JP4035464B2 - 複合材料の製造方法及び製造装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、樹脂の内部に繊維や粒子等の強化材を配してなる複合材料は、様々な分野で利用されている。そして、この種の複合材料を製造する方法として、強化材を所定の形状に成形することによって成形体（プリフォーム）を製作し、この成形体に樹脂を含浸させる方法（ＲＴＭ成形法）が知られている。例えば、真空圧を用いたＲＴＭ成形法（Vacuum-asisted Resin Transfer Molding：ＶａＲＴＭ法）は、真空圧のみで樹脂を含浸させ、製造装置の小型化を図ることができる好適な方法である（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
図４を参照しながら、従来のＶａＲＴＭ法について説明する。ここでは、強化材として繊維を用いた繊維複合材料の製造例を説明する。
【０００４】
本製造方法では、まず、繊維物からなるプリフォームを治具１００内に配置する。治具１００の一端側には注入ポート１０１が形成され、他端側には排出ポート１０２が形成されている。樹脂の注入時には、配管を介して排出ポート１０２に接続された真空ポンプ１０４を起動し、真空ポンプ１０４によって治具１００内を減圧する（真空引き）。これにより、樹脂供給缶１０３と治具１００内との圧力差が駆動力となり、樹脂供給缶１０３の樹脂が注入ポート１０１を通じて治具１００内に流入する。そして、治具１００内のプリフォームの全体に樹脂が含浸され、排出ポート１０２から余分な樹脂が排出されるようになった後、配管のバルブ１０５，１０６を閉鎖する。その後、治具１００内を所定温度にまで加熱し、樹脂を硬化させる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３３７２４４号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−３２８１２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、注入される樹脂は粘度が高く、また、治具１００内の樹脂の流通路（すなわち、治具１００内のプリフォームの周囲及び内部）は流通面積が小さい。そのため、プリフォームに樹脂を含浸させる際に、樹脂は治具１００内で大きな流通抵抗を受けるので、治具１００内を円滑に流れにくい。その結果、注入ポート１０１付近では樹脂の量が相対的に多く、排出ポート１０２付近では樹脂の量が相対的に少なくなりやすかった。また、プリフォームの形状によっては、特定の箇所に樹脂がたまりやすい場合もある。
【０００８】
軽量かつ高強度な複合材料を得るためには、強化材の含有率が高いことが好ましい。そのため、治具１００内の余分な樹脂を排除することにより、強化材の含有率を向上することが望まれる。しかし、従来の製造方法では、治具１００内の余分な樹脂はすべて排出ポート１０２から排出されるので、排出ポート１０２から離れた位置（特に、注入ポート１０１付近の位置）等では余分な樹脂がたまりやすかった。そのため、樹脂がたまりやすい箇所では強化材の含有率Ｖｆが低く、そのことにより複合材料の軽量化及び強度向上に一定の限界があった。
【０００９】
また、従来の製造方法では、治具１００内の樹脂の分布が不均一になりやすいという問題があった。すなわち、注入ポート１０１付近では樹脂の量が相対的に多く、排出ポート１０２付近では樹脂の量が相対的に少なくなりやすかった。その結果、強化材の含有率が部分的に不均一になりやすく、製造後の複合材料の性状が一定になりにくいという課題があった。
【００１０】
これらの課題に対し、注入時の樹脂の温度を上げることによって樹脂の粘度を下げ、治具の全体にわたって樹脂を流れやすくする方法が考えられる。しかし、樹脂の温度を上げると、樹脂の硬化に要する時間が短くなる。そのため、注入途中に樹脂が硬化してしまい、結果として、注入ポート１０１付近の余分な樹脂が硬化したり、強化材の含有率Ｖｆが不均一になりやすかった。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、樹脂の含浸時に、治具内から余分な樹脂を排出し、また、治具内の樹脂の不均一な分布を是正することにより、性状の安定した軽量かつ高強度の複合材料を製造することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の製造方法は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する方法であって、注入ポートと排出ポートとが形成された治具の内部に、強化材からなる成形体を配置する工程と、前記注入ポートを通じて前記治具内に樹脂を注入すると共に、前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する第１含浸工程と、前記排出ポートを通じての樹脂の排出を継続しつつ、前記注入ポートからの樹脂の注入を停止して前記注入ポートから樹脂を排出する第２含浸工程と、樹脂の排出を停止し、樹脂を硬化させる工程とを備えている方法である。
【００１３】
上記製造方法では、第１含浸工程において、樹脂が注入ポートから治具内に注入されるとともに、排出ポートを通じて治具内の樹脂が排出される。注入された樹脂は、治具内を流れた後、排出ポートから排出される。このような樹脂の流れによって、治具内の成形体が樹脂に含浸される。
【００１４】
一方、第１含浸工程では、排出ポートから離れた位置の樹脂は排出されにくいため、治具内の樹脂の分布は、注入ポート付近の樹脂量が相対的に多い不均一な分布になりやすい。また、余分な樹脂が注入ポート付近にたまりやすい。
【００１５】
しかし、上記製造方法では、第１含浸工程の後に第２含浸工程を行い、注入ポートからの樹脂の注入が停止され、逆に、当該注入ポートから治具内の樹脂が排出される。これにより、排出ポートから離れている位置、すなわち注入ポート付近の樹脂は、注入ポートから排出される。したがって、注入ポート側にたまった樹脂は円滑に排出されるので、治具内の樹脂の不均一な分布は是正される。また、注入ポート付近にたまった余分な樹脂は、効率的に排出される。その結果、性状の安定した軽量かつ高強度の複合材料を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る第２の製造方法は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する方法であって、注入ポートと排出ポートと補助排出ポートとが形成された治具の内部に、強化材からなる成形体を配置する工程と、前記注入ポートを通じて前記治具内に樹脂を注入すると共に、前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する第１含浸工程と、前記排出ポートを通じての樹脂の排出を継続しつつ、前記注入ポートからの樹脂の注入を停止して前記補助排出ポートから樹脂を排出する第２含浸工程と、樹脂の排出を停止し、樹脂を硬化させる工程とを備えている方法である。
【００１７】
上記第２の製造方法においても、第１含浸工程で生じた余分な樹脂の滞留及び樹脂分布の不均一を、第２含浸工程によって是正することができる。補助排出ポートを樹脂のたまりやすい部分に設けることにより、余分な樹脂をより効率的に排出することができ、また、治具内の樹脂分布をより均一化することができる。
【００１８】
本発明に係る第１の製造装置は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する装置であって、注入ポートと排出ポートとが形成され、強化材からなる成形体を封入する治具と、樹脂を供給する樹脂供給源と、１又は２以上の樹脂排出手段と、第１通路開閉手段を有し、前記樹脂供給源の樹脂を前記注入ポートに導く注入通路と、第２通路開閉手段を有し、前記樹脂排出手段によって前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する排出通路と、第３通路開閉手段を有し、前記樹脂排出手段によって前記注入ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する補助排出通路とを備えているものである。
【００１９】
上記第１製造装置によれば、前記第１製造方法を好適に実行することができる。すなわち、第１含浸工程の際には、第１通路開閉手段及び第２通路開閉手段を開放すると共に第３通路開閉手段を閉鎖し、樹脂供給源から注入ポートを通じて治具内に樹脂を注入すると共に、排出ポートを通じて治具内の樹脂を排出通路に排出する。一方、第２含浸工程の際には、第１通路開閉手段を閉鎖すると共に第３通路開閉手段を開放し、治具内の樹脂を排出ポートを通じて排出通路に排出すると同時に、注入ポートを通じて補助排出通路に排出する。これにより、治具内の余分な樹脂が効率的に排出され、また、治具内の樹脂の不均一な分布が是正される。したがって、性状の安定した軽量かつ高強度な複合材料を製造することができる。
【００２０】
本発明に係る第２の製造装置は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する装置であって、注入ポートと排出ポートと補助排出ポートとが形成され、強化材からなる成形体を封入する治具と、樹脂を供給する樹脂供給源と、１又は２以上の樹脂排出手段と、第１通路開閉手段を有し、前記強化材に樹脂を含浸させる第１含浸工程の際に前記樹脂供給源の樹脂を前記注入ポートに導く注入通路と、第２通路開閉手段を有し、前記第１含浸工程の際及び前記注入ポートから樹脂を注入した後の第２含浸工程の際に、前記樹脂排出手段によって前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する排出通路と、第３通路開閉手段を有し、前記第２含浸工程の際に、前記樹脂排出手段によって前記補助排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する補助排出通路とを備えているものである。
【００２１】
上記第２製造装置によれば、前記第２製造方法を好適に実行することができる。すなわち、第１含浸工程の際には、第１通路開閉手段及び第２通路開閉手段を開放すると共に第３通路開閉手段を閉鎖し、樹脂供給源から注入ポートを通じて治具内に樹脂を注入すると同時に、排出ポートを通じて治具内の樹脂を排出通路に排出する。一方、第２含浸工程の際には、第１通路開閉手段を閉鎖すると共に第３通路開閉手段を開放し、治具内の樹脂を排出ポートを通じて排出通路に排出すると同時に、補助排出ポートを通じて補助排出通路に排出する。これにより、治具内の余分な樹脂が効率的に排出され、また、治具内の樹脂の不均一な分布が是正される。したがって、性状の安定した軽量かつ高強度の複合材料を製造することができる。
【００２２】
本発明に係る第３の製造装置は、前記第１又は第２の製造装置において、前記治具が、前記成形体を支持する支持台と、前記支持台上において前記成形体を覆うフィルムシートとを備え、前記支持台と前記フィルムシートとの間に前記成形体を封入するものである。
【００２３】
このことにより、治具を簡易かつ小型に構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１に示す製造装置２０は、ＶａＲＴＭ法を用いて複合材料を製造する装置である。製造装置２０は、樹脂が蓄えられた樹脂供給缶１と、強化材からなる成形体を収容する治具８と、真空ポンプ７とを備えている。なお、以下では、成形体として、繊維物からなるプリフォームを用いることとする。
【００２６】
治具８の一端側には注入ポート５が設けられ、その他端側には排出ポート６が設けられている。なお、ここでいう一端及び他端とは、治具８内における樹脂の流路の一端及び他端のことであり、必ずしも幾何学的な意味での両端を意味するものではない。ただし、本実施形態では、治具８内の樹脂の流路は一方向（図１及び図２における左右方向）に延びる直線状に形成されているので、幾何学的な意味での両端が流路の両端となる。
【００２７】
図２に示すように、治具８は、繊維織物からなるプリフォーム２５を支持する支持台３１と、支持台３１に置かれたプリフォーム２５の全体を覆うバギングシート３２とから構成されている。なお、バギングシート３２は、支持台３１との間に真空空間を形成するためのフィルムシートであり、その形状や種類は特に限定されるものではない。治具８には、ヒータ等からなる加熱装置３５が設けられている。
【００２８】
図１に示すように、樹脂供給缶１と注入ポート５とは、注入管１１によって接続されている。注入管１１には、第１通路開閉手段として供給バルブ２が設けられている。排出ポート６は、排出管１２を介して真空ポンプ７に接続されている。排出管１２には、治具８から回収した樹脂を収容する樹脂トラップ９が設けられており、排出ポート６と樹脂トラップ９との間には第２通路開閉手段として排出バルブ３が設けられている。樹脂トラップ９と真空ポンプ７との間には、圧力計１０が設けられている。この圧力計１０は、主として系内の真空度を確認するために用いられる。
【００２９】
さらに製造装置２０には、注入管１１と排出管１２とをつなぐ補助排出管１３が設けられている。補助排出管１３の一端は、注入管１１における供給バルブ２と注入ポート５との間に接続されている。補助排出管１３の他端は、排出管１２における排出バルブ３と樹脂トラップ９との間に接続されている。この補助排出管１３には、第３通路開閉手段として補助排出バルブ４が設けられている。
【００３０】
なお、図示は省略するが、製造装置２０には、各バルブ２，３，４や加熱装置３５の制御等を行う制御装置が設けられている。
【００３１】
次に、本製造装置２０を用いて複合材料を製造する方法を説明する。
【００３２】
まず、所定の形状に成形されたプリフォーム２５を治具８内に設置する。次に、系内の真空引きを行う。具体的には、供給バルブ２を閉じ、排出バルブ３及び補助排出バルブ４を開いた状態で、真空ポンプ７を起動する。
【００３３】
系内の真空引きを行った後、第１含浸工程を行う。第１含浸工程では、補助排出バルブ４を閉じ、供給バルブ２を開く。すると、樹脂供給缶１内の樹脂は、注入管１１及び注入ポート５を通じて治具８内に注入される。治具８内に注入された樹脂は、プリフォーム２５の周囲及び内部を流通する。すなわち、プリフォーム２５が樹脂に含浸される。その後、樹脂がプリフォーム２５の全体に行き渡り、治具８内の余分な樹脂は排出ポート６から排出される。排出ポート６から排出された樹脂は、排出管１２を流れ、樹脂トラップ９に回収される。
【００３４】
上記第１含浸工程では、治具８内の樹脂分布は、注入ポート５側の方が排出ポート６側よりも樹脂量が多い不均一な分布となる。また、注入ポート５の付近に、余分な樹脂がたまりやすい。そこで、第１含浸工程の後、以下の第２含浸工程を行う。
【００３５】
第２含浸工程では、供給バルブ２を閉じ、補助排出バルブ４を開く。これにより、真空ポンプ７の吸引力が注入ポート５側にも作用し、注入ポート５からも治具８内の樹脂の一部が排出される。つまり、排出ポート６からの樹脂の排出を継続しつつ、注入ポート５から樹脂の排出を行う。これにより、注入ポート５側にたまっていた余分な樹脂が排出され、また、治具８内における樹脂の不均一な分布が是正される。
【００３６】
なお、上記第１及び第２含浸工程の際には、樹脂の粘度を低下させるために、加熱装置３５によって治具８を加熱し、樹脂の温度をある程度上昇させておくことが好ましい。樹脂の粘度を下げることにより、樹脂を流れやすくするためである。ただし、樹脂の温度が高すぎると、含浸工程中に樹脂が硬化してしまうおそれがある。そこで、樹脂が直ちに硬化しない程度に樹脂の温度を上げることが好ましい。なお、このような温度は樹脂の種類によって定まるので、加熱装置３５による加熱量は樹脂の種類に応じて適宜調節すればよい。
【００３７】
上記第２含浸工程の後、排出バルブ３及び補助排出バルブ４を閉じ、真空ポンプ７を停止する。そして、加熱装置３５で治具８内の樹脂を加熱し、樹脂を硬化させる。その結果、樹脂の内部に繊維強化材が含有されてなる複合材料が得られる。
【００３８】
本製造方法によれば、第２含浸工程において、排出ポート６に加えて注入ポート５からも樹脂を排出するので、注入ポート５付近にたまった樹脂を円滑に排出することができる。すなわち、排出ポート６から離れた位置にあるため排出ポート６からは排出しにくい余分な樹脂を、容易に排出することができる。
【００３９】
このように治具８内の余分な樹脂が排出されやすいので、複合材料における単位体積あたりの繊維含有率Ｖｆを高くすることができる。したがって、軽量かつ高強度な複合材料を製造することができる。
【００４０】
また、治具８内における樹脂の不均一な分布を是正することができ、繊維含有率Ｖｆを従来よりも一定化することができる。したがって、性状の安定した複合材料を得ることができる。
【００４１】
支持台３１とバギングシート３２とにより治具８を構成することとしたので、治具８を簡易かつ安価に構成することができる。また、治具８を小型化することができる。
【００４２】
上記実施形態では、注入ポート５及び排出ポート６はそれぞれ１つずつ設けられていたが、注入ポート５及び排出ポート６の一方又は両方は、２つ以上設けられていてもよい。成形体の寸法が大きい場合には、注入ポート５及び排出ポート６を複数設けることが好ましい。
【００４３】
上記実施形態では、第２含浸工程の際に、注入ポート５及び排出ポート６からの樹脂の排出を１台の真空ポンプ７で行っていた。しかし、排出ポート６からの排出を行う真空ポンプ７とは別に、注入ポート５からの排出を行う他の真空ポンプを設けることも可能である。例えば、補助排出管１３の一端を他の真空ポンプに接続し、２台の真空ポンプを用いて第２含浸工程を行ってもよい。このように、真空ポンプ７の台数は何ら限定されるものではない。
【００４４】
上記実施形態は、治具８内を減圧することによって樹脂を注入するものであった（いわゆるＶａＲＴＭ法）。すなわち、樹脂供給側を大気圧下とし、排出側を負圧としていた。しかし、本発明に係る方法は、ＶａＲＴＭ法に限定されず、例えば、樹脂供給側を加圧し、排出側を大気圧としてもよい。すなわち、圧力差によって樹脂を注入する限り、樹脂供給側及び排出側の圧力は何ら限定されるものではない。
【００４５】
上記実施形態では、第２含浸工程の際に、排出ポート６に加えて注入ポート５から樹脂を排出することとしていた。そのため、注入ポート５の付近に別途新たな排出ポートを設ける必要がなく、ポートの数を少なくすることができる。しかし、第２含浸工程の際に樹脂を排出するための補助排出ポートを、別途新たに設けるようにしてもよい。例えば、注入ポート５の近傍に、補助排出管１３に接続された補助排出ポートを設けるようにしてもよい。
【００４６】
また、プリフォーム２５の形状によっては、注入ポート５の近傍以外であっても、特定の箇所に余分な樹脂がたまりやすい場合も考えられる。そのような場合には、余分な樹脂がたまりやすい箇所に補助排出ポートを設けることが好ましい。例えば、図３に示すように、治具８における図中左上部分に樹脂がたまりやすい場合には、当該部分に補助排出ポート１４を設けるようにしてもよい。このことにより、注入ポート５の近傍以外に樹脂がたまりやすい箇所が存在していたとしても、余分な樹脂を円滑に排出することができる。すなわち、補助排出ポート１４を設けることにより、ポートの数は増えるものの、余分な樹脂をより効率的に排出することが可能となる。なお、補助排出ポート１４の形状、寸法及び個数は、何ら限定されるものではない。
【００４７】
上記実施形態は、強化材として繊維を用いた複合材料の製造方法であったが、強化材として粒子等の他の材料を用いる複合材料であっても、同様の方法により製造することができる。
【００４８】
なお、本製造方法により製造される複合材料は、例えば、航空機の部品（主翼、補助翼、胴体等）、鉄道車両、船舶、風力発電用のプロペラ等、様々な分野で利用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、治具内に樹脂を注入した後、排出ポートからの樹脂の排出を継続しつつ、注入ポート又は補助排出ポートからも樹脂の排出を行うこととした。そのため、余分な樹脂のたまりやすい箇所から樹脂を効率的に排出することができ、複合材料における強化材の含有率を高めることができる。したがって、複合材料を軽量化することができ、その強度を向上することができる。また、治具内における樹脂分布の不均一を是正することができ、性状の安定した複合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態に係る複合材料の製造装置の構成図である。
【図２】 治具の概略断面図である。
【図３】 変形例に係る複合材料の製造装置の構成図である。
【図４】 従来の製造装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 樹脂供給缶（樹脂供給源）
２ 供給バルブ（第１通路開閉手段）
３ 排出バルブ（第２通路開閉手段）
４ 補助排出バルブ（第３通路開閉手段）
５ 注入ポート
６ 排出ポート
７ 真空ポンプ
８ 治具
９ 樹脂トラップ
１０ 圧力計
１１ 注入管（注入通路）
１２ 排出管（排出通路）
１３ 補助排出管（補助排出通路）
１４ 補助排出ポート
２０ 製造装置
２５ プリフォーム（成形体）
３１ 支持台
３２ バギングシート（フィルムシート）
３５ 加熱装置
【発明の属する技術分野】
本発明は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料の製造方法及び製造装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、樹脂の内部に繊維や粒子等の強化材を配してなる複合材料は、様々な分野で利用されている。そして、この種の複合材料を製造する方法として、強化材を所定の形状に成形することによって成形体（プリフォーム）を製作し、この成形体に樹脂を含浸させる方法（ＲＴＭ成形法）が知られている。例えば、真空圧を用いたＲＴＭ成形法（Vacuum-asisted Resin Transfer Molding：ＶａＲＴＭ法）は、真空圧のみで樹脂を含浸させ、製造装置の小型化を図ることができる好適な方法である（例えば、特許文献１及び２参照）。
【０００３】
図４を参照しながら、従来のＶａＲＴＭ法について説明する。ここでは、強化材として繊維を用いた繊維複合材料の製造例を説明する。
【０００４】
本製造方法では、まず、繊維物からなるプリフォームを治具１００内に配置する。治具１００の一端側には注入ポート１０１が形成され、他端側には排出ポート１０２が形成されている。樹脂の注入時には、配管を介して排出ポート１０２に接続された真空ポンプ１０４を起動し、真空ポンプ１０４によって治具１００内を減圧する（真空引き）。これにより、樹脂供給缶１０３と治具１００内との圧力差が駆動力となり、樹脂供給缶１０３の樹脂が注入ポート１０１を通じて治具１００内に流入する。そして、治具１００内のプリフォームの全体に樹脂が含浸され、排出ポート１０２から余分な樹脂が排出されるようになった後、配管のバルブ１０５，１０６を閉鎖する。その後、治具１００内を所定温度にまで加熱し、樹脂を硬化させる。
【０００５】
【特許文献１】
特開２００２−３３７２４４号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開２００１−３２８１２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、注入される樹脂は粘度が高く、また、治具１００内の樹脂の流通路（すなわち、治具１００内のプリフォームの周囲及び内部）は流通面積が小さい。そのため、プリフォームに樹脂を含浸させる際に、樹脂は治具１００内で大きな流通抵抗を受けるので、治具１００内を円滑に流れにくい。その結果、注入ポート１０１付近では樹脂の量が相対的に多く、排出ポート１０２付近では樹脂の量が相対的に少なくなりやすかった。また、プリフォームの形状によっては、特定の箇所に樹脂がたまりやすい場合もある。
【０００８】
軽量かつ高強度な複合材料を得るためには、強化材の含有率が高いことが好ましい。そのため、治具１００内の余分な樹脂を排除することにより、強化材の含有率を向上することが望まれる。しかし、従来の製造方法では、治具１００内の余分な樹脂はすべて排出ポート１０２から排出されるので、排出ポート１０２から離れた位置（特に、注入ポート１０１付近の位置）等では余分な樹脂がたまりやすかった。そのため、樹脂がたまりやすい箇所では強化材の含有率Ｖｆが低く、そのことにより複合材料の軽量化及び強度向上に一定の限界があった。
【０００９】
また、従来の製造方法では、治具１００内の樹脂の分布が不均一になりやすいという問題があった。すなわち、注入ポート１０１付近では樹脂の量が相対的に多く、排出ポート１０２付近では樹脂の量が相対的に少なくなりやすかった。その結果、強化材の含有率が部分的に不均一になりやすく、製造後の複合材料の性状が一定になりにくいという課題があった。
【００１０】
これらの課題に対し、注入時の樹脂の温度を上げることによって樹脂の粘度を下げ、治具の全体にわたって樹脂を流れやすくする方法が考えられる。しかし、樹脂の温度を上げると、樹脂の硬化に要する時間が短くなる。そのため、注入途中に樹脂が硬化してしまい、結果として、注入ポート１０１付近の余分な樹脂が硬化したり、強化材の含有率Ｖｆが不均一になりやすかった。
【００１１】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、樹脂の含浸時に、治具内から余分な樹脂を排出し、また、治具内の樹脂の不均一な分布を是正することにより、性状の安定した軽量かつ高強度の複合材料を製造することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る第１の製造方法は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する方法であって、注入ポートと排出ポートとが形成された治具の内部に、強化材からなる成形体を配置する工程と、前記注入ポートを通じて前記治具内に樹脂を注入すると共に、前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する第１含浸工程と、前記排出ポートを通じての樹脂の排出を継続しつつ、前記注入ポートからの樹脂の注入を停止して前記注入ポートから樹脂を排出する第２含浸工程と、樹脂の排出を停止し、樹脂を硬化させる工程とを備えている方法である。
【００１３】
上記製造方法では、第１含浸工程において、樹脂が注入ポートから治具内に注入されるとともに、排出ポートを通じて治具内の樹脂が排出される。注入された樹脂は、治具内を流れた後、排出ポートから排出される。このような樹脂の流れによって、治具内の成形体が樹脂に含浸される。
【００１４】
一方、第１含浸工程では、排出ポートから離れた位置の樹脂は排出されにくいため、治具内の樹脂の分布は、注入ポート付近の樹脂量が相対的に多い不均一な分布になりやすい。また、余分な樹脂が注入ポート付近にたまりやすい。
【００１５】
しかし、上記製造方法では、第１含浸工程の後に第２含浸工程を行い、注入ポートからの樹脂の注入が停止され、逆に、当該注入ポートから治具内の樹脂が排出される。これにより、排出ポートから離れている位置、すなわち注入ポート付近の樹脂は、注入ポートから排出される。したがって、注入ポート側にたまった樹脂は円滑に排出されるので、治具内の樹脂の不均一な分布は是正される。また、注入ポート付近にたまった余分な樹脂は、効率的に排出される。その結果、性状の安定した軽量かつ高強度の複合材料を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る第２の製造方法は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する方法であって、注入ポートと排出ポートと補助排出ポートとが形成された治具の内部に、強化材からなる成形体を配置する工程と、前記注入ポートを通じて前記治具内に樹脂を注入すると共に、前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する第１含浸工程と、前記排出ポートを通じての樹脂の排出を継続しつつ、前記注入ポートからの樹脂の注入を停止して前記補助排出ポートから樹脂を排出する第２含浸工程と、樹脂の排出を停止し、樹脂を硬化させる工程とを備えている方法である。
【００１７】
上記第２の製造方法においても、第１含浸工程で生じた余分な樹脂の滞留及び樹脂分布の不均一を、第２含浸工程によって是正することができる。補助排出ポートを樹脂のたまりやすい部分に設けることにより、余分な樹脂をより効率的に排出することができ、また、治具内の樹脂分布をより均一化することができる。
【００１８】
本発明に係る第１の製造装置は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する装置であって、注入ポートと排出ポートとが形成され、強化材からなる成形体を封入する治具と、樹脂を供給する樹脂供給源と、１又は２以上の樹脂排出手段と、第１通路開閉手段を有し、前記樹脂供給源の樹脂を前記注入ポートに導く注入通路と、第２通路開閉手段を有し、前記樹脂排出手段によって前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する排出通路と、第３通路開閉手段を有し、前記樹脂排出手段によって前記注入ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する補助排出通路とを備えているものである。
【００１９】
上記第１製造装置によれば、前記第１製造方法を好適に実行することができる。すなわち、第１含浸工程の際には、第１通路開閉手段及び第２通路開閉手段を開放すると共に第３通路開閉手段を閉鎖し、樹脂供給源から注入ポートを通じて治具内に樹脂を注入すると共に、排出ポートを通じて治具内の樹脂を排出通路に排出する。一方、第２含浸工程の際には、第１通路開閉手段を閉鎖すると共に第３通路開閉手段を開放し、治具内の樹脂を排出ポートを通じて排出通路に排出すると同時に、注入ポートを通じて補助排出通路に排出する。これにより、治具内の余分な樹脂が効率的に排出され、また、治具内の樹脂の不均一な分布が是正される。したがって、性状の安定した軽量かつ高強度な複合材料を製造することができる。
【００２０】
本発明に係る第２の製造装置は、樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する装置であって、注入ポートと排出ポートと補助排出ポートとが形成され、強化材からなる成形体を封入する治具と、樹脂を供給する樹脂供給源と、１又は２以上の樹脂排出手段と、第１通路開閉手段を有し、前記強化材に樹脂を含浸させる第１含浸工程の際に前記樹脂供給源の樹脂を前記注入ポートに導く注入通路と、第２通路開閉手段を有し、前記第１含浸工程の際及び前記注入ポートから樹脂を注入した後の第２含浸工程の際に、前記樹脂排出手段によって前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する排出通路と、第３通路開閉手段を有し、前記第２含浸工程の際に、前記樹脂排出手段によって前記補助排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する補助排出通路とを備えているものである。
【００２１】
上記第２製造装置によれば、前記第２製造方法を好適に実行することができる。すなわち、第１含浸工程の際には、第１通路開閉手段及び第２通路開閉手段を開放すると共に第３通路開閉手段を閉鎖し、樹脂供給源から注入ポートを通じて治具内に樹脂を注入すると同時に、排出ポートを通じて治具内の樹脂を排出通路に排出する。一方、第２含浸工程の際には、第１通路開閉手段を閉鎖すると共に第３通路開閉手段を開放し、治具内の樹脂を排出ポートを通じて排出通路に排出すると同時に、補助排出ポートを通じて補助排出通路に排出する。これにより、治具内の余分な樹脂が効率的に排出され、また、治具内の樹脂の不均一な分布が是正される。したがって、性状の安定した軽量かつ高強度の複合材料を製造することができる。
【００２２】
本発明に係る第３の製造装置は、前記第１又は第２の製造装置において、前記治具が、前記成形体を支持する支持台と、前記支持台上において前記成形体を覆うフィルムシートとを備え、前記支持台と前記フィルムシートとの間に前記成形体を封入するものである。
【００２３】
このことにより、治具を簡易かつ小型に構成することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００２５】
図１に示す製造装置２０は、ＶａＲＴＭ法を用いて複合材料を製造する装置である。製造装置２０は、樹脂が蓄えられた樹脂供給缶１と、強化材からなる成形体を収容する治具８と、真空ポンプ７とを備えている。なお、以下では、成形体として、繊維物からなるプリフォームを用いることとする。
【００２６】
治具８の一端側には注入ポート５が設けられ、その他端側には排出ポート６が設けられている。なお、ここでいう一端及び他端とは、治具８内における樹脂の流路の一端及び他端のことであり、必ずしも幾何学的な意味での両端を意味するものではない。ただし、本実施形態では、治具８内の樹脂の流路は一方向（図１及び図２における左右方向）に延びる直線状に形成されているので、幾何学的な意味での両端が流路の両端となる。
【００２７】
図２に示すように、治具８は、繊維織物からなるプリフォーム２５を支持する支持台３１と、支持台３１に置かれたプリフォーム２５の全体を覆うバギングシート３２とから構成されている。なお、バギングシート３２は、支持台３１との間に真空空間を形成するためのフィルムシートであり、その形状や種類は特に限定されるものではない。治具８には、ヒータ等からなる加熱装置３５が設けられている。
【００２８】
図１に示すように、樹脂供給缶１と注入ポート５とは、注入管１１によって接続されている。注入管１１には、第１通路開閉手段として供給バルブ２が設けられている。排出ポート６は、排出管１２を介して真空ポンプ７に接続されている。排出管１２には、治具８から回収した樹脂を収容する樹脂トラップ９が設けられており、排出ポート６と樹脂トラップ９との間には第２通路開閉手段として排出バルブ３が設けられている。樹脂トラップ９と真空ポンプ７との間には、圧力計１０が設けられている。この圧力計１０は、主として系内の真空度を確認するために用いられる。
【００２９】
さらに製造装置２０には、注入管１１と排出管１２とをつなぐ補助排出管１３が設けられている。補助排出管１３の一端は、注入管１１における供給バルブ２と注入ポート５との間に接続されている。補助排出管１３の他端は、排出管１２における排出バルブ３と樹脂トラップ９との間に接続されている。この補助排出管１３には、第３通路開閉手段として補助排出バルブ４が設けられている。
【００３０】
なお、図示は省略するが、製造装置２０には、各バルブ２，３，４や加熱装置３５の制御等を行う制御装置が設けられている。
【００３１】
次に、本製造装置２０を用いて複合材料を製造する方法を説明する。
【００３２】
まず、所定の形状に成形されたプリフォーム２５を治具８内に設置する。次に、系内の真空引きを行う。具体的には、供給バルブ２を閉じ、排出バルブ３及び補助排出バルブ４を開いた状態で、真空ポンプ７を起動する。
【００３３】
系内の真空引きを行った後、第１含浸工程を行う。第１含浸工程では、補助排出バルブ４を閉じ、供給バルブ２を開く。すると、樹脂供給缶１内の樹脂は、注入管１１及び注入ポート５を通じて治具８内に注入される。治具８内に注入された樹脂は、プリフォーム２５の周囲及び内部を流通する。すなわち、プリフォーム２５が樹脂に含浸される。その後、樹脂がプリフォーム２５の全体に行き渡り、治具８内の余分な樹脂は排出ポート６から排出される。排出ポート６から排出された樹脂は、排出管１２を流れ、樹脂トラップ９に回収される。
【００３４】
上記第１含浸工程では、治具８内の樹脂分布は、注入ポート５側の方が排出ポート６側よりも樹脂量が多い不均一な分布となる。また、注入ポート５の付近に、余分な樹脂がたまりやすい。そこで、第１含浸工程の後、以下の第２含浸工程を行う。
【００３５】
第２含浸工程では、供給バルブ２を閉じ、補助排出バルブ４を開く。これにより、真空ポンプ７の吸引力が注入ポート５側にも作用し、注入ポート５からも治具８内の樹脂の一部が排出される。つまり、排出ポート６からの樹脂の排出を継続しつつ、注入ポート５から樹脂の排出を行う。これにより、注入ポート５側にたまっていた余分な樹脂が排出され、また、治具８内における樹脂の不均一な分布が是正される。
【００３６】
なお、上記第１及び第２含浸工程の際には、樹脂の粘度を低下させるために、加熱装置３５によって治具８を加熱し、樹脂の温度をある程度上昇させておくことが好ましい。樹脂の粘度を下げることにより、樹脂を流れやすくするためである。ただし、樹脂の温度が高すぎると、含浸工程中に樹脂が硬化してしまうおそれがある。そこで、樹脂が直ちに硬化しない程度に樹脂の温度を上げることが好ましい。なお、このような温度は樹脂の種類によって定まるので、加熱装置３５による加熱量は樹脂の種類に応じて適宜調節すればよい。
【００３７】
上記第２含浸工程の後、排出バルブ３及び補助排出バルブ４を閉じ、真空ポンプ７を停止する。そして、加熱装置３５で治具８内の樹脂を加熱し、樹脂を硬化させる。その結果、樹脂の内部に繊維強化材が含有されてなる複合材料が得られる。
【００３８】
本製造方法によれば、第２含浸工程において、排出ポート６に加えて注入ポート５からも樹脂を排出するので、注入ポート５付近にたまった樹脂を円滑に排出することができる。すなわち、排出ポート６から離れた位置にあるため排出ポート６からは排出しにくい余分な樹脂を、容易に排出することができる。
【００３９】
このように治具８内の余分な樹脂が排出されやすいので、複合材料における単位体積あたりの繊維含有率Ｖｆを高くすることができる。したがって、軽量かつ高強度な複合材料を製造することができる。
【００４０】
また、治具８内における樹脂の不均一な分布を是正することができ、繊維含有率Ｖｆを従来よりも一定化することができる。したがって、性状の安定した複合材料を得ることができる。
【００４１】
支持台３１とバギングシート３２とにより治具８を構成することとしたので、治具８を簡易かつ安価に構成することができる。また、治具８を小型化することができる。
【００４２】
上記実施形態では、注入ポート５及び排出ポート６はそれぞれ１つずつ設けられていたが、注入ポート５及び排出ポート６の一方又は両方は、２つ以上設けられていてもよい。成形体の寸法が大きい場合には、注入ポート５及び排出ポート６を複数設けることが好ましい。
【００４３】
上記実施形態では、第２含浸工程の際に、注入ポート５及び排出ポート６からの樹脂の排出を１台の真空ポンプ７で行っていた。しかし、排出ポート６からの排出を行う真空ポンプ７とは別に、注入ポート５からの排出を行う他の真空ポンプを設けることも可能である。例えば、補助排出管１３の一端を他の真空ポンプに接続し、２台の真空ポンプを用いて第２含浸工程を行ってもよい。このように、真空ポンプ７の台数は何ら限定されるものではない。
【００４４】
上記実施形態は、治具８内を減圧することによって樹脂を注入するものであった（いわゆるＶａＲＴＭ法）。すなわち、樹脂供給側を大気圧下とし、排出側を負圧としていた。しかし、本発明に係る方法は、ＶａＲＴＭ法に限定されず、例えば、樹脂供給側を加圧し、排出側を大気圧としてもよい。すなわち、圧力差によって樹脂を注入する限り、樹脂供給側及び排出側の圧力は何ら限定されるものではない。
【００４５】
上記実施形態では、第２含浸工程の際に、排出ポート６に加えて注入ポート５から樹脂を排出することとしていた。そのため、注入ポート５の付近に別途新たな排出ポートを設ける必要がなく、ポートの数を少なくすることができる。しかし、第２含浸工程の際に樹脂を排出するための補助排出ポートを、別途新たに設けるようにしてもよい。例えば、注入ポート５の近傍に、補助排出管１３に接続された補助排出ポートを設けるようにしてもよい。
【００４６】
また、プリフォーム２５の形状によっては、注入ポート５の近傍以外であっても、特定の箇所に余分な樹脂がたまりやすい場合も考えられる。そのような場合には、余分な樹脂がたまりやすい箇所に補助排出ポートを設けることが好ましい。例えば、図３に示すように、治具８における図中左上部分に樹脂がたまりやすい場合には、当該部分に補助排出ポート１４を設けるようにしてもよい。このことにより、注入ポート５の近傍以外に樹脂がたまりやすい箇所が存在していたとしても、余分な樹脂を円滑に排出することができる。すなわち、補助排出ポート１４を設けることにより、ポートの数は増えるものの、余分な樹脂をより効率的に排出することが可能となる。なお、補助排出ポート１４の形状、寸法及び個数は、何ら限定されるものではない。
【００４７】
上記実施形態は、強化材として繊維を用いた複合材料の製造方法であったが、強化材として粒子等の他の材料を用いる複合材料であっても、同様の方法により製造することができる。
【００４８】
なお、本製造方法により製造される複合材料は、例えば、航空機の部品（主翼、補助翼、胴体等）、鉄道車両、船舶、風力発電用のプロペラ等、様々な分野で利用することができる。
【００４９】
【発明の効果】
本発明によれば、治具内に樹脂を注入した後、排出ポートからの樹脂の排出を継続しつつ、注入ポート又は補助排出ポートからも樹脂の排出を行うこととした。そのため、余分な樹脂のたまりやすい箇所から樹脂を効率的に排出することができ、複合材料における強化材の含有率を高めることができる。したがって、複合材料を軽量化することができ、その強度を向上することができる。また、治具内における樹脂分布の不均一を是正することができ、性状の安定した複合材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 実施形態に係る複合材料の製造装置の構成図である。
【図２】 治具の概略断面図である。
【図３】 変形例に係る複合材料の製造装置の構成図である。
【図４】 従来の製造装置の構成図である。
【符号の説明】
１ 樹脂供給缶（樹脂供給源）
２ 供給バルブ（第１通路開閉手段）
３ 排出バルブ（第２通路開閉手段）
４ 補助排出バルブ（第３通路開閉手段）
５ 注入ポート
６ 排出ポート
７ 真空ポンプ
８ 治具
９ 樹脂トラップ
１０ 圧力計
１１ 注入管（注入通路）
１２ 排出管（排出通路）
１３ 補助排出管（補助排出通路）
１４ 補助排出ポート
２０ 製造装置
２５ プリフォーム（成形体）
３１ 支持台
３２ バギングシート（フィルムシート）
３５ 加熱装置
Claims (5)
- 樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する方法であって、
注入ポートと排出ポートとが形成された治具の内部に、強化材からなる成形体を配置する工程と、
前記注入ポートを通じて前記治具内に樹脂を注入すると共に、前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する第１含浸工程と、
前記排出ポートを通じての樹脂の排出を継続しつつ、前記注入ポートからの樹脂の注入を停止して前記注入ポートから樹脂を排出する第２含浸工程と、
樹脂の排出を停止し、樹脂を硬化させる工程と、
を備えている複合材料の製造方法。 - 樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する方法であって、
注入ポートと排出ポートと補助排出ポートとが形成された治具の内部に、強化材からなる成形体を配置する工程と、
前記注入ポートを通じて前記治具内に樹脂を注入すると共に、前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する第１含浸工程と、
前記排出ポートを通じての樹脂の排出を継続しつつ、前記注入ポートからの樹脂の注入を停止して前記補助排出ポートから樹脂を排出する第２含浸工程と、
樹脂の排出を停止し、樹脂を硬化させる工程と、
を備えている複合材料の製造方法。 - 樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する装置であって、
注入ポートと排出ポートとが形成され、強化材からなる成形体を封入する治具と、
樹脂を供給する樹脂供給源と、
１又は２以上の樹脂排出手段と、
第１通路開閉手段を有し、前記樹脂供給源の樹脂を前記注入ポートに導く注入通路と、
第２通路開閉手段を有し、前記樹脂排出手段によって前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する排出通路と、
第３通路開閉手段を有し、前記樹脂排出手段によって前記注入ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する補助排出通路と、
を備えている複合材料の製造装置。 - 樹脂内に強化材が含有されてなる複合材料を製造する装置であって、
注入ポートと排出ポートと補助排出ポートとが形成され、強化材からなる成形体を封入する治具と、
樹脂を供給する樹脂供給源と、
１又は２以上の樹脂排出手段と、
第１通路開閉手段を有し、前記強化材に樹脂を含浸させる第１含浸工程の際に前記樹脂供給源の樹脂を前記注入ポートに導く注入通路と、
第２通路開閉手段を有し、前記第１含浸工程の際及び前記注入ポートから樹脂を注入した後の第２含浸工程の際に、前記樹脂排出手段によって前記排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する排出通路と、
第３通路開閉手段を有し、前記第２含浸工程の際に、前記樹脂排出手段によって前記補助排出ポートを通じて前記治具内の樹脂を排出する補助排出通路と、
を備えている複合材料の製造装置。 - 請求項３又は４に記載の複合材料の製造装置であって、
前記治具は、前記成形体を支持する支持台と、前記支持台上において前記成形体を覆うフィルムシートとを備え、前記支持台と前記フィルムシートとの間に前記成形体を封入する複合材料の製造装置。
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