WO2022003825A1 - 加熱装置および加熱方法 - Google Patents

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housing
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祐樹 可児
了太 尾崎
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三菱重工業株式会社
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    • B32B2262/106—Carbon fibres, e.g. graphite fibres

Definitions

  • the present disclosure relates to a heating device and a heating method for heating a laminate containing a plurality of sheet-like composite materials containing reinforcing fibers and a thermoplastic resin.
  • Non-Patent Document 1 describes that the surface of the composite material close to the induction coil is damaged by heat by injecting air into the space between the induction coil and the surface of the composite material to lower the temperature of the surface of the composite material. It is disclosed to protect.
  • Non-Patent Document 1 In order to properly fuse a plurality of composite materials, it is necessary to appropriately pressurize the composite materials while the thermoplastic resin is heated. However, in Non-Patent Document 1, since air is circulated in the space between the induction coil and the surface of the composite material, the composite material cannot be pressurized toward the fusional position at the position heated by the induction coil. In Non-Patent Document 1, since the composite material is pressurized by the roller at the position where the composite material is conveyed from the position where the composite material is heated by the induction coil, the temperature of the thermoplastic resin is lower than the position where the composite material is heated by the induction coil, which is preferable. It may not be possible to obtain a fused state.
  • the composite material can be heated while being pressurized, but the heat transferred from the heating device to the composite material heats the composite material in the portion not pressurized by the heating device. There is a possibility that it will be done. In this case, the composite material in the portion that is not pressurized may be deformed due to expansion due to heating, resulting in molding defects.
  • the present disclosure has been made in view of such circumstances, and is a part of the laminate when heating the laminate containing a plurality of sheet-like composite materials containing a reinforcing fiber and a thermoplastic resin. It is an object of the present invention to provide a heating device and a heating method capable of preventing deformation such as expansion from being heated in a state where the region is not pressurized.
  • the heating device heats a laminated body containing a plurality of sheet-like composite materials containing a reinforcing fiber and a thermoplastic resin, and the laminated body comprises the first contact surface in contact with the laminated body.
  • the laminated body comprises the first contact surface in contact with the laminated body.
  • a predetermined pressing force is applied to the laminated body via a cooling unit that cools the thermoplastic resin contained in the positioned laminated body to a temperature lower than the softening temperature, and the first contact surface and the second contact surface.
  • a compression portion is provided, and the second contact surface is arranged so as to surround the first contact surface.
  • a laminate containing a plurality of sheet-like composite materials containing a reinforcing fiber and a thermoplastic resin is heated, and the laminate is subjected to the first contact surface in contact with the laminate.
  • a heating step of heating the thermoplastic resin contained in the laminate in contact with the first contact surface to a softening temperature or higher and a second contact surface in contact with the laminate To the outside of the second contact surface via a heating step of heating the thermoplastic resin contained in the laminate in contact with the first contact surface to a softening temperature or higher and a second contact surface in contact with the laminate.
  • the cooling step and the pressurizing step are simultaneously executed when the heating step is executed, and the second contact surface is arranged so as to surround the first contact surface.
  • a heating device and a heating method capable of preventing the deformation of the above when a laminate containing a plurality of sheet-like composite materials containing a reinforcing fiber and a thermoplastic resin is heated, a part of the region of the laminate is heated without being pressurized and expands, etc. It is possible to provide a heating device and a heating method capable of preventing the deformation of the above.
  • FIG. 3 is a plan view of the heating device shown in FIG. 1 as viewed from above. It is a graph which shows the temperature at each position in the horizontal direction of the upper surface of the laminated body shown in FIG. It is a top view which shows an example of the movement path when moving the heating apparatus shown in FIG. 1 on the upper surface of a laminated body. It is sectional drawing which shows an example of the moving direction when moving a heating apparatus shown in FIG. 1 to an adjacent position on the upper surface of a laminated body. It is sectional drawing which shows the 1st modification of the heating apparatus shown in FIG. It is sectional drawing which shows the 2nd modification of the heating apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a heating device 100 according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a plan view of the heating device 100 shown in FIG. 1 as viewed from above.
  • the heating device 100 of the present embodiment is a device that adheres a plurality of composite materials 201 to 206 by heating a laminate 200 containing a plurality of sheet-shaped composite materials 201 to 206 containing reinforcing fibers and a thermoplastic resin. be.
  • the heating device 100 heats the thermoplastic resin contained in the composite material to a softening temperature Ts or higher by a heating mechanism 12 arranged inside.
  • the laminated body 200 is a laminated sheet-shaped six-layer composite material 201, 202, 203, 204, 205, 206.
  • the laminated body 200 has, for example, a flat shape, but may have an arbitrary curved surface shape.
  • Each of the composite materials 201-206 contains a fiber substrate (eg, carbon fiber) and a thermoplastic resin.
  • the heating device 100 heats the laminated body 200 to a softening point or higher in a pressurized state to bring the composite materials 201 to 206 into close contact with each other.
  • thermoplastic resins contained in the composite materials 201 to 206 include, for example, polyetheretherketone (PEEK), polyethylene terephthalate (PET), polybutylene terephthalate (PBT), nylon 6 (PA6), nylon 66 (PA66), and the like.
  • PES polyphenylene terephide
  • PEI polyetherimide
  • PEKK polyetherketoneketone
  • the heating device 100 of the present embodiment includes a heating unit 10, a cooling unit 20, and a pressurizing unit 30.
  • the heating unit 10 has a heating housing 11 having a contact surface (first contact surface) 11a in contact with the upper surface 200a of the laminated body 200, and a heating mechanism 12 arranged inside the heating housing 11. ..
  • the heating unit 10 heats the thermoplastic resin contained in the laminate 200 in contact with the contact surface 11a to a softening temperature Ts or higher via the contact surface 11a in contact with the upper surface 200a of the laminate 200.
  • the heating housing 11 is made of a material (for example, iron-based alloy, aluminum-based alloy, ceramics) having a contact surface 11a below and having heat conductivity capable of transferring the heat generated by the heating mechanism 12 to the contact surface 11a. It is a solid housing that is formed.
  • the heating mechanism 12 has a heating source for heating the heating housing 11.
  • the heating source is, for example, an electric heater that heats the heating housing 11 by causing the resistance wire to generate heat by passing an electric current through the resistance wire arranged inside the heating housing 11.
  • the cooling unit 20 has a cooling housing 21 having a contact surface (second contact surface) 21a in contact with the upper surface 200a of the laminated body 200, and a cooling mechanism 22 arranged inside the cooling housing 21. ..
  • the cooling unit 20 cools the thermoplastic resin contained in the laminate 200 located outside the contact surface 21a to a softening temperature of less than Ts via the contact surface 21a in contact with the upper surface 200a of the laminate 200.
  • the cooling housing 21 is formed of a material having a contact surface 21a below and having thermal conductivity capable of transferring heat from the contact surface 21a to the cooling mechanism 22 (for example, an iron-based alloy, an aluminum-based alloy, or ceramics). It is a solid housing.
  • the cooling mechanism 22 is a mechanism that causes heat exchange between the cooling housing 21 and the cooling medium by circulating a heat exchange medium (for example, water) through a cooling pipe arranged inside the cooling housing 21. Is.
  • the heating housing 11 is formed in a rectangular shape in a plan view, and the cooling housing 21 covers the entire circumference of the heating housing 11 in contact with the heating housing 11. It is arranged so as to surround it. Similarly, the contact surface 21a of the cooling housing 21 is arranged so as to surround the entire circumference of the contact surface 11a of the heating housing 11. As shown in FIG. 2, the outer shape of the cooling housing 21 is rectangular.
  • the heating housing 11 is formed in a rectangular shape in a plan view, and the outer shape of the cooling housing 21 is rectangular in shape, but other embodiments may be used.
  • the heating unit 10A and the cooling unit 20A shown by the dotted line in FIG. 2 may be used.
  • the heating housing 11A of the heating unit 10A is formed in an elliptical shape
  • the outer shape of the cooling housing 21A of the cooling unit 20A is formed in an elliptical shape.
  • the shape may be a perfect circle instead of the elliptical shape.
  • the pressurizing section 30 is a mechanism for applying a predetermined pressing force to the laminated body 200 via the contact surface 11a of the heating section 10 and the contact surface 21a of the cooling section 20.
  • the installation type 300 is a type in which the laminate 200 is installed so that the plurality of composite materials 201 to 206 of the laminate 200 are brought into close contact with each other by the heating device 100.
  • the pressurizing unit 30 applies a pressing force in a direction orthogonal to the upper surface 200a of the laminated body 200 along the pressurizing direction PD.
  • the contact surface 11a and the contact surface 21a pressurize the upper surface 200a of the laminated body 200 (the state shown by the solid line in FIG. 1), and the contact surface 11a and the contact surface 21a are the upper surface of the laminated body 200. It is possible to switch between the non-pressurized state (the state shown by the dotted line in FIG. 1) separated from the 200a.
  • the pressurizing unit 30 By heating by the heating unit 10 while being pressurized by the pressurizing unit 30, the plurality of composite materials 201 to 206 of the laminated body 200 can be brought into close contact with each other. Further, when the laminate 200 is cooled from a temperature equal to or higher than the softening temperature Ts to a temperature lower than the softening temperature Ts, the pressurizing unit 30 continues to pressurize the laminated body 200 so that the plurality of composite materials 201 to 206 are in close contact with each other. Can be maintained.
  • FIG. 3 is a graph showing the temperature at each position of the upper surface 200a of the laminated body 200 shown in FIG. 1 in the horizontal direction HD.
  • the horizontal direction HD is a direction along the direction in which the upper surface 200a of the laminated body 200 is arranged.
  • the position x1 shown in FIG. 1 is a position where contact between the contact surface 21a of the cooling housing 21 and the upper surface 200a of the laminated body 200 starts in the horizontal direction HD. That is, the left side of the position x1 is a region where the contact surface 21a does not contact.
  • the position x2 is a position where the contact surface 21a is switched to the contact surface 11a in the horizontal direction HD.
  • the position x3 is a position where the contact surface 11a is switched to the contact surface 21a in the horizontal direction HD.
  • the position x4 is a position where the contact between the contact surface 21a of the cooling housing 21 and the upper surface 200a of the laminated body 200 ends in the horizontal direction HD. That is, the right side of the position x4 is a region where the contact surface 21a does not contact.
  • the heating device 100 of the present embodiment adjusts the heating mechanism 12 of the heating unit 10 so that the region of the upper surface 200a of the laminated body 200 in contact with the contact surface 11a is heated to a temperature T2 or higher higher than the softening temperature Ts. .. As shown in FIG. 3, the region in contact with the contact surface 11a of the upper surface 200a of the laminated body 200 (the region from the position x2 to the position x3) is maintained at the temperature T2 or higher.
  • the cooling unit 20 is cooled so that the region outside the region in contact with the contact surface 11a of the upper surface 200a of the laminated body 200 is cooled to a temperature T1 or lower lower than the softening temperature Ts.
  • the cooling mechanism 22 of the above is adjusted. As shown in FIG. 3, the region outside the contact surface 21a of the upper surface 200a of the laminated body 200 (the region to the left of the position x1 and the region to the right of the position x4) is maintained at the temperature T1 or lower.
  • the heating device 100 of the present embodiment adjusts the amount of heat generated by the heating unit 10 and the amount of heat absorbed by the cooling mechanism 22 of the cooling unit 20, thereby adjusting the contact surface 21a of the upper surface 200a of the laminated body 200.
  • the outer region of is maintained below the temperature T1.
  • a region having a softening temperature Ts appears in a region of the laminated body 200 (a region from the position x1 to the position x2 and a region from the position x3 to the position x4) in contact with the contact surface 21a of the cooling unit 20. do.
  • the comparative example shown in FIG. 3 shows the temperature at each position of the horizontal HD of the upper surface 200a of the laminated body 200 when the cooling medium is not circulated through the cooling mechanism 22 of the cooling unit 20.
  • the cooling unit 20 does not have the ability to cool the upper surface 200a of the laminated body 200.
  • a part of the region outside the region in contact with the contact surface 21a of the upper surface 200a of the laminated body 200 (the region to the left of the position x1 and the region to the right of the position x4) is softened.
  • the temperature is higher than the temperature Ts.
  • the region outside the region of the upper surface 200a of the laminated body 200 that comes into contact with the contact surface 21a and having a temperature higher than the softening temperature Ts is a region that is not pressurized by the contact surface 21a. Therefore, the upper surface 200a of the laminated body 200 having a temperature higher than the softening temperature Ts may be deformed such as expansion.
  • FIG. 4 is a plan view showing an example of a movement path when the heating device shown in FIG. 1 is moved on the upper surface of the laminated body 200.
  • the x-axis and the y-axis are axes orthogonal to each other and parallel to the upper surface 200a of the laminated body 200.
  • the heating device 100 is set to position p1, position p2, position p3, position p4, position p5, position p6, position p7, position p8 by using a moving mechanism (not shown). , Move along the solid line in the order of position p9.
  • the moving mechanism moves the heating device 100 in parallel with the x-axis. The same applies to the movement from the position p3 to the position p4, from the position p5 to the position p6, from the position p7 to the position p8, and from the position p9 to the position p10.
  • the moving mechanism moves the heating device 100 in parallel with the y-axis when moving the heating device 100 from the position p2 to the position p3.
  • each of the laminated bodies 200 is made to meander while the heating device 100 is meandered by alternately repeating the movement along the x-axis and the movement along the y-axis orthogonal to the x-axis. Move the position to heat.
  • the movement path shown in FIG. 4 alternately repeats movement along the x-axis and movement along the y-axis orthogonal to the x-axis, but other modes may be used.
  • the movement path of the heating device 100 may be any movement path as long as each region of the laminated body 200 can be heated by the contact surface 11a of the heating unit 10 for a predetermined time or longer.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a moving direction when the heating device 100 shown in FIG. 1 is moved to an adjacent position on the upper surface 200a of the laminated body 200.
  • the position pA indicates the central position where the current heating device 100 is arranged.
  • the position pD indicates the central position of the heating device 100 when the heating device 100 is moved from the current position to an adjacent position.
  • the contact surface 11a and the contact surface 21a are directly moved from the position pA to the position pD while maintaining the state of being in contact with the upper surface 200a of the laminated body 200.
  • the heating device 100 may be moved to a position pB above the position pA so that the contact surface 11a and the contact surface 21a are separated from the upper surface 200a of the laminated body 200.
  • the moving mechanism (not shown) moves the heating device 100 from the position pB to the position pC above the position pD, and then moves the heating device 100 from the position pC to the position pD.
  • the region in contact with the contact surface 11a and the contact surface 21a is cooled while being pressurized to cool the laminate 200.
  • the upper surface 200a of the above surface is solidified.
  • the upper surface 200a of the laminated body 200 is cooled to a temperature lower than the softening temperature Ts by stopping the heating by the heating mechanism 12 of the heating device 100 while maintaining the application of the pressing force by the pressurizing unit 30. ..
  • a cooling mechanism (not shown) is provided inside the heating unit 10, and when the upper surface 200a of the laminated body 200 in contact with the contact surface 11a is cooled by using the heating device 100, the contact surface 11a is cooled by the cooling mechanism. It may be cooled. Further, for example, the heating device 100 may be removed and cooled while pressurizing the upper surface 200a of the laminated body 200 with another cooling type (not shown).
  • the heating step of heating the upper surface 200a of the laminated body 200 in contact with the contact surface 11a by the heating unit 10 and the laminated body 200 in contact with the contact surface 21a by the cooling unit 20 are simultaneously executed.
  • the heating device 100A according to this modification is different from the heating device 100 shown in FIG. 1 in that the heating mechanism 12A has an induction coil for generating heat in the laminated body 200 by generating an electric current in the reinforcing fibers contained in the laminated body 200. ..
  • the heating mechanism 12A shown in FIG. 6 generates a magnetic field line in the surroundings by an AC current of a predetermined frequency supplied from an AC power supply (not shown), and generates a current in the conductive reinforcing fibers arranged at close positions. It has an induction coil.
  • the composite materials 201 to 206 contained in the laminate 200 shown in FIG. 6 have conductive reinforcing fibers (for example, carbon fibers).
  • the induction coil heats the thermoplastic resin contained in the composite materials 201 to 206 to a softening temperature Ts or higher by heating the laminate 200. Since the composite materials 201 to 206 are in contact with each other and arranged in a pressurized state, when the thermoplastic resin contained therein is heated to the softening temperature Ts or higher, the softened thermoplastic resin is integrated and composited. Materials 201-206 are in close contact.
  • the heating device 100B according to this modification is different from the heating device 100 shown in FIG. 1 in that the heating mechanism 12B has an ultrasonic transducer that generates heat of the laminated body 200 by generating vibration in the heating housing 11. ..
  • the ultrasonic vibrator vibrates the laminated body 200 by ultrasonic waves to generate heat of the thermoplastic resin contained in the composite materials 201 to 206 above the softening temperature Ts. Since the composite materials 201 to 206 are in contact with each other and arranged in a pressurized state, when the thermoplastic resin contained therein is heated to the softening temperature Ts or higher, the softened thermoplastic resin is integrated and composited. Materials 201-206 are in close contact.
  • the heating device 100C according to this modification is different from the heating device 100 shown in FIG. 1 in that the cooling housing 21 is arranged so as to surround the heating housing 11 with the heat insulating material 40 sandwiched between them.
  • the heat insulating material 40 is a member that reduces the amount of heat exchanged between the cooling housing 21 and the heating housing 11. By arranging the heat insulating material between the cooling housing 21 and the heating housing 11, for example, the cooling capacity of the cooling mechanism 22 required to obtain the desired cooling performance is lowered, and the cooling unit 20 is made smaller. Can be transformed into.
  • the heating device 100D according to this modification has a cooling mechanism 22D for injecting a cooling gas to cool the cooling housing 21 outside the cooling housing 21, which is different from the heating device 100 shown in FIG. different.
  • the cooling mechanism 22D is a mechanism for injecting the cooling gas CG toward the cooling housing 21 to cool the cooling housing 21.
  • the cooling gas CG is, for example, air at room temperature.
  • the cooling gas CG injected by the cooling mechanism 22D cools the cooling housing 21 and the upper surface 200a of the laminated body 200 adjacent to the cooling housing 21.
  • the heating housing 11 and the cooling housing 21 are attached to each other. Although it is a separate housing, it may be in another embodiment.
  • the heating housing 11 and the cooling housing 21 may be integrally formed of a single material (for example, an iron-based alloy, an aluminum-based alloy, or ceramics).
  • the heating device 100E according to this modification is capable of switching between a contact state in which the heating mechanism 12E included in the heating unit 10 is in contact with the heating housing 11 and a non-contact state in which the heating mechanism 12E is separated from the heating housing 11. , Different from the heating device 100 shown in FIG.
  • the heating mechanism 12E is a mechanism that is arranged in contact with the heating housing 11 having the contact surface 11a.
  • the heating housing 11 and the cooling housing 21 are integrally formed of a single material.
  • the heating mechanism 12E can switch between a contact state in contact with the heating housing 11 (a state shown by a solid line in FIG. 10) and a non-contact state separated from the heating housing 11 (a state shown by a dotted line in FIG. 10). It is a mechanism. Inside the heating mechanism 12E, a heating source (not shown) for heating the heating housing 11 in contact with the heating housing 11 is arranged.
  • the heating device 100E puts the heating mechanism 12E in contact with the heating housing 11, and heats the heating housing 11 by the heating mechanism 12E.
  • the heating mechanism 12E is used for the heating housing while keeping the contact surface 11a of the heating housing 11 in contact with the upper surface 200a of the laminated body 200. It is in a non-contact state separated from 11. By separating the heating mechanism 12E from the heating housing 11, the amount of heat transferred from the heating mechanism 12E to the heating housing 11 is reduced, and the cooling of the upper surface 200a of the laminated body 200 is promoted.
  • the fourth modification is applied to the heating device 100A of the first modification, the heating device 100B of the second modification, the heating device 100C of the third modification, and the heating device 100E of the fifth modification for cooling.
  • a cooling mechanism 22D that injects a cooling gas to cool the cooling housing 21 may be provided outside the housing 21.
  • the laminated body 200 when the laminated body 200 is brought into close contact, the laminated body 200 is installed in the installation type 300, and the upper surface 200a of the laminated body 200 is heated and pressed by the heating device 100. There may be.
  • the upper surface 200a and the lower surface 200b of the laminated body 200 may be heated and pressurized by a pair of heating devices 100.
  • FIG. 11 is a diagram showing an example of heating and pressurizing the upper surface 200a and the lower surface 200b of the laminated body 200 by a pair of heating devices 100.
  • the upper surface 200a of the laminated body 200 is heated by one heating device 100, and the lower surface 200b of the laminated body 200 is heated by the other heating device 100.
  • One heating device 100 pressurizes the upper surface 200a of the laminated body 200 along the pressing direction PD1 pointing downward, and the other heating device 100 pressurizes the lower surface 200b of the laminated body 200 along the pressing direction PD2 facing upward. Pressurize.
  • the upper surface 200a and the lower surface 200b of the laminated body 200 can be heated and pressed at the same time, and the plurality of composite materials 201 to 206 can be brought into close contact with each other.
  • the heating device 100 heats and pressurizes the laminated body 200 in which a plurality of composite materials 201 to 206 that are not in close contact with each other are laminated, but other embodiments may be used.
  • the laminated body 200 and the laminated body 400 may be fused by the heating device 100.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view showing an example in which a plurality of laminated bodies 200 and 400 are fused by a heating device 100.
  • the laminated body 200 shown in FIG. 12 has composite materials 201, 202, and 203 adhered to each other in advance. Further, the laminated body 400 is formed by adhering composite materials 401, 402, and 403 in advance. In the example shown in FIG. 12, the laminated body 200 in which the composite materials 201, 202, and 203 are previously adhered to each other and the laminated body 400 to which the composite materials 401, 402, and 403 are previously adhered to each other are arranged in contact with each other.
  • the heating device 100 heats the thermoplastic resin in the vicinity of the surface where the laminated body 200 and the laminated body 400 come into contact with each other to a softening temperature Ts or higher, and the laminated body 200 and the laminated body 100 are heated. Fuse with 400.
  • the heating mechanism 12 of the heating device 100 may be the heating mechanism 12A having the induction coil shown in FIG.
  • a heat generating aid susceptor
  • the heating mechanism 12 of the heating device 100 may be the heating mechanism 12A having the induction coil shown in FIG.
  • a heat generating aid susceptor
  • the fusion device according to the embodiment described above is grasped as follows, for example.
  • the heating device (100) heats a laminated body (200) containing a plurality of sheet-shaped composite materials (201 to 206) containing a reinforcing fiber and a thermoplastic resin, and comes into contact with the laminated body.
  • the heating unit (10) for heating the thermoplastic resin contained in the laminate in contact with the first contact surface to a softening temperature (Ts) or higher through the contact surface (11a) is in contact with the laminate.
  • a pressurizing portion (30) for applying a predetermined pressing force to the laminated body via the contact surface and the second contact surface is provided, and the second contact surface is arranged so as to surround the first contact surface. Has been done.
  • the heating unit heats the thermoplastic resin material contained in the laminated body through the first contact surface to a temperature equal to or higher than the softening temperature, and the laminated body is predetermined through the first contact surface. Pressurized pressure is applied. Since the region of the laminated body in contact with the first contact surface is heated in a pressurized state, deformation such as expansion is prevented.
  • the region of the laminated body in contact with the second contact surface is heated by transferring heat from the laminated body heated through the first contact surface.
  • a predetermined pressing force is applied through the contact surface. Therefore, deformation such as expansion is prevented from occurring in the region of the laminated body that comes into contact with the second contact surface.
  • the cooling unit cools to a temperature lower than the softening temperature of the thermoplastic resin material contained in the laminate located outside the second contact surface. Therefore, it is prevented that the region of the laminated body arranged further outside the second contact surface is heated to the softening temperature or higher due to the heat transferred to the region of the laminated body in contact with the second contact surface. As a result, it is possible to prevent a part of the region of the laminated body from being heated without being pressurized and causing deformation such as expansion.
  • the heating unit has a heating housing (11) having the first contact surface and a heating mechanism (12) arranged inside the heating housing.
  • the cooling unit includes a cooling housing (21) having the second contact surface and a cooling mechanism (22) for cooling the cooling housing, and the cooling housing is a heat insulating material. It is preferable that the heating housing is arranged so as to surround the heating housing while sandwiching the (40).
  • the cooling housing cooled by the cooling mechanism is arranged so as to surround the heating housing heated by the heating mechanism with the heat insulating material sandwiched between them. Therefore, the amount of heat exchanged between the cooling housing and the heating housing is reduced as compared with the case where the heat insulating material is not provided. Thereby, for example, the cooling capacity of the cooling mechanism required to obtain the desired cooling performance can be reduced, and the cooling unit can be miniaturized.
  • the heating unit has a heating housing (11) having the first contact surface and a heating mechanism (12) arranged inside the heating housing.
  • the cooling unit includes a cooling housing (21) having the second contact surface and a cooling mechanism (22) for cooling the cooling housing, and the heating housing and the cooling housing.
  • the housing is preferably configured to be integrally formed of a single material. According to the heating device according to this configuration, since the heating housing and the cooling housing are integrally formed of a single material, compared with the case where the heating housing and the cooling housing are separated from each other. There is no problem such as intrusion of thermoplastic resin between the heating housing and the cooling housing.
  • the heating unit includes a heating housing (11) having the first contact surface and a heating mechanism (12E) arranged in contact with the heating housing.
  • the cooling unit includes a cooling housing (21) having the second contact surface and a cooling mechanism (22) for cooling the cooling housing, and the heating housing and the cooling.
  • the housing is integrally formed of a single material, and the heating mechanism can switch between a contact state in contact with the heating housing and a non-contact state in which the heating mechanism is separated from the heating housing. preferable.
  • the heating housing and the cooling housing are integrally formed of a single material, compared with the case where the heating housing and the cooling housing are separated from each other. There is no problem such as intrusion of thermoplastic resin between the heating housing and the cooling housing. Further, by switching the heating mechanism to a non-contact state separated from the heating housing, the cooling rate when cooling by stopping the heating by the heating mechanism and pressurizing the laminated body is improved.
  • the heating mechanism preferably has a configuration having a heating source for heating the heating housing. According to the heating device according to this configuration, by heating the heating housing via the heating source, the thermoplastic resin contained in the composite material in contact with the first contact surface can be heated to a temperature higher than the softening temperature. ..
  • the heating mechanism has an ultrasonic transducer that generates heat by generating vibration in the heating housing.
  • the thermoplastic resin contained in the laminate in contact with the first contact surface is softened by generating heat in the heating housing by the ultrasonic vibrator to generate heat. It can be heated above the temperature.
  • the heating mechanism preferably includes an induction coil that generates heat in the reinforcing fibers contained in the laminated body to generate heat.
  • the thermoplastic resin contained in the laminated body in contact with the first contact surface is generated by generating an electric current in the reinforcing fibers contained in the laminated body by the induction coil to generate heat in the laminated body. It can be heated above the softening temperature.
  • the cooling mechanism preferably has a configuration in which a cooling gas is injected to cool the cooling housing (21).
  • the second contact surface arranged in contact with the laminated body can be cooled to a temperature lower than the softening temperature by injecting a cooling gas to cool the cooling housing. can.
  • a first contact surface that heats a laminate (200) containing a plurality of sheet-like composite materials (201 to 206) containing a reinforcing fiber and a thermoplastic resin and comes into contact with the laminate.
  • a pressurizing step of applying a predetermined pressing force to the laminate is provided, and when the heating step is executed, the cooling step and the pressurizing step are simultaneously executed, and the cooling surface is heated. It is arranged so as to surround the surface.
  • the thermoplastic resin material contained in the laminate is heated to a softening temperature or higher through the first contact surface, and in the pressurizing step executed at the same time as the heating step.
  • a predetermined pressing force is applied to the laminated body through the first contact surface. Since the region of the laminated body in contact with the first contact surface is heated in a pressurized state, deformation such as expansion is prevented.
  • the heating step in the heating step, the region of the laminated body in contact with the second contact surface is heated by transferring heat from the laminated body heated through the first contact surface.
  • a predetermined pressing force is applied through the second contact surface. Therefore, deformation such as expansion is prevented from occurring in the region of the laminated body that comes into contact with the second contact surface.
  • the thermoplastic resin material contained in the laminate located outside the second contact surface is cooled to a temperature lower than the softening temperature. Therefore, it is prevented that the region of the laminated body arranged further outside the second contact surface is heated to the softening temperature or higher due to the heat transferred to the region of the laminated body in contact with the second contact surface. As a result, it is possible to prevent a part of the region of the laminated body from being heated without being pressurized and causing deformation such as expansion.

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Abstract

強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料（２０１～２０６）を含む積層体（２００）を加熱し、積層体（２００）に接触した状態で配置される第１接触面（１１ａ）を介して、第１接触面（１１ａ）に接触する積層体（２００）に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱部（１０）と、積層体（２００）に接触した状態で配置される第２接触面（２１ａ）を介して、第２接触面（２１ａ）の外側に位置する積層体（２００）に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度未満に冷却する冷却部（２０）と、第１接触面（１１ａ）および第２接触面（２１ａ）を介して積層体（２００）に所定の加圧力を付与する加圧部（３０）と、を備え、第２接触面（２１ａ）は、第１接触面（１１ａ）を取り囲むように配置されている加熱装置（１００）を提供する。

Description

加熱装置および加熱方法
　本開示は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する加熱装置および加熱方法に関するものである。
　従来、炭素繊維と熱可塑性樹脂を含む複数の複合材料を加熱し、熱可塑性樹脂を溶融させて複数の複合材料を融着させる技術が知られている（例えば、非特許文献１参照）。非特許文献１には、誘導コイルと複合材料の表面の間の空間に空気を噴射して複合材料の表面の温度を低下させることにより、誘導コイルに近接した複合材料の表面を熱による損傷から保護することが開示されている。
M.Duhovic　et　al.　"ADVANCED　3D　FINITE　ELEMENT　SIMULATION　OF　THERMOPLASTIC　CARBON　FIBER　COMPOSITE　INDUCTION　WELDING"　16th　EUROPEAN　CONFERENCE　ON　COMPOSITE　MATERIALS，　Seville,　Spain,　22-26　June　2014
　複数の複合材料を適切に融着するためには、熱可塑性樹脂が加熱された状態で複合材料同士を適切に加圧する必要がある。しかしながら、非特許文献１では、誘導コイルと複合材料の表面の間の空間に空気を流通させるため、誘導コイルにより加熱される位置において、複合材料を融着位置に向けて加圧することができない。非特許文献１では、複合材料を誘導コイルにより加熱する位置から搬送させた位置でローラにより加圧しているため、複合材料を誘導コイルにより加熱する位置よりも熱可塑性樹脂の温度が低下し、好ましい融着状態を得ることができない可能性がある。
　また、複合材料に加熱装置を接触させることにより、複合材料を加圧しながら加熱することができるが、加熱装置から複合材料に伝達される熱により、加熱装置により加圧されない部分の複合材料が加熱されてしまう可能性がある。この場合、加圧されない部分の複合材料が加熱により膨張するなどして変形が生じてしまい、成形不良となってしまう可能性がある。
　本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する際に、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することが可能な加熱装置および加熱方法を提供することを目的とする。
　本開示の一態様に係る加熱装置は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱部と、前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却部と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧部と、を備え、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
　本開示の一態様に係る加熱方法は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱工程と、前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却工程と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧工程と、を備え、前記加熱工程を実行する際に、前記冷却工程および前記加圧工程が同時に実行され、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
　本開示によれば、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する際に、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することが可能な加熱装置および加熱方法を提供することができる。
本開示の一実施形態に係る加熱装置を示す断面図である。 図１に示す加熱装置を上方からみた平面図である。 図１に示す積層体の上面の水平方向の各位置における温度を示すグラフである。 図１に示す加熱装置を積層体の上面で移動させる際の移動経路の一例を示す平面図である。 図１に示す加熱装置を積層体の上面で隣接する位置に移動させる際の移動方向の一例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第１変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第２変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第３変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第４変形例を示す断面図である。 図１に示す加熱装置の第５変形例を示す断面図である。 一対の加熱装置により積層体の上面および下面を加熱および加圧する例を示す図である。 加熱装置により複数の積層体を融着させる例を示す断面図である。
　以下、本開示の一実施形態に係る加熱装置１００およびそれを用いた加熱方法について、図面を参照して説明する。図１は、本開示の一実施形態に係る加熱装置１００を示す断面図である。図２は、図１に示す加熱装置１００を上方からみた平面図である。
　本実施形態の加熱装置１００は、強化繊維と熱可塑性樹脂を含む複数のシート状の複合材料２０１～２０６を含む積層体２００を加熱することにより、複数の複合材料２０１～２０６を密着させる装置である。加熱装置１００は、内部に配置される加熱機構１２により複合材料に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱する。
　ここで軟化温度Ｔｓは、外力を付与することにより熱可塑性樹脂が変形可能となる温度であり、複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂の融点をＴｍとした場合、以下の式（１）で示される。
　Ｔｓ＝Ｔｍ－Ｔｔｈ　　　　　　（１）
　Ｔｔｈは、熱可塑性樹脂の種類に応じて予め定められる温度であり、例えば、３０℃である。
　図１に示すように、積層体２００は、シート状の六層の複合材料２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６を積層したものである。積層体２００は、例えば、平坦形状を有するが、任意の曲面形状を有するものであってもよい。複合材料２０１～２０６のそれぞれは、繊維基材（例えば、炭素繊維）と熱可塑性樹脂を含む。加熱装置１００は、積層体２００を加圧した状態で軟化点以上に加熱することにより、複合材料２０１～２０６のそれぞれを密着させる。
　複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂は、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に示すように、本実施形態の加熱装置１００は、加熱部１０と、冷却部２０と、加圧部３０と、を備える。
　加熱部１０は、積層体２００の上面２００ａと接触する接触面（第１接触面）１１ａを有する加熱用筐体１１と、加熱用筐体１１の内部に配置される加熱機構１２と、を有する。加熱部１０は、積層体２００の上面２００ａに接触する接触面１１ａを介して、接触面１１ａに接触する積層体２００に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱する。
　加熱用筐体１１は、下方に接触面１１ａを有するとともに加熱機構１２が発生する熱を接触面１１ａに伝達可能な熱伝導性を有する材料（例えば、鉄系合金、アルミ系合金、セラミックス）により形成される中実の筐体である。加熱機構１２は、加熱用筐体１１を加熱する加熱源を有する。加熱源は、例えば、加熱用筐体１１の内部に配置される抵抗線に電流を流すことにより抵抗線を発熱させて加熱用筐体１１を加熱する電熱ヒータである。
　冷却部２０は、積層体２００の上面２００ａと接触する接触面（第２接触面）２１ａを有する冷却用筐体２１と、冷却用筐体２１の内部に配置される冷却機構２２と、を有する。冷却部２０は、積層体２００の上面２００ａに接触する接触面２１ａを介して、接触面２１ａの外側に位置する積層体２００に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ未満に冷却する。
　冷却用筐体２１は、下方に接触面２１ａを有するとともに接触面２１ａから冷却機構２２に熱を伝達可能な熱伝導性を有する材料（例えば、鉄系合金、アルミ系合金、セラミックス）により形成される中実の筐体である。冷却機構２２は、冷却用筐体２１の内部に配置される冷却配管に熱交換媒体（例えば、水）を流通させることにより冷却用筐体２１と冷却媒体との間で熱交換を行わせる機構である。
　図１および図２に示すように、加熱用筐体１１は平面視が矩形状に形成され、冷却用筐体２１は加熱用筐体１１に接触した状態で加熱用筐体１１の全周を取り囲むように配置されている。同様に、冷却用筐体２１の接触面２１ａは、加熱用筐体１１の接触面１１ａの全周を取り囲むように配置されている。図２に示すように、冷却用筐体２１の外形は矩形状である。
　図２に示す例では、加熱用筐体１１は平面視が矩形状に形成され、冷却用筐体２１の外形は矩形状であるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図２に点線で示す加熱部１０Ａおよび冷却部２０Ａとしてもよい。加熱部１０Ａの加熱用筐体１１Ａは楕円形状に形成され、冷却部２０Ａの冷却用筐体２１Ａの外形が楕円形状に形成される。また、楕円形状に替えて真円形状としてもよい。
　加圧部３０は、加熱部１０の接触面１１ａおよび冷却部２０の接触面２１ａを介して積層体２００に所定の加圧力を付与する機構である。設置型３００は、積層体２００の複数の複合材料２０１～２０６を加熱装置１００により密着するために、積層体２００を設置する型である。
　加圧部３０は、加圧方向ＰＤに沿って、積層体２００の上面２００ａと直交する方向に加圧力を付与する。加圧部３０は、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａを加圧する加圧状態（図１に実線で示す状態）と、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａから離間した非加圧状態（図１に点線で示す状態）とを切り替えることができる。
　加圧部３０により加圧した状態で加熱部１０による加熱を行うことにより、積層体２００の複数の複合材料２０１～２０６を密着させることができる。また、積層体２００を軟化温度Ｔｓ以上の温度から軟化温度Ｔｓ未満の温度に冷却する際に、加圧部３０による加圧を継続することにより、複数の複合材料２０１～２０６が密着した状態を維持することができる。
　次に、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａを加圧する加圧状態における積層体２００の上面２００ａの温度分布について説明する。図３は、図１に示す積層体２００の上面２００ａの水平方向ＨＤの各位置における温度を示すグラフである。図１に示すように、水平方向ＨＤは、積層体２００の上面２００ａが配置される方向に沿った方向である。
　図１に示す位置ｘ１は、水平方向ＨＤにおいて、冷却用筐体２１の接触面２１ａと積層体２００の上面２００ａとの接触が開始する位置である。すなわち、位置ｘ１の左方側は接触面２１ａが接触しない領域である。位置ｘ２は、水平方向ＨＤにおいて、接触面２１ａから接触面１１ａに切り替わる位置である。位置ｘ３は、水平方向ＨＤにおいて、接触面１１ａから接触面２１ａに切り替わる位置である。位置ｘ４は、水平方向ＨＤにおいて、冷却用筐体２１の接触面２１ａと積層体２００の上面２００ａとの接触が終了する位置である。すなわち、位置ｘ４の右方側は接触面２１ａが接触しない領域である。
　本実施形態の加熱装置１００は、積層体２００の上面２００ａの接触面１１ａと接触する領域が軟化温度Ｔｓよりも高い温度Ｔ２以上に加熱されるように、加熱部１０の加熱機構１２を調整する。図３に示すように、積層体２００の上面２００ａの接触面１１ａと接触する領域（位置ｘ２から位置ｘ３に至る領域）は、温度Ｔ２以上に維持される。
　一方、本実施形態の加熱装置１００は、積層体２００の上面２００ａの接触面１１ａと接触する領域の外側の領域が、軟化温度Ｔｓよりも低い温度Ｔ１以下に冷却されるように、冷却部２０の冷却機構２２を調整する。図３に示すように、積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａの外側の領域（位置ｘ１よりも左方の領域、位置ｘ４よりも右方の領域）は、温度Ｔ１以下に維持される。
　このように、本実施形態の加熱装置１００は、加熱部１０が発生する熱量と、冷却部２０の冷却機構２２が吸収する熱量とを調整することにより、積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａの外側の領域を温度Ｔ１以下に維持する。図３に示すように、冷却部２０の接触面２１ａと接触する積層体２００の領域（位置ｘ１から位置ｘ２に至る領域、位置ｘ３から位置ｘ４に至る領域）において軟化温度Ｔｓとなる領域が出現する。
　ここで、図３に一点鎖線で示す比較例について説明する。図３に示す比較例は、冷却部２０の冷却機構２２に冷却媒体を流通させない状態とした場合の積層体２００の上面２００ａの水平方向ＨＤの各位置における温度を示す。図３に示す比較例では、冷却部２０は積層体２００の上面２００ａを冷却する能力を持たない。
　図３に示す比較例では、積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａと接触する領域の外側の領域（位置ｘ１よりも左方の領域および位置ｘ４よりも右方の領域）の一部が軟化温度Ｔｓよりも高い温度となっている。積層体２００の上面２００ａの接触面２１ａと接触する領域の外側で、かつ軟化温度Ｔｓよりも高い温度となる領域は、接触面２１ａにより加圧されない領域である。そのため、軟化温度Ｔｓよりも高い温度となった積層体２００の上面２００ａに膨張等の変形が生じる可能性がある。
　次に、加熱装置１００を積層体２００の上面２００ａで移動させる際の移動方法について説明する。図４は、図１に示す加熱装置を積層体２００の上面で移動させる際の移動経路の一例を示す平面図である。図４において、ｘ軸およびｙ軸は、互いに直交するとともに積層体２００の上面２００ａに平行な軸線である。
　図４に示すように、本実施形態においては、移動機構（図示略）を用いて、加熱装置１００を位置ｐ１，位置ｐ２，位置ｐ３，位置ｐ４，位置ｐ５，位置ｐ６，位置ｐ７，位置ｐ８，位置ｐ９の順に、実線に沿って移動させる。移動機構は、位置ｐ１から位置ｐ２に加熱装置１００を移動させる際は、加熱装置１００をｘ軸と平行に移動させる。位置ｐ３から位置ｐ４，位置ｐ５から位置ｐ６，位置ｐ７から位置ｐ８，位置ｐ９から位置ｐ１０への移動も同様である。
　移動機構は、位置ｐ２から位置ｐ３に加熱装置１００を移動させる際は、加熱装置１００をｙ軸と平行に移動させる。位置ｐ４から位置ｐ５，位置ｐ６から位置ｐ７，位置ｐ８から位置ｐ９への移動も同様である。このように、図４に示す例では、ｘ軸に沿った移動と、ｘ軸に直交するｙ軸に沿った移動とを交互に繰り返すことにより、加熱装置１００を蛇行させながら積層体２００の各位置を加熱するように移動させる。
　図４に示す移動経路は、ｘ軸に沿った移動と、ｘ軸に直交するｙ軸に沿った移動とを交互に繰り返すものであったが、他の態様であってもよい。加熱装置１００の移動経路は、積層体２００の各領域を加熱部１０の接触面１１ａにより所定時間以上に渡って加熱できるものであれば、任意の移動経路としてもい。
　図５は、図１に示す加熱装置１００を積層体２００の上面２００ａで隣接する位置に移動させる際の移動方向の一例を示す断面図である。位置ｐＡは、現在の加熱装置１００が配置される中心位置を示す。位置ｐＤは、加熱装置１００を現在の位置から隣接する位置に移動させた際の加熱装置１００の中心位置を示す。
　加熱装置１００を位置ｐＡから位置ｐＤに移動させる際は、例えば、接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａに接触した状態を維持したまま、位置ｐＡから位置ｐＤに直接的に移動させることができる。また、例えば、加熱装置１００を位置ｐＡの上方の位置ｐＢへ移動させて接触面１１ａおよび接触面２１ａが積層体２００の上面２００ａから離間するようにしてもよい。この場合、移動機構（図示略）は、位置ｐＢから位置ｐＤの上方の位置ｐＣへ加熱装置１００を移動させた後、位置ｐＣから位置ｐＤへ加熱装置１００を移動させる。
　加熱装置１００により積層体２００の上面２００ａを位置ｐＡで加熱した後、隣接する位置ｐＤに移動させる前には、接触面１１ａおよび接触面２１ａに接触する領域を加圧しながら冷却して積層体２００の上面２００ａを固化させる。例えば、加圧部３０による加圧力の付与を維持したまま、加熱装置１００の加熱機構１２による加熱を停止させることにより、積層体２００の上面２００ａを軟化温度Ｔｓ未満の温度となるように冷却する。
　また、加熱部１０の内部に冷却機構（図示略）を設けておき、加熱装置１００を用いて接触面１１ａに接触する積層体２００の上面２００ａを冷却する際に、接触面１１ａを冷却機構により冷却するようにしてもよい。また、例えば、加熱装置１００を取り外し、他の冷却型（図示略）で積層体２００の上面２００ａを加圧しながら冷却してもよい。
　本実施形態の加熱装置１００を用いた加熱方法では、加熱部１０により接触面１１ａに接触する積層体２００の上面２００ａを加熱する加熱工程と、冷却部２０により接触面２１ａに接触する積層体２００の上面２００ａを冷却する冷却工程と、接触面１１ａおよび接触面２１ａを介して積層体２００に所定の加圧力を付与する加圧工程とが、同時に実行される。
〔第１変形例〕
　次に、図１に示す加熱装置１００の第１変形例について図６を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ａは、加熱機構１２Ａが、積層体２００に含まれる強化繊維に電流を発生させて積層体２００を発熱させる誘導コイルを有する点が図１に示す加熱装置１００と異なる。
　図６に示す加熱機構１２Ａは、交流電源（図示略）から供給される所定周波数の交流電流により周囲に磁力線を発生させ、近接する位置に配置される導電性を有する強化繊維に電流を発生させる誘導コイルを有する。図６に示す積層体２００に含まれる複合材料２０１～２０６は、導電性を有する強化繊維（例えば、炭素繊維）を有する。
　誘導コイルは、積層体２００を加熱することにより複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱する。複合材料２０１～２０６が接触し、かつ加圧された状態で配置されているため、これらに含まれる熱可塑性樹脂が軟化温度Ｔｓ以上に加熱されると、軟化した熱可塑性樹脂が一体化し、複合材料２０１～２０６が密着する。
〔第２変形例〕
　次に、図１に示す加熱装置１００の第２変形例について図７を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｂは、加熱機構１２Ｂが、加熱用筐体１１に振動を発生させることにより積層体２００を発熱させる超音波振動子を有する点が図１に示す加熱装置１００と異なる。
　超音波振動子は、積層体２００を超音波により振動させることにより、複合材料２０１～２０６に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に発熱させる。複合材料２０１～２０６が接触し、かつ加圧された状態で配置されているため、これらに含まれる熱可塑性樹脂が軟化温度Ｔｓ以上に加熱されると、軟化した熱可塑性樹脂が一体化し、複合材料２０１～２０６が密着する。
〔第３変形例〕
　次に、図１に示す加熱装置１００の第３変形例について図８を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｃは、冷却用筐体２１が断熱材４０を挟んだ状態で加熱用筐体１１を取り囲むように配置される点が、図１に示す加熱装置１００と異なる。
　断熱材４０は、冷却用筐体２１と加熱用筐体１１との間で熱交換される熱量を減少させる部材である。断熱材を冷却用筐体２１と加熱用筐体１１との間に配置することにより、例えば、所望の冷却性能を得るために必要な冷却機構２２の冷却能力を低くし、冷却部２０を小型化することができる。
〔第４変形例〕
　次に、図１に示す加熱装置１００の第４変形例について図９を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｄは、冷却用筐体２１の外部に、冷却用気体を噴射して冷却用筐体２１を冷却する冷却機構２２Ｄを有する点が、図１に示す加熱装置１００と異なる。
　冷却機構２２Ｄは、冷却用気体ＣＧを冷却用筐体２１に向けて噴射して冷却用筐体２１を冷却する機構である。冷却用気体ＣＧは、例えば、常温の空気である。冷却機構２２Ｄにより噴射された冷却用気体ＣＧは、冷却用筐体２１および冷却用筐体２１に隣接する積層体２００の上面２００ａを冷却する。
　なお、図１に示す加熱装置１００、図６に示す加熱装置１００Ａ、図７に示す加熱装置１００Ｂ、および図９に示す加熱装置１００Ｄでは、加熱用筐体１１および冷却用筐体２１を、互いに分離した別体の筐体としたが、他の態様であってもよい。例えば、加熱用筐体１１および冷却用筐体２１を、単一材料（例えば、鉄系合金、アルミ系合金、セラミックス）により一体に形成してもよい。
〔第５変形例〕
　次に、図１に示す加熱装置１００の第５変形例について図１０を参照して説明する。本変形例にかかる加熱装置１００Ｅは、加熱部１０が有する加熱機構１２Ｅが、加熱用筐体１１に接触した接触状態と加熱用筐体１１から離間した非接触状態とを切り替え可能である点が、図１に示す加熱装置１００と異なる。
　図１０に示すように、加熱機構１２Ｅは、接触面１１ａを有する加熱用筐体１１に接触して配置される機構である。加熱用筐体１１および冷却用筐体２１は、単一材料により一体に形成されている。加熱機構１２Ｅは、加熱用筐体１１に接触した接触状態（図１０に実線で示す状態）と加熱用筐体１１から離間した非接触状態（図１０に点線で示す状態）とを切り替え可能な機構である。加熱機構１２Ｅの内部には、加熱用筐体１１が接触した状態で加熱用筐体１１を加熱する加熱源（図示略）が配置されている。
　加熱装置１００Ｅは、積層体２００の上面２００ａを加熱する際には、加熱機構１２Ｅが加熱用筐体１１に接触した接触状態とし、加熱機構１２Ｅにより加熱用筐体１１を加熱する。一方、加熱装置１００Ｅは、積層体２００の上面２００ａを冷却する際には、加熱用筐体１１の接触面１１ａを積層体２００の上面２００ａに接触させたまま、加熱機構１２Ｅを加熱用筐体１１から離間した非接触状態とする。加熱機構１２Ｅを加熱用筐体１１から離間させることにより、加熱機構１２Ｅから加熱用筐体１１への伝熱量が減少し、積層体２００の上面２００ａの冷却が促進する。
〔第１変形例から第５変形例の組み合わせ〕
　以上において、図１に示す加熱装置１００の第１変形例から第５変形例について説明したが、図１に示す加熱装置１００に対して第１変形例から第５変形例に含まれる複数の変形例を組み合わせてもよい。例えば、第１変形例の加熱装置１００Ａまたは第２変形例の加熱装置１００Ｂに第３変形例を適用し、冷却用筐体２１が断熱材４０を挟んだ状態で加熱用筐体１１を取り囲むように配置されるようにしてもよい。
　また、例えば、第１変形例の加熱装置１００Ａ、第２変形例の加熱装置１００Ｂ、第３変形例の加熱装置１００Ｃ、第５変形例の加熱装置１００Ｅに第４変形例を適用し、冷却用筐体２１の外部に、冷却用気体を噴射して冷却用筐体２１を冷却する冷却機構２２Ｄを有するようにしてもよい。
〔その他の変形例〕
　以上の説明において、積層体２００を密着させる際に、積層体２００を設置型３００に設置し、積層体２００の上面２００ａを加熱装置１００により加熱しつつ加圧するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１１に示すように、一対の加熱装置１００により積層体２００の上面２００ａおよび下面２００ｂを加熱および加圧するようにしてもよい。図１１は、一対の加熱装置１００により積層体２００の上面２００ａおよび下面２００ｂを加熱および加圧する例を示す図である。
　図１１では、積層体２００の上面２００ａを一方の加熱装置１００で加熱し、積層体２００の下面２００ｂを他方の加熱装置１００で加熱する。一方の加熱装置１００は積層体２００の上面２００ａを下方に向けた加圧方向ＰＤ１に沿って加圧し、他方の加熱装置１００は積層体２００の下面２００ｂを上方に向けた加圧方向ＰＤ２に沿って加圧する。このようにすることで、積層体２００の上面２００ａおよび下面２００ｂを同時に加熱および加圧して、複数の複合材料２０１～２０６を密着させることができる。
　以上の説明において、加熱装置１００は、互いに密着していない複数の複合材料２０１～２０６を積層した積層体２００を加熱および加圧するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１２に示すように、積層体２００と積層体４００とを、加熱装置１００により融着させるようにしてもよい。図１２は、加熱装置１００により複数の積層体２００，４００を融着させる例を示す断面図である。
　図１２に示す積層体２００は、予め複合材料２０１，２０２，２０３を密着させたものである。また、積層体４００は、予め複合材料４０１，４０２，４０３を密着させたものである。図１２に示す例では、予め複合材料２０１，２０２，２０３を密着させた積層体２００と、予め複合材料４０１，４０２，４０３を密着させた積層体４００を接触した状態で配置する。加熱装置１００は、積層体２００の上面２００ａを加熱することにより、積層体２００と積層体４００とが接触する面の近傍の熱可塑性樹脂を軟化温度Ｔｓ以上に加熱し、積層体２００と積層体４００とを融着させる。
　図１２に示す例において、加熱装置１００の加熱機構１２は、図６に示す誘導コイルを有する加熱機構１２Ａとしてもよい。この場合、積層体２００と積層体４００との間に、電磁誘導加熱を促進する発熱助体（サセプタ）を配置するのが好ましい。積層体２００と積層体４００との間に配置される発熱助体に誘導電流を生じさせることにより、積層体２００と積層体４００との接触部分の加熱を促進させることができる。
　以上説明した実施形態に記載の融着装置は、例えば以下のように把握される。
　本開示に係る加熱装置（１００）は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料（２０１～２０６）を含む積層体（２００）を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面（１１ａ）を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度（Ｔｓ）以上に加熱する加熱部（１０）と、前記積層体に接触する第２接触面（２１ａ）を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却部（２０）と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧部（３０）と、を備え、前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている。
　本開示に係る加熱装置によれば、加熱部が、第１接触面を介して積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料を軟化温度以上に加熱し、第１接触面を介して積層体に所定の加圧力が付与される。第１接触面と接触する積層体の領域は、加圧された状態で加熱されるため、膨張等の変形が生じることが防止される。
　また、本開示に係る加熱装置によれば、第２接触面と接触する積層体の領域は、第１接触面を介して加熱された積層体から熱が伝達されて加熱されるが、第２接触面を介して所定の加圧力が付与される。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に膨張等の変形が生じることが防止される。
　さらに、本開示に係る加熱装置によれば、冷却部が第２接触面の外側に位置する積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料の軟化温度未満に冷却する。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に伝達された熱により、第２接触面よりもさらに外側に配置される積層体の領域が軟化温度以上に加熱されることが防止される。これにより、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することができる。
　本開示に係る加熱装置において、前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体（１１）と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構（１２）と、を有し、前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体（２１）と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構（２２）と、を有し、前記冷却用筐体は、断熱材（４０）を挟んだ状態で前記加熱用筐体を取り囲むように配置される構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、冷却機構により冷却される冷却用筐体が、断熱材を挟んだ状態で加熱機構により加熱される加熱用筐体を取り囲むように配置される。そのため、断熱材を設けない場合に比べて冷却用筐体と加熱用筐体との間で熱交換される熱量が減少する。これにより、例えば、所望の冷却性能を得るために必要な冷却機構の冷却能力を低くし、冷却部を小型化することができる。
　本開示に係る加熱装置において、前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体（１１）と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構（１２）と、を有し、前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体（２１）と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構（２２）と、を有し、前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されている構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、加熱用筐体および冷却用筐体が単一材料により一体に形成されているため、加熱用筐体および冷却用筐体を別体とする場合に比べ、加熱用筐体と冷却用筐体との間に熱可塑性樹脂が侵入する等の不具合が生じることがない。
　上記構成に係る加熱装置において、前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体（１１）と、前記加熱用筐体に接触して配置される加熱機構（１２Ｅ）と、を有し、前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体（２１）と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構（２２）と、を有し、前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されており、前記加熱機構が前記加熱用筐体に接触した接触状態と前記加熱用筐体から離間した非接触状態とを切り替え可能である構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、加熱用筐体および冷却用筐体が単一材料により一体に形成されているため、加熱用筐体および冷却用筐体を別体とする場合に比べ、加熱用筐体と冷却用筐体との間に熱可塑性樹脂が侵入する等の不具合が生じることがない。また、加熱機構が加熱用筐体から離間した非接触状態に切り替えることにより、加熱機構による加熱を停止して積層体を加圧しながら冷却する際の冷却速度が向上する。
　上記構成に係る加熱装置において、前記加熱機構は、前記加熱用筐体を加熱する加熱源を有する構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、加熱源を介して加熱用筐体を加熱することにより、第１接触面に接触する複合材料に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱することができる。
　上記構成に係る加熱装置において、前記加熱機構は、前記加熱用筐体に振動を発生させることにより前記積層体を発熱させる超音波振動子を有する構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、超音波振動子により加熱用筐体に振動を発生させて積層体を発熱させることにより、第１接触面に接触する積層体に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱することができる。
　上記構成に係る加熱装置において、前記加熱機構は、前記積層体に含まれる前記強化繊維に電流を発生させて前記積層体を発熱させる誘導コイルを備える構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、誘導コイルにより積層体に含まれる強化繊維に電流を発生させて積層体を発熱させることにより、第１接触面に接触する積層体に含まれる熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱することができる。
　上記構成に係る加熱装置において、前記冷却機構は、冷却用気体を噴射して前記冷却用筐体（２１）を冷却する構成が好ましい。
　本構成に係る加熱装置によれば、冷却用気体を噴射して冷却用筐体を冷却することにより、積層体に接触した状態で配置される第２接触面を軟化温度未満に冷却することができる。
　以上説明した各実施形態に記載の加熱方法は、例えば以下のように把握される。
　本開示に係る加熱方法は、強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料（２０１～２０６）を含む積層体（２００）を加熱し、前記積層体に接触する第１接触面（１１ａ）を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度（Ｔｓ）以上に加熱する加熱工程と、前記積層体に接触する第２接触面（２１ａ）を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却工程と、前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧工程と、を備え、前記加熱工程を実行する際に、前記冷却工程および前記加圧工程が同時に実行され、前記冷却面は、前記加熱面を取り囲むように配置されている。
　本開示に係る加熱方法によれば、加熱工程において、第１接触面を介して積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料を軟化温度以上に加熱し、加熱工程と同時に実行される加圧工程において、第１接触面を介して積層体に所定の加圧力が付与される。第１接触面と接触する積層体の領域は、加圧された状態で加熱されるため、膨張等の変形が生じることが防止される。
　また、本開示に係る加熱方法によれば、加熱工程において、第２接触面と接触する積層体の領域は、第１接触面を介して加熱された積層体から熱が伝達されて加熱されるが、加圧工程において、第２接触面を介して所定の加圧力が付与される。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に膨張等の変形が生じることが防止される。
　さらに、本開示に係る加熱方法によれば、加熱工程と同時に実行される冷却工程において、第２接触面の外側に位置する積層体に含まれる熱可塑性樹脂材料の軟化温度未満に冷却する。そのため、第２接触面と接触する積層体の領域に伝達された熱により、第２接触面よりもさらに外側に配置される積層体の領域が軟化温度以上に加熱されることが防止される。これにより、積層体の一部の領域が加圧されない状態で加熱されて膨張等の変形が生じてしまうことを防止することができる。
１０，１０Ａ　加熱部
１１，１１Ａ　加熱用筐体
１１ａ　　接触面（第１接触面）
１２，１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｅ　加熱機構
２０，２０Ａ　冷却部
２１，２１Ａ　冷却用筐体
２１ａ　　接触面（第２接触面）
２２，２２Ｄ　冷却機構
３０　　　加圧部
４０　　　断熱材
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ，１００Ｄ，１００Ｅ　加熱装置
２００，４００　積層体
２００ａ　上面
２００ｂ　下面
２０１，２０２，２０３，２０４，２０５，２０６，４０１，４０２，４０３　複合材料
３００　　設置型
４００　　積層体
ＣＧ　　　冷却用気体
ＨＤ　　　水平方向
ＰＤ，ＰＤ１，ＰＤ２　加圧方向
Ｔｓ　　　軟化温度
 

Claims (9)

  1. 　強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する加熱装置であって、
    　前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱部と、
    　前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却部と、
    　前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧部と、を備え、
    　前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている加熱装置。
  2. 　前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構と、を有し、
    　前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構と、を有し、
    　前記冷却用筐体は、断熱材を挟んだ状態で前記加熱用筐体を取り囲むように配置される請求項１に記載の加熱装置。
  3. 　前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体と、前記加熱用筐体の内部に配置される加熱機構と、を有し、
    　前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構と、を有し、
    　前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されている請求項１に記載の加熱装置。
  4. 　前記加熱部は、前記第１接触面を有する加熱用筐体と、前記加熱用筐体に接触して配置される加熱機構と、を有し、
    　前記冷却部は、前記第２接触面を有する冷却用筐体と、前記冷却用筐体を冷却する冷却機構と、を有し、
    　前記加熱用筐体および前記冷却用筐体は、単一材料により一体に形成されており、
    　前記加熱機構が前記加熱用筐体に接触した接触状態と前記加熱用筐体から離間した非接触状態とを切り替え可能である請求項１に記載の加熱装置。
  5. 　前記加熱機構は、前記加熱用筐体を加熱する加熱源を有する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
  6. 　前記加熱機構は、前記加熱用筐体に振動を発生させることにより前記積層体を発熱させる超音波振動子を有する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
  7. 　前記加熱機構は、前記積層体に含まれる前記強化繊維に電流を発生させて前記積層体を発熱させる誘導コイルを有する請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の加熱装置。
  8. 　前記冷却機構は、冷却用気体を噴射して前記冷却用筐体を冷却する請求項２から請求項７のいずれか一項に記載の加熱装置。
  9. 　強化繊維と熱可塑性樹脂とを含む複数のシート状の複合材料を含む積層体を加熱する加熱方法であって、
    　前記積層体に接触する第１接触面を介して、該第１接触面に接触する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を軟化温度以上に加熱する加熱工程と、
    　前記積層体に接触する第２接触面を介して、該第２接触面の外側に位置する前記積層体に含まれる前記熱可塑性樹脂を前記軟化温度未満に冷却する冷却工程と、
    　前記第１接触面および前記第２接触面を介して前記積層体に所定の加圧力を付与する加圧工程と、を備え、
    　前記加熱工程を実行する際に、前記冷却工程および前記加圧工程が同時に実行され、
    　前記第２接触面は、前記第１接触面を取り囲むように配置されている加熱方法。
     
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