WO2017134988A1 - 複合材の成形装置及び複合材の成形方法 - Google Patents

複合材の成形装置及び複合材の成形方法 Download PDF

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隆之 清水
阿部　俊夫
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三菱重工業株式会社
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    • G01K11/32—Measuring temperature based upon physical or chemical changes not covered by groups G01K3/00, G01K5/00, G01K7/00 or G01K9/00 using changes in transmittance, scattering or luminescence in optical fibres

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for forming a composite material, and a method for forming the composite material.
  • an intelligent molding system for a thermosetting resin-based composite material which adjusts the environmental temperature in an autoclave in which a thermosetting resin-based composite material is accommodated (see, for example, Patent Document 1).
  • This intelligent molding system includes a first temperature measuring device for measuring the environmental temperature in the autoclave and a second temperature measuring device for measuring the target temperature of the thermosetting resin composite material.
  • An optical fiber strain sensor is used for the first temperature measuring device and the second temperature measuring device, and the second temperature measuring device measures the temperature at a specific position on the surface or inside of the composite material.
  • Patent Document 1 since the optical fiber strain sensor is embedded in the composite material, there is a possibility that the strength of the cured composite material may be reduced, so it is desirable when using the cured composite material as a strength component. Absent.
  • this invention makes it a subject to provide the shaping
  • the apparatus for forming a composite material is a composite material forming apparatus for forming a composite material, comprising: a main body; and a surface layer covering a surface of the main body and forming a forming surface for forming the composite material; A linear optical fiber temperature sensor embedded in the surface layer, wherein the optical fiber temperature sensor is planarly disposed in a plane parallel to the molding surface.
  • the composite material can be suitably evaluated by measuring the temperature of the composite material without causing a decrease in the strength of the composite material, and a suitably shaped composite material can be obtained.
  • control part which controls the said heating part based on the heating part provided in the inside of the said main-body part, and the measurement temperature by the said optical fiber temperature sensor.
  • the molding surface can be set to a temperature suitable for molding the composite material. For this reason, generation
  • the heating unit can be heated in each of the plurality of heating regions set on the molding surface, and the control device controls the amount of heating by the heating unit in the plurality of heating regions. Is preferred.
  • the temperature can be controlled in a plurality of heating areas of the molding surface, the temperature can be controlled in detail in the molding surface, and the temperature is made a detailed temperature suitable for molding of the composite material. Can. For this reason, generation
  • control device is configured to correlate the actual temperature of the composite material with the measured temperature measured by the optical fiber temperature sensor, the thermal response of the measured temperature to the heating amount of the heating unit, and
  • the target molding temperature is stored in advance, and the actual temperature of the composite material is calculated from the correlation based on the measured temperature measured by the optical fiber temperature sensor, and the calculated value of the composite material is calculated
  • a temperature difference between the actual temperature and the target molding temperature of the composite material stored in advance is calculated, and the heating unit is controlled based on the thermal response so as to reduce the temperature difference. Is preferred.
  • the heating device can be controlled by the control device such that the actual temperature of the composite material becomes the target molding temperature.
  • the optical fiber temperature sensor is provided at a position where a part thereof reaches the highest temperature in the molding surface and another part is provided at a position where the lowest temperature in the molding surface.
  • the maximum temperature and the minimum temperature in the molding surface can be measured by the optical fiber temperature sensor, it becomes possible to estimate the temperature distribution between the maximum temperature and the minimum temperature, and the molding surface The entire temperature distribution can be estimated.
  • the said surface layer is a composite material layer formed of a fiber reinforced composite material.
  • the weight of the molding apparatus can be reduced, and the heat capacity of the molding apparatus can be reduced, so that the composite material can be efficiently heated.
  • the said main-body part is comprised including a carbon foam.
  • the main body portion by configuring the main body portion to include carbon foam, the weight of the molding apparatus can be reduced, and the heat capacity of the molding apparatus can be reduced. Therefore, the composite material can be efficiently heated. can do.
  • a measurement temperature measured by an optical fiber temperature sensor embedded in a surface layer on which a molding surface for molding the composite material is formed
  • the actual temperature acquisition process of acquiring the actual temperature of the composite material based on the correlation between the measured temperature acquisition process of acquiring and the actual temperature of the composite material and the measured temperature measured by the optical fiber temperature sensor,
  • a target molding temperature acquisition process for acquiring a target molding temperature of the composite material, a temperature difference calculation process for calculating a temperature difference between the target molding temperature and the actual temperature, and the temperature difference are reduced.
  • the heating amount to the composite material can be controlled so that the actual temperature of the composite material becomes the target molding temperature. For this reason, a molding surface can be made into the temperature suitable for shaping
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a molding apparatus for a composite material according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a molding apparatus for a composite material according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a control device of the apparatus for molding a composite material according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a flow chart of a method of molding a composite according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a composite material molding apparatus according to a second embodiment.
  • FIG. 6 is an explanatory view of a forming apparatus and an analysis model of a composite material.
  • FIG. 7 is a graph showing an example of the heating amount history of the heater.
  • FIG. 8 is a graph of an example of the temperature change of the molding apparatus and the composite material.
  • FIG. 9 is a graph showing an example of the heating amount history of the heater.
  • FIG. 10 is a graph regarding an example of the temperature change of the molding apparatus and the composite material.
  • FIG. 11 is a graph relating to the change in temperature difference depending on the presence or absence of control of the heating unit.
  • FIG. 12 is a graph of the change in temperature difference between the optical fiber temperature sensor and the surface of the composite.
  • the apparatus 1 for molding a composite material according to the first embodiment is an apparatus for molding a composite material that is a fiber-reinforced plastic in which fibers are impregnated with a thermosetting resin.
  • the composite material is used, for example, as a component that constitutes an aircraft fuselage or the like, and as the component, for example, a tail wing of the aircraft is applied.
  • CFRP carbon fiber reinforced plastic
  • the composite material is formed by laminating a prepreg in which a carbon fiber is impregnated with a thermosetting resin, to form a laminate, It shape
  • FIG. 1 is a perspective view schematically showing a molding apparatus for a composite material according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view schematically showing a molding apparatus for a composite material according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a block diagram showing a control device of the apparatus for molding a composite material according to the first embodiment.
  • FIG. 4 is a flow chart of a method of molding a composite according to the first embodiment.
  • the molding apparatus 1 can be accommodated in an autoclave whose inside is high temperature and pressure. As shown in FIGS. 1 and 2, the molding apparatus 1 includes a main body 11, a composite material layer 12, a heating unit 13, an optical fiber temperature sensor 14, and a controller 15.
  • the main body portion 11 is configured by bonding two or more types of carbon foams different in thermal conductivity.
  • the carbon foam is lightweight and has heat resistance.
  • the main body portion 11 has a surface-side carbon foam 25 with high thermal conductivity provided on the surface side, and a back-surface-side carbon provided with a low thermal conductivity compared to the surface-side carbon foam 25 And the foam body 26.
  • the main body portion 11 has an adhesive layer 27 provided between the front side carbon foam 25 and the back side carbon foam 26.
  • the composite material layer 12 is bonded to the surface side of the main body portion 11 via the adhesive layer 28 and is a surface layer of the molding apparatus 1.
  • the composite material layer 12 is configured using CFRP, and its heat resistant temperature is higher than that of the composite material to be molded.
  • the composite material layer 12 covers the surface of the main body portion 11, and the surface is a molding surface 12a for molding the composite material.
  • the molding surface 12a is shaped according to the shape of the composite material to be molded.
  • a plurality of heating areas E1 to E4 are set on the molding surface 12a.
  • the four heating areas E1 to E4 are areas obtained by dividing the molding surface 12a into four in a cross, and include a first heating area E1, a second heating area E2, a third heating area E3, and a fourth heating area E4. It is.
  • the heating portion 13 is provided inside the main body portion 11, and can be heated in each of the plurality of heating areas E1 to E4 set on the molding surface 12a.
  • the heating unit 13 is provided with a first heater 31, a second heater 32, a third heater 33, and a fourth heater 34 in accordance with the four heating areas E1 to E4. That is, the first heater 31 heats the composite material in the first heating area E1 of the molding surface 12a, and the second to fourth heaters 32 to 34 similarly heat the second to fourth heating of the molding surface 12a.
  • the composite is heated in the regions E2 to E4.
  • the heating unit 13 is connected to the control device 15, and heating is controlled by the control device 15.
  • the first heater 31 to the fourth heater 34 of the heating unit 13 are fitted in the grooves 40 formed in the surface-side carbon foam 25 of the main body 11, and the heat transfer cement 41 is applied to the heaters 31 to 34. It is fixed by being done. Then, a carbon foam member 42 which is the same material as the surface-side carbon foam 25 is fitted on the surface side of the heat transfer cement 41 in the groove 40. An adhesive 43 is filled between the surface side of the carbon foam member 42 and the surface-side carbon foam 25.
  • the optical fiber temperature sensor 14 is embedded in the composite layer 12.
  • the optical fiber temperature sensor 14 is formed in a linear shape elongated in the length direction, and can measure the temperature at a predetermined position in the length direction.
  • the linear optical fiber temperature sensor 14 is disposed planar (two-dimensionally) in a plane parallel to the molding surface 12 a. Specifically, the linear optical fiber temperature sensor 14 is arranged to meander on the molding surface 12 a.
  • the arrangement of the optical fiber temperature sensor 14 is not particularly limited, and may be, for example, a spiral arrangement or a lattice arrangement as long as the arrangement is planar.
  • the optical fiber temperature sensor 14 disposed planarly measures the temperature at a predetermined position of the molding surface 12 a where the optical fiber temperature sensor 14 is present.
  • the control device 15 can obtain the measured temperature at a predetermined position of the molding surface 12a.
  • the thickness of the composite material layer 12 is about 4 mm to 5 mm, and the optical fiber temperature sensor 14 is disposed at a depth of about 1 mm to 2 mm from the molding surface 12 a of the composite material layer 12. Further, the installation position of the optical fiber temperature sensor 14 on the molding surface 12a is preferably immediately above the heaters 31 to 34 and in the middle between the heaters 31 to 34.
  • the control device 15 has a control unit 51 and a storage unit 52, and the heating unit 13 and the optical fiber temperature sensor 14 are connected.
  • the storage unit 52 includes data 61 on the target forming temperature which is a forming temperature of the composite material to be a target, data 62 on the correlation between the actual temperature of the composite material and the measured temperature of the optical fiber temperature sensor 14, and the heating unit 13. And data 63 on the thermal response to the forming surface 12a with respect to the heating amount.
  • Data 61 on the target molding temperature is data on a molding temperature suitable for the composite material to be molded.
  • the target molding temperature is set for each of the plurality of heating areas E1 to E4.
  • the data 62 on the correlation is obtained by a test or the like performed in advance, and it becomes possible to acquire the actual temperature of the composite material based on the measured temperature.
  • the data 63 related to the thermal response is obtained by a test or the like performed in advance, and the thermal response to the molding surface 12 a based on the heating amount of the heating unit 13, that is, the entrance to the composite material from the heating unit 13 It becomes possible to acquire the amount of heat.
  • the data 63 regarding the thermal response can acquire the heating amount of the heating unit 13 based on the heat input to the composite material.
  • the control unit 51 controls the heating unit 13 so that the temperature difference between the target molding temperature of the composite material and the actual temperature of the composite material is reduced.
  • the control unit 51 calculates the actual temperature of the composite material from the data 62 on the correlation stored in the storage unit 52 based on the measured temperature measured by the optical fiber temperature sensor 14 when controlling the heating unit 13. .
  • the control unit 51 also calculates a temperature difference between the calculated actual temperature of the composite material and the target molding temperature stored in the storage unit 52. At this time, the temperature difference is calculated for each of the heating areas E1 to E4. Further, the control unit 51 calculates the heating amount of each of the heaters 31 to 34 of the heating unit 13 from the data 63 on the thermal response stored in the storage unit 52 based on the heat input to the composite material.
  • FIG. 6 is an explanatory view of a forming apparatus and an analysis model of a composite material.
  • the analysis model 1A is obtained by modeling the molding apparatus 1 by the finite element method, and the composite material layer 12, the front side carbon foam 25, the back side carbon foam 26, and the heating unit 13.
  • the parts of the corresponding analysis model are a composite layer 12A, a front side carbon foam 25A, a back side carbon foam 2A6, and a heating unit 13A.
  • a component W as a composite material is installed on the molding surface 12a of the composite material layer 12A of the analysis model 1A.
  • the control unit 51 controls the target forming temperature (temperature distribution) in each of the heating areas E1 to E4 of the component W to be uniform.
  • the heater on the left side of FIG. 6 of the heating unit 13A is 13a
  • the heater on the right side of FIG. 6 is 13b.
  • FIG. 7 is a graph of an example of the heating amount history of the heater
  • FIG. 8 is a graph of an example of temperature change of the molding apparatus and the composite material.
  • the control device 15 does not control the heating unit 13A, and the heaters 13a and 13b on the left and right sides increase at a constant rate in a predetermined time (3000 s) from the start time (0 s)
  • the heating amount watt density
  • FIG. 8 shows the line L1 and the line L2 at a predetermined time (3000 s).
  • the line L ⁇ b> 1 the temperature difference between the portion where the thickness of the part W is thin and the portion where the thickness of the part W is thick is large.
  • FIG. 9 is a graph of an example of the heating amount history of the heater
  • FIG. 10 is a graph of an example of temperature change of the molding apparatus and the composite material.
  • the control device 15 controls the heating unit 13A, specifically, the start time (0 s) so that the temperature of the right heater 13b becomes higher than that of the left heater 13a.
  • the heating amount (watt density) given to the heater 13a and the heater 13b is increased at the same constant rate from 1000 s to 1000 s, and the increasing rate of the heating amount (watt density) given to the heater 13 b is heated from 1000 s to 3000 s
  • the temperature of the line L1 and the temperature of the line L2 change as shown in FIG. FIG.
  • FIG. 10 also shows the line L1 and the line L2 in a predetermined time (3000 s). As shown in FIG. 10, in the line L1, the temperature difference between the portion where the thickness of the component W is thin and the portion where the thickness of the component W is thick is smaller than that in FIG.
  • FIG. 11 is a graph relating to the change in temperature difference depending on the presence or absence of control of the heating unit.
  • the control device 15 does not control the heating unit 13A ( ⁇ : no heating control)
  • the temperature difference in the line L1 spreads as time passes.
  • the control device 15 controls the heating unit 13A (.box-solid .: with heating control)
  • the temperature difference in the line L1 narrows as time passes. From the above, it was confirmed by analysis that the control device 15 controls the heating unit 13A to make the temperature distribution of the component W uniform.
  • FIG. 12 is a graph relating to the change in temperature difference between the optical fiber temperature sensor and the surface of the composite material.
  • FIG. 12 is a graph corresponding to the data 63 regarding the thermal response described above.
  • the temperature difference between the measured temperature measured by the optical fiber temperature sensor 14 and the surface temperature (L1) of the part W differs depending on the positions of the heaters 13a and 13b and the thickness of the part W It has become.
  • the plate thickness of the part W is, for example, 3 mm and immediately above the heater 13a ( ⁇ )
  • the temperature difference is small and spreads as the measured temperature rises.
  • the control unit 51 controls the heating unit 13 based on such a thermal response, it is possible to adjust the actual temperature of the component W to be the target molding temperature.
  • This molding method relates to the control operation of the heating unit 13 by the controller 15 at the time of molding of the composite material.
  • the composite before curing is placed on the molding surface 12 a of the molding apparatus 1, and the molding apparatus 1 is accommodated in the autoclave together with the composite before curing.
  • the composite material is heated at a high temperature and a high pressure in the autoclave and is also heated by the heating unit 13 of the molding apparatus 1.
  • the control device 15 acquires the measured temperature measured by the optical fiber temperature sensor 14 (step S1: measured temperature acquisition step).
  • the control device 15 calculates the actual temperature of the composite material from the data 62 on the correlation based on the measured temperature (step S2: actual temperature acquisition step). Subsequently, the control device 15 acquires the target molding temperature of the composite material from the storage unit 52 based on the data 61 related to the target molding temperature (step S3: target molding temperature acquisition step). Then, the control device 15 calculates a temperature difference between the acquired target molding temperature and the calculated actual temperature (step S4: temperature difference calculation step).
  • the control device 15 calculates the amount of heat input to the composite material corresponding to the temperature difference so that the calculated temperature difference becomes small, and is stored in the storage unit 52 based on the amount of heat input to the composite material
  • the heating amount of the heating unit 13 is calculated from the data 63 related to the thermal response, and the heating unit 13 is controlled to be the calculated heating amount (step S5: heating control step). Then, by repeatedly performing each of the steps S1 to S5 described above, the control operation of the heating unit 13 by the control device 15 is executed such that the actual temperature of the composite material becomes the target molding temperature.
  • target molding temperature acquisition process S3 was performed after actual temperature acquisition process S2, you may carry out before actual temperature acquisition process S2.
  • the optical fiber temperature sensor 14 it is not necessary to embed the optical fiber temperature sensor 14 inside the composite material, and the temperature of the composite material installed on the molding surface 12 a is measured by the optical fiber temperature sensor 14 can do. Therefore, it can be evaluated based on the temperature measured by the optical fiber temperature sensor 14 whether or not the composite material reaches the target molding temperature. Thereby, the composite material can be suitably evaluated by measuring the temperature of the composite material without causing a decrease in the strength of the composite material, and a suitably shaped composite material can be obtained.
  • the molding surface 12a can be set to a temperature suitable for molding a composite material.
  • the temperature can be controlled in the plurality of heating areas E1 to E4 of the molding surface 12a, the temperature can be controlled in detail at the molding surface 12a, and the detailed temperature suitable for molding of the composite material can do. For this reason, generation
  • control device 15 may control the heating unit 13 so that the actual temperature of the composite material becomes the target molding temperature, based on the correlation, the thermal response, and the target molding temperature. it can.
  • the weight of the molding apparatus 1 can be reduced, and the heat capacity of the molding apparatus 1 can be reduced.
  • the composite can be efficiently heated.
  • the weight reduction of the molding apparatus 1 can be achieved, and the heat capacity of the molding apparatus 1 can be reduced.
  • the composite material can be efficiently heated.
  • the surface layer of the molding apparatus 1 is the composite material layer 12, but the present invention is not particularly limited to this configuration.
  • the surface layer of the molding apparatus 1 may be a metal material layer using a metal such as Invar. Good.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a composite material molding apparatus according to a second embodiment.
  • a part of the optical fiber temperature sensor 14 is provided at the highest temperature in the forming surface 12a, and the other part of the optical fiber temperature sensor 14 is the lowest temperature in the forming surface 12a. It is provided at the position where
  • the position where the maximum temperature is at the molding surface 12a is immediately above the heaters 31 to 34 of the heating unit 13. For this reason, a part of the optical fiber temperature sensor 14 is provided immediately above each of the heaters 31 to 34. Further, the position at which the temperature is the lowest on the molding surface 12a is, for example, the middle position between the heaters 31 to 34. For this reason, the other part of the optical fiber temperature sensor 14 is provided in the middle of each of the heaters 31 to 34. If the end of the molding surface 12a is at the lowest temperature, another part of the optical fiber temperature sensor 14 may be provided at the end of the molding surface 12a.
  • the temperature distribution between the maximum temperature and the minimum temperature is estimated. It is possible to estimate the temperature distribution of the entire molding surface 12a.

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Abstract

複合材を成形する複合材の成形装置１において、本体部１１と、本体部１１の表面を被覆し、複合材を成形する成形面１２ａが形成される複合材層１２と、複合材層１２に埋設される線状の光ファイバ温度センサ１４と、本体部１１の内部に設けられる加熱部１３と、光ファイバ温度センサ１４による計測温度に基づいて、加熱部１３を制御する制御装置１５と、を備え、光ファイバ温度センサ１４は、成形面１２ａと平行な面内において、平面的に配置される。

Description

複合材の成形装置及び複合材の成形方法
　本発明は、複合材を成形する複合材の成形装置及び複合材の成形方法に関するものである。
　従来、熱硬化樹脂系複合材を内部に収容したオートクレーブの中の環境温度を調節する、熱硬化樹脂系複合材の知的成形システムが知られている（例えば、特許文献１参照）。この知的成形システムは、オートクレーブの中の環境温度を計測する第１温度計測器と、熱硬化樹脂系複合材の対象温度を計測する第２温度計測器とを備えている。第１温度計測器及び第２温度計測器は、光ファイバ歪センサが用いられ、第２温度計測器は、複合材の表面又は内部の特定位置の温度を計測している。
特開２００４－８２６４４号公報
　しかしながら、特許文献１では、光ファイバ歪センサを、複合材に埋め込むことから、硬化後の複合材の強度が低下する可能性があるため、硬化後の複合材を強度部品として用いる場合には望ましくない。
　そこで、本発明は、複合材の強度低下を招くことなく、好適に成形された複合材を得ることができる複合材の成形装置及び複合材の成形方法を提供することを課題とする。
　本発明の複合材の成形装置は、複合材を成形する複合材の成形装置において、本体部と、前記本体部の表面を被覆し、前記複合材を成形する成形面が形成される表層と、前記表層に埋設される線状の光ファイバ温度センサと、を備え、前記光ファイバ温度センサは、前記成形面と平行な面内において、平面的に配置されることを特徴とする。
　この構成によれば、複合材の内部に、光ファイバ温度センサを埋め込む必要がなく、成形面上に設置された複合材の温度を、光ファイバ温度センサにより計測することができる。このため、複合材が目標とする目標成形温度に達するか否かを、光ファイバ温度センサによる計測温度に基づいて評価することができる。これにより、複合材の強度低下を招くことなく、複合材の温度を計測することで、複合材を好適に評価することができ、好適に成形された複合材を得ることができる。
　また、前記本体部の内部に設けられる加熱部と、前記光ファイバ温度センサによる計測温度に基づいて、前記加熱部を制御する制御装置と、を備えることが、好ましい。
　この構成によれば、制御装置により加熱部を制御することで、成形面を、複合材の成形に適した温度とすることができる。このため、複合材の成形温度による不良の発生を抑制することができ、複合材の生産性を高めることができる。
　また、前記加熱部は、前記成形面上に設定される複数の加熱領域のそれぞれにおいて加熱可能となっており、前記制御装置は、複数の前記加熱領域において前記加熱部による加熱量を制御することが、好ましい。
　この構成によれば、成形面の複数の加熱領域において、温度を制御することができるため、成形面において温度を詳細に制御することができ、複合材の成形に適した詳細な温度とすることができる。このため、複合材の成形温度による不良の発生をより抑制することができ、複合材の生産性をより高めることができる。
　また、前記制御装置は、前記複合材の実温度と前記光ファイバ温度センサにより計測される計測温度との相関関係と、前記加熱部の加熱量に対する前記計測温度の熱応答と、前記複合材の目標成形温度と、を予め記憶しており、前記光ファイバ温度センサにより計測される前記計測温度に基づいて、前記相関関係から前記複合材の実温度を算出し、前記算出した前記複合材の前記実温度と、予め記憶された前記複合材の前記目標成形温度との温度差分を算出し、前記温度差分が小さくなるように、前記熱応答に基づいて、前記加熱部を制御することを特徴とすることが、好ましい。
　この構成によれば、相関関係、熱応答、及び目標成形温度に基づいて、複合材の実温度が目標成形温度となるように、制御装置により加熱部を制御することができる。
　また、前記光ファイバ温度センサは、その一部が前記成形面内において最高温度となる位置に設けられ、その他の一部が前記成形面内において最低温度となる位置に設けられることが、好ましい。
　この構成によれば、光ファイバ温度センサにより成形面内における最高温度と最低温度とを計測することができるため、最高温度と最低温度との間の温度分布を推定することが可能となり、成形面全体の温度分布を推定することができる。
　また、前記表層は、繊維強化複合材により形成される複合材層であることが、好ましい。
　この構成によれば、表層を複合材層とすることで、成形装置の軽量化を図ることができると共に、成形装置の熱容量を小さくすることができるため、複合材を効率良く加熱することができる。
　また、前記本体部は、炭素発泡体を含んで構成されることが、好ましい。
　この構成によれば、本体部を炭素発泡体を含んで構成することで、成形装置の軽量化を図ることができると共に、成形装置の熱容量を小さくすることができるため、複合材を効率良く加熱することができる。
　本発明の複合材の成形方法は、複合材を成形する複合材の成形方法において、前記複合材を成形する成形面が形成される表層に埋設される光ファイバ温度センサによって計測される計測温度を取得する計測温度取得工程と、前記複合材の実温度と前記光ファイバ温度センサにより計測される計測温度との相関関係に基づいて、前記複合材の実温度を取得する実温度取得工程と、前記複合材の目標成形温度を取得する目標成形温度取得工程と、前記目標成形温度と前記実温度との温度差分を算出する温度差分算出工程と、前記温度差分が小さくなるように、前記複合材への加熱量を制御する加熱制御工程と、を備えることを特徴とする。
　この構成によれば、複合材の実温度が目標成形温度となるように、複合材への加熱量を制御することができる。このため、成形面を、複合材の成形に適した温度とすることができる。このため、複合材の成形温度による不良の発生を抑制することができ、複合材の生産性を高めることができる。
図１は、実施形態１に係る複合材の成形装置を模式的に示す斜視図である。 図２は、実施形態１に係る複合材の成形装置を模式的に示す断面図である。 図３は、実施形態１に係る複合材の成形装置の制御装置を示すブロック図である。 図４は、実施形態１に係る複合材の成形方法に関するフローチャートである。 図５は、実施形態２に係る複合材の成形装置を模式的に示す断面図である。 図６は、成形装置及び複合材の解析モデルに関する説明図である。 図７は、加熱ヒータの加熱量履歴に関する一例のグラフである。 図８は、成形装置及び複合材の温度変化の一例に関するグラフである。 図９は、加熱ヒータの加熱量履歴に関する一例のグラフである。 図１０は、成形装置及び複合材の温度変化の一例に関するグラフである。 図１１は、加熱部の制御の有無による温度差の変化に関するグラフである。 図１２は、光ファイバ温度センサと複合材の表面との温度差の変化に関するグラフである。
　以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
［実施形態１］
　実施形態１に係る複合材の成形装置１は、熱硬化樹脂を繊維に含浸させた繊維強化プラスチックである複合材を成形する装置である。複合材は、例えば、航空機の機体等を構成する部品として使用されており、部品としては、例えば、機体の尾翼が適用される。なお、複合材は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Carbon Fiber Reinforced Plastic）が用いられており、複合材は、炭素繊維に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグを積層して積層体とし、この積層体を硬化させることにより成形される。
　図１は、実施形態１に係る複合材の成形装置を模式的に示す斜視図である。図２は、実施形態１に係る複合材の成形装置を模式的に示す断面図である。図３は、実施形態１に係る複合材の成形装置の制御装置を示すブロック図である。図４は、実施形態１に係る複合材の成形方法に関するフローチャートである。
　成形装置１は、内部が高温高圧となるオートクレーブ内に収容可能となっている。この成形装置１は、図１及び図２に示すように、本体部１１と、複合材層１２と、加熱部１３と、光ファイバ温度センサ１４と、制御装置１５とを備えている。
　本体部１１は、熱伝導率の異なる２種以上の炭素発泡体を接着して構成される。炭素発泡体は、軽量で、耐熱性を有するものとなっている。具体的に、本体部１１は、表面側に設けられる熱伝導率の高い表面側炭素発泡体２５と、表面側炭素発泡体２５に比して熱伝導率の低い裏面側に設けられる裏面側炭素発泡体２６とを有している。また、本体部１１は、表面側炭素発泡体２５と裏面側炭素発泡体２６との間に設けられる接着剤層２７を有している。
　複合材層１２は、接着剤層２８を介して、本体部１１の表面側に接着されており、成形装置１の表層となっている。複合材層１２は、ＣＦＲＰを用いて構成されており、その耐熱温度は、成形する複合材よりも高い温度となっている。複合材層１２は、本体部１１の表面を被覆しており、その表面が、複合材を成形する成形面１２ａとなっている。成形面１２ａは、成形する複合材の形状に倣った形状となっている。この成形面１２ａ上には、複数の加熱領域Ｅ１～Ｅ４が設定されている。なお、実施形態１では、説明を簡単にするために、例えば、成形面１２ａ上に４つの加熱領域Ｅ１～Ｅ４が設定される場合について説明する。４つの加熱領域Ｅ１～Ｅ４は、成形面１２ａを十字に４分割した領域となっており、第１加熱領域Ｅ１、第２加熱領域Ｅ２、第３加熱領域Ｅ３、及び第４加熱領域Ｅ４を含んでいる。
　加熱部１３は、本体部１１の内部に設けられ、成形面１２ａ上に設定される複数の加熱領域Ｅ１～Ｅ４のそれぞれにおいて加熱可能となっている。加熱部１３は、４つの加熱領域Ｅ１～Ｅ４に応じて、第１加熱ヒータ３１、第２加熱ヒータ３２、第３加熱ヒータ３３、及び第４加熱ヒータ３４が設けられている。つまり、第１加熱ヒータ３１は、成形面１２ａの第１加熱領域Ｅ１において複合材を加熱し、同様に、第２～第４加熱ヒータ３２～３４は、成形面１２ａの第２～第４加熱領域Ｅ２～Ｅ４において複合材を加熱する。この加熱部１３は、制御装置１５に接続され、制御装置１５によって加熱が制御される。
　加熱部１３の第１加熱ヒータ３１から第４加熱ヒータ３４は、本体部１１の表面側炭素発泡体２５に形成される溝４０に嵌め込まれ、各加熱ヒータ３１～３４に伝熱セメント４１が塗布されることで固定される。そして、表面側炭素発泡体２５と同じ材料となる炭素発泡部材４２が、溝４０内において、伝熱セメント４１の表面側に嵌め込まれる。炭素発泡部材４２の表面側と、表面側炭素発泡体２５との間には、接着剤４３が充填される。
　光ファイバ温度センサ１４は、複合材層１２の内部に埋設されている。光ファイバ温度センサ１４は、長さ方向に長い線状に形成され、長さ方向における所定の位置の温度を計測可能となっている。線状の光ファイバ温度センサ１４は、成形面１２ａと平行な面内において、平面的（２次元的）に配置されている。具体的に、線状の光ファイバ温度センサ１４は、成形面１２ａにおいて、蛇行して配置されている。なお、光ファイバ温度センサ１４の配置は、特に限定されず、平面的に配置されるものであれば、例えば、渦巻き状の配置または格子状の配置であってもよい。平面的に配置される光ファイバ温度センサ１４は、光ファイバ温度センサ１４が存在する成形面１２ａの所定の位置における温度を計測している。このため、制御装置１５は、成形面１２ａの所定の位置における計測温度を取得できる。なお、複合材層１２の厚みは、約４ｍｍ～５ｍｍとなっており、光ファイバ温度センサ１４は、複合材層１２の成形面１２ａから約１ｍｍ～２ｍｍの深さに配置されている。また、光ファイバ温度センサ１４の成形面１２ａ上における設置位置は、加熱ヒータ３１～３４の直上および加熱ヒータ３１～３４間の中央が望ましい。
　制御装置１５は、制御部５１と記憶部５２とを有しており、加熱部１３及び光ファイバ温度センサ１４が接続されている。
　記憶部５２は、目標となる複合材の成形温度である目標成形温度に関するデータ６１と、複合材の実温度と光ファイバ温度センサ１４の計測温度との相関関係に関するデータ６２と、加熱部１３の加熱量に対する成形面１２ａへの熱応答に関するデータ６３と、を記憶している。目標成形温度に関するデータ６１は、成形する複合材に適した成形温度に関するデータである。なお、目標成形温度は、複数の加熱領域Ｅ１～Ｅ４毎に設定されている。相関関係に関するデータ６２は、予め行われた試験等によって得られたものであり、計測温度に基づいて、複合材の実温度を取得することが可能となる。熱応答に関するデータ６３は、予め行われた試験等によって得られたものであり、加熱部１３の加熱量に基づいて、成形面１２ａへの熱応答、すなわち、加熱部１３から複合材への入熱量を取得することが可能となる。換言すれば、熱応答に関するデータ６３は、複合材への入熱量に基づいて、加熱部１３の加熱量を取得することが可能となる。
　制御部５１は、複合材の目標成形温度と複合材の実温度との温度差分が小さくなるように、加熱部１３を制御する。制御部５１は、加熱部１３の制御に際し、光ファイバ温度センサ１４により計測される計測温度に基づいて、記憶部５２に記憶されている相関関係に関するデータ６２から、複合材の実温度を算出する。また、制御部５１は、算出した複合材の実温度と、記憶部５２に記憶されている目標成形温度との温度差分を算出する。このとき、温度差分は、各加熱領域Ｅ１～Ｅ４毎に算出される。さらに、制御部５１は、複合材への入熱量に基づいて、記憶部５２に記憶されている熱応答に関するデータ６３から、加熱部１３の各加熱ヒータ３１～３４の加熱量を算出する。
　次に、図６から図１２を参照して、光ファイバ温度センサ１４の計測温度に基づく加熱部１３の制御について、解析結果に基づき説明する。図６は、成形装置及び複合材の解析モデルに関する説明図である。図６に示すように、解析モデル１Ａは、成形装置１を有限要素法でモデル化したものであり、複合材層１２、表面側炭素発泡体２５、裏面側炭素発泡体２６、加熱部１３に対応する解析モデルの部位を、複合材層１２Ａ、表面側炭素発泡体２５Ａ、裏面側炭素発泡体２Ａ６、加熱部１３Ａとしている。この解析モデル１Ａの複合材層１２Ａの成形面１２ａ上には、複合材としての部品Ｗが設置されている。なお、下記する加熱部１３Ａの制御では、制御部５１が、部品Ｗの各加熱領域Ｅ１～Ｅ４における目標成形温度（温度分布）が均一となるように制御する。
　部品Ｗは、その厚みが、成形面１２ａ内における水平方向の一方側の位置（Ｘ＝０）から他方側の位置（Ｘ＝２００）へ向かって厚くなる解析モデルとなっている。ここで、加熱部１３Ａの図６の左側の加熱ヒータを１３ａとし、図６の右側の加熱ヒータを１３ｂとする。
　ここで、図６のＬ１（点線）は、部品Ｗの表面における、水平方向の一方側の位置（Ｘ＝０）から他方側の位置（Ｘ＝２００）までのラインであり、ラインＬ１に沿って温度が取得される。また、図６のＬ２（実線）は、複合材層１２Ａの内部における水平方向の一方側の位置（Ｘ＝０）から他方側の位置（Ｘ＝２００）までのラインであり、ラインＬ２に沿って温度が取得される。
　図７は、加熱ヒータの加熱量履歴に関する一例のグラフであり、図８は、成形装置及び複合材の温度変化の一例に関するグラフである。図７に示すように、制御装置１５が加熱部１３Ａを制御せず、左側と右側との加熱ヒータ１３ａ、１３ｂが、開始時間（０ｓ）から所定の時間（３０００ｓ）において、一定割合で増加する加熱量（ワット密度）を与え続ける場合、ラインＬ１の温度とラインＬ２の温度とは、図８に示すような変化となる。なお、図８は、所定の時間（３０００ｓ）におけるラインＬ１とラインＬ２を示している。図８に示すとおり、ラインＬ１において、部品Ｗの厚みが薄い部位と、部品Ｗの厚みが厚い部位との温度差は、大きなものとなっている。
　図９は、加熱ヒータの加熱量履歴に関する一例のグラフであり、図１０は、成形装置及び複合材の温度変化の一例に関するグラフである。図９に示すように、制御装置１５が加熱部１３Ａを制御する場合、具体的に、右側の加熱ヒータ１３ｂが、左側の加熱ヒータ１３ａに比して温度が高くなるように、開始時間（０ｓ）から１０００ｓまでは加熱ヒータ１３ａと加熱ヒータ１３ｂに与える加熱量（ワット密度）を同じ一定の割合で増加させ、１０００ｓから３０００ｓまでは加熱ヒータ１３ｂに与える加熱量（ワット密度）の増加割合を加熱ヒータ１３ａに比して大きくした場合、ラインＬ１の温度とラインＬ２の温度とは、図１０に示すような変化となる。なお、図１０も、所定の時間（３０００ｓ）におけるラインＬ１とラインＬ２を示している。図１０に示すとおり、ラインＬ１において、部品Ｗの厚みが薄い部位と、部品Ｗの厚みが厚い部位との温度差は、図８に比して小さなものとなっている。
　図１１は、加熱部の制御の有無による温度差の変化に関するグラフである。図１１に示すように、制御装置１５が加熱部１３Ａを制御しない場合（◆：加熱制御無）、ラインＬ１における温度差は、時間が経過するにつれて広がる。一方で、図１２に示すように、制御装置１５が加熱部１３Ａを制御する場合（■：加熱制御有）、ラインＬ１における温度差は、時間が経過するにつれて狭まる。以上から、制御装置１５が加熱部１３Ａを制御することで、部品Ｗの温度分布が均一となることが、解析により確認された。
　また、図１２は、光ファイバ温度センサと複合材の表面との温度差の変化に関するグラフである。図１２は、上記の熱応答に関するデータ６３に相当するグラフである。図１２に示すように、光ファイバ温度センサ１４により計測された計測温度と部品Ｗの表面温度（Ｌ１）との温度差は、加熱ヒータ１３ａ，１３ｂの位置と、部品Ｗの板厚によって異なるものとなっている。部品Ｗの板厚が、例えば、３ｍｍで、加熱ヒータ１３ａの直上にある場合（◆）、温度差は、小さなものとなっており、計測温度が高くなるにつれて広がる。また、部品Ｗの板厚が、例えば、４．５ｍｍで、加熱ヒータ１３ａと加熱ヒータ１３ｂの中央にある場合（◆）、温度差は、小さなものとなっており、計測温度が高くなるにつれて広がる。さらに、部品Ｗの板厚が、例えば、６ｍｍで、加熱ヒータ１３ｂの直上にある場合（▲）、温度差は、板厚が３ｍｍまたは４．５ｍｍの場合と比べて大きなものとなっており、計測温度が高くなるにつれて広がる。このような熱応答に基づいて、制御部５１が加熱部１３の制御を行うことで、部品Ｗの実温度が目標成形温度となるように調整することが可能となる。
　次に、図４を参照して、複合材の成形方法について説明する。この成形方法は、複合材の成形時において、制御装置１５による加熱部１３の制御動作に関するものである。
　先ず、成形装置１の成形面１２ａに硬化前の複合材を設置し、硬化前の複合材と共に成形装置１がオートクレーブ内に収容される。複合材は、オートクレーブ内において高温高圧で加熱されると共に、成形装置１の加熱部１３によって加熱される。この状態において、制御装置１５は、光ファイバ温度センサ１４によって計測される計測温度を取得する（ステップＳ１：計測温度取得工程）。
　制御装置１５は、計測温度を取得すると、計測温度に基づいて、相関関係に関するデータ６２から、複合材の実温度を算出する（ステップＳ２：実温度取得工程）。続いて、制御装置１５は、記憶部５２から目標成形温度に関するデータ６１に基づいて、複合材の目標成形温度を取得する（ステップＳ３：目標成形温度取得工程）。そして、制御装置１５は、取得した目標成形温度と、算出した実温度との温度差分を算出する（ステップＳ４：温度差分算出工程）。
　次に、制御装置１５は、算出した温度差分が小さくなるような、温度差分に相当する複合材への入熱量を算出し、複合材への入熱量に基づいて、記憶部５２に記憶されている熱応答に関するデータ６３から、加熱部１３の加熱量を算出し、算出した加熱量となるように加熱部１３を制御する（ステップＳ５：加熱制御工程）。そして、上記した各工程Ｓ１～Ｓ５が繰り返し行われることで、複合材の実温度が目標成形温度となるように、制御装置１５による加熱部１３の制御動作が実行される。
　なお、目標成形温度取得工程Ｓ３は、実温度取得工程Ｓ２の後に実行したが、実温度取得工程Ｓ２の前に行ってもよい。
　以上のように、実施形態１によれば、複合材の内部に、光ファイバ温度センサ１４を埋め込む必要がなく、成形面１２ａ上に設置された複合材の温度を、光ファイバ温度センサ１４により計測することができる。このため、複合材が目標とする目標成形温度に達するか否かを、光ファイバ温度センサ１４による計測温度に基づいて評価することができる。これにより、複合材の強度低下を招くことなく、複合材の温度を計測することで、複合材を好適に評価することができ、好適に成形された複合材を得ることができる。
　また、実施形態１によれば、制御装置１５により加熱部１３を制御することで、成形面１２ａを、複合材の成形に適した温度とすることができる。このとき、成形面１２ａの複数の加熱領域Ｅ１～Ｅ４において、温度を制御することができるため、成形面１２ａにおいて温度を詳細に制御することができ、複合材の成形に適した詳細な温度とすることができる。このため、複合材の成形温度による不良の発生を抑制することができ、複合材の生産性を高めることができる。
　また、実施形態１によれば、制御装置１５は、相関関係、熱応答、及び目標成形温度に基づいて、複合材の実温度が目標成形温度となるように、加熱部１３を制御することができる。
　また、実施形態１によれば、成形装置１の表層を複合材層１２とすることで、成形装置１の軽量化を図ることができると共に、成形装置１の熱容量を小さくすることができるため、複合材を効率良く加熱することができる。
　また、実施形態１によれば、本体部１１を、炭素発泡体２５，２６を含んで構成することで、成形装置１の軽量化を図ることができると共に、成形装置１の熱容量を小さくすることができるため、複合材を効率良く加熱することができる。
　なお、実施形態１では、成形装置１の表層を複合材層１２としたが、この構成に特に限定されず、例えば、成形装置１の表層として、インバー等の金属を用いた金属材層としてもよい。
［実施形態２］
　次に、図５を参照して、実施形態２に係る成形装置８０について説明する。なお、実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図５は、実施形態２に係る複合材の成形装置を模式的に示す断面図である。
　実施形態２の成形装置８０は、光ファイバ温度センサ１４の一部が成形面１２ａ内において最高温度となる位置に設けられ、光ファイバ温度センサ１４の他の一部が成形面１２ａ内において最低温度となる位置に設けられている。
　具体的に、図５に示すように、成形面１２ａにおいて最高温度となる位置としては、加熱部１３の各加熱ヒータ３１～３４の直上である。このため、光ファイバ温度センサ１４の一部は、各加熱ヒータ３１～３４の直上に位置するように設けられる。また、成形面１２ａにおいて最低温度となる位置としては、例えば、各加熱ヒータ３１～３４の中間の位置である。このため、光ファイバ温度センサ１４の他の一部は、各加熱ヒータ３１～３４の中間に位置するように設けられる。なお、成形面１２ａの端部が最低温度になる場合、光ファイバ温度センサ１４の他の一部は、成形面１２ａの端部に位置するように設けてもよい。
　以上のように、実施形態２によれば、光ファイバ温度センサ１４により成形面１２ａ内における最高温度と最低温度とを計測することができるため、最高温度と最低温度との間の温度分布を推定することが可能となり、成形面１２ａ全体の温度分布を推定することが可能となる。
　１　成形装置
　１１　本体部
　１２　複合材層
　１２ａ　成形面
　１３　加熱部
　１４　光ファイバ温度センサ
　１５　制御装置
　２５　表面側炭素発泡体
　２６　裏面側炭素発泡体
　２７　接着剤層
　２８　接着剤層
　３１　第１加熱ヒータ
　３２　第２加熱ヒータ
　３３　第３加熱ヒータ
　３４　第４加熱ヒータ
　４０　溝
　４１　伝熱セメント
　４２　炭素発泡部材
　４３　接着剤
　５１　制御部
　５２　記憶部
　６１　目標成形温度に関するデータ
　６２　相関関係に関するデータ
　６３　熱応答に関するデータ
　８０　成形装置（実施形態２）
　Ｅ１～Ｅ４　加熱領域

Claims (8)

  1. 　複合材を成形する複合材の成形装置において、
    　本体部と、
    　前記本体部の表面を被覆し、前記複合材を成形する成形面が形成される表層と、
    　前記表層に埋設される線状の光ファイバ温度センサと、を備え、
    　前記光ファイバ温度センサは、前記成形面と平行な面内において、平面的に配置されることを特徴とする複合材の成形装置。
  2. 　前記本体部の内部に設けられる加熱部と、
    　前記光ファイバ温度センサによる計測温度に基づいて、前記加熱部を制御する制御装置と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の複合材の成形装置。
  3. 　前記加熱部は、前記成形面上に設定される複数の加熱領域のそれぞれにおいて加熱可能となっており、
    　前記制御装置は、複数の前記加熱領域において前記加熱部による加熱量を制御することを特徴とする請求項２に記載の複合材の成形装置。
  4. 　前記制御装置は、
    　前記複合材の実温度と前記光ファイバ温度センサにより計測される計測温度との相関関係と、
    　前記加熱部の加熱量に対する前記成形面への熱応答と、
    　前記複合材の目標成形温度と、を予め記憶しており、
    　前記光ファイバ温度センサにより計測される前記計測温度に基づいて、前記相関関係から前記複合材の実温度を算出し、
    　前記算出した前記複合材の前記実温度と、予め記憶された前記複合材の前記目標成形温度との温度差分を算出し、
    　前記温度差分が小さくなるように、前記熱応答に基づいて、前記加熱部を制御することを特徴とする請求項２または３に記載の複合材の成形装置。
  5. 　前記光ファイバ温度センサは、その一部が前記成形面内において最高温度となる位置に設けられ、その他の一部が前記成形面内において最低温度となる位置に設けられることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の複合材の成形装置。
  6. 　前記表層は、繊維強化複合材により形成される複合材層であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の複合材の成形装置。
  7. 　前記本体部は、炭素発泡体を含んで構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の複合材の成形装置。
  8. 　複合材を成形する複合材の成形方法において、
    　前記複合材を成形する成形面が形成される表層に埋設される光ファイバ温度センサによって計測される計測温度を取得する計測温度取得工程と、
    　前記複合材の実温度と前記光ファイバ温度センサにより計測される計測温度との相関関係に基づいて、前記複合材の実温度を取得する実温度取得工程と、
    　前記複合材の目標成形温度を取得する目標成形温度取得工程と、
    　前記目標成形温度と前記実温度との温度差分を算出する差分算出工程と、
    　前記温度差分が小さくなるように、前記複合材への加熱量を制御する加熱制御工程と、を備えることを特徴とする複合材の成形方法。
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