JP7018855B2

JP7018855B2 - 修理パッチ、修理パッチの成形方法及び複合材の修理方法

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Publication number: JP7018855B2
Application number: JP2018169850A
Authority: JP
Inventors: 耕大下野; 剛一長谷川; 琢磨平井
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2018-09-11
Filing date: 2018-09-11
Publication date: 2022-02-14
Anticipated expiration: 2038-09-11
Also published as: EP3831585A4; US11396141B2; EP3831585A1; US20210252805A1; WO2020054220A1; JP2020040303A

Description

本発明は、複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理パッチ、修理パッチの成形方法、複合材の修理方法及び成形治具に関するものである。

従来、複合材の修理対象となる損傷部等の被修理部を修理する修理方法として、複合材の裏面側から表面側に向けて拡径する錐台状の範囲を除去し、除去により形成される凹部に、修理材を接着する複合材の修理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許第６１２４５６１号公報

ここで、凹部等の座ぐり穴に接着する修理材としては、例えば、特許文献１のような修理パッチがある。この修理パッチは、円錐台形状となっており、底面、頂面及び傾斜面を有するものとなっている。円錐台形状となる修理パッチは、直径の異なる円形状の強化繊維基材を同心状に積層することで成形される。

しかしながら、強化繊維基材を積層して修理パッチを形成する場合、各層の強化繊維基材の端部に繊維蛇行（リンクル）が生じてしまう問題があった。このような修理パッチを用いて被修理部を修理すると、損傷前の強度に比して被修理部の強度を十分に回復することが困難となる。

そこで、本発明は、繊維蛇行の発生が抑制された、適切な形状に成形される修理パッチ、修理パッチの成形方法及び複合材の修理方法を提供することを課題とする。

本発明の修理パッチは、複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理パッチにおいて、強化繊維基材を厚さ方向に複数積層して形成され、前記被修理部に接着される接着面を有するパッチ本体と、前記接着面に設けられ、前記パッチ本体からはく離可能な除去層と、を備え、前記接着面は、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記除去層は、前記パッチ本体の前記傾斜面と相補的な形状にするための被加工部を有することを特徴とする。

この構成によれば、パッチ本体の傾斜面を構成する複数の強化繊維基材の端部を、傾斜面と相補的な形状となる除去層によって押さえ込むことができるため、強化繊維基材の端部における繊維蛇行の発生を抑制することができる。このため、パッチ本体の形状を適切な形状にすることができる。また、除去層により、パッチ本体の接着面を保護することができる。

また、前記被加工部は、前記傾斜面における複数の前記強化繊維基材の端部に対して、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対向する位置に形成されるスリットであることが、好ましい。

この構成によれば、除去層にスリットを形成することで、強化繊維基材の端部を除去層によって適切に押さえ込むことができる。

また、前記被加工部は、前記傾斜面における複数の前記強化繊維基材の端部に対して、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対向する位置に貫通形成される複数の貫通孔であることが、好ましい。

この構成によれば、除去層に複数の貫通孔を形成することで、強化繊維基材の端部を除去層によって適切に押さえ込むことができる。

また、前記除去層は、ピールプライであることが、好ましい。

この構成によれば、ピールプライを引きはがすことで、パッチ本体の接着面を活性化させることができるため、被修理部への接着性を高めることができる。

本発明の修理パッチの成形方法は、複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理パッチの成形方法において、前記被修理部に接着される接着面が上面となるように、強化繊維基材を厚さ方向に複数積層して積層体を形成する積層体形成工程と、前記積層体からはく離可能な除去層を、前記積層体の前記接着面を覆って配置する除去層配置工程と、前記積層体と前記除去層とが一体となるように加熱して成形する成形工程と、を備え、前記接着面は、前記積層体の前記厚さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記除去層には、前記積層体の前記傾斜面と相補的な形状にするための被加工部が施され、前記成形工程では、前記被加工部により前記除去層が前記積層体の前記傾斜面の形状に倣って変形することを特徴とする。

この構成によれば、積層体の傾斜面を構成する複数の強化繊維基材の端部を、傾斜面と相補的な形状となるように変形する除去層によって押さえ込むことができるため、強化繊維基材の端部における繊維蛇行の発生を抑制することができる。このため、適切な形状となる修理パッチを成形することができる。

また、前記成形工程では、前記除去層の変形に追従する被覆部材を、前記除去層を覆って配置して、前記積層体及び前記除去層を成形することが、好ましい。

この構成によれば、除去層の変形を阻害することなく、除去層を適切に変形させることができる。なお、被覆部材は、追従性のよいバッグフィルムであってもよいし、バッグフィルムと除去層との間に設けるフィルム接着剤であってもよく、特に限定されない。

本発明の複合材の修理方法は、複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理方法において、上記の修理パッチが予め用意されており、前記パッチ本体から前記除去層をはく離するはく離工程と、前記被修理部の被接着面に接着剤を配置する接着剤配置工程と、前記接着剤を介して、前記パッチ本体の前記接着面を前記被接着面に対向させて配置するパッチ配置工程と、前記被修理部に前記パッチ本体を接着させる接着工程と、を備えることを特徴とする。

この構成によれば、除去層をパッチ本体からはく離することで、保護されたパッチ本体の接着面を露出させ、パッチ本体を被修理部に接着させることができる。このため、接着面に異物が付着することを抑制しつつ、適切な形状となるパッチ本体を被修理部に接着させることができることから、被修理部の補修を好適に行うことができる。

図１は、実施形態１に係る修理パッチの一例を模式的に示す断面図である。図２は、修理パッチの除去層を示す平面図である。図３は、実施形態１に係る修理パッチの成形方法に関する説明図である。図４は、実施形態１に係る修理パッチを用いた複合材の修理方法に関する説明図である。図５は、実施形態１に係る修理パッチにより補修した被修理部の修理結果に関するグラフである。図６は、実施形態２に係る修理パッチの除去層を示す平面図である。

以下に、本発明に係る実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成要素は適宜組み合わせることが可能であり、また、実施形態が複数ある場合には、各実施形態を組み合わせることも可能である。

［実施形態１］
本実施形態に係る修理パッチ１０は、複合材を修理する際に用いられる補修材である。この修理パッチ１０を用いた複合材の修理方法は、複合材に形成された損傷等による欠損部を修理対象としており、この修理対象となる被修理部を修理する方法となっている。

図１は、実施形態１に係る修理パッチの一例を模式的に示す断面図である。図２は、修理パッチの除去層を示す平面図である。図３は、実施形態１に係る修理パッチの成形方法に関する説明図である。実施形態１に係る修理パッチを用いた複合材の修理方法に関する説明図である。図５は、実施形態１に係る修理パッチにより補修した被修理部の修理結果に関するグラフである。

先ずは、図１を参照して、修理パッチ１０について説明する。修理パッチ１０は、複合材を用いて構成されており、パッチ本体１１と、除去層１２と、を備えている。

パッチ本体１１は、底面１５、頂面１４及び側面（傾斜面）１３を有する円錐台形状となっている。このパッチ本体１１は、頂面１４及び側面１３が、被修理部に接着される接着面１８となっており、底面１５が、接着面１８の反対側の面となっている。

このパッチ本体１１は、強化繊維基材としてのプリプレグＰを、厚さ方向に複数積層して仮硬化（プリキュア）させたものである。なお、厚さ方向に直交する面に沿った方向を面内方向とする。プリプレグは、強化繊維に樹脂を含浸させたものである。強化繊維としては、例えば、炭素繊維が用いられるが、炭素繊維に限定されず、その他のプラスチック繊維、ガラス繊維、天然繊維又は金属繊維でもよい。樹脂としては、熱硬化性樹脂が好ましいが、熱可塑性樹脂でもよい。熱硬化性樹脂としては、例えば、エポキシ樹脂である。熱可塑性樹脂としては、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、及びポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）等である。なお、樹脂は、これらに限定されず、その他の樹脂を用いてもよい。また、プリプレグを用いた成形以外にもハンドレイアップ、レジンインフュージョン、ＲＴＭ等の方法を適用してもよい。

具体的に、パッチ本体１１は、円形状に裁断されたプリプレグＰを複数用いており、複数のプリプレグＰは、その直径が一定の割合で大きくなるように円形に裁断される。そのプリプレグＰをサイズの順に中心軸を合わせて同心円状に積層することで、円錐台形状のパッチ本体１１としている。このため、円形状となるパッチ本体１１の径方向において、厚さ方向に隣接するプリプレグＰの外側端部同士の間隔は、同心円状となる所定の間隔となっている。

接着面１８は、頂面１４と側面１３とを有している。接着面１８は、円錐台形状となるパッチ本体１１の中心軸に沿ってパッチ本体１１の厚さ方向に切った図１に示す断面において、頂面１４を挟んだ面内方向の両側に側面１３が位置している。各側面１３は、厚さ方向に対して、直線状に傾斜した面となっている。つまり、図１に示す断面において、両側の側面１３は、厚さ方向に対して、除去層１２からパッチ本体１１に向かって広がるように傾斜している。底面１５は、面内方向に延在する面となっており、補修後の被修理部５の表面となる面となっている。

図２に示すように、除去層１２は、厚さ方向において、パッチ本体１１の接着面１８側に設けられ、パッチ本体１１からはく離可能に接合されている。除去層１２は、例えば、ピールプライを用いて構成されている。また、除去層１２には、パッチ本体１１の側面１３と相補的な形状にするための被加工部が形成されている。具体的に、被加工部は、複数のスリット１７である。

複数のスリット１７は、複数のプリプレグＰの外側端部のそれぞれに対して、厚さ方向に対向する位置に形成されている。このため、スリット１７は、円形状に形成されると共に、複数のスリット１７は、径方向に所定の間隔を空けて、同心円状に形成されている。また、スリット１７は、除去層１２のはく離時において分離しないように、円周方向の一部がつながるＣ字状に形成されている。

除去層１２には、複数のスリット１７が形成されていることから、図１に示すように、除去層１２は、パッチ本体１１の側面１３における階段状のプリプレグＰの外側端部と相補的な形状となる階段状となっている。

次に、図３を参照して、図１の修理パッチ１０を成形する修理パッチ１０の成形方法について説明する。この修理パッチ１０の成形方法では、成形型２０を用いて、修理パッチ１０を成形している。なお、図３では、修理パッチ１０の一部を図示している。

具体的に、修理パッチ１０の成形方法では、成形型２０に、プリプレグＰを厚さ方向に複数積層して積層体１６を形成する（ステップＳ１１：積層体形成工程）。積層体形成工程Ｓ１１では、成形型２０に対して、径の大きい円形状のプリプレグＰを積層し、上方側に向かうにつれて、小さい径となる円形状のプリプレグＰを積層していく。また、積層体形成工程Ｓ１１では、プリプレグＰを所定数だけ積層するごとに真空吸引を行っている。つまり、プリプレグＰを積層すると、積層されるプリプレグＰの層間に空隙が形成される可能性があるため、定期的に真空吸引を行うことで、プリプレグＰの層間に形成される空隙を除去する。成形型２０上に形成された積層体１６は、接着面１８が上面となる。

続いて、成形型２０上に形成された積層体１６の接着面１８を覆うように、除去層１２を配置する（ステップＳ１２：除去層配置工程）。除去層配置工程Ｓ１２では、除去層１２のスリット１７が、積層体１６の各プリプレグＰの外側端部と対向するように、積層体１６に除去層１２が配置される。

次に、積層体１６と除去層１２とが一体となるように加熱して、修理パッチ１０を成形する（ステップＳ１３：成形工程）。成形工程Ｓ１３では、先ず、除去層１２を覆うように、フィルム接着剤１９を配置する。フィルム接着剤１９は、成形時において、除去層１２の変形に追従する被覆部材となっており、除去層１２の変形を許容している。フィルム接着剤１９は、例えば、加熱されることで溶融する熱硬化性樹脂であり、少なくとも一部がプリプレグＰに含浸して熱硬化する。続いて、成形工程Ｓ１３では、フィルム接着剤１９を覆うように、ＦＥＰ等のフッ素樹脂を用いたシールドフィルム２５を配置する。シールドフィルム２５は、成形時において溶融する樹脂が、後述するブリーザー２６へ流入することを抑制している。

また、成形工程Ｓ１３では、シールドフィルム２５を覆うように、ブリーザー２６を配置する。ブリーザー２６は、真空吸引時における空気の流路を形成する。そして、成形工程Ｓ１３では、ブリーザー２６を覆うように、バッグフィルム２７を配置すると共に、成形型２０とバッグフィルム２７との間を封止部材２１により封止して、バッグフィルム２７の内部に密閉空間を形成する。

成形工程Ｓ１３では、図示しない真空吸引ポートを介してバッグフィルム２７の内部に形成された密閉空間を真空吸引することで、バッグフィルム２７の内部を真空状態とする。そして、成形工程Ｓ１３では、真空状態で、積層体１６、除去層１２及びフィルム接着剤１９を加熱することで、仮硬化となる修理パッチ１０を成形する。

この成形工程Ｓ１３では、除去層１２にスリット１７が形成されていることから、バッグフィルム２７の内部が真空吸引されることで、スリット１７同士の間の除去層１２が、積層体１６のプリプレグＰの外側端部を、厚さ方向に押圧し、この状態で、積層体１６及び除去層１２が熱硬化される。このため、成形工程Ｓ１３では、スリット１７により除去層１２が、階段形状となる積層体１６の側面１３に倣って変形する。

次に、図４を参照して、上記の修理パッチ１０を用いて被修理部を有する複合材の修理方法について説明する。

複合材の修理方法では、上記の修理パッチ１０と、接着剤としての樹脂シート２８が用いられる。樹脂シート２８は、樹脂をシート状に形成したものであり、修理パッチ１０に用いられる樹脂と接着可能な材料となっている。なお、樹脂シート２８は、修理パッチ１０に用いられる樹脂と同じものであってもよいし、異なるものであってもよく、特に限定されない。また、修理パッチ１０は、径の異なる複数種の修理パッチ１０が用意され、形成される後述の座ぐり穴６の形状（大きさ）に応じて適宜選択されて使用される。

先ず、複合材に形成された欠損部を切削等により加工して、図４に示す形状となる座ぐり穴６を形成する（ステップＳ２１）。座ぐり穴６は、開口部分が円形状に形成され、底面が開口部分よりも小さな円形状に形成されている。また、座ぐり穴６は、その側面が底面から開口部分に向かって広がるように傾斜する面となっている。この座ぐり穴６は、底面及び側面が、修理パッチ１０が接着される被接着面となっている。

続いて、窪んで形成される座ぐり穴６の底面及び側面からなる内面に、樹脂シート２８を配置する（ステップＳ２２：接着剤配置工程）。具体的に、接着剤配置工程Ｓ２２では、座ぐり穴６の内面に接して、これらの面を被覆するように、樹脂シート２８を配置する。

ステップＳ２１及びステップＳ２２の工程と相前後して、上記の修理パッチ１０を用意する（ステップＳ２３）。そして、修理パッチ１０のパッチ本体１１から除去層１２をはく離する（ステップＳ２４：はく離工程）。

次に、パッチ本体１１の接着面１８を、座ぐり穴６の被接着面となる内面に対向させて、樹脂シート２８上に、修理パッチ１０を配置する（ステップＳ２５：パッチ配置工程）。なお、パッチ配置工程Ｓ２５では、パッチ本体１１の底面（表面）にマーキングを施すと共に、被修理部５となる複合材の表面にマーキングを施して、座ぐり穴６に対して、パッチ本体１１の位置が適切な位置となるように、パッチ本体１１を座ぐり穴６に配置してもよい。

この後、パッチ本体１１及び樹脂シート２８の樹脂を溶融させて、座ぐり穴６にパッチ本体１１を接着させる（ステップＳ２６：接着工程）。なお、接着工程Ｓ２６では、図示は省略したが、パッチ本体１１及び樹脂シート２８をバッグフィルム等を用いて密閉し、密閉空間内を真空にしつつ、パッチ本体１１及び樹脂シート２８を加熱させることで、修理パッチ１０及び樹脂シート２８を完全硬化させる。そして、被修理部となる複合材の表面と、パッチ本体１１の底面１５とに対して仕上げ処理を行う（ステップＳ２６）ことで、被修理部５を修理する。

次に、図５を参照して、修理パッチ１０により補修した被修理部５の修理結果について説明する。図５は、その縦軸が破壊ひずみとなっている。なお、従来において、被修理部の補修に用いられる修理パッチは、プリプレグＰの外側端部に繊維蛇行が生じたものである。従来と実施形態１との破壊ひずみを比較すると、実施形態１の破壊ひずみが従来の破壊ひずみに比して大きいことが確認された。つまり、実施形態１の修理パッチ１０を用いて被修理部５を補修することで、従来に比して強度回復が大きいことが確認された。

以上のように、実施形態１によれば、パッチ本体１１の側面１３を構成する複数のプリプレグＰの外側端部を、側面１３と相補的な形状となる除去層１２によって押さえ込むことができるため、プリプレグＰの外側端部における繊維蛇行の発生を抑制することができる。このため、パッチ本体１１の形状を適切な形状にすることができる。また、除去層１２により、パッチ本体１１の接着面１８を保護することができる。

また、実施形態１によれば、除去層１２にスリット１７を形成することで、プリプレグＰの外側端部を除去層１２によって適切に押さえ込むことができる。

また、実施形態１によれば、ピールプライである除去層１２を引きはがすことで、パッチ本体１１の接着面１８を活性化させることができるため、被修理部５の座ぐり穴６への接着性を高めることができる。

また、実施形態１によれば、フィルム接着剤１９により除去層１２を覆うことで、除去層１２の変形を阻害することなく、除去層１２を適切に変形させることができる。なお、実施形態１では、フィルム接着剤１９を適用したが、追従性のよいバッグフィルム２７であれば、フィルム接着剤１９を省いてもよい。つまり、除去層１２の変形に追従する被覆部材としてバッグフィルム２７を適用してもよい。

また、実施形態１によれば、除去層１２をパッチ本体１１からはく離することで、保護されたパッチ本体１１の接着面１８を露出させ、パッチ本体１１を被修理部５の座ぐり穴６に接着させることができる。このため、パッチ本体１１の接着面１８に異物が付着することを抑制しつつ、適切な形状となるパッチ本体１１を座ぐり穴６に接着させることができることから、被修理部５の補修を好適に行うことができる。

なお、実施形態１では、パッチ本体１１を円錐台形状としているが、この形状に特に限定されず、傾斜する側面１３を有するものであれば、いずれの形状であってもよい。

［実施形態２］
次に、図６を参照して、実施形態２に係る修理パッチの除去層４０について説明する。図６は、実施形態２に係る修理パッチの除去層を示す平面図である。実施形態２では、重複した記載を避けるべく、実施形態１と異なる部分について説明し、実施形態１と同様の構成である部分については、同じ符号を付して説明する。

実施形態２における修理パッチ１０の除去層４０は、実施形態１のスリット１７に代えて、複数の貫通孔４１が形成されている。複数の貫通孔４１は、複数のプリプレグＰの外側端部のそれぞれに対して、厚さ方向に対向する位置に形成されている。つまり、複数の貫通孔４１は、周方向に沿って並んで形成されることで円形状に形成されると共に、径方向に所定の間隔を空けて、同心円状に形成されている。

以上のように、実施形態２によれば、除去層４０に複数の貫通孔４１を形成することで、プリプレグＰの外側端部を除去層１２によって適切に押さえ込むことができる。

５被修理部
６座ぐり穴
１０修理パッチ
１１パッチ本体
１２除去層
１３側面
１４頂面
１５底面
１６積層体
１７スリット
１８接着面
１９フィルム接着剤
２０成形型
２１封止部材
２５シールドフィルム
２６ブリーザー
２７バッグフィルム
２８樹脂シート
４０除去層
４１貫通孔
Ｐプリプレグ

Claims

複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理パッチにおいて、
強化繊維基材を厚さ方向に複数積層して形成され、前記被修理部に接着される接着面を有するパッチ本体と、
前記接着面に設けられ、前記パッチ本体からはく離可能な除去層と、を備え、
前記接着面は、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、
前記除去層は、前記パッチ本体の前記傾斜面と相補的な形状にするための被加工部を有し、
前記被加工部は、前記傾斜面における複数の前記強化繊維基材の端部に対して、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対向する位置に形成されるスリットであることを特徴とする修理パッチ。
複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理パッチにおいて、
強化繊維基材を厚さ方向に複数積層して形成され、前記被修理部に接着される接着面を有するパッチ本体と、
前記接着面に設けられ、前記パッチ本体からはく離可能な除去層と、を備え、
前記接着面は、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、
前記除去層は、前記パッチ本体の前記傾斜面と相補的な形状にするための被加工部を有し、
前記被加工部は、前記傾斜面における複数の前記強化繊維基材の端部に対して、前記パッチ本体の前記厚さ方向に対向する位置に貫通形成される複数の貫通孔であることを特徴とする修理パッチ。
前記除去層は、ピールプライであることを特徴とする請求項１または２に記載の修理パッチ。
複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理パッチの成形方法において、
前記被修理部に接着される接着面が上面となるように、強化繊維基材を厚さ方向に複数積層して積層体を形成する積層体形成工程と、
前記積層体からはく離可能な除去層を、前記積層体の前記接着面を覆って配置する除去層配置工程と、
前記積層体と前記除去層とが一体となるように加熱して成形する成形工程と、を備え、
前記接着面は、前記積層体の前記厚さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、
前記除去層には、前記積層体の前記傾斜面と相補的な形状にするための被加工部が施され、
前記成形工程では、前記被加工部により前記除去層が前記積層体の前記傾斜面の形状に倣って変形することを特徴とする修理パッチの成形方法。
前記成形工程では、前記除去層の変形に追従する被覆部材を、前記除去層を覆って配置して、前記積層体及び前記除去層を成形することを特徴とする請求項４に記載の修理パッチの成形方法。
複合材の修理対象となる被修理部を補修する複合材の修理方法において、
請求項１から３のいずれか１項に記載の修理パッチが予め用意されており、
前記パッチ本体から前記除去層をはく離するはく離工程と、
前記被修理部の被接着面に接着剤を配置する接着剤配置工程と、
前記接着剤を介して、前記パッチ本体の前記接着面を前記被接着面に対向させて配置するパッチ配置工程と、
前記被修理部に前記パッチ本体を接着させる接着工程と、を備えることを特徴とする複合材の修理方法。