JP4472107B2 - 成形治具及びそれを用いた繊維強化複合材の成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、成形治具及びそれを用いた繊維強化複合材の成形方法に関し、特に弾性治具及び剛性治具の組み合わせからなり、繊維強化複合材からなる予備成形構造体を優れた形状精度及び位置精度で成形でき、繰り返し使用できる成形治具、並びにそれを用いた繊維強化複合材の成形方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
繊維強化複合材は軽量で、かつ高い強度を有するために、自動車、船舶、航空機等の構造部材に広く使用されている。繊維強化複合材は通常、強化繊維の織布に熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸してなる複数のプリプレグを所定の形状の型上で積層して予備成形体とし、加圧バッグを使用して加圧・加熱することにより成形する。しかしながら予備成形体の形状が複雑な場合は、成形時の樹脂流動化により形崩れが起こり易く、得られる成形体の形状精度及び位置精度、特に加圧バッグ側の精度が低下するという問題がある。
【０００３】
そこで、加圧バッグ側にシリコンゴム等のエラストマーからなる成形補助材を載置することにより、加圧力の維持均一化及び形状精度の向上が図られている。しかしながら、エラストマーは軟らかいので、高い位置精度を得るためには大型の金属製位置決め治具を併用する必要がある。更に、エラストマーからなる成形補助材は予備成形体中のエポキシ樹脂等との化学反応や、成形のための加圧・加熱により収縮する傾向があるので、一度使用した成形補助材は位置決め治具と適合しない形状となり、繰り返し使用することができない。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、大型の位置決め治具を併用することなく繊維強化複合材を優れた形状精度及び位置精度で成形でき、繰り返し使用できる成形治具、並びにそれを用いた繊維強化複合材の成形方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、弾性治具及び剛性治具の組み合わせからなる成形治具を用いることにより、複数の繊維強化複合材予備成形体（1a、1b、…）を所定間隔で直線状に配列し、１つ以上の繊維強化複合材予備成形体（2a、…）を予備成形体（1a、1b、…）の間を貫通しそれらと交差するように配置して構成する予備成形構造体を、優れた位置精度及び形状精度で成形できることを発見し、本発明に想到した。
【０００６】
すなわち、本発明の成形治具は弾性治具及び剛性治具の組み合わせからなり、弾性治具を上記予備成形体（1a、1b、…）と予備成形体（2a、…）との交差部に当接させ、剛性治具を該交差部以外の位置に当接させることにより、大型の位置決め治具を併用することなく高い成形精度が得られることを特徴とする。
【０００７】
上記予備成形体（1a、1b、…）を配列した方向における弾性治具の幅は、成形時の所望の幅よりも若干大きいのが好ましい。このようにすることで、弾性治具の弾性力により剛性治具を挟み込み互いの位置関係を保持することができる。また、弾性治具が成形工程により収縮しても繰り返し高い成形精度で成形することができる。
【０００８】
前記弾性治具はシリコンゴムからなるのが好ましい。前記剛性治具はアルミニウムからなるのが好ましい。前記剛性治具は緩衝材が貼付されているのが好ましい。
【０００９】
本発明の繊維強化複合材の成形方法は、上記成形治具を用いることを特徴とする。成形治具は繊維強化複合材からなる予備成形パネル、及び該予備成形パネル上に予備成形構造体を拘束するための２つ以上の保持手段と共に用いるのが好ましい。上記のように弾性治具と剛性治具を互いに組み合わせることにより相対的位置精度が保持できるので、簡単な保持手段を用いて予備成形構造体の端部を予備成形パネル上に拘束するだけで全ての位置精度を確保できる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施例による成形治具、及びそれを用いた成形方法を図１〜８を参照して説明する。
【００１１】
本発明の成形治具により成形できる予備成形構造体の一例を図１に示す。図１の予備成形構造体３は、面部10及び突起部11を有する予備成形体1a、1b、1cを所定間隔で直線状に配列し、面部20及び突起部21を有する予備成形体2a、2bを予備成形体1a、1b、1cと交差するように配置して構成される。本実施例では予備成形体1a、1b、1cの面部の一部には段が形成されており予備成形体2a、2bの面部は平面状であるが、予備成形体の形状はこれに限定されず、面部全体が曲面状であったり、複数の段が形成されていてもよい。予備成形体の数及び位置も特に限定されず予備成形構造体は格子状等であってよい。
【００１２】
予備成形体は繊維強化複合材からなり、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維の織布に熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含浸させてなる複数のプリプレグを積層すること、又はそれに含まれる樹脂を一部反応又は溶着することにより形成するのが好ましい。熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂等が好ましく、熱可塑性樹脂としてはナイロン等が好ましい。上記予備成形体1a、1b、1c及び予備成形体2a、2bは異なる材料から形成してもよいが、同じ材料からなるのが好ましい。
【００１３】
本発明の成形治具は弾性治具及び剛性治具の組み合わせからなる。図１の予備成形構造体３に、複数の弾性治具５及び剛性治具６、６’の組み合わせからなる本発明の成形治具４を載置した様子を図２に示す。弾性治具５は予備成形体同士が交差する部位に配置し、剛性治具６、６’は該交差部以外の位置に配置する。このように本発明では、弾性治具及び剛性治具を成形品の形状に合わせて互いの欠点を補う様に分類して使用する。すなわち、複雑な形状を有する交差部には弾性治具を用いて形状精度を得、剛性治具により弾性治具の位置を固定し高い位置精度を得る。
【００１４】
弾性治具は剛性治具と組み合わせることができ、予備成形体を載置できる形状であればよい。図２に示す弾性治具５の詳細を図３及び図４に示す。図３は上方からの斜視図であり、図４は下方からの斜視図である。この弾性治具５は上記予備成形体1a、…を載置するための隙間部51、51’及び上記予備成形体2a、…を載置するための隙間部52を有する。
【００１５】
図５（a）はこの弾性治具５の上面平面図、図５（b）は同側面図、図５（c）は同正面図、図５（d）は同底面図である。また、図６（a）は図５中のAA線における断面図である。優れた成形精度を得るためには、上記予備成形体1a、…を配列した方向における弾性治具の幅は成形時の所望の幅よりも若干大きいのが好ましい。例えば、図６（a）に示す成形前の弾性治具５の幅L1は、図６（b）に示す成形後の幅L2よりも大きいのが好ましく、具体的には、２％＜[(L1−L2)/L2]×100％＜５％であるのが好ましい。
【００１６】
本発明で用いる弾性治具は、柔軟性、耐熱性及び離型性を有するエラストマーで形成するのが好ましく、シリコンゴムで形成するのがより好ましい。
【００１７】
本発明で使用する剛性治具の形状は特に限定されず、弾性治具と組み合わせることにより成形物の位置精度を保持できる形状であればよい。また、剛性治具は寸法安定性、強度及び剛性に優れ、熱膨張の少ない材料により形成するのが好ましい。そのような材料としては、鋼鉄、ステンレススチール、アルミニウム等の金属材料や、グラファイト、CFRP等が挙げられる。中でも、アルミニウムにより形成するのが特に好ましい。
【００１８】
また、本発明の成形治具は、予備成形パネル及び該予備成形パネル上に予備成形構造体を拘束するための２つ以上の保持手段と共に用いるのが好ましい。具体的には、例えば図７のように予備成形パネル７上に予備成形構造体の端部を保持手段８、８’により拘束して成形する（剛性治具は図示せず）。本発明では、弾性治具及び剛性治具を互いに組み合わせることにより相対的位置精度を確保しているので、更に予備成形構造体の端部を保持手段によって拘束するだけで全ての位置精度を確保できる。
【００１９】
予備成形パネルは繊維強化複合材により形成するのが好ましく、上記予備成形体と同じ材料により形成するのがより好ましい。その形状は平面状、曲面状等であってよい。上記保持手段は、ネジ、クランプ等の機械的拘束手段の他、ドライヤー、低温ハンダごて等を用いた部分的加熱による融着でもよい。
【００２０】
予備成形パネルが積層時のばらつきによる凹凸部を有する場合、金属等の治具を用いるとパネルの板厚変化に追従できず、ボイドが発生することが多い。この凹凸部を吸収するために、剛性治具の表面には緩衝材を貼付するのが好ましい。剛性治具６の表面に緩衝材９を貼付した様子を図８に示す。離型性のある緩衝材を貼付することにより、離型処理が不要となりコスト削減の効果も得られる。
【００２１】
本発明で使用可能な緩衝材としては、テフロンテープ、シリコンゴム等が挙げられる。中でも、使い回しが可能であり張り替えも容易なテフロン粘着テープが好ましい。緩衝材の厚さは特に限定されないが、薄い方が巻きやすく、0.1〜0.3mmであるのが好ましい。
【００２２】
本発明の繊維強化複合材の成形方法においては、上記予備成形構造体を上記成形治具を用いて成形する。例えば、成形治具を配置した予備成形構造体を加圧・加熱し、プリプレグ中の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を流動化させて一体的に成形する。このとき加圧条件は６kg/cm²程度とするのが好ましく、加熱温度はプリプレグ内の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂の種類により若干異なるが、一般に120〜250℃とするのが好ましい。必要に応じて上記のような予備成形パネル及び２つ以上の保持手段を用いてもよい。また剛性治具には上記のような緩衝材を貼付するのが好ましい。
【００２３】
本発明の成形方法は、自動車、船舶、航空機等の構造部材の成形に適しており、特に航空機の胴体をなすフレーム部及びストリンガー部の成形に好適に用いられる。図１の場合、予備成形体1a、1b、1cは航空機の胴体をなすフレーム部を形成し、前記予備成形体2a、2bはストリンガー部を形成する。
【００２４】
以上の通り図面を参照して本発明の成形治具、及びそれを用いた成形方法を説明したが、本発明はそれに限定されず、本発明の趣旨を変更しない限り種々の変更を加えることができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の成形治具を用いることにより繊維強化複合材からなる予備成形構造体を高い形状精度及び位置精度で成形できる。また、本発明の成形治具は繰り返し使用可能である。本発明の繊維強化複合材の成形方法によれば、大型の位置決め治具を併用することなく優れた精度で繊維強化複合材を成形できる。本発明の成形方法は航空機の胴体をなすフレーム部及びストリンガー部の成形に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の成形治具により成形できる予備成形構造体の一例を示す斜視図である。
【図２】 図１に示す予備成形構造体に本発明の成形治具を載置した様子を示す斜視図である。
【図３】 本発明で用いる弾性治具の一例を示す斜視図である。
【図４】 図３に示す弾性治具の下方からの斜視図である。
【図５】 （a）は図３に示す弾性治具５の上面図、（b）は同側面図、（c）は同正面図、（d）は同底面図である。
【図６】 （a）は図５に示す弾性治具のAA線における断面図であり、（b）は本発明の成形治具を予備成形構造体に載置した様子を示す部分正面図である。
【図７】 予備成形パネル上に、本発明の成形治具を配置した予備成形構造体を拘束した様子を示す部分斜視図である。
【図８】 本発明の剛性治具の表面に緩衝材を貼付した様子を示す部分斜視図である。
【符号の説明】
1a、1b、1c、2a、2b・・・予備成形体
10、20・・・面部
11、21・・・突起部
３・・・予備成形構造体
４・・・成形治具
５・・・弾性治具
51、51’、52・・・隙間部
６、６’・・・剛性治具
７・・・予備成形パネル
８、８’・・・保持手段
９・・・緩衝材

Claims (10)

1. 複数の繊維強化複合材予備成形体（1a、1b、…）を所定間隔で直線状に配列し、１つ以上の繊維強化複合材予備成形体（2a、…）を、前記予備成形体（1a、1b、…）の間を貫通しそれらと交差するように配置して構成する予備成形構造体の成形に用いる成形治具において、前記予備成形体（1a、1b、…）と前記予備成形体（2a、…）との交差部に当接させる弾性治具、及び該交差部以外の位置に当接させる剛性治具の組み合わせからなることを特徴とする成形治具。
2. 請求項１に記載の成形治具において、前記予備成形体（1a、1b、…）を配列した方向における前記弾性治具の幅は、成形時の所望の幅よりも大きいことを特徴とする成形治具。
3. 請求項１又は２に記載の成形治具において、前記弾性治具がシリコンゴムからなり、前記剛性治具がアルミニウムからなることを特徴とする成形治具。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の成形治具において、前記剛性治具は緩衝材が貼付されていることを特徴とする成形治具。
5. 複数の繊維強化複合材予備成形体（1a、1b、…）を所定間隔で直線状に配列し、１つ以上の繊維強化複合材予備成形体（2a、…）を、前記予備成形体（1a、1b、…）の間を貫通しそれらと交差するように配置して構成する予備成形構造体を、前記予備成形体（1a、1b、…）と前記予備成形体（2a、…）との交差部に当接させる弾性治具、及び該交差部以外の位置に当接させる剛性治具の組み合わせからなる成形治具を用いて成形することを特徴とする繊維強化複合材の成形方法。
6. 請求項５に記載の繊維強化複合材の成形方法において、前記予備成形体（1a、1b、…）を配列した方向における前記弾性治具の幅は、成形時の所望の幅よりも大きいことを特徴とする繊維強化複合材の成形方法。
7. 請求項５又は６に記載の繊維強化複合材の成形方法において、前記成形治具は繊維強化複合材からなる予備成形パネル、及び該予備成形パネル上に前記予備成形構造体を拘束するための２つ以上の保持手段と共に用いることを特徴とする繊維強化複合材の成形方法。
8. 請求項５〜７のいずれかに記載の繊維強化複合材の成形方法において、前記弾性治具がシリコンゴムからなり、前記剛性治具がアルミニウムからなることを特徴とする繊維強化複合材の成形方法。
9. 請求項５〜８のいずれかに記載の繊維強化複合材の成形方法において、前記剛性治具に緩衝材を貼付することを特徴とする繊維強化複合材の成形方法。
10. 請求項５〜９のいずれかに記載の繊維強化複合材の成形方法において、前記予備成形体（1a、1b、…）は航空機の胴体をなすフレーム部を形成し、前記予備成形体（2a、…）はストリンガー部を形成することを特徴とする繊維強化複合材の成形方法。

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