JP4833286B2 - ３次元的に屈曲した繊維複合材料製の構造部材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、３次元的に屈曲した繊維複合材料製の構造部材の製造方法に関する。このような繊維複合材料製の構造部材は、例えば翼桁や翼リブなどとして用いられており、これらは、航空機における荷重を支持する構造部材である。翼桁は梁状の部材であり、空気力学的な力や慣性力により生じる横方向荷重及び曲げ荷重を支持することを目的とした部材である。翼桁は種々の回転翼にも用いられており、例えば風力タービンやヘリコプタの回転翼などに用いられている。更に、翼桁は、また特に繊維複合材料製の構造部材から成る翼桁は、航空機の尾翼構造にも用いられている。

通常、このような翼桁は、実質的に２種類の部分により構成されており、それら２種類の部分は互いに機能が異なる部分である。いわゆるフランジ部は、曲げ荷重により生じる軸方向（垂直方向）荷重を支持する部分である。また、フランジ部どうしを連結しているウェブ部は、横方向荷重を支持すると共にフランジ部どうしの間で剪断力を伝達する部分である。

翼桁を繊維複合材料で形成した合成樹脂材料製の航空機においては、その翼桁のフランジ部が、一軸配向層（ＵＤ層と略記されることがある）で形成されている。また、その翼桁のウェブ部が、繊維配向角を例えば４５度にした織物材料などの繊維積層体（いわゆるＡＷＶ４５）で形成されている。一軸配向層というのは、全ての繊維の延在方向が一方向に揃えられた繊維複合樹脂材料製のテープ材で形成された層であり、従ってこれは、０度配向の繊維から成る繊維積層体であるということもできる。またここで、繊維が０度配向であるというのは、繊維の延在方向がそのテープ材の長手方向に一致しているという意味であり、この場合、繊維どうしが互いに平行に延在し、且つ、均一に分布していることが理想的である。一軸配向層は、繊維の延在方向に直交する方向に関しては等方性を有している。

繊維複合樹脂材料に用いられている中間材料としての繊維材料には、織物材料、フリース材料、それに多軸配向の繊維積層体などをはじめとして、様々な繊維材料があるが、それら繊維材料はいずれも、複数の一軸配向層を組合わせて構成したものと見なし得る。例えば織物材料は、互いに９０度回転した関係にある２層の一軸配向層で構成したものである。

繊維複合材料製の構造部材としての翼桁において、曲げ荷重により生じる軸方向荷重を支持する部分であるフランジ部に、一軸配向層を用いることが公知となっている。また、その繊維複合材料製の構造部品としての翼桁は、そのフランジ部を一軸配向の繊維積層体で形成していることに加えて、そのウェブ部を織物材料または繊維積層体で形成するようにしている。ウェブ部を織物材料で形成する場合には、その織物材料の繊維が織組に伴って波形に変形しているため、その繊維の延在方向に平行な方向の圧縮強度が低下するおそれがある。これに対して、ウェブ部を繊維積層体で形成する場合には、当て紙または当て布を縫着することで繊維積層体がまとめられているため、その繊維は理想的に、即ち、互いに平行に且つ真っ直ぐに延在している。

屈曲した形状の繊維複合材料製の構造部品のための３次元形状のプリフォームを、適宜の中間製品を用いて製作する際に、その中間製品として、樹脂を含浸させていない（即ち乾燥状態の）繊維または予め樹脂を含浸させた繊維をまとめて所定形状とした繊維積層体を用いる場合の公知の１つの方法においては、先ず、その中間製品を縫い合わせて、最終形状を有する（即ち３次元形状を有する）プリフォーム部分構成体を製作し、このプリフォーム部分構成体は、３次元空間での形状安定性を有するものである。続いて、そのようにして製作した複数のプリフォーム部分構成体を縫い合わせて、１つの３次元形状のプリフォームを形成する。従って、縫い合わせるための縫着工程は、３次元的な縫着工程として実行されている。

別法として、バインダを用いてプリフォームを製作するということも行われているが、しかしながらこの方法では、フランジ部に、一軸配向のテープ材を組込むことが困難である。

本発明の目的は、例えば航空機やヘリコプタにおける構造部材である翼リブや翼桁などの３次元的に屈曲した繊維複合材料製の構造部材の製造方法であって、簡易な製造作業によって一軸配向の繊維並びに繊維積層体を３次元形状に賦形することができ、またそれによって、その構造部材の個々の部分における繊維の配向状態を望ましい配向状態にすることができる製造方法を提供することにある。

この目的は、請求項１に記載した特徴を備えた方法により達成される。また、従属請求項は、本発明の特に有利な実施の形態に係る特徴を記載したものである。

本発明における特に重要な点は、ベースをなす繊維積層体を、繊維複合材料製の構造部材の個々の部分が支持する夫々の荷重に適合した繊維積層体となるように縫製する際の、その縫着手順を改変して、それを計画的な縫着手順としたことにある。この縫着手順においては、先ず、平面的な作業工程によって、プレハブ材としての繊維積層体ストリップ材を製作する。このプレハブ材としての繊維積層体ストリップ材は、それを構成している繊維積層体が、互いに繊維配向状態の異なる部分領域を有しており、それら部分領域のうちには、一軸配向の繊維ストリップ材として形成されている部分と、その繊維配向角を例えば±４５度〜±６０度の範囲内の角度とした部分とが含まれている。次に、このプレハブ材としての繊維積層体ストリップ材を、製造しようとする繊維複合材料製の構造部材の目標形状に応じて３次元的に屈曲させる。その際には、このプレハブ材としての繊維積層体ストリップの一部分を、このプレハブ材としての繊維積層体ストリップ材の他の部分に対して角度を成すようにして作業平面から起立させて、屈曲軸心の回りに好ましくは一軸的に屈曲させるようにし、その屈曲軸心は、一軸配向の繊維の延在方向に対して垂直に、且つ、一軸配向の繊維のテープ面に対して平行に延在する屈曲軸心とすることが好ましい。そして、このプレハブ材としての繊維積層体ストリップ材を、このように３次元的に屈曲させた形状で支持材に縫着することにより、安定した形状の第１の部分的繊維積層体プリフォームを形成する。

航空機の構造部材とするために繊維複合材料製の構造部材を製造する場合には、また特に、例えば翼桁を構成するための繊維複合材料製の構造部材を製造する場合には、ベースをなす繊維積層体の繊維配向角を、±３０度〜±６５度の範囲内の角度とすると好適であり、±４５度〜±６０度の範囲内の角度とすればより好ましく、±４５度とすれば特に好ましい。

特に好適な１つの実施の形態においては、プレハブ材としての繊維積層体ストリップ材を屈曲させる工程において、製造しようとする繊維複合材料製の構造部材の断面のうちの曲げ荷重を支持する部分であるフランジ部が、部分的繊維積層体プリフォームを構成しているところの０度配向の繊維を含んで成る一軸配向の繊維積層体テープ材によって形成されるように、その繊維積層体ストリップ材を屈曲させるようにしている。

この実施の形態においては更に、プレハブ材としての繊維積層体ストリップ材の製作の工程及びそれを屈曲させる工程を、０度配向の繊維を含んで成る繊維積層体テープ材を基準として実行するようにしており、即ち、プレハブ材としての繊維積層体ストリップ材のうちの繊維積層体テープ材から成る部分は、最初の工程において縫着されるときには平坦形状であって、支持材に縫着する工程において目標形状に賦形される。この賦形に応じて、繊維積層体テープ材から成る部分とは繊維の配向方向が異なるベースをなす繊維積層体がひずみ変形させられて、所与の形状に賦形される。尚、ベースをなす繊維積層体のこのひずみ変形は、平面内におけるひずみ変形であることが好ましい。

特に好適な１つの実施の形態においては、断面Ｃ形の翼桁を繊維複合材料製の構造部材として形成するために、ステップａ）〜ステップｆ）を再度実行して、少なくとも１つの第２の部分的繊維積層体プリフォームを形成するようにしており、また、第１の部分的繊維積層体プリフォームと第２の部分的繊維積層体プリフォームとを、いずれも断面Ｌ形に形成するようにしている。続いて、第２の部分的繊維積層体プリフォームを、第１の部分的繊維積層体プリフォームの中に第２層として挿入した上で、第１部分的繊維積層体プリフォームに縫着する。また、一方の部分的繊維積層体プリフォームを他方の部分的繊維積層体プリフォームに挿入する際には、そのベースとなっているストリップ材の幅寸法が、他方の部分的繊維積層体プリフォームのベースとなっているストリップ材の幅寸法より小さい方の部分的繊維積層体プリフォームを、先に製作しておいた他方の部分的繊維積層体プリフォームに重ね合わせて屈曲させ、縫着するようにするとよく、またその場合に、ベースとなっているストリップ材どうしが少なくとも部分的に重なり合うようにすることが好ましい。

次のステップでは、部分的繊維積層体プリフォームに硬化性樹脂を含浸させて、その樹脂を硬化させる。その際には、複数の部分的繊維積層体プリフォームを縫い合わせた全体に対して、即ち、それら部分的繊維積層体プリフォームを結合して繊維積層体プリフォームを形成した状態で、硬化性樹脂の含浸及びその硬化を行うようにすることが好ましい。

また、特に好適な１つの実施の形態として、硬化性樹脂を含浸させるのに先立って支持材を撤去するようにしてもよい。或いは別法として、併せて支持材にも樹脂を含浸させるようにしてもよい。

プレハブ材としての繊維積層体ストリップ材を支持材に縫着して３次元的に屈曲した繊維積層体プリフォームを形成する工程においては、プレハブ材としての繊維積層体ストリップ材のうちのウェブ部を形成する部分は、縫い進めるにつれて、適宜回転させられるため、その繊維配列がこの縫着工程においてひずみ変形を生じ、これによって意図した通りに３次元的に屈曲させた立体形状に賦形することができる。尚、この目的のために、縫着工程は、テンプレートを使用して、平面的な縫着工程として実行することが好ましい。テンプレートには、一軸配向の繊維積層体と協働してウェブ部を形成する多軸配向の繊維積層体に所望のひずみ変形を生じさせるための適当な縫着線が描き込まれている。

以下に、繊維積層体プリフォームを用いて繊維複合材料製の構造部品を製造する本発明に係る製造方法について、その構造部材が断面Ｃ形の翼桁である場合を例にとって、更に具体的に説明する。

この具体例では、断面Ｃ形の翼桁のフランジ部を、（いわゆる「０度配向の繊維」を含んで成る）一軸配向のテープ材で形成し、一方、その翼桁のウェブ部を、平面内において屈曲可能なベースをなす繊維積層体もしくは、場合によっては織物材料などで形成する。ベースをなす繊維積層体としては、±４５度配向の繊維積層体を用いるとよく、この繊維積層体は例えばテープ材であって、その繊維がテープ材の長手方向に対して＋４５度ないし−４５度の角度で延在しているものなどである。尚、繊維配向角をこれ以外の角度とした繊維積層体を用いることも可能である。

ベースをなす繊維積層体並びに一軸配向のテープ材を適宜裁断した後に、一軸配向の繊維積層体テープ材を、ベースをなす繊維積層体の上の適切な位置に配置する。その際に、一軸配向の繊維積層体テープ材を、ベースをなす繊維積層体の全体に亘ってひろげることは必ずしも必要ではなく、ベースをなす繊維積層体の一部分のみにひろげるだけでもよい。他方、必要な場合には、一軸配向の繊維積層体テープ材を、ベースをなす繊維積層体の全体に亘ってひろげるようにすることもできる。

続いて、一軸配向の繊維積層体テープ材を、ベースをなす繊維積層体に縫着する。この縫着は、平面的な縫着工程として実行し、即ち、一軸配向の繊維積層体テープ材とベースをなす繊維積層体とを３次元的に位置合せすることなく実行する。より具体的には、例えば、一軸配向の繊維積層体テープ材を、この繊維積層体テープ材の繊維の延在方向に対して横方向に延在する縫着線に沿って、ベースをなす繊維積層体に縫着するようにしてもよい。これによって、一軸配向の繊維積層体テープ材を含んでいるフランジ部形成ストリップ材部分と一軸配向の繊維積層体テープ材を含んでいないウェブ部形成ストリップ材部分とを有する、平坦形状のプレハブ材としての繊維積層体ストリップ材が形成される。尚、ウェブ部形成ストリップ材部分は、その繊維配向を例えば±４５度配向とする。０度配向の繊維を含んで成る繊維積層体テープ材と、完成した構造部材に作用する荷重に適合した繊維配向を有するベースをなす繊維積層体とを以上のように組合せて、作業平面上に用意し、この作業平面は、例えばミシンの縫製台などにより画成される平面である。この縫着工程においては、縫製台上にテンプレートを装備することにより、或いは平面内での自動制御が行われるようにすることにより、その縫着線の位置が与えられるようにしてもよい。この工程において、繊維積層体テープ材の一部分をひずみ変形させることなどは必要とされない。

次に、０度配向の繊維を含んで成る部分と、±４５度配向の繊維を含んで成る部分とを含むその構成体を、翼桁や翼リブなどの形状に合わせて屈曲させて、十分な形状安定性を有する支持材に縫着する。そして、その際に、一軸配向の繊維積層体テープ材を、好ましくはこの一軸配向の繊維積層体テープ材の繊維の延在方向に対して略々垂直に延在する屈曲軸心の周りに屈曲させて、作業平面から起立させるようにし、それによって、翼桁のフランジ部（これは断面形状のＣ形の両端の部分である）を、一軸配向の繊維積層体テープ材で形成するようにする。一方、このとき、ベースをなす繊維積層体で形成されるウェブ部は作業平面上に載置されているが、フランジ部を３次元的に屈曲させることにより（ただしフランジ部はひずみ変形を生じてはいない）、一軸配向ではない配向状態とされているベースをなす繊維積層体は、その繊維配列が平面内においてひずみ変形を生じることになる。また、そのためには、屈曲させる工程及びそれに付随する支持材に縫着する工程を実行する際に、縫い進めつつ、それと同時に一軸配向の繊維積層体テープ材をベースをなす繊維積層体に対して相対的に回転させることによって、ベースをなす繊維積層体にひずみ変形を生じさせるようにするとよい。尚、この縫着工程も、自動化縫着工程としたり、平面テンプレートを用いた縫着工程とすることができる。

こうして屈曲させて断面Ｌ形に形成した繊維積層体ストリップ材を、更に屈曲させて、形状安定性を有する支持材に装着し、そして、第２の縫着線に沿ってその支持材に縫着して安定させることにより、製造しようとする繊維複合材料製の構造部品（即ち翼桁）に適合した形状の、３次元的に屈曲した第１の部分的繊維積層体プリフォームを形成する。この第１の部分的繊維積層体プリフォームは、翼桁の一方のフランジ部と、翼桁のウェブ部の少なくとも一部分とを含む、断面Ｌ形の部材である。尚、支持材に縫着する際の縫着線は、フランジ部形成ストリップ材部分とウェブ部形成ストリップ材部分との境界部分のウェブ部形成ストリップ材部分の側だけに設定される縫着線としており、この縫着によって、ウェブ部形成ストリップ材部分は、その繊維配向状態が固定される。尚、支持材の主たる機能は、このウェブ部形成ストリップ材部分のひずみ変形を固定することにあり、そのため、支持材は、ウェブ部形成ストリップ材部分にのみ設けるようにしてもよい。

続いて、第１の部分的繊維積層体プリフォームと同じく一方のフランジ部とウェブ部の一部分とを備えた断面Ｌ形の第２部分的繊維積層体プリフォームを、第１の部分的繊維積層体プリフォームを製作した方法と同様の方法で製作する。

続いて、それら２つの部分的繊維積層体プリフォームを互いに結合して、１つの繊維プリフォームを形成し、その際には、それら２つの部分的繊維積層体プリフォームのウェブ部どうしを少なくとも部分的に重ね合わせて、一方の部分的繊維積層体プリフォームのウェブ部を他方の部分的繊維積層体プリフォームのウェブ部に挿入するようにする。こうして２つの部分的繊維積層体プリフォームを組合せたものを、先に説明した縫着線とは別の更なる縫着線に沿って縫い合わせる。続いて、こうして得られた構成体に硬化性樹脂を含浸させるが、この時点では、その構成体は、縫い合わされることによって、また支持材が縫着されることによって、形状安定性を有するものとなっており、そのため、その樹脂の硬化が完了するまで、製造しようとする繊維複合材料製の構造部品の目標形状が維持される。尚、縫い合わせた構成体が、支持材なしでも十分な形状安定性を有するものである場合には、樹脂を硬化させるのに先立って、支持材を撤去するようにしてもよい。

このように、平面内の縫着工程を作業平面上で実行し、それに続いて一軸配向の繊維積層体テープ材と平坦形状のベースをなす繊維積層体との間で屈曲させて作業平面から起立させるようにする本発明に係る方法は、一軸配向の繊維積層体と多軸配向の繊維積層体とが結合した構造を有する、翼桁などのその他の繊維複合材料製の構造部品にも適用することができ、例えば、断面Ｉ形の翼桁や断面箱形の翼桁などにも適用可能である。

以上に説明した縫着工程においては、構造部品の形状を描き込んで意図する縫着線を示した型紙を使用して縫い進めるようにするのもよい。また、一軸配向のテープ材から成る部分を案内するために、ウェブ部に縫着された一軸配向のテープ材をミシンヘッドに送り込めば、多軸配向の繊維積層体が、平面内における屈曲を自動的に生じるようにするのもよい。

Claims (10)

1. ３次元的に屈曲した繊維複合材料製の構造部材の製造方法であって、該構造部材は、少なくとも１つのウェブ部と該ウェブ部に接続した少なくとも１つのフランジ部とを備えた断面形状を有し、該フランジ部が０度配向の繊維を含んで成る、３次元的に屈曲した繊維複合材料製の構造部材の製造方法において、
   ａ）平坦形状であって少なくとも１つの平面内において屈曲可能な、ベースをなす繊維積層体を用意し、
   ｂ）用意した前記繊維積層体の一部分の上に、０度配向の繊維を含んで成る一軸配向の繊維積層体テープ材を配置して、該繊維積層体テープ材が、製造しようとする繊維複合材料製の構造部材の前記少なくとも１つのフランジ部に位置するようにし、
   ｃ）少なくとも１本の第１縫着線に沿って、前記繊維積層体テープ材を、ベースをなす前記繊維積層体に縫着することによって、一軸配向の前記繊維積層体テープ材を含んでいるフランジ部形成ストリップ材部分と一軸配向の前記繊維積層体テープ材を含んでいないウェブ部形成ストリップ材部分とを有する、平坦形状のプレハブ材としての繊維積層体ストリップ材を形成し、
   ｄ）平板形状のプレハブ材としての前記繊維積層体ストリップ材を作業平面の上に用意し、
   ｅ）プレハブ材としての前記繊維積層体ストリップ材を、製造しようとする３次元的に屈曲した繊維複合材料製の構造部材の目標形状に合わせて屈曲させ、
   その際に、前記繊維積層体ストリップ材の前記フランジ部形成ストリップ材部分を、前記ウェブ部形成ストリップ材部分に対して角度を成すようにして前記作業平面から起立させて、少なくとも１本の屈曲軸心の周りに一軸的に屈曲させるようにし、該少なくとも１本の屈曲軸心は、前記０度配向の繊維の延在方向に対して垂直に、且つ、一軸配向の前記繊維積層体テープ材のテープ面に対して平行に延在する軸心であり、
   更にその際に、前記繊維積層体ストリップ材の前記ウェブ部形成ストリップ材部分を実質的に前記作業平面内のみにおいて屈曲させ、それに伴って該ウェブ部形成ストリップ材部分の繊維配列がひずみ変形するようにし、
   ｆ）少なくとも１本の第２縫着線に沿って、プレハブ材としての前記繊維積層体ストリップ材を、少なくとも１つの平面内で屈曲した支持材に縫着し、前記第２縫着線は、前記フランジ部形成ストリップ材部分と前記ウェブ部形成ストリップ材部分との境界部分の前記ウェブ部形成ストリップ材部分の側だけに設定される縫着線であり、それによって、形状安定性を有し、製造しようとする繊維複合材料製の構造部材に合わせて３次元的に屈曲した第１の部分的繊維積層体プリフォームを形成する、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記ステップａ）で用意するベースをなす前記繊維積層体の繊維配向角は、±３０度〜±６５度の範囲内の角度であることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記ステップｅ）において、０度配向の繊維を含んで成る一軸配向の前記繊維積層体テープ材を、プレハブ材としての前記繊維積層体ストリップ材を屈曲させ固定する際の基準として利用することを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
4. 前記ステップａ）〜ｆ）を再度実行して、第２の部分的繊維積層体プリフォームを形成し、この第２の部分的繊維積層体プリフォームを、前記第１の部分的繊維積層体プリフォームの中に第２層として挿入し、前記第１の部分的繊維積層体プリフォームに縫着することによって、繊維プリフォームを形成することを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の方法。
5. 前記第１の部分的繊維積層体プリフォームと前記第２の部分的繊維積層体プリフォームとはいずれも断面Ｌ形であり、前記第１の部分的繊維積層体プリフォームにおける一軸配向の前記繊維積層体テープ材を含んでいない前記ウェブ部形成ストリップ材部分と、前記第２の部分的繊維積層体プリフォームにおける一軸配向の前記繊維積層体テープ材を含んでいない前記ウェブ部形成ストリップ材部分とを結合することによって、断面Ｃ形の前記繊維プリフォームを形成することを特徴とする請求項４記載の方法。
6. ステップｇ）として、前記部分的繊維積層体プリフォームまたは前記繊維プリフォームに硬化性樹脂を含浸させて、該樹脂を硬化させることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項記載の方法。
7. 前記ステップｇ）の実行に先立って、前記繊維プリフォーム及び／または前記部分的繊維積層体プリフォームから前記支持材を撤去することを特徴とする請求項６記載の方法。
8. 前記ステップｇ）において、前記部分的繊維積層体プリフォーム及び／または前記繊維プリフォームと共に、前記支持材にも樹脂を含浸させることを特徴とする請求項６記載の方法。
9. 前記ステップａ）で用意するベースをなす前記繊維積層体の繊維配向角は、±４５度〜±６０度の範囲内の角度であることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項記載の方法。
10. 前記ステップａ）で用意するベースをなす前記繊維積層体の繊維配向角は、±４５度であることを特徴とする請求項１乃至９の何れか１項記載の方法。