JP7358425B2 - 複合材の加工装置及び複合材の加工方法 - Google Patents
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Description
本開示は、複合材の加工装置及び複合材の加工方法に関するものである。
航空機の胴体、主翼等の航空機部品は、例えば熱可塑性の炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）等の複合材が用いられる場合がある。このような熱可塑性の複合材を所望の形状に加工する方法として、プレス成形が知られている（例えば、特許文献１）。
特許文献１には、それぞれ中央部分が下方に凹むように湾曲して段差部が形成されている一対の成形型体によって、被成形材料を加工する方法が記載されている。この方法では、まず、被成形材料を一対の成形型体の間に設置し所定の間隔で圧接した状態にセットする。次に、加熱プレス機に被成形材料を挟持した成形型体をセットし、被成形材料の厚さ方向の両側から圧接して加熱・加圧処理を行う。加熱・加圧処理を行った後、成形型体を加熱プレス機から取り出し、冷却プレス機にセットし、被成形材料の厚さ方向の両側から圧接して冷却・加圧処理を行う。このようにして、被成形材料を固化させ、成形品に仕上げている。
熱可塑性の複合材のプレス成形する際には、複合材の温度を均一化するために、金型の温度を均一化することが重要である。しかしながら、特許文献１の装置では、加熱プレス型体に内蔵されているヒータによって、加熱プレス型体及び被成形材料を加熱している。また、冷却装置によって冷却プレス型体を冷却している。したがって、加熱プレス型体や冷却プレス型体（以下、「金型」と称する。）を加熱又は冷却した場合、ヒータや冷却装置（以下、「温度調整装置」と称する。）の近傍は、温度調整装置の影響を受け易いので、昇温又は降温し易い。一方、温度調整装置から遠い箇所は、温度調整装置の影響を受け難いので、昇温又は降温し難い。よって、金型内で温度調整部からの距離に応じた温度差が生じる。したがって、金型における温度のバラつきが大きくなってしまう可能性があった。
金型の温度が不均一となると、金型の温度が伝達する被成形材料（複合材）にも温度のバラつきが生じる。特に、複合材の冷却時に金型の温度が不均一となると、複合材の温度のバラつきによって、複合材の凝固進行が場所によって不均一となる。複合材の凝固進行が不均一となると、複合材に、凝固済みの箇所と凝固していない箇所（以下、「未凝固箇所」と称する）とが生じることとなる。これにより、凝固済みの箇所が金型と当接することで、未凝固箇所への圧力の印加を阻害する。これにより、未凝固箇所において、加圧不足や複合材と金型との接触不良を引き起こし、好適に複合材を押圧することができない可能性があった。複合材を好適に押圧することができないことで、加工後の成形品に、ボイドや層間剥離等の内部品質が悪化する可能性があった。また、表面樹脂剥離等の表面品質が悪化する可能性があった。
また、熱可塑性の複合材同士を融着する際にも、複合材の温度を均一化することが重要である。複合材同士を融着する場合、複合材を加熱する。この際に、複合材が均一に加熱されないと、複合材の一部が早く溶融する。すなわち、溶融済みの箇所と溶融してない箇所とが生じる。これにより、溶融していない箇所が金型と当接することで、溶融した箇所への圧力の印加を阻害する。これにより、溶融した箇所において、加圧不足や複合材と金型との接触不良を引き起こし、好適に複合材を押圧することができない可能性があった。複合材を好適に押圧することができないことで、加工後の成形品に、ボイドや層間剥離等の内部品質が悪化する可能性があった。また、表面樹脂剥離等の表面品質が悪化する可能性があった。
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、好適に複合材を押圧することができる複合材の加工装置及び複合材の加工方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示の複合材の加工装置及び複合材の加工方法は以下の手段を採用する。
本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、樹脂と繊維とが複合している複合材を押圧する押圧面を有する金型と、前記複合材の温度を調整する温度調整部と、前記押圧面と前記複合材との間に設けられ、前記金型からの押圧力によって変形するとともに、熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部と、を備える。
本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、樹脂と繊維とが複合している複合材を押圧する押圧面を有する金型と、前記複合材の温度を調整する温度調整部と、前記押圧面と前記複合材との間に設けられ、前記金型からの押圧力によって変形するとともに、熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部と、を備える。
本開示の一態様に係る複合材の加工方法は、金型の押圧面で樹脂と繊維とが複合している複合材を押圧する押圧工程と、温度調整部によって、前記複合材の温度を調整する温度調整工程と、を備え、前記押圧工程は、前記押圧面と前記複合材との間に、前記金型からの押圧力によって変形するとともに熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部を設けた状態で押圧する。
本開示によれば、好適に複合材を押圧することができる。
以下に、本開示に係る複合材の加工装置及び複合材の加工方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。以下の説明では、金型が複合材を押圧する方向を「押圧方向」又は「面外方向」と称し、押圧方向と交差する方向を「交差方向」又は「面内方向」と称する。
〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施形態に係る加工装置１０は、航空機構造体を構成する航空機部品であるストリンガ、スパー、フレーム、リブ等を製造するために、その材料となる複合材１を所望の形状へ成形するための装置である。すなわち、加工装置１０は、複合材１に対してプレス成形を行う装置である。被加工物である複合材１の例として、例えば、熱可塑性の樹脂と繊維とが複合した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が挙げられる。具体的には、複合材１は、繊維に樹脂が含浸している繊維強化シートを複数枚積層した積層体であってもよい。なお、複合材１は、繊維と樹脂とが複合した複合材１であればよく、熱可塑性の炭素繊維強化プラスチックに限定されない。複合材１は、例えば、熱硬化性の複合材１であってもよい。
以下、本開示の第１実施形態について、図１及び図２を用いて説明する。
本実施形態に係る加工装置１０は、航空機構造体を構成する航空機部品であるストリンガ、スパー、フレーム、リブ等を製造するために、その材料となる複合材１を所望の形状へ成形するための装置である。すなわち、加工装置１０は、複合材１に対してプレス成形を行う装置である。被加工物である複合材１の例として、例えば、熱可塑性の樹脂と繊維とが複合した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が挙げられる。具体的には、複合材１は、繊維に樹脂が含浸している繊維強化シートを複数枚積層した積層体であってもよい。なお、複合材１は、繊維と樹脂とが複合した複合材１であればよく、熱可塑性の炭素繊維強化プラスチックに限定されない。複合材１は、例えば、熱硬化性の複合材１であってもよい。
［加工装置１０］
本実施形態に係る複合材１の加工装置１０は、図１及び図２に示すように、複合材１を押圧する金型１１と、金型１１に内蔵される冷却水配管（温度調整部）１２と、金型１１を押圧する押圧装置（図示省略）と、金型１１と複合材１との間に設けられるグラファイトシート（緩衝部）１３と、を備えている。
本実施形態に係る複合材１の加工装置１０は、図１及び図２に示すように、複合材１を押圧する金型１１と、金型１１に内蔵される冷却水配管（温度調整部）１２と、金型１１を押圧する押圧装置（図示省略）と、金型１１と複合材１との間に設けられるグラファイトシート（緩衝部）１３と、を備えている。
金型１１は、複合材１の押圧方向の一方側に配置される第１金型１１Ａと、複合材１の押圧方向の他方側に配置される第２金型１１Ｂと、を有している。第１金型１１Ａと第２金型１１Ｂとは、複合材１を挟むように配置されている。本実施形態では、第１金型１１Ａと第２金型１１Ｂとは、略同一の構成であるので、以下の説明では、第１金型１１Ａと第２金型１１Ｂとを分けて説明する必要がある場合を除き、第１金型１１Ａ及び第２金型１１Ｂを単に「金型１１」として説明する。
金型１１は、金属材料で形成されている。金型１１を形成する金属材料の例として、例えば、Ｓ５０Ｃ等の炭素鋼やＳＵＳ３０４などの合金鋼、インバー等が挙げられる。金型１１は、複合材１が配置される側の面が押圧面１１ａとされている。本実施形態では、押圧面１１ａは、平面とされている。また、押圧面１１ａには、全域を覆うようにグラファイトシート１３が取り付けられている。
押圧装置は、図１及び図２の矢印Ｐで示すように、第１金型１１Ａを第２金型１１Ｂ方向へ移動させる。すなわち、押圧装置は、押圧面１１ａが複合材１を押圧するように、金型１１を移動させる。押圧装置の駆動力によって、第１金型１１Ａと第２金型１１Ｂとの間で複合材１が押圧され変形する。なお、押圧装置は、第１金型１１Ａ及び第２金型１１Ｂの両方を互いに近付くように移動させてもよい。
冷却水配管１２は、内部を冷却水が流通している。冷却水配管１２は、金型１１の内部に埋め込まれるように、複数設けられている。各冷却水配管１２は、交差方向（図１及び図２の紙面奥行方向）に沿って延在している。複数の冷却水配管１２は、交差方向（図１及び図２の紙面左右方向）に所定の間隔で並んで配置されている。冷却水配管１２は、内部を流通する冷却水によって金型１１を冷却する。詳細には、冷却水配管１２は、金型１１及びグラファイトシート１３等を介して、複合材１を冷却する。
また、金型１１には、冷却水配管１２と同様に、金型１１を加熱するための複数のヒータ（図示省略）が内蔵されている。複数のヒータ（温度調整部）は、冷却水配管１２と同様に、交差方向に沿って所定の間隔で並んで配置されている。ヒータは、金型１１を加熱する。詳細には、ヒータは、金型１１及びグラファイトシート１３等を介して、複合材１を加熱する。ヒータの例としては、例えば、電気を流すことで発熱する電熱線等が挙げられる。
グラファイトシート１３は、第１金型１１Ａの押圧面１１ａに取り付けられる第１グラファイトシート１３Ａと、第２金型１１Ｂの押圧面１１ａに取り付けられる第２グラファイトシート１３Ｂが存在するが、第１グラファイトシート１３Ａと、第２グラファイトシート１３Ｂとは同一の構成であるので、以下の説明では、第１グラファイトシート１３Ａと第２グラファイトシート１３Ｂとを分けて説明する必要がある場合を除き、第１グラファイトシート１３Ａ及び第２グラファイトシート１３Ｂを単に「グラファイトシート１３」として説明する。
グラファイトシート１３は、シート状の部材である。グラファイトシート１３は、一面が金型１１の押圧面１１ａと面接触している。また、グラファイトシート１３は、他面が複合材１の接触面１ａと接触している。ここで、複合材１の接触面１ａとは、複合材１の面のうち、グラファイトシート１３等を介して金型１１からの押圧力を受ける面である。なお、グラファイトシート１３と複合材１の間には、金属材料で形成された金属プレート（図示省略）を設けてもよい。金属プレートを設けることで、グラファイトシート１３の損傷を抑制することができるので、グラファイトシート１３を長寿命化することができる。また、加工後の複合材１の品質を向上させることができる。金属プレートは、金型１１と同材料から形成されていてもよい。
グラファイトシート１３は、柔軟性を有している。詳細には、金型１１からの押圧力によって、金型１１の押圧面１１ａ及び複合材１の接触面１ａの形状に応じて変形する程度の柔軟性を有している。グラファイトシート１３は、金型１１及び固化後の複合材１よりも柔軟性が高い。
グラファイトシート１３は、一般的に、面に沿う方向において特に熱伝導性が高い。一方、面に沿う方向と交差する方向（厚さ方向）の熱伝導性は低い。以下の説明では、熱伝導性が高い方向を「主たる熱伝導方向」と称する。本実施形態に用いられるグラファイトシート１３は、図２の矢印で示すように、主たる熱伝導方向が面内方向となっている。すなわち、面外方向の熱伝導性は、面内方向よりも低い。
グラファイトシート１３の厚さは、グラファイトシート１３が適切に変形するとともに、面内方向に温度が均一化される程度の厚さとされている。具体的には、本実施形態では、グラファイトシート１３の厚さは、一例として、０．１ｍｍ以上であって、かつ、５ｍｍ以下とされている。なお、グラファイトシート１３の厚さは、一例であって、上記の数値に限定されない。０．１ｍｍよりも薄くてもよく、また、５ｍｍよりも厚くてもよい。また、グラファイトシート１３以外の部材を緩衝材として用いる場合（例えば、後述する積層部材４１を緩衝材として用いる場合）には、緩衝材の厚さは、一例として、０．１ｍｍ以上であって、かつ、２０ｍｍ以下とされる。なお、緩衝材の厚さは、一例であって、上記の数値に限定されない。０．１ｍｍよりも薄くてもよく、また、２０ｍｍよりも厚くてもよい。
また、グラファイトシート１３は、金型１１からの押圧力によって弾性変形し、押圧力が作用しなくなると元の形状に戻る。これにより、グラファイトシート１３は繰り返し使用可能とされている。
また、グラファイトシート１３は、金型１１からの押圧力によって弾性変形し、押圧力が作用しなくなると元の形状に戻る。これにより、グラファイトシート１３は繰り返し使用可能とされている。
［加工方法］
次に、複合材１の加工方法について説明する。
まず、金型１１（第１金型１１Ａ及び第２金型１１Ｂ）の押圧面１１ａにグラファイトシート１３を取り付ける。なお、上述のように、グラファイトシート１３は繰り返し使用可能とされているので、すでにグラファイトシート１３が取り付けられている場合には、取り付ける工程は不要である。
次に、複合材１の加工方法について説明する。
まず、金型１１（第１金型１１Ａ及び第２金型１１Ｂ）の押圧面１１ａにグラファイトシート１３を取り付ける。なお、上述のように、グラファイトシート１３は繰り返し使用可能とされているので、すでにグラファイトシート１３が取り付けられている場合には、取り付ける工程は不要である。
次に、ヒータで所定の温度となるように金型１１を加熱する（温度調整工程）。次に、図１に示すように、加熱された状態の第１金型１１Ａ及び第２金型１１Ｂとの間に複合材１をセットする。セットする方法は特に限定されないが、例えば、第２金型１１Ｂの押圧面１１ａに取り付けられた第２グラファイトシート１３Ｂの上面に複合材１を載置することで、複合材１をセットする。
複合材１をセットすると、図１の矢印Ｐで示すように、押圧装置によって第１金型１１Ａを第２金型１１Ｂ方向へ移動させ複合材１を押圧する（押圧工程）。上述のように、金型１１は加熱された状態であるので、複合材１は、金型１１の熱によって加熱されながら加圧されることとなる。
また、このとき、金型１１と複合材１との間には、グラファイトシート１３が設けられているので、図２に示すように、グラファイトシート１３が金型１１の押圧面１１ａ及び複合材１の接触面１ａの形状に応じて変形する。詳細には、グラファイトシート１３の押圧面１１ａと接触する面が押圧面１１ａの形状に応じて変形するとともに、グラファイトシート１３の接触面１ａと接触する面が接触面１ａの形状に応じて変形する。これにより、金型１１の押圧面１１ａ及び複合材１の接触面１ａが熱により変形した場合であっても、複合材１の接触面１ａの全域を均一に加圧することができる。このように、複合材１を加熱した状態で押圧することで、複合材１を所望の形状に変形させる（図１及び図２参照）。
また、このとき、金型１１と複合材１との間には、グラファイトシート１３が設けられているので、図２に示すように、グラファイトシート１３が金型１１の押圧面１１ａ及び複合材１の接触面１ａの形状に応じて変形する。詳細には、グラファイトシート１３の押圧面１１ａと接触する面が押圧面１１ａの形状に応じて変形するとともに、グラファイトシート１３の接触面１ａと接触する面が接触面１ａの形状に応じて変形する。これにより、金型１１の押圧面１１ａ及び複合材１の接触面１ａが熱により変形した場合であっても、複合材１の接触面１ａの全域を均一に加圧することができる。このように、複合材１を加熱した状態で押圧することで、複合材１を所望の形状に変形させる（図１及び図２参照）。
次に、冷却水配管１２内に冷却水を流通させて、所定の温度となるように、金型１１を冷却する（温度調整工程）。これにより、複合材１は、加圧されながら冷却されることとなる。これにより、複合材１が加圧状態の中で固化する。複合材１が固化したら、複合材１に対する金型１１の押圧をやめる。そして、金型１１から複合材１を取出し、加工を終了する。
本実施形態によれば、以下の作用効果を奏する。
本実施形態では、冷却水配管１２及びヒータ等の温度調整装置が金型１１に設けられている。温度調整装置が金型１１の温度を調整するために金型１１を加熱又は冷却した場合、温度調整装置の近傍は、温度調整装置による温度変化の影響を受け易いので、昇温又は降温し易い。一方、温度調整装置から遠い箇所は、温度調整装置による温度変化の影響を受け難いので、昇温又は降温し難い。よって、金型１１内で温度調整装置からの距離に応じた温度差が生じる。これにより、金型１１内で熱膨張差が生じ、押圧面１１ａが変形する可能性がある。
本実施形態では、押圧面１１ａと複合材１との間に金型１１からの押圧力によって変形するグラファイトシート１３が設けられている。これにより、押圧面１１ａが変形した場合であっても、金型１１の押圧力によって、押圧面１１ａの形状に応じてグラファイトシート１３が変形する。したがって、複合材１に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材１を押圧することができる。よって、加工後の複合材１の品質を向上させることができる。
本実施形態では、冷却水配管１２及びヒータ等の温度調整装置が金型１１に設けられている。温度調整装置が金型１１の温度を調整するために金型１１を加熱又は冷却した場合、温度調整装置の近傍は、温度調整装置による温度変化の影響を受け易いので、昇温又は降温し易い。一方、温度調整装置から遠い箇所は、温度調整装置による温度変化の影響を受け難いので、昇温又は降温し難い。よって、金型１１内で温度調整装置からの距離に応じた温度差が生じる。これにより、金型１１内で熱膨張差が生じ、押圧面１１ａが変形する可能性がある。
本実施形態では、押圧面１１ａと複合材１との間に金型１１からの押圧力によって変形するグラファイトシート１３が設けられている。これにより、押圧面１１ａが変形した場合であっても、金型１１の押圧力によって、押圧面１１ａの形状に応じてグラファイトシート１３が変形する。したがって、複合材１に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材１を押圧することができる。よって、加工後の複合材１の品質を向上させることができる。
また、例えば、金型１１から熱によって複合材１が加熱されることで、複合材１の接触面１ａが変形する場合がある。この場合であっても、金型１１の押圧力によって、接触面１ａの形状に応じてグラファイトシート１３が変形する。これにより、接触面１ａとグラファイトシート１３との接触が維持され易い。したがって、好適に複合材１を押圧することができる。
また、本実施形態では、グラファイトシート１３の主たる熱伝導方向が面内方向である。これにより、複合材１に熱が伝達する前に、グラファイトシート１３において、面内方向に熱が伝達する（図２の矢印参照）。これにより、グラファイトシート１３において、面内方向の温度を均一化することができる。したがって、複合材１には、グラファイトシート１３で均一化された熱が伝達することになる。よって、グラファイトシート１３を介して複合材１に伝達する熱を面内方向において均一化することができる。よって、面内方向における複合材１の固化度合いを均一化することができる。よって、複合材１の一部が早く固化することで、他の部分に作用する押圧力が低下する事態を抑制することができる。よって、複合材１に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材１を押圧することができる。
また、本実施形態では、押圧面１１ａの全域を覆うようにグラファイトシート１３が設けられている。すなわち、押圧面１１ａの全域と複合材１との間にグラファイトシート１３が設けられている。これにより、押圧面１１ａの全域において、複合材１に作用する押圧力を均一化することができる。したがって、より好適に複合材１を押圧することができる。
〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態に係る加工装置２０について図３を用いて説明する。
本実施形態に係る加工装置２０は、複合材同士を融着させるための装置である。詳細には、図３に示すように、治具２４上に配置された第１複合材３１と、第１複合材３１の上に抵抗体２５を介して載置される第２複合材３２とを融着させる装置である。第１複合材３１は、第２複合材３２よりも平面視で大きい。
次に、本開示の第２実施形態に係る加工装置２０について図３を用いて説明する。
本実施形態に係る加工装置２０は、複合材同士を融着させるための装置である。詳細には、図３に示すように、治具２４上に配置された第１複合材３１と、第１複合材３１の上に抵抗体２５を介して載置される第２複合材３２とを融着させる装置である。第１複合材３１は、第２複合材３２よりも平面視で大きい。
本実施形態に係る加工装置２０は、第１複合材３１が載置される治具２４と、第１複合材３１及び第２複合材３２との間に配置される抵抗体２５と、第２複合材３２を押圧する金型２１と、金型２１の押圧面２１ａと第２複合材３２との間に設けられるグラファイトシート２３と、を備えている。また、第２複合材３２とグラファイトシート２３との間には、第１実施形態と同様に金属プレートを設けてもよい。グラファイトシート２３は、第１実施形態で説明した及びグラファイトシート１３と同様の構成なので、詳細な説明は省略する。また、金型２１は、第１実施形態で説明した第１金型１１Ａと略同様であるが、本実施形態の金型２１は冷却配管が設けられていない点で異なっている。
抵抗体２５は、第１複合材３１の融着面３１ａ及び第２複合材３２の融着面３２ａとの間に設けられる。抵抗体２５は、交差方向の各端部にプラス電極２６及びマイナス電極２７が取り付けられ、プラス電極２６からマイナス電極２７に向かって電流が流れることで発熱する。この熱により、第１複合材３１の融着面３１ａと第２複合材３２の融着面３２ａとが融着する。
次に、第１複合材３１及び第２複合材３２の加工方法（融着方法）について説明する。なお、第１実施形態の加工方法と同一の工程については省略して説明する。
まず、金型２１の押圧面２１ａにグラファイトシート２３を取り付ける。なお、グラファイトシート２３は繰り返し使用可能とされているので、すでにグラファイトシート２３が取り付けられている場合には、取り付ける工程は不要である。
まず、金型２１の押圧面２１ａにグラファイトシート２３を取り付ける。なお、グラファイトシート２３は繰り返し使用可能とされているので、すでにグラファイトシート２３が取り付けられている場合には、取り付ける工程は不要である。
次に、図３に示すように、治具２４の上面に第１複合材３１、第２複合材３２及び抵抗体２５をセットする。セットする方法は特に限定されないが、例えば、第１複合材３１を載置し、第１複合材３１の上面（融着面３１ａ）に抵抗体２５を載置するとともに、抵抗体２５の上から第２複合材３２を載置することで、各部材をセットする。
各部材をセットすると、図３の矢印Ｐで示すように、押圧装置（図示省略）によって金型２１を治具２４の方向へ移動させ第２複合材３２を押圧する（押圧工程）。また、このとき、抵抗体２５が発熱している。このため、抵抗体２５の熱によって第１複合材３１の融着面３１ａ及び第２複合材３２の融着面３２ａは加熱され、溶融する（温度調整工程）。
押圧工程において、金型２１と第２複合材３２との間には、グラファイトシート２３が設けられている。このため、第１実施形態と同様に、金型２１の押圧面２１ａ及び第２複合材３２の接触面３２ｂが熱により変形した場合であっても、第２複合材３２の接触面３２ｂの全域を均一に加圧することができる。特に、図３の破線に示すように、第２複合材３２の面内方向の端部３２ｃは、樹脂が外側に流出することによって、板厚が減少するように変形し易いが、グラファイトシート２３が第２複合材３２の接触面３２ｂに応じて変形するので、第２複合材３２の端部３２ｃにおいても好適に加圧することができる。
押圧工程において、金型２１と第２複合材３２との間には、グラファイトシート２３が設けられている。このため、第１実施形態と同様に、金型２１の押圧面２１ａ及び第２複合材３２の接触面３２ｂが熱により変形した場合であっても、第２複合材３２の接触面３２ｂの全域を均一に加圧することができる。特に、図３の破線に示すように、第２複合材３２の面内方向の端部３２ｃは、樹脂が外側に流出することによって、板厚が減少するように変形し易いが、グラファイトシート２３が第２複合材３２の接触面３２ｂに応じて変形するので、第２複合材３２の端部３２ｃにおいても好適に加圧することができる。
次に、第１複合材３１と第２複合材３２との間に設けられた抵抗体２５の発熱を停止する。これにより、第１複合材３１及び第２複合材３２は、加圧されながら冷却されることとなる。これにより、第１複合材３１及び第２複合材３２が加圧状態の中で固化する。これによって、第１複合材３１と第２複合材３２とが融着する。第１複合材３１及び第２複合材３２が融着したら、第２複合材３２に対する金型２１の押圧をやめる。そして、治具２４上から第１複合材３１と第２複合材３２とが融着した部材を取外し、加工を終了する。
本実施形態では、以下の作用効果を奏する。
プレス成形時のみだけでなく、複合材同士の融着時においても、複合材の温度が不均一となることによる課題が存在する。具体的には、抵抗体２５によって加熱する際に、第１複合材３１及び第２複合材３２が均一に加熱されないことで、一部が早く溶融する。すなわち、溶融した箇所と溶融してない箇所とが生じる。これにより、溶融していない箇所が金型２１と当接することで、溶融した箇所への圧力の印加を阻害する。これにより、溶融した箇所に作用する押圧力が低下する事態が発生する可能性がある。
一方、本実施形態では、第２複合材３２と接するようにグラファイトシート２３が設けられている。グラファイトシート２３は、面内方向に熱を伝えやすい。これにより、第２複合材３２からグラファイトシート２３に伝達された熱が、グラファイトシート２３で面内方向に伝わる。このように、グラファイトシート２３において、面内方向の温度を均一化することができる。したがって、第１複合材３１及び第２複合材３２の温度を面内方向において均一化することができる。
また、本実施形態では、上述のようにグラファイトシート２３が第２複合材３２の接触面３２ｂに応じて変形するので、第２複合材３２の接触面３２ｂの全域を均一に加圧することができる。このように、第２複合材３２に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に第２複合材３２を押圧することができる。よって、加工後の複合材１の品質を向上させることができる。
プレス成形時のみだけでなく、複合材同士の融着時においても、複合材の温度が不均一となることによる課題が存在する。具体的には、抵抗体２５によって加熱する際に、第１複合材３１及び第２複合材３２が均一に加熱されないことで、一部が早く溶融する。すなわち、溶融した箇所と溶融してない箇所とが生じる。これにより、溶融していない箇所が金型２１と当接することで、溶融した箇所への圧力の印加を阻害する。これにより、溶融した箇所に作用する押圧力が低下する事態が発生する可能性がある。
一方、本実施形態では、第２複合材３２と接するようにグラファイトシート２３が設けられている。グラファイトシート２３は、面内方向に熱を伝えやすい。これにより、第２複合材３２からグラファイトシート２３に伝達された熱が、グラファイトシート２３で面内方向に伝わる。このように、グラファイトシート２３において、面内方向の温度を均一化することができる。したがって、第１複合材３１及び第２複合材３２の温度を面内方向において均一化することができる。
また、本実施形態では、上述のようにグラファイトシート２３が第２複合材３２の接触面３２ｂに応じて変形するので、第２複合材３２の接触面３２ｂの全域を均一に加圧することができる。このように、第２複合材３２に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に第２複合材３２を押圧することができる。よって、加工後の複合材１の品質を向上させることができる。
〔変形例〕
上記第１実施形態では、金型１１と複合材１との間にグラファイトシート１３を設ける例について説明したが、金型１１と複合材１との間に設ける部材はこれに限定されない。当該部材は、押圧力によって変形する程度の柔軟性を有するとともに、主たる熱伝導方向が面内方向である部材であればよく、グラファイトシート１３以外の材料で形成されていてもよい。また、例えば、図４に示すように、熱伝導率の異なる複数の部材を組み合わせた積層部材４１であってもよい。
上記第１実施形態では、金型１１と複合材１との間にグラファイトシート１３を設ける例について説明したが、金型１１と複合材１との間に設ける部材はこれに限定されない。当該部材は、押圧力によって変形する程度の柔軟性を有するとともに、主たる熱伝導方向が面内方向である部材であればよく、グラファイトシート１３以外の材料で形成されていてもよい。また、例えば、図４に示すように、熱伝導率の異なる複数の部材を組み合わせた積層部材４１であってもよい。
積層部材４１は、例えば、交互に積層された金属板（第１部材）４２と耐熱繊維クロス（第２部材）４３とを有している。金属板４２及び耐熱繊維クロス４３は、積層部材４１が金型１１に取り付けられた状態において、押圧方向に積層されている。本実施形態に係る積層部材４１の押圧方向の一端及び他端は、耐熱繊維クロス４３が設けられている。すなわち、積層部材４１は、金型１１及び複合材１と耐熱繊維クロス４３が接触するように構成されている。
金属板４２は、薄い板状の部材である。金属板４２は、例えば、銅やアルミ等の熱伝導率の高い金属材料で形成されている。金属板４２の材料は特に限定されないが、金型１１よりも熱伝導率の高い材料で形成されていると好適である。耐熱繊維クロス４３は、耐熱繊維を布状に形成した部材である。耐熱繊維とは、例えば、ガラス繊維である。耐熱繊維クロス４３は、熱伝導率が金属板４２よりも低い。
なお、上記説明では、耐熱繊維クロス４３と金属板４２とが交互に積層される例について説明したが、積層部材の構成は、この構成に限定されない。例えば、図５に示す積層部材５１のように、耐熱繊維クロス４３を複数枚連続して積層して耐熱繊維クロスの積層体を形成し、耐熱繊維クロス４３の積層体の押圧方向の一端又は他端に金属板４２を積層してもよい。この場合、例えば、金型１１側に耐熱繊維クロス４３の積層体を配置し、複合材１側に金属板４２を配置してもよい。
本変形例によれば、以下の作用効果を奏する。
本変形例では、金型１１の熱が、熱伝導率が高い金属板４２において面内方向に伝達され易い。また、熱伝導率が低い耐熱繊維クロス４３によって面外方向（積層方向）において伝達され難い。したがって、複合材１に熱が伝達する前に、積層部材４１において、面内方向の温度を均一化することができる。よって、複合材１に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材１を押圧することができる。
また、薄い金属板４２と、柔軟性を有する耐熱繊維クロス４３で形成されているので、金型１１からの押圧力によって、押圧面１１ａ及び接触面１ａの変形に応じて好適に変形することができる。
なお、積層部材４１は、第２実施形態のグラファイトシート２３に代えて適用することももちろん可能である。
本変形例では、金型１１の熱が、熱伝導率が高い金属板４２において面内方向に伝達され易い。また、熱伝導率が低い耐熱繊維クロス４３によって面外方向（積層方向）において伝達され難い。したがって、複合材１に熱が伝達する前に、積層部材４１において、面内方向の温度を均一化することができる。よって、複合材１に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材１を押圧することができる。
また、薄い金属板４２と、柔軟性を有する耐熱繊維クロス４３で形成されているので、金型１１からの押圧力によって、押圧面１１ａ及び接触面１ａの変形に応じて好適に変形することができる。
なお、積層部材４１は、第２実施形態のグラファイトシート２３に代えて適用することももちろん可能である。
なお、本開示は上記各実施形態の構成のみに限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更や改良を加えることができ、このように変更や改良を加えた実施形態も本開示の権利範囲に含まれるものとする。
例えば、上記第１実施形態では、プレス成形によって平板状の複合材１を成形する場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、プレス成形によって、長手方向に直交する面で切断した際の断面形状がＬ形状やＺ形状やハット形状となるように複合材を成形する場合に、本開示に係る加工装置を用いてもよい。この場合には、金型の押圧面が成形後の複合材の形状に応じた形状をしている。また、グラファイトシートや積層部材も、押圧面及び成形後の複合材の形状に応じた形状をしている。
また、上記第１実施形態では、グラファイトシート１３が、第１金型１１Ａの押圧面１１ａ及び第２金型１１Ｂの押圧面１１ａのいずれにも設けられる例について説明したが、本開示はこれに限定されない。グラファイトシートは、第１金型１１Ａの押圧面１１ａ又は第２金型１１Ｂの押圧面１１ａのいずれか片側だけに設けてもよい。
また、上記第１実施形態では、同じ金型１１で複合材１の加熱及び冷却を行う例について説明したが、本開示はこれに限定されない。加熱を行う金型と冷却を行う金型とは別の金型であってもよい。この場合には、加熱を行う金型及び／又は冷却を行う金型にグラファイトシート１３又は積層部材４１が設けられる。
また、上記第２実施形態では、平板状の第１複合材３１及び第２複合材３２を融着する場合について説明したが、本開示はこれに限定されない。長手方向に直交する面で切断した際の断面形状がＬ形状やＺ形状やハット形状となるように複合材を融着する場合に、本開示に係る加工装置を用いてもよい。
また、上記各実施形態では、金型１１，２１の押圧面１１ａ，２１ａの全域を覆うようにグラファイトシート１３，２３や積層部材４１を設ける例について説明したが、本開示はこれに限定されない。グラファイトシート１３，２３や積層部材４１は、金型１１，２１の押圧面１１ａ，２１ａの一部のみを覆うように設けられていてもよい。
また、上記各実施形態では、グラファイトシートと金型との間に金属プレートを設ける例について説明したが、本開示はこれに限定されない。例えば、グラファイトシートと金型との間に何も設けずに、グラファイトシートと金型とが直接接触してもよい。また、グラファイトシートと金型との間に金属プレート以外の部材を設けてもよい。金属プレート以外の部材とは、例えば、ポリイミドフィルムが挙げられる。
以上説明した実施形態に記載の複合材の加工装置及び複合材の加工方法は、例えば以下のように把握される。
本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、樹脂と繊維とが複合している複合材（１，３１，３２）を押圧する押圧面（１１ａ，２１ａ）を有する金型（１１，２１）と、前記複合材の温度を調整する温度調整部（１２，２５）と、前記押圧面と前記複合材との間に設けられ、前記金型からの押圧力によって変形するとともに、熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部（１３，２３，４１）と、を備える。
本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、樹脂と繊維とが複合している複合材（１，３１，３２）を押圧する押圧面（１１ａ，２１ａ）を有する金型（１１，２１）と、前記複合材の温度を調整する温度調整部（１２，２５）と、前記押圧面と前記複合材との間に設けられ、前記金型からの押圧力によって変形するとともに、熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部（１３，２３，４１）と、を備える。
上記構成では、熱伝導率が押圧面と交差する方向（以下、「面外方向」と称する。）よりも押圧面に沿う方向（以下、「面内方向」と称する。）の方が大きい。これにより、複合材の熱が緩衝部に伝達し、緩衝部において、面内方向に熱が伝達する。これにより、緩衝部において、面内方向の温度を均一化することができる。したがって、複合材に、緩衝部で均一化された熱が伝達されることになる。よって、複合材の温度を面内方向において均一化することができる。よって、面内方向における複合材の固化度合いを均一化することができる。よって、複合材の一部が固化していることで、他の部分に作用する押圧力が低下する事態を抑制することができる。よって、複合材に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材を押圧することができる。
また、例えば金型から熱によって複合材が加熱されることで、複合材の緩衝部と接触する面（以下、「接触面」と称する）が変形する場合がある。この場合であっても、金型の押圧力によって、接触面の形状に応じて緩衝部が変形する。これにより、接触面と緩衝部との接触が維持され易い。したがって、好適に複合材を押圧することができる。
また、例えば金型から熱によって複合材が加熱されることで、複合材の緩衝部と接触する面（以下、「接触面」と称する）が変形する場合がある。この場合であっても、金型の押圧力によって、接触面の形状に応じて緩衝部が変形する。これにより、接触面と緩衝部との接触が維持され易い。したがって、好適に複合材を押圧することができる。
前記温度調整部は、前記金型に設けられている。
上記構成では、温度調整部が金型に設けられている。温度調整部が金型の温度を調整するために金型を加熱又は冷却した場合、温度調整部の近傍は、温度調整部による温度変化の影響を受け易いので、昇温又は降温し易い。一方、温度調整部から遠い箇所は、温度調整部による温度変化の影響を受け難いので、昇温又は降温し難い。よって、金型内で温度調整部からの距離に応じた温度差が生じる。これにより、金型内で熱膨張差が生じ、押圧面が変形する可能性がある。
上記構成では、押圧面と複合材との間に金型からの押圧力によって変形する緩衝部が設けられている。これにより、押圧面が変形した場合であっても、金型の押圧力によって、押圧面の形状に応じて緩衝部が変形する。したがって、複合材に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材を押圧することができる。よって、加工後の複合材の品質を向上させることができる。
上記構成では、押圧面と複合材との間に金型からの押圧力によって変形する緩衝部が設けられている。これにより、押圧面が変形した場合であっても、金型の押圧力によって、押圧面の形状に応じて緩衝部が変形する。したがって、複合材に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材を押圧することができる。よって、加工後の複合材の品質を向上させることができる。
また、本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、前記緩衝部は、グラファイトシート（１３）を有する。
グラファイトシートは、面内方向において熱伝導性が高く、面外方向（面内方向と直交する方向）において熱伝導性が低い。したがって、複合材に熱が伝達する前に、グラファイトシートにおいて、面内方向の温度を均一化することができる。よって、複合材に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材を押圧することができる。
また、本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、前記緩衝部は、第１部材（４２）と熱伝導率が前記第１部材と異なる第２部材（４３）とを押圧方向に積層した積層部材（４１）を有する。
上記構成では、緩衝部が第１部材と熱伝導率が第１部材とよりも低い第２部材とを押圧方向に積層した積層部材を有している。これにより、金型の熱が、熱伝導率が高い第１部材において面内方向に伝達され易い。また、熱伝導率が低い第２部材によって面外方向（積層方向）において伝達され難い。したがって、複合材に熱が伝達する前に、積層部材において、面内方向の温度を均一化することができる。よって、複合材に作用する押圧力を均一化することができるので、好適に複合材を押圧することができる。
また、本開示に一態様に係る複合材の加工装置は、前記緩衝部は、前記金型の前記押圧面の全域と、前記複合材との間に設けられている。
上記構成では、押圧面の全域と複合材との間に緩衝部が設けられている。これにより、押圧面の全域において、複合材に作用する押圧力を均一化することができる。したがって、より好適に複合材を押圧することができる。
また、本開示に一態様に係る複合材の加工方法は、金型（１１，２１）の押圧面（１１ａ，２１ａ）で樹脂と繊維とが複合している複合材（１，３１，３２）を押圧する押圧工程と、温度調整部（１２，２５）によって、前記複合材の温度を調整する温度調整工程と、を備え、前記押圧工程は、前記押圧面と前記複合材との間に、前記金型からの押圧力によって変形するとともに熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部（１３，２３，４１）を設けた状態で押圧する。
１ ：複合材
１０ ：加工装置
１１ ：金型
１１Ａ ：第１金型
１１Ｂ ：第２金型
１１ａ ：押圧面
１２ ：冷却水配管（温度調整部）
１３ ：グラファイトシート
１３Ａ ：第１グラファイトシート
１３Ｂ ：第２グラファイトシート
２０ ：加工装置
２１ ：金型
２１ａ ：押圧面
２３ ：グラファイトシート
２４ ：治具
２５ ：抵抗体（温度調整部）
２６ ：プラス電極
２７ ：マイナス電極
３１ ：第１複合材
３１ａ ：融着面
３２ ：第２複合材
３２ａ ：融着面
３２ｂ ：接触面
３２ｃ ：端部
４１ ：積層部材
４２ ：金属板（第１部材）
４３ ：耐熱繊維クロス（第２部材）
１０ ：加工装置
１１ ：金型
１１Ａ ：第１金型
１１Ｂ ：第２金型
１１ａ ：押圧面
１２ ：冷却水配管（温度調整部）
１３ ：グラファイトシート
１３Ａ ：第１グラファイトシート
１３Ｂ ：第２グラファイトシート
２０ ：加工装置
２１ ：金型
２１ａ ：押圧面
２３ ：グラファイトシート
２４ ：治具
２５ ：抵抗体（温度調整部）
２６ ：プラス電極
２７ ：マイナス電極
３１ ：第１複合材
３１ａ ：融着面
３２ ：第２複合材
３２ａ ：融着面
３２ｂ ：接触面
３２ｃ ：端部
４１ ：積層部材
４２ ：金属板（第１部材）
４３ ：耐熱繊維クロス（第２部材）
Claims (5)
- 樹脂と繊維とが複合している複合材同士を融着させるための複合材の加工装置であって、
前記複合材を押圧する押圧面を有する金型と、
前記複合材同士の間に配置され、前記複合材の温度を調整する温度調整部と、
前記押圧面と前記複合材との間に設けられ、前記金型からの押圧力によって変形するとともに、熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部と、を備える複合材の加工装置。 - 前記緩衝部は、グラファイトシートを有する請求項１に記載の複合材の加工装置。
- 前記緩衝部は、第１部材と熱伝導率が前記第１部材と異なる第２部材とを押圧方向に積層した積層部材を有する請求項１に記載の複合材の加工装置。
- 前記緩衝部は、前記金型の前記押圧面の全域と、前記複合材との間に設けられている請求項１から請求項３のいずれかに記載の複合材の加工装置。
- 樹脂と繊維とが複合している複合材同士を融着させるための複合材の加工方法であって、
金型の押圧面で前記複合材を押圧する押圧工程と、
前記複合材同士の間に配置される温度調整部によって、前記複合材の温度を調整する温度調整工程と、を備え、
前記押圧工程は、前記押圧面と前記複合材との間に、前記金型からの押圧力によって変形するとともに熱伝導率が前記押圧面と交差する方向よりも前記押圧面に沿う方向の方が大きい緩衝部を設けた状態で押圧する複合材の加工方法。
Priority Applications (3)
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