CN102574334B - 梁材的制造方法和制造装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种梁材的制造方法，上述梁材由增强纤维基材和填料成型体形成，在与梁材的长度方向垂直的截面上，上述增强纤维基材具有梁腹部和从上述梁腹部经由至少一个分支部向两侧延伸的至少1组梁翼缘部，上述填料成型体填充于在上述分支部中形成的楔状空隙中；为了即使在上述楔状空隙的截面在梁材长度方向上发生变化时，也可连续且高效率地制造填充于空隙内的填料成型体，上述填料成型体由至少下述(A)～(C)的制造工序制成：(A)供给由增强纤维构成的填料材料的工序；(B)利用预赋型模具对上述填料材料进行加压，形成具有楔状突起部的填料预赋型体的工序；(C)将上述填料预赋型体装填于上述空隙内，挤压上述填料预赋型体，从而使上述填料预赋型体变形而形成填料成型体的工序。

Description

梁材的制造方法和制造装置
技术领域
本发明涉及由增强纤维基材形成的梁材的制造方法及制造装置。更详细地说，本发明涉及高效地制造作为增强材料填充在与梁材的长度方向垂直的截面中的楔状空隙中的、由纤维结构体形成的填料成型体的方法及装置。
背景技术
由于将碳纤维或玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维用作增强纤维的、碳纤维增强塑料(CFRP)和玻璃纤维增强塑料(GFRP)轻质且具有高的耐久性，所以作为构成汽车或航空器、船舶、建筑部件等的各种结构部件是理想的材料。
作为将这些增强纤维塑料(FRP)成型的方法，例如有高压釜成型法，所述高压釜成型法在高压釜(压力釜)中对层合了由增强纤维和高韧性的环氧树脂形成的预浸片材而成的层合体进行加压和/或加热使其固化。此外，还熟知有树脂传递成型方法(下面简称为RTM)和真空RTM成型方法等，所述树脂传递成型方法将层合有多片不含浸基质树脂的、干的增强纤维片材而成的结构(有时称为预成型体)配置于成型模中，向该成型模内注入低粘度的液态基质树脂，从而使基质树脂含浸于增强纤维使复合材料成型。
如上所述在将层合有各种增强纤维片材的增强纤维基材组合来制造梁材时，在成对的增强纤维基材间(具有弯曲部的两个增强纤维基材的分支部)产生空隙。这是因为：在使增强纤维基材弯曲时，由于纤维的刚性高，难以使增强纤维基材完全按直角变形。
例如在利用RTM成型方法或真空RTM成型方法制作截面为T形的梁材时，从制作上的理由考虑，如图1所示，将2个L形状的增强纤维基材10a、10b、与1个平板状的增强纤维基材10c结合，形成T形梁材的预成型体11。这时，在2个L形状的部件与平板状部件的结合体的分支部(相当于L形状的增强纤维基材的弯曲部的部分)形成楔形的空隙12。若在保持保留该楔形空隙的状态下向T形梁材的预成型体中注入树脂，则得到上述空隙中富含树脂的成型品。当将上述成型品应用于航空器的机翼等时，当有大的拉力负载作用时，在富含树脂的空隙处，发生刚性不足、接合强度不足等问题，可能会成为断裂的起点。此外，也考虑到如下情况：由于成型时的树脂注入的压力而扰乱分支部的纤维，或局部产生预成型体的空隙率差别，因此作为成型品的内部缺陷的空隙(void)产生于富含树脂的空隙中。
为了避免上述成型时的缺陷和强度降低，有必要在预成型体的制造阶段预先对上述空隙部分进行增强。作为增强方法，已经熟知有将由纤维结构体形成的棒状预赋型体(填料成型体)填充于空隙并进行成型的方法。例如已经公开了涉及棒状预赋型体(填料成型体)及其制造方法的发明，所述棒状预赋型体是将芯材和外覆部件一体化而得到的，所述芯材由集束而成的2根以上的连续丝条的集合体形成的且其横截面为楔状，所述外覆部件由以与芯材的外周面密合的方式覆盖该外周面的、编织成筒状的连续丝条形成(专利文献1)。
如果将该方法应用于壁厚均匀、截面形状一定、楔状空隙在长度方向上一定的梁材，则没有问题。但是，例如在单悬臂中使用时，有时要求厚度在长度方向上变化(越靠近顶端部厚度越薄)的梁材。这时，空隙的截面随着梁材的壁厚变化而连续或阶段地变化，因而产生问题。原因在于，对于填充楔状的空隙的填料成型体来说，使其截面积在长度方向上变化是困难的。而且，当使用截面积一定的填料成型体时，由于随着位置的不同，空隙残留较多、或相反地空隙的截面所含的增强纤维的密度过量，所以容易发生强度降低或剥离问题。
作为解决此问题的方法，已经公开了一种制造可适用于各种截面及形状的空隙部的棒状预赋型体(填料成型体)的制造方法和制造装置，所述制造方法准备考虑了填料成型体的截面积变化的切割图案(cut pattern)的基材，利用拼合模结构的模将该基材沿长度方向拉出，同时缓缓地取出拼合模，从而制造上述棒状预赋型体(专利文献2)。
然而，在该发明中，尤其是在制造空隙的截面在长度方向上连续地变化多次的梁材的预成型体时，为了使填料成型体的截面积变化，而必须要准备多个模(拼合模)。因此，用于制作填料成型体的设备成本增大，作业工序变得极复杂。此外，当制造多种梁材的预成型体时，必须要制作与每种预成型体的空隙相符的填料成型体，每次都必须准备或更换模，所以比较烦琐，效率较低。
专利文献1：专利第3549271号公报
专利文献2：日本特开2007-1299号公报
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种梁材的制造方法及制造装置，其中，当制造由增强纤维基材形成的梁材时，即使在与梁材的长度方向垂直的截面上、在增强纤维基材的分支部形成的楔状空隙的截面在梁材的长度方向发生变化时，也可连续且有效地制造填充于空隙的填料成型体。
为了实现上述目的，本发明采用如下任一种方案。
(1)一种梁材的制造方法，所述梁材由增强纤维基材和填料成型体形成，在与梁材的长度方向垂直的截面上，所述增强纤维基材具有梁腹部和从上述梁腹部经由至少一个分支部向两侧延伸的至少1组梁翼缘部，所述填料成型体填充于在上述分支部中形成的楔状空隙中，上述填料成型体由至少下述(A)～(C)的制造工序制成，
(A)填料供给工序，供给由增强纤维构成的填料材料；
(B)预赋型工序，利用预赋型模具对上述填料材料进行加压，形成具有至少一个楔状突起部的填料预赋型体；
(C)填料变形工序，将上述填料预赋型体装填于上述空隙内，挤压上述填料预赋型体使上述楔状突起部的顶端朝向上述空隙的楔状顶端，从而使上述填料预赋型体变形而形成填料成型体。
(2)如上述(1)所述的梁材的制造方法，上述增强纤维基材的厚度在梁材的长度方向上发生变化，并且，上述分支部中的上述增强纤维基材的曲率半径随着上述厚度变化在梁材的长度方向上发生变化，
在上述(A)工序中，作为上述填料材料，供给在长度方向上增强纤维的量发生变化的增强纤维片材，
在上述(B)工序中，使用由相对的至少两个模具形成的预赋型模具，通过使上述模具间的相对位置随着填料材料通过上述模具之间而发生变化来改变模具间的间隙，从而形成截面形状沿长度方向变化的填料预赋型体，
进而，使上述增强纤维基材和上述填料预赋型体二者在长度方向上同步地间歇传送，在填料预赋型体通过上述预赋型模具后立刻实施上述(C)工序。
(3)如上述(1)或(2)所述的梁材的制造方法，在上述(B)工序中，使用预赋型模具，所述预赋型模具包括：具有由直线部和楔状部形成的凹部的模具(x)；具有可嵌入上述模具(x)的直线部的凸部的模具(y)；和使上述模具(y)相对于上述模具(x)的相对位置发生变化的机构，通过使填料材料通过上述模具(x)和上述模具(y)的间隙来进行预赋型。
(4)如上述(1)～(3)中任一项所述的梁材的制造方法，在上述(A)工序中，使用具有宽度在长度方向上发生变化的形状的增强纤维片材作为上述填料材料。
(5)如上述(4)所述的梁材的制造方法，在上述(A)工序中，在宽度方向上对上述增强纤维片材至少进行3次以上的波状折叠。
(6)如上述(4)或(5)所述的梁材的制造方法，其中，将粒子状、纤维状、或片材状的粘合树脂局部地附着在形成为片材形状的增强纤维的至少一面，使用由此得到的材料作为上述增强纤维片材。
(7)如上述(4)或(5)所述的梁材的制造方法，其中，使用预浸料坯作为上述增强纤维片材，所述预浸料坯是预先将基质树脂含浸于形成为片材形状的增强纤维中而形成的。
(8)一种梁材，是由上述(1)～(7)中任一种制造方法得到的，其中，该梁材的相对于长度方向的截面形状为I形、T形、J形中的任一种。
(9)一种纤维增强树脂成型品，是使基质树脂含浸于由上述(1)～(6)中任一种制造方法得到的梁材中，并将上述基质树脂固化而得到的。
(10)一种纤维增强树脂成型品，是将含浸于由上述(7)的制造方法得到的梁材中的基质树脂固化而得到的。
(11)一种梁材的制造装置，其特征在于，具备
传送装置，间歇性地传送至少两个平板状的增强纤维基材；
梁腹部形成装置，通过模具将传送来的上述平板状的增强纤维基材部分地加热及加压并贴合而形成梁腹部；
梁翼缘部形成装置，设置于上述梁腹部形成装置之后，将上述平板状的增强纤维基材的未贴合的部分左右打开形成梁翼缘部，同时在上述两个增强纤维基材的分支部形成楔状空隙；
填料成型装置，形成填料成型体；
一体化装置，设置于上述梁翼缘部形成装置及上述填料成型装置之后，叠合上述增强纤维基材和上述填料成型体并进行加热，同时进行加压将其一体化；
进而，上述填料成型装置具备以下(a)、(b)的设备，
(a)具备预赋型模具并形成具有至少一个楔状突起部的填料预赋型体的设备，所述预赋型模具包括：具有由直线部和楔状部形成的凹部的模具(x)、具有可嵌入上述模具(x)的直线部的凸部的模具(y)、和使模具(y)相对于模具(x)的相对位置发生变化的机构；
(b)挤压设备，在上述楔状突起部的顶端朝向上述楔状空隙的顶端的方向上，对上述填料预赋型体进行挤压。
本发明中，“填料材料”可举出由增强纤维在至少一个方向对齐的平坦的增强纤维片材构成的物质，及由线状的增强纤维线束构成的物质。增强纤维片材的情况下，可由使后述的粘合性树脂部分地粘合于增强纤维、并使其形态稳定化而形成的干的增强纤维布帛构成，或者也可由将基质树脂含浸于增强纤维全体并使其形态稳定化而形成的预浸料坯构成。作为上述增强纤维片材，优选使用单向织物、双向织物、编织物、无纺布等。此外，增强纤维线束的情况下，可举出将多条增强纤维对齐得到的线束单体或其集合体、线带等。作为增强纤维，可使用碳纤维或玻璃纤维、芳香族聚酰胺纤维等。
此外，所谓“增强纤维基材”，是指如上所述的“增强纤维片材”本身、或将其多片层合而成的物质。在进行层合的情况下，例如，可为了具有伪各向同性，而从下层开始依次改变增强纤维片材的纤维方向0°、+45°、-45°、90°进行层合，或者也可按照仅增强特定的方向的方式进行层合。
需要说明的是，本发明中，“填料材料”与“增强纤维基材”不需要为相同材料。将干的增强纤维片材用于“填料材料”、将预浸料坯用于“增强纤维基材”，或将增强纤维线束用于“填料材料”、将增强纤维片材用于“增强纤维基材”。当然，反之亦可。
“具有梁腹部和从该梁腹部经由至少一个分支部向两侧沿伸的至少一组梁翼缘部的增强纤维基材”至少是将具有弯曲部的多个增强纤维基材组合、构成梁腹部与梁翼缘部的组合体。例如，如图1所示，可以是将3部分增强纤维基材10a～10c组合、形成梁腹部和梁翼缘部的组合体，或者也可以是没有图1中的平板上的增强纤维基材10c、而仅由具有弯曲部的多个增强纤维基材形成梁腹部及梁翼缘部的组合体。需要说明的是，所谓“梁翼缘部”，是指例如T形截面的梁部件中，设于上缘(或下缘)的水平的板要素，所谓“梁腹部”，是指与梁翼缘部连接的垂直的板要素。主要由于梁翼缘部发挥弯曲力矩作用，梁腹部对剪切力发挥阻力作用，所以截面2次力矩变大，弯曲刚性提高。
所谓“楔状”，是指一端宽、随着向另一端靠近而变窄的形状。其中，随着向另一端靠近而变窄的程度优选均等，也可以不均等。
进而，所谓“粘合树脂”，是指具有粒子状、纤维状、或膜状的形态、部分地添加到增强纤维中的物质。对于“粘合树脂”来说，考虑到树脂与增强纤维的粘合、或在常温环境下的处理，优选具有50至100℃范围内的玻璃化温度。作为粘合树脂的成分，优选提高增强纤维基材的处理性的物质，更优选提高使用其得到的增强纤维塑料的机械特性的物质。作为粘合树脂，可使用各种热固性树脂和/或热塑性树脂。作为热固性树脂，可举出例如环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等，作为热塑性树脂，可举出例如聚醚砜树脂、聚烯烃树脂、聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂等。
另外，所谓“基质树脂”，是指含浸于增强纤维全体中的树脂，将增强纤维形态稳定化为片材状的物质。作为基质树脂，与上述粘合树脂同样地可使用各种热固性树脂和/或热塑性树脂。作为热固性树脂，可举出例如环氧树脂、酚醛树脂、不饱和聚酯树脂等，作为热塑性树脂可举出例如聚醚砜树脂、聚烯烃树脂、聚苯乙烯树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯树脂、聚苯硫醚树脂、聚醚醚酮树脂等。
根据本发明的制造方法及制造装置，如以下说明，在制造由增强纤维基材形成的梁材时，即使位于增强纤维基材的与长度方向垂直的截面的楔状空隙(例如，形成于成对的增强纤维基材分支部分的空隙部)的截面形状在增强纤维基材的长度方向上发生变化，也可连续且高效地制造填充于空隙的填料成型体，得到高品质的梁材。
附图说明
[图1]为表示由本发明得到的梁材的分支部的截面简图。
[图2]为表示本发明中使用的梁材的制造装置的一例的立体简图。
[图3]为表示本发明中的填料成型体的制造工序的一例的立体简图。
[图4]为表示本发明中可使用的预赋型模具的一例的(a)截面简图及(b)立体简图。
[图5](a)为表示从增强纤维基材的壁厚厚处向薄处变化的情况下的梁材的一例的截面简图；(b)为表示装填有填料材料的预赋型模具的一例的截面简图。
[图6]为表示本发明中使用的填料材料的裁断图案例(a)～(e)的简图。
[图7](a)为表示使用纤维量多的填料材料时的使用预赋型模具进行的赋型的截面简图；(b)为表示使用纤维量多的填料材料时的变为填料成型体的变形原理的截面简图。
[图8](a)为表示使用纤维量最少的填料材料时的使用预赋型模具进行的赋型的截面简图；(b)为表示使用纤维量最少的填料材料时的变为填料成型体的变形原理的截面简图。
[图9]为表示填料预赋型体24的优选的挤压方法的一例的简图。
[图10]为表示预赋型下模具的凹部的形状图案例(a)～(c)的截面简图。
[图11]为表示本发明中可使用的其他方式的预赋型模具的(a)截面简图及(b)立体简图。
[图12]为表示图11所示的预赋型下模具23a和预赋型上模具23b所围成的区域的截面32的面积变化的截面简图。
[图13]为表示本发明中使用的填料材料的折叠方式的一例的截面简图。
[图14]为表示本发明中可使用的填料材料的折叠导向装置的截面简图。
具体实施方式
以下，一边参照附图一边对本发明的梁材的制造方法与制造装置的优选实施方案进行说明。具体而言，对于与形成于构成梁材的成对的增强纤维基材的分支部的空隙的截面形状变化相对应地使形成填料成型体的楔状的曲线的R形状(曲率半径)从大到小变化的情况进行说明。
图2为表示本发明的梁材的制造装置的一例的立体简图。更详细而言，为制造图1所示的T形截面形状的梁材的装置。该装置主要由材料供给装置(材料供给装置80a、80b等)、材料传送装置(牵引装置81等)、梁腹部形成装置82、梁翼缘部形成装置83、填料成型装置84、一体化装置85构成。以下，对这些装置进行详细说明。
材料供给装置是将增强纤维基材及填料材料等各种材料运载至梁材制造装置的适当位置的装置。例如，图1中的平板状的具备运载增强纤维基材10c的载台(table)的材料供给装置80a、具备运载填料材料20的载台的材料供给装置80b等，就是上述材料供给装置。需要说明的是，图2中虽未图示图1中的增强纤维基材10a、10b的材料供给装置，但图2的装置也具备该材料供给装置。
在构成材料供给装置的载台上，优选设置与各种材料的行进方向平行的导向装置。这样的话，用后述的一体化装置85将各种材料一体化时，可不易发生位置偏差。
材料传送装置是在梁材的制造装置内将各种材料传送至下游侧的装置。例如，将相当于图1中的增强纤维基材10a、10b的增强纤维基材21a、21b以一定的间隔间歇性地传送至一体化装置85的牵引装置81，就是上述装置。该牵引装置81由多个夹头和驱动其的驱动器等构成，可把持两个平板状的增强纤维基材21a、21b。需要说明的是，图2所示的装置中，虽未图示，但也具备与增强纤维基材21a、21b的间歇送料同步地、将增强纤维基材10c及填料材料20传送至下游侧的材料传送装置。
梁腹部形成装置82由具有加热机构的左右模具构成，牵引动作停止时，对2个增强纤维基材21a、21b部分地进行加热及加压。由此，赋型梁材中的梁腹部，并且将配置在增强纤维基材的层间的粘合树脂软化或熔融，从而使该层间粘合，并固定该形状。
梁翼缘部形成装置83设置于梁腹部形成装置82的下游侧，由设置于两个增强纤维基材21a、21b之间的导向板等构成。该导向板为流线形，将增强纤维基材21a、21b未贴合的部分缓缓地向左右打开。由此，增强纤维基材21a、21b的形状由平板状变形为具有梁翼缘部的L形状，同时在增强纤维基材21a、21b的分支部形成比梁翼缘部凹陷的楔状空隙。
需要说明的是，图2中，梁翼缘部形成装置83用导向板表示，但也可为一边用辊等处理增强纤维基材一边缓缓地分开成L形的辊帘(roller drape)机构。
例如如图3所示，填料成型装置84具备具有凹部的预赋型下模具23a、和具有可嵌入该模具的凸部的预赋型上模具23b。另外，也具备用于形成填料成型体27的加压机26，所述加压机26向将增强纤维基材21a、21b的未贴合部分向左右打开而形成的楔状空隙的顶端方向挤压利用上述模具成型的填料预赋型体24。上述填料成型装置84将具有所需的截面形状的填料成型体27与增强纤维基材的组合体一起间歇性地连续成型。
一体化装置85设于梁翼缘部形成装置83及填料成型装置84的下游侧，由至少具有加热机构、优选具有加热机构和冷却机构的、上模具和可向左右分离的下模具构成。该一体化装置85将平板状的增强纤维基材10c叠合于通过梁翼缘部形成装置83打开为L形的两个增强纤维基材21a、21b与填料成型体27上而将其一体化，并进行加热及加压。由此，增强纤维基材表面的粘合树脂材料软化或熔融，使层间粘合，然后立即冷却，从而可将梁材的形状固定。需要说明的是，一体化装置85中具备牵引机构86，所述牵引机构86与增强纤维基材21a、21b的牵引装置81的间歇送料及增强纤维基材10c及填料材料20的传送装置的间歇送料联动，将形成的梁材依次送出。
在如上所述的装置中，梁材例如按照如下方式制造。首先，通过材料供给装置(材料供给装置80a、80b等)将增强纤维基材及填料材料等各种材料运载至梁材制造装置的规定位置。然后，通过材料传送装置(牵引装置81等)将上述各种材料间歇性地传送至一体化装置85。在传送至一体化装置85的中途，通过梁腹部形成装置82将增强纤维基材21a、21b部分地加热及加压，形成梁腹部。另外，在形成梁腹部之后，通过梁翼缘部形成装置83，将增强纤维基材21a、21b的未贴合的部分向左右打开，形成梁翼缘部。此时，还在增强纤维基材21a、21b的分支部形成比梁翼缘部凹陷的楔状空隙。另一方面，在将填料材料从材料传送装置传送至一体化装置85的中途，利用构成填料成型装置84的预赋型模具23进行加压，形成具有至少一个楔状凸起部的填料预赋型体。接下来，将填料预赋型体装填至形成于增强纤维基材21a、21b的分支部的空隙内，按照上述楔状凸起部的顶端朝向上述空隙的楔状顶端的方式用加压机26进行挤压，形成填料成型体。对于如上所述地传送、制造出的L形状的增强纤维基材21a、21b及填料成型体27，可以根据需要叠合平板状的增强纤维基材10c，用一体化装置85进行加热及加压而将其一体化。
需要说明的是，虽然在图2所示的方案中，在将增强纤维基材组合形成梁腹部和梁翼缘部时，除了两个L形状的增强纤维基材21a、21b之外，还组合了平板状的增强纤维基材10c，但也可仅由具有弯曲部的两个增强纤维基材形成。然而，从提高所得梁材的弯曲刚性的观点考虑，优选将平板状的增强纤维基材10c与具有弯曲部的至少两个增强纤维基材21a、21b组合。
接下来，使用图3的立体简图对填料成型体的制造工序进行详细说明。
图3中，20是由干的增强纤维片材构成的填料材料，所述干的增强纤维片材是将粘合性树脂材料散布于增强纤维并使其部分粘合、使其形态稳定化得到的。21a、21b分别为L形状的增强纤维基材，所述L形状的增强纤维基材如下制作：将与填料材料的增强纤维片材同样的增强纤维片材层合而形成平板状的增强纤维基材，使所述平板状的增强纤维基材弯曲来制作L形状的增强纤维基材。
如上所述，将增强纤维基材21a和21b部分加热及加压，将其相互贴合，用模25把持并间歇性地传送至下游侧。此时，在与用模25把持的两个L形状的增强纤维基材21a、21b的移动相同的时刻，一边将填料材料20向预赋型模具23(预赋型下模具23a、预赋型上模具23b)传送一边折叠。使折叠后的填料材料20通过分别利用加热体进行加热的预赋型下模具23a和预赋型上模具23b的模具之间并对其进行加热及加压，将其预赋型为填料预赋型体24。然后，用加压机26将填料预赋型体24直接挤压至形成于由模25把持的两个L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的楔状空隙，从而形状变形，形成具有适合于该空隙的形状的填料成型体27。
此时，利用预赋型模具23将填料预赋型体24预赋型，使其具有楔状的凸起部，因此，可以没有未填充部地、以适当的密度填充至形成于两个L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的楔状空隙的深处。
需要说明的是，如果填料材料20预先具有用于形成预赋型体所需的温度，则也可以仅利用预赋型模具23进行加压。因此，也可在比预赋型模具23更靠近上游侧对填料材料20进行加热，接着在无加热机构的预赋型模具23内进行加压，形成填料预赋型体24。另外也可如下进行：利用无加热机构的预赋型模具23将填料材料20预赋型使其具有楔状的凸起部，然后对其进行加热，将所得填料预赋型体24朝向形成于两个L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的楔状空隙进行挤压。
但是，当如上述方式那样、用预赋型模具23对填料材料20进行加热并且进行加压时，填料材料20容易变形，而且也易于使填料预赋型体24变形为填料成型体27，因而优选。此外，可以使梁材的制造装置小型化。
而且，用预赋型模具23对填料材料20进行加热并且进行加压时，虽然在将填料预赋型体24从预赋型模具23拉出后立即进行加热处理而软化，但若将其置于常温大气中则会缓慢冷却、固化，导致难以变形为填料成型体27。因此，对于利用加压机26的挤压，优选在紧接着通过预赋型模具的模具间之后、即填料预赋型体通过预赋型下模具23a和预赋型上模具23b之间之后紧接着停止传送时进行。
接下来，对本发明中可使用的预赋型模具进行说明
预赋型模具优选使用由下述模具(x)和(y)形成的模具：所述模具(x)具有由直线部与楔状部形成的凹部，所述模具(y)具有可嵌入该模具(x)的直线部的凸部。进而，优选具备使上述对置的两个模具(x)、(y)的相对位置变化的机构。
具体而言，例如，可举出如图4所示的由预赋型下模具23a与预赋型上模具23b构成的预赋型模具。图4中，(a)为截面简图，(b)为立体简图。
图4所示的预赋型下模具23a中设有由设于深度方向的直线部30、和连接该直线部的楔状的曲线部31形成的凹部。此时，优选将直线部30的长度设定得较大，以使即使投入最大纤维量的填料材料20也全部被包括在凹部内。另外，曲线部31由与形成于由两个L形状的增强纤维基材21a、21b形成的组合体中的分支部的弯曲部的曲率半径对应的圆弧构成。另一方面，预赋型上模具23b中设有可嵌入下模具的直线部30的凸部。将填充材料收容在上述预赋型下模具23a与预赋型上模具23b所围成的区域(截面32)内，并对其进行加热、加压，从而将该填料材料预赋型使其具有楔状的凸起部。
使用图5对由预赋型下模具23a和预赋型上模具23b所围成的区域(截面32)更详细地进行说明。图5(a)是两个L形状的增强纤维基材21a、21b的壁厚在梁材的长度方向上从t(图5(a)中的上方的图)变化为t-Δt(图5(a)中的下方的图)的梁材的截面图。当制造增强纤维基材的弯曲部的凹侧的曲率半径为一定的R的梁材时，如图5(a)所示，与填料预赋型体接触的增强纤维基材的弯曲部的凸侧的曲率半径，对应于壁厚的变化，从R+t变化至R+t-Δt。此时，如图5(b)所示，预赋型下模具23a的曲线部31的曲率半径优选与最大壁厚t时的凸侧的曲率半径R+t一致。进而，优选将预赋型模具所围成的区域的截面32的宽度40设定为如下宽度：使形成于L形状的增强纤维基材的壁厚最薄时(壁厚为t-Δt时)的分支部的楔状空隙的截面积A、和预赋型下模具23a与预赋型上模具23b最靠紧时所围成的区域的截面32的面积B的关系为A≥B。即，虽然预赋型下模具23a的曲线部31的曲率半径变为R+t，但预赋型下模具23a与预赋型上模具23b所围成的截面的宽度40优选小于下述值：如图5(b)的虚线所示，半径(R+t)×2的值。通过如上所述构成预赋型模具，利用加压机将所得填料预赋型体压散，预赋型体中所含的增强纤维变得易于向左右扩展，最终变得易于变形为适当的形状。
另外，作为使对置的两个模具的相对位置变化的机构，例如可采用如图4(b)所示的结构。例如，优选具备滑动机构，所述滑动机构在上下模具间设置有导向轴33等，可使预赋型上模具23b相对于预赋型下模具23a平滑地接近或远离。如上所述，为了使预赋型上模具23b相对于预赋型下模具23a在垂直方向上的相对位置发生变化，而形成为预赋型下模具23a或预赋型上模具23b的一方可在上下方向远离或接近的结构，由此，可与填料材料20的纤维量的变化对应地使填料预赋型体24的形状(与长度方向垂直的截面的面积)发生变化。
需要说明的是，对于预赋型上模具23b相对于预赋型下模具23a的相对位置来说，可基于与填料材料20的纤维量的变化对应地预先输入的数据，通过伺服马达适当地调节预赋型下模具23a和预赋型上模具23b的间隔。另外，也可利用弹簧调节上下模具的间隔。进而，当预赋型上模具23b因重力而落下并嵌入预赋型下模具23a时，由于填料材料20的反作用力，预赋型上模具23b自动地收起至适当的位置，因而优选。
进而，预赋型模具中优选设置用于加热填料材料的机构。具体而言，例如，如图4所示，在预赋型下模具23a及预赋型上模具23b中，优选分别设有一个或多个使用于加热填料材料20的加热体通过的中空部22。作为加热体，从操作效率的观点考虑，优选使用可在短时间内升温的电热加热器，但不限定于此。加热体优选可通过未图示的温度调节装置将模具温度调节为目标温度，优选可通过使填料材料与该模具接触进行加热。作为填料材料20的加热温度范围，没有特别限制，为了在适当的温度下使填料材料中含有的粘合树脂或基质树脂软化，优选比粘合树脂或基质树脂的软化温度Tg高5℃以上，更优选高10℃以上。
另外，与预赋型模具的填料材料接触的表面优选为具有脱模性的材质。
接下来，基于以下的附图更详细地说明使填料预赋型体24的截面形状发生变化、成型为填料成型体27的方法。
图6为表示可在本发明中使用的、由增强纤维片材构成的填料材料20的裁断图案的一例的简图。
例如，如图6(a)所示，将在填料准备工序中使用的增强纤维片材裁断，使得增强纤维片材的宽度在长度方向上适当改变而使纤维量发生变化。由此，可适合于形成于梁材的分支部的空隙在长度方向上的截面积变化。此时，准备的增强纤维片材的形状可以实质上为梯形形状。例如，如图6(a)所示，相对于宽宽度的边50和窄宽度的边51，其他2边中1边可为直角，如图6(b)所示，相对于增强纤维片材的宽宽度的边50与窄宽度的边51，其他2边的两方可斜向裁断。另外，只要是适合于形成于梁材的分支部的空隙的截面积即可，如图6(c)～(e)所示，也优选部分斜向裁断或分阶段裁断。
需要说明的是，当在长度方向上制造一定截面的填料成型体时，可准备一定的宽度的增强纤维片材。另外，当将多根线束的集合体用于填料材料20时，通过减少线束的根数，也可适合于形成于梁材的分支部的空隙的截面积。
接下来，当填料材料20的纤维量多和少时，即，增强纤维片材的宽度分别位于宽宽度的边50与窄宽度的边51的位置时，对于填料预赋型体24的赋型、进而变形为填料成型体27的方法，参照图7及图8依次说明。
图7为表示由纤维量多的填料材料20形成填料预赋型体24、进而变形为填料成型体27的方法的截面简图。
填料材料20的纤维量多时，如图7(a)所示，预赋型上模具23b为相对于预赋型下模具23a向上方远离的状态。填料材料20在上下预赋型模具之间被加热及加压，成型为具有直线部和楔状部的填料预赋型体24。接下来，如图7(b)所示，将上述填料预赋型体24配置于形成于两个L形状的增强纤维基材21a、21b的组合体中的增强纤维基材的分支部的空隙内。然后，利用加压机26向形成于该分支部的空隙直接挤压填料预赋型体24。由此，铺展填料预赋型体24的直线部(相当于图4中的预赋型下模具23a的直线部30的部分)中含有的纤维，形成沿着L形状的增强纤维基材21a、21b的弯曲部的曲线形状的曲线部。
另一方面，图8为表示由纤维量最少的填料材料20成型填料预赋型体24、进而变形为填料成型体27的方法的截面简图。
如图8(a)所示，当填料材料20的纤维量最少时，填料材料20在上下预赋型模具之间被加热及加压，成型为填料预赋型体24。但是，由于向预赋型模具投入的纤维量最少，所以在填料预赋型体24中不形成直线部。而且，然后，如图8(b)所示，将填料预赋型体24配置于形成于两个L形状的增强纤维基材21a、21b的组合体中的增强纤维基材的分支部的空隙内。
需要说明的是，填料材料20的纤维量最少的情况，是指与如图7(b)所示的填料材料20的纤维量最多的情况(即，L形状的增强纤维基材21a、21b的壁厚厚时)相比，对应于填料成型体27的L形状的增强纤维基材21a、21b的弯曲部的曲率半径小的情况。另一方面，对于由上述预赋型模具得到的填料预赋型体24来说，曲线部的曲率半径为沿着预赋型下模具23a的凹部的形状形成的大的曲率半径。因此，在将填料预赋型体24配置于L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的阶段中，如图8(b)所示，变为仅填料预赋型体24的楔状部顶端嵌入的状态。
然后，利用加压机26使填料预赋型体24沿着上述空隙的楔状发生变形，形成填料成型体27。
需要说明的是，当利用加压机26挤压填料预赋型体24时，优选使用如图9所示的方法进行挤压，使填料预赋型体24沿着上述空隙的楔状变形。即，为了在与该填料预赋型体24的长度方向垂直的截面上，使填料预赋型体24沿上述空隙的楔状曲线变形，优选从外侧向内侧进行挤压。由此，可容易地得到将填料赋型体以适当的密度填充至空隙深处而形成的梁材。
加压机26的宽度优选为包括两个L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部、还包括至位于其两端的平坦部的宽度。另外，在将填料成型体27配置于由具有弯曲部的增强纤维基材形成的空隙后，如图1所示，当组合平板状的增强纤维基材10c时，期求将该平板状的增强纤维基材10c叠合平坦。因此，优选充分地设置加压机26的宽度，使得可将填料成型体27挤压为相较于两个L形状的增强纤维基材21a、21b的平坦部不隆起的状态。作为加压机26的加压机构，优选使用气压或油压等，但并不限于此。另外，对于加压机26来说，为了易于使填料预赋型体24变形，优选对与填料预赋型体的接触面进行加热。
虽然在以上说明的实施方案中，将预赋型下模具的曲线部31的形状设为为与L形状的增强纤维基材21a、21b的最大厚度(最大的层合层数)的曲率半径相当的圆弧状，但并不限于该形状。例如，也可以是图10(a)、(b)所示的直线状或弯曲线状，也可以是如图10(c)那样、形成楔状的圆弧状部的顶端变圆滑。但是，从没有未填充部地以适当的密度将填料成型体填充至形成于两个L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的楔状空隙的深处的观点考虑，优选如图4所示的顶端更尖的楔状。
另外，预赋型模具可采用如下构成。
图11(a)、(b)分别为表示预赋型模具的其他方案的截面简图及立体简图。
图11(a)中，预赋型下模具23a被分为左右2个部分。两个预赋型下模具23a分别具有平行于与模具长度方向垂直的方向的梳齿，这些梳齿按照左右模具的梳齿相互咬合的方式配置于模具长度方向。另外，两个预赋型下模具23a具有曲线部70，所述曲线部70通过将两者合起而形成楔状空隙。曲线部70由与两个L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的弯曲部的曲率半径对应的圆弧状形成。
进而，在预赋型下模具23a与预赋型上模具23b之间设有滑动机构72，所述滑动机构72可改变预赋型下模具23a相对于预赋型上模具23b在水平方向上的位置。通过用加压机构71向图中的箭头方向挤压预赋型下模具23a，可移动预赋型下模具23a。
另外，在预赋型下模具23a、预赋型上模具23b中分别设置有1个或多个使用于加热填料材料20的加热体通过的中空部22。可与上述使用图4(b)说明的预赋型模具同样地、适当地选择加热体。
使用图12对图11所示的预赋型下模具23a与预赋型上模具23b所围成的区域的截面32进行详细地说明。图12(a)、(b)分别为表示图11所示的预赋型下模具23a及预赋型上模具23b所围成的区域的截面32的面积的变化的截面简图。
与上述使用图5说明的实施方案同样，图12(a)中，预赋型下模具23a的曲线部70的曲率半径与两个L形状的增强纤维基材21a、21b的最大壁厚t时的凸侧的曲率半径R+t一致。而且，对于左右两个预赋型下模具23a来说，通过设于两个预赋型下模具23a与预赋型上模具23b之间的滑动机构72，能够在梳齿不相互咬合的位置(图12(a))和相互咬合的位置(图12(b))改变位置。由此，可使预赋型下模具23a和预赋型上模具23b所围成的区域(截面32)的面积发生变化，可将具有截面变化的填料预赋型体成型。
需要说明的是，预赋型下模具23a的梳齿优选细小、数量多。这样的话，当纤维量变化的填料材料20通过预赋型模具间时，该填料材料不易陷入凹部。进而，可使预赋型下模具23a与填料材料20更均等地接触，因此可防止填料材料的加热不均。需要说明的是，存在这样的危险：在咬合的梳齿的凹部，模具表面与填料材料20不接触，填料材料20未被加热，因此，优选梳齿数目多。另外，为了不使填料材料20与梳齿牵连，优选梳齿表面为具有脱模性的材质。
对于与预赋型下模具23a在水平方向上有关的移动，可如下进行：使用伺服马达作为加压机构71，基于与填料材料20的纤维量的变化对应地预先输入的数据，适当地调节该伺服马达的输出。另外，也可使用如下机构：使用弹簧、气压，油压等对预赋型下模具23a施加一定压力，由于填料材料20的反作用力，预赋型下模具23a自动地收起至适当的位置。当然，并不限定于此。
进而，虽未图示，但也可为如下构成：在预赋型下模具23a和预赋型上模具23b两者的相互对置的面上设有梳齿，使预赋型下模具23a与预赋型上模具23b中的至少一方可在垂直方向上移动。由此，可使预赋型下模具23a及预赋型上模具23b所围成的截面的面积发生变化。需要说明的是，在此时的预赋型模具中，也可采用与上模具及下模具中一方在水平方向上可动的预赋型模具同样的动作机构。
接下来，对传送至预赋型模具的填料材料的折叠方式进行说明。
图13为表示将增强纤维片材用于填料材料时的、该片材的折叠方式的一例的截面简图。
如图13所示，对于填料材料20来说，优选在增强纤维片材的宽度方向上对填料材料的两端所夹的中间部分进行至少3次以上波状折叠，以使得与预赋形模具的直线部(例如图4所示的预赋型下模具23a的直线部30)大致平行地形成纵向。这样的话，利用加压机26直接向空隙挤压填料预赋型体24时，填料预赋型体中含有的纤维变得容易铺展，使得易于变形为与空隙形状相符合的填料成型体27。即，当如图7(b)那样、L形状的增强纤维基材21a、21b的分支部的曲率半径大时，相当于填料预赋型体24的直线部(例如，对应于图4所示的预赋型下模具23a的直线部30的部分)的折叠部分的纤维被压散或分至左右，由此形成具有沿着分支部的形状的填料成型体27。另外，当如图8(b)那样、分支部的曲率半径小时，向图中下箭头方向压散填料预赋型体24，由此形成具有沿着分支部的形状的填料成型体27。
需要说明的是，作为可靠地折叠填料材料20的方法，可如下进行：在比预赋型模具更靠近上游侧的位置，依次设置如图14所示的折叠导向装置60a、60b、60c，一边在长度方向上使填料材料20通过，一边缓缓将其折叠。另外，也可预先准备在纵向上进行过波状折叠的填料材料20，并将其投入至填料预赋型模具。
如上所述，通过使用图2～图14那样的装置及纤维量变化的填料材料20，可以将填料成型体27以适当的密度填充至截面形状与长度方向相关地发生变化的梁材。
需要说明的是，本发明当然可适用于制造截面形状一定且与长度方向相关的梁材的情况。
上述方案中，对使用在多片增强纤维片材的层间配合有粘合树脂的增强纤维基材的方案进行了说明，但即使在未在多片增强纤维片材的层间配合粘合树脂的情况或为一片增强纤维片材单体的情况下，也可使用上述的制造方法成型梁材。另外，作为增强纤维基材，也可使用将增强纤维片材卷成棒状或筒状而得到的物质等。即，例如，如果使增强纤维片材为无端的棒状或筒状、进而将其压散为平板状，则也可作为如上所述的增强纤维基材使用。
进而，对于使用如上所述的装置、方法得到的梁材来说，当使用干的增强纤维基材或增强纤维片材时，随后可利用RTM成型方法或真空RTM成型方法，向梁材(预成型体)中注入基质树脂，形成增强纤维塑料成型品。需要说明的是，即使在使用干的基材作为增强纤维基材、使用预浸料坯作为填料材料时，也可利用RTM成型方法或真空RTM成型方法向增强纤维基材中注入基质树脂，得到增强纤维塑料成型品。另一方面，当将预浸料坯用于增强纤维基材时，利用高压釜(压力釜)对梁材(预成型体)进行加压和/或加热使其固化，由此可形成增强纤维塑料成型品。
此外，虽然在上述实施方案中利用具有T形截面的梁材进行了说明，但梁材的相对于长度方向的截面(与长度方向垂直的截面)形状也可以是J形、I形、十字形等形状。
产业上的可利用性
本发明不限于使用了增强纤维基材的梁材，也可应用于使用了纸或膜等的梁材的制造，而且，其应用范围不限于此。
符号说明
10a、10b：L形状的增强纤维基材
10c：平板状的增强纤维基材
11：预成型体
12：空隙
20：填料材料
21a、21b：增强纤维基材
22：中空部
23a：预赋型下模具
23b：预赋型上模具
24：填料预赋型体
25：模
26：加压机
27：填料成型体
30：直线部
31：曲线部
32：预赋型下模具与预赋型上模具所围成的区域的截面
33：导向轴
40：宽度
50：宽宽度的边
51：窄宽度的边
60a、60b、60c：折叠导向装置
70：曲线部
71：加压机构
72：滑动机构
80a、80b：材料供给装置
81：牵引装置
82：梁腹部形成装置
83：梁翼缘部形成装置
84：填料成型装置
85：一体化装置
86：牵引机构
A：壁厚最小时的空隙部的截面积
B：预赋型下模具与预赋型上模具最靠紧时所围成的截面积
R：增强纤维基材的弯曲部的凹侧的曲率半径
t：L形状的增强纤维基材的厚度
Δt：L形状的增强纤维基材的厚度变化

Claims (12)

1.一种梁材的制造方法，所述梁材由增强纤维基材和填料成型体形成，在与梁材的长度方向垂直的截面上，所述增强纤维基材具有梁腹部和从所述梁腹部经由至少一个分支部向两侧延伸的至少1组梁翼缘部，所述填料成型体填充于在所述分支部中形成的楔状空隙中，所述填料成型体由至少下述(A)～(C)的制造工序制成，
(A)填料供给工序，供给由增强纤维构成的填料材料；
(B)预赋型工序，利用预赋型模具对所述填料材料进行加压，形成具有至少一个楔状突起部的填料预赋型体；
(C)填料变形工序，将所述填料预赋型体装填于所述空隙内，挤压所述填料预赋型体使所述楔状突起部的顶端朝向所述空隙的楔状顶端，从而使所述填料预赋型体变形而形成填料成型体，
其中，所述增强纤维基材的厚度在梁材的长度方向上发生变化，并且，所述分支部中的所述增强纤维基材的曲率半径随着所述厚度变化在梁材的长度方向上发生变化，
在所述(A)工序中，作为所述填料材料，供给在长度方向上增强纤维的量发生变化的增强纤维片材，
在所述(B)工序中，使用由相对的至少两个模具形成的预赋型模具，通过使所述模具间的相对位置随着填料材料通过所述模具之间而发生变化来改变模具间的间隙，从而形成截面形状沿长度方向变化的填料预赋型体，
进而，使所述增强纤维基材和所述填料预赋型体二者在长度方向上同步地间歇传送，在填料预赋型体通过所述预赋型模具后立刻实施所述(C)工序。
2.如权利要求1所述的梁材的制造方法，在所述(B)工序中，使用预赋型模具，所述预赋型模具包括：
具有由直线部和楔状部形成的凹部的模具(x)；
具有可嵌入所述模具(x)的直线部的凸部的模具(y)；和
使所述模具(y)相对于所述模具(x)的相对位置发生变化的机构，
通过使填料材料通过所述模具(x)和所述模具(y)的间隙来进行预赋型。
3.如权利要求1或2所述的梁材的制造方法，在所述(A)工序中，使用具有宽度在长度方向上发生变化的形状的增强纤维片材作为所述填料材料。
4.如权利要求3所述的梁材的制造方法，在所述(A)工序中，在宽度方向上对所述增强纤维片材至少进行3次以上的波状折叠。
5.如权利要求3所述的梁材的制造方法，其中，将粒子状、纤维状、或片材状的粘合树脂局部地附着在形成为片材形状的增强纤维的至少一面，使用由此得到的材料作为所述增强纤维片材。
6.如权利要求4所述的梁材的制造方法，其中，将粒子状、纤维状、或片材状的粘合树脂局部地附着在形成为片材形状的增强纤维的至少一面，使用由此得到的材料作为所述增强纤维片材。
7.如权利要求3所述的梁材的制造方法，其中，使用预浸料坯作为所述增强纤维片材，所述预浸料坯是预先将基质树脂含浸于形成为片材形状的增强纤维中而形成的。
8.如权利要求4所述的梁材的制造方法，其中，使用预浸料坯作为所述增强纤维片材，所述预浸料坯是预先将基质树脂含浸于形成为片材形状的增强纤维中而形成的。
9.一种梁材，是由权利要求1～8中任一项所述的制造方法得到的，其中，所述梁材的相对于长度方向的截面形状为I形、T形、J形中的任一种。
10.一种纤维增强树脂成型品，是使基质树脂含浸于由权利要求1～6中任一项所述的制造方法得到的梁材中，并将所述基质树脂固化而得到的。
11.一种纤维增强树脂成型品，是将含浸于由权利要求7或8所述的制造方法得到的梁材中的基质树脂固化而得到的。
12.一种梁材的制造装置，其特征在于，具备
传送装置，间歇性地传送至少两个平板状的增强纤维基材；
梁腹部形成装置，通过模具将传送来的所述平板状的增强纤维基材部分地加热及加压并贴合而形成梁腹部；
梁翼缘部形成装置，设置于所述梁腹部形成装置之后，将所述平板状的增强纤维基材的未贴合的部分左右打开形成梁翼缘部，同时在所述两个增强纤维基材的分支部形成楔状空隙；
填料成型装置，形成填料成型体；
一体化装置，设置于所述梁翼缘部形成装置及所述填料成型装置之后，叠合所述增强纤维基材和所述填料成型体并进行加热，同时进行加压将其一体化；
进而，所述填料成型装置具备以下(a)、(b)的设备，
(a)具备预赋型模具并形成具有至少一个楔状突起部的填料预赋型体的设备，所述预赋型模具包括：具有由直线部和楔状部形成的凹部的模具(x)、具有可嵌入所述模具(x)的直线部的凸部的模具(y)、和使模具(y)相对于模具(x)的相对位置发生变化的机构；
(b)挤压设备，在所述楔状突起部的顶端朝向所述楔状空隙的顶端的方向上，对所述填料预赋型体进行挤压。
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