JP2010507504A - シリンダー形状部を成型するための複合ツール - Google Patents

Abstract

本発明は、複合材料でなるシリンダー部を作るための複合材料でなるツールに関するものである。ツールは、シリンダー形状部が形成されるマンドレルを作ることを意図した複合材料でなり、部材（１）がセットになっていて、それぞれの部材（１）がツールのシリンダー形状部をなし、前記部材（１）のそれぞれが繊維複合材料でなる支え構造（２）を有し、前記支え構造（２）の上にはスキン（３）がモールドされ、さらにツールの部材（１）間の連結部にシーリング手段（１１、１２）を有していることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合材料でなるシリンダー部を作るための複合材料でなるツールに関するものである。本発明は、また、そのようなツールを作る方法に関するものである。

適用する一つの業界のみを挙げると、航空機業界においては、硬さやその他の必要な特性を損なうことなくより軽量の構造にすることができ、また、耐火性をもちつつ金属部品より受入れ易い部材を得るのにカーボン繊維複合部品が益々使用されている。

そのような複合部品を作るには、高精度のツーリングが要求される。このモールドと呼ばれるツーリングは、どのツーリングにもある通常の機能と同時に、最終製品の形状での許容度を満たし、例えばオートクレーブを通すときのような特別の熱および圧力サイクルに耐えなければならない。

通常、この目的には、インバール鋼を熱と加工して作られた金属モールド、あるいは、カーボン繊維をエポキシ樹脂で含浸して《マスター》と呼ばれるモールドに入れて作られた複合モールドが使用される。
インバール技術は、大量生産で広く使用されるが、モールドの装置コストが高くつくということがある。反面、カーボン繊維で作られたツーリングは、それほど高価にならないが、脆く、修理の後に起きる漏れの問題があり実用的に修理できないものである。

シリンダー形状部、特に大きい寸法のシリンダー形状部を作ることになると、その寸法やモールドの取扱い上の困難さから来る問題より、最終形状の許容度を守る難しさが問題となる。これは、最終形状は、重合サイクル中のモールドの挙動、さらに作られる部分の構造、ツーリング時の挙動に大きく依存するからである。実際、樹脂の熱的膨張や収縮に起因する問題は、無視できないことが多い。
そのような状況で、機械加工でのみ、その部分の最終的な許容度を満すことになる。

オートクレーブ中の高温、高圧下でモールドされ重合された複合材料は、最終部分を作るに要求されるシール性を保持しつつ所望の形状に加工される。しかしながら、そのような材料は、オートクレーブ中での重合の温度条件と圧力件に耐えることができる《マスター》から作ることが要求される。
そのような《マスター》は、作られる構造が大きな寸法であり、形状に伴う要求が厳しいことから、コストがかかり、複雑である。例えば、製品の径が４ｍで許容度＋／−０．６ｍｍは稀な条件ではない。さらに、モールドから外せるようにツーリングを幾つかの分板に分けるのは、使用するに際してより問題を大きくする。

この記述の最初に述べたように、カーボン繊維をエポキシ樹脂で含浸して複合材料部品を製造するには、精密ツーリングの通常機能を満たした超高精密ツーリングが要求される。この関連分野では、ツーリングは、繊維を配置することでΩ形の硬いスキンで覆わせることが可能になる。ツーリングは、また重合後にその覆った構造を引き伸ばすことができなければならない。さらに、ツーリングは、要求される許容度を満たし、硬さと核を作らなければならない。

繊維を配置した表面は、重合するとき減圧バッグを置くことができるように、室温およびオートクレーブ中の高温で漏れ防止性がなくてはならない。ツーリングはまた、重合相の覆いまたは反モールド（カウルプレート）を取付けできなければならない。最後に、ツーリングは、その部分を作る環境条件に耐えなければならない。

さらに、複合材料シリンダー形状部を作る複合材料ツーリングは、熱電対をもち、またＲａ＝０．８の最大粗さの接触表面をもち、必要部をトリミングできるように余分に大きくしなくてはならない。

本発明の目的は、前記した種々の条件を満たし、とりわけ重合した後で成型した構造からツーリングを取出し時での操作が容易であるツーリングを提供することにある。
本発明の目的は、複合材料でなるシリンダー部を作るための複合材料でなるツールを提供することにある。ここで、ツールは、シリンダー形状部が形成されるマンドレルを作ることを意図したものである。

本発明によると、ツールは、部材がセットになっていて、それぞれは、ツールのシリンダー形状部をなし、部材のそれぞれは、繊維複合材料でなる支え構造を有して、その支え構造の上にはスキンがモールドされる。ツールはさらに、ツールの部材間の連結部にシーリング手段を有している。

本発明のツーリングは、機械的に並べた部材のセットでなり、部材毎に外され、特定順序でモールドから最終製品を外すことができる。ツールの部材それぞれは、《タイル》と呼ばれ、次のようにして作られるのがよい。
― カーボン繊維複合材料でなる標準的支え構造が作られる。これは、次の標準的な方法により達成できる。
● 標準的な押出し成型可能なフォームとペーストでなる《マスター》を使用して加工する。このマスターは、高精度を必要としないのでさほど高価にならない；
● 減圧にした容器（それ故、オートクレーブ中でない）中で支え構造を４０℃／４５℃の低い温度で焼成、次いで後焼成を行って高温での耐久性を作る；
● 支え構造は、ツーリングを行うときの機械的応力に耐えられるように自己硬化する；
これらの機械的応力の中に、オートクレーブ中の重合時に、取り扱い時に、およびツールを外す時および再取付け時に、覆いが介在していることを念頭におく必要がある。

― 予めエポキシ樹脂で含浸させたカーボン繊維でなるスキンあるいは予めポリイミド樹脂、特にビスマレイミド、で含浸させたカーボン繊維でなるスキンを、薄く支え構造の上にモールドし、オートクレーブ中減圧および高温で焼成し、機械的強度と材料の均一性を得る。支え構造は、この作業を行うことができる。
― このようにしてしたスキンを再加工して、所望の形状および境界面でシールできる部材の集合が可能となる。

上記した方法で作られたツーリングは、正しい順序でタイル毎に取り外し、タイルの大きさに拘わらずに最終製品をモールドから取り出すことができる。

本発明のツーリングを満たす部材の数は、作られる部品の寸法、部材それぞれの取り扱い上の制約に依って決められるものである。以下に記載する実施の形態の例では、７つのタイルでなるツーリングを示しているが、その数は任意に選ばれるものであり、それ故、制限するものでも、優先するものでもない。

本発明の解決方法は、開発品のツーリングに特にふさわしいが、大量生産用のツーリングにも応用できるものである。事実、スキンを作るに使用された材料は、例えば、加圧により、あらゆるタイプの損傷または疲労などによるツーリングの寿命の中での必要な再加工や修理ができるようにするものである。

本発明のツーリングの選ばれた実施の形態によれば、このツーリングは、別々にあるいは全ての技術的に可能な組合せを考慮して、以下のような追加的な特徴を有している：
― 部材のそれぞれは、カーボン繊維複合材料でなる支え構造を有している；
― 部材のそれぞれは、エポキシ樹脂で予め含浸したカーボン繊維でなるスキンを有している；
― 部材のそれぞれは、ポリイミド構造の樹脂で予め含浸したカーボン繊維でなるスキンを有している；
― 部材のそれぞれは、ビスマレイミドで予め含浸したカーボン繊維でなるスキンを有している；
― 部材のそれぞれは、モールドと焼成の後に、部材を所望の寸法となるようにおよびスキンを所望の表面状態となるように加工している；
― シーリング手段は、Ｏ−リングガスケットを有している；
― シーリング手段は、シリコーンでなる膨張するＯ−リングガスケットを有している；
― ツールは、スキンのある側の部材の連結部に設けられた漏れ防止挿入部位を有している。

本発明の目的は、複合材料のシリンダー形状部を作る複合材料ツールを作る方法で達成され、ツールは、ツールのシリンダー形状をした部材を組み合わせている。

本発明によると、この方法は少なくとも次の段階でなっている：
― ファイバー複合材料でなる支え構造をもつ部材を、予め定めた数作る、
― 支え構造上にスキンをモールドする、
― 部材を焼成する、
― それぞれの部材を所望の寸法となるように、およびスキンを所望の表面状態となるように加工する、

ツーリングのスキン部分は、樹脂を予め含浸したカーボン繊維のウェブを、ほぼ均等な被覆面で覆った複合材料でなっている。

ツーリング樹脂での予めの含侵が終わったとき、スキンはモールドによって所望の形状許容度を満たすことができないばかりか、表面粗さやシールなど満足できる表面状態とするために機械による加工もできない。この理由により、スキンは、表面粗さやシールに対して優れた性状を有するヘキセル（Ｈｅｘｃｅｌ）社のヘキシトール（Ｈｅｘｔｏｏｌ；商品名）タイプ複合材料の（擬イソ）層で覆う。

スキンは１〜２ｍｍ余分に厚くして、製作し、その最初の製品を検査した後にリブを再加工できるようにするのが有利である。推奨されるスキンの厚さは、１０ｍｍ程度である。

添付した図面において、一連の図は、本発明のツーリングの異なる部材あるいはタイルを、このツールにより作られる部分から外す動作を示している。
特に、本発明の考え方は、部材を一枚一枚外し、取出すことができるのがわかる。この一連の操作の如何なる時も、異なる部材のスキン表面は、作られる部品の表面を傷つけない。マンドレル取外し操作を行うに使用される手段は、ツーリングの使用と作られる速度に合わせるように適用するのはいうまでもない。

ツーリングのシールは、作られる部品の品質に対して不可欠であり、このシールは、マンドレルを取り出せるシリンダー部分の概念ととともに、その部品を作る方法に合致したものである。

本発明で提案された解決方法は、部材それぞれのスキンから離れ、また互いに異なる高さの位置に２つのＯ−リングガスケットを使用することにある。２重Ｏ−リングガスケットによる解決策で、シール障壁の有効性を連続的にチェックすることが可能である。さらに、この解決で、複合材料部を作る方法を行う際に減圧の変化を正すことが可能である。

さらに、ヴィトン（Ｖｉｔｏｎ）またはシリコーンで充填したＯ−リングガスケットを使用することができる。特に、シリコーンは、オートクレーブ中での高温でも使用できる。しかしながら、予想されるように、シリンダー形状複合材料部を作る全ての操作を満足させることができないことがある。この理由で、膨張するシリコーンＯ−リングガスケットを用いるのが好ましい。

この部品を作るときに最も応力がかかるＯ−リングガスケットは、インナーガスケットであり、一方で８バール（ｂａｒｓ）程度のオートクレーブの圧力を受け、他方で５０ミリバール（ｍｂａｒｓ）程度の減圧を受ける。この条件下では、例えば外径が１６ｍｍである２つの管状で膨張するタイプのガスケットが使用される。このガスケットを受けるための溝は、添付した図に示すように、スキンを弱めないために向い合って製作される。インナーガスケットは、１０バール（ｂａｒｓ）程度の圧力で膨張することができなければならない。

膨張するガスケットの使用で、本発明のツーリングに必要なシールをすることができる。しかしながら、この使用は、部材それぞれのスキンおよび支え構造の寸法に少なからず影響を与える。実際、膨張するガスケットは、スキンの長さ方向壁に非常に大きい応力を発生させている。ガスケットにかかる圧力は、溝にかかる圧力の約５０％であることを考えると、６，０００ｍｍの長さのスキンの端にかかる力は、約５０，０００Ｎの大きさである。スキンの形状にもよるが、この力は、支え構造のねじれと曲げモーメントとなる。

その部品をオートクレーブに入れる前に、オートクレーブ中の圧力に対してシールの強さが充分かどうか、ガスケットの内部スペースを８バール（ｂａｒｓ）の圧力にしてチェックするのがよい。

２つの隣り合った部材の境界面、膨張するガスケットおよび減圧カバーを管理することは、重合中に減圧が維持されるために非常に重要である。この目的で、可能な解決法は、２つの隣り合う部材の連結部でスキン端部に、減圧カバーで覆われる膨張ガスケットが入り込めるようにした洩れ防止挿入部位を設けることである。

本発明のツーリングは、次の長所を持っている：
− 本発明のツールは、非常に大きな寸法の複合材料構造部品を、非常に高い形状精度で作る大型ツーリングに利用できる経済的解決である；
― 本発明のツールは、予めエポキシ樹脂で含侵したカーボン繊維構造を有し、低温度での重合、およびそれに引き続く後焼成を可能にしている；
― 本発明のツールは、予めエポキシ樹脂あるいはポリイミドタイプ樹脂、特にビスマレイミドで含侵したカーボン繊維でなる複合材料をコーティングし、ツールの表面は、それを損傷することなく、材料の均一性とシール性を保持したまま加工できる；
― ツールは、ツールのそれぞれの部材個々に適用される簡単な方法で修理することができる；
― ツール表面材料は耐久性があり、数百サイクルの使用が可能である；
― 本発明のツールの構造は、ツールの中央部分が完全にフリーになっていて、ツール部材を取り扱うに機械化ができ、マンデルの取外し作業とマンデルの再取付け作業を簡単にし、これにより大量生産するときのこれらの作業を軽減することができる。

本発明の他の特性および利点は、以下に示す本発明のツールの実施形態の記載から明らかとなるであろう。図面を参照して記載していく。
図１〜８は、本発明の好ましい実施の形態によるツールと、その解体動作を示している。
第１部材が取出されるために外された状態にあるツールを示している。 本発明のツールの第１部材が取出される状態を示している。 第２部材が取出されるために外された状態にあるツールを示している。 本発明のツールの第２部材が取出される状態を示している。 最後の３つの部材があり、このうち最後の２つを除く１つの部材が取出されるために外された状態にあるツールを示している。 本発明のツールの最後の２つを除く１つの部材が取出される状態を示している。 最後の２つの部材があり、このうち最後の１つを除く１つの部材が取出されるために外された状態にあるツールを示している。 最後の１つを除く１つの部材が取出される状態にあるツールを示している。 本発明のツールの１つの部材を、部材のスキン面を上にして示している。 図９の部材の断面図を示している。 本発明のツールの隣り合う２つの部材間の連結を示している。 本発明のツールにおける漏れ防止挿入部位の配置を模式的に示している。

図１は、複合材料でシリンダー形状部、例えば航空機の胴体部材、を作るための複合材料でなるツールを示している。このツールは、それ自身回転軸をもつシリンダー形状であり、マンドレル上にシリンダー形状となる部分がくるようにする。

本発明によると、ツールは７つの部材でなり、それぞれはツールのシリンダー部分となる。部材１は、作られる部品の周囲で漏れのないように接するように形成される。

本発明のツールの部材１は、回転軸をもつシリンダー形状、または回転軸をもつシリンダー形状に近い形状とし、互いに全て同じとするのは好ましい。しかしながら、本発明は、シリンダー形状でない管状部分のある複合材料のツールにも応用できる。このため、部材の数、必要であればそれらの形は、ツール個々に決定される。

図１−８に連続して示すように、部材１は、シリンダー形状モールドを形成できるばかりでなく、内側に向かって次々と外し、形成された部品に邪魔されることなく取出しできるようにすることができる。

図１−８では、本発明のツールにおける４つ部材１について、部材１がどのようにしてツールの内側から外され、ツールおよび形成された部分の内側から取出されるかを示している。
部材のそれぞれの取り扱い、モールドを解体および再組立するに、油圧機械あるいは他の機械を使用することができる。さらに、ツールが完成する迄部材を互いに保持するに機械的手段を使用することもできる。

本発明の完成されたツールの形は、図１から容易に推測されるので、別途に完成されたツールを図で説明しない。図１は、第１部材１が形成された部品（図示してない）の内側から取出されるために、ツールの周囲から外される状態の本発明のツールを示している。図２は、部材が取出される状態を示している。

図３と４は、それぞれ第２部材１が外され、形成された部品の内側から取出される状態を示している。

図５と６はそれぞれ、本発明のツールの最後の３つの部材を、７つの部材のうちの５番目の部材が外される位置、および取出される位置にあり状態で示している。

図７と８は、その次の段階を示しており、ここでは、本発明のツールの最後の２つの部材だけが残っている。図７は、最後の１つを除く１つの部材が外された状態にあり、図８は、最後の１つを除く１つの部材が取出される状態にあることを示している。

図９は、個々の部材１を、凸面、すなわち形成される部品に向かう面を上にした斜視図で示している。特に、この図からわかるように、形成される部品の内面に肋材や強化材となるように部材１の表面に溝または必要により突出部を設けることができる。

図１０は、本発明のツールの対称軸に対しての断面図である。特に、部材１は、繊維強化でなる支え構造２と、支え構造２の上にモールドされたスキン部３でなっていることがわかる。図に示した実施形態による支え構造２は、部品の最終形状から推察される形状にあるスキン部３、長方形断面をしたＵ形梁２１、Ｕ形梁２１の下部分にある少なくとも１つの仕切り板２２、Ｕ形梁２１の開放端部にある長さ方向骨組２３、部材１の全幅、そしてスキン部３の湾曲により決まる高さに延びた横方向骨組２４を有している。

図１１は、隣り合う２つの部材１間の連結を示している。支え構造２と成型されたスキン３の側面突出部には、２つの膨張するＯリング１１、１２が、相対し、放射状に互いにずれて位置する溝１３、１４の中に置かれている。本発明のこの配置によって、２つのガスケット１１、１２の各々は、隣りの部材の支え構造２に支持されている。例えば、外径が１６ｍｍの膨張するガスケットが使用され、２つの溝１３、１４は、構造を弱めないように互いに隣り合うタイル上に交互に分ける。

それぞれの部材のスキンの部分にできる隣り合う２つの部材１間のスペース１５は、エポキシ樹脂を充填するのがよい。しかしながら、形成された部品が焼成されるときの圧力を考えると、スペース１５を《充填》するのは、シール機能を果たさないかもしれない。それ故、シール機能は、膨張するＯ−リングガスケット１１、１２を使用することにより達成される。

例として、作られる部品がオートクレーブを通るとき、部材１の内部に及ぶ圧力は８バール（ｂａｒｓ）の大きさであり、一方スキン３の側では形成される部品には、モールドを抑えるシートが被せられて、僅かに５０ミリバール（ｍｂａｒｓ）の大きさの減圧である。このような圧力環境の故に、インナーガスケット１２はオートクレーブの圧力とカバー上の減圧との間の圧力差、つまり約１０バール（ｂａｒｓ）により１２５％まで膨張する。

膨張するＯリングガスケット１１、１２は、隣り合う２つの部材の連結の長さ方向伸びにのみシールをすることになるので、スキン端部でのシールには、別の追加手段を持たなければならない。そのような追加的の手段の解決に、ここでは、隣合う２つの部材がスキン端部で漏れ防止挿入部位を設けることを提案している。

図１２は、本発明のツールにおける漏れ防止挿入部位３１の配置を模式的に示している。
挿入部位３１は、例えばシリコーンでなる直角に曲がった部分であり、２つの隣り合う部材１にある２つの翼のうちのスキン上の一方の翼３１Ａと、相対的スキンを横切る他方の翼３１Ｂに位置している。挿入３１のある翼３１Ａは、減圧カバーによって覆われ、カバーを保持するプレート３２によって位置を維持し、翼３１Ｂは、プレート３３によって挿入を維持している。

挿入部位３１は、さらに、２つの穴３４、３５が設けられて、隣り合う２つの部材１、１の溝１３、１４に面している。これらの穴は、Ｏ−リングガスケット１１、１２が外へ出ることができるようにして、高圧空気源に接続して、２つのガスケットのそれぞれを予め定めた圧力で膨張させることができる。

Claims (10)

1. 複合材料でなるシリンダー部を作るために、シリンダー形状部が形成されるマンドレルを作ることを意図した複合材料でなるツールであって、
   部材（１）がセットになっていて、前記部材（１）のそれぞれがツールのシリンダー形状部をなし、前記部材（１）のそれぞれが繊維複合材料でなる支え構造（２）を有し、前記支え構造（２）の上にはスキン（３）がモールドされ、さらにツールの部材（１）間の連結部にシーリング手段（１１、１２）を有していることを特徴とするツール。
2. 前記部材（１）のそれぞれは、カーボン繊維複合材料でなる支え構造（２）を有していることを特徴とする請求項１に記載のツール。
3. 前記部材（１）のそれぞれは、エポキシ樹脂で予め含浸したカーボン繊維でなるスキン（３）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のツール。
4. 前記部材（１）のそれぞれは、ポリイミド構造の樹脂で予め含浸したカーボン繊維でなるスキン（３）を有していることを特徴とする請求項１または２に記載のツール。
5. 前記部材（１）のそれぞれは、ビスマレイミドで予め含浸したカーボン繊維でなるスキン（３）を有していることを特徴とする請求項４に記載のツール。
6. 前記部材（１）のそれぞれは、モールドと焼成の後に、前記部材（１）を所望の寸法となるようにおよび前記スキン（３）を所望の表面状態となるように加工したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のツール。
7. 前記シーリング手段は、Ｏ−リングガスケット（１１、１２）を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のツール。
8. 前記シーリング手段は、シリコーンでなる膨張するＯ−リングガスケット（１１、１２）を有していることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のツール。
9. 前記ツールは、スキン（３）のある側の部材の連結部に設けられた漏れ防止挿入部位を有することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のツール。
10. シリンダー形状をした部材（１）を組み合わせて、複合材料のシリンダー形状部を作る複合材料でなるツールを作る方法であり、少なくとも、
    ― ファイバー複合材料でなる支え構造をもつ部材を、予め定めた数作る、
    ― 支え構造（２）上にスキン（３）をモールドする、
    ― 部材（１）を焼成する、
    ― それぞれの部材（１）を所望の寸法となるようにおよびスキン（３）を所望の表面状態となるように加工する、
    ことを特徴とするツールを作る方法。

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