(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空部を有する複合材中空部品を真空／加圧／加熱成形する成形方法であって、
前記中空部の形状を成形する中子の素材に可溶性部材を使用すると共に該中子をチュービングフィルムに入れて成形型内の所定位置にセットし、真空／加圧／加熱成形を実施して複合材中空部品の成形・硬化が完了した後には、前記チュービングフィルム内に溶剤を流し込んで前記中子を溶解させ、ゼリー状とした前記中子を前記チュービングフィルムと共に前記中空部から引き抜くとともに、
前記中空部の内面と前記チュービングフィルムとの間に、離型フィルムと通気クロスとが一体化された離型／通気部材を介在させ、さらに、前記中空部の縦壁部分及びコーナーＲ部と前記離型／通気部材との間に離型紙を介在させたことを特徴とする複合材中空部品の成形方法。
【請求項２】
前記可溶性部材を発砲ウレタンとし、前記溶剤がメチルエチルケトンであることを特徴とする請求項１に記載の複合材中空部品の成形方法。
【請求項３】
前記チュービングフィルムがチューブ状ナイロンバッグであることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材中空部品の成形方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材中空部品の成形方法に係り、特に、中空部の断面形状が変化する異形断面複合材中空部品の成形に用いて好適な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、カーボン繊維プリプレグ（以下、ＣＦＲＰと呼ぶ）のような複合材で中空部品を成形する場合、シリコンバッグを用いて真空／加熱成形する成形方法が採用されている。図１８に示す例のように、この場合の複合材中空部品０４は中空部０４ａの断面積が比較的大きく、その断面形状が一定又は緩やかに変化する程度の単純なものである。
このような複合材中空部品０４は、図１７に示すように、下型０２と上型０３との間に複合材中空部品０４が成形される。この成形方法において、複合材中空部品０４の中空部０４ａは、シリコンバッグ０７を中子としてその形状が成形される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上述した従来技術による成形方法では、中空部の断面形状が一定でない異形断面複合材中空部品を成形する場合、成形終了後にシリコンバッグ０７の取り出しができなくなることがある。特に、異形断面複合材中空部品が全体として細長く、そして中空部の形状が長手方向に複雑又は狭隘に変化している場合は、成形完了後において中空部の成形に使用されるシリコンバッグ０７取り出しが不可能となる。また、このような場合には、シリコンバッグ０７が存在するのに必要な厚みを確保することすら困難になることがある。
さらに、上述したシリコンバッグ０７の製作には専用治具が必要となるため、コスト面で不利になるという問題もあった。
【０００４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、単純な断面形状の複合材中空部品はもとより、異形断面複合材中空部品の成形及び中子の除去を容易に実施でき、しかも、コストの低減をも可能にする複合材中空部品の成形方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、以下の手段を採用することにより上記課題を解決した。
請求項１に記載の複合材中空部品の成形方法は、中空部を有する複合材中空部品を真空／加圧／加熱成形する成形方法であって、前記中空部の形状を成形する中子の素材に可溶性部材を使用すると共に該中子をチュービングフィルムに入れて成形型内の所定位置にセットし、真空／加圧／加熱成形を実施して複合材中空部品の成形・硬化が完了した後には、前記チュービングフィルム内に溶剤を流し込んで前記中子を溶解させ、ゼリー状とした前記中子を前記チュービングフィルムと共に前記中空部から引き抜くとともに、前記中空部の内面と前記チュービングフィルムとの間に、離型フィルムと通気クロスとが一体化された離型／通気部材を介在させ、さらに、前記中空部の縦壁部分及びコーナーＲ部と前記離型／通気部材との間に離型紙を介在させたことを特徴とするものである。
【０００６】
このような複合材中空部品の成形方法によれば、成形・硬化完了後において、可溶性部材よりなりチュービングフィルム内に入れられた中子が溶剤を流し込むことでゼリー状に溶解するので、断面形状が複雑に変化する狭隘な中空部であっても、チュービングフィルムと共に中子を容易に中空部から除去することが可能となる。
また、チュービングフィルム及びゼリー状となった中子を除去する際、離型／通気部材の存在によってチュービングフィルムを中空部の内面から容易に分離させる機能を確保できる。そして、たとえばテドラフィルム（登録商標）のような離型紙が離型／通気部材と中空部との間の縁切りとして機能するので、加熱成形時に両部材が無用に接着するのを防止することができる。
【０００７】
請求項２に記載の複合材中空部品の成形方法は、前記可溶性部材を発砲ウレタンとし、前記溶剤がメチルエチルケトンであることを特徴とするものである。
【０００８】
このような複合材中空部品の成形方法によれば、メチルエチルケトンに浸された発砲ウレタンが溶解してゼリー状となるので、中子の除去が容易になる。
【０００９】
請求項３に記載の複合材中空部品の成形方法は、前記チュービングフィルムがチューブ状ナイロンバッグであることを特徴とするものである。
【００１０】
このような複合材中空部品の成形方法によれば、市販品の安価なチュービングフィルムを使用することにより、コストの低減が可能となる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る複合材中空部品の成形方法の一実施形態を、図面に基づいて説明する。
図２の説明図において、符号１は成形型、２は下型、３は上型、４は複合材中空部品、５は離型・通気部材（離型紙）、６はチュービングフィルム、７は中子である。ここで成形する複合材中空部品４は、図１の（ａ），（ｂ）に示すように、全体として細長く、そして中空部４ａの形状が長手方向に複雑に変化している。また、図示の断面形状においては、狭隘な部分４ｂや屈曲部４ｃが存在している。
【００１８】
複合材中空部品４の素材となる複合材とは、繊維（強化材）と樹脂（マトリックス，結合材）とを組み合わせることによって、元の素材単独よりも優れた特性を持たせた材料である。このような複合材には、カーボン繊維プリプレグ（ＣＦＲＰ）、ガラス繊維プリプレグ（ＧＦＲＰ）、アラミド繊維プリプレグ（ＫＦＲＰ）等があり、樹脂を使用する耐熱温度によって使い分け、下記の中より樹脂を選んで繊維間を結合している。
（１）ポリエステル（９３℃）
（２）エポキシ（１５０〜１７７℃）
（３）フェノール（１８０℃）
（４）ビスマレイミド（２５０℃）
（５）ポリイミド（３００℃）
（６）カーボン／カーボン（１７００℃）
なお、上述したＣＦＲＰはスキン状の素材を積層して使用することになるが、ＣＦＲＰにはクロス材と一方向材とがあり、両素材の特性を生かして適宜組み合わされる。
【００１９】
上述したような複合材中空部品４の成形には、真空／加圧／加熱による成形方法が採用されるが、本発明では、中空部４ａの形状を発泡ウレタン等の可溶性部材で形成した中子７を使用して成形する。発泡ウレタン等の可溶性部材は、溶剤に浸すことによって容易に溶融する材料である。発砲ウレタンを溶融させる溶剤としては、メチルエチルケトンが知られている。
なお、可溶性部材の選択条件には、加熱により縮むこと、溶剤に解けることに加えて、中空部４ａの形状に合わせて制作される中子７としての成形性も含まれているのはもちろんである。
【００２０】
この中子７は、真空／加圧／加熱成形する際、チューブ状のナイロンバッグよりなるチュービングフィルム６に入れて型内の所定の位置にセットされる。チューブ状のナイロンバッグは一般的に市販されているものであり、容易かつ安価に入手できるものである。
【００２１】
上述した中子７及びチュービングフィルム６は、成形完了後の複合材中空部品４にとっては不要となるものであり、従って、製品中に異物として残ることなく容易に除去されることが望まれる。そこで、チュービングフィルム６と中空部４ａとの分離を容易にするため、中子７のセット時に離型／通気部材５を介在させておく。この離型／通気部材５としては、ベーパーソープと呼ばれるものが好ましい。この離型・通気部材（以下、ベーパーソープと呼ぶ）５は、離型フィルムと通気クロスとを一体化させてなる副資材であり、中空部４ａの全周にわたって中子７及びチュービングフィルム６を包むように配設される。なお、このベーパーソープ５も、成形完了後には除去される。
【００２２】
以下、上述した中子７、チュービングフィルム６及びベーパーソープ５等を使用した複合材中空部品の成形方法を、具体的な主要成形工程順に図示して簡単に説明する。なお、以下の図３ないし図１５は工程を説明することに重点をおいた複合材中空部品４及びその成形型１の概略断面図であり、各部材間の隙間やフィルム状の薄い部材等は実際より誇張して示されている。
【００２３】
まず最初は、下型２を用いて複合材中空部品４の半分を製作する。
図３に示す第１工程では、セパレーター１１及びＣＦＲＰクロス材よりなるアウタースキンＡ１２を交互に下型２の凹断面に沿って挿入し、積層する。ここでのセパレーター１１は、アウタースキンどうしが密着して分離できなくなるのを防ぐために挟み込む離型紙のことである。下型２には、アウタースキンＡ１２の折り返し部分１２ａを保持するために、スキンサポート治具１３がセットされている。
なお、セパレーター１１は、折り返し部分１２ａにのみ挟み込むもので、積層されたアウタースキンＡ１２が折り返し部分１２ａで密着するのを防止する機能を有している。従って、後述する工程でアウタースキンＡ１２を折り返した後、セパレーター１１は不要となって除去される。
【００２４】
図４に示す第２工程では、予め別のフラットベースで積層しておいたＣＦＲＰ一方向材よりなるアウタースキンＢ１４を、下型２の底部にセットする。
【００２５】
図５に示した第３工程では、セパレーター１５及びＣＦＲＰクロス材よりなるインナースキン１６を交互にアウタースキンＡ，Ｂ上に積層する。ここで使用するセパレーター１５も、インナースキン１６の折り返し部分１６ａにのみ挿入するものであり、積層されたインナースキン１６どうしが密着するのを防止する機能を有している。従って、後述する工程でインナースキン１６が折り返されると、このセパレーター１５は不要となって除去される。
【００２６】
図６に示した第４工程では、前工程で積層したインナースキン１６の縦壁及びコーナーＲ部に、離型紙としてテドラフィルム（登録商標）１７を適用して貼り付ける。縦壁及びコーナーＲ部のインナースキン１６は、硬化時に座屈ができやすいため、この座屈が原因となって後述するベーパーソープを巻き込むことがある。また、浸み出した樹脂がベーパーソープの継ぎ目に侵入すると、ベーパーソープとインナースキン１６とが接着して硬化後の除去がしにくくなり、そのまま異物としてベーパーソープが製品中に残ることになる。本工程におけるテドラフィルム１７の貼り付けは、このような異物が製品中に残るのを防止するため、縁切りをするものである。
【００２７】
図７に示した第５工程では、離型及び通気を目的とする副資材として、ベーパーソープ５を適用し、凹断面に沿ってインナースキン１６及びテドラフィルム１７上に貼り付ける。このベーパーソープ５は、離型フィルムと通気クロスとが一体となった副資材であり、インナースキン１６面に離型フィルム側を貼り付けて使用し、硬化後には抜き取られる。なお、ベーパーソープ５には、後工程で貼り付けられるものとのオーバーラップ分の長さを加えておく。
【００２８】
図８に示した第６工程では、中子７とチュービングフィルム６とを下型２のベーパーソープ５上にセットする。ここで使用する中子７は発砲ウレタン製のものであり、予め中空部４ａの形状に合わせて加工してある。また、チュービングフィルム６はチューブ状のナイロンバッグであり、一般的に市販されている安価なものを使用することができる。
さて、この工程では、上述した発砲ウレタン製の中子７をチュービングフィルム６の中に入れ、両者を下型２の凹断面底部に配設する。この後、チュービングフィルム６のリークチェックを実施する。このリークチェックでは、チュービングフィルム６の両端部をシーリングテープで固定してから真空引きを行い、リークの有無、すなわち破れの有無を確認する。なお、チュービングフィルム６に破れがあることが判明した場合、後述する下型２と上型３とを一体に合わる工程後にチュービングフィルム６を交換することは極めて困難である。
【００２９】
図９に示した第７工程では、チュービングフィルム６に入れられた中子７の上面側に、第５工程と同様のベーパーソープ５を適用して貼り付ける。そして、第５工程で貼り付けられた下面側とこの工程で貼り付けられた上面側との継ぎ目をオーバーラップさせ、これによってチュービングフィルム６内の中子７はベーパーソープ５に包まれる。
【００３０】
図１０に示した第８工程では、インナースキン１６を中子７側へ折り返し、その上面側で継ぎ目をオーバーラップさせて積層する。この時、左右のインナースキン１６を１枚ずつ交互に積層し、各インナースキン間に挟まれているセパレーター１５は順次不要となって除去される。この第８工程が終了することで、とりあえず複合材中空部品４の上部側の作業は終了する。
【００３１】
続いては、上型３を用いた複合部材中空部品４の他の半分の製作について説明する。
図１１に示した第９工程では、上型３の面に沿ってセパレーター１８を配設した後、型底部にＣＦＲＰ一方向材よりなるアウタースキンＣ１９をセットする。
このアウタースキンＣ１９は、第２工程で下型２にセットしたアウタースキンＢ１４と同様に、予め別のフラットベースで積層しておいたものであり、この工程によって小部品とアウタースキンＣ１９を正規位置にセットとなる。ダミー治具の使用目的は、下型にてすでにアウタースキン（ＣＦＲＰクロス材）は断層されているため、上型にはその分アウタースキンの積層は必要ないため板厚を模擬したダミー治具が必要である。ダミー治具上には別に（フラットベース上）積層したアウタースキン（ＣＦＲＰ一方向材）と小部品をセットし正規位置に馴染ませ固定する。このダミー治具がないと、アウタースキン（ＣＦＲＰ一方向材）と小部品の位置が決まらない。
【００３２】
この後、下型２と上型３とを合体させるが、その前に、図１２に示した第１０工程において、上述した第９工程で正規位置にセットされた小部品とアウタースキンＣ１９は、上型３から外されて図１０に示す第８工程の完成品上に、すなわちオーバーラップされたインナースキン１６上にセットされる。なお、アウタースキンＣ１９の上型３からの離型は、セパレーター１８の存在によって容易に実施できる。
そして、スキンサポート治具１３に保持されているアウタースキンＡ１２の折り返し部分１２ａを、左右一枚ずつアウタースキンＣ１９上に折り返して、継ぎ目をバットジョイントさせる。この時、各アウタースキンＡ１２の折り返し部分１２ａ間にはセパレーター１１が存在するため容易に分離でき、折り返し部分１２ａを分離させた後には、セパレーター１１は不要となって順次除去される。
【００３３】
こうしてアウタースキンＡ１２の折り返し及び積層が完了すると、続いて図１３に示した第１１工程では、下型２に対して補助上型３ａをセットした後上型３を合体させる。この結果、中子７、チュービングフィルム６、インナースキン１６、アウタースキンＡ１２、アウタースキンＢ１４及びアウタースキンＣ１９等は、全て成形型１内に収納される。
【００３４】
そして、上述した成形型１は、続いて図１４に示した第１２工程において、外周バッグ２０に入れられる。この外周バッグ２０としては、安価に入手できる市販のチューブ状ナイロンバッグを使用できる。また、この外周バッグ２０は、チュービングフィルム６とシーラントテープを用いて密封した後、内部を真空引きする。
【００３５】
所定の圧力まで真空引きが完了した成形型１は、図示省略の加熱炉、たとえばオートクレーブ（加熱／加圧成形／硬化炉）に入れられる。加熱炉では、所定の温度を維持して所定時間加熱し、アウタースキンＡ，Ｂ，Ｃ及びインナースキンよりなる複合材を硬化させる。この時、所定の圧力及び真空圧が加えられる。
【００３６】
加熱炉内での加熱により複合材の硬化が完了すると、続いて加熱炉から取り出した成形型１のデバック作業を開始する。
このデバック作業では、図１５に示すように、最初に外周バッグ２０のみを取り外す。この時、シーラントテープで密封したチュービングフィルム６に傷を付けないように十分な注意が必要である。
続いて、チュービングフィルム６のみ再度の真空引きを行うことにより、チュービングフィルム６を外周側のベーパーソープ５から分離させる。
そして、この真空引きを継続しながら、反対側よりチュービングフィルム６内に溶剤を流し込み、同溶剤が全体に浸透したことを確認してから真空引きをやめる。図１６は、真空引きしながら溶剤２１を浸透させる様子を示した概念図であり、成形型１内にある発砲ウレタン製の中子７は、チュービングフィルム６内で全体が溶剤２１に浸される。
なお、ここで使用する溶剤としては、メチルエチルケトン（ＭＥＫ）等が好適である。
【００３７】
こうして溶剤に浸されたチュービングフィルム６内の中子７は、そのままの状態で所定時間放置しておくことによって、発泡ウレタンが溶解してゼリー状になる。なお、硬化時に加熱された発泡ウレタン製の中子７は、加熱温度の高温にさらされることによってある程度まで小さく縮むが、この程度の収縮では断面形状が複雑かつ狭隘に変化している中空形状部分から抜き出すことは極めて困難である。
従って、上述したように、溶剤によって発泡ウレタン製の中子７をゼリー状に溶解させる必要が生じてくるのであり、チュービングフィルム６内でゼリー状となった中子７は自由に変形するので、中空形状部分から容易に抜き取ることができる。
【００３８】
チュービングフィルム６及び中子７を抜き取った後には、補助上型３ａ及び上型３を取り外し、さらに複合材中空部品４を下型２から脱型する。そして、中空部４ａ内に残っている副資材のベーパーソープ５を抜き取ると、複合材中空部品４の成形は完了する。なお、加熱成形後、テドラフィルム１７は内部に異物として残留させる。
【００３９】
このような方法及び手順で複合材中空部品４を成形することにより、中空部４ａの形状が複雑なもの、断面形状が複雑に変化するもの、そして狭隘な断面形状部分を有するものにも十分対応することができる。すなわち、従来のシリコンバッグを使用した成形方法で問題となっていた成形後の中子抜き取りが、メチルエチルケトンに発砲ウレタンを浸してかなり自由に変形することができるゼリー状に溶解させることで解決された。従って、ゼリー状の中子は、抜き出される途中に狭隘な断面形状部分があっても自由な変形により通過できるようになり、また、屈曲部や断面形状の変化にも十分に追従できるので、中子抜き取りが中空部４ａの形状を限定するようなことはない。
なお、ゼリー状になった中子７は、チュービングフィルム６の中に収納された状態で中空部４ａから抜き出されるので、抜き出し後の取り扱いも極めて容易である。
【００４０】
また、チュービングフィルム６と中空部４ａの内面との間には、離型を容易にするベーパーソープ５が存在しているので、抜き取り時においてはチュービングフィルム６が容易に分離されて破れるようなことはない。このベーパーソープ５は、硬化させる時の加熱温度、離型性及び通気性等の条件を満足するものを選択するが、同条件を満たす他の副資材の採用も可能である。
【００４１】
そして、チュービングフィルム６についても、硬化させる時の加熱温度に耐えるものを選択することが必要であるが、現在使用されている複合材の硬化温度であれば、一般的に市販されているチューブ状ナイロンバッグで特に問題はない。従って、調達が容易なだけでなく安価でもあり、複合材中空部品４の製造コストを低減するためには好都合である。なお、従来のシリコンバッグの制作に必要であった専用治具も不要になるので、この点においてもコストの低減には好都合である。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の複合材中空部品の成型方法によれば、以下の効果を奏する。
（１）   チューブ状ナイロンバッグは安価な市販品を購入して使用できるので、専用治具を用いるシリコンバッグに比べてコストの低減が可能になる。
（２）   中空部の内部形状及び高さは、発泡ウレタンを形状加工してなる中子を用いて成形するため、ほとんどの形状に対応できる。すなわち、長手方向に断面形状が変化する異形断面はもとより、断面形状が複雑又は狭隘に変化している異形断面であっても対応可能になる。なお、同一断面など単純な断面形状の複合材中空部品の成形方法としても、もちろん採用可能である。
（３）   加熱成形後の副資材及び中子は容易に除去することができるので、製品中に異物として残ることはない。
【図面の簡単な説明】
【図１】   本発明に係る複合材中空部品の成形方法の一実施形態を示す説明図である。
【図２】   図１の成形方法により成形される複合材中空部品の形状例を示しており、（ａ）は全体形状を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図３】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第１工程を示す説明図である。
【図４】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第２工程を示す説明図である。
【図５】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第３工程を示す説明図である。
【図６】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第４工程を示す説明図である。
【図７】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第５工程を示す説明図である。
【図８】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第６工程を示す説明図である。
【図９】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第７工程を示す説明図である。
【図１０】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第８工程を示す説明図である。
【図１１】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第９工程を示す説明図である。
【図１２】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第１０工程を示す説明図である。
【図１３】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第１１工程を示す説明図である。
【図１４】   本発明による複合材中空部品の成形方法の第１２工程を示す説明図である。
【図１５】   本発明による複合材中空部品の成形方法のデバック作業を示す説明図である。
【図１６】   真空引き及び溶剤流し込みの様子を示す概念図である。
【図１７】   従来の複合材中空部品の成型方法を説明図である。
【図１８】   図１７の従来の成形方法により成形される複合材中空部品の形状例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１      成形型
２      下型
３      上型
４      複合材中空部品
４ａ    中空部
５      離型・通気部材（ベーパーソープ）
６      チュービングフィルム
７      中子
１２      アウタースキンＡ
１４      アウタースキンＢ
１６      インナースキン
１７      テドラフィルム
１９      アウタースキンＣ
２０      外周バッグ
２１      溶剤（メチルエチルケトン）
【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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【図１６】
0004801292.tif 000017
【図１７】
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【図１８】
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