JP2005297452A

JP2005297452A - 片持ち梁の製造方法

Info

Publication number: JP2005297452A
Application number: JP2004119517A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Koda; 雄一郎幸田
Original assignee: Toho Tenax Co Ltd
Current assignee: Teijin Ltd
Priority date: 2004-04-14
Filing date: 2004-04-14
Publication date: 2005-10-27

Abstract

【課題】種々の形状の型を用いることなく反りの程度が異なる片持ち梁を容易に製造することができる方法を提供する。
【解決手段】四角筒状成形型５内で、厚さが均一な筒状の未硬化プリプレグ積層体３の外表面上に長手方向に沿って所定幅の未硬化プリプレグ帯４を付加した未硬化プリプレグ成形体２内に膨張バッグ７を挿入して膨張させることにより、未硬化プリプレグ成形体２を四角筒状成形型５の内側から外側に向って加圧しながら、加熱することにより未硬化プリプレグ成形体２を硬化させることを特徴とするその長手方向に所定の反りを有する片持ち梁の製造方法。未硬化プリプレグ成形体２を構成するプリプレグは一方向プリプレグとし、強化繊維の繊維軸方向をその長手方向と同一とすることが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、片持ち梁の製造方法に関する。詳細には、予め自重たわみの生じる方向と逆方向に反りを形成して自重たわみを相殺する片持ち梁の製造方法に関する。

一般に加工製品の着脱、運搬などに使用される産業用ロボットは、先端に工具や物をつかむためのハンド等を取り付けたアームを片持ち梁の状態で動かすことにより作業を行うものがある。近年、液晶製造装置の分野においては液晶サイズが大型化しており、産業用ロボットのアームに利用される片持ち梁は長尺化している。ロボットアームの軽量化を図るため、材質には炭素繊維強化樹脂複合材料が用いられているが、片持ち梁の長尺化に伴って自重によるたわみが増大し、作業工程において位置決めを正確に行うことが困難となっている。

ロボットアームのたわみを防止するための従来の技術としては、特開平５−３０９５８７号公報（特許文献１）記載の方法がある。同公報によれば、繊維強化樹脂複合材料の繊維軸方向を周方向で部分的に異ならせること等により非対称とすることによりロボットアームの先端に荷重を加えてもたわみを生じない非たわみ点を生じさせ、非たわみ点とハンドや非搬送物の重心を一致させることによりたわみやたわみによる振動が少なくなることが記載されている。
特開平５−３０９５８７号公報（特許請求の範囲）

長尺の片持ち梁は自重によるたわみが大きくなるが、予め自重たわみの生じる方向と逆方向の反り（逆反り）を片持ち梁に形成しておくことによりロボットに取り付けた際の自重たわみを軽減させることが可能である。逆反りを有する梁の製造には、必要とする反りの程度や大きさ等によりそれぞれ形状の異なる芯材や型を作製する必要がある。しかし、種々の反りを有する型を多数揃えることは不経済である。従って、本発明の目的は、反りの程度が異なる片持ち梁を種々の形状の型を用いることなく反りのない、又は所定の反りを備えた一の型で容易に製造することができる片持ち梁の製造方法を提供することにある。

本発明者は鋭意研究の結果、積層厚みが一部異なる筒状の未硬化プリプレグを使用し、成形型内で筒状に積層したプリプレグを型の内部から外部方向に加圧しながら加熱して硬化させることにより所望の反りを有する片持ち梁が容易に製造でき、梁を取り付けたときの自重によるたわみが軽減できることを見出した。

上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕四角筒状成形型内で、厚さが均一な筒状の未硬化プリプレグ積層体の外表面上に長手方向に沿って所定幅の未硬化プリプレグ帯を付加した未硬化プリプレグ成形体内に膨張バッグを挿入して膨張させることにより、または未硬化プリプレグ成形体内に挿入した膨張バッグを四角筒状成形型の外面を覆う膨張バッグに気密にシールしてバッグ内を排気しながらオートクレーブ内で加圧することにより、未硬化プリプレグ成形体を四角筒状成形型の内側から外側に向って加圧しながら、加熱することにより未硬化プリプレグ成形体を硬化させることを特徴とするその長手方向に所定の反りを有する片持ち梁の製造方法。

〔２〕未硬化プリプレグ積層体を構成するプリプレグの強化繊維の繊維軸方向がその長手方向と同一である〔１〕に記載の片持ち梁の製造方法。

〔３〕未硬化プリプレグ成形体が角筒状である〔１〕又は〔２〕に記載の片持ち梁の製造方法。

〔４〕未硬化プリプレグ成形体が円筒状である〔１〕又は〔２〕に記載の片持ち梁の製造方法。

〔５〕四角筒状成形型が、長手方向に反りを持たない成形型である〔１〕乃至〔４〕のいずれかに記載の片持ち梁の製造方法。

本発明の製造方法は、片持ち梁をロボットに取り付けた際に上面側と下面側に相当する部分のプリプレグの積層厚さを異なるものとすることにより、プリプレグを加熱硬化させた後片持ち梁の上面側と下面側との間に熱収縮率の差を生じさせ片持ち梁に反りを発生させるものである。ロボットに取り付けた際に片持ち梁の反りの方向を自重たわみと逆方向に形成することにより、たわみと反りが相殺されて使用時にはたわみのない良好な片持ち梁となる。また、本発明によれば、プリプレグの積層構造を変えることにより容易に片持ち梁の反りの程度を変えることができるため、必要とする反りの程度に合わせてその都度型を作製する必要がない。

以下、本発明の片持ち梁の製造方法について図１を参照して説明する。

まず、角筒状のマンドレル１の周面上に未硬化プリプレグを積層し、筒状未硬化プリプレグ成形体２を形成する（図１（ａ））。筒状未硬化プリプレグ成形体２は、マンドレル１の周面上に積層した未硬化プリプレグ３ａ、３ｂ、３ｃからなる厚さが均一な筒状の未硬化プリプレグ積層体３と、未硬化プリプレグ積層体３の外表面に積層した一定の幅を有する未硬化プリプレグ帯４とからなる。未硬化プリプレグ帯４は、その幅が未硬化プリプレグ積層体３の幅と同一に形成されている。筒状未硬化プリプレグ成形体２を構成する未硬化プリプレグ３ａ、３ｂ、３ｃ及び未硬化プリプレグ帯４は、いずれも一方向プリプレグであって、強化繊維の繊維軸方向がマンドレルの長手方向に一致する。これらのプリプレグの強化繊維の繊維軸方向をマンドレルの長手方向と一致させることにより、後工程で筒状未硬化プリプレグ成形体２を四角筒状成形型に配置したときに型の内部形状の長手方向とプリプレグの強化繊維の繊維軸方向を一致させ、強化繊維が長手方向に配列した片持ち梁を得ることができる。未硬化プリプレグ３ａ、３ｂ、３ｃ及び未硬化プリプレグ帯４としては、一方向に引き揃えた炭素繊維シートにエポキシ樹脂を含浸させたものが例示できる。

次いで、筒状未硬化プリプレグ成形体２からマンドレル１を抜き取り、筒状未硬化プリプレグ成形体２を上型５ａ、下型５ｂからなる四角筒状成形型である分割型５の内部に配置するとともに、筒状未硬化プリプレグ成形体２の内側に膨張バッグ７をセットする（図１（ｂ））。分割型５を型締めした後、膨張バッグ７に気体、液体等の流体９を充填し、膨張バッグ７を膨張させる（図１（ｃ））。膨張バッグ７が膨張することにより、筒状未硬化プリプレグ成形体２は型５の内側から外部方向に向って加圧され、筒状未硬化プリプレグ成形体２を分割型５の内表面に密着させることができる。筒状未硬化プリプレグ成形体２への加圧圧力は膨張バッグ７に充填する流体９の量を調整することにより０．０５〜１ＭＰａとすることが好ましい。

その後、加圧された状態の筒状未硬化プリプレグ成形体２を加熱し、硬化させる。加熱温度は８０〜２００℃程度とすることが好ましい。筒状未硬化プリプレグ成形体２が硬化した後、内部の膨張バッグ７を取り除くことにより、角筒状の片持ち梁１００を得る（図１（ｄ））。

なお、上記説明においては膨張バッグ７を用いた内圧成形法により未硬化プリプレグ成形体２を分割型５の内部から外部方向へ加圧したが、オートクレーブ法により加圧を行ってもよい。オートクレーブ法による加圧は、膨張バッグ７の周縁を分割型５に気密にシールした後又は筒状未硬化プリプレグ成形体２の内側に配置した膨張バッグ７を型の外面を覆う他の膨張バッグに気密にシールした後、膨張バッグ７と分割型５との間又は膨張バッグ内部を排気しながらオートクレーブ内で加圧することにより行う。オートクレーブを用いた場合の加圧圧力、加熱温度についても上記範囲と同様とすることが好ましい。

上記説明においてはマンドレル１は断面の形状が四辺形のものを用いたが、マンドレル１の断面形状は未硬化プリプレグを筒状に積層することができるものであって、外周の長さが目的とする成形品の内周よりやや短いものであればよく、円、楕円等とすることができる。

本発明においては、未硬化プリプレグ積層体３を形成する筒状の未硬化プリプレグの積層数には制限がなく、所望の積層数とすることが可能である。

未硬化プリプレグ帯４の幅、長さ、積層数は任意であるが、本発明においてはマンドレル１に積層した筒状未硬化プリプレグ成形体２の少なくとも一部の積層厚さがマンドレル１の長手方向に平行な中心面に対して非面対称になるように未硬化プリプレグ帯４を積層する必要がある。このように、プリプレグの積層厚みを未硬化プリプレグ成形体３の対向面間で異なるものとすることにより、未硬化プリプレグを加熱硬化させて片持ち梁とする際に梁の対向面の間で熱収縮の差が生じさせ、反りを形成することが可能となる。

上記説明においては、マンドレル１の周面上に使用する未硬化プリプレグを全て積層したが、未硬化プリプレグ帯４は未硬化プリプレグ３ａ、３ｂ、３ｃとは別に分割型５の内表面に敷設してもよい。

また、上記説明においては筒状未硬化プリプレグ成形体２の形成に一方向プリプレグのみを用いる場合について説明したが、本発明の効果を妨げない程度であれば他の形態、例えば、織物、編物、不織布等に樹脂を含浸させたプリプレグを用いることもできる。

プリプレグに用いる強化繊維としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等の通常のプリプレグに用いる強化繊維が使用できるが、軽量であることから炭素繊維を用いることが好ましい。炭素繊維としては、ピッチ系、液晶系、レーヨン系、アクリロニトリル系等の何れの炭素繊維も使用できるが、アクリロニトリル系炭素繊維が生産性やコストや性能の点で好ましい。炭素繊維の繊度、強度等の特性も特に制限が無く、従来のものが何れも使用できる。

プリプレグに用いる熱硬化性樹脂としては、通常のプレプリグ製造に用いる熱硬化性樹脂が使用できる。具体的には、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコン樹脂、マレイミド樹脂、シアン酸エステル樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂を予備重合した樹脂等を挙げることができる。本発明においては、中でも耐熱性、弾性率に優れたエポキシ樹脂を用いることが好ましい。

プリプレグからしみ出した余分な樹脂を吸収したり、成形品を取出す際の離型性を高める目的で、プリプレグと膨張バッグとの間に必要によりピールクロス、ブレザークロス等を重ねて用いてもよい。

上記の製造方法により得られる片持ち梁の一例の側面図、及び正面断面図を図２〜４に示す。なお、図３及び４はそれぞれ図２に示すａ−ａ線、ｂ−ｂ線に沿った断面図である。

図２において、端部側１３は梁をロボットに取り付ける固定端側を、端部側１５は作業を行う自由端側を示す。図３、４に示すように、片持ち梁１００は、３層からなる角筒状の繊維強化樹脂層１７と、前記繊維強化樹脂層の下面の一部のみに付加した平面状の繊維強化樹脂層１９により構成される。これらの繊維強化樹脂層を構成する強化繊維の繊維軸方向はいずれも片持ち梁の長手方向と一致する。片持ち梁１００の長手方向に垂直断面は、Ｐを除く部分については繊維強化樹脂層の厚さが長手方向に平行な中心面Ｓに対して上面側と下面側で同じ厚さとなっているが、Ｐの部分については下面側が厚くなっている。非面対称部Ｐを有する片持ち梁１００は図２に示すように上側に反りが生じているが、ロボットに取り付けた状態では自重により反りが解消されて真っ直ぐな状態となる。なお、Ｐの部分の位置、長さは任意であり、本発明においては反りと自重とが相殺されるように形成されていればよい。

以下、実施例により本発明を更に詳細に説明する。

実施例１
角柱状のマンドレル（幅６６ｍｍ、高さ２６ｍｍ、長さ３８００ｍｍ）の周面上に、織物プリプレグ（東邦テナックス社製、商品名W3101/Q-112（平織）、目付２００ｇ／ｍ²）1ply、一方向プリプレグ（東邦テナックス社製、商品名Q-1112 2000、目付２００ｇ／ｍ²）11ply、織物プリプレグ（東邦テナックス社製、商品名W3101/Q-112）1plyを順に筒状に積層した。その後、積層したプリプレグ上に更に表１に示すようにプリプレグを積重した。なお、前記織物プリプレグは一方向プリプレグが幅方向に裂けることを防止するために一方向プリプレグの外表面を覆って又は一方向プリプレグの間に介装して使用するものであって、片持ち梁の反りの形成にはほとんど影響しない。

マンドレルを引き抜いた後、内部空間の形状が反りの無い角柱状に形成してある金型内に筒状に積層したプリプレグを配置し、更にプリプレグの内部にバッグを配置した。その後、膨張バッグ内に気体を充填することによりプリプレグを０．３ＭＰａの圧力で加圧しながら１３０℃中２時間加熱してプリプレグを硬化させ、内部のバッグを取り除いて片持ち梁を得た。得られた片持ち梁の形状は、幅７０ｍｍ、高さ３０ｍｍ、長さ２４００ｍｍの角筒状で、自重を負荷していないときの自由端における反りは４．５ｍｍであった。得られた片持ち梁を固定端で固定して水平に取り付けたところ、自由端側の反りは発生しなかった。

ａ：織物プリプレグ（東邦テナックス社製、W3101/Q-112）1ply
ｂ：一方向プリプレグ（東邦テナックス社製、Q-1112 2000）11ply

本発明の製造方法の一例を示すフロー図である。本発明により製造される片持ち梁の一例を示す側面図である。図２に示す片持ち梁のａ−ａ線における正面断面図である。図２に示す片持ち梁のｂ−ｂ線における正面断面図である。

符号の説明

１マンドレル
２筒状未硬化プリプレグ成形体
３未硬化プリプレグ積層体
３ａ、３ｂ、３ｃ未硬化プリプレグ
４未硬化プリプレグ帯
５分割型
５ａ上型
５ｂ下型
７膨張バッグ
９流体
１００片持ち梁

Claims

四角筒状成形型内で、厚さが均一な筒状の未硬化プリプレグ積層体の外表面上に長手方向に沿って所定幅の未硬化プリプレグ帯を付加した未硬化プリプレグ成形体内に膨張バッグを挿入して膨張させることにより、または未硬化プリプレグ成形体内に挿入した膨張バッグを四角筒状成形型の外面を覆う膨張バッグに気密にシールしてバッグ内を排気しながらオートクレーブ内で加圧することにより、未硬化プリプレグ成形体を四角筒状成形型の内側から外側に向って加圧しながら、加熱することにより未硬化プリプレグ成形体を硬化させることを特徴とするその長手方向に所定の反りを有する片持ち梁の製造方法。
未硬化プリプレグ積層体を構成するプリプレグの強化繊維の繊維軸方向がその長手方向と同一である請求項１に記載の片持ち梁の製造方法。
未硬化プリプレグ成形体が角筒状である請求項１又は２に記載の片持ち梁の製造方法。
未硬化プリプレグ成形体が円筒状である請求項１又は２に記載の片持ち梁の製造方法。
四角筒状成形型が、長手方向に反りを持たない成形型である請求項１乃至４のいずれかに記載の片持ち梁の製造方法。