JP6332470B2 - 複合材料の成形方法および成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の成形方法および成形装置に関する。

近年、自動車の車体軽量化のために樹脂成形品が自動車部品として用いられている。樹脂成形品は、開閉可能な一対の下型（雌型）、上型（雄型）からなる成形型内のキャビティに樹脂を注入し、キャビティ内において樹脂を硬化させることによって得られる。樹脂成形品は、剛性を高めるために、強化基材とともに樹脂が硬化されてなる複合材料として形成される場合がある。この場合、キャビティ内に強化基材を設置した後に、樹脂の注入および硬化がなされる。

特開２００２−５９４３５号公報

キャビティ内に樹脂を注入する際に、樹脂の注入圧力を高くすることによって成形時間を短縮することができる。しかしながら、樹脂を高圧で注入することによって、成形型内に配置した強化基材が所定の位置からずれてしまう。強化基材の位置がずれると、成形品の強度が設計通りにならないなどの成形不良の原因となる。そのため、樹脂の注入圧力を高めることができず、成形時間を短縮できないという問題が生じている。

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、成形不良を防ぎつつ、成形時間の短縮を可能とする複合材料の成形方法および成形装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形方法は、開閉可能な成形型内の樹脂が注入される空間であるキャビティに強化基材を配置し、成形型に型締圧力を負荷した状態においてキャビティ内に樹脂を注入し、樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法である。当該成形方法では、主剤と硬化剤とを混合する混合部を前記成形型内に配置するとともに、強化基材を成形型に対して押圧する押圧部を成形型に設ける。そして、当該成形方法では、キャビティへの樹脂の注入開始前に、押圧部によって強化基材を成形型に対して押圧することにより、強化基材を成形型内で位置ずれしない状態にする。また、当該成形方法では、混合部において主剤と硬化剤とを混合することにより樹脂を形成する。

また、上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形装置は、強化基材を配置し、樹脂が注入される空間であるキャビティが形成された開閉可能な成形型と、成形型に型締圧力を負荷するプレス部と、キャビティ内に樹脂を注入する樹脂注入部と、を有する。当該成形装置は、成形型に設けられ、強化基材を成形型に対して押圧する押圧部をさらに有するとともに、主剤と硬化剤とを混合する混合部を成形型内に備える。当該成形装置において、押圧部は、樹脂注入部によりキャビティ内に樹脂が注入される前に強化基材を成形型に対して押圧し、樹脂は、混合部において主剤と硬化剤とが混合されることにより形成される。

実施形態１に係る複合材料の成形装置の概略図である。 同成形装置の樹脂注入部の構成を示す概略図である。 同成形装置の押圧部を示す概略図であって、図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する拡大図である。 同成形装置のダイレクトゲートから吐出される樹脂から炭素繊維に作用される力を説明する説明図であって、図１の破線部Ｃによって囲まれる部分に対応する拡大図である。 図５（Ａ）、図５（Ｂ）は同成形装置の押圧部の作用を説明する説明図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分の様子を示す拡大図である。 図６（Ａ）、図６（Ｂ）は同成形装置の押圧部の作用を説明する説明図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ｂによって囲まれる部分に対応する部分の様子を示す拡大図である。 実施形態１に係る複合材料の成形方法を示すフローチャートである。 図８（Ａ）は、複合材料を使用した自動車部品を示す図であり、図８（Ｂ）は、部品を接合した車体を示す図である。 実施形態２に係る複合材料の成形方法を示すフローチャートである。 図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は改変例に係る成形装置の押圧部を示す概略図であって、それぞれ押圧部を構成する押し込み治具を取り付ける前および取り付けた後の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分を示す拡大図である。 図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は同成形装置の押圧部を示す概略図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分を示す拡大図である。 図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は別の改変例に係る成形装置の押圧部を示す概略図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分を示す拡大図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の記載は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。

（実施形態１）
図１は、複合材料２００の成形装置１００の概略図である。図２は、樹脂注入部３０の構成を示す概略図である。図３は、押圧部９０を示す概略図であって、図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する拡大図である。図４は、ダイレクトゲート１３から吐出される樹脂２２０から炭素繊維２１０に作用される力を説明する説明図であって、図１の破線部Ｃによって囲まれる部分に対応する拡大図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は押圧部９０の作用を説明する説明図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分の様子を示す拡大図である。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は押圧部９０の作用を説明する説明図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ｂによって囲まれる部分に対応する部分の様子を示す拡大図である。図７は、複合材料２００の成形方法を示すフローチャートである。図８（Ａ）は、複合材料２００を使用した自動車部品３０１〜３０３を示す図であり、図８（Ｂ）は、部品３０１〜３０３を接合した車体３００を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。

本実施形態に係る成形方法および成形装置１００によって得られる複合材料２００は、強化基材２１０と、樹脂２２０と、によって構成されている。強化基材２１０と組み合わせることによって樹脂２２０単体に比べて高い強度および剛性を備える複合材料２００となる。また、図８に示すように、自動車の車体３００（図８（Ｂ）を参照）に使用される部品であるフロントサイドメンバー３０１やピラー３０２等の骨格部品、ルーフ３０３等の外板部品に複合材料２００を使用することによって、鉄鋼材料を使用した場合に比べて車体の軽量化が可能となる。

強化基材２１０は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等の織物シートによって形成され、積層された状態において成形型１０に形成されたキャビティ１５内に配置してプリフォームする。本実施形態においては、熱膨張係数が小さく寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ない炭素繊維を用いる。なお、プリフォームは成形型１０以外の別型により行ってもよい。

樹脂２２０は、主剤と硬化剤とを混合することにより形成される。具体的には、樹脂２２０として、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。本実施形態においては、機械的特性、寸法安定性に優れたエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、特にこれに限定されるものではなく、所望の材料特性に合わせて適宜選択できる。樹脂２２０の粘度は、主剤と硬化剤との混合から時間が経つにつれて増加する。

図１を参照して、本実施形態に係る成形装置１００は、概説すると、炭素繊維２１０（強化基材に相当）を配置するキャビティ１５が形成された開閉可能な成形型１０と、成形型１０に型締圧力Ｐｍを負荷するプレス部２０と、キャビティ１５内に樹脂２２０を注入する樹脂注入部３０と、を有する。成形装置１００は、キャビティ１５内の圧力Ｐｒを測定する圧力計５０と、成形型１０内を真空引きする吸引部６０と、成形型１０の温度を調整する成形型温度調整部７０と、成形装置１００全体の作動を制御する制御部８０と、成形型１０に設けられ、炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する押圧部９０と、をさらに有する。以下、成形装置１００について詳述する。

成形型１０は、開閉可能な一対の上型１１（雄型）と、下型１２（雌型）と、を有する。上型１１と下型１２の間に、密閉自在なキャビティ１５を形成する。炭素繊維２１０は、積層してプリフォームした状態において予めキャビティ１５内に配置する。上型１１の上方部に、ダイレクトゲート１３を設ける。ダイレクトゲート１３を樹脂注入部３０に連結し、上方からキャビティ１５内に樹脂２２０を注入する。樹脂２２０は、炭素繊維２１０の上面から内部に含浸する。また、下型１２の端部に、吸引口１４を設ける。吸引口１４を吸引部６０に連結し、キャビティ１５内を真空引きして空気を吸引除去する。さらに、上型１１においてキャビティ１５を形成する面の周辺部には溝１６が設けられる。溝１６は、後述する押圧部９０が設置される。キャビティ１５内を密閉状態にするために、上型１１と下型１２の合わせ面にシール部材等を設けてもよい。

プレス部２０は、成形型１０の上型１１に型締圧力Ｐｍを負荷する。プレス部２０は、油圧等の流体圧を用いたシリンダー２１を有し、油圧等を制御することによって型締圧力Ｐｍを調整する。

樹脂注入部３０は、主剤を充填した主剤タンク３１と、硬化剤を充填した硬化剤タンク３２と、主剤および硬化剤の搬送流路を形成するチューブ３３と、樹脂２２０のキャビティ１５内への注入圧力Ｐｉを測定する圧力計３４と、主剤と硬化剤とを混合するミキシングヘッド４０（混合部に相当）と、を有する。圧力計３４は、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを測定するため、ダイレクトゲート１３に接続される。

図２を参照して、樹脂注入部３０は、主剤タンク３１および硬化剤タンク３２に連結されるチューブ３３ａ、３３ｂにそれぞれ配置されたポンプ３５ａ、３５ｂをさらに有する。ポンプ３５ａ、３５ｂは、主剤および硬化剤を一定圧力においてミキシングヘッド４０に向けて吐出する。

ミキシングヘッド４０は、主剤と硬化剤とを混合して樹脂２２０を形成する。本実施形態において、ミキシングヘッド４０は上型１１内に配置される。ミキシングヘッド４０はダイレクトゲート１３に接続され、ダイレクトゲート１３を介して樹脂２２０をキャビティ１５に吐出する。

より具体的には、ミキシングヘッド４０は、シリンダー４１と、ピストン４２と、を有する。シリンダー４１は、ピストン４２の基端部４２ａによって区画された２つのチャンバ４１ｕ、４１ｄを有する。２つのチャンバ４１ｕ、４１ｄに供給する空圧または油圧などの流体圧を調整することによって、ピストン４２は図において上下方向に移動する。

シリンダー４１は、上側吸入口４４ａ、４４ｂと、下側吐出口４５ａ、４５ｂと、を有する。ピストン４２が図において上方に移動すると、下側吐出口４５ａ、４５ｂが開かれて主剤および硬化剤が吐出される。下側吐出口４５ａ、４５ｂのそれぞれから吐出した主剤および硬化剤は、混合されて樹脂２２０を形成する。形成された樹脂２２０は、ダイレクトゲート１３に吐出される。ピストン４２が図において下方に移動すると、上側吸入口４４ａ、４４ｂと下側吐出口４５ａ、４５ｂとが、ピストン４２に形成した凹部４３ａ、４３ｂを介して連通する。主剤および硬化剤は、下側吐出口４５ａ、４５ｂから凹部４３ａ、４３ｂを通り、上側吸入口４４ａ、４４ｂから主剤タンク３１および硬化剤タンク３２に再び戻される。この動作によって、主剤および硬化剤は、一定の圧力においてチューブ３３ａ、３３ｂ内を循環する。

図２におけるピストン４２の上下方向の移動量を調節することにより、主剤および硬化剤の流通経路の開度が調整される。流通経路の開度によって、樹脂２２０のキャビティ１５内への注入量Ｑｉを調整し、成形型１０に搬送される樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを調整する。なお、樹脂２２０が硬化する前の状態において粘度が２００［ｍＰａ・ｓ］以下のとき、キャビティ１５内への樹脂２２０の注入量Ｑｉと注入圧力Ｐｉは、Ｑｉ^２＝Ａ×Ｐｉ（Ａは、流出係数、流路面積および流体密度によって決まる値）の式によって表される相関関係にあることが知られている。

上述したように、ミキシングヘッド４０は成形型１０内に配置される。これにより、成形型１０内で炭素繊維２１０を位置ずれさせることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉをさらに高めることができる。

具体的には、図４に示すように、ダイレクトゲート１３から吐出された樹脂２２０は、炭素繊維２１０に接触することにより、炭素繊維２１０を位置ずれさせようとする力を炭素繊維２１０に作用させる。炭素繊維２１０を位置ずれさせようとする力は、例えば、図４の矢印Ｆ１〜Ｆ３で示す方向の力である。矢印Ｆ１またはＦ３で示される方向の力は、それぞれ図４において炭素繊維２１０を左または右に位置ずれさせ得る。また、矢印Ｆ２で示される方向の力は、図４において炭素繊維２１０を上下方向にばたつかせ得る。炭素繊維２１０が上下方向にばたつくことによって、炭素繊維２１０は位置ずれし得る。

樹脂２２０から作用される炭素繊維２１０を位置ずれさせようとする力は、樹脂２２０の粘度が低い方が、粘度が高い状態と比較して弱い。そして、樹脂２２０の粘度は、主剤と硬化剤とが混合されてから時間が経つにつれて増加する。本実施形態では、ミキシングヘッド４０は成形型１０内に配置されるから、主剤と硬化剤とが混合されて樹脂２２０が形成されてから、キャビティ１５に樹脂２２０が注入されるまでの時間が短い。すなわち、樹脂２２０は粘度が低い状態でキャビティ１５内に注入される。これにより、粘度が高い状態と比較して、注入時に樹脂２２０が接触することにより炭素繊維２１０に作用される炭素繊維２１０を位置ずれさせようとする力が弱い。そのため、成形型１０内で炭素繊維２１０を位置ずれさせることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを高めることができる。

また、粘度が低い場合の方が、粘度が高い場合と比較して炭素繊維２１０への含浸性が高い。そのため、同じ注入圧力Ｐｉであっても樹脂２２０の粘度を低くすることにより樹脂２２０の注入量Ｑｉを高めることができる。

図１を再び参照して、圧力計５０は、ひずみゲージ等を備え、キャビティ１５内の圧力Ｐｒを測定するために成形型１０に配置される。

吸引部６０は、真空ポンプ（図示せず）を有する。吸引部６０は、成形型１０の型閉じ後、かつ、樹脂２２０の注入開始前に、吸引口１４からキャビティ１５内の空気を吸引（真空引き）し、キャビティ１５内を真空状態にする。

成形型温度調整部７０は、加熱部材を有し、成形型１０を樹脂２２０の硬化温度まで加熱し、キャビティ１５内に注入された樹脂２２０を硬化させる。加熱部材は、電気ヒーターであり、直接的に成形型１０を加熱する。なお、加熱部材はこれに限定されず、たとえば、油などの熱媒体を電気ヒーターによって加熱し、成形型１０内に熱媒体を循環させることによって、成形型１０の温度を調整してもよい。

制御部８０は、成形装置１００全体の動作を制御する。制御部８０は、記憶部８１と、演算部８２と、入出力部８３と、を有する。入出力部８３は、圧力計３４、５０と、プレス部２０と、バルブ４０と、吸引部６０と、成形型温度調整部７０とに接続される。記憶部８１は、ＲＯＭやＲＡＭから構成される。演算部８２は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部８３を介して圧力計３４、５０からの樹脂２２０の注入圧力Ｐｉ、キャビティ１５内の圧力Ｐｒ、およびプレス部２０からの成形型１０の開閉状態のデータを受信する。演算部８２は、記憶部８１から読み出したデータおよび入出力部８３から受信したデータを基にミキシングヘッド４０のピストン４２位置、吸引部６０の吸入圧および成形型温度調整部７０による成形型１０の加熱温度を算出する。算出データを基にした制御信号は、入出力部８３を介してミキシングヘッド４０、吸引部６０および成形型温度調整部７０に送信する。このようにして、制御部８０は、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉ、樹脂２２０の注入タイミング、真空引き時のキャビティ１５内の圧力Ｐｒ、成形型温度等を制御する。

押圧部９０は、成形型１０に設けられ、炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。具体的には、押圧部９０は、樹脂注入部３０によりキャビティ１５内に樹脂２２０が注入される前に炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。より具体的には、押圧部９０は、成形型１０の型閉じ前に炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。さらに具体的には、押圧部９０は、成形型１０の型締圧力Ｐｍとは異なる調整自在の圧力により炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。実施形態１にあっては、押圧部９０は、成形型１０とは別体として成形型１０に設けられる。

図３に示すように、押圧部９０は、本実施形態において、成形型１０とは別体として形成される弾性部材９１と、押圧要素９２と、により構成される。弾性部材９１は、一端が上型１１の溝１６の底部に取り付けられ、他端が押圧要素９２の上面に取り付けられる。

図５（Ａ）および図５（Ｂ）を参照して、成形型１０の型閉じ開始前において、弾性部材９１の長さは自然長の状態にある。そして、成形型１０の型閉じが進むと、押圧要素９２が炭素繊維２１０に接触する。さらに、成形型１０の型閉じが進むと、弾性部材９１の長さは図５（Ｂ）の矢印の方向に収縮していく。弾性部材９１の長さが収縮することにより、押圧要素９２には弾性部材９１から弾性力が作用される。これにより、押圧要素９２は炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）を参照して、成形型１０を型閉じするとき上型１１の側部Ｓは炭素繊維２１０に接触する。このとき、炭素繊維２１０は、上型１１の側部Ｓから図６（Ｂ）の矢印方向に力を受ける。炭素繊維２１０は、上型１１の側部Ｓから作用する力によって位置ずれし得る。この位置ずれを防止するために、上型１１および下型１２には一般に抜き勾配が設けられる。本実施形態において、弾性部材９１の長さの収縮は、成形型１０の型閉じ完了前に始まる。すなわち、押圧要素９２への弾性部材９１からの弾性力の作用は、成形型１０の型閉じ完了前に始まる。そのため、押圧要素９２は、成形型１０の型閉じ完了前に炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。これにより、図６（Ｂ）に示す矢印方向の力によって炭素繊維２１０が位置ずれするのを防止できる。また、抜き勾配を小さく設定できるため、上型１１および下型１２の形状の設計の自由度が増す。

また、弾性部材９１の長さの収縮は、上述したように成形型１０の型閉じ完了前に始まる。そして、制御部８０は、上述したように成形型１０の型閉じ完了後に樹脂２２０の注入を開始する。すなわち、押圧要素９２は、樹脂注入部３０によりキャビティ１５内に樹脂２２０が注入される前に炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。これにより、注入圧力Ｐｉが付加された樹脂２２０がキャビティ１５内に注入されたときに、樹脂２２０から受ける力によって炭素繊維２１０がキャビティ１５内で位置ずれするのを防ぐことができる。すなわち、成形型１０内で炭素繊維２１０を位置ずれさせることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを高めることができる。注入圧力Ｐｉを高めることにより成形時間を短縮できるから、成形不良を防ぎつつ成形時間を短縮できる。

また、押圧部９０による炭素繊維２１０の押圧は、上述したように成形型１０の型締圧力Ｐｍとは異なり弾性要素９１の弾性力によりなされる。すなわち、押圧部９０は、成形型１０の型締圧力Ｐｍとは異なる調整自在の圧力により炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。これにより、炭素繊維２１０を押圧するときの圧力を型締圧力Ｐｍとは独立して調整できるため、炭素繊維２１０を安定して押圧できる。具体的には、型締圧力Ｐｍは非常に大きな圧力のため、炭素繊維２１０を安定して押圧するように圧力の大きさを制御するのは難しい。また、上型１１と下型１２の接触は、上型１１と上型１２の成形誤差等の影響により均等になされるとは限らない。そのため、成形型１０の型締圧力Ｐｍとは異なる調整自在の圧力により炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧することにより、炭素繊維２１０に均等に圧力を負荷することが容易になる。すなわち、炭素繊維２１０を安定して押圧できる。

さらに、押圧部９０は、成形型１０とは別体として成形型１０に設けられる。これにより、成形装置１００の製造が容易になるとともに成形装置１００の製造コストを抑えることができる。例えば、押圧部９０を備えていない既存の成形型に、当該成形型とは別体として製造された押圧部９０を当該成形型に取り付ける簡易な方法によって、成形装置１００を製造できる。これにより、成形装置１００の製造が容易になるとともに製造コストを抑えることができる。

また、成形型１０を変更することなく押圧部９０のみを設計変更できる。これにより、成形型１０内で炭素繊維２１０が位置ずれしないように、成形装置１００を最適に設計し易くなる。例えば、強化基材２１０の形状や材質、および強化基材２１０の押圧位置等に応じて、弾性部材９１の弾性力や押圧要素９２の形状等を最適に設計しやすくなる。

さらに、成形型１０と押圧部９０とをそれぞれ独立して交換できる。これにより、成形装置１００のメンテンス性が向上する。例えば、押圧部９０が損傷した場合、押圧部９０のみを交換することにより、成形型１０を交換することなく複合材料の成形を続けることができる。

以下、図７を参照して複合材料２００の成形方法の手順について説明する。

図７に示すように、複合材料２００の成形方法は、炭素繊維２１０を配置する工程（ステップＳ１）と、成形型１０の型閉じを開始する工程（ステップＳ２）と、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にする工程（ステップＳ３）と、成形型１０の型閉じを完了する工程（ステップＳ４）と、真空吸引を行う工程（ステップＳ５）と、樹脂２２０を注入する工程（ステップＳ６およびステップＳ７）と、樹脂２２０を硬化させる工程（ステップＳ８）と、脱型する工程（ステップＳ９）と、を有する。以下、各工程について詳述する。なお、ステップＳ１、Ｓ８、Ｓ９の操作を除き、制御部８０が各ステップの処理を実行する。

まず、炭素繊維２１０を積層し、成形型１０のキャビティ１５内に配置してプリフォームする（ステップＳ１）。このとき、キャビティ１５に臨む型内面を、所定の有機溶剤を用いて脱脂処理し、離型剤を用いて離型処理を施しておく。

次に、成形型１０の型閉じを開始する（ステップＳ２）。本実施形態では、プレス部２０により成形型１０に型締圧力Ｐｍを負荷することにより成形型１０の上型１１と下型１２が接近して型閉じが進行する。

次に、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にする（ステップＳ３）。これにより、成形型１０を型閉じするときに、図６（Ｂ）に示す矢印方向の力によって炭素繊維２１０がキャビティ１５内で位置ずれすることが防止される。そのため、成形型１０を型閉じするときに成形型１０に接触することによって炭素繊維２１０が位置ずれすることが防止される。本実施形態では、成形型１０に設けられた押圧部９０によって炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧することにより、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にする。上述したように、実施形態１にあっては、押圧部９０を、成形型１０とは別体として成形型１０に設ける。

次に、成形型１０の型閉じを完了する（ステップＳ４）。成形型１０の上型１１が下型１２に接触すると成形型１０の型閉じが完了となる。このとき、上型１１と下型１２の間に、密閉自在なキャビティ１５が形成される。

次に、吸引部６０によって吸引口１４から空気を吸引し、真空引きを行い、キャビティ１５内を真空状態にする（ステップＳ５）。このとき、圧力が負圧となるように圧力計５０のデータを基に制御部８０によって調整する。真空引き終了後、吸引口１４は完全に閉じ、成形終了まで閉じた状態にしておく。真空引きを行うことによって、表面に発生する気泡を防止し、成形品である複合材料２００のボイドやピットを減らすことができ、複合材料２００の機械的特性や意匠性を向上させることができる。

次に、樹脂２２０をキャビティ１５内に注入する（ステップＳ６）。このとき、ステップＳ２によって、炭素繊維２１０は成形型１０内で位置ずれしない状態にされている。そのため、樹脂２２０から作用される力による炭素繊維２１０のキャビティ１５内での位置ずれが防止される。そのため、炭素繊維２１０が成形型１０内で位置ずれすることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを高めることができる。また、樹脂２２０は、成形型１０内に配置されたミキシングヘッド４０において主剤と硬化剤とを混合することにより形成される。主剤と硬化剤とが混合されて樹脂２２０が形成されてから、キャビティ１５に樹脂２２０が注入されるまでの時間が短い。すなわち、樹脂２２０は粘度が低い状態でキャビティ１５内に注入される。これにより、粘度が高い状態と比較して、注入時に樹脂２２０が接触することにより炭素繊維２１０に作用される炭素繊維２１０を位置ずれさせようとする力が弱い。そのため、成形型１０内で炭素繊維２１０を位置ずれさせることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを高めることができる。また、粘度が低い場合の方が、粘度が高い場合と比較して炭素繊維２１０への含浸性が高いから、同じ注入圧力Ｐｉであっても樹脂２２０の注入量Ｑｉを高めることができる。樹脂２２０のキャビティ１５内への注入は、キャビティ１５内に樹脂２２０が完全に充填されるまで継続される（ステップＳ７：「Ｎｏ」、ステップＳ６）。

キャビティ１５内に樹脂２２０を規定量注入し終えると（ステップＳ７：「Ｙｅｓ」）、キャビティ１５内の樹脂２２０が十分硬化するまで放置する（ステップＳ８）。なお、成形型１０全体は、成形型温度調整部７０によって樹脂２２０の硬化温度に予め温度調節してある。

成形型１０を開き、成形された複合材料２００を脱型すると、成形が完了する（ステップＳ９）。

以上説明したように、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、炭素繊維２１０は、キャビティ１５への樹脂２２０の注入開始前に成形型１０内で位置ずれしない状態にされる。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、成形型１０内で炭素繊維２１０を位置ずれさせることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを高めることができる。従って、成形不良を防ぎつつ成形時間を短縮できる。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、押圧部９０は、成形型１０とは別体として成形型１０に設けられる。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、成形型１０とは別体として製造された押圧部９０を成形型１０に取り付けることによって成形装置１００を製造できる。これにより、成形装置１００の製造が容易になるとともに成形装置１００の製造コストを抑えることができる。また、成形型１０を変更することなく押圧部９０のみを設計変更できる。これにより、成形型１０内で炭素繊維２１０が位置ずれしないように、成形装置１００を最適に設計し易くなる。さらに、成形型１０と押圧部９０とをそれぞれ独立して交換できる。これにより、成形装置１００のメンテンス性が向上する。従って、成形不良を防ぎつつ成形時間を短縮できる成形装置を最適かつ低コストに製造できるとともに、当該成形装置のメンテナンス性が向上する。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、樹脂２２０は、成形型１０内に配置されたミキシングヘッド４０において主剤と硬化剤とが混合されることにより形成される。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、主剤と硬化剤とが混合されて樹脂２２０が形成されてから、キャビティ１５に樹脂２２０が注入されるまでの時間を短くできる。樹脂２２０の粘度は、主剤と硬化剤との混合から時間が経つにつれて増加する。すなわち、主剤と硬化剤とが混合されてから樹脂２２０がキャビティ１５内に注入されるまでの時間を短くすることにより、粘度が低い状態で樹脂２２０をキャビティ１５内に注入できる。これにより、粘度が高い状態と比較して、注入時に樹脂２２０が接触することにより炭素繊維２１０に作用される炭素繊維２１０を位置ずれさせようとする力を弱めることができる。そのため、成形型１０内で炭素繊維２１０を位置ずれさせることなく、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉをさらに高めることができる。また、粘度が低い場合の方が、粘度が高い場合と比較して炭素繊維２１０への含浸性が高いから、同じ注入圧力Ｐｉであっても樹脂２２０の注入量Ｑｉを高めることができる。従って、成形不良を防ぎつつ成形時間をさらに短縮できる。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、炭素繊維２１０は、成形型１０の型閉じ前に位置ずれしない状態にされる。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、型閉じするときに成形型１０に接触することによって炭素繊維２１０が位置ずれすることを防止できる。従って、成形不良をより確実に防ぎつつ成形時間を短縮できる。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、成形型１０の型閉じ後、かつ、樹脂２２０を注入する前に、成形型１０内を真空引きする。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、樹脂２２０の注入前にキャビティ１５内を真空状態にすることによって、樹脂２２０の注入後に樹脂２２０内および表面に発生する気泡を防止し、成形品である複合材料２００のボイドやピットを減らすことができる。これによって、複合材料２００の機械的特性や意匠性を向上させることができる。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、成形型１０の型締めの圧力とは異なる調整自在の圧力により炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、炭素繊維２１０を押圧するときの圧力を型締めの圧力とは独立して調整できるため、炭素繊維２１０を安定して押圧できる。従って、成形不良をより確実に防ぎつつ成形時間を短縮できる。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、強化基材２１０は炭素繊維から形成されてなる。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、炭素繊維を強化基材に使用することによって、熱膨張係数が小さく寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ない複合材料２００を成形することができる。

また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、複合材料２００は自動車部品に使用される。

このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、量産に適した複合材料２００の自動車部品を成形することができ、車体の軽量化が可能となる。

（実施形態２）
実施形態２に係る成形装置は、次の点で実施形態１に係る成形装置１００と異なる。すなわち、実施形態１に係る成形装置１００の樹脂注入部３０は、成形型１０の型閉じ後にキャビティ１５への樹脂２２０の注入を開始した。一方、実施形態２に係る成形装置の樹脂注入部は、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にした後、かつ、成形型１０の型閉じ前に、キャビティ１５内への樹脂２２０の注入を開始する点において実施形態１に係る成形装置１００と異なる。

上述した相違点に係る構成について以下に説明する。実施形態１に係る成形装置１００の構成と同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態に係る樹脂注入部は、押圧部９０が炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧した後、かつ、成形型１０の型閉じ前に、キャビティ１５内への樹脂２２０の注入を開始する。これにより、炭素繊維２１０が成形型１０内で位置ずれすることなく、樹脂２２０の注入を成形型１０の型閉じ前に開始できる。

次に本実施形態に係る複合材料２００の成形方法について説明する。実施形態２に係る成形方法は、次の点で実施形態１に係る成形方法と異なる。すなわち、実施形態１に係る成形方法の樹脂の注入（ステップＳ６）は、成形型１０の型閉じ完了（ステップＳ４）後に開始された。一方、実施形態２に係る成形方法は、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にした後、かつ、成形型１０の型閉じ前に、樹脂の注入（ステップＳ３１）を開始する点において実施形態１に係る成形方法と異なる。

上述した相違点に係る構成について以下に説明する。

図９は、本発明の実施形態２に係る複合材料２００の成形方法を示すフローチャートである。実施形態１に係る成形方法と同一のステップについては同一の符号を付して説明を省略する。

ステップＳ３１では、樹脂２２０を注入する。ステップＳ３１は、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にした（ステップＳ３）後、かつ、成形型１０の型閉じ完了（ステップＳ４）前に実施される。すなわち、本実施形態に係る成形方法では、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にした後、かつ、成形型１０の型閉じ前に、キャビティ１５への樹脂２２０の注入が開始される。具体的には、押圧部９０が炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧した後、かつ、成形型１０の型閉じ前に、キャビティ１５内への樹脂２２０の注入が開始される。これにより、炭素繊維２１０が成形型１０内で位置ずれすることなく、樹脂２２０の注入を成形型１０の型閉じ完了前に開始できる。

ステップＳ３２では、樹脂２２０の注入が継続される。樹脂２２０のキャビティ１５内への注入は、成形型１０の型閉じ完了（ステップＳ４）後、キャビティ１５内に樹脂２２０が完全に充填されるまで継続される（ステップＳ７：「Ｎｏ」、ステップＳ３２）。

以上説明したように、本実施形態に係る成形装置および成形方法では、炭素繊維２１０を成形型１０内で位置ずれしない状態にした後、かつ、成形型１０の型閉じ前に、樹脂２２０の注入を開始する。

このように構成した成形装置および当該成形装置を使用する成形方法によれば、炭素繊維２１０が成形型１０内で位置ずれすることなく、樹脂２２０の注入を成形型１０の型閉じ前に開始できる。従って、成形不良を防ぎつつ成形時間をさらに短縮できる。

（その他の改変例）
実施形態１及び実施形態２において、押圧部９０は、成形型１０の型締めの圧力Ｐｍとは異なる調整自在の圧力により炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧した。当該構成に限らず、押圧部の構成は、樹脂注入部によりキャビティ１５内に樹脂２２０が注入される前に炭素繊維２１０を成形型１０に対して押圧する限りにおいて変更することが可能である。

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は改変例に係る成形装置の押圧部４９０を示す概略図であって、それぞれ後述する押し込み治具４９１、４９２を取り付ける前および取り付けた後の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分を示す拡大図である。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は同成形装置の押圧部４９０を示す概略図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分を示す拡大図である。

図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）を参照して、成形型４１０は、溝４１６が設けられた上型４１１と、溝４１７が設けられた下型４１２と、を有する。上型４１１および下型４１２は、溝４１６、４１７が設けられる点を除いて、上型１１および下型１２と同様に構成される。

押圧部４９０は、押し込み治具４９１、４９２を有する。押し込み治具４９１、４９２は、溝４１６、４１７にそれぞれ着脱可能に取り付けられる。押し込み治具４９１は凸部４９３を有し、押し込み治具４９２は凹部４９４を有する。

図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）を参照して、成形型４１０を型閉じするに従って、押し込み治具４９１の凸部４９３が押し込み治具４９２の凹部４９４に炭素繊維２１０を押し込む。これにより、炭素繊維２１０が成形型１０内で位置ずれしない状態にされる。当該構成によれば、押し込み治具４９１、４９２を成形型４１０に着脱可能に取り付ける簡易な構成によって押圧部４９０を構成できる。押し込み治具４９１および押し込み治具４９２の形状や材質は、成形される複合材料２００の形状や、炭素繊維２１０および樹脂２２０を構成する材料の種類に応じて選択可能である。

また、図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）は別の改変例に係る成形装置の押圧部５９０を示す概略図であって、それぞれ型閉じ前および型閉じ中の図１の破線部Ａによって囲まれる部分に対応する部分を示す拡大図である。

図１２（Ａ）、図１２（Ｂ）を参照して、押圧部５９０を、成形型５１０の一部として構成してもよい。具体的には、成形型５１０を、凸部５９１が設けられた上型５１１と、凹部５９２が設けられた下型５１２と、を有するように構成する。このとき、上型５１１および下型５１２は、凸部５９１および凹部５９２が設けられる点を除いて、上型１１および下型１２と同様に構成される。そして、押圧部５９０を、上型５１１に設けられた凸部５９１と、下型５１２に設けられた凹部５９２と、によって構成してもよい。凸部５９１が凹部５９２に炭素繊維２１０を押し込むことによって炭素繊維２１０が成形型５１０内で位置ずれしない状態にされる。当該構成によれば、成形型５１０の形状を変更する簡易な構成によって押圧部５９０を構成できる。

以上、実施形態および改変例を通じて複合材料２００の成形方法および成形装置を説明したが、本発明は実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。

１０、４１０、５１０ 成形型、
１１、４１１、５１１ 上型、
１２、４１２、５１２ 下型、
１３ ダイレクトゲート、
１４ 吸引口、
１５ キャビティ、
１６、４１６、４１７ 溝、
２０ プレス部、
３０ 樹脂注入部、
３１ 主剤タンク、
３２ 硬化剤タンク、
３３ チューブ、
３４、５０ 圧力計、
３５ ポンプ、
４０ ミキシングヘッド（混合部）、
４１ シリンダー、
４２ ピストン、
６０ 吸引部、
７０ 成形型温度調整部、
８０ 制御部、
９０、４９０、５９０ 押圧部、
９１ 弾性部材、
９２ 押圧要素、
１００ 成形装置、
２００ 複合材料、
２１０ 炭素繊維（強化基材）、
２２０ 樹脂、
３００ 車体、
３０１、３０２、３０３ 自動車部品、
４９１、４９２ 押し込み治具、
４９３、５９１ 凸部、
４１６、４１７、４９４、５９２ 凹部、
Ｐｍ 型締圧力、
Ｐｒ キャビティ内の圧力、
Ｐｉ 注入圧力、
Ｑｉ 注入量、
Ｓ 側部。

Claims (16)

1. 開閉可能な成形型内の樹脂が注入される空間であるキャビティに強化基材を配置し、前記成形型に型締圧力を負荷した状態において前記キャビティ内に前記樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
   主剤と硬化剤とを混合する混合部を前記成形型内に配置し、
   前記強化基材を前記成形型に対して押圧する押圧部を、前記成形型に設け、
   前記キャビティへの前記樹脂の注入開始前に、前記押圧部によって前記強化基材を前記成形型に対して押圧することにより、前記強化基材を前記成形型内で位置ずれしない状態にし、
   前記混合部において前記主剤と前記硬化剤とを混合することにより前記樹脂を形成する、複合材料の成形方法。
2. 前記押圧部を、前記成形型とは別体として前記成形型に設ける、請求項１に記載の成形方法。
3. 前記成形型の型閉じ前に前記強化基材を前記成形型内で位置ずれしない状態にし、
   前記成形型の型閉じ後に前記キャビティへの前記樹脂の注入を開始する、請求項１または請求項２に記載の成形方法。
4. 前記成形型の型閉じ前に前記強化基材を前記成形型内で位置ずれしない状態にし、
   前記強化基材を前記成形型内で位置ずれしない状態にした後、かつ、前記成形型の型閉じ前に、前記キャビティへの前記樹脂の注入を開始する、請求項１または請求項２に記載の成形方法。
5. 前記成形型の型閉じ後、かつ、前記樹脂の注入開始前に、前記成形型内を真空引きする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の成形方法。
6. 前記押圧部によって前記強化基材を前記成形型に対して押圧するときは、前記成形型の型締めの圧力とは異なる調整自在の圧力により押圧する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の成形方法。
7. 前記強化基材は炭素繊維から形成されてなる、請求項１〜６のいずれか１項に記載の成形方法。
8. 前記複合材料は自動車部品に使用される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の成形方法。
9. 強化基材を配置し、樹脂が注入される空間であるキャビティが形成された開閉可能な成形型と、
   前記成形型に型締圧力を負荷するプレス部と、
   前記キャビティ内に前記樹脂を注入する樹脂注入部と、
   前記成形型に設けられ、前記強化基材を前記成形型に対して押圧する押圧部と、を有し、
   主剤と硬化剤とを混合する混合部を前記成形型内に備え、
   前記押圧部は、前記樹脂注入部により前記キャビティ内に前記樹脂が注入される前に前記強化基材を前記成形型に対して押圧し、
   前記樹脂は、前記混合部において前記主剤と前記硬化剤とが混合されることにより形成される、複合材料の成形装置。
10. 前記押圧部は、前記成形型とは別体として前記成形型に設けられる、請求項９に記載の成形装置。
11. 前記押圧部は、前記成形型の型閉じ前に前記強化基材を前記成形型に対して押圧し、
    前記樹脂注入部は、前記成形型の型閉じ後に前記キャビティへの前記樹脂の注入を開始する、請求項９または請求項１０に記載の成形装置。
12. 前記押圧部は、前記成形型の型閉じ前に前記強化基材を前記成形型に対して押圧し、
    前記樹脂注入部は、前記押圧部が前記強化基材を前記成形型に対して押圧した後、かつ、前記成形型の型閉じ前に、前記キャビティへの前記樹脂の注入を開始する、請求項９または請求項１０に記載の成形装置。
13. 前記成形型内を真空引きする吸引部をさらに有し、
    前記吸引部は、前記成形型の型閉じ後、かつ、前記樹脂の注入開始前に、前記成形型内を真空引きする、請求項９〜１１のいずれか１項に記載の成形装置。
14. 前記押圧部は、前記成形型の型締めの圧力とは異なる調整自在の圧力により前記強化基材を前記成形型に対して押圧する、請求項９〜１３のいずれか１項に記載の成形装置。
15. 前記強化基材は炭素繊維から形成されてなる、請求項９〜１４のいずれか１項に記載の成形装置。
16. 前記複合材料は自動車部品用の材料である、請求項９〜１５のいずれか１項に記載の成形装置。