JP5050699B2 - Molding status monitoring method for fiber reinforced plastic - Google Patents
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Description
本発明は繊維強化プラスチックの成形状況、特に液状体の含浸状況のモニタリング方法に関し、さらに詳しくはFRPの成形に用いる強化繊維基材へのマトリックス樹脂の含浸状況のモニタリングに有効な方法に関する。 The present invention relates to a method for monitoring the molding condition of fiber reinforced plastic, in particular, the impregnation condition of a liquid material, and more particularly relates to a method effective for monitoring the impregnation condition of a matrix resin to a reinforcing fiber substrate used for FRP molding.
炭素繊維やガラス繊維を強化繊維として用いた炭素繊維強化プラスチック(以下、CFRP)、ガラス繊維強化プラスチック(以下、GFRP)に代表される繊維強化プラスチック(以下、FRP)は軽量でかつ高い耐久性を有するため、自動車や航空機などの各種構成部材としての適用されている。 Carbon fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as CFRP) using carbon fiber or glass fiber as reinforced fiber, fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as FRP) represented by glass fiber reinforced plastic (hereinafter referred to as GFRP) is lightweight and has high durability. Since it has, it is applied as various structural members, such as a motor vehicle and an aircraft.
これらFRPの代表的な製造方法としては、プリプレグを用いたオートクレーブ成形法が知られている。かかる成形法では、強化繊維にマトリックス樹脂を予め含浸させたプリプレグと呼ばれる中間基材を成形型上に積み重ねた後、フィルム材料で真空シールしてオートクレーブ中で加熱・加圧して複合材料を成形する。しかしながら、プリプレグに含浸されているマトリックス樹脂は硬化剤を含有した熱硬化性樹脂であるため硬化反応が徐々に進行してしまうことから、可使時間が短かく冷凍保管設備が必要であることから使用するにあたっての制約が大きかった。 As a typical method for producing these FRPs, an autoclave molding method using a prepreg is known. In such a molding method, an intermediate base material called a prepreg in which a reinforcing fiber is impregnated with a matrix resin in advance is stacked on a mold, and then vacuum-sealed with a film material and heated and pressurized in an autoclave to form a composite material. . However, since the matrix resin impregnated in the prepreg is a thermosetting resin containing a curing agent, the curing reaction gradually proceeds, so that the pot life is short and a freezing storage facility is required. The restrictions on use were great.
そこで、近年では従来のプリプレグを用いたオートクレーブ成形より容易に成形できる方法として、RTM成形方法が注目されている。Resin Transfer Molding(以下、RTM)成形方法は強化繊維基材(あらかじめ腑形した強化繊維シートの積層体)を型に配置し、マトリックス樹脂を注入した後硬化させる方法である。このRTM成形方法では、マトリックス樹脂の注入直前に樹脂と硬化剤を混合させれば良く、マトリックス樹脂を樹脂と硬化剤に分けて常温で保管しておけるため、大がかりな冷凍保管設備は不要である。また、成形時にオートクレーブ等の大型設備も必要としないといった利点もある。 Therefore, in recent years, the RTM molding method has attracted attention as a method that can be molded more easily than the conventional autoclave molding using a prepreg. The Resin Transfer Molding (hereinafter referred to as RTM) molding method is a method in which a reinforcing fiber base (a laminate of reinforcing fiber sheets that have been pre-shaped) is placed in a mold, a matrix resin is injected, and then cured. In this RTM molding method, the resin and the curing agent may be mixed immediately before the injection of the matrix resin, and the matrix resin can be divided into the resin and the curing agent and stored at room temperature, so a large-scale freezing storage facility is unnecessary. . In addition, there is an advantage that large equipment such as an autoclave is not required at the time of molding.
しかし、マトリックス樹脂の注入において成形型が金属などで不透明な場合は、目視等で樹脂の含浸状況を把握できない。また、真空RTMで用いるようなフィルムバッグ材料等の透明な成形型を用いる場合でも、強化繊維基材が炭素繊維からなるような場合は、目視等で樹脂の含浸状況を把握できない。その結果、強化繊維基材の一部に樹脂が含浸し難い部位があって未含浸が発生したとしても、樹脂の硬化と脱型が終わるまではこれを確認することができず、一部の未含浸のために製品全部が無駄になるといったことを未然に防げない問題がある。また、上記のような場合、目視等で樹脂が含浸した成形体の厚さを把握できず、その結果、設計値と異なる厚さになったとしても、樹脂の硬化および脱型が終わるまではこれも確認することができないため、一部の厚さ不良により製品全部が無駄になるといったことを未然に防げない問題もある。特に、航空機の翼の成形のように大量に材料を用いて、時間をかけて含浸を行うような成形では、未含浸や厚さ不良による製造ロスは大きなものになる。 However, if the molding die is opaque due to metal or the like when the matrix resin is injected, the impregnation state of the resin cannot be grasped visually. Further, even when a transparent mold such as a film bag material used in vacuum RTM is used, when the reinforcing fiber base is made of carbon fiber, the impregnation state of the resin cannot be grasped visually. As a result, even if a part of the reinforcing fiber base material is difficult to be impregnated with the resin and non-impregnation occurs, this cannot be confirmed until the resin is completely cured and demolded. There is a problem that it is impossible to prevent the entire product from being wasted due to non-impregnation. In addition, in the above case, the thickness of the molded body impregnated with the resin cannot be grasped visually, etc., and as a result, even if the thickness is different from the design value, until the resin is cured and demolded Since this cannot be confirmed, there is also a problem that it is impossible to prevent the entire product from being wasted due to some thickness defects. In particular, in the molding in which a large amount of material is used and impregnation is performed over a long time, such as in the case of aircraft wing molding, the manufacturing loss due to non-impregnation or thickness failure is large.
成形時に強化繊維基材への液状体の含浸状況をモニタリングする方法として、光ファイバーを強化繊維基材とともに成形型内に配置し、液状体が光ファイバー先端に到達すると、樹脂面で入射光が反射して、受光端へ戻ってくるように構成することによって、液状体の到達をモニタリングする方法が知られている(特許文献1)。この方法は、通常の埋め込み式の樹脂含浸センサーと異なり、強化繊維に沿って光ファイバーを配置するなどして液状体の流動に与える影響を最小に留める工夫がなされている。液状体が硬化した後は光ファイバーが強化繊維基材に残留するため、成形中の含浸挙動をモニタリングできるとはいえ、成形条件決定のために、実寸の成形体を1体犠牲にする必要がある。 As a method of monitoring the state of impregnation of the liquid material into the reinforcing fiber base during molding, an optical fiber is placed in the mold together with the reinforcing fiber base, and when the liquid reaches the tip of the optical fiber, the incident light is reflected on the resin surface. Thus, a method of monitoring the arrival of the liquid material by configuring it to return to the light receiving end is known (Patent Document 1). This method is devised to minimize the influence on the flow of the liquid material by arranging an optical fiber along the reinforcing fiber unlike a normal embedded resin-impregnated sensor. After the liquid is cured, the optical fiber remains on the reinforcing fiber substrate, so that the impregnation behavior during molding can be monitored, but it is necessary to sacrifice one actual size molded body to determine the molding conditions. .
また、液状体の含浸状況を成形時にモニタリングする別の方法としては、強化繊維基材とセンサーの間に隔壁を設けて、隔壁と強化繊維基材の接触面で反射した音波を測定することで、該接触面での液状体の挙動をモニタリングする方法が知られている(特許文献2)。この方法は、強化繊維基材表面での樹脂の挙動をモニタリングするものである。本方法を適用することにより、成形体を犠牲にすることなく成形中の含浸挙動をモニタリングできる。 Another method for monitoring the liquid impregnation status during molding is to provide a partition wall between the reinforcing fiber substrate and the sensor and measure the sound wave reflected from the contact surface between the partition wall and the reinforcing fiber substrate. A method for monitoring the behavior of a liquid on the contact surface is known (Patent Document 2). This method monitors the behavior of the resin on the surface of the reinforcing fiber substrate. By applying this method, the impregnation behavior during molding can be monitored without sacrificing the molded body.
しかし、センサー残留により製品を侵食することなく、強化繊維の厚さ方向の液状体の含浸を保障できる程モニタリング範囲が広く、成形中の動的な含浸状況をモニタリングできるばかりか、厚さをモニタリングできるような低コストな技術は存在しなかった。
従来の方法により成形中の含浸挙動をモニタリングして成形を行った場合、成形中には樹脂が行き渡ったことを一見確認しているにもかかわらず、成形後に成形体の断面を観察すると未含浸部が残存している場合がある。 When molding is performed by monitoring the impregnation behavior during molding by the conventional method, it is not impregnated when the cross section of the molded body is observed after molding, even though it is confirmed that the resin has spread during molding. May remain.
本発明の目的は、かかる問題点を解決すること、すなわち、FRPの成形において、成形中の液状体の含浸状況を低コストでモニタリングし、未含浸部が残存しない良好な成形体を得ることである。 The object of the present invention is to solve such problems, that is, in FRP molding, by monitoring the impregnation state of the liquid material during molding at low cost and obtaining a good molded product in which no unimpregnated part remains. is there.
また、従来の方法により成形中の含浸挙動をモニタリングして成形を行った場合、強化繊維基材の厚さは設計値通りであることを確認しているにもかかわらず、成形後の成形体の厚さを測定すると樹脂硬化のために使用するオーブン内の温度分布の影響を受けて設計値通りの厚さにならない場合がある。本発明の他の目的は、かかる問題点も解決し、FRPの成形において、成形中の液状体の含浸状況と成形体の厚さの両方を低コストでモニタリングし、未含浸部が残存せず、かつ、厚さが設計値通りとなる良好な成形体を得ることである。 In addition, when molding is performed by monitoring the impregnation behavior during molding by a conventional method, the molded article after molding is confirmed even though it is confirmed that the thickness of the reinforcing fiber base is as designed. When the thickness of the resin is measured, the thickness may not be as designed due to the influence of the temperature distribution in the oven used for curing the resin. Another object of the present invention is to solve such problems, and in FRP molding, both the impregnation state of the liquid material during molding and the thickness of the molded product are monitored at low cost, and no unimpregnated portion remains. And, it is to obtain a good molded body having a thickness as designed.
本発明者らは、従来のモニタリング方法を適用して成形した成形体に未含浸部が残存する原因を検討したところ、これらは、何れも強化繊維と成形型間、または強化繊維間への樹脂含浸をモニターしているためではないかとの考えの下に、繊維束内の未含浸部を確認できる手法を検討した。 The present inventors examined the cause of the unimpregnated portion remaining in the molded body formed by applying the conventional monitoring method. These are all resins between the reinforcing fiber and the mold or between the reinforcing fibers. Based on the idea that the impregnation was monitored, a method that could confirm the unimpregnated portion in the fiber bundle was examined.
通常、液状体と強化繊維のような固体との混在物は音響インピーダンスの不均一により音波が散乱され、その伝搬が困難で、液状体が含浸中の強化繊維基材に対して音波を伝搬させる方式の液状体の含浸状況のモニタリングが試みられることは無かった。音波の伝搬能力を上げるためには、一般に音波を送信・受信する音波センサーの中心周波数を下げ、これに合わせた低い周波数で駆動すると良いことが知られている。しかし、中心周波数を下げすぎると測定対象の厚さや平面度といった重要な情報が得られるパルス波形による検査も、発振できるパルス波の時間幅が長くなるためパルス波形の体をなさなくなり実施することができなくなる。 Usually, a mixture of a liquid and a solid such as a reinforcing fiber scatters sound waves due to non-uniform acoustic impedance, and its propagation is difficult, and the liquid propagates sound waves to the reinforcing fiber substrate being impregnated. No attempt was made to monitor the impregnation of the liquid material. In order to increase the propagation capability of sound waves, it is generally known that the center frequency of a sound wave sensor that transmits and receives sound waves is lowered and driven at a low frequency according to this. However, if the center frequency is lowered too much, inspections using pulse waveforms that can provide important information such as the thickness and flatness of the measurement object can be performed without making the body of the pulse waveform because the time width of the oscillating pulse wave becomes longer. become unable.
本発明者らは、パルス波形を用いることができ、かつ、50ply以上、例えば52plyの強化繊維基材を透過できる中心周波数を、鋭意検討し、特定の音波を用いると、液状体の含浸した強化繊維基材に音波を効率的に伝搬させることができることを見出して本発明に至った。 The present inventors have intensively studied a center frequency that can use a pulse waveform and can pass through a reinforcing fiber base of 50 ply or more, for example, 52 ply, and when a specific sound wave is used, the liquid material impregnated reinforcement The present inventors have found that sound waves can be efficiently propagated to the fiber base material, and have reached the present invention.
本発明は、前記した目的を達成するために、次のいずれかの構成を有する。
(1)成形型内に配置した板状部を有する強化繊維基材への液状体の含浸過程において、強化繊維基材の第1の面の側からパルス状の音波を送信し、強化繊維基材の第2の面の側で前記音波を受信し、受信する音波強度の変化により液状体の含浸状況を検出するともに、受信する音波の伝搬時間から液状体が含浸した強化繊維基材の厚さを併せて測定することを特徴とする、繊維強化プラスチックの成形状況モニタリング方法。
(2)前記音波強度が、前記液状体が含浸していない時に得られる値から、該液状体の含浸が進行するに従い増加し、最終的に一定値となることを利用して、液状体の含浸状況を検出する、前記(1)に記載の繊維強化プラスチックの成形状況モニタリング方法。
(3)前記音波強度を前記液状体の含浸方向における複数の位置で測定し、上流位置の前記音波強度の変化から、該音波強度の最高値を得ることで、下流の位置における最終的な一定値への到達を判定する、前記(2)に記載の繊維強化プラスチックの成形状況モニタリング方法。
(4)前記パルスは、その時間幅が0.83〜1.25μ秒である、前記(1)〜(3)のいずれかに記載の繊維強化プラスチックの成形状況モニタリング方法。
(5)強化繊維基材に液状体の樹脂を含浸させる繊維強化プラスチックの製造方法であって、前記(1)〜(4)のいずれかに記載の成形状況モニタリング方法により樹脂の含浸状況を検出し、含浸工程を制御することを特徴とする繊維強化プラスチックの製造方法。
In order to achieve the above-described object, the present invention has one of the following configurations.
(1) In the process of impregnating the liquid material into the reinforcing fiber base having a plate-like portion arranged in the mold, a pulsed sound wave is transmitted from the first surface side of the reinforcing fiber base, and the reinforcing fiber base The sound wave is received on the second surface side of the material, and the impregnation state of the liquid material is detected by a change in the received sound wave intensity, and the thickness of the reinforcing fiber base impregnated with the liquid material from the propagation time of the received sound wave A method for monitoring the molding status of a fiber reinforced plastic, characterized by measuring the thickness.
( 2 ) Utilizing the fact that the sound intensity increases from the value obtained when the liquid is not impregnated as the impregnation of the liquid progresses and finally becomes a constant value, The method for monitoring the molding status of the fiber-reinforced plastic according to (1) , wherein the impregnation status is detected.
( 3 ) The sound wave intensity is measured at a plurality of positions in the impregnation direction of the liquid material, and the maximum value of the sound wave intensity is obtained from the change in the sound wave intensity at the upstream position. The method for monitoring the molding status of the fiber-reinforced plastic according to ( 2 ), wherein the reaching of the value is determined.
( 4 ) The fiber reinforced plastic molding condition monitoring method according to any one of (1) to ( 3 ), wherein the pulse has a time width of 0.83 to 1.25 μsec.
( 5 ) A method for producing a fiber reinforced plastic in which a reinforced fiber base material is impregnated with a liquid resin, wherein the resin impregnation status is detected by the molding status monitoring method according to any one of (1) to ( 4 ). And a method for producing a fiber reinforced plastic, wherein the impregnation step is controlled.
本発明によれば、液状体の含浸状況を簡単かつ確実にモニタリングできる。そして、本発明のモニタリング方法を用いてFRP構造体を生産する場合には、強化繊維基材に含浸する液状体が所定の位置まで完全に含浸したことを簡単かつ確実にモニタリングすることが可能となるため、FRP構造体の生産における樹脂含浸工程の生産歩留まりの向上や品質向上が容易になり、また商品認可基準をより確実に満足することが可能となる。更には、工程の自動化が可能になり人手を減らすことができる。 According to the present invention, it is possible to easily and reliably monitor the impregnation state of the liquid material. When producing the FRP structure using the monitoring method of the present invention, it is possible to easily and reliably monitor that the liquid material impregnated in the reinforcing fiber base material is completely impregnated to a predetermined position. Therefore, it becomes easy to improve the production yield and quality of the resin impregnation step in the production of the FRP structure, and more reliably satisfy the product approval standards. Furthermore, it is possible to automate the process and reduce manpower.
特に、前記した(1)の発明によれば、前記した効果に加えて、液状体の含浸状況の検出および厚さの測定を必要であれば同一の装置を用いて低コストに実施できる。よって、従来正確に知り得なかった製造条件と樹脂含浸状況および強化繊維基材の厚さ変化とを関連付けることができ、最適な製造条件を選択することで、未含浸部分が残存せず、かつ、厚さが設計値通りとなる良好なFRP成形体を得ることができるという効果を奏することができる。
In particular, according to the above-described invention of ( 1 ), in addition to the above-described effects, the detection of the impregnation state of the liquid material and the measurement of the thickness can be carried out at a low cost using the same apparatus if necessary. Therefore, it is possible to correlate the production conditions that could not be accurately known in the past with the resin impregnation situation and the thickness change of the reinforcing fiber base, and by selecting the optimum production conditions, the unimpregnated part does not remain, and In addition, it is possible to obtain an effect that a good FRP molded product having a thickness as designed can be obtained.
本発明は成形型内に配置した板状の強化繊維基材への液状体の含浸過程における、板状の強化繊維基材への液状体の含浸状況、好ましくは含浸状況と厚さを経時的にモニタリングする方法に関する。 The present invention relates to the state of impregnation of the liquid material into the plate-like reinforcing fiber base material, preferably the state of impregnation and the thickness over time in the process of impregnating the plate-like reinforcing fiber base material placed in the mold. On how to monitor.
本発明における成形型とは、閉空間(成形キャビティ)を形成する成形型であれば、通常のRTM成形に用いられる複数の型を組み合わせて閉空間(成形キャビティ)を形成するものでも良いし、下型上に強化繊維基材を配置しシール材とフィルムで閉空間(成形キャビティ)を形成するフィルム材料による成形型でもよい。本発明は、かかる閉空間内に配置した強化繊維基材に液状体を含浸させる工程に適用するものである。 As long as the mold in the present invention is a mold that forms a closed space (molding cavity), it may be a combination of a plurality of molds used in normal RTM molding to form a closed space (molding cavity), A molding die made of a film material in which a reinforcing fiber base material is disposed on the lower die and a closed space (molding cavity) is formed by a sealing material and a film may be used. The present invention is applied to a step of impregnating a liquid material into a reinforcing fiber base disposed in such a closed space.
本発明において強化繊維基材とは、強化繊維の織物、編み物、組み物、強化繊維の短繊維を抄紙等したもの等の強化繊維布帛を積層したものや強化繊維を3軸織物とした強化繊維がある厚みを持った集合体をいう。強化繊維基材中には、強化繊維布帛間、強化繊維間、およびこれらと成形型との間に、50μmオーダーの間隙を有する。また、強化繊維基材に含まれる強化繊維は、通常数千〜数万本の単繊維の集合した繊維束であり、強化繊維内には前記単繊維間に5μmオーダーの単繊維間隙を有する。 In the present invention, the term “reinforced fiber base material” refers to a reinforced fiber fabric, a knitted fabric, a braided fabric, a laminate of reinforced fiber fabrics such as papers made of reinforced fiber short fibers, or a reinforced fiber having a reinforced fiber as a triaxial woven fabric. An assembly with a certain thickness. In the reinforcing fiber substrate, there are gaps of the order of 50 μm between the reinforcing fiber fabrics, between the reinforcing fibers, and between these and the mold. The reinforcing fibers contained in the reinforcing fiber base are usually bundles of thousands to tens of thousands of single fibers, and the reinforcing fibers have a single fiber gap of the order of 5 μm between the single fibers.
なお、本発明が対象とする強化繊維基材の形状は、板状部を有する。強化繊維基材の全てが板状であっても良いが、液状体を含浸し、含浸状況をモニタリングする部位が板状であれば良い。強化繊維材の積層体または単体のものを想定しており、音波送信・受信手段の大きさより大きい範囲で平均した底面および表面が平行に向き合っているものを、主に想定しているが、音波の伝搬方向が予測できるものであれば、曲面、多角面または凹凸を持った面であってもよい。本明細書中では、音波の入射側の表面を第1の面、第1の面の反対側の表面を第2の面と記すものとする。 In addition, the shape of the reinforcement fiber base material which this invention makes object has a plate-shaped part. All of the reinforcing fiber bases may be plate-like, but the portion for impregnating the liquid and monitoring the impregnation state may be plate-like. It is supposed to be a laminate of reinforcing fiber materials or a single one, and mainly assumes that the bottom and surface averaged in a range larger than the size of the sound wave transmission / reception means face each other in parallel. As long as the propagation direction can be predicted, it may be a curved surface, a polygonal surface, or a surface with unevenness. In the present specification, the surface on the incident side of the sound wave is referred to as a first surface, and the surface opposite to the first surface is referred to as a second surface.
本発明で用いる液状体とは、全体として流動性を有していれば良く、熱可塑性の樹脂、水等の単なる液体、固形分を含有した液体(例えば微粒子状の物質等が分散したもの)が含まれているものであってもよい。FRP成形においては主として熱硬化性の樹脂を想定しているが、室温で液状のものばかりでなく、熱可塑性樹脂のように成形温度において流動するものも含む。 The liquid material used in the present invention only needs to have fluidity as a whole, and is a thermoplastic resin, a simple liquid such as water, or a liquid containing a solid content (for example, a substance in which fine particles are dispersed). May be included. In the FRP molding, a thermosetting resin is mainly assumed, but not only a liquid at room temperature but also a material that flows at a molding temperature, such as a thermoplastic resin.
本発明者らは、従来の技術は強化繊維基材中の前記50μmオーダーの間隙への液状体の充填をもって、含浸完了と判定していたことに着目し、かかる前記50μmオーダーの間隙への液状体の充填時には、前記単繊維間に液状体の未含浸部が残存すること、前記単繊維間に液状体の未含浸部は、前記50μmオーダーの間隙への液状体の充填後、徐々に含浸が進んでくことを明らかにし、かかる過程を音波を送信し、その透過強度の減少率または、反射によって検出することが可能であることを見だし、かかる方法に想到したものである。通常、液状体と強化繊維のような固体との混在物は音響インピーダンスの不均一により音波が散乱され、その伝搬が困難で、液状体が含浸中の強化繊維基材に対して音波を伝搬させる方式の液状体の含浸状況のモニタリングが試みられることは無かった。音波の伝搬能力を上げるためには、一般に音波を送信・受信する音波センサーの中心周波数を下げ、これに合わせた低い周波数で駆動すると良いことが知られている。しかし、中心周波数を下げすぎるとボイドの検出性能が下がり、また測定対象の厚さや平面度といった重要な情報が得られるパルス波形による検査も、パルス幅が長くなり、パルス波形の体をなさなくなるため実施することができなくなる。 The present inventors noticed that the prior art has determined that the impregnation is completed by filling the liquid material into the gap of the order of 50 μm in the reinforcing fiber substrate, and the liquid in the gap of the order of 50 μm is determined. When the body is filled, an unimpregnated portion of the liquid material remains between the single fibers, and the unimpregnated portion of the liquid material between the single fibers is gradually impregnated after the liquid material is filled into the gap of the order of 50 μm. It is clarified that the process proceeds, and it is possible to detect such a process by transmitting a sound wave and detecting the decrease in transmission intensity or reflection, and arrived at such a method. Usually, a mixture of a liquid and a solid such as a reinforcing fiber scatters sound waves due to non-uniform acoustic impedance, and its propagation is difficult, and the liquid propagates sound waves to the reinforcing fiber substrate being impregnated. No attempt was made to monitor the impregnation of the liquid material. In order to increase the propagation capability of sound waves, it is generally known that the center frequency of a sound wave sensor that transmits and receives sound waves is lowered and driven at a low frequency according to this. However, if the center frequency is lowered too much, the void detection performance will be reduced, and the pulse waveform inspection, which provides important information such as the thickness and flatness of the object to be measured, will also increase the pulse width, making it impossible to form the body of the pulse waveform. It becomes impossible to carry out.
本発明者らは、パルス波形を用いることができ、かつ、50ply以上、例えば52plyの厚さの厚い強化繊維基材を伝搬できる周波数の音波を送信できる音波センサーについて、さらに鋭意検討し、時間幅0.83〜1.25μ秒のパルス波を発振できる400〜600kHzの中心周波数の音波センサーを製作して、液状体の含浸した強化繊維基材に音波を伝搬させることができ測定従来法に比較して未含浸部の残存をはるかに高精度に検出できる方法を提供できることを見出した。中心周波数が400kHzより低いとパルス波の時間幅が長くなるということがあり、中心周波数が600kHzより高いとパルス状の音波の伝搬能力が足りず検出が困難となることがある。以上の理由から、周波数は450〜550kHzであればより好ましく、480〜520kHzであればさらに好ましい。 The inventors of the present invention have further studied earnestly about a sound wave sensor that can use a pulse waveform and can transmit a sound wave having a frequency capable of propagating through a thick reinforcing fiber base having a thickness of 50 ply or more, for example, 52 ply. A sound wave sensor with a center frequency of 400 to 600 kHz that can oscillate a pulse wave of 0.83 to 1.25 μs can be manufactured, and the sound wave can be propagated to a reinforced fiber base material impregnated with a liquid. As a result, it has been found that it is possible to provide a method capable of detecting the remaining of the unimpregnated portion with much higher accuracy. When the center frequency is lower than 400 kHz, the time width of the pulse wave may be longer, and when the center frequency is higher than 600 kHz, the propagation ability of the pulsed sound wave is insufficient and detection may be difficult. For the above reasons, the frequency is more preferably 450 to 550 kHz, and even more preferably 480 to 520 kHz.
なお、本発明における液状体の含浸は、上記説明では、成形型内に、繊維強化基材を配置し、外部から液状体(液状樹脂)を注入するプロセスをベースとしたが、成形型内に部分含浸プリプレグやRFIのように、あらかじめ液状体である樹脂が部分的に含浸したシート状の強化繊維基材や室温で固形の樹脂フィルムを準備して、積層・昇温するときに、樹脂が軟化または溶融し強化繊維間または強化繊維層間に染み込んで行くようなものも含むものとする。 In the above description, the impregnation of the liquid material in the present invention is based on a process in which a fiber reinforced base material is disposed in the mold and the liquid material (liquid resin) is injected from the outside. When preparing a sheet-like reinforcing fiber substrate partially impregnated with a liquid resin in advance or a solid resin film at room temperature, such as partially impregnated prepreg or RFI, It also includes those that soften or melt and penetrate between the reinforcing fibers or between the reinforcing fiber layers.
本発明における第1の態様のモニタリング方法では、強化繊維基材の第1の面の側からパルス状の音波を送信し、音波を強化繊維基材へ伝搬させて、強化繊維基材の第2の面の側で前記音波を受信して、受信する音波強度の変化により液状体の含浸状況をモニタリングする。液状体が含浸する前には、強化繊維間隙には気体が充填されたまたは真空の状態になっている。通常、音波は、このような強化繊維基材を、伝搬できないが、液状体が含浸した後には伝搬できることから、液状体の含浸状況を測定することができる。すなわち、音波を経時的に取得することで、その点における強化繊維基材への液状体の含浸状況の推移を受信する音波強度の変化から検出することができる。なお、強化繊維基材に含浸した液状体を伝搬する音波強度は、同じ伝搬経路に液状体だけがある場合の音波強度に比べて小さくなることがあるが、これは、主に強化繊維基材によって音波が散乱され減衰するためである。このような場合、音波を送信しても、液状体の含浸した強化繊維基材を伝搬して減衰し、観測するのに十分な音波を受信できない場合がある。本発明で提案する音波センサーの中心周波数は、送信する音波の出力を上げるおよび/または受信した音波を増幅し、観測するのに十分な強度にすることができることから好ましい。 In the monitoring method of the first aspect of the present invention, a pulsed sound wave is transmitted from the first surface side of the reinforcing fiber base material, and the sound wave is propagated to the reinforcing fiber base material. The sound wave is received on the surface side of the liquid, and the impregnation state of the liquid material is monitored by the change of the received sound wave intensity. Before the liquid is impregnated, the gap between the reinforcing fibers is filled with gas or is in a vacuum state. Normally, sound waves cannot propagate through such a reinforcing fiber base material, but can propagate after impregnation of the liquid material, so that the state of impregnation of the liquid material can be measured. That is, by acquiring sound waves over time, the transition of the impregnation state of the liquid material into the reinforcing fiber base at that point can be detected from the change in the sound wave intensity received. The sound wave intensity propagating through the liquid material impregnated in the reinforcing fiber base may be smaller than the sound wave intensity when there is only the liquid material in the same propagation path. This is because the sound wave is scattered and attenuated. In such a case, even when sound waves are transmitted, they may propagate through the reinforcing fiber base impregnated with the liquid material and attenuate, and may not receive sufficient sound waves for observation. The center frequency of the sound wave sensor proposed in the present invention is preferable because it can increase the output of the sound wave to be transmitted and / or amplify and observe the received sound wave.
また、強化繊維基材への液 状体の含浸状況のみならず、厚さを求める際の基礎となる音波伝搬時間を精度良く測定でき、受信する音波の伝搬時間から液状体が含浸した強化繊維基材の厚さを併せて測定することができる。 Also, not only the state of impregnation of the liquid material into the reinforcing fiber substrate but also the sound wave propagation time that is the basis for determining the thickness can be measured with high accuracy, and the reinforcing fiber impregnated with the liquid material from the propagation time of the received sound wave The thickness of the substrate can be measured together.
このとき、音波センサーが受信する音波の波高値は、液状体がまったくの未含浸のとき最小値をとり、含浸の進展にしたがって上昇する。液状体の含浸が完全に進むと、最高値をとり以後安定する。このように受信する音波強度と含浸状況が対応することを利用することもできる。 At this time, the peak value of the sound wave received by the sound wave sensor takes a minimum value when the liquid material is completely unimpregnated, and increases as the impregnation progresses. When the liquid is completely impregnated, the maximum value is reached and thereafter stabilized. The fact that the received sound wave intensity corresponds to the impregnation state can also be used.
また、音波センサーが受信する音波の伝搬時間は、強化繊維基材の厚さが厚くなると長くなり、薄くなると短くなる。強化繊維基材の厚さは、強化繊維基材の伝搬時間と強化繊維基材中での音波の伝搬速度を乗じることで求めることができる。強化繊維基材の伝搬時間は、全体の伝搬時間から、強化繊維基材以外の伝搬時間を差し引くことにより求めることができる。 Further, the propagation time of the sound wave received by the sound wave sensor becomes longer as the thickness of the reinforcing fiber base becomes thicker and becomes shorter as the thickness becomes thinner. The thickness of the reinforcing fiber substrate can be obtained by multiplying the propagation time of the reinforcing fiber substrate by the propagation speed of the sound wave in the reinforcing fiber substrate. The propagation time of the reinforcing fiber base material can be obtained by subtracting the propagation time other than the reinforcing fiber base material from the entire propagation time.
また、液状体の含浸方向に沿って音波センサーを配置することで、後に含浸する位置(下流)の音波センサーが受信する音波の波高値の最高値を、前に含浸する位置(上流)の音波センサーの取った波高値から予測し、下流の位置における最終的な一定値への到達を判定することもできる。 In addition, by arranging the sonic sensor along the impregnation direction of the liquid material, the highest value of the peak value of the sonic wave received by the sonic sensor at the position to be impregnated later (downstream), the sound wave at the position to be impregnated before (upstream) It is also possible to predict from the peak value taken by the sensor and determine the arrival at the final constant value at the downstream position.
第1の参考態様のモニタリング方法では、強化繊維基材の第1の面の側からパルス状の音波を送信し、音波を強化繊維基材へ伝搬させ、強化繊維基材の第2の面でまたは第2の面の側で反射した音波をさらに強化繊維基材へ伝搬させて、第1の面の側で受信し、受信する音波強度の変化により液状体の含浸状況をモニタリングする。
In the monitoring method of the first reference aspect, a pulsed sound wave is transmitted from the first surface side of the reinforcing fiber substrate, the sound wave is propagated to the reinforcing fiber substrate, and the second surface of the reinforcing fiber substrate is used. Alternatively, the sound wave reflected on the second surface side is further propagated to the reinforcing fiber substrate, received on the first surface side, and the impregnation state of the liquid material is monitored by the change of the received sound wave intensity.
また、前述の第1の態様のモニタリング方法と同様に、音波を送信しても、送信する音波の出力を上げるおよび/または受信した音波を増幅する等しなければ、十分な強度の音波を受信できないことがある。通常、第1の参考形態方法では、音波が一度伝搬した、液状体を含浸させた強化繊維基材を、反射した音波が更に伝搬するため、受信する音波の強度は、第1の実施形態に記載のものより小さくなる。この場合も、用いる音波の中心周波数を前記した範囲とすれば、送信する音波の出力を上げるおよび/または受信した音波を増幅し、観測するのに十分な強度にして対応可能である。
Similarly to the monitoring method of the first aspect described above, even if a sound wave is transmitted, a sufficiently strong sound wave is received unless the output of the transmitted sound wave is increased and / or the received sound wave is amplified. There are things that cannot be done. Usually, in the first reference form method, since the reflected sound wave further propagates through the reinforcing fiber base material impregnated with the liquid material once the sound wave has propagated, the intensity of the received sound wave is the same as that of the first embodiment. Smaller than described. Also in this case, if the center frequency of the sound wave to be used is in the above-described range, it is possible to increase the output of the sound wave to be transmitted and / or amplify the received sound wave and make the intensity sufficient for observation.
本参考形態では、上記構成とすることで、強化繊維基材の音波を送信した面の側で受信できるので、送受信を一つの音波センサーで行い、音波センサーの個数を減らした上で、受信する音波強度の変化から液状体の含浸状況を検出することができる。このようにすることで、音波センサーの配置にかかる工数およびセンサー自体のコストを削減することができる。
In this reference embodiment, with the above configuration, it receives on the side of the surface which has transmitted the wave of the reinforcing fiber substrate, transmitted and received by one wave sensor, after reducing the number of acoustic sensors, receives The impregnation state of the liquid material can be detected from the change in the sound wave intensity. By doing in this way, the man-hour concerning arrangement | positioning of a sound wave sensor and the cost of sensor itself can be reduced.
このとき、音波センサーが受信する音波の波高値は、液状体がまったくの未含浸のとき最小値をとり、含浸の進展にしたがって上昇する。液状体の含浸が完全に進むと、最高値をとり以後安定する。このように受信する音波強度と含浸状況が対応することを利用することもできる。 At this time, the peak value of the sound wave received by the sound wave sensor takes a minimum value when the liquid material is completely unimpregnated, and increases as the impregnation progresses. When the liquid is completely impregnated, the maximum value is reached and thereafter stabilized. The fact that the received sound wave intensity corresponds to the impregnation state can also be used.
また、液状体の含浸方向に沿って音波センサーを配置することで、後に含浸する位置(下流)の音波センサーが受信する音波の波高値の最高値を、前に含浸する位置(上流)の音波センサーの取った波高値から予測し、下流の位置における最終的な一定値への到達を判定することもできる。 In addition, by arranging the sonic sensor along the impregnation direction of the liquid material, the highest value of the peak value of the sonic wave received by the sonic sensor at the position to be impregnated later (downstream), the sound wave at the position to be impregnated before (upstream) It is also possible to predict from the peak value taken by the sensor and determine the arrival at the final constant value at the downstream position.
本発明における第2の参考態様のモニタリング方法では、強化繊維基材の第1の面の側からパルス状の音波を送信し、強化繊維基材へ伝搬させ、液状体の含浸界面で反射させて、反射した前記音波を、第1の面の側で受信し、受信する音波強度の変化により液状体の含浸状況をモニタリングする。
In the monitoring method of the second reference aspect of the present invention, a pulsed sound wave is transmitted from the first surface side of the reinforcing fiber substrate, propagated to the reinforcing fiber substrate, and reflected at the liquid impregnation interface. The reflected sound wave is received on the first surface side, and the impregnation state of the liquid material is monitored by the change of the received sound wave intensity.
なお、前述の第1の参考態様のモニタリング方法と同様に、音波を送信しても、十分な強度の音波を受信できないことがある。また、含浸界面が平面であるならば液状体の含浸部分と液状体の未含浸部分の音響インピーダンスの差によって反射が起こるが、しばしばこの界面は平面にはならず、十分な強度の音波を受信できないことがある。通常、強化繊維基材のうねりによる液状体の含浸速度の変動によって乱れた含浸界面になり、明確な反射が起こらないため、受信する音波の強度は、前述の第1の態様及び第1の参考態様に記載のものより小さくなる。この場合も、用いる音波の中心周波数を前記した範囲とすれば、送信する音波の出力をあげるおよび/または受信した音波を増幅し、観測するのに十分な強度にすることが可能である。
Similar to the monitoring method of the first reference aspect described above, even when sound waves are transmitted, it may not be possible to receive sufficiently strong sound waves. In addition, if the impregnation interface is flat, reflection occurs due to the difference in acoustic impedance between the liquid impregnated part and the liquid non-impregnated part, but this interface is often not flat and receives sound waves of sufficient intensity. There are things that cannot be done. Usually, since the impregnation interface is disturbed by fluctuation of the impregnation speed of the liquid material due to the undulation of the reinforcing fiber base and no clear reflection occurs, the intensity of the sound wave to be received is the first aspect and the first reference. Smaller than that described in the embodiment. Also in this case, if the center frequency of the sound wave to be used is in the above-described range, it is possible to increase the output of the sound wave to be transmitted and / or to amplify the received sound wave and make the intensity sufficient for observation.
本参考形態でも、上記構成とすることで、強化繊維基材の音波を送信した面の側で受信できるので、送受信を一つの音波センサーで行い、音波センサーの個数を減らすことができる。このようにすることでやはり、音波センサーの配置にかかる工数およびセンサー自体のコストを削減することができる。
Also in this reference form, since it can receive by the side which transmitted the sound wave of the reinforced fiber base material by the said structure, transmission / reception can be performed with one sound wave sensor and the number of sound wave sensors can be reduced. By doing in this way, the man-hour concerning arrangement | positioning of a sound wave sensor and the cost of the sensor itself can also be reduced.
このとき、音波センサーが受信する音波の波高値は、液状体がまったくの未含浸のとき最大値をとり、含浸の進展にしたがって下降する。液状体の含浸が完全に進むと、最高値をとり以後安定する。このように受信する音波強度と含浸状況が対応することも利用することができる。 At this time, the peak value of the sound wave received by the sound wave sensor takes a maximum value when the liquid material is completely unimpregnated, and decreases as the impregnation progresses. When the liquid is completely impregnated, the maximum value is reached and thereafter stabilized. It can also be used that the received sound wave intensity corresponds to the impregnation state.
更に、送信から受信までのTOF(音波伝搬時間)を観測することで、液状体の含浸界面がどの位置にあるか特定することも可能である。 Furthermore, by observing the TOF (acoustic wave propagation time) from transmission to reception, it is also possible to specify where the liquid material impregnation interface is located.
本発明のモニタリング方法は、次に説明するモニタリング装置を用いれば簡便に実現することができる。本モニタリング装置においては、音波送信手段と、同受信手段が必須である。音波送信手段と音波受信手段はともに中心周波数が通常400kHz〜600kHzである。透過法(第1の態様)においては、音波送信手段と、その音波送信手段と対になる音波受信手段を、反射法(第1、第2の参考態様)においては、音波送信手段と音波受信手段をひとつの音波センサーで行うことができるので、音波送信手段と同一体である音波受信手段を用いる。かかる音波送信手段および音波受信手段は、同一の中心周波数を持ち、耐熱性、使用可能帯域、耐電圧性能等が同一のものが望ましい。更には、450〜550kHzの中心周波数を持ち、雰囲気温度200℃に耐えるものが、本発明に好適である。上記の音波送信手段と音波受信手段を用いて得た音波の音波強度を、時間的に連続して取得する手段を有する。かかる取得手段としては、3チャンネル以上の音波強度を同時に取得できるオシロスコープと、音波強度が微弱な場合に用いる増幅器を組み合わせたものが望ましい。更には、これらが一体となったものが、本発明には好適である。
The monitoring method of the present invention can be easily realized by using a monitoring device described below. In this monitoring apparatus, the sound wave transmitting means and the receiving means are essential. The center frequency of both the sound wave transmitting means and the sound wave receiving means is usually 400 kHz to 600 kHz. In the transmission method (first mode), the sound wave transmitting unit and the sound wave receiving unit paired with the sound wave transmitting unit are used. In the reflection method ( first and second reference modes), the sound wave transmitting unit and the sound wave receiving unit are used. Since the means can be performed by one sound wave sensor, a sound wave receiving means which is the same body as the sound wave transmitting means is used. The sound wave transmitting means and the sound wave receiving means preferably have the same center frequency and the same heat resistance, usable bandwidth, withstand voltage performance and the like. Furthermore, what has a center frequency of 450 to 550 kHz and can withstand an atmospheric temperature of 200 ° C. is suitable for the present invention. It has a means to acquire continuously the sound wave intensity of the sound wave obtained using the above-mentioned sound wave transmitting means and sound wave receiving means. As such acquisition means, a combination of an oscilloscope capable of simultaneously acquiring sound intensity of three or more channels and an amplifier used when the sound intensity is weak is desirable. Furthermore, what united these is suitable for this invention.
次に、上記により得た、音波強度の時経時的な変遷(プロファイル)を表示する表示手段を準備する。かかる表示手段としては、該取得手段から送られた波形を解析し、その結果を視認性のよいディスプレーに表示できる汎用パーソナルコンピューターが望ましい。 Next, display means for displaying the temporal change (profile) of the sound wave intensity obtained as described above is prepared. As such display means, a general-purpose personal computer capable of analyzing the waveform sent from the acquisition means and displaying the result on a display with good visibility is desirable.
上記のような構成とすることで、音波強度のプロファイルを得て、受信する音波強度の変化から液状体の含浸状況を検出することができる装置を得ることができる。このような装置を用いれば、受信する音波の伝搬時間から液状体が含浸した強化繊維基材の厚さも測定することができる。 By adopting the configuration as described above, it is possible to obtain an apparatus capable of obtaining a profile of sound wave intensity and detecting the impregnation state of the liquid material from a change in received sound wave intensity. If such an apparatus is used, the thickness of the reinforcing fiber base impregnated with the liquid material can also be measured from the propagation time of the received sound wave.
続いて本発明の好ましい実施形態を図面に基づいて説明する。図1は、接触方式の音波センサーを用いた本発明にかかる液状体の含浸状況のモニタリング方法の一実施形態を模式的に表す側面図である。ハッチング部分11は液状体の含浸が進行している部分を表す。音波センサー2が、強化繊維基材12とツール13を垂直方向に挟むように設置されている。垂直方向に対向する2個の音波センサーの、一方から音波を送信し、他方で受信している状況を示している。
Subsequently, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a side view schematically showing an embodiment of a method for monitoring the impregnation state of a liquid according to the present invention using a contact-type acoustic wave sensor. The hatched portion 11 represents a portion where the liquid impregnation is proceeding. The
本発明においては、このように音波を測定することで、液状体が含浸していない部分では強化繊維の間隙に空気または真空部分を多く含むため音波が透過せず、液状体が垂直方向に完全に含浸しきった部分では音波が透過することを、音波の音波強度の変化より読み取り、液状体の含浸状況を検出することができる。 In the present invention, by measuring the sound wave in this way, the portion that is not impregnated with the liquid material contains a large amount of air or vacuum in the gap between the reinforcing fibers, so that the sound wave is not transmitted, and the liquid material is completely in the vertical direction. It is possible to detect the state of impregnation of the liquid material by reading that the sound wave is transmitted through the part that has been completely impregnated from the change of the sound wave intensity.
図1では音波センサーを3対示しているが、この個数は必要に応じて4対以上でも、2対以下でもよい。 Although three pairs of sonic sensors are shown in FIG. 1, this number may be four pairs or more or two pairs or less as required.
さらに、図1では、上下に音波センサー2を設置しているが、音波が強化繊維基材12若しくはツール13の内部若しくは表面で屈折し、一方から発信した音波を十分な強度で測定できない場合には、他方の音波センサーを計算によりおよび/または試行錯誤により位置をずらすことによって、十分な強度を確保できる位置に設置してもよい。
Furthermore, in FIG. 1, the
また、さらには、一方の音波センサーから発信された音波が液状体の含浸部分11の一部分を伝搬した後、どこかで反射される場合、その反射先に他方の音波センサーを設置して受信しても、反射された結果元の位置に戻って来て、発信した音波センサー自体で受信してもよい。 Furthermore, when the sound wave transmitted from one of the sound wave sensors propagates through a part of the liquid-impregnated portion 11 and is reflected somewhere, the other sound wave sensor is installed at the reflection destination and received. Alternatively, the reflected sound wave may return to the original position and be received by the transmitted sound wave sensor itself.
図2は図1の平面図である。図2では、複数の音波センサー2が直線の位置に設置されているが、強化繊維基材とツールを挟んで対向する音波センサーに音波を発信する、または音波センサーからの音波を受信することができれば、必要に応じて任意の場所に、任意の個数設置してもよい。ハッチング部分11は液状体の含浸が進行している部分を表す。
FIG. 2 is a plan view of FIG. In FIG. 2, the plurality of
図3、4は、音波センサー2を設置する手順を示している。
3 and 4 show a procedure for installing the
まず図3に示すように、音波センサー固定手段22をモニタリング対象3に接触させる面に接着剤31を塗布した後、モニタリング対象3に接着させる。次に図4に示すように、接着固定した音波センサー固定手段22を貫通する穴部へ、音波センサー本体21のモニタリング対象3に接触させる面に接触媒質32(ハッチング部分)を塗布した後挿入して、モニタリング対象3に密着させている状況を示している。
First, as shown in FIG. 3, the adhesive 31 is applied to the surface where the sonic sensor fixing means 22 is brought into contact with the
本発明においては、このような手順で音波センサー2を設置することによって、音波センサー2を破壊することなく測定を繰り返し何度でもでき、かつ測定中に音波センサーが動いてずれることを防ぎ、安定して液状体の含浸状況を検出することができる。このことは、モニタリング対象の厚さが変わるFRPの樹脂含浸工程では特に有効である。厚さが変わるFRPの樹脂含浸工程の一例として、真空RTM成形の樹脂含浸工程を挙げることができる。真空RTM成形では、下型上に強化繊維基材を配置しシール材とフィルム材で閉空間(成形キャビティ)を形成し、成形キャビティを真空に引いて液状体を強化繊維基材に含浸させる。液状体は大気圧であって、強化繊維基材に含浸することにより、真空により強化繊維基材に張り付いていたフィルム材が押し上げられ、モニタリング対象である、液状体が含浸した強化繊維基材の厚さが厚くなる。また、液状体が強化繊維基材に含浸しきった後に、液状体の注入を止めて真空に引き続けるブリードと呼ばれる作業を行う。ブリード時には、余剰液状体が強化繊維基材から排出され、厚さが薄くなる。
In the present invention, by installing the
なお音波センサー固定手段をモニタリング対象に接着しているが、例えばモニタリング対象自体が磁性を持つ場合は音波センサー固定手段を磁性材料で製作して磁力によって接着してもよく、接着剤による接着に限定されるものではない。 Note that the sonic sensor fixing means is bonded to the monitoring target. For example, when the monitoring target itself has magnetism, the sonic sensor fixing means may be made of a magnetic material and bonded by magnetic force, and is limited to bonding with an adhesive. Is not to be done.
図5、6は、音波センサー2を鉛直下方向から設置する手順を示している。
5 and 6 show a procedure for installing the
まず図5に示すように、図3,4と同様の方法で音波センサー本体21を設置した後、音波センサー固定手段22の側面部から中心へ貫通させた穴へ、固定手段33を挿入している。次に図6に示すように、固定手段33によって、音波センサー本体21を締結している。ここで固定手段33として、ボルトやねじを用いることができる。
First, as shown in FIG. 5, after installing the sound wave sensor
本発明においては、このような手順で音波センサー本体21を締結することによって、鉛直下向きに音波センサーが落下することを防ぎ、安定して液状体の含浸状況を検出し、かつ、必要に応じて厚さを測定することができる。
In the present invention, by fastening the sonic sensor
図7は、本発明にかかわる空中伝搬方式の音波センサーを用いた液状体の含浸状況のモニタリング方法の一実施形態を模式的に表す側面図である。ハッチング部分11は液状体の含浸が進行している部分を表す。空中伝搬方式の音波センサー4が、強化繊維基材12とツール13を垂直方向に挟むように設置されている。垂直方向に対向する2個の音波センサーの、一方から音波を送信し、他方で受信している状況を示している。
FIG. 7 is a side view schematically showing an embodiment of a monitoring method of the liquid material impregnation state using the air propagation type acoustic wave sensor according to the present invention. The hatched portion 11 represents a portion where the liquid impregnation is proceeding. An airborne
本発明においては、このように音波を測定することで、図1の状況と同様に、液状体が含浸していない部分では強化繊維の間隙に空気または真空部分を多く含むため音波が透過せず、液状体が垂直方向に完全に含浸しきった部分では音波が透過することを、音波の音波強度の変化より読み取り、液状体の含浸状況を検出することができる。 In the present invention, by measuring the sound wave in this way, as in the situation of FIG. 1, the sound wave does not pass through the portion where the liquid material is not impregnated because the gap between the reinforcing fibers contains a lot of air or vacuum. It is possible to detect the state of impregnation of the liquid material by reading that the sound wave is transmitted through the part where the liquid material is completely impregnated in the vertical direction from the change in the sound wave intensity.
また、図7では、強化繊維基材12やツール13と間隔を開けて、音波センサー4を配置しているので、対抗する音波センサーと同期してさえいれば、モニタリング中に音波センサー4を動かすことができる。
Moreover, in FIG. 7, since the
さらに、図7では、上下に音波センサー4を設置しているが、音波が強化繊維基材12若しくはツール13の内部若しくは表面で屈折し、一方から発信した音波を十分な強度で測定できない場合には、図1の状況と同様に、他方の長音センサーを計算によりおよび/または試行錯誤により位置をずらすことによって、十分な強度を確保できる位置に設置してもよい。
Further, in FIG. 7, the
また、さらには、一方の音波センサーから発信された音波が液状体の含浸部分11の一部分を伝搬した後、どこかで反射される場合、図1の状況と同様に、その反射先に他方の音波センサーを設置して受信しても、反射された結果元の位置に戻って来て、発信した音波センサー自体で受信してもよい。 Further, when the sound wave transmitted from one of the sound wave sensors propagates through a part of the liquid-impregnated portion 11 and is reflected somewhere, as in the situation of FIG. Even if a sound wave sensor is installed and received, it may return to the original position as a result of reflection, and may be received by the transmitted sound wave sensor itself.
図8は図7の平面図である。図8では、音波センサー4が水平にどの方向にでも動くことができる状況を表している。強化繊維基材とツールを挟んで対向する音波センサーに音波を発信する、または音波センサーからの音波を受信することができれば、必要に応じて任意の場所に、任意の個数設置してもよい。
FIG. 8 is a plan view of FIG. FIG. 8 shows a situation in which the
本発明においては、このように空中伝搬方式で音波を測定することにより、寸法の大きな強化繊維基材への液状体の含浸状況のモニタリングであっても、少ない個数の音波センサーで、広範囲の液状体の含浸状況を検出し、かつ、必要に応じて厚さを測定することができる。 In the present invention, by measuring the sound wave in the air propagation method in this way, even when monitoring the impregnation state of the liquid material into the reinforcing fiber base material having a large size, a small number of sound wave sensors can be used for a wide range of liquid state. The body impregnation status can be detected, and the thickness can be measured as necessary.
[参考例]樹脂組成物の調整
“アラルダイト”(登録商標)MY−721(N,N,N’,N’−テトラグリシジル−4,4’−ジアミノジフェニルメタン、ハンツマン・アドバンスト・マテリアルズ社製)40重量部に、“JER”(登録商標)630(N,N,O−トリグリシジル−p−アミノフェノール、ジャパンエポキシレジン社製)を25重量部、“Epon”(登録商標)825(ビスフェノールAジグリシジルエーテル、ジャパンエポキシレジン社製)を35重量部加え、70℃で1時間攪拌してエポキシ主剤とした。また、“JERキュア”(登録商標)W(ジエチルトルエンジアミン、ジャパンエポキシレジン社製)26.6重量部に3,3’−DAS(3,3’−ジアミノジフェニルスルホン、三井化学ファイン社製)を11.4重量部加え、100℃で1時間攪拌した後、70℃まで降温した。次いで硬化促進剤としてTBC(t−ブチルカテコール、宇部興産社製)1重量部を加えた後、更に70℃で30分間攪拌しTBCを均一溶解させた混合物を硬化剤とした。
[Reference Example] Preparation of resin composition “Araldite” (registered trademark) MY-721 (N, N, N ′, N′-tetraglycidyl-4,4′-diaminodiphenylmethane, manufactured by Huntsman Advanced Materials) 40 parts by weight, “JER” (registered trademark) 630 (N, N, O-triglycidyl-p-aminophenol, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.), 25 parts by weight, “Epon” (registered trademark) 825 (bisphenol A) 35 parts by weight of diglycidyl ether (manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) was added, and the mixture was stirred at 70 ° C. for 1 hour to obtain an epoxy main agent. Further, "JER Cure" (registered trademark) W (diethyltoluenediamine, manufactured by Japan Epoxy Resin Co., Ltd.) 26.6 parts by weight, 3,3'-DAS (3,3'-diaminodiphenylsulfone, manufactured by Mitsui Chemicals Fine Co., Ltd.) After adding 11.4 parts by weight, the mixture was stirred at 100 ° C. for 1 hour, and then cooled to 70 ° C. Subsequently, 1 part by weight of TBC (t-butylcatechol, manufactured by Ube Industries) was added as a curing accelerator, and the mixture was further stirred at 70 ° C. for 30 minutes to uniformly dissolve TBC as a curing agent.
すなわち、エポキシ主剤100重量部に硬化剤39重量を混合してエポキシ樹脂組成物とした。
[実施例1]
図1に示すように、FRP構造体製造時の樹脂含浸工程において、300mm×600mmの寸法の厚さ10mmのステンレス製のツール13を、図1における方向の左右両端100mm程度を支持して設置した。この上に離型処理を施し、100mm×400mmの強化繊維に炭素繊維を用いた強化繊維基材12を配置した。この強化繊維基材12は疑似等方積層の構成で、52枚の炭素繊維織物(東レ(株)製CZ8431DP、T800の一方向織物)を積層したものである。これらの上から、密閉するようにバギングフィルムを被せた。なお、図面では省略しているが、離型布および樹脂拡散媒体を強化繊維基材と、ツールやバギングフィルムとの間に挟み、バギングした強化繊維基材を減圧し、70度に加熱した。このように配置することで、図1における強化繊維基材の左上から流入した樹脂(液状体)が最初に最上層に流れ込んで樹脂溜まりを形成することで上側から下側へ含浸するようにし、その後、左側から右側へ流動するようにし、その結果、樹脂が左上側から右下側へ含浸できるように調整した。樹脂としては、上記参考例のエポキシ樹脂組成物を用いた。
That is, an epoxy resin composition was prepared by mixing 39 parts by weight of a curing agent with 100 parts by weight of the epoxy main agent.
[Example 1]
As shown in FIG. 1, in a resin impregnation process at the time of manufacturing an FRP structure, a stainless steel tool 13 having a size of 300 mm × 600 mm and a thickness of 10 mm is installed while supporting about 100 mm on both left and right sides in the direction in FIG. . A mold release treatment was performed thereon, and a reinforcing fiber base 12 using carbon fibers as reinforcing fibers of 100 mm × 400 mm was disposed. This reinforcing fiber base 12 has a pseudo-isotropic laminated structure and is a laminate of 52 carbon fiber fabrics (CZ8431DP, T800 unidirectional fabric manufactured by Toray Industries, Inc.). From above, a bagging film was covered so as to be sealed. Although omitted in the drawings, the release cloth and the resin diffusion medium were sandwiched between the reinforcing fiber base and a tool or bagging film, and the bagged reinforcing fiber base was decompressed and heated to 70 degrees. By arranging in this way, the resin (liquid material) that has flowed in from the upper left of the reinforcing fiber base in FIG. 1 flows into the uppermost layer first to form a resin reservoir, so as to impregnate from the upper side to the lower side, Then, it was made to flow from the left side to the right side, and as a result, it was adjusted so that the resin could be impregnated from the upper left side to the lower right side. As the resin, the epoxy resin composition of the above reference example was used.
次に、バギングフィルムの上とツール13の下から、図1、2に示すように音波センサー2(ジャパンプローブ(株)製、B0.5C20N)を6個設置した。各音波センサーはバギングフィルムを被せた強化繊維基材の上からおよびツールの下から、100mm×400mmの領域に、図2における方向の上下の中心軸上に、隣り合う音波センサーの間隔が100mmになるように、中心の音波センサーが100mm×400mmの領域の中心に来るように、長手方向に並べた。 Next, as shown in FIGS. 1 and 2, six acoustic wave sensors 2 (manufactured by Japan Probe Co., Ltd., B0.5C20N) were installed from above the bagging film and under the tool 13. Each sonic sensor has a 100 mm × 400 mm region from above the reinforcing fiber substrate covered with the bagging film and from the bottom of the tool, on the upper and lower central axes in the direction in FIG. As shown, the sound wave sensors at the center were arranged in the longitudinal direction so as to come to the center of a region of 100 mm × 400 mm.
その後、強化繊維基材12側に設置した3つの音波センサー2に高周波電源((株)エヌエフ回路ブロック製、HSA 4101)を介してファンクションジェネレーター(ヒューレットパッカード(株)製、8116A)を接続して、波高が130Vであるパルス状の電圧を入力した。次に、ツール13側に設置した3つの音波センサー2にオシロスコープ(テクトロニクス(株)製、TDS744A)を接続して、樹脂含浸部分を伝搬した音波を検出したツール13側に設置した3つの音波センサー2から得られる電圧波形をモニタリングした。この結果を、樹脂注入開始時刻を0秒として、図9に示す。
Thereafter, a function generator (manufactured by Hewlett-Packard Co., Ltd., 8116A) is connected to the three
図1、2の構成では3点の位置の液状体の含浸状況をモニタリングでき、左から1〜3チャンネルとした。図9に示すように、樹脂は左から右へ流動し、時間の経過に伴って順次各測定点での樹脂含浸状況に応じて音波強度が上昇し、それぞれの測定点で含浸が完了すると音波強度の上昇が止まる。ここでいう音波強度とは、受信側の音波センサーで最大の電圧波高値が観測される時を1.0(樹脂完全含浸)、最低波高値が観測される時を0.0(樹脂未含浸)としている。 In the configuration of FIGS. 1 and 2, the state of impregnation of the liquid material at three positions can be monitored, and the channels are set to 1 to 3 from the left. As shown in FIG. 9, the resin flows from the left to the right, and the sound wave intensity gradually increases according to the resin impregnation state at each measurement point as time elapses. The increase in strength stops. The sound wave intensity here means 1.0 (complete resin impregnation) when the maximum voltage peak value is observed by the reception-side acoustic wave sensor, and 0.0 (resin unimpregnated) when the minimum peak value is observed. ).
ここでは、1160秒の時点で、3chの測定点まで強化繊維基材に樹脂が完全含浸していることが読み取られるので、樹脂注入を止め、130℃に昇温し硬化したのち、切断してCFRPの断面を検査すると3chまで完全に樹脂が含浸していることを確認できた。このように、液状体の含浸状況をモニタリングすることができた。 Here, since it is read that the resin is completely impregnated into the reinforcing fiber base up to the measurement point of 3ch at the point of 1160 seconds, the resin injection is stopped, the temperature is raised to 130 ° C., the resin is cured, and then cut. When the cross section of the CFRP was inspected, it was confirmed that the resin was completely impregnated up to 3ch. Thus, the liquid impregnation situation could be monitored.
また、2チャンネルの音波の伝搬時間を示したものが図11で、図11に示すように、樹脂注入開始からの経過時間が800〜1300秒では増加、1300秒以降では減少している。具体的には、初期値9.76μ秒、最長値10.01μ秒、最短値9.20μ秒となっており、ツール10mmの音波伝搬時間が2.00μ秒とわかっていて、ツールを除いた伝搬時間はそれぞれ7.76μ秒、8.01μ秒、7.20μ秒となる。ツールを除けば音波が伝搬するのは強化繊維基材、フィルムおよび副資材であって、通常フィルムや副資材は薄いので、ツールを除いた伝搬時間は強化繊維基材での伝搬時間と近似することができる。強化繊維基材中では1300m/秒の速度で音波が伝搬することがわかっており、この速度を伝搬時間に乗じることで、強化繊維基材の初期厚さが10.09mmで10.41mmまで厚くなり、最終的に9.36mmに薄くなったとわかる。このように、強化繊維基材の厚さをモニタリングすることができた。
[実施例2]
図7に示すように、FRP構造体製造時の樹脂含浸工程において、400mm×400mmの寸法の厚さ20mmのステンレス製のツール13を、図1における方向の左右両端100mm程度を支持して設置した。この上に離型処理を施し、200mm×200mmの強化繊維に炭素繊維を用いた強化繊維基材12を配置した。強化繊維基材12の積層構成、図面で省略した事項および樹脂の流動方向については実施例1と同様にした。
FIG. 11 shows the propagation time of the sound waves of the two channels. As shown in FIG. 11, the elapsed time from the start of resin injection increases in 800 to 1300 seconds and decreases after 1300 seconds. Specifically, the initial value is 9.76 μsec, the longest value is 10.01 μsec, the shortest value is 9.20 μsec, and the sound wave propagation time of the tool 10 mm is known to be 2.00 μsec, and the tool is excluded. The propagation times are 7.76 μsec, 8.01 μsec, and 7.20 μsec, respectively. Except for the tool, the sound wave propagates in the reinforced fiber base material, film, and auxiliary materials, and the film and auxiliary materials are usually thin, so the propagation time excluding the tool approximates the propagation time in the reinforced fiber base material. be able to. It is known that sound waves propagate at a speed of 1300 m / sec in the reinforcing fiber base, and by multiplying this speed by the propagation time, the initial thickness of the reinforcing fiber base is increased from 10.09 mm to 10.41 mm. It turns out that it became thin finally to 9.36 mm. In this way, the thickness of the reinforcing fiber substrate could be monitored.
[Example 2]
As shown in FIG. 7, in the resin impregnation process at the time of manufacturing the FRP structure, a stainless steel tool 13 having a size of 400 mm × 400 mm and a thickness of 20 mm was installed with supporting both left and right ends of about 100 mm in the direction in FIG. . A mold release treatment was performed thereon, and a reinforcing fiber base 12 using carbon fibers as reinforcing fibers of 200 mm × 200 mm was disposed. The laminated configuration of the reinforcing fiber base 12, the matters omitted in the drawing, and the flow direction of the resin were the same as in Example 1.
次に、バギングフィルムの上とツール13の下から、図7、8に示すように空中伝搬方式の音波センサー4(The Ultran Group製、NCG500−D19−P50)を2個配置した。各音波センサーはバギングフィルムを被せた強化繊維基材の上から40mm離して、およびツールの下から20mm離して、200m×200mmの領域の図8における水平方向の中心に配置した。 Next, as shown in FIGS. 7 and 8, two aerial propagation type acoustic wave sensors 4 (manufactured by The Ultra Group, NCG500-D19-P50) were disposed on the bagging film and below the tool 13. Each acoustic wave sensor was placed at the center in the horizontal direction in FIG. 8 in an area of 200 m × 200 mm, 40 mm away from the top of the reinforcing fiber substrate covered with the bagging film and 20 mm away from the bottom of the tool.
その後、強化繊維基材12側に配置した音波センサー4にパルサーレシーバー(The Ultran Group製、NCA1000)を接続して、中心周波数が500kHzのチャープ波状の電圧を入力した。次に、ツール13側に配置した音波センサー4も前記パルサーレシーバーに接続して、樹脂含浸部分を伝搬した音波を検出したツール13側に配置した音波センサー4から得られる電圧波形をモニタリングした。この結果を、樹脂注入開始時刻を0秒として図10に示す。
Thereafter, a pulsar receiver (manufactured by The Ultra Group, NCA1000) was connected to the
図7、8の構成では1点の位置の液状体の含浸状況をモニタリングできる。また、空中伝搬方式の音波センサー4は、対向する音波センサーと同期していればどの位置に動かしても良い。ただし、測定対象とプローブの間の空間で急激に異なる温度分布があると、その分布により空気密度と音速が変化し、音響インピーダンスの差により反射または屈折が起こり対向する音波センサー4に音波が到達できなくなるので、この点に注意してモニタリングシステム周囲の雰囲気温度を一定に保つことが必要であった。
7 and 8, it is possible to monitor the impregnation state of the liquid material at one point. Further, the air propagation type
図10に示すように、樹脂は左から右へ流動し、時間の経過に伴って測定点での樹脂含浸状況に応じて音波強度が上昇し、それぞれの測定点で含浸が完了すると音波強度の上昇が止まる。樹脂としては、前記参考例のエポキシ樹脂組成物を用いた。ここでいう音波強度とは、受信側の音波センサーで最大の電圧波高値が観測されるときを1.0(樹脂完全含浸)、最低の電圧波高値が観測される時を0.0(樹脂未含浸)としている。1000秒の時点で、強化繊維基材に樹脂が完全含浸していることが読み取られる。このように、液状体の含浸状況をモニタリングすることができた。
[実施例3]
図1に示すように、実施例1と同様の構成で、樹脂含浸部分11を伝搬した音波を検出したツール13側に設置した3つの音波センサー2から得られる電圧波形をモニタリングできるようにした。樹脂および樹脂の流動方向も実施例1と同様の構成とした。
As shown in FIG. 10, the resin flows from the left to the right, and the sound wave intensity increases according to the resin impregnation state at the measurement point with the passage of time. When the impregnation is completed at each measurement point, the sound wave intensity is increased. The rise stops. As the resin, the epoxy resin composition of the reference example was used. The sound wave intensity referred to here is 1.0 (resin complete impregnation) when the maximum voltage peak value is observed by the reception-side acoustic wave sensor, and 0.0 (resin when the minimum voltage peak value is observed. Unimpregnated). It is read that the resin is completely impregnated into the reinforcing fiber base at 1000 seconds. Thus, the liquid impregnation situation could be monitored.
[Example 3]
As shown in FIG. 1, the voltage waveforms obtained from the three
図1において最左側に位置する音波センサー2で測定した透過率が最高値で安定した直後に樹脂注入を止め、130℃に昇温し硬化させた。このとき、中央に位置する音波センサー2の透過率は0.8、最右側に位置する音波センサー2で測定した透過率は0.1であった。切断してCFRPの断面を検査すると厚さ方向に、最左側の音波センサーの位置では完全に樹脂が含浸しており、中央の音波センサーの位置では強化繊維束内の短繊維間隙や強化繊維基材間等の間隙に未含浸部分が点在しており、中央の音波センサーの位置から最左側の音波センサーの位置にいくに従い、まず、強化繊維基材間等の間隙の未含浸部分が減少しその後、強化繊維束内の短繊維間隙の未含浸部分もなくなっていくことが観察された。なお、最右側の音波センサーの位置では樹脂は到達してはいるもののほぼ未含浸部分が広がっていた。このように、液状体の含浸状況をモニタリングすることができ、透過率が1.0であった位置では樹脂が厚さ方向に完全に含浸していることを利用して、その位置まで確実に樹脂が含浸しているFRP構造体を製造することもできた。
Immediately after the transmittance measured by the
上述した本発明の液状体の含浸状況のモニタリング方法は、強化繊維に液状の樹脂を含浸させるFRP構造体の製造方法に、好ましく適用されるが、適用対象としてはこれに限定されず、たとえば、繊維集合体に処理液を含浸させ、何らかの物理的、化学的処理を施すような場合の含浸状況の確認においても好適に用いることができる。 The method for monitoring the state of impregnation of the liquid material of the present invention described above is preferably applied to a method for manufacturing an FRP structure in which a reinforcing resin is impregnated with a liquid resin, but the application target is not limited thereto, for example, It can also be suitably used for confirming the impregnation status when the fiber assembly is impregnated with a treatment solution and subjected to some physical or chemical treatment.
1 液状体の含浸方向
11 液状体の含浸部分
12 強化繊維基材
13 ツール
2 音波センサー
21 接触方式の音波センサー本体
22 音波センサー固定手段
3 モニタリング対象
31 接着剤
32 接触媒質
33 固定手段
4 空中伝搬方式の音波センサー
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