JP2014100847A - 複合材の修理方法および複合材 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明は、複合材10において錐台状の範囲を除去し、複合材10と、修理材20とを真空引きを行って接着する修理方法である。本発明は、錐台の頂面32の周縁部から径方向内側に突出する支持壁14を残して、損傷部11を表面10A側から厚み方向に貫通して除去する除去ステップS2と、除去により形成される貫通孔12に表面10A側から挿入された封止板15を支持壁14に設置することで裏面10B側を封止する裏面側封止ステップS3と、錐台状の範囲が除去された複合材10に、接着剤ADを介在させて修理材20を配置する修理材配置ステップS5と、表面10A側を封止して真空引きする真空引きステップS6と、を備える。
【選択図】図3
Description
外板は、翼の表裏に間隔をおいて配置され、翼の前縁および後縁を形成するスパーと共にボックス状に組み立てられている。ボックスの内部は、表裏の外板を支持するリブが設けられるとともに、各種の装置や燃料の収容空間とされている。
ところで、外板が衝撃を受けて損傷すると、修理が必要となる。その修理では、衝撃により層間が剥離している損傷部を除去し、除去により形成される凹部を複合材で埋める。この修理は、ボックス状の構造体を分解せずに行いたい。
例えば、損傷部が表面側から除去されることで形成される凹部に、外板本体と同様の複合材であって半硬化の状態の修理材をフィルム状の接着剤の上から配置する。そして、表面側からの真空引きにより修理材と複合材とを接着フィルムを介して密着した状態としてから、修理材を加熱して硬化させると、複合材に修理材を接着することができる。複合材の凹部は、応力集中を避けるために、全方位に均等な形状をしていることが好ましく、スカーフ加工により平面視円形のすり鉢状に形成されている。
非特許文献1では、貫通孔の裏面側を塞ぐために、貫通孔およびそれを塞ぐパッチを楕円形とすることが記載されている。貫通孔およびパッチをほぼ同じ径の円形とする場合とは異なり、貫通孔の長軸にパッチの短軸が沿うようにしてパッチを立てれば、複合材の裏面側にもぐらせることができる。そして、裏面側で回転させたパッチによって、貫通孔の裏面側を封止する。つまり、分解しなくても、複合材の表面側からの真空引きを行う修理が可能となる。
以上より、楕円形状とする手法を採用するのは難しい。
本発明の修理方法は、除去ステップと、裏面側封止ステップと、錐台状の範囲が除去された複合材に、接着剤を介在させて修理材を配置する修理材配置ステップと、表面側を封止して真空引きする真空引きステップと、を備える。
本発明は、除去ステップでは、錐台の頂面の周縁部から径方向内側に突出する支持壁を残して、頂面から、錐台の底面における頂面の投影領域までを含む範囲を表面側から厚み方向に貫通して除去し、封止ステップでは、除去により形成される貫通孔に表面側から挿入された封止板を支持壁に設置することで裏面側を封止することを特徴とする。
本発明では、複合材の裏面側に位置する支持壁を残して、複合材から損傷部を除去し、その支持壁に封止板を設置することで、除去により貫通された複合材の裏面側を封止している。このため、裏面側を封止するために、従来手法のように楕円形状の貫通孔を形成し、その貫通孔からパッチをもぐらせて複合材の裏面側に貼り付ける必要がない。このため、本発明では、貫通孔の形状を汎用的な加工で足りる真円とすることができるので、楕円長軸の向きを設定するための強度検討や繁雑な楕円加工が不要となる。これにより、修理時間を短縮できるとともに、修理に要するコストを抑えられる。
以上により、厚み方向全体に損傷が及んでいる複合材の修理にあたり、裏面側に作業者が入れるスペースがなくても、構造体を分解することなく修理できるので、コストを抑えて修理を実施できる。
こうすると、封止板の表面が工具のガイド面となるので、加工が容易となる。
これによれば、封止板および支持壁の斜面によって、複合材に生じる応力を分散させることができる。これにより、応力確保のために封止板をあまり薄くできず、そのためにスカーフ・ジョイントされる複合材および修理材の接着面の高さを十分に確保できない場合であっても、応力集中を回避できる。
このようにすると、支持壁と、複合材および修理材の接着面とをスカーフ加工によって一度に形成できるので、修理を容易化できる。
本発明の複合材は、繊維および樹脂により板状に形成されるとともに、厚み方向に形成される貫通孔に配置される修理材と接着されることにより修理された複合材である。
本発明は、貫通孔内には、裏面側から表面側に向けて拡径する錐台状の修理材と、修理材の頂面に表面が対向する封止板と、が配置され、封止板は、それよりも裏面側で複合材に一体に形成される支持壁に設置されることで、貫通孔の裏面側を封止していることを特徴とする。
航空機の翼や胴体は、外板と、外板を内側から支持する支持部材とを備えている。翼や胴体の内部は、支持部材や、燃料タンク、各種の装置などがあるため、外板の修理を内側から行うのが難しい。したがって、本発明の複合材が航空機の外板に用いられると、片側のみからのアクセスで修理を実現できる本発明の効果が際立つ。
また、本発明の複合材もまた、同様の効果を享受できる。
〔第1実施形態〕
損傷した複合材を片側(表面側)からのアクセスにより修理する方法、および修理された複合材について説明する。
修理対象である複合材10は、CFRPのシートが複数積層されて構成されている。CFRPの代わりに、ガラス繊維強化樹脂(GFRP:glass fiber reinforced plastics)等の繊維強化樹脂を用いることもできる。
この複合材10は、航空機の主翼や尾翼の外表面をなす外板を形成しており、スパーやリブと共にボックス状に組み立てられて構造体を構成している。
その修理は、構造体を分解せずに行われる。
まず、図1に示すように、複合材10の損傷部11を超音波探傷によって検査する(ステップS1)。超音波探傷は、公知の装置および手法により、複合材10の表面10A側(ボックスの外側)から行うことができる。
本実施形態では、片側からのアクセスによる修理を実現するために、先ず、複合材10を厚み方向に貫通し、円錐台頂面32の径D2に相当する開口径Dの貫通孔12を複合材10の表面10A側から形成することで、損傷部11の一部を除去する。このとき、貫通孔12の裏面10B側では、径方向内側に突出する支持壁14を除去せずに残すことで、支持壁14を複合材10に一体に形成する(ステップS2および図2(b))。それにより、複合材10に円錐台30を仮定したときの頂面32から、底面31上の頂面32の投影領域までの範囲が除去される。
支持壁14の径方向の幅は、裏面10B近傍の損傷部11を除去でき、かつ真空引き時に封止板15を押さえられる限り、任意である。
この封止板15は、後述する真空引きにあたって裏面10B側を封止するために用いられる。封止板15は、複合材10を構成するのと同様のCFRPのシートにより構成されている。封止板15の厚みに応じて、封止板15には1枚以上のCFRPシートが用いられる。
封止板15は、貫通孔12に挿入される前に封止板15の裏面側の周縁部に塗布される接着剤(図示せず)によって支持壁14の表面に接着される。これにより、封止板15と支持壁14との間の隙間が封止される。
凹部斜面18は、裏面10Bに対して上述の傾斜角度θで傾斜している。傾斜角度θは、上述のように、損傷部11の範囲と、複合材10に作用しうる応力によって定められ、例えば、複合材10の厚み1に対して凹部斜面18の半径が10〜30に設定される。
この凹部斜面18により、貫通孔12よりも容積が拡大されたすり鉢状の貫通凹部13が形成される。凹部斜面18は、複合材10の厚み全体から、支持壁14および封止板15の厚みT(図4)を引いた範囲に形成されている。
修理材20は、貫通凹部13の形状に対応する円錐台形状とされ、その底面径、頂面径、および傾斜角度は、上述の底面径D1、頂面径D2、および傾斜角度θと同等とされている。複合材10の表面10Aと修理材20の表面20Aとは実質的に面一とされる。
修理材20には、硬化後に複合材10と同等の強度を発揮するプリプレグが選定される。修理材20と複合材10(母材)との境界に応力集中が生じるのを避けるためである。
複合材10の凹部斜面18とそれに対向する修理材20の斜面20Cとの間、および封止板15の表面15Aとそれに対向する修理材20の裏面20Bとの間には、熱硬化性樹脂から形成されたフィルム等(図示せず)が複合材10と修理材20とを接着するための接着剤AD(図4)として配置される。複合材10と修理材20との接着の用をなす限り、接着剤ADの形態や性状は問わない。
なお、真空バルブ23は、未硬化の修理材20の表面20Aが真空バルブ23により押圧されて陥没するのを避けるため、修理材20の表面20Aの外周縁と、シーラントテープ22との間に位置する複合材10上に設けられている。
本実施形態では、ヒータを内蔵するヒータマット24をバックフィルム21上に配置して加熱する。加熱手段として、他の形態のヒータやドライヤーを用いることもできる。加熱手段は、熱の伝搬方式を問わず、任意に構成できる。修理対象の構造体をオーブンに入れて加熱することもできる。
修理材20および接着剤ADが硬化すると、複合材10に修理材20が接着される。真空引きにより複合材10と修理材20とが均一に密着しているので、均一な接着強度で両者は強固に一体化される。
以上の手順により、複合材10の修理を完了する。上述した修理の各ステップは、いずれも複合材10の表面10A側から行われる。
図4に、修理された複合材10を示す。
また、本実施形態では、支持壁14の表面側に封止板15が支持されるので、従来手法のようにパッチを裏面側にもぐらせるときの脱落を防ぐため、パッチを吊り下げておくのも不要となる。しかも、支持壁14の表面および貫通孔12の内壁によって封止板15を位置決めできる。これにより、修理作業が容易となる。
本実施形態の修理方法によって修理された複合材10もまた、以上で述べた効果を享受できる。
次に本発明の第2実施形態ついて図5を参照して説明する。
第2実施形態では、第1実施形態との相違点を中心に説明し、第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を省略する。
図5(a)に示すように、本実施形態では、封止板15の封止板斜面151を裏面10Bに対して傾斜させるとともに、封止板斜面151に倣う支持壁斜面141を支持壁14に形成している。
本実施形態の貫通凹部13は、第1斜面としての凹部斜面18と、第2斜面としての支持壁斜面141とにより形成されている。
支持壁斜面141および封止板斜面151は、貫通凹部13の裏面10B側から表面10A側に向けて拡径している。裏面10Bに対する支持壁斜面141および封止板斜面151の傾斜角度は、貫通凹部13の凹部斜面18の傾斜角度とは必ずしも一致しない。また、封止板斜面151と凹部斜面18とは連続していなくてもよく、図5の例では、支持壁斜面141と凹部斜面18との間に、裏面10Bと平行な面17が介在している。
一方、封止板斜面151と凹部斜面18とを同一の傾斜角度で連続させることもできる。この場合、除去ステップS2では、複合材10の円錐台状の範囲を除去するとともに、それにより形成される貫通凹部13の裏面10B側の周縁部を支持壁14とする。こうすると、支持壁14および貫通凹部13をスカーフ加工によって一度に形成できるので、修理を容易化できる。
その後、第1実施形態と同様に、スカーフ加工によって形成した貫通凹部13の内側に修理材20を配置し、真空引き、加熱および硬化のステップを経ると、図5(b)に示すように修理が完了する。
そのように修正された複合材10は、支持壁斜面141および封止板斜面151によって、複合材10に生じる応力を分散させることができる。これにより、応力確保のために封止板15をあまり薄くできず、スカーフ・ジョイントされる複合材10および修理材20の接着面(凹部斜面18)の高さを十分に確保できない場合であっても、支持壁斜面141および凹部斜面18の全体でなす応力分散により、応力集中を回避できる。
例えば、上記の修理手順では、貫通孔12の裏面10B側に封止板15を設置した後に、スカーフ加工を行っているが、貫通孔12の形成に続いてスカーフ加工を行ってから、封止板15を設置することもできる。その場合に、封止板15と修理材20とを予め一体化しておいたものを貫通凹部13に配置するようにしてもよい。
また、貫通凹部13に配置される修理材は、上記の修理材20には限定されない。その修理材は、繊維と、溶融状態の樹脂とで構成することもできる。その繊維を貫通凹部13に配置し、貫通凹部13内に溶融樹脂を流し入れることで繊維を樹脂に含浸させればよい。
上記各実施形態では、支持壁14は周方向に連続して環状に形成されているが、本発明は、支持壁を周方向に不連続な形状とすることも許容する。
本発明における支持壁および封止板は、真空引きに際して封止の用をなす限り、その具体的な形状を問わない。
さらに、本発明における「錐台」には、上記実施形態で開示した円錐台のみならず、楕円錐台なども含まれる。
なお、本発明における複合材は、航空機の翼の外板に限らず、種々の構造に適用できる。中でも、風車の翼は、航空機の翼と同様、ボックス状に組み立てられるので、その風車翼の外板に好適である。
10A 表面
10B 裏面
11 損傷部
12 貫通孔
13 貫通凹部(貫通孔)
14 支持壁
15 封止板
15A 表面
18 凹部斜面
20 修理材
20A 表面
20B 裏面
20C 斜面
21 バックフィルム
22 シーラントテープ
23 真空バルブ
24 ヒータマット
31 底面
32 頂面
33 斜面
141 支持壁斜面
151 封止板斜面
AD 接着剤
D 開口径
D1 底面径
D2 頂面径
θ 傾斜角度
Claims (7)
- 繊維および樹脂により形成された板状の複合材において裏面側から表面側に向けて拡径する錐台状の範囲を除去し、前記複合材と、除去された部分に代わる修理材とを接着する修理方法であって、
前記錐台の頂面の周縁部から径方向内側に突出する支持壁を残して、前記頂面から、前記錐台の底面における前記頂面の投影領域までを含む範囲を前記表面側から厚み方向に貫通して除去する除去ステップと、
除去により形成される貫通孔に前記表面側から挿入された封止板を前記支持壁に設置することで前記裏面側を封止する裏面側封止ステップと、
前記錐台状の範囲が除去された前記複合材に、接着剤を介在させて前記修理材を配置する修理材配置ステップと、
前記表面側を封止して真空引きする真空引きステップと、を備える、
ことを特徴とする複合材の修理方法。 - 前記除去ステップでは、前記複合材の前記錐台状の範囲のうち前記頂面から前記投影領域までの範囲を除去し、
前記支持壁に前記封止板を設置した後に、前記錐台状の範囲のうち残部を除去する、
請求項1に記載の複合材の修理方法。 - 前記支持壁には、前記裏面側から前記表面側に向けて拡径する錐台状の支持壁斜面を形成し、
前記封止板には、前記支持壁斜面に対向する封止板斜面を形成する、
請求項1または2に記載の複合材の修理方法。 - 前記除去ステップでは、前記複合材の前記錐台状の範囲を除去するとともに、除去により形成される前記錐台状の貫通孔の前記裏面側の周縁部を前記支持壁とする、
請求項3に記載の複合材の修理方法。 - 繊維および樹脂により板状に形成されるとともに、厚み方向に貫通する貫通孔に配置される修理材と接着されることにより修理された複合材であって、
前記貫通孔内には、前記裏面側から前記表面側に向けて拡径する錐台状の修理材と、前記修理材の頂面に表面が対向する封止板と、が配置され、
前記封止板は、それよりも前記裏面側で前記複合材に一体に形成される支持壁に設置されることで、前記貫通孔の前記裏面側を封止している、
ことを特徴とする複合材。 - 前記支持壁には、前記裏面側から前記表面側に向けて拡径する錐台状の支持壁斜面が形成され、
前記封止板には、前記支持壁斜面に対向する封止板斜面が形成されている、
請求項5に記載の複合材。 - 前記複合材は、航空機の外板を構成する、
請求項5または6に記載の複合材。
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