JP4425424B2 - 繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品の製造方法、及びそれを用いた予備成形構造体の製造方法 - Google Patents

繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品の製造方法、及びそれを用いた予備成形構造体の製造方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品の製造方法、及びその方法を用いた予備成形構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化複合材（プリプレグ）からなるスティフンドパネルは軽量で高強度であるため、自動車、船舶、航空機等の胴体構造体に広く使用されている。スティフンドパネルは一般に、成形型上に繊維強化複合材からなるスキン及びスティフナ（ストリンガーやフレーム）を載置し、加圧バッグ等を使用して加熱・加圧することにより接着成形して製造する。スティフナは半硬化状態の予備成形構造体としてスキン上に配置し、その後スキンと一体化し本硬化するのが軽量化の観点から好ましい。
【０００３】
図１は上記予備成形構造体の一例を示す斜視図である。図１の予備成形構造体１は、Ｔ型単純形状半硬化物品2a及び2b（ストリンガー部材）を所定間隔で直線状に配列し、これらにＴ型ジョグル付き半硬化物品3a、3b及び3c（フレーム部材）のジョグルを重ね合わせて構成されている。図１に示す半硬化物品は面部及び突起部からなるＴ型の形状を有し、長手方向においては平面状又は一定曲率を持った曲面状である。半硬化物品としては他にもＣ型、Ｉ型等の断面形状を有するものが使用されている。
【０００４】
従来、上記ような半硬化物品は、所望の積層構造に合うように繊維強化複合材を別々に幾度も切断し、それらを成形型上に順次積層し、成形する方法により製造されている。しかしながらこの方法では、切断した繊維強化複合材を成形型上に順次積層する工程は手作業によるので、多大な労力を必要とする。特にジョグルを有する半硬化物品のような複雑形状のものの場合、積層作業が格段に難しくなり、品質にばらつきが生じやすい。また、長さの違いやジョグルの有無等により多数の専用型が必要であるため、高コストを招く。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従って本発明の目的は、繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品を安定した高い品質で製造することができ、従来法よりも工程数及びコストを削減可能な、ジョグル付き半硬化物品の製造方法を提供することである。本発明のもう一つの目的は、上記ジョグル付き半硬化物品の製造方法を用いることにより工程数及びコストを削減可能な、予備成形構造体の製造方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは繊維強化複合材を複数積層した平板状積層体を予め作製し、これを適宜成形して単純形状半硬化物品を作製し、該単純形状半硬化物品の端部を加熱・加圧することにより、繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品を安定した高い品質で製造することができ、従来法よりも工程数及びコストを削減できることを発見し本発明に想到した。
【０００７】
すなわち、本発明のジョグル付き半硬化物品の製造方法は、(a)複数の繊維強化複合材を積層し、これを加熱・加圧し、次いで冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、(b)平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形して単純形状半硬化物品を作製する工程、及び(c)単純形状半硬化物品の端部を加熱・加圧することにより、該端部にジョグルを形成する工程を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明のジョグル付き半硬化物品の製造方法は、Ｔ型形状を有する半硬化物品の製造に好ましく適用できる。
【０００９】
また、本発明の予備成形構造体の製造方法は、繊維強化複合材からなる単純形状半硬化物品Ｉに繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品のジョグルを重ね合わせて構成される、繊維強化複合材からなる予備成形構造体を製造する方法であって、
単純形状半硬化物品Ｉを(a')複数の繊維強化複合材を積層し、これを加熱・加圧し、次いで冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、及び(b')平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形する工程を含む方法により製造し、
ジョグル付き半硬化物品を(a'')複数の繊維強化複合材を積層し、これを加熱・加圧し、次いで冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、(b'')平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形して単純形状半硬化物品IIを作製する工程、及び(c'')単純形状半硬化物品IIの端部を加熱・加圧することにより、該端部にジョグルを形成する工程を含む方法により製造することを特徴とする。
【００１０】
本発明の予備成形構造体の製造方法は、前記単純形状半硬化物品Ｉ及びIIがＴ型形状を有する場合に好適に使用できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
〔１〕ジョグル付き半硬化物品の製造方法
本発明の繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品の製造方法は、(a)複数の繊維強化複合材を積層し、これを加熱・加圧し、次いで冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、(b)平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形して単純形状半硬化物品を作製する工程、及び(c)単純形状半硬化物品の端部を加熱・加圧することにより、該端部にジョグルを形成する工程を含む。
【００１２】
本発明では、「繊維強化複合材が半硬化した状態」とは繊維強化複合材が１〜80％の硬化度を有する状態をいう。半硬化状態のストリンガー部材やフレーム部材を製造する場合、取り扱いや保管を容易にし、スキンと一体成形する際に適した物性を得るためには半硬化物品の硬化度は１〜50％とするのが好ましく、本発明の製造方法はそのような硬化度を有する半硬化物品の製造にも好ましく適用できる。
【００１３】
本発明では、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維の織布に熱硬化性樹脂（エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂等）又は熱可塑性樹脂（PEEK、ナイロン６、ナイロン６６、ポリエチレンテレフタレート等）を含浸させてなる繊維強化複合材が使用可能である。熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂であるのが好ましく、熱可塑性樹脂はナイロンであるのが好ましい。強化繊維と熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂との配合割合は任意に調整しうる。また、繊維強化複合材の大きさも特に限定されない。繊維強化複合材を積層する際の積層構造（各複合材の繊維方向）は特に限定されず、例えば(±45°／０°／０°／０°／0-90°)等に配列してよい。また積層数も任意に決定すればよい。
【００１４】
工程(a)において、加熱・加圧は熱間加圧ロール、熱プレス等を使用し、20〜100℃で行うのが好ましい。加熱温度が100℃より高いと樹脂の流動が過大となり、20℃より低いとスタック不良となるため好ましくない。また加圧は0.1〜10kg/cm2とするのが好ましい。10kg/cm2より大きいと繊維配向の乱れが起こり、0.1kg/cm2より小さいとスタック不良となるため好ましくない。
【００１５】
工程(a)において、冷却・加圧は冷間加圧ロール、冷間プレス等を使用し、10〜30℃で行うのが好ましい。冷却温度が30℃より高いとスタックのはがれが発生し、10℃より低いと冷却に多くのエネルギーが必要となるため好ましくない。また加圧は0.1〜10kg/cm2とするのが好ましい。10kg/cm2より大きいと繊維配向の乱れが起こり、0.1kg/cm2より小さいとスタック不良となるため好ましくない。
【００１６】
工程(a)により得られた平板状積層体は、成形前に必要に応じて所望の形状に切断してもよい。切断は刃物による裁断機、ウォータージェット等を用いて行えばよい。切断する大きさは用途に応じて適宜調節すればよい。
【００１７】
工程(b)において、平板状積層体を軟化するための加熱は、オーブン、ヒーター等を用いて、60〜100℃で10〜90分間行うのが好ましい。
【００１８】
工程(b)において、冷却・加圧は冷間加圧ロール、冷間プレス等を使用し、０〜50℃で行うのが好ましい。冷却温度が50℃より高いと冷却不十分による付形の戻りが起こり、０℃より低いと急冷による付形前の樹脂流動停止が起こり付形不良となるため好ましくない。また加圧は0.1〜10kg/cm2とするのが好ましい。10kg/cm2より大きいと繊維配向の乱れが発生し、0.1kg/cm2より小さいと付形が十分されないため好ましくない。
【００１９】
工程(b)において、成形型としては、例えばスチール、アルミ等からなるものが使用できる。工程(b)で用いる成形型の形状はジョグルの有無を反映しないため、ジョグルを有する半硬化物品、有さない半硬化物品、長さが異なる半硬化物品等の製造に共通して１つの成形型を使用することができ、コスト削減が可能となる。
【００２０】
工程(c)において、単純形状半硬化物品の端部の加熱・加圧の方法は特に限定されない。半硬化物品の端部をドライヤーで軽くあぶった後、プレス機に載置し人力で軽くプレスするのが、非常に簡便であり好ましい。
【００２１】
成形するジョグルの段差は特に限定されないが、例えば航空機の胴体構造体を形成するフレーム部材の場合には0.5〜５mmとするのが好ましい。
【００２２】
本発明のジョグル付き半硬化物品の製造方法は、Ｔ型形状を有する半硬化物品の製造に好ましく適用でき、他にもＣ型、Ｉ型等の様々な断面形状を有する半硬化物品を製造する際に使用できる。また、長手方向において直線状又は一定曲率を持った曲線状であるジョグル付き半硬化物品の製造に適用できる。以下、本発明のジョグル付き半硬化物品の製造方法により、図２に示すＴ型ジョグル付き半硬化物品3dを製造する場合について図３〜９を用いて説明するが、本発明はそれにより限定されるものではない。
【００２３】
(a)平板状積層体を作製する工程
図３は、５つの繊維強化複合材4a〜4eを自動的に積層し、熱間加圧ロール６を通して加熱・加圧し、更に冷間加圧ロール７を通して冷却・加圧することにより、平板状積層体5aを作製する様子を示す。このように積層作業はジョグルのない単純な形状で行うので、工程(a)は自動化が可能であり、製造工程数が削減され、品質が安定する。
【００２４】
得られた平板状積層体5aを所定の大きさに切断し、図４に示す平板状積層体5b、5c及び5dを得る。従来法では繊維強化複合材を幾度も切断し、それらを成形型上に順次積層していたのに対して、本発明では予め平板状積層体5aを作製し、これを切断・成形するので切断工程数を〔１／積層枚数〕に低減することができる。
【００２５】
(b)平板状積層体を加熱により軟化し、冷却・加圧により成形する工程
通常、Ｔ型ジョグル付き半硬化物品3dを製造する場合は、まず２段階での成形により図５に示すＴ型単純形状半硬化物品2cを作製する。即ち、得られた平板状積層体5b、5c及び5dを加熱により軟化し、冷却・加圧により成形して図６に示すＬ型単純形状半硬化物品8a及び8b、並びに平板状単純形状半硬化物品8cをそれぞれ作製し、次いでこれらを再度加熱により軟化し、冷却・加圧により成形してＴ型半硬化物品2cを得る。もちろん、Ｃ型等のより簡単な形状のジョグル付き半硬化物品を製造する場合は１段階の成形でよい。
【００２６】
Ｌ型単純形状半硬化物品8a及び8bの形状は同じであるので、共に図７に示す単純な成形型9a及び9bを用いて、平板状積層体5b及び5cから成形することができる。また、半硬化物品8cのような平面状のものは平板状積層体5aから切り出すだけでよい。即ち、8cは5dと同じものを示す。本実施例では、半硬化物品8a、8b及び8cの積層構造を同じとしたため、１種類の平板状積層体5aを作製するだけでよく、従来法に比べ積層工程数が少ないという利点がある。
【００２７】
Ｔ型単純形状半硬化物品2cは、まず軟化した上記単純形状半硬化物品8a、8b及び8cを図８に示す成形型9fに載置し、続いて成形型9c〜9eを配置し、冷却・加圧して製造できる。図８の成形型は長さやジョグルの有無に関わらず、曲率が同じ他の半硬化物品を作製する場合にも利用できる。
【００２８】
(c)単純形状半硬化物品の端部にジョグルを形成する工程
次に、得られた半硬化物品の端部を加熱・加圧し、ジョグルを形成する。本例では、Ｔ型単純形状半硬化物品2cの端部のみをドライヤーにより加熱し、図９に示すプレス機10に載置し、矢印Ａのようにプレスしジョグルを形成して、図２に示すＴ型ジョグル付き半硬化物品3dを製造する。図９のようなプレス機は、単純形状半硬化物品の長さに関係なく使用でき、また様々な断面形状を有する半硬化物品に使用可能である。ジョグルを成形する際に半硬化物品に多少のしわが寄ることがあるが、このしわは本硬化する際に消えるので問題とならない。本発明の方法により製造されるジョグル付き半硬化物品は室温程度で保管しておくことができる。
【００２９】
〔２〕予備成形構造体の製造方法
本発明の予備成形構造体の製造方法は、繊維強化複合材からなる単純形状半硬化物品Ｉに繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品のジョグルを重ね合わせて構成される、繊維強化複合材からなる予備成形構造体を製造する方法である。図１に示す予備成形構造体１の場合、図10中に示すように単純形状半硬化物品2a及び2bを所定間隔で配列し、これらにジョグル付き半硬化物品3a、3b及び3cのジョグルを矢印Ｂで示すように重ね合わせる。
【００３０】
上記単純形状半硬化物品Ｉは(a')複数の繊維強化複合材を積層し、これを加熱・加圧し、次いで冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、及び(b')平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形する工程を含む方法により製造する。
また、上記ジョグル付き半硬化物品は(a'')複数の繊維強化複合材を積層し、これを加熱・加圧し、次いで冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、(b'')平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形して単純形状半硬化物品IIを作製する工程、及び(c'')単純形状半硬化物品IIの端部を加熱・加圧することにより、該端部にジョグルを形成する工程を含む方法により製造する。
【００３１】
工程(a')及び(a'')において使用可能な繊維強化複合材、好ましい硬化度、加熱・加圧条件、冷却・加圧条件等は上記工程(a)の場合と同様であり、工程(b')及び(b'')において加熱条件、冷却・加圧条件、使用する成形型等は上記工程(b)の場合と同様であり、工程(c'')において加熱・加圧条件等は上記工程(c)の場合と同様である。即ち、本発明の予備成形構造体の製造方法で用いる単純形状半硬化物品Ｉは上記工程(a)及び(b)を含む方法により製造し、ジョグル付き半硬化物品は上記本発明のジョグル付き半硬化物品の製造方法により製造する。
【００３２】
本発明の予備成形構造体の製造方法は、上記図１に示す予備成形構造体１のような単純形状半硬化物品Ｉ及びIIがＴ型形状を有する場合に好ましく利用できる。また本発明の予備成形構造体の製造方法は半硬化物品の断面形状がＣ型、Ｉ型等である場合にも利用できる。半硬化物品の長手方向の形状も特に限定されない。また、半硬化物品の数及び位置も特に限定されず、予備成形構造体は格子状等であってよい。なお単純形状半硬化物品Ｉ及びジョグル付き半硬化物品は異なる材料から形成してもよいが、同じ材料からなるのが好ましい。積層構造も同じ場合は作製する平板状積層体は１種でよく、好ましい。
【００３３】
本発明による予備成形構造体は、適宜治具等を用いて熱プレス、オートクレーブ等により加熱・加圧してスキン等と一体化・本硬化できる。予備成形構造体は製造後すぐに本硬化してもよいが、室温程度で保管しておくこともできる。
【００３４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明のジョグル付き半硬化物品の製造方法によれば、繊維強化複合材からなる、端部にジョグルを有する半硬化物品を安定した高い品質で製造することができ、従来法よりも工程数及びコストを削減することができる。また、上記ジョグル付き半硬化物品の製造方法を用いた本発明の予備成形構造体の製造方法によれば、少工程数・低コストで予備成形構造体が製造できる。本発明は航空機の胴体等に用いるスティフンドパネルのスティフナの製造に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明により製造できる予備成形構造体の一例を示す斜視図である。
【図２】 本発明により製造できるＴ型ジョグル付き半硬化物品の一例を示す斜視図である。
【図３】 本発明で用いる平板状積層体を作製する様子を示す斜視図である。
【図４】 図３に示す平板状積層体を切断した状態を示す斜視図である。
【図５】 本発明で作製するＴ型単純形状半硬化物品の一例を示す斜視図である。
【図６】 図４に示す平板状積層体を用いて作製したＬ型単純形状半硬化物品及び平板状単純形状半硬化物品を示す斜視図である。
【図７】 図６に示すＬ型単純形状半硬化物品を成形する様子を示す正面図である。
【図８】 図６に示す単純形状半硬化物品を用いて図５に示すＴ型単純形状半硬化物品を成形する様子を示す斜視図である。
【図９】 図５に示すＴ型単純形状半硬化物品の端部にジョグルを成形するためのプレス機を示す斜視図である。
【図１０】 Ｔ型ジョグル付き半硬化物品のジョグルをＴ型単純形状半硬化物品に重ね合わせる様子を示す正面図である。
【符号の説明】
１・・・予備成形構造体
2a、2b、2c・・・Ｔ型単純形状半硬化物品
3a、3b、3c、3d・・・Ｔ型ジョグル付き半硬化物品
4a、4b、4c、4d、4e・・・繊維強化複合材
5a、5b、5c、5d・・・平板状積層体
６・・・熱間加圧ロール
７・・・冷間加圧ロール
8a、8b・・・Ｌ型単純形状半硬化物品
8c・・・平板状単純形状半硬化物品
9a、9b、9c、9d、9e、9f・・・成形型
10・・・プレス機

Claims (4)

  1. 繊維強化複合材からなり、端部にジョグルを有する半硬化物品を製造する方法であって、
    (a)複数の繊維強化複合材を積層し、これを熱間加圧ロールを通して加熱・加圧し、次いで冷間加圧ロールを通して冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、
    (b)前記平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形して単純形状半硬化物品を作製する工程、及び
    (c)前記単純形状半硬化物品の端部をドライヤーで加熱した後、プレス機に載置し人力にてプレス加圧することにより、該端部にジョグルを形成する工程
    を含むことを特徴とするジョグル付き半硬化物品の製造方法。
  2. 請求項１に記載のジョグル付き半硬化物品の製造方法において、前記単純形状半硬化物品がＴ型形状を有することを特徴とするジョグル付き半硬化物品の製造方法。
  3. 繊維強化複合材からなる単純形状半硬化物品Ｉに繊維強化複合材からなるジョグル付き半硬化物品のジョグルを重ね合わせて構成される予備成形構造体を製造する方法であって、
    前記単純形状半硬化物品Ｉを
    (a')複数の繊維強化複合材を積層し、これを熱間加圧ロールを通して加熱・加圧し、次いで冷間加圧ロールを通して冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、及び
    (b')前記平板状積層体を加熱により軟化し、成形型に載置して冷却・加圧により成形する工程を含む方法により製造し、
    前記ジョグル付き半硬化物品を
    (a'')複数の繊維強化複合材を積層し、これを熱間加圧ロールを通して加熱・加圧し、次いで冷間加圧ロールを通して冷却・加圧して平板状積層体を作製する工程、
    (b'')前記平板状積層体を加熱により軟化し、前記単純形状半硬化物品Ｉを成形する工程で使用したものと同一の成形型に載置して冷却・加圧により成形して単純形状半硬化物品IIを作製する工程、及び
    (c'')前記単純形状半硬化物品IIの端部をドライヤーで加熱した後、プレス機に載置し人力にてプレス加圧することにより、該端部にジョグルを形成する工程
    を含むことを特徴とする予備成形構造体の製造方法。
  4. 請求項３に記載の予備成形構造体の製造方法において、前記単純形状半硬化物品Ｉ及びIIがＴ型形状を有することを特徴とする予備成形構造体の製造方法。
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