JP7317154B2 - 成形治具及び成形方法 - Google Patents

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Description

本開示は、成形治具及び成形方法に関するものである。
従来、Ω形の断面を備えた複合材を成形する装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。この装置では、平板状の積層体となる複合材を成形型に設置し、複合材の両側を拘束しつつ、複合材の中央をパッドにより成形型へ向かって押し付けることで成形している。
米国特許第8636935号明細書
ところで、複合材等の積層体の成形として、例えば、長手方向に延在すると共に、長手方向に直交する面で切った断面がΩ形であって、長手方向において折り曲げ部を有する三次元形状となる積層体に成形することがある。雄型と雌型とを用いた成形治具を用いて、複合材を三次元形状に成形する場合、複合材を雌型に設置すると、成形される折り曲げ部の長手方向の両側の複合材が雄型に当接する一方で、成形される折り曲げ部の複合材が雌型に当接する。この状態で、雌型に対して雄型がプレスされると、雌型に当接した部分の複合材は拘束された状態となり、複合材に含まれる強化繊維が余分に送られることで、皺が発生し、成形不良となってしまう可能性がある。
そこで、本開示は、積層体を三次元形状に成形する場合であっても成形不良の発生を抑制することができる成形治具及び成形方法を提供することを課題とする。
本開示の成形治具は、強化繊維シートを積層した積層体で、かつ、長手方向に延在すると共に、前記長手方向に直交する面で切った断面において、屈曲部を有する断面形状となる前記積層体を、前記長手方向において折り曲げ部を有する三次元形状に成形する成形治具であって、前記折り曲げ部を成形する雌側成形面を有する雌型と、前記積層体を挟んで前記雌型に嵌め合わされ、前記折り曲げ部を成形する雄側成形面を有する雄型と、成形時において、前記雌型と前記積層体との間に設けられ、前記積層体を前記雌型から離した状態で、前記積層体を支持する伸長性を有する支持部材と、を備え、前記積層体は、成形時において、成形される前記折り曲げ部の前記長手方向の両側において前記雄型に当接しており、前記支持部材は、前記長手方向の前記雌側成形面を含む範囲に亘って設けられる。
本開示の成形方法は、上記の成形治具を用いて、強化繊維シートを積層した積層体で、かつ、長手方向に延在すると共に、前記長手方向に直交する面で切った断面において、屈曲部を有する断面形状となる前記積層体を、前記長手方向において折り曲げ部を有する三次元形状に成形する成形方法において、前記雌側成形面に設けられる前記支持部材によって前記積層体が支持されるように、前記雌型に前記積層体を設置するステップと、前記雄型と前記雌型との間に前記積層体を挟み込んで、前記積層体を前記折り曲げ部を有する三次元形状に成形するステップと、を備える。
本開示によれば、積層体を三次元形状に成形する場合であっても成形不良の発生を抑制することができる。
図1は、実施形態1に係る成形治具により成形される積層体を模式的に表した図である。 図2は、実施形態1に係る成形治具を側面から見たときの模式図である。 図3は、実施形態1に係る成形治具を正面から見たときの模式図である。 図4は、実施形態1に係る成形治具の雌型を平面から見たときの模式図である。 図5は、実施形態1に係る成形治具を用いた成形方法に関するフローチャートである。 図6は、実施形態1に係る成形治具を用いた成形方法に関する説明図である。 図7は、実施形態2に係る成形治具を用いた成形方法に関する説明図である。
以下に、本開示に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。
[実施形態1]
実施形態1に係る成形治具及び成形方法は、平板形状となる積層体を三次元形状に折り曲げて成形するものである。先ず、図1を参照して、成形後の三次元形状となる積層体1について説明する。
(積層体)
図1は、実施形態1に係る成形治具により成形される積層体を模式的に表した図である。図1に示すように、積層体1は、強化繊維シートを複数積層したものとなっている。積層体1は、長手方向(図1の前後方向)に延在して成形されている。なお、図1において、積層体1の長手方向は、図1の前後方向となっており、積層体1の幅方向は、図1の左右方向となっており、積層体1の高さ方向は、図1の上下方向となっている。そして、長手方向、幅方向及び高さ方向は、相互に直交する方向となっている。
積層体1は、長手方向に直交する面で切った断面において、少なくとも1以上の屈曲部7を有する形状となっている。具体的に、積層体1は、底板部3と、2つの側板部4と、2つのフランジ部5と、を含む断面Ω形状となっている。積層体1は、底板部3の幅方向(図1の左右方向)における両側に、屈曲部7を介して2つの側板部4のそれぞれが、高さ方向(図1の上下方向)に沿って延在して設けられている。このため、積層体1は、2つの側板部4の下方側に、底板部3が設けられる。また、積層体1は、2つの側板部4の上方側(底板部3の反対側)に、屈曲部7を介して2つのフランジ部5のそれぞれが、幅方向の外側に延在して設けられる。
また、積層体1は、長手方向において、少なくとも1以上の折り曲げ部8を有する形状となっている。具体的に、積層体1は、長手方向において2つの折り曲げ部8を有しており、上側に凸なる折り曲げ部8aと、下側に凸となる折り曲げ部8bとを含んでいる。上側に凸なる折り曲げ部8aは、積層体1の長手方向の一方側(図1の前方側)に形成され、下側に凸となる折り曲げ部8bは、積層体1の長手方向の他方側(図1の後方側)に形成される。これにより、積層体1は、2つの折り曲げ部8により、長手方向の一方側の部位1aと、長手方向の中央側の部位1bと、長手方向の他方側の部位1cとによって、長手方向に変化する形状となっている。このとき、長手方向の一方側の部位1aと、長手方向の他方側の部位1cとは、高さ方向において平行となっており、長手方向の中央側の部位1bは、長手方向の一方側の部位1a及び長手方向の他方側の部位1cに対して傾斜する部位となっている。つまり、積層体1は、高さ方向において、高い位置となる長手方向の一方側の部位1aから、下り傾斜となる長手方向の中央側の部位1bを経て、低い位置となる長手方向の他方側の部位1cとなる形状となっている。
(成形治具)
次に、図2から図4を参照して、図1の積層体1を成形するための成形治具10について説明する。図2は、実施形態1に係る成形治具を側面から見たときの模式図である。図3は、実施形態1に係る成形治具を正面から見たときの模式図である。図4は、実施形態1に係る成形治具の雌型を平面から見たときの模式図である。
図2から図4に示すように、成形治具10は、雌型13と、雄型14と、支持部材15とを備える。成形治具10は、雌型13と雄型14との間に、成形前となる平板の積層体1を挟み込むことで、図1に示す三次元形状の積層体1を成形する。
雌型13は、積層体1の下面を成形する成形面を有している。つまり、雌型13の成形面は、積層体1の折り曲げ部8を成形するための雌側成形面21を含んでいる。雌型13は、長手方向に直交する面で切った断面において、凹状(窪み形状)に形成されている。具体的に、雌型13は、底面部13aと、底面部13aの幅方向両側に設けられる一対の側面部13bとを有している。底面部13aは、その内側(上方側)の成形面が、積層体1の底板部3の外側の面(下面)を成形する。一対の側面部13bは、その内側の成形面が、積層体1の側板部4の外側の面を成形し、その上方側の成形面が、積層体1のフランジ部5の下方側の面を成形する。また、雌型13の底面部13aと一対の側面部13bとの成形面は、長手方向において、折り曲げ部8において積層体1を折り曲げる成形面(雌側成形面21)となっている。つまり、長手方向において積層体1に折り曲げ部8を成形する雌側成形面21は、長手方向の一方側の部位1aを成形する成形面及び長手方向の中央側の部位1bを成形する成形面が所定の折り曲げ角度で交差する雌側成形面21aと、長手方向の中央側の部位1bを成形する成形面及び長手方向の他方側の部位1cを成形する成形面が所定の折り曲げ角度で交差する雌側成形面21bと、を有している。
雄型14は、積層体1の上面を成形する成形面を有している。つまり、雄型14の成形面は、積層体1の折り曲げ部8を成形するための雄側成形面22を含んでいる。雄型14は、積層体1を介して、雌型13に嵌め合わされる。雄型14は、長手方向に直交する面で切った断面において、凸状(突出形状)に形成されている。具体的に、雄型14は、突出部14aと、突出部14aの幅方向両側に設けられる一対の板部14bとを有している。突出部14aは、雌型13の底面部13a及び一対の側面部13bにより形成される窪みに対向する。突出部14aは、その外側(下方側)の成形面が、積層体1の底板部3の内側の面(上面)及び一対の側板部4の内側の面を成形する。一対の板部14bは、その下方側の成形面が、積層体1のフランジ部5の上方側の面を成形する。また、雄型14の突出部14aと一対の板部14bとの成形面は、長手方向において、折り曲げ部8において積層体1を折り曲げる成形面(雄側成形面22)となっている。長手方向において積層体1に折り曲げ部8を成形する雄側成形面22は、長手方向の一方側の部位1aを成形する成形面及び長手方向の中央側の部位1bを成形する成形面とが所定の折り曲げ角度で交差する雄側成形面22aと、長手方向の中央側の部位1bを成形する成形面及び長手方向の他方側の部位1cを成形する成形面が所定の折り曲げ角度で交差する雄側成形面22bと、を有している。
なお、雌側成形面21a及び雄側成形面22aにおける折り曲げ角度は、複合材の成形において急峻となる角度となっており、高さ方向の長さが1変化するときの長手方向の長さが100となる「1:100」の角度よりも急な角度となっている。具体的に、雌側成形面21a及び雄側成形面22aにおける折り曲げ角度は、「1:40」となっている。
支持部材15は、伸張性を有する部材であり、実施形態1では、熱可塑性フィルムが用いられる。また、支持部材15は、積層体1を構成する強化繊維シートよりも薄い厚さとなっている。この支持部材15は、定常状態から伸長状態となる伸長率が、1.5倍から4倍までの範囲内となっている。図3に示すように、支持部材15は、雌型13の2つの側面部13bに架け渡されるように配置されており、また、雌型13の底面部13aに対向する部位が、2つの側面部13bの上面から垂れ下がると共に、雌型13の底面部13aから離れた位置に設けられる。また、支持部材15は、幅方向における両端側が、側面部13bに対して、接着等により固定されている。
また、図4に示すように、支持部材15は、積層体1の折り曲げ部8aを成形する雌側成形面21aを含む範囲に設けられている。具体的に、支持部材15は、長手方向において、積層体1の長手方向の一方側における部位1aの端部と雌側成形面21aとの中央よりも、雌側成形面21a側に位置し、また、雌側成形面21aと雌側成形面21bとの中央よりも、雌側成形面21a側に位置する範囲に設けられている。
支持部材15は、長手方向において複数に分割された複数の分割支持部材15a,15b,15cを含んでいる。実施形態1では、例えば、3つの分割支持部材15a,15b,15cが用いられる。3つの分割支持部材15a,15bは、雌側成形面21aを挟んで、長手方向の一方側(部位1a側)に分割支持部材15aが設けられ、長手方向の他方側(部位1b)に分割支持部材15bが設けられている。また、分割支持部材15cは、分割支持部材15bの長手方向の他方側(部位1b)に設けられている。このように、支持部材15は、部位1b側に設けられる範囲が、部位1a側に設けられる範囲に比して小さい範囲となっている。
上記の支持部材15は、積層体1を雌型13の底面部13aから離した状態で支持する。つまり、支持部材15は、成形時において雌型13と積層体1との間に設けられる。この状態において、積層体1に対して雄型14がプレスされると、支持部材15は、雄型14に積層体1を相対的に押し付ける力を発生させる。ここで、複数の分割支持部材15a,15b,15cは、雄型14に積層体1を相対的に押し付ける力が異なっており、長手方向において折り曲げ部8a(雌側成形面21a)から遠くなるほど小さくなる。なお、押し付ける力は、支持部材15の張り具合で調整されており、分割支持部材15a,15bは、同じ張り具合となる一方で、分割支持部材15cよりも張っている(張力が付与された)状態となっている。なお、押し付ける力は、支持部材15の厚さで調整してもよい。この場合、分割支持部材15a,15bは、同じ厚さとなる一方で、分割支持部材15cよりも厚くなっている。
この支持部材15は、上記のように伸長性を有することから、積層体1を支持した状態で、雄型14が雌型13へ向けてプレスされると、プレス押圧によって伸長する。このため、積層体1は、折り曲げ部8aにおいて支持部材15により雄型14に押し付けられつつ、雌型13に対して押し込まれる。そして、支持部材15は、積層体1の成形後において、雌型13の成形面に倣った形状に伸長する。
次に、図5及び図6を参照して、上記の成形治具10を用いた成形方法について説明する。図5は、実施形態1に係る成形治具を用いた成形方法に関するフローチャートである。図6は、実施形態1に係る成形治具を用いた成形方法に関する説明図である。
図5に示すように、先ず、積層体1を雌型13に対して設置する(ステップS11)。ステップS11では、雌側成形面21aに設けられる支持部材15によって積層体1が支持されるように、雌型13に積層体1を設置する。続いて、高さ方向において、雌型13に対向する雄型14を雌型13へ向けてプレスして、雌型13と雄型14との間に積層体1を挟み込んで、積層体1を折り曲げ部8を有する三次元形状に成形する(ステップS12、ステップS13)。
ステップS12は、成形中の積層体1を示しており、長手方向に直交する断面であって、折り曲げ部8aにおける断面をA-A断面とし、折り曲げ部8bにおける断面をB-B断面としている。図6に示すように、ステップS12における断面A-Aでは、支持部材15により積層体1が支持された状態で、支持部材15がプレス押圧されていることから、支持部材15に対してテンションが付与されて、積層体1が雄型14へ向かって押し付けられる。ステップS12における断面B-Bでは、支持部材15がないものの、図5に示すように、雄型14の雄側成形面22bが積層体1に当接している。このように、ステップS12では、積層体1の成形時において、成形される折り曲げ部8aの長手方向の両側において雄型14に当接しており、この状態において、折り曲げ部8aが支持部材15によって支持されている。
ステップS13は、成形後の積層体1を示している。図6に示すように、ステップS13における断面A-Aでは、雄型14が、積層体1を挟んで雌型13に対して嵌め合わされている。このとき、支持部材15は、伸長した状態となっている。同様に、ステップS13における断面B-Bでは、雄型14が、積層体1を挟んで雌型13に対して嵌め合わされている。このように、積層体1は、雌型13及び雄型14の成形面によって三次元形状に成形される。
なお、実施形態1では、支持部材15は、伸長性を有する熱可塑性フィルムを用いたが、特に限定されない。支持部材15は、伸長性を有すると共に収縮性を有する、すなわち伸縮性を有するものであってもよく、例えば、弾性部材としてのゴムを適用してもよい。具体的に、弾性部材としては、シート状となる耐熱性のゴム、すなわち、耐熱性ゴムシートである。なお、耐熱性ゴムとしては、天然ゴムよりも耐熱性を有するゴムであり、例えば、シリコーンゴム等である。
また、実施形態1では、成形後において、伸長した支持部材15が雌型13の成形面に当接するが、支持部材15が当接する部分を許容する溝を、雌型13の成形面に形成してもよい。
[実施形態2]
次に、図7を参照して、実施形態2に係る成形治具10を用いた成形方法について説明する。なお、実施形態2では、重複した記載を避けるべく、実施形態1と異なる部分について説明し、実施形態1と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。図7は、実施形態2に係る成形治具を用いた成形方法に関する説明図である。
実施形態2に係る成形治具10は、実施形態1に係る成形治具10に加え、積層体1の幅方向の両側を外側に引っ張り合う張力を積層体1に付与する張力付与部を、さらに備えたものとなっている。図7に示すように、張力付与部は、少なくとも支持部材15が設けられる範囲に設けられている。つまり、張力付与部は、長手方向の全長に亘って、積層体1の幅方向の両側を外側に引っ張り合う張力を付与してもよい。
成形方法では、ステップS12における積層体1の成形中において、張力付与部により積層体1に張力を付与する。具体的に、ステップS12では、断面A-Aに示す積層体1の折り曲げ部8aに付与する張力F2と、断面B-Bに示す積層体1の折り曲げ部8bに付与する張力F1とを比較すると、「F2>F1」となるように積層体1に張力を付与する。
以上のように、実施形態1及び実施形態2に記載の成形治具10及び成形方法は、例えば、以下のように把握される。
第1の態様に係る成形治具10は、強化繊維シートを積層した積層体1を、長手方向に延在すると共に、前記長手方向に直交する面で切った断面において、屈曲部7を有する断面形状となり、且つ、前記長手方向において折り曲げ部8を有する三次元形状に成形する成形治具10であって、前記折り曲げ部8を成形する雌側成形面21を有する雌型13と、前記積層体1を挟んで前記雌型13に嵌め合わされ、前記折り曲げ部8を成形する雄側成形面22を有する雄型14と、成形時において、前記雌型13と前記積層体1との間に設けられ、前記積層体1を前記雌型13から離した状態で、前記積層体1を支持する伸長性を有する支持部材15と、を備え、前記積層体1は、成形時において、成形される前記折り曲げ部8の前記長手方向の両側において前記雄型14に当接しており、前記支持部材15は、前記長手方向の前記雌側成形面21を含む範囲に亘って設けられる。
この構成によれば、積層体1の折り曲げ部8aを挟んだ長手方向の両側が雄型14に当接した状態で、雌型13に対して雄型14がプレスされる場合であっても、支持部材15によって積層体1が雌型13の雌側成形面21aから離れた状態とすることができる。このため、折り曲げ部8aにおいて積層体1が雌型13により拘束されることを抑制することができるため、成形によって雌型13と雄型14との間に余分に強化繊維シートが送られても、余分な強化繊維シートを許容することができる。これにより、積層体を三次元形状に成形する場合であっても、積層体1への皺の発生を抑制することができ、成形不良の発生を抑制することができる。
第2の態様として、前記積層体1は、前記断面において、底板部3と、前記底板部3の両側に前記屈曲部7を介してそれぞれ設けられる2つの側板部4と、2つの前記側板部4の前記底板部3とは反対側に前記屈曲部7を介してそれぞれ設けられる2つのフランジ部5と、を含む断面Ω形状となっている。
この構成によれば、断面Ω形状となる三次元形状の積層体1を成形することができる。
第3の態様として、前記支持部材15は、熱可塑性フィルムまたは耐熱性ゴムシートである。
この構成によれば、伸長性を有する支持部材15として適切な材料となる熱可塑性フィルムまたは耐熱性ゴムシートを用いることができ、また、積層体1を好適に支持することができる。
第4の態様として、前記支持部材15は、前記強化繊維シートよりも薄い。
この構成によれば、成形後の積層体1から取り外した支持部材15の跡を小さいものとすることができる。
第5の態様として、前記支持部材15は、定常状態から伸長状態となる伸長率が、1.5倍から4倍までの範囲内である。
この構成によれば、支持部材15を好適に伸長させることができる。
第6の態様として、前記支持部材15が設けられる範囲に設けられ、前記断面において、前記積層体1の両側を外側に引っ張り合う張力を、前記積層体1に付与する張力付与部をさらに備える。
この構成によれば、積層体1の折り曲げ部8aに対して、張力を付与することにより、雄型14に対して相対的に積層体1をさらに押し付けることができる。また、成形時において、雌型13と雄型14との間に余分な強化繊維シートが送られることを抑制することができる。このため、積層体1への皺の発生をさらに抑制することができ、成形不良の発生を抑制することができる。
第7の態様として、前記支持部材15は、前記長手方向において複数に分割された複数の分割支持部材15a,15b,15cを含む。
この構成によれば、複数の分割支持部材15a,15b,15cにより積層体1を適切に支持することができる。
第8の態様として、前記支持部材15は、前記雄型14に前記積層体1を相対的に押し付ける力が、前記長手方向において前記折り曲げ部8から遠くなるほど小さくなる。
この構成によれば、折り曲げ部8aから遠くなるほど、積層体1を雄型に押し付ける力を弱くすることができるため、折り曲げ部8aの周りに対する押し付け力を適切なものとすることができる。
第9の態様に係る成形方法は、上記の成形治具10を用いて、強化繊維シートを積層した積層体1を、長手方向に延在すると共に、前記長手方向に直交する面で切った断面において、屈曲部7を有する断面形状となり、且つ、前記長手方向において折り曲げ部8を有する三次元形状に成形する成形方法において、前記雌側成形面21に設けられる前記支持部材15によって前記積層体1が支持されるように、前記雌型13に前記積層体1を設置するステップと、前記雄型14と前記雌型13との間に前記積層体1を挟み込んで、前記積層体1を前記折り曲げ部8を有する三次元形状に成形するステップと、を備える。
この構成によれば、積層体1の折り曲げ部8aを挟んだ長手方向の両側が雄型14に当接した状態で、雌型13に対して雄型14がプレスされる場合であっても、支持部材15によって積層体1が雌型13の雌側成形面21aから離れた状態とすることができる。このため、折り曲げ部8aにおいて積層体1が雌型13により拘束されることを抑制することができるため、成形によって雌型13と雄型14との間に余分に強化繊維シートが送られても、余分な強化繊維シートを許容することができる。これにより、積層体を三次元形状に成形する場合であっても、積層体1への皺の発生を抑制することができ、成形不良の発生を抑制することができる。
1 積層体
3 底板部
4 側板部
5 フランジ部
7 屈曲部
8 折り曲げ部
10 成形治具
13 雌型
14 雄型
15 支持部材
21 雌側成形面
22 雄側成形面

Claims (8)

  1. 強化繊維シートを積層した積層体を、長手方向に延在すると共に、前記長手方向に直交する面で切った断面において、屈曲部を有する断面形状となり、且つ、前記長手方向において折り曲げ部を有する三次元形状に成形する成形治具であって、
    前記折り曲げ部を成形する雌側成形面を有する雌型と、
    前記積層体を挟んで前記雌型に嵌め合わされ、前記折り曲げ部を成形する雄側成形面を有する雄型と、
    成形時において、前記雌型と前記積層体との間に設けられ、前記積層体を前記雌型から離した状態で、前記積層体を支持する伸長性を有する支持部材と、を備え、
    前記積層体は、成形時において、成形される前記折り曲げ部の前記長手方向の両側において前記雄型に当接しており、
    前記支持部材は、前記長手方向の前記雌側成形面を含む範囲に亘って設けられ、前記雄型に前記積層体を相対的に押し付ける力が、前記長手方向において前記折り曲げ部から遠くなるほど小さくなる成形治具。
  2. 前記積層体は、前記断面において、底板部と、前記底板部の両側に前記屈曲部を介してそれぞれ設けられる2つの側板部と、2つの前記側板部の前記底板部とは反対側に前記屈曲部を介してそれぞれ設けられる2つのフランジ部と、を含む断面Ω形状となっている請求項1に記載の成形治具。
  3. 前記支持部材は、熱可塑性フィルムまたは耐熱性ゴムシートである請求項1に記載の成形治具。
  4. 前記支持部材は、前記強化繊維シートよりも薄い請求項1に記載の成形治具。
  5. 前記支持部材は、定常状態から伸長状態となる伸長率が、1.5倍から4倍までの範囲内である請求項1に記載の成形治具。
  6. 前記支持部材が設けられる範囲に設けられ、前記断面において、前記積層体の両側を外側に引っ張り合う張力を、前記積層体に付与する張力付与部をさらに備える請求項1に記載の成形治具。
  7. 前記支持部材は、前記長手方向において複数に分割された複数の分割支持部材を含む請求項1に記載の成形治具。
  8. 請求項1からのいずれか1項に記載の成形治具を用いて、強化繊維シートを積層した積層体を、長手方向に延在すると共に、前記長手方向に直交する面で切った断面において、屈曲部を有する断面形状となり、且つ、前記長手方向において折り曲げ部を有する三次元形状に成形する成形方法において、
    前記雌側成形面に設けられる前記支持部材によって前記積層体が支持されるように、前記雌型に前記積層体を設置するステップと、
    前記雄型と前記雌型との間に前記積層体を挟み込んで、前記積層体を前記折り曲げ部を有する三次元形状に成形するステップと、を備える成形方法。
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