JP2005186558A - 熱硬化複合材料の成形方法及び装置 - Google Patents

熱硬化複合材料の成形方法及び装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 炭素繊維やガラス繊維に熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグ材を曲面に成形する手段を提供する。
【解決手段】 プリプレグシート１００をＬ字形に賦形し、加熱プレス部２１０、冷却プレス部２２０を通ってＬ字形に予備成形されたチャンネル材１２０を成形する。予備成形の硬化率は、３０％〜６０％とする。予備成形品１２０を２次成形装置３００で曲率半径Ｒ１を有する曲線部材に成形し、切断してチャンネル材３０を得る。硬化率は６０％〜８０％とする。このチャンネル材３０を板材の補強材としてオートクレーブ内で完全硬化させて、製品を成形する。
【選択図】 図２

Description

航空機、車両等に用いられる複合材の成形方法及び装置に関する。
航空機は機体性能を向上させるため、胴体、主翼、尾翼等の主要部分は曲面を多く有しており、桁材とスキン層を組み合わせたセミモノコック構造である。また航空機の大型化に伴い、機体重量の低減は必須であり、近年カーボン繊維等の強化繊維を用いた複合材の導入が進んでいる。
主要な一次構造部材は、その要求性能からカーボン繊維−エポキシ樹脂（熱硬化性）の組み合わせが主流であるが、品質の安定性より、プリプレグの形で成形することが多い。
従来の成形方法は型にプリプレグ、その他の材料を積層し、真空引きし、オートクレーブ（圧力釜）で加熱、加圧することで行っている。
この方法で例えば主翼を生産する場合、以下の方法が考えられる。
１． すべてプリプレグを積層し、一体成形する。
２． 桁材をあらかじめ成形し、接着フィルムを介してスキン層となるプリプレグと一体成形する。
３． 桁材をあらかじめ予備成形（完全に硬化させない）し、スキン層となるプリプレグと一体成形する。
１．の場合は、プリプレグに熱を加える時点で、軟化するため、上下面に精度の高く、各プリプレグに均一に圧力を加えることのできる、金型が必要となる。２．及び３．は上面についてはゴム状の型で済むが、桁材は個別の型が必要となる。
プリプレグを用いた連続成形法については、出願人等が提案した下記の特許文献に開示されている。この成形装置の一部を変えることにより、プリプレグの硬化反応を制御することが可能である。装置の概要をＬ型を用いて説明する。所定幅にスリットされたプリプレグを必要本数ロールにセットし、所定枚数積層後上下に離型フィルムを配置する。続いて徐々にＬ型に変形し、上下面に離型フィルムが付いたプリプレグは一定温度に加熱されたホットプレスに引き込まれる。ホットプレスは、開いたときにプリプレグが一定量引き込まれるように後述のプーラーと連動している。積層されたプリプレグはホットプレスを通過する間に硬化反応が進み、また層間の空気が押出されてほぼ最終形状に近い形となる。ホットプレスの直後には、プリプレグを冷却する装置が配置されており、プリプレグは冷却され、硬化反応が抑制される。冷却装置の直後に、プリプレグを牽引するプーラーが配置され、ホットプレスの温度に合わせてプリプレグに一体の熱付与がなされるよう一サイクル当りの牽引量と時間を制御している。プーラーで牽引されたプリプレグは所定長さに切断される。
前述の工程を経たプリプレグは最終形状に近い形になり、ある程度硬化反応が進んでいるが、室温に戻すことにより、反応は停止される（以下、予備成形品とする）。
切断された予備成形品は２つの方法により、所定の形状に変形される。
（１）赤外線ヒーターもしくはオーブンにより、一部もしくは全部を所定時間一定温度に加熱した予備成形品を、一定の温度に加熱されたホットプレスに置き、加圧する。所定時間経過後、賦形された予備成形品を取り出す。
（２）プレス装置内に加熱部と冷却部を備え、予備成形品を徐々に移動しながら加圧することにより変形する。
変形させた予備成形品は、スキン層となるプリプレグとともにセットされ、離型フィルム、上面ゴム型、バキュームフィルム等をセット後、内部を真空引きし、オートクレーブにより一体成形される。
特許第１８８６５６０号公報 特許第３０１２８４７号公報
本発明は、桁材をプリプレグの硬化率を制御しながら連続成形し、所定の形状に変形後スキン層と一体成形することにより、プリプレグ積層の省力化、オートクレーブ成形に用いられるその他材料の低減および金型数の低減を可能とする複合材の成形方法及び装置を提供するものである。
本発明の炭素繊維やガラス繊維に熱硬化性樹脂を含浸して半硬化状態にしたプリプレグ材の成形方法は、シート状のプリプレグ材を連続的に積層し、賦形する工程と、賦形されたプリプレグ材を金型内で一定時間加熱加圧して、プリプレグ材の硬化率Ｆを制御しつつ直線状の予備成形品を成形する工程を備えるものである。
ここで、硬化率Ｆは、現状のプリプレグ材が完全硬化するまでに発生する熱量をＡ、半硬化状態のプリプレグ材が完全硬化するまでに発生する熱量をＢ、としたときに、
Ｆ＝〔（Ｂ−Ａ）／Ｂ〕×１００（％）
で規定されるものである。
そして、予備成形品を所定長さに切断する工程と、所定長さに切断された予備成形品を、ホットプレスにより硬化率を制御しつつ部分的又は全体を変形させる工程を備える。
さらに、成形品と、プリプレグ材のシート材を接合して曲面を有する製品を成形することができる。
また、本発明の直線状に成形されたプリプレグ材の予備成形品を曲線状に成形する熱硬化複合材料の成形装置は、曲率を有する金型を有する加熱プレス部と、加熱プレス部の直後に配設される曲率を有する金型を有する冷却プレス部と、金型を曲率に沿って送る送り装置とを備えるものである。
本発明によれば、曲面で構成される航空機の外板等を熱硬化複合材料により成形することができる。
図１は、本発明による熱硬化複合材料の成形方法により製造される製品の外観図である。
製品１０は、例えば、航空機用の構造部材であって、熱硬化複合材料製の板材２０の内側に補強用の熱硬化複合材料製のチャンネル材３０が一体に接合された構造を有する。
そして、この製品は、湾曲面を有し、航空機の外板等として使用される。
板材２０は、要求される曲面に対応する型部材上に載置し、オートクレーブ等の装置で成形することができるが、チャンネル材３０の成形は、板材２０と同様な工程では曲面に成形することは困難である。
本発明では、この曲率を有するチャンネル材を予め成形する方法及び装置を提供する。
図２は、本発明の熱硬化複合材料の成形方法を示す説明図である。
図の（ａ）は、熱硬化複合材料の1次成形工程を示す。帯状のプリプレグ材１００をプリプレグロール２００から引き出して、必要な枚数積層する。積層されたプリプレグシートを加熱プレス部２１０で、Ｌ字形のシートに成形する。成形されたシートを冷却部２２０で冷却して熱硬化の進行を停止させる。この一連の成形は、プーラー２３０を矢印Ｐ方向に往復動させてプリプレグシート全体を段階的に移動させながら行う。
１次成形された直線状のＬ字形チャンネル材１２０は切断手段Ｃ１により所定の長さに切断され、冷凍庫２５０内に保管される。
この１次成形された予備成形品の硬化率は、４０％〜６０％とした。
また、ホットプレス部の金型温度は１７０℃とした。
図２の（ｂ）は、２次成形工程を示す。
長尺のチャンネル材１２０は、２次成形装置３００で曲率半径Ｒ１を有するように湾曲成形される。曲率半径Ｒ１は、例えば３ｍといった大きな半径を有する。
２次成形装置３００は、加熱プレス部３１０と冷却プレス部３２０を有し、直線状のチャンネル材１２０を円弧状に連続成形する。連続成形されたチャンネル材は、切断手段Ｃ２により所定の長さに切断され、製品１０の補強用のＬ字形チャンネル材３０を得ることができる。
必要に応じて、Ｌ字形チャンネル材３０は、冷凍庫２６０に保管される。成形品であるＬ字形チャンネル材３０の硬化率は６０％〜８０％とした。
図３は、２次成形装置の構成を示す説明図である。
全体を符号３００で示す２次成形装置は、フレーム３０２内に装備される加熱プレス部３１０と、冷却プレス部３２０を有する。
加熱プレス部３１０は、固定金型３１４と可動金型３１２を有し、可動金型３１２は、シリンダ３３０で駆動されるロッド３３２の矢印Ａ方向の作動により固定金型３１４に対して開閉する。
加熱プレス部３１０の可動金型３１２と固定金型３１４は、電熱等の加熱手段を有し、供給される１次成形チャンネル材１２０に加熱、加圧を加えて成形を行う。
冷却プレス部３２０は、固定金型３２４と可動金型３２２を有し、可動金型３２２は、シリンダ３３０で駆動されるロッド３３２の矢印Ａ方向の作動により、固定金型３２４に対して開閉する。
冷却プレス部３２０の可動金型３２２と固定金型３２４は、冷却手段を有し、成形されたチャンネル材を冷却して、熱硬化の進行を停止させる。
２次成形装置を通過するチャンネル材１２０は、ピンチローラー３４０，３５０で挟まれて、矢印Ｆ方向に送られる。
２次成形装置３００のフレーム３０２の下部には、カムプレート３６０が取付けられており、カムプレート３６０は、複数のローラー３６２で支持されている。
金型の送り装置３７０のシリンダ３７２は、矢印Ｓ方向に駆動されるロッド３７４を有し、ロッド３７４の先端はユニバーサルデコイント３７６を介してカムプレート３６０に連結されている。
図４は、２次成形装置３００の動作を示す説明図、図５は動作のタイミングチャートである。
加熱プレス部３１０と冷却プレス部３２０の金型を開いた状態で送り装置３７０のロッド３７４を元位置に引き戻す。
金型を閉じて成形と冷却を行うとともに、送り装置３７０のロッド３７４を伸長させて金型を含むフレーム３０２全体を前進させる。この前進は、カムプレート３６０の作用によって２次成形すべきＬ字形チャンネル材の曲率に沿った動作となる。
すなわち、カムプレート３６０のカムプロファイル３６０ａは、２次成形するＬ字形のチャンネル材の曲率と同じ曲率を有する。
一定時間のプレス加工が終了すると、金型を開いて送り装置を引き戻す。
上述した工程を繰り返して、２次成形品を製造する。
本実施例にあっては、曲率半径は３ｍ、ホットプレス部の金型温度は１６０℃〜１８０℃とした。
図６は、上述の方法により２次成形された硬化率６０％〜８０％のチャンネル材３０を同様の硬化率を有するプリプレグシート材２０とともに型部材４００上に載置し、オートクレーブ装置内で加熱して製品１０を製造する工程を示す。
熱硬化が完了する前の製品１０を型部材４００上に密着させる手段としては、全体を機密生の高いバッグの内に収容し、バッグ内を負圧にして、製品１０を型部材４００に密着させる手段や、製品１０をプレス手段により型部材４００上に密着させる等の手段が採用できる。
いずれの手段によっても、２次成形で曲率を有するチャンネル材３０をシート材２０の裏側に接合させて、硬化率が１００％になるまで熱硬化させることで、軽量かつ強度の高い曲面を有する複合材料の製品を得ることができる。
本発明は以上のように、航空機や車両等の軽量で強度を必要とし、更に曲面で構成される構造部材を製造することができる。
本発明により製造される複合材料製品を示す図。 本発明の熱硬化複合材料の成形方法の説明図。 本発明の熱硬化複合材料の成形装置の説明図。 本発明の熱硬化複合材料の成形装置の説明図。 本発明の熱硬化複合材料の成形装置のタイミングチャート。 オートクレーブによる製品の成形を示す説明図。
符号の説明
１０ 複合材料製品
２０ 板材
３０ チャンネル材
１００ プリプレグシート
１１０ 賦形材
１２０ Ｌ字形チャンネルの予備成形品
２１０ 加熱プレス部
２２０ 冷却プレス部
２５０ 冷凍庫
３００ ２次成形装置
３０２ フレーム
３１０ 加熱プレス部
３２０ 冷却プレス部
３６０ カムプレート
３７０ 送り装置
４００ 型部材

Claims (6)

  1. 炭素繊維やガラス繊維に熱硬化性樹脂を含浸して半硬化状態にしたプリプレグ材の成形方法であって、
    シート状のプリプレグ材を連続的に積層し、賦形する工程と、
    賦形されたプリプレグ材を金型内で一定時間加熱加圧して、プリプレグ材の硬化率を制御しつつ直線状の予備成形品を成形する工程を備える熱硬化複合材料の成形方法。
  2. 請求項１で得られた予備成形品を所定長さに切断する工程と、
    所定長さに切断された予備成形品を、ホットプレスにより硬化率を制御しつつ部分的又は全体を変形させる工程を備える熱硬化複合材料の成形方法。
  3. 請求項２で得られた成形品と、プリプレグ材のシート材を接合して曲面を有する製品を成形する熱硬化複合材料の成形方法。
  4. 請求項１の硬化率は３０％〜６０％である熱硬化複合材料の成形方法。
  5. 請求項２の硬化率は６０％〜８０％である熱硬化複合材料の成形方法。
  6. 直線状に成形されたプリプレグ材の予備成形品を曲線状に成形する熱硬化複合材料の成形装置であって、曲率を有する金型を有する加熱プレス部と、加熱プレス部の直後に配設される曲率を有する金型を有する冷却プレス部と、金型を曲率に沿って送る送り装置と、
    を備える熱硬化複合材料の成形装置。
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