JP2009526670A - 複合材料で形成された構成部品を局所的に補強する補強材料及び方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、複合材料で形成された構成部品（６）を特に力導入領域及び／又は接続領域（７）にて局所的に補強する補強材料（１）に関する。本発明によれば、補強材料（１）は金属のシート状層によって形成され、このシート状層は接着性を改善するために粗さが増加された面（４）と、シールを提供し且つ複合材料との結合を改善するために面（４）に塗布されたコーティング（５）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合材料で形成された構成部品を局所的、特に力導入及び／又は接続領域を補強する補強材料に関する。
更にまた、本発明は、補強材料を製造する方法に関する。付け加えて、本発明は複合材料からなり且つ補強材料を備えた構成部品、航空機のための特に大きなサイズの構成部品を製造する方法に関する。

特に、航空機や航空宇宙の分野での軽量構造においては、非常な高強度と同時に低質量である故に、重量の大きな削減を可能にする繊維強化複合構成部品が負荷を支承するための構造部品に多用されている。機械的な特性の要求が高いとき、複合構成部品は炭素繊維強化エポキシ樹脂で形成される。この複合構成部品は、エポキシ樹脂が含浸された炭素繊維からなる多数の層の積み重ね、即ち、積層配置を必要とする。ここで、特定の負荷方向に完成後の複合構成部品を最適にするため、各層は異なる繊維方向性を有する。各層の繊維方向性は例えば、０°及び±４５°である。このような複合構成部品の製造には、複合構成部品は特に、所謂、ＣＲＰプレプレッグ材料で形成されるのが好ましい。このＣＲＰプレプレッグ材料は、樹脂母体を形成するため、既に適切なエポキシ樹脂で含浸（飽和）された炭素繊維により形成されている。ここで、炭素繊維は、織布、積層物、又は、粗紡糸(rovings)の形態、即ち、方向付けされた繊維要素の形態で配置されている。ＣＲＰプレプレッグ材料の硬化は、例えば圧力釜等の真空バッグ内にて公知の方法で実施される。

他の構造的な構成部品と複合構成部品との接続を可能にするためには、複合構成部品内にボアホールを取り入れなければならず、これにより、別の構成部品との接続をなすための例えばボルトの差し込みが可能となる。しかしながら、一般的に炭素繊維は構成部品の面と平行に走っているため、複合構成部品の埋込み強度は引張又は圧縮強度と比較して、非常に高いものではない。それ故、力導入領域及び／又は接続領域、例えば、ボルト又はリベット接続をなすためのボアホールの領域には、付加的且つ機械的な補強材を設ける必要がある。

このような機械的な補強材は例えば、所謂、二重化部材(doublers)として形成可能であり、この二重化部材は、実際の複合構成部品の力導入領域及び／又は接続領域に宛われる複合材料の付加的な層を含んでいる。しかしながら、二重化部材は、力導入領域又は接続領域を厚くし、しばしば構造的なデザインの制約をもたらしてしまう不具合を有する。
更にまた、特に複合構成部品の力導入領域又は接続領域に平坦な金属のシート状層からなる層構造を組み込むことが知られている。この層構造は、金属のシート状層と、ＣＲＰプリプレッグ材料とを交互の積み重ねを必要とする。金属のシート状層での高い埋込み強度及び複合材料での高い引張又は圧縮強度の組合せは共同して、力導入領域又は接続領域でさえも、好都合な機械的特性を提供する。

しかしながら、力導入領域又は接続領域、例えば、複合構成部品間でのボルト又はリベット接続をなすボアホイールの領域での機械的な特性を改善するため、ＣＲＰ複合構成部品の層構造内へのシート状層の組み込みは製造技術の観点からみて、明らかに非常に複雑なものとなり、実施されたとしても、一部のみが自動化されるに過ぎない。
それ故、本発明の目的は、特に、エポキシ樹脂ベースのＣＲＰ複合構成部品内に特に大きなサイズの複合材料からなる補強ゾーンを得るため、容易、特に自動処理を可能にするＣＲＰ複合構成部品のための適切な補強材料を提供することにある。

上記の目的は、特許請求の範囲における請求項１の特徴を備えた補強材料によって達成される。
補強材料が金属のシート状層によって形成され、この金属のシート状層が接着性を改善するために増加された粗さを有する面と、この面に塗布され、シール及び複合構成部品との結合を改善するコーティングとを含むという事実は、補強材料と複合構成部品の隣接層との間の接着を良好にすることを意味し、これにより、補強材料及び複合材料から形成され、特に大きなサイズの複合構成部品に対して高い埋め込み強度と同時に、その最適な引張、圧縮及び剪断強度が与えられる。

付け加えて、コーティングは、前もって面の粗さを増加させる面処理が実施された後、金属のシート状層の面をシールし、これにより、例えば、複合材料の層との接続、即ち、その接着を阻害する金属のシート状層上への汚染物の堆積が大幅に回避される。
付け加えて、好ましくは金属のシート状層がウエブ形態をなし、そして、供給ロールから繰り出されて、局所的な補強ゾーンを備える特に大きなサイズの複合構成部品を形成すべく自動敷設装置により積層されるなら、コーティングはその下側のＣＲＰプレプレッグ材料に対する金属のシート状層の初期留めを確実なものにする。ここで、ＣＲＰプレプレッグ材料もまた、補強材料としての金属のシート状層と同様なウエブ形態をなしていると仮定すれば、ＣＲＰプレプレッグ材料は供給ロールから繰り出され、自動敷設装置により積層される。補強材料、ひいては層構造全体の制御不能な変位、又は、スリップは大きく回避される。

好適な態様によれば、複合材料は多数の炭素繊維によって形成され、炭素繊維には硬化可能な合成樹脂が含浸されている。
この結果、低重量にして高い機械的強度が得られる。
他の好適な態様によれば、金属のシート状層のコーティングは硬化可能なポリマ材料、特に硬化可能な合成樹脂により形成されている。

複合材料の局所的な補強に使用される金属のシート状層のコーティングがＣＲＰプレプレッグ材料の樹脂母体の形成に使用された合成樹脂に実質的に相当する硬化可能な同一の合成樹脂により形成されるという事実は、金属のシート状層と複合材料、即ち、炭素繊維を囲む樹脂母体との間に最適な接着結合が得られることを意味する。
本発明の他の態様において、硬化可能な合成樹脂はエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂等である。

エポキシ樹脂の使用は、金属のシート状層と複合材料との間に非常に確実な機械的接続を可能にする。
更に好適な態様によれば、複合材料はＣＲＰプレプレッグ材料である。
エポキシ樹脂が既に含浸されている炭素繊維を含んだＣＲＰプレプレッグ材料は、炭素繊維を敷いた後、樹脂母体を形成する樹脂組織を最早要求しないので、機械により更に簡単な処理が可能となる。

完成した複合構成部品を形成するため、ウエブ形態のＣＲＰプレプレッグ材料を敷設した層や、チタニウムフォイルの介在層がある場合にはこの介在層を含めて、これらの層の硬化は、例えば圧力釜等の真空バッグ内にて公知の方法により実施される。
更に好適な態様において、実質的にウエブ形態をなして巻回された状態にある金属のシート状層及び複合材料のそれぞれは供給ロールから繰り出され、そして、積層されることで、複合材料及び補強材料からなる特に大きなサイズの構成部品を形成する。

補強材料及び複合材料のウエブ形態は、少なくとも部分的に自動作動する敷設装置、例えば例えばコンピュータ制御の敷設装置により大きなサイズの構成部品の製造を可能にする。この目的のため、複合材料及び例えば力導入領域又は接続領域を作る際の補強材料は、自動敷設装置により供給ロールから繰り出されて積層され、完成した構成部品を形成する。

本発明における補強材料の好適な態様によれば、金属のシート状層は少なくともチタニウムを含む合金によって形成されている。
この結果、補強材料及び複合材料から形成された構成部品の力導入領域又は接続領域には非常に高い埋込み強度が与えられる。同時に、このような構成部品は非常に良好な引張、圧縮及び剪断強度を有する。

更に好適な態様において、金属のシート状層はチタニウムフォイル、高級鋼のフォイル等からなる。
補強材料としてのチタニウムフォイルは、非常に高い埋め込み強度を与えると同時に、チタニウムフォイルで局所的に補強された複合材料を低重量にする。高級鋼のフォイルの使用は、増加した重量に相当する埋込み強度を与える。又、ＣＲＰプレプレッグ材料の個々の層とチタニウムフォイルの層との間の接着結合を改善するためには、チタニウムの網及び／又はチタニウムの布、又は、穿孔したチタニウムフォイルも使用可能である。また、フォイルとしての金属のシート状層はこれをロールの形態にすることができ、これにより、供給ロールから繰り出され、そして、好ましくは同様にロール形態のＣＲＰプレプレッグ材料とともに敷設されることで、少なくとも部分的に自動化された自動敷設装置により、特に大きなサイズの複合構成部品を形成する。

更にまた、本発明の目的は、特許請求の範囲における請求項１２の補強材料を製造する方法によって達成される。
金属のシート状層が先ず、接着性を改善するために面の粗さを増加させる面処理を受け、この後、面をシールし且つ複合材料との結合を改善するために硬化可能な合成樹脂のコーティングが塗布されるという事実は、力導入領域及び／又は接続領域の埋め込み強度を改善するため、少なくとも積層又は部分的に重ね合わされた補強材料と複合材料との間に最適な機械結合が得られることを意味する。

付け加えて、前記の目的は、請求項１５に基づく複合材料及び補強材料からなる構成部品を製造する方法によって達成される。
複合材料、特にＣＲＰプレプレッグ材料を積層し、そして、特に力導入領域及び／又は接続領域に少なくとも部分的に補強材料を敷設して構成部品が形成されるという事実は、複合材料内に高い埋込み強度を備えた領域が作り出されることを意味する。特に大きなサイズの完成した構成部品を製造するため、それぞれロール形態をなす補強材料及び複合材料は、少なくとも部分的な自動敷設装置により繰り出されて敷設され、これにより、製造の手間を比較的少なくし、迅速且つ安価にして上述の複合構成部品の製造が可能となる。

補強材料、補強材料を製造する方法及び補強材料及び複合材料からなる構成部品を製造する方法に関して、他の好適な態様は他の請求に提示されている。

図中、同一の構成要素には同一の参照符号が付されており、図１は発明の補強材料の斜視図を示す。
ウエブの形態をなす補強部材１は巻回されて供給ロール２を形成している。この供給ロール２は、ウエブ形態のＣＲＰプレプレッグ材料のための公知の自動コンピュータ制御の敷設装置にて処理され、特に大きなサイズの複合構成部品を製造する。即ち、補強部材１は繰り出されて積層される。それ故、同一の装置にてウエブ形態の補強材料１をＣＲＰプレプレッグ材料とともに処理し、複合材料から特に大きなサイズの構成部品を製造することができる。

本発明の補強材料１は、ウエブ状のチタニウムフォイル３の形態をなす金属のシート状層によって形成されている。この代替として、チタニウムを含む合金によって形成されたフォイルもまた使用可能である。また、補強材料１は、チタニウムワイヤの織布及び／又は積層物、又は、レーザにより穿孔されているか又は隙間を備えたチタニウムフォイルによって金属のシート状層を形成することも可能である。更にまた、特に軽量化が要求されるときには、例えば他の金属のフォイル、例えば高級鋼のフォイルを使用することもできる。このことは、金属からなるワイヤの織布及び／又は積層物にも同様に当て嵌まる。図示の実施例のチタニウムフォイル３は、０．２ｍｍ〜１ｍｍの材料厚みを有する。チタニウムフォイル３の幅は、製造すべき構成部品の幾何的な寸法に応じ、０．５ｍ〜５ｍである。

チタニウムフォイル３はその粗さが増加された面４を有する。粗さが増加された面４は既に公知の方法により作り出すことができる。例えば、チタニウムフォイル３の面４は、例えばエッチング又は研削等の化学的及び／又は物理的な方法により粗くされ、その接着性を向上させている。特に好ましくは、チタニウムフォイル３の表面処理は所謂プラズマ方法によって実施される。ここで、増加された粗さの語句は顕微鏡スケールでの粗さ、即ち、ほんの僅かな粗さを意味する。

発明によれば、この後、チタニウムフォイル３は硬化可能なエポキシ樹脂のコーティング５で被覆される。好ましくは、ここでは、コーティング５は実質的に同一の樹脂組織によって形成される。つまり、この樹脂組織は、ウエブ形態のＣＲＰプレプレッグ材料又は使用される複合材料の樹脂組織のためにも使用される。特に、ＣＲＰプレプレッグ材料との適切な接着結合が得られる限り、コーティング５の形成には他のポリマ材料の使用も可能である。コーティング５は１ｍｍ未満の厚み、好ましくは０．１ｍｍの材料厚さを有する。好ましくは、コーティング５を含むチタニウムフォイル３の材料厚さは、ＣＲＰプレプレッグ材料における層の材料厚さにほぼ相当するように選択され、作り出すべき局所的な補強ゾーンにて、その領域の厚さが不所望の厚くなるのを避けている。

特に、増加された粗さを有する面４はコーティング５の接着性、つまり、補強材料１とＣＲＰプレプレッグ材料の隣接した層との間の接着結合を改善する。同時に、コーティング５は、チタニウムフォイル３の表面４が固形及び／又は液体の異物によって汚染されるのを防止し、このような異物は一般的に接着性に悪影響を及ぼす。付け加えて、敷設が敷設装置によって実施されるとき、補強材料１は、下側に積層された面、即ち、下側のＣＲＰプレプレッグ材料の層に接着的に「張り合わされる」。このことは、積層構造内にて一時的な固定をもたらし、これにより、特に不安定な機械的特性を導くことになる変位が防止される。そして、増加した埋込み強度を有する局所的な補強ゾーンを備える特に大きなサイズの複合構成部品を製造するとき、敷設プロセス中、既に積層された補強材料１及び／又はＣＲＰプレプレッグ材料のウエブにとって、不所望な剥がれ及び／又は制御不能な変位が結果的に大きく回避される。

図２は、発明の補強材料で形成された構成部品の一部及び力導入領域、即ち、接続領域での複合材料の概略的な断面を示す。
構成部品６は力導入領域及び／又は接続領域７を有し、この領域は例えばＣＲＰプレプレッグ材料の層８〜１４及び補強部材１の層１５を積層して形成されている。好ましくは、補強材料１はエポキシ樹脂でコーティングされたチタニウムフォイル３（図１参照）として形成されており、また、コーティングのための使用された樹脂組織はＣＲＰプレプレッグ材料にて使用された樹脂組織と一致しているのが好ましい。接着のための前提条件が満たされるならば、コーティング５もまた他の幾つかの樹脂組織により形成可能である。実施例の場合、層８，１０，１１，１２，１４は０°の繊維指向性を有し、これに対し、層９，１３は±４５°の繊維指向性を有する。図示実施例の力導入領域及び／又は接続領域７は構成部品６内にボアホール１６を取り入れるために役立つ。ボアホール１６及び例えばボルト又はリベットの接続要素（図示しない）を介し、別の構成部品との接続をなすことができ、又、構成部品６への力の導入が可能となる。この文脈において、力導入領域及び／又は接続領域７は局所的な補強ゾーンを表す。

ここで、補強部材１で形成された層１５は、ボアホール１６に所望の高い埋込み強度を確保し、一方、ＣＲＰプレプレッグ材料の他の層８〜１４は局所的な補強ゾーンにて構成部品６に高い引張、圧縮又は剪断強度を確保する。ＣＲＰプレプレッグ材料の層８〜１４及び補強材料１（コーティング５を備えたチタニウムフォイル３）の層１５の複合体は、事実上、最適な機械的材料特性を提供する。

好ましくは、補強材料１の層１５の材料厚さは、ＣＲＰプレプレッグ材料の隣接する層１１の材料厚さにほぼ一致するように選択されている。
図２の概略的な表示とは別に、ＣＲＰプレプレッグ材料内に同じように異なる繊維指向性を備えた異なる層構造を提供することも可能である。特に、ボアホール１６の埋込み強度を増加させるためには、補強材料１からなる非常に多くの層１５を備えることが必要となる。付け加えて、力導入領域及び／又は接続領域７に補強材料１を設けるのみならず、構成部品６の面領域全体に亘って補強材料１を設けることも可能である。

図３は、特に、敷設装置１７を使用して複合材料及び補強材料から大きなサイズの構成部品を製造するための本発明の方法の手順を示す。自動敷設装置１７は、作動装置（特に図示しない）により座標系２０によって示すように空間的な全方位に自由に位置決め可能な２つの保持フレーム１８，１９と、対応して構成された制御システムとを備える。敷設装置１８の下側に製造されるべき構成部品６がある。保持アーム１８はウエブ形態の補強材料１の供給ロール２を受取るのに役立ち、補強材料１はコーティング５を有するチタニウムフォイル３からなる。保持アーム１９は、ＣＲＰプレプレッグ材料の供給ロール２１２を受取るのに役立つ。また、２つの付加的な圧力ロール２２，２３が備えられており、これら圧力ロール２２，２３はそれぞれウエブ形態のＣＲＰプレプレッグ材料又は補強材料１を既に敷設された層に押圧可能である。付け加えて、切断機能を備えた圧力ロール２２，２３を備えることも可能であり、例えば力導入領域及び／又は接続領域７が作り出されない領域にて、補強材料１はその箇所に亘って自動的に切断され、これにより、前記箇所では、ＣＲＰプレプレッグ材料のみが敷設される。又は、敷設装置１７は、補強材料１又はＣＲＰプレプレッグ材料を切断する圧力ロール２２，２３に付け加えて、別の切断装置を有することも可能である。供給ロール２，２１のみならず、圧力ロール２２，２３及び切断装置（特に図示しない）は制御システムによって制御且つ監視される。図３の例において、敷設装置１７は矢印２４の方向に移動する。

本発明における補強部材１及びＣＲＰプレプレッグ材料のウエブ形態は事実上、制御システムにより制御される敷設装置１７と協働して構成部品の完全な自動製造を可能にする。この自動製造は、供給ロール２，２１からの補強材料１及びＣＲＰプレプレッグ材料の繰り出しや、製造すべき構成部品６、特に大きな構成部品６の所望の材料厚さが達成されるまでの材料の積層を含む。例えば、構成部品６は、翼、又は、水平若しくは垂直なテールアセンブリのシェルである。好ましくは、ここでの補強部材１の配置は、力導入領域及び／又は接続領域、即ち、製造されるべき構成部品６の局所的な補強ゾーンにて実施され、ＣＲＰの二重化構造による材料の多重化した厚みを要求することなく、適切な埋込み強度を確保する。それ故、発明の方法、即ち、自動敷設方法により、発明の補強材料（チタニウムフォイル）を使用して製造された構成部品は埋込み強度が増加された領域でさえも、ほぼ同一の材料厚さを常時有する。

それ故、発明によって提供された方法に従い、自動敷設装置１７上にて補強材料１及びＣＲＰプレプレッグ材料を共に処理することは、コスト的に有利な構成部品の製造を可能にする。

処理のためにロールに巻回された補強材料の斜視図である。 複合材料及び補強材料で形成され、且つ、力導入領域又は接続領域を備えた構成部品の概略断面である。 複合材料及び補強材料からなる特に大きなサイズの構成部品を製造する装置を示した図である。

符号の説明

１ 補強部材
２ 供給ロール
３ チタニウムフォイル
４ 面
５ コーティング
６ 構成部品
７ 力導入領域及び／又は接続領域
８〜１５ 層
１６ ボアホール
１７ 敷設装置
１８，１９ 保持アーム
２０ 座標系
２１ 供給ロール
２２，２３ 圧力ロール
２４ 矢印

Claims (12)

1. 積層したウエブ形態のＣＲＰプレプレッグ材料で形成された構成部品（６）を特に力導入領域及び／又は接続領域（７）にて局所的に補強するための補強材料（１）において、
   補強材料（１）はウエブ形態の金属フォイルによって形成され、この金属フォイルは接着性を改善するために粗さが増加された面（４）及びこの面（４）に塗布された硬化可能な合成樹脂からなる接着性のコーティング（５）を有し、この接着性のコーティングはシールを提供するとともに複合材料との結合性を改善し、敷設プロセス中、構成部品（６）への留めをなすことを特徴とする補強材料（１）。
2. 硬化可能な合成樹脂は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂等であることを特徴とする請求項１に記載の補強材料（１）。
3. ＣＲＰプレプレッグ材料は特に、炭素繊維強化エポキシ樹脂により形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の補強材料（１）。
4. ロールに巻回された状態の金属フォイル及びＣＲＰプレプレッグ材料は、供給ロール（２，２１）から繰り出されて積層され、ＣＲＰプレプレッグ材料及び金属フォイルからなる特に大きなサイズの構成部品を形成することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の補強材料（１）。
5. 金属フォイルは０．１ｍｍ〜１ｍｍの材料厚みを有し、コーティングは０．５ｍｍ未満の材料厚みを有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の補強材料（１）。
6. 金属フォイルは０．５ｍ〜５ｍの幅を有することを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の補強材料（１）。
7. コーティングを備えた金属フォイルは、好ましくは、ＣＲＰプレプレッグ材料の層の材料厚さにほぼ相当する材料厚さを有することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の補強材料（１）。
8. 金属フォイルは、少なくともチタニウム含有合金によって形成されていることを特徴とする請求項１〜７の何れかに記載の補強材料（１）。
9. 金属フォイルは、高級鋼のフォイル等であることを特徴とする請求項１〜８の何れかに記載の補強材料（１）。
10. 請求項１〜９の何れかの補強材料（１）を製造する方法であって、
    金属フォイルは先ず、接着性を改善するために面（４）の粗さを増加させる面処理を受け、この後、面（４）をシールし且つウエブ形態のＣＲＰプレプレッグ材料との結合を改善するために硬化可能な合成樹脂の接着性のコーティング（５）が塗布されることを特徴とする方法。
11. 金属フォイルの面（４）の粗さを増加させる面処理は、特に、研削、エッチング、コーティング及びこれらの任意の組合せからなる機械的及び／又は化学的な方法によって実施されることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 金属フォイルの面（４）の粗さを増加させる面処理は、プラズマ処理によって実施されることを特徴とする請求項１０又は１１に記載の方法。

Images