｂは、ワークＷに面する押圧面が平滑とされ、ワークＷの面積よりも大きく形状設定されている。

ヒータ５は、リボンヒータであり、矩形シート状の発熱部５ａと、当該発熱部５ａを挟むように設けられた一対の電極端子５ｂとを備えている。発熱部５ａは、押付ブロック４ｂの押圧面にシート６ａを介して重ねて配置される。電極端子５ｂは、金属等の導電性材料から形成されており、ヒータコントローラ３にケーブルを介して接続されている。

このようなヒータ５は、一対の電極端子５ｂが押付ブロック４ｂに係合することにより、押付ブロック４ｂと一体化されている。また、このようなヒータ５は、ヒータコントローラ３から一対の電極端子５ｂ間にインパルス状駆動電流が給電されることにより、発熱部５ａが全体的にインパルス状に発熱する。なお、ヒータ５における発熱部５ａの矩形サイズは、ワークＷのサイズよりも大きく設定されている。

続いて、図１に加え、図２をも参照して４枚のシート６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄについて説明する。シート６ａは、耐熱性及び電気絶縁性のある矩形のシートであり、例えば、シリコンラバーシートを用いる。このようなシート６ａは、押付ブロック４ｂとヒータ５との間に設けられている。このシート６ａは、絶縁性を有すると共に、３００℃程度の熱に耐え得る耐熱性を有しており、ヒータ５による熱に耐えつつヒータ５と押付ブロック４ｂとを絶縁する。また、シリコンラバーシートのような弾性材料であれば、ヒータ５の形状に倣うよう変形する。

シート６ｂ、６ｃ、６ｄは、ワークＷとヒータ５との間に介在しており、本開示における絶縁性の部材６０に相当する部材である。このようなシート６ｂ、６ｃ、６ｄは、溶着時において、ワークＷとヒータ５とに押圧される部材である。シート６ｂはヒータと対面し、シート６ｄは溶着対象であるワークＷと対面する。シート６ｃは、シート６ｂとシート６ｄの間に位置する。

シート６ｂは、ヒータ５とワークＷとの間に設けられると共に絶縁性を有する第１のシートである。このシート６ｂは、例えばポリイミド製シートである。また、このシート６ｂは、その厚さがシート６ａと比較して薄く設定されている。さらに、このシート６ｂは、シート６ｄと比較して耐熱性及び絶縁性が高い特性を有している。

シート６ｃは、例えば銅製シートであり、熱伝導性が高く、かつシート６ｂ、６ｄ及びワークＷと比較して強度が高い特性を有している。なお、このシート６ｃは、銅製であるために導電性を有している。しかしながら、ヒータ５との間に介在するシート６ｂ（第１のシート）は絶縁性の材料となっている。

シート６ｄは、シート６ｃ（第３のシート）とワークＷとの間、つまりシート６ｂ（第１のシート）とワークＷとの間に設けられ、シート６ｂ（第１のシート）よりも離形性に優れた第２のシートである。このシート６ｄは、複合材シートであり、押圧時にワークＷと接触する。

このシート６ｄは、耐熱性及び強度を向上させるため、例えばガラス繊維にフッ素樹脂を含侵させた絶縁性の複合材シートである。また、シート６ｄは、ガラス繊維を機材としていることからシート６ｄの表面には微細な孔や繊維に起因する凹凸が形成されている。そのため、接触面積が小さくなり、離形性が高い。さらに、フッ素樹脂は高い離形性もつ物質である。そのため、ガラス繊維に含浸させることで、シート６ｄの離形性をさらに高めている。したがって、シート６ｄは、他のシート６ａ、６ｂ、６ｃと比較して離形性に優れている。

ここで、上述した３つのシート６ｂ、６ｃ、６ｄは、ヒータ５側からワークＷ側にシート６ｂ、シート６ｃ、シート６ｄの順に配置されている。また、シート６ｂとシート６ｄとは、ヒータ５と重ならない縁部において接着されることで袋状（筒状）とされている。そして、シート６ｂ及びシート６ｄにより形成された袋の内部にシート６ｃが配置される。

受け台７は、図１及び図２に示すようにワークＷが載置される。この受け台７における載置面（上面）は、平板状のワークＷを変形させないように水平面である。このような受け台７は、例えば弾性を有するゴム製の板部材である。

次に、本第１実施形態に係る溶着方法について説明する。この溶着方法は、上述した溶着装置１を用いてワークＷ（積層体）を融着するものである。

この溶着方法では、製造の前工程で製造されたワークＷ（積層体）を溶着装置１の受け台７上に載置する。このワークＷの載置は、例えば製造ラインに別途設けられた搬送装置によって行われる。なお、作業人による手作業によってワークＷを受け台７上に載置してもよい。

ワークＷが受け台７上に載置されると、溶着装置１は、図１に示すように、押付ブロック４ｂを受け台７側へと移動（下降）させ、押付ブロック４ｂにより、３枚のシート６ｂ、６ｃ、６ｄを介してヒータ５をワークＷに押し付ける。すなわち、溶着装置１は、制御装置２が押付機構４に制御情報を出力することによって押付ブロック４ｂを下降させ、以ってシート６ｂ、６ｃ、６ｄを挟んだ状態で押付ブロック４ｂによってワークＷを所定の押圧力で押圧させる。

そして、制御装置２は、上記押圧状態において、ヒータコントローラ３からヒータ５にインパルス状駆動電流を給電する。すなわち、制御装置２は、制御装置２がヒータコントローラ３に制御情報を出力することによって、ヒータコントローラ３がインパルス状駆動電流を生成する。そして、このインパルス状駆動電流は、ヒータコントローラ３からヒータ５に給電される。

この結果、ヒータ５は、インパルス状駆動電流のパルス幅及びレベルに応じた熱を発生させる。すなわち、ヒータ５に設けられた一対の電極端子５ｂを介して矩形シート状の発熱部５ａにインパルス状駆動電流が流れることによって、発熱部５ａが全体として所定温度まで発熱する。

そして、発熱部５ａが発する熱は、３枚のシート６ｂ、６ｃ、６ｄを介してワークＷに伝熱し、当該ワークＷを所定温度まで昇温させる。そして、この昇温によってワークＷを構成する熱可塑性樹脂が溶融することで、プリプレグ片が相互に融着する。すなわち、ワークＷを構成する各プリプレグ片は、各々の熱可塑性樹脂がヒータ５によって溶融温度まで加熱されることによって相互に融着する。

ここで、ヒータ５は、インパルス状駆動電流におけるパルス幅の期間だけ発熱するので、当該期間が経過すると発熱を停止する。すなわち、ワークＷの昇温は、パルス幅の期間だけに生じる。したがって、この期間が経過するとヒータ５からの加熱が終了するので、ワークＷは急激に温度低下する。すなわち、この温度低下によって各プリプレグ片の熱可塑性樹脂が急激に温度低下して再固化する。そして、この再固化によってワークＷは融着状態が機械的に安定したものとなる。

このようにしてワークＷの融着が完了すると、溶着装置１は、押付ブロック４ｂを上昇させてワークＷの押圧状態を解除する。すなわち、溶着装置１は、制御装置２が押付機構４に制御情報を出力することにより押付ブロック４ｂを上昇させ、以って押付ブロック４ｂ及びヒータ５をワークＷから離間させる。

本開示の１態様に係る溶着装置１及び溶着方法では、ヒータ５によるワークＷの加熱において、ヒータ５とワークＷとの間に絶縁性のシート６ｂ（第１のシート）が介在される。また，シート６ｂとワークＷとの間には、シート6ｃとシート６ｄとが介在される。

例えば、ワークＷ中の炭素繊維がシート６ｄを破損させた場合やシート６ｄが熱により破損した場合においても、ヒータ５とワークＷとの間にシート６ｂ（第１のシート）が設けられ、かつシート６ｂ（第１のシート）ワークＷとの間にシート６ｃ（第３のシート）が設けられることによって、絶縁性のシート６ｂにまで炭素繊維が達することを抑制できる。そのため，ヒータ５とワークＷとの導通を抑制できる。

［第２実施形態］
本開示の別の態様について説明する。なお、既に記載した態様と同一の構成については符号を同一とし、説明を省略する。

本態様に係る溶着装置１は、図３に示すように、シート６ｃとして、シート６ｂと同等のシートを用いている。つまり、先の態様の銅製のシート６ｃに代わり、先の態様におけるシート６ｂと同等のシートに置き換えた配置となっている。２枚のシート６ｂ、６ｃは、第１実施形態と同様にポリイミド製である。そして、シート６ｂ、６ｃとワークＷとの間には、シート６ｄが配置される。また、シート６ｂとシート６ｃは、後述のように相対的にスライド可能とされている。

この場合、シート６ｂ、６ｃは、それぞれがスライドされることにより、一カ所に荷重が集中することなく、破損しにくくなる。一例として、ワークＷに押圧されることで、中間に位置するシート６ｃに細かな孔が空いたとする。この場合、ワークＷを押圧することで、孔を介してワークＷに含まれる繊維が、ヒータ側に位置するシート６ｂにダメージを与えうる。しかし、本実施形態のシート６ｂ、６ｃは相対的にスライド可能となっている。そのため、次のワークＷの押圧では、先のワークＷでダメージを受けた部位と中間に位置するシート６ｃに形成された孔とが、スライドすることで重ならなくなり、破損しにくくなる。そのため、ヒータ５とワークＷとの導通を抑制できる。このように、本実施形態においては、シート６ｂ、６ｃを積層することにより、シート６ｂの１枚の厚さを厚くした場合よりも、シート６ｂが炭素繊維と接触することを抑制できる。なお、本態様においては、ヒータ５側に位置するシート６ｂが本開示における第１のシート、中間に位置するシート６ｃが本開示における第２のシートに相当する。

このようなシート６ｂ、６ｃ、６ｄは、それぞれ互いに固定され、さらに押付ブロック４ｂと接着された状態とされる。シート６ｂ、６ｃ、６ｄには、図４に破線で示すように、それぞれ、端部に接着部位Ａ、Ｂが設けられている。なお、接着部位Ａと接着部位Ｂとは、シート６ｂ、６ｄの積層方向から見て、互いに重ならない位置であって、ヒータ５と接触しない位置かつ、図３の左右方向に沿って設けられている。そして、ヒータ側に位置するシート６ｂとシート６ｄとは、一端に設けられた接着部位Ａにおいて接着されている。また、中間に位置するシート６ｃとシート６ｄとは、接着部位Ａと反対側である他端に設けられた接着部位Ｂにおいて接着されている。また、中間に配置されるシート６ｃは、一端側においてヒータ５側のシート６ｂと接着されていない。これにより、シート６ｂ、６ｃは、シート６ｄに対し互い違いに一方の端部が接着・固定されずに自由端とされている。そのため、押圧面あるいはワークＷの押しつけブロックと対向する面に対し、シート６ｂ、６ｃは相対的にスライド可能となっている。

また、本実施形態に係る溶着装置１及び溶着方法においては、シート６ｂ、６ｃ、６ｄは、それぞれ端部の接着部位Ａ、Ｂのいずれかにおいて接着され、他端が自由端とされている。これにより、シート６ｂ、６ｃ、６ｄに熱延びが生じた場合でも、シート６ｂ、６ｃ、６ｄは、自由端方向へと伸長可能であり、皺や折れ曲がりが生じにくい。

以上、図面を参照しながら本開示の実施形態について説明したが、本開示は上記実施形態に限定されるものではない。上述した実施形態において示した各構成部材の諸形状や組み合わせ等は一例であって、本開示の趣旨から逸脱しない範囲において設計要求等に基づき種々変更可能である。

また、上記各実施形態においては、シート６ｂをポリイミド製、シート６ｄをフッ素樹脂が含まれた複合材製としたが、本開示はこれに限定されない。例えば、シート６ｂは、耐熱性に優れた素材であれば、例えばシリコンとすることも可能である。また、シート６ｄについても、表面加工により離形性を確保した他の樹脂製としてもよい。

また、上記第１実施形態においては、シート６ｂ、６ｃ、６ｄは、互いに一端が接着された状態としたが、本開示はこれに限定されない。例えば、シート６ｂ、６ｃ、６ｄは、複数個所を点接着されるものとしてもよい。また、シート６ｂ、６ｃ、６ｄは、ヒータ５及びワークＷと接触しない端部において、スリーブケース状の固定部材等で固定されるものとしてもよい。

さらに、上記各実施形態においては、強化材料として採用した炭素繊維により導電性を有するワークＷを溶着対象物としたが、本開示はこれに限定されない。本開示は、炭素繊維以外の強化材料を採用する導電性の溶着対象物にも適用することが可能である。

また、上記実施形態においては、溶着装置１は、インパルス式の溶着装置としたが、本開示はこれに限定されず、通電される加熱面が露出した溶着装置、または伝熱ヒータであれば適用可能である。

また、シート６ｃは、銅以外の金属製シートとしてもよい。

１ 溶着装置
２ 制御装置
３ ヒータコントローラ
４ 押付機構
４ａ 伸縮部
４ｂ 押付ブロック
５ ヒータ
５ａ 発熱部
５ｂ 電極端子
６ａ シート
６ｂ シート
６ｃ シート
６ｄ シート
７ 受け台

Claims (9)

1. 導電性の複合材料を溶着する方法であって、
   ヒータと、前記複合材料との間に、複数枚のシートを含む、絶縁性の部材を配置するステップと、
   前記絶縁性の部材を介在させて、前記ヒータと、前記複合材料とを押圧するステップと
   を備える、溶着方法。
2. 前記複数枚のシートは、対向した１対のシートを備え、
   前記対向した一対のシートは、押圧していない状態で、相互にスライド可能な領域を備える、請求項１に記載の溶着方法。
3. 前記対向した１対のシートは、押圧していない状態で相互にスライドしない固定領域を備える、請求項２に記載の溶着方法。
4. 前記絶縁性の部材は、絶縁性の第１のシートと前記複合材料に当接する第２のシートとを備え、
   前記第２のシートは、前記第１のシートより離形性が高い、請求項１に記載の溶着方法。
5. 前記第１のシートは、前記第２のシートよりも耐熱性が高い、請求項４の溶着方法。
6. 前記絶縁性の部材は、前記第１のシートと前記第２のシートとの間に介在し、前記第２のシートよりも強度の高い第３のシートを備える、請求項４、５に記載の溶着方法。
7. 前記第３のシートは、前記複合材料より強度が高い、請求項６に記載の溶着方法。
8. 導電性の複合材料を溶着する溶着装置であって、
   ヒータと、
   前記ヒータと前記複合材料とを相互に押圧させる押圧機構と、
   前記溶着対象と対向する面に取り付けられた、複数枚のシートからなる絶縁性の部材と
   を備える、溶着装置。
9. 前記絶縁性の部材は、一端が前記ヒータに取り付けられ、前記一端と対向する他端が自由端となっている、請求項８に記載の溶着装置。

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