(57)【要約】【課題】  オートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品において、簡易なオートクレーブ構成で低コストな成形を行うこと。【解決手段】  複合材料のプリプレグからなる積層体１を収納するオートクレーブ２と、オートクレーブ２内の積層体１を加熱する加熱機構３と、オートクレーブ２内を加圧して圧力調整する加圧機構４と、オートクレーブ２を水中に降下可能及び水中から上昇可能な上下機構５と、を備えている。【選択図】      図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料のプリプレグを収納するオートクレーブと、
前記オートクレーブ内の前記プリプレグを加熱する加熱機構と、
前記オートクレーブ内を加圧して圧力調整する加圧機構と、
前記オートクレーブを水中に降下可能及び水中から上昇可能な上下機構と、を備えていることを特徴とするオートクレーブ成形装置。
【請求項２】
請求項１に記載のオートクレーブ成形装置において、
前記オートクレーブが、水中から作業者が出入り可能なハッチ部を備えていることを特徴とするオートクレーブ成形装置。
【請求項３】
複合材料のプリプレグをオートクレーブ内に収納する設置工程と、
前記オートクレーブを上下機構により水中に降下させる降下工程と、
水中の前記オートクレーブ内の圧力を加圧機構により水圧と同じに加圧調整すると共に前記オートクレーブ内の前記プリプレグを前記オートクレーブ内の加熱機構により加熱する加圧加熱工程と、
前記加圧加熱工程後に、前記オートクレーブを上下機構により水中から水面まで上昇させる上昇工程と、を有することを特徴とするオートクレーブ成形方法。
【請求項４】
複合材料のプリプレグをオートクレーブ内に収納し、
前記オートクレーブを上下機構により水中に降下させ、
水中の前記オートクレーブ内の圧力を加圧機構により水圧と同じに加圧調整すると共に前記オートクレーブ内の前記プリプレグを前記オートクレーブ内の加熱機構により加熱して成形し、その後に、前記オートクレーブを上下機構により水中から水面まで上昇させることで作製したことを特徴とするオートクレーブ成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大型の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）等の成形に好適な複合材料のオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、複合材料として例えば炭素繊維、ガラス繊維又はアラミド繊維などの繊維強化複合材料である繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、スポーツ用品（ゴルフシャフト、テニスラケット、釣り竿等）、医療用機械、レーシングカー部材、航空機材及び宇宙関連機材に幅広く使われている。
従来、このような複合材料の成形として種々の成形方法が用いられているが、特に軽量で高強度の成形品を得たい場合には、オートクレーブ成形が使用されている。
【０００３】
このオートクレーブ成形は、例えば、特許文献１に記載されているように、オートクレーブと呼ばれる大きな圧力釜（圧力容器）を用い、このオートクレーブ内に繊維強化プラスチックのプリプレグからなる積層体を入れ、加熱及び加圧することで積層体を硬化させて成形を行う技術である。このオートクレーブ成形では、成形品の中の繊維含有率を非常に高くすることができ、安定した品質を確保することができるため、航空機材及び宇宙関連機材を作製する場合によく用いられる成形技術である。
【０００４】
【特許文献１】特開平７−２１４６７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来の技術には、以下の課題が残されている。
すなわち、上記従来のオートクレーブ成形では、航空・宇宙関連機材等の大型の成形品を得るためには、巨大なオートクレーブを採用する必要がある。しかしながら、圧力釜であるオートクレーブを巨大化するには、壁の肉厚をより厚く頑強な構造にしなければならず、多大なコストがかかると共に複雑な構造となってしまう。逆に言えば、成形可能な成形品の大きさは、オートクレーブの寸法に制約されることになる。このため、大型の成形品を得るためには、従来、成形品を複数のパーツに分割してそれぞれ個別にオートクレーブに入れることで成形を行っている。したがって、大型の成形品を得るために、複数回のオートクレーブ成形が必要になると共に複数のパーツを接合する工程も必要になり、成形回数等の工程数の増大により時間がかかると共に成形コストも増大してしまう不都合があった。
【０００６】
本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、簡易なオートクレーブ構成で低コストな成形を行うことができるオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品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】
本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、本発明のオートクレーブ成形装置は、複合材料のプリプレグを収納するオートクレーブと、  前記オートクレーブ内の前記プリプレグを加熱する加熱機構と、前記オートクレーブ内を加圧して圧力調整する加圧機構と、前記オートクレーブを水中に降下可能及び水中から上昇可能な上下機構と、を備えていることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明のオートクレーブ成形方法は、複合材料のプリプレグをオートクレーブ内に収納する設置工程と、前記オートクレーブを上下機構により水中に降下させる降下工程と、水中の前記オートクレーブ内の圧力を加圧機構により水圧と同じに加圧調整すると共に前記オートクレーブ内の前記プリプレグを前記オートクレーブ内の加熱機構により加熱する加圧加熱工程と、前記加圧加熱工程後に、前記オートクレーブを上下機構により水中から水面まで上昇させる上昇工程と、を有することを特徴とする。
【０００９】
また、本発明のオートクレーブ成形品は、複合材料のプリプレグをオートクレーブ内に収納し、前記オートクレーブを上下機構により水中に降下させ、水中の前記オートクレーブ内の圧力を加圧機構により水圧と同じに加圧調整すると共に前記オートクレーブ内の前記プリプレグを前記オートクレーブ内の加熱機構により加熱して成形し、その後に、前記オートクレーブを上下機構により水中から水面まで上昇させることで作製したことを特徴とする。
【００１０】
これらのオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品では、上下機構によりオートクレーブを水中に降下させ、所定水深で水圧と同じ圧力となるように加圧機構で圧力調整を行うので、内外に圧力差がほとんど無く陸上で行う場合の頑強なオートクレーブでなくても比較的簡易な構成のオートクレーブで複合材料を良好に成形することができる。
【００１１】
また、本発明のオートクレーブ成形装置は、前記オートクレーブが、水中から作業者が出入り可能なハッチ部を備えていることを特徴とする。すなわち、このオートクレーブ成形装置では、オートクレーブにハッチ部を備えているので、水中にオートクレーブを降下させた状態でもオートクレーブ内にハッチ部を介して作業者が入ることができ、不具合等が発生した際にもオートクレーブ中で作業を行うことができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、以下の効果を奏する。
すなわち、本発明に係るオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品によれば、上下機構によりオートクレーブを水中に降下させ、所定水深で水圧と同じ圧力となるように加圧機構で圧力調整を行うので、内外に圧力差がほとんど無く比較的簡易な構成のオートクレーブで複合材料を良好に成形することができる。したがって、大型のオートクレーブを容易にかつ低コストで製作でき、大型の成形品でも分割せずに一体のまま一度に成形することが可能になる。このように成形した大型の成形品は、低コストで作製できると共に、一体で成形されるため分割成形に比べて強度も向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明に係るオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品の一実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。
【００１４】
本実施形態のオートクレーブ成形装置は、航空機材及び宇宙関連機材等の成形、特に大型で軽量・高強度な成形品を得るための成形装置であり、湖岸や海岸等における水際に設置されている。すなわち、このオートクレーブ成形装置は、図１及び図２に示すように、複合材料のプリプレグを成形型に積層した積層体１を収納するオートクレーブ２と、オートクレーブ２内の積層体１を加熱する加熱機構３と、オートクレーブ２内を加圧して圧力調整する加圧機構４と、オートクレーブ２を水中に降下可能及び水中から上昇可能な上下機構５と、上記加熱機構３、加圧機構４及び上下機構５を制御する制御部Ｃと、水際の陸上に固定され陸上側の各機構の部材を支持する陸上支持部６と、を備えている。
【００１５】
上記積層体１を構成するプリプレグは、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を得るための炭素繊維、ガラス繊維又はアラミド繊維等の繊維強化複合材料に、不飽和ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリ乳酸樹脂等の未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたものである。なお、本実施形態では、積層体１をプラスティックフィルム等で積層面全体を被覆して気密状態にバギングし、減圧脱気して設置している。
【００１６】
上記オートクレーブ２は、大型の成形品を得るために大型タンク状の圧力容器であるが、従来の同様の寸法を有するオートクレーブよりも肉厚が薄く簡単な構造に設定されている。また、オートクレーブ２は、水中から作業者Ｍが出入り可能なハッチ部７を備えている。なお、オートクレーブ２は、その内壁面に図示しない断熱材が貼設されている。
上記加熱機構３は、オートクレーブ２内に収納された積層体１に対向配置されたヒータ８と、オートクレーブ２内の温度を測定する温度センサ９と、を備えている。なお、ヒータ８及び温度センサ９は、電力線１０を介して上記制御部Ｃに電気的に接続されている。
【００１７】
上記加圧機構４は、陸上支持部６に固定支持された加圧ポンプ１１と、加圧ポンプ１１からの加圧空気をオートクレーブ２内に供給する加圧ホース１２と、オートクレーブ２内の圧力を測定する圧力センサ１３と、を備えている。なお、加圧ポンプ１１及び圧力センサ１３は、制御部Ｃに電気的に接続されて制御される。
【００１８】
上記上下機構５は、陸上支持部６に固定支持された一対のモータ１４と、これらモータ１４の回転軸に巻回され先端がオートクレーブ２上部に固定されたワイヤー１５と、を備えている。なお、上記モータ１４もそれぞれ制御部Ｃに電気的に接続されていると共に制御される。
上記制御部Ｃは、加熱機構３、加圧機構４及び上下機構５を制御すると共に、駆動する電力を供給する電力源も兼ねている。
【００１９】
上記陸上支持部６は、水際に面した陸上に固定された土台部６ａと、該土台部６ａから水面Ｈ上に突出させたクレーン部６ｂと、を備えている。上記土台部６ａ上には、加圧ポンプ１１及び制御部Ｃが固定されている。また、上記クレーン部６ｂには、一対にモータ１４が固定されていると共に、上記ワイヤー１５を介してオートクレーブ２が垂下状態で支持されている。さらに、クレーン部６ｂから電力線１０及び加圧ホース１２がオートクレーブ２まで垂下されている。
なお、オートクレーブ２内には、内部空気を攪拌するための扇風機状の空気攪拌装置２０が設置されている。この空気攪拌装置２０も、制御部Ｃに接続されており、制御部Ｃによって駆動制御される。
【００２０】
次に、本実施形態のオートクレーブ成形装置を用いたオートクレーブ成形品のオートクレーブ成形方法について、図１及び図２を参照して説明する。
【００２１】
まず、図１に示すように、水面Ｈ上に配したオートクレーブ２内に、複合材料のプリプレグを成形型に積層した積層体１を収納し、設置する（設置工程）。この時点では、オートクレーブ２内は、大気圧と同じ１気圧状態である。積層体１を設置した後、制御部Ｃによりモータ１４を駆動して巻回されているワイヤー１５を繰り出しながら、図２に示すように、徐々にオートクレーブ２を水中に降下させていく（降下工程）。
【００２２】
この際、同時に制御部Ｃにより加圧機構４を制御してオートクレーブ２の内圧を水圧にほぼ一致させるように加圧空気をオートクレーブ２内に加圧ホース１２を介して供給する。すなわち、オートクレーブ２の降下に伴って水深に対応した水圧がオートクレーブ２に加わるが、加圧ポンプ１１からの加圧空気によりオートクレーブ２内の圧力も降下に伴い同様に上昇させるため、オートクレーブ２内外の圧力差がほとんど生じないように圧力制御が行われる。また、オートクレーブ２内の圧力は、圧力センサ１３により測定され、測定された圧力値に基づいて制御部Ｃが加圧ポンプ１１をコントロールする。なお、本実施形態では、水圧が５気圧となる水深５０ｍまでオートクレーブ２を降下させる。したがって、オートクレーブ２が水深５０ｍまで降下した状態で、オートクレーブ２内はほぼ５気圧に制御される。
【００２３】
また、オートクレーブ２の降下に併せて、制御部Ｃにより加熱機構３を制御して積層体１を加熱することで、加熱加圧成形を行う。すなわち、温度センサ９で温度を測定しながら、所定加熱プログラムに従ってヒータ８による加熱を行うことで、積層体１を加圧状態（本実施形態では、５気圧）で硬化させて成形する（加圧加熱工程）。この際、同時に空気攪拌装置２０を駆動させておき、オートクレーブ２内の空気を攪拌させておく。
なお、水中にオートクレーブ２を降下させた状態で何らかの不具合等が発生した場合、作業者Ｍは、ハッチ部７からオートクレーブ２内に入って作業することができ、不具合に等に対処することができる。
【００２４】
加熱加圧成形が終了した後、制御部Ｃによりモータ１４を駆動してワイヤー１５を巻き取ってオートクレーブ２を水面Ｈまで上昇させる（上昇工程）。この際、同時に制御部Ｃにより加圧ポンプ１１からの加圧空気の供給を制御して上昇するオートクレーブ２の内圧を水圧にほぼ一致させるようにする。すなわち、オートクレーブ２の上昇に伴って水深に対応してオートクレーブ２に加わる水圧が徐々に低下するため、オートクレーブ２内の圧力も徐々に低下させて最終的に水面Ｈ上にまで上昇させた場合に、大気圧に戻るように圧力制御が行われる。
そして、水面Ｈ上までオートクレーブ２を上昇させた後、最後に内部のオートクレーブ成形品２１を取り出すことで、成形工程が終了する。
【００２５】
このように本実施形態では、上下機構５によりオートクレーブ２を水中に降下させ、所定水深で水圧と同じ圧力となるように加圧機構４で圧力調整を行うので、内外に圧力差がほとんど無く陸上で行う場合の頑強なオートクレーブでなくても肉厚が薄く比較的簡易な構成のオートクレーブ２で軽量・高強度な複合材料を良好に成形することができる。また、万が一、オートクレーブ２が破損し、破壊が進んでも、水深数十ｍの水中であるため、事故等に対しての安全性が向上する。
【００２６】
また、水中において成形を行うので、海だけでなく湖等のある地方においても実施することができる。
さらに、オートクレーブ２にハッチ部７を備えているので、水中にオートクレーブ２を降下させた状態でもオートクレーブ２内にハッチ部７を介して作業者Ｍが入ることができ、従来は不可能であった不具合等が発生した際のオートクレーブ２中での作業を実施することができる。
【００２７】
なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、ヒータ８を用いた加熱機構３を採用しているが、他の加熱機構、例えば加熱水蒸気によって加熱する加熱機構を採用しても構わない。
また、水際にオートクレーブ成形装置を設置したが、船舶等に設置して海上において成形を行っても構わない。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明に係るオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品の一実施形態において、水面上にオートクレーブを配した状態を示すオートクレーブ成形装置の全体構成図である。
【図２】本発明に係るオートクレーブ成形装置及びオートクレーブ成形方法並びにオートクレーブ成形品の一実施形態において、水中にオートクレーブを配した状態を示すオートクレーブ成形装置の全体構成図である。
【符号の説明】
【００２９】
１…積層体（プリプレグ）、２…オートクレーブ、３…加熱機構、４…加圧機構、５…上下機構、６…陸上支持部、７…ハッチ部、２１…オートクレーブ成形品、Ｃ…制御部
【図１】
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【図２】
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