JP4833603B2 - 成形治具 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化樹脂複合材の構造用部材をＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法により成形する技術に関し、詳しくは翼桁や外板を補強するストリンガといった長尺物をＲＴＭ法により製造する技術に関する。

よく知られるように繊維強化樹脂はその軽量で高強度な特性により、航空機の翼構造にも好個に用いられている。

翼の桁間構造には前後桁、ストリンガなどの補強部材が用いられるが、桁、ストリンガはＲＴＭ法により次のように作製することができる。

真空吸引を利用したＶＡＲＴＭ（Vacuum Assist Resin Transfer Molding）法では、用いるマンドレル（下型治具）の成型面は、長手方向に所定寸法連続する台形状の突な横断面を有する。このマンドレルの成型面に強化繊維織物体を保持し、上型治具内に収めるか上面をバギングフィルムで覆い、強化繊維織物体に連通する吸引口から真空吸引するとともに、別途設けられた導入口から樹脂を導入する。導入された樹脂はマンドレルに保持された強化繊維織物体に含浸し余分な樹脂は吸引口から排出される。

ストリンガは上面又は下面の外板に配設されるので、フランジ部を有した断面ハット形（図３参照）に成形されるのが多く、また、桁は上下の外板間を支持するので、上下外板に結合される一対のフランジとこれらのフランジを繋ぐウェブで形成され（図１参照）、両者は共に凹部を持ち長尺な形状に成形される。ストリンガは外板形状の保持を主としているが断面形状は比較的小さいうえ、片側の翼根から翼端まで連続しており、桁はストリンガより断面は大きいものの、翼根から翼端まで伸び、翼に加わる全ての荷重を負担し、さらに桁前後の装備品が取り付けられるので、補強も兼ねてフランジ間にリブが設けられている。リブは成形後にファスナーで固定することもあるが、これを一体的に成形することもあり、一体に成形する方が製作時間が短縮される。

一般に、繊維強化樹脂を成形する技術においては、未含浸部の発生を防止すること、硬化後に成形品の樹脂引けの発生を防止することが課題となる。

主翼の桁間構造に用いられる桁やストリンガには十数メートルに及ぶものもある。成形品が大型化すると、樹脂含浸距離が長くなる分、樹脂の導入に時間がかかり、導入中に樹脂の粘度が上昇して導入が十分に行えなくなり、未含浸部が生じ易い。したがって、未含浸部の発生を防止するためには樹脂導入時間を短縮することも重要である。

一方、成形品を成形する際に樹脂溜が成型品の大きさに対して少ないと、樹脂の硬化収縮により成型品に樹脂引けが生じ易くなる。

以上の樹脂導入時間の短縮、十分な樹脂溜の確保を行うには、注入口などの樹脂導入部を多く設けることが一つの有効な方法となる。

特許文献１に記載された発明は、コア材に溝を設け、短手方向の中央に注入口を長手方向に並べて複数設け、短手方向の一端に吸引口を設けて、溝により樹脂を吸引側とは反対側にも流し短手方向の両側から強化繊維基材に含浸させている。

かかる発明によれば、注入口を長手方向に多く設け、コアに溝を設けている効果で樹脂導入時間の短縮が図られている。
特開２００１−２６０２３８号公報 図２

しかし、上記特許文献１では、樹脂注入口と強化繊維基材の周端とが離れているので樹脂硬化後の樹脂引けに問題がある。また、桁やストリンガの場合、特許文献１のようなコア部材を用いずに強化繊維と樹脂とで部材を形成するのでコアを利用して樹脂の通路を設けることはできない。

本発明は以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであって、表裏の一方に凹形を有し他方に前記凹形に沿った凸形を有する断面が長手方向に連続する長尺な繊維強化樹脂成形品をＲＴＭ法により成形するにあたり、樹脂導入部及び樹脂排出部の配置を適正化することにより、未含浸部の発生を防止すること、樹脂引けの発生を防止することを課題とする。

以上の課題を解決するための請求項１記載の発明は、表裏の一方に凹形を有し他方に前記凹形に沿った凸形を有する断面が長手方向に連続する長尺な繊維強化樹脂成形品をＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法により成形するための成形治具であって、
基台と、
この基台上に載置され、強化繊維が上面に配置される台形状の断面を有する長尺の下型治具とを備え、
前記下型治具の成形品短手方向の中央部に前記台形状の断面を上下に貫通する吸引孔が設けられ、該下型治具の上に載置される強化繊維の端部に隣接して該端部に沿って延びる樹脂溜が形成され、この樹脂溜に樹脂を導入する樹脂導入孔が複数設けられ、
前記下型治具の上に配置された強化繊維の外周に固定され、該下型治具との間に隙間を保持することにより前記樹脂溜を形成する剛性部材と、前記強化繊維及び前記剛性部材を覆うバギングフィルムと、をさらに備えることを特徴とする成形治具である。

したがって請求項１記載の発明によれば、前記下型治具の成形品短手方向の中央部に前記台形状の断面を上下に貫通する吸引孔が設けられ、前記剛性部材により、強化繊維の外周に樹脂溜となる隙間が確保され、該下型治具の上に載置される強化繊維の端部に隣接して該端部に沿って延びる樹脂溜が形成され、この樹脂溜に樹脂を導入する孔が複数設けられているので、複数の孔から強化繊維の端部に隣接して該端部に沿って延びる樹脂溜を経て中央の吸引孔に向かって樹脂が導入されることにより、樹脂導入時間を短縮でき、未含浸部の発生を抑えることができる。また、強化繊維の端部に隣接して該端部に沿って延びる樹脂溜により、より多くの樹脂溜が確保され、樹脂引けの発生を抑えることができる。

請求項２記載の発明は、前記樹脂導入孔は、前記強化繊維の保持部より外側で前記下型治具の上面に開口し、
前記剛性部材は、前記下型治具の上面における前記樹脂導入孔から前記保持部までの領域において真空力に抗して前記バギングフィルムを前記下型治具の上面から離して保持することを特徴とする請求項１記載の成形治具である。

請求項３記載の発明は、複数の前記樹脂導入孔は、成形品長手方向に並んで設けられ、
前記剛性部材が形成する前記隙間は、複数の前記樹脂導入孔を連通させるように成形品長手方向に長く形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の成形治具である。

上述したように本発明の成形治具を用いれば、その樹脂導入部及び樹脂排出部の配置や構造により、樹脂導入時間を短縮して未含浸部の発生を防止することができ、樹脂溜を十分に確保して樹脂引けの発生を防止することができるというという効果がある。

以下に本発明の一実施の形態につき図面を参照して説明する。以下は本発明の一実施形態であって本発明を限定するものではない。

〔第１実施形態〕
次に、本発明の第１実施形態につき、図１及び図２を参照して説明する。図１は本発明の第１実施形態の成形治具を示す横断面図である。図２は、本成形治具の部品である隙間形成部材の斜視図である。

本実施形態において成形する繊維強化樹脂成形品は、ストリンガである。このストリンガは、図１に示す強化繊維織物体１３の断面の通りのハット状の断面が長手方向に連続する長尺体であり、中央に単一の凹凸部、その両側にフランジ部を有したものである。凹部を有した面は下型治具１５により成形され、凸部を有した面は真空吸引下、バギングフィルム１６によって押圧されて下型治具１５に沿った形状に成形される。

図１に示すように本実施形態の成形治具２０には、ベース１４、下型治具１５、バギングフィルム１６、隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒ、隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒが含まれる。隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒ及び隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒは、樹脂溜を形成する剛性部材として設けられるものである。

図１に示すように、ベース１４の中央には貫通孔１４ａが、ベース１４の両側には貫通孔１４Ｌ，１４Ｒが設けられている。下型治具１５の中央には貫通孔１５ａが、下型治具１５の両側には貫通孔１５Ｌ，１５Ｒが設けられている。

ベース１４上に下型治具１５が設置され、互いの貫通孔１４ａと貫通孔１５ａが連接され真空吸引孔２１が構成されるとともに、互いの貫通孔１４Ｌと貫通孔１５Ｌが連接され、貫通孔１４Ｒと貫通孔１５Ｒが連接されて樹脂導入孔２２Ｌ，２２Ｒが構成される。

真空吸引孔２１は樹脂排出路も兼ねるものであって、また、排気及び樹脂排出を行う真空吸引部に相当する。

真空吸引孔２１は一つ設けられる。片側の樹脂導入孔２２Ｌは、成形品長手方向（＝図１描画面垂直方向）に沿って複数設けられる。同様に、反対側の樹脂導入孔２２Ｒは、成形品長手方向に沿って複数設けられる。

下型治具１５の下面はフラットでベース１４に合わさる。下型治具１５の上面は中央に隆起した台形状の部分を持つマンドレル部１５ｂを有し、その下部にマンドレル部１５ｂの両側に延出するフラット部１５ｃを有する。マンドレル部１５ｂがストリンガの凹部を成形し、フラット部１５ｃがストリンガのフランジ部の下面を成形する。マンドレル部１５ｂとフラット部１５ｃは、成形精度を高めるため本実施形態のように一体に構成される。

バギングフィルム１６は、下型治具１５及びその周囲に露出するベース１４を覆う。図示しないが、バギングフィルム１６は周縁においてベース１４との間でシーリングされる。したがって、真空吸引孔２１を介してキャビティを真空吸引すると、樹脂導入孔２２Ｌ，２２Ｒからのみ空気がキャビティに侵入する。

図１及び図２によって示されるように、隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒは、樹脂導入孔２２Ｌ，２２Ｒの樹脂出口２３Ｌ，２３Ｒより外側で下型治具１５の端に固定支持され、中央方向に延設されて、樹脂出口２３Ｌ，２３Ｒの上部に配置される。さらに、中央方向に延設された隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒの内側先端は、段差部を介して下型治具１５のフラット部１５ｃに近づいた位置に配置され、強化繊維織物体１３の縁部上面側に当接する。２つの隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒはマンドレルの両側に対称的に配置されるものであり、同一部品で足りる。

図２に示すように、隙間形成メインプレート１７Ｌ（１７Ｒ）には、内側に切欠き部２４と突出部２５が交互に複数形成されている。突出部２５が上述のように段差部を介して下型治具１５のフラット部１５ｃに近づいた位置に配置され、強化繊維織物体１３の縁部上面側に当接する。

隙間形成メインプレート１７Ｌ（１７Ｒ）は、樹脂出口２３Ｌ（２３Ｒ）から強化繊維織物体１３の保持部までの領域において真空力に抗してバギングフィルム１６をフラット部１５ｃの上面から離して支持する。これにより形成された隙間１９Ｌ（１９Ｒ）が、樹脂出口２３Ｌ（２３Ｒ）を強化繊維織物体１３の保持部に接続し、樹脂導入通路及び樹脂溜を確保する。

また、隙間１９Ｌ（１９Ｒ）は成形品長手方向に並んだ複数の樹脂出口２３Ｌ（２３Ｒ）を連通させるように成形品長手方向に長く形成される。

本実施形態においては、さらに隙間１９Ｌ，１９Ｒを十分な大きさに維持するため、隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒを用いている。

２つの隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒは下型治具１５の両側に対称的に配置されるものであり、同一部品で足りる。また、隙間形成メインプレート１７Ｌ（１７Ｒ）と隙間形成サブプレート１８Ｌ（１８Ｒ）を一体構造にしても良い。

図１及び図２によって示されるように隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒは、隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒの上端に支持され、そこから中央方向に下り傾斜をもって延設された先端は、下型治具１５のフラット部１５ｃに近づき、隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒの突出部２５の先端に近接配置される。隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒの内側端部は、突出部２５の先端に接触していても良い。

図２に示すように隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒは、切欠きなどの変化をつけずに長手方向の位置によらない一様断面で形成され、その内側先端の下り傾斜部が隙間形成メインプレート１７Ｌ，１７Ｒの切欠き部２４及び突出部２５の上部を覆っている。

樹脂導入する際には、真空吸引孔２１を介してキャビティを真空吸引して各樹脂導入孔２２Ｌ，２２Ｒから樹脂を導入する。真空吸引時は大気圧によりバギングフィルム１６は強化繊維織物体１３に押し付けられるが、上述の隙間１９Ｌ，１９Ｒは隙間形成プレート１７Ｌ，１７Ｒ，１８Ｌ，１８Ｒにより保持される。

各樹脂導入孔２２Ｌ，２２Ｒから浸入する樹脂は、隙間１９Ｌ，１９Ｒにおいて成形品長手方向に拡幅するとともに強化繊維織物体１３に含浸し始める。その後、キャビティ内に樹脂が充満し、余分な樹脂は真空吸引孔２１から排出される。硬化収縮による樹脂引けを防止するため、硬化中にも樹脂を補給する。

切欠き部２４を設けたことにより樹脂を導入しやすなり、隙間形成サブプレート１８Ｌ，１８Ｒを設けたことにより、切欠き部２４にバギングフィルム１６が入り込んで樹脂導入のための隙間１９Ｌ，１９Ｒが狭くなることを防止することができ、円滑な樹脂導入を維持できる。

本実施形態によれば、下型治具１５のストリンガ短手方向の中央に樹脂排出部（２１）が設けられ、ストリンガを成形するキャビティの短手方向の両側に樹脂導入部（２２Ｌ，２２Ｒ，１９Ｌ，１９Ｒ）が設けられているので、両側の樹脂導入部から中央の樹脂排出部に向かって樹脂が対称的に導入され、均一な導入が可能であり、かつ、ストリンガ短手方向の両側に樹脂導入部を設けたことにより、樹脂導入時間を短縮でき、未含浸部の発生を抑えることができる。また、ストリンガ短手方向の両側に樹脂導入部を設けたことにより、より多くの樹脂溜が確保され、樹脂引けの発生を抑えることができる。

また本実施形態によれば、隙間形成部材（１７Ｌ，１７Ｒ，１８Ｌ，１８Ｒ）により形成される隙間１９Ｌ，１９Ｒが、樹脂導入孔２２Ｌ，２２Ｒから強化繊維織物体１３への樹脂導入に必要な隙間であって、かつ、樹脂溜となる隙間として機能し、樹脂導入を円滑に行えて、樹脂導入時間を短縮し、未含浸部の発生を抑えることができるとともに、この樹脂溜（１９Ｌ，１９Ｒ）により樹脂引けの発生を抑えることができる。

さらに本実施形態によれば、隙間形成部材（１７Ｌ，１７Ｒ，１８Ｌ，１８Ｒ）が形成する隙間１９Ｌ（１９Ｒ）が成形品長手方向に並ぶ複数の樹脂出口２３Ｌ（２３Ｒ）を連通させるようにストリンガ長手方向に長く形成されているので、樹脂導入部が強化繊維織物体１３の直前で拡幅されて、樹脂導入がさらに円滑になるとともに、樹脂溜としても拡幅されるから、樹脂引けをさらに効果的に抑えることができる。

本発明の第１実施形態の成形治具を示す横断面図である。 本発明の第１実施形態の成形治具の部品である隙間形成部材の斜視図である。

符号の説明

１３ 強化繊維織物体
１４ ベース
１５ 下型治具
１６ バギングフィルム
１７Ｌ，１７Ｒ 隙間形成メインプレート
１８Ｌ，１８Ｒ 隙間形成サブプレート
１９Ｌ，１９Ｒ隙間
２０ 成形治具
２１ 真空吸引孔（樹脂排出部）
２２Ｌ，２２Ｒ 樹脂導入孔
２３Ｌ，２３Ｒ 樹脂出口
２４ 切欠き部
２５ 突出部

Claims (3)

1. 表裏の一方に凹形を有し他方に前記凹形に沿った凸形を有する断面が長手方向に連続する長尺な繊維強化樹脂成形品をＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法により成形するための成形治具であって、
   基台と、
   この基台上に載置され、強化繊維が上面に配置される台形状の断面を有する長尺の下型治具とを備え、
   前記下型治具の成形品短手方向の中央部に前記台形状の断面を上下に貫通する吸引孔が設けられ、該下型治具の上に載置される強化繊維の端部に隣接して該端部に沿って延びる樹脂溜が形成され、この樹脂溜に樹脂を導入する樹脂導入孔が複数設けられ、
   前記下型治具の上に配置された強化繊維の外周に固定され、該下型治具との間に隙間を保持することにより前記樹脂溜を形成する剛性部材と、前記強化繊維及び前記剛性部材を覆うバギングフィルムと、をさらに備えることを特徴とする成形治具。
2. 前記樹脂導入孔は、前記強化繊維の保持部より外側で前記下型治具の上面に開口し、
   前記剛性部材は、前記下型治具の上面における前記樹脂導入孔から前記保持部までの領域において真空力に抗して前記バギングフィルムを前記下型治具の上面から離して保持することを特徴とする請求項１記載の成形治具。
3. 複数の前記樹脂導入孔は、成形品長手方向に並んで設けられ、
   前記剛性部材が形成する前記隙間は、複数の前記樹脂導入孔を連通させるように成形品長手方向に長く形成されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の成形治具。

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