JP7341638B2 - 成形治具及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、成形治具及びその製造方法に関する。

炭素繊維等に樹脂を含浸させたプリプレグを用いた複合材の製造工程に用いる金型の表面は、機械加工痕による微細な凹凸形状を有している。また、離型剤を施工された金型の表面は、フッ素系、シリコーン系、あるいはそれら両方を含む離型成分（例えば下記特許文献１）等によって、表面に凹凸形状が形成される。

特許第１９２５７８６号公報

プリプレグを用いてオートクレーブ成形を行うと、流動中（加熱硬化中）と硬化完了時において、フローした樹脂が金型表面に取り残される樹脂が発生する。この樹脂は、脱型（離型）時において、この樹脂の一部が金型表面に残渣として残るため、これを除去する洗浄作業を行わなければならず、工数悪化の原因となっている。

本発明は、上記技術的課題に鑑み、オートクレーブ成形における樹脂残渣の発生を防止する成形治具及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する第１の発明に係る成形治具は、
オートクレーブ成形に用いる成形治具であって、
成形対象物を載置する載置面と、
前記載置面の外周側に形成される表面と、
前記表面における任意の位置に前記載置面を周回して形成される突起部とを有する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第２の発明に係る成形治具の製造方法は、
上記第１の発明の製造方法であって、
前記突起部を、粘性流体を介して、前記表面における前記任意の位置に設置する
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第３の発明に係る成形治具の製造方法は、
上記第２の発明に係る成形治具の製造方法において、
前記表面の前記任意の位置に溝を形成し、
前記突起部の底面を前記溝に対応する形状とし、
前記底面と前記溝とを嵌合させる
ことを特徴とする。

上記課題を解決する第４の発明に係る成形治具の製造方法は、
上記第１の発明の製造方法であって、
前記突起部を、弾性体を介して、前記表面における前記任意の位置に設置する
ことを特徴とする。

本発明に係る成形治具及びその製造方法は、オートクレーブ成形における金型表面の樹脂残渣の発生を防止することを可能とする。

プリプレグを用いたオートクレーブ成形のうちプリプレグ積層を説明する断面図である。 プリプレグを用いたオートクレーブ成形のうちバッグフィルム積層を説明する断面図である。 プリプレグを用いたオートクレーブ成形のうち真空引きを説明する断面図である。 プリプレグを用いたオートクレーブ成形のうちオートクレーブ硬化（ＡＣ硬化）を説明する断面図である。 プリプレグを用いたオートクレーブ成形のうちレジンフロー（樹脂流れ）を説明する断面図である。 レジンフローが発生した状態の上面図である。 金型の断面図である。 図３Ａの破線円部分の拡大図である。 図３Ａの一点鎖線円部分の拡大図である。 金型の断面図である。 図４Ａの破線円部分の拡大図である。 図４Ａの一点鎖線円部分の拡大図である。 突起部の一例の断面図である。 突起部の一例の断面図である。 突起部の一例の断面図である。 突起部の一例の断面図である。 金型及び突起部の一例の断面図である。 金型及び突起部の一例の断面図である。 金型及び突起部の一例の断面図である。 金型及び突起部の一例の断面図である。

本発明は、発明者の鋭意検討により、オートクレーブ成形における金型表面の樹脂残渣の発生原因及びそれを解決する手段を見出したものである。本発明に係る成形治具は、オートクレーブ成形において、フローする樹脂を塞き止めるダム機構としての突起部を有する構造であることにより、フローする樹脂の厚みをコントロールすることができ、離型機能が効率的に働く。

以下、本発明に係る成形治具及びその製造方法について、実施例にて図面を用いて説明する。

［実施例１］
図１Ａ～１Ｅは、プリプレグを用いたオートクレーブ成形を説明する断面図である。以下では、まずプリプレグを用いたオートクレーブ成形について、図１Ａ～１Ｅを用いて簡単に説明する。

プリプレグを用いたオートクレーブ成形は、第１工程として、図１Ａに示すように、金型２１の中央に形成される載置面（金型載置面）２１ｂにプリプレグ２２を積層する。

次に、第２工程として、図１Ｂに示すように、プリプレグ２２が積層された金型２１上に、バッグフィルム２３を積層する。

第３工程として、図１Ｃに示すように、バッグフィルム２３に口金（脱気ポート）２４を設け、外部に設けた真空ポンプ（図示略）により、口金２４を介して金型２１とバッグフィルム２３との間の空間の真空引きを行う。

第４工程として、所定温度まで昇温させた状態で、図１Ｄ中に白抜き矢印で示すように、バッグフィルム２３越しにプリプレグ２２を押圧することで、プリプレグ２２を硬化（オートクレーブ硬化）させる。

その際、金型２１の形状では、図１Ｅにおいて矢印で示すように、高温となったことで粘度が低下したプリプレグ２２中の樹脂が、上記押圧によって、金型載置面２１ｂよりも外周側の金型表面２１ａとバッグフィルム２３との間に染み流れてしまう（レジンフロー）。

上記第４工程によりレジンフローが発生した状態の上面図を図２に示す（ただし、図２ではバッグフィルム２３を省略してある）。図２に示すように、樹脂２５がプリプレグ２２からその外周側の金型表面２１ａに染み流れる。

その後の工程としては、降温、デバルク（バッグフィルム２３を取り外す）、及び、脱型が行われる。降温によって、熱膨張していた金型が収縮する。また、上記第４工程において染み流れた樹脂２５が体積収縮することで、デバルク及び脱型後にその樹脂２５が金型表面２１ａに残渣として残ってしまう。

図３Ａ～３Ｃは、レジンフローの状態を説明する断面図である。図３Ａは金型２１の断面図、図３Ｂは図３Ａの破線円部分（金型表面２１ａにおける金型載置面２１ｂ近傍）の拡大図、図３Ｃは図３Ａの一点鎖線円部分（金型表面２１ａにおける外縁近傍）の拡大図である。また、図３Ｂ，３Ｃともに、左図は昇温硬化中の状態、右図は硬化完了後（降温）の状態を示している。

図３Ｂの左図に示すように、金型表面２１ａにおける金型載置面２１ｂ近傍は、フローした樹脂２５の流れ方向上流側となり、樹脂２５の層（以下、樹脂層）が、金型表面２１ａの凹凸（既に説明した表面処理によるもの）を完全に覆っている。すなわち、樹脂層厚み＞金型表面２１ａの凹凸となっている。

そして、図３Ｂの右図に示す硬化完了後においても、樹脂２５の体積は収縮するものの、依然として、樹脂層が金型表面２１ａの凹凸を完全に覆っている。このような状態であれば、樹脂２５は容易に離型できる。

一方、図３Ｃの左図に示すように、金型表面２１ａにおける外縁近傍では、樹脂２５の流れ方向下流側となり、樹脂２５の層が図３Ｂの左図に比べ薄くなっている。

これにより、硬化完了後には、図３の右図に示すように、樹脂層が金型表面２１ａの凹凸に埋まってしまう。すなわち、樹脂層厚み＜金型表面の凹凸となる。金型表面２１ａの凹凸はミクロサイズであり、その間に挟まり細分化された樹脂２５は容易に離型できない。結果としてミクロサイズの樹脂残渣が発生し、金型２１の洗浄作業を追加しなければならない。

図４Ａ～４Ｃは、本実施例に係る成形治具（金型１１）を用いてオートクレーブ成形を行う場合を説明する断面図であり、図４Ａは金型１１の断面図、図４Ｂは図４Ａの破線円部分（図３Ｂの破線円部分の位置に対応）の拡大図であり、左図が昇温硬化中の状態、右図が硬化完了後の状態を表し、図４Ｃは図４Ａの一点鎖線円部分（図３Ｃの一点鎖線円部分の位置に対応）の拡大図である。

図４Ａに示すように、金型１１は、プリプレグ２２を載置する金型載置面１１ｂ、金型載置面１１ｂの外周側に形成される金型表面１１ａ、金型表面１１ａにおける任意の位置に前記載置面を周回して形成される突起部１２を備えている。

金型１１をオートクレーブ成形に用いると、図４Ｂの左図のように、金型表面１１ａに突起部１２が形成されていることで、上記第４工程におけるレジンフロー発生時、樹脂２５は突起部１２により塞き止められる。これにより、図４Ｂの右図のように、硬化完了後においても、樹脂層が金型表面２１ａの凹凸を完全に覆っている。すなわち、樹脂層厚み＞金型表面の凹凸となる。このような状態であれば、樹脂２５は細分化されていないため、容易に離型できる。

さらに、樹脂２５は突起部１２によって塞き止められているため、図４Ｃを見ればわかるように、図４Ａの一点鎖線円部分の位置には樹脂２５が存在しないことになる。すなわち、硬化完了後に、上記図３Ｃのようなミクロサイズの樹脂残渣が発生しない。

換言すれば、金型１１は突起部１２が形成されることにより、フローした樹脂の膜厚を、金型表面１１ａの凹凸以上の厚みで均一化することができる。よって、本実施例ではオートクレーブ成形における樹脂残渣の発生を防止することができる。

また、突起部１２は、その高さが樹脂層の厚み以上であればよく、径方向断面形状はどのようなものであってもよい。図５Ａ～５Ｄには突起部１２の径方向断面形状の例を示している（ただし、図５Ａ～５Ｄは、いずれも図面の左側が樹脂層側としている）。

図５Ａに示す突起部１２の径方向断面形状は矩形、すなわち、樹脂層側の壁面１２ａが鉛直方向に延伸している。図５Ｂに示す突起部１２の径方向断面形状は台形、すなわち、樹脂層側の壁面１２ａが傾斜している。図５Ｃに示す突起部１２は、樹脂層側の壁面１２ａのうち下側が鉛直方向、上側が傾斜している。図５Ｄに示す突起部１２は、樹脂層側の壁面１２ａが湾曲している。本実施例においては、突起部１２は図５Ａ～５Ｄのいずれの形状であってもよく、またそれ以外の形状であってもよい。

なお、金型２１の材料としては、鉄、アルミ、複合材、あるいは、インバー（不変鋼）が挙げられる。

また、本実施例では成形対象物をプリプレグ（炭素繊維複合材）としたが、本発明はこれに限定されるものではなく、上記プリプレグに含まれる繊維は炭素繊維ではなくガラス繊維、アラミド繊維、あるいはステンレス繊維等でもよい。

［実施例２］
本実施例では、実施例１で説明した突起部１２を金型１１の本体とは別に製造し、後から金型１１に取り付ける場合の製造方法を説明する。

別体の突起部１２を後から金型１１の本体に取り付ける場合、単に金型表面１１ａに置くだけであると、フローした樹脂２５が、金型表面１１ａと突起部１２の底面との間の微小な隙間から（金型１１の外縁側に向けて）流れ出す可能性がある。

したがって、本実施例に係る成形治具の製造方法としては、突起部１２と金型表面１１ａ（の任意の位置）との間に、接着性能を有する粘性流体（シーリング剤あるいは接着剤）または弾性体（ＯリングあるいはＣリング等）を配した状態で、突起部１２を設置する。

また、これらの説明は、平坦な金型表面１１ａの上に突起部１２を設置する場合についてのものであるが、本実施例では、金型表面１１ａの任意の位置に溝を形成し、突起部１２の底面の形状をその溝に対応する形状とすることで、突起部１２を溝に嵌合させるようにしてもよい。

図６Ａ～６Ｄは、溝１１ｃが形成された金型１１（金型表面１１ａ）、及び、溝１１ｃに対応する形状の底面１２ｂが形成された突起部１２の断面図である。

図６Ａには、径方向断面形状が凹字型に形成された溝１１ｃ、及び、溝１１ｃに対応する形状の突部を有する底面１２ｂが示されている。図６Ｂには、径方向断面形状が楔型に形成された溝１１ｃ、及び、溝１１ｃに対応する形状の突部を有する底面１２ｂが示されている。図６Ｃには、径方向断面形状がＵ字型に形成された溝１１ｃ、及び、溝１１ｃに対応する底面を有する径方向断面形状が円型の突起部１２が示されている。図６Ｄには、図６Ａ同様に径方向断面形状が凹字型に形成された溝１１ｃ、及び、溝１１ｃに対応する形状の突部を有する底面１２ｂが示されており、突起部１２の上側は径方向断面形状が逆椀型となっている。本実施例においては、図６Ａ～６Ｄのいずれの形状であってもよく、また、それ以外の形状であってもよい。

図６Ａ～６Ｄでは、溝１１ｃよりも底面１２ｂの突部（図６Ｃでは底面１２ｂ自体）の方が一回り小さくなっているが、これは、突起部１２をシリコーンあるいは樹脂（ＰＴＦＴ、ＰＦＡ）等の高分子材料で形成した場合を想定したものである。すなわち、金属製の金型１１と高分子材料製の突起部１２とでは、昇温及び降温時の熱膨張及び収縮の度合が異なるため、これを考慮している。

したがって、突起部１２を金型１１と同一の金属製で形成する場合（例えば、上記図６ＣではＯリングまたはＣリングを想定していたが、これを丸パイプとする等）は、底面１２ｂの突部（図６Ｃでは底面１２ｂ自体）を溝１１ｃに密着して嵌合する形状とする。

また、図６Ａ～６Ｄに示すような溝１１ｃ及び底面１２ｂを有する場合も、その間に上述した接着性能を有する粘性流体（シーリング剤あるいは接着剤）を配した状態で、突起部１２を設置（嵌合）して固定するのが好ましい。

以上のようにして、本実施例に係る成形治具の製造方法によれば、金型１１の本体とは別体として製造した突起部１２と、金型表面１１ａとの隙間から、金型表面１１ａの外縁側へ向けて樹脂が流出するのを防ぐことができる。

なお、上記実施例１，２に係る成形治具は、金型すなわち金属からなるものとしたが、本発明はこれに限定されるものではなく、金属以外、例えば樹脂型あるいは複合材料からなるものとしてもよい。

本発明は、成形治具及びその製造方法として好適である。

１１ 金型
１１ａ 金型表面
１１ｂ 金型載置面
１１ｃ 溝
１２ 突起部
１２ａ 壁面
１２ｂ 底面
２１ 金型
２１ａ 金型表面
２１ｂ 金型載置面
２２ プリプレグ
２３ バッグフィルム
２４ 口金（脱気ポート）
２５ 樹脂

Claims (4)

1. オートクレーブ成形に用いる成形治具であって、
   成形対象物を載置する載置面と、
   前記載置面の外周側に形成される表面と、
   前記表面であって前記載置面から離間した位置における任意の位置に前記載置面を周回して形成される突起部とを有する
   ことを特徴とする成形治具。
2. 請求項１に記載の成形治具の製造方法であって、
   前記突起部を、粘性流体を介して、前記表面における前記任意の位置に設置する
   ことを特徴とする成形治具の製造方法。
3. 前記表面の前記任意の位置に溝を形成し、
   前記突起部の底面を前記溝に対応する形状とし、
   前記底面と前記溝とを嵌合させる
   ことを特徴とする請求項２に記載の成形治具の製造方法。
4. 請求項１に記載の成形治具の製造方法であって、
   前記突起部を、弾性体を介して、前記表面における前記任意の位置に設置する
   ことを特徴とする成形治具の製造方法。
   

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