JP6801913B1 - オートクレーブ成形装置 - Google Patents
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Abstract
本発明は、繊維基材とマトリックスによって形成された複合材料を成形治具とともに真空バッグで覆い、水蒸気を用いて加熱加圧して成形するオートクレーブ成形装置に関し、硬化工程において、硬化熱の放熱不良によって生じる複合材料温度のオーバーシュートを効果的に抑制し、充分な強度を均一に有する複合材料成形品が得られるオートクレーブ成形装置を提供する。すなわち、本発明のオートクレーブ成形装置(１０)は、真空バッグ(１６)および／または成形治具(１４)の少なくとも一部に、加熱で生じた凝縮水を保持する凝縮水保持部(１８)が設けられたことを特徴とする。
Description
本発明は、航空機、自動車および一般産業において用いられる複合材料成形品の成形に用いられるオートクレーブ成形装置に関する。
炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の強化材にマトリックスと呼ばれるエポキシ樹脂やフェノール樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の複合材料(プリプレグ)を加熱、加圧成形して所望の断面形状を有する成形品を得る技術が知られている。炭素繊維やガラス繊維は弾性率が高いため、これらの繊維を板状の繊維の層にして、繊維方向が異なるように複数枚積層した複合材料にすることで、軽量で強度の高い製品を得ることができ、航空機、自動車および一般産業に広く利用されている。熱硬化性樹脂を基質とする複合材料は常温では柔らかく、ある一定の温度まで加熱すると反応熱を発生しながら硬化する特性を持つ。
この複合材料の成形装置として、下記の特許文献１(日本国・特開２００９−５１０７４号公報)で示すオートクレーブ装置が用いられている。図７に示すように、複合材料１０１を成形治具１０２とともに耐熱・耐圧性の真空バッグ１０３で覆い、開閉扉１０４から缶体１０５内に設置する。缶体１０５内の空気をヒータ１０６で加熱して、複合材料１０１を所定温度まで昇温させる。昇温によって昇圧され、さらに加圧が必要な場合は外部から圧縮気体を供給（図示せず）することで、真空バッグ１０３内との圧力差により複合材料１０１を成形治具１０２に押し当てて、複合材料１０１を成形治具１０２の形状に成形する。その際、複合材料１０１が均一に加熱されるように、加熱する気体をファン１０７により循環させている。所定温度で所定時間維持し、複合材料１０１が硬化して成形が終了すると、複合材料１０１を冷却する。冷却は、外部から供給する冷却水により冷却器１０８を介して循環する気体を冷却することにより行っている。
しかしながら、加熱工程、冷却工程共に気体を介して熱を伝えるため、加熱工程および冷却工程に時間がかかり、生産性が低下するという課題があった。
この課題に対して、下記の特許文献２(日本国・特開２０１２−１５３１３３号公報)に示すオートクレーブ装置が用いられている。図８を用いて説明すると、この装置は、空気を循環させずに、加熱媒体として水蒸気を用いている。複合材料１１１を成形治具１１２とともに真空バッグ１１３で覆い、開閉扉１１４から缶体１１５内に設置する。水蒸気供給管１１６から缶体１１５内に高温・高圧の水蒸気を供給する。水蒸気は真空バッグ１１３まで直接流れ、真空バッグ１１３の上面および成形治具１１２の下面等で凝縮し、その時発生する大量の凝縮熱を真空バッグ１１３の上面および成形治具１１２の下面に与え、熱伝導により複合材料１１１を昇温させる。同時に、水蒸気の圧力と真空バッグ１１３内の圧力差により、複合材料１１１を成形治具１１２に密着させて成形する。水蒸気は凝縮すると体積が１００分の１以下程度に減少するため、凝縮が生じた場所に更に新鮮な水蒸気が流れ込み、複合材料１１１および成形治具１１２は急速にかつ均一な温度で加熱される。したがって、水蒸気を循環させるファン等は不要である。所定温度に維持し、複合材料１１１が硬化して成形が終了すると、複合材料１１１を冷却する。冷却は、外部から供給する冷却水を冷却水供給管１１７から噴霧して、真空バッグ１１３を直接冷やす。これにより、加熱工程および冷却工程にかかる時間を大幅に短縮することができる。
上述の通り、水蒸気を用いた加熱は、急速な加熱が可能であり、かつ複雑な形状を有する成形品にも適したものであるが、かかるオートクレーブ成形装置を更により良い装置とするためには、以下の課題を解決することが必要であろう。
すなわち、複合材料は硬化時に硬化熱を発生する。複合材料のマトリックスとなる熱硬化性樹脂は熱伝導率が低く、それに比較して強化材である繊維の熱伝導率は高い。したがって、繊維の方向となる面方向に比べ、積層方向となる厚み方向の熱伝導率が低くなる。水蒸気の凝縮熱は主に厚み方向に伝わるため、複合材料の厚み方向に温度差を生じる。加熱開始時は、水蒸気の凝縮熱により内部よりも表面温度が高くなる。硬化が開始されると内部での硬化熱の発生により、内部が高温となる。成形過程では、表面だけでなく内部の温度も所定の温度以下にする必要があり、温度が上がりすぎると充分な強度が得られなくなる。
以上のことから、硬化工程では真空バッグや成形治具の表面からの十分な放熱が必要となる。水蒸気環境下では、加熱は水蒸気の凝縮熱伝達により高い昇温特性が得られるが、放熱は水蒸気の対流伝熱となる。水蒸気を循環させるファンがないことから水蒸気の対流速度が小さく、また、水蒸気の熱伝導率が小さいことから熱伝達は大きく低下する。そのため、硬化発熱時の複合材料の表面温度は、気体による加熱を行う一般的なオートクレーブと比較して高くなり、所定の温度以下に保つことが困難になる。
それゆえに、本発明の主たる課題は、加熱・加圧媒体として水蒸気を用いる硬化工程において、硬化熱の放熱不良によって生じる複合材料の材料温度のオーバーシュートを効果的に抑制し、充分な強度を均一に有する複合材料成形品が得られるオートクレーブ成形装置を提供することである。
それゆえに、本発明の主たる課題は、加熱・加圧媒体として水蒸気を用いる硬化工程において、硬化熱の放熱不良によって生じる複合材料の材料温度のオーバーシュートを効果的に抑制し、充分な強度を均一に有する複合材料成形品が得られるオートクレーブ成形装置を提供することである。
上記の課題を解決するために、本発明は、例えば、図１から図６に示すように、オートクレーブ成形装置１０を次のように構成した。
すなわち、繊維基材とマトリックスによって形成された複合材料１２を成形治具１４とともに真空バッグ１６で覆い、水蒸気を用いて加熱加圧して成形するオートクレーブ成形装置１０において、前記の真空バッグ１６および／または前記の成形治具１４の少なくとも一部に、加熱で生じた凝縮水を保持する凝縮水保持部１８が設けられたことを特徴とする。
すなわち、繊維基材とマトリックスによって形成された複合材料１２を成形治具１４とともに真空バッグ１６で覆い、水蒸気を用いて加熱加圧して成形するオートクレーブ成形装置１０において、前記の真空バッグ１６および／または前記の成形治具１４の少なくとも一部に、加熱で生じた凝縮水を保持する凝縮水保持部１８が設けられたことを特徴とする。
本発明では、複合材料１２や成形治具１４を昇温するために真空バッグ１６表面や成形治具１４の露出側表面に生じた大量の凝縮水の一部を、凝縮水保持部１８で保持させ、その後に生じる熱硬化性樹脂の硬化発熱を、前述の凝縮水の蒸発潜熱として利用することで、小さい温度差で放熱することが可能となる。
その結果、複合材料１２の表面温度の上昇が抑えられると共に、複合材料１２の内部の温度も抑えることができ、充分な強度を均一に有する複合材料１２成形品が得られる。
その結果、複合材料１２の表面温度の上昇が抑えられると共に、複合材料１２の内部の温度も抑えることができ、充分な強度を均一に有する複合材料１２成形品が得られる。
本発明においては、前記の凝縮水保持部１８を、多孔質材料１８Ａ，繊維を編んだ網状体１８Ｂ，複合材料１２を成形治具１４とともに真空バッグ１６で覆う時に施された真空バッグ１６のしわ１８Ｃ，および、成形治具１４の複合材料１２と接する面の反対側の面に施された凹形状部１８Ｄからなる群より選ばれる少なくとも１つで構成するのが好ましい。
さらに、本発明は、後述する実施形態に記載された特有の構成を付加することが好ましい。
本発明によれば、加熱・加圧媒体として水蒸気を用いる硬化工程において、硬化熱の放熱不良によって生じる複合材料の材料温度のオーバーシュートを効果的に抑制し、充分な強度を均一に有する複合材料成形品が得られるオートクレーブ成形装置を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態について、図面に用いて説明する。図１は、本発明の一実施例のオートクレーブ成形装置１０を示す構成図である。この図が示すように、本実施形態のオートクレーブ成形装置１０は、繊維基材にマトリックスとして熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料１２と成形治具１４とを、真空バッグ１６で覆い、缶体２０内の成形室２０ａに設置し、加熱加圧して成形する。
本実施形態のオートクレーブ成形装置１０では、加熱源として、複合材料１２の成形に必要な所定温度の水蒸気を、水蒸気供給手段２２から成形室２０ａに供給する。真空バッグ１６は、成形室２０ａの外部に設置された真空ポンプ（図示せず）により真空引きされ、成形室２０ａとの差圧により、複合材料１２が成形治具１４に押し付けられ、複合材料１２を成形治具１４の形状に成形する。なお、図１中の符号２１は、成形室２０ａに複合材料１２等を搬入或いは成形室２０ａから複合材料１２成形品を搬出する際に開閉する開閉扉である。
真空バッグ１６の上面と成形治具１４の下面には、１００℃以上(より好ましくは１２０℃以上)の耐熱性を有すると共に、水を保持する材料からなる凝縮水保持部１８が設置されている。なお、この凝縮水保持部１８は、加熱時に水蒸気供給手段２２から供給される水蒸気が真空バッグ１６および成形治具１４の表面に供給されるように、十分な開口部分を有する形状となっている（詳しくは後述する）。成形室２０ａ内に供給された水蒸気は、低温の真空バッグ１６および成形治具１４の表面で凝縮し、大量の凝縮熱を真空バッグ１６および成形治具１４に与え、その熱は熱伝導により複合材料１２に伝えられ、複合材料１２を昇温させる。水蒸気が凝縮すると、水蒸気の体積が１００分の１以下程度の水になるため、更に新しい水蒸気が供給される。したがって、空気等の循環による加熱と比較して、水蒸気の回り込みが良く、その結果、水蒸気と接するすべての面から加熱される。さらに、凝縮時の熱伝達が極めて大きいことから、水蒸気との温度差が少なくかつ均一な温度での加熱が可能となる。
水蒸気が凝縮すると凝縮水となり、凝縮水保持部１８に凝縮水が保水される。保水量は、凝縮水保持部１８の容積に比例するため、凝縮水量が保水能力を上回ると、真空バッグ１６上に滞留する。滞留する凝縮水の厚みが増加すると、凝縮熱伝達を低下させる熱抵抗となるが、実際に使用する凝縮水保持部１８の厚みは大きくないことから、凝縮熱伝達にあまり影響を与えない。また、凝縮水の溜まりが厚くならないように、複合材料１２および成形治具１４の設置する傾きを変化させることも有効である。
図２は、加熱時および成形時における複合材料１２の各所の温度変化を示すモデル図である。点線は複合材料１２の表面温度の変化を、一点鎖線は従来のオートクレーブ成形装置(従来技術)での複合材料１２の内部中央温度の変化を、実線は本発明のオートクレーブ成形装置(本発明装置)での複合材料１２の内部中央温度の変化をそれぞれ示す。
本発明のオートクレーブ成形装置１０を用いて複合材料１２を加熱・加圧して所定の形状に成形する際、複合材料１２の表面温度は、成形室２０ａ内の雰囲気温度の上昇に伴って上昇するが、内部中央温度は遅れて上昇する(図２参照)。これは、成形治具１４の熱伝導率に比較して、複合材料１２の熱伝導率が低いためで、複合材料１２の厚みが厚いほど、昇温の遅れが大きくなる。
本発明のオートクレーブ成形装置１０を用いて複合材料１２を加熱・加圧して所定の形状に成形する際、複合材料１２の表面温度は、成形室２０ａ内の雰囲気温度の上昇に伴って上昇するが、内部中央温度は遅れて上昇する(図２参照)。これは、成形治具１４の熱伝導率に比較して、複合材料１２の熱伝導率が低いためで、複合材料１２の厚みが厚いほど、昇温の遅れが大きくなる。
次いで、成形室２０ａが目標温度に達すると、水蒸気供給手段２２から供給される水蒸気量を制御することで、成形室２０ａ内の温度が一定に維持される。複合部材１２の表面温度は、成形室２０ａの雰囲気温度と同等の温度を示す。一方、複合部材１２の内部中央温度は、かなり遅れて上昇する。複合材料１２は、硬化反応を起こす温度に達すると硬化が始まり、硬化反応熱を発生する。硬化反応熱により、内部中央温度の上昇は速くなり、硬化反応が進むと、上記の表面温度よりも高い温度を示す。
ここで、従来の水蒸気加熱方式のオートクレーブ成形装置では、成形室内はほぼ水蒸気で満たされており、水蒸気の循環手段がないため、真空バッグ１１３および成形治具１１２からの放熱は水蒸気の自然対流による放熱となり、複合材料１１１の内部中央温度は、図２の一点鎖線で示すように、成形室の雰囲気温度(≒複合部材１２の表面温度)を大きく上回ってオーバーシュートしてしまう。このため、図２に示した従来技術の内部中央温度では、目標の物性が得られない場合が生じ得る。
これに対し、本実施形態のオートクレーブ成形装置１０では、凝縮水保持部１８に凝縮水が保持されているため、複合材料１２の硬化熱は凝縮水を温め、凝縮水を蒸発させる。このように複合材料１２で発生する硬化熱は凝縮水の蒸発潜熱として奪われるので、小さい温度差で放熱することが可能となり、図２の実線で示すように、複合材料１２の内部中央温度が目標温度から大きくオーバーシュートすることがなく、得られる複合材料１２成形品は必要な物性(強度等)を得ることが可能になる。
因みに、熱硬化性樹脂が異なる複合材料１２を使用する場合には、その樹脂の硬化温度に応じて水蒸気の温度および圧力を変えても、同様の効果を得ることができる。また、凝縮水保持部１８で保持する凝縮水の容量は、複合材料１２の硬化熱量と水蒸気の蒸発潜熱から容易に求めることができる。
上記の硬化工程が完了すると、冷却水供給手段２４から冷却水を降り注ぐことで、複合材料１２成形品を冷却する。なお、冷却工程として他の方法を採用しても、本発明は同様の効果を奏でることができる。
図３は、本実施形態のオートクレーブ成形装置１０における真空バッグ１６の上面と成形治具１４の下面［すなわち、成形治具１４の複合材料１２と接する面の反対側の面(＝露出面)］に設置した凝縮水保持部１８の概略を示す図である。
この凝縮水保持部１８は、例えば、アルミニウム、鉄、鉄合金等の金属あるいはポリエステル、ナイロン等の耐熱性樹脂からなる多孔質材料１８Ａで構成されており、その微多孔で凝縮水を保水することができる。ここで、この多孔質材料１８Ａとして金属を用いる場合には、その金属材料の表面にブラスト処理等を行い粗面にしたものも(多孔質材料１８Ａとして)好適に用いることができる。
また、本実施形態では、真空バッグ１６の表面や成形治具１４の露出面に水蒸気が接触しやすいように、凝縮水保持部１８を構成する多孔質材料１８Ａが棒状に成形されると共に井桁状に組まれて広い開口部１９Ａが設けられている。なお、凝縮水保持部１８をこのような形状にすることで、この凝縮水保持部１８を成形治具１４下面(露出面)のような重力方向の下部に設置した場合に、当該成形治具１４の下面から容易に離脱しない適度な剛性を有する形状となっている。仮に剛性が足りなくて成形治具１４の下面に密着しないような場合には、金具等で成形治具１４に密着させればよい。
この凝縮水保持部１８は、例えば、アルミニウム、鉄、鉄合金等の金属あるいはポリエステル、ナイロン等の耐熱性樹脂からなる多孔質材料１８Ａで構成されており、その微多孔で凝縮水を保水することができる。ここで、この多孔質材料１８Ａとして金属を用いる場合には、その金属材料の表面にブラスト処理等を行い粗面にしたものも(多孔質材料１８Ａとして)好適に用いることができる。
また、本実施形態では、真空バッグ１６の表面や成形治具１４の露出面に水蒸気が接触しやすいように、凝縮水保持部１８を構成する多孔質材料１８Ａが棒状に成形されると共に井桁状に組まれて広い開口部１９Ａが設けられている。なお、凝縮水保持部１８をこのような形状にすることで、この凝縮水保持部１８を成形治具１４下面(露出面)のような重力方向の下部に設置した場合に、当該成形治具１４の下面から容易に離脱しない適度な剛性を有する形状となっている。仮に剛性が足りなくて成形治具１４の下面に密着しないような場合には、金具等で成形治具１４に密着させればよい。
なお、凝縮水保持部１８は、凝縮水を効果的に保持できるものであれば、上述のものに限定されるものではなく、例えば、この凝縮水保持部１８を真空バッグ１６の上面または成形治具１４の下面の何れか一方に設置するようにしてもよいし、真空バッグ１６の上面および成形治具１４の下面それぞれの全面ではなく所定箇所のみに設置するようにしてもよい。
また、凝縮水保持部１８は、上記のような設置範囲のみならず、その形態も以下のように変形が可能である。
すなわち、図４は、本発明に係る他の実施形態(第２実施形態)の凝縮水保持部１８を示す概略図である。この凝縮水保持部１８は、例えば、ポリエステル、ナイロン等の合成繊維や綿、麻等の親水性の天然繊維、あるいはガラス繊維等から成る耐熱性で凝縮水を保持できる繊維材料を網状に編んだ網状体１８Ｂで構成されている。このような網形状とすることで水蒸気の通過しやすい開口部１９Ｂが形成されている。なお、給水量の調整は、繊維材料の径などを変えることで容易である。
また、凝縮水保持部１８は、上記のような設置範囲のみならず、その形態も以下のように変形が可能である。
すなわち、図４は、本発明に係る他の実施形態(第２実施形態)の凝縮水保持部１８を示す概略図である。この凝縮水保持部１８は、例えば、ポリエステル、ナイロン等の合成繊維や綿、麻等の親水性の天然繊維、あるいはガラス繊維等から成る耐熱性で凝縮水を保持できる繊維材料を網状に編んだ網状体１８Ｂで構成されている。このような網形状とすることで水蒸気の通過しやすい開口部１９Ｂが形成されている。なお、給水量の調整は、繊維材料の径などを変えることで容易である。
図５は、本発明に係る他の実施形態(第３実施形態)の凝縮水保持部１８を示す断面図である。
繊維基材にマトリックスとして熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料１２と成形治具１４を、真空バッグ１６で覆う。真空バッグ１６は、複合材料１２の形状と一致させて成型品を収納するため、収納物よりも少し大きめのものを使用する。したがって、複合材料１２および成形治具１４の表面と密着しないしわ１８Ｃを生じる。真空バッグ１６への収納時に、しわ１８Ｃにより凝縮水を溜める形状を形成し、しわ１８Ｃの高さは保水量から決める。
繊維基材にマトリックスとして熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料１２と成形治具１４を、真空バッグ１６で覆う。真空バッグ１６は、複合材料１２の形状と一致させて成型品を収納するため、収納物よりも少し大きめのものを使用する。したがって、複合材料１２および成形治具１４の表面と密着しないしわ１８Ｃを生じる。真空バッグ１６への収納時に、しわ１８Ｃにより凝縮水を溜める形状を形成し、しわ１８Ｃの高さは保水量から決める。
加熱時に生じた凝縮水は、真空バッグ1６の上部に溜り、一定量以上になると、しわ１８Ｃの上部から流出する。したがって、凝縮水の厚みは大きくなく、凝縮時の高い熱伝達を保つことが可能である。硬化発熱が発生すると、保水された凝縮水が蒸発し、複合材料１２の温度上昇が抑制される。
図６は、本発明に係る他の実施形態(第４実施形態)の凝縮水保持部１８を示す断面図である。
繊維基材にマトリックスとして熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料１２と成形治具１４を、真空バッグ１６で覆う。成形治具１４の複合材料１２と接しない面(上面)には、あらかじめ凝縮水保持部１８となる凹形状部１８Ｄが形成されている。なお、本実施形態では、複合材料１２が重力方向の下向きになるように設置される。
繊維基材にマトリックスとして熱硬化性樹脂を含浸させた複合材料１２と成形治具１４を、真空バッグ１６で覆う。成形治具１４の複合材料１２と接しない面(上面)には、あらかじめ凝縮水保持部１８となる凹形状部１８Ｄが形成されている。なお、本実施形態では、複合材料１２が重力方向の下向きになるように設置される。
加熱時に生じた凝縮水は、凹形状部１８Ｄに溜る。一定量以上になると、凹形状部１８Ｄから流出する。したがって、凝縮水の厚みは大きくなく、凝縮時の高い熱伝達は保たれる。硬化発熱が発生すると、保水された凝縮水が蒸発し、成形治具１４が冷やされ、熱伝導により複合材料１２の温度上昇が抑制される。
以上のように、真空バッグ１６および／または成形治具１４の表面の少なくとも一部に、加熱で生じた凝縮水を保持する凝縮水保持部１８を設けることで、加熱時に生じた凝縮水の一部が保水される。そして、その後に生じる複合材料１２の硬化熱を凝縮水の蒸発に利用することで、複合材料１２の温度上昇が抑えられ、充分な強度を有する複合材料１２成形品を得ることができる。
１０：オートクレーブ成形装置，１２：複合材料，１４：成形治具，１６：真空バッグ，１８：凝縮水保持部，１８Ａ：多孔質の材料，１８Ｂ：網状体，１８Ｃ：(真空バッグ)のしわ，１８Ｄ：凹形状部，２０：缶体，２２：水蒸気供給手段，２４：冷却水供給手段．
Claims (5)
- 繊維基材とマトリックスによって形成された複合材料(１２)を成形治具(１４)とともに真空バッグ(１６)で覆い、水蒸気を用いて加熱加圧して成形するオートクレーブ成形装置において、
前記の真空バッグ(１６)および／または前記の成形治具(１４)の少なくとも一部に、加熱で生じた凝縮水を保持する凝縮水保持部(１８)が設けられた、
ことを特徴とするオートクレーブ成形装置。 - 請求項１のオートクレーブ成形装置において、
前記の凝縮水保持部(１８)が、多孔質材料(１８Ａ)で構成される、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置。 - 請求項１のオートクレーブ成形装置において、
前記の凝縮水保持部(１８)が、繊維を編んだ網状体(１８Ｂ)で構成される、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置。 - 請求項１のオートクレーブ成形装置において、
前記の凝縮水保持部(１８)が、前記の複合材料(１２)を前記の成形治具(１４)とともに前記の真空バッグ(１６)で覆う時に施された真空バッグ(１６)のしわ(１８Ｃ)で構成される、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置。 - 請求項１のオートクレーブ成形装置において、
前記の凝縮水保持部(１８)が、前記の成形治具(１４)の前記複合材料(１２)と接する面の反対側の面に施された凹形状部(１８Ｄ)である、ことを特徴とするオートクレーブ成形装置。
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