JP4132676B2 - 複合物品成形方法 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
この発明は強化された部品を成形することに関し、とくに輪郭をもった表面(contoured surface)と一致するように複合ファイバ強化プラスチック物品を成形することに関する。
【０００２】
この発明により成形された物品は各種の応用を有しているが、一般性に制限を加えない一例を挙げるとするとして、航空機産業で使用される強化部品の成形を参考として記述するものとし、例えば航空機の胴や翼の縦通材すなわちストリンガ部分で使用される強化部品をとりあげる。
【０００３】
従来の技術
このような部品を成形してその構造上の効果を最大とするためには、部品のファイバができるだけその輪郭に沿ったものとなることを確実にすることが望ましい。このような部品は一連のプレプレッグ（成形前のガラス繊維などに樹脂を含浸させたもの）プライ（層；ply）を手操作でラミネート（積層）して多層スタックを形成するようにして作ることができるが、これは非常に時間を費すことである。“プレプレッグ，prepreg”材料は強化材料のいくつかの層を未処理の樹脂もしくは同様のマトリックス材料で予め含浸して構成されている。
【０００４】
発明が解決しようとする課題
一方向に強化を与えるために未処理のプレプレッグの厚いスタック（積層）を形成することは知られている。添付図面の図１で見ることができるように、未処理のプレプレッグの平坦なシート２であって、エポキシ樹脂内に埋め込まれたかなり多数のカーボンファイバをもち、しかもファイバが矢印Ａの方向に整列したものが成形用ツール４の縁の上に９０°ベンド（曲げ）が成形されている。このようにして、Ｌ字形をしたスティフナ（強固固定具）が作られ、プレプレッグのもっと大きなシートでもって、２つのベンドが作られて、チャンネル部分が作られ、そこではファイバが単方向性に延在するものができあがることが想像できる。しかし、このような部品の成形方法は物品がなじんで一致することになるべき表面が輪郭（コンツア）をもっているときには利用できないという不利があり、例えばジョッグル（ほぞ）とかランプ（傾斜）を含む輪郭をもつときがそれに当る。このような幾何学的な特徴はファイバの経路の中に迂回した路をもたらし、それが輪郭に追従する代りに、ベンド半径（図２を見よ）の回りに流線を作り、これにより必要とされる耐負荷方向に適切に整列することがなくなるようにしている。強化の効果はこれにより実効性のあるものとはならない。
【０００５】
これに代るものとして、成形したブランク材を切断して、下側にある輪郭を示す表面へよくなじませる（一致する）ことは耐負荷性ファイバを切断するという結果をもたらす。添付図面の図２は成形用ツール６が図１のツール４の修正であることを示し、ここではその上側表面にランプ（傾斜）８が備えてある。図３は矩形をしたブランク１０を示し、これはトリムライン１２，１４に沿った２つのカット（切断）の対象となっているので、９０°ベンドとだけと一致を得ることになるだけでなく、図２のランプ８にも沿った一致を得ることになる。
【０００６】
この発明の目的は改良された成形方法を提供することである。
【０００７】
課題を解決するための手段
この発明に従った複合物品成形方法は：平面状で、多層の、複合物品を成形する方法であって、
該物品は各層の面内の１方向に連続して延びているファイバで強化されたプラスチック材料を含んでおり、
前記多層の半分以上は主方向に整列されていて、
前記物品を、該物品の前記主方向の平面内でこの平面に平行に強化されているフレキシブルな支持体内に装着し、前記物品を前記主方向の層の面に垂直な方向の動きに対して拘束し、
前記支持体を成形用のツールの周りに置かれたフレーム内に支持し、前記支持体中の前記物品が前記ファイバの前記主方向に対し垂直な方向の縁を該成形用のツールにおいて輪郭を含む表面上に載置され、
前記物品に対し、前記主方向の層の面内で前記ファイバの前記主方向と垂直な方向に前記物品の前記縁に対し力が加えられて、前記支持体はこの力の作用の下で前記フレームにより前記成形用ツールの輪郭を含む表面に向かう方向に前記物品を案内し、前記物品のバックリングを妨げるとともに前記ファイバの連続性が維持されて前記物品を前記成形用のツールにおいて輪郭を含む表面に一致させ、そして、
その後に、前記支持体から取り外された前記物品が加熱されるとともに前記物品にさらに力を適用して前記物品を前記主方向に平行に延びている線の周りに折り曲げ、前記物品が前記成形用のツールにおいて輪郭を含む表面を形どるように成形される、
ことを特徴とする。
【０００８】
複合物品の樹脂の粘性に依存して、そこに熱を加えてレイヤ（層）もしくはラミネート（積層）が互に滑ることができるようにする必要があろう。一般には、各層内部のファイバは実質的に単方向性をもって整列されることになるが、すべての層が整列することにはならないであろう。複数の層の実際の整列は構造上の負荷（荷重）要件すなわち例えば張力とかトーションの要件に依存することになる。通常は、ファイバと層との大部分は強化のための１つの主方向（これを０°方向と呼ぶ）に整列がとられている。各種の他の層がそこで必要に応じて４５°、９０°、及び１３５°に整列されてよい。例えば、層／ファイバの５０％が０°主方向にあり、それぞれ２０％が４５°と１３５°であり、また１０％が９０°とするのである。
【０００９】
このようにして、この発明は複合物品として例えばジョッグルとかランプとかの外形と一致した輪郭をもつものを、耐負荷方向にあるファイバのいずれをも切断することなしに作り出せる。輪郭に合わせることは平面状の物品に力を加えることと同時にそのバックリング（ゆがみ発生）を妨げることとによってもたらされる。
【００１０】
好ましいのは、この物品が支持体の内に装着されて拘束を受け、この支持体は必要とされる輪郭形成を得るための方向にはフレキシビリティ（可とう性）を与えるが、それと直角な方向には堅牢であるようにしているのがよい。好都合なのは、この支持体が弾性体材料であって、例えばアルミニウムとか鋼鉄の硬いロッドを間隔をとって置いたもので強化されたもので構成できる。
【００１１】
この支持体は堅牢なフレームの中に支持されているのが好く、このフレームは成形用ツールの周りに置かれ、物品を成形工程中に輪郭のある表面に向う方向に案内するようにされている。
【００１２】
力は平面状の物品の縁上に作用するプレスによって与えられる。これに代るものとしては、物品とツールとフレームと支持体とが容器（エンクロージャ）の中に置かれて、それを真空とすることでもよい。
【００１３】
輪郭を示している、平面状の強化物品でこのようにして作られたものは、さらに成形操作にかけられて、そこでは熱が再びそれに加えられ、力も加えられて、されに成形が行なわれる。例えば、さらに行なわれる成形操作は物品の平面状の表面内にある線に沿って折り曲げを作るようにすることであり、この線は前記ファイバの方向と実質的に平行に延びているのがよく、こうしてＬ字形の物品が作られる。さらに行なわれる成形操作はチャンネル形状をした物品を作るとか、他の所望形状のものを作るようにされる。
【００１４】
このようにして、この発明は実質的に平面状で、多層の複合物品を成形する方法を提供して、基体で三つの連続する表面を含み、各表面は０°以外で他の２つの表面に対して角度が付いているものをなじませて形成できるようにする。この表面は一般には平面状であるが、例えば回巻き（コンボリュートした）形でもよいし、ランプとかジョッグルを含むものでもよい。
【００１５】
物品のプラスチック材料は熱可そ性でよい。それに代るものとして、プラスチック材料は熱処理可能であってよく、例えば熱硬化性であり、その成形が完了した後に熱処理が行なわれるようにすることができる。
【００１６】
強化ファイバはカーボンとかアラミドとかガラスとかが例としてあげられる。
【００１７】
物品の面内での連続するファイバの配向に関して方向を参照してきたが、複合材料はこの主たる耐負荷（荷重のかかる）方向に対して他の色々な角度で層内にファイバを含むことができる。
【００１８】
この発明の方法は多層複合物品への特定の応用を見つけており、その原因としては比較的可とう性のある単一のプライ（層状）物品に関して堅牢さを増すことがあった。したがってこの発明が特に有益とされる物品は少くとも２つのプライで作られ、その各々が一般に０．１２５〜０．２５ｍｍの厚さであり、また一般に最少８プライを備え、したがって２〜３ｍｍの厚さを与えるものであり、またさらには２０プライあるいはそれ以上の積層で５ｍｍの厚さにまで形成できるものである。プライの数は、したがって物品の厚さは使用の条件に従うことになる負荷（荷重）に依存することになる。
【００１９】
この発明の別な特徴によると、実質的に平面状で、多層の複合物品を形成するための装置が提供されていて、その構成は、その平面に対して実質的に直角な方向にその物品を拘束するための手段と、その物品がなじんで一致することになる輪郭を呈する表面上にその物品をマウントするための手段と、その物品の平面内である方向に力を加えて、その物品が輪郭を呈する表面と一致するように付勢する手段とで構成されている。
【００２０】
この装置はこの発明の方法の特徴を実行するようにされているのが好ましい。
【００２１】
多層の複合物品をこの発明により形成する方法は例をあげ添付の図面図４ないし９を参照して記述して行く。
【００２２】
実施例
図４と５とを参照すると、多層プレフォームブランク２０はエポキシ樹脂でカーボンファイバを含んでいる矩形の平面状の本体で成り、そこでは層の大部分とファイバとが方向Ｂに沿って連続して一端から他端まで延びている。ブランク２０はフレキシブルな支持体２２の中に導入されて示されており、支持体はゴムで作られていて、ステンレス鋼の強化用ロッド２７がその中に埋め込まれている。支持体２２は２つの部分があり、そこには３つの側部をもつチャンネル部２４と取外し可能なカバー２６とがあり、その各々はその中に埋め込まれた相応の形をしたロッド２７を有している。さらに加えて、図５で見るように、カバー２６はその各端に突起部２８を有し、ブランクが完全に支持体２２のチャンネル部分２４内に装着されたときにそれがブランク２０をその端でクランプするようにしている。
【００２３】
図６と７とを参照すると、フレキシブルな支持体２２内に装着されたプレフォームブランク２０がその長さに沿って、またその高さの中間部分だけの上で２つの堅牢なアルミニウムフレーム部材３０の間でクランプされている。このフレーム部材３０は成形ツール６の上側の輪郭を示す表面上で支持されたブランク２０を位置決めしている。フレーム３０は支持体２２の強化器（スティフナ）２７と一緒に作用してブランク２０がその垂直面に直角な方向に実質的な変形を生じないようにし、同時にブランク２０を含む強化された支持体２２が垂直面内で案内されるようにしている。ブランク２０と、支持体２２とフレーム３０とは真空バッグ３２内に閉じ込められる（図６）。
【００２４】
動作の際には、バック３２内部の空気はポンプで排出され、それによって支持体２２内部でブランク２０の露出した上側部分上に垂直方向下向きの荷重が加えられる。同時に熱が加えられて、ブランク２０の熱処理可能な材料が軟化され、しかも露出した下側部分がその結果支持体２２と一緒に形成ツール６の上側の傾斜のついた輪郭となじんで一致するように力を受ける。真空はバッグ３２内部で維持され、同時にブランク２０は冷却されてそれと一致した形状に固化されることになる。結果として得られた平面状の部品２０ａは変形された支持体２２から取外された後には図８に示すようになる。図８から分るように、部品２０ａは傾斜（ランプ）８を形どるように成形されていて、単方向性ファイバが方向Ｂで連続的に延在している。
【００２５】
図９はさらに行われる形成段階を示し、この段階は部品２０ａ上で実行され、それによって平面状の表面が直角に形成され、同時に形成ツール６の傾斜８と一致が依然とられている。この動作は部品２０ａに対して増大した加熱を行いながら実行され、依然として真空もしくは他の変形力を受けることとし、それによって軟化がされてそこに９０°角度が形成されるようになり、またそこのエポキシ材料が熱処理される温度下におかれることになる。これに代って、熱処理は後の操作の間に行なうことができ、例えば、主なる外板（スキン）部品でこの物品が関係しているもの自体が熱処理されるときに行なわれる。
【００２６】
結果として得られた物品は、したがって、三つの面内に展開されており、これらの面は互いに角度がついていて、単方向性の、耐負荷性ファイバの連続性は維持されている。
【００２７】
成形ツールについての適切な選択によって、初期のプレフォームブランクが必要とされるどんな構造にも形成できるようにし、初期の形成段階でランプやジョッグルや他の平面からの乱れを形づくるようにする段階中に必要とされる耐負荷方向でファイバの連続性を維持するようにしている。さらに、成形を行ってもよく、それによって、例えばＬ字形とかＣ字形をした断面をもつ部材を作ることとしてよい。その結果作られる部品は形成ツールから取外されて、必要とされる構造部材、例えば航空機のストリンガ部分への強化として応用されることとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 成形用ツールの縁の上で９０°曲げられた多数のカーボンファイバを有する未硬化プレペグの平坦なシートを示す図。
【図２】 物品がジョッグルもしくはランプを含む輪郭と一致するところを示す図。
【図３】 切断前の矩形ブランクを示す図。
【図４】 物品のプレフォームブランクを部分的に挿入した状態のフレキシブル支持体の一部切断斜視図。
【図５】 閉じる前に図４の支持体の一端を見た図。
【図６】 図４の支持された物品の側面図。堅牢なフレーム内部に支持され、成形用ツール上に支持されて、真空バッグ内部に閉じられていることを示す。
【図７】 図６に対応する斜視図。
【図８】 第１の成形動作の後のプレフォームの平面図。
【図９】 さらなる成形動作を受けた後の成形用ツール上の仕上った物品の斜視図。

Claims (10)

1. 平面状で、多層の、複合物品を成形する方法であって、
   該物品は各層の面内の１方向に連続して延びているファイバで強化されたプラスチック材料を含んでおり、
   前記多層の半分以上は主方向に整列されていて、
   前記物品を、該物品の前記主方向の平面内でこの平面に平行に強化されているフレキシブルな支持体内に装着し、前記物品を前記主方向の層の面に垂直な方向の動きに対して拘束し、
   前記支持体を成形用のツールの周りに置かれたフレーム内に支持し、前記支持体中の前記物品が前記ファイバの前記主方向に対し垂直な方向の縁を該成形用のツールにおいて輪郭を含む表面上に載置され、
   前記物品に対し、前記主方向の層の面内で前記ファイバの前記主方向と垂直な方向に前記物品の前記縁に対し力が加えられて、前記支持体はこの力の作用の下で前記フレームにより前記成形用ツールの輪郭を含む表面に向かう方向に前記物品を案内し、前記物品のバックリングを妨げるとともに前記ファイバの連続性が維持されて前記物品を前記成形用のツールにおいて輪郭を含む表面に一致させ、そして、
   その後に、前記支持体から取り外された前記物品が加熱されるとともに前記物品にさらに力を適用して前記物品を前記ファイバの前記主方向に平行に延びている線の周りに折り曲げ、前記物品が前記成形用のツールにおいて輪郭を含む表面を形どるように成形される、
   ことを特徴とする複合物品成形方法。
2. 前記支持体は相互に間隔をあけた複数のロッドで強化された弾性材料で成る、ことを特徴とする請求項１記載の複合物品成形方法。
3. 前記支持体は前記物品を受け入れるコンテナの形状をしている、ことを特徴としている請求項１又は２記載の複合物品成形方法。
4. 前記支持体はさらに、前記物品を前記ファイバの前記主方向での前記物品の動きを阻止するようにされている、ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載の複合物品成形方法。
5. 前記物品上に作用する力がプレスもしくは真空により作られる、ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載の複合物品成形方法。
6. 前記物品のプラスチック材料は硬化可能であり、その成形が完了した後に硬化される、ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項記載の複合物品成形方法。
7. 前記プラスチック材料は熱硬化性であり、またその硬化の実効をあげるためにさらなる成形用動作の間に限り十分な熱が加えられる、ことを特徴とする請求項６記載の複合物品成形方法。
8. 前記物品は、カーボンの、もしくはガラスの、ファイバ強化プラスチック材料を含み、かつ構造的な強化部材として前記ファイバとともに成形されたものであり、このファイバは主たる負荷を受ける方向に整列されている、ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項記載の複合物品成形方法。
9. 前記輪郭は、成形された部品が一致されるジョッグルもしくはランプを含んでいる、ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項記載の複合物品成形方法。
10. 前記物品は前記力を加える前に熱を加えて軟化されている、ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項記載の複合物品成形方法。

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