JP2023027855A - 複合材の加工装置及び複合材の加工方法 - Google Patents
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Abstract
Description
本開示の一態様に係る複合材の加工装置は、繊維と熱可塑性の樹脂とが複合している複合材の加工装置であって、前記複合材に含まれる前記樹脂の融点以上まで前記複合材を加熱する加熱装置と、前記複合材を押圧する金型と、前記金型の温度を調整する温度調整部と、を備え、前記温度調整部は、前記金型が前記複合材を押圧している間、前記金型の温度を前記複合材に含まれる前記樹脂が凝固する時間が所望の時間となる所定温度に維持する。
また、温度調整部は、金型12の温度を検出する温度検出部(図示省略)を備えていてもよい。また、温度調整部は、温度検出部が検出する金型12の温度に基づいて、金型加熱装置を制御する制御部(図示省略)を備えてもよい。制御装置は、金型加熱装置を制御することで、金型12を所定の温度まで加熱するとともに、金型12の温度を所定の温度に保つ。
まず、平板状の複合材1を製造する方法について説明する。
最初に、複数の複合材基材(例えば、繊維強化シート)を積層し、平板状の積層体を製造する。次に、積層体をプレス機(図示省略)に設置する。このプレス機は、積層体を加熱する加熱機構(電熱ヒータ等)及び積層体を冷却する冷却機能(水冷配管等)を備えている。次に、プレス機を作動させて、積層体を加圧するとともに加熱する。このとき、積層体の温度が、積層体に含まれる樹脂の融点以上となるまで、積層体を加熱する。これにより、樹脂が溶融し、繊維に樹脂が含浸する。また、加圧により積層体を構成する基材同士の隙間が潰されることで積層体が脱気される。次に、冷却機構を作動させ、積層体を加圧しつつ冷却する。このとき、積層体の温度が、積層体に含まれる樹脂のガラス転位温度以下となるまで、積層体を冷却する。これにより、樹脂が固化する。次に、プレス機を停止させ、積層体(複合材1)を取り出す。このようにして、平板状の複合材1が製造される。
なお、平板状の複合材1を製造する方法は上記説明の方法に限定されない。例えば、オートクレーブ成形によって製造してもよい。
[加熱工程]
まず、図1に示すように、加熱装置11で複合材1を加熱(予熱)する。このとき、複合材1に含まれる樹脂の融点以上となるまで複合材1を加熱する。複合材1は、加熱装置11によって加熱されることで、積層体製造時に凝固した樹脂が再度溶融し、繊維に十分に樹脂が含浸していない状態となる。
次に、加熱装置11から複合材1を取出し、金型12まで搬送する。次に、図2に示すように、金型12まで搬送した複合材1を、金型12に設置する。複合材1の搬送及び設置は、数秒以内に行うことが望ましい。
温度調整部によって予熱された金型12に複合材1を設置すると、次に、図3に示すように、押圧装置13によって、第1金型14を第2金型15方向へ移動させ、複合材1を押圧する。このように、複合材1を金型12に応じた形状へ成形する。このとき、複合材1から金型12への伝熱によって、複合材1は金型12の温度と同等の温度にまで冷却される。
次に、複合材1を加圧した状態を所定の時間維持する。このとき、温度調整部によって、金型12の温度は、上述の所定の温度に維持される。また、複合材1を加圧する時間は、樹脂の特性及び金型12の温度に応じた時間に設定される。複合材1を所定温度に維持することにより、所定時間経過時には複合材1の母材樹脂は、後述の取出工程で取出すのに十分な固さにまで固化される。複合材1を押圧する時間は、加熱工程で樹脂が含浸していない状態となった繊維に、再度樹脂が十分に含浸した状態となるのに要する時間であってもよい。具体的には、複合材1を加圧する時間は、例えば、15分から30分程度に設定されてもよい。
また、押圧装置13が金型12を押圧する押圧力は、0.3MPa以上、10.0MPa以下である。より好適には、押圧力は、0.3MPa以上、5.0MPa以下である。押圧力は、例えば、4.0MPaであってもよい。
このように、所定温度の金型12で所定の時間複合材1を加圧することで、加熱工程で樹脂が含浸していない状態となった繊維に、再度樹脂が十分に含浸した状態とするとともに、複合材1に含まれる樹脂を凝固させて緻密に固化された複合材1を得ることができる。
複合材1の加圧が終了すると、第1金型14を第2金型15から離れる方向へ移動させ、複合材1(成形品2)を金型12から取り出す。このようにして、図4に示すように、所望の形状の成形品2を製造する。
実線Tに示すように、まず、複合材1は加熱されることで昇温する(加熱工程)。次に、複合材1は、加熱装置11内で所定の時間、一定の温度を維持する。次に、複合材1は加熱装置11から金型12へ搬送され、金型12に設置される(搬送工程)。金型12に設置された複合材1は、所定の温度(T4)に加熱された金型12で加圧される(押圧工程)。この際、金型12の温度は、加熱装置11で加熱された複合材1の温度よりも低い温度であるので、複合材1の温度は所定の温度(T4)まで降温する。その後、押圧工程が完了するまで、複合材1の温度は、所定の温度で一定に維持される。なお、図5では、取出工程における複合材1の温度を省略している。
また、実線Pで示すように、加熱工程及び搬送工程においては、複合材1に作用する圧力は低い値で一定である。押圧工程で複合材1に作用する圧力は上昇する。押圧工程において、複合材1は一定の圧力で押圧される。このため、複合材1に作用する圧力は高い値で一定である。取出工程で金型12から取り出されると、複合材1に作用する圧力は低下する。
また、実線Txは、樹脂の温度を徐々に低下させた場合を示し、実線Vxは、Txで示すように樹脂の温度を低下させた場合における樹脂の粘弾性の変化を示している。また、破線Taは、樹脂の温度を温度Thから瞬時に温度T1に冷却した後に温度T1で一定とした場合を示している。なお、温度Thは、母材樹脂の融点以上の温度とされている。また、破線Vaは、破線Taで示すように樹脂の温度を変化又は維持した場合における樹脂の粘弾性の変化を示している。また、一点鎖線Tbは、樹脂の温度を温度Thから瞬時に温度T2に冷却した後に温度T2で一定とした場合を示している。一点鎖線Vbは、一点鎖線Tbで示すように樹脂の温度を変化又は維持した場合における樹脂の粘弾性の変化を示している。また、二点鎖線Tcは、樹脂の温度を温度Thから瞬時に温度T3に冷却した後に温度T3で一定とした場合を示している。二点鎖線Vcは、二点鎖線Tcで示すように樹脂の温度を一定に維持した場合における樹脂の粘弾性の変化を示している。
破線Ta及び破線Vaで示すように、樹脂の温度をT1に保った場合には、樹脂が凝固するまでに要する時間(以下、「凝固所要時間」と称する。)はt1となる。また、同様に、一点鎖線Tb及び一点鎖線Vbで示すように、樹脂の温度をT2(T1よりも高い温度)に保った場合には、凝固所要時間はt1よりも長いt2となる。また、同様に、二点鎖線Tc及び二点鎖線Vcで示すように、樹脂の温度をT3(T2よりも高い温度)に保った場合には、凝固所要時間はt2よりも長いt3となる。よって、凝固所要時間は、樹脂の温度が高いほど長くなり、樹脂の温度が低いほど短くなることがわかる。
具体的には、まず、実線Tx及び実線Vxにより、大まかに樹脂の凝固が開始される温度(凝固開始温度)を把握する。次に、把握した凝固開始温度に基づいて、仮設定温度範囲を決める。次に、図6のグラフ等を用いて、樹脂の仮設定温度の凝固所要時間を調べる。これにより、目標とする成形サイクルタイムを実現し得る凝固所要時間の温度を選定する。選定した温度を、金型12の温度として決定する。
具体的には、例えば、目標とする成形サイクルタイムを実現し得る凝固所要時間がt3である場合には、t3に対応する温度であるT3を選定する。そして、T3を金型12の温度として決定する。
図7では、融点Tmが305℃のPEEK系の樹脂を用いた複合材1における金型12の温度(金型設定温度)と、加工後の成形品2の品質の評価との関係を示している。なお、品質の評価は、高い方から順に、「良い」「許容可能」「良くない」としている。
図7に示すように、金型設定温度を220℃、240℃及び260℃にした場合には、成形品2の内部にボイドが発生しており、また繊維への樹脂の含浸が不十分であり成形品2の表面に繊維が露出してしまっていた。このため、品質の評価は「良くない」に分類された。
金型設定温度を265℃にした場合には、ボイドの発生はほとんど見られず、内部の大部分において欠陥がなかった。また、成形品2の表面においても大部分において良好であった。このため、品質の評価は「許容可能」に分類された。
金型設定温度を270℃、275℃及び280℃にした場合には、成形品2の内部にボイドは発生しておらず、また繊維への樹脂の含浸が十分であり成形品2の表面に繊維が露出することもなかった。このため、品質の評価は「良い」に分類された。
金型設定温度を285℃にした場合には、成形品2の内部にボイドは発生しておらず、また、成形品2の表面においても大部分において良好であった。このため、品質の評価は「許容可能」に分類された。
金型設定温度を290℃にした場合には、成形品2の内部にボイドは発生していなかったものの、成形品2の表面において凝固が不十分であった。このため、品質の評価は「良くない」に分類された。
なお、粘弾性測定の結果、凝固所要時間は、金型12の温度が270℃で約5分であり、280℃で約15分であった。
本実施形態では、押圧工程において、金型12の温度を一定に保ちつつ、複合材1を冷却している。すなわち、複合材1を冷却する際に、金型12の温度を積極的に低下させていない。これにより、複合材1の冷却過程において、金型12を冷却する冷却装置(例えば、冷却回路)の配置等に起因する金型12の温度のバラつきが生じ難い。これにより、複合材1を均一に冷却し易くすることができる。したがって、複合材1の一部が早く凝固することに起因して他の部分(未凝固部分)に作用する押圧力が低下する事態を抑制することができる。よって、複合材1に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材1を押圧することができる。よって、加工後の複合材1(成形品2)の品質を向上させることができる。
また、一般的に、熱可塑性樹脂のような高分子材料は、凝固点よりも低い一定の温度を維持した場合、数秒から数十分かけて凝固が進行する。凝固所要時間は、樹脂の温度に基づいて決まる。この点で、熱可塑性樹脂のような高分子材料は、凝固点を境にほとんど一瞬で凝固する水/氷などと異なる。
本実施形態では、温度調整部が、金型12が複合材1を押圧している間、金型12の温度を複合材1に含まれる樹脂が凝固する時間が所望の時間となる所定温度に維持する。これにより、複合材1に含まれる樹脂の凝固所要時間を所望の時間とすることができる。
しかしながら、この場合には、金型12で複合材1が急激に冷却された後に短時間で樹脂が凝固してしまい、樹脂が流動可能な状態のうちに加圧して繊維に樹脂を含浸(再含浸)する時間を十分に確保することができない可能性があった。再含浸が十分になされない場合、複合材1の内部にボイドが残ってしまったり、複合材1の表面に樹脂がしみだしておらず、繊維がむき出しとなってしまったりする場合がある。よって、加工後の成形品2の品質が低下する可能性がある。特に、樹脂が全体に含浸するのに時間を要する大型の複合材や複雑形状の複合材を加工する場合には、加圧時間を十分に確保することができないので、成形品2の品質が低下する可能性があった。
また、長手方向に沿って湾曲又は屈曲する成形品を製造する場合に、本開示に係る加工装置及び加工方法を用いてもよい。また、長手方向又は短手方向に沿って板厚が変化する成形品を製造する場合に、本開示に係る加工装置及び加工方法を用いてもよい。また、全長が数メートルとなる大型の成形品を製造する場合に、本開示に係る加工装置及び加工方法を用いてもよい。また、板厚が5mm以上となる成形品を製造する場合に、本開示に係る加工装置及び加工方法を用いてもよい。また、繊維方向(繊維が延在する方向)が全て同方向である複合材基材からなる複合材に対して加工を施す際に本開示に係る加工装置及び加工方法を用いてもよい。このような複合材の例として、連続繊維一方向材(UD材)が挙げられる。また、繊維方向が複合材基材(例えば、繊維強化シート)によって異なる複合材に対して加工を施す際に本開示に係る加工装置及び加工方法を用いてもよい。このような複合材の例として、繊維織物材(ファブリックシート)やランダム材(不連続繊維のランダムシート)が挙げられる。
本開示の一態様に係る複合材の加工装置は、繊維と熱可塑性の樹脂とが複合している複合材(1)の加工装置(10)であって、前記複合材に含まれる前記樹脂の融点以上まで前記複合材を加熱する加熱装置(11)と、前記複合材を押圧する金型(12)と、前記金型の温度を調整する温度調整部と、を備え、前記温度調整部は、前記金型が前記複合材を押圧している間、前記金型の温度を前記複合材に含まれる前記樹脂が凝固する時間が所望の時間となる所定温度に維持する。
上記構成では、温度調整部は、金型が複合材を押圧している間、金型の温度を複合材に含まれる樹脂が凝固する時間が所望の時間となる所定温度に維持する。これにより、複合材に含まれる樹脂の凝固所要時間を所望の時間とすることができる。
複合材は、加熱装置によって加熱され樹脂が溶融することで、繊維に樹脂が含浸した状態から、繊維に樹脂が十分に含浸していない状態となる場合がある。このような場合であっても、上記構成では、複合材に含まれる樹脂の凝固所要時間を所望の時間とすることができるので、例えば、再度繊維に樹脂が十分に含浸するのに要する時間を見込んだ凝固所要時間とすることができる。すなわち、再度繊維に樹脂が十分に含浸した後に樹脂の凝固が完了するように凝固所要時間を設定することができる。このように凝固所要時間を設定することで、金型において再度繊維に樹脂を十分に含浸させることができる。したがって、ボイドの発生等を抑制することができるので、加工後の成形品の品質を向上させることができる。
なお、所望の時間とは、例えば、加熱装置によって複合材が加熱されることで十分に樹脂が含浸していない状態となった繊維に、再度樹脂が十分に含浸した状態となるのに要する時間であってもよい。繊維に樹脂が十分に含浸した状態とは、複合材が凝固した際にボイド等が発生しない状態であってもよい。
また、所定の温度とは、例えば、樹脂の融点よりも低い温度であって、樹脂が急激に凝固する温度よりも高い温度であってもよい。
2 :成形品
10 :加工装置
11 :加熱装置
12 :金型
13 :押圧装置
14 :第1金型
14a :押圧面
15 :第2金型
15a :押圧面
Claims (6)
- 繊維と熱可塑性の樹脂とが複合している複合材の加工装置であって、
前記複合材に含まれる前記樹脂の融点以上まで前記複合材を加熱する加熱装置と、
前記複合材を押圧する金型と、
前記金型の温度を調整する温度調整部と、を備え、
前記温度調整部は、前記金型が前記複合材を押圧している間、前記金型の温度を前記複合材に含まれる前記樹脂が凝固する時間が所望の時間となる所定温度に維持する複合材の加工装置。 - 前記所定温度は、前記樹脂の粘弾性に基づいて決定されている請求項1に記載の複合材の加工装置。
- 前記所定温度は、前記複合材に含まれる前記樹脂の融点よりも40℃低い温度以上であって、前記樹脂の融点よりも20℃低い温度以下である請求項1または請求項2に記載の複合材の加工装置。
- 繊維と熱可塑性の樹脂とが複合している複合材の加工方法であって、
前記複合材に含まれる前記樹脂の融点以上まで前記複合材を加熱する加熱工程と、
前記加熱工程で加熱された前記複合材を金型で押圧する押圧工程と、を備え、
前記押圧工程は、前記金型の温度を調整する温度調整部によって、前記金型が前記複合材を押圧している間、前記金型の温度を前記複合材に含まれる前記樹脂が凝固する時間が所望の時間となる所定温度に維持する複合材の加工方法。 - 前記所定温度は、前記樹脂の粘弾性に基づいて決定されている請求項4に記載の複合材の加工方法。
- 前記所定温度は、前記複合材に含まれる前記樹脂の融点よりも40℃低い温度以上であって、前記樹脂の融点よりも20℃低い温度以下である請求項4または請求項5に記載の複合材の加工方法。
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