JP2020121414A

JP2020121414A - 複合材の製造方法

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Publication number: JP2020121414A
Application number: JP2019012789A
Authority: JP
Inventors: 一行青木; Kazuyuki Aoki; 大和塚崎; Yamato Tsukazaki
Original assignee: Subaru Corp
Current assignee: Subaru Corp
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-08-13
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: US20200238633A1; CN111483158A; EP3689587B1; CN111483158B; JP7198094B2; EP3689587A1; US11225034B2

Abstract

【課題】複合材の変形を抑制する。【解決手段】複合材の製造方法は、金型の上にリブ繊維基材部（第１繊維基材部）１０７ｅ、および、前翼桁繊維基材部（第２繊維基材部）１０７ｃを含む繊維基材１０７を載置するステップと、リブ繊維基材部１０７ｅと前翼桁繊維基材部１０７ｃとの間に離型シート（離型部材）１９を配置するステップと、前翼桁繊維基材部１０７ｃ、および、リブ繊維基材部１０７ｅに含浸された樹脂を硬化させ、複合材を形成するステップと、を含む。【選択図】図６

Description

本発明は、複合材の製造方法に関する。

特許文献１には、金型の上に第１繊維基材部および第２繊維基材部を含む繊維基材を載置し、第１繊維基材部と第２繊維基材部に含浸された樹脂を加熱硬化させることで、複合材を成形することについて開示がある。

特開２０１８−１７２４７４号公報

しかし、樹脂は、加熱硬化した際に、硬化収縮し、加熱硬化した樹脂は、冷却した際に、熱収縮する。複合材の成形後、第１繊維基材部は、樹脂により第２繊維基材部と接続されるため、第１繊維基材部における樹脂の収縮率と、第２繊維基材部における樹脂の収縮率が異なると、複合材が意図せず変形するおそれがある。

本発明は、複合材の変形を抑制することが可能な複合材の製造方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために、本発明の複合材の製造方法は、金型の上に第１繊維基材部および第２繊維基材部を含む繊維基材を載置するステップと、第１繊維基材部と第２繊維基材部とが接触する領域の一部に離型部材を配置するステップと、第１繊維基材部と第２繊維基材部に含浸された樹脂を硬化させ、複合材を成形するステップと、を含む。

複合材を成形した後に、離型部材を除去するステップと、離型部材を除去した後に、離型部材が除去された空間にシムを挿入するステップと、シムが挿入された後に、複合材とシムとを締結部材により締結するステップと、をさらに含んでもよい。

本発明によれば、複合材の変形を抑制することが可能となる。

図１は、航空機の概略斜視図である。図２は、航空機の翼の一部を示した概略斜視図である。図３は、航空機の翼の一部を示した概略縦断面図である。図４は、本実施形態の複合材成形装置を説明するための図である。図５は、従来の複合材が変形する問題点を説明するための図である。図６は、本実施形態の繊維基材の構成を示す図である。図７は、本実施形態の繊維基材の樹脂硬化後の状態を示す図である。図８は、前翼桁およびリブがシムを介して締結部材により締結される状態を示す図である。図９は、本実施形態の複合材の製造方法を説明するためのフローチャートである。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。

図１は、航空機１の概略斜視図である。図１に示すように、航空機１は、主翼３と、水平尾翼５と、垂直尾翼７（以下、これらを単に翼ともいう）を含んで構成される。図２は、航空機１の翼の一部を示した概略斜視図である。図２に示すように、航空機１の翼は、外板９と、ストリンガ１１と、前翼桁１３と、後翼桁１５と、リブ１７とを含んで構成される。

外板９は、航空機１の翼の外殻をなす。外板９は、例えば、平板形状である。外板９は、翼の長手方向に沿って延在する。ストリンガ１１は、外板９を補強する補強材として使用され、外板９における翼の内部に対応する領域に取り付けられる。ストリンガ１１は、翼の長手方向に沿って延在する。ストリンガ１１は、外板９に接続する接続部１１ａと、外板９から離隔する突起部１１ｂとを備える。

突起部１１ｂと外板９との間には、中空部１１ｃが形成される。ストリンガ１１は、例えば、ハット型のハットストリンガや、波型のコルゲートストリンガである。図２では、ストリンガ１１がコルゲートストリンガである例を示すが、これに限定されず、ストリンガ１１は、ハットストリンガであってもよい。

前翼桁１３は、外板９に対し略直角に立設する。前翼桁１３は、翼の内部に位置し、翼の前縁を支持する。前翼桁１３は、例えば、平板形状である。前翼桁１３は、翼の長手方向に沿って延在する。

後翼桁１５は、外板９に対し略直角に立設する。後翼桁１５は、翼の内部に位置し、翼の後縁を支持する。後翼桁１５は、例えば、平板形状である。後翼桁１５は、翼の長手方向に沿って延在する。

リブ１７は、外板９に対し略直角に立設する。リブ１７は、翼の内部に位置し、前翼桁１３および後翼桁１５を支持する。リブ１７は、例えば、平板形状である。また、リブ１７は、翼の長手方向に対し直交して配される。したがって、リブ１７は、ストリンガ１１、前翼桁１３、および、後翼桁１５が延在する方向に対し直交して配されることとなる。

図３は、航空機１の翼の一部を示した概略縦断面図である。図３に示すように、リブ１７の下端１７ａには、ストリンガ１１と対向する位置に、複数の切り欠き部１７ｂが形成される。リブ１７の下端１７ａは、外板９と接続（接触）し、ストリンガ１１と非接続（非接触）である。リブ１７の側端１７ｃは、前翼桁１３および後翼桁１５と接続し、前翼桁１３および後翼桁１５を連結する。

外板９、ストリンガ１１、前翼桁１３、後翼桁１５、および、リブ１７は、複合材により構成される。本実施形態では、複合材は、例えば、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ：Ｇｌａｓｓｆｉｂｅｒｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｐｌａｓｔｉｃｓ）や炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ：ＣａｒｂｏｎＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃｓ）である。複合材は、以下で説明する複合材成形装置１００により成形される。

図４は、本実施形態の複合材成形装置１００を説明するための図である。複合材成形装置１００は、複合材をＶａＲＴＭ（ＶａｃｕｕｍａｓｓｉｓｔｅｄＲｅｓｉｎＴｒａｎｓｆｅｒＭｏｌｄｉｎｇ）法により成形する。図４に示すように、複合材成形装置１００は、成形型（金型）１０１と、フィルム材１０３と、シール材１０５と、繊維基材１０７と、治具１０９と、樹脂拡散メディア１１１と、樹脂供給部１１３と、樹脂排出部１１５とを備える。

成形型１０１とフィルム材１０３との間には、空間Ｓが形成される。空間Ｓは、成形型１０１とフィルム材１０３との間に配されたシール材１０５により密閉される。空間Ｓ内には、繊維基材１０７と、樹脂拡散メディア１１１とが配される。

繊維基材１０７は、成形型１０１の上に載置される。繊維基材１０７は、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維材が積層されて構成される。なお、繊維基材１０７は、繊維材に樹脂が含浸されたプリプレグであってもよい。

繊維基材１０７は、外板９に対応する繊維基材部（以下、外板繊維基材部という）１０７ａと、ストリンガ１１に対応する繊維基材部（以下、ストリンガ繊維基材部という）１０７ｂと、前翼桁１３に対応する繊維基材部（以下、前翼桁繊維基材部という）１０７ｃと、後翼桁１５に対応する繊維基材部（以下、後翼桁繊維基材部という）１０７ｄと、リブ１７に対応する繊維基材部（以下、リブ繊維基材部）１０７ｅとを含んで構成される。なお、以下では、リブ繊維基材部１０７ｅを第１繊維基材部ともいい、外板繊維基材部１０７ａ、前翼桁繊維基材部１０７ｃ、および、後翼桁繊維基材部１０７ｄをまとめて第２繊維基材部ともいう。

本実施形態では、外板繊維基材部１０７ａは、前翼桁繊維基材部１０７ｃと一体的に形成されている。外板繊維基材部１０７ａおよび前翼桁繊維基材部１０７ｃは、成形型１０１の上に載置される。また、ストリンガ繊維基材部１０７ｂ、後翼桁繊維基材部１０７ｄ、および、リブ繊維基材部１０７ｅは、外板繊維基材部１０７ａの上に載置される。ただし、これに限定されず、外板繊維基材部１０７ａは、前翼桁繊維基材部１０７ｃと別体に形成されてもよい。

治具１０９は、外板繊維基材部１０７ａとストリンガ繊維基材部１０７ｂとの間に配される。治具１０９は、外板９とストリンガ１１の突起部１１ｂとの間に形成される中空部１１ｃ（図２参照）と大凡等しい外形形状を備える。治具１０９は、ストリンガ１１の成形後の突起部１１ｂ（図２参照）の形状を保持する。治具１０９の外形形状は、ストリンガ１１の突起部１１ｂの内面形状と大凡等しい。

治具１０９は、図４中、奥行き方向に延在している。治具１０９は、外板繊維基材部１０７ａの上に載置され、治具１０９の上には、ストリンガ繊維基材部１０７ｂが載置される。つまり、治具１０９は、外板繊維基材部１０７ａとストリンガ繊維基材部１０７ｂとの間に配される。

樹脂拡散メディア１１１は、繊維基材１０７の上に載置される。樹脂拡散メディア１１１は、例えば、ポリエチレン等のネットが用いられ、供給された樹脂を空間Ｓ内に均一に拡散する。

樹脂供給部１１３および樹脂排出部１１５は、シール材１０５により密閉された空間Ｓに接続される。樹脂供給部１１３は、樹脂を貯蔵する樹脂供給タンク１１３ａを備える。樹脂供給部１１３は、樹脂供給タンク１１３ａ内に貯蔵された樹脂を空間Ｓ内に供給する。

樹脂排出部１１５は、空気を吸引して空間Ｓ内を真空状態にする真空ポンプ１１５ａと、樹脂を貯蔵する樹脂排出タンク１１５ｂとを備える。真空ポンプ１１５ａは、空間Ｓ内の空気および樹脂を吸引する。樹脂排出タンク１１５ｂは、空間Ｓ内から吸引された樹脂（余剰分の樹脂）を貯蔵（回収）する。

本実施形態において、樹脂は、熱硬化性樹脂である。しかし、これに限定されず、樹脂は、例えば、熱可塑性樹脂であってもよい。樹脂は、空間Ｓ内に供給されると、樹脂供給部１１３側（図４中、右側）から樹脂排出部１１５側（図４中、左側）に向かって流れる。治具１０９は、樹脂が流れる方向（以下、樹脂流動方向という）に沿って複数配される。治具１０９は、長手方向（延在方向）が、樹脂流動方向と交差（直交）する方向に沿うように配される。ただし、これに限定されず、治具１０９は、長手方向が樹脂流動方向と平行となるように配されてもよい。

つぎに、複合材成形装置１００を用いた複合材の製造方法について説明する。まず、ユーザは、成形型１０１の上に繊維基材１０７および治具１０９を載置する。

つぎに、ユーザは、繊維基材１０７の上に樹脂拡散メディア１１１およびフィルム材１０３を被せ、繊維基材１０７の周囲を囲うように、フィルム材１０３と成形型１０１との間にシール材１０５を設ける。これにより、フィルム材１０３と成形型１０１との間に密閉された空間Ｓが形成され、空間Ｓ内に樹脂拡散メディア１１１、繊維基材１０７、および、治具１０９が収容される。

その後、ユーザは、空間Ｓに樹脂供給部１１３および樹脂排出部１１５を接続させる。樹脂供給部１１３および樹脂排出部１１５が空間Ｓに接続されると、樹脂排出部１１５は、真空ポンプ１１５ａを駆動させる。真空ポンプ１１５ａは、空間Ｓ内の空気を吸引し、空間Ｓ内を真空状態にする。空間Ｓ内が真空状態になると、樹脂供給部１１３は、樹脂供給タンク１１３ａ内に貯蔵される樹脂を空間Ｓ内に供給する。

空間Ｓ内に供給された樹脂は、樹脂拡散メディア１１１によって繊維基材１０７の全面に拡散される。樹脂拡散メディア１１１によって拡散された樹脂は、繊維基材１０７に含浸される。繊維基材１０７を含浸した樹脂の余剰分は、樹脂排出部１１５の樹脂排出タンク１１５ｂに排出される。

繊維基材１０７に樹脂が含浸されると、複合材成形装置１００は、不図示の加熱装置により樹脂を加熱させる。樹脂は、不図示の加熱装置により加熱されると硬化する。樹脂が硬化することにより、複合材（外板９、ストリンガ１１、前翼桁１３、後翼桁１５、および、リブ１７）が一体的に成形される。

複合材が成形された後、治具１０９は、外板９とストリンガ１１の間から引き抜かれる。これにより、図２に示すように、外板９とストリンガ１１の突起部１１ｂとの間には、中空部１１ｃが形成される。

このように、複合材は、樹脂が加熱硬化することにより成形される。しかし、樹脂は、加熱硬化した際に、硬化収縮し、加熱硬化した樹脂は、冷却した際に、熱収縮する。複合材の成形後、例えば、リブ繊維基材部１０７ｅは、樹脂により前翼桁繊維基材部１０７ｃおよび後翼桁繊維基材部１０７ｄと接続される。そのため、リブ繊維基材部１０７ｅにおける樹脂の収縮率と、前翼桁繊維基材部１０７ｃおよび後翼桁繊維基材部１０７ｄにおける樹脂の収縮率が異なると、複合材が意図せず変形するおそれがある。

図５は、従来の複合材が変形する問題点を説明するための図である。図５（ａ）は、従来の複合材の成形前（すなわち、樹脂硬化前）の状態を示し、図５（ｂ）は、従来の複合材の成形後（すなわち、樹脂硬化後）の状態を示している。図５（ｂ）に示すように、リブ１７は、樹脂が硬化収縮および熱収縮することで、図５（ｂ）中、矢印方向に収縮（変形）している。これにより、リブ１７の側端１７ｃと樹脂を介して接続される前翼桁１３および後翼桁１５は、リブ１７の収縮量（変形量）に応じて、リブ１７と一体的に図５（ｂ）中、矢印方向に変形する。

その場合、前翼桁１３（後翼桁１５）とリブ１７との間の接続部には、初期応力が発生し、複合材の強度低下を招く。そこで、本実施形態では、繊維基材１０７は、リブ繊維基材部（第１繊維基材部）１０７ｅと前翼桁繊維基材部（第２繊維基材部）１０７ｃ、および、リブ繊維基材部（第１繊維基材部）１０７ｅと後翼桁繊維基材部（第２繊維基材部）１０７ｄとの間の少なくともいずれかに離型シート（離型部材）１９を設ける。

図６は、本実施形態の繊維基材１０７の構成を示す図である。図６に示すように、本実施形態の繊維基材１０７は、離型シート１９を備える。離型シート１９は、第１繊維基材部（すなわち、リブ繊維基材部１０７ｅ）が、第２繊維基材部（すなわち、外板繊維基材部１０７ａ、前翼桁繊維基材部１０７ｃ、および、後翼桁繊維基材部１０７ｄ）と接触する領域の一部に配される。本実施形態では、離型シート１９は、リブ繊維基材部１０７ｅと前翼桁繊維基材部１０７ｃとの間にのみ配される。リブ繊維基材部１０７ｅは、リブ繊維基材部１０７ｅと前翼桁繊維基材部１０７ｃとの間に離型シート１９が配されることで、前翼桁繊維基材部１０７ｃと非接触状態となる。離型シート１９の配置後、上述したように、複合材成形装置１００（図４参照）を用いて、繊維基材１０７に樹脂を含浸させ、樹脂を硬化させる。

図７は、本実施形態の繊維基材１０７の樹脂硬化後の状態を示す図である。図７に示すように、樹脂硬化後の複合材から離型シート１９を取り外すと、リブ１７と前翼桁１３との間には、隙間（空間）ＳＳが形成される。これは、樹脂の硬化収縮および熱収縮によりリブ１７が前翼桁１３から離隔する方向に収縮（変形）するためである。上述したように、前翼桁繊維基材部１０７ｃは、離型シート１９によりリブ繊維基材部１０７ｅと非接触状態となっているため、リブ１７の変形によらず前翼桁繊維基材部１０７ｃが配された位置を維持することができる。これにより、リブ１７は、前翼桁１３と非接続状態となる（前翼桁１３から離隔する）。

そのため、リブ１７と前翼桁１３との間には、初期応力が発生しなくなる。また、リブ１７は、前翼桁１３と非接続状態となるため、リブ１７と後翼桁１５との間（接続部）に発生する初期応力が低減される。このように、本実施形態では、リブ１７が前翼桁１３と非接続状態となるため、複合材の変形が抑制される。

ただし、この場合、前翼桁１３は、リブ１７と非接続状態となるため、リブ１７により保持されなくなる。そのため、複合材の強度が低下するおそれがある。したがって、本実施形態では、前翼桁１３とリブ１７との隙間ＳＳに、シム２１を配置している。さらに、締結部材２３により、前翼桁１３とリブ１７とをシム２１を介して締結させる。

図８は、前翼桁１３およびリブ１７がシム２１を介して締結部材２３により締結される状態を示す図である。図８に示すように、シム２１は、前翼桁１３とリブ１７の間の隙間ＳＳ（図７参照）に配置される。シム２１は、前翼桁１３とリブ１７の間の隙間ＳＳの形状と大凡等しい形状を有する。締結部材２３は、シム２１を介して前翼桁１３とリブ１７とを締結する。これにより、前翼桁１３は、シム２１を介してリブ１７と締結され、複合材の強度が補強される。

図９は、本実施形態の複合材の製造方法を説明するためのフローチャートである。本実施形態の複合材の製造方法は、まず、図４に示すように、成形型１０１の上に繊維基材１０７を載置する（ステップＳ９０１）。

つぎに、図６に示すように、リブ繊維基材部（第１繊維基材部）１０７ｅと前翼桁繊維基材部（第２繊維基材部）１０７ｃとの間に離型シート１９を配置する（ステップＳ９０３）。そして、離型シート１９が配された繊維基材１０７に樹脂を含浸させる（ステップＳ９０５）。

その後、繊維基材１０７に含浸された樹脂を硬化させ、複合材を成形する（ステップＳ９０７）。複合材を成形した後、図７に示すように、複合材（前翼桁１３とリブ１７の間）から離型シート１９を除去する（ステップＳ９０９）。

離型シート１９を除去した後、図８に示すように、離型シート１９が除去されたリブ１７と前翼桁１３との間の隙間にシム２１を挿入する（ステップＳ９１１）。シム２１が挿入された後、複合材（前翼桁１３およびリブ１７）とシム２１を締結部材２３により締結する（ステップＳ９１３）。

以上のように、本実施形態によれば、離型シート１９は、第１繊維基材部（すなわち、リブ繊維基材部１０７ｅ）と、第２繊維基材部（すなわち、外板繊維基材部１０７ａ、前翼桁繊維基材部１０７ｃ、および、後翼桁繊維基材部１０７ｄ）とが接触する領域の一部に配される。これにより、第１繊維基材部と第２繊維基材部とを一体的に成形しながら、複合材の変形を抑制することができる。また、離型シート１９が除去された隙間にシム２１を挿入し、複合材とシム２１を締結部材２３により締結するため、複合材の強度低下を抑制することができる。

以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。

例えば、図９に示す複合材の製造方法をコンピュータに実行させるプログラムや、当該プログラムを記録した、コンピュータで読み取り可能なフレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ、ＤＶＤ、ＢＤ等の記憶媒体も提供される。ここで、プログラムは、任意の言語や記述方法にて記述されたデータ処理手段をいう。

上記実施形態では、離型シート１９がリブ繊維基材部１０７ｅと前翼桁繊維基材部１０７ｃとの間に配される例について説明した。しかし、これに限定されず、離型シート１９は、リブ繊維基材部１０７ｅと後翼桁繊維基材部１０７ｄとの間に配されてもよい。また、離型シート１９は、リブ繊維基材部１０７ｅと前翼桁繊維基材部１０７ｃの間、および、リブ繊維基材部１０７ｅと後翼桁繊維基材部１０７ｄとの間の双方に配されてもよい。いずれにしても、リブ１７と外板９が樹脂により一体成形されるように、離型シート１９は、リブ繊維基材部１０７ｅと外板繊維基材部１０７ａとの間の少なくとも一部を除く領域に配されればよい。

上記実施形態では、リブ１７と前翼桁１３との間の隙間ＳＳにシム２１を挿入し、締結部材２３により締結する例について説明した。しかし、これに限定されず、リブ１７と前翼桁１３との間の隙間ＳＳに、新たな繊維基材（以下、隙間繊維基材部という）を配置し、隙間繊維基材部に樹脂を含浸および硬化させ、リブ１７と前翼桁１３とを連結するようにしてもよい。

本発明は、複合材の製造方法に利用することができる。

１９離型シート（離型部材）
２１シム
２３締結部材
１０１成形型（金型）
１０７ｃ前翼桁繊維基材部（第２繊維基材部）
１０７ｅリブ繊維基材部（第１繊維基材部）

Claims

金型の上に第１繊維基材部および第２繊維基材部を含む繊維基材を載置するステップと、
前記第１繊維基材部と前記第２繊維基材部とが接触する領域の一部に離型部材を配置するステップと、
前記第１繊維基材部と前記第２繊維基材部に含浸された樹脂を硬化させ、複合材を成形するステップと、
を含む複合材の製造方法。
前記複合材を成形した後に、前記離型部材を除去するステップと、
前記離型部材を除去した後に、前記離型部材が除去された空間にシムを挿入するステップと、
前記シムが挿入された後に、前記複合材と前記シムとを締結部材により締結するステップと、
を含む請求項１に記載の複合材の製造方法。