WO2021019604A1 - 複合材成形装置および複合材成形方法 - Google Patents

複合材成形装置および複合材成形方法 Download PDF

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WO2021019604A1
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composite material
molding
heat medium
jig
supply unit
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PCT/JP2019/029433
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清水　正彦
裕一 由井
昭宏 寺坂
了太 尾▲崎▼
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三菱重工業株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C70/00—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts
    • B29C70/04—Shaping composites, i.e. plastics material comprising reinforcements, fillers or preformed parts, e.g. inserts comprising reinforcements only, e.g. self-reinforcing plastics
    • B29C70/28—Shaping operations therefor
    • B29C70/40—Shaping or impregnating by compression not applied
    • B29C70/42—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles
    • B29C70/44—Shaping or impregnating by compression not applied for producing articles of definite length, i.e. discrete articles using isostatic pressure, e.g. pressure difference-moulding, vacuum bag-moulding, autoclave-moulding or expanding rubber-moulding

Definitions

  • the present invention relates to a composite material molding apparatus and a composite material molding method.
  • a method of molding a composite material using an autoclave molding apparatus has been widely used as a method of molding a composite material in which a reinforcing fiber base material is laminated.
  • the prepreg containing the uncured matrix resin is covered with a bag film, and the inside of the bag film is depressurized to put the prepreg in a pressurized state. Further, the prepreg is brought into a heated state by filling the space outside the bag film with heated air.
  • Patent Document 1 discloses that the prepreg is bent and molded by covering the prepreg with a silicone rubber bag and heating the prepreg with steam while reducing the pressure in the space where the prepreg is arranged.
  • the pressure is uniquely determined with respect to the temperature of the saturated steam, so that the pressure becomes excessive with the saturated steam having a temperature suitable for thermosetting the prepreg.
  • the temperature will be too small with saturated steam at a pressure suitable for thermosetting the prepreg.
  • saturated steam is used as a heating source, the temperature and pressure of saturated steam cannot be controlled independently, so that the combination of temperature and pressure cannot be suitable for thermosetting the prepreg.
  • the space in which the prepreg is arranged is heated with saturated steam, a part of the heat of the saturated water vapor is transferred to the container forming the space, and the thermal efficiency is lowered by that amount.
  • the present invention has been made in view of such circumstances, and makes the temperature and pressure of the composite material suitable for thermosetting, respectively, and heats the heat medium for heating and thermosetting the composite material. It is an object of the present invention to provide a composite material molding apparatus and a composite material molding method capable of efficiently transmitting the above to a composite material.
  • the composite material molding apparatus is a composite material molding apparatus for molding a composite material, and is a thermosetting molding tool having a molding surface for arranging the composite material, and the molding jig.
  • a heat medium supply unit for supplying a heat medium for thermosetting the composite material by heating the composite material, and a pressure unit for pressurizing the composite material arranged on the molding surface of the molding tool. Inside, a flow path for passing the heat medium supplied by the heat medium supply unit is provided.
  • the composite material is provided with a heat medium supply unit for supplying a heat medium for thermosetting the composite material and a pressure unit for pressurizing the composite material.
  • the temperature and pressure of each can be suitable for thermosetting.
  • the heat of the heat medium is transferred inside the metal molding jig to heat the molding surface. Then, the composite material is heated by the heat transferred from the molding surface. Since the molding jig in which the composite material is arranged is directly heated by the heat medium, the heat of the heat medium can be efficiently transferred to the composite material as compared with the case where the space in which the composite material is arranged is heated.
  • a pressure vessel that can be sealed and forms an internal space for accommodating the molding jig, and a pressure vessel that covers the composite material and is adhered to the molding surface by a sealing material.
  • the composite material is provided with a resin bag that airtightly seals the composite material, and the pressurizing portion has a pressure reducing portion that pressurizes the composite material by depressurizing the decompression space sealed by the resin bag. May be good.
  • the decompression unit decompresses the decompression space, so that the composite material can be pressurized by the pressure in the internal space.
  • the pressurizing unit may have a compressed gas supply unit that supplies compressed gas to the internal space to pressurize the internal space while the pressure vessel is sealed. Since the pressure vessel has a compressed gas supply unit that pressurizes the internal space of the pressure vessel with the compressed gas, the pressure in the internal space of the pressure vessel can be made relatively high with respect to the pressure in the depressurized space, and the composite material can be pressurized.
  • the composite material molding apparatus having the above configuration may further have a pipe for circulating the heat medium supplied from the heat medium supply unit and arranging the heat medium in the internal space. Since the piping for circulating the heat medium is arranged in the internal space, the gas existing in the internal space can be heated, and the composite material can be heated through the heated gas.
  • the molding jig forms a cavity into which a thermosetting resin is injected between a first molding die having the molding surface and the first molding die.
  • the pressurizing part may have an injection part for injecting the thermosetting resin into the cavity in which the reinforcing fiber base material is arranged.
  • the reinforcing fiber base material is placed in the cavity formed by the first molding mold and the second molding mold, and the thermosetting resin is injected into the cavity to form the reinforcing fiber base material.
  • a composite material containing and a thermosetting resin can be pressurized.
  • the heat medium may be steam. Since the heat capacity of water vapor is larger than that of air or nitrogen, the composite material can be thermoset more efficiently than when air or nitrogen is used. Further, while steam is used as a heating source for heating the composite material, the composite material is pressurized by a separate pressurizing unit, so that the composite material can be thermoset at an appropriate temperature and pressure.
  • the composite material may be a prepreg. Since the prepreg is arranged on the molding surface of the molding jig, the composite material can be easily molded as compared with the method of injecting the resin material into the reinforcing fiber base material.
  • the composite material molding method is a composite material molding method for molding a composite material, which is a step of arranging the composite material on the molding surface of a metal molding jig and an arrangement step of arranging the composite material on the molding surface. It includes a pressurizing step of pressurizing the composite material, and a heat medium supply step of supplying a heat medium for thermally curing the composite material to a flow path provided inside the molding jig.
  • the composite material is provided with a pressurizing step of pressurizing the composite material and a heat medium supply step of supplying a heat medium for thermosetting the composite material.
  • the temperature and pressure of each can be suitable for thermosetting.
  • the heat of the heat medium is transferred inside the metal molding jig to heat the molding surface. Then, the composite material is heated by the heat transferred from the molding surface. Since the molding jig in which the composite material is arranged is directly heated by the heat medium, the heat of the heat medium can be efficiently transferred to the composite material as compared with the case where the space in which the composite material is arranged is heated.
  • thermosetting it is possible to make the temperature and pressure of the composite material suitable for thermosetting, and to efficiently transfer the heat of the heat medium for heating and thermosetting the composite material to the composite material.
  • a composite material molding apparatus and a composite material molding method can be provided.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA of the composite material molding apparatus shown in FIG.
  • FIG. 3 a bottom view of the molding jig shown in FIG. 3 as viewed from below.
  • It is a flowchart which shows the composite material molding method which concerns on 1st Embodiment.
  • It is a schematic block diagram which shows the composite material molding apparatus which concerns on 2nd Embodiment of this invention. It is a bottom view of the molding jig shown in FIG.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a composite material molding apparatus 100 according to the present embodiment.
  • FIG. 2 is a vertical cross-sectional view of the composite material molding apparatus 100 shown in FIG.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line AA of the composite material forming apparatus 100 shown in FIG.
  • FIG. 4 is a bottom view of the molding jig 20 shown in FIG. 3 as viewed from below. In FIG. 4, the installation table 11 is not shown.
  • the composite material molding apparatus 100 of the present embodiment is an apparatus for molding a fiber-reinforced composite material having a desired shape by thermosetting a prepreg (composite material) P in which a reinforcing fiber base material is laminated together with a resin material.
  • the prepreg is a material containing a reinforcing fiber base material and an uncured matrix resin, which becomes a fiber-reinforced composite material by being thermoset.
  • the reinforcing fiber base material is, for example, carbon fiber, glass fiber, aramid fiber, or the like.
  • the matrix resin is a thermosetting resin, such as epoxy, unsaturated polyester, vinyl ester, bismaleimide, phenol, cyanate, and polyimide.
  • a fiber-reinforced composite is formed by thermosetting one or more prepregs.
  • the composite material molding apparatus 100 of the present embodiment includes a pressure vessel 10 that can be sealed, a molding tool 20, a release film 30, a breather (ventilation member) 40, and the like. It includes a resin bag 50, a compressed air supply unit (compressed gas supply unit; pressurizing unit) 60, a vacuum pump (pressure reducing unit) 70, a steam supply unit (heat medium supply unit) 80, and a control device 90. ..
  • the pressure vessel 10 is a sealable container to which a door that can be opened and closed is attached, and a closed internal space IS is formed by closing the door.
  • the internal space IS of the pressure vessel 10 accommodates the molding jig 20 and the prepreg P arranged in the molding jig 20.
  • an installation table 11 for installing the molding jig 20 is arranged in the internal space IS of the pressure vessel 10.
  • the pressure vessel 10 is a container having an opening 10a on one end side in the horizontal direction and a closed portion 10b closed on the other end side in the horizontal direction.
  • the pressure vessel 10 is formed in a cylindrical shape along an axis X extending in the horizontal direction.
  • the opening 10a is provided with a door 12 that can be opened and closed.
  • the molding jig 20 is a plate-shaped member that is installed in the internal space IS of the pressure vessel 10 and has a molding surface 21 for arranging the prepreg P.
  • the molding surface 21 is arranged along a horizontal plane, and the prepreg P is arranged on the molding surface 21.
  • the molding tool 20 is formed of a material having thermal conductivity, and is formed of, for example, a metal material having heat resistance and corrosion resistance such as an aluminum alloy and an iron alloy. Further, the molding jig 20 may be formed of another material having a thermal conductivity higher than that of air, such as ceramics and a cured composite material. It is desirable that the thermal conductivity of the molding jig 20 is, for example, 13 W / (m ⁇ k) or more.
  • the release film 30 is a sheet-like member arranged so as to cover the entire surface of the prepreg P.
  • the release film 30 is a member for preventing the shape of the breather 40 from being transferred to the surface of the prepreg P when the decompression space S1 described later is decompressed.
  • the release film 30 is formed of a resin film having a releasability property that can be easily peeled off without sticking to the composite material obtained by curing the prepreg P.
  • the release film 30 is formed of, for example, a resin film containing a fluororesin material such as FEP (copolymer of tetrafluoroethylene and hexafluoropropylene) as a main component.
  • the breather 40 is arranged so as to cover the entire surface of the prepreg P and secures a ventilation space through which gas can pass between the release film 30 and the resin bag 50. It is a member for doing so.
  • the breather 40 is, for example, a polyester mat formed of fibrous polyester.
  • the resin bag 50 covers the entire surface of the breather 40 and is adhered to the molding surface 21 of the molding jig 20 by the sealing material Se to airtightly seal the breather 40, the release film 30, and the prepreg P. It is a sheet-like member that stops.
  • the resin bag 50 is formed of a resin film containing nylon or polyurethane as a main component.
  • the compressed air supply unit 60 is a device that supplies compressed air to the internal space IS in a state where the door 12 of the pressure vessel 10 is closed and sealed to pressurize the internal space IS and the prepreg P arranged therein. As shown in FIG. 1, the compressed air supply unit 60 is connected to the pipe 61a via an on-off valve 61. The compressed air supply unit 60 and the on-off valve 61 are each controlled by a control signal transmitted from the control device 90 via a control signal line (broken line shown in FIG. 1). The control device 90 supplies the compressed air to the pipe 61a by operating the compressed air supply unit 60 and opening the on-off valve 61.
  • the compressed air supply unit 60 is controlled according to a control signal transmitted from the control device 90 so that the pressure in the internal space IS becomes a pressure suitable for thermosetting the prepreg P.
  • compressed air is used as the gas for pressurizing the internal space IS and the prepreg P, but compressed nitrogen or other gas may also be used.
  • the vacuum pump 70 is a device that depressurizes the decompression space S1 sealed by the release film 30 and pressurizes the prepreg P by the pressure difference between the internal space IS and the decompression space S1. As shown in FIG. 1, the vacuum pump 70 is connected to the pipe 71a via an on-off valve 71. As shown in FIG. 2, the pipe 71a is connected to the vacuum port 71b attached to the release film 30.
  • the vacuum pump 70 and the on-off valve 71 are each controlled by a control signal transmitted from the control device 90 via a control signal line (broken line shown in FIG. 1).
  • the control device 90 sucks air in the decompression space S1 through the vacuum port 71b and decompresses the decompression space S1 to a predetermined decompression state.
  • the predetermined decompression state may be a state in which the pressure difference between the internal space IS and the decompression space S1 is sufficient to pressurize the prepreg P, for example, a vacuum state.
  • the steam supply unit 80 is a device that supplies steam, which is a heat medium for heating the molding jig 20 and thermosetting the prepreg P. As shown in FIG. 1, the steam supply unit 80 is connected to the pipe 81a via an on-off valve 81. As shown in FIG. 2, the pipe 81a is connected to the molding jig 20 installed in the internal space IS of the pressure vessel 10.
  • the steam supply unit 80 and the on-off valve 81 are controlled by a control signal transmitted from the control device 90 via the control signal line.
  • the control device 90 supplies steam to the molding jig 20 via the pipe 81a by operating the steam supply unit 80 and opening the on-off valve 81.
  • the steam supply unit 80 generates, for example, saturated steam as steam to be supplied to the molding jig 20 of the pressure vessel 10.
  • a flow path 22 extending in the horizontal direction parallel to the axis X is provided inside the molding jig 20.
  • the flow paths 22 are provided at a plurality of positions in the width direction (left-right direction of FIG. 3) of the molding jig 20 at equal intervals, for example.
  • the flow path 22 has an inflow port 22a connected to the pipe 81a and an outflow port 22b connected to the pipe 82a.
  • the flow path 22 extends in parallel with the axis X, but may extend in a direction inclined with respect to the axis X.
  • the water vapor guided from the pipe 81a to the flow path 22 via the inflow port 22a circulates inside the molding jig 20 along the axis X, and meanders at the end of the axis X direction while reversing the flow direction. Then, the water vapor is guided to the pipe 82a from the outlet 22b of the flow path 22. As shown in FIG. 1, the pipe 82a is connected to the steam supply unit 80. The steam guided to the steam supply unit 80 by the pipe 82a is heated to a desired temperature by the water vapor supply unit 80 and is guided to the pipe 81a again.
  • the flow path 22 shown in FIG. 4 meanders while reversing the distribution direction at the end of the axis X direction, but other modes may be used.
  • the pipe 81a is branched into a plurality of flow paths (for example, four), a plurality of flow paths extending from one end to the other end in the axis X direction are formed inside the molding jig 20, and the plurality of flow paths are assembled. It may be connected to the pipe 82a.
  • the steam supplied by the steam supply unit 80 circulates in the pipe 81a, the flow path 22, and the pipe 82a.
  • the heat contained in the steam is transferred to the molding jig 20 when passing through the flow path 22, and further transferred to the prepreg P.
  • the flow path 22 provided in the molding jig 20 is, for example, a hole formed inside the metal molding jig 20.
  • the flow path 22 is formed by a tubular body arranged in a state where the hole formed inside the molding jig 20 and the outer peripheral surface are in contact with each other.
  • the control device 90 is a device that controls the composite material molding device 100.
  • the control device 90 controls the compressed air supply unit 60, the on-off valve 61, the vacuum pump 70, the on-off valve 71, the steam supply unit 80, and the on-off valve 81 via the control signal line shown by the broken line in FIG.
  • FIG. 5 is a flowchart showing a composite material molding method according to the present embodiment.
  • step S501 arrangement step
  • the prepreg P is arranged on the molding surface 21 of the molding jig 20.
  • the operator operates a transport device (not shown) to arrange the prepreg P on the molding surface 21.
  • step S502 the release film 30 is placed on the prepreg P so as to cover the entire surface of the prepreg P.
  • step S503 the breather 40 is placed on the release film 30 so as to cover the entire surface of the release film 30.
  • step S504 the breather 40 is covered with the resin bag 50, and the resin bag 50 and the molding surface 21 are adhered with the sealing material Se to hermetically seal the breather 40.
  • the operator of the composite material molding apparatus 100 applies the sealing material Se to the molding surface 21 or the edge of the resin bag 50, and joins the resin bag 50 to the molding surface 21 so as to cover the breather 40 with the resin bag 50.
  • step S501 to S504 the door is opened without sealing the pressure vessel 10.
  • step S504 the operator of the composite material forming apparatus 100 closes the door 12 and seals the pressure vessel 10.
  • step S505 decompression step
  • the vacuum pump 70 is put into an operating state and the on-off valve 71 is put into an open state, and the decompression space S1 sealed by the resin bag 50 is depressurized.
  • the control device 90 continues the process of depressurizing the decompression space S1 so as to maintain the decompression state until the end of step S507 described later.
  • the pressure in the decompression space S1 becomes relatively lower than that in the internal space IS, and the prepreg P is pressurized by the air existing in the internal space IS.
  • step S506 pressurization step
  • the compressed air supply unit 60 is put into an operating state and the on-off valve 61 is put into an open state, and compressed air is supplied to the internal space IS so that the internal space IS has a desired pressure. Press.
  • the control device 90 opens and closes the compressed air supply unit 60 so that the value of the pressure transmitted from the pressure sensor (not shown) provided in the internal space IS is pressurized to a pressure suitable for the thermosetting treatment of the prepreg P.
  • the valve 61 is controlled.
  • step S504 the prepreg P is pressurized by depressurizing the decompression space S1. Therefore, the pressurization of the internal space IS by the compressed air in step S506 compensates for the shortage of the pressurization by the decompression of the decompression space S1. For example, when the internal space IS is in the atmospheric pressure state, the control device 90 can pressurize the prepreg P to a pressure suitable for the thermosetting treatment by depressurizing the decompression space S1, and the control device 90 of step S506. The process proceeds to step S507 without performing the process.
  • step S507 the steam supply unit 80 is set to the operating state and the on-off valve 81 is set to the open state to supply steam to the pipe 81a.
  • the steam supplied to the pipe 81a is supplied to the flow path 22 provided inside the molding jig 20 via the inflow port 22a.
  • the heat of the steam flowing through the flow path 22 is transferred from the inside of the molding jig 20 to the molding surface 21, and is transferred from the molding surface 21 to the prepreg P.
  • the prepreg P arranged in the internal space IS of the pressure vessel 10 is in a state of being pressurized by the differential pressure between the pressure of the decompressed decompression space S1 and the internal space IS pressurized by the compressed air. Further, the prepreg P is in a state of being heated by the heat transferred from the molding surface 21 of the molding jig 20.
  • the thermosetting resin which is a matrix resin, is cured by continuing the pressurized state and the heated state for a predetermined time, and the prepreg P is cured in a state of maintaining a desired shape. As a result, a composite material obtained by curing the matrix resin is formed from the prepreg P.
  • step S508 the composite material cured by step S507 is cooled.
  • the control device 90 stops the operation of the compressed air supply unit 60, the vacuum pump 70, and the steam supply unit 80, supplies cooling water to the internal space IS by a cooling water supply mechanism (not shown), and supplies the cooling water to the internal space IS. Cool the composite material placed in. Further, the control device 90 may maintain the standby state until a certain period of time elapses so that the composite material becomes, for example, a predetermined temperature or less. Further, the control device 90 may control the cooling water supply mechanism (not shown) so as to supply the cooling water to the cooling water pipe (not shown) formed inside the molding jig 20.
  • step S509 when the internal space IS of the pressure vessel 10 reaches a temperature and pressure at which the composite material can be taken out, the door 12 of the pressure vessel 10 is opened. Then, the operator of the composite material molding apparatus 100 takes out the cured composite material from the internal space IS of the pressure vessel 10 to the external space OS. Further, the operator of the composite material molding apparatus 100 removes the resin bag 50, the breather 40, and the release film 30 from the molding surface 21 of the molding tool 20 in this order to expose the composite material. As described above, the composite material is formed.
  • the heat source for heating the prepreg P is only steam flowing through the flow path 22 of the molding jig 20, but other embodiments may be used.
  • compressed air may be used as a heat source for heating the prepreg P.
  • the heat source for heating the compressed air is the pipe 83 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a vertical cross-sectional view of the composite material molding apparatus 100 according to the modified example.
  • the composite material forming apparatus 100 of this modification is different from the composite material forming apparatus 100 shown in FIG. 2 in that the pipe 83 is arranged in the internal space IS.
  • the pipe 83 is arranged along the inner peripheral surface 10c of the pressure vessel 10 and is formed so as to extend spirally around the axis X.
  • the pipe 83 may be arranged along the inner peripheral surface 10c of the pressure vessel 10, and may have a shape different from the shape extending spirally around the axis X. For example, it may have a shape extending parallel to the axis X or a shape extending in the circumferential direction around the axis X.
  • One end of the pipe 83 is connected to a pipe (not shown) branched from the pipe 81a, and the other end is connected to a pipe branched from the pipe 82a. Therefore, water vapor flows from the pipe 81a to one end of the pipe 83, and the water vapor is discharged to the pipe 82a from the other end of the pipe 83. Since the pipe 83 is arranged so as to surround the internal space IS, the heat of the water vapor flowing through the pipe 83 is transferred to the air existing in the internal space IS, and the heat is transferred to the prepreg P via the air.
  • the prepreg P is heated not only by the heat transferred from the molding jig 20 but also by the heat transferred from the air of the internal space IS.
  • the air in the internal space IS is heated to a desired temperature of 180 ° C. or lower by the water vapor flowing through the pipe 83.
  • a configuration in which the compressed air supplied by the compressed air supply unit 60 to the internal space IS is heated by a burner may be adopted.
  • the control device 90 controls the burner to heat the compressed air supplied to the internal space IS to a desired temperature of 180 ° C. or lower.
  • the steam supply unit 80 for supplying water vapor for thermosetting the prepreg P, the compressed air supply unit 60 for pressurizing the prepreg P, and the vacuum pump 70 are provided, respectively.
  • the temperature and pressure of the prepreg P can be made suitable for thermosetting, respectively.
  • the heat of the steam is transferred inside the metal molding jig 20 to heat the molding surface 21.
  • the prepreg P is heated by the heat transferred from the molding surface 21. Since the molding jig 20 in which the prepreg P is arranged is directly heated by steam, the heat of the steam can be efficiently transferred to the prepreg P as compared with the case where the internal space IS itself in which the prepreg P is arranged is heated. it can.
  • the pressure in the decompression space S1 is reduced with respect to the pressure in the internal space IS of the pressure vessel 10. It will be relatively low. Therefore, when the vacuum pump 70 depressurizes the decompression space S1, the prepreg P can be pressurized by the pressure of the internal space IS.
  • the compressed air supply unit 60 for pressurizing the internal space IS of the pressure vessel 10 with compressed air since the compressed air supply unit 60 for pressurizing the internal space IS of the pressure vessel 10 with compressed air is provided, the pressure of the internal space IS of the pressure vessel 10 is reduced to the reduced pressure space S1.
  • the prepreg P can be pressurized by increasing the pressure relative to the pressure of.
  • the heating source of the prepreg P is water vapor, and the heat capacity of the water vapor is larger than that of air or nitrogen. Therefore, the prepreg P can be thermoset more efficiently than when air or nitrogen is used. Further, since steam is used as a heating source for heating the prepreg P, the prepreg P is pressurized by the compressed air supply unit 60 and the vacuum pump 70, so that the prepreg P can be thermoset at an appropriate temperature and pressure.
  • the composite material molding apparatus 100 of the first embodiment relates to an apparatus that pressurizes the prepreg P by depressurizing the decompression space S1 sealed by the resin bag.
  • the composite material molding apparatus 100A of the present embodiment is an RTM (Resin Transfer Molding) in which a reinforcing fiber base material is placed in a cavity formed between a pair of molding dies and a thermosetting resin is injected into the cavity. It relates to a molding apparatus.
  • FIG. 7 is a schematic configuration diagram showing the composite material molding apparatus 100A according to the present embodiment.
  • FIG. 8 is a bottom view of the molding jig 20A shown in FIG. 7 as viewed from below.
  • FIG. 9 is a plan view of the molding jig 20A shown in FIG. 7 as viewed from above.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view taken along the line BB of the molding jig 20 shown in FIG.
  • the composite material molding apparatus 100A of the present embodiment includes a molding jig 20A, a resin injection unit 65, a steam supply unit 80, and a control device 90.
  • the composite material forming apparatus 100A of the present embodiment does not include the pressure vessel 10 and the vacuum pump 70 provided in the composite material forming apparatus 100 of the first embodiment.
  • the first molding die 20Aa is arranged below the molding jig 20A.
  • a second molding die 20Ab is arranged above the molding jig 20A.
  • a cavity Ca is formed between the first molding die 20Aa and the second molding die 20Ab in a state of being butted against each other.
  • the first molding die 20Aa has a molding surface 21A for arranging the reinforcing fiber base material and molding the laminated body L in which the thermosetting resin is impregnated into the reinforcing fiber base material into a desired shape.
  • the second molding die 20Ab is a mold that forms a cavity Ca into which a thermosetting resin is injected between the second molding die 20Ab and the first molding die 20Aa.
  • the second molding die 20Ab has a molding surface 21B for molding the laminated body L in which the reinforcing fiber base material is impregnated with the thermosetting resin into a desired shape.
  • the first molding die 20Aa and the second molding die 20Ab are each made of metal, and are formed of, for example, a heat-resistant metal material such as an aluminum alloy or iron.
  • the resin injection unit 65 is a device for injecting a thermosetting resin into the cavity Ca in which the reinforcing fiber base material is arranged and pressurizing the laminate L which is a composite material impregnated with the thermosetting resin into the reinforcing fiber base material. Is. As shown in FIG. 7, the control device 90 controls the resin injection unit 65 by transmitting a control signal via the control signal line. The thermosetting resin supplied from the resin injection unit 65 is injected into the cavity Ca via the injection pipe 65a.
  • a flow path 22A having an inflow port 22Aa connected to the pipe 81a and an outflow port 22Ab connected to the pipe 82a is provided inside the first molding die 20Aa.
  • a flow path 22B having an inflow port 22Ba connected to the pipe 81a and an outflow port 22Bb connected to the pipe 82a is provided inside the second molding die 20Ab.
  • the water vapor guided from the pipe 81a to the flow path 22A via the inflow port 22Aa circulates along the axis X inside the first molding die 20Aa and meanders at the end in the axis X direction while reversing the flow direction. .. Then, the water vapor is guided from the outlet 22Ab of the flow path 22A to the pipe 82a.
  • the water vapor guided from the pipe 81a to the flow path 22B via the inflow port 22Ba circulates inside the second molding mold 20Ab along the axis X, and reverses the flow direction at the end in the axis X direction. While meandering. Then, the water vapor is guided to the pipe 82a from the outlet 22Bb of the flow path 22B.
  • FIG. 11 is a flowchart showing a composite material molding method according to the present embodiment.
  • the reinforcing fiber base material is arranged on the molding surface 21A of the first molding mold 20Aa.
  • step S1102 a mold clamping jig (not shown) is operated so as to mold the first molding die 20Aa and the second molding die 20Ab in a state of being butted against each other.
  • step S1103 the thermosetting resin is injected into the cavity Ca formed between the first molding die 20Aa and the second molding die 20Ab.
  • the control device 90 impregnates the reinforcing fiber base material arranged in the cavity Ca with the thermosetting resin, and further injects the thermosetting resin until the laminate L is pressurized to a desired pressure. Controls the injection unit 65.
  • the laminated body L which is a composite material in which the thermosetting resin is impregnated in the reinforcing fiber base material, is arranged on the molding surface 21.
  • step S1104 the steam supply unit 80 is put into an operating state and the on-off valve 81 is put into an open state to supply steam to the pipe 81a.
  • the steam supplied to the pipe 81a is supplied to the flow path 22A provided inside the first molding mold 20Aa via the inflow port 22Aa. Further, the steam supplied to the pipe 81a is supplied to the flow path 22B provided inside the second molding mold 20Ab via the inflow port 22Ba.
  • the heat of the water vapor flowing through the flow path 22A is transferred from the inside of the first molding die 20Aa to the molding surface 21A, and is transferred from the molding surface 21A to the laminate L.
  • the heat of the steam flowing through the flow path 22B is transferred from the inside of the second molding die 20Ab to the molding surface 21B, and is transferred from the molding surface 21B to the laminate L.
  • the entire laminated body L is in a state of being pressurized by the thermosetting resin injected into the cavity Ca. Further, the laminated body L is in a state of being heated by the heat transferred from the molding surface 21A of the first molding mold 20Aa and the molding surface 21B of the second molding mold 20Ab.
  • the thermosetting resin is cured by continuing the pressurized state and the heated state for a predetermined time, and the laminated body L is cured in a state of maintaining a desired shape. As a result, a composite material obtained by curing the thermosetting resin impregnated in the reinforcing fiber base material is formed.
  • step S1105 the composite material cured by step S1104 is cooled.
  • the control device 90 stops the operation of the steam supply unit 80 and cools the space around the molding jig 20A by a cooling water supply mechanism (not shown). Further, the control device 90 may maintain the standby state until a certain period of time elapses so that the composite material becomes, for example, a predetermined temperature or less. Further, the control device 90 may control the cooling water supply mechanism (not shown) so as to supply the cooling water to the cooling water pipe (not shown) formed inside the molding jig 20A.
  • Jig for mold clamping (not shown) so as to release the molded state of the first molding die 20Aa and the second molding die 20Ab when the temperature and pressure are reached so that the composite material can be taken out in step S1106. Is operated.
  • step S1107 the cured composite material is removed from the first molding die 20Aa and the second molding die 20Ab, and the cured composite material is taken out from the molding jig 20A. As described above, the composite material is formed.
  • the composite material molding apparatus 100A of the present embodiment described above when the composite material is molded by the RTM method, the first molding die 20Aa and the second molding die 20Aa forming the cavity Ca into which the thermosetting resin is injected are formed. Since both of the 20Abs are directly heated by the steam, the heat of the steam can be efficiently transferred to the laminate L as compared with the case of heating the space itself in which the molding jig 20A is arranged.
  • an oven (not shown) may be used.
  • the oven is a device including a heating unit that houses the molding jig 20A and heats the space in which the molding jig 20A is housed.
  • the heat medium for heating the molding jig and the laminate of the reinforcing fiber base material arranged therein is assumed to be steam, but other embodiments may be used.
  • it may be another heat medium such as oil.

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Abstract

複合材料の温度および圧力をそれぞれ熱硬化に適したものとし、かつ複合材料を加熱して熱硬化させるための熱媒体の熱を効率よく複合材料に伝達する。複合材料を配置するための成形面（２１）を有する熱伝導性の成形用冶具（２０）と、成形用冶具（２０）を加熱して複合材料を熱硬化させるための水蒸気を供給する水蒸気供給部と、成形面（２１）に配置された複合材料を加圧する真空ポンプと、を備え、成形用冶具（２０）の内部には、水蒸気供給部が供給する水蒸気を流通させる流路（２２）が設けられている複合材成形装置（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、強化繊維基材が積層された複合材を成形する方法として、オートクレーブ成形装置を用いた複合材の成形方法が広く用いられている。従来の成形方法では、硬化されていないマトリックス樹脂を含むプリプレグをバッグフィルムで覆い、バッグフィルムの内部を減圧することによりプリプレグを加圧状態にする。また、バッグフィルムの外部の空間を加熱した空気で満たすことにより、プリプレグを加熱状態にする。
　また、近年では、空気よりも熱容量が大きい水蒸気を加熱源として用いる手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、プリプレグをシリコーンゴムバッグで覆い、プリプレグが配置される空間を減圧しながらプリプレグを水蒸気で加熱することにより、プリプレグの曲げ成形を行うことが開示されている。
特開２０１６－１６８６８４号公報
　しかしながら、例えば、飽和水蒸気を加熱源として用いる場合、飽和水蒸気の温度に対して圧力が一意に定まるため、プリプレグの熱硬化に適切な温度の飽和水蒸気では圧力が過剰となってしまう。また、プリプレグの熱硬化に適切な圧力の飽和水蒸気では温度が過小となってしまう。このように、飽和水蒸気を加熱源として用いると、飽和水蒸気の温度と圧力を独立して制御することができないため、温度と圧力の組み合わせをプリプレグの熱硬化に適したものとすることができない。さらに、プリプレグが配置される空間を飽和水蒸気で加熱しているため、空間を形成する容器に飽和水蒸気の熱の一部が伝達され、その分だけ熱効率が低下してしまう。
　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、複合材料の温度および圧力をそれぞれ熱硬化に適したものとし、かつ複合材料を加熱して熱硬化させるための熱媒体の熱を効率よく複合材料に伝達す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、複合材を成形する複合材成形装置であって、複合材料を配置するための成形面を有する熱伝導性の成形用冶具と、前記成形用冶具を加熱して前記複合材料を熱硬化させるための熱媒体を供給する熱媒体供給部と、前記成形面に配置された前記複合材料を加圧する加圧部と、を備え、前記成形用冶具の内部には、前記熱媒体供給部が供給する前記熱媒体を流通させる流路が設けられている。
　本発明の一態様に係る複合材成形装置によれば、複合材料を熱硬化させるための熱媒体を供給する熱媒体供給部と、複合材料を加圧する加圧部とをそれぞれ備えるため、複合材料の温度および圧力をそれぞれ熱硬化に適したものとすることができる。
　また、金属製の成形用冶具の内部に熱媒体を流通させる流路が設けられているため、熱媒体の熱が金属製の成形用冶具の内部において熱伝達されて成形面が加熱される。そして、成形面から伝達される熱によって複合材料が加熱される。複合材料が配置される成形用冶具を直接的に熱媒体により加熱するため、複合材料が配置される空間を加熱する場合に比べ、熱媒体の熱を効率よく複合材料に伝達することができる。
　本発明の一態様に係る複合材成形装置においては、密閉可能であるとともに前記成形用冶具を収容する内部空間を形成する圧力容器と、前記複合材料を覆うとともにシール材により前記成形面に接着されて前記複合材料を気密に封止する樹脂バッグと、を備え、前記加圧部は、前記樹脂バッグにより封止された減圧空間を減圧することにより前記複合材料を加圧する減圧部を有する構成としてもよい。
　本構成の複合材成形装置によれば、樹脂バッグにより封止された減圧空間を減圧することで、圧力容器の内部空間の圧力に対して減圧空間の圧力が相対的に低くなる。したがって、減圧部が減圧空間を減圧することにより、内部空間の圧力によって複合材料を加圧することができる。
　上記構成の複合材成形装置において、前記加圧部は、前記圧力容器を密閉した状態で前記内部空間へ圧縮気体を供給して前記内部空間を加圧する圧縮気体供給部を有してもよい。
　圧力容器の内部空間を圧縮気体により加圧する圧縮気体供給部を有するため、圧力容器の内部空間の圧力を減圧空間の圧力に対して相対的に高くし、複合材料を加圧することができる。
　上記構成の複合材成形装置においては、前記熱媒体供給部から供給される前記熱媒体を流通させるとともに前記内部空間に配置される配管を更に有してもよい。
　熱媒体を流通させる配管が内部空間に配置されるため、内部空間に存在する気体を加熱し、加熱した気体を介して複合材料を加熱することができる。
　本発明の一態様に係る複合材成形装置において、前記成形用冶具は、前記成形面を有する第１成形型と、前記第１成形型との間に熱硬化性樹脂が注入されるキャビティを形成する第２成形型と、を有し、前記加圧部は、強化繊維基材が配置された前記キャビティに前記熱硬化性樹脂を注入する注入部を有する構成であってよい。
　本構成の複合材成形装置によれば、第１成形型および第２成形型により形成されるキャビティに強化繊維基材を配置し、キャビティに熱硬化性樹脂を注入することにより、強化繊維基材と熱硬化性樹脂とを含む複合材料を加圧することができる。
　本発明の一態様に係る複合材成形装置において、前記熱媒体は、水蒸気であってよい。
　水蒸気の熱容量は空気あるいは窒素に比べて大きいため、空気あるいは窒素を用いる場合に比べ、複合材料を効率よく熱硬化させることができる。また、複合材料を加熱する加熱源として水蒸気を用いる一方で複合材料の加圧は別途の加圧部により行うため、複合材料を適切な温度および圧力で熱硬化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、前記複合材料は、プリプレグであってよい。
　成形用冶具の成形面にプリプレグを配置するため、強化繊維基材に樹脂材料を注入する方法等に比べ、複合材の成形を容易に行うことができる。
　本発明の一態様に係る複合材成形方法は、複合材を成形する複合材成形方法であって、金属製の成形用冶具の成形面に複合材料を配置する配置工程と、前記成形面に配置された前記複合材料を加圧する加圧工程と、前記成形用冶具の内部に設けられる流路に前記複合材料を熱硬化させるための熱媒体を供給する熱媒体供給工程と、を備える。
　本発明の一態様に係る複合材成形方法によれば、複合材料を加圧する加圧工程と、複合材料を熱硬化させるための熱媒体を供給する熱媒体供給工程とをそれぞれ備えるため、複合材料の温度および圧力をそれぞれ熱硬化に適したものとすることができる。
　また、金属製の成形用冶具の内部に熱媒体を流通させる流路が設けられているため、熱媒体の熱が金属製の成形用冶具の内部において熱伝達されて成形面が加熱される。そして、成形面から伝達される熱によって複合材料が加熱される。複合材料が配置される成形用冶具を直接的に熱媒体により加熱するため、複合材料が配置される空間を加熱する場合に比べ、熱媒体の熱を効率よく複合材料に伝達することができる。
　本発明によれば、複合材料の温度および圧力をそれぞれ熱硬化に適したものとし、かつ複合材料を加熱して熱硬化させるための熱媒体の熱を効率よく複合材料に伝達す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概略構成図である。 図１に示す複合材成形装置の縦断面図である。 図２に示す複合材成形装置のＡ－Ａ矢視断面図である。 図３に示す成形用冶具を下方からみた底面図である。 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。 変形例に係る複合材成形装置の縦断面図である。 本発明の第２実施形態に係る複合材成形装置を示す概略構成図である。 図７に示す成形用冶具を下方からみた底面図である。 図７に示す成形用冶具を上方からみた平面図である。 図９に示す成形用冶具のＢ－Ｂ矢視断面図である。 第２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。
〔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を示す概略構成図である。図２は、図１に示す複合材成形装置１００の縦断面図である。図３は、図２に示す複合材成形装置１００のＡ－Ａ矢視断面図である。図４は、図３に示す成形用冶具２０を下方からみた底面図である。図４においては、設置台１１の図示を省略している。
　本実施形態の複合材成形装置１００は、強化繊維基材が樹脂材料とともに積層されたプリプレグ（複合材料）Ｐを熱硬化させ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。ここで、プリプレグとは、強化繊維基材と未硬化のマトリックス樹脂を含み、熱硬化することにより繊維強化複合材となる材料をいう。また、強化繊維基材とは、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等である。また、マトリックス樹脂は、熱硬化性樹脂であり、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。１枚あるいは複数枚のプリプレグを熱硬化させることにより、繊維強化複合材が成形される。
　図１および図２に示すように、本実施形態の複合材成形装置１００は、密閉可能な圧力容器１０と、成形用冶具２０と、離型フィルム３０と、ブリーザー（通気用部材）４０と、樹脂バッグ５０と、圧縮空気供給部（圧縮気体供給部；加圧部）６０と、真空ポンプ（減圧部）７０と、水蒸気供給部（熱媒体供給部）８０と、制御装置９０と、を備える。
　圧力容器１０は、開閉可能な扉が取り付けられ、扉を閉状態とすることにより密閉された内部空間ＩＳを形成する密閉可能な容器である。圧力容器１０の内部空間ＩＳは、成形用冶具２０と成形用冶具２０に配置されるプリプレグＰが収容される。圧力容器１０の内部空間ＩＳには、成形用冶具２０を設置するための設置台１１が配置されている。
　図２に示すように、圧力容器１０は、水平方向の一端側に開口部１０ａを有し、水平方向の他端側に閉塞された閉塞部１０ｂを有する容器である。圧力容器１０は、水平方向に延びる軸線Ｘに沿って円筒状に形成されている。開口部１０ａには、開閉可能な扉１２が設けられている。
　成形用冶具２０は、圧力容器１０の内部空間ＩＳに設置されるとともにプリプレグＰを配置するための成形面２１を有する板状に形成される部材である。成形面２１は、水平面に沿って配置されており、成形面２１の上にプリプレグＰが配置される。成形用冶具２０は、熱伝導性のある材料により形成されており、例えば、アルミニウム合金、鉄合金等の耐熱性および耐食性のある金属材料により形成される。また、成形用冶具２０は、セラミック、硬化済みの複合材等、空気よりも熱伝導率が高い他の材料により形成してもよい。成形用冶具２０の熱伝導率は、例えば、１３Ｗ／（ｍ・ｋ）以上とするのが望ましい。
　離型フィルム３０は、プリプレグＰの全面を覆うように配置されるシート状の部材である。離型フィルム３０は、後述する減圧空間Ｓ１が減圧された場合にブリーザー４０の形状がプリプレグＰの表面に転写されることを防止するための部材である。離型フィルム３０は、プリプレグＰを硬化させた複合材に張り付かずに容易に剥がすことができる離型性を有する樹脂フィルムにより形成されている。離型フィルム３０は、例えば、ＦＥＰ（テトラフルオロエチレンとヘキサフルオロプロピレンの共重合体）などのフッ素樹脂材料を主成分とする樹脂フィルムにより形成されている。
　ブリーザー４０は、図２および図３に示すように、プリプレグＰの全面を覆うように配置されるとともに離型フィルム３０と樹脂バッグ５０との間で気体を通過させることが可能な通気空間を確保するための部材である。ブリーザー４０は、例えば、繊維状のポリエステルにより形成されたポリエステルマットである。
　樹脂バッグ５０は、図２に示すように、ブリーザー４０の全面を覆うとともにシール材Ｓｅにより成形用冶具２０の成形面２１に接着されてブリーザー４０、離型フィルム３０、およびプリプレグＰを気密に封止するシート状の部材である。樹脂バッグ５０は、ナイロンまたはポリウレタンを主成分とする樹脂フィルムにより形成されている。
　圧縮空気供給部６０は、圧力容器１０の扉１２を閉じて密閉した状態で内部空間ＩＳへ圧縮空気を供給して内部空間ＩＳおよびそこに配置されたプリプレグＰを加圧する装置である。図１に示すように、圧縮空気供給部６０は、開閉弁６１を介して配管６１ａに接続されている。圧縮空気供給部６０と開閉弁６１は、それぞれ制御装置９０から制御信号線（図１に示す破線）を介して送信される制御信号により制御される。制御装置９０は、圧縮空気供給部６０を動作状態とし、かつ開閉弁６１を開状態とすることにより、配管６１ａへ圧縮空気を供給する。
　圧縮空気供給部６０は、内部空間ＩＳの圧力がプリプレグＰの熱硬化に適した圧力となるように、制御装置９０から伝達される制御信号に応じて制御される。なお、ここでは、内部空間ＩＳおよびプリプレグＰを加圧する気体として圧縮空気を用いたが、圧縮窒素やその他の気体を用いてもよい。
　真空ポンプ７０は、離型フィルム３０により封止された減圧空間Ｓ１を減圧し、内部空間ＩＳと減圧空間Ｓ１との圧力差によりプリプレグＰを加圧する装置である。図１に示すように、真空ポンプ７０は、開閉弁７１を介して配管７１ａに接続されている。図２に示すように、配管７１ａは離型フィルム３０に取り付けられた真空ポート７１ｂに接続されている。
　真空ポンプ７０と開閉弁７１は、それぞれ制御装置９０から制御信号線（図１に示す破線）を介して伝達される制御信号により制御される。制御装置９０は、真空ポンプ７０を動作状態とし、かつ開閉弁７１を開状態とすることにより、真空ポート７１ｂを介して減圧空間Ｓ１の空気を吸引して減圧空間Ｓ１を所定の減圧状態まで減圧する。所定の減圧状態とは、内部空間ＩＳと減圧空間Ｓ１との圧力差がプリプレグＰを加圧するのに十分な状態であればよく、例えば真空状態である。
　水蒸気供給部８０は、成形用冶具２０を加熱してプリプレグＰを熱硬化させるための熱媒体である水蒸気を供給する装置である。図１に示すように、水蒸気供給部８０は、開閉弁８１を介して配管８１ａに接続されている。図２に示すように、配管８１ａは、圧力容器１０の内部空間ＩＳに設置される成形用冶具２０に接続されている。
　水蒸気供給部８０および開閉弁８１は、制御装置９０から制御信号線を介して伝達される制御信号により制御される。制御装置９０は、水蒸気供給部８０を動作状態とし、かつ開閉弁８１を開状態とすることにより、配管８１ａを介して水蒸気を成形用冶具２０へ供給する。水蒸気供給部８０は、圧力容器１０の成形用冶具２０へ供給する水蒸気として、例えば、飽和水蒸気を生成する。
　図２に示すように、成形用冶具２０の内部には、軸線Ｘと平行かつ水平方向に延びる流路２２が設けられている。図３の断面図に示すように、流路２２は、成形用冶具２０の幅方向（図３の左右方向）の複数個所に、例えば等間隔で設けられている。図４に示すように、流路２２は、配管８１ａと接続される流入口２２ａと、配管８２ａに接続される流出口２２ｂとを有する。流路２２は、軸線Ｘと平行に延びるものとしたが、軸線Ｘに対して傾斜した方向に延びるものとしてもよい。
　配管８１ａから流入口２２ａを介して流路２２に導かれた水蒸気は、成形用冶具２０の内部を軸線Ｘに沿って流通し、軸線Ｘ方向の端部において流通方向を反転させながら蛇行する。そして、水蒸気は、流路２２の流出口２２ｂから配管８２ａに導かれる。図１に示すように、配管８２ａは、水蒸気供給部８０に接続されている。配管８２ａにより水蒸気供給部８０へ導かれた水蒸気は、水蒸気供給部８０で所望の温度に加熱されて再び配管８１ａに導かれる。
　なお、図４に示す流路２２は、軸線Ｘ方向の端部において流通方向を反転させながら蛇行するものであったが、他の態様であってもよい。例えば、配管８１ａを複数の流路（例えば、４つ）に分岐させ、軸線Ｘ方向の一端から他端まで延びる複数の流路を成形用冶具２０の内部に形成し、複数の流路を集合させて配管８２ａに接続するようにしてもよい。
　このように、水蒸気供給部８０が供給する水蒸気は、配管８１ａと流路２２と配管８２ａとを循環する。水蒸気が有する熱は、流路２２を通過する際に成形用冶具２０に伝達され、更にプリプレグＰに伝達される。ここで、成形用冶具２０に設けられる流路２２は、例えば、金属製の成形用冶具２０の内部に形成される穴である。また、例えば、流路２２は、成形用冶具２０の内部に形成される穴と外周面が接触した状態で配置される管体により形成される。
　制御装置９０は、複合材成形装置１００を制御する装置である。制御装置９０は、図１に破線で示す制御信号線を介して、圧縮空気供給部６０、開閉弁６１、真空ポンプ７０、開閉弁７１、水蒸気供給部８０、および開閉弁８１を制御する。
　次に、図５を参照して、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５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Ｓ５０１（配置工程）において、プリプレグＰが成形用冶具２０の成形面２１に配置される。操作者は、例えば、運搬装置（図示略）を操作してプリプレグＰを成形面２１に配置する。　　
　ステップＳ５０２において、プリプレグＰの全面を覆うようにプリプレグＰの上に離型フィルム３０を配置する。
　ステップＳ５０３において、離型フィルム３０の全面を覆うように離型フィルム３０の上にブリーザー４０を配置する。
　ステップＳ５０４（封止工程）において、ブリーザー４０を樹脂バッグ５０で覆うとともに樹脂バッグ５０と成形面２１をシール材Ｓｅにより接着してブリーザー４０を気密に封止する。複合材成形装置１００の操作者は、成形面２１または樹脂バッグ５０の縁部にシール材Ｓｅを塗布し、樹脂バッグ５０でブリーザー４０を覆うようにして樹脂バッグ５０を成形面２１に接合する。
　以上のステップＳ５０１からステップＳ５０４においては、圧力容器１０を密閉せずに扉を開状態にしている。ステップＳ５０４が終了すると、複合材成形装置１００の操作者は、扉１２を閉状態とし、圧力容器１０を密閉する。
　ステップＳ５０５（減圧工程）において、真空ポンプ７０を動作状態とし、かつ開閉弁７１を開状態とし、樹脂バッグ５０により封止された減圧空間Ｓ１を減圧する。制御装置９０は、減圧空間Ｓ１を減圧状態に維持するように減圧する処理を、後述するステップＳ５０７を終了するまで継続する。減圧空間Ｓ１を減圧することにより、減圧空間Ｓ１の圧力が内部空間ＩＳに対して相対的に低くなり、内部空間ＩＳに存在する空気によってプリプレグＰが加圧される状態となる。
　ステップＳ５０６（加圧工程）において、圧縮空気供給部６０を動作状態とし、かつ開閉弁６１を開状態とし、内部空間ＩＳに圧縮空気を供給して内部空間ＩＳを所望の圧力となるように加圧する。制御装置９０は、内部空間ＩＳに設けられた圧力センサ（図示略）から伝達される圧力の値がプリプレグＰの熱硬化処理に適した圧力に加圧されるように圧縮空気供給部６０および開閉弁６１を制御する。
　なお、ステップＳ５０４において、減圧空間Ｓ１を減圧することによりプリプレグＰを加圧している。そのため、ステップＳ５０６における圧縮空気による内部空間ＩＳの加圧は、減圧空間Ｓ１の減圧による加圧では不足する分を補うものである。制御装置９０は、例えば、内部空間ＩＳが大気圧状態である場合において、減圧空間Ｓ１を減圧することによりプリプレグＰを熱硬化処理に適した圧力に加圧できている場合には、ステップＳ５０６の処理を行なわず、ステップＳ５０７に処理を進める。
　ステップＳ５０７において、水蒸気供給部８０を動作状態とし、かつ開閉弁８１を開状態とし、配管８１ａに水蒸気を供給する。配管８１ａに供給された水蒸気は、流入口２２ａを介して成形用冶具２０の内部に設けられる流路２２に供給される。流路２２を流通する水蒸気の熱は、成形用冶具２０の内部から成形面２１に伝達され、成形面２１からプリプレグＰに伝達される。
　圧力容器１０の内部空間ＩＳに配置されるプリプレグＰは、減圧された減圧空間Ｓ１の圧力と圧縮空気より加圧された内部空間ＩＳとの差圧によって加圧された状態となる。また、プリプレグＰは、成形用冶具２０の成形面２１から伝達される熱によって加熱された状態となる。プリプレグＰは、加圧状態および加熱状態が所定時間継続することにより、マトリックス樹脂である熱硬化性樹脂が硬化し、所望の形状を維持した状態で硬化する。これにより、プリプレグＰからマトリックス樹脂が硬化した複合材が成形される。
　ステップＳ５０８において、ステップＳ５０７により硬化した複合材が冷却される。制御装置９０は、例えば、圧縮空気供給部６０、真空ポンプ７０、および水蒸気供給部８０の動作を停止させ、冷却水供給機構（図示略）により内部空間ＩＳへ冷却水を供給して内部空間ＩＳに配置される複合材を冷却する。また、制御装置９０は、例えば、複合材が所定温度以下となるように一定時間経過するまで待機状態を維持するようにしてもよい。また、制御装置９０は、成形用冶具２０の内部に形成される冷却水配管（図示略）に冷却水を供給するように冷却水供給機構（図示略）を制御してもよい。
　ステップＳ５０９において、圧力容器１０の内部空間ＩＳが複合材を取り出すことが可能な温度および圧力となった場合に、圧力容器１０の扉１２を開状態とする。そして、複合材成形装置１００の操作者は、硬化した複合材を圧力容器１０の内部空間ＩＳから外部空間ＯＳへ取り出す。また、複合材成形装置１００の操作者は、成形用冶具２０の成形面２１から樹脂バッグ５０、ブリーザー４０、および離型フィルム３０をこの順で取り外し、複合材を露出させる。以上のようにして、複合材が成形される。
　以上の説明において、プリプレグＰを加熱する熱源は、成形用冶具２０の流路２２を流通する水蒸気のみであったが、他の態様としてもよい。例えば、プリプレグＰを加熱する熱源として圧縮空気を用いてもよい。この場合、圧縮空気を加熱する熱源は図６に示す配管８３である。
　図６は、変形例に係る複合材成形装置１００の縦断面図である。本変形例の複合材成形装置１００は、内部空間ＩＳに配管８３が配置される点で図２に示す複合材成形装置１００と異なる。配管８３は、圧力容器１０の内周面１０ｃに沿って配置され、軸線Ｘ回りにらせん状に延びるように形成されている。
　なお、配管８３は、圧力容器１０の内周面１０ｃに沿って配置されていればよく、軸線Ｘ回りにらせん状に延びる形状とは異なる他の形状であってもよい。例えば、軸線Ｘと平行に延びる形状や、軸線Ｘ回りの周方向に延びる形状であってもよい。
　配管８３は、一端が配管８１ａから分岐した配管（図示略）に連結され、他端が配管８２ａから分岐した配管に接続される。したがって、配管８１ａから配管８３の一端に水蒸気が流入し、配管８３の他端から水蒸気が配管８２ａへ排出される。内部空間ＩＳを取り囲むように配管８３が配置されるため、配管８３を流通する水蒸気の熱が内部空間ＩＳに存在する空気に伝達され、空気を介してプリプレグＰに熱が伝達される。
　そのため、本変形例において、プリプレグＰは、成形用冶具２０から伝達される熱により加熱されるのに加え、さらに内部空間ＩＳの空気から伝達される熱によっても加熱される。内部空間ＩＳの空気は、配管８３を流通する水蒸気により、１８０℃以下の所望の温度となるように加熱される。
　また、他の変形例として、圧縮空気供給部６０が内部空間ＩＳへ供給する圧縮空気をバーナー（図示略）により加熱する構成を採用してもよい。この場合、制御装置９０は、バーナーを制御することにより、内部空間ＩＳに供給される圧縮空気が１８０℃以下の所望の温度となるように加熱する。
　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、プリプレグＰを熱硬化させるための水蒸気を供給する水蒸気供給部８０と、プリプレグＰを加圧する圧縮空気供給部６０および真空ポンプ７０とをそれぞれ備えるため、プリプレグＰの温度および圧力をそれぞれ熱硬化に適したものとすることができる。
　また、金属製の成形用冶具２０の内部に水蒸気を流通させる流路２２が設けられているため、水蒸気の熱が金属製の成形用冶具２０の内部において熱伝達されて成形面２１が加熱される。そして、成形面２１から伝達される熱によってプリプレグＰが加熱される。プリプレグＰが配置される成形用冶具２０を直接的に水蒸気により加熱するため、プリプレグＰが配置される内部空間ＩＳそのものを加熱する場合に比べ、水蒸気の熱を効率よくプリプレグＰに伝達することができる。
　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、樹脂バッグ３５０により封止された減圧空間Ｓ１を減圧することで、圧力容器１０の内部空間ＩＳの圧力に対して減圧空間Ｓ１の圧力が相対的に低くなる。したがって、真空ポンプ７０が減圧空間Ｓ１を減圧することにより、内部空間ＩＳの圧力によってプリプレグＰを加圧することができる。
　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、圧力容器１０の内部空間ＩＳを圧縮空気により加圧する圧縮空気供給部６０を有するため、圧力容器１０の内部空間ＩＳの圧力を減圧空間Ｓ１の圧力に対して相対的に高くし、プリプレグＰを加圧することができる。
　また、本実施形態の複合材成形装置１００によれば、プリプレグＰの加熱源が水蒸気であり、水蒸気の熱容量は空気あるいは窒素に比べて大きい。そのため、空気あるいは窒素を用いる場合に比べ、プリプレグＰを効率よく熱硬化させることができる。また、プリプレグＰを加熱する加熱源として水蒸気を用いる一方でプリプレグＰの加圧は圧縮空気供給部６０および真空ポンプ７０により行うため、プリプレグＰを適切な温度および圧力で熱硬化させることができる。
〔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、樹脂バッグにより封止された減圧空間Ｓ１を減圧してプリプレグＰを加圧する装置に関するものであった。それに対して、本実施形態の複合材成形装置１００Ａは、一対の成形型の間に形成されるキャビティに強化繊維基材を配置してキャビティに熱硬化性樹脂を注入するＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ　Ｔｒａｎｓｆｅｒ　Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形装置に関するものである。
　図７は、本実施形態に係る複合材成形装置１００Ａを示す概略構成図である。図８は、図７に示す成形用冶具２０Ａを下方からみた底面図である。図９は、図７に示す成形用冶具２０Ａを上方からみた平面図である。図１０は、図９に示す成形用冶具２０のＢ－Ｂ矢視断面図である。
　図７に示すように、本実施形態の複合材成形装置１００Ａは、成形用冶具２０Ａと、樹脂注入部６５と、水蒸気供給部８０と、制御装置９０と、を備える。本実施形態の複合材成形装置１００Ａは、第１実施形態の複合材成形装置１００が備える圧力容器１０および真空ポンプ７０を備えない。
　図８に示すように、成形用冶具２０Ａの下方には第１成形型２０Ａａが配置される。図９に示すように、成形用冶具２０Ａの上方には第２成形型２０Ａｂが配置される。図１０に示すように、第１成形型２０Ａａと第２成形型２０Ａｂとが突き合わされた状態で、これらの間にはキャビティＣａが形成される。
　図１０に示すように、第１成形型２０Ａａは、強化繊維基材を配置するとともに強化繊維基材に熱硬化性樹脂が含侵した積層体Ｌを所望の形状に成形するための成形面２１Ａを有する。第２成形型２０Ａｂは、第１成形型２０Ａａとの間に熱硬化性樹脂が注入されるキャビティＣａを形成する型である。第２成形型２０Ａｂは、強化繊維基材に熱硬化性樹脂が含侵した積層体Ｌを所望の形状に成形するための成形面２１Ｂを有する。第１成形型２０Ａａおよび第２成形型２０Ａｂは、それぞれ金属製であり、例えば、アルミニウム合金、鉄等の耐熱性のある金属材料により形成される。
　樹脂注入部６５は、強化繊維基材が配置されたキャビティＣａに熱硬化性樹脂を注入し、強化繊維基材に熱硬化性樹脂が含侵した複合材料となった積層体Ｌを加圧する装置である。図７に示すように、制御装置９０は、制御信号線を介して制御信号を伝達することで、樹脂注入部６５を制御する。樹脂注入部６５から供給される熱硬化性樹脂は、注入管６５ａを介してキャビティＣａに注入される。
　図８および図１０に示すように、第１成形型２０Ａａの内部には、配管８１ａに接続される流入口２２Ａａと配管８２ａに接続される流出口２２Ａｂを有する流路２２Ａが設けられている。また、図９および図１０に示すように、第２成形型２０Ａｂの内部には、配管８１ａに接続される流入口２２Ｂａと配管８２ａに接続される流出口２２Ｂｂを有する流路２２Ｂが設けられている。
　配管８１ａから流入口２２Ａａを介して流路２２Ａに導かれた水蒸気は、第１成形型２０Ａａの内部を軸線Ｘに沿って流通し、軸線Ｘ方向の端部において流通方向を反転させながら蛇行する。そして、水蒸気は、流路２２Ａの流出口２２Ａｂから配管８２ａに導かれる。同様に、配管８１ａから流入口２２Ｂａを介して流路２２Ｂに導かれた水蒸気は、第２成形型２０Ａｂの内部を軸線Ｘに沿って流通し、軸線Ｘ方向の端部において流通方向を反転させながら蛇行する。そして、水蒸気は、流路２２Ｂの流出口２２Ｂｂから配管８２ａに導かれる。
　次に、図１１を参照して、本実施形態の複合材成形装置１００Ａが実行する複合材成形方法について説明する。図１１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Ｓ１１０１において、強化繊維基材が第１成形型２０Ａａの成形面２１Ａに配置される。
　ステップＳ１１０２において、第１成形型２０Ａａと第２成形型２０Ａｂを突き合せた状態で型締めするよう型締め用の冶具（図示略）が操作される。
　ステップＳ１１０３において、第１成形型２０Ａａと第２成形型２０Ａｂとの間に形成されたキャビティＣａに熱硬化性樹脂が注入される。制御装置９０は、キャビティＣａに配置された強化繊維基材に熱硬化性樹脂が含侵し、更に積層体Ｌが所望の圧力に加圧される状態となるまで熱硬化性樹脂を注入するよう樹脂注入部６５を制御する。ステップＳ１１０３により、強化繊維基材に熱硬化性樹脂が含侵した複合材料となった積層体Ｌが成形面２１に配置された状態となる。
　ステップＳ１１０４において、水蒸気供給部８０を動作状態とし、かつ開閉弁８１を開状態とし、配管８１ａに水蒸気を供給する。配管８１ａに供給された水蒸気は、流入口２２Ａａを介して第１成形型２０Ａａの内部に設けられる流路２２Ａに供給される。また、配管８１ａに供給された水蒸気は、流入口２２Ｂａを介して第２成形型２０Ａｂの内部に設けられる流路２２Ｂに供給される。
　流路２２Ａを流通する水蒸気の熱は、第１成形型２０Ａａの内部から成形面２１Ａに伝達され、成形面２１Ａから積層体Ｌに伝達される。同様に、流路２２Ｂを流通する水蒸気の熱は、第２成形型２０Ａｂの内部から成形面２１Ｂに伝達され、成形面２１Ｂから積層体Ｌに伝達される。
　積層体Ｌは、キャビティＣａに注入された熱硬化樹脂によって全体が加圧された状態となる。また、積層体Ｌは、第１成形型２０Ａａの成形面２１Ａおよび第２成形型２０Ａｂの成形面２１Ｂから伝達される熱によって加熱された状態となる。積層体Ｌは、加圧状態および加熱状態が所定時間継続することにより、熱硬化性樹脂が硬化し、所望の形状を維持した状態で硬化する。これにより、強化繊維基材に含侵した熱硬化性樹脂が硬化した複合材が成形される。
　ステップＳ１１０５において、ステップＳ１１０４により硬化した複合材が冷却される。制御装置９０は、例えば、水蒸気供給部８０の動作を停止させ、冷却水供給機構（図示略）により成形用冶具２０Ａの周囲の空間を冷却する。また、制御装置９０は、例えば、複合材が所定温度以下となるように一定時間経過するまで待機状態を維持するようにしてもよい。また、制御装置９０は、成形用冶具２０Ａの内部に形成される冷却水配管（図示略）に冷却水を供給するように冷却水供給機構（図示略）を制御してもよい。
　ステップＳ１１０６で、複合材を取り出すことが可能な温度および圧力となった場合に、第１成形型２０Ａａと第２成形型２０Ａｂを型締めした状態を解除するよう型締め用の冶具（図示略）が操作される。
　ステップＳ１１０７で、硬化した複合材が第１成形型２０Ａａおよび第２成形型２０Ａｂから取り外され、硬化した複合材が成形用冶具２０Ａから取り出される。以上のようにして、複合材が成形される。
　以上説明した本実施形態の複合材成形装置１００Ａによれば、ＲＴＭ法により複合材を成形する場合に、熱硬化性樹脂が注入されるキャビティＣａを形成する第１成形型２０Ａａおよび第２成形型２０Ａｂの双方を、水蒸気により直接的に加熱ため、成形用冶具２０Ａが配置される空間そのものを加熱する場合に比べ、水蒸気の熱を効率よく積層体Ｌに伝達することができる。
　なお、本実施形態の複合材成形装置１００Ａにおいて、成形用冶具２０Ａを水蒸気により加熱するだけでは積層体Ｌを十分に加熱することができない場合は、オーブン（図示略）を用いてもよい。オーブンは、成形用冶具２０Ａを収容するとともに成形用冶具２０Ａが収容される空間を加熱する加熱部を備える装置である。
〔他の実施形態〕
　以上の説明において、成形用冶具およびそれに配置される強化繊維基材の積層体を加熱する熱媒体は、水蒸気であるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、オイルなどの他の熱媒体であってもよい。
１０　　　圧力容器
２０，２０Ａ　成形用冶具
２０Ａａ　第１成形型
２０Ａｂ　第２成形型
２１，２１Ａ，２１Ｂ　成形面
２２，２２Ａ，２２Ｂ　流路
３０　　　離型フィルム
４０　　　ブリーザー
５０　　　樹脂バッグ
６０　　　圧縮空気供給部（圧縮気体供給部）
６１　　　開閉弁
６５　　　樹脂注入部
７０　　　真空ポンプ（減圧部）
７１　　　開閉弁
８０　　　水蒸気供給部（熱媒体供給部）
８１　　　開閉弁
８１ａ，８２ａ　配管
８３　　　配管
９０　　　制御装置
１００，１００Ａ　複合材成形装置
Ｃａ　　　キャビティ
ＩＳ　　　内部空間
Ｌ　　　　積層体
Ｐ　　　　プリプレグ（積層体）
Ｓ１　　　減圧空間
Ｓｅ　　　シール材Ｘ　　　　軸線
 

Claims (8)

  1. 　複合材を成形する複合材成形装置であって、
    　複合材料を配置するための成形面を有する熱伝導性の成形用冶具と、
    　前記成形用冶具を加熱して前記複合材料を熱硬化させるための熱媒体を供給する熱媒体供給部と、
    　前記成形面に配置された前記複合材料を加圧する加圧部と、を備え、
    　前記成形用冶具の内部には、前記熱媒体供給部が供給する前記熱媒体を流通させる流路が設けられている複合材成形装置。
  2. 　密閉可能であるとともに前記成形用冶具を収容する内部空間を形成する圧力容器と、
    　前記複合材料を覆うとともにシール材により前記成形面に接着されて前記複合材料を気密に封止する樹脂バッグと、を備え、
    　前記加圧部は、前記樹脂バッグにより封止された減圧空間を減圧することにより前記複合材料を加圧する減圧部を有する請求項１に記載の複合材成形装置。
  3. 　前記加圧部は、前記圧力容器を密閉した状態で前記内部空間へ圧縮気体を供給して前記内部空間を加圧する圧縮気体供給部を有する請求項２に記載の複合材成形装置。
  4. 　前記熱媒体供給部から供給される前記熱媒体を流通させるとともに前記内部空間に配置される配管を有する請求項２または請求項３に記載の複合材成形装置。
  5. 　前記成形用冶具は、前記成形面を有する第１成形型と、前記第１成形型との間に熱硬化性樹脂が注入されるキャビティを形成する第２成形型と、を有し、
    　前記加圧部は、強化繊維基材が配置された前記キャビティに前記熱硬化性樹脂を注入する注入部を有する請求項１に記載の複合材成形装置。
  6. 　前記熱媒体は、水蒸気であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の複合材成形装置。
  7. 　前記複合材料は、プリプレグである請求項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。
  8. 　複合材を成形する複合材成形方法であって、
    　金属製の成形用冶具の成形面に複合材料を配置する配置工程と、
    　前記成形面に配置された前記複合材料を加圧する加圧工程と、
    　前記成形用冶具の内部に設けられる流路に前記複合材料を熱硬化させるための熱媒体を供給する熱媒体供給工程と、を備える複合材成形方法。
     
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