JP5408530B2 - Compression molding apparatus and method, and fiber reinforced composite material and preform manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、強化繊維を含み傾斜面を有する強化繊維基材を所定の形状に賦形する圧縮賦形装置および方法、並びにその方法を用いた繊維強化複合材料とプリフォームの製造方法に関する。 The present invention relates to a compression shaping apparatus and method for shaping a reinforcing fiber base material containing reinforcing fibers and having an inclined surface into a predetermined shape, and a method for producing a fiber reinforced composite material and a preform using the method.
炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維を強化繊維として用いた繊維強化プラスチック(FRP)は、軽量でかつ高い耐久性を有するものであることから、自動車や航空機などを構成する各種の構成部材として理想的な材料である。このFRPの成形方法としては、例えば強化繊維材を複数枚積層した積層体からなる強化繊維基材を、相対する金型で挟み加圧することにより所定の形状に賦形し、含浸樹脂を硬化させて所定の形状のFRPに成形する方法が知られている。 Fiber reinforced plastic (FRP) using carbon fiber, glass fiber, or aramid fiber as a reinforcing fiber is lightweight and highly durable, making it ideal as a component for automobiles and aircraft. Material. As a method of molding this FRP, for example, a reinforcing fiber base material composed of a laminate in which a plurality of reinforcing fiber materials are laminated is sandwiched between and pressed by opposing molds and shaped into a predetermined shape, and the impregnating resin is cured. Thus, a method of forming a FRP having a predetermined shape is known.
強化繊維基材としては、例えば強化繊維をシート状に複数本引き揃え、エポキシ樹脂等のマトリックス樹脂を含浸させ、シート状に成形したプリプレグシートが用いられている。このプリプレグシートを複数枚積層し、金型内で加圧・加熱してマトリックス樹脂を硬化させ所定形状のFRPに成形する。また、マトリックス樹脂が含浸されていない、ドライの強化繊維基材を用いたFRPの成形も行われている。これはResin Transfer Molding(以下、RTMという)成形方法や真空RTM成形方法などと呼ばれる成形方法であり、例えば層間接着樹脂が付加された強化繊維材を複数枚積層し、その積層体を金型で賦形してプリフォームと呼ばれる形態の中間成形品を製作した後、このプリフォームに低粘度の液状マトリックス樹脂を注入して硬化させるものである。 As the reinforcing fiber base, for example, a prepreg sheet formed by arranging a plurality of reinforcing fibers in a sheet shape and impregnating a matrix resin such as an epoxy resin into a sheet shape is used. A plurality of the prepreg sheets are laminated, and the matrix resin is cured by pressurizing and heating in a mold to form a FRP having a predetermined shape. Further, FRP molding using a dry reinforcing fiber base material not impregnated with a matrix resin is also performed. This is a molding method called a Resin Transfer Molding (hereinafter referred to as RTM) molding method or a vacuum RTM molding method. For example, a plurality of reinforcing fiber materials to which an interlayer adhesive resin is added are laminated, and the laminated body is molded with a mold. After forming and forming an intermediate molded product called a preform, a low-viscosity liquid matrix resin is injected into the preform and cured.
これらFRPの成形においては、I形やH形の横断面形状を持つ梁部材を製造する装置も知られている(例えば、特許文献1参照)。これは積層体を所定の断面形状に金型で賦形した後、金型を開き積層体を所定量移動させ、再度賦形するということを繰り返し、長尺の成形品を成形する装置である。このような装置を用いることで、長手方向に一様な断面形状を持つ梁部材の成形を、その梁部材の全長分、大型の金型を用いることなく、小さな金型にて製造することができる。 In forming these FRPs, an apparatus for manufacturing a beam member having an I-shaped or H-shaped cross-sectional shape is also known (see, for example, Patent Document 1). This is an apparatus for forming a long molded product by repeatedly shaping a laminated body with a mold into a predetermined cross-sectional shape, then opening the mold, moving the laminated body by a predetermined amount, and shaping again. . By using such an apparatus, it is possible to manufacture a beam member having a uniform cross-sectional shape in the longitudinal direction with a small mold without using a large mold for the entire length of the beam member. it can.
しかしながら、例えば片持ちの構造物を考えた場合、一般的にそれを支える梁部材は根元にいくほど剛性が高くなることが求められる。そのため、長尺の成形品を製造するための積層体では、強化繊維材の積層枚数(積層体成形品の厚み)を長手方向の根元に対して増加していくことでこの要求に対応している。一方、上記従来技術は、基本的に一定形状、一定厚みの断面にて順次成形していくものであるため、このような成形品の厚み変化の要求には対応できなかった。すなわち、強化繊維材の積層枚数を長手方向に対して変化させ、それに伴って所定形状に賦形すべき強化繊維基材の厚みが長手方向に変化する場合には、賦形対象となる強化繊維基材部位に傾斜面が存在することになるが、基本的に一定形状、一定厚みの断面にて順次成形していく従来の賦形技術では、このような傾斜面が存在する強化繊維基材部位に対して精度よく所定形状に賦形することが困難であった。 However, for example, when a cantilever structure is considered, it is generally required that the beam member supporting the structure has higher rigidity toward the root. Therefore, in a laminate for manufacturing a long molded product, this requirement is met by increasing the number of laminated reinforcing fiber materials (the thickness of the laminate molded product) with respect to the base in the longitudinal direction. Yes. On the other hand, the above-mentioned prior art is basically formed in order with a cross section having a constant shape and a constant thickness, and therefore cannot meet such a change in thickness of the molded product. That is, when the number of reinforcing fiber materials is changed with respect to the longitudinal direction, and the thickness of the reinforcing fiber base material to be shaped into a predetermined shape changes accordingly, the reinforcing fibers to be shaped There will be an inclined surface in the base material part, but in the conventional shaping technology in which the cross-section of the basic shape and the constant thickness are sequentially formed, the reinforcing fiber base material having such an inclined surface exists. It was difficult to accurately shape the part into a predetermined shape.
また、強化繊維基材の積層枚数(積層体成形品の厚み)を長手方向に対して増加する方法として圧縮賦形装置が知られている(特許文献2)。しかしながら、強化繊維基材の積層枚数の変化に対応してシート状のスキマ調整部材を金型間に挿入する方法では、段差ができ積層枚数が大きく変化する場合の局所変化に強化繊維基材が追従できず所定形状に賦形することが困難であった。 Moreover, a compression shaping apparatus is known as a method for increasing the number of laminated reinforcing fiber base materials (thickness of a laminate molded product) in the longitudinal direction (Patent Document 2). However, in the method of inserting a sheet-like clearance adjustment member between molds in response to changes in the number of laminated reinforcing fiber bases, the reinforcing fiber bases are subject to local changes when there is a step and the number of laminated layers changes greatly. It was difficult to follow and it was difficult to shape into a predetermined shape.
そこで本発明の課題は、前記した従来技術の問題点を解決するために、強化繊維基材の厚みが変化し強化繊維基材が傾斜面を有する場合にあっても、その傾斜面に対応させて容易に望ましい形状に賦形することが可能な圧縮賦形装置および方法、並びにその方法を用いた繊維強化複合材料とプリフォームの製造方法を提供することにある。 Therefore, in order to solve the above-described problems of the prior art, the object of the present invention is to cope with the inclined surface even when the thickness of the reinforcing fiber substrate changes and the reinforcing fiber substrate has an inclined surface. Another object of the present invention is to provide a compression molding apparatus and method that can be easily molded into a desired shape, and a method for producing a fiber-reinforced composite material and a preform using the method.
上記課題を解決するために、本発明に係る圧縮賦形装置は、強化繊維を含む強化繊維基材を金型間に挟んで加圧することにより金型賦形面の形状に沿う形状に賦形する少なくとも二つの金型と、少なくとも一つの金型に開閉動作をさせ、強化繊維基材を加圧、開放する金型駆動手段と、金型による開閉動作に合わせて強化繊維基材を金型に対し搬入、搬出する搬送手段とを備えた強化繊維基材の圧縮賦形装置であって、前記金型のうちの少なくとも一つの金型の金型賦形面が、強化繊維基材の搬送方向に対し平行な平行面と、該平行面に段差なく連接され前記搬送方向に対し傾斜した傾斜面とを併せ持ち、さらに、前記圧縮賦形装置が、前記搬送方向に搬送される強化繊維基材の長手方向における厚さ変化に伴う基材表面の傾斜部の位置を検出する基材傾斜部検出手段と、該基材傾斜部検出手段による検出情報に基づき強化繊維基材の搬送を制御する搬送制御手段を有することを特徴とするものからなる。 In order to solve the above-mentioned problems, the compression molding apparatus according to the present invention is shaped into a shape that follows the shape of the mold shaping surface by pressing a reinforcing fiber substrate containing reinforcing fibers between the molds. And at least two molds, mold driving means for opening and closing the at least one mold to pressurize and open the reinforcing fiber base, and the reinforcing fiber base to the mold in accordance with the opening and closing operation by the mold A reinforcing fiber base compression molding apparatus having a conveying means for carrying in and out of the mold, wherein the mold shaping surface of at least one of the molds conveys the reinforcing fiber base and parallel surface parallel to the direction, without any step being articulated lifting Chi combination of the inclined surface inclined with respect to the transport direction in the parallel plane, further, reinforcing fibers the compression shaping apparatus, which is transported in the transport direction The position of the inclined part on the surface of the substrate accompanying the change in thickness in the longitudinal direction of the substrate A base material inclined portion detecting means for, consisting of those characterized by having a conveyance control means for controlling the transport of the reinforcing fiber substrate based on the information detected by the base material inclined portion detection means.
このような圧縮賦形装置は、例えば、強化繊維基材が、強化繊維を含むシート材の積層体からなり、積層枚数が変化し、それに伴って強化繊維基材が傾斜面を有する場合に好適なものである。この強化繊維を含むシート材は、強化繊維材にマトリックス樹脂が含浸されたプリプレグからなる場合、マトリックス樹脂を含まないドライの強化繊維材からなる場合のいずれの場合も可能である。 Such a compression shaping apparatus is suitable, for example, when the reinforcing fiber base is composed of a laminate of sheet materials containing reinforcing fibers, the number of stacked layers is changed, and the reinforcing fiber base has an inclined surface accordingly. Is something. The sheet material containing the reinforcing fibers can be either a prepreg in which a reinforcing fiber material is impregnated with a matrix resin or a dry reinforcing fiber material that does not contain a matrix resin.
このような本発明に係る圧縮賦形装置においては、金型の開閉動作を行い、強化繊維基材を順次加圧賦形していく金型の金型賦形面が強化繊維基材の搬送方向に対し平行な平行面と搬送方向に対し傾斜した傾斜面とを併せ持っているので、基材表面を傾斜面に形成すべき強化繊維基材部位が金型による加圧部に搬送されてきたとき、該金型は、強化繊維基材の長手方向における、強化繊維基材の表面の目標賦形形状に関して、搬送方向に対し平行な平行面(基材厚さが一定の面)と搬送方向に対し傾斜した傾斜面(基材厚さが変化する面)との両方を同時に賦形できるようになる。すなわち、賦形すべき強化繊維基材の平行面と傾斜面を併せ持つ金型賦形面の金型を用いることにより、特別な操作を伴うことなく所定の金型で容易に、基材の平行面と傾斜面、およびそれらの境界部が、同時に目標とする形状に賦形されることになる。とくに、このとき、金型賦形面の平行面と傾斜面とは段差なく連接されているので、賦形される強化繊維基材の平行面と傾斜面も段差なく連なって賦形され、基材の平行面と傾斜面の境界部は望ましい目標形状に賦形される。 In such a compression shaping apparatus according to the present invention, the mold shaping surface of the mold that opens and closes the mold and sequentially press-molds the reinforcing fiber base is transported of the reinforcing fiber base. Since it has both a parallel plane parallel to the direction and an inclined plane inclined with respect to the conveying direction, the reinforcing fiber substrate portion whose substrate surface should be formed into an inclined plane has been conveyed to the pressurizing part by the mold In this case, the mold has a parallel surface (surface with a constant substrate thickness) parallel to the conveying direction and a conveying direction with respect to the target shaping shape of the surface of the reinforcing fiber substrate in the longitudinal direction of the reinforcing fiber substrate. It becomes possible to simultaneously shape both the inclined surface inclined with respect to the surface (the surface on which the substrate thickness changes). That is, by using a mold having a mold shaping surface that has both a parallel surface and an inclined surface of the reinforcing fiber substrate to be shaped, the substrate can be easily parallelized with a predetermined mold without any special operation. The surface, the inclined surface, and the boundary between them are shaped into a target shape at the same time. In particular, at this time, since the parallel surface and the inclined surface of the mold forming surface are connected without any step, the parallel surface and the inclined surface of the reinforcing fiber base to be formed are also formed without any step, and the base surface is formed. The boundary between the parallel surface and the inclined surface of the material is shaped into a desired target shape.
上記の基材の平行面と傾斜面の同時賦形においては、金型賦形面の平行面と傾斜面の境界部と、賦形すべき強化繊維基材の平行面と傾斜面の境界部とが、丁度一致していることが望ましく、それによって基材の目標形状への賦形が精度良く行われることになる。これを達成するために、本発明に係る圧縮賦形装置は、さらに、上記搬送方向に搬送される強化繊維基材の長手方向における厚さ変化に伴う基材表面の傾斜部の位置を検出する基材傾斜部検出手段と、該基材傾斜部検出手段による検出情報に基づき強化繊維基材の搬送を制御する搬送制御手段を有している。このような手段により、基材の搬送が精度良く制御され、賦形動作時に、賦形すべき強化繊維基材の平行面と傾斜面の境界部が、金型賦形面の平行面と傾斜面の境界部に精度良く合わせられる。 In the simultaneous shaping of the parallel surface and the inclined surface of the substrate, the boundary between the parallel surface and the inclined surface of the mold shaping surface, and the boundary between the parallel surface and the inclined surface of the reinforcing fiber substrate to be shaped Are preferably exactly the same, so that the substrate can be accurately shaped into the target shape. In order to achieve this, the compression shaping apparatus according to the present invention further detects the position of the inclined portion of the substrate surface accompanying the thickness change in the longitudinal direction of the reinforcing fiber substrate conveyed in the conveying direction. It has a base material inclination part detection means, and a conveyance control means for controlling the conveyance of the reinforcing fiber base material based on the information detected by the base material inclination part detection means . By such means, the conveyance of the substrate is accurately controlled, and the boundary portion between the parallel surface and the inclined surface of the reinforcing fiber substrate to be shaped is inclined with the parallel surface of the mold shaping surface during the shaping operation. It can be accurately aligned with the boundary of the surface.
また、上記金型駆動手段としては、一つの金型に対し一つの加圧機構を有する構成とすることもできるし、複数箇所の加圧機構を有する構成とすることもできる。後者の場合には、上記のような平行面と傾斜面を併せ持つ金型に加圧動作を行わせる際、平行面と傾斜面の両方を均等に、賦形すべき強化繊維基材の平行面と傾斜面に対し加圧させることが可能になり、より精度の良い所望形状への賦形が可能になる。 Further, the mold driving means may be configured to have one pressurizing mechanism for one mold, or may be configured to include a plurality of pressurizing mechanisms. In the latter case, when the pressing operation is performed on the mold having both the parallel surface and the inclined surface as described above, both the parallel surface and the inclined surface should be evenly shaped, and the parallel surface of the reinforcing fiber base should be shaped. It is possible to apply pressure to the inclined surface, and it is possible to form the desired shape with higher accuracy.
また、本発明に係る圧縮賦形装置は、強化繊維基材の目標賦形横断面形状が屈曲部を有する場合にも、適用できる。つまり、強化繊維基材の目標賦形横断面形状に屈曲部が含まれる場合には、金型のうちの少なくとも一つの金型がその屈曲部に対応する横断面形状を有していればよい。 Moreover, the compression shaping apparatus which concerns on this invention is applicable also when the target shaping cross-sectional shape of a reinforced fiber base material has a bending part. That is, when the target shaping cross-sectional shape of the reinforcing fiber base includes a bent portion, it is sufficient that at least one of the molds has a cross-sectional shape corresponding to the bent portion. .
本発明は、上記のような圧縮賦形装置を用いて製造された繊維強化複合材料やプリフォームについても提供する。本発明に係る繊維強化複合材料は、強化繊維基材がマトリックス樹脂が含浸されたプリプレグからなり、該強化繊維基材が、上記のような圧縮賦形装置を用いて賦形され、マトリックス樹脂が硬化されて製造されていることを特徴とするものからなる。 The present invention also provides a fiber reinforced composite material and a preform produced using the compression shaping apparatus as described above. The fiber reinforced composite material according to the present invention is composed of a prepreg in which a reinforcing fiber base is impregnated with a matrix resin, the reinforcing fiber base is shaped using the compression molding apparatus as described above, and the matrix resin is It consists of what is characterized by being hardened and manufactured.
また、本発明に係るプリフォームは、強化繊維基材がマトリックス樹脂を含まないドライの強化繊維材からなり、該強化繊維基材が、上記のような圧縮賦形装置を用いて賦形されていることを特徴とするものからなる。この場合、繊維強化複合材料は、上記のように賦形されたプリフォームにマトリックス樹脂が含浸され、含浸されたマトリックス樹脂が硬化されて製造される。 In the preform according to the present invention, the reinforcing fiber base is made of a dry reinforcing fiber material that does not contain a matrix resin, and the reinforcing fiber base is shaped using the compression shaping apparatus as described above. It consists of what is characterized by being. In this case, the fiber-reinforced composite material is manufactured by impregnating the preform shaped as described above with a matrix resin and curing the impregnated matrix resin.
本発明に係る圧縮賦形方法は、強化繊維を含む強化繊維基材を少なくとも二つの金型間に挟んで加圧することにより金型賦形面の形状に沿う形状に賦形するに際し、少なくとも一つの金型に開閉動作をさせて強化繊維基材を順次賦形していくとともに、金型による開閉動作に合わせて強化繊維基材を金型に対し搬入、搬出する強化繊維基材の圧縮賦形方法であって、前記金型のうちの少なくとも一つの金型の金型賦形面を、強化繊維基材の搬送方向に対し平行な平行面と、該平行面に段差なく連接され前記搬送方向に対し傾斜した傾斜面とを併せ持つ金型賦形面に形成し、長手方向において厚さ変化を伴い基材表面に傾斜部を有する強化繊維基材の該傾斜部が搬送されてきたときに、前記金型賦形面の平行面と傾斜面の両方を用いて強化繊維基材を加圧することを特徴とする方法からなる。 In the compression molding method according to the present invention, at least one reinforcing fiber base material containing reinforcing fibers is pressed between at least two molds to form a shape along the shape of the mold forming surface. Opening and closing the two molds to form the reinforcing fiber base sequentially, and compressing and reinforcing the reinforcing fiber base that is carried in and out of the mold in accordance with the opening and closing operation of the mold. A molding method, wherein a mold shaping surface of at least one of the molds is parallel to a parallel surface with respect to a conveyance direction of the reinforcing fiber base, and the conveyance is connected to the parallel surface without a step. When the inclined portion of the reinforcing fiber base material having a slope portion on the surface of the base material is formed with a thickness change in the longitudinal direction and formed on a mold shaping surface having an inclined surface inclined with respect to the direction. Reinforcing fibers using both parallel and inclined surfaces of the mold shaping surface Consists method characterized by pressurizing the timber.
この圧縮賦形方法は、例えば、強化繊維基材が、強化繊維を含むシート材の積層体からなり、積層枚数が変化し、それに伴って強化繊維基材が傾斜面を有する場合に好適なものである。この強化繊維を含むシート材は、強化繊維材にマトリックス樹脂が含浸されたプリプレグからなる場合、マトリックス樹脂を含まないドライの強化繊維材からなる場合のいずれの場合も可能である。 This compression shaping method is suitable, for example, when the reinforcing fiber base is composed of a laminate of sheet materials containing reinforcing fibers, the number of stacked layers changes, and the reinforcing fiber base has an inclined surface accordingly. It is. The sheet material containing the reinforcing fibers can be either a prepreg in which a reinforcing fiber material is impregnated with a matrix resin or a dry reinforcing fiber material that does not contain a matrix resin.
また、本発明に係る圧縮賦形方法においては、上記の基材の平行面と傾斜面の同時賦形における、金型賦形面の平行面と傾斜面の境界部と、賦形すべき強化繊維基材の平行面と傾斜面の境界部の位置を一致させるべく、搬送される強化繊維基材の上記基材傾斜部の位置を検出し、該検出情報に基づき強化繊維基材の搬送を制御することが好ましい。 Further, in the compression shaping method according to the present invention, in the simultaneous shaping of the parallel surface and the inclined surface of the base material, the boundary between the parallel surface of the mold shaping surface and the inclined surface, and the reinforcement to be shaped In order to match the position of the boundary portion between the parallel surface and the inclined surface of the fiber substrate, the position of the substrate inclined portion of the reinforcing fiber substrate to be conveyed is detected, and the reinforcing fiber substrate is conveyed based on the detection information. It is preferable to control.
また、一つの金型に対し複数箇所にて加圧動作を行わせることもできる。 Further, it is possible to perform a pressurizing operation at a plurality of locations on one mold.
また、本発明に係る圧縮賦形方法においては、強化繊維基材の目標賦形横断面形状に屈曲部が含まれる場合、該屈曲部に対応する横断面形状を有する少なくとも一つの金型を用いて強化繊維基材を賦形することが好ましい。 Further, in the compression shaping method according to the present invention, when the target shaping cross-sectional shape of the reinforcing fiber base includes a bent portion, at least one mold having a cross-sectional shape corresponding to the bent portion is used. It is preferable to shape the reinforcing fiber base.
本発明に係る繊維強化複合材料の製造方法は、強化繊維基材がマトリックス樹脂が含浸されたプリプレグからなり、該強化繊維基材を、上記のような圧縮賦形方法を用いて賦形し、マトリックス樹脂を硬化させることを特徴とする方法からなる。 The method for producing a fiber-reinforced composite material according to the present invention comprises a prepreg in which a reinforcing fiber substrate is impregnated with a matrix resin, and the reinforcing fiber substrate is shaped using the compression shaping method as described above, The method comprises curing a matrix resin.
本発明に係るプリフォームの製造方法は、強化繊維基材がマトリックス樹脂を含まないドライの強化繊維材からなり、該強化繊維基材を、上記のような圧縮賦形方法を用いて賦形することを特徴とする方法からなる。この場合、繊維強化複合材料は、上記のように賦形されたプリフォームにマトリックス樹脂を含浸し、含浸されたマトリックス樹脂を硬化させることにより製造することができる。 The method for producing a preform according to the present invention is such that the reinforcing fiber base is made of a dry reinforcing fiber material not containing a matrix resin, and the reinforcing fiber base is shaped using the compression shaping method as described above. It consists of the method characterized by this. In this case, the fiber-reinforced composite material can be produced by impregnating the preform shaped as described above with a matrix resin and curing the impregnated matrix resin.
本発明に係る圧縮賦形装置および方法によれば、強化繊維基材の長手方向における厚さの変化に伴い強化繊維基材が傾斜面を有する場合にあっても、平行面とそれに連接する傾斜面を併せ持つ金型賦形面により、強化繊維基材の平行面、傾斜面、両者の境界部を効率よく同時に賦形することができ、目標とする望ましい形状に極めて容易に賦形することができる。とくに強化繊維基材の傾斜面の位置を検出して基材の搬送を制御するようにすれば、一層精度の良い目標形状への賦形が可能になる。したがって、比較的長尺のものにあっても、容易にかつ効率良く所定形態に賦形することができる。 According to the compression shaping apparatus and method according to the present invention, even when the reinforcing fiber substrate has an inclined surface with a change in thickness in the longitudinal direction of the reinforcing fiber substrate, the parallel surface and the inclination connected to the parallel surface are provided. With the mold shaping surface that has both surfaces, the parallel surface of the reinforcing fiber base, the inclined surface, and the boundary between them can be shaped efficiently and simultaneously, and it can be shaped very easily into the desired desired shape. it can. In particular, if the position of the inclined surface of the reinforcing fiber base material is detected to control the conveyance of the base material, it is possible to shape the target shape with higher accuracy. Therefore, even if it is relatively long, it can be shaped into a predetermined form easily and efficiently.
本発明に係る繊維強化複合材料とプリフォームの製造方法によれば、上記のような目標とする形状に精度よくかつ効率よく賦形することが可能な圧縮賦形装置および方法を用いるので、比較的長尺のものにあっても、均一に成形され高い繊維体積含有率を有する繊維強化複合材料の製造が可能になるとともに、製造における歩留りを向上して高い生産性を達成することが可能になる。 According to the fiber-reinforced method of producing a composite material and the preform according to the present invention, since use of the compression shaping apparatus and method which can be shaped better accuracy and efficiency goals and shape as described above, comparative Even when the product is long, it is possible to produce a fiber-reinforced composite material that is uniformly molded and has a high fiber volume content, and it is possible to improve production yield and achieve high productivity. Become.
以下に、本発明の望ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
本発明に係る圧縮賦形装置および方法において賦形対象とするのは、強化繊維を含む強化繊維基材であり、代表的には、基材長手方向に、例えば積層枚数によって厚みが変化する傾斜面部を有する強化繊維を含むシート材の積層体である。本発明における「強化繊維」としては、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維などが挙げられる。強化繊維はその形態としては、織物、編み物、組み物、不織布、一方向に引き揃えられた強化繊維シートなどが挙げられる。強化繊維を含むシート材としては、強化繊維材にマトリックス樹脂が含浸されたプリプレグの形態のもの、マトリックス樹脂を含まないドライの強化繊維材の形態のもののいずれも使用可能である。上記「積層体」は、このようなプリプレグの形態のシート材を複数枚積層したもの、あるいはドライの強化繊維材の形態のシート材を複数枚積層したものからなる。ドライの強化繊維材を用いる場合には、結着性物質を使用してもよく、この結着性物質は、強化繊維に付着し、強化繊維同士を結着することで、強化繊維をシート状の形態に安定して維持させるものであり、結着性物質としては、例えば、ポリオレフィン、スチレン系樹脂、ナイロン、ポリウレタンなどの熱可塑性樹脂、また、例えばエポキシ、フェノール、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂などが挙げられる。また、結着性樹脂は、ドライの強化繊維材の積層体を所望の形状に賦形した際に、その形態を保持する役割を果たす。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The object to be shaped in the compression shaping apparatus and method according to the present invention is a reinforcing fiber base material containing reinforcing fibers, and typically has a slope whose thickness changes in the longitudinal direction of the base material, for example, depending on the number of laminated layers. It is the laminated body of the sheet material containing the reinforcing fiber which has a surface part. Examples of the “reinforcing fiber” in the present invention include carbon fiber, glass fiber, and aramid fiber. The form of the reinforcing fiber includes a woven fabric, a knitted fabric, a braided fabric, a non-woven fabric, and a reinforcing fiber sheet aligned in one direction. As the sheet material containing the reinforcing fiber, either a prepreg in which the reinforcing fiber material is impregnated with a matrix resin or a dry reinforcing fiber material not containing the matrix resin can be used. The “laminate” is composed of a laminate of a plurality of sheet materials in the form of such a prepreg, or a laminate of a plurality of sheet materials in the form of a dry reinforcing fiber material. In the case of using dry reinforcing fiber material, a binding substance may be used. This binding substance adheres to the reinforcing fibers and binds the reinforcing fibers to form a reinforcing fiber in a sheet form. For example, polyolefin, styrene resin, nylon, polyurethane and other thermoplastic resins, and epoxy, phenol, unsaturated polyester, etc. For example, a functional resin. In addition, the binder resin plays a role of maintaining the form of the dry reinforcing fiber material laminate when it is shaped into a desired shape.
図1は、本発明の一実施態様に係る圧縮賦形装置およびそれを用いた圧縮賦形方法を示している。本実施態様においては、圧縮賦形装置10は、強化繊維を含む強化繊維基材1(例えば、強化繊維材シートの積層体やプリプレグシートの積層体)を上側の金型2aと下側の金型2b間に挟んで加圧することにより金型賦形面3a、3bの形状に沿う形状に賦形する少なくとも二つの金型2a、2bと、少なくとも一つの金型2aに矢印A方向に加圧動作、それとは反対方向に開放動作となる開閉動作をさせる金型駆動手段4と、金型2a、2b間での加圧による賦形動作に合わせて強化繊維基材1を金型2a、2b設置部位に対し矢印B方向に搬入、搬出する搬送手段5とを備えている。搬送手段5は、例えば、強化繊維基材1を矢印B方向に牽引する牽引手段に構成されている。ただし、この搬送手段5は、強化繊維基材1を把持して引き抜くように搬送する手段であってもよく、金型2a、2bの入口側から押し込むように強化繊維基材1を搬送する手段であってもよい。このような圧縮賦形装置10において、本実施態様では、金型2aの金型賦形面3aが、強化繊維基材1の搬送方向Bに対し平行な平行面6aと、該平行面6aに段差なく連接され搬送方向Bに対し傾斜した傾斜面6bとを併せ持つ面形状に形成されている。この金型賦形面3aの平行面6aは、強化繊維基材1の厚さが一定で賦形すべき基材の表面が搬送方向Bに対し平行な基材平行面7aの形状に対応しており、金型賦形面3aの傾斜面6bは、強化繊維基材1の厚さが変化し賦形すべき基材の表面が搬送方向Bに対し傾斜した基材傾斜面7bの形状に対応している。
FIG. 1 shows a compression shaping apparatus according to an embodiment of the present invention and a compression shaping method using the compression shaping apparatus. In this embodiment, the
なお、本実施態様では、下側の金型2bは固定型の金型とされているが、下側の金型2b側を上記の上側の金型2aのような可動型の金型に構成してもよく、両方とも可動型の金型に構成することも可能である。また、本実施態様では、金型2aの金型賦形面3aが、平行面6aと傾斜面6bとを併せ持つ形状に形成されているが、金型2b側の金型賦形面3bをこのような形状に形成することもでき、両金型2a、2bの金型賦形面3a、3bをこのような形状に形成することもできる。
In this embodiment, the
このような圧縮賦形装置10において、強化繊維基材1の圧縮賦形が図1(A)、(B)、(C)に示すように行われる。搬送方向Bに搬送される強化繊維基材1に対し、図1(A)に示す動作は、強化繊維基材1の厚さが一定で賦形すべき基材の表面が搬送方向Bに対し平行な基材平行面7aの形状の基材部位での賦形状態を示しており、金型2aの金型賦形面3aの平行面6aだけが基材平行面7aに押圧されて、この部位の基材形状が所定の厚さ一定の形状へと圧縮賦形される。図1(B)は、強化繊維基材1の基材傾斜面7bが金型2a、2b間位置まで搬送され、金型賦形面3aの平行面6aと傾斜面6bの両方を使用して、強化繊維基材1の基材平行面7aと基材傾斜面7b、さらにはそれらの境界部が同時賦形される様子を示している。この圧縮賦形時には、前述の如く、強化繊維基材1の基材平行面7aと基材傾斜面7bの境界部が、金型賦形面3aの平行面6aと傾斜面6bの境界部と一致していることが好ましく、この一致は、例えば図1(A)に示すような、基材表面の傾斜部(基材傾斜面7b)の位置あるいは強化繊維基材1の基材平行面7aと基材傾斜面7bの境界部の位置を検出可能な基材傾斜部位置検出手段8(例えば、非接触式または接触式のセンサ)と、その検出情報に基づいて強化繊維基材1の搬送を制御可能な搬送制御手段9(例えば、搬送手段5の駆動制御手段)とによって達成可能である。金型賦形面3aの平行面6aと傾斜面6bによる強化繊維基材1の基材平行面7aと基材傾斜面7bの同時賦形により、極めて容易に効率よく、しかも精度良く、この部分における強化繊維基材1を目標とする形状に賦形することができる。図1(C)は、強化繊維基材1の基材傾斜面7bの賦形が終了し、強化繊維基材1がさらに搬送方向Bに搬送されて、再び基材平行面7a(上記図1(A)における部位よりは厚さのより厚い部位の基材平行面7a)の賦形が、金型賦形面3aの平行面6aだけを使用して行われている様子を示している。このように、所定量の間欠的な基材搬送と、金型2aの開閉動作の繰り返しにより、長尺の強化繊維基材1の各部位が次々と効率よく目標形状に賦形されていくことになる。
In such a
図2に、本発明の別の実施態様に係る圧縮賦形装置を含む連続賦形装置全体、とくに横断面形状に屈曲部を有し、全体としてT字形の横断面形状に基材を賦形する圧縮賦形装置を含む連続賦形装置11を例示する。本実施態様においては、最終的に図3に示すような、横断面がT字形で(ただし、図3は天地を逆転して図示してある)、かつ、長手方向の途中に厚さ変化部32を有する、比較的長尺の繊維強化複合材料31を製造することができる(プリフォームへの賦形も、図3に示すような形状となる)。図2においては、長手方向の途中に厚さ変化部を有する強化繊維基材12、13がそれぞれ搬送され、一方の強化繊維基材12は、キャッププレス14で予備賦形された後、全体を所定のT字形の横断面形状に賦形する、本発明に係る圧縮賦形装置としてのT字形プレス15に搬送される。他方の強化繊維基材13には、繰り出されてきた離型シート16が離型シート貼付プレス17部で貼り付けられ、押し込み円板18でV字形に変形された後、ウェブプレス19、ドレープローラ20を用いて横断面T字形に整形され、T字形の脚が交差する付け根部に繰り出されてきたコーナーフィラー部材21の素材条体がフィラー型22を用いて配置された後、T字形プレス15に搬送される。T字形プレス15では、搬送されてきた予備賦形後の強化繊維基材12、13が、本発明に係る圧縮賦形方法を用いて、所定のT字形の横断面形状に賦形される。T字形プレス15への基材の搬入、T字形プレス15からの基材の搬出は、引き込み装置23により、賦形動作に併せて間欠的に行われる。
FIG. 2 shows the entire continuous shaping apparatus including a compression shaping apparatus according to another embodiment of the present invention, in particular, a bent portion in the cross-sectional shape, and the substrate is shaped in a T-shaped cross-sectional shape as a whole. The continuous shaping |
T字形への賦形は、T字形プレス15内のT字形の頂面側に配置される金型24と、T字形の両側に配置される金型25を用いて行われ、本発明に係る基材の厚さ変化部に対応した傾斜面の賦形は、主として金型25によって行われる。この賦形に使用される金型25は、例えば図4に示すように形成される。図4に示す金型25においては、金型賦形面26、27が形成されており、例えば、金型賦形面26がT字形の頂部下面を賦形する金型賦形面を、金型賦形面27がT字形の脚部側面を賦形する金型賦形面を、それぞれ構成している。図3に示したような厚さ変化部32の賦形に対応するために、金型賦形面26は平行面26aと傾斜面26bが段差なく連接された形状で、金型賦形面27は平行面27aと傾斜面27bが段差なく連接された形状をしている。
The shaping to the T-shape is performed using the
上記厚さ変化部32に対応した賦形は、例えば図5(A)、(B)に示すように行われる。図5(A)に示すように、上側の固定金型24と、下側でかつT字形の脚部両側面側に配置された可動金型25(25a、25b)との間で、強化繊維基材12、13からなるT字形に予備賦形された強化繊維基材41が、所定のT字形横断面形状に賦形される。図5(A)、(B)に示すように、可動金型25a、25bは、ガイド42に沿って金型駆動手段43a、43bにより強化繊維基材41のT字形脚部に向けて加圧されるとともに、ガイド44に沿って金型駆動手段45によって、ガイド42部分を含めた可動により、強化繊維基材41のT字形頂部下面に向けて加圧される。図5(B)に示すように、強化繊維基材41の厚さ変化部46が丁度金型25の傾斜面26bに対応する位置まで搬送されると、金型25による圧縮賦形が行われる。この場合、前述したように、金型25の平行面26aと傾斜面26bにより、強化繊維基材41の厚さ変化部46(傾斜面部)と平行面部の賦形が同時に行われることになる。強化繊維基材41の厚さ変化部46(傾斜面部)の位置合わせは、例えば強化繊維基材41の厚さ変化部46に対し予め所定の位置関係にある部位に、位置検出用のマーク47を付与しておき、そのマーク47の検出情報に基づき強化繊維基材41の搬送を制御することによって、高精度に位置決めを行うことが可能である。
The shaping corresponding to the
本発明においては、種々の変化形態を採り得る。例えば、図6に示すように、強化繊維基材41の搬送方向(矢印方向)に賦形用の金型として加熱型51と冷却型52を直列に配置することができる。このようにすれば、平行面と傾斜面を備えた加熱型51により所定の形状に賦形した強化繊維基材41を、その直後に冷却型52で冷却することができ、それによって賦形された強化繊維基材41の所定形状を固定することが可能となる。また、図7に示すように、強化繊維基材61を加熱型62により賦形に適した温度へと加熱し、その直後に、冷却型63により基材61を所定の形状に賦形すると同時に冷却して賦形形状を固めてしまうようにすることも可能である。また、図7に示すように、基材61の搬送方向に対する厚さ変化部の傾斜面の傾斜方向は、図6に示した方向とは逆向きにすることも可能であり、その傾斜面に対応した賦形用金型を準備すればよい。さらに、図8に示すように、強化繊維基材41賦形用の金型71(図示例では、加熱型)のうち本発明における平行面と傾斜面を併せ持つ金型71において、傾斜面72の両側(基材搬送方向両側)に平行面73a、73bが段差なく連接された形状の金型賦形面とすることもできる。
In the present invention, various variations can be adopted. For example, as shown in FIG. 6, a heating mold 51 and a cooling mold 52 can be arranged in series in the conveying direction (arrow direction) of the reinforcing
本発明に係る圧縮賦形装置および方法は、傾斜面と平行面を有するあらゆる強化繊維基材の賦形に適用でき、繊維強化複合材料やプリフォームの製造分野に広く適用できる。 The compression shaping apparatus and method according to the present invention can be applied to shaping any reinforcing fiber substrate having an inclined surface and a parallel surface, and can be widely applied to the field of manufacturing fiber reinforced composite materials and preforms.
1 強化繊維基材
2a、2b 金型
3a、3b 金型賦形面
4 金型駆動手段
5 搬送手段
6a 平行面
6b 傾斜面
7a 基材平行面
7b 基材傾斜面
8 基材傾斜部位置検出手段
9 搬送制御手段
10 圧縮賦形装置
11 連続賦形装置
12、13 強化繊維基材
14 キャッププレス
15 T字形プレス
16 離型シート
17 離型シート貼付プレス
18 押し込み円板
19 ウェブプレス
20 ドレープローラ
21 コーナーフィラー部材
22 フィラー型
23 引き込み装置
24、25、25a、25b 金型
26、27 金型賦形面
26a、27a 平行面
26b、27b 傾斜面
31 繊維強化複合材料
32 厚さ変化部
41 強化繊維基材
42 ガイド
43a、43b 金型駆動手段
44 ガイド
45 金型駆動手段
46 厚さ変化部
47 位置検出用のマーク
51 加熱型
52 冷却型
61 強化繊維基材
62 加熱型
63 冷却型
71 金型
72 傾斜面
73a、73b 平行面
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