JP6439879B2 - 複合材料の製造方法および複合材料の製造装置 - Google Patents

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Description

本発明は、複合材料の製造方法および複合材料の製造装置に関する。
近年、自動車の車体軽量化のために強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられている。複合材料の製造方法として、量産化に適したＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法が注目されている。
ＲＴＭ成形法にあっては、まず、強化基材を積層して予め所定の形状に予備成形したプリフォームを成形型内のキャビティに配置する。型を閉締した後、注入口からキャビティ内に樹脂を注入し、強化基材に樹脂を含浸させる。そして、キャビティ内に注入した樹脂を硬化させることによって複合材料を完成させる。樹脂を注入している最中は、キャビティ内の圧力の増加による成形型の意図しない型開きが発生しないように、所定のプレス機を使用して型締圧力を付与している（特許文献１を参照）。
特開２００５−１９３５８７号公報
上記のような複合材料の成形方法において、キャビティ内へ注入した樹脂は、キャビティ内を広がりながら流動して、キャビティに配置されたプリフォームにおいて注入口付近等の樹脂が流動しやすい領域からプリフォームの周縁部等の樹脂が流動しにくい領域まで移動する。注入した樹脂は、キャビティ内を流動する過程で強化基材の内部を含浸しながら通過するため、樹脂が流動しにくい領域に樹脂を到達させるためには、注入に長時間を要してしまい、成形時間を長期化させてしまう。このため、短時間によって樹脂を注入させるためには、注入圧力を高圧に設定せざるを得ないため、より大きな型締圧力を付与することが可能な大型のプレス機を使用しなければならない。また、樹脂を注入するための設備についても高圧注入が可能な高性能なものが必要になるため、高圧注入用の設備を使用することによる設備投資費の増加も問題となっている。
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、キャビティ内において樹脂の流動を制御することによって成形時間の短時間化を図るとともに、設備投資費の削減を図ることのできる複合材料の製造方法および複合材料の製造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製造方法は、強化基材と、前記強化基材に含浸された樹脂と、を備える複合材料の製造方法である。第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の前記強化基材に、前記第１の領域よりも前記第２の領域の接着剤の含有密度が低くなるように前記接着剤を付与し、前記強化基材を予備成形してプリフォームを形成し、前記第１の領域が前記第２の領域よりも成形型の注入口の近くに配置されるように、前記成形型内のキャビティに前記プリフォームを配置し、前記成形型の前記注入口から前記キャビティ内に前記樹脂を注入し、前記プリフォームに前記樹脂を含浸させて前記複合材料を成形する。
上記目的を達成する本発明に係る複合材料の製造装置は、第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の強化基材に接着剤を付与する付与部と、前記強化基材を予備成形してプリフォームを形成する予備成形型と、前記プリフォームが配置されるキャビティを形成し、前記キャビティ内に樹脂を注入する注入口を備える成形型と、前記付与部および前記予備成形型の作動を制御する制御部と、を有する。前記制御部は、前記付与部の作動を制御して、前記強化基材の前記第１の領域よりも前記強化基材の前記第２の領域の前記接着剤の含有密度が低く、かつ、前記成形型の前記キャビティ内に前記プリフォームを配置した状態で、前記第１の領域が前記第２の領域よりも前記成形型の前記注入口の近くに配置されるように前記接着剤を付与する。
本発明の実施形態に係る複合材料の製造装置および製造方法の全体の流れを説明するための図である。 本発明の実施形態に係るプリフォームを成形する予備成形装置を説明するための図であり、図２（Ａ）は付与部の概観斜視図であり、図２（Ｂ）はヒータの概観斜視図である。 本発明の実施形態に係るプリフォームを成形する予備成形装置を説明するための図であり、図３（Ａ）は切断部の概観斜視図であり、図３（Ｂ）は予備成形型の概観斜視図である。 本発明の実施形態に係るプリフォームを用いて複合材料を成形する成形装置の概略図である。 本発明の実施形態に係るプリフォームを成形型に配置して樹脂を注入した様子を模式的に表す図である。 図６は、本発明の原理を説明する概念図であり、強化基材の積層体の層間を樹脂が流動する様子を側面方向から見た図であり、図６（Ａ）は、本発明の実施形態に係るプリフォームの状態を示す図であり、図６（Ｂ）は、本発明の実施形態に係るプリフォームに樹脂を注入した状態を示す図であり、図６（Ｃ）は、対比例に係るプリフォームに樹脂を注入した状態を示す図である。 図７は、本発明の原理を説明する概念図であり、強化基材を配置した成形型内を樹脂が流動する様子を上面方向から見た図であり、図７（Ａ）は、本発明の実施形態に係るプリフォームに樹脂を注入した状態を示す図であり、図７（Ｂ）は、対比例に係るプリフォームに樹脂を注入した状態を示す図である。 図８は、樹脂の流動による強化基材の配向の乱れ状態の評価結果を示すための写真であり、図８（Ａ）は、本発明の実施形態に係るプリフォームに樹脂を流した状態、図８（Ｂ）は、対比例に係るプリフォームに樹脂を流した状態を示している。 実施形態に係る複合材料の製造方法を実施した際のキャビティ内の圧力の時間推移を示す図である。 本発明の実施形態に係るプリフォームの成形方法を示すフローチャートである。 本発明の実施形態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。 本発明の実施形態に係る複合材料の製造方法を適用して製造した自動車部品を示す図であり、図１２（Ａ）は、複合材料を使用した各種の自動車部品を示す図、図１２（Ｂ）は、自動車部品を接合して形成した車体を示す図である。
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、以下の説明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。
図１は、本発明の実施形態に係る複合材料４００の製造装置１００および製造方法の全体の流れを説明するための図である。図２および図３は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００（複合材料用プリフォームに相当）を成形する予備成形装置２００を説明するための図である。図４は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する成形装置３００の概略図である。図５は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００を成形型３１０に配置して樹脂６００を注入した様子を模式的に表す図である。図６および図７は、本発明の原理を説明する概念図である。図８は、樹脂６００の流動による強化基材５１０の配向の乱れ状態の評価結果を示すための写真である。図９は、実施形態に係る複合材料４００の製造方法を実施した際のキャビティ３５０内の圧力の時間推移を示す図である。図１０は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００の成形方法を示すフローチャートである。図１１は、本発明の実施形態に係る複合材料４００の成形方法を示すフローチャートである。図１２は、本発明の実施形態に係る複合材料４００を使用した自動車部品７０１〜７０３および車体７００を示す斜視図である。なお、図２および図３（Ａ）中の矢印は、搬送部２１０による強化基材５１０の搬送方向（下流工程へ向かう方向）を示している。また、図３（Ｂ）中の矢印は、強化基材５１０を予備成形する際の成形方向を示している。また、図５および図６中の矢印は、樹脂６００の流動方向を示している。
以下、各図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
（プリフォーム）
本実施形態に係るプリフォーム５００は、強化基材５１０に接着剤５２０を含浸させて形成される。
強化基材５１０は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等によって形成することができる。本実施形態では、強化基材５１０として炭素繊維を使用した例を説明する。炭素繊維５１０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という特徴があるため、自動車の車体７００等の複合材料４００の強化基材５１０として好適に使用することができる。炭素繊維５１０は、例えば、繊維が一方向に引き揃えられたＵＤ（一方向）材や繊維が一方向に引き揃えられた複数のシートをそれぞれ異なる方向に重ねて補助繊維で一体化したいわゆるＮＣＦ（ノンクリンプファブリック）材等のシート状の強化基材５１０を使用することができる。積層構成は、成形品である複合材料４００に求められる材料特性によるが、一般的に複数の配向角度を備えるように積層する。本実施形態では、繊維配向が±４５°方向のＮＣＦ材、９０°方向のＵＤ材、０°方向のＵＤ材の３種類を積層する積層構成とする。
接着剤５２０は、炭素繊維５１０に付与されて、炭素繊維５１０同士を接着する。これにより、炭素繊維５１０をシート状の形態に安定して維持させることができ、炭素繊維５１０の配置のばらつきを抑制することができる。また、炭素繊維５１０の積層体５１０ｂ（図３（Ｂ）を参照）を所望の形状に賦形した際に、その形態を保持する役割を果たす。接着剤５２０は、図６（Ａ）および図７（Ａ）に示すように、に接着剤５２０の含有密度が高い第１の領域５０１と、第１の領域５０１よりも接着剤５２０の含有密度が低い第２の領域５０２と、を形成するように炭素繊維５１０に付与される。第１の領域５０１では、第２の領域５０２に比べて、接着剤５２０の含有密度が高いため、炭素繊維５１０間を流れる樹脂６００の流動が接着剤５２０によって堰き止められる。このため、第２の領域５０２は、第１の領域５０１に比べて樹脂６００の流動抵抗が低くなる。このように、接着剤５２０を付与する部分を制御し、含有密度分布を調整することによって、樹脂６００の流動抵抗を制御することができる。
接着剤５２０を構成する材料は、熱によって軟化する材料であれば特に限定されず、公知のものを使用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂などの熱可塑性樹脂、また、例えば低分子量エポキシ樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。本実施形態では、後述する複合材料４００に使用する樹脂と同じエポキシ樹脂であり、溶融粘度が低いため流動性が高く、耐熱性、耐湿性に優れる低分子量エポキシ樹脂を使用する。低分子量エポキシ樹脂は、硬化前において炭素繊維５１０に含浸できる程度の低い粘度を備えるものであれば特に限定されず、公知の低分子量エポキシ樹脂を使用することができる。
（複合材料）
本実施形態に係る複合材料４００は、炭素繊維５１０が予め所定の形状に予備成形されたプリフォーム５００に樹脂６００を含浸させて硬化させることによって製造される。
複合材料４００は、炭素繊維５１０と樹脂６００が組み合わせられることにより、樹脂６００単体で構成される成形品に比べて高い強度および剛性を備えたものとなる。また、図１２に示すような自動車の車体７００（図１２（Ｂ）を参照）に使用されるフロントサイドメンバー７０１やピラー７０２等の骨格部品、ルーフ７０３等の外板部品に複合材料４００を適用することによって、鉄鋼材料からなる部品を組み付けて構成した車体と比べて、車体７００の軽量化を図ることができる。
本実施形態に係る複合材料４００は、プリフォーム５００に樹脂６００を含浸させることによって形成される。また、本実施形態では、剛性向上のために複合材料４００の内部に、図３（Ｂ）に示すようなコア材５３０が挿入されている。
樹脂６００は、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、主剤および硬化剤を混合して使用する。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。また、樹脂６００には、複合材料４００を成形した後の脱型を容易に行い得るように、内部離型剤を含ませている。内部離型剤の種類は、特に限定されず、公知のものを使用することができる。
コア材５３０は、炭素繊維５１０に被覆された状態で、炭素繊維５１０に樹脂６００を含浸させることによって複合材料４００の内部に形成される。コア材５３０を構成する材料は、特に限定されないが、軽量化の観点から発泡体（フォームコア）が好ましく用いられる。例えばポリウレタン、塩化ビニル、ポリオレフィン、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂（ＰＭＩ（ポリメタクリルイミド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド））などからなる発泡体が適宜使用される。
（製造装置）
図１〜４を参照して、複合材料４００の製造装置１００について説明する。本実施形態に係る複合材料４００の製造装置１００は、大きく分けて、図１の上段および中段に示すプリフォーム５００を成形する予備成形装置２００と、図１の下段に示すプリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する成形装置３００と、から構成される。また、複合材料４００の製造装置１００は、製造装置１００全体の動作を制御する制御部１１０を有する。
まず、プリフォーム５００を成形する予備成形装置２００について説明する。
予備成形装置２００は、概説すると、図１の上段に示すように、炭素繊維５１０を連続的に搬送する搬送部２１０と、炭素繊維５１０に接着剤５２０を付与する付与部２２０と、接着剤５２０が付与された炭素繊維５１０を加熱するヒータ２３０と、炭素繊維５１０を切断する切断部２４０と、炭素繊維５１０を予備成形する予備成形型２６０と、を有する。
搬送部２１０は、図１の上段に示すように、炭素繊維５１０が巻回されてなる基材ロール５１０ａから供給された炭素繊維５１０を連続的に下流工程である付与部２２０、ヒータ２３０および切断部２４０へ搬送する。搬送部２１０は、ベルトコンベアによって構成されている。付与部２２０、ヒータ２３０、および切断部２４０は、ベルトコンベアの搬送経路に合わせて設けられ、連続して作業が行えるように構成されている。
付与部２２０は、図２（Ａ）に示すように、搬送部２１０の平面方向に移動可能に構成され、搬送部２１０の上流から搬送された炭素繊維５１０に接着剤５２０を付与する。接着剤５２０の付与量は、使用する接着剤５２０の種類、物性によるが、例えば、１０〜１００ｇ／ｍ３とすることができる。付与部２２０は、例えば、粉末状（固形）の接着剤５２０を使用してスクリーン印刷方式、液状の接着剤５２０を使用してインクジェット方式、接着剤５２０を不織布に加工して炭素繊維５１０の上に積層する方式等によって構成することができる。本実施形態においては、量産性が高く、付与精度の高いインクジェット方式を使用する。インクジェット方式は、接着剤５２０を微滴化し、炭素繊維５１０に対して直接に吹き付ける方式であり、付与する部位によって接着剤５２０の付与量を調整することができる。
ヒータ２３０は、図２（Ｂ）に示すように、付与部２２０によって接着剤５２０を付与した炭素繊維５１０を加熱する。加熱温度は、使用する接着剤５２０の溶融温度によるが、例えば、７０℃〜１５０℃とする。これによって、接着剤５２０を軟化または溶融させ、炭素繊維５１０に含浸させることができる。接着剤５２０を含浸させた結果、炭素繊維５１０の単位面積あたりの接着剤５２０の含有量、すなわち、含有密度が定まる。接着剤５２０の含有密度は、複合材料４００の形状や、炭素繊維５１０の積層体５１０ｂの厚さにもよるが、例えば、含有密度の高い部分では８０ｇ／ｍ３、含有密度の低い部分では１０ｇ／ｍ３とすることができる。
ヒータ２３０は、特に限定されないが、瞬間的かつ均等に炭素繊維５１０を加熱可能なものから構成されていることが好ましく、例えば、連続炉または高周波コイル、遠赤外線ヒータ、熱風器などの加熱ヒータを使用することができる。
切断部２４０は、図３（Ａ）に示すように、接着剤５２０が含浸された炭素繊維５１０を予め決められた切断線Ｌに沿って切断する。切断部２４０は、例えば、超音波カット、レーザーカット、丸鋸カット、プレスカット、はさみカットなど様々な切断機構を使用することができる。本実施形態においては、比較的短時間によって正確に切断することができる超音波カットを使用する。
予備成形型２６０は、炭素繊維５１０を定められた立体形状に予備成形する。図１の中段に示すように、プリフォーム５００の対象となる炭素繊維５１０が配置される下型２６１と、下型２６１に対して接近離反移動自在な上型２６２と、を有している。上型２６２の下型２６１に対向する面には、炭素繊維５１０のプリフォーム５００の形状に合致する形状に応じた成形面が形成されている。炭素繊維５１０を下型２６１に配置した状態で上型２６２を下型２６１に接近移動させて、炭素繊維５１０に対して加圧力を付与することによって、炭素繊維５１０をプリフォーム５００に成形することが可能となっている。
次に、プリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する成形装置３００について説明する。
図４を参照して、本実施形態に係る成形装置３００は、概説すると、プリフォーム５００が配置されるキャビティ３５０を形成する開閉自在な成形型３１０と、成形型３１０に型締圧力を負荷するプレス部３２０と、キャビティ３５０内に溶融した樹脂６００を注入する樹脂注入部３３０と、成形型３１０の温度を調整する成形型温度調整部３４０と、を有する。
成形型３１０は、開閉可能な一対の上型３１１（雄型）と、下型３１２（雌型）と、を有する。上型３１１と下型３１２の間に、密閉自在なキャビティ３５０を形成する。プリフォーム５００は、キャビティ３５０内に配置する。
成形型３１０は、キャビティ３５０内に樹脂６００を注入する注入口３１３をさらに有する。注入口３１３は、キャビティ３５０および樹脂注入部３３０に連通する。成形型３１０のキャビティ３５０に対向する面は、図６（Ａ）に示すように注入口３１３側の第１の壁面３１０ａと、注入口３１３と対向する側の第２の壁面３１０ｂと、を備える。第２の壁面３１０ｂは、成形型３１０のキャビティ３５０に対向する面において注入口３１３から最も離れた場所に配置される面である。
本実施形態では、図４に示すように、注入口３１３は、キャビティ３５０内に配置されたプリフォーム５００の側部に位置するため、当該側部（図４中の左側）に位置する面が第１の壁面３１０ａであり、当該側部と反対側に位置するプリフォーム５００の端部（図４中の右側）に位置する面が第２の壁面３１０ｂである。なお、注入口３１３は、成形型３１０の上方部に設けてもよい。この場合、樹脂６００は、プリフォーム５００の上方部から下方部に含浸する。また、下型３１２に、キャビティ３５０内を真空引きして空気を吸引する吸引口を設けてもよい。また、キャビティ３５０内を密閉状態にするために、上型３１１と下型３１２の合わせ面にシール部材等を設けてもよい。
プレス部３２０は、例えば、油圧等の流体圧を用いたシリンダー３２１を備え、油圧等を制御することによって型締圧力を調整自在なプレス機により構成することができる。
樹脂注入部３３０は、主剤タンク３３１から供給される主剤と、硬化剤タンク３３２から供給される硬化剤とを循環させつつ、成形型３１０へ供給可能な公知の循環式のポンプ機構により構成することができる。樹脂注入部３３０は、注入口３１３に連通してキャビティ３５０内に樹脂６００を注入する。
成形型温度調整部３４０は、樹脂６００注入の初期段階において、キャビティ３５０内の温度が接着剤５２０の溶融温度以下になるように成形型３１０の温度を調整する。プリフォーム５００をキャビティ３５０内に配置した後、徐々に樹脂６００の硬化温度まで加熱して、キャビティ３５０内に注入された樹脂６００を硬化させる。成形型温度調整部３４０には、加熱を行うための装置として、例えば、成形型３１０を直接的に加熱する電気ヒータや、油などの熱媒体を循環させることによって温度調整を行う温度調整機構等を備えさせることができる。
制御部１１０は、製造装置１００全体の動作を制御する。具体的には、図４を参照して、制御部１１０は、記憶部１１１と、演算部１１２と、各種データや制御指令の送受信を行う入出力部１１３と、を有する。入出力部１１３は、付与部２２０、ヒータ２３０、切断部２４０、予備成形型２６０、プレス部３２０、樹脂注入部３３０、成形型温度調整部３４０、に電気的に接続している。
記憶部１１１は、ＲＯＭやＲＡＭから構成し、接着剤５２０の付与量、第１の領域５０１および第２の領域５０２の分布、成形するプリフォーム５００および複合材料４００の形状等のデータを記憶する。演算部１１２は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部１１３を介して搬送部２１０による炭素繊維５１０の送り速度等のデータを受信する。演算部１１２は、記憶部１１１から読み出したデータおよび入出力部１１３から受信したデータに基づいて、接着剤５２０の付与のタイミングや付与量、成形型温度調整部３４０による成形型３１０の加熱温度等を算出する。算出したデータに基づく制御信号は、入出力部１１３を介して付与部２２０、ヒータ２３０、切断部２４０、予備成形型２６０、プレス部３２０、樹脂注入部３３０、成形型温度調整部３４０へ送信する。このようにして、制御部１１０は、接着剤５２０の付与量および付与位置、予備成形型２６０の作動、成形型３１０の型締圧力、樹脂６００の注入量、成形型３１０の温度等を制御する。
（製造方法）
実施形態に係る複合材料４００の製造方法を説明する。
複合材料４００の製造方法は、図１０に示すプリフォーム５００を成形する工程および図１１に示すプリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する工程の大きく分けて２つの工程から構成される。
まず、プリフォーム５００を成形する工程について説明する。
プリフォーム５００を成形する工程は、図１０に示すように、炭素繊維５１０素材を供給する供給工程（ステップＳ１１）と、第１の領域５０１と第２の領域５０２とを備えるシート状の炭素繊維５１０に、第１の領域５０１よりも第２の領域５０２の接着剤５２０の含有密度が低くなるように接着剤５２０を付与する付与工程（ステップＳ１２）と、炭素繊維５１０を加熱する加熱工程（ステップＳ１３）と、炭素繊維５１０を切断する切断工程（ステップＳ１４）と、積層体５１０ｂを形成する積層工程（ステップＳ１５）と、積層体５１０ｂを搬送する搬送工程（ステップＳ１６）と、炭素繊維５１０を予備成形してプリフォーム５００を形成する予備成形工程（ステップＳ１７）と、成形したプリフォーム５００を予備成形型２６０から脱型する工程（ステップＳ１８）と、を有する。
各工程について説明する。
まず、ステップＳ１１として、図１の上段に示すように、炭素繊維５１０が巻回されてなる基材ロール５１０ａから炭素繊維５１０を引き出し、連続的に炭素繊維５１０を搬送部２１０に供給する。
次に、ステップＳ１２として、図２（Ａ）に示すように、搬送部２１０によって連続的に送り出される炭素繊維５１０に対して、付与部２２０によって接着剤５２０を付与する。この際、予め定めた含有密度分布に応じて、付与する量を調整する。すなわち炭素繊維５１０の第２の領域５０２は、炭素繊維５１０の第１の領域５０１に比べて接着剤５２０含有密度が低くなるように接着剤５２０を付与する。
次に、ステップＳ１３として、図２（Ｂ）に示すように、炭素繊維５１０をヒータ２３０によって加熱し、付与した接着剤５２０を軟化または溶融させ、炭素繊維５１０の層間に接着剤５２０を含浸させる。接着剤５２０を含浸させることによって、炭素繊維５１０に接着剤５２０の含有密度分布が形成される。
次に、ステップＳ１４として、図３（Ａ）に示すように、接着剤５２０が溶融した状態で炭素繊維５１０を切断線Ｌに沿って切断する。切断線Ｌは、成形品である複合材料４００の展開形状を予め設定し、当該展開形状に応じて決定する。
次に、ステップＳ１５として、図１の中段の積層工程に示すように、搬送ロボット２５０によって切断した炭素繊維５１０を所定枚数積層する。本実施形態においては、積層配向の異なる炭素繊維５１０を積層して、所定の積層構成とする。具体的には、繊維配向が±４５°方向のＮＣＦ材、９０°方向のＵＤ材、０°方向のＵＤ材の３種類を用いる。このため、供給工程、付与工程、加熱工程、および切断工程はそれぞれ異なる製造ラインのレーンにおいて行い、各配向角度別に切断された炭素繊維５１０を、所定の配向順序によって積層し積層体５１０ｂを形成する。
次に、ステップＳ１６として、図３（Ｂ）に示すように、積層体５１０ｂを予備成形型２６０の下型２６１まで搬送して配置する。このとき、接着剤５２０によって炭素繊維５１０の層間が接着されているので搬送時の炭素繊維５１０のばらつきを抑制することができる。搬送中の温度は、例えば、５０〜７０℃まで炭素繊維５１０の温度が低下するように管理することが好ましい。このように管理することによって、炭素繊維５１０を予備成形型２６０まで搬送したときに、接着剤５２０を半硬化状態または硬化状態とすることができる。これにより、予備成形時に接着剤５２０を短時間によって硬化させることができるため、予備成形にかかる時間を短縮することができる。
次に、ステップＳ１７として、図３（Ｂ）に矢印で示すように、予備成形型２６０の下型２６１に配置された炭素繊維５１０の積層体５１０ｂを予備成形してプリフォーム５００を成形する。この際、炭素繊維５１０によって被覆されるようにコア材５３０を配置する。上型２６２は、図１の中段の予備成形工程に示すように、複数の分割された型によって構成してもよいし、分割されていない１つの型からなる上型を使用してもよい。予備成形型２６０は、例えば、２０〜４０℃に冷却しておくことが好ましい。これにより、型閉じと同時に接着剤５２０の冷却が行われ、接着剤５２０が硬化して予備成形が完了する。
次に、ステップＳ１８として、予備成形型２６０を開いて、プリフォーム５００を脱型すると、プリフォーム５００の成形が完了する。
次に、プリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する工程について説明する。
複合材料４００を成形する工程は、図１１に示すように、プリフォーム５００を成形型３１０のキャビティ３５０に配置する工程（ステップＳ２１）と、キャビティ３５０内に樹脂６００を注入する工程（ステップＳ２２）と、樹脂６００を硬化させる工程（ステップＳ２３）と、成形した複合材料４００を成形型３１０から脱型する工程（ステップＳ２４）と、を有する。
各工程について説明する。
まず、ステップＳ２１として、プリフォーム５００を成形型３１０のキャビティ３５０に配置する（図４を参照）。このとき、キャビティ３５０内の樹脂６００が流動しやすい部分３５１に炭素繊維５１０の第１の領域５０１を配置し、キャビティ３５０内の樹脂６００が流動しにくい部分３５２に炭素繊維５１０の第２の領域５０２を配置する。成形型３１０の温度は、キャビティ３５０内の温度が接着剤５２０の溶融温度以下になるように成形型温度調整部３４０によって調整する。なお、樹脂６００が流動しやすい部分３５１および樹脂６００が流動しにくい部分３５２は、複合材料４００の形状等に基づいてシミュレーションによって予め求めておく。
樹脂６００の流動しやすさは、図６（Ｃ）に示すようにキャビティ３５０に配置された炭素繊維５１０の積層体５１０ｂを含むプリフォーム５００を側面方向から見たとき、炭素繊維５１０の積層体５１０ｂの積層方向に変化する。具体的には、成形型３１０の注入口３１３側の第１の壁面３１０ａに近い部分は、樹脂６００が流動しやすい部分３５１であり、注入口３１３と対向する側の第２の壁面３１０ｂに近い部分は、樹脂６００が流動しにくい部分３５２である。すなわち、注入口３１３に近い第１の壁面３１０ａから注入口３１３から遠い第２の壁面３１０ｂに向かって、樹脂６００の流動しやすさは低下する。したがって、図６（Ａ）に示すように、注入口３１３側の第１の壁面３１０ａから注入口３１３と対向する側の第２の壁面３１０ｂに向かって接着剤５２０の含有密度が低下するように炭素繊維５１０の第１の領域５０１および第２の領域５０２をキャビティ３５０に配置する。
また、炭素繊維５１０の積層体５１０ｂを上面方向から見たとき、図７（Ｂ）に示すように、樹脂６００は注入口３１３から同心円状に広がるように流動する。よって、注入口３１３近傍は、樹脂６００が流動しやすい部分３５１であり、注入口３１３から離れたプリフォーム５００の周縁部は、樹脂６００が流動しにくい部分３５２となる。
本実施形態では、図５に示すようにプリフォーム５００の側部から端部へ向かって扇状に樹脂６００が含浸する。つまり、樹脂６００が流動しやすい部分３５１は、注入口３１３に近いプリフォーム５００の側部であり、樹脂６００が流動しにくい部分３５２は、プリフォーム５００の端部である。したがって、プリフォーム５００の側部の接着剤５２０の含有密度を高くし、端部に向かうにつれて接着剤５２０の含有密度が低下するように炭素繊維５１０の第１の領域５０１および第２の領域５０２をキャビティ３５０に配置する。
次に、ステップＳ２２として、キャビティ３５０内に樹脂６００を注入する。
図６（Ｃ）に示すように、樹脂６００の流動しやすさは、注入口３１３に近い第１の壁面３１０ａから注入口３１３から遠い第２の壁面３１０ｂに向かって低下する。したがって、接着剤５２０を積層体５１０ｂの層間に均一に付与した場合、樹脂６００の流動速度に差が発生し、流動速度の差が大きい部分において炭素繊維５１０の層にずれやよれが生じることがある。炭素繊維５１０の層にずれやよれが生じてしまうと、層間に樹脂リッチ部分あるいは樹脂６００のみの部分を形成してしまうことがあり、成形品である複合材料４００の強度低下を招くおそれがある。
本実施形態では、図６（Ａ）に示すように、注入口３１３側の第１の壁面３１０ａから注入口３１３と対向する側の第２の壁面３１０ｂに向かって接着剤５２０の含有密度が低下するように炭素繊維５１０の第１の領域５０１および第２の領域５０２をキャビティ３５０に配置している。接着剤５２０の含有密度を変化させることによって、第１の壁面３１０ａから第２の壁面３１０ｂに向かって、樹脂６００の流動抵抗が徐々に低くなるように形成することができる。つまり、樹脂６００が流動しやすい部分３５１である第１の壁面３１０ａ側の炭素繊維５１０の層間に流動する樹脂６００の流動速度を遅くし、樹脂６００が流動しにくい部分３５２である第２の壁面３１０ｂへ向かうにつれて、炭素繊維５１０の層間に流動する樹脂６００の流動速度を徐々に早くすることができる。したがって、図６（Ｂ）に示すように、炭素繊維５１０の層間において、樹脂６００流動しやすさをほぼ均一にすることができる。これにより、炭素繊維５１０の層間において樹脂６００の流動速度の差を低減し、炭素繊維５１０に生じるしわやよれを抑制することができる。
また、炭素繊維５１０の積層体５１０ｂを上面から見たとき、図８（Ｂ）に示すように、炭素繊維５１０が樹脂６００の流動による衝突力によって、注入口３１３近傍に配置されたプリフォーム５００の表層における炭素繊維５１０の配向に乱れが生じることがある。特に、樹脂６００の注入の初期段階では、一般的に流動速度が早いため、樹脂６００の流動による衝突力が大きくなりやすく、炭素繊維５１０の配向に乱れが生じやすい。このように炭素繊維５１０の配向の乱れた部位に樹脂リッチ部分あるいは樹脂６００のみの部分が形成されることがあり、成形品である複合材料４００の強度低下や意匠性の低下を招くおそれがある。
さらに、図７（Ｂ）に示すように、注入口３１３から離れたキャビティ３５０の周縁部は、樹脂６００が到達しにくいため、樹脂６００が流動しにくい部分３５２である。このため、樹脂６００が流動しにくい部分３５２に樹脂６００を到達させるためには、図９の破線に示すように、樹脂６００の注入作業における最大注入圧力Ｐ２を高圧に設定せざるを得ない。また、樹脂６００を充填するための最大注入圧力Ｐ２を高圧に設定すると、その分、キャビティ３５０内の圧力も増加する。したがって、注入作業中に成形型３１０の不用意な型開きが発生するのを防止するために、より大きな型締圧力を付与することが可能な大型のプレス機を使用しなければならない。
本実施形態では、図７（Ａ）に示すように、樹脂６００が流動しやすい部分３５１、例えば、注入口３１３近傍に第１の領域５０１を配置し、樹脂６００が流動しにくい部分３５２、例えば、キャビティ３５０の周縁部に第２の領域５０２を配置する。樹脂６００が流動しやすい部分３５１に配置された第１の領域５０１において樹脂６００が流動しにくくなるため、それ以外の部分に樹脂６００が流れやすくなる。この結果、樹脂６００が流動しにくい部分３５２に配置された第２の領域５０２において相対的に樹脂６００が流動しやすくなるように制御することができる。これにより、樹脂６００の注入圧力を高くしなくても短時間によって全体に樹脂６００を到達させることができるため、図９の実線に示すように、樹脂６００の最大注入圧力Ｐ１を低減することができる。キャビティ３５０内の圧力を比較的小さく抑えることができるため、成形時間の短時間化を図るとともに、設備投資費の削減を図ることができる。また、注入口３１３近傍において樹脂６００の流動抵抗を高くすることによって樹脂６００の流動速度を遅くすることができる。これにより、図８（Ａ）に示すように、注入口３１３近傍における繊維配向の乱れを抑制することができ、成形品である複合材料４００の強度および意匠性を向上することができる。
また、上述のような問題を解決する方法として、例えば、複数の注入口（多点ゲート）を備える成形型によって、複数の箇所から樹脂６００を注入し、樹脂６００が流動しにくい部分３５２に樹脂６００を流れやすくして、樹脂６００の最大注入圧力を低減する方法も考えられる。しかしながら、複数の注入口を備える成形型が必要となるので設備投資費の増加が問題となる。また、注入口が複数になることによって、注入口の穴に付着した樹脂６００の洗浄等のメンテナンスのために設備費用や製造時間の増加を招いてしまう。
本実施形態によれば、１つの注入口３１３を備える成形型３１０を使用しても樹脂６００が流動しにくい部分３５２に樹脂６００を流れやすくして、樹脂６００の最大注入圧力Ｐ１を低減することを可能としている。これにより、複数の注入口を備える成形型を使用する場合に比べて設備投資費やメンテナンスの費用および製造時間を大幅に削減することができる。
また、図７（Ａ）に示すように、樹脂６００が流動しにくい部分３５２に樹脂６００が流動しやすく制御することによって、短時間によって全体に樹脂６００を到達させることができる。これにより、成形時間の短時間化を図るとともに、最大注入圧力Ｐ１を大幅に増加させる必要がなくなることによって設備投資費の削減を図ることができる。
また、上述したように、樹脂６００注入の初期段階において、成形型３１０の温度は、キャビティ３５０内の温度が接着剤５２０の溶融温度以下になるように予め調整されている。これにより、接着剤５２０を固形状に保つことができるため、注入された樹脂６００を堰き止める効果をより一層高め、樹脂６００の流動を制御することができる。
次に、ステップＳ２３として、成形型３１０の温度を徐々に樹脂６００の硬化温度まで加熱して、炭素繊維５１０に含浸した樹脂６００を硬化させる。成形型３１０の温度を徐々に上昇させることによって、樹脂６００の硬化に伴う反応熱および成形型３１０の熱によって、キャビティ３５０内の温度が上昇し、接着剤５２０が固形状から半固形状または液状に軟化する。それに伴い、接着剤５２０による樹脂６００を堰き止める効果が徐々に低下する。これにより、複合材料４００の成形時に接着剤５２０が軟化した部分の炭素繊維５１０に樹脂６００が含浸して、炭素繊維５１０全体に樹脂６００がほぼ均一に含浸した高品質な複合材料４００を成形することができる。
また、本実施形態において、樹脂６００は、エポキシ樹脂によって形成され、接着剤５２０は、低分子量エポキシ樹脂によって形成される。これにより、複合材料４００の成形時に樹脂６００および接着剤５２０が同種の材料によって形成されているため、樹脂６００と接着剤５２０との界面の形成を抑制し、樹脂６００と一体化することでより均質な複合材料４００を成形することができる。これにより、樹脂６００の注入初期段階においては、接着剤５２０は、樹脂６００を堰き止める効果を有し、樹脂６００の流動を制御することができる。樹脂６００の注入が進むにつれて、接着剤５２０が軟化し、徐々に樹脂６００がキャビティ３５０内全体に広がることによって樹脂６００と接着剤５２０をより均質に混合することができる。
次に、ステップＳ２４として、樹脂６００が硬化した後、成形型３１０を開いて、炭素繊維５１０、樹脂６００およびコア材５３０が一体化された複合材料４００を脱型すると、成形が完了する。
以上説明したように、本実施形態に係る複合材料４００の製造方法および製造装置１００によれば、第１の領域５０１と第２の領域５０２とを備えるシート状の炭素繊維５１０に、第１の領域５０１よりも第２の領域５０２の接着剤５２０の含有密度が低くなるように接着剤５２０を付与し、炭素繊維５１０を予備成形してプリフォーム５００を形成する予備成形し、成形型３１０内のキャビティ３５０にプリフォーム５００を配置し、プリフォーム５００に樹脂６００を含浸させて複合材料４００を成形する。キャビティ３５０のうち炭素繊維５１０の第２の領域５０２が配置された部分を炭素繊維５１０の第１の領域５０１が配置された部分に比べて、キャビティ３５０内に注入した樹脂６００が流れやすくする。
このように構成した複合材料４００の製造方法および製造装置１００によれば、キャビティ３５０内の樹脂６００が流動しにくい部分３５２に第２の領域５０２を配置することによって、炭素繊維５１０に均一に接着剤５２０を付与した場合に比べて、樹脂６００が流動しにくい部分３５２に樹脂６００を流れやすくすることができる。これによって、炭素繊維５１０に均一に接着剤５２０を付与した場合に比べて、短時間によってキャビティ３５０内の炭素繊維５１０全体に樹脂６００を到達させることができる。これにより、成形時間の短時間化を図るとともに、最大注入圧力Ｐ１を大幅に増加させる必要がなくなることによって設備投資費の削減を図ることができる。
また、キャビティ３５０の注入口３１３側の第１の壁面３１０ａから注入口３１３と対向する側の第２の壁面３１０ｂに向かって、接着剤５２０の含有密度が低下するように接着剤５２０を付与する。これにより、注入口３１３付近の樹脂６００の流動抵抗を高くすることによって樹脂６００の流動速度を遅くすることができるため、注入口３１３付近における炭素繊維５１０の配向の乱れを抑制することができる。また、炭素繊維５１０の層間において樹脂６００の流動速度の差を低減し、炭素繊維５１０に生じるしわやよれを抑制することができる。よって、複合材料４００の強度および意匠性を向上することができる。
また、接着剤５２０は、熱によって軟化する材料によって形成され、樹脂６００をキャビティ３５０内に注入した後に、成形型３１０を加熱し、接着剤５２０を樹脂６００の硬化に伴う反応熱および／または成形型３１０の熱によって軟化させる。これにより、複合材料４００の成形時に接着剤５２０が軟化した部分の炭素繊維５１０に樹脂６００が含浸して、炭素繊維５１０全体に樹脂６００がほぼ均一に含浸した高品質な複合材料４００を成形することができる。
また、付与工程と予備成形工程との間に、接着剤５２０を付与した炭素繊維５１０を積層して積層体５１０ｂを形成する積層工程をさらに有する。これにより、接着剤５２０によって炭素繊維５１０を接着した状態で予備成形工程へ搬送することができるので炭素繊維５１０の配置のばらつきを抑制することができる。
また、樹脂６００は、エポキシ樹脂によって形成され、接着剤５２０は、低分子量エポキシ樹脂によって形成される。これにより、複合材料４００の成形時に樹脂６００および接着剤５２０が同種の材料によって形成されているため、樹脂６００と接着剤５２０との界面の形成を抑制し、より均質な複合材料４００を成形することができる。
本実施形態に係るプリフォーム５００において、炭素繊維５１０の第２の領域５０２は、炭素繊維５１０の第１の領域５０１よりも接着剤５２０の含有密度が低くなるように形成される。キャビティ３５０にプリフォーム５００を配置する際に、キャビティ３５０内の樹脂６００が流動しにくい部分３５２に第２の領域５０２を配置することによって、樹脂６００が流動しにくい部分３５２における樹脂６００の流動抵抗を低減し、樹脂６００が流動しやすくすることができるため、複合材料４００の成形時間の短時間化を図ることができる。
また、接着剤５２０は、熱によって軟化する材料によって形成される。これにより、プリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する際に、接着剤５２０が軟化した部分の炭素繊維５１０に樹脂６００が含浸して、炭素繊維５１０全体に樹脂６００がほぼ均一に含浸した高品質な複合材料４００を成形することができる。
以上、実施形態を通じて複合材料の製造方法、製造装置、および複合材料を説明したが、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。
例えば、加熱工程は、切断工程の前に行うとしたが、切断工程または積層工程の後に行ってもよい。
また、強化基材は複数積層して積層体を形成するとしたが、１枚の強化基材によって複合材料を形成してもよい。
また、複合材料は、コア材を有するとしたが、コア材を有さない複合材料であってもよい。
１００ 製造装置、
１１０ 制御部、
２００ 予備成形装置、
２２０ 付与部、
２６０ 予備成形型、
３００ 成形装置、
３１０ 成形型、
３１０ａ 第１の壁面、
３１０ｂ 第２の壁面、
３１３ 注入口、
３４０ 成形型温度調整部、
３５０ キャビティ、
４００ 複合材料、
５００ プリフォーム（複合材料用プリフォーム）、
５０１ 第１の領域、
５０２ 第２の領域、
５１０ 炭素繊維（強化基材）、
５１０ｂ 積層体、
５２０ 接着剤、
５３０ コア材、
６００ 樹脂。

Claims (9)

  1. 強化基材と前記強化基材に含浸された樹脂とを備える複合材料の製造方法であって、
    第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の前記強化基材に、前記第１の領域よりも前記第２の領域の接着剤の含有密度が低くなるように前記接着剤を付与し、
    前記強化基材を予備成形してプリフォームを形成し、
    前記第１の領域が前記第２の領域よりも成形型の注入口の近くに配置されるように、前記成形型内のキャビティに前記プリフォームを配置し、
    前記成形型の前記注入口から前記キャビティ内に前記樹脂を注入し、前記プリフォームに前記樹脂を含浸させて前記複合材料を成形する、複合材料の製造方法。
  2. 前記接着剤を付与する際に、前記成形型の前記注入口側の第１の壁面から前記注入口と対向する側の第２の壁面に向かって、前記接着剤の含有密度が低下するように前記接着剤を付与する、請求項１に記載の複合材料の製造方法。
  3. 前記接着剤は、熱によって軟化する材料によって形成され、
    前記樹脂を前記キャビティ内に注入した後に、前記成形型を加熱し、
    前記接着剤を前記樹脂の硬化に伴う反応熱および／または前記成形型の熱によって軟化させる、請求項１または請求項２に記載の複合材料の製造方法。
  4. 前記接着剤を付与した後、前記プリフォームを形成する前に、前記接着剤を付与した前記強化基材を積層して積層体を形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
  5. 前記樹脂は、エポキシ樹脂によって形成され、
    前記接着剤は、低分子量エポキシ樹脂によって形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。
  6. 第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の強化基材に接着剤を付与する付与部と、
    前記強化基材を予備成形してプリフォームを形成する予備成形型と、
    前記プリフォームが配置されるキャビティを形成し、前記キャビティ内に樹脂を注入する注入口を備える成形型と、
    前記付与部および前記予備成形型の作動を制御する制御部と、を有し、
    前記制御部は、前記付与部の作動を制御して、前記強化基材の前記第１の領域よりも前記強化基材の前記第２の領域の前記接着剤の含有密度が低く、かつ、前記成形型の前記キャビティ内に前記プリフォームを配置した状態で、前記第１の領域が前記第２の領域よりも前記成形型の前記注入口の近くに配置されるように前記接着剤を付与する、複合材料の製造装置。
  7. 前記成形型は、前記注入口側の第１の壁面と、前記注入口と対向する側の第２の壁面と、を有し、
    前記制御部は、前記付与部を制御して、前記第１の壁面から前記第２の壁面に向かって、前記接着剤の含有密度が低下するように前記接着剤を付与する、請求項６に記載の複合材料の製造装置。
  8. 前記成形型の温度を調整する型温度調整部をさらに有し、
    前記制御部は、前記型温度調整部の作動を制御して前記成形型を加熱し、
    前記接着剤は、熱によって軟化する材料によって形成され、前記樹脂の硬化に伴う反応熱および／または前記成形型の熱によって軟化する、請求項６または請求項７に記載の複合材料の製造装置。
  9. 前記樹脂は、エポキシ樹脂によって形成され、
    前記接着剤は、低分子量エポキシ樹脂によって形成される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の複合材料の製造装置。
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