JP2895359B2 - ファイバ複合材料の構造体の製造方法と複合材料の一体的な箱型構造体の製造方法 - Google Patents

ファイバ複合材料の構造体の製造方法と複合材料の一体的な箱型構造体の製造方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】この発明は、熱硬化性樹脂で予め含浸され
た繊維の強化層を利用して一体的な構造体を製造するた
めの方法および装置に関する。特に、この発明は、ナイ
ロンまたは類似材料で作られた外袋と、製造されるべき
空洞の数に応じて必要とされる同じ数の支持部材（支持
部材とは、構造体の予備成形されたコア（芯）を支持
し、かつ配置するための部材である）と、通気材料と、
１枚の仕切り膜と、マスティック（mastic）と、真空状
態を形成することが可能なバルブと、管形仕切り膜と、
管形袋とによってつなぎ合わされる２つの半体の型（シ
ェル）を備えた装置に関するものである。
【０００２】この発明は、製造プロセスを簡略化するこ
とを意図しており、特に、航空、海軍関係および鉄道建
設の分野、スタンド構造体、軍用分野の設備（橋、道
路）、医療設備の構造体、自動車産業ならびに低重量、
高い構造効率および高い品質規格を必要とする場合の構
造体のいずれにおいても有用である。
【０００３】航空機は軽重量でかつ強力でなければなら
ない材料と構造体とを必要とするということは公知の事
実である。
【０００４】そのような構造体を製造するために、熱硬
化性マトリックスとの複合材料を使用することは広く一
般的になっている。
【０００５】特に、複合材料の一体的な構造体は非常に
効率が良いことが証明されている。このタイプの構造体
の製造には、かなりの不都合を伴う設備と手順を必要と
していたため、本願発明者は、設備とプロセスに関して
本質的な解決策を研究し、そして見出すに至った。
【０００６】近年、熱硬化性複合材料の構造体の部品を
製造するための技術が一般的に採用されるようになって
きている。この製造方法は、熱硬化性樹脂で予め含浸さ
れたカーボンファイバ、ガラスファイバなどの層を成形
工具を用いて形成することである。
【０００７】層を互いにしっかりと固定し、所望の形状
を与えるために、層は成形工具の表面と真空袋としての
公知の外部柔軟性容器との間で封じられた。
【０００８】航空分野と他の応用のために複合材料の構
造体の部品を採用することは、構造体の２つの表面を結
合する強化部材や桁等を備えていようとも、１つの工程
で一体的な箱型構造を製造することが可能であるため、
製造コストの削減と品質の改善に関して多大な利益をも
たらす。
【０００９】この製造プロセスは、今日まで複合層形成
設備を用いて行なわれたが、しばしば製造するのに高価
であり、かつ重合のために長い加熱時間を必要とし、重
合プロセスの間、全体の表面にわたって均一な圧力分布
を確保することができなかった。
【００１０】したがって、圧力を均一に加えることは、
先行技術において最も重要な問題である。
【００１１】本発明の主な目的は、ファイバで強化され
た複合材料の一体的な構造を製造するための改善された
方法を提供することであり、そのような構造の先行技術
の製造方法の欠点を回避することである。
【００１２】また、本発明の目的は、低いコストで高い
品質で複合材料の一体的な構造を製造する改善された方
法を提供することである。
【００１３】さらに、この発明の目的は、重合プロセス
の間、全体の表面にわたって均一な圧力分布を確保する
ことが可能な、複合材料の一体的な構造を製造するため
の方法を提供することである。
【００１４】この発明の１つの局面に従ったファイバ複
合材料の構造体を製造するための方法は、以下のステッ
プを備える。
【００１５】（１） カーボンファイバ、アラミドファ
イバまたはガラスファイバによって強化された高分子マ
トリックス材料を冷蔵庫から取出すステップ。
【００１６】（２） 複数個の支持部材を有する成形工
具の上に適合するように高分子マトリックス材料を切断
するステップ。
【００１７】（３） 支持部材の各々を内部仕切り膜で
被覆した後、支持部材の各々の端部側に余剰部分を含ん
だ状態で支持部材の各々を管形袋で被覆するステップ。
【００１８】（４） 支持部材の各々を管形袋の上から
通気材料で被覆し、通気材料の端縁を接着テープで固定
するステップ。
【００１９】（５） 内部仕切り膜、管形袋および通気
材料で被覆された支持部材の各々を、支持部材の各々の
端部側に余剰部分を含んだ状態で外部仕切り膜で被覆す
るステップ。
【００２０】（６） 密閉材を用いて外部仕切り膜の各
端部を封じ、外部仕切り膜の各端部に真空形成バルブを
取付けるステップ。
【００２１】（７） 外部仕切り膜の内側を真空にし、
外部仕切り膜が支持部材に対して締め付けるようにする
ステップ。
【００２２】（８） 予備成形された複数個の桁を外部
仕切り膜で締め付けられた支持部材の各々の上に配置す
るステップ。
【００２３】（９） 切断された高分子マトリックス材
料を成形工具の上板と下板の上に配置して、上部スキン
と下部スキンとを形成するステップ。
【００２４】（１０） 下板の上に、予備成形された桁
を備えた支持部材を配置するステップ。
【００２５】（１１） 桁の間に充填材を配置するステ
ップ。 （１２） 下板の上に配置された、予備成形された桁を
備えた支持部材の上に上板を配置して組立体を形成する
ステップ。
【００２６】（１３） 組立体を仕切り膜と通気材料で
被覆するステップ。 （１４） 組立体を外部袋膜で被覆して密閉材で成形工
具の下板に封止するステップ。
【００２７】（１５） 外部仕切り膜の各々の端部を開
け、支持部材の長さに対して余剰部分を切断するステッ
プ。
【００２８】（１６） 管形袋の端部を開けるステッ
プ。 （１７） 外部袋膜の端縁を下板の上と管形袋の端部と
に封止することによって外部袋を形成するステップ。
【００２９】（１８） 外部袋が成形工具の外部表面上
を締め付けるまで外部袋の内側を真空にするステップ。
【００３０】（１９） 組立体をオートクレーブまたは
オーブンに移動して、高分子マトリックス材料の重合化
を行なうステップ。
【００３１】また、この発明の別の局面に従った複合材
料の一体的な箱型構造体を製造するための方法は、以下
のステップを備える。
【００３２】（ａ） 複数個の細長い支持部材のそれぞ
れのまわりに、支持部材の外方に連続して、内部仕切り
膜と、膜の閉鎖袋と、通気材料と、外部仕切り膜とを形
成して、複数の支持組立体を作るステップ。
【００３３】（ｂ） 成形工具の下板の上に、熱硬化性
の重合可能なファイバ強化材料の下部スキンを配置する
ステップ。
【００３４】（ｃ） 支持組立体のまわりにファイバ強
化材料の予備成形された１対の桁を適合させ、支持組立
体を、その上の予備成形された桁とともに下部スキンの
上に配置するステップ。
【００３５】（ｄ） 支持組立体の上の桁にファイバ強
化材料の上部スキンを与えるステップ。
【００３６】（ｅ） 成形工具の上板を上部スキンの上
に配置するステップ。 （ｆ） 上板および支持組立体を袋に封入し、膜の閉鎖
袋を開け、膜の閉鎖袋を袋に接合して、ファイバ強化材
料が上板と下板に接触する部分を除いてファイバ強化材
料の表面すべてを密接に囲む袋状包囲体を形成するステ
ップ。
【００３７】（ｇ） 袋状包囲体の内部を真空にしてフ
ァイバ強化材料に均一の圧力を加えるステップ。
【００３８】（ｈ） ファイバ強化材料を加熱して重合
化するステップ。上記の製造方法において、好ましく
は、閉鎖袋を開けるときに支持部材が閉鎖袋から取除か
れる。また、上記の製造方法において、好ましくは、閉
鎖袋が支持部材のまわりに密接に適合するように閉鎖袋
の中が真空にされる。
【００３９】この発明の製造方法によれば、重合化プロ
セスにおいて全表面にわたって均一な分布を有する圧力
を加えることが可能になる。これにより、低い製造コス
トで高い品質の複合材料の構造体または一体的な箱型構
造体を製造することができる。
【００４０】発明をよりよく理解するために、図面を用
いて説明する。図１は、予備成形された桁を示す。その
桁は、充填材１と、予備成形された２つの桁の半体２
と、下部スキン（skin）３と、成形工具の下板４とを含
む。
【００４１】図２は、成形工具としての補助板の上に与
えられる支持部材を示している。支持部材は、固定部材
５と、側板６と、支持部材７とを含む。
【００４２】図３は、支持部材を備えた成形工具を示し
ている。その成形工具は、固定部材５と、成形工具の下
板４と、側板６と、支持部材７と、成形工具の上板８と
を含む。
【００４３】図４は、管形袋を備える支持部材を示して
いる。支持部材７と閉鎖袋として内部管形袋１１とが示
されている。
【００４４】図５は管形袋を示している。真空形成バル
ブ１４と密閉材１５とが示されている。
【００４５】図６は、管形袋と支持部材を含む部分を示
している。支持部材７と、内側の分離部材としての内部
仕切り膜１０と、閉鎖袋としての内部管形袋１１と、通
気材料１２と、外部仕切り膜１３と、真空形成バルブ１
４とが示されている。
【００４６】図７は、桁の半体の配置を示している。予
備成形された桁の半体２と、図６に従って層によって被
覆された支持部材７とが示されている。
【００４７】図８は、桁の半体を適切な位置に配置した
補助支持部材の部分を示している。予備成形された桁の
半体２と、支持部材７と、内部仕切り膜１０と、内部管
形袋１１と、通気材料１２と、外側の分離部材としての
外部仕切り膜１３とが示されている。
【００４８】図９は、成形工具のプレートを示してい
る。一体的な構造の下部スキン３と、一体的な構造の上
部スキン１９と、成形工具の下板４と、成形工具の上板
８とが示されている。
【００４９】図１０は、最終の袋の組立体を示す。その
袋の組立体は、上板８および下板４と、側板６と、支持
部材７と、外部袋の部材として外部袋膜１６、通気材料
１７、仕切り膜１８とを含む。外部袋の部材は、仕切り
膜１８と、通気材料１７と、外部袋膜１６と、真空形成
バルブ１４と、密閉材１５とを含む。
【００５０】この発明は、例示的でかつ限定されない目
的のために添付の図面を参照して説明される。強化部材
を備えた箱型構造体を単一の繰り返される工程で製造す
ることは、以下の材料と、工具と、設備とが利用可能で
あることを必要とする。
【００５１】−カーボン、アラミド、ガラスおよび類似
のもののような種々の性質のファイバで強化された、予
め含浸された高分子マトリックス材料のロール −真空袋を形成する補助材料 −温度、湿度、塵含有量の点で制御された環境 −温度および圧力サイクルが実行され得る閉鎖容器から
なるオートクレーブ例示的でかつ限定されない目的のた
めに、本発明の好ましい実施の形態について以下に説明
する。
【００５２】実際、システムと製造方法の手順は、ある
ステップおよび／または材料を、それらの本来の特徴や
特性が失われないのであれば、逆にすることによって実
現されてもよい。
【００５３】高分子マトリックス材料を約−２０℃の低
い温度で保存している冷蔵庫から取出して準備する。そ
の後、外部の保護被膜の上に露ができなくなるまで、つ
まり周囲の温度に到達するまで高分子マトリックス材料
を放置する。
【００５４】所望の構造体に必要とされる寸法と量に従
って、予め含浸された高分子マトリックス材料を切断す
る。
【００５５】成形工具は、膜またはスプレーによって形
成される膜、またはテフロンあるいはその他のもののよ
うな仕切り材を与えることによって準備される。
【００５６】製造方法は以下のステップからなる。 （ａ） 各々の補助的な支持部材７を、後日、取除くの
が容易になるように内側の分離部材としての内部仕切り
膜１０で被覆した後、後工程の封止工程のために支持部
材７の端部側に余剰部分を約２分の１メートル含んだ状
態で支持部材７を閉鎖袋としての内部管形袋１１で被覆
する。
【００５７】（ｂ） 支持部材７の各々を内部管形袋１
１の上から通気材料１２で被覆した後、通気材料の端縁
を接着テープのような適切な密閉材で固定する。
【００５８】（ｃ） 後工程の封止工程のために支持部
材７の各々の端部側に少なくとも２分の１メートルの余
剰部分を含んだ状態で、支持部材７の各々を、内部仕切
り膜１０、内部管形袋１１、通気材料１２の上から、外
側の分離部材としての外部仕切り膜１３で被覆する。
【００５９】（ｄ） 密閉材１５を用いて外部仕切り膜
１３の各端部を封じ、真空を作り出すための真空形成バ
ルブ１４を外部仕切り膜の各端部に取付ける。
【００６０】（ｅ） 外部仕切り膜１３の内側を真空に
し、外部仕切り膜１３が支持部材７のまわりを締め付け
るまで待機する。
【００６１】（ｆ） ステップ（ａ）〜（ｅ）に従って
準備された支持部材７の各々の上から、全体構造の予備
成形された桁の半体（図１２）を重ねて配置する。
【００６２】予備成形は、予め含浸された材料が重合プ
ロセスを経過しないで、予め定められた形状を有するよ
うに、真空状態で加熱されることによって行なわれる。
【００６３】（ｇ） 成形工具の下板４と上板８のそれ
ぞれの上に下部スキン３と上部スキン１９の予め含浸さ
れた材料の層を重ねて配置する。
【００６４】（ｈ） 予備成形された桁を備えた支持部
材を下板４の上に配置する。 （ｉ） 桁の半体２の間に充填材１を配置する。
【００６５】（ｊ） 組立体の上に、すなわち、下板４
の上に配置された、予備成形された桁を備えた支持部材
７の上に、予め含浸された材料の層である上部スキン１
９を有する上板８を配置して組立体を形成する。
【００６６】（ｋ） 上記の組立体のすべての上にシー
ト分離材としての仕切り膜１８と通気材料１７を重ねて
配置する。
【００６７】（ｌ） 上記の組立体のすべての上に、外
部袋膜１６を配置して、密閉材１５で成形工具の下板４
の上に外部袋膜１６を封止する。
【００６８】（ｍ） 外部仕切り膜１３の各端部を開
け、支持部材７の長さに対して余剰部分の外部仕切り膜
１３を切断する。
【００６９】（ｎ） 内部管形袋１１の各端部を開け、
それらの端部で密閉材１５を用いて封止する。
【００７０】（ｏ） 外部袋膜１６の端縁を下板４の上
に、また、外部袋膜１６の端縁を内部管形袋１１の端部
に、それぞれ封止することによって外部袋を形成する。
【００７１】（ｐ） 必要な数の真空形成バルブ１４を
取付ける。 （ｑ） 外部袋膜１６が下板４、側板６および上板８か
らなる成形工具の外側表面を締め付けるまで、外部袋膜
１６の内側を真空にする。
【００７２】（ｒ） 内部管形袋１１の各々の端部を開
く。 （ｓ） 外部袋膜１６の内側を真空にし続ける。内部管
形袋１１は、外部袋に閉じ込められる容積を最小限にし
て支持部材７から分離するであろう。
【００７３】（ｔ） 支持部材７を取出す。 （ｕ） 組立体をオートクレーブまたはオーブンまたは
その他のものに移動して重合プロセスを行なう。
【００７４】以上に説明された本発明の製造方法とそれ
に関連する装置は以下のことに役立つ。
【００７５】−予備成形された棒状体を正しく配置し、
それらを成形工具が閉じている間、また外部袋を準備し
ている間にその位置を保持すること。
【００７６】−重合プロセスの間、図１１に示されるよ
うに構造体を構成する部材の全表面にわたって均一に圧
力を与えること。
【図面の簡単な説明】
【図１】予備成形された桁を示す図である。
【図２】成形工具の下板の上で補助的な支持部材を示す
概略図である。
【図３】支持部材を備えた成形工具を示す概略的な図で
ある。
【図４】管形袋を備えた支持部材を示す図である。
【図５】管形袋を示す図である。
【図６】図４のＢ−Ｂ線に沿った断面図であり、管形袋
と支持部材を示す図である。
【図７】桁の半体の位置を示す図である。
【図８】桁の半体を適切な位置に備えた支持部材を示す
図である。
【図９】成形工具の上板と下板とを示す図である。
【図１０】最終の袋組立体を示す図である。
【図１１】圧力分布を示す概略的な図である。
【図１２】強化部材を備えた箱型構造を示す図である。
【符号の説明】
１ 充填材 ２ 桁の半体 ３ 下部スキン ４ 成形工具の下板 ５ 固定部材 ６ 側板 ７ 支持部材 ８ 成形工具の上板 １０ 内部仕切り膜 １１ 内部管形袋 １２ 通気材料 １３ 外部仕切り膜 １４ 真空形成バルブ １５ 密閉材 １６ 外部袋膜 １７ 通気材料 １８ 仕切り膜 １９ 上部スキン
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) B29C 70/02 - 70/56

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 ファイバ複合材料の構造体を製造するた
    めの方法であって、 カーボンファイバ、アラミドファイバまたはガラスファ
    イバによって強化された高分子マトリックス材料を冷蔵
    庫から取出すステップと、 複数個の支持部材を有する成形工具の上に適合するよう
    に前記高分子マトリックス材料を切断するステップと、 前記支持部材の各々を内部仕切り膜で被覆した後、前記
    支持部材の各々の端部側に余剰部分を含んだ状態で前記
    支持部材の各々を管形袋で被覆するステップと、 前記支持部材の各々を前記管形袋の上から通気材料で被
    覆し、前記通気材料の端縁を接着テープで固定するステ
    ップと、 前記内部仕切り膜、前記管形袋および前記通気材料で被
    覆された前記支持部材の各々を、前記支持部材の各々の
    端部側に余剰部分を含んだ状態で外部仕切り膜で被覆す
    るステップと、 密閉材を用いて前記外部仕切り膜の各端部を封じ、前記
    外部仕切り膜の各端部に真空形成バルブを取付けるステ
    ップと、 前記外部仕切り膜の内側を真空にし、前記外部仕切り膜
    が前記支持部材に対して締め付けるようにするステップ
    と、 予備成形された複数個の桁を前記外部仕切り膜で締め付
    けられた前記支持部材の各々の上に配置するステップ
    と、 前記切断された高分子マトリックス材料を成形工具の上
    板と下板の上に配置して、上部スキンと下部スキンとを
    形成するステップと、 前記下板の上に、前記予備成形された桁を備えた前記支
    持部材を配置するステップと、 前記桁の間に充填材を配置するステップと、 前記下板の上に配置された、前記予備成形された桁を備
    えた前記支持部材の上に前記上板を配置して組立体を形
    成するステップと、 前記組立体を仕切り膜と通気材料で被覆するステップ
    と、 前記組立体を外部袋膜で被覆して密閉材で前記成形工具
    の下板に封止するステップと、 前記外部仕切り膜の各々の端部を開け、前記支持部材の
    長さに対して余剰部分を切断するステップと、 前記管形袋の端部を開けるステップと、 前記外部袋膜の端縁を前記下板の上と前記管形袋の端部
    とに封止することによって外部袋を形成するステップ
    と、 前記外部袋が前記成形工具の外部表面上を締め付けるま
    で前記外部袋の内側を真空にするステップと、 前記組立体をオートクレーブまたはオーブンに移動し
    て、前記高分子マトリックス材料の重合化を行なうステ
    ップとを備えた、ファイバ複合材料の構造体を製造する
    ための方法。
  2. 【請求項２】 複合材料の一体的な箱型構造体を製造す
    るための方法であって、 （ａ） 複数個の細長い支持部材のそれぞれのまわり
    に、前記支持部材の外方に連続して、内部仕切り膜と、
    膜の閉鎖袋と、通気材料と、外部仕切り膜とを形成し
    て、複数の支持組立体を作るステップと、 （ｂ） 成形工具の下板の上に、熱硬化性の重合可能な
    ファイバ強化材料の下部スキンを配置するステップと、 （ｃ） 前記支持組立体のまわりに前記ファイバ強化材
    料の予備成形された１対の桁を適合させ、前記支持組立
    体を、その上の前記予備成形された桁とともに前記下部
    スキンの上に配置するステップと、 （ｄ） 前記支持組立体の上の前記桁に前記ファイバ強
    化材料の上部スキンを与えるステップと、 （ｅ） 前記成形工具の上板を前記上部スキンの上に配
    置するステップと、 （ｆ） 前記上板および前記支持組立体を袋に封入し、
    前記膜の閉鎖袋を開け、前記膜の閉鎖袋を前記袋に接合
    して、前記ファイバ強化材料が前記上板と前記下板に接
    触する部分を除いて前記ファイバ強化材料の表面すべて
    を密接に囲む袋状包囲体を形成するステップと、 （ｇ） 前記袋状包囲体の内部を真空にして前記ファイ
    バ強化材料に均一の圧力を加えるステップと、 （ｈ） 前記ファイバ強化材料を加熱して重合化するス
    テップとを備えた、複合材料の一体的な箱型構造体を製
    造するための方法。
  3. 【請求項３】 前記閉鎖袋を開けるときに前記支持部材
    が前記閉鎖袋から取除かれる、請求項２に記載の方法。
  4. 【請求項４】 前記閉鎖袋が前記支持部材のまわりに密
    接に適合するように前記閉鎖袋の中が真空にされる、請
    求項３に記載の方法。
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