JP2011512281A - 繊維強化プラスチック製プロファイル部品の製造方法及び装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の製造方法を提供する。本方法は、内部に重合体マトリックスが分散して配置された管状の繊維ブレードの供給からなる。繊維ブレードの長手方向一部が成形プレスに封入される。成形プレスは加熱され、長手方向一部内の重合体マトリックスが硬化される。プレスが開けられると、繊維ブレードの次の長手方向一部を成形プレス内に位置させるために、開けられた成形プレス内で繊維ブレードを引っ張る。次の長手方向一部が成形プレスに封入される。本発明の他の態様は、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の製造装置の提供である。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品、特に、航空機又は宇宙船のプラスチック材料プロファイル部品の製造方法及び装置に関する。

本発明及びその基となる課題は、あらゆるプロファイル形状の繊維強化プラスチック材料プロファイル部品に当てはめることができるが、Ｉ形状及びＴ形状のプロファイルを有するプラスチック材料プロファイル部品の製造に関してこれらを説明する。

このようなプラスチック材料プロファイル部品を製造する、引抜きとも呼ばれる従来の方法においては、繊維の束に熱硬化性樹脂を含浸させて、これを、加熱した、所望のプロファイルを有する成形ノズル内を通すが、このときに前記樹脂が硬化する。このようにして製造されるプラスチック材料プロファイル部品では、その繊維は、概ね、当該プラスチック材料プロファイル部品の長手方向に延びており、対応する荷重により生じるねじり応力及び剥離応力によって、平行に延びる繊維間で樹脂が割れる場合もある。

いわゆるブレード引抜きにおいては、一方向に延びる繊維の束を用いる代わりに繊維ブレードが用いられ、その繊維は、プラスチック材料プロファイル部品の長手方向に対して傾斜角を有するらせん形状に延びており、また、これにより、ねじり応力及び剥離応力も吸収される。しかしながら、このような編み合わされた繊維からなる繊維ブレードを成形ノズルに引き込む際に、かなりの摩擦力が生じ、繊維の破損や品質不良を招く可能性がある。

したがって、本発明は、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の製造における、特にねじり応力及び剥離応力に対する高い安定性を実現し、これによりいかなる繊維の破損も確実に回避することを目的とする。

この目的は、本発明に係る請求項１の特徴を有する繊維強化プラスチック材料プロファイル部品製造方法及び、請求項１６の特徴を有する繊維強化プラスチック材料プロファイル部品製造装置により達成される。

本発明の基となる目的は、プラスチック材料プロファイル部品の製造に用いられる繊維を、内部に重合体マトリックスが分散して配置された管状のブレードの形状で供給することである。供給される繊維ブレードの長手方向一部が、加熱可能な成形プレス内に封入される。前記成形プレスが加熱され、このようにして、前記封入された長手方向一部を加熱する。その結果、前記成形プレスにより高められた成形圧力により、前記重合体マトリックスが（固体状である場合には）柔らかくなり、繊維間の隙間を埋める。デュロプラスチック樹脂の場合、前記重合体マトリックスは、成形プレスの加熱の影響により硬化する。

その後、前記成形プレスを開き、前記繊維ブレードの長手方向一部がこれ以上封入されず、これ以上圧縮作用を受けないようにする。前記繊維ブレードは、次の長手方向一部が成形プレス内に位置するまで、前記開かれた成形プレス内を引っ張られる。その後、この次の長手方向一部が前記成形プレスに封入され、前記加熱成形プレスの影響により、前記次の長手方向一部内の重合体マトリックスが繊維間で分散又は硬化する。

このようにして、最初の長手方向一部の領域と次の長手方向一部の両方において、前記繊維ブレードが前記重合体マトリックスに埋め込まれ、両長手方向一部において、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の対応部分が製造される。これにより、前記繊維ブレードを前記成形プレス内に封入する工程と前記プレスを開けて前記繊維ブレードを引っ張る工程が周期的に繰り返され、この際に、前記繊維ブレードは、成形プレスにそれぞれ封入される長手方向一部より大きくない程度だけ、前記開かれた成形プレス内を引っ張られることから、基本的には長さの制限なくプラスチック材料プロファイル部品を製造することが可能になる。

繊維は管状の繊維ブレードの形状で供給されるため、完成したプラスチック材料プロファイル部品内の繊維の少なくともいくつかは、当該プラスチック材料プロファイル部品の周囲に、ある傾斜角で延びており、前記繊維の一部は周方向に延びている。この理由から、このようにして製造されるプラスチック材料プロファイル部品は特に高い安定性を有する。前記成形プレスが開いている時に前記繊維ブレードを前記プレス内で引っ張るので、摩擦力が全くないか、この引張工程において克服される非常に低い摩擦力しか存在せず、いかなる繊維の破損も効果的に回避することが可能となる。さらに、引張応力を、決められた低い値に設定することが可能であり、これにより、内部の繊維がその管形状の長手方向に対して大きい角度で延びている繊維ブレードを、かなりの引張応力によりこれが歪むことなく、又は長さにおいて引きちぎれることなく処理することが可能となる。

前記繊維ブレードは、複雑な手動の作業を伴わずに製造することができるため、この方法全体を非常に容易に自動化することができる。

好ましい発展形態によれば、前記管状の繊維ブレードの供給は、多数の繊維糸から当該繊維ブレードを編む工程を含む。この編む工程を先行して行うことにより、前もって準備した繊維ブレードを保管する必要がなく、プラスチック材料プロファイル部品を、必要なだけ連続して製造することが可能になる。

好ましい発展形態によれば、前記管状の繊維ブレードの供給は、設けられる供給コイルから当該繊維ブレードをほどく工程を含む。これには、別の編み手段が不要であるという利点があり、これにより、例えば、供給会社によって繊維ブレードを前もって準備することが可能になる。

好ましい発展形態によれば、前記成形プレスは、前記長手方向一部を、これが封入されている時に、プラスチック材料プロファイル部品の意図したプロファイルに応じて圧縮する。さらに、これに関連して、多数の再成形ローラによって、前記管状の繊維ブレードを前記意図したプロファイルに徐々に再成形する工程が設けられる。このようにすれば、かなりの摩擦力を生じることなく又は繊維の破損が想定されることなく、元は管状である繊維ブレードから種々のプロファイル形状を製造することができる。

好ましい発展形態によれば、前記管状の繊維ブレードは、再成形される際に、平らにプレスされる。これにより、中実のプロファイルを有する、即ち、密閉空洞を有していないプラスチック材料プロファイル部品が製造でき、好都合である。

好ましい発展形態によれば、複数の管状の繊維プライが供給され、前記成形プレスによって、前記長手方向一部に一緒に封入される。このようにすれば、例えば複数に分裂するプロファイル形状など、より多様なプロファイル形状が可能になる。

好ましい発展形態によれば、前記重合体マトリックスは、熱可塑性繊維を編み合わせることにより、前記管状の繊維ブレード内に分散して配置される。このようにすれば、この編み工程により前記重合体マトリックスが自動的に分散するので、別の工程が不要となる。

好ましい発展形態によれば、前記重合体マトリックスは、前記管状の繊維ブレードの管内に樹脂フィルムを導入することにより、当該管状の繊維ブレード内に配置される。前記重合体マトリックスは、前記管内にしっかりと保持され、前記フィルムの２次元の広がりにより均一に分散する。

好ましい発展形態によれば、前記重合体マトリックスは、前記管状の繊維ブレードを液状又は粉状樹脂で濡らすことにより、前記管状の繊維ブレード内に配置される。これにより、前記重合体マトリックスが３次元において均一に分散することが可能となる。

好ましい発展形態によれば、前記管状の繊維ブレードは、プリプレグとして供給される。このようにすれば、内部に重合体マトリックスが分散した繊維ブレードを別途予め準備し、必要に応じて、本方法の更なる工程に供給することができる。

好ましい発展形態によれば、前記長手方向一部は成形プレス内で部分的に硬化される。これにより、当該長手方向一部に限られない領域において、前記重合体マトリックスを、他の方法で最終的に硬化させることが可能になり、実質的に、隣接する長手方向一部間の移行部分なくプラスチック材料プロファイル部品を製造することができる。前記長手方向一部は、成形プレスを離れた後当該プロファイル部品の形状が安定したままであるように、約７０％まで部分的に硬化されることが好ましい。当該長手方向一部を、成形プレス内を通過した後に完全に硬化させる更なる工程を設けることが好ましく、そうすれば、プラスチック材料プロファイル部品はできるだけ早く完全に安定する。

さらに、好ましい発展形態によれば、前記プラスチック材料プロファイル部品をばり取りする工程が設けられる。これにより、隣接する長手方向一部間の端を、外ばりがないように、移行部分なく生成することが可能になる。

さらに、好ましい発展形態によれば、さらなるプラスチック材料プロファイル部品を形成するために、前記プラスチック材料プロファイル部品を概ね長手方向に切断する工程が設けられる。これにより、その長さに沿ってプロファイル断面が異なるプラスチック材料プロファイル部品を製造することが可能になる。

以下に、本発明を、添付の図面を参照しながら、実施形態に基づき詳細に説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る繊維強化プラスチック材料プロファイル部品製造装置の概略斜視図である。 図２Ａ−Ｆは、実施形態に係る製造方法における、管状の繊維ブレードの様々な再成形段階の断面図である。 図３Ａ−Ｂは、さらなる実施形態に係る製造方法における、２つの再成形段階の断面図である。 図４Ａ−Ｂは、実施形態に係る製造方法の実行中の成形プレスの断面図である。 図５Ａ−Ｂは、実施形態に係る繊維強化プラスチック材料プロファイル部品のプロファイル図及び側面図である。 図５Ｃ−Ｄは、本製造方法の実施形態に係る、図５Ａ−Ｂのプラスチック材料プロファイル部品の、切断後のプロファイル図及び側面図である。 図５Ｅは、実施形態に係るさらなる繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の側面図である。

図中では、別途指示がない限り、同一の参照番号は、同一又は機能的に同等の構成要素を示す。

図１は、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品１０２、１０３、１０３’を製造する装置１００の概略斜視図である。前記装置１００は、複数の繊維糸１１４から管状の繊維ブレード１０４を編む第１編み手段１１２と、複数の繊維糸１１４’から管状の繊維ブレード１０４’を編む第２編み手段１１２’とからなる。樹脂フィルム設置手段１１６は、連続するローラ１１７から前記第１編み手段１１２に、未硬化樹脂１０６からなるストリップ形状のフィルム１０６を、前記樹脂１０６が前記管状のブレード１０４内に置かれるように供給する。

前記装置の作動中に前記第１編み手段１１２及び前記第２編み手段１１２’により編まれた前記繊維ブレード１０４，１０４’は、ともに、再成形ローラ１１８のシステムまで延び、前記再成形ローラ１１８は、まず各繊維ブレード１０４、１０４’を平たくし、その後、２つの繊維ブレード１０４、１０４’を、製造すべきプラスチック材料プロファイル部品１０２の意図したプロファイル２００に対応する、これらを合わせて形成されるＩ形プロファイル形状２００へと連続的に再成形する。単に一例として、４つの再成形ローラ１１８を図示する。

前記再成形ローラ１１８の、前記編み手段１１２から離れた側に、制御装置１２６により断続的に開閉される加熱可能な成形プレス１０８が配置されている。閉状態では、当該成形プレス１０８内には、両端が開口し、長さがＬの空洞があり、製造すべき前記プラスチック材料プロファイル部品１０２の、前記Ｉ形状の意図したプロファイル２００を有している。開状態では、前記長さＬの空洞は、前記意図したプロファイル２００よりも幅が広く、当該成形プレス内で、前記意図したプロファイル２００を有する対象物を摩擦なく移動させることができる。

前記成形プレス１０８の、前記再成形ローラ１１８から離れた側に、製造すべき前記プラスチック材料プロファイル部品１０２、１０３、１０３’を完全に硬化するトンネル炉１２０の入口が配置されている。ばり取り手段１２２が前記トンネル炉１２０の出口に連結されている。前記再成形ローラ１１８、前記成形プレス１０８、前記トンネル炉１２０及び前記ばり取り手段１２２は、上述のように順次直線状に配置されて、ともに、製造経路１１８、１０８、１２０、１２２を形成しており、この製造経路に沿って、前記装置１００の作動中、前記繊維ブレード１０４、１０４’が処理されて製造すべきプラスチック材料プロファイル部品となる。

前記ばり取り手段の、前記トンネル炉１２０から離れた側に、前記制御装置１２６に接続されて動作し、前記繊維ブレード１０４、１０４’、又は、これらから製造されるプラスチック材料プロファイル部品１０２を、前記製造経路１１８、１０８、１２０、１２２に沿って引っ張る引張手段１１０が配置されている。前記引張手段１１０の、前記ばり取り手段１２２から離れた側に、製造すべき前記プラスチック材料プロファイル部品１０２を所定の長さに切断する、また、選択的に、さらに処理して、さらなるプラスチック材料プロファイル部品１０３、１０３’とする切断手段１２４が配置されている。

前記装置１００の作動中、前記制御装置１２６は、前記加熱成形プレス１０８と前記引張手段１２２とを協調させて周期的に駆動する。１周期の間、まず、前記成形プレス１０８が閉じられ、前記再成形ローラ１１８により意図した形状２００となった繊維ブレード１０４、１０４’の長手方向一部Ｌを封入する。この結果、含まれる樹脂フィルム１０６が柔らかくなり、前記成形プレスにより高められた圧力によって繊維間の隙間を埋め、更に熱の効果により部分的に硬化する。前記樹脂１０６が完全に硬化する前に前記成形プレス１０８を開く。前記制御装置１２６は、その後、前記引張手段１１０を駆動し、前記プラスチック材料プロファイル部品１０２又は前記プラスチック材料プロファイル部品１０２に含まれる繊維ブレード１０４、１０４’を、前記製造経路１１８、１０８、１２０、１２２、１１０に沿って、前記長さＬの距離だけ引かせる。その後、前記周期が再度開始され、今度は、先行する周期において封入された一部Ｌに隣接する長手方向一部Ｌ’が新たに前記成形プレス１０８に封入される。前記トンネル炉１２０内では、まず前記成形プレス１０８内で部分的に硬化する、連続的に続く一部Ｌ、Ｌ’の完全硬化をもたらす温度分布が常に維持されている。前記一部Ｌ、Ｌ’間に生じうるばりは、前記ばり取り手段１２２により除去される。

図２Ａ乃至図２Ｆは、例えば、図１の装置１００の再成形ローラ１１８を用いた、２つの管状の繊維ブレードの様々な再成形段階の断面図である。図１Ａは、最初の円筒形状の管状ブレード１０４、１０４’を示しており、これらは前記編み手段により編まれている。図２Ｂは、楕円形の状態に平らにされたプロファイル形状のブレードを示しており、樹脂フィルム１０６が前記ブレード１０４のうちの１つに導入されている。図２Ｃでは、両ブレード１０４、１０４’が完全に平らに折られて、互いに平行に配置されている。図２Ｄ乃至図２Ｆは、前記繊維ブレード１０４、１０４’が互いに当接し、合わされてＩ形状の意図されたプロファイル２００へと徐々に再成形される様子を示している。

図３Ａ及び図３Ｂは、他の再成形工程における２つの再成形段階の断面図であり、１つの管状ブレード１０４が、同様に、対応する再成形ローラにより再成形され、好適な例であるＩ形状の意図したプロファイル２００となっている。

図４Ａ及び図４Ｂは、製造サイクルにおける異なる段階の、例えば図１に示すプレス１０８のような成形プレスの断面図である。図４Ａは、閉じた後の状態４０２にある成形プレスを示しており、ここでは、当該成形プレスは、封入されている繊維ブレード１０４内に分散する重合体マトリックスを部分的に硬化する。前記成形プレスの各セグメントに加熱線４００が配置されている。図４Ｂは、この成形プレスの、開けられた後の状態４０４を示している。

図５Ａ及び図５Ｂは、それぞれ、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品１０２、例えば、本明細書中で説明する方法にしたがって図１の装置１００を用いて製造され、所望の全長５０２に切断されたプラスチック材料プロファイル部品１０２のプロファイル図及び側面図である。

図５Ｃ及び図５Ｄは、それぞれ、前記全長５０２に沿って若干傾斜した長手方向の切断部を有するＴ形状のプラスチック材料プロファイル部品１０３、１０３’を製造するために、長手方向に分割された、図５Ａ及び図５Ｂのプラスチック材料プロファイル部品１０２のプロファイル図及び側面図である。図５Ｅは、図５Ｃ及び図５Ｄのプラスチック材料プロファイル部品１０３の１つを示しており、この形状は、例えば航空機又は宇宙船での使用に適するように、不良部分５００を切り取ることによりさらに変形される。

本発明を、好ましい実施形態に基づき説明したが、本発明はこれに限られず、多くの様々な方法で変更することが可能である。

例えば、デュロプラスチック樹脂の代わりに熱可塑性重合体マトリックスを、特に前記成形プレスが、当該熱可塑性重合体を冷却するための冷却手段を備えている場合には、用いることも可能である。付加的な長手方向繊維を有するブレードを用いることもできる。プロファイル部品は、編み合わされた管状のブレードを連結したものから形成することもできる。

１００ 製造装置
１０２ プラスチック材料プロファイル部品
１０３、１０３’ 変形されたプラスチック材料プロファイル部品
１０４ 繊維ブレード
１０６ 重合体マトリックス
１０８ 成形プレス
１１０ 引張手段
１１２、１１２’ 編み手段
１１４、１１４’ 繊維糸
１１６ 樹脂フィルム設置手段
１１７ 樹脂フィルムローラ
１１８ 再成形ローラ
１２０ 後硬化炉
１２２ ばり取り手段
１２４ 切断手段
１２６ 制御装置
２００ 意図したプロファイル
４００ 加熱手段
４０２ 成形プレスの閉状態
４０４ 成形プレスの開状態
５００ 不良部分
５０２ 全長
５０４ 長手方向切断部

Claims (20)

1. 内部に重合体マトリックス（１０６）が分散して配置された管状の繊維ブレード（１０４）を供給する工程と、
   前記繊維ブレード（１０４）の長手方向一部（Ｌ）を成形プレス（１０８）に封入する（４０２）工程と、
   前記成形プレス（１０８）を加熱する工程と、
   前記成形プレス（１０８）を開け（４０４）、前記繊維ブレード（１０４）を開放する工程と、
   前記繊維ブレード（１０４）を、前記開いた成形プレス（１０８）内を引っ張り、前記繊維ブレード（１０４）の次の長手方向一部（Ｌ’）を前記成形プレス（１０８）内に位置させる工程と、
   前記次の長手方向一部（Ｌ’）を前記成形プレス（１０８）に封入する（４０２）工程からなる、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３）を製造する方法であって、
   前記管状の繊維ブレード（１０４）を供給する工程に、複数の繊維糸（１１４）から前記繊維ブレード（１０４）を編む工程が含まれることを特徴とする、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の製造方法。
2. 前記成形プレスは、前記長手方向一部（Ｌ）を封入している時に、前記プラスチック材料プロファイル部品（１０２）の意図したプロファイル（２００）に応じて前記長手方向一部（Ｌ）を圧縮し、さらに、複数の再成形ローラ（１１８）により、前記管状の繊維ブレード（１０４）を前記意図したプロファイル（２００）へと徐々に再成形する工程が設けられることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記管状の繊維ブレード（１０４）は、再成形される際に、平らにプレスされることを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 複数の管状の繊維プライ（１０４、１０４’）が供給され、前記成形プレス（１０８）により、前記長手方向一部（Ｌ）に一緒に封入されることを特徴とする請求項１乃至３記載のいずれかの方法。
5. 前記重合体マトリックス（１０６）を、熱可塑性繊維を編み合わせることにより、前記管状の繊維ブレード（１０４）内に分散させて配置することを特徴とする請求項１乃至４記載のいずれかの方法。
6. 前記重合体マトリックス（１０６）を、樹脂フィルム（１０６）を管（１０４）内に導入することにより、前記管状の繊維ブレード（１０４）内に配置することを特徴とする請求項１乃至５記載のいずれかの方法。
7. 前記重合体マトリックス（１０６）を、前記繊維ブレード（１０４）を液状又は粉状の樹脂で濡らすことにより、前記管状の繊維ブレード（１０４）内に配置することを特徴とする請求項１乃至６記載のいずれかの方法。
8. 前記管状の繊維ブレード（１０４）をプリプレグとして供給することを特徴とする請求項１乃至７記載のいずれかの方法。
9. 前記長手方向一部（Ｌ）を、前記成形プレス内で、部分的に、特に約７０％まで硬化させることを特徴とする請求項１乃至８記載のいずれかの方法。
10. さらに、前記長手方向一部（Ｌ）を前記成形プレス（１０８）内で引っ張った後に、これを完全に硬化させる工程が設けられることを特徴とする請求項９記載の方法。
11. さらに、前記プラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３）をばり取りする工程が設けられることを特徴とする請求項１乃至１０記載のいずれかの方法。
12. さらに、前記プラスチック材料プロファイル部品（１０２）を概ね長手方向に切断して、さらなるプラスチック材料プロファイル部品（１０３、１０３’）を形成する工程が設けられることを特徴とする請求項１乃至１１記載のいずれかの方法。
13. 平らにプレスされて重合体マトリックス（１０６）に埋め込まれる管状の繊維ブレード（１０４）を有することを特徴とする、請求項３記載の方法により製造される繊維強化プラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３、１０３’）。
14. 請求項１３記載のプラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３、１０３’）を有する航空機又は宇宙船。
15. 内部に重合体マトリックス（１０６）が分散して配置された管状の繊維ブレード（１０４）を供給する供給手段（１１２、１１６）と、
    前記供給された繊維ブレード（１０４）を長手方向一部（Ｌ）に沿って断続的に圧縮し、意図したプロファイル（２００）とする成形プレス（１０８）と、
    前記成形プレス（１０８）を加熱する加熱手段（４００）と、
    前記繊維ブレード（１０４）が前記成形プレス（１０８）により圧縮されていない時に、当該成形プレス（１０８）内で、当該繊維ブレード（１０４）を断続的に引っ張る引張手段（１１０）からなる、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３）を製造する装置（１００）であって、
    前記供給手段（１１２、１１６）は、複数の繊維糸（１１４）から前記管状の繊維ブレード（１０４）を編む編み手段（１１２）を有することを特徴とする、繊維強化プラスチック材料プロファイル部品の製造装置（１００）。
16. 前記供給手段（１１２、１１６）は、樹脂フィルム（１０６）を管状の繊維プライ（１０４）に導入する樹脂フィルム設置手段（１１６）を有することを特徴とする請求項１５記載の装置。
17. さらに、前記管状の繊維ブレード（１０４）を意図したプロファイル（２００）へと徐々に再成形する複数の再成形ローラ（１１８）が設けられることを特徴とする請求項１５又は１６記載の装置。
18. 前記加熱手段（４００）は、前記長手方向一部（Ｌ）内の前記重合体マトリックス（１０６）を部分的に硬化させるように構成されており、さらに、前記プラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３）を完全に後硬化するために後硬化炉（１２０）が設けられることを特徴とする請求項１５乃至１７記載のいずれかの装置。
19. さらに、前記プラスチック材料プロファイル部品（１０２、１０３）をばり取りするばり取り手段（１２２）が設けられることを特徴とする請求項１５乃至１８記載のいずれかの装置。
20. さらに、前記プラスチック材料プロファイル部品（１０２）を概ね長手方向に切断してさらなるプラスチック材料プロファイル部品（１０３、１０３’）とする切断装置（１２４）が設けられることを特徴とする請求項１５乃至１９記載のいずれかの装置。

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