JP5713568B2 - 構造材の製造方法、構造材 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料からなる構造材の製造方法、構造材に関する。

航空機の翼を、炭素繊維やガラス繊維を含む複合材料によって形成する場合、断面コ字状のスパー（桁材）が、翼の構造材の一部として設けられる。
図３に示すように、このようなスパー１は、ウェブ２と、ウェブ２の両端に設けられたフランジ３、３とが、断面コ字状に形成されたものである。
このようなスパー１を複合材料により形成する場合、予め、炭素繊維やガラス繊維に樹脂を含浸させてシート状とされたプリプレグシートを用いることがある。このようなプリプレグシートによりスパー１を形成する場合、プリプレグシートを複数層にわたって積層する。このとき、各層においては、炭素繊維やガラス繊維の繊維方向が予め定めた角度となるよう、所定幅を有した帯状のプリプレグシート５を貼っていく。互いに上下に積層されるプリプレグシート５においては、その繊維方向が互いに異なるよう、スパー１の軸線方向を０°としたとき、貼り付け方向を例えば０°、４５°、９０°というようにして積層していく。これによって、スパー１の多方向に対する強度を向上させている。

さて、このようにしてスパー１を形成するに際し、スパー１が、その軸線方向において湾曲している場合、ウェブ２とフランジ３との境界部分である稜線部４において、プリプレグシート５にシワが形成されやすい。特に、スパー１の軸線方向に対するプリプレグシート５の貼り付け方向の角度が０°等と小さい場合に顕著である。これは、プリプレグシート５が繊維方向の伸縮性に乏しいためであり、稜線部４に直交する面内におけるウェブ２とフランジ３による湾曲に加え、稜線部４が連続した方向における湾曲により、プリプレグシート５が３次元的に湾曲する部分においては、特に湾曲が厳しい場合において、プリプレグシート５にシワが形成されやすい。

そこで従来、プリプレグシート５を積層する際に、稜線部４およびその周囲において、帯状のプリプレグシート５に、繊維方向にほぼ直交する方向の切れ込み６を入れている。そして、稜線部４の湾曲方向外周側においては、切れ込み６の両側で短冊状とされたプリプレグシート５の間隔を広げ、湾曲方向内周側においては、切れ込み６の両側のプリプレグシート５を互いに重ね合わせるようにし、重なった部分は除去するようにしている（例えば、特許文献１参照。）

特開２００９−１７８８６３号公報

しかしながら、プリプレグシート５に切れ込み６を入れると、切れ込み６の両側において、プリプレグシート５の補強要素である繊維（炭素繊維やガラス繊維）が分断されてしまうことになる。
また、図３（ａ）に示すように、一枚の大きなプリプレグシート５に切れ込み６を入れるのは、特にウェブ２の幅が広い場合に困難である。

また、図３（ｂ）に示すように、互いに隣接する稜線部４の間に、スパー１の軸線方向に対する0度方向に平行な切れ込み４Ｘを入れる場合、切れ目が無用に大きくなって強度低下を大きくするデメリットが存在する。また、プリプレグシート５の幅方向中央部５ｃを稜線部４に沿わせた場合、稜線部４に切れ込み６を入れることになる。その結果、プリプレグシート５の稜線部４においては、プリプレグシート５の繊維が、複数箇所において分断されることになり、その補強効果を十分に発揮できないという問題がある。

また、スパー１の製造現場において、プリプレグシート５を積層していくときに、プリプレグシート５に切れ込み６を順次入れていかなければならず、言うまでもなく手間がかかる。また、プリプレグシート５を機械により自動的に貼り込んでいくような場合、切れ込み６をその場で入れることは困難であり、手作業で行っているのが実情である。

このような問題は、航空機の翼のスパー１に限らず、複合材の積層構造によって形成される様々な構造材において同様に生じる問題である。
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、複合材からなる構造材において３次元的に湾曲する部分においても、複合材シートにシワが生じるのを抑えつつ、構造材の強度を十分に確保し、その製造を効率よく行うことのできる構造材の製造方法、構造材を提供することを目的とする。

かかる目的のもとになされた本発明は、強化繊維と樹脂とを含むシート状の複合材料を用いた構造材の製造方法であって、構造材は、その軸線方向において湾曲している部分を有し、構造材において断面凸状の稜線部または断面凹状の谷部に沿って、かつ軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向で、第一の幅を有した帯状の第一の複合材シートを貼り込むとともに、第一の複合材シートの繊維方向が軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向となるように第一の複合材シートは貼り込まれる。また、稜線部または谷部の側方に、第一の幅よりも大きな第二の幅を有した帯状の第二の複合材シートを、第一の複合材シートとほぼ平行に貼り込むとともに、第一の複合材シートの幅は稜線部または谷部の湾曲面の周長程度であることを特徴とする。
ここで、第一の複合材シートと第二の複合材シートの貼り込み順序については、何ら限定するものではない。
このように、稜線部または谷部に、第二の複合材シートよりも幅の狭い第一の幅を有した第一の複合材シートを貼り込むことで、稜線部または谷部の側方において、第二の複合材シートに切れ目を入れる必要がない。
さらに、第一の複合材シートは、構造材がその軸線方向において湾曲している部分にて、あらかじめ定められた長さに切断されたものを、軸線方向に複数枚連続して貼り込んでも良い。これにより、構造材が軸線方向において湾曲している部分において、その曲率に応じて第一の複合材シートの長さを調整することができる。

本発明は、強化繊維と樹脂とを含むシート状の複合材料を複数層に積層して形成された構造材であって、構造材は、その軸線方向において湾曲している部分を有し、断面凸状の稜線部または断面凹状の谷部に沿って、かつ軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向で、第一の幅を有した帯状の第一の複合材シートが貼り込まれるとともに、第一の複合材シートの繊維方向が軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向となるように第一の複合材シートは貼り込まれる。また、この構造材では、稜線部または谷部の側方に、第一の幅よりも大きな第二の幅を有した帯状の第二の複合材シートが貼り込まれており、第一の複合材シートの幅は、稜線部または谷部の湾曲面の周長程度であることを特徴とする。
第一の複合材シートは、当該構造材の軸線方向において湾曲している部分にて、定められた長さに切断されたものが、軸線方向に複数枚連続して貼り込まれていても良い。

本発明によれば、稜線部または谷部に、第二の複合材シートよりも幅の狭い第一の幅を有した第一の複合材シートを貼り込むことで、稜線部または谷部の両側において、第二の複合材シートに切れ目を入れる必要がなく、構造材の全体強度が落ちるのを抑えることができる。
また、第一の複合材シートは、構造材がその軸線方向において湾曲している部分にて、あらかじめ定められた長さに切断されたものを、軸線方向に複数枚連続して貼り込むようにした場合は、その長さを調整することで、様々な曲率半径にも容易に対応することができる。
したがって、構造材を構成する複合材シートにシワが生じるのを抑えつつ、構造材の強度を十分に確保し、その製造を効率よく行うことが可能となる。

本実施の形態における複合材からなる構造材の製造方法を示す斜視図である。 本発明を適用できる構造材の他の例を示す断面図である。 従来の複合材からなる構造材の製造方法を示す斜視図である。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
図１は、本実施の形態における航空機の翼に備えられるスパー（構造材）１０について説明するための図である。
この図１（ａ）に示すように、航空機の翼の構造材として用いられるスパー１０は、ウェブ１１と、ウェブ１１の両端から、ウェブ１１に対してほぼ直交するように延びるフランジ１２、１２とが、その軸線方向に直交する断面がコ字状となるよう形成されたものである。
このようなスパー１０は、炭素繊維やガラス繊維と、樹脂とからなる複合材料により形成されている。本実施形態においては、予め、炭素繊維やガラス繊維に樹脂が含浸されてシート状とされたプリプレグシート２０を用いる。
このようなプリプレグシート２０によりスパー１０を形成する場合、プリプレグシート２０を複数層にわたって積層する。このとき、各層においては、炭素繊維やガラス繊維の繊維方向が予め定めた角度となるよう、所定幅を有した帯状のプリプレグシート２０を貼っていく。互いに上下に積層されるプリプレグシート２０においては、その繊維方向が互いに異なるよう、貼り付け方向を、スパー１０の軸線方向を０°としたとき、例えば０°、４５°、９０°というようにして順次積層していく。これによって、スパー１０の多方向に対する強度を向上させている。

さて、このようにしてスパー１０を形成するに際し、本実施形態においては、スパー１０が、その軸線方向において湾曲している場合、スパー１０の軸線方向に沿った方向にプリプレグシート２０を貼るときには、ウェブ１１とフランジ１２との境界部分である稜線部Ｃには、幅の狭い狭幅プリプレグシート（第一の複合材シート）２０Ｎを貼り付ける。そして、稜線部Ｃの両側のウェブ１１およびフランジ１２の表面においては、狭幅プリプレグシート２０Ｎに対して幅の広い広幅プリプレグシート（第二の複合材シート）２０Ｗを貼り付ける。
ここで、広幅プリプレグシート２０Ｗの幅は、例えば6インチ（150mm）、12インチ（300mm）、24インチ（600mm）等とし、これらを並べて貼り付けることができる。もちろん、スパー１０が小さい場合、広幅プリプレグシート２０Ｗとして、一枚のみを貼り付けることもできる。

一方、狭幅プリプレグシート２０Ｎの幅は、図１（ｂ）に示す稜線部Ｃの湾曲面の周長（湾曲部分の弧の長さ）Ｌ程度、あるいはそれより若干広めとし、広幅プリプレグシート２０Ｗが稜線部Ｃの湾曲部分にかからないようにするのが好ましい。
狭幅プリプレグシート２０Ｎの幅は、例えば、５〜２０ｍｍ、より具体的には、例えば１０ｍｍとすることができる。狭幅プリプレグシート２０Ｎの幅は小さいほど、その両側にシワが生じにくい。しかし、狭幅プリプレグシート２０Ｎの幅を小さくしすぎると、稜線部Ｃに複数本の狭幅プリプレグシート２０Ｎを横に並べて貼り込む必要があり、手間がかかってしまう。

また、狭幅プリプレグシート２０Ｎは、その長さ方向において、あらかじめ定められた所定長さごとに切断しても良い。そのような場合、稜線部Ｃにおいては、この稜線部Ｃが連続する方向に、複数の狭幅プリプレグシート２０Ｎが、前後方向に互いに重なり合わないよう貼り付ける。
狭幅プリプレグシート２０Ｎが切断される場合、その長さは、スパー１０の軸線方向における湾曲部分の曲率半径に応じて設定される。すなわち、湾曲部分の曲率半径が大きければ、狭幅プリプレグシート２０Ｎの長さは長く設定され、湾曲部分の曲率半径が小さければ、狭幅プリプレグシート２０Ｎの長さは短く設定される。このようにして、様々な曲率半径にも容易に対応することができる。

上記のように、稜線部Ｃに沿って狭幅プリプレグシート２０Ｎを貼り、他の部分に広幅プリプレグシート２０Ｗを貼るのは、基本的にスパー１０の軸線方向に対して０°方向にプリプレグシート２０を貼り込む場合であるが、スパー１０の軸線方向に対し、プリプレグシート２０を貼り込む方向が、概ね１０°前後の場合にも有効である。

上記のようにして、スパー１０の軸線方向に対して０°方向に、稜線部Ｃに沿って狭幅プリプレグシート２０Ｎを貼るとともに、他の部分に広幅プリプレグシート２０Ｗを貼った後は、スパー１０の軸線方向に対して、前記とは異なる所定の角度方向、例えば４５°、９０°、−４５°といった具合に、広幅プリプレグシート２０Ｗのみを貼っていく。このときは、広幅プリプレグシート２０Ｗは、稜線部Ｃに沿ってではなく、稜線部Ｃを乗り越えるように貼り付けられるため、スパー１０の軸線方向に対して０°方向にプリプレグシート２０を貼り付ける場合に比較して、シワが生じにくい。
なお、スパー１０の軸線方向に対する０°以外の所定の角度方向に貼り付けるプリプレグシート２０については、稜線部Ｃの近傍に切れ込みを入れる必要が無い。

上記したようにして、プリプレグシート２０を所定の層数だけ積層していき、しかるのち、積層したプリプレグシート２０をフィルムで覆ってフィルム内を真空引きし、図示しないヒータによりフィルム内を所定の温度プロファイルで加圧しながら加熱することにより、スパー１０が形成される。

上述したように、稜線部Ｃに沿って狭幅プリプレグシート２０Ｎを貼り、他の部分に広幅プリプレグシート２０Ｗを貼ることで、稜線部Ｃの両側の部分においては、切れ目のない広幅プリプレグシート２０Ｗを貼り込むことができるので、スパー１０の全体強度が落ちるのを抑えることができる。
また、狭幅プリプレグシート２０Ｎは、スパー１０が湾曲する部分において、その軸線方向に複数に分割して貼り込んでも良い。スパー１０の軸線方向における湾曲部分の曲率半径に応じて狭幅プリプレグシート２０Ｎの長さを調整することで、様々な曲率半径にも容易に対応することができる。事前に、様々な曲率半径に応じた適切な狭幅プリプレグシート２０Ｎの長さを設定しておけば、機械を用いてプリプレグシート２０（狭幅プリプレグシート２０Ｎ、広幅プリプレグシート２０Ｗ）を自動的に貼り込むことも容易に可能である。
したがって、プリプレグシート２０にシワが生じるのを抑えつつ、スパー１０の強度を十分に確保し、その製造を効率よく行うことが可能となる。
なお、狭幅プリプレグシート２０Ｎを長さ方向に切断する場合、複数層に積層した際に、狭幅プリプレグシート２０Ｎの切断位置が厚さ方向に並んでしまうことによって強度低下が問題になる可能性もある。そのような場合は、複数層に積層する各層で、切断位置を少しずつずらすことも、強度低下を抑えるのに有効である。

なお、上記実施の形態では、断面コ字状のスパー１０において、凸状の稜線部４に沿ってプリプレグシート２０を貼り込む場合を例に挙げたが、これに限らず、断面凹状となる湾曲部（谷部）に本発明を適用することもできる。例えば、図２（ａ）に示すように、ウェブ３１の一端部に、ウェブ３１に直交するフランジ３２が設けられた断面Ｌ型の構造材３０Ａ、図２（ｂ）に示すように、ウェブ３１の両端部に、ウェブ３１に直交するフランジ３２、３２が設けられた断面Ｉ型の構造材３０Ｂ、その他断面Ｔ型等の構造材（図示無し）においても、ウェブ３１とフランジ３２との間における稜線部Ｃや谷部Ｓにおいても、稜線部Ｃや谷部Ｓが、その連続する方向に湾曲している場合には本発明を適用できる。すなわち、上記実施形態のように、図１の場合と同様にして、稜線部Ｃや谷部Ｓに沿った部分に、狭幅プリプレグシート２０Ｎを貼り付け、稜線部Ｃや谷部Ｓの両側には、広幅プリプレグシート２０Ｗを貼り付けるようにする。このようにして、稜線部Ｃや谷部Ｓの両側でシワが生じるのを抑え、上記実施形態と同様の効果を奏することができる。これ以外にも、他の断面形状に対しても同様に本発明を適用することができる。
また、本発明を適用する対象は、航空機の翼の構造材に限られるものではなく、他の様々な目的の構造材に対して同様に適用できることはいうまでもない。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

１０…スパー（構造材）、１１…ウェブ、１２…フランジ、２０…プリプレグシート、２０Ｎ…狭幅プリプレグシート（第一の複合材シート）、２０Ｗ…広幅プリプレグシート（第二の複合材シート）、３０Ａ…構造材、３０Ｂ…構造材、３１…ウェブ、３２…フランジ、Ｃ…稜線部、Ｓ…谷部

Claims (16)

1. 強化繊維と樹脂とを含むシート状の複合材料を用いた構造材の製造方法であって、
   前記構造材は、その軸線方向において湾曲している部分を有し、
   前記構造材において断面凸状の稜線部または断面凹状の谷部に沿って、かつ前記軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向で、第一の幅を有した帯状の第一の複合材シートを貼り込むとともに、前記第一の複合材シートの繊維方向が前記軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向となるように前記第一の複合材シートは貼り込まれ、
   前記稜線部または前記谷部の側方に、前記第一の幅よりも大きな第二の幅を有した帯状の第二の複合材シートを、前記第一の複合材シートとほぼ平行に貼り込むとともに、
   前記第一の複合材シートの幅は、前記稜線部または前記谷部の湾曲面の周長程度であることを特徴とする構造材の製造方法。
2. 前記第一の複合材シートは、前記構造材が、当該構造材の前記軸線方向において湾曲している部分にて、あらかじめ定められた長さに切断されたものを、前記軸線方向に複数枚連続して貼り込むことを特徴とする請求項１に記載の構造材の製造方法。
3. 前記第二の複合材シートを、前記第一の角度方向で貼り込むことを特徴とする請求項１または２に記載の構造材の製造方法。
4. 前記第二の複合材シートを前記第一の複合材シートとほぼ平行にかつ前記第一の角度方向で貼り込んだ後に、前記第一の角度方向とは異なる所定の角度方向で追加の前記第二の複合材シートをさらに貼り込むことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の構造材の製造方法。
5. 前記第一の角度方向が、前記軸線方向に対して０°〜１０°の方向であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の構造材の製造方法。
6. 前記第一の複合材シートおよび前記第二の複合材シートは、プリプレグシートであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の構造材の製造方法。
7. 前記構造材は、航空機に用いられることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の構造材の製造方法。
8. 強化繊維と樹脂とを含むシート状の複合材料を複数層に積層して形成された構造材であって、
   前記構造材は、その軸線方向において湾曲している部分を有し、
   前記構造材の断面凸状の稜線部または断面凹状の谷部に沿って、かつ前記軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向で、第一の幅を有した帯状の第一の複合材シートが貼り込まれるとともに、前記第一の複合材シートの繊維方向が前記軸線方向にほぼ沿う第一の角度方向となるように前記第一の複合材シートは貼り込まれ、
   前記稜線部または前記谷部の側方に、前記第一の幅よりも大きな第二の幅を有した帯状の第二の複合材シートが貼り込まれており、
   前記第一の複合材シートの幅は、前記稜線部または前記谷部の湾曲面の周長程度であることを特徴とする構造材。
9. 前記第一の複合材シートは、当該構造材の前記軸線方向において湾曲している部分にて、定められた長さに切断されたものが、前記軸線方向に複数枚連続して貼り込まれていることを特徴とする請求項８に記載の構造材。
10. 前記第二の複合材シートは、前記第一の角度方向で貼り込まれていることを特徴とする請求項８または９に記載の構造材。
11. 前記構造材は、
    前記第一の角度方向で貼り込まれた前記第二の複合材シートと、
    前記第一の角度方向とは異なる所定の角度方向で貼り込まれた追加の前記第二の複合材シートとを有することを特徴とする請求項８から１０のいずれか１項に記載の構造材。
12. 前記第一の角度方向が、前記軸線方向に対して０°〜１０°の方向であることを特徴とする請求項８から１１のいずれか１項に記載の構造材。
13. 前記第一の複合材シートおよび前記第二の複合材シートは、プリプレグシートであることを特徴とする請求項８から１２のいずれか１項に記載の構造材。
14. 前記構造材は、前記軸線方向に直交する断面が略コ字状であることを特徴とする請求項８から１３のいずれか１項に記載の構造材。
15. 前記構造材は、航空機に用いられることを特徴とする請求項８から１４のいずれか１項に記載の構造材。
16. 前記構造材は、スパーであることを特徴とする請求項８から１５のいずれか１項に記載の構造材。

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