特許 6432689 複合材料の製造方法、複合材料の製造装置、複合材料用プリフォームおよび複合材料

(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】6432689

(24)【登録日】2018年11月16日

(45)【発行日】2018年12月12日

(54)【発明の名称】複合材料の製造方法、複合材料の製造装置、複合材料用プリフォームおよび複合材料

(51)【国際特許分類】

   B29C 53/04 20060101AFI20181203BHJP

   B29B 11/16 20060101ALI20181203BHJP

   B29C 39/10 20060101ALI20181203BHJP

   B29C 70/06 20060101ALI20181203BHJP

【ＦＩ】

   B29C53/04

   B29B11/16

   B29C39/10

   B29C70/06

【請求項の数】12

【全頁数】16

(21)【出願番号】特願2017-538783(P2017-538783)

(86)(22)【出願日】2015年9月9日

(86)【国際出願番号】JP2015075647

(87)【国際公開番号】WO2017042920

(87)【国際公開日】20170316

【審査請求日】2017年12月13日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003997

【氏名又は名称】日産自動車株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000671

【氏名又は名称】八田国際特許業務法人

(72)【発明者】

【氏名】黒田 真一

【審査官】 ▲来▼田 優来

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００６−１９２７４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平５−１８５５３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１２６７９３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平９−２２０７６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２５５９１９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ３９／１０，５３／０４，７０／０６

Ｂ２９Ｂ１１／１６

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

強化基材と前記強化基材に含浸された樹脂とを備える複合材料の製造方法であって、
第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の前記強化基材に、前記第１の領域よりも前記第２の領域の接着剤の含有密度が低くなるように前記接着剤を付与し、
前記強化基材によってコア材を被覆するように前記強化基材を立体形状に予備成形し、前記予備成形において、前記コア材のうち、前記強化基材の前記第１の領域が配置される部位よりも曲率が大きい部位に、前記第２の領域を配置する、複合材料の製造方法。

【請求項2】

前記強化基材を予備成形する前に、前記接着剤が付与された前記強化基材を加熱する、請求項１に記載の複合材料の製造方法。

【請求項3】

前記接着剤を付与した後に、前記強化基材を切断線に沿って切断し、
前記第１の領域は、前記切断線を含む、請求項１または請求項２に記載の複合材料の製造方法。

【請求項4】

前記接着剤を付与した後、前記強化基材を予備成形する前に、前記接着剤が付与された前記強化基材を積層して積層体を形成する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。

【請求項5】

前記接着剤は、熱によって軟化する材料によって形成される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の複合材料の製造方法。

【請求項6】

第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の強化基材に接着剤を付与する付与部と、
前記強化基材によってコア材を被覆して、前記コア材のうち、前記強化基材の前記第１の領域が配置された部位よりも曲率が大きい部位に前記第２の領域が配置された立体形状に、前記強化基材を予備成形する予備成形型と、
前記付与部および前記予備成形型の作動を制御する制御部と、を有し、
前記制御部は、前記強化基材に、前記第１の領域よりも前記第２の領域の前記接着剤の含有密度が低く前記接着剤を付与するように前記付与部の作動を制御し、かつ、前記立体形状に前記強化基材を成形するように前記予備成形型の作動を制御する、複合材料の製造装置。

【請求項7】

前記付与部によって前記接着剤が付与された前記強化基材を加熱するヒータをさらに有する、請求項６に記載の複合材料の製造装置。

【請求項8】

前記付与部によって前記接着剤が付与された前記強化基材を切断線に沿って切断する切断部をさらに有し、
前記第１の領域は、前記切断線を含む、請求項６または請求項７に記載の複合材料の製造装置。

【請求項9】

前記接着剤は、熱によって軟化する材料によって形成される、請求項６〜８のいずれか１項に記載の複合材料の製造装置。

【請求項10】

強化基材に接着剤を含浸させて形成される複合材料用プリフォームであって、
前記強化基材によって被覆されるコア材を有し、
前記強化基材は、第１の領域と、前記第１の領域よりも前記接着剤の含有密度が低い第２の領域とを備え、
前記第２の領域は、前記コア材のうち、前記第１の領域が配置される部位よりも曲率が大きい部位に配置される、複合材料用プリフォーム。

【請求項11】

前記接着剤は、熱によって軟化する材料によって形成される、請求項１０に記載の複合材料用プリフォーム。

【請求項12】

強化基材に接着剤を含浸させて形成される複合材料用プリフォームを用いて形成される複合材料であって、
前記強化基材によって被覆されるコア材を有し、
前記強化基材は、第１の領域と、前記第１の領域よりも前記接着剤の含有密度が低い第２の領域とを備え、
前記第２の領域は、前記コア材のうち、前記第１の領域が配置される部位よりも曲率が大きい部位に配置される、複合材料。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複合材料の製造方法、複合材料の製造装置、複合材料用プリフォームおよび複合材料に関する。

【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。複合材料の製造方法として、量産化に適したＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形法が注目されている。ＲＴＭ成形法にあっては、まず強化基材を成形型内に配置し、強化基材に樹脂を含浸させ、樹脂を硬化させることによって、複合材料を成形する。

【0003】

強化基材は、成形型に配置する前に、積層して予備成形を行って予め所定の形状を付与したプリフォームに成形する。プリフォームの成形方法としては、例えば、下記特許文献１のように所定枚数のシート状の強化基材を積層し、予備成形型内に配置し、プレスして所定の形状に成形する。積層した強化基材を予備成形型に搬送する際に強化基材の配置にばらつきが生じるという問題がある。このため、強化基材の層間に予め接着剤を付与し、強化基材を固定することによって強化基材の配置のばらつきを抑制する方法が一般的に用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１１−１６８００９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、強化基材の層間を接着剤によって固定すると、強化基材をプレスして所定の形状に成形する際に、変形しにくくなってしまう。特に、曲率の大きい角部を有する形状は、成形が困難となり、プリフォームにしわやよれ等が発生するおそれがある。このため、プリフォームの形状をしわやよれが生じない曲率に抑える必要があり、形状の自由度が低く制限されていた。これにより、成形品である複合材料の形状選択の幅が狭くなっていた。

【0006】

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、強化繊維の配置のばらつきを抑制しつつ、プリフォームの形状の自由度を高めることによって形状選択の幅が広い複合材料を成形することのできる複合材料の製造方法、複合材料の製造装置、複合材料用プリフォームおよび複合材料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】

上記目的を達成する本発明に係る複合材料の製造方法は、強化基材と、前記強化基材に含浸された樹脂と、を備える複合材料の製造方法である。まず、第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の前記強化基材に、前記第１の領域よりも前記第２の領域の接着剤の含有密度が低くなるように前記接着剤を付与する。次に、前記強化基材によってコア材を被覆するように前記強化基材を立体形状に予備成形する。前記強化基材を予備成形する際には、前記コア材のうち、前記強化基材の前記第１の領域が配置される部位よりも曲率が大きい部位に、前記第２の領域を配置する。

【0008】

上記目的を達成する本発明に係る複合材料の製造装置は、第１の領域と第２の領域とを備えるシート状の強化基材に接着剤を付与する付与部と、前記強化基材によってコア材を被覆して、前記コア材のうち、前記強化基材の前記第１の領域が配置された部位よりも曲率が大きい部位に前記第２の領域が配置された立体形状に、前記強化基材を予備成形する予備成形型と、前記付与部および前記予備成形型の作動を制御する制御部とを有する。前記制御部は、前記強化基材に、前記第１の領域よりも前記第２の領域の前記接着剤の含有密度が低く前記接着剤を付与するように前記付与部の作動を制御し、かつ、前記立体形状に前記強化基材を成形するように前記予備成形型の作動を制御する。

【0009】

上記目的を達成する本発明に係る複合材料用プリフォームは、強化基材に接着剤を含浸させて形成される複合材料用プリフォームである。当該複合材料用プリフォームは、前記強化基材によって被覆されるコア材を有する。前記強化基材は、第１の領域と、前記第１の領域よりも前記接着剤の含有密度が低い第２の領域とを備える。前記第２の領域は、前記コア材のうち、前記第１の領域が配置される部位よりも曲率が大きい部位に配置される。

【0010】

上記目的を達成する本発明に係る複合材料は、強化基材に接着剤を含浸させて形成されるプリフォームを用いて形成される複合材料である。当該複合材料は、前記強化基材によって被覆されるコア材を有する。前記強化基材は、第１の領域と、前記第１の領域よりも前記接着剤の含有密度が低い第２の領域とを備える。前記第２の領域は、前記コア材のうち、前記第１の領域が配置される部位よりも曲率が大きい部位に配置される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本発明の実施形態に係る複合材料の製造装置および製造方法の全体の流れを説明するための図である。

【図2】本発明の実施形態に係るプリフォームを成形する予備成形装置を説明するための図であり、図２（Ａ）は付与部の概観斜視図であり、図２（Ｂ）はヒータの概観斜視図である。

【図3】本発明の実施形態に係るプリフォームを成形する予備成形装置を説明するための図であり、図３（Ａ）は切断部の概観斜視図であり、図３（Ｂ）は予備成形型の概観斜視図である。

【図4】本発明の実施形態に係るプリフォームを用いて複合材料を成形する成形装置の概略図である。

【図5】図５（Ａ）は強化基材における接着剤の含有密度分布を示す図であり、図５（Ｂ）は予備成形したプリフォームの接着剤の含有密度分布を示す説明図である。

【図6】切断部によって切断される強化基材の切断線付近の接着剤の付与幅を説明するための図である。

【図7】本発明の実施形態に係るプリフォームの成形方法を示すフローチャートである。

【図8】本発明の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9】本発明の実施形態に係る複合材料の製造方法を適用して製造した自動車部品を示す図であり、図９（Ａ）は、複合材料を使用した各種の自動車部品を示す図、図９（Ｂ）は、自動車部品を接合して形成した車体を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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、以下の説明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。

【0013】

図１は、本発明の実施形態に係る複合材料４００の製造装置１００および製造方法の全体の流れを説明するための図である。図２および図３は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００を成形する予備成形装置２００を説明するための図である。図４は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する成形装置３００の概略図である。図５は、強化基材５１０における接着剤５２０の含有密度分布を示す図である。図６は、切断部２４０によって切断される強化基材５１０の切断線Ｌ付近の接着剤５２０の付与幅Ｗを説明するための図である。図７は、本発明の実施形態に係るプリフォーム５００の成形方法を示すフローチャートである。図８は、本発明の実施形態に係る複合材料４００の成形方法を示すフローチャートである。図９は、本発明の実施形態に係る複合材料４００を使用した自動車部品７０１〜７０３および車体７００を示す斜視図である。なお、図２および図３（Ａ）中の矢印は、搬送部２１０による強化基材５１０の搬送方向（下流工程へ向かう方向）を示している。また、図３（Ｂ）中の矢印は、強化基材５１０を予備成形する際の成形方向を示している。

【0014】

以下、各図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

【0015】

（プリフォーム）
本実施形態に係るプリフォーム５００は、強化基材５１０に接着剤５２０を含浸させて形成される。

【0016】

強化基材５１０は、例えば、炭素繊維、ガラス繊維、有機繊維等によって形成することができる。本実施形態では、強化基材５１０として炭素繊維を使用した例を説明する。炭素繊維５１０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という特徴があるため、自動車の車体７００等の複合材料４００の強化基材として好適に使用することができる。炭素繊維５１０は、例えば、繊維が一方向に引き揃えられたＵＤ（一方向）材や繊維が一方向に引き揃えられた複数のシートをそれぞれ異なる方向に重ねて補助繊維で一体化したいわゆるＮＣＦ（ノンクリンプファブリック）材等のシート状の炭素繊維５１０を使用することができる。積層構成は、成形品である複合材料４００に求められる材料特性によるが、一般的に複数の配向角度を備えるように積層する。本実施形態では、繊維配向が±４５°方向のＮＣＦ材、９０°方向のＵＤ材、０°方向のＵＤ材の３種類を積層する積層構成とする。

【0017】

接着剤５２０は、炭素繊維５１０に付与されて、炭素繊維５１０同士を接着する。これにより、炭素繊維５１０をシート状の形態に安定して維持させることができ、炭素繊維５１０の配置のばらつきを抑制することができる。また、炭素繊維５１０の積層体５１０ｂ（図３（Ｂ）を参照）を所望の形状に賦形した際に、その形態を保持する役割を果たす。

【0018】

接着剤５２０を構成する材料は、材質は特に限定されず、公知のものを使用することができる。例えば、ポリオレフィン樹脂、スチレン系樹脂、ナイロン樹脂、ポリウレタン樹脂などの熱可塑性樹脂、また、例えばエポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性樹脂などが挙げられる。本実施形態では、後述する複合材料４００に使用する樹脂と同じ熱硬化性樹脂であり、溶融粘度が低いため流動性が高く、耐熱性、耐湿性に優れる低分子量エポキシ樹脂を使用する。

【0019】

炭素繊維５１０は、図５（Ａ）に示すように、接着剤５２０を付与する第１の領域５１１と、第１の領域５１１よりも接着剤５２０の含有密度が低くなるように接着剤５２０を付与した第２の領域５１２とを備える。なお、本明細書中において「接着剤５２０の含有密度が低い」とは、接着剤５２０を付与しない場合、つまり含有密度が０（ゼロ）の場合も含む。

【0020】

また、予備成形する際に、第１の領域５１１における曲率は第２の領域５１２よりも大きくなるように成形する。接着剤５２０の含有密度が低い第２の領域５１２は、第１の領域５１１に比べて炭素繊維５１０間にかかる接着力が弱いため、変形が比較的容易である。よって、プリフォーム５００の成形時に、特に曲率の大きい部分に生じるしわやよれの発生を抑制することができる。

【0021】

（複合材料）
本実施形態に係る複合材料４００は、炭素繊維５１０が予め所定の形状に予備成形されたプリフォーム５００に樹脂６００を含浸させて硬化させることによって製造される。

【0022】

複合材料４００は、炭素繊維５１０と樹脂６００が組み合わせられることにより、樹脂６００単体で構成される成形品に比べて高い強度および剛性を備えたものとなる。また、図９に示すような自動車の車体７００（図９（Ｂ）を参照）に使用されるフロントサイドメンバー７０１やピラー７０２等の骨格部品、ルーフ７０３等の外板部品に複合材料４００を適用することによって、鉄鋼材料からなる部品を組み付けて構成した車体と比べて、車体７００の軽量化を図ることができる。

【0023】

本実施形態に係る複合材料４００は、プリフォーム５００に樹脂６００を含浸させることによって形成される。また、本実施形態では、剛性向上のために複合材料４００の内部に、図３（Ｂ）に示すようなコア材５３０が挿入されている。

【0024】

樹脂６００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。また、樹脂６００には、複合材料４００を成形した後の脱型を容易に行い得るように、内部離型剤を含ませている。内部離型剤の種類は、特に限定されず、公知のものを使用することができる。

【0025】

コア材５３０は、炭素繊維５１０に被覆された状態で、炭素繊維５１０に樹脂６００を含浸させることによって複合材料４００の内部に形成される。コア材５３０を構成する材料は、特に限定されないが、軽量化の観点から発泡体（フォームコア）が好ましく用いられる。例えばポリウレタン、塩化ビニル、ポリオレフィン、アクリル系樹脂、ポリイミド系樹脂（ＰＭＩ（ポリメタクリルイミド）、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド））などからなる発泡体が適宜使用される。

【0026】

（製造装置）
図１〜４を参照して、複合材料４００の製造装置１００について説明する。本実施形態に係る複合材料４００の製造装置１００は、大きく分けて、図１の上段および中段に示すプリフォーム５００を成形する予備成形装置２００と、図１の下段に示すプリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する成形装置３００と、から構成される。また、複合材料４００の製造装置１００は、製造装置１００全体の動作を制御する制御部１１０を有する。

【0027】

まず、プリフォーム５００を成形する予備成形装置２００について説明する。

【0028】

予備成形装置２００は、概説すると、図１の上段に示すように、炭素繊維５１０を連続的に搬送する搬送部２１０と、炭素繊維５１０に接着剤５２０を付与する付与部２２０と、接着剤５２０が付与された炭素繊維５１０を加熱するヒータ２３０と、炭素繊維５１０を切断する切断部２４０と、炭素繊維５１０を予備成形する予備成形型２６０と、を有する。

【0029】

搬送部２１０は、図１の上段に示すように、炭素繊維５１０が巻回されてなる基材ロール５１０ａから供給された炭素繊維５１０を連続的に下流工程である付与部２２０、ヒータ２３０および切断部２４０へ搬送する。搬送部２１０は、ベルトコンベアによって構成されている。付与部２２０、ヒータ２３０、および切断部２４０は、ベルトコンベアの搬送経路に合わせて設けられ、連続して作業が行えるように構成されている。

【0030】

付与部２２０は、図２（Ａ）に示すように、搬送部２１０の平面方向に移動可能に構成され、搬送部２１０の上流から搬送された炭素繊維５１０に接着剤５２０を付与する。接着剤５２０の付与量は、使用する接着剤５２０の種類、物性によるが、例えば、１０〜１００ｇ／ｍ^３とすることができる。付与部２２０は、例えば、粉末状（固形）の接着剤５２０を使用してスクリーン印刷方式、液状の接着剤５２０を使用してインクジェット方式、接着剤５２０を不織布に加工して炭素繊維５１０の上に積層する方式等によって構成することができる。本実施形態においては、量産性が高く、付与精度の高いインクジェット方式を使用する。インクジェット方式は、接着剤５２０を微滴化し、炭素繊維５１０に対して直接に吹き付ける方式であり、付与する部位によって接着剤５２０の付与量を調整することができる。

【0031】

付与部２２０は、炭素繊維５１０上に接着剤５２０の含有密度が比較的高い部分である第１の領域５１１と、第１の領域５１１よりも接着剤５２０の含有密度が比較的低い部分である第２の領域５１２と、を形成するように接着剤５２０を付与する。本実施形態においては、図５（Ａ）に示すように、第１の領域５１１中において、接着剤５２０の含有密度の高い部分（図５（Ａ）中の色の濃い部分）と低い部分（図５（Ａ）中の色の薄い部分）を有する含有密度分布が存在する。同様に、第２の領域５１２中においても含有密度分布が存在する。このように、含有密度分布が３以上の段階をもって形成される場合は、後述する切断部２４０によって切断する切断線Ｌ周りを、接着剤５２０の含有密度が最も高い部分に設定することが好ましい。また、図５（Ｂ）に示すように、予備成形型２６０によって成形する立体形状の曲率が大きい部分（破線で囲まれた部分）を、接着剤５２０の含有密度が比較的低い部分である第２の領域５１２となるように接着剤５２０を付与する。

【0032】

ヒータ２３０は、図２（Ｂ）に示すように、付与部２２０によって接着剤５２０を付与した炭素繊維５１０を加熱する。加熱温度は、使用する接着剤５２０の溶融温度によるが、例えば、７０℃〜１５０℃とする。これによって、接着剤５２０を軟化または溶融させ、炭素繊維５１０に含浸させることができる。接着剤５２０を含浸させた結果、炭素繊維５１０の単位面積あたりの接着剤５２０の含有量、すなわち、含有密度が定まる。ヒータ２３０は、特に限定されないが、瞬間的かつ均等に炭素繊維５１０を加熱可能なものから構成されていることが好ましく、例えば、連続炉または高周波コイル、遠赤外線ヒータ、熱風器などの加熱ヒータを使用することができる。

【0033】

切断部２４０は、図３（Ａ）に示すように、接着剤５２０が含浸された炭素繊維５１０を予め決められた切断線Ｌに沿って切断する。切断部２４０は、例えば、超音波カット、レーザーカット、丸鋸カット、プレスカット、はさみカットなど様々な切断機構を使用することができる。本実施形態においては、比較的短時間によって正確に切断することができる超音波カットを使用する。また、上述したように切断線Ｌ周りは、第１の領域５１１の中で接着剤５２０の含有密度が比較的高い部分に設定してある。これにより、切断時や切断後に次工程に搬送する際に切断面のほつれを大幅に低減することができる。切断面にほつれが生じると、複合材料４００の成形後に端部を除去するため、プリフォーム５００を予め大きく形成しておく必要がある。切断面のほつれを抑制することによって、複合材料４００の端部を除去する後加工を削減でき、さらに炭素繊維５１０の歩留りを向上させることができる。

【0034】

予備成形型２６０は、炭素繊維５１０を定められた立体形状に予備成形する。図１の中段に示すように、プリフォーム５００の対象となる炭素繊維５１０が配置される下型２６１と、下型２６１に対して接近離反移動自在な上型２６２と、を有している。上型２６２の下型２６１に対向する面には、炭素繊維５１０のプリフォーム５００の形状に合致する形状に応じた成形面が形成されている。炭素繊維５１０を下型２６１に配置した状態で上型２６２を下型２６１に接近移動させて、炭素繊維５１０に対して加圧力を付与することによって、炭素繊維５１０をプリフォーム５００に成形することが可能となっている。

【0035】

本実施形態のように、コア材５３０を挿入して閉断面を形成する複合材料４００の場合、図５（Ｂ）に示すような曲率の大きい角部を有することが多い。当該角部を予備成形する際に、内側の炭素繊維５１０と外側の炭素繊維５１０とで変形量が大きく異なる。したがって、曲率の少ない平面部に比べて炭素繊維５１０の層間のずれが大きいにも拘らず、層間が接着剤５２０によって接着されていると接着剤５２０の接着力によって炭素繊維５１０同士が拘束されているため変形が制限されてしてしまう。炭素繊維５１０の変形が制限されている状態で予備成形を行うと、成形後のプリフォーム５００の曲率の大きい部分にしわやよれが生じてしまう。

【0036】

上述したように、本実施形態では予備成形する立体形状の曲率が大きく、成形時の変形量が大きい部分を、接着剤５２０の含有密度が比較的低い部分である第２の領域５１２としている。これにより、炭素繊維５１０の層間において接着剤５２０による接着力が比較的弱いため、第２の領域５１２において容易に変形可能となる。よって、曲率の大きい部分において、プリフォーム５００のしわやよれの発生を抑制することができる。これにより、プリフォーム５００の形状の自由度が高まり、複合材料４００の形状選択の幅を広げることができる。

【0037】

次に、プリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する成形装置３００について説明する。

【0038】

図４を参照して、本実施形態に係る成形装置３００は、概説すると、プリフォーム５００が配置されるキャビティ３５０を形成する開閉自在な成形型３１０と、成形型３１０に型締圧力を負荷するプレス部３２０と、キャビティ３５０内に溶融した樹脂６００を注入する樹脂注入部３３０と、成形型３１０の温度を調整する成形型温度調整部３４０と、を有する。

【0039】

成形型３１０は、開閉可能な一対の上型３１１（雄型）と、下型３１２（雌型）と、を有する。上型３１１と下型３１２の間に、密閉自在なキャビティ３５０を形成する。プリフォーム５００は、キャビティ３５０内に配置する。

【0040】

成形型３１０は、キャビティ３５０内に樹脂６００を注入する注入口３１３をさらに有する。注入口３１３は、キャビティ３５０および樹脂注入部３３０に連通する。樹脂６００は、プリフォーム５００の表面から内部に含浸する。なお、下型３１２に、キャビティ３５０内を真空引きして空気を吸引する吸引口を設けてもよい。また、キャビティ３５０内を密閉状態にするために、上型３１１と下型３１２の合わせ面にシール部材等を設けてもよい。

【0041】

プレス部３２０は、例えば、油圧等の流体圧を用いたシリンダー３２１を備え、油圧等を制御することによって型締圧力を調整自在なプレス機により構成することができる。

【0042】

樹脂注入部３３０は、主剤タンク３３１から供給される主剤と、硬化剤タンク３３２から供給される硬化剤とを循環させつつ、成形型３１０へ供給可能な公知の循環式のポンプ機構により構成することができる。樹脂注入部３３０は、注入口３１３に連通してキャビティ３５０内に樹脂６００を注入する。

【0043】

成形型温度調整部３４０は、成形型３１０を樹脂６００の硬化温度まで加熱して、キャビティ３５０内に注入された樹脂６００を硬化させる。成形型温度調整部３４０には、加熱を行うための装置として、例えば、成形型３１０を直接的に加熱する電気ヒータや、油などの熱媒体を循環させることによって温度調整を行う温度調整機構等を備えさせることができる。

【0044】

制御部１１０は、製造装置１００全体の動作を制御する。具体的には、図４を参照して、制御部１１０は、記憶部１１１と、演算部１１２と、各種データや制御指令の送受信を行う入出力部１１３と、を有する。入出力部１１３は、付与部２２０、ヒータ２３０、切断部２４０、予備成形型２６０、プレス部３２０、樹脂注入部３３０、成形型温度調整部３４０、に電気的に接続している。

【0045】

記憶部１１１は、ＲＯＭやＲＡＭから構成し、接着剤５２０の付与量の分布および付与形状等のデータを記憶する。演算部１１２は、ＣＰＵを主体に構成され、入出力部１１３を介して搬送部２１０による炭素繊維５１０の送り速度等のデータを受信する。演算部１１２は、記憶部１１１から読み出したデータおよび入出力部１１３から受信したデータに基づいて、接着剤５２０の付与のタイミングや付与量、成形型温度調整部３４０による成形型３１０の加熱温度等を算出する。算出したデータに基づく制御信号は、入出力部１１３を介して付与部２２０、ヒータ２３０、切断部２４０、予備成形型２６０、プレス部３２０、樹脂注入部３３０、成形型温度調整部３４０へ送信する。このようにして、制御部１１０は、接着剤５２０の付与量および付与位置、予備成形型２６０の作動、成形型３１０の型締圧力、樹脂６００の注入量、成形型３１０の温度等を制御する。

【0046】

（製造方法）
次に、実施形態に係る複合材料４００の製造方法を説明する。

【0047】

複合材料４００の製造方法は、図７に示すプリフォーム５００を成形する工程および図８に示すプリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する工程の大きく分けて２つの工程から構成される。

【0048】

まず、プリフォーム５００を成形する工程について説明する。

【0049】

プリフォーム５００を成形する工程は、図７に示すように、炭素繊維５１０素材を供給する供給工程（ステップＳ１１）と、炭素繊維５１０に接着剤５２０を付与する付与工程（ステップＳ１２）と、炭素繊維５１０を加熱する加熱工程（ステップＳ１３）と、炭素繊維５１０を切断する切断工程（ステップＳ１４）と、積層体５１０ｂを形成する積層工程（ステップＳ１５）と、積層体５１０ｂを搬送する搬送工程（ステップＳ１６）と、炭素繊維５１０を予備成形してプリフォーム５００を形成する予備成形工程（ステップＳ１７）と、成形したプリフォーム５００を予備成形型２６０から脱型する工程（ステップＳ１８）と、を有する。

【0050】

各工程について説明する。

【0051】

まず、ステップＳ１１として、図１の上段に示すように、炭素繊維５１０が巻回されてなる基材ロール５１０ａから炭素繊維５１０を引き出し、連続的に炭素繊維５１０を搬送部２１０に供給する。

【0052】

次に、ステップＳ１２として、図２（Ａ）に示すように、搬送部２１０によって連続的に送り出される炭素繊維５１０に対して、付与部２２０によって接着剤５２０を付与する。この際、予め定めた含有密度分布に応じて、付与する量を調整する。すなわち、図５（Ａ）に示すように、接着剤５２０の含有密度が比較的高い部分である第１の領域５１１と、第１の領域５１１よりも接着剤５２０の含有密度が低い部分である第２の領域５１２と、を形成するように接着剤５２０を付与する。

【0053】

具体的には、第１の領域５１１は、図５（Ａ）に示すように、切断工程において切断する切断線Ｌ周り、および予備成形工程において成形時の変形量が比較的小さい部分に設定される。特に切断線Ｌ周りは、第１の領域５１１の中でも接着剤５２０の含有密度が比較的高くなるように接着剤５２０を付与する。図６に示すように、切断線Ｌ周りは、切断線Ｌに対して所定の付与幅Ｗを設けて帯状に接着剤５２０を付与する。接着剤５２０の付与幅Ｗは、予め定められた切断線Ｌの公差によるが、例えば、１〜２０ｍｍとすることができる。これにより、切断による切断面のほつれを大幅に低減することができ、切断する部位が切断線Ｌからずれても接着剤５２０の含有密度が高いため、ほつれを抑制することができる。また、第２の領域５１２は、予備成形工程において成形時の変形が比較的大きく、成形後の曲率が大きい部分に設定される。

【0054】

次に、ステップＳ１３として、図２（Ｂ）に示すように、炭素繊維５１０をヒータ２３０によって加熱し、付与した接着剤５２０を軟化または溶融させ、炭素繊維５１０の層間に接着剤５２０を含浸させる。

【0055】

次に、ステップＳ１４として、図３（Ａ）に示すように、接着剤５２０が溶融した状態で炭素繊維５１０を切断線Ｌに沿って切断する。切断線Ｌは、成形品である複合材料４００の展開形状を予め設定し、当該展開形状に応じて決定する。

【0056】

次に、ステップＳ１５として、図１の中段の積層工程に示すように、搬送ロボット２５０によって切断した炭素繊維５１０を所定枚数積層する。本実施形態においては、積層配向の異なる炭素繊維５１０を積層して、所定の積層構成とする。具体的には、繊維配向が±４５°方向のＮＣＦ材、９０°方向のＵＤ材、０°方向のＵＤ材の３種類を用いる。このため、供給工程、付与工程、加熱工程、および切断工程はそれぞれ異なる製造ラインのレーンにおいて行い、各配向角度別に切断された炭素繊維５１０を、所定の配向順序によって積層し積層体５１０ｂを形成する。

【0057】

次に、ステップＳ１６として、図３（Ｂ）に示すように、積層体５１０ｂを予備成形型２６０の下型２６１まで搬送して配置する。このとき、接着剤５２０によって炭素繊維５１０の層間が接着されているので搬送時の炭素繊維５１０のばらつきを抑制することができる。搬送中の温度は、例えば、５０〜７０℃まで炭素繊維５１０の温度が低下するように管理することが好ましい。このように管理することによって、炭素繊維５１０を予備成形型２６０まで搬送したときに、接着剤５２０を半硬化状態または硬化状態とすることができる。これにより、予備成形時に接着剤５２０を短時間によって硬化させることができるため、予備成形にかかる時間を短縮することができる。

【0058】

次に、ステップＳ１７として、図３（Ｂ）に示すように、予備成形型２６０の下型２６１に配置された炭素繊維５１０の積層体５１０ｂを予備成形してプリフォーム５００を成形する。この際、炭素繊維５１０によって被覆されるようにコア材５３０を配置する。上型２６２は、図１の中段の予備成形工程に示すように、複数の分割された型によって構成してもよいし、分割されていない１つの型からなる上型を使用してもよい。予備成形型２６０は、例えば、２０〜４０℃に冷却しておくことが好ましい。これにより、型閉じと同時に接着剤５２０の冷却が行われ、接着剤５２０が硬化して予備成形が完了する。

【0059】

次に、ステップＳ１８として、予備成形型２６０を開いて、プリフォーム５００を脱型すると、プリフォーム５００の成形が完了する。図５（Ｂ）に示すように、成形されたプリフォーム５００の形状において、曲率の少ない平面部は、接着剤５２０の含有密度が比較的高い部分である第１の領域５１１であり、曲率が大きい部分（破線で囲まれた部分）は、接着剤５２０の含有密度が比較的低い部分である第２の領域５１２である。

【0060】

次に、プリフォーム５００を用いて複合材料４００を成形する工程について説明する。

【0061】

複合材料４００を成形する工程は、図８に示すように、プリフォーム５００を成形型３１０のキャビティ３５０に配置する工程（ステップＳ２１）と、キャビティ３５０内に樹脂６００を注入する工程（ステップＳ２２）と、樹脂６００を硬化させる工程（ステップＳ２３）と、成形した複合材料４００を成形型３１０から脱型する工程（ステップＳ２４）と、を有する。

【0062】

各工程について説明する。

【0063】

まず、ステップＳ２１として、プリフォーム５００を成形型３１０のキャビティ３５０に配置する（図４を参照）。

【0064】

次に、ステップＳ２２として、キャビティ３５０内に樹脂６００を注入する。成形型３１０は、樹脂６００（例えば、エポキシ樹脂）の硬化温度以上（例えば、１００℃〜１６０℃程度）に予熱しておく。

【0065】

次に、ステップＳ２３として、炭素繊維５１０に含浸した樹脂６００を硬化させる。

【0066】

次に、ステップＳ２４として、樹脂６００が硬化した後、成形型３１０を開いて、炭素繊維５１０、樹脂６００およびコア材５３０が一体化された複合材料４００を脱型すると、成形が完了する。

【0067】

以上説明したように、本実施形態に係る複合材料４００の製造方法および製造装置１００によれば、炭素繊維５１０の第１の領域５１１よりも第２の領域５１２の接着剤５２０の含有密度が低くなるように接着剤５２０を付与し、第１の領域５１１よりも第２の領域５１２の曲率が大きい立体形状に炭素繊維５１０を予備成形する。

【0068】

このように構成した複合材料４００の製造方法および製造装置１００によれば、曲率の大きい部分が接着剤５２０の含有密度が比較的低い第２の領域５１２に設定されているため、炭素繊維５１０の層間において接着剤５２０による接着力が比較的弱い。このため、炭素繊維５１０が第２の領域５１２において容易に変形可能となる。曲率の大きい部分において、プリフォーム５００のしわやよれの発生を抑制することができるため、プリフォーム５００の形状の自由度を高めることができる。これにより、接着剤５２０によって強化繊維の配置のばらつきを抑制しつつ、複合材料４００の形状選択の幅を広げることができる。

【0069】

また、予備成形する前に、接着剤５２０が付与された炭素繊維５１０を加熱する。これにより、接着剤５２０を炭素繊維５１０に含浸させることができる。

【0070】

また、接着剤５２０が付与された炭素繊維５１０を切断線Ｌに沿って切断する。さらに、第１の領域５１１は、当該切断線Ｌを含む。これにより、切断する部位における接着剤５２０の含浸密度が比較的高いため、切断する際に炭素繊維５１０のほつれを抑制することができる。

【0071】

また、付与工程と予備成形工程との間に、接着剤５２０が付与された炭素繊維５１０を積層して積層体５１０ｂを形成する積層工程をさらに有する。これにより、接着剤５２０によって炭素繊維５１０を接着した状態で予備成形工程へ搬送することができるので炭素繊維５１０の配置のばらつきを抑制することができる。

【0072】

また、接着剤５２０は、熱によって軟化する材料によって形成される。これにより、熱を加えることによって炭素繊維５１０に容易に含浸させることができる。

【0073】

本実施形態に係るプリフォーム５００によれば、炭素繊維５１０は、第１の領域５１１と、第１の領域５１１よりも接着剤５２０の含有密度が低い第２の領域５１２とを備え、第１の領域５１１における曲率は第２の領域５１２よりも大きい。これにより、曲率の大きい部分において、プリフォーム５００のしわやよれの発生を抑制することができるため、プリフォーム５００の形状の自由度を高めることができる。

【0074】

本実施形態に係る複合材料４００によれば、炭素繊維５１０は、第１の領域５１１と、第１の領域５１１よりも接着剤５２０の含有密度が低い第２の領域５１２とを備え、第１の領域５１１における曲率は第２の領域５１２よりも大きい。これにより、曲率の大きい部分において、プリフォーム５００のしわやよれの発生を抑制することができるため、プリフォーム５００の形状の自由度を高めることができる。このため、複合材料４００の形状選択の幅を広げることができる。

【0075】

以上、実施形態を通じて複合材料の製造方法、製造装置、および複合材料を説明したが、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。

【0076】

例えば、加熱工程は、切断工程の前に行うとしたが、切断工程または積層工程の後に行ってもよい。

【0077】

また、強化基材は複数積層して積層体を形成するとしたが、１枚の強化基材によって複合材料を形成してもよい。

【0078】

【符号の説明】

【0079】

１００ 製造装置、
１１０ 制御部、
２００ 予備成形装置、
２１０ 搬送部
２２０ 付与部、
２３０ ヒータ、
２４０ 切断部、
２６０ 予備成形型、
３００ 成形装置、
３１０ 成形型、
４００ 複合材料、
５００ プリフォーム、
５１０ 炭素繊維（強化基材）、
５１０ｂ 積層体、
５１１ 第１の領域、
５１２ 第２の領域、
５２０ 接着剤、
５３０ コア材、
６００ 樹脂、
Ｌ 切断線。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】