(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
キャビティを有する一方の成形金型と、
型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティとの間で長炭素繊維に樹脂を含浸させてシート状に形成されて互いに積層される複数枚のプリプレグを備えたプリプレグ積層体を挟み込んで加圧する他方の成形金型と、
型締め状態の前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を加熱する加熱手段と、
前記プリプレグ積層体の前記樹脂の加熱後に前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を冷却する冷却手段を備え、
前記冷却手段による冷却時の前記プリプレグ積層体の前記樹脂の収縮に合わせて前記一方の成形金型における前記キャビティの容積を減らすべく前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型が互いに接近して繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形装置において、
前記一方の成形金型の前記キャビティ内に出没して前記プリプレグ積層体に当接離間する加圧体と、
前記一方の成形金型の前記キャビティ内に前記加圧体を出没させる加圧体駆動部と、
前記冷却手段による冷却時に、前記加圧体駆動部により前記一方の成形金型の前記キャビティ内に前記加圧体を突出させると共に前記プリプレグ積層体に当接させて圧力を加える制御部が備えられている繊維強化複合部材の成形装置。
【請求項２】
前記一方の成形金型の前記キャビティを構成するキャビティ壁には、前記加圧体が挿入される挿通孔が形成され、前記加圧体駆動部は、前記挿通孔から前記一方の成形金型の前記キャビティ内に突出しない状態で前記加圧体を拘束可能である請求項１に記載の繊維強化複合部材の成形装置。
【請求項３】
キャビティを有する一方の成形金型と他方の成形金型との間に、長炭素繊維を樹脂でシート状に形成したプリプレグを複数枚積層して成るプリプレグ積層体を挟み込んで加圧すると共に、型締め状態の前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を加熱した後、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を冷却し、該冷却時の前記プリプレグ積層体の前記樹脂の収縮に合わせて前記一方の成形金型における前記キャビティの容積を減らすべく前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を互いに接近させて繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形方法において、
前記プリプレグ積層体の前記樹脂の冷却時に、前記一方の成形金型の前記キャビティ内に加圧体を突出させると共に前記プリプレグ積層体に当接させて圧力を加える繊維強化複合部材の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、長炭素繊維に樹脂を含浸させてシート状に形成されて互いに積層される複数枚のプリプレグを備えた繊維強化複合部材を成形するのに用いられる繊維強化複合部材の成形装置及び繊維強化複合部材の成形方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
上記した長炭素繊維を、例えば、マトリックスとしての熱可塑性樹脂でシート状に形成したプリプレグを複数枚積層して熱可塑性ＣＦＲＰ部材（繊維強化複合部材）を成形する場合、オートクレーブを用いた成形法が既に確立されているが、近年、このオートクレーブを用いた成形法に代わる成形法として成形装置を用いた金型熱プレス成形法が構築されつつある。
【０００３】
この金型熱プレス成形法によって、繊維強化複合部材を成形する場合には、シート状のプリプレグを複数枚積層したプリプレグ積層体を成形装置の一対の成形金型間に投入して溶融温度（マトリックスとしての樹脂が熱硬化性樹脂の場合は硬化温度）以上に熱すると共に、熱可塑性樹脂が溶融したプリプレグ積層体を一対の成形金型で加圧する。
そして、この加圧後に、型開きしても成形品が破損したり変形したりしない温度まで一対の成形金型を介して熱可塑性樹脂を冷却することで、所望形状の繊維強化複合部材を得る。
【０００４】
従来、上記した繊維強化複合部材の成形装置としては、例えば、特許文献１に記載されたものがあり、この成形装置は、一対の成形金型のプリプレグ積層体と接する各意匠面を加熱するヒータを備えている。
【０００５】
このヒータは、空気供給源から供給される空気を発熱部分で加熱して、成形金型の意匠面の裏側に吹き付けることで、意匠面を熱するようになっている。一方、このヒータは、発熱部分への電源供給を止めて、空気をそのまま成形金型の意匠面の裏側に吹き付けることで、クーラーとして機能するようになっている。
【０００６】
この繊維強化複合部材の成形装置では、熱可塑性樹脂の冷却時において、熱可塑性樹脂が収縮するのに伴って一対の成形金型による加圧を継続することで、プリプレグ積層体の収容空間（キャビティ）の容積を減らすようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】US 2012/0267828 A1
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ここで、プリプレグ積層体の端部の積層厚が他の部位と比べて厚い場合には、このプリプレグ積層体の端部の収縮量が他の部位と比べて大きくなる。ところが、上記した従来の繊維強化複合部材の成形装置では、積層厚が厚いプリプレグ積層体の端部の収縮に合わせて一対の成形金型同士を接近させることはできない。
つまり、上記した従来の成形装置では、加圧後の冷却時において、プリプレグ積層体の端部における積層面の、例えば、積層厚中央部分に、端部の余肉（この成形の後に機械加工で削ぎ落とされる肉）を越えて製品に現れてしまうような層間剥離が生じてしまう可能性がある。
【０００９】
この際、積層厚が厚いプリプレグ積層体の端部から冷却を開始し、時間差をおいて他の部位の冷却を開始する試みがなされているが、この対応では、プリプレグ積層体の端部における積層面の積層厚中央部分での層間剥離を防げるものの、冷却に時間差をもたせる分だけ、成形時間が長くなってしまうという問題を有しており、このような問題を解決することが従来の課題となっている。
【００１０】
本発明は、上記した従来の課題に着目してなされたもので、プリプレグ積層体の端部の積層厚が他の部位と比べて厚い場合であったとしても、成形時間を長引かせたりすることなく、プリプレグ積層体の端部に層間剥離のない繊維強化複合部材を成形することが可能な繊維強化複合部材の成形装置及び繊維強化複合部材の成形方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記した目的を達成するべく、本発明の第１の態様は、キャビティを有する一方の成形金型と、型締め状態において前記一方の成形金型の前記キャビティとの間で長炭素繊維に熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂を含浸させてシート状に形成されて互いに積層される複数枚のプリプレグを備えたプリプレグ積層体を挟み込んで加圧する他方の成形金型と、型締め状態の前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を加熱する加熱手段と、前記プリプレグ積層体の前記樹脂の加熱後に前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を冷却する冷却手段を備え、前記冷却手段による冷却時の前記プリプレグ積層体の前記樹脂の収縮に合わせて前記一方の成形金型における前記キャビティの容積を減らすべく前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型が互いに接近して繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形装置において、前記一方の成形金型の前記キャビティ内に出没して前記プリプレグ積層体に当接離間する加圧体と、前記一方の成形金型の前記キャビティ内に前記加圧体を出没させる加圧体駆動部と、前記冷却手段による冷却時に、前記加圧体駆動部により前記一方の成形金型の前記キャビティ内に前記加圧体を突出させると共に前記プリプレグ積層体に当接させて圧力を加える制御部が備えられている構成としている。
【００１２】
本発明の第２の態様において、前記一方の成形金型の前記キャビティを構成するキャビティ壁には、前記加圧体が挿入される挿通孔が形成され、前記加圧体駆動部は、前記挿通孔から前記一方の成形金型の前記キャビティ内に突出しない状態で前記加圧体を拘束可能である構成としている。
【００１３】
一方、本発明の第３の態様は、キャビティを有する一方の成形金型と他方の成形金型との間に、長炭素繊維を熱可塑性樹脂又は熱硬化性樹脂でシート状に形成したプリプレグを複数枚積層して成るプリプレグ積層体を挟み込んで加圧すると共に、型締め状態の前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を加熱した後、前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を介して前記プリプレグ積層体の前記樹脂を冷却し、該冷却時の前記プリプレグ積層体の前記樹脂の収縮に合わせて前記一方の成形金型における前記キャビティの容積を減らすべく前記一方の成形金型及び前記他方の成形金型を互いに接近させて繊維強化複合部材を成形する繊維強化複合部材の成形方法において、前記プリプレグ積層体の前記樹脂の冷却時に、前記一方の成形金型の前記キャビティ内に加圧体を突出させると共に前記プリプレグ積層体に当接させて圧力を加える構成としている。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置では、プリプレグ積層体の端部の積層厚が他の部位と比べて厚い場合であったとしても、プリプレグ積層体の端部に層間剥離のない繊維強化複合部材を成形することが可能であり、成形に際して、成形時間を長引かせたりすることもないという非常に優れた効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の一実施例による繊維強化複合部材の成形装置を示す断面説明図である。
【図２】図１における繊維強化複合部材の成形装置の加圧体駆動部を省略して示す側面説明図である。
【図３】図１における繊維強化複合部材の成形装置の下型を破断して示す部分平面説明図である。
【図４】本発明の他の実施例による繊維強化複合部材の成形装置の下型を破断して示す部分平面説明図である。
【図５】本発明のさらに他の実施例による繊維強化複合部材の成形装置における下型の部分拡大断面説明図である。
【図６】図５の繊維強化複合部材の成形装置で用いるスリーブの変形例を示す斜視説明図（ａ），（ｂ）である。
【図７】本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置により成形される繊維強化複合部材の他の材料構成を示す断面説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を図面に基づいて説明する。
図１〜図３は本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置の一実施例を示しており、この実施例では、繊維強化複合部材が複合材ファン動翼である場合を示す。
【００１７】
この複合材ファン動翼は、長炭素繊維を熱可塑性樹脂でシート状に形成した互いに繊維配向方向が異なる複数枚のプリプレグを交互に積層してなっており、チップ側に比べてハブ側の端部（タブテール部）のプリプレグ積層厚が厚い。
【００１８】
図１に示すように、このような複合材ファン動翼の成形装置１は、下型（一方の成形金型）２及び上型（他方の成形金型）３を備えている。
【００１９】
下型２は、キャビティ２１を有している。一方、下降上昇して下型２に接近離間する上型３は、型締め状態において下型２のキャビティ２１と嵌合してこのキャビティ２１との間でプリプレグを複数枚積層したプリプレグ積層体（成形前の複合材ファン動翼）Ｐを挟み込むコア３１を有している。
【００２０】
下型２は、キャビティ２１のプリプレグ積層体Ｐと接する成形面２１ａを複数の領域毎に加熱してプリプレグ積層体Ｐの熱可塑性樹脂を溶融させる加熱手段としての複数のカートリッジヒータ４を具備している。一方、上型３も、コア３１のプリプレグ積層体Ｐと接する成形面３１ａを複数の領域毎に加熱する加熱手段としての複数のカートリッジヒータ４を具備している。なお、加熱手段はカートリッジヒータ４に限定されるものではなく、例えば、加熱水蒸気を加熱手段として採用することができる。
【００２１】
また、この成形装置１は、下型２のキャビティ２１における成形面２１ａ及び上型３のコア３１における成形面３１ａを複数の領域毎に冷却する複数の冷却媒体流路（冷却手段）５を備えている。これらの冷却媒体流路５は、各々の先端が成形面２１ａ，３１ａの裏側にそれぞれ位置するようにして形成されており、プリプレグ積層体Ｐの熱可塑性樹脂の溶融後の冷却時において、下型２のキャビティ２１における成形面２１ａ及び上型３のコア３１における成形面３１ａを均一に冷却するようになっている。なお、冷却媒体には、冷却した空気を用いることができるほか、冷却した水や油を用いることができる。
【００２２】
上記冷却時には、プリプレグ積層体Ｐの熱可塑性樹脂が収縮するので、この成形装置１において、熱可塑性樹脂の収縮に合わせて下型２のキャビティ２１の容積を減らすべく、上型３を下降させるようになっており、これにより複合材ファン動翼の成形が成される。
【００２３】
この場合、下型２のキャビティ２１におけるプリプレグ積層体Ｐの端部（タブテール部）Ｐｔ側に位置するキャビティ壁２２には、図２及び図３に示すように、複数の挿通孔２２ａがキャビティ壁２２の幅方向（図３上下方向）に沿って形成されており、これらの挿通孔２２ａには、下型２のキャビティ２１内に出没するピン（加圧体）１１が挿入されている。
【００２４】
これらのピン１１は、各々の先端面が何れも平坦に形成され、各々の基端部がそれぞれピン支持体１２に固定されている。このピン支持体１２はシリンダ（加圧体駆動部）１３のシリンダロッド１３ａの先端に固定されており、複数のピン１１は、シリンダ１３の作動によりキャビティ２１内に一体で出没して、各々の先端面がプリプレグ積層体Ｐの端部（タブテール部）Ｐｔの層間剥離がし易い部位、この実施例では、積層面Ｐｆのプリプレグ積層厚中央部Ｐｏに当接離間するようになっている。
【００２５】
さらに、この成形装置１において、複数のピン１１は必要に応じて挿通孔２２ａから下型２のキャビティ２１内に突出しない状態で拘束されるようになっている。つまり、全体的にプリプレグ積層厚の差が少ない繊維強化複合部材を成形する場合には、複数のピン１１をシリンダ１３によってキャビティ壁２２の挿通孔２２ａに拘束するようになっている。
【００２６】
さらにまた、この成形装置１は、複数のカートリッジヒータ４の加熱動作及び冷却媒体流路５に対する冷却媒体の供給をコントロールする制御部６を備えている。この実施例において、制御部６は、冷却媒体流路５に冷却媒体を供給して行う熱可塑性樹脂の冷却中に、下型２のキャビティ２１内にピン１１を突出させると共にプリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔにおける積層面Ｐｆに当接させて、この積層面Ｐｆのプリプレグ積層厚中央部Ｐｏに圧力を加えるべくシリンダ１３をコントロールする。
なお、カートリッジヒータ４と制御部６とを電気的に接続する回路は図示を省略している。また、冷却媒体流路５に冷却媒体を供給する冷却媒体供給源及びこの冷却媒体供給源と制御部６とを電気的に接続する回路も図示を省略している。
【００２７】
次に、この成形装置１により繊維強化複合部材としての複合材ファン動翼を成形する要領を説明する。
【００２８】
まず、型開きした状態の下型２のキャビティ２１上にプリプレグを複数枚積層させたプリプレグ積層体Ｐをセットした後、上型３を下降させて型締め状態として、上型３のコア３１及び下型２のキャビティ２１の間にプリプレグ積層体Ｐを挟み込む。
【００２９】
次いで、制御部６で複数の加熱手段としてのカートリッジヒータ４の加熱動作をコントロールしながらプリプレグ積層体Ｐに熱を加えて、プリプレグ積層体Ｐの各層の長炭素繊維が蛇行しない程度の柔らか過ぎない粘度（温度）にし、これに続いて、上型３と下型２とによるプリプレグ積層体Ｐの加圧を開始し、この加圧を複合材ファン動翼の成形が完了して脱型するまで継続する。
【００３０】
この加圧中において、制御部６でカートリッジヒータ４の加熱動作をコントロールしながらプリプレグ積層体Ｐにさらに熱を加えて、プリプレグ積層体Ｐの熱可塑性樹脂の溶融温度以上にする。
【００３１】
そして、プリプレグ積層体Ｐの熱可塑性樹脂が溶融して所定の時間が経過した後、制御部６のコントロールによりカートリッジヒータ４の加熱動作を停止させると共に、複数の冷却媒体流路５に対する冷却媒体の供給を開始して、上型３及び下型２を介して熱可塑性樹脂を冷却する。
【００３２】
この冷却の間、プリプレグ積層体Ｐの熱可塑性樹脂が収縮するが、加圧を継続している上型３が熱可塑性樹脂の収縮に合わせて下降するので、下型２のキャビティ２１の容積が減る。
【００３３】
これと同時に、制御部６によりシリンダ１３を図３の白抜き矢印方向に動作させて下型２のキャビティ２１内に複数のピン１１を突出させ、これらのピン１１の各先端面をプリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔにおける層間剥離が生じやすい部位、この実施例では積層面Ｐｆのプリプレグ積層厚中央部Ｐｏに当接させて圧力を加えると、複合材ファン動翼の成形が完了する。
【００３４】
このように、この実施例に係る成形装置１では、冷却媒体流路５に冷却媒体を供給して行う熱可塑性樹脂の冷却中に、シリンダ１３を動作させて下型２のキャビティ２１内にピン１１を突出させるようにしているので、下型２のキャビティ２１の容積が減る分だけ、プリプレグ積層厚が厚いプリプレグ積層体Ｐにおける端部Ｐｔの収縮量の多さが相殺されて、プリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔに層間剥離が生じ難くなる。
【００３５】
この際、例えプリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔに僅かに剥離が発生したとしても、積層面Ｐｆのプリプレグ積層厚中央部Ｐｏにピン１１の先端面が当接することで、この剥離はなくなる。これにより、端部Ｐｔにおける積層面Ｐｆのプリプレグ積層厚中央部Ｐｏには繊維の蛇行部分が生じるが、この繊維の蛇行部分は、この成形の後に機械加工で削ぎ落とされるプリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔの余肉（図１の二点鎖線の右側部分）内に納まるので、問題にならない。
【００３６】
したがって、この成形装置１では、上記のようにプリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔに層間剥離がない複合材ファン動翼を成形するにあたって、プリプレグ積層体Ｐの端部Ｐｔとそれ以外の部位との間に冷却開始時間の差をもたせなくても済むので、成形時間が長くなることが回避されることとなる。
【００３７】
また、この成形装置１１において、必要に応じて複数のピン１１をシリンダ１３によってキャビティ壁２２の挿通孔２２ａに拘束するようになっているので、全体的にプリプレグ積層厚の差が少ない繊維強化複合部材の成形にも用いることができる。
【００３８】
上記した実施例では、キャビティ２１内に出没する加圧体としてピン１１を採用し、キャビティ壁２２の幅方向（図３上下方向）に沿って形成された複数の挿通孔２２ａに複数本のピン１１を挿入する構成としているが、これに限定されるものではない。
【００３９】
また、上記した実施例では、複数のピン１１を一つのピン支持体１２に固定し、このピン支持体１２を２個のシリンダ１３で動作させることで、複数のピン１１をキャビティ２１内に一体で出没させるようにしているが、これに限定されるものではない。
【００４０】
他の構成として、例えば、ピン支持体１２及びシリンダ１３の数をいずれも増して複数のピン１１を個別に又は数個ずつのグループに分けて、互いにタイミングをずらして動作させたり、互いにストロークを変えて動作させたりしてもよい。
【００４１】
さらに、他の構成として、例えば、図４に示すように、キャビティ壁２２に形成された挿通孔２２Ａに挿入される平板１１Ａを加圧体として採用してもよく、この場合には、熱可塑性樹脂の冷却中において、複数本のピン１１と比べて、下型２のキャビティ２１の容積をより減らすことができる。
【００４２】
この場合も、平板１１Ａを複数にして、複数の平板１１Ａを個別に又は数枚のグループに分けて、複数のシリンダ１３によって互いにタイミングをずらして動作させたり、互いにストロークを変えて動作させたりしてもよい。
【００４３】
さらにまた、上記した実施例では、キャビティ壁２２の挿通孔２２ａにピン１１を直接挿入する構成としているが、これに限定されるものではなく、他の構成として、例えば、図５に示すように、挿通孔２２ａに孔１４ａを有するスリーブ１４を挿入するようにしてもよい。この場合には、ピン１１よりも小径のピン１１ａを用いることができるので、例えば、積層面Ｐｆのプリプレグ積層厚中央部Ｐｏにより局部的に圧力を加えることができる。
【００４４】
この際、スリーブ１４に代えて、図６（ａ）に示すように、軸心Ｌに対して偏心する位置に孔１５ａを有するスリーブ１５を採用したり、図６（ｂ）に示すように、軸心Ｌを間にして２箇所に孔１６ａ，１６ａを有するスリーブ１６を採用したりしてもよい。
軸心Ｌに対して偏心する位置に孔１５ａを有するスリーブ１５を採用した場合には、圧力を加える位置の調節を行うことができ、２個の孔１６ａ，１６ａを有するスリーブ１６を採用した場合には、プリプレグ積層体Ｐの積層厚方向の２箇所にも同時に圧力を加えることができる。
【００４５】
さらにまた、上記した実施例では、繊維強化複合部材（複合材ファン動翼）が、長炭素繊維に樹脂を含浸させてシート状に形成された互いに繊維配向方向が異なる複数枚のプリプレグを交互に積層してなっている場合を示したが、これに限定されるものではない。図７に示すように、プリプレグ積層体ＰＡの表面層Ｐｓに、上記した実施例と同様の長炭素繊維のシート状のプリプレグを採用し、コア部Ｐｃに、例えば、チョップド材（プリプレグを数十ｍｍの矩形状に切断した材料）の予備成形品を採用した繊維強化複合部材であってもよいほか、コア部Ｐｃに、短繊維含有樹脂（ペレット）や、樹脂材（ガラスバルーン等の軽量化材料を含有する場合も含む）の予備成形品を採用した繊維強化複合部材であってもよい。
【００４６】
このように、コア部Ｐｃに、例えば、チョップド材の予備成形品を採用した場合には、加圧体として尖頭状のピン１１ｂを採用することが望ましく、この場合には、ピン１１ｂによってコア部Ｐｃに圧力を加えると、図７に仮想線で示すように、ピン１１ｂの尖頭部がコア部Ｐｃの端部に入り込んで矢印方向に押し広げるので、コア部Ｐｃと表面層Ｐｓとの間の密着性を高め得ることとなる。
【００４７】
本発明に係る繊維強化複合部材の成形装置において、プリプレグを構成するマトリックスとしての樹脂には、例えば、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン樹脂），ＰＥＩ（ポリエーテルイミド樹脂），ＰＩＸＡ（熱可塑性ポリイミド樹脂）等の熱可塑性樹脂、及び、エポキシ樹脂，フェノール樹脂，ポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂のいずれかが用いられる。
【００４８】
上記した実施例では、繊維強化複合部材が複合材ファン動翼である場合を示したが、これに限定されない。
【符号の説明】
【００４９】
１        繊維強化複合部材の成形装置
２        下型（一方の成形金型）
３        上型（他方の成形金型）
４        カートリッジヒータ（加熱手段）
５        冷却媒体流路（冷却手段）
６        制御部
１１，１１ａ，１１ｂ  ピン（加圧体）
１１Ａ    平板（加圧体）
１３      シリンダ（加圧体駆動部）
２１      キャビティ
２２      キャビティ壁
２２ａ，２２Ａ    挿通孔
３１      コア
Ｐ，ＰＡ  プリプレグ積層体（繊維強化複合部材）
【図１】
0006703842.tif 000002
【図２】
0006703842.tif 000003
【図３】
0006703842.tif 000004
【図４】
0006703842.tif 000005
【図５】
0006703842.tif 000006
【図６】
0006703842.tif 000007
【図７】
0006703842.tif 000008