JP2018111256A

JP2018111256A - フレーム及び真空引き方法

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Publication number: JP2018111256A
Application number: JP2017003117A
Authority: JP
Inventors: 良一浅野; Ryoichi Asano; 豊久内尾; Toyohisa Uchio
Original assignee: Japan Aircraft Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Japan Aircraft Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2017-01-12
Filing date: 2017-01-12
Publication date: 2018-07-19
Anticipated expiration: 2037-01-12
Also published as: JP6322732B1

Abstract

【課題】積層された繊維シートを真空引きする作業の作業性を改善できる技術を提供する。【解決手段】フレーム本体３１の下面には、フレーム本体３１に沿って弾性シール部３２が設けられている。弾性シール部３２は、第１弾性シール部３４と第２弾性シール部３５とが断面長手方向に並設されて形成されている。第２弾性シール部３５は、第１弾性シール部３４より低硬度（高弾性）である。第１弾性シール部の両側に、第２弾性シール部３５Ａ(内側)と第２弾性シール部３５Ｂ(外側)とが設けられている。すなわち、サンドウィッチ構造になっている。第２弾性シール部３５の高さは、第１弾性シール部３４の高さより高い。すなわち、第１弾性シール部３４の下方には微小空間が形成される。【選択図】図５

Description

本発明は、積層された繊維シートを真空引きする際に用いるフレームに関する。

近年、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)（Carbon Fiber Reinforced Plastics）などの繊維強化プラスチックが注目されている。軽量・高強度・高剛性という特徴を生かして、様々な産業分野に適用されている。なお、ガラス繊維やアラミド繊維を用いることもある。

CFRPの成形には、例えば、プリフォーム（特許文献１）やプリプレグ（特許文献２）がある。

プリフォーム成形では、繊維積層体を予め成形した後、この繊維積層体に樹脂を注入し、硬化する。その際、樹脂注入を促進する際に、真空引きすることもある。

プリプレグとは、炭素繊維にあらかじめ樹脂が含浸しているシート状の材料である。プリプレグを積層してシートで覆い、空気や揮発物を真空除去し、加熱・加圧して硬化させる。

特開2007-118598号公報特開2006-169541号公報

ところで、プリプレグ内または積層間に空隙があると、所定の強度が得られない。したがって、中間工程においても、積層毎に、真空引き（コンパクション/脱気）をおこない、空隙を除去する。

繊維シートを治具に載置し、樹脂製（例えばＰＶＣ）フィルムにより治具を覆い、バキュームシーラントを介して、密閉空間を形成する。更に、治具に備えられている真空装置により、真空引きをおこなう。

品質担保のため、１度の積層において、数回真空引きすることが求められている。さらに、複数、積層をするため、フィルム設置により密閉空間を形成する作業が多数回になる。（たとえば、積層２０層に付き１６回実施）。

その結果、作業時間が長くなる傾向にあり、作業性改善が求められていた。フィルムも一回の真空引き作業ごとに廃棄しており、無駄が多かった。

本発明は上記課題を解決するものであり、積層された繊維シートを真空引きする作業の作業性を改善できるフレームを提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明は、積層された繊維シートを真空引きする際に用いるフレームであって、治具形状に対応した形状を有するフレーム本体と、前記フレーム本体下面にフレーム本体に沿って設けられる弾性シール部とを備える。

弾性シール部が治具表面に接することにより密閉空間が形成される。各層ごとに、フレームを設置して取り外すだけであるので、作業性が大幅に改善される。

好ましくは、前記弾性シール部は、第１弾性シール部と、前記第１弾性シール部より低硬度な第２弾性シール部と、が並設されて形成される。

これにより、作業初期段階において、第２弾性シール部は治具表面に密着し、完全な密閉空間が形成され、真空引き継続により、第１弾性シール部が治具表面に密着し、密閉空間が安定して維持される。

更に、好ましくは、前記第２弾性シール部は、前記第１弾性シール部の両側に設けられる。

これにより、少なくとも何れかの第２弾性シール部が治具表面に接し、作業初期段階において、完全な密閉空間が形成される。

更に、好ましくは、前記第２弾性シール部の高さは、前記第１弾性シール部の高さより高い。

これにより、第１弾性シール部の下方には微小空間が形成される。作業初期段階において、第２弾性シール部が動作し、真空引き継続により、第１弾性シール部が動作する。

好ましくは、前記フレーム本体は、中空断面構造を有する。

好ましくは、前記フレーム本体内には、軽量部材が挿入されている。

これにより、フレームの軽量性を高め、かつ、フレームの剛性を高めることができる。

上記課題を解決する本発明は、積層された繊維シートを治具上に載置し、前記治具形状に対応した形状を有するフレーム本体と、前記フレーム本体下面にフレーム本体に沿って設けられる弾性シール部と、を備え、前記弾性シール部は、第１弾性シール部と、前記第１弾性シール部より低硬度な第２弾性シール部とが並設されて形成される、フレーム、および、前記積層された繊維シートに対応してフレームに設けられる密閉フィルムを、前記治具上に設置して、密閉空間を形成し、真空引きを開始することにより、第２弾性シール部を変形させて前記治具に密着させ、さらに、真空引きを継続することにより、第１弾性シール部を変形させて前記治具に密着させ、真空引き終了後、前記フレームおよび密閉フィルムを取り外す真空引き方法である。

本発明にかかるフレームを用いれば、積層された繊維シートを真空引きする作業の作業性を改善できる。

真空引き作業に係る概念図（斜視図）真空引き作業に係る概念図（断面図）本実施形態にかかるフレーム（上面斜視図）本実施形態にかかるフレーム（下面斜視図）本実施形態にかかるフレームの詳細図第２弾性シール部の一例である独立発泡体の詳細図本実施形態に係る動作説明図弾性シール部変形例弾性シール部参考例

〜概略〜
図１および図２は、真空引き作業に係る概念図である。図１は斜視図であり、図２は断面図である。本実施形態のフレーム３は真空引き作業の際に用いる。

本実施形態では、中間工程のおける真空引き作業を例に説明する。

治具１は、成形される積層体２に対応した形状を有する。飛行機や自動車で用いられる部品は、複雑な曲面形状（たとえば捻じれ曲面）を有していることもあり、その場合は、治具１も対応する曲面形状を有する。

予め樹脂が含浸されている炭素繊維シートを治具１上に載置する。更に、炭素繊維シートを積層する。

フレーム３は額縁のように口字状を有する。フレーム３上面にはフレーム３に沿ってバキュームシーラント３９が設けられている(図５参照)。フレーム３の口字状内にはバキュームシーラント３９を介して密閉フィルム４が設けられている。

フレーム３および密閉フィルム４を積層体２に対応するように治具１上に設置する。なお、フレーム３が四角形の場合、治具１に２カ所以上、フレーム隅を当てる手段を設けると、更に設置が容易になる。

図３および図４は、フレーム３の斜視図である。図３は上方からの斜視図であり、図４は下方からの斜視図である。一部を断面表示するため、半体のみ図示し、残り半体は点線表示している。

フレーム３（フレーム本体３１）は、治具１に対応した形状を有する。治具１が曲面形状を有する場合は、フレーム３も対応する曲面形状を有する。

フレーム本体３１の下面には、フレーム本体３１に沿って弾性シール部３２が設けられている。

弾性シール部３２が治具１表面に接することにより密閉空間が形成される。この状態で、治具１に備えられている真空装置により、真空引きを所定回（例えば１６回）おこなう。その際、フレーム３は治具１上に設置された状態を維持する。

所定回の真空引きが完了すると、フレーム３および密閉フィルム４を治具１から取り外す。次の炭素繊維シートを積層体２に積層する。

フレーム３および密閉フィルム４を治具１上に設置し、真空引きをおこなう。この作業を積層数（例えば２０層）繰り返すことにより、積層体２が形成される。

従来の各真空引き毎に密閉フィルム４を張る作業に比べて、本実施形態では各層ごとに、フレーム３を設置して取り外すだけであるので、作業性が大幅に改善される。また、密閉フィルム４は不具合が発生するまで張り替える必要はなく、密閉フィルム４の廃棄量を大幅に削減できる。

〜剛性フレーム〜
図５は、フレーム３の詳細図を示す部分断面斜視図である。フレーム３は、フレーム本体（剛性フレーム）３１と、弾性シール部３２とを備える。

フレーム本体（剛性フレーム）３１は平板状であり、平板は中空断面構造を有する。材質はたとえば繊維強化プラスチックである。

中空部には軽量部材３３が挿入されている。軽量部材３３は例えば、バルサ材である。バルサ材は、軽量であり、比較的強度もあり、安価に入手できる。

台形形状の軽量部材３３の上下に繊維シートを積層させて、積層体３１を形成する。

これにより、フレーム３の軽量性を高め、かつ、フレーム３の剛性を高めることができる。たとえば、試作モデルと全てCFRP製の比較モデルとを比べると、同程度の剛性で、かつ、半分の重量となった。製作コストも大幅に削減できた。

なお、上記作業性を発揮するためには、フレーム３の軽量性が重要である。一方、上記密閉性を発揮するためには、フレーム３の高剛性が重要である。

〜弾性シール〜
フレーム本体３１の下面には、フレーム本体３１に沿って弾性シール部３２が設けられている。

弾性シール部３２は、第１弾性シール部３４と第２弾性シール部３５とが断面長手方向に並設されて形成されている。第２弾性シール部３５は、第１弾性シール部３４より低硬度（高弾性）である。第１弾性シール部３４の両側に、第２弾性シール部３５Ａ(内側)と第２弾性シール部３５Ｂ(外側)とが設けられている。すなわち、サンドウィッチ構造になっている。

第２弾性シール部３５の高さは、第１弾性シール部３４の高さより高い。すなわち、第１弾性シール部３４の下方には微小空間が形成される。

第１弾性シール部３４は例えば、独立発泡型スポンジゴムである。試作モデルでは、クロロプレンゴムスポンジを用いた。以下、物性値を示す。
Asker-C 基準
スポンジ硬度：20〜30
JIS K 6767 基準
引張強度(Mpa):0.49以上
伸び(%):150以上
見掛け密度(g/cm³):0.19±0.03
ASTM D 1056基準
圧縮荷重(kPa)：61.9〜93.2

第２弾性シール部３５は例えば、独立発泡型スポンジゴムである。試作モデルでは、エチレンプロピレンジエンゴム（ＥＰＤＭ）スポンジを用いた。以下、物性値を示す。
JIS K 6767基準
圧縮硬さ(N/cm²)：2.5〜8.0
見掛け密度(g/cm³)：0.11
引張強さ(N/cm²) ：35
伸び率(%) :240

図６は、第２弾性シール部３５の一例である独立発泡型スポンジゴムの詳細図である。ゴム内で気泡が独立している。すなわち、気泡同士が連続していない。このため、気密性に優れている。圧縮力が作用すると、気泡形状が変形することにより、全体が変形(圧縮)する。なお、半独立半連続発泡型スポンジゴムを用いてもこれに準ずる効果が期待できる。

なお、上記実施形態において、第１弾性シール部３４および第２弾性シール部３５の具体例を示したが、上記のような硬度差があれば他の材質でもよい。

〜動作〜
図７は、フレーム３の動作説明図である。真空引き作業に伴うフレーム３の動作の説明を説明する。

（Ａ）フレーム３を治具１上に設置する。このとき、フレーム本体３１は、治具１に対応した形状を有しており、弾性シール部３２が治具１表面に接することが原則である。たとえば、治具１およびフレーム３が平面形状であれば、隙間が発生することも少なく、弾性シール部３２が治具１表面に接する。

一方、たとえば、治具１およびフレーム３が複雑な曲面形状を有する場合、一部において、隙間が発生する可能性もある。図は動作説明を理解し易くするため、強調して例示している。

なお、ほとんどの弾性シール部３２（第２弾性シール部３５）が治具１表面に接している。さらに、実際には、内外の第２弾性シール部３５Ａ，３５Ｂの何れかが治具１表面に接する可能性は高い。

このように、一部隙間が発生する可能性は残るものの、密閉空間が仮形成される。

（Ｂ）真空引きを開始すると、第２弾性シール部３５が圧縮される。第２弾性シール部３５は低硬度（高弾性）であり、作業初期段階において、大きく変形する。その結果、一部において隙間が発生していても、ただちに第２弾性シール部３５は治具１表面に密着し、完全な密閉空間が形成される。

（Ｃ）さらに真空引きを継続し、第２弾性シール部３５がさらに圧縮されると、第１弾性シール部３４が治具１表面に接する。第１弾性シール部３４は高硬度（低弾性）であり、変形が少ない。これにより、密閉空間が安定して維持される。

（Ｄ）真空引き終了すると、圧縮力が開放され、第１弾性シール部３４および第２弾性シール部３５は圧縮状態から回復する。第１弾性シール部３４は、高硬度（低弾性）であり、回復が早い。第２弾性シール部３５は、初期段階のみ大きく変形しているが、作業後半の変形はほぼないため、回復が早い。

したがって、フレーム３および密閉フィルム４を取り外し、次の作業をすぐに開始できる。言い換えると、弾性シール部３２の回復を待つ必要がない。

〜効果〜
本実施形態の主な効果についてまとめる。

本実施形態では、作業初期段階において、第２弾性シール部３５は治具１表面に密着し、完全な密閉空間が形成され、真空引き継続により、第１弾性シール部３４が治具１表面に密着し、密閉空間が安定して維持される。また、回復も早い。これにより、１回の真空引き作業の時間を大幅に短縮できる。

さらに、本実施形態では各積層毎に、フレーム３を設置して取り外すだけであるので、作業性が大幅に改善される。

すなわち、１回の真空引き作業の時間が短く、かつ、各積層工程においてフレーム３設置を維持できるため、相乗効果により、作業性が大幅に改善される。

〜変形例〜
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その技術思想の範囲内で種々の変形が可能である。

図８は、弾性シール部３２の変形例１〜３である。

本実施形態は、第２弾性シール部３５Ａ(内側)−第１弾性シール部３４−第２弾性シール部３５Ｂ(外側)のサンドウィッチ構造になっているのに対し、変形例１は、第１弾性シール部３４Ａ(内側)−第２弾性シール部３５−第１弾性シール部３４Ｂ(外側)のサンドウィッチ構造となっている。

さらに、本実施形態や変形例１はサンドウィッチ構造となっているのに対し、変形例２，３は第１弾性シール部３４と第２弾性シール部３５の並設構造となっている。変形例２では、第１弾性シール部３４（内側）と第２弾性シール部３５（外側）が配設され、変形例３では、第２弾性シール部３５（内側）と第１弾性シール部３４（外側）が配設される。

変形例１〜３においても、作業初期段階において、第２弾性シール部３５は治具１表面に密着し、完全な密閉空間が形成され、真空引き継続により、第１弾性シール部３４が治具１表面に密着し、密閉空間が安定して維持される。また、回復も早い。すなわち、本実施形態に準ずる動作が得られる。

〜参考例〜
図９は、弾性シール部３２の参考例１〜２である。

参考例１の弾性シール部３２は、高硬度（低弾性）の第１弾性シール部３４である。これにより、密閉空間の安定した維持が期待できる。

一方、治具１およびフレーム３が複雑な曲面形状を有する場合、一部において、隙間が発生する可能性もある。第１弾性シール部３４は変形が小さいため、完全な密閉空間が形成されるまで時間を要する可能性がある。隙間の影響が無視できない場合、真空引きに要する時間が長くなる。

参考例２の弾性シール部３２は、低硬度（高弾性）の第２弾性シール部３５である。これにより、一部において隙間が発生していても、第２弾性シール部３５は治具１表面に密着し、完全な密閉空間が形成される。

しかしながら、第２弾性シール部３５は変形が大きく、特に、外側に比べ内側の変形が大きい。真空引き継続により、大きな圧縮力が作用すると、変形の内外差に起因して、安定した密着が失われ、隙間が発生する可能性もある。

なお、上記実施形態では、第１弾性シール部３４および第２弾性シール部３５Ａ，３５Ｂが共働して動作するため、上記不具合は発生しない。

１治具
２積層体
３フレーム
４密閉フィルム
３１フレーム本体
３２弾性シール部
３３軽量部材
３４第１弾性シール部
３５第２弾性シール部
３９バキュームシーラント

Claims

積層された繊維シートを真空引きする際に用いるフレームであって、
治具形状に対応した形状を有するフレーム本体と、
前記フレーム本体下面にフレーム本体に沿って設けられる弾性シール部と
を備えるフレーム。
前記弾性シール部は、
第１弾性シール部と、
前記第１弾性シール部より低硬度な第２弾性シール部と、
が並設されて形成される
請求項１記載のフレーム。
前記第２弾性シール部は、前記第１弾性シール部の両側に設けられる
請求項２記載のフレーム。
前記第２弾性シール部の高さは、前記第１弾性シール部の高さより高い
請求項２または３記載のフレーム。
前記フレーム本体は、中空断面構造を有する
請求項１〜４いずれか記載のフレーム。
前記フレーム本体内には、軽量部材が挿入されている
請求項１〜４いずれか記載のフレーム。
前記フレーム本体は、曲面形状を有する
請求項１〜６いずれか記載のフレーム。
積層された繊維シートを治具上に載置し、
前記治具形状に対応した形状を有するフレーム本体と、前記フレーム本体下面にフレーム本体に沿って設けられる弾性シール部と、を備え、前記弾性シール部は、第１弾性シール部と、前記第１弾性シール部より低硬度な第２弾性シール部とが並設されて形成される、フレーム、および、前記積層された繊維シートに対応してフレームに設けられる密閉フィルムを、前記治具上に設置して、密閉空間を形成し、
真空引きを開始することにより、第２弾性シール部を変形させて前記治具に密着させ、
さらに、真空引きを継続することにより、第１弾性シール部を変形させて前記治具に密着させ、
真空引き終了後、前記フレームおよび密閉フィルムを取り外す
真空引き方法。