JP2019005966A - 複合材構造物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】成形体の表面における塗料の密着性を向上させる。【解決手段】複合材構造物の製造方法は、成形用部材に保護フィルムを取り付けるフィルム取付工程Ｓ２と、加熱対象となる複合材を前記保護フィルムの上から前記成形用部材に取り付け、圧力容器に収容して成形体を成形する成形工程Ｓ３と、前記保護フィルムが取り付けられた前記成形用部材から前記成形体を取り外す成形体取り外し工程Ｓ４と、を含む。前記保護フィルムは、フッ素成分の含有量が０．１％未満の耐熱離型フィルムである。【選択図】図２
Description
本発明は、複合材構造物の製造方法に関する。
従来、航空機、産業機器等の構成部品を製造する際に、樹脂を含む複合材料を高圧下で加熱するオートクレーブ成形が知られている。このオートクレーブ成形は、高圧の高温ガスが内部を循環するオートクレーブによって行われる。圧力容器であるオートクレーブ内に型や治具とともに複合材を配置して成形体を形成している。
オートクレーブ成形時には、型や治具から成形後の成形体を取り外す際の離型性を改善させるために離型フィルムが用いられている。例えば、特許文献１には、オルガノシランであるアルキルシランの中でも揮発性が非常に小さいポリアルコキシシロキサンを加水分解して縮合反応することにより得られるシリカを主成分とする離型層を有する離型フィルムが記載されている。特許文献１の離型フィルムでは、離型層を形成する低分子量のアルキルシランや低分子量の環状シロキサンが成形体の被離型面に転写してしまうことを防いでいる。
ところで、成形後の成形体に対して塗装する際には、塗料の密着性を向上させるために、塗装前の成形体の表面に対して作業者によってサンディングが施される。しかしながら、成形体の形状によってはサンドペーパー等を表面に当て難い場合があり、サンディング時の作業性が悪くなる可能性がある。また、作業者の熟練度によって製品ごとに品質にばらつきが生じる可能性がある。そのため、サンディング等の後処理を行わずに、成形体の表面における塗料の密着性を向上させることが望まれている。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、成形体の表面における塗料の密着性を向上させることが可能な複合材構造物の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第一態様に係る複合材構造物の製造方法は、成形用部材に保護フィルムを取り付けるフィルム取付工程と、加熱対象となる複合材を前記保護フィルムの上から前記成形用部材に取り付け、圧力容器に収容して成形体を成形する成形工程と、前記保護フィルムが取り付けられた前記成形用部材から前記成形体を取り外す成形体取り外し工程と、を含み、前記保護フィルムは、フッ素成分の含有量が０．１％未満の耐熱離型フィルムである。
前述の課題を解決するべく、本発明者等が種々実験、検討を重ねた結果、フッ素成分が成形体の被離型面に転写されて残留することによって、塗料の密着性が低下することを見出した。これに対して、当該製造方法によれば、保護フィルムのフッ素成分の含有量が０．１％以下である。そのため、成形体の被離型面にフッ素成分が転写してしまうことを抑制することができる。フッ素成分の転写が抑えられることで、成形体の表面における塗料の密着性を向上させることができる。
また、本発明の第二態様に係る複合材構造物の製造方法では、第一態様において、前記保護フィルムは、４−メチル−１−ペンテン・α−オレフィン共重合体を９５％以上含有する耐熱離型フィルムであってもよい。
また、本発明の第三態様に係る複合材構造物の製造方法では、第一態様において、前記保護フィルムは、プラズマ処理により離型層が構築された熱可塑性エラストマを含有する耐熱離型フィルムであってもよい。
また、本発明の第四態様に係る複合材構造物の製造方法では、第一態様から第三態様のいずれか一つにおいて、前記成形用部材は、前記成形体の内部に中空部を形成する型治具であり、前記成形工程は、前記成形用部材を囲むように前記複合材を配置して成形してもよい。
このような構成とすることで、中空部のように後処理で表面を加工することが難しい部位であっても、塗料の密着性を向上させることができる。
本発明によれば、成形体の表面における塗料の密着性を向上させることができる。
以下、本発明の実施形態について図１及び図２を参照して説明する。
複合材構造物の製造方法Ｓ１は、複合材を用いて製品として使用可能な複合材構造物１を製造する。複合材構造物１は、例えば、航空機の機体を構成する構造体となっており、主翼、尾翼または胴体等に適用される。本実施形態で製造される複合材構造物１は、図１に示すように、内部に中空部３を有する長尺部品である。複合材構造物１では、一辺に開口部４が形成されている。本実施形態の複合材構造物１は、成形体２の表面に塗装が施された部品である。
複合材構造物の製造方法Ｓ１は、複合材を用いて製品として使用可能な複合材構造物１を製造する。複合材構造物１は、例えば、航空機の機体を構成する構造体となっており、主翼、尾翼または胴体等に適用される。本実施形態で製造される複合材構造物１は、図１に示すように、内部に中空部３を有する長尺部品である。複合材構造物１では、一辺に開口部４が形成されている。本実施形態の複合材構造物１は、成形体２の表面に塗装が施された部品である。
本実施形態の複合材は、例えば、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ）を有する積層材である。なお、複合材は、本実施形態のようにＣＦＲＰを有する構造に限定されるものではなく、金属材料や樹脂材料が積層された構造であってもよい。
本実施形態の複合材構造物の製造方法Ｓ１は、図２に示すように、フィルム取付工程Ｓ２と、成形工程Ｓ３と、成形体取り外し工程Ｓ４と、塗装工程Ｓ５とを含む。
フィルム取付工程Ｓ２は、成形用部材に保護フィルムを取り付ける。フィルム取付工程Ｓ２は、成形用部材を完全に覆うように保護フィルムを巻き付ける。具体的には、後述する成形工程Ｓ３において、成形用部材と複合材とが直接接触しないように、保護フィルムは成形用部材に取り付けられている。
成形用部材は、成形時に所望の形状に成形体２を形成するためのオートクレーブ成形用の部品である。本実施形態の成形用部材は、成形体２の内部に中空部３を形成するためのブラダー（型治具）である。ブラダーは、成形時に中空部３が所望の形状となるように成形体２の内面を支持可能とされている。
保護フィルムは、フッ素成分Ｆの含有量が０．１％未満の耐熱離型フィルムである。フッ素成分Ｆの含有量は、０．０５％未満であることが好ましく、０．０１％未満であることがより好ましい。したがって、保護フィルムは、フッ素成分Ｆを含有していないことが最も好ましい。ここで、フッ素成分Ｆを含有していないとは、保護フィルムを使用して成形された成形体２の表面をＸＰＳで表面分析した場合に、フッ素成分Ｆが検出不能な含有量であることを便宜的に称している。また、含有量とは、単位量当たりに含まれている成分の量であり、例えば、元素比率で表示される。フッ素成分Ｆとは、フィルム中に含まれるフッ素樹脂である。
本実施形態で使用される保護フィルムは、４−メチル−１−ペンテン・α−オレフィン共重合体を９５％以上含有する耐熱離型フィルムである。なお、保護フィルムは、４−メチル−１−ペンテン・α−オレフィン共重合体を９９％以上含有する耐熱離型フィルムであることがより好ましい。また、保護フィルムは、プラズマ処理により離型層が構築された熱可塑性エラストマを含有する耐熱離型フィルムであってもよい。
成形工程Ｓ３は、加熱対象となる複合材を保護フィルムの上から成形用部材に取り付ける。成形工程Ｓ３は、成形用部材とともに複合材を圧力容器に収容して成形体２を成形する。成形工程Ｓ３は、成形用部材を囲むように複合材を配置して成形体２の内部に中空部３を形成する。本実施形態では、圧力容器としてオートクレーブを用いる。したがって、本実施形態の成形工程Ｓ３では、オートクレーブ内にて成形材に対してオートクレーブ成形、即ち、加圧加熱処理が施される。オートクレーブ成形を施す際には、圧力容器内にガスを供給し、圧力容器内を高圧状態とする。そして、圧力容器内に加熱された高圧のガスが送り込まれることで、複合材が加熱される。複合材に対して絶え間なく高温ガスが供給され、該複合材の高圧加熱処理が進行していく。この際、多数積層された複合材が変形及び硬化することで、これら複合材が成形体２へと変性していく。この際、本実施形態では、成形用部材によって所望の形状の中空部３が成形体２の内部に形成される。そのため、成形工程Ｓ３では、中空部３を形成する内面が保護フィルムに接触したまま、高圧加熱処理が実施される。
成形体取り外し工程Ｓ４は、保護フィルムが取り付けられた成形用部材から成形体２を取り外す。本実施形態の成形体取り外し工程Ｓ４は、成形工程Ｓ３が終了した後、オートクレーブ内から成形体２を成形用部材とともに搬出する。その後、成形用部材から成形体２を取り外すことにより、保護フィルムから離型された成形体２が得られる。
塗装工程Ｓ５は、成形体２の表面に塗装を施す。塗装工程Ｓ５では、成形体２の表面として中空部３を形成する成形体２の内面に塗装を施す。この際、本実施形態の塗装工程Ｓ５では、成形体２の内面にサンディング等の後処理を施すことなく、直接塗装する。これにより、複合材構造物１が得られる。
上記のような複合材構造物の製造方法Ｓ１によれば、保護フィルムのフッ素成分Ｆの含有量が０．１％以下である。そのため、成形時に離型フィルムと接触していた成形体２の被離型面にフッ素成分Ｆが転写してしまうことを抑制することができる。ここで、本発明者等が種々実験、検討を重ねた結果、フッ素成分Ｆが被離型面に転写されて残留することによって、塗料の密着性が低下することを見出した。そのため、フッ素成分Ｆの含有量が０．１％以下である保護フィルムを用いることで、成形時に離型フィルムと接触していた成形体２の被離型面へのフッ素成分Ｆの転写が抑えられ、塗料の密着性を向上させることができる。そのため、成形体２の表面にサンディング等の後処理を行うことなく、塗料の密着性を向上させることができる。
また、保護フィルムとして、４−メチル−１−ペンテン・α−オレフィン共重合体を９５％以上含有する耐熱離型フィルムやプラズマ処理により離型層が構築された熱可塑性エラストマを含有する耐熱離型フィルムを用いている。これにより、成形体２の表面にサンディングを行うことなく、塗料の密着性をより確実に向上させることができる。
本実施形態の保護フィルムを用いることで塗料の密着性が向上する点について、本発明の有効性を確認するために行った確認試験を参照して説明する。
確認試験で使用した保護フィルムとしては、第一フィルムと、第二フィルムと、比較フィルムとを用いた。ここで、本実施形態の４−メチル−１−ペンテン・α−オレフィン共重合体を９５％以上含有する耐熱離型フィルムを第一フィルムと称する。また、本実施形態のプラズマ処理により離型層が構築された熱可塑性エラストマを含有する耐熱離型フィルムを第二フィルムと称する。また、比較対象として、フッ素成分Ｆを０．１％以上含有する耐熱離形フィルムを比較フィルムと称する。
各フィルムを用いて成形された成形体２を模擬するために、各フィルムが貼り付けられた試験片を高圧加熱処理して硬化させた。具体的には、試験片は、平板状をなすＣＦＲＰで形成した。試験片は、例えば、３０５ｍｍ×３０５ｍｍ×１．５ｍｍの大きさで形成した。試験片は、積層構成が［０／９０／９０／０］のＣＦＲＰを二枚重ねることで八層にわたって積層された構造を有している。また、硬化条件は、１８５℃、０．５８ＭＰａ〜０．６９ＭＰａ、昇温速度０．５℃／分、４〜４．５時間保持とした。このような条件で硬化された試験片に対して、確認試験として、表面分析及びテープテストを実施した。
先ず、表面分析としてＸ線光電分光法（ＸＰＳ：Ｘ−ｒａｙ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐ）を実施した。ＸＰＳによる試験片の表面元素分析結果を図３に示す。図３に示すように、第一フィルム及び第二フィルムを用いた試験片では、表面からフッ素成分Ｆが検出されなかった。一方、比較フィルムを用いた試験片では、表面からフッ素成分Ｆが検出された。これにより、第一フィルム及び第二フィルムを用いた試験片の表面には、フッ素成分Ｆが転写していないことが確認できた。
また、ＸＰＳによる表面元素分析結果からは、各フィルムにおける離型性分である炭化水素成分ＣＨやシリコン成分Ｓｉの転写量が、比較フィルムと比べて大きな差が見られないことが確認できた。なお、表面分析として飛行時間型二次イオン質量分析法（ＴＯＦ−ＳＩＭＳ：Ｔｉｍｅ−ＯＦ−Ｆｌｉｇｈｔ Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ Ｉｏｎ Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ)を実施しても、各フィルムにおける離型性分である炭化水素成分ＣＨやシリコン成分Ｓｉの転写量は比較フィルムと比べて大きな差が見られなかった。これらにより、炭化水素成分ＣＨやシリコン成分Ｓｉ等の離型性分も、第一フィルムや第二フィルムを用いた場合に、比較フィルムを用いた場合に比べて試験片の表面に大きく転写しないことが確認できた。
また、テープテストは、例えば、クロスカット法に基づいて、プライマー（塗料）を塗布された硬化後の試験片の表面に格子状のスクラッチを設けて実施する。テープテストを実施した結果を図４及び図５に示す。図４は、第一フィルムを使用した場合のテープテストの結果である。図５は、第二フィルムを使用した場合のテープテストの結果である。これらの結果から、第一フィルムや第二フィルムを用いた場合に、試験片の表面からのプライマーの剥離が生じないことが確認できた。
したがって、これらの確認試験の結果から、成形体２の表面にフッ素成分Ｆの転写の生じない第一フィルムや第二フィルムを用いた場合に、成形体２の表面における塗料の密着性を向上していることがわかる。
また、保護フィルムが巻かれたブラダーを用いて中空部３が形成されている。これにより、中空部３の内面のように、サンディング等の後処理が難しい部位に対して、塗料の密着性を向上させることができる。
（実施形態の他の変形例）
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。
なお、成形用部材は、本実施形態のブラダーのように成形時に使用される治具であることに限定されるものではなく、圧力容器内に収容されて成形体２の外径を形成する金型自体であってもよい。
Ｓ１…複合材構造物の製造方法 １…複合材構造物 ２…成形体 ３…中空部 ４…開口部 Ｓ２…フィルム取付工程 Ｓ３…成形工程 Ｓ４…成形体取り外し工程 Ｓ５…塗装工程 Ｆ…フッ素成分 ＣＨ…炭化水素成分 Ｓｉ…シリコン成分
Claims (4)
- 成形用部材に保護フィルムを取り付けるフィルム取付工程と、
加熱対象となる複合材を前記保護フィルムの上から前記成形用部材に取り付け、圧力容器に収容して成形体を成形する成形工程と、
前記保護フィルムが取り付けられた前記成形用部材から前記成形体を取り外す成形体取り外し工程と、を含み、
前記保護フィルムは、フッ素成分の含有量が０．１％未満の耐熱離型フィルムである複合材構造物の製造方法。 - 前記保護フィルムは、４−メチル−１−ペンテン・α−オレフィン共重合体を９５％以上含有する耐熱離型フィルムである請求項１に記載の複合材構造物の製造方法。
- 前記保護フィルムは、プラズマ処理により離型層が構築された熱可塑性エラストマを含有する耐熱離型フィルムである請求項１に記載の複合材構造物の製造方法。
- 前記成形用部材は、前記成形体の内部に中空部を形成する型治具であり、
前記成形工程は、前記成形用部材を囲むように前記複合材を配置して成形する請求項１から請求項３の何れか一項に記載の複合材構造物の製造方法。
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