JP7382117B2 - プリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法 - Google Patents

プリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、プリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法に関する。
従来、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の樹脂を繊維で強化した複合材と呼ばれる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）の成形方法の１つとしてＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法が知られている。
ＲＴＭ法は、シート状の繊維を積層した後に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化する複合材の成形方法である。ＲＴＭ法のうち、真空引きを行って繊維に樹脂を含浸させる方法は、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれ、金型を利用して樹脂を含浸させる方法は、マッチドダイ（Ｍａｔｃｈｅｄ－ｄｉｅ）ＲＴＭ法と呼ばれる。
ＲＴＭ法で複合材を成形する場合には、樹脂の含浸に先立ってドライプリフォームが製作される。ドライプリフォームはシート状の繊維の積層体を、成形後における複合材の形状に合わせて賦形したものである。ドライプリフォームは、シート状の繊維を積層して製作されるが、熱可塑性のバインダを介在させて繊維がほぐれないように仮留めする場合が多い。
テープ状の繊維基材はドライテープ材と呼ばれる。また、熱可塑性の不織布を重ねたドライテープ材や熱可塑性の微粒子を付着させたドライテープ材が市販されている。そして、熱可塑性のバインダを含むドライテープ材を積層する際、専用の加熱装置を用いて一定間隔でスポット状にバインダを熱融着することによって、ドライテープ材を隣接するドライテープ材に仮留めすることができる。これにより、積層したドライテープ材がずれたり、剥がれ落ちたりすることを防ぐことができる。
ドライプリフォームの賦形法としては様々な方法が知られているが、平面状の治具の上にドライテープ材を積層した後、加熱しながら金型でプレスすることによって成形後における複合材の形状に賦形する方法が知られている。特に、フランジとウェブとの間に内側に凹むように折り曲げられた境界部を有する複雑なプリフォームを賦形するために、繊維を引き伸ばしながら押し付けることができるように複数の金型を押し付けることによってプリフォームを賦形する方法が提案されている（例えば特許文献１参照）。
特開２００９－１１９７０１号公報
金型でシート状の繊維の積層体をプレスすることによりウェブとフランジを有する複雑な形状を有するドライプリフォームを賦形する場合、繊維に皺や裂けが発生してしまうことがある。
そこで本発明は、金型でシート状の繊維の積層体をプレスすることによりウェブとフランジを有するドライプリフォームを製作する場合において、繊維に皺や裂けが発生しないようにすることを目的とする。
また、本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形装置は、プリフォームの一部の面にフィットする表面を有する第１の型と、前記プリフォームの別の一部の面にフィットする表面を有する第２の型と、前記第１の型と前記第２の型との間における距離が前記プリフォームの厚さよりも長い距離から前記プリフォームの厚さに変化するように前記第１の型及び前記第２の型の相対的な位置決めを行う駆動機構と、前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面を加熱する加熱装置と、前記プリフォームの素材となるシート状の繊維の積層体と、前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方との間に配置され、かつ孔を形成した断熱性及び耐熱性を有するシートであって、前記加熱装置で加熱された前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面から前記シート状の繊維の積層体への熱伝導を前記孔が形成された部分に限定する前記シートと有するものである。
また、本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法は、プリフォームの一部の面にフィットする表面を有する第１の型と、前記プリフォームの別の一部の面にフィットする表面を有する第２の型で、バインダを含むシート状の繊維の積層体を挟み込んでプレスするステップと、前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面を加熱装置で加熱し、前記バインダで前記シート状の繊維の積層体を仮留めすることによって前記プリフォームを製作するステップとを有し、前記シート状の繊維の積層体と、表面が加熱される前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方との間に孔を形成した断熱性及び耐熱性を有するシートを配置し、前記加熱装置で加熱された前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面から前記シート状の繊維の積層体への熱伝導を前記孔が形成された部分に限定するものである。
また、本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法は、上述したプリフォーム賦形装置で前記プリフォームを製作するものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述したプリフォーム賦形方法で製作された前記プリフォームに熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸させて硬化することによって複合材を製作するものである。
本発明の第１の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図。 図１に示すプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの形状例を示す斜視図。 図１に示すフランジ型を複数の分割型で構成した例を示すフランジ型の上面図。 熱可塑性バインダとして熱可塑性樹脂の微粒子を繊維に付着させたシート状の繊維の構造を示す斜視図。 熱可塑性バインダとして熱可塑性の不織布を繊維に付着させたシート状の繊維の構造を示す斜視図。 図１に示すプリフォーム賦形装置でドライプリフォームを製作する流れを示すフローチャート。 （Ａ）及び（Ｂ）は、図３に示す複数の分割型を上型に向かって水平方向に移動させる順序の例を示す図。 ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合の例を示す図。 マッチドダイＲＴＭ法で複合材を成形する場合の例を示す図。 本発明の第１の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の変形例を示す構成図。 図１０に示すプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの形状例を示す斜視図。 本発明の第２の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図。 図１２に示すシートの上面図。 本発明の第３の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図。 本発明の第４の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図。
本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
（プリフォーム賦形装置の構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図であり、図２は図１に示すプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの形状例を示す斜視図である。
プリフォーム賦形装置１は、素材であるシート状の繊維の積層体２を賦形することによって、樹脂を含浸させる前のプリフォーム、すなわちドライプリフォーム３を製作するためのプレス装置である。
プリフォーム賦形装置１によって製作対象となるドライプリフォーム３は、例えば図２に例示されるように、ウェブ４と、ウェブ４の片面側に折り曲げた形状を有する少なくとも１つのフランジ５を有するドライプリフォーム３とされる。図２には、２つのフランジ５をウェブ４の片側に形成したドライプリフォーム３が例示されているが、１つのフランジ５をウェブ４の一方の面の一端に形成したドライプリフォーム３や内側に閉曲面を形成する１つのフランジ５をウェブ４の片面側に形成したドライプリフォーム３をプリフォーム賦形装置１による賦形対象としても良い。
フランジ５は、ウェブ４の両側に形成されず、ウェブ４の片面側に折り曲げた形状を有する。このため、ウェブ４とフランジ５との間には、Ｒ面取り及びＣ面取りの少なくとも一方からなる凸状の面取り部分６が形成される。フランジ５は、平面を形成するフランジ５に限らず、凸曲面、凹曲面又は凸曲面と凹曲面の双方を形成するフランジ５であっても良い。すなわち、フランジ５は、湾曲していても良い。
プリフォーム賦形装置１は、上型７、下型８、フランジ型９、駆動機構１０、固定治具１１及び加熱装置１２で構成することができる。上型７、下型８及びフランジ型９は、駆動機構１０と連結される。
上型７は、ドライプリフォーム３の内面をプレスするための剛体の型である。具体的には、上型７は、フランジ５が折り曲げられて内面となるウェブ４の一方の表面、面取り部分６の内面及びフランジ５の内面をプレスするための型である。このため、上型７の表面の形状は、ウェブ４の一方の表面、面取り部分６の内面及びフランジ５の一方の表面にフィットする形状となっている。尚、ウェブ４の表面は平面に限らず、曲面であっても良い。
下型８は、上型７との間でウェブ４の部分をプレスするための剛体の型である。具体的には、下型８は、フランジ５が折り曲げられて外面となるウェブ４の他方の表面をプレスするための型である。このため、下型８の表面の形状は、ウェブ４の他方の表面にフィットする形状となっている。
フランジ型９は、上型７との間でフランジ５の部分をプレスするための剛体の型である。具体的には、フランジ型９は、フランジ５が折り曲げられて外面となるフランジ５の他方の表面及び面取り部分６の外面をプレスするための型である。このため、フランジ型９の表面の形状は、フランジ５の他方の表面及び面取り部分６の外面にフィットする形状となっている。
フランジ型９を下型８と別に設けると、ウェブ４の部分とフランジ５の部分を異なるタイミングで別々にプレスすることが可能となる。このため、シート状の繊維の積層体２に皺や裂けが生じないようにウェブ４の部分をプレスした後、フランジ５の部分をプレスすることができる。
フランジ５の部分をプレスするためのフランジ型９は、必要に応じてフランジ５の長さ方向に分割配置することができる。その場合、フランジ５の長さ方向にもフランジ５の部分を異なるタイミングで別々にプレスすることが可能となる。
図３は、図１に示すフランジ型９を複数の分割型９Ａで構成した例を示すフランジ型９の上面図である。尚、図２に例示されるドライプリフォーム３の形状と、図３に例示されるフランジ型９で賦形されるドライプリフォーム３の形状は互いに異なっている。
図３に例示されるようにフランジ５の長さ方向に異なる位置に配置される複数の分割型９Ａでフランジ型９を構成することができる。そうすると、複数の分割型９Ａを異なるタイミングでシート状の繊維の積層体２に押し当てることによってフランジ５の部分を異なるタイミングで順次プレスすることが可能となる。
複数の分割型９Ａは、シート状の繊維の積層体２にできるだけ皺や裂けが生じないような順序でフランジ５の部分を順次プレスできるように配置することが望ましい。例えば、フランジ５の曲率が一定である場合にはフランジ５の中央から両側に向かって段階的に異なるタイミングで順次プレスすることが繊維に皺や裂けが生じるリスクの低減に繋がる。このため、フランジ５の曲率が一定である場合にはフランジ５の中央から両側に向かって複数回に分けてプレスできるように複数の分割型９Ａを配置することが望ましい。
一方、フランジ５の曲率が一定でない場合にはフランジ５の曲率が大きい部分から両側又は一方向に向かって段階的に異なるタイミングで順次プレスすることが繊維に皺や裂けが生じるリスクの低減に繋がる。このため、フランジ５の曲率が一定でない場合にはフランジ５の曲率が大きい部分から両側又は一方向に向かって複数回に分けてプレスできるように複数の分割型９Ａを配置することが望ましい。
また、フランジ５に凸状に湾曲する部分と、凹状に湾曲する部分がある場合において、フランジ５の形状となるようにシート状の繊維の積層体２をプレスすると、フランジ５の凹面では繊維が弛む一方、フランジ５の凸面では繊維が引っ張られて張力が生じることになる。このため、フランジ５を形成するためにシート状の繊維が引っ張られる部分と、シート状の繊維が弛む部分とを、異なるタイミングで順次プレスすることが繊維に皺や裂けが生じるリスクの低減に繋がる。従って、フランジ５に凸状に湾曲する部分と、凹状に湾曲する部分がある場合には、シート状の繊維が引っ張られる凸状に湾曲する部分と、シート状の繊維が弛む凹状に湾曲する部分を異なるタイミングで別々にプレスできるように複数の分割型９Ａを配置することが望ましい。
このように、フランジ５、ウェブ４及び面取り部分６の内面は単一の上型７でプレスされる一方、フランジ５、ウェブ４及び面取り部分６の外面は、下型８と単一又は複数の分割型９Ａからなるフランジ型９でプレスされるようになっている。
駆動機構１０は、上型７、下型８及びフランジ型９の相対的な位置決めを行う装置である。具体的には、駆動機構１０は、上型７、下型８及びフランジ型９をシート状の繊維の積層体２をセットするための退避位置と、シート状の繊維の積層体２に圧力を負荷するプレス位置との間で移動させる装置である。
上型７、下型８及びフランジ型９の退避位置は、賦形前におけるシート状の繊維の積層体２を上型７、下型８及びフランジ型９の間に形成される空間に載置できるように決定される。従って、上型７、下型８及びフランジ型９の退避位置は、上型７と下型８との間における距離がウェブ４の厚さよりも長い距離となり、かつ上型７とフランジ型９との間における距離がフランジ５及び面取り部分６の厚さよりも長い距離となるように決定される。
一方、上型７、下型８及びフランジ型９のプレス位置は、上型７、下型８及びフランジ型９の間に形成される空隙が、ドライプリフォーム３の形状となるように決定される。従って、上型７、下型８及びフランジ型９のプレス位置は、上型７と下型８との間における距離がウェブ４の厚さとなり、かつ上型７とフランジ型９との間における距離がフランジ５及び面取り部分６の厚さとなるように決定される。
上述したようにウェブ４の部分をプレスした後に、フランジ５の部分をプレスすることが繊維に皺や裂けが生じるリスクを低減する観点から好適なプレス条件である。そこで、駆動機構１０には、上型７と下型８でシート状の繊維の積層体２を挟み込んでウェブ４の部分をプレスした後に、上型７とフランジ型９でシート状の繊維の積層体２を挟み込んでフランジ５の部分がプレスされるように、上型７、下型８及びフランジ型９を相対移動させる機能が備えられる。
より具体的には、駆動機構１０は、上型７と下型８との間における距離がウェブ４の厚さよりも長い距離からウェブ４の厚さに変化した後、上型７とフランジ型９との間における距離がフランジ５及び面取り部分６の厚さよりも長い距離からフランジ５及び面取り部分６の厚さに変化するように上型７、下型８及びフランジ型９を相対移動させるように構成される。
駆動機構１０は、電気式、油圧式又は空気圧式等の所望の駆動方式を有するジャッキやアクチュエータ等の所望の装置を用いて構成することができる。すなわち、ピストンが移動するシリンダ機構、ラック・アンド・ピニオン、ボールねじ、レールに沿って車輪が移動する走行機構、クローラ（無限軌道）等の所望の機構を用いて駆動機構１０を構成することができる。
図１に示す例では駆動機構１０が、上型７と下型８との間における鉛直方向の距離を変化させることによって繊維の積層体２を挟み込んでウェブ４の部分をプレスする一方、上型７及び下型８とフランジ型９との間における鉛直方向及び水平方向の距離を変化させることによって繊維の積層体２を挟み込んでフランジ５の部分をプレスするように構成されている。
より具体的には、図１に示す例では駆動機構１０が、上型７を鉛直方向に昇降させる門型の昇降装置１０Ａ、伸縮機構でフランジ型９を水平方向に移動させるスライド装置１０Ｂ及び伸縮機構でフランジ型９を鉛直方向に昇降させる昇降装置１０Ｃで構成されている。他方、下型８が固定されている。このため、昇降装置１０Ａで上型７を退避位置からプレス位置に移動させ、かつスライド装置１０Ｂ及び昇降装置１０Ｃでフランジ型９を退避位置からプレス位置に移動させると、フランジ５をウェブ４の上方に設けたドライプリフォーム３を賦形することができる。
一例として、フランジ型９には、昇降装置１０Ｃに対して水平方向にスライドできるようにローラ等で構成される走行装置を設けることができる。或いは、フランジ型９を昇降装置１０Ｃに固定し、昇降装置１０Ｃを水平方向に移動させる走行装置を昇降装置１０Ｃに設けても良い。他方、フランジ型９をスライド装置１０Ｂに対して鉛直方向にスライドできるように構成するか、或いは、フランジ型９をスライド装置１０Ｂに固定してスライド装置１０Ｂを駆動機構１０の支柱に対して鉛直方向にスライドできるように構成することができる。そうすると、スライド装置１０Ｂによるフランジ型９の水平移動と、昇降装置１０Ｃによるフランジ型９の鉛直移動をそれぞれ独立して行うことが可能となる。
もちろん、上型７を固定して下型８を昇降させるようにしても良い。また、上型７、下型８及びフランジ型９の配置を鉛直方向に反転させ、フランジ５をウェブ４の下方に設けたドライプリフォーム３を賦形するようにしても良い。
ドライプリフォーム３のウェブ４は上型７及び下型８の少なくとも一方を鉛直方向に移動させる１軸制御でプレスすることができる。すなわち、上型７及び下型８の少なくとも一方の駆動軸を１軸とすることができる。これに対して、フランジ５については、フランジ型９を鉛直方向及び水平方向の双方に相対移動させる２軸制御でプレスされる。これは、フランジ型９を水平方向又は鉛直方向のみに移動させる１軸制御とすると、繊維に生じる皺の抑制効果が十分に得られないことが確認されたためである。
逆に、フランジ型９を水平方向に移動させてシート状の繊維の積層体２を上型７のウェブ４側における一部に押し付けた後、フランジ型９を鉛直方向に移動させてシート状の繊維の積層体２をフランジ型９と上型７との間で挟み込むことが面取り部分６における皺の発生を最も抑制できることが確認された。
但し、賦形時間を短縮するために、フランジ型９が水平方向に移動している最中に鉛直方向への移動を開始するようにしても良い。すなわち、フランジ型９を斜め方向に移動させても良い。その場合においても、フランジ型９の水平方向への移動を、鉛直方向への移動よりも先に行うことが繊維に生じ得る皺を抑制する観点から肝要であることが確認された。
従って、フランジ型９の退避位置は、鉛直方向への移動が可能となるように、フランジ５の一方の表面にフィットする上型７の第１の表面７Ａ及びウェブ４の一方の表面にフィットする上型７の第２の表面７Ｂの双方から離れた位置に決定される。例えば、図１に示すように、フランジ型９を上型７の下方に配置する場合であれば、フランジ型９の退避位置がプレス位置よりも水平方向に上型７から離れ、かつプレス位置よりも下方の位置に決定される。
そして、駆動機構１０は、フランジ型９を退避位置から上型７の第１の表面７Ａに接近させる移動を開始又は完了した後に、フランジ型９を上型７の第２の表面７Ｂに接近させる移動を開始するように構成される。例えば、図１に示すように、フランジ型９を上型７の下方に配置する場合であれば、駆動機構１０は、スライド装置１０Ｂでフランジ型９を退避位置から上型７の第１の表面７Ａに接近させる水平移動を開始又は完了した後に、昇降装置１０Ｃでフランジ型９を上型７の第２の表面７Ｂに接近させる上昇移動を開始するように構成される。
このようなフランジ型９の２軸制御によって、フランジ５の水平方向へのプレスを開始した後又は水平方向へのプレスが完了した後、鉛直方向へのプレスを開始することができる。その結果、フランジ５をウェブ４側から徐々に端部に向かってプレスすることができる。このため、フランジ５を上型７に沿ってウェブ４の厚さ方向に徐々に馴染ませ、繊維の皺や裂けの発生を抑制することができる。
図３に例示されるように、フランジ型９をフランジ５の長さ方向に異なる位置に配置される複数の分割型９Ａで構成する場合には、駆動機構１０が複数の分割型９Ａの移動を異なるタイミングで開始させる制御を行う。具体的には、フランジ５の曲率が一定である場合には上述したようにフランジ５の中央から両側に向かって順次プレスが行われるように中央に配置した分割型９Ａから両側に配置された分割型９Ａに向かって順次移動が行われる。一方、フランジ５の曲率が一定でない場合にはフランジ５の曲率が大きい部分から両側又は一方向に向かって順次プレスが行われるように曲率が大きい部分に配置された分割型９Ａから移動が行われる。このような分割型９Ａに移動制御によって、繊維に皺が発生するリスクを低減することができる。
固定治具１１は、上型７と下型８との間における距離を徐々に狭くすることによってウェブ４の部分をプレスする際に、重力で垂れ下がるシート状の繊維の積層体２の端部を固定するためのクランプである。従って、固定治具１１がフランジ型９と干渉する場合には、フランジ５のプレスが開始される前に除去される。固定治具１１は、例えば、シート状の繊維の積層体２の端部を挟む部材と部材を固定するボルト等で構成することができる。
重力で垂れ下がるシート状の繊維の積層体２の端部を上方において固定治具１１で固定した状態で上型７及び下型８の少なくとも一方を鉛直方向に移動させてウェブ４の面をプレスすると、シート状の繊維の積層体２が上方に引っ張られた状態でウェブ４の部分をプレスすることができる。すなわち、シート状の繊維の積層体２に常に張力が生じた状態で、ウェブ４の部分をプレスすることができる。その結果、シート状の繊維の積層体２に生じ得る弛みを減少させ、プレス後の繊維の積層体２に皺が発生するリスクを低減することができる。
加熱装置１２は、ドライプリフォーム３の素材として用いられるシート状の繊維の積層体２にバインダが含まれている場合に上型７及び下型８の少なくとも一方の表面を加熱する装置である。従って、バインダが含まれていないシート状の繊維の積層体２のみを素材とする場合には、加熱装置１２を省略しても良い。
図４は、熱可塑性バインダとして熱可塑性樹脂の微粒子を繊維に付着させたシート状の繊維の構造を示す斜視図であり、図５は、熱可塑性バインダとして熱可塑性の不織布を繊維に付着させたシート状の繊維の構造を示す斜視図である。
図４に示すようにシート状に束ねた繊維束２０に熱可塑性バインダとして熱可塑性樹脂の微粒子２１を塗したドライテープ材２２が市販されている。また、図５に示すようにシート状に束ねた繊維束２０に熱可塑性バインダとして熱可塑性の不織布２３を重ねたドライテープ材２４も市販されている。他に、粉末状又は液状の熱硬化性バインダを付着させたシート状の繊維や、エラストマ等の樹脂をバインダとして付着させたシート状の繊維も知られている。
バインダを含むシート状の繊維の積層体２を賦形する場合には、バインダを加熱して熱融着させることによって、シート状の繊維を仮留めしたり、賦形後の形状を保持することができる。また、複合材の成形後において、破壊じん性を向上させるためにバインダが用いられる場合もある。
加熱装置１２で上型７及び下型８の一方又は双方の表面を加熱すると、賦形後におけるシート状の繊維の積層体２に含まれるバインダを利用してドライプリフォーム３の形状を保持することができる。すなわち、バインダが熱可塑性樹脂である場合には、上型７、下型８及びフランジ型９をプレス位置に位置決めした状態でシート状の繊維の積層体２を加熱することによってシート状の繊維の積層体２に含まれる熱可塑性バインダを溶融することができる。その後、賦形後のシート状の繊維の積層体２を空冷等によって冷却すれば熱可塑性バインダが固まり、形状が安定したドライプリフォーム３を製作することができる。
また、バインダが熱硬化性樹脂である場合には、上型７、下型８及びフランジ型９をプレス位置に位置決めした状態でシート状の繊維の積層体２を加熱することによってシート状の繊維の積層体２に含まれる熱硬化性バインダを硬化することができる。これにより、形状が安定したドライプリフォーム３を製作することができる。
加熱装置１２としては、必要な熱をシート状の繊維の積層体２に含まれるバインダに付与できれば所望の装置を用いることができる。例えば、加熱媒体の配管や抵抗発熱体を上型７及び下型８の内部に内蔵して加熱装置１２を構成しても良いし、電磁誘導や電流を流すことによって上型７及び下型８の表面を加熱する加熱装置１２を設けても良い。もちろん、フランジ型９を加熱装置１２で加熱するようにしても良い。
（プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法）
次に、プリフォーム賦形装置１でドライプリフォーム３を製作するプリフォーム賦形方法並びにプリフォーム賦形方法で製作されたドライプリフォーム３を素材として複合材を製作する複合材成形方法について説明する。
図６は、図１に示すプリフォーム賦形装置１でドライプリフォーム３を製作する流れを示すフローチャートである。尚、図６では、上型７、下型８及びフランジ型９の相対位置でドライプリフォーム３を製作する流れを説明する。
まずステップＳ１において、上型７、下型８及びフランジ型９が駆動機構１０によって退避位置に位置決めされる。そして、上型７、下型８及びフランジ型９で囲まれた空間にドライプリフォーム３の素材となるシート状の繊維の積層体２がセットされる。シート状の繊維の積層体２の端部は、フランジ型９等の所望の対象に固定治具１１で固定することができる。
次に、ステップＳ２において、駆動機構１０の昇降装置１０Ａが上型７を下降させる。これにより、上型７の第２の表面７Ｂと、下型８の表面でシート状の繊維の積層体２を挟み込んでウェブ４の部分をプレスすることができる。この時、シート状の繊維の積層体２の端部は固定治具１１で固定されているため、常に張力が生じた状態となる。このため、繊維の皺や裂けの発生を抑制することができる。ウェブ４の部分のプレスが完了すると、必要に応じて固定治具１１が取外される。
次に、ステップＳ３において、駆動機構１０のスライド装置１０Ｂがフランジ型９を上型７に向かって水平方向にスライドさせる。これにより、シート状の繊維の積層体２の端部が上型７の第１の表面７Ａに押し付けられ、フランジ５になる部分が立ち上がる。フランジ型９が複数の分割型９Ａで構成される場合には、適切な順序で分割型９Ａが順次水平方向に移動し、上型７の第１の表面７Ａに押し付けられる。
図７（Ａ）及び（Ｂ）は、図３に示す複数の分割型９Ａを上型７に向かって水平方向に移動させる順序の例を示す図である。
例えば、図７（Ａ）に示すように、曲率が一定であるフランジ５Ａについては、フランジ５Ａの中央に配置した分割型９Ａを先に水平方向にスライドさせることができる。他方、曲率が一定でないフランジ５Ｂについては、フランジ５Ｂの曲率が大きい部分に配置した分割型９Ａを先に水平方向にスライドさせることができる。
次に、図７（Ｂ）に示すように、曲率が一定であるフランジ５Ａについては、フランジ５Ａの中央に配置した分割型９Ａの両側に配置された２つの分割型９Ａを水平方向にスライドすることができる。他方、曲率が一定でないフランジ５Ｂについては、フランジ５Ｂの曲率が大きい部分に隣接配置した分割型９Ａを水平方向にスライドすることができる。その後、同様に外側に向かって残りの分割型９Ａを水平方向にスライドしていくことができる。
尚、先に水平移動を開始した分割型９Ａの移動が完了する前に、次の分割型９Ａの水平移動を開始するようにしても良い。すなわち、移動開始タイミングを変えつつ、複数の分割型９Ａを同時に水平移動させても良いし、逆に、先に水平移動を開始した分割型９Ａの移動が完了した後に、隣接する次の分割型９Ａの水平移動を開始するようにしても良い。
このような分割型９Ａの段階的な移動によって、繊維に皺が発生するリスクを低減することができる。
次に、ステップＳ４において、駆動機構１０の昇降装置１０Ｃがフランジ型９を上昇させる。これにより、シート状の繊維の積層体２のフランジ５となる部分がフランジ型９と上型７で挟み込まれてプレスされる。このように、フランジ５の内面にフィットする形状を有する上型７の第１の表面７Ａ及びウェブ４の内面にフィットする形状を有する上型７の第２の表面７Ｂから離れた退避位置から、フランジ型９を上型７の第１の表面７Ａに接近させる移動を完了した後に、フランジ型９を上型７の第２の表面７Ｂに接近させる移動を開始することができる。
或いは、フランジ型９を退避位置から上型７の第１の表面７Ａに接近させる移動を開始した後に、フランジ型９を上型７の第２の表面７Ｂに接近させる移動を開始するようにしても良い。すなわち、フランジ型９を水平方向にスライドさせるスライド装置１０Ｂの動作と、フランジ型９を鉛直方向に上昇させる昇降装置１０Ｃの動作とを、時間的にオーバーラップさせても良い。その場合には、フランジ型９が斜め上方に移動することになる。
フランジ型９が複数の分割型９Ａで構成される場合には、繊維に皺が発生し難い順序で順番に上昇させることもできる。すなわち、水平移動のみならず、鉛直移動についても分割型９Ａの移動開始タイミングを変えることができる。但し、分割型９Ａの水平移動が完了した後に、分割型９Ａの鉛直移動を開始する場合には、既に、繊維の積層体２は分割型９Ａと上型７の第１の表面７Ａとの間に挟み込まれているため、分割型９Ａの上昇については同時に行っても良い。分割型９Ａの上昇順序については、実際に試験を行って適切に決定することができる。
シート状の繊維の積層体２の端部がフランジ型９と上型７で挟み込まれてフランジ５の部分がプレスされると、シート状の繊維の積層体２の形状は、ドライプリフォーム３の形状となる。尚、シート状の繊維の積層体２にバインダが含まれる場合には、加熱装置１２で上型７及び下型８の少なくとも一方の表面を加熱することができる。これにより、バインダで形状が保持されたドライプリフォーム３を製作することができる。
このようにして製作されたドライプリフォーム３を用いて複合材を製作する場合には、ドライプリフォーム３に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化する工程が実施される。ドライプリフォーム３に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化する工程は、ドライプリフォーム３を複合材成形用の別の治具に載せ換えて実行することが実用的である。
図８は、ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合の例を示す図であり、図９は、マッチドダイＲＴＭ法で複合材を成形する場合の例を示す図である。
ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合には図８に示すように下型３０の上にドライプリフォーム３が載置される。そして、ドライプリフォーム３がバギングフィルム３１で覆われ、バギングフィルム３１の縁がシーラント３２で下型３０に貼着される。一方、マッチドダイＲＴＭ法で複合材を成形する場合には、下型３０と上型３３との間に形成される空隙にドライプリフォーム３がセットされる。
そして、真空装置３４でドライプリフォーム３がセットされた空間の真空引きを行った状態で、ドライプリフォーム３がセットされた空間に樹脂注入装置３５から流動性が得られる程度まで加熱された熱硬化性樹脂が注入される。これにより、ドライプリフォーム３に熱硬化性樹脂を含浸させることができる。
続いて、オーブン等の加熱装置３６で熱硬化性樹脂の温度が硬化温度まで上昇するように熱硬化性樹脂が加熱される。これにより、熱硬化性樹脂が硬化し、ウェブ４とフランジ５を有するドライプリフォーム３の形状に対応する形状を有する複合材を成形することができる。
尚、ドライプリフォーム３を複合材成形用の別の治具に載せ換えずに、ドライプリフォーム３の賦形用の上型７、下型８及びフランジ型９を用いて引続き複合材成形を行う場合には、上型７、下型８及びフランジ型９の間に形成される隙間をパッキン等でシールし、真空引きを行いつつ液状の樹脂を注入しても漏れ出ないようにすることが必要である。
（効果）
以上のようなプリフォーム賦形装置１、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法は、ウェブ４とフランジ５を有するドライプリフォーム３を賦形する場合において、上型７と下型８でウェブ４をプレスした後に、フランジ型９を２方向に移動させてフランジ５をプレスするようにしたものである。
このため、プリフォーム賦形装置１、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法によれば、ウェブ４とフランジ５を有するドライプリフォーム３に皺や裂けが発生することを防止することができる。
従来の上型と下型からなる一対の金型を１軸方向に相対移動させてプレスする単純な賦形方法では、ウェブ面、繊維に張力が生じるフランジ面及び繊維が弛むフランジ面を含むあらゆる箇所に繊維の皺や裂けが発生していた。
これに対して、上述したプリフォーム賦形装置１、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法によれば、ウェブ４の表面、繊維に張力が生じるフランジ５の表面及び繊維に弛みが生じるフランジ５の表面のいずれにおいても、繊維に皺及び裂けを発生させずに高品質なドライプリフォーム３を賦形することが可能である。
（変形例）
図１０は本発明の第１の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の変形例を示す構成図であり、図１１は図１０に示すプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの形状例を示す斜視図である。
図１０に示すように一部のフランジ型９を下型８側の退避位置から上昇させて上型７に接近させ、フランジ型９と上型７との間でフランジ５をプレスする一方、別の一部のフランジ型９を上型７側の退避位置から下降させて下型８に接近させ、フランジ型９と下型８との間で別のフランジ５をプレスすることもできる。
尚、図１０に示す例では、フランジ型９を上型７側の退避位置から下降させる昇降装置１０Ｃが水平方向の支柱に沿って水平方向にスライドし、かつフランジ型９を吊り下げる懸垂式の装置となっているが、フランジ型９を下方から支える装置としても良い。また、上述したようにフランジ型９を昇降装置１０Ｃに対して水平方向にスライドさせるようにしても良い。或いは、懸垂式の昇降装置１０Ｃをスライド装置１０Ｂで水平方向にスライドさせるようにしても良い。
図１０に示すプリフォーム賦形装置１で繊維の積層体２を賦形すると、図１１に例示されるように２つのフランジ５をそれぞれ逆方向にウェブ４の片面側に折り曲げた形状を有するドライプリフォーム３を製作することができる。
（第２の実施形態）
図１２は本発明の第２の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図である。
図１２に示された第２の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ａは、ドライプリフォーム３の素材となるシート状の繊維の積層体２と、上型７及び下型８の少なくとも一方との間に断熱性及び耐熱性を有するシート４０を配置した点が第１の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１と相違する。第２の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
加熱装置１２で上型７及び下型８の一方又は双方の表面を加熱する場合には、図１２に示すように、シート状の繊維の積層体２と、加熱装置１２で加熱される上型７及び下型８の少なくとも一方の表面との間に断熱性及び耐熱性を有するシート４０を配置することができる。
図１３は図１２に示すシート４０の上面図である。
断熱性及び耐熱性を有するシート４０には、複数の孔４１が形成される。このため、ドライプリフォーム３の賦形時に加熱装置１２で加熱された上型７及び下型８の少なくとも一方の表面からシート状の繊維の積層体２への熱伝導が、シート４０に孔４１が形成された部分に限定される。その結果、シート状の繊維の積層体２の全面が加熱されずに、局所的に加熱される。このため、シート状の繊維の積層体２がバインダで局所的に熱融着し、シート状の繊維層の間に熱融着されない部分を形成した状態でシート状の繊維層を仮留めすることができる。
すなわち、バインダを含むシート状の繊維の積層体２と、加熱装置１２で表面が加熱される上型７及び下型８の少なくとも一方との間に孔４１を形成した断熱性及び耐熱性を有するシート４０を配置した状態で、シート状の繊維の積層体２を上型７、下型８及びフランジ型９でプレスし、上型７及び下型８の少なくとも一方の表面を加熱装置１２で加熱することによってバインダでシート状の繊維の積層体２を部分的に仮留めすることができる。
そうすると、シート状の繊維層の全面をバインダで熱融着させる場合に比べて、ドライプリフォーム３に樹脂を含浸させる際に、樹脂の含浸性を向上させることができる。すなわち、繊維層間において熱融着されない部分を利用して樹脂を浸透させることができる。つまり、繊維層の全面をバインダで熱融着させると樹脂が含浸し難くなってしまうが、熱融着を部分的に引起すことによって、複合材成形時に樹脂の含浸性を向上させることが可能となる。
尚、孔４１を形成した断熱性及び耐熱性を有するシート４０は、上型７、下型８及びフランジ型９を備えたプリフォーム賦形装置１Ａに限らず、上型と下型を備えた単純なプリフォーム賦形装置においても設置することができる。
より具体的には、ドライプリフォームの一部の面にフィットする表面を有する上型、ドライプリフォームの別の一部の面にフィットする表面を有する下型、上型と下型との間における距離がドライプリフォームの厚さよりも長い距離からドライプリフォームの厚さに変化するように上型及び下型の相対的な位置決めを行う駆動機構並びに上型及び下型の少なくとも一方の表面を加熱する加熱装置を備えたプリフォーム賦形装置において、ドライプリフォームの素材となるシート状の繊維の積層体と、上型及び下型の少なくとも一方との間に孔４１を形成した断熱性及び耐熱性を有するシート４０を配置することによって、加熱装置で加熱された上型及び下型の少なくとも一方の表面からシート状の繊維の積層体への熱伝導を孔４１が形成された部分に限定することができる。
そして、ドライプリフォームを製作するために、バインダを含むシート状の繊維の積層体と、加熱装置で表面が加熱される上型及び下型の少なくとも一方との間に、孔４１を形成した断熱性及び耐熱性を有するシート４０を配置した状態で、ドライプリフォームの一部の面にフィットする表面を有する上型と、ドライプリフォームの別の一部の面にフィットする表面を有する下型で、シート状の繊維の積層体を挟み込んでプレスし、加熱装置で加熱された上型及び下型の少なくとも一方の表面からシート状の繊維の積層体への熱伝導が孔４１が形成された部分に限定された状態で上型及び下型の少なくとも一方の表面を加熱装置で加熱することによってバインダでシート状の繊維の積層体を仮留めすることができる。
従って、シート４０に付与される断熱性の程度は、孔４１が形成されていない部分において繊維の積層体２に含まれるバインダが熱融着しない温度となるように、加熱装置１２で表面が加熱される型からの熱移動を低減できる程度であれば良い。
（第３の実施形態）
図１４は本発明の第３の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図である。
図１４に示された第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂは、上型７及び下型８の少なくとも一方の表面に熱伝導性を有するピン又は針等からなる複数の棒状構造物５０を配置した点が第１の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１と相違する。第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂでは、熱伝導性を有する複数の棒状構造物５０が上型７及び下型８の少なくとも一方の表面から突出した状態で配置される。そして、加熱装置１２は、複数の棒状構造物５０を加熱できるように構成されている。具体例として、複数の棒状構造物５０を電導性を有する金属等で構成し、電流を流すことによって加熱することができる。
このため、シート状の繊維の積層体２に複数の棒状構造物５０を差し込んでシート状の繊維の積層体２の滑りを防止しつつ、加熱装置１２で加熱された複数の棒状構造物５０でシート状の繊維の積層体２を局所加熱することによってシート状の繊維の積層体２を仮留めすることができる。
尚、複数の棒状構造物５０を鉛直方向にスライドできるようにし、上型７又は下型８に収納できるようにしても良い。
（第４の実施形態）
図１５は本発明の第４の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の構成図である。
図１５に示された第４の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｃは、複数の棒状構造物５０を上型７及び下型８の少なくとも一方の表面から突出しないように配置した点が第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂと相違する。第４の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｃの他の構成及び作用については第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂと実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
第４の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｃでは、加熱装置１２で加熱される複数の棒状構造物５０が上型７及び下型８の少なくとも一方に内蔵される。このため、複数の棒状構造物５０で上型７及び下型８の少なくとも一方の表面を局所的に加熱することができる。
尚、複数の棒状構造物５０で上型７及び下型８の表面全体が加熱されないように複数の棒状構造物５０を上型７又は下型８の内面から退避できるようにしても良い。すなわち、複数の棒状構造物５０を上型７又は下型８の内面に瞬間的に接触させて、局所的かつ瞬間的に上型７又は下型８の表面を加熱できるようにしても良い。もちろん、棒状構造物５０の加熱期間の制御によって、上型７又は下型８の表面全体が加熱されないようにしても良い。
複数の棒状構造物５０を上型７又は下型８に内蔵する場合には、プレス位置に位置決めされた上型７、下型８及びフランジ型９の間に形成される隙間をシールすれば、真空引き、熱硬化性樹脂の注入及び熱硬化性樹脂の加熱硬化を行うことによって複合材を成形することができる。そこで、繊維の仮留めを行う場合には、加熱装置１２による通電加熱等によって複数の棒状構造物５０を加熱する一方、熱硬化性樹脂の加熱硬化を行う場合には、加熱装置１２による電磁誘導等によって上型７及び下型８の少なくとも一方の表面全体を加熱するようにしても良い。
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
例えば、上述した例では、複合材を構成する樹脂が熱硬化性樹脂である場合について説明したが、熱可塑性樹脂で複合材を構成しても良い。熱可塑性樹脂は、結晶性樹脂と非晶性樹脂に大別される。結晶性樹脂の具体例としては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂及びポリプロピレン樹脂等が挙げられる。一方、非晶性樹脂の具体例としては、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレン の共重合合成樹脂）及びポリカーボネート樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂を使用して複合材を成型する場合には、加熱溶融によって流動性が付与された熱可塑性樹脂がドライプリフォーム３に含侵される。そして、含侵させた熱可塑性樹を冷却することによって熱可塑性樹脂を硬化することができる。従って、熱硬化性樹脂を加熱硬化するための加熱装置１２に代えて、熱可塑性樹脂を冷却硬化するための冷却装置を設けることができる。或いは、冷却装置を設けずに空冷によって熱可塑性樹脂を硬化しても良い。
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ プリフォーム賦形装置
２ シート状の繊維の積層体
３ ドライプリフォーム
４ ウェブ
５、５Ａ、５Ｂ フランジ
６ 面取り部分
７ 上型
７Ａ 第１の表面
７Ｂ 第２の表面
８ 下型
９ フランジ型
９Ａ 分割型
１０ 駆動機構
１０Ａ 昇降装置
１０Ｂ スライド装置
１０Ｃ 昇降装置
１１ 固定治具
１２ 加熱装置
２０ 繊維束
２１ 熱可塑性樹脂の微粒子
２２ ドライテープ材
２３ 熱可塑性の不織布
２４ ドライテープ材
３０ 下型
３１ バギングフィルム
３２ シーラント
３３ 上型
３４ 真空装置
３５ 樹脂注入装置
３６ 加熱装置
４０ 断熱性及び耐熱性を有するシート
４１ 孔
５０ 棒状構造物

Claims (7)

  1. プリフォームの一部の面にフィットする表面を有する第１の型と、
    前記プリフォームの別の一部の面にフィットする表面を有する第２の型と、
    前記第１の型と前記第２の型との間における距離が前記プリフォームの厚さよりも長い距離から前記プリフォームの厚さに変化するように前記第１の型及び前記第２の型の相対的な位置決めを行う駆動機構と、
    前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面を加熱する加熱装置と、
    前記プリフォームの素材となるシート状の繊維の積層体と、前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方との間に配置され、かつ孔を形成した断熱性及び耐熱性を有するシートであって、前記加熱装置で加熱された前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面から前記シート状の繊維の積層体への熱伝導を前記孔が形成された部分に限定する前記シートと、
    有するプリフォーム賦形装置。
  2. プリフォームの一部の面にフィットする表面を有する第１の型と、前記プリフォームの別の一部の面にフィットする表面を有する第２の型で、バインダを含むシート状の繊維の積層体を挟み込んでプレスするステップと、
    前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面を加熱装置で加熱し、前記バインダで前記シート状の繊維の積層体を仮留めすることによって前記プリフォームを製作するステップと、
    を有し、
    前記シート状の繊維の積層体と、表面が加熱される前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方との間に孔を形成した断熱性及び耐熱性を有するシートを配置し、前記加熱装置で加熱された前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面から前記シート状の繊維の積層体への熱伝導を前記孔が形成された部分に限定するプリフォーム賦形方法。
  3. 前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面にピン又は針を配置し、前記ピン又は針を前記加熱装置で加熱することによって前記シート状の繊維の積層体を仮留めする請求項２記載のプリフォーム賦形方法。
  4. 前記ピン又は針を前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面から突出させて配置し、前記シート状の繊維の積層体に前記ピン又は針を差し込んで前記シート状の繊維の積層体の滑りを防止しながら加熱する請求項３記載のプリフォーム賦形方法。
  5. 前記ピン又は針を前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面から突出しないように配置し、前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方に内蔵した前記ピン又は針で前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面を局所的に加熱する請求項３記載のプリフォーム賦形方法。
  6. 請求項２乃至５のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法で製作された前記プリフォームに熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸させて硬化することによって複合材を製作する複合材成形方法。
  7. 請求項３乃至５のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法で製作された前記プリフォームに熱硬化性樹脂を含浸させるステップと、
    前記第１の型及び前記第２の型の少なくとも一方の表面全体を加熱し、前記熱硬化性樹脂を加熱硬化することによって複合材を製作するステップと、
    を有する複合材成形方法。
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