JP7326618B2 - 加熱装置および加熱方法 - Google Patents

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Description

本開示は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する加熱装置および加熱方法に関するものである。
従来、炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む複数の複合材料を加熱し、熱可塑性樹脂を溶融させて複数の複合材料を融着させる技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１には、誘導コイルと複合材料の表面の間の空間に空気を噴射して複合材料の表面の温度を低下させることにより、誘導コイルに近接した複合材料の表面を熱による損傷から保護することが開示されている。
M.Duhovic et al. "ADVANCED 3D FINITE ELEMENT SIMULATION OF THERMOPLASTIC CARBON FIBER COMPOSITE INDUCTION WELDING" 16th EUROPEAN CONFERENCE ON COMPOSITE MATERIALS， Seville, Spain, 22-26 June 2014
複数の複合材料を適切に融着するためには、熱可塑性樹脂が加熱された状態で複合材料同士を適切に加圧する必要がある。しかしながら、非特許文献１では、誘導コイルと複合材料の表面の間の空間に空気を流通させるため、誘導コイルにより加熱される位置において、複合材料を融着位置に向けて加圧することができない。非特許文献１では、複合材料を誘導コイルにより加熱する位置から搬送させた位置でローラにより加圧しているため、複合材料を誘導コイルにより加熱する位置よりも熱可塑性樹脂の温度が低下し、好ましい融着状態を得ることができない可能性がある。
また、複合材料に加熱装置を接触させることにより、複合材料を加圧しながら加熱することができるが、加熱装置から複合材料に伝達される熱により、加熱装置により加圧されない部分の複合材料が加熱されてしまう可能性がある。この場合、加圧されない部分の複合材料が加熱により膨張するなどして変形が生じてしまい、成形不良となっ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、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する際に、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することが可能な加熱装置および加熱方法を提供することを目的とする。
本開示の一態様に係る加熱装置は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体の第１領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱部と、前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面に接触する前記積層体の第２領域の外側に位置する前記積層体の第３領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却部と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧部と、を備え、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
本開示の一態様に係る加熱方法は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体の第１領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱工程と、前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面に接触する前記積層体の第２領域の外側に位置する前記積層体の第３領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却工程と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧工程と、を備え、前記加熱工程を実行する際に、前記冷却工程および前記加圧工程が同時に実行され、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
本開示によれば、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する際に、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することが可能な加熱装置および加熱方法を提供することができる。
本開示の一実施形態に係る加熱装置を示す断面図である。 図１に示す加熱装置を上方からみた平面図である。 図１に示す積層体の上面の水平方向の各位置における温度を示すグラフである。 図１に示す加熱装置を積層体の上面で移動させる際の移動経路の一例を示す平面図である。 図１に示す加熱装置を積層体の上面で隣接する位置に移動させる際の移動方向の一例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第１変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第２変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第３変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第４変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第５変形例を示す断面図である。 一対の加熱装置により積層体の上面および下面を加熱および加圧する例を示す図である。 加熱装置により複数の積層体を融着させる例を示す断面図である。
以下、本開示の一実施形態に係る加熱装置１００およびそれを用いた加熱方法について、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加熱装置１００を示す断面図である。図２は、図１に示す加熱装置１００を上方からみた平面図である。
本実施形態の加熱装置１００は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む複数のシート状の複合材料２０１～２０６を含む積層体２００を加熱することにより、複数の複合材料２０１～２０６を密着させる装置である。加熱装置１００は、内部に配置される加熱機構１２により複合材料に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱する。
ここで軟化温度Ｔｓは、外力を付与することにより熱可塑性樹脂が変形可能となる温度であり、複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂の融点をＴｍとした場合、以下の式（１）で示される。
Ｔｓ＝Ｔｍ－Ｔｔｈ （１）
Ｔｔｈは、熱可塑性樹脂の種類に応じて予め定められる温度であり、例えば、３０℃である。
図１に示すように、積層体２００は、シート状の六層の複合材料２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６を積層したものである。積層体２００は、例えば、平坦形状を有するが、任意の曲面形状を有するものであってもよい。複合材料２０１～２０６のそれぞれは、繊維基材（例えば、炭素繊維）と熱可塑性樹脂を含む。加熱装置１００は、積層体２００を加圧した状態で軟化点以上に加熱することにより、複合材料２０１～２０６のそれぞれを密着させる。
複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）等である。
図１に示すように、本実施形態の加熱装置１００は、加熱部１０と、冷却部２０と、加圧部３０と、を備える。
加熱部１０は、積層体２００の上面２００ａと接触する接触面（第１接触面）１１ａを有する加熱用筐体１１と、加熱用筐体１１の内部に配置される加熱機構１２と、を有する。加熱部１０は、積層体２００の上面２００ａに接触する接触面１１ａを介して、接触面１１ａに接触する積層体２００に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱する。
加熱用筐体１１は、下方に接触面１１ａを有するとともに加熱機構１２が発生する熱を接触面１１ａに伝達可能な熱伝導性を有する材料（例えば、鉄系合金、アルミ系合金、セラミックス）により形成される中実の筐体である。加熱機構１２は、加熱用筐体１１を加熱する加熱源を有する。加熱源は、例えば、加熱用筐体１１の内部に配置される抵抗線に電流を流すことにより抵抗線を発熱させて加熱用筐体１１を加熱する電熱ヒータである。
冷却部２０は、積層体２００の上面２００ａと接触する接触面（第２接触面）２１ａを有する冷却用筐体２１と、冷却用筐体２１の内部に配置される冷却機構２２と、を有する。冷却部２０は、積層体２００の上面２００ａに接触する接触面２１ａを介して、接触面２１ａの外側に位置する積層体２００に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ未満に冷却する。
冷却用筐体２１は、下方に接触面２１ａを有するとともに接触面２１ａから冷却機構２２に熱を伝達可能な熱伝導性を有する材料（例えば、鉄系合金、アルミ系合金、セラミックス）により形成される中実の筐体である。冷却機構２２は、冷却用筐体２１の内部に配置される冷却配管に熱交換媒体（例えば、水）を流通させることにより冷却用筐体２１と冷却媒体との間で熱交換を行わせる機構である。
図１および図２に示すように、加熱用筐体１１は平面視が矩形状に形成され、冷却用筐体２１は加熱用筐体１１に接触した状態で加熱用筐体１１の全周を取り囲むように配置されている。同様に、冷却用筐体２１の接触面２１ａは、加熱用筐体１１の接触面１１ａの全周を取り囲むように配置されている。図２に示すように、冷却用筐体２１の外形は矩形状である。
図２に示す例では、加熱用筐体１１は平面視が矩形状に形成され、冷却用筐体２１の外形は矩形状であるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図２に点線で示す加熱部１０Ａおよび冷却部２０Ａとしてもよい。加熱部１０Ａの加熱用筐体１１Ａは楕円形状に形成され、冷却部２０Ａの冷却用筐体２１Ａの外形が楕円形状に形成される。また、楕円形状に替えて真円形状としてもよい。
加圧部３０は、加熱部１０の接触面１１ａおよび冷却部２０の接触面２１ａを介して積層体２００に所定の加圧力を付与する機構である。設置型３００は、積層体２００の複数の複合材料２０１～２０６を加熱装置１００により密着するために、積層体２００を設置する型である。
加圧部３０は、加圧方向ＰＤに沿って、積層体２００の上面２００ａと直交する方向に加圧力を付与する。加圧部３０は、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａを加圧する加圧状態（図１に実線で示す状態）と、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａから離間した非加圧状態（図１に点線で示す状態）とを切り替えることができる。
加圧部３０により加圧した状態で加熱部１０による加熱を行うことにより、積層体２００の複数の複合材料２０１～２０６を密着させることができる。また、積層体２００を軟化温度Ｔｓ以上の温度から軟化温度Ｔｓ未満の温度に冷却する際に、加圧部３０による加圧を継続することにより、複数の複合材料２０１～２０６が密着した状態を維持することができる。
次に、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａを加圧する加圧状態における積層体２００の上面２００ａの温度分布について説明する。図３は、図１に示す積層体２００の上面２００ａの水平方向ＨＤの各位置における温度を示すグラフである。図１に示すように、水平方向ＨＤは、積層体２００の上面２００ａが配置される方向に沿った方向である。
図１に示す位置ｘ１は、水平方向ＨＤにおいて、冷却用筐体２１の接触面２１ａと積層体２００の上面２００ａとの接触が開始する位置である。すなわち、位置ｘ１の左方側は接触面２１ａが接触しない領域である。位置ｘ２は、水平方向ＨＤにおいて、接触面２１ａから接触面１１ａに切り替わる位置である。位置ｘ３は、水平方向ＨＤにおいて、接触面１１ａから接触面２１ａに切り替わる位置である。位置ｘ４は、水平方向ＨＤにおいて、冷却用筐体２１の接触面２１ａと積層体２００の上面２００ａとの接触が終了する位置である。すなわち、位置ｘ４の右方側は接触面２１ａが接触しない領域である。
本実施形態の加熱装置１００は、積層体２００の上面２００ａの接触面１１ａと接触する領域が軟化温度Ｔｓよりも高い温度Ｔ２以上に加熱されるように、加熱部１０の加熱機構１２を調整する。図３に示すように、積層体２００の上面２００ａの接触面１１ａと接触する領域（位置ｘ２から位置ｘ３に至る領域）は、温度Ｔ２以上に維持される。
一方、本実施形態の加熱装置１００は、積層体２００の上面２００ａの接触面１１ａと接触する領域の外側の領域が、軟化温度Ｔｓよりも低い温度Ｔ１以下に冷却されるように、冷却部２０の冷却機構２２を調整する。図３に示すように、積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａの外側の領域（位置ｘ１よりも左方の領域、位置ｘ４よりも右方の領域）は、温度Ｔ１以下に維持される。
このように、本実施形態の加熱装置１００は、加熱部１０が発生する熱量と、冷却部２０の冷却機構２２が吸収する熱量とを調整することにより、積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａの外側の領域を温度Ｔ１以下に維持する。図３に示すように、冷却部２０の接触面２１ａと接触する積層体２００の領域（位置ｘ１から位置ｘ２に至る領域、位置ｘ３から位置ｘ４に至る領域）において軟化温度Ｔｓとなる領域が出現する。
ここで、図３に一点鎖線で示す比較例について説明する。図３に示す比較例は、冷却部２０の冷却機構２２に冷却媒体を流通させない状態とした場合の積層体２００の上面２００ａの水平方向ＨＤの各位置における温度を示す。図３に示す比較例では、冷却部２０は積層体２００の上面２００ａを冷却する能力を持たない。
図３に示す比較例では、積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａと接触する領域の外側の領域（位置ｘ１よりも左方の領域および位置ｘ４よりも右方の領域）の一部が軟化温度Ｔｓよりも高い温度となっている。積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａと接触する領域の外側で、かつ軟化温度Ｔｓよりも高い温度となる領域は、接触面２１ａにより加圧されない領域である。そのため、軟化温度Ｔｓよりも高い温度となった積層体２００の上面２００ａに膨張等の変形が生じる可能性がある。
次に、加熱装置１００を積層体２００の上面２００ａで移動させる際の移動方法について説明する。図４は、図１に示す加熱装置を積層体２００の上面で移動させる際の移動経路の一例を示す平面図である。図４において、ｘ軸およびｙ軸は、互いに直交するとともに積層体２００の上面２００ａに平行な軸線である。
図４に示すように、本実施形態においては、移動機構（図示略）を用いて、加熱装置１００を位置ｐ１，位置ｐ２，位置ｐ３，位置ｐ４，位置ｐ５，位置ｐ６，位置ｐ７，位置ｐ８，位置ｐ９，位置ｐ１０の順に、実線に沿って移動させる。移動機構は、位置ｐ１から位置ｐ２に加熱装置１００を移動させる際は、加熱装置１００をｘ軸と平行に移動させる。位置ｐ３から位置ｐ４，位置ｐ５から位置ｐ６，位置ｐ７から位置ｐ８，位置ｐ９から位置ｐ１０への移動も同様である。
移動機構は、位置ｐ２から位置ｐ３に加熱装置１００を移動させる際は、加熱装置１００をｙ軸と平行に移動させる。位置ｐ４から位置ｐ５，位置ｐ６から位置ｐ７，位置ｐ８から位置ｐ９への移動も同様である。このように、図４に示す例では、ｘ軸に沿った移動と、ｘ軸に直交するｙ軸に沿った移動とを交互に繰り返すことにより、加熱装置１００を蛇行させながら積層体２００の各位置を加熱するように移動させる。
図４に示す移動経路は、ｘ軸に沿った移動と、ｘ軸に直交するｙ軸に沿った移動とを交互に繰り返すものであったが、他の態様であってもよい。加熱装置１００の移動経路は、積層体２００の各領域を加熱部１０の接触面１１ａにより所定時間以上に渡って加熱できるものであれば、任意の移動経路としてもい。
図５は、図１に示す加熱装置１００を積層体２００の上面２００ａで隣接する位置に移動させる際の移動方向の一例を示す断面図である。位置ｐＡは、現在の加熱装置１００が配置される中心位置を示す。位置ｐＤは、加熱装置１００を現在の位置から隣接する位置に移動させた際の加熱装置１００の中心位置を示す。
加熱装置１００を位置ｐＡから位置ｐＤに移動させる際は、例えば、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａに接触した状態を維持したまま、位置ｐＡから位置ｐＤに直接的に移動させることができる。また、例えば、加熱装置１００を位置ｐＡの上方の位置ｐＢへ移動させて接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａから離間するようにしてもよい。この場合、移動機構（図示略）は、位置ｐＢから位置ｐＤの上方の位置ｐＣへ加熱装置１００を移動させた後、位置ｐＣから位置ｐＤへ加熱装置１００を移動させる。
加熱装置１００により積層体２００の上面２００ａを位置ｐＡで加熱した後、隣接する位置ｐＤに移動させる前には、接触面１１ａおよび接触面２１ａに接触する領域を加圧しながら冷却して積層体２００の上面２００ａを固化させる。例えば、加圧部３０による加圧力の付与を維持したまま、加熱装置１００の加熱機構１２による加熱を停止させることにより、積層体２００の上面２００ａを軟化温度Ｔｓ未満の温度となるように冷却する。
また、加熱部１０の内部に冷却機構（図示略）を設けておき、加熱装置１００を用いて接触面１１ａに接触する積層体２００の上面２００ａを冷却する際に、接触面１１ａを冷却機構により冷却するようにしてもよい。また、例えば、加熱装置１００を取り外し、他の冷却型（図示略）で積層体２００の上面２００ａを加圧しながら冷却してもよい。
本実施形態の加熱装置１００を用いた加熱方法では、加熱部１０により接触面１１ａに接触する積層体２００の上面２００ａを加熱する加熱工程と、冷却部２０により接触面２１ａに接触する積層体２００の上面２００ａを冷却する冷却工程と、接触面１１ａおよび接触面２１ａを介して積層体２００に所定の加圧力を付与する加圧工程とが、同時に実行される。
〔第１変形例〕
次に、図１に示す加熱装置１００の第１変形例について図６を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ａは、加熱機構１２Ａが、積層体２００に含まれる強化繊維に電流を発生させて積層体２００を発熱させる誘導コイルを有する点が図１に示す加熱装置１００と異なる。
図６に示す加熱機構１２Ａは、交流電源（図示略）から供給される所定周波数の交流電流により周囲に磁力線を発生させ、近接する位置に配置される導電性を有する強化繊維に電流を発生させる誘導コイルを有する。図６に示す積層体２００に含まれる複合材料２０１～２０６は、導電性を有する強化繊維（例えば、炭素繊維）を有する。
誘導コイルは、積層体２００を加熱することにより複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱する。複合材料２０１～２０６が接触し、かつ加圧された状態で配置されているため、これらに含まれる熱可塑性樹脂が軟化温度Ｔｓ以上に加熱されると、軟化した熱可塑性樹脂が一体化し、複合材料２０１～２０６が密着する。
〔第２変形例〕
次に、図１に示す加熱装置１００の第２変形例について図７を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｂは、加熱機構１２Ｂが、加熱用筐体１１に振動を発生させることにより積層体２００を発熱させる超音波振動子を有する点が図１に示す加熱装置１００と異なる。
超音波振動子は、積層体２００を超音波により振動させることにより、複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に発熱させる。複合材料２０１～２０６が接触し、かつ加圧された状態で配置されているため、これらに含まれる熱可塑性樹脂が軟化温度Ｔｓ以上に加熱されると、軟化した熱可塑性樹脂が一体化し、複合材料２０１～２０６が密着する。
〔第３変形例〕
次に、図１に示す加熱装置１００の第３変形例について図８を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｃは、冷却用筐体２１が断熱材４０を挟んだ状態で加熱用筐体１１を取り囲むように配置される点が、図１に示す加熱装置１００と異なる。
断熱材４０は、冷却用筐体２１と加熱用筐体１１との間で熱交換される熱量を減少させる部材である。断熱材を冷却用筐体２１と加熱用筐体１１との間に配置することにより、例えば、所望の冷却性能を得るために必要な冷却機構２２の冷却能力を低くし、冷却部２０を小型化することができる。
〔第４変形例〕
次に、図１に示す加熱装置１００の第４変形例について図９を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｄは、冷却用筐体２１の外部に、冷却用気体を噴射して冷却用筐体２１を冷却する冷却機構２２Ｄを有する点が、図１に示す加熱装置１００と異なる。
冷却機構２２Ｄは、冷却用気体ＣＧを冷却用筐体２１に向けて噴射して冷却用筐体２１を冷却する機構である。冷却用気体ＣＧは、例えば、常温の空気である。冷却機構２２Ｄにより噴射された冷却用気体ＣＧは、冷却用筐体２１および冷却用筐体２１に隣接する積層体２００の上面２００ａを冷却する。
なお、図１に示す加熱装置１００、図６に示す加熱装置１００Ａ、図７に示す加熱装置１００Ｂ、および図９に示す加熱装置１００Ｄでは、加熱用筐体１１および冷却用筐体２１を、互いに分離した別体の筐体としたが、他の態様であってもよい。例えば、加熱用筐体１１および冷却用筐体２１を、単一材料（例えば、鉄系合金、アルミ系合金、セラミックス）により一体に形成してもよい。
〔第５変形例〕
次に、図１に示す加熱装置１００の第５変形例について図１０を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｅは、加熱部１０が有する加熱機構１２Ｅが、加熱用筐体１１に接触した接触状態と加熱用筐体１１から離間した非接触状態とを切り替え可能である点が、図１に示す加熱装置１００と異なる。
図１０に示すように、加熱機構１２Ｅは、接触面１１ａを有する加熱用筐体１１に接触して配置される機構である。加熱用筐体１１および冷却用筐体２１は、単一材料により一体に形成されている。加熱機構１２Ｅは、加熱用筐体１１に接触した接触状態（図１０に実線で示す状態）と加熱用筐体１１から離間した非接触状態（図１０に点線で示す状態）とを切り替え可能な機構である。加熱機構１２Ｅの内部には、加熱用筐体１１が接触した状態で加熱用筐体１１を加熱する加熱源（図示略）が配置されている。
加熱装置１００Ｅは、積層体２００の上面２００ａを加熱する際には、加熱機構１２Ｅが加熱用筐体１１に接触した接触状態とし、加熱機構１２Ｅにより加熱用筐体１１を加熱する。一方、加熱装置１００Ｅは、積層体２００の上面２００ａを冷却する際には、加熱用筐体１１の接触面１１ａを積層体２００の上面２００ａに接触させたまま、加熱機構１２Ｅを加熱用筐体１１から離間した非接触状態とする。加熱機構１２Ｅを加熱用筐体１１から離間させることにより、加熱機構１２Ｅから加熱用筐体１１への伝熱量が減少し、積層体２００の上面２００ａの冷却が促進する。
〔第１変形例から第５変形例の組み合わせ〕
以上において、図１に示す加熱装置１００の第１変形例から第５変形例について説明したが、図１に示す加熱装置１００に対して第１変形例から第５変形例に含まれる複数の変形例を組み合わせてもよい。例えば、第１変形例の加熱装置１００Ａまたは第２変形例の加熱装置１００Ｂに第３変形例を適用し、冷却用筐体２１が断熱材４０を挟んだ状態で加熱用筐体１１を取り囲むように配置されるようにしてもよい。
また、例えば、第１変形例の加熱装置１００Ａ、第２変形例の加熱装置１００Ｂ、第３変形例の加熱装置１００Ｃ、第５変形例の加熱装置１００Ｅに第４変形例を適用し、冷却用筐体２１の外部に、冷却用気体を噴射して冷却用筐体２１を冷却する冷却機構２２Ｄを有するようにしてもよい。
〔その他の変形例〕
以上の説明において、積層体２００を密着させる際に、積層体２００を設置型３００に設置し、積層体２００の上面２００ａを加熱装置１００により加熱しつつ加圧するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１１に示すように、一対の加熱装置１００により積層体２００の上面２００ａおよび下面２００ｂを加熱および加圧するようにしてもよい。図１１は、一対の加熱装置１００により積層体２００の上面２００ａおよび下面２００ｂを加熱および加圧する例を示す図である。
図１１では、積層体２００の上面２００ａを一方の加熱装置１００で加熱し、積層体２００の下面２００ｂを他方の加熱装置１００で加熱する。一方の加熱装置１００は積層体２００の上面２００ａを下方に向けた加圧方向ＰＤ１に沿って加圧し、他方の加熱装置１００は積層体２００の下面２００ｂを上方に向けた加圧方向ＰＤ２に沿って加圧する。このようにすることで、積層体２００の上面２００ａおよび下面２００ｂを同時に加熱および加圧して、複数の複合材料２０１～２０６を密着させることができる。
以上の説明において、加熱装置１００は、互いに密着していない複数の複合材料２０１～２０６を積層した積層体２００を加熱および加圧するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１２に示すように、積層体２００と積層体４００とを、加熱装置１００により融着させるようにしてもよい。図１２は、加熱装置１００により複数の積層体２００，４００を融着させる例を示す断面図である。
図１２に示す積層体２００は、予め複合材料２０１，２０２，２０３を密着させたものである。また、積層体４００は、予め複合材料４０１，４０２，４０３を密着させたものである。図１２に示す例では、予め複合材料２０１，２０２，２０３を密着させた積層体２００と、予め複合材料４０１，４０２，４０３を密着させた積層体４００を接触した状態で配置する。加熱装置１００は、積層体２００の上面２００ａを加熱することにより、積層体２００と積層体４００とが接触する面の近傍の熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱し、積層体２００と積層体４００とを融着させる。
図１２に示す例において、加熱装置１００の加熱機構１２は、図６に示す誘導コイルを有する加熱機構１２Ａとしてもよい。この場合、積層体２００と積層体４００との間に、電磁誘導加熱を促進する発熱助体（サセプタ）を配置するのが好ましい。積層体２００と積層体４００との間に配置される発熱助体に誘導電流を生じさせることにより、積層体２００と積層体４００との接触部分の加熱を促進させることができる。
以上説明した実施形態に記載の加熱装置は、例えば以下のように把握される。
本開示に係る加熱装置（１００）は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料（２０１～２０６）を含む積層体（２００）を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面（１１ａ）を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度（Ｔｓ）以上に加熱する加熱部（１０）と、前記積層体に接触する第２接触面（２１ａ）を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却部（２０）と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧部（３０）と、を備え、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
本開示に係る加熱装置によれば、加熱部が、第１接触面を介して積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料を軟化温度以上に加熱し、第１接触面を介して積層体に所定の加圧力が付与される。第１接触面と接触する積層体の領域は、加圧された状態で加熱されるため、膨張等の変形が生じることが防止される。
また、本開示に係る加熱装置によれば、第２接触面と接触する積層体の領域は、第１接触面を介して加熱された積層体から熱が伝達されて加熱されるが、第２接触面を介して所定の加圧力が付与される。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に膨張等の変形が生じることが防止される。
さらに、本開示に係る加熱装置によれば、冷却部が第２接触面の外側に位置する積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料を軟化温度未満に冷却する。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に伝達された熱により、第２接触面よりもさらに外側に配置される積層体の領域が軟化温度以上に加熱されることが防止される。これにより、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することができる。
本開示に係る加熱装置において、前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体（１１）と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構（１２）と、を有し、前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体（２１）と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構（２２）と、を有し、前記冷却用筐体は、断熱材（４０）を挟んだ状態で前記加熱用筐体を取り囲むように配置される構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、冷却機構により冷却される冷却用筐体が、断熱材を挟んだ状態で加熱機構により加熱される加熱用筐体を取り囲むように配置される。そのため、断熱材を設けない場合に比べて冷却用筐体と加熱用筐体との間で熱交換される熱量が減少する。これにより、例えば、所望の冷却性能を得るために必要な冷却機構の冷却能力を低くし、冷却部を小型化することができる。
本開示に係る加熱装置において、前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体（１１）と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構（１２）と、を有し、前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体（２１）と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構（２２）と、を有し、前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されている構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、加熱用筐体および冷却用筐体が単一材料により一体に形成されているため、加熱用筐体および冷却用筐体を別体とする場合に比べ、加熱用筐体と冷却用筐体との間に熱可塑性樹脂が侵入する等の不具合が生じることがない。
上記構成に係る加熱装置において、前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体（１１）と、前記加熱用筐体に接触して配置される加熱機構（１２Ｅ）と、を有し、前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体（２１）と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構（２２）と、を有し、前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されており、前記加熱機構が前記加熱用筐体に接触した接触状態と前記加熱用筐体から離間した非接触状態とを切り替え可能である構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、加熱用筐体および冷却用筐体が単一材料により一体に形成されているため、加熱用筐体および冷却用筐体を別体とする場合に比べ、加熱用筐体と冷却用筐体との間に熱可塑性樹脂が侵入する等の不具合が生じることがない。また、加熱機構が加熱用筐体から離間した非接触状態に切り替えることにより、加熱機構による加熱を停止して積層体を加圧しながら冷却する際の冷却速度が向上する。
上記構成に係る加熱装置において、前記加熱機構は、前記加熱用筐体を加熱する加熱源を有する構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、加熱源を介して加熱用筐体を加熱することにより、第１接触面に接触する複合材料に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱することができる。
上記構成に係る加熱装置において、前記加熱機構は、前記加熱用筐体に振動を発生させることにより前記積層体を発熱させる超音波振動子を有する構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、超音波振動子により加熱用筐体に振動を発生させて積層体を発熱させることにより、第１接触面に接触する積層体に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱することができる。
上記構成に係る加熱装置において、前記加熱機構は、前記積層体に含まれる前記強化繊維に電流を発生させて前記積層体を発熱させる誘導コイルを備える構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、誘導コイルにより積層体に含まれる強化繊維に電流を発生させて積層体を発熱させることにより、第１接触面に接触する積層体に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱することができる。
上記構成に係る加熱装置において、前記冷却機構は、冷却用気体を噴射して前記冷却用筐体（２１）を冷却する構成が好ましい。
本構成に係る加熱装置によれば、冷却用気体を噴射して冷却用筐体を冷却することにより、積層体に接触した状態で配置される第２接触面を軟化温度未満に冷却することができる。
以上説明した各実施形態に記載の加熱方法は、例えば以下のように把握される。
本開示に係る加熱方法は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料（２０１～２０６）を含む積層体（２００）を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面（１１ａ）を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度（Ｔｓ）以上に加熱する加熱工程と、前記積層体に接触する第２接触面（２１ａ）を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却工程と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧工程と、を備え、前記加熱工程を実行する際に、前記冷却工程および前記加圧工程が同時に実行され、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
本開示に係る加熱方法によれば、加熱工程において、第１接触面を介して積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料を軟化温度以上に加熱し、加熱工程と同時に実行される加圧工程において、第１接触面を介して積層体に所定の加圧力が付与される。第１接触面と接触する積層体の領域は、加圧された状態で加熱されるため、膨張等の変形が生じることが防止される。
また、本開示に係る加熱方法によれば、加熱工程において、第２接触面と接触する積層体の領域は、第１接触面を介して加熱された積層体から熱が伝達されて加熱されるが、加圧工程において、第２接触面を介して所定の加圧力が付与される。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に膨張等の変形が生じることが防止される。
さらに、本開示に係る加熱方法によれば、加熱工程と同時に実行される冷却工程において、第２接触面の外側に位置する積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料の軟化温度未満に冷却する。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に伝達された熱により、第２接触面よりもさらに外側に配置される積層体の領域が軟化温度以上に加熱されることが防止される。これにより、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することができる。
１０，１０Ａ 加熱部
１１，１１Ａ 加熱用筐体
１１ａ 接触面（第１接触面）
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｅ 加熱機構
２０，２０Ａ 冷却部
２１，２１Ａ 冷却用筐体
２１ａ 接触面（第２接触面）
２２，２２Ｄ 冷却機構
３０ 加圧部
４０ 断熱材
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ 加熱装置
２００，４００ 積層体
２００ａ 上面
２００ｂ 下面
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，４０１，４０２，４０３ 複合材料
３００ 設置型
４００ 積層体
ＣＧ 冷却用気体
ＨＤ 水平方向
ＰＤ，ＰＤ１，ＰＤ２ 加圧方向
Ｔｓ 軟化温度

Claims (9)

  1. 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する加熱装置であって、
    前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体の第１領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱部と、
    前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面に接触する前記積層体の第２領域の外側に位置する前記積層体の第３領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却部と、
    前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧部と、を備え、
    前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている加熱装置。
  2. 前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構と、を有し、
    前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構と、を有し、
    前記冷却用筐体は、断熱材を挟んだ状態で前記加熱用筐体を取り囲むように配置される請求項１に記載の加熱装置。
  3. 前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構と、を有し、
    前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構と、を有し、
    前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されている請求項１に記載の加熱装置。
  4. 前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体と、前記加熱用筐体に接触して配置される加熱機構と、を有し、
    前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構と、を有し、
    前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されており、
    前記加熱機構が前記加熱用筐体に接触した接触状態と前記加熱用筐体から離間した非接触状態とを切り替え可能である請求項１に記載の加熱装置。
  5. 前記加熱機構は、前記加熱用筐体を加熱する加熱源を有する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
  6. 前記加熱機構は、前記加熱用筐体に振動を発生させることにより前記積層体を発熱させる超音波振動子を有する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
  7. 前記加熱機構は、前記積層体に含まれる前記強化繊維に電流を発生させて前記積層体を発熱させる誘導コイルを有する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
  8. 前記冷却機構は、冷却用気体を噴射して前記冷却用筐体を冷却する請求項２から請求項７のいずれか一項に記載の加熱装置。
  9. 強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する加熱方法であって、
    前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体の第１領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱工程と、
    前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面に接触する前記積層体の第２領域の外側に位置する前記積層体の第３領域に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却工程と、
    前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧工程と、を備え、
    前記加熱工程を実行する際に、前記冷却工程および前記加圧工程が同時に実行され、
    前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている加熱方法。
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