JP2007315392A - 有孔複合材料の一部の修復方法および有孔複合部品 - Google Patents

Abstract

【課題】 有孔複合材料の損傷した部分を、その構造的、音響的、および寸法的な特性を維持しつつ、交換することを可能にする補修方法を提供する。
【解決手段】 複合材料の一部を補修する方法が、有孔スキン（２２）の望ましくない部位を除去するステップと、この除去された望ましくない部位に補修材料（５１）を配置するステップと、を備える。次いで補修材料（５１）が硬化されるが、硬化処理を完了する前に、一つもしくは複数の開口部がピン（５２ａ，５２ｂ）によって形成され、補修材料（５１）を貫通する一つもしくは複数の穿孔がつくられる。
【選択図】図５

Description

本発明は、複合材料に関し、さらに詳細には、複合サンドイッチ構造体の補修に関する。

複合構造体は、一般的に知られ、例えば、ガスタービンエンジンにおける空力的フェアリング（ｆａｉｒｉｎｇ）に用いられる。複合材料の一つの種類は、ハニカムコアに接合された表側スキンおよび裏側スキンを有するサンドイッチ構造体である。表側スキンおよび裏側スキンは、各々、１つまたは複数の補強繊維プライを含むエポキシなどの樹脂マトリックスを有する積層構造体である。

表側スキンを貫通する孔は、通常、機械加工またはレーザ穿孔によって形成されるか、もしくはピン成形（ｐｉｎ ｆｏｒｍｉｎｇ）として知られる方法により形成される。ピン成形法では、一連のピンが、樹脂含浸織物繊維プライ内に押し込まれ、硬化中、所定位置に配置される。これらのピンは、硬化後に取り外され、外側スキンを貫通する孔が残る。ピン成形法によって作製されたスキンは、一般的に、補強繊維が傷付かずに連続性を保っているため構造的に優れているが、機械加工プロセスおよびレーザ穿孔は、繊維を切断し、これによって繊維の補強特性を低下させる。

場合によっては、衝撃、高温、磨耗、侵食、または他の現象によって損傷した表側スキンの一部を補修することが、その表側スキンの全体を取り替えるよりも、むしろ望まれることがある。ピン成形による表側スキンの一般的な補修は、穿孔された表側スキンの一部を除去し、中実の積層パッチと取り替えることを含む。このパッチが、中実のまま残されることもあるが、この場合、吸音の低下が生じる。また、このパッチに、新しい孔が機械加工によって形成されることもある。しかし、不都合なことに、機械加工によって生じる強度の低下を補うために、パッチが厚くされる。また、パッチを厚くすると、スキンの内外径比に対する厚みを増加させることにより吸音の低下が生じることがある。従って、有孔スキンの損傷した部分を、その構造的、音響的、および寸法的な特性を維持しつつ交換することを可能にする補修方法が必要とされている。本発明は、従来技術のこれらの短所および欠点を回避しながら、これらの要求に対処するものである。

複合材料の一部を補修する例示的な方法は、有孔スキンの望ましくない部位を除去するステップと、除去された望ましくない部位に補修材料を配置するステップと、を備える。次いで、補修材料が硬化される。硬化処理を完了する前に、一つもしくは複数の開口部が補修材料を貫通するように形成されてこの補修材料を貫通する一つもしくは複数の穿孔がつくり出される。

例示的な有孔複合部品は、ハニカムと、ハニカムに接合された有孔スキンと、有孔スキンに取り付けられた補修部分と、を備える。この補修部分は、１つまたは複数の穿孔と、穿孔の場所を確保するように変位された１つまたは複数の連続的な補強繊維と、を備える。

図１には、騒音減衰を目的として、ガスタービンエンジンのファン‐バイパス領域またはナセルに用いられる音響複合材料のような、例示的な有孔複合材料２０の選択された部分が示されている。この例では、有孔複合サンドイッチ構造体２０は、ハニカムコア２６の機械加工面に接合された有孔スキン２２および中実の裏側スキン２４を備える。この開示された例では、有孔スキン２２および裏側スキン２４の各々は、例えば、連続する織物繊維で補強された樹脂マトリックスから作製される複合材料などの複合層２８を含む。有孔スキン２２は、空気流側Ａからハニカムコア２６に向かって有孔スキン２２の厚みを貫通する穿孔３０を備える。有孔複合サンドイッチ構造体２０の穿孔３０は、ハニカムコア２６のセル空間３１と協働して、周知の方法により騒音を減衰する。

開示された例では、有孔複合サンドイッチ構造体２０は、例えば、衝撃、高温、磨耗、侵食、または他の現象によって損傷した、望ましくない部位４０を備える。以下に説明するように、望ましくない部位４０は、除去され、有孔複合サンドイッチ構造体２０がその構造的、音響的、および寸法的特性を維持するように、補修材料５１と置き換えられる（図５）。開示された例では、この補修材料５１は、有孔スキン２２と類似または同一の複合層（すなわち、連続する織物繊維で補強された樹脂マトリックスを有する複合層）から作製される。

図２に示される例を参照すると、有孔複合サンドイッチ構造体２０は、いくつかのステップによって補修される。ステップ４２で、望ましくない部位４０が、有孔複合材料２０から除去される。ステップ４４で、望ましくない部位４０が補修部分５１と置き換えられ、ステップ４６で、穿孔が補修材料５１の中心領域を貫通するように形成される。ステップ４８で、補修材料５１が硬化されて、元の有孔複合材料２０（例えば、望ましくない部位４０の損傷前、補修前）と同様の構造的、音響的、かつ寸法的な特性を有する補修された有孔複合材料２０を形成する。

図３、図４には、除去ステップ４２の後の有孔複合材料２０の斜視図および断面図がそれぞれ示されている。望ましくない部位４０は、種々の異なる方法によって除去することができる。一例として、望ましくない部位４０は、研削、研磨、または他の周知の機械的な方法を用いて機械的に除去される。この例では、望ましくない部位４０は、残余の有孔スキン２２が、その外面からハニカムコア２６に向かって徐々に傾斜するテーパ面５０を有するように除去される。

図５に示されるように、第１のピン５２ａが、テーパ面５０における穿孔３０の残余部分に挿通される。補修材料５１が、除去された望ましくない部位４０の位置に置かれる。テーパ面５０は、補修材料５１を少なくとも部分的に支持し、残余の有孔スキン２２の複合層２８と、補修材料５１の層２８´と、の間に重複部分をもたらす。この重複部分が、最終的に補修材料４０を有孔複合サンドイッチ構造体２０に取り付ける。補修材料５１は、ピン５２ａの周りを覆ってハニカム２６上に着座する。次いで、テンプレート５４が、第１のピン５２ａを用いて、補修材料５１上に置かれて位置決めされる。この例では、テンプレート５４は、（例えば、図３に示されるような）有孔スキン２２を貫通する穿孔３０のパターンに対応する開口部５５のパターンを備える。テンプレート５４は、有孔スキン２２が完全に除去されて穿孔３０が残っていない場所（すなわち、補修材料５１の中心部）において、第２のピン５２ｂを挿入する位置を決定するように用いられる。従って、第１のピン５２ａがテンプレート５４の開口部５５のいくつかを貫通して延在するが、他の開口部５５は空いた状態で残る。次いで、第２のピン５２ｂが、テンプレート５４のこれらの空いた開口部を通して、補修材料５１に挿通される。従って、テンプレート５４によって、完全に除去された有孔スキン２２の領域全体にわたる穿孔３０のパターン内に、第２のピン５２ｂを位置決めすることができるという利点が得られる。

図６には、補修材料５１の繊維５６が示されている。この例では、ピン５２（すなわち、ピン５２ａまたは５２ｂ）が補修材料５１に挿通されると、補修材料５１内で繊維５６を変位させる。一例では、ピン５２のテーパ端部５７（図５）が、補修材料に押し込まれ、繊維５６を脇に移動させ、繊維５６は、傷付かずに連続性を保ちながら、ピン５２に沿って湾曲する。これにより、繊維５６の構造的な完全性および補強特性を維持することができるという利点が得られる。

図５を再び参照すると、クッション５８が、ピン５２ａ，５２ｂの端がクッション５８内に延びるように補修部分５１の上に置かれる。図示された例では、ピン５２ａ，５２ｂの端５７を受けてピン５２ａ，５２ｂを保護し、かつピン５２ａ，５２ｂが他の物品と接触するのを防ぐために、クッション５８はゴムのような弾性材料からつくられる。任意選択的に、減圧する手段を提供すると共に、補修材料５１の圧縮中に余分な樹脂を除去する機構を提供するように、通気プライ（ｂｒｅａｔｈｅｒ ｐｌｙ）５９が、クッション５８と補修材料５１との間に追加されてもよい。

図示された例では、補修材料５１の領域は、周知の方法によって、真空バッグ６０内に密封される。真空バッグ６０は所望レベルに減圧され、真空バッグ６０内に得られる減圧によって、正味の大気圧がクッション５８に作用し、補修材料５１を圧縮する。これによって、補修材料５１から一部の樹脂が圧搾され、補修材料５１を固化させる。次いで、補修材料５１を硬化させるために、少なくとも補修材料５１の領域が加熱される。一方、補修材料５１は、加熱を必要としない樹脂を利用してもよい。補修材料５１は、任意の様々な異なる種類の材料でもよい。一例では、補修材料５１は、連続的な織物繊維で補強された未硬化のもしくは部分的に硬化された樹脂マトリックスの複合物である（例えば、プリプレグ）。他の例では、補修材料５１は、連続的な織物繊維の、一つもしくは複数の乾燥プライと液体樹脂とを含み、この液体樹脂は、一つもしくは複数の乾燥プライをピン５２ａ，５２ｂの上に配置したあとで硬化される。

硬化ステップ４８の後、真空バッグ６０、クッション５８、およびテンプレート５４が、有孔複合材料２０から除去される。ピン５２ａ，５２ｂが除去されて、補修材料５１および元の有孔スキン２２を貫通する孔３０´が残る。このように、ピン５２ａ，５２ｂは、補修材料５１の硬化中に、孔３０´を形成するための代替物（ｐｌａｃｅ ｈｏｌｄｅｒ）の一種として機能する。

一方、真空バッグ６０を用いる代わりに、補修材料５１の硬化中にクッション５８に圧力を加えるように有孔複合材料２０が機械的に加圧もしくは締め付けられてもよく、あるいは補修材料５１を固化させるために圧力が印加されなくてもよい。任意選択的に、ピン５２ａ，５２ｂは、硬化後にピン５２ａ，５２ｂを有孔複合材料２０から取り外すのを容易にするためにピン５２ａ，５２ｂの一端から他端に向かうテーパ形状を有してもよい。一例では、テーパは、約３°である。ピン５２ａ，５２ｂは、補修材料５１からの取外しをさらに容易にするために、潤滑されてもよい。

他の例では、補修材料５１に加えて、接着剤６２（図５）が用いられる。この例では、接着剤６２は、例えば、テーパ面５０上の残余の有孔スキン２２と、補修材料５１との間に配置される。この接着剤６２は、残余の有孔スキン２２と補修材料５１との間の結合を促進する。一例では、接着剤６２は、補修材料５１および有孔スキン２２に用いられる主樹脂材料と適合する高分子材料である。適合性のある接着剤６２は、補修材料５１と残余の有孔スキン２２との間に所望の結合度をもたらす任意の材料でもよい。

図７は、補修プロセス後の有孔複合材料２０を示す。この例では、補修材料５１は、元の有孔スキン２２の厚み寸法Ｄ₂と略等しい厚み寸法Ｄ₁を有している。さらに、補修材料５１は、繊維５６を切断することなく形成されているので（すなわち、繊維５６は、ピン５２によって変位されている）、補修材料５１は、元の有孔スキン２２と同様の構造特性を有している。加えて、補修材料５１の穿孔３０´は、有孔スキン２２に先在する穿孔３０のパターンと一致しているので、補修後の有孔複合材料２０の音響効果は、元の有孔複合材料２０の音響効果と同様である。このように、この開示された例は、有孔複合材料２０を、その構造的、音響的、および寸法的な特性が維持されるように補修する方法を提供する。

本発明の好ましい実施形態について説明したが、当業者であれば、特定の修正が本発明の範囲内に含まれることが認識できるであろう。このため、本発明の真の範囲および意義を画定するには、特許請求の範囲が検討されるべきである。

望ましくない部位を有する例示的な有孔複合材料を示す図である。 図１に示される有孔複合材料を補修する例示的な方法を示す図である。 補修工程の除去ステップ後の有孔複合材料の斜視図である。 補修工程の除去ステップ後の有孔複合材料の断面図である。 補修工程時の有孔複合材料の一例を示す図である。 補修工程時の補修材料の変位した連続的な繊維の一例を示す図である。 補修工程後の有孔複合材料を示す図である。

符号の説明

２２…有孔スキン
２４…裏側スキン
２６…ハニカムコア
２８，２８´…複合層
５２ａ，５２ｂ…ピン
５４…テンプレート
５７…端部
５８…クッション
５９…通気プライ
６０…真空バッグ

Claims (17)

1. （ａ）有孔スキンの望ましくない部位を除去するステップと、
   （ｂ）前記除去された望ましくない部位に補修材料を配置するステップと、
   （ｃ）前記補修材料を硬化させるステップと、
   （ｄ）前記ステップ（ｃ）が完了する際に少なくとも一つの穿孔が前記補修材料を貫通して形成されるように、前記ステップ（ｃ）が完了する前に、前記補修材料を通して少なくとも一つの開口部を形成させるステップと、
   を備えることを特徴とする複合材料の一部の修復方法。
2. 前記ステップ（ｂ）が、前記ステップ（ｃ）における硬化中に、前記少なくとも１つの穿孔を形成させるように、前記ステップ（ｃ）の前に少なくとも１つのピンを前記補修材料に挿入するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の修復方法。
3. 前記ステップ（ｂ）が、前記有孔スキンの残余部分に先在する穿孔内に、少なくとも部分的に前記少なくとも一つのピンを挿入するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の修復方法。
4. 前記少なくとも１つのピンが複数のピンを含み、前記ステップ（ｂ）が、前記複数のピンの各々を前記補修材料の所望の位置に挿通させるためにテンプレートを用いるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の修復方法。
5. 前記ステップ（ｃ）が、少なくとも前記補修材料を所望の温度に加熱し、前記補修材料に所望の圧力を加えるステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の修復方法。
6. 前記少なくとも１つのピンの一端が前記補修材料から延在し、前記ステップ（ｃ）が、この一端上にクッションを置くステップを含むことを特徴とする請求項５に記載の修復方法。
7. 前記ステップ（ｃ）が、前記補修材料を真空槽内に密封し、前記真空槽を減圧するステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の修復方法。
8. 前記補修材料を貫通する前記少なくとも一つの穿孔が残るように、前記ステップ（ｃ）における硬化後、前記少なくとも１つのピンを前記補修材料から取り外すステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の修復方法。
9. 前記補修材料が、連続的な補強繊維を含み、前記ステップ（ｂ）が、前記連続的な補強繊維を変位させてこの連続的な補強繊維の連続性がその長さに沿って保たれるように、前記少なくとも１つのピンを前記連続的な補強繊維の間に押し込むステップを含むことを特徴とする請求項２に記載の修復方法。
10. 前記有孔スキンの残余部分と前記補修材料との間に接着材料を被覆するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の修復方法。
11. 前記ステップ（ｄ）が、前記少なくとも一つの穿孔を、前記有孔スキンの残余部分内に先在する穿孔と軸方向に揃うように形成させるステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の修復方法。
12. 請求項１に記載の方法によって修復される一部を有する有孔複合部品であって、孔なしスキンと、前記孔なしスキンと前記補修材料との間にハニカムと、を備えた有孔複合部品。
13. ハニカムと、
    前記ハニカムに接合された有孔スキンと、
    前記有孔スキンに接合された補修部分であって、前記補修部分を貫通する少なくとも１つの穿孔と、前記少なくとも１つの穿孔の場所を確保するように変位されている少なくとも１つの連続的な補強繊維と、を備えた補修部分と、
    を備えてなる有孔複合部品。
14. 前記有孔スキンが第１の厚みを有し、前記補修部分が前記第１の厚みに略等しい第２の厚みを有することを特徴とする請求項１３に記載の有孔複合部品。
15. 前記有孔スキンと前記補修部分との間に接着材料をさらに備えることを特徴とする請求項１３に記載の有孔複合部品。
16. 前記少なくとも１つの穿孔が、前記補修部分および前記有孔スキンの各々を貫通する第１の穿孔を含むことを特徴とする請求項１３に記載の有孔複合部品。
17. 前記有孔スキンおよび前記補修部分が、各々複合層を備え、前記補修部分の前記複合層が、前記有孔スキンの前記複合層の少なくとも一部と重なることを特徴とする請求項１３に記載の有孔複合部品。

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