JP2011520624A - 繊維複合材料の表面処理装置及び方法 - Google Patents
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Abstract
本発明は所定硬度(HF)の繊維(3)を含む繊維複合材料(1)の表面(4')を処理する方法及び装置であって、前記繊維複合材料(1)に含まれる前記繊維(3)の硬度(HF)よりも低く且つ前記繊維(3)が埋め込まれる前記繊維複合材料(1)におけるプラスチック材料(2)の硬度(HK)よりも高い硬度(HA)を有する研磨手段(5)による研磨によって前記繊維複合材料(1)の表面(4')が除去される繊維複合材料の表面処理方法及び装置を提供する。
【選択図】図2B
【選択図】図2B
Description
本発明は、繊維複合材料、特には炭素繊維強化プラスチック材料(CFRP)の表面を処理する方法及び装置に関する。
航空機構造体においては繊維複合材料が広く使用されている。前記繊維複合材料とは埋め込まれた繊維によって補強された材料である。ガラス繊維強化プラスチック材料(GFRP)、炭素繊維強化プラスチック材料(CFRP)及びアラミド繊維強化プラスチック材料(アラミド繊維複合材料、AFC)が最も頻繁に使用されている。
炭素繊維強化プラスチック材料に構成部品が接着される際には前記炭素繊維強化プラスチックの表面を処理する必要がある。例えば、エアロフォイルの上側シェル及び下側シェルを接着して完成翼を形成する前に、前記上側シェル及び前記下側シェルの接着表面を十分に下処理する必要がある。
飛行中に大きな荷重に晒される航空機の部位の破損を防止しなければならない。基材の強度よりも弱い強度を有する接着接合は構造体に弱い部分をもたらすことになり得る。
そのような弱点を防止する為に、従来においては、接着が行われる表面は、まず研磨がなされていた。しかしながら、積層された素表面を研磨すると、強度を画する繊維が研磨処理によって損傷する虞がある。
図1A及び1Bは、従来の方法で研磨されている繊維複合材料の表面処理を模式的に示している。
図1Aに示されるように、繊維F1及びF2は、材料の強度を高める為に繊維複合材料中のプラスチック材料Kに埋め込まれている。前記複合材料における繊維Fは比較的高い硬度を有する一方で、比較的脆性を有するものとされる。図1において視認され得るように、複合材料におけるプラスチック材料に埋め込まれた繊維Fは所定のうねりを有している。図1A及び1Bに示されるように、複合材料の表面が研磨されると、埋め込まれている繊維の一部、例えば図1A及び1Bにおける繊維F1が分断され得る。一又は複数の繊維の分断は複合材料の強度低下を招く。
このように、繊維複合材料の表面を研磨すると、強度を決定する繊維が研磨処理によって損傷又は分断される。一般的に前記繊維は導電性を有するから、このことは表面抵抗を測定することによって確証される。
ドイツ特許第10302594A1には、耐負荷構造体に対する後続する処理の為に、炭素繊維強化プラスチック材料の表面を下処理する方法が提案されており、この方法においては、炭素繊維強化プラスチック材料の表面は尖ったエッジの鋼玉粒子を用いた研磨剤によって処理されている。
しかしながら、この従来の方法は、複合材料の表面処理において、鋼玉粒子がプラスチック材料を取り除くばかりではなく、この処理によって露出される脆弱な繊維にも作用する。従って、この従来の方法も、複合材料における繊維の分断を招く。
本発明の目的は、繊維複合材料の強度を損なうことなく、前記繊維複合材料の表面の処理を行う方法及び装置を提供することである。
前記目的は、請求項1に規定された特徴を有する方法によって達成される。
本発明は、所定硬度の繊維を含む繊維複合材料の表面を処理する方法であって、前記繊維複合材料に含まれる前記繊維の硬度よりも低く且つ前記繊維が埋め込まれる前記繊維複合材料におけるプラスチック材料の硬度よりも高い硬度を有する研磨手段によって前記繊維複合材料の表面が除去される繊維複合材料の表面処理方法を提供する。
本発明に係る方法の一形態においては、前記研磨手段は気体流体によって前記繊維複合材料の表面に吹き付けられる。
本発明に係る方法の他の形態においては、前記研磨手段は液体流体によって前記繊維複合材料の表面に吹き付けられる。
本発明に係る方法の一例においては、前記気体流体は空気によって形成される。
本発明に係る方法の一例においては、前記液体流体は水によって形成される。
本発明に係る方法のさらに他の形態においては、前記研磨手段は遠心分離作用を用いて前記繊維複合材料の表面に投げつけられる。
本発明に係る方法の可能性のある一形態においては、前記研磨手段は尿素樹脂によって形成される。
本発明に係る方法の可能性のある一形態においては、前記研磨手段の硬度はモース硬度3から4までの範囲内とされる。
本発明に係る方法においては、好ましくは、前記繊維複合材料の表面に接着の為の下処理が行われる。
本発明に係る方法の可能性のある一形態においては、前記研磨手段の粒子は0.10mmから1.80mmまでの大きさを有するものとされる。
本発明に係る方法の可能性のある一形態においては、前記研磨手段の粒子は0.10mmから0.50mmまでの大きさを有するものとされる。
本発明に係る方法の可能性にある一形態においては、前記繊維複合材料は炭素繊維強化プラスチック材料とされる。
本発明に係る方法の可能性にある一形態においては、前記繊維複合材料はガラス繊維強化プラスチック材料とされる。
本発明に係る方法の一形態においては、処理後の表面に加圧空気が吹き付けられて使用後の研磨手段が除去される。
本発明に係る方法の一形態においては、前記繊維複合材料の処理表面に接着剤が塗布され、その後に部品が載置される。
本発明は、さらに、所定硬度の繊維を含む繊維複合材料の表面を処理する研磨手段であって、前記繊維複合材料の表面を研磨によって除去し、前記繊維複合材料に含まれる前記繊維の硬度よりも低く且つ前記繊維が埋め込まれる前記繊維複合材料におけるプラスチック材料の硬度よりも高い硬度を有する研磨手段を提供する。
本発明に係る研磨手段の一形態においては、前記研磨手段は尿素樹脂を有する。
本発明に係る研磨手段の一形態においては、前記研磨手段は尖ったエッジを有し且つ不規則な形状を有する粒子を含むものとされる。
本発明に係る研磨手段の一形態においては、前記研磨手段の粒子は0.10mmから1.80mmまでの大きさを有するものとされる。
本発明に係る研磨手段の一形態においては、前記研磨手段の粒子は0.10mmから0.50mmまでの大きさを有するものとされる。
本発明に係る研磨手段の一形態においては、前記研磨手段はモース硬度3から4までの間の硬度を有するものとされる。
本発明は、さらに、請求項20に規定された特徴を有する繊維複合材料の表面を処理する装置を提供する。
本発明は、所定硬度の繊維を含む繊維複合材料の表面を処理する装置であって、前記繊維複合材料に含まれる前記繊維の硬度よりも低く且つ前記繊維が埋め込まれる前記繊維複合材料におけるプラスチック材料の硬度よりも高い硬度を有する研磨手段を前記繊維複合材料の表面に向かわせるように構成された繊維複合材料の表面処理装置を提供する。
本発明に係る装置の一形態においては、前記研磨手段は吹き付け手段によって加圧気体流体又は液体流体を利用して前記繊維複合材料の表面に吹き付けられる。
本発明に係る装置の他の形態においては、前記研磨手段は遠心分離手段によって遠心分離作用を利用して前記繊維複合材料の表面に投げつけられる。
本発明に係る装置の一形態においては、前記研磨手段は、前記繊維複合材料に含まれる繊維を損傷させること無く、前記繊維複合材料の表面層を調整可能な深さまで研磨によって剥ぎ取るものとされる。
以下、繊維複合材料の表面を処理する為の本発明に係る方法及び装置の実施の形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図2Aから明らかなように、本発明に係る方法によって処理されるべき繊維複合材料1は繊維3−1,3−2が埋め込まれたプラスチック材料2を有している。前記繊維3−1,3−2は、前記複合材料に強度を付加する高強度繊維とされている。前記繊維3−1,3−2は、例えば、炭素繊維とされ、例えば、樹脂に含浸される。前記プラスチック材料2又は樹脂は、例えば、熱硬化性樹脂とされ得る。ポリマーマトリクスを有する繊維複合材料の場合には、前記繊維は樹脂に含浸される。これは、樹脂マット及び繊維マットが交互に配設されて積層体を形成する層体、若しくは、所定の大きさにカットされ且つ高温及び高圧下で金型内において硬化されて部品を製造するプリプレグの何れにおいても実現される。繊維複合材料1の特性は、繊維3−iの配置を異ならせることによって変更され得る。図2Aに示された繊維複合材料1は、また、ガラス繊維強化プラスチック材料GFRP又はアラミド繊維強化プラスチック材料AFCとされ得る。繊維3−iが埋め込まれているプラスチック材料2は特定の硬度HKを有する。前記プラスチック材料2に埋め込まれた繊維3−iは、所定の硬度HFを有する。
本発明に係る方法においては、図2Aに模式的に示されるように、前記繊維複合材料1の表面4上に研磨手段5が吹きつけ又は投げつけられる。前記研磨手段5は大量の粒子5−1〜5−5を含んでいる。前記研磨手段5又は前記研磨手段5の前記粒子5−iは前記繊維複合材料1の前記繊維3−iが埋め込まれている前記プラスチック材料2の硬度Hkよりも硬い硬度HAを有しているから、前記繊維複合材料1の表面4への粒子5−iの衝突によって前記表面4が研磨される。図2A及び2Bに示されるように、前記繊維複合材料1の表面は、初期表面4から表面4’まで前記研磨手段5による研磨によって取り除かれる。前記研磨手段5の粒子が前記プラスチック材料2中に埋め込まれている前記繊維3−iに到達すると、前記粒子は、図2Bに示されるように、前記繊維3−iによって跳ね返される。図2Bに示されるように、前記研磨手段5の粒子5−3が、前記プラスチック材料2中に埋め込まれている繊維3−iの露出部分に衝突する。
本発明に係る方法において、前記繊維複合材料1に含まれる前記繊維3−iの硬度HFよりも低い硬度HAの研磨手段5が用いられる。同時に、前記研磨手段5の硬度HAは、前記繊維複合材料1における前記繊維3−iが埋め込まれる前記プラスチック材料2の硬度HKよりも高いものとされる。この関係は図3に図示されている。前記研磨手段5の硬度HAはポリマーマトリックスの硬度HKと繊維3の硬度HFの間に範囲内、即ち、
HK<HA<HF
とされる。
HK<HA<HF
とされる。
一形態においては、前記研磨手段5の硬度HAはモース硬度3〜4の範囲内とされる。
前記繊維複合材料1の表面から所定量、例えば、数マイクロメーターだけ除去されると、前記繊維複合材料1の露出表面4’は後続する製造工程、例えば、部品の接着に対して準備完了状態となる。
図4は繊維複合材料1の表面を処理する本発明に係る方法を用いた製造工程を示している。
まず、ステップ1において、前記繊維複合材料1の初期表面4が研磨手段5による研磨によって除去される。この際、前記研磨手段5は、その硬度HAが前記繊維複合材料1に含まれる繊維3の硬度HFよりも低く且つ前記繊維3が埋め込まれる前記繊維複合材料1のプラスチック材料2の硬度HKよりも高いものとされる。前記繊維3は、例えば、炭素繊維とされる。
これに代えて、前記繊維3は、所定硬度のガラス繊維とされ得る。又は、前記繊維3を所定硬度のアラミド繊維とすることも可能である。この際、前記研磨手段5の硬度HAは、前記プラスチック材料2中に埋め込まれる前記繊維3の所定硬度HFに応じて設定される。さらに、前記研磨手段5の硬度HAは、前記プラスチック材料2の所定硬度HKに応じて設定される。
一形態においては、図2Bに示される除去されるべき領域Aの深さ又は量が調整され得る。前記ステップ1における研磨除去が完了すると、ステップ2において、前記繊維複合材料1の処理表面4’に圧縮空気を吹き付けて前記研磨手段を除去する。次のステップ3においては、例えば、前記研磨手段が除去された前記繊維複合材料1の表面4’に接着剤が塗布される。
さらに、ステップ4において、接着剤で覆われた処理表面に固着されるべき部品が押圧される。このステップは高温下で行われ得る。
本発明に係る方法の一形態においては、前記研磨手段5は尿素樹脂によって形成され、粒子5−iの大きさは0.10mmから1.80mmの範囲内、好ましくは、0.10mmから0.50mmの範囲内に設定される。
ステップS1において、前記研磨手段5はガス流体を利用して前記繊維複合材料1の表面に吹き付けられ得る。このガス流体は、例えば、空気とされる。
これに代えて、前記研磨手段5を液体の流体を利用して前記繊維複合材料1の表面4に吹き付けることも可能である。この液体の流体としては、例えば、水を用いることができる。
さらなる変形形態においては、前記研磨手段5は遠心分離手段によって前記繊維複合材料の表面に投げつけられる。
図4に示された方法は、繊維複合材料1の表面を処理する為の装置を有する製造装置によって実施され得る。繊維複合材料1の表面4を処理する為の装置は、前記繊維複合材料1の表面4に研磨手段5を導く又は吹き付けるユニットを有する。ここで、前記研磨手段の硬度HAは、前記繊維複合材料1中に含まれる繊維3の硬度HFよりも低く且つ前記繊維複合材料1の前記繊維3が埋め込まれるプラスチック材料2の硬度HKよりも高いものとされる。
一形態においては、前記研磨手段5は前記表面処理装置の貯留部又は収容部に収容される。
本発明に係る表面処理装置の変形形態においては、前記研磨手段5を加圧流体によって前記繊維複合材料1の表面に吹き付ける吹き付け手段が備えられる。この場合において、好ましくは、前記加圧流体の圧力を調整可能とされる。前記流体は、前記表面処理装置の収容部に収容された気体又は液体の流体とされ得る。
他の形態においては、前記表面処理装置は、前記研磨手段5を遠心分離作用を用いて前記繊維複合材料1の表面4に投げつける遠心分離手段を有する。
使用される前記研磨手段5の硬度HAは前記繊維複合材料1の繊維3の硬度HFよりも低い為、前記表面処理装置は、前記繊維複合材料1に含まれる繊維3を損傷すること無く前記材料1の劣化表面を調整可能な深さまで研磨によって取り除くことができる。
Claims (12)
- 所定硬度(HF)の繊維(3)を含む繊維複合材料(1)の表面を処理する方法であって、
前記繊維複合材料(1)に含まれる前記繊維(3)の硬度(HF)よりも低く且つ前記繊維(3)が埋め込まれる前記繊維複合材料(1)におけるプラスチック材料(2)の硬度(HK)よりも高い硬度(HA)を有する研磨手段(5)による研磨によって前記繊維複合材料(1)の表面(4)が除去され、前記繊維複合材料(1)中の前記繊維(3)が損傷されること無く露出されることを特徴とする繊維複合材料の表面処理方法。 - 前記研磨手段(5)は気体又は液体の流体によって前記繊維複合材料(1)の表面に吹き付けられることを特徴とする請求項1に記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記流体は空気又は水によって形成されていることを特徴とする請求項2に記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記研磨手段(5)は遠心分離作用によって前記繊維複合材料(1)の表面に投げつけられることを特徴とする請求項1に記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記研磨手段(5)は尿素樹脂によって形成されていることを特徴とする請求項1から4の何れかに記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記研磨手段(5)の硬度(HA)はモース硬度3から4までの範囲内とされていることを特徴とする請求項1から5の何れかに記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記繊維複合材料(1)の表面(4)は接着又は塗装の為に下処理されることを特徴とする請求項1から6の何れかに記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記研磨手段(5)の粒子(5−i)は0.10mmから1.80mmまでの大きさを有していることを特徴とする請求項1から7の何れかに記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記研磨手段(5)の粒子(5−i)は0.10mmから0.50mmまでの大きさを有していることを特徴とする請求項8に記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記繊維複合材料(1)は炭素繊維強化プラスチック材料(CFRP)又はガラス繊維強化プラスチック材料であることを特徴とする請求項1から9の何れかに記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記繊維複合材料(1)の処理表面(4’)には前記研磨手段(5)を除去する為に加圧空気が吹き付けられる(S2)ことを特徴とする請求項1から10の何れかに記載の繊維複合材料の表面処理方法。
- 前記繊維複合材料(1)の処理表面(4’)に接着剤が塗布され(S3)、部品が前記処理表面に押しつけられる(S4)ことを特徴とする請求項11に記載の繊維複合材料の表面処理方法。
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