JP6432750B2 - 繊維強化複合部材の成形装置 - Google Patents

Description

本開示は、繊維織布にマトリックスとしての熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを複数枚積層して成る繊維強化複合部材を成形するのに用いられる繊維強化複合部材の成形装置に関するものである。

上記した繊維織布、例えば、炭素繊維織布にマトリックスとしての熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを複数枚積層して熱可塑性ＣＦＲＰ部材（繊維強化複合部材）を成形する場合、オートクレーブを用いた成形法が既に確立されているが、近年、このオートクレーブを用いた成形法に代わる成形法として成形装置を用いた金型熱プレス成形法が構築されつつある。

この金型熱プレス成形法に用いる成形装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがある。この成形装置は、下型（一方の成形金型）と、この下型に対して接近離間する上型（他方の成形金型）を備えており、上型には下方に向けて突出するコアが配置され、一方、下型には上方に向けて開口するキャビティが配置されている。

この成形装置において、成形時には、型開きした状態の下型のキャビティ上に複数枚積層させたプリプレグをセットした後、上型を下降させて上型のコア及び下型のキャビティの間にプリプレグを挟み込んで熱すると共に、熱可塑性樹脂が溶融したプリプレグを上型と下型とで加圧する。
そして、この加圧後に上型及び下型を介して熱可塑性樹脂を冷却して固化させることで、様々な形の熱可塑性ＣＦＲＰ部材を得る。

特開2002-086483号公報

ところが、上記した従来の成形装置では、成形の際の加熱時において、互いに嵌合する下型のキャビティ及び上型のコアの各周囲から熱が逃げ易い。特に下型のキャビティにおける底面と壁面とが交わる部分や上型におけるコアが立ち上がる部分から熱が逃げ易い。

つまり、上記した従来の成形装置では、成形の際の加熱時において、下型のキャビティ及び上型のコアの各周囲から熱が逃げることで、加熱温度のばらつきが生じてしまい、成形品である熱可塑性ＣＦＲＰ部材に炭素繊維の蛇行による皺等の不具合が発生する可能性があるという問題を有しており、これを解決することが従来の課題となっている。

本開示は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、成形の際の加熱時において、少なくとも一方の成形金型のキャビティの周囲から熱が逃げるのを防ぐことができ、その結果、皺等の不具合がほとんどない繊維強化複合部材を得ることが可能な繊維強化複合部材の成形装置を提供することを目的としている。

本発明は、繊維織布に樹脂（熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂）を含浸させたプリプレグと接するキャビティを有する一方の成形金型と、型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティとの間で複数枚積層した前記プリプレグを挟み込む他方の成形金型と、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグの前記樹脂を加熱する加熱部を備え、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型間で複数枚積層した前記プリプレグの前記樹脂を前記加熱部により加熱しつつ加圧して前記繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形装置において、前記他方の成形金型は、型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティと嵌合して該キャビティとの間で複数枚積層した前記プリプレグを挟み込むコアを有し、前記一方の成形金型には、前記プリプレグの前記樹脂の加熱時に、前記キャビティの周囲に熱が逃げるのを阻止するキャビティ用抜熱防止部が配置され、前記他方の成形金型には、前記プリプレグの前記樹脂の加熱時に、前記コアの周囲に熱が逃げるのを阻止するコア用抜熱防止部が配置され、前記一方の成形金型における前記キャビティの成形面及び前記他方の成形金型における前記コアの成形面は複数の領域にそれぞれ分割され、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型には、前記複数の領域に対応して各々の成形面の裏側で開口する複数の加熱用セルがそれぞれ設けられていると共に、該複数の加熱用セルには、加熱用ヒータがそれぞれ配置され、前記キャビティ用抜熱防止部は、前記複数の加熱用セルの周囲における前記一方の成形金型内に形成された抜熱防止用セル及び該抜熱防止用セルに配置されたヒータを具備し、前記コア用抜熱防止部は、前記複数の加熱用セルの周囲における前記他方の成形金型内に形成された抜熱防止用セル及び該抜熱防止用セルに配置されたヒータを具備している構成としている。

本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置では、成形の際の加熱時において、少なくとも一方の成形金型のキャビティの周囲から熱が逃げるのを防ぐことができる。
したがって、加熱温度のばらつきが生じ難くなって、皺等の不具合がほとんどない繊維強化複合部材を得ることが可能であるという非常に優れた効果がもたらされる。

本発明の一参考例による繊維強化複合部材の成形装置における下型及び上型を示す斜視説明図である。 図１における繊維強化複合部材の成形装置を示す断面説明図である。 本発明の一実施例による繊維強化複合部材の成形装置を示す断面説明図である。 図３における繊維強化複合部材の成形装置の効果を示す図である。

以下、本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置を図面に基づいて説明する。
図１及び図２は本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置の一参考例を示している。

図１に示すように、この成形装置１は、繊維織布に熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸させたプリプレグを複数枚積層して成る繊維強化複合部材（例えば熱可塑性ＣＦＲＰ部材）の成形装置１であって、下型（一方の成形金型）２及び上型（他方の成形金型）３を備えている。繊維強化複合部材は、繊維織布に熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸させた互いに繊維配向方向が異なる複数枚のプリプレグを交互に積層して平板状に成形されるものとなっている。

下型２は、図２にも示すように、キャビティ２１を有している。一方、下降上昇して下型２に接近離間する上型３は、型締め状態において下型２のキャビティ２１と嵌合してこのキャビティ２１との間でプリプレグを複数枚積層したプリプレグ積層体（成形前の繊維強化複合部材）Ｐを挟み込むコア３１を有している。

下型２は、キャビティ２１のプリプレグ積層体Ｐと接する成形面２１ａを加熱する加熱部としての熱源１０を具備している。一方、上型３も、コア３１のプリプレグ積層体Ｐと接する成形面３１ａを加熱する加熱部としての熱源１０を具備している。これらの熱源１０，１０は、下型２及び上型３に対して各々の成形面２１ａ，３１ａとは反対側から熱をそれぞれ付与するようになっており、この成形装置１では、下型２及び上型３間においてプリプレグ積層体Ｐの熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を熱源１０，１０により加熱しつつ加圧して繊維強化複合部材を成形するようにしている。

また、この成形装置１は、下型２におけるキャビティ２１の周囲を囲むようにして配置されたキャビティ用抜熱防止部２６を備えている。このキャビティ用抜熱防止部２６は、キャビティ２１の周囲において成形面２１ａが位置する側の反対側で開口する複数の抜熱防止用セル２３と、これらの抜熱防止用セル２３の一つ一つに配置されたヒータ４を具備している。

このキャビティ用抜熱防止部２６は、プリプレグ積層体Ｐの熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の加熱時において、抜熱防止用セル２３内をヒータ４で加熱することでキャビティ２１の周囲に熱が逃げるのを阻止している。

さらに、この成形装置１は、上型３におけるコア３１の周囲を囲むようにして配置されたコア用抜熱防止部３６を備えている。このコア用抜熱防止部３６は、コア３１の周囲において成形面３１ａが位置する側の反対側で開口する複数の抜熱防止用セル３３と、これらの抜熱防止用セル３３の一つ一つに配置されたヒータ４を具備している。

このコア用抜熱防止部３６も、プリプレグ積層体Ｐの熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の加熱時において、抜熱防止用セル３３内をヒータ４で加熱することでコア３１の周囲に熱が逃げるのを阻止している。

次に、この成形装置１により繊維強化複合部材を成形する要領を説明する。まず、型開きした状態の下型２のキャビティ２１上にプリプレグを複数枚積層させたプリプレグ積層体Ｐをセットする。

この後、上型３を下降させて型締め状態として、上型３のコア３１及び下型２のキャビティ２１の間にプリプレグ積層体Ｐを挟み込み、加熱部としての上下の熱源１０，１０によってプリプレグ積層体Ｐに熱を加えると共に、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が溶融したプリプレグ積層体Ｐを上型３と下型２とで加圧する。

この加熱加圧時において、下型２では、キャビティ２１の周囲を囲むようにして配置したキャビティ用抜熱防止部２６の抜熱防止用セル２３内がヒータ４によって加熱されているので、熱源１０からの熱がキャビティ２１の周囲に逃げることが阻止され、一方、上型３でも、コア３１の周囲を囲むようにして配置したコア用抜熱防止部３６の抜熱防止用セル３３内がヒータ４により加熱されているので、熱源１０からの熱がコア３１の周囲に逃げることが阻止されている。

そして、樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、熱源１０に加熱動作を継続して行わせて熱硬化性樹脂を硬化させてから、熱源１０の加熱動作を停止させることで、プリプレグ積層体Ｐの成形品（繊維強化複合部材）が得られる。
また、樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、上記加圧後において、熱源１０の加熱動作を停止させて、上型３及び下型２を介して熱可塑性樹脂を冷却して固化させることで、プリプレグ積層体Ｐの成形品（繊維強化複合部材）が得られる。

したがって、この成形装置１では、プリプレグを複数枚積層させたプリプレグ積層体Ｐの加熱加圧時において、下型２のキャビティ２１のみならず、この下型２のキャビティ２１と嵌合する上型３のコア３１の周囲からも熱が逃げることがなくなるので、プリプレグ積層体Ｐに対する加熱がばらつきなく成されることとなる。その結果、繊維の蛇行による皺等の不具合がないプリプレグ積層体Ｐの成形品（繊維強化複合部材）が得られることとなる。

また、この成形装置１では、下型２のキャビティ２１の周囲に熱が逃げるのを阻止するキャビティ用抜熱防止部２６及び上型３のコア３１の周囲に熱が逃げるのを阻止するコア用抜熱防止部３６として、抜熱防止用セル２３，３３内にヒータ４をそれぞれ配置する構成を採用しているので、構成の簡略化が図られる。

図３は本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置の一実施例を示している。
図３に示すように、この実施例の成形装置１Ａも、プリプレグを複数枚積層させたプリプレグ積層体Ｐを間にして互いに接近離間するキャビティ２１Ａを有する下型２Ａ及びコア３１Ａを有する上型３Ａを備えている。

下型２Ａは、キャビティ２１Ａのプリプレグ積層体Ｐと接する成形面２１ａを複数の領域毎に加熱する複数の加熱用ヒータ１４を具備している。一方、上型３Ａも、コア３１Ａのプリプレグ積層体Ｐと接する成形面３１ａを複数の領域毎に加熱する複数の加熱用ヒータ１４を具備している。

この場合、下型２Ａには、成形面２１ａの裏側で開口する加熱用セル２２が複数の領域に対応して複数形成され、一方、上型３Ａにも、成形面３１ａの裏側で開口する加熱用セル３２が複数の領域に対応して複数形成されており、これらの加熱用セル２２，３２の一つ一つに上記加熱用ヒータ１４を一つずつ配置することで、加熱部を構成している。

また、この成形装置１Ａは、下型２Ａにおける複数の加熱用セル２２の周囲を囲むようにして配置されたキャビティ用抜熱防止部２６Ａを備えている。このキャビティ用抜熱防止部２６Ａは、複数の加熱用セル２２の周囲において成形面２１ａが位置する側の反対側で開口する複数の抜熱防止用セル２３と、これらの抜熱防止用セル２３の一つ一つに配置されたヒータ４を具備している（この実施例では上記した加熱部を構成する加熱用ヒータ１４と同じ構成のものを使用しているが、これに限定しない。）。

このキャビティ用抜熱防止部２６Ａは、プリプレグ積層体Ｐの熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の加熱時において、抜熱防止用セル２３内をヒータ４で加熱することでキャビティ２１Ａの周囲に熱が逃げるのを阻止している。

さらに、この成形装置１Ａは、上型３Ａにおける複数の加熱用セル３２の周囲を囲むようにして配置されたコア用抜熱防止部３６Ａを備えている。このコア用抜熱防止部３６Ａは、複数の加熱用セル３２の周囲において成形面３１ａが位置する側の反対側で開口する複数の抜熱防止用セル３３と、これらの抜熱防止用セル３３の一つ一つに配置されたヒータ４を具備している（この実施例では上記した加熱部を構成する加熱用ヒータ１４と同じ構成のものを使用しているが、これに限定しない。）。

このコア用抜熱防止部３６Ａも、プリプレグ積層体Ｐの熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の加熱時において、抜熱防止用セル３３内をヒータ４で加熱することでコア３１Ａの周囲に熱が逃げるのを阻止している。

次に、この成形装置１Ａにより繊維強化複合部材を成形する要領を説明する。まず、型開きした状態の下型２Ａのキャビティ２１Ａ上にプリプレグを複数枚積層させたプリプレグ積層体Ｐをセットする。

この後、上型３Ａを下降させて型締め状態として、上型３Ａのコア３１Ａ及び下型２Ａのキャビティ２１Ａの間にプリプレグ積層体Ｐを挟み込み、加熱部を構成する複数の加熱用ヒータ１４によってプリプレグ積層体Ｐに熱を加えると共に、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が溶融したプリプレグ積層体Ｐを上型３Ａと下型２Ａとで加圧する。

この加熱加圧時において、下型２Ａでは、複数の加熱用セル２２の周囲を囲むようにして配置したキャビティ用抜熱防止部２６の抜熱防止用セル２３内が加熱用ヒータ１４とは別のヒータ４によって加熱されているので、加熱部を構成する複数の加熱用ヒータ１４からの熱がキャビティ２１Ａの周囲に逃げることが阻止され、一方、上型３Ａでも、複数の加熱用セル３２の周囲を囲むようにして配置したコア用抜熱防止部３６の抜熱防止用セル３３内が加熱用ヒータ１４とは別のヒータ４により加熱されているので、加熱部を構成する複数の加熱用ヒータ１４からの熱がコア３１Ａの周囲に逃げることが阻止されている。

そして、この場合も、樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、加熱部を構成する複数の加熱用ヒータ１４に加熱動作を継続して行わせて熱硬化性樹脂を硬化させてから、複数の加熱用ヒータ１４への電源供給を止めることで、プリプレグ積層体Ｐの成形品（繊維強化複合部材）が得られる。
また、樹脂が熱可塑性樹脂である場合には、上記加圧後において、複数の加熱用ヒータ１４への電源供給を止めて、上型３Ａ及び下型２Ａを介して熱可塑性樹脂を冷却して固化させることで、プリプレグ積層体Ｐの成形品（繊維強化複合部材）が得られる。

したがって、この成形装置１Ａでは、プリプレグを複数枚積層させたプリプレグ積層体Ｐの加熱加圧時において、下型２Ａのキャビティ２１Ａのみならず、この下型２Ａのキャビティ２１Ａと嵌合する上型３Ａのコア３１Ａの周囲からも熱が逃げることがなくなるので、プリプレグ積層体Ｐに対する加熱がばらつきなく成されることとなる。その結果、繊維の蛇行による皺等の不具合がないプリプレグ積層体Ｐの成形品（繊維強化複合部材）が得られることとなる。

また、この成形装置１Ａでは、下型２Ａにおけるキャビティ２１Ａの成形面２１ａ及び上型３Ａにおけるコア３１Ａの成形面３１ａをそれぞれ複数の領域に分割している。そして、下型２Ａ及び上型３Ａに、複数の領域に対応して各々の成形面２１ａ，３１ａの裏側で開口する複数の加熱用セル２２，３２をそれぞれ設けたうえで、これらの加熱用セル２２，３２に、加熱用ヒータ１４をそれぞれ配置するようにしているので、プリプレグ積層体Ｐの加熱加圧時において、プリプレグ積層体Ｐに対する加熱がより一層均一に成されることとなる。

ここで、図４の左側部分に示すように、キャビティ用抜熱防止部２６Ａ及びコア用抜熱防止部３６Ａを設けずに、下型２Ａ及び上型３Ａに複数の加熱用セル２２，３２を幅方向に均等に配置した場合には、成形面２１ａ，３１ａのプリプレグ積層体Ｐの端部に対応する部分の温度Ｔｅが成形面２１ａ，３１ａの中央部の温度Ｔｃよりも漸次低くなる傾向にある。
これを防ぐべくプリプレグ積層体Ｐの端部に対応する加熱用セル２２，３２内の各加熱用ヒータ１４の加熱度合いを強めると、成形面２１ａ，３１ａのプリプレグ積層体Ｐの端部に対応する部分の温度が中央部の温度Ｔｃよりも高温（Ｔｆ）になってしまい、成形面２１ａ，３１ａでの温度分布が平準化しない。

これに対して、この実施例に係る成形装置１Ａのように、キャビティ用抜熱防止部２６Ａ及びコア用抜熱防止部３６Ａとして、複数の加熱用セル２２，３２の周囲に抜熱防止用セル２３，３３を形成して、これらの抜熱防止用セル２３，３３内に加熱用ヒータ１４とは別にヒータ４を配置した場合には、図４の右側部分に示すように、成形面２１ａ，３１ａの端部の温度が中央部の温度Ｔｃと同等になり、その結果、プリプレグ積層体Ｐに対する加熱が一様に成されることとなる。

上記した実施例では、プリプレグを構成する繊維織布が、繊維に炭素繊維を用いた炭素繊維織布である場合を例に挙げて説明したが、これに限定されない。

本開示に係る繊維強化複合部材の成形装置の構成は、上記した実施例に限定されるものではない。

本発明の第１の態様は、繊維織布に樹脂（熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂）を含浸させたプリプレグと接するキャビティを有する一方の成形金型と、型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティとの間で複数枚積層した前記プリプレグを挟み込む他方の成形金型と、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグの前記樹脂を加熱する加熱部を備え、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型間で複数枚積層した前記プリプレグの前記樹脂を前記加熱部により加熱しつつ加圧して前記繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形装置において、前記他方の成形金型は、型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティと嵌合して該キャビティとの間で複数枚積層した前記プリプレグを挟み込むコアを有し、前記一方の成形金型には、前記プリプレグの前記樹脂の加熱時に、前記キャビティの周囲に熱が逃げるのを阻止するキャビティ用抜熱防止部が配置され、前記他方の成形金型には、前記プリプレグの前記樹脂の加熱時に、前記コアの周囲に熱が逃げるのを阻止するコア用抜熱防止部が配置され、前記一方の成形金型における前記キャビティの成形面及び前記他方の成形金型における前記コアの成形面は複数の領域にそれぞれ分割され、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型には、前記複数の領域に対応して各々の成形面の裏側で開口する複数の加熱用セルがそれぞれ設けられていると共に、該複数の加熱用セルには、加熱用ヒータがそれぞれ配置され、前記キャビティ用抜熱防止部は、前記複数の加熱用セルの周囲における前記一方の成形金型内に形成された抜熱防止用セル及び該抜熱防止用セルに配置されたヒータを具備し、前記コア用抜熱防止部は、前記複数の加熱用セルの周囲における前記他方の成形金型内に形成された抜熱防止用セル及び該抜熱防止用セルに配置されたヒータを具備している構成としている。

本発明の第１の態様に係る繊維強化複合部材の成形装置では、複数枚積層させたプリプレグの加熱加圧時において、一方の成形金型のキャビティのみならず、この一方の成形金型のキャビティと嵌合する他方の成形金型のコアの周囲からも熱が逃げることがなくなるうえ、一方の成形金型のキャビティ及び他方の成形金型のコアの各成形面での温度分布が平準化するので、複数枚積層させたプリプレグに対する加熱がばらつきなく一様に成されることとなる。したがって、繊維の蛇行による皺等の不具合がない繊維強化複合部材が得られることとなる。

また、本発明の第１の態様に係る繊維強化複合部材の成形装置では、一方の成形金型のキャビティの周囲に熱が逃げるのを阻止するキャビティ用抜熱防止部及び他方の成形金型のコアの周囲に熱が逃げるのを阻止するコア用抜熱防止部として、抜熱防止用セル内にヒータをそれぞれ配置する構成を採用しているので、構成の簡略化が図られることとなる。

本発明の各態様に係る繊維強化複合部材の成形装置において、プリプレグを構成する繊維織布としては、例えば、繊維に炭素繊維を用いた炭素繊維織布を採用することができるが、これに限定されない。

この際、繊維織布のマトリックスとしての樹脂には、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が用いられるほか、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド樹脂），ＰＩＸＡ（熱可塑性ポリイミド樹脂）等の熱可塑性樹脂が用いられる。

１Ａ 繊維強化複合部材の成形装置
２Ａ 下型（一方の成形金型）
３Ａ 上型（他方の成形金型）
４ ヒータ（抜熱防止部）
１４ 加熱用ヒータ（加熱部）
２１Ａ キャビティ
２１ａ キャビティ側の成形面
２２，３２ 加熱用セル（加熱部）
２３ 抜熱防止用セル（キャビティ用抜熱防止部）
２６Ａ キャビティ用抜熱防止部
３１Ａ コア
３１ａ コア側の成形面
３３ 抜熱防止用セル（コア用抜熱防止部）
３６Ａ コア用抜熱防止部
Ｐ プリプレグ積層体（繊維強化複合部材）

Claims (1)

1. 繊維織布に樹脂を含浸させたプリプレグと接するキャビティを有する一方の成形金型と、
   型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティとの間で複数枚積層した前記プリプレグを挟み込む他方の成形金型と、
   前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグの前記樹脂を加熱する加熱部を備え、
   前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型間において複数枚積層した前記プリプレグの前記樹脂を前記加熱部により加熱しつつ加圧して前記繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形装置において、
   前記他方の成形金型は、型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティと嵌合して該キャビティとの間で複数枚積層した前記プリプレグを挟み込むコアを有し、
   前記一方の成形金型には、前記プリプレグの前記樹脂の加熱時に、前記キャビティの周囲に熱が逃げるのを阻止するキャビティ用抜熱防止部が配置され、
   前記他方の成形金型には、前記プリプレグの前記樹脂の加熱時に、前記コアの周囲に熱が逃げるのを阻止するコア用抜熱防止部が配置され、
   前記一方の成形金型における前記キャビティの成形面及び前記他方の成形金型における前記コアの成形面は複数の領域にそれぞれ分割され、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型には、前記複数の領域に対応して各々の成形面の裏側で開口する複数の加熱用セルがそれぞれ設けられていると共に、該複数の加熱用セルには、加熱用ヒータがそれぞれ配置され、
   前記キャビティ用抜熱防止部は、前記複数の加熱用セルの周囲における前記一方の成形金型内に形成された抜熱防止用セル及び該抜熱防止用セルに配置されたヒータを具備し、
   前記コア用抜熱防止部は、前記複数の加熱用セルの周囲における前記他方の成形金型内に形成された抜熱防止用セル及び該抜熱防止用セルに配置されたヒータを具備している繊維強化複合部材の成形装置。

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