JPH11512670A - 複雑な複合材料製品の精密予備成形のための方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 多重シート層の繊維予備成形品の積層のための装置と方法が提供され、所望の成形品の形状を持つ成形を行う治具と、一つ又はそれ以上の二次合わせ治具とを使用する装置が、平坦形状をシミュレートするために成形を行う治具上に配置される。合わせ治具は、上方に延びる多数の合わせピンを含み、シート層対シート層の精度と配列状態を確保するためにこれらのピンを使用して、多数のシート層が垂直方向に積層されることが出来る。積層後、シート層をレジスタに保持する様、シート層は二次治具と一緒に積層体の局所部分において係止される。次に、二次治具が外され、次いでシート層が成形されて治具面にわたって形取られる。本発明の装置と方法を利用することにより、積層と成形プロセスの間多重シート層がレジスタに維持されて、自動化されたプロセスにおける成形部品の再現性が確保される。

Description

【発明の詳細な説明】 複雑な複合材料製品の精密予備成形のための方法 技術分野 本発明は、樹脂トランスファ成形プロセスで複雑な複合材料製品を製造するた めの、多層繊維予備成形物を成形する方法に関する。発明の背景 複合材料製品の製造においては、通常、配列した複数のドライ繊維層を製品形 状に合う形状に積層する。斯かるドライ繊維層の積層は、「予備成形品」（プレ フォーム）として知られており、通常、引き続いて型内に置かれる。次いで、型 内に樹脂が注入されて繊維間に浸透し、繊維間の空隙を充填することにより、複 合材料部品ガ製造される。斯かる複合材料部品の製造プロセスは、「樹脂トラン スファ成形」（ＲＴＭ）プロセスとして知られている。 予備成形品を製造する場合は、複数の繊維プライ（シート層）を積み重ねて載 置し、製品の形状に成形する。これらのシート層を積層してスタック（積み重ね 体）にする際、最終製品の構造的特性は、繊維の配列状態に依存するため、型に 対して繊維の配列が正確になされていること、および、それにより積層と成形の 夫々のステップが完了した後、仕上げられた成形品と繊維とがその配列に保持さ れていることが不可欠である。 現在のところ、繊維層を配列した際、適切な配列状態になったか否かの判断は 、各層を重ねる度毎に、人による目視チェックで行われている。しかしながら、 上側の層を正しい配列状態に置く様にするための調整が上側の層になされるため 、このアセンブリプロセス自体が下側の層の何らかの配列ずれの原因となり得る 。一般に、成形部品対成形部品の一貫性を確保するには、隣接するシート層の繊 維間の精度を±３°以内に維持する必要がある。現在ではその様な精度を達成す るのは極めて困難である。加えて、成形部品形状の複雑性の増加に伴い、成形工 程の間、シート層の配列状態を維持することがますます困難となっている。何故 な らば、様々な輪郭にシート層を倣わせるとシート層が位置ずれするためである。 例えば、複雑な曲面、突起フランジ、角度付エッジ又は他の複雑構造を持つ成形 部品の成形プロセスではシート層相互の自由な動きが必要であるが、この成形は 、繊維の変形を防止するために制御された方法で行われなければならない。現在 のところ、斯かる予備成形品の製造は困難である。発明の要約 本発明の目的は、各層を積み重ねる度毎に測定することなく適切な繊維配列状 態が確保される様に、複数の繊維シート層を高精度で重ねて配置するための方法 を提供することにある。 他の目的は、繊維の予備成形品を製造するのに必要な時間と労力を十分に削減 するための自動化された方法を提供することにある。 更に他の目的は、シート層対シート層の適切な繊維配列状態を確保しつつ、成 形に先立って繊維シート層を実質的に平坦な形に自動的に積層することを容易に するための治具を提供することにある。 本発明のこれらの目的および他の目的は、複合材料部品のための予備成形品を 製造する方法により達成され、この方法は、 複数の繊維シート層を準備する工程、 成形部品に含まれない領域内にある各シート層内の一つ又はそれ以上の合わせ 孔を切り取る工程であり、そして、これらの孔は、全てのシート層が垂直方向に 適切なアライメント状態にあるときの共通な配置に対応し、 成形品の形状に合う形を持つ成形を行う積層治具を準備する工程、 実質的に平坦な面をシミュレートするために、一つ又はそれ以上の二次合わせ 治具を準備して成形を行う積層治具の形状を変える工程であり、そして、当該二 次治具は、そこから延びる一つ又はそれ以上の合わせピンを有し、 平坦にシート層を積層するために、積層治具と二次治具の両方の上に順次に複 数のシート層を載置する工程であり、そして、シート層の孔は、シート層を貫通 して延びる合わせピンに適合し、 孔と合わせピンとに隣接する繊維シート層を裁断する工程、 二次治具、ピン及び裁断された繊維を除く工程、および 積層治具上のシート層を形取られた成形品に成形する工程から成る。 合わせピンと補助治具とを利用することにより、複数の平坦なシート層を配列 して重ね合わせる共に、合わせピンで各層間の精度を確保し、積層プロセスの間 シート層を定位に保持することを可能にする。オペレータの介在を回避できる様 に自動設備を利用し、平坦な積層が容易に行える。シート層の孔の配置は、シー ト層対シート層の適切なアライメントを確保する様に選択され、そのパターンは 、コンピュータで作成してもよい。通常、孔は積層された後で容易に除去され得 る回収領域内に設けられる。繊維シート層の裁断に先立って、予備成形品の一部 分が加圧されてシート層がレジスタに保持され、それに伴い周辺の繊維、治具、 およびピンが除かれる。次いで、加圧領域以外の全ての層が成形治具内で加圧さ れ、シート層の配列ローゼットから離れた領域での繊維変形が許容されるのを除 いて、繊維ずれのない予備成形品が製造される。このプロセスは、同一構成の成 形部品の繰り返し製造を可能とする。図面の簡単な説明 図１は、繊維材料のシートであって、そのシートから切り出されることが出来 る様々なシート層の外形を示す。 図２は、成形を行う治具上への載置のための、積層順にしたシート層を示す分 解図である。 図３は、平坦なシート層積層用の４個の二次治具を含む、成形を行う治具であ る。 図４は、図３の治具のＡ−Ａ断面図である。 図５は、二次治具を取り外した図である。 図６は、仕上げられた成形品の等角図である。 図７は、図５のＢ−Ｂ断面図である。 図８は、形取られた積層治具および二次治具の断面図であり、それらの上にシ ート層が載置されている。発明の詳細な説明 図１には、繊維材料より成るシート１が示されている。このシートは、シート 状の織布または不織布の繊維２より形成されていてもよい。シートは、多数の成 形品シート層を製造するために、このシートに施される裁断を示す多数の外形２ を含んでいる。所定の形状やパターンの個々のシート層に材料を裁断するために は、様々な手段を使用できる。例えば、シート上を直交方向に可動な数値制御裁 断機を使用してもよく、裁断機はコンピュータにより指示制御される。シート層 も、仮の若しくは永続的なテンプレート又はパターンマーカを使用して裁断して もよい。 個々のシート層の特定形状を決める場合、材料コストに依存するスクラップ量 を制限するために、繊維シートから切り出されるシート層の数を最大化すること を考慮するべきである。この点は、特にカーボン繊維シートを使用するときに重 要である。しかしながら、後続の夫々のシート層の積層を正確に行うために配置 されるタブ３の形状の回収領域を含むのに十分な余剰部を取る得るべきである。 タブは説明用に示されており、ここに示す様な特定のタブ形状を必ずしも使用 する必要はなく、ここで示される矩形状のタブは単に説明の目的で示される。唯 一必要なのは、回収領域の何れかの部分が合わせ孔１５を含む様に指定され、そ の後で当該孔を伴ってその指定領域を切り抜き、シート層の積層を容易にすると いう点である。 通常、各シート層部品の形状は、市販で入手可能なコンピュータソフトウエア を使用し、最終的な部品形状を取り入れ、それを３次元構成から「各シート層部 品に分解（アンラッピング：ｕｎｗｒａｐｐｉｎｇ）」することにより決定され る。従って、この様なソフトウエアは、成形品を多数の必要なシート層に断片（ セグメント）化し、次いでそれらを平坦化して、平坦なシート層パターンを作成 する。 平坦なシート層パターンが作成された時点で、シート層アライメントタブ又は 同様の指定領域を含み、繊維シート層の積層が容易に行える様に選択された孔１ ５を伴う様に成形部品外形を変更することが出来る。一旦フラットパターンが決 定されると、図１に示す様にシート材料から様々なシート層が裁断される。 図２には、裁断されたシート層の積層図が示されている。シート層４は、サブ ユニット内に積層された後、図３に示す様に成形治具５の上に置かれる。次いで 、例えばサブユニット６、７及び８の様な類似形状の複数のシート層で構成され る単体のシート層またはサブユニットが積層された後、予備成形品を積層するた めに必要な適切な順序で治具の上に載置される。 治具５は、最終成形部品形状に合う面を持っているが、更に複数の着脱可能な 合わせブロック９ａ、ｂ、ｃ、ｄ、ｅを含み、これらの合わせブロックを組み込 むことにより治具の低い領域を充填し、治具上に平坦面を提供し、シート層の積 層を容易にする。このことは、図８に最もよく示されている。これらの合わせブ ロックは、異なるシート層の合わせ孔に合う合わせピンを有する。この様にして 、積層は、シート層対シート層の保証された精度の配列で行われる。図３は合わ せブロックが定位にある治具を示し、図４は治具の断面を示し、合わせブロック が除去されるのに先立って平坦なシート層の積層をどの様にして行えるかを図を 用いて説明する。 成形部品の最高点のピーク近傍または最初に成形される領域の近傍にブロック を配置することにより、最適な合わせブロックを設計することが出来る。これに より、図８に示す様にシート層は平坦なパターンで積層することが可能となり、 更に、係止される部材１３または別の部材により型締めされ且つ積層された積み 重ね体１２の最高点１１は、全てのシート層を一緒に保持することが可能となる 。次いで、合わせブロックを外すことが出来る様に、ピンに隣接するライン１４ に沿って回収領域が裁断される。これは、治具の複雑面を露出させ、積層された シート層が治具の複雑形状面に押し付けられて成形されることを可能にする。 勿論、一旦型締めされると、繊維は、そのシート層対シート層の配列を維持し 、治具の形状に合うためにシート層にとって必要な量ずれるだけである。 図５によれば、合わせブロックが外され、シート層は変形（デバルク）させら れて治具の形状に成形される。図６は成形後の複合材料部品１６を示し、図７は 治具およびシート層の断面を示し、シート層が治具の形状に成形されていること が分かる。 本発明の利点は、合わせブロックを輪郭領域上の橋渡しとして作用させ、シー ト層の平坦な層を支持するために使用できるという点である。要求されるシート 層対シート層の関係を本質的に維持しながら、シート層が加圧されるか又はシー ト層が定位に保持され、続いて成形治具の表面の上方で容易に型取られることに よりシート層の形状が決定された後、ブロックは単に取り外される。 本発明のもう一つの利点は、正しい配列にシート層が積層されるための合わせ ピンと合わせ孔を有する様々なシート層を裁断し、それらを取り上げて載置する ことの機械化が可能であり、容易に自動化され得るという点である。型締め、裁 断、そして二次治具を外す工程は、成形工程と同様に自動方式で行うことが出来 る。オペレータを介在させる必要性は大幅に削減される。勿論、適切なシート層 の積層と配列を確保するためには様々な検査手法を取り込むことが好ましいが、 本方法自体が精度を確保できる方法であり、その様なオプションとしての工程は 最小限に抑えられ、時間と労力の消費は殆どない。 本発明は、カーボン、アラミド、ガラス等の任意の繊維材料を所望の織布また は繊維配列状態で使用することが出来る。繊維シート層は乾燥品を使用できる。 つまり予め樹脂を含侵させなくてよいため、この積層は樹脂トランスファ成形プ ロセスで使用することが出来る。勿論、適切な任意の樹脂、例えばエポキシ、ビ スマレイミド、スチレン、ポリウレタン等を使用することが出来る。 治具としては、従来公知の治具を使用でき、スチール、不変鋼（アンバー）及 びスチールピンを使用できるが、通常はアルミニウム製である。孔の数と孔のサ イズは適宜選択することが出来、それは成形部品の構成に依存する。通常、孔の 直径は製作される成形部品とシート層数とに応じて、１／４〜１インチの範囲か ら選択される。本発明の治具手法を用いて一緒に積層されるシート層の数に制限 はないが、本方法を使用して１８枚のシート層が順次積層された。 本発明の特定の実施態様を示して説明したが、当業者であれば様々な変化や変 更が本発明の要旨を逸脱しない範囲で可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複合材料部品のための予備成形品を製造する方法であって： 複数の繊維シート層を準備する工程、 成形部品に含まれない領域内にある各シート層内の一つ又はそれ以上の合わせ 孔を切り取る工程であり、そして、これらの孔は、全てのシート層が垂直方向に 適切なアライメント状態にあるときの共通な配置に対応し、 成形品の形状に合う形を持つ成形を行う積層治具を準備する工程、 実質的に平坦な面をシミュレートするために、一つ又はそれ以上の二次合わせ 治具を準備して成形を行う積層治具の形状を変える工程であり、そして、当該二 次治具は、そこから延びる一つ又はそれ以上の合わせピンを有し、 平坦にシート層を積層するために、積層治具と二次治具の両方の上に順次に複 数のシート層を載置する工程であり、そして、シート層の孔は、シート層を貫通 して延びる合わせピンに適合し、 孔と合わせピンとに隣接する繊維シート層を裁断する工程、 二次治具、ピン及び裁断された繊維を除く工程、および 積層治具上のシート層を形取られた成形品に成形する工程から成ることを特徴 とする複合材料部品のための予備成形品を製造する方法。 ２．裁断工程に先立ち、繊維シート層の一部分を加圧して、前記シート層をレ ジスタに保持する工程を更に有する請求項１に記載の方法。 ３．前記成形部品に含まれない領域がタブ形状である請求項１に記載の方法。 ４．前記二次合わせ治具が、治具の低い領域を充填するブロックである請求項 １に記載の方法。 ５．前記加圧される部分が、前記成形部品の高いポイントである請求項２に記 載の方法。 ６．前記成形部品の形状をその３次元構成から分解し、適切な繊維配列状態を 確保するための合わせ孔を含む場所を選択することにより、平坦なシート層パタ ーンを作成する工程を更に有する請求項１に記載の方法。 ７．繊維シート層の多重サブユニットが前記成形治具上に載置され、夫々の前 記サブユニットが対応する合わせピンに嵌合するための一つ又はそれ以上の合わ せ孔を有する請求項１に記載の方法。 ８．複合材料成形部品用の予備成形品を製造するための治具であって： 前記成形部品の形状に合う形を有する成形を行う治具と、平坦なプレートにシミ ュレートするために前記アセンブリの形状を変える一つ又はそれ以上の二次合わ せ治具から成り、前記二次合わせ治具は、複数のシート層が前記積層治具と前記 二次治具の上へ順次平坦に積層されることができる様に前記２次治具から延びる 一つ又はそれ以上の合わせピンを有し、シート層が前記成形治具の輪郭に整合可 能であるため、前記二次治具は、可動治具として構成されることを特徴とする複 合材料成形部品用の予備成形品を製造するための治具。 ９．前記二次治具は、前記成形を行う治具の低い領域を充填する形取られた形 状である請求項８に記載の治具。 １０．前記成形を行う治具に複数の積層されたシート層の一部分が保持される ための手段を更に備える請求項８に記載の治具。 １１．前記成形を行う治具の表面のピークに二次治具の少なくとも一つが隣接 して配置される請求項８に記載の治具。