(57)【要約】 【課題】  複合材料からなる部材を、３次元形状等、より高い自由度で形成することのできる複合材シート加工装置、複合構造材の形成方法を提供することを目的とする。【解決手段】  形成すべき構造材１０の長手方向に複数並んだローラ２０により、型４０上の複合材シート３０を成形するようにした。これによって、複雑な３次元形状を有する構造材１０の製造の自動化を図り、その作業の大幅な効率化を図る。しかも、複数のローラ２０を、予め決められたプログラムに基づいて適切な順序で動かすことで、複合材シート３０にシワ等が生じないように変形させる。【選択図】図３
2006335049.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料から形成された複合材シートを成形して所定形状の構造材を形成する複合材シート加工装置であって、
前記構造材に対応した形状を有する型と、
前記型に対向し、かつ前記構造材が連続する方向に複数が配列されたローラと、
前記型上にセットされる前記複合材シートに前記ローラを押し付けて前記複合材シートを変形させるための駆動機構と、
前記駆動機構を制御し、複数の前記ローラを独立して作動させるためのコントローラと、
を備えることを特徴とする複合材シート加工装置。
【請求項２】
前記複合材シートは、前記複合材料がテープ状またはシート状に形成された複合材料基材を複数層積層させたものであることを特徴とする請求項１に記載の複合材シート加工装置。
【請求項３】
前記コントローラは、複数の前記ローラを前記複合材シートに押し付ける順序を制御することを特徴とする請求項１または２に記載の複合材シート加工装置。
【請求項４】
前記駆動機構は、前記ローラを、前記構造材が連続する方向に直交する、前記構造材の周方向に移動させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の複合材シート加工装置。
【請求項５】
前記型上にセットされる前記複合材シートを加熱する加熱機構をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の複合材シート加工装置。
【請求項６】
３次元的に屈曲、湾曲、または捩れた前記構造材を形成するためのものであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の複合材シート加工装置。
【請求項７】
複合材料から形成された複合材シートを成形して所定形状の構造材を形成する方法であって、
前記複合材シートを型上にセットし、形成すべき前記構造材が連続する方向に複数配列したローラのそれぞれを、予め決められたプログラムに基づいて独立して作動させ、前記型上の前記複合材シートに順次押し付けて前記複合材シートを前記型に対応した形状に変形させる工程と、
前記複合材シートを硬化させる工程と、
を含むことを特徴とする複合構造材の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材シート加工装置、複合構造材の形成方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、軽量かつ高強度を有した構造材の材料として、ＦＲＰ（Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）、ＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ  Ｆｉｂｅｒ  Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  Ｐｌａｓｔｉｃ）等の複合材料が、航空機、船舶、建築分野の構造部材をはじめとする様々な分野で多用されている。ＦＲＰ、ＣＦＲＰ（以下、単にＦＲＰと総称する）では、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維からなるテープ状、あるいはマット状の強化繊維基材に樹脂を含浸させて所定形状に成形することで、構造材を得る。このとき、必要とされる強度等に応じて強化繊維機材を複数層に積層する。
【０００３】
形成する部材が小型のものである場合には、これらの作業を手作業で行ってもさほどの手間はかからず、また成形のための装置に真空吸引等の様々な工夫を凝らすことで、ある程度の自動化は容易である。
これに対し、航空機、船舶、建築分野の構造部材は大型であるために、人手で上記のような作業を行っていたのでは、多大な手間がかかり、また多くの人員が必要となる。また、自動化を図るにも、テープ状あるいはマット状の強化繊維基材をシワが出ないように張り込むのは非常に困難である。
このため、例えば複数のローラを、構造部材の長手方向に移動させることで、この問題を解決しようとする技術が既に提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−２３７５３５号公報（図４、図６）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１で提案された技術は、全体として直線状で、高さや幅等、断面寸法のみが変化するような部材を形成する場合に対しては有効であるものの、全体として屈曲したような形状や、大きく捩れたような形状等、３次元的に大きく変形する部材を形成するのは困難である。
また、特許文献１で提案された技術では、形成する部材の長さ方向にローラが移動するため、強化繊維基材は、部材の長さ方向の一端側から他端側に向けて順次曲げられることになるが、形成する部材の形状によっては、端部から強化繊維基材を曲げて行くのではなく、中央部等、他の部分から先に曲げていったほうが、シワが発生しにくい場合等もある。
さらに、特許文献１に提案された技術では、ローラの先端形状に応じて強化繊維基材を曲げるため、形成すべき構造材の角の部分等を折り曲げるのはともかく、大きな湾曲面や複雑な断面形状を構成するように強化繊維基材を曲げるのは困難である。しかも、折り曲げる形状に応じて先端形状が異なるローラに交換しなければならず、これには手間とコストがかかるという問題もある。
このように、従来の技術では適用対象が限られ、自由度が低いと言わざるを得ない。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、複合材料からなる部材を、３次元形状等、より高い自由度で形成することのできる複合材シート加工装置、複合構造材の形成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
かかる目的のもとになされた本発明は、複合材料から形成された複合材シートを成形して所定形状の構造材を形成する複合材シート加工装置であり、構造材に対応した形状を有する型と、この型に対向し、かつ構造材が連続する方向に複数が配列されたローラと、型上にセットされる複合材シートにローラを押し付けて複合材シートを変形させるための駆動機構と、駆動機構を制御し、複数のローラを独立して作動させるためのコントローラと、を備えることを特徴とする。
このような複合材シート加工装置では、コントローラが、複数のローラを複合材シートに押し付ける順序を制御する。このコントローラの制御により、複数のローラを適切なタイミングで複合材シートに押し付けることができる。これによって、３次元的に屈曲、湾曲、または捩れた構造材を形成する場合であっても、形成すべき構造材の形状に応じた最適な位置から、複合材シートにシワが生じないように複合材シートをローラで順次変形させることが可能となる。
また、駆動機構では、ローラを、構造材が連続する方向に直交する面内で、構造材の周方向に移動させるのが好ましい。これにより、複合材シートを、構造材の角部に限らず、型に沿わせて様々な形状に曲げることができる。もちろん、形状が異なったからといって、ローラを交換する必要は生じない。
なお、複合材シート加工装置で成形する複合材シートは、複合材料がテープ状またはシート状に形成された複合材料基材を複数層積層させたものとするのが好ましい。これにより、大型の構造材を速やかに製造することができる。
また、複合材シート加工装置には、複合材シートを加熱する加熱機構をさらに備えるのが好ましい。この加熱機構は、型上にセットされる複合材シートの少なくとも一部を加熱する。これにより、複合材シートを軟化させることで塑性加工を容易にすることができる。また、加熱機構を、型上にセットされる複合材シートを覆う加熱用シートとすれば、複合材シートを加熱しつつ、複合材シートをローラから保護することができ、キズやシワが生じるのを抑止できる。このため、複合材シートは、少なくともその表面をフッ素樹脂やシリコン樹脂等で形成するのが好ましい。
【０００７】
また、本発明は、複合材料から形成された複合材シートを成形して所定形状の構造材を形成する方法であって、複合材シートを型上にセットし、形成すべき構造材が連続する方向に複数配列したローラのそれぞれを、予め決められたプログラムに基づいて独立して作動させ、型上の複合材シートに順次押し付けて複合材シートを型に対応した形状に変形させる工程と、複合材シートを硬化させる工程と、を含むことを特徴とする複合構造材の形成方法とすることもできる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、形成すべき構造材の長手方向に複数並んだローラにより複合材シートを成形するようにしたので、複雑な３次元形状等を有する構造材の製造の自動化を図ることが可能となり、その作業の大幅な効率化を図ることができる。また、複数のローラを、予め決められたプログラムに基づいて適切な順序で動かすことで、複合材シートにシワ等が生じないようにこれを変形させることができる。
さらに、形成すべき構造材の形状に応じて、複数のローラの作動順序等を異ならせてプログラムを作成すれば、様々な形状の構造体の製造に対応することができ、これによってこの装置を汎用性の高いものとすることができ、構造体の製造コスト低減にも寄与できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１〜図１２は、本実施の形態における複合構造材の形成方法を説明するための図である。
図１に示すように、本実施の形態では、例えば、断面Ｃ字型で、全体として「く」の字型に変形した構造材１０を製造する。
図２および図３に示すように、本実施の形態においては、このような構造材１０を製造するために、製造すべき構造材１０の長手方向に複数のローラ２０を二列に並べて配置し、これらローラ２０により、構造材１０を形成する複合材シート３０を、型４０に沿うよう変形させる。
【００１０】
構造材１０の材料となる複合材シート３０は、ガラス繊維やカーボン繊維等の強化繊維からなるテープ状、あるいはマット状の強化繊維基材３１にマトリックス樹脂を含浸させ、これを複数層積層させた、例えば厚さ５〜３０ｍｍの厚板状のものである。
ここで、マトリックス樹脂としては、熱硬化性樹脂あるいは熱可塑性樹脂を用いることができる。熱硬化性樹脂には、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等があり、熱可塑性樹脂には、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂、ポリエチレンテレフタレート、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリエーテルエーテルケトン等があり、いずれも、レジン材料として用いられるものを好適に用いることができる。
この複合材シート３０は、上記のように複数のローラ２０によって所定形状に成形される工程においては、マトリックス樹脂が未硬化の状態、あるいは加熱により軟化した状態とされ、これによって複合材シート３０が変形可能な状態とされている。
【００１１】
図４は、ローラ２０により上記のように複合材シート３０を変形させて所定形状の構造材１０を形成するための加工装置（複合材シート加工装置）５０を示すものである。
加工装置５０は、ベース５１上に、型４０が設置されている。この型４０は、その表面に複合材シート３０を沿わせるため、成形すべき構造材１０に対応した断面形状を有し、構造材１０の長手方向に連続して形成されている。
【００１２】
型４０の長手方向に複数が並んで設けられたローラ２０は、型４０を挟んでその両側に配置されている。
各ローラ２０は、加工装置５０のフレーム５２に、駆動機構５３を介して支持されている。駆動機構５３は、一端５４ａが、フレーム５２に対して型４０が連続する方向に直交する面内（図４の紙面に沿った面内）で揺動自在となるように連結された駆動シリンダ５４と、この駆動シリンダ５４を前記面内で一端５４ａを中心として旋回駆動させる駆動モータ５５と、を備えている。駆動シリンダ５４は、空圧または油圧等を駆動源として一方向に沿って伸縮駆動され、その先端部５４ｂに円筒状あるいは円柱状のローラ２０を回転自在に支持している。
このような駆動機構５３の駆動シリンダ５４、駆動モータ５５は、コントローラ６０によってその動作が制御され、これによって駆動シリンダ５４の先端部５４ｂに設けられたそれぞれのローラ２０を、型４０が連続する方向に直交する面内で、任意の位置に移動できるようになっている。
また、駆動機構５３によりローラ２０を移動させるタイミング、移動量についても、予めプログラミングがなされることによって、コントローラ６０で制御できるようになっている。
【００１３】
ここで、ローラ２０は、型４０上にセットされる複合材シート３０に対し、駆動機構５３によってその位置が移動されることで圧力を加え、これによって複合材シート３０を型４０の形状に沿うよう変形させる。このとき、ローラ２０は、複合材シート３０の表面に当たると、これに沿って転動するようになっている。このため、ローラ２０の少なくとも表面を、フッ素樹脂やシリコン樹脂等の摩擦係数の小さな材料で形成し、複合材シート３０に過大な摩擦力を与えるのを抑えるのが好ましい。摩擦力により、複合材シート３０にシワが生じたり、傷が付いたりすることがあるからである。
【００１４】
加工装置５０においては、複合材シート３０をローラ２０で成形する際、複合材シート３０を加熱機構で加熱する。これは、硬化前の熱硬化性樹脂を軟化させ、複合材シート３０を容易に変形できるようにするためである。
このため、複合材シート３０を成形するに際しては、型４０上にセットした複合材シート３０の表面を、加熱機構としての加熱用シート５７で覆うようにするのが好ましい。加熱用シート５７は、加熱用の電熱線等が埋め込まれたシートであり、複合材シート３０の成形に伴って容易に変形するものが好ましい。また、変形の際に複合材シート３０との間で生じる摩擦によって、複合材シート３０に傷等が付かないよう、加熱用シート５７は、少なくとも表面を、フッ素樹脂やシリコン樹脂等の摩擦係数の小さな材料で形成するのが好ましい。
このような加熱用シート５７は、複合材シート３０の全体を覆うのではなく、その一部のみ、すなわちローラ２０で変形させる箇所や、その周囲のみを加熱するようにしても良い。
【００１５】
複合材シート３０を加熱する加熱機構としては、他に、赤外線等の熱源を照射するヒータや、温風（熱風）を送り込む温風機を用いることも可能である。図５に示すように、この場合、ヒータ６５や温風機６６で、加工装置５０の内部全域を加熱するようにしても良い。
また、図６に示すように、複合材シート３０を局部的に加熱する温風機６７等を設け、この温風機６７を移動できる構造としておき、複合材シート３０の変形に応じて移動させながら加熱を行うようにしても良い。
さらに、図７に示すように、加熱機構として、パネル状（ブロック状）の発熱体６８を備え、この発熱体６８を複合材シート３０の一部に押し当てることで複合材シート３０を加熱し、複合材シート３０の変形に伴って発熱体６８を移動させる構成としても良い。
【００１６】
また、複合材シート３０を容易に変形させるため、型４０についても図示しないヒータ等で加熱するのが好ましい。
【００１７】
さて、上記のような構成の加工装置５０において、構造材１０を形成するには、まず、予めマット状の強化繊維基材３１を積層させることで形成した複合材シート３０を、型４０上にセットする。
そして、セットした複合材シート３０上に、加熱用シート５７を被せ、加熱用シート５７および型４０で複合材シート３０を加熱する。
【００１８】
この後、図８に示すように、コントローラ６０の制御により、複数のローラ２０のそれぞれの駆動機構５３を作動させ、複数のローラ２０を、加熱用シート５７が被せられた複合材シート３０に順次押し当て、加熱用シート５７が被せられた複合材シート３０に沿って移動させることで、複合材シート３０を型４０に沿うよう変形させる。
このとき、複数のローラ２０を作動させて複合材シート３０を押す順序やタイミング、その移動速度は、予め決められたプログラムに基づき、コントローラ６０によって制御される。これにより、図１に示したような「く」の字状の３次元的な形状を有する構造材１０を形成するに際しても、複合材シート３０にシワ等が生じないような順序でローラ２０を押し当てて移動させて、複合材シート３０を変形させることができる。また、複合材シート３０を変形させることで、図９に示すように、複数層に積層された強化繊維基材３１間で層間すべり（ズレ）が生じ、これによって引張・圧縮・層間せん断応力が生じるが、これらの応力をなるべく低減できるように、複数のローラ２０の作動をコントローラ６０で制御するのが好ましい。
【００１９】
そして、複合材シート３０の所定形状への変形が完了した後、加熱用シート５７および型４０による加熱を停止させ、複合材シート３０に含まれる熱硬化性樹脂を硬化させた後、これを型４０から脱型することで、所定形状の構造材１０を得ることができる。
【００２０】
このような加工装置５０では、例えば図１０に示すように、橋梁等、各種建築・土木構造物を構成する桁材７０等を構成する構造材１０Ａや、図１１に示すように、航空機の主翼８０の骨格をなす構造材１０Ｂ等を形成することができる。
【００２１】
上述したように、加工装置５０においては、形成すべき構造材１０の長手方向に複数並んだローラ２０により、型４０上の複合材シート３０を成形するようにした。これによって、複雑な３次元形状を有する構造材１０の製造の自動化を図ることが可能となり、その作業の大幅な効率化を図ることができる。
しかも、複数のローラ２０を、予め決められたプログラムに基づいて適切な順序で動かすことで、３次元的な形状を有する構造材１０を形成するに際しても、複合材シート３０にシワ等が生じないようにこれを変形させることができる。
【００２２】
また、形成すべき構造材１０の形状が異なる場合であっても、複数のローラ２０の作動順序等を異ならせてプログラムを作成すれば、加工装置５０自体としては型４０のみを変更すればよく、様々な形状の構造材１０を形成することができる。したがって、加工装置５０を汎用性の高いものとすることができ、構造材１０の製造コストをも低減することが可能となる。
【００２３】
なお、上記実施の形態では、「く」の字状に屈曲した構造材１０を例に挙げたが、上記のような加工装置５０によれば、例えば図１２に示すように、捩れを有した構造材１０Ｃ等をはじめとして、全体として直線状で単に断面形状が変化するものに限らず、全体として湾曲・屈曲したり、捩れたりした３次元的な形状の構造体を形成することが可能である。
【００２４】
ところで、上記実施の形態においては、ローラ２０を、駆動機構５３によって、型４０が連続する方向に直交する面内で移動させる構成としたが、これに加え、型４０が連続する方向にも移動できるようにしても良い。これにより、形成すべき構造材１０の形状に応じてローラ２０の位置を調整することができ、形成する構造材１０の自由度がさらに高まる。
また、上記実施の形態では、型４０が上方に凸となる形状をなした、いわゆるオス型となっているが、下方に凸となる凹面形状を有した、いわゆるメス型を用いる形状の構造体を製造する場合であっても、本発明を同様に適用できる。この場合も、複数のローラ２０の作動順序を適切にコントロールすることで、構造体を良好に自動的に製造できる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本実施の形態における加工装置で形成される構造材の一例を示す斜視図である。
【図２】複数のローラの配列を示す平面図である。
【図３】複数のローラで複合材シートを曲げる状態を示す斜視図である。
【図４】加工装置の正面図である。
【図５】加熱機構の他の例を示す図である。
【図６】加熱機構のさらに他の例を示す図である。
【図７】加熱機構のさらに他の例を示す図である。
【図８】図４の加工装置で、複合材シートを曲げている過程を示す正面図である。
【図９】複合材シートを曲げることで生じる層間ズレを示す図である。
【図１０】構造材の使用例を示す図である。
【図１１】構造材の他の使用例を示す図である。
【図１２】本実施の形態における加工装置で形成される構造材の他の例を示す断面図である。
【符号の説明】
【００２６】
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…構造材、２０…ローラ、３０…複合材シート、３１…強化繊維基材、４０…型、５０…加工装置（複合材シート加工装置）、５３…駆動機構、５４…駆動シリンダ、５７…加熱用シート（加熱機構）、６０…コントローラ、６５…ヒータ（加熱機構）、６６、６７…温風機（加熱機構）、６８…発熱体（加熱機構）、７０…桁材、８０…主翼
【図１】
2006335049.tif 000003
【図２】
2006335049.tif 000004
【図３】
2006335049.tif 000005
【図４】
2006335049.tif 000006
【図５】
2006335049.tif 000007
【図６】
2006335049.tif 000008
【図７】
2006335049.tif 000009
【図８】
2006335049.tif 000010
【図９】
2006335049.tif 000011
【図１０】
2006335049.tif 000012
【図１１】
2006335049.tif 000013
【図１２】
2006335049.tif 000014