JP2006123403A

JP2006123403A - 繊維強化複合材料成形用マンドレル

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Publication number: JP2006123403A
Application number: JP2004315957A
Authority: JP
Inventors: Masashi Manabe; 賢史真鍋; Nobuo Asahara; 信雄浅原; Koji Kotani; 浩司小谷
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2004-10-29
Filing date: 2004-10-29
Publication date: 2006-05-18

Abstract

【課題】複合材料製非真直部材の成形を行うに際して、賦形工程を容易にできるとともに、賦形中に繊維の皺や不都合な折れ曲がりが生じにくく、寸法の安定性、変形容易性に優れるマンドレルを提供する。
【解決手段】長手方向の中間部にすくなくとも一つの表層が低弾性材料からなる変形部と高弾性材料からなる非変形部を有する繊維強化複合材料成形用マンドレルであって、２５℃〜２００℃の温度範囲内の特定温度以上に昇温することで変形部の形状変化によりマンドレル形状変化を引き起こし、形状変化後は５℃〜２００℃の温度範囲内で温度を変化させてもその形状を維持することを特徴とする、繊維強化複合材料成形用マンドレル。
【選択図】図２

Description

本発明は、繊維強化複合材料の成形用マンドレルに関し、特に繊維強化複合材料製非真直部材を製造する際に好適なマンドレルに関する。本発明において、繊維強化複合材料成形用マンドレルとは繊維積層体製造工程（以下、賦形という）の賦形中または、繊維強化プラスチックの成形中にその形状を維持させる型をいう。

複合材料製構造材料の成形における、中でも、輸送機器などの構造部材の成形においては、あらかじめ樹脂を含浸させた強化繊維基材（以下、プリプレグと記す）を型に積層配置しフィルムで包んで、加圧、加温を行うオートクレーブで成形を行う方法が一般的であるが、近年では低コスト化の一手法として、ドライの強化繊維基材を型に積層配置した後、フィルムで包んで真空状態にし大気圧を利用して樹脂を注入する真空補助レジントランスファーモールディング成形法（以下、ＶａＲＴＭ成形法と記す）などのリキッドレジンモールディング成形法が注目されている。

いずれの成形法においてもプリプレグやドライの強化繊維基材を積層配置する場合、常温で行うことが一般的である。

プリプレグでは予め樹脂を含んでおり強化繊維が拘束されているため、賦形の自由度が低く、特に両端面の投影面が重ならないような部材（以下、非真直部材と記す）を成形する際は、型の形状が複雑なため、プリプレグが追従し難く積層が困難である。

またドライの強化繊維基材に関しても、基材間で抵抗を受けるため、繊維の折れ曲がりが生じやすいと言う問題があった。

特許文献１には、非真直型に形状記憶させ、真直形状に変形させた形状記憶合金製マンドレルにプリプレグを積層し、記憶形状発現温度へ加温し、マンドレルが記憶していた元の形状にもどる性質を利用してマンドレルを非真直形状に変形させ、オートクレーブ成形を行う方法が開示されている。しかしながら、成形のたびにマンドレル全体を真直形状に変形させる必要があり、マンドレルの剛性が高いため真直形状への変形の容易性に問題がある。

特許文献２には、プリプレグをエラストマー系の材料で所要形状に形成したマンドレルに積層させて、オートクレーブ成形する方法が開示されているが、マンドレルに積層させてからフィルムで包み、真空圧により、常温でマンドレルを変形させた場合、マンドレル表面のすべりにくさからプリプレグがマンドレル形状に追従しづらく、また、プリプレグ自身も常温では軟化していないため、皺や不都合な折れ曲がりが生じやすい。また成形中のマンドレルの剛性が低く容易に変形しやすいため、寸法が安定せず、寸法精度に問題がある。

特許文献３には、複合材料に関する外板と桁構造材の一体成形において、曲面を有する外板成形型にプリプレグを置き、エラストマー系の材料でできたパットにプリプレグを積層して、曲面を有する外板に配置し、桁構造材の上部を所要の形状をした金属製冶具を用いて固定した後、オートクレーブ成形する方法が開示されている。この方法は冶具を用いて上部を拘束するため高さ方向において寸法は安定するが、側面は剛性の低いエラストマー系マンドレルのみで拘束しているため、寸法が安定しない場合があり、幅方向における寸法精度に問題がある。また、桁材の断面方向の曲面形状を成形するにおいては、長手方向に一様にマンドレル断面が変形するため好的であるが、長手方向の変形においては特許文献２と同様に常温でのプリプレグのマンドレル形状に対する追従しづさから皺や不都合な折れ曲がりが生じやすい。
特開昭５９−１１８８２９号公報特開昭５５−０４１２１０号公報特開平０３−２７２８２９号公報

そこで本発明の課題は、複合材料製非真直部材の成形を行うに際して、賦形工程を容易にできるとともに、賦形中に繊維の皺や不都合な折れ曲がりが生じにくく、寸法の安定性、変形容易性に優れるマンドレルを提供することにある。

（１）長手方向の中間部に、表層が低弾性材料からなる変形部と、高弾性材料からなる非変形部を有する繊維強化複合材料成形用マンドレルであって、２５℃〜２００℃の温度範囲内の特定温度以上に昇温することで変形部の形状変化によりマンドレル形状変化を引き起こし、形状変化後は温度を変化させてもその形状を維持することを特徴とする、繊維強化複合材料成形用マンドレル。
（２）変形部の内部に少なくとも１片の形状記憶合金を有し、かつ、変形部を挟む少なくとも２箇所の高弾性材料部材のそれぞれ一カ所以上に形状記憶合金が固定されており、形状記憶合金の記憶形状発現温度で形状変化を引き起こす（１）に記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
（３）形状記憶合金としてワイヤー状または薄板状のものを用いることを特徴とする、（１）〜（２）のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
（４）変形部を挟む二つの高弾性材料部材どうしを投影面上の一カ所においてヒンジで接続することを特徴とする、（１）〜（３）のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
（５）ヒンジ部を避けて形状記憶合金を配置することを特徴とする、（１）〜（４）のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
（６）変形部と非変形部が機械的に接合していることを特徴とする、（１）〜（５）のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
（７）（１）〜（６）のいずれかに記載のマンドレルを用いた繊維強化複合材料の成形方法。

本発明に係る形状記憶合金製ワイヤーを用いた強化繊維基材賦形用または繊維強化複合材料成形用マンドレルによれば、複合材料製非真直型部材の成形を行うに際して、賦形工程を容易にできるとともに、賦形中に繊維の皺や不都合な折れ曲がりが生じにくくできるようになる。

以下に本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照しながら、説明する。
図１は本発明の一実施態様に係わるマンドレルの変形部と該変形部を挟む非変形部の一部を示している（以下、形状記憶合金挿入部と記す）。図１において１は高弾性材料を示しており、２つの高弾性材料の中間部分では２の低弾性材料が少なくとも表層に配置されている。さらに２つの高弾性材料には全体に孔が貫通しておりあらかじめ引張ひずみを与えた形状記憶合金３が通っている。形状記憶合金の端部は固定部４で固定されている。図２は図１の低弾性材料を配置していない状態の形状記憶合金挿入部を示しており、２つの高弾性材料１はヒンジ部５で接続されている。

本発明において、マンドレルの形状変形とは、マンドレル両端面の投影面どうしの位置がずれるような変形を言う。また変形部とは、マンドレルにおいてマンドレルの形状変化を起こさせる変形をする部分を言い、非変形部とはそれ自体は変形しないせず、変形部の変形に追従する部分を言う。

マンドレルの長手方向の中間部にある変形部の表層は低弾性材料で構成される必要がある。また、本発明において、低弾性材料とは形状記憶合金の形状回復効果によって、マンドレルの形状に影響を及ぼす程度の変形を生じる材料をいい、また高弾性材料は形状記憶合金の形状回復効果によりマンドレルの形状に影響を及ぼす変形を生じない材料をいう。かかる観点から、非変形部に用いられる高弾性材料１は、成形温度下において成形品の寸法精度の観点から、弾性率が６０ＧＰａ〜３００ＧＰａであることが好ましく、上限に関しては特に制限しないが、現在、入手できるものを考慮して３００ＧＰａとした。また、低弾性材料２としては、高弾性材料より弾性率が低いことが必要であることから弾性率０．１ＧＰａ〜６０ＧＰａが好ましい。さらには形状記憶合金の回復応力で容易に変形する必要があることから０．１ＧＰａ〜４０ＧＰａであることが好ましい。

マンドレルは少なくとも１箇所の変形部を有することが必要であり、変形部を変形させ全体の変形を促すために、その内部に少なくとも１片の形状記憶合金を有し、かつ、変形部を挟む少なくとも２箇所にあらかじめ引張ひずみを与えた形状記憶合金３が固定されていることが好ましい。形状記憶合金の固定は形状変化時に変形しないように、固定部４において溶接で接着するのが好ましい。形状記憶合金の種類はなんら限定されるものではなく、例えば、Ｔｉ−Ｎｉ合金、Ｃｕ合金（Ｃｕ−Ｚｎ−Ａｌ合金、Ｃｕ−Ｚｎ−Ｎｉ合金）、Ｆｅ合金を使用することができる。与える引張ひずみは回復応力の観点から１％以上が望ましく、形状記憶精度を考慮すると５％以下が好ましい。

マンドレルが形状変化を引き起こす温度は、上記形状記憶合金３の記憶形状発現温度になる。温度としては強化繊維基材の賦形や成形の観点から４０〜８０℃が好ましく、５０〜７０℃であれば更に好ましい。形状記憶合金の記憶形状を完全に発現させるために成形温度より１０℃以上低いことが好ましい。上記形状記憶合金３はワイヤー状または薄板状のものを用いることが好ましく、ワイヤー状のものでは使用後の変形の容易性からΦ３．０ｍｍ以下が好ましい。さらに、回復応力の観点から，Φ１．０ｍｍ以上のものが好ましい。また薄板状のものも使用後の変形の容易性から断面積が７．０ｍｍ^２以下のものが望ましく、さらに回復応力の観点から１．０ｍｍ^２以上のものが好ましい。また、賦形しようとする基材の厚さや、形状による変形しにくさを考慮して複数本を同時にセットして使用しても良い。

本発明においてヒンジ部とは、長手方向に平行なある軸または面上において、二つの高弾性材料１の一部どうしを接続し、長手方向の変形のみを固定した点または領域を言う。マンドレルの形状変化精度を挙げるためには、一つの変形部につき、二つの高弾性材料体どうしを投影面上の一カ所においてヒンジ部５で接続することが好ましい。ヒンジの形状はなんら限定するものではないが、ヒンジ部の大きさとしては変形精度を考慮して断面の中心から、断面積の６０％未満の面積範囲に収めるのが好ましく、ヒンジ部の中心とマンドレル断面の中心を一致させるのが好ましい。

マンドレルの形状変化を促すためにヒンジ部５を含む線または面を避けて形状記憶合金を配置することが好ましい。ヒンジ部５を含む線または面から形状記憶合金の配置位置までの距離は特に限定しないが、形状記憶合金による変形精度を考慮すると、表面までの距離の６０％以上が好ましい。

図３は本発明の一実施態様に係わるマンドレルの側面図を示しており、図４は図３の形状変化後の状態を示している。図１の二つの形状記憶合金挿入部を互いに反対にして接合し、その両端面に非挿入部６が接合してある。非挿入部６の材質は変形部の変形部に用いられる材料は高弾性材料１と同様に成形温度環境下における成形品の寸法精度の観点から、弾性率６０ＧＰａ以上のものが好ましい。

また、形状記憶合金挿入部と非挿入部は、非挿入部を交換することでマンドレル形状を多様化できるため機械的に接合していることが好ましい。接合方式はなんら限定されるものではなく、とりはずしの容易性などから、例えばボルト接合であってもよい。

高弾性材料１と形状記憶合金非挿入部６にアルミニウム（弾性率７０ＧＰａ）、低弾性材料２にシリコンゴム（弾性率０．１ＧＰａ）、形状記憶合金製ワイヤー３に記憶形状発現温度が４０℃〜５０℃のＮｉ−Ｔｉ合金製のものを用いて、図２に示したようなマンドレルを製作した。全体寸法は断面７０ｍｍ×５０ｍｍ，長さ５００ｍｍで、高弾性材料１は長さ７０ｍｍ、変形部長さはそれぞれ６ｍｍでヒンジ部断面はマンドレル断面の中心から３０ｍｍ×３０ｍｍの大きさにし、その周囲表層をシリコンゴムで覆った。形状記憶合金製ワイヤーは１４５．７ｍｍの長さのものを１４６ｍｍに引き延ばし、マンドレル表面から５ｍｍの位置に挿入し、端部を溶接した。高弾性材料１と形状記憶合金非挿入部６は８ｍｍ径の埋め込みボルトを用いて接合した。

東レ（株）性炭素繊維Ｔ８００Ｓ（ＰＡＮ系炭素繊維、２４，０００フィラメント、繊度１，０３０ｔｅｘ、引張強度５，９００ＭＰａ、引張弾性率２９５ＧＰａ、破断伸度２．０％、破壊歪エネルギー５９ＭＪ／ｍ^３）の一方向織物（目付１９０ｇ／ｍ^２）にＰＥＳとエポキシからなる高靭性化樹脂粒子を分散した強化繊維基材を、断面７０ｍｍ×５０ｍｍ，長さ５００ｍｍ、各隅が径５ｍｍにＲ加工した直方体マンドレルに疑似等方性配向の積層構成になるように８枚を３つの面に沿わせて積層し、スチール製平板に配置してフィルムで密閉し、真空引きした後、８０℃で１時間加熱して、Ｃ型プリフォームとした。その後、２体のＣ型プリフォームを互いに背中合わせにし、該強化繊維基材を間に詰め、さらに該強化繊維基材を０度／＋４５度／９０度／−４５度／０度に積層した１００ｍｍ×７００ｍｍの積層体を重ねて、再びフィルムで密閉して真空引きし、８０℃で１時間加熱し、Ｉ型プリフォームとした。

次に幅１５０ｍｍ、長さ５００ｍｍ、長さ方向の中央部１４０ｍｍの部分に１／１００のテーパーを有するスチール製冶具に上記Ｉ型プリフォームを配置し、上記のマンドレルでＩ型断面の両側を挟み、フィルムで密閉して真空引きした後、６０℃まで昇温し、マンドレルの変形を確認してからエポキシ樹脂を注入した。注入完了後１３０℃に昇温して２時間放置し硬化させた。冷却後、マンドレルを取り外し、下型冶具から、成形品を取り出した。テーパーを有するスキン板にＩ型断面桁構造材を繊維に皺や不都合な折れ曲がりを生じることなく追従させ、成形できることが確認できた。

このような繊維強化複合材料成形用マンドレルは、とくに非真直型の繊維強化複合材料製部材の成形において好適に利用できるが、本発明の活用はこれに限定されるものではない。

本発明の一実施態様に係わるマンドレルの変形部と該変形部を挟む非変形部の一部を示す概略図本発明の一実施態様に係わるマンドレルヒンジ部と該変形部を挟む非変形部の一部を示す概略図本発明の一実施態様に係わる形状変化前のマンドレルの側面図を示す概略図本発明の一実施態様に係わる形状変化後のマンドレルの側面図を示す概略図

符号の説明

１：高弾性材料
２：低弾性材料
３：形状記憶合金ワイヤー
４：固定部
５：ヒンジ部
６：形状記憶合金非挿入部

Claims

長手方向の中間部に、表層が低弾性材料からなる変形部と、高弾性材料からなる非変形部を有する繊維強化複合材料成形用マンドレルであって、２５℃〜２００℃の温度範囲内の特定温度以上に昇温することで変形部の形状変化によりマンドレル形状変化を引き起こし、形状変化後は温度を変化させてもその形状を維持することを特徴とする、繊維強化複合材料成形用マンドレル。
変形部の内部に少なくとも１片の形状記憶合金を有し、かつ、変形部を挟む少なくとも２箇所の高弾性材料部材のそれぞれ一カ所以上に形状記憶合金が固定されており、形状記憶合金の記憶形状発現温度で形状変化を引き起こす請求項１に記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
形状記憶合金としてワイヤー状または薄板状のものを用いることを特徴とする、請求項１〜２のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
変形部を挟む二つの高弾性材料部材どうしを投影面上の一カ所においてヒンジ部で接続することを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
ヒンジ部を避けて形状記憶合金を配置することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
形状記憶合金挿入部と非挿入部が機械的に接合していることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材料成形用マンドレル。
請求項１〜６のいずれかに記載のマンドレルを用いた繊維強化複合材料の成形方法。