JP2010524718A - 連続したプロファイルを作製するための引抜き成形法 - Google Patents

Abstract

本発明は引抜き成形法（「ＡＤＰ法」として知られる）に関し、当該方法では、繊維強化プラスチック材料からなる少なくとも１つの帯状プリプレグ（６〜９）を曲げることにより、連続した強化プロファイル（１１）を形成する。プロファイル（１１）の最初の形状加工は、最終形状加工および予備硬化が行われる加圧成形デバイス（１２）の下流にある予備成形デバイス（１０）で行われる。プロファイル（１１）の移動は、加圧成形デバイス（１２）の動作サイクルと同期して、牽引デバイス（１４）により行われることが好ましい。切断デバイス（１５）を用いることにより、プロファイル（１１）を適切な長さに切断する、かつ／または、正しい寸法が確実に維持されるよう縁部を後の機械的処理に供すことができる。本発明によると、相互に隣接するフランジ（１７と１８）を有する垂直ウェブ（１９）を有する（Ｈ型断面形状）プロファイル１１の形成時に、連続した（引抜き成形）ガセット（２９）が、プロファイル（１１）のアール領域（２７）の帯状プリプレグ（６〜９）間、例えば、帯状プリプレグ（６〜９）が互いに接合する領域に同時に挿入され、この領域の空隙（２８）は充填され画定される。連続したガセット（２９）により、アール領域（２７）における形状偏差および／または厚さのばらつき（繊維容積のばらつき）がなくなり、廃棄量が減る。

Description

本発明は、少なくとも１つの帯状プリプレグを含む連続したプロファイルを作製するための引抜き成形法に関し、この方法では、少なくとも１つの帯状プリプレグは最初に予備成形デバイスで予備成形され、次に、最終断面形状を作製するための加熱された加圧成形デバイスにサイクルごとに通され、最終的に後硬化デバイスで完全に硬化される。

軽量化のために、航空機の製造において、炭素繊維強化エポキシ樹脂を用いて形成される複合部材の使用が増えている。一例として挙げると、航空機の翼部の内面側は、炭素繊維強化複合材料からなるストリンガーで強化されている。旅客機においても、炭素繊維強化エポキシ樹脂からなる床支柱用交差部材の使用が増えている。

これら複合部材の作製における主要な問題は、十分な数の高品質な複合部材を、特に連続したプロファイルの形で作製でき、同時に、正しい寸法を維持したまま最終製品を十分確実に作製できる連続作製方法を提供することである。具体的には、不良部品、例えば空気やひびの入った部品の数を最小限にし、同時に、高度の自動化を可能とする方法を提供することである。

このような多くの要件を満たすプロファイルを実現する公知の製造方法として、「先進」引抜き成形法（ＡＤＰ法、英: advanced pultrusion process）として知られる方法が
ある。

この方法では、（「連続した」）帯状プリプレグは、大きな供給リールから引き出され、例えば予備成形デバイスにより形成されることにより、略Ｈ型断面形状を有する連続プロファイルが形成される。プロファイルは次に、加熱された加圧成形デバイスを通り、圧力と熱の同時印加により、所望の最終断面形状を有するプロファイルとなる。このため、加圧成形デバイスは、閉じた状態では、プロファイルの断面形状と全く同じ形を形成する複数の治具を有する。プロファイルは、加圧成形デバイスに連続的に通されるのではなく、最初に加圧成形デバイスを開け、治具の長さに略対応する予め予備成形されたプロファイルの一部を牽引デバイスで加圧成形デバイスに引き入れる。そして、加圧成形デバイスを閉じると、プロファイルは、圧力と熱の印加により最終断面形状となる。プロファイルがその後の方法工程のために十分な固有安定性を有する程度に硬化されるまで、加圧成形デバイスは閉じたままとなる。その程度の硬化が達成されると、加圧成形デバイスは開けられ、予備成形デバイスで予備成形されたプロファイルの更なる区画が、牽引デバイスにより加圧成形デバイスに引き入れられる。プロファイル・ストランドの最終硬化は、後硬化デバイスに達するまで行われないことが好ましい。プロファイルのシステム内への搬送は、不連続的にまたは連続して次々に行われる動作サイクルで行われる。加圧成形デバイスに引き入れられる区画の長さは、加圧成形デバイスが一度に処理する長さよりも若干小さくなるように選択され得る。これにより、プロファイルに加圧成形デバイスで成形され２度予備硬化される重複した狭い領域が形成され、その結果、段階的に搬送されるにもかかわらず、プロファイル・ストランドは途切れることなく連続した処理を受ける。

牽引デバイスを通った後、プロファイルは最終的に所要の寸法に加工され、かつ／または下流の切断デバイスで適切な長さに切断される。ここで、例えば、Ｈ型断面形状を有するプロファイルを、フランジをつなぐ垂直ウェブに沿って分離し、それぞれＴ型断面形状を有する２つのプロファイルを作製することも可能である。得られた２つのプロファイルは、例えば、空力面強化用のストリンガーとなる。

この公知のＡＤＰ法は、１時間に、最大２ｍのプロファイルを、ほとんどいかなる所望の断面形状でも正しい寸法を高い水準で維持したままほぼ完全な自動製造が可能である。

この公知の引抜き成形法には、帯状プリプレグが約９０°の角度で互いに接合するプロファイルのアール領域が、通常（三角形の）ガセットの形をした不定の空隙を形成するという特定の問題がある。この空隙は空であるため、その結果、例えば、実際のプロファイル形状が、所期の形状から偏差してしまい、その影響を受けたプロファイルは廃棄されてしまう。

本発明の目的は、上述した不利点が避けられる、繊維複合材料から連続したプロファイルを作製する方法を提供することである。

この目的は、クレーム１の特徴を有する装置により達成される。
少なくとも１つの連続したガセットを、特に予備成形時にプロファイルの少なくとも１つのアール領域に挿入すると、引抜き成形法によりアール領域において必然的に形成される空隙は、ガセットまたは連続したガセット・ストランドで充填され画定されるので、プロファイルの形状偏差の発生、特に、例えばＨ型断面形状を有するプロファイルにおける末端フランジ上の垂直ウェブの横方向への角変位を防止できる。これら形状偏差としては、例えばＨ型断面形状を有するプロファイルにおいて、ウェブの横方向の角変位の形で現れ、その結果、ウェブとフランジとの角度が９０°からずれるといったことがあり得る。

（予め含浸された）帯状プリプレグを形成するのに、好適な熱硬化性および／または熱可塑性合成樹脂を用いた強化繊維の所望の組み合わせを用いることができる。しかし、エポキシ樹脂で満たされた炭素繊維強化構成を用いた帯状プリプレグを用いることが好ましい。炭素繊維強化構成は、一例として、離散炭素繊維、炭素繊維粗紡、炭素繊維スクリム、炭素繊維織物またはこれらの所望の組み合わせを挙げることができる。ガラス繊維、ケブラー（登録商標）繊維または天然繊維を用いることも可能である。

連続的に編組まれた強化繊維により、長さの等しい長辺の縁部が内側に引っ張られて弧形になった二等辺三角形に略対応する断面形状を有する少なくとも１つの引抜き成形用ガセットが形成される。引抜き成形用ガセットまたは連続したガセットを形成するのに用いる強化繊維は、帯状プリプレグで用いたのと同じものであってよい。繊維配向が０°および／または±４５°の編組炭素繊維を用いてガセットを形成することが好ましい。あるいは、ガラス繊維、アラミド繊維、セラミック繊維、熱可塑性繊維、またはこのような種類の所望の組み合わせを用いてガセットを形成してもよい。ガセットは引抜き成形時に充填および支持機能を終えると、プロファイルの完成構造においては耐荷重機能を担わないため、熱可塑性繊維を用いることも可能である。

少なくとも１つのガセットを上記方法シーケンスに導入する方法は、帯状プリプレグを１つまたはそれ以上のリールを介して導入する方法と同じである。
撚り合わせた炭素繊維強化プラスチック織物帯状体、単一方向性炭素繊維強化プラスチック帯状体または炭素強化プラスチック繊維は、ガセットを形成するのに用いると、固有安定性が低いため、圧力を受けると不画定構造となる。その結果、アール側では与圧が過剰となり他方側では与圧が不十分となるため、繊維容積に対し要求されるアール度を達成することができなくなる。これに対し、編組ガセットの固有安定性は実質的に大きく、三角形状全体にわたって自発的に正しい位置に収まるため、編組ガセットは自動的に正しい
位置に移動する。従って、本発明の方法では、編組ガセットを用いることが好ましい。

ガセットを形成するのに、乾燥した強化繊維を用いた編組を用いることができる。この場合、一般的に、ガセットは、加圧成形デバイスに入る前に、確実に合成樹脂を十分に含むよう、加圧成形デバイスの上流にある樹脂浴に通される。あるいは、実際の帯状プリプレグが合成樹脂を十分含み、加圧成形デバイスにおいて、圧縮樹脂によりガセットの十分な飽和状態を確実にできるのであれば、樹脂浴を省いてもよい。本発明の方法は、複合材料、特に炭素繊維強化エポキシ樹脂を用いた、複雑な断面形状を有するプロファイルの「擬似」連続製造を可能とする。

更なるクレームは、本発明の引抜き成形法の更に有利な実施形態を記載している。
本発明の方法について、Ｈ型断面形状を有するプロファイルを例に挙げて詳細に説明する。原理的には、この方法は、特に、長手方向の断面形状が一定であるプロファイルを作成することができ、例として、Ｔ型プロファイル、Ｘ型プロファイル、Ｌ型プロファイルまたはその他の形状のプロファイルに対応する断面形状が挙げられる。この方法は、他のプロファイル形状とするために帯状プリプレグを組み合わせるよう適宜改良することができる。アール領域において一定の部材厚を達成するために本発明では充填され画定されるガセット領域は、角度の付いた縁部を有する帯状プリプレグが合わせられる箇所であればどこにでも形成される。

引抜き成形法を実施するためのシステムの略図である。 ４つの元々扁平な帯状プリプレグからＨ型プロファイルを作製する略図である。 加熱された加圧成形デバイスの断面図である。 図３の拡大詳細図である。 ガセットの断面である。

上記図面において、同一の設計要素には同一の参照符号を付すものとする。
図１は、「連続した」帯状プリプレグを用いた「先進」引抜き成形法を実施するのに好適な引抜き成形システムの略図である。

装置１は特に、帯状プリプレグ６〜９を有する４つの（供給）リール２〜５を含む。これら帯状プリプレグ６〜９間の付着を抑制するために、帯状プリプレグ６〜９の一方には剥離可能な離型フィルムが備えられている。帯状プリプレグ６〜９の材料の厚さは、幅と同様に、所望のプロファイル形状を作製するのに好適な厚さにする。詳細に図示していないが破線で示すリールは、ガセットを用いた本発明の改良された方法のためのデバイスを表わす（図３〜５参照のこと）。

予備成形デバイス１０の領域において、帯状プリプレグ６〜９は合わせられ成形されることにより、この早い段階で、作製されるプロファイル１１のほぼ所望の断面形状が作られる。予備成形デバイス１０は、好ましくは少なくとも４つの帯状プリプレグ６〜９のうちのいくつかの縁部に角度をつける数多くの好ましくは離型剤が塗布されたロールとローラを有する。このような帯状体はその後、扁平な帯状プリプレグ６〜９と合わせられプロファイルを形成する。

加圧成形デバイス１２は、予備成形デバイス１０の下流にある。プロファイルの最終的な形状加工は、加圧成形デバイス１２において、高い圧力と熱を同時に印加することにより行われる。この目的のため、加圧成形デバイス１２は一般的に複数の、閉位置では、作
製されるプロファイル１１の断面形状または形と全く同じ形を形成する金属治具（図１では不図示）を有する。いずれの場合も、プロファイル１１の装置１内での移動方向は、水平方向の黒い矢印により示される。

プロファイル１１は、装置１全体に連続的に引き通されるのではなく、プロファイル１１は、それぞれ加圧成形デバイス１２の長手方向の寸法に略対応する長手方向の区画ごとに、順次、サイクルごとに装置１に通される。この手順では、最初に、加圧成形デバイス１２の治具を、プロファイル１１の適切な区画が抵抗を受けることなく加圧成形デバイス１２に引き入れられる程度まで離す。そして、加圧成形デバイス１２を全閉にし、圧力と熱を同時に印加することによりこの区画におけるプロファイル１１の最終的な形状加工および部分硬化が行われる。プロファイル１１のその区画は、プロファイル１１がその後の方法工程に送られるのに十分な初期固有機械的安定性を有するまで加圧成形デバイス１２に留められる。加圧成形デバイス１２の下流には、プロファイル１１を完全に硬化させる後硬化デバイス１３がある。後硬化デバイス１３の後ろに牽引デバイス１４があり、これにより、プロファイル１１は、順次、サイクルごとに、このシステムに引き入れられる。

プロファイルは、切断デバイス１５で所期の寸法に加工される。切断デバイス１５においては、プロファイルの縁部のトリミングにとどまらず、それ以上の工程も行うことができる。例えば、断面形状がＨ型であるプロファイルの場合、存在するウェブをプロファイルの長手方向で完全に分離することにより、２つのＴ型断面形状を有する連続したプロファイルを作製することができる。

上述した装置１は、加圧成形デバイス１２に好適な治具が備えられ、材料の適正な幅と厚さを有する十分な数の帯状プリプレグ６〜９が４つの（供給）リール２〜５に供給され続ける限り、複合材料からなるプロファイルを、ほとんどいかなる所望の断面形状でも連続製造することができる。

図２は、４つの帯状プリプレグ６〜９からＨ型断面形状を有するプロファイル１１を形成する手順を示す。
プロファイル１１は、帯状プリプレグ６〜９により形成される。帯状プリプレグ８と９は元々扁平であるが、予備成形デバイスで、小さな黒い矢印１６の方向に折り畳むまたは角度を付ける加工が施され、いずれもＵ型断面形状を有するプロファイル形状となる。帯状プリプレグ８と９の点線は、この形成手順では詳細に図示しない複数の中間段階の１つを表わす。帯状プリプレグ６と７は、本質的には変形せずにそのままの形で、プロファイル１１のウェブ１９の両側に接合するフランジ１７と１８の一部を形成する。Ｈ型断面形状を有するプロファイル１１は、帯状プリプレグ６〜９を大きな白い矢印２０の方向に合わせることにより形成される。ジグザグ切断線２１は、切断デバイス１５でＨ型プロファイルから２つのＴ型プロファイルを形成するための分離可能な点を表わす。

図３は、加圧成形デバイス１２における方法シーケンスの原理を示す図である。
加圧成形デバイス１２は、図示の本発明の例では、高圧力を用いて、二重矢印２６の方向に合わされたまたは互いに押し付けられた４つの加熱された治具２２〜２５を含む。この結果、その後の方法工程を行うのに十分な寸法安定性が得られるようにプロファイル１１の最終的な形状加工と予備硬化が行われる。加圧成形デバイス１２においてプロファイル１１を十分に予備硬化するため、（与圧）治具２２〜２５は、エポキシ樹脂を硬化するのに十分な温度である１２０℃〜２５０℃の範囲まで加熱される。

牽引デバイス１４により、プロファイル１１は、加圧成形デバイス１２に不連続的に引き通される。ここでは、加圧成形デバイス１２の治具の長さと略対応する長さを有するプロファイル１１の適切な長手方向の区画が導入されるように、最初に加圧成形デバイス１
２が開かれる。ここでは、加圧成形デバイス１２において形状加工と予備硬化とが途切れることなく連続するような重複が可能である。ここでは、特に、加圧成形デバイス１２にあるプロファイル１１の２つの端部領域に対して２度の成形と予備硬化を行ってもよい。

この後、高圧力を用いて加圧成形デバイス１２を閉じると、圧力と熱とが同時に印加され、プロファイル１１の実際の形状加工と予備硬化が達成される。
形状加工と予備硬化が終了すると、加圧成形デバイス１２は再度開けられ、プロファイル１１は、次の長手方向の区画になるまで、牽引デバイス１４により前方に搬送され、プロセスの次のサイクルが始まる。加圧成形デバイス１２の治具２２〜２５の開閉動作を大きな白い二重矢印２６で示す。

プロファイル１１内の破線の楕円で囲まれた領域は、本発明の方法により（「連続した」引抜き成形）ガセットで充填されることになっている２つの「アール領域」のうちの１つを表わす。

図４は、帯状プリプレグ６，８および９が互いに接合するプロファイル１１のそのような領域におけるアール領域を示す。
帯状プリプレグ６，８および９が互いに接触すると、アール領域２７が必然的に形成されるため、縁部角度加工時に、２つの帯状プリプレグ８と９の曲げ半径を所望どおりに（「無限に」）減らすことはできない。このアール領域には空隙２８が形成され、本発明の方法により、多数の強化繊維および／またはフィラー繊維を用いて連続的に編組まれたガセット２９がこの中に挿入される。その結果、空隙２８の完全かつよりはっきりと画定された充填となる。

引抜き成形ガセット２９の断面形状は、それぞれ弧形状にわずかに内側に曲がった２つの長さの等しい縁部を有する正三角形に略対応する（図５参照）。各アール領域２７に生じる空隙２８の断面形状に応じて、ガセット２９は、所望の断面形状を有することができる。

好ましくは連続的に編組まれたガセット２９は、一般的に、帯状プリプレグ６〜９で用いたのと同じタイプの強化繊維により形成される。ガセット２９内の強化繊維および／またはフィラー繊維は、例えば、空間的に、つまり、プロファイル１１の長手方向軸に対して０°配向および／または±４５°配向を有することができる。使用可能な強化繊維の例としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、熱可塑性強化繊維やこれらの所望の組み合わせが挙げられる。ガセット２９の強化繊維またはフィラー繊維が埋め込まれた樹脂系は、帯状プリプレグ６〜９で用いたのと同じものであってよい。

図５は、ガセット２９の断面図を示す。
ガセット２９は、基本的に三角断面形状を有する。この三角形の長さが等しい辺３０と３１は、弧形（円の弓形の形）に内側に湾曲しているが、この三角形の底辺３２は直線である。この形状設計により、特にＨ型プロファイルの作製時に、プロファイル１１のアール領域に生じる空隙を理想的に確実に充填することができる。ガセット２９は、特に、例えば、引抜き成形法（「ＡＤＰ法」として知られる）における複合材料からなるＨ型プロファイルの場合、フランジ（所期の角度９０°からの偏差）に対しプロファイル１１の（中央）ウェブの角変位が制御できなくなるのを防止し、これによりもたらされるアール領域２７における材料厚のばらつきを防止する。少なくとも１つの連続したガセット２９用の少なくとも１つの追加の（供給）リールは、リール２〜５の領域に配置することが好ましい。帯状プリプレグ６〜９間のガセット２９が導入される領域は、予備成形デバイス１０の前にあることが好ましい。あるいは、少なくとも１つのガセット２９は、予備成形デバイス１０通過後の帯状プリプレグ６〜９の間および／または帯状プリプレグ６〜９に配
することもできる。作製されるプロファイル１１の寸法に対して、ガセット２９の底辺３２の長さは最大４ｍｍである。

本発明の方法の過程において、強化繊維またはフィラー繊維により連続的に形成されるガセット２９は、少なくとも１つの追加のリールから引き出され、本発明の方法に導入される（リールを破線で示す上記図１を参照のこと）。

編組方法で作製可能および使用可能なガセット形状は三角形状だけでなく、円形や多角形であってもよい。

１…装置、２…リール、３…リール、４…リール、５…リール、６…帯状プリプレグ、７…帯状プリプレグ、８…帯状プリプレグ、９…帯状プリプレグ、１０…予備成形デバイス、１１…プロファイル、１２…加圧成形デバイス、１３…後硬化デバイス、１４…牽引デバイス、１５…切断デバイス、１６…矢印、１７…フランジ、１８…フランジ、１９…ウェブ、２０…矢印、２１…切断線、２２…治具、２３…治具、２４…治具、２５…治具、２６…二重矢印、２７…アール領域、２８…空隙、２９…ガセット、３０…長さが等しい辺、３１…長さが等しい辺、３２…底辺。

Claims (9)

1. 少なくとも１つの帯状プリプレグ（６〜９）を含む連続したプロファイル（１１）を作製するための引抜き成形法であって、前記少なくとも１つの帯状プリプレグ（６〜９）は最初に予備成形デバイス（１０）で予備成形され、次に、最終断面形状を作製するための加熱された加圧成形デバイス（１２）にサイクルごとに通され、最終的に後硬化デバイス（１３）で完全に硬化される方法において、略三角断面形状を有する少なくとも１つの連続したガセット（２９）が前記プロファイル（１１）の少なくとも１つのアール領域（２７）に挿入される方法であって、前記ガセット（２９）は、互いに編組まれた複数の連続した繊維により形成されることを特徴とする引抜き成形法。
2. 前記プロファイル（１１）は、特に少なくとも４つの帯状プリプレグ（６〜９）で形成され、特にＨ型断面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の引抜き成形法。
3. Ｔ型断面形状を有するプロファイル（１１）を作製するため、ウェブ（１９）の領域において、前記Ｈ型断面形状を有するプロファイル（１１）を切断線（２１）に沿って長手方向に分離することを特徴とする、請求項１または２に記載の引抜き成形法。
4. 前記プロファイル（１１）を、牽引デバイス（１４）を用いて前記加圧成形デバイス（１２）にサイクルごとに搬送することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の引抜き成形法。
5. 前記プロファイル（１１）は、切断デバイス（１５）で特定の大きさに切断されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の引抜き成形法。
6. 前記少なくとも１つの帯状プリプレグ（６〜９）は、少なくとも１つのリール（２〜５）から引き出されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の引抜き成形法。
7. 前記少なくとも１つのガセット（２９）は、少なくとも１つのリールから引き出されることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載の引抜き成形法。
8. 前記ガセット（２９）は、硬化可能な合成樹脂材料で予め含浸されていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれかに記載の引抜き成形法。
9. 前記少なくとも１つの帯状プリプレグ（６〜９）は、好ましくは熱硬化性のプラスチック材料で含浸された強化繊維構成により形成されていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれかに記載の引抜き成形法。

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