JP7167382B2 - 複合材成形方法および複合材成形装置 - Google Patents

複合材成形方法および複合材成形装置 Download PDF

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Description

本開示は、複合材成形方法および複合材成形装置に関するものである。
従来、繊維基材が積層された複合材を成形する方法として、オートクレーブを用いた複合材の成形方法が広く用いられている。従来の成形方法では、硬化されていないマトリックス樹脂を含むプリプレグをバッグフィルムで覆い、バッグフィルムの内部を減圧し、外部の空間の気体との圧力差によりプリプレグを加圧状態にする。また、バッグフィルムの外部の空間を加熱した空気で満たすことにより、プリプレグを加熱状態にする。
また、近年では、空気よりも熱容量が大きい水蒸気を加熱源として用いる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、プリプレグをシリコーンゴムバッグで覆い、プリプレグが配置される空間を減圧しながらプリプレグを水蒸気で加熱することにより、プリプレグの曲げ成形を行うことが開示されている。
特許第６５９８４７７号公報
しかしながら、特許文献１では、シリコーンゴムバッグをプリプレグ上に敷いた後、外枠を載せてシリコーンゴムバッグと箱型治具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プリプレグを密閉している。そのため、箱型治具と外枠という特殊な治具が必要であり、かつ万力によるクランプを行うという煩雑な作業が必要となってしまう。そこで、例えば、プリプレグを載置する治具成形面に対してバッグをシール材により接着することで、特殊な治具や煩雑な作業を不要とすることが考えられる。
しかしながら、シール材との密着強度が高い樹脂フィルムをバッグ材として用いる場合、樹脂フィルムを用いた樹脂バッグまたはシール材が水蒸気による加水分解等によって部分的に劣化し、あるいは破壊され、樹脂バッグとシール材との密着性、あるいはシール材と治具成形面との密着性が低下してしまう可能性がある。この場合、樹脂バッグとシール材との間、あるいはシール材と治具成形面との間からプリプレグに向けて水蒸気が流入してしまう可能性がある。
本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、水蒸気を用いて複合材料を効率よく加熱するとともに水蒸気が複合材料に到達することを防止することが可能な複合材成形方法および複合材成形装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る複合材成形方法は、複合材を成形する複合材成形方法であって、密閉可能な圧力容器の内部空間に設置された成形用治具の治具成形面に複合材料を配置する配置工程と、前記樹脂バッグと前記治具成形面とを第１シール材により接着して前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記樹脂バッグと前記治具成形面とを第２シール材により接着して前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記樹脂バッグにより前記複合材料を気密に封止する封止工程と、前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧工程と、前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる熱硬化工程と、を備え、前記封止工程は、通気空間を確保するための通気用部材を、前記第１シール領域を取り囲むように前記第２空間に配置する。
本開示の一態様に係る複合材成形装置は、複合材を成形し、密閉可能な圧力容器と、前記圧力容器の内部空間に設置されるとともに複合材料を配置するための治具成形面を有する成形用治具と、前記治具成形面に第１シール材により接着されて前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記治具成形面に第２シール材により接着されて前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記複合材料を気密に封止する樹脂バッグと、前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧部と、前記減圧部により減圧される前記第２空間において通気空間を確保する通気用部材と、前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる水蒸気供給部と、を備える。
本開示によれば、水蒸気を用いて複合材料を効率よく加熱するとともに水蒸気が複合材料に到達することを防止することが可能な複合材成形方法および複合材成形装置を提供することができる。
本開示の一実施形態に係る複合材成形装置を示す概略構成図である。 図１に示す複合材成形装置の縦断面図である。 図２に示す圧力容器の内部空間を上方からみた平面図である。 図２に示す複合材成形装置のＡ部分の部分拡大図である。 本開示の一実施形態に係る複合材成形方法を示すフローチャートである。 図２に示す複合材成形装置の部分拡大図であり、樹脂バッグと第２シール材の隙間から水蒸気が侵入する状態を示す。 図２に示す圧力容器の内部空間を上方からみた平面図であり、Ｂ部分において樹脂バッグと第２シール材の隙間から水蒸気が侵入する状態を示す。
以下、本開示の第１実施形態に係る複合材成形装置１００およびそれを用いた複合材成形方法について、図面を参照して説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る複合材成形装置１００を示す概略構成図である。図２は、図１に示す複合材成形装置１００の縦断面図である。図３は、図２に示す内部空間を上方からみた平面図である。図４は、図２に示す複合材成形装置１００のＡ部分の部分拡大図である。
本実施形態の複合材成形装置１００は、繊維基材が樹脂材料とともに複数層に渡って積層されたプリプレグ（複合材料；積層体）Ｐを熱硬化させることにより所望の形状の繊維強化複合材を成形する装置である。ここで、プリプレグとは、繊維基材と未硬化のマトリックス樹脂を含み、熱硬化することにより繊維強化複合材となる材料をいう。また、繊維基材とは、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等である。また、マトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂であり、エポキシ、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ビスマレイミド、フェノール、シアネート、ポリイミド等である。１枚あるいは複数枚のプリプレグを熱硬化させることにより、繊維強化複合材が成形される。
図１および図２に示すように、本実施形態の複合材成形装置１００は、密閉可能な圧力容器１０と、成形用治具２０と、樹脂バッグ３０と、ブリーザー（通気用部材）４０と、真空ポンプ（減圧部）５０と、水蒸気供給部６０と、制御装置７０と、を備える。
圧力容器１０は、開閉可能な扉（図示略）が取り付けられ、扉を閉状態とすることにより密閉された内部空間ＩＳを形成する密閉可能な容器である。圧力容器１０の内部空間ＩＳには、成形用治具２０と、成形用治具２０に配置されるプリプレグＰが収容される。
成形用治具２０は、圧力容器１０の内部空間ＩＳに設置されるとともにプリプレグＰを配置するための治具成形面２１を有する板状に形成される部材である。成形用治具２０は、圧力容器１０の内部空間ＩＳに設けられた設置台（図示略）の上に配置される。成形用治具２０の治具成形面２１は、図２に示す水平方向ＨＤに沿って延びる面であり、治具成形面２１の上にプリプレグＰが配置される。成形用治具２０は、例えば、アルミニウム合金、鉄等の耐熱性のある金属材料により形成される。また、成形用治具２０は、ガラス繊維等の繊維基材とマトリックス樹脂とを含む繊維強化複合材により形成されるものでもよい。
樹脂バッグ３０は、プリプレグＰの全面を覆うとともに第１シール材Ｓｅ１および第２シール材Ｓｅ２により成形用治具２０の治具成形面２１に接着されてプリプレグＰを気密に封止するシート状の部材である。樹脂バッグ３０は、ナイロン、ポリウレタン、フッ素系樹脂材料（例えば、ＦＥＰやＥＴＦＥ）等を主成分とする樹脂フィルムにより形成されている。樹脂バッグ３０は、例えば、２５μｍ以上かつ７５μｍ以下の厚さとするのが望ましい。第１シール材Ｓｅ１および第２シール材Ｓｅ２は、例えば、主成分がブチルゴムである材料や、主成分がシリコーンゴムである材料により形成されている。
図３に示すように、樹脂バッグ３０は、治具成形面２１に第１シール材Ｓｅ１により接着されてプリプレグＰの全周を取り囲む無端状の第１シール領域ＳＡ１を形成する。また、樹脂バッグ３０は、治具成形面２１に第２シール材Ｓｅ２により接着されてプリプレグＰの全周を取り囲む無端状の第２シール領域ＳＡ２を形成する。第２シール領域ＳＡ２は、第１シール領域ＳＡ１を取り囲むように第１シール領域ＳＡ１の外側に配置される。
このように、樹脂バッグ３０は、第１シール領域ＳＡ１および第２シール領域ＳＡ２の２重のシール領域により、圧力容器１０の内部空間ＩＳからプリプレグＰが配置される空間を隔離する。第１シール領域ＳＡ１の内側で第１シール材Ｓｅ１と樹脂バッグ３０と治具成形面２１により画定される空間が第１空間Ｓ１である。第２シール領域ＳＡ２の内側で第１シール材Ｓｅ１と第２シール材Ｓｅ２と樹脂バッグ３０と治具成形面２１により画定される空間が第２空間Ｓ２である。第２空間Ｓ２は、第１シール領域ＳＡ１と第２シール領域ＳＡ２との間に形成される。
ブリーザー４０は、図２に示すように、真空ポンプ５０により減圧される第２空間Ｓ２において、通気空間ＳＶを確保し、圧力容器１０の内部空間ＩＳから第２空間Ｓ２へ侵入する水蒸気を流通させるための部材である。通気空間ＳＶは、ブリーザー４０の内部に確保される空間である。ブリーザー４０は、例えば、ガラス織物、炭素繊維織物、金属製のメッシュ等により形成され、内部に確保される通気空間ＳＶに気体を流通させることが可能な部材である。ブリーザー４０は、例えば、０．１ｍｍ以上かつ５ｍｍ以下の厚さである。
図３に示すように、ブリーザー４０は、第２空間Ｓ２において、第１シール領域ＳＡ１の全周を取り囲むように配置される。ブリーザー４０が第２空間Ｓ２の全周に配置されるため、第２シール領域ＳＡ２のいずれかの位置から侵入する水蒸気を通気空間ＳＶに確実に流通させることができる。
図４に示すように、ブリーザー４０は、外周側端部４０ａから第２シール材Ｓｅ２までの水平方向ＨＤの距離Ｌ２が、内周側端部４０ｂから第１シール材Ｓｅ１までの水平方向ＨＤの距離Ｌ１よりも短くなるように第２空間Ｓ２に配置される。
真空ポンプ５０は、樹脂バッグ３０により封止された第１空間Ｓ１および第２空間Ｓ２を減圧する装置である。図１に示すように、真空ポンプ５０は、開閉弁５１を介して配管５１ａに接続され、開閉弁５２を介して配管５２ａに接続されている。図２に示すように、配管５１ａは樹脂バッグ３０に取り付けられた真空ポート（第１減圧ポート）５１ｂに接続され、配管５２ａは樹脂バッグ３０に取り付けられた真空ポート（第２減圧ポート）５２ｂに接続されている。
図３に示すように、真空ポート５１ｂは、第１空間Ｓ１と連通するように樹脂バッグ３０の２箇所に取り付けられる。２つの真空ポート５１ｂは、樹脂バッグ３０に対する取付位置を結ぶ直線上にプリプレグＰが配置されるように、プリプレグＰを挟んで離間した位置に配置される。各真空ポート５１ｂは、配管５１ａに接続されている。
真空ポート５２ｂは、第２空間Ｓ２と連通するように樹脂バッグ３０の１箇所に取り付けられる。樹脂バッグ３０に取り付けられる真空ポート５１ｂの数（２個）は、樹脂バッグ３０に取り付けられる真空ポート５２ｂの数（１個）よりも多い。図３においては、真空ポート５１ｂの数が２個であり、真空ポート５２ｂの数が１個であるものとしたが、他の態様であってもよい。真空ポート５１ｂと真空ポート５２ｂの個数を、真空ポート５１ｂの数が真空ポート５２ｂの数よりも多い数となる任意の個数としてもよい。
真空ポンプ５０と開閉弁５１と開閉弁５２は、それぞれ制御装置７０から制御信号線（図１に破線で示す線）を介して伝達される制御信号により制御される。制御装置７０は、真空ポンプ５０を動作状態とし、かつ開閉弁５１を開状態とすることにより、真空ポート５１ｂを介して第１空間Ｓ１の空気を吸引して第１空間Ｓ１を真空状態まで減圧する。また、制御装置７０は、真空ポンプ５０を動作状態とし、かつ開閉弁５２を開状態とすることにより、真空ポート５２ｂを介して第２空間Ｓ２の空気を吸引して第２空間Ｓ２を真空状態まで減圧する。
図４に示すように、真空ポート５２ｂは、ブリーザー４０の上面４０ｃと接触するように配置される。そのため、樹脂バッグ３０と第２シール材Ｓｅ２との隙間から水蒸気が侵入したとしても、ブリーザー４０を介して水蒸気を真空ポート５２ｂに導くことができる。
水蒸気供給部６０は、圧力容器１０を密閉した状態で圧力容器１０の内部空間ＩＳへ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給してプリプレグＰを熱硬化させる装置である。図１に示すように、水蒸気供給部６０は、開閉弁６１を介して配管６１ａに接続されている。図２に示すように、配管６１ａは、圧力容器１０の内部空間ＩＳと連通している。
図１に示すように、水蒸気供給部６０および開閉弁６１は、制御装置７０から制御信号線を介して伝達される制御信号により制御される。制御装置７０は、水蒸気供給部８０を動作状態とし、かつ開閉弁６１を開状態とすることにより、配管６１ａを介して水蒸気を内部空間ＩＳへ供給する。
水蒸気供給部６０は、圧力容器１０の内部空間ＩＳへ供給する水蒸気として、例えば、飽和水蒸気を生成する。制御装置７０は、例えば、飽和水蒸気の温度が１６０℃以上かつ１９０℃以下の範囲となるように水蒸気供給部６０を制御する。飽和水蒸気圧は、温度に対して一意に定まる。そのため、飽和水蒸気圧は、約６気圧（絶対圧）～約１３気圧（絶対圧）の範囲となる。
制御装置７０は、複合材成形装置１００を制御する装置である。制御装置７０は、図１に破線で示す制御信号線を介して、真空ポンプ５０、開閉弁５１、開閉弁５２、水蒸気供給部６０、および開閉弁６１を制御する。
次に、図５を参照して、本実施形態の複合材成形装置１００が実行する複合材成形方法について説明する。図５は、本実施形態に係る複合材成形方法を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１（配置工程）において、成形用治具２０の治具成形面２１にプリプレグＰを配置する。
ステップＳ１０２（封止工程）において、樹脂バッグ３０によりプリプレグＰを気密に封止する。具体的には、樹脂バッグ３０と治具成形面２１とを第１シール材Ｓｅ１により接着してプリプレグＰを取り囲む無端状の第１シール領域ＳＡ１を形成する。また、樹脂バッグ３０と治具成形面２１とを第２シール材Ｓｅ２により接着してプリプレグＰを取り囲む無端状の第２シール領域ＳＡ２を形成する。
ステップＳ１０２においては、通気空間ＳＶを確保するためのブリーザー４０を、第１シール領域ＳＡ１を取り囲むように第２空間Ｓ２に配置する。また、ステップＳ１０２において、ブリーザー４０の外周側端部４０ａから第２シール材Ｓｅ２までの水平方向ＨＤの距離Ｌ２が、ブリーザー４０の内周側端部４０ｂから第１シール材Ｓｅ１までの水平方向ＨＤの距離Ｌ１よりも短くなるように、ブリーザー４０を第２空間Ｓ２に配置する。
以上のステップＳ１０１からステップＳ１０２においては、圧力容器１０を密閉せずに扉を開状態にしている。ステップＳ１０２が終了すると、複合材成形装置１００の操作者は、扉を閉状態とし、圧力容器１０を密閉する。なお、ステップＳ１０１からステップＳ１０２の処理は、圧力容器１０の外部で実行してもよい。
ステップＳ１０３（減圧工程）において、真空ポンプ５０を動作状態とし、かつ開閉弁５１を開状態とし、真空ポート５１ｂを介して第１空間Ｓ１の空気を吸引して樹脂バッグ３０により封止された第１空間Ｓ１を減圧する。制御装置７０は、第１空間Ｓ１を真空状態に維持するように減圧する処理を、後述するステップＳ１０４を終了するまで継続する。
また、ステップＳ１０３において、真空ポンプ５０を動作状態とし、かつ開閉弁５２を開状態とし、真空ポート５２ｂを介して第２空間Ｓ２の空気を吸引して樹脂バッグ３０により封止された第２空間Ｓ２を減圧する。制御装置７０は、第２空間Ｓ２を真空状態に維持するように減圧する処理を、後述するステップＳ１０４を終了するまで継続する。
ステップＳ１０４（熱硬化工程）において、第１空間Ｓ１および第２空間Ｓ２が真空状態となったことに応じて、圧力容器１０を密閉した状態で、圧力容器１０の内部空間ＩＳへ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給するよう水蒸気供給部６０および開閉弁６１が制御される。
圧力容器１０の内部空間ＩＳに配置されるプリプレグＰは、真空状態に減圧された第１空間Ｓ１の圧力と水蒸気により加圧された内部空間ＩＳとの差圧によって加圧された状態となる。また、プリプレグＰは、水蒸気から伝達される熱によって加熱された状態となる。プリプレグＰは、加圧状態および加熱状態が所定時間継続することにより、マトリックス樹脂である熱硬化性樹脂が硬化し、所望の形状を維持した状態で硬化する。これにより、プリプレグＰからマトリックス樹脂が硬化した複合材が成形される。
ステップＳ１０５（取り出し工程）において、真空ポンプ５０および水蒸気供給部６０の動作を停止させる。複合材成形装置１００の操作者は、圧力容器１０の内部空間ＩＳが複合材を取り出すことが可能な温度および圧力となったことを確認し、圧力容器１０の扉を開状態とする。
その後、複合材成形装置１００の操作者は、硬化した複合材を圧力容器１０の内部空間ＩＳから外部へ取り出す。また、複合材成形装置１００の操作者は、成形用治具２０の治具成形面２１から樹脂バッグ３０を取り外し、複合材を露出させる。以上のようにして、複合材が成形される。
ここで、本実施形態の複合材成形装置１００がステップＳ１０４（熱硬化工程）を実行している際に発生し得る現象について説明する。図６は、図２に示す複合材成形装置１００の部分拡大図であり、樹脂バッグ３０と第２シール材Ｓｅ２の隙間Ｇから水蒸気が侵入する状態を示す。図７は、図２に示す圧力容器１０の内部空間ＩＳを上方からみた平面図であり、Ｂ部分において樹脂バッグ３０と第２シール材Ｓｅ２の隙間から水蒸気が侵入する状態を示す。
図６は、樹脂バッグ３０と第２シール材Ｓｅ２との第２シール領域ＳＡ２の一部で樹脂バッグ３０が第２シール材Ｓｅ２から剥がれて隙間Ｇが形成された状態を示す。図６に示す矢印が水蒸気Ｓｔを示しており、内部空間ＩＳの水蒸気Ｓｔが隙間Ｇを介して第２空間Ｓ２へ侵入する。
この場合、水蒸気Ｓｔが第２空間Ｓ２へ侵入するが、第２空間Ｓ２の圧力が内部空間ＩＳの圧力に比べて十分に低いため、水蒸気Ｓｔはブリーザー４０が形成する通気空間ＳＶに沿って第２空間Ｓ２で拡散する。そのため、隙間Ｇから侵入した水蒸気Ｓｔが第２空間Ｓ２の内周側に配置される第１シール材Ｓｅ１に直接的に接触することが防止される。
また、ステップＳ１０４（熱硬化工程）を実行している際に、真空ポート５２ｂから真空ポンプ５０は向けて第２空間Ｓ２内の気体が常時吸い出されている。そのため、隙間Ｇから第２空間Ｓ２へ侵入した水蒸気Ｓｔは、ブリーザー４０の通気空間ＳＶを流入し、最終的には真空ポンプ５０の吸引力によって真空ポート５２ｂから真空ポンプ５０へ導かれ、外部へ排出される。
図７に示すように、Ｂ部分において樹脂バッグ３０と第２シール材Ｓｅ２の間に隙間が形成される場合、Ｂ部分から水蒸気が第２空間Ｓ２へ侵入する。この場合、図７に矢印で示すように、水蒸気は、ブリーザー４０の内部に形成される通気空間ＳＶに沿って第２空間Ｓ２を流通する。
そして、水蒸気は、最終的には真空ポンプ５０の吸引力によって真空ポート５２ｂから真空ポンプ５０へ導かれ、外部へ排出される。このように、ブリーザー４０は、隙間Ｇから第２空間Ｓ２へ侵入した水蒸気Ｓｔに対して第１シール材Ｓｅ１により形成される第１シール材Ｓｅ１を防御する役目を果たす。
以上説明した本実施形態の複合材成形方法が奏する作用および効果について説明する。
本実施形態の複合材成形方法によれば、プリプレグＰを熱硬化させるため、熱硬化工程において、所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を圧力容器１０の内部空間ＩＳへ供給している。そのため、加熱源として空気を用いる場合に比べ、空気よりも熱容量の大きい水蒸気により複合材料を効率よく迅速に加熱することができる。
また、樹脂バッグ３０と治具成形面２１とを第１シール材Ｓｅ１により接着して無端状の第１シール領域ＳＡ１を形成し、樹脂バッグ３０と治具成形面２１とを第２シール材Ｓｅ２により接着して第１シール領域ＳＡ１よりも外側に配置される無端状の第２シール領域ＳＡ２を形成する。プリプレグＰの外側に第１シール領域ＳＡ１と第２シール領域ＳＡ２の双方が配置されるため、第２シール領域ＳＡ２の一部から水蒸気が侵入したとしても、第２シール領域ＳＡ２の内側に配置される第１シール領域ＳＡ１によってプリプレグＰが配置される第１空間Ｓ１への水蒸気の侵入を防止することができる。
さらに、第１シール領域ＳＡ１と第２シール領域ＳＡ２との間の第２空間Ｓ２に第１シール領域ＳＡ１を取り囲むようにブリーザー４０が配置され、減圧工程により第２空間Ｓ２が減圧される。そのため、第２シール領域ＳＡ２の一部から水蒸気が第２空間Ｓ２へ侵入しても、水蒸気がブリーザー４０を介して減圧される箇所へ移動する。これにより、第２空間Ｓ２へ侵入した水蒸気が第１シール領域ＳＡ１へ到達することを防止することができる。このように、本開示の一態様に係る複合材成形方法によれば、水蒸気を用いてプリプレグＰを効率よく加熱するとともに水蒸気がプリプレグＰに到達することを防止することができる。
また、本実施形態の複合材成形方法によれば、ブリーザー４０の外周側端部４０ａから第２シール材Ｓｅ２までの距離Ｌ２が、ブリーザー４０の内周側端部４０ｂから第１シール領域ＳＡ１までの距離Ｌ１よりも短い。そのため、第２空間Ｓ２へ侵入した水蒸気がブリーザー４０へ流入しやすく、かつ第２空間Ｓ２へ侵入した水蒸気が第１シール材Ｓｅ１へ到達しにくくなる。これにより、第２空間Ｓ２へ侵入した水蒸気が第１シール材Ｓｅ１へ到達して、第１シール材Ｓｅ１の一部を破壊することを防止することができる。
本実施形態の複合材成形方法によれば、真空ポート５１ｂを介して第１空間Ｓ１を減圧し、真空ポート５１ｂと共通の真空ポンプ５０に接続される真空ポート５２ｂを介して第２空間Ｓ２を減圧する際に、プリプレグＰの大気圧による加圧に供する第１空間Ｓ１の減圧に用いられる真空ポート５１ｂの数を、プリプレグＰの大気圧による加圧に供しない第２空間Ｓ２の減圧に用いられる真空ポート５２ｂの数よりも多くする。これにより、プリプレグＰの大気圧による加圧に供する第１空間Ｓ１の減圧を確実に行いつつ、第２空間Ｓ２へ水蒸気が侵入した場合の不具合を防止することができる。
本実施形態の複合材成形方法によれば、樹脂バッグ３０が、第１シール材および第２シール材との接着強度が高い樹脂材料を主成分とする樹脂フィルムであるため、治具成形面２１と樹脂フィルムとの接着部分から水蒸気が侵入することを抑制することができる。
また、本実施形態の複合材成形方法によれば、プリプレグＰが、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体であるため、十分な硬度の複合材を成形することができる。
以上説明した実施形態に記載の複合材成形方法は、例えば以下のように把握される。
本開示に係る複合材成形方法は、複合材を成形し、密閉可能な圧力容器（１０）の内部空間（ＩＳ）に設置された成形用治具（２０）の治具成形面（２１）に複合材料（Ｐ）を配置する配置工程（Ｓ１０１）と、前記樹脂バッグと前記治具成形面とを第１シール材（Ｓｅ１）により接着して前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域（ＳＡ１）を形成し、前記樹脂バッグと前記治具成形面とを第２シール材（Ｓｅ２）により接着して前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域（ＳＡ２）を形成し、前記樹脂バッグにより前記複合材料を気密に封止する封止工程（Ｓ１０２）と、前記第１シール領域の内側の第１空間（Ｓ１）および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間（Ｓ２）を減圧する減圧工程（Ｓ１０３）と、前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる熱硬化工程と、を備え、前記封止工程は、通気空間（ＳＶ）を確保するための通気用部材（４０）を、前記第１シール領域を取り囲むように前記第２空間に配置する。
本開示の一態様に係る複合材成形方法によれば、複合材料を熱硬化させるため、熱硬化工程において、所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を圧力容器の内部空間へ供給している。そのため、加熱源として空気を用いる場合に比べ、空気よりも熱容量の大きい水蒸気により複合材料を効率よく迅速に加熱することができる。
また、樹脂バッグと治具成形面とを第１シール材により接着して無端状の第１シール領域を形成し、樹脂バッグと治具成形面とを第２シール材により接着して第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成する。複合材料の外側に第１シール領域と第２シール領域の双方が配置されるため、第２シール領域の一部から水蒸気が侵入したとしても、第２シール領域の内側に配置される第１シール領域によって複合材料が配置される第１空間への水蒸気の侵入を防止することができる。
さらに、第１シール領域と第２シール領域との間の第２空間に第１シール領域を取り囲むように通気用部材が配置され、減圧工程により第２空間が減圧される。そのため、第２シール領域の一部から水蒸気が第２空間へ侵入しても、水蒸気が通気用部材を介して減圧される箇所へ移動する。これにより、第２空間へ侵入した水蒸気が第１シール領域へ到達することを防止することができる。このように、本開示の一態様に係る複合材成形方法によれば、水蒸気を用いて複合材料を効率よく加熱するとともに水蒸気が複合材料に到達することを防止することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形方法において、前記封止工程は、前記通気用部材の外周側端部から前記第２シール領域までの距離が、前記通気用部材の内周側端部から前記第１シール領域までの距離よりも短くなるように、前記通気用部材を前記第２空間に配置する構成とするのが好ましい。
本構成の複合材成形方法によれば、通気用部材の外周側端部から第２シール材までの距離が、通気用部材の内周側端部から第１シール材までの距離よりも短い。そのため、第２空間へ侵入した水蒸気が通気用部材へ流入しやすく、かつ第２空間へ侵入した水蒸気が第１シール材へ到達しにくくなる。これにより、第２空間へ侵入した水蒸気が第１シール材へ到達して、第１シール材の一部を破壊することを防止することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形方法において、前記減圧工程は、前記第１空間と減圧部とを連通させるように前記樹脂バッグに取り付けられる第１減圧ポートを介して前記第１空間を減圧し、前記第２空間と前記減圧部とを連通させるように前記樹脂バッグに取り付けられる第２減圧ポートを介して前記第２空間を減圧し、前記樹脂バッグに取り付けられる前記第１減圧ポートの数は、前記樹脂バッグに取り付けられる前記第２減圧ポートの数よりも多い構成とするのが好ましい。
本構成の複合材成形方法によれば、第１減圧ポートを介して第１空間を減圧し、第１減圧ポートと共通の減圧部に接続される第２減圧ポートを介して第２空間を減圧する際に、複合材料の大気圧による加圧に供する第１空間の減圧に用いられる第１減圧ポートの数を、複合材料の大気圧による加圧に供しない第２空間の減圧に用いられる第２減圧ポートの数よりも多くする。これにより、複合材料の大気圧による加圧に供する第１空間の減圧を確実に行いつつ、第２空間へ水蒸気が侵入した場合の不具合を防止することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形方法において、前記樹脂バッグは、ナイロンまたはポリウレタンを主成分とする樹脂フィルムにより形成されている構成が好ましい。
本構成の複合材成形方法によれば、樹脂バッグが、第１シール材および第２シール材との接着強度が高い樹脂材料を主成分とする樹脂フィルムであるため、治具成形面と樹脂フィルムとの接着部分から水蒸気が侵入することを抑制することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形方法において、前記複合材料は、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体である構成が好ましい。
本構成の複合材成形方法によれば、複合材料が、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体であるため、十分な硬度の複合材を成形することができる。
以上説明した実施形態に記載の複合材成形装置は、例えば以下のように把握される。
本開示の一態様に係る複合材成形装置は、複合材を成形し、密閉可能な圧力容器と、前記圧力容器の内部空間に設置されるとともに複合材料を配置するための治具成形面を有する成形用治具と、前記治具成形面に第１シール材により接着されて前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記治具成形面に第２シール材により接着されて前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記複合材料を気密に封止する樹脂バッグと、前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧部と、前記減圧部により減圧される前記第２空間において通気空間を確保する通気用部材と、前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる水蒸気供給部と、を備える。
本開示の一態様に係る複合材成形装置によれば、複合材料を熱硬化させるため、水蒸気供給部が、所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を圧力容器の内部空間へ供給している。そのため、加熱源として空気を用いる場合に比べ、空気よりも熱容量の大きい水蒸気により複合材料を効率よく迅速に加熱することができる。
また、樹脂バッグと治具成形面とを第１シール材により接着して無端状の第１シール領域を形成し、樹脂バッグと治具成形面とを第２シール材により接着して第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成する。複合材料の外側に第１シール領域と第２シール領域の双方が配置されるため、第２シール領域の一部から水蒸気が侵入したとしても、第２シール領域の内側に配置される第１シール領域によって複合材料が配置される空間への水蒸気の侵入を防止することができる。
さらに、第１シール領域と第２シール領域との間の第２空間に第１シール領域を取り囲むように通気用部材が配置され、減圧部により第２空間が減圧される。そのため、第２シール領域の一部から水蒸気が第２空間へ侵入しても、水蒸気が通気用部材を介して減圧される箇所へ移動する。これにより、第２空間へ侵入した水蒸気が第１シール領域へ到達することを防止することができる。このように、本開示の一態様に係る複合材成形装置によれば、水蒸気を用いて複合材料を効率よく加熱するとともに水蒸気が複合材料に到達することを防止することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形装置において、前記通気用部材は、外周側端部から前記第２シール材までの距離が、内周側端部から前記第１シール材までの距離よりも短くなるように前記第２空間に配置される構成が好ましい。
本構成の複合材成形装置によれば、通気用部材の外周側端部から第２シール材までの距離が、通気用部材の内周側端部から第１シール材までの距離よりも短いため、第２空間へ侵入した水蒸気が通気用部材へ流入しやすく、かつ第２空間へ侵入した水蒸気が第１シール材へ到達しにくくなる。これにより、第２空間へ侵入した水蒸気が第１シール材へ到達して、第１シール材の一部を破壊することを防止することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形装置において、前記減圧部は、前記樹脂バッグに取り付けられる第１減圧ポートを介して前記第１空間を減圧し、前記樹脂バッグに取り付けられる第２減圧ポートを介して前記第２空間を減圧し、前記樹脂バッグに取り付けられる前記第１減圧ポートの数は、前記樹脂バッグに取り付けられる前記第２減圧ポートの数よりも多い構成が好ましい。
本構成の複合材成形装置によれば、第１減圧ポートを介して第１空間を減圧し、第１減圧ポートと共通の減圧部に接続される第２減圧ポートを介して第２空間を減圧する際に、複合材料の大気圧による加圧に供する第１空間の減圧に用いられる第１減圧ポートの数を、複合材料の大気圧による加圧に供しない第２空間の減圧に用いられる第２減圧ポートの数よりも多くする。これにより、複合材料の大気圧による加圧に供する第１空間の減圧を確実に行いつつ、第２空間へ水蒸気が侵入した場合の不具合を防止することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形装置において、前記樹脂バッグは、ナイロンまたはポリウレタンを主成分とする樹脂フィルムにより形成されている構成が好ましい。
本構成の複合材成形装置によれば、樹脂バッグが、シール材との接着強度が高い樹脂材料を主成分とする樹脂フィルムであるため、治具成形面と樹脂フィルムとの接着部分から水蒸気が侵入することを抑制することができる。
本開示の一態様に係る複合材成形装置において、前記複合材料は、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体である構成が好ましい。
本構成の複合材成形装置によれば、複合材料が、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体であるため、十分な硬度の複合材を成形することができる。
１０ 圧力容器
２０ 成形用治具
２１ 治具成形面
３０ 樹脂バッグ
４０ ブリーザー（通気用部材）
４０ａ 外周側端部
４０ｂ 内周側端部
５０ 真空ポンプ（減圧部）
５１，５２ 開閉弁
５１ａ，５２ａ 配管
５１ｂ，５２ｂ 真空ポート
６０ 水蒸気供給部
６１ 開閉弁
６１ａ 配管
７０ 制御装置
８０ 水蒸気供給部
８１ 開閉弁
１００ 複合材成形装置
ＩＳ 内部空間
Ｐ プリプレグ（複合材料）
Ｓ１ 第１空間
Ｓ２ 第２空間
ＳＡ１ 第１シール領域
ＳＡ２ 第２シール領域
ＳＶ 通気空間
Ｓｅ１ 第１シール材
Ｓｅ２ 第２シール材
Ｓｔ 水蒸気

Claims (8)

  1. 複合材を成形する複合材成形方法であって、
    密閉可能な圧力容器の内部空間に設置された成形用治具の治具成形面に複合材料を配置する配置工程と、
    樹脂バッグと前記治具成形面とを第１シール材により接着して前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記樹脂バッグと前記治具成形面とを第２シール材により接着して前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記樹脂バッグにより前記複合材料を気密に封止する封止工程と、
    前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧工程と、
    前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる熱硬化工程と、を備え、
    前記封止工程は、通気空間を確保するための通気用部材を、前記第１シール領域を取り囲み、かつ前記通気用部材の外周側端部から前記第２シール材までの距離が、前記通気用部材の内周側端部から前記第１シール材までの距離よりも短くなるように、前記通気用部材を前記第２空間に配置する複合材成形方法。
  2. 複合材を成形する複合材成形方法であって、
    密閉可能な圧力容器の内部空間に設置された成形用治具の治具成形面に複合材料を配置する配置工程と、
    樹脂バッグと前記治具成形面とを第１シール材により接着して前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記樹脂バッグと前記治具成形面とを第２シール材により接着して前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記樹脂バッグにより前記複合材料を気密に封止する封止工程と、
    前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧工程と、
    前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる熱硬化工程と、を備え、
    前記封止工程は、通気空間を確保するための通気用部材を、前記第１シール領域を取り囲むように前記第２空間に配置し、
    前記減圧工程は、前記第１空間と減圧部とを連通させるように前記樹脂バッグに取り付けられる第１減圧ポートを介して前記第１空間を減圧し、前記第２空間と前記減圧部とを連通させるように前記樹脂バッグに取り付けられる第２減圧ポートを介して前記第２空間を減圧し、
    前記樹脂バッグに取り付けられる前記第１減圧ポートの数は、前記樹脂バッグに取り付けられる前記第２減圧ポートの数よりも多い複合材成形方法。
  3. 前記樹脂バッグは、ナイロンまたはポリウレタンを主成分とする樹脂フィルムにより形成されている請求項１または請求項２に記載の複合材成形方法。
  4. 前記複合材料は、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の複合材成形方法。
  5. 複合材を成形する複合材成形装置であって、
    密閉可能な圧力容器と、
    前記圧力容器の内部空間に設置されるとともに複合材料を配置するための治具成形面を有する成形用治具と、
    前記治具成形面に第１シール材により接着されて前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記治具成形面に第２シール材により接着されて前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記複合材料を気密に封止する樹脂バッグと、
    前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧部と、
    前記減圧部により減圧される前記第２空間において通気空間を確保する通気用部材と、
    前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる水蒸気供給部と、を備え、
    前記通気用部材は、外周側端部から前記第２シール材までの距離が、内周側端部から前記第１シール材までの距離よりも短くなるように前記第２空間に配置される複合材成形装置。
  6. 複合材を成形する複合材成形装置であって、
    密閉可能な圧力容器と、
    前記圧力容器の内部空間に設置されるとともに複合材料を配置するための治具成形面を有する成形用治具と、
    前記治具成形面に第１シール材により接着されて前記複合材料を取り囲む無端状の第１シール領域を形成し、前記治具成形面に第２シール材により接着されて前記複合材料を取り囲むとともに前記第１シール領域よりも外側に配置される無端状の第２シール領域を形成し、前記複合材料を気密に封止する樹脂バッグと、
    前記第１シール領域の内側の第１空間および前記第１シール領域と前記第２シール領域との間の第２空間を減圧する減圧部と、
    前記減圧部により減圧される前記第２空間において通気空間を確保する通気用部材と、
    前記圧力容器を密閉した状態で前記圧力容器の前記内部空間へ所定の温度及び所定の圧力の水蒸気を供給して前記複合材料を熱硬化させる水蒸気供給部と、を備え、
    前記減圧部は、前記樹脂バッグに取り付けられる第１減圧ポートを介して前記第１空間を減圧し、前記樹脂バッグに取り付けられる第２減圧ポートを介して前記第２空間を減圧し、
    前記樹脂バッグに取り付けられる前記第１減圧ポートの数は、前記樹脂バッグに取り付けられる前記第２減圧ポートの数よりも多い複合材成形装置。
  7. 前記樹脂バッグは、ナイロンまたはポリウレタンを主成分とする樹脂フィルムにより形成されている請求項５または請求項６に記載の複合材成形装置。
  8. 前記複合材料は、繊維基材が樹脂材料とともに積層された積層体である請求項５から請求項７のいずれか一項に記載の複合材成形装置。
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