JP3742082B2 - 曲率を有した繊維強化プラスチック部材の連続成形方法及び装置 - Google Patents

Description

航空機等に用いられる軽量、高強度な一定の曲率を有した繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製部材の連続成形方法及び装置に関する。

従来大型旅客機の胴体等に用いられる補強フレームはアルミ材を使用していたが、軽量化のため、カーボン、ガラス等を用いた繊維強化プラスチックへの置き換えが検討されている。航空機に用いられるＦＲＰ部材は品質の安定性からプリプレグを用いて生産されるが、一般的には金型に離型フィルム等の副資材を配置後、必要枚数のプリプレグを順次積層し、オートクレープで加熱、加圧し、成形することが主流となっている。また発明者等は下記特許文献１において一定の曲率を有したＦＲＰ製部材の連続成形法について特許を取得している。
特許第３４０２４８１号公報

ＦＲＰは繊維の配向性が重要な因子となり、成形品の特性に大きく影響する。繊維の配向が引張り方向に対して５度以上となると強度低下を引き起こし、荷重を受けた際に所定の強度を発揮することができない。

本発明は連続成形する各工程で繊維に張力を与えず、またプリプレグを曲率に変形させる際に、繊維配向角度が大きく変形し成形品の強度低下を引き起こさぬようにした成形方法及び成形装置を提供するものである。

本発明は、基本的な手段として、曲率を有する部材に対応する形状を有する中子を備え、予め成形品の曲率に変形させた離型フィルムを中子の表面に供給する工程と、炭素繊維やガラス繊維に熱硬化性樹脂を含浸し、半硬化状態にしたプリプレグを複数本シート状に供給する工程と、所定の形状にプリプレグを積層および変形する工程と、予め成形品の曲率に変形された離型フィルムをプリプレグ積層体の表面に供給する工程と、積層変形された離型フィルムおよび積層体を加熱、加圧するホットプレス工程と、ホットプレス工程から出た積層体を加熱するアフターキュア工程を有し、ホットプレス工程の前後に配設されて積層体をはさみ込みホットプレスに導く牽引装置を用いてプリプレグの繊維に張力をかけない状態でホットプレス工程を行うものである。

本発明によれば、プリプレグの繊維方向の蛇行角度を小さく維持した状態で曲率を有した繊維強化プラスチックの部材を連続的に成形することができるので、軽量かつ強度が高い構造部材を製造することができる。

全体を符号１で示す繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）製の成型部材は、３個の面部１ａ，１ｂ，１ｃを有するチャンネル状の断面形状を有するビーム状の部材である。
チャンネルの底面を構成する面１ａの中心線Ｃ_１は、半径Ｒ_１を有する円弧状に湾曲している。
曲率半径Ｒ_１は、例えば１５，０００ｍｍ等の大きな半径を有する。

ＦＲＰ成型部材は、例えば炭素繊維やガラス繊維等の強化繊維に熱硬化性のプラスチック樹脂を含浸し、半硬化状態にしたプリプレグシート材を積層し、ホットプレスにより加圧加熱して所定の形状に連続成型する。
成型された部材は、アフターキュア装置で加熱されて、熱硬化を完了する。
強化繊維は、引張り強度に優れている。そこで部材の長手方向に強化繊維を並べたプリプレグシートと、強化繊維を布状に織ったシートを適宜に積層して必要な強度を得る。

図２、図３に示すように４枚の単一方向繊維シートＵ_１，Ｕ_２，Ｕ_３，Ｕ_４と、３枚の織物シートＦ_１，Ｆ_２，Ｆ_３を積層し、この素材の両側を９０度折り曲げて３つの面１ａ，１ｂ、１ｃを有するチャンネル部材を成形する。

図４は本発明のＦＲＰ部材の連続成形装置の平面図、図５は正面図である。
成形装置は、上流側から送り込まれる離型用のフィルムや強化繊維のプリプレグシートを矢印Ａ方向に連続して送りつつチャンネル部材を製造するものである。
成形装置は、成形品の断面形状を有し、成形品の曲率と同じ曲率を有する中子１０に沿って配置される下側の離型フィルム供給装置２０と、プリプレグシートの供給及び予備成形装置３０と、上側の離型フィルム供給装置４０と、ホットプレス装置５０と、成形品の牽引装置６０と、アフターキュア装置７０を備える。

離型フィルムは、熱硬化樹脂を含浸させたプリプレグシートの積層体を上下から挟んでホットプレス装置に送られ、プリプレグシートから漏出する熱硬化樹脂が金型に接着するのを防止するためのフィルムであって、最終的に成形品から取り外されるフィルムである。
この離型フィルムは、後述する離型フィルム成形装置によって、成形品の曲率に応じて湾曲するように、予め成形される。

プリプレグシートの供給及び予備成形装置３０は、接着剤を含浸したプリプレグシートが互に接着しないようにシートに覆せたセパレートフィルムを剥離して、プリプレグシートを中子１０上に沿わせて予備成形する。
中子１０に沿って予備成形された成形品素材の上面に、上側の離型フィルム供給装置４０から離型フィルムを積層して予備成形は完了する。

予備成形された積層体は、ホットプレス装置５０内で過熱・加圧成型される。この際に、積層体にテンション（張力）がかかると、曲率をもつ積層体内の強化繊維が引張られて、成形品の曲率線上からずれる恐れがある。
そこで本発明の成形装置にあっては、ホットプレス装置５０の前後の積層体を把持して、同期して搬送し、積層体にテンションがかからない構成を採用している。

図６は、プリプレグシートの供給・予備成形装置の３面図、図７は詳細を示す平面図である。
全体を符号３０で示すプリプレグシートの供給・予備成形装置は、ベース３００上にテーブル３０１を有し、テーブル３０１上に中子１０が取付けられる。
また、ベース３００上には水平面内に４台のプリプレグシート供給装置３１１，３１２，３１３，３１４が装備される。同様に、垂直面内に３台のプリプレグシート供給装置３１５，３１６，３１７が装備される。

水平面内に配設される４台のプリプレグシート供給装置３１１，３１２，３１３，３１４は、図３で説明した単一方向に強化繊維を並べたプリプレグシートＵ_１，Ｕ_２，Ｕ_３，Ｕ_４を積層体に供給する装置である。
垂直面内に配設される３台のプリプレグシート供給装置３１５，３１６，３１７は、織物プリプレグシートＦ_１，Ｆ_２，Ｆ_３を供給する。
プリプレグシートは、室温状態では粘着性を有する。そこで、シートの表裏にセパレートフィルムと称する薄いプラスチックフィルムを挟んで互の粘着を防止してロール状態で供給される。使用時にはこのセパレートフィルムを剥離して積層される。

図７において、プリプレグシート供給装置３１１には、単一方向（長手方向）に強化繊維を並べたプリプレグシートＵ_１の両面にセパレートフィルムＳ_１，Ｓ_２を貼りつけた上体でロール状に巻かれたものが搭載される。
プリプレグシートＵ_１が送り出されるのに伴ない、セパレートフィルムＳ_１，Ｓ_２は、それぞれローラ３１１ａ，３１１ｂに巻き取られる。

他の６台のプリプレグシート供給装置３１２，３１３，３１４，３１５，３１６，３１７も同様のセパレートフィルム巻取り装置を備えるが、その説明は省略する。
プリプレグシート供給・予備成形装置３０は、３組のギャザー付けローラー装置３５０、４５度曲げローラー装置３２０、９０度曲げローラー装置３３０を有する。

図８は、キャザー付けローラー装置３５０の構成を示す説明図である。
プリプレグシート供給装置３５１から送り出されるプリプレグシート積層体Ｐは、１対の送りローラー３５２に挟まれて矢印Ａ方向に送られる。
この送りローラー３５２は、サーボモータにより駆動され、送り量が制御される。
上金型３５５は、下金型３５６の間でプリプレグシート積層体Ｐを挟んで積層体Ｐにキャザー（折り曲げ）Ｇを付ける。
プリプレグシート積層体Ｐを構成するカーボン繊維は伸びないが、折り目を付けることによって、長手方向に縮ませることはできる。

そこで、プリプレグシート積層体Ｐの一方の辺Ｐ_１よりも他方の辺Ｐ_２側により深いギャザーＧを付けることによって、プリプレグシート積層体Ｐを平面内で曲率半径Ｒ_１を有するように湾曲させることができる。

図９は、４５度曲げローラー装置３２０と９０度曲げローラー装置３３０の構造を示す説明図である。
４５度曲げローラー装置３２０は、中子１０の上部に設けられるフレーム３２１を有し、フレーム３２１に取付けられて中子１０の上面の積層体Ｐを押圧する押圧ローラー３２２と、積層体Ｐの両側を中子１０に沿って４５度に折り曲げる曲げローラー３２４を備える。押圧ローラー３２２は、押圧バネ３２３により押圧力を調節できるように構成されている。

この４５度曲げローラー装置３２０を通過した積層体は、両側が４５度折り曲げられた状態で９０度曲げローラー装置３３０へ送られる。
９０度曲げローラー装置３３０は、フレーム３３１を有し、フレーム３３１に取付けられて中子１０の上面の積層体Ｐを押圧する押圧ローラー３３２と、積層体Ｐの両側を中子１０に沿って９０度に折り曲げる曲げローラー３３２を有する。
押圧ローラー３３２は押圧バネ３２３により押圧力を調節することができ、また、曲げローラー３２４も押圧バネ３２５により押圧力を調節することができる。

図１０は、ホットプレス装置５０と積層体の牽引装置６０の構造を示す説明図である。
ホットプレス装置５０は、フレーム５０１上に装備されるホットプレスユニット５０２を有する。ホットプレスユニット５０２内には、中子１０に沿って送られてくる積層体Ｐに対して加熱・加圧を施す金型が装備されており、金型はそれぞれプレス用のピストンシリンダユニット５１０，５２０，５３０で押圧される。
所定のホットプレス加工が完了すると、中子１０上の積層体Ｐは所定の距離だけ移送される。

牽引装置６０は、ホットプレス装置５０の前後に配置されて、積層体Ｐの牽引を行う。
牽引装置６０はテーブル６０１上を矢印Ａ方向に往復動する把持装置６１０，６２０，６３０，６４０を有する。
ホットプレス装置５０の上流側に設けられる２つの把持装置６１０，６２０は、それぞれシリンダユニット６１２，６２２を有し、積層体Ｐを把持する。

同様に、ホットプレス装置５０の下流側に設けられる２つの把持装置６３０，６４０は、それぞれシリンダユニット６３２，６４２を有し、積層体Ｐを把持する。
ホットプレス装置５０の上流側の把持装置６１０，６２０と、下流側の把持装置６３０，６４０はロッド６５０により連結されていて、両者は同期して矢印Ａ方向に移動する。
この移動により、ホットプレス装置５０内の積層体Ｐは、所定の長さ寸法だけ牽引される。

ホットプレス装置５０の入口側にはセンサ６７０が設けてあり、積層体Ｐの移動距離を正確に計測する。
この積層体Ｐの移動距離に応じて離型フィルムやプリプレグシートを正確な長さ寸法送り出す。

以上の構成により、ホットプレス装置を通過する積層体Ｐは、テンションがかからない状態で加熱・加圧が行われる。
これにより曲率をもつ積層体であっても、強化繊維の並びに乱れは発生せずに熱硬化される。そこで、強化繊維のもつ強度を維持した状態で製品を得ることができる。
ホットプレス装置５０を出た積層体Ｐは、アフターキュアー装置７０へ送り込まれ、炉中で熱硬化を完了させる。

図１１は、離型フィルムの成形装置を示す説明図、図１２は離型フィルムの成形金型を示す説明図である。
本発明の成形装置は、曲率を有する部材を製造するので、プリプレグシートの上下面に配設する離型フィルムも中子に沿って湾曲することが望ましい。
そこで、離型フィルムを予め成形する装置を備えている。

全体を符号８０で示す離型フィルムの成形装置は、フレーム８００上に設けられる離型フィルムＳ_１の供給リール８１０と巻取りリール８２０を備える供給リール８１０はブレーキ８１２を有し、適宜のテンションを離型フィルムＳ_１に与える。巻取りリール８２０はモータ８２２を有し、離型フィルムＳ_１を巻き取る。
供給リール８１０を出た離型フィルムＳ_１は、フィルム曲げ金型装置８３０を通過する。金型装置８３０の前後には、フィルムを下方へ引き降ろすローラー８３０ａ，８３０ｂが設けられる。

図１２は、金型装置８３０内に装備される金型８３２の構造を示す説明図である。金型８３２は、第１の平坦面８３２ａと第２の平坦面８３２ｃを有し、両平坦面は、傾斜面８３２ｂで結ばれている。第１の平坦面８３２ａは第２の平坦面８３２ｂに比べて低い位置に設けられる。

離型フィルムは金型８３２上を矢印Ｅ方向へ送られる。離型フィルムは金型の前後に配設されるローラー８３０ａ，８３０ｂにより下方へ引張られているので、上方の平坦面８３２ｃ側を通過する離型フィルムがより延伸される。したがって、成形された離型フィルムＳ_１は、平面上で曲率を有するものとなる。
金型装置８３０を通過した離型フィルムＳ_１は、すじ付けローラー８４０によって、部材の形状に対応する位置に長手方向にすじ付けが行われる。

離型フィルムＳ_１は、途中フィルム押さえユニット８５０とガイドローラー８６０を通過する。
離型フィルムＳ_１は、以上のように予備成形されるので、平面上で曲率を有する部材を効率よく成形することができる。

図１３は、プリプレグシートの送り出しモータと、牽引装置及びホットプレスの作用を示すタイムチャートである。

図１４は、本発明の成形装置により製造される曲率を有する繊維強化プラスチック部材の断面形状の他の例を示す説明図である。
製品Ｗａは、Ｌ字形の断面を有し、ＷｂはＨ字形の断面形状を有する。製品ＷｃはＺ字形の断面形状を有し、Ｗｄはハット形の断面形状を有する。

本発明は以上のように、繊維強化のプリプレグ材を曲率を有する部材に成形することができるので、軽量かつ強度が要求される航空機の構造部材等の製造に利用することができる。

ＦＲＰ部材の説明図。 部材の断面構造を示す説明図。 部材の断面構造を示す説明図。 ＦＲＰ部材の連続成形装置の平面図。 ＦＲＰ部材の連続成形装置の正面図。 プリプレグシートの供給・予備成形装置の３面図。 プリプレグシートの供給・予備成形装置の詳細を示す平面図。 ギャザー付けローラー装置の説明図。 ４５度曲げローラー装置と９０度曲げローラー装置の説明図。 ホットプレス装置と牽引装置の説明図。 離型フィルムの成形装置の説明図。 離型フィルムの成形装置の金型の説明図。 連続成形装置の作動を示すタイムチャート。 本発明により成形される製品の他の例を示す説明図。

符号の説明

１ 成型部材
１０ 中子
２０ 下側の離型フィルム供給装置
３０ プリプレグシート供給装置
４０ 上側の離型フィルム供給装置
５０ ホットプレス装置
６０ 牽引装置
７０ アフターキュア装置

Claims (4)

1. 曲率を有する部材に対応する形状を有する中子を備え、予め成形品の曲率に変形させた離型フィルムを中子の表面に供給する工程と、炭素繊維やガラス繊維に熱硬化性樹脂を含浸し、半硬化状態にしたプリプレグを複数本シート状に供給する工程と、所定の形状にプリプレグを積層および変形する工程と、予め成形品の曲率に変形された離型フィルムをプリプレグ積層体の表面に供給する工程と、積層変形された離型フィルムおよび積層体を加熱、加圧するホットプレス工程と、ホットプレス工程から出た積層体を加熱するアフターキュア工程を有し、ホットプレス工程の前後に配設されて積層体をはさみ込みホットプレスに導く牽引装置を用いてプリプレグの繊維に張力をかけない状態でホットプレス工程を行うことを特徴とする曲率を有した繊維強化プラステック部材の連続成形方法。
2. 曲率を有する部材に対応する形状を有する中子を備え、予め成形品の曲率に変形させた離型フィルムを中子の表面に供給する装置と、炭素繊維やガラス繊維に熱硬化性樹脂を含浸し、半硬化状態にしたプリプレグを複数本シート状に供給する装置と、所定の形状にプリプレグを積層および変形する装置と、予め成形品の曲率に変形された離型フィルムをプリプレグ積層体の表面に供給する装置と、積層変形された離型フィルムおよび積層体を加熱、加圧するホットプレス装置と、ホットプレス装置の前後に配設されて積層体をはさみ込みホットプレス装置に導く牽引装置と、ホットプレス装置から出た積層体を加熱するアフターキュア装置を備え、プリプレグの繊維に張力をかけない状態でホットプレス加工を行うことを特徴とする曲率を有した繊維強化プラスチック部材の連続成形装置。
3. 請求項２記載の繊維強化プラスチック部材の連続成形装置において、プリプレグ供給装置は積層体の移動量を感知して、プリプレグを一定量繰り出す機構を備えることを特徴とする曲率を有した繊維強化プラスチック部材の連続成形装置
4. 請求項２記載の繊維強化プラスチック部材の連続成形装置において、積層体をはさみ込みホットプレス装置に導く牽引装置は、ホットプレス装置と連動し、ホットプレス装置の金型が開いたときに所定量、積層体を移動することを特徴とする曲率を有した繊維強化プラスチック部材の連続成形装置。

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