WO2012114933A1 - プリフォームの製造装置および製造方法ならびにその方法により製造されたプリフォーム - Google Patents

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shaping
thermal conductivity
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樋野豊和
山崎真明
木部隆造
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東レ株式会社
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    • B29K2995/0015—Insulating

Definitions

  • the present invention relates to a preform manufacturing apparatus and manufacturing method used for RTM (Resin® Transfer® Molding) molding and a preform manufactured by the method, and in particular, minimizes heat radiation when heating for preform shaping. It is related with the technique which made it possible to improve the shaping accuracy of a preform.
  • RTM Resin® Transfer® Molding
  • a preform used for RTM molding conventionally, for example, (1) a plurality of laminated reinforcing fiber bases are placed in a shaping mold, the shaping mold is closed, and the shaping mold is shaped ( 2) Heat the shaping mold (or preheat it), thereby heating the base material and melting the fixing material attached to the base material, (3) While maintaining the shape with the shaping mold Then, the preform is cooled, the fixing material is solidified to fix the base material layers, and (4) the shaped preform is taken out of the shaping mold.
  • a metal mold is generally used as a shaping mold, and usually a heating means (circulating a heat medium or electric heater) is used for either the lower mold or the upper mold. Means) are provided.
  • the shaping mold is only the lower mold, a base material laminated on the lower mold is placed, bagging with a film from above, and the film and the mold are surrounded. By vacuuming the space, it is possible to press the substrate through the film with atmospheric pressure to obtain a predetermined shaped shape (for example, Patent Document 1).
  • a predetermined shaped shape for example, Patent Document 1
  • the upper and lower molds are often used as the shaping mold.
  • Patent Document 2 an upper and lower mold made of aluminum is used, and in shaping to a complex shape including a three-dimensional shape, as shown in Patent Document 3, a plurality of movable molds are used. A mold is used.
  • both the upper and lower molds are made of metal as described above, there are the following problems.
  • a heating means is provided only in the lower mold and a heat insulating material such as a foam material is interposed in the upper mold, the heat insulating material such as the foam material is deformed when pressing for shaping. Dimensional accuracy decreases.
  • heating means are provided on both the upper and lower molds, it becomes difficult to handle at least one of the molds as a split mold and to shape a complex shape.
  • the object of the present invention is to pay attention to the above-mentioned problems and to save energy by reducing heat dissipation and increasing heating efficiency. Even with a preform shaped into a complicated shape, the dimensional accuracy is high.
  • An object of the present invention is to provide an apparatus and method capable of reliably and easily producing a preform that can be produced and used for RTM molding, and a preform produced by the method.
  • a preform manufacturing apparatus includes a laminate in which a plurality of laminated reinforcing fiber base materials to which a fixing material mainly composed of a thermoplastic resin is attached are opposed to each other.
  • An apparatus for manufacturing a preform used for RTM molding by forming into a predetermined shape through heating with a shaping mold composed of a first mold and a second mold, and heating only the first mold A mechanism is provided, and at least a contact surface of the second mold that contacts the reinforcing fiber base is formed of a material having a lower thermal conductivity than that of the first mold.
  • the shaping molds only one of the shaping molds (first mold) is provided with a heating mechanism, and heating is performed only from the first mold side. Since the other mold (second mold) is made of a material having a lower thermal conductivity, heat conduction to the second mold and further heat radiation from the second mold can be suppressed to a low level. As a result, the laminate of the reinforcing fiber base material to which the fixing material mainly composed of the thermoplastic resin, which is disposed in the shaping mold, is adhered is efficiently heated to a desired temperature with a small amount of heat. become. Energy saving can be achieved by increasing the heating efficiency.
  • the other mold that is not provided with a heating mechanism can be easily configured as a split mold, so that it can easily cope with shaping to a complicated shape with high dimensional accuracy. become.
  • the contact surface is preferably formed of a material having a thermal conductivity of 0.01 W / m ⁇ K or more and 10 W / m ⁇ K or less, and a material having a thermal conductivity of 5 W / m ⁇ K or less. More preferably, it is formed. The lower the thermal conductivity of the second type forming material, the better. As a result, high heating efficiency and excellent energy saving as described above can be realized. However, if the thermal conductivity of the contact surface is too low, the cooling of the preform takes time because the heat release from the mold does not proceed when cooling with the shaping mold closed in the solidification process of the adhesive. It is feared that it is necessary. Therefore, the contact surface forming material preferably has a thermal conductivity of 0.01 W / m ⁇ K or more, more preferably 0.1 W / m ⁇ K or more.
  • Examples of the material for forming such a low thermal conductivity contact surface include a non-metallic material having a thickness of at least 5 mm. Among them, for ease of manufacture, a resin having a low thermal conductivity and high heat resistance is used. Material is preferred.
  • epoxy resin thermal conductivity: 0.2 to 0.4 W / m ⁇ K
  • phenol resin silica
  • bakelite resin silica
  • PTFE resin about 0.25 W / m ⁇ K
  • chemical wood thermal conductivity: 0.1 to 1.8 W / m ⁇ K
  • heat resistant board material for example, Rosna board (manufactured by Nikko Kasei Co., Ltd., same: 0.24 W / m ⁇ K
  • the heat resistance only needs to be sufficient to withstand the forming temperature of the preform and the temperature for melting the thermoplastic resin as the fixing material.
  • a thin material such as a film among non-metallic materials is not suitable as a material for forming the contact surface.
  • manual work increases, and problems such as a decrease in productivity and an increase in cost may occur.
  • the shape cannot be given to the second mold side.
  • the thin material is easily affected by the outside air temperature, the heat transmitted from the first mold provided with the heating source is radiated. Therefore, it may be necessary to provide a heating source also on the second mold side.
  • the second mold preferably has a thickness of at least 5 mm.
  • the first mold is preferably formed of a material having a relatively high thermal conductivity for heat transfer toward the base material side, and particularly preferably made of metal.
  • a material having a relatively high thermal conductivity for heat transfer toward the base material side and particularly preferably made of metal.
  • metal for example, aluminum (thermal conductivity: 204-230 W / m ⁇ K), carbon steel (same: 36-53 W / m ⁇ K), chrome steel (22:60 W / m ⁇ K) may be used. it can. However, it is not limited to the exemplified materials.
  • the second mold according to the present invention is not provided with a heating mechanism, so that it can be easily configured as a split mold.
  • the split type By forming the split type, it is possible to cope with shaping of a preform having a complicated shape.
  • the type of the reinforcing fiber base that constitutes the laminate is not particularly limited, and a carbon fiber base, a glass fiber base, an aramid fiber base, or a hybrid fiber base that combines these can be used.
  • the present invention is particularly effective in the case of a carbon fiber base material that requires shaping of a preform with high dimensional accuracy during RTM molding.
  • the glass transition temperature (Tg) of the fixing agent is in the range of 50 to 80 ° C.
  • Tg of the fixing agent is lower than 50 ° C.
  • the handling properties may be deteriorated, for example, the substrates may stick to each other during transportation of the substrates.
  • it exceeds 80 ° C. it is necessary to increase the shaping temperature, and it may be necessary to use a special material having a high heat-resistant temperature, particularly in the second mold.
  • the fixing agent adhered to the surface of the reinforcing fiber base is mainly composed of a thermoplastic resin.
  • the thermoplastic resin include, but are not limited to, polyamide, polysulfone, polyetherimide, polyphenylene ether, polyimide, polyamideimide, and polyvinyl formal.
  • the resin material is composed mainly of a thermoplastic resin, it is easy to handle when it is spread and fixed on a reinforcing fiber woven fabric, and when the reinforcing fiber woven fabric is laminated and deformed into a three-dimensional shape and then the layers are bonded together And productivity is improved.
  • a main component means the component with the largest ratio among the components which comprise a resin material.
  • the fixing agent contains a thermosetting resin such as an epoxy resin or a phenol resin, and a thermoplastic resin and / or a thermosetting resin can be appropriately selected and used.
  • a laminate in which a plurality of reinforcing fiber base materials to which a fixing material mainly composed of a thermoplastic resin is attached is laminated, the first mold and the second mold facing each other.
  • the forming die is formed into a predetermined shape by a press with a shaping die, and the fixing material existing between the reinforcing fiber bases is melted by heating, and the fixing material is solidified by cooling after melting to reinforce the reinforcing fiber base.
  • the contact surface which contacts a base material consists of a method with which heat conductivity to the 2nd type
  • the contact surface is preferably formed of a material having a thermal conductivity of 0.01 W / m ⁇ K or more and 10 W / m ⁇ K or less. More preferably, it is made of a material of K or less.
  • the contact surface is preferably formed of a non-metallic material having a thickness of at least 5 mm as exemplified above, and the first mold is also formed of a metallic material as exemplified above. Preferably it is.
  • the material for forming the contact surface preferably has a thermal conductivity of 0.01 W / m ⁇ K or more, more preferably 0.1 W / m ⁇ K or more.
  • the second mold that is not provided with a heating mechanism can be composed of a split mold, which makes it possible to easily cope with shaping to a complicated shape with high dimensional accuracy.
  • the preform manufacturing method in the cooling process, it is possible to cool the laminated body in a pressed state. If the press is cooled in a released state, the fixing material is solidified in the released system, which may reduce the dimensional accuracy of the preform. On the other hand, if it does in this way, since the cooling operation
  • the type of the reinforcing fiber base to be used is not particularly limited, but the present invention is particularly effective when the reinforcing fiber base is made of a carbon fiber base.
  • the glass transition temperature (Tg) of the fixing agent is in the range of 50 to 80 ° C.
  • the present invention also provides a preform manufactured using the above method.
  • a preform with high dimensional accuracy is efficiently manufactured with less heat energy.
  • a preform used for a desired RTM molding can be reliably and easily manufactured with high dimensional accuracy and high productivity even when forming into a complicated shape.
  • FIG. 1 shows a preform manufacturing apparatus 1 according to an embodiment of the present invention.
  • a thermoplastic resin is mainly contained in a shaping die 4 composed of a lower die 2 as a first die and an upper die 3 as a second die facing each other.
  • Only the lower mold 2 is provided with a heat medium flow passage for circulating hot water or heated oil as the heating mechanism 6.
  • the lower mold 2 further includes an air-cooling or water-cooling cooling means. 7 is provided.
  • the heating mechanism in addition to the above-described heat medium circulation system, it is also possible to configure a mechanism having a heater.
  • the cooling means 7 for example, a method of cooling the preform by supplying compressed air from a through-hole provided in the lower mold 2 toward the preform, or cooling water in a flow passage provided in the lower mold 2 is used. It is possible to adopt a method of circulating the.
  • type 3 in which the heating mechanism 6 is not provided is comprised by the division
  • the upper mold 3 is connected to a press mechanism 8 that opens and closes the upper mold 3 with respect to the lower mold 2 and generates a pressing force (pressing pressure) for shaping the laminated body 5.
  • the laminated body 5 is arranged in such a shaping mold 4, and the laminated body 5 is shaped into a predetermined shape through heating from the lower mold 2 and pressurization from the upper mold 3 by the press mechanism 8. By being shaped into a preform, a preform used for RTM molding is produced.
  • the upper mold 3 in the shaping mold 4 is made of a material having a lower thermal conductivity than the lower mold 2. More specifically, for example, the lower mold 2 is made of aluminum (thermal conductivity at 20 ° C .: 228 W / m ⁇ K), an aluminum alloy, or steel (thermal conductivity of pure iron at 20 ° C .: 72.7 W / m ⁇ K).
  • the upper mold 3 is made of a heat-resistant resin (for example, a thermal conductivity of a phenol resin at 20 ° C .: 0.233 W / m ⁇ K).
  • the laminate 5 is shaped into a predetermined shape by pressing between the lower mold 2 and the upper mold 3 of the shaping mold 4, and the lower mold
  • the fixing material existing between the reinforcing fiber bases is melted by heating by the heating mechanism 6 from the second side, and after the melting, the fixing material is solidified by cooling by the cooling means 7 and the reinforcing fiber bases are bonded to each other to form a shaped shape. Retained.
  • heating is performed only from the lower mold 2 side where the heating mechanism 6 is provided.
  • the upper mold 3 is made of a material having lower thermal conductivity than the lower mold 2, The heat conduction to the mold 2 and further the heat radiation from the lower mold 2 to the outside can be kept low.
  • the laminate 5 of the reinforcing fiber base material which is disposed in the shaping mold 4 and to which the fixing material mainly composed of a thermoplastic resin is adhered, is necessary for efficiently melting the fixing material with a small amount of heat. A sufficient amount of heat is applied, and then the substrates are bonded together by the solidified material.
  • the heating mechanism 6 the amount of energy used during shaping is reduced, and energy saving is possible.
  • the upper die 3 not provided with the heating mechanism 6 can be configured as a divided die as shown in the figure, so that it is possible to cope with shaping to a complicated shape and the complicated shape. Can be shaped with high dimensional accuracy.
  • thermocouples 16 [(1), (2), (3), (4), (5)] arranged on the both sides of the fiber woven fabric 13 layer and the laminate 14.
  • the upper mold 15 is not provided with a heat source.
  • the lower mold 12 was made of aluminum and the upper mold 15 was made of resin (chemical wood, thermal conductivity: 1.5 W / m ⁇ K) as an example, and the lower mold 12 was made of aluminum (thermal conductivity: 228 W). / M ⁇ K), and the upper die 15 made of aluminum was used as a comparative example.
  • a test was conducted to measure how the temperature at each location changed after the die was closed. The test results are shown in Table 1.
  • the preform obtained was a preform in which the respective layers were firmly fixed, whereas in the case of the comparative example, the fixing material was not melted. It wasn't done enough. For this reason, the shape collapses when the preform is conveyed, and cannot be used for RTM molding.
  • FIG. 3 is a schematic characteristic diagram showing an example of the temperature distribution in the embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a laminate 5 (5-layer structure) of reinforcing fiber base material sandwiched between a lower mold 2 as a first mold and an upper mold 3 as a second mold.
  • fever transfer Q has produced toward is shown typically.
  • T (T 1 to T 8 ) is the temperature (° C.) of the contact surface at each point
  • l (l 1 to l 7 ) is the thickness (m) of each layer
  • ⁇ ( ⁇ 1 to ⁇ 7 ) is the heat of each material.
  • Conductivity W / m ⁇ K).
  • the layers of the lower mold 2, the upper mold 3 and the laminated body 5 are regarded as parallel plane plates that are in close contact with each other, the contact thermal resistance at the contact surface between the layers is ignored, and the heat transfer Q is steady heat conduction (T 1 When it is assumed that T is constant and T 8 is constant, the amount of heat q (W / m 2 ) transferred per unit area is expressed by the following mathematical formula.
  • T 2 to T 7 can be expressed by the following mathematical formulas (where 2 ⁇ i ⁇ 7).
  • T 1 100 ° C. and T 8 is 25 ° C.
  • the upper die 3 when the upper die 3 is changed to a resin having a low thermal conductivity, the heat conduction in the upper die 3 becomes rate limiting, and the temperature difference becomes large. Therefore, the PAN having a low thermal conductivity as a reinforcing fiber substrate. Even when a carbon fiber or glass fiber is used, the temperature drop in each layer of the reinforcing fiber base can be reduced.
  • the upper mold 3 is made of a material having high thermal conductivity, heat transfer proceeds in the upper mold 3, so that strengthening in the vicinity of the upper mold 3 is performed. It can be considered that it takes time to heat each layer of the fiber base material.
  • the upper mold 3 is made of a material having a low thermal conductivity, the heat transfer in the upper mold 3 is rate-determining, so that the temperature drop in the vicinity of the upper mold 3 can be prevented, and the reinforcing fiber substrate Even if it is a PAN-based carbon fiber having a low thermal conductivity, each layer of the reinforcing fiber base can be rapidly heated.
  • the preform manufacturing apparatus and manufacturing method according to the present invention can be applied to any application that requires the preform used for RTM molding to be accurately shaped while saving energy.

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Abstract

　熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、互いに対向する型から構成される賦形型で加熱を介して所定形状に賦形することにより、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを製造する装置であって、第１の型のみに加熱機構を設けるとともに、第２の型の少なくとも前記強化繊維基材と接触する接触面が第１の型より熱伝導率の低い材料で形成されていることを特徴とするプリフォームの製造装置、プリフォームの製造方法、およびその方法により製造されたプリフォーム。放熱を小さく抑え加熱効率を上げて省エネルギー化が可能であり、複雑な形状に賦形されるプリフォームであっても寸法精度よく作製することが可能な、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを容易に製造できる装置および方法、その方法により製造されたプリフォームを提供する。

Description

プリフォームの製造装置および製造方法ならびにその方法により製造されたプリフォーム
　本発明は、ＲＴＭ(Resin Transfer Molding)成形に用いるプリフォームの製造装置および製造方法ならびにその方法により製造されたプリフォームに関し、とくに、プリフォームの賦形のために加熱する場合の放熱を最小限に抑えるとともに、プリフォームの賦形精度を向上できるようにした技術に関する。
　ＲＴＭ成形に用いるプリフォームの作製においては、従来、例えば、（１）複数枚積層した強化繊維基材を賦形型内に配置し、賦形型を閉じ、賦形型で形状をつける、（２）賦形型を加熱し(または予め加熱しておき)、それによって基材を加熱し、基材に付着されている固着材を溶融させる、（３）賦形型で形状を保持させつつ、プリフォームを冷却し、固着材を固化させて基材の層間を固着する、（４）賦形されたプリフォームを賦形型から取り出す、といった一連の工程を経ている。このようなプリフォームの賦形において、賦形型としては一般に金属製のものが使用され、通常、下型、上型のどちらか一方の型に加熱手段(熱媒を流通させる、もしくは電気ヒーターを設置した手段)が設けられている。
　また、比較的簡単な賦形形状の場合には、賦形型は下型のみとし、下型上に積層した基材を配置し、その上からフィルムでバギングして、フィルムと型で囲まれる空間を真空引きすることで、大気圧によってフィルムを介して基材を押圧し、所定の賦形形状を得ることが可能である (例えば、特許文献１)。しかし、このようなフィルムを使用する賦形方法では、人手による作業が多いため、生産性が低く、コストが高くなってしまう。そのため、賦形型としては上下型を用いる場合が多い。例えば、特許文献２では、アルミニウム製の上下型が用いられており、三次元形状を含む複雑形状への賦形では、特許文献３のように、複数の可動式の金型から構成される上型が用いられている。
特開２００６－１２３４０４号公報 特開２００６－１２３４０２号公報 特開２００９－１１９７０１号公報
基礎化学工学、社団法人化学工学会編、１９９９年
　しかし、上記のように上下型ともに金属製の型とする場合には、以下のような問題点がある。
　まず、下型のみに加熱手段を設けた場合、反対側の上型への放熱が大きくなるので、賦形のための温度を一定の温度に保つためには、下型を必要以上に加熱しなければならないことが多い。そのため、加熱のために使用するエネルギーが大きくなり、省エネルギーが困難である。また、下型のみに加熱手段を設け、上型に対して発泡材などの断熱材を介在させた場合、賦形のための押圧時に発泡材などの断熱材が変形するため、できあがるプリフォームの寸法精度が低下する。一方、上下の型両方に加熱手段を設ける場合、少なくともいずれか一方の型を分割型として複雑な形状の賦形に対応することが困難となる。
　そこで本発明の課題は、上記のような問題点に着目し、放熱を小さく抑え加熱効率を上げて省エネルギー化が可能であり、複雑な形状に賦形されるプリフォームであっても寸法精度よく作製することが可能な、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを確実にかつ容易に製造できる装置および方法、ならびにその方法により製造されたプリフォームを提供することにある。
　上記課題を解決するために、本発明に係るプリフォームの製造装置は、熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、互いに対向する第１の型、第２の型から構成される賦形型で加熱を介して所定形状に賦形することにより、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを製造する装置であって、第１の型のみに加熱機構を設けるとともに、第２の型の少なくとも前記強化繊維基材と接触する接触面が第１の型より熱伝導率の低い材料で形成されていることを特徴とするものからなる。
　このような本発明に係るプリフォームの製造装置においては、賦形型の一方の型（第１の型）のみに加熱機構が設けられてこの第１の型側からのみ加熱が行われるが、他方の型（第２の型）がより熱伝導率の低い材料で形成されているので、この第２の型への熱伝導、さらにはこの第２の型からの放熱が低く抑えられる。その結果、賦形型内に配置されている、熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材の積層体が、少ない熱量でもって効率よく所望の温度に加熱されることになる。加熱効率を上昇させることで省エネルギー化が可能になる。また、変形しやすい断熱材を介在させる必要がないので、プリフォームの賦形寸法精度を高めることが可能になる。さらに、加熱機構が設けられない他方の型（第２の型）は、容易に分割型に構成することができ、それによって複雑な形状への賦形にも高い寸法精度をもって容易に対応できるようになる。
　上記接触面は、例えば、熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で形成されていることが好ましく、熱伝導率が５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で形成されていることがより好ましい。第２の型の形成材料の熱伝導率は低いほど好ましく、それによって上記のような高い加熱効率、優れた省エネルギー化が実現可能となる。ただし、あまりにも接触面の熱伝導率が低い場合、固着剤の固化工程において賦形型を閉じた状態で冷却を行う場合に型内からの放熱が進行しないために、プリフォームの冷却に時間を要することが懸念される。従って、接触面の形成材料は、０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することが好ましい。
　このような低い熱伝導率の接触面の形成材料として、少なくとも５ｍｍの厚さを持つ非金属材料が挙げられ、中でも製造のしやすさ等から、低熱伝導率でかつ耐熱性の高い樹脂等の材料が好ましい。例えば、エポキシ樹脂（熱伝導率：０．２～０．４Ｗ／ｍ・Ｋ）、フェノール樹脂（同：０．１３～０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ）、ベークライト樹脂（同：０．３３～０．６７Ｗ／ｍ・Ｋ）、ＰＴＦＥ樹脂（約０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ）といった汎用樹脂や、ケミカルウッド（熱伝導率：０．１～１．８Ｗ／ｍ・Ｋ）、耐熱ボード材（例えば、ロスナボード（日光化成株式会社製）、同：０．２４Ｗ／ｍ・Ｋ）といった材料も使用することができる。ただし、例示した材料に限定されるものではない。また、耐熱性は、プリフォームの賦形温度、上記固着材としての熱可塑性樹脂を溶融させるための温度に耐えられるだけの耐熱性があればよい。
　ただし、非金属材料のうちフィルムのような薄物の素材は、上記接触面の形成材料として相応しくない。バギングフィルムによる賦形では、前述した通り、人手による作業が多くなり、生産性の低下やコストの増加という問題が生じ得る。また、第２の型側に形状を付与することができなくなる恐れもある。それに加えて、薄物の素材は外気温の影響を強く受けやすいので、加熱源を設けた第１の型から伝達された熱を放熱してしまう。そのため、第２の型側にも加熱源を設ける必要が生じ得る。この第２の型は、少なくとも５ｍｍ以上の厚みを持っていることが好ましい。
　これに対し、第１の型は、基材側に向けての伝熱のための比較的高い熱伝導率を有する材料で形成されていることが好ましく、とくに金属製であることが好ましい。例えば、アルミニウム（熱伝導率：２０４～２３０Ｗ／ｍ・Ｋ）、炭素鋼（同：３６～５３Ｗ／ｍ・Ｋ）、クロム鋼（同：２２～６０Ｗ／ｍ・Ｋ）等を使用することができる。ただし、例示した材料に限定されるものではない。
　また、前述したように、本発明における第２の型には加熱機構が設けられないので、容易に分割型に構成できる。分割型に構成することにより、複雑な形状のプリフォームの賦形にも対応できるようになる。
　上記積層体を構成する強化繊維基材の種類は、特に限定されず、炭素繊維基材やガラス繊維基材、アラミド繊維基材、さらにはこれらを組み合わせたハイブリッド構成の強化繊維基材を使用可能であり、中でも、ＲＴＭ成形に際して高い寸法精度をもってプリフォームの賦形が求められる炭素繊維基材からなる場合、本発明がとくに有効である。
　また、本発明に係るプリフォームの製造装置において使用する強化繊維基材について、前記固着剤のガラス転移温度（Ｔｇ）が５０～８０℃の範囲にあることが望ましい。固着剤のＴｇが５０℃を下回る場合、基材の輸送時に基材同士が貼りついてしまう等、ハンドリング性が悪くなる恐れがある。逆に８０℃を超える場合、賦形温度を上昇させる必要があり、耐熱温度の高い特殊な材料を、特に第２の型において用いる必要が生じる恐れがある。
　強化繊維基材の表面に付着させた固着剤としては、熱可塑性樹脂を主成分とするものであることが好ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリアミド、ポリスルフォン、ポリエーテルイミド、ポリフェニレンエーテル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリビニルホルマールなどがあるが、特に限定するものではない。樹脂材料が熱可塑性樹脂を主成分とするものであると、強化繊維織物に散布し固着させる場合、さらには強化繊維織物を積層、立体形状へと変形させた後に層間を接着させる場合の取り扱い性が向上し、生産性が向上する。なお、主成分とは樹脂材料を構成する成分の中で、その割合が最も多い成分のことをいう。ただし、固着剤にエポキシ樹脂やフェノール樹脂といった熱硬化性樹脂を含むことを制限するものではなく、熱可塑性樹脂および／または熱硬化性樹脂を適宜選択して使用することができる。
　本発明に係るプリフォームの製造方法は、熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、互いに対向する第１の型、第２の型から構成される賦形型によりプレスにより所定形状に賦形するとともに、加熱により強化繊維基材間に存在する前記固着材を溶融させ、溶融後に冷却することにより前記固着材を固化させ強化繊維基材同士を接着させて賦形形状を保持する、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを製造する方法であって、前記加熱において、第１の型からのみ加熱するとともに、第２の型の少なくとも前記強化繊維基材と接触する接触面を第１の型より熱伝導率の低い材料で形成して第２の型側への熱伝導を抑えることを特徴とする方法からなる。
　このようなプリフォームの製造方法においても、上記接触面が、熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で形成されていることが好ましく、５Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で形成されていることがより好ましい。
　また、上記接触面が、先に例示したような少なくとも５ｍｍの厚さを持つ非金属材料で形成されていることが好ましく、第１の型も、先に例示したような金属材料で形成されていることが好ましい。ただし、前述の理由から、この方法においても、接触面の形成材料は、０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上、さらには０．１Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有することが好ましい。
　また、加熱機構が設けられない第２の型は、分割型から構成することができ、それによって複雑な形状への賦形にも高い寸法精度をもって容易に対応できるようになる。
　また、本発明に係るプリフォームの製造方法においては、上記冷却の過程において、上記積層体をプレスした状態のまま冷却を行うようにすることが可能である。もし、プレスを解放した状態で冷却した場合、解放された系で固着材が固化することになり、プリフォームの寸法精度が低下する恐れがある。一方、このようにすれば、加熱による賦形動作に続き、連続的に冷却動作を行うことができるので、賦形時間を短縮して製造効率を向上することもできる。
　また、前述したように、用いる強化繊維基材の種類は特に限定されないが、本発明は強化繊維基材が炭素繊維基材からなる場合にとくに有効なものである。
　また、本発明に係るプリフォームの製造方法においても、前記固着剤のガラス転移温度（Ｔｇ）が５０～８０℃の範囲にあることが望ましい。
　さらに本発明は、上記のような方法を用いて製造されたプリフォームについても提供する。本発明では、寸法精度の高いプリフォームが、少ない熱エネルギーで効率よく製造される。
　このように、本発明によれば、放熱を小さく抑え効率よく基材を加熱できるようになり、加熱効率を上昇させて省エネルギー化をはかることが可能になる。また、複雑な形状への賦形に際しても、高い寸法精度をもってかつ高い生産性をもって所望のＲＴＭ成形に用いるプリフォームを確実にかつ容易に製造できるようになる。
本発明の一実施態様に係るプリフォームの製造装置の概略断面図である。 本発明の実施例、比較例に用いた試験装置の概略構成図である。 本発明の実施例における温度分布の一例を示す概略特性図である。
　以下に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
　図１は、本発明の一実施態様に係るプリフォームの製造装置１を示している。このプリフォームの製造装置１においては、互いに対向する第１の型としての下型２および第２の型としての上型３から構成される賦形型４内に、熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体５が配置される。下型２にのみ、加熱機構６としての、温水または加熱されたオイルを循環させる熱媒流通路が配設されており、本実施態様では、さらに下型２に、空冷または水冷方式の冷却手段７が設けられている。加熱機構としては、上記のような熱媒循環方式の他に、ヒータを備えた機構に構成することも可能である。冷却手段７としては、例えば、圧縮空気を下型２に設けた貫通孔からプリフォームに向けて供給することによりプリフォームを冷却する方式か、下型２内に設けた流通路中に冷却水を循環させる方式を採用することができる。また、本実施態様では、加熱機構６が設けられていない上型３は、複数に分割された分割型に構成されている。この上型３には、上型３を下型２に対して開閉するとともに、積層体５の賦形のための押圧力（プレス圧）を発生するプレス機構８が連結されている。
　このような賦形型４内に積層体５が配置され、該賦形型４で、下型２からの加熱とプレス機構８による上型３からの加圧を介して積層体５が所定形状に賦形されることにより、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームが製造される。そして、賦形型４における上型３は、下型２より熱伝導率の低い材料から構成されている。より具体的には、例えば、下型２がアルミニウム(２０℃の熱伝導率：228W/m・K)またはアルミニウム合金や、スチール(２０℃の純鉄の熱伝導率：72.7W/m・K)などの金属製に構成され、上型３が耐熱性のある樹脂製（例えば、２０℃のフェノール樹脂の熱伝導率：0.233W/m・K）に構成されている。
　上記のようなＲＴＭ成形に用いるプリフォームの製造装置１においては、積層体５が、賦形型４の下型２、上型３間で、プレスにより所定形状に賦形されるとともに、下型２側からの加熱機構６による加熱により強化繊維基材間に存在する固着材が溶融され、溶融後に冷却手段７による冷却により固着材が固化され強化繊維基材同士が接着されて賦形形状が保持される。上記加熱においては、加熱機構６が設けられた下型２側からのみ加熱が行われることになるが、上型３が下型２より熱伝導率の低い材料から構成されているので、この下型２への熱伝導、さらにはこの下型２からの外部に向けての放熱が低く抑えられる。その結果、賦形型４内に配置されている、熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材の積層体５が、少ない熱量でもって効率よく固着材の溶融に必要な熱量が付与され、しかる後に固化された固化材により基材同士が接着されることになる。このように加熱機構６による加熱の効率を上昇させることにより、賦形時の使用エネルギー量が低減され、省エネルギー化が可能になる。また、前述したような変形しやすい断熱材を介在させる必要もないので、賦形されるプリフォームの寸法精度を高めることが可能になる。さらに、加熱機構６が設けられない上型３は、図示例の如く、分割型に構成することができるので、複雑な形状への賦形にも対応できるようになり、かつ、その複雑な形状への賦形を高い寸法精度をもって行うことができるようになる。
　上記のような本発明に係る構成による効果を調べるために、図２に示すような試験を行った。加熱機構１１(図示例では、ヒータ)を備え、１００℃に加熱した下型１２上に、炭素繊維織物１３を４枚積層した積層体１４を設置し、上型１５を閉じてからの各炭素繊維織物１３層間および積層体１４の両側に配置しておいた熱電対１６［（１）、（２）、（３）、（４）、（５）］により各箇所の温度を測定した。なお、上型１５には加熱源となるものは設置していない。下型１２をアルミニウム製とし、上型１５を樹脂製（ケミカルウッド、熱伝導率：１．５Ｗ／ｍ・Ｋ）としたものを実施例とし、下型１２をアルミニウム製（熱伝導率：２２８Ｗ／ｍ・Ｋ）とし、上型１５もアルミニウム製としたものを比較例として試験を実施し、型を閉じてから各箇所の温度がどのように変化するかを測定した。試験の結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表１に示すように、上型が樹脂製の場合(実施例)、加熱源から最も離れた箇所(5)でも、30 秒後には 97.4℃ に到達している。これは、下型からの熱が熱伝導率の低い上型に伝わることなく、ほとんど炭素繊維織物の加熱に使用されていることを示している。これに対して、上型が熱伝導率の高いアルミニウム製の場合(比較例)、加熱源から最も離れた箇所(5)では、600 秒経過しても 53.0℃ にしか到達しない上、加熱源に最も近い箇所(1)ですら、78.1℃ までしか上昇しなかった。これは下型の熱が上型側に逃げていることを示している。得られたプリフォームも、実施例の場合は各層間がしっかりと固着されたプリフォームが得られたのに対して、比較例の場合では、固着材が溶融しなかったために、層間の固着が十分になされなかった。このため、プリフォームを搬送する際に形状が崩れてしまい、ＲＴＭ成形に用いることができなかった。
　図３は本発明の実施例における温度分布の一例を示す概略特性図である。図３は、第１の型としての下型２と第２の型としての上型３の間に強化繊維基材の積層体５（５層構造）が挟まれ、下型２から上型３に向かって熱の移動Ｑが生じている状態における各地点の温度を模式的に示したものである。Ｔ（Ｔ１～Ｔ８）は各地点の接触面の温度（℃）、ｌ（ｌ１～ｌ７）は各層の厚み（ｍ）、λ（λ１～λ７）はそれぞれの材料の熱伝導率（Ｗ／ｍ・Ｋ）である。
　図３において、下型２、上型３および積層体５の各層を互いに密着する平行平面板とみなし、層間の接触面における接触熱抵抗を無視し、熱の移動Ｑが定常熱伝導（Ｔ１一定かつＴ８一定）であると仮定した場合に、単位面積当たり移動する熱量ｑ（Ｗ／ｍ２）は、下記の数式によって表される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　このとき、Ｔ２からＴ７は下記の数式で表すことができる（ただし、2 ≦ ｉ ≦ 7）。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　ここで、Ｔ１を１００℃、Ｔ８を２５℃と仮定し、ピッチ系炭素繊維（Ｃｙｔｅｃ社製、Ｔｈｅｏｎｅｌ　Ｋ－１０００、λ２～λ６＝１０００Ｗ／ｍ・Ｋ）とＰＡＮ系炭素繊維（東レ株式会社製、トレカ　Ｔ３００、λ２～λ６＝６．５Ｗ／ｍ・Ｋ）、およびガラス繊維（日東紡製、Ｅガラス系、λ２～λ６＝１．０３Ｗ／ｍ・Ｋ）のそれぞれにおいて、Ｔ２からＴ７を求めた結果を表２～５に示す。ただし、ｌ１＝０．０２ｍ、ｌ２～ｌ６＝０．００１５ｍ、ｌ７＝０．１ｍとする。
　表２は、下型２がアルミニウム製（λ１＝２２８Ｗ／ｍ・Ｋ）、上型３がアルミニウム製（λ７＝２２８Ｗ／ｍ・Ｋ）の場合の計算結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
　表３は、下型２がアルミニウム製（λ１＝２２８Ｗ／ｍ・Ｋ）、上型３が樹脂製（λ７＝１．５Ｗ／ｍ・Ｋ）の場合の計算結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　表４は、下型２が炭素鋼製（λ１＝４５Ｗ／ｍ・Ｋ）、上型３が炭素鋼製（λ７＝４５Ｗ／ｍ・Ｋ）の場合の計算結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000006
　表５は、下型２が炭素鋼製（λ１＝４５Ｗ／ｍ・Ｋ）、上型３が樹脂製（λ７＝１．５Ｗ／ｍ・Ｋ）の場合の計算結果である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000007
　表２、４から明らかなように、加熱源から離れた上型３が熱伝導率の高いアルミニウムや炭素鋼からなる場合には上型３内での温度差が小さくなるため、上型３表面の温度が低下する。特に、強化繊維基材が熱伝導率の低いＰＡＮ系の炭素繊維やガラス繊維からなる場合には下型２からの熱伝導が小さくなるため、上型３表面の温度の低下が顕著となることが分かる。
　しかし、上型３を熱伝導率の小さい樹脂製のものに変えた場合には上型３内の熱伝導が律速となり、温度差が大きくなるため、強化繊維基材として熱伝導率の小さいＰＡＮ系の炭素繊維やガラス繊維を用いたとしても、強化繊維基材の各層内での温度低下を小さくすることができる。
　上記の計算結果を実際のプリフォーム作製装置に当てはめると、上型３が熱伝導率の高い材料からなる場合には、上型３内での熱伝達が進行するため、上型３近傍の強化繊維基材の各層の加熱には時間を要することが考えられる。一方、上型３が熱伝導率の低い材料からなる場合には、上型３内での熱伝達が律速になることから、上型３近傍の温度低下を防ぐことができ、強化繊維基材が熱伝導率の低いＰＡＮ系の炭素繊維であっても、強化繊維基材の各層を迅速に加熱することができる。
　本発明に係るプリフォームの製造装置および製造方法は、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを、省エネルギー化をはかりつつ精度よく賦形することが求められるあらゆる用途に適用可能である。
１　プリフォームの製造装置
２　第１の型としての下型
３　第２の型としての上型
４　賦形型
５　強化繊維基材の積層体
６　加熱機構
７　冷却手段
８　プレス機構
Ｑ　熱の移動
ｌ、ｌ１～ｌ７　厚み
Ｔ、Ｔ１～Ｔ８　接触面の温度
λ、λ１～λ７　熱伝導率

Claims (16)

  1. 　熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、互いに対向する第１の型、第２の型から構成される賦形型で加熱を介して所定形状に賦形することにより、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを製造する装置であって、第１の型のみに加熱機構を設けるとともに、第２の型の少なくとも前記強化繊維基材と接触する接触面が第１の型より熱伝導率の低い材料で形成されていることを特徴とするプリフォームの製造装置。
  2. 　前記接触面が、熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で形成されている、請求項１に記載のプリフォームの製造装置。
  3. 　前記接触面が、少なくとも５ｍｍの厚さを持つ非金属材料で形成されている、請求項１または２に記載のプリフォームの製造装置。
  4. 　第１の型が、金属材料で形成されている、請求項１～３のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
  5. 　第２の型が、分割型からなる、請求項１～４のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
  6. 　前記固着材のガラス転移温度が５０～８０℃の範囲にある、請求項１～５のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
  7. 　前記強化繊維基材が、炭素繊維基材からなる、請求項１～６のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
  8. 　熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、互いに対向する第１の型、第２の型から構成される賦形型によりプレスにより所定形状に賦形するとともに、加熱により強化繊維基材間に存在する前記固着材を溶融させ、溶融後に冷却することにより前記固着材を固化させ強化繊維基材同士を接着させて賦形形状を保持する、ＲＴＭ成形に用いるプリフォームを製造する方法であって、前記加熱において、第１の型からのみ加熱するとともに、第２の型の少なくとも前記強化繊維基材と接触する接触面を第１の型より熱伝導率の低い材料で形成して第２の型側への熱伝導を抑えることを特徴とするプリフォームの製造方法。
  9. 　前記接触面が、熱伝導率が０．０１Ｗ／ｍ・Ｋ以上かつ１０Ｗ／ｍ・Ｋ以下の材料で形成されている、請求項８に記載のプリフォームの製造方法。
  10. 　前記接触面が、少なくとも５ｍｍの厚さを持つ非金属材料で形成されている、請求項８または９に記載のプリフォームの製造方法。
  11. 　第１の型が、金属材料で形成されている、請求項８～１０のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
  12. 　前記他方の型が、分割型から構成されている、請求項８～１１のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
  13. 　前記固着材のガラス転移温度が５０～８０℃の範囲にある、請求項８～１２のいずれかに記載のプリフォームの製造装置。
  14. 　前記冷却において、前記積層体をプレスした状態のまま冷却を行う、請求項８～１３のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
  15. 　前記強化繊維基材が、炭素繊維基材からなる、請求項８～１４のいずれかに記載のプリフォームの製造方法。
  16. 　熱可塑性樹脂を主成分とする固着材を付着させた強化繊維基材を複数枚積層した積層体を、互いに対向する第１の型、第２の型から構成される賦形型によりプレスにより所定形状に賦形するとともに、加熱により強化繊維基材間に存在する前記固着材を溶融させ、溶融後に冷却することにより前記固着材を固化させ強化繊維基材同士を接着させて賦形形状を保持し、前記加熱において、第１の型からのみ加熱するとともに、第２の型の少なくとも前記強化繊維基材と接触する接触面を第１の型より熱伝導率の低い材料で形成して第２の型側への熱伝導を抑えることにより製造され、ＲＴＭ成形に用いられることを特徴とするプリフォーム。
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