JP5503481B2 - Wing-like structure using fiber-reinforced composite material and manufacturing method thereof - Google Patents
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Description
本発明は、繊維強化複合材料を用いた翼状構造体およびその製造方法に関し、特に、例えばヘリコプタが備えるブレード等として好適に用いられる翼状構造体とその製造方法とに関する。 The present invention relates to a wing-like structure using a fiber-reinforced composite material and a method for manufacturing the same, and more particularly to a wing-like structure suitably used as, for example, a blade included in a helicopter and a method for manufacturing the same.
翼状構造体は、航空機に用いられるだけでなく、各種産業機械の部品等としても広く用いられている。この翼状構造体の材質としては、以前は金属材料が用いられていたが、近年では繊維強化複合材料も用いられるようになっている。 Wing-like structures are widely used not only for aircraft but also as parts for various industrial machines. As a material of this wing-like structure, a metal material has been used before, but recently a fiber reinforced composite material has also been used.
代表的な翼状構造体の一例としてヘリコプタが備えるロータブレードを挙げると、このロータブレードは、高い強度に加えて、より軽量であることが要求される。そこで、近年では、繊維強化複合材料を用いて製造されることが多い。典型的な繊維強化複合材料としては、繊維材料として炭素繊維を用い、マトリクス材料としてエポキシ樹脂等を含む熱硬化性樹脂組成物を用いた炭素繊維強化プラスチック(CFRP)が知られている。 When a rotor blade included in a helicopter is taken as an example of a typical wing-like structure, the rotor blade is required to be lighter in addition to high strength. Therefore, in recent years, it is often manufactured using a fiber reinforced composite material. As a typical fiber reinforced composite material, carbon fiber reinforced plastic (CFRP) using a carbon fiber as a fiber material and a thermosetting resin composition containing an epoxy resin or the like as a matrix material is known.
CFRPの成形方法としては、通常、プリプレグを所望の形状に合わせて積層してから、オートクレーブ(圧力釜)により加熱、加圧する方法が用いられる。プリプレグは、繊維材料にマトリクス材料である熱硬化性樹脂組成物を含浸させて半硬化状態としたものであるが、マトリクス材料が半硬化状態であれば粘着性を有することから、その取扱いが難しい。それゆえ、プリプレグの積層作業は原則として手作業により行われる。 As a method for molding CFRP, a method is generally used in which prepregs are laminated in a desired shape and then heated and pressurized with an autoclave (pressure cooker). The prepreg is a fiber material that is impregnated with a thermosetting resin composition, which is a matrix material, in a semi-cured state. However, if the matrix material is in a semi-cured state, the prepreg is sticky and difficult to handle. . Therefore, as a rule, the prepreg lamination operation is performed manually.
しかしながら、プリプレグは一般的な樹脂材料と比較して高価であるため、これを用いて製造されるロータブレードも高価なものとなってしまう。さらに、手作業によるプリプレグの積層は、製造効率の低下を招くだけでなく、製造コストの増大も招くことになる。そこで、従来から、プリプレグを用いないでロータブレードを製造する技術が種々提案されている。 However, since the prepreg is more expensive than a general resin material, a rotor blade manufactured using the prepreg is also expensive. Furthermore, manual prepreg lamination not only causes a decrease in manufacturing efficiency, but also increases a manufacturing cost. Accordingly, various techniques for manufacturing a rotor blade without using a prepreg have been proposed.
例えば、RTM(Resin Transfer Molding)またはVaRTM(Vacuum Assisted RTM)は、繊維材料により所望形状のプリフォームを製作し、これを成形型のキャビティ内に配置し、キャビティ内を真空吸引した後、注入ゲートより樹脂組成物を注入し(VaRTMでは、真空圧のみで樹脂を吸引し)、これを硬化させる方法である。この方法を利用して翼状構造体を製造する技術としては、具体的には、例えば特許文献1または特許文献2に開示される技術が挙げられる。 For example, RTM (Resin Transfer Molding) or VaRTM (Vacuum Assisted RTM) manufactures a preform with a desired shape from a fiber material, places it in the cavity of the mold, vacuums the inside of the cavity, and then fills the injection gate. This is a method in which a resin composition is further injected (in VaRTM, the resin is sucked only by a vacuum pressure) and cured. As a technique for manufacturing the wing-like structure using this method, specifically, for example, a technique disclosed in Patent Document 1 or Patent Document 2 is cited.
また、オートクレーブを利用せずに成形性の向上を図る点から、マトリクス材料として、熱硬化性樹脂組成物ではなく熱可塑性樹脂組成物を用いる手法も提案されている。この手法を利用して翼状構造体を製造する技術としては、具体的には、例えば、特許文献3または4に開示される技術が挙げられる。 Further, from the viewpoint of improving moldability without using an autoclave, a technique using a thermoplastic resin composition instead of a thermosetting resin composition as a matrix material has been proposed. As a technique for manufacturing the wing-like structure using this method, specifically, for example, a technique disclosed in Patent Document 3 or 4 can be cited.
ところで、一般的な繊維強化複合材料の分野においては、繊維材料をブレイディング(組物または編組物)とする技術も知られている。ブレイディングは、繊維材料のトウ(tow)を2方向または3方向に組んで円筒状(または他の形状)に機械的に編み込むことにより製作される。これにより繊維材料を所望の形状に自動的に製作することができるので、繊維強化複合材料の製造効率を向上させることが可能である。例えば、特許文献5には、ブレイディングによるロータブレードの製造に関する技術が開示されている。 By the way, in the field of a general fiber reinforced composite material, the technique which uses a fiber material as a braiding (braid or braid) is also known. Braiding is produced by mechanically weaving a tow of fiber material into a cylinder (or other shape) in two or three directions. As a result, the fiber material can be automatically manufactured in a desired shape, so that the production efficiency of the fiber-reinforced composite material can be improved. For example, Patent Document 5 discloses a technique related to manufacturing of a rotor blade by braiding.
翼状構造体の製造にブレイディングを用いるとすれば、プリプレグを全く用いなくても、樹脂組成物の種類または組成を大きく変える必要がなく、公知のRTMまたはVaRTMに組み合わせることが可能である等の利点がある。しかしながら、現実的には下記の課題が生じるため、翼状構造体の製造分野においては、繊維材料として前記ブレイディングを用いる技術は、特許文献5に開示される技術のように、スパー(翼桁)等の特定の部位に限られる。 If braiding is used for the production of the wing-like structure, the type or composition of the resin composition does not need to be greatly changed without using any prepreg, and can be combined with a known RTM or VaRTM. There are advantages. However, since the following problems occur in reality, in the field of manufacturing a wing-like structure, a technique using the braiding as a fiber material is a spar (blade girder) like the technique disclosed in Patent Document 5. It is limited to a specific part.
ブレイディングは、プリプレグと比較して繊維材料の屈曲が相対的に大きいものである。それゆえ、(1)硬化したマトリクス材料(熱硬化性樹脂組成物)の内部で繊維材料の伸直性が低下するため、複合材料の強度向上に対する繊維材料の寄与が低下する。また、(2)繊維材料の屈曲が大きくなるということは、相対的に繊維材料がかさばるため、同一体積で比較したときには、複合材料に含まれる繊維含有率が低下する。さらに、(3)繊維含有率が低下すれば、複合材料の内部で樹脂組成物が偏在する箇所を生じさせるおそれもあるため、複合材料の強度向上に対する繊維材料の寄与がさらに低下することになる。 Braiding is one in which the bending of the fiber material is relatively large compared to the prepreg. Therefore, (1) since the extensibility of the fiber material is reduced inside the cured matrix material (thermosetting resin composition), the contribution of the fiber material to the strength improvement of the composite material is reduced. Further, (2) the increase in the bending of the fiber material means that the fiber material is relatively bulky, and therefore the fiber content contained in the composite material is reduced when compared with the same volume. Furthermore, (3) if the fiber content is lowered, there is a possibility that a portion where the resin composition is unevenly distributed inside the composite material, so that the contribution of the fiber material to the improvement of the strength of the composite material is further reduced. .
このように、ブレイディングを翼状構造体の製造に用いるとしても、前記(1)〜(3)の課題が生じるため、プリプレグを用いる場合と同量の繊維材料を含んでいるとしても、同程度の強度を実現することができないおそれがある。すなわち、プリプレグと同程度の強度を実現しようとすると、従来のブレイディング技術では、より多くの繊維積層量が必要となる。例えば、特許文献5に開示の技術では、ブレードスパーに対しブレイディング技術を適用しているが、ブレイディングそのものは従来と同様の方法であるため、プリプレグと比べてより多くの繊維積層量が必要となり、重量増加を招く。 As described above, even when braiding is used for manufacturing a wing-like structure, the problems (1) to (3) occur, and therefore, even if the same amount of fiber material as that in the case of using a prepreg is included. There is a possibility that the strength of can not be realized. That is, when trying to achieve the same strength as the prepreg, the conventional braiding technique requires a larger amount of fiber lamination. For example, in the technique disclosed in Patent Document 5, the braiding technique is applied to the blade spar. However, since the braiding itself is the same as the conventional method, a larger amount of fiber lamination is required than the prepreg. This leads to an increase in weight.
さらに、ブレイディングにより形成されたプリフォームに、RTMまたはVaRTMによる成形を適用する場合、繊維への含浸性を考慮して粘性の低い樹脂組成物を使用せざるを得ない。ところが、粘性の低い樹脂組成物は、材料の特性上、破壊靱性が低くなる傾向にある。破壊靱性の低下は層間剪断強度やCAI(衝撃後圧縮強度)の低下を招くため、ブレードの強度特性を低下させてしまうおそれがある。 Furthermore, when applying molding by RTM or VaRTM to a preform formed by braiding, a resin composition having a low viscosity must be used in consideration of the impregnation property of fibers. However, a resin composition having low viscosity tends to have low fracture toughness due to the characteristics of the material. Since the reduction in fracture toughness leads to a decrease in interlaminar shear strength and CAI (compression strength after impact), there is a risk of reducing the strength characteristics of the blade.
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、プリプレグを用いずにRTMまたはVaRTMにより製造される翼状構造体において、製造効率を向上させ、製造コストも抑制することに加え、良好な強度を実現することができる技術を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve such problems, and in addition to improving manufacturing efficiency and suppressing manufacturing cost in a wing-like structure manufactured by RTM or VaRTM without using a prepreg. An object of the present invention is to provide a technique capable of realizing good strength.
本発明者らは、前記課題に鑑みて鋭意検討した結果、翼状構造体のうち、スキン(翼外皮)については、繊維材料として、開繊糸により製作されたブレイディングを用いることで、また、スパー(翼桁)については、中央糸に対し組糸の比率を低減させたブレイディングを用いることで、前記のブレイディングに関する課題を有効に解決し、さらに
ブレイディングに用いる繊維材料に熱可塑性樹脂組成物を組み合わせることで、破壊靭性を向上することが可能であることを独自に見出し、本発明を完成させるに至った。
As a result of intensive studies in view of the above problems, the inventors of the wing-like structure, for the skin (wing outer skin), as a fiber material, by using a braid made of spread yarn, For spar (blade girder), the braiding with a reduced ratio of braiding to the central yarn is used to effectively solve the above-mentioned problems related to braiding. Further, a thermoplastic resin is used for the fiber material used for braiding. By uniquely combining the compositions, it was found that fracture toughness can be improved, and the present invention has been completed.
すなわち、本発明に係る翼状構造体は、前記の課題を解決するために、繊維強化複合材料で構成された骨格構造を有し、当該骨格構造には、翼状構造体の前縁を構成するスパーと、前記翼状構造体の外面を構成するスキンと、が含まれている翼状構造体であって、前記スパーおよび前記スキンとなる前記繊維強化複合材料に含まれる繊維材料が、ブレイディングとして構成され、前記スパーとなる前記繊維強化複合材料に含まれる前記ブレイディングは、同一方向に平行に配列する複数の中央糸と、当該中央糸に対して交差して編み込まれる組糸と、から構成され、前記組糸としては、前記中央糸よりも小さい径を有する糸が用いられている構成である。 That is, the wing-like structure according to the present invention has a skeletal structure composed of a fiber-reinforced composite material in order to solve the above-described problem, and the spar structure that constitutes the leading edge of the wing-like structure is included in the skeleton structure. A wing-like structure including an outer surface of the wing-like structure, and the fiber material included in the fiber-reinforced composite material serving as the spar and the skin is configured as a braiding. The braiding contained in the fiber reinforced composite material to be the spar is composed of a plurality of center yarns arranged in parallel in the same direction, and a braid yarn knitted crossing the center yarn, as the braids, a structure in which yarns having a smaller diameter than the central thread is used.
前記構成においては、前記スキンとなる前記繊維強化複合材料に含まれる前記ブレイディングは、開繊糸を用いて製作されたものである構成であってもよい。 In the above configuration, the braiding included in the fiber-reinforced composite material serving as the skin may be manufactured using a spread yarn.
前記構成においては、前記開繊糸として、当該開繊糸の一方または両方の面に熱可塑不織布が貼り付けられているベール開繊糸が用いられている構成であってもよい。 In the said structure, the structure by which the bale opening yarn by which the thermoplastic nonwoven fabric is affixed on the one or both surfaces of the said opening yarn may be used as the said opening yarn.
前記構成においては、前記組糸として、熱可塑繊維、または、無機繊維と熱可塑繊維との撚糸が用いられている構成であってもよい。 In the above configuration, a thermoplastic fiber or a twisted yarn of an inorganic fiber and a thermoplastic fiber may be used as the braid.
前記翼状構造体の具体的な種類は特に限定されず、繊維強化複合材料を用いた公知の翼状構造体であれば、どのようなものにも適用可能であるが、代表的な一例として、ヘリコプタのロータブレードを挙げることができる。 The specific type of the wing-like structure is not particularly limited, and can be applied to any known wing-like structure using a fiber-reinforced composite material. As a representative example, a helicopter Rotor blades.
また、本発明には、前記翼状構造体の製造方法も含まれる。すなわち、本発明に係る翼状構造体の製造方法は、繊維強化複合材料で構成された骨格構造を有し、当該骨格構造には、翼状構造体の前縁を構成するスパーと、前記翼状構造体の外面を構成するスキンと、が含まれている翼状構造体の製造方法であって、前記骨格構造のプリフォームとしてブレイディングを製作する工程と、前記ブレイディングを成形型のキャビティ内に設置した状態で、熱硬化性樹脂組成物を前記キャビティ内に注入する工程と、前記キャビティ内で前記熱硬化性樹脂組成物を硬化させる工程と、を含み、前記プリフォームのうち、前記スパーおよび前記スキンとなる繊維材料を、前記ブレイディングとして製作する構成である。 The present invention also includes a method for producing the wing-like structure. That is, the method for producing a wing-like structure according to the present invention has a skeleton structure made of a fiber-reinforced composite material, and the skeleton structure includes a spar that forms a leading edge of the wing-like structure, and the wing-like structure. A wing-like structure manufacturing method including a skin constituting the outer surface of the skeleton structure, the step of manufacturing a braiding as a preform of the skeleton structure, and the braiding installed in a cavity of a mold A step of injecting a thermosetting resin composition into the cavity, and a step of curing the thermosetting resin composition in the cavity, wherein the spar and the skin of the preform are included. In this configuration, the fiber material is manufactured as the braiding.
以上のように、本発明では、プリプレグを用いずにRTMまたはVaRTMにより製造される翼状構造体において、製造効率を向上させ、製造コストも抑制することに加え、良好な強度を実現することができる、という効果を奏する。 As described above, in the present invention, in the wing-like structure manufactured by RTM or VaRTM without using a prepreg, it is possible to realize good strength in addition to improving manufacturing efficiency and suppressing manufacturing cost. , Has the effect.
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the following description, the same or corresponding elements are denoted by the same reference symbols throughout the drawings, and redundant description thereof is omitted.
[ロータブレード]
まず、本実施の形態に係る翼状構造体の一例であるロータブレードの基本的な構成等について、図1(a),(b)および図2を参照して説明する。
[Rotor blade]
First, a basic configuration and the like of a rotor blade that is an example of a wing-like structure according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.
図1(a)に示すように、本実施の形態に係るロータブレード10は、細長い板状であって、一端が先端側となる翼端10aであり、他端がロータハブ(図示せず)に結合される付根10bである。また、ロータブレード10の回転方向の前側を前端10cと称し、後側を後端10dと称する。なお、付根10bには、ロータブレード10をロータハブに取り付けるための取付孔10eが形成されている。図1(b)は、図1(a)に示すロータブレード10において、二点鎖線で示すI−I線方向の矢視断面図であり、この断面図に示すように、ロータブレード10は、スパー11、スキン12、前縁バランスウェイト13、および発泡コア14を有している。
As shown in FIG. 1 (a), the
スパー11は、通常、ロータブレード10の前方に偏在し、かつ、ロータブレード10の全長にわたるように位置する骨格構造である。スキン12はロータブレード10の外面を構成しており、骨格構造の一部でもある。前縁バランスウェイト13は、ロータブレード10の重心を前縁10c寄りとするために、当該前縁10cの内部に設けられている。発泡コア14は、ロータブレード10の内部の大部分を占めるコア材であり、ロータブレード10の形状を保持するために設けられている。
The
スパー11およびスキン12は、後述するように、繊維強化複合材料により構成されている。前縁バランスウェイト13は公知の金属材料等で構成されている。発泡コア14は、公知の発泡樹脂材であってもよいし、ハニカム構造のアルミニウム材またはアラミド材であってもよいし、骨格構造のみでロータブレード10の形状を保持することができるのであれば空洞であってもよい。また、本実施の形態に係るロータブレード10の具体的構成は、図1(a),(b)に示す構成に限定されず、公知のさまざまな構成を採用することができる。それゆえ、ロータブレード10は、スパー11およびスキン12以外の骨格構造を含んでもよいし、前縁バランスウェイト13、発泡コア14以外の部材を含んでもよい。
As will be described later, the
本実施の形態に係るロータブレード10は、図2に示すように、RTMまたはVaRTMにより製造される。ロータブレード10の成形型20は、上型21および下型22から構成され、成形型20内のキャビティ20aには、樹脂供給配管24および樹脂排出配管25が接続されている。樹脂供給配管24には樹脂ポット23が接続され、当該樹脂ポット23内に蓄積されている熱硬化性樹脂組成物が、樹脂供給配管24によってキャビティ20aに供給される。また、排出配管25にはバルブ26を介して図示しない樹脂排出槽および吸引ポンプが接続され、バルブ26を開いてキャビティ20aを吸引することにより、当該キャビティ20a内にもともと存在していた空気を吸引して当該キャビティ20a内を真空状態にしたり、供給された熱硬化性樹脂組成物を吸引して余剰分を樹脂排出槽に排出したりすることができる。
The
ロータブレード10の製造工程についてRTMを例に挙げて説明する。まず、ロータブレード10のスパー11およびスキン12の芯材となるブレードプリフォーム15を、繊維材料を用いて製作する。このブレードプリフォーム15は、スパー11に対応するプリフォーム15aとスキン12に対応するプリフォーム15bとから構成され、これらプリフォーム15a,15bは、後述するようにブレイディングである。そして、上型21および下型22を開けて、内部にブレードプリフォーム15を配置する。このとき、前縁バランスウェイト13、発泡コア14、あるいは内部が空洞であればインフレータブルマンドレル等も、ブレードプリフォーム15に合わせて配置する。その後、プレス等により上型21および下型22を閉じることにより、ブレードプリフォーム15等を成形型20のキャビティ20a内に設置する。
The manufacturing process of the
次に、成形型20を加熱しながら樹脂ポット23の内部を加圧するとともに、バルブ26を開いて図示しない吸引ポンプでキャビティ20aを吸引する。これにより、樹脂ポット23内の熱硬化性樹脂組成物が樹脂供給配管24を介してキャビティ20aに注入される。キャビティ20a内に熱硬化性樹脂組成物が十分に充填されるまで、キャビティ20aの吸引と熱硬化性樹脂組成物の注入とを継続し、熱硬化性樹脂組成物がキャビティ20aに充填されれば、成形型20を加熱することにより、熱硬化性樹脂組成物を硬化させる。その後、上型21および下型22を分離して硬化物を取り出し、所定の後処理(トリミング等)を行うことで、ロータブレード10が製造される。
Next, the inside of the
なお、前述した製造工程は、基本的なものであり、公知の範囲内で他の工程を追加したり、一部の工程を省略または簡素化したり、一部の工程を他の工程に差し替えたりすることができる。また、ロータブレード10の製造に用いられる成形技術は、RTMまたはVaRTMに限定されず、プリプレグを用いない他の方法であれば、どのような方法でも採用することが可能である。
The manufacturing process described above is basic, and other processes are added within a known range, some processes are omitted or simplified, and some processes are replaced with other processes. can do. Further, the molding technique used for manufacturing the
得られるロータブレード10においては、ブレイディングであるブレードプリフォーム15に熱硬化性樹脂組成物が含浸して硬化することにより、繊維強化複合材料からなるスパー11およびスキン12が形成される。つまり、ブレードプリフォーム15は、繊維強化複合材料における繊維材料である。なお、骨格構造にスパー11およびスキン12以外の部位を含んでいる場合には、ブレードプリフォーム15として、当該部位を含むブレイディングを予め製作しておけばよい。
In the obtained
また、樹脂ポット23から供給される熱硬化性樹脂組成物は、繊維強化複合材料のマトリクス材料であり、その具体的な構成は特に限定されない。例えば、当該樹脂組成物に用いられる熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ビニルエステル樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。これら樹脂は単一種類のみを用いてもよいし、複数種類を適宜組み合わせて用いてもよい。また、これら熱硬化性樹脂のより具体的な化学構造も特に限定されず、公知の種々のモノマーが重合されたポリマーであってもよいし、複数のモノマーが重合されたコポリマーであってもよい。また、平均分子量、主鎖および側鎖の構造等についても特に限定されない。
Moreover, the thermosetting resin composition supplied from the
前記熱硬化性樹脂組成物は、前記熱硬化性樹脂に加えて、公知の硬化剤、硬化促進剤、繊維基材以外の補強材または充填材、その他公知の添加剤を含んでいてもよい。これら硬化剤、硬化促進剤等の添加剤の具体的な種類、組成等についても特に限定されず、公知の種類または組成のものを好適に用いることができる。さらに、得られるロータブレード10の破壊靭性を向上させる観点から、公知の熱可塑性樹脂を公知の組成で含んでいてもよい。
In addition to the thermosetting resin, the thermosetting resin composition may include a known curing agent, a curing accelerator, a reinforcing material other than the fiber base material, a filler, and other known additives. The specific types and compositions of these additives such as curing agents and curing accelerators are not particularly limited, and those of known types or compositions can be suitably used. Furthermore, from the viewpoint of improving the fracture toughness of the obtained
[スキンのブレイディング]
次に、ブレードプリフォーム15として製作されるブレイディングについて、具体的に説明する。まず、ブレードプリフォーム15を構成する繊維材料のうち、スキンとなるブレイディングについて、図3(a),(b)および図4(a),(b)を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上、プリプレグを用いた繊維強化複合材料を「プリプレグ複合材料」と称し、ブレイディングを用いた繊維強化複合材料を「ブレイディング複合材料」と称する。
[Skin Braiding]
Next, the braiding manufactured as the
ブレイディング(組紐、組物または編組物)は、繊維材料のトウ(tow)を2方向または3方向に組んで円筒状(または他の形状)に機械的に編み込むことにより製作される。そして、スキンのブレイディングとして一般的な構成の一例を挙げると、図3(b)に示すように、マンドレル60の周囲で、互いに交差した状態で配列する組糸152を編み込んで製作される、2方向のブレイディング150Aが挙げられる。図3(b)に示す例では、約45°の角度で2種の組糸152,152が交差している。
Braiding (braids, braids or braids) is made by mechanically weaving a tow of fiber material in two or three directions and mechanically weaving it into a cylinder (or other shape). As an example of a general configuration for skin braiding, as shown in FIG. 3 (b), a
ここで、スキンのブレイディングとして前記構成のブレイディング150Aが用いられてブレイディング複合材料が構成されれば、以下の理由から、プリプレグ複合材料と比較して、ロータブレード10の強度向上に繊維材料(ブレイディング150A)が十分寄与できなくなる。
Here, when the braiding composite material is configured by using the
まず、図3(b)に示すように、ブレイディング150Aにおいては、2本の組糸152,152が交差するように編み込むと、組糸152のクリンプ(屈曲)が大きくなる。つまり、ブレイディング150Aにおいては、組糸152を構成する繊維材料が伸直した状態になく、曲がりくねった状態となっている。この場合、ブレイディング複合材料においては、その内部で剛性が局所的に下がり、複合材料全体としての荷重伝達効率が低下する。それゆえ、ブレイディング複合材料は、プリプレグ複合材料と比較して、一般に、その引張強度を十分に向上することができない。
First, as shown in FIG. 3B, in the
また、製作されたブレイディングで繊維材料がクリンプした状態になっていると、各糸の間に必然的に隙間が生じる。この隙間は、ブレイディング複合材料においては、繊維材料で強化されないマトリクス材料(熱硬化性樹脂組成物)のみの領域となる。つまり、ブレイディング複合材料においては、マトリクス材料の中に繊維材料が略均等に存在できず、マトリクス材料の偏在が生じる。これを繊維強化複合材料における繊維含有率Vfとして評価すれば、ブレイディング複合材料のVfは、プリプレグ複合材料のVfよりも明らかに低下する。繊維含有率Vfの低下すなわちマトリクス材料の偏在の発生は、当該マトリクス材料の偏在部位で外力によるマイクロクラックの発生を招き、それが複合材料全体の強度低下の一因となるため、ブレイディング複合材料はプリプレグ複合材料と比較して強度を十分に向上することができない。 Further, when the fiber material is crimped by the manufactured braiding, a gap is inevitably generated between the yarns. In the braided composite material, this gap is an area of only the matrix material (thermosetting resin composition) that is not reinforced with the fiber material. That is, in the braided composite material, the fiber material cannot be present substantially uniformly in the matrix material, and the matrix material is unevenly distributed. If this is evaluated as the fiber content Vf in the fiber reinforced composite material, the Vf of the braiding composite material is clearly lower than the Vf of the prepreg composite material. The decrease in the fiber content Vf, that is, the occurrence of uneven distribution of the matrix material leads to the occurrence of microcracks due to external forces at the uneven distribution portion of the matrix material, which causes a decrease in the strength of the entire composite material. Cannot sufficiently improve the strength as compared with the prepreg composite material.
このような理由から、ロータブレード10の製造において、ブレードプリフォーム15を構成するスキンに対して図3(b)に示すようなブレイディング150Aを用いることは、実用性がないと考えられてきた。
For these reasons, it has been considered that the use of the
これに対して、本発明においては、例えば、図3(a)に示すようなブレイディング50Aを製作し、これをブレードプリフォーム15として用いる。このブレイディング50Aは、組糸52として、図4(a)に示す開繊糸31を用いている以外は、図3(b)に示すブレイディング150Aを同様の構成である。これにより得られるブレイディング複合材料は、プリプレグ複合材料と同等か、それ以上の強度を実現することができる。
On the other hand, in the present invention, for example, a
図4(a)に示すように、開繊糸31(向かって右側に図示)は、原糸30(向かって左側に図示)と同様に、例えば炭素繊維301から構成されるトウであるが、断面が略円形の原糸30とは異なり、テープ状に幅広い形状を有している。一般に、開繊糸31は、原糸30を、開繊装置によって所望の幅となるように薄く開繊することによって得られる。繊維強化複合材料の繊維材料として開繊糸31を用いれば、原糸30を用いた場合と比較して、マトリクス材料(樹脂組成物)をより均一に含浸させることが可能となり、さらに繊維のクリンプを抑制して、繊維強化複合材料の強度を向上させることができる。ただし、開繊糸31を用いてブレイディングを製作することはほとんど知られていなかった。
As shown in FIG. 4A, the opened yarn 31 (shown on the right side) is a tow composed of, for example,
図3(a)に示すように、開繊糸31を組糸52として用いてブレイディング50Aを製作してスキンの繊維材料として用いれば、繊維材料のクリンプを有効に抑制することができる。それゆえ、RTMまたはVaRTMにより翼状構造体を製造する際に、ブレイディング50Aから成るプリフォームを用いれば、複合材料中で繊維材料の良好な直伸性を確保できるとともに、繊維材料の含有率の低下も回避することができる。その結果、複合材料の強度向上に対する繊維材料の寄与を向上することができ、得られる翼状構造体の強度を良好なものにできるとともに、RTMまたはVaRTMで翼状構造体を製造できるため、製造効率を向上させ、製造コストも抑制することができる。
As shown in FIG. 3A, if the
さらに、本実施の形態では、ブレイディング50Aの組糸52となる開繊糸31が熱可塑性樹脂を含む構成であると、破壊靱性および加工性をより一層向上させることができるため好ましい。
Further, in the present embodiment, it is preferable that the
熱可塑性樹脂を含む開繊糸31の具体的な構成は特に限定されないが、好ましい一例として、図4(b)に示すベール開繊糸32を挙げることができる。ベール開繊糸32は、例えば、炭素繊維301から成る開繊糸31の一方の面に、熱可塑不織布から成るベール33を貼り付けたものである。ベール33を開繊糸31に貼り付ける手法は特に限定されないが、ベール33が熱可塑不織布であるので、加熱によりベール33を開繊糸31に融着させる手法を挙げることができる。なお、図4(b)に示すベール開繊糸32は、開繊糸31の一方の面のみにベール33が貼り付けられた構成となっているが、両方の面にベール33が貼り付けられた構成であってもよい。
Although the specific structure of the
このようにブレイディング50Bを構成するトウそのものが熱可塑性樹脂を含んでいれば、熱硬化性樹脂組成物が含浸するときに当該熱可塑性樹脂が融解して熱硬化性樹脂組成物に混ざり合う。それゆえ、予め熱可塑性樹脂を配合する場合に比べて、熱硬化性樹脂組成物の含浸性を損なうことがなく、繊維強化複合材料の破壊靱性を向上させることが可能となる。
In this way, if the tow itself constituting the
また、ブレイディングの編み込み時に開繊糸31の寸法(幅または厚み)が変化したりほつれが生じたりする可能性がある。これに対して、ベール33を使用すれば、熱可塑樹脂が融着することで開繊糸の繊維同士を結合し、寸法の変化、ほつれ等を有効に抑制することができる。
In addition, the dimension (width or thickness) of the
ここで、熱可塑性樹脂の具体的な種類は特に限定されず、熱硬化性樹脂組成物の硬化後の破壊靱性を向上できるものとして公知の樹脂であれば、どのような種類のものでも用いることができる。一例を挙げると、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等を用いることができる。これら熱可塑性樹脂は少なくともいずれか一種類のみを用いてもよいし、二種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。 Here, the specific type of the thermoplastic resin is not particularly limited, and any type of thermoplastic resin can be used as long as it is a known resin that can improve the fracture toughness after curing of the thermosetting resin composition. Can do. For example, polyethylene resin, polyamide resin, polyphenylene sulfide resin, polyether ether ketone resin, and the like can be used. Only one of these thermoplastic resins may be used, or two or more of them may be used in appropriate combination.
また、開繊糸31の寸法やほつれを防止する手段としては前記ベール以外にもサイジング剤も有効であることが確認されており、前記ベールとサイジング剤を組み合わせて使用してもよい。
In addition to the bale, it has been confirmed that a sizing agent is also effective as a means for preventing the size and fraying of the
なお、本実施の形態では、開繊糸31として炭素繊維301から成るものを用いているが、開繊糸31の材質はこれに限定されるものではなく、繊維強化複合材料の分野で繊維材料として用いられる各種の素材を好適に用いることができる。具体的には、例えば、ポリエステル繊維、ナイロン繊維、アラミド繊維、PBO(ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール)繊維、等の有機繊維;ボロン繊維、ガラス繊維、シリカ繊維(石英繊維)、炭化ケイ素(SiC)繊維等の無機繊維が挙げられる。これら素材は、単独で用いられてもよいし、炭素繊維を含む複数種類の素材を適宜組み合わせて用いられてもよい。
In the present embodiment, the
また、開繊糸31の幅および厚みについては特に限定されず、製作されるブレードプリフォーム15の形状、寸法、マトリクス材料の種類等に応じて、好ましい数値を設定すればよい。さらに、ブレイディング50Aは、開繊糸31以外のトウを補助的に編み込んだものであってもよい。
Further, the width and thickness of the
さらに、スキンのブレイディングは、ブレイディング50A一層のみで構成されてもよいが、複数層のブレイディング50Aを重ねて構成される多層ブレイディングを用いることもできる。この多層ブレイディングにおけるブレイディング50Aの積層数は特に限定されず、スキンに要求される種々の条件に応じて適宜設定される。
Further, the skin braiding may be composed of only one
[スパーのブレイディング]
次に、ブレードプリフォーム15を構成する繊維材料のうち、スパーとなるブレイディングについて、図5(a),(b)および図6(a),(b)並びに図7を参照して具体的に説明する。
[Spar Braiding]
Next, of the fiber material constituting the
前述したとおり、ブレイディングは、繊維材料のトウを2方向または3方向に組んで円筒状等に機械的に編み込むことにより製作される。そして、スパーのブレイディングとして一般的な構成の一例を挙げると、図5(b)に示すように、マンドレル60の周囲で、同一方向に平行に配列する複数の中央糸151と、この中央糸151に交差した状態で配列する組糸153とを編み込んで製作される、3方向のブレイディング150Bが挙げられる。図5(b)に示す例では、1種の中央糸151に対して約45°の角度で2種の組糸153,153が交差している。
As described above, the braiding is manufactured by assembling the tows of fiber material in two or three directions and mechanically weaving them into a cylindrical shape or the like. As an example of a general configuration for spar braiding, as shown in FIG. 5 (b), a plurality of
ここで、スキンのブレイディングとして前記構成のブレイディング150Bが用いられてブレイディング複合材料が構成されれば、以下の理由から、プリプレグ複合材料と比較して、ロータブレード10の強度向上に繊維材料(ブレイディング150B)が十分寄与できなくなる。
Here, if the braiding composite material is configured by using the
図5(b)に示すように、ブレイディング150Bにおいては、中央糸151と組糸153とを略同じ太さのトウで編み込むと、スパーとして必要なブレード軸方向の繊維(中央糸151)の量が相対的に低下する。スパーの軸方向の繊維はロータブレード10に作用する遠心力および曲げモーメントを支持する部材であるため、その量が少なくなると、同じスパー断面積を有するプリプレグ複合材料と比較して、その引張強度を十分に向上することができない。換言すれば、プリプレグ複合材料と同程度の強度を実現しようとすると、より多くの繊維積層量が必要となり、重量増加を招くことになる。
As shown in FIG. 5B, in the
ここで、前述した特許文献5に開示の技術では、スパーに対して軸方向以外の斜め方向も含めた3方向ブレイディングを適用し、斜め方向の組糸の繊維でロータブレードの捩じりを支持する構成となっている。しかしながら、このような構成において中央糸と組糸とを略同じ太さのトウで編みこむと、相対的に軸方向の強度が不足する。その結果、プリプレグ複合材料と比較して全体的により多くの繊維積層量が必要となり、重量増加を招くことになる。 Here, in the technique disclosed in Patent Document 5 described above, three-way braiding including an oblique direction other than the axial direction is applied to the spar, and twisting of the rotor blade is performed with the fibers of the braided yarn in the oblique direction. It becomes the structure which supports. However, when the center yarn and the braid are knitted with tows having substantially the same thickness in such a configuration, the axial strength is relatively insufficient. As a result, compared with the prepreg composite material, an overall larger amount of fiber lamination is required, resulting in an increase in weight.
このような理由から、ロータブレード10の製造において、ブレードプリフォーム15を構成するスパーに対して、図5(b)に示すようなブレイディング150Bを用いることは、強度の面から効率が低くなると考えられる。
For this reason, in the manufacture of the
これに対して、本発明においては、図5(a)に示すように、径の大きい中央糸51に対して径の小さい細組糸53を組み合わせることで、軸方向の繊維量を相対的に増加させている。ブレイディング50Bにおいては、径の大きい複数の中央糸51が、径の小さい細組糸53により互いの平行状態を維持するようにつながれている。この状態は略すだれ状(barred lattice)であり、中央糸51を略伸直させた状態で高密度に配列させることができる。さらに、細組糸53の太さを適宜設定することで、繊維含有率の低下を生じさせることなく、中央糸51同士の間に樹脂組成物を含浸させるための隙間を形成することができる。それゆえ、ブレイディング複合材料の内部で繊維材料の良好な伸直性を確保できるとともに、繊維材料の含有率の低下も回避することができるので、得られる翼状構造体の強度をより良好なものとすることができる。
On the other hand, in the present invention, as shown in FIG. 5A, the amount of fibers in the axial direction is relatively reduced by combining the small-diameter
ここで、細組糸53の径の寸法は特に限定されないが、中央糸51の径よりもできる限り小さい方が望ましい。この細組糸53の径を適宜設定することによって、ブレードプリフォーム15に対するマトリクス材料の含浸効率を向上させることが可能となる。
Here, the size of the diameter of the
具体的には、例えば、ブレードプリフォーム15におけるスパー11に対応する部位では、良好な強度を実現するために、中央糸51は伸直状態で平行に配列している。このとき、細組糸53が無かったり、または、中央糸51の寸法と比較して無視できる程度の径であったりすれば、図6(b)に示すように、中央糸51同士が密に接触する。ここで、ロータブレード10の成形時(図2参照)には、熱硬化性樹脂組成物は、図中矢印Rで示すように、スパー11の外面に対して略垂直の方向から含浸する。ところが、中央糸51同士が密に配列していれば、熱硬化性樹脂組成物の含浸性が低下し、ボイドまたは樹脂欠損が発生するおそれがある。
Specifically, for example, at the portion corresponding to the
これに対して、図6(a)に示すように、細組糸53の径を適宜設定することで、中央糸51の間に、熱硬化性樹脂組成物の通路となる隙間を形成することができる。これにより、熱硬化性樹脂組成物は、前記隙間に流入してブレードプリフォーム15に良好に含浸することができる。それゆえ、ブレイディング50Bをブレードプリフォーム15として用いれば、繊維含有率Vfの低下を生じることなく、開繊糸31同士の間に樹脂組成物を含浸させるための隙間を形成することができる。それゆえ、得られる翼状構造体の強度をより良好なものとすることができる。
On the other hand, as shown in FIG. 6A, by appropriately setting the diameter of the
ここで、中央糸51の径の大きさについては特に限定されず、各種条件に応じて、好ましい数値を設定すればよい。また、細組糸53の径の大きさも特に限定されず、少なくとも中央糸51の径よりも小さい径を有する糸であればよく、好ましくは中央糸51の含浸性を良好に保持する程度の隙間を形成できる範囲で、できる限り小さい径の糸であればよい。
Here, the size of the diameter of the
また、細組糸53に用いられる材料も特に限定されず、中央糸よりも細い径であってもブレイディング50Bを保持する張力を発揮できるものであれば、どのような材料でも用いることができる。代表的には、ガラス繊維、炭素繊維等の無機繊維を用いることができるが、樹脂組成物からなる樹脂繊維であってもよい。
Further, the material used for the
さらに、本実施の形態では、ブレイディング50Bを構成する細組糸53が熱可塑性樹脂を含む構成であると、破壊靭性をより一層向上させることができるため好ましい。
Furthermore, in the present embodiment, it is preferable that the braided
熱可塑性樹脂を含む細組糸53の具体的な構成は特に限定されないが、好ましい一例として、図7に示す撚糸34を挙げることができる。撚糸34は、例えばガラス繊維302から成るガラス繊維糸34aと熱可塑繊維303から成る熱可塑繊維糸34bとを撚ったものであり、ブレイディング50Bの組糸として使用したときに、熱可塑性繊維303だけでは張力により破断してしまう場合に、特に好適に採用することができる。もちろん、熱可塑繊維303が張力に対して十分な強度を有していれば、当該熱可塑繊維303を単独で組糸として用いることができる。
Although the specific structure of the braided
このようにブレイディング50Bを構成するトウそのものが熱可塑性樹脂を含んでいれば、熱硬化性樹脂組成物が含浸するときに当該熱可塑性樹脂が融解して熱硬化性樹脂組成物に混ざり合う。それゆえ、マトリクス材料である熱硬化性樹脂組成物に熱可塑性樹脂を添加することと同等の効果をもたらすことができる。また、外部から注入する熱硬化性樹脂組成物に予め熱可塑性樹脂を配合する場合に比べて、熱硬化性樹脂組成物の粘性増加と、それによる繊維材料への含浸性の低下を伴うことなく、繊維強化複合材料の破壊靭性を向上させることが可能となる。また、撚糸34を用いることで、細組糸53により中央糸51同士を適切につないでおくことができ、また、中央糸51同士の間に熱硬化性樹脂組成物を良好に含浸させることができる。
In this way, if the tow itself constituting the
ここで、熱可塑性樹脂の具体的な種類は特に限定されず、熱硬化性樹脂組成物の硬化後の破壊靭性を向上できるものとして公知の樹脂であれば、どのような種類のものでも用いることができる。一例を挙げると、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリフェニレンスルフィド樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂等を用いることができる。これら熱可塑性樹脂は少なくともいずれか一種類のみを用いてもよいし、二種類以上を適宜組み合わせて用いてもよい。 Here, the specific type of the thermoplastic resin is not particularly limited, and any type of thermoplastic resin can be used as long as it is a known resin that can improve the fracture toughness after curing of the thermosetting resin composition. Can do. For example, polyethylene resin, polyamide resin, polyphenylene sulfide resin, polyether ether ketone resin, and the like can be used. Only one of these thermoplastic resins may be used, or two or more of them may be used in appropriate combination.
さらに、スパーのブレイディングは、ブレイディング50B一層のみで構成されてもよいが、複数層のブレイディング50Bを重ねて構成される多層ブレイディングを用いることもできる。この多層ブレイディングにおけるブレイディング50Bの積層数は特に限定されず、スパーに要求される種々の条件に応じて適宜設定される。
Further, the spar braiding may be composed of only one
なお、本実施の形態では、翼状構造体50としてロータブレード10を例示しているが、本発明はこれに限定されず、例えば、ヘリコプタ以外の航空機に用いられるプロペラブレード、ターボファンブレード、一般産業機械用の回転翼、風力発電用ブレード等、公知の翼状構造体を挙げることができる。
In the present embodiment, the
また、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる態様や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。 Further, the present invention is not limited to the description of the above-described embodiment, and various modifications can be made within the scope shown in the scope of the claims, and technologies disclosed in different aspects and a plurality of modifications, respectively. Embodiments obtained by appropriately combining technical means are also included in the technical scope of the present invention.
本発明は、ヘリコプタ以外の航空機に用いられるプロペラブレード、ターボファンブレード、一般産業機械用の回転翼、風力発電用ブレード等、各種の翼状構造体の分野に好適に用いることができる。 The present invention can be suitably used in the field of various wing-like structures such as propeller blades, turbofan blades, rotary blades for general industrial machinery, blades for wind power generation, etc. used for aircraft other than helicopters.
10 ロータブレード(翼状構造体)
11 スパー
12 スキン
15 ブレードプリフォーム(骨格構造)
15a プリフォーム(スパーに対応)
15b プリフォーム(スキンに対応)
20 成形型
20a キャビティ
31 開繊糸
32 ベール開繊糸
34 撚糸
50A,50B ブレイディング
51 中央糸
52 組糸
53 細組糸(組糸)
10 Rotor blade (wing structure)
11
15a preform (compatible with spars)
15b Preform (corresponds to skin)
20
Claims (6)
前記スパーおよび前記スキンとなる前記繊維強化複合材料に含まれる繊維材料が、ブレイディングとして構成され、
前記スパーとなる前記繊維強化複合材料に含まれる前記ブレイディングは、同一方向に平行に配列する複数の中央糸と、当該中央糸に対して交差して編み込まれる組糸と、から構成され、前記組糸としては、前記中央糸よりも小さい径を有する糸が用いられていることを特徴とする、翼状構造体。 A wing structure having a skeleton structure made of a fiber-reinforced composite material, the skeleton structure including a spar that forms an inner girder of the wing structure and a skin that forms an outer surface of the wing structure A structure,
The fiber material contained in the fiber reinforced composite material to be the spar and the skin is configured as braiding ,
The braiding contained in the fiber-reinforced composite material to be the spar is composed of a plurality of center yarns arranged in parallel in the same direction, and braided yarns that are knitted crossing the center yarns, A wing-like structure characterized in that a yarn having a diameter smaller than that of the central yarn is used as the braid.
前記骨格構造のプリフォームとしてブレイディングを製作する工程と、
前記ブレイディングを成形型のキャビティ内に設置した状態で、熱硬化性樹脂組成物を前記キャビティ内に注入する工程と、
前記キャビティ内で前記熱硬化性樹脂組成物を硬化させる工程と、を含み、
前記プリフォームのうち、前記スパーおよび前記スキンとなる繊維材料を、前記ブレイディングとして製作することを特徴とする、翼状構造体の製造方法。 A wing structure having a skeleton structure made of a fiber reinforced composite material, the skeleton structure including a spar that forms a leading edge of the wing structure and a skin that forms an outer surface of the wing structure. A structure manufacturing method comprising:
Producing a braiding as a preform of the skeleton structure;
Injecting a thermosetting resin composition into the cavity with the braiding installed in the cavity of the mold,
Curing the thermosetting resin composition in the cavity, and
A method for producing a wing-like structure, wherein a fiber material that becomes the spar and the skin of the preform is produced as the braiding.
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