複合材製造方法
【課題】高強度の複合材が得られる複合材製造方法を提供する。
【解決手段】凹部１０を有する成形型１に強化繊維基材２を載置し、凹部１０を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する。このとき、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、強化繊維基材２を固定部材４によって成形型１に固定する。この後、成形型１に固定された強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆い、成形型１とバッグフィルム２０との間に形成された成形空間内を減圧して、減圧された成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる。そして、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるように、マトリックス樹脂を固化する。
【解決手段】凹部１０を有する成形型１に強化繊維基材２を載置し、凹部１０を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する。このとき、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、強化繊維基材２を固定部材４によって成形型１に固定する。この後、成形型１に固定された強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆い、成形型１とバッグフィルム２０との間に形成された成形空間内を減圧して、減圧された成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる。そして、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるように、マトリックス樹脂を固化する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風車ブレード、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の部材として用いられる複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マトリックス樹脂を繊維によって強化した樹脂系複合材（以下、単に「複合材」という。）は、軽量化メリットが大きいことから、風車ブレード、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の部材への適用が急速に進みつつある。
【０００３】
複合材の製造方法として、積層された複数枚のプリプレグ材にバッグフィルムを被せて真空吸引により加圧成形し、オートクレーブでさらに加圧するとともに加熱硬化するオートクレーブ成形法が知られている。
例えば、特許文献１には、一方向繊維プリプレグに張力を付与しながら成形を行うことで、複合材のシワ及びうねりの発生を防止するオートクレーブ成形法が記載されている。この成形法は、複数枚の一方向繊維プリプレグを成形用下型の上に積層し、プリプレグの上に成形用上型板を重ね、一方向繊維プリプレグの端部を成形用下型に固定された張力板とこの張力板の上に載置されてプリプレグを押圧する拘止板によって拘止し、成形用上型板の上に通気用織物及びバッグフィルムを重ね、バッグフィルムの内側を真空引きしてプリプレグを加圧した状態で、加熱して硬化させるというものである。
【０００４】
ところが、オートクレーブ成形法は、オートクレーブにより加圧しながら焼き固めるため強靭な複合材が得られるものの、オートクレーブという大掛かりな設備が必要であり、コスト高となり量産には向かない。特に、風車ブレードや航空機の翼のような大型構造部材に用いられる複合材は、引張強度及び疲労強度などの材料物性や長期耐久性はもちろんのこと、高品質な製品を高い生産性で製造することが大きな課題となる。
【０００５】
そこで、大掛かりな設備を必要としない真空含浸工法（ＶａＲＴＭ：Vacuum assisted Resin Transfer Molding）が脚光を浴びている。真空含浸工法は、成形型上に載置した繊維強化基材をバッグフィルムで覆い、バッグフィルムの内側を真空吸引し、バッグフィルムの内部に液状樹脂を注入して硬化させるというものである。
例えば、特許文献２には、バッグフィルムとして再利用可能かつ透明なシリコーンシートを用いた真空含浸工法が開示されている。この工法では、バッグフィルムとして薄肉化した透明なシリコーンシートが用いられているため、バッグフィルムの重量が軽量化され、かつ、透明化により内部を流れる液状樹脂の状態が可視化される。よって、バッグフィルムのハンドリングが容易になるとともに、樹脂の含浸状況を目視で確認することが可能となり、複合材製造時の作業性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２９６８６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１５８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、風車、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の最終製品の進化に伴って、これら最終製品の部材として用いられる複合材はより一層の強度の向上が期待されており、特許文献２のような従来の真空含浸工法では、複合材の強度が十分とはいえなくなりつつある。
【０００８】
例えば、風車ブレードのような構造部材では、静的強度設計に圧縮強度が用いられるため、複合材の圧縮強度の向上が望まれる。この点、特許文献２のような従来の真空含浸工法では、成形時の繊維には張力が加わっていないため、繊維の伸直度が小さく、高圧縮強度の複合材を得ることは難しい。
【０００９】
また、特許文献２のような従来の真空含浸工法では、成形時における繊維には繊維長さ方向に力が加わっていないため、繊維にシワが生じやすく、複合材の強度低下を招く要因となる場合がある。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高強度の複合材が得られる複合材製造方法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】
【００１１】
本発明に係る複合材製造方法は、マトリックス樹脂が繊維で強化された複合材を真空含浸工法により製造する複合材製造方法であって、凹部を有する成形型に強化繊維基材を載置し、前記凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって前記強化繊維基材を前記成形型に固定する固定工程と、前記成形型に固定された前記強化繊維基材をバッグフィルムで覆う被覆工程と、前記成形型と前記バッグフィルムとの間に形成された成形空間内を減圧する減圧工程と、減圧された前記成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる流動工程と、前記強化繊維基材と前記マトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材が得られるように、前記マトリックス樹脂を固化する固化工程とを備え、前記固定工程では、前記強化繊維基材と前記成形型の凹部の底面との間に間隙が設けられた状態で、前記強化繊維基材が前記固定部材によって前記成形型に固定されることを特徴とする。
【００１２】
この複合材製造方法では、繊維強化基材と成形型の凹部底面との間に間隙が設けられた状態で、凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって強化繊維基材を成形型に固定した後、成形空間内を減圧する。このため、成形空間内の減圧時に、大気圧と成形空間内の圧力との差圧によって強化繊維基材が成形型の凹部に押圧される。この際、強化繊維基材は固定部材によって固定されているから、固定部材間の強化繊維基材に張力が付与される。したがって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度が高くなり、複合材の圧縮強度が向上する。また、強化繊維基材に張力が付与されることから、強化繊維基材を構成する繊維のシワが低減され、繊維のシワに起因する複合材の強度低下を抑制できる。
また、成形時に強化繊維基材に付与される張力は、真空含浸工法において成形時に行う減圧工程を利用して発生させるから、強化繊維基材への張力付与のための機構を別途設ける必要がない。よって、設備コストの増加を抑えることができる。
【００１３】
なお、上記複合材製造方法において、「強化繊維基材」は、樹脂が含浸されていないドライな繊維からなる基材であってもよいし、樹脂が繊維に含浸されたプリプレグであってもよい。
【００１４】
上記複合材製造方法において、前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア全面に亘って設けられていることが好ましい。
【００１５】
これにより、強化繊維基材を成形型の凹部に押し付けようとする圧力（大気圧と成形空間内圧力との差圧）が作用する面積が大きくなり、成形時に強化繊維基材に大きな張力が付与される。よって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度を飛躍的に高めて、複合材の圧縮強度を大幅に向上させるとともに、強化繊維基材を構成する繊維のシワを確実に低減して、繊維のシワに起因する複合材の強度低下をより一層抑制できる。
【００１６】
あるいは、上記複合材製造方法において、前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア外にのみ設けられていてもよい。
【００１７】
上記複合材製造方法において、前記被覆工程では、前記成形型に設けられた凹部の上方において、前記バッグフィルムと前記強化繊維基材との間に加圧用治具を介在させてもよい。
【００１８】
このように、成形型の凹部の上方において、加圧用治具をバッグフィルムと強化繊維基材との間に設けることで、成形時における大気圧と成形空間内圧力との差圧によって加圧用治具が下方に移動しようとするので、成形型の凹部に強化繊維基材がより強く押し付けられる。よって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度を飛躍的に高めて、複合材の圧縮強度を大幅に向上させるとともに、強化繊維基材を構成する繊維のシワを確実に低減して、繊維のシワに起因する複合材の強度低下をより一層抑制できる。
【００１９】
上記複合材製造方法において、前記固定部材は、前記強化繊維基材に設けられた貫通穴に挿通された固定用ボルトを含み、前記貫通穴は、複合材の製品エリア外に設けられることが好ましい。
【００２０】
このように、貫通穴に挿通された固定用ボルトで強化繊維基材を成形型に固定することで、強化繊維基材を堅固に固定して、強化繊維基材を構成する繊維に張力を確実に付与することができる。なお、貫通穴が複合材の製品エリア外に設けることで、強化繊維基材に設けた貫通穴が複合材の品質に影響を及ぼすことはない。
【００２１】
上記複合材製造方法において、前記強化繊維基材は、繊維束が一方向に配列した基材であり、前記固定部材は、前記強化繊維基材の繊維束の配列方向における前記成形型の凹部の両側に配置されてもよい。
【００２２】
繊維束が一方向に配列した強化繊維基材を用いる場合、繊維束の配列方向に張力を付与することが複合材の強度向上に有効である。そこで、上述のように、固定部材を繊維束の配列方向における成形型の凹部の両側に固定部材を設けて、該固定部材によって強化繊維基材を成形型に固定することで、強化繊維基材を構成する繊維に繊維束の長さ方向に沿った張力を付与して、複合材の強度を効果的に向上させることができる。
【００２３】
上記複合材製造方法において、前記強化繊維基材が炭素繊維からなっていてもよい。
【００２４】
複合材が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である場合、炭素繊維の伸直度が圧縮強度に与える影響が大きい。この点、上記複合材製造方法では、成形時に強化繊維基材（炭素繊維）が成形型の凹部に押圧されて炭素繊維に張力が付与されるから、炭素繊維の伸直度が高くなり、炭素繊維強化プラスチックの圧縮強度を大幅に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、繊維強化基材と成形型の凹部底面との間に間隙が設けられた状態で、凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって強化繊維基材を成形型に固定した後、成形空間内の減圧を行うようにしたので、大気圧と成形空間内圧力との差圧によって強化繊維基材が成形型の凹部に押し付けられて、固定部材間の強化繊維基材に張力が付与される。したがって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度が高くなり、複合材の圧縮強度が向上する。また、強化繊維基材に張力が付与されることから、強化繊維基材を構成する繊維のシワを低減し、繊維のシワに起因する複合材の強度低下を抑制できる。
また、成形時に強化繊維基材に付与される張力は、真空含浸工法において成形時に行う減圧工程を利用して発生させるから、強化繊維基材への張力付与のための機構を別途設ける必要がない。よって、設備コストの増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。
【図２】第１実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係を示す上面図である。
【図３】第２実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。
【図４】第２実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の一例を示す上面図である。
【図５】第２実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の他の例を示す上面図である。
【図６】プリプレグからなる強化繊維基材を用いて複合材を製造する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２８】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る複合材製造方法について説明する。図１は、第１実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。図２は、第１実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係を示す上面図である。
【００２９】
最初に、図１（ａ）に示すように、樹脂が含浸されていないドライな繊維からなる基材である強化繊維基材２を成形型１上に載置し、複数の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する。ここで、固定部材４の個数は、少なくとも一対ある限り特に限定されず、強化繊維基材２のサイズや成形型１の凹部１０の面積等に応じて適宜設定することができる。
なお、このとき、強化繊維基材２の上に、剥離シート（ピールプライ）６及び樹脂拡散用網状シート（フローメディア）８をこの順で配置しておくことが好ましい。剥離シート６は、成形後の複合材２８（図１（ｃ）参照）の取外しを容易にするためのものである。また、樹脂拡散用網状シート８は、後述のマトリックス樹脂の強化繊維基材２への浸透を促進するためのものである。
【００３０】
成形型１は、一対の固定部材４の間に凹部１０を有する。そして、強化繊維基材２は、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、固定部材４によって成形型１に固定される。このとき、強化繊維基材２を弛ませないように、強化繊維基材２の両端を引っ張りながら成形型１に固定することが好ましい。
【００３１】
凹部１０は、図２に示すように、複合材の製品エリアＡの全面に亘って延在するように設けられている。これにより、強化繊維基材２を成形型１の凹部１０に押し付けようとする圧力（大気圧と成形空間内圧力との差圧）が作用する面積が大きくなり、成形時に強化繊維基材２に大きな張力を付与できる。
なお、成形型１の凹部１０が複合材の製品エリアＡの全面に亘って設ける場合、成形型１の凹部１０の形状を適宜調整すれば、複合材２８（図１（ｃ）参照）の所望の形状を得ることができる。例えば、後述の成形空間内の減圧時に強化繊維基材２の下面が凹部１０の底面１２に接触するように成形型１の凹部１０の深さを決定するとともに、凹部１０の底面１２を最終的に得たい複合材２８の形状の反転形状としてもよい。
【００３２】
強化繊維基材２を構成する繊維には、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の公知の繊維を用いることができる。なお、強化繊維基材２が炭素繊維からなる場合、炭素繊維の伸直度が圧縮強度に与える影響が大きいから、本実施形態の複合材製造方法の採用により、複合材（ＣＦＲＰ）の圧縮強度改善の大きな効果を享受できる。
【００３３】
固定部材４は、強化繊維基材２を固定しうる限り特に限定されないが、強化繊維基材２に設けられた貫通穴に挿通される固定用ボルトを用いてもよい。
なお、強化繊維基材２の貫通穴に挿通される固定用ボルトを固定部材４として用いる場合、図２に示すように、固定部材４は複合材の製品エリアＡ外に配置する。このため、固定部材４が挿通される強化繊維基材２の貫通穴も製品エリアＡ外に設けられる。よって、強化繊維基材２に設けた貫通穴が複合材２８（図１（ｃ）参照）の品質に影響を及ぼすことはない。
【００３４】
例えば、固定部材４は、図１（ａ）に示すように、スタッドボルト４Ａ、ナット４Ｂ及び押え板４Ｃにより構成してもよい。スタッドボルト４Ａは、一端部が成形型１に螺着され、中央部が強化繊維基材２、剥離シート６及び樹脂拡散用網状シート８に設けられた貫通穴に挿通され、他端部にナット４Ｂが螺着される。ナット４Ｂと樹脂拡散用網状シート８との間には押え板４Ｃが設けられ、ナット４Ｂによる締結力が押え板４Ｃを介して強化繊維基材２に伝わり、強化繊維基材２を堅固に固定できるようになっている。よって、強化繊維材２を構成する繊維に張力を確実に付与できる。
【００３５】
なお、図１（ａ）に示す例では、スタッドボルト４Ａを成形型１に取り付けた後、強化繊維基材２を構成する各繊維シートに予め設けられた貫通穴にスタッドボルト４Ａを通しながら、各繊維シートを積層して強化繊維基材２を形成し、さらに剥離シート６及び樹脂拡散用網状シート８に設けられた貫通穴にスタッドボルト４Ａを通して、通し板４Ｃを介してナット４Ｂで締付けることで、強化繊維基材２が成形型１に固定される。
【００３６】
また、強化繊維基材２の繊維束が一方向に配列している場合、固定部材４は、強化繊維基材２の繊維束の配列方向における凹部１０の両側に配置することが好ましい。固定部材４を繊維束の配列方向における成形型１の凹部１０の両側に固定部材４を設けて、該固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定することで、強化繊維基材２を構成する繊維に繊維束の長さ方向に沿った張力を付与して、複合材の強度を効果的に向上させることができる。
【００３７】
強化繊維基材２を固定部材４で成形型１に固定した後、図１（ｂ）に示すように、強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆い、バッグフィルム２０内を減圧し、バッグフィルム２０内に液状のマトリックス樹脂を注入する。
具体的には、吸引口２２及び注入口２４が設けられたバッグフィルム２０を強化繊維基材２に被せ、シール部材２６によって、バッグフィルム２０と成形型１とで囲まれる空間（成形空間）を密封する。そして、吸引口２２に真空ポンプが接続され、この真空ポンプにより成形空間内が減圧される。さらに、注入口２４を介して減圧下の成形空間内に液状のマトリックス樹脂が注入される。なお、図１（ｂ）における符号２７は、強化繊維基材２へのマトリックス樹脂の浸透領域を示している。
【００３８】
成形空間内が減圧されると、大気圧と成形空間内圧力との差圧Ｐによって強化繊維基材２が成形型１の凹部１０に押圧される。この際、強化繊維基材２は固定部材４によって固定されているから、図１（ｂ）における矢印方向の張力が固定部材４間の強化繊維基材２に付与される。したがって、マトリックス樹脂の注入時に、強化繊維基材２を構成する繊維は、伸直度が高くなり、シワが低減された状態になっている。
【００３９】
なお、マトリックス樹脂は、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリブチレンテレフタレートに代表される熱可塑性樹脂であってもよい。なお、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、マトリックス樹脂を溶融させて、成形空間内に注入して強化繊維基材２に浸透させる。
【００４０】
続いて、図１（ｃ）に示すように、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるように、マトリックス樹脂を固化する。具体的には、マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であれば、加熱条件下または室温条件下で反応によりマトリックス樹脂を硬化させる。一方、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、溶融したマトリックス樹脂を冷却固化する。
この後、複合材２８は、成形型１から取り外され、製品エリアＡの大きさに裁断される。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態に係る複合材製造方法は、凹部１０を有する成形型１に強化繊維基材２を載置し、凹部１０を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する固定工程と、成形型１に固定された強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆う被覆工程と、成形型１とバッグフィルム２０との間に形成された成形空間内を減圧する減圧工程と、減圧された成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる流動工程と、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるように、マトリックス樹脂を固化する固化工程とを備え、前記固定工程では、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、強化繊維基材２が固定部材４によって成形型１に固定されることを特徴とする。
【００４２】
本実施形態によれば、繊維強化基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、凹部１０を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定した後、成形空間内の減圧を行うようにしたので、大気圧と成形空間内圧力との差圧Ｐによって強化繊維基材２が成形型１の凹部１０に押し付けられて、固定部材４間の強化繊維基材２に張力が付与される。したがって、強化繊維基材２を構成する繊維の伸直度が高くなり、複合材２８の圧縮強度が向上する。また、強化繊維基材２に張力が付与されることから、強化繊維基材２を構成する繊維のシワが低減され、繊維のシワに起因する複合材２８の強度低下を抑制できる。
また、成形時に強化繊維基材２に付与される張力は、真空含浸工法において成形時に行う減圧工程を利用して発生させるから、強化繊維基材２への張力付与のための機構を別途設ける必要がない。よって、設備コストの増加を抑えることができる。
【００４３】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る複合材製造方法について説明する。図３は、第２実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。図４は、第２実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の一例を示す上面図である。図５は、成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の他の例を示す上面図である。
なお、本実施形態に係る複合材製造方法は、成形型１の凹部１０を複合材の製品エリア外に設けた点と、加圧用治具を設けた点とを除けば、第１実施形態と同様である。したがって、ここでは第１実施形態と共通する部材に同一の符号を付して、第１実施形態と共通する内容については説明を省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
最初に、図３（ａ）に示すように、成形型１上に強化繊維基材２を載置し、複数の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する。このとき、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙を設けておく。
ここで、本実施形態で用いる成形型１は、一対の固定部材４の間に凹部１０を有する点は第１実施形態と同様であるが、図４に示すように、複合材の製品エリアＡ外に凹部１０が設けられる点で第１実施形態と異なる。なお、強化繊維基材２により大きな張力を付与する観点から、図５に示すように、複合材の製品エリアＡの両側に凹部１０を設けてもよい。
【００４５】
また、成形型１に設けられた凹部１０の上方において、樹脂拡散用網状シート８の上に加圧用治具３０が載置される。
加圧用治具３０は、例えば、アルミニウム、鉄、鋼、木材、樹脂等の任意の材質のものを用いることができる。加圧用治具３０は、基本的には、成形時における大気圧と成形空間内圧力との差圧によって下方に移動することで、成形型１の凹部１０に強化繊維基材２を押し付けるものであるが、加熱用治具３０を重量物で構成し、上記差圧に加えて加熱用治具３０の自重によって強化繊維基材２を凹部１０に押し付けてもよい。加熱用治具３０を重量物で構成する場合、加熱用治具３０の周辺の強化繊維基材２へのマトリックス樹脂の浸透を妨げないように加熱用治具３０の重量を調節することが好ましい。
【００４６】
続いて、図３（ｂ）に示すように、強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆い、バッグフィルム２０内を減圧し、バッグフィルム２０内に液状のマトリックス樹脂を注入する。このとき、成形型１に設けられた凹部１０の上方において、バッグフィルム２０と強化繊維基材２との間に加圧用治具３０が介在させる。
【００４７】
このように、成形型１の凹部１０の上方において、加圧用治具３０をバッグフィルム２０と強化繊維基材２との間に介在させることで、成形時における大気圧と成形空間内圧力との差圧によって加圧用治具３０が下方に移動しようとするので、成形型１の凹部１０に強化繊維基材２がより強く押し付けられる。
したがって、成形型１の凹部１０の面積が小さい場合であっても、図３（ｂ）における矢印方向の大きな張力を強化繊維基材２に付与できる。よって、強化繊維基材２を構成する繊維の伸直度を飛躍的に高めて、複合材２８（図３（ｃ）参照）の圧縮強度を大幅に向上させるとともに、強化繊維基材２を構成する繊維のシワを確実に低減して、繊維のシワに起因する複合材２８の強度低下をより一層抑制できる。
特に、本実施形態では成形型１の凹部１０を複合材の製品エリアＡ外に設けるから、加圧用治具３０を用いて、小さな面積の凹部１０で大きな張力を強化繊維基材２に付与するようにすれば、材料費を削減できるだけでなく、成形装置（成形型１など）を小型化できる。
【００４８】
この後、図３（ｃ）に示すように、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるようにマトリックス樹脂を固化し、得られた複合材２８を成形型１から取り外して製品エリアＡの大きさに裁断する。
【００４９】
なお、加圧用治具３０は、マトリックス樹脂が注入される注入口２４から離して設けることが好ましい。これは、加圧用治具３０と注入口２４との距離が小さすぎると、注入口２４からのマトリックス樹脂の注入により加圧用治具３０周辺の成形空間内の圧力が上昇し、大気圧と成形空間内圧力との差圧が小さくなり、強化繊維基材２に十分な張力を付与できない場合があるためである。
【００５０】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る複合材製造方法について説明する。本実施形態に係る複合材製造方法は、樹脂が繊維に含浸されたプリプレグを強化繊維基材２として用いる点を除けば、第１実施形態と同様である。したがって、ここでは第１実施形態と共通する内容については説明を省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５１】
図６は、プリプレグからなる強化繊維基材２を用いて複合材を製造する様子を示す図である。同図に示すように、バッグフィルム２０の吸引口２２に接続した真空ポンプ（不図示）により成形空間内を減圧しながら、強化繊維基材（プリプレグ）２を加熱して樹脂を流動化させる。
なお、本実施形態では、プリプレグからなる強化繊維基材２を用いるためマトリックス樹脂の注入は行わない。このため、バッグフィルム２０には樹脂注入用の注入口は設けられていない。また、マトリックス樹脂の強化繊維基材２への浸透を促進するための樹脂拡散用網状シート８に替えて、ブリーザー（通気用繊維）３２（図６参照）が設けられる。
【００５２】
成形空間内が減圧されると、大気圧と成形空間内圧力との差圧Ｐによって強化繊維基材２が成形型１の凹部１０に押圧される。この際、強化繊維基材２は固定部材４によって固定されているから、図５における矢印方向の張力が固定部材４間の強化繊維基材２に付与される。したがって、強化繊維基材（プリプレグ）２の加熱時に、強化繊維基材２を構成する繊維は、伸直度が高くなり、シワが低減された状態になっている。よって、オートクレーブを用いることなく、複合材の圧縮強度を向上させるとともに、繊維のシワに起因する複合材２８の強度低下を抑制できる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００５４】
例えば、上述の実施形態では、複合材２８が平板状である例について説明したが、複合材２８は湾曲形状を含む任意の形状であってもよい。
【００５５】
また上述の実施形態は、適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態及び第３実施形態のように、凹部１０を複合材２８の製品エリアＡの全面に亘って設ける場合にも、強化繊維基材２により大きな張力を付与する観点から、成形型１の凹部１０の上方において、加圧用治具３０をバッグフィルム２０と強化繊維基材２との間に介在させてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１ 成形型
２ 強化繊維基材
４ 固定部材
４Ａ スタッドボルト
４Ｂ ナット
４Ｃ 押え板
６ 剥離シート
８ 樹脂拡散用網状シート
１０ 凹部
１２ 底面
２０ バッグフィルム
２２ 吸引口
２４ 注入口
２６ シール部材
２７ 浸透領域
２８ 複合材
３０ 加圧用治具
３２ ブリーザー
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば風車ブレード、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の部材として用いられる複合材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マトリックス樹脂を繊維によって強化した樹脂系複合材（以下、単に「複合材」という。）は、軽量化メリットが大きいことから、風車ブレード、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の部材への適用が急速に進みつつある。
【０００３】
複合材の製造方法として、積層された複数枚のプリプレグ材にバッグフィルムを被せて真空吸引により加圧成形し、オートクレーブでさらに加圧するとともに加熱硬化するオートクレーブ成形法が知られている。
例えば、特許文献１には、一方向繊維プリプレグに張力を付与しながら成形を行うことで、複合材のシワ及びうねりの発生を防止するオートクレーブ成形法が記載されている。この成形法は、複数枚の一方向繊維プリプレグを成形用下型の上に積層し、プリプレグの上に成形用上型板を重ね、一方向繊維プリプレグの端部を成形用下型に固定された張力板とこの張力板の上に載置されてプリプレグを押圧する拘止板によって拘止し、成形用上型板の上に通気用織物及びバッグフィルムを重ね、バッグフィルムの内側を真空引きしてプリプレグを加圧した状態で、加熱して硬化させるというものである。
【０００４】
ところが、オートクレーブ成形法は、オートクレーブにより加圧しながら焼き固めるため強靭な複合材が得られるものの、オートクレーブという大掛かりな設備が必要であり、コスト高となり量産には向かない。特に、風車ブレードや航空機の翼のような大型構造部材に用いられる複合材は、引張強度及び疲労強度などの材料物性や長期耐久性はもちろんのこと、高品質な製品を高い生産性で製造することが大きな課題となる。
【０００５】
そこで、大掛かりな設備を必要としない真空含浸工法（ＶａＲＴＭ：Vacuum assisted Resin Transfer Molding）が脚光を浴びている。真空含浸工法は、成形型上に載置した繊維強化基材をバッグフィルムで覆い、バッグフィルムの内側を真空吸引し、バッグフィルムの内部に液状樹脂を注入して硬化させるというものである。
例えば、特許文献２には、バッグフィルムとして再利用可能かつ透明なシリコーンシートを用いた真空含浸工法が開示されている。この工法では、バッグフィルムとして薄肉化した透明なシリコーンシートが用いられているため、バッグフィルムの重量が軽量化され、かつ、透明化により内部を流れる液状樹脂の状態が可視化される。よって、バッグフィルムのハンドリングが容易になるとともに、樹脂の含浸状況を目視で確認することが可能となり、複合材製造時の作業性を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平１０−２９６８６４号公報
【特許文献２】特開２０１０−１１５８３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、風車、航空機、自動車、船舶、鉄道車両等の最終製品の進化に伴って、これら最終製品の部材として用いられる複合材はより一層の強度の向上が期待されており、特許文献２のような従来の真空含浸工法では、複合材の強度が十分とはいえなくなりつつある。
【０００８】
例えば、風車ブレードのような構造部材では、静的強度設計に圧縮強度が用いられるため、複合材の圧縮強度の向上が望まれる。この点、特許文献２のような従来の真空含浸工法では、成形時の繊維には張力が加わっていないため、繊維の伸直度が小さく、高圧縮強度の複合材を得ることは難しい。
【０００９】
また、特許文献２のような従来の真空含浸工法では、成形時における繊維には繊維長さ方向に力が加わっていないため、繊維にシワが生じやすく、複合材の強度低下を招く要因となる場合がある。
【００１０】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたものであり、高強度の複合材が得られる複合材製造方法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】
【００１１】
本発明に係る複合材製造方法は、マトリックス樹脂が繊維で強化された複合材を真空含浸工法により製造する複合材製造方法であって、凹部を有する成形型に強化繊維基材を載置し、前記凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって前記強化繊維基材を前記成形型に固定する固定工程と、前記成形型に固定された前記強化繊維基材をバッグフィルムで覆う被覆工程と、前記成形型と前記バッグフィルムとの間に形成された成形空間内を減圧する減圧工程と、減圧された前記成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる流動工程と、前記強化繊維基材と前記マトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材が得られるように、前記マトリックス樹脂を固化する固化工程とを備え、前記固定工程では、前記強化繊維基材と前記成形型の凹部の底面との間に間隙が設けられた状態で、前記強化繊維基材が前記固定部材によって前記成形型に固定されることを特徴とする。
【００１２】
この複合材製造方法では、繊維強化基材と成形型の凹部底面との間に間隙が設けられた状態で、凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって強化繊維基材を成形型に固定した後、成形空間内を減圧する。このため、成形空間内の減圧時に、大気圧と成形空間内の圧力との差圧によって強化繊維基材が成形型の凹部に押圧される。この際、強化繊維基材は固定部材によって固定されているから、固定部材間の強化繊維基材に張力が付与される。したがって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度が高くなり、複合材の圧縮強度が向上する。また、強化繊維基材に張力が付与されることから、強化繊維基材を構成する繊維のシワが低減され、繊維のシワに起因する複合材の強度低下を抑制できる。
また、成形時に強化繊維基材に付与される張力は、真空含浸工法において成形時に行う減圧工程を利用して発生させるから、強化繊維基材への張力付与のための機構を別途設ける必要がない。よって、設備コストの増加を抑えることができる。
【００１３】
なお、上記複合材製造方法において、「強化繊維基材」は、樹脂が含浸されていないドライな繊維からなる基材であってもよいし、樹脂が繊維に含浸されたプリプレグであってもよい。
【００１４】
上記複合材製造方法において、前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア全面に亘って設けられていることが好ましい。
【００１５】
これにより、強化繊維基材を成形型の凹部に押し付けようとする圧力（大気圧と成形空間内圧力との差圧）が作用する面積が大きくなり、成形時に強化繊維基材に大きな張力が付与される。よって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度を飛躍的に高めて、複合材の圧縮強度を大幅に向上させるとともに、強化繊維基材を構成する繊維のシワを確実に低減して、繊維のシワに起因する複合材の強度低下をより一層抑制できる。
【００１６】
あるいは、上記複合材製造方法において、前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア外にのみ設けられていてもよい。
【００１７】
上記複合材製造方法において、前記被覆工程では、前記成形型に設けられた凹部の上方において、前記バッグフィルムと前記強化繊維基材との間に加圧用治具を介在させてもよい。
【００１８】
このように、成形型の凹部の上方において、加圧用治具をバッグフィルムと強化繊維基材との間に設けることで、成形時における大気圧と成形空間内圧力との差圧によって加圧用治具が下方に移動しようとするので、成形型の凹部に強化繊維基材がより強く押し付けられる。よって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度を飛躍的に高めて、複合材の圧縮強度を大幅に向上させるとともに、強化繊維基材を構成する繊維のシワを確実に低減して、繊維のシワに起因する複合材の強度低下をより一層抑制できる。
【００１９】
上記複合材製造方法において、前記固定部材は、前記強化繊維基材に設けられた貫通穴に挿通された固定用ボルトを含み、前記貫通穴は、複合材の製品エリア外に設けられることが好ましい。
【００２０】
このように、貫通穴に挿通された固定用ボルトで強化繊維基材を成形型に固定することで、強化繊維基材を堅固に固定して、強化繊維基材を構成する繊維に張力を確実に付与することができる。なお、貫通穴が複合材の製品エリア外に設けることで、強化繊維基材に設けた貫通穴が複合材の品質に影響を及ぼすことはない。
【００２１】
上記複合材製造方法において、前記強化繊維基材は、繊維束が一方向に配列した基材であり、前記固定部材は、前記強化繊維基材の繊維束の配列方向における前記成形型の凹部の両側に配置されてもよい。
【００２２】
繊維束が一方向に配列した強化繊維基材を用いる場合、繊維束の配列方向に張力を付与することが複合材の強度向上に有効である。そこで、上述のように、固定部材を繊維束の配列方向における成形型の凹部の両側に固定部材を設けて、該固定部材によって強化繊維基材を成形型に固定することで、強化繊維基材を構成する繊維に繊維束の長さ方向に沿った張力を付与して、複合材の強度を効果的に向上させることができる。
【００２３】
上記複合材製造方法において、前記強化繊維基材が炭素繊維からなっていてもよい。
【００２４】
複合材が炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）である場合、炭素繊維の伸直度が圧縮強度に与える影響が大きい。この点、上記複合材製造方法では、成形時に強化繊維基材（炭素繊維）が成形型の凹部に押圧されて炭素繊維に張力が付与されるから、炭素繊維の伸直度が高くなり、炭素繊維強化プラスチックの圧縮強度を大幅に向上させることができる。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、繊維強化基材と成形型の凹部底面との間に間隙が設けられた状態で、凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって強化繊維基材を成形型に固定した後、成形空間内の減圧を行うようにしたので、大気圧と成形空間内圧力との差圧によって強化繊維基材が成形型の凹部に押し付けられて、固定部材間の強化繊維基材に張力が付与される。したがって、強化繊維基材を構成する繊維の伸直度が高くなり、複合材の圧縮強度が向上する。また、強化繊維基材に張力が付与されることから、強化繊維基材を構成する繊維のシワを低減し、繊維のシワに起因する複合材の強度低下を抑制できる。
また、成形時に強化繊維基材に付与される張力は、真空含浸工法において成形時に行う減圧工程を利用して発生させるから、強化繊維基材への張力付与のための機構を別途設ける必要がない。よって、設備コストの増加を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】第１実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。
【図２】第１実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係を示す上面図である。
【図３】第２実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。
【図４】第２実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の一例を示す上面図である。
【図５】第２実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の他の例を示す上面図である。
【図６】プリプレグからなる強化繊維基材を用いて複合材を製造する様子を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、添付図面に従って本発明の実施形態について説明する。ただし、この実施形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は、特定的な記載がない限り本発明の範囲をこれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。
【００２８】
［第１実施形態］
第１実施形態に係る複合材製造方法について説明する。図１は、第１実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。図２は、第１実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係を示す上面図である。
【００２９】
最初に、図１（ａ）に示すように、樹脂が含浸されていないドライな繊維からなる基材である強化繊維基材２を成形型１上に載置し、複数の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する。ここで、固定部材４の個数は、少なくとも一対ある限り特に限定されず、強化繊維基材２のサイズや成形型１の凹部１０の面積等に応じて適宜設定することができる。
なお、このとき、強化繊維基材２の上に、剥離シート（ピールプライ）６及び樹脂拡散用網状シート（フローメディア）８をこの順で配置しておくことが好ましい。剥離シート６は、成形後の複合材２８（図１（ｃ）参照）の取外しを容易にするためのものである。また、樹脂拡散用網状シート８は、後述のマトリックス樹脂の強化繊維基材２への浸透を促進するためのものである。
【００３０】
成形型１は、一対の固定部材４の間に凹部１０を有する。そして、強化繊維基材２は、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、固定部材４によって成形型１に固定される。このとき、強化繊維基材２を弛ませないように、強化繊維基材２の両端を引っ張りながら成形型１に固定することが好ましい。
【００３１】
凹部１０は、図２に示すように、複合材の製品エリアＡの全面に亘って延在するように設けられている。これにより、強化繊維基材２を成形型１の凹部１０に押し付けようとする圧力（大気圧と成形空間内圧力との差圧）が作用する面積が大きくなり、成形時に強化繊維基材２に大きな張力を付与できる。
なお、成形型１の凹部１０が複合材の製品エリアＡの全面に亘って設ける場合、成形型１の凹部１０の形状を適宜調整すれば、複合材２８（図１（ｃ）参照）の所望の形状を得ることができる。例えば、後述の成形空間内の減圧時に強化繊維基材２の下面が凹部１０の底面１２に接触するように成形型１の凹部１０の深さを決定するとともに、凹部１０の底面１２を最終的に得たい複合材２８の形状の反転形状としてもよい。
【００３２】
強化繊維基材２を構成する繊維には、例えば、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の公知の繊維を用いることができる。なお、強化繊維基材２が炭素繊維からなる場合、炭素繊維の伸直度が圧縮強度に与える影響が大きいから、本実施形態の複合材製造方法の採用により、複合材（ＣＦＲＰ）の圧縮強度改善の大きな効果を享受できる。
【００３３】
固定部材４は、強化繊維基材２を固定しうる限り特に限定されないが、強化繊維基材２に設けられた貫通穴に挿通される固定用ボルトを用いてもよい。
なお、強化繊維基材２の貫通穴に挿通される固定用ボルトを固定部材４として用いる場合、図２に示すように、固定部材４は複合材の製品エリアＡ外に配置する。このため、固定部材４が挿通される強化繊維基材２の貫通穴も製品エリアＡ外に設けられる。よって、強化繊維基材２に設けた貫通穴が複合材２８（図１（ｃ）参照）の品質に影響を及ぼすことはない。
【００３４】
例えば、固定部材４は、図１（ａ）に示すように、スタッドボルト４Ａ、ナット４Ｂ及び押え板４Ｃにより構成してもよい。スタッドボルト４Ａは、一端部が成形型１に螺着され、中央部が強化繊維基材２、剥離シート６及び樹脂拡散用網状シート８に設けられた貫通穴に挿通され、他端部にナット４Ｂが螺着される。ナット４Ｂと樹脂拡散用網状シート８との間には押え板４Ｃが設けられ、ナット４Ｂによる締結力が押え板４Ｃを介して強化繊維基材２に伝わり、強化繊維基材２を堅固に固定できるようになっている。よって、強化繊維材２を構成する繊維に張力を確実に付与できる。
【００３５】
なお、図１（ａ）に示す例では、スタッドボルト４Ａを成形型１に取り付けた後、強化繊維基材２を構成する各繊維シートに予め設けられた貫通穴にスタッドボルト４Ａを通しながら、各繊維シートを積層して強化繊維基材２を形成し、さらに剥離シート６及び樹脂拡散用網状シート８に設けられた貫通穴にスタッドボルト４Ａを通して、通し板４Ｃを介してナット４Ｂで締付けることで、強化繊維基材２が成形型１に固定される。
【００３６】
また、強化繊維基材２の繊維束が一方向に配列している場合、固定部材４は、強化繊維基材２の繊維束の配列方向における凹部１０の両側に配置することが好ましい。固定部材４を繊維束の配列方向における成形型１の凹部１０の両側に固定部材４を設けて、該固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定することで、強化繊維基材２を構成する繊維に繊維束の長さ方向に沿った張力を付与して、複合材の強度を効果的に向上させることができる。
【００３７】
強化繊維基材２を固定部材４で成形型１に固定した後、図１（ｂ）に示すように、強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆い、バッグフィルム２０内を減圧し、バッグフィルム２０内に液状のマトリックス樹脂を注入する。
具体的には、吸引口２２及び注入口２４が設けられたバッグフィルム２０を強化繊維基材２に被せ、シール部材２６によって、バッグフィルム２０と成形型１とで囲まれる空間（成形空間）を密封する。そして、吸引口２２に真空ポンプが接続され、この真空ポンプにより成形空間内が減圧される。さらに、注入口２４を介して減圧下の成形空間内に液状のマトリックス樹脂が注入される。なお、図１（ｂ）における符号２７は、強化繊維基材２へのマトリックス樹脂の浸透領域を示している。
【００３８】
成形空間内が減圧されると、大気圧と成形空間内圧力との差圧Ｐによって強化繊維基材２が成形型１の凹部１０に押圧される。この際、強化繊維基材２は固定部材４によって固定されているから、図１（ｂ）における矢印方向の張力が固定部材４間の強化繊維基材２に付与される。したがって、マトリックス樹脂の注入時に、強化繊維基材２を構成する繊維は、伸直度が高くなり、シワが低減された状態になっている。
【００３９】
なお、マトリックス樹脂は、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、ポリアミド樹脂、フェノール樹脂等の熱硬化性樹脂であってもよいし、ポリブチレンテレフタレートに代表される熱可塑性樹脂であってもよい。なお、マトリックス樹脂として熱可塑性樹脂を用いる場合、マトリックス樹脂を溶融させて、成形空間内に注入して強化繊維基材２に浸透させる。
【００４０】
続いて、図１（ｃ）に示すように、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるように、マトリックス樹脂を固化する。具体的には、マトリックス樹脂が熱硬化性樹脂であれば、加熱条件下または室温条件下で反応によりマトリックス樹脂を硬化させる。一方、マトリックス樹脂が熱可塑性樹脂であれば、溶融したマトリックス樹脂を冷却固化する。
この後、複合材２８は、成形型１から取り外され、製品エリアＡの大きさに裁断される。
【００４１】
以上説明したように、本実施形態に係る複合材製造方法は、凹部１０を有する成形型１に強化繊維基材２を載置し、凹部１０を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する固定工程と、成形型１に固定された強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆う被覆工程と、成形型１とバッグフィルム２０との間に形成された成形空間内を減圧する減圧工程と、減圧された成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる流動工程と、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるように、マトリックス樹脂を固化する固化工程とを備え、前記固定工程では、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、強化繊維基材２が固定部材４によって成形型１に固定されることを特徴とする。
【００４２】
本実施形態によれば、繊維強化基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙が設けられた状態で、凹部１０を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定した後、成形空間内の減圧を行うようにしたので、大気圧と成形空間内圧力との差圧Ｐによって強化繊維基材２が成形型１の凹部１０に押し付けられて、固定部材４間の強化繊維基材２に張力が付与される。したがって、強化繊維基材２を構成する繊維の伸直度が高くなり、複合材２８の圧縮強度が向上する。また、強化繊維基材２に張力が付与されることから、強化繊維基材２を構成する繊維のシワが低減され、繊維のシワに起因する複合材２８の強度低下を抑制できる。
また、成形時に強化繊維基材２に付与される張力は、真空含浸工法において成形時に行う減圧工程を利用して発生させるから、強化繊維基材２への張力付与のための機構を別途設ける必要がない。よって、設備コストの増加を抑えることができる。
【００４３】
［第２実施形態］
次に、第２実施形態に係る複合材製造方法について説明する。図３は、第２実施形態の複合材製造方法の手順を示す図である。図４は、第２実施形態で用いる成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の一例を示す上面図である。図５は、成形型の凹部と複合材の製品エリアとの関係の他の例を示す上面図である。
なお、本実施形態に係る複合材製造方法は、成形型１の凹部１０を複合材の製品エリア外に設けた点と、加圧用治具を設けた点とを除けば、第１実施形態と同様である。したがって、ここでは第１実施形態と共通する部材に同一の符号を付して、第１実施形態と共通する内容については説明を省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４４】
最初に、図３（ａ）に示すように、成形型１上に強化繊維基材２を載置し、複数の固定部材４によって強化繊維基材２を成形型１に固定する。このとき、強化繊維基材２と成形型１の凹部１０の底面１２との間に間隙を設けておく。
ここで、本実施形態で用いる成形型１は、一対の固定部材４の間に凹部１０を有する点は第１実施形態と同様であるが、図４に示すように、複合材の製品エリアＡ外に凹部１０が設けられる点で第１実施形態と異なる。なお、強化繊維基材２により大きな張力を付与する観点から、図５に示すように、複合材の製品エリアＡの両側に凹部１０を設けてもよい。
【００４５】
また、成形型１に設けられた凹部１０の上方において、樹脂拡散用網状シート８の上に加圧用治具３０が載置される。
加圧用治具３０は、例えば、アルミニウム、鉄、鋼、木材、樹脂等の任意の材質のものを用いることができる。加圧用治具３０は、基本的には、成形時における大気圧と成形空間内圧力との差圧によって下方に移動することで、成形型１の凹部１０に強化繊維基材２を押し付けるものであるが、加熱用治具３０を重量物で構成し、上記差圧に加えて加熱用治具３０の自重によって強化繊維基材２を凹部１０に押し付けてもよい。加熱用治具３０を重量物で構成する場合、加熱用治具３０の周辺の強化繊維基材２へのマトリックス樹脂の浸透を妨げないように加熱用治具３０の重量を調節することが好ましい。
【００４６】
続いて、図３（ｂ）に示すように、強化繊維基材２をバッグフィルム２０で覆い、バッグフィルム２０内を減圧し、バッグフィルム２０内に液状のマトリックス樹脂を注入する。このとき、成形型１に設けられた凹部１０の上方において、バッグフィルム２０と強化繊維基材２との間に加圧用治具３０が介在させる。
【００４７】
このように、成形型１の凹部１０の上方において、加圧用治具３０をバッグフィルム２０と強化繊維基材２との間に介在させることで、成形時における大気圧と成形空間内圧力との差圧によって加圧用治具３０が下方に移動しようとするので、成形型１の凹部１０に強化繊維基材２がより強く押し付けられる。
したがって、成形型１の凹部１０の面積が小さい場合であっても、図３（ｂ）における矢印方向の大きな張力を強化繊維基材２に付与できる。よって、強化繊維基材２を構成する繊維の伸直度を飛躍的に高めて、複合材２８（図３（ｃ）参照）の圧縮強度を大幅に向上させるとともに、強化繊維基材２を構成する繊維のシワを確実に低減して、繊維のシワに起因する複合材２８の強度低下をより一層抑制できる。
特に、本実施形態では成形型１の凹部１０を複合材の製品エリアＡ外に設けるから、加圧用治具３０を用いて、小さな面積の凹部１０で大きな張力を強化繊維基材２に付与するようにすれば、材料費を削減できるだけでなく、成形装置（成形型１など）を小型化できる。
【００４８】
この後、図３（ｃ）に示すように、強化繊維基材２とマトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材２８が得られるようにマトリックス樹脂を固化し、得られた複合材２８を成形型１から取り外して製品エリアＡの大きさに裁断する。
【００４９】
なお、加圧用治具３０は、マトリックス樹脂が注入される注入口２４から離して設けることが好ましい。これは、加圧用治具３０と注入口２４との距離が小さすぎると、注入口２４からのマトリックス樹脂の注入により加圧用治具３０周辺の成形空間内の圧力が上昇し、大気圧と成形空間内圧力との差圧が小さくなり、強化繊維基材２に十分な張力を付与できない場合があるためである。
【００５０】
［第３実施形態］
次に、第３実施形態に係る複合材製造方法について説明する。本実施形態に係る複合材製造方法は、樹脂が繊維に含浸されたプリプレグを強化繊維基材２として用いる点を除けば、第１実施形態と同様である。したがって、ここでは第１実施形態と共通する内容については説明を省略し、第１実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５１】
図６は、プリプレグからなる強化繊維基材２を用いて複合材を製造する様子を示す図である。同図に示すように、バッグフィルム２０の吸引口２２に接続した真空ポンプ（不図示）により成形空間内を減圧しながら、強化繊維基材（プリプレグ）２を加熱して樹脂を流動化させる。
なお、本実施形態では、プリプレグからなる強化繊維基材２を用いるためマトリックス樹脂の注入は行わない。このため、バッグフィルム２０には樹脂注入用の注入口は設けられていない。また、マトリックス樹脂の強化繊維基材２への浸透を促進するための樹脂拡散用網状シート８に替えて、ブリーザー（通気用繊維）３２（図６参照）が設けられる。
【００５２】
成形空間内が減圧されると、大気圧と成形空間内圧力との差圧Ｐによって強化繊維基材２が成形型１の凹部１０に押圧される。この際、強化繊維基材２は固定部材４によって固定されているから、図５における矢印方向の張力が固定部材４間の強化繊維基材２に付与される。したがって、強化繊維基材（プリプレグ）２の加熱時に、強化繊維基材２を構成する繊維は、伸直度が高くなり、シワが低減された状態になっている。よって、オートクレーブを用いることなく、複合材の圧縮強度を向上させるとともに、繊維のシワに起因する複合材２８の強度低下を抑制できる。
【００５３】
以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはいうまでもない。
【００５４】
例えば、上述の実施形態では、複合材２８が平板状である例について説明したが、複合材２８は湾曲形状を含む任意の形状であってもよい。
【００５５】
また上述の実施形態は、適宜組み合わせてもよい。例えば、第１実施形態及び第３実施形態のように、凹部１０を複合材２８の製品エリアＡの全面に亘って設ける場合にも、強化繊維基材２により大きな張力を付与する観点から、成形型１の凹部１０の上方において、加圧用治具３０をバッグフィルム２０と強化繊維基材２との間に介在させてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１ 成形型
２ 強化繊維基材
４ 固定部材
４Ａ スタッドボルト
４Ｂ ナット
４Ｃ 押え板
６ 剥離シート
８ 樹脂拡散用網状シート
１０ 凹部
１２ 底面
２０ バッグフィルム
２２ 吸引口
２４ 注入口
２６ シール部材
２７ 浸透領域
２８ 複合材
３０ 加圧用治具
３２ ブリーザー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マトリックス樹脂が繊維で強化された複合材を真空含浸工法により製造する複合材製造方法であって、
凹部を有する成形型に強化繊維基材を載置し、前記凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって前記強化繊維基材を前記成形型に固定する固定工程と、
前記成形型に固定された前記強化繊維基材をバッグフィルムで覆う被覆工程と、
前記成形型と前記バッグフィルムとの間に形成された成形空間内を減圧する減圧工程と、
減圧された前記成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる流動工程と、
前記強化繊維基材と前記マトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材が得られるように、前記マトリックス樹脂を固化する固化工程とを備え、
前記固定工程では、前記強化繊維基材と前記成形型の凹部の底面との間に間隙が設けられた状態で、前記強化繊維基材が前記固定部材によって前記成形型に固定されることを特徴とする複合材製造方法。
【請求項２】
前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア全面に亘って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の複合材製造方法。
【請求項３】
前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア外にのみ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の複合材製造方法。
【請求項４】
前記被覆工程では、前記成形型に設けられた凹部の上方において、前記バッグフィルムと前記強化繊維基材との間に加圧用治具を介在させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項５】
前記固定部材は、前記強化繊維基材に設けられた貫通穴に挿通された固定用ボルトを含み、
前記貫通穴は、複合材の製品エリア外に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項６】
前記強化繊維基材は、繊維束が一方向に配列した基材であり、
前記固定部材は、前記強化繊維基材の繊維束の配列方向における前記成形型の凹部の両側に配置されること特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項７】
前記強化繊維基材が炭素繊維からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項１】
マトリックス樹脂が繊維で強化された複合材を真空含浸工法により製造する複合材製造方法であって、
凹部を有する成形型に強化繊維基材を載置し、前記凹部を挟んで配置される少なくとも一対の固定部材によって前記強化繊維基材を前記成形型に固定する固定工程と、
前記成形型に固定された前記強化繊維基材をバッグフィルムで覆う被覆工程と、
前記成形型と前記バッグフィルムとの間に形成された成形空間内を減圧する減圧工程と、
減圧された前記成形空間内でマトリックス樹脂を流動させる流動工程と、
前記強化繊維基材と前記マトリックス樹脂とが一体的に成形された複合材が得られるように、前記マトリックス樹脂を固化する固化工程とを備え、
前記固定工程では、前記強化繊維基材と前記成形型の凹部の底面との間に間隙が設けられた状態で、前記強化繊維基材が前記固定部材によって前記成形型に固定されることを特徴とする複合材製造方法。
【請求項２】
前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア全面に亘って設けられていることを特徴とする請求項１に記載の複合材製造方法。
【請求項３】
前記成形型の凹部は、複合材の製品エリア外にのみ設けられていることを特徴とする請求項１に記載の複合材製造方法。
【請求項４】
前記被覆工程では、前記成形型に設けられた凹部の上方において、前記バッグフィルムと前記強化繊維基材との間に加圧用治具を介在させることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項５】
前記固定部材は、前記強化繊維基材に設けられた貫通穴に挿通された固定用ボルトを含み、
前記貫通穴は、複合材の製品エリア外に設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項６】
前記強化繊維基材は、繊維束が一方向に配列した基材であり、
前記固定部材は、前記強化繊維基材の繊維束の配列方向における前記成形型の凹部の両側に配置されること特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【請求項７】
前記強化繊維基材が炭素繊維からなることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の複合材製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１２１２２７（Ｐ２０１２−１２１２２７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７３６４１（Ｐ２０１０−２７３６４１）
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２８日（２０１２．６．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月８日（２０１０．１２．８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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