JP4380909B2 - 繊維強化複合材からなる中空構造物及びその補強物の接合方法 - Google Patents

繊維強化複合材からなる中空構造物及びその補強物の接合方法 Download PDF

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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、繊維強化複合材からなる中空構造物及びその補強物を接合する方法に関し、詳しくは、中空構造物とその補強物との接合面間に介した接着剤を均一に且つ効率良く硬化させることができる加圧方法に関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
近年、地球環境保護及び省エネルギーの観点から、飛行機類及び自動車等の輸送用機器を一層軽量化することが望まれている。そのため、それらの主構成部材として軽量性、強度、耐食性、耐油性等に優れる繊維強化複合材を用いることが検討されている。
【０００３】
従来、成形済みの繊維強化複合材同士を接合する場合は接着により行われてきた。例えば、特開平10-264257号には、未硬化のプリプレグを接合材として繊維強化複合材同士を接着する方法が開示されている。しかし、接合面が均一に樹脂で濡れるようにするためには加圧が必要であり、このため(イ) クランプやプレス機を用いる方法、(ロ) ビス、ボルトとナット等を用いてねじ込みトルクによる締付け力で加圧する方法等がとられている。
【０００４】
また、特に大型の部材同士を接着する際には構造物全体を大型の金属製治具で固定した上、更にリベット止め、ボルト止め、クランプ止め等が併用されているのが現状である。このため、部材に多数の貫通孔を開けてボルト等を挿入し、接着剤硬化後にボルトを抜き出し、更に穴埋め作業を行うこと等が必要であり、大型治具や多大な工数のために高い製造コストが掛かるという問題があった。
【０００５】
従って、本発明の目的は、上記従来技術の欠点を解消し、繊維強化複合材からなる中空構造物及びその補強物を少ない工数で効率良く接着接合する方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、構造物(A)及び(B)とその補強物の各接合面間に未硬化の接着剤を介して構造物(A)及び(B)とその補強物を合わせ、該接合部外周面に沿って接合用バンドを当接しつつ締付け、張力を作用させながら接着剤を硬化させる方法により上記問題を解決できることを見出し、本発明に想到した。
【０００７】
すなわち、本発明の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法は、(1) 構造物(A)及び(B)とその補強物の各接合面間に未硬化の接着剤を介して構造物(A)及び(B)とその補強物を合わせる工程、
(2) 構造物(A)及び(B)で構成される中空構造物とその補強物との接合部外周面に沿って接合用バンドを当接しつつ締付け、張力を作用させる工程、及び
(3) 張力を作用させながら接着剤を硬化させる工程
を含むことを特徴とする。
【０００８】
上述の接着剤は熱硬化性接着シートであることが好ましい。
【０００９】
接合用バンドは、カーボン繊維強化複合材からなることが好ましい。また、接合用バンドの両端にＬ型アングルが固定してあり、Ｌ型アングル同士の間に張力調整シムを介在させることにより接合用バンドを締付けることが好ましい。更に、一箇所の接合部で使用する接合用バンドは二本以下からなることが好ましい。また、中空構造物の接合部外周面と接合用バンドの間に緩衝材を介在させることが好ましい。
【００１０】
構造物(A)及び(B)同士の接着は、構造物(A)及び(B)の各両端接合部の接合面間に未硬化の接着剤を介して構造物(A)と(B)を合わせ、磁石製接合加圧治具と磁性体製接合受圧治具により接合部に加圧力を作用させながら接着剤を硬化させるのが好ましい。また、この時構造物(A)及び(B)で構成される中空構造物と補強物との接合部外周面と接合用バンドの間に緩衝材を介在させることが好ましい。
【００１１】
本発明の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法は、構造物(A)及び(B)がそれぞれ半円筒物(A')及び(B')であり、かつその補強物が円筒補強物である繊維強化複合材構造物の接合に適用することができ、特に航空機の半円筒型外皮部とそれを補強する胴体フレームの接合に適用することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法は、
(1) 構造物(A)及び(B)とその補強物の各接合面間に未硬化の接着剤を介して構造物(A)及び(B)とその補強物を合わせる工程、
(2) 構造物(A)及び(B)で構成される中空構造物とその補強物との接合部外周面に沿って接合用バンドを当接しつつ締付け、張力を作用させる工程、及び
(3) 張力を作用させながら接着剤を硬化させる工程
からなる。
【００１３】
以下、繊維強化複合材半円筒型外皮部(A")及び(B")と円筒補強物を接合する場合について、図面を用いて詳細に説明する。図１中４a及び４bは硬化された繊維強化複合材からなり航空機の胴体構造物を構成する半円筒型外皮部であり、接着シート５a及び５bを介して、繊維強化複合材からなる胴体フレーム６と合わせてある。この接合部を二本の接合用バンド１を用いて締付ける。図２に示すように接合用バンド１の両端にはＬ型アングル２が固定してあり、該Ｌ型アングル２同士の間に張力調整シム３を介在させ、ボルトとナット８を用いることにより接合用バンド１を締付ける。
【００１４】
上述の半円筒型外皮部及び胴体フレームは、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維等の強化繊維に合性樹脂（ポリエステル、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、硅素樹脂等）を含浸させてなる繊維強化複合材を硬化させたものであればよい。
【００１５】
(1) 半円筒型外皮部(A")及び(B")と胴体フレームの各接合面間に未硬化の接着剤を介して半円筒型外皮部(A")及び(B")と胴体フレームを合わせる工程、
図１に示す半円筒型外皮部(A")４aと胴体フレーム６の下半円側の各接合面間に未硬化の接着シート５aを介し、半円筒型外皮部(A")４aと胴体フレーム６の下半円側を合わせる。続いて、半円筒型外皮部(B")４bと胴体フレーム６の上半円側の各接合面間に未硬化の接着シート５bを介し、半円筒型外皮部(B")４bと胴体フレーム６の上半円側を合わせる。この時、図３に示すように半円筒型外皮部(A")４a及び(B")４bの各両端接合部の各接合面間に未硬化の接着シート17を介し、半円筒型外皮部(A")４aと(B")４bを合わせることが好ましい。各接合部間で用いる未硬化の接着シートの枚数は、接合部の間隙量に応じて選択するのが好ましいが、通常は一枚が好ましい。未硬化の接着シートの枚数が多過ぎると、組立て時の寸法精度が悪くなる。但し、接合部の形状は図示例に限るものではなく、他の形状も可能である。
【００１６】
接着剤には特に制限はないが、航空機の構造物等の接着に用いる場合は、強力な過重によるクリープが少なく、熱、水、油、ガゾリン等溶剤への耐性を有するものが好ましい。従って、熱硬化型エポキシ系、フェノール系、レゾルシノール系など熱硬化性か、これに合成ゴムまたは熱可塑性のものを混合した接着剤が好ましい。
【００１７】
接着剤は上記のものを塗布してもよいが、上記接着剤を含有する接着シートを用いるのが好ましい。このような熱硬化型の接着剤又は接着シートの硬化温度は、120〜180℃が好ましいが、半円筒型外皮部(A")４a及び(B")４b間の接合部を磁石と磁性体の引力を用いて加圧する場合は磁石の耐熱温度以下であることが好ましい。例えば、米国スリーエム社製AF163-2K（硬化温度120℃）、米国サイテックファイバーライト社製FM300-2（硬化温度120〜180℃）等が好ましい。
【００１８】
(2) 半円筒型外皮部と胴体フレームとの接合部外周面に沿って接合用バンドによる所定の張力を作用させると共に、半円筒型外皮部(A")及び(B")の各両端接合部に所定の加圧力を作用させる工程
(イ)半円筒型外皮部と胴体フレームとの接合部外周面に沿って接合用バンドによる所定の張力を作用させる工程
接合用バンドに張力を作用させる手段は特に限定されないが、図２に示す以下の方法が好ましい。図２は図１中Aで示す部分の拡大図であり、接合用バンド１を用いて胴体構造物４と胴体フレーム６の接合部に張力を作用させる方法の概略を示す。接合用バンド１の両端には、Ｌ型アングル２が止め金９によって固定されており、Ｌ型アングル２同士の間に張力調整シム３を介在させ、ボルトとナット８によりＬ型アングル２同士を締めつけるのが好ましい。張力は張力調整シム３の厚みにより調整することができる。この方法は接合部外周面に対して、均一な幅で張力を掛けられる点において優れている。例えば接合用バンドの幅が接合部の幅と同じ場合、接合部周より長い一本の接合用バンドを接合部外周面に沿って一周させ、各両端を反対方向に引っ張る方法では、接合部以外の部分にも接合用バンドの張力が掛かってしまうため、接合部外周面に対して均一な幅で張力を掛けることができない。
【００１９】
Ｌ型アングル２及び張力調整シム３はアルミニウム、鉄、ステンレス等の軽量で強度の高い材料であることが好ましい。より好ましくはアルミニウムである。
【００２０】
接合用バンド１は、接着剤の加熱硬化温度に対する耐熱性を有すること及び熱膨張による張力減少が無いことが望ましい。
【００２１】
また、接合用バンド１は、胴体構造物４の断面の不均一性及び微小な凹凸等により張力が減少しない程度の柔軟性を有する素材からなるものが好ましい。
【００２２】
上述のような性質を有する接合用バンド１用の素材は、カーボン繊維強化複合材、鉄、ステンレス等が好ましい。バンドの熱膨張による張力減少の観点から、より好ましくはカーボン繊維強化複合材である。
【００２３】
一箇所の接合部で使用する接合用バンド１の本数は、所定の張力が得られるのであれば特に限定されず、一本又は複数本からなるものでもよい。作業効率化のためには、二本以下であることが好ましい。
【００２４】
接合用バンド１の長さは、Ｌ型アングル２同士の間に張力調整シム３を介在させて、ボルトとナット８により締めつけた時、所定の張力を作用させることができる長さに調整する。
【００２５】
接合用バンドの厚みは特に制限されないが、作業性、耐久性等の観点から
1.5〜４mmであるのが好ましい。
【００２６】
作用させる張力は、接合部において、接着圧力が0.025〜２kgf/cm2になるようにすることが好ましい。より好ましくは、0.2〜１kgf/cm2である。接着圧力が0.025kgf/cm2より低いと、接合面が全体に均一に接着シートと接触しないため、接合強度が低くなる。接着圧力が２kgf/cm2を超えると、張力増加による接合強度の向上が少なくなる。
【００２７】
また、接合用バンド１を接合部の形状になじみやすくするため、接合用バンド１と接合部の間に緩衝材７を介在させることが好ましい。緩衝材はシリコンシート、テフロンシート等が好ましい。緩衝材７の厚さは特に限定されないが、３〜５mmであるのが好ましい。
【００２８】
また、接合用バンド１と接合部を当接する前に、位置決めのための最小限のピン、ボルトとナット、リベット、シートクランプ等を併用することが好ましい。但し、ピン等の数が多くなり過ぎると工程が増大するため好ましくない。
【００２９】
(ロ)半円筒型外皮部(A")及び(B")の各両端接合部に加圧力を作用させる工程
半円筒型外皮部(A")４a及び(B")４bの各両端接合部に作用させる加圧力は、図３に示す磁石製接合加圧治具10と磁性体製接合受圧治具11を用いて、半円筒型外皮部(A")４a及び(B")４bの接合部を挟み、磁石と磁性体間の引力を利用して加圧することが好ましい。図３中の磁石製接合加圧治具10は、磁性体製取っ手12、磁性体製治具13、磁石14からなる。図３中の磁性体製接合受圧治具11は、上述の磁石製接合加圧治具10と対をなしている。また、図３中４a及び４bは、それぞれ半円筒型外皮部(A")及び(B")であり、その接合部を接着シート17を介して合わせてある様子を示す。但し、接合部の形状は図示例に限るものではなく、他の形状も可能である。
【００３０】
まず、磁性体製接合受圧治具11を、半円筒型外皮部(B")４bの接合部外表面に当接する。磁性体製接合受圧治具11の受圧面は、半円筒型外皮部(B")４bの少なくとも接合部外表面形状に沿うことが可能な形状を有することが好ましい。次に、磁性体製接合受圧治具11と対をなす磁石製接合加圧治具10を、半円筒型外皮部(A")４aの接合部外表面に当接する。磁石製接合加圧治具10の加圧面は、半円筒型外皮部(A")４aの少なくとも接合部外表面形状に沿うことが可能な形状を有することが好ましい。
【００３１】
また、磁性体製接合受圧治具11の代わりに磁石製接合加圧治具10をもう一つ用いて磁石製接合加圧治具同士の引力を作用させてもよい。
【００３２】
磁石サイズ及び磁力については、接合部の厚み、範囲及び非磁性部材の種類により異なるが、接合部において加圧力が0.025〜0.8kgf/cm2になるように選ぶのが好ましい。より好ましくは、0.2〜0.6kgf/cm2である。加圧力が0.025kgf/cm2より低いと、接合面が全体に均一に接着シートと接触しないために接合強度が低くなる上、磁石製接合加圧治具10及び磁性体製接合受圧治具11が自重で脱落する危険性がある。加圧力の上限は特に制限されないが、0.8kgf/cm2を超えると、加圧力増加による接合強度の向上が少なくなる上、脱着が困難になる
【００３３】
磁石は、作業性等の観点から永久磁石であることが好ましい。また接着剤として熱硬化型のものを用いる場合、磁石の耐熱温度は130℃以上であることが好ましい。
【００３４】
このような条件を満たす磁石として、例えば、住友特殊金属（株）製NEOMAX-39SH（耐熱温度140℃）等が好ましい。また、磁石には、ハンドリングを良くするために図３のように磁性体製の治具13及び取っ手12を取り付けることが好ましい。図４では、接合位置決めのために繊維強化複合材からなるストリンガー部16の形状を利用した磁性体製治具13の例を示している。但し、磁石14及び磁性体製治具13の形状は図示例に限るものではなく、他の形状も可能である。
【００３５】
また、磁石14に周状の磁路を形成させて接合面全体に加圧力を作用させるために、図３の14のように一対の永久磁石を使用し、かつ磁極を互いに逆向きに固定することが好ましい。
【００３６】
また、磁石製接合加圧治具10の取外し作業性向上及び該磁石製接合加圧治具10の接合部形状へのなじみを良くするため、磁石製接合加圧治具10の加圧面と半円筒型外皮部(A")４aの接合部外表面の間に緩衝材15を介在させることが好ましい。緩衝材としてはシリコンシート、テフロンシート等が好ましい。緩衝材の厚さは特に限定されないが、１〜３mmであるのが好ましい。緩衝材を用いた場合は、これを介した状態において、加圧力が0.025〜0.8kg/cm2になるように磁石の磁力を選ぶのが好ましい。
【００３７】
また、磁石製接合加圧治具10及び磁性体製接合受圧治具11を当接する前に、接合位置決めのための最小限のピン、ボルトとナット、リベット、シートクランプ等を併用することが好ましい。但し、ピン等の数が多くなり過ぎると工程が増大するため好ましくない。
【００３８】
図５は、前述の胴体構造物４と胴体フレーム６との接合部外周面に沿って接合用バンド１による所定の張力を作用させると共に、半円筒型外皮部(A")４a及び(B")４bの各両端接合部に磁石製接合加圧治具10と磁性体製接合受圧治具11を用いて所定の加圧力を作用させる様子を示す斜視図である。胴体構造物４の位置決め用治具18は、従来の構造物全体を固定するための大型のものである必要はなく、図５に示すような小型のもので十分である。
【００３９】
(3) 張力及び加圧力を作用させながら加熱する工程
図５に示すように張力及び加圧力を作用させながら熱硬化性の接着シート５a、５b及び17の硬化に必要な温度に加熱する。加熱手段には特に制限はない。接合部だけを局部的に熱風等で加熱することによって行ってもよいが、局部加熱をすると加熱部の熱膨張により繊維強化複合材の破損や接合部の破損を生じることがあるので、均熱炉を使用して繊維強化複合材全体を均一加熱することが好ましい。加熱温度は、磁石の耐熱温度以下で、かつ接着シートを熱硬化させるのに十分な温度であればよいが、100〜130℃の範囲内が好ましく、より好ましくは110〜120℃である。100℃より低温では接着シートの硬化反応も不完全であるので、十分な接合強度を得ることが困難となる。
【００４０】
加圧下での接合面の加熱温度は、60〜70分間程度保持できれば安定した接合強度を得ることができる。また、繊維強化複合材が大型の場合には、昇温過程及び降温過程での熱歪みから接合部や繊維強化複合材に無理な応力が掛かり、亀裂が発生することがあるので、例えば４〜８時間といった長時間をかけて、緩やかな加熱処理を行うことが好ましい。
【００４１】
位置決めのためにピン等を併用した場合には、接合が終了した後、接合部からピンを抜き取っても、そのまま残しておいてもよい。ピンを抜き取る場合には、抜き取った後の穴をエポキシ樹脂等により被覆する。また、ピンを残す場合には、ピンを埋め込み型のものとし、ピンの頭上の穴を上述の手段と同様に被覆し、ピンの腐食を防止するようにする。
【００４２】
以上の通り、図面を参照して本発明を説明したが、本発明はそれらに限定されず本発明の趣旨を変更しない限り種々の変更を加えることができる。
【００４３】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明の方法により、複数の繊維強化複合材構造物を少ない工数で効率良く接着することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の半円筒型外皮部(A")と(B")で構成される胴体構造物と胴体フレームを接着する様子を示す断面図である。
【図２】 図１中Ａで示す部分の拡大図であり、接合用バンドに張力を作用させる様子を示す概略図である。
【図３】 本発明の磁石製接合加圧治具の一例を示す概略図である。
【図４】 本発明の磁石製接合加圧治具と磁性体製接合受圧治具により半円筒型外皮部(A")と(B")の接合部に加圧力を作用させる様子を示す概略図である。
【図５】 本発明の半円筒型外皮部(A")と(B")、及び半円筒型外皮部(A")と(B")で構成される胴体構造物と胴体フレームを接着する様子を示す斜視図である。
【符号の説明】
１・・・接合用バンド
２・・・Ｌ型アングル
３・・・張力調整シム
４・・・繊維強化複合材製胴体構造物
４a・・・半円筒型外皮部(A")
４b・・・半円筒型外皮部(B")
５・・・接着シート
５a・・・接着シート
５b・・・接着シート
６・・・繊維強化複合材製胴体フレーム
７・・・緩衝材
８・・・ボルト及びナット
９・・・止め金
10・・・磁石製接合加圧治具
11・・・磁性体製接合受圧治具
12・・・磁性体製取っ手
13・・・磁性体製治具
14・・・磁石
15・・・緩衝材
16・・・ストリンガー部
17・・・接着シート
18・・・位置決め用治具

Claims (9)

  1. 合わせることにより中空構造物を形成する繊維強化複合材構造物(A)及び(B)と、前記中空構造物の内周面側から前記中空構造物を補強する繊維強化複合材補強物との接合方法において、
    (1) 前記構造物(A)及び(B)と前記補強物の各接合面間に未硬化の接着剤を介して前記構造物(A)及び(B)と前記補強物を合わせる工程、
    (2) 前記構造物(A)及び(B)で構成される中空構造物と前記補強物との接合部外周面に沿って接合用バンドを当接しつつ締付け、張力を作用させる工程、及び
    (3) 前記張力を作用させながら前記接着剤を硬化させる工程
    を含むことを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  2. 請求項１に記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記接着剤が熱硬化性接着シートであることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  3. 請求項１又は２に記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記接合用バンドがカーボン繊維強化複合材からなることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記接合用バンドの両端にＬ型アングルが固定してあり、前記Ｌ型アングル同士の間に張力調整シムを介在させることにより前記接合用バンドを締付けることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、一箇所の接合部で使用する前記接合用バンドの本数は二本以下からなることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記構造物(A)及び(B)の各両端接合部の接合面間に未硬化の接着剤を介して前記構造物(A)と(B)を合わせ、磁石製接合加圧治具と磁性体製接合受圧治具により前記接合部に加圧力を作用させながら前記接着剤を硬化させることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  7. 請求項１〜６のいずれかに記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記中空構造物の接合部外周面と前記接合用バンドの間に緩衝材を介在させることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  8. 請求項１〜７のいずれかに記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記構造物(A)及び(B)がそれぞれ半円筒物(A')及び(B')であり、かつ前記補強物が円筒補強物であることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
  9. 請求項１〜８のいずれかに記載の繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法において、前記構造物(A)及び(B)がそれぞれ航空機の胴体構造物を構成する半円筒型外皮部(A")及び(B")であり、かつ前記補強物が前記胴体構造物を補強する胴体フレームであることを特徴とする繊維強化複合材中空構造物とその補強物との接合方法。
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