複合材成形型及びその製造方法
【課題】オートクレーブの大きさによらずに製造可能な複合材成形型の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】コア材２の上面３を被成形体形状に対応する形状に加工するステップと、コア材２の他のコア材２と対向する側面４に段５ａ，５ｂを形成するステップと、コア材２の表面に未硬化の複合材料を積層して硬化させて複合材層８を形成するステップと、側面４に直交するコア材２の他の面にある複合材層８に、テーパー部１０を形成するステップとを含む構成部材１ａ，１ｂを作成する工程と、側面４に接着剤を塗布し、構成部材同士を結合する工程と、テーパー部１０に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料上に熱源１６を配置して複合材料を硬化させる工程と、結合された構成部材１ａ，１ｂの表面を研磨処理する工程とを備える複合材成形型の製造方法。
【解決手段】コア材２の上面３を被成形体形状に対応する形状に加工するステップと、コア材２の他のコア材２と対向する側面４に段５ａ，５ｂを形成するステップと、コア材２の表面に未硬化の複合材料を積層して硬化させて複合材層８を形成するステップと、側面４に直交するコア材２の他の面にある複合材層８に、テーパー部１０を形成するステップとを含む構成部材１ａ，１ｂを作成する工程と、側面４に接着剤を塗布し、構成部材同士を結合する工程と、テーパー部１０に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料上に熱源１６を配置して複合材料を硬化させる工程と、結合された構成部材１ａ，１ｂの表面を研磨処理する工程とを備える複合材成形型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材成形型及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機もしくは風車などの構造物を複合材料で製造するために、コア材を複合材料で被覆した成形治具（型）が開発されている（特許文献１）。
複合材料とは、結合材料（マトリックス）と、微粒子または繊維状材料を含む成形材料である。例えば、エポキシ樹脂に代表されるプラスチックと、炭素やガラスからなる硬い繊維とから構成され、プリプレグなどとして用いられる。
【０００３】
複合材料でコア材を被覆する場合、複合材料のマトリックスを高温高圧環境下で硬化させる工程が必須となる。そのため、コア材を複合材料で被覆した成形治具は、オートクレーブと呼ばれる高温高圧の釜の内部に設置して製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５２１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
航空機の主翼クラスの構成部材は長く、大きいため、必然的に成形治具や成形治具を製造するためのオートクレーブにも大きいものが必要となる。従って、大型構造用の成形治具は、大型のオートクレーブを所有している航空機体メーカーであれば製造することができるが、大型のオートクレーブを所有していない一般の治具メーカーなどでは、製造できないという問題がある。
【０００６】
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、オートクレーブの大きさによらずに製造可能な複合材成形治具の製造方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、コア材の上面を被成形体形状に対応する形状に加工するステップと、前記コア材同士を並べて配置した場合に、前記コア材の他のコア材と対向する側面に段を形成するステップと、前記コア材の表面に未硬化の複合材料を積層して加熱しながら加圧することで硬化させて複合材層を形成するステップと、前記側面に直交する前記コア材の他の面にある複合材層に、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を形成するステップと、を含む構成部材を作成する工程と、前記側面に接着剤を塗布し、前記構成部材同士を結合する工程と、前記テーパー部に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料に対して熱源を配置した後、前記複合材料及び前記熱源を包装材で被覆し、前記包装材内部を真空引きした後に前記熱源で加熱して前記複合材料を硬化させる工程と、前記結合された構成部材の表面を研磨処理する工程と、を備える複合材成形型の製造方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、複数の構成部材を結合させて１つの複合材成形型を製造するため、中小型のオートクレーブであっても大型構造用の複合材成形型を製造することが可能となる。構成部材同士の結合部の側面に段を設けることで、結合面積が増すとともに、結合面の方向も分散されるため、結合部の強度を高めることができるようになる。複合材層に設けられたテーパー部は、構成部材を結合させた後に更に未硬化の複合材料で埋めて硬化させることで、結合部の強度を更に高めることができる。テーパー部に積層された複合材料は、オートクレーブを使用せずに、上に配置した熱源にて硬化させることができる。
【０００９】
本発明の一態様において、前記構成部材を作成する工程が、前記側面に孔を形成するステップを含み、前記構成部材同士を結合する工程が、前記側面を突き合わせて２つの構成部材を配置し、一方の構成部材に形成された前記孔に案内部材の一端を挿入し、他方の構成部材に形成された別の孔に前記案内部材の他端を挿入するステップを含むことが好ましい。
構成部材の突き合わせ面に孔を設け、対向する構成部材の孔同士を案内部材で接続することで、構成部材の位置合わせが容易となる。
【００１０】
本発明の一態様において、前記テーパー部を前記構成部材の上面側の複合材層に形成し、前記段を前記構成部材の下面側の前記側面に形成し、前記構成部材同士を結合する工程の後、前記段に当て材をして接着剤で固定する工程と、前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料上に熱源を配置した後、前記積層した複合材料を前記テーパー部に積層した未硬化の複合材料と共に硬化させる工程とを備えることが好ましい。
【００１１】
複合材成形型の上面は被成形体が接するツール面となる。ツール面に被成形体を載せると上面に圧縮力がかかる。上面の複合材層の結合部にテーパー部を形成して、このテーパー部を別の複合材料で埋めることで、複合材層の結合部の強度を高めることができる。また、下面から当て材をすることで、各構成部材自身の重量や、被成形材を載せたときのせん断力に耐え得る強度の結合部となる。
【００１２】
上記一態様において、前記テーパー部を前記構成部材の下面側の複合材層に形成し、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層しても良い。
下面側の複合材層にもテーパー部を設けることで、下面側の複合材層の結合部の強度を高めることができる。
【００１３】
本発明の一態様において、前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部を形成しても良い。
端部にコア材を露出させることで、テーパー部を突き合わせて２つの構成部材を配置したときの結合部表面に平坦な底面を形成させることができる。これによって、複合材料としてプリプレグなどの板状体を用いた場合、よりテーパー部の形状に合わせて複合材料を配置することができるようになる。
【００１４】
本発明の一態様において、前記構成部材の側面にアングル材を複数設置することが好ましい。そうすることによって、構成部材を位置合わせする際の微調整が可能となり、より精度よく構成部材同士を結合させることができる。
【００１５】
本発明の一態様において、前記コア材を炭素発泡体とすることが好ましい。そのようにすることによって、複合材成形型を軽量化することができる。
【００１６】
本発明は、上面が被成形体形状に対応する形状に加工され、少なくとも１側面に段が形成されたコア材と、少なくとも段が形成された前記側面と直交する前記コア材の他の面に設けられ、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を有する複合材層と、
を含む構成部材を具備し、１の前記構成部材の段が形成された側面と、他の前記構成部材の段が形成された側面とが、接着剤層を介して結合され、前記テーパー部上に別の複合材層が形成され、研磨処理された前記結合された構成部材の表面を有する複合材成形型を提供する。
【００１７】
本発明に係る複合材成形型は、複数の構成部材を結合させてなるため、中小型のオートクレーブであっても大型構造用の複合材成形型を製造することが可能となる。コア材の側面には段が形成されているため、構成部材同士の結合部の強度の高い複合材成形型となる。複合材層に設けられたテーパー部上に別の複合材層が形成されているため、結合部の強度が更に高い複合材成形型となる。複合材層の表面は研磨処理されているため、被成形体が接触するツール面として適用可能な精度を有する平滑な表面を有する複合材成形型となる。
【００１８】
上記発明の一態様において、前記段が形成された前記側面が孔を有し、隣接する前記構成部材の互いに対応する孔に挿入された案内部材を備えることが好ましい。
また、前記テーパー部が前記構成部材の上面側の複合材層に形成され、前記段が前記構成部材の下面側の前記側面に形成され、接着剤層を介して当て材が前記段に固定され、前記当て材の表面に別の複合材層が形成されることが好ましい。
また、前記テーパー部が前記構成部材の下面側の複合材層に形成され、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に前記別の複合材層が形成されても良い。
また、前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部が形成されても良い。
また、前記構成部材の側面にアングル材が複数設置されることが好ましい。
また、前記コア材が炭素発泡体であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数の構成部材を組み立てて大型化するため、中小型のオートクレーブであっても大型構造用の複合材成形型を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る複合材成形型の製造方法のイメージ図である。
【図２】本実施形態に係る複合材成形型の製造方法における複合材成形型の結合仕様を示す斜視図である。
【図３】図２の複合材成形型の結合後の状態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係る複合材成形型の製造方法を説明する概略図である。
【図５】接着強度試験１の概略図である。
【図６】接着強度試験２の概略図である。
【図７】高温暴露前後の接着強度の変化を示すグラフである。
【図８】複合材層の硬化サイクルの一例を示すグラフである。
【図９】被成形体の硬化サイクルの一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る複合材成形型の製造方法の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図１に、本発明に係る複合材成形型の製造方法のイメージ図を示す。本発明に係る複合材成形型の製造方法は、複数の構成部材１を結合させて、大型の複合材成形型１００を製造することを特徴とする。
【００２２】
構成部材１は、コア材及び複合材層を備える。コア材は炭素発泡体などとされる。コア材を備えることで、複合材のみからなる構成部材よりも曲げ剛性に強いものとなる。複合材層は、繊維強化された樹脂板（複合材料）からなる。繊維で強化された樹脂は、例えば、炭素繊維で強化されたエポキシ系樹脂などとされる。構成部材１の大きさは、使用するオートクレーブの大きさなどに合わせて適宜設定され得る。本実施形態では、結合させる構成部材１は、一辺が０．５〜２ｍ程度を想定する。これらを組み立て、６ｍ〜３０ｍ程度の被成形体を製造するための複合材成形型とすることができる。
【００２３】
本実施形態に係る複合材成形型の製造方法を、図２乃至図４を用いて説明する。
図２に、本実施形態に係る複合材成形型の製造方法における複合材成形型の結合仕様を示す。図３に、図２の複合材成形型の結合後の状態を示す。図４は、本実施形態に係る複合材成形型の製造方法を説明する概略図である。
【００２４】
（１）構成部材を作製する工程
コア材２をクランプで固定し、下面、側面及び上面の順にＮＣ加工する。ここで「ＮＣ」とは、数値制御工作機械において、工作物に対する工具の位置を、それに対応する数値情報で指令する制御方式を意味する。コア材として炭素発泡体を使用する場合は、複数の炭素発泡体を無機系接着剤で接着させて、所望の大きさとした後、ＮＣ加工を施しても良い。
【００２５】
具体的には、図２及び図４に示すように、コア材２の所定の側面４に、下面６と平行な少なくとも１の段５を形成する。側面４には、間隔をあけて二つの孔７を形成しても良い。その場合、孔７の大きさは、コア材２の大きさ、適用される被成形体の大きさや重さなどによって適宜設定する。
なお、図２では、側面４のみに段５及び孔７を形成させているが、構成部材１とした時に他の構成部材１と結合される側面には同様に段５及び孔７を形成する。また、階段状に段５を形成する場合は、結合する２つの構成部材１に設けられた段５が、互いに嵌合されるよう形成する。
【００２６】
コア材の上面３は、被成形体が接する成形面（ツール面）とされ、被成形体の形状に対応させてＮＣ加工する。
【００２７】
次に、複合材層８が、段５を形成させた側面以外のコア材２の表面に設けられる。
コア材２の表面に、フィルム接着剤及び繊維で強化された樹脂からなるプリプレグ（複合材料）を順次積層する。このとき、フィルム接着剤及びプリプレグは必要に応じて複数枚積層すると良い。例えば、コア材２が多孔体である場合、フィルム接着剤は２枚以上積層することが好ましい。例えば、剛性を要するツール面にはプリプレグを複数枚積層することが好ましい。
プリプレグを積層後、バッグフィルム９で周囲を覆い、オートクレーブにて加熱しながら加圧して、フィルム接着剤及びプリプレグを硬化させる（不図示）。プリプレグとバックフィルムの間には、ピールプライ、離型フィルム、ベントマットなどを適宜配置しても良い。硬化反応条件は、使用するフィルム接着剤及びプリプレグに応じて、適宜設定する。
【００２８】
次に、図２に示すように、他の構成部材１と結合される端部に向かって複合材層の厚さが漸減するように、テーパー部１０を形成する。テーパーは、例えば、１５：１で形成する。テーパー部１０は、上面だけでなく、下面及び側面の複合材層に設けられても良い。
また、テーパー部１０は端部にコア材を露出させた状態で形成しても良い。テーパー部１０を突き合わせて２つの構成部材を配置したときの結合部表面に平坦な底面を形成させることができる。これによって、複合材料としてプリプレグなどの板状体を用いた場合、よりテーパー部の形状に合わせて複合材料を配置することができるようになる。
【００２９】
次に、研磨材やコンパウンドを使用して複合材層８の上面を研磨し、ツール面に適用可能な精度を有する平滑な表面とする。
【００３０】
次に、構成部材１の複合材層８を形成させた側面に、アングル材１１をボルトで取り付け、上面孔をリーマ加工する。本実施形態では、アルミニウム製のアングル材１１を使用する。
【００３１】
（２）構成部材同士を結合する工程（図４（ｉ））
まず、構成部材１ａ及び構成部材１ｂの少なくともいずれかの側面４に、接着剤１２を塗布する。接着剤は、無機系の接着剤であり、常温で硬化するものが好ましい。
次に、側面４を突き合わせて構成部材１ａ及び構成部材１ｂを配置して、一方の構成部材１ａの孔７ａに案内部材１３の一端を挿入する。次に、案内部材１３の他端を他方の構成部材１ｂの孔７ｂに挿入して、構成部材１ａ及び構成部材１ｂを結合する。
案内部材１３には、コア材２と線膨張係数の近い材料を用いると良い。本実施形態では、案内部材１３としてセラミックスからなる案内ピンを使用する。案内ピン１３の線膨張係数をコア材２の線膨張係数よりも低くすると、高温に曝されたときに大きく膨張し、コア材２に負荷をかけることを回避できる。
次に、コア材の側面に設けられているアングル材１１の上にリフレクタを載置し、三次元計測器を用いて構成部材の位置を微調整する。
【００３２】
（３）当て材１４の接着工程（図４（ｉ）及び図４（ｉｉ））
上記（２）の工程で結合した構成部材１ａ及び構成部材１ｂの下面側にそれぞれ設けられている段５ａ及び段５ｂに、無機系接着剤を塗布する。段５ａ及び段５ｂの形状に合わせた当て材１４を用意する。当て材１４の表面にも適宜無機系接着材を塗布してから、段５ａ及び段５ｂに接着させる。必要に応じて、下面側から当て材１４に対して負荷を加えながら無機系接着剤を硬化させても良い。
なお、段５ａ及び段５ｂを階段状とした場合、当て材の接着工程を省略しても良い。
【００３３】
（４）テーパー部１０にて複合材料を硬化させる工程（図４（ｉｉ）及び図４（ｉｉｉ））
構成部材１ａ及び構成部材１ｂの結合部の上面３側に設けられたテーパー部１０にフィルム接着剤１５を積層する。次に、テーパー部１０の形状に合わせた幅で切り取られたプリプレグをテーパー部１０に積層する（図３）。また、構成部材１ａ及び構成部材１ｂの下面側に接着させた当て材１４の表面を覆うように接着フィルム及びプリプレグを積層する。下面６及び側面４にテーパー部を設けた場合は、テーパー部の形状に合わせて上面３側と同様に接着フィルム及びプリプレグを積層する。
積層したプリプレグの上部に、プリプレグを覆うよう熱源１６を配置してから、これらをバッグフィルム９で被覆する。本実施形態において、熱源１６はヒートブランケットとされる。具体的には、シリコンラバーヒーターなどが用いられる。熱源１６の下には銅箔などの熱伝導性シート１７が配置されると良い。また、プリプレグとバックフィルム９との間には、ピールプライ、離型フィルム、ベントマットなどを順次配置しても良い。この場合、ヒートブランケット及び銅箔は、離型フィルムとベントマットとの間に配置すると良い。
次に、バッグフィルム９内を真空引きした後、ヒートブランケットで加熱して、プリプレグを硬化させる。硬化反応条件は、上記（１）の工程と同様とする。
【００３４】
（５）結合部の複合材層８の表面処理工程（図４（ｉｖ））
上記（４）の工程で硬化させた複合材層８の表面を、上記（１）の工程で形成させた複合材層８の表面と滑らかに繋がるよう切削した後、上記（１）の工程と同様に複合材層８の表面を研磨し、平滑な表面に仕上げる。
【００３５】
（構成部材同士の接着強度試験）
コア材として炭素発泡体（ＣＦＯＡＭ２０；Ｔｏｕｃｈｔｏｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｒｙ，Ｌｔｄ．より入手可能）を用いた。接着剤としては、無機系接着剤（Ｘ−Ｐａｎｄｏ；Ｘ−Ｐａｎｄｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）及びエポキシ系接着剤（ＥＲ−０／ＥＨ−２０８−Ｓ；有限会社プラス・プラスチックスから入手可能）を用いた。無機系接着剤は、３００ｇのＸ−Ｐａｎｄｏに水６７ｇを混合したものを使用した。エポキシ系接着剤は、ＥＲ−０とＥＨ−２０８−Ｓを２：１で混合したものを使用した。
【００３６】
炭素発泡体を無機系接着剤又はエポキシ系接着剤で接着させた試験片をそれぞれ作成し、以下の２種類の接着強度試験を実施した。無機系接着剤は、２４０分、９３℃で加熱して硬化させた。エポキシ系接着剤は、２４時間、４０℃で加熱して１次硬化させた後、２時間、１８０℃で２次硬化させた。
【００３７】
接着強度試験１（４点曲げ試験）
図５に接着強度試験１の概略図を示す。試験片（各３個）を常温または１８０℃の高温に９００時間暴露させた状態で、接着部に曲げ荷重を付与した。試験機は、ＡＧ−Ｘ １００ｋＮ（島津製作所製、荷重容量±１００ｋＮ）を使用した。変位計は、ＤＴ−３０Ｆ（共和電業製、最大変位３０ｍｍ）を使用した。
式（Ａ）を用いて破壊荷重（Ｐ）、試験片寸法（試験片支持スパン（Ｌ１）、負荷スパン（Ｌ２）、試験片幅（ｗ）、試験片板厚（ｔ））、及び試験条件から曲げ応力（ＳＦ）を算出し、強度を比較した。
ＳＦ＝３Ｐ（Ｌ１−Ｌ２）／２ｗｔ２ ・・・（Ａ）
【００３８】
接着強度試験２（３点曲げ試験）
図６に接着強度試験２の概略図を示す。試験片（各３個）を常温または１８０℃の高温に９００時間暴露させた状態で、接着部に曲げ荷重及びせん断荷重を付与した。式（Ｂ）を用いて式（Ａ）と同様に曲げ応力（ＳＦ）を算出し、強度を比較した。
ＳＦ＝３ＰＬ１／２ｗｔ２ ・・・（Ｂ）
【００３９】
上記試験によれば、常温で荷重を負荷した試験片では、接着剤の種類に関わらず、炭素発泡体部分で破壊が生じた。無機系接着剤を用いた試験片では、すべて負荷部で破壊した。負荷部の局所的な割れが起点となり破断しているため、接着部の強度は試験結果より高いと考えられる。エポキシ系接着剤を用いた試験片では、一部の試験片で負荷部から破壊したが、ほとんどの試験片で接着剤近傍の炭素発泡体部で壊れる傾向があった。この要因として、エポキシ系接着剤は、接着時に残留応力を炭素発泡体内に発生させている、もしくは、接着剤が曲げ負荷時の炭素発泡体の変形を拘束し、炭素発泡体の接着剤近傍に割れを生じやすくさせている可能性がある。
【００４０】
図７に、高温暴露前後の接着強度の変化を示す。図７によれば、高温暴露することによって、エポキシ系接着剤を用いた試験片では、接着強度が７３％〜８０％程度低下した。一方、無機系接着剤を用いた試験片では、接着強度の低下が６％〜１６％程度であった。上記結果から、炭素発泡体同士を接着させる場合、無機系接着剤を用いることで、高温暴露後も接着力が保持されることが確認できた。
【００４１】
なお、上記実施形態で複合材料と炭素発泡体とを接着させるために使用するフィルム接着剤については、Ｌ−３１３（Ｊ．Ｄ．Ｌｉｎｃｏｌｎから入手可能）を用いて高温暴露により接着強度が低下しないことを別途試験で確認済みである。
【００４２】
（実施例）
コア材として炭素発泡体（ＣＦＯＡＭ２０；Ｔｏｕｃｈｔｏｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｒｙ，Ｌｔｄ．より入手可能）を用いた。炭素発泡体同士を接着させる接着剤としては、無機系接着剤（Ｘ−Ｐａｎｄｏ；Ｘ−Ｐａｎｄｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）を用いた。複合材料（プリプレグ）としては、コア材側に層が厚く（厚さ：０．６５ｍｍ）且つ目の粗いＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰ（三菱レイヨン株式会社から入手可能）を、表面側を層が薄く（厚さ０．２２ｍｍ）且つ目が細かいＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰ（三菱レイヨン株式会社から入手可能）を用いた。プリプレグの繊維方向は０°、±４５°及び＋９０°を適当に用いた。フィルム接着剤としては、エポキシ系フィルム接着剤（Ｌ−３１３）を用いた。
【００４３】
上記実施形態に従って、５００ｍｍ×５００ｍｍ×厚さ１３２ｍｍの寸法の構成部材を２つ作製し、それらを結合して１，０００ｍｍ×５００ｍｍの複合材成形型（複合材成形治具）とした。炭素発泡体及び複合材料の機械加工時に構成部材を固定するため、構成部材の側面に複合材料からなるクランプ板を追加した。
【００４４】
上面の複合材層として、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを９ｐｌｙ積層した。下面及び側面の複合材層として、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを２ｐｌｙ積層した。
【００４５】
図８に示す硬化サイクルにて、複合材層を硬化させた後、複合材層をＮＣ加工した。複合材層の表面を＃１０００水研ぎと仕上げ材ケムリース＃２１００塗布を繰り返した後、コンパウンドで研磨し、表面を仕上げた。
【００４６】
上記で作製した構成部材の上面は、基準面からのズレが０．１ｍｍ未満であり、高い形状精度を有することが確認された。
【００４７】
２つの構成部材を結合させた後、下面側の段に当て材を接着した。次に、テーパー部にフィルム接着剤及びプリプレグを順次積層した。プリプレグは、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを９ｐｌｙ積層した。この際、層間に残った空気を抜くためにプリプレグを３ｐｌｙ積層するごとに、デバルク（Ｆｕｌｌ真空×１０分）した。
次に、当て材の表面に複合材層を形成させた。当て材の下面の複合材層として、当て材ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを５ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを４ｐｌｙ積層し、デバルク（Ｆｕｌｌ真空×１０分）した。当て材の側面の複合材層として、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを２ｐｌｙ積層し、デバルク（Ｆｕｌｌ真空×１０分）した。
【００４８】
プリプレグの上には、ピールプライ、離型フィルム、銅箔、シリコンラバーヒーター、及びベントマットを積層させ、その上からバッグフィルムで被覆した。バッグフィルム内を真空引きした後、構成部材の複合材層を硬化させた時と同様の温度サイクルでヒートブランケットにて加熱して、複合材層を硬化させた。
【００４９】
テーパー部及び当て材表面に形成した複合材層及びその周囲を、構成部材の複合材層と同様の手順で研磨し、２つの構成部材が結合した面が滑らかに繋がるよう表面処理を施し、複合材成形治具とした。
【００５０】
上記で作製した複合材成形治具を用いて、被成形体を作製した。
上記で作製した複合材成形治具の上に、プリプレグを１６層、疑似等方対称に積層した。その上に、ピールプライ、離型フィルム、及びベントマットを順次積層し、バッグフィルムで被覆した後、バッグフィルム内を真空引きした。この複合材成形治具をオートクレーブ内に配置し、図９に示す硬化サイクルにて、プリプレグを硬化させた。
【００５１】
被成形体を作製する工程において、バッグフィルム内を真空引きした後、リークチェックを実施した。その結果、金属製の成形治具と同レベルのエアリーク量であり、実用上問題ないことが確認できた。
【００５２】
上記被成形体を作製する工程を通して複合材成形治具のかけや破損は生じなかった。また、製造された被成形体のツール面は滑らかに繋がっており、複合材成形治具の構成部材同士の結合部での段差や窪みが発生していないことが確認できた。
【符号の説明】
【００５３】
１ 構成部材
２ コア材
３ 上面
４ 側面
５ 段
６ 下面
７ 孔
８ 複合材層、複合材料
９ バックフィルム
１０ テーパー部
１１ アングル材
１２ 接着剤
１３ 案内部材
１４ 当て材
１５ フィルム接着剤
１６ 熱源
１７ 熱伝導性シート
１８ シーラント
１００ 複合材成形型
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材成形型及びその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、航空機もしくは風車などの構造物を複合材料で製造するために、コア材を複合材料で被覆した成形治具（型）が開発されている（特許文献１）。
複合材料とは、結合材料（マトリックス）と、微粒子または繊維状材料を含む成形材料である。例えば、エポキシ樹脂に代表されるプラスチックと、炭素やガラスからなる硬い繊維とから構成され、プリプレグなどとして用いられる。
【０００３】
複合材料でコア材を被覆する場合、複合材料のマトリックスを高温高圧環境下で硬化させる工程が必須となる。そのため、コア材を複合材料で被覆した成形治具は、オートクレーブと呼ばれる高温高圧の釜の内部に設置して製造される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００７−５２１９８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
航空機の主翼クラスの構成部材は長く、大きいため、必然的に成形治具や成形治具を製造するためのオートクレーブにも大きいものが必要となる。従って、大型構造用の成形治具は、大型のオートクレーブを所有している航空機体メーカーであれば製造することができるが、大型のオートクレーブを所有していない一般の治具メーカーなどでは、製造できないという問題がある。
【０００６】
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、オートクレーブの大きさによらずに製造可能な複合材成形治具の製造方法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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、コア材の上面を被成形体形状に対応する形状に加工するステップと、前記コア材同士を並べて配置した場合に、前記コア材の他のコア材と対向する側面に段を形成するステップと、前記コア材の表面に未硬化の複合材料を積層して加熱しながら加圧することで硬化させて複合材層を形成するステップと、前記側面に直交する前記コア材の他の面にある複合材層に、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を形成するステップと、を含む構成部材を作成する工程と、前記側面に接着剤を塗布し、前記構成部材同士を結合する工程と、前記テーパー部に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料に対して熱源を配置した後、前記複合材料及び前記熱源を包装材で被覆し、前記包装材内部を真空引きした後に前記熱源で加熱して前記複合材料を硬化させる工程と、前記結合された構成部材の表面を研磨処理する工程と、を備える複合材成形型の製造方法を提供する。
【０００８】
本発明によれば、複数の構成部材を結合させて１つの複合材成形型を製造するため、中小型のオートクレーブであっても大型構造用の複合材成形型を製造することが可能となる。構成部材同士の結合部の側面に段を設けることで、結合面積が増すとともに、結合面の方向も分散されるため、結合部の強度を高めることができるようになる。複合材層に設けられたテーパー部は、構成部材を結合させた後に更に未硬化の複合材料で埋めて硬化させることで、結合部の強度を更に高めることができる。テーパー部に積層された複合材料は、オートクレーブを使用せずに、上に配置した熱源にて硬化させることができる。
【０００９】
本発明の一態様において、前記構成部材を作成する工程が、前記側面に孔を形成するステップを含み、前記構成部材同士を結合する工程が、前記側面を突き合わせて２つの構成部材を配置し、一方の構成部材に形成された前記孔に案内部材の一端を挿入し、他方の構成部材に形成された別の孔に前記案内部材の他端を挿入するステップを含むことが好ましい。
構成部材の突き合わせ面に孔を設け、対向する構成部材の孔同士を案内部材で接続することで、構成部材の位置合わせが容易となる。
【００１０】
本発明の一態様において、前記テーパー部を前記構成部材の上面側の複合材層に形成し、前記段を前記構成部材の下面側の前記側面に形成し、前記構成部材同士を結合する工程の後、前記段に当て材をして接着剤で固定する工程と、前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料上に熱源を配置した後、前記積層した複合材料を前記テーパー部に積層した未硬化の複合材料と共に硬化させる工程とを備えることが好ましい。
【００１１】
複合材成形型の上面は被成形体が接するツール面となる。ツール面に被成形体を載せると上面に圧縮力がかかる。上面の複合材層の結合部にテーパー部を形成して、このテーパー部を別の複合材料で埋めることで、複合材層の結合部の強度を高めることができる。また、下面から当て材をすることで、各構成部材自身の重量や、被成形材を載せたときのせん断力に耐え得る強度の結合部となる。
【００１２】
上記一態様において、前記テーパー部を前記構成部材の下面側の複合材層に形成し、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層しても良い。
下面側の複合材層にもテーパー部を設けることで、下面側の複合材層の結合部の強度を高めることができる。
【００１３】
本発明の一態様において、前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部を形成しても良い。
端部にコア材を露出させることで、テーパー部を突き合わせて２つの構成部材を配置したときの結合部表面に平坦な底面を形成させることができる。これによって、複合材料としてプリプレグなどの板状体を用いた場合、よりテーパー部の形状に合わせて複合材料を配置することができるようになる。
【００１４】
本発明の一態様において、前記構成部材の側面にアングル材を複数設置することが好ましい。そうすることによって、構成部材を位置合わせする際の微調整が可能となり、より精度よく構成部材同士を結合させることができる。
【００１５】
本発明の一態様において、前記コア材を炭素発泡体とすることが好ましい。そのようにすることによって、複合材成形型を軽量化することができる。
【００１６】
本発明は、上面が被成形体形状に対応する形状に加工され、少なくとも１側面に段が形成されたコア材と、少なくとも段が形成された前記側面と直交する前記コア材の他の面に設けられ、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を有する複合材層と、
を含む構成部材を具備し、１の前記構成部材の段が形成された側面と、他の前記構成部材の段が形成された側面とが、接着剤層を介して結合され、前記テーパー部上に別の複合材層が形成され、研磨処理された前記結合された構成部材の表面を有する複合材成形型を提供する。
【００１７】
本発明に係る複合材成形型は、複数の構成部材を結合させてなるため、中小型のオートクレーブであっても大型構造用の複合材成形型を製造することが可能となる。コア材の側面には段が形成されているため、構成部材同士の結合部の強度の高い複合材成形型となる。複合材層に設けられたテーパー部上に別の複合材層が形成されているため、結合部の強度が更に高い複合材成形型となる。複合材層の表面は研磨処理されているため、被成形体が接触するツール面として適用可能な精度を有する平滑な表面を有する複合材成形型となる。
【００１８】
上記発明の一態様において、前記段が形成された前記側面が孔を有し、隣接する前記構成部材の互いに対応する孔に挿入された案内部材を備えることが好ましい。
また、前記テーパー部が前記構成部材の上面側の複合材層に形成され、前記段が前記構成部材の下面側の前記側面に形成され、接着剤層を介して当て材が前記段に固定され、前記当て材の表面に別の複合材層が形成されることが好ましい。
また、前記テーパー部が前記構成部材の下面側の複合材層に形成され、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に前記別の複合材層が形成されても良い。
また、前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部が形成されても良い。
また、前記構成部材の側面にアングル材が複数設置されることが好ましい。
また、前記コア材が炭素発泡体であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数の構成部材を組み立てて大型化するため、中小型のオートクレーブであっても大型構造用の複合材成形型を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る複合材成形型の製造方法のイメージ図である。
【図２】本実施形態に係る複合材成形型の製造方法における複合材成形型の結合仕様を示す斜視図である。
【図３】図２の複合材成形型の結合後の状態を示す斜視図である。
【図４】本実施形態に係る複合材成形型の製造方法を説明する概略図である。
【図５】接着強度試験１の概略図である。
【図６】接着強度試験２の概略図である。
【図７】高温暴露前後の接着強度の変化を示すグラフである。
【図８】複合材層の硬化サイクルの一例を示すグラフである。
【図９】被成形体の硬化サイクルの一例を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
本発明に係る複合材成形型の製造方法の一実施形態を、図面を用いて説明する。
図１に、本発明に係る複合材成形型の製造方法のイメージ図を示す。本発明に係る複合材成形型の製造方法は、複数の構成部材１を結合させて、大型の複合材成形型１００を製造することを特徴とする。
【００２２】
構成部材１は、コア材及び複合材層を備える。コア材は炭素発泡体などとされる。コア材を備えることで、複合材のみからなる構成部材よりも曲げ剛性に強いものとなる。複合材層は、繊維強化された樹脂板（複合材料）からなる。繊維で強化された樹脂は、例えば、炭素繊維で強化されたエポキシ系樹脂などとされる。構成部材１の大きさは、使用するオートクレーブの大きさなどに合わせて適宜設定され得る。本実施形態では、結合させる構成部材１は、一辺が０．５〜２ｍ程度を想定する。これらを組み立て、６ｍ〜３０ｍ程度の被成形体を製造するための複合材成形型とすることができる。
【００２３】
本実施形態に係る複合材成形型の製造方法を、図２乃至図４を用いて説明する。
図２に、本実施形態に係る複合材成形型の製造方法における複合材成形型の結合仕様を示す。図３に、図２の複合材成形型の結合後の状態を示す。図４は、本実施形態に係る複合材成形型の製造方法を説明する概略図である。
【００２４】
（１）構成部材を作製する工程
コア材２をクランプで固定し、下面、側面及び上面の順にＮＣ加工する。ここで「ＮＣ」とは、数値制御工作機械において、工作物に対する工具の位置を、それに対応する数値情報で指令する制御方式を意味する。コア材として炭素発泡体を使用する場合は、複数の炭素発泡体を無機系接着剤で接着させて、所望の大きさとした後、ＮＣ加工を施しても良い。
【００２５】
具体的には、図２及び図４に示すように、コア材２の所定の側面４に、下面６と平行な少なくとも１の段５を形成する。側面４には、間隔をあけて二つの孔７を形成しても良い。その場合、孔７の大きさは、コア材２の大きさ、適用される被成形体の大きさや重さなどによって適宜設定する。
なお、図２では、側面４のみに段５及び孔７を形成させているが、構成部材１とした時に他の構成部材１と結合される側面には同様に段５及び孔７を形成する。また、階段状に段５を形成する場合は、結合する２つの構成部材１に設けられた段５が、互いに嵌合されるよう形成する。
【００２６】
コア材の上面３は、被成形体が接する成形面（ツール面）とされ、被成形体の形状に対応させてＮＣ加工する。
【００２７】
次に、複合材層８が、段５を形成させた側面以外のコア材２の表面に設けられる。
コア材２の表面に、フィルム接着剤及び繊維で強化された樹脂からなるプリプレグ（複合材料）を順次積層する。このとき、フィルム接着剤及びプリプレグは必要に応じて複数枚積層すると良い。例えば、コア材２が多孔体である場合、フィルム接着剤は２枚以上積層することが好ましい。例えば、剛性を要するツール面にはプリプレグを複数枚積層することが好ましい。
プリプレグを積層後、バッグフィルム９で周囲を覆い、オートクレーブにて加熱しながら加圧して、フィルム接着剤及びプリプレグを硬化させる（不図示）。プリプレグとバックフィルムの間には、ピールプライ、離型フィルム、ベントマットなどを適宜配置しても良い。硬化反応条件は、使用するフィルム接着剤及びプリプレグに応じて、適宜設定する。
【００２８】
次に、図２に示すように、他の構成部材１と結合される端部に向かって複合材層の厚さが漸減するように、テーパー部１０を形成する。テーパーは、例えば、１５：１で形成する。テーパー部１０は、上面だけでなく、下面及び側面の複合材層に設けられても良い。
また、テーパー部１０は端部にコア材を露出させた状態で形成しても良い。テーパー部１０を突き合わせて２つの構成部材を配置したときの結合部表面に平坦な底面を形成させることができる。これによって、複合材料としてプリプレグなどの板状体を用いた場合、よりテーパー部の形状に合わせて複合材料を配置することができるようになる。
【００２９】
次に、研磨材やコンパウンドを使用して複合材層８の上面を研磨し、ツール面に適用可能な精度を有する平滑な表面とする。
【００３０】
次に、構成部材１の複合材層８を形成させた側面に、アングル材１１をボルトで取り付け、上面孔をリーマ加工する。本実施形態では、アルミニウム製のアングル材１１を使用する。
【００３１】
（２）構成部材同士を結合する工程（図４（ｉ））
まず、構成部材１ａ及び構成部材１ｂの少なくともいずれかの側面４に、接着剤１２を塗布する。接着剤は、無機系の接着剤であり、常温で硬化するものが好ましい。
次に、側面４を突き合わせて構成部材１ａ及び構成部材１ｂを配置して、一方の構成部材１ａの孔７ａに案内部材１３の一端を挿入する。次に、案内部材１３の他端を他方の構成部材１ｂの孔７ｂに挿入して、構成部材１ａ及び構成部材１ｂを結合する。
案内部材１３には、コア材２と線膨張係数の近い材料を用いると良い。本実施形態では、案内部材１３としてセラミックスからなる案内ピンを使用する。案内ピン１３の線膨張係数をコア材２の線膨張係数よりも低くすると、高温に曝されたときに大きく膨張し、コア材２に負荷をかけることを回避できる。
次に、コア材の側面に設けられているアングル材１１の上にリフレクタを載置し、三次元計測器を用いて構成部材の位置を微調整する。
【００３２】
（３）当て材１４の接着工程（図４（ｉ）及び図４（ｉｉ））
上記（２）の工程で結合した構成部材１ａ及び構成部材１ｂの下面側にそれぞれ設けられている段５ａ及び段５ｂに、無機系接着剤を塗布する。段５ａ及び段５ｂの形状に合わせた当て材１４を用意する。当て材１４の表面にも適宜無機系接着材を塗布してから、段５ａ及び段５ｂに接着させる。必要に応じて、下面側から当て材１４に対して負荷を加えながら無機系接着剤を硬化させても良い。
なお、段５ａ及び段５ｂを階段状とした場合、当て材の接着工程を省略しても良い。
【００３３】
（４）テーパー部１０にて複合材料を硬化させる工程（図４（ｉｉ）及び図４（ｉｉｉ））
構成部材１ａ及び構成部材１ｂの結合部の上面３側に設けられたテーパー部１０にフィルム接着剤１５を積層する。次に、テーパー部１０の形状に合わせた幅で切り取られたプリプレグをテーパー部１０に積層する（図３）。また、構成部材１ａ及び構成部材１ｂの下面側に接着させた当て材１４の表面を覆うように接着フィルム及びプリプレグを積層する。下面６及び側面４にテーパー部を設けた場合は、テーパー部の形状に合わせて上面３側と同様に接着フィルム及びプリプレグを積層する。
積層したプリプレグの上部に、プリプレグを覆うよう熱源１６を配置してから、これらをバッグフィルム９で被覆する。本実施形態において、熱源１６はヒートブランケットとされる。具体的には、シリコンラバーヒーターなどが用いられる。熱源１６の下には銅箔などの熱伝導性シート１７が配置されると良い。また、プリプレグとバックフィルム９との間には、ピールプライ、離型フィルム、ベントマットなどを順次配置しても良い。この場合、ヒートブランケット及び銅箔は、離型フィルムとベントマットとの間に配置すると良い。
次に、バッグフィルム９内を真空引きした後、ヒートブランケットで加熱して、プリプレグを硬化させる。硬化反応条件は、上記（１）の工程と同様とする。
【００３４】
（５）結合部の複合材層８の表面処理工程（図４（ｉｖ））
上記（４）の工程で硬化させた複合材層８の表面を、上記（１）の工程で形成させた複合材層８の表面と滑らかに繋がるよう切削した後、上記（１）の工程と同様に複合材層８の表面を研磨し、平滑な表面に仕上げる。
【００３５】
（構成部材同士の接着強度試験）
コア材として炭素発泡体（ＣＦＯＡＭ２０；Ｔｏｕｃｈｔｏｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｒｙ，Ｌｔｄ．より入手可能）を用いた。接着剤としては、無機系接着剤（Ｘ−Ｐａｎｄｏ；Ｘ−Ｐａｎｄｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）及びエポキシ系接着剤（ＥＲ−０／ＥＨ−２０８−Ｓ；有限会社プラス・プラスチックスから入手可能）を用いた。無機系接着剤は、３００ｇのＸ−Ｐａｎｄｏに水６７ｇを混合したものを使用した。エポキシ系接着剤は、ＥＲ−０とＥＨ−２０８−Ｓを２：１で混合したものを使用した。
【００３６】
炭素発泡体を無機系接着剤又はエポキシ系接着剤で接着させた試験片をそれぞれ作成し、以下の２種類の接着強度試験を実施した。無機系接着剤は、２４０分、９３℃で加熱して硬化させた。エポキシ系接着剤は、２４時間、４０℃で加熱して１次硬化させた後、２時間、１８０℃で２次硬化させた。
【００３７】
接着強度試験１（４点曲げ試験）
図５に接着強度試験１の概略図を示す。試験片（各３個）を常温または１８０℃の高温に９００時間暴露させた状態で、接着部に曲げ荷重を付与した。試験機は、ＡＧ−Ｘ １００ｋＮ（島津製作所製、荷重容量±１００ｋＮ）を使用した。変位計は、ＤＴ−３０Ｆ（共和電業製、最大変位３０ｍｍ）を使用した。
式（Ａ）を用いて破壊荷重（Ｐ）、試験片寸法（試験片支持スパン（Ｌ１）、負荷スパン（Ｌ２）、試験片幅（ｗ）、試験片板厚（ｔ））、及び試験条件から曲げ応力（ＳＦ）を算出し、強度を比較した。
ＳＦ＝３Ｐ（Ｌ１−Ｌ２）／２ｗｔ２ ・・・（Ａ）
【００３８】
接着強度試験２（３点曲げ試験）
図６に接着強度試験２の概略図を示す。試験片（各３個）を常温または１８０℃の高温に９００時間暴露させた状態で、接着部に曲げ荷重及びせん断荷重を付与した。式（Ｂ）を用いて式（Ａ）と同様に曲げ応力（ＳＦ）を算出し、強度を比較した。
ＳＦ＝３ＰＬ１／２ｗｔ２ ・・・（Ｂ）
【００３９】
上記試験によれば、常温で荷重を負荷した試験片では、接着剤の種類に関わらず、炭素発泡体部分で破壊が生じた。無機系接着剤を用いた試験片では、すべて負荷部で破壊した。負荷部の局所的な割れが起点となり破断しているため、接着部の強度は試験結果より高いと考えられる。エポキシ系接着剤を用いた試験片では、一部の試験片で負荷部から破壊したが、ほとんどの試験片で接着剤近傍の炭素発泡体部で壊れる傾向があった。この要因として、エポキシ系接着剤は、接着時に残留応力を炭素発泡体内に発生させている、もしくは、接着剤が曲げ負荷時の炭素発泡体の変形を拘束し、炭素発泡体の接着剤近傍に割れを生じやすくさせている可能性がある。
【００４０】
図７に、高温暴露前後の接着強度の変化を示す。図７によれば、高温暴露することによって、エポキシ系接着剤を用いた試験片では、接着強度が７３％〜８０％程度低下した。一方、無機系接着剤を用いた試験片では、接着強度の低下が６％〜１６％程度であった。上記結果から、炭素発泡体同士を接着させる場合、無機系接着剤を用いることで、高温暴露後も接着力が保持されることが確認できた。
【００４１】
なお、上記実施形態で複合材料と炭素発泡体とを接着させるために使用するフィルム接着剤については、Ｌ−３１３（Ｊ．Ｄ．Ｌｉｎｃｏｌｎから入手可能）を用いて高温暴露により接着強度が低下しないことを別途試験で確認済みである。
【００４２】
（実施例）
コア材として炭素発泡体（ＣＦＯＡＭ２０；Ｔｏｕｃｈｔｏｎｅ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｌａｂｏｒａｔｒｙ，Ｌｔｄ．より入手可能）を用いた。炭素発泡体同士を接着させる接着剤としては、無機系接着剤（Ｘ−Ｐａｎｄｏ；Ｘ−Ｐａｎｄｏ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能）を用いた。複合材料（プリプレグ）としては、コア材側に層が厚く（厚さ：０．６５ｍｍ）且つ目の粗いＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰ（三菱レイヨン株式会社から入手可能）を、表面側を層が薄く（厚さ０．２２ｍｍ）且つ目が細かいＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰ（三菱レイヨン株式会社から入手可能）を用いた。プリプレグの繊維方向は０°、±４５°及び＋９０°を適当に用いた。フィルム接着剤としては、エポキシ系フィルム接着剤（Ｌ−３１３）を用いた。
【００４３】
上記実施形態に従って、５００ｍｍ×５００ｍｍ×厚さ１３２ｍｍの寸法の構成部材を２つ作製し、それらを結合して１，０００ｍｍ×５００ｍｍの複合材成形型（複合材成形治具）とした。炭素発泡体及び複合材料の機械加工時に構成部材を固定するため、構成部材の側面に複合材料からなるクランプ板を追加した。
【００４４】
上面の複合材層として、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを９ｐｌｙ積層した。下面及び側面の複合材層として、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを２ｐｌｙ積層した。
【００４５】
図８に示す硬化サイクルにて、複合材層を硬化させた後、複合材層をＮＣ加工した。複合材層の表面を＃１０００水研ぎと仕上げ材ケムリース＃２１００塗布を繰り返した後、コンパウンドで研磨し、表面を仕上げた。
【００４６】
上記で作製した構成部材の上面は、基準面からのズレが０．１ｍｍ未満であり、高い形状精度を有することが確認された。
【００４７】
２つの構成部材を結合させた後、下面側の段に当て材を接着した。次に、テーパー部にフィルム接着剤及びプリプレグを順次積層した。プリプレグは、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを９ｐｌｙ積層した。この際、層間に残った空気を抜くためにプリプレグを３ｐｌｙ積層するごとに、デバルク（Ｆｕｌｌ真空×１０分）した。
次に、当て材の表面に複合材層を形成させた。当て材の下面の複合材層として、当て材ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを５ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを４ｐｌｙ積層し、デバルク（Ｆｕｌｌ真空×１０分）した。当て材の側面の複合材層として、ＴＲＫ５１０−２７０ＧＭＰを３ｐｌｙ積層した後、ＴＲＫ３１１０−２７０ＧＭＰを２ｐｌｙ積層し、デバルク（Ｆｕｌｌ真空×１０分）した。
【００４８】
プリプレグの上には、ピールプライ、離型フィルム、銅箔、シリコンラバーヒーター、及びベントマットを積層させ、その上からバッグフィルムで被覆した。バッグフィルム内を真空引きした後、構成部材の複合材層を硬化させた時と同様の温度サイクルでヒートブランケットにて加熱して、複合材層を硬化させた。
【００４９】
テーパー部及び当て材表面に形成した複合材層及びその周囲を、構成部材の複合材層と同様の手順で研磨し、２つの構成部材が結合した面が滑らかに繋がるよう表面処理を施し、複合材成形治具とした。
【００５０】
上記で作製した複合材成形治具を用いて、被成形体を作製した。
上記で作製した複合材成形治具の上に、プリプレグを１６層、疑似等方対称に積層した。その上に、ピールプライ、離型フィルム、及びベントマットを順次積層し、バッグフィルムで被覆した後、バッグフィルム内を真空引きした。この複合材成形治具をオートクレーブ内に配置し、図９に示す硬化サイクルにて、プリプレグを硬化させた。
【００５１】
被成形体を作製する工程において、バッグフィルム内を真空引きした後、リークチェックを実施した。その結果、金属製の成形治具と同レベルのエアリーク量であり、実用上問題ないことが確認できた。
【００５２】
上記被成形体を作製する工程を通して複合材成形治具のかけや破損は生じなかった。また、製造された被成形体のツール面は滑らかに繋がっており、複合材成形治具の構成部材同士の結合部での段差や窪みが発生していないことが確認できた。
【符号の説明】
【００５３】
１ 構成部材
２ コア材
３ 上面
４ 側面
５ 段
６ 下面
７ 孔
８ 複合材層、複合材料
９ バックフィルム
１０ テーパー部
１１ アングル材
１２ 接着剤
１３ 案内部材
１４ 当て材
１５ フィルム接着剤
１６ 熱源
１７ 熱伝導性シート
１８ シーラント
１００ 複合材成形型
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コア材の上面を被成形体形状に対応する形状に加工するステップと、前記コア材同士を並べて配置した場合に、前記コア材の他のコア材と対向する側面に段を形成するステップと、前記コア材の表面に未硬化の複合材料を積層して加熱しながら加圧することで硬化させて複合材層を形成するステップと、前記側面に直交する前記コア材の他の面にある複合材層に、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を形成するステップと、を含む構成部材を作成する工程と、
前記側面に接着剤を塗布し、前記構成部材同士を結合する工程と、
前記テーパー部に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料に対して熱源を配置した後、前記複合材料及び前記熱源を包装材で被覆し、前記包装材内部を真空引きした後に前記熱源で加熱して前記複合材料を硬化させる工程と、
前記結合された構成部材の表面を研磨処理する工程と、
を備える複合材成形型の製造方法。
【請求項２】
前記構成部材を作成する工程が、前記側面に孔を形成するステップを含み、
前記構成部材同士を結合する工程が、前記側面を突き合わせて２つの構成部材を配置し、一方の構成部材に形成された前記孔に案内部材の一端を挿入し、他方の構成部材に形成された別の孔に前記案内部材の他端を挿入するステップを含む、
請求項１に記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項３】
前記テーパー部を前記構成部材の上面側の複合材層に形成し、前記段を前記構成部材の下面側の前記側面に形成し、前記構成部材同士を結合する工程の後、前記段に当て材をして接着剤で固定する工程と、
前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料上に熱源を配置した後、前記積層した複合材料を前記テーパー部に積層した未硬化の複合材料と共に硬化させる工程と、
を備える請求項１または請求項２に記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項４】
前記テーパー部を前記構成部材の下面側の複合材層に形成し、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層する請求項３に記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項５】
前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部を形成する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項６】
前記構成部材の側面にアングル材を複数設置する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項７】
前記コア材を炭素発泡体とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項８】
上面が被成形体形状に対応する形状に加工され、少なくとも１側面に段が形成されたコア材と、
少なくとも段が形成された前記側面と直交する前記コア材の他の面に設けられ、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を有する複合材層と、
を含む構成部材を具備し、
１の前記構成部材の段が形成された側面と、他の前記構成部材の段が形成された側面とが、接着剤層を介して結合され、
前記テーパー部上に別の複合材層が形成され、
研磨処理された前記結合された構成部材の表面を有する複合材成形型。
【請求項９】
前記段が形成された前記側面が孔を有し、
隣接する前記構成部材の互いに対応する孔に挿入された案内部材を備える請求項８に記載の複合材成形型。
【請求項１０】
前記テーパー部が前記構成部材の上面側の複合材層に形成され、
前記段が前記構成部材の下面側の前記側面に形成され、
接着剤層を介して当て材が前記段に固定され、前記当て材の表面に別の複合材層が形成される請求項８または請求項９に記載の複合材成形型。
【請求項１１】
前記テーパー部が前記構成部材の下面側の複合材層に形成され、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に前記別の複合材層が形成される請求項１０に記載の複合材成形型。
【請求項１２】
前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部が形成された請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の複合材成形型。
【請求項１３】
前記構成部材の側面にアングル材が複数設置された請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の複合材成形型。
【請求項１４】
前記コア材が炭素発泡体である請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の複合材成形型。
【請求項１】
コア材の上面を被成形体形状に対応する形状に加工するステップと、前記コア材同士を並べて配置した場合に、前記コア材の他のコア材と対向する側面に段を形成するステップと、前記コア材の表面に未硬化の複合材料を積層して加熱しながら加圧することで硬化させて複合材層を形成するステップと、前記側面に直交する前記コア材の他の面にある複合材層に、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を形成するステップと、を含む構成部材を作成する工程と、
前記側面に接着剤を塗布し、前記構成部材同士を結合する工程と、
前記テーパー部に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料に対して熱源を配置した後、前記複合材料及び前記熱源を包装材で被覆し、前記包装材内部を真空引きした後に前記熱源で加熱して前記複合材料を硬化させる工程と、
前記結合された構成部材の表面を研磨処理する工程と、
を備える複合材成形型の製造方法。
【請求項２】
前記構成部材を作成する工程が、前記側面に孔を形成するステップを含み、
前記構成部材同士を結合する工程が、前記側面を突き合わせて２つの構成部材を配置し、一方の構成部材に形成された前記孔に案内部材の一端を挿入し、他方の構成部材に形成された別の孔に前記案内部材の他端を挿入するステップを含む、
請求項１に記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項３】
前記テーパー部を前記構成部材の上面側の複合材層に形成し、前記段を前記構成部材の下面側の前記側面に形成し、前記構成部材同士を結合する工程の後、前記段に当て材をして接着剤で固定する工程と、
前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層し、該複合材料上に熱源を配置した後、前記積層した複合材料を前記テーパー部に積層した未硬化の複合材料と共に硬化させる工程と、
を備える請求項１または請求項２に記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項４】
前記テーパー部を前記構成部材の下面側の複合材層に形成し、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に未硬化の複合材料を積層する請求項３に記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項５】
前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部を形成する請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項６】
前記構成部材の側面にアングル材を複数設置する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項７】
前記コア材を炭素発泡体とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の複合材成形型の製造方法。
【請求項８】
上面が被成形体形状に対応する形状に加工され、少なくとも１側面に段が形成されたコア材と、
少なくとも段が形成された前記側面と直交する前記コア材の他の面に設けられ、前記側面側に向かって厚さが漸減されたテーパー部を有する複合材層と、
を含む構成部材を具備し、
１の前記構成部材の段が形成された側面と、他の前記構成部材の段が形成された側面とが、接着剤層を介して結合され、
前記テーパー部上に別の複合材層が形成され、
研磨処理された前記結合された構成部材の表面を有する複合材成形型。
【請求項９】
前記段が形成された前記側面が孔を有し、
隣接する前記構成部材の互いに対応する孔に挿入された案内部材を備える請求項８に記載の複合材成形型。
【請求項１０】
前記テーパー部が前記構成部材の上面側の複合材層に形成され、
前記段が前記構成部材の下面側の前記側面に形成され、
接着剤層を介して当て材が前記段に固定され、前記当て材の表面に別の複合材層が形成される請求項８または請求項９に記載の複合材成形型。
【請求項１１】
前記テーパー部が前記構成部材の下面側の複合材層に形成され、前記テーパー部の形状に合わせて前記当て材の表面に前記別の複合材層が形成される請求項１０に記載の複合材成形型。
【請求項１２】
前記構成部材の端部に前記コア材が露出するよう前記テーパー部が形成された請求項８乃至請求項１１のいずれかに記載の複合材成形型。
【請求項１３】
前記構成部材の側面にアングル材が複数設置された請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の複合材成形型。
【請求項１４】
前記コア材が炭素発泡体である請求項８乃至請求項１２のいずれかに記載の複合材成形型。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１２−１１６９５（Ｐ２０１２−１１６９５Ａ）
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５１２１９（Ｐ２０１０−１５１２１９）
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年３月 社団法人日本航空宇宙工業会発行の「平成２１年度 革新航空機技術開発センター 委託研究成果報告書」に発表
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（３９１００６２３４）社団法人日本航空宇宙工業会 (45)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１９日（２０１２．１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月１日（２０１０．７．１）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り 平成２２年３月 社団法人日本航空宇宙工業会発行の「平成２１年度 革新航空機技術開発センター 委託研究成果報告書」に発表
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【出願人】（３９１００６２３４）社団法人日本航空宇宙工業会 (45)
【Ｆターム（参考）】
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