JP6715226B2 - 複合材成形治具及び複合材成形方法 - Google Patents

複合材成形治具及び複合材成形方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、複合材成形治具及び複合材成形方法に関する。
従来、航空機構造体を始めとする構造体の素材として、繊維で樹脂を強化したガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ： Ｇｌａｓｓ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ： Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材が用いられている。
複合材の成形方法としては、シート状の繊維に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを積層し、プリプレグの積層体を成形後の形状に整えた後、真空引きを行ってオーブンやオートクレーブ装置で加熱硬化する方法と、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法が知られている。
ＲＴＭ法は、成形後の複合材の形状に合わせてシート状の繊維を積層した後に真空引きを行って熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化する複合材の成形方法である。ＲＴＭ法のうち、繊維の積層体をバギングフィルムで覆い、大気圧を利用して繊維への樹脂の含浸を行う方法は、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。
尚、プリプレグやＲＴＭ法において繊維に含浸させた未硬化の樹脂の形状を整える作業は、加熱硬化による複合材の成形と区別するために、賦形と呼ばれる。
中空構造を有する複合材構造体を成形する場合には、中子を中空部分に設置することが必要となる（例えば特許文献１乃至５参照）。中空構造を有する複合材構造体の例としては、航空機用の構造体の１つであるハット側又はコルゲート型（波型）の桁（スパー）、小骨（リブ）又は縦通材（ストリンガ）等の補強部材をパネル（外板）に設けた構造体が挙げられる。すなわち、ハット側又はコルゲート型の補強材を取付けたパネルを一体成形する場合には、補強材とパネルとの間に形成される空間に中子を設置することが必要となる。
中子としては、可撓性を有するブラダーバッグや剛体の中子型が知られているが、未硬化の樹脂の形状を保持するためには、通常、剛体の中子型を使用することが必要となる。尚、棒状の中子は、マンドレルとも呼ばれる。
特表２００９−５４２４６０号公報 特表２０１２−５０９７７９号公報 特開２０１６−０１３６８２号公報 特開２０１１−０９８５２７号公報 特開２０１７−０７４７８２号公報
中子を用いて複合材の成形を行う場合には、成形後の複合材から中子を引き抜くことが必要となる。しかしながら、狭隘部を有する複合材を成形する場合には、中子を引き抜くことが困難となる場合がある。逆に、中子を引き抜くことができるようにするために、複合材の形状が制限される場合がある。
そこで、本発明は、中空構造を有する複合材を容易に製作できるようにすることを目的とする。
本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の中子を複合材構造体又はドライプリフォームの中空領域となる位置に設置することによって前記中空領域を有する前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームを製作するステップと、前記中子を前記中空領域となる位置に設置する前に前記中子の内側に筒状又は棒状で剛体の補強治具を挿入するステップと、前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームの製作が完了した後に、前記中子を内側に折り曲げる前に前記補強治具を前記中子の内側から引き抜くステップと、前記中子の内側から空気を排出することによって前記中子を内側に折り曲げて前記中空領域から前記中子を引き抜くステップとを有するものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の中子を、繊維で樹脂を強化した繊維強化プラスチックからなる複合材構造体又は前記複合材構造体の素材となるドライプリフォームの中空領域となる位置に設置することによって前記中空領域を有する前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームを製作するステップと、前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームを製作した後に、前記中子の内側から空気を排出することによって前記中子を内側に折り曲げて前記中空領域から前記中子を引き抜くステップと、記中子を前記中空領域となる位置に設置する前に前記中子の内側に筒状又は棒状で剛体の補強治具を挿入するステップと、前記中子を内側に折り曲げる前に前記補強治具を前記中子の内側から引き抜くステップとを有するものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材成形治具は、中空領域を有し、繊維で樹脂を強化した繊維強化プラスチックからなる複合材構造体又は前記複合材構造体の素材となるドライプリフォームを成形するための複合材成形治具であって、筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の中子であって、前記中空領域に設置される中子と、前記中空領域から前記中子を引き抜く際に、前記中子の内側から空気を排出することによって前記中子を内側に折り曲げるための真空チューブと、前記中子を前記中空領域となる位置に設置する前に前記中子の内側に挿入される一方、前記中子を内側に折り曲げる前に前記中子の内側から引き抜かれる筒状又は棒状で剛体の補強治具とを有するものである。
本発明の第１の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す横断面図。 図１に示す複合材成形治具によって製作される中空領域を有する複合材構造体の構造例を示す斜視図。 図１に示す複合材成形治具の中子に補強治具を挿入し、図２に示す複合材構造体の中空領域にセットした状態を示す斜視図。 図２に示す複合材構造体の製作時における中子の端部の構成を示す縦断面図。 図１に示す補強治具に流体の噴出口を設けた例を示す斜視図。 図１に示す補強治具と中子との間に流体を注入し、かつ複合材構造体と中子との間における線膨脹係数の差を利用して、補強治具と中子との間における隙間を広げる方法を説明する図。 図２に示す複合材構造体から中子を引き抜く際の中子の端部における構造を示す縦断面図。 図１に示す中子を折り曲げた状態における複合材成形治具の横断面図。 図１に示す複合材成形治具の中子を折り曲げて図２に示す複合材構造体の中空領域から引き抜く様子を示す斜視図。 図８に示す中子の鋭利な部分を中子の長さ方向に対して垂直な方向にパネルの表面に沿ってスライドさせる様子を示す横断面図。 厚さが一定でないパネルに横断面がハット型の補強部材を取付けた複合材構造体の中空領域に中子を配置した例を示す縦断面図。 図１１の位置Ａ−Ａにおける複合材構造体及び中子の横断面図。 図１１の位置Ｂ−Ｂにおける複合材構造体及び中子の横断面図。 図１に示す複合材成形治具によって製作可能な中空領域を有する複合材構造体の別の構造例を示す正面図。 図１に示す複合材成形治具によって製作可能な中空領域を有する複合材構造体の更に別の構造例を示す正面図。 図１に示す中子の底面に溝を形成することによって中子の厚さを局所的に薄くした例を示す横断面図。 図１に示す中子の底面に切込みを形成することによって中子の厚さを局所的に薄くした例を示す横断面図。 図１に示す複合材成形治具を用いてハイブリッド法により複合材構造体を製作する場合における作業の流れを示す図。 図１に示す複合材成形治具を用いてプリプレグを積層し、プリプレグの積層体を加熱硬化することによって複合材構造体を製作する場合における作業の流れを示す図。 本発明の第２の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す横断面図。 図１に示すように中子の穴の横断面形状を単純な矩形として中子を内側に折り曲げた場合に起こり得る不具合の例を示す横断面図。 図２０に示す中子を内側に折り曲げた状態を示す横断面図。
本発明の実施形態に係る複合材成形治具及び複合材成形方法について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
（複合材成形治具の構成及び機能）
図１は本発明の第１の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す横断面図であり、図２は図１に示す複合材成形治具によって製作される中空領域を有する複合材構造体の構造例を示す斜視図である。
複合材成形治具１は、例えば図２に例示されるような中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又は複合材構造体Ｏの素材となるドライプリフォームを賦形するための治具である。このため、複合材成形治具１は、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの形状を保持しつつ、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを載置するための剛体の成形型２と、複合材構造体Ｏの中空領域Ｒに設置される中子３とを用いて構成することができる。
中子３は、筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の非剛体の治具である。このため、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの製作後において中子３を内側に折り曲げることによって容易に引き抜くことができる。
中子３の厚さが薄く、中子３のみでは複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの形状を保持することが困難である場合には、形状の保持機能を維持するために、中子３の内側に筒状又は棒状で剛体の補強治具４を挿入することができる。
特に、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームが長尺構造を有する場合には、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの中空領域Ｒに合わせて製作されるゴム製の中子３が長さ方向と垂直な方向に湾曲し易い。そこで、直線的な補強治具４を中子３の内部に挿入することによって、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの横断面の形状を保持するのみならず、中子３が長さ方向と垂直な方向に湾曲することを抑止し、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの長さ方向における直線性を良好に維持することが可能となる。
逆に、中子３の厚さを厚くすることによって、中子３のみで複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの形状を保持することが可能である場合には、補強治具４を省略してもよい。
中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏが複合材成形治具１による製作対象である場合には、シート状の繊維束に硬化前における熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグの積層及び賦形並びに賦形後におけるプリプレグの積層体の加熱硬化によって複合材構造体Ｏを製作することができる。或いは、ＲＴＭ法のみで中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを複合材成形治具１で製作しても良いし、プリプレグの積層体の加熱硬化とＲＴＭ法とを併用するハイブリッド成形法によって中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを複合材成形治具１で製作するようにしてもよい。
ＲＴＭ法は、シート状の繊維を積層して賦形した後で未硬化の熱硬化性樹脂を繊維の積層体に含浸させて加熱硬化する複合材の成形法である。ＲＴＭ法で中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを製作する場合には、例えば、成形型２を、複合材構造体Ｏの形状にフィットする表面を有する剛体の上型及び剛体の下型で構成することができる。そして、複合材構造体Ｏの形状にフィットする空隙が形成されるように、上型、下型及び中子３を位置決め治具等で位置決めすることができる。この時、上型、下型及び中子３の間に形成される空隙にシート状の繊維の積層体を配置することができる。続いて、上型、下型及び中子３の間に形成される空隙の真空引きを行いながら未硬化の樹脂を注入することによって繊維に樹脂を含浸させることができる。その後、樹脂を加熱装置で加熱硬化することによって複合材構造体Ｏを製作することができる。
或いは、剛体の上型に代えて大気圧を利用することもできる。大気圧を利用して樹脂を注入するＲＴＭ法は、ＶａＲＴＭ法と呼ばれる。ＶａＲＴＭ法により複合材構造体Ｏを製作するようにすれば、剛体の上型や上型の移動装置が不要となるため、複合材成形治具１の製造コストを飛躍的に低減することができる。
尚、プリプレグの積層体やＲＴＭ法において製作された未硬化の樹脂を含浸させた繊維の積層体の加熱硬化は、オーブンやオートクレーブ装置等の加熱装置によって行うことができる。従って、加熱硬化前における複合材構造体Ｏを載置した複合材成形治具１が加熱装置内に搬入される。或いは、複合材成形治具１の成形型２に加熱装置を連結又は内蔵するようにしてもよい。
一方、複合材成形治具１をドライプリフォームを賦形するための治具として使用することもできる。ドライプリフォームは、複合材構造体Ｏの素材であり、ＲＴＭ法において樹脂を含浸させる前における繊維の積層体である。
複合材成形治具１でドライプリフォームを賦形する場合においても、賦形後におけるドライプリフォームの形状にフィットする表面を有する剛体の上型及び剛体の下型で成形型２を構成することができる。或いは、複合材構造体Ｏの成形と同様に、上型に代えて大気圧を利用するようにしてもよい。
より具体的には、シート状の繊維の積層と、成形型２及び中子３のセットを適切な順序で行うことによって、所望の形状を有するドライプリフォームを製作することができる。ドライプリフォームの賦形を行う場合には、熱可塑性バインダ等のバインダをシート状の繊維の積層体の層間に配置したり、加熱装置で加熱しながらドライプリフォームを賦形することが、賦形後におけるドライプリフォームの形状を良好に維持する観点から好ましい場合が多い。
図１に示す複合材成形治具１は、図２に例示される形状を有する複合材構造体Ｏを、大気圧を利用して製作する場合の例を示している。このため、複合材成形治具１は、成形型２及び中子３の他、真空引きを行うためのバギングフィルム５を備えている。また、剛体の成形型２は複合材構造体Ｏの下面側における形状にフィットする形状を有する下型２Ａのみで構成されている。
バギングフィルム５は、シーラント６で成形型２の下型２Ａに貼付けられる。そして、バギングフィルム５で密閉された領域から真空引きによって空気を排出できるように、バギングフィルム５で密閉された領域が第１の真空チューブ７で真空装置８と連結可能に構成されている。尚、図１に示す例では、第１の真空チューブ７が下型２Ａの端部に連結されているが、バギングフィルム５に口金を設けて連結するようにしてもよい。
図３は、図１に示す複合材成形治具１の中子３に補強治具４を挿入し、図２に示す複合材構造体Ｏの中空領域Ｒにセットした状態を示す斜視図である。
図２及び図３に例示される複合材構造体Ｏは、パネルＯ１上に、横断面がハット型の補強部材Ｏ２を取付けた構造を有している。このため、下型２ＡはパネルＯ１の表面に合わせて平坦な表面を有する板状の型となっている。もちろん、パネルＯ１の表面が曲面である場合には、下型２Ａの表面もパネルＯ１の表面にフィットする曲面とすることができる。
一方、中子３の形状は、横断面がハット型の補強部材Ｏ２とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒにフィットする形状となっている。そして、下型２Ａ上にパネルＯ１が配置され、パネルＯ１上に中子３が配置される。更に、中子３を載置したパネルＯ１上に横断面がハット型の補強部材Ｏ２が配置される。
補強部材Ｏ２及びパネルＯ１を含む複合材構造体Ｏ全体は、バギングフィルム５によって密閉することができる。そして、真空装置８を作動させ、バギングフィルム５によって覆われた領域から第１の真空チューブ７を通じて空気を排出すると、バギングフィルム５によって覆われた領域における圧力と大気圧との差圧を加熱硬化前後における複合材構造体Ｏの補強部材Ｏ２に負荷することができる。
図４は、図２に示す複合材構造体Ｏの製作時における中子３の端部の構成を示す縦断面図である。
中子３及び補強部材Ｏ２の長さ方向に略平行となるバギングフィルム５の縁は図１に示すように下型２Ａにシーラント６で貼着することができる。一方、中子３及び補強部材Ｏ２の長さ方向に略垂直となるバギングフィルム５の縁は、図４に示すように、下型２Ａ又は補強治具４にシーラント６で貼着することができる。また、補強治具４と下型２Ａとの間に形成される、パネルＯ１と中子３を重ねた厚さに相当する隙間も、シーラント６で塞ぐことができる。
尚、バギングフィルム５をシーラント６で中子３に貼着し、中子３と下型２Ａとの間に形成される、パネルＯ１の厚さに相当する隙間をシーラント６で塞ぐようにしてもよい。但し、中子３はゴム製であるため、剛体の補強治具４の方がシーラント６との間における密着性が良好となる場合が多い。また、別のシール方法として、補強治具４の端部に取付けられる後述の流体供給チューブ４Ｂを折り曲げて下型２Ａに沿わせ、流体供給チューブ４Ｂ及び下型２Ａにバギングフィルム５をシーラント６で貼着するようにしてもよい。
これにより、下型２Ａ、中子３及びバギングフィルム５の間に形成される領域を密閉し、真空装置８で真空引きを行うことができる。すなわち、バギングフィルム５で覆われた領域から空気を排出することによって、硬化前の複合材構造体Ｏ又はドライプリフォーム用の繊維の積層体に大気圧を作用させることができる。
そして、製作対象が複合材構造体Ｏである場合には、硬化前の複合材構造体Ｏが加熱装置によって加熱硬化される。一方、製作対象がドライプリフォームである場合には、必要に応じて加熱装置による加熱を伴って繊維の積層体の賦形が行われる。
このように、横断面がハット型の補強部材Ｏ２及びパネルＯ１の形状に対応する形状を有する中子３と下型２Ａとを用いて、横断面がハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏを製作することができる。ドライプリフォームの製作を行う場合も同様に、横断面がハット型の補強部材Ｏ２とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒにフィットする形状を有する中子３と、パネルＯ１の表面にフィットする形状を有する下型２Ａとを用いて、ドライプリフォームを製作することができる。
複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの製作後には、製作された複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを複合材成形治具１から取り外すことが必要となる。このため、第１のコック７Ａが閉じられ、溶剤等を使用してバギングフィルム５及びシーラント６が除去される。
また、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの中空領域Ｒから中子３を引き抜くことが必要となる。更に、中空構造を有する中子３の内側に補強治具４が挿入されている場合には、中子３を内側に折り曲げることができるように、補強治具４を中子３から引き抜くことが必要となる。
そこで、補強治具４を中子３から容易に引き抜くことができるように、中子３の内側に深さ方向が中子３の長さ方向となるように設けられる穴３Ａを、エッジ及び凸部が無い穴３Ａとすることが望ましい。図示された例では、横断面の形状が矩形の穴３Ａが中子３の中心軸に沿って形成されている。そして、横断面の形状が矩形の補強治具４が中子３の穴３Ａに挿入されている。
尚、図示された例では、中子３の内側に形成される穴３Ａの横断面の形状が一定となっているが補強治具４の中子３への差し込み及び中子３からの引き抜きが容易となるようにテーパさせてもよい。すなわち、補強治具４を中子３から引き抜く方向と逆方向に向かって次第に細くなるように中子３の内側に形成される穴３Ａ及び補強治具４をテーパさせることができる。
また、補強治具４を中子３から引き抜き易くするために、摩擦係数が低い金属やＣＦＲＰ等の材料で補強治具４を構成することが好ましい。加えて、複合材構造体Ｏの製作時には加熱を伴うため、複合材構造体Ｏ、補強治具４及び中子３は線膨脹係数に対応する長さだけ膨張する。そこで、補強治具４と中子３との間における線膨脹係数の差を利用して補強治具４を中子３から引き抜き易くすることが好ましい。すなわち、補強治具４と中子３との間における線膨脹係数の差が大きくなるように補強治具４及び中子３の材質を決定し、複合材構造体Ｏを加熱硬化した直後において補強治具４と中子３との間に隙間が生じ易くすることが好ましい。
また、ドライプリフォームを製作する場合においても、加熱を伴って賦形を行うことによって、複合材構造体Ｏを製作する場合と同様に、線膨脹係数の差を利用して補強治具４を中子３から引き抜き易くすることが可能となる。
中子３の素材となるゴムには様々な種類があり、例えば、シリコンゴムの線膨脹係数は２５０から４００×１０（−６）／℃、ウレタンゴムの線膨脹係数は１００から１２０×１０（−６）／℃、エチレンプロピレンゴムの線膨脹係数は２３０から２４０×１０（−６）／℃、クロロプレンゴムの線膨脹係数は２００×１０（−６）／℃、ニトリルゴムの線膨脹係数は６５から２４０×１０（−６）／℃、フッ素ゴムの線膨脹係数は１０から１００×１０（−６）／℃である。この他にも、様々な種類のゴムが市販されている。
一方、補強治具４の素材の候補となるアルミニウムの線膨脹係数は概ね２３から２５×１０（−６）／℃、ステンレス等の鉄系の金属の線膨脹係数は概ね１０から１８×１０（−６）／℃、ＣＦＲＰの線膨脹係数は概ね０から４×１０（−６）／℃である。他の金属の線膨脹係数についても、アルミニウムやステンレスの線膨脹係数と概ね同等なオーダである。
従って、補強治具４を中子３から引き抜き易くするためには、適切に補強治具４及び中子３の材質を決定することが重要である。特に、ゴムの線膨脹係数には種類ごとに桁違いに異なるため、適切な種類を選択することが重要である。
具体的には、補強治具４を金属又はＣＦＲＰで構成する一方、中子３をシリコンゴム又は線膨脹係数がシリコンゴムと同等なゴムで構成することが、線膨脹係数の差を利用して補強治具４を中子３から引き抜き易くする観点から好ましい。特に、線膨脹係数が大きいシリコンゴムは汎用性が高く入手が容易である。一方、ＣＦＲＰは線膨脹係数が小さいがＣＦＲＰ製の補強治具４は製造コストが高い。このため、金属の中でも入手が容易で線膨脹係数が小さいステンレス等の鉄系の金属で補強治具４を構成する一方、中子３をシリコンゴムで構成することが実用的である。
補強治具４を中子３から引き抜き易くするためには、補強治具４と中子３との間における線膨脹係数の差を利用するのみならず、補強治具４と中子３との間に流体Ｆを注入することもできる。但し、試験の結果、補強治具４を中子３から引き抜き易くするためには、流体Ｆの注入よりも、補強治具４と中子３との間における線膨脹係数の差を大きくすることの方が重要であることが判明した。従って、流体Ｆの注入は補助的に行うことが適切と考えられる。
補強治具４と中子３との間に流体Ｆを注入する場合には、図４に示すように、補強治具４の構造を中空構造とし、かつ補強治具４に流体Ｆの噴出口４Ａを設けることができる。また、補強治具４の一端を閉口端とし、補強治具４を引き抜く側となる他端に流体Ｆの流体供給チューブ４Ｂを連結することができる。そして、流体供給チューブ４Ｂを流体供給装置９と連結することができる。
これにより、筒状の補強治具４の内部を流体Ｆの流路とし、流体供給装置９から流体供給チューブ４Ｂを通じて供給される流体Ｆを、補強治具４の噴出口４Ａから噴出させることができる。すなわち、補強治具４と中子３との間に流体Ｆを注入することができる。
図５は、図１に示す補強治具４に流体Ｆの噴出口４Ａを設けた例を示す斜視図である。
図５に示すように横断面が矩形の筒状の補強治具４の各面に適切な間隔で流体Ｆの噴出口４Ａを設けることができる。流体Ｆの噴出口４Ａの間隔は、補強治具４が中子３から引き抜き易くなる程度に補強治具４と中子３との間に流体Ｆが十分に供給されるように実験によって決定することができる。
補強治具４と中子３との間に注入される流体Ｆは、エアであっても良いし、潤滑材や水等の液体であっても良い。特に、油性の潤滑剤を補強治具４と中子３との間に注入すれば、補強治具４の引き抜き易さを向上させることができる。一方、エアを補強治具４と中子３との間に注入するようにすれば、典型的な工場に標準的に備えられる圧縮エアを使用できるため、複合材成形治具１が設置される工場内に必要な設備を簡易にすることができる。すなわち、流体供給装置９として汎用性の高い圧縮エアボンベを用いることができる。
補強治具４と中子３との間に流体Ｆを注入すると、補強治具４と中子３との間における隙間を広げることができる。特に、複合材構造体Ｏと中子３との間における線膨脹係数の差を利用して、補強治具４と中子３との間における隙間を効果的に広げることが可能である。
図６は、図１に示す補強治具４と中子３との間に流体Ｆを注入し、かつ複合材構造体Ｏと中子３との間における線膨脹係数の差を利用して、補強治具４と中子３との間における隙間を広げる方法を説明する図である。
加熱装置２０で複合材構造体Ｏを加熱硬化すると補強治具４及び中子３が熱膨張し、図６（Ａ）に示すように複合材構造体Ｏは熱膨張した中子３に密着した状態で製作される。複合材構造体Ｏを製作した後、複合材構造体Ｏ、中子３及び補強治具４を冷却すると、複合材構造体Ｏ、中子３及び補強治具４のサイズはいずれも小さくなる。しかしながら、複合材構造体Ｏと中子３との間における線膨脹係数の差によって中子３は複合材構造体Ｏよりも僅かに小さくなる。
その結果、図６（Ｂ）に強調して示すように複合材構造体Ｏと中子３との間に隙間が生じる。複合材構造体Ｏと中子３との間に隙間が生じた後で補強治具４の噴出口４Ａから流体Ｆを噴出させると、中子３は複合材構造体Ｏよりも僅かに小さいことから、図６（Ｃ）に強調して示すように流体Ｆの圧力によって中子３を僅かに膨らませることができる。その結果、複合材構造体Ｏと中子３との間における隙間が消滅し、代わりに補強治具４と中子３との間に隙間が生じる。
このため、補強治具４と中子３との間にエア等の流体Ｆの流路が形成され、補強治具４と中子３との間に流体Ｆを注入することができる。補強治具４と中子３との間に流体Ｆが注入されると、補強治具４は流体Ｆ中を浮遊する状態となり、中子３から容易に引き抜くことが可能となる。
但し、補強治具４が極端に長い場合には、中子３から露出した一部の噴出口４Ａから流体Ｆが漏れてしまうため、残りの部分が中子３から容易に引き抜けなく場合がある。そのような場合には、中子３から露出した噴出口４Ａをテープ等で塞ぐ作業を行うことによって補強治具４の引き抜きを続行することができる。
或いは、中子３の閉口端側における補強治具４の端部付近のみに流体Ｆの噴出口４Ａを形成するようにしてもよい。特に、中子３の閉口端の内側に向かって流体Ｆを噴出させれば、流体Ｆの圧力によって補強治具４を押し出すことが可能となる。
尚、ヒンジ等で補強治具４を折り畳み構造にしてもよい。その場合には、補強治具４を折り畳んで中子３から引き抜くことができる。また、補強治具４を壁面の無いフレーム構造としてもよい。補強治具４をフレーム構造とする場合には、中子３と接触する補強治具４の部分がフレームのみとなるため、流体Ｆの噴出口４Ａを設ける必要は無い。
しかしながら、図５に示されるように補強治具４を壁面を有するボックス構造とすれば、中子３の内側を補強治具４の壁面で支持することが可能となる。その結果、中子３の剛性を補強治具４の壁面で補強し、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの形状誤差を低減することができる。このため、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの形状誤差を低減することを重視する場合には、補強治具４をボックス構造とし、必要に応じて補強治具４の壁面に噴出口４Ａを設けて流体Ｆを噴出できるようにすることが好ましい。
中子３から補強治具４を引き抜いた後は、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの中空領域Ｒから中子３を引き抜くことが必要となる。複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの中空領域Ｒから中子３を引き抜く際には、中子３が折り畳まれる。そのために、補強治具４を引き抜いた後の中子３の内側が真空引きされ、大気圧に対して負圧とされる。
このため、中子３には、第２の真空チューブ２１が連結される。第２の真空チューブ２１は、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの中空領域Ｒから中子３を引き抜く際に、中子３の内側から空気を排出することによって中子３を内側に折り曲げるためのチューブである。
中子３から補強治具４を引き抜いた後、中子３の内側は真空引きのために第２の真空チューブ２１を介して真空装置８と連結される。或いは、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームのバギング用の真空装置８とは別の真空装置を用いて中子３の内側における真空引きを行うようにしてもよい。
中子３の内側の真空引きと、バギングフィルム５で密閉された領域の真空引きを共通の真空装置８で行う場合には、図１に例示されるように、第１の真空チューブ７及び第２の真空チューブ２１にそれぞれ第１のコック７Ａ及び第２のコック２１Ａを連結して真空引きの対象となる領域を切換えられるようにすることができる。
図７は、図２に示す複合材構造体Ｏから中子３を引き抜く際の中子３の端部における構造を示す縦断面図である。
中子３の内部を真空引きするためには、補強治具４を挿入及び引き抜くための中子３の開口端を閉塞しつつ、第２の真空チューブ２１を中子３に連結することが必要となる。そこで、例えば図７に示すように、第２の真空チューブ２１を中子３の開口端にシーラント３０で取付けることができる。これにより、シーラント３０によって、第２の真空チューブ２１と中子３との間における隙間を閉塞することができる。
或いは、中子３の穴３Ａのサイズが大きい場合には、可撓性を有する薄い素材で構成された閉塞部材をシーラント３０等で中子３の開口端に取付けることによって、中子３の開口端を閉塞するようにしてもよい。この場合には、中子３の開口端を閉塞する閉塞部材に第２の真空チューブ２１を連結することができる。
別の構成例として、中子３の閉口端側に第２の真空チューブ２１を連結することもできる。この場合には、必ずしも第２の真空チューブ２１を中子３に着脱可能に構成する必要はない。
但し、補強治具４の噴出口４Ａからエア以外の流体Ｆを噴出する場合には、第２の真空チューブ２１に流体Ｆが流入しないように噴出口４Ａの位置を決定することが適切となる。また、補強治具４の噴出口４Ａから流体Ｆを噴出することによって補強治具４を引き抜き易くするためには、中子３の閉口端の内面側に向けて流体Ｆを噴出させ、補強治具４の長さ方向における流体Ｆの圧力を補強治具４の外部から作用させることが効果的である点に鑑みると、第２の真空チューブ２１を中子３の開口端側に着脱可能に構成することが好ましい。
また、中子３を複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームから、中子３を引き抜く側に十分な長さで突出させる場合には、中子３の端面ではなく、中子３の厚さが厚く、変形し難い側面の部分に第２の真空チューブ２１を着脱可能に構成してもよい。
次に中子３の形状及び構造について説明する。
中空の中子３は、厚みが一定のブラダーバッグとは異なり、折曲がる位置を限定するために部分的に厚みが薄い箇所を有する。例えば、図２に示すようにハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏを成形する場合であれば、パネルＯ１側と接触する中子３の底面３Ｂの厚さを他の部分の厚さよりも薄くすることができる。これにより、中子３の底面３Ｂを内側に湾曲させることによって折り曲げることができる。
図８は、図１に示す中子３を折り曲げた状態における複合材成形治具１の横断面図であり、図９は図１に示す複合材成形治具１の中子３を折り曲げて図２に示す複合材構造体Ｏの中空領域Ｒから引き抜く様子を示す斜視図である。但し、図９では、中子３の開口端に連結される第２の真空チューブ２１及び中子３と第２の真空チューブ２１との間における隙間を閉塞するシーラント３０の図示が省略されている。
ハット型の補強部材Ｏ２とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒにフィットする形状を有する中子３の内部を負圧にすることによって中子３の底面３Ｂを内側に折り曲げると、中子３と複合材構造体Ｏとの間に隙間が生じ、中空領域Ｒから容易に中子３を引き抜くことが可能となる。
逆に、ハット型の補強部材Ｏ２の、パネルＯ１から離れる側に向かって凸状となる面取り部分を補強部材Ｏ２の内側から支持する部分３Ｃにおける中子３の厚さを厚くすることによって、面取り部分を支持する部分３Ｃの、中子３の長さ方向に垂直な方向における可撓性を低減又は除去することができる。すなわち、ハット型の補強部材Ｏ２のキャップ部の両側におけるＲ面取り部分を内側から支持する中子３の上壁の部分３Ｃの厚さを相対的に厚くすることができる。
このため、中子３の上壁となる部分３Ｃは、折り曲がりの開始位置とはならない。その結果、中子３の上壁となる部分３Ｃをできるだけ変形させずに、底面３Ｂのみを選択的に内側に湾曲させることができる。
また、ハット型の補強部材Ｏ２は、パネルＯ１側に向かって凸状となる面取り部分も有する。このため、ハット型の補強部材Ｏ２とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒには、鋭利な狭隘部が生じる。具体的には、補強部材Ｏ２の、パネルＯ１側に向かって凸状となる面取り部分とパネルＯ１との間に鋭利な狭隘部が生じる。
その結果、中子３にも、鋭利な狭隘部を補強部材Ｏ２の内側から支持する鋭利な部分３Ｄが形成される。中子３の鋭利な部分３Ｄは、複合材構造体Ｏと接触しながら中子３の長手方向に引きずられると破損する恐れがある。
そこで、中子３のパネルＯ１側における底面３Ｂの厚さを薄くすることによって、中子３を内側に折り曲げた場合に、補強部材Ｏ２の、パネルＯ１側に向かって凸状となる面取り部分を補強部材Ｏ２の内側から支持する中子３の鋭利な部分３Ｄを、中子３の長さ方向に対して垂直な方向にパネルＯ１の表面に沿ってスライドさせることができる。
図１０は図８に示す中子３の鋭利な部分３Ｄを中子３の長さ方向に対して垂直な方向にパネルＯ１の表面に沿ってスライドさせる様子を示す横断面図である。
中子３全体を複合材構造体Ｏから中子３の長さ方向に引き抜く前に、図１０に示すように中子３の鋭利な部分３Ｄを狭隘部から中子３の長さ方向に対して垂直な方向に引き離すことができる。
このため、従来成形することが困難であった、中空領域Ｒに鋭利な狭隘部が存在する複合材構造体Ｏであっても、鋭利な狭隘部にフィットする鋭利な部分３Ｄを有する中子３を用いることによって、成形することが可能となる。
これは、ドライプリフォームを賦形する場合においても同様である。すなわち、ドライプリフォームの鋭利な狭隘部にフィットする中子３の鋭利な部分３Ｄがドライプリフォームに接触しながら引きずられることによって、賦形後におけるドライプリフォームの形状が崩れることを防止することができる。
尚、上述した例では、横断面がハット型の補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体を上方に向けて複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを配置する場合について説明したが、横断面がハット型の補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体を下方に向けて複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを配置するようにしてもよい。
その場合には、下型２Ａの表面の形状は、横断面がハット型の補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体にフィットする凹部を有する形状とされる。そして、下型２Ａの上に補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体が配置され、補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体の上に中子３が配置される。更に、中子３が載置された補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体の上にパネルＯ１又はパネルＯ１用の繊維の積層体が配置される。このため、バギングフィルム５によって覆われるパネルＯ１又はパネルＯ１用の繊維の積層体に、バギングフィルム５によって覆われた領域における圧力と大気圧との差圧が負荷される。
但し、大気圧を利用して複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームに圧力を負荷する場合には、起伏が少ないパネルＯ１側又はパネルＯ１用の繊維の積層体側を下型２Ａで支持する一方、起伏が多い補強部材Ｏ２側又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体側に大気圧をかける方が下型２Ａの構造簡易化及び均一な圧力の付与に繋がる。
このため、図１及び図３に例示されるようにパネルＯ１又はパネルＯ１用の繊維の積層体を鉛直下方側とする一方、補強部材Ｏ２又は補強部材Ｏ２用の繊維の積層体を鉛直上方側として複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを製作することが好ましい。
一方、成形型２を上型と下型で構成し、上型と下型で上下両側から複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームに圧力を負荷する場合には、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの向きがいずれであっても同様の効果となる。
次に複合材成形治具１によって製作可能な中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの他の構造例について説明する。
図１１は、厚さが一定でないパネルＯ１に横断面がハット型の補強部材Ｏ２を取付けた複合材構造体Ｏの中空領域Ｒに中子３を配置した例を示す縦断面図、図１２は図１１の位置Ａ−Ａにおける複合材構造体Ｏ及び中子３の横断面図、図１３は図１１の位置Ｂ−Ｂにおける複合材構造体Ｏ及び中子３の横断面図である。
パネルＯ１に補強部材Ｏ２を取付けた複合材構造体Ｏが航空機用の構造体である場合には、パネルＯ１の補強部材Ｏ２側に段差が設けられる場合がある。この場合、パネルＯ１の厚さが変化する。パネルＯ１の厚さが変化する方向が補強部材Ｏ２の長さ方向である場合には、補強部材Ｏ２の高さが変化することになる。その結果、中空領域Ｒの横断面形状が一定とはならない。
そのような場合であっても、中空領域Ｒの形状が、中子３を折り曲げた状態において中空領域Ｒのどの位置においても中子３の幅が中空領域Ｒの幅以下となるような形状であれば、中子３を中空領域Ｒから引き抜くことができる。このため、中空領域Ｒの横断面形状が一定でない複合材構造体Ｏであっても、中子３の外形を中空領域Ｒにフィットする外形とすることによって、複合材構造体Ｏを製作することができる。
尚、図示されるように中子３の穴３Ａに補強治具４を挿入する場合には、補強治具４を中子３から容易に引き抜くことができるように、横断面が一定の穴３Ａ又はテーパする穴３Ａを中子３に設けることが適切である。図示された例では、図１に示す例と同様に横断面の形状が矩形である筒状の補強治具４が、横断面の形状が矩形である中子３の穴３Ａに挿入されている。
もちろん、ドライプリフォームの賦形を行う場合においても同様である。
図１４は図１に示す複合材成形治具１によって製作可能な中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏの別の構造例を示す正面図である。
図１４に示すように横断面がコルゲート型の補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏ又は横断面がコルゲート型の補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームは、複数の中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームとなる。
このため、複数の中子３を備えた複合材成形治具１を用いて複数の中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを製作することができる。すなわち、コルゲート型の補強部材Ｏ３とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒにフィットする形状を有する複数の中子３を用いて補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏ又は補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームを製作することができる。
横断面がコルゲート型の補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏは、横断面がハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた複数の複合材構造体Ｏを連結した構造を有する。このため、コルゲート型の補強部材Ｏ３とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒに配置される各中子３の形状及び構造を、横断面がハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏ又は横断面がハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームを製作する場合と同様な形状及び構造とすることができる。
図１５は図１に示す複合材成形治具１によって製作可能な中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏの更に別の構造例を示す正面図である。
図１５に示すように上面パネルＯ４と下面パネルＯ５とを複数の補強部材Ｏ６で連結した複合材構造体Ｏ又は上面パネルＯ４と下面パネルＯ５とを複数の補強部材Ｏ６で連結した複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームも、複数の中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームとなる。
このため、複数の中子３を備えた複合材成形治具１を用いて複数の中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを製作することができる。すなわち、上面パネルＯ４、下面パネルＯ５及び複数の補強部材Ｏ６の間に形成される中空領域Ｒにフィットする形状を有する複数の中子３を用いて、上面パネルＯ４と下面パネルＯ５とを複数の補強部材Ｏ６で連結した複合材構造体Ｏ又は上面パネルＯ４と下面パネルＯ５とを複数の補強部材Ｏ６で連結した複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームを製作することができる。
図２、図１１、図１４又は図１５に例示される構造を有する複合材構造体Ｏは、航空機の翼構造体や胴体用の構造体として採用することができる。複合材構造体Ｏが航空機用の構造体である場合には、スパー、リブ又はストリンガが補強部材Ｏ２、Ｏ３、Ｏ６としてパネルＯ１、上面パネルＯ４又は下面パネルＯ５に取り付けられる。
もちろん、上述した例に限らず、中空領域Ｒを有する様々な形状の複合材構造体Ｏ又は複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームを、成形型２及び中子３を備えた複合材成形治具１を用いて製作することができる。具体例として、管状の複合材構造体Ｏについても、複合材構造体Ｏの中空領域Ｒの形状にフィットする形状を有する中子３を準備することによって、製作することが可能となる。また、曲率を一定として円弧状に湾曲した管状の複合材構造体Ｏであれば、複合材構造体Ｏから中子３を引き抜くことができるため、製作が可能となる。
中子３の厚さを薄くする位置は、中空領域Ｒの形状に合わせて様々な位置に決定することができる。例えば、矩形の穴３Ａを設けた筒状の中子３であれば、上面や左右の壁面側を部分的に薄くしても良い。また、中子３の長さ方向を長さ方向とする切込み又は溝を中子３に設けることによって中子３の厚さを局所的に薄くするようにしても良い。
図１６は、図１に示す中子３の底面３Ｂに溝４０を形成することによって中子３の厚さを局所的に薄くした例を示す横断面図であり、図１７は図１に示す中子３の底面３Ｂに切込み４１を形成することによって中子３の厚さを局所的に薄くした例を示す横断面図である。
図１６又は図１７に示すように中子３に溝４０又は切込み４１を形成することによって中子３の変形が開始する位置をより確実に限定することができる。
（複合材成形治具を用いた複合材成形方法）
次に複合材成形治具１を用いた複合材成形方法について説明する。ここでは、図２に例示されるようにパネルＯ１上に横断面がハット型の補強部材Ｏ２を取付けた構造を有する複合材構造体Ｏが製作対象である場合を例に説明する。尚、横断面がコルゲート型の補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏについても、中子３の数が異なるのみで、横断面がハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏと概ね同じ手順で製作することができる。
図１８は、図１に示す複合材成形治具１を用いてハイブリッド法により複合材構造体Ｏを製作する場合における作業の流れを示す図である。
まず工程Ｐ１において、下型２Ａの上にパネルＯ１用のプリプレグが積層される。これにより、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１が製作される。
次に、工程Ｐ２において、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の上に中子３が載置される。具体的には、補強部材Ｏ２と、パネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒとなる位置に中子３が配置される。この時、中子３を中空領域Ｒとなる位置に設置する前に、図示されるように、中子３の内側に剛体の補強治具４を挿入することが、中子３及び中空領域Ｒの直線性を維持する観点から好ましい。
次に、工程Ｐ３において、中子３が載置されたパネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の上にハット型の補強部材Ｏ２用のシート状の繊維が積層される。これにより、ハット型の補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２が製作される。尚、別の賦形治具を用いて賦形された横断面がハット型のドライプリフォームを中子３が載置されたパネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の上に載置するようにしてもよい。
次に、工程Ｐ４において、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及びハット型の補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２のバギングと、ハット型の補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２への樹脂の含浸が行われる。
具体的には、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２がバギングフィルム５で密閉される。そして、図１に示すように第１のコック７Ａが開かれ、バギングフィルム５で密閉された領域が、第１の真空チューブ７で真空装置８と連結される。
続いて真空装置８を作動させ、バギングフィルム５で密閉された領域の真空引きが行われる。これにより、バギングフィルム５で密閉された領域から空気が排出され、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２のバギングが完了する。
一方、樹脂注入装置５０が樹脂注入チューブ５１でバギングフィルム５で密閉された領域と連結される。樹脂注入チューブ５１は、例えば、バギングフィルム５に取付けられた口金と連結することができる。そして、真空装置８で真空引きを行いながら未硬化の熱硬化性樹脂が、バギングフィルム５で密閉された領域に注入される。これにより、補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させることができる。
尚、通常は、樹脂の流動性を得るために樹脂が加熱される。このため、樹脂の流動性が低下しないように、下型２Ａ内にも加熱装置を内蔵して樹脂が適温となるよう加熱するようにしてもよい。
次に、工程Ｐ５において、真空装置８で真空引きを行いながら、未硬化の樹脂を含浸させた補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２及びパネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１が加熱硬化される。すなわち、樹脂を含浸させた補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２及びパネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１が樹脂の硬化温度まで加熱装置５２で加熱される。
樹脂を含浸させた補強部材Ｏ２用の繊維の積層体Ｆ＿Ｏ２及びパネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の加熱硬化が完了すると、中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを製作することができる。すなわち、ハット型の補強部材Ｏ２とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒにフィットする形状を有する中子３を中空領域Ｒとなる位置に設置することによって、図２に示すようにハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを製作することができる。
複合材構造体Ｏの製作が完了すると、第１のコック７Ａが閉じられ、バギングフィルム５で密閉された領域が大気解放される。そして、複合材構造体Ｏを複合材成形治具１から取り出すことが必要となる。そのためには、中子３を内側に折り曲げて複合材構造体Ｏの中空領域Ｒから引き抜く作業も必要となる。但し、中子３の穴３Ａには剛体の補強治具４が挿入されている。
そこで、工程Ｐ６において、中子３を内側に折り曲げる前に補強治具４が中子３の内側から引き抜かれる。中子３は線膨脹係数が大きいゴムで製作されているのに対し、補強治具４は線膨脹係数が小さい金属又はＣＦＲＰで製作されている。このため、熱膨張量の差によって生じる補強治具４と中子３との間における隙間を利用して補強治具４を中子３から引き抜くことができる。
また、補助的に補強治具４の内部に流体Ｆを注入し、補強治具４に設けた流体Ｆの噴出口４Ａから噴出させることができる。その場合には、補強治具４を引き抜く側における端部に流体供給チューブ４Ｂが連結される。流体供給チューブ４Ｂは、圧縮エアボンベ、水槽又は潤滑剤供給タンク等の流体供給装置９と連結される。
そして、図６を参照して説明したように、補強治具４の内部に流体Ｆを注入し、補強治具４の噴出口４Ａから流体Ｆを噴出させることによって、補強治具４と中子３との間における隙間を一層広げることができる。その結果、一層容易に補強治具４を中子３から引き抜くことが可能となる。
次に、工程Ｐ７において、補強治具４が引き抜かれた中子３の内側から空気が排出される。そのために、中子３の開口端が閉塞され、第２の真空チューブ２１が連結される。そして、第２のコック２１Ａが開かれ、中子３の内側が第２の真空チューブ２１を介して真空装置８と連結される。続いて真空装置８が作動し、中子３の内側から空気が排出される。これにより、内部が負圧となった中子３を内側に折り曲げることができる。その結果、複合材構造体Ｏの中空領域Ｒよりも細くなった中子３を中空領域Ｒから容易に引き抜くことができる。
特に、中子３の底面３Ｂの厚さが他の部分の厚さよりも薄くなっており、補強部材Ｏ２のキャップ部の両側におけるＲ面取り部分を内側から支持する中子３の部分３Ｃの厚さは厚くなっている。このため、中子３の底面３Ｂが隆起して内側に折り曲がり、補強部材Ｏ２とパネルＯ１とが重ね合わさる付近に形成される鋭利な狭隘部を補強部材Ｏ２の内側から支持する中子３の鋭利な部分３Ｄを、パネルＯ１の表面に沿って中子３の長さ方向に対して垂直な方向にスライドさせることができる。その結果、中子３の鋭利な部分３Ｄを狭隘部において補強部材Ｏ２及びパネルＯ１と接触させながら中子３の長さ方向にひきずることなくスムーズに複合材構造体Ｏの中空領域Ｒから引き抜くことが可能となる。
次に複合材成形治具１を用いた複合材構造体Ｏの別の製作方法の例について説明する。
図１９は、図１に示す複合材成形治具１を用いてプリプレグを積層し、プリプレグの積層体を加熱硬化することによって複合材構造体Ｏを製作する場合における作業の流れを示す図である。尚、図１８に示す工程と同様な工程には同符号を付して詳細な説明を省略する。
まず工程Ｐ１において、下型２Ａの上にパネルＯ１用のプリプレグが積層され、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１が製作される。次に、工程Ｐ２において、内側に剛体の補強治具４を挿入した中子３が、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の上に載置される。
次に、工程Ｐ１０において、中子３が載置されたパネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の上に補強部材Ｏ２用のプリプレグが積層される。これにより、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１の上に補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２が載置される。その結果、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１と、補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２との間に形成される中空領域Ｒに中子３が配置され、補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２が中子３で支持される。
次に、工程Ｐ１１において、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２のバギングが行われる。
具体的には、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２がバギングフィルム５で密閉される。そして、図１に示すように第１のコック７Ａが開かれ、バギングフィルム５で密閉された領域が、第１の真空チューブ７で真空装置８と連結される。
続いて真空装置８を作動させ、バギングフィルム５で密閉された領域の真空引きが行われる。これにより、バギングフィルム５で密閉された領域から空気が排出され、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２のバギングが完了する。
次に、工程Ｐ５において、真空装置８で真空引きを行いながら、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２が加熱硬化される。すなわち、パネルＯ１用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ１及び補強部材Ｏ２用のプリプレグの積層体Ｐ＿Ｏ２が樹脂の硬化温度まで加熱装置５２で加熱される。これにより、図２に示すようにハット型の補強部材Ｏ２をパネルＯ１に取付けた中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを製作することができる。
次に、工程Ｐ６において、補強治具４が中子３の内側から引き抜かれる。そのために、必要に応じて、補強治具４が流体供給チューブ４Ｂを介して流体供給装置９と連結され、補強治具４の噴出口４Ａから流体Ｆを噴出させる。
次に、工程Ｐ７において、中子３の内側が第２の真空チューブ２１を介して真空装置８と連結され、真空引きによって中子３の内側から空気が排出される。これにより、中子３が内側に折り曲げられる。そして、複合材構造体Ｏの中空領域Ｒよりも細くなった中子３が、中空領域Ｒから引き抜かれる。このようにして中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏを複合材成形治具１から取り出すことができる。
（効果）
以上のような複合材成形治具１及び複合材成形方法は、ゴム製の中子３に穴３Ａを形成し、中子３の内部を負圧にして変形できるようにしたものである。
このため、複合材成形治具１及び複合材成形方法によれば、中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームを成形した後、中子３を中空領域Ｒから容易に引き抜くことができる。また、ゴム製の中子３の内側に剛体の補強治具４を挿入することによって、中空かつゴム製の中子３であっても複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの形状保持機能を確保することができる。
更に、中子３の板厚を不均一とすることによって特定の位置から中子３を変形させることができる。すなわち、中子３の変形方向を制御することができる。このため、鋭利な中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏであっても、中子３を鋭利な部分から一旦引き離した後で中空領域Ｒから引き抜くことができる。その結果、従来は製作が困難であった鋭利な中空領域Ｒを有する複合材構造体Ｏであっても、容易に製作することが可能となる。
（第２の実施形態）
図２０は本発明の第２の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す横断面図である。
図２０に示された第２の実施形態における複合材成形治具１Ａでは、中子３の横断面形状が第１の実施形態における複合材成形治具１と相違する。第２の実施形態における複合材成形治具１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における複合材成形治具１と実質的に異ならないため同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
第１の実施形態において一例として例示した矩形の穴３Ａを有する中子３の場合、中子３の内部を負圧にすると、中子３の高さが高くなり、ハット型の補強部材Ｏ２に中子３が押し当てられる場合がある。
図２１は図１に示すように中子３の穴３Ａの横断面形状を単純な矩形として中子３を内側に折り曲げた場合に起こり得る不具合の例を示す横断面図である。
中子３の穴３Ａの横断面形状が矩形である場合、中子３の構造は概ねボックス構造のようになる。すなわち、補強部材Ｏ２の、パネルＯ１から離れる側に向かって凸状となる面取り部分を補強部材Ｏ２の内側から支持する部分３Ｃが上壁となり、補強部材Ｏ２の面取り部分を支持する部分３Ｃと、中子３の底面３Ｂとを両側で繋ぐ部分が左右の側壁３Ｅとなる。
しかも、ハット型の補強部材Ｏ２とパネルＯ１との間に形成される中空領域Ｒにフィットするように中子３の横断面における外形形状を決定すると、上壁となる部分３Ｃと左右の側壁３Ｅが交わる２個所の部分における厚さが局所的に薄くなる。
このため、中子３内を負圧にすると、図２１に強調して示すように、上壁となる部分３Ｃと左右の側壁３Ｅが交わるコーナー部分を支点として中子３が菱形のように変形してしまう場合がある。この場合、中子３の高さが折り曲がる前よりも高くなり、中子３が補強部材Ｏ２に接触して抜け難くなる原因となる。
そこで、中子３内を負圧にすると、確実に中子３の高さが低くなるように、すなわち中子３が確実に中空領域Ｒよりも細くなるように、中子３の横断面形状を決定することが望ましい。
具体的には、図８に示すように、中子３の内側から空気を排出した場合に中子３が１箇所で内側に折り曲がるようにパネルＯ１側と接触する中子３の底面３Ｂの厚さを相対的に薄くして十分な可撓性を付与する一方、補強部材Ｏ２の面取り部分を支持する上壁の部分３Ｃの厚さを相対的に厚くして可撓性を低減又は除去するのみならず、図２０に示すように、中子３の穴３Ａの横断面形状を、４つ以上の頂点を有する多角形としないことが好ましい。これは、中子３の穴３Ａの内面にＲ面取りを施す場合においても同様である。
これにより、中子３を構成する壁面が傾斜する事態を防ぐことができる。また、好ましくない中子３の変形の原因となり得る不要な応力集中を回避し、かつ補強治具４を中子３から引き抜き易くする観点から中子３の穴３Ａの内面を曲面として角を生じさせないようにすることが好ましい。従って、中子３の穴３Ａの横断面形状を、図２０に例示されるように三角形の角頂点にＲ面取り等の曲面面取りを施したような横断面形状や馬蹄型の角に曲面面取りを施したような横断面形状に近い形状とすることができる。
一方、中子３の横断面における外形形状はハット型の補強部材Ｏ２にフィットするように決定されるため、中子３の穴３Ａの横断面形状を補強部材Ｏ２のキャップ部側に向かって湾曲する曲線形状とすると、必然的に中子３の上壁となる部分３Ｃと左右の側壁３Ｅが交わる２個所の部分における厚さが厚くなる。このため、中子３の変形を、底面３Ｂを内側に隆起させるために必要な変形に留めることができる。
図２２は図２０に示す中子３を内側に折り曲げた状態を示す横断面図である。
図２０に示す横断面形状を有する中子３の内部を負圧にして中子３を変形させると、図２２に示すように底面３Ｂの内側への変形に必要な変形以外の中子３の変形を最小限とすることができる。特に、横断面において幅が広がるような中子３の変形を抑止することができる。
その結果、中子３の底面３Ｂを内側に折り曲げた状態において、中子３の幅を中空領域Ｒの幅より小さくすることができる。特に、中子３の底面３Ｂを内側に折り曲げた状態において、中子３の高さが中空領域Ｒの高さ以上となることを確実に抑止することができる。
中子３の底面３Ｂを内側に折り曲げた状態において、中子３の幅を中空領域Ｒの幅より小さくするためには、中子３の穴３Ａの横断面形状を図８に示すように矩形とするか図２０に示すように曲線とするかを問わず、内側に湾曲した底面３Ｂが中子３の上壁となる部分３Ｃ及び左右の側壁３Ｅを含む他の部分と接触しないようにすることも重要である。これは、中子３が他の部分と接触すると、接触した部分において望ましくない変形が生じるためである。
このため、内側に湾曲した底面３Ｂが中子３の他の部分と接触しないように中子３の穴３Ａの横断面形状を決定することが適切である。換言すれば、中子３の穴３Ａの横断面におけるサイズを十分に確保し、内側に湾曲した底面３Ｂが中子３の他の部分と接触しないようにすることで、中子３の底面３Ｂを内側に折り曲げた状態において、中子３の幅を中空領域Ｒの幅より小さくすることができる。
これは、ハット型の補強部材Ｏ２又は図１４に示すようなコルゲート型の補強部材Ｏ３をパネルＯ１に取付けた複合材構造体Ｏや複合材構造体Ｏ用のドライプリフォームを製作する場合に限らず同様である。すなわち、中子３の内側から空気を排出した場合に中子３が１箇所で内側に折り曲がるように厚さが薄い部分を部分的に設け、かつ中子３の厚さが薄い部分が内側に折り曲げられた状態において厚さが薄い部分が中子３の他の部分に接触しないように中子３の内側における空隙の横断面におけるサイズを決定することによって、中子３の厚さが薄い部分が内側に折り曲げられた状態において、中子３の長さ方向に垂直な方向における幅を所望の形状を有する複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの中空領域Ｒの幅よりも小さくすることができる。
以上のような第２の実施形態における複合材成形治具１Ａは、中子３に設けられる穴３Ａの横断面形状を好適化することによって、より確実に中子３の幅を中空領域Ｒの幅より小さくすることができるようにしたものである。このため、第２の実施形態によれば、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームの製作後において、複合材構造体Ｏ又はドライプリフォームから一層容易に中子３を引き抜くことができる。逆に、複合材構造体Ｏの設計における自由度を一層向上させることができる。
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
１，１Ａ…複合材成形治具、２…成形型、２Ａ…下型、３…中子、３Ａ…穴、３Ｂ…底面、３Ｃ…中子の部分、３Ｄ…中子の鋭利な部分、３Ｅ…中子の側壁、４…補強治具、４Ａ…噴出口、４Ｂ…流体供給チューブ、５…バギングフィルム、６…シーラント、７…第１の真空チューブ、７Ａ…第１のコック、８…真空装置、９…流体供給装置、２０…加熱装置、２１…第２の真空チューブ、２１Ａ…第２のコック、３０…シーラント、４０…溝、４１…切込み、５０…樹脂注入装置、５１…樹脂注入チューブ、５２…加熱装置、Ｆ…流体、Ｆ＿Ｏ２…繊維の積層体、Ｏ…複合材構造体、Ｏ１…パネル、Ｏ２…ハット型の補強部材、Ｏ３…コルゲート型の補強部材、Ｏ４…上面パネル、Ｏ５…下面パネル、Ｏ６…補強部材、Ｐ＿Ｏ１…プリプレグの積層体、Ｐ＿Ｏ２…プリプレグの積層体、Ｒ…中空領域

Claims (15)

  1. 筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の中子を複合材構造体又はドライプリフォームの中空領域となる位置に設置することによって前記中空領域を有する前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームを製作するステップと、
    前記中子を前記中空領域となる位置に設置する前に前記中子の内側に筒状又は棒状で剛体の補強治具を挿入するステップと、
    前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームの製作が完了した後に、前記中子を内側に折り曲げる前に前記補強治具を前記中子の内側から引き抜くステップと、
    前記中子の内側から空気を排出することによって前記中子を内側に折り曲げて前記中空領域から前記中子を引き抜くステップと、
    を有する複合材成形方法。
  2. 筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の中子を、繊維で樹脂を強化した繊維強化プラスチックからなる複合材構造体又は前記複合材構造体の素材となるドライプリフォームの中空領域となる位置に設置することによって前記中空領域を有する前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームを製作するステップと、
    前記複合材構造体又は前記ドライプリフォームを製作した後に、前記中子の内側から空気を排出することによって前記中子を内側に折り曲げて前記中空領域から前記中子を引き抜くステップと、
    前記中子を前記中空領域となる位置に設置する前に前記中子の内側に筒状又は棒状で剛体の補強治具を挿入するステップと、
    前記中子を内側に折り曲げる前に前記補強治具を前記中子の内側から引き抜くステップと、
    を有する複合材成形方法。
  3. 前記複合材構造体として、前記横断面がハット型の補強部材をパネルに取付けた複合材構造体、横断面がコルゲート型の補強部材をパネルに取付けた複合材構造体、上面パネルと下面パネルとを複数の補強部材で連結した複合材構造体又は管状の複合材構造体を製作する請求項１又は２記載の複合材成形方法。
  4. 前記ハット型又はコルゲート型の補強部材と前記パネルとの間に形成される中空領域にフィットする形状を有する前記中子を用いて前記補強部材を前記パネルに取付けた複合材構造体を製作するようにし、
    前記補強部材の、前記パネルから離れる側に向かって凸状となる面取り部分を前記補強部材の内側から支持する部分における前記中子の厚さを厚くすることによって、前記面取り部分を支持する部分の、前記中子の長さ方向に垂直な方向における可撓性を低減又は除去する請求項３記載の複合材成形方法。
  5. 前記ハット型又はコルゲート型の補強部材と前記パネルとの間に形成される中空領域にフィットする形状を有する前記中子を用いて前記補強部材を前記パネルに取付けた複合材構造体を製作するようにし、
    前記中子の前記パネル側における厚さを薄くすることによって、前記中子を内側に折り曲げた場合に、前記補強部材の、前記パネル側に向かって凸状となる面取り部分を前記補強部材の内側から支持する前記中子の鋭利な部分が前記中子の長さ方向に対して垂直な方向に前記パネルの表面に沿ってスライドするようにした請求項３又は４記載の複合材成形方法。
  6. 前記中子の内側から空気を排出した場合に前記中子が１箇所で内側に折り曲がるように前記厚さが薄い部分を部分的に設け、かつ前記厚さが薄い部分が内側に折り曲げられた状態において前記厚さが薄い部分が前記中子の他の部分に接触しないように前記中子の内側における空隙の横断面におけるサイズを決定することによって、前記厚さが薄い部分が内側に折り曲げられた状態において前記中子の長さ方向に垂直な方向における幅を前記中空領域の幅よりも小さくする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
  7. 前記中子の内側に、エッジ及び凸部が無い穴であって、深さ方向が前記中子の長さ方向である穴を設ける請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
  8. 筒状の前記補強治具に流体の噴出口を設け、前記噴出口から流体を噴出することによって前記補強治具を前記中子から引き抜き易くする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
  9. 前記補強治具を金属又は炭素繊維強化プラスチックで構成する一方、前記中子をシリコンゴム又は線膨脹係数がシリコンゴムと同じであるゴムで構成し、前記補強治具と前記中子との間における線膨脹係数の差を利用して前記補強治具を前記中子から引き抜き易くする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
  10. 前記複合材構造体を製作した後に前記複合材構造体、前記中子及び前記補強治具を冷却し、前記複合材構造体と前記中子との間における線膨脹係数の差によって前記中子が前記複合材構造体より小さくなった後に前記補強治具の前記噴出口から前記流体を噴出する請求項８記載の複合材成形方法。
  11. 前記中子の長さ方向を長さ方向とする切込み又は溝を前記中子に設けることによって前記中子の厚さを局所的に薄くする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
  12. 前記ハット型又はコルゲート型の補強部材と前記パネルとの間に形成される中空領域にフィットする形状を有する前記中子を用いて前記補強部材を前記パネルに取付けた複合材構造体を製作するようにし、
    前記パネル用のプリプレグの積層体を製作するステップと、
    前記パネル用のプリプレグの積層体の上に前記中子を載置するステップと、
    前記中子が載置された前記パネル用のプリプレグの積層体の上に前記補強部材用のシート状の繊維を積層するステップと、
    前記パネル用のプリプレグの積層体及び前記補強部材用のシート状の繊維の積層体をバギングフィルムで密閉し、前記バギングフィルムで密閉された領域の真空引きを行いながら未硬化の熱硬化性樹脂を前記密閉された領域に注入することによって前記補強部材用のシート状の繊維の積層体に前記未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させるステップと、
    前記真空引きを行いながら、前記未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた前記補強部材用のシート状の繊維の積層体及び前記パネル用のプリプレグの積層体を加熱硬化するステップと、
    を有する請求項３、４又は５記載の複合材成形方法。
  13. 前記ハット型又はコルゲート型の補強部材と前記パネルとの間に形成される中空領域にフィットする形状を有する前記中子を用いて前記補強部材を前記パネルに取付けた複合材構造体を製作するようにし、
    前記パネル用のプリプレグの積層体を製作するステップと、
    前記パネル用のプリプレグの積層体の上に前記中子を載置するステップと、
    前記中子が載置された前記パネル用のプリプレグの積層体の上に前記補強部材用のプリプレグを積層するステップと、
    前記パネル用のプリプレグの積層体及び前記補強部材用のプリプレグの積層体をバギングフィルムで密閉し、前記バギングフィルムで密閉された領域の真空引きを行いながら前記パネル用のプリプレグの積層体及び前記補強部材用のプリプレグの積層体を加熱硬化するステップと、
    を有する請求項３、４又は５記載の複合材成形方法。
  14. 中空領域を有し、繊維で樹脂を強化した繊維強化プラスチックからなる複合材構造体又は前記複合材構造体の素材となるドライプリフォームを成形するための複合材成形治具であって、
    筒状構造を有し、厚さが薄い部分から内側に折り曲げられるように長さ方向に垂直な方向において厚さを不均一にしたゴム製の中子であって、前記中空領域に設置される中子と、
    前記中空領域から前記中子を引き抜く際に、前記中子の内側から空気を排出することによって前記中子を内側に折り曲げるための真空チューブと、
    前記中子を前記中空領域となる位置に設置する前に前記中子の内側に挿入される一方、前記中子を内側に折り曲げる前に前記中子の内側から引き抜かれる筒状又は棒状で剛体の補強治具と、
    を有する複合材成形治具。
  15. 前記真空チューブを前記中子に着脱可能に構成した請求項１４記載の複合材成形治具。
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