JP2021178488A - 樹脂の成型方法 - Google Patents

Abstract

【課題】熱硬化性樹脂成形品をオートクレーブ成形する際に、成形に要するエネルギーが少なく、製造時間が短い熱硬化性樹脂の成形方法及びそれに用いる成形装置を提供する。【解決手段】本発明の熱硬化性樹脂の成形方法では、まず第１工程として成形型１の成型面側に樹脂シート２ａ、２ｂを接触させ、非成形面側に面状ヒータ３を接触させ、フィルムで覆ってシールすることにより真空バッグ４を形成する。そして第２工程として、真空バッグ４が形成された成形型１をオートクレーブ５の中に入れる。さらに第３工程として、真空バッグ４内を真空引きしつつオートクレーブ５内を加圧しながら面状ヒータ３を加熱することにより樹脂シート２ａ、２ｂを成形する。【選択図】図３

Description

本発明は、オートクレーブを用いた樹脂の成型方法及び成形装置に関する。本明細書において、樹脂とは熱硬化性樹脂及び熱可塑性樹脂の両方を含む概念である（以下同様）。

従来から、航空機や自動車等、機械的強度に優れ、且つ軽量化が求められる分野においては、プリプレグ等の樹脂シートを用いた樹脂成形品が用いられている。この樹脂成形品は、オートクレーブ成形法によって製造されることが知られている。

例えば特許文献１には、成形型にプリプレグを積層した状態で載せ、ナイロン等の真空バッグで包んだ状態でオートクレーブ内に収納し、真空バッグ内を真空引きしながら、オートクレーブ内を加熱・加圧することで、プリプレグを加熱硬化させるという成形方法が記載されている。

しかしながら、上記特許文献１の成形法では、オートクレーブ内に圧縮空気を封入して数気圧の圧力をかけながら、オートクレーブの内部全体が所定温度になるまで加熱しなければならない。このため、成形には多大なエネルギーと時間を要し、生産性が低く、生産コストが高騰化するという問題があった。また、オートクレーブ全体が硬化温度に耐えることが必要とされるため、特に硬化温度が高いポリイミド系等のプリプレグでは、オートクレーブのパッキンにそこまでの耐熱性を有するものがなく、問題となっていた。

この問題を解決するため、成型形内部に金属抵抗体（ニクロム線等）を設けておき、通電することによって成形型を加熱することも考えられる。しかし、この加熱方法では成形型の構造が複雑となるため、成形型の製造コストが大幅に上昇するという問題がある。

また、特許文献２では、真空バッグ内を真空引きしながらオートクレーブ内を加圧する際、成形型の型面に形成された導電性金属溶射被膜に通電して型面を面発熱させて加熱する熱硬化性樹脂の成形方法が提案されている。この成形方法によれば、オートクレーブ内部全体を硬化温度まで加熱しなくても、熱硬化性樹脂を硬化させることができる。このため、成形のために投入するエネルギーが低減でき、製造時間も短縮することができるという利点を有する。

しかし、成形型の型面に導電性金属溶射被膜を形成するためには、高価な金属溶射装置が必要となり、手間がかかる上に生産コストが高騰化するという問題がある。また、導電性金属溶射被膜の形成に多大なエネルギーと時間を要するという問題もある。

特開平１０−１２８７７８号公報 特開２０１７−１２８０１２号公報

本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであり、真空バッグ内において成形型と樹脂シートと接触させて減圧しながらオートクレーブ成形する場合において、製造が容易であって成形に要するエネルギーが少なく、製造時間が短い樹脂の成形方法及びそれに用いる成形装置を提供することを解決すべき課題としている。

本発明の樹脂の成形方法は、成形型の成型面側に樹脂シートを接触させ、該成形型の非成形面側に面状ヒータを接触させた状態でフィルムで覆ってシールすることにより真空バッグを形成する第１工程と、該真空バッグをオートクレーブの中に入れる第２工程と、該真空バッグ内を減圧しつつ該オートクレーブ内を加圧しながら該面状ヒータを加熱することにより樹脂シートを成形する第３工程とを備えることを特徴とする。

本発明の樹脂の成形方法では、まず第１工程として成形型の成型面側に樹脂シートを接触させ、該成形型の非成型面側に面状ヒータを接触させた状態でフィルムで覆ってシールすることにより真空バッグを形成する。次に第２工程として、該真空バッグをオートクレーブの中に入れる。さらに、第３工程として、該真空バッグ内を減圧しつつ該オートクレーブ内を加圧しながら該面状ヒータを加熱することにより樹脂シートを成形する。このため、第３工程において樹脂シート及び面状ヒータは真空バック内で減圧されるとともに加圧されて成形型と密着状態となる。そして、この密着状態で成形型は面状ヒータによって加熱され、成形型に密着した樹脂シートが成形型に整合する形状に変形し、成形される。したがって、本発明の樹脂の成形方法によれば、オートクレーブ内全体の温度が成形可能な温度になるまで待たなくても、樹脂成形することができる。このため、より短時間で樹脂の成形を行うことができるとともに、成形に要するエネルギーも少なくて済む。

樹脂シートとしては、熱硬化性樹脂シートや熱可塑性樹脂シートを用いることができる。熱硬化性樹脂シートを用いた場合、オートクレーブの耐熱温度が熱硬化樹脂シートの硬化温度より低くても、熱硬化性樹脂の成形を行うことができる。このため、これまでオートクレーブのパッキンの耐熱性等の問題で成形が困難となっていた、ポリイミド等の耐熱性に優れた熱硬化性樹脂の成形も行うことができる。

面状ヒータの形状は成形型の形状と整合して密着するようにされていることが好ましい。こうであれば、面状ヒータから発せられる熱を成形型を介して効率よく樹脂シートに伝えることができる。

面状ヒータは可撓性を有することも好ましい。こうであれば、面状ヒータが成形型の形状に合わせて変形するため、成形型を介して樹脂シートに迅速に熱を伝えることができる。

面状ヒータの加熱面はポリイミド系樹脂からなることが好ましい。ポリイミド系樹脂は耐熱性に優れているため、成形のための温度が高い熱硬化性樹脂シートを成形することが可能となり、耐熱温度に優れた熱硬化性樹脂の成形を行うことが可能となる。

本発明の樹脂の成形方法は、以下に示す成形装置を用いて成型することができる。すなわち、本発明の樹脂の成形装置は、成形型の成型面側に樹脂シートを接触させ、該成形型の非成型面側に面状ヒータを接触させた状態でフィルムで覆ってシールした真空バッグと、該真空バッグを収容した状態で加圧することが可能なオートクレーブと、該真空バッグ内を減圧しつつ該面状ヒータを加熱することが可能な真空バッグ制御部と、を備えた樹脂の成形装置である。

＜実施形態＞
（実施形態１）
実施形態１の樹脂の成形方法では、以下に示す第１工程〜第３工程によって樹脂の成形体を製造する。
（第１工程）
図１に示すように、成形型１を面状ヒータ３の上に載せ、成形型１の上に樹脂シート２ａ、２ｂを重ねて載せる。ここで、樹脂シートとしては、加熱前の熱硬化性樹脂シートや熱可塑性の樹脂シートを用いることができる。成形型１は成形しようとする成形体の母型となるものであり、成形に伴う加熱温度に耐えることを要する。成形しようとする成形体が板状である場合は、成形型は単なる平板となる。成形型を構成する素材としては、例えば硬化した繊維強化複合材、石膏、鉄やアルミなどの金属、などが挙げられる。成形型は、下型のみであってもよいし、上下一対からなる型であってもよい。上下一対からなる型を用いる場合は上の型の上にさらに面状ヒータを載せることが好ましい。また、成形型の型面は平面に限らず曲面であってもよい。

樹脂シート２ａ、２ｂとしては、熱硬化性樹脂（例えば、シリコン樹脂原料、フッ素樹脂原料、ポリイミド樹脂原料、PEEK（ポリエーテルエーテルケトン）原料、PPS（ポリフェニレンサルファイド）原料、PEK（ポリエーテルケトン）原料、PEI（ポリエーテルイミド）原料等）に重合開始剤を添加した組成物をシート状にしたものが挙げられ、プリプレグを用いることもできる。プリプレグはガラス繊維、炭素繊維、シリカ繊維、アルミナ繊維などで織られた強化用の織布と、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などのマトリックス樹脂で構成されたものが挙げられる。
また、熱可塑性の樹脂（例えば、ポリエチレン，ポリプロピレン，ポリスチレン，ポリ塩化ビニルなどビニル系ポリマー，ポリエステル，ポリアミドなどの縮合系ポリマーなどの線状ポリマー等を用いることもできる

面状ヒータ３はポリイミド樹脂からなり、内部に電熱ヒータ３ａが配線されている。面状ヒータ３は成形型１に整合して密着できるのであれば、立体形状をなすものであってもよい。加熱可能な面は耐熱性に優れているという観点からポリイミド系樹脂等、耐熱性樹脂からなるものを好適に用いることができる。

そして、図２に示すように、成形型１を樹脂シート２ａ、２ｂと面状ヒータ３との間に挟んだ状態で袋状とされた真空バック４内に収容する。真空バッグ４の一部に設けられた吸引口４ａから図示しない真空ポンプによりエアが吸引される。これにより、排ガスがなされるとともに、成形型１と樹脂シート２ａ、２ｂと面状ヒータ３とが密着される。真空バッグ４に用いられるフィルム素材としては、耐熱性や気密性の観点から、例えばナイロンフィルム等が用いられる。また、耐熱性及び剥離容易性が要求される場合には、フッ素樹脂フィルムが好適に用いられる。
真空バッグ４は、熱硬化において発生する反応ガスや水分を除去するとともに、面状ヒータ３や成形型１との密着性を上げるために使用される。また、成形型１と面状ヒータ３との間や、樹脂シート２ａ、２ｂと成形型１との間にナイロンやポリエステルなどの薄布を介在させることも好ましい。こうすることにより、成形後において、成形型１から成形された樹脂シート２ａ、２ｂを剥離させることが容易となる。また、真空バッグ４と樹脂シート２ｂの間に、不織布敷いて、真空引きする際の空気の逃げ道を確保するようにしてもよい。また、樹脂シート２ａ、２ｂを重ねた周囲を囲むように凸部が設けられていてもよい。こうであれば、樹脂シート２ａ、２ｂを加熱加圧した際に溶融した樹脂成分の流出を防ぐことができる。

（第２工程）
そして、図３に示すように、成形型１を樹脂シート２ａ、２ｂと面状ヒータ３との間に挟んだ状態で真空バック内に収容されたものをオートクレーブ５の中に入れる。オートクレーブ５は内部を加圧制御が可能とされており、さらに加熱制御も可能とされていることが好ましい。

（第３工程）
さらに、第３工程として、真空バッグ４内を減圧しつつオートクレーブ５内を加圧する。こうすることにより、真空バッグ４内は減圧され、さらに外部からの圧力を受けて、樹脂シート２ａ、２ｂ及び面状ヒータ３は成形型１と密着状態とされる。そして、面状ヒータ３を図示しない制御装置によって加熱制御する。面状ヒータ３の制御は、樹脂シート２ｂに接触する真空バック４に図示しない熱電対を接触させ、この熱電対の温度が成形に最も適した温度となるように面状ヒータ３に通ずる電流を制御することによって行う。

こうして樹脂シート２ａ、２ｂの成形が終了後、面状ヒータ３への通電を止めて、冷却させたのち、オートクレーブ５内を常圧に戻し、真空ポンプの駆動を停止させてから、オートクレーブ５を開けて、樹脂シート２ａ、２ｂと面状ヒータ３と成形型１とを取り出す。最後に、成形された樹脂シート２ａ、２ｂを剥がして成形体を得る。

以上のように、実施形態の樹脂の成型方法では、面状ヒータ３と成形型１は、真空バック４内が減圧されるとともに外部から圧縮空気によって加圧されることにより密着状態となり、面状ヒータ３の熱は成形型１を介して樹脂シート２ａ、２ｂに効率よく伝わり、成形される。このため、樹脂シート２ａ、２ｂは、オートクレーブ４内の温度全体を樹脂形成可能な温度まで上昇させなくても、成形可能となる。このため、より短時間で樹脂２ａ、２ｂの成形を行うことができるとともに、成形に要するエネルギーも少なくて済む。また、オートクレーブ４の耐熱温度が樹脂シートの成形温度より低くても、樹脂２ａ、２ｂの成形を行うことができる。このため、これまでオートクレーブ４のパッキンの耐熱性等の問題で成形が困難となっていた、ポリイミド等の耐熱性に優れた熱硬化性樹脂の成形も行うことができる。

（実施形態２）
実施形態２の樹脂の成形方法では、上述した実施形態１の第３工程において、図４に示すように、樹脂シート２ａ、２ｂに近接する複数個所に熱電対を設置し（図４では、熱電対６ａ、６ｂ、６ｃの３本）、それぞれの熱電対によって測定された温度の平均値が成形に適した温度となるように電熱ヒータ３ａに流す電流を制御する。こうして、複数の熱電対を用いて電熱ヒータ３ａを制御することにより、樹脂シート２ａ、２ｂを、より適切な温度管理の下で成形することができる。

（実施形態３）
実施形態３の樹脂の成形方法では、図５に示すように、成形型１１の厚みが場所によって大きく異なる場合において、樹脂シート１２ａ、１２ｂに近接する複数個所に熱電対を設置する（図５では熱電対７ａ、７ｂ、７ｃの３本）。そして、成形型１１の裏側（すなわち非成形面側）から面状ヒータ８によって加熱する。ここで、面状ヒータ８の内部には、３つの独立した電熱ヒータ８ａ、８ｂ、８ｃが熱電対７ａ、７ｂ、７ｃに対向する位置で設けられている。このため、成型時において各熱電対７ａ、７ｂ、７ｃが成形に適した温度となるように、３つの電熱ヒータ８ａ、８ｂ、８ｃを、それぞれ独立して制御を行うことができる。このため、成形型１１の厚みが場所によって大きく異なる場合でも、樹脂シート１２ａ、１２ｂを成形に適した温度に調整することが可能となる。したがって、実施形態３の樹脂の成形方法によれば、複雑な形状の成形型であっても、適切に樹脂の成形を行うことができる。

１、１１…成形型
２ａ、２ｂ、１２ａ、１２ｂ…樹脂シート
３、８…面状ヒータ（３ａ、８ａ、８ｂ、８ｃ…電熱ヒータ）
４…真空バッグ
５…オートクレーブ
６ａ、６ｂ、６ｃ、７ａ、７ｂ、７ｃ…熱電対

実施形態１における第１工程を示す模式図である。 実施形態１における第２工程を示す模式図である。 実施形態１における第３工程を示す模式図である。 実施形態２における第３工程を示す模式図である。 実施形態３における第３工程を示す模式図である。

Claims (5)

1. 成形型の成型面側に樹脂シートを接触させ、該成形型の非成形面側に面状ヒータを接触させた状態でフィルムで覆ってシールすることにより真空バッグを形成する第１工程と、
   該真空バッグをオートクレーブの中に入れる第２工程と、
   該真空バッグ内を減圧しつつ該オートクレーブ内を加圧しながら該面状ヒータを加熱することにより樹脂シートを成形する第３工程と、
   を備えた樹脂の成形方法。
2. 該面状ヒータの形状は該成形型の形状と整合して密着するようにされていることを特徴とする請求項１に記載の樹脂の成形方法。
3. 該面状ヒータは可撓性を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の樹脂の成形方法。
4. 前記面状ヒータの加熱面はポリイミド系樹脂からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の樹脂の成形方法。
5. 成形型の成型面側に樹脂シートを接触させ、該成形型の非成形面側に面状ヒータを接触させた状態でフィルムで覆ってシールした真空バッグと、
   該真空バッグを収容した状態で加圧することが可能なオートクレーブと、
   該真空バッグ内を減圧しつつ該面状ヒータを加熱することが可能な真空バッグ制御部と、
   を備えた樹脂の成形装置。

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