JP6758385B2 - 繊維強化樹脂成形品の製造方法 - Google Patents
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Description
VaRTM法では、金型に繊維基材を配置してバッグ用フィルムで覆い、バッグ用フィルムと金型との間に形成されたキャビティ内を減圧させる。これにより、キャビティ内と大気との圧力差によりキャビティ内に樹脂を注入することで、繊維基材に樹脂を含浸させる(例えば、特許文献1)。
繊維基材に均一に樹脂を含浸させて安定した品質の繊維強化樹脂成形品を得るため、キャビティ内に注入された樹脂を繊維基材の全体に含浸させることがVaRTM法においては重要である。
特許文献1によると、キャビティ内に注入された樹脂を注入側のスパイラルチューブおよびブリーザーにより繊維基材の全体に分散させて、脱気側のスパイラルチューブまで導く。脱気側のスパイラルチューブの先は、袋体の作用により気体のみを排出させることで、繊維強化樹脂にボイドが発生することを防いでいる。
図8(a)は、断面C字状の部材を成形する例を示している。この部材は、紙面に直交する方向に延びている長尺の部材である。
この例では、成形型41の凹部内に繊維基材42が断面C字状に配置され、さらに、繊維基材42を成形型41に押さえるプレート431,431およびプレート432,432が配置されている。
この繊維基材42が全体に亘り樹脂に含浸されるように、繊維基材42の幅方向中心部に、樹脂を注入する注入チャンネルを長手方向に沿って設置する。そして、繊維基材42の幅方向両端部42A,42Aから吸引する。端部42Aの裏側には、図示しない吸引部に連通する吸引媒体46を配置している。
ここで、図8(b)に破線の矢印で示すように、端部42Aに配置されている吸引媒体46に樹脂が入ると、繊維基材42よりも樹脂の流動抵抗が小さい吸引媒体46を伝って繊維基材42の長さ方向に樹脂が容易に流れてしまう。樹脂が繊維基材42の端部42Aの任意の部位Pに含浸されるのに先立ち、部位Pに向かう樹脂の進行方向前方に位置する吸引媒体46の部位P´に樹脂が存在していると、実線で示す樹脂の流れが阻害されてしまう。この場合には、端部42Aの部位Pに樹脂が含浸されないおそれがある。吸引媒体46を流れる樹脂(破線矢印で示す)は、吸引媒体46に拡がり、実線で示す繊維基材42を流れる樹脂に対して逆向きの流れを生じさせるおそれもある。
さらに、吸引媒体46の長さ方向の全体に亘り樹脂を確実に吸引するため、吸引媒体46の長さ方向に所定間隔をおいて複数の箇所から吸引する必要がある。そのため、長さに応じた数だけの吸引系統(樹脂吸引チャンネルやチューブ、ポンプ)が必要となり、吸引系統が非常に複雑な構成となる。
さらに、資材配置ステップでは、幅方向における繊維基材の中央部に、注入部としての注入チャンネルを配置することが好ましい。
その上、樹脂バリア通気媒体により吸引媒体に樹脂が入ることが阻害されていることで、吸引に必要なポンプの低能力化および吸引系統の簡素化を実現できるため、コストダウンできる。
本実施形態では、VaRTM(Vacuum assisted Resin Transfer Molding;真空補助樹脂注入成形)法を用いて、繊維強化樹脂からなる成形品(図1)を得る。
成形品1は、ウェブ10と、ウェブ10に対して同じ向きに屈曲した一対のフランジ11,12とから一体に構成されている。
以下では、一方のフランジ11の端部と他方のフランジ12の端部とを結ぶ方向のことを幅方向D1と称する。
成形品1は、例えば、航空機の尾翼の構造部材として用いることができる。尾翼の構造部材である桁(spar)として用いられる成形品1は、長さ方向の一端側から他端側に向かうにつれて次第にウェブ10の幅が拡大するように形成されている。
繊維基材は、炭素繊維やガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維から形成されている。強化繊維からなる単一のシート(織物等)から、あるいは強化繊維からなるシートを積層することで繊維基材を構成することができる。
繊維基材を含浸させる樹脂(マトリクス樹脂)としては、エポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル等の熱硬化性樹脂を用いることができる。あるいは、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もできる。
成形品1の成形には、繊維基材101が配置される成形型20と、繊維基材101を成形型20の表面に押さえるプレート21,23,24と、バッグ用フィルム31とが用いられる。
成形型20に形成された溝の底部20Aと、底部20Aの幅方向D1両側から立ち上がる壁部20B,20Cにそれぞれ沿うように、繊維基材101が断面略C字状に配置される。
繊維基材101は、例えば数十層以上の積層されたプライから構成されている。繊維基材101は、平坦な状態のものを壁部20B,20Cの基端でそれぞれ折り曲げて成形型20に配置することができる。あるいは、予め断面略C字状に形状が賦与された繊維基材101を成形型20に配置することができる。
プレート21は、繊維基材101の底部20Aに配置された部分に対応している。底部20Aの幅方向D1の中央部に、プレート21の中央に位置するスリット状の間隙212が存在している。間隙212は、図2の紙面に直交する方向に連続している。
プレート23は、繊維基材101の壁部20Bに配置された部分に対応し、プレート24は、繊維基材101の壁部20Cに配置された部分に対応している。
繊維基材101、成形型20、およびプレート21,23,24は、底部20Aの幅方向D1の中心部に対して左右対称に構成されている。但し、成形品1の形状によってはこの限りではなく、プレート21,23,24が中心部に対して非対称に構成されることも許容される。
バッグ用フィルム31は、図2および図3に示すように、繊維基材101およびプレート21,23,24の全体と、繊維基材101の周囲に位置する成形型20の所定範囲を覆っている。環状に配置されたシーラント32により、バッグ用フィルムの外周縁部と成形型20の表面との間が封止されることで、キャビティC内の気密が確保される。
注入チャンネル33の入口端部331は、チューブや配管、バルブ等を含む注入路151によって液状の樹脂の供給源15に接続されている。注入チャンネル33の出口端部332は、入口端部331から出口端部332へと向かう樹脂の流れを作るため、真空ポンプ16により吸引されることが好ましい。なお、真空ポンプ16は省略することができる。
注入チャンネル33の内側は、間隙212と、バッグ用フィルム31に幅方向D1と直交する方向に沿って形成されたスリット311とを介してキャビティC内に連通している。
メディア34は、繊維基材101と比べて樹脂の流動に与える抵抗が非常に小さいメッシュ状の部材や織物、不織布等である。そのため、キャビティC内に注入された樹脂がメディア34を面内方向に容易に流れる。樹脂は、メディア34により繊維基材101の面内方向に分散されつつ、キャビティC内の減圧に伴って加圧されることで繊維基材101に含浸される。
メディア34を成形品1に残存させる場合は、ピールプライ35を省略することができる。
そこで、樹脂の流れの主幹線として長さ方向に沿った注入チャンネル33を繊維基材101の内周側で幅方向D1の中心部に設ける。そして、その中心部から幅方向D1に離れた、繊維基材101の幅方向D1の両端部101A,101Bにおける外周側で真空ポンプ17A,17B(図3)により吸引(脱気)する。これにより、主幹線(33)を長さ方向に流れつつ、繊維基材101の内周側から端部101A,101Bの外周側へと向かう樹脂の流れを作り出すことが好ましい。
成形型20の壁部20C(図2)と、端部101Bとの間にも、同様に吸引媒体36が配置されている。吸引媒体36は、真空ポンプ17B(図3)に接続される吸引ノズル171Bに連通している。
ここで、キャビティC内に位置する吸引ノズル171A,171Bの開口は、吸引媒体36と連通する吸引部として機能する。これは、吸引部のあくまで一例である。キャビティC内を外部から吸引可能な吸引口として機能する限り、例えば、樹脂バリア通気媒体37とバッグ用フィルム31に設けられた適宜なバルブや開口部等をも、吸引部として用いることができる。
吸引媒体36は、メディア34と同様に、メッシュ状の部材や織物、不織布等であり、樹脂の流動に与える抵抗が繊維基材101と比べると非常に小さい。そのため、吸引媒体36に入った樹脂は流れ易い。
樹脂バリア通気媒体37(図2、図4)は、端部101Aと吸引媒体36との間、端部101Bと吸引媒体36との間にそれぞれ配置されている。
樹脂バリア通気媒体37は、樹脂の通過を阻害し、かつ、吸引ノズル171A,171Bから吸引媒体36を通じて吸引するために必要な通気性が確保されている。樹脂バリア通気媒体37として、液状の樹脂の分子よりも小さく、キャビティC内の空気や樹脂から揮発したガスの分子よりも大きい開口を有する膜を用いることができる。樹脂バリア通気媒体37には、そういった膜と、膜の支持層や保護層とが積層されたものを用いることが好ましい。
吸引媒体36は、樹脂バリア通気媒体37よりも組成が粗いことから、成形型20に接触していても密着はせず、端部101A,101Bから吸引ノズル171A,171Bへの通気を確保する。
なお、樹脂バリア通気媒体37は、図4(b)に示すようにチューブ状の構造であってもよい。また、図4(c)に示すように、チューブ状の構造の樹脂バリア通気媒体37の端部をヒートシームで加工してもよい。
吸引媒体36は、図4に示すように、成形型20の壁部20Bから、吸引ノズル171Aが設置される成形型20の土手20Dに沿って延在している。土手20Dに配置された吸引媒体36の領域361上の所定の箇所に、図3に示すように、吸引ノズル171Aが配置されている。
樹脂バリア通気媒体37により樹脂の流入が防止されているので、吸引ノズル171Aを通じて真空ポンプ17Aにより気体のみを吸引することができる。樹脂バリア通気媒体37の端部を長さ方向に沿って固定するテープ38(図4)等によって、成形型20と樹脂バリア通気媒体37の端部との間の隙間は封止されている。そうすると、吸引媒体36が内包されている樹脂バリア通気媒体37と成形型20との間の細長い空間から、吸引ノズル171Aにより効率よく吸引することができる。
なお、吸引ノズル171Aは必ずしも吸引媒体36の上に配置する必要はなく、吸引媒体36の下に配置することもできる。吸引ノズル171Aと吸引媒体36とが連通しており、吸引媒体36を通じて吸引ノズル171Aから吸引できる限り、吸引ノズル171Aの位置は問わない。
吸引ノズル171Aは、吸引媒体36の長さ方向における一箇所に配置されている。吸引ノズル171Bも同様である。
吸引ノズル171A,171Bは、吸引媒体36の長さ方向の端部に配置されていてもよい。吸引ノズル171A,171Bを吸引媒体36の長さ方向の一端部に配置する場合は、ノズルの吸引口を他端部に向けるとよい。
したがって、本実施形態によれば、図8に示す参考例とは違って、系統毎の樹脂吸引チャンネル47やチューブにより吸引系統が複雑となることなく、吸引系統を簡素な構造にすることができる。本実施形態によれば、ポンプ17A,17Bの必要能力が低いことによるコストダウンに加えて、吸引に必要な資材構造の簡素化によっても大幅にコストダウンできる。
まず、製造に用いる資材を成形型20に配置する(資材配置ステップS1)。以下では、各資材を配置する手順の一例を説明する。各資材を配置する順序は特に問わない。
ここでは、成形型20の壁部20Bと土手20D(図2)に沿って吸引媒体36を設置し、その上に樹脂バリア通気媒体37を重ねる(ステップS11)。その状態で樹脂バリア通気媒体37の下端をテープ38等で壁部20Bに固定する。
そして、バッグ用フィルム31(図2、図3)により繊維基材101およびプレート21,23,24と、吸引媒体36および樹脂バリア通気媒体37との全体を覆い、バッグ用フィルム31の外周部と成形型20との間の隙間をシーラント32により密封する(ステップS15)。このバッグ用フィルム31と成形型20との間に、減圧されるキャビティCが形成される。キャビティC内に、繊維基材101、プレート21,23,24、吸引媒体36および樹脂バリア通気媒体37が配置されることとなる。
ポンプ17A,17Bによる吸引は、含浸ステップS2と、次の硬化ステップS3を通じて行うことが好ましい。
マトリクス樹脂として熱可塑性樹脂が用いられる場合は、含浸ステップS2は加熱雰囲気下で行う。
ここで、樹脂バリア通気媒体37により吸引媒体36に樹脂が入ることが阻害されている。そのため、端部101A,101Bが樹脂に含浸される速度よりも速く吸引媒体36を長さ方向に樹脂が流れる先回りの現象が生じない。
したがって、端部101A,101Bに未含浸領域を残すことなく、繊維基材101の全体に亘り樹脂を均一に含浸させることができる(以上、含浸ステップS2)。
加熱方法としては、例えば、樹脂に含浸された繊維基材101を成形型20に配置された状態のままオーブンに入れて、加熱する。あるいは、ヒーターマットやドライヤー等を用いて加熱することにより、樹脂を硬化させることも可能である。
硬化する間にも、ポンプ17A,17Bを作動させることにより、硬化する間に樹脂から揮発したガスを吸引できる。これにより、ボイドの発生を防止できる。また、繊維基材101が十分に加圧されることで緻密化される。
しかも、樹脂バリア通気媒体37により吸引媒体36への樹脂の流入が阻害されていることで、吸引媒体36に入った樹脂を除去するための複雑な構成が不要となる。これにより、大幅なコストダウンを実現できる。
上記実施形態では、断面略C字状に配置された繊維基材101の内周側に注入チャンネル33が配置され、繊維基材101の外周部に吸引媒体36が配置されているが、これとは逆に構成することもできる。例えば、図7に示すように、断面矩形状で上向きに凸となる成形型20に対して、下から順に、繊維基材101、ピールプライ35、メディア34、プレート21を積層して配置する。このとき、プレート21の中央部に注入チャンネル33を配置し、それらの外側から全体をバッグ用フィルム31で被覆する。また、バッグ用フィルム31の外周縁部と成形型20の間はシーラント32で封止する。また、繊維基材101の端部の内周側にそれぞれ吸引媒体36および樹脂バリア通気媒体37を配置する。吸引媒体36および樹脂バリア通気媒体37の端部は長さ方向に沿ってテープ38で固定される。なお、図中上側の吸引媒体36の端部も長さ方向に沿ってテープ38でカバーしてもよい。
そして、成形型20の内周側から吸引媒体36および樹脂バリア通気媒体37を介して繊維基材101の端部から吸引しつつ、繊維基材101の上面中央部に位置する注入チャンネル33(溝)から樹脂を注入する。これにより、注入樹脂を繊維基材101の端部に十分に含浸させることができる。
本発明は、成形品の形状を問わず、例えば、屈曲した部分の端部等、含浸が困難であるため吸引媒体36を配置して吸引部から吸引している構成において、吸引媒体36に樹脂が入る先回りに起因する未含浸のリスクがある場合に、その未含浸リスクを低減するために適用することができる。
10 ウェブ
11,12 フランジ
15 樹脂供給源
16 真空ポンプ
17A,17B 真空ポンプ
20 成形型
20A 底部
20B,20C 壁部
20D,20E 土手
20F 段差
21,23,24 プレート
31 バッグ用フィルム
32 シーラント
33 注入チャンネル(注入部)
34 メディア
35 ピールプライ
36 吸引媒体
37 樹脂バリア通気媒体
38 テープ
41 成形型
42 繊維基材
42A 端部
44 注入チャンネル
45 メディア
46 吸引媒体
47 樹脂吸引チャンネル
48 フィルム
101 繊維基材
101A,101B 端部
151 注入路
171A,171B 吸引ノズル(吸引部)
212 間隙
311 スリット
331 入口端部
332 出口端部
361 領域
371 領域
431,432 プレート
C キャビティ
D1 幅方向
P 部位
S1 資材配置ステップ
S2 含浸ステップ
S3 硬化ステップ
S4 離型ステップ
U 未含浸領域
Claims (13)
- 成形型内の減圧されるキャビティに、前記キャビティの内外の圧力差により樹脂を注入することで、前記キャビティ内に配置されている繊維基材を前記樹脂に含浸させる成形法による長尺な繊維強化樹脂成形品の製造方法であって、
前記樹脂を前記キャビティ内に注入する注入部から離れている前記キャビティ内の吸引部に連通する吸引媒体が、前記繊維基材の端部と前記成形型との間に位置し、前記吸引媒体と前記繊維基材の前記端部との間に、前記樹脂の通過を阻害し、かつ通気が確保されている樹脂バリア通気媒体が位置するように、前記吸引媒体、前記樹脂バリア通気媒体、および前記繊維基材を前記キャビティ内に配置する資材配置ステップと、
前記吸引部から吸引することにより前記キャビティ内を減圧しつつ、前記注入部から前記樹脂を注入することにより前記繊維基材に前記樹脂を含浸させる含浸ステップと、
前記繊維基材に含浸された前記樹脂を硬化させる硬化ステップと、
前記繊維基材と前記樹脂とが一体化されてなる繊維強化樹脂を離型する離型ステップと、を含み、
前記資材配置ステップでは、
前記繊維基材と前記成形型との間の、前記繊維基材の前記端部およびその近傍のみに、前記繊維基材の長さ方向の全体に亘り前記吸引媒体が配置され、
前記吸引媒体と前記繊維基材の間の、前記繊維基材の前記端部およびその近傍のみに、前記長さ方向の全体に亘り前記樹脂バリア通気媒体が配置され、
前記吸引媒体と前記繊維基材との間の全域に亘り前記樹脂バリア通気媒体が介在している、
ことを特徴とする繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記成形品を製造する方法であって、
前記資材配置ステップでは、
前記吸引媒体の長さ方向における1箇所または2箇所にのみ前記吸引部が位置する、
ことを特徴とする請求項1に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 屈曲した断面形状を有する前記成形品を製造する方法であって、
前記資材配置ステップでは、
屈曲した断面形状に配置される前記繊維基材の前記端部に、前記吸引媒体および前記樹脂バリア通気媒体を配置する、
ことを特徴とする請求項2に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 断面略C字状の前記成形品を製造する方法であって、
前記資材配置ステップでは、
断面略C字状に配置される前記繊維基材の幅方向における前記繊維基材の両側の前記端部にそれぞれ、前記吸引媒体および前記樹脂バリア通気媒体を配置する、
ことを特徴とする請求項2に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記資材配置ステップでは、
前記幅方向における前記繊維基材の中央部に、前記注入部としての注入チャンネルを配置し、
前記注入チャンネルは前記繊維基材の長さ方向に延びており、前記注入チャンネルの長さは、前記注入チャンネルから前記繊維基材の前記幅方向の前記端部までの距離よりも長い、
ことを特徴とする請求項4に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記資材配置ステップでは、
断面略C字状に配置される前記繊維基材の内周側に前記注入チャンネルを、前記繊維基材の前記端部の外周側に前記吸引媒体をそれぞれ配置する、
ことを特徴とする請求項5に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記繊維基材の前記端部は、前記注入部から見て前記繊維基材が屈曲した先に位置する、
請求項3または4に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 断面略C字状の前記成形品を製造する方法であって、
前記資材配置ステップでは、
断面略C字状に配置される前記繊維基材の幅方向における前記繊維基材の両側の前記端部にそれぞれ、前記吸引媒体および前記樹脂バリア通気媒体を配置する、
ことを特徴とする請求項3に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記資材配置ステップでは、
前記幅方向における前記繊維基材の中央部に、前記注入部としての注入チャンネルを配置する、
ことを特徴とする請求項8に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記資材配置ステップでは、
断面略C字状に配置される前記繊維基材の内周側に前記注入チャンネルを、前記繊維基材の前記端部の外周側に前記吸引媒体をそれぞれ配置する、
ことを特徴とする請求項9に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記含浸ステップでは、
前記吸引媒体が内包されている前記樹脂バリア通気媒体と前記成形型との間の空間から前記吸引部を用いて吸引する、
ことを特徴とする請求項1に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 前記資材配置ステップでは、
前記樹脂バリア通気媒体の端部と前記成形型との間の隙間を封止する、
ことを特徴とする請求項11に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。 - 航空機の部材に用いられる前記成形品を製造する、
ことを特徴とする請求項1から12のいずれか一項に記載の繊維強化樹脂成形品の製造方法。
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