JP6204092B2 - 補強構造体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、補強構造体の製造方法に関する。

航空機の主翼部材などには、スキン（外板）として、繊維成分と樹脂成分とが組み合わされた繊維強化複合材料（例えば、炭素繊維強化プラスチック；ＣＦＲＰ）が用いられる場合がある。スキンには、強度を高める為、ストリンガー（縦貫材）が取り付けられる場合がある。ストリンガーが取り付けられたスキンは、以下、補強構造体と称される。ストリンガーとしても、スキンと同様に、繊維強化複合材料が用いられる場合がある。

補強構造体の製造時には、硬化済みのストリンガーが、未硬化のスキン上に接着剤を介して配置させられる。次いで、熱及び圧力などにより、スキンが硬化させられ、ストリンガーがスキンに一体に接合させられる。

ここで、硬化済みのストリンガーは、寸法の調整などのため、スキン上に配置される前に加工される場合がある。加工が行われた場合、加工面において、繊維成分が露出する。すなわち、ストリンガーの一部に、繊維露出面が形成される。補強構造体には、運用時に、電流又は電圧が加えられる場合がある。例えば、航空機の主翼部材として用いられる場合、雷などにより、雷電流又は高電圧が付加される場合がある。これにより、繊維露出面においてエッジグローが生じる場合がある。

エッジグローを防止するための技術が、特許文献１（米国特許公開公報ＵＳ２００８／０１２８４３０）に開示されている。特許文献１には、繊維露出面に熱硬化性樹脂を有するエッジシールを適用する点、適用したエッジシールを硬化させる点、及びエッジシールが炭素繊維を含む点などが開示されている。

米国特許公開公報ＵＳ２００８／０１２８４３０

特許文献１に記載されるように、繊維露出面をエッジシールによりシールする場合、熱硬化性樹脂層を硬化させる工程が必要となる。そのため、製造工程が増加してしまう。

一方、ストリンガーをスキンに接着し、スキンを硬化させた後に、繊維露出面にゴム材などのシール材を適用することも考えられる。しかし、この場合においても、シール材を適用するために製造工程が増加する。また、部品点数も増加してしまう。

そこで、本発明の課題は、製造工程を増加させることなく、エッジグローを防止することができる、補強構造体の製造方法を提供することにある。

本発明の一実施形態に係る補強構造体の製造方法は、繊維露出面を有するストリンガーを準備する工程と、繊維露出面の少なくとも一部を覆うように、導電性保護材を配置する工程と、未硬化の樹脂成分を有するスキン上に、ストリンガーを配置する工程と、ストリンガーを配置する工程の後に、前記スキンを硬化させる工程とを備える。導電性保護材は、樹脂成分と導電性の繊維成分とが組み合わされた複合材料を有している。スキンを硬化させる工程は、スキンと導電性保護材とを同時に硬化させる工程を含んでいる。

本発明によれば、製造工程を増加させることなく、エッジグローを防止することができる、補強構造体の製造方法が提供される。

図１は、第１の実施形態に係る補強構造体が適用された主翼部材を示す概略断面図である。 図２は、補強構造体を示す概略断面図である。 図３は、補強構造体の製造方法を示すフローチャートである。 図４は、製造過程における補強構造体を示す概略断面図である。 図５は、製造過程における補強構造体を示す概略断面図である。 図６は、製造過程における補強構造体を示す概略断面図である。 図７は、製造過程における補強構造体を示す概略断面図である。 図８は、製造過程における補強構造体を示す概略断面図である。

（第１の実施形態）
以下、図面を参照しつつ、実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る補強構造体１が適用された主翼部材２０を示す概略断面図である。図１に示されるように、主翼部材２０は、一対のスキン２（２−１、２−２）、及びスパー１６を有している。スパー１６は、スキン２−１とスキン２−２との間に配置されている。スキン２−１、スキン２−２、及びスパー１６により囲まれた領域により、燃料タンク１５が形成されている。また、スキン２には、ストリンガー３が接合されており、これによって補強構造体１が構成されている。すなわち、補強構造体１は、スキン２及びストリンガー３を含んでいる。

スキン２及びストリンガー３としては、それぞれ、繊維強化複合材が用いられる。本実施形態では、繊維強化複合材として、繊維成分と熱硬化性の樹脂成分とが組み合わされた材料が用いられる。例えば、繊維強化複合材としては、炭素繊維強化プラスチック材が用いられる。

ここで、ストリンガー３に繊維露出面が存在していると、既述のようにエッジグローが生じる場合がある。繊維露出面が燃料タンク１５内に存在する場合、エッジグローにより、燃料に着火する可能性がある。従って、燃料タンク１５内に配置されるストリンガー３に対しては、エッジグローの防止が特に求められる。

図２は、補強構造体１を示す概略断面図である。上述のように、補強構造体１は、スキン２、及びストリンガー３を有している。

ストリンガー３は、板部分４を有している。板部分４は、接着面５及び端面６を有しており、接着面５においてスキン２に接合されている。端面６は、ストリンガー３の硬化後に加工された部分であり、繊維露出面となっている。

ストリンガー３には、端面６を覆うように、保護層８が設けられている。保護層８が設けられていることにより、繊維露出面において露出した繊維成分が保護される。これにより、エッジグロー放電が防止される。

続いて、本実施形態に係る補強構造体１の製造方法を説明する。図３は、補強構造体１の製造方法を示すフローチャートである。

ステップＳ１：ストリンガーの準備
まず、硬化済みのストリンガー３が準備される。ストリンガー３は、既述のように、繊維成分と樹脂成分とを含んでおり、繊維成分は樹脂成分に含浸されている。ストリンガー３の表面は樹脂成分に覆われている。硬化済みのストリンガー３は、寸法の調整などを目的として、加工される。本実施形態では、端面６が加工される。これにより、端面６が繊維露出面になる。

ステップＳ２；導電性保護材の配置
次いで、図４に示されるように、ストリンガー３に、導電性保護材９が適用（配置）される。導電性保護材９は、端面６の少なくとも一部を覆うように、貼り付けられる。

導電性保護材９としては、未硬化の熱硬化性樹脂成分１３と導電性の繊維成分１４とが組み合わされた複合材料が好適に用いられる。具体的には、本実施形態では、繊維成分１４として、炭素繊維成分が用いられる。すなわち、導電性保護材９として、未硬化の炭素繊維強化プラスチック材が用いられる。

図５は、端面６の構成を示す概略断面図である。本ステップでは、導電性保護材９は、導電性保護材９と接着面５とが離隔するように、端面６の一部にのみ貼り付けられる。言い換えれば、導電性保護材９は、端面６に被覆領域１２−１と露出領域１２−２とが形成されるように、貼り付けられる。被覆領域１２−１は、導電性保護材９によって被覆された領域である。一方、露出領域１２−２は、端面６が露出した領域である。露出領域１２−２は、被覆領域１２−１と接着面５との間に設けられる。

尚、露出領域１２−２は、後述する流れ出した接着剤１０により覆われるような領域に、設定される。

ステップＳ３；スキン上にストリンガーを配置
続いて、図６に示されるように、ストリンガー３が未硬化のスキン２上に配置される。具体的には、まず、接着面５に接着剤１０が適用される。その後、接着面５がスキン２に接着するように、ストリンガー３がスキン２上に配置させられる。

尚、接着剤１０としては、熱硬化性樹脂シートが好適に用いられる。

ステップＳ４；硬化
次いで、スキン２及び導電性保護材９が同時に硬化させられる。すなわち、スキン２及び導電性保護材９のそれぞれの樹脂成分が、同時に硬化させられる。スキン２及び導電性保護材９は、例えば、熱及び圧力により、硬化させられる。この際、接着剤１０も硬化させられる。これにより、ストリンガー３がスキン２に一体に結合し、補強構造体１が得られる。

硬化時には、接着剤１０が、板部分４の端部から流れ出す。その結果、図７に示されるように、流れ出た接着剤１０により、端面６における露出領域１２−２が覆われる。すなわち、導電性保護材９及び接着剤１０により端面６が覆われ、保護層８が形成される。接着剤１０の流れ出しは、通常であれば、後工程における作業の障害となりうるが、本実施形態では、その流れ出しが逆に利用される。

以上説明した方法により、本実施形態に係る補強構造体１が得られる。この補強構造体１では、繊維露出面（端面６）における被覆領域１２−１が、導電性保護材９により、保護されている。そのため、補強構造体１に電気エネルギーが付与された場合であっても、スパークする前に、電気エネルギーが導電性保護材９に逃がされる。また、露出領域１２−２は、接着剤１０により絶縁されている。従って、エッジグローが防止される。

また、本実施形態によれば、導電性保護材９の硬化と、スキン２の硬化とが、同一工程で行われる。導電性保護材９を硬化させる為の工程を新たに追加することなく、繊維露出面（端面６）をシールすることが可能となる。すなわち、製造工程を増加させることなく、エッジグローを防止することができる補強構造体が得られる。

また、本実施形態によれば、ステップＳ２において、導電性保護材９と接着面５とが離隔するように、端面６の一部にのみ導電性保護材９が貼り付けられる。これにより、導電性保護材９に含まれる繊維成分が、接着面５とスキン２との間に混入することが防止される。導電性保護材９の種類によっては、繊維成分の混入により、補強構造体１の強度が低下することがある。これに対し、本実施形態によれば、繊維成分の混入が防止されるので、補強構造体１の強度の低下が防止される。

尚、本実施形態では、導電性保護材９として、炭素繊維強化プラスチック材が用いられる場合について説明した。炭素繊維強化プラスチック材は、高い強度を有している。従って、仮に繊維成分である炭素繊維が接着面５とスキン２との間に混入した場合であっても、補強構造体１の強度は低下しない。この観点から、導電性保護材９としては、炭素繊維強化プラスチック材が好ましく用いられる。

但し、導電性保護材９としては、必ずしも炭素繊維強化プラスチック材が用いられる必要はなく、熱硬化性の樹脂成分１３と導電性の繊維成分１４とが組み合わされた複合材料であれば、他の材料を用いることも可能である。特に、繊維露出面を絶縁性の材料で被覆する場合と比較すると、本実施形態では、導電性保護材９が用いられるため、材料の選択肢を広げることが可能である。

また、本実施形態において、「導電性の繊維成分１４」には、半導体も含まれる。例えば、導電性保護材９に含まれる繊維成分1４としては、炭素繊維の他に、半導体であるＳｉＣ繊維などを用いることも可能である。

尚、本実施形態では、主翼部材２０の燃料タンク１５に適用される補強構造体１について説明した。但し、補強構造体１は、必ずしも燃料タンク１５に用いられるものである必要はなく、エッジグローを防止する必要があれば、他の用途にも好適に用いることができる。

また、スキン２に含まれる樹脂成分、ストリンガー３に含まれる樹脂成分、導電性保護材９に含まれる樹脂成分１３、及び接着剤１０は、同一成分であることが好ましい。これらの成分が同一であることにより、各部分の物理的性質が近くなり、補強構造体１全体の強度を高めることができる。これらの樹脂成分としては、例えば、エポキシ系樹脂、及びアクリル系樹脂などを用いることが可能である。

また、本実施形態では、導電性保護材９がストリンガー３に適用された後に（ステップＳ２の後に）、ストリンガー３がスキン２上に配置される。但し、導電性保護材９は、ストリンガー３がスキン２上に配置された後に、ストリンガー３に適用されてもよい。この場合であっても、スキン２と導電性保護材９とを同一工程で硬化させることが可能である。

（第２の実施形態）
続いて、第２の実施形態について説明する。本実施形態では、第１の実施形態と比較し、導電性保護材９の適用位置が変更されている。その他の点については、第１の実施形態と同様の構成を採用することができるので、詳細な説明は省略する。

本実施形態では、ステップＳ2において、図８に示されるように、導電性保護材９が、端面６の全体を覆うように適用される。すなわち、導電性保護材９は、接着面５の一部にも適用される。その後、接着面５に接着剤１０が適用され、スキン２上にストリンガー３が配置される（ステップＳ３）。その後、スキン２及び導電性保護材９が硬化させられる（ステップＳ４）。

本実施形態によれば、繊維露出面（端面６）が導電性保護材９により完全に覆われるため、より確実にエッジグローを防止することが可能になる。

尚、本実施形態では、スキン２と板部分４との間の一部に、導電性保護材９が混入することになる。スキン２と板部分４との間に、ガラス繊維などの絶縁材料が混入した場合には、補強構造体１の強度が低下する場合がある。しかしながら、導電性保護材９として、炭素繊維強化プラスチック材などの高強度材料を用いれば、スキン２と板部分４との間に導電性保護材９が混入したとしても、補強構造体１の強度は低下しない。

以上、本発明について、第１乃至第３の実施形態を用いて説明した。尚、これらの実施形態は互いに独立するものではなく、矛盾のない範囲内で組み合わせて用いることも可能である。

１ 補強構造体
２（２−１、２−２） スキン
３ ストリンガー
４ 板部分
５ 接着面
６ 端面
７ シール部材
８ 保護層
９ 導電性保護材
１０ 接着剤
１２−１ 被覆領域
１２−２ 露出領域
１３ 樹脂成分
１４ 繊維成分
１５ 燃料タンク
１６ スパー
２０ 主翼部材

Claims (5)

1. 板部分を有し、複合材で形成された硬化されたストリンガーを準備する工程と、ここで、前記板部分は、スキンに接着される接着面と、前記ストリンガーの長手方向に沿って延びる側端面としての繊維露出面とを有し、前記繊維露出面は、前記接着面と交差する面を持つように形成され、
   前記接着面から離れた側の前記繊維露出面の一部を覆うように、導電性保護材を配置する工程と、前記導電性保護材は、樹脂成分と導電性繊維成分を有する複合材を備え、
   前記導電性保護材から離れるように、前記ストリンガーの前記板部分の前記接着面に接着剤を塗布する工程と、
   未硬化の樹脂成分を有する前記スキン上に、前記ストリンガーを前記接着剤で接着する工程と、
   前記ストリンガーが接着された前記スキンと、前記導電性保護材と、前記接着剤とを同時に硬化させて前記導電性保護材と前記接着剤で前記繊維露出面を覆う工程と
   を具備する
   補強構造体の製造方法。
2. 請求項１に記載された補強構造体の製造方法であって、
   前記繊維成分は、炭素繊維を含んでいる
   補強構造体の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載された補強構造体の製造方法であって、
   前記ストリンガーを準備する工程は、
   硬化済みの炭素繊維強化プラスチック材を準備する工程と、
   前記硬化済みの炭素繊維強化プラスチック材の一部を加工することにより、前記ストリンガーを得る工程と
   を含んでいる
   補強構造体の製造方法。
4. 請求項１乃至３のいずれか一項に記載された補強構造体の製造方法であって、
   前記スキンは、炭素繊維強化プラスチック材を含んでいる
   補強構造体の製造方法。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載された補強構造体の製造方法であって、
   前記スキンを硬化させる工程は、熱及び圧力により、前記スキン及び前記導電性保護材を硬化させる工程を含んでいる
   補強構造体の製造方法。

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