JP4347472B2 - 圧縮成形製品を製造するための装置及び方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の背景】
本発明は圧縮成形に関するものであって、更に詳しく言えば、圧縮成形製品を製造するための装置及び方法に関する。
【０００２】
圧縮成形方法においては、ダイセット中の金型のキャビティ内に素材から成る物体を配置し、次いでダイセット中のプラグを用いて圧力を加えることによって圧縮成形を行うのが通例である。複合材料中の補強用繊維と重合体基質との間に良好な結合を得ると共に以後の成形に際して繊維を保護するため、重合体基質に対する密着性を高めるための含浸を施すことによって補強用繊維の表面処理が行われる。こうして得られる部分硬化材料はプレプレグと呼ばれる。
【０００３】
ダイセット中の金型及び（又は）プラグに圧力を加えることにより、金型内のプレプレグ堆積物が圧縮されて所望の形状に成形される。圧力を加えるためには減圧バッグ技術を使用することができる。この場合、所望の形状に成形しかつ良好な結合を生み出すために必要な圧力は、プレプレグ堆積物をプラスチックバッグで覆い、次いで金型のキャビティ内を真空に排気することによって得られる。また、材料を完全に硬化させるために熱も加えられる。追加の熱及び圧力が所望されるならば、ダイセット及びプレプレグの全体がオートクレーブ内に配置される。
【０００４】
上記のごとき従来の圧縮成形方法の問題点は、従来のごとき加熱及び加圧に付随して高い経費及び複雑な設備が要求されることである。それ故、上記の問題を解決し得るような技術革新が今なお要望されているのである。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は、上記の要望を満足させるように設計された圧縮成形装置及び方法を提供するものである。本発明の圧縮成形装置及び方法においては、高品質の完成製品を保証する良好な再現性をもって構造物を製造するために必要な圧力を生み出すため、成形用ダイセットのプラグと金型との間における熱膨張の差が利用される。本発明の圧縮成形装置及び方法によれば、繊維強化複合材料プレプレグ構造物を硬化させるために必要な圧力及び温度を生み出すために減圧バッグ処理及びオートクレーブ処理を施す必要がなくなる。
【０００６】
本発明の実施の一態様に従えば、第１の熱膨張率を有する第１の材料で作製された金型と、金型の第１の材料の第１の熱膨張率と異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で作製されたプラグとを含む圧縮成形装置が提供される。金型及びプラグの一方が有するキャビティ内に金型及びプラグの他方を挿入して両者を相対的に配置することによって第１の容積を有する空隙が両者間に形成される結果、金型及びプラグが第１の温度下にある場合には第３の材料から成る物体が少なくとも部分的に空隙を満たすようにして空隙内に収容され、また金型の第１の材料及びプラグの第２の材料の一方が他方よりも大きい寸法変化を示すことによって前記空隙が第１の容積と異なる第２の容積に変化するような第２の温度に金型及びプラグが暴露された場合には物体が金型とプラグとの間で圧縮されて成形製品となる。なお、空隙の容積の変化は本質的に温度の変化のみによって引起こされる。
【０００７】
たとえば、プラグの第２の材料の第２の熱膨張率が金型の第１の材料の第１の熱膨張率より大きい結果、第１の温度から第２の温度への温度変化に際して金型の第１の材料が膨張するが、その度合は第１の温度から第２の温度への温度変化に際してプラグの第２の材料が膨張する度合よりも小さい。更にまた、第２の温度は第１の温度よりも高い。第１の温度がほぼ室温であり得る一方、第２の温度は約２５０°Ｆであり得る。物体を構成する第３の材料は、黒鉛繊維をエポキシ樹脂中に包埋して成る構造物のごとき複合材料構造物であり得る。
【０００８】
本発明はまた、第１の熱膨張率を有する第１の材料で作製されかつ開放状態のキャビティを規定する金型を用意する工程、第１の熱膨張率と異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で作製されたプラグを用意する工程、第１の温度下で金型のキャビティ内に第３の材料から成る物体を挿入しながら金型をプラグに対して配置することにより、プラグと金型との間に第１の容積を有する空隙が形成されかつ物体が少なくとも部分的に空隙を満たすようにする工程、並びに第１の温度から第２の温度に変化させることにより、金型の第１の材料及びプラグの第２の材料の一方を他方に対して膨張させて空隙の容積を減少させ、それによってプラグと金型との間で物体を所定の寸法及び形状に圧縮する工程を含む圧縮成形方法をも提供する。なお、空隙の容積の変化は本質的に温度の変化のみによって引起こされる。
【０００９】
【好適な実施の態様の詳細な説明】
図１及び２を見ると、完成成形製品を製造するための本発明の成形方法に従って熱膨張の差を利用する本発明の圧縮成形装置１０が示されている。基本的に、圧縮成形装置１０は金型１４及びプラグ１６を有するダイセット１２を含んでいる。この場合、金型１４は第１の熱膨張率を有する第１の材料で作製され、またプラグ１６は第１の熱膨張率と異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で作製されている。金型１４は、それをプラグ１６に対して着脱することを可能にする内部キャビティ１８を有している。その結果、金型１４がプラグ１６にかぶせて配置されかつ両者が室温（すなわち、約７５°Ｆの温度）のごとき第１の温度を有する場合には、金型１４とプラグ１６との間に第１の容積を有する空隙２０が形成される。金型１４は円周方向に沿って互いに離隔したピン２２によってプラグ１６に固定される結果、金型１４及びプラグ１６は互いに正確に位置決めされると共に、第１の温度（室温）下では金型１４の内面１４ａとプラグ１６の外面１６ａの一部との間に第１の容積を有する空隙２０が存在することになる。
【００１０】
金型１４とプラグ１６との間における熱膨張の差に暴露された場合に成形されて完成製品を生み出すため、金型１４及びプラグ１６を構成する第１及び第２の材料とは異なる第３の材料から成る物体２４が用意される。かかる第３の材料は任意の成形可能な材料であって、その実例としてはプラスチック材料及び複合材料〔たとえば、黒鉛繊維をエポキシ樹脂基質中に包埋して成る複合材料（その場合、不可欠ではないが、物体２４は黒鉛繊維プレプレグから成る）〕が挙げられる。金型１４をプラグ１６にかぶせて配置するのに先立ち、プレプレグ製物体２４が図１に示された位置を占めるようにしてプラグ１６上に装着される。図１に示されるごとく、プラグ１６が第１の温度下で金型１４の内部キャビティ１８内に配置された場合、物体２４は金型１４とプラグ１６との間の空隙２０を少なくとも部分的に満たす。金型１４及びプラグ１６を第１の温度から第２の温度（たとえば、２５０°Ｆ）に変化させると、物体２４は金型１４とプラグ１６との間における熱的変化（たとえば膨張）の差により圧縮されて所定の形状及び寸法を有するようになる。「硬化」時の温度変化は、金型１４及びプラグ１６を構成する第１及び第２の材料の一方を変化（材料に応じて膨張又は収縮）させる結果、図２に示されるごとく、空隙２０はより大きい第１の容積からより小さい第２の容積に減少し、従って物体２４は金型１４とプラグ１６との間で圧縮される。なお、このような空隙２０の容積の変化は本質的に温度の変化のみによって引起こされる。
【００１１】
金型１４は実質的にはまぐりの貝殻状の構造を有しているが、その他の任意適宜の構造を有していてもよい。その結果、金型１４はプラグ１６に対して開閉可能であり、従ってプラグ１６上へのプレプレグ製物体２４の挿入又は装着及びプラグ１６からの成形製品の取外しが可能である。金型１４及びプラグ１６は任意適宜の寸法を有し得る。もっぱら例示を目的として述べれば、金型１４は炭素鋼製のものであり得る一方、プラグ１６はステンレス鋼製のものであり得る。更にまた、金型１４及びプラグ１６は直円筒形の形状を有し得るが、その他の形状を使用することもできる。分解可能なプラグを使用すれば、複雑な形状を成形することもできる。構造的な損傷を生じる可能性なしに成形製品を押して取外すことができるようにするため、プラグ１６に僅かなテーパを付けることもできる。
【００１２】
金型１４を構成する第１の材料は、それの熱膨張時にプラグ１６を圧迫するのに十分なだけの強度を有していなければならない。金型１４のキャビティ１８はまた、金型１４の内面１４ａによって規定された所望の形状を有し、従って完成した複合材料構造物に所望の外部形状を与える。かかる外部形状は、たとえば機械加工により、金型１４の内面１４ａ上に形成される。金型１４を構成する第１の材料が炭素鋼である場合、第１の熱膨張率は６．５×１０^-6in/in゜F である。プラグ１６を構成する第２の材料がステンレス鋼である場合、第２の熱膨張率は１０．０×１０^-6in/in゜F であり、従って第１の材料の第１の熱膨張率よりも大きい。温度が第１の温度から第２の温度に変化した場合、金型１４を構成する第１の材料の変化の度合はプラグ１６を構成する第２の材料の変化よりも小さい。前述のごとく、たとえば第２の温度が第１の温度よりも高ければ、生じる寸法変化の差は、金型１４を構成する第１の材料の膨張よりもプラグ１６を構成する第２の材料の膨張の方が大きいというものである。第１の温度はたとえば室温であり、また第２の温度はたとえば２５０°Ｆである。金型１４及びプラグ１６を構成する第１及び第２の材料は、公知の熱膨張方程式Ｌ₂ ＝Ｌ₁ ＋αＬ₁ ΔＴに従って膨張又は収縮する。式中、αは熱膨張率、ΔＴは温度差（Ｔ₂ −Ｔ₁ ）（ただし、Ｔ₁ は第１の温度、そしてＴ₂ は第２の温度である）、Ｌ₁ は第１の温度Ｔ₁ における材料の長さ、そしてＬ₂ は第２の温度Ｔ₂ における材料の長さである。
【００１３】
前述のごとく、金型１４がプラグ１６に対してそれらの下端部１４ｂ及び１６ｂで固定されている結果、金型１４の下端部１４ｂ及びプラグ１６の下端部１６ｂのそれぞれの表面１４ｃ及び１６ｃは実質的に同一平面内に維持される。金型１４とプラグ１６とは、任意適宜の手段（たとえば、ピン２２）によって固定することができる。金型１４をプラグ１６に対して固定することは、それらを互いに正確に位置決めするために必要である。金型１４とプラグ１６との間に存在する空隙２０は、物体２４の寸法及び起こり得る熱膨張の差の大きさに応じて任意適宜の寸法及び形状を有し得る。硬化の開始前には、物体２４は所定の初期形状を有している。硬化時には、物体２４の外面２４ａが金型１４の内面１４ａの形状を示すようになる一方、物体２４の内面２４ｂはプラグ１６の内面１６ｂの形状を示すようになる。それ故、物体２４は金型１４及びプラグ１６の形状に応じて任意適宜の所望される形状を取ることができるのである。物体２４を構成する第３の材料は複合材料構造物である。物体２４の複合材料構造物は、黒鉛繊維のごとき繊維によって補強されている。
【００１４】
装置１０を使用する圧縮成形方法は、第１の熱膨張率を有する第１の材料で作製されかつ内部キャビティ１８を規定する金型１４を用意する工程、第２の熱膨張率を有する第２の材料で作製されたプラグ１６を用意する工程、及び第１の温度下で金型１４のキャビティ１８内に物体２４を挿入しながら金型１４をプラグ１６に対して配置することにより、金型１４とプラグ１６との間に第１の容積を有する空隙２０が形成されかつ物体２４が少なくとも部分的に空隙２０を満たすようにする工程を含んでいる。次いで、第１の温度を第２の温度に変化させることにより、金型１４の第１の材料及びプラグ１６の第２の材料の一方が他方に対して膨張して空隙２０の容積が減少し、従って物体２４が金型１４とプラグ１６との間で所定の寸法及び形状に圧縮される。なお、空隙２０の容積の変化は本質的に温度の変化のみによって引起こされる。第１の温度から第２の温度に変化させる工程によって金型１４の第１の材料は膨張するが、その度合はプラグ１６の第２の材料の膨張の度合よりも小さい。第２の温度下での硬化の後、プラグ１６及び物体２４から金型１４を取外すことが必要となる。なぜなら、第２の温度から第１の温度への移行に際して物体２４は金型１４ほど収縮しないことがあるからである。本発明の圧縮成形方法によれば、１００ｐｓｉより高い圧力を得ることができる。
【００１５】
上記の圧縮成形方法は真空中においても実施し得るし、あるいは成形方法の完了後に成形装置１０から空気を排出し得ることを理解すべきである。このような場合、空隙２０はギャップ又は真空ギャップ２０と呼ばれる。このように空気を排出することにより、黒鉛繊維を含む複合材料のごとき第３の材料から成る物体２４中の気泡を除去することができる。なお、このような真空は単に気泡を除去するだけであって、物体２４を圧縮するわけではないことに注意すべきである。
【００１６】
本発明及びそれの利点は以上の説明から理解されるものと考えられる。また、上記のごとき実施の態様は本発明を例示するものに過ぎないのであって、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくかつそれの重要な利点の全てを犠牲にすることなく、それらに様々な変更を加え得ることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧縮成形装置のダイセット中の金型及びプラグの概略断面図であって、成形製品を製造するための本発明の成形方法に従ってそれらを相異なる程度に熱膨張させる前の状態を示している。
【図２】本発明の圧縮成形装置のダイセット中の金型及びプラグの概略断面図であって、成形製品を製造するためにそれらを相異なる程度に熱膨張させた後の状態を示している。
【符号の説明】
１０ 圧縮成形装置
１２ ダイセット
１４ 金型
１６ プラグ
１８ キャビティ
２０ 空隙
２２ ピン
２４ 物体

Claims (10)

1. 第１の熱膨張率を有する第１の材料で作製された金型と、
   前記金型の前記第１の材料の前記第１の熱膨張率と異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で作製されたプラグと複数のピンとを含んでいて、
   前記金型は、前記プラグを取り囲む筒型の形状を有しており、
   前記金型及び前記プラグの一方が有するキャビティ内に前記金型及び前記プラグの他方を挿入して両者を相対的に配置することによって第１の容積を有する空隙が前記金型と前記プラグとの間に形成される結果、前記金型及び前記プラグが第１の温度下にある場合には前記第１及び第２の材料と異なる第３の材料から成る物体が少なくとも部分的に前記空隙を満たすようにして前記空隙内に収容され、また前記金型の前記第１の材料及び前記プラグの前記第２の材料の一方が他方よりも大きい寸法変化を示すことによって前記空隙が前記第１の容積と異なる第２の容積に変化するような第２の温度に前記金型及び前記プラグが暴露された場合には前記物体が前記金型と前記プラグとの間で圧縮されて成形製品となり、
   前記複数のピンは前記金型の周囲に互いに離隔して配置され、各々のピンは前記筒型の金型の軸と垂直な方向に延び、前記複数のピンは前記金型を前記プラグに固定し、前記空隙が前記第１の容積から前記第２の容積に変化することを許容し、
   前記空隙の容積の変化は温度の変化によって引起こされることを特徴とする圧縮成形装置。
2. 前記金型が前記プラグに対して着脱可能である結果、前記金型を前記プラグにかぶせて配置した場合には前記金型と前記プラグとの間に前記第１の容積を有する前記空隙が存在する請求項１記載の装置。
3. 前記金型の前記第１の材料が炭素鋼であり、かつ前記プラグの前記第２の材料がステンレス鋼である請求項１記載の装置。
4. 前記プラグの前記第２の材料の前記第２の熱膨張率が前記金型の前記第１の材料の前記第１の熱膨張率より大きい請求項１記載の装置。
5. 前記金型及び前記プラグが円筒形の形状を有する請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
6. 前記プラグが、円周方向外側に突出する段部と、該段部よりも更に円周方向外側に突出する下端部（１６ｂ）を有しており、
   前記金型の下端部（１４ｂ）の前記軸と垂直な表面（１４ｃ）と、前記プラグの下端部（１６ｂ）の前記軸と垂直な表面（１６ｃ）と同一平面内に維持され、
   前記複数のピン（２２）は、前記金型の前記下端部（１４ｂ）を貫いて前記プラグの段部に固定され、
   前記第２の温度に前記金型及び前記プラグが暴露された場合に前記金型の前記下端部（１４ｂ）と前記プラグの段部が接触する請求項５記載の装置。
7. プラグを取り囲む筒型の形状を有しており、第１の熱膨張率を有する第１の材料で作製されかつキャビティを規定する金型を用意する工程、
   前記第１の熱膨張率と異なる第２の熱膨張率を有する第２の材料で作製された前記プラグを用意する工程、
   第１の温度下で前記金型の前記キャビティ内に前記第１及び第２の材料と異なる第３の材料から成る物体を挿入しながら前記金型を前記プラグに対して配置することにより、前記金型と前記プラグとの間に第１の容積を有する空隙が形成されかつ前記物体が少なくとも部分的に前記空隙を満たすようにする工程、
   前記複数のピンを用いて前記金型を前記プラグに固定する工程、並びに
   前記金型及び前記プラグを前記第１の温度と異なる第２の温度に暴露することにより、前記金型の前記第１の材料及び前記プラグの前記第２の材料の一方が他方に対して寸法の変化を生じる結果として前記空隙が前記第１の容積と異なる第２の容積に変化し、従って前記物体が前記金型と前記プラグとの間で圧縮されて成形製品となるようにする工程を含んでいて、
   前記複数のピンは前記金型の周囲に互いに離隔して配置され、各々のピンは前記筒型の金型の軸と垂直な方向に延び、前記複数のピンは前記空隙が前記第１の容積から前記第２の容積に変化することを許容し、
   前記空隙の容積の変化は温度の変化によって引起こされることを特徴とする圧縮成形方法。
8. 前記金型を配置する前記工程が前記金型を前記プラグにかぶせて配置することを含む結果、前記金型を前記プラグにかぶせて配置した場合には前記金型と前記プラグとの間に前記第１の容積を有する前記空隙が存在する請求項７記載の方法。
9. 前記金型の前記第１の材料が炭素鋼であり、かつ前記プラグの前記第２の材料がステンレス鋼である請求項７記載の方法。
10. 前記プラグの前記第２の材料の前記第２の熱膨張率が前記金型の前記第１の材料の前記第１の熱膨張率より大きい請求項７記載の方法。

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