(57)【要約】  実施形態に係る複合材成形治具は、展開及び少なくとも１つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることが可能な複数の成形型であって、展開した状態で、樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方の積層を行い、前記少なくとも１つの成形型を相対的に傾斜させて前記積層後の繊維の賦形を行うための複数の成形型と、傾斜機構とを有する。傾斜機構は、前記積層を行う場合には前記複数の成形型を展開する一方、前記賦形を行う場合には前記少なくとも１つの成形型を傾斜させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
展開及び少なくとも１つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることが可能な複数の成形型であって、展開した状態で、樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方の積層を行い、前記少なくとも１つの成形型を相対的に傾斜させて前記積層後の繊維の賦形を行うための複数の成形型と、
前記積層を行う場合には前記複数の成形型を展開する一方、前記賦形を行う場合には前記少なくとも１つの成形型を傾斜させる傾斜機構と、
を有する複合材成形治具。
【請求項２】
展開した状態において前記複数の成形型間における隙間を変化させる移動機構を更に有する請求項１記載の複合材成形治具。
【請求項３】
前記移動機構は、前記少なくとも１つの成形型を傾斜させることによって折り曲げられる前記積層後の繊維の谷側の長さよりも山側の長さの方が長くなるように、前記繊維の積層枚数が増えるにつれて前記複数の成形型間における隙間を狭くするように構成される請求項２記載の複合材成形治具。
【請求項４】
展開された状態における前記複数の成形型への前記繊維の積層を行う自動積層装置から前記繊維の積層枚数を示す情報を取得し、前記繊維の積層枚数を示す情報に基づいて、前記繊維の積層枚数が増えるにつれて前記複数の成形型間における隙間が狭くなるように前記移動機構を制御する制御装置を更に有する請求項３記載の複合材成形治具。
【請求項５】
前記少なくとも１つの成形型を傾斜させた状態において、前記少なくとも１つの成形型と、前記少なくとも１つの成形型に隣接する成形型との間に生じる前記空隙に配置される別の成形型であって樹脂を含浸させた前記積層後における繊維の面取り用の成形型を更に有する請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合材成形治具。
【請求項６】
前記少なくとも１つの成形型を傾斜させた状態において前記積層後における繊維を覆うバギングフィルムと各成形型とで囲まれた領域を真空状態にするために、前記少なくとも１つの成形型と、前記面取り用の成形型との間並びに前記少なくとも１つの成形型に隣接する成形型と、前記面取り用の成形型との間とをシールするシール部材を有する請求項５記載の複合材成形治具。
【請求項７】
前記少なくとも１つの成形型を傾斜させた状態において、樹脂を含浸させた前記積層後における繊維に面取りが形成されるように、前記少なくとも１つの成形型と、前記少なくとも１つの成形型に隣接する成形型との間を可撓性を有するシートで連結した請求項１乃至４のいずれか１項に記載の複合材成形治具。
【請求項８】
３つ以上の前記複数の成形型を有し、
前記傾斜機構は、前記複数の成形型のうちの少なくとも２つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることによって前記賦形用の凹面を有する雌型の賦形治具を形成するように構成される請求項１乃至７のいずれか１項に記載の複合材成形治具。
【請求項９】
前記複数の成形型を連結し、かつ前記複数の成形型に着脱可能なボールネジを前記移動機構として有する請求項２乃至４のいずれか１項に記載の複合材成形治具。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの成形型と、前記少なくとも１つの成形型に隣接する成形型との間を回転可能に連結し、かつ前記少なくとも１つの成形型及び前記隣接する成形型に着脱可能なヒンジを前記傾斜機構として有する請求項１乃至９のいずれか１項に記載の複合材成形治具。
【請求項１１】
少なくとも１つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることが可能な複数の成形型を展開した状態でセットするステップと、
樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方を、前記展開した状態における前記複数の成形型に積層するステップと、
前記少なくとも１つの成形型を相対的に傾斜させることによって、前記樹脂を含浸させた積層後における繊維の賦形を行うステップと、
前記樹脂を含浸させた前記賦形後の繊維を加圧下で加熱硬化することによって硬化後における前記樹脂が前記繊維で強化された複合材の製品又は半製品を製造するステップと、
を有する複合材成形方法。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの成形型を傾斜させることによって折り曲げられる前記積層後の繊維の谷側の長さよりも山側の長さの方が長くなるように、前記繊維の積層枚数が増えるにつれて前記複数の成形型間における隙間を狭くする請求項１１記載の複合材成形方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの成形型を傾斜させた状態において、前記少なくとも１つの成形型と、前記少なくとも１つの成形型に隣接する成形型との間に生じる空隙に面取り用の成形型を配置することによって、樹脂を含浸させた前記積層後における繊維に面取りを形成する請求項１１又は１２記載の複合材成形方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの成形型を傾斜させた状態において、前記少なくとも１つの成形型と、前記面取り用の成形型との間並びに前記少なくとも１つの成形型に隣接する成形型と、前記面取り用の成形型との間とをシール部材でシールし、前記積層後における繊維を覆うバギングフィルムと各成形型とで囲まれた領域を真空状態にすることによって前記賦形後の繊維に対する前記加圧を行う請求項１３記載の複合材成形方法。
【請求項１５】
３つ以上の複数の成形型のうちの少なくとも２つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることによって賦形用の凹面を有する雌型の賦形治具を形成し、硬化後における樹脂が繊維で強化された繊維強化樹脂層の積層体が少なくとも２箇所で折り曲げられた形状を有する複合材の製品又は半製品を製造する請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載の複合材成形方法。
【請求項１６】
硬化後における樹脂が繊維で強化された繊維強化樹脂層の積層体が少なくとも４箇所で同じ方向に折り曲げられた形状を有する複合材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、複合材成形治具、複合材成形方法及び複合材に関する。
【背景技術】
【０００２】
ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：  Ｇｌａｓｓ  ｆｉｂｅｒ  ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：  Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃｓ）等の複合材の典型的な成形方法は、シート状の繊維に樹脂を含浸させたプリプレグを積層し、積層されたプリプレグをオートクレーブ装置等で加熱硬化するというものである。このため、シート状のプリプレグを、硬化後における複合材の形状に合わせて積層するための成形治具が用いられる（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。【０００３】
硬化前におけるプリプレグの形状を整える作業は、プリプレグの加熱硬化による成形と区別するために、賦形と呼ばれる。複合材の成形型にプリプレグを積層する際には、プリプレグに皺が生じないように積層することが重要である。そこで、成形型に積層されたプリプレグに皺が生じないように、ローラを動かす複合材の成形方法が提案されている（例えば特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１５７４８１号公報
【特許文献２】特開２０１４−０５１０６５号公報
【特許文献３】特開２００６−３３５０４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
成形型にプリプレグを積層することによって複雑な形状を有する複合材を成形するためには、複雑な形状を有する成形型を準備することが必要である。但し、硬化後における複合材を成形型から脱型できるように、すなわち複合材を離型できるように成形型の形状を設計することが必要である。【０００６】
逆に、成形型から離型することが困難な形状を有する複合材は、成形型を用いて一体成形することができない。このため、複雑な形状を有する複合材は、複数のパーツに分けてそれぞれ加熱硬化した後にファスナで組立てるか、或いは、パーツごとに積層したプリプレグの積層体を組立てて一体硬化（コキュア）せざるを得ない。また、複雑な形状を有する複合材を製作する別の方法として、事前に加熱硬化したパーツを硬化前のプリプレグ上にセットし、プリプレグの硬化と同時に接着硬化(コボンド)させる手法も知られている。【０００７】
具体例として、航空機の構造体の１つとして典型的な、外板（パネル）に桁（スパー）、小骨（リブ）又は縦通材（ストリンガ）等の補強材を取付けた複合材構造体を製造する場合には、外板及び補強材を別々に製作して組立てることが必要となる。すなわち、外板及び桁等の補強材をそれぞれ加熱硬化した後で、ファスナで組立作業が行われている。或いは、外板用のプリプレグの積層体と、補強材用のプリプレグの積層体が別々に製作され、積層体を組立てた後に加熱硬化される。特に、桁用のプリプレグの積層体を製作するためには、ホットドレープフォーミング装置で予備賦形する工程が必要となる。このため、製造に要する時間が長く、製造コストが高いという課題がある。【０００８】
そこで本発明は、複雑な構造を有する複合材を容易に成形することができるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の実施形態に係る複合材成形治具は、展開及び少なくとも１つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることが可能な複数の成形型であって、展開した状態で、樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方の積層を行い、前記少なくとも１つの成形型を相対的に傾斜させて前記積層後の繊維の賦形を行うための複数の成形型と、傾斜機構とを有する。傾斜機構は、前記積層を行う場合には前記複数の成形型を展開する一方、前記賦形を行う場合には前記少なくとも１つの成形型を傾斜させる。【００１０】
また、本発明の実施形態に係る複合材成形方法は、少なくとも１つの成形型を他の成形型に対して相対的に傾斜させることが可能な複数の成形型を展開した状態でセットするステップと、樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方を、前記展開した状態における前記複数の成形型に積層するステップと、前記少なくとも１つの成形型を相対的に傾斜させることによって、前記樹脂を含浸させた積層後における繊維の賦形を行うステップと、前記樹脂を含浸させた前記賦形後の繊維を加圧下で加熱硬化することによって硬化後における前記樹脂が前記繊維で強化された複合材の製品又は半製品を製造するステップとを有するものである。【００１１】
また、本発明の実施形態に係る複合材は、硬化後における樹脂が繊維で強化された繊維強化樹脂層の積層体が少なくとも４箇所で同じ方向に折り曲げられた形状を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す展開状態における正面図。
【図２】図１に示す複合材成形治具の上面図。
【図３】図１に示す複合材成形治具の賦形時における正面図。
【図４】図３に示す複合材成形治具の上面図。
【図５】傾斜対象となる成形型の傾斜機構として用いられるヒンジに傾斜角度のストッパ構造を設けた例を示す図。
【図６】傾斜対象となる成形型を傾斜させるために図５に示すヒンジを動かした状態における図。
【図７】航空機の翼構造体を構成する外板及び桁の構造例を示す斜視図。
【図８】図７に示すボックス構造体を展開した状態を示す斜視図。
【図９】図３に示すＲ面取り用の成形型に溝を形成し、パッキンでシールする方法を説明する図。
【図１０】図１に示す移動機構による各成形型間における隙間の調整方法を説明する図。
【図１１】図１に示す複合材成形治具を用いて複合材を成形する流れの一例を示すフローチャート。
【図１２】図１に示す複合材成形治具を用いてハイブリッド成形法により複合材を成形する場合における流れの一例を示す図。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す部分拡大図。
【図１４】図１３に示す成形型間に形成される隙間を狭くした例を示す図。
【図１５】図１４に示す成形型を組立てた状態を示す図。
【実施形態】
【００１３】
本発明の実施形態に係る複合材成形治具、複合材成形方法及び複合材について添付図面を参照して説明する。
【００１４】
（第１の実施形態）
（複合材成形治具）
図１は本発明の第１の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す展開状態における正面図、図２は図１に示す複合材成形治具の上面図、図３は図１に示す複合材成形治具の賦形時における正面図、図４は図３に示す複合材成形治具の上面図である。
【００１５】
複合材成形治具１は、シート状の繊維束に熱硬化性樹脂を含浸させた硬化前におけるプリプレグの積層、積層されたプリプレグの賦形及びプリプレグの積層体の加熱硬化を行うための治具である。
【００１６】
尚、シート状の繊維を積層した後に熱硬化性樹脂を含浸させるようにしてもよい。その場合には、シート状のプリプレグに代えて、シート状の繊維が複合材成形治具１を用いて積層される。図１に示す例では、複合材成形治具１にプリプレグから成る繊維強化樹脂層（ＰＬＹ）が積層されており、図３に示す例では、プリプレグから成る繊維強化樹脂層の積層体又は積層された繊維に熱硬化性樹脂を含浸して得られる繊維強化樹脂層の積層体が複合材成形治具１によって賦形されている。尚、図２では、シート状のプリプレグ又はシート状の繊維の図示が省略されている。
【００１７】
繊維を積層した後に樹脂を含浸させる複合材の成形方法は、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。ＲＴＭ法のうち、真空圧で繊維に樹脂を含浸させる手法は、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ  ａｓｓｉｓｔｅｄ  Ｒｅｓｉｎ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ  Ｍｏｌｄｉｎｇ）法と呼ばれる。
【００１８】
また、プリプレグの積層と、ＲＴＭ法を併用するハイブリッド成形法による複合材の成形用に複合材成形治具１を用いることもできる。ハイブリッド成形法は、プリプレグの積層体の上にシート状の繊維を積層し、積層されたシート状の繊維に樹脂を含浸させた後、加熱硬化する複合材の成形法である。従って、ハイブリッド成形法による複合材の成形用に複合材成形治具１が用いられる場合には、シート状のプリプレグ及びシート状の繊維の双方が積層されることになる。
【００１９】
複合材を加熱硬化する方法としては、任意の方法を採用することができる。複合材の典型的な加熱硬化法としては、オートクレーブ成形装置内に硬化前の複合材を搬入し、真空引きを行って加圧下で加熱硬化する方法が挙げられる。一方、オートクレーブ成形装置を使用せずに複合材を成形する様々な脱オートクレーブ（ＯｏＡ：Ｏｕｔ  ｏｆ  ａｕｔｏｃｌａｖｅ）成形法が知られている。具体例として、オーブンで複合材を加熱硬化する方法が知られている。従って、複合材の加熱硬化法に応じた所望の設備内に、硬化前かつ賦形後の複合材をセットした複合材成形治具１を搬入することができる。
【００２０】
複合材成形治具１は、図１乃至４に例示されるように展開状態と組立状態との間で構造を変化させることができる。プリプレグ又は繊維の積層時には、複合材成形治具１は、図１及び図２に示すように展開状態でセットされる。一方、樹脂を含浸させた繊維の賦形時及び加熱硬化時には、複合材成形治具１は、図３及び図４に示すように組立状態でセットされる。
【００２１】
このため、自動積層装置２を用いて自動的に又は自動積層装置２を用いずに作業者が手作業で、展開状態の複合材成形治具１に樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維、すなわちプリプレグのシート及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方の積層を行うことができる。一方、プリプレグ又は繊維の積層が完了した場合には、複合材成形治具１を折り曲げて組立てることによって、硬化前における樹脂を含浸させた繊維で構成される繊維強化樹脂層の積層体を、硬化後における複合材の形状に合わせて賦形することができる。
【００２２】
そのために、複合材成形治具１は、少なくとも複数の成形型３及び傾斜機構４で構成される。複数の成形型３は、傾斜機構４によって、展開及び少なくとも１つの成形型３を他の成形型３に対して相対的に傾斜させることができる。一方、傾斜機構４は、少なくとも１つの成形型３を傾斜させることが可能な構造を有する。
【００２３】
各成形型３は、展開した状態で、樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維及び樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維の少なくとも一方の積層を行うための治具である。従って、各成形型３は、プリプレグ又は繊維を積層するための平面又は曲率が小さな曲面を有する。すなわち、プリプレグ又は繊維の積層に支障がなければ各成形型３の表面に形成される積層面は、平面に限らず、曲面であってもよい。各成形型３は、ＣＦＲＰ等の複合材や金属等の剛体で構成することができる。各成形型３の構造は、板状、ブロック状又は中空のボックス構造など、所望の構造とすることができる。
【００２４】
また、各成形型３は、図１に例示されるように、各成形型３を展開させると、各成形型３の積層面が概ね平坦になるように配置される。このため、展開状態における複数の成形型３の各積層面上に作業者が手作業でシート状のプリプレグ又は繊維を積層することができるのみならず、図示されるように車輪やクローラ等の走行機構を備えた自動積層装置２を用いて自動的にシート状のプリプレグ又は繊維を積層することができる。或いは、自動積層装置２を固定し、各成形型３を移動させることによって、シート状のプリプレグ又は繊維を積層するようにしてもよい。
【００２５】
複数の成形型３のうちの少なくとも１つの成形型３は、他の成形型３に対して相対的に傾斜させることができる。これにより、プリプレグから成る繊維強化樹脂層及び積層後における繊維に樹脂を含浸させて得られる繊維強化樹脂層の少なくとも一方で構成される繊維強化樹脂層の積層体の賦形を行うことができる。また、賦形された繊維強化樹脂層の積層体を組立後の複数の成形型３にセットした状態で加熱硬化することができる。その結果、賦形後の形状を有する複合材を製作することができる。
【００２６】
傾斜機構４は、プリプレグ又は繊維の積層を行う場合には複数の成形型３を展開する一方、繊維強化樹脂層の積層体の賦形を行う場合には少なくとも１つの成形型３を傾斜させるための器具又は装置である。
【００２７】
傾斜機構４は、例えば、図示されるように、動力の無いヒンジ４Ａで構成することができる。すなわち、傾斜対象となる少なくとも１つの成形型３と、傾斜対象となる当該成形型３に隣接する成形型３との間を複数のヒンジ４Ａで回転可能に連結することができる。この場合、大掛かりな専用の装置を備えることなく、ホイストやフォークリフト等の汎用の設備を用いて傾斜対象となる成形型３を傾斜させることが可能となる。
【００２８】
或いは、傾斜機構４を、動力を有する成形型３の起倒装置とすることができる。例えば、成形型３間を連結するヒンジ４Ａを回転させるためのモータを設けて成形型３の自動起倒装置を構成することができる。この場合、動力の伝達及び剛性を確保するために、共通の成形型３間を連結する複数のヒンジ４Ａを、回転シャフトで連結するようにしてもよい。
【００２９】
複数の成形型３を組立てた状態において傾斜対象となる成形型３の傾斜角度が一定の場合には、傾斜機構４に傾斜角度を規制するための構造を設けることができる。すなわち、傾斜対象となる成形型３の傾斜角度が、展開させた状態において隣接する成形型３に対する傾斜角度と、組立てが完了した状態において隣接する成形型３に対する傾斜角度との間においてのみ変化させることができるように、傾斜機構４に傾斜角度を制限するストッパ構造を設けることができる。
【００３０】
図５は傾斜対象となる成形型３の傾斜機構４として用いられるヒンジ４Ａに傾斜角度のストッパ構造を設けた例を示す図であり、図６は傾斜対象となる成形型３を傾斜させるために図５に示すヒンジ４Ａを動かした状態における図である。
【００３１】
例えば、成形型３を展開させた状態において傾斜対象となる成形型３の傾斜角度が隣接する成形型３に対して０度である一方、成形型３を組立てた状態において傾斜対象となる成形型３の傾斜角度が隣接する成形型３に対して９０度である場合には、０度から９０度の範囲で一方の部材を他方の部材に対して相対的に回転させることが可能なヒンジ４Ａを用いて傾斜機構４を構成することができる。
【００３２】
すなわち、ヒンジ４Ａの回転範囲を０度から９０度の間に制限することができる。具体例として、図５及び図６に例示されるように、２枚の板状の部品１０、１１を、厚さ方向が回転軸方向となるように配置して回転シャフト１２で連結したヒンジ４Ａで傾斜機構４を構成する場合であれば、回転させる側の板状の部品１０に接触させることによって、回転させる側の板状の部品１０の回転範囲を０度から９０度の範囲に制限させるストッパ１３を他方の板状の部品１１に設けることができる。これにより、傾斜対象となる成形型３を常に適切な傾斜角度で展開及び傾斜させることができる。
【００３３】
また、ヒンジ４Ａ等の傾斜機構４に成形型３の傾斜角度を制限するストッパ構造を設けるか否かに関わらず、異なる複数の傾斜角度で成形型３を傾斜させることによって、異なる複数の組立て状態で複数の成形型３を配置できるようにしてもよい。その場合、共通の複数の成形型３を利用して、異なる形状を有する複合材を成形することが可能となる。具体例として、共通の複数の成形型３を利用して、ウェブに対するフランジの傾斜角度が異なる複数種類の縦通材等を製作することができる。
【００３４】
複合材成形治具１を表面が概ね平坦な２つの成形型３で構成し、２つの成形型３の少なくとも一方を他方に対して傾斜機構４で相対的に傾斜させることができるようにすると、硬化後における繊維強化樹脂層の積層体が１箇所で折り曲げられた、断面がＬ字型の複合材を成形することができる。
【００３５】
また、複合材成形治具１に３つ以上の複数の成形型３を設け、複数の成形型３のうちの少なくとも２つの成形型３を傾斜機構４で他の成形型３に対して相対的に傾斜させることができるようにすると、繊維強化樹脂層の積層体の賦形用の凹面を有する雌型の賦形治具を形成することができる。このため、断面がＵ字型、Ｃ字型、コ字型又はＯ字型の複合材や角筒状の複合材を成形することが可能となる。
【００３６】
しかも、複合材成形治具１で製作される複合材は、硬化後における繊維強化樹脂層の積層体を折り曲げた形状を有する継接ぎの無い複合材となる。例えば、４つ以上の成形型３のうち３つ以上の成形型３を傾斜機構４で他の成形型３に対して相対的に傾斜させることができるようにすれば、硬化後における樹脂が繊維で強化された繊維強化樹脂層の積層体が少なくとも３箇所で同じ方向に折り曲げられた形状を有する複合材を製作することができる。
【００３７】
図７は、航空機の翼構造体を構成する外板及び桁の構造例を示す斜視図である。
【００３８】
航空機の翼構造体は、外板の上に前桁と後桁を設けた構造を有する。このため、従来は、外板、前桁及び後桁をそれぞれ製作し、ファスナ等で組立てられる場合が多い。或いは、外板用のプリプレグの積層体、前桁用のプリプレグの積層体及び後桁用のプリプレグの積層体がそれぞれ製作され、組合わせられた状態で一体硬化することによって翼構造体が製作される場合もある。
【００３９】
これに対して、図１乃至４に例示される複合材成形治具１を用いると、図７に示すように前桁２０及び後桁２１を外板２３の両端に形成した、横断面が概ねＣ字型のボックス構造体２４を製作することができる。主翼や尾翼を構成する典型的なボックス構造体２４は、翼端に向かって細くなる長尺構造物となる。従って、横断面の形状が一定の長尺構造物のみならず、図７に示すボックス構造体２４のように横断面が変化する長尺構造物であっても、複合材成形治具１を用いて製作することができる。
【００４０】
図８は図７に示すボックス構造体２４を展開した状態を示す斜視図である。
【００４１】
図８に示すように、図７に示すボックス構造体２４は横断面が一定ではないが平面的に展開することができる構造を有する。すなわち、前桁２０及び後桁２１を展開すると、ボックス構造体２４は平面的な部品となる。そこで、展開されたボックス構造体２４の形状に合わせて複数の成形型３を展開状態で配置し、展開状態における複数の成形型３の上にシート状のプリプレグ又は繊維を自動積層装置２又は手作業で積層することができる。
【００４２】
図７に示すボックス構造体２４は、繊維強化樹脂層の積層体を４箇所で同じ方向に折り曲げた構造を有する。すなわち、前桁２０及び後桁２１は、それぞれ１箇所で折り曲げた板状の複合材であり、前桁２０及び後桁２１自体は、それぞれ板状の外板２３から折り曲げることによって形成される。
【００４３】
従って、複合材成形治具１は、図１乃至図４に例示されるように、前桁２０及び後桁２１用の４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄと、外板２３用の１つの成形型３Ｅで構成することができる。そして、シート状のプリプレグ又は繊維の積層時には、前桁２０及び後桁２１用の４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを展開して各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅを概ね平坦に配置することができる。
【００４４】
ボックス構造体２４を構成する外板２３の形状は長方形ではなく、概ね台形である。このため、外板２３用の成形型３Ｅの表面の形状も略台形となる。従って、展開された各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ全体の上面図は、必ずしも矩形とはならない。すなわち、展開前の複合材の形状に応じて各成形型３の表面の形状が決定される。このため、仮に、外板２３の形状が長方形であれば、外板２３用の成形型３Ｅの表面の形状も長方形となる。
【００４５】
一方、繊維強化樹脂層の積層体の賦形時及び加熱硬化時には、前桁２０及び後桁２１用の４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを、隣接する成形型３に対してそれぞれ内側に傾斜させることができる。より具体的には、端部側における前桁２０用の成形型３Ａを、外板２３側における前桁２０用の成形型３Ｂに対して略９０度傾斜させ、外板２３側における前桁２０用の成形型３Ｂを、外板２３用の成形型３Ｅに対して略９０度傾斜させることができる。同様に、端部側における後桁２１用の成形型３Ｃを、外板２３側における後桁２１用の成形型３Ｄに対して略９０度傾斜させ、外板２３側における後桁２１用の成形型３Ｄを、外板２３用の成形型３Ｅに対して略９０度傾斜させることができる。これにより、横断面が概ねＣ字型のボックス構造体２４に対応する構造を有する賦形治具を組立てることができる。
【００４６】
ボックス構造体２４のようにコーナーが生じる場合には、Ｒ面取りやＣ面取り等の面取りが施される場合が多い。そこで、図３及び図４に示すように、前桁２０及び後桁２１用の４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを、隣接する成形型３に対してそれぞれ内側に傾斜させることによって生じる成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における各空隙に、面取り用の成形型３０を組立てることができる。
【００４７】
これは、図７に示すようなボックス構造体２４に限らず、複合材に面取りを施すことが必要な場合においても同様である。すなわち、賦形用に少なくとも１つの成形型３を傾斜させた状態において、傾斜状態となった少なくとも１つの成形型３と、傾斜状態となった少なくとも１つの成形型３に隣接する成形型３との間に生じる空隙に、樹脂を含浸させた積層後における繊維の面取り用の別の成形型３０を配置することができる。
【００４８】
図３に示す例では、４箇所で折り曲げられた繊維強化樹脂層の積層体の山側にそれぞれＲ面取りを賦形するために、４つのＲ面取り用の成形型３０が配置されている。すなわち、端部側における前桁２０用の成形型３Ａと、外板２３側における前桁２０用の成形型３Ｂとの間に形成される空隙、外板２３側における前桁２０用の成形型３Ｂと、外板２３用の成形型３Ｅとの間に形成される空隙、端部側における後桁２１用の成形型３Ｃと、外板２３側における後桁２１用の成形型３Ｄとの間に形成される空隙並びに外板２３側における後桁２１用の成形型３Ｄと外板２３用の成形型３Ｅとの間に形成される空隙に、それぞれＲ面取り用の成形型３０が配置されている。面取り用の成形型３０は、隣接する成形型３とボルト等で連結することができる。
【００４９】
面取り用の成形型３０を配置する場合、面取り用の成形型３０と、ヒンジ４Ａ等の傾斜機構４が干渉しないようにすることが必要である。そこで、図示されるように、２枚の板状の部品１０、１１を、厚さ方向が概ね回転軸方向となるように配置して回転シャフト１２で連結したヒンジ４Ａで傾斜機構４を構成すると、面取り用の成形型３０と干渉しない位置に傾斜機構４を設けることができる。
【００５０】
すなわち、ヒンジ４Ａを、面取り用の成形型３０の設置対象となる２つの隣接する成形型３間における空隙に取付けずに、２つの隣接する成形型３の側面に取付けることができる。これにより、ヒンジ４Ａで２つの隣接する成形型３を回転可能に連結した状態で、２つの隣接する成形型３間に面取り用の成形型３０を設置することが可能となる。
【００５１】
逆に２つの隣接する成形型３間に面取り用の成形型３０を設置しない場合には、２つの隣接する成形型３間を典型的な平ヒンジ等の所望のタイプのヒンジで回転可能に連結するようにしてもよい。平ヒンジは、２枚の板状の部品の縁同士を回転シャフトで連結したヒンジであり、回転シャフトの長さ方向が２枚の板状の部品の厚さ方向と概ね垂直となっているヒンジである。
【００５２】
組立後の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅにセットされたプリプレグの積層体は、加熱硬化前に真空引きを伴ってバギングされる。また、ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合には、組立後の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅに積層されたシート状の繊維に樹脂を含浸させるために真空引きを伴うバギングが行われる。すなわち、ＶａＲＴＭ法の場合には、樹脂の含浸に先だってバギングが行われる。
【００５３】
バギングは、バギングフィルム３１でプリプレグ又は繊維の積層体を覆い、バギングフィルム３１の端部を成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの各表面にシーラント３２で貼り付けた後、バギングフィルム３１で覆われた領域を真空ポンプ３３で減圧することによって行うことができる。
【００５４】
従って、バギングフィルム３１で覆われた領域内に空気が入り込むことを防止することが必要である。そこで、面取り用の成形型３０と、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅとの間をシール部材３４でシールすることが望ましい。実用的な例として、面取り用の成形型３０及び各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの少なくとも一方に溝を設け、溝にゴム製のパッキン３４Ａを挿入することによって面取り用の成形型３０と、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅとの間をシールすることができる。
【００５５】
これは、面取り用の成形型３０の数に依らず同様である。すなわち、隣り合う成形型３間に面取り用の成形型３０を配置する場合には、傾斜対象となる少なくとも１つの成形型３と、面取り用の成形型３０との間並びに傾斜対象となる少なくとも１つの成形型３に隣接する別の成形型３と、面取り用の成形型３０との間をシール部材３４でシールすることが望ましい。これにより、少なくとも１つの成形型３を傾斜させた状態において、積層後における繊維を覆うバギングフィルム３１と各成形型３とで囲まれた領域への空気の流入を抑止し、速やかに真空状態にすることができる。
【００５６】
図９は、図３に示すＲ面取り用の成形型３０に溝３０Ａを形成し、パッキン３４Ａでシールする方法を説明する図である。尚、図９では、ヒンジ４Ａの図示が省略されている。
【００５７】
図９（Ａ）に示すように、Ｒ面取り用の成形型３０の構造は、曲面３０Ｂと、曲面３０Ｂを挟む２つの平面３０Ｃを表面とする中空のボックス構造とすることができる。Ｒ面取り用の成形型３０の曲面３０Ｂは、Ｒ面取りの形状を賦形するための面である。一方、曲面３０Ｂを挟む２つの平面３０Ｃは、２つの成形型３の端面と接触させて固定するための面である。
【００５８】
このような構造を有するＲ面取り用の成形型３０には、ゴム製のパッキン３４Ａを挿入するための溝３０Ａを形成することができる。溝３０Ａは、Ｒ面取り用の成形型３０のシールすべき面に形成される。従って、２つの成形型３の端面と接触するＲ面取り用の成形型３０の２つの平面３０Ｃに溝３０Ａが形成される。
【００５９】
バギングエリアへの空気の流入を低減させるためには、Ｒ面取り用の成形型３０に形成される溝３０Ａに挿入されるパッキン３４Ａをリング状とすることが重要である。すなわち、パッキン３４Ａに端部を形成させないことが重要である。そこで、図９（Ａ）に例示されるようにリング状のパッキン３４Ａを挿入できるように、Ｒ面取り用の成形型３０の２つの平面３０Ｃに形成される溝３０Ａの端部を、Ｒ面取り用の曲面３０Ｂを挟んで互いに対向させることができる。
【００６０】
これにより、図９（Ｂ）に示すようにＲ面取り用の成形型３０の溝３０Ａにリング状のパッキン３４Ａを挿入した状態で、２つの成形型３間に形成される空隙に、Ｒ面取り用の成形型３０を設置することができる。
【００６１】
Ｒ面取り用の成形型３０を２つの成形型３の端面に接触させてボルト等で固定すると、図９（Ｃ）に示すように、Ｒ面取り用の曲面３０Ｂが２つの成形型３の賦形面の間に露出することになる。従って、Ｒ面取り用の曲面３０Ｂに沿うパッキン３４Ａの一部が、バギングフィルム３１側に露出することになる。
【００６２】
そこで、パッキン３４Ａが露出した部分からバギングエリアへの空気の流入を防止するために、図９（Ｄ）に示すように、バギングフィルム３１の端部とともに、露出したパッキン３４Ａの一部を、シールテープ３５で密閉することが好ましい。これにより、バギングフィルム３１で覆われた領域の圧力を低くし、大気圧との差圧を繊維強化樹脂層の積層体に負荷することができる。また、ＶａＲＴＭ法で複合材を成形する場合であれば、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維の積層体に、バギングフィルム３１で覆われた領域内における圧力と、大気圧との差圧を負荷することができる。
【００６３】
尚、バギング対象がプリプレグの積層体である場合には、プリプレグ自体に粘着力があるため、プリプレグの積層体を組立後における成形型３の下方に配置しても弛んだり、落下することはない。
【００６４】
これに対して、バギング対象が樹脂を含浸させる前におけるシート状の繊維の積層体である場合には、組立後における成形型３の下方に配置される繊維がバギング前に重力の作用で弛んだり、落下することを防止することが必要である。そこで、バギング対象が樹脂を含浸させる前におけるシート状の繊維の積層体である場合には、バインダで固定することが適切である。これにより、繊維の積層体を成形型３に貼り付けることができる。すなわち、バギング前において、繊維の端部が重力で落下することを防止することができる。
【００６５】
高品質な複合材を製作するためには、硬化前において繊維強化樹脂層に皺が生じないようにすることも重要である。繊維強化樹脂層の積層数が比較的少なく、繊維強化樹脂層の積層体の厚さが薄い場合には、成形型３の傾斜によって繊維強化樹脂層の積層体を湾曲させても皺が生じる可能性は小さい。このため、展開状態における複数の成形型３の上にプリプレグ又は繊維を積層した後、ヒンジ４Ａ等の傾斜機構４によって対象となる成形型３を傾斜させることによって、皺のない繊維強化樹脂層の積層体を容易に賦形することができる。
【００６６】
これに対して、繊維強化樹脂層の積層数が比較的多く、繊維強化樹脂層の積層体の厚さが厚い場合においてプリプレグ又は繊維の積層体を折り曲げると、積層体の折り曲げた部位において山折りされた側の長さと谷折りされた側の長さに無視できない差が生じる。その結果、折り曲げられたシート状のプリプレグ又はシート状の繊維に皺が生じる。
【００６７】
そこで、繊維強化樹脂層の積層体の厚さが厚い場合であっても、シート状のプリプレグ又はシート状の繊維に皺を発生させずに高品質な複合材を製作することができるように、複合材成形治具１には、展開した状態において複数の成形型３間における隙間を変化させる移動機構４０及び移動機構４０の制御装置４１を設けることができる。
【００６８】
図示された例では、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅに移動機構４０を取付けることができるように、展開状態における各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの構造が下面側が閉塞されずに開口している中空のボックス構造となっている。そして、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間を調整するための移動機構４０として、ボールネジ４０Ａが用いられている。すなわち、隣接する２つの成形型３がボールネジ４０Ａで連結されている。
【００６９】
より具体的には、隣接する２つの成形型３の一方の内部にモータ４０Ｂが固定される。モータ４０Ｂの出力軸は、２つの成形型３の双方を貫通するボールネジ４０Ａと一体化される。隣接する２つの成形型３の他方の内部には、ボールネジ４０Ａに締付けられるナット４０Ｃが固定される。
【００７０】
このため、モータ４０Ｂの動力によってボールネジ４０Ａを回転させると、ナット４０Ｃをボールネジ４０Ａの長さ方向に平行移動させることができる。その結果、ナット４０Ｃを固定する成形型３をボールネジ４０Ａの長さ方向に平行移動させることができる。つまり、ボールネジ４０Ａの回転駆動によって成形型３間における隙間の長さを調整することができる。従って、ボールネジ４０Ａは、長さ方向が成形型３間における隙間の調整方向となるように配置される。
【００７１】
図示された例では、前桁２０及び後桁２１用の４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが車輪を有する台車等の走行機構４２の上に載置されている。一方、外板２３用の成形型３Ｅは走行機能の無い土台４３に載置されている。このため、各ボールネジ４０Ａの回転駆動によって外板２３用の成形型３Ｅに対して相対的に前桁２０及び後桁２１用の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを平行移動させることができる。
【００７２】
尚、前桁２０用の２つの成形型３Ａ、３Ｂと、外板２３用の成形型３Ｅとを共通のボールネジで連結し、ボールネジを回転させると、前桁２０用の２つの成形型３Ａ、３Ｂが同じ距離だけ外板２３用の成形型３Ｅに対して相対的に平行移動するようにしてもよい。同様に、後桁２１用の２つの成形型３Ｃ、３Ｄと、外板２３用の成形型３Ｅとを共通のボールネジで連結し、ボールネジを回転させると、後桁２１用の２つの成形型３Ｃ、３Ｄが同じ距離だけ外板２３用の成形型３Ｅに対して相対的に平行移動するようにしてもよい。
【００７３】
図１０は図１に示す移動機構４０による各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間の調整方法を説明する図である。
【００７４】
成形型３間における隙間をボールネジ４０Ａ等の移動機構４０で調整できるようにすると、シート状のプリプレグ又はシート状の繊維の積層開始時において、成形型３間における隙間を、成形型３の組立時における隙間よりも長くすることができる。そして、傾斜対象となる成形型３を傾斜させることによって折り曲げられる積層後のプリプレグ又は繊維の谷側の長さよりも山側の長さの方が長くなるように、プリプレグ又は繊維の積層枚数が増えるにつれて複数の成形型３間における隙間を移動機構４０の駆動によって徐々に狭くすることができる。
【００７５】
より具体的には、図１０（Ａ）に示すように、シート状のプリプレグ又はシート状の繊維の積層開始時には、成形型３間における隙間をＲ面取りの山側の長さに調整することができる。そして、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すようにプリプレグ又は繊維の積層枚数が増えるにつれて成形型３間における隙間を狭くしていくことができる。そうすると、成形型３間において、下方のプリプレグ又は繊維ほど大きく弛んだ状態で積層されることになる。最後のプリプレグ又は繊維が積層される際には、図１０（Ｄ）に示すように、成形型３間における隙間がＲ面取りの谷側の長さに調整される。尚、図１０では、説明の便宜上、プリプレグ又は繊維の積層体の厚さが実際よりも厚く図示されている。
【００７６】
このようにプリプレグ又は繊維の長さを調節すると、最も成形型３側に積層される最下部におけるプリプレグ又は繊維の長さは、成形型３間においてＲ面取りの山側の長さとなり、最も成形型３から離れた側に積層される最上部におけるプリプレグ又は繊維の長さは、成形型３間においてＲ面取りの谷側の長さとなる。従って、成形型３を傾斜させることによってプリプレグ又は繊維の積層体を折り曲げると、皺を発生させることなくＲ面取りの形状にすることができる。
【００７７】
このため、図７に例示されるような前桁２０及び後桁２１を外板２３の両端に形成したボックス構造体２４のように板を折り曲げた形状を有する複合材構造体を、コーナーに良好な品質でＲ面取りを施した状態で一体成形することができる。
【００７８】
成形型３間における隙間を変化させる場合には、成形型３間における隙間が最も狭くなった状態で成形型３が傾斜機構４によって傾斜させられることになる。従って、ヒンジ４Ａ等の傾斜機構４の構造によっては、傾斜対象となる成形型３及び傾斜対象となる当該成形型３に隣接する成形型３にボルト等で着脱可能とすることが必要である。このため、図１０（Ｄ）に示すように、ヒンジ４Ａは最後のプリプレグ又は繊維が積層された後に成形型３にボルト等で取付けられる。
【００７９】
他方、隙間の調整後における各成形型３を傾斜させて組立てることができるように、ボールネジ４０Ａ等の移動機構４０についても、構造によっては成形型３に着脱可能とすることが必要である。このため、図３及び図４に示す例では、ボールネジ４０Ａを含む移動機構４０が各成形型３から取外されている。
【００８０】
成形型３の移動機構４０としては、ボールネジ４０Ａに限らず、ラック・アンド・ピニオン、油圧シリンダ又はエアシリンダ等の直線移動を行うための機構や動力を有するクローラ等の走行機構で構成することもできる。但し、成形型３の位置決め精度は、複合材の品質に影響を及ぼす。このため、位置決め精度が良好なボールネジ４０Ａを用いて成形型３間における隙間を調整するための移動機構４０を構成することが、良好な品質で複合材を成形する観点から好ましい。
【００８１】
制御装置４１は、樹脂を含浸させた繊維、すなわちプリプレグ又は樹脂を含浸させる前の繊維の積層枚数が増えるにつれて成形型３間における隙間が狭くなるように移動機構４０を制御する装置である。成形型３間における隙間をより正確に制御するためには、プリプレグ又は繊維の積層枚数を特定することが必要である。このため、制御装置４１は、成形型３へのプリプレグ又は繊維の積層を自動的に行う自動積層装置２からプリプレグ又は繊維の積層枚数を示す情報を取得し、取得したプリプレグ又は繊維の積層枚数を示す情報に基づいて移動機構４０を制御できるように構成される。
【００８２】
より具体的には、自動積層装置２からプリプレグ又は繊維の積層枚数を示す情報を制御装置４１において電位信号として取得することができる。そして、予めプリプレグ又は繊維の積層枚数と、成形型３間における隙間の長さとの関係を制御装置４１にプリセットしておき、プリプレグ又は繊維の積層枚数に対応する成形型３間における隙間の適切な長さを特定することができる。そして、特定された長さの隙間が成形型３間に形成されるように、制御装置４１から移動機構４０に制御信号を出力することができる。
【００８３】
図示されるように移動機構４０がモータ４０Ｂの動力によって回転するボールネジ４０Ａであれば、制御装置４１からモータ４０Ｂに回転量を制御するための制御信号が電気信号として出力される。一方、移動機構４０がエアシリンダや油圧シリンダ等の電気式でない装置で構成される場合には、移動機構４０の構成に応じてエア信号等として制御信号が移動機構４０に出力される。
【００８４】
このため、制御装置４１は、プログラムを読込ませたコンピュータ等の電気回路で構成することができる。また、制御装置４１を構成するために、必要に応じて、電気信号をエア信号や油圧信号に変換して移動機構４０に出力するエア信号回路や油圧信号回路等の信号回路を用いることができる。
【００８５】
（複合材成形方法）
次に複合材成形治具１を用いた複合材成形方法について説明する。
【００８６】
図１１は、図１に示す複合材成形治具１を用いて複合材を成形する流れの一例を示すフローチャートである。
【００８７】
まずステップＳ１において、少なくとも１つの成形型３を他の成形型３に対して相対的に傾斜させることが可能な複数の成形型３が展開された状態でセットされる。具体例として、図１０（Ａ）に示すように、前桁２０及び後桁２１用の４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄと、外板２３用の成形型３Ｅが展開された状態で自動積層装置２の積層エリアに配置される。この時、傾斜機構４としてのヒンジ４Ａは各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅから取外される。
【００８８】
一方、図１０（Ａ）に示すように、ボールネジ４０Ａを含む移動機構４０が各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間に取付けられる。ボールネジ４０Ａとナット４０Ｃとの相対位置の初期位置は、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が、Ｒ面取りの山側の長さとなる位置とされる。
【００８９】
次に、ステップＳ２において、プリプレグの自動積層が実行される。すなわち、展開した状態における各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅへの自動積層装置２によるプリプレグの積層が実行される。
【００９０】
プリプレグの積層中には、図１０に例示されるようにプリプレグの積層枚数が増えるにつれて各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が徐々に狭くなるように移動機構４０が駆動する。そのために、制御装置４１が自動積層装置２からプリプレグの積層枚数を示す情報を取得する。そして制御装置４１は、取得した情報に基づいて、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを傾斜させることによって折り曲げられる積層後におけるプリプレグの谷側の長さよりも山側の長さの方が長くなるように、図１０（Ｂ）、（Ｃ）に示すようにプリプレグの積層枚数が増えるにつれて各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が狭くなるように移動機構４０を制御する。
【００９１】
より具体的には、制御装置４１から、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間の制御値に対応するモータ４０Ｂの回転量の制御値が、制御信号としてモータ４０Ｂに出力される。これにより、モータ４０Ｂが回転し、ボールネジ４０Ａがモータ４０Ｂの回転量の制御値に対応する長さとなる。その結果、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が制御値に相当する隙間となる。
【００９２】
そうすると、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの表面に近いプリプレグ程、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間において大きく弛んだ状態で、複数のプリプレグが各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ上に積層されることになる。そして、最後に積層される最も上のプリプレグが積層される際には、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が、Ｒ面取りの谷側の長さとなるように調整される。その結果、最も成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ側に積層される最下部におけるプリプレグの長さは、成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間においてＲ面取りの山側の長さとなり、最も成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅから離れた側に積層される最上部におけるプリプレグの長さは、成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間においてＲ面取りの谷側の長さとなる。
【００９３】
プリプレグの積層が完了すると、ステップＳ３において、ヒンジ４Ａの取付け及び移動機構４０の取外しが行われる。ヒンジ４Ａ及び移動機構４０は、ボルト等で各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅに着脱することができる。
【００９４】
次に、ステップＳ４において、成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの組立によってプリプレグの積層体の賦形が行われる。すなわち、作業者が電動ホイスト等のクレーンやフォークリフトで傾斜対象となる成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを吊上げ、ヒンジ４Ａの回転シャフト１２を支点として傾斜させることができる。或いは、専用の起倒装置を用いて傾斜対象となる成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを傾斜させてもよい。
【００９５】
図示されるように、４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを隣接する他の成形型３に対して相対的に傾斜させると、プリプレグの積層体の賦形用の凹面を有する雌型の賦形治具が形成される。尚、図示される４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄに限らず、３つ以上の複数の成形型３のうちの少なくとも２つの成形型３を他の成形型３に対して相対的に傾斜させれば、プリプレグの積層体の賦形用の凹面を有する雌型の賦形治具を形成することができる。成形型３の組立によって雌型の賦形治具が形成されると、プリプレグの積層体が雌型の賦形治具の形状に合わせて賦形されることになる。
【００９６】
次に、ステップＳ５において、面取り用の成形型３０がセットされる。すなわち、傾斜状態となった成形型３と、傾斜状態となった成形型３に隣接する成形型３との間に生じる空隙に面取り用の成形型３０が配置される。これにより、プリプレグの積層体に面取りを形成するための賦形を行うことが可能となる。
【００９７】
尚、面取り用の成形型３０と、面取り用の成形型３０に隣接する成形型３との間がシール部材３４でシールされた状態で面取り用の各成形型３０がセットされる。具体例として、図９に例示されるように、面取り用の成形型３０と、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅとの間がパッキン３４Ａでシールされる。
【００９８】
次に、ステップＳ６において、プリプレグの積層体のバギングが行われる。そのために、プリプレグの積層体がバギングフィルム３１で覆われる。バギングフィルム３１の端部は、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅにシーラント３２でシールされる。バギングフィルム３１で覆われた領域は、真空ホースで真空ポンプ３３と連結される。その後、真空ポンプ３３が作動し、プリプレグの積層体を覆うバギングフィルム３１と各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅとで囲まれた領域が真空状態とされる。
【００９９】
これにより、大気圧と真空圧との差圧に相当する圧力がプリプレグの積層体に負荷される。すなわち、傾斜対象となる成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄが傾斜した状態で、プリプレグの積層体を加圧することができる。
【０１００】
次に、ステップＳ７において、プリプレグの積層体の、加圧下における加熱硬化が行われる。すなわち、組立後の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅを用いて賦形及びバギングされた状態におけるプリプレグの積層体が、オートクレーブ成形装置やオーブン等の加熱設備に搬入される。そして、真空圧によって加圧されたプリプレグの積層体が、加熱設備によって加熱される。これにより、熱硬化性の樹脂が硬化し、硬化後における樹脂が繊維で強化された複合材の製品又は半製品を製造することができる。
【０１０１】
次に、ステップＳ８において、各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ及びバギングフィルム３１等の治具の取外しが行われる。すなわち、加熱硬化後における複合材の製品又は半製品が載置された組立後における成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅが、加熱設備から搬出される。
【０１０２】
そして、クレーンやフォークリフトで成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを吊上げ、ヒンジ４Ａの回転シャフト１２を支点として展開することができる。或いは、専用の起倒装置を用いて成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを展開してもよい。また、バギングフィルム３１等の他の治具も複合材の製品又は半製品から除去される。
【０１０３】
これにより、複合材の製品又は半製品を取出すことができる。複合材の製品又は半製品は、成形型３を折り曲げて形成した賦形用の凹面を有する雌型の賦形治具を用いて製作されているため、硬化後における樹脂が繊維で強化された繊維強化樹脂層の積層体が少なくとも２箇所で折り曲げられた形状を有する複合材の製品又は半製品となる。図示されるように４つの成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄを折り曲げて雌型の賦形治具を形成した場合であれば、図７に例示されるような上面の一部と両サイドが開口し、繊維強化樹脂層の積層体が４箇所で折り曲げられた形状を有するボックス構造体２４を製造することができる。
【０１０４】
図１２は、図１に示す複合材成形治具１を用いてハイブリッド成形法により複合材を成形する場合における流れの一例を示す図である。
【０１０５】
ハイブリッド成形法により複合材を成形する場合には、ステップＳ１０において、展開した状態における各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅに予め決定した枚数だけプリプレグが積層される。プリプレグの積層中には、プリプレグの積層枚数が増えるにつれて各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が徐々に狭くなるように移動機構４０が駆動する。
【０１０６】
次に、ステップＳ１１において、樹脂を含浸させた複数のシート状の繊維であるプリプレグの積層体の上に、樹脂を含浸させる前の複数のシート状の繊維が積層される。シート状の繊維についても、プリプレグと同様に自動積層することができる。もちろん、プリプレグ及びシート状の繊維の少なくとも一方を、手作業で積層するようにしてもよい。シート状の繊維の積層中においても、繊維の積層枚数が増えるにつれて各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間における隙間が徐々に狭くなるように移動機構４０が駆動する。繊維の積層が完了すると、移動機構４０の取外し及びヒンジ４Ａの取付けが行われる。
【０１０７】
次に、ステップＳ１２において、成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの組立及び面取り用の成形型３０の組付けが行われる。成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅを組立てると、端部側における前桁２０用の成形型３Ａ及び端部側における後桁２１用の成形型３Ｃに載置されていた積層体の一部はそれぞれ成形型３Ａ及び成形型３Ｃの下面側となる。
【０１０８】
プリプレグは硬化前における樹脂層の粘着力によって付着する。従って、自重によってプリプレグの積層体が端部側における前桁２０用の成形型３Ａ及び端部側における後桁２１用の成形型３Ｃから剥がれ落ちることはない。これに対して、樹脂を含浸させる前のシート状の繊維については、粘着力が無い。そこで、端部側における前桁２０用の成形型３Ａ及び端部側における後桁２１用の成形型３Ｃからシート状の繊維の端部が剥がれ落ちて弛まないようにバインダで固定される。これにより、シート状の繊維の端部を端部側における前桁２０用の成形型３Ａ及び端部側における後桁２１用の成形型３Ｃに貼り付けることができる。
【０１０９】
成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅの組立が完了すると、面取り用の成形型３０が組付けられる。すなわち、成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間に形成される四隅の空隙に、それぞれ面取り用の成形型３０が配置される。各成形型３０と、隣接する成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ間は、パッキン３４Ａ等のシール部材３４でシールされる。
【０１１０】
次に、ステップＳ１３において、プリプレグ及び樹脂の含浸前における繊維の積層体のバギング並びに繊維の積層体部分への樹脂の注入が行われる。具体的には、組立後の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅに載置されたプリプレグ及び繊維の積層体がバギングフィルム３１で覆われ、シーラント３２で貼り付けられる。
【０１１１】
バギングフィルム３１で覆われた領域は、真空ホースで真空ポンプ３３と連結される。更に、バギングフィルム３１で覆われた領域は、供給管で樹脂貯留容器５０と連結される。その後、真空ポンプ３３が作動し、プリプレグ及びシート状の繊維の積層体を覆うバギングフィルム３１と各成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅとで囲まれた領域が真空状態とされる。
【０１１２】
続いて、真空引きによって加圧されたバギングフィルム３１内の真空領域に、樹脂貯留容器５０から供給管を介して熱硬化性の樹脂が注入される。これにより、シート状の繊維に樹脂を含浸させることができる。シート状の繊維に樹脂を含浸させると、バギングフィルム３１内の真空領域には、硬化前における樹脂を繊維に含浸させた複数の繊維強化樹脂層の積層体が形成される。
【０１１３】
そして、繊維強化樹脂層の積層体が真空圧と、組立後の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅによって賦形される。また、面取り用の成形型３０によって、繊維強化樹脂層の積層体の四隅が、Ｒ面取り等の面取りが施された形状に賦形される。
【０１１４】
次に、ステップＳ１４において、樹脂の含浸後における繊維の積層体の、加圧下における加熱硬化が行われる。すなわち、賦形後における繊維強化樹脂層の積層体の加熱硬化が行われる。これにより、硬化後における樹脂が繊維で強化された図７に例示されるような形状を有する複合材の製品又は半製品を製造することができる。
【０１１５】
尚、図１１に例示したようなプリプレグの積層体の加熱硬化による複合材の成形法や図１２に例示したようなハイブリッド法による複合材の成形法の他、ＶａＲＴＭ法のみによって複合材の製品又は半製品を製造することもできる。その場合には、展開状態における成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅ上にシート状の繊維が積層され、面取り用の成形型３０が組付けられた組立後の成形型３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ、３Ｅにセットされたシート状の繊維を対象としてバギング及び樹脂の注入が行われる。そして、樹脂の注入によって製作された賦形後における繊維強化樹脂層の積層体の加熱硬化によって、複合材の製品又は半製品が製作される。
【０１１６】
（効果）
以上のような複合材成形治具１及び複合材成形方法は、複数の成形型３を展開状態でセットしてシート状のプリプレグ又はシート状の繊維を積層した後、少なくとも１つの成形型３を傾斜させることによって組立てた複数の成形型３で硬化前における複合材の賦形を行うようにしたものである。
【０１１７】
このため、複合材成形治具１及び複合材成形方法によれば、図７に例示されるような前桁２０及び後桁２１を外板２３の両端に形成したボックス構造体２４等の複雑な形状を有する複合材を一体成形することができる。すなわち、シート状のプリプレグ又はシート状の繊維を１回積層するのみで、それぞれの部品の組立作業を伴うことなく複雑な形状を有する複合材を容易に成形することができる。このため、自動積層装置２を用いれば、複雑な形状を有する複合材の成形に要する作業労力を飛躍的に低減させることができる。
【０１１８】
また、ボールネジ４０Ａ等の移動機構４０で成形型３間における隙間を調整することによって、成形型３の傾斜によって折り曲げられたプリプレグ又は繊維に皺が発生することを防止することができる。その結果、積層後におけるプリプレグ又は繊維の変形を行っても、硬化後における複合材の品質を維持することができる。
【０１１９】
（第２の実施形態）
図１３は本発明の第２の実施形態に係る複合材成形治具の構成を示す部分拡大図である。
【０１２０】
図１３に示された第２の実施形態における複合材成形治具１Ａでは、傾斜対象となる成形型３と、傾斜対象となる成形型３に隣接する成形型３との間を可撓性を有するシート６０で連結した構成が第１の実施形態における複合材成形治具１と相違する。第２の実施形態における複合材成形治具１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態における複合材成形治具１と実質的に異ならないためシート６０による成形型３間の連結部分のみ図示し、同一の構成又は対応する構成については同符号を付して説明を省略する。
【０１２１】
複合材成形治具１Ａでは、成形型３間がシリコン等の可撓性を有するシート６０で連結される。具体例として、図１３に示すように成形型３の表面端部に段差を設け、シート６０を取付けた状態において、展開された複数の成形型３の表面が滑らかに連結されるようにすることができる。このため、展開状態における複数の成形型３にシート状のプリプレグ及びシート状の繊維の少なくとも一方を積層することができる。
【０１２２】
図１４は、図１３に示す成形型３間に形成される隙間を狭くした例を示す図である。
【０１２３】
第２の実施形態においても第１の実施形態と同様に、図１４に示すようにシート状のプリプレグ又はシート状の繊維の積層枚数が増えるにつれて、ボールネジ４０Ａ等の移動機構４０で成形型３間における隙間を狭くすることができる。すなわち、成形後における複合材のＲ面取りの形状に合わせて、成形型３により近いプリプレグ又は繊維程より大きく弛ませることができる。これにより、成形型３を傾斜させてプリプレグ又は繊維を折り曲げた際に皺が発生することを防止することができる。そして、成形型３間における隙間がＲ面取りの内側の長さに対応する長さとなった時に、ヒンジ４Ａを取付けることができる。
【０１２４】
図１５は、図１４に示す成形型３を組立てた状態を示す図である。
【０１２５】
図１４に示すように隙間が調整された成形型３から移動機構４０を取外す一方、ヒンジ４Ａを取付けることによって、図１５に示すように成形型３を組立てることができる。そうすると、成形型３間を連結するシート６０をＲ面取りの形状に合わせて湾曲させることができる。これにより、傾斜対象となる少なくとも１つの成形型３を傾斜させた状態において、樹脂を含浸させた積層後における繊維に面取りを形成することが可能となる。すなわち、硬化前における樹脂を繊維に含浸させた複数の繊維強化樹脂層の積層体のエッジ部分を、Ｒ面取りが施された形状に賦形することができる。
【０１２６】
以上のような第２の実施形態における複合材成形治具１Ａ及び複合材成形方法は、成形型３間を可撓性を有するシート６０で連結することによって、成形型３を傾斜させた際に硬化前の複合材にＲ面取りを施すことができるようにしたものである。
【０１２７】
このため、第２の実施形態における複合材成形治具１Ａ及び複合材成形方法によれば、第１の実施形態における複合材成形治具１及び複合材成形方法によって得られる効果に加え、面取り用の成形型３０及びシール部材３４を不要にすることができるという効果を得ることができる。従って、面取り用の成形型３０及びシール部材３４の取付け作業を不要とし、より簡易な作業で複雑な形状を有する複合材を製作することが可能となる。
【０１２８】
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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