JP4298048B2 - 複合材の成形方法および成形装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば航空機の構造部材として利用される熱可塑性樹脂複合材製品を成型加工するための複合材の成形方法および成形装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
繊維強化樹脂複合材は、比強度、耐食性等の機械的性質に優れているため、航空機の構造部材として使用されている。
最近、繊維強化樹脂複合材として、従来から利用されてきた熱硬化性樹脂複合材に加えて、高耐熱性の熱可塑性樹脂をマトリックスとして炭素繊維やガラス繊維を混入した熱可塑性樹脂複合材が注目されている。
【0003】
熱硬化性樹脂複合材や熱可塑性樹脂複合材を成形するには、平板状に積層したプリプレグ積層品をL字形やコ字形に成形し、成形したプリプレグ積層品をオートクレーブやプレス機械を用いて再成形することで行っている。
【0004】
被成形品の曲げ部に対応した曲面を有する2つの成形型と、2つの成形型の端面に曲面の曲率半径中心に軸線を一致して設けられた支持軸と、この支持軸に装着された回転ブロックとを有し、成形型上面のプリプレグ積層品を押圧した状態で回転ブロックにより成形する複合材の成形装置は、たとえば特開平4−220327号公報に記載されている。
【0005】
被成形品の曲げ部に対応した曲面を有する2つの成形型と、2つの成形型の端面に曲面の曲率半径中心に軸線を一致して設けられた支持軸と、この支持軸に装着された回転ブロックと、突出部を有し成形型の上面に設けられた薄板を備え、成形型上面のプリプレグ積層品および成形型上面に設けられた薄板を押圧した状態で回転ブロックにより成形する複合材の成形装置は、たとえば特開平6−339984号公報に記載されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
複合材を真空バッグで覆う方式の成形手段では、熱可塑性樹脂複合材の成形温度が真空バッグを構成するシート材料の耐熱温度より高い場合、予備成形することがでぎず、複合材成形品の成形条件の制限となっている。
【0007】
成形型上面のプリプレグ積層品をプレートにより成形型上面に押圧し、押圧したプリプレグ積層品を回転ブロックにより成形する複合材の成形装置では、プレートと回転ブロックの間のプリプレグ積層品を成形型に押圧させる力が働かない部分(R部)があるため、成形品のプレートと回転ブロックの間の部分に段差やうねりが発生することがある。
【0008】
従来の成型治具(回転ブロック)では、回転マンドレル自体が繰り返して使用されると、回転マンドレルが熱歪みにより動きがにぶくなるとともに、回転マンドレルを平板の板厚に合わせて調整しなければならず、しかも、構造的にジョグル部の成形を行うことができない。
【0009】
本発明は上記した点に鑑みてなされたもので、成形品を安定した品質で安価に成形できる複合材の成形方法および成形装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明の複合材の成形装置は、上面両端部にそれぞれ複数の案内ロッドを立設した略直方体の下型と、この下型に組み合わされる一対の上型とを有し、各上型は断面逆L形をなし、上型の上部に案内ロッドが挿通される孔を設けるとともに、上型の下端に外方に広がる曲面部を有する構成であり、しわを発生させることなく、安定した品質の複合材成形品を成形できる。
【0011】
本発明の複合材の成形方法は、上面両端部に案内ロッドを立設した略直方体の下型と上部に案内ロッドが挿通される孔および下端に外方に広がる曲面部を有する断面逆L形の上型を加熱する工程と、下型の上にプリプレグを配置し下型の上方に上型を配置する工程と、下型と上型とプリプレグを加熱する工程と、上型を下降させて下型の上に配置されたプリプレグを屈曲させる工程と、プリプレグを上型と下型により押圧した状態で加熱する工程と、プリプレグを上型と下型によりさらに高い押圧力で押圧する工程と、成形された複合材を冷却して上型と下型から取り外す工程とから構成され、成形品にしわを発生させることなく成形型になじんだ形状に成形することができる。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は本発明による複合材の成形装置の正面図、図2は本発明による複合材の成形装置の上面図、図3は本発明による複合材の成形装置の側面図を示す。
【0013】
図1ないし図3において、符号1は本発明による複合材の成形装置の下型を示し、この下型1は、全体形状を略直方体とし、上面1aおよび側面1bに成形面2が形成されている。下型1の上面1aの両端部の側端に近い部位にはそれぞれ対をなす案内ロッド3aおよび案内ロッド3bが垂直方向に延びるように立設されている。案内ロッド3aおよび案内ロッド3bは同一径の円柱ロッドであるが、必要に応じて、上端を下端より小径とした円柱ロッドとすることもできる。対をなす案内ロッド3a,3bにそれぞれ上型4,4が上下方向に摺動自在に装着される。
【0014】
上記上型4は、断面逆L形をなし上面部4aに案内ロッド3a,3bが挿通されるカラー6が圧入された孔を有し、カラー6の孔5a,5bの直径は円柱ロッドの外径より0.25〜0.50mm程度大きく設定されている。上型4のカラー6が圧入される上記孔の位置は、成形される製品や積層されるプリプレグの枚数により適切に決められる。カラー6は、上型4を案内ロッド3a,3bに挿通した時、上型4が案内ロッド3a,3bに片当たりするのを防ぐように作用する。
【0015】
上型4は、図6に示すように、カラー6の孔5a,5bを下型1に設けられた案内ロッド3a,3bに通し、案内ロッド3a,3bに沿って下降することで下型1に結合される。図示しないが上型4の内面にも成形面が形成されている。各上型4の側面部4bの下端外面には外面から下端が離れる方向に延びるように曲面板7が固着されている。上型4に設けられた曲面板7は、図1ないし図3に示す実施の形態では、上型4の長手方向に間隔を置いて複数設けられている。各曲面板7は、図4に示すように上端部をねじ8,8により上型4の側面部4bの下端部に固定される。曲面板7は、図5に示すよう上型4と一体成形することもできる。
【0016】
上記下型1の上に配置された上型4,4の間には、図2および図3に示すように、プリプレグ積層板9(図7)を下型1に固定するための上型10およびこの上型10を補強するための上型補強材11が配置されている。上型10はボルト12,12により下型1に固定される。
【0017】
つぎに、複合材の成形方法を図7ないし図10により説明する。
【0018】
成形の準備段階として、成形型治具である下型1と上型4と上型10を、加熱炉に入れ、下型1と上型4と上型10を、炉内温度430℃で2時間加熱処理して、下型1と上型4と上型10を400℃以上の温度に加熱する。
【0019】
ついで、400℃以上に加熱した下型1と上型4と上型10を加熱炉から取り出し、図7に示すように、下型1の成形面2の上にプリプレグ積層板9を配置し、プリプレグ積層板9の上に厚さ約0.3mmの鋼またはチタン製薄板13を配置する。この薄板13は、上型4と上型10の間に隙間が形成され、この隙間により成形品にしわが発生することを防ぐために配置され、上型4と上型10の間の隙間が少ない場合には薄板13を省くこともできる。薄板13の端部は下型1k側部曲げ端に一致する長さである。
【0020】
つぎに、図8に示すように、上型10を薄板13の上に配置し、図2に示すように、上型10をボルト12,12により下型1に固定する。固定した上型10の上に上型補強材11を配置する。これにより、プリプレグ積層板9は、成形されるウエブ部の中心を押えるように上型10でセットされる。
【0021】
つぎに、図9に示すように、ストッパ14を上型補強材11の上に配置し、上型4を上型4に設けた孔5a,5bが下型1に立設した案内ロッド3a,3bに整合するように下型1の直上にそれぞれ配置し、上型4に設けた孔5a,5bに案内ロッド3a,3bを通すことで、上型4を案内ロッド3a,3bに沿って上型補強材11に当接するまで下降させる。これにより、上型4,4は、下型1に対して間隔を置いて配置される。
【0022】
つぎに、これら全体を加熱炉内にセットし、温度420℃で20分加熱処理し、プリプレグ積層板9を395℃以上の温度に加熱する。成形品温度を均一にするために、プリプレグ積層板9はその温度395℃に5分間維持される。
【0023】
つぎに、図10に示すように、ストッパ14を上型補強材11から取り外し、上型4,4を案内ロッド3a,3bに沿ってさらに下降させる。上型4,4の下降により、上型4の下端に設けた曲面板7がプリプレグ積層板9の端部9aおよび薄板13の端部13aを下型の成形面2に沿って曲げる。これにより、プリプレグ積層板9は、しわの発生を抑えながら下型の成形面2に対応した成形面を有する複合材成形品が成形される。複合材成形品は、成形面の成形型治具(下型1および上型4)に対するなじみをよくするために、温度395℃に達するように温度420℃で10分間加熱処理されその温度395℃を5分間維持される。
【0024】
つぎに、複合材成形品および下型1および上型4を加熱炉から取り出し、下型1および上型4の温度がさめないうちに、下型1および上型4をコ字状をなしその端部に押圧用ボルトが取付けられている挟持具を用いて複合材成形品の成形形状が下型1および上型4の成形面になじむように押圧し、下型1、上型4および上型10が自然冷却により温度が50℃以下に下がったら、下型1から上型4と上型10を分離して、複合材成形品を下型1から取り外す。
【0025】
図11は本発明による複合材の成形装置の他の実施の形態を示し、図11に示す複合材の成形装置においては、薄板13を使用する場合は、薄板13のジョグル部20の隅部および角部に対応する部位に切欠きを設けておくとよい。これにより、ジョグル部付き成形品を成形することができる。
【0026】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明による複合材の成形装置は、上面両端部にそれぞれ複数の案内ロッドを立設した略直方体の下型と、この下型に組み合わされる一対の上型とを有し、各上型は断面逆L形をなし、上型の上部に案内ロッドが挿通される孔を設けるとともに、上型の下端に外方に広がる曲面部を有する構成であるので、プリプレグ積層板をしわの発生を抑えながら曲げ成形できるので、成形品にしわを発生させることなく、安定した品質で成形できる。
【0027】
また、本発明による複合材の成形装置は、上面両端部に案内ロッドを立設した略直方体の下型と上部に案内ロッドが挿通される孔および下端に外方に広がる曲面部を有する断面逆L形の上型を加熱する工程と、下型の上にプリプレグを配置し下型の上方に上型を配置する工程と、下型と上型とプリプレグを加熱する工程と、上型を下降させて下型の上に配置されたプリプレグを屈曲させる工程と、プリプレグを上型と下型により押圧した状態で加熱する工程と、プリプレグを上型と下型によりさらに高い押圧力で押圧する工程と、成形された複合材を冷却して上型と下型から取り外す工程とから構成されるので、プリプレグ積層板を先端よりしわの発生を抑えながら曲げ成形し、成形品にさらに高い押圧力を加えることで、成形品にしわを発生させることなく、成形型になじんだ形状に安定した品質で成形できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による複合材の成形装置の正面図。
【図2】本発明による複合材の成形装置の上面図。
【図3】本発明による複合材の成形装置の側面図。
【図4】本発明による複合材の成形装置の上型の一部を示す斜視図。
【図5】本発明による複合材の成形装置の上型の変形例を示す斜視図。
【図6】本発明による複合材の成形装置の上型と下型を分解して示す図。
【図7】本発明による複合材の成形方法の第1段階を示す図。
【図8】本発明による複合材の成形方法の第2段階を示す図。
【図9】本発明による複合材の成形方法の第3段階を示す図。
【図10】本発明による複合材の成形方法の第4段階を示す図。
【図11】本発明による複合材の成形装置の他の実施の形態を示す図。
【符号の説明】
1 下型
2 成形面
3a,3b 案内ロッド
4 上型
6 カラ−
7 曲面板
9 プリプレグ積層板
10 上板
11 上型補強材
Claims (3)
- 上面両端部にそれぞれ複数の案内ロッドを立設した略直方体の下型と、この下型に組み合わされる一対の上型とを有し、各上型は断面逆L形をなし、上型の上部に案内ロッドが挿通される孔を設けるとともに、上型の下端に外方に広がる曲面部を有することを特徴とする複合材の成形装置。
- 上面両端部に案内ロッドを立設した略直方体の下型と上部に案内ロッドが挿通される孔および下端に外方に広がる曲面部を有する断面逆L形の上型を加熱する工程と、下型の上にプリプレグを配置し下型の上方に上型を配置する工程と、下型と上型とプリプレグを加熱する工程と、上型を下降させて下型の上に配置されたプリプレグを屈曲させる工程と、プリプレグを上型と下型により押圧した状態で加熱する工程と、プリプレグを上型と下型によりさらに高い押圧力で押圧する工程と、成形された複合材を冷却して上型と下型から取り外す工程とを有する複合材の成形方法。
- 下型の上にプリプレグを配置し下型の上方に上型を配置する工程において、プリプレグの上に金属薄板を配置することを特徴とする請求項2に記載の複合材の成形方法。
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