JP5709512B2 - 複合材成形治具および複合材成形治具の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材成形治具に関し、特に、航空機もしくは風車などの構造物を複合材料で製造するための成形治具に関するものである。

近年、航空機もしくは風車などの構造物の材料として、複合材料が利用されている。複合材料とは、結合材料（マトリックス）と、微粒子または繊維状材料とを含む成形材料である。例えば、エポキシ樹脂に代表されるプラスチックと、炭素やガラスからなる硬い繊維とから構成され、プリプレグなどとして用いられる。

複合材料を成形品とするためには、複合材料のマトリックスを高温高圧環境下で硬化させる工程が必須となる。複合材料のマトリクスを高温硬化させる方法の１つとして、電熱ヒータ等により直接成形型を加熱する方法がある。ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法では、一般的に成形型を直接加熱する手法がとられている。ホットプレス法においても、プレス型にヒータを埋め込むことで直接加熱する方法が実施されている（特許文献１参照）。また、複合材料のマトリクスを高温硬化させる方法の１つとして、オートクレーブ法などのように、外部の雰囲気を加熱する方法がある。

複合材料を成形するための治具として、コア材を複合材料で被覆した成形治具が開発されている（特許文献２参照）。コア材としては、炭素発泡体が用いられる。炭素発泡体は、軽量であるため、金属製の成形治具よりも熱容量が小さく、成形治具としたときの加熱特性が良いという特徴を有する。そのため、炭素発泡体を用いた成形治具は、ＲＴＭ法やホットプレス法のみならず、オートクレーブ法においても成形型を直接加熱することで、より効率的に成形品を高温硬化させることができる。

特開平９−２５４１７２号公報（請求項１） 特表２００７−５２１９８７号公報（請求項１）

炭素発泡体は、熱伝導率が低いという特徴を有する。そのため、炭素発泡体をコア材とした成形治具にヒータを埋め込んで加熱した場合、熱が炭素発泡体中を移動しにくく、ヒータ近傍とヒータから離れた位置とで大きな温度差が生じる。ヒータからの距離の違いによってコア材の温度が異なると、成形品の高温硬化するタイミングにバラつきが生じることになる。それによって、成形品に残留変形が発生し、品質の低下を招く。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、炭素発泡体をコア材とした場合であっても、より均等に成形品を加熱できる成形治具を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、成形品側に配置される炭素発泡体、及び、前記炭素発泡体の背面に接着配置された別の炭素発泡体で構成されたコア材と、前記コア材中に埋設された前記コア材に伝熱可能な熱源と、繊維強化複合材料で前記コア材の表面を被覆して形成した複合材層と、を備え、前記炭素発泡体の熱伝導率が、前記別の炭素発泡体の熱伝導率よりも高い複合材成形治具を提供する。
また、本発明は、成形品側に炭素発泡体を配置し、前記炭素発泡体の背面に別の炭素発泡体を接着配置してコア材を形成する工程と、前記コア材中に、前記コア材に伝熱可能な熱源を埋設する工程と、前記コア材の表面を繊維強化複合材料で被覆し、該繊維強化複合材料を硬化させて複合材層を形成する工程と、を備え、前記コア材を形成する工程において、前記炭素発泡体の熱伝導率を、前記別の炭素発泡体の熱伝導率よりも高くする複合材成形治具の製造方法を提供する。

上記発明によれば、コア材は熱伝導率の異なる炭素発泡体同士を接着させた構成とされる。コア材の成形品が配置される側には、熱伝導率の高い炭素発泡体が配置される。それによって、熱源から放出された熱が成形品側に配置された炭素発泡体内を移動しやすくなるため、成形品側の均熱性が向上する。コア材の背面側（成形品が配置される側と反対の側）には、熱伝導率の低い別の炭素発泡体が配置される。そうすることで、別の炭素発泡体が断熱材として働くため、熱が背面側に逃げず、熱源から放出された熱を効率的に成形品側へ伝えることが可能となる。これにより、熱源の発熱量を抑制することができるため、製造コストを下げることが可能となる。
コア材の表面は、複合材層で略覆われているため、炭素発泡体から発生する炭素粉によって成形品が汚染されることを防止することができる。

上記発明の一態様において、前記炭素発泡体の成形品側の面と前記複合材層との間に前記炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す網目部材が配置され、前記炭素発泡体の成形品側の面と前記網目部材との間に第１の接着剤が配置され、前記複合材層と前記網目部材との間に第２の接着剤が配置され、前記炭素発泡体と前記複合材層とが前記第１の接着剤および前記第２の接着剤を介して接着されていることが好ましい。

上記発明の一態様によれば、炭素発泡体の成形品側の面と複合材層との間に、炭素発泡体よりも高い熱伝導性を有する網目部材が配置されることで、面内方向への熱を伝えやすくなり、コア材の成形品側の均熱性が更に向上する。網目部材は、第１の接着剤と第２の（別の）接着剤との間に配置される。それによって、網目部分に接着剤が侵入することができるため、網目部材を介在させた場合であっても複合材層を炭素発泡体へと接着させることが可能となる。

本発明によれば、熱伝導率の異なる２つの炭素発泡体をコア材とし、成形品側に熱伝導率の高い炭素発泡体を配置することで、成形品側の均熱性を高めることができる。それによって、より均等に成形品を加熱することのできる成形治具となる。

本発明の一実施形態に係る複合材成形治具の上面概略図である。 図１の線Ａ−Ａにおける断面図である。 網目部材を備えた複合材成形治具の断面図である。 本実施形態に係る複合材成形治具の製造方法を説明する図である。 熱電対の設置位置を示す図である。 供試体１の熱分布を計測した結果を示す図である。 供試体２の熱分布を計測した結果を示す図である。 供試体３の熱分布を計測した結果を示す図である。 Ｌ^２／ｄ^１．５と最大温度差との関係を示すグラフである。 コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率と、図７の各線形線の傾きの逆数との関係を示す図である。

本発明に係る複合材成形治具の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図１に、本発明の一実施形態に係る複合材成形治具の上面概略図を示す。図２に、図１の線Ａ−Ａにおける断面図を示す。本発明の一実施形態に係る複合材成形治具１は、コア材２、熱源３、及び複合材層４から構成されている。

コア材２は、熱伝導率の異なる２以上の炭素発泡体が接着された構成とされる。コア材２において、成形品側に熱伝導率の高い炭素発泡体５が配置される。熱伝導率の高い炭素発泡体の背面側（すなわち、成形品に向く側と反対の側）には、成形品側に配置された炭素発泡体５よりも熱伝導率の低い別の炭素発泡体６が接着配置される。

ここで、「熱伝導率が高い」及び「熱伝導率が低い」とは、コア材２を構成する炭素発泡体同士の熱伝導率を比較した場合の表現である。「熱伝導率が高い」とされる炭素発泡体の熱伝導率の絶対値は、高い方が好ましい。「熱伝導率が低い」とされる炭素発泡体の熱伝導率の絶対値は、低い方が好ましい。

炭素発泡体５としては、タッチストーン リサーチ ラボラトリー社から入手できるＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄを用いることができる。ＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄは、炭素を３０００℃程度の高温で焼結させた熱伝導性能が比較的高い炭素発泡体である。
ＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄと組み合わせる別の炭素発泡体６としては、タッチストーン リサーチ ラボラトリー社から入手できるＣＦＯＡＭ２０を用いることができる。ＣＦＯＡＭ２０は、ＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄと同様の原材料を１０００℃〜１２００℃程度で焼結させた、ＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄよりも熱伝導性能の低い炭素発泡体である。

コア材２における炭素発泡体５と別の炭素発泡体６との組み合わせは、上記に限定されない。例えば、熱伝導率の異なる炭素発泡体同士であれば、発泡度のことなる炭素発泡体を組み合わせた構成とされても良い。

炭素発泡体５及び別の炭素発泡体６の厚さは、適宜設定される。例えば、コア材２としたときに、所望の曲げ剛性となるような厚さとされる。炭素発泡体５は、成形品側に熱が均一に分散可能な所定の距離が確保される厚さとされると良い。

コア材２を構成する炭素発泡体同士は、コア材用の接着剤７で接着されている。接着剤７は、無機系接着剤、例えば、Ｘ−Ｐａｎｄｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能なＸ−Ｐａｎｄｏを使用すると良い。

熱源３は、電気抵抗加熱装置などとされる。熱源３の形状は、被成形品の形状や大きさなどに応じて適宜選択される。例えば、熱源３として、手で変形可能な柔軟性を有する長細い形状のフレキヒータを用いることが好適である。

熱源３は、コア材２の中の所定位置に埋設されている。所定位置は、コア材２の熱伝導率、大きさ、熱容量、重量などに応じて適宜設定される。例えば、ＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ及びＣＦＯＡＭ２０を用いる場合、コア材２の熱伝導率及び大きさに基づいて予め熱解析を行い、熱源３の面内方向及び深さ方向の配置を設定すると良い。そうすることにより、ヒータでコア材２を加熱した場合に、コア材２の成形品側の均熱性を向上させることができる。

熱源３が埋設されたコア材２の表面は、複合材層４で被覆されている。複合材層４は、マトリックスに繊維状材料を含む材料である繊維強化複合材料から形成される。繊維強化複合材料は、熱硬化性樹脂をマトリックスとし、且つ、炭素繊維が含まれている材料が好ましい。熱硬化性樹脂としては、エポキシ系の樹脂が挙げられる。例えば、Ｈｅｘｔｏｏｌ（Ｈｅｘｃｅｌ社製）、Ｄｕｒａｔｏｏｌ（Ｃｙｔｅｃ社製）、ＴＲＫ５１０／２７０ＦＭＰ（三菱レイヨン株式会社製）などのプリプレグを使用できる。

複合材層４は、複合材接着用の接着剤８を介してコア材に接着されている。接着剤８は、熱硬化性であり、硬化後に複合材料の硬化温度に対して耐熱性を有する材料が用いられる。接着剤８は、加熱や触媒などの手段によって硬化され得る。また、接着剤８は、ゲル、シート、或いはフィルムなどの形状であって良い。本実施形態では、熱硬化性樹脂を主とし、加熱によって硬化されるフィルム接着剤が用いられる。例えば、エポキシ系接着剤である、Ｌ−３１３（Ｊ．Ｄ．Ｌｉｎｃｏｌｎ社製）や、２５５０Ｂ（Ｃｙｔｅｃ社製）を使用できる。接着剤８は、繊維強化複合材料よりも低い温度で硬化される材料が選択される。

図３に示すように、炭素発泡体５の成形品側の面と複合材層４との間には、網目部材９が配置されても良い。
網目部材９は、炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す材料からなる。例えば、網目部材９は、アルミなどの金属製とされる。網目部材９の厚さ、網目サイズ、網目の大きさは、炭素発泡体５の成形品側の面と複合材層４とが接着可能な範囲内で適宜設定される。

図４に、本実施形態に係る複合材成形治具の製造方法の一例を示す。
まず、接着剤７を用いて炭素発泡体５及び別の炭素発泡体６を接着させた後、対象となる被成形品の形にならって成形面を成形し、コア材２とする（図４（ａ））。

コア材２の所定の位置に、炭素発泡体５側から所定の深さの溝１０を形成する。溝１０の幅は、熱源３を埋設可能なサイズとする（図４（ｂ））。

熱源３を溝１０内に嵌め、熱源３に伝熱セメント１１を塗布して固定する（図４（ｃ））。伝熱セメント１１の上に、炭素発泡体５と同じ材質の炭素発泡体から切り出した炭素発泡部材１２を嵌め込む。炭素発泡部材１２の上部及び炭素発泡部材１２と炭素発泡体５との隙間には、接着剤７を充填する（図４（ｄ））。

炭素発泡部材１２は、溝１０に嵌め込んだときにその上部が、炭素発泡体５の上面よりも低くなるような大きさに切りだしておくと良い。また、炭素発泡部材１２の上部に充填する接着剤７は、炭素発泡体５の上面よりも少し高くなるよう盛り気味に仕上げると良い。

次に、コア材２の表面を覆うようにフィルム状の接着剤８（以下、フィルム接着剤８と称す）を配置する。フィルム接着剤８は、複数重ねて配置することが好ましい。
コア材２の成形品側の面と複合材層４との間に網目部材９を配置する場合は、フィルム接着剤８は複数重ねて配置することとし、該重ねたフィルム接着剤８同士の間に、網目部材９を挿入する。

次に、フィルム接着剤８の最上層の上に、繊維強化複合材料としてプリプレグを配置する。プリプレグは、複数層重ねて配置されて良く、枚数や繊維方向は適宜設定される。

次に、フィルム接着剤８及びプリプレグを配置したコア材２をバックフィルムで覆い、外側からシーラントで固定する。その後、バックフィルムの内部の空気を抜いて減圧させる。これをオートクレーブに搬入し、０．６ＭＰａまで加圧し、加熱してフィルム接着剤及びプリプレグのマトリックスを硬化させる（図４（ｅ））。

硬化反応は、特許文献の特願２０１０−１５１２１８に記載のように実施すると良い。すなわち、プリプレグのマトリックスが液状化せず、且つ、接着剤が硬化する温度で加熱して接着剤を硬化させた後、プリプレグのマトリックスが硬化する温度で加熱してプリプレグのマトリックスを硬化させる。接着剤の硬化条件は、接着剤の熱量データに基づき作成された接着剤の硬化反応式と接着剤の粘度プロファイルとを相関させて接着剤の所定の硬化度を設定し、上記硬化反応式に基づいて、接着剤が所定の硬化度以上となるように設定すると良い。

（実施例）
（１）供試体１
コア材は、炭素発泡体の背面に別の炭素発泡体を接着させた構成とし、大きさを５００ｍｍ×３１０ｍｍ×厚さ７０ｍｍとした。
成形品が接する側に配置する炭素発泡体として、厚さ３０ｍｍのＣＦＯＡＭ２０を用いた。背面側に配置する別の炭素発泡体として、厚さ４０ｍｍのＣＦＯＡＭ２０を用いた。炭素発泡体及び別の炭素発泡体を無機系接着剤（Ｘ−Ｐａｎｄｏ）で接着・乾燥させたものをコア材とした。

コア材に、成形品が接する側の面に深さ３０ｍｍの２つの溝を長手方向に沿って平行に形成した。溝と溝との間隔は１００ｍｍとし、その中心はコア材の短辺側方向の中心と重なる。

熱源には、フレキヒータ（径４．８ｍｍ、坂口電熱株式会社、１Ｍ−２−１５００）を用いた。

プリプレグとしては、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰ（三菱レイヨン株式会社から入手可能）を複数重ねて用いた。プリプレグの繊維方向は０°、±４５°及び＋９０°を適当に用いた。フィルム接着剤としては、エポキシ系フィルム接着剤（Ｌ−３１３）を２層重ねて用いた。

上記実施形態に従って、コア材に熱源を埋設した後、コア材上にフィルム接着剤及びプリプレグを積層し、成形品側の厚さが５ｍｍ、背面側の厚さが２．５ｍｍの複合材層４を形成して供試体１とした。

（２）供試体２
成形品が接する側に配置する炭素発泡体として厚さ３０ｍｍのＣＦＯＡＭ２０ ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄを用いたこと以外は、供試体１と同様に作製した。

（３）供試体３
成形品が接する側に配置する炭素発泡体の成形品側の面上に、網目部材及びフィルム接着剤（Ｌ−３１３）を１層重ねた後、プリプレグを配置した。それ以外の工程は、供試体２と同様とした。網目部材は、５００ｍｍ×３１０ｍｍ×厚さ０．５ｍｍ、空孔率６２％のアルミメッシュを用いた。

供試体１〜供試体３の表面に熱電対を設置し、熱源で加熱した場合の温度を計測した。熱電対の設置位置を図５に示す。計測結果を図６〜図８に示す。図６は供試体１、図７は供試体２、図８は供試体３で計測した結果である。

図６によれば、供試体１では、フレキヒータの直上部（ＴＣ−０２）とフレキヒータ間の中心上部（ＴＣ−０３）とで最大３０℃程度の温度差があった。また、供試体１では、２５００秒経過した時点で、直上部よりも中心上部の温度の方が低かった。一方、図７及び図８によれば、供試体２及び供試体３では、フレキヒータの直上部とフレキヒータ間の中心上部との温度差は小さくなり、特に、供試体３では最大温度差が１０℃以下となった。また、供試体２及び供試体３では、直上部と中心上部との温度が供試体１よりも早い段階で等しくなることが確認できた。

複合材料を成形する際には、成形治具の温度をフィードバック制御して温度分布を管理するため、非定常状態で温度を均一にすることが重要となる。上記結果によれば、コア材を加熱し始めてから最高温度に達するまでの非定常状態における早い段階で、成形品側の面の温度分布の偏りを少なくすることができる。

供試体２を用いて計測した温度データ（ヒータ間距離：１００ｍｍ、ヒータ深さ：３０ｍｍ、熱伝導率３．０）に基づき、有限要素法（ＦＥＭ）熱解析モデルを作成し、熱源の設置位置の検討を行った。表１に、ＦＥＭ熱解析の結果を示す。

表１によれば、ヒータ間距離とヒータ深さとをＬ^２／ｄ^１．５と関係づけることで、最大温度差との間に線形関係が成立することがわかった。図９に、Ｌ^２／ｄ^１．５と最大温度差との関係を示す。
図９によれば、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率が３Ｗ／ｍＫである場合、Ｌ^２／ｄ^１．５＜４５を満たすことで、コア材の成形品側面での最大温度差を５℃以内とすることができる。コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率が１０Ｗ／ｍＫである場合、Ｌ^２／ｄ^１．５＜８０を満たすことで、コア材の成形品側面での最大温度差を５℃以内とすることができる。コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率が２０Ｗ／ｍＫである場合、Ｌ^２／ｄ^１．５＜１５０を満たすことで、コア材の成形品側面での最大温度差を５℃以内とすることができる。

図９によれば、例えば、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体として熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ、許容温度差を５℃、ヒータ間距離を１００ｍｍとした場合、ヒータの必要深さは３７ｍｍ以上となる。

図１０に、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率と、図７の各線形線の傾きの逆数との関係を示す。図１０によれば、コア材の成形品側に配置される炭素発泡体の熱伝導率と、図９の各線形線の傾きの逆数との間に線形関係が成立することがわかった。従って、式（１）を満たすようヒータ間距離とヒータ深さを設定することで、コア材の成形面側での温度差を所望の範囲内とできると言える。

１ 複合材成形治具
２ コア材
３ 熱源
４ 複合材層
５ 炭素発泡体（成形品側）
６ 別の炭素発泡体（背面側）
７ 接着剤（コア材用）
８ 接着剤（複合材層用）
９ 網目部材
１０ 溝
１１ 伝熱セメント
１２ 炭素発泡部材

Claims (4)

1. 成形品側に配置される炭素発泡体、及び、前記炭素発泡体の背面に接着配置された別の炭素発泡体で構成されたコア材と、
   前記コア材中に埋設された前記コア材に伝熱可能な熱源と、
   繊維強化複合材料で前記コア材の表面を被覆して形成した複合材層と、
   を備え、
   前記炭素発泡体の熱伝導率が、前記別の炭素発泡体の熱伝導率よりも高い複合材成形治具。
2. 前記炭素発泡体の成形品側の面と前記複合材層との間に前記炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す網目部材が配置され、
   前記炭素発泡体の成形品側の面と前記網目部材との間に第１の接着剤が配置され、
   前記複合材層と前記網目部材との間に第２の接着剤が配置され、
   前記炭素発泡体と前記複合材層とが前記第１の接着剤および前記第２の接着剤を介して接着されている請求項１に記載の複合材成形治具。
3. 成形品側に炭素発泡体を配置し、前記炭素発泡体の背面に別の炭素発泡体を接着配置してコア材を形成する工程と、
   前記コア材中に、前記コア材に伝熱可能な熱源を埋設する工程と、
   前記コア材の表面を繊維強化複合材料で被覆し、該繊維強化複合材料を硬化させて複合材層を形成する工程と、
   を備え、
   前記コア材を形成する工程において、前記炭素発泡体の熱伝導率を、前記別の炭素発泡体の熱伝導率よりも高くする複合材成形治具の製造方法。
4. 前記複合材層を形成する工程において、
   前記コア材の前記炭素発泡体の成形品側の面上に第１の接着剤を配置し、
   前記第１の接着剤上に前記炭素発泡体よりも高い熱伝導性を示す網目部材を配置し、
   前記網目部材の上に第２の接着剤を配置し、
   前記第２の接着剤の上に前記繊維強化複合材料を配置し、
   前記繊維強化複合材料を硬化させ、前記第１の接着剤および前記第２の接着剤を介して前記炭素発泡体と前記複合材とを接着させる請求項３に記載の複合材成形治具の製造方法。

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