複合材中空部品の成形方法及び成形装置

【課題】板厚が厚くなっても皺の発生を抑制しつつ、小額の設備投資で成形品質の高い中量産部品を成形できる成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。
【解決手段】複合材中空部品の成形方法は、架台２上に、保持部により該架台２と間隔をあけてツール３を保持し、該ツール３上に、繊維で強化された樹脂からなるプリプレグ７を載置し、プリプレグ７の上から、ツール３及びプリプレグ７を高伸度シート５で被覆し、高伸度シート５とツール３及びプリプレグ７の外周側で、高伸度シート５がプリプレグ７と接触するプリプレグ７の頂部から端部にかけて高伸度シート５に張力がかかるよう高伸度シート５と架台２とを固定治具６により固定してツール３及びプリプレグ７を収容した密閉空間Ｓを形成した後、密閉空間Ｓ内に接続された真空引き装置により、密閉空間Ｓ内を真空引きしてツール３にプリプレグ７を巻きつける。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材中空部品の成形方法及び成形装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化樹脂等の樹脂基複合材は、軽量で高強度であるため、航空機、自動車、船舶等の構造部材として広く用いられている。樹脂基複合材は、一般的に、繊維で強化された樹脂からなるプリプレグを複数枚積層し、加熱・加圧処理されて形成される（特許文献１参照）。
【０００３】
樹脂基複合材からなる中空部品の成形方法として、ハンドレイアップ成形法と機械でのレイアップ成形法がある。
ハンドレイアップ成形法では、作業者が手で治具にプレプレグを巻きつけた後、加熱・加圧処理して樹脂を硬化させる。ハンドレイアップ成形法は、設備投資が不要という利点があるが、一般的に巻付力が小さい。
機械でのレイアップ成形法では、機械により力をかけながらプリプレグを治具に巻きつけ後、加熱・加圧処理して樹脂を硬化させる。機械でのレイアップ成形法は、初期の設備投資が大きいが、部品の大量生産に適している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−６０７７０号公報（請求項１、段落［０００２］）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
プリプレグは、加熱・加圧されると樹脂が軟化する。樹脂が軟化すると、繊維強化基材中の繊維が動きやすくなるとともに、加圧により部分的に板厚変化が生じる。板厚が変化すると、余剰繊維が移動し行き場をなくすため、偏在したまま硬化してしまい、成形品に皺を発生させる場合がある。成形品の板厚が厚くなるほど、板厚変化は大きくなるため、これに付随して、周方向の繊維に余剰が生じやすくなり、成形品質を低下させる。
【０００６】
余剰繊維の発生には樹脂の硬化収縮や硬化時の圧力が影響する。プリプレグのレイアップ時の巻付力が小さいと、繊維がだぶ付き易くなり、皺の発生を促進してしまう。図８にハンドレイアップ成形法により治具にプリプレグを巻きつけた時の概略断面図を示す。同図において、紙面左側がプリプレグ硬化前、紙面右側がプリプレグ硬化後である。図８に示すように、ハンドレイアップ成形法は、巻付力が弱いため、成形品質の達成が困難である。機械でのレイアップ成形法は巻付力が大きいため、皺を発生させることなく成形することができるが、航空機部品などの中量産部品では、初期の設備投資が大きな負担となる。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、板厚が厚くなっても皺の発生を抑制しつつ、小額の設備投資で成形品質の高い中量産部品を成形できる成形方法及び成形装置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】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明は、架台上に、保持部により該架台と間隔をあけてツールを保持し、該ツール上に、繊維で強化された樹脂からなるプリプレグを載置し、前記プリプレグの上から、前記ツール及び前記プリプレグを高伸度シートで被覆し、前記高伸度シートと前記ツール及び前記プリプレグの外周側で、前記高伸度シートが前記プリプレグと接触する前記プリプレグの頂部から端部にかけて前記高伸度シートに張力がかかるよう前記高伸度シートと前記架台とを固定治具により固定して前記ツール及び前記プリプレグを収容した密閉空間を形成した後、前記密閉空間内に接続された真空引き装置により、前記密閉空間内を真空引きして前記ツールに前記プリプレグを巻きつける複合材中空部品の成形方法を提供する。
【０００９】
上記発明によれば、プリプレグの頂部に張力（テンション）がかかるよう高伸度シートを固定するため、密閉空間内を真空引きしたときに、プリプレグの頂部を始点として密閉空間内が真空となる。これにより、真空引きの初期段階ではプリプレグの頂部部分に真空圧が付加され、順次ツールまたは下層のプリプレグ間に巻き込まれていた空気が除去されながら、プリプレグがツール表面に巻付けられていく。それにより、プリプレグが余剰なくツール表面に密着するため、巻付力に起因する樹脂の硬化後の皺の発生を低減させることができる。
【００１０】
上記発明の一態様において、前記プリプレグの頂部が、前記プリプレグの外周方向に向けて凸面となるよう前記ツールを配置することが好ましい。
【００１１】
上記のようにツールを配置することで、頂部にテンションがかかりやすくなり、プリプレグとツールとの密着性をより向上させることが可能となる。
【００１２】
上記発明の一態様において、前記プリプレグの端部と、該プリプレグの端部の下地となる部材との間に、離型フィルムを介在させることが好ましい。
【００１３】
上記発明の一態様によれば、プリプレグの端部とツールとの間、あるいは、巻付け処理をするプリプレグとその前にツールに巻付けられた下地となるプリプレグとの間に離型フィルムを介在させる。これにより、巻付け後であってもプリプレグの端部をツール表面から離すことができるため、プリプレグの端部での余分をカットしやすくなる。
【００１４】
上記発明の一態様において、前記ツールと向かい合う前記架台上に、前記架台から前記ツールに向かう方向に弾性を有する弾性部材を配置し、前記弾性部材上に、前記弾性部材の反力により前記ツールの前記架台に向く面を押付可能な押え用治具を配置しても良い。
【００１５】
上記発明の一態様によれば、巻付け後であってもプリプレグの端部はツール表面に接着していないため、プリプレグの端部での余分をカットしやすくなる。また、二層目、三層目のプリプレグを積層する場合には、前段階で巻付けたプリプレグの端部を押さえつけながら、次のプリプレグの巻付けを行うことができるため、端部における皺の発生を抑制することができる。
【００１６】
また、本発明は、架台と、繊維で強化された樹脂からなるプリプレグを巻付けるためのツールと、該架台上で、該架台と間隔をあけてツールを保持する保持部と、前記プリプレグの上から、前記ツール及び前記プリプレグを被覆する高伸度シートと、前記高伸度シートと前記ツール及び前記プリプレグの外周側で、前記高伸度シートが前記プリプレグと接触する前記プリプレグの頂部から端部にかけて前記高伸度シートに張力がかかるよう前記高伸度シートと前記架台とを固定し、前記ツール及び前記プリプレグを収容した密閉空間を形成可能な固定治具と、前記密閉空間内に、該密閉空間内を真空引き可能に接続された真空引き装置と、を備える複合材中空部品の成形装置を提供する。
【００１７】
上記発明によれば、プリプレグの頂部に張力（テンション）がかかるよう高伸度シートを固定するため、密閉空間内を真空引きしたときに、プリプレグの頂部を始点として密閉空間内が真空となる。これにより、真空引きの初期段階ではプリプレグの頂部部分に真空圧が付加され、順次ツールまたは下層のプリプレグ間に巻き込まれていた空気が除去されながら、プリプレグがツール表面に巻付けられていく。それにより、プリプレグが余剰なくツール表面に密着するため、巻付力に起因する樹脂の硬化後の皺の発生を低減させることができる。
【００１８】
上記発明の一態様において、前記プリプレグの頂部が、前記プリプレグの外周方向に向けて凸面となるよう前記ツールを配置されることが好ましい。
上記のようにツールを配置することで、頂部にテンションがかかりやすくなり、プリプレグとツールとの密着性をより向上させることが可能となる。
【００１９】
上記発明の一態様において、前記プリプレグの端部と、該プリプレグの端部の下地となる部材との間に、離型フィルムが配置されることが好ましい。
上記発明の一態様によれば、プリプレグの端部とツールとの間、あるいは、巻付け処理をするプリプレグとその前にツールに巻付けられた下地となるプリプレグとの間に離型フィルムを介在させる。これにより、巻付け後であってもプリプレグの端部をツール表面から離すことができるため、プリプレグの端部での余分をカットしやすくなる。
【００２０】
上記発明の一態様において、前記ツールと向かい合う前記架台上に配置された前記架台から前記ツールに向かう方向に弾性を有する弾性部材と、前記弾性部材上に、前記弾性部材の反力により前記ツールの前記架台に向く面を押付可能に配置された押え用治具と、を備えても良い。
上記発明の一態様によれば、巻付け後であってもプリプレグの端部はツール表面に接着していないため、プリプレグの端部での余分をカットしやすくなる。また、二層目、三層目のプリプレグを積層する場合には、前段階で巻付けたプリプレグの端部を押さえつけながら、次のプリプレグの巻付けを行うことができるため、端部における皺の発生を抑制することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、皺の発生を抑制しつつ、小額の設備投資で成形品質の高い部品を成形することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る成形装置の分解斜視図である。
【図２】プリプレグをツールに巻付ける前の成形装置の断面図である。
【図３】ツールにプリプレグを巻付ける際の真空圧適用の流れ図である。
【図４】プリプレグをツールに巻付けた後の成形装置の断面図である。
【図５】図４のＡ領域の拡大図である。
【図６】弾性部材が接続された押え用治具の配置例を示す図である。
【図７】図６の領域Ｂを示す拡大図である。
【図８】従来のハンドレイアップ成形法により治具にプリプレグを巻きつけた時の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
本発明に係る複合材中空部品の成形方法及び成形装置の一実施形態を、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態に係る成形装置の分解斜視図である。成形装置１は、架台２、ツール３、保持部４、高伸度シート５、固定治具６、及び真空引き装置（不図示）を備えている。
【００２４】
架台２は、一般的に複合材成形治具として使用される材料、例えば、アルミ合金、ステンレス又はインバーなどの合金鋼、繊維強化複合材などからなる。
ツール３は、成形品に応じた所定形状を有するアルミ合金、ステンレス又はインバーなどの合金鋼、繊維強化複合材などとされる。
【００２５】
保持部４は、架台２と間隔をあけて、すなわち、架台２から浮いた状態でツール３を保持することができる。本実施形態において、保持部４は架台上に固定され、保持部４にツール３の両端部が載せられることでツール３を保持している。
【００２６】
高伸度シート５は、固定治具６により架台２に固定される。高伸度シート５は、ツール３及びプリプレグ７上を覆って固定治具６で固定した際に、プリプレグ７と接触する部分から端部にかけて張力（テンション）をかけることができ、且つ、内部に密閉空間を形成可能な材質からなる。また、真空引き装置により密閉空間内を真空引きした際に、ツールの外周を被覆可能な伸度を有する。例えば、破断伸び：７００％以上、破断強さ：９．０ＭＰａ以上、厚さ１．６ｍｍのシリコーンシートを使用することができる。本実施形態では、図１に示すように、シリコーンシートを上下から剛体枠８により挟みこんだものを高伸度シート５とする。
固定治具６は、Ｃクランプなどとされる。Ｃクランプは、高伸度シート５を架台２に固定した際に、内部が密閉されるよう複数配置される。
【００２７】
真空引き装置は、上記密閉空間内を所望の真空度とすることができる真空ポンプなどとされる。例えば、到達圧力が２．７Ｐａ（カタログ値）、設計排気速度１６００Ｌ／ｍｉｎ（カタログ値）となる油回転真空ポンプを使用することができる。真空引き装置は、架台に設けられた貫通穴９を介して真空引き用のホース１０により密閉空間内に接続されている。真空引き装置の接続位置は成形品の形状、大きさなどに応じて適宜設定される。
【００２８】
次に、本実施形態に係る複合材中空部品の成形方法について説明する。
図２に、プリプレグ７をツール３に巻付ける前の成形装置１の断面図を示す。まず、ツール３を架台２上に配置する。ツール３は架台１と間隔をあけて保持されている。言い換えると、ツール３は、架台１から浮いた状態で、両端部を保持部（不図示）により保持されている。ツール３は、頂部１１が外周側に向けて凸面となるよう配置すると良い。すなわち、ツール３は、架台２と反対側に位置する表面が外周側に向けて凸形状となるよう配置すると良い。頂部１１とは、架台２と反対側に位置する部分を指す。特に、ツール３の断面が、最も先細となっている部分が頂部となるようツール３を配置すると良い。ツール表面には、離型剤が適宜塗布されていても良い。
【００２９】
次に、ツール３上に、繊維で強化された樹脂からなるプリプレグ７を載置する。本実施形態において、プリプレグ７は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）が主体とされた複合材からなる。プリプレグ７はツール形状に合わせた大きさにあらかじめカットした後に、中央部をツール３の頂部に重ねるようツール上に載置すると良い。
【００３０】
次に、プリプレグ７の上からツール３及びプリプレグ７を被覆するよう高伸度シート５を載置し、バギングを施す。その後、高伸度シート５の端部に設けられた剛体枠８を、架台２の端部に合わせ、Ｃクランプ６によって両者を固定する。これにより、架台２と高伸度シート５とで囲まれた密閉空間Ｓが形成される。密閉空間Ｓ内には、ツール３及びプリプレグ７が収容されている。本実施形態において、高伸度シート５の剛体枠８内部の面積は、架台２と略同等の大きさである。よって、固定後の高伸度シート５は、密閉空間Ｓ内部にツール３及びプリプレグ７を収容している分、固定前と比べて伸張することになる。すなわち、高伸度シート５は、プリプレグ７の頂部とＣクランプ６による固定部分とが支点となりテンションがかかった状態となる。
【００３１】
プリプレグ７と高伸度シート５との間には、必要に応じて、空気の流路を確保及び離型性を確保するための部材１２を配置しても良い。空気の流路を確保するための部材としては、例えば、ポリエステルベントマットやピールプライなどが挙げられる。離型性を確保するための部材としては、たとえば、離型フィルムなどが挙げられる。
【００３２】
次に、密閉空間Ｓ内を真空引きし、真空圧を適用する。真空引きの条件は、成形品の形状、大きさ、密閉空間Ｓ内の体積などに応じて適宜選択されると良い。図３に、ツール３にプリプレグ７を巻付ける際の真空圧適用の流れ図を示す。なお、図３では、図を簡略化するため、剛体枠８、真空引き用の穴９、真空引き用のホース１０の記載を省略する。
図３（ａ）は、真空圧を適用する前の状態を示す。プリプレグ７の端部は重力方向に垂れ下がっているように記載されているが、作業者が手で押さえるなどの仮留めを行うと良い。密閉空間Ｓ内を真空引きすると、まず、高伸度シート５がツール３（プリプレグ）の頂部と接している部分に真空圧が付加される（図３（ｂ））。そのまま、密閉空間Ｓ内の真空圧を維持することにより、順次ツール３の下部（架台側）に向けて真空圧が付加されていき（図３（ｃ））、最終的にツール３の周囲にプリプレグ７が密着した状態で巻付けられる（図３（ｄ））。
【００３３】
本実施形態では、プリプレグ７を加熱せずに密閉空間Ｓ内の真空引きを実施する。すなわち、プリプレグ７に含まれる樹脂が流動しにくい状態を維持したまま、真空圧を適用してプリプレグ７を巻付ける。そうすることにより、プリプレグ７の板厚を変化させずに、ツールに密着させることができる。
【００３４】
図４に、プリプレグ７をツール３に巻付けた後の成形装置の断面図を示す。プリプレグ７はツール３に密着した状態で巻付けられ、その外周には高伸度シート５が真空引き前よりも更に伸びた状態で巻付いている。図５に、図４のＡ領域の拡大図を示す。密閉空間Ｓを形成する前に、プリプレグ７の端部と、該プリプレグ７の端部の下地となる部材（図５では、ツール３）との間には、離型フィルム１３を介在させる。離型フィルム１３としては、ＦＥＰ（四フッ化エチレン・六フッ化プロピレン共重合体樹脂）フィルムを配置することができる。このとき、離型フィルム１３はスプレーのりなどにより固定されても良い。
【００３５】
図５に示すように、プリプレグ７の端部とツール３との間には、離型フィルム１３が介在しているため、当該部分のプリプレグ７は、ツール３から容易に剥離することができる。プリプレグ７の端部に余剰部がある場合には、余剰部分を適宜カットすると良い。
【００３６】
上記工程をプリプレグ７の一巻付けサイクルとし、成形品に応じて適宜巻付けサイクルを繰り返し実施してプリプレグ７を積層させる。その際、一巻付けサイクル毎に、ツール３の向きを変更し、頂部の位置をずらしても良い。そのようにすることで、各層のプリプレグ７の端部に相当する部分が重ならないため、強度への影響を小さくすることができる。
また、本実施形態では一巻付けサイクルで巻付けるプリプレグ７は１層としたが、プリプレグ７の種類、厚さ、あるいは、成形品の適用、形状及び大きさなどに応じて複数層重ねたプリプレグ７を一巻付けサイクルでツール３に巻付けても良い。
【００３７】
プリプレグ７の繊維の配向の比率は、航空機の構造体として用いられる通常程度とされる。例えば、主翼１の延在方向（長手方向）を０°とした場合、（０°，＋４５°，−４５°，９０°）＝（５％，２５％，２５％，２５％）となるように、各繊維方向を有する複数のシートが積層されて構成されて良い。
【００３８】
なお、離型フィルム１３に代えて、プリプレグ７の端部を下地に密着させないために、弾性部材が接続された押え用治具を設けても良い。図６に、弾性部材１４が接続された押え用治具１５の配置例を示す。図７に、図６の領域Ｂの拡大図を示す。
図６は、第１の巻付けサイクルにより第１プリプレグ７ａを巻付けたツール３上に、第２の巻付けサイクルにより第２プリプレグ７ｂを巻付けた図である。図６に示すように、弾性部材１４は、ツール３と架台２とが向かい合う架台２上に固定配置する。弾性部材１４は、架台２からツール３へ向く弾性を有し、例えば、バネなどとされる。バネの上には、押え用治具１５が接続配置されている。押え用治具１５は、バネの反力によりツール３の架台２に向く面を押付けることができる。
離型フィルム１３の代わりに、押え用治具１５で第１プリプレグ７ａの端部を押付けることで、離型フィルム１３の残置を防止できるとともに、底辺側の積層済プリプレグ（第１プリプレグ７ａ）への押付け力を強化することができる。
【００３９】
上記実施形態によれば、高伸度シート５にテンションをかけて、プリプレグ７の頂部に接触させることで、プリプレグ７へ真空圧を付加する順序を制御することができる。これにより、少ない初期投資で、ツール３にプリプレグ７をしっかりと巻付けることが可能となる。
【００４０】
上記工程でプリプレグ７を所定数積層した後、加熱・加圧処理を施して、プリプレグの樹脂を硬化させる。その後、適宜ツールから離型させたものを複合材中空部品とする。上記実施形態によれば、皺の発生が低減されるため、複合材中空部品の品質を向上させることができる。
【符号の説明】
【００４１】
１成形装置
２架台
３ツール
４保持部
５高伸度シート
６固定治具
７プリプレグ
８剛体枠
９貫通穴
１０真空引き用のホース
１１頂部
１２空気の流路を確保するための部材
１３離型フィルム
１４弾性部材
１５押え用治具

【特許請求の範囲】
【請求項１】
架台上に、保持部により該架台と間隔をあけてツールを保持し、
該ツール上に、繊維で強化された樹脂からなるプリプレグを載置し、
前記プリプレグの上から、前記ツール及び前記プリプレグを高伸度シートで被覆し、
前記高伸度シートと前記ツール及び前記プリプレグの外周側で、前記高伸度シートが前記プリプレグと接触する前記プリプレグの頂部から端部にかけて前記高伸度シートに張力がかかるよう前記高伸度シートと前記架台とを固定治具により固定して前記ツール及び前記プリプレグを収容した密閉空間を形成した後、
前記密閉空間内に接続された真空引き装置により、前記密閉空間内を真空引きして前記ツールに前記プリプレグを巻きつける複合材中空部品の成形方法。
【請求項２】
前記プリプレグの頂部が、前記プリプレグの外周方向に向けて凸面となるよう前記ツールを配置する請求項１に記載の複合材中空部品の成形方法。
【請求項３】
前記プリプレグの端部と、該プリプレグの端部の下地となる部材との間に、離型フィルムを介在させる請求項１または請求項２に記載の複合材中空部品の成形方法。
【請求項４】
前記ツールと向かい合う前記架台上に、前記架台から前記ツールに向かう方向に弾性を有する弾性部材を配置し、
前記弾性部材上に、前記弾性部材の反力により前記ツールの前記架台に向く面を押付可能な押え用治具を配置する請求項１または請求項２に記載の複合材中空部品の成形方法。
【請求項５】
架台と、
繊維で強化された樹脂からなるプリプレグを巻付けるためのツールと、
該架台上で、該架台と間隔をあけてツールを保持する保持部と、
前記プリプレグの上から、前記ツール及び前記プリプレグを被覆する高伸度シートと、
前記高伸度シートと前記ツール及び前記プリプレグの外周側で、前記高伸度シートが前記プリプレグと接触する前記プリプレグの頂部から端部にかけて前記高伸度シートに張力がかかるよう前記高伸度シートと前記架台とを固定し、前記ツール及び前記プリプレグを収容した密閉空間を形成可能な固定治具と、
前記密閉空間内に、該密閉空間内を真空引き可能に接続された真空引き装置と、
を備える複合材中空部品の成形装置。
【請求項６】
前記プリプレグの頂部が、前記プリプレグの外周方向に向けて凸面となるよう前記ツールを配置される請求項５に記載の複合材中空部品の成形装置。
【請求項７】
前記プリプレグの端部と、該プリプレグの端部の下地となる部材との間に、離型フィルムが配置される請求項５または請求項６に記載の複合材中空部品の成形装置。
【請求項８】
前記ツールと向かい合う前記架台上に配置された前記架台から前記ツールに向かう方向に弾性を有する弾性部材と、
前記弾性部材上に、前記弾性部材の反力により前記ツールの前記架台に向く面を押付可能に配置された押え用治具と、
を備える請求項５または請求項６に記載の複合材中空部品の成形装置。

【図１】