(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
【背景技術】
【0002】
近年、炭素繊維強化プラスチック(CFRP)(Carbon Fiber Reinforced Plastics)などの繊維強化プラスチックが注目されている。軽量・高強度という特徴を生かして、航空機や自動車などの材料として様々な産業分野に適用されている。なお、ガラス繊維や石英ガラス繊維やアラミド繊維を用いることもある。
【0003】
繊維強化プラスチック積層体の成形方法の一例について簡単に説明する。治具台上にプリプレグシート積層体を積層して製品形状に賦形する。プリプレグシートは、炭素繊維等の補強材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたものでありシート状に形成されている。
【0004】
熱硬化性樹脂として、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂、フェノール樹脂等が用いられる。
【0005】
さらに、賦形された繊維強化プラスチック積層体を治具台とともにバギングして真空引きし、オートクレーブ装置に搬送し、加熱加圧する。これにより樹脂が硬化し繊維強化プラスチック積層体が成形される。その度、製品を脱型する。
【0006】
なお、熱硬化性樹脂に代えてポリアミド樹脂やポリプロピレン樹脂等の熱可塑性樹脂を用いることもある。熱可塑性樹脂は加熱により軟化し、その後冷却により固化する。
【0007】
真空引きには真空バッグが用いられる(特許文献1)。真空バッグはナイロンなどのポリマーフィルムやシリコン系材料からなるダイアフラムが用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0009】
一般に、真空バックは加熱加圧成形工程終了毎に廃棄され、次の加熱加圧成形工程では新規の真空バックを用いる。その結果、製品製造コストに反映される。また、廃棄コストも製品製造コストに反映される。
【0010】
これに対し、再使用可能な真空バックが提案されている。現在、市販されている真空バックはダイアフラムを支持する金属製フレームを備える。しかしながら、金属製フレームを有する真空バックには、以下のような課題がある。
【0011】
一般に、航空機や自動車などの部材は大型であり、これに伴い真空バックも大型化すると、金属製フレームの重量も増加する。その結果、真空バックの脱着等の作業性が低下する。すなわち、重量および作業性に係る課題がある。
【0012】
また、金属製フレームを製造したのち、金属製フレームにダイアフラムを接着するといった、複数の工程を経ており、製造工程が複雑である。
【0013】
ところで、航空機や自動車などの部材は、自由曲面のような複雑な形状を有する。自由曲面の詳細については別途後述する。
【0014】
製品が自由曲面を有すれば、これに対応して、治具台も自由曲面を有し、フレームも自由曲面に対応する必要がある。金属を加工して自由曲面のような複雑なフレーム形状とすることは可能であるが、加工は容易ではない。製造工程が更に複雑となる。
【0015】
真空バック製造工程が複雑化すると、製品コストに影響を与える。このように、製造容易性に係る課題があった。
【0016】
本発明は上記課題を解決するものであり、軽量で作業性に優れ、製造容易な再使用可能な真空バック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】
【0017】
上記課題を解決する本発明は、治具台上に積層された繊維シートを真空引きする際に用いられる真空バッグである。前記繊維シートを覆うシリコン系材料からなるダイアフラムと、前記ダイアフラムを支持するフレームと、前記フレームの下面にフレームに沿って設けられるシールと、を備え、前記フレームは、繊維強化プラスチックを有する。
【0018】
フレームが繊維強化プラスチックを有することにより軽量である。その結果、真空バッグの脱着作業が容易であり、作業性に優れる。
【0019】
好ましくは、前記フレームの繊維強化プラスチックからなる部分は、非シリコン系の合成ゴムにより被覆され、前記合成ゴムの硬化温度域と前記繊維強化プラスチックに用いる樹脂の硬化温度域とが重なる。
【0020】
非シリコン系合成ゴムは、繊維強化プラスチックとの親和性が高い。加熱加圧成形により、フレームの繊維強化プラスチックと合成ゴムとが一体成形される。また同工程において合成ゴムとダイアフラムが接着する。すなわち製造容易である。
【0021】
好ましくは、前記フレームの繊維強化プラスチックからなる部分は、フレーム長手方向一方向に繊維が配置されている。
【0022】
これにより、繊維の直進性が外力に対抗できる。
【0023】
好ましくは、前記フレームの繊維強化プラスチックからなる部分は、フレーム長手方向一方向に繊維が配置されている第1層および第2層と、前記第1層および第2層との間に介在し、繊維が織物構造されている第3層とが、積層されて形成されている。
【0024】
このようなサンドイッチ構造により、繊維の直進性が外力に対抗するとともに、織物構造が歪発生やクラック発生を抑制する。
【0025】
好ましくは、前記治具台は自由曲面を有し、前記フレームは、前記治具台の自由曲面に対応した形状を有する。
【0026】
治具台が自由表面を有する場合、製造容易に係る効果が顕著となる。
【0027】
上記課題を解決する本発明は、真空バッグ製造方法である。真空バッグは、製品用の繊維シートを覆うシリコン系材料からなるダイアフラムと、前記ダイアフラムを支持するフレームと、前記フレームの下面にフレームに沿って設けられるシールと、を備え、前記フレームは、繊維強化プラスチックからなる部分を非シリコン系の合成ゴムにより被覆して形成される。治具台上に、第1非シリコン系合成ゴムシート、プレプレグ状のフレーム用の複数の繊維シート、第2非シリコン系合成ゴムシート、接着フィルム、ダイアフラムの順に積層し、積層体を形成し、別の真空バッグにて被覆し真空状態で、上記積層体を加温加圧し、一体成型する。
【0028】
本発明にかかる再使用可能な真空バッグは、製品製造に用いるオートクレーブ装置を用いて、製品製造と類似した工程を経て、一体成形により製造容易である。
【発明の効果】
【0029】
本発明にかかる再使用可能な真空バッグは、軽量であり、作業性に優れる。
【0030】
本発明にかかる再使用可能な真空バッグは、一体成形により製造容易である。
【発明を実施するための形態】
【0032】
〜真空バッグ構成〜
図1は、真空バッグ10の概略構成を示す部分断面斜視図である。真空バッグ10は、ダイアフラム11と、フレーム12(一部断面表示)と、シール13(
図2参照)とから構成される。
【0033】
ダイアフラム11は、成形前の繊維強化プラスチック積層体を覆うものである。シリコン系材料よりなる。シリコン系材料同等の延伸性、柔軟性及び耐熱性があれば他の材料でも良い。
【0034】
フレーム12は、ダイアフラム11の周縁部に接着され、ダイアフラム11を支持する。詳細については別途後述する。
【0035】
シール13は、フレーム12の下面にフレーム12に沿って設けられる。真空引きの際には、弾性変形することにより、治具台30表面と真空バッグ10との密封性を確実にする。
【0036】
ダイアフラム11およびシール13は従来技術同等のものを転用してもよい。すなわち、本実施形態の真空バッグ10では、フレーム12が繊維強化プラスチックを有することを特徴とする。
【0037】
〜繊維強化プラスチック〜
フレーム12は繊維強化プラスチックよりなる。繊維強化プラスチックはプリプレグシートが積層され、加熱加圧成形されたものである。
【0038】
図3はフレーム12のプリプレグシートの積層構造20の模式図である。
【0039】
積層構造20は、第1プリプレグシートである第1層21と、第2プリプレグシートである第2層22と、第3プリプレグシートである第3層23とを含む。なお、各層21〜23は、一枚のプリプレグシートにより形成される場合、複数のプリプレグシートが積層され形成されている場合を含む。
【0040】
第1層21と第2層22では、繊維がフレーム長手方向一方向(unidirection)(UD)に配置されている。
【0041】
第1層21と第2層22では、織構造でないことにより、外力に対し、繊維が直線性を最大限に発揮できる。なお、織物構造であると、繊維が上下方向に浮き沈みするため、直進性を発揮できない。対抗力が分散してしまうおそれがある。
【0042】
第3層23では、繊維が縦横方向に配置され、織物構造、例えば、平織(plain weave)(PW)されている。第3層(PW層)23は、第1層21(UD層)と第2層22(UD層)との間に介挿されている。積層構造20はサンドイッチ構造を有する。なお、織物構造の代表例として平織を挙げたがこれに限定されない。
【0043】
織物構造を介在させることにより、第1層21と第2層22での歪を抑制し、クラック発生を抑制する。
【0044】
なお、本実施形態の積層構造20は、UD層−PW層−UD層のサンドイッチ構造であるのに対し、PW−UD−PWのサンドイッチ構造としてもよい。また、UD層のみでもよい。
【0045】
プリプレグの熱硬化性樹脂は、合成ゴムの硬化温度域との関係性(別途詳述)等により、180℃(±20℃)程度で熱硬化することが好ましい。さらに、熱硬化性樹脂は、200℃(±20℃)程度の耐熱性を有することが好ましい。具体例として、エポキシ樹脂EP、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ベンゾオキサジン樹脂等を想定する。
【0046】
〜合成ゴム被覆〜
フレーム12の繊維強化プラスチックからなる部分20は、熱硬化する非シリコン系の合成ゴム26により被覆されることが好ましい。ただし、非シリコン系の合成ゴムには、物性に影響しない程度に微量のシリコン成分を含む場合もある。
【0047】
硬化温度については、製品製造に用いるオートクレーブ装置において、熱硬化することが好ましい。たとえば、180℃(±20℃)程度で熱硬化することが好ましい。さらに、200℃(±20℃)程度の耐熱性を有することが好ましい。
【0048】
試作モデルでは、エアテックインターナショナル社の製品名「エアパッドゴム」を用いた。エアパッドゴムは、未硬化非シリコン系の合成ゴムであり、加熱により176℃とし、加圧により0.6MPaとし、約2時間で硬化し、204℃の耐熱性を有する。
【0049】
なお、高い耐熱性を有する合成ゴムとして、アクリルゴムACM,ANM、エチレン酢酸ビニルゴムEVA、エピクロルヒドリンゴムCO,ECOなどがある。
【0050】
合成ゴム26の硬化温度域と積層構造20熱硬化性樹脂の硬化温度域とは重なることが好ましい。例えば、合成ゴム26は180℃(±20℃)程度で熱硬化するのに対し、熱硬化性樹脂20も180℃(±20℃)程度で熱硬化する。
【0051】
合成ゴム被覆による効果について説明する。
【0052】
ダイアフラム11はシリコン系材料よりなるが、繊維強化プラスチック積層構造20を含むフレーム12との親和性がよくなく、接着性に課題がある。ダイアフラム11と積層構造20の間に合成ゴム26が介在することにより、接着性が向上する。
【0053】
再使用可能な真空バッグ10は、オートクレーブ装置において繰り返し加温加圧されることを想定している。合成ゴム26が外部からの繰り返しの加熱加圧に対し積層構造20を保護し、積層構造20の劣化を軽減する。
【0054】
合成ゴム26は弾性を有する。真空引きの際には、シール13とともに適度な弾性変形することにより、密封性を確実にする。
【0055】
〜真空バッグ製造方法〜
真空バッグ10の製造方法は、製品としての繊維強化プラスチック積層体の製造方法と類似している。
図4は、真空バッグ10の製造方法説明図である。
【0056】
治具台30上に、未硬化合成ゴムシート27、プリプレグ第1層21、プリプレグ第3層23、プリプレグ第2層22、未硬化合成ゴムシート28、接着フィルム29、ダイアフラム11の順に積層する。未硬化合成ゴムシート27、28はプリプレグ各層21〜23より一回り大きな寸法を有する。未硬化合成ゴムシート27、28はプリプレグ各層21〜23を挟み込み包含する。
【0057】
積層構造20が合成ゴム被覆外と連通可能となるように、積層構造20の四方にトウ(TOW)を配設する。
【0058】
積層完了後、未硬化の真空バッグ10を治具台30とともに真空バックによりバギングし、オートクレーブ装置に搬送し、加熱加圧する。真空バッグ製造時に用いる真空バッグは従来技術でもよい。
【0059】
このとき、合成ゴム26の熱硬化性樹脂の硬化温度域と、積層構造20熱硬化性樹脂の硬化温度域とは重なる(おおよそ同じ)。したがって、オートクレーブ装置にて合成ゴム26および積層構造20の熱硬化性樹脂の硬化温度以上になる様に加熱する。
【0060】
試作モデルでは、加熱により180℃とし、加圧により0.6MPaとし、約2時間維持し、降温減圧させた。
【0061】
常温において合成ゴムは半硬化(通称Bステージ)であるが、およそ180℃程度で硬化する。常温未硬化の積層構造20の熱硬化性樹脂もおよそ180℃程度で硬化する。未硬化合成ゴムシート27、28は合成ゴム26となる。
【0062】
加熱時に積層構造20の熱硬化性樹脂から発生する有機溶剤ガスは、トウを介して合成ゴム被覆外に排出される。
【0063】
降温、減圧しても、合成ゴム26は硬化したままであり、積層構造20の熱硬化性樹脂は硬化したままである。
【0064】
合成ゴム26は積層構造20の熱硬化性樹脂との親和性がよい。また、合成ゴム26はシリコン系材料11とも親和性がよい。
【0065】
一連の加熱加圧により、積層構造20と合成ゴム26とダイアフラム11とが接着しながら一体成形される。なお、一連の加熱加圧において、ダイアフラム11は二次加硫(低分子量シロキサン揮発処理)される。
【0066】
以上のように、製品製造に用いるオートクレーブ装置を用いて、製品製造と類似した工程を経て、真空バッグ10を一体成形することができる。すなわち、容易に製造できる。
【0067】
特に治具台30が既存である場合や自由曲面を有する場合には、上記真空バッグ10の製造容易性は顕著になる(別途詳述)。
【0068】
シール13を別途成形し、フレーム12の下面にフレーム12に沿って接着する。フレーム12は合成ゴム26により被覆されているために容易に接着する。
【0070】
なお、製品に用いるFRPはエポキシ樹脂等、熱硬化性樹脂であることを前提として以下説明するが、熱可塑性樹脂を用いてもよい。熱可塑性樹脂は加熱により軟化するが、冷却により固化する。
【0071】
図5は、製品製造工程における各状態を説明する図面である。真空バッグ10の試作モデルが図示されている。
【0072】
図5上段は、施工前の状態である。治具台30が記載されている。
【0073】
図5中段は、プリプレグシートを積層し、未硬化の繊維強化プラスチック積層体(未硬化積層体)を賦形した状態である。
【0074】
図5下段は、真空バッグ10により未硬化積層体を治具台30とともに覆い、バギングした状態である。
【0075】
その後、オートクレーブ装置に搬送し、加熱加圧プロファイル(
図6)に基づいて加熱加圧する。
【0076】
図6は、オートクレーブ装置における加熱加圧プロファイル例である。横軸は時間である。ただし、一例であり本願はこれに限定されない。
【0077】
まず、真空バッグ内を−0.1MPaに減圧する。減圧状態で加熱を開始する。さらに、減圧を維持しつつ、加圧を開始する。加圧を増しながら減圧状態を徐々に大気圧に戻す。このときの温度を120℃(±10℃)程度とする(第1加熱段階)。また、0.3MPaまで加圧する。
【0078】
さらに、数十分〜数時間かけて、180℃(±20℃)程度とし、数時間維持する(第2加熱段階)。たとえばエポキシ樹脂の場合160℃超にて硬化が開始する。その後、また1時間程度かけて60℃以下まで冷却し、除圧を始める。
【0079】
これにより樹脂が硬化し繊維強化プラスチック積層体(製品)が成形される。治具台30とともにオートクレーブ装置から搬出し、製品を脱型する。脱型には真空バッグ10を治具台30から取り外すことも含む。
【0080】
真空バッグ10のフレーム12は、繊維強化プラスチックからなるため、軽量である。したがって、真空バッグ10の脱着作業が容易であり、作業性に優れる。
【0081】
真空バッグ10のフレーム12は、合成ゴム被覆されており、真空引きの際には、合成ゴム26はシール13とともに適度な弾性変形する。これにより密封性を確実にする。その結果、真空引きの不具合が軽減される。この点でも作業性に優れる。
【0082】
特に治具台30が既存である場合や自由曲面を有する場合には、上記真空バッグ10の優れた作業性は顕著になる(別途詳述)。
図1の例では、フレーム12は、治具台30の自由曲面に対応した形状を有する。
【0083】
〜治具台〜
本願は、治具台30が既存である場合や自由曲面を有する場合に限定されるものではない(新設や平面や単純曲面を含んでもよい)が、治具台30が既存である場合や自由曲面を有する場合には、本願効果が顕著となる。
【0084】
自由曲面とは、空間に交点と曲率をいくつか設定し、高次方程式でそれぞれの交点を補間して表現される曲面である。球体や円柱面などのように単純な数式で表わすことのできる単純曲面とは異なる。
【0085】
なお、航空機や自動車など工業製品は自由曲面を有する。
図5に示す試作モデルに用いた治具台は、自由曲面を有する。また、
図1の例では、フレーム12は、治具台30の自由曲面に対応した形状を有する。
【0086】
自由曲面に対応するように、数値データに基づいて真空バッグを詳細に設計することは手間がかかる。既存治具台の場合、自由曲面の設計データを確認できず、計測により再取得する場合もあり得る。
【0087】
本願真空バッグ(特にフレーム12)は、自由曲面を有する既存治具台上において製造するため、必然的に既存治具台の自由曲面形状に追従する。したがって、設計段階の詳細な検討は不要となり、また、自由曲面の設計データがなくても精度よく製造可能である。
【0088】
また、治具台が自由曲面を有する場合、真空引きの際、真空バックとの間に隙間ができるおそれがある。これに対し、本願真空バッグは精度よく製造されているため、自由曲面に密着する。また、本願真空バッグは合成ゴム26も適宜弾性変形する。この点でも密封性が高い。
【0089】
〜変形例〜
積層構造20において、熱硬化性樹脂を含むプリプレグに代えて、変形例として、比較的高温(たとえば180〜220℃)で軟化する熱可塑性樹脂を含むセミプレグを用いてもよい。比較的高温とは、製品製造時の加熱プロファイル(
図6参照)と比較して高温を意味する。具体例として、ポリカーボネート樹脂PC、ナイロン6樹脂(ポリアミド)PA6、ポリエーテルイミド樹脂PEI、ポリエチレンテレフタラート樹脂PET、ポリフェニレンサルファイド樹脂PPS、ポリエーテルエーテルケトン樹脂PEEKなどを想定する。
【0090】
変形例の製造方法では、本願実施形態製造方法の加熱温度より、若干高温とする。つまり、オートクレーブ装置にて積層構造20の熱可塑性樹脂の軟化温度以上になる様に加熱する。
【0091】
試作モデルでは、加熱により200℃とし、加圧により0.6MPaとし、約2時間維持し、降温減圧させた。
【0092】
常温において合成ゴムは半硬化(通称Bステージ)であるが、およそ180℃程度で硬化する。積層構造20の熱可塑性樹脂はたとえば200℃で軟化し、降温により固化する。一連の加熱加圧により、積層構造20と合成ゴム26とダイアフラム11とが接着しながら一体成形される。
【0093】
以上のように、製品製造に用いるオートクレーブ装置を用いて、製品製造と類似した工程を経て、真空バッグ10を一体成形することができる。すなわち、容易に製造できる。
【0094】
変形例の使用方法は本願実施形態使用方法と同様である。積層構造20の熱可塑性樹脂の軟化温度は比較的高温である。言い換えると、製品製造工程の加熱加圧プロファイル(
図6)における温度では軟化せず、固化状態を維持している。
【0095】
さらに、本願フレーム12は合成ゴム26により被覆されており、積層構造20を保護している。
【0096】
これらより、オートクレーブ装置による繰り返しの加温加圧に耐えることができる。すなわち、変形例の真空バッグ10も再使用可能である。
軽量で作業性に優れ、製造容易な再使用可能な真空バックを提供する。真空バッグ10は、ダイアフラム11と、フレーム12と、シール13とから構成される。フレーム12は繊維強化プラスチック積層構造20よりなる。繊維強化プラスチック積層構造20は熱硬化する非シリコン系の合成ゴム26により被覆される。合成ゴム26の硬化温度域と積層構造20熱硬化性樹脂の硬化温度域とは重なる。その結果、合成ゴム26と積層構造20は一体成形される。同工程において、合成ゴム16はシリコン系のダイアフラム11と接着される。つまり、真空バッグ10は、一体成形により製造容易である。特に、治具台30が自由表面を有する場合、製造容易に係る効果が顕著となる。