JP2021037653A - プリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】ＲＴＭ法で複合材を成形する場合において、繊維の位置ずれを低減することである。【解決手段】実施形態に係るプリフォーム賦形装置は、繊維強化プラスチックの素材となるシート状の繊維の積層体を載置して賦形するための少なくとも１つの型と、前記繊維の積層体に突き刺すことによって前記繊維のずれを防止するピンとを有するものである。また、実施形態に係るプリフォーム賦形方法は、繊維強化プラスチックの素材となるシート状の繊維の積層体を少なくとも１つの型に載置して賦形することによってプリフォームを製作するプリフォーム賦形方法において、ピンを前記繊維の積層体に突き刺すことによって前記繊維のずれを防止するものである。【選択図】 図１
Description
本発明の実施形態は、プリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法に関する。
従来、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の樹脂を繊維で強化した複合材と呼ばれる繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）の成形方法の１つとしてＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法が知られている。
ＲＴＭ法は、シート状の繊維を積層した後に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化する複合材の成形方法である。ＲＴＭ法のうち、真空引きを行って繊維に樹脂を含浸させる方法は、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれ、金型を利用して樹脂を含浸させる方法は、マッチドダイ（Ｍａｔｃｈｅｄ−ｄｉｅ）ＲＴＭ法と呼ばれる。
ＲＴＭ法で複合材を成形する場合には、樹脂の含浸に先立ってドライプリフォームが製作される。ドライプリフォームはシート状の繊維の積層体を、成形後における複合材の形状に合わせて賦形したものである。ドライプリフォームは、シート状の繊維を積層して製作されるが、熱可塑性のバインダを介在させて繊維がほぐれないように仮留めする場合が多い。
テープ状の繊維基材はドライテープ材と呼ばれる。また、熱可塑性の不織布を重ねたドライテープ材や熱可塑性の微粒子を付着させたドライテープ材が市販されている。そして、熱可塑性のバインダを含むドライテープ材を積層する際、専用の加熱装置を用いて一定間隔でスポット状にバインダを熱融着することによって、ドライテープ材を隣接するドライテープ材に仮留めすることができる。これにより、積層したドライテープ材がずれたり、剥がれ落ちたりすることを防ぐことができる。
このように複合材を成形する際には、積層対象となる繊維やプリプレグのずれを防止することが重要である。このため、繊維やプリプレグの余肉をピンで留める手法も知られている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。
マッチドダイＲＴＭ法で複合材を成形する場合において、ドライテープ材の積層体を金型上に載置すると、ドライテープ材の積層体を金型上に載置してからプレスするまでの間にドライテープ材の位置ずれが生じることがある。ドライテープ材に位置ずれが生じると、ドライプリフォーム及びその成形品の品質の低下に繋がる。
そこで、本発明は、ＲＴＭ法で複合材を成形する場合において、繊維の位置ずれを低減することを目的とする。
本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形装置は、繊維強化プラスチックの素材となるシート状の繊維の積層体を載置して賦形するための少なくとも１つの型と、前記繊維の積層体に突き刺すことによって前記繊維のずれを防止するピンとを有するものである。
また、本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法は、上述したプリフォーム賦形装置で前記プリフォームを製作するものである。
また、本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法は、繊維強化プラスチックの素材となるシート状の繊維の積層体を少なくとも１つの型に載置して賦形することによってプリフォームを製作するプリフォーム賦形方法において、ピンを前記繊維の積層体に突き刺すことによって前記繊維のずれを防止するものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述したプリフォーム賦形方法で製作された前記プリフォームに樹脂を含浸させて硬化することによって前記繊維強化プラスチックを製作するものである。
本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形装置、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
（プリフォーム賦形装置の構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の正面図、図２は図１に示すプリフォーム賦形装置に備えられる型の上面図、図３は図１に示すプリフォーム賦形装置に備えられる型の右側面図、図４は図１に示すプリフォーム賦形装置に備えられる下型の上面図、図５は図１に示すプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの斜視図である。尚、各図においてＲ面取りやＣ面取り等の面取りは省略されている。
（プリフォーム賦形装置の構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係るプリフォーム賦形装置の正面図、図２は図１に示すプリフォーム賦形装置に備えられる型の上面図、図３は図１に示すプリフォーム賦形装置に備えられる型の右側面図、図４は図１に示すプリフォーム賦形装置に備えられる下型の上面図、図５は図１に示すプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの斜視図である。尚、各図においてＲ面取りやＣ面取り等の面取りは省略されている。
プリフォーム賦形装置１は、シート状の繊維の積層体Ｆを素材としてドライプリフォームＤを製作する装置である。ドライプリフォームＤは、複合材（ＦＲＰ）の形状に合わせて賦形した熱硬化性樹脂を含浸させる前のプリフォームであり、ＲＴＭ法により複合材を製作するための素材である。
複合材及びドライプリフォームＤの素材となるシート状の繊維の積層体Ｆは、シート状の繊維を積層することによって製作することができる。樹脂を含浸させる前のテープ状の繊維は、ドライテープ材という名称で製品化されている。ドライテープ材等のシート状の繊維には、バインダが含まれているものも製品化されている。
図６は、熱可塑性バインダとして熱可塑性樹脂の微粒子を繊維に付着させたシート状の繊維の構造を示す斜視図であり、図７は、熱可塑性バインダとして熱可塑性の不織布を繊維に付着させたシート状の繊維の構造を示す斜視図である。
図６に示すようにシート状に束ねた繊維束２に熱可塑性バインダとして熱可塑性樹脂の微粒子３を塗したドライテープ材４が市販されている。また、図７に示すようにシート状に束ねた繊維束２に熱可塑性バインダとして熱可塑性の不織布５を重ねたドライテープ材６も市販されている。他に、粉末状又は液状の熱硬化性バインダを付着させたシート状の繊維や、エラストマ等の樹脂をバインダとして付着させたシート状の繊維も知られている。
図６又は図７に例示されるようなシート状の繊維を作業者が手作業で積層するか或いは自動積層装置で積層すると、多数の繊維の層を有する繊維の積層体Ｆを製作することができる。図５に例示されるようなウェブＤ１とフランジＤ２を有する湾曲したドライプリフォームＤを賦形するためには、繊維の積層体Ｆに圧力を掛けて折り曲げることが必要である。
従って、プリフォーム賦形装置１は、シート状の繊維の積層体Ｆを載置して賦形するための少なくとも１つの型７を有する。図示された例では、ウェブＤ１とフランジＤ２を有するドライプリフォームＤを賦形するための第１の型及び第２の型として、鉛直下方に配置される下型７Ａ及び鉛直上方に配置される上型７Ｂがプリフォーム賦形装置１に備えられている。
上型７Ｂと下型７Ａのように複数の型７で繊維の積層体Ｆを挟み込むことによって繊維の積層体Ｆに圧力を与える場合には、複数の型７の相対位置を変える移動機構８がプリフォーム賦形装置１に備えられる。従って、図示された例では、上型７Ｂと下型７Ａとの相対位置を変える移動機構８がプリフォーム賦形装置１に備えられている。
尚、単一の型７と真空圧で繊維の積層体Ｆに圧力を与えるようにしても良い。その場合には、バギングフィルムで繊維の積層体Ｆが覆われ、繊維の積層体Ｆとバギングフィルムとの間における領域から空気を排出して真空状態を形成するための真空装置がプリフォーム賦形装置１に備えられる。
以降では、移動機構８で複数の型７の少なくとも１つを移動させることによって繊維の積層体Ｆをプレスする場合の一例として、移動機構８で上型７Ｂを鉛直方向に上下移動させる具体例について説明する。もちろん、移動機構８で上型７Ｂ及び下型７Ａの双方を移動させても良いし、移動機構８で上型７Ｂを移動させる代わりに下型７Ａを移動させるようにしても良い。すなわち、移動機構８で下型７Ａと上型７Ｂとの鉛直方向における相対位置を変えるようにすることができる。
移動機構８は、上型７Ｂを退避位置と、賦形位置との間で移動させる装置である。退避位置は、下型７Ａの上に賦形前におけるシート状の繊維の積層体Ｆを載置したり、賦形後のドライプリフォームＤを下型７Ａから取外せるように、上型７Ｂを十分に上昇させた位置である。一方、賦形位置は、ドライプリフォームＤを賦形するために上型７Ｂを下降させた位置である。従って、上型７Ｂが賦形位置にある場合、上型７Ｂと下型７Ａの間には、賦形後におけるドライプリフォームＤの厚さに相当する隙間が形成される。
移動機構８は、電気式、油圧式又は空気圧式等の所望の駆動方式を有するジャッキやアクチュエータ等の所望の装置で構成することができる。すなわち、ピストンが移動するシリンダ機構、ラック・アンド・ピニオン、ボールねじ、レールに沿って車輪が移動する走行機構、クローラ（無限軌道）等の所望の機械要素を用いて移動機構８を構成することができる。図示された例では、支柱８Ａに沿って鉛直方向に上下移動する門型の昇降装置８Ｂで移動機構８が構成されている。
移動機構８を駆動させて繊維の積層体Ｆをプレスする際には、繊維のシート間におけるずれを防止することが重要である。そこで、上型７Ｂ及び下型７Ａの少なくとも一方には、繊維の積層体Ｆに突き刺すことによってシート状の繊維のずれを防止するピン９が設けられる。図示された例では、下型７Ａの表面に、多数のピン９が配置されている。
図８は、図１に示す繊維の積層体Ｆにピン４を刺した状態を示す拡大断面図である。
ピン９の材質は、繊維の積層体Ｆに突き刺しても折れたり、曲がらない程度の強度を有する材質であれば任意である。このため、金属に限らずプラスチック等の樹脂でピン９を構成することができる。但し、ピン９を金属等の熱伝導性を有する材料で構成すれば、ピン９で繊維の積層体Ｆを局所加熱することができる。
このため、繊維の積層体Ｆに熱可塑性のバインダが含まれている場合には、ピン９で繊維の積層体Ｆを局所加熱した後、冷却することによって、繊維の積層体Ｆの局所的な仮留めを行うことが可能となる。また、繊維の積層体Ｆに熱硬化性のバインダが含まれている場合には、ピン９で局所加熱することによって、繊維の積層体Ｆの局所的な仮留めを行うことが可能となる。
ピン９の位置は、繊維の積層体Ｆをプレスする際に繊維のずれを防止することが重要な位置に決定することができる。ピン９の位置は、余肉等の除去される繊維の部分に限らず、製品化対象となる繊維の部分に決定することができる。従って、製品化対象となる繊維の部分をプレスするための型７の表面から突出するようにピン９を配置することができる。
例えば、図５に例示されるようなウェブＤ１とフランジＤ２を有するドライプリフォームＤを賦形する場合には、繊維の皺や裂けを防止する観点から、ウェブＤ１となる繊維の部分については繊維の滑りを抑止することが重要である一方、フランジＤ２となる繊維の部分については逆に滑らせることが重要であることが多い。
すなわち、ウェブＤ１の面は曲率が小さい曲面である場合や曲率が無い平面である場合が多い。このため、繊維の積層体Ｆがプレスされた場合に繊維が層間においてずれる必要が殆ど無い。逆に、繊維の積層体Ｆがプレスされた場合に繊維が層間においてずれないように、固定することが望ましい。
これに対して、フランジＤ２の部分については、繊維に皺を発生させずに上型７Ｂ及び下型７Ａの表面にフィットさせるためには繊維を層間でずらすことが必要となる。特に、フランジＤ２の面が曲率を有する場合には、繊維を層間で滑らせることが皺の抑制に繋がる。
そこで、図示されるように、ウェブＤ１をプレスするための上型７Ｂ及び下型７Ａの少なくとも一方の表面のみからピン９を突出させ、ウェブＤ１を形成する繊維の積層体Ｆのみにピン９を突き刺すようにすることができる。すなわち、フランジＤ２をプレスするための上型７Ｂ及び下型７Ａの表面からはピン９を突出させず、フランジＤ２を形成する繊維の積層体Ｆにはピン９を突き刺さないようにすることができる。
また、ピン９の有無のみならず、ピン９の密度についてもドライプリフォームＤの形状に応じて適切に決定することができる。すなわち、ピン９を突き刺す範囲においても、繊維のずれをどの程度防止することが重要であるかに応じて、複数のピン９を単位面積当たりの数が不均一となるように配置しても良いし、単位面積当たりの数が均一となるように配置しても良い。
ピン９の太さは、繊維の積層体Ｆに突き刺すために必要な強度が確保され、かつ繊維を損傷させずに突き刺すことが可能な太さに決定される。このため、ピン９の太さを０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることが適切であると考えられる。特に、ピン９の太さを０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下としたり、ピン９の先端を鋭利にすることによって針のような形状とすれば、繊維の積層体Ｆに刺すことが容易となる。
ピン９の長さは、上型７Ｂを賦形位置に移動させた場合に上型７Ｂと下型７Ａの間に形成される隙間に突出する長さであれば任意である。換言すれば、ピン９は、上型７Ｂと下型７Ａとの間に形成される間隙に突出するように配置される。ピン９の突出長さが長い程、繊維の積層体Ｆに刺さる長さが長くなるため、繊維の滑り止め効果を向上させることができる。従って、上型７Ｂを賦形位置に移動させた場合における上型７Ｂの表面と下型７Ａの表面との間における距離と、下型７Ａの表面から突出するピン９の長さが等しくなれば、繊維の滑り止め効果が最大となる。
逆に、下型７Ａの表面と、繊維の積層体Ｆとの間における滑りのみが防止対象であれば、少なくとも１枚の繊維にピン９が突き刺さる程度にピン９が下型７Ａの表面から突出していれば十分である。この場合には、上型７Ｂの表面からも、少なくとも１枚の繊維にピン９が突き刺さる程度にピン９を突出させることができる。そして、バインダで仮留めすることによって繊維のシート間におけるずれを防止する一方、バインダによる仮留め効果が低い型７の表面と、繊維のシート間におけるずれをピン９で防止するようにしても良い。特に、型７は金属製である場合が多いため、型７の表面からピン４を突出させれば、型７の表面と、繊維のシート間におけるずれを良好に防止することができる。
また、ピン９の下型７Ａの表面からの突出長さを変化させる調整機構１０を設けるようにしても良い。図示された例では、ピン９を加熱するための加熱装置１１と共にピン９の鉛直方向における位置を変化させる調整機構１０が設けられている。
調整機構１０を、電動アクチュエータ、エアシリンダ或いは油圧シリンダ等のピン４の鉛直方向における位置決めを行うことが可能な昇降装置で構成すれば、下型７Ａの表面からのピン４の突出長さを所望の長さに設定することができる。
一方、調整機構１０を、ガススプリングやコイルスプリング等の弾性体で構成することもできる。すなわち、ピン９の先端が下型７Ａから突出するようにピン９を下型７Ａに弾性体で直接又は間接的に取付けることができる。
そうすると、移動機構８で上型７Ｂを下型７Ａに接近させて賦形位置に移動させた場合に、上型７Ｂの表面でピン９の先端を押付けることによって、下型７Ａからのピン９の突出長さを、繊維の積層体Ｆを賦形するための下型７Ａの表面と、繊維の積層体Ｆを賦形するための上型７Ｂの表面との間における距離にすることができる。すなわち、ピン４の先端が上型７Ｂの表面に押し付けられて曲がってしまう不具合を回避しつつ、下型７Ａの表面からのピン４の突出長さを下型７Ａの表面と上型７Ｂの表面との間における距離に調整することが可能となる。その結果、繊維のずれの防止効果を最大にすることができる。
尚、ピン４は細くて作業者等に刺さる恐れもある。このため、安全性を確保するために、調整機構１０を弾性体で構成してピン４を下型７Ａの内部に押し込められるようにするか、調整機構１０を鉛直方向における位置決めを行うことが可能な昇降装置で構成するかを問わず、ピン４を下型７Ａの内部に収納できるようにしても良い。また、ピン４を下型７Ａの内部に収納すると、下型７Ａの表面に凹凸が無くなる。このため、繊維の積層体Ｆに弛みや皺が発生しないように下型７Ａの表面に載置し易くなるという効果も得られる。ピン４を下型７Ａの内部に収納する機能も、調整機構１０に必要な昇降装置を設けることによって実現することができる。
加熱装置１１は、ピン４を加熱することによって、繊維の積層体Ｆを局所加熱するための装置である。加熱装置１１は、ピン４に必要な熱を付与できれば所望の装置を用いることができる。例えば、加熱媒体が流れる配管、抵抗発熱体或いは電磁誘導や電流を流すことによって加熱する導体等で加熱装置１１を構成することができる。ピン４は、繊維の積層体Ｆの内部に突き刺さるため、繊維の積層体Ｆの表面のみならず、内部についても局所加熱することが可能である。
上述したように、熱硬化性のバインダが繊維の積層体Ｆに含まれている場合には、繊維の積層体Ｆの局所加熱によって熱硬化性のバインダが部分的に硬化する。このため、繊維のシートを仮留めしながらドライプリフォームＤの賦形を行うことができる。一方、熱可塑性のバインダが繊維の積層体Ｆに含まれている場合には、繊維の積層体Ｆの局所加熱によって熱可塑性のバインダが部分的に溶融する。このため、ドライプリフォームＤの賦形後にドライプリフォームＤを空冷等によって冷却すると、溶融した熱可塑性のバインダが硬化するためドライプリフォームＤの形状を保持することができる。
他方、バインダが含まれていない繊維の積層体Ｆを素材としてドライプリフォームＤを賦形する場合には、加熱装置１１を省略しても良い。その場合には、ドライプリフォームＤの賦形時において、ピン４で繊維のずれを防止することができる。換言すれば、バインダを使用せずに、繊維のずれを防止しながらドライプリフォームＤを賦形することが可能となる。
（プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法）
次にプリフォーム賦形装置１でドライプリフォームＤを製作するプリフォーム賦形方法並びにプリフォーム賦形方法で製作されたドライプリフォームＤを素材として複合材を製作する複合材成形方法について説明する。
次にプリフォーム賦形装置１でドライプリフォームＤを製作するプリフォーム賦形方法並びにプリフォーム賦形方法で製作されたドライプリフォームＤを素材として複合材を製作する複合材成形方法について説明する。
プリフォーム賦形装置１でドライプリフォームＤを製作する場合には、図６に例示されるドライテープ材４又は図７に例示されるドライテープ材６のようなシート状の繊維を積層することによって繊維の積層体Ｆが制作される。繊維の積層は作業者の手作業で行っても良いし、自動積層装置で行っても良い。
繊維の積層体Ｆが制作されると、繊維の積層体Ｆがプリフォーム賦形装置１にセットされる。そのために、図１において二点鎖線で示すように、移動機構８が上型７Ｂを退避位置に移動させる。そして、下型７Ａに繊維の積層体Ｆが載置される。
ピン９が下型７Ａの内部に収納されている場合には、調整機構１０が駆動し、ピン９の先端が下型７Ａの表面から突出する。その結果、図８に例示されるように、繊維の積層体Ｆにピン４が刺さり、繊維の積層体Ｆが下型７Ａに固定される。また、ピン９が繊維の積層体Ｆに突き刺さるため、繊維のずれが防止される。ピン９の突出長さを調整機構１０で調整できる場合には、ピン９の突出長さが調整される。これにより、適切な深さまでピン９を繊維の積層体Ｆに刺すことができる。
次に、移動機構８が駆動し、図１において実線で示すように上型７Ｂが賦形位置まで下降する。これにより、繊維の積層体Ｆが上型７Ｂと下型７Ａで挟み込まれてプレスされる。上型７Ｂが賦形位置まで下降すると、上型７Ｂと下型７Ａとの間には、ドライプリフォームＤの形状に相当する隙間が生じる。このため、繊維の積層体Ｆの形状がドライプリフォームＤの形状に変形する。すなわち、繊維の積層体Ｆを賦形することによってドライプリフォームＤを製作することができる。
この時、図１乃至図３に例示されるように、繊維の積層体Ｆのうち繊維の層間に滑りが生じないようにするべきウェブＤ１の部分にはピン４が刺さっている。他方、繊維の積層体Ｆのうち繊維の層間に滑りを発生させるべきフランジＤ２の部分にはピン４が刺さっていない。
また、ピン９の突出長さを調整する調整機構１０が弾性体で構成されている場合には、上型７Ｂの表面でピン９が下型７Ａの内部に押し込まれる。このため、ピン９の突出長さが、繊維の積層体Ｆの厚さとなる。その結果、ウェブＤ１の部分を構成する繊維シートの全てにピン９が刺さることになる。
このため、繊維に生じる皺を低減し、高品質なドライプリフォームＤを製作することができる。尚、製作されるドライプリフォームＤには、図５に例示されるようにピン９を刺した後の孔が残ることになる。図５は、ピン９を刺すことによって、ドライプリフォームＤに貫通孔Ｄ３が形成された場合の例を示しているが、ピン９を貫通させない場合には、ドライプリフォームＤに止まり孔が形成されることになる。
繊維の積層体Ｆにバインダが含まれている場合には、加熱装置１１でピン９が加熱される。このため、ピン９からの熱伝導によって繊維の積層体Ｆが局所加熱される。その結果、賦形後のドライプリフォームＤの形状を保持することができる。
ピン９を下型７Ａの内部に収納できる場合には、ドライプリフォームＤの賦形後において調整機構１０が駆動し、ピン９が下型７Ａに収納される。続いて、移動機構８が駆動し、図１において二点鎖線で示すように、上型７Ｂが退避位置に移動する。これにより、賦形後のドライプリフォームＤをプリフォーム賦形装置１から取り出すことができる。
ドライプリフォームＤが取得されると、ドライプリフォームＤを素材として複合材を成形することができる。具体的には、ＲＴＭ法によって、複合材が成形される。そのために、ドライプリフォームＤが複合材の成形用の治具にセットされる。
図９は、ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合の例を示す図であり、図１０は、マッチドダイＲＴＭ法で複合材を成形する場合の例を示す図である。
ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合には図９に示すように下型２０の上にドライプリフォームＤが載置される。そして、ドライプリフォームＤがバギングフィルム２１で覆われ、バギングフィルム２１の縁がシーラント２２で下型２０に貼着される。一方、マッチドダイＲＴＭ法で複合材を成形する場合には、下型２０と上型２３との間に形成される空隙にドライプリフォームＤがセットされる。
そして、真空装置２４でドライプリフォームＤがセットされた空間の真空引きを行った状態で、ドライプリフォームＤがセットされた空間に樹脂注入装置２５から流動性が得られる程度まで加熱された熱硬化性樹脂が注入される。これにより、ドライプリフォームＤに熱硬化性樹脂を含浸させることができる。
続いて、オーブン等の加熱装置２６で熱硬化性樹脂の温度が硬化温度まで上昇するように熱硬化性樹脂が加熱される。これにより、熱硬化性樹脂が硬化し、ウェブＤ１とフランジＤ２を有するドライプリフォームＤの形状に対応する形状を有する複合材を成形することができる。
尚、ドライプリフォームＤを複合材の成形用の治具に載せ換えずに、プリフォーム賦形装置１で複合材の成形を行うようにしても良い。但し、その場合には、真空引きと樹脂の注入を伴うため、調整機構１０を省略してピン９の突出長さを調整しない構成とすることが現実的である。
（効果）
以上のようなプリフォーム賦形装置１、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法は、ピン４で繊維の層間におけるずれを防止しながらドライプリフォームＤの賦形を行うようにしたものである。
以上のようなプリフォーム賦形装置１、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法は、ピン４で繊維の層間におけるずれを防止しながらドライプリフォームＤの賦形を行うようにしたものである。
このため、プリフォーム賦形装置１、プリフォーム賦形方法及び複合材成形方法によれば、ドライプリフォームＤの品質低下に繋がる繊維の層間における位置ずれを低減することができる。その結果、安定した品質でドライプリフォームＤ及び複合材を製作することができる。
（第２の実施形態）
図１１は本発明の第２の実施形態に係るプリフォーム賦形装置に備えられる型の拡大断面図である。
図１１は本発明の第２の実施形態に係るプリフォーム賦形装置に備えられる型の拡大断面図である。
図１１に示された第２の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ａでは、型７の表面にピン９の先端との干渉を回避するための逃げ３０を設けた点が第１の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１と相違する。第２の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１と実質的に異ならないため、型７の拡大断面のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
図１１に例示されるようにピン９の先端が下型７Ａから突出するようにピン９を下型７Ａに直接又は間接的に取付けることができる。他方、上型７Ｂにピン９の先端との干渉を回避するための穴や溝等の逃げ３０を設けることができる。
そうすると、ピン９の先端の位置を上型７Ｂに形成された逃げ３０の内部とすることが可能となる。すなわち、ピン９の先端の位置が、繊維の積層体Ｆを賦形するための上型７Ｂの表面と、繊維の積層体Ｆを賦形するための下型７Ａの表面との間とならないように、下型７Ａの表面から突出させてピン９を配置することができる。
このため、第２の実施形態によれば、確実にピン９が繊維の積層体Ｆを貫通し、繊維のずれを全ての層について抑止することが可能となる。もちろん、上型７Ｂにピン９を取付け、下型７Ａに逃げ３０を設けても良い。また、第１の実施形態と同様にピン９を下型７Ａ又は上型７Ｂに収納できるように調整機構１０を設けても良い。
（第３の実施形態）
図１２は本発明の第３の実施形態に係るプリフォーム賦形装置に備えられる下型の上面図であり、図１３は図１２に示す下型を備えたプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの斜視図である。尚、各図においてＲ面取りやＣ面取り等の面取りは省略されている。
図１２は本発明の第３の実施形態に係るプリフォーム賦形装置に備えられる下型の上面図であり、図１３は図１２に示す下型を備えたプリフォーム賦形装置で製作されるドライプリフォームの斜視図である。尚、各図においてＲ面取りやＣ面取り等の面取りは省略されている。
図１２に示された第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂでは、複数のピン９を単位面積当たりの数が不均一となるように配置した点が第１及び第２の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１、１Ａと相違する。第３の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１Ｂの他の構成及び作用については第１及び第２の実施形態におけるプリフォーム賦形装置１、１Ａと実質的に異ならないため、ピン９の配置例のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
ドライプリフォームＤを賦形した後には、複合材を成形するために図８又は図９に例示されるように、ドライプリフォームＤへの熱硬化性樹脂の含浸が行われる。そのために、ドライプリフォームＤがセットされた減圧空間に樹脂が指定された位置から注入される。樹脂の注入位置は、樹脂ができるだけドライプリフォームＤの隅々までより短時間で浸透するように決定される。従って、樹脂は相対的に高い位置から注入されることになる。
図１４は、従来の典型的なドライプリフォームに樹脂が含浸する様子を示す図である。
従来のドライプリフォーム４０に樹脂を含浸させるために樹脂の注入ポートから減圧空間に樹脂が注入されると、樹脂はドライプリフォーム４０の表面に沿って面取り部分やエッジ等の端部から先に浸透した後、中央に向かって浸透する傾向がある。また、図１４に例示されるように、樹脂はドライプリフォーム４０の表面上を流れた後に、徐々にドライプリフォーム４０の厚さ方向に浸透する傾向がある。
従って、樹脂の注入ポートから離れた位置やドライプリフォーム４０の端部から離れた中央部分では、樹脂が到達するまでの時間が相対的に遅くなる。このため、樹脂の注入ポートから離れた位置やドライプリフォーム４０の端部から離れた中央部分では、厚さ方向への樹脂の浸透も遅くなる。特に、繊維の密度が高い場合には、ドライプリフォーム４０の厚さ方向への樹脂の浸透時間が長くなる。その結果、ドライプリフォーム４０の各部への樹脂の到達時間の差が顕著となり、樹脂が隅々まで行き渡る前に樹脂の粘度が増加し、樹脂の硬化反応が始まってしまう恐れがある。そのような場合には、成形後の複合材にボイドが生じる可能性がある。
図１５は、図１２に示すプリフォーム賦形装置１Ｂで製作されたドライプリフォームＤに樹脂が含浸する様子を示す図である。
プリフォーム賦形装置１ＢでドライプリフォームＤを製作すると、図１３に例示されるようにピン４の刺し後として貫通孔Ｄ３等の孔がドライプリフォームＤに形成されることになる。ドライプリフォームＤに形成される貫通孔Ｄ３等の孔は、図１５に示すように複合材の成形時において樹脂を浸透させるための流路として利用することができる。
そこで、樹脂が到達するまでに相対的に長い時間を要するエリアについては、ピン９の配置密度を高くする一方、樹脂が到達するまでに相対的に短い時間を要するエリアについては、ピン９の配置密度を低くすることができる。すなわち、樹脂が到達するまでに相対的に長い時間を要する位置ほど、より多くのピン９を配置することができる。
具体例として、図１２に例示されるように、ドライプリフォームＤへの樹脂の含浸を開始する注入ポートに対応する位置４１から相対的に近い下型７Ａの範囲Ｒ１には相対的に低い密度でピン９を配置する一方、ドライプリフォームＤへの樹脂の含浸を開始する注入ポートに対応する位置４１から相対的に遠い下型７Ａの範囲Ｒ２には相対的に高い密度でピン９を配置することができる。そうすると、ドライプリフォームＤを製作する時に、ドライプリフォームＤへの樹脂の含浸を開始する注入ポートに対応する位置４１から離れた位置ほど多くのピン９で繊維の積層体Ｆを突き刺すことができる。
その結果、図１３に例示されるように樹脂の注入ポートに対応する位置４１に相対的に近い部分Ｐ１には相対的に低い配置密度でドライプリフォームＤに貫通孔Ｄ３等の孔を形成する一方、樹脂の注入ポートに対応する位置４１から相対的に遠い部分Ｐ２には相対的に高い配置密度でドライプリフォームＤに貫通孔Ｄ３等の孔を形成することができる。
これにより、樹脂の到達時間の差を低減させることができる。すなわち、図１５に例示されるように樹脂が浸透し易い部分Ｐ１よりも浸透し難い部分Ｐ２に貫通孔Ｄ３等の孔を相対的に多く形成することによって、樹脂が浸透し難い部分Ｐ２における樹脂の浸透を促進することができる。特に、ドライプリフォームＤの厚さ方向への樹脂の浸透時間を貫通孔Ｄ３等の孔の近傍において局所的に短縮することができる。その結果、樹脂が過剰に溜まる樹脂リッチ部の発生や樹脂が到達しないことにより生じるボイドの発生を抑制し、高い品質を有する複合材を成形することが可能となる。
尚、図１２に例示されるように、ウェブＤ１をプレスするための下型７Ａの面にピン９Ａを設けるのみならず、フランジＤ２をプレスするための下型７Ａの面にもピン９Ｂを設ける場合には、調整機構１０でピン９Ｂを下型７Ａに収納できるようにし、フランジＤ２に対応する部分のプレス後にピン９Ｂを突出させることが適切である。すなわち、フランジＤ２を形成する繊維の積層体ＦにはドライプリフォームＤを賦形した後にピン９Ｂを突出させて突き刺すことが、フランジＤ２を構成する繊維に皺を発生させない観点から適切である。
その場合、ピン４でフランジＤ２に対応する部分における繊維の層間におけるずれを防止しながらバインダでフランジＤ２の部分を仮留めすることができる。そして、複合材の成形時には、フランジＤ２の部分に形成された貫通孔Ｄ３等の孔を樹脂の流路として利用することができる。換言すれば、ドライプリフォームＤに厚さ方向における樹脂の流路を形成するために、ドライプリフォームＤの賦形時において繊維にずれを積極的に発生させるべきフランジＤ２等の部分についても、ドライプリフォームＤの賦形後にピン９Ｂを突き刺して貫通孔Ｄ３等の孔を形成することができる。
（他の実施形態）
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。
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。
例えば、上述した各実施形態では、上型７Ｂや下型７Ａ等の型７にピン９を設ける場合について説明したが、作業者が手作業でピン９を繊維の積層体Ｆに刺すことによって繊維のずれを防止するようにしても良い。その場合には、型７にピン９を差し込むための孔を設けるようにしても良い。
また、全てのシート状の繊維を積層して繊維の積層体Ｆを製作してから下型７Ａに載置せずに、１枚ずつ繊維の下型７Ａへの載置と折り曲げを交互に行うようにしても良い。換言すれば、下型７Ａを繊維の積層用の治具として用いるようにしても良い。
また、ウェブＤ１とフランジＤ２を有するドライプリフォームＤに限らず、複雑な形状を有するドライプリフォームはもちろん、単純な板状のドライプリフォームなど、所望の形状を有するドライプリフォームを賦形するために、ピン９で繊維のずれを防止することができる。加えて、樹脂の流路をドライプリフォームに形成するためにピン９でドライプリフォームに孔を形成することができる。
また、ピン４で繊維の積層体Ｆを加熱せずに超音波溶着器等の他の加熱装置によって繊維の積層体Ｆの局所加熱を行うようにしても良い。その場合には、上述したように、ピン４を熱伝導性が低い樹脂等の材料で構成しても良い。
また、上述した例では、複合材を構成する樹脂が熱硬化性樹脂である場合について説明したが、熱可塑性樹脂で複合材を構成しても良い。熱可塑性樹脂は、結晶性樹脂と非晶性樹脂に大別される。結晶性樹脂の具体例としては、ポリエステル樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエチレン樹脂及びポリプロピレン樹脂等が挙げられる。一方、非晶性樹脂の具体例としては、ポリスチレン樹脂、ＡＢＳ樹脂（アクリロニトリル、ブタジエン及びスチレン の共重合合成樹脂）及びポリカーボネート樹脂等が挙げられる。
熱可塑性樹脂を使用して複合材を成型する場合には、加熱溶融によって流動性が付与された熱可塑性樹脂がドライプリフォームＤに含侵される。そして、含侵させた熱可塑性樹を冷却することによって熱可塑性樹脂を硬化することができる。従って、熱硬化性樹脂を加熱硬化するための加熱装置２６に代えて、熱可塑性樹脂を冷却硬化するための冷却装置を設けることができる。或いは、冷却装置を設けずに空冷によって熱可塑性樹脂を硬化しても良い。
１、１Ａ、１Ｂ プリフォーム賦形装置
２ 繊維束
３ 熱可塑性樹脂の微粒子
４ ドライテープ材
５ 熱可塑性の不織布
６ ドライテープ材
７ 型
７Ａ 下型
７Ｂ 上型
８ 移動機構
８Ａ 支柱
８Ｂ 昇降装置
９、９Ａ、９Ｂ ピン
１０ 調整機構
１１ 加熱装置
２０ 下型
２１ バギングフィルム
２２ シーラント
２３ 上型
２４ 真空装置
２５ 樹脂注入装置
２６ 加熱装置
３０ 逃げ
４０ 従来のドライプリフォーム
４１ 樹脂の注入ポートに対応する位置
Ｄ ドライプリフォーム
Ｄ１ ウェブ
Ｄ２ フランジ
Ｄ３ 貫通孔
Ｆ 繊維の積層体
Ｐ１、Ｐ２ ドライプリフォームの部分
Ｒ１、Ｒ２ 下型の範囲
２ 繊維束
３ 熱可塑性樹脂の微粒子
４ ドライテープ材
５ 熱可塑性の不織布
６ ドライテープ材
７ 型
７Ａ 下型
７Ｂ 上型
８ 移動機構
８Ａ 支柱
８Ｂ 昇降装置
９、９Ａ、９Ｂ ピン
１０ 調整機構
１１ 加熱装置
２０ 下型
２１ バギングフィルム
２２ シーラント
２３ 上型
２４ 真空装置
２５ 樹脂注入装置
２６ 加熱装置
３０ 逃げ
４０ 従来のドライプリフォーム
４１ 樹脂の注入ポートに対応する位置
Ｄ ドライプリフォーム
Ｄ１ ウェブ
Ｄ２ フランジ
Ｄ３ 貫通孔
Ｆ 繊維の積層体
Ｐ１、Ｐ２ ドライプリフォームの部分
Ｒ１、Ｒ２ 下型の範囲
Claims (17)
- 繊維強化プラスチックの素材となるシート状の繊維の積層体を載置して賦形するための少なくとも１つの型と、
前記繊維の積層体に突き刺すことによって前記繊維のずれを防止するピンと、
を有するプリフォーム賦形装置。 - 前記ピンの太さは、前記繊維の積層体に突き刺すために必要な強度が確保され、かつ前記繊維を損傷させずに突き刺すことが可能な太さに決定されている請求項１記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記ピンは、先端を鋭利にした針のような形状を有する請求項１又は２記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記ピンの太さが０．１ｍｍ以上５ｍｍ以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記少なくとも１つの型は、第１の型と、第２の型とを有し、
前記第１の型と前記第２の型との相対位置を変える移動機構を更に有し、
前記ピンを前記第１の型と前記第２の型との間に形成される間隙に突出するように配置した請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形装置。 - 前記ピンの先端が前記第１の型から突出するように前記ピンを前記第１の型に直接又は間接的に取付ける一方、前記第２の型に前記ピンの先端との干渉を回避するための逃げを設けることによって、前記ピンの先端の位置が、前記繊維の積層体を賦形するための前記第１の型の表面と、前記繊維の積層体を賦形するための前記第２の型の表面との間とならないように前記ピンを配置できるようにした請求項５記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記ピンの前記型からの突出長さを変化させる調整機構を更に有する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記ピンの先端が前記第１の型から突出するように前記ピンを前記第１の型に弾性体で直接又は間接的に取付け、前記移動機構で前記第２の型を前記第１の型に接近させた場合に、前記第２の型の表面で前記ピンの先端を押付けることによって、前記第１の型からの前記ピンの突出長さが、前記繊維の積層体を賦形するための前記第１の型の表面と、前記繊維の積層体を賦形するための前記第２の型の表面との間における距離になるようにした請求項５記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記ピンを加熱する加熱装置を更に有する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形装置。
- 複数のピンを単位面積当たりの数が不均一となるように配置した請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形装置。
- 前記移動機構で前記第１の型と前記第２の型との鉛直方向における相対位置を変えるようにした請求項５記載のプリフォーム賦形装置。
- 請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形装置で前記プリフォームを製作するプリフォーム賦形方法。
- 繊維強化プラスチックの素材となるシート状の繊維の積層体を少なくとも１つの型に載置して賦形することによってプリフォームを製作するプリフォーム賦形方法において、
ピンを前記繊維の積層体に突き刺すことによって前記繊維のずれを防止するプリフォーム賦形方法。 - ウェブとフランジを有するプリフォームを賦形し、フランジを形成する前記繊維の積層体には前記ピンを突き刺さない請求項１２又は１３記載のプリフォーム賦形方法。
- ウェブとフランジを有するプリフォームを賦形し、フランジを形成する前記繊維の積層体には前記プリフォームを賦形した後に前記ピンを突出させて突き刺す請求項１２又は１３記載のプリフォーム賦形方法。
- 請求項１２乃至１５のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法で製作された前記プリフォームに樹脂を含浸させて硬化することによって前記繊維強化プラスチックを製作する複合材成形方法。
- 前記プリフォームを製作する時に、前記プリフォームへの前記樹脂の含浸を開始する位置から離れた位置ほど多くのピンで前記繊維の積層体を突き刺す請求項１６記載の複合材成形方法。
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