複合材の未硬化連続予備成形方法

【課題】熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグ材を未硬化状態で連続的に予備成形する方法を提供する。
【解決手段】プリプレグ材のシートをローラーから引き出して積層し、湾曲装置で所定の断面形状に折り曲げる。ヒーターを備えた金型で連続的に長尺の製品に成形する。金型でプリプレグ材に加える温度と圧力は、常温または熱硬化性樹脂がゲル化をしない加熱温度で、かつ、プリプレグ材か成形された状態を維持する圧力範囲を選択する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維などに熱硬化型樹脂を含浸させた複合材のプリプレグを未硬化状態で連続して予備成形する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリプレグ材料を連続成形する技術は、例えば下記の特許文献１に開示されている。また、繊維強化複合材を半硬化状態にして利用する技術も、下記特許文献２〜５等に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１９１４１８号公報
【特許文献２】特開２００１−２９３７９０号公報
【特許文献３】特開２００１−３１０７９８号公報
【特許文献４】特開２００１−３１５１４９号公報
【特許文献５】特開２０００−１５７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した文献２〜文献５に開示されたものは、いずれも半硬化複合材料を使用することは開示されてはいるが、これらの材料を連続成形で効率良く製造する方法を開示してはいない。
【０００４】
本発明は、プリプレグ材料の加熱温度と硬化の進行との関係を各種の実験を通じて解析し、未硬化複合材料を連続的に製造する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のプリプレグ複合材を直線状の長尺材に未硬化の状態で連続的に予備成形する方法は、ロールに巻かれたプリプレグ材を送り出す工程と、ロールから送り出されたプリプレグ材を積層して所定の断面形状に湾曲させる工程と、湾曲されたプリプレグ材をヒーターを備えた金型で予備成形する工程と、予備成形されたプリプレグ材を金型から引き出す牽引工程とを備え、金型で成形する工程は、プリプレグ材に含浸された熱硬化樹脂はゲル化せず、かつプリプレグ材は成形された形状を維持する温度と圧力の加工条件の下に行われ、予備成形された複合材を後工程で相手部材に合わせて３次元形状に変形させて完全硬化させることで、相手部材の補強部材を構成することを特徴とするものである。
そして、プリプレグ材は間欠的に金型に送られるか、または連続的に金型に送られるものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、未硬化状態のプリプレグ複合材を連続して予備成形することができるので、予備成形された複合材を後工程で相手部材に合わせて３次元形状に変形させて完全硬化させることで、補強材等として活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の適用例を示す説明図である。
航空機の胴体１は外板２の内面３に補強材であるストリンガー１０を接合して必要な強度を得る。外板２の内面３は、３次元の曲面に形成されるので、ストリンガー１０もこの曲面に対応する形状に形成される必要がある。
【０００８】
図２に示すストリンガーの素材は、スキン１２とリブ１４を有する断面Ｔ字形のもので、柔軟性を有する複合材の未硬化材料１０Ｆを使用する場合を示す。後述する連続成形装置により製造された複合材の未硬化材料１０Ｆを所定の長さに切断し、外板２の内面３に沿って押し付けると、未硬化材料１０Ｆは内面３の曲面に対応して変形する。この状態でオートクレーブ等の加熱・加圧装置を使用して未硬化材料１０Ｆを加熱・加圧して完全硬化させる。
【０００９】
図３は、ストリンガーを予め完全硬化させたものを示す。
連続成型装置により製造された未硬化材料を所定の長さに切断し、胴体２の内面の形状に対応する形状を有する金型に載せて、加熱・加圧して完全硬化材料１０Ｓを製造する。
この完全硬化材料１０Ｓは、スキン１２とリブ１４を有する断面Ｔ字形のもので、接合される胴体の内面３の曲率に対応する曲率Ｃ_１を備える。この完全硬化材料１０Ｓを内面３に適宜の接合手段により接合して、胴体を製造する。
【００１０】
図４はハット形断面を有するストリンガー素材を示し、例えばこのような形状の未硬化材料１０’も製造が可能である。
【００１１】
図５はハット形断面のストリンガーを予め完全硬化させたものを示す。例えばこのような形状のストリンガー１０’’も製造が可能である。
【００１２】
図６は、プリプレグ複合材の未硬化材料を間欠的に連続成形する装置の一例を示す。
連続成形装置１００は、プリプレグ材１１０を供給するロール１２０、ガイドローラー１３０、湾曲装置１４０を備える。
【００１３】
図７は、供給されるプリプレグ材１１０の断面構造を示し、プリプレグシート１１２は、キャリアフィルム１１４とセパレータフィルム１１６に挟まれた状態でロール１２０から供給される。ローラー１３０，１３２を通過する間に、セパレータフィルム１１６は剥離され、プリプレグシート１１２とキャリアフィルム１１４の積層体は湾曲装置１４０へ向けて送られる。
【００１４】
図８は、湾曲装置１４０を通過する間に積層されたプリプレグ材がＨ字形に折り曲げられる状態を示す。
図６に示すように、湾曲装置１４０の下流側には、プレス装置１５０が配設される。このプレス装置１５０の更に下流側には固定クランプ装置１６０と牽引クランプ装置１７０が配設される。
【００１５】
図９は、プレス装置１５０の金型の構造を示す説明図である。
固定される下金型１５４に対向して上金型１５２が設けられ、上金型１５２はアクチュエータ１５２ａにより上下に駆動される。
左右の金型１５６，１５８もアクチュエータ１５６ａ，１５８ａにより横方向に駆動され、プリプレグ積層体Ｗ_１をＨ字形状にプレス加工する。
各金型は、内部にヒーターを備え、所定の温度に加熱することができる。
固定クランプ装置１６０と牽引装置１７０はタイミングを合わせて、帯状のプリプレグ積層体Ｗ_１を間欠的にプレス装置１５０から引き出す。
【００１６】
図１０は、連続成形装置１００の作動を示すタイミングチャートを示す。
チャートは、横軸に時間を、たて軸に金型やクランプの開閉と移動を示す。この作動により未硬化成形製品Ｗ_１は間欠的に、かつ連続的に所定の断面形状を有する長尺の製品に成形される。この作動により、例えば毎分０．５メートル程度の成形速度が得られる。
【００１７】
図１１は、プリプレグ複合材の未硬化材料を連続成形する装置の他の例を示す。
連続成形装置２００は、プリプレグ材２１０を供給するロール２２０、ガイドローラー２３０、湾曲装置２４０を備える。これらの装置は、先に説明した実施例のものと同様である。
湾曲装置２４０により折り曲げられたプリプレグ材は、加圧ローラー装置２５０に送られる。
【００１８】
図１２は、加圧ローラーの構成を示し、Ｈ字形の製品Ｗ１の両側壁を加圧するローラー２５１，２５２，２５３と、両側壁を結ぶフランジ部を加圧するローラー２５４，２５５を備える。
各ローラーは内部にヒーターを備え、プリプレグ材に必要な熱を加えることができる。
未硬化成形製品Ｗ_１は、牽引ローラー装置２６０により連続的に引き出される。この引き出し速度は、例えば、毎分２メートル程度に設定される。
【００１９】
図１３は、プリプレグ材のゲル化に要する時間と温度の関係を示す図である。
横軸に温度を、たて軸に加熱時間をとったときに、１８０℃硬化型のプリプレグ材の温度−ゲル化特性をラインＬ_１で示す。このラインの右側の領域Ｋ_２では、ゲル化が始まり、熱硬化が進行する。
すなわち、熱硬化の進行は、加熱温度と、加熱時間の関係で決定される。
【００２０】
符号ＨＥ_２で示す温度範囲にあっては、短時間の加熱の後に常温に戻すと、完全硬化には達しないもののかなりの硬度を有し、自由な変形が困難である。
常温を含む温度範囲ＨＥ_１では、プリプレグ材に含浸される熱硬化樹脂はゲル化せずに、プリプレグ材は金型で成形された形状を維持する。
【００２１】
図１４はプリプレグの温度−粘度曲線である。温度により樹脂の粘度が変化するので、金型温度により予備成形後の性状を選択することができる。常温あるいはそれに近い低温では粘度が高いためプリプレグ同士の密着度は低く、層間あるいは層内の気泡は除去されない。金型温度が高いほど粘度が下がるので、密着性は良くなり、プリプレグ各層は一体化し、かなりの気泡の除去が期待できる。
【００２２】
未硬化成形品は後工程としての完全硬化の過程で加熱、加圧され樹脂粘度が一時下がってから硬化するので気泡を除去することができる。
【００２３】
本発明は、以上の特性に着目して、プリプレグ材の未硬化製品を連続成形する方法を開発したものである。
【００２４】
図１５は、上述した装置で作られた未硬化成形製品Ｗ_１を示す。この製品は断面Ｈ字形状を有するので、これを２分割に切断して、Ｔ字形の未硬化材料１０Ｆを得る。
この未硬化材料１０Ｆは柔軟性を有するので、例えば、図１に示す航空機の胴体１の外板２の内面３に接合し、所定の加熱・加圧を加えることにより完全硬化し、ストリンガーとしての機能を発揮する。
【００２５】
図１６は、未硬化材料１０Ｆを治具Ｊ_１上に載せて、未硬化材料１０Ｆと曲面を持つ治具Ｊ_１の形状に対応する形状に変形させ、治具Ｊ_１と未硬化材料１０Ｆを真空パック等に収容して加圧し、オートクレーブ等に入れて加熱して、完全硬化材料１０Ｓを製造する工程を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の適用例を示す説明図
【図２】未硬化ストリンガーの例を示す説明図
【図３】完全硬化ストリンガーの例を示す説明図
【図４】ハット形断面を有するストリンガー素材を示す説明図
【図５】ハット形断面のストリンガーを予め完全硬化させたものを示す説明図
【図６】プリプレグ複合材の未硬化連続成形装置の一例を示す説明図
【図７】プリプレグ材の断面構造を示す説明図
【図８】プリプレグ材の折り曲げ状態を示す説明図
【図９】プレス装置の金型の構造を示す説明図
【図１０】連続成形装置のタイミングチャート
【図１１】プリプレグ複合材の未硬化連続成形装置の他の例を示す説明図
【図１２】加圧ローラーの構成を示す説明図
【図１３】プリプレグ材のゲル化を示す説明図
【図１４】プリプレグの温度‐粘度曲線を示す説明図
【図１５】未硬化成形製品の説明図
【図１６】完全硬化材料の製造工程を示す説明図
【符号の説明】
【００２７】
１航空機の胴体
２外板
３内壁
１０ストリンガー
１０Ｆ未硬化材料
１０Ｓ完全硬化材料
１００複合材の未硬化連続予備成形装置

【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリプレグ複合材を直線状の長尺材に未硬化の状態で連続的に予備成形する方法であって、
ロールに巻かれたプリプレグ材を送り出す工程と、ロールから送り出されたプリプレグ材を積層して所定の断面形状に湾曲させる工程と、湾曲されたプリプレグ材をヒーターを備えた金型で予備成形する工程と、予備成形されたプリプレグ材を金型から引き出す牽引工程とを備え、
金型で予備成形する工程は、プリプレグ材に含浸された熱硬化樹脂はゲル化せず、かつプリプレグ材は成形された形状を維持する温度と圧力の加工条件の下に行われ、予備成形された複合材を後工程で相手部材に合わせて３次元形状に変形させて完全硬化させることで、相手部材の補強部材を構成することを特徴とする複合材の未硬化連続予備成形方法。
【請求項２】
プリプレグ材は間欠的に金型に送られることを特徴とする請求項１記載の複合材の未硬化連続予備成形方法。
【請求項３】
プリプレグ材は連続的に金型に送られることを特徴とする請求項１記載の複合材の未硬化連続予備成形方法。

【図１】