JP5029601B2 - 積層体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法もしくはＲＦＩ（Resin Film Infusion）法など、マトリックス樹脂の含浸していない強化繊維基材からなる積層体にマトリックス樹脂を注入・含浸することにより成形する強化繊維プラスチックを製造する際に用いられる、強化繊維基材からなる積層体の製造装置および製造方法に関する。

炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維を強化繊維として用いたＣＦＲＰやＧＦＲＰなどのＦＲＰは、軽量でかつ高い耐久性を有するものであることから、自動車や航空機などを構成する各種の構成部材として理想的な材料である。

これらＣＦＲＰやＧＦＲＰを成形する方法としては、例えば強化繊維と高靭性のエポキシ樹脂とからなるプリプレグシートを積層した積層体を、オートクレーブ（圧力釜）で加圧および加熱して硬化させるオートクレーブ成形法が一般的なものであった。

しかしながら、一般にプリプレグシートでは、複雑な３次元形状の成形が難しいという問題があった。また、材料費や成形時間が掛かり過ぎてコストが高くなるがゆえに、従来のプリプレグ使用のオートクレーブ成形では、なかなか適用用途が広がっていかないのが現状である。

そこで近年では、ＣＦＲＰを得る方法として、従来のプリプレグ使いのオートクレーブ成形法より、安価で成形時間が短縮できる、Resin Transfer Molding（以下、「レジントランスファー」もしくは「ＲＴＭ」という）成形法や真空圧を利用してマトリックス樹脂を注入、含浸する真空ＲＴＭ成形法などが注目されている。

これらの成形法は、マトリックス樹脂が含浸されていない、ドライな強化繊維基材を複数枚積層したものを成形型に配置し、低粘度の液状マトリックス樹脂をこれに注入することにより、強化繊維基材にマトリックス樹脂を含浸し、その後オーブンなどにより加熱することによりマトリックス樹脂を硬化させて複合材料を成形するものである。このようにＲＴＭ成形法ではドライな基材を用いるため、強化繊維基材からなる積層体を複雑な３次元形状に沿わせて賦形することが可能でなる。

ところで、このような方法で賦形する際には、強化繊維基材を一枚毎に積層して賦形すると多大な時間がかかるため、予め所定の積層構成に基づき強化繊維基材が積層された積層体を、賦形型に配置して、賦形することが求められている。積層体を賦形型に配置するためには、積層体を構成する強化繊維基材同士が層間において一体化している必要がある。一体化していないと、積層時に積層角度、積層位置を制御して積層したとしても、積層体を賦形型へ配置する際など移動の際に、強化繊維基材の積層角度、積層位置がずれてしまう懸念がある。特に強化繊維が一方向に引き揃えられている一方向強化繊維基材においては、積層角度が強化繊維プラスチックの特性に大きく影響するため、積層角度を制御することは極めて重要である。

また、強化繊維プラスチック製構造部材の最適設計により、同一部材内で強化繊維基材の積層枚数を変化させることもある。例えば、航空機の翼などは、主要な荷重を負担する翼根部では積層枚数が多く厚いが、翼の先端では積層枚数が少なく薄くなっている。このように積層枚数を減らすことは、一般的にプライドロップと言われている。このようにプライドロップが設けられている構造部材においては、強化繊維基材がプライドロップする位置が決められるため、積層体における強化繊維基材の積層位置も極めて重要な事項となる。

プリプレグはマトリックス樹脂が含浸しているため、マトリックス樹脂の粘着性を利用して、プリプレグ同士が接着一体化する。そのため、持ち運び中などにプリプレグの積層体において積層角度や積層位置がずれるなどの懸念はない。しかしながら、逆にプリプレグ全面にわたりプリプレグの層間が接着一体化しているため、上記のように複雑形状に賦形するとシワが発生するなどの問題があった。

一方、マトリックス樹脂が含浸されていないドライな強化繊維基材の積層体には、例えば特許文献１に示すように、ポリエーテルアミン、アクリロニトリルブタジエンゴムなどの樹脂材料を強化繊維基材の表面に配置し、この樹脂材料を介して、強化繊維基材の層間を接着一体化することが可能となる。しかしながら、特許文献１には、強化繊維基材の積層体における層間の接着形態について開示されておらず、ドライな強化繊維基材の積層体において、強化繊維基材の全面にわたり層間が接着一体化していると、プリプレグの積層体と同様に複雑形状への賦形は困難となり、マトリックス樹脂が含浸していないことによる賦形性の良さを活かすことができない、という問題があった。

他方、特許文献２には、強化繊維シートの少なくとも片面にガラス転移点Ｔｇが０〜９５℃である接着樹脂が基材の全面にわたり点状、線状または不連続線状に付着した強化繊維基材を用い、強化繊維基材をかかる接着樹脂により接着、一体化することが開示されている。すなわち、特許文献２には、積層体の接着条件について、温度がＴｇ〜（Ｔｇ＋５０℃）の範囲内で、圧力が０．１ＭＰａ以下で、かつ時間が３時間以内であること、が記載されており、かつ、このような条件で接着させることにより、強化繊維基材全体において接着樹脂が適度に溶融し、強化繊維基材同士の接着強さも場所によるばらつきが小さい、と説明されている。しかしながら、この文献に記載の技術でも、強化繊維基材の全面にわたり層間が接着一体化することになるので、プリプレグの積層体と同様に複雑形状への賦形は困難となり、マトリックス樹脂が含浸していないことによる賦形性の良さを活かすことができない問題があった。

さらに特許文献３には、強化繊維基材の層間を接合するために、プレス機に取り付けられた格子状に熱融着ができるような圧着部を有する圧着用治具を、強化繊維基材の積層体上に配置し、８０℃の加熱雰囲気下において、積層体を加熱するとともに、一定時間加圧する方法が記載されている。しかしながら、この文献には、各圧着部の圧力を制御する方法が記載されていない。そのため、航空機用部材などのように大型の部材に使用するような大型の積層体を接着する場合には、すべての圧着部位の圧力を均一にし、しかもその圧力を一定時間維持することは極めて困難であった。

加えて、特許文献３には、強化繊維基材の積層構成（積層枚数等）が積層体全体にわたり同じで、積層体の厚みが実質的に一定である態様が記載されているが、一つの部材でも部位によって強化繊維基材の積層構成が異なり、積層体の厚みが部位により異なる場合もある。積層体の厚みが部位により異なる場合、特許文献３の図５に記載のように複数の圧子が一つの板に完全に固定されている圧着用治具を用いて圧着すると、積層体の厚い部位に圧子が当たり、積層体の薄い部位には圧子が当たりにくくなり、積層体全体にわたり均一な圧力で加圧することが難しく、結果として均一な接着ができないという問題が生じやすい。そして、圧力が高すぎる場合、その部位の層間の接着が強固となり、賦形の時にシワが発生するなどの不具合が懸念される。一方、圧力が弱すぎる場合、その部位の層間の接着が弱くなり、賦形までのハンドリング時に層間が剥離し、ハンドリング性が悪化するなどの不具合が懸念される。そのため、圧子それぞれが独立で圧力を制御できる機構を有する圧着用治具も求められていた。

すなわち、マトリックス樹脂の含浸していないドライな強化繊維基材の積層体において、ハンドリング性を向上し、かつ所定の形状に一括で賦形する場合には良好な賦形性を発現できる様に層間を接着一体化する技術、ないし、このような積層体を製造する製造装置が望まれるべく状況にあったにもかかわらず実現されていなかったのが現状である。
特開平８−３００３９５号公報 特開２００４−１１４５８６号公報 特開２００６−１０３３０５号公報

本発明の目的は、ＲＴＭ成形法もしくは真空ＲＴＭ成形法にて複合材料を製造する場合に好適に用いられる強化繊維基材の積層体に関し、２枚以上に積層した強化繊維基材の層間を部分的に接着して一体化することにより、ハンドリング性および賦形性に優れる積層体を製造することができる製造装置を提供することである。

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を採用するものである。
（１）表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体の層間を、前記樹脂材料により部分的に接着して一体化し、積層体とする接着装置を有し、前記接着装置は互いに対向配置される圧子治具と平板治具とを有し、前記圧子治具は圧子プレートと複数の圧子とを有し、前記圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離が可変に構成され、前記圧子治具と前記平板治具の少なくとも一方が昇降機能を有するとともに、前記圧子治具と前記平板治具の少なくとも一方が加熱機能を有している積層体の製造装置。
（２）前記圧子は、バネを介して前記圧子プレートに取り付けられるとともに該圧子の長手方向に前記バネを縮めて移動できるように構成されている、前記（１）に記載の積層体の製造装置。
（３）前記圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離は、流体圧力により可変に構成されている、前記（１）に記載の積層体の製造装置。
（４）前記圧子は、平板治具側先端の形状が円形である、前記（１）〜（３）のいずれかに記載の積層体の製造装置。
（５）加熱機能を有している、前記圧子治具と平板治具の少なくとも一方には、熱媒流路用の配管が設置されている、前記（１）〜（４）のいずれかに記載の積層体の製造装置。
（６）加熱機能を有している、前記圧子治具と前記平板治具の少なくとも一方を、前記積層体前駆体と共に挟む位置に、断熱材が取り付けられている、前記（１）〜（５）のいずれかに記載の積層体の製造装置。
（７）積層体を移動させる移動装置を備え、前記移動装置は、前記積層体を該積層体の厚み方向の上下から挟んで把持した状態で該積層体の長手方向に平行移動することにより該積層体を前記接着装置から搬出するとともに、搬出された前記積層体に用いられた積層体前駆体とは別な積層体前駆体を前記接着装置に供給する手段を有する、前記（１）〜（６）のいずれかに記載の積層体の製造装置。
（８）前記接着装置および前記移動装置はエアシリンダーにより駆動する、前記（７）に記載の積層体の製造装置。
（９）表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体の層間を、少なくとも次の（ａ）、（ｂ）の工程を経て、前記樹脂材料により部分的に接着して一体化する積層体の製造方法。

（ａ）平板治具と、圧子プレートおよび複数の圧子を有し、該圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離が可変に構成されている圧子治具との間に、前記積層体前駆体を配置する配置工程
（ｂ）前記圧子治具を降下および／または前記平板治具を上昇して、前記積層体前駆体を前記圧子治具と前記平板治具とで挟み、前記圧子により前記積層体前駆体を部分的に加圧するとともに、前記積層体前駆体のうち少なくとも加圧している箇所を加熱する加圧加熱工程
（１０）前記（ａ）の工程で、前記積層体前駆体を、圧子がバネを介して圧子プレートに取り付けられた圧子治具と平板治具との間に配置し、前記（ｂ）の工程で、前記圧子治具を降下および／または前記平板治具を上昇して、前記バネを縮める長さおよび前記圧子が積層体前駆体を加圧する圧力を制御する、前記（９）に記載の積層体の製造方法。
（１１）前記（ａ）の工程で、前記積層体前駆体を、圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離が流体圧力により可変に構成されている圧子治具と平板治具との間に配置し、前記（ｂ）の工程で、前記圧子治具を降下および／または前記平板治具を上昇して、前記流体圧力および前記圧子が積層体前駆体を加圧する圧力を制御する、前記（９）に記載の積層体の製造方法。

本発明によれば、マトリックス樹脂の含浸していない、表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体を、所望する圧力でより均一に加圧することができるので、得られた積層体は、良好なハンドリング性を発現するとともに、所定の形状に賦形する場合に良好な賦形性を発現するものとなる。そして、かかる積層体にマトリックス樹脂を注入・含浸し、賦形することにより、シワの発生を防ぎつつ複雑な形状の強化繊維プラスチックを製造することができる。また、本発明によれば、かかる積層体を自動かつ連続的に製造することが可能となるため、短時間化および低コスト化が可能となる。

本発明で用いられる、表面に樹脂材料を有する強化繊維基材の概略図を示す。 本発明の積層体の製造装置の一例を示す。 本発明の積層体の製造装置に用いられる圧子の、圧子プレートへの取り付け構成の一例を示す。 本発明の積層体の製造装置に用いられる圧子が、積層体前駆体を加圧している様子の一例を示す。 本発明の積層体の製造装置に用いられる圧子が、厚み変化を有する積層体前駆体を加圧している様子の一例を示す。 本発明の積層体の製造装置に用いられる圧子治具の一例を示す。 本発明の積層体の製造装置に用いられる圧子治具の一例を示す。 実施例２における積層体前躯体の構成図を示す。

符号の説明

１：強化繊維基材
２：強化繊維
３：補助糸としてのたて糸
４：補助糸としてのよこ糸
５：樹脂材料
６：積層体の製造装置
７：接着装置
８：移動装置
９：積層体前駆体
１０：圧子治具
１１：平板治具
１２：エアシリンダー
１３：圧子治具の昇降方向
１４：熱媒流路用配管
１５：圧子
１６：圧子プレート
１７：クランプ治具上
１８：クランプ治具下
１９：積層体
２０：エアシリンダー
２１：クランプ治具上の昇降方向
２２：エアシリンダー
２３：クランプ治具下の移動方向
２４：切り欠き
２５：貫通孔
２６：バネ
２７：圧子先端
２８：圧子のフランジ
２９ａ：上部圧子プレート
２９ｂ：下部圧子プレート
３０：段差

以下、本発明の、強化繊維基材からなる積層体の製造装置の好ましい形態を、図面を参照しながら説明する。なお、本発明が図面に記載された発明に限定されるものではない。

まず、図１に、本発明で用いられる、表面に樹脂材料を有する強化繊維基材の一例を示す。図１で示される強化繊維基材１は、強化繊維２と、補助糸としてのたて糸３およびよこ糸４から構成される基材の表面に、樹脂材料５が接着されて一体化されている。

続いて、図２に本発明の積層体の製造装置の一例を示す。図２に示す積層体の製造装置６は、表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体９の層間を、前記樹脂材料により部分的に接着して一体化する接着装置７と、前記積層体を移動させる移動装置８等から構成されている。

接着装置７は、主に、互いに対向配置される圧子治具１０と平板治具１１から構成され、圧子治具１０と平板治具１１はそれぞれ部分接着前の積層体前駆体９の上下に配置されるように構成されている。接着装置７には、エアシリンダー１２が設置され、圧子治具１０を矢印１３の方向に昇降できる機能を有する。さらに圧子治具１０および平板治具１１には、熱媒流路用配管１４が設置され、金型温度調節器（図中記載無し）により、加熱した熱媒を熱媒流路用配管１４に流すことにより、圧子治具１０および平板治具１１を加熱できる機能を有する。さらに圧子治具１０は圧子プレート１６と複数の圧子１５とから構成され、複数の圧子１５は積層体前駆体９の長手および幅方向に規則的に配列されるように構成されている。図２では、複数の圧子１５が積層体の長手方向に規則的に配列している状態を示す。

なお、圧子治具１０を矢印１３の方向に昇降する機能の代わりに平板治具１１を同方向に昇降する機能を設けてもよく、また、圧子治具１０および平板治具１１の両方を昇降する機能を設けてもよい。また、圧子治具１０および平板治具１１の両方を加熱する機能に代えて、いずれか一方のみを加熱する機能であってもよい。

本発明の積層体の製造装置においては、図３に示すように、圧子１５の平板治具側先端２７と圧子プレート１６との間の距離Ｘが可変に構成されていることが重要である。具体的には、圧子１５を、バネ定数ｋを有するバネ２６を介して圧子プレート１６に取り付けることが好ましい。

図３に示す態様では、圧子プレート１６が上部圧子プレート２９ａおよび下部圧子プレート２９ｂとで構成されており、下部圧子プレート２９ｂには貫通孔２５が設けられている。また、個々の圧子１５には切り欠き２４が設けられており、当該切り欠き２４の中にそれぞれバネ２６が設置されている。そして、バネが設けられた圧子１５が、圧子プレート１６の貫通孔２５にはめ込まれ、かかるバネ２６が上部圧子プレート２９ａに押し付けられて圧子の長手方向に縮まっている。このとき個々の圧子１５は、バネ２６が自然長よりも一定の長さ分ΔＬ_０だけ圧縮された状態で取り付けられることが好ましい。圧子１５をバネ２６が圧縮された状態で取り付けることにより、バネ２６が圧子１５を荷重ΔＦ＝ｋ×ΔＬ_０で下方に押さえつけた状態となるので、圧子治具１０を降ろして圧子１５で積層体前駆体９を加圧する際に、圧子１５が積層体前駆体９に触れた瞬間に加圧を開始できる。

バネ定数ｋは、０．０５Ｎ／ｍｍ以上５０Ｎ／ｍｍ以下であることが好ましい。バネ定数ｋが０．０５Ｎ／ｍｍ未満であると、圧子が十分な圧力で積層体前駆体９を加熱できない場合があり、一方、バネ定数ｋが５０Ｎ／ｍｍよりも大きいと、バネの外径が大きくなりすぎて、圧子プレートの一定面積内に設置できる圧子の数が少数に制限される場合があるためである。

なお、図３に示す態様において、圧子１５の平板治具側先端と圧子プレート１６との間の距離は、バネ２６の代わりに、圧縮空気や水、油などの流体圧力により可変に構成されていてもよい。

また、本発明で用いられる圧子１５は、積層体前駆体９を加圧する圧子先端面の最大長さが１ｍｍ以上２０ｍｍ以内であることが好ましい。圧子先端面の最大長さとは、積層体前駆体への接触面における最大長さをいうが、図６に示した圧子治具１０の場合は直径Ｄをいう。なお、図６において（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。圧子先端面の最大長さが１ｍｍよりも小さいと、積層体の層間の接着面積が小さすぎて、簡単に層間の接着が剥がれて、積層体前駆体の取り扱い性が損なわれる場合があり、一方、圧子先端面の最大長さが２０ｍｍよりも大きいと、積層体の層間の接着面積が大きすぎて、積層体の賦形性が損なわれる場合がある。圧子先端面の最大長さは、より好ましくは、強化繊維基材を構成する強化繊維束の幅Ｈ以下である（図１参照）。圧子先端面の最大長さを上記範囲にすることにより、積層体の賦形性を向上することができる。

したがって、本発明の積層体の製造装置に用いるバネのバネ定数は、圧子により積層体を加圧する圧力Ｐ、上記のように圧子先端面の長さから決定される圧子の積層体前駆体への接触面積Ｓおよび圧子にて積層体前駆体を加圧するときに縮むバネの自然長からの縮み量ΔＬに基づいて、ｋ＝ＰＳ／ΔＬより選定することも好ましい。

また、図６に示すように、隣接する圧子の先端間（すなわち、隣接する圧子の先端間の距離が最小となる２点間）距離Ｗは、強化繊維基材を構成している１本の強化繊維束の幅Ｈ（ｍｍ）以上であって５Ｈ（ｍｍ）以下であることが好ましい。圧子をこのような先端間距離になるように配置することにより、積層体を構成している強化繊維基材において、隣り合う強化繊維束同士が接着されず一体化されない範囲を設けることができるため、積層体前駆体の層間を部分的に接着して一体化した積層体においても、強化繊維基材自体が有する賦形性を損なうことなく、良好な賦形性を発現しうることができ、かつ部分接着によりハンドリング性を向上することができる。

より具体的に、隣接する圧子の先端間距離Ｗは、３ｍｍ以上１００ｍｍ以下であることが好ましい。３ｍｍ未満であると、部分接着の間隔が狭すぎて、接着密度が高くなりすぎることにより、結果として、積層体の賦形性が損なわれる場合がある。一方、１００ｍｍよりも大きいと、部分接着の間隔が広すぎて、接着密度が低くなり、積層体の接着が不十分なため、ハンドリング性が悪化する懸念がある。

さらに、積層体前駆体を加圧する圧子先端２７の積層体前駆体への接触面の形状は、図６に示すように円形であることが好ましい。圧子先端２７は、積層体を構成している強化繊維基材に接触して加圧する。そのため、圧子先端の形状が円形であると、積層体の面方向においては鋭角なエッジが無いため、強化繊維を傷つけにくいため好ましいのである。一方、圧子先端２７の断面形状が、四角や三角など、積層体の面方向に鋭角なエッジを有する形状の場合、この鋭角なエッジで加圧された積層体表面の強化繊維が傷付き、積層体の品質が劣化する懸念がある。なお、ここで言う「円形」とは、ある定点からの等距離にある点の集合を意味するほか、集合で囲まれた図形の重心を通り、集合上の点の２点を結ぶ線分の最大値と最小値との差が、該最小値の１０％以下であれば、ここで言う円形（このとき、直径Ｄは前記最大値と前記最小値の平均値と定義する。）に含まれるものとする。

本発明において、圧子治具および平板治具の加熱方法は特に限定されるものではなく、図２に示すように圧子治具および平板治具内に熱媒流路用の配管を設け、該配管内に金型温度調節器などを用いて、温水や加熱した油などの熱媒を流すことにより加熱する方法のほか、圧子治具および平板治具内に電熱線を設置して、電流を流すことにより、加熱する方法などを用いることも可能である。中でも、熱媒による加熱は、温度制御およびメンテナンスが比較的容易であることから、好ましい。そのため、圧子治具および平板治具には熱媒流路用の配管を配置し、該配管に金型温度調節器などの熱媒加熱装置を取り付けて、熱媒を流すことにより、圧子治具および平板治具を加熱することが好ましい。

圧子治具および平板治具には、断熱材が取り付けられていることが好ましい。圧子治具および平板治具からの放熱が激しいと、圧子による加熱制御が困難となるが、圧子治具および平板治具に断熱材を取り付けることにより、圧子治具および平板治具の放熱を抑制でき、安定して積層体前駆体の部分接着を行うことができる。具体的には、加熱機能を有している圧子治具や平板治具を、積層体前駆体と共に挟むような位置に、断熱材を設けることが好ましい。

一方移動装置８は、クランプ治具上１７とクランプ治具下１８から構成されている。クランプ治具上１７にはさらにエアシリンダー２０が設置され、クランプ治具上１７を矢印２１の方向に昇降できる機能が設けられており、また、移動装置８には、エアシリンダー２２が設置され、クランプ治具上１７、クランプ治具下１８を矢印２３の方向に平行移動できる機能が設けられている。このような構成により、クランプ治具上１７とクランプ治具下１８との間に積層体１９を配置し、かかるクランプ治具上１７とクランプ治具下１８により、該積層体を厚み方向の上下から挟んで把持し、把持した状態で該積層体の長手方向に平行移動して、一体化した積層体１９を搬出するとともに、当該積層体１９に連続しているものの接着されていない部分、すなわち別の積層体前駆体を接着装置に供給することができる。

接着装置および移動装置の駆動手段は、特に限定されるものではないが、圧縮空気を用いたエアシリンダーを用いることにより、電力を用いることなく、設備的にも簡易にかつ連続的に駆動することができる。特に移動装置をエアシリンダーで駆動させる場合は、部分接着した積層体をクランプ治具上、クランプ治具下で挟む力を圧縮空気の圧力により簡単に制御することができるため、好ましい。

なお、本発明においては、移動装置８のような積層体を移動する手段を設ける代わりに、接着装置７を積層体前駆体９の長手方向および／または幅方向に移動する手段を設けてもよい。かかる構成により、積層体の移動手段を設けるのと同様に、積層体の全面に亘って部分的に接着することが可能となる。

続いて、上記のような装置を用いて、表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体の層間を部分的に接着、一体化し、積層体を製造する方法について説明する。
積層体を上記装置で製造するにあたっては、まず、熱媒流路用配管１４に所定の温度に加熱した熱媒を流して、圧子治具１０と平板治具１１を所定の温度に加熱し、その状態で、部分接着前の積層体前駆体９を平板治具１１の上に配置する。この時、圧子治具１０は矢印１３の上側に位置している。

積層体前駆体９を配置した後、エアシリンダー１２に圧縮空気を作用させて、圧子治具１０を降ろし、圧子治具１０と平板治具１１で積層体前駆体９を挟み、圧子１５にて積層体前駆体９を所定の一定時間の間、加熱および加圧して、加圧した箇所の積層体前駆体の層間を、前記樹脂材料により接着して一体化する。

ここで、圧子１５がバネ定数ｋを有するバネ２６を介して圧子プレート１６に取り付けられている装置を用いた場合であって、圧子治具１０が降ろされて、１本の圧子１５が積層体前駆体９を加圧している様子を、図４に示す。図４では、個々の圧子１５が圧子プレート１６に取り付けられた状態よりもさらに長さΔＬ_１の分だけ、バネ２６を圧縮し、積層体前駆体９を加圧している様子を示す。この場合、バネ２６は圧子プレートに取り付けられた状態で、すでにΔＬ_０だけ圧縮されているので、バネ２６は自然長よりも、（ΔＬ_０＋ΔＬ_１）だけ圧縮された状態となる。そのため、バネ２６は圧子１５を荷重Ｆ＝ｋ×（ΔＬ_０＋ΔＬ_１）で押すことにより、同荷重で積層体前駆体９を加圧している。

このとき、積層体前駆体９を加圧する圧力は、バネ２６により圧子１５が押される荷重Ｆを、図３で示す圧子１５の積層体前駆体９を直接加圧する圧子先端２７の断面積Ｓで除した値Ｐ、すなわちＰ＝Ｆ／Ｓとなる。そのため、圧子１５により積層体前駆体９を加圧する圧力は、圧子治具１０を降ろす距離を制御してバネ２６の圧縮長さを制御することにより調整できる。

さらに図５に示すように、積層枚数の変化による厚み変化（段差３０）を有する積層体前駆体９を接着する場合にも、バネ２６の圧縮長さは個々に調整されるため、圧子１５による加圧の圧力は、積層体前駆体９の厚い箇所と薄い箇所とでバネの圧縮長さΔＬの差の分により異なるものの、圧子の傾きを防ぎつつ加圧することができる。

このように、複数の圧子１５を別個にバネ２６を介して圧子プレート１６に取り付けることにより、同一厚みの積層体前駆体だけでなく、厚み変化を有する積層体前駆体であっても、圧子が積層体前駆体に対して傾くことを防ぐことができ、良好に部分接着することができる。 なお、バネに代えて、圧縮空気や水、油などによる流体圧力によって圧子の平板治具側先端と圧子プレートとの間の距離を可変に構成しても、同様の作用効果を発現させることができる。

積層体前駆体９を接着装置７にて層間を部分的に接着した後は、エアシリンダー１２に圧空を作用させて、圧子治具１０を上昇させ、次にエアシリンダー２０に圧空を作用させて、クランプ治具上１７を降ろし、クランプ治具上１７とクランプ治具下１８で部分接着後の積層体１９を挟み、挟んだ状態で、次にエアシリンダー２２に圧空を作用させて、クランプ治具を矢印２３の方向に移動させることにより、接着装置７において積層体前駆体９の層間を部分的に接着した積層体１９を引き抜くと同時に、接着装置７内に、引き抜かれた積層体に用いられた積層体前駆体とは別な積層体前駆体を接着装置に搬送する。なお、このとき、この動作を繰り返すことにより、連続的に積層体前駆体９の層間を部分的に接着することが可能となる。ここで、「搬出された積層体に用いられた積層体前駆体とは別な積層体前駆体」とは、搬出された積層体１９に用いられた積層体前駆体とは別の新たな積層体前駆体の他、搬出された積層体１９に用いられた積層体前駆体の一部をなしているが、そのほとんどがまだ接着されていない部分からなる積層体前駆体を含むものとする。

以下に本発明を実施例と比較例を用いて、さらに詳細に説明する。

（実施例１）
＜部分接着前の積層体前駆体の準備＞
フィラメント数が２４，０００本、幅５．４ｍｍ、引張強度が５．８ＧＰａ、引張弾性率が２９０ＧＰａの炭素繊維糸条（強化繊維束）をたて糸とし、たて糸の補助糸として２２．５デシテックスのカップリング剤を付着させたガラス繊維糸に精練加工を施した１７デシテックスのナイロン６６フィラメント糸でカバーリング（被覆）したカバーリング糸、よこ糸の補助糸として精錬加工を施した１７デシテックスのナイロン６６フィラメント糸を用いて、炭素繊維目付が１９０ｇ／ｃｍ^２の一方向ノンクリンプ炭素繊維織物を作成した。

この一方向ノンクリンプ炭素繊維織物の両面に、平均粒径が１２０μｍで、ガラス転移温度が７０℃の熱可塑性樹脂を含む粒子を、接着樹脂として、片面あたり１３ｇ／ｍ^２を均一に散布し、２００℃に加熱することによって、織物表面に付着させて炭素繊維基材を作製した。

この炭素繊維基材を裁断して、炭素繊維糸条が基材の長手方向に対して４５°方向、０°方向、―４５°方向、９０°方向に配向する強化繊維基材をそれぞれ得、次いでそれら強化繊維基材を炭素繊維糸条の配向方向が４５°／０°／―４５°／９０°／―４５°／０°／４５°になるように順次積層し、積層体前駆体を準備した。なお、炭素繊維基材は、積層体のサイズが幅０．５５ｍ、長さ６ｍとなるように裁断した。

＜積層体製造装置＞
積層体製造装置は、図２に示すように、接着装置７と移動装置８から構成した。

圧子治具は、図７に示すように、圧子先端２７の積層体前駆体への接触面の形状が直径１ｍｍの円形であるアルミニウム製の圧子１５が、隣接する圧子先端間の距離が１５ｍｍとなるように、圧子治具の長手方向、幅方向に配列しているものであった。また圧子１５は、図３に示すように、アルミニウム製の圧子プレート１６に、バネ定数ｋ＝０．１Ｎ／ｍｍのバネを介して、かつ、該バネが５ｍｍ圧縮されるように取り付けた。圧子の最大ストローク（図４の中でΔＬ_１）は、３ｍｍであった。また、圧子プレート１６は、幅６００ｍｍ、長さ５００ｍｍであり、合計１３２０本の圧子１５を取り付けた。

圧子治具１０、平板治具１１には、熱媒流路用の配管が取り付けられており、温水温度調節器を用いて、加熱した温水を熱媒流路用の配管内に流すことにより、圧子１５および平板治具を最高１００℃まで加熱することが可能であった。

さらに圧子治具１０には、エアシリンダー１２が取り付けられており、圧子治具１０を上下に昇降することが可能であった。圧子治具１０の降下距離は、それぞれの圧子１５の圧子先端が、積層体前駆体の加圧箇所を０．１Ｎ／ｍｍ^２で加圧できる距離に調整した。

また、移動装置８にも２台のエアシリンダー２０，２２が取り付けられており、クランプ治具を昇降、平行移動することが可能であった。移動装置８の平行移動距離は、５００ｍｍであった。

エアシリンダーの圧空入力は、電磁弁により行われ、電磁弁の開閉プログラムにより、接着装置７、移動装置８の駆動を制御することができた。

次に圧子治具１０およびクランプ治具上１７、クランプ治具下１８を、下記(1)〜(7)を繰り返すよう、エアシリンダー１２，２０，２２に圧縮空気を送る電磁弁の開閉プログラムを作製した。
(1)エアシリンダー１２を作動させ、圧子治具１０を降下させる。
(2)圧子治具１０を降下した状態で５分間ホールドする。
(3)エアシリンダー１２を作動させ、圧子治具１０を上昇させる。
(4)クランプ治具上１７が上昇している状態で、エアシリンダー２２を作動させ、移動装置８を、図２中の矢印２３の右側（実線部）に移動させる。
(5)エアシリンダー２０を作動させ、クランプ治具上１７を降下させる。
(6)クランプ治具上１７が降下した状態で、エアシリンダー２２を作動させ、移動装置８を図２中の矢印２３の左側（破線部）に移動させる。
(7)エアシリンダー２０を作動させ、クランプ治具１７を上昇させる。

＜積層体製造装置による積層体前駆体の部分接着＞
上記の積層体製造装置を用いて、積層体前駆体の層間を次のとおり部分接着した。

まず、温水温度調節器により、７３℃の温水を、圧子治具および平板治具に取り付けられた熱媒流路用の配管に流して、すべての圧子を７０±５℃の範囲内に加熱できていることを確認した。

次に、積層体前駆体の長手方向の端部から５００ｍｍを部分接着できるように、積層体前駆体を図２に示す製造装置６の接着装置７に配置した。積層体前駆体には挟みしろが設けられており、積層体前駆体を接着装置７に配置した状態で、移動装置８のクランプ治具上１７、クランプ治具下１８が挟みしろを挟むことができる状態となっていた。

そして、エアシリンダー１２、２０、２２の電磁弁の開閉プログラムを作動させた。すなわち、７０±５℃で加熱した１３２０本の圧子により、積層体前駆体を５分間加熱加圧して、積層体前駆体の層間を部分接着した。部分接着完了後、クランプ治具上およびクランプ治具下にて、部分接着した長さ５００ｍｍに渡る積層体を接着治具から搬出するとともに、これから部分接着する５００ｍｍ長さに渡る積層体前駆体を接着装置に搬入し、接着治具による部分接着を繰り返し行った。その結果、積層体前駆体を製造装置に設置してから、約１時間で幅０．５５ｍ、長さ６ｍにわたる積層体前駆体の全体にわたり層間の部分接着を完了した。

＜部分接着した積層体の賦形試験＞
部分接着した積層体を長さ０．５ｍ、幅０．５ｍの形状に裁断して、賦形試験用積層体を準備した。次に曲率半径が６００ｍｍの２次曲率を有する賦形型の上に、賦形試験用積層体を配置し、その上から賦形試験用積層体全体を厚み２．５ｍｍのシリコンラバーシートで覆い、シリコンラバーシートの端部をシーラント材で密閉して、密閉空間内を真空吸引することより、賦形試験用積層体に大気圧をかけて、賦形型に賦形した。

シリコンラバーシートで密閉した空間内を真空吸引して、賦形した賦形試験用積層体に大気圧をかけた状態で、オーブン内に設置し、オーブンにより、賦形した賦形試験用積層体を温度８０℃、保持時間２時間で加熱して、賦形体（プリフォームとよぶ）を作製した。

プリフォームは、大気圧による加圧、オーブンによる加熱により、積層体の層間が接着樹脂を介して全面接着していた。プリフォームの外観検査をした結果、シワなどの発生はなく、部分接着した積層体は良好な賦形性を発現できることを確認した。

（実施例２）
実施例１と同じ炭素繊維基材を裁断して、炭素繊維糸条が基材の長手方向に対して４５°方向、０°方向、―４５°方向、９０°方向に配向する強化繊維基材をそれぞれ得、次いでそれら強化繊維基材を炭素繊維糸条の配向方向が４５°／０°／―４５°／９０°／９０°／―４５°／０°／４５°になるように順次積層し、積層体前駆体を準備した。ただし、炭素繊維糸条の配向方向が４５°／０°／―４５°／９０°／９０°／―４５°／０°／４５°となるように順次積層した８枚の強化繊維基材は、幅が一律０．５５ｍｍ、長さが、それぞれ６．００ｍ、５．９９ｍ、５．９８ｍ、５．９７ｍ、５．９６ｍ、５．９５ｍ、５．９４ｍ、５．９３ｍであった。また、すべての強化繊維基材の長手方向の一方の端部を合わせて積層した。その結果、積層体前躯体の端部には図８の断面図に示すように、スロープ形状（プライドロップとよぶ）３３が形成された。

続いて、実施例１と同じ積層体製造装置を用いて、実施例１と同様に積層体前駆体の部分接着を行い、積層体を作製した。

その結果、積層体の厚い箇所３１、薄い箇所３２共に、炭素繊維基材間は良好に部分接着されていることが確認された。

さらに実施例１と同様に賦形試験を実施してプリフォームを作製し、プリフォームの外観検査をした結果、シワなどの発生はなく、部分接着した段差形状を有する積層体は良好な賦形性を発現できることを確認した。

（比較例１）
＜平板による積層体前駆体の全面接着＞
長さ５００ｍｍ、幅６００ｍｍのアルミニウム製平板治具を長さ６ｍ分、合計１２台準備した。

実施例１と同様に積層体前駆体を準備し、この積層体前駆体を定盤の上に配置し、さらに積層体前駆体の上に１２台の平板治具を積層体の長手方向に配列し、バッグフィルムで積層体前駆体及び積層体前駆体の上に配置した平板治具を共に覆い密閉した。続いて、密閉した内部を真空吸引することにより、積層体前駆体を大気圧により平板治具を介して加圧した。

平板治具により積層体前駆体を加圧した状態で、定盤、積層体前駆体、平板治具を熱風オーブン内に配置して、オーブンを加熱して、積層体を温度７０℃、保持時間５分で加熱、加圧して、積層体前駆体の層間の全面接着を完了した。

積層体前駆体を定盤の上に乗せてから、積層体前駆体の層間の全面接着が完了するまでに、約４時間を有した。

＜平板により全面接着した積層体の賦形試験＞
作製した積層体を実施例１と同様にして賦形型に賦形して、プリフォームを作製した。

プリフォームの外観検査をした結果、プリフォームの四隅には、顕著なシワが発生しており、層間を全面接着した積層体は賦形性が不十分であることを確認した。

（比較例２）
＜圧子治具による積層体前駆体の部分接着＞
長さ５００ｍｍ、幅６００ｍｍのアルミニウム製の圧子プレートに、実施例１で使用した圧子を、隣接する圧子先端間の距離が１５ｍｍとなるように、圧子プレートの長手方向および幅方向に配列した状態で、圧子プレートに溶接一体化した圧子治具を、長さ６ｍ分、合計１２台準備した。

実施例１と同様に積層体前駆体を準備し、この積層体前駆体を定盤の上に配置し、さらに積層体前駆体の上に、１２台の圧子治具を積層体前駆体の長手方向に配列して、それぞれの圧子の圧子先端が、積層体前駆体の加圧箇所を０．１Ｎ／ｍｍ^２で加圧できるように、それぞれの圧子治具の上に錘をのせて、圧子治具により積層体を加圧した。

圧子治具により積層体前駆体を加圧した状態で、定盤、積層体前駆体、圧子治具を、熱風オーブン内に配置して、オーブンを加熱して、積層体前駆体を温度７０℃、保持時間５分で、加熱、加圧して、部分接着を完了した。

積層体前駆体を定盤の上に乗せてから、積層体前駆体の部分接着が完了するまでに、約４時間を有した。

（比較例３）
実施例２と同様に積層体前駆体を準備して、比較例２と同様にして積層体前駆体の部分接着を行い、積層体を作製した。

その結果、積層体の厚い箇所３１は良好に接着されているが、薄い箇所３２は接着されていない範囲が確認された。

さらに実施例１と同様に賦形試験を実施するために、積層体を賦形型に搬送しようとしたところ、積層体の薄い箇所３２の接着されていない範囲からの剥がれが進行して、接着されていない箇所がより広範囲に広がって、搬送が困難であった。 さらに実施例１と同様に賦形試験を実施してプリフォームを作製し、プリフォームの外観結果をした結果、積層体の接着が剥がれていた箇所に相当する位置に、炭素繊維基材を構成している炭素繊維糸条の配向角度に乱れが生じていることを確認した

Claims (11)

1. 表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体の層間を、前記樹脂材料により部分的に接着して一体化し、積層体とする接着装置を有し、前記接着装置は互いに対向配置される圧子治具と平板治具とを有し、前記圧子治具は圧子プレートと複数の圧子とを有し、前記圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離が可変に構成され、前記圧子治具と前記平板治具の少なくとも一方が昇降機能を有するとともに、前記圧子治具と前記平板治具の少なくとも一方が加熱機能を有している積層体の製造装置。
2. 前記圧子は、バネを介して前記圧子プレートに取り付けられるとともに該圧子の長手方向に前記バネを縮めて移動できるように構成されている、請求項１に記載の積層体の製造装置。
3. 前記圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離は、流体圧力により可変に構成されている、請求項１に記載の積層体の製造装置。
4. 前記圧子は、平板治具側先端の形状が円形である、請求項１〜３のいずれかに記載の積層体の製造装置。
5. 加熱機能を有している、前記圧子治具と平板治具の少なくとも一方には、熱媒流路用の配管が設置されている、請求項１〜４のいずれかに記載の積層体の製造装置。
6. 加熱機能を有している、前記圧子治具と前記平板治具の少なくとも一方を、前記積層体前駆体と共に挟む位置に、断熱材が取り付けられている、請求項１〜５のいずれかに記載の積層体の製造装置。
7. 積層体を移動させる移動装置を備え、前記移動装置は、前記積層体を該積層体の厚み方向の上下から挟んで把持した状態で該積層体の長手方向に平行移動することにより該積層体を前記接着装置から搬出するとともに、搬出された前記積層体に用いられた積層体前駆体とは別な積層体前駆体を前記接着装置に供給する手段を有する、請求項１〜６のいずれかに記載の積層体の製造装置。
8. 前記接着装置および前記移動装置はエアシリンダーにより駆動する、請求項７に記載の積層体の製造装置。
9. 表面に樹脂材料を有する強化繊維基材を２枚以上積層した積層体前駆体の層間を、少なくとも次の（ａ）、（ｂ）の工程を経て、前記樹脂材料により部分的に接着して一体化する積層体の製造方法。
   （ａ）平板治具と、圧子プレートおよび複数の圧子を有し、該圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離が可変に構成されている圧子治具との間に、前記積層体前駆体を配置する配置工程
   （ｂ）前記圧子治具を降下および／または前記平板治具を上昇して、前記積層体前駆体を前記圧子治具と前記平板治具とで挟み、前記圧子により前記積層体前駆体を部分的に加圧するとともに、前記積層体前駆体のうち少なくとも加圧している箇所を加熱する加圧加熱工程
10. 前記（ａ）の工程で、前記積層体前駆体を、圧子がバネを介して圧子プレートに取り付けられた圧子治具と平板治具との間に配置し、前記（ｂ）の工程で、前記圧子治具を降下および／または前記平板治具を上昇して、前記バネを縮める長さおよび前記圧子が積層体前駆体を加圧する圧力を制御する、請求項９に記載の積層体の製造方法。
11. 前記（ａ）の工程で、前記積層体前駆体を、圧子の平板治具側先端と前記圧子プレートとの間の距離が流体圧力により可変に構成されている圧子治具と平板治具との間に配置し、前記（ｂ）の工程で、前記圧子治具を降下および／または前記平板治具を上昇して、前記流体圧力および前記圧子が積層体前駆体を加圧する圧力を制御する、請求項９に記載の積層体の製造方法。

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