JP2017007346A - 複合材の成形治具及び複合材の成形方法 - Google Patents

Abstract

【課題】複雑な構造を有する複合材の被成形品を簡易に成形することが可能な複合材の成形治具を提供することである。
【解決手段】実施形態に係る複合材の成形治具は、複合材で構成される被成形品の成形後における形状に対応する形状を有する剛体の第１の治具と、前記第１の治具及び前記被成形品との間を真空にすることによって前記第１の治具及び前記被成形品に圧力を負荷するための非剛体の第２の治具とを備える。前記第２の治具は、前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる治具と、前記第１の治具及び前記被成形品を覆う治具とを有する。
【選択図】 図１

Description

本発明の実施形態は、複合材の成形治具及び複合材の成形方法に関する。

従来、航空機部品等の複合材を加熱硬化することによって成形する際には、様々な方法で複合材がセットされる。例えば、成形後の形状に合わせたマンドレルと呼ばれる治具を製作し、マンドレルに複合材をセットして加熱硬化する成形方法が知られている（例えば特許文献１参照）。また、空気を封入したブラダーバッグを複合材の合間に設け、バギングフィルムで覆った状態で複合材周辺を真空状態にして加熱硬化する成形方法が知られている（例えば特許文献２参照）。

特開２００２−１８７５９９号公報 特開平０６−２０６２６３号公報

航空機部品に代表される複合材部品は、構造が複雑化する傾向にある。このため、製造目的となる複合材部品を更に複数の部品で構成し、複数の部品をそれぞれ成形した後に接着することによって複合材部品が製造される。例えば、上面パネルと下面パネルとを複数の桁で連結した航空機部品であれば、上面パネル、下面パネル及び複数の桁をそれぞれ成形した後に接着工程によって航空機部品が組み立てられる。

そこで、本発明は、複雑な構造を有する複合材の被成形品を簡易に成形することが可能な複合材の成形治具及び複合材の成形方法を提供することを目的とする。

本発明の実施形態に係る複合材の成形治具は、複合材で構成される被成形品の成形後における形状に対応する形状を有する剛体の第１の治具と、前記第１の治具及び前記被成形品との間を真空にすることによって前記第１の治具及び前記被成形品に圧力を負荷するための非剛体の第２の治具とを備える。前記第２の治具は、前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる治具と、前記第１の治具及び前記被成形品を覆う治具とを有する。
また、本発明の実施形態に係る複合材の成形方法は、複合材で構成される被成形品の成形後における形状に対応する形状を有する剛体の第１の治具並びに前記被成形品をセットするステップと、前記第１の治具及び前記被成形品に非剛体の第２の治具をセットするステップと、前記第１の治具及び前記被成形品と、前記第２の治具との間を真空にすることによって前記第１の治具及び前記被成形品に圧力を負荷するステップと、前記第１の治具及び前記第２の治具をセットした状態で前記被成形品を加熱硬化させるステップとを有する。前記第２の治具は、前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる治具と、前記第１の治具及び前記被成形品を覆う治具とを有する。

本発明の実施形態に係る複合材の成形治具及び複合材の成形方法によれば、複雑な構造を有する複合材の被成形品を簡易に成形することができる。

本発明の実施形態に係る複合材の成形治具の構成を示す正面図。 図１に示す成形治具の上面図。 図１に示すマンドレルの位置決め治具の構成を示す正面図。 図３に示す位置決め治具の側面図。 図３に示す位置決め治具の上面図。 図１に示すマンドレルに設けられる傾斜面を示す拡大図。 図１に示す筒状のバギングフィルムとマンドレルとの間に溶着防止用のシートを設けた例を示す図。 図１に示す上面パネルとバギングフィルムとの間に剛体のプレートを設けた例を示す図。 図１に示す複合材の成形治具を用いた被成形品Ｗの成形手順を示す図。

本発明の実施形態に係る複合材の成形治具及び複合材の成形方法について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施形態に係る複合材の成形治具の構成を示す正面図であり、図２は図１に示す成形治具の上面図である。

図１及び図２は、複合材で構成される被成形品Ｗの一例としての航空機部品を成形治具１にセットした状態を示す。成形治具１は、第１の治具２、第２の治具３及び設置用治具４を有する。但し、図２では、第２の治具３の図示が省略されている。

第１の治具２は、被成形品Ｗの成形後における形状に対応する形状を有し、かつ剛体とみなせる加熱硬化成形用の治具である。このような第１の治具２は、一般にはマンドレルと呼ばれる。マンドレルは、複合材の加熱硬化の際に変形せずに使用できる耐熱性のある材料で構成される。

第２の治具３は、第１の治具２及び被成形品Ｗの少なくとも一方との間を大気圧よりも圧力が低い真空状態にすることによって第１の治具２及び被成形品Ｗの少なくとも一方に圧力を負荷するための加熱硬化成形用の治具である。すなわち、第２の治具３は、第１の治具２及び被成形品Ｗの少なくとも一方との間に形成される空間に対して真空引きを行うことによって第１の治具２及び被成形品Ｗの少なくとも一方にフィットする非剛体とみなせる治具である。このような第２の治具３の代表例としては、形状が柔軟に変形するバギングフィルム及びブラダーバッグが挙げられる。

図１及び図２は、第１の治具２としてマンドレル５を、第２の治具３としてバギングフィルム６を、それぞれ備えた成形治具１の例を示している。被成形品Ｗとなる航空機部品は、複数のパネル間を複数の桁で連結した構造を有する。より具体的には、航空機部品は、上面パネル７と下面パネル８とを横断面がＩ型の複数の桁９で接続したボックス構造を有する。上面パネル７及び下面パネル８は、平板状又はモールド面を有する曲面状のパネルである。更に、ボックス構造を有する部分の両側には、空気抵抗を減らすための航空機部品であるフェアリングバー１０が設けられている。

従って、マンドレル５は、航空機部品の少なくとも一部を支持する構造を有している。図１に示す例では、各桁９を両側から支持するための複数のマンドレル５が設けられている。すなわち、上面パネル７と下面パネル８の２枚のパネルと複数の桁９とによって形成される複数の空間に、それぞれ２枚の平板状のマンドレル５が設置される。そして、下面パネル８の桁９のない面を設置面として下面パネル８を含む被成形品Ｗ並びにマンドレル５が設置用治具４の上にセットされる。

下面パネル８及びマンドレル５を設置用治具４の上にセットする際には、マンドレル５の位置決めを行うための位置決め治具を用いることができる。これにより、マンドレル５のセット位置の精度を向上させることが可能となる。

図３は図１に示すマンドレル５の位置決め治具の構成を示す正面図、図４は図３に示す位置決め治具１１の側面図、図５は図３に示す位置決め治具１１の上面図である。

図３、図４及び図５に示すように被成形品Ｗの構造に応じたマンドレル５の位置決め治具１１を準備することができる。図３、図４及び図５に示す例では、被成形品Ｗを構成する下面パネル８を設置用治具４の上にセットした状態でマンドレル５をセットするように位置決め治具１１が構成されている。

具体的には、位置決め治具１１は、板状のマンドレル５の端部を挟み込んで固定する固定部１１Ａと、位置決め治具１１を設置用治具４に固定するための設置部１１Ｂとを有している。更に、設置用治具４とマンドレル５との相対的な位置決めのみならず、マンドレル５間における相対的な位置決めを行うための治具を位置決め治具１１として用いることができる。図３、図４及び図５は、位置決めピン１１Ｃと、位置決めピン１１Ｃの外径に合わせた長孔を設けた位置決めプレート１１Ｄを、隣接するマンドレル５間における位置決め治具１１として用いた例を示す。

また、必要に応じて位置決め治具１１を設置用治具４又は下面パネル８に固定するために真空チャックを用いてもよい。そして、このような専用のロケータによってマンドレル５を正確に位置決めすることができる。更に、マンドレル５をセットする際におけるハンドリング性を向上させるために適宜タップ１２を設けることもできる。また、マンドレル５を設置用治具４又は下面パネル８に固定するためにも、必要に応じて真空チャックを用いることができる。

図３、図４及び図５に示す例では、断面がＩ型の板状の桁９が２つのマンドレル５によって挟み込まれる。桁９のように板厚が薄い部分を加熱硬化すると、スプリングインと呼ばれる成形後における変形が生じる場合がある。そこで、被成形品Ｗの成形後における変形による理想的な形状からの誤差を低減するための傾斜面をマンドレル５に設けることができる。

図６は、図１に示すマンドレル５に設けられる傾斜面を示す拡大図である。

図６に示すように、マンドレル５に傾斜面を設け、被成形品Ｗを成形後の理想的な形状に対して傾斜させることができる。すなわち、スプリングインが生じる方向と逆方向に被成形品Ｗが変形するようにマンドレル５の形状を定めることができる。これにより、被成形品Ｗにスプリングインが生じて変形したとしても、変形後の被成形品Ｗを成形後の理想的な形状に近づけることが可能となる。

試験の結果、Ｉ型の桁９の端部における理想的な面に対して0.1度から0.5度の角度αでマンドレル５に傾斜面を設けることが好適であることが確認された。図３、図４及び図５に示す例では、桁９の端部における内側の理想的な面は、水平方向となっている。従って、桁９の矩形状の部分に対応するマンドレル５のエッジ部分における好適な角度βは、90.1度から90.5度の範囲ということになる。

一方、第２の治具３としてのバギングフィルム６によってマンドレル５で支持された桁９を含む被成形品Ｗが保護される。すなわち、上面パネル７、下面パネル８、フェアリングバー１０及びマンドレル５の周囲が、バギングフィルム６によって覆われる。

上面パネル７、下面パネル８及びマンドレル５は、断面が矩形の筒状の閉曲面を形成する。従って、筒状の閉曲面を有するバギングフィルム６が上面パネル７、下面パネル８及びマンドレル５で囲まれた領域にセットされる。また、上面パネル７及びフェアリングバー１０の外側の表面がバギングフィルム６で覆われ、バギングフィルム６の端部がシーラント１２によって設置用治具４に接着される。

尚、第２の治具３として、閉曲面を有するバギングフィルム６の代わりにブラダーバッグを使用してもよい。閉曲面を有するバギングフィルム６を用いる場合には、バギングフィルム６の賦型としてマンドレル１４を使用することができる。図３、図４及び図５に示す例では、外表面が閉曲面となったマンドレル１４がバギングフィルム６の賦型用に用いられている。

そして、バギングフィルム６の内側が真空状態とされる領域となる。従って、バギングフィルム６の内側は、配管１５を通して真空ポンプ１６と接続される。バギングフィルム６の内側が真空状態になると大気圧によってバギングフィルム６から上面パネル７、下面パネル８、フェアリングバー１０及びマンドレル５に均等な圧力Ｐが負荷される。この結果、マンドレル５及びバギングフィルム６からの圧力Ｐによって被成形品Ｗが成形後の形状に保持される。

すなわち、図１に示すように、バギングフィルム６は、成形後における形状を有する上面パネル７、下面パネル８及びフェアリングバー１０等の被成形品Ｗ並びにマンドレル５にフィットする。従って、被成形品Ｗ及びマンドレル５の表面には、バギングフィルム６から垂直方向に圧力Ｐが負荷される。この結果、被成形品Ｗは、成形加工における目標となる成形後の形状に保持される。そして、バギングフィルム６及びマンドレル５によって所定の形状に保持された複合材の被成形品Ｗを加熱硬化させることができる。

但し、成形のための加熱によってバギングフィルム６がマンドレル５又は被成形品Ｗに溶着する恐れがある。そこで、マンドレル５及び被成形品Ｗの少なくとも一方とバギングフィルム６との間に、バギングフィルム６の溶着防止部材を設けることができる。これは、第２の治具３としてブラダーバッグを用いる場合も同様である。

図７は、図１に示す筒状のバギングフィルム６とマンドレル５との間に溶着防止用のシートを設けた例を示す図である。

図７に示すように、閉曲面を有する筒状のバギングフィルム６は、１枚のバギングフィルム６を筒状に折り曲げて端部をシーラント１７で接着することによって製作することができる。また、筒状のバギングフィルム６の賦型用のマンドレル５を筒状のバギングフィルム６の内側にセットすることができる。

一方、筒状のバギングフィルム６の外側、すなわちバギングフィルム６と桁９用のマンドレル５との間、バギングフィルム６と上面パネル７との間及びバギングフィルム６と下面パネル８との間には、シート状の溶着防止部材１８を設けることができる。バギングフィルム６は、筒状構造を有しているため、溶着防止部材１８も筒状のシートとすることが実用的である。

また、筒状のバギングフィルム６の外側と同様に、上面パネル７及びフェアリングバー１０を覆うバギングフィルム６の内側にも、溶着防止部材１８を設けることができる。すなわち、バギングフィルム６と上面パネル７との間及びバギングフィルム６とフェアリングバー１０との間に、それぞれ個別に、或いは共通の溶着防止部材１８を設けることができる。

溶着防止部材１８の材質は、少なくとも加熱硬化の際に溶融しない程度の耐熱性を有する材質とすることが必要である。加熱硬化の際には、被成形品Ｗを構成する複合材の温度が概ね180℃程度まで上昇する。このため、180℃の温度下において溶融しない材質で溶着防止部材１８を構成することが必要である。

そのような耐熱性を有する材料としては、FEP（テトラフルオロエチレン・ヘキサフルオロプロピレン共重合体）等のフッ素樹脂やブリーザーと呼ばれるフィルムが挙げられる。ブリーザーは、オートクレーブ内において使用できるように不織ポリエステル又はナイロン繊維によって構成されるシートである。

溶着防止部材１８として用いられるシートの厚さ、枚数及び材質は、加熱硬化の条件に応じて調整することができる。図７に示す例では、溶着防止部材１８として２枚の筒状のシートが設けられ、マンドレル５及び被成形品Ｗ側のシートにはFEPフィルム１８Ａが、バギングフィルム６側のシートにはブリーザー１８Ｂが、それぞれ用いられている。

上述のような溶着防止部材１８の他、マンドレル５及び被成形品Ｗの少なくとも一方とバギングフィルム６との間の任意の位置には、必要に応じて圧力Ｐをより均一に負荷するためのプレートを設けることができる。これは、第２の治具３としてブラダーバッグを用いる場合も同様である。

図８は、図１に示す上面パネル７とバギングフィルム６との間に剛体のプレートを設けた例を示す図である。

図８に示すように上面パネル７とバギングフィルム６との間にプレート１９を設けることによって、上面パネル７に均一に圧力を負荷することが可能となる。図８に示す例では、上面パネル７全体をカバーできるサイズのプレート１９が設置されている。このように、バギングフィルム６やブラダーバッグ等の非剛体の第２の治具３に加え、剛体の治具を用いて第１の治具２及び被成形品Ｗの少なくとも一方に圧力を負荷することができる。
尚、均一に圧力を負荷するためのプレート１９等の剛体の治具と溶着防止部材１８の双方を設ける場合には、剛体の治具と非剛体の第２の治具３との間に溶着防止部材１８を設ければよい。

上述のような構成要素の他、成形治具１には、ダミーブロック２０を設けることができる。ダミーブロック２０は、被成形品Ｗの形状に起因して生じる空間を埋めることによって被成形品Ｗを安定化させるための構成要素である。例えば、図２に示すように、桁９の長さが、上面パネル７及び下面パネル８の幅よりも短い場合には、桁９及びマンドレル５の両端において上面パネル７と下面パネル８との間に空隙が生じる。そこで、桁９及びマンドレル５の両端に矩形のダミーブロック２０を設けることによって被成形品Ｗを安定化させることができる。尚、図１では、ダミーブロック２０の図示が省略されている。

次に図１に示す成形治具１を用いた複合材の成形方法について説明する。

図９は、図１に示す複合材の成形治具１を用いた被成形品Ｗの成形手順を示す図である。

まず工程１において、設置用治具４上において複合材が積層され、下面パネル８がセットされる。

次に、工程２において、位置決め治具１１が設置用治具４上及び下面パネル８上の少なくとも一方に固定される。位置決め治具１１の固定方法としては、真空チャックやボルト等による締付具を用いる方法が挙げられる。

次に、工程３において、位置決め治具１１を用いて設置用治具４上及び下面パネル８上の少なくとも一方の所定の位置にマンドレル５がセットされる。具体的には、各桁９の両側となる位置にそれぞれ２つのマンドレル５が固定される。マンドレル５の固定方法としても、真空チャックやボルト等による締付具を用いる方法が挙げられる。

次に、工程４において、マンドレル５を用いて桁９用の複合材の積層が行われる。すなわち、２つのマンドレル５間に複合材が積層される。このように、複合材の加熱硬化用のマンドレル５を、複合材のレイアップ用の治具としても用いることができる。

次に、工程５において、フェアリングバー１０及び上面パネル７等の必要な部品がセットされる。この結果、設置用治具４及び下面パネル８上にマンドレル５、桁９及びフェアリングバー１０がセットされる。

尚、被成形品Ｗの構造に応じて被成形品Ｗを構成する部品及びマンドレル５をセットする順序を任意に決定することができる。すなわち、マンドレル５及び被成形品Ｗを任意の順序でセットすることができる。また、マンドレル５又は被成形品Ｗに均一に圧力を負荷するために、必要に応じて図８に例示されるようなプレート１９等の剛体の治具を、任意の位置にセットすることができる。

次に、工程６において、マンドレル５及び被成形品Ｗの表面がバギングフィルム６でカバーされる。すなわち、マンドレル５及び被成形品Ｗのバギングが行われる。尚、バギングフィルム６に代えて、或いはバギングフィルム６に加えてブラダーバッグをセットしてもよい。また、好適には、バギングフィルム６とマンドレル５及び被成形品Ｗとの間に、図７に示すような溶着防止部材１８が設けられる。バギングフィルム６の賦型としてマンドレル１４を使用することもできる。

次に、工程７において、真空ポンプ１６が動作し、マンドレル５及び被成形品Ｗとバギングフィルム６との間が真空にされる。この結果、バギングフィルム６及びマンドレル５から被成形品Ｗに均等に圧力Ｐが負荷される。そして、被成形品Ｗを構成する桁９の移動が抑止される。また、桁９には、バギングフィルム６やブラダーバッグではなく、剛体であるマンドレル５から圧力が負荷される。このため、桁９の変形を防止することができる。

次に、工程８において、マンドレル５及びバギングフィルム６をセットした状態で被成形品Ｗが加熱硬化される。すなわち、マンドレル５及びバギングフィルム６をセットした被成形品Ｗがオートクレーブ２１内に搬入され、被成形品Ｗのオートクレーブ成形が行われる。この結果、所望の形状を有する被成形品Ｗが製造される。特に、上面パネル７と下面パネル８とを複数の桁９で連結した構造のように、複雑な構造を有する被成形品Ｗであっても、単一の被成形品Ｗとして接着工程を経ることなく１回の加熱硬化で製造することができる。

つまり以上のような複合材の成形治具１は、成形型として機能するハードツールと形状に応じて柔軟に変形するソフトツールとを備えたものである。より具体的には、成形治具１は、マンドレル５及びバギングフィルム６又はブラダーバッグの双方を備えている。

このため、複合材の成形治具１によれば、複雑な構造を有する被成形品Ｗであっても簡易に成形することができる。例えば、２枚のパネルを桁で連結した複合材の航空機部品を単一の被成形品Ｗとして一体的に加熱硬化することができる。このため、従来は、パネル及び桁等の部品をそれぞれ加熱硬化した後に接着するという製造工程或いは部品同士を予備接合した後に加熱硬化するという製造工程が必要であったが、接着工程又は予備接合工程を省くことができる。そして、１回の加熱硬化によって所望の被成形品Ｗを製造することができる。

被成形品Ｗの構造が複雑である場合において、仮に、マンドレルのみを使用すると、マンドレルの構造が複雑になり、かつマンドレルの数が増加する。この結果、治具の重量が増加して段取り及び治具の取外しに多大な労力を要する。更に、治具の重量が大きくなると、重量が大きな治具を扱うことが可能なクレーンやオートクレーブ等の特別な設備が必要となる。

但し、マンドレルを使用すると、被成形品Ｗの位置決め精度が向上する。加えて、被成形品Ｗのうねり等の変形を防止し、平面度を向上させることができる。このため、良好な品質で被成形品Ｗを製造することが可能である。

一方、バギングフィルムやブラダーバッグ等の柔軟に変形するソフトツールを使用すれば、重量が軽く、クレーン等の大規模な設備が不要となる。また、ソフトツールの着脱作業が容易となる。このため、ソフトツールを使用すれば、低コスト化に繋がる。但し、ソフトツールのみを使用すると、位置決め精度の低下及び被成形品Ｗの変形といった品質上の問題がある。

これに対して、成形治具１は、位置決め精度が特に要求される部分には、ハードツールとしてのマンドレル５を使用する一方、変形の恐れが少ない箇所や品質への影響が少ない箇所にはソフトツールを使用する構成となっている。このため、両者の利点を活用することができる。すなわち、必要な品質で被成形品Ｗを製造する機能を維持しつつ、成形治具１全体の構造の簡易化、軽量化及び低コスト化を図ることができる。

以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。

１ 成形治具
２ 第１の治具
３ 第２の治具
４ 設置用治具
５ マンドレル
６ バギングフィルム
７ 上面パネル
８ 下面パネル
９ 桁
１０ フェアリングバー
１１ 位置決め治具
１１Ａ 固定部
１１Ｂ 設置部
１１Ｃ 位置決めピン
１１Ｄ 位置決めプレート
１２ タップ
１３ シーラント
１４ マンドレル
１５ 配管
１６ 真空ポンプ
１７ シーラント
１８ 溶着防止部材
１８Ａ FEPフィルム
１８Ｂ ブリーザー
１９ プレート
２０ ダミーブロック
２１ オートクレーブ
Ｗ 被成形品
Ｐ 圧力

Claims (8)

1. 複合材で構成される被成形品の成形後における形状に対応する形状を有する剛体の第１の治具と、
   前記第１の治具及び前記被成形品との間を真空にすることによって前記第１の治具及び前記被成形品に圧力を負荷するための非剛体の第２の治具と、
   を備え、
   前記第２の治具は、
   前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる治具と、
   前記第１の治具及び前記被成形品を覆う治具と、
   を有する複合材の成形治具。
2. 前記第１の治具及び前記被成形品の少なくとも一方と、前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる前記治具との間に、前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる前記治具の溶着防止部材を設けた請求項１記載の複合材の成形治具。
3. 前記第１の治具及び前記被成形品の少なくとも一方と、前記第１の治具及び前記被成形品を覆う前記治具との間に、均一に圧力を負荷するための剛体の治具を設けた請求項１又は２記載の複合材の成形治具。
4. 前記第１の治具に、前記被成形品の成形後における変形による理想的な形状からの誤差を低減するための、前記被成形品の成形後の前記理想的な形状に対して傾斜した傾斜面を設けた請求項１乃至３のいずれか１項に記載の複合材の成形治具。
5. 前記第１の治具は、複数のパネル間を複数の桁で連結した構造を有する被成形品の少なくとも一部を支持する構造を有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合材の成形治具。
6. 前記第１の治具の位置決めを行うための位置決め治具を更に備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合材の成形治具。
7. 複合材で構成される被成形品の成形後における形状に対応する形状を有する剛体の第１の治具並びに前記被成形品をセットするステップと、
   前記第１の治具及び前記被成形品に非剛体の第２の治具をセットするステップと、
   前記第１の治具及び前記被成形品と、前記第２の治具との間を真空にすることによって前記第１の治具及び前記被成形品に圧力を負荷するステップと、
   前記第１の治具及び前記第２の治具をセットした状態で前記被成形品を加熱硬化させるステップと、
   を有し、
   前記第２の治具は、
   前記第１の治具及び前記被成形品で囲まれた領域にセットされる治具と、
   前記第１の治具及び前記被成形品を覆う治具と、
   を有する複合材の成形方法。
8. 前記第１の治具を用いて前記複合材を積層する請求項７記載の複合材の成形方法。

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