JP4729370B2 - 管状部材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂（ＦＲＰ）製の管状部材、更に詳しくは、大径の管の内壁に前記管より小径の管を有する管状部材を一体成形する方法に関する。

一般に、ＦＲＰ製の管状体は、マンドレルに繊維強化プリプレグを巻き付けて加熱硬化する方法、筒状の金型の内面に敷設したプリプレグを、膨張バッグを用いて型の内側から加圧した状態で加熱硬化する内圧成形法等により製造される。しかし、例えば、ロボットアーム等に用いられる、管状体内壁にその管状体の内径より小さい径の管を配置した管状部材を、一体成形することは、いずれの方法でも困難である。

ロボットアーム、例えば、コンパクトディスク等の加工製品の着脱を行うロボットアームは、ＦＲＰからなる中空のアーム内に配置した真空配管を利用して、製品を真空吸着することにより製品の着脱を行っている。そして、かかる真空吸着を行うロボットアームは、従来は、アーム本体と真空配管とを一体成形することができないため、以下の手順で製造されている。即ち、中空のアーム本体を内圧成形法等により成形した後、ロボットに取り付ける固定端側と作業を行う自由端側の２箇所に、機械加工により貫通孔を加工し、真空チューブ等の管を一方の貫通孔から他方の貫通孔へ通すことにより、真空配管をアーム内部に形成していた。

内圧成形法によって、ロボットアームを一体成形する方法も、比較的最近提案されている（特許文献１と２参照）。これらの方法によると、大径管の内壁に小径管を有する複合管状体が一体成形できるので、製造コストを低くできるというメリットがある。しかしながら、最近は、ロボットアームとして、大径管の内壁に複数の小径管が配置されたり、配置の仕方がより複雑なものも要求されるようになっており、かかる場合には、膨張バッグによる押圧が不十分となり易く、さらなる成形法の改良が望まれている。
特開２００５−１１１７７２号公報 特開２００５−１１１７７３号公報

本発明の課題は、複雑・高度なロボットアーム等に使用される、大径管の内壁に小径管を有する管状部材（複合管状体）を、一体成形する方法を提供することにある。

本発明のうち請求項１記載の発明は、筒状の金型のキャビティ内表面に沿ってシート状の繊維強化プリプレグを敷設し、このシート状プリプレグ内表面に、外周がプリプレグで被覆された芯材を配置すると共に、この芯材を覆う様に硬質発泡材を付着させシート状プリプレグ内表面との間隙を充填し、次いで、前記筒状の金型のキャビティ内に膨張バッグを挿入し、その後、キャビティ内で膨張バッグを膨張させると共に型内を加熱することによりプリプレグを型に密着させて硬化させ、プリプレグ硬化後に芯材を抜き取ることを特徴とする管状部材の成形方法である。

請求項２記載の発明は、外周がプリプレグで被覆された芯材が、複数配置されていることを特徴とする請求項１記載の管状部材の成形方法である。

請求項３記載の発明は、筒状の金型に複数の孔が穿孔されており、外周がプリプレグで被覆された芯材が、該孔を通してキャビティ内に張設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の管状部材の成形方法である。

請求項４記載の発明は、硬質発泡材が、硬質発泡ウレタンである請求項１〜３のいずれか１項記載の管状部材の成形方法である。

そして、請求項５記載の発明は、芯材が中空シリコンチューブにシラスコンゴムを流し込んだものである請求項１〜４のいずれか１項記載の管状部材の成形方法である。

本発明によれば、大径管の内壁に複数の小径管を有する管状部材（複合管状体）、あるいは大径管の内壁に複雑に配置された小径管を有する管状部材が一体成形できる。従って、ロボットアームを製造する場合には、従来のようにアーム成形後に機械加工を行って真空配管を取付する必要がないため、製造コストを低くできる。

本発明者は、通常用いるシート状の繊維強化プリプレグに加えて、外周がプリプレグで被覆された芯材を、中空型のキャビティ内に配置して内圧成形を行うことにより、大径管の内壁に小径管を有する複合管状体が一体成形できること、そして、その際、このプリプレグで被覆された芯材の全体を覆う様に、硬質発泡材を付着させて、シート状プリプレグ内表面との間隙を充填することによって、容易に所望の管状部材が一体成形できることを見出したものである。

本発明は、筒状の金型のキャビティ内表面に沿ってシート状の繊維強化プリプレグを敷設し、このシート状プリプレグ内表面に、外周がプリプレグで被覆された芯材を１本又は２本以上配置すると共に、このプリプレグで被覆された芯材を覆う様に、硬質発泡材を付着させ、シート状プリプレグ内表面との間隙を充填し、次いで、前記筒状の金型のキャビティ内に膨張バッグを挿入する。そして、その後、膨張バッグをキャビティ内で膨張させると共に、型内を加熱することによりプリプレグ全体を型に密着させて硬化させる。そして、全部のプリプレグが硬化した後に、芯材を抜き取るものである。その際、膨張バッグも同時に取り除いても良く、場合によっては、膨張バッグは取り除かずにそのままキャビティ内に残しておいても良い。

本発明の筒状の金型とは、特に型形状に制限は無いが、典型的には、上型と下型からなり内圧成形法で管状（中空状）のＦＲＰ部材を成形し得るものを意味する。内圧成形法は公知の成形方法であり、成形型である筒状の金型のキャビティ内にプリプレグ等の成形素材を配置し、これを筒の内側から圧力を与えて金型に密着させた状態にて加熱硬化させる方法である。圧力を加える手段として、ナイロンやシリコンゴムのような可撓性があり且つ耐熱性に優れた材料で形成した膨張バッグ（圧力バッグ）を用い、これを成形素材の中心に挿入・配置しバッグ内に加圧媒体を送り込んでバッグを膨張させ、成形素材を金型内面に押し付けて加熱成形する方法である。

本発明においては、外周がプリプレグで被覆された芯材を用いる。ここで用いるプリプレグは、金型のキャビティ内表面に敷設したものと同じシート状の繊維強化プリプレグであつても良いし、あるいは、その他のプリプレグ、例えば、筒状に編んだ強化繊維に樹脂を含浸させたプリプレグであっても良い。芯材は、内圧成形時に加圧されても中空配管を形成できる程度の可撓性を有するものであって、成形後に配管から容易に抜き取ることができるものであれば何でも良い。例えば、プラスチック製のチューブやパイプがあるが、中空シリコンチューブにシラスコンゴムを流し込んだものは、特に好ましく用いることができる。

本発明では、その外周がプリプレグで被覆された芯材を、例えば、２本以上並べて、筒状の金型のキャビティ内表面に沿って敷設されたシート状の繊維強化プリプレグの内表面に配置する。本発明者の知見によると、このままの状態で内圧成形法に付しても、キャビティ内の空間形状が複雑であるために、全体のプリプレグを十分に金型内面に押し付けることが困難であった。また、外周がプリプレグで被覆された芯材が１本であっても、その配置状態が複雑であると、全体のプリプレグを十分に金型内面に押し付けることが困難であった。そこで、本発明では、プリプレグで被覆された芯材を覆う様に硬質発泡材を付着させ、シート状プリプレグ内表面との間隙を充填する。かかる工夫を行うことで、以後の内圧成形を非常に効率的に行うことができる。

本発明において用いられる硬質発泡材としては、硬化条件下で発泡し耐熱性のあるものであれば、特に制限されるものではない。例えば、硬質発泡ウレタン、エポキシ系樹脂に発泡ビーズを混合したもので、発泡倍率が数倍〜１０倍程度のものが好ましく用いられる。付着させる量は特に制限はないが、プリプレグで被覆された芯材の間、及び、これら芯材とシート状の繊維強化プリプレグの内表面との間隙を充填するに必要にして十分な量であれば良い。

プリプレグとは、繊維強化材に、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂などのマトリックス樹脂を含浸させ、流動性や粘着性を除いて取り扱い性を良くした成形中間材である。本発明において用いられるシート状の繊維強化プリプレグとしては、シート状のものである限り特に制限はない。例えば、一軸織物や多軸織物等の一方向配列繊維、織物、編物、不織布を強化繊維としたプリプレグが用いられる。

本発明においては、用いられる繊維強化材やマトリックス樹脂に関しては特に制限はい。繊維強化材としては、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、金属繊維等が挙げられるが、特に炭素繊維が好ましい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂とシアン酸エステル樹脂の予備重合樹脂から選ばれる樹脂がある。これらは１種又は２種以上の混合物として用いることもできる。熱可塑性樹脂としては、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、芳香族ポリアミド、芳香族ポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリエーテルイミド、ポリアリーレンオキシド、熱可塑性ポリイミド、ポリアミドイミドがある。これらの樹脂は、２種以上併用しても良い。

以下、ロボットアーム（小径管を２本配置した例）の製造方法を例に、本発明の実施形態について詳細に説明する。ロボットアームの製造に用いる筒状の分割型の金型の一例を、図１と図２に示した。図１は上型１の平面図であり、図２は下型２の平面図である。上型１及び下型２は、一端から他端に向かうに従って漸次細く形成した中空筒状で、その中央部で略９０度に曲折している。また、両端は閉塞されている。下型２には、二対の貫通孔３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂが形成されている。なお、図１及び図２において、５、６は、上型１又は下型２のキャビティ内表面である。図２のＡ−Ａ線、Ｂ−Ｂ線の断面図をそれぞれ図３、図４に示す。図３、図４に示すように、分割型の各断面は、略角を丸めた四辺形である。図１、図２、図３において１３は、ロボットアームの固定端側の取り付け孔である。

次に、図２のＣ−Ｃ線の断面図である図５を用いて、ロボットアームの一体成形について説明する。先ず、図５（イ）に示したように、下型２のキャビティ内表面６に沿って、アーム形成のためのシート状の繊維強化プリプレグ７ａを敷設する。一方、筒状に編んだ炭素繊維に樹脂を含浸させたプリプレグ８ａ、８ｂに、丸棒状の可撓性芯材９ａ、９ｂを挿入したものを２本（１０ａ、１０ｂ）を、図５（ロ）に示したように、プリプレグ７ａ上に配置する。更に、それぞれ芯材を挿入したプリプレグの一端側と他端側を、アーム形成用プリプレグ７ａを貫通させ、下型２に形成してある貫通孔３ａ、３ｂと４ａ、４ｂにそれぞれ挿入する（１０ａを３ａと４ａに挿入し、キャビティ内に１０ａを張設する）（図２参照）。

次に、図５（ロ）に示したように、外周がプリプレグで被覆された芯材１０ａ、１０ｂを覆う様に、硬質発泡材１１を付着させ間隙を充填する。次いで、図５（ハ）に示したように、プリプレグ７ａを敷設したキャビティ内側に膨張バッグ１２をセットするとともに、内表面５にアーム形成のためのシート状の繊維強化プリプレグ７ｂを敷設した上型１を下型２に型締めし、内圧成形法によりプリプレグ７ａ、７ｂ、８ａ、８ｂと、硬質発泡材１１の一体成形を行う。

内圧成形は、図５（ハ）の状態で膨張バッグ１２に気体、液体等の流体を充填し、膨張バッグ１２を膨張させることにより行う。膨張バッグ１２が膨張することにより、プリプレグ７ａ、７ｂは型の内側から外部方向に向って加圧され、プリプレグを型の内表面５及び６に密着させることができる。また、芯材９ａ、９ｂを挿入したプリプレグ８ａ、８ｂも膨張バッグ１２により加圧され、硬質発泡材１１と共にプリプレグ７ａに圧着され、一体化される。

その後、加圧された状態のプリプレグを加熱し、硬化させる。プリプレグが硬化した後、芯材９ａ、９ｂをプリプレグ８ａ、８ｂから抜き取ることにより、ロボットアームの吸引孔になるそれぞれ３ａと４ａ、３ｂと４ｂを結ぶ２本の真空配管を一体に成形した図５（ニ）に示したような、ロボットアームが得られる。図５（ニ）においては、膨張バッグ１２は示してないが、膨張バッグは芯材と同時に取り出しても、あるいはそのまま内部に残しておいても良い。その後、膨張バッグの挿入口は、必要に応じて蓋をして閉じることもできる。

なお、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。

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円形、楕円形、三角形、四辺形等の任意の形状とすることにより、任意の断面形状のアームを形成することができる。また、分割型の分割数は任意である。また、前記例では、下型２に貫通孔を形成したが、型に形成する孔は得られるロボットアームに吸引孔が形成されるものであれば良く、型を貫通していなくてもよい。更に、型に形成する孔は上型に形成したものであっても良いし、あるいは型の側面に形成されていても良い。

可撓性芯材１０ａ、１０ｂの長さ方向に対して直角断面の形状や断面積は特に制限されないが、通常は芯材の長さ方向に対して直角断面の断面積を、１〜４ｃｍ2程度とすることが好ましい。

膨張バッグ１２の形状は特に限定されないが、ロボットアームの形状に合わせた形状とすることが好ましい。また、膨張バッグ１２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。

上記例においてはロボットアームを製造する場合について説明したが、大径管の内壁に小径管を有する複合管状体の製造においては、芯材として必ずしも可撓性を有する芯材を用いる必要はない。内圧成形時に小径管が形成できる程度の剛性を有するものであって、成形後に取り除くことが可能であればいかなる芯材も使用できる。また、複合管状体の用途によっては、芯材を被覆したプリプレグの両端を型に形成した孔に挿入して吸引孔を形成しなくてもよい。

図１に示す様な上型１と図２に示す様な下型２の内面にプリプレグ（Ｗ−３１０１／Ｑ−１１２：東邦テナックス社製）を敷設した。型はＡ−Ａ線における幅８０ｃｍ、厚さ３０ｃｍ、Ｂ−Ｂ線における幅４０ｃｍ、厚さ２０ｃｍ、型の曲線長さ３２０ｃｍ、孔３ａ、４ａ間の直線距離１５０ｃｍ（曲線距離１６０ｃｍ）、孔３ｂ、４ｂ間の直線距離１６０ｃｍ（曲線距離１７０ｃｍ）のものを用いた。芯材（長さ１８０ｃｍ、直径１．５ｃｍの中空シリコンチューブにシラスコンゴムを流し込んだもの）の周囲にプリプレグ（Ｗ−３１０１／Ｑ−１１２：東邦テナックス社製）を巻き付けたものを２本、敷設したプリプレグ上に配置し、２本の芯材の両端側をそれぞれ貫通孔３ａと４ａ、３ｂと４ｂに挿入した。そして、２本の周囲にプリプレグを巻き付けた芯材の間及びそれらと敷設したプリプレグの隙間に、硬質発泡ウレタン（エアータイトフォームＡＴＦ−００１、エアータイト社製）を注入・付着し、隙間を充填した。

その後、ナイロンバッグ（ＷＲＩＧＨＴＬＯＮ＃７４００：ＡＩＲＴＥＣＨ社製）を挿入して上型１及び下型２の型締めを行った。バッグに気体を充填し、圧力０．５ＭＰａで加圧下、１２０℃で２時間プリプレグを加熱硬化し、その後芯材を取り除いて、貫通孔をつないで内壁に２本のパイプ状の真空配管が形成されたロボットアームを得た。

本発明は、筒状アームの内壁に１又は２以上の真空配管を有するロボットアーム等の、ＦＲＰ管状部材の一体成形に好適である

本発明の一例であるロボットアームの製造に用いる金型の、上型の平面図である。 本発明の一例であるロボットアームの製造に用いる金型の、下型の平面図である。 下型のＡ−Ａ線における断面図である。 下型のＢ−Ｂ線における断面図である。 本発明の一例であるロボットアームの製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１ 上型
２ 下型
３ａ、３ｂ、４ａ、４ｂ 貫通孔
５、６ キャビティ内表面
７ａ、７ｂ シート状の繊維強化プリプレグ
１０ａ、１０ｂ 外周がプリプレグで被覆された芯材
１１ 硬質発泡材
１２ 膨張バッグ
１３ ロボットアームの固定端側の取り付け孔

Claims (5)

1. 筒状の金型のキャビティ内表面に沿ってシート状の繊維強化プリプレグを敷設し、該シート状プリプレグ内表面に、外周がプリプレグで被覆された芯材を配置すると共に、該芯材を覆う様に硬質発泡材を付着させシート状プリプレグ内表面との間隙を充填し、次いで、前記筒状の金型のキャビティ内に膨張バッグを挿入し、その後、キャビティ内で膨張バッグを膨張させると共に型内を加熱することによりプリプレグを型に密着させて硬化させ、プリプレグ硬化後に芯材を抜き取ることを特徴とする管状部材の成形方法。
2. 外周がプリプレグで被覆された芯材が、複数配置されていることを特徴とする請求項１記載の管状部材の成形方法。
3. 筒状の金型に複数の孔が穿孔されており、外周がプリプレグで被覆された芯材が、該孔を通してキャビティ内に張設されていることを特徴とする請求項１又は２記載の管状部材の成形方法。
4. 硬質発泡材が、硬質発泡ウレタンである請求項１〜３のいずれか１項記載の管状部材の成形方法。
5. 芯材が中空シリコンチューブにシラスコンゴムを流し込んだものである請求項１〜４のいずれか１項記載の管状部材の成形方法。
   

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