JP7187712B2 - 成形装置及び成形方法 - Google Patents

Description

本開示は、成形装置及び成形方法、特に複合材の材料である強化繊維シートを賦形する成形装置及び成形方法に関するものである。

航空機の胴体構造の材料として、複合材、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）が用いられる場合がある。ＣＦＲＰを成形して成型品を形成する際、プリプレグなどの強化繊維シートが積層される。成形品が航空機の胴体スキンのような曲面形状（コンタ形状）を有する場合、フラットに積層された積層体を曲げる（賦形する）ことによって曲面形状を形成する方法がある。

図９に示すように、強化繊維シートが積層された積層体２０を曲げるとき、各強化繊維シート間に粘性抵抗による内部応力が生じる。そのため、図９（Ｂ）に示すように、内部応力を解放して層間すべりを適切に生じさせ、変形後に強化繊維シートが所定のずれ量でずれた状態で配置される必要がある。層間すべり性を向上させるため、賦形後に加温し、積層体を構成する合成樹脂の粘度を低下させている。

下記の特許文献１では、加熱された炭素繊維熱可塑性樹脂のプリフォームをローラによって圧密しながら冷却する技術が開示されている。

米国特許第１０１６６７２９号明細書

胴体スキンのような大型構造物を形成する場合において、フラットに積層された積層体を賦形するとき、各強化繊維シートの全面にわたって層間すべりを生じさせる必要がある。この場合、層間すべりを生じさせる領域が非常に広範囲にわたるため、積層体を曲げるときに発生する層間粘性抵抗が非常に大きくなる。その結果、各強化繊維シートが適切なずれ量でずれないため、リンクル（皺）等が発生しやすく、品質低下を招くおそれがある。従来、リンクル等の発生を防止するためには、長時間かけて賦形する必要があり、生産性が低下し、コストが多くかかるという問題があった。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、強化繊維シートを効率良く賦形することができ、層間すべりを適切に発生させることが可能な成形装置及び成形方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本開示の成形装置及び成形方法は以下の手段を採用する。
すなわち、本開示に係る成形装置は、断面が円弧形状を有するマンドレルと、断面が円形状を有し、前記マンドレルの表面に沿って移動可能であり、前記マンドレルに載置された複合材である被成形材料に対して押圧力を付与するローラと、前記マンドレルに対して前記ローラよりも外側で前記被成形材料を把持し、前記被成形材料に対して引っ張り力を付与する把持部と、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるローラ駆動部と、前記把持部を移動させる把持部駆動部と、前記ローラの位置と前記把持部の位置を同期させて、前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料が、前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置されるように、前記ローラ駆動部と前記把持部駆動部を制御する制御部とを備える。

本開示に係る成形方法は、断面が円弧形状を有するマンドレルと、断面が円形状を有し、前記マンドレルの表面に沿って移動可能であり、前記マンドレルに載置された複合材である被成形材料に対して押圧力を付与するローラと、前記マンドレルに対して前記ローラよりも外側で前記被成形材料を把持し、前記被成形材料に対して引っ張り力を付与する把持部と、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるローラ駆動部と、前記把持部を移動させる把持部駆動部とを備える成形装置を用いた成形方法であって、前記ローラが前記マンドレルに載置された被成形材料に対して押圧力を付与するステップと、前記把持部が前記被成形材料に対して引っ張り力を付与するステップと、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるステップと、前記把持部を移動させるステップと、前記ローラの位置と前記把持部の位置を同期させて、前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料を、前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置させるステップとを有する。

本開示によれば、強化繊維シートを効率良く賦形することができ、層間すべりを適切に発生させることが可能である。

本開示の一実施形態に係る成形装置を示す正面図であり、賦形前の状態をしている。 本開示の一実施形態に係る成形装置を示す正面図であり、賦形時の状態を示している。 本開示の一実施形態に係る成形装置を示す正面図であり、賦形後の状態をしている。 賦形されている強化繊維シートを示す横断面図であり、局所的な層間すべりが生じている部分を示している。 本開示の一実施形態に係る成形装置を示すブロック図である。 本開示の一実施形態に係る成形装置と賦形されている強化繊維シートを示す説明図である。 図６の部分拡大図である。 図６の部分拡大図である。 従来の成形方法による賦形前（図９（Ａ））及び賦形後（図９（Ｂ））の強化繊維シートを示す横断面図である。

以下に、本開示に係る実施形態について、図面を参照して説明する。

本実施形態に係る成形装置１は、複合材、例えば炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）を成形する際に用いられ、特に、積層された複数の強化繊維シートを曲げる（賦形する）工程に適用される。強化繊維シートは、本開示に係る被成形材料の一例である。強化繊維シートは、例えば、プリプレグ、ドライファイバーなどである。本開示に係る成形装置１は、熱硬化性樹脂を用いた炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）の成形品を形成する場合と、熱可塑性樹脂を用いたＣＦＲＰの成形品を形成する場合のいずれにおいても適用可能である。

成形装置１は、図１～図３に示すように、把持部駆動部２と、把持部３と、マンドレル４と、ローラ５などを備える。また、図５に示すように、成形装置１は、制御部６と、ローラ駆動部７を更に備える。

図１～図３に示すように、マンドレル４は、断面が円弧形状を有し、円弧面にプリプレグなどの強化繊維シート１０が載置される。強化繊維シート１０は、被成形材料の一例である。強化繊維シート１０は、マンドレル４上でローラ５によって押圧されることで、マンドレル４の円弧面に沿った形状に賦形される。

ローラ５は、断面が円形状を有し、マンドレル４の表面に沿って転動しながら移動可能である。ローラ５は、マンドレル４に載置された強化繊維シート１０に対して押圧力を付与する。ローラ５は、マンドレル４の円の中心を通過する鉛直線（中心線）を中心にして、左右に一つずつ合計二つ設置される。

把持部３は、マンドレル４に対してローラ５よりも外側で強化繊維シート１０を把持する。また、把持部３は、強化繊維シート１０に対して引っ張り力を付与する。把持部３は、マンドレル４の鉛直線（中心線）を中心にして、左右に一つずつ合計二つ設置される。なお、ローラ５と把持部３は、いずれも、後述するとおり、ローラ５の位置と把持部３の位置を同期させることができれば、それぞれ二つ以上設置されてもよい。把持部３によって、マンドレル４に沿って賦形される前のローラ５と把持部３との間の強化繊維シート１０に対して引っ張り力が付与される。これにより、ローラ５に沿って被成形材料が確実に配置されるため、ローラ５の移動によるローラ５の位置の違いに関わらず、ローラ５と接している強化繊維シート１０の周長差がゼロになる。

ローラ駆動部７は、ローラ５をマンドレル４の表面に沿って移動させる構成を有する。ローラ駆動部７は、制御部６から受信する駆動信号に基づいて、ローラ５の位置を調整する。

把持部駆動部２は、把持部３をマンドレル４の鉛直線に対して平行方向、すなわち、上下方向に移動させる。把持部駆動部２は、制御部６から受信する駆動信号に基づいて、把持部３の位置を調整する。把持部駆動部２は、各把持部３に対して一つずつ設けられる。

制御部６は、ローラ５の位置と把持部３の位置を同期させて、ローラ５と把持部３との間の強化繊維シート１０が、マンドレル４の鉛直方向に対して垂直方向、すなわち、水平方向に配置されるように、ローラ駆動部７と把持部駆動部２を制御する。制御部６は、ローラ５の移動に関する駆動信号を生成して、ローラ駆動部７に駆動信号を送信する。また、制御部６は、把持部３の移動に関する駆動信号を生成して、把持部駆動部２に駆動信号を送信する。

次に、本実施形態に係る成形装置１の動作について説明する。
まず、図１に示すように、強化繊維シート１０が水平方向に配置されるように把持部３によって把持される。そして、把持部駆動部２が把持部３を下方向に移動させ、強化繊維シート１０をマンドレル４上に配置する。このとき、把持部３は、強化繊維シート１０に対して引っ張り力を付与する。

そして、図２に示すように、ローラ駆動部７がローラ５をマンドレル４の中心から外側へ向かってマンドレル４の表面に沿って移動させる。このとき、ローラ５は、強化繊維シート１０に対して押圧力を付与する。これにより、強化繊維シート１０がマンドレル４の最上端から下方へ向かって徐々に曲げられてマンドレル４の形状に沿った形に賦形される。なお、ローラ５による賦形を開始するとき、すなわち、マンドレル４の最上端において、ローラ５は、二つではなく、一つのみを用いて賦形を行ってもよい。熱可塑性樹脂を用いたＣＦＲＰの成形品を形成する場合、ローラ５による押圧では、強化繊維シート１０を曲げつつ、強化繊維シート１０を冷却させてもよい。

強化繊維シート１０の端部までローラ５による賦形が完了すると、図３に示すように、把持部３による強化繊維シート１０の把持が解除される。そして、ローラ５は、強化繊維シート１０の端部をマンドレル４に沿って変形させる。

上述した賦形時において、ローラ５の位置と把持部３の位置を同期させて、ローラ５と把持部３の間の強化繊維シート１０が常に水平方向となるように調整される。

上記方法によって強化繊維シート１０を賦形させる場合、図４に示すように、ある微小な時間間隔ΔＴにおいて層間すべりが生じる領域は、例えば図４の領域１０ａのみとなる。図４では、図４（Ａ）に示した時刻ｔ＝Ｔ _１ における領域１０ａが、図４（Ｂ）に示した時刻ｔ＝Ｔ _１ ＋ΔＴにおいてマンドレル４上で賦形されていることを示している。したがって、ある微小な時間間隔ΔＴにおいて層間すべりが生じる領域が局所的に抑えられる。

以下、図６～図８を参照して、層間すべりが生じる領域が局所的になることについて詳細に説明する。図７及び図８は、図６の部分拡大図である。
ローラ５の位置と把持部３の位置が調整され、ローラ５と把持部３との間の強化繊維シート１０が、マンドレル４の鉛直方向に対して垂直方向、すなわち、水平方向に配置されるため、賦形開始からある時刻Ｔ _１ までの間においてマンドレル４に沿って賦形された強化繊維シート１０の周長差と、ある時刻Ｔ _１ においてローラ５に沿って配置された強化繊維シート１０の周長差は等しい。

ここで、マンドレル４における強化繊維シート１０の周長差とは、賦形開始からある時刻Ｔ _１ までの間においてマンドレル４と接している強化繊維シート１０のマンドレル４側（内面側）の長さ（図７の領域Ａの一点鎖線部）と、マンドレル４とは反対側（外面側）の長さ（図７の領域Ａの二点鎖線部）の差である。マンドレル４における強化繊維シート１０の周長差は、マンドレル４の径と強化繊維シート１０の板厚ｔによって生じ、下記の式（１）によって表される。ここで、Ｒはマンドレル４の半径であり、θは時刻Ｔ _１ におけるマンドレル４の鉛直線と、マンドレル４の中心とローラ５の中心を結ぶ線とのなす角である。

また、ローラ５における強化繊維シート１０の周長差とは、ある時刻Ｔ _１ においてローラ５と接している強化繊維シート１０のローラ５側（内面側）の長さ（図７の領域Ｂの太実線部）と、ローラ５とは反対側（外面側）の長さ（図７の領域Ｂの破線部）の差である。ローラ５における強化繊維シート１０の周長差は、ローラ５の径と強化繊維シート１０の板厚ｔによって生じ、下記の式（２）によって表される。ここで、ｒはローラ５の半径である。

すなわち、マンドレル４に沿って賦形された強化繊維シート１０（図７の領域Ａ）で生じる周長差（式（１））は、ローラ５に沿って配置された強化繊維シート１０（図７の領域Ｂ）で生じている周長差でキャンセルされるため、ある時刻Ｔ _１ において、強化繊維シート１０全体の周長差はゼロとなって、相殺されている。

また、賦形開始からある時刻Ｔ _１ までの間においてマンドレル４に沿って賦形された強化繊維シート１０（図８の領域Ａ）の周長差と、賦形時におけるある微小な時間間隔ΔＴでの強化繊維シート１０（図８の領域Ｃ）で生じる周長差が等しい。

ここで、マンドレル４に沿って賦形された強化繊維シート１０の周長差とは、賦形開始からある時刻Ｔ _１ までの間においてマンドレル４と接している強化繊維シート１０のマンドレル４側（内面側）の長さ（図８の領域Ａの一点鎖線部）とマンドレル４とは反対側（外面側）の長さ（図８の領域Ａの二点鎖線部）の差である。

すでに賦形されている強化繊維シート１０（図８の領域Ａ）の周長差は、上記の式（１）で表される。

また、賦形時におけるある微小な時間間隔ΔＴでの強化繊維シート１０（図８の領域Ｃ）で生じる周長差とは、ある微小な時間間隔ΔＴでローラ５が接する強化繊維シート１０のローラ５側（内面側）の長さ（図８の領域Ｃの太実線部）と、ローラ５とは反対側（外面側）の長さ（図８の領域Ｃの破線部）の差である。

賦形時におけるある微小な時間間隔ΔＴで生じる周長差（図８の領域Ｃ）は、下記の式（３）で表される。ここで、Δθは、微小な時間間隔ΔＴにおける、マンドレル４の鉛直線と、マンドレル４の中心とローラ５の中心を結ぶ線とのなす角の変化量である。

すなわち、周長差の差は、すでに賦形されている強化繊維シート１０の周長差とある微小な時間間隔ΔＴで賦形される強化繊維シート１０の周長差が等しいため、ゼロになる（相殺される）。

以上より、（１）ある時刻Ｔ _１ において、強化繊維シート１０全体の周長差は相殺される。（２）ある時刻Ｔ _１ までにすでに賦形されている強化繊維シート１０（図８の領域Ａ）の周長差は、ある微小な時間間隔ΔＴで賦形される強化繊維シート１０の周長差と等しく、相殺される。したがって、ある微小な時間間隔ΔＴで賦形される強化繊維シート１０のみで層間すべりが生じている。一方、これから賦形される未賦形の強化繊維シート１０では層間すべりが生じていない。よって、ある時刻Ｔ _１ から時刻Ｔ _１ ＋ΔＴの時間変化の際に生じる層間すべりは、ローラ５が通過した局所的な領域で起こっている。

以上、本実施形態によれば、胴体スキンのような大型構造物を形成する場合であっても、強化繊維シートの全面にわたって層間すべりを生じさせる従来の方法と異なり、局所的に層間すべりが生じることから、リンクル等の発生を防止又は低減でき、品質低下リスクを低減できる。また、長時間かけて賦形する必要がないため、効率良く賦形を行うことができる。

以上説明した実施形態に記載の成形装置は例えば以下のように把握される。
本開示に係る成形装置（１）は、断面が円弧形状を有するマンドレル（４）と、断面が円形状を有し、前記マンドレルの表面に沿って移動可能であり、前記マンドレルに載置された被成形材料（１０）に対して押圧力を付与するローラ（５）と、前記マンドレルに対して前記ローラよりも外側で前記被成形材料を把持し、前記被成形材料に対して引っ張り力を付与する把持部（３）と、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるローラ駆動部（７）と、前記把持部を移動させる把持部駆動部（２）と、前記ローラの位置と前記把持部の位置を同期させて、前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料が、前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置されるように、前記ローラ駆動部と前記把持部駆動部を制御する制御部（６）とを備える。

この構成によれば、被成形材料が把持部によって引っ張られながら、マンドレルとローラによって賦形される。ローラは、マンドレルの表面に沿って移動し、把持部は、ローラと同期しながら移動する。このとき、ローラ駆動部と把持部駆動部が制御されて、ローラと把持部との間の被成形材料が、マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置されるように、ローラの位置と把持部の位置が調整される。

このように、ローラの位置と把持部の位置が調整され、ローラと把持部との間の被成形材料が、マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向、すなわち、水平方向に配置されるため、賦形開始からある時刻Ｔ _１ までの間においてマンドレルに沿って賦形された被成形材料の周長差と、ある時刻Ｔ _１ におけるローラに沿って配置された被成形材料の周長差は等しい。ここで、マンドレルにおける被成形材料の周長差とは、マンドレルと接している被成形材料のマンドレル側（内面側）の長さとマンドレルとは反対側（外面側）の長さの差である。また、ローラにおける被成形材料の周長差とは、ローラと接している被成形材料のローラ側（内面側）の長さとローラとは反対側（外面側）の長さの差である。すなわち、マンドレルに沿って賦形された被成形材料で生じる周長差は、ローラに沿って配置された被成形材料で生じている周長差でキャンセルされるため、ある時刻Ｔ _１ において、被成形材料全体の周長差はゼロとなっている。

また、すでに賦形されている被成形材料の周長差と、ある微小な時間間隔において被成形材料で生じる周長差が等しい。すなわち、周長差の差は、すでに賦形されている被成形材料とある微小な時間間隔で賦形される被成形材料でゼロになる。したがって、ある微小な時間間隔で賦形される被成形材料のみで層間すべりが生じており、これから賦形される未賦形の被成形材料では層間すべりが生じていない。

本開示に係る成形装置において、前記把持部によって、前記マンドレルに沿って賦形される前の前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料に対して引っ張り力が付与されることが望ましい。

この構成によれば、ローラに沿って被成形材料が確実に配置されるため、ローラの移動によるローラの位置の違いに関わらず、ローラと接している被成形材料の周長差がゼロになる。

本開示に係る成形装置において、賦形開始からある時刻までの間において前記マンドレルに沿って賦形された前記被成形材料の周長差と、前記ある時刻において前記ローラに沿って配置された前記被成形材料の周長差は等しいことが望ましい。

この構成によれば、マンドレルに沿って賦形された被成形材料で生じる周長差は、ローラに沿って配置された被成形材料で生じている周長差でキャンセルされるため、ある時刻Ｔ _１ において、被成形材料全体の周長差はゼロとなっている。

本開示に係る成形装置において、賦形開始からある時刻までの間において前記マンドレルに沿って賦形された前記被成形材料の周長差と、賦形時におけるある微小な時間間隔で前記被成形材料において生じる周長差は等しいことが望ましい。

この構成によれば、周長差の差は、すでに賦形されている被成形材料とある微小な時間間隔で賦形される被成形材料でゼロになる。したがって、ある微小な時間間隔で賦形される被成形材料のみで層間すべりが生じており、これから賦形される未賦形の被成形材料では層間すべりが生じていない。

本開示に係る成形方法は、断面が円弧形状を有するマンドレルと、断面が円形状を有し、前記マンドレルの表面に沿って移動可能であり、前記マンドレルに載置された被成形材料に対して押圧力を付与するローラと、前記マンドレルに対して前記ローラよりも外側で前記被成形材料を把持し、前記被成形材料に対して引っ張り力を付与する把持部と、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるローラ駆動部と、前記把持部を移動させる把持部駆動部とを備える成形装置を用いた成形方法であって、前記ローラが前記マンドレルに載置された前記被成形材料に対して押圧力を付与するステップと、前記把持部が前記被成形材料に対して引っ張り力を付与するステップと、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるステップと、前記把持部を移動させるステップと、前記ローラの位置と前記把持部の位置を同期させて、前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料を、前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置させるステップとを有する。

１ ：成形装置
２ ：把持部駆動部
３ ：把持部
４ ：マンドレル
５ ：ローラ
６ ：制御部
７ ：ローラ駆動部
１０ ：強化繊維シート
１０ａ ：領域
２０ ：積層体

Claims (5)

1. 断面が円弧形状を有するマンドレルと、
   断面が円形状を有し、前記マンドレルの表面に沿って移動可能であり、前記マンドレルに載置された複合材である被成形材料に対して押圧力を付与するローラと、
   前記マンドレルに対して前記ローラよりも外側で前記被成形材料を把持し、前記被成形材料に対して引っ張り力を付与する把持部と、
   前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるローラ駆動部と、
   前記把持部を移動させる把持部駆動部と、
   前記ローラの位置と前記把持部の位置を同期させて、前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料が、前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置されるように、前記ローラ駆動部と前記把持部駆動部を制御する制御部と、
   を備える成形装置。
2. 前記把持部によって、前記マンドレルに沿って賦形される前の前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料に対して引っ張り力が付与されている請求項１に記載の成形装置。
3. 前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料が前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置されることにより、賦形開始からある時刻までの間において前記マンドレルに沿って賦形された前記被成形材料の周長差と、前記ある時刻において前記ローラに沿って配置された前記被成形材料の周長差は等しくされている請求項１又は２に記載の成形装置。
4. 前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料が前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置されることにより、賦形開始からある時刻までの間において前記マンドレルに沿って賦形された前記被成形材料の周長差と、賦形時におけるある微小な時間間隔で前記被成形材料において生じる周長差は等しくされている請求項１から３のいずれか１項に記載の成形装置。
5. 断面が円弧形状を有するマンドレルと、断面が円形状を有し、前記マンドレルの表面に沿って移動可能であり、前記マンドレルに載置された複合材である被成形材料に対して押圧力を付与するローラと、前記マンドレルに対して前記ローラよりも外側で前記被成形材料を把持し、前記被成形材料に対して引っ張り力を付与する把持部と、前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるローラ駆動部と、前記把持部を移動させる把持部駆動部とを備える成形装置を用いた成形方法であって、
   前記ローラが前記マンドレルに載置された前記被成形材料に対して押圧力を付与するステップと、
   前記把持部が前記被成形材料に対して引っ張り力を付与するステップと、
   前記ローラを前記マンドレルの表面に沿って移動させるステップと、
   前記把持部を移動させるステップと、
   前記ローラの位置と前記把持部の位置を同期させて、前記ローラと前記把持部との間の前記被成形材料を、前記マンドレルの鉛直方向に対して垂直方向に配置させるステップと、
   を有する成形方法。

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