JP6661273B2 - 繊維基材を積層する方法、繊維基材群ロールの製造方法、繊維基材群、および航空機 - Google Patents
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Description
VaRTMを行うにあたり、樹脂の含浸性を向上させるため、繊維基材よりも樹脂の流動抵抗が小さいメッシュ状の樹脂拡散媒体を繊維基材の表面に配置している(特許文献1)。キャビティ内に注入された樹脂は、樹脂拡散媒体を通り繊維基材の表面に沿って拡散され、さらに繊維基材の厚み方向へと含浸される。
しかし、繊維束を同一方向に向けた繊維基材が連続して積層されていると、樹脂の含浸性に劣る。
図9に示すように、繊維基材20の隣り合う繊維束21と繊維束21との境界部21Bに沿って別の繊維基材20の繊維束21が配置されていると、繊維基材20からその下方に配置された繊維基材20への樹脂の流動が妨げられてしまう。そのため、繊維束21を同一方向に向けて連続して積層される繊維基材の数が多い程、積層体に未含浸の箇所が残されるおそれがある。
そこで、本発明は、積層された繊維基材の各々に樹脂を十分に含浸させることを目的とする。
また、本発明の繊維基材の積層方法において、積層される複数の繊維基材のそれぞれが繊維束間に有する全ての境界部の位置を繊維基材の相互の間で合わせ、複数の繊維基材を一体化することが好ましい。
さらに、本発明の繊維基材の積層方法において、繊維束は、一方向に揃えて等しいピッチで配列され、繊維束が配列される一方向に沿って延びた境界部を、積層される繊維基材同士の間で積層方向に位置合わせすることが好ましい。
本発明においては、繊維束を同一方向に向けて繊維基材が連続して積層される枚数が制約されないので、繊維強化樹脂成形品の設計の自由度が向上する。それによって繊維強化樹脂成形品の特性向上にも寄与することができる。
本発明における「熱可塑性樹脂の粒子」には、全体が熱可塑性樹脂から形成された粒子の他、熱可塑性樹脂を主成分としており全体として熱可塑性を有する粒子が包含される。
あるいは、繊維基材同士の間に、少なくとも繊維基材の厚み方向への熱可塑性を有するとともに樹脂の通過を許容するシートを配置し、シートを加熱して可塑化させることで、シートを介して複数の繊維基材を接着することもできる。
その他、任意の接着剤を用いたり、繊維による縫合等の適宜な方法により複数の繊維基材を一体化することができる。
複数の繊維基材を一体化するステップでは、繊維束と繊維束との境界部の位置を合わせた状態で、配列方向に隣り合う繊維束と繊維束との間を通した繊維により複数の繊維基材を縫合することが好ましい。
本明細書において「縫合」は、配列方向に隣り合う繊維束と繊維束との間を介して繊維を繊維束群に織り込むことを含むものとする。
そうすると、キャビティ内に注入された樹脂の多くを樹脂拡散媒体に取り込み、そこから積層体の下方に向けて、繊維束の境界部を介して樹脂を各層へと順次移動させるように、樹脂の流動を制御できる。それによって積層体の全体に樹脂を効率良く含浸させることができる。
〔第1実施形態〕
本実施形態に係る繊維強化樹脂成形品は、VaRTMにより繊維基材に樹脂を含浸させた繊維強化樹脂から成形されている。かかる繊維強化樹脂成形品は、例えば、航空機の構造部材として用いることができる。
繊維強化樹脂成形品を形成する繊維強化樹脂を構成する素材として、図1に示す繊維基材20の積層体10が用いられる。
積層体10は、複数のシート状の繊維基材20が厚み方向に積層されたものである。成形する繊維強化樹脂成形品の厚みに応じた数の繊維基材20が積層されている。
繊維基材20に含浸される樹脂(マトリクス樹脂)としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル樹脂等の熱硬化性樹脂を好ましく用いることができる。
繊維基材20に樹脂が含浸されたならば、ヒーターマットやオーブン等の加熱装置によりマトリクス樹脂を加熱して硬化させることで繊維強化樹脂を成形する。
樹脂を含浸および硬化させる過程を通じてキャビティ14内の減圧を継続することにより、キャビティ14内と大気との圧力差により繊維基材20および樹脂を加圧して緻密化させることができる。
キャビティ14内に注入された樹脂は、樹脂拡散媒体15を通り積層体10の表面に沿って流通し、さらに積層体10の各層へと順次含浸される。
繊維基材20は、図3に示すように、複数の繊維束21からなる繊維束群210と、繊維束群210の繊維束21を配列した状態にまとめる補助繊維22,23とを有している。繊維束群210および補助繊維22,23は、一体の織物に形成されている。
繊維束21は、加圧により平坦に形成されている。繊維束21の幅は、例えば、数mm〜20mm程度であり、繊維束21の厚みは、例えば、0.05mm〜数mmである。繊維束21の厚みが繊維基材20の厚みにほぼ相当する。繊維束21を構成する単繊維がバラけないように、単繊維の表面に例えばエポキシ系の樹脂からなるサイジング剤が塗布されていることが好ましい。
境界部21Bは、マトリクス樹脂が流れる経路として機能し、図3に示すように、隣り合う繊維束21,21間の隙間Sp1と、繊維束21,21の各々の幅方向の端縁部21Cとを含んでいる。繊維束21の端縁部21Cは、繊維束21の幅方向の中央部に比べて単繊維の密度が小さいので、マトリクス樹脂が端縁部21Cを通過することができる。
一方、補助繊維である複数の横繊維23は、繊維束21の幅方向(配列方向)に沿って配置されている。繊維基材20を平面視すると、縦繊維22および横繊維23は格子状をなしている。
横繊維23は、境界部21Bの位置で縦繊維22をくぐり抜けながら繊維基材20の片面で繊維束群210を横断するように配置されている。例えば、繊維基材20の第1面20Aに位置する横繊維23は、境界部21Bの位置で縦繊維22をくぐり抜けながら第1面20Aに沿って延出している。また、繊維基材20の第2面20Bに位置する横繊維23は、境界部21Bの位置で縦繊維22をくぐり抜けながら第2面20Bに沿って延出している。
縦繊維22および横繊維23により、繊維束群210の繊維束21が分離することなく一体にまとめられている。
縦繊維22および横繊維23として、ガラス繊維や炭素繊維等からなる繊維束を用いることができ、その束は、繊維強化樹脂成形品の強度を受け持つ繊維束21よりも細い。後述する補助繊維27,28,29についても同様である。
縦繊維22および横繊維23は、繊維束21の位置がずれるのを防いでいる。
積層体10は、複数の繊維基材20(201〜208)を備えている。繊維基材201〜208は、積層体10の厚み方向にこの順に積層されている。繊維基材201〜208を特に区別しない場合には、単に繊維基材20と称する。
繊維基材201〜203は、いずれも繊維束21を第1方向D1に向けて配置されている。これらを繊維基材群G1と称する。
繊維基材204は、繊維束21を第2方向D2に向けて配置されている。
繊維基材205〜207は、いずれも繊維束21を第3方向D3に向けて配置されている。これらを繊維基材群G2と称する。
繊維基材208は、繊維束21を第4方向D4に向けて配置されている。
第4方向D4を基準(0°)とすると、第4方向D4に対して第3方向D3、第2方向D2、および第1方向D1がなす角度をそれぞれ、45°、90°、−45°に定めることができる。
繊維束21を同一方向に向けて繊維基材20が連続して積層されている場合に、図9に示すように、繊維束21,21間の境界部21Bに沿って次の層の繊維基材20の繊維束21が配置されているとする。そうすると層間の樹脂の通路が繊維束21の長さ方向の全体に亘り塞がれてしまう。
一方、図2(a)に示す繊維基材203および繊維基材204のように繊維束21を異なる方向に向けて積層されている場合は、図2(b)に繊維基材203,204を抜き出して示すように、繊維基材203における繊維束21,21間の境界部21Bと、繊維基材204における繊維束21,21間の境界部21Bとが交差する箇所X(白色の箇所)に、層間の樹脂の通路が残される。
図4(a)に示すように、配列方向に隣り合う繊維束21,21間の境界部21Bの位置が、繊維束21を同一方向に向けて連続して積層される繊維基材201〜繊維基材203の間で合致している。
繊維束21は等ピッチで配列されているので、繊維基材201が有するすべての繊維束21の隣り合うもの同士の境界部21Bのいずれも、繊維基材202における境界部21Bと位置が合致している。
上記に加えて、繊維基材202と繊維基材203との間でも、境界部21Bの位置が合致している。
したがって、繊維基材201における境界部21Bと、繊維基材202における境界部21Bと、繊維基材203における境界部21Bとにより、繊維基材群G1の積層方向(厚み方向)に連通した樹脂経路25が形成されている。
繊維基材201〜203は、繊維束21の少なくとも一面に散在した熱可塑性パウダー24を加熱により可塑化することで互いに接着されている。熱可塑性パウダー24の可塑化による接着後も、積層された繊維基材間に樹脂の通過を許容する間隙Sp2が残されている。
熱可塑性パウダー24の材料としては、例えば、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル、PEEK(ポリエーテルエーテルケトン樹脂)、PES(ポリエーテルサルホン樹脂)等の熱可塑性樹脂を用いることができる。
繊維基材群G2の繊維基材205〜207も、同様に、熱可塑性パウダー24の可塑化により互いに接着されることで一体化されている。
図4(b)に、積層体10の内部における樹脂の流れの一例を矢印で示す。積層体10の全体に樹脂を含浸させるためには、積層体10の層間で樹脂を流し、最下層の繊維基材208にまで樹脂を到達させることが重要である。
樹脂拡散媒体15に導入された樹脂が最上層の繊維基材201(図4(a))に供給されると、繊維基材201から繊維基材202へと樹脂経路25を通じて樹脂が到達する。
同様に、繊維基材202の次の層である繊維基材203へも樹脂経路25を通じて樹脂が到達する。
そして、繊維束21を異なる方向に向けて積層された繊維基材203,204(図2(b))の間は、繊維基材203における境界部21Bと繊維基材204における境界部21Bとが交差する箇所Xを通じて樹脂が流れる。同じく繊維束21を異なる方向に向けて積層された繊維基材204,205の間についても同様である。
繊維基材205に到達した樹脂は、繊維束21を同一方向に向けて積層されている繊維基材群G2の繊維基材205〜207により形成される樹脂経路25を通じて繊維基材205から繊維基材206へと、そして繊維基材206から繊維基材207へと到達する。
さらに、繊維基材207とは繊維束21を異なる方向に向けて積層された繊維基材208にも、繊維基材207における境界部21Bと繊維基材208における境界部21Bとの交差箇所Xを通じて樹脂が到達する。
以上で説明した層間と、各層の面内方向への樹脂の流通により、積層体10の全体に樹脂が行き渡る。積層体10に含まれた樹脂は、真空に保持されたキャビティ14内と大気との圧力差による加圧に伴い、繊維束21の内部にも含浸する。
つまり、樹脂が含浸されていない未含浸の領域が積層体10に残されないので、繊維強化樹脂成形品の歩留まりが向上する。
繊維基材群G1・G2毎に繊維基材20を一体化させるため、熱可塑性パウダー24に代えて、図5に示す熱可塑性の不織布26や、目の粗い織物を用いることができる。
不織布26は、繊維束21を同一方向に向けて連続して積層された繊維基材20同士の間に配置されている。
不織布26は、絡み合った繊維がシート状に成形されたものであり、繊維間の隙間により積層方向および面内方向への樹脂の通過を許容する。不織布26は、繊維束21よりもマトリクス樹脂の流動抵抗が小さい。
不織布26の材料としては、例えば、熱可塑性パウダー24の材料として例示した熱可塑性樹脂を用いることができる。
不織布26を加熱により可塑化することで、不織布26を介して繊維基材20同士を接着することができる。不織布26は、可塑化による接着後においても、マトリクス樹脂の流動抵抗が小さい状態を維持している。
不織布26に代えて、積層方向への樹脂の通過を許容するとともに熱可塑性を有する適宜なシート状の部材を用いることができる。その部材は貫通穴を有する形状に形成されていてもよいし、メッシュ状に形成されていてもよい。
次に、図6を参照し、本発明の第2実施形態について説明する。
第1実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。
第2実施形態では、繊維束21を同一方向に向けて連続して積層される繊維基材20を一体化させるために、補助繊維27を用いる。
補助繊維27は、繊維基材群G1の一面側に位置する繊維基材201と、繊維基材群G1の他面側に位置する繊維基材203との間で厚み方向に交互に渡される補助繊維27Aおよび補助繊維27Bからなる。
補助繊維27A,27Bにより、境界部21Bの位置が合うように繊維基材201〜203が位置決めされるとともに一体化される。
繊維基材群G2をなす繊維基材205〜207についても、同様に補助繊維27A,27Bにより一体化される。
補助繊維27A,27Bは、配列される繊維束21の位置がずれるのを防いでいる。その一方で、繊維基材20の成形型11への追従を規制しないように、補助繊維27A,27Bの長さは余裕を持って定められている。
成形型11への追従により繊維束21が多少ずれて、図8に示すように繊維束21間の境界部21Bの位置が繊維基材20間でシフトしたとしても、後述するように層間の樹脂の流動が確保されている。
補助繊維28は、図3に示す縦繊維22と同様に、隣り合う繊維束21と繊維束21との間で、繊維束21の長さ方向に沿って配置されている。つまり、縦繊維22を補助繊維28として用いることができる。
次に、補助繊維27A,27Bをそれぞれ通した針を繊維束21の配列方向に運針し、繊維基材201〜203の各々における繊維束21,21間に補助繊維27A,27Bを通して繊維基材201〜203を縫合する(ステップS2)。
針を通す繊維束21,21間の位置を特定するために公知の画像処理を用いることで繊維束21,21間に正確に針を通すことができるし、先端が丸い(例えば球状)針を用いると、針の先端が繊維束21を押しのけて繊維束21,21間に入るので、繊維束21のピッチが少々乱れていたとしても、繊維束21,21間に補助繊維27を問題なく通すことができる。
つまり、積層される繊維基材20の数の分だけ用意される繊維束群210の間で境界部21Bの位置を合わせ、繊維束21の表面に付着した熱可塑性パウダー24を加熱により可塑化することで、繊維基材20同士が接着された状態で巻き取られた繊維基材群ロールを得ることができる。
熱可塑性の不織布26を用いる場合も、積層方向に並行する繊維束群210の間で境界部21Bの位置を合わせ、繊維束群210間に介在させた不織布26を加熱により可塑化することで、繊維基材20同士が接着された状態で巻き取られた繊維基材群ロールを得ることができる。
図8に示すように、繊維基材201の境界部B1の位置に対して、繊維基材202の境界部B2の位置は繊維束21の配列方向にシフトしている。
また、繊維基材202の境界部B2の位置に対して、繊維基材203の境界部B3の位置は繊維束21の配列方向にシフトしている。
繊維基材201,202間で見ると、それらの積層方向に投影した際の境界部B1の投影範囲に境界部B2の一部が含まれている。そのため、繊維基材201,202間で樹脂が流動する。また、繊維基材202,203間で見ると、それらの積層方向に投影した際の境界部B2の投影範囲に境界部B3の一部が含まれているため、やはり繊維基材202,203間で樹脂が流動する。
上記の如く、繊維基材群の層間で樹脂が順次流動する限り、隣り合う繊維束と繊維束との境界部の位置が、積層される繊維基材間でシフトしている場合も許容される。
本発明に係る繊維強化樹脂成形品は、航空機が備える部材の他、例えば、風車の翼等にも用いることができる。
11 成形型
12 バッグフィルム
14 キャビティ
15 樹脂拡散媒体
20 繊維基材
21 繊維束
21B 境界部
21C 端縁部
22 縦繊維
23 横繊維
24 熱可塑性パウダー(熱可塑性の粒子)
25 樹脂経路
26 不織布
27〜29 補助繊維
201〜208 繊維基材
210 繊維束群
D1 第1方向
D2 第2方向
D3 第3方向
D4 第4方向
G1,G2 繊維基材群
Sp1 隙間
Sp2 間隙
X 交差箇所
Claims (15)
- 配列された繊維束を有し、マトリクス樹脂と共に繊維強化樹脂を構成する素材である複数の繊維基材を積層する方法であって、
配列方向に隣り合う前記繊維束の前記配列方向の中央部に比べ、前記繊維束の前記配列方向の端縁部では、前記繊維束を構成する単繊維の密度が小さく、
前記繊維基材が積層されるにあたり、
前記配列方向に隣り合う前記繊維束と前記繊維束との境界部の位置を、前記繊維束を同一方向に向けて連続して積層される前記繊維基材同士の間で合わせた状態で、複数の前記繊維基材を一体化する、
ことを特徴とする繊維基材の積層方法。 - 積層される複数の前記繊維基材のそれぞれが前記繊維束間に有する全ての前記境界部の位置を前記繊維基材の相互の間で合わせ、複数の前記繊維基材を一体化する、
ことを特徴とする請求項1に記載の繊維基材の積層方法。 - 前記繊維束は、一方向に揃えて等しいピッチで配列され、
前記繊維束が配列される前記一方向に沿って延びた前記境界部を、積層される前記繊維基材同士の間で積層方向に位置合わせする、
ことを特徴とする請求項1または2に記載の繊維基材の積層方法。 - 前記繊維束の表面に散在した熱可塑性樹脂の粒子を加熱して可塑化させることで、
複数の前記繊維基材を接着する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の繊維基材の積層方法。 - 前記繊維基材同士の間に、熱可塑性を有するとともに、少なくとも前記繊維基材の厚み方向への前記マトリクス樹脂の通過を許容するシートを配置し、前記シートを加熱して可塑化させることで、
複数の前記繊維基材を接着する、
ことを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の繊維基材の積層方法。 - 配列された繊維束を有し、マトリクス樹脂と共に繊維強化樹脂を構成する素材である複数の繊維基材が、前記繊維束を同一方向に向けて連続して積層された繊維基材群のロールを製造する方法であって、
配列方向に隣り合う前記繊維束の前記配列方向の中央部に比べ、前記繊維束の前記配列方向の端縁部では、前記繊維束を構成する単繊維の密度が小さく、
前記繊維束を用いて前記繊維基材の形態を得るステップと、
前記配列方向に隣り合う前記繊維束と前記繊維束との境界部の位置を合わせた状態で、複数の前記繊維基材を一体化するステップと、
一体化された前記繊維基材を備えた前記繊維基材群を巻き取るステップと、を含む、
ことを特徴とする繊維基材群ロールの製造方法。 - 前記一体化するステップでは、
前記境界部の位置を合わせた状態で、前記配列方向に隣り合う前記繊維束と前記繊維束との間を通した繊維により複数の前記繊維基材を縫合する、
ことを特徴とする請求項6に記載の繊維基材群ロールの製造方法。 - 請求項1から5のいずれか一項に記載の繊維基材の積層方法により積層された前記繊維基材からなる繊維基材群と、前記繊維基材群の前記繊維基材における前記繊維束の同一の第1配列方向とは異なる方向である同一の第2配列方向に配列された繊維束を有する繊維基材である別繊維基材を含む複数の繊維基材とから積層体をなすステップと、
前記積層体が配置されたキャビティ内を減圧して前記キャビティ内にマトリクス樹脂を注入することにより、前記積層体をなす前記繊維基材の各々に前記マトリクス樹脂を含浸させるステップと、を備え、
前記マトリクス樹脂を含侵させるステップでは、
前記繊維基材群の前記繊維基材における前記境界部と、前記別繊維基材における前記繊維束間の境界部とが重なる箇所を前記マトリクス樹脂の通路の一部に含んで、前記積層体をなす前記繊維基材の各々に前記マトリクス樹脂を含侵させる、
ことを特徴とする繊維強化樹脂成形方法。 - 請求項6または7に記載の製造方法により製造された前記繊維基材群ロールの前記繊維基材を含む複数の繊維基材から積層体をなすステップと、
前記積層体が配置されたキャビティ内を減圧して前記キャビティ内にマトリクス樹脂を注入することにより、前記積層体をなす前記繊維基材の各々に前記マトリクス樹脂を含浸させるステップと、を備える、
ことを特徴とする繊維強化樹脂成形方法。 - 前記マトリクス樹脂を含浸させるステップを行うにあたり、
前記積層体上に、前記マトリクス樹脂の流動抵抗が前記繊維基材よりも小さい樹脂拡散媒体を配置する、
ことを特徴とする請求項8または9に記載の繊維強化樹脂成形方法。 - 配列された繊維束を有し、マトリクス樹脂と共に繊維強化樹脂を構成する素材である複数の繊維基材を備えた繊維基材群であって、
配列方向に隣り合う前記繊維束の前記配列方向の中央部に比べ、前記繊維束の前記配列方向の端縁部では、前記繊維束を構成する単繊維の密度が小さく、
複数の前記繊維基材は、
前記繊維束を同一方向に向けて連続して積層され、
前記配列方向に隣り合う前記繊維束と前記繊維束との境界部の位置を合わせた状態で一体化されている、
ことを特徴とする繊維基材群。 - 複数の前記繊維基材は、
熱可塑性の樹脂により互いに接着されている、
ことを特徴とする請求項11に記載の繊維基材群。 - 複数の前記繊維基材は、
前記配列方向に隣り合う前記繊維束と前記繊維束との間を通した繊維により縫合されている、
ことを特徴とする請求項11に記載の繊維基材群。 - 請求項11から13のいずれか一項に記載の繊維基材群が複数積層されたものに前記マトリクス樹脂が含浸されている繊維強化樹脂成形品。
- 請求項14に記載の繊維強化樹脂成形品である部材を備えた航空機。
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