JP2014237243A - 繊維強化プラスチック構造体の製造装置および製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】板状の繊維強化プラスチック部材に対して、長尺状の繊維強化プラスチック部材を定められた位置に位置決めしながら、位置決め治具のコスト低減、および品質確保を可能とすること。
【解決手段】繊維強化プラスチック構造体の成形装置１００は、繊維強化プラスチック部材であるスキン１に、縦方向Ｄの寸法が縦方向Ｄに直交する方向の寸法よりも長い繊維強化プラスチック部材であるストリンガ２が一体化された繊維強化プラスチック構造体２００を製造する装置であって、スキン１には、スキン１に沿って配置されるとともに、ストリンガ２を成形するマンドレル２０のエンド部２１の底面２０１に係合する位置決め板３が設けられ、位置決め板３により、スキン１に対してストリンガ２が、少なくとも、縦方向Ｄに交差する方向において位置決めされる。
【選択図】図１

Description

本発明は、繊維強化プラスチック構造体の製造方法および製造装置に関する。

繊維強化プラスチック（ＦＲＰ；Fiber Reinforced Plastics）は、軽量かつ、機械的強度に優れているため、航空機の構造部材などに使用される。
例えば、航空機のスキンや、スキンを補強する複数のストリンガも、ＦＲＰにより形成される。ストリンガは、スキンの裏面に間隔をおいて複数が設けられる。
ここで、非特許文献１に示すように、予め成形したスキンに、ストリンガのＦＲＰの材料として繊維基材を配置し、繊維基材に含浸させた樹脂を加熱して硬化させるコボンド成形が行われている。樹脂が所定の硬さまで硬化を終えると、ストリンガが成形されると同時に、ストリンガが接着剤を介してスキンに一体に接合される。これにより、繊維強化プラスチック構造体が製造される。
スキンおよびストリンガのコボンド成形では、スキン上に配置したストリンガのＦＲＰ材料を、スキンを支持する金型に対して位置決めしたマンドレルで押さえる。そして、スキンおよびマンドレルをバッグフィルムと金型の間に封入して密閉空間を形成し、密閉空間を真空引きにより減圧しながら、ストリンガを成形する。

三菱重工技報 Ｖｏｌ.４２ Ｎｏ．５（２００５−１２）「航空機複合材一次構造へのＶａＲＴＭ適用化研究」

スキンの所定の位置にストリンガを位置決めするために、スキンに並んだマンドレルの各々の上部に位置決め治具を係合させている。その位置決め治具は、金属のブロックを５軸加工機で削り出すことにより、スキンの曲面上に配置される各マンドレルの上部にフィットした形状に手間を掛けて製作されるために非常に高価である。
一方、図１０に示すように、金型５に幅方向に架け渡されて、各マンドレル７の上部に係合する位置決め治具８も使われている。この位置決め治具８は、両端が金型５に支持されるフレーム８１と、マンドレル７の各々を挟むブロック８２とを備えており、マンドレル７が並ぶ方向に各マンドレル７を位置決めする。
位置決め治具８は、図示しないバネによって各ブロック８２の位置をマンドレル７の上部に合わせることができるので、削り出し加工が不要である。しかし、複数のブロック８２や、各ブロック８２に設けられるバネといった多数の部品を備えるために、やはり高価である。

しかも、位置決め治具８や、削り出しにより製作した位置決め治具により、マンドレルを位置決めしていても、ＦＲＰ材料を硬化させるために加熱した際に位置決め治具が熱膨張し、ストリンガの位置精度が低下するおそれがある。ストリンガが定められた位置からずれると、ストリンガと相手部品との組み付けが難しくなる。
それを避けるためには、ＦＲＰと同様に熱膨張率が低いインバーから位置決め治具を形成すればよいが、位置決め治具８のフレーム８１およびブロック８２や、削り出しによる位置決め治具は塊状に形成されており、インバーの使用量が多いので、治具のコストが高騰してしまう。
また、位置決め治具をＦＲＰから形成してもよいが、スキンの曲面にフィットするようにＦＲＰを成形する繁雑な作業を必要とするので、５軸削り出しに劣らず、治具が高価となる。

さらに、従来の位置決め治具は、マンドレルをバッグフィルムの上から押さえるので、位置決め治具とマンドレルとの間で擦れるなどしてバッグフィルムが破損するおそれがある。バッグフィルムが破損すると、樹脂および繊維基材が十分に緻密化されないので、成形されたストリンガの品質に影響する。

そこで、本発明は、板状の繊維強化プラスチック部材に対して、長尺状の繊維強化プラスチック部材を定められた位置に位置決めしながら、位置決め治具のコスト低減、および品質確保を可能とする繊維強化プラスチック構造体の製造装置および製造方法を提供することを目的とする。

本発明の繊維強化プラスチック構造体の製造装置は、繊維強化プラスチック部材である板状部材に、縦方向の寸法が縦方向に交差する方向の寸法よりも長い繊維強化プラスチック部材である単数または複数の長尺部材が一体化された繊維強化プラスチック構造体を製造する装置であって、板状部材または板状部材を支持する金型である第１部材には、第１部材に沿って配置されるか前記板状部材に一体に設けられるとともに、長尺部材を成形する成形型または長尺部材である第２部材の端部に第１部材側から係合する位置決め部が設けられ、位置決め部により、板状部材に対して第２部材が、少なくとも、縦方向に交差する方向において位決めされることを特徴とする。

本発明では、第１部材に設けられる位置決め部が、第２部材の端部に第１部材側から係合することにより、板状部材に対して第２部材を位置決めする。
位置決め部は、金型または板状部材に沿って配置されるか板状部材に一体に設けられるので、板状部材が曲面状に形成されていても、板状部材の面に沿った状態で、板状部材の規定位置に長尺部材を確実に位置決めする。
ここで、位置決め部は、板状部材および金型とは別体に形成される場合、第１部材と第２部材との間に介在する板状の部材とすることができる。

本発明によれば、第１部材に位置決め部が設けられるので、長尺部材または成形型に第１部材とは反対側から係合する位置決め治具を用いる必要がない。
そのような位置決め治具を用いる場合とは異なり、本発明によれば、減圧のために用いるバッグフィルムが擦れて破損するおそれがない。このため、ＦＲＰ材料を十分に緻密化することができるので、成形された長尺部材の品質を確保できる。

さらに、位置決め部が、板状部材の面に沿った状態で、板状部材の規定位置に長尺部材を確実に位置決めするため、従来の位置決め治具を製作するために行っていた削り出しやＦＲＰ成形が不要になるとともに、バネ調整を廃して部品点数を少なくすることができる。したがって、位置決めに用いる部材の加工・成形コストおよび組立コストを抑えることができる。

本発明の製造装置では、位置決め部は、板状部材および長尺部材を形成する繊維強化プラスチックの線膨張係数に近似する線膨張係数の材料から形成された板材と、板材に設けられて第２部材の端部に係合する係合部材と、を備えることが好ましい。
そうすると、熱膨張による位置決め部の板材の伸びが板状部材の伸びと同等であるために、長尺部材を成形する際に加熱される間、板状部材、位置決め部が係合した第２部材、および位置決め部の相互の相対位置関係が変わらない。そのため、板材に設けられた係合部材により、ＦＲＰ部材の成形が完了するまで位置決めした状態が保たれるので、板状部材の規定の位置に長尺部材を成形することができる。
また、この構成によると、係合部材の位置を規定する板材として板状のインバー材を用意すれば足り、塊状のインバー材を必要としない。これにより、インバーの使用量が少なくなるので、従量価額を抑えられる上、汎用のインバー板を用いることができるので入手性が良い。

本発明の製造装置では、位置決め部は、第１部材のうち板状部材に固定されることが好ましい。
そうすると、位置決め部が金型の熱膨張による影響を受けることなく、高い位置決め精度を実現できる。

本発明の製造装置では、位置決め部は、第１部材のうち金型に固定されることが好ましい。
そうすると、ピンを挿入するための穴が金型に形成されるので、長尺部材を成形する都度、板状部材を孔加工する必要がない。

本発明の製造装置では、位置決め部は、金型に複数のピンで固定され、ピンの少なくとも１つは、所定の基準位置に固定され、他のピンは、金型に縦方向に沿って形成された長穴に挿入されることが好ましい。
そうすると、金型が熱膨張したときに、金型の長穴とピンとの相対変位が許容されるので、金型および位置決め部の線膨張係数の違いに起因する位置決め部の変形を抑制できる。したがって、金型に支持された板状部材、第２部材、および位置決め部の相互の相対位置関係を維持し、板状部材の規定の位置に長尺部材を成形することができる。

本発明の製造装置では、位置決め部は、第２部材の端部の第１部材側の部分に、縦方向に離間した二箇所で係合することが好ましい。
位置決め部に第２部材が二箇所で拘束されると、位置決め部を介して、縦方向および縦方向に交差する方向のいずれにおいても、板状部材に対して長尺部材を位置決めすることができる。

本発明の製造装置では、位置決め部は、板材と、板材に設けられて第２部材の端部に係合する複数の係合部材と、を備え、複数の係合部材は、同一の板材において縦方向に離間した箇所の各々に設けられることが好ましい。
複数の係合部材が二以上の板材に分けて設けられると、複数の係合部材の相対位置に、各板材の第１部材に対する組付誤差が表れる。
そのため、複数の係合部材を同一の板材に設けることにより、組付誤差を含まずに、良好な位置決め精度を得ることができる。

本発明の製造装置では、成形型は、縦方向に沿って分割された第１ブロックおよび第２ブロックを備え、成形型の端部の第１部材側の部分には、第１ブロックと第２ブロックとの境界部に位置する凹部が形成され、位置決め部は、凹部に挿入されることで第２部材に係合する突起を備えることが好ましい。
この構成は、真空補助樹脂注入成形法（ＶａＲＴＭ；Vacuum assisted Resin Transfer Molding）に好適である。
長尺部材の成形型の内側のＦＲＰ材料は、真空引きによる減圧に伴って圧縮されることで体積が減少する。そのため、圧縮される前は嵩高なＦＲＰ材料を第１ブロックおよび第２ブロックの間に挟み込み、減圧空間と大気との差圧により押圧される第１ブロックおよび第２ブロックがＦＲＰ材料の体積減少に追従して閉じるようにしている。
そこで、位置決めのための係合部材によって、ＦＲＰ材料の体積変化に両ブロックが追従するのが妨げられないように、両ブロックの境界部に凹部を形成する。

本発明の製造装置では、成形型は、第１ブロックおよび第２ブロックの各々に斜面を有する略三角形状の横断面に形成されており、第１ブロックおよび第２ブロックの斜面に配置されるアングル材を備えることが好ましい。
それにより、第１ブロックおよび第２ブロックを成形型の中心に向けて調心することができるので、長尺部材の形状精度向上に寄与できる。

本発明の製造装置では、突起は、半球または略半球状に形成され、凹部は、突起に倣う形状に形成されることが好ましい。
そうすると、第１ブロックおよび第２ブロックに形成された凹部の内壁が突起とこじることなく、ＦＲＰ材料の体積減少に伴って、両ブロックを突起の中心に向けてガイドすることができる。
また、突起に付着した樹脂を容易に除去することができる。

本発明は、繊維強化プラスチック構造体の製造方法にも展開できる。
本発明の繊維強化プラスチック構造体の製造方法は、繊維強化プラスチック部材である板状部材に、縦方向の寸法が縦方向に交差する方向の寸法よりも長い繊維強化プラスチック部材である長尺部材が一体化された繊維強化プラスチック構造体を製造する方法であって、板状部材または板状部材を支持する金型である第１部材に、第１部材に沿って配置されるか板状部材に一体に設けられるとともに、長尺部材を成形する成形型または長尺部材である第２部材の端部に第１部材側から係合する位置決め部を設け、位置決め部により、板状部材に対して長尺部材を、少なくとも、縦方向に交差する方向において位置決めすることを特徴とする。

本発明は、航空機のスキンおよびストリンガを備える繊維強化プラスチック構造体の製造に好適である。
この場合、板状部材は、航空機のスキンであり、長尺部材は、航空機のストリンガである。

本発明によれば、板状の繊維強化プラスチック部材に対して、長尺状の繊維強化プラスチック部材を定められた位置に位置決めしながら、位置決め治具のコスト低減、および品質確保を実現することができる。

第１実施形態に係る成形装置を示す斜視図である。 ストリンガのマンドレル、および位置決め板を示す斜視図である。 マンドレルの穴に挿入される位置決め板の突起を示す図である。 繊維強化プラスチック構造体を製造する手順を示す図である。 スキンに対するストリンガの位置決めを説明するための平面模式図である。 第２実施形態に係る成形装置を示し、スキンに対するストリンガの位置決めを説明するための平面模式図である。 位置決め板を金型に固定するピンが挿入される金型の穴を示す図である。 本発明の変形例を示す図である。 本発明の他の変形例を示す図である。 従来の位置決め治具を示す図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る実施形態を説明する。
〔第１実施形態〕
本実施形態では、スキン１に対してストリンガ２を位置決めする位置決め板３を備えた成形装置１００を用いて、スキン１およびストリンガ２が一体化された繊維強化プラスチック構造体２００を製造する。

まず、図１を参照し、繊維強化プラスチック構造体２００の構成を説明する。
繊維強化プラスチック構造体２００は、スキン１と、スキン１の裏面１Ａに設けられるストリンガ２とを備えている。
スキン１は、航空機の翼の表皮を形成し、図示しないスパーと共にボックス状に組み立てられる。スキン１は、曲面状に形成されている。また、スキン１は、翼の根元側Ｓｒから先端側Ｓｔに向けて次第に幅が狭くなっている。
スキン１は、最終的には切除される余白部１Ｂを含めて成形される。

ストリンガ２は、縦方向Ｄに延出する長尺状の部材であり、縦方向Ｄの寸法が縦方向Ｄに直交する断面方向の寸法よりも長い。ストリンガ２の横断面はＴ字状であるが、他の形状であってもよい。
ストリンガ２は、スキン１に接着されるフランジ２Ａと、フランジ２Ａの幅方向中央から立ち上がるウェブ２Ｂとを備えている。
ストリンガ２は、スキン１の裏面１Ａに複数本が設けられることで、スキン１を補強する。複数のストリンガ２は、縦方向Ｄに交差する方向に間隔をおいて配列される。

スキン１およびストリンガ２は、いずれも、繊維基材および樹脂によって構成される繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）から形成される。
繊維基材は、シート状に形成され、スキン１やストリンガ２の厚みに応じて必要な枚数だけ積層される。繊維基材には、炭素繊維、ガラス繊維等の任意の繊維を用いることができる。
繊維基材に含浸される樹脂は、例えば、エポキシ、ポリイミド、ポリウレタン、不飽和ポリエステル等、加熱されることで硬化される熱硬化性樹脂を用いることができる。その他、加熱されることを経て固化する、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリ塩化ビニル等の熱可塑性樹脂を用いることもできる。
スキン１に用いるＦＲＰと、ストリンガ２に用いるＦＲＰは、繊維の種類、樹脂の種類、繊維基材の構成などが同じでも相違していてもよい。
本実施形態では、繊維強化プラスチックを成形するために、真空補助樹脂注入成形法（ＶａＲＴＭ）を実施する。すなわち、真空引きによって所定の真空度にまで減圧することで、樹脂の注入を補助するとともに、減圧空間の圧力と大気圧との差圧によって繊維基材および樹脂を圧縮する。

次に、繊維強化プラスチック構造体２００を製造する製造装置を構成する成形装置１００について説明する。
成形装置１００は、図１に示すように、スキン１を成形する金型１０と、ストリンガ２を成形する型であるマンドレル２０とを備えている。本実施形態では、成形されたスキン１上に、ストリンガ２を成形すると同時に接着する、いわゆるコボンド成形を行う。
なお、図１は、ストリンガ２を成形した後に、マンドレル２０を脱型した状態を示す。
金型１０は、鋼材などの任意の金属材料から形成されている。金型１０は、スキン１を成形する曲面状の成形部１１と、成形部１１の周りの部分である外周部１２とを備えている。

マンドレル２０は、ストリンガ２を成形するための繊維強化プラスチックの材料（素材）をスキン１の裏面１Ａに押さえる。マンドレル２０は、ストリンガ２の各々に対応する寸法および形状のものが用意される。
マンドレル２０は、鉄およびニッケルの合金であるインバーから形成されることが好ましい。インバーは、スキン１およびストリンガ２を形成するＦＲＰの線膨張係数と常温付近を含む広い温度域で線膨張係数が近似しており、樹脂を加熱するときの加熱温度は、インバーの線膨張係数が低い温度域にある。その他、ＦＲＰと線膨張係数が近似する材料からマンドレル２０を形成することができる。
ここで、スキン１およびストリンガ２を形成するＦＲＰの線膨張係数に対して、約±３×１０^−６の範囲までが近似するといえる。ＦＲＰの線膨張係数は、繊維の種類や積層構成に応じて、およそ−１×１０^−６から４．４×１０^−６程度までの範囲に亘り分布している。本実施形態のＦＲＰの線膨張係数は、例えば、１．６×１０^−６である。
スキン１に用いるＦＲＰと、ストリンガ２に用いるＦＲＰの線膨張係数が異なっていても、両者の線膨張係数は、上記の近似範囲にあるものとする。

マンドレル２０は、図２（ｂ）に示すように、スキン１上に逆Ｔ字状に成形されるストリンガ２の形状に対応した略三角形状の横断面に形成されており、底面２０１と、２つの斜面２０２，２０３とを有している。
このマンドレル２０は、ストリンガ２のウェブ２Ｂ（図１）の一方の側に位置するブロック２０Ａと、他方の側に位置するブロック２０Ｂとに縦方向Ｄに沿って分割されており、これらブロック２０Ａ，２０Ｂの間にＦＲＰを成形するための成形空間Ｓが形成される。
ストリンガ２の成形時、繊維基材Ｆは、ブロック２０Ａおよび２０Ｂの内側で、真空引きにより樹脂と共に圧縮される。圧縮により、繊維基材Ｆの体積は減少する。そのため、圧縮される前は嵩高な繊維基材Ｆをブロック２０Ａとブロック２０Ｂとの間に挟み込み、真空引きを行うと、大気圧との差圧により押圧されるブロック２０Ａおよびブロック２０Ｂが繊維基材の体積減少に追従して閉じ、成形空間Ｓを形成するようにしている。成形空間Ｓには、図示しない注入路を介して外部から液状の樹脂が注入される。
ここで、ブロック２０Ａ，２０Ｂの斜面２０２，２０３に、図２（ｂ）に二点鎖線で示すアングル材１８を配置することにより、ブロック２０Ａ，２０Ｂをマンドレル２０の中心に向けて調心することが好ましい。その調心の動きを正しく規制するために、アングル材１８とブロック２０Ａおよびブロック２０Ｂとを長さ方向の両端で係合させることがより好ましい。ブロック２０Ａ，２０Ｂを係合させるために、例えば、アングル材１８の内側の面に突起を形成し、ブロック２０Ａおよびブロック２０Ｂには、その突起を受け入れる凹部を形成することができる。

成形空間Ｓは、マンドレル２０の縦方向Ｄの一端をなすエンド部２１と、他端をなすエンド部２３（図１）によって閉じられている。
翼の根元側Ｓｒに位置するエンド部２１の底面２０１には、縦方向Ｄに離間する２つの凹部２２，２２が形成されている。これらの凹部２２，２２は、複数のマンドレル２０の各々に形成されている。
マンドレル２０の２つの凹部２２はいずれも、ブロック２０Ａとブロック２０Ｂの境界部に半球状に形成されている。凹部２２の中心は、ブロック２０Ａとブロック２０Ｂの境界部に位置する。凹部２２は、ブロック２０Ａに形成される１／４球状の窪みと、ブロック２０Ｂに形成される１／４球状の窪みと、開口周縁に形成されるストレート部２２Ａ（図３（ａ））とから形成されている。

次に、成形装置１００が、スキン１の裏面１Ａの定められた位置にストリンガ２を位置決めするために備える位置決め板３の構成について説明する。
位置決め板３は、図１に示すように、矩形状の板材３１と、板材３１に設けられる複数の突起３２とを備えている。
板材３１は、厚さが例えば１ｍｍ〜５ｍｍ程度の薄板である。板材３１は、マンドレル２０のエンド部２１が配置される位置で、金型１０の幅方向両側に架け渡されている。板材３１は、幅方向の一端側、他端側の各々において、成形されたスキン１の余白部１Ｂにピン３５で固定される。
板材３１は、マンドレル２０と同様に、インバーなどの線熱膨張係数がＦＲＰと近似する材料から形成されることが好ましい。ＦＲＰからマンドレル２０を形成することもできる。近似する範囲は上述した通りである。

翼の根元側Ｓｒは、ストリンガ２を相手部品（例えば、補助スパー）に組み付けるために、翼の先端側Ｓｔよりも高い位置精度が求められる。根元側Ｓｒで位置決め板３により位置決めすれば、スキン１の根元側Ｓｒに要求される位置精度を確保できるとともに、スキン１の先端側Ｓｔの位置誤差を許容範囲内に留めることができる。
そのため、本実施形態では、根元側Ｓｒで位置決めする例を示す。

位置決め板３の両端部の各々に設けられるピン３５により、スキン１に対する位置決め板３の位置が決まり、固定される。ピン３５は、位置決め板３の両端部など、離間する二箇所に設ける必要がある。例えば、位置決め板３の一端側に一つ、他端側に一つ、合計２つのピン３５を設けることもできる。
なお、ピン３５を用いる以外の方法で位置決め板３がスキン１に固定されていてもよい。ストリンガ２の成形後に、スキン１から位置決め板３を取り外すことができる限り、任意の方法で位置決め板３をスキン１に固定することができる。

板材３１は、平面状に形成されているが、その薄さのために面外方向に変形させることのできる可撓性を有している。板材３１をスキン１に配置すると、板材３１はスキン１に沿って変形する。この位置決め板３の上に、マンドレル２０のエンド部２１が配置される。位置決め板３は、自重により、あるいは自重に加えてエンド部２１により押されることで、スキン１に沿った形状を保つ。
エンド部２１の底面２０１には、スキン１の裏面１Ａに対して位置決め板３の厚み分退いた段差２７（図２（ａ））が形成されている。

板材３１には、スキン１に沿って配置されたときにマンドレル２０の成形空間Ｓの延長上に位置する２つの突起３２，３２が溶接、圧接、接着、ボルトやピンによる結合、あるいは板材３１と一体に削り出しするなどの方法で設けられている。
各突起３２は、図３（ａ）に示すように、板材３１に保持される保持部３２Ａと、保持部３２Ａの一端に設けられる半球状の突起本体３２Ｂとを一体に有している。突起３２として、頭部の先端が半球状に形成された球頭ピンを用いることもできる。
保持部３２Ａを、位置決め板３に厚み方向に貫通するように縦方向Ｄに離間して形成された貫通孔３０に挿入すると、突起本体３２Ｂが位置決め板３から突出する。

位置決め板３の突起３２，３２は、マンドレル２０のエンド部２１に形成された凹部２２，２２に対応しており、各突起３２の突起本体３２Ｂが凹部２２に挿入される。凹部２２は、ストレート部２２Ａを有するために、突起本体３２Ｂの高さよりも深く形成されている。このため、突起本体３２Ｂの先端が凹部２２の底部に当たらない。
各突起３２の突起本体３２Ｂが凹部２２に挿入されると、マンドレル２０は、突起３２，３２が位置する二箇所で位置決め板３に拘束される。そうすると、位置決め板３がスキン１に固定されているので、スキン１に対して、縦方向Ｄおよび縦方向Ｄに直交する方向のいずれにおいてもマンドレル２０の位置が定まる。
したがって、マンドレル２０により成形されるストリンガ２も、縦方向Ｄおよび縦方向Ｄに直交する方向のいずれにおいても、スキン１に対して位置決めされることとなる。

突起３２，３２間の距離は、求める位置決め精度に応じて適宜設定する。
また、突起３２の数は、２つには限定されず、３つ以上であってもよい。
位置決め板３に凹部２２を形成し、マンドレル２０に突起３２を形成することもできるが、後述するようにブロック２０Ａ，２０Ｂを突起３２によりガイドして閉じるために、位置決め板３には突起３２を形成し、マンドレル２０には凹部２２を形成する。

ここで、突起３２および凹部２２を縦方向Ｄに離間する二箇所に形成する代わりに、図３（ｂ）に示すように、縦方向Ｄに沿って細長く形成することもできる。突起３２および凹部２２の縦方向Ｄの寸法よりも、縦方向Ｄに直交する幅方向の寸法が小さいために、凹部２２の内側での突起３２の回転が規制される。このようにしても、マンドレル２０を位置決め板３に拘束することができる。

位置決め板３の位置決め精度を確保する上で、突起３２，３２の位置を規定する貫通孔３０，３０の位置が重要であり、突起３２，３２の熱膨張は位置決め精度にさほど影響しない。そのため、突起３２，３２は、線膨張係数が小さい材料から形成する必要はなく、鋼材、アルミニウムなどの任意の金属材料から形成することができる。金属材料の他、ＦＲＰ、樹脂、セラミックから形成することもできる。

ところで、マンドレル２０の各々に対応する突起３２を１つだけ有する位置決め板を２枚用意し、それらの位置決め板の各々をスキン１にピン３５で固定することもできる。但し、一方の位置決め板の突起３２と他方の位置決め板の突起３２との相対位置に、スキン１に対する各位置決め板の位置誤差（組付誤差）が表れる。
したがって、位置決め精度の観点から、マンドレル２０の各々に対応する突起３２，３２が同一の位置決め板３に設けられることが好ましい。

次に、図４および図５を参照し、繊維強化プラスチック構造体２００の製造方法について説明する。
まず、スキン１を成形する（スキン成形ステップＳ１）。スキン１を成形する手法は任意であるが、ここでは、ＶａＲＴＭ法により成形する手法を簡単に説明する。
金型１０に、スキン１のＦＲＰの材料である繊維基材Ｆを配置し、図示しない板状の成形治具で押さえる。さらに、繊維基材Ｆおよび成形治具を図示しないバッグフィルムと金型１０との間に封入して密閉空間を形成し、密閉空間を真空引きによって減圧する。これにより、樹脂の注入を補助するとともに、繊維基材Ｆおよび樹脂を圧縮する。
真空引きと並行して、任意の熱源を用いて樹脂を加熱する。熱源としては、オーブン、ヒーターマット、ヒートガンなどを用いることができる。
樹脂が所定の硬さまで硬化し、繊維基材Ｆおよび樹脂が一体化されると、スキン１が成形される。

成形されたスキン１は、例えば超音波による検査のために脱型される。
その後、スキン１を金型１０に戻し、スキン１の裏面１Ａにストリンガ２を成形する（コボンド成形ステップＳ２）。
コボンド成形ステップＳ２では、図５に示すように、位置決め板３を用いて、マンドレル２０をスキン１に対して位置決めする（位置決めステップＳ２１）。

位置決めステップＳ２１では、金型１０に支持されたスキン１に位置決め板３を配置し、位置決め板３の両端部をピン３５で固定する。位置決め板３の板材３１は、スキン１の曲面に沿って配置される。
そして、スキン１の裏面１Ａに複数のマンドレル２０を並べる。このとき、各マンドレル２０のエンド部２１の凹部２２，２２に位置決め板３の突起３２，３２を挿入する。ここで、突起３２，３２および凹部２２，２２のいずれも半球状または略半球状であるために、位置決め板３の突起３２，３２が凹部２２，２２にスムーズに挿入される。
こうして位置決め板３の突起３２，３２が各マンドレル２０の凹部２２，２２に挿入されると、位置決め板３を介して、マンドレル２０がスキン１に対して位置決めされる。

その後、スキン１の成形時と同様に、真空引きおよび加熱を行うことで、ストリンガ２を成形する（真空引き・加熱ステップＳ２２）。
本ステップＳ２２では、スキン１の裏面１Ａの定められた位置に繊維基材Ｆを配置するとともに、繊維基材Ｆをマンドレル２０のブロック２０Ａ，２０Ｂの間に挟み込む。このとき、ブロック２０Ａ，２０Ｂの間には隙間Ｇ（図２（ｂ））があいている。繊維基材Ｆとスキン１との間には、フィルム状に形成した接着剤を介在させる。

次に、スキン１および複数のマンドレル２０をバッグフィルム１９（図２（ｂ））で覆い、バッグフィルム１９と金型１０との間に形成された密閉区間を真空引きにより減圧させる。
そうすると、密閉空間と大気との差圧がブロック２０Ａ，２０Ｂおよびその内側の繊維基材Ｆおよび樹脂に作用することで、繊維基材Ｆと繊維基材に含浸された樹脂が圧縮されるのに追従して、ブロック２０Ａ，２０Ｂが閉じる。
そのとき、突起３２が半球状であり、凹部２２も突起３２に倣う半球状であるために、ブロック２０Ａ，２０Ｂが突起３２，３２にこじるのを避けられる。また、半球状の突起３２の表面によって凹部２２の内壁がガイドされる。ブロック２０Ａ，２０Ｂが閉じると、凹部２２の円形の開口内に突起３２が位置する。このとき、当初の隙間Ｇはなくなる。

真空引き・加熱ステップＳ２２では、繊維基材Ｆに含浸した樹脂を加熱する。樹脂を加熱する熱源から発せられた熱は、マンドレル２０および位置決め板３にも伝達される。
ここで、マンドレル２０および位置決め板３の板材３１は上述の通り線膨張係数がＦＲＰの線膨張係数に近似するインバーから形成されるために、スキン１と伸びが同等である。
そのため、加熱される間も、スキン１、マンドレル２０，および位置決め板３の相互の相対位置関係は変わらないので、マンドレル２０がスキン１に対して位置決めされた状態が維持される。
繊維基材Ｆに含浸した樹脂が加熱により所定の硬さまで硬化すると、ストリンガ２が成形されるとともに、スキン１に一体に接着される。
その後、必要に応じて、二次的な硬化処理、仕上げ処理を行うことにより、スキン１およびストリンガ２が一体化された繊維強化プラスチック構造体２００が完成する。

以上で説明した本実施形態では、マンドレル２０とスキン１との間に介在し、スキン１に固定される位置決め板３により、ストリンガ２を成形するマンドレル２０を底面２０１側からスキン１に対して位置決めする。
この位置決め板３の板材３１は、マンドレル２０とスキン１との間に介在するために、薄い板状に形成されるので、スキン１に倣って変形し、自重によりあるいはエンド部２１により押されることでスキン１の曲面にフィットした形状を保つ。位置決め板３は、スキン１の曲面に板材３１がフィットした状態で突起３２，３２により位置決めを行うので、曲面状のスキン１に定められた位置にストリンガ２を位置決めすることができる。
そして、線膨張係数がＦＲＰに近似するインバーから板材３１が形成されるため、板材３１に設けられた突起３２，３２は、加熱を経てストリンガ２の成形が完了するまで、マンドレル２０を位置決めした状態に保つ。したがって、スキン１の規定の位置にストリンガ２を成形することができる。

本実施形態では、位置決め板３がスキン１に固定されており、金型１０には固定されていないので、金型１０の熱膨張による影響を受けることなく、高い位置精度を実現できる。
しかも、金型１０にスキン１を戻すときに、金型１０の定められた位置からスキン１が若干ずれたとしても、スキン１におけるストリンガ２の位置精度に影響しない。

本実施形態では、上記のようにマンドレル２０のエンド部２１の底面２０１に係合する位置決め板３を用いるので、マンドレル２０の上部に係合する位置決め治具を用いる必要がない。
それによって得られる効果について説明する。
第１に、本実施形態では、位置決め板３によりマンドレル２０を底面２０１側から位置決めするために、バッグフィルム１９が位置決め治具とマンドレル２０との間で擦れて破損するおそれがない。このため、真空引きによる減圧を確実に行って、樹脂および繊維基材を十分に圧縮して緻密化できるので、成形されたストリンガ２の品質を確保できる。

第２に、位置決めに用いる部材の製作コストを抑えられる。以下、説明する。
マンドレル２０の上部に係合する位置決め治具を用いる場合には、各マンドレル２０の上部にフィットした形状に金属ブロックからの削り出しやＦＲＰ成形を行ったり、図１０に示す位置決め治具８のように、各マンドレル２０の上部を挟むブロック８２の位置をバネで調整できるように多数の部品から治具を構成することが必要となる。
これに対して、本実施形態では、位置決め板３の板材３１がスキン１にフィットするために、板材３１に設けられる突起３２がマンドレル２０の凹部２２に確実に挿入される。
そうすると、高価な加工である５軸削り出しや、ＦＲＰ成形が不要となるとともに、バネ調整を廃して部品点数を少なくすることができる。したがって、位置決めに用いる部材の加工・成形コストおよび組立コストを抑えることができる。

また、位置決め治具の材料費の観点から、本実施形態では位置決め板３の板材３１として平板状のインバー材を用意すれば足り、塊状のインバー材を必要としない。これにより、インバーの使用量が少なくなるので、従量価額を抑えられる上、汎用のインバー板を用いることができるので入手性が良い。

以上に加え、本実施形態によれば、位置決めのための突起３２および凹部２２が、繊維基材の体積変化にブロック２０Ａ，２０Ｂが追従するのを妨げないように、マンドレル２０の底面２０１におけるブロック２０Ａ，２０Ｂの境界部に凹部２２を形成している。ブロック２０Ａ，２０Ｂは、同じ凹部２２により位置決めされるので、ブロック２０Ａ，２０Ｂの相互の位置がずれることもない。
その上、凹部２２および突起３２が半球状に形成されるので、凹部２２の内壁が突起３２，３２とこじることなく、ブロック２０Ａ，２０Ｂを突起３２の中心に向けてガイドすることができる。また、突起３２に付着した樹脂を容易に除去することができる。

突起３２の突起本体３２Ｂおよび凹部２２は、半球状または略半球状には限定されない。例えば、位置決め板３の板材３１から面外方向に突出する円柱状や角柱状に突起３２を形成することもできるが、こじりを避け、付着した樹脂の除去を容易化するために、曲面状に面取りされた形状とすることが好ましい。
本実施形態で採用する半球状または略半球状は、中心に対して三次元的に対称であるためにこじりを極力避けられるとともに、突起の中心に向けてブロック２０Ａ，２０Ｂをガイドできるため、突起本体３２Ｂおよび凹部２２の形状として最適である。
その他、突起本体３２Ｂおよび凹部２２は、楕円球が半分に分割されたときの一片の形状に形成することもできる。
また、突起本体３２Ｂおよび凹部２２は、円柱が縦方向に沿って二分割されたときの一片の形状（半円柱）であってもよい。この場合は、図３（ｂ）に示すように、縦方向Ｄの両端を曲面状にラウンドさせることが好ましい。

〔第１実施形態の変形例〕
上記実施形態では、スキン１に位置決め板３が固定される。位置決め板３はＦＲＰの線膨張係数に近似する線膨張係数の材料から形成されるので、この位置決め板３を介して、ストリンガ２がスキン１に対して位置決めされることは上述した通りである。
ここで、位置決め板３をスキン１に固定することに代えて、位置決め板３の働きをする部分をスキン１に一体に設けることもできる。つまり、マンドレル２０のエンド部２１の底面２０１に対向するスキン１の領域に、突起３２，３２を保持する孔を形成するとよい。この領域は余白部１Ｂであることが好ましい。
このように、スキン１が位置決め板３に相当する位置決め部を一体に備えていれば、スキン１に対してマンドレル２０が直接位置決めされるので、スキン１に対する位置決め板３の位置誤差を含むことなく、スキン１に対してストリンガ２をより高精度に位置決めできる。

〔第２実施形態〕
次に、図６および図７を参照し、本発明の第２実施形態について説明する。
以下、第１実施形態と相違する点を中心に説明する。第１実施形態と同様の構成には同じ符号を付している。
第２実施形態では、位置決め板３をスキン１に固定するのではなく、スキン１を所定位置に支持する金型１０に位置決め板３を固定する点が第１実施形態と相違する。
図６に示すように、位置決め板３は金型１０の外周部１２にピン３５で固定されている。位置決め板３は、金型１０とマンドレル２０のエンド部２１との間に介在する。

繊維強化プラスチック構造体２００を製造する際、位置決めステップＳ２１では、金型１０に位置決め板３を配置し、ピン３５で固定する。
このとき、位置決め板３の板材３１は、スキン１の曲面に対応する金型１０の成形部１１に倣って変形し、自重によりあるいはエンド部２１により押されることでスキン１の曲面にフィットした形状を保つ。このため、この位置決め板３を介して、曲面状のスキン１に定められた位置にストリンガ２を位置決めすることができる。

ここで、ストリンガ２を成形するときの加熱により金型１０が熱膨張する。
そこで、位置決め板３を固定するピン３５を金型１０の長穴に挿入することで、ピン３５と穴の相対位置に自由度を与えることが好ましい。
ピン３５は、離間した二箇所に設けられていればよく、設ける位置および数は任意である。本実施形態の位置決め板３は、両端で二箇所ずつ、ピン３５で金型１０に拘束される。
位置決め板３の一端、他端の各々に設けられるピン３５，３５は、図７に示すように、縦方向Ｄに離間している。それらのピン３５，３５のうち、根元側Ｓｒ側に位置する一方のピン３５は、基準位置に形成された開口断面が円形の穴１５に挿入される。他方のピン３５は、縦方向Ｄに沿って形成された長穴１６に挿入される。長穴１６は、縦方向Ｄの寸法がピン３５の径よりも大きい。
このようにすると、金型１０が熱膨張したときに、長穴１６に沿ってピン３５が相対変位するため、金型１０および位置決め板３の線膨張係数の違いに起因する位置決め板３の変形を抑制できる。したがって、金型１０に支持されたスキン１、マンドレル２０、および位置決め板３の相互の相対位置関係を維持し、スキン１の規定の位置にストリンガ２を成形することができる。

本実施形態によれば、位置決め板３を金型１０に固定するピン３５を挿入するための穴を金型１０に形成するので、ストリンガ２のコボンド成形の都度、スキン１を孔加工する必要がない。

〔本発明の変形例〕
図８（ａ）に示すように、翼の根元側Ｓｒおよび先端側Ｓｔの両方に、位置決め板３を配置することもできる。
すなわち、根元側Ｓｒに位置するマンドレル２０のエンド部２１に対応する位置に、位置決め板３を配置するとともに、先端側Ｓｔに位置するエンド部２１に対応する位置にも、位置決め板３を配置する。
ここでは、第２実施形態と同様に、金型１０に位置決め板３を固定する例を示すが、第１実施形態のように位置決め板３をスキン１に固定することもできる。

ストリンガ２の両端側に配置された位置決め板３，３により、ストリンガ２の根元側Ｓｒの一端部２５（図１）も、先端側Ｓｔの他端部２６（図１）も、スキン１に対する位置が定まる。根元側Ｓｒのみで位置決めされる場合は、根元側Ｓｒからストリンガ２が僅かに回転したときに、先端側Ｓｔに向けて位置誤差が累積するが、ストリンガ２を両端側でスキン１に対して位置決めすると、一端部２５から他端部２６までの距離が長くても、長さの全体に亘って良好な位置精度を実現できる。
ストリンガ２の両端側で位置決めする構成は、尾翼よりも長い主翼に用いられるスキン１およびストリンガ２に好適である。
勿論、翼に限らず、胴体に用いられるスキン１およびストリンガ２にも、位置決め板３を用いることができる。
ストリンガ２の一端側、他端側のいずれに位置決め板３を設けるかは、相手部品の存在、および一端側および他端側での位置精度が強度に与える影響度などに基づいて決められる。
また、本発明は、図８（ｂ）に示すように、マンドレル２０の各々に対応する突起３２を１つだけ有する位置決め板３を根元側Ｓｒと先端側Ｓｔの両方に配置することも許容する。一方の位置決め板３の突起３２と、この突起３２から離間する他方の位置決め板３の突起３２により、スキン１に対してマンドレル２０が位置決めされる。

その他にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
本発明は、図９（ａ）に示す位置決め板４により、縦方向Ｄに交差する方向においてのみ、位置決めすることも許容する。
位置決め板４には、縦方向Ｄに沿って延びる複数の突条４２が突設されている。複数の突条４２は、縦方向Ｄに交差する方向に間隔をおいて並んでいる。各突条４２は、板材３１に溶接、圧接、接着、ボルトやピンによる結合、あるいは板材３１と一体に削り出しするなどの方法で設けられている。突条４２を板材３１に設ける手法は任意であり、例えば、板材３１に複数の球頭ピンを設け、それらの球頭ピンの頭部にブロックを被せることにより、突条４２を設けることもできる。
一方、マンドレル２０の底面２０１には、縦方向Ｄに沿って溝２８が形成されている。溝２８は、ブロック２０Ａ，２０Ｂの境界部に位置する。
位置決め板４をスキン１または金型１０に固定し、位置決め板４にマンドレル２０を載せると、突条４２が溝２８に挿入される。これによってマンドレル２０がスキン１に対して、ストリンガ２が並ぶ方向において位置決めされる。

上記の位置決め板４を用いることに加え、図９（ｂ）に示すように、マンドレル２０のエンド部２１の縦方向Ｄの位置を決めるブロック４３をスキン１または金型１０に形成することもできる。ブロック４３の形状は任意であり、エンド部２１を受け入れる凹部をブロック４３に形成することもできる。
エンド部２１をブロック４３に突き当てることによって、ブロック４３が形成されたスキン１または金型１０に対するマンドレル２０の縦方向Ｄの位置が定まるので、マンドレル２０をスキン１に対して縦方向Ｄに位置決めすることができる。
ブロック４３は、位置決め板４と共に本発明の位置決め部を構成する。

上記実施形態では、ストリンガ２をスキン１に一体に成形するが、スキン１とは別に成形されたストリンガ２をスキン１に接着することもできる。その際のストリンガ２の位置決めにも、本発明を適用することができる。
その場合は、ストリンガ２の端部に、マンドレル２０のエンド部２１の底面２０１と同様の位置決め用の領域を設ければよい。その領域に、位置決め板３の突起３２が挿入される凹部２２を形成する。そして、当該位置決め用領域と、スキン１または金型１０との間に、位置決め板３を介在させる。

また、スキン１やストリンガ２を成形するとき、真空引きは必ずしも必須ではない。例えば、マンドレル２０に重しを載せ、真空引きを行うことなくストリンガ２を成形することも本発明は許容する。
さらに、本発明は、スキン１やストリンガ２のＦＲＰ材料として、プリプレグを用いることも許容する。

本発明は、航空機を構成するＦＲＰ構造体の製造の他、各種の装置・構造を構成するＦＲＰ構造体の製造に広く用いることができる。

１ スキン（板状部材、第１部材）
１Ａ 裏面
１Ｂ 余白部
２ ストリンガ（長尺部材、第２部材）
２Ａ フランジ
２Ｂ ウェブ
３，４ 位置決め板（位置決め部）
１０ 金型（第１部材）
１１ 成形部
１２ 外周部
１５ 穴
１６ 長穴
１８ アングル材
１９ バッグフィルム
２０ マンドレル（成形型、第２部材）
２０Ａ，２０Ｂ ブロック（第１ブロックおよび第２ブロック）
２１，２３ エンド部（端部）
２２ 凹部
２２Ａ ストレート部
２５ 一端部
２６ 他端部
２７ 段差
２８ 溝
３０ 貫通孔
３１ 板材
３２ 突起（係合部材）
３２Ａ 保持部
３２Ｂ 突起本体
３５ ピン
４２ 突条（係合部材）
４３ ブロック（位置決め部、係合部材）
１００ 成形装置（製造装置）
２００ 繊維強化プラスチック構造体
２０１ 底面
２０２，２０３ 斜面
Ｄ 縦方向
Ｆ 繊維基材
Ｇ 隙間
Ｓ 成形空間
Ｓ１ スキン成形ステップ
Ｓ２ コボンド成形ステップ
Ｓ２１ 位置決めステップ
Ｓ２２ 真空引き・加熱ステップ
Ｓｒ 根元側
Ｓｔ 先端側

Claims (13)

1. 繊維強化プラスチック部材である板状部材に、縦方向の寸法が前記縦方向に交差する方向の寸法よりも長い繊維強化プラスチック部材である長尺部材が一体化された繊維強化プラスチック構造体を製造する装置であって、
   前記板状部材または前記板状部材を支持する金型である第１部材には、前記第１部材に沿って配置されるか前記板状部材に一体に設けられるとともに、前記長尺部材を成形する成形型または前記長尺部材である第２部材の端部に前記第１部材側から係合する位置決め部が設けられ、
   前記位置決め部により、前記板状部材に対して前記長尺部材が、少なくとも、前記縦方向に交差する方向において位置決めされる、
   ことを特徴とする繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
2. 前記位置決め部は、
   前記第１部材と前記第２部材との間に介在する板状の部材である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
3. 前記位置決め部は、
   前記板状部材および前記長尺部材を形成する繊維強化プラスチックの線膨張係数に近似する線膨張係数の材料から形成された板材と、
   前記板材に設けられて前記第２部材の端部に係合する係合部材と、を備える、
   ことを特徴とする請求項２に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
4. 前記位置決め部は、
   前記第１部材のうち前記板状部材に固定される、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
5. 前記位置決め部は、
   前記第１部材のうち前記金型に固定される、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
6. 前記位置決め部は、前記金型に複数のピンで固定され、
   前記ピンの少なくとも１つは、所定の基準位置に固定され、
   他の前記ピンは、前記金型に前記縦方向に沿って形成された長穴に挿入される、
   ことを特徴とする請求項５に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
7. 前記位置決め部は、
   前記第２部材の端部の前記第１部材側の部分に、前記縦方向に離間した二箇所で係合する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
8. 前記位置決め部は、
   板材と、
   前記板材に設けられて前記第２部材の端部に係合する複数の係合部材と、を備え、
   複数の前記係合部材は、同一の前記板材において前記縦方向に離間した箇所の各々に設けられる、
   ことを特徴とする請求項７に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
9. 前記成形型は、前記縦方向に沿って分割された第１ブロックおよび第２ブロックを備え、
   前記成形型の端部の前記第１部材側の部分には、前記第１ブロックと前記第２ブロックとの境界部に位置する凹部が形成され、
   前記位置決め部は、前記凹部に挿入されることで前記第２部材に係合する突起を備える、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
10. 前記成形型は、前記第１ブロックおよび前記第２ブロックの各々に斜面を有する略三角形状の横断面に形成されており、
    前記第１ブロックおよび前記第２ブロックの前記斜面に配置されるアングル材を備える、
    ことを特徴とする請求項９に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
11. 前記突起は、半球または略半球状に形成され、
    前記凹部は、前記突起に倣う形状に形成される、
    ことを特徴とする請求項９または１０に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
12. 前記板状部材は、航空機のスキンであり、
    前記長尺部材は、航空機のストリンガである、
    ことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の繊維強化プラスチック構造体の製造装置。
13. 繊維強化プラスチック部材である板状部材に、縦方向の寸法が前記縦方向に交差する方向の寸法よりも長い繊維強化プラスチック部材である長尺部材が一体化された繊維強化プラスチック構造体を製造する方法であって、
    前記板状部材または前記板状部材を支持する金型である第１部材に、前記第１部材に沿って配置されるか前記板状部材に一体に設けられるとともに、前記長尺部材を成形する成形型または前記長尺部材である第２部材の端部に前記第１部材側から係合する位置決め部を設け、
    前記位置決め部により、前記板状部材に対して前記長尺部材を、少なくとも、前記縦方向に交差する方向において位置決めする、
    ことを特徴とする繊維強化プラスチック構造体の製造方法。

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