JP4805230B2 - 複合材料の大型成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の成形品を成形するための装置であり、詳しくは、大型の成形治具を用いて複合材料の成形品を成形するための大型成形装置に関するものである。

従来、炭素繊維複合材料（この明細書及び特許請求の範囲の書類中では、単に「複合材料」という）によって種々の成形品が製作されている。このような成形品として、複合材料を所定の形状の成形治具に巻いてオートクレーブ等の成形装置内部で加熱することにより製作されるものがある。従来、このように成形治具で加熱されて成形される成形品は小形の成形品を個々に製作する場合が多い。

一方、近年、軽量化が重視される航空機では複合材料が多用されており、多くの構成部品が複合材料で成形されている。また、複合材料は、構造物の軽量化とともに金属疲労を解消できて好ましいと考えられている。このような複合材料の成形品を前記成形治具を用いてオートクレーブ等の成形装置内部で加熱して製作する場合、オートクレーブ内部を窒素ガス雰囲気下とし、数気圧（例えば、７気圧）の圧力を掛けながら１８０度程度で所定時間加熱して焼き固めている。このようにオートクレーブ内部で加熱される加熱成形品は、成形治具を所定の温度まで許容バラツキ範囲内で均一に加熱し、成形治具をその温度で所定時間維持した後、成形治具を許容バラツキ範囲内で均一に冷却することにより成形されている。

この種の複合材料の一体成形に関する従来技術として、プレプリグ外板とプレプリグフレームとの上部にフィルムを被せ、これらを加圧、加熱、硬化処理を施して複合材を一体成形する方法において、プレプリグ外板とフィルムとの間にシリコンゴムの押え型を配置して、製品の表面に皺が発生せずに平滑に仕上げることができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

なお、マンドレルに関する従来技術として、押出機に取り付けた金型から押出発泡させた円筒状発泡体を一定の外径に拡径させるマンドレルコアと、このマンドレルコアと金型との間で円筒状発泡体を内側から冷却風で冷却する内側冷却部材とを有し、均一な厚みの熱可塑性樹脂シートを得るようにしたものがある（例えば、特許文献２参照）。
特開２００６−１３０８８７号公報 特開平４−３２０８２６号公報

ところで、近年、前記した複合材料によって航空機の胴体等の大形構造物を一体成形しようとする考えがある。この航空機の胴体等のような大形構造物を複合材料で一体成形しようとすると、例えば、図１９の複合材料の大型成形装置を模式的に示す縦断面図のように、非常に大きな円筒形状の大型成形治具１０１を用い、この大型成形治具１０１の外面に複合材料を巻付け、この大型成形治具１０１に巻付けた複合材料を大型オートクレーブ１００の内部にて加熱・加圧環境下で加熱硬化させて成形品を得る方法が考えられる。図示するオートクレーブ１００では、一方に設けられたヒータ室１０７で加熱された気体Ａがファン１０８によって気体流れ方向Ｆに循環されて、成形治具１０１を加熱するように構成されている。

一方、成形治具の全体温度を許容バラツキ範囲内で均一に上昇させ、所定温度で維持し、許容バラツキ範囲内で均一に下降させなければ均質な成形品を得ることは難しい。しかしながら、加熱する成形品が大形化すると成形治具も大型化し、大型の成形治具では、形状に由来する周囲流れの偏流や熱容量の増大化等が相乗し、所定の時間内に許容バラツキ範囲内で均一に温度上昇、温度維持、温度下降させることは難しくなる。このことは、成形品が大形化すれば、その影響で加熱・冷却時の温度分布に許容範囲を超える大きな不均一性が生じ、より温度上昇・下降に要する時間を許容バラツキ範囲内で均一にすることができなくなる。

図２０は、図１９に示す大型成形治具の一例の中央縦断面図である。図示するように、大型成形治具１０１の場合、その内部に複雑なリブ構造１０４（周方向に設けられた骨材１０２や軸方向に設けられた骨材１０３等）が形成されて強度が保たれている。この成形治具１０１は、上流側と下流側とに設けられた支持枠部１０５が支持部１０６によって支持されている。この支持部１０６は、移動構造（台車）に載せられ、成形治具１０１の軸方向に移動可能となっている。そのため、大型成形治具１０１の場合、これらの構造に影響されて加熱気体の流れに不均一を生じる。

図２１は、前記大型成形治具の一例を数値流体力学（ＣＦＤ）で解析した結果を示す画像データであり、図２２は、その成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。図２２は、成形治具前縁からの距離と熱伝達率との関係を示しており、距離は、前記図２０の左側に示す上流側の「０」位置から右側に示す下流側に向けての距離であり、成形治具１０１の全長が約８ｍで「０」位置から気体流れ方向Ｆに１ｍ毎の位置における値を示している。また、図示する周方向範囲は、成形治具１０１の上端を０°、下端を１８０°とした場合の範囲を示している。

図２１に示すように、熱容量の大きい成形治具では、前記したようにオートクレーブ１００内部の気流が偏流するため、成形治具１０１の内部・外部ともに許容バラツキ範囲内で均一な表面熱伝達率を得ることができず、熱伝達率の不均一性が温度上昇、温度下降に対して明確に影響するようになり、十分な熱伝達を満足することは難しい。図２２に示すように、特に、前記支持部１０６による加熱気体の偏流により、成形治具１０１の下部（１５０°−１８０°）に熱伝達の悪い低温度領域Ｃ「コールドスポット（Cold spot）」があることが判る。

しかも、大型成形治具の場合、加熱時の大きな膨張を避けるため、その材料に線膨張率が普通の鉄の１０分の１程度のインバー材（Invariable alloy；鉄６４％、ニッケル３６％から成る合金）が使用されており、その重量も、数十ｔｏｎと大きく、熱容量が非常に大きく、温度ムラを生じ易い。この点でも、加熱・冷却の熱伝達率に部位毎の高低差を生じさせている。

このように成形治具に温度ムラを生じた状態で加熱硬化させられた複合材料の成形品は、その強度にムラを生じるため均質な製品を得ることが難しくなる。なお、このような課題は、前記特許文献１，２では解決することができない。

そこで、本発明の発明者は、大型成形治具の熱伝達率を向上させて、均質な複合材料の成形品を安定して得ることができる複合材料の大型成形装置を提供するために、成形治具外側を通過する気流を整流させて外側から成形治具の加熱率を許容バラツキ範囲内で均一化できないかを検討したが、外側の気流を利用するにはオートクレーブ本体の改修が必要となって容易に対応することが困難であるため、成形治具内側（空洞部分）を通過する気流を利用して加熱率を許容バラツキ範囲内で均一化できないかを検討し、この成形治具内側を通過する気流で成形治具の加熱率を許容バラツキ範囲内で均一に近づけることができる複合材料の大型成形装置を発明した。

本発明は、ヒータで加熱した加熱気体を内部で循環させる加熱装置と、該加熱装置で循環させる加熱気体により、外面に巻付けた複合材料を加熱・加圧環境下で加熱硬化させて複合材料の成形品を成形する筒状の大型成形治具と、該大型成形治具を支持してレールに沿って軸方向に移動させる支持台とを備えた複合材料の大型成形装置であって、前記筒状の大型成形治具は、円筒状の外形に形成された外面に複合材料を巻付ける本体部と、該本体部の軸方向両端部に設けられたリング状の支持枠部とを有し、前記本体部は、円筒状の外板と、該外板の内側に設けられたリブ構造とを有して中央空洞部分が気体通路となっており、前記本体部の外板外面に複合材料を巻付けて前記支持枠部を前記支持台で支持し、前記大型成形治具の中央空洞部分の気体通路に、前記加熱気体の流れの一部を滞留させて成形治具の低温度領域に散らす拡散体を設けて前記循環させる加熱気体によって外板外面の複合材料を加熱硬化させて成型品を得るように構成している。これにより、拡散体が成形治具の内側を通過する加熱気体を積極的に滞留させて成形治具の低温度領域に散らし、成形治具を内側から積極的に温度上昇させて、成形治具の構造全体のほぼ均一な温度上昇と保持と下降とを図って、均質な複合材料の成形品を製作することができる。

また、前記拡散体を、前記大型成形治具の中央空洞部分の気体流れ方向に複数配置してもよい。これにより、成形治具内側の気流流れ方向の複数箇所において加熱気体を滞留させて低温度領域に散らして熱伝達の上昇と均一化を促進し、成形治具全体の許容バラツキ範囲内での均一な温度上昇と保持と下降とを図ることができる。

さらに、前記拡散体を、加熱気体の通過を制限する網目状の部材で構成してもよい。これにより、加熱気体を散らして滞留させる気体量を網目状の部材の開口率で簡単に制限することができる。

また、前記拡散体を、成形治具の中央位置から下半分に設けてもよい。これにより、拡散体を設けるための作業時間を短くしつつ、低温度領域となり易い成形治具の下部で加熱気体を滞留させて、成形治具全体の許容バラツキ範囲内での均一な温度上昇と保持と下降とを図ることができる。

さらに、前記成形治具の気体流れ方向に設けた複数の拡散体の気体通過率を変更してもよい。これにより、成形治具の低温度領域において加熱気体の滞留量を増やすように気体通過率を設定し、成形治具の低温度領域で加熱気体を積極的に滞留させて成形治具全体の許容バラツキ範囲内での均一な温度上昇と保持と下降とを図ることができる。

その上、前記成形治具の加熱気体入口側に、前記加熱気体の流れを成形治具の低温度領域に向ける方向制御部を設けてもよい。これにより、成形治具に入る加熱気体を積極的に低温度領域に向けて流入させることができ、少ない拡散体でも成形治具構造全体の許容バラツキ範囲内での均一な温度上昇と保持と下降とを図ることができる。

本発明は、以上説明したような手段によって、大型成形治具を許容バラツキ範囲内で均一に温度上昇させ、均一温度で保持し、均一に温度下降させることができるので、均質な複合材料の成形品を安定して得ることが可能となる。

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の第１実施の形態に係る複合材料の大型成形装置を中央縦断面で示す斜視図であり、図２は、図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具を中央縦断面で示す側面図である。以下の実施の形態では、大型オートクレーブの内部に大型成形治具を配置し、この大型成形治具で複合材料の大形成形品を成形する大型成形装置３０を説明する。

図１に示すように、オートクレーブ１の外形は円筒状に形成されており、両端部が鏡板２．３によって塞がれている。図示する右側は固定鏡板２であり、左側が開閉鏡板３である。固定鏡板２の側には、オートクレーブ１内部の気体を加熱するヒータ室４が設けられ、このヒータ室４には加熱した気体Ａを循環させるファン５が設けられている。また、開閉鏡板３の側には、加熱気体Ａを整流させるために２重の整流抵抗６，７が設けられている。この整流抵抗６，７と前記ヒータ室４との間の筒状部分は二重壁構造となっており、この二重壁構造の部分に、固定鏡板２側から開閉鏡板３側へ加熱気体Ａを送る隔壁となるマッフルプレート８が設けられている。

これにより、前記ヒータ室４で加熱してファン５によって固定鏡板２側に噴出させられた加熱気体Ａは、固定鏡板２で反転してマッフルプレート８の外側の空間を通って開閉鏡板３へと送られ、この開閉鏡板３で反転した加熱気体Ａは、整流抵抗６，７を通って整流されて成形治具１０へと送られるようになっている。オートクレーブ１の軸方向が、気体流れ方向Ｆであり、二重壁構造のマッフルプレート８の内側が、成形治具１０を配置する空間となっている。また、成形治具１０は、オートクレーブ１の軸方向に設けられたレール（図示略）に沿って移動する支持台１１に載せられ、この支持台１１をレールに沿って移動させることにより開閉鏡板３の側から出入りさせられる。このオートクレーブ１では、内部を窒素ガス雰囲気下とし、数気圧（例えば、７気圧程度）の圧力を掛けながら１８０度程度で成形治具１０を所定時間加熱することにより複合材料の成形品が製作される。

一方、図２にも示すように、成形治具１０は、円筒状の外形に形成された本体部１２と、この本体部１２の軸方向両端部に設けられたリング状の支持枠部１３とを有している。この支持枠部１３が、前記支持台１１に支持されている。本体部１２は、円筒状の外板１４と、この外板１４の内側に設けられた周方向骨材１５と軸方向骨材１６とからなるリブ構造１７とを有している。周方向骨材１５と軸方向骨材１６とに設けられた開口部は図示していない。この本体部１２が、前記支持枠部１３により軸方向両端部で支持されている。この実施の形態の成形治具１０によって形成される複合材料の大形成形品４０としては、複合材料で形成される筒状の航空機胴体部分である。

そして、この実施の形態では、成形治具１０の本体部１２の内側に、拡散体たるネット状の拡散網２０（バッフル）が設置されている。この拡散網２０は、所定の通過率（開口率と同等）の網が用いられている。また、拡散網２０は、ステンレス製の網を用いることにより、圧力損失は高くなく、オートクレーブへの負荷も小さい。さらに、この拡散網２０は、成形治具１０の内側の加熱気体流れ方向の周方向に吊るすように設けられており、簡単な設置作業で複数枚の拡散網２０を配設することができ、作業性への負担は小さい。

このようにして設けられた前記拡散網２０は、成形治具１０の内側（空洞部分）を通過する気流を利用すべく成形治具１０の内側に設置されたものであり、この拡散網２０によって成形治具１０の内側を通過する気流の一部が堰き止められて散らされるような流れになり、成形治具１０の内部で滞留するようになる。この滞留により気流は成形治具内面に満遍なく行き渡るようになり、加熱気体Ａの熱量を分散させてその熱量で成形治具１０の低温度領域を内側から加熱し、熱伝達率の許容バラツキ範囲内での均一性確保と、熱伝達率自体の上昇を図ることができる。

したがって、拡散網２０によって、成形治具１０の内側の空間を流通するだけで成形治具１０の温度上昇への寄与が小さかった気流が抵抗を受けて成形治具１０の骨材１５，１６の開口部（図示略）へと均一に気流が行き渡るようになり、熱伝達率の上昇と均一化が促進され、成形治具構造全体の許容バラツキ範囲内での均一な温度上昇と保持と下降とを実現できる。つまり、拡散網２０を成形治具１０の内側に設置することにより、成形治具１０の熱伝達率を内側から積極的に上昇させるとともに、均一化を図ることができるようにしている。

この実施の形態では、同一の拡散網２０を気体流れ方向Ｆに複数枚設けているが、例えば、前部の加熱を早期に行い、後部はゆっくり行いたい場合等の選択的な制御が必要な場合や、成形治具１０の形状や成形する成形体の条件等によって、上流側の拡散網２０の開口率を小さくし、下流側の拡散網２０の開口率を大きくしたり、逆に、上流側の拡散網２０の開口率を大きくし、下流側の拡散網２０の開口率を小さくしたり、拡散網２０を設ける位置を選択的に決定してもよい。また、前記条件によっては、昇温し難い部分には開口率の小さい拡散網２０を設けるようにしてもよい。また、拡散網２０の下部を上流側、又は下流側に傾けてもよい。これらは、複合材料や成形品の条件等により、前記低温度領域Ｃ（成形治具１０の入口側と出口側の支持台１１の下部）を効率良く加熱できるようにすればよい。

しかも、このようにして拡散網２０の構成を調整することにより、オートクレーブ１の運転は一定でも条件に応じて加熱したい所に加熱気体Ａを局所的に当てることができ、成形治具１０の安定した加熱で均一な製品を得ることができる。

図３は、図１に示す複合材料の大型成形装置３０の成形治具内側に第１拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフであり、図４は、図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第２拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフ、図５は、図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第３拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフ、図６は、図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第４拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。この第１拡散体は［表１］に示されるＧ．１規格の拡散網２０であり、第２拡散体は同Ｇ．２規格の拡散網２０、第３拡散体は同Ｇ．３規格の拡散網２０、第４拡散体は同Ｇ．４規格の拡散網２０である。これらの図では、これらの拡散網２０を軸方向に５枚設置した場合の、成形治具前縁からの距離と熱伝達率との関係を示している。距離は、前記図２に点線で示す拡散網２０を配置した位置を示しており、図の左側に示す上流側の「０」位置から右側に示す下流側に向けての距離である。また、図示する周方向範囲は、成形治具１０の上端を０°、下端を１８０°とした場合の範囲を示している。

図３に示すように、Ｇ．１規格の拡散網２０を気体流れ方向に５枚設けた場合、前記図２２に示す拡散網２０を設けない場合に比べて全体的に熱伝達率が向上している。また、図４に示すように、Ｇ．２規格の拡散網２０を気体流れ方向に５枚設けた場合、前記Ｇ．１規格の拡散網２０を設けた場合に比べて全体的にさらに熱伝達率が向上している。さらに、図５に示すＧ．３規格の拡散網２０を気体流れ方向に５枚設けた場合と、図６に示すＧ．４規格の拡散網２０を気体流れ方向に５枚設けた場合とでは、さらに全体的に熱伝達率が向上するとともに、３枚目の拡散網２０の位置における成形治具下部での熱伝達率が向上している。図示するように成形治具１０の上部での熱伝達率も向上しており、成形治具１０全体の熱伝達率が向上していることが判る。

図７は、図３〜図６に示す成形治具表面の平均熱伝達率を比較したグラフであり、(a) は成形治具外面の平均熱伝達率を比較したグラフ、(b) は成形治具内面の平均熱伝達率を比較したグラフである。図８は、図７に示す成形治具外面と内面の平均熱伝達率を合わせて比較したグラフである。図では、前記図２２に示す「網なし」の場合も示している。

図７(a) に示す成形治具外面（濃い色のグラフ）と、図７(b) に示す成形治具内面（薄い色のグラフ）とにおける平均熱伝達率は、拡散網２０を設けない場合に比べて、Ｇ．１規格〜Ｇ．４規格の拡散網２０を設けた場合の方が、徐々に熱伝達率が向上することが判る。図８に示すように、これら成形治具内面の熱伝達率と成形治具外面の熱伝達率とを合わせて比較したとしても、拡散網２０を設けない場合に比べて、Ｇ．１規格〜Ｇ．４規格の拡散網２０を設けた場合には熱伝達率が向上することが判る。

これは、拡散網２０を設置すると、この拡散網２０の抵抗により、拡散網２０がない場合には成形治具１０の内側を成形治具１０に熱を与えることなく通過していた気流が滞留して成形治具内面に近いリブ構造１７に流れ込むように拡散し、成形治具内面の熱伝達率が上昇することによるものである。また、拡散網２０を設置することによって、後述するように成形治具１０の外側を流れる気流の流量比が増えるので、成形治具１０の外面における熱伝達率も上昇する。これにより、成形治具１０の全体的な加熱上昇時間の短縮が可能となり、複合材料の成形品を効率良く製作することを可能としている。

図９は、図３〜図６に示す成形治具表面における平均熱伝達率のバラツキを比較したグラフである。このグラフでは、熱伝達率のバラツキを、熱伝達率の最大値から熱伝達率の最小値を減算し、その熱伝達率を熱伝達率の平均値で除算して示している。

前記成形治具１０を許容バラツキ範囲内で均一に温めるには、成形治具１０の表面の熱伝達率分布のバラツキが小さいほどよいが、図示するように、Ｇ．１規格の拡散網２０よりも、Ｇ．２規格〜Ｇ．４規格の線径が細かく開口率が小さい拡散網２０の方が熱伝達率のバラツキを抑える効果があることが判る。

図１０は、図３〜図６に示す成形治具周りの流量を比較したグラフである。図示するように、オートクレーブ１の内部を流れる加熱気体としては、拡散網２０が取り付けられていない状態では、成形治具１０の内側を流れる加熱気体の量が約４０％で、外側を流れる加熱気体の量が約６０％であるが、成形治具１０の内側に拡散網２０を設けることによって成形治具１０の内側を流れる加熱気体の量が減少し、外側を流れる加熱気体の量が増加することが判る。前記Ｇ．４規格の拡散網２０を取り付けた場合、成形治具１０の内側を流れる加熱気体の量が約２２％で、外側を流れる加熱気体の量が約７８％となる。

このように、成形治具１０の内側に拡散網２０を設置することにより、拡散網２０の抵抗により成形治具１０の内側を通過する流量の全体流量に対する比率は減少し、拡散網２０の開口率を小さくするほど流量比は低下する結果になっている。これは、成形治具１０の内側を流れる加熱気体は拡散網２０によって滞留させられて速度が落ちるが、成形治具１０の外側を流れる加熱気体は抵抗なく流れるので、成形治具１０の内側を流れていた加熱気体Ａの一部が外側を流れることによるものと考えられる。

図１１は、図１に示す複合材料の大型成形装置において圧力損失を検査する位置を示す側面図であり、図１２は、図１１に示す圧力損失の検査位置における圧力損失を示すグラフである。成形治具１０の内側に拡散網２０を設けたことによる圧力損失を、図１１に示すように、成形治具１０の上流側と下流側との間における成形治具全体の圧力損失Ｌ１を検査し、この全体の圧力損失から成形治具内側の圧力損失Ｌ２を減算したものを成形治具外側の圧力損失として検査している。

図１２に示すように、成形治具１０の内側に拡散網２０を設けたことによる圧力損失としては、拡散網２０を設けることによって成形治具１０の内側における圧力損失が増加するとともに、成形治具１０の外側における圧力損失も増加する。この圧力損失は、拡散網２０の開口率が小さくなるほど大きくなる。圧力損失としては、増大しすぎるとオートクレーブ１内部の加熱気体循環流量が減って成形治具１０の昇温性能に悪影響を与える可能性があるため、拡散網２０の開口率を適切に設定して成形治具１０の加熱との均衡を図る必要がある。

以上のような複合材料の大型成形装置３０によれば、成形治具１０の内側に拡散網２０を設けることによって成形治具１０の低温度領域Ｃにおける熱伝達率を向上させることができるので、電力消費の大幅な上昇等を伴うことなく、成形治具１０の低温度領域Ｃの熱伝達率を向上させることができるので、成形治具１０の許容バラツキ範囲内での均一な温度上昇と保持と下降とを図って、均質な複合材料の成形品を安定して製作することが可能となる。

図１３は、本発明の第２実施の形態に係る複合材料の大型成形装置の一部を断面で示す斜視図であり、図１４は、図１３に示す第２実施の形態における成形治具表面の平均熱伝達率を図８と比較したグラフ、図１５は、同成形治具の圧力損失を図１２と比較したグラフである。この第２実施の形態では、成形治具１０の内側の下側半分に拡散体たる拡散網２０を設けている。他の構成は前記第１実施の形態と同一であるため、同一の構成には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１３に示すように、この実施の形態の大型成形装置３１は、成形治具１０の気体流れ方向に複数設けられた周方向骨材１５に、成形治具１０の中央部から下半分の拡散網２１が設けられている。この拡散網２１は、周方向骨材１５に上部と下部との４箇所が固定されており、成形治具１０の内側下部を通過する気流を滞留させて拡散するようにしている。この例では、成形治具１０の気体流れ方向の下流側に設けられた３箇所の周方向骨材１５に拡散網２１がそれぞれ設けられている。

これにより、拡散網２１で拡散された気体は成形治具１０の内側下部に拡散され、成形治具１０を内側から加熱することができる。また、この拡散された気体は成形治具１０の内側を下流側へと流れ、加熱が難しい成形治具１０の気体出口側下部における支持枠部１３を加熱することができる。

図１４に示すように、平均熱伝達率は、前記第１実施の形態におけるＧ．４規格の拡散網２０を設けた場合に比べて下がるが、前記Ｇ．１規格の拡散網２０を設けた場合とほぼ等しくなる。また、図１５に示すように、圧力損失は、前記第１実施の形態におけるＧ．１規格の拡散網２０を設けた場合よりも小さくなる。したがって、この実施の形態は、大きな圧力損失を避けて熱伝達率の向上を図りたい場合に有効である。

この第２実施の形態では、成形治具１０の中央部から下半分に拡散網２１を設けているが、生産性向上のためには前記第１実施の形態のように成形治具１０の内側の全面に拡散網２０を設けるのが好ましい場合がある。この拡散網２０，２１を設ける範囲は、下半分よりも大きくても小さくてもよく、成形治具１０の形状や成形品の形状等に応じて決定すればよい。

図１６は、本発明の第３実施の形態に係る複合材料の大型成形装置の主要部を示す斜視図であり、図１７は、図１６に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側における気体流れと拡散体の配置例を示す側面図である。なお、前記第１実施の形態と同一の構成には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

図１６に示すように、この第３実施の形態の複合材料の大型成形装置３２は、成形治具１０の気流流れ方向上流側にルーバー２５が設けられている。このルーバー２５は、成形治具１０の上流側で成形治具内側に入る加熱気体を下向きに方向変換するように構成されている。このルーバー２５によって下向きに方向変換された加熱気体Ａにより、成形治具１０の内側に供給される加熱気体Ａが成形治具１０の下部における低温度領域Ｃを積極的に加熱するので、成形治具１０の上流側における下部の熱伝達率を向上させることができる。

さらに、このように成形治具１０の上流側において加熱気体Ａの流れを低温度領域Ｃに向けることにより、成形治具１０の内側に設けられる拡散網２０を下流側のみに配置しても、効果的な成形治具１０の熱伝達率向上を図ることができる。

図１８は、本発明の参考例に係る複合材料の大型成形装置における成形治具内で部品を成形する例を示す斜視図である。前記第１，第２実施の形態では、複合材料の大型成形品として円筒形状の航空機胴体を例に説明したが、複合材料の成形品は大型の円筒形状以外であってもよい。この参考例の大型成形装置３２では、多数の複合材料の小形成形品４１を大型成形治具１０の内部で加圧、加熱、硬化させる場合を示している。なお、この参考例の大型成形装置３３は、成形治具１０の内部で多数の小形成形品４１を成形する以外は前記図１の複合材料の大型成形装置３０と同一であるため、図では小形成形品４１に関する構成のみを示して説明する。

図示するように、成形治具１０の内部には多数の部品棚２７が設けられ、それらの部品棚２７に小形成形品４１が載せられている。これら小形成形品４１として、図ではリング状の部品の一部を構成する円弧状の部品が示されている。この構成の場合、複数個の成形品４１を多数同時に加熱硬化させて成形品を製作することができる。

このように多数の部品棚２７を設けて多数の小形成形品４１を一度に成形する場合でも、部品棚２７の位置や大きさに応じて前記拡散網２０を成形治具１０の内側に設けることにより、加熱気体Ａを滞留させて拡散させ、部品棚２７を許容バラツキ範囲内で均一に温度上昇、維持、下降させることができるので、成形治具１０の内部で均質な成形品４１を安定して製作することができる。

なお、前記第１，２実施の形態では拡散体に複数枚の拡散網２０，２１を用い、前記第３実施の形態ではルーバー２５と拡散網２１とを用いているが、これらの拡散体は、拡散網２０，２１やルーバー２５以外でも、気流の流れ方向の開口率を変更できて同様の効果が得られる格子等であってもよく、拡散体は前記実施の形態に限定されるものではない。

また、前記第１実施の形態では筒状の航空機胴体部分を形成する例を説明したが、胴体部分に隔壁の一部を一体的に形成するような場合でも、拡散体たる拡散網２０，２１の設置条件によって許容バラツキ範囲内で均一な加熱が可能となり、安定した製品の成形が可能となる。

さらに、前述した実施の形態は一例を示しており、本発明の要旨を損なわない範囲での種々の変更は可能であり、本発明は前述した実施の形態に限定されるものではない。

本発明に係る複合材料の大型成形装置は、大型成形治具を用いて複合材料の成形品を成形する場合に利用できる。

本発明の第１実施の形態に係る複合材料の大型成形装置を中央縦断面で示す斜視図である。 図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具を中央縦断面で示す側面図である。 図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第１拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。 図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第２拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。 図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第３拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。 図１に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側に第４拡散体を設けた時の成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。 図３〜図６に示す成形治具表面の平均熱伝達率を比較したグラフであり、(a) は成形治具外面の平均熱伝達率を比較したグラフ、(b) は成形治具内面の平均熱伝達率を比較したグラフである。 図７に示す成形治具外面と内面の平均熱伝達率を合わせて比較したグラフである。 図３〜図６に示す成形治具表面における平均熱伝達率のバラツキを比較したグラフである。 図３〜図６に示す成形治具周りの流量を比較したグラフである。 図１に示す複合材料の大型成形装置において圧力損失を検査する位置を示す側面図である。 図１１に示す圧力損失の検査位置における圧力損失を示すグラフである。 本発明の第２実施の形態に係る複合材料の大型成形装置の一部を断面で示す斜視図である。 図１３に示す第２実施の形態における成形治具表面の平均熱伝達率を図８と比較したグラフである。 図１３に示す第２実施の形態における成形治具の圧力損失を図１２と比較したグラフである。 本発明の第３実施の形態に係る複合材料の大型成形装置の主要部を示す斜視図である。 図１６に示す複合材料の大型成形装置の成形治具内側における気体流れと拡散体の配置例を示す側面図である。 本発明の参考例に係る複合材料の大型成形装置における成形治具内側で部品を成形する例を示す斜視図である。 大型オートクレーブの内部に大型成形治具を設置した複合材料の大型成形装置を模式的に示す縦断面図である。 図１９に示す大型成形治具の一例の中央縦断面図である。 図１９に示す大型成形治具の表面のＣＦＤ解析結果を示す画像データである。 図２１に示す成形治具表面の熱伝達率を示すグラフである。

符号の説明

１…オートクレーブ
２…固定鏡板
３…開閉鏡板
４…ヒータ室
５…ファン
８…マッフルプレート
１０…成形治具
１１…支持台
１２…本体部
１３…支持枠部
１４…外板
１５…周方向骨材
１６…軸方向骨材
１７…リブ構造
２０…拡散網
２１…拡散網
２５…ルーバー
２７…部品棚
３０…大型成形装置
３１…大型成形装置
３２…大型成形装置
４０…成形品
４１…小形成形品
Ａ…加熱気体
Ｆ…気体流れ方向

Claims (6)

1. ヒータで加熱した加熱気体を内部で循環させる加熱装置と、該加熱装置で循環させる加熱気体により、外面に巻付けた複合材料を加熱・加圧環境下で加熱硬化させて複合材料の成形品を成形する筒状の大型成形治具と、該大型成形治具を支持してレールに沿って軸方向に移動させる支持台とを備えた複合材料の大型成形装置であって、
   前記筒状の大型成形治具は、円筒状の外形に形成された外面に複合材料を巻付ける本体部と、該本体部の軸方向両端部に設けられたリング状の支持枠部とを有し、
   前記本体部は、円筒状の外板と、該外板の内側に設けられたリブ構造とを有して中央空洞部分が気体通路となっており、
   前記本体部の外板外面に複合材料を巻付けて前記支持枠部を前記支持台で支持し、
   前記大型成形治具の中央空洞部分の気体通路に、前記加熱気体の流れの一部を滞留させて成形治具の低温度領域に散らす拡散体を設けて前記循環させる加熱気体によって外板外面の複合材料を加熱硬化させて成型品を得るように構成したことを特徴とする複合材料の大型成形装置。
2. 前記拡散体を、前記大型成形治具の中央空洞部分の気体流れ方向に複数配置した請求項１に記載の複合材料の大型成形装置。
3. 前記拡散体を、加熱気体の通過を制限する網目状の部材で構成した請求項１又は請求項２に記載の複合材料の大型成形装置。
4. 前記拡散体を、成形治具の中央位置から下半分に設けた請求項１〜３のいずれか１項に記載の複合材料の大型成形装置。
5. 前記成形治具の気体流れ方向に設けた複数の拡散体の気体通過率を変更した請求項２〜４のいずれか１項に記載の複合材料の大型成形装置。
6. 前記成形治具の加熱気体入口側に、該成形治具の低温度領域に加熱気体の流れを向ける方向制御部を設けた請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材料の大型成形装置。