JP4801338B2

JP4801338B2 - Ｒｔｍ成形型およびｒｔｍ成形方法

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Publication number: JP4801338B2
Application number: JP2004293888A
Authority: JP
Inventors: 昌明神野; 一広梶間; 桂介田尻; 信弥元木; 友裕山崎
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2004-10-06
Filing date: 2004-10-06
Publication date: 2011-10-26
Anticipated expiration: 2024-10-06
Also published as: JP2006103190A

Description

本発明は、ＲＴＭ成形型およびＲＴＭ成形方法に関し、特に、樹脂の流動状況を検出しながら成形するＲＴＭ成形型およびＲＴＭ成形方法に関する。

繊維強化樹脂（ＦＲＰ）は、その軽量性と構造強化性を有し、小型船舶の船体、航空機構造、風車翼のような軽量強靱構造体として多様に利用されている。ＲＴＭ（ＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）成形法は、このような繊維強化部材の低コスト成形法の一つとして、幅広く用いられている。ＲＴＭ成形において、ガラス繊維、炭素繊維のような繊維の集合体である繊維基材（プリフォーム）は、型締めにより形成される中空部に装着され、その中空部に流動性を有する樹脂が注入される。繊維基材の内部に樹脂を流動的に浸透して含浸し、樹脂を加熱等により硬化させることによって、軽量強靱な複合材が製造される。

このような樹脂含浸成形技術（ＲＴＭ）により製造される航空機部分（部品）のような複合材には、高精度が要求される。高精度な成形物を得るためには、樹脂未含浸部の生成を防ぐ必要がある。したがって、複雑な形状の部品の含浸の一様性を確保するために、例えば、特許文献１に示されるように、樹脂を注入する注入口を複数配置し、注入圧力を個別に制御する方法が提案されている。

一方で、樹脂の含浸状況を検出するために光ファイバーを用いる技術として、例えば、特許文献２が知られている。また、櫛状電極に交流電圧を印加することにより、誘電応答として比誘電率を検出することにより樹脂の流動状況を検出する技術として、非特許文献１及び２が知られている。

特開２００３−３９４５１号公報特開昭５０−２８４６５号公報Ｓ．Ｍｏｔｏｇｉ，Ｔ．Ｉｔｏｈ，Ｔ．Ｆｕｋｕｄａ，Ｋ．ｙａｍａｇｉｓｈｉ，Ｓ．Ｋｉｔａｄｅ，Ｈ．Ｍｏｒｉｔａ，゛ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＭｕｌｔｉ−ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌＳｅｎｓｏｒｆｏｒＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ゛，Ｐｒｏｃ．ＩＣＣＭ−１２，ｐｐ．１２６０−１２６５（１９９９）Ｓ．Ｍｏｔｏｇｉ，Ｋ．Ｙａｍａｇｉｓｈｉ，Ｔ．Ｆｕｋｕｄａ，゛ＮｏｖｅｌＳｅｎｓｏｒＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｆｏｒＲｅｓｉｎＦｒｏｎｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎｉｎＲＴＭ゛，Ｐｒｏｃ．ＡＣＣＭ−２０００（２０００）

しかしながら、上記従来技術で用いられるセンサは、注入される樹脂と接触する位置に設けられているため、使い捨てとされるか、或いはそのまま成形物に取り付いて構造物健全性モニタリングセンサとして使用することを前提としており、流動先端を検知するセンサの再利用は考慮されていない。特に、構造健全性モニタが不要とされる場合には、高価なセンサが無駄になり、コスト高となる。また、成形体に埋め込まれたセンサを成形体から取り外した場合、成形体表面にセンサの跡が残り、外観上問題がある。さらには、成形体からセンサを取り外す際に、センサが損傷をうける場合もあり、再利用を困難にするという問題がある。

本発明は、上記問題点に鑑み、樹脂の流動先端を検知するセンサの繰り返し使用を可能とするＲＴＭ成形型およびＲＴＭ成形方法を提供することを目的とする。

本発明にかかるＲＴＭ成形型は、第１型と、前記第１型と組み合わされた状態で樹脂が注入される中空部を形成するとともに、該中空部に対して隔壁を介して溝部が形成された第２型と、前記中空部を流動する樹脂を検出する超音波センサと、前記超音波センサは、前記溝部に設けられおり、前記第２型の溝部より型の内部に超音波を共振状態となるように発振して、該超音波による振幅の変化をモニタリングすることにより、樹脂が含浸された領域と未含浸の領域とを判別することを特徴とする。

また、本発明にかかるＲＴＭ成形方法は、第１型と第２型とを組み合わせて樹脂が流動する中空部を形成するステップと、前記中空部に前記樹脂を注入するステップと、前記超音波センサにより前記樹脂の流動先端を検出する検出ステップと、前記超音波センサとともに前記第２型と第１型とを離型するステップと、を含むＲＴＭ成形方法において、前記検出ステップは、前記第２型に形成された溝部を前記中空部との間で仕切る隔壁に取り付けられた前記超音波センサによって、前記第２型の溝部より型の内部に超音波を共振状態となるように発振して、該超音波による振幅の変化をモニタリングし、樹脂が含浸された領域と未含浸の領域とを判別することにより、前記中空部を流動する樹脂先端を検出するステップを含むことを特徴とする。

上記発明によれば、中空部の中で流動する樹脂は、隔壁により中空部の中に完全に閉じ込められるため、隔壁を挟んで取り付けられた超音波センサに触れることがない。そのため、複合材表面にセンサの跡が残るこがなく、高精度に複合材を成形することができる。また、超音波センサを用いたことにより、例えば歪みゲージを用いた場合に比べて、超音波センサの機能が損なわれない程度の強度をもった厚みに隔壁を形成することができる。これにより、繰り返し使用しても隔壁が破壊されることがなく、隔壁を挟んで取り付けられた超音波センサと樹脂とが接触することがないので、繰り返し使用することが可能となる。従って、より低コストで高精度な複合材を成形することができる。
なお、第１型と第２型とは組み合わされていればよく、第１型と第２型とが直接に接合される必要はない。例えば、第１型と第２型との間に他の型を介在させて中空部を形成するようにして、間接的に組み合わせるようにしてもよい。或いは、第１型や第２型を分割して形成してもよい。

本発明の参考例にかかるＲＴＭ成形型において、前記溝部は、第２型の幅方向に並んだ状態で複数形成されていることを特徴とする。

上記発明の参考例によれば、前記樹脂が流動する方向に延在するとともに、第２型の幅方向に並んだ状態で複数の溝部を形成するため、中空部の中を含浸して流動する樹脂を高精度に検知することができる。これにより、高精度に複合材を成形することができる。

本発明の参考例にかかるＲＴＭ成形型において、前記超音波センサは、前記溝部に沿って略等間隔で配置されていることを特徴とする。

上記発明の参考例によれば、溝部内に複数の超音波センサが配置されているため、多点で樹脂流動を検知することができ、樹脂流動先端部が繊維基材のどの部分まで含浸したかを正確にモニタリングすることができる。これにより、樹脂未含浸部の生成を防ぎ、高精度に複合材を成形することができる。

本発明の参考例にかかるＲＴＭ成形型は、前記超音波センサが帯状に形成されていることを特徴とする。

上記発明の参考例によれば、帯状の超音波センサとされているため、樹脂の流動先端を連続的に検知できるので、樹脂の流動先端部の位置を正確にモニタリングすることができる。これにより、樹脂未含浸部の生成を防ぎ、高精度に複合材を成形することができる。

本発明のＲＴＭ成形型によれば、超音波センサを用いたことにより、超音波センサの機能が損なわれない程度の強度をもった厚みに隔壁を形成することができる。これにより、樹脂及び繊維基材が中空部の中に完全に閉じ込められるため、隔壁を挟んで取り付けられた超音波センサと接触することがない。このため、離型の際に超音波センサが損傷を受けずに型に残り、超音波センサを繰り返し使用することが可能となる。また、離型の際に複合材の表面に超音波センサの跡や超音波センサによる損傷が残るこがなく、高精度に複合材を成形することができる。

本発明の一実施形態にかかるＲＴＭ成形型ついて、図１を用いて説明する。

図１において、１は蓋体（第１型）で、板状構造をしている。２は箱体（第２型）で四辺に側壁が立設され、箱体２底部には隔壁９を介して溝部１１が形成されている。蓋体１と箱体２とが組み合わされた状態で樹脂が注入される中空部１０が形成される。中空部１０には、繊維基材３が配置され、繊維基材３は中空部１０に一致して納まる形状となっている。箱体２前面の壁部には、樹脂を注入する樹脂注入孔４が設けられ、箱体２後面の壁部には、注入された樹脂を排出する樹脂排出孔５が設けられている。溝部１１内の隔壁９には、中空部１０を流動する樹脂先端を検出する超音波センサ６が取り付けられている（図２参照）。なお、溝部１１は、箱体２の長尺方向に沿って１本形成されているが、箱体２の幅方向に複数並べて形成してもよい。また、樹脂注入孔４および樹脂排出孔５は、側壁の各１箇所とは限らず、型の大きさや形状により樹脂が注入および排出される最適な位置となるよう設定される。

本実施形態のＲＴＭ成形方法について説明する。中空部１０中に、強化材であるＦＲＰ（強化プラスチック）などの繊維基材３を配置した後、蓋体１と箱体２とを組み合わせて固定する（ステップ１）。
次に、図３に示すように、箱体２の前面に形成された樹脂注入孔４から図示しないコンプレッサ等で適切な圧力および温度で調節された樹脂が注入される（ステップ２）。注入された樹脂は、繊維基材３内へ含浸し箱体２の後面に形成された樹脂排出孔５から排出される。なお、樹脂排出孔５には、中空部１０を真空にするための真空ポンプが接続されていてもよい。
その際、樹脂流動先端３ａを超音波センサ６で検知し、樹脂含浸領域３ｃを確認しながら含浸させる（ステップ４）。このとき、超音波センサ６は、溝部１１内の隔壁９に取り付けられているので、樹脂および繊維基材３と接触することはない。
樹脂が繊維基材３全域に一様に含浸し、適当な時間をおいて樹脂が繊維基材３と一体硬化された後、蓋体１および箱体２を離型することにより複合材が形成される（ステップ５）。

超音波センサ６としては、例えば、ピエゾ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸塩）等の圧電素子、或いはＥＭＡＴ（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）が使用される。

図４には、超音波センサ６の配置例が示されている。図４（ａ）は、溝部１１内に略等間隔に並べた超音波センサ６とリード線７とを隔壁９に接地させた構成を示す。リード線７を介して各超音波センサ６に一斉に交流パルスを印加する。隔壁９を介して繊維基材３を発振した後、パルスの振幅の変化を各超音波センサ６で検知する。或いは、超音波の振幅の変化を各超音波センサ６の応答の合計として検知することもできる。これにより、パルスの振幅の変化を個別の超音波センサ６で検知するので、樹脂流動先端を正確に確認できる。

また、図４（ｂ）は、銅版等の隔壁９（金属板８）に超音波センサ６を複数配置し、各々の超音波センサ６にリード線７を接続した構成を示す。各超音波センサ６に交流パルスを印加して、繊維基材３に超音波を発振することにより、超音波の振幅の変化を各超音波センサ６で検知することができる。或いは、超音波の振幅の変化を各超音波センサ６の応答の合計として検知することもできる。

また、図４（ｃ）は、各超音波センサ６の一面を隔壁９（金属板８）に取付け、他面をリード線７に接続した構成を示す。リード線７を介して各超音波センサ６に一斉に交流パルスを印加する。隔壁９を介して繊維基材３を発振した後、パルスの振幅の変化を各超音波センサ６で検知する。或いは、超音波の振幅の変化を各超音波センサ６の応答の合計として検知することもできる。これにより、パルスの振幅の変化を各超音波センサ６で検知するので、時間経過ごとの樹脂流動先端を正確に確認できる。

また、図４（ｄ）は、超音波センサ６をファイバー状または帯状に形成したものを示す。超音波センサ６に交流パルスを印加して、繊維基材３を発振した後、パルスの振幅の変化を超音波センサ６全体で検知する。これにより、パルスの振幅の変化を連続的に検知するので、樹脂流動先端を正確に確認できる。

超音波センサ６による検知方法としては、上記の如くパルスの振幅の変化により、超音波センサ６に対応する隔壁９上に樹脂が存在するか否かを判別するが、その一実験結果を図５に示す。

実験条件として、隔壁９として１ｍｍ厚のＳＵＳ板を用い、ＳＵＳ板の表面の一部に樹脂を塗布することにより、樹脂含浸領域３ｃ（１ｍｍＳＵＳ板＋硬化剤）と樹脂未含浸領域３ｂ（１ｍｍＳＵＳ板のみ）とを模式的に形成した。図５は、ＳＵＳ板の裏面に取り付けられたＥＭＡＴ（超音波センサ）６で１．６４ＭＨｚの超音波を発振して（板厚方向に）共振状態を作り、樹脂含浸領域３ｃと樹脂未含浸領域３ｂとでの振幅の変化をプロットした減衰カーブを示したグラフである。
図５に示すように、１ｍｍＳＵＳ板のみ（樹脂未含浸領域３ｂ）では、時間の経過とともに超音波の振幅が大きく低下しているのに対し、１ｍｍＳＵＳ板＋硬化剤（樹脂含浸領域３ｃ）では、超音波の振幅の低下が小さい。したがって、超音波センサ６で超音波を発振して共振状態を作り、超音波の振幅の変化をモニタリングすることにより、樹脂未含浸領域３ｂと樹脂含浸領域３ｃとを判別することが可能となる。

なお、隔壁９は、超音波センサ６のセンシングに支障のない厚さに設定すればよい。超音波センサ６は、２ｍｍ程度の厚さまでセンシング可能で、好ましくは、１ｍｍの厚さに設定する。
また、このような隔壁９の作成方法としては、電鋳法が好ましい。電鋳法によれば、複雑な形状を高精度に作成することが可能である。

電鋳法によるＲＴＭ成形型の製造方法としては、箱体２の底面の一部領域に機械加工又はエッチングを施し、樹脂流動方向に溝部１１を形成する。次に、溝部１１にワックスのような固体状態に近い半流動物質を充填する。半流動物質の表面側から半流動物質に超音波センサ６を埋設する。埋設後に余分な半流動物質を除去するとともに、半流動物質の表面と超音波センサ６の表面を底面に対して面一に形成する。

次に、超音波センサ６の表面と半流動物質の表面に導電処理を施す。なお、箱体２は金属で形成されている場合は、底面に導電処理は不要である。次に、底面と導電処理が施されている半流動物質の表面と導電処理が施されている超音波センサ６の表面とに対して電鋳（electro-forming）処理（電気メッキ）が施される。

このようにして、隔壁９が上記処理面に対して電鋳法（銅電鋳法）により形成される。超音波センサ６は、溝部１１側の隔壁９に強力に接合している。隔壁９は、箱体２に一体化している。最後に、溝部１１の中の半流動物質が加熱により箱体２の中で溶解され、溝部１１の中で流動し溝部１１の端面開口（図示されず）から流出して除去される。

なお、隔壁９が単純な形状であれば、その他公知の方法（消失模型鋳造法）により作成することもできる。また、ファイバー状や帯状の超音波センサ６を用いる場合には、第２型の端面から所定厚さの隔壁９を残した状態でドリルによって溝部１１を貫通させて作成してもよい。つまり、隔壁９の作成方法は、使用する超音波センサ６の仕様に合せて適宜選択すればよい。

上述したごとく、超音波センサ６を用いることにしたので、繰り返し使用に耐えうる程度の厚さを有する隔壁９を使用することができる。従って、流動樹脂に超音波センサ６が接触せず、かつ繰り返し使用に耐える。このような隔壁を介して樹脂流動先端を検知する場合、歪みゲージ等の歪み計では隔壁の厚さが大きいため計測することができない。しかしながら、超音波センサを使用することによって、ある程度の厚みをもった隔壁でも検知することが可能であり、これにより超音波センサを繰り返して使用することが可能となり、ひいては低コストでＲＴＭ成形することができる。

〔参考例１〕
本発明の参考例１について、図６および図７を用いて説明する。図６は、本発明の参考例１におけるＲＴＭ成形型の平面図を示し、図７は図６のＡ−Ａ断面図である。

図６および図７に示すように、溝部１１を箱体２の幅方向に並んだ状態で２列設けた構造とし、好ましくは、箱体２の幅方向に並んだ状態で等間隔に複数設けた構造とする。その他の構成は一実施形態と同じである。溝部１１内には超音波センサ６が配置され、中空部１０の中の繊維基材３を含浸する樹脂流動を検知する。超音波センサ６は、樹脂および繊維基材３と接触しないよう、溝部１１内の隔壁６に取り付けられている。

複数の溝部１１内に超音波センサ６が設けられているため、型の長尺方向の樹脂流動分布に加え、幅方向の分布も得ることができる。このため、繊維基材３全域にわったって樹脂流動先端を検知することができ、より高精度な複合材の成形が可能となる。

〔参考例２〕
本発明の参考例２について、図８および図９を用いて説明する。図８は本発明の参考例２におけるＲＴＭ成形型の平面図を示し、図９は図８のＢ−Ｂ断面図である。

図８および図９に示すように、蓋体２を第２型とし、箱体１を第１型として、蓋体２と箱体１とを組み合わせて気密な中空部１０を形成したものである。中空部１０中には、強化材であるＦＲＰ（強化プラスチック）などの繊維基材３が配置される。箱体２内部には、箱体２の長尺方向に沿って溝部１１が２列、好ましくは等間隔に複数形成され、中空部１０と溝部１１との間には隔壁９が形成される。溝部１１内には超音波センサ６が配置され、中空部１０の中の繊維基材３を含浸する樹脂流動先端を検知する。超音波センサ６は、樹脂および繊維基材３と接触しないよう、溝部１１内の隔壁６に取り付けられている。

参考例２において、樹脂と繊維基材３とが一体硬化した後、蓋体２と箱体１とを離型する際（ステップ４）、まず、蓋体２を離型してから箱体１を離型する。成形物が複雑な形状になれば型も複雑となり、離型に要する時間も長くなる。従って、箱体に超音波センサ６を設けた場合、蓋体を離型した後、箱体を離型する間、蓋体は放置されることとなり、成形作業に無駄が生じる。

しかしながら、検知ステップを行う超音波センサ６を蓋体２に設けたことにより、箱体１から蓋体２を離型した後、箱体１から複合成形物を離型する間、蓋体２を別の箱体１に利用することができる。これにより、次工程への待機時間を省略できるため、ＲＴＭ成形工程の短縮が図られる。

本発明の一実施形態におけるＲＴＭ成形型を示す斜視図である。本発明の一実施形態におけるＲＴＭ成形型を示す正面図である。本発明のＲＴＭ成形における樹脂流動を示す平面図である。本発明の超音波センサの配置を示す配置図である。本発明における減衰曲線を示すグラフである。本発明の参考例１におけるＲＴＭ成形型を示す平面図である。図６のＡ−Ａ断面図である。本発明の参考例２におけるのＲＴＭ成形型を示す平面図である。図８Ｂ−Ｂ断面図である。

１第１型
２第２型
３繊維基材
３ａ樹脂未含浸領域
３ｂ樹脂流動先端
３ｃ樹脂含浸領域
４樹脂注入孔
５樹脂排出孔
６超音波センサ
７リード線
８金属板
９隔壁
１０中空部
１１溝部

Claims

第１型と、
前記第１型と組み合わされた状態で樹脂が注入される中空部を形成するとともに、該中空部に対して隔壁を介して溝部が形成された第２型と、
前記中空部を流動する樹脂を検出する超音波センサと、
前記超音波センサは、前記溝部に設けられるとともに、前記隔壁に取り付けられており、
前記第２型の溝部より型の内部に超音波を共振状態となるように発振して、該超音波による振幅の変化をモニタリングすることにより、樹脂が含浸された領域と未含浸の領域とを判別することを特徴とするＲＴＭ成形型。
前記超音波センサは、ピエゾ（Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ）、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸塩）の圧電素子を用いることを特徴とする請求項１記載のＲＴＭ成形型。
前記超音波センサは、ＥＭＡＴ（ＥｌｅｃｔｒｏＭａｇｎｅｔｉｃＡｃｏｕｓｔｉｃＴｒａｎｓｄｕｃｅｒ）を用い、超音波を発振して型の内部に共振状態を作り、振幅の変化をモニタリングすることを特徴とする請求項１記載のＲＴＭ成形型。
第１型と第２型とを組み合わせて樹脂が流動する中空部を形成するステップと、
前記中空部に前記樹脂を注入するステップと、
前記超音波センサにより前記樹脂の流動先端を検出する検出ステップと、
前記超音波センサとともに前記第２型と第１型とを離型するステップと、
を含むＲＴＭ成形方法において、
前記検出ステップは、前記第２型に形成された溝部を前記中空部との間で仕切る隔壁に取り付けられた前記超音波センサによって、前記第２型の溝部より型の内部に超音波を共振状態となるように発振して、該超音波による振幅の変化をモニタリングし、樹脂が含浸された領域と未含浸の領域とを判別することにより、前記中空部を流動する樹脂先端を検出するステップを含むことを特徴とするＲＴＭ成形方法。