JP2020121441A - 複合材料成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱中の複合材料に温度ムラが生じることを低減する複合材料成形方法を提供すること。【解決手段】複合材料成形方法は、強化繊維１２を有する複合材料１０の成形方法であって、同電位材接続ステップと、磁場印加ステップと、を有する。同電位材接続ステップは、反応前の複合材料１０に、強化繊維１２の端部を同電位材１６で接続して、強化繊維１２を含む導電性のループを形成するステップである。磁場印加ステップは、導電性のループが形成する面に交差する方向に磁場４２を印加するステップである。【選択図】図３

Description

本発明は、複合材料成形方法に関する。

軽量性及び高い強度を有する材料には、強化繊維に樹脂を含浸させた複合材料が知られている。複合材料は、航空機、自動車及び船舶等に用いられている。複合材料を製造する方法としては、強化繊維に樹脂を含浸させた複合材料のシートを積層し、積層したシートを加圧した状態で、磁場を発生させる磁場コイルの付近に磁性を有する金属板を設置して、磁場を用いて複合材料を誘導加熱する方法が知られている（特許文献１参照）。

特開２０１４−１１６２９３号公報

複合材料は、強化繊維の部分において導電性を有する。このため、複合材料は、特定の方向を除き、電気伝導率が低い。このため、特許文献１の方法を用いて複合材料を磁場で誘導加熱する場合、特定の方向を除いて複合材料の電気伝導率が低いために、複合材料に対して全体的に磁場を印加したとしても、複合材料の領域によっては、複合材料の内部において十分な渦電流が誘起されないために十分に加熱されない領域が生じ、加熱中の複合材料に温度ムラが生じるという問題があった。これにより、特許文献１の方法を用いて複合材料を磁場で誘導加熱することで樹脂を反応させて得られる複合材料は、強度ムラが生じてしまい、高品質のものとはならないという問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、加熱中の複合材料に温度ムラが生じることを低減する複合材料成形方法を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、複合材料成形方法は、強化繊維を有する複合材料の成形方法であって、反応前の前記複合材料に、前記強化繊維の端部を同電位材で接続して、前記強化繊維を含む導電性のループを形成する同電位材接続ステップと、前記導電性のループが形成する面に交差する方向に磁場を印加する磁場印加ステップと、を有することを特徴とする。

この構成によれば、強化繊維と複合材料における端部に配置した同電位材とにより導電性のループを形成するので、磁場の印加に応じて複合材料における同電位材の間の領域において、すなわち複合材料の全体に渡って、十分な渦電流を誘起することができるため、加熱中の複合材料に温度ムラが生じることを低減することができる。これにより、この構成によれば、樹脂を反応させて得られる複合材料に強度ムラが生じることを低減することができるので、高品質な複合材料を得ることができる。

この構成において、前記同電位材接続ステップでは、２本の前記強化繊維の一端側の前記端部同士と他端側の前記端部同士とを前記同電位材で接続することが好ましい。この構成によれば、当該２本の強化繊維を含む導電性のループを形成するので、当該２本の強化繊維の間の領域において十分な渦電流を誘起することができる。これにより、強化繊維が配された複合材料の如何なる領域において十分な渦電流を誘起することができるため、加熱中の複合材料に温度ムラが生じることをさらに低減することができる。

もしくは、この構成において、前記同電位材接続ステップでは、同一の前記強化繊維の一端側の前記端部と他端側の前記端部とを前記同電位材で接続することが好ましい。この構成によれば、当該１本のみの強化繊維を含む導電性のループを形成するので、所定の２本の強化繊維の間の領域を、十分な渦電流を誘起する領域の間に配することができる。なお、十分な渦電流を誘起する領域の間は、加熱効率が好ましい領域となる。これにより、強化繊維が配された複合材料の如何なる領域も、加熱領域が好ましい領域にすることができるため、加熱中の複合材料に温度ムラが生じることをさらに低減することができる。

これらの構成において、前記同電位材接続ステップでは、前記同電位材として、前記強化繊維との間に形成される接触抵抗が１００Ω以下であることが好ましい。この構成によれば、強化繊維を含む導電性のループに電流が流れることを容易にすることができる。これにより、より多くの強化繊維を含む導電性のループを複合材料の加熱に寄与させて、加熱効率を向上させることができる。

これらの構成において、前記磁場印加ステップの後に、前記同電位材を除去する同電位材除去ステップをさらに有することが好ましい。この構成によれば、強度ムラが生じることを低減した複合材料を、同電位材の影響を受けない形で使用することを可能にする。

この構成において、前記同電位材接続ステップでは、前記同電位材として電気伝導性治具材料を使用し、前記複合材料に前記電気伝導性治具材料を設置することで前記導電性のループを形成し、前記同電位材除去ステップでは、前記同電位材としての前記電気伝導性治具材料を前記複合材料から退避させることが好ましい。また、前記電気伝導性治具材料は、電気伝導性材料のフォイル、電気伝導性材料の板、電気伝導性材料の針、及び、電気伝導性材料のくし部材の少なくともいずれかを含むことが好ましい。これらの構成によれば、強化繊維を含む導電性のループを形成するために同電位材が設置された複合材料の領域についても、同電位材の影響を低減した形で使用することを可能にする。

もしくは、この構成において、前記同電位材接続ステップでは、前記同電位材として電気伝導性塗布材料を使用し、前記複合材料に前記電気伝導性塗布材料を塗布することで前記導電性のループを形成し、前記同電位材除去ステップでは、前記複合材料における前記電気伝導性塗布材料が塗布された領域を切除することが好ましい。また、前記電気伝導性塗布材料は、電気伝導性材料のペースト、電気伝導性材料のインク、及び、電気伝導性材料のめっき液の少なくともいずれかを含むことが好ましい。これらの構成によれば、強化繊維を含む導電性のループを形成する際に生じ得る接触抵抗を最小限に低減することができるので、より多くの強化繊維を含む導電性のループを複合材料の加熱に寄与させて、加熱効率を向上させることができる。

本発明によれば、加熱中の複合材料に温度ムラが生じることを低減する複合材料成形方法を提供することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法のフローチャートである。 図２は、図１に示された複合材料成形方法の同電位材接続ステップを示す上面図である。 図３は、図１に示された複合材料成形方法の磁場印加ステップを示す側面図である。 図４は、図１に示された複合材料成形方法の同電位材除去ステップの第１例を示す上面図である。 図５は、図１に示された複合材料成形方法の同電位材除去ステップの第２例を示す上面図である。 図６は、本発明の第２の実施形態に係る複合材料成形方法の同電位材接続ステップを示す上面図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法のフローチャートである。第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、図１に示すように、同電位材接続ステップＳ１２と、磁場印加ステップＳ１４と、同電位材除去ステップＳ１６と、を有する。

図２は、図１に示された複合材料成形方法の同電位材接続ステップＳ１２を示す上面図である。本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法による処理対象である複合材料１０は、図２に示すように、強化繊維１２と、樹脂１４と、を有する。複合材料１０は、水平方向である図１に示すＸＹ平面方向に、平面状に沿って延びている平板形状に成形された材料が例示される。なお、本発明では、複合材料１０は、このような平板形状に成形される形態に限定されず、曲線を有する複雑な形状等、いかなる形状に成形されていてもよい。

強化繊維１２は、本実施形態では、それらのほとんどが、複合材料１０の内部に、図２に示すＸ軸方向、すなわち複合材料１０が延びる平面内の一方向に沿って延びて、図２に示すＹ軸方向、すなわち複合材料１０が延びる平面内の他方向に沿って配列されており、複合材料１０がいわゆる一方向材となっている。なお、強化繊維１２は、この配列形態に限定されず、当該一方向とは異なる方向に沿って延びているものが一部存在していてもよい。以下において、複合材料１０において強化繊維１２が延びる方向（Ｘ軸方向）を繊維方向と称し、複合材料１０において強化繊維１２が延びる方向に直交する平面内の方向（Ｙ軸方向）を幅方向と称する。強化繊維１２は、第１の実施形態では炭素繊維が例示されるが、これに限定されることはなく、その他の電気伝導性を有する繊維、例えば、金属繊維でもよい。また、強化繊維１２は、一部が、複合材料１０の内部に、複合材料１０が延びる平面内の一方向に沿って延びて配置され、残りの一部が、当該一方向とは異なる平面内の他方向に沿って延びて配置された形態、例えば複合材料１０がクロス材となっている形態であってもよく、この場合には、一方向に沿って延びる強化繊維１２と、他方向に沿って延びる強化繊維１２とが概ね複合材料１０の内部で導電性のループを形成していないものが、より顕著に本発明の実施形態に係る複合材料成形方法による大きな作用効果を得ることができる。

樹脂１４は、強化繊維１２に含浸されており、本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法に含まれる後述する磁場印加ステップＳ１４を経て、反応する。樹脂１４は、加熱されることで軟化状態または半硬化状態から硬化状態に熱硬化反応する熱硬化性樹脂と、加熱されることで熱溶融反応する熱可塑性樹脂と、が例示される。以下において、樹脂１４は、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂とを区別しない場合には、熱硬化性樹脂の熱硬化反応と熱可塑性樹脂の熱溶融反応とを、単に反応と称する。

樹脂１４は、第１の実施形態では、熱硬化性樹脂である場合、エポキシ系樹脂を有する樹脂が例示される。樹脂１４がエポキシ系樹脂を有する場合、さらに軽量性及びさらに高い強度を有するので、好ましい。樹脂１４は、第１の実施形態では、熱硬化性樹脂である場合、他には、ポリエステル樹脂及びビニルエステル樹脂が例示される。樹脂１４は、第１の実施形態では、熱可塑性樹脂である場合、ポリアミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ＡＢＳ（Acrylonitrile Butadiene Styrene）樹脂、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等が例示される。ただし、樹脂１４は、これらに限定されず、その他の樹脂でもよい。

樹脂１４の反応前の複合材料１０は、本実施形態では、例えば、複合材料のプリプレグである。樹脂１４の反応後の複合材料１０は、軽量性及び高い強度を有する。

同電位材接続ステップＳ１２は、図２に示すように、反応前の複合材料１０に、強化繊維１２の端部を同電位材１６で接続して、強化繊維１２を含む導電性のループを形成するステップである。

同電位材接続ステップＳ１２では、本実施形態では、図２に示すように、複数本の強化繊維１２の一端側の端部同士と他端側の端部同士とをそれぞれ、幅方向に沿って設置した同電位材１６で接続することで、一端側同士と他端側同士とが接続された当該２本の強化繊維１２と２箇所の同電位材１６とを含む導電性のループを形成する。ここで、強化繊維１２の一端側の端部とは、強化繊維１２における２箇所のうち一端に近い側の端部という意味であり、強化繊維１２の他端側の端部とは、強化繊維１２における２箇所のうち他端に近い側の端部という意味である。強化繊維１２の一端側の端部とは、強化繊維１２の一端であってもよく、強化繊維１２の一端より少し中央側の部分であってもよい。また、強化繊維１２の他端側の端部とは、強化繊維１２の他端であってもよく、強化繊維１２の他端より少し中央側の部分であってもよい。なお、本実施形態では、複数本の強化繊維１２の一端側の端部同士と他端側の端部同士とを同電位材１６で接続しているが、本発明はこれに限定されず、少なくとも２本の強化繊維１２の一端側の端部同士と他端側の端部同士とをそれぞれ同電位材１６で接続すれば、当該２本の強化繊維１２と同電位材１６とを含む導電性のループを形成することができる。

同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材１６は、電気伝導性を有する材料、すなわち電気伝導性材料で構成され、接続する２箇所の電位を概ね等しくする性質を有する材料である。同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材１６を構成する電気伝導性材料は、例えば、電気伝導性を有する金属材料、電気伝導性を有するセラミックスや炭素系材料等の無機材料、電気伝導性を有する有機材料等が好ましい。同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材１６を構成する電気伝導性材料が電気伝導性を有する金属材料である場合、この電気伝導性を有する金属材料は、電気伝導性の高い金属材料であることが好ましく、電気伝導性の高い金属材料としては、例えば、アルミニウム、鉄、銅、銀、金等が用いられることが好ましい。

また、同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材１６は、強化繊維１２との間に形成される接触抵抗が１００Ω以下であることが好ましく、１Ω以上１０Ω以下であることがより好ましく、これらの場合、追って説明する磁場印加ステップＳ１４において、強化繊維１２を含む導電性のループに電流が流れることを容易にすることができる。

また、同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材１６は、複合材料１０に対して塗布することで電気伝導性材料の塗布膜（例えば、金属の塗布膜）を形成する電気伝導性塗布材料（例えば、金属塗布材料）と、複合材料１０に対して着脱可能に設置及び退避することが可能な電気伝導性治具材料（例えば、金属治具材料）と、の少なくともいずれかを好適に採用することができる。また、同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材１６は、電気伝導性塗布材料と電気伝導性治具材料とを適宜組み合わせたものも好適に採用することができる。

同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として電気伝導性塗布材料を採用する場合、電気伝導性塗布材料は、電気伝導性材料の微粉末が溶剤中に分散した電気伝導性材料のペースト（例えば、金属ペースト）及び電気伝導性材料のインク（例えば、金属インク）、並びに、電気伝導性材料のイオン（例えば、金属イオン）が溶解した電気伝導性材料のめっき液（例えば、金属めっき液）の少なくともいずれかを好適に採用することができる。また、同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として電気伝導性塗布材料を採用する場合、電気伝導性塗布材料は、電気伝導性材料のペースト、電気伝導性材料のインク、及び、電気伝導性材料のめっき液を適宜組み合わせたものも好適に採用することができる。

同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として上記したような電気伝導性塗布材料を採用する場合、例えば、強化繊維１２の一端側の端部及び他端側の端部のそれぞれにおいて、複合材料１０の鉛直方向上側の面または鉛直方向下側の面に、強化繊維１２間を跨ぐように幅方向に沿って電気伝導性塗布材料の塗布及び乾燥処理を施すことで、電気伝導性材料の膜（例えば、金属膜）という形で同電位材１６を形成することができる。もしくは、同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として上記したような電気伝導性塗布材料を採用する場合、複合材料１０における強化繊維１２の一端側の側面と強化繊維１２の他端側の側面とに、強化繊維１２間を跨ぐように幅方向に沿って電気伝導性塗布材料の塗布及び乾燥処理を施すことで、電気伝導性材料の膜（例えば、金属膜）という形で同電位材１６を形成することができる。

同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として上記したような電気伝導性塗布材料を採用する場合、複合材料１０において露出する強化繊維１２の先端部分に緻密に密着した同電位材１６を形成することができるため、強化繊維１２を含む導電性のループを形成する際に生じ得る接触抵抗を最小限に低減することができるので、追って説明する磁場印加ステップＳ１４において、より多くの強化繊維１２を含む導電性のループを複合材料１０の加熱に寄与させて、加熱効率を向上させることができる。

同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として電気伝導性治具材料を採用する場合、電気伝導性治具材料は、薄くて容易に変形可能な電気伝導性材料のフォイル（例えば、金属フォイル）、電気伝導性材料のフォイルより少し厚くてある一定の剛性を有する電気伝導性材料の板（例えば、金属板）、一軸方向に延びて形成された電気伝導性材料の針（例えば、金属針）、及び、板状の長辺の一方に切込みが入れられて複数の挿入可能な歯が形成された電気伝導性材料のくし（例えば、金属くし）の少なくともいずれかを好適に採用することができる。また、同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として電気伝導性治具材料を採用する場合、電気伝導性治具材料は、電気伝導性材料のフォイル、電気伝導性材料の板、電気伝導性材料の針、及び、電気伝導性材料のくしを適宜組み合わせたものも好適に採用することができる。

同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として上記したような電気伝導性治具材料を採用する場合、例えば、強化繊維１２の一端側の端部及び他端側の端部のそれぞれにおいて、複合材料１０の鉛直方向上側の面または鉛直方向下側の面に、強化繊維１２間を跨ぐように幅方向に沿って電気伝導性治具材料の設置処理を施すことで、同電位材１６を設置することができる。もしくは、同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として上記したような電気伝導性治具材料を採用する場合、複合材料１０における強化繊維１２の一端側の側面と強化繊維１２の他端側の側面とに、強化繊維１２間を跨ぐように幅方向に沿って電気伝導性治具材料の設置処理を施すことで、同電位材１６を設置することができる。

同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として上記したような電気伝導性治具材料を採用する場合、追って説明する磁場印加ステップＳ１４において樹脂１４を反応させた後でも、追って説明する同電位材除去ステップＳ１６において取り外して退避させることができるため、強化繊維１２を含む導電性のループを形成するために同電位材１６が設置された複合材料１０の領域についても、同電位材１６の影響を低減した形で使用することを可能にする。

同電位材接続ステップＳ１２を実行することにより、電気伝導性を有する２本の強化繊維１２と、当該２本の強化繊維１２の一端側の端部同士と他端側の端部同士とを接続する電気伝導性を有する２箇所の同電位材１６とを含む導電性のループを形成する。この導電性のループは、後述する磁場印加ステップＳ１４において磁場コイル４０で印加される磁場４２によって渦電流が誘起されることを可能にしており、さらに、渦電流が誘起されるに起因して、同電位材１６よりも電気抵抗が高い強化繊維１２において、強化繊維１２自体の電気抵抗によって発熱が生じることを可能にしている。すなわち、この導電性のループは、磁場４２に応じて複合材料１０の内部に発熱を生じさせることを可能にしている。複合材料１０に含まれる強化繊維１２で生じた発熱は、複合材料１０に含まれる樹脂１４に伝えられ、樹脂１４の反応に寄与する。これにより、同電位材接続ステップＳ１２では、同電位材１６が、強化繊維１２との間で形成する導電性のループにより、複合材料１０の内部を含む領域において磁場４２の印加に応じて確実に十分な渦電流が誘起される状態とすることができるため、加熱中の複合材料１０に温度ムラが生じることが低減した状態とすることができる。

図３は、図１に示された複合材料成形方法の磁場印加ステップＳ１４を示す側面図である。なお、図２におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向と、図３におけるＸ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向とは一致し、その後の説明に用いる図面においても、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向及びＺ軸方向は、互いに一致するものとする。

本発明の第１の実施形態に係る複合材料成形方法の磁場印加ステップＳ１４を実行する複合材料成形装置２０は、図３に示すように、加圧ヘッド３０と、磁場コイル４０と、制御部５０と、を備える。複合材料成形装置２０は、後述する磁場印加ステップＳ１４を実行して、強化繊維１２に樹脂１４を含浸させて同電位材１６を配した反応前の複合材料１０を、複合材料１０における２箇所の同電位材１６の間の領域において、所定の大きさ及び所定の形状に成形しつつ、樹脂１４を反応させる。

第１の実施形態に係る複合材料成形装置２０は、図３に示すように、鉛直方向であるＺ軸方向に沿う方向に直交し、かつ、水平方向であるＸＹ平面方向に延びる平面台２２の鉛直方向上側に配置した複合材料１０に対して、後述する磁場印加ステップＳ１４を実行する。本実施形態では、複合材料成形装置２０における鉛直方向であるＺ軸方向に沿う方向と、複合材料１０の厚さ方向とが一致している。以下において、適宜、複合材料１０における鉛直方向下側を一方側と称し、複合材料１０における鉛直方向上側を他方側と称する。なお、本実施形態では、平面台２２の鉛直方向上側に配置した複合材料１０に対して磁場印加ステップＳ１４を実行するが、本発明はこれに限定されず、いかなる配置の複合材料１０に対して磁場印加ステップＳ１４を実行する形態であってもよい。

また、２箇所の同電位材１６の間の領域のうち、複合材料１０において加圧ヘッド３０及び磁場コイル４０により加圧処理及び加熱処理を受ける領域の部分を、所定の領域１８と称する。また、所定の領域１８は、本実施形態では、複合材料１０における２箇所の同電位材１６の間の領域の一部であるが、本発明はこれに限定されず、複合材料１０における２箇所の同電位材１６の間の領域の全部であってもよく、複合材料１０における２箇所の同電位材１６の間の領域の一部または全部を含む領域であってもよい。

平面台２２は、磁場コイル４０が印加する磁場４２に対して透明な材料、すなわち、磁場コイル４０が印加する磁場４２によってほとんど内部に渦電流を誘起されず、磁場コイル４０が印加する磁場４２に応じてほとんど内部に発熱を生じさせない材料で構成されている。平面台２２を形成する材料は、第１の実施形態では、いずれも、磁場４２に対して透明であり、かつ、耐圧性及び耐熱性が高い材料であるＰＥＥＫ樹脂、及びセラミックスが好ましい。

加圧ヘッド３０は、図３に示すように、複合材料１０の所定の領域１８の他方側と対向して設けられており、複合材料１０及び平面台２２を介して、磁場コイル４０と鉛直方向に対向して設けられている。加圧ヘッド３０は、複合材料１０の所定の領域１８を、複合材料１０の他方側から加圧する。

加圧ヘッド３０は、図２に示すように、加圧ヘッド本体３２を含む。加圧ヘッド本体３２は、磁場コイル４０が印加する磁場４２に対して透明な材料で形成されている。加圧ヘッド本体３２を形成する材料は、磁場４２に対して透明で、かつ、耐圧性及び耐熱性が高い材料であるＰＥＥＫ樹脂、及びセラミックスであることが好ましい。

加圧ヘッド本体３２は、鉛直方向上側に、図示しない加圧シリンダが設けられており、この加圧シリンダが制御部５０と電気的に接続されている。加圧ヘッド３０は、制御部５０により加圧ヘッド本体３２の加圧シリンダが制御されることにより、複合材料１０に対して相対的に鉛直方向上下に移動することができ、かつ、複合材料１０に対して鉛直方向下側へ向けて印加する圧力を変更することができる。加圧ヘッド３０は、複合材料１０の所定の領域１８を２００ｋＰａ以上８００ｋＰａ以下で加圧することが好ましく、３００ｋＰａ以上６００ｋＰａ以下で加圧することがより好ましい。

磁場コイル４０は、図３に示すように、複合材料１０の所定の領域１８の一方側と対向して設けられており、平面台２２及び複合材料１０を介して、加圧ヘッド３０と鉛直方向に対向して設けられている。磁場コイル４０は、複合材料１０の所定の領域１８に、複合材料１０の一方側から磁場４２を印加する。

磁場コイル４０は、第１の実施形態では、１つのコイルが配置された形態が例示されるが、複数のコイルが所定の形状、例えば正方形状に配列された形態が用いられてもよい。磁場コイル４０は、コイルが配置された水平方向の領域と同等の領域に磁場４２を印加する。第１の実施形態では、磁場コイル４０が磁場４２を印加する領域は、複合材料１０の所定の領域１８に対応していることが好ましい。

磁場コイル４０に含まれるコイルは、コイルの中心軸が複合材料１０の延びる平面と交差する方向を向いている。磁場コイル４０は、強化繊維１２が並ぶ面と交差する方向に沿って磁場４２を発生させることで、同電位材接続ステップＳ１２で形成した強化繊維１２と同電位材１６とによる導電性のループが形成する平面と交差する方向に沿って磁場４２を発生させる。磁場コイル４０は、磁場コイル４０の鉛直方向上側の端部が複合材料１０の一方側の面と所定の距離を離して配置されている。この所定の距離は、１．５ｃｍが例示される。

磁場コイル４０に含まれるコイルは、コイルの中心軸が鉛直方向に沿った方向を向いていることが好ましい。この場合、磁場コイル４０は、強化繊維１２が並ぶ面と直交する方向に沿って磁場４２を発生させることで、同電位材接続ステップＳ１２で形成した強化繊維１２と同電位材１６とによる導電性のループが形成する平面と直交する方向に沿って磁場４２を発生させる。そして、磁場コイル４０は、この導電性のループが形成する平面と直交する方向に沿った磁場４２を印加することで、この導電性のループに効率よく渦電流を誘起させることができるため、効率よく発熱を生じさせることができる。このため、磁場コイル４０は、効率よく複合材料１０の所定の領域１８を加熱することができる。

磁場コイル４０は、制御部５０と電気的に接続されている。磁場コイル４０は、制御部５０により制御されることにより、複合材料１０に対して鉛直方向上側へ向けて印加する磁場４２の大きさ及び周波数等を変更することができる。磁場コイル４０は、複合材料１０の所定の領域１８に９００ｋＨｚ以上の高周波磁場を印加することが好ましい。

制御部５０は、加圧ヘッド本体３２に設けられている加圧シリンダと、電気的に接続されている。制御部５０は、磁場コイル４０と電気的に接続されている。制御部５０は、加圧シリンダを制御することで加圧ヘッド３０を制御し、これにより、加圧ヘッド３０の複合材料１０に対する相対的な鉛直方向の位置と、複合材料１０に対して鉛直方向下側へ向けて印加する圧力と、等を制御することができる。制御部５０は、磁場コイル４０に流す電流を制御することで、磁場コイル４０が印加する磁場４２の大きさ及び周波数を制御することができ、これにより、複合材料１０の具体的な樹脂の組成等に応じて、複合材料１０を加熱する加熱温度、昇温速度、及び加熱時間を制御することができる。

制御部５０は、記憶部と、処理部と、を備える。記憶部は、例えばＲＡＭ、ＲＯＭ及びフラッシュメモリー等の記憶装置を有し、処理部により処理されるソフトウェア・プログラム及びこのソフトウェア・プログラムにより参照されるデータ等を記憶する。また、記憶部は、処理部が処理結果等を一時的に記憶する記憶領域としても機能する。処理部は、記憶部からソフトウェア・プログラム等を読み出して処理することで、ソフトウェア・プログラムの内容に応じた機能、具体的には、複合材料成形装置２０によって実行される複合材料成形方法における磁場印加ステップＳ１４の実行を可能にする種々の機能を発揮する。

複合材料成形装置２０は、複合材料１０に対する加圧ヘッド３０の水平方向の位置と、複合材料１０に対する磁場コイル４０の水平方向の位置と、を同期して変化させる図示しない移動機構が設けられていてもよい。この移動機構は、制御部５０により制御され、複合材料成形装置２０による成形加工中に、加圧ヘッド３０により加圧する領域及び磁場コイル４０により磁場４２を印加する領域である所定の領域１８を、複合材料１０において移動させることができる。制御部５０は、所定の領域１８が複合材料１０のどの領域を移動したかどうかを、随時判定することができる。

同電位材接続ステップＳ１２の後、同電位材１６を設置した反応前の複合材料１０に対して、磁場印加ステップＳ１４に先駆けて、磁場印加ステップＳ１４を実行するためのステップを実行する。具体的には、まず、平面台２２の鉛直方向上側に反応前の複合材料１０を配置する配置ステップを実行する。

次に、平面台２２に配置された反応前の複合材料１０に、加圧ヘッド３０により加圧する加圧ステップを実行する。この加圧ステップでは、詳細には、まず、制御部５０が、同電位材１６を設置した反応前の複合材料１０の他方側と鉛直方向に対向する位置に、加圧ヘッド３０を移動させて、加圧ヘッド３０を複合材料１０の所定の領域１８に向けた状態とする。この加圧ステップでは、次に、制御部５０が、加圧ヘッド３０を複合材料１０の所定の領域１８の他方側に押し当てながら、複合材料１０の所定の領域１８を他方側から加圧する。

磁場印加ステップＳ１４は、図３に示すように、複合材料成形装置２０が磁場コイル４０により、同電位材接続ステップＳ１２で形成した強化繊維１２を含む導電性のループが形成する面に交差する方向に磁場４２を印加するステップである。

磁場印加ステップＳ１４では、具体的には、まず、制御部５０が、平面台２２の上に配置され、加圧ヘッド３０により加圧された状態の複合材料１０の所定の領域１８の一方側と鉛直方向に対向する位置に、複合材料１０の所定の領域１８に向けて磁場コイル４０を移動させて配置する。磁場印加ステップＳ１４では、次に、制御部５０が、磁場コイル４０に電流を流すことで、磁場コイル４０により複合材料１０の一方側から磁場４２を印加して、複合材料１０の所定の領域１８を加熱することで、複合材料１０を構成する樹脂１４を反応させる。

磁場印加ステップＳ１４では、同電位材接続ステップＳ１２で形成した強化繊維１２と同電位材１６とを含む導電性のループが形成する平面と交差する方向に沿って磁場４２を発生させる。このため、磁場印加ステップＳ１４では、この導電性のループが、この導電性のループが形成する平面と直交する方向に沿った磁場４２が印加されることで、効率よく渦電流が誘起されるため、効率よく発熱を生じさせることができる。このため、磁場印加ステップＳ１４では、効率よく複合材料１０の所定の領域１８を加熱することができる。

なお、本実施形態では、磁場印加ステップＳ１４において、複合材料１０の所定の領域１８を加圧ヘッド３０により加圧しながら、磁場コイル４０を使用して磁場加熱しているが、本発明はこれに限定されず、加圧ヘッド３０とは異なる機器を使用して加圧しながら磁場加熱する形態でもよく、予め圧縮処理をして圧縮状態にした複合材料１０を加圧しない状態で磁場加熱する形態でもよい。

同電位材除去ステップＳ１６は、磁場印加ステップＳ１４の後に実行され、同電位材接続ステップＳ１２によって設置された同電位材１６を除去するステップである。

図４は、図１に示された複合材料成形方法の同電位材除去ステップＳ１６の第１例を示す上面図である。同電位材除去ステップＳ１６では、同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として電気伝導性塗布材料を採用した場合、図４に示すように、２箇所の同電位材１６の互いに対向する側の端部に沿った切断線１９で切断することで、同電位材１６が接続された複合材料１０の２箇所の領域を切除することが好ましい。同電位材除去ステップＳ１６では、本実施形態では、繊維方向の一端側の端部である＋Ｘ側の同電位材１６が接続された部分と、繊維方向の他端側の端部である−Ｘ側の同電位材１６が接続された部分と、を切除することで、繊維方向の中央領域の同電位材１６が接続されていない部分を取り出して、複合材料１０の成形品とする。

図５は、図１に示された複合材料成形方法の同電位材除去ステップＳ１６の第２例を示す上面図である。同電位材除去ステップＳ１６では、同電位材接続ステップＳ１２において同電位材１６として電気伝導性治具材料を採用した場合、図５に示すように、２箇所に設置した同電位材１６を取り外して退避させることが好ましい。同電位材除去ステップＳ１６では、同電位材１６を取り外して退避させることで、同電位材１６が接続されていた両端側も含めた全体部分を、複合材料１０の成形品とする。

第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、以上のような構成を有するので、強化繊維１２と複合材料１０における端部に配置した同電位材１６とにより導電性のループを形成するので、磁場４２の印加に応じて複合材料１０における同電位材１６の間の領域において、すなわち複合材料１０の全体に渡って、十分な渦電流を誘起することができるため、加熱中の複合材料１０に温度ムラが生じることを低減することができる。これにより、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、樹脂１４を反応させて得られる複合材料１０に強度ムラが生じることを低減することができるので、高品質な複合材料１０を得ることができる。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、同電位材接続ステップＳ１２では、２本の強化繊維１２の一端側の端部同士と他端側の端部同士とを２箇所の同電位材１６で接続する。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、当該２本の強化繊維１２を含む導電性のループを形成するので、当該２本の強化繊維１２の間の領域において十分な渦電流を誘起することができる。これにより、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、強化繊維１２が配された複合材料１０の如何なる領域において十分な渦電流を誘起することができるため、加熱中の複合材料１０に温度ムラが生じることをさらに低減することができる。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、同電位材接続ステップＳ１２では、同電位材１６として、強化繊維１２との間に形成される接触抵抗が１００Ω以下である。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、強化繊維１２を含む導電性のループに電流が流れることを容易にすることができる。これにより、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、より多くの強化繊維１２を含む導電性のループを複合材料１０の加熱に寄与させて、加熱効率を向上させることができる。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、磁場印加ステップＳ１４の後に、同電位材１６を除去する同電位材除去ステップＳ１６をさらに有する。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、強度ムラが生じることを低減した複合材料１０を、同電位材１６の影響を受けない形で使用することを可能にする。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、同電位材接続ステップＳ１２において、同電位材１６として電気伝導性治具材料を使用し、複合材料１０に電気伝導性治具材料を設置することで導電性のループを形成し、同電位材除去ステップＳ１６において、同電位材１６としての電気伝導性治具材料を複合材料１０から退避させることができる。この場合、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、電気伝導性治具材料として、電気伝導性材料のフォイル、電気伝導性材料の板、電気伝導性材料の針、及び、電気伝導性材料のくし部材の少なくともいずれかを含むものを採用することができる。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、強化繊維１２を含む導電性のループを形成するために同電位材１６が設置された複合材料１０の領域についても、同電位材１６の影響を低減した形で使用することを可能にする。

また、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、同電位材接続ステップＳ１２において、同電位材１６として電気伝導性塗布材料を使用し、複合材料１０に電気伝導性塗布材料を塗布することで導電性のループを形成し、同電位材除去ステップＳ１６において、複合材料１０における電気伝導性塗布材料が塗布された領域を切除することができる。この場合、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、電気伝導性塗布材料として、電気伝導性材料のペースト、電気伝導性材料のインク、及び、電気伝導性材料のめっき液の少なくともいずれかを含むものを採用することができる。このため、第１の実施形態に係る複合材料成形方法は、強化繊維１２を含む導電性のループを形成する際に生じ得る接触抵抗を最小限に低減することができるので、より多くの強化繊維１２を含む導電性のループを複合材料１０の加熱に寄与させて、加熱効率を向上させることができる。

［第２の実施形態］
図６は、本発明の第２の実施形態に係る複合材料成形方法の同電位材接続ステップＳ１２を示す上面図である。第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、第１の実施形態に係る複合材料成形方法において、同電位材接続ステップＳ１２で樹脂１４の反応前の複合材料１０に対して設置する同電位材１６を同電位材５６に変更したものである。第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、他の構成については、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様である。第２の実施形態に係る複合材料成形方法の説明では、第１の実施形態に係る複合材料成形方法と同様の構成に第１の実施形態と同一の符号群を用い、その詳細な説明を省略する。

第２の実施形態に係る複合材料成形方法の同電位材接続ステップＳ１２で使用する同電位材５６は、図６に示すように、一対の両端部材５７と、一対の両端接続部材５８と、を有する。一対の両端部材５７と、一対の両端接続部材５８とは、いずれも、同電位材１６と同様の電気伝導性材料で構成されている。また、一対の両端部材５７と、一対の両端接続部材５８とは、本実施形態では、いずれも、電気伝導性治具材料を使用しているが、本発明はこれに限定されず、これらの一部または全部について、電気伝導性塗布材料を使用してもよい。

一対の両端部材５７は、同電位材接続ステップＳ１２で設置される際に、複合材料１０の幅方向に沿って、一方が強化繊維１２の一端側の端部同士を跨ぐように、他方が強化繊維１２の他端側の端部同士を跨ぐように、それぞれ配置される部分であり、複合材料１０の幅方向の長さよりも、幅方向に長く形成されている。

一対の両端接続部材５８は、同電位材接続ステップＳ１２で設置される際に、複合材料１０の繊維方向に沿って、複合材料１０に対して幅方向の両外側にそれぞれ配置される部分であり、互いに平行に形成され、一端が一対の両端部材５７の一方と電気的に接続され、他端が一対の両端部材５７の他方と電気的に接続されている。

本発明の第２の実施形態に係る複合材料成形方法の同電位材接続ステップＳ１２は、図６に示すように、同一の強化繊維１２の一端側の端部と他端側の端部とを同電位材５６で接続するステップである。第２の実施形態に係る同電位材接続ステップＳ１２では、具体的には、同電位材５６における一対の両端部材５７を、一方が強化繊維１２の一端側の端部同士を跨ぐように、他方が強化繊維１２の他端側の端部同士を跨ぐように、複合材料１０に設置する。第２の実施形態に係る同電位材接続ステップＳ１２では、この設置に伴い、一対の両端接続部材５８を、強化繊維１２に対して概ね平行な方向に沿って、複合材料１０に対して幅方向の両外側にそれぞれ配置する。

このように、第２の実施形態に係る同電位材接続ステップＳ１２では、複合材料１０に対して幅方向の一方側にある任意の１本のみの強化繊維１２と、一対の両端部材５７と、一対の両端接続部材５８の一方とを含む図６に示す導電性のループ５９を、複合材料１０の内部と複合材料１０の幅方向の外側の一方とを跨ぐように形成し、なおかつ、複合材料１０に対して幅方向の他方側にある任意の１本のみの強化繊維１２と、一対の両端部材５７と、一対の両端接続部材５８の他方とを含む図６に示す導電性のループ５９を、複合材料１０の内部と複合材料１０の幅方向の外側の他方とを跨ぐように形成する。すなわち、第２の実施形態に係る同電位材接続ステップＳ１２では、所定の２本の強化繊維１２の間の領域を、十分な渦電流を誘起する領域の間に配することができ、これにより、複合材料１０が配置されている領域を、十分な渦電流を誘起する領域の間に配することができる。なお、十分な渦電流を誘起する領域の間は、加熱効率が好ましい領域となる。

第２の実施形態に係る同電位材接続ステップＳ１２では、上記したように、図６に示す導電性のループ５９を形成するので、その後に実行する第２の実施形態に係る磁場印加ステップＳ１４では、これらの導電性のループ５９が形成する平面と交差する方向に沿って磁場４２を発生させることで、効率よく渦電流を誘起するため、効率よく発熱を生じさせて、効率よく複合材料１０を加熱することができる。

第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、以上のような構成を有するので、２本の強化繊維１２の一端側の端部同士と他端側の端部同士とを２箇所の同電位材１６で接続することによってもたらされる作用効果を除き、第１の実施形態に係る複合材料成形方法がもたらすものと同様の作用効果をもたらす。

また、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、同電位材接続ステップＳ１２において、同一の強化繊維１２の一端側の端部と他端側の端部とを同電位材５６で接続する。このため、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、当該１本のみの強化繊維１２を含む導電性のループ５９を形成するので、所定の２本の強化繊維１２の間の領域を、十分な渦電流を誘起する領域の間に配することができる。なお、十分な渦電流を誘起する領域の間は、加熱効率が好ましい領域となる。これにより、第２の実施形態に係る複合材料成形方法は、強化繊維１２が配された複合材料１０の如何なる領域も、加熱領域が好ましい領域にすることができるため、加熱中の複合材料１０に温度ムラが生じることをさらに低減することができる。

［第３の実施形態］
第３の実施形態に係る複合材料成形方法は、第１の実施形態及び第２の実施形態の各形態に対し、成形される複合材料１０として強化繊維１２と樹脂１４としての熱可塑性樹脂繊維との混紡であるコミングル材を選択したものである。コミングル材は、強化繊維１２と熱可塑性樹脂繊維とをニット状に織り込んだコミングルニット材も含む。第３の実施形態に係る複合材料成形方法及びこの方法により成形される複合材料１０であるコミングル材は、以上のような構成を有するので、第１の実施形態及び第２の実施形態の各形態と同様の作用効果を奏する。

１０ 複合材料
１２ 強化繊維
１４ 樹脂
１６，５６ 同電位材
１８ 所定の領域
１９ 切断線
２０ 複合材料成形装置
２２ 平面台
３０ 加圧ヘッド
３２ 加圧ヘッド本体
４０ 磁場コイル
４２ 磁場
５０ 制御部
５７ 両端部材
５８ 両端接続部材
５９ 導電性のループ

Claims (9)

1. 強化繊維を有する複合材料の成形方法であって、
   反応前の前記複合材料に、前記強化繊維の端部を同電位材で接続して、前記強化繊維を含む導電性のループを形成する同電位材接続ステップと、
   前記導電性のループが形成する面に交差する方向に磁場を印加する磁場印加ステップと、
   を有することを特徴とする複合材料成形方法。
2. 前記同電位材接続ステップでは、２本の前記強化繊維の一端側の前記端部同士と他端側の前記端部同士とを前記同電位材で接続することを特徴とする請求項１に記載の複合材料成形方法。
3. 前記同電位材接続ステップでは、同一の前記強化繊維の一端側の前記端部と他端側の前記端部とを前記同電位材で接続することを特徴とする請求項１に記載の複合材料成形方法。
4. 前記同電位材接続ステップでは、前記同電位材として、前記強化繊維との間に形成される接触抵抗が１００Ω以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の複合材料成形方法。
5. 前記磁場印加ステップの後に、前記同電位材を除去する同電位材除去ステップをさらに有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の複合材料成形方法。
6. 前記同電位材接続ステップでは、前記同電位材として電気伝導性治具材料を使用し、前記複合材料に前記電気伝導性治具材料を設置することで前記導電性のループを形成し、
   前記同電位材除去ステップでは、前記同電位材としての前記電気伝導性治具材料を前記複合材料から退避させることを特徴とする請求項５に記載の複合材料成形方法。
7. 前記電気伝導性治具材料は、電気伝導性材料のフォイル、電気伝導性材料の板、電気伝導性材料の針、及び、電気伝導性材料のくし部材の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項６に記載の複合材料成形方法。
8. 前記同電位材接続ステップでは、前記同電位材として電気伝導性塗布材料を使用し、前記複合材料に前記電気伝導性塗布材料を塗布することで前記導電性のループを形成し、
   前記同電位材除去ステップでは、前記複合材料における前記電気伝導性塗布材料が塗布された領域を切除することを特徴とする請求項５に記載の複合材料成形方法。
9. 前記電気伝導性塗布材料は、電気伝導性材料のペースト、電気伝導性材料のインク、及び、電気伝導性材料のめっき液の少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項８に記載の複合材料成形方法。

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