WO2020261354A1 - 複合材成形装置および複合材成形方法 - Google Patents

Abstract

軸線（Ｘ）に沿って延びる積層体（Ｌ）の内周面（Ｌｉ）を保持するマンドレル（１０）と、樹脂材料を含む積層体（Ｌ）の外周面（Ｌｏ）を保持するホルダ（２０）と、マンドレル（１０）を軸線（Ｘ）回りに回転させる駆動力を発生するモータと、ホルダ（２０）およびマンドレル（１０）により保持された積層体（Ｌ）を加熱するヒータ（４０）と、を備え、ホルダ（２０）は、積層体（Ｌ）の外周面（Ｌｏ）を径方向（Ｒｄ）の所定の位置に保持し、マンドレル（１０）は、モータが発生する駆動力によって軸線（Ｘ）回りに回転することに応じて径方向（Ｒｄ）の外周側へ向けた付勢力を発生し、付勢力により積層体（Ｌ）を加圧する加圧機構（１１）を有する複合材成形装置１００を提供する。

Description

複合材成形装置および複合材成形方法

　本発明は、複合材成形装置および複合材成形方法に関するものである。

　従来、航空機の胴体に代表されるような、円筒形の複合材構造部品の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、円筒形の複合材構造部品を回転ドラムの外側に配置して回転ドラムを回転させ、複合材構造部品に遠心力を付与することが開示されている。特許文献１では、複合材構造部品に含まれるマトリックス材料が遠心力によって外側へ向けて押し出され、その後に加熱されることで樹脂製の円筒形部品が成形される。

米国特許第８５９７５６０号明細書

　特許文献１では、複合材構造部品に含まれるマトリックス材料が遠心力により外側へ向けて押し出されるものの、複合材部品全体は加圧されない。そのため、複合材が複数の強化繊維層を含むような場合に、層と層の間に存在する空気を確実に抜き、かつ層同士を強固に密着させることができない。そのため、複合材に十分な強度を持たせることができない可能性がある。

　本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複合材料を適切に加圧して十分な強度を持たせることが可能な複合材成形装置および複合材成形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、本発明の複合材成形装置および複合材成形方法は、以下の手段を採用する。
　本発明の一態様に係る複合材成形装置は、軸線に沿って延びる複合材料の内周面を保持する内側保持部と、前記複合材料の外周面を保持する外側保持部と、前記内側保持部を前記軸線回りに回転させる駆動力を発生する駆動部と、前記外側保持部および前記内側保持部により保持された前記複合材料を加熱する加熱部と、を備え、前記外側保持部は、前記複合材料の前記外周面を前記軸線に沿った軸線方向に直交する径方向の所定の位置に保持し、前記内側保持部は、前記駆動部が発生する前記駆動力によって前記軸線回りに回転することに応じて前記径方向の外周側へ向けた付勢力を発生し、該付勢力により前記複合材料を加圧する加圧機構を有する。

　本発明の一態様に係る複合材成形装置によれば、複合材料の内周面が内側保持部により保持され複合材料の外周面が外側保持部により保持されるため、複合材料が内側保持部と外側保持部との間に挟まれた状態となる。内側保持部を軸線回りに回転させると、加圧機構が径方向の外周側へ向けた付勢力を発生する。外側保持部が複合材料の外周面を径方向の所定の位置に保持するため、付勢力によって複合材料が加圧される。これにより、複合材料を適切に加圧して十分な強度を持たせることが可能となる。

　また、本発明の一態様に係る複合材成形装置によれば、加熱部によって複合材料に含まれる樹脂材料が加熱される。例えば、樹脂材料が熱可塑性樹脂材料である場合は、融点以上に加熱することで加圧機構による加圧によって複合材料が変形可能な状態とすることができる。また、例えば、樹脂材料が熱硬化性樹脂材料である場合は、複合材料を加圧した状態で熱硬化性樹脂材料を硬化させることにより、樹脂材料が硬化した複合材を適切に成形することができる。

　本発明の一態様に係る複合材成形装置において、前記加圧機構は、前記付勢力の大きさを調整可能な機構である構成が好ましい。
　加圧機構により付勢力の大きさを調整することにより、複合材料を所望の付勢力により加圧して十分な強度を持たせることが可能となる。

　上記構成の複合材成形装置において、前記加圧機構は、前記軸線回りの周方向に沿った複数の位置に配置されているのが好ましい。
　軸線回りの周方向に沿った複数の位置に加圧機構が配置されるため、複合材料の各位置をそれぞれ所望の付勢力により加圧して十分な強度を持たせることができる。

　上記構成の複合材成形装置において、前記加圧機構は、前記複合材料の前記内周面に前記付勢力を伝達する伝達部材と、前記伝達部材に連結されるとともに前記径方向に沿って延びる棒状部材と、前記棒状部材に取り付けられるとともに前記径方向の取り付け位置を調整可能な錘部材と、を有するのが好ましい。
　加圧機構が有する錘部材の棒状部材に対する径方向の取り付け位置を調整することにより、付勢力の大きさを適宜に調整することができる。例えば、錘部材を径方向の外周側に配置することにより付勢力の大きさを大きくし、錘部材を径方向の内周側に配置することにより付勢力の大きさを小さくすることができる。

　上記構成の複合材成形装置において、前記加圧機構は、前記複合材料の前記内周面に前記付勢力を伝達する筒状の外周面を形成する複数の前記伝達部材を有するのが好ましい。
　このようにすることで、複数の伝達部材により複合材料の内周面に付勢力を伝達する筒状の外周面を形成することができる。また、複数の伝達部材が互いに連結されずに分割されているため、複数の伝達部材のそれぞれを錘部材に作用する遠心力に応じて径方向に沿って移動させることができる。　　

　本発明の一態様に係る複合材成形装置において、前記外側保持部は、前記複合材料の前記外周面と接触する接触部材と、前記接触部材が前記外周面に接触する接触状態と前記外周面から離間した非接触状態とを切り替える切替機構とを有する構成が好ましい。
　切替機構により接触部材が外周面から離間した非接触状態とすることにより、内側保持部と内側保持部に保持された複合材料とを外側保持部の内側に容易に配置することができる。また、切替機構により非接触状態を接触状態に切り替えることにより、複合材料の外周面が外側保持部により保持された状態とすることができる。

　上記構成の複合材成形装置において、前記外側保持部は、前記接触状態において筒状の内周面を形成する複数の前記接触部材と、複数の前記接触部材のそれぞれを前記接触状態または前記非接触状態に切り替える複数の前記切替機構とを有する構成が望ましい。
　このようすることで、複数の接触部材を積層体の外周面と接触させた接触状態においては、複数の接触部材により、積層体の外周面を保持するための筒状の内周面を形成することができる。また、複数の接触部材の各々が切替機構により接触状態または非接触状態に切り替えられるため、それぞれの接触部材を積層体の外周面に接触しない位置に退避させることができる。　　

　上記構成の複合材成形装置において、前記外側保持部は、前記接触部材および前記切替機構を前記軸線回りに回転可能に支持する支持機構を有するのが好ましい。
　駆動部の駆動力によって内側保持部が軸線回りに回転し、それに伴って複合材料および接触部材が軸線回りに回転する場合に、支持機構によって接触部材および切替機構を軸線回りに回転可能に支持することができる。

　上記構成の複合材成形装置において、前記外側保持部は、前記切替機構が内周面に取り付けられる円筒形状の回転体を有し、前記支持機構は、前記軸線に沿って延びる円筒形状に形成される円筒状部材と、前記円筒状部材の内周面に接触し、かつ前記回転体の外周面に接触した状態で配置される回転部材と、を有するのが好ましい。
　支持機構が有する回転部材が、支持機構が有する円筒状部材の内周面に接触し、かつ外側保持部が有する回転体の外周面に接触した状態で配置される。そのため、切替機構が内周面に取り付けられる回転体は、支持機構により軸線回りに回転可能に支持される。

　本発明の一態様に係る複合材成形装置においては、前記複合材料を冷却する冷却機構を備えるのが好ましい。
　加熱部によって加熱された複合材料を冷却機構により強制的に冷却することにより、複合材料を加圧する処理に要する一連の処理時間を短縮することができる。

　本発明の一態様に係る複合材成形装置において、前記複合材料に含まれる樹脂材料は、熱可塑性樹脂材料であり、前記加熱部は、前記熱可塑性樹脂材料を融点以上に加熱するのが好ましい。
　熱可塑性樹脂材料を融点以上に加熱することで加圧機構による加圧によって複合材料が変形可能な状態とすることができる。

　本発明の一態様に係る複合材成形装置において、前記複合材料に含まれる樹脂材料は、熱硬化性樹脂材料であり、前記加熱部は、前記熱硬化性樹脂材料を加熱して硬化させるのが好ましい。
　熱硬化性樹脂材料を加熱して硬化させることで、樹脂材料が硬化した複合材を適切に成形することができる。

　本発明の一態様に係る複合材成形方法は、軸線に沿って延びる複合材料の内周面を内側保持部により保持するとともに前記複合材料の外周面を外側保持部により保持する保持工程と、前記保持工程により保持された前記複合材料を加圧する加圧工程と、前記加圧工程により加圧される前記複合材料を加熱する加熱工程と、を備え、前記保持工程は、前記複合材料の前記外周面を前記軸線に沿った軸線方向に直交する径方向の所定の位置に保持し、前記加圧工程は、前記内側保持部を前記軸線回りに回転させることによって前記径方向の外周側へ向けた付勢力を発生させ、該付勢力により前記複合材料を加圧する。

　本発明の一態様に係る複合材成形方法によれば、複合材料の内周面が内側保持部により保持され複合材料の外周面が外側保持部により保持されるため、複合材料が内側保持部と外側保持部との間に挟まれた状態となる。加圧工程により、内側保持部を軸線回りに回転させると、径方向の外側へ向けた付勢力が発生する。外側保持部が複合材料の外周面を径方向の所定の位置に保持するため、付勢力によって複合材料が加圧される。これにより、複合材料を適切に加圧して複合材料に十分な強度を持たせることが可能となる。

　また、本発明の一態様に係る複合材成形方法によれば、加熱工程によって複合材料に含まれる樹脂材料が加熱される。例えば、樹脂材料が熱可塑性樹脂材料である場合は、融点以上に加熱することで加圧機構による加圧によって複合材料が変形可能な状態とすることができる。また、例えば、樹脂材料が熱硬化性樹脂材料である場合は、複合材料を加圧した状態で熱硬化性樹脂材料を硬化させることにより、樹脂材料が硬化した複合材を適切に成形することができる。

　本発明によれば、複合材料を適切に加圧して複合材料に十分な強度を持たせることが可能な複合材成形装置および複合材成形方法を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る複合材成形装置を示す断面図である。 図１に示す複合材成形装置からマンドレルを取り外した状態を示す断面図である。 図１に示すホルダを非接触状態とした複合材成形装置を示す断面図である。 図１に示す複合材成形装置の側面図である。 図１に示すマンドレルの部分拡大図である。 図１に示すマンドレルの部分拡大図である。 本発明の第１実施形態に係る複合材成形方法を示すフローチャートである。 本発明の第２実施形態に係る複合材成形装置を示す断面図である。 図８に示す複合材成形装置からマンドレルを取り外した状態を示す断面図である。 ホルダを非接触状態とした複合材成形装置を示す断面図である。 第１変形例に係る複合材成形装置を示す断面図である。 第２変形例に係る複合材成形装置を示す断面図である。

〔第１実施形態〕
　以下、本発明の第１実施形態に係る複合材成形装置１００およびそれを用いた複合材成形方法について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る複合材成形装置１００を示す断面図である。図２は、図１に示す複合材成形装置１００からマンドレル１０を取り外した状態を示す断面図である。図３は、図１に示すホルダ２０を非接触状態とした複合材成形装置１００を示す断面図である。図４は、図１に示す複合材成形装置１００の側面図である。図５は、図１に示すマンドレル１０の部分拡大図である。図１は、図４におけるＡ－Ａ矢視断面図となっている。

　本実施形態の複合材成形装置１００は、シート状に形成された中間成形材料であるプリプレグを積層した積層体（複合材料）Ｌを加圧および加熱することにより所望の形状の繊維強化複合材を成形する装置である。繊維強化複合材は、例えば、航空機の胴体部などの構造体として用いられる。ここで、プリプレグとは、繊維基材と熱可塑性のマトリックス樹脂が付着されて半一体化した柔軟なシート状に形成された中間成形材料である。

　また、繊維基材とは、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等である。また、熱可塑性のマトリックス樹脂は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）等である。

　図１および図４に示すように、本実施形態の複合材成形装置１００は、マンドレル（内側保持部）１０と、ホルダ（外側保持部）２０と、モータ（駆動部）３０と、ヒータ（加熱部）４０と、冷却器（冷却機構）５０と、を備える。

　マンドレル１０は、軸線Ｘに沿って延びる円筒状の積層体Ｌの内周面Ｌｉを保持する装置である。図１に示すように、マンドレル１０の外周面１０ａは、軸線Ｘを中心とした円筒状に形成されている。図４に示すように、軸線Ｘは水平方向に延びる軸線である。マンドレル１０は、軸線Ｘを中心とした直径よりも軸線Ｘに沿った長さの方が長い形状となっている。マンドレル１０は、中心軸が軸線Ｘと一致するように軸受部（図示略）によって回転可能に支持されている。

　マンドレル１０の外周面１０ａには、シート状のプリプレグを積層した所定の厚さ（例えば、約１ｃｍ）を有する板状の積層体Ｌが保持されている。積層体Ｌは、マンドレル１０の軸線Ｘに沿った長さよりも短い範囲において、内周面Ｌｉがマンドレル１０の外周面１０ａに接触した状態で保持されている。

　マンドレル１０は、モータ３０が発生する駆動力によって軸線Ｘ回りに回転することに応じて軸線Ｘに直交する径方向Ｒｄの外周側へ向けた付勢力を発生する加圧機構１１を有する。加圧機構１１は、軸線Ｘ回りに回転することによって自身の重量により生じる遠心力により積層体Ｌの内周面Ｌｉを加圧する。

　図５の部分拡大図に示すように、マンドレル１０は、軸線Ｘ回りの周方向に沿った複数の位置に配置される複数の加圧機構１１を備える。図１および図５に示す例は、加圧機構１１を軸線Ｘ回りに４５度間隔で８カ所に配置した例である。加圧機構１１は、例えば、軸線Ｘ回りに３０度間隔で１２カ所に配置するなど、他の態様としてもよい。

　図５に示すように、複数の加圧機構１１のそれぞれは、伝達部材１２と、棒状部材１３と、錘部材１４と、を有する。伝達部材１２は、積層体Ｌの内周面Ｌｉに付勢力を伝達する部材である。図５に示すように、伝達部材１２の外周面は、軸線Ｘ回りの周方向に延びる円筒形状の一部となるように形成されている。

　複数の伝達部材１２の外周面によって、円筒形状の外周面が形成される。複数の伝達部材１２の各々は、円筒形状の外周面を複数に分割した形状となっている。複数の伝達部材１２が互いに連結されずに分割されているため、複数の伝達部材１２のそれぞれは、錘部材１４に作用する遠心力に応じて径方向Ｒｄに沿って移動可能となっている。

　棒状部材１３は、径方向Ｒｄに沿って延びる棒状の部材である。棒状部材１３の径方向Ｒｄの外周側の先端部は、伝達部材１２に連結されている。棒状部材１３の径方向Ｒｄの内周側の基端部は、軸線Ｘ回りに回転する回転軸１５に対して径方向Ｒｄに沿って移動可能に取り付けられている。棒状部材１３は、断面が円形であり、錘部材１４を取り付けるための雄ねじが外周面に形成されている。

　錘部材１４は、棒状部材１３に取り付けられる部材であり、棒状部材１３を挿入するための挿入穴が形成されている。挿入穴の内周面には、棒状部材１３の外周面に形成された雄ねじと係合する雌ねじが形成されている。棒状部材１３の雄ねじに係合するように錘部材１４の雌ねじが形成されているため、錘部材１４の棒状部材１３に対する径方向Ｒｄの取り付け位置が調整可能となっている。

　図６は、図５に示す例よりも錘部材１４を径方向Ｒｄの内周側、すなわち軸線Ｘに近接した側に錘部材１４の取り付け位置を調整した例を示す。錘部材１４は、軸線Ｘ回りに回転することで、径方向Ｒｄの外周側へ向けた付勢力を発生する。錘部材１４が発生する付勢力は、錘部材１４を径方向Ｒｄの取り付け位置が軸線Ｘから遠ざかるほど大きくなる。

　錘部材１４の径方向Ｒｄの取り付け位置を調整することで、伝達部材１２が積層体Ｌの内周面Ｌｉに伝達する付勢力の大きさを調整することができる。このように、加圧機構１１は、積層体Ｌの内周面Ｌｉに伝達する付勢力の大きさを調整可能な機構となっている。

　図５に示す破線は、モータ３０から回転軸１５に駆動力が伝達されてマンドレル１０が軸線Ｘ回りに回転する状態において、加圧機構１１が配置される位置を示している。マンドレル１０が軸線Ｘ回りに回転すると、錘部材１４および棒状部材１３が自身に作用する遠心力によって径方向Ｒｄの外周側へ向けて移動する。

　図５は、マンドレル１０の外周面に沿って積層体Ｌが配置されていない状態を示しているため、遠心力によって錘部材１４および棒状部材１３が破線の位置まで移動する。図１に示すようにマンドレル１０の外周面に沿って積層体Ｌが配置する場合には、錘部材１４および棒状部材１３に作用する遠心力が伝達部材１２を介して積層体Ｌの内周面Ｌｉに伝達される。

　ホルダ２０は、積層体Ｌの外周面Ｌｏを保持する装置である。ホルダ２０は、積層体Ｌの外周面Ｌｏを径方向Ｒｄの所定の位置に保持する。所定の位置とは、軸線Ｘに沿ってマンドレル１０を配置した場合に、マンドレル１０に保持される積層体Ｌの外周面Ｌｏが配置される位置である。

　図１および図２に示すように、ホルダ２０は、接触部材２１と、切替機構２２と、回転体２３と、支持機構２４と、を有する。接触部材２１は、積層体Ｌの外周面Ｌｏを保持するための部材であり、切替機構２２により後述する接触状態に切り替えられた場合に、積層体Ｌの外周面Ｌｏと接触する。図１に示すように、接触部材２１の内周面は、積層体Ｌの外周面Ｌｏと接触する接触状態において、軸線Ｘ回りの周方向に延びる円筒形状の一部となるように形成されている。複数の接触部材２１の内周面によって、円筒形状の内周面が形成される。

　図１に示すように、ホルダ２０は、軸線Ｘ回りの周方向に沿った複数の位置に配置される複数の接触部材２１を備える。図１に示す例は、接触部材２１を軸線Ｘ回りに４５度間隔で８カ所に配置した例である。接触部材２１は、例えば、軸線Ｘ回りに３０度間隔で１２カ所に配置するなど、他の態様としてもよい。

　複数の接触部材２１の各々は、円筒形状の内周面を複数に分割した形状となっている。このようすることで、複数の接触部材２１を積層体Ｌの外周面Ｌｏと接触させた接触状態においては、複数の接触部材２１により、積層体Ｌの外周面Ｌｏを保持するための円筒形状の内周面を形成することができる。

　また、複数の接触部材２１は、円筒形状の内周面を複数に分割した形状であるため、それぞれの接触部材２１を積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触しない位置に退避させることができる。このように、複数の接触部材２１は、積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触する接触状態と、積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触しない非接触状態とを切り替え可能な形状となっている。

　切替機構２２は、接触部材２１に連結されており、接触部材２１が積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触する接触状態（図１に示す状態）と、接触部材２１が積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触しない非接触状態（図２および図３に示す状態）とを切り替える機構である。切替機構２２は、径方向Ｒｄに沿って伸縮することにより、接触状態と非接触状態を切り替えることができる。切替機構２２は、複数の接触部材２１のそれぞれに対応するように複数設けられている。切替機構２２は、単一の接触部材２１に対して複数設けるようにしてもよい。

　切替機構２２は、例えば、モータにより回転可能なボールねじと、ボールねじに係合する雌ねじを有するピストンロッドにより構成される。このような切替機構２２は、回転体２３側に取り付けられるボールねじをモータにより正回転または逆回転させることにより、接触部材２１に連結されたピストンロッドを径方向Ｒｄに沿って移動させることができる。切替機構２２としては、ボールねじを利用した機構に限らず、回動軸を介してＸ字状に交差して連結される一対のアームを伸縮させる機構を用いてもよい。

　回転体２３は、軸線Ｘに沿って延びる円筒形状の部材である。回転体２３の内周面には、切替機構２２が取り付けられている。このように、回転体２３の内周面に切替機構２２が取り付けられており、切替機構２２に接触部材２１が連結されている。そのため、ホルダ２０に含まれる接触部材２１、切替機構２２、および回転体２３は、互いに連結された一体の部材となっている。

　支持機構２４は、接触部材２１と切替機構２２と回転体２３が一体となった部材を、軸線Ｘ回りに回転可能に支持する機構である。支持機構２４は、軸線Ｘに沿って延びる円筒形状の円筒状部材２５と、軸線Ｘと平行な軸線に沿って回転するローラ（回転部材）２６と、円筒状部材２５に連結される支持柱２７と、支持柱２７が連結されるベース２８とを有する。

　図１に示すように、支持機構２４のローラ２６は、軸線Ｘ回りの周方向の複数の位置に配置されている。ローラ２６は、支持機構２４の円筒状部材２５の内周面に接触し、かつ回転体２３の外周面に接触した状態で配置される。なお、支持機構２４は、軸線Ｘと平行な軸線に沿って回転するローラ２６により回転体２３を回転可能に支持するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、回転体２３と円筒状部材２５の間に複数の剛球（回転部材）を配置することにより、回転体２３を回転可能に支持してもよい。

　円筒状部材２５の内周面の直径は回転体２３の外周面の直径よりも大きく、円筒状部材２５と回転体２３は、複数のローラ２６を挟んだ状態で配置される。回転体２３が複数のローラ２６を介して円筒状部材２５により支持されるため、回転体２３は、軸線Ｘ回りに回転可能である。支持柱２７は、設置面Ｓに設置されるベース２８に固定される部材である。

　設置面Ｓは、複合材成形装置１００が設置される床面である。ベース２８は、設置面Ｓに配置されるとともに複合材成形装置１００の荷重を支える基礎となる部材である。支持柱２７は、一端がベース２８に連結され、他端が円筒状部材２５の外周面に連結される柱状の部材である。円筒状部材２５は、支持柱２７を介してベース２８に連結されることで、軸線Ｘ回りに回転しないように固定される。

　モータ３０は、マンドレル１０を軸線Ｘ回りに回転させる駆動力を発生する装置である。図４に示すように、モータ３０は、支持機構２４のベース２８に設置されている。モータ３０は、軸線Ｘ回りに回転するとともに回転軸１５に連結される駆動軸３１を有する。モータ３０は、駆動軸３１を回転させる単位時間当たりの回転数を調整することができる。駆動軸３１の単位時間当たりの回転数を調整することにより、加圧機構１１が積層体Ｌに伝達する付勢力を調整することができる。

　ヒータ４０は、ホルダ２０およびマンドレル１０の間に挟まれた状態で保持された積層体Ｌを加熱する装置である。図１から図４に示すように、ヒータ４０は、ホルダ２０の上部に、円筒状部材２５を覆うように取り付けられている。ヒータ４０は、発熱源であるヒータ本体４１と、ヒータ本体４１を収容して外部への放熱を遮断するケーシング４２とを有する。

　ヒータ４０は、円筒状部材２５を加熱し、回転体２３を介して更に接触部材２１に熱を伝達する。接触部材２１が加熱されることで、接触部材２１によって積層体Ｌが加熱される。ヒータ４０は、積層体Ｌに含まれる熱可塑性樹脂を融点以上に加熱する。これにより、積層体Ｌは、マンドレル１０から伝達される付勢力によって変形可能な状態となる。

　ヒータ４０は、円筒状部材２５の上部のみを部分的に加熱するが、積層体Ｌを保持するマンドレル１０は、モータ３０から伝達される駆動力により軸線Ｘ回りに回転する。そのため、積層体Ｌの周方向の各位置がヒータ４０から伝達される熱によって加熱される。また、図４に示すように、ヒータ４０は、軸線Ｘ方向においてマンドレル１０が配置される範囲を含むように設置されている。そのため、ヒータ４０は、マンドレル１０に保持される積層体Ｌの軸線Ｘに沿った全領域を加熱することができる。

　冷却器（冷却機構）５０は、支持機構２４のベース２８に設置される装置である。冷却器５０は、マンドレル１０およびホルダ２０に保持された積層体Ｌを冷却する。冷却器５０は、積層体Ｌがマンドレル１０の回転による遠心力により加圧された状態で、積層体Ｌを冷却することが可能となっている。冷却器５０は、例えば、水などの冷媒をマンドレル１０の伝達部材１２の内部に形成される冷媒配管（図示略）に流通させることにより、伝達部材１２を介して積層体Ｌを冷却する。

　次に、本実施形態の複合材成形装置１００が実行する複合材成形方法について説明する。図７は、本実施形態に係る複合材成形方法を示すフローチャートである。
　ステップＳ１０１において、マンドレル１０にプリプレグを積層し、マンドレル１０のプリプレグを積層した積層体Ｌが保持される状態とする。例えば、自動積層機（図示略）あるいは作業者のハンドレイアップにより、マンドレル１０にプリプレグが積層される。

　また、例えば、マンドレル１０とは異なる他の積層用マンドレルに自動積層機あるいは作業者のハンドレイアップによりプリプレグを積層して積層体Ｌを形成した後に、積層体Ｌを積層用マンドレルからマンドレル１０に移し替えてもよい。また、例えば、積層用の平板状のマンドレルにプリプレグを積層して平板状の積層体Ｌを形成し、平板状の積層体Ｌを円筒状のマンドレル１０に押付けて曲げるようにしてもよい。

　ステップＳ１０２において、積層体Ｌを保持したマンドレル１０をホルダ２０の内部に設置する。ステップＳ１０２において、ホルダ２０の切替機構２２は、図２に示すように、接触部材２１を回転体２３に近接させた状態とする。この状態では、ホルダ２０の内部にマンドレル１０を設置しても、マンドレル１０の保持される積層体Ｌの外周面Ｌｏが接触部材２１に接触しない非接触状態となる。図２に示すホルダ２０内部にマンドレル１０を設置すると、図３に示す状態となる。図３に示すように、軸線Ｘから積層体Ｌの外周面Ｌｏまでの距離よりも軸線Ｘから接触部材２１までの距離よりが長いため、積層体Ｌの外周面Ｌｏが接触部材２１に接触しない非接触状態となる。

　ステップＳ１０３（保持工程）においては、切替機構２２が接触部材２１を積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触するように移動させることにより、積層体Ｌの外周面Ｌｏを接触部材２１により保持する状態とする。図１に示すように、積層体Ｌは、内周面Ｌｉがマンドレル１０により保持され、かつ外周面Ｌｏがホルダ２０の接触部材２１により保持された状態となる。ステップＳ１０３において、積層体Ｌの外周面Ｌｏは、接触部材２１により径方向Ｒｄの所定の位置に保持される。

　ステップＳ１０４（加圧工程）においては、モータ３０から伝達される駆動力によるマンドレル１０の回転が開始される。マンドレル１０が回転することにより、棒状部材１３と錘部材１４に遠心力が作用し、径方向Ｒｄの外周側へ向けて付勢力が発生する。この付勢力が接触部材２１を介して積層体Ｌに伝達され、マンドレル１０とホルダ２０の接触部材２１により挟まれた状態で保持された積層体Ｌが加圧される。

　ステップＳ１０５（加熱工程）においては、ヒータ４０によって積層体Ｌが加熱される。ヒータ４０は、積層体Ｌに含まれる熱可塑性樹脂を融点以上に加熱する。ヒータ４０は、軸線Ｘ回りに回転する積層体Ｌの周方向の各位置を加熱する。積層体Ｌは、熱可塑性樹脂の融点以上に加熱されることで変形可能な状態となり、接触部材２１から伝達される付勢力により緻密化する。積層体Ｌは、軸線Ｘ回りの周方向の全領域において接触部材２１により加圧されて均等に緻密化する。

　ステップＳ１０６（冷却工程）においては、冷却器５０が接触部材２１の内部に形成される冷媒配管（図示略）に冷却媒体を流通させることにより、接触部材２１を介して積層体Ｌを冷却する。冷却器５０は、例えば、積層体Ｌの温度を検知する温度センサ（図示略）が検出する温度が所定温度以下となるまで冷却媒体を流通させる。冷却器５０は、積層体Ｌの温度が所定温度以下となったことに応じて、冷却媒体の流通を停止させる。

　ステップＳ１０７においては、ステップＳ１０４で開始したモータ３０によるマンドレル１０の軸線Ｘ回りの回転を停止させる。マンドレル１０の回転が停止すると、棒状部材１３と錘部材１４に遠心力が作用しなくなり、径方向Ｒｄの外周側へ向けて付勢力が発生しない状態となる。

　ステップＳ１０８においては、マンドレル１０の軸線Ｘ回りの回転が停止したことに応じて、マンドレル１０をホルダ２０内部から除去する。ホルダ２０から除去されたマンドレル１０は、接触部材２１からの付勢力により緻密化された積層体Ｌが保持されている。マンドレル１０から積層体Ｌを取り外すことにより、緻密化された複合材としての積層体Ｌの成形が完了する。

　以上説明した本実施形態の複合材成形装置１００が奏する作用および効果について説明する。
　本実施形態の複合材成形装置１００によれば、積層体Ｌの内周面Ｌｉがマンドレル１０により保持され積層体Ｌの外周面Ｌｏがホルダ２０により保持されるため、積層体Ｌがマンドレル１０とホルダ２０との間に挟まれた状態となる。マンドレル１０を軸線Ｘ回りに回転させると、加圧機構１１が径方向Ｒｄの外周側へ向けた付勢力を発生する。

　ホルダ２０が積層体Ｌの外周面Ｌｏを径方向Ｒｄの所定の位置に保持するため、付勢力によって積層体Ｌが加圧される。これにより、積層体Ｌを適切に加圧して十分な強度を持たせることが可能となる。また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、ヒータ４０によって積層体Ｌに含まれる熱可塑性樹脂材料が融点以上に加熱されることで加圧機構１１による加圧によって積層体Ｌが変形可能な状態とすることができる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、加圧機構１１が付勢力の大きさを調整可能な機構であるため、複合材料を所望の付勢力により加圧して十分な強度を持たせることが可能となる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、加圧機構１１が軸線Ｘ回りの周方向に沿った複数の位置に配置されているため、積層体Ｌの各位置をそれぞれ所望の付勢力により加圧して十分な強度を持たせることができる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、加圧機構１１が有する錘部材１４の棒状部材１３に対する径方向Ｒｄの取り付け位置を調整することにより、付勢力の大きさを適宜に調整することができる。例えば、錘部材１４を径方向Ｒｄの外周側に配置することにより付勢力の大きさを大きくし、錘部材１４を径方向Ｒｄの内周側に配置することにより付勢力の大きさを小さくすることができる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、切替機構２２により接触部材２１が外周面Ｌｏから離間した非接触状態とすることにより、マンドレル１０とマンドレル１０に保持された積層体Ｌとをホルダ２０の内側に容易に配置することができる。また、切替機構２２により非接触状態を接触状態に切り替えることにより、積層体Ｌの外周面Ｌｏがホルダ２０により保持された状態とすることができる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、モータ３０の駆動力によってマンドレル１０が軸線Ｘ回りに回転し、それに伴って積層体Ｌおよび接触部材２１が軸線Ｘ回りに回転する場合に、支持機構２４によって接触部材２１および切替機構２２を軸線Ｘ回りに回転可能に支持することができる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、積層体Ｌを冷却する冷却器５０を備えるため、ヒータ４０によって加熱された積層体Ｌを冷却器５０により強制的に冷却することにより、積層体Ｌを加圧する処理に要する一連の処理時間を短縮することができる。

　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、筒状に形成される積層体Ｌの外周面Ｌｏの周方向の複数の位置をホルダ２０で保持した状態で、周方向の複数の位置に設けられた複数の加圧機構１１により積層体Ｌの内周面Ｌｉを加圧することで、筒状に成形される積層体Ｌに十分な強度を持たせることができる。

〔第２実施形態〕
　以下、本発明の第２実施形態に係る複合材成形装置１００Ａおよびそれを用いた複合材成形方法について、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。

　第１実施形態の複合材成形装置１００は、マンドレル１０の外周面１０ａが円筒状に形成され、ホルダ２０の接触部材２１の内周面が円筒状に形成され、これらに挟まれる積層体Ｌを円筒状に成形するものであった。それに対して、本実施形態の複合材成形装置１００Ａは、マンドレル１０Ａの中心軸である軸線Ｘに沿ってみた場合に、マンドレル１０Ａの外周面１０Ａａが楕円筒状に形成され、ホルダ２０Ａの接触部材２１Ａの内周面が楕円筒状に形成され、これらに挟まれる積層体Ｌを楕円筒状に成形するものである。

　図８は、本実施形態に係る複合材成形装置１００Ａを示す断面図である。図９は、図８に示す複合材成形装置１００Ａからマンドレル１０Ａを取り外した状態を示す断面図である。図１０は、図８に示すホルダ２０Ａを非接触状態とした複合材成形装置１００を示す断面図である。

　図８に示すように、本実施形態のマンドレル１０Ａの外周面１０Ａａは、軸線Ｘを中心とし、長軸Ａｘ１と短軸Ａｘ２とを有する楕円筒状に形成されている。マンドレル１０Ａの外周面１０Ａａには、シート状のプリプレグを積層した所定の厚さ（例えば、約１ｃｍ）を有する板状の積層体Ｌが保持されている。積層体Ｌは、マンドレル１０Ａの外周面１０Ａａに接触した状態で保持されているため、長軸と短軸を有する楕円筒状に積層されている。

　ホルダ２０Ａが有する接触部材２１Ａは、積層体Ｌの外周面Ｌｏと接触する部材である。図８に示すように、接触部材２１Ａの内周面は、軸線Ｘを中心とした楕円の一部となるように形成されている。接触部材２１Ａの内周面の楕円の長軸と短軸の長さの比率は、マンドレル１０Ａの外周面１０Ａａの楕円の長軸Ａｘ１と短軸Ａｘ２の長さの比率と同一となっている。そのため、積層体Ｌは、マンドレル１０Ａの外周面１０Ａａに内周面Ｌｉが接触し、接触部材２１Ａの内周面に外周面Ｌｏが接触した状態で配置される。積層体Ｌは、短軸と長軸を有し、軸線Ｘに沿って延びる楕円筒状に成形される。

　切替機構２２Ａは、接触部材２１Ａに連結されており、接触部材２１Ａが積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触する接触状態（図８に示す状態）と、接触部材２１Ａが積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触しない非接触状態（図９および図１０に示す状態）とを切り替える機構である。切替機構２２Ａは、径方向Ｒｄに沿って伸縮することにより、接触状態と非接触状態を切り替えることができる。切替機構２２Ａは、複数の接触部材２１Ａのそれぞれに対応するように複数設けられている。

　本実施形態の複合材成形方法は、第１実施形態で説明したものと同様である。積層体Ｌを保持したマンドレル１０Ａをホルダ２０Ａの内部に設置する際に、ホルダ２０Ａの切替機構２２Ａは、図９に示すように、接触部材２１を回転体２３に近接させた状態とする。この状態では、ホルダ２０Ａの内部にマンドレル１０Ａを設置しても、マンドレル１０Ａの保持される積層体Ｌの外周面Ｌｏが接触部材２１Ａに接触しない非接触状態となる。

　図９に示すホルダ２０Ａの内部にマンドレル１０Ａを設置すると、図１０に示す状態となる。図１０に示すように、軸線Ｘから積層体Ｌの外周面Ｌｏまでの距離よりも軸線Ｘから接触部材２１Ａまでの距離よりが長いため、積層体Ｌの外周面Ｌｏが接触部材２１Ａに接触しない非接触状態となる。

　図１０に示す状態の後、切替機構２２Ａが接触部材２１Ａを積層体Ｌの外周面Ｌｏに接触するように移動させることにより、積層体Ｌの外周面Ｌｏを接触部材２１Ａにより保持する状態とする。図８に示すように、積層体Ｌは、内周面Ｌｉがマンドレル１０Ａにより保持され、かつ外周面Ｌｏがホルダ２０Ａの接触部材２１Ａにより保持された状態となる。

　図８に示す状態となった後、モータ３０から伝達される駆動力によるマンドレル１０Ａの回転が開始される。マンドレル１０Ａが回転することにより、棒状部材１３と錘部材１４に遠心力が作用し、径方向Ｒｄの外周側へ向けて付勢力が発生する。この付勢力が接触部材２１Ａを介して積層体Ｌに伝達され、マンドレル１０Ａとホルダ２０Ａの接触部材２１Ａにより挟まれた状態で保持された積層体Ｌが加圧される。

　本実施形態の複合材成形装置１００Ａによれば、短軸と長軸を有し、軸線Ｘに沿って延びる楕円筒状の積層体Ｌを成形することができる。第１実施形態の複合材成形装置１００のホルダ２０と、第２実施形態の複合材成形装置１００Ａのホルダ２０Ａとの違いは、接触部材２１Ａの形状が異なる点である。例えば、成形する積層体Ｌの形状が円筒状であるのか楕円筒状であるのかに応じて接触部材２１Ａを取り換えることにより、ホルダ２０Ａの接触部材２１Ａを除く他の部材を利用しながら、円筒状または楕円筒状の積層体Ｌを成形することができる。

〔他の実施形態〕
　以上の説明において、複合材成形装置１００が成形する繊維強化複合材の中間成形材料であるプリプレグは、繊維基材と熱可塑性のマトリックス樹脂が付着されて半一体化したものであったが、他の態様であってもよい。例えば、プリプレグは、繊維基材と未硬化の熱硬化性のマトリックス樹脂を含むものであってもよい。熱硬化性のマトリックス樹脂は、例えば、エポキシ、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ビスマレイミド、フェノール、シアネート、ポリイミド等である。

　この場合、熱硬化性のマトリックス樹脂（熱硬化性樹脂材料）を含む積層体Ｌをヒータは、積層体Ｌをマトリックス樹脂が硬化する硬化温度以上に加熱する。これにより、積層体Ｌは、マンドレル１０から伝達される付勢力によって加圧された状態で硬化する。

　また、以上の説明において、ヒータ４０はホルダ２０を外側から加熱することで積層体Ｌを加熱し、冷却器５０はマンドレル１０の伝達部材１２を介して積層体Ｌを冷却するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、ヒータ４０がマンドレル１０の伝達部材１２を加熱し、伝達部材１２が積層体Ｌを加熱するものとしてもよい。また、例えば、冷却器５０がホルダ２０を外側から冷却することで積層体Ｌを冷却するようにしてもよい。

　以上の説明において、複合材成形装置は、円筒状または楕円筒状の積層体Ｌを成形するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、円筒状または楕円筒状の一部に凹部あるいは凸部が設けられた形状に成形してもよい。この場合、例えば、マンドレル１０の外周面１０ａを形成する伝達部材１２は、表面に凹部あるいは凸部を設けた形状となる。

　また、例えば、ホルダ２０の接触部材２１は、内周面に凹部あるいは凸部を設けた形状となる。積層体Ｌが凹部あるいは凸部が設けられた形状となる場合であっても、マンドレル１０とホルダ２０により挟まれた状態で加圧および加熱をすることで、成形される積層体Ｌに十分な強度を持たせることができる。

　以上の説明において、ヒータ４０は、ホルダ２０の円筒状部材２５の上部のみを部分的に加熱するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１１に示す第１変形例に係る複合材成形装置１００Ｂが備えるヒータ４０Ｂのように、円筒状部材２５の軸線Ｘ回りの周方向の全周を加熱する態様であってもよい。図１１に示すヒータ４０Ｂは、発熱源であるヒータ本体４１Ｂと、ヒータ本体４１Ｂを収容して外部への放熱を遮断するケーシング４２Ｂとを有する。

　図１１に示すように、ヒータ本体４１Ｂは、円筒状部材２５の外周面を覆うように軸線Ｘ回りの周方向の全周に渡って配置される。ケーシング４２Ｂは、軸線Ｘ回りの周方向の全周に渡って配置されるヒータ本体４１Ｂを覆うように配置される。第１変形例に係る複合材成形装置１００Ｂによれば、円筒状部材２５の軸線Ｘ回りの周方向の全周がヒータ４０Ｂによって加熱されるため、マンドレル１０に保持される積層体Ｌの軸線Ｘに沿った周方向の全領域を均等に加熱することができる。

　以上の説明において、ヒータ４０は、ホルダ２０の円筒状部材２５の上部のみを部分的に加熱するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１２に示す第２変形例に係る複合材成形装置１００Ｃが備えるヒータ４０Ｃのように、円筒状部材２５の軸線Ｘ回りの周方向の複数個所を間欠的に加熱する態様であってもよい。図１２に示すヒータ４０Ｃは、発熱源である複数のヒータ本体４１Ｃと、複数のヒータ本体４１Ｃを収容して外部への放熱を遮断するケーシング４２Ｃとを有する。

　図１２に示すように、ヒータ本体４１Ｃは、円筒状部材２５の外周面を覆うように軸線Ｘ回りの周方向に沿って間隔を空けて複数個所に配置される。ケーシング４２Ｃは、軸線Ｘ回りの周方向の全周に渡って複数のヒータ本体４１Ｃを覆うように配置される。第２変形例に係る複合材成形装置１００Ｃによれば、円筒状部材２５の軸線Ｘ回りの周方向の複数個所がヒータ４０Ｃによって加熱されるため、マンドレル１０に保持される積層体Ｌの軸線Ｘに沿った周方向の複数個所を加熱することができる。

１０　　　マンドレル（内側保持部）
１０ａ　　外周面
１１　　　加圧機構
１２　　　伝達部材
１３　　　棒状部材
１４　　　錘部材
１５　　　回転軸
２０　　　ホルダ（外側保持部）
２１　　　接触部材
２２　　　切替機構
２３　　　円筒状部材
２４　　　支持機構
２５　　円筒状部材
２６　　ローラ
２７　　支持柱
２８　　ベース
３０　　　モータ
３１　　　駆動軸
４０　　　ヒータ
５０　　　冷却器
１００，１００Ａ　複合材成形装置
Ｌ　　　　積層体
Ｌｉ　　　内周面
Ｌｏ　　　外周面
Ｒｄ　　　径方向
Ｘ　　　　軸線
 
 

Claims (13)

1. 　軸線に沿って延びる複合材料の内周面を保持する内側保持部と、
   　前記複合材料の外周面を保持する外側保持部と、
   　前記内側保持部を前記軸線回りに回転させる駆動力を発生する駆動部と、
   　前記外側保持部および前記内側保持部により保持された前記複合材料を加熱する加熱部と、を備え、
   　前記外側保持部は、前記複合材料の前記外周面を前記軸線に沿った軸線方向に直交する径方向の所定の位置に保持し、
   　前記内側保持部は、前記駆動部が発生する前記駆動力によって前記軸線回りに回転することに応じて前記径方向の外周側へ向けた付勢力を発生し、該付勢力により前記複合材料を加圧する加圧機構を有する複合材成形装置。
2. 　前記加圧機構は、前記付勢力の大きさを調整可能な機構である請求項１に記載の複合材成形装置。
3. 　前記加圧機構は、前記軸線回りの周方向に沿った複数の位置に配置されている請求項１または請求項２に記載の複合材成形装置。
4. 　前記加圧機構は、
   　前記複合材料の前記内周面に前記付勢力を伝達する伝達部材と、
   　前記伝達部材に連結されるとともに前記径方向に沿って延びる棒状部材と、
   　前記棒状部材に取り付けられるとともに前記径方向の取り付け位置を調整可能な錘部材と、を有する請求項２または請求項３に記載の複合材成形装置。
5. 　前記加圧機構は、
   　前記複合材料の前記内周面に前記付勢力を伝達する筒状の外周面を形成する複数の前記伝達部材を有する請求項４に記載の複合材成形装置。
6. 　前記外側保持部は、
   　前記複合材料の前記外周面を保持するための接触部材と、
   　前記接触部材が前記外周面に接触する接触状態と前記外周面から離間した非接触状態とを切り替える切替機構とを有する請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の複合材成形装置。
7. 　前記外側保持部は、
   　前記接触状態において筒状の内周面を形成する複数の前記接触部材と、
   　複数の前記接触部材のそれぞれを前記接触状態または前記非接触状態に切り替える複数の前記切替機構とを有する請求項６に記載の複合材成形装置。
8. 　前記外側保持部は、
   　前記接触部材および前記切替機構を前記軸線回りに回転可能に支持する支持機構を有する請求項６または請求項７に記載の複合材成形装置。
9. 　前記外側保持部は、
   　前記切替機構が内周面に取り付けられる円筒形状の回転体を有し、
   　前記支持機構は、
   　前記軸線に沿って延びる円筒形状に形成される円筒状部材と、
   　前記円筒状部材の内周面に接触し、かつ前記回転体の外周面に接触した状態で配置される回転部材と、を有する請求項８に記載の複合材成形装置。
10. 　前記複合材料を冷却する冷却機構を備える請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の複合材成形装置。
11. 　前記複合材料に含まれる樹脂材料は、熱可塑性樹脂材料であり、
    　前記加熱部は、前記熱可塑性樹脂材料を融点以上に加熱する請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の複合材成形装置。
12. 　前記複合材料に含まれる樹脂材料は、熱硬化性樹脂材料であり、
    　前記加熱部は、前記熱硬化性樹脂材料を加熱して硬化させる請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の複合材成形装置。
13. 　軸線に沿って延びる複合材料の内周面を内側保持部により保持するとともに前記複合材料の外周面を外側保持部により保持する保持工程と、
    　前記保持工程により保持された前記複合材料を加圧する加圧工程と、
    　前記加圧工程により加圧される前記複合材料を加熱する加熱工程と、を備え、
    　前記保持工程は、前記複合材料の前記外周面を前記軸線に沿った軸線方向に直交する径方向の所定の位置に保持し、
    　前記加圧工程は、前記内側保持部を前記軸線回りに回転させることによって前記径方向の外周側へ向けた付勢力を発生させ、該付勢力により前記複合材料を加圧する複合材成形方法。
     

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