JP2001293738A - 複合材製構造体の製造方法、及びそれにより製造される複合材製構造体 - Google Patents
複合材製構造体の製造方法、及びそれにより製造される複合材製構造体Info
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Abstract
図ることが可能な、3次曲面部及び円筒部から構成され
る複合材製構造体の製造方法、並びにその方法により製
造される複合材製構造体を提供する。 【解決手段】 3次曲面部及び円筒部から構成される複
合材製構造体の製造方法であって、(a)成形型上に複合
材プリプレグからなる外側スキンを敷き、(b)該外側ス
キンの3次曲面部を形成する部分上にハニカムコアを載
置し、(c)その上に複合材プリプレグからなる内側スキ
ンを重ね合わせ、(d)該内側スキンの円筒部を形成する
部分上に複合材プリプレグからなる予備成形されたスト
リンガー部材及びフレーム部材を配置し、(e)加熱及び
加圧により成形することを特徴とする複合材製構造体の
製造方法。
Description
部から構成される複合材製構造体の製造方法、及びその
方法により製造される複合材製構造体に関する。
ために、自動車、船舶、航空機等の構造部材として広く
使用されている。一般に、複合材からなる航空機の胴体
構造体等は3次曲面部及び円筒部から構成される。この
ような複合材製構造体は、通常ハニカムサンドイッチパ
ネル又はスティフンドパネルにより形成する。
材製構造体は、ハニカム材を所望の形状に切削して作製
したハニカムコアと複合材プリプレグからなるスキンを
成形型の上でサンドイッチ状に積層し、加熱及び加圧に
より成形して製造する。このように、ハニカムサンドイ
ッチパネルを用いる場合はプロセスが比較的容易であ
り、コストを低減することができる。しかしながら、ハ
ニカムサンドイッチパネルを用いると充分な軽量化の効
果が得られないことが多い。
製構造体は、成形型上に複合材プリプレグからなるスキ
ン及びスティフナ(ストリンガーやフレーム)を積層
し、加圧バッグ等を使用して加熱及び加圧により成形し
て製造する。スティフンドパネルは軽量化には最適な構
造様式であり、特にスキン及びスティフナを一体成形す
る場合に大きな軽量化効果が得られる。しかしながら、
この場合スティフナを事前に予備成形し、型上で治具を
用いてスキンと一体化するためコストが高くなる。特
に、3次曲面部に適用する際には高コスト化が大きな問
題となる。
は、製品の軽量化及び製造コストの低減を同時に図るこ
とが可能な、3次曲面部及び円筒部から構成される複合
材製構造体の製造方法、並びにその方法により製造され
る複合材製構造体を提供することである。
の結果、本発明者は3次曲面部及び円筒部から構成され
る複合材製構造体を製造する際、3次曲面部をハニカム
サンドイッチパネルにより形成し、円筒部をスティフン
ドパネルにより形成し、これらを同時に成形することに
より製品の軽量化効果及び製造コスト低減効果が同時に
得られることを発見し、本発明に想到した。
方法は3次曲面部及び円筒部から構成される複合材製構
造体を製造する方法であって、(a)成形型上に複合材プ
リプレグからなる外側スキンを敷き、(b)該外側スキン
の3次曲面部を形成する部分上にハニカムコアを載置
し、(c)その上に複合材プリプレグからなる内側スキン
を重ね合わせ、(d)該内側スキンの円筒部を形成する部
分上に複合材プリプレグからなる予備成形されたストリ
ンガー部材及びフレーム部材を配置し、(e)加熱及び加
圧により成形することを特徴とする。
一般に3kg/cm2程度であり、スティフンドパネルの成形
圧力は一般に6kg/cm2程度である。これらを3kg/cm2で
同時に成形するとスティフンドパネルの品質が悪化し、
6kg/cm2で成形するとハニカムサンドイッチパネルのハ
ニカムコア端部が成形圧力に耐えられずクラッシュ(変
形)してしまうことが多い。そこで本発明ではハニカム
コアのクラッシュを抑制するために、成形する際に上記
外側スキンと内側スキンが重なり合った余肉部の上に平
板状の弾性部材及び押え部材を載置するのが非常に好ま
しい。また、余肉部の幅を500mm以上とすると平板状の
弾性部材及び押え部材を用いなくてもハニカムコアのク
ラッシュを抑えることができ、非常に好ましい。このよ
うな場合、6kg/cm2程度の成形圧力でハニカムサンドイ
ッチパネル及びスティフンドパネルを、ハニカムコアの
クラッシュや成形不良が起こることなく同時に成形する
ことができる。成形圧力は6〜7kg/cm2であるのがより
好ましい。また成形はストリンガー部材とフレーム部材
の交差部に当接させる弾性治具、及び該交差部以外の位
置に当接させる剛性治具の組み合わせからなる成形治具
を用いて行うのが好ましい。
を製造するために好適に用いることができる。また、本
発明の複合材製構造体は上記製造方法により製造される
ことを特徴とする。
法は3次曲面部及び円筒部から構成される複合材製構造
体を製造する方法であって、(a)成形型上に複合材プリ
プレグからなる外側スキンを敷き、(b)該外側スキンの
3次曲面部を形成する部分上にハニカムコアを載置し、
(c)その上に複合材プリプレグからなる内側スキンを重
ね合わせ、(d)該内側スキンの円筒部を形成する部分上
に複合材プリプレグからなる予備成形されたストリンガ
ー部材及びフレーム部材を配置し、(e)加熱及び加圧に
より成形することを特徴とする。また、本発明の複合材
製構造体は上記本発明の方法により製造される。以下、
本発明について図1〜8を用いて詳述する。
を示す部分斜視図である。本発明の複合材製構造体1は
3次曲面部2及び円筒部3から構成される。3次曲面部
2は外側スキン4及び内側スキン5の間にハニカムコア
6を含有するハニカムサンドイッチパネルにより形成さ
れ、円筒部3はストリンガー7及びフレーム8を有する
スティフンドパネルにより形成される。上記外側スキン
4、内側スキン5、ストリンガー7及びフレーム8は複
合材プリプレグからなる。もちろん、3次曲面部及び円
筒部の形状は図1により限定されない。また複合材製構
造体は平板部等を含んでいてもよく、複雑な形状の部分
にはハニカムサンドイッチパネルを用い、単純な形状の
部分にはスティフンドパネルを用いる。
を製造する様子を示す部分断面図である。なお、図2で
は簡略化のために全ての部材を直線により記載するが、
本発明はこれにより限定されるものではない。本発明で
は、まず成形型9上に複合材プリプレグからなる外側ス
キン4を敷き、次に外側スキン4の3次曲面部2を形成
する部分上にハニカムコア6を載置し、その上に複合材
プリプレグからなる内側スキン5を重ね合わせる。内側
スキン5の円筒部3を形成する部分上には、複合材プリ
プレグからなる予備成形されたストリンガー部材(図示
せず)及びフレーム部材8aを配置し、続いて加熱及び加
圧により3次曲面部2及び円筒部3を同時に成形して複
合材製構造体を製造する。また、本発明では必要に応じ
て各層間に接着剤を加えてもよく、成形する際に真空バ
ッグ、シール材等を用いてもよい。
樹脂又は熱可塑性樹脂を加熱及び加圧により流動化させ
て一体的に成形する。成形する際に上記外側スキン4と
内側スキン5が重なり合った余肉部の上に平板状の弾性
部材10を載置し、更にその上に平板状の押え部材11を重
ねるのが非常に好ましい。このようにすることで6kg/c
m2程度の高圧下で成形しても、加圧下で強化される摩擦
力及び押え部材のエッジ効果によりスキンの滑りが抑え
られ、ハニカムコア6のクラッシュを抑制することがで
きる。また上記余肉部の幅L1を500mm以上とすると弾性
部材10及び押え部材11を用いなくても同様の効果が得ら
れ、非常に好ましい。
るのが好ましく、6〜7kg/cm2であるのがより好まし
い。本発明では従来法(ハニカムサンドイッチパネルの
場合、通常3〜4kg/cm2)よりも高圧下でハニカムサン
ドイッチパネル及びスティフンドパネルを同時に成形で
き、圧力不足による成形不良が起こりにくい。成形時の
加熱温度は複合材プリプレグ中に含まれる熱硬化性樹脂
又は熱可塑性樹脂の種類によって若干異なるが、一般に
120〜250℃とするのが好ましい。
位置精度を得るために成形する際に治具を用いてもよ
く、上記ストリンガー部材とフレーム部材の交差部に当
接させる弾性治具、及び該交差部以外の位置に当接させ
る剛性治具の組み合わせからなる成形治具を用いるのが
好ましい。このような治具を用いることにより、一体成
形スティフンドパネルがより低コストで成形可能とな
る。特に単純形状でその効果は大きい。
の胴体構造体の製造に適しており、特に航空機の胴体構
造体の製造に好適に用いられる。この場合、上記円筒部
は航空機のキャビン部を形成し、3次曲面部は航空機の
コックピット部を形成する。即ち、形状が単純なキャビ
ン部を一体成形スティフンドパネルとすることで軽量化
し、コックピット部をハニカムサンドイッチパネルとす
ることでコストを抑える。
説明する。 [1]成形型 本発明で用いる成形型の材料としては、例えば金属、CF
PR等が使用可能である。また、成形型9のハニカムコア
6が載置された面と余肉部が載置された面とがなす角θ
1(図3参照)は30〜180°であるのが好ましい。図3の
ように、角θ1が45〜90°であると(図3では60°)、
弾性部材及び押え部材の幅L2及びL3を小さくしても十分
に複合材プリプレグの滑りを押えることができ、特に好
ましい。
からなり、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強
化繊維の織布に熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂を含侵さ
せたものが使用できる。熱硬化性樹脂はエポキシ樹脂が
好ましく、熱可塑性樹脂はナイロンが好ましい。外側ス
キン及び内側スキンの材料は同じでも異なっていてもよ
いが、同じであるのが好ましい。
れに各種樹脂を含侵したもの、各種プラスチック、アル
ミニウム、鋼材等が使用できる。中でも比強度が大きい
アラミド繊維強化熱硬化性樹脂が好ましく、この場合熱
硬化性樹脂はフェノール樹脂であるのが好ましい。また
ハニカムコアは面取り加工されたテーパー部を有するの
が好ましい。ハニカムエッジ角度θ2(図3参照)は30
〜90°であればよいが、十分にクラッシュを抑制するた
めには30〜45°であるのが好ましい。本発明の方法では
ハニカムエッジ角を従来(通常30°以下)よりも大きく
することができるので、デッドスペースであるテーパー
部を小さくすることができ、設計の自由度が向上する。
定されず、図2のようにT型であっても、C型、J型等
であってもよい。またストリンガー部材及びフレーム部
材を内側スキン上に配置する際の各部材の数及び位置関
係も特に限定されず、例えば図4のように配置すればよ
い。図4では、面部及び突起部を有するフレーム部材8
b、8c及び8dを所定間隔で直線状に配列し、面部及び突
起部を有するストリンガー部材7a及び7bをフレーム部材
8b、8c及び8dと直交するように配置している。フレーム
部材8b、8c及び8dの面部には一部に段が形成されてい
る。
ぞれ複数の複合材プリプレグを積層すること、又はそれ
に含まれる樹脂を一部反応又は溶着することにより予備
形成する。複合材プリプレグとしては炭素繊維、ガラス
繊維、アラミド繊維等の強化繊維の織布に熱硬化性樹脂
又は熱可塑性樹脂を含浸させてなるものを用いるのが好
ましい。熱硬化性樹脂としてはエポキシ樹脂が好まし
く、熱可塑性樹脂としてはナイロンが好ましい。ストリ
ンガー部材及びフレーム部材は異なる材料から形成して
もよいが、同じ材料からなるのが好ましい。また、上記
外側スキン及び内側スキンと同じ材料により形成するの
がより好ましい。ストリンガー部材及びフレーム部材は
予め予備成形し、半硬化状態としてスキン上に配置する
のが好ましい。
の形状に関わらず単純な平板状でよい。図5に示すよう
に、成形型9が曲面状であっても、弾性部材10を用いる
ことでその弾性力により加圧力を均一に成形品に伝達す
ることができる。弾性部材の幅L2及び押え部材の幅L3
は、充分にクラッシュを抑制するためにはそれぞれ40mm
以上であればよく、実用上は40〜250mmであるのが好ま
しい。また、弾性部材及び押え部材の厚さは0.3mm未満
であると効果が得られず2mmを超えると形状になじみづ
らいため、それぞれ0.3〜2mmであるのが好ましく、0.5
〜1mmであるのがより好ましい。弾性部材及び押え部材
は非常に薄いので、真空バッグを掛ける場合にも邪魔に
なったり真空バッグを破いたりする事が無い。
ストマーで形成するのが好ましく、シリコンゴムで形成
するのがより好ましい。また、押え部材は強度及び剛性
に優れ、熱膨張の少ない材料により形成するのが好まし
い。そのような材料としては、鋼鉄、ステンレススチー
ル、アルミニウム等の金属材料や、グラファイト、CFRP
等が挙げられる。中でも、アルミニウムが特に好まし
い。
8b、8c及び8dに上記弾性治具13及び剛性治具14の組み合
わせからなる上記成形治具12を当接させた状態を図6に
示す。弾性治具13はストリンガー部材7a及び7bとフレー
ム部材8b、8c及び8dがそれぞれ交差する部位に配置し、
剛性治具14は該交差部以外の位置に配置する。このよう
に弾性治具及び剛性治具を成形品の形状に合わせて互い
の欠点を補う様に分類して使用する。即ち、複雑な形状
を有する交差部には弾性治具を用いて形状精度を得、剛
性治具により弾性治具の位置を固定し高い位置精度を得
ることができる。
ることができストリンガー部材及びフレーム部材を載置
できる形状であればよい。優れた成形精度を得るために
は、上記フレーム部材を配列した方向における弾性治具
の幅は成形時の所望の幅よりも若干大きいのが好まし
い。例えば、図7(a)に示す成形前の弾性治具13の幅L
4は、図7(b)に示す成形後の幅L5よりも大きいのが好
ましく、具体的には、2%<[(L4−L5)/L5]×100%<5
%であるのが好ましい。
するエラストマーで形成するのが好ましく、シリコンゴ
ムで形成するのがより好ましい。また上記剛性治具の形
状は特に限定されず、弾性治具と組み合わせることによ
り成形物の位置精度を保持できる形状であればよい。剛
性治具は寸法安定性、強度及び剛性に優れ、熱膨張の少
ない材料により形成するのが好ましい。そのような材料
としては、鋼鉄、ステンレススチール、アルミニウム等
の金属材料や、グラファイト、CFRP等が挙げられる。中
でもアルミニウムが特に好ましい。
リンガー部材とフレーム部材を拘束するための2つ以上
の保持手段と共に用いるのが好ましい。具体的には、例
えば図8のように内側スキン4上にフレーム部材の端部
を保持手段15により拘束して成形する(剛性治具等は図
示せず)。弾性治具及び剛性治具を互いに組み合わせる
ことにより相対的位置精度を確保しているので、更に予
備成形構造体の端部を保持手段によって拘束するだけで
全ての位置精度を確保でき、大型の位置決め治具等を用
いる必要がない。保持手段はネジ、クランプ等の機械的
拘束手段の他、ドライヤー、低温ハンダごて等を用いた
部分的加熱による融着でもよい。
したが、本発明はそれらに限定されず本発明の趣旨を変
更しない限り種々の変更を加えることができる。
ではハニカムサンドイッチパネル及びスティフンドパネ
ルを同時に成形するので、製造工程が簡略化でき、製造
コストの低減及び製品の軽量化が可能である。加えて本
発明では6kg/cm2程度の高い成形圧力下で成形可能であ
るために圧力不足による成形不良の発生を抑えることが
できる。本発明の方法は航空機の胴体構造体の製造に非
常に有用である。
分斜視図である。
図である。
面図である。
ム部材を内側スキン上に配置した一実施例を示す斜視図
である。
用いた場合の、弾性部材及び押え部材を示す部分断面図
である。
材に弾性治具及び剛性治具の組み合わせからなる成形治
具を配置した状態を示す斜視図である。
きる弾性治具の一例を示す断面図であり、図7(b)は図
7(a)に示す弾性治具をストリンガー部材とフレーム部
材との交差部に当接させ、剛性治具を組み合わせた状態
を示す正面図である。
したストリンガー部材及びフレーム部材を、保持手段に
より内側スキン上に拘束した状態を示す部分斜視図であ
る。
Claims (7)
- 【請求項1】 3次曲面部及び円筒部から構成される複
合材製構造体の製造方法であって、(a)成形型上に複合
材プリプレグからなる外側スキンを敷き、(b)該外側ス
キンの前記3次曲面部を形成する部分上にハニカムコア
を載置し、(c)その上に複合材プリプレグからなる内側
スキンを重ね合わせ、(d)該内側スキンの前記円筒部を
形成する部分上に複合材プリプレグからなる予備成形さ
れたストリンガー部材及びフレーム部材を配置し、(e)
加熱及び加圧により成形することを特徴とする複合材製
構造体の製造方法。 - 【請求項2】 請求項1に記載の複合材製構造体の製造
方法において、前記成形する際、前記外側スキンと内側
スキンが重なり合った余肉部の上に平板状の弾性部材及
び押え部材を載置することを特徴とする複合材製構造体
の製造方法。 - 【請求項3】 請求項1又は2に記載の複合材製構造体
の製造方法において、前記外側スキンと内側スキンが重
なり合った余肉部の幅が500mm以上であることを特徴と
する複合材製構造体の製造方法。 - 【請求項4】 請求項1〜3のいずれかに記載の複合材
製構造体の製造方法において、前記成形は6〜7kg/cm2
に加圧して行うことを特徴とする複合材製構造体の製造
方法。 - 【請求項5】 請求項1〜4のいずれかに記載の複合材
製構造体の製造方法において、前記成形は、前記ストリ
ンガー部材とフレーム部材の交差部に当接させる弾性治
具及び該交差部以外の位置に当接させる剛性治具の組み
合わせからなる成形治具を用いて行うことを特徴とする
複合材製構造体の製造方法。 - 【請求項6】 請求項1〜5のいずれかに記載の複合材
製構造体の製造方法において、航空機の胴体構造体を製
造するために用いられることを特徴とする複合材製構造
体の製造方法。 - 【請求項7】 請求項1〜6のいずれかに記載の複合材
製構造体の製造方法により製造される複合材製構造体。
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EP (1) | EP1145828B1 (ja) |
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