JP6722369B2 - ハニカムサンドイッチ複合材の成形方法 - Google Patents

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Description

本発明は、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）で被覆したハニカムサンドイッチ複合材の成形技術に関し、特に、特徴ある治具を用いる成形技術に関する。
軽くて強度のある航空機や自動車などの材料としてハニカムサンドイッチ複合材がある。ハニカムサンドイッチ複合材はハニカム構造のコアの上下両面をＦＲＰで被覆するものである（特許文献1参照）。
一般的なハニカムサンドイッチ複合材の成形方法について簡単に説明する。略水平の治具の上に治具形状に沿って下部表皮となる第２プリプレグ積層体を載置する。次に第２プリプレグ積層体上にハニカムコアを配置し、さらに、ハニカムコア形状に馴染むように、上部表皮となる第１プリプレグ積層体を載置して、ハニカムコアを被覆する。このときホットドレープ装置を用いて賦形してもよい。
なお、プリプレグ積層体はプリプレグシートを複数枚積層させたものである。プリプレグシートは、炭素繊維等の補強材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたものでありシート状に形成されている。
さらに、賦形されたハニカムサンドイッチ複合材を治具とともにバギングし、オートクレーブ装置に搬送し、加熱・加圧する。これにより樹脂が硬化しハニカムサンドイッチ複合材が成形される。
特開2013-001006号公報 特開2014-125285号公報
一般的なハニカムサンドイッチ複合材の成形方法において、賦形工程にホットドレープ装置を用いたり、硬化工程にオートクレーブ装置を用いたりしても、手作業も適宜必要になり、手間・コスト・時間を要するとともに、作業者の違いにより、形状精度のバラツキが大きかった。
特に賦形工程において、プリプレグ積層体をハニカムコア形状に馴染ませる際に、皺や浮きが発生しやすい。また、硬化工程においてハニカムコア側面が破損しやすい。
そのため、このような不具合が発生しないように対策が必要になる。特許文献１においてもいくつかの対策が示されている。
ところで、特許文献２には、プリプレグシートを自動積層して積層体を形成する積層装置を含むFRP成形システムが提案されている。
しかしながら、積層装置のみが自動化されても、賦形工程や硬化工程に多くの手間を要する場合、システム全体として十分に機能しない。賦形工程や硬化工程の簡素化が望まれている。
本願発明は上記課題を解決するものであり、簡易なハニカムサンドイッチ複合材の成形技術を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明は、ハニカムコアと、ハニカムコア下面に設けられた繊維強化プラスチック下部と、ハニカムコア上面に設けられた繊維強化プラスチック上部とからなるハニカムサンドイッチ複合材の成形方法のうち、賦形工程である。ハニカムコアの上下反転形状に対応する凹型を有する治具を設置し、前記治具に、前記繊維強化プラスチック上部となる第１プリプレグシート積層体を前記凹型に対応するように載置し、前記第１プリプレグシートが載置された治具に、ホットドレープ装置を設置し、ホットドレープ装置により第１プリプレグシート積層体を前記凹型に対応する形状に賦形し、前記ホットドレープ装置を撤去し、前記凹型に対応する形状に賦形された前記第１プリプレグシート積層体の凹型に上下反転状態のハニカムコアを配置し、前記ハニカムコアが配置された前記第１プリプレグシート積層体に、前記繊維強化プラスチック下部となる第２プリプレグシート積層体を載置する。
上記工程により、簡易にハニカムサンドイッチ複合材を賦形できる。さらに、賦形工程の自動化を図ることができる。
上記課題を解決する本発明は、上記賦形工程を経た硬化工程であって、未硬化のハニカムサンドイッチ複合材を脱型せずに、前記治具とともにオートクレーブ装置に搬送し、オートクレーブ装置により高温高圧を加えて硬化させ、硬化後、前記治具より脱型するとともに、ハニカムサンドイッチ複合材を上下反転させる。
上記工程により、簡易にハニカムサンドイッチ複合材を硬化できる。さらに、硬化工程の自動化を図ることができる。
また、賦形工程から硬化工程へ引き渡される際、脱型しないため、未硬化のハニカムサンドイッチ複合材が変形することがない。
上記課題を解決する本発明は、ハニカムコアと、ハニカムコア下面に設けられた繊維強化プラスチック下部と、ハニカムコア上面に設けられた繊維強化プラスチック上部とからなるハニカムサンドイッチ複合材の成形方法のうち、硬化工程であって、ハニカムコアの上下反転形状に対応する凹型を有する治具を設置し、賦形され、上下反転状態のハニカムサンドイッチ複合材を凹型に配置し、未硬化のハニカムサンドイッチ複合材を前記治具とともにオートクレーブ装置に搬送し、オートクレーブ装置により高温高圧を加えて硬化させ、硬化後、前記治具より脱型するとともに、ハニカムサンドイッチ複合材を上下反転させる。
上記工程により、簡易にハニカムサンドイッチ複合材を硬化できる。さらに、硬化工程の自動化を図ることができる。
上記発明において、好ましくは、前記オートクレーブ装置による硬化において、前記繊維強化プラスチック下部下面に対応するように、カウルプレートが設置されている。
これにより、内面表面精度が向上するとともに、外側表面精度が維持される。
上記課題を解決する本発明は、上記賦形工程に用いる凹型を有する治具である。
上記課題を解決する本発明は、上記硬化工程に用いる凹型を有する治具である。
上記発明において、好ましくは、前記凹型の内寸は、前記ハニカムコア外寸および前記第１プリプレグシートの厚さの合計以下である。
これにより、上記硬化工程時の加圧不足を補い、空隙発生を抑制できる。
本発明のハニカムサンドイッチ複合材の成形技術は簡易である。その結果、作業員による手作業を省き、自動化を図ることができる。
全体概要 賦形工程フロー 賦形工程フロー 賦形工程フロー 加熱・減圧プロファイル例 硬化工程フロー 硬化工程フロー 作業工程フロー抜粋 効果の説明（従来例との比較） 効果の説明（従来例との比較） 効果の説明（比較例との比較） 効果の説明（従来例との比較） 効果の説明（従来例との比較） 変形例 変形例
〜全体システム構成〜
図１は、FRP成形に係る全体システムの概念図である。全体システムは裁断装置１と剥離装置２と、積層装置３と、ホットドレープ装置４、およびオートクレーブ装置５から構成されている。
プリプレグシートは炭素繊維等の補強材に未硬化の樹脂を含浸させシート状に形成したものである。裁断装置１は、プリプレグシートを必要な寸法、形状に裁断する。
未硬化のプリプレグシートは粘性を有する。そのため、プリプレグシートには両面に保護シートが貼られている。剥離装置２は裁断後のプリプレグシートから保護シートを剥離する。
保護シートが剥がされたプリプレグシートが順次、積層装置３に引き渡される。自動積層装置３は、プリプレグシートを載置台上に1枚ずつ順次積層し、積層体を形成する。
積層体は、ホットドレープ装置４に引き渡される。ホットドレープ装置４は型の形状に合う形状に積層体を賦形する。本発明は賦形工程にかかるものであり、後で詳述する。
賦形後の積層体は、型と一緒にバギングされ、オートクレーブ装置５に引き渡される。オートクレーブ装置５はバギングされた積層体を加熱・加圧する。これにより硬化したFRPの部品が作製される。本発明は効果工程にかかるものであり、後で詳述する。
裁断装置１、剥離装置２、積層装置３、ホットドレープ装置４、オートクレーブ装置５の自動化を図ることにより、全体システムの自動化を図ることができる。
なお、本発明は、全体システムに拘束されず、賦形工程のみ、硬化工程のみ、または賦形工程と効果工程との組み合わせでも成り立つ。
〜構成〜
ハニカムサンドイッチ複合材３０は、ハニカムコア２０と、ハニカムコア下面に設けられた繊維強化プラスチック下部と、ハニカムコア上面に設けられた繊維強化プラスチック上部とからなる。なお、第１プリプレグシート積層体２１は、繊維強化プラスチック上部となる。第２プリプレグシート積層体２２は、繊維強化プラスチック下部となる。
なお、ハニカムコア３０は、上下方向からの力には強く、側面方向からの力に弱い。そのため、一般的に、側面を傾斜させ、側面方向からの力を直接受けないようにしている。説明の便宜上、短辺側を上とし、長辺側を下とする。
賦形工程または／および硬化工程で用いられる治具１０は、ハニカムコアの上下反転形状に対応する凹型１１を有する。すなわち、凹型１１は上側が広く、下側が狭い。
〜賦形工程〜
ハニカムサンドイッチ複合材３０の成形技術のうち賦形工程について説明する。図２〜図４は賦形工程に係る動作フローである。
まず、治具１０を設置する。このとき、塗装の代替となるフィルムを凹型１１に密着させて配置しておいてもよい。さらに、略水平形状の第１プリプレグシート積層体２１を治具の凹型１１を覆うように載置する（S11）。
第１プリプレグシート積層体２１が載置された状態での治具１１に、ホットドレープ装置４を設置する（S12）。ホットドレープ装置４として、一般的な装置を用いることができる。ホットドレープ装置４により密閉空間が形成される。ホットドレープ装置４は、ラバーシートを有する。
ホットドレープ装置４により、真空引きをしながら加熱する。ラバーシートと第１プリプレグシート積層体２１が形成する空間が徐々に減少し、ラバーシートが第１プリプレグシート積層体２１に密着する（S13）。
さらに、ホットドレープ装置４による真空引きと加熱状態を継続する。第１プリプレグシート積層体２１と治具凹型１１が形成する空間が徐々に減少し、第１プリプレグシート積層体２１が治具凹型１１に密着するように変形する。ラバーシートは第１プリプレグシート積層体２１の変形に従動する。真空引きを継続しながら、加熱を冷却に変更する（S14）。第１プリプレグシート積層体２１は凹型１１に対応する形状に賦形される。
冷却後、真空引きを停止し、大気を解放する。さらに、ホットドレープ装置４を撤去する（S15）。
第１プリプレグシート積層体２１の凹型に上下反転状態のハニカムコア２０を配置する（S16）。第１プリプレグシート積層体２１の外縁は、平面視、ハニカムコア２０を囲む。
なお、ハニカムコア２０の上下に接着剤を設けてもよい。さらに、第１プリプレグシート積層体側の接着剤は、第１プリプレグシート積層体凹型賦形前（たとえばS11）に設けておくと、工程が簡素化される。
第１プリプレグシート積層体２１外縁およびハニカムコア２０下面（上下反転形状態）に略水平形状の第２プリプレグシート積層体２２を載置する（S17）。さらに、フィルムを載置してもよい。
これにより、賦形工程は完了する（S18）。
さらに、上記賦形工程が、このまま硬化工程に引き渡されることが好ましい(詳細後述)。
図５はホットドレープ装置４の加熱・減圧プロファイル例である。一般例では、加熱開始後、真空引きを開始し、真空引きを停止後、冷却を開始することが多い。
これに対して、実施例では、真空引きをしながら加熱し（S13）、真空引きと加熱状態を継続し、さらに、真空引きを継続しながら、加熱を冷却に変更する（S14）。冷却後、真空引きを停止する（S15）。
〜硬化工程〜
ハニカムサンドイッチ複合材３０の成形技術のうち硬化工程について説明する。硬化工程は上記賦形工程から引き渡されることが好ましいが、上記賦形工程以外により賦形されていてもよい。図６〜図７は賦形工程に係る動作フローである。
上記賦形工程から引き渡される場合、未硬化のハニカムサンドイッチ複合材３０を治具より脱型しない。既に、上下反転状態のハニカムサンドイッチ複合材３０は治具１０の凹型１１に配置されている。上記賦形工程以外により賦形された場合、上下反転状態のハニカムサンドイッチ複合材３０を治具１０の凹型１１に配置する。
さらに、バックパック１６により覆い真空引きし、密閉する（S21）。ハニカムサンドイッチ複合材３０とバックパック１６の間に離形フィルムやカウルプレート１７やブリーザーを介挿してもよい。一連の動作をバギングという。
バギングされたハニカムサンドイッチ複合材３０を治具とともにオートクレーブ装置５に搬送する（S22）。
オートクレーブ装置５により高温高圧を加えて樹脂を硬化させる（S23）。その後、オートクレーブ装置５により除圧および冷却する（S24）。
硬化後、オートクレーブ装置５より搬出し、ハニカムサンドイッチ複合材３０を治具１０より脱型する（S25）。
さらに、ハニカムサンドイッチ複合材３０を上下反転させる（S26）。これにより、硬化工程は完了する。ハニカムサンドイッチ複合材３０が成形される。
〜工程抜粋〜
図８は、上記賦形工程および上記硬化工程の一連の作業工程のうち、要部を抜粋したフローである。途中経過状態を斜視図で示す。また、複数の凹型が配設されている。
S15は、ホットドレープ装置４により、第１プリプレグシート積層体２１を凹型に賦形した状態である。
S16は、第１プリプレグシート積層体２１の凹型に上下反転状態のハニカムコア２０を配置した状態である。ハニカムコア下面（上下反転形状態）に接着剤を設けてある。
S17は、第２プリプレグシート積層体２２を載置した状態である。賦形工程は完了し、このまま硬化工程に引き渡される。
S26は、オートクレーブ装置５による硬化工程が完了し、ハニカムサンドイッチ複合材３０が上下反転された状態である。
〜効果の検討〜
従来例や比較例と比較しながら、本実施形態の効果について検討する。図９〜１３にて対比する。
図９は、本実施形態の賦形工程に係る効果を説明する図である。
従来例においては、第１プリプレグシート積層体をハニカムコアに載置する際に、略水平形状の第１プリプレグ積層体をハニカムコア形状に馴染ませる必要があった。この作業は熟練した作業員の手作業により行われていた。その結果、当該作業を自動化するのが困難であった。
これに対し、本実施形態の賦形工程では、略水平形状の第１プリプレグシート積層体２１を治具１０の凹型１１を覆うように載置する（S11）。この動作は比較的容易（手作業により馴染ませる必要がない）であり、ピックアンドプレース方式の積載装置により自動化できる。
なお、第１プリプレグシート積層体２１の賦形はホットドレープ装置４により行われる（S14）。すなわち、一連の工程を自動化できる。
図１０は、本実施形態の賦形工程に係る別の効果を説明する図である。
従来例においては、略水平形状の第１プリプレグ積層体をハニカムコア形状に馴染ませる際、ハニカムコア肩部付近において第１プリプレグ積層体が集まり、収縮しきれず、皺や浮きが発生するおそれがあった。作業員の熟練度により、品質にバラツキが生じていた。
これに対し、本実施形態の賦形工程では、第１プリプレグシート積層体２１の賦形はホットドレープ装置４により行われる（S14）。このとき、ハニカムコア肩部付近において第１プリプレグ積層体２１は引き延ばされるため、皺や浮きが発生しにくい。これにより高品質を確保できる。さらに、自動化により、バラツキなく高品質を維持できる。
また、ホットドレープ装置４において、あらかじめ真空引きをしながら加熱することにより、さらに皺や浮きの発生を抑止できる。
図１１は、本実施形態において賦形工程から硬化工程に引き渡されることによる効果を説明する図である。
本実施形態の賦形工程により賦形した未硬化のハニカムサンドイッチ複合材を脱型し上下反転させ、従来例の硬化工程を用いる例を比較例とする。
比較例では、未硬化の状態で脱型し、反転させるため、ハニカムサンドイッチ複合材が大きく変形するおそれがある。すなわち、形状精度を確保できない。
これに対し、本実施形態の賦形工程から、脱型せずに、本実施形態の硬化工程に引き渡されれば、脱型により変形することがない。すなわち、脱型および反転は、硬化完了後である（S25）（S26）。これにより高品質な形状精度を確保できる。
ところで、本実施形態の賦形工程から、脱型せずに、本実施形態の硬化工程に引き渡されると、硬化工程において加圧不足となり、ハニカムサンドイッチ複合材３０内部に空隙が生じるおそれがある。
これに対し、本実施形態では、治具１０の凹型１１内寸が、ハニカムコア２０外寸および第１プリプレグシート２１の厚さの合計以下とする。寸法を工夫することにより、加圧不足を補い、空隙発生を抑制できる。
図１２は、本実施形態の硬化工程に係る効果を説明する図である。
ハニカムコアは、上下方向からの力には強く、側面方向からの力に弱い。従来例においては硬化工程において高圧が作用すると、側面が大きく変形し損傷するおそれがあり、これに対する対策が必要であった。
これに対し、本実施形態の硬化工程では、上方向からの加圧のみ（すなわち側面から圧力が作用しない）であり、硬化工程における高圧による変形および損傷を抑制できる（S23）。
図１３は、本実施形態の硬化工程に係る別の効果を説明する図である。
従来例においては、ハニカムサンドイッチ複合体内側に圧力が作用するため、内側表面精度が劣っていた。そのため、ハニカムサンドイッチ複合体内面に各種部品を取り付ける際、取り合い精度が劣っていた。
これに対し、本実施形態の硬化工程（および賦形工程）では、ハニカムサンドイッチ複合体３０内面は治具凹型形状により規定される。これにより、内面表面精度が向上する。その結果、ハニカムサンドイッチ複合体内面３０に各種部品を取り付ける際の取り合い精度が向上する。
一方で、本実施形態では、ハニカムサンドイッチ複合体３０外側に圧力が作用する(S23)。これに対し、本実施形態では、カウルプレート１７により、ハニカムサンドイッチ複合体３０外面形状が規定される。これにより外側表面精度が維持される。
以上の効果をまとめる。本実施形態では、簡易にハニカムサンドイッチ複合材を成形できる。すなわち、従来例に比べて、手間や時間やコストを低減できる。作業員による手作業を省ける。
また、従来例に比べて、成形精度が向上するとともに、品質のバラツキが低減される。さらに、一連の工程は自動化可能であり、自動化により上記効果はさらに向上する。
〜変形例〜
本願発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本願発明の技術思想の範囲で種々の変形が可能である。
図１４は、変形例に係る成形方法とその成形品（部分断面斜視図）を示す図である。
上記実施形態では、ハニカムサンドイッチ複合材３０の上面および下面は略水平であり、これに対応して、治具１０、凹型１１、カウルプレート１７、ハニカムコア２０も略水平面を有している（図２等参照）。
これに対し変形例では、ハニカムサンドイッチ複合材３０下面側にわずかに膨らむような曲面を有する。これに対応して、治具、凹型、カウルプレート、ハニカムコアも曲面を有している。これ以外は共通であり、変形例においても本願発明と同様な効果が得られる。
図１５は、別の変形例に係る成形方法を示す図である。
ハニカムコアは、上下方向からの力には強く、側面方向からの力に弱い。そのため、一般的に、側面を傾斜させ、側面方向からの力を直接受けないようにしている。上記実施形態においても、側面傾斜を有するハニカムコアを前提に説明している。
しかしながら、上記実施形態の効果で説明したように、上記実施形態の硬化工程では、側面から圧力が作用しない。したがって、変形例のように側面傾斜を有しないハニカムコアにも対応できる。治具の凹型もハニカムコア形状に対応し、側面傾斜を有しない。
１ 裁断装置
２ 剥離装置
３ 積層装置
４ ホットドレープ装置
５ オートクレーブ装置
１０ 治具
１１ 凹型
１１ 凹型
１６ バックパック
１７ カウルプレート
２０ ハニカムコア
２１ 第１プリプレグシート積層体
２２ 第２プリプレグシート積層体
３０ ハニカムサンドイッチ複合体

Claims (4)

  1. 傾斜する側面を有するハニカムコアと、ハニカムコア下面に設けられた繊維強化プラスチック下部と、前記ハニカムコア下面より小さいハニカムコア上面に設けられた繊維強化プラスチック上部とからなるハニカムサンドイッチ複合材の成形方法のうち、賦形工程であって、
    ハニカムコアの上下反転形状に対応する凹型を有する治具を設置し、
    前記治具に、前記繊維強化プラスチック上部となる第１プリプレグシート積層体を前記凹型に対応するように載置し、
    前記第１プリプレグシートが載置された治具に、ホットドレープ装置を設置し、
    ホットドレープ装置により第１プリプレグシート積層体を前記凹型に対応する形状に賦形し、
    前記ホットドレープ装置を撤去し、
    前記凹型に対応する形状に賦形された前記第１プリプレグシート積層体の凹型に上下反転状態のハニカムコアを配置し、
    前記ハニカムコアが配置された前記第１プリプレグシート積層体に、前記繊維強化プラスチック下部となる第２プリプレグシート積層体を載置する
    ことを特徴とするハニカムサンドイッチ複合材の成形方法。
  2. 請求項１記載の賦形工程を経た硬化工程であって、
    未硬化のハニカムサンドイッチ複合材を脱型せずに、前記治具とともにオートクレーブ装置に搬送し、
    オートクレーブ装置により高温高圧を加えて硬化させ、
    硬化後、前記治具より脱型するとともに、ハニカムサンドイッチ複合材を上下反転させる
    ことを特徴とする請求項１記載のハニカムサンドイッチ複合材の成形方法。
  3. 傾斜する側面を有するハニカムコアと、ハニカムコア下面に設けられた繊維強化プラスチック下部と、前記ハニカムコア下面より小さいハニカムコア上面に設けられた繊維強化プラスチック上部とからなるハニカムサンドイッチ複合材の成形方法のうち、硬化工程であって、
    ハニカムコアの上下反転形状に対応する凹型を有する治具を設置し、
    賦形され、上下反転状態のハニカムサンドイッチ複合材を凹型に配置し、
    未硬化のハニカムサンドイッチ複合材を前記治具とともにオートクレーブ装置に搬送し、
    オートクレーブ装置により高温高圧を加えて硬化させ、
    硬化後、前記治具より脱型するとともに、ハニカムサンドイッチ複合材を上下反転させる
    ことを特徴とするハニカムサンドイッチ複合材の成形方法。
  4. 前記オートクレーブ装置による硬化において、
    前記繊維強化プラスチック下部下面に対応するように、カウルプレートが設置されている
    ことを特徴とする請求項２または３記載のハニカムサンドイッチ複合材の成形方法。
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