JP3208329U

JP3208329U - 炭素繊維製品成形装置

Info

Publication number: JP3208329U
Application number: JP2016005128U
Authority: JP
Inventors: 偉▲徳▼ 顏
Original assignee: 星領貿易有限公司
Priority date: 2016-08-05
Filing date: 2016-10-24
Publication date: 2017-01-05
Anticipated expiration: 2026-10-24
Also published as: EP3278965A1; TWM538875U; US10500798B2; EP3278965B1; US20180036969A1

Abstract

【課題】構造が簡素で、炭素繊維製品から成形過程で残留気体の多くを除去する炭素繊維製品成形装置を提供する。【解決手段】中空チャンバ１１と、中空チャンバ１１に設けられる熱圧板２と、熱圧板２上に置かれ、対外開口３４が設けられる金型３と、金型３のホール内に取り付けられ、そのバッグ開口が対外開口３４側に位置し、その外面に炭素繊維複合材料が貼り付けられるエアバッグと、中空チャンバ１１の側面に設けられ、その壁面上に抽気口５１、入気口５３、熱媒入口及び気圧口５２が設けられ、内部に複数の気圧管６が収容される気圧管室とを備え、エアバッグに対し周期的に入気を行うように、各気圧管６の両端はそれぞれ気圧口５２及び対外開口３４に接続し、熱媒は熱媒入口から熱圧板２に導入され、真空ポンプは抽気口５１を介し中空チャンバ１１を区分的に真空にする。【選択図】図１

Description

本考案は炭素繊維製品成形装置に関し、特に、残留気体を有しない炭素繊維製品の成形装置に関する。

炭素繊維製品は炭素繊維複合材料により作製される製品であり、炭素繊維複合材料は炭素繊維と樹脂、金属、セラミックなどの材料が複合されてなり、炭素繊維製品は航空宇宙、軍事、電子などの多くの分野において広く応用されている。炭素繊維製品の成形方法には、一般に、プレス法、ハンドレイアップ法、真空バッグ熱圧法、ワインディング成形法、引抜成形法がある。プレス法では、予め樹脂を含浸させた炭素繊維複合材料を金型にセットし、加圧後に余計なゲルを溢れさせ、その後、高温で硬化成形し、金型を外した後、製品が得られる。ハンドレイアップ法では、ゲルを含浸させた後の炭素繊維シートをＶ字に積層し、積層とともに樹脂を塗布し、再度熱圧して成形する。真空バッグ熱圧法では、金型に炭素繊維複合材料を積層して、耐熱薄膜で覆い、フレキシブルなエアバッグの膨張力を用いて炭素繊維複合材料積層に圧力を加え、オートクレーブ中で硬化させる。ワインディング成形法では、炭素繊維フィラメントを炭素繊維軸に巻き付ける。引抜成形法では、まず、炭素繊維を完全に浸潤し、引抜により樹脂および空気を除去し、その後、炉内で硬化成形する。

以上の各製法では、いずれも成形過程で炭素繊維複合材料に気体が発生し、これらの残留気体により炭素繊維製品にエアトラップ（ａｉｒｔｒａｐｓ）が発生する現象が起きる。製品の外観上、気泡が生じるとともに、構造強度が要求を満たさなくなる。したがって、従来の炭素繊維製品の成形装置を改良して、前記残留気体を除去するとともに、炭素繊維製品の加工品質の向上が求められる。

本考案は、前記課題を解決するために、構造が簡素で、炭素繊維製品の成形過程で炭素繊維製品中の残留気体を８０％以上除去できる炭素繊維製品成形装置を提供する。

一態様では、炭素繊維製品成形装置は、第１筐体と、少なくとも２つの熱圧板と、金型と、エアバッグと、第２筐体とを備える。第１筐体は中空チャンバよび中空チャンバを密封する壁面を有し、熱圧板は、中空チャンバ内に設けられ、各熱圧板は複数の導管と対応して接続する複数の貫通孔を有し、金型は１つの熱圧板に設けられ、かつ２つの熱圧板の間に位置し、雄型および雌型を有し、雄型と雌型との間に対外開口を形成するホールが形成され、エアバッグはホール内に設けられ、そのバッグ開口が対外開口側に設けられ、第２筐体は、第１筐体の壁面の片側に設けられ、少なくとも１つの気圧管を収納するための収納空間および収納空間を密封する壁面を有し、収納空間は中空チャンバと互いに連通し、第１筐体の壁面上には抽気口、気圧口、開閉可能な入気口および開閉可能な熱媒入口が設けられ、抽気口は真空ポンプと接続し、気圧管は、一端が気圧口と接続し、他端が対外開口と接続し、気圧口は気圧源と接続し、入気口は大気環境に置かれ、熱媒入口は導管および熱媒源と接続する。

ここで、入気口は雄型と雌型とが分離する前に閉じており、エアバッグの外面に複数の炭素繊維複合材料層が貼り付けられ、金型が異なる温度セクションを有するように、熱媒源の熱媒は熱媒入口、導管および貫通孔を通過し熱圧板に導入され、気圧源の気体は気圧口、気圧管、対外開口およびバッグ開口を通過しエアバッグ内に進入し、エアバッグ内の気体の導入の循環は金型の異なる温度セクション内で異なる周期頻度を有し、中空チャンバ内の気体は抽気口および真空ポンプを通過して抽出され、かつ、金型の異なる温度セクション内で異なる圧力を有する。また、中空チャンバ内の真空度の上昇または圧力の低下に伴って、エアバッグ内の気体の導入および排出の循環周期頻度は低下する。

他の一態様では、炭素繊維製品成形装置は、さらに、駆動ユニットを備え、駆動ユニットは、中空チャンバ内に設けられ、かつこれらの熱圧板と接続し、これらの熱圧板を駆動し昇降させることにより、雄型および雌型を密着させる。

一態様では、駆動ユニットは油圧シリンダーである。

一態様では、第１筐体の壁面の片側は可動扉または開閉可能でもよい。

一態様では、第２筐体の壁面の片側は可動扉または開閉可能でもよい。

一態様では、第２筐体の個数は２であり、それぞれ第１筐体の壁面の両側に取り付けられ、抽気口、気圧口、入気口および熱媒入口はそれぞれ異なる側の第２筐体上に位置する。

一態様では、貫通孔は熱圧板の内部を貫通する。

一態様では、熱媒入口は第２筐体の壁面の下方位置に設けられる。

一態様では、炭素繊維製品成形装置は、さらに、制御ユニットを備え、制御ユニットは、第１筐体と接続し、金型の異なる温度セクションの温度が摂氏２５度〜１５０度になるように制御し、中空チャンバの内部圧力が０．６標準気圧以下になるように制御し、エアバッグ内の気体の導入および排出の循環の周期頻度が２回〜５０回になるように制御する。

一態様では、制御ユニットは、プログラマブルロジックコントローラシステム（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＰＬＣ）である。

一態様では、金型はエアバッグ式金型、プレス金型、樹脂注入金型（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ：ＲＴＭ）金型および真空導入（Ｖａｃｕｕｍｉｎｆｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＶＩＰ）金型のいずれかである。

本考案が提供する炭素繊維製品成形装置は、中空チャンバ内の真空度変動とエアバッグ内の気圧周期変動との相互作用を用いて、金型の異なる温度セクションの温度が炭素繊維複合材料のガラス転化温度Ｔｇに達する前に、残留気体を炭素繊維複合材料層から完全に排出する。これにより処理した炭素繊維製品は、強度が良好で、気泡が無く、品質が安定し、応用範囲が広い。従来技術と比べて、本考案が提供する炭素繊維製品成形装置は、従来技術では炭素繊維を予め金型に浸潤して樹脂が重合反応を起こすまで加熱することによって、炭素繊維複合材料中に発生する残留気体を除去することができ、除去率は９９％に達する。また、炭素繊維製品の残留気体によるエアトラップ現象を回避し、製品の外観をさらに高めるとともに、構造強度を少なくとも５％高めることができる。

図１は、本考案の実施の形態における炭素繊維製品成形装置の内部および外部構造を示す立体図である。図２は、本考案の実施の形態における炭素繊維製品成形装置の気圧口および気圧管を部分的に示す立体透視図である。図３は、本考案の実施の形態における炭素繊維製品成形装置の熱媒入口および導管を部分的に示す立体透視図である。図４は、本考案の実施の形態における炭素繊維製品成形装置の金型、エアバッグおよび炭素繊維複合材料層を示す立体図である。

本考案は炭素繊維製品成形装置に係るものであり、所謂炭素繊維製品の関連製造原理は、当業者にとって自明であるので、以下の文中の説明において、完全な説明は行わない。また、以下の文中で参照する図面は、本考案の特徴に関する意味を示すためのものであり、実際の寸法に基づいて完全に製図する必要はないことを予め明示する。

図１〜図４を参照すると、実施の形態において、炭素繊維製品成形装置１００は第１筐体１と、少なくとも２つの熱圧板２と、金型３と、エアバッグ４と、第２筐体５とを備える。第１筐体１は中空チャンバ１１および中空チャンバ１１を密封する壁面１２を有し、熱圧板２は、中空チャンバ１１内に設けられ、各熱圧板２は、熱圧板２の内部を貫通し、複数の導管２２と外接続する複数の貫通孔２１を有し、金型３は１つの熱圧板２に設けられ、かつ２つの熱圧板２の間に位置し、雄型３１および雌型３２を有し、雄型３１と雌型３２との間に対外開口３４を形成するホール３３が形成され、エアバッグ４はホール３３内に設けられ、対外開口３４の気体をバッグ開口４１に直接進入させるように、そのバッグ開口４１が対外開口３４側に設けられ、第２筐体５は、壁面１２の片側に設けられ、少なくとも１つの気圧管６を収納するための収納空間５０および収納空間５０を密封する壁面５０１を有し、収納空間５０は中空チャンバ１１と互いに連通し、壁面５０１上には抽気口５１、気圧口５２、開閉可能な入気口５３および開閉可能な熱媒入口５４が設けられ、抽気口５１は真空ポンプ７と接続し、気圧管６は、一端が気圧口５２と接続し、他端が対外開口３４と接続し、気圧口５２は気圧源８と接続し、入気口５３は大気環境に置かれ、熱媒入口５４は導管２２および熱媒源９と接続する。ここで熱媒は異なる温度エネルギーを提供できる各種の媒体を含む。例えば、蒸気、熱媒油または冷媒である。熱媒源９はこれらの熱媒を格納する空間または容器である。熱圧板２の個数は特に限定されず、金型３を支持、挟持および密着する目的を達成できればよい。

ここで、エアバッグ４の外面に複数の炭素繊維複合材料層３０が貼り付けられる。または複数の炭素繊維複合材料層３０がエアバッグ４の外面を被覆する。熱媒源９の熱媒は熱媒入口５４、導管２２および貫通孔２１を通過して熱圧板２に導入され、間接的に金型３に異なる温度セクションを持たせる。気圧源８の気体は気圧口５２、気圧管６、対外開口３４およびバッグ開口４１を通過してエアバッグ４内に進入する。エアバッグ４内の気体の導入の１つの循環は金型３の異なる温度セクション内で異なる周期頻度を有する。中空チャンバ１１内の気体は抽気口５１および真空ポンプ７を通過して抽出され、かつ、金型３の異なる温度セクション内で異なる圧力を有する。また、中空チャンバ１１の圧力の低下または真空度の上昇に伴い、エアバッグ４内の気体の導入および排出の循環周期頻度が低下する。

一方、エアバッグ４は膨張すると、作製される炭素繊維製品の外形と同じ形状を有し、各炭素繊維複合材料層３０は予め含浸したエポキシ樹脂を用いてエアバッグ４の表面に貼り付けられ、すべての炭素繊維複合材料層３０の貼り付けが完了すると、エアバッグ４はホール３３中に設けられる。気圧が５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の気体を注入し、エアバッグを膨張させ、すべての炭素繊維複合材料層３０をホール３３の壁面に密着させる。炭素繊維を予め金型に浸潤して樹脂が重合反応を起こすまで加熱すると、炭素繊維複合材料層３０内の炭素繊維がエポキシ樹脂と融合し、金型温度が冷却し硬化成形される。

さらに図１を参照すると、実施の形態において、炭素繊維製品成形装置１００はさらに駆動ユニット１０を備え、駆動ユニット１０は、中空チャンバ１１内に設けられ、かつ熱圧板２と接続し、熱圧板２を駆動し上昇または下降させ、さらに２つの熱圧板２の間にある金型３を挟み雄型３１と雌型３２とを密着させる。また、熱を金型３に伝達し、金型３の温度を上げて異なる温度セクションを持たせる。駆動ユニット１０は如何なる動力を提供できる装置または機器でもよく、例えば油圧シリンダーである。また、第１筐体１は炭素繊維製品成形装置１００全体の主な本体であり、その壁面１２は中空チャンバ１１を完全に密封する効果を有する必要があり、実施の形態において５つの固定壁および１つの可動扉１２１により構成され、中空チャンバ１１の開放および金型３の中空チャンバ１１内部への設置の便が図られている。ただし、中空チャンバ１１を密封する効果を達成できさえすれば、壁面１２のその他の配置方式も本考案の炭素繊維製品成形装置の応用範囲に属する。

同様に、第２筐体５は、気圧管６を収容および各種の気体を出入させる部分を設けるための密封チャンバである。片側が中空チャンバ１１と互いに連通する以外に、その壁面５０１も収容空間５０を完全に密封する効果を有する必要があり、実施の形態において、４つの固定壁および１つの可動扉５０２により構成され、収容空間５０の開放および気圧管６の収容空間５０内部への設置の便が図られている。ただし、収容空間５０および中空チャンバ１１を密封する効果を達成できれば、壁面５０１のその他の配置方式も本考案の炭素繊維製品成形装置の応用範囲に属する。

さらに図１および図３を参照すると、実施の形態において、第２筐体５の個数は２であり、２つの第２筐体５はそれぞれ壁面１２の両側に取り付けられ、抽気口５１および気圧口５２は右側の第２筐体上に位置し、入気口５３および熱媒入口５４は左側の第２筐体上に位置する。他の実施の形態において、１つの第２筐体５のみを配置し、抽気口５１、気圧口５２、入気口５３および熱媒入口５４をすべて同一の第２筐体５上に設けることを選択してもよい。実施の形態において、熱媒入口５４は第２筐体５の壁面５０１の下方位置に設けられている。しかし、他の実施の形態において、２つより多くの第２筐体５を用いて、抽気口５１、気圧口５２、入気口５３および熱媒入口５４をそれぞれ異なる第２筐体５上に設けてもよい。また、導管２２は冷熱度合が異なる熱媒または冷媒を伝達するための、例えば金属導管である。

実施の形態において、金型はエアバッグ式金型、プレス金型、樹脂注入金型（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ：ＲＴＭ）金型および真空導入（Ｖａｃｕｕｍｉｎｆｕｓｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ：ＶＩＰ）金型のいずれかでよい。

実施の形態において、炭素繊維製品成形装置１００は、さらに、金型３の温度と、中空チャンバ１１内の圧力（または真空度）および温度と、エアバッグ４内の気体の圧力ならびに気体の導入の循環周期頻度を制御するための制御ユニット５００を備える。制御ユニット５００は例えばプログラマブルロジックコントローラシステム（ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｌｏｇｉｃｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ：ＰＬＣ）である。

実施の形態において、本考案の炭素繊維製品成形装置１００の操作方式において以下の処理を行う。（１）可動扉１２１を開き、金型３を熱圧板２上に置く。（２）気圧管６の一端が対外開口３４および／またはエアバッグ開口４１に接続していることを確保する。（３）熱圧板２を駆動して金型３を締め付ける。（４）可動扉１２１および可動扉５０２を閉じる。（５）熱媒入口５４を開け、熱媒源９の熱媒を熱圧板２に進入させる。（６）制御ユニット５００を起動し、中空チャンバ１１内の金型３の異なる温度セクション（または異なる時間セクション）の圧力（または真空度）および温度と、エアバッグ４内の異なる温度セクション（または異なる時間セクション）の気圧ならびに気体の導入の循環周期頻度を制御する。例えば、金型３または中空チャンバ１１内の温度が室温から摂氏７０度の温度セクション内で、中空チャンバ１１内の圧力が少なくとも０.６標準気圧以下に下がるように制御し、エアバッグ４内の気体の導入の循環周期頻度が少なくとも２０回になるように制御する。例えば、金型３または中空チャンバ１１内の温度が摂氏６０度から摂氏８０度の温度セクション内で、中空チャンバ１１内の圧力が少なくとも０.３５標準気圧以下に下がるように制御し、エアバッグ４内の気体の導入の循環周期頻度が少なくとも５回になるように制御する。例えば、金型３または中空チャンバ１１内の温度が摂氏７５度から摂氏１１０度の温度セクション内で、中空チャンバ１１内の圧力が少なくとも０.１標準気圧以下に下がるように制御し、エアバッグ４内の気体の導入の循環周期頻度が少なくとも２回になるように制御する。例えば、金型３または中空チャンバ１１内の温度が摂氏１００度から摂氏１５０度の温度セクション内で、中空チャンバ１１内の圧力が少なくとも０.１標準気圧以下を維持するように制御し、エアバッグ４内の気体の導入の循環が継続せず、エアバッグ４内の気圧が５〜２０ｋｇｆ／ｃｍ^２の間に維持されるように制御する。（７）熱媒入口５４に元の熱媒を注入するのを止めて、摂氏温度が元の熱媒よりも１０度以上低い冷媒を一定時間注入し、金型３を冷却する。（８）冷媒の注入を停止し、入気口５３を開き、空気を入気口５３から中空チャンバ１１に進入させる。（９）可動扉１２１および可動扉５０２を開き、気圧管６を引き抜き、金型３を取り出す。（１０）金型３を開き、炭素繊維製品を取り出す。本考案の炭素繊維製品成形装置により作成される炭素繊維製品は無気泡率が少なくとも８０％で、最高９９％以上に達し、ないし完全無気泡になる。

上記は本考案の好ましい実施の形態に過ぎず、本考案で請求する権利範囲を限定するものではない。また、上記の記載は、当業者にとって明確かつ実施可能である。したがって、他に本考案の趣旨を逸脱しない範囲で達成される同等の変形または追加は、いずれも本考案で請求する権利範囲に含まれる。

１００炭素繊維製品成形装置
１第１筐体
１１中空チャンバ
１２壁面
１２１可動扉
２熱圧板
２１貫通孔
２２導管
３金型
３０炭素繊維複合材料層
３１雄型
３２雌型
３３ホール
３４対外開口
４エアバッグ
４１バッグ開口
５第２筐体
５０収容空間
５０１壁面
５０２可動扉
５１抽気口
５２気圧口
５３入気口
５４熱媒入口
６気圧管
７真空ポンプ
８気圧源
９熱媒源
１０駆動ユニット
５００制御ユニット

Claims

第１筐体（１）と、少なくとも２つの熱圧板（２）と、金型（３）と、エアバッグ（４）と、第２筐体（５）とを備え、
前記第１筐体（１）は中空チャンバ（１１）および前記中空チャンバ（１１）を密封する壁面（１２）を有し、
前記少なくとも２つの熱圧板（２）は、前記中空チャンバ（１１）内に設けられ、各熱圧板（２）は複数の導管（２２）と対応して接続する複数の貫通孔（２１）を有し、
前記金型（３）はこれらの熱圧板（２）のうち一つに設けられ、かつこれらの熱圧板（２）の間に位置し、雄型（３１）および雌型（３２）を有し、前記雄型（３１）と前記雌型（３２）との間に対外開口（３４）を形成するホール（３３）が形成され、
前記エアバッグ（４）は前記ホール（３３）内に設けられ、そのバッグ開口（４１）が前記対外開口（３４）側に設けられ、
前記第２筐体（５）は、前記壁面（１２）の片側に設けられ、少なくとも１つの気圧管（６）を収納するための収納空間（５０）および前記収納空間（５０）を密封する壁面（５０１）を有し、前記収納空間（５０）は前記中空チャンバ（１１）と互いに連通し、前記壁面（５０１）上には抽気口（５１）、気圧口（５２）、開閉可能な入気口（５３）および開閉可能な熱媒入口（５４）が設けられ、前記抽気口（５１）は真空ポンプ（７）と接続し、前記気圧管（６）は、一端が前記気圧口（５２）と接続し、他端が前記対外開口（３４）と接続し、前記気圧口（５２）は気圧源（８）と接続し、前記入気口（５３）は大気環境に置かれ、前記熱媒入口（５４）は前記導管（２２）および熱媒源（９）と接続し、
前記入気口（５３）は前記雄型（３１）と前記雌型（３３）とが分離する前に閉じており、前記エアバッグ（４）は膨張すると、作製される炭素繊維製品の外形と同じ形状を有し、前記エアバッグ（４）の外面に複数の炭素繊維複合材料層（３０）が貼り付けられ、
前記金型（３）が異なる温度セクションを有するように、前記熱媒源（９）の熱媒は前記熱媒入口（５４）、前記導管（２２）および前記貫通孔（２１）を経由し前記熱圧板（２）に導入され、
前記気圧源（８）の気体は前記気圧口（５２）、前記気圧管（６）、前記対外開口（３４）および前記バッグ開口（４１）を経由しエアバッグ（４）内に進入し、
前記エアバッグ（４）内の気体の導入の循環は前記金型（３）の異なる温度セクション内で異なる周期頻度を有し、
前記中空チャンバ（１１）内の気体は前記抽気口（５１）および前記真空ポンプ（７）を通過して抽出され、かつ、前記金型（３）の異なる温度セクション内で異なる圧力を有し、
前記周期頻度は前記圧力の低下に伴って低下する
炭素繊維製品成形装置（１００）。
さらに駆動ユニット（１０）を備え、
前記駆動ユニット（１０）は、前記中空チャンバ（１１）内に設けられ、かつこれらの熱圧板（２）と接続し、これらの熱圧板（２）を駆動し昇降させることにより、前記雄型（３１）および前記雌型（３２）を密着させる
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記駆動ユニット（１０）は油圧シリンダーである
請求項２に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記壁面（１２）の片側は可動扉（１２１）である
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記壁面（５０１）の片側は可動扉（５０２）である
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記第２筐体（５）の個数は２であり、それぞれ前記壁面（１２）の両側に取り付けられ、前記抽気口（５１）、前記気圧口（５２）、前記入気口（５３）および前記熱媒入口（５４）はそれぞれ異なる側の前記第２筐体（５）上に位置する
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記貫通孔（２１）は前記熱圧板（２）の内部を貫通する
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記熱媒入口（５４）は前記壁面（５０１）の下方位置に設けられる
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
さらに制御ユニット（５００）を備え、
前記制御ユニット（５００）は、第１筐体（１）と接続し、前記金型（３）の異なる温度セクションの温度が摂氏２５度〜１５０度になるように制御し、前記中空チャンバ（１１）の内部圧力が０．６標準気圧以下になるように制御し、エアバッグ（４）内の気体の導入の循環の周期頻度が２回〜５０回になるように制御する
請求項１に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。
前記制御ユニット（５００）は、プログラマブルロジックコントローラシステムである
請求項９に記載の炭素繊維製品成形装置（１００）。