JP6598477B2 - 複合材の成形装置及び複合材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、複合材の成形装置及び複合材の成形方法に関する。

従来、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）やガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材を成形する方法として、オートクレーブ（Ａ／Ｃ： ａｕｔｏｃｌａｖｅ）成形装置を用いる方法が知られている。

従来のオートクレーブ成形装置を用いた成形方法では、完成品の形状に合わせた治具（成形型若しくは成形治具）にシート状のプリプレグが積層される。次に、バッグフィルム及びシール材等を用いてシート状のプリプレグが覆われる。続いて、バッグフィルム及びシール材で覆われた領域が真空状態にされる。これにより、バッグフィルム及びシール材で覆われたプリプレグが大気圧によって加圧状態となる。尚、真空引きによってプリプレグをバッグフィルム及びシール材で密閉する作業はバギングと呼ばれる。次に、バギングされたプリプレグは、オートクレーブ成形装置内に搬送される。そして、オートクレーブ成形装置を用いて加熱されることによってプリプレグが硬化される。これにより、硬化されたプリプレグが複合材の被成形品として得られる。

従来のオートクレーブ成形装置を用いた複合材の成形では、温風の循環によってプリプレグが加熱硬化される。また、高温下における圧力増加や不活性化を目的として、窒素が封入される場合もある。しかしながら、温風によって被成形品を加熱する従来のオートクレーブ成形装置では、温度の均一性が低く、瞬時に温度を上昇させることが困難である。温度の不均一性は、被成形品の外観や内部品質の劣化に繋がる。従って、温風によって被成形品を加熱する従来のオートクレーブ成形装置では、複雑な構造を有する被成形品やサイズの大きい被成形品を良好な品質で均一に硬化することが困難である。

そこで、温風に変えて水蒸気によって被成形品を加熱するオートクレーブ成形装置が考案されている（例えば特許文献１参照）。熱伝達による加熱媒体として水蒸気を用いる場合には、温風又は窒素を用いる場合に比べて温度の均一性を飛躍的に向上させることができる。このため、水蒸気によって被成形品を加熱するオートクレーブ成形装置を用いれば、複雑な構造を有する被成形品であっても成形することが可能となる。

すなわち、事前に成形装置でプリプレグの賦型を行っておけば、水蒸気式のオートクレーブ成形装置を用いて、複雑な構造を有する被成形品の加熱硬化が可能となる。成形装置によるプリプレグの賦型は、典型的には、積層されたシート状のプリプレグを賦型に適した温度まで加温し、加温されたシート状のプリプレグを賦型する成形加工となる。このため、水蒸気式のオートクレーブ成形装置では、成形装置で賦型されたシート状のプリプレグが加熱硬化されることになる。尚、プリプレグの硬化前における成形は、硬化による成形と区別するため一般に賦型又は賦形と呼ばれる。

特開２０１２−１５３１３３号公報

本発明は、複雑な構造を有する複合材の被成形品を、より簡易に製造できるようにすることを目的とする。

本発明の実施形態に係る複合材の成形装置は、容器、減圧系及び加熱媒体供給系を備える。容器は、密閉体により密閉された成形対象品を収納する。減圧系は、前記容器内において前記密閉体で囲まれた領域を減圧することによって前記成形対象品の曲げ成形及び前記曲げ成形後における前記成形対象品への加圧を行う。加熱媒体供給系は、前記曲げ成形及び前記加圧下における前記成形対象品の加熱硬化を行うための加熱媒体として水蒸気を前記容器内に供給する。温度制御系は、前記加熱媒体の温度の制御値を、前記成形対象品の前記曲げ成形に適した値に設定した後、前記成形対象品の前記加熱硬化に適した値に設定する。
また、本発明の実施形態に係る複合材の成形方法は、前記複合材の成形装置を用いて複合材の被成形品を製造するものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材の成形方法は、密閉体により密閉された成形対象品を容器内に搬入するステップと、加熱媒体として水蒸気を前記容器内に供給して前記成形対象品を加熱する一方、前記容器内において前記密閉体で囲まれた領域を減圧することによって前記成形対象品の曲げ成形を行うステップと、前記加熱媒体の温度の制御値を、前記成形対象品の前記曲げ成形に適した値に設定した後、前記成形対象品の加熱硬化に適した値に設定することによって、前記曲げ成形後における加圧下の前記成形対象品を前記容器内において前記加熱媒体で加熱硬化するステップとを有するものである。

本発明の実施形態に係る複合材の成形装置及び複合材の成形方法によれば、複雑な構造を有する複合材の被成形品を、より簡易に製造することができる。

本発明の実施形態に係る複合材の成形装置の構成図。 図１に示す成形装置による複合材の成形工程を示すフローチャート。 図１に示す成形装置による成形後における複合材成形品の構造例を示す斜視図。 図３に例示される複合材の被成形品を成形装置で成形加工するための成形治具の構成例を示す縦断面図。 図３に例示される構造を有する複合材成形品を成形するための真空度の時間変化の一例を示すグラフ。

本発明の実施形態に係る複合材の成形装置及び複合材の成形方法について添付図面を参照して説明する。

（構成および機能）
図１は本発明の実施形態に係る複合材の成形装置の構成図である。

複合材の成形装置１は、複合材の被成形品の曲げ成形及び加熱硬化の双方を実行するオートクレーブ成形装置である。成形対象品となる硬化前の複合材（プリプレグＰ）を加熱するための加熱媒体Ｈとしては、加熱した空気、加熱した窒素、加熱した水蒸気又はこれらの気体の混合ガス等の任意の気体を用いることができる。

特に、加熱媒体Ｈとして水蒸気を用いれば、加熱媒体Ｈとして加熱空気や加熱窒素を用いる場合に比べて温度分布を均一にすることができる。しかも、加熱媒体Ｈとして水蒸気を用いれば、加熱媒体Ｈとして加熱空気や加熱窒素を用いる場合に比べて瞬時に温度を上昇させることができる。これは、水蒸気が凝縮して液体に戻る瞬間に保有している潜熱を放出するという水蒸気の特性によって、放出された熱が一瞬にして被加熱物に伝わるためであると考えられる。潜熱は顕熱に比べて２倍から５倍の熱量を有することからも、加熱媒体Ｈとして加熱空気や加熱窒素を用いるよりも、水蒸気を用いた方が瞬時に被加熱物の温度を上昇させる観点から効果的であることが明白である。

従って、加熱媒体Ｈとして、飽和水蒸気、過熱水蒸気又は湿り蒸気等の水蒸気を用いることが有効である。飽和水蒸気は、水が蒸発し始める温度、すなわち飽和温度における水蒸気である。飽和温度以上の温度を有する水蒸気は過熱水蒸気と呼ばれ、水や水滴を含む水蒸気は、一般に湿り蒸気と呼ばれる。

また、水蒸気の温度を上げずに圧力のみを上げることができるようにするため、空気を混合した水蒸気又は窒素を混合した水蒸気を用いることもできる。すなわち、飽和水蒸気の場合には、圧力の上限値として飽和温度に対応する飽和圧力が一意に決まるが、圧力が飽和圧力よりも高い空気又は窒素を水蒸気に混合することによって水蒸気の圧力を飽和圧力よりも高い圧力に制御することが可能となる。

一方、飽和水蒸気を加熱することによって圧力を変えずに飽和温度よりも温度が高い過熱水蒸気が得られる。従って、過熱水蒸気を用いれば、水蒸気の温度を飽和温度よりも高い温度に制御することが可能である。これは、温度を一定にした場合、低い圧力への制御が可能になることを意味する。

つまり、加熱媒体Ｈとして飽和水蒸気に飽和圧力よりも圧力が高い空気又は窒素を重畳させた水蒸気や過熱水蒸気を用いれば、飽和水蒸気のみを用いる場合に比べて制御できる圧力の範囲（レンジ）を広くすることができる。

温度についても同様に、飽和水蒸気に飽和温度よりも温度が低い空気又は窒素を重畳させた水蒸気や過熱水蒸気を用いれば、飽和水蒸気のみを用いる場合に比べて制御できる圧力の範囲を広くすることができる。すなわち、飽和水蒸気の温度の上限値は、飽和圧力に対応する飽和温度として一意に決まるが、過熱水蒸気にすれば圧力を変えずに飽和温度よりも温度が高い水蒸気を加熱媒体Ｈとして得ることができる。また、飽和水蒸気に飽和温度よりも温度が低い空気又は窒素を重畳させれば、圧力を変えずに飽和温度よりも温度が低い水蒸気を加熱媒体Ｈとして得ることができる。

従って、水蒸気に空気又は窒素を混合した過熱水蒸気を加熱媒体Ｈとして用いれば、より広い温度制御範囲及び圧力制御範囲を確保することができる。このため、加熱媒体Ｈの圧力及び温度の調節が容易となる。

以降では、成形装置１が、水蒸気を加熱媒体Ｈとするオートクレーブ成形装置である場合について説明する。その場合、成形装置１は、容器２、減圧系３、真空度制御系４、加熱媒体供給系５、温度制御系６及び圧力制御系７を構成要素として構成することができる。

容器２は、成形対象品となるプリプレグＰを収納するための構成要素である。すなわち、容器２は、被成形品の成形室（チャンバー）を形成する。加熱媒体Ｈが水蒸気であれば、容器２は、通常、第一種圧力容器で構成される。一方、加熱媒体Ｈが加熱空気や加熱窒素等の加熱気体であれば、容器２は、通常、第二種圧力容器で構成される。図１に例示される容器２は、一端が閉口した円筒状構造体２Ａの開口端側に、開閉可能な円板状の扉２Ｂを設けた構造を有している。また、扉２Ｂの内側には、成形対象を保持するための保持部材２Ｃが設けられている。

容器２内には、成形対象となるプリプレグＰが成形治具Ｔにセットされた状態で設置される。具体的には、容器２内に搬入されるプリプレグＰは、成形後における形状に対応する形状を有する剛体の治具に離型フィルム等の副資材とともにセットされ、シリコーンゴムバッグ等の追従性を有する密閉体Ｔ１により密閉される。そして、プリプレグＰをセットした成形治具Ｔが保持部材２Ｃによって容器２内に固定される。

減圧系３は、容器２内において密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒを減圧するためのシステムである。密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒを減圧系３により減圧することによって、プリプレグＰの曲げ成形を行うとともに、曲げ成形後の加熱硬化時におけるプリプレグＰへの加圧を行うことができる。但し、プリプレグＰの曲げ成形に適した圧力は、プリプレグＰの加熱硬化に適した圧力と異なる。一般的には、プリプレグＰの加熱硬化時には、プリプレグＰの曲げ成形のためにプリプレグＰに負荷される圧力よりも、大きい圧力を負荷することが必要である。

従って、減圧系３は、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒを、プリプレグＰの曲げ成形に適した圧力に減圧した後に、プリプレグＰの加熱硬化に適した圧力に減圧する機能を有する。密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒは、異なる圧力に段階的に減圧するようにしても良いし、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内の圧力が連続的に変化するように減圧しても良い。また、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒを、異なる圧力に段階的に減圧する場合において、異なる圧力間が連続的に変化するようにしても良いし、ステップ状に変化するようにしてもよい。

プリプレグＰに負荷される圧力は、容器２内において密閉体Ｔ１の外部からプリプレグＰに負荷される加熱媒体Ｈの圧力と、密閉体Ｔ１とプリプレグＰとの間における圧力との差圧となる。このため、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における圧力に加えて、容器２内における圧力を制御するようにしてもよい。すなわち、容器２内における加熱媒体Ｈの圧力を制御することによって、プリプレグＰの曲げ成形を行うための加圧及び曲げ成形後におけるプリプレグＰへの硬化のための加圧の少なくとも一方を行うことができる。その場合には、容器２内に加熱媒体Ｈとして供給される水蒸気の圧力が制御されることになる。

水蒸気の圧力と、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における圧力との差圧の適切な時間変化は、被成形品のサイズや構造に依存して変化する。従って、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における圧力の適切な時間変化は、実際にプリプレグＰの試験片を用いた試験によって経験的に決定することができる。或いは、シミュレーションによって密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における圧力の適切な時間変化を推定するようにしてもよい。水蒸気の圧力の時間変化についても同様である。

以降では、主として水蒸気の圧力が大気圧とみなせる場合について説明するが、水蒸気の圧力が大気圧とみなせない場合においても同様である。すなわち、水蒸気の圧力が大気圧とみなせない場合には、水蒸気の圧力と密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における圧力との差圧が制御値となるように、水蒸気の圧力及び密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における圧力の双方を制御対象とすればよい。

減圧系３は、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における真空度（負圧）を時間的に変化させることが可能な可変真空装置８を用いて構成することができる。図示された例では、真空タンク９及び真空ポンプ１０を真空用配管１１で連結することによって可変真空装置８が構成されている。真空ポンプ１０は、真空タンク９内における空気を排出するためのポンプである。一方、真空タンク９には、真空度調整弁９Ａ及び真空計９Ｂが取付けられている。

真空度調整弁９Ａは、真空タンク９内に大気を流入させるための入口に設けられる。このため、真空度調整弁９Ａの開度を調節することによって真空タンク９内に流入する空気の流量を調節することができる。また、真空計９Ｂは、真空ポンプ１０内の真空度を計測することが可能な位置に設けられる。

従って、真空ポンプ１０で真空タンク９内における空気を排出しつつ、真空度調整弁９Ａの開度を調節することによって真空タンク９内における真空度を調整することができる。尚、真空ポンプ１０と真空タンク９との間に通常設けられる弁１２の開度の調節によって真空タンク９内における真空度を調整するようにしてもよい。

真空タンク９内は、真空対象領域となる密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内と真空用配管１１で連結される。従って、プリプレグＰを密閉する密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における真空度は、真空タンク９内における真空度と等価となる。その結果、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における真空度を可変制御することができる。

従って、真空計９Ｂを参照し、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における真空度をマニュアルで調節しながらプリプレグＰの曲げ成形及び加圧下における加熱硬化を行うことができる。このため、被成形品の様々なサイズや構造に応じた圧力条件で、プリプレグＰの曲げ成形及び加圧下における加熱硬化を行うことができる。供試体を用いた試験等によって一旦、曲げ成形及び硬化に適切な真空度の時間変化が圧力条件として取得できれば、同一又は同様のサイズ及び構造を有する被成形品を、同じ圧力条件で成形することが可能となる。すなわち、ある被成形品のサイズ及び構造に適した真空度の時間変化を成形試験で取得できれば、同一又は同様のサイズ及び構造を有する他の被成形品の曲げ成形及び硬化のための真空度の変化を自動制御することが可能となる。

真空度制御系４は、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内における真空度を自動制御するためのシステムである。すなわち、真空度制御系４は、密閉体Ｔ１で囲まれた容器２内の減圧対象領域Ｒが、プリプレグＰの曲げ成形に適した圧力に減圧された後、プリプレグＰの加熱硬化に適した圧力に減圧されるように、減圧系３を制御する機能を有する。真空度制御系４は、減圧系３の制御プログラムを読み込ませたコンピュータで構成することができる。但し、真空度制御系４を構成するために回路を用いてもよい。

減圧系３が図示されるような可変真空装置８で構成されている場合であれば、真空度制御系４によって真空タンク９に取付けられた真空度調整弁９Ａの開度が、真空度制御系４によって自動制御される。尚、真空度制御系４によって真空ポンプ１０と真空タンク９との間に設けられる弁１２の開度を自動制御するようにしてもよい。

真空度調整弁９Ａの開度の制御信号を生成するための、真空度の時間変化は、被成形品のサイズ及び構造ごとに真空度制御系４にテーブル又は関数として予め保存することができる。すなわち、成形対象品のサイズ及び構造の少なくとも一方と、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内の圧力の時間変化とを対応付けた情報を真空度制御系４に備えられる記憶装置に保存し、記憶装置に保存された情報を参照することによって成形対象品のサイズ及び構造に応じた圧力の自動制御を行うことができる。

尚、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内の圧力を複数の圧力制御値に繰返し制御するような場合には、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒ内の圧力を容易に圧力制御値に切換えられるように、専用の真空回路を形成してもよい。具体的には、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒを、異なる複数の圧力に減圧する複数の減圧系統を設け、複数の減圧系統を切換機構で切換える可変真空装置で減圧系３を構成することもできる。この場合には、真空度制御系４による制御対象は、可変真空装置の切換機構となり、切換機構のスイッチングのタイミング情報及び減圧系統の特定情報が制御信号となる。

加熱媒体供給系５は、成形対象品であるプリプレグＰの曲げ成形を行い、かつ曲げ成形後におけるプリプレグＰを加熱硬化するための加熱媒体Ｈを容器２内に供給するシステムである。加熱媒体Ｈとして飽和水蒸気等の水蒸気を供給する場合には、少なくとも所定の温度及び圧力を有する水蒸気を生成する必要がある。従って、加熱媒体供給系５は、所定の温度を有する水蒸気を生成するボイラ１３、ボイラ１３において生成された水蒸気の蒸気圧を初期の圧力から所定の圧力まで減圧する水蒸気用減圧弁１４、水蒸気の供給量を調節するための水蒸気導入自動弁１５及びその他の機器を水蒸気供給用配管１６で連結することによって構成することができる。水蒸気供給用配管１６の先にはノズル１７が取り付けられ、ノズル１７は容器２内に配置される。

また、加熱媒体Ｈとして空気を混合した水蒸気又は窒素を混合した水蒸気を供給する場合には、空気又は窒素等の混合ガスを水蒸気に混合する必要がある。そのため、混合ガス供給系１８が加熱媒体供給系５に設けられる。混合ガス供給系１８は、例えば、圧縮空気又は圧縮窒素を生成するコンプレッサ１９、コンプレッサ１９において生成された圧縮空気又は圧縮窒素の初期の圧力を所定の圧力まで減圧する混合ガス用減圧弁２０及び圧縮空気又は圧縮窒素の混合量を調整する開閉弁２１を、混合ガス用配管２２で連結して構成することができる。

図示された例では、混合ガス用配管２２が水蒸気の供給用のノズル１７と連結されている。すなわち、混合ガス及び水蒸気が共通のノズル１７から容器２内に噴出される。従って、混合ガスが混合された水蒸気が共通のノズル１７から容器２内に噴出される。但し、混合ガスを容器２内に噴出するための専用のノズルを、水蒸気用のノズルとは別に容器２内に配置してもよい。その場合、各ノズルから容器２内に混合ガス及び水蒸気が噴出される。そして、容器２内において混合ガスが水蒸気と混合される。

加熱媒体供給系５から容器２内に供給された加熱媒体Ｈは、回収する必要がある。そのため、成形装置１には、冷却水供給系２３及びドレン（排水管）２４が備えられる。冷却水供給系２３は、容器２内に冷却水を供給するシステムである。冷却水供給系２３は、例えば、貯水タンク２５と冷却水用ノズル２６とを冷却水用配管２７で連結して構成することができる。貯水タンク２５と冷却水用ノズル２６との間には、冷却水の供給量を調節するための冷却水導入自動弁２８を設けることができる。

容器２内に冷却水を供給すると、被成形品の冷却及び水蒸気の液化が可能となる。一方、容器２の底部には、ドレン２４が連結される。このため、容器２内に供給された水蒸気は冷却水によって冷却され、液体の水としてドレン２４から回収することができる。また、ドレン２４を、空気、水蒸気及び混合ガス等の気体の排気用に使用することもできる。

温度制御系６は、加熱媒体Ｈの温度の制御値を、成形対象品の曲げ成形に適した値に設定した後、成形対象品の加熱硬化に適した値に設定する機能を有する。加熱媒体Ｈの温度制御は、例えば、ボイラ１３に連結された水蒸気用減圧弁１４の下流側にある水蒸気導入自動弁１５やその他の弁による蒸気量の自動制御によって行うことができる。但し、加熱媒体Ｈが飽和水蒸気である場合には、蒸気圧の制御によって加熱媒体Ｈの温度を制御するようにしてもよい。また、冷却水導入自動弁２８による冷却水の流量の自動制御によって冷却時にける容器２内の温度制御を行うことができる。

圧力制御系７は、水蒸気と混合される空気又は窒素等の混合ガスの容器２内への供給量を調節することによって容器２内における加熱媒体Ｈの圧力を制御する機能を有する。従って、加熱媒体Ｈとして飽和水蒸気のみを用いる場合には、圧力制御系７は停止状態となる。但し、加熱媒体Ｈとして飽和水蒸気のみを用いる場合であっても、容器２内の冷却時に容器２内における圧力を維持する必要があれば、圧力制御系７が作動することになる。
加熱媒体Ｈとして水蒸気に加えて混合ガスを用いる場合における加熱媒体Ｈの圧力の制御値は、成形対象品の曲げ成形に適した値に設定された後、成形対象品の加熱硬化に適した値に設定される。但し、成形対象品の曲げ成形時における加熱媒体Ｈの圧力と、成形対象品の加熱硬化時における加熱媒体Ｈの圧力とを、同一の制御値に設定してもよい。加熱媒体Ｈの圧力の制御値を大気圧よりも大きく設定すれば、上述したように、プリプレグＰの曲げ成形を行うための加圧及び曲げ成形後におけるプリプレグＰへの硬化のための加圧を、減圧対象領域Ｒ内における負圧のみならず、加熱媒体Ｈの圧力によって行うことができる。

混合ガスの容器２内への供給量の調整は、混合ガス供給系１８に設けられる開閉弁２１の制御によって行うことができる。もちろん、混合ガスの容器２内への供給量を調節することが可能であれば、他の機器を設けて制御するようにしてもよい。

温度制御系６及び圧力制御系７も、真空度制御系４と同様にプログラムを読み込ませたコンピュータ及び回路の少なくとも一方で構成することができる。成形装置１において制御対象となる加熱媒体Ｈの温度、加熱媒体Ｈの圧力及び密閉体Ｔ１とプリプレグＰとの間における減圧対象領域Ｒの真空度は、いずれもＰＩＤ（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ−Ｉｎｔｅｇｒａｌ−Ｄｅｒｉｖａｔｉｖｅ）制御等のフィードバック制御によって制御することが実用的である。

そのため、加熱媒体Ｈの温度を計測するための熱電対等の温度計、加熱媒体Ｈの圧力を計測する圧力計及び密閉体Ｔ１とプリプレグＰとの間における減圧対象領域Ｒの真空度を計測する真空計を、それぞれ適切かつ任意の箇所に設けることができる。温度計及び圧力計については、加熱媒体Ｈの温度分布及び圧力分布が測定できるように、容器２内の複数の位置に配置することが実用的である。また、図１に例示されるように、真空計９Ｂを可変真空装置８の操作部分となる真空度調整弁９Ａ付近に設ければ、真空度を確認しながら調節することが容易となる。

尚、図１に例示された成形装置１は水蒸気を加熱媒体Ｈとする場合の例を示しているが、温風や加熱窒素等の水蒸気以外の加熱気体を加熱媒体Ｈとする場合には、加熱媒体Ｈを循環させる循環機構やクーラー等の加熱媒体Ｈの種類に応じた設備が成形装置１の構成要素として設けられる。加熱媒体Ｈの循環機構は、モータで駆動するファン等の公知の機構で構成することができる。

（動作および作用）
次に複合材の成形装置１を用いて複合材の被成形品を製造する複合材の成形方法について説明する。ここでは、加熱媒体Ｈとして水蒸気を用いる場合を例に説明する。

図２は、図１に示す成形装置１による複合材の成形工程を示すフローチャート、図３は図１に示す成形装置１による成形後における複合材成形品の構造例を示す斜視図、図４は図３に例示される複合材の被成形品を成形装置１で成形加工するための成形治具Ｔの構成例を示す縦断面図である。

まずステップＳ１において、プリプレグＰの積層体が成形治具Ｔにセットされる。例えば、図３に例示されるように長手方向の長さがＬであり、凹凸が形成されるように折り曲げられた板状の複合材を成形する場合には、図４に示すような構成を有する成形治具Ｔを使用することができる。

より具体的には、予め離型処理が施された箱型治具Ｔ２に、通気用のシートとしてブリーザクロスＴ３が敷かれる。次に、予め離型処理済みの剛体治具Ｔ４が、箱型治具Ｔ２内に設置される。剛体治具Ｔ４は、被成形品の形状に合わせた形状を有する。従って、図４に示す剛体治具Ｔ４の縦断面の形状は、図３に示す複合材成形品の形状に合わせてハット型となっている。もちろん、複合材成形品の形状に応じて剛体治具Ｔ４の縦断面形状をＬ字型やＣ字型など、様々な形状にすることができる。

また、必要に応じて剛体治具Ｔ４のナット取付部をテープで塞いでシリコーンゴムで養生する作業、スペーサ等の補助治具をセットする作業、剛体治具Ｔ４の側面にブリーザクロスＴ３を敷く作業等が実施される。

箱型治具Ｔ２や剛体治具Ｔ４等の剛性が要求される治具は、必要な剛性及び耐熱性を有する任意の材料で構成することができる。従って、金属に限らず、プラスチックや複合材で箱型治具Ｔ２や剛体治具Ｔ４を構成することができる。

剛体治具Ｔ４側の準備が完了すると、剛体治具Ｔ４上に、シート状のプリプレグＰの積層体が設置される。次に、プリプレグＰの積層体が覆われるように、加熱に伴う溶着防止用のリリースフィルム（離型フィルム）Ｔ５が貼付けられる。

次に、ステップＳ２において、プリプレグＰの積層体が密閉体Ｔ１で密閉される。密閉体Ｔ１は、シリコーンゴム等の可撓性を有する任意の材料で構成することができる。シリコーンゴムバッグによるプリプレグＰのバッグは、シリコーンゴムバッグを積層体上に敷いた後、外枠Ｔ６を載せてシリコーンゴムバッグと箱型治具Ｔ２との間に隙間が生じないように万力でクランプすることによって行うことができる。この時、外枠Ｔ６からはみ出たシリコーンゴムバッグの縁が、引っ張ってもずれない程度に外枠Ｔ６を箱型治具Ｔ２側に締付けることが重要である。

尚、図４に例示されるようにプリプレグＰの積層体の四隅については、シリコーンゴムバッグ等の密閉体Ｔ１の巻込みや損傷を防止するために、ブリーザクロスＴ７を敷いてシリコーンゴムシートＴ８を養生するようにしてもよい。

次に、ステップＳ３において、プリプレグＰの積層体をセットした成形治具Ｔが、オートクレーブ成形装置の容器２内に搬送される。すなわち、密閉体Ｔ１により密閉された複合材の成形対象品が、容器２内に搬入される。

そして、真空引き用の真空ホースＴ９が真空口金Ｔ１０に接続される。真空ホースＴ９はカプラＴ１１によって真空用配管１１と連結される。これにより、可変真空装置８の真空タンク９及び真空ポンプ１０と、プリプレグＰの積層体とシリコーンゴムバッグ等の密閉体Ｔ１との間に形成される空間が連結される。すなわち、密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒの真空引きを行う準備が整う。

また、必要な位置に、熱電対等の温度センサが取付けられる。そして、成形対象品のオートクレーブ処理に先立つ必要な準備が完了すると、容器２の扉２Ｂが閉鎖される。

次に、ステップＳ４において、オートクレーブ成形装置の運転が開始される。初めに、容器２内に水蒸気を供給することによって容器２内が初期温度まで昇温される。これにより、成形治具Ｔ及びプリプレグＰが水蒸気による熱伝達によって加熱される。加熱媒体Ｈが飽和水蒸気であれば、大気圧下でプリプレグＰ内に含まれる気泡を排除するために、容器２の温度制御値を１００℃以下に設定することが適切である。また、容器２の圧力を調節するために、空気又は窒素等の混合ガスを水蒸気に混合してもよい。特に、容器２内の圧力を高めると、プリプレグＰ内に含まれる気泡を封じ込める効果を得ることができる。

水蒸気は、ボイラ１３において生成される。生成された水蒸気は、水蒸気供給用配管１６を経由してノズル１７から容器２内に供給される。容器２内に供給される水蒸気の圧力は、水蒸気供給用配管１６に設けられた水蒸気用減圧弁１４によって予め調節される。水蒸気の温度制御は、温度制御系６による水蒸気導入自動弁１５の制御によって行うことができる。

混合ガスを水蒸気に混合させる場合には、コンプレッサ１９において圧縮空気又は圧縮窒素等の混合ガスが生成される。生成された混合ガスは、混合ガス用配管２２を経由してノズル１７から容器２内に供給される。これにより、混合ガスが水蒸気と混合される。混合ガスの供給量は、混合ガス用配管２２に設けられた開閉弁２１の制御によって行うことができる。開閉弁２１の開度は、圧力制御系７によって自動制御することができる。

次に、ステップＳ５において、シリコーンゴムバッグ等の密閉体Ｔ１により密閉された減圧対象領域Ｒにおける真空度の調節によってプリプレグＰの曲げ成形が行われる。すなわち、水蒸気を容器２内に供給して成形対象品であるプリプレグＰを加熱する一方、容器２内において密閉体Ｔ１で囲まれた減圧対象領域Ｒを減圧系３で減圧することによってプリプレグＰの曲げ成形が行われる。

従って、真空度の調節は、プリプレグＰの温度が曲げ成形に適した温度まで昇温された時点で開始される。プリプレグＰの曲げ成形に適した温度は、プリプレグＰの材質に依存して変化するが、概ね８０℃から１００℃程度であると考えられる。

尚、５００ｍｍから６００ｍｍ程度の長さＬを有する図３に示すような構造を有する複合材成形品を製造するために、実際に、５００ｍｍ×３５０ｍｍのシート状のプリプレグＰの積層体を容器２内にセットして飽和水蒸気で加熱したところ、成形装置１の運転開始から約１０分で、曲げ成形に十分な９０℃以上の温度まで昇温することができた。但し、金属で構成される剛体治具Ｔ４の温度を熱電対で計測し、剛体治具Ｔ４の温度をプリプレグＰの温度とみなした。

密閉体Ｔ１でバッグされた減圧対象領域Ｒにおける真空度は徐々に増加するように制御される。すなわち、シリコーンゴムバッグ等の密閉体Ｔ１で囲まれたバッグ内の圧力は、徐々に低くなるように制御される。そうすると、大気圧又は混合ガスの混合によって調節された容器２内の圧力と、バッグ内の圧力との差圧が密閉体Ｔ１に負荷される。このため、重力で撓んでいた密閉体Ｔ１が徐々にプリプレグＰに密着して圧力を付加するようになる。従って、プリプレグＰには、次第に増加する差圧が負荷される。すなわち、プリプレグＰは、水蒸気によって加熱された状態で、次第に増加する圧力で加圧される。これにより、プリプレグＰの加熱下及び加圧下における曲げ成形を行うことができる。

密閉体Ｔ１でバッグされた減圧対象領域Ｒは、上述したように、バッグ内の圧力が連続的に変化するように減圧しても良いし、異なる圧力に段階的に減圧しても良い。プリプレグＰの曲げ成形に適切な圧力変化は、複合材成形品の構造やサイズ等の条件に依存して変わるため、実験やシミュレーションによって予め求めておくことができる。

具体例として、５００ｍｍ×３５０ｍｍのシート状のプリプレグＰの積層体を容器２内にセットし、飽和水蒸気で加熱しながら６段階の真空度調節を行うことにより図３に示すような構造を得るためのプリプレグＰの曲げ成形を行った。

図５は図３に例示される構造を有する複合材成形品を成形するための真空度の時間変化の一例を示すグラフである。

図５において横軸は時間（分）を示し、縦軸は密閉体Ｔ１で密閉された減圧対象領域Ｒの真空度を示す。真空度は、周囲の圧力に対する負圧（ＭＰａＧ）として表される。ＭＰａＧは、容器２内の圧力と、密閉体Ｔ１内部の圧力との差圧に相当する圧力センサのゲージ圧である。

図５に示すように、密閉体Ｔ１内部の圧力を段階的に下げることによってプリプレグＰの曲げ成形を行うことができる。第１段階では、密閉体Ｔ１内部の真空度が、０．０００から−０．００１（ＭＰａＧ）の間における初期圧力となっている。この状態から密閉体Ｔ１内部の減圧が開始される。そして、密閉体Ｔ１内部が減圧され、密閉体Ｔ１内部の真空度は、第２段階の−０．００１（ＭＰａＧ）となる。この第２段階の真空度は３分程度の間保持される。同様に、第３段階の−０．００６（ＭＰａＧ）に、第４段階の−０．０１０（ＭＰａＧ）に、第５段階の−０．０１４（ＭＰａＧ）に、第６段階の−０．０２８（ＭＰａＧ）に、順次密閉体Ｔ１内部が減圧され、各段階における真空度が３分程度保持される。その後、密閉体Ｔ１内部の真空度は、最終段階の−０．０９７（ＭＰａＧ）まで減圧される。そして、−０．０９７（ＭＰａＧ）に相当する真空度が５分間保持される。

このような真空度の可変制御は、可変真空装置８を用いて行うことができる。図１に例示される可変真空装置８を用いる場合には、真空ポンプ１０が駆動し、真空タンク９内における空気が弁１２の開度に応じた流量で排出される。一方、真空度調整弁９Ａの開度が密閉体Ｔ１内部の目標となる真空度に対応する開度に調整される。そうすると、真空タンク９内から外部に排出される空気の流量と、真空度調整弁９Ａから真空タンク９内に流入する空気の流量との差が平衡状態となる。これにより、真空タンク９内における真空度が目標値となる。

このため、真空タンク９内における真空度よりも密閉体Ｔ１内部の真空度の方が小さい間は、密閉体Ｔ１内部の空気が真空ホースＴ９及び真空用配管１１を経由して真空タンク９内に吸引され、真空ポンプ１０によって大気中に放出される。その結果、密閉体Ｔ１内部の真空度が、真空タンク９内における真空度となる。従って、真空度を増加させるために要する時間は、真空ポンプ１０の性能や真空系統の気密性等の条件に依存する時間となる。

尚、真空度の制御を自動的に行うこともできる。その場合には、真空度制御系４により可変真空装置８が制御される。図１に例示される可変真空装置８を用いる場合には、真空度制御系４により真空度調整弁９Ａの開度が自動制御される。また、必要に応じて弁１２の開度を真空度制御系４により自動制御してもよい。

また、上述したように、複数の真空度に対応する複数の真空経路を設け、複数の真空経路を切換機構で切換えることによって密閉体Ｔ１内部における真空度を段階的に変化させるようにしてもよい。例えば、図５に示すような６段階の真空度制御を行う場合であれば、弁の開度を予め６段階に調整した６系統の真空経路を切換機構で切換えることによって密閉体Ｔ１内部における真空度の制御を行うことができる。その場合には、真空度制御系４により切換機構を制御することによって密閉体Ｔ１内部における真空度の自動制御を行うことができる。

プリプレグＰの曲げ成形が完了すると、ステップＳ６において、密閉体Ｔ１内部の真空度が保持された状態で、プリプレグＰが硬化温度まで昇温される。これにより、曲げ成形後における加圧下のプリプレグＰが加熱媒体Ｈである水蒸気によって加圧された状態で加熱硬化される。実際に、５００ｍｍ×３５０ｍｍのシート状のプリプレグＰの積層体を曲げ成形した後、１８０℃まで昇温して１３２分間保持することによってプリプレグＰの硬化を行うことができた。

次に、ステップＳ７において、プリプレグＰの硬化によって得られた複合材の被成形品が冷却される。例えば、密閉体Ｔ１内部の真空度が保持された状態で、冷却水供給系２３により容器２内に冷却水が供給される。これにより、硬化後の被成形品は、４０℃程度まで冷却される。

次に、ステップＳ８において、密閉体Ｔ１内部が外部に開放される。このため、密閉体Ｔ１内部の圧力は、大気圧となる。その後、被成形品が容器２から搬出される。また、冷却によって液化された水は、ドレン２４から容器２外に排出される。

つまり以上のような複合材の成形装置１及び複合材の成形方法は、オートクレーブ処理において密閉体Ｔ１で密閉された減圧対象領域Ｒにおける真空度を調節することにより、成形対象品の硬化に加えて、曲げ成形も行えるようにしたものである。

（効果）
このため、複合材の成形装置１及び複合材の成形方法によれば、同一の圧力容器内においてプリプレグＰの曲げ成形及び硬化の双方を行うことができる。すなわち、従来は、専用の曲げ成形装置を用いてシート状のプリプレグＰの積層体を所定の温度まで加温して賦型する工程と、オートクレーブ処理によって賦型後におけるプリプレグＰの加圧下における加熱硬化を行う工程とを別々に行う必要があったが、複合材の成形装置１及び複合材の成形方法によれば、１つの工程でプリプレグＰの曲げ成形及び加圧下における加熱硬化を行うことが可能となる。この結果、工程の数が減り、折り曲げた形状や湾曲した形状等の複雑な構造を有する複合材の被成形品をより簡易に製造することが可能となる。

特に、加熱媒体Ｈとして水蒸気を用いれば、加熱媒体Ｈとして温風や加熱窒素を用いる場合に比べて、加熱媒体Ｈの温度分布を、より均一にすることができる。加えて、加熱媒体ＨによってプリプレグＰに負荷される圧力分布も、より均一にすることができる。

このため、サイズが大きい成形対象であっても、各部位を同等のタイミングで所定の温度まで加熱することが可能となる。また、各部位における加熱期間も同等にすることができる。これにより、局所的な硬化や局所的な硬化不良等による外観不良や内部品質の劣化を回避することができる。その結果、長手方向における長さが１ｍ以上１００ｍ以下である複合材の被成形品であっても、曲げ成形を伴う加熱硬化によって良好な品質で製造することが可能となる。

また、加熱媒体Ｈとして水蒸気を用いれば、瞬時に加熱媒体Ｈの昇温が可能である。しかも、水蒸気が加熱対象物に与えることが可能な熱量は温風の３倍から５倍程度に達する。このため、プリプレグＰの昇温に要する時間も短縮することができる。これは、プリプレグＰの曲げ成形に要する時間及び硬化に要する時間の短縮に繋がる。従って、被成形品の成形リードタイムを短縮させることによって、製造コストの低減及び生産性の向上を図ることができる。

更に、加熱媒体Ｈとして水蒸気を用いれば、加熱媒体Ｈの循環機構が不要となる。このため、成形装置１の構造を簡易にすることができる。また、水蒸気は燃えないため、安全性を確保することができる。

以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１...成形装置、２...容器、２Ａ...円筒状構造体、２Ｂ...扉、２Ｃ...保持部材、３...減圧系、４...真空度制御系、５...加熱媒体供給系、６...温度制御系、７...圧力制御系、８...可変真空装置、９...真空タンク、９Ａ...真空度調整弁、９Ｂ...真空計、１０...真空ポンプ、１１...真空用配管、１２...弁、１３...ボイラ、１４...水蒸気用減圧弁、１５...水蒸気導入自動弁、１６...水蒸気供給用配管、１７...ノズル、１８...混合ガス供給系、１９...コンプレッサ、２０...混合ガス用減圧弁、２１...開閉弁、２２...混合ガス用配管、２３...冷却水供給系、２４...ドレン（排水管）、２５...貯水タンク、２６...冷却水用ノズル、２７...冷却水用配管、２８...冷却水導入自動弁、Ｈ...加熱媒体、Ｐ...プリプレグ、Ｒ...減圧対象領域、Ｔ...成形治具、Ｔ１...密閉体、Ｔ２...箱型治具、Ｔ３...ブリーザクロス、Ｔ４...剛体治具、Ｔ５...リリースフィルム（離型フィルム）、Ｔ６...外枠、Ｔ７...ブリーザクロス、Ｔ８...シリコーンゴムシート、Ｔ９...真空ホース、Ｔ１０...真空口金、Ｔ１１...カプラ

Claims (11)

1. 密閉体により密閉された成形対象品を収納する容器と、
   前記容器内において前記密閉体で囲まれた領域を減圧することによって前記成形対象品の曲げ成形及び前記曲げ成形後における前記成形対象品への加圧を行う減圧系と、
   前記曲げ成形及び前記加圧下における前記成形対象品の加熱硬化を行うための加熱媒体として水蒸気を前記容器内に供給する加熱媒体供給系と、
   前記加熱媒体の温度の制御値を、前記成形対象品の前記曲げ成形に適した値に設定した後、前記成形対象品の前記加熱硬化に適した値に設定する温度制御系と、
   を備える複合材の成形装置。
2. 前記減圧系は、前記密閉体で囲まれた領域を、前記成形対象品の前記曲げ成形に適した圧力に減圧した後に、前記成形対象品の前記加熱硬化に適した圧力に減圧する可変真空装置を有する請求項１記載の複合材の成形装置。
3. 前記密閉体で囲まれた領域が、前記成形対象品の前記曲げ成形に適した圧力に減圧された後、前記成形対象品の前記加熱硬化に適した圧力に減圧されるように、前記減圧系を制御する真空度制御系を更に備える請求項１又は２記載の複合材の成形装置。
4. 前記加熱媒体供給系は、前記加熱媒体として飽和水蒸気、空気を混合した水蒸気又は窒素を混合した水蒸気を供給するように構成される請求項１記載の複合材の成形装置。
5. 前記可変真空装置は、
   前記密閉体で囲まれた領域を、異なる複数の圧力に減圧する複数の減圧系統と、
   前記複数の減圧系統を切換える切換機構と、
   を有する請求項２記載の複合材の成形装置。
6. 請求項１乃至５に記載の複合材の成形装置を用いて複合材の被成形品を製造する複合材の成形方法。
7. 密閉体により密閉された成形対象品を容器内に搬入するステップと、
   加熱媒体として水蒸気を前記容器内に供給して前記成形対象品を加熱する一方、前記容器内において前記密閉体で囲まれた領域を減圧することによって前記成形対象品の曲げ成形を行うステップと、
   前記加熱媒体の温度の制御値を、前記成形対象品の前記曲げ成形に適した値に設定した後、前記成形対象品の加熱硬化に適した値に設定することによって、前記曲げ成形後における加圧下の前記成形対象品を前記容器内において前記加熱媒体で加熱硬化するステップと、
   を有する複合材の成形方法。
8. 前記密閉体で囲まれた領域を異なる圧力に段階的に減圧する請求項６又は７記載の複合材の成形方法。
9. 前記密閉体で囲まれた領域内の圧力が連続的に変化するように減圧する請求項６又は７記載の複合材の成形方法。
10. 前記容器内における前記加熱媒体の圧力を制御することによって、前記成形対象品の曲げ成形を行うための加圧及び前記曲げ成形後における前記成形対象品への硬化のための加圧の少なくとも一方を行う請求項７乃至９のいずれか１項に記載の複合材の成形方法。
11. 長手方向における長さが１ｍ以上１００ｍ以下である複合材の被成形品を製造する請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の複合材の成形方法。

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