特許 6021256 繊維複合成形品のプレス成形方法、繊維複合成形品のプレス成形装置、および繊維複合成形品の金型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6021256

(24)【登録日】2016年10月14日

(45)【発行日】2016年11月9日

(54)【発明の名称】繊維複合成形品のプレス成形方法、繊維複合成形品のプレス成形装置、および繊維複合成形品の金型

(51)【国際特許分類】

   B29C 43/56 20060101AFI20161027BHJP

   B29C 43/18 20060101ALI20161027BHJP

   B29K 101/12 20060101ALN20161027BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20161027BHJP

【ＦＩ】

   B29C43/56

   B29C43/18

   B29K101:12

   B29K105:08

【請求項の数】5

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2012-263979(P2012-263979)

(22)【出願日】2012年12月3日

(65)【公開番号】特開2014-108568(P2014-108568A)

(43)【公開日】2014年6月12日

【審査請求日】2015年10月5日

(73)【特許権者】

【識別番号】000155159

【氏名又は名称】株式会社名機製作所

(72)【発明者】

【氏名】永田 幹男

(72)【発明者】

【氏名】福島 勝仁

【審査官】 辰己 雅夫

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１１−０８８４３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５６−０８０４２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開昭５８−０７１１２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開昭６１−００８１１３（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２００６−３３５０６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−１１３３６９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−２１６１７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−３１５２５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５１３５００（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１０３０９９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００９−２９２０５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１１／１１８２２６（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１２−２５０４３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ４３／００−４３／５８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

一方と他方の金型間または加圧板間で熱可塑性樹脂と繊維マットを加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品のプレス成形方法において、
加熱された一方と他方の金型間または加圧板間において熱可塑性樹脂または繊維マットに対する一方の金型または一方の加圧板の距離が１０ｍｍ以内に近接させるか或いは熱可塑性樹脂または繊維マットに対して一方の金型または一方の加圧板を当接させて前記一方の金型または前記一方の加圧板を停止させ、熱可塑性樹脂と繊維マットの間に空間が維持された状態または該繊維マットの繊維の間に空隙が残され空間が維持された状態で所定時間真空吸引しつつ両面側から加熱を行う加熱工程と、
加熱された一方と他方の金型または加圧板の間で前記熱可塑性樹脂と繊維マットの加圧および繊維への熱可塑性樹脂の含浸の促進を行う加圧工程を順次行うことを特徴とする繊維複合成形品のプレス成形方法。

【請求項2】

一方の金型または加圧板に熱可塑性樹脂と繊維マットを載置した状態で、一方または他方の金型または加圧板を移動させて、他方の金型と熱可塑性樹脂と繊維マットのいずれかが当接または近接した状態で停止させ、加熱工程を開始し、前記加熱工程において一方の金型または一方の加圧板を昇降させることを特徴とする請求項１に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法。

【請求項3】

前記加熱工程では、金型または加圧板の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に昇温し、
前記加圧工程の後半には、金型または加圧板の温度を前記熱可塑性樹脂の熱変形温度以下に冷却し、
その後に型開を行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法。

【請求項4】

前記加熱工程では、プレス装置を位置制御することにより一方または他方の金型または加圧板の位置を制御し、
前記加圧工程では、少なくとも過半の時間においてプレス装置を圧力制御することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法。

【請求項5】

一方と他方の金型間または加圧板間で熱可塑性樹脂と繊維マットを加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品のプレス成形装置において、
加熱された一方と他方の金型間または加圧板間において熱可塑性樹脂または繊維マットに対する一方の金型または一方の加圧板の距離が１０ｍｍ以内に近接させるかまたは熱可塑性樹脂または繊維マットに対して一方の金型または一方の加圧板を当接させて前記一方の金型または前記一方の加圧板を停止させ、熱可塑性樹脂と繊維マットの間に空間が維持された状態または該繊維マットの繊維の間に空隙が残され空間が維持された状態で所定時間真空吸引しつつ両面側から加熱を行う加熱工程と、
加熱された一方と他方の金型または加圧板の間で前記熱可塑性樹脂と繊維マットの加圧および繊維への熱可塑性樹脂の含浸の促進を行う加圧工程を順次行うことを特徴とする繊維複合成形品のプレス成形装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、一方と他方の金型間または加圧板間で熱可塑性樹脂と繊維材料を加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品のプレス成形方法、繊維複合成形品のプレス成形装置、および繊維複合成形品の金型に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、炭素繊維に熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを更に加熱および加圧して硬化成形体にするプリフォーム工程と、その後の炭化処理工程等により、炭素繊維複合成形品を得る方法としては、特許文献１に記載されたものが知られている。特許文献１において炭素繊維複合成形品に使用される樹脂（マトリックス樹脂）は、フェノール等の熱硬化性樹脂である。また特許文献２にも炭素繊維が載置され真空吸引されたキャビティ内に熱硬化性樹脂を注入して炭素繊維複合成形品を成形する成形方法が記載されている。しかし特許文献２の真空吸引は、上記のように熱硬化性樹脂をキャビティ内に注入するのが主な目的であり、キャビティ内は液体状の熱硬化性樹脂の注入とともに空間が満たされるので、真空吸引のみを所定時間かけて行えるものではなかった。

【0003】

一方特許文献３のように、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を使用して炭素繊維複合成形品を成形することも行われている。特許文献３の成形方法は、強化繊維と炭素繊維を含浸させつつ所定の形状に賦形するものである。特許文献３には工程１に記載されるように予め成形材料を加熱装置により熱可塑性樹脂の可塑化温度以上に加熱することが記載されている。

【0004】

特許文献４についても熱可塑性樹脂を用いた炭素繊維複合成形品の成形が記載され、プレス成形の以前から真空吸引を行なうことと、プレス時の成形を真空状態で行うことが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開昭５９−６９４０８号公報（特許請求の範囲、第１図）

【特許文献2】特開平９−１１７９６４号公報（請求項１、００１７、図１）

【特許文献3】特開２０１１−２１８７９８号公報（請求項１、００２０、図２）

【特許文献4】特開２００９−１１３３６９号公報（請求項１、００７７ないし００８３、図１１）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記のように、特許文献１、特許文献２では、マトリックス樹脂に主に熱硬化性材料を使用するため、加熱炉や加圧装置の金型の温度の上限が高く設定する必要があり、成形装置のコストとランニングコストの両方のコストが高額になりすぎるという問題があった。またマトリックス樹脂に主に熱硬化性材料を使用したものは、成形品１個あたりの成形時間が長く必要であるという問題があった。更にはまたマトリックス樹脂に主に熱硬化性材料を使用した場合、１次成形品に２次加工を行いにくいという問題があった。

【0007】

特許文献３は、熱可塑性樹脂を使用したものであるが、プレス装置以外に加熱装置を別途に設ける必要があった。更に特許文献３は、前記成形を常圧下で行うため、気泡が完全に抜けていない炭素繊維複合成形品となる恐れが十分にあった。特許文献４については、熱可塑性樹脂を使用して真空吸引も行うものであるが、図１１に示されるように真空吸引のみが別個の工程として行われ、その間は成形品の両面に対して両方の金型から同時に加熱が行われないので、加熱時に熱可塑性樹脂から発生するガスが良好に吸引できない可能性があった。また特許文献４の成形型体はシール部材により両側が保持され、気密状態にされた際にはシール部材が押しつぶされるので空間が維持できずに、真空度が上がるにつれて成形型体内部の吸引が難しくなるという問題があった。更には金型とは別個に成形型体が必要となるので構造が複雑化するものであった。

【0008】

そこで本発明では、加圧工程の前に、一方と他方の金型または加圧板の間が真空吸引された状態で前記金型または加圧板により前記熱可塑性樹脂と繊維材料を所定時間加熱する加熱工程を設けることにより、熱可塑性樹脂の加熱溶融時に発生するガス等が真空吸引されるとともに繊維材料に含まれる空気も除去することができ、ボイド等がなく密度が高い繊維複合成形品を成形可能な繊維複合成形品のプレス成形方法、繊維複合成形品のプレス成形装置、および繊維複合成形品の金型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】

【0009】

本発明の請求項１に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法は、一方と他方の金型間または加圧板間で熱可塑性樹脂と繊維マットを加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品のプレス成形方法において、加熱された一方と他方の金型間または加圧板間において熱可塑性樹脂または繊維マットに対する一方の金型または一方の加圧板の距離が１０ｍｍ以内に近接させるか或いは熱可塑性樹脂または繊維マットに対して一方の金型または一方の加圧板を当接させて前記一方の金型または前記一方の加圧板を停止させ、熱可塑性樹脂と繊維マットの間に空間が維持された状態または該繊維マットの繊維の間に空隙が残され空間が維持された状態で所定時間真空吸引しつつ両面側から加熱を行う加熱工程と、加熱された一方と他方の金型または加圧板の間で前記熱可塑性樹脂と繊維マットの加圧および繊維への熱可塑性樹脂の含浸の促進を行う加圧工程を順次行うことを特徴とする。

【0010】

本発明の請求項２に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法は、請求項１において、一方の金型または加圧板に熱可塑性樹脂と繊維マットを載置した状態で、一方または他方の金型または加圧板を移動させて、他方の金型と熱可塑性樹脂と繊維マットのいずれかが当接または近接した状態で停止させ、加熱工程を開始し、前記加熱工程において一方の金型または一方の加圧板を昇降させることを特徴とする。

【0011】

本発明の請求項３に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法は、請求項１または請求項２において、前記加熱工程では、金型または加圧板の温度を前記熱可塑性樹脂の融点温度以上に昇温し、前記加圧工程の後半には、金型または加圧板の温度を前記熱可塑性樹脂の熱変形温度以下に冷却し、その後に型開を行うことを特徴とする。

【0012】

本発明の請求項４に記載の繊維複合成形品のプレス成形方法は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項において、前記加熱工程では、プレス装置を位置制御することにより一方または他方の金型または加圧板の位置を制御し、前記加圧工程では、少なくとも過半の時間においてプレス装置を圧力制御することを特徴とする。

【0013】

本発明の請求項５に記載の繊維複合成形品のプレス成形装置は、一方と他方の金型間または加圧板間で熱可塑性樹脂と繊維マットを加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品のプレス成形装置において、加熱された一方と他方の金型間または加圧板間において熱可塑性樹脂または繊維マットに対する一方の金型または一方の加圧板の距離が１０ｍｍ以内に近接させるかまたは熱可塑性樹脂または繊維マットに対して一方の金型または一方の加圧板を当接させて前記一方の金型または前記一方の加圧板を停止させ、熱可塑性樹脂と繊維マットの間に空間が維持された状態または該繊維マットの繊維の間に空隙が残され空間が維持された状態で所定時間真空吸引しつつ両面側から加熱を行う加熱工程と、加熱された一方と他方の金型または加圧板の間で前記熱可塑性樹脂と繊維マットの加圧および繊維への熱可塑性樹脂の含浸の促進を行う加圧工程を順次行うことを特徴とする。

【発明の効果】

【0014】

本発明の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法およびプレス成形装置は、一方と他方の金型間または加圧板間で熱可塑性樹脂と繊維マットを加熱および加圧して熱可塑性樹脂が含浸された繊維複合成形品を成形する繊維複合成形品のプレス成形方法において、加熱された一方と他方の金型間または加圧板間において熱可塑性樹脂または繊維マットに対する一方の金型または一方の加圧板の距離が１０ｍｍ以内に近接させるか或いは熱可塑性樹脂または繊維マットに対して一方の金型または一方の加圧板を当接させて前記一方の金型または前記一方の加圧板を停止させ、熱可塑性樹脂と繊維マットの間に空間が維持された状態または該繊維マットの繊維の間に空隙が残され空間が維持された状態で所定時間真空吸引しつつ両面側から加熱を行う加熱工程と、加熱された一方と他方の金型または加圧板の間で前記熱可塑性樹脂と繊維マットの加圧および繊維への熱可塑性樹脂の含浸の促進を行う加圧工程を順次行うので、熱可塑性樹脂の加熱溶融時に発生するガス等が真空吸引されるとともに繊維材料に含まれる空気も良好に除去することができる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】本実施形態の繊維複合成形品のプレス成形方法に用いられるプレス成形装置と金型の説明図である。

【図2】本実施形態の繊維複合成形品のプレス成形方法に用いられるプレス成形装置の各工程の状態を表わした説明図である。

【図3】本実施形態の繊維複合成形品のプレス成形方法の各工程を表わしたチャート図である。

【図4】別の実施形態の炭素繊維複合成形品のプレス成形方法に用いられるプレス成形装置と加圧板の説明図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

図１により本実施形態の繊維複合成形品のプレス成形装置１１（以下単にプレス成形装置１１と略す）について説明する。プレス成形装置１１は、下側に設けられた固定盤１２の四隅の近傍にはそれぞれタイバ１３が立設され、タイバ１３の上部には受圧盤に相当する上盤１４が固定されている。上側の上盤１４と下側の固定盤１２の間には可動盤１５が設けられている。可動盤１５の四隅の近傍のガイド穴にタイバ１３が挿通され、可動盤１５はタイバ１３に沿って昇降自在となっている。上盤１４には加圧機構である油圧シリンダ１６が設けられ、油圧シリンダ１６のラム１７が可動盤１５の背面（上面側）に固定されている。本実施形態では油圧シリンダ１６は所定のストロークを有しており、可動盤１５の昇降移動機能（型開閉移動機能）と、加圧機能を兼ねている。プレス成形装置１１の油圧シリンダ１６は図示しない油圧回路を経て油圧源に接続されている。油圧シリンダ１６または油圧シリンダ１６に接続される油圧回路には作動油の圧力を検出する図示しない圧力センサが取付けられている。また固定盤１２と可動盤１５とを接続して、固定盤１２に対する可動盤１５の位置を検出するＭＴＳセンサ等の位置センサ１８が取付けられている。位置センサ１８は接触式、非接触式を問わず、金型の間の距離を測定するように取付けられるものでもよい。プレス成形装置１１は後述するように種々のタイプが想定される。

【0017】

そしてプレス成形装置１１の固定盤１２の上面には一方の金型である固定金型１９（下型）が取付けられている。また可動盤１５の下面には他方の金型である可動金型２０（上型）が取付けられている。固定金型１９と可動金型２０からなる金型２１は、凹部２３を備えた固定金型１９に対して、凸部２６を備えた可動金型２０が嵌合されて容積が変更可能なキャビティ２２が形成されるインロウ構造の金型２１である。固定盤１２に対してボルト、冶具、磁石等によって取付けられる固定金型１９は、凹部２３の底面と側面がそれぞれ繊維複合成形品Ｗを形成する際のキャビティ形成面２４，２５となっている。また可動盤１５に対してボルト、冶具、磁石等により取付けられる可動金型２０の凸部２６の前面が前記繊維複合成形品Ｗを形成する際のキャビティ形成面２７となっている。そして固定金型１９の凹部２３の側面２４と可動金型２０の凸部２６の側面２８は嵌合された際に、キャビティ２２内の真空吸引は可能だが溶融樹脂が入り込まないようよう極めて僅かな間隔を介して対向状態か摺動状態に形成されている。

【0018】

また金型２１の固定金型１９と可動金型２０の内部にはそれぞれ熱媒が流通される図示しない管路が形成されている。本実施形態では熱媒は熱媒油が用いられ、図示しない熱媒油供給装置から温度制御された熱媒油が循環供給されるよう送出側の管路と排出側の管路が接続されている。また固定金型１９においては固定盤１２への取付面の側、可動金型２０においては可動盤１５への取付面の側には、それぞれ図示しない断熱板が設けられている。

【0019】

金型２１のキャビティ形成面２４，２５，２７については、繊維材料複合成形品Ｗが最終成形品である場合は、その最終成形品の形状に応じた凹凸が形成されている。また繊維材料複合成形品Ｗが最終成形品でなく、１次成形品を含む中間成形品である場合は、キャビティ形成面２４，２５，２７は、コスト、加工容易性、離型性、含浸性などを重視した形状となっている。また図1では繊維材料複合成形品Ｗを取出すためのエジェクタ装置は記載されていないが、エジェクタ装置を設けるようにしてもよい。なお上記では、固定金型１９が一方の金型であり可動金型２０が他方の金型の場合を記載しているが、その逆であって、固定金型が他方の金型であり可動金型が一方の金型であってもよい。

【0020】

そしてプレス成形装置１１と金型２１は、外界とは隔絶される真空チャンバ２９を形成するための壁部３０により側面、上面、下面が覆われている。そして側面の壁部３０には開閉扉３１が設けられている。壁部３０と開閉扉３１の間にはシール部材３２が設けられ、開閉扉３１を閉鎖した際に、壁部３０と開閉扉３１の間が完全にシールされるようになっている。また真空チャンバ２９の壁部３０の開口３３には管路３４が接続され、管路３４は真空ポンプ３５に接続されている。なお管路３４には開閉弁や切換弁等も設けられるが図示は省略する。

【0021】

なお本実施形態では、プレス成形装置１１と金型２１が真空チャンバ２９内に格納されているが、固定盤１２と可動盤１５の間の部分だけがベローズや側板等により外部とは隔絶され真空状態となるようにしたものでもよい。また金型２１が嵌合されるにつれて、固定金型１９と可動金型２０がいずれかの金型に設けたシール部材によりシールされ、金型２１のキャビティ２２を含む空間のみが外界と隔絶されて、真空空間を構成するようにしたものでもよい。

【0022】

そしてプレス成形装置１１には成形開始から成形完了までの金型２１の温度、可動金型２０の位置、加圧力、真空チャンバ２９の真空度などを制御する図示しない制御装置が配置されている。またプレス成形装置１１の近傍には、プレス成形装置１１に繊維材料と熱可塑性樹脂をセットにしてか、またはそれぞれを別個に搬入することのできる図示しない搬入装置が配設されている。繊維材料と熱可塑性樹脂シートは、予め乾燥や予熱を行ってからプレス成形装置１１へ搬入されるようにしてもよく、その場合は乾燥装置や予熱装置（または両者を兼ねた装置）を配設してもよい。そしてまたプレス成形装置１１の近傍には、成形の終了した繊維材料複合成形品Ｗを搬出する図示しない搬出装置が配設されている。繊維材料複合成形品Ｗが１次成形品を含む中間成形品である場合は、搬出装置の後工程に中間成形品の貯蔵設備や２次プレス成形装置が配設される。

【0023】

次に本実施形態のプレス成形装置１１を用いた繊維複合成形品のプレス成形方法について説明する。本実施形態において使用される繊維材料は炭素繊維が用いられる。ここでは炭素繊維は、厚みが１〜５ｍｍ、一辺の長さが４０ｃｍ四方の正方形の炭素繊維マットＦの形態で用いられる。炭素繊維マットＦは、方向性を持って織られたものでもよく、不織状態のものでもよい。または塊状のものを複数配置して層状にしたものでもよい。また炭素繊維マットＦは炭素繊維に加えて、別の繊維層（一例としてガラス繊維、金属繊維、アラミド繊維など）を加えたものでもよい。

【0024】

また本実施形態で使用されるマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂は、ポリアミド（ＰＡ６）樹脂からなり、厚みが０．５〜５ｍｍ、一辺の長さが４０ｃｍ四方の正方形の熱可塑性樹脂シートＲである。ポリアミドは溶融時の流動性に優れており、炭素繊維マットＦへの含浸に優れている。そして熱可塑性樹脂（ポリアミド）は、熱可塑性樹脂シートＲの形態で用いられる。熱可塑性樹脂シートＲは取扱いが容易であるので好ましいが、もっと薄い樹脂フィルムや、シートよりももっと硬さがあって厚みもある樹脂板であってもよい。また更には熱可塑性樹脂の形態は、粉状や粒状のものであって、キャビティ２２全体に行渡るように供給されるものでもよい。

【0025】

キャビティ形成面２５に載置される熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦの枚数は、熱可塑性樹脂シートＲや炭素繊維マットＦの厚みや種類により相違し特に限定はされない。しかし一例としてそれぞれ１〜１０枚程度が重ねて用いられ、全体（熱可塑性樹脂と炭素繊維の総重量）に占める炭素繊維の重量パーセント比が、２５〜７０％、更に望ましくは３５〜６０％にとなるようにすることが望ましい。また熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦの重ね方は限定されないが、ここでは金型２１のキャビティ形成面２５，２７と当接される外側を炭素繊維マットＦとし、内部に熱可塑性樹脂シートＲが挟まれる形に配置される。本実施形態では固定金型１９の凹部２３のキャビティ面２５と熱可塑性樹脂シートＲとの間の真空吸引が妨げられないように、熱可塑性樹脂シートＲの大きさがキャビティ面２５の大きさよりも僅かに小さいものが使用される。しかし熱可塑性樹脂シートＲに１〜複数個の穴が形成されたものでもでもよい。

【0026】

これらの熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦは、事前に図示しない乾燥装置で所定時間以上、乾燥したものが望ましい。熱可塑性樹脂シートＲまたは炭素繊維Ｃに水分が含まれていると、炭素繊維の繊維複合成形品Ｗを成形する際に、前記水分が水蒸気となりボイドが発生し、炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の含浸を阻害する。熱可塑性樹脂が粉状や粒状などの場合も乾燥することが望ましい点は同じである。そして載置・型閉工程Ａにおいて、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦは、プレス成形装置１１の近傍の図示しない搬入装置により、壁部３０に対して開閉扉３１が開放された搬入・搬出口から投入され、可動金型２０が型開されることにより開放されている固定金型１９のキャビティ形成面２５の上に載置される。この際に図３に示されるように、一方の金型である固定金型１９と他方の金型である可動金型２０は、熱媒油により加熱された状態にある。

【0027】

次に搬入装置が後退すると、開閉扉３１が閉鎖される。そして次に真空ポンプ３５が作動されるかまたは作動されていた真空ポンプ３５と真空チャンバ２９の間の管路３４の開閉弁等が開放され、真空ポンプ３５により真空チャンバ２９内の真空吸引が行われる。真空チャンバ２９の真空度については限定されるものではないが、一例として１０ｈＰａ〜１００ｈＰａに真空化される。真空チャンバ２９内が所定の真空度まで減圧されると熱可塑性樹脂シートＲ間の炭素繊維マットＦは、真空吸引により容積が減少する。従って熱可塑性樹脂シートＲ間の炭素繊維マットＦの高さは当初の載置時よりも低くなる。

【0028】

次に真空チャンバ２９内が所定の真空度まで減圧されると、プレス成形装置１１の加圧機構である油圧シリンダ１６の型閉側の油室１６ａに作動油を供給し、ラム１７が下降するとともに可動盤１５および可動金型２０が固定盤１２および固定金型１９に向けて下降される。この際に可動盤１５および可動金型２０の作動は、位置センサ１８により位置が検出され、油圧シリンダ１６により位置制御または速度制御される。

【0029】

そして可動金型２０のキャビティ形成面２７が炭素繊維マットＦに当接すると可動金型２０の下降は位置制御により停止される。熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦを重ねた際の高さは予め判明しているので、可動金型２０が熱可塑性樹脂シートＲまたは炭素繊維マットＦのいずれかの表面に当接する停止位置を予め作業員がプレス成形装置１１に設定しておき、その位置で可動金型２０が停止されるように制御する。なお可動金型２０の停止位置は、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦのいずれかの表面に当接しなくても表面の近傍の可動金型２０から熱が伝わる位置であってもよい。金型１９，２０の温度、熱可塑性樹脂の種類等にもよるが、近傍とは熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦのいずれかから１０ｍｍ以内、更に望ましくは５ｍｍ以内であれば熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦの集合体の両面側からの伝熱が良好にできる。また可動金型２０が、熱可塑性樹脂シートＲまたは炭素繊維マットＦに当接して更に押圧した際、油圧シリンダ１６の油圧の上昇変化（電動モータによる加圧機構の場合は電流値やトルクの上昇変化）により、可動金型２０が停止されるように制御してもよい。従って当接また近接させた位置で可動金型２０を停止されるとは、僅かな圧力を熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦのいずれかの表面に加えた状態であっても炭素繊維の間に空隙が残された状態で空間が確保され可動金型２０が停止された状態であればよい。

【0030】

そしてこの状態において所定時間真空吸引しつつ前記熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦの両面側から加熱する加熱工程Ｂを行う。加熱工程Ｂでは、熱媒油によって加熱されている固定金型１９と可動金型２０から熱可塑性樹脂シートＲに熱が付与され、熱可塑性樹脂シートＲは溶融状態となる。本実施形態では熱可塑性樹脂は、ポリアミド（ＰＡ６）であり、それぞれの金型２１はＰＡ６の融点である２２５℃を超えた温度となるように熱媒油の温度が温度制御される。金型温度は、ＰＡ６の場合は、２００〜３３０℃が望ましく、一例として使用される熱可塑性樹脂の融点−２５℃〜融点＋１００℃の範囲、更に望ましくは融点と同じ温度〜融点＋６０℃の範囲とする。

【0031】

また加熱工程Ｂにおいて可動金型２０は位置制御により保持される、しかし本発明では、熱可塑性樹脂の溶融状態の進行と真空吸引の進行ともに可動金型２０をキャビティ２２内における空間を維持しつつ僅かづつ下降させるものでもよい。また炭素繊維マットＦからの空気を追い出す目的や溶融の進行した熱可塑性樹脂からのガスを追い出す目的のために、可動金型２０を昇降させて、圧力を断続的に加えるなどしてもよい。いずれにしても加熱工程Ｂの特徴は、継続して熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦに加圧を行わないことにより、キャビティ２２内に熱可塑性樹脂シートＲおよび炭素繊維マットＦ以外の空間が形成された状態で、加熱と並行して真空吸引を良好に行うことである。

【0032】

この加熱工程Ｂの時間としては、重ねられる熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦの枚数や厚みにもよるが、１０〜３００秒程度が望ましい。本発明では、加熱工程Ｂにおいて真空を併用することにより、炭素繊維と熱可塑性樹脂（マトリックス樹脂）内の空気や水分が奪われ、炭素繊維複合成形品Ｗの中の熱可塑性樹脂の部分に空洞などが無くなり、熱可塑性樹脂と炭素繊維の密着性が非常に良好な含浸が行える。または真空により炭素繊維に対する熱可塑性樹脂の含浸が促進されて成形時間が短時間でよくなる。

【0033】

そして所定時間が経過すると加熱工程Ｂは終了して次に加圧工程Ｃ（含浸工程）へ移行する。加圧工程Ｃでは、加圧機構である油圧シリンダ１６の型閉側の油室１６ａに作動油が再度供給されるか型開側の油室１６ｂの作動油の油圧を僅かづつ低下させて可動金型２０を更に下降させる。この際に可動金型２０が急速に下降して固定金型１９等に衝撃が加わらないように制御がなされる。そしてキャビティ２２内が炭素繊維と熱可塑性樹脂のみとなるとその後は油圧シリンダ１６の型閉側の油室１６ａへ供給する作動油を昇圧させて加圧を行う。そして可動金型２０の位置が予め設定した位置に到達するか、油圧シリンダ１６の型閉側の油室１６ａが昇圧され、型閉側の油室１６ａの圧力を検出する圧力センサが予め設定した圧力を検出したらそれまでの位置制御（または速度制御）から圧力制御に切り替える。加圧工程Ｃのうちの少なくとも過半の時間は圧力制御により制御される。

【0034】

そして圧力制御により熱可塑性樹脂と炭素繊維を圧縮して炭素繊維への熱可塑性樹脂の含浸を促進させる。この際のキャビティ形成面２７から炭素繊維と熱可塑性樹脂に加えられる面圧は、一例として１．０〜１５．０ＭＰａ、更に望ましくは２．０〜１０．０ＭＰａとなっている。また加圧工程Ｃの時間は、１〜１２０分程度が望ましい。またこの際にも可動金型２０を昇降させてマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂のガス抜きや炭素繊維への含浸の促進を行うものでもよい。

【0035】

加圧工程Ｃのうちの過半の時間は、炭素繊維への熱可塑性樹脂（ＰＡ６）の含浸を促進させるため、固定金型１９と可動金型２０は、加熱工程Ｂと同じ温度（または上記の許容範囲の温度帯の範囲内で昇温または降温してもよい）に維持されている。しかし加圧工程Ｃの後半には、金型２１の熱媒の通路に冷却された熱媒油（または水）を供給して金型２１を冷却する。この際の金型２１の温度は、５０〜１５０℃になるように温度コントロールされ、繊維材料複合成形品Ｗの温度を熱変形温度以下に下降させる。

【0036】

また加圧工程Ｃの間も管路３４を介して真空ポンプ３５から真空チャンバ２９内およびキャビティ２２内の真空吸引は継続されている。そのためキャビティ２２内で溶融状態の熱可塑性樹脂からガスが発生しても良好に吸引することができる。なお加圧工程Ｃにおける真空吸引が成形品のバリを助長する等で不具合がある場合、加圧工程Ｃの最初から最後まで、または一部の時間（特に後半の冷却時間）、真空吸引を中止してもよい。真空吸引を後半まで行っている場合には、加圧工程Ｃの終了間際には、真空ポンプ３５と真空チャンバ２９内との接続状態を断絶するか、真空ポンプ３５を停止させて、真空チャンバ２９内に大気を導入して真空破壊を行う。

【0037】

そして型開・取出工程Ｄでは、プレス成形装置１１の加圧機構である油圧シリンダ１６を作動させて可動金型２０の型開を行う。可動金型２０の型開とともに含浸および成形の完了した繊維材料複合成形品Ｗと可動金型２０の離型が行われ、繊維材料複合成形品Ｗは固定金型１９に残置される。またそれと前後して壁部３０の開閉扉３１の開放が行われる。そして図示じないエジェクタ装置や搬出装置を用いて繊維材料複合成形品は取り出される。そして繊維材料複合成形品が１次成形品を含む中間成形品である場合は、後工程へ搬出される。

【0038】

次に別の実施形態の繊維複合成形品のプレス成形装置５１について説明する。図４に概略が示されるようにプレス成形装置５１は、上盤５２と下盤５３の間にタイバ５４にガイドされて昇降可能な可動盤５５が設けられている。そして可動盤５５の上面には一方の加圧板５６が配設され、上盤５２の下面には他方の加圧板５７が配設されている。

【0039】

そして可動盤５５の下方には加圧用の油圧シリンダ５８のラム５９が固定されている。油圧シリンダ５８は、図示しない油圧ポンプとその油圧回路により駆動制御される。そして可動盤５５と前記可動盤５５に固定された加圧板５６は、加圧用の油圧シリンダ５８の駆動により上盤５２に固定される加圧板５７に向けて押し上げられる。そして一方の加圧板５６と他方の加圧板５７の間で、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦの加圧が行われる。

【0040】

一方と他方の加圧板５６，５７は、表面が平坦面からなる均等な板厚の金属板（一般的には鉄板）である。そして内部には熱媒油が流通可能な通路がそれぞれ形成されている。加圧板５６，５７の前記通路は、供給側、排出側ともに、図示しない管路を介して、熱媒油の加熱と冷却を制御する熱媒供給装置に接続されている。なお加圧板５６、５７の加熱は、加圧板５６，５７内に設けられた電気ヒータや、加圧板５７内の通路に蒸気を供給して行うようにしてもよく、加圧板５７，５７の冷却についても通路に水を供給して行うようにしてもよい。

【0041】

また前記上盤５２と下盤５３の間の可動盤５５および加圧板５６，５７等が配設される成形空間６０は、密閉可能なチャンバ６１により外界と隔絶可能となっている。チャンバ６１は管路と図示しないバルブやフィルタ等を介して真空ポンプ６１に連通されている。そしてプレス成形装置５１には成形開始から成形完了までの加圧板５６の位置、加圧板５６、５７の温度、加圧力、チャンバ６１内の真空度などを制御する制御装置が配置されている。

【0042】

図４においてプレス成形装置５１は、加圧板５６，５７（熱板）が２枚で構成された例が記載されているが、加圧板５６、５７の枚数は少なくとも２枚以上であれば限定されない。加圧板が３枚以上の場合は、平行に加圧板が配置され、圧縮用の油圧シリンダ５８の駆動により同時に各加圧板の間で、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦＦの加熱・加圧が行われ大量生産に適する。なお加熱工程Ｂでは、加圧板が３枚以上の場合にも各加圧板の間を所定の間隔に保持する必要があるので、各加圧板の間に別途に油圧シリンダやバネによる間隔調整機構を設ける必要がある。

【0043】

次に図４の別の実施形態の繊維複合成形品のプレス成形装置５１を用いた繊維複合成形品のプレス成形方法について説明する。最初の載置・型閉工程Ａにおいて、下方の可動盤５５に固定された加熱された一方の加圧板５６の上に、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦを載置する。次にチャンバ６０の扉を閉鎖し、チャンバ６１内の内部空間６０を真空吸引する。従って別の実施形態では、加熱工程Ｂの開始前から内部空間６０は真空状態にあり、加圧工程Ｃの完了まで継続される。そして圧縮用の油圧シリンダ５８の作動によりラム５９が伸長され、下方の可動盤５５に固定された一方の加圧板５６が上昇移動され、熱可塑性樹脂シートＲと炭素繊維マットＦのうちのいずれか上面側のものが、上方の他方の加圧板５７に当接されると下方の加圧板５６の上昇は位置制御により停止され加熱工程Ｂが開始される。なおこの際に図１に示される本実施形態で記載したように別の方法で一方の加圧板５６を停止してもよい。また加圧板５７，５７の加熱開始やチャンバ６０内の真空吸引開始は、加熱工程Ｂの開始と同時または僅かに前後して開始してもよい。

【0044】

そしてこの状態において真空吸引は継続したまま加熱された一方の加圧板５６と加熱された他方の加圧板５７の間において、前記熱可塑性樹脂と炭素繊維に空間が維持された状態で所定時間加熱する加熱工程Ｂを行う。加熱工程Ｂでは、熱媒油によって加熱されている下方の加圧板と５７上方の加圧板５７から熱可塑性樹脂に熱が付与され、溶融状態となる。加熱工程Ｂの時間や加熱工程Ｂにおける加圧板５７，５７の温度等は、図１に示される本実施形態と同様である。そして所定時間が経過すると、加熱工程Ｂを終了して加圧工程Ｃへ移行する。

【0045】

加圧工程Ｃでは、真空吸引は継続したまま再び圧縮用の油圧シリンダ５８を作動させて可動盤５５と加圧板５６を上昇させる。そして上盤５２の加圧板５７と可動盤５５の加圧板５６の間で、溶融状態となった熱可塑性樹脂と炭素繊維を加圧し、炭素繊維に熱可塑性樹脂を含浸させて炭素繊維の繊維複合成形品Ｗを成形する。この際の加圧時間、面圧、加圧板の温度等は、図１に示される本実施形態と同様である。そして加圧工程Ｃの後半では、加圧板５７，５７に冷却油等を流通させ、加圧板５７，５７の冷却を行う。そしてマトリックス樹脂である熱可塑性樹脂の温度が熱変形温度またはガラス転移温度を下回るとともに所定時間が経過したら加圧工程Ｃを終了する。そして型開取出工程Ｄでは油圧シリンダ５８を下降させて繊維複合成形品Ｗの成形が終了する。そしてチャンバ６０内の真空が解除され、繊維複合成形品の取出しが行われる。

【0046】

次に更に別の実施形態について、図示は省略して相違点を中心に説明する。更に別の実施形態のプレス成形装置は、図１や図４の例において、電動モータまたは油圧シリンダによる型開閉機構と、油圧シリンダによる加圧機構（型締機構）が別に設けられている。更に別の実施形態のプレス成形装置を用いたプレス成形方法では、加熱工程Ｂの開始位置まで型開閉機構によって他方の金型である可動金型が移動され、位置制御により停止される。型開閉機構の電動モータがサーボモータ、ボールネジ、ボールネジナットの組合せの場合は、高精度な位置制御が可能である。そしてその位置でハーフナットがタイバ等の係合溝に係合され、加圧機構による力が可動金型に伝達可能となる。

【0047】

そして加熱された一方と他方の金型間において熱可塑性樹脂と繊維材料に空間が維持された状態で所定時間真空吸引を行う加熱工程Ｂが終了すると、次に真空吸引は継続したまま加圧機構の油圧シリンダ等を作動させて加圧工程Ｃを行う。その際に各タイバごとにそれぞれ油圧シリンダが設けられた加圧機構を有するプレス成形装置の場合は、各油圧シリンダをサーボバルブ等で制御することにより各タイバと各タイバに係合される可動盤の四隅近傍に設けられたハーフナットを介して可動盤の傾きを制御することができる。より具体的には、固定盤に対する可動盤の位置（距離）、または固定金型に対する可動金型の位置（距離）は、タイバに対応した４箇所の位置センサで測定されるようになっている。そして各位置センサの位置を検出して、各油圧シリンダがそれぞれフィードバック制御されることにより、固定盤（固定金型）に対する可動盤（可動金型）の平行制御（位置制御または速度制御）が可能となる。

【0048】

平行制御の制御方法としては、それぞれの位置センサにより検出される可動盤の検出位置の平均値を演算し、前記平均値と検出位置との差分を演算して、前記差分に応じて各油圧シリンダを制御させる。その場合には可動盤を移動させる際には、前記の平行制御の制御に加えて、各油圧シリンダに対して前進方向に移動させるための指令信号が等しく加えられる。または別の平行制御の制御方法としては、１つのマスター油圧シリンダに対応の位置センサによって検出される検出位置を目標位置として前記マスターシリンダを作動させるとともに、他の油圧シリンダもマスターシリンダに合わせるように制御させてもよく、更に他の平行制御の制御方法でもよい。

【0049】

位置制御（または速度制御）による平行制御は、加熱工程Ｂにおける可動金型の保持の際、加圧工程Ｃにおいて可動金型が所定の位置まで前進される（熱可塑性樹脂と炭素繊維が圧縮される）まで行われるか、または油圧シリンダの圧力が所定の圧力に昇圧するまで行われる。そして加圧工程Ｃにおいて位置制御（または速度制御）が完了すると、次に油圧シリンダによる圧力制御に移行する。圧力制御の段階においても各油圧シリンダに設けられた圧力センサにより各油圧シリンダの圧力を検出して、それぞれの油圧シリンダの圧力が最適になるように制御する。またはいずれかの油圧シリンダの圧力が一定以上乖離した際に、異常と判断して停止するなどの制御を行う。固定金型と可動金型の間の平行制御を行うことにより、厚みの均一な繊維材料複合成形品や精度の高い繊維材料複合成形品を成形することができる。

【産業上の利用可能性】

【0050】

本発明については、一々列挙はしないが、上記した本実施形態のものに限定されず、当業者が本発明の趣旨を踏まえて変更を加えたものについても、適用されることは言うまでもないことである。まずプレス成形装置については次のようなものでもよい。またプレス成形装置の駆動源としては、油圧シリンダの他、サーボモータ等の電動機を用いたものでもよい。電動機を駆動源とする場合、トグルプレスやクランクプレスといったリンクやクランクによる倍力機構を用いたものも好適に使用される。またプレス成形装置は、下側の可動盤が上側の固定盤に向けて昇降移動するものでもよい。更には横方向に可動盤が移動するものでもよい。

【0051】

金型については、いわゆるインロウ構造の金型２１について説明したが、キャビティを形成するブロックの周囲の枠体が、キャビティを形成するブロックに対してバネや油圧シリンダやエアシリンダ等の作用により進退移動可能な平当構造の金型でもよい。その場合、枠体の前面が当接面となり、他方の金型の当接面と当接することによりキャビティが形成される。そして枠体がキャビティ形成ブロックに対して後退することによりキャビティの厚みが薄くなり、キャビティ内の熱可塑性樹脂と繊維材料が圧縮成形される。またインロウ構造の金型２１の場合も平当構造の金型の場合も、嵌合して加熱工程を実施する際の真空吸引を良好にするために、キャビティ２２に連通する通路を形成したものや、金型の一部を多孔質物質としてキャビティ２２内の真空吸引を行うようにしてもよい。その場合、加熱工程Ｂでは、キャビティ２２と真空チャンバ２９は通路を介して連通された状態とし、加圧工程Ｃではベント孔のみを介して連通されるようにしてもよい。またキャビティが形成される金型の場合、繊維材料を含む成形品は１次成形品であってもよく、初めから最終成形品を成形するものでもよい。またキャビティ形成面は、真空吸引を良好にするためと離型を良好に行うために微細な凹凸を設けてもよく、Ｔｉｎなどのコーティングを行ったものでもよい。また上記の実施形態では金型の加熱は熱媒油または水または蒸気で行われるが電気ヒータ、赤外線ヒータ、誘導加熱等により加熱するものでもよく、冷却も水により行うものでもよい。また金型や加圧板以外に加熱専用部材を設けて加熱工程Ｂを実施し、加圧工程Ｃには加熱専用部材を使用しないものでもよい。更に金型は繊維材料に対する溶融樹脂の含浸を良好にする目的でバイブレータなどの振動付与手段を設けたものでもよい。

【0052】

また使用される繊維材料は、炭素繊維の他、ガラス繊維、ケプラー繊維、アルミ等の金属繊維、天然繊維等の他の種類の繊維材料であってもよい。更に熱可塑性樹脂Ｒについても限定はされず、熱硬化性樹脂との混合材料でもよい。本発明に用いられるマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂であって、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ＡＳ樹脂、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリアセタール、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンエーテル、熱可塑ポリウレタン等が代表的なものとして挙げられ、他の種類の熱可塑性樹脂でもよい。

【符号の説明】

【0053】

１１ プレス成形装置
１２ 固定盤
１３ タイバ
１４ 上盤
１５ 可動盤
１６ 油圧シリンダ
１９ 固定金型
２０ 可動金型
３５ 真空ポンプ
Ｂ 加熱工程
Ｃ 加圧工程（含浸工程）
Ｆ 炭素繊維マット）
Ｒ 熱可塑性樹脂シート
Ｗ 繊維複合成形品

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】