JP2005199524A - Ｒｔｍ成形型、ｒｔｍ成形型の製造方法、及び、ｒｔｍ成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの存在が高精度成形物性に影響を与えないこと。
【解決手段】第１型１と、第１型１に接合してキャビティー７を形成する第２型２と、第２型２に形成される空洞１１と、キャビティー７の中の繊維基材３に浸透して前進する樹脂の流動先端１２を検出するセンサ６と、センサ６の検出面とキャビティー７の間に形成される膜１６とから構成されている。キャビティー７の中で流動する樹脂は、膜１６によりキャビティー７の中に完全に閉じ込められ、センサ６に触れることがない。センサは、樹脂含浸繊維構造体に機械的損傷を与えず、且つ、センサはその永続的使用が可能である。膜１２は薄く形成され、そのセンサ機能を損なわない。
【選択図】 図２

Description

本発明は、ＲＴＭ成形型、ＲＴＭ成形型の製造方法、及び、ＲＴＭ成形方法に関し、特に、流動状況を検出しながら成形を実行するＲＴＭ成形型、ＲＴＭ成形型の製造方法、及び、ＲＴＭ成形方法に関する。

その軽量性と構造強化性を有する繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、小型船舶の船体、航空機構造、風車翼のような軽量強靱構造体として多様に利用されている。ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）成形法は、このような繊維強化部材の成形法の一つとして、幅広く用いられている。ＲＴＭ成形では、ガラス繊維、炭素繊維ののような繊維の集合体である繊維基材（プリフォーム）は、型締めにより形成されるキャビティーに装着され、そのキャビティーに流動性を有する樹脂が注入される。繊維基材の内部に樹脂が流動的に浸透して含浸し、樹脂を加熱等により硬化させ、軽量強靱な構造体部品が製造される。

このような樹脂含浸成形技術（ＲＴＭ）により製造される航空機部分（部品）のような構造体部分には、高精度成形物性が要求される。高精度成形物性として、樹脂未含浸部の生成を防ぐ必要がある。複雑な形状の部品の含浸の一様性を確保するために、後掲特許文献１に示されるように、樹脂を注入する注入口を複数配置し、注入圧力を個別に制御する方法が考案されている。

樹脂の一様な含浸的流動を成形工程中にリアルタイムで確認することが重要である。樹脂の含浸状況を検出するために光ファイバーを用いる技術は、後掲特許文献２で知られている。櫛状電極に交流電圧を印加することにより、誘電応答として比誘電率を検出することにより樹脂の流動状況を検出する技術は、後掲非特許文献１，２で知られている。

このような技術で用いられるセンサが繊維基材に対して物性的に影響を与えることは、既述の高精度成形物性を毀損する。センサ本体と樹脂含浸繊維基材との接触は、樹脂含浸繊維基材にセンサ本体の形状が転写され、その表面形状を損なう。流動樹脂に接触するセンサは、再利用することができない。樹脂の流動先端を検出するために多数のセンサが用いられる場合には、特にその再利用が望まれる。基材中にセンサを付属させ樹脂含浸構造部材を成形する技術では、そのセンサは構造健全性モニタ用として永続的に使用される場合があるが、構造健全性モニタが不要である場合には、その高価なセンサは無駄に放置されることになる。

センサの存在が高精度成形物性に影響しないことが求められる。センサを損傷させないことが重要である。高価なセンサは、繰り返して利用されることが望まれる。

特開２００３−３９４５１号 特開昭５０−２８４６５号 S. Motogi, T. Itoh, T. Fukuda, K. yamagishi, S.Kitade, H. Morita, "Development of Multi-functional Sensor for Resin Transfer Molding", Proc. ICCM-12, pp. 1260-1265(1999) S. Motogi, K. Yamagishi, T. Fukuda, "Novel Sensor Development for Resin Front Detection in RTM", Proc. ACCM-2000(2000)

本発明の課題は、センサの存在が高精度成形物性に影響しない技術を確立するＲＴＭ成形型、ＲＴＭ成形型の製造方法、及び、ＲＴＭ成形方法を提供することにある。
本発明の他の課題は、センサを損傷させないＲＴＭ成形型、ＲＴＭ成形型の製造方法、及び、ＲＴＭ成形方法を提供することにある。
本発明の更に他の課題は、センサが繰り返して利用されるＲＴＭ成形型、ＲＴＭ成形型の製造方法、及び、ＲＴＭ成形方法を提供することにある。

本発明によるＲＴＭ成形型は、第１型（１）と、第１型（１）に接合してキャビティー（７）を形成する第２型（２）と、第２型（２）に形成される空洞（１１）と、キャビティー（７）の中の繊維基材（３）に浸透して前進する樹脂の流動先端（１２）を検出するセンサ（６）と、センサ（６）の検出面とキャビティー（７）の間に形成される膜（１６）とから構成されている。

キャビティー（７）の中で流動する樹脂は、膜（１６）によりキャビティー（７）の中に完全に閉じ込められ、センサ（６）に触れることがない。センサは、樹脂含浸繊維構造体に機械的損傷を与えず、且つ、センサはその永続的使用が可能である。膜（１２）は薄く形成され、そのセンサ機能を損なわない。膜（１６）の膜厚は、６００μｍより薄く形成され、強度上の点で３０μｍより厚いことが望ましい。そのような膜の形成のための技術として、電鋳法が特に望ましい。センサ（６）は、歪みの変化を検出する歪み計が好適に用いられる。

本発明によるＲＴＭ成形型の製造方法としては、電鋳法が好適に用いられる。電鋳法による手順は、型（１）の内面（８’）の側で内面（８’）で開放される穴（１４）を型（１）に形成すること、穴（１１）に半流動物質（１５）を充填すること、半流動物質（１５）にセンサ（６）を挿入すること、半流動物質（１５）の表面とセンサ（６）の表面（８’）と内面（８’）に金属メッキ（電鋳）層（１６）を形成し金属メッキ層（１６）を型（１）に一体化することによりセンサ（６）を型（１）中に封入することとから構成されている。金属メッキ層は型（１）に一体化し、センサを保護し、センサの繰り返し使用を可能にする。このような製造方法によれば、型の内面が複雑である曲面形状を有している場合に、型の内部に空洞（１１）と、センサ（６）の検出面とキャビティー（７）を隔てる金属膜（１６）とを容易に形成することができる。

半流動物質（１５）の加熱溶解により除去される。半流動物質（１５）の除去は、センサの感度を良好に維持する。半流動物質（１５）としては、ワックスが好適である。

本発明によるＲＴＭ成形方法は、既述のＲＴＭ成形型を用いて成形するＲＴＭ成形方法であり、キャビティー（７）に流動樹脂を注入すること、センサ（６）により樹脂の流動先端（１２）を検出すること、ＲＴＭ成形型を繰り返して用いることとから構成されている。その検出することは、樹脂の流動先端（１２）の進行パターンと設定パターンとの一致性を確認することを含む。一致性の確認は、不一致性の確認に同義である。設定パターンは、事前の試験又はシミュレーションにより定められ得る。一致又は不一致は、現実のパターンと設定パターンの違いが許容範囲にあり、又は、その許容範囲にないことを含む。

本発明によるＲＴＭ成形型、ＲＴＭ成形型の製造方法、及び、ＲＴＭ成形方法は、成形構造体に機械的損傷を与えず、且つ、センサの繰り返し使用を実現する。

本発明によるＲＴＭ成形型の実現態は、図に対応して、詳細に記述される。ＲＴＭ成形型は、図１に示されるように、第１型１と第２型２とから構成されている。型締めされる第１型１の内面と第２型２の内面とにより形成されるキャビティーに繊維基材３が挿入され、樹脂の注入が実行される。第１型１には、樹脂注入孔４と樹脂排出孔５とが配置されている。

複数の流動先端検出センサ６は、図２に示されるように、第１型１に埋め込まれている。第１型１の内面と第２型２の内面で形成されるキャビティー７の基底面８と流動先端検出センサ６との間は、第１型１の型部分９として形成されている。型部分９のキャビティー形成面は、基底面８の部分に一致している。流動先端検出センサ６の外側表面の任意の部分は、キャビティー７に露出していない。

より具体的には、第１型１に複数の空洞１１が開けられている。空洞１１の内面のうちキャビティー７に近い面（上面）に流動先端検出センサ６の検知面が接合している。空洞１１に他の物質が充填されることは否定されないが、空洞１１には気体以外の物質は何も充填されないことが好ましい。流動先端検出センサ６としては、歪み計又は歪み変化を検出する歪み検出器が好適に用いられる。

空洞１１は、図３に示されるように、第１型１の長手方向に延びている。空洞１１の両端面は、第１型１の製造過程では、第１型１の外側面で開放されている。空洞１１は、図には２条が示されているが、その条数は増加されることができる。多数の流動先端検出センサ６は、１つの空洞の中で空洞１１が延びる方向に適正間隔特に等間隔で密に配列される。

キャビティー７には、図１に示されるように、繊維基材３がインサートされる。繊維基材３は第１型１と第２型２とによりキャビティー７の中で閉じ込められ、樹脂注入孔４から流動性樹脂（例示：エポキシ系樹脂）がキャビティー７の中に適正圧力で注入される。樹脂は、その圧力を受け、繊維基材３の繊維間空洞に浸透して、繊維基材３に含浸される。流動性浸透樹脂液体は、図４に示されるように、流動先端１２を形成する。流動先端検出センサ６が、例えば図中の点Ｐ１〜Ｐ８に配置されている場合には、流動先端１２はこれらの８個の流動先端検出センサ６で検出される。歪み変化の検出がない非検出領域１３は、そこに樹脂の未含浸領域が発生している可能性が大きい。

図５〜図１０は、本発明によるＲＴＭ成形型の製造方法を示している。図５に示されるように、第１型１の基底面の一部領域に機械加工又はエッチングが施されて、２条の長い溝１４が形成される。図６に示されるように、溝１４にワックスのような固体状態に近い半流動物質１５が充填される。図７に示されるように、半流動物質１５の表面側から半流動物質１５に流動先端検出センサ６が埋め込み的に挿入される。挿入後に余分な半流動物質１５を除去するとともに、半流動物質１５の表面と流動先端検出センサ６の表面を基底面８’に対して面一に形成する。

図８に示されるように、流動先端検出センサ６の表面と半流動物質１５の表面に導電処理が施される。第１型１は金属で形成されているので、基底面８’には導電処理は不要である。図９に示されるように、基底面８’と導電処理が施されている半流動物質１５の表面と導電処理が施されている流動先端検出センサ６の表面とに対して電鋳（electro-forming）処理（電気メッキ）が施される。その電鋳技術は、本出願人会社が航空機の金属部品の複雑な形状面を作り出すために利用する公知技術である。そのような電鋳技術として、液体ロケットエンジンの燃焼室製造工程で用いられる銅電鋳法又はＮｉ電鋳法が好適である。電鋳法で製作される薄い膜は、引っ張り強度に優れ、緻密な組織を有し、膜表面は平滑に仕上げられる。

図９に示されるように、薄い金属膜１６が既述の処理面に対して電鋳法（銅電鋳法）により形成される。金属膜１６の裏面は、基底面８’と半流動物質１５の表面と流動先端検出センサ６の表面に面一に接合している。金属膜１６の厚みは、数１０μｍ〜数１００μｍに仕上げられている硬い層である。流動先端検出センサ６は、金属膜１６の内側面（裏面、下側面）に強力に接合している。金属膜１６は、第１型１に一体化し、図１０に示されるように、金属膜１６は第１型１として第１型１に一体化している。図１０に示される溝１４の中の半流動物質１５は、加熱される第１型１の中で溶解して、空洞１１の中で流動し空洞１１の端面開口（図示されず）から流出して除去される。

一方方向に運動する樹脂の流動先端１２に切れ目が全運動期間中に生じないこと、又は、樹脂流動先端１２の進行パターンが事前の設定試験又はシミュレーションによる予測から大きく外れないことがセンサ群により確認されて、繊維基材に樹脂が含浸される。含浸樹脂は、適正な処理（例示：加熱）により硬化し、機械強度が十分に高い繊維強化樹脂部材として製造される。金属膜１６は、複雑な曲面として形成されることができ、その結果として、複雑な外側表面を有する繊維強化樹脂部材を製造することができる。このように製造された繊維強化樹脂部材にはセンサは付着しておらず、センサの形状が繊維強化樹脂部材に転写されず、繊維強化樹脂部材は金属膜１６の高精度平滑面が転写されて高精度表面を有している。高価なセンサ群は、成形工程中で樹脂に触れず、永続的使用が可能であり、使い捨てにはならない。電鋳法により形成される金属膜１６は構造的に強力であり、第１型１の一部になっていて、型の永続的使用が可能である。

図１は、本発明の適用対象を示す斜軸投影図である。 図２は、本発明によるＲＴＭ成形型の実現態を示す断面図である。 図３は、図２の型１の平面図である。 図４は、樹脂流動を示す断面図である。 図５は、本発明によるＲＴＭ成形型の製造方法の手順を示す断面図である。 図６は、次の手順を示す断面図である。 図７は、更に次の手順を示す断面図である。 図８は、更に次の手順を示す断面図である。 図９は、更に次の手順を示す断面図である。 図１０は、更に次の手順を示す断面図である。

符号の説明

１…第１型（型）
２…第２型
３…繊維基材（プリフォーム）
６…センサ
７…キャビティー
８…内面
８’…基底面
１１…空洞（穴）
１２…流動先端
１４…穴
１５…半流動物質
１６…金属メッキ層（膜）

Claims (8)

1. 第１型と、
   前記第１型に接合してキャビティーを形成する第２型と、
   前記第２型に形成される空洞と、
   前記キャビティーの中の繊維基材に浸透して前進する樹脂の流動先端を検出するセンサと、
   前記センサの検出面と前記キャビティーの間に形成される膜
   とを含むＲＴＭ成形型。
2. 前記膜の膜厚は３０μｍより大きく６００μｍより小さい
   請求項１のＲＴＭ成形型。
3. 前記膜は電鋳法により薄く形成されている
   請求項２のＲＴＭ成形型。
4. 前記センサは歪みの変化を検出する歪み計を形成する
   請求項１〜３から選択される１請求項のＲＴＭ成形型。
5. 型の内面の側で前記内面で開放される穴を前記型に形成すること、
   前記穴に半流動物質を充填すること、
   前記半流動物質にセンサを挿入すること、
   前記半流動物質の表面と前記センサの表面と前記内面に金属メッキ層を形成し前記金属メッキ層を前記型に一体化することにより前記センサを前記型中に封入すること
   とを含むＲＴＭ成形型の製造方法。
6. 前記半流動物質を加熱溶解して前記穴から除去すること
   を更に含む請求項５のＲＴＭ成形型の製造方法。
7. 前記半流動物質はワックスである
   請求項６のＲＴＭ成形型の製造方法。
8. 請求項１のＲＴＭ成形型を用いて成形するＲＴＭ成形方法であり、
   前記キャビティーに前記樹脂を注入すること、
   前記センサにより前記流動先端を検出すること、
   前記ＲＴＭ成形型を繰り返して用いることとを含み、
   前記検出することは、前記流動先端の進行パターンと設定パターンとの一致性を確認することを含む
   ＲＴＭ成形方法。

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