JP6924685B2 - 複合材料成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料成形方法及び複合材料に関する。

軽量性及び高い強度を有する材料には、強化繊維に樹脂を含浸させた複合材料が知られている。複合材料は、航空機、自動車及び船舶等に用いられている。航空機、自動車及び船舶等に用いられる複合材料は、空間部分を有する等、複雑な形状を有するものがある。空間部分を有する複合材料を製造する方法としては、予め形成した成形コアの上に、強化繊維に樹脂を含浸させた複合材料を置き、加圧しながら加熱し、その後に成形コアを除去する方法が知られている（特許文献１参照）。

特表２００９−５４２４５９号公報

航空機、自動車及び船舶等に用いられる複合材料は、十分に大きな空間部分を有する等、サイズが大きい場合がある。このような十分に大きな空間部分を有する複合材料を特許文献１の方法で成形する場合、空間部分に応じた十分に大きな成形コアを予め形成する必要がある。また、予め形成した成形コアは、１つの複合材料を成形するごとに、加圧及び加熱処理を受けるため、頻繁にメンテナンスをしたり作り直したり等といった大掛かりかつ長時間の作業をする必要がある。このため、特許文献１の方法は、複合材料が、十分に大きな空間部分を有する等、サイズが大きい場合に、成形にかかるコストが高いという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、複合材料のサイズが大きい場合でも、成形にかかるコストを低減する複合材料成形方法及びこの方法により成形された複合材料を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、複合材料成形方法は、樹脂を含む成形型を形成する成形型形成ステップと、前記成形型に沿う形状に形成され、強化繊維を有する繊維含有材料を、前記成形型に積層する積層ステップと、ヘッドを前記繊維含有材料に押し当てることで、前記ヘッドと前記成形型とで前記繊維含有材料を挟み込んで加圧する加圧ステップと、前記加圧ステップで加圧している領域を、前記ヘッドに設けられた加熱部材により加熱することで、前記領域における前記成形型の前記樹脂を前記繊維含有材料に染み込ませて反応させる加熱ステップと、前記加熱ステップと並行して行われ、前記ヘッドを前記繊維含有材料に沿って移動させる移動ステップと、を含むことを特徴とする。

この構成によれば、加圧ステップで、成形型形成ステップで形成した成形型とヘッドとで繊維含有材料を挟み込んで加圧することができるので、成形コアのような型を必要とせずに複合材料を成形することができる。これにより、複合材料のサイズが大きい場合でも、成形にかかるコストを低減することができる。また、複合材料の成形する形状を自由にすることができる。

この構成において、前記積層ステップでは、前記繊維含有材料として、前記強化繊維を編んで前記成形型に沿った形状に形成されるか、または、前記強化繊維と樹脂繊維とを編んで前記成形型に沿った形状に形成されたプリフォーム材を、前記成形型に積層し、前記加熱ステップでは、前記領域における前記成形型の前記樹脂を反応させることが好ましい。この構成によれば、プリフォーム材により予め所望の形状を形成しやすいので、成形後にしわができにくく、成形後の品質を好適に維持することができる。

これらの構成において、前記成形型形成ステップでは、前記成形型を、前記樹脂が前記繊維含有材料に含浸する量に応じて設定される厚さに形成することが好ましい。この構成によれば、成形後の複合材料において、残存する成形型の厚さを制御することができる。

あるいは、これらの構成において、前記成形型形成ステップでは、前記積層ステップで前記繊維含有材料を積層する側とは反対側に第１樹脂で第１樹脂層を形成し、前記積層ステップで前記繊維含有材料を積層する側に前記第１樹脂より反応温度が低い第２樹脂で第２樹脂層を形成して、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層とを有する前記成形型を形成し、前記加熱ステップでは、前記第１樹脂の反応温度よりも低く、前記第２樹脂の反応温度よりも高い温度で加熱することで、前記領域における前記成形型の前記第２樹脂を前記繊維含有材料に染み込ませて反応させることが好ましい。この構成によれば、成形後の複合材料において、第１樹脂層を残存させ、第２樹脂層を繊維含有材料に染み込ませた状態とすることができる。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、複合材料は、第１樹脂を含む樹脂層と、前記樹脂層の少なくとも一方の面に設けられ、強化繊維に前記第１樹脂よりも反応温度が低い第２樹脂が含浸された複合材料層と、を含むことを特徴とする。

この構成によれば、高い耐熱性を有する樹脂層と、高い強度を有する複合材料層とが一体となっているので、１つの複合材料において、高い耐熱性と高い強度とを共存させることができる。

本発明によれば、複合材料のサイズが大きい場合でも、成形にかかるコストを低減する複合材料成形方法及びこの方法により成形された複合材料を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法で成形される複合材料の一例を示す概略図である。 図２は、図１の複合材料の断面図である。 図３は、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法のフローチャートである。 図４は、図３の成形型形成ステップを説明する説明図である。 図５は、図３の積層ステップを説明する説明図である。 図６は、図３の加圧ステップ、加熱ステップ及び移動ステップを説明する説明図である。 図７は、本発明の第２の実施形態に係る成形型形成ステップを説明する説明図である。 図８は、本発明の第３の実施形態に係る複合材料成形方法で成形される複合材料の一例を示す概略図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法で成形される複合材料１０の一例を示す概略図である。図２は、図１の複合材料１０の断面図である。図２は、鉛直方向を含む断面における図１の複合材料１０の断面図である。複合材料１０は、図１及び図２に示すように、所定の厚さを有する円錐曲面状に形成されており、底部分が平面台１２で下側から支持されている。平面台１２は、複合材料１０を下側から支持する水平面を有する台座が例示されるが、複合材料１０を水平方向に固定する凹凸等が設けられていてもよい。また、平面台１２は、これに限定されず、複合材料１０を支持することができるものであれば、どのような形態であってもよい。また、複合材料１０は、クレーンで上側から吊り下げられたフック等により、上側から支持されてもよい。

複合材料１０は、図２に示すように、円錐曲面状の外側に開放空間を有し、円錐曲面状の内側に平面台１２によって閉鎖された空間部分である閉鎖空間を有する。複合材料１０は、図２に示すように、樹脂層１４と、複合材料層１６と、を有する。樹脂層１４と複合材料層１６とは、いずれも、円錐曲面状に形成されている。複合材料１０は、樹脂層１４が、複合材料１０における閉鎖空間側に形成され、複合材料層１６が、複合材料１０における開放空間側に形成されている。複合材料１０は、この形態に限定されず、樹脂層１４が、複合材料１０における開放空間側に形成され、複合材料層１６が、複合材料１０における閉鎖空間側に形成されている形態であってもよいし、樹脂層１４が形成されていない形態であってもよい。

複合材料１０に含まれる樹脂層１４は、加熱されることで熱溶融反応する熱可塑性樹脂を含む。樹脂層１４に含まれる熱可塑性樹脂は、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等が例示される。また、複合材料１０に含まれる樹脂層１４は、さらに加熱されることで軟化状態または半硬化状態から硬化状態に熱硬化反応する熱硬化性樹脂、並びにその他の樹脂を含んでいてもよい。樹脂層１４が熱硬化性樹脂を含む場合、この熱硬化性樹脂は、エポキシ系樹脂、ポリエステル樹脂及びビニルエステル樹脂が例示される。以下において、複合材料１０の樹脂層１４に含まれる樹脂は、熱可塑性樹脂と熱硬化性樹脂とを区別しない場合には、熱可塑性樹脂の熱溶融反応と熱硬化性樹脂の熱硬化反応とを、単に反応と称する。

複合材料１０に含まれる複合材料層１６は、強化繊維と、樹脂と、を含む。複合材料１０に含まれる複合材料層１６は、軽量性及び高い強度を有する。複合材料層１６に含まれる強化繊維は、第１の実施形態では炭素繊維が例示されるが、これに限定されることはなく、その他の金属繊維でもよい。複合材料層１６に含まれる樹脂は、熱可塑性樹脂を含む。複合材料１０に含まれる複合材料層１６は、具体的には、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維との混紡であるプリフォーム材において熱可塑性樹脂繊維が反応した状態のもの、強化繊維と熱可塑性樹脂繊維とをニット状に織り込んだプリフォーム材において熱可塑性樹脂繊維が反応した状態のもの、及び、これらのプリフォーム材においてその他の樹脂を含浸させたプリフォーム材が、好ましいものとして例示される。なお、複合材料１０に含まれる複合材料層１６は、強化繊維が織布のものに限定されず、強化繊維が不織布のものであってもよい。複合材料１０に含まれる複合材料層１６は、この場合、予め所望の形に形成しておいてから形成されるので、第１の実施形態に係る複合材料成形方法によりしわができる可能性が低減されている。複合材料層１６に含まれる熱可塑性樹脂は、樹脂層１４に含まれる熱可塑性樹脂と同様の物が例示される。また、複合材料層１６に含まれる樹脂は、熱硬化性樹脂、並びにその他の樹脂を含んでいてもよい。複合材料層１６に含まれる熱硬化性樹脂は、樹脂層１４に含まれる熱硬化性樹脂と同様の物が例示される。

図３は、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法のフローチャートである。第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、複合材料１０を得ることができる。第１の実施形態に係る複合材料成形方法について、図３を用いて説明する。第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、図３に示すように、成形型形成ステップＳ１２と、積層ステップＳ１４と、加圧ステップＳ１６と、加熱ステップＳ１８と、移動ステップＳ２０と、を有する。

図４は、図３の成形型形成ステップＳ１２を説明する説明図である。成形型形成ステップＳ１２を実行する成形型形成装置２０は、図４に示すように、樹脂吐出部２２と、ロボットアーム２４と、制御部２６と、を含む。成形型形成装置２０は、平面台１２の上に下側から上側に向かって、樹脂を含む成形型１３を形成する。

樹脂吐出部２２は、成形型１３を形成する樹脂を吐出する。樹脂吐出部２２は、ディスペンサが例示される。ロボットアーム２４は、先端部に樹脂吐出部２２が接続されており、樹脂吐出部２２を３次元方向に自由自在に移動させることができる。ロボットアーム２４は、クレーンのアームが例示される。制御部２６は、樹脂吐出部２２及びロボットアーム２４と電気的に接続されており、樹脂吐出部２２及びロボットアーム２４を制御する。成形型形成装置２０は、制御部２６が樹脂吐出部２２及びロボットアーム２４を制御することにより、所望の位置に所望の組成の樹脂を配した成形型１３を形成することができる。成形型形成装置２０は、第１の実施形態では、全体としては、大型の３Ｄプリンタのようなものが例示されるが、これに限定されず、大型の射出成形装置のようなものであってもよい。

制御部２６は、記憶部と、処理部と、を備える。記憶部は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ及びフラッシュメモリー等の記憶装置を有し、処理部により処理されるソフトウェア・プログラム及びこのソフトウェア・プログラムにより参照されるデータ等を記憶する。また、記憶部は、処理部が処理結果等を一時的に記憶する記憶領域としても機能する。処理部は、記憶部からソフトウェア・プログラム等を読み出して処理することで、ソフトウェア・プログラムの内容に応じた機能、具体的には、成形型形成装置２０によって実行される成形型形成ステップＳ１２の実行を可能にする種々の機能を発揮する。

成形型形成ステップＳ１２は、図４に示すように、成形型形成装置２０により、制御部２６が樹脂吐出部２２及びロボットアーム２４を制御することで、平面台１２の上に下側から上側に向かって、所望の位置に所望の組成の樹脂を配した成形型１３を形成するステップである。成形型形成ステップＳ１２では、成形型１３が、樹脂層１４の形状に合わせて、例えば円錐曲面状に形成される。

成形型形成ステップＳ１２では、成形型１３が、積層ステップＳ１４で繊維含有材料１５が積層される側の表面粗さを、所定の表面粗さ以上にすることが好ましい。この場合、成形型１３の所定の表面粗さ以上の凹凸により、追って説明する積層ステップＳ１４、加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を経て、繊維含有材料１５との間の接合強度を高めることができる。

成形型形成ステップＳ１２で形成される成形型１３は、追って説明する積層ステップＳ１４、加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を経て、成形型１３に含まれる樹脂が繊維含有材料１５（図５参照）に染み込まれて樹脂層１４を形成する前駆材料である。このため、成形型１３は、樹脂層１４に含まれる樹脂と、複合材料層１６に含まれる樹脂の一部と、を含む樹脂で構成される。なお、複合材料１０に樹脂層１４が形成されない場合には、成形型１３は、複合材料層１６に含まれる樹脂の一部で構成される。

成形型形成ステップＳ１２では、成形型１３を、樹脂が繊維含有材料１５に含浸する量に応じて設定される厚さに形成する。具体的には、成形型形成ステップＳ１２では、成形型１３を、繊維含有材料１５に染み込んで複合材料層１６の一部となる部分の厚さと、樹脂層１４として残存する部分の厚さと、を合わせた厚さとなるように形成する。なお、複合材料１０に樹脂層１４が形成されない場合には、成形型形成ステップＳ１２では、成形型１３を、繊維含有材料１５に染み込んで複合材料層１６の一部となる部分の厚さと等しい厚さとなるように形成する。

図５は、図３の積層ステップＳ１４を説明する説明図である。積層ステップＳ１４は、図５に示すように、成形型１３に沿う形状に形成された繊維含有材料１５を、成形型１３に積層するステップである。積層ステップＳ１４では、例えば、成形型１３の開放空間側に、複合材料層１６の形状に合わせて例えば円錐曲面状に形成された繊維含有材料１５を、上から被せて重ねている。なお、積層ステップＳ１４では、繊維含有材料１５を成形型１３の開放空間側に重ねることに限定されず、成形型１３の閉鎖空間側に重ねることとしてもよい。

繊維含有材料１５は、追って説明する加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を経て、成形型１３に含まれる樹脂が染み込んで複合材料層１６を形成する前駆材料である。繊維含有材料１５は、複合材料層１６に含まれる強化繊維を有する、すなわち、強化繊維と複合材料層１６に含まれる樹脂とを含んで構成されていてもよく、強化繊維単体で構成されていてもよい。

例えば、繊維含有材料１５は、複合材料層１６に含まれる強化繊維と、複合材料層１６に含まれる樹脂の一部と、で構成される。繊維含有材料１５は、複合材料層１６に含まれる強化繊維と、複合材料層１６に含まれる樹脂の一部を含む樹脂繊維と、を有し、この強化繊維と樹脂繊維とを編んで成形型に沿った形状に形成されたプリフォーム材またはその他の樹脂が含浸されたプリフォーム材であることが好ましい。なお、繊維含有材料１５は、強化繊維と樹脂繊維との織布に限定されず、強化繊維と樹脂繊維との不織布であってもよい。この場合、繊維含有材料１５は、予め所望の形に形成することができるので、追って説明する加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を実行することによりしわができにくく、成形後の品質を好適に維持することができる。

なお、繊維含有材料１５は、樹脂を含まなくてもよく、すなわち、強化繊維単体で構成されていてもよく、好ましくは、強化繊維を編んで成形型に沿った形状に形成されたプリフォーム材であってもよい。また、繊維含有材料１５は、強化繊維の織布に限定されず、強化繊維の不織布であってもよい。この場合、繊維含有材料１５は、追って説明する加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を実行することにより成形型１３に含まれる樹脂の少なくとも一部が染み込まれることで、複合材料層１６となる。

図６は、図３の加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を説明する説明図である。加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を実行する成形装置３０は、図６に示すように、ヘッド３２と、ロボットアーム３４と、制御部３６と、を含む。成形装置３０は、平面台１２の上に下側から上側に向かって、成形型１３及び繊維含有材料１５を成形することで複合材料１０を得る。

ヘッド３２は、繊維含有材料１５における成形型１３が設けられた側とは反対側の面に沿って移動可能に支持されており、繊維含有材料１５においてヘッド３２と対向する領域を加熱及び加圧する。また、ヘッド３２は、繊維含有材料１５を介して成形型１３を加熱する。ヘッド３２は、繊維含有材料１５に押し当てることで、ヘッド３２と成形型１３とで繊維含有材料１５を挟み込んだ状態として、この繊維含有材料１５の挟み込んだ領域を加圧する。ヘッド３２は、この繊維含有材料１５の挟み込んだ領域を２００ｋＰａ以上８００ｋＰａ以下で加圧することが好ましく、３００ｋＰａ以上６００ｋＰａ以下で加圧することがより好ましい。ヘッド３２は、クレーンのアームによって移動可能に支持されるコンパクションヘッドが例示される。

ヘッド３２は、繊維含有材料１５と対向する面に、加熱部材３２ａが設けられている。加熱部材３２ａは、繊維含有材料１５において加熱部材３２ａが対向する領域を加熱し、これに伴い、繊維含有材料１５のこの領域と対向する成形型１３の領域を加熱する。加熱部材３２ａは、制御部３６と電気的に接続されており、制御部３６によって制御される。加熱部材３２ａは、制御部３６によって制御された可変な加熱温度で加熱することができる。

加熱部材３２ａは、第１の実施形態では、交流磁場を印加することで繊維含有材料１５の内部に渦電流を誘起することにより繊維含有材料１５を加熱する交流磁場印加部材が例示される。加熱部材３２ａは、交流磁場印加部材である場合、繊維含有材料１５における加熱部材３２ａが対向する領域に向けて９００ｋＨｚ以上の高周波磁場を印加することが好ましい。加熱部材３２ａは、これに限定されず、抵抗加熱により自らが発熱することで繊維含有材料１５を加熱する抵抗加熱ヒータ、電場を印加することで繊維含有材料１５を加熱する電場印加部材、超音波を発生させることで繊維含有材料１５を加熱する超音波発生部材、ミリ波を発生させることで繊維含有材料１５を加熱するミリ波発生部材、及び、電磁波を印加することでヘッド３２、繊維含有材料１５または成形型１３に予め設けた微小金属等の電磁場発熱体を発熱することにより繊維含有材料１５を加熱する電磁波印加部材、等が好適なものとして例示される。なお、加熱部材３２ａとして用いられる交流磁場印加部材または電場印加部材は、ヘッド３２または成形型１３に予め設けた微小金属等の電磁場発熱体を発熱することにより繊維含有材料１５を加熱する形態であってもよい。加熱部材３２ａは、いずれの場合においても、加熱温度の分布を持たせることができる。

ここで、金属等の電磁場発熱体は、金属等の電磁場発熱体における所定の方向に沿った電場が印加されることで、分子運動量が増加して、金属等の電磁場発熱体の内部に発熱が誘起される。また、金属等の電磁場発熱体は、金属等の電磁場発熱体における所定の方向に直交する方向に沿った磁場が印加されることで、内部に電流が発生し、金属等の電磁場発熱体自体の電気抵抗によって発熱する。同様に、金属等の電磁場発熱体は、電磁波を吸収して、発熱する。金属等の電磁場発熱体は、例えば、溶液に分散して吹き付けることで塗布された金属等の電磁場発熱体シートとして、ヘッド３２、繊維含有材料１５または成形型１３等に予め設けられることが好ましい。金属等の電磁場発熱体は、ヘッド３２、繊維含有材料１５または成形型１３等に局所的または部分的に分布させて設けることで、局所的又は部分的な加熱を精度よく行うことを可能にする。

ヘッド３２の繊維含有材料１５と対向する面において、加熱部材３２ａ等は、適宜、複合材料１０の成形の際の加圧及び加熱に十分な耐圧性及び耐熱性を示し、かつ、加熱部材３２ａが磁場を発生させる形態である場合にはその磁場に対して透明な材料、例えば、ＰＥＥＫ樹脂及びセラミックスなどの材料で適切に保護されていることが好ましい。

ロボットアーム３４は、繊維含有材料１５の開放空間に設けられている。ロボットアーム３４は、ヘッド３２を繊維含有材料１５における開放空間側の面に沿って移動可能に支持する。ロボットアーム３４は、クレーンのアームが例示される。制御部３６は、加熱部材３２ａ及びロボットアーム３４と、電気的に接続されており、加熱部材３２ａ及びロボットアーム３４を制御する。

制御部３６は、記憶部と、処理部と、を備える。記憶部は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ及びフラッシュメモリー等の記憶装置を有し、処理部により処理されるソフトウェア・プログラム及びこのソフトウェア・プログラムにより参照されるデータ等を記憶する。また、記憶部は、処理部が処理結果等を一時的に記憶する記憶領域としても機能する。処理部は、記憶部からソフトウェア・プログラム等を読み出して処理することで、ソフトウェア・プログラムの内容に応じた機能、具体的には、成形装置３０によって実行される加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０の実行を可能にする種々の機能を発揮する。

制御部３６は、ロボットアーム３４の作動を制御することで、ヘッド３２の位置並びに移動速度を制御する。制御部３６は、ヘッド３２を繊維含有材料１５に対して押し当てる強さを制御することで、繊維含有材料１５の対向する領域に対して印加する圧力を制御することができる。制御部３６は、加熱部材３２ａを制御することで、繊維含有材料１５及び成形型１３の対向する領域に対する加熱温度を制御する。このように、制御部３６は、繊維含有材料１５及び成形型１３の具体的な樹脂の組成等に応じて、繊維含有材料１５を加熱する加熱温度、昇温速度、及び加熱時間を制御することができる。

加圧ステップＳ１６は、図６に示すように、成形装置３０により、制御部３６がロボットアーム３４を制御することで、ヘッド３２を繊維含有材料１５に対して押し当てて、ヘッド３２と成形型１３とで繊維含有材料１５を挟み込んで加圧するステップである。

加熱ステップＳ１８は、まず、図６に示すように、成形装置３０により、制御部３６が加熱部材３２ａを制御することで、繊維含有材料１５において加熱部材３２ａが対向する領域を加熱し、これに伴い、繊維含有材料１５のこの領域と対向する成形型１３の領域を加熱する。加熱ステップＳ１８は、次に、これにより、加熱部材３２ａによって加熱されたこの領域の繊維含有材料１５に含まれる樹脂と、加熱部材３２ａによって加熱されたこの領域の成形型１３に含まれる樹脂とを共に反応させる。加熱ステップＳ１８は、その次に、この領域における成形型１３の樹脂を繊維含有材料１５に染み込ませて反応させるステップである。加熱ステップＳ１８では、繊維含有材料１５がプリフォーム材またはその他の樹脂が含浸されたプリフォーム材である場合、この領域における繊維含有材料１５に含まれる樹脂繊維を反応させ、この領域における成形型１３の樹脂を繊維含有材料１５に染み込ませて樹脂繊維と反応させる。加熱ステップＳ１８では、この領域における繊維含有材料１５と、繊維含有材料１５に染み込ませて反応した成形型１３の樹脂とが、この領域における複合材料層１６を形成する。また、加熱ステップＳ１８では、この領域における繊維含有材料１５に染み込ませられずに残存した成形型１３が、この領域における樹脂層１４を形成する。

移動ステップＳ２０は、加圧ステップＳ１６及び加熱ステップＳ１８と並行して実行される。移動ステップＳ２０は、図６に示すように、成形装置３０により、制御部３６がロボットアーム３４を制御することで、ヘッド３２を繊維含有材料１５に対して押し当てた状態で、ヘッド３２を繊維含有材料１５における成形型１３が設けられた側とは反対側の面に沿って移動させるステップである。加圧ステップＳ１６及び加熱ステップＳ１８を実行しながら移動ステップＳ２０で繊維含有材料１５の全面にヘッド３２を移動させることで、全ての領域において、成形型１３及び繊維含有材料１５に基づいて樹脂層１４及び複合材料層１６を形成する、すなわち、複合材料１０を成形する。

第１の実施形態では、図６に示すように、移動ステップＳ２０で、制御部３６がロボットアーム３４を制御して、円錐曲面状の繊維含有材料１５のうち平面台１２と近接する下側から上側に向かって、繊維含有材料１５における加熱部材３２ａの軌跡が隙間を作らないように、例えば螺旋状に、ヘッド３２を移動させる。円錐曲面状の繊維含有材料１５は、図６では、移動ステップＳ２０で、平面台１２から高さＨの位置までヘッド３２を移動させた状態が示されており、高さＨより下側の領域が、加圧ステップＳ１６及び加熱ステップＳ１８が実行されて複合材料１０が成形された領域となっており、高さＨより上側の領域が、加圧ステップＳ１６及び加熱ステップＳ１８が実行されておらずこれから成形される予定の領域となっている。第１の実施形態では、このように繊維含有材料１５の下側から上側に向かってヘッド３２を移動させるので、複合材料１０が下側から上側に向かって成形されて安定化した状態となるため、複合材料１０の成形の精度を向上させることができる。なお、ヘッド３２の移動経路は、第１の実施形態では、円錐曲面状に沿う螺旋状であるが、この経路に限定されず、いかなる経路であってもよい。また、ヘッド３２の移動経路は、複合材料１０の形状に応じて、適宜決めることができる。

また、第１の実施形態では、ヘッド３２を繊維含有材料１５に対して開放空間側から押し当てる場合、必要に応じて成形型１３の内側にバックアップとなる金型、もしくは、空気または液体による内圧の付与が可能な内圧付与部材を設けてもよい。あるいは、成形型１３の内部に直接もしくはフィルム等の所定の部材を介して、空気または液体を満たして内圧を付与してもよい。このようにすることで、成形型１３の剛性を最小限にする、すなわち、成形型１３の厚さを最小限にすることができ、好ましい。また、いずれの場合においても、空気または液体で成形型１３の内側を冷却しながら形状を保持しつつ、成形型１３の外側のみ成形加熱することとしてもよい。

第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、以上のような構成を有するので、加圧ステップＳ１６で、成形型形成ステップＳ１２で形成した成形型１３とヘッド３２とで繊維含有材料１５を挟み込んで加圧することができるので、成形コアのような型を必要とせずに複合材料１０を成形することができる。これにより、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、複合材料１０のサイズが大きい場合でも、成形にかかるコストを低減することができる。また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、複合材料１０の成形する形状を自由にすることができる。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、積層ステップＳ１４では、繊維含有材料１５として、強化繊維と樹脂繊維とを編んで成形型１３に沿った形状に形成されたプリフォーム材またはその他の樹脂が含浸されたプリフォーム材、もしくは、強化繊維を編んで成形型１３に沿った形状に形成されたプリフォーム材を、成形型１３に積層し、加熱ステップＳ１８では、所定の領域における成形型１３の樹脂と樹脂繊維とを反応させる。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、プリフォーム材により予め所望の形状を形成しやすいので、成形後にしわができにくく、成形後の品質を好適に維持することができる。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、成形型形成ステップＳ１２では、成形型１３を、樹脂が繊維含有材料１５に含浸する量に応じて設定される厚さに形成する。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、成形後の複合材料１０において、残存する成形型１３の厚さ、すなわち樹脂層１４の厚さを制御することができる。

第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、積層ステップＳ１４では、成形型１３を閉鎖空間側となるように、繊維含有材料１５を開放空間側となるように積層することで、樹脂層１４が閉鎖空間側で複合材料層１６が開放空間側に形成された複合材料１０を成形している。この場合、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、複合材料１０がさらに狭い空間部分を有する場合でも、成形コアのような型を必要とせずに複合材料１０を成形することができるとともに、成形にかかるコストを低減することができる。

［第２の実施形態］
図７は、本発明の第２の実施形態に係る成形型形成ステップＳ１２を説明する説明図である。図７は、鉛直方向を含む断面における第２の実施形態に係る成形型１３の断面図である。第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、第１の実施形態に係る複合材料成形方法において、成形型形成ステップＳ１２で形成する成形型１３を第１樹脂層１３ａと第２樹脂層１３ｂとの２層構造に変更し、加熱ステップＳ１８における加熱温度を変更したものである。なお、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、他の構成については、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様である。第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様の構成に第１の実施形態と同一の符号群を用い、その詳細な説明を省略する。

第２の実施形態に係る成形型形成ステップＳ１２で形成する成形型１３は、図７に示すように、第１樹脂層１３ａと、第２樹脂層１３ｂと、を有する。第１樹脂層１３ａは、追って実行する積層ステップＳ１４で繊維含有材料１５を積層する側とは反対側、第２の実施形態では閉鎖空間側に設けられ、第１樹脂を含有する。第２樹脂層１３ｂは、追って実行する積層ステップＳ１４で繊維含有材料１５を積層する側、第２の実施形態では開放空間側に設けられ、第１樹脂よりも反応温度が低い、例えば、熱可塑性樹脂であれば熱溶融温度が低い第２樹脂を含有する。

第２の実施形態に係る成形型形成ステップＳ１２は、この第１樹脂層１３ａと第２樹脂層１３ｂとを有する成形型１３を形成するステップである。第２の実施形態に係る加熱ステップＳ１８は、第１樹脂の反応温度よりも低く、第２樹脂の反応温度よりも高い温度で加熱することで、第１樹脂層１３ａに含まれる第１樹脂を反応させず、第１樹脂層１３ａを残存させて樹脂層１４に形成するとともに、第２樹脂層１３ｂに含まれる第２樹脂を反応させて繊維含有材料１５に染み込ませて反応させることで、第２樹脂層１３ｂと繊維含有材料１５とに基づいて複合材料層１６を形成するステップである。

第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、以上のような構成を有するので、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様の作用効果を奏する。加えて、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、成形型形成ステップＳ１２では、積層ステップＳ１４で繊維含有材料１５を積層する側とは反対側に第１樹脂で第１樹脂層１３ａを形成し、積層ステップＳ１４で繊維含有材料１５を積層する側に第１樹脂より反応温度が低い第２樹脂で第２樹脂層１３ｂを形成して、第１樹脂層１３ａと第２樹脂層１３ｂとを有する成形型１３を形成する。また、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、加熱ステップＳ１８では、第１樹脂の反応温度よりも低く、第２樹脂の反応温度よりも高い温度で加熱することで、加圧ステップＳ１６で加圧している領域における成形型１３の第２樹脂を繊維含有材料１５に染み込ませて反応させる。これにより、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、成形後の複合材料１０において、第１樹脂層１３ａを残存させ、第２樹脂層１３ｂを繊維含有材料１５に染み込ませた状態とすることができる。

第２の実施形態に係る複合材料成形方法により、第１樹脂を含む樹脂層１４と、樹脂層１４の少なくとも一方の面に設けられ、強化繊維に第１樹脂よりも反応温度が低い第２樹脂が含浸された複合材料層１６と、を含む第２の実施形態に係る複合材料１０が得られる。この第２の実施形態に係る複合材料１０は、以上のような構成を有するので、高い耐熱性を有する樹脂層１４と、高い強度を有する複合材料層１６とが一体となっているので、１つの複合材料１０において、高い耐熱性と高い強度とを共存させることができる。

［第３の実施形態］
図８は、本発明の第３の実施形態に係る複合材料成形方法で成形される複合材料４０の一例を示す概略図である。第３の実施形態に係る複合材料成形方法は、第１の実施形態に係る複合材料成形方法において、成形型形成ステップＳ１２で形成する成形型１３の両側に対して、積層ステップＳ１４、加圧ステップＳ１６、加熱ステップＳ１８及び移動ステップＳ２０を実行する形態に変更したものである。なお、第３の実施形態に係る複合材料成形方法は、他の構成については、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様である。以下、第３の実施形態に係る複合材料４０について、第１の実施形態に係る複合材料１０と区別するため、異なる符号を付して説明する。第３の実施形態に係る複合材料成形方法は、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様の構成に第１の実施形態と同一の符号群を用い、その詳細な説明を省略する。

第３の実施形態に係る複合材料成形方法により、図８に示すように、樹脂層１４と、樹脂層１４の一方の面に設けられた第１の複合材料層１６と、樹脂層１４の他方の面に設けられた第２の複合材料層１８と、を含む第３の実施形態に係る複合材料４０が得られる。第３の実施形態に係る複合材料４０は、以上のような構成を有するので、２層の複合材料層１６，１８を有する種々のバリエーションのものを実現することができる。なお、複合材料４０は、樹脂層１４が残存せず、第１の複合材料層１６と、第２の複合材料層１８と、のみを含む形態であってもよい。また、複合材料４０は、複合材料層１６，１８がいずれも樹脂層１４の全面に設けられている必要はなく、樹脂層１４において第１の複合材料層１６のみが設けられている領域、第２の複合材料層１８のみが設けられている領域、複合材料層１６，１８がいずれも設けられておらず両面にむき出しになっている領域が共存している形態であってもよい。

第３の実施形態に係る複合材料成形方法において、第２の実施形態に係る複合材料成形方法に係る成形型形成ステップＳ１２を適用する場合、第１樹脂層１３ａの第２樹脂層１３ｂが設けられている側とは反対側に、第１樹脂よりも反応温度が低い第３樹脂を含有する第３樹脂層を新たに設けることができる。

１０，４０ 複合材料
１２ 平面台
１３ 成形型
１３ａ 第１樹脂層
１３ｂ 第２樹脂層
１４ 樹脂層
１５ 繊維含有材料
１６，１８ 複合材料層
２０ 成形型形成装置
２２ 樹脂吐出部
２４ ロボットアーム
２６ 制御部
３０ 成形装置
３２ ヘッド
３２ａ 加熱部材
３４ ロボットアーム
３６ 制御部

Claims (2)

1. 樹脂を含む成形型を形成する成形型形成ステップと、
   前記成形型に沿う形状に形成され、強化繊維を有する繊維含有材料を、前記成形型に積層する積層ステップと、
   ヘッドを前記繊維含有材料に押し当てることで、前記ヘッドと前記成形型とで前記繊維含有材料を挟み込んで加圧する加圧ステップと、
   前記加圧ステップで加圧している領域を、前記ヘッドに設けられた加熱部材により加熱することで、前記領域における前記成形型の前記樹脂を前記繊維含有材料に染み込ませて反応させる加熱ステップと、
   前記加熱ステップと並行して行われ、前記ヘッドを前記繊維含有材料に沿って移動させる移動ステップと、
   を含み、
   前記成形型形成ステップでは、前記積層ステップで前記繊維含有材料を積層する側とは反対側に第１樹脂で第１樹脂層を形成し、前記積層ステップで前記繊維含有材料を積層する側に前記第１樹脂より反応温度が低い第２樹脂で第２樹脂層を形成して、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層とを有する前記成形型を形成し、
   前記加熱ステップでは、前記第１樹脂の反応温度よりも低く、前記第２樹脂の反応温度よりも高い温度で加熱することで、前記領域における前記成形型の前記第２樹脂を前記繊維含有材料に染み込ませて反応させることを特徴とする複合材料成形方法。
2. 前記積層ステップでは、前記繊維含有材料として、前記強化繊維を編んで前記成形型に沿った形状に形成されるか、または、前記強化繊維と樹脂繊維とを編んで前記成形型に沿った形状に形成されたプリフォーム材を、前記成形型に積層し、
   前記加熱ステップでは、前記領域における前記成形型の前記樹脂を反応させることを特徴とする請求項１に記載の複合材料成形方法。

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