(57)【要約】  複合材料にボイドが発生することを抑制して、複合材料の機械的特性や外観品質を向上させることができる複合材料の成形方法および複合材料の成形装置を提供する。複合材料（１０）の製造方法は、強化基材（１１）を配置したキャビティ（２５０）と、キャビティの外周と連通する外周領域（２６０）と、を含むシール領域（２７０）を第１のシール部材（３１０）によって気密に封止する。そして、外周領域から気体を吸引して、シール領域内の気体を排気する動作を開始し、キャビティ内の一部に樹脂（１２）を注入する。次に、成形型（２００）を型締めして、樹脂を押圧してキャビティ内に充填しつつ、キャビティと外周領域との間を第２のシール部材（３２０）によって液密に封止する。その後、外周領域から気体を吸引する動作を停止する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の型と、前記第１の型との間にキャビティを形成する第２の型と、を備える成形型の前記キャビティに強化基材を配置し、
前記第１の型を前記第２の型に対して相対的に接近させて、前記キャビティと、前記キャビティの外周と連通する外周領域と、を含むシール領域を第１のシール部材によって気密に封止し、
前記外周領域から気体を吸引して、前記シール領域内の気体を排気する動作を開始し、
前記キャビティ内の一部に樹脂を注入し、
前記第１の型を前記第２の型に対して相対的にさらに接近させて前記成形型を型締めし、前記樹脂を押圧して前記キャビティ内に充填しつつ、前記キャビティと前記外周領域との間を第２のシール部材によって液密に封止し、
前記外周領域から気体を吸引する動作を停止する複合材料の成形方法。
【請求項２】
前記第１のシール部材および前記第２のシール部材は、前記第１の型と前記第２の型が対向する面のうち、前記第１の型と前記第２の型が相対的に接近する型締め方向に沿う面に配置される請求項１に記載の複合材料の成形方法。
【請求項３】
前記第１の型は、上型であり、
前記第２の型は、下型であり、
前記外周領域から気体を吸引する際に、前記上型のうち、前記外周領域の上側に配置された排気口を介して気体を吸引し、
前記成形型を型締めした状態で、前記外周領域の体積は、前記キャビティ内に注入する前記樹脂の体積よりも大きい請求項１または請求項２に記載の複合材料の成形方法。
【請求項４】
前記上型は、上側に向かって凹んだ形状を有する凹部を有し、
前記下型は、前記凹部との間に前記キャビティを形成する凸部を有する請求項３に記載の複合材料の成形方法。
【請求項５】
前記キャビティ内の一部に前記樹脂を注入する際に、前記上型に配置された注入口を介して前記樹脂を注入する請求項３または請求項４に記載の複合材料の成形方法。
【請求項６】
前記強化基材は、繊維基材にバインダ樹脂を塗布したのち前記バインダ樹脂を硬化させてなり、
前記バインダー樹脂の樹脂軟化点は、前記成形型の温度以上である請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合材料の成形方法。
【請求項７】
前記バインダー樹脂は、熱硬化性エポキシ樹脂である請求項６に記載の複合材料の成形方法。
【請求項８】
第１の型と、前記第１の型との間にキャビティを形成する第２の型と、を備える成形型と、
前記第１の型と前記第２の型との間に、前記キャビティと、前記キャビティの外周と連通する外周領域と、を含むシール領域を気密に封止する第１のシール部材と、
前記キャビティと前記外周領域との間を液密に封止する第２のシール部材と、
前記外周領域から気体を吸引して、前記シール領域内を排気する排気部と、
前記キャビティ内に樹脂を注入する樹脂注入部と、
前記成形型、前記排気部および前記樹脂注入部の作動を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、
前記第１の型と前記第２の型を相対的に接近させて、前記第１のシール部材によって前記シール領域を気密に封止し、
前記排気部の作動を制御して、前記シール領域内の気体を排気する動作を開始し、
前記樹脂注入部の作動を制御して、前記キャビティ内に前記樹脂を注入し、
前記第１の型を前記第２の型に対して相対的にさらに接近させて前記成形型を型締めし、前記樹脂を押圧して前記キャビティ内に充填しつつ、前記キャビティと前記外周領域との間を前記第２のシール部材によって液密に封止し、
前記外周領域から気体を吸引する動作を停止する複合材料の成形装置。
【請求項９】
前記第１のシール部材および前記第２のシール部材は、前記第１の型と前記第２の型が対向する面のうち、前記第１の型と前記第２の型が相対的に接近する型締め方向に沿う面に配置される請求項８に記載の複合材料の成形装置。
【請求項１０】
前記第１の型は、上型であり、
前記第２の型は、下型であり、
前記排気部は、前記上型のうち、前記外周領域の上側に配置された排気口と連通し、
前記成形型を型締めした状態で、前記外周領域の体積は、前記キャビティ内に注入する前記樹脂の体積よりも大きい請求項８または請求項９に記載の複合材料の成形装置。
【請求項１１】
前記上型は、上側に向かって凹んだ形状を有する凹部を有し、
前記下型は、前記凹部との間に前記キャビティを形成する凸部を有する請求項１０に記載の複合材料の成形装置。
【請求項１２】
前記樹脂注入部は、前記上型に配置された注入口と連通する請求項１０または請求項１１に記載の複合材料の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料の成形方法および複合材料の成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自動車の車体軽量化のために、強化基材に樹脂を含浸させた複合材料が自動車部品として用いられている。複合材料の成形方法として、量産化に適したＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法が注目されている。【０００３】
ＲＴＭ成形法にあっては、まず強化基材を成形型内のキャビティに配置し、排気口を介してキャビティ内の気体を排気して減圧（略真空）状態にする。その後、キャビティ内に樹脂を注入し、強化基材に樹脂を含浸させて、樹脂を硬化させることによって、複合材料を形成する。キャビティ内に樹脂を注入する前に、キャビティ内を減圧状態にすることによって、強化基材に樹脂を含浸し易くすることができる。【０００４】
上記のようなＲＴＭ成形法では、減圧状態のキャビティ内に樹脂を注入するため、注入した樹脂が排気口に流れ込む場合がある。これにより、排気の吸引力が低下したり、キャビティ内の樹脂の量が不足して強化基材に樹脂の未含浸部位が生じたりする可能性がある。【０００５】
例えば、下記特許文献１には、注入した樹脂が排気口に流れ込むことを防止するために、２重シールを設けた成形型を使用した複合材料の成形方法が開示されている。特許文献１に記載された複合材料の成形方法では、まずキャビティと、キャビティの外周と連通する外周領域と、を含むシール領域を第１のシール部材によって封止して、外周領域に配置された排気口から気体を排気してシール領域内を減圧状態にする。次に、第２のシール部材によってキャビティと外周領域との間を封止し、キャビティ内に樹脂を注入して充填させる。これにより、キャビティ内に注入した樹脂が第２のシール部材によって堰き止められるため、注入した樹脂が排気口に流れ込むことを防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第５８７６７９１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献１の複合材料の成形方法では、キャビティと外周領域との間を封止した後に、キャビティ内への樹脂の注入を開始するため、樹脂中に含まれる気体を取り除くことができない。これにより、成形品である複合材料にボイドが発生して、成形品の機械的特性や外観品質が低下してしまう場合があった。【０００８】
本発明は、複合材料にボイドが発生することを抑制して、複合材料の機械的特性や外観品質を向上させることができる複合材料の成形方法および複合材料の成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形方法は、まず、第１の型と、前記第１の型との間にキャビティを形成する第２の型と、を備える成形型の前記キャビティに強化基材を配置する。次に、前記第１の型を前記第２の型に対して相対的に接近させて、前記キャビティと、前記キャビティの外周と連通する外周領域と、を含むシール領域を第１のシール部材によって気密に封止する。そして、前記外周領域から気体を吸引して、シール領域内の気体を排気する動作を開始し、前記キャビティ内の一部に樹脂を注入する。前記第１の型を前記第２の型に対して相対的にさらに接近させて前記成形型を型締めして、前記樹脂を押圧して前記キャビティ内に充填しつつ、前記キャビティと前記外周領域との間を第２のシール部材によって液密に封止する。その後、前記外周領域から気体を吸引する動作を停止する。【００１０】
上記目的を達成する本発明に係る複合材料の成形装置は、成形型と、第１のシール部材と、第２のシール部材と、排気部と、樹脂注入部と、制御部と、を有する。前記成形型は、第１の型と、前記第１の型との間に前記キャビティを形成する第２の型と、を備える。前記第１のシール部材は、前記第１の型と前記第２の型との間に、前記キャビティと、前記キャビティの外周と連通する外周領域と、を含むシール領域を気密に封止する。前記第２のシール部材は、前記キャビティと前記外周領域との間を液密に封止する。前記排気部は、前記外周領域から気体を吸引して、前記シール領域内を排気する。前記樹脂注入部は、前記キャビティ内の一部に樹脂を注入する。前記制御部は、前記キャビティ内に前記樹脂を注入する樹脂注入部と、前記成形型、前記排気部および前記樹脂注入部の作動を制御する。前記制御部は、前記第１の型を前記第２の型に対して相対的に接近させて、前記第１のシール部材によって前記シール領域を気密に封止する。そして、前記排気部の作動を制御して、前記シール領域内の気体を排気する動作を開始し、前記樹脂注入部の作動を制御して、前記キャビティ内に前記樹脂を注入する。前記第１の型を前記第２の型に対して相対的にさらに接近させて前記成形型を型締めして、前記樹脂を押圧して前記キャビティ内に充填しつつ、前記キャビティと前記外周領域との間を前記第２のシール部材によって液密に封止する。その後、前記外周領域から気体を吸引する動作を停止する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明に係る複合材料の成形方法および複合材料の成形装置によれば、キャビティと外周領域との間を液密に封止する前に、キャビティと外周領域とが連通した状態で、外周領域から気体を吸引して、キャビティ内の気体を排気する。このため、キャビティに注入される樹脂に含まれる気体を、減圧状態の外周領域から排気口へ排気することができる。これにより、成形品である複合材料にボイドが発生することを抑制して、複合材料の機械的特性や外観品質を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施形態に係る複合材料の成形装置を説明するための図である。
【図２】本発明の実施形態に係る複合材料の成形方法を示すフローチャートである。
【図３Ａ】成形型に強化基材を配置した状態を模式的に示す図である。
【図３Ｂ】シール領域を気密に封止した状態を模式的に示す図である。
【図３Ｃ】成形型への樹脂の注入を模式的に示す図である。
【図３Ｄ】樹脂注入後に、成形型を型締めした状態を模式的に示す図である。
【図３Ｅ】成形品の脱型を模式的に示す図である。
【図４】注入口を下型に設けて樹脂を注入する比較例を模式的に示す図である。
【図５】強化基材の製造方法の一例を示す図である。
【図６】工程Ｓ５（図３Ｃ）における強化基材に対する樹脂の挙動を拡大して示す断面図である。
【図７】工程Ｓ５（図３Ｃ）における強化基材に対する樹脂の挙動を拡大して示す平面図である。
【図８】実施例及び比較例で使用したバインダ樹脂の温度に対する弾性率の特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明は特許請求の範囲に記載される技術的範囲や用語の意義を限定するものではない。また、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されて実際の比率と異なる場合がある。
【００１４】
（複合材料）
複合材料１０は、強化基材１１と、樹脂１２と、によって構成されている。強化基材１１および樹脂１２を組み合わせることにより、樹脂１２単体で構成される成形品に比べて高い強度および剛性を備えている。複合材料１０、強化基材１１及び樹脂１２の一例は、図３Ａ〜図３Ｅ及び図４に示す。
【００１５】
樹脂１２は、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂によって構成することができる。
【００１６】
強化基材１１は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等の織物シートを積層して構成することができる。図５は、強化基材１１の製造方法の一例を示す図である。強化基材１１は、図５（Ａ）に示すように、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等の織物シート１１１を所定の大きさに切断し、図５（Ｂ）に示すように、当該織物シート１１１を複数積層して繊維基材１１２とする。そして、この繊維基材１１２にバインダ樹脂１１３を塗布したのち、図５（Ｃ）に示すように、加熱プレス型Ｍ１，Ｍ２を用いて、バインダ樹脂１１３を硬化させると同時に所定の形状に賦形成形する。これにより、繊維基材１１２がバインダ樹脂１１３により賦形され、この状態の強化基材１１が、後述する下型２２０にセットされる形状となる。バインダ樹脂１１３としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂を用いることができる。特に、後述する樹脂１２の成形温度、具体的には上型２１０又は下型２２０の設定温度以上の軟化点Ｔｓｐを有する材料であることが望ましい。こうした材料としては、特に限定はされないが、熱硬化型エポキシ樹脂などを例示することができる。
【００１７】
（成形装置）
図１を参照して、本実施形態に係る複合材料１０の成形装置１００について説明する。
【００１８】
成形装置１００は、開閉自在な成形型２００と、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０と、排気部４００と、樹脂注入部５００と、制御部６００と、を有する。
【００１９】
以下、成形装置１００の各部の構成について詳細に説明する。
【００２０】
成形型２００は、接近及び離反移動が可能な一対の上型２１０（「第１の型」に相当）および下型２２０（「第２の型」に相当）を有する。また、上型２１０には、排気部４００と連通する排気口２３０と、樹脂注入部５００と連通する注入口２４０と、を設けている。成形型２００は、上型２１０と下型２２０との間にキャビティ２５０を形成する。
【００２１】
なお、本明細書において、「キャビティ２５０」とは、型締めした状態において、成形品である複合材料１０と略同様の形状を有する空洞（いわゆる、製品キャビティ）のことを意味する。また、下型２２０に対して、上型２１０が配置される側（図１中の上側）を「上側」と称し、上型２１０に対して、下型２２０が配置される側（図１中の下側）を「下側」と称する。
【００２２】
上型２１０は、下型２２０に対して近接及び離反移動が自在な可動型である。上型２１０は、上側に向かって凹んだ形状を有する凹部２１１と、凹部２１１を囲うように下側に向かって突出した形状を有する第１の縦壁部２１２と、凹部２１１および第１の縦壁部２１２の上側に連続して形成された基部２１３と、基部２１３の上側に配置された蓋部２１４と、を有する。上型２１０の蓋部２１４は、例えば、油圧シリンダー等を備える不図示の駆動装置と接続している。
【００２３】
凹部２１１には、キャビティ２５０を形成する第１の成形面２１１Ｓが形成されている。
【００２４】
基部２１３の外側面２１３Ｓには、第１の溝部２１３Ａが全周にわたって環状に形成されている。当該環状の第１の溝部２１３Ａには、同じく環状の第１のシール部材３１０が挿入されている。
【００２５】
第１の縦壁部２１２の外側面２１２Ｓには、第２の溝部２１２Ａが全周にわたって環状に形成されている。当該環状の第２の溝部２１２Ａには、同じく環状の第２のシール部材３２０が挿入されている。
【００２６】
下型２２０は、固定型である。下型２２０は、凹部２１１の第１の成形面２１１Ｓと協働して、凹部２１１との間にキャビティ２５０を形成する第２の成形面２２１Ｓが形成された凸部２２１と、凸部２２１および第１の縦壁部２１２を囲うように配置された第２の縦壁部２２２と、を有する。
【００２７】
第２の縦壁部２２２は、図１に示すように上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させた状態において、第１の縦壁部２１２の外側面２１２Ｓと対向するように形成された内側面２２２Ｓを有する。
【００２８】
第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０は、上型２１０と下型２２０が対向する面のうち、上型２１０と下型２２０が相対的に接近する型締め方向（図１の上下方向）に沿う面である第１の縦壁部２１２の外側面２１２Ｓおよび基部２１３の外側面２１３Ｓにそれぞれ配置される。このように、成形型２００は、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０が型締め方向の異なる位置に配置された縦摺り構造を有している。このため、上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させる動作によって、異なるタイミングで第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０のシール機能をそれぞれ発揮させることができる。
【００２９】
図３Ａに示す型開き状態から、図１、図３Ｂに示すように上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させた状態で、かつ、型締めする前の状態において、第１のシール部材３１０は、第１の成形面２１１Ｓ、第２の成形面２２１Ｓ、第１の縦壁部２１２の外側面２１２Ｓおよび第２の縦壁部２２２の内側面２２２Ｓとの間に気密に封止されたシール領域２７０を形成する。ここで、シール領域２７０は、キャビティ２５０と、後述する外周領域２６０と、を含む領域である。図１、図３Ｂに示すように型締めする前の状態において、キャビティ２５０と外周領域２６０は、互いに連通している。
【００３０】
図３Ｂに示す状態から、図３Ｄに示すようにさらに上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させて成形型２００を型締めした状態において、第２のシール部材３２０は、第１の成形面２１１Ｓおよび第２の成形面２２１Ｓとの間に液密に封止されたキャビティ２５０を形成する。また、成形型２００を型締めした状態において、第１のシール部材３１０と第２のシール部材３２０との間には、キャビティ２５０の外周に位置する外周領域２６０が形成される。換言すると、第２のシール部材３２０は、キャビティ２５０と外周領域２６０との間を液密に封止する。
【００３１】
なお、本明細書において、「成形型２００を型締めした状態」とは、成形型２００のキャビティ２５０の形状が、最終的に作製される複合材料１０の形状と略同等になるまで、上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させた状態を意味する。
【００３２】
本実施形態では、図３Ｄに示すように、成形型２００を型締めした状態において、上型２１０および下型２２０は、互いに当接する第１の当接面２１０Ｓおよび第２の当接面２２０Ｓを有する。成形型２００を型締めした状態において、第１の当接面２１０Ｓと、第２の当接面２２０Ｓとの間の距離Ｄ１は０（ゼロ）ｍｍになる。この状態では、キャビティ２５０の大きさが複合材料１０と略同等であり、上型２１０の第１の成形面２１１Ｓと、複合材料１０との間には、ほぼ隙間がない状態である。
【００３３】
また、図３Ｂに示すように、成形型２００を型締めする前の状態では、上型２１０の第１の成形面２１１Ｓと、強化基材１１との間には、隙間Ｇが形成される。この状態において、第１の当接面２１０Ｓと、第２の当接面２２０Ｓとの間の距離Ｄ１は、成形型２００の形状などによっても異なるが、例えば、３３ｍｍ程度とすることができる。
【００３４】
再び図１を参照して、排気口２３０は、外周領域２６０よりも上側に配置されている。また、成形型２００を型締めした状態において、外周領域２６０の体積は、キャビティ２５０内に注入する樹脂１２の体積よりも大きくなるように構成されている。
【００３５】
注入口２４０は、キャビティ２５０の略中央に配置されている。すなわち、注入口２４０は、外周領域２６０から比較的離れた位置に配置されている。
【００３６】
第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０を構成する材料は、気密または液密に封止できる材料であれば特に限定されないが、例えば、ゴム等の弾性材料とすることができる。
【００３７】
排気部４００は、公知の真空ポンプにより構成される。排気部４００は、上型２１０に形成された排気口２３０と連通するように構成され、排気口２３０を介して外周領域２６０から気体を吸引する。排気部４００は、排気口２３０との間に、圧力計４１０およびバルブ４２０を有する。圧力計４１０は、排気部４００による吸引圧力を計測する。当該吸引圧力の値を基に、シール領域２７０内の真空度を調整することができる。バルブ４２０は、空気の流路を開閉する。これによって、排気部４００による吸引の動作のＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができる。
【００３８】
樹脂注入部５００は、上型２１０に形成された注入口２４０と連通するように構成され、注入口２４０を介してキャビティ２５０内に樹脂１２を注入する。樹脂注入部５００は、公知のポンプ機構により構成することができる。
【００３９】
制御部６００は、成形型２００、排気部４００および樹脂注入部５００の作動を制御する。具体的には、図１を参照して、制御部６００は、ＲＯＭやＲＡＭから構成される記憶部６１０と、ＣＰＵを主体に構成される演算部６２０と、各種データや制御指令の送受信を行う入出力部６３０と、を有する。入出力部６３０は、成形型２００、排気部４００および樹脂注入部５００に電気的に接続している。
【００４０】
（成形方法）
次に、図２を参照して、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法を説明する。
【００４１】
本実施形態に係る複合材料１０の成形方法は、いわゆるＣＲＴＭ（Ｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ  Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法と称される成形方法である。ＣＲＴＭ成形法では、樹脂１２をキャビティ２５０内に注入する際に、成形型２００は型締めされておらず、成形型２００と強化基材１１との間に隙間を開けた状態で、樹脂１２がキャビティ２５０の一部に注入される。その後、成形型２００が型締めされることによって、樹脂１２がキャビティ２５０内に充填される。これにより、キャビティ２５０内における樹脂１２の流動抵抗が低減されるため、強化基材１１の配向の乱れを抑制することができる。
【００４２】
複合材料１０の成形方法は、図２に示すように、概説すると、成形型２００に強化基材１１を配置し（工程Ｓ１）、シール領域２７０を気密に封止する（工程Ｓ２）。そして、シール領域２７０内の気体を排気する動作を開始し（工程Ｓ３）、シール領域２７０内が所定の真空度（しきい値）に到達したら（工程Ｓ４）、成形型２００のキャビティ２５０内に樹脂１２を注入する（工程Ｓ５）。さらに、成形型２００を型締めして、キャビティ２５０を液密に封止する（工程Ｓ６）。その後、樹脂１２を硬化させて（工程Ｓ７）、気体を排気する動作を停止し（工程Ｓ８）、複合材料１０を成形型２００から脱型する（工程Ｓ９）。なお、各工程において、成形型２００、排気部４００および樹脂注入部５００の作動は、制御部６００によって制御される。
【００４３】
以下、複合材料１０の成形方法の各工程について詳述する。
【００４４】
工程Ｓ１では、図３Ａに示すように、成形型２００の下型２２０に強化基材１１を配置する。
【００４５】
工程Ｓ２では、図３Ｂに示すように、上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させて、第１のシール部材３１０によってシール領域２７０を気密に封止する。このとき、成形型２００は、型締めする前の状態であり、第１の当接面２１０Ｓと、第２の当接面２２０Ｓとの間の距離Ｄ１は、３３ｍｍ程度である。この状態で、上型２１０の第１の成形面２１１Ｓと、強化基材１１との間には、隙間Ｇが形成される。
【００４６】
工程Ｓ３では、排気部４００のバルブ４２０を開いて、外周領域２６０から気体を吸引して、シール領域２７０内の気体を排気する動作を開始する。
【００４７】
シール領域２７０内が所定の真空度に到達したら（工程４）、図３Ｃに示すように、成形型２００のキャビティ２５０内の一部に樹脂１２を注入する（工程５）。
【００４８】
キャビティ２５０内の一部に樹脂１２を注入するため、キャビティ２５０と外周領域２６０とが連通した状態で、キャビティ２５０内の樹脂１２が外周領域２６０へ漏れ出ることを抑制することができる。これにより、樹脂１２が排気口２３０に流れ込むことを防止することができる。
【００４９】
また、本実施形態では、注入口２４０は、上型２１０に配置されているため、樹脂１２は隙間Ｇを介して流動する。このため、樹脂１２の流動抵抗を低減して、強化基材１１の配向の乱れを抑制することができる。また、隙間Ｇが形成されているため、注入された樹脂１２は、キャビティ２５０の全体に広がらずに、注入口２４０付近に溜まる。このため、樹脂１２が外周領域２６０へ漏れ出ることを抑制することができる。
【００５０】
仮に、図４に示す成形装置１００Ａのように、注入口２４０Ａを下型２２０に配置した場合、強化基材１１は自重によって下側に配置されるため、下型２２０の第２の成形面２２１Ｓと、強化基材１１との間に隙間を設けることが難しい。
【００５１】
その結果、樹脂１２の流動抵抗が高くなり、強化基材１１の配向の乱れ（図４中の破線囲み部分）を生じる虞がある。これにより、成形品である複合材料１０の外観品質が損なわれてしまう。
【００５２】
また、注入口２４０付近に配置される強化基材１１を予め除去しておき、樹脂１２の流動抵抗を低下させることも考えられるが、成形品の形状によって、強化基材１１を除去する位置に合わせて注入口２４０の位置を決定するため、注入口２４０を配置する位置が限られてしまう。
【００５３】
一方、本実施形態のように注入口２４０を上型２１０に配置することによって、隙間Ｇを形成することができる。隙間Ｇに樹脂１２を流し込むことによって、樹脂１２の流動抵抗を低減することができる。これにより、強化基材１１の配向の乱れを抑制することができるため、成形品である複合材料１０の外観品質が向上する。
【００５４】
また、注入口２４０付近に配置される強化基材１１を予め除去する必要もない。これにより、成形品の形状によって、注入口２４０を配置する位置が限定されないため、樹脂１２を強化基材１１に含浸させるために最適な注入口２４０の位置を設定することができる。その結果、樹脂１２の注入時間を短縮して、全体のサイクルタイムを短縮することができる。
【００５５】
また、注入口２４０は、キャビティ２５０の略中央に配置されているため、外周領域２６０との距離が比較的離れている。このため、樹脂１２が外周領域２６０に流れ込むことを抑制することができる。
【００５６】
また、工程５では、排気部４００は、シール領域２７０内の気体を排気する動作を維持する。排気口２３０は、外周領域２６０よりも上側に配置されているため、キャビティ２５０内に注入した樹脂１２が排気口２３０に流れ込むことを防止することができる。
【００５７】
工程Ｓ６では、図３Ｄに示すように、成形型２００を型締めして、第２のシール部材３２０によってキャビティ２５０と外周領域２６０との間を液密に封止する。
【００５８】
成形型２００を型締めすることによって、上型２１０の第１の成形面２１１Ｓと、強化基材１１との間の隙間Ｇが圧縮されて、隙間Ｇに溜まっていた樹脂１２が押圧されて、強化基材１１の全体に含浸する。同時に、キャビティ２５０の周りを液密に封止しているため、キャビティ２５０から樹脂１２が外周領域２６０へ漏れ出ることをより確実に防止することができる。
【００５９】
また、成形型２００は、上型２１０に凹部２１１を有し、下型２２０に凹部２１１との間にキャビティ２５０を形成する凸部２２１を有するため、樹脂１２の自重を活かして、樹脂１２を強化基材１１の全体に展開させて含浸し易くすることができる。
【００６０】
また、排気口２３０は、外周領域２６０よりも上側に配置されている。また、成形型２００を型締めした状態において、外周領域２６０の体積は、キャビティ２５０内に注入する樹脂１２の体積よりも大きくなるように構成されている。このため、仮に、成形型２００を型締めした後に、樹脂１２が外周領域２６０へ漏れ出たとしても、樹脂１２が排気口２３０に流れ込むことを防止することができる。
【００６１】
工程Ｓ７では、樹脂１２を硬化させる。樹脂１２が熱硬化性樹脂の場合、例えば、ヒーター等の加熱装置を用いて成形型２００を加熱することによって、樹脂１２を硬化させることができる。
【００６２】
工程Ｓ８では、排気部４００のバルブ４２０を閉めて、外周領域２６０から気体を吸引（排気）する動作を停止する。つまり、工程３〜７までの間は、排気部４００は、気体を排気する動作を維持している。工程６において、キャビティ２５０と外周領域２６０との間を液密に封止する前に、キャビティ２５０と外周領域２６０とが連通した状態で、外周領域２６０から気体を吸引して、キャビティ２５０内の気体を排気している。このため、キャビティ２５０に注入される樹脂１２に含まれる気体を、減圧状態の外周領域２６０から排気口２３０へ排気することができる。これにより、成形品である複合材料１０にボイドが発生することを抑制して、機械強度および外観品質を向上させることができる。
【００６３】
工程Ｓ７では、図３Ｅに示すように、上型２１０を下型２２０から離反するように移動させて、成形型２００を開き、成形品である複合材料１０を脱型する。
【００６４】
なお、本実施形態では、複合材料１０は、比較的単純な形状を有するが、これに限定されない。複合材料１０は、例えば、自動車の車体に使用されるピラーやフロントサイドメンバー等の骨格部品、ルーフやフード等の外板部品として作製される場合、それらに対応したより複雑な形状を有する。
【００６５】
ところで、上述した工程Ｓ５において、シール領域２７０内が所定の真空度に到達したら、図３Ｃに示すように、成形型２００のキャビティ２５０内の一部に樹脂１２を注入する。図６は、工程Ｓ５（図３Ｃ）における強化基材１１に対する樹脂１２の挙動を拡大して示す断面図、図７は同じく平面図である。まず図６（Ａ）及び図７（Ａ）に示すように、成形型２００のキャビティ２５０内の一部に樹脂１２を注入すると、樹脂の射出圧力が高いため、強化基材１１の繊維基材１１２の保形力が弱いと、図６（Ｂ）及び図７（Ａ）に示すように、注入口２４０に対向する付近で樹脂１２が強化基材１１に含侵する際に、強化基材１１の繊維基材１１２の繊維が矢印で示すように両方向に拡げられ、ずれてしまうことがある。この結果、図７（Ｂ）に示すように、繊維基材１１２の繊維が繊維の方向に対して直角方向に拡げられて偏り、繊維ずれθが生じると、最終製品となる複合材料１０の引張強度が低下する。また、繊維基材１１２の繊維ずれにともない、樹脂１２の流動抵抗が高くなる、つまり、ずれた繊維が偏ってしまうと樹脂１２が流動し難くなると、図６（Ｃ）に示すように、複合材料１０の内部にボイドＢが発生し、最終製品となる複合材料１０の圧縮強度が低下する。
【００６６】
こうした挙動はフィンガリング現象とも称されるが、原因の一つとして強化基材１１の耐熱性が考えられる。すなわち、工程Ｓ５において、強化基材１１は、成形温度に設定された下型２２０にセットされているが、強化基材１１の形状を保持するためのバインダ樹脂１１３の軟化温度Ｔｓｐが成形温度、具体的には下型２２０の温度より低いと、工程Ｓ５において樹脂１２を射出する際に強化基材１１が軟化し、繊維基材１１２の保形力が低下するからである。
【００６７】
そこで本発明者らは、織物シート１１１として炭素繊維（東レ社製Ｚｏｌｔｅｃ  ＰＸ３５）を用い、これを繊維方向を同じ一方向にそろえて積層して繊維基材１１２を得（ＵＤ０°）、この繊維基材１１２に、バインダ樹脂１１３として軟化温度Ｔｓｐが１３０℃の熱硬化性エポキシ樹脂を１５ｇ／ｍ２の塗布量で塗布し、１４０℃×１〜２分で熱硬化させたテストピースを作製し、これを実施例とした。比較例として、軟化温度が８０℃の熱可塑性エポキシ樹脂を用いた以外は、実施例と同じ条件でテストピースを作製した。
【００６８】
これら実施例及び比較例の各テストピースに対して、成形温度を１２０℃、成形圧力を８ＭＰａの条件で図２の工程Ｓ１〜Ｓ９を実施した。得られた複合材料１０のテストピースの繊維ずれθ（図７（Ｂ））、ボイド率（体積％）、引張強度の低下率（％）及び圧縮強度の低下率（％）をそれぞれ測定したところ、表１に示す結果となった。なお、比較例の引張強度の低下率は、実施例の引張強度に対する低下率、比較例の圧縮強度の低下率は、実施例の圧縮強度に対する低下率とした。なお図８は、実施例及び比較例で使用したバインダ樹脂１１３の、温度に対する弾性率の特性を示すグラフである。実施例で使用したバインダ樹脂１１３は、成形温度である１２０℃を超える軟化点Ｔｓｐ＝１３０℃までは弾性率の低下が少ないのに対し、比較例で使用したバインダ樹脂１１３は、成形温度である１２０℃の前の軟化点Ｔｓｐ＝８０から弾性率の低下が開始し、成形温度１２０℃における弾性率は、実施例の弾性率に比べて格段に低いことが理解される。
【００６９】
【表１】
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【００７０】
上述したとおり、繊維ずれが大きいと引張強度が低下し、ボイド率が大きいと圧縮強度が低下することが確認されたが、同時に、強化基材１１のバインダー樹脂１１３として、下型２２０の温度以上の樹脂軟化点を有する材料を使用することで、これら引張強度及び圧縮強度の低下が抑制されることも確認された。
【００７１】
以上説明したように、本実施形態に係る複合材料１０の成形方法および複合材料１０の成形装置１００によれば、まず、上型２１０（「第１の型」に相当）と、上型２１０との間にキャビティ２５０を形成する下型２２０（「第２の型」に相当）と、を備える成形型２００に強化基材１１を配置する。次に、上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させて、キャビティ２５０と、キャビティ２５０の外周と連通する外周領域２６０と、を含むシール領域２７０を第１のシール部材３１０によって気密に封止する。そして、外周領域２６０から気体を吸引して、シール領域２７０内の気体を排気する動作を開始し、キャビティ２５０内の一部に樹脂１２を注入する。上型２１０を下型２２０に対して相対的にさらに接近させて成形型２００を型締めして、樹脂１２を押圧してキャビティ２５０内に充填しつつ、キャビティ２５０と外周領域２６０との間を第２のシール部材３２０によって液密に封止する。その後、外周領域２６０から気体を吸引する動作を停止する。
【００７２】
このように構成した複合材料１０の製造方法によれば、キャビティ２５０と外周領域２６０との間を液密に封止する前に、キャビティ２５０と外周領域２６０とが連通した状態で、外周領域２６０から気体を吸引して、キャビティ２５０内の気体を排気している。このため、キャビティ２５０に注入される樹脂１２に含まれる気体を、減圧状態の外周領域２６０から排気口２３０へ排気することができる。これにより、成形品である複合材料１０にボイドが発生することを抑制して、複合材料１０の機械的特性や外観品質を向上させることができる。
【００７３】
また、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０は、上型２１０と下型２２０が対向する面のうち、上型２１０と下型２２０が相対的に接近する型締め方向に沿う面２１２Ｓ、２１３Ｓに配置される。このため、上型２１０を下型２２０に対して相対的に接近させる動作によって、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０のシール機能をそれぞれ発揮させることができる。第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０の配置を調整することによって、成形型２００と強化基材１１との間に隙間Ｇを形成することができる。隙間Ｇを介して樹脂１２を流動させることによって、キャビティ２５０内における樹脂１２の流動抵抗を低減して、強化基材１１の配向の乱れを抑制することができる。これにより、複合材料１０の機械的特性や外観品質をさらに向上させることができる。
【００７４】
また、第１の型は、上型２１０であり、第２の型は、下型２２０である。外周領域２６０から気体を吸引する際に、上型２１０のうち、外周領域２６０の上側に配置された排気口２３０を介して気体を吸引する。成形型２００を型締めした状態で、外周領域２６０の体積は、キャビティ２５０内に注入する樹脂１２の体積よりも大きくなるように構成されている。このため、仮に、成形型２００を型締めした後に、樹脂１２が外周領域２６０へ漏れ出たとしても、樹脂１２が排気口２３０に流れ込むことを防止することができる。
【００７５】
また、上型２１０は、上側に向かって凹んだ形状を有する凹部２１１を有し、下型２２０は、凹部２１１との間にキャビティ２５０を形成する凸部２２１を有する。これにより、樹脂１２の自重を活かして、樹脂１２を強化基材１１の全体に展開させて含浸し易くすることができる。
【００７６】
また、注入口２４０は、上型２１０に配置されており、注入口２４０を介してキャビティ２５０内に樹脂１２を注入する。これにより、樹脂１２の自重を活かして、樹脂１２を強化基材１１の全体に展開させて含浸し易くすることができる。また、下型２２０に注入口２４０を配置する場合に比べて、成形品の形状によって、注入口２４０を配置する位置が限定されないため、樹脂１２を強化基材１１に含浸させるために最適な注入口２４０の位置を設定することができる。その結果、樹脂１２の注入時間を短縮して、全体のサイクルタイムを短縮することができる。
【００７７】
また、強化基材１１のバインダ樹脂１１３として、成形温度又は第１の型（上型２１０）又は第２の型（下型２２０）の温度以上の軟化点Ｔｓｐを有する材料、たとえば熱硬化性エポキシ樹脂などを使用することで、樹脂１２の射出時に生じるおそれがあるフィンガリング現象による繊維ずれが抑制され、これにより引張強度や圧縮強度の低下が抑制される。
【００７８】
以上、実施形態を通じて複合材料の成形方法および複合材料の成形装置を説明したが、本発明は実施形態において説明した構成のみに限定されることはなく、特許請求の範囲の記載に基づいて適宜変更することが可能である。
【００７９】
例えば、キャビティを形成する成形型２１０，２２０の形状は、実施形態において説明した形状に限定されず、例えば、第１の型（上型）２１０が凸部を有し、第２の型（下型）２２０が凸部に対応する凹部を有する形態であってもよいし、第１の型（上型）２１０及び第２の型（下型）２２０ともに凹部を有する形態であってもよいし、凹凸のない平坦なキャビティ２５０を有していてもよい。
【００８０】
また、上述した実施形態では、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０を第１の型（上型）２１０に設けたが、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０を第２の型（下型）２２０に設けたり、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０の一方を第１の型（上型）２１０に設け、他方を第２の型（下型）２２０に設けたりしてもよい。また、第１のシール部材３１０および第２のシール部材３２０は、第１の型２１０と第２の型２２０が対向する面のうち、第１の型２１０と第２の型２２０が相対的に接近する型締め方向に沿う面に配置される構成に限定されず、第１の型２１０と第２の型２２０が接近に伴って当接する当接面（合わせ面）に配置されていてもよい。
【符号の説明】
【００８１】
１０      複合材料、
１１      強化基材、
１１１    織物シート、
１１２    繊維基材、
１１３    バインダ樹脂、
Ｍ１，Ｍ２  加熱プレス型、
１２      樹脂、
１００    成形装置、
２００    成形型、
２１０    上型（第１の型）、
２２０    下型（第２の型）、
２３０    排気口、
２４０    注入口、
２５０    キャビティ、
２６０    外周領域、
２７０    シール領域、
３１０    第１のシール部材、
３２０    第２のシール部材、
４００    排気部、
５００    樹脂注入部、
６００    制御部。
【図１】
2018198934.tif 000004
【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2018198934.tif 000009
【図３Ｅ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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