(57)【要約】【課題】短時間で成形することが可能な繊維強化プラスチック成形装置を提供することを目的とする。【解決手段】繊維強化プラスチック成形装置１は、導電性繊維集合体４，５，６と、導電性繊維集合体４，５，６、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料１０１及びその成形用の成形型１０２が内部に収容される圧力容器２と、繊維強化プラスチック材料１０１及び成形型１０２を成形可能な温度まで加熱するために、圧力容器２内の導電性繊維集合体４，５，６にマイクロ波を照射して発熱させるマイクロ波照射装置７とを、備えるものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性繊維集合体にマイクロ波を照射して発熱させ、この発熱により熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料及びその成形用の成形型を成形可能な温度まで加熱して、繊維強化プラスチックの成形を行うことを特徴とする繊維強化プラスチック成形方法。
【請求項２】
前記繊維強化プラスチック材料として熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を繊維に含浸させたプリプレグを使用し、前記プリプレグ及び前記成形型を真空引き用の真空バッグでバギングし、前記真空バッグの内部を真空引きすると共に外部から加圧しつつ、前記導電性繊維集合体に前記マイクロ波を照射し発熱させることで前記プリプレグ及び前記成形型を加熱して、前記繊維強化プラスチックの成形を行うことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック成形方法。
【請求項３】
前記真空バッグに前記導電性繊維集合体を配置することを特徴とする請求項２に記載の繊維強化プラスチック成形方法。
【請求項４】
複数の前記導電性繊維集合体を用いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形方法。
【請求項５】
前記繊維強化プラスチック材料、前記成形型及び前記導電性繊維集合体の内の少なくとも１つの温度を測定し、測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、前記マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御することを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形方法。
【請求項６】
導電性繊維集合体と、
前記導電性繊維集合体、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料、及びその成形用の成形型が内部に収容される容器と、
前記繊維強化プラスチック材料及び前記成形型を成形可能な温度まで加熱するために、前記容器内の前記導電性繊維集合体にマイクロ波を照射して発熱させるマイクロ波照射装置とを、備えることを特徴とする繊維強化プラスチック成形装置。
【請求項７】
前記繊維強化プラスチック材料が、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を繊維に含浸させたプリプレグであり、
前記容器が、圧力容器であると共に、前記プリプレグ及び前記成形型をバギングした真空引き用の真空バッグを収容するものであり、
前記真空バッグを真空引きする減圧装置と、前記容器内部を加圧することで前記真空バッグを外部から加圧する加圧装置とを備えることを特徴とする請求項６に記載の繊維強化プラスチック成形装置。
【請求項８】
前記導電性繊維集合体が、前記真空バッグに配置されていることを特徴とする請求項７に記載の繊維強化プラスック成形装置。
【請求項９】
複数の前記導電性繊維集合体を備えることを特徴とする請求項６から８のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形装置。
【請求項１０】
前記繊維強化プラスチック材料、前記成形型及び前記導電性繊維集合体の内の少なくとも１つの温度を測定する温度測定器と、
前記温度測定器の測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、前記マイクロ波照射装置の出力レベルをフィードバック制御する制御部とを、備えることを特徴とする請求項６から９のいずれかに記載の繊維強化プラスチック成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化プラスチックを加熱成形する際の熱源として、導電性繊維集合体へのマイクロ波照射を用いる成形方法及びその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含有する繊維強化プラスチックを成形する際には、繊維強化プラスチック材料及びその成形用の成形型を加熱する必要がある。
【０００３】
例えば、オートクレーブ成形法では、プリプレグと呼ばれるシート状の繊維強化プラスチック材料を成形型に積層して真空バッグに収容し、圧力容器（オートクレーブ）内で加圧しつつ加熱することが行われている。加熱には、例えば特許文献１に記載されたように、高温ガスを圧力容器内に循環させることが行われている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１７１１７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
高温ガスで繊維強化プラスチック材料及び成形型を加熱する場合、容器内部を所望の温度まで昇温させるのに時間が掛かり、繊維強化プラスチックの成形に時間が掛かる。そのため、短時間で成形し得る新しい熱源による成形方法及び成形装置が求められている。
【０００６】
本発明は前記の課題を解決するためになされたもので、新しい熱源を用いた繊維強化プラスチック成形方法及び繊維強化プラスチック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】
【０００７】
前記の目的を達成するためになされた、特許請求の範囲の請求項１に記載された繊維強化プラスチック成形方法は、導電性繊維集合体にマイクロ波を照射して発熱させ、この発熱により熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料及びその成形用の成形型を成形可能な温度まで加熱して、繊維強化プラスチックの成形を行うことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載された繊維強化プラスチック成形方法は、請求項１に記載のものであり、前記繊維強化プラスチック材料として熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を繊維に含浸させたプリプレグを使用し、前記プリプレグ及び前記成形型を真空引き用の真空バッグでバギングし、前記真空バッグの内部を真空引きすると共に外部から加圧しつつ、前記導電性繊維集合体に前記マイクロ波を照射し発熱させることで前記プリプレグ及び前記成形型を加熱して、前記繊維強化プラスチックの成形を行うことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載された繊維強化プラスチック成形方法は、請求項１又は２に記載のものであり、前記真空バッグに前記導電性繊維集合体を配置することを特徴とする。
【００１０】
請求項４に記載された繊維強化プラスチック成形方法は、請求項１から３のいずれかに記載のものであり、複数の前記導電性繊維集合体を用いることを特徴とする。
【００１１】
請求項５に記載された繊維強化プラスチック成形方法は、請求項１から４のいずれかに記載のものであり、前記繊維強化プラスチック材料、前記成形型及び前記導電性繊維集合体の内の少なくとも１つの温度を測定し、測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、前記マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御することを特徴とする。
【００１２】
請求項６に記載された繊維強化プラスチック成形装置は、導電性繊維集合体と、前記導電性繊維集合体、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料、及びその成形用の成形型が内部に収容される容器と、前記繊維強化プラスチック材料及び前記成形型を成形可能な温度まで加熱するために、前記容器内の前記導電性繊維集合体にマイクロ波を照射して発熱させるマイクロ波照射装置とを、備えることを特徴とする。
【００１３】
請求項７に記載された繊維強化プラスチック成形装置は、請求項６に記載のものであり、前記繊維強化プラスチック材料が、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を繊維に含浸させたプリプレグであり、前記容器が、圧力容器であると共に、前記プリプレグ及び前記成形型をバギングした真空引き用の真空バッグを収容するものであり、前記真空バッグを真空引きする減圧装置と、前記容器内部を加圧することで前記真空バッグを外部から加圧する加圧装置とを備えることを特徴とする。
【００１４】
請求項８に記載された繊維強化プラスチック成形装置は、請求項７に記載のものであり、前記導電性繊維集合体が、前記真空バッグに配置されていることを特徴とする。
【００１５】
請求項９に記載された繊維強化プラスチック成形装置は、請求項６から８のいずれかに記載のものであり、複数の前記導電性繊維集合体を備えることを特徴とする。
【００１６】
請求項１０に記載された繊維強化プラスチック成形装置は、請求項６から９のいずれかに記載のものであり、前記繊維強化プラスチック材料、前記成形型及び前記導電性繊維集合体の内の少なくとも１つの温度を測定する温度測定器と、前記温度測定器の測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、前記マイクロ波照射装置の出力レベルをフィードバック制御する制御部とを、備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の繊維強化プラスチック成形方法及び成形装置によれば、新しい熱源により加熱成形を行うことができる。導電性繊維集合体はマイクロ波の照射によって短時間に昇温するため、繊維強化プラスチック材料及びその成形用の成形型が短時間で加熱されて、繊維強化プラスチックを短時間で成形することができる。
【００１８】
繊維強化プラスチック材料としてプリプレグを使用して真空バッグでバギングし、真空バッグを真空引きすると共に外部から加圧しつつ、導電性繊維集合体にマイクロ波を照射して発熱させ、繊維強化プラスチックの成形を行う場合、例えばオートクレーブ成形であっても、導電性繊維集合体の発熱でプリプレグ及び成形型を短時間で加熱できるため、短時間で成形することができる。
【００１９】
真空バッグに導電性繊維集合体を配置する場合、プリプレグ及び成形型を直接的に加熱できるため、より短時間で成形することができる。導電性繊維集合体は可撓性を有するため、成形型の形状に合わせるように導電性繊維集合体を変形することができるので、複雑な立体形状であったり、部位により厚みが異なる立体形状であったとしても、プリプレグ及び成形型を全体的に均一に加熱することができる。
【００２０】
複数の導電性繊維集合体を配置する場合、発熱源の数が増えるため、より短時間に加熱することができる。導電性繊維集合体はマイクロ波を照射することで発熱するため、電気的な配線が不要であるので配置場所の自由度が高い。そのため、熱源になる複数の導電性繊維集合体を任意の位置に簡便に配置することができる。
【００２１】
繊維強化プラスチック材料、成形型及び導電性繊維集合体の内の少なくとも一つの温度を測定し、マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御する場合、成形温度が所望の温度に精度よく安定化するため、短時間の成形でありながら、高品質な繊維強化プラスチックを成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明を適用する繊維強化プラスチック成形装置を模式的に示す断面図である。
【図２】成形部材（導電性繊維集合体、繊維強化プラスチック材料及び成形型）を模式的に示す一部拡大断面図である。
【図３】別の成形部材を模式的に示す断面図である。
【図４】別の成形部材を模式的に示す断面図である。
【図５】実施例の実験２の結果を示すグラフである。
【図６】実施例の実験３の結果を示すグラフである。
【図７】実施例の実験４の結果を示すグラフである。
【図８】実施例の実験５の結果を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明を実施するための形態を詳細に説明するが、本発明の範囲はこれらの形態例に限定されるものではない。
【００２４】
図１に、本発明を適用する繊維強化プラスチック成形装置１を示す。この繊維強化プラスチック成形装置１は、一例として、繊維強化プラスチックをオートクレーブ成形するものである。繊維強化プラスチック成形装置１は、圧力容器２、載置台３、導電性繊維集合体５、導電性繊維集合体６、マイクロ波照射装置７、減圧装置８、加圧装置９、冷却装置１１、循環装置１２及び制御部１０を備え、載置台３の上に成形部材２１を載置可能に構成されている。
【００２５】
成形部材２１は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料１０１、その成形用の成形型１０２、真空バッグ２５、及び真空バッグ２５に配置された導電性繊維集合体４を有するものである。
【００２６】
圧力容器２は、内部を常圧（１気圧）よりも高圧にすることが可能な金属製の耐圧容器であり、この例ではオートクレーブ用の圧力容器である。圧力容器２は、一例として略円筒状の形状に形成されており、図１には、その縦断面図が模式的に図示されている。圧力容器２の内部には、載置台３、導電性繊維集合体４を有する成形部材２１、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６等が収容される。圧力容器２は、成形部材２１を出し入れするための開閉扉２ａを備えている。
【００２７】
圧力容器２は、内壁が金属で形成されていて、マイクロ波が内壁で反射するようになっている。又、圧力容器２は、外部にマイクロ波が漏洩しない構造になっている。例えば、ガラス窓を設ける場合には、マイクロ波の１波長よりも小さな編目の網（マイクロ波シールド）が窓に設けられる。
【００２８】
圧力容器２には、圧力容器２の内部にマイクロ波を照射可能にマイクロ波照射装置７が設けられている。マイクロ波照射装置７は、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５、導電性繊維集合体６にマイクロ波を照射して発熱させるためのものである。
【００２９】
マイクロ波照射装置７は、マイクロ波発振器３１及びアンテナ３２を有している。マイクロ波発振器３１は、圧力容器２の外部に設けられている。マイクロ波発振器３１は、一例としてマグネトロンである。マイクロ波発振器３１は、一例として周波数２４５０ＭＨｚのマイクロ波を出力する。アンテナ３２は、マイクロ波発振器３１の発振したマイクロ波を圧力容器２の内部に照射するように配置されている。導波管を介して、アンテナ３２から圧力容器２内にマイクロ波を導くようにしてもよい。圧力容器２内にマイクロ波を均一に照射できるように、アンテナ３２を回転させる構造としてもよいし、回転するマイクロ波反射板を圧力容器２に設けてもよい。マイクロ波照射装置７は、圧力容器２の任意の位置に設ければよい。複数のマイクロ波照射装置７を圧力容器２に設けてもよい。
【００３０】
圧力容器２内に照射されたマイクロ波は直接又は容器内壁で反射して導電性繊維集合体４〜６に照射される。マイクロ波発振器３１は、制御部１０によってマイクロ波の出力レベルを制御可能に構成されている。
【００３１】
圧力容器２の内部に配置される導電性繊維集合体４〜６は、いずれも導電性繊維が多数集合したものである。導電性繊維集合体４〜６は、例えば、導電性繊維によってフェルト状に形成された導電性繊維フェルト、又はスチルウールである。導電性繊維として、炭素繊維、金属繊維が挙げられる。導電性繊維集合体４〜６として、特に炭素繊維で形成された炭素繊維フェルト（カーボンフェルト）を好ましく用いることができる。導電性繊維集合体４〜６の形状やサイズは任意であり、シート状（導電性繊維シート）、ブロック状（導電性繊維ブロック）、袋状、筒状、布状のように種々の立体形状に形成することができる。導電性繊維集合体４〜６は、各々が１つでなく、複数に分割されたものであってもよい。
【００３２】
載置台３は、成形部材２１を載置するものである。載置台３は、成形部材２１を圧力容器２に出し入れしやすいように、図示しないが例えばローラー又はレールなどで開閉扉２ａ方向に移動可能に構成されている。載置台３は、電気的な絶縁体で板状に形成されている。絶縁体としては、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂、アルミナなどのセラミックス、ガラス等が挙げられる。
【００３３】
載置台３の下部（下面）には、一例としてシート状の導電性繊維集合体（導電性繊維シート）５が設けられている。複数の導電性繊維集合体５が、載置台３に設けられていてもよい。載置台３の上部（上面）に、導電性繊維集合体５を設けてもよい。
【００３４】
載置台３の上に成形部材２１が載置される。同図に示すように、載置台３の上に複数（例えば４本、６本又は８本等）の支持柱１４を設け、この支持柱１４を介して載置台３に成形部材２１を載置することが好ましい。支持柱１４は、電気的な絶縁体であり、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂などの絶縁性樹脂、アルミナなどのセラミックス、ガラス等で形成されている。
【００３５】
成形部材２１が複数の支持柱１４で支持されることで、載置台３と成形部材２１との間に空間ができる。この空間ができることで、成形部材２１（導電性繊維集合体４）の下側にマイクロ波が照射されやすくなる。なお、必要性に応じて、載置台３の上に直接接するように成形部材２１を載置するようにしてもよい。
【００３６】
成形部材２１は、成形型１０２、繊維強化プラスチック材料１０１、マイクロ波遮蔽シート２３、真空バッグ２５及び導電性繊維集合体４を有している。
【００３７】
成形型１０２は、一例として金属で形成されたものである。成形型１０２は、繊維強化プラスチック材料１０１を成形するための任意の形状に形成されている。
【００３８】
同図に示すように、オートクレーブ成形では、成形型１０２の上にプリプレグと呼ばれるシート状の繊維強化プラスチック材料１０１（以下、プリプレグ１０１ともいう）が積層される。プリプレグ１０１は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂（マトリックス）を繊維に含浸させたものである。プリプレグ１０１の繊維として、炭素繊維、ガラス繊維、樹脂繊維が挙げられる。炭素繊維を使用した炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）は、航空機、宇宙機器などの構造体に好ましく用いられている。なお、成形後にプリプレグ１０１を成形型１０２から剥離しやすくするために、プリプレグ１０１と成形型１０２との間に、剥離用シートを配置してもよい。
【００３９】
必要性に応じて、プリプレグ１０１は、マイクロ波から遮蔽されるように、可撓性（柔軟性）を有するマイクロ波遮蔽シート２３で上部側を覆われている。マイクロ波遮蔽シート２３は、例えば樹脂製フィルムにアルミニウム箔のような金属箔の付された金属フィルムである。プリプレグ１０１の下部側には、マイクロ波を遮蔽する金属製の成形型１０２が存在するため、マイクロ波遮蔽シート２３は不要である。成形型１０２がマイクロ波を通過可能な樹脂で形成されている場合、プリプレグ１０１及び成形型１０２を全体的に覆うような袋状、筒状又はシート状のマイクロ波遮蔽シート２３を用いるようにしてもよい。なお、プリプレグ１０１にマイクロ波が照射されてもよい場合や、導電性繊維集合体４によってマイクロ波が充分に遮蔽される場合には、マイクロ波遮蔽シート２３は不要である。
【００４０】
プリプレグ１０１、成形型１０２及びマイクロ波遮蔽シート２３は、可撓性を有する真空引き用の真空バッグ２５でバギングされる。真空バッグ２５として、袋状に一体的に形成したものを用いてもよいし、２枚のシートの周縁部を接着剤やシール材で張り合わせて袋状に形成したものを用いてもよい。真空バッグ２５は、電気的な絶縁体で形成されている。真空バッグ２５は、成形時の温度に耐えられる材質で形成されている。
【００４１】
真空バッグ２５は、導電性繊維集合体４でほぼ全体的に覆われている。導電性繊維集合体４は、真空バッグ２５が内部に入る大きさの袋状又は筒状に形成されたものである。又は、導電性繊維集合体４は、シート状に形成されたものであり、真空バッグ２５に巻き付けるように取り付けられている。導電性繊維集合体４は、接着剤、両面接着テープ又はベルト等の固定部材で真空バッグ２５に取り付けられていてもよい。導電性繊維集合体４は、可撓性を有しており、プリプレグ１０１及び成形型１０２の形状に対応して容易に変形可能なものであることが好ましい。
【００４２】
導電性繊維集合体６は、任意の形状に形成されており、圧力容器２の内部の任意の位置に配置されている。導電性繊維集合体６を配置する数は１つに限られない。複数の導電性繊維集合体６が圧力容器２の内部の任意の位置に配置されていることが好ましい。
【００４３】
なお、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６の全てを備えることが好ましいが、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６のうちの少なくとも１つだけを備えるようにしてもよい。
【００４４】
減圧装置８は、真空バッグ２５を真空引きするものである。減圧装置８は、真空ポンプ４１、及び真空ポンプ４１に繋がる配管４２を有している。真空ポンプ４１は、圧力容器２の外部に配置されている。配管４２は、真空バッグ２５に繋がれており、真空ポンプ４１によって真空バッグ２５の内側が真空引きされる。配管４２は、マイクロ波で導電性繊維集合体４等と放電しないように、例えば絶縁性樹脂などの電気的な絶縁体で形成されていることが好ましい。
【００４５】
加圧装置９は、圧力容器２の内部を加圧するものである。加圧装置９は、例えば窒素ガス、アルゴンガスなどの不活性ガスを加圧するコンプレッサ５１、及びコンプレッサ５１に繋がる配管５２を有している。コンプレッサ５１は、圧力容器２の外部に配置されている。配管５２は、圧力容器２内に繋がれており、圧力容器２の内部が高圧ガスで加圧される。
【００４６】
冷却装置１１は、圧力容器２の内部を冷却するものである。冷却装置１１は、熱媒体を冷却する冷却器６１、熱交換器６３、及び、冷却器６１と熱交換器６３とを繋いで熱媒体の通路になる配管６２を有している。冷却器６１は、圧力容器２の外部に配置され、熱交換器６３は、圧力容器２の内部に配置されている。
【００４７】
循環装置１２は、圧力容器２の内部の気体を循環させるものである。循環装置１２は、モータ６５及びファン６６を有している。モータ６５は、圧力容器２の外部に配置され、ファン６６は、圧力容器２の内部に配置されている。モータ６５がファン６６を回転させることで、気体が移動して循環する。なお、必要性に応じて、循環装置１２は無くてもよい。
【００４８】
プリプレグ１０１、成形型１０２、真空バッグ２５、減圧装置８、加圧装置９、冷却装置１１及び循環装置１２は、従来のオートクレーブ成形に用いられているものと同様のものを用いることができる。
【００４９】
圧力容器２には、プリプレグ１０１、成形型１０２、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６の内の少なくとも１つの温度を測定する温度測定器が設けられている。図１には、成形型１０２の温度を測定する温度測定器１８、及び導電性繊維集合体４の温度を測定する温度測定器１９が設けられている例を示している。
【００５０】
制御部１０は、プリプレグ１０１、成形型１０２、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６の内の少なくとも１つの温度を測定する温度測定器の測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、マイクロ波照射装置７（マイクロ波発振器３１）の出力レベルをフィードバック制御する。この例では、制御部１０は、例えば、導電性繊維集合体４の温度測定器１９（及び／又は成形型１０２の温度測定器１８）の測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、マイクロ波照射装置７の出力レベルをフィードバック制御する。
【００５１】
又、制御部１０は、マイクロ波照射装置７と共に、減圧装置８、加圧装置９、冷却装置１１及び循環装置１２などの装置全体の動作の制御を行う。
【００５２】
成形型１０２の温度を測定する温度測定器１８は、例えば金属製の成形型１０２の内部に配置されている。温度測定器１８は、例えば熱電対である。温度測定器１８は、金属製の成形型１０２に囲まれることで、マイクロ波からシールドされる。
【００５３】
導電性繊維集合体４の温度を測定する温度測定器１９は、例えば放射温度測定器である。放射温度測定器は、測定対象物の放射する赤外線や光などの測定光（放射エネルギー）を検出して、非接触で温度を測定することができるものである。放射温度測定器として、マイクロ波の影響を受けないように、測定光を検出素子まで光ファイバで導く光ファイバ伝送式の放射温度測定器を用いることが好ましい。この場合、光ファイバを圧力容器２の中に入れ、検出素子（測定機本体）を圧力容器２の外部に配置する。プリプレグ１０１、成形型１０２、導電性繊維集合体５、導電性繊維集合体６の温度を、光ファイバ伝送式の放射温度測定器を用いて測定するようにしてもよい。
【００５４】
なお、温度測定にマイクロ波の影響がある場合、制御部１０は、マイクロ波照射装置７を制御して、温度測定時にマイクロ波の照射を停止させて温度測定するようにしてもよい。
【００５５】
次に、本発明を適用する繊維強化プラスチック成型方法について説明しつつ、繊維強化プラスチック成型装置１の動作について説明する。
【００５６】
本発明を適用する繊維強化プラスチック成型方法は、導電性繊維集合体４〜６にマイクロ波を照射し発熱させ、この発熱により熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含む繊維強化プラスチック材料１０１及びその成形用の成形型１０２を成形可能な温度まで加熱して、繊維強化プラスチックの成形を行うものである。マイクロ波は、成形に必要な温度まで導電性繊維集合体４〜６を発熱させる強度及び周波数を有するものである。
【００５７】
繊維強化プラスチック材料１０１として熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を繊維に含浸させたプリプレグ１０１を使用し、プリプレグ１０１及び成形型１０２を真空引き用の真空バッグ２５にバギングし、真空バッグ２５の内部を真空引きすると共に外部から加圧しつつ、導電性繊維集合体４〜６にマイクロ波を照射して発熱させ、繊維強化プラスチックの成形を行うことが好ましい。導電性繊維集合体４が、真空バッグ２５に配置されていることが好ましい。導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５、導電性繊維集合体６は少なくとも１つ配置すればよいが、数が多いほど好ましい。
【００５８】
繊維強化プラスチック材料１０１、成形型１０２、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６の内の少なくとも１つの温度を測定し、測定した温度が成形に必要（最適）な予め設定された所望の温度になるように、マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御することが好ましい。
【００５９】
以下、具体的に説明する。
【００６０】
成形を行う際に、一例として、圧力容器２の外部で成形部材２１を準備する。先ず、成形型１０２の上にプリプレグ１０１を積層する。続いて、プリプレグ１０１をマイクロ波遮蔽シート２３で覆う。続いて、プリプレグ１０１、成形型１０２及びマイクロ波遮蔽シート２３を真空バッグ２５に収容する。続いて、真空バッグ２５の周囲を導電性繊維集合体４で覆い、成形部材２１が出来る。
【００６１】
次に、圧力容器２の開閉扉２ａを開け、載置台３を引き出して、載置台３の支持柱１４の上に成形部材２１を載置する。真空バッグ２５に、減圧装置８の配管４２をセットする。載置台３を圧力容器２の内部に移動させ、開閉扉２ａを閉じる。
【００６２】
次に、繊維強化プラスチック成形装置１を作動させる。
【００６３】
制御部１０は、減圧装置８の真空ポンプ４１を作動させて、真空バッグ２５の内部を真空引きする。これと共に、制御部１０は、加圧装置９のコンプレッサ５１を作動させ、圧力容器２の内部を高圧ガスで所定圧力まで加圧する。これにより、真空バッグ２５の内部の空気が排出され、真空バッグ２５の内部の隙間等の空間が無くなり、プリプレグ１０１と成形型１０２とが密着するように真空バッグ２５に押し付けられる。
【００６４】
又、制御部１０は、循環装置１２を作動させ、圧力容器２内の気体の循環を開始する。
【００６５】
続いて、制御部１０が、マイクロ波照射装置７のマイクロ波発振器３１を作動させ、圧力容器２の内部にマイクロ波を照射させる。このマイクロ波照射により、導電性繊維集合体４〜６が直ちに発熱する。導電性繊維集合体４の発熱により、プリプレグ１０１及び成形型１０２が主に加熱される。導電性繊維集合体５の発熱により、載置台３が主に加熱される。導電性繊維集合体６の発熱により、圧力容器２の内部の気体が主に加熱される。これら導電性繊維集合体４〜６の発熱により、プリプレグ１０１及び成形型１０２が成形に必要な温度まで急速に加熱される。
【００６６】
マイクロ波は圧力容器２の内壁で反射を繰り返すため、圧力容器２の内部はいずれの位置でもマイクロ波で満ちている。そのため、導電性繊維集合体４〜６が圧力容器２の内部のいずれの位置に配置されていても、マイクロ波が照射される。したがって、導電性繊維集合体４〜６の配置の自由度が高い。複数の導電性繊維集合体４〜６を配置すると、発熱源の数が複数になるため、プリプレグ１０１及び成形型１０２の温度（並びに圧力容器２内部の温度）をより早く上昇させることができる。特に、真空バッグ２５に導電性繊維集合体４を配置すると、プリプレグ１０１及び成形型１０２をより早く加熱することができるため、短時間で成形を行うことができる。
【００６７】
なお、圧力容器２内の物の位置関係等によってマイクロ波が複数の導電性繊維集合体４〜６に照射されにくいときは、複数の導電性繊維集合体４〜６にマイクロ波が照射されやすいように、複数のマイクロ波照射装置７を圧力容器２内の適宜の位置に配置することが好ましい。
【００６８】
成形時の成形部材２１の一部拡大図を図２に示す。同図では、成形型１０２に立体的な凹凸がある例を示している。プリプレグ１０１、マイクロ波遮蔽シート２３、真空バッグ２５、導電性繊維集合体４は可撓性を有するものである。導電性繊維集合体４を接着等で真空バッグ２５の変形に追随可能に取り付けておくと、真空バッグ２５を真空引き及び外部加圧したときに、同図に示すように、成形型１０２の形状に合わせて、プリプレグ１０１、マイクロ波遮蔽シート２３、真空バッグ２５及び導電性繊維集合体４が変形して密着する。つまり、熱源になる導電性繊維集合体４が、成形型１０２の形状に合うように変形可能なため、プリプレグ１０１及び成形型１０２がどのような立体形状であっても、全体を均一に加熱することができる。
【００６９】
導電性繊維集合体４〜６の温度は、マイクロ波の出力レベルを調整することで、例えば１００〜１５００℃の間で制御が可能である。これは、一般的な電気ヒーターよりも高温域まで調整が可能である。又、短時間で加熱可能である。そのため、短時間で成形を行うことができる。なお、加熱する最高温度は、プリプレグ１０１の成形温度や、真空バッグ２５等の許容耐熱温度を考慮して制御すればよい。又、マイクロ波の出力レベル（強度）を、導電性繊維集合体４〜６が放電しない範囲で制御することが好ましい。
【００７０】
図１に示す制御部１０は、温度測定器１９の測定した温度（導電性繊維集合体４の温度）をリアルタイムに検出する。制御部１０は、温度測定器１９の測定した温度が予め設定された所望の温度になるように、マイクロ波照射装置７（マイクロ波発振器３１）の出力するマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御する。これにより、繊維強化プラスチック材料１０１及び成形型１０２の温度を、成形に最適な温度に制御することができる。
【００７１】
導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６のうちの少なくとも１つの温度を測定し、その温度が予め設定された所望の温度になるようにマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御してもよい。プリプレグ１０１及び成形型１０２（真空バッグ２５）に最も近く配置されている導電性繊維集合体４の温度を測定し、マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御することがより好ましい。
【００７２】
フィードバック制御は、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）により行うことが好ましい。ＰＩＤ制御とは、入力値の制御を出力値と目標値との偏差、その積分、および微分の３つの要素によって行う方法のことである。
【００７３】
ＰＩＤ制御によるオーバーシュート（立ち上がり時に目標値を行き過ぎて高温になる温度変動）を防止するために、最終的な設定温度（所望の温度）まで段階的に設定温度を上昇させるように、低温側から高温側に多段階（複数段階）で設定温度を順次変化させて制御することが好ましい。
【００７４】
例えば、最終的な設定温度（所望の温度）をＡ℃、第１の設定温度をＢ１℃、第２の設定温度をＢ２℃としたときに、Ｂ１＜Ｂ２＜Ａの関係に設定する。最初に第１の設定温度Ｂ１℃になるようＰＩＤ制御し、続いて第２の設定温度Ｂ２℃になるようＰＩＤ制御し、続いて最終的な設定温度をＡ℃になるようＰＩＤ制御する。このように制御することでオーバーシュートを低減することができる。
【００７５】
なお、制御部１０は、温度測定器１８の測定した温度（成形型１０２の温度）が予め設定された所望の温度になるように、マイクロ波照射装置７の出力するマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御するようにしてもよい。又、プリプレグ１０１に温度測定器を設け、制御部１０がプリプレグ１０１の温度を予め設定された所望の温度になるように、マイクロ波照射装置７の出力するマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御するようにしてもよい。マイクロ波の出力レベルの変化に応じて、導電性繊維集合体４（５，６）の温度が直ちに変化するため、導電性繊維集合体４（５，６）の温度が所望の温度になるようにフィードバック制御することがより好ましい。
【００７６】
プリプレグ１０１、成形型１０２（温度測定器１８）及び導電性繊維集合体４（温度測定器１９）の設定温度（所望の温度）は、プリプレグ１０１の種類によって適宜設定すればよい。例えば熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂を用いた場合、エポキシ樹脂の硬化温度は１００〜２５０℃程度である。例えば熱硬化性樹脂としてポリイミドを用いた場合、ポリイミドの硬化温度は３００〜４００℃程度である。プリプレグ１０１が硬化温度になるように、成形型１０２及び導電性繊維集合体４の設定温度を適宜設定する。
【００７７】
制御部１０が、温度測定器１８及び温度測定器１９の両方の温度に基づきフィードバック制御するようにしてもよい。その方法は任意である。例えば、プリプレグ１０１及び成形型１０２の温度が成形に直接影響するため、温度測定器１８が所望の温度になるように温度測定器１８の検出温度を主としてフィードバック制御し、導電性繊維集合体４の温度測定器１９の検出温度を従としてフィードバック制御するようにしてもよい。一例を示すと、成形型１０２の成形設定温度を１５０℃としたときに、制御部１０は、最初に、導電性繊維集合体４（温度測定器１９）の温度が２００℃（導電性繊維集合体４の最高設定温度）になるようにマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御し、２００℃になった後は、成形型１０２（温度測定器１８）の温度が１５０℃（成形型１０２の成形設定温度）になるようにマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御するようにしてもよい。
【００７８】
成形型１０２に複数の温度測定器１８を配置して、成形型１０２が均一な温度になるようにマイクロ波照射装置７を制御してもよい。導電性繊維集合体４に複数の温度測定器１９を配置して、導電性繊維集合体４が均一な温度になるようにマイクロ波照射装置７を制御してもよい。
【００７９】
さらに、制御部１０は、加熱に使用するマイクロ波照射装置７及び冷却に使用する冷却装置１１を制御して、繊維強化プラスチック材料１０１、成形型１０２、導電性繊維集合体４、導電性繊維集合体５及び導電性繊維集合体６の内の少なくとも１つが所望の温度になるように、マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御してもよい。又、制御部１０は、圧力容器２の内部の気体の温度が所望の温度になるように、マイクロ波の出力レベルをフィードバック制御してもよい。
【００８０】
制御部１０は、プリプレグ１０１の成形に必要な加熱時間が経過した後に、マイクロ波照射装置７のマイクロ波照射を停止させる。その後、冷却装置１１を適宜作動させ、繊維強化プラスチックを冷却する。以上で、繊維強化プラスチックの成形が完了する。
【００８１】
使用した導電性繊維集合体４〜６は、１回限りの使い捨てではなく、繰り返し何度も成形に使用することができる。真空バッグ２５は１回限りの使い捨てである場合が多いが、導電性繊維集合体４を真空バッグ２５から取り外して再利用すればよい。導電性繊維集合体４は可撓性を有して成形型１０２の形状に対応して変形可能なので、異なる形状の成形型１０２であっても再使用することができる。
【００８２】
なお、図１に示す成形部材２１では、導電性繊維集合体４が真空バッグ２５の外側を全体的に覆うように配置されている例を示したが、図３に示すように、導電性繊維集合体４ａ，４ｂが真空バッグ２５の外側の必要な部位（一部）にだけ配置されていてもよい。又、図４に示すように、導電性繊維集合体４ｃ，４ｄが真空バッグ２５の内側に配置されていてもよい。図３、図４では、既に説明した構成と同様の構成については同じ符号を付して詳細な説明を省略する。両図では、減圧装置８の配管４２の図示は省略している。
【００８３】
図３に示す成形部材２１ａは、真空バッグ２５の外側に、導電性繊維集合体４ａ及び導電性繊維集合体４ｂを配置した例である。導電性繊維集合体４ａは、シート状であり、プリプレグ１０１とほぼ同様の平面形状に形成されている。導電性繊維集合体４ａは、プリプレグ１０１に対向する部位に配置されている。導電性繊維集合体４ｂは、シート状であり、成形型１０２とほぼ同様の平面形状に形成されている。導電性繊維集合体４ｂは、成形型１０２に対向する部位に配置されている。導電性繊維集合体４ａ及び導電性繊維集合体４ｂは、接着剤、両面接着テープ又はベルト等の固定部材で真空バッグ２５に取り付けられていてもよい。
【００８４】
このように構成すると、導電性繊維集合体４ａはプリプレグ１０１を主に加熱し、導電性繊維集合体４ｂは成形型１０２を主に加熱する。導電性繊維集合体４ａ及び導電性繊維集合体４ｂの各々の厚さや形状を適宜設定することで、各々の発熱特性（加熱特性）を適宜変えることができる。又、真空バッグ２５に取り付けやすい。なお、必要性に応じて、導電性繊維集合体４ａ及び導電性繊維集合体４ｂのいずれか一方だけを配置してもよい。２以上の複数の導電性繊維集合体４を真空バッグ２５に配置してもよい。
【００８５】
図４に示す成形部材２１ｂは、真空バッグ２５の内側に、導電性繊維集合体４ｃ及び導電性繊維集合体４ｂを配置した例である。導電性繊維集合体４ｃは、シート状であり、プリプレグ１０１とほぼ同様の平面形状に形成されている。導電性繊維集合体４ｃは、プリプレグ１０１に対向する部位に配置されている。マイクロ波遮蔽シート２３が導電性である場合、同図に示すように、マイクロ波遮蔽シート２３と導電性繊維集合体４ｃとの間に、互いの接触を防止するために、可撓性を有する絶縁シート２７ａを配置してもよい。導電性繊維集合体４ｄは、シート状であり、成形型１０２とほぼ同様の平面形状に形成されている。導電性繊維集合体４ｄは、成形型１０２に対向する部位に配置されている。成形型１０２が導電性である場合、同図に示すように、マイクロ波遮蔽シート２３と導電性繊維集合体４ｃとの間に、互いの接触を防止するために、可撓性を有する絶縁シート２７ｂを配置してもよい。
【００８６】
このように構成すると、導電性繊維集合体４ｃはプリプレグ１０１を主に加熱し、導電性繊維集合体４ｄは成形型１０２を主に加熱する。導電性繊維集合体４ｃ及び導電性繊維集合体４ｄの各々の厚さや形状を適宜設定することで、各々の発熱特性（加熱特性）を適宜変えることができる。
【００８７】
又、導電性繊維集合体４ｃ及び導電性繊維集合体４ｄは、真空バッグ２５内に配置されるため、接着剤等の固定部材で真空バッグ２５に固定しなくてもよい。そのため、成形後に、導電性繊維集合体４ｃ，４ｄを容易に真空バッグ２５から取り出せるため、容易に再利用することができる。
【００８８】
又、真空バッグ２５に挟み込まれるため、導電性繊維集合体４ｃ及び導電性繊維集合体４ｄを、プリプレグ１０１及び成形型１０２の形状にぴったりと合うように変形させることができる。
【００８９】
なお、オートクレーブ成形を行う成形装置及び成形方法について説明したが、これに限られず、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を成形する種々の成形装置及び成形方法に本発明を適用することができる。例えば、真空バッグを加圧しない状態で成形を行う真空バッグ成形法に本発明を適用してもよいし、ＲＴＭ(Resin Transfer Molding)法、ＶａＲＴＭ法に本発明を適用してもよい。ここで、ＲＴＭ(Resin Transfer Molding)法は熱硬化性樹脂を成形型に封入された繊維プリフォームに注入後に加熱硬化する方法である。ＶａＲＴＭ法は、ＲＴＭ法の一種で素材を積層後、真空にしてから熱硬化性樹脂を含浸して加熱硬化する方法である。これら各方法では、成形時に加熱が必要である。その加熱に、導電性繊維集合体へのマイクロ波照射による発熱を利用することができる。
【００９０】
又、圧力容器２を用いた例を説明したが、必要性に応じて、常圧で使用可能な常圧容器を用いて成形してもよい。又、容器内でマイクロ波を照射して成形するのではなく、解放空間でマイクロ波を照射して成形を行うようにしてもよい。
【実施例】
【００９１】
（温度制御実験）
導電性繊維集合体として炭素繊維フェルト（カーボンフェルト）を用い、マイクロ波を照射して発熱させた。この温度を温度測定器で測定し、設定した温度になるようにマイクロ波の出力レベルをフィードバック制御した例を示す。
【００９２】
（共通条件）
マイクロ波発振器（株式会社ニッシン製、型名：ＭＰＳ−３０Ａ−ＡＣ、最大出力：３ｋＷ、周波数：２４５０ＭＨｚ、マイクロ波出力制御ユニット（ニッシン社製、ＥＸ−ＦＢＵ）付き）の外部インタフェースコネクタに、フィードバック制御器（株式会社チノー社製、温調器（デジタルプログラム調節計）、型名：ＫＰ―２０００）の出力端子を接続した。フィードバック制御器の入力端子には、放射温度測定器（ＬｕｍａＳｅｎｓｅ社製、Ｉｍｐａｃ（Ｒ）光ファイバーデジタル放射温度計、型名：ＩＧＡ５０−ＬＯ／ＭＢ２０、測定範囲：３００〜２０００℃、検出波長：１．４５〜１．８μｍ、検出素子：ＩｎＧａＡｓ）を接続した。この接続で、放射温度測定器の測定した温度が設定温度になるように、マイクロ波発振器の出力レベルをフィードバック制御できるように構成した。
【００９３】
フィードバック制御は、ＰＩＤ制御により行った。
【００９４】
炭素繊維フェルトには、日本カーボン株式会社製のソフトフェルトを使用した。炭素繊維フェルトを、円盤状（半径３０〜４０ｍｍ、厚さ５ｍｍ）の形状に加工した。単体または複数（２枚）の炭素繊維フェルトが同軸上に並ぶように配列して用いた。
【００９５】
常圧の環境で、炭素繊維フェルトにアルゴンガスまたは窒素ガスを通流させながら、マイクロ波を照射してマイクロ波加熱または放電加熱した。
【００９６】
（実験１）
フィードバック制御器の設定温度を３５０℃、４５０℃、５５０℃の各々に設定したときに、炭素繊維フェルトの温度が３５０℃、４５０℃、５５０℃になった。フィードバック制御を行わないときに、出力３ｋＷのマイクロ波を照射したところ、炭素繊維フェルトの温度は１２００℃まで上昇した。１２００℃までの上昇時間は、数秒であった。
【００９７】
（実験２）
マイクロ波フィードバック回路ＥＸ−ＦＢＵにより、４５０℃で３０分間一定とするワンステッププログラムで、アルゴン気流（1192cm3 min-1 SATP）中一対の炭素繊維フェルト間に５００Ｗ（進行波５００Ｗ，反射波０Ｗ）のマイクロ波（２．４５ＧＨｚ）を印加して得られた温度変化を測定した。再現性を確認するために同条件の試行を３回繰り返した。その結果を図５に示す。図５（１）から図５（３）に示すように、４５０℃に制御できることが確認できた。又、図５（１）から図５（３）に示すように、同様のＰＩＤ動作応答が得られ、再現性を確認することができた。
【００９８】
(実験３）
実験２（図５）で現れたＰＩＤオーバーシュートを抑制するため、同様の構成で、２段階での温度制御を経験的な方法で試みた。図６（ａ）は、初期５分間４００℃一定、その後の２５分間４５０℃一定の設定で０．５０ｋＷのマイクロ波を印加したときの温度変化を示す。１段目で３０℃ほどのオーバーシュートが生じたが、結局１段目と２段目の境界で約３０℃の段差が生じた。この段差を解消するため、図６（ｂ）では、初期５分間を４２０℃一定とし、それ以降の２５分間を４５０℃一定として行い、良好な結果を得た。
【００９９】
(実験４）
図７は、より低温の３５０℃での制御を試みた結果であり、図７（ａ）は、３５０℃ワンステップの設定でアルゴン気流（1192 cm3 min-1 SATP）中、一対の炭素繊維フェルトに０．３０ｋＷのマイクロ波を３０分間印加したときの温度変化を示す。オーバーシュートが若干観測されたが、２０℃弱であり、オートクレーブ用熱源としては良好な結果と考えられる。図７（ｂ）は、３ステップで３５０℃まで昇温する設定で行ったものである。第１ステップは３２０℃で３分、第２ステップは３４０℃で２分、そして第３ステップは３５０℃で２５分の設定でアルゴン気流（1192 cm3 min-1 SATP）中、一対の炭素繊維フェルトに０．３０ｋＷのマイクロ波を印加したときの温度変化を示す。オーバーシュートはやや改善されているようにも見えるが、図７（ａ）の場合と大差はなく、むしろステップ変化にともなうわずかな段差が生じる可能性は拭えない。
【０１００】
３５０℃（４００℃）以下の低温の温度制御では、ＦＢＵ−ＥＸワンステップ設定で十分高速温度コントロールが可能である結果を得ることができた。
【０１０１】
（実験５）
図８は、３５０℃ワンステップ設定でアルゴン気流（1192 cm3 min-1 SATP）中、一対の炭素繊維フェルトにマイクロ波を３０分間印加したときのＰＩＤ温度応答のマイクロ波出力依存性を調べた結果である。
【０１０２】
初期における温度の立ち上がりは、マイクロ波出力が高いほど、速くなる傾向が認められた。オーバーシュートは（a）、（b）、（c）および（d）の場合に対して、それぞれ４％、１１％、１１％、１７％であった。また、マイクロ波出力を上げると、目標値（３５０℃）からの偏差が大きくなる傾向が認められた。各出力条件で、比例ゲイン、積分ゲインおよび微分ゲインの最適化を行えばよい。
【符号の説明】
【０１０３】
１は繊維強化プラスチック成形装置、２は圧力容器、２ａは開閉扉、３は載置台、４・４ａ・４ｂ・４ｃ・４ｄは導電性繊維集合体、５は導電性繊維集合体、６は導電性繊維集合体、７はマイクロ波照射装置、８は減圧装置、９は加圧装置、１０は制御部、１１は冷却装置、１２は循環装置、１４は支持柱、１８は温度測定器、１９は温度測定器、２１・２１ａ・２１ｂは成形部材、２３はマイクロ波遮蔽シート、２５は真空バッグ、２７ａ・２７ｂは絶縁シート、３１はマイクロ波発振器、３２はアンテナ、４１は真空ポンプ、４２は配管、５１はコンプレッサ、５２は配管、６１は冷却器、６２は配管、６３は熱交換器、６５はモータ、６６はファン、１０１は繊維強化プラスチック材料（プリプレグ）、１０２は成形型である。
【図１】
2018167528.tif 000003
【図２】
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【図３】
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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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