JP2003062961A - 複合材補強パネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 自動積層装置を用いて高品質・高強度な製品
を得ることができる複合材補強パネルの製造方法を提供
する。 【解決手段】 自動積層装置を用いて複合材補強パネル
を製造するにあたり、補強部材１０を製作し、凹部２１
と加熱手段２２と排気通路と載置面２４とを有する下型
治具２０を配置し、下型治具２０の凹部２１内に補強部
材１０を配置し、下型治具２０の載置面２４に熱可塑型
薄膜３０を配置し、下型治具２０の排気通路に接続した
真空ポンプの吸引操作により下型治具２０に熱可塑型薄
膜３０を固定し、下型治具２０の加熱手段２４によって
熱可塑型薄膜３０を加熱しつつ補強部材１０および熱可
塑型薄膜３０の上に自動積層装置を用いて熱可塑型複合
材料を積層して、外板の成形、および、外板と補強部材
１０との接着を同時に行う。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、複合材補強パネル
の製造方法に関し、特に、自動積層装置を用いて行う熱
可塑型複合材料製の複合材補強パネルの製造方法に関す
る。 【０００２】 【従来の技術】従来より、外板に所定の補強部材（スト
リンガ）を固定した補強パネルが、航空機の主翼構造な
どに採用されている。近年においては、この補強パネル
を、軽量で高強度な複合材料を用いて製造する技術が提
案され、実用化されており、最近では、コスト性に優れ
る熱可塑型複合材料を用いた製造技術が開発されつつあ
る。 【０００３】例えば、成形材料の搬送速度と加熱温度と
を適宜制御可能な自動積層装置を用いて、外板成形用の
熱可塑型複合材料を、高温窒素ガスで加熱溶融させロー
ラで加圧しながら、別途製作した補強部材の上に自動積
層するという手法が提案されている。このような自動積
層装置を用いた製造方法によると、外板成形用の熱可塑
型複合材料の裁断から外被成形までの工程を連続的に行
うことができるため、製造上のコストを低減することが
できる。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】しかし、前記したよう
な自動積層装置を用いた製造方法においては、外板成形
用の熱可塑型複合材料を所定の温度に加熱した上で、下
型治具の上に配置した補強部材の上に積層するが、この
加熱されて積層された熱可塑型複合材料の温度と、下型
治具および補強部材の温度との差が大きく、さらに、先
に積層され温度が低下した熱可塑型複合材料の温度との
差が大きいため、成形後の外板に反りや内部歪みが生じ
ることがあった。 【０００５】また、前記したような自動積層装置で使用
される熱可塑型複合材料は、通常、下型治具の表面に粘
着する力が小さいため、外板成形用の熱可塑型複合材料
を所定の積層位置に確実に固定することができなかっ
た。このため、狭幅テープ状の熱可塑型複合材料（以
下、「テープ材」という）を複数回往復させて積層する
ような場合には、積層したテープ材が所定の積層位置か
ら移動し、隣接するテープ材間に隙間が生じたり、隣接
するテープ材の一部同士が重なったりすることがあっ
た。 【０００６】本発明の課題は、自動積層装置を用いて高
品質・高強度な製品を得ることができる複合材補強パネ
ルの製造方法を提供することである。 【０００７】 【課題を解決するための手段】以上の課題を解決するた
めに、請求項１記載の発明は、例えば図１から図３に示
したように、自動積層装置を用いた複合材補強パネルの
製造方法において、外板に一体的に接合される補強部材
を製作する補強部材製作工程と、前記補強部材の接合面
と同じ面形状の表面、前記表面に開口され前記補強部材
が嵌入され固定される凹部、前記表面の前記凹部を除く
部分に開口され排気手段に繋がれる排気通路、および、
加熱手段を備える下型治具を配置する下型治具配置工程
と、前記補強部材を前記下型治具の前記凹部に嵌入させ
て固定する補強部材配置工程と、前記凹部を除く前記下
型治具の前記表面に熱可塑型薄膜を配置する薄膜配置工
程と、前記排気手段により前記排気通路を通して排気し
て前記熱可塑型薄膜を前記下型治具に固定する薄膜固定
工程と、前記下型治具の前記加熱手段により前記熱可塑
型薄膜を加熱しつつ自動積層装置を用いて前記補強部材
および前記熱可塑型薄膜上に熱可塑型複合材料を積層す
る自動積層工程とを備えることを特徴とする。 【０００８】請求項１記載の発明によれば、加熱手段を
有する下型治具を採用し、この加熱手段によって補強部
材および熱可塑型薄膜を加熱する工程を備えるため、自
動積層装置によって加熱された熱可塑型複合材料を補強
部材および熱可塑型薄膜の上面に積層する前に、補強部
材および熱可塑型薄膜を加熱することができる。 【０００９】従って、自動積層装置によって補強部材お
よび熱可塑型薄膜の上に積層された熱可塑型複合材料の
温度差を小さくすることができ、成形後の外板に反りや
内部歪みが生じることがない。この結果、高品質・高強
度な補強パネルを得ることができる。 【００１０】また、請求項１記載の発明によれば、下型
治具に設けられた排気通路を通しての排気手段の吸引作
用によって、熱可塑型薄膜を下型治具に一時的に固定す
ることができるので、自動積層装置によって熱可塑型複
合材料を補強部材および熱可塑型薄膜の上に積層する際
に、熱可塑型薄膜が初期位置から移動することがない。
従って、自動積層装置による熱可塑型複合材料の積層作
業を高精度で行うことができる。この結果、高品質・高
強度な補強パネルを得ることができる。 【００１１】 【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を、図
面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態では、航空
機の主翼を構成する補強パネルを、自動積層装置を使用
して製造する方法について説明することとする。本実施
の形態に係る製造方法によって製造される補強パネル
は、外板と補強部材１０とを一体的に結合させたもので
ある。 【００１２】本実施の形態に係る製造方法によって補強
パネルを製造するには、まず、補強部材１０を製作する
（補強部材製作工程）。この補強部材１０は、外板に一
体的に接合されて外板を補強するように機能し、せん断
荷重、ねじり荷重または曲げ荷重に対して、補強パネル
に高い強度を発揮させるものである。 【００１３】補強部材１０は、外板との接合面となる平
面部１１と、この平面部１１の一方の面から外側に突出
する突出部１２とを備えた長尺の柱状体とされる。本実
施の形態においては、突出部１２が平面部１１に対して
ほぼ直角に設けられており、図２に示すように、長さ方
向に対して直角に切断した際の断面形状がＴ字型とされ
ている。 【００１４】補強部材１０は、プリプレグ積層法や、射
出成形法などによって成形した熱可塑型複合材料製品で
あると、後述する熱可塑型プリプレグとの接着強度が高
くなるので、好ましい。 【００１５】次いで、凹部２１と加熱手段２２と排気通
路２３とを有する下型治具２０を配置する（下型治具配
置工程：図１参照）。下型治具２０は、凹部２１が設け
られた部分を除いてほぼ平坦な載置面２４を有し、後述
する熱可塑型薄膜３０をその表面に載置するように機能
する。 【００１６】下型治具２０の載置面２４に載置される熱
可塑型薄膜３０の上には、自動積層装置によって熱可塑
型プリプレグが積層される。このため、下型治具２０
は、自動積層装置の積層圧力に耐える程度の剛性を備え
るものとする。下型治具２０の材料としては、金属材
料、合成樹脂、繊維強化樹脂複合材料などを挙げること
ができる。 【００１７】下型治具２０に設けられる凹部２１は、補
強部材１０の突出部１２をその内部に嵌入するように機
能する。凹部２１の深さは、図２に示すように、突出部
１２の高さとほぼ同一になるように調整され、補強部材
１０の平面部１１の表面と下型治具２０の載置面２４と
が滑らかにつながるようにされている。 【００１８】加熱手段２２は、下型治具２０、後述する
熱可塑型薄膜３０、および、積層された熱可塑型プリプ
レグを所定の温度（例えば、１００℃〜３００℃）に加
熱するためのものであり、電熱線などで構成することが
できる。また、排気通路２３は、排気手段である（図示
されていない）真空ポンプに接続されており、この真空
ポンプの吸引操作によって、下型治具２０と後述する熱
可塑型薄膜３０との間の空気を排出して、熱可塑型薄膜
３０を一時的に下型治具２０に固定するように機能する
（図３参照）。 【００１９】次いで、下型治具２０の上に熱可塑型薄膜
３０を配置する（薄膜配置工程：図１参照）。この熱可
塑型薄膜３０は、後述する真空ポンプの吸引操作によっ
て下型治具２０に一時的に固定され、かつ、その上に後
述する熱可塑型プリプレグを積層させることによって、
熱可塑型プリプレグを所定の積層位置に安定的に積層さ
せるように機能する。 【００２０】本発明において、「熱可塑型薄膜」とは、
熱可塑性樹脂を用いた薄膜を意味し、熱可塑性樹脂のみ
からなる薄膜のほか、強化繊維を熱可塑性樹脂で被覆し
て構成した薄膜も含むものとする。熱可塑型薄膜３０の
材料となる熱可塑性樹脂としては、ポリエチレン、ポリ
プロピレン、ポリスチレン、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹
脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリサルホン、ポ
リイミドなどを挙げることができる。また、熱可塑型薄
膜を構成する強化繊維の種類としては、ガラス繊維、カ
ーボン繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維などを挙げる
ことができる。 【００２１】なお、熱可塑型薄膜３０は、後述する熱可
塑型プリプレグと一体的に補強パネルの外板を構成する
ので、この熱可塑型プリプレグのマトリックス樹脂と同
一樹脂を使用して調製するのが好ましい。 【００２２】次いで、下型治具２０の排気通路２３に接
続した真空ポンプの吸引操作により、下型治具２０に熱
可塑型薄膜３０を一時的に固定する（薄膜固定工程：図
３参照）。このように下型治具２０に熱可塑型薄膜３０
を一時的に固定することにより、自動積層装置を用いて
補強部材１０の平面部１１および熱可塑型薄膜３０の上
に熱可塑型プリプレグを積層する際に、熱可塑型薄膜３
０が初期位置から移動することがなく、熱可塑型プリプ
レグの積層を高精度に行うことができる。 【００２３】次いで、下型治具２０の加熱手段２３によ
って、熱可塑型薄膜３０を加熱する。自動積層装置によ
って補強部材１０の平面部１１および熱可塑型薄膜３０
の上に熱可塑型プリプレグを積層する前に、あらかじ
め、加熱手段２２によって下型治具２０を発熱させて熱
可塑型薄膜３０を加熱することにより、積層された熱可
塑型プリプレグと、下型治具２０および補強部材１０の
平面部１１および熱可塑型薄膜３０との温度差を小さく
することができ、さらに、先に積層され温度が低下した
熱可塑型プリプレグとの温度差を小さくすることができ
るため、成形後の外板に反りや内部歪みが生じることが
ない。 【００２４】下型治具２０の加熱手段２２による熱可塑
型薄膜３０の加熱温度は、後述する熱可塑型プリプレグ
のマトリックス樹脂の種類に応じて適宜決めることがで
き、例えば、熱可塑型プリプレグのマトリックス樹脂の
ガラス遷移温度（Ｔｇ）が２４０℃である場合には、２
００℃程度まで加熱するようにする。 【００２５】次いで、自動積層装置を用いて、補強部材
１０の平面部１１および熱可塑型薄膜３０の上に熱可塑
型プリプレグを加熱溶融させつつ積層し（自動積層工
程）、その後冷却硬化させて外板を成形するとともに、
補強部材１０と成形した外板とを接着させる。 【００２６】本発明において、「熱可塑型プリプレグ」
とは、強化繊維を熱可塑性樹脂で被覆して構成した成形
材料を意味し、所定の温度で加熱して熱可塑性樹脂を溶
融させた後、加圧しつつ冷却硬化させることにより、補
強パネルの外板を成形することができるものである。熱
可塑型プリプレグの態様は、マット状、フェルト状、テ
ープ状など、自動積層装置の仕様に応じて適宜決めるこ
とができ、本実施の形態では、一方向に延在させた強化
繊維を熱可塑性樹脂で被覆した狭幅テープ状の熱可塑型
プリプレグ（テープ材）を採用している。 【００２７】熱可塑型プリプレグを構成する熱可塑性樹
脂の種類としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポ
リスチレン、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミ
ド、ポリカーボネート、ポリサルホン、ポリイミドなど
を挙げることができる。また、熱可塑型プリプレグを構
成する強化繊維の種類としては、ガラス繊維、カーボン
繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維などを挙げることが
できる。 【００２８】自動積層装置としては、例えば、米国特許
第５４４７５８６号公報に記載されているような、熱可
塑型の成形材料の搬送速度や加熱温度とを適宜制御可能
な自動積層装置を挙げることができる。 【００２９】本実施の形態においては、熱可塑型プリプ
レグを構成する熱可塑性樹脂を加熱溶融させるために、
高温の窒素ガスを吹き付ける手法を採用している。この
窒素ガスの温度は、熱可塑型プリプレグを構成する熱可
塑性樹脂の種類によって適宜決めることができ、例えば
５００℃程度とすることができる。また、本実施の形態
においては、加熱溶融させた熱可塑型プリプレグを加圧
する手段として、ローラを採用している。ローラは、加
熱溶融させた熱可塑型プリプレグを加圧するとともに、
熱可塑型プリプレグを構成する熱可塑性樹脂を冷却硬化
させる機能をも果たす。以上の工程により、所望の補強
パネルを得ることができる。 【００３０】なお、本実施の形態に係る製造方法におい
ては、補強部材の断面形状をＴ字型としたが、これに限
定されるものではなく、例えば、ハット型、Ｚ型、Ｉ型
などとすることもできる。この場合には、各断面形状の
補強部材に対応させた凹部を有する下型治具を準備する
ようにし、補強部材の平面部の表面と下型治具の載地面
とによってほぼ同一平面を形成させるのが好ましい。 【００３１】 【発明の効果】請求項１記載の発明によれば、自動積層
装置によって熱可塑型複合材料を補強部材および熱可塑
型薄膜の上に積層する前に、下型治具の加熱手段によっ
て熱可塑型薄膜を加熱することができるので、自動積層
装置によって熱可塑型複合材料を補強部材および熱可塑
型薄膜の上に積層し、さらに熱可塑型プリプレグを積層
した際に、それらの間の温度差を小さくすることがで
き、成形後の外板に反りや内部歪みが生じるのを防止す
ることができる。この結果、高品質・高強度な補強パネ
ルを得ることができる。 【００３２】また、請求項１記載の発明によれば、下型
治具に設けられた排気通路に接続された排気手段の吸引
操作によって、熱可塑型薄膜を下型治具に一時的に固定
することができるので、自動積層装置によって熱可塑型
複合材料を補強部材および熱可塑型薄膜の上に積層する
際に、熱可塑型薄膜が初期位置から移動することがな
い。従って、自動積層装置による熱可塑型複合材料の積
層を高精度で行うことができる。この結果、高品質・高
強度な補強パネルを得ることができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明の実施の形態に係る補強パネルの製造方
法を説明するためのものであり、下型治具の凹部に補強
部材を、凹部以外の表面に熱可塑型薄膜を、それぞれ配
置した状態を示す斜視図である。 【図２】図１のII−II部分の断面図である。 【図３】図２のIII部分の拡大図である。 【符号の説明】 １０ 補強部材（断面Ｔ字型のストリンガ） １１ 平面部 １２ 突出部 ２０ 下型治具 ２１ 凹部 ２２ 加熱手段 ２３ 排気通路 ２４ 載置面 ３０ 熱可塑型薄膜

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 中村 裕之 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 (72)発明者 理塀 敦 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 Ｆターム(参考） 4F100 AR00B AS00C AT00A BA04 BA07 BA10A BA10D DH01 EJ17 EJ172 EJ24 EJ242 EJ42 EJ42C EJ422 GB31 JB16D JK01 JK01B

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 【請求項１】自動積層装置を用いた複合材補強パネルの
   製造方法において、 外板に一体的に接合される補強部材を製作する補強部材
   製作工程と、 前記補強部材の接合面と同じ面形状の表面、前記表面に
   開口され前記補強部材が嵌入され固定される凹部、前記
   表面の前記凹部を除く部分に開口され排気手段に繋がれ
   る排気通路、および、加熱手段を備える下型治具を配置
   する下型治具配置工程と、 前記補強部材を前記下型治具の前記凹部に嵌入させて固
   定する補強部材配置工程と、 前記凹部を除く前記下型治具の前記表面に熱可塑型薄膜
   を配置する薄膜配置工程と、 前記排気手段により前記排気通路を通して排気して前記
   熱可塑型薄膜を前記下型治具に固定する薄膜固定工程
   と、 前記下型治具の前記加熱手段により前記熱可塑型薄膜を
   加熱しつつ自動積層装置を用いて前記補強部材および前
   記熱可塑型薄膜上に熱可塑型複合材料を積層する自動積
   層工程とを備えることを特徴とする複合材補強パネルの
   製造方法。