JP4326311B2

JP4326311B2 - 偏平曲がり梁

Info

Publication number: JP4326311B2
Application number: JP2003400529A
Authority: JP
Inventors: 健太郎島
Original assignee: Toho Rayon Co Ltd
Current assignee: Toho Rayon Co Ltd
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2009-09-02
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP2005161572A

Description

本発明は、繊維強化樹脂複合材料からなる中空の偏平曲がり梁に関する。

中空の繊維強化樹脂複合材料からなる梁は、軽量で高い剛性を有していることから、例えば産業用ロボットのアーム等に用いられている。

繊維強化樹脂複合材料からなる中空の梁に関連する従来技術としては、例えばプリプレグを巻き付けたマンドレルの外周に補助型を配置してプリプレグを加圧した状態で加熱して硬化させる筒状体の製造方法がある（特許文献１参照）。
特開２０００−３０１６１２号公報（請求項１）

中空の繊維強化樹脂複合材料からなるロボットアームは、通常一方向プリプレグを用いた内圧成形法により製造される。アームが真っ直ぐな筒状体である場合、その製造に際してはアームの長手方向に対する剛性を高めるため、一方向プリプレグの強化繊維の繊維軸方向とアームの長手方向が一致するように一方向プリプレグが配備される。

しかしながら、曲がったアームを製造する場合には、アームの形状にあわせて一方向プリプレグをカットして型に敷設したときに、アームの長手方向と強化繊維の繊維軸方向が一致しない部分が生じ、十分な強度を得ることができない場合がある。

十分な強度を有する曲がったロボットアームを製造する方法としては、例えば筒状に編んだ強化繊維に未硬化マトリックス樹脂を含浸させ組紐プリプレグとし、これを使用する方法も考えられる。しかしながら、強化繊維の組紐は断面形状が一定の形状であるため、組紐プリプレグをアームの曲率や異形断面に沿わせて配置しアームの成形を行うことは非常に困難である。

本発明者は鋭意研究の結果、特定の形状を有する偏平曲がり梁であって、複数の一方向プリプレグを繊維軸方向を梁の長手方向に沿わせて型に配置し内圧成形法により製造した偏平曲がり梁は、偏平面の繊維軸方向が梁の長手方向に沿って配列しているため剛性が高く、容易に製造できることを見出し本発明を完成するに到った。

上記課題を解決する本発明は、以下に記載するものである。

〔１〕強化繊維で強化した硬化樹脂からなる複合材料で形成した中空の偏平曲がり梁であって、前記偏平曲がり梁はその偏平面方向に向かって略Ｌ字状に曲がると共に、前記偏平面が一方向強化繊維で強化された複数の複合材料シートブロックで形成され、かつ複合材料シートブロックの繊維軸方向が前記偏平曲がり梁の長手方向に沿っている偏平曲がり梁。

〔２〕偏平面を形成する複合材料シートブロックの数は梁の曲がり角度が、１８０度未満１５０度以上の場合には２、１５０度未満９０度以上の場合には３、９０度未満０度以上の場合には４である〔１〕に記載の偏平曲がり梁。

本発明の偏平曲がり梁は、梁の偏平面を形成する複合材料の繊維軸方向が梁の長手方向に沿っているため、剛性が高い。また、梁の曲がり角度にあわせて複数枚の一方向プリプレグを用いて製造するため、一枚の一方向プリプレグを使用する場合と比較してカットの歩留まりが向上する。

以下、本発明の偏平曲がり梁について、ロボットアームを例に用いて説明する。ロボットアームの一例の横断面図を図１に、縦断面図を図２に示す。図２は、ロボットアームの長手方向に対して垂直断面の断面図を示したものである。ロボットアーム１の長手方向に対して垂直断面の形状は、厚さ（偏平面２４、２６間距離）に対して幅広の偏平な略四辺形である。図１において、ロボットアーム１は、両端２０、２２が閉塞し、ロボットに装着する際の固定端２０から自由端２２に向かうに従って漸次細く形成した中空筒状で、その中央部で偏平面２４、２６方向（図２における断面の長軸方向）にＬ字状に略９０度曲がっている。ロボットアーム１の偏平面２４と２６は平面である。

ロボットアーム１は強化繊維で強化した硬化樹脂からなる複合材料で形成される。その偏平面２４、２６は、強化繊維の繊維軸方向が異なる３つの一方向複合材料シートブロックにより構成される。偏平面２４を構成する３つの複合材料シートブロックを、ロボットアームの固定端２０から自由端２２へ順に固定端側シートブロック３、中央側シートブロック５、自由端側シートブロック７とする。固定端側シートブロック３、中央側シートブロック５、自由端側シートブロック７は、それぞれ平行に配列した直線状の強化繊維集合体と硬化樹脂とからなり、それぞれの複合材料シートブロックを構成する強化繊維の繊維軸方向は、図１中に示すａ、ｂ、ｃの方向と一致する。ａ、ｂ、ｃの方向は、それぞれの複合材料シートブロックにおいてほぼロボットアーム１の長手方向に相当する。固定端側シートブロック３、中央側シートブロック５、自由端側シートブロック７のそれぞれの境界部９、１１においては、隣り合う複合材料シートブロックが重なり合い強化繊維同士が交差する。本例の場合、隣接する複合材料シートブロックの強化繊維の交差角度はいずれも略１３５度である。

なお、本発明においてロボットアームの曲がり角度、偏平面を構成する一方向複合材料シートブロックの数、隣接する一方向複合材料シートブロック同士の強化繊維の交差角度の制限はないが、ロボットアームの曲がり角度に比べて一方向複合材料シートブロックの数が少ないとアームの剛性を高める効果が少ないものとなりやすく、数が多いと製造工程においてプリプレグのカット数とレイアップ工程が多くなり成形効率が低下する傾向がある。従って、本発明においては、ロボットアームの曲がり角度に応じて複合材料シートブロックの数を決定することが好ましい。ロボットアームの曲がり角度が１８０度未満１５０度以上である場合には図３に示すように複合材料シートブロックの数を２とすることが好ましく、１５０度未満９０度以上である場合には図４に示すように３とすることが好ましく、９０度未満０度以上である場合には図５に示すように４とすることが好ましい。なお、図３〜５に示すロボットアームは両端が閉じた偏平筒状体であって、ａ〜ｄの符号は、それぞれの複合材料シートブロックにおける強化繊維の繊維軸方向を示す。

ロボットアームの曲がり角度がいずれであっても、隣接する複合材料シートブロック同士の交差角度が１２０度以上１８０度未満となるように複合材料シートブロックの数を決定することが好ましい。複合材料シートブロックの数は、製造工程において型に敷設する一方向プリプレグの数により決定されるので、プリプレグの数を調整することにより所望のものとすることができる。複合材料シートブロック同士の交差角度が１２０度未満であると得られる偏平曲がり梁の剛性が低下し、強度が弱いものとなりやすい。

上記説明においては、１層の複合材料からなるロボットアームを例として説明したが、本発明はこれに制限されない。ロボットアームは少なくともいずれか１層が上記の構造を有していれば複数層の複合材料で形成されていてもよく、強化繊維の配列が異なる他の層を有していてもよい。

また、図１においてはロボットアームの偏平面２４についてのみ説明したが、偏平面２６についても同様である。本発明においては、偏平面２４又は２６のいずれかが複数の複合材料シートブロックで構成され、前記ブロックの繊維軸方向がアームの長手方向に沿って配列していればよいが、いずれの偏平面においても複数の複合材料シートブロックの繊維軸方向が長手方向に沿って配列していることが好ましい。

以下、図６を参照して本発明の偏平曲がり梁の一例であるロボットアームの製造方法について説明する。

まず、上型３０と下型３２が形成する断面が略角を丸めた四辺形の分割型１００のキャビティ内に、アームの曲がり角度に応じた枚数にカットしたプリプレグ３４、３６を順次敷設する（図６（ａ））。プリプレグを敷設する際には、強化繊維の繊維軸方向をアームの長手方向に沿わせて敷設する。隣接するプリプレグの端部側同士は重なるように敷設することが好ましい。

プリプレグとしては、炭素繊維等の強化繊維を一方向に引き揃えたシートにエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を含浸させたものが例示できる。

次いで、下型３２のキャビティー内に膨張バッグ３８をセットして上型３０を下型３２に型締めする（図６（ｂ））。

膨張バッグ３８に気体、液体等の流体４０を充填し、膨張バッグ３８を膨張させることにより内圧成形を行う（図６（ｃ））。膨張バッグ３８が膨張することにより、プリプレグ３４、３６は型の内側から外部方向に向って加圧され分割型１００の内表面に密着する。

その後、分割型１００の内表面に密着した状態のプリプレグ３４、３６を加熱し、硬化させる。プリプレグが硬化した後、内部の膨張バッグ３８を取り除いてロボットアームを得る。

なお、プリプレグ３４、３６としては公知の一方向プリプレグを制限なく用いることができる。

膨張バッグ３８の形状は特に限定されないが、製造するロボットアームに合わせた形状とすることが好ましい。また、膨張バッグ３８の材質は特に制限されず、内圧成形法で用いられる公知のものを用いることができる。

内圧成形を行う際にプリプレグへ加える圧力は０．０５〜１ＭＰａとすることが好ましい。

プリプレグからしみ出した余分な樹脂を吸収したり、成形品を取出す際の離型性を高める目的で、プリプレグと膨張バッグとの間に必要によりピールクロス、ブレザークロス等を重ねて用いてもよい。

更に、上記例においては断面が略角を丸めた四辺形の２つの分割型を用いて説明したが、分割型の断面の形状を偏平面が平らな幅広の任意の四辺形とすることが可能である。また、分割型の分割数は任意である。

実施例
上型と下型が形成する分割型のキャビティ内表面に、織物プリプレグ（Ｗ−３１０１：東邦テナックス社製、１ｐｌｙ）を敷設し、次いで敷設した織物プリプレグ上に一方向プリプレグ（Ｑ−１１２：東邦テナックス社製）を積層した。一方向プリプレグは、上型又は下型が形成するキャビティの長手方向に沿って１ｐｌｙにつき一端側、中央側、他端側の３枚にカットし、それぞれのプリプレグの繊維軸方向が長手方向に一致するように５ｐｌｙ敷設した。なお、分割型が形成するキャビティは、長手方向の曲線距離がおよそ２５ｃｍで、長手方向に対する垂直断面がおよそ幅８ｃｍ、高さ３ｃｍの略四辺形であって、中央部が前記四辺形の幅方向に１００度曲折している。その後、膨張バッグ（ＷＲＩＧＨＴＬＯＮ＃７４００：ＡＩＲＴＥＣＨ社製）をキャビティ内に配置し、上型と下型とを型締めした。バッグに気体を充填し、圧力０．５ＭＰａで加圧下、１２０℃中２時間プリプレグを加熱硬化した。バッグを取り除いてロボットアームを得た。

得られたロボットアームの偏平面が水平になるようにアームの一端（固定端）側を固定し、その状態でアームの他端（自由端）に１ｋｇｆの荷重を負荷した。自由端のたわみ量からアームの剛性を算出したところ、８．３×１０⁷ｋｇｆ・ｍｍ²であった。なお、アームの固定中心と自由端の直線距離は１９８ｍｍであった。

比較例
一方向プリプレグを連続した１枚とし、５ｐｌｙ敷設したほかは実施例と同様にしてロボットアームを得た。得られたロボットアームについて実施例と同様に剛性を算出したところ、６．９×１０⁷ｋｇｆ・ｍｍ²であった。

本発明の偏平曲がり梁の一例であるロボットアームの一例を示す横断面図である。図１のロボットアームの縦断面図である。本発明の偏平曲がり梁の一例であるロボットアームの他の例を示す横断面図である。本発明の偏平曲がり梁の一例であるロボットアームの他の例を示す横断面図である。本発明の偏平曲がり梁の一例であるロボットアームの他の例を示す横断面図である。本発明の偏平曲がり梁の一例であるロボットアームの製造方法の一例を示す説明図である。

符号の説明

１ロボットアーム
３固定端側シートブロック
５中央側シートブロック
７自由端側シートブロック
９、１１境界部
２０固定端
２２自由端
２４、２６偏平面

Claims

強化繊維で強化した硬化樹脂からなる複合材料で形成した中空の偏平曲がり梁であって、前記偏平曲がり梁はその偏平面方向に向かって略Ｌ字状に曲がると共に、前記偏平面が一方向強化繊維で強化された複数の複合材料シートブロックで形成され、かつ複合材料シートブロックの繊維軸方向が前記偏平曲がり梁の長手方向に沿っている偏平曲がり梁。
偏平面を形成する複合材料シートブロックの数が、梁の曲がり角度が１８０度未満１５０度以上の場合には２、１５０度未満９０度以上の場合には３、９０度未満０度以上の場合には４である請求項１に記載の偏平曲がり梁。