FRP成形系统和方法与流程

本发明涉及将圆弧状的大型frp零件成形的frp成形系统和方法。

背景技术：

纤维增强复合材料例如cfrp(碳纤维增强塑料)为比铁、铝等金属材料更低密度，并且力学特性优异，比强度高，具有轻且硬的特点。因此近年来，作为代替铝合金的构造材料，在航空器、小型船舶、汽车等中使用。以下，将纤维增强复合材料简称为“frp”。

例如，航空器的构造物(躯干、舱口、机翼等)此前将铝合金彼此通过铆钉接合。然而，使用铆钉的接合操作性差，且如果适用于纤维增强复合材料，则由于切断内部的纤维，故拉伸强度极度下降。于是，例如可考虑使用专利文献1的手段来制造大型frp成形品。

专利文献1的“frp成形品的制造方法”在表面垫上将包含热塑性树脂和增强纤维的薄片状的frp原材料以重叠的方式载放，使用加热装置加热。之后，将frp原材料保持载放于表面垫，搬运并放置于冲压机的模具。而后，使用该冲压机将重叠的frp原材料和表面垫加压，制造增强纤维和表面垫通过热塑性树脂一体化的frp成形品。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-009396号公报。

技术实现要素：

发明要解决的课题

将航空器的躯干这样的大型frp零件(半径在1m以上的圆弧状的frp零件)成形的情况下，在上述的专利文献1中，存在以下的问题点。(1)需要能够加压大型frp零件的大型的模具和大型的冲压机。(2)将圆弧状的frp零件成形的情况下，为了成形品的均匀化，需要在与frp零件的圆弧正交的半径方向上加压。然而，该情况下，对frp零件的圆弧在半径方向上加压的模具，构造变得复杂。

本发明是为了解决上述的问题点而独创的发明。即，本发明的目的在于提供frp成形系统和方法，其能够将圆弧状的frp零件(例如大型frp零件)不使用大型或者复杂的模具而对圆弧在半径方向上加压，将整体均匀地成形。

用于解决课题的方案

依据本发明，提供了frp成形系统，其为将层叠有多个预浸料的板状的frp原材料成形而制造圆弧状的frp零件的frp成形系统，具备：圆弧状的内表面夹具板，具有与前述frp零件的内表面形状嵌合的外表面；圆弧状的外表面夹具板，具有与前述frp零件的外表面形状嵌合的内表面；部分冲压装置，将在前述内表面夹具板与前述外表面夹具板之间夹有前述frp原材料的一体夹具板的一部分在与前述frp零件的圆弧正交的半径方向上间歇性压缩而部分地成形前述frp零件；和搬运装置，间歇性移动基于前述部分冲压装置的前述一体夹具板的压缩部分。

另外，依据本发明，提供了frp成形方法，其为将层叠有多个预浸料的板状的frp原材料成形而制造圆弧状的frp零件的frp成形方法，具有：夹具准备工序，准备具有与前述frp零件的内表面形状嵌合的外表面的圆弧状的内表面夹具板、和具有与前述frp零件的外表面形状嵌合的内表面的圆弧状的外表面夹具板；夹具一体化工序，在前述内表面夹具板与前述外表面夹具板之间夹住前述frp原材料而形成一体夹具板；部分冲压工序，将前述一体夹具板的一部分在与前述frp零件的圆弧正交的半径方向上间歇性压缩而部分地成形前述frp零件；和搬运工序，间歇性移动基于前述部分冲压工序的前述一体夹具板的压缩部分；重复前述部分冲压工序和前述搬运工序。

发明效果

依据本发明，在部分冲压工序中，将在内表面夹具板与外表面夹具板之间夹有frp原材料的一体夹具板的一部分间歇性压缩而部分地成形frp零件，在搬运工序中，间歇性移动一体夹具板的压缩部分。因而，通过重复部分冲压工序和搬运工序，从而能够以小型的模具成形并制造圆弧状的frp零件(例如大型frp零件)。

另外，在部分冲压工序中，将一体夹具板的一部分在与frp零件的圆弧正交的半径方向上压缩(加压)，因而不使用复杂的模具而能够均匀地成形frp零件的整体。

附图说明

图1a是依据本发明制造的frp零件的代表性立体图。

图1b是在轴向的中间具有形状变化部的frp零件的侧视图。

图1c是在周向的端部具有形状变化部的frp零件的端视图。

图2a是内表面夹具板和外表面夹具板的代表性立体图。

图2b是具有与frp零件的轴向的中间的形状变化部对应的形状变化部的内表面夹具板和外表面夹具板的侧视图。

图2c是具有与frp零件的周向的端部的形状变化部对应的形状变化部的内表面夹具板和外表面夹具板的端视图。

图3a是在图2a的内表面夹具板与外表面夹具板之间夹有frp原材料的一体夹具板的代表性立体图。

图3b是在图2b的内表面夹具板与外表面夹具板之间夹有frp原材料的一体夹具板的侧视图。

图3c是在图2c的内表面夹具板与外表面夹具板之间夹有frp原材料的一体夹具板的端视图。

图4a是示出frp原材料的形状变化部的图。

图4b是示出frp零件的形状变化部的图。

图5a是依据本发明的frp成形系统的主视图。

图5b是图5a的侧视图。

图6a是上模的温度分布的说明图。

图6b是下模的温度分布的说明图。

图7是依据本发明的frp成型方法的整体流程图。

具体实施方式

以下，基于附图，详细地说明本发明的实施方式。此外，在各图中对共通的部分附加相同的符号，省略重复的说明。

图1a至图1c是依据本发明制造的frp零件3的说明图。依据本发明制造的frp零件3是半径在1m以上的圆弧状的frp零件3。作为示例，图1a是frp零件3的代表性立体图，图1b是在轴向的中间具有形状变化部4a的frp零件3的侧视图，图1c是在周向的端部具有形状变化部4b的frp零件3的端视图。

“半径在1m以上的圆弧状的frp零件3”意味着航空器的躯干那样的大型frp零件。半径为例如2m，但还可以为1至10m。轴长(轴向长度)为例如8m，但还可以为10cm至20m。

“圆弧状”是指如图1a所示，例如半径恒定的圆弧，但也可以并非严格地恒定，而是部分地或连续地变化。圆弧的周向角度(圆弧角)优选为180度以下，但只要不与后述的冲压机床身24干涉，也可以超出180度。

另外，frp零件3的半径方向的厚度优选为恒定的，但也可以部分地或连续地变化。例如，也可以包含航空器的躯干的窗框和门部分。

此外，形状变化部4a、4b的形状设定为使得后述的内表面夹具板10和外表面夹具板12在与frp零件3的圆弧正交的半径方向上移动时，不与内表面夹具板10和外表面夹具板12干涉。

本发明的frp成形系统100使用内表面夹具板10和外表面夹具板12。

图2a至图2c是内表面夹具板10和外表面夹具板12的说明图。作为示例，图2a是内表面夹具板10和外表面夹具板12的代表性立体图。另外，图2b是具有与frp零件3的轴向中间的形状变化部4a对应的形状变化部11a的内表面夹具板10和外表面夹具板12的侧视图。另外，图2c是具有与frp零件3的周向端部的形状变化部4b对应的形状变化部11b的内表面夹具板10和外表面夹具板12的端视图。

内表面夹具板10和外表面夹具板12分别为圆弧状的部件。内表面夹具板10和外表面夹具板12由金属或高耐热树脂(例如聚酰亚胺)组成，具有在frp零件3的成形时不会塑性变形的特性。此外，内表面夹具板10和外表面夹具板12也可以在frp零件3的成形时弹性变形。

如图2a所示，内表面夹具板10具有与frp零件3的内表面形状3a嵌合的外表面10b。另外，外表面夹具板12具有与frp零件3的外表面形状3b嵌合的内表面12a。此外，“嵌合”是指互为公母的形状，意味着在密接时在其之间不产生缝隙的关系。

另外，内表面夹具板10和外表面夹具板12具有与其之间的frp零件3的板厚变化和曲率变化对应的表面形状。作为示例，在图2b中，内表面夹具板10具有与frp零件3的轴向中间的形状变化部4a对应的形状变化部11a。另外，在图2c中，内表面夹具板10具有与frp零件3的周向端部的形状变化部4b对应的形状变化部11b。

本发明的frp成形系统100为将层叠有多个预浸料1的板状的frp原材料2成形而制造半径在1m以上的圆弧状的frp零件3的装置。

“预浸料1”是指使树脂浸渍于由增强纤维(例如玻璃纤维、碳纤维)组成的基材的中间原材料。在本发明中，树脂优选为热塑性树脂，但也可以是热固性树脂。成形前的树脂在热塑性树脂中固化，在热固性树脂中软化(未硬化)。

本发明的frp成形系统100使用在内表面夹具板10与外表面夹具板12之间夹有frp原材料2的一体部件(以下，“一体夹具板14”)。

图3a至图3c是一体夹具板14的说明图。在该图中，在内表面夹具板10与外表面夹具板12之间，在图2a至图2c中的frp零件3的位置夹持有frp原材料2。

图3a是在图2a的内表面夹具板10与外表面夹具板12之间夹有frp原材料2的一体夹具板14的代表性立体图。另外，图3b是在图2b的内表面夹具板10与外表面夹具板12之间夹有frp原材料2的一体夹具板14的侧视图。另外，图3c是在图2c的内表面夹具板10与外表面夹具板12之间夹有frp原材料2的一体夹具板14的端视图。此外，在图3b中，frp原材料2具有与frp零件3的形状变化部4a对应的形状变化部2a。图3c的情况也是相同的。另外，在制造没有板厚变化和曲率变化的frp零件3时，也可以不使用内表面夹具板10和外表面夹具板12。

内表面夹具板10和外表面夹具板12在之间夹持有frp原材料2的状态下，以互相不分离的方式由未图示的固定夹具固定。该固定夹具设定为在相对于后述的上模16按压下模18时，不与它们干涉，并且在与frp零件3的圆弧正交的半径方向上，外表面夹具板12相对于内表面夹具板10可移动。

“frp原材料2”是层叠多个预浸料1且在成形后成为frp零件3的原材料。frp原材料2优选为板状部件。

frp原材料2为与frp零件3的板厚分布配合的等高线状的层叠体。frp原材料2可以是层叠为平面状的材料，也可以是与圆弧状的成形形状配合而层叠的材料。

frp原材料2的厚度与frp零件3的半径方向的厚度相当，考虑了成形时的厚度变化而设定。另外优选地，与frp零件3的厚度变化对应而使预浸料1的层叠数变化。frp原材料2的宽度与frp零件3的圆弧的周向长度相当。frp原材料2的长度与frp零件3的轴向长度相当。

一体夹具板14的内表面14a和外表面14b具有互相同心且各自半径恒定的圆弧面。

在该示例中，一体夹具板14的内表面14a为内表面夹具板10的内表面10a，一体夹具板14的外表面14b为外表面夹具板12的外表面12b。因而，内表面夹具板10的内表面10a和外表面夹具板12的外表面12b在其之间夹住frp原材料2而一体化时，具有实际上为同心的半径恒定的圆弧面。在此，“实际上”意味着由于frp原材料2的厚度，成形前不是严格地同心，但在成型后成为同心。

图4a是示出frp原材料2的形状变化部2a的图，图4b是示出frp零件3的形状变化部4a的图。

如图4a所示，frp原材料2的形状变化部2a例如使预浸料1的层叠数变化而构成。预浸料1的纤维方向优选为互相不同，但也可以一部分或者全部相同。该情况下，考虑成形时的厚度变化而设定为比frp零件3的厚度更厚变形量。

另外该情况下，frp原材料2的形状变化部2a基于预浸料1的厚度成为台阶状。例如，预浸料1的端面位置基于frp原材料2的厚度变化(厚度的减少)，在成形时树脂和纤维在面内方向上流动。因而，frp原材料2的形状变化部2a期望设定为位于内表面夹具板10的形状变化部11a的范围，但不限于此。

图4b中，若将一体夹具板14在图中在上下方向上压缩，则内表面夹具板10与外表面夹具板12的间隔缩小，之间夹有的frp原材料2被成形而成为frp零件3。此时，在树脂为热塑性树脂的情况下，在加热后冷却；在树脂为热固性树脂的情况下，加热使之硬化。在frp原材料2的成形时，树脂和纤维的一部分流动而移动，如图4b所示，与内表面夹具板10的形状变化部11a密接的frp零件3的形状变化部4a被成形。

图5a是依据本发明的frp成形系统100的主视图，图5b是其侧视图。此外，图5b示出成形途中。

图5a和图5b中，frp成形系统100还具备上模16和下模18。

上模16和下模18将一体夹具板14的一部分(冲压部分15)在上下方向上夹在之间。上模16具有与一体夹具板14的内表面14a密接的内表面圆弧面16a。下模18具有与一体夹具板14的外表面14b密接的外表面圆弧面18b。

在该示例中，上模16和下模18将一体夹具板14的轴长(轴向长度)的整体同时地压缩。

图5a和图5b中，frp成形系统100还具备部分冲压装置20和搬运装置30。

部分冲压装置20将一体夹具板14的一部分(冲压部分15)在与frp零件3的圆弧正交的半径方向(图中，上下方向)上间歇性压缩而部分地成形frp零件3。“间歇性压缩”意味着通过部分冲压装置20和搬运装置30重复一体夹具板14的压缩和搬运。

部分冲压装置20由上模16和下模18压缩一体夹具板14的一部分。在该示例中，部分冲压装置20具有：上部垫枕21，其在下表面固定上模16；滑动件22，其在上表面固定下模18；液压冲头(ram)23，使滑动件22上下往复运动；和冲压机床身24，其固定有上部垫枕21和液压冲头23。

在该示例中，部分冲压装置20相对于上模16上推下模18而压缩一体夹具板14的冲压部分15。该情况下，部分冲压装置20在内表面圆弧面16a和外表面圆弧面18b的直径方向上压缩冲压部分15。冲压机床身24中，上部构造设定为在间歇性移动一体夹具板14的压缩部分时，不与一体夹具板14干涉。此外，只要一体夹具板14与冲压上部结构不干涉，也可以垫枕与滑动件22、液压冲头23的上下关系逆转。即，也可以是，滑动件22和液压冲头23位于上部，垫枕位于下部。

搬运装置30间歇性移动基于部分冲压装置20的一体夹具板14的压缩部分(冲压部分15)。搬运装置30具有抓持装置32和移动装置34。抓持装置32部分地抓持一体夹具板14。移动装置34将抓持装置32在一体夹具板14的移动方向x上移动。

在该示例中，一体夹具板14的移动方向x为沿着frp零件3的圆弧的周向。移动装置34为例如多关节机器人，抓持装置32为机器人手。

此外，在该示例中，将一对搬运装置30设置在部分冲压装置20的上游侧和下游侧，但也可以仅在上游侧或者下游侧的一方。另外，抓持装置32抓持一体夹具板14的非压缩部分。该情况下，也可以在例如基于部分冲压装置20的压缩中移动抓持部分。

在图5a和图5b中，frp成形系统100还具备加热上模16或下模18的加热装置40。加热装置40相对于一体夹具板14的移动方向x具有规定的温度分布。

图6a是上模16的温度分布的说明图，图6b是下模18的温度分布的说明图。该示例为预浸料1包含热塑性树脂的情况。图6a示出上模16的内表面圆弧面16a，图6b示出下模18的外表面圆弧面18b。另外，图中的符号a、b、c分别示出预备加热区域、主成形区域、冷却区域。

在该示例中，上模16和下模18的温度分布为，在一体夹具板14的移动方向x的中央部(主成形区域b)为热塑性树脂流动的熔融温度以上(例如400℃以上)。另外，在移动方向x的中央部的上游侧(预备加热区域a)和下游侧(冷却区域c)为热塑性树脂固化的固化温度以下(例如200℃至低于400℃)。

使预备加热区域a和冷却区域c在固化温度以下是因为，若使整体在熔融温度以上，则例如热传导率高的cfrp的情况下，未压缩的部分由于传热而软化，从而例如被一次加压压缩的极小的气泡向表面外方向膨胀等，导致均匀地成形frp零件3的整体变得困难。另外，上述的温度分布是frp零件3的成形时的温度分布，在搬运时，内表面圆弧面16a或外表面圆弧面18b的整个面适宜为200℃以下。

另一方面，在预浸料1包含热固性树脂的情况下，温度分布为，在一体夹具板14的移动方向x的中央部(主成形区域b)为热固性树脂硬化的硬化温度以上。热固性树脂的硬化温度是例如约180℃。另外，在移动方向x的中央部的上游侧(预备加热区域a)预热直至低于硬化温度。另外，在热固性树脂的情况下，冷却区域c是不必要的，能够省略。

图7是依据本发明的frp成型方法的整体流程图。依据本发明的frp成形方法为将层叠有多个预浸料1的板状的frp原材料2成形而制造半径在1m以上的圆弧状的frp零件3的方法。

在该图中，frp成形方法具有s1-s5的各个步骤(工序)。

在夹具准备工序s1中，准备具有与frp零件3的内表面形状3a嵌合的外表面10b的圆弧状的内表面夹具板10、和具有与frp零件3的外表面形状3b嵌合的内表面12a的圆弧状的外表面夹具板12。

在夹具一体化工序s2中，在内表面夹具板10与外表面夹具板12之间夹住frp原材料2而形成一体夹具板14。此外，在夹具一体化工序s2中，优选地在内表面夹具板10的外表面10b和外表面夹具板12的内表面12a涂布脱模剂(例如氟系脱模剂)。

在部分冲压工序s3中，将一体夹具板14的一部分在与frp零件3的圆弧正交的半径方向上间歇性压缩而部分地成形frp零件3。在搬运工序s4中，间歇性移动基于部分冲压工序s3的一体夹具板14的压缩部分(冲压部分15)。重复部分冲压工序s3和搬运工序s4，压缩一体夹具板14的全部而将frp零件3的整体成形。

进而，在脱模工序s5中，从一体夹具板14分离内表面夹具10和外表面夹具12，取出成形的frp零件3。

依据上述的本发明的实施方式，在部分冲压工序s3中，间歇性压缩在内表面夹具板10与外表面夹具板12之间夹有frp原材料2的一体夹具板14的一部分而部分地成形frp零件3。进而，在搬运工序s4中，间歇性移动一体夹具板14的压缩部分(冲压部分15)。因而，重复部分冲压工序s3和搬运工序s4，从而能够以小型的模具成形并制造圆弧状的frp零件3(例如半径在1m以上的大型frp零件)。

另外，在部分冲压工序s3中，将一体夹具板14的一部分在与frp零件3的圆弧正交的半径方向上压缩(加压)，因而能够不使用复杂的模具而均匀地成形frp零件3的整体。

此外，本发明不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内当然能够加以各种变更。例如，在上述的示例中，frp零件3为圆弧状，但本发明同样能够适用于平坦形状的frp零件。

符号说明

a预备加热区域

b主成形区域

c冷却区域

x移动方向

1预浸料

2frp原材料

2a、2b形状变化部

3frp零件

3a内表面形状

3b外表面形状

4a、4b形状变化部

10内表面夹具板

10a内表面

10b外表面

11a、11b形状变化部

12外表面夹具板

12a内表面

12b外表面

14一体夹具板

14a内表面

14b外表面

15冲压部分(压缩部分)

16上模

16a内表面圆弧面

18下模

18b外表面圆弧面

20部分冲压装置

21上部垫枕

22滑动件

23液压冲头

24冲压机床身

30搬运装置

32抓持装置(机器人手)

34移动装置(多关节机器人)

40加热装置

100frp成形系统。