JP7152881B2 - 複合材料構造物の製造用治具 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料構造物の製造方法及び複合材料構造物の製造用治具に関する。

例えば特許文献１に開示されるように、マンドレル（オス型）の凸状の外表面に複数のプリプレグを積層した積層体を重ねて配置し、この積層体に成形型を重ねて配置した状態で、マンドレルと成形型とにより積層体を成形しながら硬化させることで、一方向から見て凹状に湾曲した表面（以下、単に凹面とも称する。）を有するパネル状の複合材料構造物を製造する方法（以下、マンドレル工法と称する。）が知られている。

また、例えば特許文献２に開示されるように、メス型の凹状の内表面に積層体を重ねて配置し、この積層体に薄肉のプレートを重ねて配置した状態で、メス型とプレートとにより積層体を成形しながら硬化させることで、凹面を有するパネル状の複合材料構造物を製造する方法（以下、メス型工法と称する。）が知られている。複合材料構造物としては、例えば、航空機胴体等が挙げられる。

特許第５５７６６５０号公報 特開２０１３－１８２８６号公報

マンドレル工法は、複合材料構造物の凹面をマンドレルにより高精度に形成できる等の利点がある。これは、複合材料構造物を航空機胴体に適用した場合、胴体内面にあたる凹面に様々のパーツを取り付ける際にシム調整を不要にできる点で好ましい。しかしながら、種類の異なる複合材料構造物毎に専用のマンドレルが必要な場合がある。例えば、長さの異なる複数の派生機胴体では、各部に要求される剛性が異なるため、機種毎に外径は一定としつつも胴体スキンの板厚が異なるためにマンドレル形状は異なることとなる。従って、機種毎に専用マンドレルが必要となる。そのため、生産レートが高い場合には複数個の高額なマンドレルが必要となり、治具コストの上昇を招く原因となってきた。

またメス型工法は、航空機胴体のように派生機であっても機種間で外径を一定にする場合、最長の１つのメス型により複数種の複合材料構造物を製造できるため、マンドレル工法に比べて、専用の形状を持ったマンドレルが不要であり、治具コストの低減が図れる利点がある。しかしながら、複合材料構造物の凹面（航空機においては胴体内面）を高精度に形成しにくいため、凹面に様々のパーツを取り付ける際にシム調整が必要になるという問題がある。
これらの問題は、例えば、製造しようとする複合材料構造物が、航空機胴体等のように、比較的大型のものである場合に顕著となる。

本発明はこの課題に鑑みてなされたものであって、凹面を有するパネル状の複合材料構造物を製造する場合において、治具コストの低減及び作業負担の軽減を図ると共に、複合材料構造物の表面形状を高精度に成形可能にすることを目的とする。

本発明の一態様に係る複合材料構造物の製造方法は、板厚方向に垂直な一方向から見て円弧状に湾曲する第１プレートの凸面上に、複数の積層されたプリプレグを含むシート状の積層体を重ねて配置し、前記積層体の前記第１プレート側とは反対側の面上に、前記一方向から見て円弧状に湾曲し且つ前記第１プレートよりも低剛性の第２プレートを前記第１プレートと凸面の向きを揃えながら重ねて配置することにより、前記第１プレート、前記積層体、及び前記第２プレートを含む積層構造を有する積層ユニットを形成する第１ステップと、前記第１ステップ後、前記積層ユニットを前記第２プレート側からベース台により支持した状態で、前記積層体を所定形状に成形且つ硬化させる第２ステップと、を有する。

上記方法によれば、第２ステップにおいて、第２プレートよりも剛性の高い第１プレートの凸面により、高精度な凹面を有するように積層体を硬化できる。また第２ステップでは、積層ユニットを第２プレートの積層体側からベース台により支持することで、積層体を第１プレートとベース台とで挟み込みながら支持できる。よって、積層体の厚み寸法がばらつくのを良好に防止しながら積層体を安定して硬化できる。従って、凹面が高精度に形成されたパネル状の複合材料構造物を製造できる。

また例えば、第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方を撓ませることで、第１プレート及び第２プレートの形状を調整できる。よって、一対の第１プレートと第２プレートとにより、複数種類の複合材料構造物を製造できる。

また積層体は、第１プレートと第２プレートとにより成形されながら硬化されるので、種類の異なる複合材料構造物を製造する毎に専用のベース台やプレートを個別に用意する必要がない。また、重量の比較的軽い第１プレート及び第２プレートを用いて複合材料構造物を製造できるので、オペレータによるハンドリングを向上できる。従って、複合材料構造物を製造する際の治具コストの低減及び作業負担の軽減を図れる。

前記ベース台は、前記第１プレートの前記凸面を所定形状に保ちながら前記積層ユニットに対して前記第２プレート側から接触して前記積層ユニットを支持する支持面を有していてもよい。これにより、ベース台の支持面で積層ユニットを良好に支持できるので、凹面が高精度に形成された複合材料構造物を製造できる。

前記第２ステップでは、前記積層ユニットを前記ベース台とは独立してバッグフィルムにより気密に覆った後、前記積層ユニットを前記ベース台により支持した状態で、高温高圧気体を用いて、前記積層ユニットを加熱し且つ厚み方向両側から加圧しながら前記積層体を硬化させてもよい。

上記方法によれば、治具コストの低減及び作業負担の軽減を図りつつ、バッグフィルムと高温高圧気体とを用いて、積層体を第１プレートと第２プレートとに密着させて、積層体を厚み方向両側から加圧して硬化させ、凹面が高精度に形成された複合材料構造物を製造できる。

前記第１プレートの最大板厚寸法は、前記第２プレートの最大板厚寸法よりも厚くてもよい。これにより、第１プレートの剛性を第２プレートの剛性よりも高め易くすることができる。

前記第１ステップは、前記第１プレートを、上面が前記凸面且つ下面が凹面となるように配置すると共に、前記第１プレートの前記凸面を所定形状に保ちながら前記第１プレートを前記下面側から支持部材により支持する第１サブステップと、前記第１サブステップ後、前記第１プレートの前記上面上に前記積層体を重ねて配置する第２サブステップと、前記第２サブステップ後、前記第１プレートを前記支持部材により支持した状態で、前記支持部材と共に前記第１プレートと前記積層体とを上下反転させる第３サブステップと、を有してもよい。

上記方法によれば、第１サブステップにおいて、第１プレートの凸面を支持部材により所定形状に保った状態で、第２サブステップにおいて、第１プレートの上面に積層体を適切な形状で重ねて配置できる。また、第３サブステップにおいて、第１プレートを支持部材により支持した状態で、支持部材と共に第１プレートと積層体とを上下反転させることで、第１プレートと積層体との形状を保持しながら、第３サブステップから第２ステップへスムーズに移行できる。

本発明の一態様に係る治具は、複数の積層されたプリプレグを含むシート状の積層体を所定形状に成形且つ硬化させるための複合材料構造物の製造用治具であって、板厚方向に垂直な一方向から見て円弧状に湾曲し且つ凸面上に前記積層体が重ねて配置される第１プレートと、前記第１プレートよりも低剛性であり、前記一方向から見て円弧状に湾曲し且つ前記積層体の前記第１プレート側とは反対側の面上に前記第１プレートと凸面の向きを揃えながら重ねて配置される第２プレートと、前記第１プレート、前記積層体、及び前記第２プレートを含む積層構造を有する積層ユニットを、前記第２プレート側から支持するベース台と、を備える。

上記構成によれば、第２プレートよりも剛性の高い第１プレートの凸面を用いて、高精度な凹面を有するように積層体を硬化できる。また、積層ユニットを第２プレートの積層体側からベース台により支持することで、積層体を第１プレートとベース台とで挟み込みながら支持できるので、積層体の厚み寸法がばらつくのを良好に防止しながら積層体を硬化できる。従って、凹面が高精度に形成された複合材料構造物を製造できる。

また例えば、第１プレート及び第２プレートの少なくとも一方を撓ませることで、第１プレート及び第２プレートの形状を調整できる。よって、一対の第１プレートと第２プレートとにより、複数種類の複合材料構造物を製造できる。また積層体は、第１プレートと第２プレートとにより成形できるので、種類の異なる複合材料構造物を製造する毎に専用のベース台やプレートを用意する必要がない。また、重量の比較的軽い第１プレート及び第２プレートを用いて複合材料構造物を製造できるので、オペレータによるハンドリングを向上できる。従って、複合材料構造物を製造する際の治具コストの低減及び作業負担の軽減を図れる。

前記ベース台は、前記第１プレートの前記凸面を所定形状に保ちながら前記積層ユニットに対して前記第２プレート側から接触して前記積層ユニットを支持する支持面を有してもよい。

このように、第１プレートの凸面を所定形状に保ちながら積層ユニットを第２プレート側からベース台の支持面により支持することで、治具コストの低減及び作業負担の軽減を図りながら、凹面が高精度に形成された複合材料構造物を製造できる。

前記第１プレートの前記凸面を所定形状に保ちながら前記第１プレートを凹面側から支持すると共に、前記第１プレートを支持した状態で、前記第１プレートを板厚方向に反転可能に配置された支持部材を更に備えていてもよい。

上記構成によれば、支持部材により第１プレートの凸面を所定形状に保つことができるため、第１プレートに重ねて配置された積層体を所定形状に保ちつつ、支持部材により積層体を第１プレートと共に第１プレートの板厚方向に反転させて、積層体を第２プレートに良好に重ねて配置できる。

本発明の各態様によれば、複合材料構造物を製造する場合において、治具コストの低減及び作業負担の軽減を図れると共に、複合材料構造物の表面形状を高精度に成形できる。

実施形態に係る複合材料構造物により構成された航空機胴体の部分図である。 図１の複合材料構造物を製造する際に用いられる製造用治具の斜視図である。 実施形態に係る複合材料構造物の製造方法のフロー図である。 （Ａ）～（Ｄ）は、図３の各ステップを説明するための図である。 従来のメス型工法による硬化ステップを説明するための図である。

以下、図面を参照しながら実施形態を説明する。

（実施形態）
［複合材料構造物］
図１は、実施形態に係る複合材料構造物２０（以下、構造物２０と称する。）により構成された航空機胴体の部分図である。構造物２０はパネル状であり、一例として、航空機胴体を構成するスキンパネルである。構造物２０は、航空機胴体の長手方向（後述する一方向）から見て、円弧状に湾曲して同方向に延びる曲板である。

構造物２０は、後述するように、複数の積層されたプリプレグを含むシート状の積層体１５を硬化させた複合材料により製造されている。プリプレグは、繊維シートと、該繊維シートに含浸された樹脂を含む。構造物２０は、ＦＰＲ構造を有する。このＦＲＰ構造は、本実施形態では炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により構成されているが、その他の繊維強化プラスチックにより構成されていてもよい。

航空機では、一例として、４つの構造物２０が、胴体の周方向に並べて組み合わされる。航空機胴体の長手方向から見て凹状の表面である凹面２０ｂは、胴体の内周面となる。凹面２０ｂには、同方向に延びる複数のストリンガ（ハット型ストリンガ）２０ｃ（図４（ｄ）参照）が、胴体の周方向に互いに離隔して形成されている。航空機胴体の長手方向から見て凸状の表面である凸面２０ａは、平滑に形成されている。

航空機胴体には、内周面に複数の部品（胴体構造を構成するフレームやフロアビームなどの構造部品等）が所定位置に正確に取り付けられることが要求される。従って、構造物２０の凹面２０ｂは、高精度で形成されていることが要求される。構造物２０は、以下に説明する製造用治具１を用いて製造されることにより、凹面２０ｂが高精度に形成されている。

［製造用治具］
図２は、図１の構造物２０を製造する際に用いられる製造用治具１の斜視図である。図２では、フレーム部材６を腕部６ｂの先端側（腕部６ｂの第１プレート２との接触側）を下方に向けて配置した状態を示している。また説明上、第１プレート２と第２プレート３との間に配置される積層体１５を仮想線（二点鎖線）で示している。

製造用治具１は、複数の積層されたプリプレグを含むシート状の積層体１５（構造物２０の製造中間体）を所定形状に成形且つ硬化させて構造物２０を製造するための治具である。

図２に示すように、製造用治具１は、第１プレート２、第２プレート３、支持部材４、及びベース台５を備える。第１プレート２と第２プレート３は、積層体１５を板厚方向に挟み込むように配置される。これにより構造物２０を製造する際には、第１プレート２、積層体１５、及び第２プレート３を含む積層構造を有する積層ユニット１６が形成される。積層ユニット１６は、全体として板状であり、ベース台５により支持された状態で、オートクレーブ内にて高温高圧（オートクレーブ）処理される。

第１プレート２と第２プレート３とは、板厚方向に垂直な一（Ｘ）方向（以下、単に一方向と称する。）から見て、円弧状に湾曲して一方向に延びる曲板である。第１プレート２の一方向から見て凸状の表面である凸面２ａには、窪み部２ｃが形成されている。窪み部２ｃは、第１プレート２の板厚方向に窪み且つ一方向に延びるように形成されている。窪み部２ｃは、構造物２０のストリンガ２０ｃを形成するための型部として用いられる。

本実施形態の第１プレート２と第２プレート３とは、同様の材料からなる。一例として、第１プレート２と第２プレート３とは、ＦＲＰ構造を有する。このＦＲＰ構造は、本実施形態では炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）により構成されているが、その他の繊維強化プラスチックにより構成されていてもよい。構造物２０が航空機胴体の部品である場合、第１プレート２と第２プレート３とは、理想的には航空機胴体の構造材料と同じ熱膨張を有する材料が望ましい。

第１プレート２と第２プレート３とが比較的軽量なＦＲＰ構造を有することで、オペレータが第１プレート２と第２プレート３とをハンドリングする際の作業負担が軽減されるとともに、搬送用運搬車や周辺機器が比較的安価で済む。また、第１プレート２と第２プレート３とを同様の材料で構成することにより、第１プレート２と第２プレート３との物性を揃え、構造物２０の両面の物性を均一にし易くすることができる。なお、第１プレート２と第２プレート３とは、異なる材料で構成されていてもよい。

第２プレート３は、第１プレート２よりも低剛性である。第２プレート３は、一方向から見て円弧状に湾曲し且つ積層体１５の第１プレート２側とは反対側の面上に第１プレート２と凸面２ａ，３ａの向き（ここでは一例としてＸ，Ｙ，及びＺ方向の向き）を揃えながら重ねて配置される。

第１プレート２の最大板厚寸法は、第２プレート３の最大板厚寸法よりも厚い。これにより第１プレート２は、第２プレート３よりも撓みや歪の発生が抑制されている。よって積層体１５では、オートクレーブ硬化中にプリプレグの樹脂粘度が低下した際に、第２プレート３側の面（凸面１５ａ）に比べて剛性が高い第１プレート２側の面（凹面１５ｂ）に沿って形状が決まり、高精度に成形される。

また一例として、第１プレート２と第２プレート３との板厚寸法は、それぞれ均一である。プレート２，３は、ある程度の剛性を有しているものの、板厚方向に一定以上の外力が加えられると若干撓む性質を有する。プレート２，３を所望の形に撓ませることで、形状が異なる複数種類の構造物２０を製造できる。よって、複数種類の構造物２０を製造する場合、構造物２０の種類に合わせたプレート２，３の交換回数を低減できるため、構造物２０の治具コストを低減できると共に、プレート２，３の交換に掛かるオペレータの作業負担を軽減できる。

支持部材４は、第１プレート２を、凸面２ａを所定形状に保ちながら凹面２ｂ側から支持すると共に、第１プレート２を支持した状態で第１プレート２を板厚方向に反転可能に配置されている。

本実施形態では、支持部材４が、第１プレート２を下方から支持した状態でワイヤＷにより鉛直（ｚ）方向に吊り下げられ、支持部材４の吊下げ方向が反転されることで、第１プレート２が板厚方向に反転させられる。

具体的に支持部材４は、フレーム部材６と、フレーム部材６に固定された複数の保持部材７とを有する。フレーム部材６は、本体部６ａと複数の腕部６ｂとを有する。本体部６ａは、複数の長尺部材の組み合わせからなる。本体部６ａの複数位置には、支持部材４をワイヤＷで吊り下げるための吊下部６ｃが設けられている。

腕部６ｂは、本体部６ａの一方の面から突出している。腕部６ｂの先端は、第１プレート２の凹面２ｂと接触する。これにより第１プレート２は、複数の腕部６ｂにより凹面２ｂ側から支持される。

腕部６ｂは、その長手方向に連結された複数の連結部材６ｄを有する。腕部６ｂの側方から見たときの隣接する連結部材６ｄ間の連結角度θ、及び、腕部６ｂの最大長さ寸法は、一定範囲内で調節可能である。

本実施形態では、特定の方向（図２ではＸ方向）から見て、本体部６ａの中央位置とその両側に対応する位置に腕部６ｂが配置され、本体部６ａの前記両側に対応する位置の各腕部６ｂにおいて隣接する連結部材６ｄが、腕部６ｂの先端が本体部６ａの外方に向けて曲折するように連結されている。

支持部材４は、前記特定方向と一方向とが一致するように第１プレート２を支持する。連結角度θと、腕部６ｂの最大長さ寸法との少なくとも一方を調整することで、支持部材４は、凸面２ａを所定形状に保ちながら、第１プレート２を複数の腕部６ｂにより支持する。

また本実施形態では、連結部材６ｄは、ボルト孔を有している。各腕部６ｂにおいて隣接する連結部材６ｄは、互いのボルト孔にボルトＢを螺合させることで連結されている。腕部６ｂにおける複数の連結部材６ｄは、隣接する連結部材６ｄ間の連結角度θが所定角度に設定された状態で、ボルト孔とボルトＢとの螺合により連結されている。

保持部材７は、フレーム部材６の腕部６ｂに取り付けられ、第１プレート２を凹面２ｂ側から保持する。保持部材７は、一例としてバキュームチャックである。保持部材７は、シリンダ及び該シリンダから出退可能な作動軸を有するアクチュエータと、該アクチュエータの作動軸の先端に取り付けられた吸盤７ａとを有する。保持部材７は、作動軸が所定の突出長さに設定された状態で、第１プレート２の凹面２ｂに吸盤７ａを吸着させることで、第１プレート２を保持する。

ここで、隣接する連結部材６ｄ間の連結角度θが所定角度に設定された複数の腕部６ｂにより第１プレート２を支持しながら、第１プレート２を保持部材７により保持することで、第１プレート２を、凸面２ａを所定形状に保ちながら保持部材７により保持できる。なお保持部材７は、バキュームチャックに限定されず、第１プレート２を保持できるものであればよい。

ベース台５は、積層ユニット１６を第２プレート３側から支持する。ベース台５は、積層ユニット１６を重力による変形を防止しながら支持する。ベース台５は、支持面５ａを有する。支持面５ａは、第１プレート２の凸面２ａを所定形状に保ちながら積層ユニット１６を第２プレート３側から支持する。

図２に示すように、ベース台５は、一例としてＸ方向を幅方向、Ｙ方向を長さ方向、Ｚ方向を高さ方向とする直方体状である。１つの側面に垂直な方向（ここではＸ方向）から見て、ベース台５の上面は、下方に向けて凸となる円弧状に湾曲している。このベース台５の上面が、支持面５ａに相当する。

支持面５ａは、構造物２０の凸面２０ａの形状に対応した形状を有する。支持面５ａは、一例として平滑に形成されているが、例えば、微小な凹凸が形成されていてもよい。ベース台５とプレート２，３とは、前記垂直な方向と一方向とが一致するように組み合わされる。

ベース台５の側面には、ベース台５をオートクレーブ内に配置する際等にベース台５を吊り下げるための複数の吊下部５ｂが設けられている。ベース台５は、一例としてアルミニウムにより構成されている。本実施形態では、積層体１５は、主として第１プレート２及び第２プレート３により成形され、ベース台５とは接触しないので、ベース台５の支持面５ａは、それほど高精度に形成されていなくてもよい。このため、ベース台５の材料としては、適度な剛性を有する比較的安価な材料を用いることができる。また、ベース台５の生産コストは、比較的低く抑えられている。

なおベース台５は、例えば、支持面５ａを有する板材と、該板材を支持面５ａとは反対側の面から支持する支持フレームとを有する構造を有していてもよい。またプレート２，３、及びベース台５の形状及びサイズは、構造物２０の形状及びサイズに合わせて適宜設定される。図２では、プレート２，３、及びベース台５は、Ｘ方向寸法がＹ方向寸法よりも小さい値に設定されているが、例えば、Ｘ方向寸法がＹ方向寸法よりも大きい値に設定されていてもよい。

［複合材料構造物の製造方法］
図３は、実施形態に係る構造物２０の製造方法のフロー図である。図４の（Ａ）～（Ｄ）は、図３の各ステップを説明するための図である。図３に示すように、該製造方法は、第１ステップＳ１と第２ステップＳ２とを有する。

第１ステップＳ１では、第１プレート２の凸面２ａ上に、積層体１５を重ねて配置し、積層体１５の第１プレート２側とは反対側の面上に、第２プレート３を第１プレート２と凸面２ａ，３ａの向きを揃えながら重ねて配置することにより、積層ユニット１６を形成する。第１ステップＳ１は、第１サブステップＳＳ１、第２サブステップＳＳ２、第３サブステップＳＳ３、及び第４サブステップＳＳ４を有する。

第２ステップＳ２では、第１ステップＳ１後、積層ユニット１６を第２プレート３側からベース台５により支持した状態で、積層体１５を所定形状に成形且つ硬化させる。以下、各ステップＳ１及びＳ２について、図４を用いて説明する。

まずオペレータは、第１プレート２を、上面が凸面２ａ且つ下面が凹面２ｂとなるように配置すると共に、第１プレート２の凸面２ａを所定形状に保ちながら第１プレート２を下面側から支持部材４により支持する（図３の第１サブステップＳＳ１）。またオペレータは、第１サブステップＳＳ１後、第１プレート２の上面上に積層体１５を重ねて配置する（図３の第２サブステップＳＳ２）。

具体的にオペレータは、支持部材４を、腕部６ｂの先端側が上向きになるように載置する。腕部６ｂにおいて隣接する連結部材６ｄ間の連結角度θは、構造物２０の形状に合わせて設定する。設定後、オペレータは、支持部材４の腕部６ｂに第１プレート２を凹面２ｂ側から支持させる。これにより、第１サブステップＳＳ１が行われる（図４（Ａ））。 またオペレータは、第１プレート２の凸面２ａに積層体１５を重ねて配置する。オペレータは、複数のシート状のプリプレグを積層（レイアップ）することにより積層体１５を構成する。一例として、積層体１５は、ストリンガ用プライ１２と、シート状のフィラー１３と、シート状のスキンプライ１４とを含む。ストリンガ用プライ１２、フィラー１３、及びスキンプライ１４は、プリプレグにより構成されている。

オペレータは、第１プレート２の窪み部２ｃに対応する位置にストリンガ用プライ１２を配置すると共に、隣接するストリンガ用プライ１２間にフィラー１３を配置する。また、ストリンガ用プライ１２の窪み部２ｃ内に対応する位置には、ストリンガ用プライ１２に、ストリンガ２０ｃを形成するための長尺状治具（ブラダ）１７を重ねて配置する。そして、ストリンガ用プライ１２、フィラー１３、及び治具１７に、スキンプライ１４を重ねて配置する（図４（Ａ））。これらの部材は第１プレート２に配置する度にバッグフィルムにてカバーしてバキューム吸引することでコンパクションされ密着させることにより、第２サブステップＳＳ２が行われる。

第２サブステップＳＳ２後、オペレータは、第１プレート２を支持部材４により支持した状態で、支持部材４と共に第１プレート２と積層体１５とを上下反転させる（図３の第３サブステップＳＳ３）。

具体的にオペレータは、支持部材４の吊下部６ｃにワイヤＷを連結すると共に、第１プレート２を保持部材７により保持した状態とする。この状態で、ワイヤＷにより支持部材４を図４（Ａ）の状態から上下反転させることで、第１プレート２と積層体１５とを支持部材４と共に上下反転する（図４（Ｂ））。これにより、第３サブステップＳＳ３が行われる。

またオペレータは、ベース台５の支持面５ａに第２プレート３を載置する。第３サブステップＳＳ３後、オペレータは、第１プレート２と積層体１５とを、第２プレート３と重ねて配置する（図３の第４サブステップＳＳ４）。

具体的にオペレータは、ベース台５の支持面５ａに、凹面３ｂが上側となるように第２プレート３を載置する。またオペレータは、第１プレート２、積層体１５、及び第２プレート３が適切な位置で重ねられるように、支持部材４とベース台５との水平方向における相対位置を調整する。この調整後、オペレータは、支持部材４を下方に移動させて、第１プレート２及び積層体１５を、ベース台５上の第２プレート３に重ねて配置する。これにより第４サブステップＳＳ４が行われる。以上で第１ステップＳ１が完了する。

続いてオペレータは、第２ステップＳ２として、第１ステップＳ１後、積層ユニット１６を第２プレート３側からベース台５により支持した状態で、積層体１５を所定形状に成形且つ硬化させる。

本実施形態の第２ステップＳ２では、オペレータは、積層ユニット１６をベース台５とは独立してバッグフィルム１８により気密に覆った後、積層ユニット１６をベース台５により支持した状態で、積層ユニット１６を加熱し且つ厚み方向両側から加圧しながら積層体１５を硬化させる。

具体的にオペレータは、第４サブステップＳＳ４後、第１プレート２と第２プレート３との間の内部空間Ｖ１をバッグフィルム１８により封止して、内部空間Ｖ１を真空引き（バギング）する。また、支持部材４を第１プレート２から取り外し、積層ユニット１６をベース台５により支持した状態とする。

この状態でオペレータは、ベース台５の吊下部５ｂにワイヤＷを連結してワイヤＷによりベース台５を吊り上げ、積層ユニット１６をベース台５と共にオートクレーブ内に載置する。その後オペレータは、オートクレーブ内において、積層体１５を高温高圧処理することにより、積層体１５を所定形状に成形且つ硬化させる（図４（Ｃ））。

ここで本実施形態では、バッグフィルム１８を用いた真空引きは、第１プレート２と、第２プレート３との間でなされ、プレート２，３と、支持面５ａとの間ではなされない。言い換えると、第２プレート３の凸面３ａとベース台５の支持面５ａとの間は気密ではない。従って、第２プレート３の凸面３ａとベース台５の支持面５ａとの間には、オートクレーブ内の高温高圧気体が入り込む。

これにより図４（Ｃ）に示すように、積層体１５は、第１プレート２と第２プレート３との間に挟まれた状態で、その厚み方向両側から加圧される。積層体１５は、剛性が高い第１プレート２の凸面２ａに押し付けられることで、内面形状が正確な胴体スキンとなる。積層体１５は、硬化後の複合材特有の板厚のばらつきが生じる場合には、そのばらつきを剛性が低い第２プレート３側に発生させながら熱硬化される。

以上の第２ステップＳ２を行うことにより、積層体１５が成形且つ硬化されて構造物２０が得られる（図４（Ｄ））。構造物２０の製造に用いた第１プレート２、第２プレート３、及びベース台５は、繰り返し使用が可能である。なお構造物２０には、例えば、専用の支持部材により凹面２０ｂ側から支持された状態で、リベットを挿通させるための孔加工等のトリミングが施されてもよい。

ここで図５は、従来のメス型工法による硬化ステップを説明するための図である。該硬化ステップを行う場合、オペレータは、一例として、予めメス型であるベース台１０５の支持面１０５ａに、複数の積層されたプリプレグを含むシート状の積層体１１５を重ねて配置する。また、積層体１１５の上面を複数のプレート（カールプレート）１０３により覆うように、積層体１１５にプレート１０３を重ねて配置する。

次にオペレータは、プレート１０３と、支持面１０５ａとの間の内部空間Ｖ２をバッグフィルム１１８により封止して真空引きする。その後、積層体１１５をオートクレーブ内にて高温高圧処理することにより、硬化ステップを行う。

この硬化ステップでは、積層体１１５のプレート１０３側とは反対側の面（以下、凸面１１５ａと称する。）が、剛性の高いメス型のベース台１０５の支持面１０５ａに密着する。このため、凸面１１５ａが、支持面１０５ａにより高精度に成形される。

しかしながら、積層体１１５のプレート１０３側の面（以下、凹面１１５ｂと称する。）が、ベース台１０５に比べて剛性の低いプレート１０３と接触する。また、この方法では、オートクレーブ内の高温高圧気体はベース台１０５の支持面１０５ａと積層体１１５の凸面１１５ａとの間に入り込めない。このため積層体１１５では、凹面１１５ｂの面側に硬化後の板厚のばらつきが出ることとなり、凸面１１５ａの精度よりも低下する。

このように凹面１１５ｂの形状精度が低下することで、積層体１１５を硬化して得られる構造物を航空機胴体のスキンパネルとして用いる際には、該スキンパネルの内周面に部品を正確に取り付けるための膨大なシム調整が必要となり、作業負担が大幅に増大する。

これに対して本実施形態によれば、上記説明したように、第２ステップＳ２において、第２プレート３よりも剛性の高い第１プレート２の凸面２ａにより、高精度な凹面１５ｂを有するように積層体１５を硬化できる。また第２ステップＳ２では、積層ユニット１６を第２プレート３の積層体１５側からベース台５により支持することで、積層体１５を第１プレート２とベース台５とで挟み込みながら支持できる。よって、積層体１５の内面形状の精度を良好に出すことができ、積層体１５を安定して硬化できる。従って、凹面２０ｂが高精度に形成されたパネル状の構造物２０を製造できる。

これにより、例えば、構造物２０を航空機胴体のスキンパネルとして用いる場合、凹面２０ｂが該スキンパネルの内周面となるように構造物２０を製造することで、スキンパネルの内周面に部品を取り付ける際のシム調整が不要となる。従って、作業負担の増大を防いで、構造物２０をスキンパネルとして良好に用いることができる。

また例えば、第１プレート２及び第２プレート３の少なくとも一方を撓ませることで、第１プレート２及び第２プレート３の形状を調整できる。よって、一対の第１プレート２と第２プレート３とにより、複数種類の構造物２０を製造できる。

また積層体１５は、第１プレート２と第２プレート３とにより成形されながら硬化されるので、種類の異なる構造物２０を製造する毎に専用のベース台５やプレート２，３を個別に用意する必要がない。

また、重量の比較的軽いプレート２，３を用いて構造物２０を製造できるので、オペレータによるハンドリングを向上できる。従って、構造物２０を製造する際の生産コストの低減及び作業負担の軽減を図れる。

またベース台５は、第１プレート２の凸面２ａを所定形状に保ちながら積層ユニット１６に対して第２プレート３側から接触して積層ユニット１６を支持する支持面５ａを有している。よって、ベース台５の支持面５ａで積層ユニット１６を良好に支持できるので、凹面２０ｂが高精度に形成された構造物２０を製造できる。

また第２ステップＳ２では、積層ユニット１６をベース台５とは独立してバッグフィルム１８により気密に覆った後、積層ユニット１６をベース台５により支持した状態で、高温高圧気体を用いて、積層ユニット１６を加熱し且つ厚み方向両側から加圧しながら積層体１５を硬化させる。このため、生産コストの低減及び作業負担の軽減を図りつつ、バッグフィルム１８と高温高圧気体とを用いて、積層体１５を第１プレート２と第２プレート３とに密着させて、積層体１５を厚み方向両側から加圧して硬化させ、凹面２０ｂが高精度に形成された構造物２０を製造できる。

また、第１プレート２の最大板厚寸法は、第２プレート３の最大板厚寸法よりも厚いので、第１プレート２の剛性を第２プレート３の剛性よりも高め易くすることができる。

また第１ステップＳ１は、第１サブステップＳＳ１、第２サブステップＳＳ２、及び第３サブステップＳＳ３とを有する。よって、第１サブステップＳＳ１において、第１プレート２の凸面２ａを支持部材４により所定形状に保った状態で、第２サブステップＳＳ２において、第１プレート２の上面に積層体１５を適切な形状で重ねて配置できる。また、第３サブステップＳＳ３において、第１プレート２を支持部材４により支持した状態で、支持部材４と共に第１プレート２と積層体１５とを上下反転させることで、第１プレート２と積層体１５との形状を保持しながら、第３サブステップから第２ステップへスムーズに移行できる。

またベース台５は、第１プレート２の凸面２ａを所定形状に保ちながら積層ユニット１６に対して第２プレート３側から接触して積層ユニット１６を支持する支持面５ａを有する。よって、第１プレート２の凸面２ａを所定形状に保ちながら積層ユニット１６を第２プレート３側からベース台５の支持面５ａにより支持することで、生産コストの低減及び作業負担の軽減を図りながら、凹面２０ｂが高精度に形成された構造物２０を製造できる。

また製造用治具１は、支持部材４を備えているので、支持部材４により第１プレート２の凸面２ａを所定形状に保つことができる。このため、第１プレート２に重ねて配置された積層体１５を所定形状に保ちつつ、支持部材４により積層体１５を第１プレート２と共に第１プレート２の板厚方向に反転させて、積層体１５を第２プレート３に良好に重ねて配置できる。

また本実施形態では、複数の構造物２０を組み合わせて航空機胴体を製造する。このため、航空機胴体をその周方向にワンピースで製造する場合等に比べて、航空機を製造するための製造設備や部品の搬送を容易化できる。また、オートクレーブ等の製造設備を小型化できるため、製造設備費を低減できる。従って、構造物２０を用いて航空機を効率よく製造できる。

なお上記実施形態では、第１プレート２と積層体１５とを上下反転させた後、積層体１５に第２プレート３を重ねて配置して積層ユニット１６をベース台５により支持する方法を示したが、第１プレート２、積層体１５、及び第２プレート３をセットして積層ユニット１６を構成した後、積層ユニット１６を上下反転させてベース台５により支持してもよい。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、その構成及び方法を変更、追加、又は削除できる。

本発明は、凹面を有するパネル状の複合材料構造物を製造する場合において、治具コストの低減及び作業負担の軽減を図ると共に、複合材料構造物の表面形状を高精度に成形できるため、複合材料構造物を利用した各分野に広く好適に利用可能である。

Ｓ１ 第１ステップ
Ｓ２ 第２ステップ
ＳＳ１ 第１サブステップ
ＳＳ２ 第２サブステップ
ＳＳ３ 第３サブステップ
１ 製造用治具
２ 第１プレート
２ａ 凸面
２ｂ 凹面
３ 第２プレート
４ 支持部材
５ ベース台
５ａ 支持面
１５ 積層体
１５ａ 凸面（積層体の上面）
１６ 積層ユニット
１８ バッグフィルム
２０ 複合材料構造物

Claims (3)

1. 複数の積層されたプリプレグを含むシート状の積層体を周囲に導入した気体による高温高圧処理により所定形状に成形且つ硬化させるための複合材料構造物の製造用治具であって、
   板厚方向に垂直な一方向から見て円弧状に湾曲し且つ凸面上に前記積層体が重ねて配置される第１プレートと、
   前記第１プレートよりも低剛性であり、前記一方向から見て円弧状に湾曲し且つ前記積層体の前記第１プレート側とは反対側の面上に前記第１プレートと凸面の向きを揃えながら重ねて配置される第２プレートと、
   前記第１プレート、前記積層体、及び前記第２プレートを含む積層構造を有する積層ユニットを、前記第２プレート側から支持するベース台と、を備え、
   前記積層ユニットは前記ベース台とは独立してバッグフィルムにより気密に覆われており、
   前記第２プレートと前記ベース台との間は気体が流入可能に構成され、
   前記積層体は、前記第１プレート及び第２プレートにより形状が付与される、複合材料構造物の製造用治具。
2. 前記ベース台は、前記第１プレートの前記凸面を所定形状に保ちながら前記積層ユニットに対して前記第２プレート側から接触して前記積層ユニットを支持する支持面を有する、請求項１に記載の製造用治具。
3. 前記第１プレートの前記凸面を所定形状に保ちながら前記第１プレートを凹面側から支持すると共に、前記第１プレートを支持した状態で、前記第１プレートを板厚方向に反転可能に配置された支持部材を更に備える、請求項１又は２に記載の製造用治具。

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