JP7230110B2

JP7230110B2 - 接合方法

Info

Publication number: JP7230110B2
Application number: JP2021092211A
Authority: JP
Inventors: 晃輝内田; 祐樹可児; 了太尾▲崎▼
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2023-02-28
Anticipated expiration: 2041-06-01
Also published as: EP4098431A1; JP2022184394A; EP4098431B1

Description

本開示は、それぞれ繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む第１複合材および第２複合材を接合する接合方法に関するものである。

繊維強化プラスチック（ＦｉｂｅｒＲｅｉｎｆｏｒｃｅｄＰｌａｓｔｉｃ）で構成された複数の複合材を接合する際に、複数の複合材の間に形成される隙間にフィラー（詰め物）を配置して複数の複合材の接合強度を高めることが知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１には、積層体を順次積層する装置と積層体を所望の幅に切断する装置とを有するシステムを用いることにより、隙間に沿った形状のフィラーを製造することが開示されている。

米国特許第９３２７４７０号明細書

しかしながら、特許文献１は、積層体を順次積層するとともに各積層体を所望の幅に切断するシステムが必要であるため、多大な設備投資が必要となってしまう。特に、積層体に含まれる樹脂を熱可塑性樹脂とする場合には、積層体が切断可能な状態となるように熱可塑性樹脂を加熱する必要があり、加熱機能を備えるシステムのために多大な設備投資が必要となってしまう。

本開示は、このような事情に鑑みてなされたものであって、多大な設備投資をすることなく複数の複合材を接合する際の接合強度を高めることが可能な接合方法を提供することを目的とする。

本開示の一態様に係る接合方法は、それぞれ繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む第１複合材および第２複合材を接合する接合方法であって、前記第１複合材は、軸線に沿って延びる板状に形成されるとともに第１接合領域と前記第１接合領域に隣接する第１隣接領域と前記第１隣接領域に隣接する第１平坦領域とを有し、前記第２複合材は、前記軸線に沿って延びる板状に形成されるとともに第２接合領域と前記第２接合領域に隣接する第２隣接領域と前記第２隣接領域に隣接する第２平坦領域とを有し、前記第１接合領域と前記第２接合領域とが対向するように配置した状態で、前記第１隣接領域と前記第２隣接領域との間に前記軸線に沿って延びる隙間が形成され、繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むとともに板状に形成される接合用複合材を切断し、長尺状の複数の接合部材を生成する切断工程と、前記切断工程で生成された複数の前記接合部材を成形型に設置して加熱し、前記第１隣接領域と前記第２隣接領域と板状に形成される第３複合材とで画定される前記隙間以上の断面積となるように前記接合部材を前記隙間に対応する形状に成形する成形工程と、前記成形工程により前記隙間に対応する形状に成形された前記接合部材を前記隙間に設置し、前記第１接合領域が前記第２接合領域と接触し、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域が前記接合部材と接触し、前記第１平坦領域と前記第２平坦領域と前記接合部材とが前記第３複合材と接触した状態とする設置工程と、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域が前記接合部材と接触した状態で、前記第１複合材と前記第２複合材と前記接合部材とを加熱することにより、前記第１接合領域を前記第２接合領域に接合し、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域を前記接合部材に接合し、前記第１平坦領域と前記第２平坦領域と前記接合部材とを前記第３複合材に接合する加熱工程と、を備える。

本開示によれば多大な設備投資をすることなく複数の複合材を接合する際の接合強度を高めることが可能な接合方法を提供することができる。

本開示の第１実施形態に係る構造体を示す斜視図である。図１に示す構造体のＡ－Ａ矢視断面図である。第１複合材と第２複合材とをフィラーを介して接合する前の構造体を示す部分断面図である。第１複合材と第２複合材とをフィラーを介して接合した後の構造体を示す部分断面図である。本実施形態の接合方法を示すフローチャートである。本実施形態のフィラー用複合材を示す斜視図である。フィラー用複合材を切断して生成した複数のフィラーを示す斜視図である。フィラー用成形型を示す斜視図である。図８に示すフィラー用成形型のＡ－Ａ矢視断面図である。加圧工程および加熱工程における構造体を示す部分断面図である。図１０に示す構造体のＢ－Ｂ矢視断面図である。第１複合材と第２複合材と第３複合材とをフィラーを介して接合する前の構造体を示す部分断面図である。第１複合材と第２複合材と第３複合材とをフィラーを介して接合した後の構造体を示す部分断面図である。軸線に直交する断面におけるフィラーの形状を示す図であり、実線は成形工程により成形された後の状態を示し、点線は加圧工程および加熱工程が終了した後の状態を示す。構造体の第１変形例を示す断面図である。構造体の第２変形例を示す断面図である。

以下、本開示にかかる実施形態について説明する。以下で説明する各実施形態は、本開示の一態様を示すものであり、この開示を限定するものではない。以下で説明する各実施形態は、本開示の技術的思想の範囲内で任意に変更可能である。

〔第１実施形態〕
以下、本開示の第１実施形態に係る構造体１００および接合方法について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態に係る構造体１００を示す斜視図である。図２は、図１に示す構造体１００のＡ－Ａ矢視断面図である。図３は、第１複合材１０と第２複合材２０とをフィラー（接合部材）３０を介して接合する前の構造体１００を示す部分断面図である。図４は、第１複合材１０と第２複合材２０とをフィラー３０を介して接合した後の構造体１００を示す部分断面図である。

図１および図２に示すように、本実施形態の構造体１００は、第１複合材１０と、第２複合材２０と、第１複合材１０と第２複合材２０を接合するフィラー３０とを備える。第１複合材１０および第２複合材２０は、軸線Ｘと平行な長手方向ＬＤに沿って延びる板状に形成される部材である。第１複合材１０は、軸線Ｘに直交する短手方向ＳＤに沿って凹凸形状を有する。第２複合材２０は、長手方向ＬＤと短手方向ＳＤの双方と平行な水平面に沿って延びる平坦形状を有する。

第１複合材１０は、シート状の三層の複合材料１０ａ，１０ｂ，１０ｃを積層して平坦状に形成された積層体（図示略）を賦形して成形したものである。第１複合材１０は、複数の折り曲げ部にて折り曲げられた断面視が略ハット型の形状を有する。第１複合材１０は、例えば、航空機の胴体部の構造体であるストリンガとして用いられる。本実施形態では、三層の複合材料１０ａ，１０ｂ，１０ｃを積層した第１複合材１０を用いることとしたが、２以上の任意の数の層を積層した第１複合材１０としてもよい。

第１複合材１０に含まれる複合材料１０ａ，１０ｂ，１０ｃは、繊維基材とマトリックス樹脂（樹脂材料）とを含む。複合材料１０ａ，１０ｂ，１０ｃに含まれる繊維基材は、例えば炭素繊維である。複合材料１０ａ，１０ｂ，１０ｃに含まれるマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂材料であり、例えば、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、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）、ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、ポリブチレンテレフタラート（ＰＢＴ）、ナイロン６（ＰＡ６）、ナイロン６６（ＰＡ６６）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等である。

図１および図２に示すように、第１複合材１０は、山折り部ＭＰ１，山折り部ＭＰ２，谷折り部ＶＰ１，谷折り部ＶＰ２によって区画されるとともにそれぞれ長手方向ＬＤに沿って延びる第１領域Ｒ１，第２領域Ｒ２，第３領域Ｒ３，第４領域Ｒ４，第５領域Ｒ５を有する。第１領域Ｒ１は、山折り部ＭＰ１と山折り部ＭＰ２の間の領域である。第２領域Ｒ２は、山折り部ＭＰ１と谷折り部ＶＰ１の間の領域である。

第３領域Ｒ３は、山折り部ＭＰ２と谷折り部ＶＰ２の間の領域である。第４領域Ｒ４は、谷折り部ＶＰ１を挟んで第２領域Ｒ２に隣接する領域である。第５領域Ｒ５は、谷折り部ＶＰ２を挟んで第３領域Ｒ３に隣接する領域である。第１領域Ｒ１と第２領域Ｒ２との間、第１領域Ｒ１と第３領域Ｒ３との間、第２領域Ｒ２と第４領域Ｒ４との間、および第３領域Ｒ３と第５領域Ｒ５の間は、それぞれ所定の曲率をもって滑らかに曲がるＲ形状となっている。

図３に示すように、第１複合材１０は、第２複合材２０の第２接合領域２１に接合される第１接合領域１１と、第１接合領域１１に隣接してフィラー３０に接合される第１隣接領域１２とを有する。第１複合材１０は、短手方向ＳＤにおいて、第１接合領域１１と第１隣接領域１２との境界位置で折り曲げられている。

図４に示すように、第１接合領域１１が有する接合面１１ａは、第２複合材２０の接合面２１ａに接合される。第１隣接領域１２が有する第１隣接面１２ａは、フィラー３０の接合面（第１接合面）３１に接合される。

第２複合材２０は、シート状の三層の複合材料２０ａ，２０ｂ，２０ｃを積層して平坦状に成形したものである。第２複合材２０は、例えば、航空機の胴体部の構造体であるスキンとして用いられる。本実施形態では、三層の複合材料２０ａ，２０ｂ，２０ｃを積層した第２複合材２０を用いることとしたが、２以上の任意の数の層を積層した第２複合材２０としてもよい。また、第２複合材２０を１層の複合材料により形成してもよい。また、第２複合材２０は、短手方向ＳＤに沿って平坦状に形成されるものとしたが、短手方向ＳＤに沿って曲率を有する円弧形状に形成されていてもよい。

第２複合材２０に含まれる複合材料２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、繊維基材とマトリックス樹脂（樹脂材料）とを含む。複合材料２０ａ，２０ｂ，２０ｃに含まれる繊維基材は、例えば炭素繊維である。複合材料２０ａ，２０ｂ，２０ｃに含まれるマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂材料である。熱可塑性樹脂材料の例は、第１複合材１０と同様である。

図３に示すように、第２複合材２０は、第１複合材１０の第１接合領域１１に接合される第２接合領域２１と、第２接合領域２１に隣接してフィラー３０に接合される第２隣接領域２２とを有する。図４に示すように、第２接合領域２１が有する接合面２１ａは、第１複合材１０の接合面１１ａに接合される。第２隣接領域２２が有する第２隣接面２２ａは、フィラー３０の接合面（第２接合面）３２に接合される。

フィラー３０は、第１複合材１０と第２複合材２０との間に形成される隙間ＣＬにおいて、第１複合材１０と第２複合材２０とを接合する部材である。フィラー３０は、接合面３１と接合面３２と連結面３３とを有し、長手方向ＬＤに沿って延びる三角柱状に形成される。連結面３３は、接合面３１と接合面３２を連結する面である。

図４に示すように、第１複合材１０の接合面１１ａと第２複合材２０の接合面２１ａとが対向するように配置した状態で、第１複合材１０の第１隣接領域１２の第１隣接面１２ａと第２複合材２０の第２隣接領域２２の第２隣接面２２ａとの間に隙間ＣＬが形成される。隙間ＣＬは、軸線Ｘに沿って延びるように形成される。

図４に示すように、フィラー３０は、隙間ＣＬに対応する形状を有し、隙間ＣＬを埋めて空間が形成されないように配置される。本実施形態のフィラー３０は、短手方向ＳＤに沿って延びる第２隣接面２２ａと、第２隣接面２２ａに対して傾斜角度θだけ傾斜した方向に延びる第１隣接面１２ａとの隙間ＣＬを埋める略三角形状の断面形状を有する。

フィラー３０の連結面３３は、断面視が内側に向けて凹む略円弧形状となっている。連結面３３は、接合面３１と接続される頂部に向けて接合面３１との距離が漸次短くなる形状となっている。同様に、連結面３３は、接合面３２と接続される頂部に向けて接合面３２との距離が漸次短くなる形状となっている。

連結面３３をこのような形状とすることで、フィラー３０と第１複合材１０との接合部分に応力が集中しフィラー３０が第１複合材１０から剥離すること、およびフィラー３０と第２複合材２０との接合部分に応力が集中しフィラー３０が第２複合材２０から剥離することを抑制することができる。

次に、第１複合材１０と第２複合材２０とをフィラー３０を介して接合する接合方法について図面を参照して説明する。本実施形態の接合方法は、それぞれ繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む第１複合材１０および第２複合材２０を、フィラー３０を介して接合する方法である。図５は、本実施形態の接合方法を示すフローチャートである。

図５に示すように、ステップＳ１０１において、第１複合材１０を成形する。第１複合材１０は、シート状の三層の複合材料１０ａ，１０ｂ，１０ｃを積層して平坦状に形成された積層体（図示略）を賦形治具（図示略）に押し当て、加熱および加圧をしながら賦形することにより成形される。ステップＳ１０１により成形された第１複合材１０は、図２に示すように、長手方向ＬＤに直交する断面が略ハット型の形状を有する。

ステップＳ１０２において、第２複合材２０を成形する。第２複合材２０は、シート状の三層の複合材料２０ａ，２０ｂ，２０ｃを積層して加熱および加圧をしながら平坦状に成形される。ステップＳ１０２により成形された第２複合材２０は、図２に示すように、長手方向ＬＤに直交する断面が短手方向ＳＤに沿って延びる平坦状の形状を有する。

ステップＳ１０３において、フィラー用複合材（接合用複合材）２００を成形する。フィラー用複合材２００は、フィラー３０を生成するための複合材であり、図６に示すように、シート状の三層の複合材料２００ａ，２００ｂ，２００ｃを積層して平坦状に成形したものである。図６は、本実施形態のフィラー用複合材２００を示す斜視図である。

本実施形態では、三層の複合材料２００ａ，２００ｂ，２００ｃを積層したフィラー用複合材２００を用いることとしたが、２以上の任意の数の層を積層したフィラー用複合材２００としてもよい。また、フィラー用複合材２００を１層の複合材料により形成してもよい。また、第２複合材２０は、短手方向ＳＤおよび長手方向ＬＤに沿って平坦状に形成されるものとするが、短手方向ＳＤまたは長手方向ＬＤの少なくともいずれか一方に沿って曲率を有する円弧形状に形成されていてもよい。

フィラー用複合材２００に含まれる複合材料２００ａ，２００ｂ，２００ｃは、繊維基材とマトリックス樹脂（樹脂材料）とを含む。複合材料２００ａ，２００ｂ，２００ｃに含まれる繊維基材は、例えば炭素繊維である。複合材料２００ａ，２００ｂ，２００ｃに含まれるマトリックス樹脂は、熱可塑性樹脂材料である。熱可塑性樹脂材料の例は、第１複合材１０と同様である。

なお、以上のステップＳ１０１，Ｓ１０２，Ｓ１０３は、任意の順序で実行しても良いし、これらを同時に実行してもよい。

ステップＳ１０４において、フィラー用複合材２００を長手方向ＬＤに沿って切断し、長手方向ＬＤに沿って延びる長尺状の複数のフィラー３０を生成する。図６に示すように、例えば、レーザビームＬＢを照射するレーザ切断装置２５０を長手方向ＬＤに沿って移動させることにより、切断線ＣＵにおいてフィラー用複合材２００を切断する。レーザ切断装置２５０は、レーザビームＬＢの照射方向と短手方向ＳＤの位置を切り替えながら複数の切断線ＣＵにおいてフィラー用複合材２００を切断する。

ステップＳ１０４において、フィラー用複合材２００は常温（例えば、０℃～３５℃程度）であるものとするが、他の態様であってもよい。例えば、切断を容易にするために、加熱装置（図示略）により、フィラー用複合材２００をフィラー用複合材２００に含まれる熱可塑性樹脂の軟化点以上に加熱するようにしてもよい。

なお、ステップＳ１０４では、レーザビームＬＢを照射するレーザ切断装置２５０によりフィラー用複合材２００を切断するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、ワイヤ放電加工機、ウォータージェット切断装置など、他の切断装置を用いてもよい。

ステップＳ１０４において、フィラー用複合材２００が切断線ＣＵにおいて切断されると、図７に示す状態となる。図７は、フィラー用複合材２００を切断して生成した複数のフィラー３０を示す斜視図である。図７は、１つのフィラー用複合材２００から、２０本のフィラー３０を生成した例を示している。

ステップＳ１０５において、フィラー用複合材２００を切断して生成されたフィラー３０を成形型３００に設置して加熱し、隙間ＣＬに対応する形状に成形する。図８は、成形型３００を示す斜視図である。図９は、図８に示す成形型３００のＡ－Ａ矢視断面図である。図８は、フィラー３０を成形型３００に設置する前の状態を示す。図９は、フィラー３０を成形型３００に設置した状態を示す。

図８に示すように、成形型３００は、上型３１０と下型３２０を有する。下型３２０には、長手方向ＬＤに沿って延びる凹所３２１と、凹所３２１の底部に形成されるとともに長手方向ＬＤに沿って延びる下型成形面３２２とが形成されている。下型成形面３２２は、第１複合材１０と第２複合材２０との隙間ＣＬに形成されるＲ形状と対応する形状を有する。上型３１０には、下方に向けて突出する上型成形面３１１が形成されている。

図９に示すように、フィラー３０が成形型３００に設置された状態で、略三角形状の断面を有するフィラー３０の接合面３１、３２が下型成形面３２２と接触し、連結面３３が上型成形面３１１と接触する。また、上型３１０の上面３１２には加圧加熱装置４００の上型用加圧加熱部４１０が接触し、下型３２０の下面３２３には加圧加熱装置４００の下型用加圧加熱部４２０が接触する。

上型用加圧加熱部４１０は上型３１０が下型３２０に接近する方向に上型３１０を加圧し、下型用加圧加熱部４２０は下型３２０が上型３１０に接近する方向に下型３２０を加圧する。これにより、フィラー３０は、接合面３１、３２が下型成形面３２２により加圧され、連結面３３が上型成形面３１１により加圧された状態となる。

加圧加熱装置４００は、上型３１０および下型３２０を加圧した状態で、フィラー３０に含まれる熱可塑性樹脂が軟化点以上（あるいは融点以上）に加熱されるように、上型３１０および下型３２０に熱を伝達する。上型３１０および下型３２０は金属材料により形成されており、加圧加熱装置４００から伝達された熱をフィラー３０に伝達する。

フィラー３０は、加圧加熱装置４００から伝達された熱により形状が変形可能な状態となり、加圧加熱装置４００から伝達される圧力によって、上型成形面３１１および下型成形面３２２に沿った形状に成形される。以上の処理により、フィラー３０は、第１複合材１０と第２複合材２０との間に形成される隙間ＣＬに対応する形状に成形される。

隙間ＣＬに対応する形状とは、長手方向ＬＤに直交する断面において、隙間ＣＬの形状と近似し、かつ隙間ＣＬの断面積よりも大きくなる形状をいう。フィラー３０の断面積が隙間ＣＬの断面積よりも大きくなるようにしているのは、フィラー３０を第１複合材１０および第２複合材２０と接合させた際に、フィラー３０の接合面３１と第１複合材１０の第１隣接領域１２との間、およびフィラー３０の接合面３２と第２複合材２０の第２隣接領域２２との間に、空隙（ボイド）が形成されないようにするためである。

ステップＳ１０６において、ステップＳ１０５（成形工程）により隙間ＣＬに対応する形状に成形されたフィラー３０を隙間ＣＬに設置し、図４に示す状態とする。フィラー３０が隙間ＣＬに設置されると、第１複合材１０の第１接合領域１１が第２複合材２０の第２接合領域２１と接触し、第１複合材１０の第１隣接領域１２がフィラー３０の接合面３１と接触し、第２複合材２０の第２隣接領域２２がフィラー３０の接合面３２と接触した状態となる。

ステップＳ１０７において、一対の接合ローラ５１０，５２０を用いて、第１複合材１０の第１接合領域１１の接合面１１ａと、第２複合材２０の第２接合領域２１の接合面２１ａとを近づけるように加圧する。図１０は、加圧工程および加熱工程における構造体１００を示す部分断面図である。図１１は、図１０に示す構造体１００のＢ－Ｂ矢視断面である。

図１０および図１１に示すように、接合ローラ５１０は回転軸５１１回りに回転するローラであり接合ローラ５２０は回転軸５２１回りに回転するローラである。一対の接合ローラ５１０，５２０には、加圧機構（図示略）により、高さ方向ＨＤにおいて、接合面１１ａと接合面２１ａとを近づける方向の加圧力が付与される。

図１０および図１１に示すように、接合ローラ５１０は回転軸５１１を中心とした円筒状に形成され、接合ローラ５２０は回転軸５２１を中心とした円筒状に形成される。ステップＳ１０７においては、第１複合材１０および第２複合材２０を加圧する一対の接合ローラ５１０，５２０を、第１接合領域１１および第２接合領域２１に接触させた状態で回転させ、軸線Ｘ（長手方向ＬＤ）に沿って移動させる。

一対の接合ローラ５１０，５２０は、軸線Ｘ（長手方向ＬＤ）に沿って移動しながら第１複合材１０および第２複合材２０の長手方向ＬＤの各位置を加圧する。一対の接合ローラ５１０，５２０は、図１１に示す実線の位置から破線の位置まで移動した後、更に図１１の右方へ移動する。ステップＳ１０７の加圧工程による加圧は、後述するステップＳ１０８の加熱工程が終了するまで継続される。

ステップＳ１０８において、一対の接合ローラ５１０，５２０を用いて、第１複合材１０および第２複合材２０が加圧された状態で、第１複合材１０と第２複合材２０とフィラー３０とを加熱する。図１０に示す一対の接合ローラ５１０，５２０は、ヒータ（図示略）を内蔵している。一対の接合ローラ５１０，５２０は、第１複合材１０に含まれる熱可塑性樹脂が融点以上となり、第２複合材２０に含まれる熱可塑性樹脂が融点以上となり、かつフィラー３０に含まれる熱可塑性樹脂が融点以上となるように加熱する。

第１複合材１０に含まれる熱可塑性樹脂が融点以上となり、第２複合材２０に含まれる熱可塑性樹脂が融点以上となるように加熱することにより、第１複合材１０の接合面１１ａを第２複合材２０の接合面２１ａに接合する。また、フィラー３０に含まれる熱可塑性樹脂が融点以上となるように加熱することにより、第１複合材１０の第１隣接面１２ａをフィラー３０の接合面３１に接合し、第２複合材２０の第２隣接面２２ａをフィラー３０の接合面３２に接合する。

本実施形態のステップＳ１０８（加熱工程）は、ステップＳ１０７（加圧工程）と同時に行われる。図１１に示すように、一対の接合ローラ５１０，５２０は、軸線Ｘ（長手方向ＬＤ）に沿って移動しながら第１複合材１０および第２複合材２０の長手方向ＬＤの各位置を加圧し、それと同時に第１複合材１０および第２複合材２０の長手方向ＬＤの各位置を加熱する。一対の接合ローラ５１０，５２０は、図１１に示す実線の位置から破線の位置まで移動した後、更に図１の右方へ移動する。

ステップＳ１０７（加圧工程）と、ステップＳ１０８（加熱工程）は、図２に示す第１複合材１０の第４領域Ｒ４と第５領域Ｒ５の双方に対して行うものとする。第１複合材１０の第４領域Ｒ４と第５領域Ｒ５の双方に対して加圧工程および加熱工程を実行することにより、第１複合材１０の第４領域Ｒ４がフィラー３０を介して第２複合材２０に接合され、第１複合材１０の第５領域Ｒ５がフィラー３０を介して第２複合材２０に接合される。

ステップＳ１０９において、第１複合材１０に含まれる熱可塑性樹脂が融点未満となり、第２複合材２０に含まれる熱可塑性樹脂が融点未満となり、かつフィラー３０に含まれる熱可塑性樹脂が融点未満となるように冷却する。ステップＳ１０９の処理が終了すると、第１複合材１０と第２複合材２０とがフィラー３０を介して接合された状態となり、図５に示す処理が終了する。

ステップＳ１０９における冷却は、例えば、構造体１００を所定の温度（例えば、０℃～３５℃程度）に維持される空間で所定時間に渡って放置することにより実行される。また、ステップＳ１０９における冷却は、水冷あるいは空冷等の冷却機構を用いて行ってもよい。

以上で説明した本実施形態の接合方法によれば、切断工程（Ｓ１０４）において、フィラー用複合材２００を切断し、長尺状の複数のフィラー３０が生成される。複数のフィラー３０は、成形工程（Ｓ１０５）により、第１複合材１０の第１隣接領域１２と第２複合材２０の第２隣接領域２２との間に形成される隙間ＣＬと対応する形状に成形される。フィラー用複合材２００を切断するという比較的簡易な動作により、隙間ＣＬを補強するためのフィラー３０を複数形成することができる。そのため、多大な設備投資をすることなく複数の複合材を接合する際の接合強度を高めることが可能となる。

〔第２実施形態〕
次に、本開示の第２実施形態の接合方法について、図面を参照して説明する。本実施形態は、第１実施形態の変形例であり、以下で特に説明する場合を除き、第１実施形態と同様であるものとし、以下での説明を省略する。

第１実施形態の構造体１００は、第１複合材１０と第２複合材２０とをフィラー３０を介して接合するものであった。本実施形態の構造体１００Ａは、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとを、フィラー３０Ａを介して接合するものである。

図１２は、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとをフィラー３０Ａを介して接合する前の構造体１００Ａを示す部分断面図である。図１３は、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとをフィラー３０Ａを介して接合した後の構造体１００Ａを示す部分断面図である。

図１２および図１３に示すように、本実施形態の構造体１００Ａは、第１複合材１０Ａと、第２複合材２０Ａと、第３複合材４０Ａと、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとを接合するフィラー３０Ａとを備える。第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとは、軸線Ｘと平行な長手方向ＬＤに沿って延びる板状に形成される部材である。

第１複合材１０Ａおよび第２複合材２０Ａは、軸線Ｘに直交する断面形状が略Ｌ型である。第３複合材４０Ａは、軸線Ｘに直交する断面形状が短手方向ＳＤに沿って平坦に延びる形状である。

第１複合材１０Ａは、シート状の三層の複合材料１０Ａａ，１０Ａｂ，１０Ａｃを積層して平坦状に形成された積層体（図示略）を賦形して成形したものである。第２複合材２０Ａは、シート状の三層の複合材料２０Ａａ，２０Ａｂ，２０Ａｃを積層して平坦状に形成された積層体（図示略）を賦形して成形したものである。第１複合材１０Ａおよび第２複合材２０Ａは、例えば、航空機の胴体部の構造体として用いられる。

本実施形態では、三層の複合材料を積層した第１複合材１０Ａおよび第２複合材２０Ａを用いることとしたが、２以上の任意の数の層を積層した第１複合材１０Ａおよび第２複合材２０Ａとしてもよい。第１複合材１０Ａおよび第２複合材２０Ａに含まれる複合材料は、繊維基材（例えば、炭素繊維）と熱可塑性樹脂材料であるマトリックス樹脂とを含む。熱可塑性樹脂材料の例は、第１実施形態と同様である。

図１２に示すように、第１複合材１０Ａは、第２複合材２０Ａの第２接合領域２１Ａに接合される第１接合領域１１Ａと、第１接合領域１１Ａに隣接してフィラー３０Ａに接合される第１隣接領域１２Ａと、第１隣接領域１２Ａに隣接する平坦領域（第１平坦領域）１３Ａと、を有する。第１複合材１０Ａは、短手方向ＳＤにおいて、第１接合領域１１Ａと平坦領域１３Ａとを連結する第１隣接領域１２Ａで円弧状に折り曲げられている。

図１３に示すように、第１接合領域１１Ａが有する接合面１１Ａａは、第２複合材２０Ａの接合面２１Ａａに接合される。第１隣接領域１２Ａが有する第１隣接面１２Ａａは、フィラー３０Ａの接合面（第１接合面）３１Ａに接合される。

図１２に示すように、第２複合材２０Ａは、第１複合材１０Ａの第１接合領域１１Ａに接合される第２接合領域２１Ａと、第２接合領域２１Ａに隣接してフィラー３０Ａに接合される第２隣接領域２２Ａと、第２隣接領域２２Ａに隣接する平坦領域（第２平坦領域）２３Ａと、を有する。第２複合材２０Ａは、短手方向ＳＤにおいて、第２接合領域２１Ａと平坦領域２３Ａとを連結する第２隣接領域２２Ａで円弧状に折り曲げられている。

図１３に示すように、第２接合領域２１Ａが有する接合面２１Ａａは、第２複合材２０Ａの接合面２１Ａａに接合される。第２隣接領域２２Ａが有する第２隣接面２２Ａａは、フィラー３０Ａの接合面（第２接合面）３２Ａに接合される。

フィラー３０Ａは、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとの間に形成される隙間ＣＬにおいて、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとを接合する部材である。フィラー３０Ａは、接合面３１Ａと接合面３２Ａと連結面３３Ａとを有し、長手方向ＬＤに沿って延びる略三角柱状に形成される。接合面３１Ａは円弧状の第１隣接領域１２Ａと近似した形状を有し、接合面３２Ａは円弧状の第２隣接領域２２Ａと近似した形状を有する。連結面３３Ａは、接合面３１Ａと接合面３２Ａを連結する面である。

図１３に示すように、第１複合材１０Ａの接合面１１Ａａと第２複合材２０Ａの接合面２１Ａａとが対向し、第１複合材１０Ａの平坦領域１３Ａと第３複合材４０Ａとが対向し、第２複合材２０Ａの平坦領域２３Ａと第３複合材４０Ａとが対向するように配置した状態で、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとの間に隙間ＣＬが形成される。隙間ＣＬは、軸線Ｘに沿って延びるように形成される。図１３に示すように、フィラー３０Ａは、隙間ＣＬに対応する形状を有し、隙間ＣＬを埋めて空間が形成されないように配置される。

次に、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとをフィラー３０Ａを介して接合する接合方法について説明する。本実施形態の接合方法は、第１実施形態の図５に示す接合方法の変形例である。以下、第１実施形態と異なる部分について説明し、その他の説明を省略する。

本実施形態では、第１実施形態のステップＳ１０２とステップＳ１０３との間に、第３複合材４０Ａを成形するステップを有する。このステップにおいて、第３複合材４０Ａは、シート状の三層の複合材料４０Ａａ，４０Ａｂ，４０Ａｃを積層して加熱および加圧をしながら平坦状に成形される。このステップにより成形された第３複合材４０Ａは、図１２に示すように、長手方向ＬＤに直交する断面が短手方向ＳＤに沿って延びる平坦状の形状を有する。

本実施形態では、図５のステップＳ１０５において、フィラー用複合材２００を切断して生成された複数のフィラー３０Ａを成形型３００により成形する。本実施形態では、フィラー３０Ａを、成形型３００により以下のように成形する。具体的には、ステップＳ１０５において、第１複合材１０Ａの第１隣接領域１２Ａと第２複合材２０Ａの第２隣接領域２２Ａと第３複合材４０Ａとで画定される隙間ＣＬ以上の断面積となるようにフィラー３０Ａを成形する。

図１４は、軸線Ｘに直交する断面におけるフィラー３０Ａの形状を示す図であり、実線は成形工程により成形された後の状態を示し、点線は加圧工程および加熱工程が終了した後の状態を示す。本実施形態では、図５のステップＳ１０５において、フィラー３０Ａの断面積（図５で実線で囲まれた領域の面積）が、隙間ＣＬの断面積（図５の点線で囲まれた領域の面積）以上となるように、成形型３００によりフィラー３０Ａを成形する。フィラー３０Ａの断面積は、例えば、隙間ＣＬの断面積の１．０倍以上かつ１．３倍以下とするのが好ましい。

また、本実施形態では、図５のステップＳ１０５において、軸線Ｘに直交する断面におけるフィラー３０Ａの連結面の長さＬ１が、隙間ＣＬと対向する第３複合材４０Ａの長さＬ２よりも短くなるようにフィラー３０Ａを成形する。図１４に示す隙間ＣＬの短手方向ＳＤの長さＬ２は、隙間ＣＬと対向する第３複合材４０Ａの長さを示している。長さＬ１を長さＬ２よりも短くすることで、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａとが接合する位置（第１隣接領域１２Ａと第２隣接領域２２Ａとに挟まれる位置）の近傍において空隙（ボイド）が発生することを確実に防止することができる。

また、本実施形態では、図５のステップＳ１０６において、第１複合材１０Ａの第１接合領域１１Ａが第２複合材２０Ａの第２接合領域２１Ａと接触し、第１複合材１０Ａの第１隣接領域１２Ａがフィラー３０Ａの接合面３１Ａと接触し、第２複合材２０Ａの第２隣接領域２２Ａがフィラー３０Ａの接合面３２Ａと接触した状態とする。また、第１複合材１０Ａの平坦領域１３Ａと第２複合材２０の平坦領域２３Ａとフィラー３０Ａの連結面３３Ａとが、第３複合材４０Ａと接触した状態とする。

本実施形態では、図５のステップＳ１０８（加熱工程）において、第１複合材１０Ａの平坦領域１３Ａと第２複合材２０Ａの平坦領域２３Ａとフィラー３０Ａの連結面３３Ａとを第３複合材４０Ａに接合する。

以上で説明した本実施形態の接合方法によれば、第１複合材１０Ａの第１接合領域１１Ａと第２複合材２０Ａの第２接合領域２１Ａとを接合し、第１複合材１０Ａの平坦領域１３Ａおよび第２複合材２０Ａの平坦領域２３Ａを第３複合材４０Ａに接合する際に、第１複合材１０Ａの第１隣接領域１２Ａと、第２複合材２０Ａの第２隣接領域２２Ａと、第３複合材４０Ａとで囲まれた隙間ＣＬが形成される。この隙間ＣＬに設置されたフィラー３０Ａが加熱工程により加熱されるため、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａと第３複合材４０Ａとを、フィラー３０Ａを介して強固に接合することができる。

また、本実施形態の接合方法によれば、フィラー３０Ａの断面積が、第１複合材１０Ａの第１隣接領域１２Ａと第２複合材２０Ａの第２隣接領域２２Ａと第３複合材４０Ａとで画定される隙間ＣＬの断面積以上となる。そのため、第１複合材１０Ａとフィラー３０Ａとの間、第２複合材２０Ａとフィラー３０Ａとの間、第３複合材４０Ａとフィラー３０Ａとの間のいずれかに空隙（ボイド）が発生することを防止することができる。

また、本形態の接合方法によれば、軸線Ｘに直交する断面におけるフィラー３０Ａの連結面３３Ａの長さＬ１を、隙間ＣＬと対向する第３複合材４０Ａの長さＬ２よりも短くすることにより、第１複合材１０Ａと第２複合材２０Ａとが接合する位置の近傍において空隙（ボイド）が発生することを確実に防止することができる。

〔他の実施形態〕
以上の説明において、構造体１００の第１複合材１０および第２複合材２０は、長手方向ＬＤに沿った各位置で形状が同一であるものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、図１５に示す第１変形例の構造体１００Ｂように、長手方向ＬＤの１箇所あるいは複数箇所において、第１複合材１０および第２複合材２０の双方に段差部（ジョグル部）ＪＧを形成した構造体としてもよい。本変形例の場合、段差部ＪＧの形状に沿った形状となるように、成形型３００の長手方向ＬＤの１箇所あるいは複数箇所に段差部ＪＧに対応する形状の段差を設けるものとする。

また、例えば、図１６に示す第２変形例の構造体１００Ｃように、長手方向ＬＤの１箇所あるいは複数箇所において、第１複合材１０のみに段差部（ジョグル部）ＪＧを形成した構造体としてもよい。本変形例の場合、第１複合材１０の長手方向ＬＤの一部に複合材料１０ｄを設置し、第１複合材１０の長手方向の他の一部には複合材料１０ｄを設置しない。

そして、第２変形例では、複合材料１０ｄが設けられた領域の形状に沿うように、成形型３００の長手方向ＬＤの１箇所あるいは複数箇所に段差部ＪＧに対応する形状の段差を設けるものとする。この場合、ステップＳ１０４（切断工程）で切断されたフィラー３０は長手方向ＬＤの各位置での形状が同一である。そのため、フィラー３０を成形型３００で成形する際に、段差部ＪＧに対応する領域に複合材料１０ｄと同じ厚さを有する他の複合材料を配置するものとする。

また、第３変形例として、構造体１００を製造（図５に示す全ての処理を行う動作）した後に、構造体１００に空隙（ボイド）が発生したどうかを判定する判定工程を設けるようにしてもよい。構造体１００に空隙（ボイド）が発生したどうかは、作業者が目視により判定してもよいし、構造体１００に空隙が発生したかどうかを検出する検出装置（図示略）により判定してもよい。

判定工程が構造体１００に空隙が発生したと判定した場合には、その後に別の構造体１００を製造する際に、構造体１００に空隙（ボイド）が発生しないように調整する。この場合、例えば、成形型３００でフィラー３０を成形する際に、空隙（ボイド）が発生した領域の容積を増加させるように他の複合材料を配置する。また、例えば、図５のステップＳ１０６（設置工程）でフィラー３０を設置する際に、空隙（ボイド）が発生した領域の容積を増加させるように他の複合材料を配置する。

他の複合材料とは、例えば、１層から３層程度の繊維基材とマトリックス樹脂（熱可塑性樹脂材料）を含む複合材料である。他の複合材料の層数は、構造体１００に発生した空隙の大きさに応じて設定する。図５のステップＳ１０６（設置工程）では、空隙の大きさに応じて設定された層数のシート状の複合材料を、第１隣接領域１２とフィラー３０との間、または第２隣接領域２２とフィラー３０との間の少なくともいずれかに設置する。これにより、隙間ＣＬに空隙が発生することを適切に防止することができる。

以上説明した実施形態に記載の接合方法は、例えば以下のように把握される。
本開示に係る接合方法は、それぞれ繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む第１複合材（１０）および第２複合材（１０）を接合する接合方法であって、前記第１複合材は、軸線（Ｘ）に沿って延びる板状に形成されるとともに第１接合領域（１１）と前記第１接合領域に隣接する第１隣接領域（１２）とを有し、前記第２複合材は、前記軸線に沿って延びる板状に形成されるとともに第２接合領域（２１）と前記第２接合領域に隣接する第２隣接領域（２２）とを有し、前記第１接合領域と前記第２接合領域とが対向するように配置した状態で、前記第１隣接領域と前記第２隣接領域との間に前記軸線に沿って延びる隙間（ＣＬ）が形成され、繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むとともに板状に形成される接合用複合材（２００）を切断し、長尺状の複数の接合部材（３０）を生成する切断工程（Ｓ１０４）と、前記切断工程で生成された複数の前記接合部材を成形型（３００）に設置して加熱し、前記隙間に対応する形状に成形する成形工程（Ｓ１０５）と、前記成形工程により前記隙間に対応する形状に成形された前記接合部材を前記隙間に設置し、前記第１接合領域が前記第２接合領域と接触し、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域が前記接合部材と接触した状態とする設置工程（Ｓ１０６）と、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域が前記接合部材と接触した状態で、前記第１複合材と前記第２複合材と前記接合部材とを加熱することにより、前記第１接合領域を前記第２接合領域に接合し、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域を前記接合部材に接合する加熱工程（Ｓ１０８）と、を備える。

本開示に係る接合方法によれば、切断工程において、繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むとともに板状に形成される接合用複合材を切断し、長尺状の複数の接合部材が生成される。複数の接合部材は、成形工程により、第１複合材の第１隣接領域と第２複合材の第２隣接領域との間に形成される隙間と対応する形状に成形される。板状に形成される接合用複合材を切断するという比較的簡易な動作により、隙間を補強するための接合部材を複数形成することができる。そのため、多大な設備投資をすることなく複数の複合材を接合する際の接合強度を高めることが可能となる。

本開示に係る接合方法において、前記第１複合材は、前記第１隣接領域に隣接する第１平坦領域を有し、前記第２複合材は、前記第２隣接領域に隣接する第２平坦領域を有し、前記設置工程は、前記第１平坦領域と前記第２平坦領域と前記接合部材とが、繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むとともに板状に形成される第３複合材と接触した状態とし、前記加熱工程は、前記第１平坦領域と前記第２平坦領域と前記接合部材とを前記第３複合材に接合する構成としてもよい。

本構成の接合方法によれば、第１複合材の第１接合領域と第２複合材の第２接合領域とを接合し、第１複合材の第１平坦領域および第２複合材の第２平坦領域を第３複合材に接合する際に、第１複合材の第１隣接領域と、第２複合材の第２隣接領域と、第３複合材とで囲まれた隙間が形成される。この隙間に設置された接合部材が加熱工程により加熱されるため、第１複合材と第２複合材と第３複合材とを、接合部材を介して強固に接合することができる。

本構成の接合方法において、前記成形工程は、前記第１隣接領域と前記第２隣接領域と前記第３複合材とで画定される前記隙間以上の断面積となるように前記接合部材を成形する態様としてもよい。

本態様の接合方法によれば、接合部材の断面積が、第１複合材の第１隣接領域と第２複合材の第２隣接領域と第３複合材とで画定される隙間の断面積以上となる。そのため、第１複合材と接合部材との間、第２複合材と接合部材との間、第３複合材と接合部材との間のいずれかに空隙（ボイド）が発生することを防止することができる。

本態様の接合方法において、前記成形工程は、前記第１隣接領域と接合される第１接合面（３１）と前記第２隣接領域に接合される第２接合面（３２）と前記第１接合面と前記第２接合面とを連結する連結面（３３）とを有する三角柱状に前記接合部材を成形し、前記成形工程は、前記軸線に直交する断面における前記連結面の長さ（Ｌ１）が、前記隙間と対向する前記第３複合材の長さ（Ｌ２）よりも短くなるように前記接合部材を成形する形態としてもよい。

本形態の接合方法によれば、軸線に直交する断面における接合部材の連結面の長さを、隙間と対向する第３複合材の長さよりも短くすることにより、第１複合材と第２複合材とが接合する位置の近傍において空隙（ボイド）が発生することを確実に防止することができる。

本開示に係る接合方法においては、前記隙間に空隙が発生したかどうかを判定する判定工程を有し、前記設置工程は、前記空隙が発生したと前記判定工程が判定した場合、前記第１隣接領域と前記接合部材との間、または前記第２隣接領域と前記接合部材との間の少なくともいずれかに、繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むシート状の複合材料を設置する構成としてもよい。

本構成の接合方法によれば、空隙が発生した場合に、それ以降に接合される第１複合材および第２複合材の隙間を埋めるようにシート状の複合材料が第１隣接領域と接合部材との間、または第２隣接領域と接合部材との間の少なくともいずれかに設置される。そのため、第１複合材および第２複合材の隙間に空隙が発生することを適切に防止することができる。

１０，１０Ａ第１複合材
１１，１１Ａ第１接合領域
１１ａ，１１Ａａ接合面
１２，１２Ａ第１隣接領域
１２ａ，１２Ａａ第１隣接面
１３Ａ平坦領域
２０，２０Ａ第２複合材
２１，２１Ａ第２接合領域
２１ａ，２１Ａａ接合面
２２，２２Ａ第２隣接領域
２２ａ，２２Ａａ第２隣接面
２３Ａ平坦領域
３０，３０Ａフィラー
３１，３１Ａ，３２，３２Ａ接合面
３３，３３Ａ連結面
４０Ａ第３複合材
１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ構造体
２００フィラー用複合材
２５０レーザ切断装置
３００成形型
３１０上型
３１１上型成形面
３２０下型
３２１凹所
３２２下型成形面
４００加圧加熱装置
４１０上型用加圧加熱部
４２０下型用加圧加熱部
５１０，５２０接合ローラ
ＣＬ隙間
ＣＵ切断線
ＨＤ高さ方向
ＪＧ段差部
ＬＢレーザビーム
ＬＤ長手方向
Ｘ軸線
θ 傾斜角度

Claims

それぞれ繊維基材と熱可塑性樹脂とを含む第１複合材および第２複合材を接合する接合方法であって、
前記第１複合材は、軸線に沿って延びる板状に形成されるとともに第１接合領域と前記第１接合領域に隣接する第１隣接領域と前記第１隣接領域に隣接する第１平坦領域とを有し、
前記第２複合材は、前記軸線に沿って延びる板状に形成されるとともに第２接合領域と前記第２接合領域に隣接する第２隣接領域と前記第２隣接領域に隣接する第２平坦領域とを有し、
前記第１接合領域と前記第２接合領域とが対向するように配置した状態で、前記第１隣接領域と前記第２隣接領域との間に前記軸線に沿って延びる隙間が形成され、
繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むとともに板状に形成される接合用複合材を切断し、長尺状の複数の接合部材を生成する切断工程と、
前記切断工程で生成された複数の前記接合部材を成形型に設置して加熱し、前記第１隣接領域と前記第２隣接領域と板状に形成される第３複合材とで画定される前記隙間以上の断面積となるように前記接合部材を前記隙間に対応する形状に成形する成形工程と、
前記成形工程により前記隙間に対応する形状に成形された前記接合部材を前記隙間に設置し、前記第１接合領域が前記第２接合領域と接触し、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域が前記接合部材と接触し、前記第１平坦領域と前記第２平坦領域と前記接合部材とが前記第３複合材と接触した状態とする設置工程と、
前記第１隣接領域および前記第２隣接領域が前記接合部材と接触した状態で、前記第１複合材と前記第２複合材と前記接合部材とを加熱することにより、前記第１接合領域を前記第２接合領域に接合し、前記第１隣接領域および前記第２隣接領域を前記接合部材に接合し、前記第１平坦領域と前記第２平坦領域と前記接合部材とを前記第３複合材に接合する加熱工程と、を備える接合方法。
前記成形工程は、前記第１隣接領域と接合される第１接合面と前記第２隣接領域に接合される第２接合面と前記第１接合面と前記第２接合面とを連結する連結面とを有する三角柱状に前記接合部材を成形し、
前記成形工程は、前記軸線に直交する断面における前記連結面の長さが、前記隙間と対向する前記第３複合材の長さよりも短くなるように前記接合部材を成形する請求項１に記載の接合方法。
前記隙間に空隙が発生したかどうかを判定する判定工程を有し、
前記設置工程は、前記空隙が発生したと前記判定工程が判定した場合、前記第１隣接領域と前記接合部材との間、または前記第２隣接領域と前記接合部材との間の少なくともいずれかに、繊維基材と熱可塑性樹脂とを含むシート状の複合材料を設置する請求項１または請求項２に記載の接合方法。