JP2017218688A - Reinforcing base material for composite material part, composite material part, and method for producing the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複合材部品用の強化基材、複合材部品およびそれらの製造方法に関するものである。 The present invention relates to a reinforced base material for composite parts, composite parts, and methods for producing them.
繊維強化プラスチック(FRP:Fiber Reinforced Plastics)は、繊維を強化材とし、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂をマトリックスとする複合材料である。繊維強化プラスチックは、軽量かつ高強度であるため、航空機、自動車、船舶等の構造部材として広く用いられている(特許文献1)。 Fiber Reinforced Plastics (FRP) is a composite material in which fibers are used as a reinforcing material and thermoplastic resin or thermosetting resin is used as a matrix. Since fiber reinforced plastic is lightweight and has high strength, it is widely used as a structural member for aircraft, automobiles, ships, etc. (Patent Document 1).
繊維強化プラスチックを用いて構造部材を製作する場合、まず、成形品10の形状に合わせて型紙11を作成する(図6(a)および図6(b))。次に、型紙11に合わせてシート状のプレフォーム12を裁断(図6(c))する。裁断したプレフォーム12’を成形型13に押し当て、立体形状を作り出す(図6(d))。
When manufacturing a structural member using fiber reinforced plastic, first, a
プレフォーム12には、一方向繊維強化材(Unidirectional fibre rein forced composite)または織物材が用いられる。一方向繊維強化材は、一方向のみに繊維方向を揃えた複合材料である。織物材は、繊維の糸を交差させてなる繊維織物を含む複合材料である。
For the
一方向繊維強化材および織物材は、複雑な曲面に対して馴染みにくく、柔軟性および成形性が悪いという特性を有する。そのため、一方向繊維強化材および織物材のシートをそのまま複雑な曲面に押し付けて賦形しようとすると繊維配向がずれるもしくは皺が生じてしまう。そこで複雑な曲面を有する構造部材を製作する場合、部品を分割作成するか、または、成形が困難な部分については一部の繊維を切断して成形を行っている(図6(c)参照)。 Unidirectional fiber reinforcements and woven materials have the characteristics that they are not easily adapted to complex curved surfaces and have poor flexibility and moldability. For this reason, if the sheet of the unidirectional fiber reinforcing material and the woven material is pressed against the complicated curved surface as it is, the fiber orientation is deviated or wrinkles occur. Therefore, when a structural member having a complicated curved surface is manufactured, parts are created by dividing, or a part of fibers difficult to be molded is cut and molded (see FIG. 6C). .
繊維を切断する操作は、プレフォーム12の一体性を損ない、強度低下の原因となるため好ましくない。特許文献1では、織られた繊維プレフォームを用いて補強することで、端部結合を不要とし、かつ、等方性を確保して、複合構造物の強度を向上させている。
The operation of cutting the fibers is not preferable because the integrity of the
一方向繊維強化材または織物材を用いる場合、必要な方向に必要な分だけ繊維を配向して、構造部材の強度を確保する。そのため、分割作成や繊維裁断による強度低下があると一方向繊維強化材または織物材の積層回数が増えてしまい、製造コストの悪化につながる。 When a unidirectional fiber reinforcement or woven material is used, the fibers are oriented in the required direction by the required amount to ensure the strength of the structural member. For this reason, if there is a decrease in strength due to division creation or fiber cutting, the number of times the unidirectional fiber reinforcement or woven material is laminated increases, leading to deterioration in manufacturing costs.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、複雑な曲面を有する複合材部品であっても、製造コストを抑制しつつ、成形性を向上させられる複合材部品の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and a method of manufacturing a composite material part capable of improving moldability while suppressing manufacturing cost even for a composite material part having a complicated curved surface. The purpose is to provide.
上記課題を解決するために、本発明の複合材部品用の強化基材、複合材部品およびそれらの製造方法は以下の手段を採用する。 In order to solve the above-described problems, the following means are employed in the reinforced base material for composite material parts, the composite material parts, and the manufacturing method thereof according to the present invention.
本発明の第一の態様は、繊維強化複合材料製の複合材部品に用いられる強化基材を製造する方法であって、前記複合材部品の輪郭を目的形状とし、第1の強化繊維糸で連続的ループを作り、該連続的ループを組み合せて前記目的形状に倣った曲面を有する編物層を編成し、第2の強化繊維糸を前記連続的ループに通して前記編物層に編み込んで強化部を形成する強化基材の製造方法を提供する。
上記第一の態様では、前記強化基材を型に積層して賦形する工程を備えていてもよい。
A first aspect of the present invention is a method for producing a reinforced base material used for a composite part made of a fiber reinforced composite material, wherein the contour of the composite part has a target shape, and the first reinforcing fiber yarn is used. A continuous loop is formed, a continuous layer is combined to form a knitted layer having a curved surface following the target shape, and a second reinforcing fiber yarn is knitted into the knitted layer through the continuous loop to reinforce the reinforced portion. The manufacturing method of the reinforced base material which forms is provided.
In the first aspect, a step of laminating the reinforcing base material on a mold and shaping may be provided.
本発明の第二の態様は、上記第一の態様で製造された強化基材に、マトリックスを含浸させる工程を備えた複合材部品の製造方法を提供する。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for producing a composite part, comprising a step of impregnating a matrix into the reinforced substrate produced in the first aspect.
本発明の第三の態様は、目的形状に倣った曲面を有し、該曲面が第1の強化繊維糸の連続的ループを組み合せて編成された編物層と、第2の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、を備えた複合材部品用の強化基材を提供する。 According to a third aspect of the present invention, a knitted fabric layer having a curved surface following the target shape, the curved surface being knitted by combining continuous loops of the first reinforcing fiber yarn, and the second reinforcing fiber yarn are the above-mentioned There is provided a reinforced base material for a composite part, comprising a reinforced portion that is passed through a continuous loop and knitted into the knitted layer.
本発明の第四の態様は、目的形状に倣った曲面を有し、該曲面が第1の強化繊維糸の連続的ループを組み合せて編成されている編物層と、第2の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、を備えた強化基材と、マトリックスと、を含む複合材部品を提供する。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a knitted layer having a curved surface that follows the target shape, the curved surface being knitted by combining continuous loops of the first reinforcing fiber yarn, and the second reinforcing fiber yarn. Provided is a composite part including a reinforced base material including a reinforcing part that is passed through the continuous loop and knitted into the knitted layer, and a matrix.
複合材部品の輪郭に倣った曲面を有するよう編物層を編み上げることで、型に押し付けて賦形する際に、強化基材の繊維配向のずれや皺を抑えることができる。そのため、賦形のために強化基材を切断する作業が不要となる、あるいはその回数を大幅に減らすことができる。編物層は連続的ループの組み合せからなるため、伸張性能を有する。これにより高い柔軟性と成形性を備えた編物層とすることができる。 By knitting the knitted layer so as to have a curved surface that follows the contour of the composite material part, it is possible to suppress the fiber orientation shift and wrinkle of the reinforcing base material when it is pressed against the mold and shaped. Therefore, an operation for cutting the reinforcing base material for shaping is unnecessary, or the number of times can be greatly reduced. Since the knitted layer is composed of a combination of continuous loops, it has stretch performance. Thereby, it can be set as the knitted layer provided with the high softness | flexibility and a moldability.
編物層に第2の強化繊維を編み込むことで、高強度な強化基材とすることを実現可能とする。それにより強化基材の積層回数を低減できるため、製造コストも抑制できる。 By knitting the second reinforcing fiber into the knitted layer, it is possible to realize a high-strength reinforcing substrate. As a result, the number of laminations of the reinforced base material can be reduced, so that the manufacturing cost can be suppressed.
本発明によれば、編み技術により形成した強化基材を用いることにより、複雑な曲面を有する複合材部品であっても、製造コストを抑制しつつ、成形性を向上させて複合材部品を製造できる。 According to the present invention, by using a reinforced base material formed by a knitting technique, even a composite material part having a complicated curved surface can be manufactured by improving the formability while suppressing the manufacturing cost. it can.
以下に、本発明に係る複合材部品用の強化基材、複合材部品およびそれらの製造方法の一実施形態について、図面を参照して説明する。 EMBODIMENT OF THE INVENTION Below, one Embodiment of the reinforcement base material for composite material parts which concerns on this invention, composite material components, and those manufacturing methods is described with reference to drawings.
複合材部品は、繊維強化複合材料製である。繊維強化複合材料は、マトリックスおよび強化基材を含んでいる。複合材部品は、複数の強化基材が積層された構成であってよい。 The composite part is made of a fiber reinforced composite material. The fiber reinforced composite material includes a matrix and a reinforced substrate. The composite material component may have a configuration in which a plurality of reinforcing substrates are laminated.
マトリックスは、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂等である。熱硬化性樹脂は、例えば、不飽和ポリエステル、エポキシ樹脂などである。熱可塑性樹脂はポリエーテルエーテルケトン(PEEK)やポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリフェニレンサルファイド(PPS)などである。 The matrix is a thermosetting resin, a thermoplastic resin, or the like. Examples of the thermosetting resin include unsaturated polyester and epoxy resin. The thermoplastic resin is polyether ether ketone (PEEK), polyether ketone ketone (PEKK), polyphenylene sulfide (PPS), or the like.
強化基材は、編物層と強化部とを備えている。強化基材は、編み技術で形成されたものである。 The reinforced substrate includes a knitted layer and a reinforced portion. The reinforced substrate is formed by a knitting technique.
図1に編物層の構成を説明する図を示す。編物層1は、第1の強化繊維糸2の連続的なループ3を組み合せて編成された層である。ループ3はたて方向(長さ方向L)またはよこ方向(幅方向W)のどちらに連綴させてもよい。図1ではループ3をたて方向に連綴させた場合(緯編)の編物層1を例示している。
FIG. 1 is a diagram illustrating the configuration of the knitted layer. The knitted layer 1 is a layer knitted by combining
編物層1は、長さ方向Lおよび幅方向Wの少なくとも2方向に伸張する伸張性能を有する。それにより、長さ方向L、および、幅方向Wに柔軟性が生まれる。図2に、図1の編物層1を幅方向Wに引っ張った時の状態を例示する。緯編の編物層1を幅方向Wに引っ張ると、ループ3の形状が変形して幅方向Wに伸びる。ループ3は幅方向Wだけでなく、他の方向にも変形可能である。
The knitted layer 1 has a stretching performance that stretches in at least two directions of the length direction L and the width direction W. Thereby, flexibility is generated in the length direction L and the width direction W. FIG. 2 illustrates a state when the knitted layer 1 of FIG. 1 is pulled in the width direction W. When the weft knitted layer 1 is pulled in the width direction W, the shape of the
編物層1は1層構成である。編物層1は目的形状に倣った曲面を有するよう編まれている。目的形状とは、複合材部品の輪郭である。目的形状に倣った曲面とは、複合材部品の設計時の輪郭に近い形状であればよく、必ずしも複合材部品の輪郭に完全に一致する必要はない。「近い」とは、編物層1の伸張性能の範囲内に収まる程度の差を意味する。 The knitted layer 1 has a single layer configuration. The knitted layer 1 is knitted to have a curved surface that follows the target shape. The target shape is the contour of the composite material part. The curved surface that follows the target shape may be any shape that is close to the contour of the composite material part when it is designed, and does not necessarily need to completely match the contour of the composite material part. “Near” means a difference that is within the range of the stretch performance of the knitted layer 1.
第1の強化繊維糸2は、編物層1を編める程度の柔軟性を有し、且つ、マトリックスの材料と接着可能な材料からなる。第1の強化繊維糸2の材料は、樹脂系繊維、炭素繊維、ガラス繊維などである。樹脂系繊維にはポリアミド系繊維などがある。ポリアミド系繊維は、脂肪族ポリアミドまたは芳香族ポリアミドの繊維である。脂肪族ポリアミドは、例えばナイロン(登録商標)である。芳香族ポリアミドは、例えばアラミドである。
The first reinforcing
第1の強化繊維糸2は、編物層1の編成に耐え得る程度の太さ(直径)を有する。
The first reinforcing
強化部は、第2の強化繊維糸がループ3に通されて編物層1に編み込まれてなる。第2の強化繊維糸は、編物層1に複数本、編み込まれている。編み込まれた複数の第2の強化繊維糸は、編物層1中で一方向または二方向に配向されている。編み込まれた複数の第2の強化繊維糸は、編物層1中で複数方向に配向されていてもよい。図3および図4に第2の強化繊維糸の配向を例示する。図3は、緯編した編物層1の幅方向Wに第2の強化繊維糸4を配向した図である。図4は、緯編した編物層1の長さ方向Lに第2の強化繊維糸4を配向した図である。図3,4で示すように第2の強化繊維糸4の編み込みの周期は編物層内で同一であってもよいし、異なる周期であってもよい。また、第2の強化繊維糸4は長さ方向L、幅方向W以外にも、斜め方向に配向してもよい。
The reinforcing portion is formed by knitting the second reinforcing fiber yarn into the knitted layer 1 through the
第2の強化繊維糸4の材料は、炭素繊維、ガラス繊維、樹脂系繊維などである。第2の強化繊維糸4は、編物層1のループ3に編み込める程度の太さ(直径)を有する。第2の強化繊維糸4が炭素繊維の場合、繊維束が12000本以上30000本以下の太さを有することが好ましいが、この限りでない。
The material of the second reinforcing
次に、強化基材および複合材部品の製造方法について説明する。
(強化基材の形成)
第1の強化繊維糸2で連続的なループ3を作り、編物層1を編成する。編物層1は、緯編または経編で編むことができる。緯編は、平編、ゴム編、パール編、レース編等である。経編は、シングル・デンビー編、シングル・バンダイク編等である。
Next, the manufacturing method of a reinforcement base material and composite material components is demonstrated.
(Formation of reinforced substrate)
A
編物層1を編む際、目的形状に倣った曲面を編物層1に付与する。編物層1を編む際、曲面の形状に応じて適宜編み方を変えてもよい。例えば、編目を増減させることで部分的に立体的となる三次元構造を付与できる。例えば、目移しなどの手法により組織全体の幅を絞る、編み方を違う様式に変更することで部分的に長さや幅を変えて曲面を付与することができる。目的形状は、製造対象の複合材部品の輪郭である。曲面は、目的形状に完全に一致する必要はないが、目的形状に近い形状であることが好ましい。 When the knitted layer 1 is knitted, a curved surface that follows the target shape is applied to the knitted layer 1. When the knitted layer 1 is knitted, the knitting method may be appropriately changed according to the shape of the curved surface. For example, a three-dimensional structure that is partially stereoscopic can be provided by increasing or decreasing the stitches. For example, it is possible to give a curved surface by partially changing the length or width by narrowing the width of the whole structure by a method such as transfer or changing the knitting method to a different style. The target shape is the contour of the composite part to be manufactured. The curved surface does not need to completely match the target shape, but is preferably a shape close to the target shape.
編物層1を編む際、並行して第2の強化繊維糸4を編物層1に編み込み強化基材5,6とする。例えばインレイ編みで編物層1に編み込むことができる。インレイ編みとは、ベースとなる編地に糸をインレイ(挿入)する編み方で、編地のループに糸を通すことで実現する。第2の強化繊維糸4は編物層1と並行して編んでもよいし、編物層1の一部または全てを形成した後で編んでもよい。
When the knitted layer 1 is knitted, the second reinforcing
編物層1に編み込む際、第2の強化繊維糸4の向きは一方向または二方向に揃えて配置する。例えば、図4のように第2の強化繊維糸4を長さ方向Lに揃えて配置する。例えば、図3のように第2の強化繊維糸4を幅方向Wに揃えて配置する。例えば一部の第2の強化繊維糸4の向きを長さ方向Lに揃え、残りの第2の強化繊維糸4の向きを幅方向Wに揃えて配置してもよい。
When weaving into the knitted layer 1, the second reinforcing
(強化基材の成形)
目的形状に倣った曲面を有する強化基材5を、型に積層する。型の輪郭は、複合材部品の輪郭と略同じである。よって、強化基材5を型に積層する際には、対応する部分に曲面が整合するよう位置を合わせする。
(Molding of reinforced substrate)
A reinforced
位置合わせができたら、強化基材5を型に押し付けて賦形する。強化基材5は既に目的形状に倣った曲面を有しているため、強化基材5に切り込み等を入れなくても直接型に押し付けて賦形することができる。賦形時の強化基材5の変形量が小さく、型の輪郭に合致しない曲面部分があっても、編物層1の伸長性能で対応することができる。例えば、型の輪郭よりも曲面部分が小さい場合には、編物層1が伸びることで強化基材5を型の輪郭に馴染ませることができる。これにより複雑曲面を有する複合材部品であっても成形性を向上させることができる。
When the alignment is completed, the reinforcing
強化基材5は、型上に複数層積層する。賦形は積層の都度行うあるいは複数層重ねてから賦形を行う。図5に、積層例を示す。図5(a)は、成形品形状8である。図5(b)は、賦形前の強化基材7A,7B.7Cである。第1強化基材7A,第2強化基材7B,第3強化基材7Cは、それぞれ第2の強化繊維糸4の配向が異なる。第1強化基材7Aは、第2の強化繊維糸4が0°に配向する。第2強化基材7Bは、第2の強化繊維糸4が90°に配向する。第3強化基材7Cは第2の強化繊維糸が+45°に配向する。例えば、第1強化基材7Aを型上に積層した後賦形し、賦形した第1強化基材7A上に第2強化基材7Bを積層した後第2強化基材7Bを賦形し、賦形した第2強化基材7B上に第3強化基材7Cを積層した後、第3強化基材7Cを賦形する。
The reinforced
配向の異なる第1強化基材7A,第2強化基材7B,第3強化基材7Cを重ねることで、複数方向からの荷重に対して複合材部品の強度を向上させることができる。第2の強化繊維糸4を所定方向に重点的に配向することで、特に必要な方向に必要な強度を持たせることができる。
By stacking the first reinforced
(マトリックス含浸)
賦型後、強化基材(図5では第1強化基材7A,第2強化基材7B,第3強化基材7Cを堆積させたもの)にマトリックスを含浸させる。例えば、型および強化基材をバッグで被覆し、バッグ内部を減圧した状態で強化基材にマトリックスを含浸させることができる。例えば、上型と下型とから構成される成形型内に強化基材をはめ込み、成形型内を減圧してマトリックスを含浸させることができる。
(Matrix impregnation)
After molding, the matrix is impregnated into the reinforced base material (in FIG. 5, the first reinforced
マトリックスを含浸させた第1強化基材7A,第2強化基材7B,第3強化基材7C強化基材の厚さは、それぞれ例えば0.1mmから0.5mm程度であり、強化基材の厚さは例えば0.5mmから10mm程度である。
The thicknesses of the first reinforced
含浸後、マトリックスを硬化させる。例えば、マトリックスとしてエポキシ樹脂を用いた場合、マトリックスを含浸させた強化基材を硬化温度(180℃以上)に加熱して、硬化させる。これにより複合材部品を得ることができる。 After impregnation, the matrix is cured. For example, when an epoxy resin is used as the matrix, the reinforced base material impregnated with the matrix is heated to a curing temperature (180 ° C. or higher) to be cured. Thereby, a composite material part can be obtained.
なお、上記実施形態では、強化基材を型に積層した後、マトリックスを含浸させているが、これに限定されず、マトリックスを強化基材に含浸させたプリプレグを形成した後、該プリプレグを型に積層して賦形してもよい。 In the above embodiment, the matrix is impregnated after the reinforced base material is laminated on the mold, but the present invention is not limited to this, and after forming the prepreg in which the matrix is impregnated into the reinforced base material, It may be laminated and shaped.
1 編物層
2 第1の強化繊維糸
3 ループ
4 第2の強化繊維糸
5,6 強化基材
7A 第1強化基材
7B 第2強化基材
7C 第3強化基材
8 成形品形状
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
前記複合材部品の輪郭を目的形状とし、
第1の強化繊維糸で連続的ループを作り、該連続的ループを組み合せて前記目的形状に倣った曲面を有する編物層を編成し、
第2の強化繊維糸を前記連続的ループに通して前記編物層に編み込んで強化部を形成する強化基材の製造方法。 A method for producing a reinforced base material used for a composite part made of fiber reinforced composite material,
The contour of the composite part is a target shape,
A continuous loop is formed with the first reinforcing fiber yarn, and the continuous loop is combined to knit a knitted layer having a curved surface following the target shape,
A method for producing a reinforced base material, wherein a second reinforcing fiber yarn is knitted into the knitted layer through the continuous loop to form a reinforced portion.
第2の強化繊維糸が前記連続的ループに通されて前記編物層に編み込まれてなる強化部と、
を備えた複合材部品用の強化基材。 A knitted layer having a curved surface that follows the target shape, and the curved surface is knitted by combining continuous loops of the first reinforcing fiber yarns;
A reinforcing portion in which a second reinforcing fiber yarn is passed through the continuous loop and knitted into the knitted layer;
Reinforced substrate for composite parts with
マトリックスと、
を含む複合材部品。 A knitted fabric layer having a curved surface following the target shape, the curved surface being knitted by combining continuous loops of the first reinforcing fiber yarns, and the second reinforcing fiber yarns being passed through the continuous loops to A reinforced base material comprising a reinforced portion knitted into a knitted layer,
Matrix,
Including composite parts.
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