JP4625049B2 - 複合材料の一部を修復する方法、および複合構造の部品 - Google Patents

Description

本発明は複合材料に関し、さらに詳しくは、複合サンドイッチ構造の補修に関する。

複合構造は、例えばガスタービンエンジンの空力的整流構造として、一般に知られ、使用されている。複合構造の１つのタイプとして、ハニカムコアに接合された表面被覆層と背面被覆層を有するサンドイッチ構造がある。表面被覆層および背面被覆層は、金属板から構成することができ、またはエポキシなどの樹脂母材と１層または複数層の補強繊維と、を有する積層構造から構成することができる。騒音を減衰させるために、多くの場合、表面被覆層または背面被覆層、あるいはその両方に孔を開ける。

衝撃、高温、磨耗、侵食その他の現象によって損傷した表面被覆層の全体を交換するのではなく、表面層の損傷した部分を補修することが望ましい場合がある。そのような場合の代表的な補修方法として、ポッティング（充填）材料を使用して表面被覆層の空力的形状を復元し、損傷した範囲に亘って荷重の伝達を可能にすることがある。しかしポッティング材料は孔の一部を塞いでしまい、音響特性を低下させる。

あるいは、表面被覆層が積層構造である場合は、１つまたは複数の積層要素を除去して「スカーフ」と呼ばれるパッチをそこに貼り付ける。大き目のパッチで補修範囲が覆われ、パッチの寸法を、補修範囲に隣接する部分にラップジョイント（重ね継ぎ手）が形成されるような寸法とすることも、よく行なわれる。「スカーフ」による補修方法には、パッチが補修範囲から剥離し、あるいは苛酷な条件下では完全に脱落してしまう可能性があるという、重大な欠点がある。

また現在の１つの傾向は、表面被覆層を可能な限り薄くして、軽量化すると同時に音響性能を向上することである。薄くすることにより、１層か２層だけの積層構造となる可能性があるので、従来の「スカーフ」による補修方法を採用することが困難になる。更に金属製の表面被覆層の場合は、「スカーフ」による補修方法の適用そのものが不可能となる。そのため、積層複合材料および金属製の表面被覆層のための、信頼性のある補修方法が求められている。本発明は、従来技術の欠点を回避しながらこれらの要求に応えるものである。

複合材料の一部を修復する例示的な方法は、複合材料の望ましくない部分を除去するステップと、望ましくない部分を除去した位置に補修部材を固定するステップと、を含む。補修部材の剥離を防止または抑制するために、補修部材の少なくとも一部の上に１枚または複数のカバーが固定される。

一実施例においては、複合部材は、ハニカムと、このハニカムに接合された被覆層と、この被覆層に隣接する補修部位と、補修部材の剥離を抑制するために補修箇所の少なくとも一部の上に固定された１枚または複数のカバーと、を含む。

図１は、騒音を減衰させるためにガスタービンエンジンのファンのバイパス区域またはナセルにおいて使用される、音響的機能を備えた複合サンドイッチ構造などの、例示的な複合構造２０の選択した部位を示す。この実施例においては、複合構造２０の空気流側Ａが、表面被覆層２２の厚みを貫通して延びる孔２３を有する表面被覆層２２を含む。表面被覆層２２と背面被覆層２４は、複合サンドイッチ構造を構成するように、ハニカムコア２６に周知の方法によって接合される。一実施例においては、連続する補強用織物（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｗｏｖｅｎ ｆｉｂｅｒ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）を含む樹脂母材からなる層などの、複合層を含む表面被覆層２２または背面被覆層２４あるいはその両方が、ハニカムコア２６の両端部に接合されると同時に圧密成形される。他の実施例においては、表面被覆層２２または背面被覆層２４あるいはその両方が金属または合金から製造される。

図示した実施例においては、表面被覆層２２の部位２８（すなわち望ましくない部位）が、例えば衝撃、高温、磨耗、侵食その他の現象により損傷している。以下で述べるように、損傷部位２８とハニカムコア２６の一部を補修部材３０（図３）に交換することで、複合構造２０が補修される。ハニカムコア２６の一部を除去するかどうかは選択できる。補修部材が複合構造２０から剥離しないように、１枚または複数のカバー３２（図３）を使って補修部材３０を所定の位置に保持する。

図２に示した実施例においては、複合構造２０はいくつかのステップで補修される。ステップ４２では、損傷部位２８とハニカムコア２６の一部を局部的に除去する。ステップ４４では、除去された損傷部位２８を補修部材３０に交換する。ステップ４６では、１枚または複数のカバー３２を補修部材３０の上に固定する。以下で述べるように、開示された方法は複合材料および金属から製造された表面被覆層２２の両方に対して有用であり、例えば複合構造２０の上で空力的なせん断荷重を生じさせる空気流によって剥離しないように、補修部材３０を確実に固定するという利点を提供する。

図３は除去ステップ４２の後の複合構造２０を示す。開示された実施例においては、例えば機械的な切断、研削、削り取りその他の既知の除去方法で、あるいはそれらを組み合わせて、損傷部位２８よりも大きな区域を除去する。図示した実施例においては、ハニカムコア２６の一部も除去するが、ハニカムコア２６が損傷していない場合はハニカムコア２６を除去する必要は無い。

この実施例における補修部材３０は、ハニカムコア２６’に周知の方法で接合された表面被覆層２２’を含む。補修部材３０の寸法は、損傷部位２８を除去した後に残る空洞すなわち大きな溝の寸法に対応したものとなる。それにより、修復部材と残存する複合構造２０との間に隙間ができないようにぴったり嵌合するという利点が得られる。

補修部材３０は、複合構造２０の構造上の必要性および材質によって、様々な形状および材料を含むことができる。例えば補修部材３０の表面被覆層２２’とカバー３２は、複合構造２０の表面被覆層２２と同じ材料（すなわち連続する補強用織物を含む樹脂母材、金属または合金）から製造される。更に補修部材３０の固定に使用されるカバー３２の枚数は、剥離が生じないように、構造上の必要性に応じて変えることができる。一実施例においては、補修部材３０の上にカバー３２を更に固定するために、１枚または複数のカバー３２の上にタイカバー５０が固定される。

開示された実施例においては、補修部材３０のそれぞれの端部において、対向する１対のカバー３２が使われている。しかし剥離に対する抵抗が余り必要でない場合は、使用するカバー３２の数はもっと少なくてもよく、また剥離に対して更に大きな抵抗を必要とする場合は、もっと多くのカバー３２を使用できることが理解される。図示された実施例におけるカバー３２の各々はＬ字型をしており、第一の面５２ａと、第一の面５２ａから垂直に延びる第二の面５２ｂと、を含む。前記１対のカバー３２の一方の第一の面５２ａが表面被覆層２２’の上に延設され、他方の対向するカバー３２の第一の面５２ａが補修部材３０に隣接する複合構造２０の上に延設されるように、各々の対向する１対のカバー３２は背中合わせの向きに配設される。

開示された実施例においては、カバー３２、および補修部材３０の表面被覆層２２’は、表面被覆層２２内の孔２３のパターンに対応するパターンの孔２３’を有する。前記１対の対向するカバー３２の一方の孔２３’は、表面被覆層２２’の孔２３’と整列配置しており、対向する他方のカバー３２の孔２３’は表面被覆層２２の孔２３と整列配置している。カバー３２の孔２３’を整列配置するためには、表面被覆層２２’の孔２３’内および表面被覆層２２の孔２３内にピン５６を挿入する。これらのピン５６は孔２３，２３’を突き抜けて延び、カバー３２の孔２３’を整列配置するための位置決め手段として機能するのに十分な長さを有する。孔２３，２３’を整列配置することにより、補修された複合構造２０の音響性能が維持されるという利点が得られる。

カバー３２を表面被覆層２２，２２’に接合するために、第一の面５２ａとそれぞれの表面被覆層２２，２２’との間において、接着剤層５４が配設される。一実施例においては、ピン５６を挿入したまま接着剤層５４をカバー３２と組み付けるが、当業者であればこの記述から、接着剤層５４を組み付けるための他の適切な方法を認識できるであろう。あるいはカバー３２が樹脂から製造される場合は、接着剤層５４に加えて、またはその代わりにこの樹脂がカバー３２を表面被覆層２２，２２’に接合する接着剤として機能することができる。

ポッティング材料またはコアつなぎ材（ｃｏｒｅ ｓｐｌｉｃｅ）のような接着材料５８を、カバー３２の第二の面５２ｂの両端に塗布する。接着材料５８の使用量は変えることができる。一実施例においては、接着材料５８は液体または発泡フォーム（ｅｘｐａｎｄｉｎｇ ｆｏａｍ）であり、カバー３２の第二の面５２ｂを取り囲む体積のかなりの部分（すなわち第二の面５２ｂとハニカムコア２６，２６’との間）を充填する。開示された実施例においては、補修部材３０のハニカムコア２６’を背面被覆層２４に接合するためにも接着材料５８が使用される。他の実施例においては、損傷部位２８を除去した後に残る空洞内に補修部材３０を挿入したときに接着材料がカバー３２の両端に接触するように、背面被覆層２４の上に接着材料５４を付着させる。接着材料５８は、背面被覆層２４およびハニカムコア２６，２６’にカバー３２を接合する。これにより、補修部材３０の剥離を防止または抑制するように、補修部材３０に亘ってカバー３２を所定位置に固定できるという利点が得られる。

開示された実施例においては、さらに、接着剤層５２ｃがカバー３２の上に付着され、接着剤層５２ｃの上にタイカバー５０が配設される。カバー３２の孔２３’にタイカバー５０の孔２３’を整列配置するための位置決め手段としても、やはりピン５６が使用される。他の実施例においては、空洞内に補修部材３０を配設する前に、接着剤層５２ｃとタイカバー５０をカバー３２の上に取り付ける。タイカバー５０は、対向するカバー３２同士の間に保持力を与え、剥離に対する抵抗を強める。

一実施例においては、カバー３２および補修部材３０の表面被覆層２２’として、連続する補強用織物を含む樹脂母材が使用される場合、補修部材３０は既知の圧密技術および加熱技術を使用して、圧密成形されると同時に加熱される。これにより、樹脂を硬化させながら補修部材３０を背面被覆層２４と一体化させることができる。

他の実施例においては、補修部材３０および隣接する複合構造２０の上に既知の方法でワイヤメッシュ６０を接合する。ワイヤメッシュ６０は剥離に対する抵抗を強める利点がある。

図４では、ステップ４２においてハニカムコア２６の一部を除去せずに損傷部位を交換する実施例を示す。この実施例は上述の方法とかなり類似しているが、カバー３２の第二の面５２ｂを受けるための溝７０ａ，７０ｂをハニカムコア２６内に切り込む点が異なる。溝７０ａ，７０ｂ内には接着材料５８を付着させ、カバー３２を背面被覆層２４およびハニカムコア２６に接合する。

図５は補修プロセス後の補修部材３０の分解した断面図である。

図６は補修プロセス後の複合構造２０の斜視図である。各カバー３２は接着層５４および接着材料５８（ポッティング）によってしっかり接合され、補修部材３０を複合構造２０に固定して剥離に抵抗するという利点を与える。更に補修部材３０の表面被覆層２２’と複合構造２０の表面被覆層２２との間に厚みの違いがある場合は、その厚みの差における急な段差部分を空気流が通過する際に通常生じる空気力学的な損失の少なくとも１部をカバー３２が緩和する。

損傷箇所を有する複合構造の一実施例を示す図。 複合構造を補修する方法の一実施例を示す図。 ハニカムコアの一部の除去を含む、損傷箇所を除去した後の複合構造の一実施例を示す図。 ハニカムコアを除去せず、損傷箇所を除去した後の複合構造の一実施例を示す図。 補修箇所の側面から見た断面図。 補修後の複合構造を示す図。

Claims (20)

1. （ａ）複合材料の望ましくない部分を除去するステップと、
   （ｂ）除去された望ましくない部分の位置に補修部材を固定するステップと、
   （ｃ）前記補修部材を所定位置に固定するために、カバーの一部が表面被覆層の表面の上にあり、かつカバーの残りの部分が前記表面の下に埋め込まれるように、前記補修部材の少なくとも一部の上に少なくとも１枚のカバーを固定するステップと、
   を含み、
   前記カバーの第一の部分が前記補修部材に固定され、前記カバーの第二の部分がハニカムに固定されることを特徴とする複合材料の一部を修復する方法。
2. （ａ）複合材料の望ましくない部分を除去するステップと、
   （ｂ）除去された望ましくない部分の位置に補修部材を固定するステップと、
   （ｃ）前記補修部材を所定位置に固定するために、カバーの一部が表面被覆層の表面の上にあり、かつカバーの残りの部分が前記表面の下に埋め込まれるように、前記補修部材の少なくとも一部の上に少なくとも１枚のカバーを固定するステップと、
   を含み、
   前記補修部材を貫通する孔を、前記少なくとも１枚のカバーを貫通する孔と整列配置するステップを更に含むことを特徴とする複合材料の一部を修復する方法。
3. （ａ）複合材料の望ましくない部分を除去するステップと、
   （ｂ）除去された望ましくない部分の位置に補修部材を固定するステップと、
   （ｃ）前記補修部材を所定位置に固定するために、カバーの一部が表面被覆層の表面の上にあり、かつカバーの残りの部分が前記表面の下に埋め込まれるように、前記補修部材の少なくとも一部の上に少なくとも１枚のカバーを固定するステップと、
   を含み、
   前記複合材料内に延びる溝を形成し、前記溝内に前記カバーの一部を固定するステップを更に含むことを特徴とする複合材料の一部を修復する方法。
4. 前記少なくとも１枚のカバーの孔と前記補修部材の孔を整列配置するための位置決め手段として、ピンの端部が前記孔から外側に突出するように、前記補修部材の孔内に少なくとも部分的に前記ピンを配設するステップを更に含むことを特徴とする請求項２に記載の複合材料の一部を修復する方法。
5. ステップ（ｃ）が、前記少なくとも１枚のカバーの一枚目を前記補修部材の第一の部分の上に固定し、前記少なくとも１枚のカバーの二枚目を前記第一の部分から離れて位置する前記補修部材の第二の部分の上に固定するステップを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料の一部を修復する方法。
6. 対向するカバーが前記補修部材に隣接する複合材料の一部を覆うように、前記溝内で前記少なくとも１枚のカバーに隣接して対向するカバーを固定するステップを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の複合材料の一部を修復する方法。
7. 前記溝内にカバーの一部を固定するように、前記溝内に接着剤を付着するステップを更に含むことを特徴とする請求項３に記載の複合材料の一部を修復する方法。
8. 硬化プロセスにおいて、前記補修部材および前記少なくとも１枚のカバーを加熱するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料の一部を修復する方法。
9. 前記加熱と同時に、前記カバーと前記補修部材を圧密するステップを更に含むことを特徴とする請求項８に記載の複合材料の一部を修復する方法。
10. 前記少なくとも１枚のカバーおよび前記補修部材の上にワイヤメッシュを接合するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の複合材料の一部を修復する方法。
11. ハニカムと、
    前記ハニカムに接合された被覆層と、
    前記被覆層に隣接して接合された補修部材と、
    前記補修部材の剥離に抵抗するように前記補修部材の少なくとも一部の上に固定された少なくとも１枚のカバーと、
    を備え、
    前記カバーは、前記補修部材の少なくとも一部の上に固定された第一の面と、この第一の面を横断する方向に延びる第二の面と、を含むことを特徴とする複合構造の部品。
12. 前記第二の面が前記ハニカム内に延びることを特徴とする請求項１１に記載の複合構造の部品。
13. 前記第二の面を前記ハニカムに接合する接着剤を更に含むことを特徴とする請求項１２に記載の複合構造の部品。
14. 前記少なくとも１枚のカバーに隣接する対向するカバーと、この対向するカバーと前記少なくとも１枚のカバーを互いに接合するタイカバーと、を更に含むことを特徴とする請求項１１に記載の複合構造の部品。
15. 前記被覆層が第一の孔を含み、前記カバーが前記第一の孔と整列配置された第二の孔を含むことを特徴とする請求項１１に記載の複合構造の部品。
16. 前記少なくとも１枚のカバーが、前記補修部材の少なくとも一部の上に固定された第一のカバーと、この第一のカバーの上に固定されたタイカバーと、を含むことを特徴とする請求項１１に記載の複合構造の部品。
17. 前記補修部材の表面被覆層および前記被覆層が実質的に同一の材料から製造されることを特徴とする請求項１１に記載の複合構造の部品。
18. （ａ）複合材料の望ましくない部分を除去するステップと、
    （ｂ）除去された望ましくない部分の位置に補修部材を固定するステップと、
    （ｃ）前記補修部材を所定位置に固定するために、カバーの一部が表面被覆層の表面の上にあり、かつカバーの残りの部分が前記表面の下に埋め込まれるように、前記補修部材の少なくとも一部の上に、孔を有した少なくとも１枚のカバーを固定するステップと、
    （ｄ）補修部材を貫通する孔を、前記少なくとも１枚のカバーの孔と整列配置するステップと、
    を含む複合材料の一部を修復する方法。
19. 前記少なくとも１枚のカバーは、Ｌ字型であり、この少なくとも１枚のＬ字型のカバーは、第一の面と、該第一の面から垂直に延びる第二の面を備えることを特徴とする請求項４に記載の複合材料の一部を修復する方法。
20. 前記Ｌ字型のカバーは、背中合わせの向きに配設されることを特徴とする請求項１９に記載の複合材料の一部を修復する方法。

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