(57)【要約】      （修正有）【課題】繊維強化複合材料を製造する際に、最終的な複合材料の所望の製品強度を維持した上で、大型の金型の移動を必要とせず、かつ、省エネルギーにより環境負荷を減らすことが可能な、高品質且つ低コストの大型複合材料部品の製造方法を提供する。【解決手段】強化繊維基材2を金型3上に積層する積層工程、積層した強化繊維基材2を気密密閉可能なシート4で覆い真空引きするバギング工程、強化繊維基材2内に含浸させた樹脂を硬化させる硬化工程を少なくとも含む、複合材料の製造方法において、少なくとも前記積層工程を開閉機能を有するクリーンルーム10内で行う複合材料の製造方法である。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
強化繊維基材を金型上に積層する積層工程、積層した強化繊維基材を気密密閉可能なシートで覆い真空引きするバギング工程、強化繊維基材内に含浸させた樹脂を硬化させる硬化工程を少なくとも含む、複合材料の製造方法において、少なくとも前記積層工程を開閉機能を有するクリーンルーム内で行うことを特徴とする複合材料の製造方法。
【請求項２】
前記クリーンルームが移動可能であることを特徴とする請求項１に記載の複合材料の製造方法。
【請求項３】
前記バギング工程を前記クリーンルーム内で行うことを特徴とする請求項１または２に記載の複合材料の製造方法。
【請求項４】
前記積層工程から、バギング工程、硬化工程まで、金型を実質的に移動させることなく、一定の場所で行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
【請求項５】
前記金型が外付け加熱装置で加熱できる機能を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
【請求項６】
前記金型の少なくとも１辺の長さが３ｍ以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
【請求項７】
前記クリーンルームが清浄度を管理する作業室と室内環境制御装置から構成され、各々が分離・移動可能であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化複合材料の製造方法について、特には繊維強化複合材料を製造する工程中の金型の移動を最小限に抑える製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、地球環境問題への関心の高まりから、部品を軽量化することができる、強化繊維とマトリックス樹脂からなる繊維強化複合材料が広く使用されるようになってきた。繊維強化複合材料の製造方法は、例えば凹凸を有する賦形型に強化繊維基材を積層、賦形し、樹脂を注入させた後、加熱して成形品を製造する方法などがある（特許文献１）。以下に、繊維強化複合材料の製造方法について工程順に説明する。
【０００３】
まず、（Ａ）強化繊維基材の裁断工程において、強化繊維基材を所望の形状に裁断する。その後、（Ｂ）強化繊維基材の積層工程において、製品形状の金型の上に裁断した強化繊維基材を所定枚数積層し、金型形状になじませる。さらに、（Ｃ）強化繊維基材のバギング工程で、強化繊維基材が金型の形状にしっかりと沿うように、基材、金型全体をフィルム等で覆い、密閉した後、真空引き（バギング）する。その後、（Ｄ）硬化工程で、真空に引かれた状態の強化繊維基材に樹脂を注入し、さらに加熱して樹脂を硬化させることで繊維強化複合材料の成形品を形成する。硬化後は、（Ｅ）脱型・加工工程において、金型から成形品を取り外し、機械加工により所定の形状に加工して繊維強化複合材料の製品を得る。
【０００４】
前記積層工程では、所定の寸法に裁断した強化繊維基材を金型上に所定枚数重ねていく。この際、作業環境の清浄度が低いと強化繊維基材を積層していく途中にホコリなどの異物が混入する可能性がある。積層作業中に異物が混入すると、以後の工程で異物を取り除くことは不可能であり、製品中に異物が入ったままとなる。製品に異物が混入していると、製品使用中に衝撃などの外力が加わった際、異物が損傷、破壊の起点となるおそれがあるため、異物の混入防止対策を施す必要がある。また、強化繊維基材の裁断、積層、バギング工程時の温度、湿度といった作業環境条件が悪いと強化繊維基材等の素材自体が結露する可能性もあり、その場合、強化繊維基材、強化繊維基材の表面にコーティングされている表面処理剤、樹脂物性等が変化し、成形後の製品強度に悪影響を及ぼす。特に航空機部品の製造時においては製品品質に影響を及ぼす上記作業条件をコントロールすることは重要である。
【０００５】
一般的に、特許文献２に記載のように、繊維強化複合材料の積層・バギング工程はクリーンルーム内、硬化工程はオーブンまたはオートクレーブのような加熱設備にて行われるが、航空機部品製造においては、大型の金型に強化繊維基材を積層し、これを加熱する必要がある。しかし、従来の据え付け型のクリーンルーム、加熱設備といった一般的な設備構成、成形環境では、クリーンルームの開口部の大きさが限られているため、クリーンルーム内に大型の金型を搬入・設置することが困難である。また、クリーンルーム内に金型を搬入し、金型に強化繊維基材を積層した後に強化繊維基材を積層したままの状態で、再度クリーンルームから搬出し、加熱設備に移動する必要がある。しかし、開口の大きさに制限がある一般的な据え付け型のクリーンルームでは、こうした作業の際、特に強化繊維基材を積層した金型を、強化繊維基材がずれないよう移動する作業は困難であった。そこで、大型の金型を搬入可能な大きさのクリーンルームを設置した場合、所定のクリーン度、温度、湿度を維持するために大きな空調設備能力を必要とし、その結果、消費電力が莫大となり、環境に与える負荷が大きくなるという問題があった。
【０００６】
複合材料以外の分野においては、特許文献３の如く、例えば反応釜作業時において、周囲と間仕切るためのブースを使用する例がある。これは、医薬品製造現場にて、障害物の多い狭い環境で、医薬品原料などを反応釜へ仕込む作業において、塵芥などが反応釜中に混入しないよう作業エリアをブースで間仕切るという例である。しかし、本例は、作業エリアが狭く、かつ、単に周囲と間仕切ることにより埃の侵入を防止するだけであり、温度・湿度といった作業条件を調整する機能はないため、上記複合材料の製造に必要な作業環境を提供できるものでなかった。
【０００７】
また、特許文献４のように、クリーンルーム内で局所的にクリーン度を上げるためのクリーンフードが用いられる例もある。これは、クリーンルーム内で、周囲のクリーン度よりもより高いクリーン度が求められる箇所で、局所的にフードを設置し、周囲よりも雰囲気圧力を上げ局所的にクリーン度を上げるためのものである。しかし、この方法は、据え付け型のクリーンルームが必要な方法であり、また、公知文献２と同様に、作業エリアが狭く、かつ、単に周囲と間仕切ることが目的であるため、上記複合材料の製造の課題を解決できるものではなかった。
【０００８】
以上のように、大型の金型を移動することなく、任意の場所にある大型の金型およびその周辺で必要な作業エリア内の雰囲気を所望のクリーン度、温度・湿度に保つことができれば、金型移動による異物混入が減少し、高品質な製品製造につながるためこれら要求をみたす技術が必要とされていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１０−１２０１６７公報
【特許文献２】特開２０１０−５３３０９８公報
【特許文献３】特開２００３−２６０６７８公報
【特許文献４】特開２０００−２５７９３２公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、前記従来技術の課題を解決し、繊維強化複合材料を製造する際に、最終的な複合材料の所望の製品強度を維持した上で、大型の金型の移動を必要とせず、かつ、省エネルギーにより環境負荷を減らすことが可能な、高品質且つ低コストの大型複合材料部品の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
（１）強化繊維基材を金型上に積層する積層工程、積層した強化繊維基材を気密密閉可能なシートで覆い真空引きするバギング工程、強化繊維基材内に含浸させた樹脂を硬化させる硬化工程を少なくとも含む、複合材料の製造方法において、少なくとも前記積層工程を開閉機能を有するクリーンルーム内で行うことを特徴とする複合材料の製造方法。
（２）前記クリーンルームが移動可能であることを特徴とする（１）に記載の複合材料の製造方法。
（３）前記バギング工程を前記クリーンルーム内で行うことを特徴とする（１）または（２）に記載の複合材料の製造方法。
（４）前記積層工程から、バギング工程、硬化工程まで、金型を実質的に移動させることなく、一定の場所で行うことを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
（５）前記金型が外付け加熱装置で加熱できる機能を有することを特徴とする（１）〜（４）のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
（６）前記金型の少なくとも１辺の長さが３ｍ以上であることを特徴とする（１）〜（５）のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
（７）前記クリーンルームが清浄度を管理する作業室と室内環境制御装置から構成され、各々が分離・移動可能であることを特徴とする（１）〜（６）のいずれかに記載の複合材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１２】
本発明により、金型の移動が困難な大型部材の成形工程であっても、最終的な複合材料の所望の製品強度を維持した上で、金型の移動が不要で、かつ、省エネルギーにより環境負荷を減らすことができ、高品質且つ大型複合材料部品を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来実施されてきたＶａＲＴＭ成形フローを示す概略図である。
【図２】本発明に係るＶａＲＴＭ成形フローを示す概略図である。
【図３】本発明に係る移動可能なクリーンルームを設置した状態を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１に複合材料のＶａＲＴＭ（バキュームアシステッドレジントランスファーモールディング）成形フローを示す。本発明にはプリプレグのような予め強化繊維基材に樹脂が含浸された形態も含まれ、強化繊維基材の形態は樹脂の含浸有無により限定されない。
【００１５】
本発明に係る複合材料の製造方法の一実施形態を図１，２により工程順に説明する。
【００１６】
（Ａ）強化繊維基材の裁断工程
強化繊維基材１は一般的にロール状に巻かれており、これを巻き出して所望の形状、枚数に裁断する。この作業は、強化繊維の劣化防止のため、温度、湿度の管理をすることがのぞましく、また異物混入防止のため周囲環境よりも与圧され、クリーン度を制御した空間で実施することがのぞましい。一般的に、裁断作業はクリーンルーム９を設置し、この室内にて行うが、移動可能なクリーンルーム１０を用いれば、クリーンルームの設置されている場所に拘束されることがないため、任意の場所で裁断作業を行うことが可能である。
【００１７】
なお、自動積層装置を用いる場合には、ロールから直接強化繊維基材を積層していくため、本工程を省略することが出来る。
【００１８】
（Ｂ）強化繊維基材の積層工程
所望の形状、枚数に裁断された強化繊維基材２を、金型３の上に所望の順序で積層する。この工程は強化繊維の劣化防止のため、温度・湿度の管理をすることが望ましい。
【００１９】
また、本工程において、積層した強化繊維基材の間に異物が入った場合には、最終成形品の中に異物が残留し、成形品に衝撃などの外力が加わった場合、この異物が起点となり損傷、破壊の原因となる可能性があるため、高度に異物混入の防止をする必要があり、クリーン度の制御が必要である。
【００２０】
この工程は、一般的にはクリーンルーム９を設置し、その室内に金型を搬入して作業を行うが、移動可能なクリーンルーム１０を用いればクリーンルーム９の設置されている場所に拘束されることなく、任意の場所で積層作業を行うことが可能である。
【００２１】
クリーンルーム１０は、室内容積を可変なように伸縮可能な形状であり、開閉可能な機能を有すれば特に形態は問わない。例えば折りたたみ式の骨組構造に支持された、外気と空調エリアを遮断するためのシートを備える構造としてもよい。本件の例のように、温度、湿度、与圧をコントロールする空調ユニットと、クリーンルームエリア、中間室エリアと全体を３分割可能なものは、それぞれ移動可能なため、金型の設置されている所望の場所まで用意に搬送させることができる。また、本実施の形態では、クリーンルームエリア、中間室は、可動式で開閉機能を有し、伸縮可能なジャバラ状であるため、必要な大きさのクリーンルームエリア、中間室エリアを提供することができる。また、空調ユニットは温度、湿度の制御が可能で、送風部のダンパー調整により与圧が可能である。このように、金型を覆う方法に制限がなく、かつ覆った空間の空調条件を制御できる装置を用いれば、任意の場所でクリーン度の必要な作業を行うことが可能となる。
【００２２】
（Ｃ）強化繊維基材のバギング工程
金型上に所望の枚数、順序で積層した後、強化繊維基材、金型をフィルム、ラバー等のシート４で覆い、真空吸引する工程をバギングと呼ぶ。金型、強化繊維基材を覆うシートは、気密性が保てるものであればよく、例えばフィルム材、ゴムシートなどが使用できる。この状態で、例えば真空ポンプ５などで真空吸引することで、強化繊維基材を金型形状にしっかりと沿わせる。この工程は、作業環境の清浄度が低いと強化繊維基材、金型と、それらを覆うフィルム等の間にゴミ等の異物が混入する可能性がある。この工程で異物が混入すると、積層体表面に設計で想定していない凹凸ができることとなり、成形後の製品形状への悪影響が懸念される。
【００２３】
強化繊維の劣化防止と、異物混入防止のために清浄な環境で行うことがのぞましく、移動可能なクリーンルームを用いればクリーンルーム設置場所に制限されることなく、任意の場所でバギング作業が可能である。
【００２４】
樹脂の注入が必要な成形法の場合には、樹脂が含浸されていないドライの強化繊維基材を金型形状に賦形した後、樹脂注入機６をセットし、樹脂を注入する。この工程も、強化繊維基材、金型自体はフィルム材、ゴムシートなどのバッグ材に覆われ、かつ真空が保たれているため異物混入の恐れはない。しかし、注入する樹脂が入った容器には異物混入の恐れがあるため、注入樹脂容器まわりはクリーンルームの環境としても良い。クリーンルーム内に加熱設備を設置し、その中で賦形、樹脂注入作業を実施することは、金型が大型の場合は特に難しいが、移動可能なクリーンルームを用いれば、必要な箇所、たとえば注入樹脂容器まわりのみをクリーンな環境に保つことも可能である。なお、プリプレグなど、予め樹脂が含浸した強化繊維基材を用いる場合には、樹脂を注入する工程は必要ない。
【００２５】
（Ｄ）硬化工程
次に、バギングし、真空を保った状態の強化繊維基材、金型を樹脂の硬化温度まで加熱装置８にて加熱する。この工程で、強化繊維基材、樹脂はフィルム材、ゴムシートなどのバッグ材で覆われ、かつ真空に保たれているため、異物混入の恐れはなく、クリーンルーム環境が必須な工程ではない。
【００２６】
従来の、据え付け型のクリーンルームで作業する場合、バギングした強化繊維基材、金型を加熱設備まで運搬する作業が必須である。従来のクリーンルーム内でバギング工程まで実施した場合、金型搬出作業は、制限された開口部から大型で重量のある金型を搬出する作業は困難を伴う。特に樹脂の注入が必要な成形法の場合、樹脂を注入するまでは、強化繊維基材は金型の上にドライな状態で積層されたままでずれやすく、金型移動の際に積層位置がずれてしまう恐れもある。また、クリーンルームから搬出後も、大型の金型を作業場内を加熱設備まで移動する必要があり、周囲の作業者、設備との接触といった危険を伴う可能性もある。移動可能なクリーンルームを用いれば、金型のサイズに制限されず金型周りにクリーンルーム環境を準備することが可能なため、金型の移動が必要なくなる。
【００２７】
また、金型自体に、金型を加熱するための温水等の熱媒用通路を設けた金型と、この熱媒を加熱、温調する外付けの加熱装置を用いる金型や、金型中にヒーターを内蔵して外部電源から印加し加熱する電気ヒーター付き金型など、金型自体を加熱することが可能な金型を用いれば、金型を移動させる必要がなくなる。この場合、積層工程からバギング、硬化工程までの作業を、大型で重量のある金型を実質的に移動させることなく、複合材料を製造することが可能となる。なお、本発明で言う実質的に移動させるとは、例えば、積層工程を行うクリーンルームから硬化工程を行う硬化炉までの移動の如く、各工程の作業場所間の移動を意味し、同じ作業場所内で行う金型の位置の微調整のような作業は含まれない。
【００２８】
（Ｅ）脱型・加工工程
硬化後、真空を開放し、フィルム等のバッグ材をはがし、硬化した繊維強化樹脂成形品を金型から取り外す工程を脱型と呼ぶ。脱型したのち、必要であれば再度加熱装置８にて所望の温度に加熱後、所定の形状に加工し、製品となる。この状態では、樹脂は強化繊維基材に含浸、硬化しているため、異物混入の恐れもなく、強化繊維基材の物性変化の恐れもなくなるため、クリーンルーム環境は不要であるが、移動可能なクリーンルームであれば、こうした場合もクリーンルーム設備を容易に分解、取り外せるため、金型を移動させる必要がなくなる。
【００２９】
上記のように、移動可能なクリーンルームを用いることで、いずれの工程も任意の場所で作業可能である。また、クリーンルームと加熱設備との距離が離れている場合は、金型搬送時に、積層した強化繊維基材のズレ発生が懸念されるが、移動可能なクリーンルームを用いることで、金型の搬送を最小限に抑えることが可能である。さらに、加熱設備で直接金型を温調、加熱することにより、金型移動を不要にすることも可能である。また、各々の作業をそれぞれ別の移動可能なクリーンルームで行っている場合、それらを連結することで、強化繊維基材搬送時の強化繊維基材の密閉といった異物混入防止措置も不要となる。
【００３０】
また、必要最小限の空間のみ空調することができるため、大型のクリーンルームを設置、空調する方式と比較すると省エネ効果も期待できる。たとえば1000×5000×300mm大の金型を使用して積層作業する場合、通常であれば金型を取り回すスペースも考慮に入れる必要があり、5000×10000mm程度の広さのクリーンルームを設置する必要がある。しかし、移動可能なクリーンルームであれば、室内での金型取り回しスペースを考慮する必要がないため、金型と、積層作業に必要な最小限のスペース、たとえば2000×6000mmの空間を空調するだけで済む。この場合、空調必要面積が50m2から12m2に削減できるため、単純に約75%の省エネ効果となる。
【００３１】
図３に本発明で用いる移動可能なクリーンルームを用いた製造作業の模式図の一例を示す。
【００３２】
本発明に用いる移動可能なクリーンルームは、移動可能とするためのキャスター等をつけた枠部材と、それらにより自立するよう組み立てられた骨組み構造、その骨組みに支持された、外気と空調制御エリアを仕切るための間仕切りとを備える本体、空調制御エリアの内圧、クリーン度、温度・湿度を制御するための空調ユニット３から成る。
【００３３】
本体部分は、塩ビ等のシートで外気と空調制御エリアを仕切っているが、さらに外気との気密性をあげるため、仕切り下部と床面との隙間をシールするスカート部４を備える。本体部分は、裁断、積層、バギング作業に必要な温度、湿度、クリーン度および与圧付与するため、空調制御されたクリーンルーム部分１と、温度、湿度、クリーン度の空調制御は無いが、外気を遮断可能な開閉部を持つ中間室２を供える。クリーンルーム部分１、中間室２はそれぞれ伸縮可能なフレームと、外気遮断のための伸縮可能なシートから構成されており、任意の大きさで使用可能である。また、クリーンルーム部分１と、中間室２はそれぞれ開閉可能かつ密閉可能な開口部を有し、それぞれを連結させ、場合によってはクリーンルーム部分１と中間室２をつなげて大きな一つのクリーンルームとしても使用可能である。製造作業で使用する金型７、強化繊維基材などをクリーンルーム部分で覆うことにより、任意の場所にて積層、バギング工程を行うことが可能となる。
【００３４】
クリーンルーム部分の温度、湿度、クリーン度および与圧付与のための空調ユニット部は、クリーン度を保つためのフィルター部５、温度・湿度を制御するための空調部６からなる。なお、クリーンルームの与圧については、空調部にある外気導入調整弁にて適宜調整可能である。
【００３５】
クリーンルーム部分，中間室と空調ユニットはマグネットもしくは結合金具などで連結しており、それぞれ分離可能である。そのため、移動が必要な際には簡単に分離することが可能であり、かつクリーンルーム部分、中間室は伸縮可能でさらにコンパクトにできる構造のため、作業スペースが狭く、大型の台車を取り回すことができない場合や、金型が巨大で通常のクリーンルームに搬入できない場合でも、簡易に必要な場所にクリーンルーム環境を準備することが可能である。また、空調ユニット、クリーンルーム部分を複数個準備しておけば、空調ユニットの能力範囲内であれば任意の場所で、任意の大きさのクリーンルーム環境を準備することが可能となり、異なる部品を製作する場合でもそれぞれの異物混入を危惧せず平行作業が可能となる。また、脱型など粉塵の発生しやすい作業をしている直近でも、温度、湿度、クリーン度、与圧環境を準備することが可能なため、裁断、積層、バギングなどの作業が可能なため、狭い作業場でも異物混入の可能性を抑えて異なる作業をすることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、あらゆる強化繊維プラスチックの製造方法に適用することができ、例えば、車両、船舶、航空機、建築部材などの産業用途、あるいはスポーツ用途など、種々の分野に用いられる広範囲な繊維強化プラスチックの製造方法に適用が可能である。特には、高い安全性と品質を要求される航空機用途の部材の製造に好適である。
【符号の説明】
【００３７】
１  強化繊維基材
２  強化繊維基材（裁断後）
３  金型
４  シート（覆い）
５  真空ポンプ
６  樹脂注入機
７  樹脂
８  加熱装置
９  クリーンルーム
１０  移動可能なクリーンルーム
１１  金型温調機
１２  クリーンルーム部分
１３  中間室
１４  空調ユニット
１５  スカート
１６  フィルター部
１７  空調部
【図１】
2013136193.tif 000003
【図２】
2013136193.tif 000004
【図３】
2013136193.tif 000005