復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法

復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法
【專利摘要】本發明涉及復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法。本發明可以更簡單地制造具有復雜構造的復合材料的被成形品。實施方式的復合材料的成形裝置包括容器、減壓系統及加熱介質供給系統。容器收納通過密閉體密閉的成形對象品。減壓系統通過對在所述容器內由所述密閉體包圍的區域進行減壓，進行所述成形對象品的彎曲成形及對所述彎曲成形后的所述成形對象品的加壓。加熱介質供給系統向所述容器內供給用于進行所述彎曲成形及所述加壓下的所述成形對象品的加熱硬化的加熱介質。
【專利說明】
復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法
技術領域
[0001 ]本發明的實施方式涉及復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法。
【背景技術】
[0002]目前，作為使碳纖維增強塑料(CFRP:CarbonFiber Reinforced Plastics)及玻璃纖維增強塑料(GFRP:Glass fiber reinforced plastics)等復合材料成形的方法，公知的是使用熱壓(A/C:autoclave)成形裝置的方法。
[0003]在使用現有熱壓成形裝置的成形方法中，片狀的半固化片一卜狀夕'')在與完成品的形狀一致的夾具(成形模型或成形夾具)中層疊。接著，使用袋膜(/?/夕''70Λ)及密封材料等覆蓋片狀的半固化片。緊接著，將用袋膜及密封材料覆蓋的區域形成真空狀態。由此，由袋膜及密封材料覆蓋的半固化片因大氣壓的作用而成為加壓狀態。另外，利用抽真空，將半固化片通過袋膜及密封材料密閉的作業稱為制袋。接著，被制袋的半固化片運送至熱壓成形裝置內。然后，通過使用熱壓成形裝置進行加熱而使半固化片硬化。由此，作為復合材料的被成形品得到被硬化的半固化片。
[0004]在使用現有的熱壓成形裝置的復合材料的成形中，通過熱風的循環，半固化片被加熱硬化。另外，以高溫下的壓力增加或惰性化為目的，有時還封入氮氣。但是，在通過熱風對被成形品進行加熱的現有熱壓成形裝置中，溫度的均勻性低，難以瞬時使溫度上升。溫度的不均勻性關系到被成形品的外觀或內部品質的劣化。因此，通過熱風對被成形品進行加熱的現有熱壓成形裝置，難以使具有復雜的構造的被成形品或尺寸大的被成形品以良好的品質均勻地硬化。
[0005]在此，設計出一種代替熱風而通過水蒸氣對被成形品進行加熱的熱壓成形裝置(例如，參照專利文獻I)。在使用水蒸氣作為進行熱傳遞的加熱介質的情況下，與使用熱風或氮的情況相比，可以使溫度的均勻性飛躍性地提高。因此，如果使用通過水蒸氣對被成形品進行加熱的熱壓成形裝置，即使是具有復雜構造的被成形品也可成形。
[0006]S卩，只要事前用成形裝置進行半固化片的賦型，使用水蒸氣式的熱壓成形裝置就可進行具有復雜構造的被成形品的加熱硬化。成形裝置進行的半固化片的賦型，有代表性的是，將層疊的片狀的半固化片加熱至適于賦型的溫度，對加溫后的片狀的半固化片進行賦型的成形加工。因此，在水蒸氣式的熱壓成形裝置中，由成形裝置賦型的片狀的半固化片被加熱硬化。另外，為了與基于硬化的成形相區別，半固化片硬化前的成形一般稱為賦型或賦形。
[0007]專利文獻I:(日本)特開2012 —153133號公報

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于，可以更簡單地制造具有復雜構造的復合材料的被成形品。
[0009]本發明的實施方式的復合材料的成形裝置包括容器、減壓系統及加熱介質供給系統。容器收納由密閉體密閉的成形對象品。減壓系統通過對所述容器內由所述密閉體包圍的區域進行減壓，而進行所述成形對象品的彎曲成形及對所述彎曲成形后的所述成形對象品的加壓。加熱介質供給系統向所述容器內供給用于進行所述彎曲成形及所述加壓下的所述成形對象品的加熱硬化的加熱介質。
[0010]另外，本發明的實施方式的復合材料的成形方法是使用所述復合材料的成形裝置制造復合材料的被成形品的方法。
[0011]另外，本發明的實施方式的復合材料的成形方法包括下述步驟:向容器內運送通過密閉體密閉的成形對象品的步驟；向所述容器內供給加熱介質并對所述成形對象品進行加熱，另一方面，通過對所述容器內由所述密閉體包圍的區域進行減壓，進行所述成形對象品的彎曲成形的步驟;利用所述加熱介質將所述彎曲成形后的加壓下的所述成形對象品進行加熱硬化的步驟。
[0012]發明效果
[0013 ]根據本發明的實施方式的復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法，可以更簡單地制造具有復雜構造的復合材料的被成形品。
【附圖說明】
[0014]圖1是本發明的實施方式的復合材料的成形裝置的構成圖；
[0015]圖2是表示圖1所示的成形裝置進行的復合材料的成形工序的流程圖；
[0016]圖3是圖1所示的成形裝置進行的成形后的復合材料成形品的構造例的立體圖；
[0017]圖4是表示用于用成形裝置對圖3例示的復合材料的被成形品進行成形加工的成形夾具的構成例的縱剖面圖；
[0018]圖5是表示用于成形具有圖3例示的構造的復合材料成形品的真空度的時間變化的一例的曲線圖。
[0019]符號說明
[0020]1:成形裝置、2:容器、2A:圓筒狀構造體、
[0021]2B:門、2C:保持部件、3:減壓系統、
[0022]4:真空度控制系統、5:加熱介質供給系統、
[0023]6:溫度控制系統、7:壓力控制系統、
[0024]8:可變真空裝置、9:真空罐、9A:真空度調節閥、
[0025]9B:真空計、10:真空栗、11:真空用配管、
[0026]12:閥、13:鍋爐、14:水蒸氣用減壓閥、
[0027]15:水蒸氣導入自動閥、16:水蒸氣供給用配管、
[0028]17:噴嘴、18:混合氣體供給系統、19:壓縮機、
[0029]20:混合氣體用減壓閥、21:開閉閥、
[0030]22:混合氣體用配管、23:冷卻水供給系統、
[0031]24:排放裝置(排水管)、25:貯水罐、
[0032]26:冷卻水用噴嘴、27:冷卻水用配管、
[0033]28:冷卻水導入自動閥、H:加熱介質、
[0034]P:半固化片、R:減壓對象區域、T:成形夾具、
[0035]Tl:密閉體、T2:箱型夾具、T3:通氣布(文U— f夕口只)、
[0036]T4:剛體夾具、T5:脫模膜(離型膜)、T6:外框、
[0037]Τ7:通氣布、Τ8:硅橡膠板、T9:真空軟管、
[0038]Τ10:真空接頭、Tll:聯接器
【具體實施方式】
[0039]參照附圖對本發明的實施方式涉及的復合材料的成形裝置及復合材料的成形方法進行說明。
[0040](構成及功能)
[0041]圖1是本發明的實施方式涉及的復合材料的成形裝置的構成圖。
[0042]復合材料的成形裝置I是執行復合材料的成形對象品的彎曲成形及加熱硬化兩者的熱壓成形裝置。作為用于對成為成形對象品的硬化前的復合材料(半固化片P)進行加熱的加熱介質H，可以使用加熱的空氣、加熱的氮、加熱的水蒸氣或這些氣體的混合氣體等任意氣體。
[0043]特別是如果使用水蒸氣作為加熱介質H，與使用加熱空氣或加熱氮氣作為加熱介質H的情況相比，可以使溫度分布均勻。并且，如果使用水蒸氣作為加熱介質H，與使用加熱空氣或加熱氮氣作為加熱介質H的情況相比，可以瞬時使溫度上升。通常認為這是因為根據在水蒸氣凝縮恢復液體的瞬間放出所保有的潛熱這種水蒸氣的特性，放出的熱量即刻傳遞至被加熱物。潛熱與顯熱相比，具有2倍?5倍的熱量，所以從瞬時使被加熱物的溫度上升的觀點來看，使用水蒸氣作為加熱介質H比使用加熱空氣或加熱氮氣作為加熱介質H更有效。
[0044]因此，作為加熱介質H，有效的是使用飽和水蒸氣、過熱水蒸氣或濕蒸氣等水蒸氣。飽和水蒸氣是處于水開始蒸發的溫度，即飽和溫度的水蒸氣。具有飽和溫度以上的溫度的水蒸氣稱為過熱水蒸氣，含有水或水滴的水蒸氣一般稱為濕蒸氣。
[0045]另外，由于能夠不提高水蒸氣的溫度僅提高壓力，所以還可以使用混合有空氣的水蒸氣或混合有氮氣的水蒸氣。即，在使用飽和水蒸氣的情況下，作為壓力的上限值，唯一確定與飽和溫度對應的飽和壓力，但通過在水蒸氣中混合壓力比飽和壓力高的空氣或氮氣，可將水蒸氣的壓力控制在比飽和壓力高的壓力。
[0046]另一方面，通過對飽和水蒸氣進行加熱，不改變壓力而得到溫度比飽和溫度高的過熱水蒸氣。因此，只要使用過熱水蒸氣，則可將水蒸氣的溫度控制在比飽和溫度高的溫度。這意味著在使溫度達到一定時，可進行向低的壓力的控制。
[0047]S卩，只要使用在飽和水蒸氣中重疊壓力比飽和壓力高的空氣或氮氣的水蒸氣或過熱水蒸氣作為加熱介質H，與只使用飽和水蒸氣的情況相比，能夠擴大可控制的壓力的范圍(區段)。
[0048]對于溫度也同樣，只要使用在飽和水蒸氣中重疊溫度比飽和溫度低的空氣或氮氣的水蒸氣或過熱水蒸氣，則與只使用飽和水蒸氣的情況相比，可以擴大可控制的溫度的范圍。即，飽和水蒸氣的溫度的上限值作為與飽和壓力對應的飽和溫度唯一確定，但如果形成過熱水蒸氣，則作為加熱介質H可以得到未改變壓力且溫度比飽和溫度高的水蒸氣。另外，如果在飽和水蒸氣中重疊溫度比飽和溫度低的空氣或氮氣，則作為加熱介質H可以得到未改變壓力且溫度比飽和溫度低的水蒸氣。
[0049]因此，只要使用在水蒸氣中混合了空氣或氮氣的過熱水蒸氣作為加熱介質H，就可以確保更寬的溫度控制范圍及壓力控制范圍。因此，容易進行加熱介質H的壓力及溫度的調
-K-
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[0050]以下，對成形裝置I為將水蒸氣作為加熱介質H的熱壓成形裝置的情況進行說明。該情況下，成形裝置I可以將容器2、減壓系統3、真空度控制系統4、加熱介質供給系統5、溫度控制系統6及壓力控制系統7作為構成元件構成。
[0051]容器2是用于收納成為成形對象品的半固化片P的構成元件。即，容器2形成被成形品的成形室(腔)。如果加熱介質H是水蒸氣，則容器2通常由第一種壓力容器構成。另一方面，如果加熱介質H是加熱空氣或加熱氮氣等加熱氣體，則容器2通常由第二種壓力容器構成。圖1例示的容器2具有在一端封閉的圓筒狀構造體2A的開口端側設有可開閉的圓板狀的門2B的構造。另外，在門2B的內側設置有用于保持成形對象的保持部件2C。
[0052]成為成形對象的半固化片P以放置在成形夾具T中的狀態設置在容器2內。具體而言，被運送到容器2內的半固化片P與離型膜等輔助材料一起放置在具有與成形后的形狀對應的形狀的剛體夾具中，通過硅橡膠袋= —夕'')等具有追隨性的密閉體Tl被密閉。而且，放置了半固化片P的成形夾具T通過保持部件2C固定在容器2內。
[0053 ]減壓系統3是用于對容器2內由密閉體TI包圍的減壓對象區域R進行減壓的系統。通過減壓系統3對由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R進行減壓，可以進行半固化片P的彎曲成形，并且可以在彎曲成形后的加熱硬化時進行向半固化片P的加壓。但是，適合半固化片P的彎曲成形的壓力與適合半固化片P的加熱硬化的壓力不同。一般地，在半固化片P加熱硬化時，需要負載比為了半固化片P的彎曲成形而在半固化片P上負載的壓力大的壓力。
[0054]因此，減壓系統3具有將由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R在減壓至適合半固化片P彎曲成形的壓力后，減壓至適合半固化片P的加熱硬化的壓力的功能。由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R可以按照階段性地減壓的方式減壓至不同的壓力，也可以按照由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力連續地變化的方式減壓。另外，在將由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R階段性地減壓至不同的壓力的情況中，可以使不同的壓力間連續地變化，也可以使其階躍式地變化。
[0055]在半固化片P所負載的壓力為容器2內從密閉體Tl的外部負載在半固化片P上的加熱介質H的壓力、和密閉體Tl和半固化片P之間的壓力的壓差。因此，除控制密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力以外，也可以控制容器2內的壓力。即，通過控制容器2內的加熱介質H的壓力，可以進行用于進行半固化片P的彎曲成形的加壓及用于對彎曲成形后的半固化片P的硬化的加壓中的至少一項。在該情況下，作為加熱介質H被供給至容器2內的水蒸氣的壓力得以控制。
[0056]水蒸氣的壓力和由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力的壓差的適當的時間變化，依賴于被成形品的尺寸或構造而變化。因此，由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力的適當的時間變化，實際上可以通過使用半固化片P的試驗片的試驗經驗性地決定。或者，也可以通過模擬來推定由密閉體TI包圍的減壓對象區域R內的壓力的適當的時間變化。對于水蒸氣的壓力的時間變化也同樣。
[0057]以下，主要對水蒸氣的壓力假設為大氣壓的情況進行說明，但水蒸氣的壓力不假設為大氣壓的情況也同樣。即，在水蒸氣的壓力不假設為大氣壓的情況下，只要以水蒸氣的壓力和由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力的壓差為控制值的方式將水蒸氣的壓力及由密閉體TI包圍的減壓對象區域R內的壓力雙方作為控制對象即可。
[0058]減壓系統3可以使用可使由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的真空度(負壓)隨時間而變化的可變真空裝置8構成。圖示的例子中，通過用真空用配管11連結真空罐9及真空栗10而構成可變真空裝置8。真空栗10是用于排出真空罐9內的空氣的栗。另一方面，在真空罐9上安裝有真空度調節閥9A及真空計9B。
[0059]真空度調節閥9A設置于用于使大氣流入真空罐9內的入口。因此，通過調節真空度調節閥9A的開度，可以調節流入真空罐9內的空氣的流量。另外，真空計9B設置于可測量真空罐9內的真空度的位置。
[0060]因此，通過一邊利用真空栗10排出真空罐9內的空氣，一邊調節真空度調節閥9A的開度，可以調整真空罐9內的真空度。另外，也可以通過通常設置于真空栗10和真空罐9之間的閥12的開度的調節而調整真空罐9內的真空度。
[0061]真空罐9內用真空用配管11與成為真空對象區域的由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內連結。因此，由密閉半固化片P的密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的真空度與真空罐9內的真空度等價。其結果是，可以對由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的真空度進行可變控制。
[0062]因此，可以參照真空計9B，邊手控式調節由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的真空度，邊進行半固化片P的彎曲成形及加壓下的加熱硬化。因此，可以在與被成形品的各種尺寸或構造對應的壓力條件下，進行半固化片P的彎曲成形及加壓下的加熱硬化。通過使用試件的試驗等，一旦可以取得適于彎曲成形及硬化的真空度的時間變化作為壓力條件，則能夠在相同的壓力條件下成形具有相同或同樣的尺寸及構造的被成形品。即，只要通過成形試驗可以取得適合某被成形品的尺寸及構造的真空度的時間變化，就可以自動控制用于具有相同或同樣的尺寸及構造的其它被成形品的彎曲成形及硬化的真空度的變化。
[0063]真空度控制系統4是用于自動控制由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的真空度的系統。即，真空度控制系統4具有以由密閉體TI包圍的容器2內的減壓對象區域R在被減壓至適合半固化片P的彎曲成形的壓力后，被減壓至適合半固化片P的加熱硬化的壓力的方式控制減壓系統3的功能。真空度控制系統4可以由讀入減壓系統3的控制程序的計算機構成。但是，為了構成真空度控制系統4也可以使用回路。
[0064]如果是減壓系統3由如圖示的可變真空裝置8構成的情況，則安裝在真空罐9的真空度調節閥9A的開度通過真空度控制系統4自動控制。另外，也可以通過真空度控制系統4自動控制設置于真空栗10和真空罐9之間的閥12的開度。
[0065]用于生成真空度調節閥9A的開度的控制信號的、真空度的時間變化，可以針對每個被成形品的尺寸及構造，作成圖表或函數事先保存于真空度控制系統4。即，將與成形對象品的尺寸及構造的至少之一，和由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力的時間變化相關聯的信息，保存于真空度控制系統4具備的存儲裝置，通過參照被保存于存儲裝置的信息，可以進行與成形對象品的尺寸及構造對應的壓力的自動控制。
[0066]另外，在將由密閉體TI包圍的減壓對象區域R內的壓力反復控制在多個壓力控制值的情況下，也可以形成專用的真空回路，使得將由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R內的壓力容易地切換為壓力控制值。具體而言，還可以設置將由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R減壓至多個不同的壓力的多個減壓系統，通過用切換機構來切換多個減壓系統的可變真空裝置構成減壓系統3。該情況下，真空度控制系統4的控制對象成為可變真空裝置的切換機構，切換機構的開關的定時信息及減壓系統的特定信息成為控制信號。
[0067]加熱介質供給系統5是向容器2內供給用于進行成形對象品即半固化片P的彎曲成形，且對彎曲成形后的半固化片P進行加熱硬化的加熱介質H的系統。在供給飽和水蒸氣等水蒸氣作為加熱介質H的情況下，需要生成具有至少規定的溫度及壓力的水蒸氣。因此，加熱介質供給系統5可以通過用水蒸氣供給用配管16連結生成具有規定的溫度的水蒸氣的鍋爐13、將在鍋爐13中生成的水蒸氣的蒸氣壓從初始壓力減壓至規定的壓力的水蒸氣用減壓閥14、用于調節水蒸氣的供給量的水蒸氣導入自動閥15及其它設備而構成。在水蒸氣供給用配管16的前端安裝有噴嘴17，噴嘴17被配置于容器2內。
[0068]另外，作為加熱介質H供給混合有空氣的水蒸氣或混合有氮氣的水蒸氣的情況下，需要在水蒸氣中混合空氣或氮氣等混合氣體。因此，混合氣體供給系統18設置于加熱介質供給系統5。混合氣體供給系統18例如可以用混合氣體用配管22連結生成壓縮空氣或壓縮氮氣的壓縮機19、將在壓縮機19中生成的壓縮空氣或壓縮氮氣的初始壓力減壓至規定的壓力的混合氣體用減壓閥20及調整壓縮空氣或壓縮氮氣的混合量的開關閥21而構成。
[0069]在圖示的例子中，混合氣體用配管22與水蒸氣供給用的噴嘴17連結。即，混合氣體及水蒸氣從共用的噴嘴17向容器2內噴出。因此，混合了混合氣體的水蒸氣從共用的噴嘴17向容器2內噴出。但是，也可以在容器2內與水蒸氣用的噴嘴分開地配置用于向容器2內噴出混合氣體的專用噴嘴。該情況下，從各噴嘴向容器2內噴出混合氣體及水蒸氣。而且，混合氣體和水蒸氣在容器2內混合。
[0070]從加熱介質供給系統5供給至容器2內的加熱介質H需要進行回收。因此，在成形裝置I中，具備冷卻水供給系統23及排放裝置(排水管)24。冷卻水供給系統23是向容器2內供給冷卻水的系統。冷卻水供給系統23例如可以用冷卻水用配管27連結IC水罐25和冷卻水用噴嘴26而構成。在貯水罐25和冷卻水用噴嘴26之間，可以設置用于調節冷卻水的供給量的冷卻水導入自動閥28。
[0071]當向容器2內供給冷卻水時，可進行被成形品的冷卻及水蒸氣的液化。另一方面，在容器2的底部連結有排放裝置24。因此，被供給到容器2內的水蒸氣通過冷卻水來冷卻，作為液體的水可以從排放裝置24回收。另外，還可以將排放裝置24用于空氣、水蒸氣及混合氣體等氣體的排氣用。
[0072]溫度控制系統6具有將加熱介質H的溫度的控制值在設定在適于成形對象品的彎曲成形的值之后設定在適于成形對象品的加熱硬化的值的功能。加熱介質H的溫度控制例如可以通過由處于與鍋爐13連結的水蒸氣用減壓閥14的下游側的水蒸氣導入自動閥15或其它閥產生的蒸氣量的自動控制而進行。但是，在加熱介質H為飽和水蒸氣的情況下，也可以通過蒸氣壓的控制來控制加熱介質H的溫度。另外，通過由冷卻水導入自動閥28產生的冷卻水的流量的自動控制可以在冷卻時進行容器2內的溫度控制。
[0073]壓力控制系統7具有通過調節與水蒸氣混合的空氣或氮氣等混合氣體向容器2內的供給量，控制容器2內的加熱介質H的壓力的功能。因此，在作為加熱介質H只使用飽和水蒸氣的情況下，壓力控制系統7為停止狀態。但是，即使是作為加熱介質H只使用飽和水蒸氣的情況，如果在容器2內冷卻時需要維持容器2內的壓力，壓力控制系統7也進行工作。
[0074 ]作為加熱介質H除使用水蒸氣以外還使用混合氣體時，加熱介質H的壓力的控制值，在被設定在適于成形對象品的彎曲成形的值后，設定在適于成形對象品的加熱硬化的值。但是，也可以將成形對象品彎曲成形時的加熱介質H的壓力、和成形對象品加熱硬化時的加熱介質H的壓力設定在相同的控制值。如果將加熱介質H的壓力的控制值設定為比大氣壓大，則如上所述，可以不僅根據減壓對象區域R內的負壓，而且根據加熱介質H的壓力，進行用于進行半固化片P的彎曲成形的加壓及用于對彎曲成形后的半固化片P的硬化的加壓。
[0075]混合氣體向容器2內的供給量的調整，可以通過設置于混合氣體供給系統18的開關閥21的控制來進行。不用說，也可以設置其它設備進行控制，只要可調節混合氣體向容器2內的供給量即可。
[0076]溫度控制系統6及壓力控制系統7與真空度控制系統4同樣，也可以由讀入程序的計算機及回路中的至少之一構成。在成形裝置I中，實用的是成為控制對象的加熱介質H的溫度、加熱介質H的壓力及密閉體Tl和半固化片P之間的減壓對象區域R的真空度，都通過PID(Proport1nal — Integral — Derivative，比例一積分一微分控制)控制等反饋控制而進行控制。
[0077]因此，可以分別在恰當且任意的位置設置用于測量加熱介質H的溫度的熱電偶等溫度計、測量加熱介質H的壓力的壓力計及測量密閉體Tl和半固化片P之間的減壓對象區域R的真空度的真空計。關于溫度計及壓力計，實用的是以可以測定加熱介質H的溫度分布及壓力分布的方式配置于容器2內的多個位置。另外，如圖1例示，只要將真空計9B設置在成為可變真空裝置8操作部分的真空度調節閥9A附近，則容易一邊確認真空度一邊進行調節。
[0078]另外，圖1例示的成形裝置I表示將水蒸氣作為加熱介質H時的例子，而在將熱風或加熱氮氣等水蒸氣以外的加熱氣體作為加熱介質H的情況下，作為成形裝置I的構成元件設置使加熱介質H循環的循環機構或與冷卻劑等加熱介質H的種類對應的設備。加熱介質H的循環機構可以由通過電動機來驅動的風扇等公知的機構構成。
[0079](動作及作用)
[0080]接著，對使用復合材料的成形裝置I制造復合材料的被成形品的復合材料的成形方法進行說明。在此，以使用水蒸氣作為加熱介質H的情況為例進行說明。
[0081]圖2是表示圖1所示的成形裝置I的復合材料成形工序的流程圖，圖3是表示被圖1所示的成形裝置I成形后的復合材料成形品的構造例的立體圖，圖4是表示用于用成形裝置I對圖3例示的復合材料的被成形品進行成形加工的成形夾具T的構成例的縱剖視圖。
[0082]首先，在步驟SI中，半固化片P的層疊體放置在成形夾具T上。例如，在成形如圖3例示長邊方向的長度為L，且以形成凹凸的方式彎曲的板狀的復合材料的情況下，可以使用具有圖4所示的構成的成形夾具T。
[0083]更具體地說，在事先實施了離型處理的箱型夾具T2上，作為通氣用的片材鋪有通氣布T3。接著，事先做過離型處理的剛體夾具T4設置于箱型夾具T2內。剛體夾具T4具有與被成形品的形狀一致的形狀。因此，圖4所示的剛體夾具T4的縱剖面形狀與圖3所示的復合材料成形品的形狀一致，為帽子型。不用說，可以根據復合材料成形品的形狀，將剛體夾具T4的縱剖面形狀形成為L字型或C字型等各種形狀。
[0084]另外，根據需要，實施用帶狀物堵塞剛體夾具T4的螺母安裝部再用硅橡膠進行養護的作業、安裝墊片等輔助夾具的作業、在剛體夾具T4的側面鋪設通氣布T3的作業等。
[0085]箱型夾具T2及剛體夾具T4等的要求剛性的夾具，可以用具有需要的剛性及耐熱性的任意的材料構成。因此，不限于金屬，可以用塑料或復合材料構成箱型夾具T2或剛體夾具Τ40
[0086]當完成剛體夾具Τ4側的準備時，在剛體夾具Τ4上設置片狀的半固化片P的層疊體。接著，以包覆半固化片P的層疊體的方式粘貼伴隨加熱防止熔敷用的脫模膜(離型膜)Τ5。
[0087]接著，在步驟S2中，半固化片P的層疊體由密閉體Tl密閉。密閉體Tl可以用硅橡膠等具有撓性的任意的材料構成。由硅橡膠袋形成的半固化片P的袋可以通過將硅橡膠袋鋪在層疊體上后，裝上外框Τ6，以硅橡膠袋和箱型夾具Τ2之間不產生間隙的方式用虎鉗夾住進行。這時，重要的是以即使拉拽從外框Τ6擠出的硅橡膠袋的邊緣也不會偏移的程度將外框Τ6緊固在箱型夾具Τ2側。
[0088]另外，如圖4例示，關于半固化片P的層疊體的四角，為了防止硅橡膠袋等密閉體Tl的卷入或損傷，也可以鋪設通氣布Τ7并用硅橡膠板Τ8進行養護。
[0089]接著，在步驟S3中，放置了半固化片P的層疊體的成形夾具T被運送至熱壓成形裝置的容器2內。即，通過密閉體Tl而被密閉的復合材料的成形對象品被運送到容器2內。
[0090]而且，抽真空用的真空軟管T9與真空接頭TlO連接。真空軟管T9通過聯接器Tll與真空用配管11連結。由此，可變真空裝置8的真空罐9及真空栗10、半固化片P的層疊體和硅橡膠袋等密閉體Tl之間形成的空間被連結起來。即，協調進行由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R的抽真空的準備。
[0091]另外，在需要的位置安裝有熱電偶等溫度傳感器。而且，當完成在成形對象品的熱壓處理之前所需要的準備時，閉鎖容器2的門2Β。
[0092]接著，在步驟S4中，開始熱壓成形裝置的運轉。最初，通過向容器2內供給水蒸氣，容器2內被升溫至初始溫度。由此，成形夾具T及半固化片P通過水蒸氣產生的熱傳遞而被加熱。如果加熱介質H是飽和水蒸氣，則為了將在大氣壓下半固化片P內所含的氣泡(即水蒸汽)(通過返回到液體的水而從半固化片內)排除(即，消滅)，適當的是將容器2的溫度控制值設定在100°C以下。另外，為了調節容器2的壓力，也可以在水蒸氣中混合空氣或氮氣等混合氣體。特別是當提高容器2內的壓力時，可以得到封入半固化片P內所含的氣泡(即通過使水蒸氣返回到液體的水而在半固化片內封入半固化片P內所含的氣泡)的效果。
[0093]水蒸氣在鍋爐13內生成。生成的水蒸氣經由水蒸氣供給用配管16從噴嘴17供給至容器2內。被供給至容器2內的水蒸氣的壓力事先通過設置于水蒸氣供給用配管16的水蒸氣用減壓閥14來調節。水蒸氣的溫度控制可以通過溫度控制系統6對水蒸氣導入自動閥15的控制而進行。
[0094]在水蒸氣中混合了混合氣體的情況下，在壓縮機19中生成壓縮空氣或壓縮氮氣等混合氣體。生成的混合氣體經由混合氣體用配管22從噴嘴17供給至容器2內。由此，混合氣體和水蒸氣混合。混合氣體的供給量的調節可以通過設置于混合氣體用配管22的開關閥21的控制而進行。開關閥21的開度可以通過壓力控制系統7進行自動控制。
[0095]接著，在步驟S5中，通過由硅橡膠袋等密閉體Tl密閉的減壓對象區域R的真空度的調節來進行半固化片P的彎曲成形。即，向容器2內供給水蒸氣以對成形對象品即半固化片P進行加熱，另一方面，通過用減壓系統3對在容器2內由密閉體Tl包圍的減壓對象區域R進行減壓來進行半固化片P的彎曲成形。
[0096]因此，真空度的調節在半固化片P的溫度升溫至適于彎曲成形的溫度的時刻開始。適于半固化片P的彎曲成形的溫度依賴于半固化片P的材質而變化，但認為大約為80°c?100°C左右。
[0097]另外，為了制造具備具有500mm?600mm左右的長度L的如圖3所示的構造的復合材料成形品，實際上是將500mmX350mm的片狀的半固化片P的層疊體放置在容器2內并利用飽和水蒸氣進行加熱，從成形裝置I運轉開始經過約10分鐘，能夠升溫至對于彎曲成形足夠的90°C以上的溫度。但是，用熱電偶測量由金屬構成的剛體夾具T4的溫度，將剛體夾具T4的溫度看作半固化片P的溫度。
[0098]由密閉體TI包圍的減壓對象區域R的真空度以逐漸增加的方式來控制。即，由硅橡膠袋等密閉體Tl包圍的袋內的壓力以逐漸降低的方式來控制。這樣一來，通過大氣壓或混合氣體的混合調節后的容器2內的壓力和袋內的壓力的壓差被負載在密閉體Tl上。因此，因重力而撓曲的密閉體Tl逐漸與半固化片P貼緊而對其附加壓力。因此，在半固化片P上被負載逐漸增加的壓差。即，半固化片P在被水蒸氣加熱的狀態下，通過逐漸增加的壓力被加壓。由此，可以進行半固化片P的加熱下及加壓下的彎曲成形。
[0099]由密閉體TI包圍的減壓對象區域R如上所述，袋內的壓力也可以以連續變化的方式減壓，也可以階段性地減壓至不同的壓力。由于適合半固化片P的彎曲成形的壓力變化依賴于復合材料成形品的構造或尺寸等條件而進行變化，所以可以通過實驗或模擬事先求出。
[0100]作為具體例，將500mmX 350mm的片狀半固化片P的層疊體放置在容器2內，一邊用飽和水蒸氣進行加熱，一邊進行六階段的真空度調節，由此進行用于得到如圖3所示的構造的半固化片P的彎曲成形。
[0101]圖5是表示用于成形具有圖3例示的構造的復合材料成形品的真空度的時間變化的一例的曲線圖。
[0102]在圖5中，橫軸表示時間(分)，縱軸表示由密閉體TI密閉的減壓對象區域R的真空度。真空度表示為相對于周圍的壓力的負壓(MPaG) JPaG是相當于容器2內的壓力和密閉體Tl內部的壓力的壓差的壓力傳感器的表壓。
[0103]如圖5所示，可以通過階段性地降低密閉體Tl內部的壓力，進行半固化片P的彎曲成形。在第I階段，密閉體Tl內部的真空度為0.000?一0.001 (MPaG)之間的初始壓力。從該狀態開始密閉體Tl內部的減壓。然后，密閉體Tl內部被減壓，密閉體Tl內部的真空度成為第2階段的一0.001 (MPaG)。該第2階段的真空度被保持3分鐘左右。同樣，密閉體Tl內部依次減壓至第3階段的一0.006(MPaG)、第4階段的一0.0lO(MPaG)、第5階段的一0.0H(MPaG)、第6階段的一 0.028(MPaG)，各階段的真空度保持3分鐘左右。之后，密閉體Tl內部的真空度減壓至最后階段的一 0.097(MPaG)。而且，相當于一 0.097(MPaG)的真空度保持5分鐘。
[0104]這種真空度的可變控制可以使用可變真空裝置8進行。在使用圖1例示的可變真空裝置8的情況下，真空栗10驅動，真空罐9內的空氣以與閥12的開度對應的流量被排出。另一方面，真空度調節閥9A的開度被調整為與成為密閉體Tl內部的目標的真空度對應的開度。這樣一來，從真空罐9內向外部排出的空氣的流量和從真空度調節閥9A流入真空罐9內的空氣的流量的差達到平衡狀態。由此，真空罐9內的真空度成為目標值。
[0105]因此，在密閉體Tl內部的真空度低于真空罐9內的真空度的期間，密閉體Tl內部的空氣經由真空軟管T9及真空用配管11吸入真空罐9內，通過真空栗10放入大氣中。其結果是，密閉體Tl內部的真空度成為真空罐9內的真空度。因此，為了增加真空度所需要的時間成為依賴于真空栗10的性能及真空系統的氣密性等條件的時間。
[0106]另外，還可以自動進行真空度的控制。該情況下，通過真空度控制系統4控制可變真空裝置8。在使用圖1例示的可變真空裝置8的情況下，通過真空度控制系統4自動控制真空度調節閥9A的開度。另外，根據需要，也可以通過真空度控制系統4自動控制閥12的開度。
[0107]另外，如上所述，也可以設置與多個真空度對應的多個真空路徑，通過用切換機構切換多個真空路徑，而使密閉體Tl內部的真空度階段性地變化。例如，如果是如圖5所示的進行六階段的真空度控制的情況，則可以通過用切換機構切換事先將閥的開度進行了六階段調整的六系統的真空路徑，進行密閉體Tl內部的真空度的控制。該情況下，可以通過真空度控制系統4控制切換機構，進行密閉體Tl內部的真空度的自動控制。
[0108]當完成半固化片P的彎曲成形時，在步驟S6中，在保持密閉體Tl內部的真空度的狀態下，半固化片P被升溫至硬化溫度。由此，彎曲成形后的半固化片P在通過作為加熱介質H的水蒸氣加壓的狀態下被加熱硬化。實際上，可以在將500mmX 350mm的片狀的半固化片P的層疊體彎曲成形后，通過升溫至180°C，保持132分鐘而進行半固化片P的硬化。
[0109]接著，在步驟S7中，冷卻通過半固化片P的硬化而得到的復合材料的被成形品。例如，在保持密閉體Tl內部的真空度的狀態下，通過冷卻水供給系統23向容器2內供給冷卻水。由此，硬化后的被成形品被冷卻至40 °C左右。
[0110]接著，在步驟S8中，密閉體TI內部向外部開放。因此，密閉體TI內部的壓力成為大氣壓。之后，被成形品從容器2運出。另外，通過冷卻而液化的水從排放裝置24向容器2外排出。
[0111]S卩，如以上所述的復合材料的成形裝置I及復合材料的成形方法，通過在熱壓處理中調節由密閉體Tl密閉的減壓對象區域R的真空度，除進行成形對象品的硬化以外，還進行彎曲成形。
[0112](效果)
[0113]因此，根據復合材料的成形裝置I及復合材料的成形方法，可以在同一壓力容器內進行半固化片P的彎曲成形及硬化兩者。即，歷來必需分別進行下述工序，即:使用專用的彎曲成形裝置，將片狀的半固化片P的層疊體加熱至規定的溫度并進行賦型的工序;通過熱壓處理，進行賦型后的半固化片P的在加壓下的加熱硬化的工序，但根據復合材料的成形裝置I及復合材料的成形方法，可以在一個工序中進行半固化片P的彎曲成形及加壓下的加熱硬化。其結果是，工序數減少，可更簡單地制造具有折曲的形狀或彎曲的形狀等復雜的構造的復合材料的被成形品。
[0114]特別是，如果使用水蒸氣作為加熱介質H，則與使用熱風或加熱氮氣作為加熱介質H的情況相比，可以使加熱介質H的溫度分布變得更均勻。另外，也可以使通過加熱介質H而負載在半固化片P上的壓力分布變得更均勻。
[0115]因此，即使是尺寸大的成形對象，也能夠在同等的定時將各部位加熱至規定的溫度。另外，也能夠使各部位的加熱期間同等。由此，可以避免局部的硬化或局部的硬化不良等造成的外觀不良或內部品質的劣化。其結果是，即使是長邊方向的長度為Im以上10m以下的復合材料的被成形品，通過伴隨彎曲成形的加熱硬化，也能夠以良好的品質進行制造。
[0116]另外，如果使用水蒸氣作為加熱介質H，則可以瞬時進行加熱介質H的升溫。并且，水蒸氣可能賦予加熱對象物的熱量達到熱風的3倍?5倍左右。因此，還可以縮短半固化片P的升溫需要的時間。這與半固化片P彎曲成形需要的時間及硬化需要的時間的縮短相關聯。因此，通過縮短被成形品的成形準備時間，可以實現制造成本降低及生產性提高。
[0117]另外，如果使用水蒸氣作為加熱介質H，則不需要加熱介質H的循環機構。因此，可以簡化成形裝置I的構造。另外，由于水蒸氣不會燃燒，所以可以確保安全性。
[0118]以上，對特定的實施方式進行了記載，但所記載的實施方式只不過是一例，并不限定發明的范圍。在此所記載的新的方法及裝置可以以各種其它方式具體化。另外，在本文所記載的方法及裝置的樣式中，在不脫離發明的要旨的范圍內，可以進行各種省略、置換及變更。附加的權利要求的范圍及其等同，包含作為發明范圍及要旨所包含的例子的這樣的各種方式及變形例。
【主權項】
1.一種復合材料的成形裝置，包括: 容器，其收納通過密閉體密閉的成形對象品； 減壓系統，其通過對在所述容器內由所述密閉體包圍的區域進行減壓，進行所述成形對象品的彎曲成形及對所述彎曲成形后的所述成形對象品的加壓；以及 加熱介質供給系統，其向所述容器內供給用于進行所述彎曲成形及所述加壓下的所述成形對象品的加熱硬化的加熱介質。2.根據權利要求1所述的復合材料的成形裝置，其中， 所述加熱介質供給系統以將水蒸氣作為所述加熱介質向所述容器內供給的方式構成。3.根據權利要求1或2所述的復合材料的成形裝置，其中， 所述減壓系統具有可變真空裝置，所述可變真空裝置將由所述密閉體包圍的區域在減壓至適于所述成形對象品的所述彎曲成形的壓力之后，減壓至適于所述成形對象品的所述加熱硬化的壓力。4.根據權利要求1或2所述的復合材料的成形裝置，其中， 還包括真空度控制系統，所述真空度控制系統以將由所述密閉體包圍的區域在減壓至適于所述成形對象品的所述彎曲成形的壓力之后，減壓至適于所述成形對象品的所述加熱硬化的壓力的方式，控制所述減壓系統。5.根據權利要求1或2所述的復合材料的成形裝置，其中， 還包括溫度控制系統，所述溫度控制系統將所述加熱介質的溫度的控制值在設定在適于所述成形對象品的所述彎曲成形的值之后，設定在適于所述成形對象品的所述加熱硬化的值。6.根據權利要求2所述的復合材料的成形裝置，其中， 所述加熱介質供給系統構成為使得供給飽和水蒸氣、混合了空氣的水蒸氣或混合了氮氣的水蒸氣作為所述加熱介質。7.根據權利要求3所述的復合材料的成形裝置，其中， 所述可變真空裝置具有: 多個減壓系統，其將由所述密閉體包圍的區域減壓至不同的多個壓力； 切換機構，其切換所述多個減壓系統。8.—種復合材料的成形方法，其使用權利要求1-7中任一項所述的復合材料的成形裝置來制造復合材料的被成形品。9.一種復合材料的成形方法，包括下述步驟: 將由密閉體密閉的成形對象品運送到容器內的步驟； 向所述容器內供給加熱介質以對所述成形對象品進行加熱，另一方面，通過對所述容器內由所述密閉體包圍的區域進行減壓，進行所述成形對象品的彎曲成形的步驟;以及利用所述加熱介質對所述彎曲成形后的加壓下的所述成形對象品進行加熱硬化的步驟。10.根據權利要求9所述的復合材料的成形方法，其中， 將由所述密閉體包圍的區域階段性地減壓至不同的壓力。11.根據權利要求9或10所述的復合材料的成形方法，其中， 以由所述密閉體包圍的區域內的壓力連續地變化的方式進行減壓。12.根據權利要求9或10所述的復合材料的成形方法，其中， 通過控制所述容器內的所述加熱介質的壓力，實施用于進行所述成形對象品的彎曲成形的加壓及用于所述彎曲成形后的所述成形對象品的硬化的加壓中的至少一項。13.根據權利要求9或10所述的復合材料的成形方法，其中， 制造長邊方向的長度為Im以上10m以下的復合材料的被成形品。
【文檔編號】B29C70/44GK105965915SQ201610134156
【公開日】2016年9月28日
【申請日】2016年3月9日
【發明人】伊藤友美, 中島正憲, 蘆田健
【申請人】富士重工業株式會社, 株式會社蘆田制作所