JPS5827090B2 - 複合材料構造部品の一体成形法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は繊維／樹脂複合材料の一体同時成形法に関す
る。

炭素・ボロン・アラミド（芳香族ポリアミド）・炭化珪
素などの繊維を、エポキシ・ポリエステル・フェノール
・ポリイミドなどの樹脂で固化した複合材料は、軽量、
高強度・高弾性率を特徴とすることから、航空宇宙機器
の主要構造部材として注目を浴びている材料で、国内外
での開発、実用化が激増している。

この複合材料部材の形態は、代表的な炭素繊維／樹脂複
合材料（以下ＣＦＲＰと称す）にみられる如く、現状で
は、積層板・棒・円筒・ハニカムサンドインチ表面板な
どの比較的単純な形状が多く、製作方法も、従来のガラ
スＦＲＰの技術を適用した方法が多用されている。

ＣＦＲＰ製作例として公表されたものの１つに、ｒＣＦ
ＲＰの成形法の現状と展望」日本複合材料学会誌ｖｏ１
．２ Ａ４ （１９７６）があるが、この例に述べられ
ている如（、従来は射出成形、スプレーアップ・ハンド
レイアツゾ圧縮成形、フィラメントワインディング・テ
ープワインディング法、シートラッピング法、引抜成形
法等により、形状を付与し固化して、所望の成形体とし
ている。

上記従来法においては、下記の理由により航空宇宙機器
１次構造部材に特有な高性能、複雑・大型形状部品の高
品質な製作は、達成困難である。

■ 短繊維を主体とした、射出成形・トランスファ成形
等では、複雑形状は可能であるが、強度等の性能が不十
分である。

■ 連続糸を用いたフィラメントワインディング法、圧
縮成形法、引抜成形法では、性能は得られるが、形状に
制限がある。

■ 航空機２次構造部材に多用される積層されたプリプ
レグシートをオートクレーブ等により加圧加熱する方法
では高品質な成形体を得ることはできるが、やはり形状
面で制約があり、複雑形状部品の場合は、個々の要素を
成形後接着などにより組立てるため、作業工数が増大し
コスト高となる。

本発明者等は繊維／樹脂複合材料から、高性能、かつ複
雑・大型形状の成形体を低コストで得べく研究を重ねて
いたが、オートクレーブ成形時にエラストマ系工具の熱
膨張圧を併用することによって複合材料を一体化、同時
成形する方法を見出し、本発明に到達したものである。

即ち、本発明は所望複合材料形状に合せて予め製作した
エラストマ系材質工具の上に、未硬化状態の繊維／樹脂
成形素材を積載し、この複数個の積載体の面を互に組合
せた後、予備加熱・加圧することなく、オートクレーブ
中で加熱して繊維／樹脂成形素材の樹脂を硬化させると
同時に、エラストマ系材質工具の熱膨張圧をも併用して
一体化接合させることを特徴とする複雑形状繊維／樹脂
構造部材の一体製作法に関する。

エラストマの膨張圧Ｐと樹脂粘度ηの温度Ｔに対する変
化を第５図に示すが、最も適切な圧力の発生は樹脂硬化
開始温度近辺Ｔａ＝Ｔｂに要求される。

エラストマは成形温度、成形時間、使用樹脂等の成形条
件によって決定されるが、基本特性としては熱膨張率（
α）、弾性率（ｋ）、硬さくショアＡ）が成形条件を満
足するものであればよい。

注型性、耐久性を考慮して次のようなシリコーン本発明
の繊維／樹脂成形素材の繊維としては先に挙げた炭素、
ボロン、アラミド、炭化珪素等の繊維が用いられる。

樹脂としては複合材料の繊維を保持し形状を付与するマ
トリックスとしての能力があり、かつ成形時、熱と圧力
を必要とする樹脂金てを適用できる。

熱硬化系では不飽和ポリエステル、エポキシ、フェノー
ル、ポリイミド、ポリアミドイミド、ユリア、メラミン
、けい素、ウレタン等が、熱可塑系ではナイロン、ふっ
素、ポリカーボネート、ポリアセタール、ＡＢＳ、ポリ
サルフオン、ポリエチレン、ポリブチレンテレフタレー
ト等がある。

繊維／樹脂成形素材の加熱・加圧媒体は、オートクレー
ブ中の窒素ガス等による加熱（および加圧）とエラスト
マ系材質工具の熱膨張圧との併用とすることが、ち密で
、かつ強固な複雑形状の製品を得る上で重要である。

本発明方法により ■ 加圧媒体の低減、ならびに一体化による組立工数の
低減から、低コスト化しうる。

■ オートクレーブ加圧力のコントロールと膨張圧を受
ける治工具の精度とにより、所要の寸法・形状、繊維配
列・含有率、無欠陥の高品質な成形体を得る。

という効果が奏せられる。

本発明方法は（１）航空宇宙機器構造部品、（２旧動車
・輸送機器、化工機・工作機械など一般産業機械部品、
（３）スポーツ・レジャー用品、電気・電子部品、（４
）新エネルギ、原子力機器部品など広い分野の製品に適
用しうる。

次いで航空機尾翼の主要部品である桁・リブへの適用を
目的とした、第１図に示す波状ウェブを有する／／ ■
／／ビームを、炭素繊維／エポキシ樹脂複合材料で本発
明方法により製作する方法について説明する。

第１図において１はウェブ部、２はキャップ部、３は充
てん部を示す。

第２図は第１図の断面図である。

第３図において、所要ウェブ形状に合わせてあらかじめ
作っておいたエラストマ系工具４の上に、所要仕様の成
形素材５を積層する。

この場合、積層用には、エラストマ系工具４０代わりに
、同じ形状をした金属・木材などの他材料を用いて形状
を与え１次段階の加熱時にエラストマ系工具に移すこと
も可能である。

また積層する方法としては、手による方法、簡単な治工
具を用いる方法、レイアップ装置による方法などが考え
られる。

又、所要積層枚数を１枚ずつ積層してもよいし、あラカ
じめ積層したものをレイアップし形状に沿わせてもよい
。

次にこの積層体２個を第２図、第４図に示すように組合
わせ、上下のキャップ部２と左右のウェブ部１を合わせ
ると、ウェブ部の屈曲部のＲ形状により必然的に間隙が
生じ、これを形状保持の点から充填する必要がある。

充填部の材料としては接着力と充填効果を示すもので予
備成形体硬化に悪影響を及ぼさぬものであれば何でもよ
いが、方向成形素材の他、発泡性接着剤、無機フィラー
金属フィラー、各種インサートが適用可能である。

又キャップ部とウェブ部の接触面は、それぞれの樹脂の
接着力により一体化する。

このようにセットした両面へキャップ部２を並べ、次段
階の操作により硬化を行なう。

ここでの硬化はオートクレーブ中で真空パックフィルム
を介して加熱窒素ガス（室温→２００℃）等の外部圧力
（０→７ｋｇ／ｃｒＡ）と温度が負荷して行なわれるが
、このときキャップ部２は上下方向に治具で拘束される
のでエラストマ４の熱膨張圧が主に負荷され、ウェブ１
にはフィルムを介したオートクレーブ圧力が主に負荷し
て硬化され、所要の形状となる。

この方法により炭素繊維／エポキシ樹脂（三菱レイヨン
製、パイロフィルムＡＳ／３５０１）をシリコーンゴム
（Ｄ Ａ １ｒｃｒａｆｔ Ｐ ｒｏｄｕｃｔ 製
ＤＡＰＣＯ＃３８−３）からなるエラストマ工具に積層
して、３．５〜７ ｋｇ／ｃｒＩＬの圧力、１７７℃の
温度で、硬化、成形を行なった。

このようにして得られた成形体は、熱膨張圧により成形
素材間及びその積層体間の空気が脱気されて空洞のない
、ち密で、かつ適正な樹脂含有率を示す強固な高性能複
合材料である。

実施例においては、空洞率−〇、繊維含有率−５０〜６
５容量％の高品質な部材を得ることができた。

又、エラストマ系工具の形状に従って任意の複雑形状体
を同時に加圧し、一体成形できることから、組立工数及
び組立材料を省くことが出来、従って得られた部材のコ
スト低減が可能となる。

実施例では、成形回数の低減と組立用接着剤の削除によ
り、４０〜５０％のコスト低減を達成した。

これらの例から判るように、従来の成形法による複合材
料部品製作法に比べ、■オートクレーブ成形時にエラス
トマ系工具の熱膨張圧を併用することにより、加圧媒体
の低減と組立工数低減が可能となり、最終部品が低コス
トで得られる。

■エラストマ系工具の形状と膨張圧のコントロールによ
り、複雑形状の部品が、寸法・形状、繊維含有率、空洞
率ともに高品質な成形体として強固な一体構造で得られ
る。

という効果が奏せられる。

【図面の簡単な説明】

第１，２図は本発明で得られる部品の構造に関し、第３
，４図は本発明方法を示す図であり、第５図は本発明に
おけるエラストマの膨張圧と樹脂粘度の温度に対する変
化を示すグラフである。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 所望複合材料形状に合せて予め製作したエジストマ
   系材質工具の上に、未硬化状態の繊維／樹脂成形素材を
   積載し、この複数個の積載体の面を互に組合せた後、予
   備加熱・加圧することなく、オートクレーブ中で加熱し
   て繊維／樹脂成形素材の樹脂を硬化させると同時に、エ
   ジストマ系材質工具の熱膨張圧をも併用して一体化接合
   させることを特徴とする複雑形状繊維／樹脂構造部材の
   一体製作法。