(57)【要約】【課題】熱硬化性樹脂を含浸したプリプレグ材を未硬化状態で連続的に予備成形する方法を提供する。【解決手段】プリプレグ材のシートをローラーから引き出して積層し、湾曲装置で所定の断面形状に折り曲げる。ヒーターを備えた金型で連続的に長尺の製品に成形する。金型でプリプレグ材に加える温度と圧力は、常温または熱硬化性樹脂が完全硬化をしない加熱温度で、かつ、プリプレグ材か成形された状態を維持する圧力範囲を選択する。この予備成形により、ゆるい曲率（例えば半径７ｍ以下）をもつ部材や曲率が連続して変化するストリンガー等の成形が容易となる。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリプレグ複合材を直線状の長尺材に未硬化の状態で連続的に予備成形する方法であって、
ロールに巻かれたプリプレグ材を送り出す工程と、ロールから送り出されたプリプレグ材を積層して所定の断面形状に湾曲させる工程と、湾曲されたプリプレグ材をヒーターを備えた金型で予備成形する工程と、予備成形されたプリプレグ材を金型から引き出す牽引工程とを備え、
金型で予備成形する工程は、プリプレグ材に含浸された熱硬化樹脂は完全硬化せず、かつプリプレグ材は成形された形状を維持する温度と圧力の加工条件の下に行われ、予備成形された複合材を後工程で相手部材に合わせて３次元形状に変形させて完全硬化させることで、相手部材の補強部材を構成することを特徴とする複合材の未硬化連続予備成形方法。
【請求項２】
プリプレグ材は間欠的に金型に送られることを特徴とする請求項１記載の複合材の未硬化連続予備成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭素繊維などに熱硬化型樹脂を含浸させた複合材のプリプレグを未硬化状態で連続して予備成形する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリプレグ材料を連続成形する技術は、例えば下記の特許文献１に開示されている。また、繊維強化複合材を半硬化状態にして利用する技術も、下記特許文献２〜５等に開示されている。
【特許文献１】特開２００１−１９１４１８号公報
【特許文献２】特開２００１−２９３７９０号公報
【特許文献３】特開２００１−３１０７９８号公報
【特許文献４】特開２００１−３１５１４９号公報
【特許文献５】特開２０００−１５７１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上述した文献２〜文献５に開示されたものは、いずれも半硬化複合材料を使用することは開示されてはいるが、これらの材料を連続成形で効率良く製造する方法を開示してはいない。
【０００４】
本発明は、プリプレグ材料の加熱温度と硬化の進行との関係を各種の実験を通じて解析し、未硬化複合材料を連続的に製造する方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明のプリプレグ複合材を直線状の長尺材に未硬化の状態で連続的に予備成形する方法は、ロールに巻かれたプリプレグ材を送り出す工程と、ロールから送り出されたプリプレグ材を積層して所定の断面形状に湾曲させる工程と、湾曲されたプリプレグ材をヒーターを備えた金型で予備成形する工程と、予備成形されたプリプレグ材を金型から引き出す牽引工程とを備え、金型で成形する工程は、プリプレグ材に含浸された熱硬化樹脂は完全硬化せず、かつプリプレグ材は成形された形状を維持する温度と圧力の加工条件の下に行われ、予備成形された複合材を後工程で相手部材に合わせて３次元形状に変形させて完全硬化させることで、相手部材の補強部材を構成することを特徴とするものである。
そして、プリプレグ材は間欠的に金型に送られる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、未硬化状態のプリプレグ複合材を連続して予備成形することができるので、予備成形された複合材を後工程で相手部材に合わせて３次元形状に変形させて完全硬化させることで、補強材等として活用することができる。
この予備成形により、ゆるい曲率（例えば半径７ｍ以下）をもつ部材や曲率が連続して変化するストリンガー等の成形が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図１は、本発明の適用例を示す説明図である。
航空機の胴体１は外板２の内面３に補強材であるストリンガー１０を接合して必要な強度を得る。外板２の内面３は、３次元の曲面に形成されるので、ストリンガー１０もこの曲面に対応する形状に形成される必要がある。
【０００８】
図２に示すストリンガーの素材は、スキン１２とリブ１４を有する断面Ｔ字形の複合材の未硬化材料１０Ｆを使用する場合を示す。後述する連続成形装置により製造された複合材の未硬化材料１０Ｆを所定の長さに切断し、外板２の内面３に沿って適度に加熱しつつ押し付けると、未硬化材料１０Ｆは内面３の曲面に対応して変形する。この状態でオートクレーブ等の加熱・加圧装置を使用して未硬化材料１０Ｆを加熱・加圧して完全硬化させる。
【０００９】
図３は、ストリンガーを予め完全硬化させたものを示す。
連続成型装置により製造された未硬化材料を所定の長さに切断し、胴体２の内面の形状に対応する形状を有する金型に載せて、真空バッグまたは金型で圧力を加え適度に加熱して密着させた後、加熱・加圧して完全硬化材料１０Ｓを製造する。
この完全硬化材料１０Ｓは、スキン１２とリブ１４を有する断面Ｔ字形のもので、接合される胴体の内面３の曲率に対応する曲率Ｃ１を備える。この完全硬化材料１０Ｓを内面３に適宜の接合手段により接合して、胴体を製造する。
前０００８項および０００９項で示す方法で、航空機胴体に使われる、例えば最小の曲率半径７ｍ程度で曲率が連続的に変化するストリンガー等の成形は容易である。
【００１０】
図４はハット形断面を有するストリンガー素材を示し、例えばこのような形状の未硬化材料１０’も製造が可能である。
【００１１】
図５はハット形断面のストリンガーを予め完全硬化させたものを示す。例えばこのような形状のストリンガー１０’’も製造が可能である。
【００１２】
図６は、プリプレグ複合材の未硬化材料を間欠的に連続成形する装置の一例を示す。
連続成形装置１００は、プリプレグ材１１０を供給するロール１２０、ガイドローラー１３０、湾曲装置１４０を備える。
【００１３】
図７は、供給されるプリプレグ材１１０の断面構造を示し、プリプレグシート１１２は、キャリアフィルム１１４とセパレータフィルム１１６に挟まれた状態でロール１２０から供給される。ローラー１３０，１３２を通過する間に、セパレータフィルム１１６は剥離され、プリプレグシート１１２とキャリアフィルム１１４の積層体は湾曲装置１４０へ向けて送られる。
【００１４】
図８は、湾曲装置１４０を通過する間に積層されたプリプレグ材がＨ字形に折り曲げられる状態を示す。
図６に示すように、湾曲装置１４０の下流側には、プレス装置１５０が配設される。このプレス装置１５０の更に下流側には固定クランプ装置１６０と牽引クランプ装置１７０が配設される。
【００１５】
図９は、プレス装置１５０の金型の構造を示す説明図である。
固定される下金型１５４に対向して上金型１５２が設けられ、上金型１５２はアクチュエータ１５２ａにより上下に駆動される。
左右の金型１５６，１５８もアクチュエータ１５６ａ，１５８ａにより横方向に駆動され、プリプレグ積層体Ｗ１をＨ字形状にプレス加工する。
各金型は、内部にヒーターを備え、所定の温度に加熱することができる。
固定クランプ装置１６０と牽引装置１７０はタイミングを合わせて、帯状のプリプレグ積層体Ｗ１を間欠的にプレス装置１５０から引き出す。
【００１６】
図１０は、連続成形装置１００の作動を示すタイミングチャートを示す。
チャートは、横軸に時間を、たて軸に金型やクランプの開閉と移動を示す。この作動により未硬化成形製品Ｗ１は間欠的に、かつ連続的に所定の断面形状を有する長尺の製品に成形される。この作動により、例えば毎時５から１０メートル程度の成形速度が得られる。
【００１７】
図１１は、プリプレグ材のゲル化に要する時間と温度の関係を示す図である。
横軸に温度を、たて軸に加熱時間をとったときに、１８０℃硬化型のプリプレグ材の温度−ゲル化特性をラインＬ１で示す。このラインの右側の領域Ｋ２では、ゲル化が始まり、熱硬化が進行する。
すなわち、熱硬化の進行は、加熱温度と、加熱時間の関係で決定される。
【００１８】
例えば加熱時間１０分から１５分程度で加熱金型を通過する、すなわち図１１においてたて軸の加熱時間１０分から１５分付近のライン上において、温度範囲ＨＥ１で成形するとプリプレグ材に含浸される樹脂の粘度はあまり下がらず、プリプレグ同士が粘着するが内部のボイドは残留したままで、また、ほとんど硬化せず柔軟な状態なので、金型で成形した形状は保たれない。
【００１９】
同様に少し高い温度範囲ＨＥ２で成形すると、加熱時の樹脂粘度が下がるため、温度範囲ＨＥ１と比較してプリプレグ同士の密着は良くなり、硬化は若干すすみ、完全ではないが成形した形状は若干保持されるものの、内部のボイドが消滅しないことが実験で確かめられた。
【００２０】
さらにゲル化のラインＬ１に近いＰＨの温度範囲では、プリプレグ同士が密着しボイドが非常に少なく硬化度が３０％〜５０％の状態が出現する。この状態ではかなり硬化しているので成形した形状は保たれ、半硬化あるいは未硬化であることと、直線形状であることを除き最終形態に近い成形品になる。
【００２１】
さらに、加熱温度はゲル化曲線に近づくＨＥ３の温度範囲では、内部のボイドが増加したり、プリプレグ層間の剥離が発生することもあり、未硬化成形状態としては不適であることも実験で確かめられた。
【００２２】
結論として、未硬化連続成形条件として適切な範囲は、例えば成形速度を毎時５メートルから１０メートルに設定する場合、加熱温度範囲は例えば図１１のＰＨのように１６０℃前後の比較的狭い範囲である。
【００２３】
本発明は、以上の特性に着目して、プリプレグ材の未硬化製品を連続成形する方法を開発したものである。
【００２４】
図１２は、上述した装置で作られた未硬化成形製品Ｗ１を示す。この製品は断面Ｈ字形状を有するので、これを２分割に切断して、Ｔ字形の未硬化材料１０Ｆを得る。
この未硬化材料１０Ｆを例えば、図１に示す航空機の胴体１の外板２の内面３に多少の加熱・加圧を行なって接合し、その後、所定の加熱・加圧を加えることにより完全硬化し、ストリンガーとしての機能を発揮する。
【００２５】
図１３は、未硬化材料１０Ｆを治具Ｊ１上に載せて、未硬化材料１０Ｆと曲面を持つ治具Ｊ１の形状に対応する形状に変形させ、治具Ｊ１と未硬化材料１０Ｆを真空パック等に収容して多少の加熱・加圧を行なって接合し、その後、オートクレーブ等に入れて加熱して、完全硬化材料１０Ｓを製造する工程を示す。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の適用例を示す説明図
【図２】未硬化ストリンガーの例を示す説明図
【図３】完全硬化ストリンガーの例を示す説明図
【図４】ハット形断面を有するストリンガー素材を示す説明図
【図５】ハット形断面のストリンガーを予め完全硬化させたものを示す説明図
【図６】プリプレグ複合材の未硬化連続成形装置の一例を示す説明図
【図７】プリプレグ材の断面構造を示す説明図
【図８】プリプレグ材の折り曲げ状態を示す説明図
【図９】プレス装置の金型の構造を示す説明図
【図１０】連続成形装置のタイミングチャート
【図１１】プリプレグ材のゲル化を示す説明図
【図１２】未硬化成形製品の説明図
【図１３】完全硬化材料の製造工程を示す説明図
【符号の説明】
【００２７】
１    航空機の胴体
２    外板
３    内壁
１０    ストリンガー
１０Ｆ  未硬化材料
１０Ｓ  完全硬化材料
１００  複合材の未硬化連続予備成形装置
【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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