JP2023013122A - 接合方法及び接合装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる接合方法及び接合装置を提供する。【解決手段】接合方法は、樹脂を含む部材２１，２２を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、部材２１，２２同士を接合する接合工程と、を含んでいる。また、この接合方法において、樹脂は結晶性の熱可塑性樹脂とされ、予熱工程では、部材２１，２２を樹脂のガラス転移温度以上、かつ、樹脂の融点未満の温度に加熱する。【選択図】図３
Description
本開示は、接合方法及び接合装置に関する。
例えば航空機構造の組立てにおいては、複数の複合材を接合することがある。複合材には、熱可塑性樹脂を含むものがある。
熱可塑性樹脂を含む部材同士を接合する方法としては、部材同士の界面を加熱することで部材に含まれる熱可塑性樹脂を溶融させ、その後、加熱を停止することにより溶融した熱可塑性樹脂を凝固させて部材を一体化する融着が例示される（例えば特許文献１）。
ここで、界面の加熱は、例えば超音波、抵抗発熱、電磁誘導などで行われる。
ここで、界面の加熱は、例えば超音波、抵抗発熱、電磁誘導などで行われる。
このような複合材においては、わずかな形状の誤差によって複数の部材間に隙間が発生したり部材と治具との間に隙間が発生したりすることがある。このような場合、部材の接合に不具合が生じる可能性がある。
例えば、熱可塑性樹脂を含む部材同士を融着する場合には、部材間の隙間によって超音波の電波が阻害されたり電気の流れが阻害されたりするので、加熱が不十分となり樹脂が十分に溶融しない箇所が発生する可能性がある。また、部材と治具との間に隙間がある場合、治具の形状に対して歪みのある部品が成形されてしまう可能性がある。
本開示は、このような事情に鑑みてなされてものであって、部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる接合方法及び接合装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本開示の接合方法及び接合装置は以下の手段を採用する。
すなわち、本開示の一態様に係る接合方法は、樹脂を含む部材を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、前記部材同士を接合する接合工程と、を含んでいる。
すなわち、本開示の一態様に係る接合方法は、樹脂を含む部材を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、前記部材同士を接合する接合工程と、を含んでいる。
また、本開示の一態様に係る接合装置は、結晶性の熱可塑性樹脂を含む部材同士を接合する装置であって、前記部材を加熱することが可能な加熱部と、前記部材を加熱することが可能な予熱部と、前記加熱部及び前記予熱部の発熱状態を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記部材の温度が熱可塑性樹のガラス転移温度以上、かつ、融点未満の温度となるように前記予熱部を発熱させ、前記予熱部を発熱させた後、前記部材の温度が熱可塑性樹脂の融点以上の温度となるように前記加熱部を発熱させる。
本開示によれば、部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
以下、本開示の一実施形態に係る接合方法及び接合装置について図面を参照して説明する。
本実施形態に係る接合方法は、例えば図１に示すように、接合装置１０が有する治具１３の上面に載置されたスキン２１とスキン２１の上に載置されたストリンガ２２とを接合する方法である。
スキン２１及びストリンガ２２は、例えば航空機の構造に採用される複合材である。
複合材に含まれる樹脂は、熱可塑性樹脂とされる。
熱可塑性樹脂は結晶性のものであり、ＰＥＥＫ、ＰＡＥＫ等が例示される。
複合材に含まれる樹脂は、熱可塑性樹脂とされる。
熱可塑性樹脂は結晶性のものであり、ＰＥＥＫ、ＰＡＥＫ等が例示される。
図２に示すように、治具１３の上面にはスキン２１が載置されている。また、スキン２１の上にはストリンガ２２が載置されている。
治具１３の上面は予め設定された曲面状に形成されている。
しかしながら、スキン２１の形状が治具１３の曲面に合致しない場合には、治具１３とスキン２１との間にわずかな隙間が生じる。
また、スキン２１とストリンガ２２との間にも同様に隙間が生じる。
しかしながら、スキン２１の形状が治具１３の曲面に合致しない場合には、治具１３とスキン２１との間にわずかな隙間が生じる。
また、スキン２１とストリンガ２２との間にも同様に隙間が生じる。
隙間が生じた状態でスキン２１とストリンガ２２とを融着してしまうと、隙間に起因した不具合が発生してしまう可能性がある。
例えば、超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際、隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりして、隙間のある個所の接合ができない可能性がある。また、スキン２１が治具１３の形状に対して歪んでしまう可能性がある。
例えば、超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際、隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりして、隙間のある個所の接合ができない可能性がある。また、スキン２１が治具１３の形状に対して歪んでしまう可能性がある。
そこで、この接合方法では、融着用の加熱を開始する前の工程として、スキン２１及びストリンガ２２を樹脂のガラス転移点以上、かつ、融点以下の温度に加熱することにした（予熱工程）。
これにより樹脂が溶融することなく軟化するので、結果としてスキン２１及びストリンガ２２も軟化して変形しやすい状態になる。
なお、ガラス転移点としては１００℃～２００℃、融点としては２５０℃～３８０℃が例示される。
これにより樹脂が溶融することなく軟化するので、結果としてスキン２１及びストリンガ２２も軟化して変形しやすい状態になる。
なお、ガラス転移点としては１００℃～２００℃、融点としては２５０℃～３８０℃が例示される。
具体的には、図３に示すように、融着用の加熱を開始する前に、接合装置１０が有する予熱部１２を発熱させることでスキン２１及びストリンガ２２を樹脂のガラス転移点以上かつ融点以下の温度に加熱する。
予熱部１２は、図示されているように治具１３の内部に設けられているものでもよいし、治具１３の外部に設けられているものでもよい。
予熱部１２の具体例としては、治具１３の内部に配置された電熱ヒータや高温の流体が流れる配管、治具１３の外部に配置された電熱ヒータや赤外線ヒータ例示される。これについては、後述する各実施例でも説明する。
予熱部１２の具体例としては、治具１３の内部に配置された電熱ヒータや高温の流体が流れる配管、治具１３の外部に配置された電熱ヒータや赤外線ヒータ例示される。これについては、後述する各実施例でも説明する。
予熱部１２によってスキン２１及びストリンガ２２が所定の温度に達して軟化したら、スキン２１及びストリンガ２２を治具１３側に押圧（加圧）する。
これによって、治具１３とスキン２１との間の隙間及びスキン２１とストリンガ２２との間の隙間がなくなり密着する。
これによって、治具１３とスキン２１との間の隙間及びスキン２１とストリンガ２２との間の隙間がなくなり密着する。
その後、図４に示すように、接合装置１０が有する加熱部１１を用いて、例えば既知の超音波加熱による融着や電気抵抗加熱による融着を行う（接合工程）。
これによって、治具１３とスキン２１との間の隙間及びスキン２１とストリンガ２２との間に隙間がない状態で融着されることになる。また、治具１３の形状に対して歪みのない部品を成形することができる。
これによって、治具１３とスキン２１との間の隙間及びスキン２１とストリンガ２２との間に隙間がない状態で融着されることになる。また、治具１３の形状に対して歪みのない部品を成形することができる。
なお、加熱部１１や予熱部１２の制御、各箇所に設けられた温度計測手段からの温度取得、その他接合に必要な制御は、制御部１６によって実行される。
制御部１６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、及びコンピュータ読み取り可能な記憶媒体等から構成されている。そして、各種機能を実現するための一連の処理は、一例として、プログラムの形式で記憶媒体等に記憶されており、このプログラムをＣＰＵがＲＡＭ等に読み出して、情報の加工・演算処理を実行することにより、各種機能が実現される。なお、プログラムは、ＲＯＭやその他の記憶媒体に予めインストールしておく形態や、コンピュータ読み取り可能な記憶媒体に記憶された状態で提供される形態、有線又は無線による通信手段を介して配信される形態等が適用されてもよい。コンピュータ読み取り可能な記憶媒体とは、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤ－ＲＯＭ、半導体メモリ等である。
次に、接合装置１０の実施例について説明する。
なお、各実施例はあくまでも例示であって、これ以外の実施例を本開示から除くものではない。
なお、各実施例はあくまでも例示であって、これ以外の実施例を本開示から除くものではない。
［実施例１］
図５及び図６に示すように、本実施例に係る接合装置１０は、スキン２１の上に立設しているストリンガ２２とフレーム２３とを融着することが可能な装置である。
図５及び図６に示すように、本実施例に係る接合装置１０は、スキン２１の上に立設しているストリンガ２２とフレーム２３とを融着することが可能な装置である。
接合装置１０は、ストリンガ２２とフレーム２３とを挟み込む加圧パッド４１及び当て板４２を有している。
加圧パッド４１は、アクチュエータ４１ｂによって当て板４２側に押圧可能に構成されている。
加圧パッド４１の内部には、高温の流体が流れる配管４１ａが設けられている。本実施例においては、配管４１ａ及び流体が予熱部１２として機能する。
加圧パッド４１の内部には、高温の流体が流れる配管４１ａが設けられている。本実施例においては、配管４１ａ及び流体が予熱部１２として機能する。
なお、当て板４２の内部にも同様の配管４２ａを設けてもよく、この場合、配管４２ａ及び流体も予熱部１２として機能する。
また、予熱部１２を、加圧パッド４１又は当て板４２のいずれか一方にのみ設けてもよい。
更に、予熱部１２は、加圧パッド４１及び／又は当て板４２の内部に設けられた電熱ヒータであってもよい。
また、予熱部１２を、加圧パッド４１又は当て板４２のいずれか一方にのみ設けてもよい。
更に、予熱部１２は、加圧パッド４１及び／又は当て板４２の内部に設けられた電熱ヒータであってもよい。
図６に示すように、接合装置１０は、導電材４３及びそれに接続された電極（図示せず）を加熱部１１として備えている。
電極には電源４４が接続されており、制御部１６によって出力が制御される。
導電材４３は、導電性を有する素材を含むシート状の部材であり、ストリンガ２２とフレーム２３との間に介挿されている。
導電材４３は抵抗体として作用するので、電極から流れる電気によって発熱する。この発熱によって、ストリンガ２２及びフレーム２３に含まれている樹脂が溶融する。
なお、樹脂が溶融すると導電材４３は樹脂に取り込まれ、融着完了時に導電材４３はストリンガ２２及びフレーム２３に取り込まれ部品の一部となる。
導電材４３は抵抗体として作用するので、電極から流れる電気によって発熱する。この発熱によって、ストリンガ２２及びフレーム２３に含まれている樹脂が溶融する。
なお、樹脂が溶融すると導電材４３は樹脂に取り込まれ、融着完了時に導電材４３はストリンガ２２及びフレーム２３に取り込まれ部品の一部となる。
加圧パッド４１の温度を取得するために、加圧パッド４１の内部には熱電対４１ｃが設けられている。
また、当て板４２の温度を取得するために、当て板４２の内部には熱電対４２ｂが設けられている。
また、当て板４２の温度を取得するために、当て板４２の内部には熱電対４２ｂが設けられている。
以上のように構成された接合装置１０がストリンガ２２及びフレーム２３に沿って移動されることでストリンガ２２とフレーム２３との融着が行われることになる。
［実施例２］
図７に示すように、本実施例に係る接合装置１０は、治具１３の上に配置されたスキン２１とスキン２１の上に配置されたストリンガ２２とを融着することが可能な装置である。
図７に示すように、本実施例に係る接合装置１０は、治具１３の上に配置されたスキン２１とスキン２１の上に配置されたストリンガ２２とを融着することが可能な装置である。
図７及び図８に示すように、接合装置１０は、ホーン５１、加圧ローラ５２、ヒータ５３及び加圧部５４を有している。
ホーン５１は、スキン２１及びストリンガ２２を界面の近傍で加熱するための超音波を発振する機構である。すなわち、ホーン５１は、加熱部１１として機能する機構である。
ホーン５１はストリンガ２２の上に配置され、ストリンガ２２を押圧している。
ホーン５１には、予熱部１２としてのヒータ５１ａを設けてもよい。
ホーン５１はストリンガ２２の上に配置され、ストリンガ２２を押圧している。
ホーン５１には、予熱部１２としてのヒータ５１ａを設けてもよい。
加圧ローラ５２は、融着直前のストリンガ２２をスキン２１に押し付ける機構である。
加圧ローラ５２は、ホーン５１の前方（接合装置１０の進行方向における前方）においてストリンガ２２の上に配置され、ストリンガ２２を押圧している。
加圧ローラ５２は、ホーン５１の前方（接合装置１０の進行方向における前方）においてストリンガ２２の上に配置され、ストリンガ２２を押圧している。
ヒータ５３は、予熱部１２として機能する機構である。
ヒータ５３は、加圧ローラ５２の前方（接合装置１０の進行方向における前方）においてストリンガ２２の上に配置され、ストリンガ２２には接触していない。
ヒータ５３としては、電熱ヒータや赤外線ヒータが例示される。
なお、ヒータ５３を加圧ローラ５２に組み込んでもよい。
ヒータ５３は、加圧ローラ５２の前方（接合装置１０の進行方向における前方）においてストリンガ２２の上に配置され、ストリンガ２２には接触していない。
ヒータ５３としては、電熱ヒータや赤外線ヒータが例示される。
なお、ヒータ５３を加圧ローラ５２に組み込んでもよい。
加圧部５４は、融着中のストリンガ２２をスキン２１に押し付ける機構である。
加圧部５４は、ホーン５１の後方（接合装置１０の進行方向における後方）に設置されている。
加圧部５４は、ホーン５１の後方（接合装置１０の進行方向における後方）に設置されている。
以上のように構成された接合装置１０がスキン２１及びストリンガ２２に沿って移動されることで、連続的に融着が実行されることになる。
なお、金属製の治具１３の内部に予熱部１２を設けてもよい（図１参照）。
この場合、治具１３を介して効率的にスキン２１等に予熱部１２からの熱を伝えることができる。
この場合、治具１３を介して効率的にスキン２１等に予熱部１２からの熱を伝えることができる。
本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
樹脂を含むスキン２１、ストリンガ２２及び／又はフレーム２３（以下、単に「部材」という。）を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、部材を接合する接合工程と、を含んでいるので、予熱工程で部材を軟化させて部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
樹脂を含むスキン２１、ストリンガ２２及び／又はフレーム２３（以下、単に「部材」という。）を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、部材を接合する接合工程と、を含んでいるので、予熱工程で部材を軟化させて部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
また、樹脂が結晶性の熱可塑性樹脂とされた場合、予熱工程では、部材を樹脂のガラス転移温度以上、かつ、樹脂の融点未満の温度に加熱するので、予熱工程で部材を軟化させて部材同士や部材と治具１３とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
これによって、例えば部材同士を超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際に、部材間の隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりすることを回避することができる。また。治具１３の形状に対して歪みのない部品を成形することができる。
これによって、例えば部材同士を超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際に、部材間の隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりすることを回避することができる。また。治具１３の形状に対して歪みのない部品を成形することができる。
また、予熱部１２が金属製の治具１３の内部に設けられていれば、治具１３を介して効率的に部材に予熱部１２からの熱を伝えることができる。
以上の通り説明した実施形態に係る接合方法及び接合装置は、例えば以下のように把握される。
すなわち、本開示の一態様に係る接合方法は、樹脂を含む部材（２１，２２，２３）を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、前記部材同士を接合する接合工程と、を含んでいる。
すなわち、本開示の一態様に係る接合方法は、樹脂を含む部材（２１，２２，２３）を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、前記部材同士を接合する接合工程と、を含んでいる。
本態様に係る部材の接合方法によれば、樹脂を含む部材を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、部材同士を接合する接合工程と、を含んでいるので、予熱工程で部材を軟化させて部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
樹脂を含む部材としては、複合材が例示される。また、樹脂は熱可塑性樹脂とされる。また、熱可塑性樹脂としてはＰＥＥＫやＰＡＥＫが例示される。
樹脂を含む部材としては、複合材が例示される。また、樹脂は熱可塑性樹脂とされる。また、熱可塑性樹脂としてはＰＥＥＫやＰＡＥＫが例示される。
また、本開示の一態様に係る接合方法において、前記樹脂は結晶性の熱可塑性樹脂とされ、前記予熱工程では、前記部材を樹脂のガラス転移温度以上、かつ、樹脂の融点未満の温度に加熱する。
本態様に係る部材の接合方法によれば、樹脂は結晶性の熱可塑性樹脂とされ、予熱工程では、部材を樹脂のガラス転移温度以上、かつ、樹脂の融点未満の温度に加熱するので、予熱工程で部材を軟化させて部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
これによって、例えば部材同士を超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際に、部材間の隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりすることを回避することができる。また。治具の形状に対して歪みのない部品を成形することができる。
これによって、例えば部材同士を超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際に、部材間の隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりすることを回避することができる。また。治具の形状に対して歪みのない部品を成形することができる。
また、本開示の一態様に係る接合装置（１０）は、結晶性の熱可塑性樹脂を含む部材同士を接合する装置であって、記部材を加熱することが可能な加熱部（１１）と、前記部材を加熱することが可能な予熱部（１２）と、前記加熱部及び前記予熱部の発熱状態を制御する制御部（１６）と、を備え、前記制御部は、前記部材の温度が熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上、かつ、融点未満の温度となるように前記予熱部を発熱させ、前記予熱部を発熱させた後、前記部材の温度が熱可塑性樹脂の融点以上の温度となるように前記加熱部を発熱させる。
本態様に係る接合装置によれば、部材を加熱することが可能な加熱部と、部材を加熱することが可能な予熱部と、加熱部及び予熱部の発熱状態を制御する制御部と、を備え、制御部は、部材の温度が熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上、かつ、融点未満の温度となるように予熱部を発熱させ、予熱部を発熱させた後、部材の温度が熱可塑性樹脂の融点以上の温度となるように前記加熱部を発熱させるので、予熱部からの発熱で部材を軟化させて部材同士や部材と治具とを密着させた状態で部材同士を接合することができる。
これによって、例えば部材同士を超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際に、部材間の隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりすることを回避することができる。
これによって、例えば部材同士を超音波加熱や電気抵抗加熱を用いて融着する際に、部材間の隙間によって超音波の伝播が阻害されたり電気の流れが阻害されたりすることを回避することができる。
また、本開示の一態様に係る接合装置は、前記部材が載置される金属製の治具を備え、前記予熱部は、前記治具の内部に設けられている。
本態様に係る接合装置によれば、部材が載置される金属製の治具（１３）を備え、予熱部は、治具の内部に設けられているので、治具を介して効率的に部材に予熱部からの熱を伝えることができる。
１０ 接合装置
１１ 加熱部
１２ 予熱部
１３ 治具
１６ 制御部
２１ スキン（部材）
２２ ストリンガ（部材）
２３ フレーム（部材）
４１ 加圧パッド
４１ａ 配管
４１ｂ アクチュエータ
４１ｃ 熱電対
４２ 当て板
４２ａ 配管
４２ｂ 熱電対
４３ 導電材
４４ 電源
５１ ホーン
５１ａ ヒータ
５２ 加圧ローラ
５３ ヒータ
５４ 加圧部
１１ 加熱部
１２ 予熱部
１３ 治具
１６ 制御部
２１ スキン（部材）
２２ ストリンガ（部材）
２３ フレーム（部材）
４１ 加圧パッド
４１ａ 配管
４１ｂ アクチュエータ
４１ｃ 熱電対
４２ 当て板
４２ａ 配管
４２ｂ 熱電対
４３ 導電材
４４ 電源
５１ ホーン
５１ａ ヒータ
５２ 加圧ローラ
５３ ヒータ
５４ 加圧部
Claims (4)
- 樹脂を含む部材を樹脂のガラス転移温度以上の温度にする予熱工程と、
前記部材同士を接合する接合工程と、
を含んでいる接合方法。 - 前記樹脂は結晶性の熱可塑性樹脂とされ、
前記予熱工程では、前記部材を樹脂のガラス転移温度以上、かつ、樹脂の融点未満の温度に加熱する請求項１に記載の接合方法。 - 結晶性の熱可塑性樹脂を含む部材同士を接合する装置であって、
前記部材を加熱することが可能な加熱部と、
前記部材を加熱することが可能な予熱部と、
前記加熱部及び前記予熱部の発熱状態を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記部材の温度が熱可塑性樹脂のガラス転移温度以上、かつ、融点未満の温度となるように前記予熱部を発熱させ、
前記予熱部を発熱させた後、前記部材の温度が熱可塑性樹脂の融点以上の温度となるように前記加熱部を発熱させる接合装置。 - 前記部材が載置される金属製の治具を備え、
前記予熱部は、前記治具の内部に設けられている請求項３に記載の接合装置。
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|---|---|---|---|
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2021
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| JP2004074734A (ja) * | 2002-08-22 | 2004-03-11 | Seidensha Electronics Co Ltd | プラスチック溶着方法 |
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