JP2013248848A - 複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】航空機の胴体に固着される複合材のストリンガーを連続的に予備成形する装置を提供する。
【解決手段】複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置は、プリプレグ積層材の上下面をキャリアフィルムで挟んで次工程へ供給するディスペンサー装置２００、キャリアフィルムで挟持したプリプレグ積層材を通過途上所望の断面形状に成形する断面プリフォーム装置３００、該プリプレグ積層材にプレス加工を施して複合材を断続的に下流側に送るプレス・プラー装置４００、キュア型２０上で所望のストリンガー形状に予備成形するキュア型フォーミング装置５００を、上流から下流に向けて直線上に配置し、三次元曲面を有する複合材のストリンガーを効率よく連続してプリフォームする。
【選択図】図８
【解決手段】複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置は、プリプレグ積層材の上下面をキャリアフィルムで挟んで次工程へ供給するディスペンサー装置２００、キャリアフィルムで挟持したプリプレグ積層材を通過途上所望の断面形状に成形する断面プリフォーム装置３００、該プリプレグ積層材にプレス加工を施して複合材を断続的に下流側に送るプレス・プラー装置４００、キュア型２０上で所望のストリンガー形状に予備成形するキュア型フォーミング装置５００を、上流から下流に向けて直線上に配置し、三次元曲面を有する複合材のストリンガーを効率よく連続してプリフォームする。
【選択図】図８
Description
本発明は、炭素繊維等に熱硬化性樹脂を含浸させた複合材であるプリプレグを、成形して航空機の胴体等の構造部材として使用する複合材ストリンガーの連続プリフォーム（予備成形）装置に関する。
航空機の胴体などを複合材で製造する際に、構造部材として断面形状がいわゆるハット型またはオメガ型の長尺材であるストリンガーと称される補強材が使用される。
下記の特許文献１は、この種の複合材による補強材を形成する技術を開示している。
この文献に開示されている技術は、シート状の複合材をマンドレルと称する成形型の上面に供給し、複合材の上面からローラで複合材をマンドレルに押圧して所望の断面形状の長尺シート材を成形している。
このように成形されるシート状の複合材を所定の枚数だけ順次積層して補強材が形成される。
下記の特許文献１は、この種の複合材による補強材を形成する技術を開示している。
この文献に開示されている技術は、シート状の複合材をマンドレルと称する成形型の上面に供給し、複合材の上面からローラで複合材をマンドレルに押圧して所望の断面形状の長尺シート材を成形している。
このように成形されるシート状の複合材を所定の枚数だけ順次積層して補強材が形成される。
上述した公報に開示されたものは、シート状の複合材を成形して長尺の補強材などの成形品を製造するものであるが、シート状の複合材は所定の枚数ずつ順次、成形および積層され補強材として形成されるもので、積層されたシート材を一度に成形するものではない。
航空機の胴体に使用されるストリンガーは、配置される位置によって胴体形状に沿って長手方向に曲率を有することに加えて、長手方向に捩れる形状が必要となる。
本発明の目的は、上述した要求を満足する複合材ストリンガーを一度の連続した工程で予備成形できる連続プリフォーム装置を提供するものである。
航空機の胴体に使用されるストリンガーは、配置される位置によって胴体形状に沿って長手方向に曲率を有することに加えて、長手方向に捩れる形状が必要となる。
本発明の目的は、上述した要求を満足する複合材ストリンガーを一度の連続した工程で予備成形できる連続プリフォーム装置を提供するものである。
本発明の所定の長さに積層された複合材のプリプレグのストリンガーを連続して予備成形する装置は、プリプレグ積層材の上下面をキャリアフィルムで挟んで次工程へ供給するディスペンサー装置と、キャリアフィルムとともにプリプレグ積層材を所望の断面形状に成形する断面プリフォーム装置と、キャリアフィルムで挟まれたプリプレグ積層材にプレス加工を施すとともに断続的に送るプレス・プラー装置と、成形型部材とガイドローラを備えて送られてくるキャリアフィルムで挟まれたプリプレグ積層材をキュア工程の前工程の形状に成形するキュア型フォーミング装置とを備える。
そして、ディスペンサー装置は、積層された複合材プリプレグを搬送するテーブルと、テーブルの一方の端部に設けられて下面用キャリアフィルムを供給するリールと、テーブルの他方の端部に設けられて上面用キャリアフィルムを供給するリールとを備える。さらにキャリアフィルムに挟まれたプリプレグが左右方向に蛇行しないためのガイド板を有する。
また、断面プリフォーム装置は、キャリアフィルムで挟まれたプリプレグ積層材の断面形状をハット型またはオメガ型に成形する複数のプリフォーム成形ローラと積層された複合材プリプレグを成形に適する程度に軟化するためのヒータを備える。ヒータは温度調節機能を備えた、例えば赤外線放射型のヒータが望ましい。
また、プレス・プラー装置は、上型及び下型とヒータを有するプレスユニットと、上型及び下型と、ユニット全体を往復動させる送りシリンダを備える。ヒータは温度調節機能を備えた、例えば赤外線放射型のヒータが望ましい。
また、プレス・プラー装置は、上型及び下型とヒータを有するプレスユニットと、上型及び下型と、ユニット全体を往復動させる送りシリンダを備える。ヒータは温度調節機能を備えた、例えば赤外線放射型のヒータが望ましい。
さらに、キュア型フォーミング装置は、キュア型を支持して昇降動するテーブルと、キュア型に載置されたキャリアフィルムに挟まれたプリプレグ積層材を圧縮ばねを介して押圧する複数の成形ガイドローラと複合材プリプレグを成形に適する程度に軟化するためのヒータとを具備している。ヒータは温度調節機能を備えた、例えば赤外線放射型のヒータが望ましい。キュア型は後工程のオートクレーブによるキュアで１８０℃あるいは１２５℃といった熱を受けるため、熱膨張率が小さい材料で構成されていることが望ましく、そのため、金属材料ではインバー等が望ましく、炭素繊維と耐熱性の高い樹脂を組み合わせた複合材料が、その製作が容易であること、大きさの割に軽量であることでより望ましい。
本発明は上記の構成を備えることにより、断面形状がハット型やオメガ型であって、長手方向に曲率を有するとともに、捩れを有する複合材のストリンガーを連続的にプリフォーム（予備成形）することができる。
図１は、本発明の複合材で作られるストリンガー成形品１を航空機胴体５に適用する場合を示す説明図である。
ストリンガー成形品１は航空機胴体５の機軸線方向に航空機胴体５の内壁面に沿って固定されて航空機胴体５を構成する構造材として使用される。
航空機胴体５は三次元の曲面形状を有するので、航空機胴体５の内壁面にとりつけられるストリンガー成形品１も、航空機胴体５の内壁面の配置位置に応じて三次元形状を有する必要がある。
ストリンガー成形品１は航空機胴体５の機軸線方向に航空機胴体５の内壁面に沿って固定されて航空機胴体５を構成する構造材として使用される。
航空機胴体５は三次元の曲面形状を有するので、航空機胴体５の内壁面にとりつけられるストリンガー成形品１も、航空機胴体５の内壁面の配置位置に応じて三次元形状を有する必要がある。
図２は、基本的な構造を有するストリンガー成形品１を示す。
ストリンガー成形品は、いわゆるハット型またはオメガ型と称される断面形状を有している。成形品１は長手方向に曲率半径Ｒを持つ湾曲した長尺部材である。この曲率半径Ｒは単一の曲率半径に限らず、長手方向に沿って曲率半径Ｒ１、Ｒ２のように曲率半径が変化するものも当然に含まれる。
ストリンガー成形品は、いわゆるハット型またはオメガ型と称される断面形状を有している。成形品１は長手方向に曲率半径Ｒを持つ湾曲した長尺部材である。この曲率半径Ｒは単一の曲率半径に限らず、長手方向に沿って曲率半径Ｒ１、Ｒ２のように曲率半径が変化するものも当然に含まれる。
また、ストリンガー成形品１は、一方の端部Ａの断面が鉛直線Ｖ１に対して対称形状を有し、他方の端部Ｂは鉛直線Ｖ１に対してねじれ角度α１を有する長尺成形品であることもある。この曲率半径Ｒとねじり角度α１は、ストリンガー成形品１が使用される航空機胴体５の配置場所により変化する。
図３は厚みの異なる部位のある成形品１０を示す。この図に示す成形品１０は板厚を厚くした部位１２を有している。部位１２は複数枚のプリプレグシート１１ａ、１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａを積層して構成される。シート１１ａ〜１５ａは所要箇所に段階的に積層して形成される。積層されるプリプレグシートの断面形状は、厚みの異なる部位のある成形品１０の断面形状に等しいプリプレグシート１１ｂ、１２ｂ、１３ｂのように、同一断面を有するプリプレグシートを積層して形成することも当然にできる。
図４は、航空機胴体の内壁面が厚くなっている場合には、ストリンガーがそれに沿って持ち上る、いわゆるジョグル部１６を有する成形品１０およびジョグル部を成形するための形状を有するキュア型２０を示す。ジョグル部の高さ変化に対する勾配は通常２０：１程度で後述するキュア型フォーミング装置でそのようなジョグルに対応した成形が可能である。
後述するように、本発明にあっては、成品の形状に対応したキュア型２０上で、厚みの異なる部位１２を有し、ジョグル部１６を有し、長手方向に曲率および捩りのある成形品１０を成形し、後工程の熱硬化（キュア）工程に送るまでの成形を行うものである。
図５は、本発明の複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置の構成を示す説明図である。
複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置は、上流から下流に向けて直線上に配置されるディスペンサー装置２００、断面プリフォーム装置３００、プレス・プラー装置４００、キュア型フォーミング装置５００を備える。
複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置は、上流から下流に向けて直線上に配置されるディスペンサー装置２００、断面プリフォーム装置３００、プレス・プラー装置４００、キュア型フォーミング装置５００を備える。
ディスペンサー装置２００はテーブル２１０を有し、テーブル２１０の上流側、下流側の端部にそれぞれキャリアフィルムを送り出すキャリアフィルム送り出しロール２２０、下流側キャリアフィルム送り出しロール２３０を備える。テーブル２１０の上流側に設けられるキャリアフィルム送り出しロール２２０はプリプレグ複合材の下面用のキャリアフィルムＦ１を供給し、テーブル２１０の下流側に設けられるキャリアフィルム送り出しロール２３０は上面用キャリアフィルムＦ２を供給する。
断面プリフォーム装置３００は、ベース３１０の上部に複数の成形用のローラを有する断面プリフォーム成形ローラ３３０を備える。
プレス・プラー装置４００は、ベース４１０上にプレスユニット４２０とプラーユニット４５０を備える。
キュア型フォーミング装置５００は、ベース５１０上に昇降自在のテーブル５２０を備える。テーブル５２０はキュア型２０を支持し、キュア型２０の上部には複数の成形ガイドローラ５３０が配設される。
図６は、ディスペンサー装置２００のテーブル２１０上で下面用キャリアフィルムＦ１の上面にプリプレグ積層材１００をセットする工程を示す。
キャリアフィルム送り出しロール２２０からテーブル２１０上に送り出される下面用キャリアフィルムＦ１の上にプリプレグ積層材１００を載置する。
プリプレグ積層材１００は、例えば炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグを必要な枚数だけ積層（レイアップ）した材料である。炭素繊維に限らず、ガラス繊維、アラミド繊維などが使用される。また、含浸させる樹脂は、例えば１８０℃から１２５℃程度の温度で硬化する熱硬化型の樹脂であればよく、例えばビスマレイド樹脂なども使用される。
キャリアフィルム送り出しロール２２０からテーブル２１０上に送り出される下面用キャリアフィルムＦ１の上にプリプレグ積層材１００を載置する。
プリプレグ積層材１００は、例えば炭素繊維にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグを必要な枚数だけ積層（レイアップ）した材料である。炭素繊維に限らず、ガラス繊維、アラミド繊維などが使用される。また、含浸させる樹脂は、例えば１８０℃から１２５℃程度の温度で硬化する熱硬化型の樹脂であればよく、例えばビスマレイド樹脂なども使用される。
図７は、ディスペンサー装置２００のプリプレグ積層材１００を断面プリフォーム装置３００で断面をハット型やオメガ型に予備成形する工程を示す。
下面用キャリアフィルムＦ１に重ねられたプリプレグ積層材１００上に下流側キャリアフィルム送り出しロール２３０から送り出される上面用キャリアフィルムＦ２を積層する。下面用キャリアフィルムＦ１と上面用キャリアフィルムＦ２で挟み込まれたプリプレグ積層材１００は、プレス・プラー装置４００の操作により断面プリフォーム装置３００を通過する。
下面用キャリアフィルムＦ１に重ねられたプリプレグ積層材１００上に下流側キャリアフィルム送り出しロール２３０から送り出される上面用キャリアフィルムＦ２を積層する。下面用キャリアフィルムＦ１と上面用キャリアフィルムＦ２で挟み込まれたプリプレグ積層材１００は、プレス・プラー装置４００の操作により断面プリフォーム装置３００を通過する。
プレス・プラー装置４００は上流側に配設するプレスユニット４２０と、下流側に配設するプラーユニット４５０により、後述する態様で下面用キャリアフィルムＦ１、上面用キャリアフィルムＦ２とともにプリプレグ積層材１００を各装置内を通過させる。
図８は、プレス・プラー装置４００の操作によりプリプレグ積層材１００は断面プリフォーム装置３００を通過して断面形状がプリフォームされ、キュア型フォーミング装置５００へ送り込まれる工程を示す。
図８は、プレス・プラー装置４００の操作によりプリプレグ積層材１００は断面プリフォーム装置３００を通過して断面形状がプリフォームされ、キュア型フォーミング装置５００へ送り込まれる工程を示す。
図９、図１０は、キュア型フォーミング装置５００のテーブル５２０上に支持されたキュア型２０に対して成形ガイドローラ５３０がプリプレグ積層材１００を押圧してプリプレグ積層材１００を所定の形状に成形する工程を示す。
プリプレグ積層材１００がキュア型フォーミング装置５００に完全に送り込まれた段階でプレス・プラー装置４００は、送りを停止する。
図１０（ａ）は、キュア型フォーミング装置５００で成形されたプリプレグ積層材１００の前後の下面用キャリアフィルムＦ１、上面用キャリアフィルムＦ２をカッター６１０、カッター６２０で切断する工程を示し、図１０（ｂ）は、プリプレグ積層材１００の上下面に重ね合わせた下面用キャリアフィルムＦ１、上面用キャリアフィルムＦ２が切り離された状態を示す。
プリプレグ積層材１００がキュア型フォーミング装置５００に完全に送り込まれた段階でプレス・プラー装置４００は、送りを停止する。
図１０（ａ）は、キュア型フォーミング装置５００で成形されたプリプレグ積層材１００の前後の下面用キャリアフィルムＦ１、上面用キャリアフィルムＦ２をカッター６１０、カッター６２０で切断する工程を示し、図１０（ｂ）は、プリプレグ積層材１００の上下面に重ね合わせた下面用キャリアフィルムＦ１、上面用キャリアフィルムＦ２が切り離された状態を示す。
図１１は、プリプレグ積層材１００とキュア型２０を載せたテーブル５２０を降下させて、成形ガイドローラ５３０から離す工程を示す。キャリアフィルムＦ１、Ｆ２で挟持されキュア型の形状に対応して成形されたプリプレグ積層材１００が配置されている。プリプレグ積層材１００とキュア型２０を載せたテーブル５２０を降下させる。
図１２は、プリプレグ積層材１００を乗せたキュア型２０をテーブル５２０上からとり外した状態を示す。
図１３は、プリプレグ積層材１００が重ねられた一体のキュア型２０を作業台車７００上にセットする工程を示す。作業台車７００は、次の工程への移動のための車輪７１０を有し、サポート７２０上でキュア型２０を支持する。
図１４は、キュア型２０上のプリプレグ積層材１００の両面を覆う下面用キャリアフィルムＦ１、上面用キャリアフィルムＦ２を取り外した状態を示す。
図１５は、予備成形すべき形状を有するキュア型２０上に載せたプリプレグ積層材１００上を圧力パッド８００で覆い、バッギングフィルム８１０で圧力パッド８００を覆った上で周囲をシール材８２０で気密にシールする工程を示す。
シール後にバッギングフィルム８１０内を減圧して真空にする。この工程によりプリプレグ積層材１００は、キュア型２０上に密着する。
シール後にバッギングフィルム８１０内を減圧して真空にする。この工程によりプリプレグ積層材１００は、キュア型２０上に密着する。
図１６は、真空処理されたプリプレグ積層材１００を載せたキュア型２０を作業車７００ごとオートクレーブ９００内に搬入して、加熱、加圧を加えてプリプレグを硬化させて、成形品を完成させる工程を示す。
図１７から図２６は、本発明の複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置を構成する各装置の詳細を示す。
図１７はディスペンサー装置２００の斜視図である。
テーブル２１０上でキャリアフィルム送り出しロール２２０から送り出された下面用キャリアフィルムＦ１の上にプリプレグ積層材１００を載置する。プリプレグ積層材１００は、繊維の方向が異なる複数枚のプリプレグを必要枚数重ね合わせて構成される。プリプレグ積層材１００は、オペレータの手作業でレイアップ（積層）するか、またはＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）と称する装置を用いて、所定の幅のプリプレグテープまたはプリプレグトウを平板状に自動積層したプリプレグ積層材をキャリアフィルムＦ１の上に載置することができ、省力化と言う点で、より合理的である。
図１７はディスペンサー装置２００の斜視図である。
テーブル２１０上でキャリアフィルム送り出しロール２２０から送り出された下面用キャリアフィルムＦ１の上にプリプレグ積層材１００を載置する。プリプレグ積層材１００は、繊維の方向が異なる複数枚のプリプレグを必要枚数重ね合わせて構成される。プリプレグ積層材１００は、オペレータの手作業でレイアップ（積層）するか、またはＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）と称する装置を用いて、所定の幅のプリプレグテープまたはプリプレグトウを平板状に自動積層したプリプレグ積層材をキャリアフィルムＦ１の上に載置することができ、省力化と言う点で、より合理的である。
テーブル２１０上で下面用キャリアフィルムＦ１上にレイアップされたプリプレグ積層材１００は、下面用キャリアフィルムＦ１の移動と共に次工程に移動し、キャリアフィルム送り出しロール２３０から送り出される上面用キャリアフィルムＦ２により覆われて、次工程へ送り出される。プリプレグ積層材１００とともに移動する下面用キャリアフィルムＦ1はガイド板２４０によって左右に蛇行することなく所定のライン上を移動することができる。
図１８は、プリプレグ積層材１００とは異なる平面形状を有するプリプレグ積層材１１０を示す。このプリプレグ積層材１１０はフランジの幅が狭い部分と広い部分をそなえ、後工程の熱硬化（キュア）後に所定のストリンガー形状にするための切削加工時間とプリプレグ材料の無駄を削減することができる。この形態のプリプレグ積層材１１０も下面用キャリアフィルムＦ１にレイアップされて移動し、上面用キャリアフィルムＦ２で覆われる。
図１９は、断面プリフォーム装置３００の詳細を示す。ベース３１０の上に複数のプリフォーム成形ローラが配置され、その上にヒータ３４０が配置されプリプレグ積層材を加熱する。
図２０は、断面プリフォーム装置３００のプリフォーム成形ローラ３３０の詳細を示す。
本実施例のプリフォーム成形ローラ３３０は８組の成形ローラ群３３１〜３３８を備えて、ハット型の断面形状に予備成形をおこなう。成形ローラ３３０は８組に限らずストリンガーの断面形状に応じて適する組数で良い。
成形ローラ群３３１〜３３８を通過することによりプリプレグ積層材１００は、その断面形状が１００ａから１００ｇに示すように、断面ハット型のプリフォームが実行される。
本実施例のプリフォーム成形ローラ３３０は８組の成形ローラ群３３１〜３３８を備えて、ハット型の断面形状に予備成形をおこなう。成形ローラ３３０は８組に限らずストリンガーの断面形状に応じて適する組数で良い。
成形ローラ群３３１〜３３８を通過することによりプリプレグ積層材１００は、その断面形状が１００ａから１００ｇに示すように、断面ハット型のプリフォームが実行される。
図２１は、１組のプリフォーム成形ローラによるプリフォームを説明する。
プリフォーム成形ローラ３４０の詳細な構造を示す。
プリフォーム成形ローラ３４０は上下に噛み合う上ローラ３４１と下ローラ３４２を有し、両ローラ３４１、３４２の両端部は支柱３４３に回転自在に支持されている。下ローラ３４２はローラ表面に成形凸型３４２２を有し、上ローラ３４１はローラ表面に成形凸型３４２２に嵌合する成形凹型３４１１を有している。
上ローラ３４１は、圧縮ばね３４４により常時下ローラ３４２に向けて付勢されている。
プリフォーム成形ローラ３４０の詳細な構造を示す。
プリフォーム成形ローラ３４０は上下に噛み合う上ローラ３４１と下ローラ３４２を有し、両ローラ３４１、３４２の両端部は支柱３４３に回転自在に支持されている。下ローラ３４２はローラ表面に成形凸型３４２２を有し、上ローラ３４１はローラ表面に成形凸型３４２２に嵌合する成形凹型３４１１を有している。
上ローラ３４１は、圧縮ばね３４４により常時下ローラ３４２に向けて付勢されている。
そこで、プリプレグ積層材１００、および厚さ寸法が異なるプリプレグ積層材１００の部位が通過する際には、上ローラ３４１が圧縮ばね３４４に抗して寸法Ｌ１だけ上昇する。上ローラ３４１との間にできた下ローラ３４２との間隙寸法Ｌ１通過途上、プリプレグ積層材１００を断面ハット型にプリフォームする。
図２２は、プレス・プラー装置４００のプレスユニット４２０とプラーユニット４５０の動作を示す説明図である。
プレスユニット４２０とプラーユニット４５０は並設されている。プレスユニット４２０は、プレスシリンダ４３０により昇降動する上型４３２と、上型４３２に対向する下型４４０を備える。プレスシリンダは空気圧式のシリンダでも良いし、サーボモータ等の電動式でも良い。
プラーユニット４５０は、押えシリンダ４６０により昇降動する上押え型４６２と上押さえ型４６２に対向する下押え型４７０を備える。プレスシリンダは空気圧式のシリンダでも良いし、サーボモータ等の電動式でも良い。
プラーユニット４５０は、送りシリンダ４８０により上流・下流方向に往復動し、プリプレグ積層材１００を次工程に送り出す機能を備える。送りシリンダは空気圧式のシリンダでも良いし、サーボモータ等の電動式でも良い。
プレスユニット４２０とプラーユニット４５０は並設されている。プレスユニット４２０は、プレスシリンダ４３０により昇降動する上型４３２と、上型４３２に対向する下型４４０を備える。プレスシリンダは空気圧式のシリンダでも良いし、サーボモータ等の電動式でも良い。
プラーユニット４５０は、押えシリンダ４６０により昇降動する上押え型４６２と上押さえ型４６２に対向する下押え型４７０を備える。プレスシリンダは空気圧式のシリンダでも良いし、サーボモータ等の電動式でも良い。
プラーユニット４５０は、送りシリンダ４８０により上流・下流方向に往復動し、プリプレグ積層材１００を次工程に送り出す機能を備える。送りシリンダは空気圧式のシリンダでも良いし、サーボモータ等の電動式でも良い。
図２２の（イ）は、プレスユニット４２０の正面図であって、上型４３２はプレス型案内軸４３４に案内されて昇降動する。上型４３２、下型４４０の両側にはヒータ４４２が配置され、プレスユニット４２０は押えシリンダ４６０の押圧とヒータ４４２の加熱によりプリプレグ積層材１００に加熱・加圧を加える。加熱温度はプリプレグの樹脂の特性によるが例えばエポキシ樹脂の場合４０℃乃至５０℃程度が適切であることが判明している。
（ロ）はプラーユニット４５０の正面図である。上押え型４６２は押え型案内軸４６４に案内されて下押え型４７０に対して昇降動する。プラーユニット４５０全体は送りシリンダ４８０に駆動される送り用案内軸４８２に案内されて移動する。
（ロ）はプラーユニット４５０の正面図である。上押え型４６２は押え型案内軸４６４に案内されて下押え型４７０に対して昇降動する。プラーユニット４５０全体は送りシリンダ４８０に駆動される送り用案内軸４８２に案内されて移動する。
図２２の（ａ）から（ｆ）は、プレス・プラー装置４００の各工程を示す。
図２２の（ａ）はプレス工程を示す。プレスユニット４２０のプレスシリンダ４３０はオンとなって上型４３２を下型４４０に押圧し、ヒータ４４２と共に、上型・下型の間にあるプリプレグ積層材１００をプレスする。
（ｂ）はプレス解除工程を示す。プレスシリンダ４３０をオフとして上型４３２を上昇させる。プリプレグ積層材１００をプレスユニット４２０の上型４３２、下型４４０の把持から解除する。プラーユニット４５０の押えシリンダ４６０はオンを保ち、プリプレグ積層材１００を保持する。
（ｃ）は送り工程を示す。送りシリンダ４８０をオンにして押えシリンダ４６０をプレスユニット４２０から引き離す方向に移動させる。
この動作により、プリプレグ積層材１００は、断面プリフォーム装置３００のプリフォーム成形ローラ３３０から引き出される。
（ｄ）は、送り終了工程を示す。プレスシリンダ４３０をオンして上型４３２を降下させて下型４４０との間でプリプレグ積層材１００を把持する。
（ｅ）は押え解除工程である。プラーユニット４５０の押えシリンダ４６０をオフとし、上押え型４６２を上昇させる。
（ｆ）は送り装置の戻り工程を示す。プレスユニット４２０の上型４３２、下型４４０でプリプレグ積層材１００を把持した状態で、送りシリンダ４８０をオフしてプラーユニット４５０全体をプレスユニット４２０側に引き戻して、１サイクルを完了する。
図２２の（ａ）から（ｆ）に示す工程すなわち１サイクルに要する時間を例えば５秒、送りシリンダの１回の移動量を１５mmとするとプリプレグ積層材の単位時間あたりの移動距離、すなわち成形速度は１０．８メートル/時になる。実験によりこの程度の成形速度つまり７．５メートル/時から１５メートル/時の成形が可能であることが実証されている。
図２２の（ａ）はプレス工程を示す。プレスユニット４２０のプレスシリンダ４３０はオンとなって上型４３２を下型４４０に押圧し、ヒータ４４２と共に、上型・下型の間にあるプリプレグ積層材１００をプレスする。
（ｂ）はプレス解除工程を示す。プレスシリンダ４３０をオフとして上型４３２を上昇させる。プリプレグ積層材１００をプレスユニット４２０の上型４３２、下型４４０の把持から解除する。プラーユニット４５０の押えシリンダ４６０はオンを保ち、プリプレグ積層材１００を保持する。
（ｃ）は送り工程を示す。送りシリンダ４８０をオンにして押えシリンダ４６０をプレスユニット４２０から引き離す方向に移動させる。
この動作により、プリプレグ積層材１００は、断面プリフォーム装置３００のプリフォーム成形ローラ３３０から引き出される。
（ｄ）は、送り終了工程を示す。プレスシリンダ４３０をオンして上型４３２を降下させて下型４４０との間でプリプレグ積層材１００を把持する。
（ｅ）は押え解除工程である。プラーユニット４５０の押えシリンダ４６０をオフとし、上押え型４６２を上昇させる。
（ｆ）は送り装置の戻り工程を示す。プレスユニット４２０の上型４３２、下型４４０でプリプレグ積層材１００を把持した状態で、送りシリンダ４８０をオフしてプラーユニット４５０全体をプレスユニット４２０側に引き戻して、１サイクルを完了する。
図２２の（ａ）から（ｆ）に示す工程すなわち１サイクルに要する時間を例えば５秒、送りシリンダの１回の移動量を１５mmとするとプリプレグ積層材の単位時間あたりの移動距離、すなわち成形速度は１０．８メートル/時になる。実験によりこの程度の成形速度つまり７．５メートル/時から１５メートル/時の成形が可能であることが実証されている。
図２３は、プリプレグ積層材１００の途中に厚さが異なる部位がある場合に使用される上型４３８（弾性材料）、上型４６８（弾性材料）の構成を示す。
図２３の（ａ）、（ｂ）は成形材料の厚さが同一成形材で異なる場合を示す。
プリプレグ積層材１００ｙは中央部分に山型ｙを有している。プレスユニット４２０の上型４３２とプリプレグ積層材１００ｙとの間に弾性体上型４３８を介在させ、プラーユニット４５０の上押え型４６２との間に弾性体上型４６８を載置して加圧した場合、弾性材料からなる上型４３８，４６８は矢印ｘ方向の力を弾性で吸収する。
図２３の（ｃ）は成形材料にフランジ厚等の高さが異なる場合を示す。成形材１００ｔに同様の上型４３８，４６８を載置して加圧した場合、弾性材料の弾力で高さの差ｔを吸収する。
このように、上型に弾性材料を介在させることで、厚さの異なる材料に対応することができる。
図２３の（ａ）、（ｂ）は成形材料の厚さが同一成形材で異なる場合を示す。
プリプレグ積層材１００ｙは中央部分に山型ｙを有している。プレスユニット４２０の上型４３２とプリプレグ積層材１００ｙとの間に弾性体上型４３８を介在させ、プラーユニット４５０の上押え型４６２との間に弾性体上型４６８を載置して加圧した場合、弾性材料からなる上型４３８，４６８は矢印ｘ方向の力を弾性で吸収する。
図２３の（ｃ）は成形材料にフランジ厚等の高さが異なる場合を示す。成形材１００ｔに同様の上型４３８，４６８を載置して加圧した場合、弾性材料の弾力で高さの差ｔを吸収する。
このように、上型に弾性材料を介在させることで、厚さの異なる材料に対応することができる。
図２４から図２６はキュア型フォーミング装置５００の詳細を示す。キュア型フォーミング装置５００は、ベース５１０により支持されるテーブル５２０を有し、テーブル５２０上にサポート５２２を介してキュア型２０が取付けられる。テーブル５２０はシリンダ５２６で駆動されるピストン５２４により上下に移動可能となっている。そして、ピストン５２４はテーブル５２０を上昇位置に押し上げ、ストッパ５２３により位置決めされる。
テーブル５２０上には複数の成形ガイドローラ５３０が装備され、前工程（プラーユニット）から送り込まれるプリプレグ積層材１００は、載置面が予備成形すべき形状となっているキュア型２０の面に沿って成形される。
ベース５１０の上部にはテーブル５２０に沿ってヒータ５４０が配設され、キュア型２０の形状に成形されるテーブル５２０上のプリプレグ積層材１００を、成形に適する剛性になるように軟化させる。加熱温度はプリプレグの樹脂の特性によるが例えばエポキシ樹脂の場合４０℃乃至５０℃程度が適切であることが判明している。
テーブル５２０上には複数の成形ガイドローラ５３０が装備され、前工程（プラーユニット）から送り込まれるプリプレグ積層材１００は、載置面が予備成形すべき形状となっているキュア型２０の面に沿って成形される。
ベース５１０の上部にはテーブル５２０に沿ってヒータ５４０が配設され、キュア型２０の形状に成形されるテーブル５２０上のプリプレグ積層材１００を、成形に適する剛性になるように軟化させる。加熱温度はプリプレグの樹脂の特性によるが例えばエポキシ樹脂の場合４０℃乃至５０℃程度が適切であることが判明している。
図２５は、プリプレグ積層材１００の全部が成形型部材２０上に送り込まれて、成形ガイドローラ５３０がプリプレグ積層材１００を所望の成形すべき形状に成形することで、成形が完了した状態を示す。
ストッパ５２３を外し、シリンダ５２６を操作してピストン５２４を収縮させてテーブル５２０をキュア型２０とともに成形ガイドローラ５３０から離れるように引き降ろす。
図２６は、成形されたプリプレグ積層材１００が載置されたキュア型２０をテーブル５２０のサポート５２２からとり外した状態を示す。
プリプレグ積層材１００を載置したキュア型２０は図１３以下で説明した作業台車７００に乗って次工程へ送られる。
ストッパ５２３を外し、シリンダ５２６を操作してピストン５２４を収縮させてテーブル５２０をキュア型２０とともに成形ガイドローラ５３０から離れるように引き降ろす。
図２６は、成形されたプリプレグ積層材１００が載置されたキュア型２０をテーブル５２０のサポート５２２からとり外した状態を示す。
プリプレグ積層材１００を載置したキュア型２０は図１３以下で説明した作業台車７００に乗って次工程へ送られる。
図２７は、成形ガイドローラ５３０の詳細な構造を示す。成形ガイドローラ５３０はフレーム５３２に支持される貫通軸５３１に対して回動自在に支持されている。フレーム５３２はシャフト５３３により直動軸受５３５を介して固定側５３６に取付けられている。
シャフト５３３と固定側５３６の間には圧縮ばね５３４が配置されており、シャフト５３３は成形型部材２０に向けて常時押圧している。そこでフレーム５３２に支持される成形ガイドローラ５３０はプリプレグ積層材１００をキュア型２０に押圧して成形する。
キュア型２０が捩れた個所においては、図２６（ｂ）に示すように、シャフト５３３が角度α１捩れ方向に傾き、成形ガイドローラ５３０も成形型部材２０の姿勢に対応して捩れ角度α１を有するように傾けられる。
また、プリプレグ積層材１００に厚さ寸法が異なる部位がある場合には、圧縮ばね５３４が圧縮して、成形ガイドローラ５３０を厚み高さ分の寸法Ｃ１を上昇させて対応する。
シャフト５３３と固定側５３６の間には圧縮ばね５３４が配置されており、シャフト５３３は成形型部材２０に向けて常時押圧している。そこでフレーム５３２に支持される成形ガイドローラ５３０はプリプレグ積層材１００をキュア型２０に押圧して成形する。
キュア型２０が捩れた個所においては、図２６（ｂ）に示すように、シャフト５３３が角度α１捩れ方向に傾き、成形ガイドローラ５３０も成形型部材２０の姿勢に対応して捩れ角度α１を有するように傾けられる。
また、プリプレグ積層材１００に厚さ寸法が異なる部位がある場合には、圧縮ばね５３４が圧縮して、成形ガイドローラ５３０を厚み高さ分の寸法Ｃ１を上昇させて対応する。
本発明は以上のように、三次元曲面を有する航空機の胴体に固着される複合材のストリンガーを効率良く連続してプリフォームすることができる。
１ ストリンガー成形品
５ 航空機胴体
１０ 厚みの異なる部位のある成形品
１２ 厚みの異なる部位
１６ ジョグルの部位
２０ キュア型
１００ プリプレグ積層材
１１０ プリプレグ積層材
２００ ディスペンサー装置
２１０ テーブル
２２０ キャリアフィルム送り出しロール
２３０ キャリアフィルム送り出しロール
２４０ ガイド板
３００ 断面プリフォーム装置
３１０ ベース
３３０ プリフォーム成形ローラ
３４０ ヒータ
４００ プレス・プラー装置
４１０ ベース
４２０ プレスユニット
４３０ プレスシリンダ
４３２ 上型
４３４ プレス型案内軸
４３８、４６８ 上型（弾性材料）
４４０ 下型
４４２ ヒータ
４５０ プラーユニット
４６０ 押えシリンダ
４６２ 上押え型
４６４ 押え型案内軸
４７０ 下押え型
４８０ 送りシリンダ
４８２ 送り用案内軸
５００ キュア型フォーミング装置
５１０ ベース
５２０ テーブル
５２２ サポート
５２３ ストッパ
５２４ ピストン
５２６ シリンダ
５３０ 成形ガイドローラ
５３１ 貫通軸
５３２ フレーム
５３３ シャフト
５３４ 圧縮ばね
５３５ 直動軸受
５３６ 固定側
５４０ ヒータ
８００ 圧力パッド
８１０ バッギングフィルム
８２０ シール材
Ｆ１ 下面用キャリアフィルム
Ｆ２ 上面用キャリアフィルム
５ 航空機胴体
１０ 厚みの異なる部位のある成形品
１２ 厚みの異なる部位
１６ ジョグルの部位
２０ キュア型
１００ プリプレグ積層材
１１０ プリプレグ積層材
２００ ディスペンサー装置
２１０ テーブル
２２０ キャリアフィルム送り出しロール
２３０ キャリアフィルム送り出しロール
２４０ ガイド板
３００ 断面プリフォーム装置
３１０ ベース
３３０ プリフォーム成形ローラ
３４０ ヒータ
４００ プレス・プラー装置
４１０ ベース
４２０ プレスユニット
４３０ プレスシリンダ
４３２ 上型
４３４ プレス型案内軸
４３８、４６８ 上型（弾性材料）
４４０ 下型
４４２ ヒータ
４５０ プラーユニット
４６０ 押えシリンダ
４６２ 上押え型
４６４ 押え型案内軸
４７０ 下押え型
４８０ 送りシリンダ
４８２ 送り用案内軸
５００ キュア型フォーミング装置
５１０ ベース
５２０ テーブル
５２２ サポート
５２３ ストッパ
５２４ ピストン
５２６ シリンダ
５３０ 成形ガイドローラ
５３１ 貫通軸
５３２ フレーム
５３３ シャフト
５３４ 圧縮ばね
５３５ 直動軸受
５３６ 固定側
５４０ ヒータ
８００ 圧力パッド
８１０ バッギングフィルム
８２０ シール材
Ｆ１ 下面用キャリアフィルム
Ｆ２ 上面用キャリアフィルム
Claims (5)
- 積層された所定の長さの複合材のプリプレグのストリンガーを連続して予備成形する装置であって、
プリプレグ積層材の上下面をキャリアフィルムで挟んで次工程へ供給するディスペンサー装置と、キャリアフィルムとともにプリプレグ積層材を所望の断面形状に成形する断面プリフォーム装置と、キャリアフィルムで挟まれたプリプレグ積層材にプレス加工を施すとともにプレス加工された複合材を断続的に下流側に送るプレス・プラー装置と、送られてくるキャリアフィルムで挟まれたプリプレグ積層材をキュア工程の前工程の形状に成形する成形型部材とガイドローラを備えるキュア型フォーミング装置と、
を備える複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置。 - ディスペンサー装置は、プリプレグ積層材を載置するテーブルと、テーブルの一方の端部に設けられて下面用キャリアフィルムを供給するリールと、テーブルの他方の端部に設けられて上面用キャリアフィルムを供給するリールと、ガイド板と
を備える請求項１記載の複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置。 - 断面プリフォーム装置は、キャリアフィルムで挟まれたプリプレグ積層材の断面形状をハット型またはオメガ型に成形する複数のプリフォーム成形ローラとヒータを備える請求項１記載の複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置。
- プレス・プラー装置は、上型及び下型とヒータを有するプレスユニットと、上押え型及び下押え型と、プレスユニット全体を往復動させる送りシリンダとヒータを備える請求項１記載の複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置。
- キュア型フォーミング装置は、キュア型を支持して昇降動するテーブルと、キュア型に載置されたキャリアフィルムに挟まれたプリプレグ積層材を圧縮ばねを介して押圧する複数の成形ガイドローラと、ヒータ
を備える請求項１記載の複合材ストリンガーの連続プリフォーム装置。
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|---|---|
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