複合材長尺部材用の複合材成形型の製作方法

【課題】プリプレグ材を使用した複合材の成形型を製作する方法を提供する。
【解決手段】まず、プリプレグシートを連続プルトルージョン成形して長尺の二次元形状の半硬化状態の成形型の素材２００を製作する。
次に、この半硬化状態の素材２００を成形装置１００のベースプレート１１２上に立設した複数枚テンプレート１３１、１３２、１３３、１３４、１３５上に載置して三次元形状に塑性変形させ、成形装置１００全体を加熱・加圧して完全硬化した成形用の型を製作する。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材のプリプレグを使用して、航空機用のストリンガーのような真直又は曲率やねじれを有する二次元形状または三次元形状の長尺部材を成形する際の成形用の型の製作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維等の複合材を材料とする航空機用の長尺構造部材を製作するための成形用の型は金属または複合材で製作するのが一般的である。
金属で製作する場合にはマスターモデルを製作し、マスターモデルから鋳型を製作し、鋳型に溶融金属を流し込み、鋳造型を製作した後に、機械加工により必要な形状、寸法、表面粗さを得る。このような複雑な工程を経て製作する必要があり、コスト、リードタイムが多く必要である。
または、必要な寸法を包含するような金属のブロックから直接機械加工を行う方法もあるが材料のムダが多く発生し、加工時間も多く必要である。金属であるので、複合材の型と比較して重いのも難点である。
【０００３】
成形型を複合材で製作する場合には次のような手順で行う必要がある。
成形型に対応する反転型を機械加工により製作し、反転型上に型用プリプレグを積層し、バッギングしオートクレーブ等により加圧、加熱し硬化させる。
反転型の材料は石膏等の無機多孔質材料やエポキシ樹脂から製作されるが、これらの材料は強度が低く、脆性材料であり、長尺の反転型の場合はその取り扱いが困難である。また、素材寸法に限りがあり、長尺製品に対しては定尺寸法の素材の接着処理を行わなくてはならないという不便もある。
オートクレーブ成形の際にはプリプレグの硬化温度にさらされるが、石膏等の無機多孔質材料やエポキシ樹脂は強度が低下し、成形圧力や線膨張係数の差異による熱応力により反転型に割れが発生する可能性がある。
【０００４】
または金属の成形型と同じように素材のブロックから機械加工により製作する方法もあるが、三次元形状を包含するだけの大きさの素材が必要であり、材料のムダ、長い加工時間、また長尺材を加工する場合には長い素材についての市場性が低いという問題がある。
二次元的な真直な型については、下記特許文献１に開示されている通常の連続プルトルージョン成形法で製作する。
曲がりやねじれを有する型については、下記特許文献２または特許文献３に開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０１−００４３１５公報
【特許文献２】特開２００５−１８６５５８公報
【特許文献３】特開２００９−２３４０４６公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の背景技術は成形型を製作する前に金属型、複合材型いずれの場合も反転型を製作する必要がある。または成形品の寸法、形状を包含する素材を必要とする技術である。
金属型用の反転型(鋳型)を製作するには複雑な工程を経る必要がある。複合材型用の反転型は強度や加熱に対しての信頼性の低いものであり、いずれの場合にも型製作の期間、原価を引き上げている。
【０００７】
本発明の目的は反転型を製作することなく、また成形品の寸法、形状を包含する素材を必要としない、長尺部材に対する複合材の型を安価に、短期間に製作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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の長尺部材の成形用の型の製作方法は、基本的手段として、炭素繊維等に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートを必要枚数重ね合わせた材料に張力を与えながら連続してホットプレスと熱硬化炉を通過させて二次元形状の完全硬化状態の成形型の素材を成形する工程と、完全硬化した二次元形状の成形型の素材表面の一部に必要枚数のプリプレグシートを積層して断面形状が局部的に異なるジョグル部を形成する工程と、ジョグル部が形成された成形用型材を加熱・加圧して完全硬化させる工程と、を備える。
【０００９】
また、炭素繊維等の複合材に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートを必要枚数重ね合わせた材料に張力を与えながら連続してホットプレスと熱硬化炉を通過させて二次元形状の半硬化状態の成形型の素材を成形する工程と、半硬化状態の成形型の素材を成形装置のベースプレート上に間隙を有して立設した複数個のテンプレート上に載置して成形型の素材を三次元形状に塑性変形させる工程と、三次元形状に変形した成形型の素材を載置した成形装置を加熱・加圧して半硬化状態の成形型の素材を完全硬化させる工程と、を備えることもできる。
【００１０】
さらに、炭素繊維等の複合材に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートを必要枚数重ね合わせた材料に張力を与えながら連続してホットプレスと熱硬化炉を通過させて二次元形状の半硬化状態の成形型の素材を成形する工程と、半硬化状態の成形型の素材を成形装置のベースプレート上に間隙を有して立設した複数個のテンプレート上に載置して成形型の素材を三次元形状に塑性変形させる工程と、三次元形状に変形した成形型の素材を載置した成形装置を加熱・加圧して半硬化状態の成形型の素材を完全硬化させる工程と、完全硬化した成形用型材の表面の一部に必要枚数のプリプレグシートを積層して断面形状が局部的に異なるジョグル部を形成する工程と、ジョグル部が形成された成形用型材を加熱・加圧して完全硬化させる工程と、を備えることもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、二次元形状の真直な型および三次元形状の型については連続プルトルージョン成形により、反転型を製作することなく、安価に短期間で製作することが可能である。
１０メートル以上の長尺の型に対しても、連続プルトルージョン成形を利用すれば、１メートル程度の長さの型で良いので初期投資を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】二次元形状の真直な成形品を示す説明図。
【図２】本発明の適用例で、二次元形状の真直な型を示す説明図。
【図３】二次元形状の型にプリプレグが積層されたことを示す説明図。
【図４】完全硬化した二次元形状の長尺の型を示す説明図。
【図５】完全硬化した型にジョグル部を積層する説明図。
【図６】ジョグル部を積層した型を完全硬化させ、必要な寸法ならびにスム−ズな形状に機械加工によって仕上げた状態を示す説明図。
【図７】型を成形装置に載置した状態を示す説明図。
【図８】型の上面にプリプレグシートを積層した状態を示す説明図。
【図９】ジョグル部を有する成形品の斜視図。
【図１０】三次元形状の型の素材となる二次元形状の半硬化素材の説明図。
【図１１】半硬化状態の型素材を三次元形状のテンプレートを有する成形装置に載置した状態を示す説明図。
【図１２】テンプレートの説明図。
【図１３】テンプレートの説明図。
【図１４】テンプレートの説明図。
【図１５】テンプレートの説明図。
【図１６】テンプレートの説明図。
【図１７】三次元形状の型にプリプレグが積層されたことを示す説明図。
【図１８】曲がりおよびねじれを有する三次元形状の成形品を示す説明図。
【図１９】ジョグル形状を得るための部分的な追加積層を示す説明図。
【図２０】ジョグル形状を得るための追加積層、オートクレーブによる硬化後に機械加工を行ったことを示す説明図。
【図２１】ジョグル形状を有する型にプリプレグが積層されたことを示す説明図。
【図２２】ジョグル形状を有する成形品を示す説明図。
【図２３】断面がＣ形で横方向に曲がりが与えられた成形品を示す説明図。
【図２４】断面がＣ形でたて方向に曲がりが与えられた成形品を示す説明図。
【図２５】断面がＨまたはＩ形で横方向に曲がりが与えられた成形品を示す説明図。
【図２６】断面がＪ形で横方向に曲がりが与えられた成形品を示す説明図。
【図２７】断面が帽子形で横方向に曲がりが与えられた成形品を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１、図２、図３は、本発明により、二次元形状の真直な型を製作する場合の適用例を示す説明図である。
まず、プリプレグを積層した材料をプルトルージョンにより成形品１に対応する型材２を完全硬化状態で成形する。
【００１４】
成形装置１０は架台１１上にベースプレート１２を備える。このベースプレート１２上に上述した工程で製作された型２を載置し、この型２にプリプレグ４を必要枚数積層してレイアップする。
その後に、成形装置１０をオートクレーブ等で加圧、加熱して製品である成形品１を成形する。
上述した工程により、二次元形状を有する長尺の複合材の成形品１を得ることができる。
断面形状が全長にわたって同一形状の長尺の成形品１を製造する方法は、図１〜図３に示す二次元形状の型を用意しなくても、従来のプルトルージョン方法によっても製造することはできる。
【００１５】
図４以下に断面形状が長手方向に沿って部分的に異なる長尺の成形品を製造できる型の製造方法を示す。
図４では、図２で説明したと同様のプルトルージョン製法により完全硬化した二次元形状の長尺の型２を製造する。
【００１６】
次に、図５に示すように完全硬化した型２の上面にプリプレグシート２１，２２をレイアップにより積層して第１のジョグル部２ａを形成する。同様にプリプレグシート２３、２４、２５、２６をレイアップにより積層して第２のジョグル部２６を形成する。
次に、ジョグル部２ａ、２ｂを有する型２をオートクレーブ等で加熱・加圧して、図６に示す完全硬化させて型３を製造する。
この型３は、レイアップにより形成したジョグル部３ａ、３ｂを有する。
【００１７】
図７は、上述した工程で製造した型２を成形装置１０上に載置した状態を示す。図８は、成形装置１０の型２上にプリプレグシート４０をレイアップした状態を示す。レイアップされたプリプレグシート４０には、型２のジョグル部２ａ、２ｂに対応するジョグル部４０ａ、４０ｂが転写される。
このプリプレグ４０がレイアップされた成形装置１０をオートクレーブに送り、所定の加熱・加圧を施すことにより、図９に示すジョグル部４１ａ、４１ｂを有する成形品４１を得ることができる。
【００１８】
次に、図１０以下により三次元形状を有する複合材製の型の製造方法を説明する。
まず、図１０に示すプリプレグ材をプルトルージョン加工により二次元形状を有する半硬化状態の型素材２００を製作する。型素材２００は半硬化状態であるので、塑性変形させることができる。
【００１９】
図１１は、三次元形状の成形装置１００を示す。
成形装置１００は、架台１１０上にベースプレート１２０を有する。そして、このベースプレート上に５枚のテンプレート１３１、１３２，１３３、１３４、１３５が立設される。
図１２は、図１１のＡ―Ａ断面で示すテンプレート１３１の形状を示す。テンプレート１３１は、型素材２００が嵌合される凹部１３１ａと中央の凸部１３１ｂを有し、水平面に対して傾いた形状を有する。型素材はテンプレート１３１により２０ａの形状に変形する。
【００２０】
図１３は、図１１のＢ−Ｂ断面に配置されるテンプレート１３２の構成を示し、以下、図１４〜図１６に示すように、図１１のＣ−Ｃ断面のテンプレート１３３、Ｄ−Ｄ断面のテンプレート１３４、Ｅ−Ｅ断面のテンプレート１３５も同様の構成を有する。
そして、これらのテンプレート１３１、１３２、１３３、１３４、１３５を連続してつないで形成される曲面は、三次元形状を有する。
【００２１】
そこで、これらのテンプレート上に半硬化状の型素材２００を載置すると、型素材２００は三次元形状に変形する。この状態で成形装置１００をオートクレーブやオーブンで加熱することにより、型素材２００を完全硬化させることにより、三次元形状を有する成形用の型２１０を得ることができる。
【００２２】
図１７に示す次工程では、上述した手段で製作された型２１０を成形装置１００上に載置し、型２１０上にプリプレグシート３００をレイアップする。そして、成形装置１００をオートクレーブやオーブンで加熱して型２１０に対応した形状を有する図１８に示す複合材成形品３００を得ることができる。
【００２３】
図１９〜図２４は、本発明の他の実施例を示す。
【００２４】
図１９に示すように、前述した実施例により製作した完全硬化した型２１０の一部に必要枚数のプリプレグシート２１１，２１２，２１３，２１４を追加して積層して必要なジョグル部を形成する。
そして、成形装置１００全体をオートクレーブにより加圧、加熱することにより、型２２０を得ることができる。必要により追加積層したプリプレグ部周辺を機械加工を施して段差をなくしてスムーズなジョグル部２２０ｊを持つ型を得ることができる（図２０）。
【００２５】
図２１に示すように、この型２２０上にプリプレグシート４００をレイアップしてジョグル部４００ｊを形成し、加圧、加熱することにより、図２２に示すジョグル部４１０ｊを有する三次元形状の長尺の複合材成形品４１０を得ることができる。
【００２６】
図２３は、本発明により製作した型による断面がＣ形で横方向に曲がりが与えられた成形品５１０を示す説明図である。
【００２７】
図２４は、本発明により製作した型による断面がＣ形でたて方向に曲がりが与えられた成形品５２０を示す説明図である。
【００２８】
図２５は、本発明により製作した型による断面がＨまたはＩ形で横方向に曲がりが与えられた成形品５３０を示す説明図である。
【００２９】
図２６は、本発明により製作した型による断面がＪ形で横方向に曲がりが与えられた成形品５４０を示す説明図である。
【００３０】
図２７は、本発明により製作した型による断面が帽子形で横方向に曲がりが与えられた成形品５５０を示す説明図である。
【００３１】
本発明によれば以上のように、プリプレグ材をプルトルージョン方法によって二次元形状の長尺部材を半硬化状態に加工する。
次に、この半硬化状態の部材をテンプレート等に載置して三次元形状の部材に塑性変形させる。そして、この半硬化状態の部材を加熱・加圧して完全硬化させる。
上述した工程で製作された部材を型として使用することによって、三次元形状の複合材成形品を容易に形成することができる。
【符号の説明】
【００３２】
１二次元形状部品
２連続プルトルージョン成形による二次元複合材成形型
３ジョグル部を有する成形型
４二次元成形型上に積層された製品用プリプレグ
１０二次元形状部品用成形装置
１１架台
１２ベースプレ−ト
４０ジョグル部を有する成形品
１００三次元形状部品用成形装置
１１０架台
１２０ベースプレート
１３１テンプレート
１３２テンプレート
１３３テンプレート
１３４テンプレート
１３５テンプレート
２００連続プルトルージョン成形により予備成形された複合材成形型素材
２１０三次元形状の成形型
２１１〜２１５追加積層プリプレグシート
２２０ジョグル部を有する三次元成形型
３００三次元成形型上に積層されたプリプレグシート
３１０三次元成形品
４００ジョグル部を有する三次元成形型上に積層されたプリプレグシート
４１０ジョグル部を有する三次元成形品
５１０本発明の型により成形された断面がＣ形で横方向に曲がりが与えられた成形品
５２０本発明の型により成形された断面がＣ形でたて方向に曲がりが与えられた成形品
５３０本発明の型により成形された断面がＨまたはＩ形で横方向に曲がりが与えられた成形品
５４０本発明の型により成形された断面がＪ形で横方向に曲がりが与えられた成形品
５５０本発明の型により成形された断面が帽子形で横方向に曲がりが与えられた成形品

【特許請求の範囲】
【請求項１】
長尺部材の成形用の型の製作方法であって、
炭素繊維等に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートを必要枚数重ね合わせた材料に張力を与えながら連続してホットプレスと熱硬化炉を通過させて二次元形状の完全硬化状態の成形型の素材を成形する工程と、
完全硬化した二次元形状の成形型の素材表面の一部に必要枚数のプリプレグシートを積層して断面形状が局部的に異なるジョグル部を形成する工程と、
ジョグル部が形成された成形用型材を加熱・加圧して完全硬化させる工程と、
を備える複合材長尺部材用の複合材成形型の製作方法。
【請求項２】
長尺部材の成形用の型の製作方法であって、
炭素繊維等の複合材に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートを必要枚数重ね合わせた材料に張力を与えながら連続してホットプレスと熱硬化炉を通過させて二次元形状の半硬化状態の成形型の素材を成形する工程と、
半硬化状態の成形型の素材を成形装置のベースプレート上に間隙を有して立設した複数個のテンプレート上に載置して成形型の素材を三次元形状に塑性変形させる工程と、
三次元形状に変形した成形型の素材を載置した成形装置を加熱・加圧して半硬化状態の成形型の素材を完全硬化させる工程と、
を備える複合材長尺部材用の複合材成形型の製作方法。
【請求項３】
長尺部材の成形用の型の製作方法であって、
炭素繊維等の複合材に熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートを必要枚数重ね合わせた材料に張力を与えながら連続してホットプレスと熱硬化炉を通過させて二次元形状の半硬化状態の成形型の素材を成形する工程と、
半硬化状態の成形型の素材を成形装置のベースプレート上に間隙を有して立設した複数個のテンプレート上に載置して成形型の素材を三次元形状に塑性変形させる工程と、
三次元形状に変形した成形型の素材を載置した成形装置を加熱・加圧して半硬化状態の成形型の素材を完全硬化させる工程と、
完全硬化した成形用型材の表面の一部に必要枚数のプリプレグシートを積層して断面形状が局部的に異なるジョグル部を形成する工程と、
ジョグル部が形成された成形用型材を加熱・加圧して完全硬化させる工程と、
を備える複合材長尺部材用の複合材成形型の製作方法。

【図１】