JPS63109039A - 複合材料の成形装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、複合材料の成形装置に関し、例えば宇宙構築
物用部材として用いられるような薄肉長尺の炭素繊維／
熱可塑性樹脂よシなる樹脂系複合材料を連続的に成形す
る装置に関する。

−曲げ成形法を提供する必要が生じたが、この種の技術
は最新技術であシ、類例に関する従来技術はほとんどみ
あたらない。

従来技術より考えられる薄肉長尺構造品の成形法として
は、所定の断面形状をもつ金型から連続的に引き抜き、
又は、押し出しを行う成形装置が一般的である。

〔発明が解決しようとする問題点〕

従来技術により炭素繊維／熱可塑性樹脂よシなる複合材
料の薄肉長尺構造体を成形しようとする場合には、 ■　成形品の薄肉化が難かしい、 ■　繊維配向の乱れが大きくなりやすい、■　繊維含有
率を大きくできない、 ■　成形速度を大きくできない、 などの問題があり実用的ではない。

本発明は、上記問題点に鑑み、炭素繊維／熱可塑性樹脂
よシなる薄肉長尺の樹脂系複合材料を原料として、繊維
配向の乱れがなく、高速度で、しかも繊維含量の高い材
料も容易に連続曲げ成形できる複合材料の成形装置を提
供するこせ、多段のロール間を通して徐々に曲げ成形し
、冷却固化する成形装置によ！７達成するものであ弓゛
、杉。

すなわち本発明は、炭素繊維／熱可塑性樹脂よりなる開
断面薄肉長尺の樹脂系複合材料を連続的に曲げて成形す
る装置において、 （１）帯板状素材をニツプロール付きコンベアロールに
より一定方向に供給する素材入口部、（２）素材を熱源
により予め熱変形温度近傍まで加熱軟化させる加熱部、 （３）加熱軟化された素材を熱源により加熱保持しつつ
、ロール断面の外形曲率半径を徐々に小さくし、曲げ成
形角度を徐々に大きくした多段の成形ロー２間を通して
段階的に曲げる成形部、 （４）高温状態にある成形品を成形ローｐの最終段のロ
ールとほぼ同一形状で冷却手段を備えた多段の冷却ロー
ｙ間で急速に冷却して所要形状に固化する冷却部、 （５）各部の加熱・冷却温度、各ロールの送り速度およ
び各ロー〜の加圧力をコントロールする制御部、 を備えたことを特徴とする複合材料の成形装置に関する
ものである。

１材入口部からニツプロール付きコンベアロールにて、
加熱部→成形部へ一定方向に供給する。

加熱部において、赤外線ヒータなどの熱源により予め成
形素材の熱変形温度近傍まで加熱軟化させる。次いで成
形部において、赤外線ヒータなどの熱源により、加熱軟
化した成形素材を保持しつつ、ロー／ｌ／断面の外形曲
率半径を徐々に小さく、曲げ成形角度を徐々に大きくし
た多段の成形ロー２間を通して、段階的に曲げ成形する
。

しかる後、冷却部において、高温状態にある成形品を、
成形ロールの最終段のロールとほぼ同一形状で、冷却手
段を備えた多段の冷却ロール間を通して、急速に冷却す
る。

そして、本発明では、制御部によりこれら連結した各部
の加熱・冷却温度と、コンベアロー！、成形・冷却ロー
ルの送り速度、および成形・冷却ロールの加圧力をコン
トロー〜する。

〔実施例〕

第１図は本発明の段階的連続曲げ成形装置の基本構成の
一例を示す説明図、第２図（ａ）はこの：ｌ第１図に示
すように、この成形装置はコンペ９、・ア′ロー１ｖ１
ａ１ニップμローｐ付きコンベアローＩｖ１ｂおよびス
チールメツシュベルト１ｃからなる素材入口部１と、赤
外線ヒータ２ａを複数並べた加熱室２ｂからなる加熱部
２と、多段の成形ローＡ／　５　ａ〜５ｄおよび赤外線
ヒータ３ｅを複数並べた成形室３ｆからなる成形部５と
、水冷式冷却ローＩｖ４ａ、４ｂからなる冷却部４と、
加熱部２、成形部３の加熱温度と、冷却部４の冷却温度
をコントロー／Ｉ／Ｌ、コンベアローＡ／１ａ、成形冷
却ローＩＶ３ａ　〜５　ｄ、　４　ａ、　４ｂの送り速
度をチェーン駆動で同調コントローｐし、成形・冷却ロ
ー／ｌ／３　ａ　〜３　ｄ、　４　ａ、　４　ｂの加圧
力をエアシリンダ加圧式でコントロールする制御部５と
からなる。

ここで、成形部３の成形ローＩＶ５ａ〜３ｄは、５ａ、
５ｂ、Ｓｃ、５ｄの順で徐々にその曲率半径が小さくな
り、曲げ成形角度が大きくなっている。また、この成形
ロール３ｄと冷却部４の冷却ロー、Ａ／４ａ、４ｂとは
、その形状が同一となっている。

このような装置で実施する成形に用いる炭素−ａ維／熱
可塑性樹脂よりなる平板状素材の例を沁 笹５図（ａ）〜（ｅ）に示す。

１に １なお、第３図（ａ）〜（ｅ）中、Ｏ″、？０°　、＋
４５’。

シー４５°　は、繊維の配向方向を示し、第４図（ａ）
に示すように、０″　は帯板状素材の長手方向、９０°
は幅方向を意味し、＋４５°は帯板状素材を００を横軸
、９０″を縦軸とする平面座標系とすれば横軸からプラ
ス方向へ４５°傾斜した方向、−４５°はマイナス方向
へ４５″傾斜した方向を意味する。従って、０＠／９　
Ｇ＠　　は繊維を縦糸、横糸として配列した場合、＋４
５°は第４図Ｃｂ）に示すように斜め交差状に配列した
場合を示している。

また、第３図（ａ）〜（６１）中のＣＦは炭素繊維を、
ＧＦはガラス繊維を示している。

第５図（ａ）は、ポリエーテルサμフオン（以下、ＰＥ
Ｓと略称する）をマトリックスとし、０″の一方向に高
弾性炭素繊維（引張弾性率Ｅ＞５０トン／ｗｓ”のもの
、以下同じ）を配列した平板状素材（図中のＯ＠ＣＦ層
）（高弾性炭素繊維［−方向］／ＰＩＩＣ８）の両面に
、Ｏ＠ＣＦ’層の幅方向すなわち９０＠の方向の強度を
補うために、０°／９０＠の方向にガラス繊維を織った
保護織布（図中０＠／？　Ｏ°ＧＦスクリムクロス層）
を配置した１のの断面図である。

・・第３図中）は、マトリックスとしてナイロン６を、
炭素繊維として＋４５°の方向に平織した高弾性炭素繊
維を用いた平板状素材（図中の±４５″ｃｙ層）（高弾
性炭素繊維〔＋４５°平織〕／ナイロン６）の断面図で
ある。

第３図（Ｃ）は、マトリックスとしてＥＰＳを用い、炭
素繊維として高弾性炭素繊維を、０°　方向に配列した
ものを５層積層しく図中の０°ＣＦ。

層）、この両面に＋４５″に配列したもの（図中の＋４
５”ＣＦ層）を配置して用いた平板状素材（高弾性炭素
繊維〔±４５＠／口０３／±４５’）／ｐｇｓ　）の断
面図である。

第５図（ｄ）は、マトリックスとしてポリエーテルエー
テμケトン（以下、ＰＩＩＥＫと略称する）を用い、炭
素繊維として高強度炭素織（引張強度σ）３００に９／
咽２のもの、以下同じ）を、０゜方向に配列したものを
４層積層しく図中の０＠ＣＦｇり）、この両面に０６Ｃ
Ｆ層側から順に一４５１′に配列したもの（図中の一４
５°ＣＦ層）と＋４５゜に配列したもの（図中の＋４５
′″ＣＦ層）とを配置して用いた平板状素材（高強度炭
素繊維（＋ａ　ｓ＠　／−４５’　／　Ｏ’４　／　−
４５’　／＋４５＠／Ｐ　ＥｇＫ）の断面図である。

第５図（ｅ）は、ＰＩＥＫをマトリックスとし、０°の
一方向に高強度炭素繊維を配列した平板状素材（図中の
Ｏ’ＣＦ［）（高強度炭素繊維〔一方向）／ＰＥＥＫ）
を２枚重ね、この間に＋４５°の方向にガラス繊維を織
った保護織布（図中の＋４５”ＣＦスクリムクロス層を
、０°ＣＦ層の幅方向の強度を補うために配置したもの
の断面図である。

これら第５図（ａ）〜（ｅ）に示したような樹脂系複合
材料である帯板状素材１０は、第２図に示したコンベア
ロー／Ｌ／Ｉａ上に供給され、ニップルロール付きコン
ベアロー／Ｉ／１ｔ）にてスチールメッシュペμ）Ｉｃ
上にのせられ、加熱室２ｂへ送られて赤外線ヒータ２ａ
によυそれぞれの成形素材の熱変形温度付近まで加熱さ
れる。次いで、加熱により軟化した帯板状素材１０は、
成形室５ｆの赤外線ヒータ３ｅで加熱されつつ多段の成
形ロー／Ｌ’３ａ〜３ｄにて徐々に曲げ成形されて冷却
部４へ送られる。冷却部４では、高温状態にある成形品
が水冷式冷却ロー／ｌ／　４　ａ。

４ｂにて冷却されて所要形状に固化される。

加熱室２ｂと成形室３ｆの加熱手段は、上記の赤外線ヒ
ータのほか、レーザ加熱、誘導加熱、誘電加熱、振動加
熱などがあり、加熱室２ｂとラエア加圧される。ニップ
ロール付きコンベアローｆｉ／１ｂと成形ロー／Ｉ／　
５　ａ　−５ｄと冷却ロー／Ｌ’４ａ、４ｂの成形送り
速度は、駆動モータ５ｂから減速機ＳＣ，チェーンベμ
ト５ｄ１歯車５ｅを通じて同速に制御１ｆ１５　ａでコ
ントロールされる。

このように、炭素、１１！！　＃！　／熱可塑性樹脂よ
りなる成形素材を曲げ成形するためには、金属素材の塑
性変形による冷間ロール成形加工とは異々シ、常温では
弾性変形を示す成形素材を望ましくは熱変形温度近傍迄
加温することにより軟化させ、徐々に塑性変形を生じさ
せる必要がある。

よって上述方法では、成形時の形状変化を徐々に分散す
る多段構成の成形ローＡ／　５　ａ〜３ｄの形状が重要
となる。

実施例１ アングｉｖｍ材を連続成形するために第５図（ａ）〜（
ｄ）に示す形状の成形ロー／Ｉ／　３ａ〜３ｄを用いた
。

これらの成形ローＡ／　５　ａ〜３ｄでは、３ａ→５ｄ
で徐々にその曲率半径が小さくなシ（またθ＊ｘ９Ｑ’
のＶ型アングル形状の加工面を有している。この加工面
の幅は、成形ロー／ｌ／　５　ａの下ｐ　−ｉＬｔ　５
　ａｆｉのＷ′が９０ｍであシ、他のロー／Ｉ／３５〜
３ｄの下口−／Ｌ／　３ｂ、　〜３ｄ、の幅Ｗは８０ｍ
＋である。また、これらの成形ローＡ／　Ｓ　ａ〜３ｄ
の上下ロール間（３ａ１とＳａｇの間、３ｂ、と３ｂ。

の間、・・・・・・）の隙間は、１．２〜１７１１１１
１に変化するようになっている。もちろん、板厚に合せ
て、例えば１−に一定となっていてもよい。

また、第６図に示すように、ガイドフィン角度θは、ｔ
ａｎθ−Ｉから求められ、θ−２，９°となっている。

このような成形０−　／Ｉ／　５　ａ〜３ｄを用いて帯
板素材の高弾性炭素ａｍ／ＰＴＬＦ３Ｃ第５図（転）〕
と高弾性炭素繊維／ナイロン６〔第Ｓ図（６）〕をアン
グル型材に連続成形する場合の他の具体的条件の一例を
下に示す。

■成形素材のサイズ：板厚１１１１１．板幅８０燗、長
さ（Ｌ４〜１．１　ｆｉ　（基本的にはエンドレスでよ
い） ■加熱成形温度：高弾性炭素繊維／ＰＥ８・・・　２５
０　℃ 高弾性炭素繊維／ナイロン６ ・・・　２００　℃ ■ロール成形時の素材温度： 高弾性炭素繊維／ＰＥ８・・・１８０〜２２３℃高弾性
炭素繊維／ナイロン６・・・１６０〜１９０℃■成形（
送＃））速度＝α１　ｒｒＬ／　ｍｉｎ■成形ロール加
圧カニ　２５０　ｋｇｆ　／　Ｂ　Ｏｗａ幅■キャリア
シート：ステンレスシート （（１１■厚） ■熱変形温度： 高弾性炭素繊維／ＰＥＳ・・・２２５℃高弾性炭素繊維
／ナイロン６・・・２２３℃また第７図には、上述の成
形ロー／Ｌ’　５　ａ〜３ｄによって帯板状素材１０が
段階的に曲げられる状態である成形フランを示す。ここ
で１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄはそれぞれ、成形ロ
ーＡ１５ａ、Ｓｂ、Ｓｃ、Ｓｔ、によって、それぞれの
アングル形状に曲げられている帯板状素材１゜の断面を
示す。

以上の条件により成形された成形品は、繊維の乱れがな
く、曲げ加工近傍の平板部の引張弾性率が１２７００　
ｋｌｉＦ　ｆ／ｍ”　”ｔ’　、複合前の約８０−を発
現した高性能なアングル形状開断面薄肉、萼尺の複合材
料成形品であった。

八」 ！なお、上記の複合前とは、複合材料の力学的方向強化
材）は、次式で示される。

Ｅ−ＥｆＶｆ＋Ｅｍ（１−Ｖｆ） 上述の実施例では、帯板状素材１０の炭素繊維含有率は
Ｖｆ−０，５４７であり、炭素繊維の引張弾性率は２９
０００　ｋＪｉ　１７ｍ”であるので、成形品の計算上
の引張弾性率は１５８６０に９ｆ／ｍ”である。

実施例２ チャンネル型材を連続成形するために成形ロー　／Ｉ／
　Ｓ　ａ　〜３　ｄを第８図（ａ）　〜（ｄ）に示す成
形ロー／Ｉ／１１ａ〜ｆｆｄに交換する。これらの成形
ローｆｉ／１１　ａ　〜１１　ｄでは、１１　ａ−＋１
１　ｄで曲率半径がＲ４−Ｒ５０ｍｍ、　Ｒ１１−Ｒ２
４ｍ１Ｒ６−Ｒ１２ｍ、　Ｒ４ｘ　１２ｍと小さくなり
、また、成形角度がθ１−４５°、θ、”５５’、θ、
”１６５＠と大きくなるチャンネル形状の加工面を有し
ている。

この時のガイドフィン角度は、θ−１．７＠となってい
る。

このような成形ローＡｚ１１ａ〜１１ｄを用いて、帯板
素材の高弾性炭素繊維／Ｐ］１ｉＳ（第５長さ１７〜１
．４　ｆｉ ■加熱成形温度： 高弾性炭素繊維／ＰＥＳ・・・２３５℃高強度炭素繊維
／ＰＥＥＫ・・・２９０℃■ローｐ成形時の素材温度： 高弾性炭素繊維／Ｐ１８・・・２１５〜２３５℃高強度
炭素ａｍ／　ＰＥＦＪニー２　ｂ　ｏ　〜２　ｑ　ｓ℃
■成形（送り）速度：　Ｉ１２　＠／　ｍｉｎ■成形ロ
ール加圧カニ　２５０に９ｆ／８０日幅■キャリアシー
ト：なしくロール表面に離型剤を塗布） ■熱変形温度： 高弾性炭素繊維／ＰＥＳ・・・２２３℃高強度炭素繊、
ｔ／ＰＥＥＫ・・・５３２℃また第９図には、上述の成
形ロー／１ｚ１１ａ〜１１ｄによって帯板状素材１２が
１２ａ→１２ｄへ段階的に曲げられる状態である成形フ
ラゾを示す。

このような条件にて成形された成形品は、繊維の乱れが
なく、曲げ加工近傍の平板部の引張Ｗ陣率が、７６００
に９ｆ／箇２であり、成形によ鼠−性率の低下がみられ
ず、高性能なチャ・ネｙｉ形状の複合材料成形品であっ
た。

φ雄側５ ハツト型材を連続成形するために、成形ロー／Ｌ／　５
　ａ　〜３　ｄを第１０図（ａ）　〜（ｄ）に示す成形
ロー〜１３ａ〜１３ｄに交換する。これらの成形ロー／
Ｌ’１５ａ　〜１５ｄでは１５ａ−＋１３ｄで曲率半径
がＲＩ譚Ｒ５［１ｍ、鳥＝　Ｒ２４ｍ、馬＝　Ｒ１６日
、馬＝Ｒ１２＋ｗ、と小さくなシ、また成形角度がθ、
−１６°１５′、θ、８５２°５０′、θ、＝４８°４
５′、０４１６５°　と大きくなるハツト形状の加工面
を有している。この時のガイドライン角度はθ−１，１
°になっている。

このような成形ロー／Ｌ’１５ａ〜１５ｄを用いて、帯
板素材の高強度炭素繊維／ＰＥＥＫ（第３図（ｅ）〕を
チャンネル型材に連続成形する場合の具体的条件の一例
を示す。

■成形素材のサイズ：板厚１■、板幅８０ｍ、長さ１．
５　ｆｉ ■加熱成形温度： 高強度炭素繊維／　ＰＩＥＫ”・３　Ｑ　Ｏ〜３　ｊ　
Ｑ　’Ｃ■ロール成形時の素材温度： ふ成形ロール加圧カニ　２５０　ｋｇ　ｆ　／　８０　
ｗ幅・■キャリアシート：なしくロール表面に離型剤を
塗布） の熱変形温度： 高強度炭素繊維／Ｐ’Ｂ’Ｆ：、Ｋ・・・５３２℃また
第１１図には上述の成形ロー＃１３ａ〜１５（ｌによっ
て帯板状素材１４が１４ａ→１４ｄへ段階的に曲げられ
る状態である成形フラゾを示す。

このような条件にて成形された成形品は、繊維の乱れが
なく、曲げ加工近傍の平板部の引張伸性率が１８５００
　ｋｇｆ／ｍ”であシ、高性能なハツト形状の複合材料
成形品であった。

〔発明の効果〕

実施例とともに具体的に説明したように、炭素繊維／熱
可塑性樹脂よりなる開断面薄肉長尺の樹脂系複合材料を
本発明装置により成形すれば、板厚変化及び繊維配向の
乱れがなく、高性能な曲げ成形品を容易に連続成形でき
る。また、本成形装置によれば、成形・冷却固化時に、
成形素材と成形ロールとの固着がなく、剥離シート等の
剥離手段が特に不要である上、炭素繊維

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の基本的な構成の一例を示す図、第
２図≠）は第１図の構成例に係る連続成形装置全体を示
す図、第２図（２）は第２図（薊の爵影部近傍の断面図
である。第３図（ａ）〜（８）は本発明装置に用いる炭
素繊維／熱可堅性樹脂成形素材の例を示す断面図、第４
図（ａ）、（ｂ）は炭素鐵雑の配向鮨様を説明するため
の図、第５図（ａ）〜（（１）は上記成形装置のアング
ル型材の成形ロールの一例を示す説明図、第６図はガイ
ドライン角度の説明図、第７図はアングル型材成形ロー
ルによる成形品の成形フヲワを示す断面図である。 第８図（ａ）〜（ｄ）はチャンネル型材の成形ロールを
示す説明図、第９図はチャンネル型材の成形ロールによ
る成形品の成形フラワを示す断面図である。第１（１１
（ａ）〜（ｄ）はハツト型材の成形ロールを示す説明図
、第１１図はハツト型材成形ロールによる成形品の成形
フラワを示す断面図である。 図面中、１は素材入口部、２は加熱部、３は成形部、３
ａ〜３ｄは成形ロール、４は冷却部、４ａ、４ｂは冷却
ロール、５は制御部、１０は帯板状素材である。 第１図 第２図 第３図 （Ｑ、）　　　　　　　　　　　　　　　（１：＋）（
Ｃ）　　　　　　　　　　　　　　　　　　（ｃＬン（
ｅ） 范４図 （（Ｌ） （ｂ） 娩５図 （α）　　　　　　（ｂ）　　　　　　（Ｃ）　　　　
　　（注）第６図 第７図 第８図 第９図 ｊ１負がイトライン 第１０図 （α）　　　　（ｂ）　　　　　（ｃ）　　　　（ｃｌ
、）垂直方イトウイン

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 炭素繊維／熱可塑性樹脂よりなる開断面薄肉長尺の樹脂
   系複合材料を連続的に曲げて成形する装置において、 （１）帯板状素材をニツプロール付きコンベアロールに
   より一定方向に供給する素材入口部、（２）素材を熱源
   により予め熱変形温度近傍まで加熱軟化させる加熱部、 （３）加熱軟化された素材を熱源により加熱保持しつつ
   、ロール断面の外形曲率半径を徐々に小さくし、曲げ成
   形角度を徐々に大きくした多段の成形ロール間を通して
   段階的に曲げる成形部、 （４）高温状態にある成形品を成形ロールの最終段のロ
   ールとほぼ同一形状で冷却手段を備えた多段の冷却ロー
   ル間で急速に冷却して所要形状に固化する冷却部、 （５）各部の加熱・冷却温度、各ロールの送り速度およ
   び各ロールの加圧力をコントロールする制御部、 を備えたことを特徴とする複合材料の成形装置。