JP6719495B2 - プリフォーム賦形方法、複合材成形方法及び複合材 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、プリフォーム賦形方法、複合材成形方法及び複合材に関する。

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）等の樹脂を繊維で強化した複合材は、繊維に含浸させた未硬化の熱硬化性樹脂を加熱して硬化することによって製作される。

複合材の代表的な成形方法としては、シート状の繊維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を積層してオートクレーブ装置やオーブンで加熱硬化する方法と、シート状の繊維を積層した後に熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化するＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法が挙げられる。特に、真空引きを行って繊維に樹脂を含浸させる方法は、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。また、プリプレグを積層して加熱硬化する方法と、ＲＴＭ法を併用するハイブリッド法も複合材の成形方法として知られている。

複合材の形状に合わせて賦形されたプリプレグの積層体、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及びＲＴＭ法において樹脂を含浸させた後における繊維の積層体は、複合材成形の技術分野では、プリフォームと呼ばれる。特に、樹脂を含浸させる前における繊維の積層体は、ドライプリフォームと呼ばれる。また、プリフォーム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。

複合材は、金属に比べて軽量で強度が大きいため、様々な部品の素材として使用範囲が拡大している。このため、曲率が大きな曲面を有する複合材であっても成形できるようにする方法が提案されている（例えば特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。

特開２０１０−１５０６８５号公報 特開２００９−１９１０９２号公報 特開２００２−２４００６８号公報

樹脂を含浸させた後又は樹脂を含浸させる前における平面状の繊維を折り曲げることによって曲率が大きな曲面を有する複合材を成形する場合において、平面状の繊維の折り曲げ方向が複合材の湾曲方向及び繊維の長さ方向と異なる場合には、平面状の繊維に切込を入れなければ折り曲げることが困難となる。これは、平面状の繊維は、各繊維の長さ方向には伸縮しないためである。

シート状の繊維に切込を入れて賦形型に積層する場合には、賦形後のプリフォームに隙間が発生しないようにすることが品質の向上に繋がる。すなわち、成形後における複合材に要求される寸法精度と強度を確保するためには、プリフォームの隙間の発生を回避し、加熱硬化後において繊維強化層の欠落を防止することが重要である。

そこで、本発明は、曲率が大きな曲面を一部に有するプリフォームであっても、隙間が生じないように賦形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プリフォーム賦形方法は、熱硬化性樹脂を含浸させる前又は前記熱硬化性樹脂を含浸させた後の複数のシート状の繊維を、上面として形成される第１の賦形面及び凹んだ曲面として側面側に形成される第２の賦形面を有する賦形型の上に載置して積層するステップと、前記第１の賦形面上に載置された前記複数のシート状の繊維を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって複数の層を有する前記複数のシート状の繊維の積層体として前記賦形型の曲面に対応する曲面を有する複合材用のプリフォームを製作するステップとを有し、複数のシート状の繊維を一部が互いにオーバーラップし、かつ互いに突き合わせてフィットするように配置される縁が前記第１の賦形面又は積層方向に隣接する前記シート状の繊維の上において前記第２の賦形面の曲率半径方向に平行とならないように前記第１の賦形面又は積層方向に隣接する前記シート状の繊維の上に載置し、前記オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維の一部を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって前記積層体を構成する少なくとも一部の層を形成するものである。
また、本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法は、熱硬化性樹脂を含浸させる前又は前記熱硬化性樹脂を含浸させた後の複数のシート状の繊維を、少なくとも一方が曲面である第１の賦形面及び第２の賦形面を有する賦形型の上に載置して積層するステップと、前記第１の賦形面上に載置された前記複数のシート状の繊維を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって複数の層を有する前記複数のシート状の繊維の積層体として前記賦形型の曲面に対応する曲面を有する複合材用のプリフォームを製作するステップとを有し、複数のシート状の繊維を一部が互いにオーバーラップするように前記第１の賦形面又は積層方向に隣接する前記シート状の繊維の上に載置し、前記オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維の一部を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって前記積層体を構成する少なくとも一部の層を形成し、更に前記積層体の少なくとも一部の層間において繊維の長さ方向の向きを変え、かつ繊維の長さ方向が異なる前記積層体の層間において、前記オーバーラップさせる前記複数のシート状の繊維の形状を前記繊維の長さ方向に応じた異なる形状とすることによって、前記繊維の長さ方向が異なる前記積層体の層間において、前記複数のシート状の繊維の一部が互いにオーバーラップする位置を変えるものである。

また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、上述したプリフォーム賦形方法によってドライプリフォームを製作するステップと、前記ドライプリフォームに前記熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化することによって、前記複合材を成形する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、上述したプリフォーム賦形方法によって、賦形されたプリプレグの積層体を製作するステップと、前記賦形されたプリプレグの積層体を加熱硬化することによって、前記複合材を成形する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は、繊維で強化された樹脂層の積層体からなり、かつ折曲げられた形状を有する板状の複合材であって、平板状の第１の板状部分と、山折り側から見て凹んだ曲面状の第２の板状部分を連結した形状を有し、前記第２の板状部分を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって共通の第１の樹脂層に含まれる全ての複数の繊維が第１の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている一方、前記第１の板状部分を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって、前記第１の樹脂層と縁がフィットしている共通の第２の樹脂層に含まれる複数の繊維が部分的に、前記第１の直線又は曲線と端部において連結する第２の直線又は曲線であって、前記第２の板状部分の曲率半径方向に平行でない前記第２の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されているものである。
また、本発明の実施形態に係る複合材は、少なくとも一部の樹脂層間において長さ方向が異なる繊維で強化された樹脂層の積層体からなり、かつ折曲げられた形状を有する板状の複合材であって、平板状の第１の板状部分と、山折り側から見て凹んだ曲面状の第２の板状部分を連結した形状を有し、前記第１の板状部分及び前記第２の板状部分の一方を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって共通の第１の樹脂層に含まれる全ての複数の繊維が第１の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている一方、前記第１の板状部分及び前記第２の板状部分の他方を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって、前記第１の樹脂層と縁がフィットしている共通の第２の樹脂層に含まれる複数の繊維が部分的に、前記第１の直線又は曲線と端部において連結する第２の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されており、かつ繊維の長さ方向が異なる樹脂層間において、前記第１の直線又は曲線と前記第２の直線又は曲線を連結した形状が、前記繊維の長さ方向に応じた異なる形状となっているものである。

本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォームの第１の形状例を示す斜視図。 図１に示すプリフォームを製作するために賦形型の上に一層につき１枚のシート状の繊維を積層する場合に生じる問題点を説明する図であり、図２（Ａ）は平面状に裁断されたシート状の繊維の上面図、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示すシート状の繊維を賦形型の凸部に合わせて折曲げた状態を示す斜視図。 図１に示すプリフォームを製作するために賦形型の上に一層につき複数枚のシート状の繊維を部分的にオーバーラップさせて積層することによって図２（Ｂ）に示すような隙間の発生を低減又は防止する方法を説明する図であり、図３（Ａ）は平面状に裁断されたシート状の繊維の上面図、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示すシート状の繊維を賦形型の凸部に合わせて折曲げた状態を示す斜視図。 プリフォームを構成するシート状の繊維の積層体の層間においてオーバーラップ領域の位置を変えてシート状の繊維を積層する例を示す図。 プリフォームを構成するシート状の繊維の積層体の層間においてオーバーラップ領域の位置及び繊維の長さ方向の向きの双方を変えてシート状の繊維を積層する例を示す図。 図１に示す賦形型を用いてシート状の繊維の積層体のバギングを伴ってプリフォームを製作する例を示す賦形型の横断面図。 図１に示す賦形型と上型でシート状の繊維の積層体を挟み込むことによってプリフォームを製作する例を示す賦形型及び上型の横断面図。 本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォームの第２の形状例を示す斜視図。 本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォームの第３の形状例を示す側面図。 図９に示すプリフォーム及び賦形型の位置Ａ−Ａにおける横断面図。 本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォームの第４の形状例を示す側面図。 図１１に示すプリフォーム及び賦形型の位置Ｂ−Ｂにおける縦断面図。 図１に示す賦形型でプリフォームとして賦形されたドライプリフォームを用いてＶａＲＴＭ法により複合材を成形する場合の例を示す賦形型の横断面図。 図１に示す賦形型でプリフォームとして賦形されたドライプリフォームを用いて上型を用いたＲＴＭ法により複合材を成形する場合の例を示す賦形型の横断面図。 図１に示す賦形型で製作されたプリフォームを用いて製作することが可能な複合材構造体の一例を示す側面図。 図１５に示す複合材構造体の位置Ｃ−Ｃにおける横断面図。

本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法、複合材成形方法及び複合材について添付図面を参照して説明する。

（プリフォーム賦形方法）
図１は本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォームの第１の形状例を示す斜視図である。

図１に例示されるように曲面を含む複数の賦形面を有する剛体の賦形型１を用いて、折曲げた形状を有する板状のプリフォーム２を賦形することができる。プリフォーム２は、樹脂を繊維で強化したＣＦＲＰやＧＦＲＰ等の繊維強化プラスチック（ＦＲＰ：ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ ｐｌａｓｔｉｃｓ）の素材である。ＦＲＰは複合材とも呼ばれる。

図１に示す例では、賦形型１の形状が、平板１Ａ上に凸部１Ｂを形成した形状となっており、凸部１Ｂの形状は、横断面が矩形であるドーナツ形状を半径方向に切断した形状となっている。そして、賦形型１の凸部１Ｂの上面側における平面が第１の賦形面３を、凸部１Ｂの内側の側面側における凹んだ曲面が第２の賦形面４を、凸部１Ｂの外側の側面側における凸状の曲面が第３の賦形面５を、それぞれ形成している。

このため、賦形型１を用いれば、平面状のウェブ６の同じ面に湾曲した内側のフランジ７と、湾曲した外側のフランジ８を形成した形状を有するプリフォーム２を製作することができる。より具体的には、山折りされる側から見て凸状の曲面９及び山折りされる側から見て凹んだ曲面１０を平面１１と連結した表面形状を有する板状で長尺構造を有するプリフォーム２を製作することができる。

もちろん、ウェブ６と内側のフランジ７及び外側のフランジ８との連結部分にＲ面取りやＣ面取り等の面取りが形成されるように賦形型１の凸部１ＢにおけるエッジにＲ面取りやＣ面取り等の面取りを施すようにしてもよい。

製作対象となるプリフォーム２は、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させる前における複数のシート状の繊維の積層体であっても良いし、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させた後の複数のシート状の繊維の積層体であっても良い。未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させる前における賦形後の複数のシート状の繊維の積層体は、ドライプリフォームと呼ばれる。一方、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたシート状の繊維は、プリプレグと呼ばれる。

従って、シート状のプリプレグを賦形型１に積層すれば、プリフォーム２として賦形されたプリプレグの積層体を製作することができる。一方、未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させる前におけるシート状の繊維束を賦形型１に積層すれば、プリフォーム２としてドライプリフォームを製作することができる。

図２（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示すプリフォーム２を製作するために賦形型１の上に一層につき１枚のシート状の繊維２０を積層する場合に生じる問題点を説明する図である。

尚、図２（Ａ）は平面状に裁断されたシート状の繊維２０の上面図であり、図２（Ｂ）は図２（Ａ）に示すシート状の繊維２０を賦形型１の凸部１Ｂに合わせて折曲げた状態を示す斜視図である。

ドライプリフォームの素材となる樹脂を含浸させる前におけるシート状の繊維２０は、繊維の長さ方向において伸縮可能な長さが短く、繊維の長さ方向に垂直な方向において伸縮可能な長さが長いという性質を有する。これは、糸状の各繊維は長さ方向には殆ど伸縮しないが繊維間の隙間は広がることができるためである。また、樹脂を含浸させた後におけるシート状の繊維２０であるプリプレグの場合には樹脂に粘着力があるため、繊維の長さ方向はもちろん、繊維の長さ方向に垂直な方向においても、伸縮可能な長さが短いという性質を有する。

従って、図１に示すようなウェブ６に湾曲した内側のフランジ７及び外側のフランジ８を形成した形状を有するプリフォーム２を製作する場合には、内側のフランジ７の曲率が大きくなる程、シート状の繊維２０を折曲げることが困難となる可能性が増加する。すなわち、内側のフランジ７を形成するために折曲げ対象となるシート状の繊維２０の部分２１の折曲げ方向と、折曲げ対象となる部分２１における繊維の長さ方向とのなす角度が９０度に近づく程、折曲げ対象となる部分２１において繊維の長さ方向に引張方向の張力が生じるため繊維の折曲げが困難となる。また、プリプレグの場合には、樹脂の粘着力によって引張方向の応力も生じるため、プリプレグを折曲げることが困難となる場合がある。

そのような場合には引張方向の張力が繊維に発生することや引張方向の応力が樹脂に発生することを抑制するために、図２（Ａ）に示すように、平面状のウェブ６を形成するためのシート状の繊維２０の部分２３を残して内側のフランジ７を形成するために折曲げ対象となるシート状の繊維２０の部分２１に、概ね繊維の折曲げ方向を長さ方向とする線状の切込２４を設けることが必要となる。他方、外側のフランジ８を形成するために折曲げ対象となるシート状の繊維２０の部分２２にはＶ字状の切込２５を設けなければシート状の繊維２０の部分２２に弛みや折重なりが生じる恐れがある。

しかしながら、内側のフランジ７を形成するために線状の切込２４を設けて折曲げ対象となるシート状の繊維２０の部分２１を折曲げると、図２（Ｂ）に示すように、逆Ｖ字状の隙間２６が生じる。繊維の隙間２６は、複合材の強度低下の要因となるため、繊維に隙間２６が生じないようにすることが重要である。

図３（Ａ）、（Ｂ）は、図１に示すプリフォーム２を製作するために賦形型１の上に一層につき複数枚のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを部分的にオーバーラップさせて積層することによって図２（Ｂ）に示すような隙間２６の発生を低減又は防止する方法を説明する図である。

尚、図３（Ａ）は平面状に裁断されたシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの上面図であり、図３（Ｂ）は図３（Ａ）に示すシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを賦形型１の凸部１Ｂに合わせて折曲げた状態を示す斜視図である。

図３（Ａ）に示すように、複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃを一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが互いにオーバーラップするように裁断及び配置し、賦形型１の凸部１Ｂに形成される第１の賦形面３又は積層方向に隣接するシート状の繊維２０の上に載置することができる。

より具体的には、平面状のウェブ６を形成するための、折曲げ対象とならないシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの部分２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃの縁同士についてはオーバーラップせず、互いに突き合わせてフィットするように配置する一方、内側のフランジ７を形成するために折曲げ対象となる繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁同士については互いにオーバーラップするように配置することができる。これにより、シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの表面に平行な方向に隣接する２つの繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃが重なり、オーバーラップ領域２７が形成される。

尚、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃは、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの縁以外の内部において１本１本の繊維が長さ方向に分断されず連続的となるように製作及び裁断される。

そして、図３（Ｂ）に示すように、オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの、折曲げ対象となる一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを賦形型１の凸部１Ｂに形成される凹んだ第２の賦形面４に沿って内側のフランジ７用の折曲線２８で折曲げることによってシート状の繊維２０の積層体を構成する層を形成することができる。

そうすると、図２（Ｂ）に示すような隙間２６の発生を低減又は防止することができる。すなわち、オーバーラップさせる量を十分に大きい量に決定すれば、シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを折曲げた後も引続きオーバーラップするため、内側のフランジ７を形成する層の厚みが部分的に厚くなるものの、繊維の隙間２６を完全に塞ぐことができる。逆に、オーバーラップさせる量を小さい量に決定すれば、繊維の隙間２６が完全には閉塞されないが、隙間２６のサイズを小さくすることができる。

内側のフランジ７を形成する層の厚みを均一にしつつ、繊維の隙間２６も閉塞することが複合材に要求される品質である場合には、オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを賦形型１の凹んだ第２の賦形面４に沿って折曲げた場合に、折曲げられた複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの隣接する縁同士が互いにフィットするように、オーバーラップするように載置される複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃをサイジングすれば良い。

図３（Ａ）に示す例では、複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃを賦形型１の凹んだ第２の賦形面４に沿って折曲げた場合において、図３（Ｂ）に示すように、折曲げられたシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁同士が互いにオーバーラップせず、かつ逆Ｖ字状の隙間２６が生じないように、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの形状及びサイズが決定されている。

より具体的には、図３（Ａ）に示すように、曲率が小さい側となる外側のフランジ８全体、平面状のウェブ６の中央部分を含む一部及び曲率が大きい側となる内側のフランジ７の中央部分を含む一部を形成するための第１のシート状の繊維２０Ａ、ウェブ６の一方の端部を含む一部及び内側のフランジ７の一方の端部を含む一部を形成するための第２のシート状の繊維２０Ｂ並びにウェブ６の他方の端部を含む一部及び内側のフランジ７の他方の端部を含む一部を形成するための第３のシート状の繊維２０Ｃがそれぞれ素材として準備されている。

また、第１のシート状の繊維２０Ａ、第２のシート状の繊維２０Ｂ及び第３のシート状の繊維２０Ｃは、ウェブ６の層を形成する部分２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃの縁同士を合わせて配置すると、内側のフランジ７の層を形成する部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁同士がオーバーラップし、逆Ｖ字状のオーバーラップ領域２７が生じるようにサイジングされている。

このため、第１のシート状の繊維２０Ａ、第２のシート状の繊維２０Ｂ及び第３のシート状の繊維２０Ｃを、内側のフランジ７用の折曲線２８で折曲げると、内側のフランジ７の層を形成する部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁同士が合わさり、内側のフランジ７の層の厚みを増やすこと無く隙間２６の発生も回避することができる。尚、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃのオーバーラップ部分同士を重ねる順序は任意である。

つまり、複数のシート状の繊維２０を折曲げて山折り側から見て凹んだ曲面を形成する場合において、凹んだ曲面を形成するシート状の繊維２０に隙間が生じないように、平面状に展開した状態で複数のシート状の繊維２０に重なり部分が生じるように、複数のシート状の繊維２０をサイジング及び配置することができる。

他方、複数のシート状の繊維２０を折曲げて山折り側から見て凸状の曲面を形成する場合においても、凸状の曲面を形成する各層の厚みの均一性を向上させることを重視する場合には、シート状の繊維２０に折重なりが生じないように予め隙間を形成しておくことができる。

具体例として、図３（Ａ）に示すように外側のフランジ７用の折曲線２９において折曲げ対象となる第１のシート状の繊維２０Ａの部分２２Ａに、Ｖ字状の切込２５を設けることができる。そうすると、賦形型１の第１の賦形面３上に載置された第１のシート状の繊維２０Ａを凸状の曲面である第３の賦形面５に沿って折曲線２９で折曲げることによって、山折りされる側から見て凸状の曲面を有する外側のフランジ７の層を、第１のシート状の繊維２０Ａの折重なりを発生させることなく均一な圧さで形成することができる。

図３（Ａ）、（Ｂ）に例示されるようにシート状の繊維２０の積層体のある１つの層を、複数のシート状の繊維２０を組合せて構成する場合において、シート状の繊維２０の数を増やすと繊維の連続性がシート状の繊維２０間において失われる。従って、共通の層内において組合せられるシート状の繊維２０の数をできるだけ少なくすることが複合材の強度を向上させる観点から好ましい。

加えて、共通の層内において組合せられるシート状の繊維２０の縁の長さをできるだけ短くすることが好ましい。特に、繊維の長さ方向に平行でない縁の長さをできるだけ短くすることが複合材の強度を向上させる観点から重要である。すなわち、繊維が長さ方向に分断される原因となるシート状の繊維２０の縁の長さを最小限とすることが特に重要である。

一方、山折り側から見て凹んだ曲面を形成するシート状の繊維２０の数は、曲面を形成する繊維に過剰な張力が発生しないように適切な数とすることが重要となる。すなわち、適切な間隔でシート状の繊維２０を繋ぎ合せて山折り側から見て凹んだ曲面を形成することによって、繋ぎ合せられる複数のシート状の繊維２０を折曲げられるようにすることが重要である。曲面を形成する各シート状の繊維２０に過剰な張力が生じないようにするための、各シート状の繊維２０の適切な幅は、曲面の曲率に依存して変化する。

具体的には、曲面の曲率が大きい程、組合せられるシート状の繊維２０の数を増やして各シート状の繊維２０の幅を小さくすることが適切となり、逆に、曲面の曲率が小さい程、各シート状の繊維２０の幅を大きくすることによって組合せられるシート状の繊維２０の数を減らすことができるという関係がある。そこで、試験やシミュレーション等によって、曲面の曲率に応じた適切なシート状の繊維２０の数及び幅を決定することができる。

別の条件として、シート状の繊維２０の積層体の共通の層内において組合せられる各シート状の繊維２０を賦形型１に積層する際、共通の層内において組合せられる各シート状の繊維２０が重力により滑って落下しないようにすることが必要である。従って、オーバーラップするように賦形型１の第１の賦形面３上に載置された複数のシート状の繊維２０の一部が、賦形型１の凹んだ第２の賦形面４に沿って折曲げられた場合に、残りの一部が第１の賦形面３上に留まるように、オーバーラップさせて載置される複数のシート状の繊維２０をサイジング及び配置することが必要である。換言すれば、オーバーラップさせて載置される複数のシート状の繊維２０の一部が必ず第１の賦形面３の上方に配置されるように、オーバーラップさせて載置される複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行うことが必要である。

このため、共通の賦形型１を用いて図１に例示される形状を有するプリフォーム２を賦形する場合には、平面状のウェブ６、内側のフランジ７及び外側のフランジ８を形成するためのシート状の繊維２０を別々にサイジング及び配置して組合せることができない。

以上のように、繊維の長さ方向における連続性が失われる原因となるシート状の繊維２０間の縁の長さをできるだけ短くするという条件、過剰な繊維の張力を発生させずに、組合せられるシート状の繊維２０を折曲げて曲面を形成できるように、曲面を形成するシート状の繊維２０の、繊維の長さ方向における幅を適切な幅以下に決定するという条件並びに組合せられる複数のシート状の繊維２０の一部がいずれも第１の賦形面３の上方に配置されるという条件に従って、共通の層において組合せられる複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行うことが適切である。

例えば、図１に例示される形状を有するプリフォーム２を賦形型１を用いて製作する場合において、内側のフランジ７又は外側のフランジ８の側面に中央において接する平面に長さ方向が略平行な糸状の繊維で構成されるシート状の繊維２０を積層対象とする場合には、図３（Ａ）に示すようにある共通の層を形成する複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行うことができる。

具体的には、繊維の不連続性の原因となる繊維の長さ方向Ｌ０に概ね垂直となるシート状の繊維２０の縁の長さができるだけ短くなるように、平面状のウェブ６を形成するための、折曲げ対象とならない第２のシート状の繊維２０Ｂ及び第３のシート状の繊維２０Ｃの部分２３Ｂ、２３Ｃのサイズ及び形状が決定されている。一方、折曲げ後に山折り側から見て凹んだ曲面となる第１、第２及び第３のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの、繊維の長さ方向Ｌ０における幅は、それぞれ繊維に過剰な張力が生じないように一定の幅以下となるようにサイジングされている。

プリフォーム２は、複数のシート状の繊維２０を自動積層装置又は作業者の手作業で積層方向に積層することによって構成される。従って、過剰な繊維の張力が各層において発生しないように、層ごとに複数のシート状の繊維２０を組合せることが重要となる。

プリフォーム２の各層を形成する複数のシート状の繊維２０のオーバーラップ領域２７を層間において同じ位置となるように決定すれば、プリフォーム２の厚さの影響を無視すれば、積層対象となるシート状の繊維２０の形状及び積層位置が同一となる。このため、自動積層装置を用いたシート状の繊維２０の積層の自動化が容易となる。

但し、シート状の繊維２０のオーバーラップ領域２７を層間において同じ位置となるように決定すると、繊維が長さ方向に分断される面が生じる。すなわち、折曲げ後に組合される複数のシート状の繊維２０の縁がプリフォーム２の厚さ方向に平行な面上に配置されることになる。その結果、多数の糸状の繊維の端部が、プリフォーム２の厚さ方向に平行な面上に配置され、複合材の強度低下に繋がる。

そこで、複合材の強度低下を低減する観点から、プリフォーム２を構成するシート状の繊維２０の積層体の層間においてオーバーラップ領域２７の位置を変えることが望ましい。

図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はプリフォーム２を構成するシート状の繊維２０の積層体の層間においてオーバーラップ領域２７の位置を変えてシート状の繊維２０を積層する例を示す図である。

図４（Ａ）に示すｎ−１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃのオーバーラップ領域２７ｎ−１と、図４（Ｂ）に示すｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃのオーバーラップ領域２７ｎが、互いにずれるように、ｎ−１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ及びｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのサイジング及び配置を行うことができる。但し、ｎは２以上の整数である。

そうすると、ｎ−１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの折曲げられた部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁と、ｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの折曲げられた部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁が、同一平面上に並ぶことを回避することができる。

同様に、図４（Ｂ）に示すｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃのオーバーラップ領域２７ｎと、図４（Ｃ）に示すｎ＋１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃのオーバーラップ領域２７ｎ＋１が、互いにずれるように、ｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ及びｎ＋１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのサイジング及び配置を行うことができる。

そうすると、ｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの折曲げられた部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁と、ｎ＋１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの折曲げられた部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃの縁が、同一平面上に並ぶことを回避することができる。

その結果、多数の糸状の繊維の端部がプリフォーム２の厚さ方向に平行な面上に配置されることを回避し、複合材の強度低下を防止することができる。すなわち、プリフォーム２の内部に、繊維が分断された面が形成されることを回避することができる。

尚、複合材の強度が確保できれば、オーバーラップ領域２７を１層おきに変えずに、複数層ごとに変えるようにしてもよい。また、全ての層におけるオーバーラップ領域２７を互いにシフトさせずに、一部の層間においてオーバーラップ領域２７を互いにシフトさせるようにしても良い。

具体的として一層おき又は複数層おきに交互にオーバーラップ領域２７の位置を変えるようにしても良い。或いは、隣接する層間において一定のシフト量でオーバーラップ領域２７を順次シフトさせるようにしても良い。オーバーラップ領域２７の層間における変化のパターンを規則的にすれば、自動積層装置を用いたシート状の繊維２０の積層が容易となる。例えば、自動積層装置又は賦形型１をスライドさせるスライド機構を設けたり、複数の自動積層装置を交互に使用することによって、複数のシート状の繊維２０の一部をオーバーラップさせて自動積層すること可能となる。

また、プリフォーム２の厚さが厚い場合には、シート状の繊維２０が積層される度に曲面の曲率が変化する。このため、曲率が大きい一部の層のみを、複数のシート状の繊維２０で形成するようにしても良い。また、層間においてシート状の繊維２０の数や繊維の長さ方向における最大幅を変えても良い。

従って、プリフォーム２を構成するシート状の繊維２０の積層体の少なくとも一部の層を、複数のシート状の繊維２０を、シート状の繊維２０に平行な方向に配置することによって形成することができる。その場合においても、シート状の繊維２０の積層体の少なくとも一部の層間において、複数のシート状の繊維２０の一部が互いにオーバーラップする位置を変えることが、複合材の強度低下の抑制に繋がる。

図４（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）は繊維の長さ方向が同一である一方向材としてプリフォーム２及び複合材を製作する場合の例を示しているが、シート状の繊維２０の層間において、繊維の長さ方向を変えることもできる。繊維の長さ方向は標準化されており、繊維の配向角が０度、４５度及び９０度であるプリプレグのシート及び繊維のシートが市販されている。このため、異なる配向角を有するシート状の繊維２０を組合せてプリフォーム２及び複合材を製作することができる。

図５（Ａ）、（Ｂ）、（Ｃ）はプリフォーム２を構成するシート状の繊維２０の積層体の層間においてオーバーラップ領域２７の位置及び繊維の長さ方向の向きの双方を変えてシート状の繊維２０を積層する例を示す図である。

図５（Ａ）に示すようにｎ−１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの配向角を０度とし、繊維の長さ方向Ｌ０を内側のフランジ７又は外側のフランジ８の側面に中央において接する平面に概ね平行となるようにすることができる。そして、展開された状態において複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの一部の部分２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃがオーバーラップするように各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのサイジング及び配置を行うことができる。

この場合、図３（Ａ）に示す例と同様に、互いに突き合わせられるシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの縁のうち、繊維の長さ方向Ｌ０に平行でない方向、特に繊維の長さ方向Ｌ０に対して鈍角、すなわち４５度以上１３５度以下の角度で傾斜する方向の縁の長さをできるだけ短くすることが複合材の強度低下を抑制する観点から好ましい。このため、図３（Ａ）に例示されるように、互いに突き合わせられるシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの縁のうち、繊維の長さ方向Ｌ０に平行でない方向における縁の長さができるだけ短くなるように、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃのサイジング及び配置を行うことができる。

次に、図５（Ｂ）に示すようにｎ層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの配向角を４５度とし、繊維の長さ方向Ｌ４５を、内側のフランジ７又は外側のフランジ８の側面に中央において接する平面に概ね４５度の角度で傾斜する方向とすることができる。この場合、配向角が４５度である繊維の長さ方向Ｌ４５に平行でない方向は、配向角が０度である繊維の長さ方向Ｌ０に平行でない方向に対して４５度傾斜している。

そこで、例えば、図５（Ｂ）に示すように、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃに、できるだけ繊維の長さ方向Ｌ４５に平行な方向の縁や繊維の長さ方向Ｌ４５に対して鋭角で傾斜する方向の縁が形成されるように、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの形状を決定し、裁断することができる。

その結果、繊維が長さ方向に分断される箇所を少なくし、かつｎ−１層目における繊維の不連続部分と、ｎ層目における繊維の不連続部分が重ならないようにすることができる。

次に、図５（Ｃ）に示すようにｎ＋１層目における複数のシート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの配向角を９０度とし、繊維の長さ方向Ｌ９０を、内側のフランジ７又は外側のフランジ８の側面に中央において接する平面に概ね垂直となるようにすることができる。この場合、内側のフランジ７の曲率が極端に大きくなければ、各シート状の繊維２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃの折り曲げ方向が、繊維の長さ方向Ｌ９０と略同じ方向となるか、繊維の長さ方向Ｌ９０に対して鋭角で傾斜する方向となる。

このため、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維２０を積層することによってドライプリフォームを賦形する場合には、糸状の繊維の間隔がある程度広がることから、内側のフランジ７の曲率が極端に大きくなければ、繊維に過剰な長さ方向の張力を発生させることなくシート状の繊維２０を内側のフランジ７用の折曲線２８で折曲げることができる。換言すれば、内側のフランジ７の曲率が極端に大きくなければ、シート状の繊維２０を構成する複数の糸状の繊維をばらけさせることによって、局所的な隙間２６を発生させることなくシート状の繊維２０を内側のフランジ７用の折曲線２８で折曲げることができる。

そこで、図５（Ｃ）に示すようにｎ＋１層については複数のシート状の繊維２０に分割せずに、１枚のシート状の繊維２０で形成することができる。これにより、繊維の連続性の低下を必要最小限に留め、複合材の強度を向上させることができる。

但し、シート状の繊維２０に樹脂を含浸させた後のシート状のプリプレグを積層することによってプリプレグの積層体を賦形する場合には、樹脂に粘着力があることから、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維２０に比べて、糸状の繊維の間隔が広がり難い。このため、プリプレグの積層体を賦形する場合には、繊維の長さ方向Ｌ９０の縁及び繊維の長さ方向Ｌ９０に対して鋭角で傾斜する縁を有する複数のシート状の繊維２０を突き合わせてｎ＋１層を形成するようにしてもよい。この場合、１枚のプリプレグがウェブ６、内側のフランジ７及び外側のフランジ８の各一部のｎ＋１層を形成し、ウェブ６、内側のフランジ７及び外側のフランジ８のｎ＋１層が複数のプリプレグで形成されることになる。

繊維の配向角についても複合材に要求される強度に応じて一層ごとに変えずに、複数層ごとに変えることができる。すなわち、複数のシート状の繊維２０の積層体の少なくとも一部の層間において、繊維の長さ方向の向きを変えることができる。また、繊維の長さ方向における連続性ができるだけ維持されるように、繊維の長さ方向の向きに応じて、単一の層を形成するシート状の繊維２０の数及び形状並びにシート状の繊維２０の数を複数とする場合におけるオーバーラップ領域２７の形状及び位置を決定することができる。

特に、シート状の繊維２０を折曲げても繊維に過剰な張力が生じない層については、１枚のシート状の繊維２０で形成することが好ましい。従って、プリフォーム２を構成するシート状の繊維２０の積層体の少なくとも一部の層を、複数のシート状の繊維２０を、シート状の繊維２０に平行な方向に配置することによって形成することができる。

プリフォーム２としてドライプリフォームを製作する場合には、複数のシート状の繊維２０を賦形型１の凸部１Ｂの上に積層するのみでは十分に賦形できない場合が多い。そのような場合には、剛体の上型をシート状の繊維２０の積層体に押し付けて加圧するか、シート状の繊維２０の積層体をバギングすることによって大気圧を利用して加圧することが適切である。

また、シート状の繊維２０の積層体の内部にシート状又は粉末状のバインダを入れてドライプリフォームを賦形するようにしても良い。熱可塑性のバインダを使用してドライプリフォームの賦形を行う場合には、シート状の繊維２０の積層体が加熱装置によって加熱される。

一方、賦形されたプリプレグの積層体をプリフォーム２として製作する場合には、シート状のプリプレグを賦形型１の凸部１Ｂの上に積層するのみでも、単純な形状であれば未硬化の樹脂の粘着力と自重によってある程度賦形することが可能である。但し、複雑な形状に賦形する場合など、シート状のプリプレグを賦形型１の凸部１Ｂの上に積層するのみでは十分に賦形できない場合には、ドライプリフォームを製作する場合と同様に、上型による加圧又はバギングを行うことができる。

図６は図１に示す賦形型１を用いてシート状の繊維２０の積層体３０のバギングを伴ってプリフォーム２を製作する例を示す賦形型１の横断面図である。

樹脂を含浸させる前又は樹脂を含浸させた後のシート状の繊維２０の積層体３０のバギングを行う場合には、図６に示すように賦形型１の凸部１Ｂの上に積層されたシート状の繊維２０の積層体３０をバギングフィルム３１で覆い、バギングフィルム３１の縁をシーラント３２で賦形型１の平板１Ａに貼付けることによって、シート状の繊維２０の積層体３０を密閉することができる。

次に、バギングフィルム３１で密閉された領域を、真空装置３３で減圧することができる。尚、真空装置３３は真空ホースでバギングフィルム３１と連結しても良いし、賦形型１と連結しても良い。真空装置３３による真空引きを行うと、シート状の繊維２０の積層体３０には、大気圧と、バギングフィルム３１で密閉された領域内における圧力との差圧を負荷することができる。すなわち、シート状の繊維２０の積層体３０をバギングフィルム３１でバギングすることによって、シート状の繊維２０の積層体３０を加圧することができる。これにより、賦形されたプリフォーム２を取得することができる。

また、熱可塑性のバインダを用いてドライプリフォームの賦形を行う場合には、シート状の繊維２０の積層体３０をバインダが溶融する温度まで加熱することが必要である。そこで、例えば、加熱装置３４を賦形型１に内蔵し、熱可塑性のバインダを溶融するようにしてもよい。もちろん、バギング済みのシート状の繊維２０の積層体３０を賦形型１とともにオーブン等の独立した加熱装置３４に搬入するようにしてもよい。

図７は図１に示す賦形型１と上型４０でシート状の繊維２０の積層体３０を挟み込むことによってプリフォーム２を製作する例を示す賦形型１及び上型４０の横断面図である。

図７に示すように賦形後のプリフォーム２の形状にフィットする凹部を形成した上型４０と、下型として機能する賦形型１でシート状の繊維２０の積層体３０を挟み込むことができる。これにより、賦形されたプリフォーム２を取得することができる。

賦形型１と上型４０でシート状の繊維２０の積層体３０を挟み込む場合においても、熱可塑性のバインダを用いてドライプリフォームの賦形を行う場合には、シート状の繊維２０の積層体３０をバインダが溶融する温度まで加熱することが必要である。そこで、例えば、加熱装置３４を賦形型１及び上型４０の少なくとも一方に内蔵し、熱可塑性のバインダを溶融するようにしてもよい。もちろん、シート状の繊維２０の積層体３０を賦形型１及び上型４０とともにオーブン等の独立した加熱装置３４に搬入するようにしてもよい。

次に、上述したプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォーム２の他の形状例について説明する。

図８は本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォーム２の第２の形状例を示す斜視図である。

図８に示すように、平面状のウェブ６の一方の面に湾曲した内側のフランジ７を形成する一方、他方の面に湾曲した外側のフランジ８を形成した形状を有するプリフォーム２を製作することもできる。換言すれば、横断面が概ねＺ字型である湾曲した長尺構造を有するプリフォーム２を製作することもできる。このような形状を有するプリフォーム２も、山折りされる側から見て凸状の曲面９及び山折りされる側から見て凹んだ曲面１０を平面１１と連結した表面形状を有する。

この場合、剛体の賦形型１の凸部１Ｂには、ウェブ６を賦形するための平面を形成する第１の賦形面３と、内側のフランジ７及び外側のフランジ８をそれぞれ賦形するための凸状の曲面を形成する第２の賦形面４及び第３の賦形面５を形成することができる。また、シート状の繊維２０を凸部１Ｂの上に折曲げながら積層できるように、第１の賦形面３、第２の賦形面４及び第３の賦形面５の各法線方向を、鉛直方向及び水平方向に対して傾けることができる。

図８に示す形状を有するプリフォーム２を製作する場合においても、内側のフランジ７を形成するために１枚のシート状の繊維２０を折り曲げると、繊維の配向角によっては繊維に過剰な張力が発生する場合がある。そこで、繊維の配向角に応じて少なくとも一部の層を、複数のシート状の繊維２０で形成し、かつ平面状に展開した状態で複数のシート状の繊維２０にオーバーラップ領域２７が形成されるように複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行うことができる。

これにより、繊維の長さ方向における連続性が失われる原因となる局所的な隙間及び繊維の長さ方向に作用する過剰な張力を繊維に発生させることなくプリフォーム２を製作することができる。

図９は本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォーム２の第３の形状例を示す側面図であり、図１０は図９に示すプリフォーム２及び賦形型１の位置Ａ−Ａにおける横断面図である。

図９及び図１０に示すように、山折り側から見て凹んだ曲面状のウェブ６の一方の面に２つの平面状のフランジ５０を形成した形状を有するプリフォーム２を製作することもできる。この場合も、プリフォーム２は、湾曲した長尺構造となる。

これに対し、剛体の賦形型１の凸部１Ｂには、ウェブ６を内側から賦形するための凹んだ曲面を形成する第１の賦形面３と、両側の２つのフランジ５０を内側から賦形するための平面を形成する第２の賦形面４及び第３の賦形面５を形成することができる。そして、凹んだ曲面を形成する第１の賦形面３上にシート状の繊維２０を積層し、両側に折曲げることによって、シート状の繊維２０を第２の賦形面４及び第３の賦形面５に沿わせることができる。

図９及び図１０に示す形状を有するプリフォーム２を製作する場合においても、両側の２つのフランジ５０を形成するために１枚のシート状の繊維２０を折り曲げると、繊維の配向角によっては繊維に過剰な張力が発生する場合がある。そこで、繊維の配向角に応じて少なくとも一部の層を、複数のシート状の繊維２０で形成し、かつ第１の賦形面３に沿った曲面状に展開した状態で複数のシート状の繊維２０にオーバーラップ領域２７が形成されるように複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行うことができる。

これにより、繊維の長さ方向における連続性が失われる原因となる局所的な隙間及び繊維の長さ方向に作用する過剰な張力を繊維に発生させることなくプリフォーム２を製作することができる。

図１１は本発明の実施形態に係るプリフォーム賦形方法によって製作することが可能なプリフォーム２の第４の形状例を示す側面図であり、図１２は図１１に示すプリフォーム２及び賦形型１の位置Ｂ−Ｂにおける縦断面図である。

図１１及び図１２に示すように、山折り側から見て凹んだ曲面状の第１のパネル６０と山折り側から見て凹んだ曲面状の第２のパネル６１とを連結した形状を有するプリフォーム２を製作することもできる。

これに対し、剛体の賦形型１の凸部１Ｂには、第１のパネル６０を賦形するための凹んだ曲面を形成する第１の賦形面６２と、第２のパネル６１を賦形するための凹んだ曲面を形成する第２の賦形面６３を形成することができる。そして、凹んだ曲面を形成する第１の賦形面６２上にシート状の繊維２０を積層し、第２の賦形面６３側に折曲げることによって、シート状の繊維２０を第２の賦形面６３に沿わせることができる。

図１１及び図１２に示す形状を有するプリフォーム２を製作する場合においても、第２のパネル６１を形成するために１枚のシート状の繊維２０を折り曲げると、繊維の配向角によっては繊維に過剰な張力が発生する場合がある。そこで、繊維の配向角に応じて少なくとも一部の層を、複数のシート状の繊維２０で形成し、かつ第１の賦形面６２に沿った曲面状に展開した状態で複数のシート状の繊維２０にオーバーラップ領域２７が形成されるように複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行うことができる。

これにより、繊維の長さ方向における連続性が失われる原因となる局所的な隙間及び繊維の長さ方向に作用する過剰な張力を繊維に発生させることなくプリフォーム２を製作することができる。

以上の形状例のように、平面状の賦形面上に積層されたシート状の繊維２０を折り曲げて曲面状の賦形面に沿わせる場合、曲面状の賦形面上に積層されたシート状の繊維２０を折り曲げて平面状の賦形面に沿わせる場合、曲面状の賦形面上に積層されたシート状の繊維２０を折り曲げて曲面状の賦形面に沿わせる場合のいずれにおいても、少なくとも一部の層を形成するために、複数のシート状の繊維２０にオーバーラップ領域２７が形成されるように複数のシート状の繊維２０のサイジング及び配置を行って折り曲げる賦形方法を採用することができる。

また、プリフォーム２の形状がウェブにフランジを形成した形状である場合に限らず、プリフォーム２がパネル同士を連結した形状を有する場合や横断面がＬ字型である長尺構造を有する場合であっても、上述した賦形方法を採用することができる。

すなわち、複数のシート状の繊維２０を、少なくとも一方が曲面である第１の賦形面及び第２の賦形面を有する賦形型１の上に載置して積層する積層工程と、第１の賦形面上に載置された複数のシート状の繊維２０を第２の賦形面に沿って折曲げる折曲げ工程によって、複数の層を有する複数のシート状の繊維２０の積層体３０として賦形型１の曲面に対応する曲面を有する複合材用のプリフォーム２を製作することができる。そして、複数のシート状の繊維２０を一部が互いにオーバーラップするように第１の賦形面又は積層方向に隣接するシート状の繊維２０上に載置し、オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維２０の一部を第２の賦形面に沿って折曲げることによって複数のシート状の繊維２０の積層体３０を構成する少なくとも一部の層を形成することができる。これにより、繊維の長さ方向における連続性が失われる原因となる局所的な隙間及び繊維の長さ方向に作用する過剰な張力を繊維に発生させることなくプリフォーム２を製作することができる。

例えば、凹んだ曲面と平面を連結した形状を有する賦形型１を用いることによって、山折りされる側から見て凹んだ曲面と平面を連結した形状を有する板状のプリフォーム２を製作することができる。或いは、凹んだ曲面として第１の２次曲面又は高次曲面と、第１の２次曲面又は高次曲面と異なる第２の２次曲面又は高次曲面を連結した形状を有する賦形型１を用いれば、第１の２次曲面又は高次曲面と、第２の２次曲面又は高次曲面とを連結した形状を有する板状のプリフォーム２を製作することができる。また、第１の賦形面上に載置された複数のシート状の繊維２０を更に凸状の曲面である第３の賦形面に沿って折曲線で折曲げれば、山折りされる側から見て凸状の曲面を平面又は曲面と連結した形状を有する板状のプリフォーム２を製作することもできる。

（複合材成形方法）
次に上述した賦形方法で製作されたプリフォーム２を素材とする複合材の成形方法について説明する。以降では、上述した賦形方法で製作されたプリフォーム２を用いて図１に例示される形状を有する複合材を成形する場合を例に説明する。

プリフォーム２として、賦形されたプリプレグの積層体を製作する場合には、単独で加熱硬化しても良いし、他のプリフォームと組合せて一体的に加熱硬化するようにしてもよい。プリフォーム２として、ドライプリフォームを製作する場合においても、単独で樹脂を含浸させた後、加熱硬化しても良いし、他のプリフォームと組合せて樹脂を含浸させた後、加熱硬化しても良い。また、上述した賦形方法で製作されたプリフォーム２を他のプリフォームと組合せる場合には、必要な中間硬化を行うようにしても良い。

上述した賦形方法で製作されたプリプレグの積層体を単独で加熱硬化する場合には、図７又は図８に示すように上型４０の押し当て又はバギングによって加圧された状態のプリプレグの積層体をオーブンやオートクレーブ装置等の加熱装置３４で加熱硬化することによって複合材を成形することができる。

一方、上述した賦形方法で製作されたドライプリフォームに単独で樹脂を含浸させた後、加熱硬化する場合には、図７又は図８に示すように上型４０と賦形型１とによって挟まれた状態のドライプリフォーム又はバギングされた状態のドライプリフォームに樹脂を含浸させる工程が実施される。

図１３は、図１に示す賦形型１でプリフォーム２として賦形されたドライプリフォーム７０を用いてＶａＲＴＭ法により複合材を成形する場合の例を示す賦形型１の横断面図である。

ドライプリフォーム７０を素材としてＶａＲＴＭ法により複合材を成形する場合には、バギングフィルム３１、シーラント３２及び真空装置３３でバギングされた状態のドライプリフォーム７０に樹脂を含浸させることができる。

具体的には、樹脂注入装置７１でバギングフィルム３１で密閉された領域に未硬化の熱硬化性樹脂を注入させることができる。これにより、ドライプリフォーム７０に熱硬化性樹脂を含浸させることができる。

そして、ドライプリフォーム７０に含浸させた樹脂を、バギングによる加圧下において加熱装置３４で加熱硬化することによって、複合材を成形することができる。尚、通常、樹脂注入装置７１から吐出される樹脂は、流動性を付与するために加熱される。従って、樹脂の加熱硬化時には、樹脂の流動性を維持するための温度から、樹脂が硬化する温度まで加熱装置３４で昇温されることになる。

図１４は、図１に示す賦形型１でプリフォーム２として賦形されたドライプリフォーム７０を用いて上型４０を用いたＲＴＭ法により複合材を成形する場合の例を示す賦形型１の横断面図である。

ドライプリフォーム７０を素材として上型４０を用いたＲＴＭ法により複合材を成形する場合には、上型４０と賦形型１との間に形成される空間に配置されたドライプリフォーム７０に樹脂を含浸させることができる。具体的には、真空装置３３を作動させて上型４０と賦形型１との間に形成される領域の真空引きを行いながら、樹脂注入装置７１で上型４０と賦形型１との間に形成される領域に未硬化の熱硬化性樹脂を注入させることができる。これにより、ドライプリフォーム７０に熱硬化性樹脂を含浸させることができる。そして、ドライプリフォーム７０に含浸させた樹脂を、加熱装置３４で加熱硬化することによって、複合材を成形することができる。

（複合材）
次に上述した成形方法で製作される複合材の構造について説明する。

上述した成形方法で製作される複合材は、繊維で強化された樹脂層の積層体からなり、かつ折曲げられた形状を有する板状の複合材となる。例えば、複合材の形状は、図１及び図８乃至図１０を参照して説明した第１、第２及び第３の形状例のように、平板状の第１の板状部分と、山折り側から見て凹んだ曲面状の第２の板状部分を連結した形状となる。或いは、図１１及び図１２を参照して説明した第４の形状例のように、山折り側から見て凹んだ曲面状の第１の板状部分と、山折り側から見て凹んだ曲面状の第２の板状部分を連結した形状となる場合もある。

また、第１の板状部分及び第２の板状部分の一方を構成する複数の樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層は、シート状の繊維２０の縁を突き合わせることによって製作されている。従って、繊維の配向角によっては、第１の板状部分及び第２の板状部分の一方を構成する複数の樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の糸状の繊維であって共通の第１の樹脂層に含まれる全ての複数の糸状の繊維が第１の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている複合材となる場合がある。

一方、第１の板状部分及び第２の板状部分の他方を構成する複数の樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層についても、シート状の繊維２０の縁を突き合わせることによって製作されている。従って、繊維の配向角によっては、第１の板状部分及び第２の板状部分の他方を構成する複数の樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の糸状の繊維であって、第１の樹脂層と縁がフィットしている共通の第２の樹脂層に含まれる複数の繊維が部分的に、第１の直線又は曲線と端部において連結する第２の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている複合材となる場合がある。

（航空機構造体）
次に上述した複合材で構成される航空機構造体の例について説明する。

図１５は、図１に示す賦形型１で製作されたプリフォーム２を用いて製作することが可能な複合材構造体の一例を示す側面図であり、図１６は図１５に示す複合材構造体の位置Ｃ−Ｃにおける横断面図である。

図１５及び図１６に示すように図１に示す形状を有する複合材８０と、図１に示す形状を有する複合材８０と面対称な形状を有する複合材８１を、ウェブ６同士を貼り合せた状態で２枚の湾曲した板状の複合材８２、８３の間に配置することができる。また、平板状の複合材８２、８３と、互いに面対称な２つの複合材８０、８１との間に形成される２個所の隙間を複合材で構成されるフィラー８４で充填することができる。

そうすると、横断面がＩ字型であり、長さ方向に湾曲したフレーム、桁（スパー）、小骨（リブ）又は縦通材（ストリンガ）等の補強材８５を航空機構造体として製作することができる。もちろん、横断面がＩ字型以外の湾曲した補強材についても同様に航空機構造体として製作することができる。すなわち、上述した成形方法で製作された複合材を用いて航空機用の複合材構造体を製作することができる。

また、図１５及び図１６に示す例において、板状の複合材８２、８３を上面パネル及び下面パネルに代えれば、上面パネルと下面パネルを補強材で連結した複合材構造体を、航空機構造体として製作することもできる。

別の例として、上述した成形方法で製作される複合材が、横断面の形状がＬ字型の湾曲した長尺構造を有する複合材や、横断面の形状がＺ型の湾曲した長尺構造を有する複合材であれば、他の複合材と組合せることなく湾曲した補強材として用いることもできる。また、横断面の形状がＬ字型の湾曲した長尺構造を有する互いに面対称な２つの複合材を突き合わせれば、横断面の形状が逆Ｔ字型の湾曲した長尺構造を有する補強材を製作することもできる。

更に、補強材に限らず、図１１及び図１２に例示されるように湾曲した第１のパネル６０と湾曲した第２のパネル６１とを連結した形状を有するプリフォーム２を加熱硬化すれば、航空機構造体として段付パネルや部分的にテーパするパネルを製作することもできる。

尚、上述した成形方法で製作される複合材を他の複合材と組合せることによって複合材構造体を製作する場合には、上述した成形方法で製作される複合材の加熱硬化前又は加熱硬化後において他の複合材と組合せることができる。すなわち、複数の複合材をそれぞれ加熱硬化して成形した後に複数の複合材を接着剤で接着するようにしても良いし、加熱硬化前における複合材を組合せて接着と硬化を同時に行うコキュアを実施するようにしても良い。

また、上述した成形方法で製作される複合材を他の複合材と組合せることによって複合材構造体を製作する場合には、少なくとも一部の繊維の長さ方向が異なる他の複合材と組合せることによって、上述した成形方法で製作される複合材の強度を補強することができる。この場合、多数の糸状の繊維の端部が同一面上に配置され、複合材の強度が低下したとしても、組合せられる他の複合材によって強度を補うことができる。このため、上述した成形方法で繊維の長さ方向を一様とする一方向材として複合材を成形する場合において、シート状の繊維２０のオーバーラップ領域２７を層間において同じ位置に配置しても他の複合材によって強度を確保することが可能となる。この場合、自動積層装置によるシート状の繊維２０の積層の自動化も容易となる。

（効果）
以上のようなプリフォーム賦形方法及び複合材成形方法によれば、少なくとも一方が大きな曲率で湾曲している板状の部分を連結した形状を有するプリフォーム２及び複合材であっても、繊維に過剰な張力や局所的な隙間を発生させることなく賦形及び成形することができる。その結果、複合材の強度低下を軽減させることができる。逆に、従来は強度が確保できないことから製作が困難であった、大きな曲率で湾曲する複合材であっても製作することが可能となる。

（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 賦形型
１Ａ 平板
１Ｂ 凸部
２ プリフォーム
３、４、５ 賦形面
６ ウェブ
７、８ フランジ
９、１０ 曲面
１１ 平面
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ シート状の繊維
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ 内側のフランジを形成するシート状の繊維の部分
２２、２２Ａ 外側のフランジを形成するシート状の繊維の部分
２３、２３Ａ、２３Ｂ、２３Ｃ ウェブを形成するシート状の繊維の部分
２４、２５ 切込
２６ 隙間
２７ オーバーラップ領域
２８、２９ 折曲線
３０ 繊維の積層体
３１ バギングフィルム
３２ シーラント
３３ 真空装置
３４ 加熱装置
４０ 上型
５０ フランジ
６０、６１ パネル
６２、６３ 賦形面
７０ ドライプリフォーム
７１ 樹脂注入装置
８０、８１、８２、８３ 複合材
８４ フィラー
８５ 補強材

Claims (15)

1. 熱硬化性樹脂を含浸させる前又は前記熱硬化性樹脂を含浸させた後の複数のシート状の繊維を、上面として形成される第１の賦形面及び凹んだ曲面として側面側に形成される第２の賦形面を有する賦形型の上に載置して積層するステップと、
   前記第１の賦形面上に載置された前記複数のシート状の繊維を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって複数の層を有する前記複数のシート状の繊維の積層体として前記賦形型の曲面に対応する曲面を有する複合材用のプリフォームを製作するステップと、
   を有し、
   複数のシート状の繊維を一部が互いにオーバーラップし、かつ互いに突き合わせてフィットするように配置される縁が前記第１の賦形面又は積層方向に隣接する前記シート状の繊維の上において前記第２の賦形面の曲率半径方向に平行とならないように前記第１の賦形面又は積層方向に隣接する前記シート状の繊維の上に載置し、前記オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維の一部を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって前記積層体を構成する少なくとも一部の層を形成するプリフォーム賦形方法。
2. 熱硬化性樹脂を含浸させる前又は前記熱硬化性樹脂を含浸させた後の複数のシート状の繊維を、少なくとも一方が曲面である第１の賦形面及び第２の賦形面を有する賦形型の上に載置して積層するステップと、
   前記第１の賦形面上に載置された前記複数のシート状の繊維を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって複数の層を有する前記複数のシート状の繊維の積層体として前記賦形型の曲面に対応する曲面を有する複合材用のプリフォームを製作するステップと、
   を有し、
   複数のシート状の繊維を一部が互いにオーバーラップするように前記第１の賦形面又は積層方向に隣接する前記シート状の繊維の上に載置し、前記オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維の一部を前記第２の賦形面に沿って折曲げることによって前記積層体を構成する少なくとも一部の層を形成し、更に
   前記積層体の少なくとも一部の層間において繊維の長さ方向の向きを変え、かつ繊維の長さ方向が異なる前記積層体の層間において、前記オーバーラップさせる前記複数のシート状の繊維の形状を前記繊維の長さ方向に応じた異なる形状とすることによって、前記繊維の長さ方向が異なる前記積層体の層間において、前記複数のシート状の繊維の一部が互いにオーバーラップする位置を変えるプリフォーム賦形方法。
3. 前記オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維の一部を前記第２の賦形面に沿って折曲げた場合に、折曲げられた前記複数のシート状の繊維の一部の隣接する縁同士が互いにフィットするように、前記オーバーラップするように載置される複数のシート状の繊維をサイジングする請求項１又は２記載のプリフォーム賦形方法。
4. 前記オーバーラップするように載置された複数のシート状の繊維の一部が前記第２の賦形面に沿って折曲げられた場合に、残りの一部が前記第１の賦形面上に留まるように、前記オーバーラップさせて載置される複数のシート状の繊維をサイジングする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
5. 前記積層体の少なくとも一部の層間であって前記繊維の長さ方向が同一である層間において、前記複数のシート状の繊維の一部が互いにオーバーラップする位置を変える請求項１乃至４のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
6. 前記繊維の長さ方向が異なる前記積層体の層間において、前記オーバーラップさせる前記複数のシート状の繊維の数を前記繊維の長さ方向に応じた異なる数とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
7. 前記曲面と平面を連結した形状を有する前記賦形型を用いることによって、山折りされる側から見て凹んだ曲面と平面を連結した形状を有する板状のプリフォームを製作する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
8. 前記曲面として第１の２次曲面又は高次曲面と、前記第１の２次曲面又は高次曲面と異なる第２の２次曲面又は高次曲面を連結した形状を有する前記賦形型を用いることによって、前記第１の２次曲面又は高次曲面と、前記第２の２次曲面又は高次曲面とを連結した形状を有する板状のプリフォームを製作する請求項１乃至６のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
9. 更に凸状の曲面である第３の賦形面を有する前記賦形型を用いて、前記第１の賦形面上に載置された前記複数のシート状の繊維を前記第３の賦形面に沿って折曲げることによって、山折りされる側から見て凸状の曲面を平面又は曲面と連結した形状を有する板状のプリフォームを製作する請求項１乃至８のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
10. 前記プリフォームとしてドライプリフォーム又は賦形されたプリプレグの積層体を製作する請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法。
11. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法によってドライプリフォームを製作するステップと、
    前記ドライプリフォームに前記熱硬化性樹脂を含浸させて加熱硬化することによって、前記複合材を成形するステップと、
    を有する複合材成形方法。
12. 請求項１乃至９のいずれか１項に記載のプリフォーム賦形方法によって、賦形されたプリプレグの積層体を製作するステップと、
    前記賦形されたプリプレグの積層体を加熱硬化することによって、前記複合材を成形するステップと、
    を有する複合材成形方法。
13. 前記複合材の前記加熱硬化前又は前記加熱硬化後において、少なくとも一部の繊維の長さ方向が異なる他の複合材と組合せることによって複合材構造体を製作するステップを有する請求項１１又は１２記載の複合材成形方法。
14. 繊維で強化された樹脂層の積層体からなり、かつ折曲げられた形状を有する板状の複合材であって、
    平板状の第１の板状部分と、山折り側から見て凹んだ曲面状の第２の板状部分を連結した形状を有し、
    前記第２の板状部分を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって共通の第１の樹脂層に含まれる全ての複数の繊維が第１の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている一方、前記第１の板状部分を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって、前記第１の樹脂層と縁がフィットしている共通の第２の樹脂層に含まれる複数の繊維が部分的に、前記第１の直線又は曲線と端部において連結する第２の直線又は曲線であって、前記第２の板状部分の曲率半径方向に平行でない前記第２の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている複合材。
15. 少なくとも一部の樹脂層間において長さ方向が異なる繊維で強化された樹脂層の積層体からなり、かつ折曲げられた形状を有する板状の複合材であって、
    平板状の第１の板状部分と、山折り側から見て凹んだ曲面状の第２の板状部分を連結した形状を有し、
    前記第１の板状部分及び前記第２の板状部分の一方を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって共通の第１の樹脂層に含まれる全ての複数の繊維が第１の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されている一方、前記第１の板状部分及び前記第２の板状部分の他方を構成する複数の前記樹脂層のうちの少なくとも一部の樹脂層を強化する複数の繊維であって、前記第１の樹脂層と縁がフィットしている共通の第２の樹脂層に含まれる複数の繊維が部分的に、前記第１の直線又は曲線と端部において連結する第２の直線又は曲線に沿って長さ方向に分断されており、かつ
    繊維の長さ方向が異なる樹脂層間において、前記第１の直線又は曲線と前記第２の直線又は曲線を連結した形状が、前記繊維の長さ方向に応じた異なる形状となっている複合材。

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