樹脂基復合材料的制造方法

專利名稱：樹脂基復合材料的制造方法
技術領域：
本發明涉及樹脂基復合材料的制造方法。
背景技術：
纖維強化樹脂等的樹脂基復合材料為輕量且高強度，因此作為飛機、機動車、船舶等結構構件而被廣泛使用。樹脂基復合材料通常將由通過纖維強化后的樹脂構成的預成型料層疊多張，通過高壓滅菌器等進行加熱·加壓處理而形成。例如，在直升飛機的旋翼翼梁中適用樹脂基復合材料時，要求樹脂基復合材料具 有足以支承離心力產生的拉伸載荷的強度和用于維持旋轉中的葉片維持設計原樣的固有振動頻率(動特性)的剛性的精度。剛性已知與由樹脂基復合材料構成的構件的板厚的立方成比例。因此，為了實現由樹脂基復合材料構成的旋翼翼梁，需要盡量減小板厚的相對于設計值的變動(例如±2%以內)。然而，在通過高壓滅菌器形成的樹脂基復合材料中，由于預成型料自身的板厚的變動、加熱時的樹脂的流動性的變動或與之相伴的樹脂的損失、層疊工序的變動、殘留在層間的空氣層等，板厚的變動有時會大于上述變動的要求值。因此，要求一種能夠嚴格控制樹脂基復合材料的板厚的成形方法。專利文獻I中公開了一種在基體模制構件的成形面上依次接合(層疊)多個預成型料層而形成復合材料的方法。在專利文獻I中，反復進行將規定張數的預成型料接合的工序、將預成型料在室溫程度下進行高壓滅菌壓縮的工序、在高壓滅菌后的層疊體上接合輔助層包來調整板厚的變動的工序，同時形成復合材料。在先技術文獻專利文獻專利文獻I日本特表2000-507517號公報(權利要求1，14頁13行至23頁4行，圖3)發明的概要發明要解決的課題在專利文獻I的形成方法中，按照規定張數進行的預成型料的壓縮在室溫下進行，因此在最終的加熱·加壓處理時，由于樹脂流出，而存在板厚容易變動的問題。

發明內容
本發明目的在于提供一種能夠更高精度地控制樹脂基復合材料的板厚的制造方法。用于解決課題的機構為了解決上述課題，本發明提供一種樹脂基復合材料的制造方法，包括預成型料層疊工序，其中，在規定形狀的夾具上，將由通過纖維強化后的樹脂構成的預成型料層疊至規定的厚度；半成形品形成工序，其中，利用包裝材料將所述層疊后的預成型料和所述夾具覆蓋，對所述包裝材料進行加壓及加熱處理，形成第一半成形品和第二半成形品；板厚計測工序，其中，計測所述第一半成形品及所述第二半成形品的板厚；追加層數確定工序，其中，基于所述計測出的板厚、樹脂基復合材料的所期望的板厚、追加層的物性，來確定該追加層的數目；貼合工序，其中，在設置于所述規定形狀的夾具上的所述第一半成形品與所述第二半成形品之間，形成層疊了所述確定出的數目的追加層的層疊體，利用包裝材料將所述層疊體和所述夾具覆蓋，對該包裝材料進行加壓及加熱處理。本發明的樹脂基復合材料在所期望的形狀的夾具內配置預成型料，在由夾具收納的狀態下對預成型料實施加壓加熱處理，由此制作第一半成形品和第二半成形品。因此，在半產品即半成形品的時刻，能夠抑制相對于設計值的板厚的變動。而且，在第一 半成形品與第二半成形品之間形成配置了追加層的層疊體，并實施加壓化熱處理，來制作產品即樹脂基復合材料。此時，考慮第一半成形品及第二半成形品的板厚、樹脂基復合材料的所期望的板厚、追加層的物性，來確定追加層數。由此，能夠高精度地控制樹脂基復合材料的板厚。另外，本發明的樹脂基復合材料由于使用規定形狀的夾具進行制造，因此具有不需要基于機械加工的部件寬度的調整等這樣的優點。在上述發明中，優選的是，所述夾具由底面夾具和側面夾具構成,在所述底面夾具與所述側面夾具的接觸面上設有樹脂泄漏防止材料。在本發明中，為了得到所期望的形狀的樹脂基復合材料，而使用由底面夾具和側面夾具構成的夾具。這種情況下，在對預成型料實施加壓加熱處理來制作半成形品時，樹脂從夾具彼此的接觸面流出而可能會對板厚變動造成影響。本發明在底面夾具與側面夾具的接觸面上設置樹脂泄漏防止材料來防止樹脂的流出，因此能夠提高板厚控制精度。在上述發明中，優選的是，在所述半成形品形成工序及所述貼合工序的至少一方中，將所述包裝材料內部維持成減壓氣氛而進行加熱處理。通常，在對預成型料實施加壓加熱處理時，在對包裝材料內部進行減壓并從包裝材料外部進行加壓之后，在升溫之前，將包裝材料內部向大氣敞開。然而，在本發明中由于使用夾具，因此殘留于層間的空氣在加壓加熱處理時未向外部排出，或空氣在大氣敞開時發生逆流，可能會殘留在樹脂基復合材料內部。殘留于層間的空氣積存處(微小空隙)成為樹脂基復合材料的強度下降的原因。尤其是貼合工序是將硬化的半成形品彼此粘接的工序，由于大氣敞開而在半成形品與追加層之間容易產生空氣積存處。本發明將包裝材料內部設為減壓氣氛而進行加熱處理，由此能夠容易地將層間的空氣排出。這種情況下，優選在所述層疊后的預成型料或所述層疊體的截面上設有空氣排出機構。在本發明中使用夾具。因此，在預成型料、或半成形品與追加層的層疊體的側面上設置空氣排出機構，可以確保將層間的空氣向外部排出的路徑。發明效果根據本發明，能夠高精度地控制樹脂基復合材料的板厚。而且，能夠抑制層間的微小空隙產生而防止樹脂基復合材料的強度下降。在本發明中，由于使用規定的夾具來制作樹脂基復合材料，可以省略部件寬度的機械加工等的工序，因此有利。


圖I是直升飛機的旋翼翼梁的俯瞰圖。圖2是說明本發明的樹脂基復合材料的制造方法的簡圖。圖3是說明本發明的樹脂基復合材料的制造方法的簡圖。圖4是說明半成形品形成工序中的溫度條件及壓力條件的坐標圖。圖5是說明貼合工序中的溫度條件及壓力條件的坐標圖。
具體實施方式
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使用附圖，說明本發明的樹脂基復合材料的制造方法的一實施方式。圖I是使用樹脂基復合材料制作的直升飛機的旋翼翼梁的俯瞰圖。旋翼翼梁10由通過纖維強化后的樹脂板構成。通過纖維強化后的樹脂板例如為玻璃纖維強化樹脂、碳纖維強化樹脂等。使用圖2至圖5，說明本實施方式的樹脂基復合材料的制造方法。本實施方式的樹脂基復合材料的制造方法包括預成型料層疊工序、半成形品形成工序、板厚計測工序、追加層數確定工序、及貼合工序。(I)預成型料層疊工序(圖2 (a))在夾具20的內側，層疊由通過纖維強化后的樹脂構成的預成型料30。夾具20由底面夾具21和側面夾具22構成。側面夾具22以圍繞預成型料的周圍的方式設置。夾具20與最終產品(例如圖I的旋翼翼梁10)的表面形狀相同。如圖3所示，在底面夾具21與側面夾具22的接觸面上優選設置硅片23作為樹脂泄漏防止材料。需要說明的是，樹脂泄漏防止材料除了硅之外，也可以設為硬化性硅樹脂、耐熱油脂。如圖3所示，在側面夾具22中的與預成型料30接觸的面上可以設置剝離層24作為空氣排出機構。需要說明的是，空氣排出機構除了剝離層等織物之外，也可以是例如特氟絕(注冊商標)涂層脫膜織物(coatedrelease fabric)、多孔狀的膜等。在底面夾具21的與預成型料30接觸的面上，可以配置FEP (四氟化乙烯 六氟化丙烯共聚物樹脂)膜作為脫模片25。此時，脫模片25可以通過噴射漿糊等來固定。預成型料30對應于夾具20的內側的形狀而適當切斷，并配置 層疊在夾具20的內側。在本工序中，考慮在后工序中使用的追加層的數目及膜厚，以在半成形品形成工序中得到的半成形品的厚度t滿足式(I)的方式確定各部位的預成型料的層疊張數。t = (T-dXn)/2…(I)T :旋翼翼梁板厚設計值d :追加層每一張的硬化后的膜厚η :設定追加層數(η為I以上的整數)對應于各部位要求的強度，以纖維成為規定的定向的方式將預成型料配置在夾具內。在圖I的旋翼翼梁10的情況下，在位于兩端部的安裝部11中，在層疊有多張預成型料時，以相對于旋翼翼梁長度方向(圖I的L方向)的各預成型料的纖維的定向方向成為0°、45°、90°的方式配置。各定向方向的預成型料的層疊順序及層疊張數根據要求的強度而適當確定。在旋翼翼梁的軸部12中，以相對于長度方向L的纖維的定向方向主要成為0°的方式配置并層疊預成型料。(2)半成形品形成工序(圖2(b))對層疊在夾具20內側的預成型料30實施熱壓縮處理，對層間進行加熱粘接。在預成型料30上配置剝離層31及脫模片(FEP膜)32。脫模片32可以通過噴射漿糊等來固定。而且，在預成型料30上配置表面平滑的模具(壓板) 33。如圖2(b)所示，通過通氣布34及薄膜袋(包裝材料)35覆蓋底面夾具21 的上表面、側面夾具22、及壓板33。薄膜袋35通過密封膠帶36而固定于底面夾具21。圖4表示說明半成形品形成工序中的熱壓縮處理時的溫度條件及壓力條件的坐標圖。圖4(a)表示預成型料的溫度，圖4(b)表示高壓滅菌器內部的壓力，圖4(c)表示薄膜袋內部的壓力。通過設置在薄膜袋35與底面夾具21之間的脫氣回路(未圖示)，對由薄膜袋35覆蓋的區域內部進行排氣。此時，薄膜袋內部的壓力相對于大氣壓(101.325kPa)而成為-101. 3kPa 至-74. 7kPa(即，O. 025kPa 至 26. 625kPa)左右的減壓氣氛(參照圖 4(c))。將薄膜袋35內部被減壓后的夾具20搬入高壓滅菌器內。在薄膜袋35內部被減壓的狀態下，將高壓滅菌器內部加壓為588kPa至686kPa左右(參照圖4(b))。在高壓滅菌器內部在上述壓力下穩定之后，將高壓滅菌器內部(預成型料)的溫度從室溫升溫至樹脂能夠流動的溫度區域(參照圖4(a))。例如在作為樹脂而使用了 180°C硬化型環氧樹脂的預成型料的情況下，升溫為95°C至100°C。升溫速度為3°C /分鐘以下。通過將升溫速度設為上述范圍，能夠確保預成型料整體的溫度均勻性。需要說明的是，考慮到半成形品形成工序的所需時間時，升溫速度優選設為1°C /分鐘以上。在達到了樹脂的軟化溫度之后，將高壓滅菌器內部以4小時以上且6小時以下的條件進行保持。在保持后，對高壓滅菌器內部以降溫速度3°C/分鐘以下進行降溫。需要說明的是，考慮到半成形品形成工序的所需時間時，降溫速度優選設為1°C/分鐘以上。在高壓滅菌器內部達到60°C的時刻，將高壓滅菌器內部敞開(B卩，形成為大氣壓)。在高壓滅菌器內部的溫度變得穩定或者成為50°C以下的時刻，將薄膜袋內部的壓力設為大氣壓。通過本工序，能得到利用加壓·加熱對預成型料進行了層間粘接的半成形品。在本實施方式中，相對于I個樹脂基復合材料產品，而制作出2個以上的半成形品O在本實施方式中，通過在底面夾具與側面夾具之間配置硅片，而在熱壓縮處理時，樹脂不會向夾具外側流出。通過在樹脂能夠流動的溫度區域實施熱壓縮處理，而預成型料實現一體化且形狀穩定。因此，在半成形品的時刻，能抑制相對于設計值的板厚的變動。另外，在預成型料側面設置剝離層，將薄膜袋內維持為真空而進行熱壓縮處理，因此將積存在層間的空氣在處理時向外部排出，從而抑制層間的空氣積存發生。(3)板厚計測工序對半成形品的規定部位的板厚進行計測。板厚計測既可以使半成形品從夾具脫模后進行，也可以在設置于夾具內的狀態下進行。通過上述的預成型料層疊工序及半成形品形成工序而得到的半成形品的各部位的板厚相對于上式(I)而成為±5%左右的變動。(4)追加層數確定工序考慮在板厚計測工序中計測到的半成形品的各部位的板厚、樹脂基復合材料產品的板厚設計值、及追加層的物性，確定追加層數(式(I)中的η)。即，在本工序中，必然選擇I張以上的追加層數。作為追加層的物性，存在有追加層的材質(例如，樹脂的種類等)、在各種溫度下硬化時的膜厚變動等。在本工序中，也可以預先對追加層的物性進行數據庫化，對應于產品的規格而能夠適當選擇。(5)貼合工序(圖2 (C)及圖2 (d))如圖2(c)所示，在與預成型料層疊工序中使用的夾具為相同形狀的夾具41a內設置的I個半成形品40a的平坦面(半成形品形成工序中載置壓片的面)上，層疊所確定的·張數的追加層42。與預成型料層疊工序中使用的夾具為相同形狀的夾具41b內設置的另一半成形品40b以平坦面進行接觸的方式設置在追加層42上，從而形成層疊體43。如圖2(d)所示，在層疊體43的側面上配置側面夾具44。在層疊體43與側面夾具44接觸的面上優選設置剝離層45。夾具41a的上表面、夾具41b、側面夾具44由通氣布46及薄膜袋47覆蓋。薄膜袋47通過密封膠帶48而固定于夾具41a。圖5是表示貼合工序中的加壓加熱處理的溫度條件及壓力條件的一例的坐標圖。圖5(a)表示層疊體的溫度，圖5(b)表示高壓滅菌器內部的壓力，圖5(c)表示薄膜袋內部的壓力。通過設置在薄膜袋47與夾具41a之間的脫氣回路(未圖示)，對由薄膜袋47覆蓋的區域內部進行排氣。此時，薄膜袋內部的壓力相對于大氣壓(101.325kPa)而成為-101. 3kPa 至-74. 7kPa(即，O. 025kPa 至 26. 625kPa)左右的減壓氣氛(參照圖 5(c))。將薄膜袋47內部被減壓后的夾具搬入高壓滅菌器內。在薄膜袋47內部被減壓的狀態下，對高壓滅菌器內部進行加壓(參照圖5(b))。在將高壓滅菌器內部加壓成588kPa至686kPa左右而穩定之后，將高壓滅菌器內部(層疊體)的溫度從室溫升溫至樹脂的硬化溫度。例如在作為樹脂而使用180°C硬化型環氧樹脂的預成型料的情況下，升溫成175°C至180°C。在圖5(a)中，升溫速度設定為2個階段，在從室溫到120°C為TC /分鐘以下，在從120°C到樹脂硬化溫度為O. 5°C /分鐘以下。通過設為這種升溫條件，能夠確保高效率的生產和產品的均質性。升溫速度在到硬化溫度之前可以恒定。在升溫速度恒定時，可以設為O. 5°C/分鐘以下。需要說明的是，若考慮到貼合工序的所需時間，則升溫速度優選設為O. 25°C /分鐘以上。在到達了硬化溫度之后，將高壓滅菌器內部以2小時以上且2. 5小時以下的條件進行保持。在保持之后，對高壓滅菌器內部以降溫速度:TC/分鐘以下進行降溫。需要說明的是，若考慮貼合工序的所需時間，則降溫速度優選設為rc/分鐘以上。在高壓滅菌器內部到達60°C的時刻，使高壓滅菌器敞開而使內部成為大氣壓。而且，在高壓滅菌器內部的溫度變得穩定或成為50°C以下的時刻，將薄膜袋內部的壓力設為大氣壓。在將夾具從高壓滅菌器搬出之后，將樹脂基復合材料從夾具脫模。在制造例如旋翼翼梁那樣兩端的安裝部11相對于軸部12處于扭轉關系的構件時，將硬化的半成形品與追加層層疊而進行高壓滅菌處理，由于扭轉部(例如旋翼翼梁的安裝部)的半成形品與追加層的貼合面的形狀的不一致，而在貼合面上容易生成空氣積存處。而且，當扭轉部存在時，在夾具與半成形品之間產生間隙，扭轉部的加壓可能變得不充分。由于這些原因，貼合面容易產生空氣積存處，樹脂基復合材料的強度會下降。在本工序中，如上述那樣在層疊體的側面配置剝離層而實施加壓加熱處理，因此貼合面的空氣容易向外部排出。因此，能夠抑制微小空隙的發生，從而提高樹脂基復合材料的品質。符號說明10旋翼翼梁11安裝部12 軸部
20、41a、41b 夾具21底面夾具22、44側面夾具23 硅片24、31、45 剝離層25、32 脫模片30預成型料33 壓片34、46 通氣布35、47薄膜袋(包裝材料)36、48密封膠帶40a、40b 成形體42追加層43層疊體
權利要求
1.一種樹脂基復合材料的制造方法，包括 預成型料層疊工序，其中，在規定形狀的夾具上，將由通過纖維強化后的樹脂構成的預成型料層疊至規定的厚度； 半成形品形成工序，其中，利用包裝材料將所述層疊后的預成型料和所述夾具覆蓋，對所述包裝材料進行加壓及加熱處理，形成第一半成形品和第二半成形品； 板厚計測工序，其中，計測所述第一半成形品及所述第二半成形品的板厚； 追加層數確定工序，其中，基于所述計測出的板厚、樹脂基復合材料的所期望的板厚、追加層的物性，來確定該追加層的數目； 貼合工序，其中，在設置于所述規定形狀的夾具上的所述第一半成形品與所述第二半成形品之間，形成層疊了所述確定出的數目的追加層的層疊體，利用包裝材料將所述層疊 體和所述夾具覆蓋，對該包裝材料進行加壓及加熱處理。
2.根據權利要求I所述的樹脂基復合材料的制造方法，其中， 所述夾具由底面夾具和側面夾具構成，在所述底面夾具與所述側面夾具的接觸面上設有樹脂泄漏防止材料。
3.根據權利要求I或2所述的樹脂基復合材料的制造方法，其中， 在所述半成形品形成工序及所述貼合工序的至少一方中，將所述包裝材料內部維持成減壓氣氛而進行加熱處理。
4.根據權利要求3所述的樹脂基復合材料的制造方法，其中， 在所述層疊后的預成型料或所述層疊體的截面上設有空氣排出機構。
全文摘要
本發明提供一種能夠更高精度地控制樹脂基復合材料的板厚的制造方法。樹脂基復合材料的制造方法具備在規定形狀的夾具(20)上，將預成型料(30)層疊至規定的厚度的工序；利用包裝材料(35)將層疊后的預成型料(30)和夾具(20)覆蓋，進行加壓加熱處理，形成第一半成形品(40a)和第二半成形品(40b)的工序；計測第一半成形品(40a)及第二半成形品(40b)的板厚的工序；基于計測出的板厚、樹脂基復合材料的所期望的板厚、追加層(42)的物性，來確定追加層(42)的數目的工序；在設置于規定形狀的夾具(41a、41b)上的第一半成形品(40a)與第二半成形品(40b)之間，形成層疊了規定張數的追加層(42)的層疊體(43)，利用包裝材料(47)將層疊體(43)和夾具(41a、41b、44)覆蓋，進行加壓加熱處理的工序。
文檔編號B29C70/06GK102958679SQ20118003119
公開日2013年3月6日 申請日期2011年6月3日 優先權日2010年7月15日
發明者服部英敬, 堀苑英毅, 佐藤貴章, 矢崎忠 申請人:三菱重工業株式會社