(57)【要約】【課題】成形時間を短縮しつつ、型締圧力を抑えることによってプレス機を小型化することを可能とする複合材料の成形方法および成形装置を提供する。【解決手段】開閉可能な成形型内のキャビティに炭素繊維を配置し、成形型に型締圧力を負荷した状態においてキャビティ内に樹脂を注入し、樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、キャビティ内の圧力のしきい値を型締圧力より低く設定し、キャビティ内に樹脂を注入するときには、キャビティ内の圧力がしきい値に達するまでは型締圧力以上の注入圧力を樹脂に負荷して樹脂を注入し（Ｓ４、Ｓ５）、キャビティ内の圧力がしきい値に達した後は、キャビティ内を吸引する（Ｓ６〜Ｓ９）、複合材料の成形方法。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
開閉可能な成形型内のキャビティに強化基材を配置し、前記成形型に型締圧力を負荷した状態において前記キャビティ内に樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法であって、
前記キャビティ内の圧力のしきい値を前記型締圧力より低く設定し、
前記キャビティ内に前記樹脂を注入するときには、前記キャビティ内の圧力が前記しきい値に達するまでは前記型締圧力以上の注入圧力を前記樹脂に負荷して前記樹脂を注入し、前記キャビティ内の圧力が前記しきい値に達した後は、前記キャビティ内を吸引する、複合材料の成形方法。
【請求項２】
前記キャビティ内を吸引するときは、少なくとも前記キャビティ内に注入された前記樹脂の一部を吸引する、請求項１に記載の複合材料の成形方法。
【請求項３】
前記キャビティ内を吸引するときには、前記キャビティ内の圧力を徐々に降下させる、請求項１または請求項２に記載の成形方法。
【請求項４】
前記樹脂を注入する前に、前記成形型内を真空引きする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
【請求項５】
前記強化基材は炭素繊維から形成されてなる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
【請求項６】
前記複合材料は自動車部品に使用される、請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料の成形方法。
【請求項７】
強化基材を配置するキャビティが形成された開閉可能な成形型と、
前記成形型に型締圧力を負荷するプレス部と、
前記キャビティ内に樹脂を注入する樹脂注入部と、
前記キャビティ内を吸引する吸引部と、を有し、
前記キャビティ内の圧力が前記型締圧力より低く設定されたしきい値に達するまでは、前記樹脂注入部は前記型締圧力以上の注入圧力を前記樹脂に負荷して前記樹脂を注入し、前記キャビティ内の圧力が前記しきい値に達した後は、前記吸引部が前記キャビティ内を吸引するとともに前記樹脂注入部は前記注入圧力を前記樹脂に負荷することなく前記樹脂を前記キャビティ内に注入する、複合材料の成形装置。
【請求項８】
前記吸引部は、少なくとも前記キャビティ内に注入された前記樹脂の一部を吸引する、請求項７に記載の複合材料の成形装置。
【請求項９】
前記吸引部は、前記キャビティ内の圧力を徐々に降下させる、請求項７または請求項８に記載の成形装置。
【請求項１０】
前記吸引部は、前記樹脂を注入する前に、前記成形型内を真空引きする、請求項７〜９のいずれか１項に記載の成形装置。
【請求項１１】
前記強化基材は炭素繊維から形成されてなる、請求項７〜１０のいずれか１項に記載の成形装置。
【請求項１２】
前記複合材料は自動車部品用の材料である、請求項７〜１１のいずれか１項に記載の成形装置。
【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。ＲＴＭ成形法は、開閉可能な一対の下型（雌型）、上型（雄型）から成る成形型内のキャビティに強化基材を設置し、型を閉締した後、樹脂注入口から樹脂を注入して強化基材に含浸させ、その後、キャビティ内において硬化させる複合材料の成形方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１９３５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
キャビティ内に樹脂を注入する際に、樹脂の注入圧力を高くすることによって成形時間を短縮することができる。一方、樹脂の注入圧力が高くなると、それに伴ってキャビティ内の圧力も大きくなる。キャビティ内の圧力が成形型に負荷している型締圧力を超えてしまうと型が開いてしまう。成形時に型が開いてしまうと、成形品にバリが生じ、成形不良の原因となる。そのため、プレス機によって高い型締圧力を負荷して型締する必要があり、プレス機が大型化し、これに伴って設備費用が高くなるという問題が生じている。【０００５】
そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、成形時間を短縮しつつ、型締圧力を抑えることによってプレス機を小型化することを可能とする複合材料の成形方法および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】
【０００６】
上記目的を達成するための本発明の一側面によれば、開閉可能な成形型内のキャビティに強化基材を配置し、前記成形型に型締圧力を負荷した状態において前記キャビティ内に樹脂を注入し、前記樹脂を硬化させて複合材料を成形する成形方法が提供される。当該成形方法は、前記キャビティ内の圧力のしきい値を前記型締圧力より低く設定し、前記キャビティ内に前記樹脂を注入するときには、前記キャビティ内の圧力が前記しきい値に達するまでは前記型締圧力以上の注入圧力を前記樹脂に負荷して前記樹脂を注入し、前記キャビティ内の圧力が前記しきい値に達した後は、前記キャビティ内を吸引する。【０００７】
また、上記目的を達成するための本発明の他の側面によれば、強化基材を配置するキャビティが形成された開閉可能な成形型と、前記成形型に型締圧力を負荷するプレス部と、前記キャビティ内に樹脂を注入する樹脂注入部と、前記キャビティ内を吸引する吸引部と、を有する複合材料の成形装置が提供される。当該成形装置では、前記キャビティ内の圧力が前記型締圧力より低く設定されたしきい値に達するまでは、前記樹脂注入部は前記型締圧力以上の注入圧力を前記樹脂に負荷して前記樹脂を注入し、前記キャビティ内の圧力が前記しきい値に達した後は、前記吸引部が前記キャビティ内を吸引するとともに前記樹脂注入部は前記注入圧力を前記樹脂に負荷することなく前記樹脂を前記キャビティ内に注入する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態に係る複合材料の成形装置の概略図である。
【図２】同成形装置の樹脂注入部の構成を示す概略図である。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、同成形装置の成形型の斜視図、平面図である。
【図４】図４（Ａ）は図３（Ｂ）の４Ａ−４Ａ線に沿う断面図、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面図である。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、同成形装置のラインゲートの作用を説明する説明図であって、それぞれ、樹脂を注入しているときの様子を説明する図、キャビティ内を吸引しているときの様子を説明する図である。
【図６】図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、同成形装置のキャビティ内に樹脂を注入するときのキャビティ内の様子を説明する説明図であって、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に対応する断面図である。
【図７】本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８】図８（Ａ）は、同実施形態に係るキャビティ内の圧力の時間推移を表すグラフ図であり、図８（Ｂ）は、同実施形態に係る樹脂の注入圧力の時間推移を表すグラフ図である。
【図９】図９（Ａ）は、複合材料を使用した自動車部品を示す図であり、図９（Ｂ）は、部品を接合した車体を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）は、改変例に係る成形装置のラインゲートを説明する説明図であって、それぞれ図５（Ａ）、図５（Ｂ）に対応する図である。
【図１１】図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）は、別の改変例に係る成形装置のラインゲートを説明する説明図であって、それぞれ図５（Ａ）、図５（Ｂ）に対応する図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
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、以下の記載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おり、実際の比率とは異なる場合がある。
【００１０】
図１は、複合材料２００の成形装置１００の概略図である。図２は、樹脂注入部３０の構成を示す概略図である。図３（Ａ）、図３（Ｂ）は、成形型１０の斜視図、平面図である。図４（Ａ）は図３（Ｂ）の４Ａ−４Ａ線に沿う断面図、図４（Ｂ）は図３（Ｂ）の４Ｂ−４Ｂ線に沿う断面図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、ラインゲート１８の作用を説明する説明図であって、それぞれ、樹脂２２０を注入しているときの様子を説明する図、キャビティ１５内を吸引しているときの様子を説明する図である。図５（Ａ）、図５（Ｂ）では、強化基材２１０は省略して示している。図６（Ａ）、図６（Ｂ）は、キャビティ１５内に樹脂２２０を注入するときのキャビティ１５内の様子を説明する説明図であって、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に対応する断面図である。図７は、複合材料２００の成形方法を示すフローチャートである。図８（Ａ）は、本実施形態に係るキャビティ１５内の圧力Ｐｒの時間推移を表すグラフ図であり、図８（Ｂ）は、本実施形態に係る樹脂２２０の注入圧力Ｐｉの時間推移を表すグラフ図である。図９（Ａ）は、複合材料２００を使用した自動車部品３０１〜３０３を示す図であり、図９（Ｂ）は、部品を接合した車体３００を示す図である。
【００１１】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
【００１２】
本実施形態に係る成形方法および成形装置１００によって得られる複合材料２００は、強化基材２１０と、樹脂２２０と、によって構成されている。強化基材２１０と組み合わせることによって樹脂２２０単体に比べて高い強度および剛性を備える複合材料２００となる。また、図９に示すように、自動車の車体３００（図９（Ｂ）を参照）に使用される部品であるフロントサイドメンバー３０１やピラー３０２等の骨格部品、ルーフ３０３等の外板部品に複合材料２００を使用することによって、鉄鋼材料を使用した場合に比べて車体の軽量化が可能となる。
【００１３】
強化基材２１０は、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等の織物シートによって形成され、積層された状態において成形型１０に形成されたキャビティ１５内に配置してプリフォームする。本実施形態においては、熱膨張係数が小さく寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ない炭素繊維を用いる。なお、プリフォームは成形型１０以外の別型により行ってもよい。
【００１４】
樹脂２２０は、熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。本実施形態においては、機械的特性、寸法安定性に優れたエポキシ樹脂を用いる。エポキシ樹脂は２液タイプが主流であり、主剤および硬化剤を混合して使用する。主剤はビスフェノールＡ型のエポキシ樹脂、硬化剤はアミン系のものが一般的に用いられるが、特にこれに限定されるものではなく、所望の材料特性に合わせて適宜選択できる。
【００１５】
図１を参照して、本実施形態に係る成形装置１００は、概説すると、炭素繊維２１０（強化基材に相当）を配置するキャビティ１５が形成された開閉可能な成形型１０と、成形型１０に型締圧力Ｐｍを負荷するプレス部２０と、キャビティ１５内に樹脂２２０を注入する樹脂注入部３０と、を有する。成形装置１００は、樹脂注入部３０に備えられ樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを調整自在な注入バルブ４０と、キャビティ１５内の圧力Ｐｒを測定する圧力計５０と、キャビティ１５内を吸引する吸引部６０と、成形型１０の温度を調整する成形型温度調整部７０と、成形装置１００全体の作動を制御する制御部８０と、をさらに有する。以下、成形装置１００について詳述する。
【００１６】
成形型１０は、開閉可能な一対の上型１１（雄型）と、下型１２（雌型）と、注入口１３ａ、１３ｂと、吸引口１４と、キャビティ１５と、流路１６ａ、１６ｂ、１７と、ラインゲート１８と、を有する。炭素繊維２１０は、積層してプリフォームした状態において予めキャビティ１５内に配置する。
【００１７】
注入口１３ａ、１３ｂは、下型１２の下方部に設けられる。注入口１３ａ、１３ｂは樹脂注入部３０に連結される。
【００１８】
吸引口１４は、下型１２の下方部中央に設けられる。吸引口１４は吸引部６０に連結される。
【００１９】
キャビティ１５は、図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように、上型１１の内面Ｓ１と下型１２の内面Ｓ２とによって密閉自在に形成される。キャビティ１５内を密閉状態にするために、上型１１と下型１２の合わせ面にシール部材等を設けてもよい。
【００２０】
流路１６ａ（１６ｂ）は、注入口１３ａ（１３ｂ）と流体的に連通している。樹脂注入部３０から注入口１３ａ（１３ｂ）に注入された樹脂２２０は、流路１６ａ（１６ｂ）を通ってキャビティ１５内に導かれる。
【００２１】
流路１７は、吸引口１４と流体的に連通している。流路１７および吸引口１４を介して、吸引部６０によりキャビティ１５内が吸引される。
【００２２】
本実施形態において、ラインゲート１８は、図３および図４に示すように下型１２の内面Ｓ２に矩形状に設けられる。ラインゲート１８を成形型１０に設けることにより、注入口１３ａ、１３ｂから注入された樹脂２２０がキャビティ１５内に効率的に広がりやすくなる。これにより、炭素繊維２１０への樹脂２２０の含浸が促進される。具体的には、図５（Ａ）を参照して、注入口１３ａ（１３ｂ）から注入された樹脂２２０は、流路１６ａ（１６ｂ）を通ってキャビティ１５に導かれる。キャビティ１５内に導かれた樹脂２２０は、矢印で示したようにラインゲート１８に沿って広がりながら、炭素繊維２１０の下面から内部に含浸していく。ラインゲート１８に沿って広がりながら炭素繊維２１０に含浸されるため、樹脂２２０の含浸が効率的になされる。また、ラインゲート１８内が樹脂２２０によって満たされると、図６（Ａ）、図６（Ｂ）に示すように、樹脂２２０の一部は、矢印で示したように炭素繊維２１０と上型１１および下型１２との間を通って炭素繊維２１０の側面側および上面側にも広がっていく。そして、炭素繊維２１０の側面および上面からも樹脂２２０が内部に含浸していく。
【００２３】
プレス部２０は、成形型１０の上型１１に型締圧力Ｐｍを負荷する。プレス部２０は、油圧等の流体圧を用いたシリンダー２１を有し、油圧等を制御することによって型締圧力Ｐｍを調整する。
【００２４】
樹脂注入部３０は、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達するまでは、注入圧力Ｐｉを負荷して樹脂２２０をキャビティ１５内に注入する。一方、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後は、注入圧力Ｐｉを負荷することなくキャビティ１５内に樹脂２２０を注入する。
【００２５】
図１および図２を参照して、樹脂注入部３０は、主剤タンク３１と、硬化剤タンク３２と、チューブ３３ａ、３３ｂ、３６、３７ａ、３７ｂと、圧力計３４ａ、３４ｂと、ポンプ３５ａ、３５ｂと、バッファ３８ａ、３８ｂと、注入バルブ４０と、を有する。
【００２６】
主剤タンク３１には主剤が充填され、硬化剤タンク３２には硬化剤が充填される。
【００２７】
圧力計３４ａ、３４ｂは、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを測定するため、注入口１３ａ、１３ｂ付近のチューブ３７ａ、３７ｂにそれぞれ配置する。
【００２８】
図２を参照して、ポンプ３５ａ、３５ｂは、主剤タンク３１および硬化剤タンク３２に連結されるチューブ３３ａ、３３ｂにそれぞれ配置する。ポンプ３５ａ、３５ｂは、主剤および硬化剤を一定圧力において注入バルブ４０に向けて吐出する。
【００２９】
チューブ３６は後述する注入バルブ４０とバッファ３８ａ、３８ｂとを接続し、チューブ３７ａ（３７ｂ）はバッファ３８ａ（３８ｂ）と注入口１３ａ（１３ｂ）とを接続する。注入バルブ４０から吐出された樹脂２２０は、チューブ３６、バッファ３８ａ（３８ｂ）、チューブ３７ａ（３７ｂ）の順に経由して注入口１３ａ（１３ｂ）へと導かれる。
【００３０】
バッファ３８ａ（３８ｂ）は、チューブ３６およびチューブ３７ａ（３７ｂ）と流体的に連通した状態で接続される。樹脂２２０がバッファ３８ａ、３８ｂを通るとき、バッファ３８ａ、３８ｂ内には一定量の樹脂２２０が蓄えられる。バッファ３８ａ、３８ｂ内に一定量の樹脂２２０が蓄えられることにより、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後において、注入圧力Ｐｉを負荷することなくキャビティ１５内に樹脂２２０が注入される。
【００３１】
具体的には、注入圧力Ｐｉを負荷して樹脂２２０を注入しているとき、キャビティ１５内の圧力Ｐｒとバッファ３８ａ、３８ｂ内の圧力は、ほぼ等しい圧力となっている。そして、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後、キャビティ１５内は後述する吸引部６０により吸引される。吸引部６０がキャビティ１５内を吸引することにより、キャビティ１５内の圧力Ｐｒは、バッファ３８ａ、３８ｂ内の圧力よりも相対的に低い圧力となる。当該圧力差によって、バッファ３８ａ、３８ｂ内に蓄えられていた樹脂２２０がキャビティ１５内へと当該圧力差がなくなるまで注入される。
【００３２】
注入バルブ４０は、シリンダー４１と、ピストン４２と、を有する。シリンダー４１は、ピストン４２の基端部４２ａによって区画された２つのチャンバ４１ｕ、４１ｄを有する。２つのチャンバ４１ｕ、４１ｄに供給する空圧または油圧などの流体圧を調整することによって、ピストン４２は図において上下方向に移動する。ピストン４２がシリンダー４１内を移動することによって、主剤および硬化剤の流通経路の開度を調整する。この注入バルブ４０の開度によって、樹脂２２０のキャビティ１５内への注入量Ｑｉを調整し、成形型１０に搬送される樹脂２２０の注入圧力Ｐｉを調整する。なお、樹脂２２０が硬化する前の状態において粘度が２００［ｍＰａ・ｓ］以下のとき、キャビティ１５内への樹脂２２０の注入量Ｑｉと注入圧力Ｐｉは、Ｑｉ２＝Ａ×Ｐｉ（Ａは、流出係数、流路面積および流体密度によって決まる値）の式によって表される相関関係にあることが知られている。
【００３３】
シリンダー４１は、上側吸入口４４と、下側吐出口４５と、を有する。ピストン４２が図において上方に移動すると、下側吐出口４５が開く。下側吐出口４５のそれぞれから吐出した主剤および硬化剤は、混合されて樹脂２２０となる。樹脂２２０は、チューブ３６、バッファ３８ａ（３８ｂ）、チューブ３７ａ（３７ｂ）を順に経由して注入口１３ａ（１３ｂ）に吐出される。ピストン４２が図において下方に移動すると、上側吸入口４４と下側吐出口４５とが、ピストン４２に形成した凹部４３を介して連通する。主剤および硬化剤は、下側吐出口４５から凹部４３を通り、上側吸入口４４から主剤タンク３１および硬化剤タンク３２に再び戻される。この動作によって、主剤および硬化剤は、一定の圧力においてチューブ３３内を循環する。
【００３４】
図１を再び参照して、圧力計５０は、ひずみゲージ等を備え、キャビティ１５内の圧力Ｐｒを測定するために成形型１０に配置される。
【００３５】
吸引部６０は、キャビティ１５内を吸引する。具体的には、吸引部６０は、キャビティ１５内の空気、およびキャビティ１５内に注入された樹脂２２０の一部を吸引する。より具体的には、吸引部６０は、キャビティ１５内を吸引するときに、キャビティ１５内の圧力Ｐｒを徐々に降下させる。
【００３６】
図１を参照して、吸引部６０は、ポンプ６１と、配管６２、６４と、吸引バルブ６３と、を有する。ポンプ６１は、気体と液体の混合移送が可能な真空ポンプである。吸引バルブ６３は、キャビティ１５内の吸引の開始や停止の操作、および吸引圧の調節に使用される。吸引バルブ６３を操作することにより、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが徐々に降下するようにキャビティ１５内を吸引することができる。本実施形態において、吸引バルブ６３は、後述する制御部８０により操作される。ポンプ６１を作動させた状態で吸引バルブ６３を開くことにより、キャビティ１５内の空気、およびキャビティ１５内に注入された樹脂２２０の一部が配管６２、６４を介してポンプ６１に吸引される。
【００３７】
吸引部６０がキャビティ１５内に注入された樹脂２２０の一部を吸引することにより、キャビティ１５内に樹脂２２０の注入スペースが確保される。そのため、注入圧力Ｐｉを負荷することなく樹脂２２０をキャビティ１５内に注入し易くなる。
【００３８】
具体的には、吸引部６０が樹脂２２０の一部を吸引することにより、図５（Ｂ）において矢印で示すように、キャビティ１５内において樹脂２２０の流れが生じる。樹脂２２０の流れが生じることによってキャビティ１５内に樹脂２２０が拡散される。そのため、高い注入圧力Ｐｉを負荷して注入しなければ到達させるのが難しい箇所に、注入圧力Ｐｉを負荷することなく樹脂２２０を到達させることができる。樹脂２２０の流れは、キャビティ１５内の大部分を樹脂２２０が満たしている状態の方が生じやすい。
【００３９】
成形型温度調整部７０は、加熱部材を有し、成形型１０を樹脂２２０の硬化温度まで加熱し、キャビティ１５内に注入された樹脂２２０を硬化させる。加熱部材は、電気ヒーターであり、直接的に成形型１０を加熱する。なお、加熱部材はこれに限定されず、たとえば、油などの熱媒体を電気ヒーターによって加熱し、成形型１０内に熱媒体を循環させることによって、成形型１０の温度を調整してもよい。
【００４０】
制御部８０は、成形装置１００全体の動作を制御する。制御部８０は、記憶部８１と、演算部８２と、入出力部８３と、を有する。入出力部８３は、圧力計３４ａ、３４ｂ、５０と、注入バルブ４０と、吸引部６０と、成形型温度調整部７０とに接続される。記憶部８１は、ＲＯＭやＲＡＭから構成され、キャビティ１５内の圧力Ｐｒのしきい値Ｐｃ等のデータを予め記憶する。演算部８２は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部８３を介して圧力計３４ａ、３４ｂ、５０からの樹脂２２０の注入圧力Ｐｉおよびキャビティ１５内の圧力Ｐｒのデータを受信する。演算部８２は、記憶部８１から読み出したデータおよび入出力部８３から受信したデータを基に注入バルブ４０のピストン４２位置、吸引部６０の吸入圧および成形型温度調整部７０による成形型１０の加熱温度を算出する。算出データを基にした制御信号は、入出力部８３を介して注入バルブ４０、吸引部６０および成形型温度調整部７０に送信する。このようにして、制御部８０は、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉ、真空引き時のキャビティ１５内の圧力Ｐｒ、成形型温度等を制御する。
【００４１】
また、制御部８０は、吸引部６０の吸引タイミングを制御する。具体的には、制御部８０は、樹脂２２０を注入する前に、成形型１５内を真空引きするように吸引部６０を制御する。さらに、制御部８０は、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後、キャビティ１５内を吸引するように吸引部６０を制御する。このとき、制御部８０は、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが徐々に降下するように吸引部６０を制御する。キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達したか否かは、圧力計５０による計測値に基づいて判断する。
【００４２】
以下、図７を参照して複合材料２００の成形方法の手順について説明する。
【００４３】
図７に示すように、複合材料２００の成形方法は、炭素繊維２１０を配置する工程（ステップＳ１）と、成形型１０を型閉じする工程（ステップＳ２）と、真空吸引を行う工程（ステップＳ３）と、樹脂２２０を注入する工程（ステップＳ４〜Ｓ９）と、樹脂２２０を硬化させる工程（ステップＳ１０）と、脱型する工程（ステップＳ１１）と、を有する。以下、各工程について詳述する。なお、ステップＳ１、Ｓ１０、Ｓ１１の操作を除き、制御部８０が各ステップの処理を実行する。
【００４４】
まず、炭素繊維２１０を積層し、成形型１０のキャビティ１５内に配置してプリフォームする（ステップＳ１）。このとき、キャビティ１５に臨む型内面を、所定の有機溶剤を用いて脱脂処理し、離型剤を用いて離型処理を施しておく。
【００４５】
次に、成形型１０を型閉じする（ステップＳ２）。本実施形態では、プレス部２０により成形型１０に型締圧力Ｐｍを負荷することにより成形型１０の上型１１と下型１２が接近して型閉じが進行する。成形型１０の上型１１が下型１２に接触すると成形型１０の型閉じが完了となる。このとき、上型１１と下型１２の間に、密閉されたキャビティ１５が形成される。
【００４６】
次に、吸引部６０によって吸引口１４から空気を吸引し、真空引きを行い、キャビティ１５内を真空状態にする（ステップＳ３）。このとき、圧力が負圧となるように圧力計５０のデータを基に制御部８０によって調整する。真空引きを行うことによって、表面に発生する気泡を防止し、成形品である複合材料２００のボイドやピットを減らすことができ、複合材料２００の機械的特性や意匠性を向上させることができる。
【００４７】
次に、樹脂２２０の注入圧力Ｐｉが型締圧力Ｐｍよりも高い圧力Ｐ１（図８（Ｂ）を参照）となるように調整し、注入口１３ａ、１３ｂから樹脂２２０の注入を開始する（ステップＳ４）。樹脂２２０は、注入バルブ４０から吐出され、バッファ３８ａ、３８ｂを経由してキャビティ１５内に注入される。このとき、バッファ３８ａ、３８ｂは、一定量の樹脂２２０を蓄える。キャビティ１５内に注入された樹脂２２０は、図５（Ａ）および図６（Ａ）、図６（Ｂ）を参照して上述したように、ラインゲート１８を介してキャビティ１５内に広がりながら炭素繊維２１０に含浸されていく。
【００４８】
樹脂２２０の注入開始後、所定時間内に圧力計５０によってキャビティ１５内の圧力Ｐｒを測定する（ステップＳ５）。キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達するまで、注入圧力Ｐｉを負荷して樹脂２２０を注入するとともに、キャビティ１５内の圧力Ｐｒの測定を継続する（ステップＳ５：「Ｎｏ」、ステップＳ４）。キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達したら（ステップＳ５：「Ｙｅｓ」）、樹脂２２０への注入圧力Ｐｉの負荷を停止する。このとき、キャビティ１５内の圧力Ｐｒと、バッファ３８ａ、３８ｂ内の圧力はほぼ等しい状態にある。
【００４９】
次に、吸引部６０によりキャビティ１５内の吸引を開始する（ステップＳ６）。吸引部６０によりキャビティ１５内を吸引することにより、キャビティ１５内の圧力Ｐｒは、バッファ３８ａ、３８ｂ内の圧力よりも相対的に低い圧力となる。当該圧力差によって、バッファ３８ａ、３８ｂ内に蓄えられていた樹脂２２０がキャビティ１５内へと当該圧力差がなくなるまで注入される。すなわち、注入圧力Ｐｉを負荷せずに樹脂２２０がキャビティ１５内に注入される（ステップＳ７）。キャビティ１５内の吸引は、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが徐々に降下するように行う。
【００５０】
キャビティ１５内に樹脂２２０が完全に充填されるまでステップＳ７の動作を繰り返す（ステップＳ８：「Ｎｏ」、ステップＳ７）。
【００５１】
キャビティ１５内に樹脂２２０を規定量注入し終えると（ステップＳ８：「Ｙｅｓ」）、キャビティ１５内の吸引を停止する（ステップＳ９）。
【００５２】
次に、キャビティ１５内の樹脂２２０が十分硬化するまで放置する（ステップＳ１０）。なお、成形型１０全体は、成形型温度調整部７０によって樹脂２２０の硬化温度に予め温度調節してある。
【００５３】
成形型１０を開き、成形された複合材料２００を脱型すると、成形が完了する（ステップＳ１１）。
【００５４】
次に、図８（Ａ）および（Ｂ）を参照して、本実施形態に係る成形装置および成形方法の作用効果について詳述する。
【００５５】
図８（Ａ）および（Ｂ）において実線によって示されるグラフは、図１および図７に示す本実施形態に係る成形装置および成形方法によるキャビティ１５内の圧力Ｐｒおよび樹脂２２０の注入圧力Ｐｉの時間推移を示す。破線によって示されるグラフは、対比例であり、型締圧力Ｐｍを超える注入圧力Ｐ１を注入完了まで一定に負荷してキャビティ１５内に樹脂２２０を注入した場合のキャビティ１５内の圧力Ｐｒおよび樹脂２２０の注入圧力Ｐｉの時間推移を示す。対比例に係る成形装置および成形方法は、型締圧力Ｐｍを超える注入圧力Ｐ１を注入完了まで一定に負荷してキャビティ１５内に樹脂２２０を注入する点を除いて、本実施形態に係る成形装置および成形方法と同じである。
【００５６】
時間０［ｓｅｃ］〜ｔ１は型締工程、時間ｔ１〜ｔ２は真空引き工程、時間ｔ２〜ｔ３は樹脂２２０の注入工程、ｔ３以降は樹脂２２０の硬化工程である。ここで、図８（Ａ）および（Ｂ）に示すように、樹脂２２０を注入圧力Ｐｉで注入後、キャビティ１５内の圧力Ｐｒは直ぐには上昇せず、注入圧力Ｐｉより遅れて徐々に上昇する。
【００５７】
図８（Ａ）に破線によって示す対比例のように注入圧力Ｐｉを注入完了まで一定に負荷してキャビティ１５内に樹脂２２０を注入する場合、成形時間と型締圧力とはトレードオフの関係にある。具体的には、注入工程に要する時間を短縮するためには型締圧力を大きくする必要があり、型締圧力を小さくするためには注入工程に要する時間を長くとらなければならない。
【００５８】
より具体的には、注入工程に要する時間を短縮するためには、キャビティ１５内に樹脂２２０を注入するときの注入量Ｑｉを大きくする必要がある。そして、注入量Ｑｉを大きくするためには注入圧力Ｐｉを高める必要がある。上述したように、キャビティ１５内の圧力Ｐｒは注入圧力Ｐｉより遅れて徐々に上昇していく。そして、キャビティ１５内が樹脂２２０でほぼ満たされたとき、キャビティ１５内の圧力Ｐｒは最大値をとる。このとき、成形型１０が開かないようにするためには、キャビティ１５内の圧力Ｐｒの最大値よりも大きな型締圧力を成形型１０に加える必要がある。
【００５９】
ここで、キャビティ１５内の圧力Ｐｒの最大値は注入圧力Ｐｉが高いほど大きくなる。そのため、注入圧力Ｐｉを高めると、より大きな型締圧力を成形型１０に加える必要がある。例えば、対比例の場合、図８（Ａ）に示すようにキャビティ１５内の圧力Ｐｒの最大値はＰ２である。Ｐ２は本実施形態の型締圧力Ｐｍよりも高いから、対比例において成形型１０が開かないようにするためには、本実施形態の型締圧力Ｐｍよりも大きな型締圧力を負荷する必要がある。
【００６０】
逆に、型締圧力を小さくするためには、注入工程におけるキャビティ１５内の圧力Ｐｒの最大値を小さくする必要がある。キャビティ１５内の圧力Ｐｒの最大値は注入圧力Ｐｉが高いほど大きくなるから、キャビティ１５内の圧力Ｐｒの最大値を小さくするためには注入圧力Ｐｉを低くしなければならない。注入圧力Ｐｉを低くすると注入量Ｑｉが小さくなるから注入工程に要する時間が長くなる。
【００６１】
一方、本実施形態にあっては、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達するまでは、型締圧力Ｐｍ以上の注入圧力Ｐｉを樹脂２２０に負荷してキャビティ１５内に樹脂２２０を注入する。図８（Ｂ）に示す例では、本実施形態における注入圧力Ｐｉ＝Ｐ１であるから、時間ｔ２〜ｔｃにおける注入量Ｑｉは対比例の場合と同じである。そして、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後は、キャビティ１５内を吸引することにより注入圧力Ｐｉを負荷することなく樹脂２２０を注入する。これにより、型締圧力Ｐｍ以上の注入圧力Ｐｉを樹脂２２０の注入完了まで負荷したときと同じ注入量Ｑｉを維持するように樹脂２２０を注入できる。
【００６２】
図８（Ａ）および（Ｂ）に示す例では、型締圧力Ｐｍ以上の注入圧力Ｐ１を樹脂２２０の注入完了まで負荷した対比例の場合と同じ注入量を維持するように樹脂２２０を注入できる。このとき、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが型締圧力Ｐｍを超えることはない。上述したように、本実施形態における型締圧力Ｐｍは、対比例の場合において必要な型締圧力よりも小さい。従って、本実施形態に係る成形装置および成形方法は、対比例の場合と同じ注入量を維持しつつ型締圧力を小さくすることができる。そのため、本実施形態に係る成形装置および成形方法は、成形時間の短縮と型締圧力Ｐｍの抑制を同時に達成できる。型締圧力Ｐｍの抑制は、プレス機の小型化を可能とし、設備費用の低減に寄与する。
【００６３】
しきい値Ｐｃは、樹脂２２０の材料特性、注入量、注入速度等に基づいて予め設定する。本実施形態においては、しきい値Ｐｃを型締圧力Ｐｍの９０％に設定している。圧力測定の誤差を考慮して、しきい値Ｐｃは例えば型締圧力Ｐｍの８５％〜９５％の範囲の値を選択することができる。型締圧力Ｐｍに達する直前にしきい値Ｐｃが設定されるから、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが型締圧力Ｐｍに達する直前まで、型締圧力Ｐｍを超える注入圧力Ｐｉを負荷して樹脂２２０を注入できる。
【００６４】
しきい値Ｐｃを高い値に設定することにより、注入工程におけるキャビティ１５内の圧力Ｐｒも高まる。キャビティ１５内の圧力Ｐｒが高い状態になることによって、炭素繊維２１０への樹脂２２０の含浸性を向上させることができる。ただし、樹脂２２０への注入圧力Ｐｉの負荷を停止する操作においてキャビティ１５内の圧力Ｐｒが型締圧力Ｐｍを超えるオーバーシュートが生じないように、しきい値Ｐｃを設定することが好ましい。
【００６５】
また、しきい値Ｐｃは、総注入量の９０％の樹脂２２０がキャビティ１５内に注入されたときのキャビティ１５内の圧力を選択してもよい。このとき、圧力測定の誤差を考慮して、しきい値Ｐｃは、総注入量の８５％〜９５％の樹脂２２０がキャビティ１５内に注入されたときのキャビティ１５内の圧力を選択できる。図５（Ｂ）を参照して上述したように、キャビティ１５内の大部分を樹脂２２０が満たした状態でキャビティ１５内を吸引することにより、キャビティ１５内において樹脂２２０の流れが生じやすくなる。そのため、注入圧力Ｐｉを樹脂２２０に負荷することなく、キャビティ１５内に樹脂２２０を行き渡らせることが容易になる。
【００６６】
吸引部６０は、図８（Ａ）に示すように、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後においてキャビティ１５内を吸引するときに、キャビティ１５内の圧力Ｐｒを徐々に降下させる。これにより、硬化時の樹脂２２０の収縮率を低下させることができる。そのため、成形品である複合材料２００の成形収縮率を低下させ、設計通りの形状を安定して得ることができる。
【００６７】
以上説明したように、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、キャビティ１５内の圧力Ｐｒのしきい値Ｐｃを型締圧力Ｐｍ以下に設定する。そして、キャビティ１５内に樹脂２２０を注入するときには、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達するまでは型締圧力Ｐｍ以上の注入圧力Ｐｉを負荷して樹脂２２０を注入する。さらに、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後は、キャビティ１５内を吸引することにより注入圧力Ｐｉを負荷することなく樹脂２２０を注入する。
【００６８】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達するまでは、型締圧力Ｐｍ以上の注入圧力Ｐｉを樹脂２２０に負荷してキャビティ１５内に樹脂２２０を注入できる。そして、キャビティ１５内の圧力Ｐｒがしきい値Ｐｃに達した後は、キャビティ１５内を吸引することにより注入圧力Ｐｉを負荷することなく樹脂２２０を注入できる。これにより、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが型締圧力Ｐｍを超えることなく、型締圧力Ｐｍ以上の注入圧力Ｐｉを樹脂２２０の注入完了まで負荷したときと同じ注入量Ｑｉを維持するように樹脂２２０を注入できる。従って、本発明によれば、成形時間を短縮しつつ、型締圧力Ｐｍを抑えることによってプレス機を小型化することが可能となる。
【００６９】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法では、キャビティ１５内を吸引するときに、キャビティ１５内に注入された樹脂２２０の一部を吸引する。
【００７０】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、キャビティ１５内に樹脂２２０の注入スペースが確保されるため、注入圧力Ｐｉを負荷することなく樹脂２２０をキャビティ１５内に注入し易くなる。従って、成形時間を短縮しつつ型締圧力を抑えることがより容易になる。
【００７１】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、しきい値Ｐｃは、型締圧力Ｐｍの８５％〜９５％の範囲の値を選択できる。
【００７２】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、型締圧力Ｐｍに達する直前にしきい値Ｐｃが設定されるから、キャビティ１５内の圧力Ｐｒが型締圧力Ｐｍに達する直前まで、型締圧力Ｐｍを超える注入圧力Ｐｉを負荷して樹脂２２０を注入できる。従って、成形時間をより短縮しつつ、型締圧力を抑えることが可能となる。
【００７３】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、しきい値Ｐｃは、総注入量の８５％〜９５％の樹脂２２０がキャビティ１５内に注入されたときのキャビティ１５内の圧力を選択できる。
【００７４】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、キャビティ１５内の大部分を樹脂２２０が満たした状態でキャビティ１５内を吸引することにより、キャビティ１５内において樹脂２２０の流れが生じやすい。そのため、注入圧力Ｐｉを樹脂２２０に負荷することなく、キャビティ１５内に樹脂２２０を行き渡らせることが容易になる。従って、成形時間の短縮がより容易になる。
【００７５】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、キャビティ１５内を吸引するときに、キャビティ１５内の圧力を徐々に降下させる。
【００７６】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、成形品である複合材料２００の成形収縮率を低下させ、設計通りの形状を安定して得ることができる。従って、寸法安定性の高い良品質な複合材料２００の成形品を得ることができる。
【００７７】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、樹脂２２０を注入する前に、成形型１０内を真空引きする。
【００７８】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、樹脂２２０の注入前にキャビティ１５内を真空状態にすることによって、樹脂２２０注入後に樹脂２２０内および表面に発生する気泡を防止し、成形品である複合材料２００のボイドやピットを減らすことができる。これによって、複合材料２００の機械的特性や意匠性を向上させることができる。
【００７９】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、強化基材２１０は炭素繊維から形成されてなる。
【００８０】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、炭素繊維を強化基材に使用することによって、熱膨張係数が小さく寸法安定性に優れ、高温下においても機械的特性の低下が少ない複合材料２００を成形することができる。
【００８１】
また、本実施形態に係る成形装置１００および成形方法では、複合材料２００は、自動車部品に使用される。
【００８２】
このように構成した成形装置１００および成形装置１００を使用する成形方法によれば、量産に適した複合材料２００の自動車部品を成形することができ、車体の軽量化が可能となる。
【００８３】
（その他の改変例）
上述した実施形態において、流路１６ａ、１６ｂ、１７、およびラインゲート１８は、図３および図４に示すように成形型１０に配置された。当該構成に限らず、流路１６ａ、１６ｂ、１７、およびラインゲート１８は、注入口１３ａ、１３ｂから注入された樹脂２２０をキャビティ内に効率的に広がりやすくする限りにおいて限定されない。
【００８４】
例えば、流路４１６、４１７、およびラインゲート４１８を、図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示すように配置してもよい。流路４１６、４１７、およびラインゲート４１８は、それぞれ、上述した実施形態の場合と同様に成形型の下型に設けられる。また、樹脂２２０の注入口４１３（不図示）、吸引口４１４（不図示）は、それぞれ、流路４１６、４１７の下方側に流路４１６、４１７と流体的に連通して設けられる。図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）に示される矢印は、それぞれ、樹脂２２０を注入しているときの樹脂２２０の流れ、キャビティ内を吸引しているときの樹脂２２０の流れを示す。
【００８５】
また、流路５１６、５１７ａ〜ｄ、およびラインゲート５１８を、図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示すように配置してもよい。流路５１６、５１７ａ〜ｄ、およびラインゲート５１８は、それぞれ、上述した実施形態の場合と同様に成形型の下型に設けられる。また、樹脂２２０の注入口５１３（不図示）、吸引口５１４ａ〜ｄ（不図示）は、それぞれ、流路５１６、５１７ａ〜ｄの鉛直方向下方側に流路５１６、５１７ａ〜ｄと流体的に連通して設けられる。図１１（Ａ）、図１１（Ｂ）に示される矢印は、それぞれ、樹脂２２０を注入しているときの樹脂２２０の流れ、キャビティ内を吸引しているときの樹脂２２０の流れを示す。
【００８６】
図１０および図１１に示すように、流路およびラインゲートの配置を変えることによって、樹脂２２０を注入しているときの樹脂２２０の流れおよびキャビティ内を吸引しているときの樹脂２２０の流れを変えることができる。これにより、樹脂２２０の到達しにくい箇所に樹脂２２０が効率的に行き渡るように樹脂２２０の流れを調節することが可能である。また、キャビティ内において樹脂２２０をより多く含浸させたい箇所に樹脂２２０がより多く行き渡るように調節することも可能である。これにより、より低い注入圧力であっても、樹脂２２０をキャビティ内に効率よく行き渡らせることができる。そのため、型締圧力Ｐｍをさらに抑えることが可能となる。
【００８７】
以上、実施形態を通じて複合材料２００の成形方法および成形装置１００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。
【００８８】
たとえば、上述した実施形態および改変例において、制御部８０が吸引バルブ６３を操作することにより吸引部６０がキャビティ１５内を吸引するタイミングを操作したが、これに限定されない。例えば、吸引バルブ６３の代わりに、キャビティ１５内の圧力がしきい値Ｐｃに達したときに開く弁を使用してもよい。また、注入口１３ａ、１３ｂ、および吸引口１４はともに下型に設けられたが、一方または両方を上型に設けてもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１０    成形型、
１１    上型、
１２    下型、
１３ａ、１３ｂ、４１３、５１３  注入口、
１４、４１４、５１４ａ〜ｄ  吸引口、
１５    キャビティ、
１６ａ、１６ｂ、１７、４１６、４１７、５１６、５１７ａ〜ｄ  流路、
１８、４１８、５１８  ラインゲート、
２０    プレス部、
３０    樹脂注入部、
３１    主剤タンク、
３２    硬化剤タンク、
３３ａ、３３ｂ、３６、３７ａ、３７ｂ  チューブ、
３４ａ、３４ｂ、５０  圧力計、
３５ａ、３５ｂ  ポンプ、
３８    バッファ、
４０    注入バルブ、
４１    シリンダー、
４２    ピストン、
６０    吸引部、
６１    ポンプ、
６２、６４  配管、
６３    吸引バルブ、
７０    成形型温度調整部、
８０    制御部、
１００  成形装置、
２００  複合材料、
２１０  炭素繊維（強化基材）、
２２０  樹脂、
３００  車体、
３０１、３０２、３０３  自動車部品、
Ｐｍ    型締圧力、
Ｐｒ    キャビティ内の圧力、
Ｐｉ    注入圧力、
Ｐｃ    しきい値、
Ｑｉ    注入量。
【図１】
2016063388.tif 000003
【図２】
2016063388.tif 000004
【図３】
2016063388.tif 000005
【図４】
2016063388.tif 000006
【図５】
2016063388.tif 000007
【図６】
2016063388.tif 000008
【図７】
2016063388.tif 000009
【図８】
2016063388.tif 000010
【図９】
2016063388.tif 000011
【図１０】
2016063388.tif 000012
【図１１】
2016063388.tif 000013
【国際調査報告】
2016063388.tif 000014
2016063388.tif 000015
2016063388.tif 000016
2016063388.tif 000017