JP7249404B2 - 複合材料製パネル構造体およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、プレス成形により製造される複合材料製パネル構造体とその製造方法に関し、特に、基板部に対して立設するリブにより補強された複合材料製パネル構造体とその製造方法とに関する。
一般に、航空機分の合材料製部品は、オートクレーブ成形を用いて製造されることが多い。しかし、オートクレーブ成形は、成形時間が長くなるため一般に大量生産に不向きとされる。そこで、大量生産する方法として、航空機用部品に限られず、複合材料製部品をプレス成形により製造する手法が従来から検討されている。
例えば、特許文献１では、切込プリプレグを一枚以上有するシート基材を複数用いて、それぞれ重ねた重ね部と重なっていない非重ね部とを形成するように配置して加熱・加圧する成型方法が開示されている。これにより特許文献１は、優れた複雑京王を有し、高力学特性を発現する繊維強化プラスチックを生産性よく製造することができるとしている。
国際公開第２０１８／１４２９６３
特許文献１では、十字形のリブを立てた繊維強化プラスチックの成形性評価が行われている。しかし、かかる成形性評価はリブの高さに関するものであり、リブの強度については特に検討されていない。
特に、特許文献１に開示の製造方法においては、シート基材同士を重ねプレス成形することによりシート基材を伸展させてリブを形成しているが、この製造方法では、リブが交差する交差部には強化繊維が配置されず実質的にマトリクス樹脂のみとなる。そのため、交差部の強度は、交差部を構成するマトリクス樹脂に依存することになり、十分な強度が得られない。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、基板部に設けられる、少なくとも２本のリブが交差する交差部の強度をより一層向上することが可能な複合材料製パネル構造体およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明に係る複合材料製パネル構造体は、前記の課題を解決するために、強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のプレス成形品であるパネル構造体であって、基板部と、当該基板部に対して立設し、互いに交差する少なくとも２つのリブと、を備え、前記リブおよび各前記リブが交差するリブ交差部には前記強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維が配置されている構成である。
前記構成によれば、プレス成形された複合材料製のパネル構造体において、リブとともにリブ交差部にも連続繊維または切込み入り連続繊維が配置されている。これにより、リブだけでなくリブ交差部においても基板部を補強することが可能になる。そのため、複合材料製パネル構造体において、基板部に設けられるリブの交差部の強度をより一層向上することが可能となる。
本発明に係る複合材料製パネル構造体の製造方法は、前記の課題を解決するために、基板部と、基板部に対して立設し、互いに交差する少なくとも２本のリブとを含み、強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のパネル構造体の製造方法であって、少なくとも前記マトリクス樹脂を用いて、前記基板部を構成する基板材料部を形成し、当該基板材料部における前記リブに対応する位置に、前記強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維を用いたリブ用プリプレグを、前記基板材料部上に積層し付加積層部を形成し、積層された前記基板材料部および前記付加積層部を成形型によりプレス成形する構成である。
本発明の上記目的、他の目的、特徴、および利点は、添付図面参照の下、以下の好適な実施態様の詳細な説明から明らかにされる。
本発明では、以上の構成により、基板部に設けられる、少なくとも２本のリブが交差する交差部の強度をより一層向上することが可能な複合材料製パネル構造体およびその製造方法を提供することができる、という効果を奏する。
図１Ａおよび図１Ｂは、実施の形態に係る複合材料製パネル構造体の構成を示す概略斜視図である。 図１Ａまたは図１Ｂに示す複合材料製パネル構造体におけるリブおよびリブ交差部の内部構造を示す模式的断面図を対比する図である。 図３Ａおよび図３Ｂは、図１Ａに示す複合材料製パネル構造体の製造に用いられるプリプレグ積層体の一例を示す分解斜視図である。 図４Ａおよび図４Ｂは、図３Ａに示す複合材料製パネル構造体の製造に用いられるプリプレグ積層体の他の例を示す模式的側面図である。 図５Ａは、図１Ａに示す複合材料製パネル構造体を製造する際のプレス成形型の代表的な一例を示す模式図であり、図５Ｂは、図５Ａに示す模式図において、プリプレグ積層体およびプレス成形型のキャビティを拡大した部分模式図である。 図６Ａおよび図６Ｂは、図１Ａに示す複合材料製パネル構造体におけるリブおよびリブ交差部を形成する複合材料層を説明するためのＩ－Ｉ線方向で割断した模式的斜視図であり、図６Ｃは、図６Ａまたは図６Ｂに示すリブの断面をブロック矢印ＩＩの方向から見た状態を示す模式的平面図である。 図７Ａは、複合材料製パネル構造体の製造に用いられる積層体の一例写真を示す図であり、図７Ｂは、図７Ａに示す積層体をプレス成形して得られる複合材料製パネル構造体の一例写真を示す図である。
［複合材料製パネル構造体］
本実施の形態に係る複合材料製パネル構造体（以下、適宜「パネル構造体」と略す）を、図１Ａ，図１Ｂおよび図２を参照して具体的に説明する。
パネル構造体は、強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のプレス成形品である。パネル構造体は、その具体的な構成は特に限定されないが、例えば、図１Ａに示すようにリブが十字に交差したパネル構造体１０Ａ、または、図１Ｂに示すようなアイソグリッド構造のパネル構造体１０Ｂである。
ここで、説明のために基板部１１が載置される面をＸＹ平面とし、リブが立設する方向をＺ軸とする。
図１Ａに示すパネル構造体１０Ａまたは図１Ｂに示すパネル構造体１０Ｂのいずれも、基板部１１と、当該基板部１１に対して立設する、少なくとも２本のリブ１２と、を備えている。参照符号１３は、リブ１２同士が交差するリブ交差部１３である。リブ１２には連続繊維または切込み入り連続繊維が配置されている。
ここで、切込み入り連続繊維は、一方向に配向した連続繊維に対して複数の切込みを挿入することで繊維を不連続としたものである。
図１Ａに示すパネル構造体１０Ａにおいて、リブ１２は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に延び、かつＺ軸方向に立設する。すなわち、リブ１２はリブの長手方向に延在している。なお、２本のリブ１２同士は、リブ交差部１３において直交している。
また、図１Ｂに示すパネル構造体１０Ｂは、３本のリブ１２同士がリブ交差部１３において互いに等角度で交差する。なお、リブ１２の交差角は直交または等角度に限定されない。
なお、図１Ａおよび図１Ｂは、いずれもパネル構造体の基本的な単位構成を示しており、実際のパネル構造体１０Ａ，１０Ｂは、構成単位を複数組み合わせたものとなる。
さらに、図１Ａ，図１Ｂでは、基板部１１は平坦な板状であるが、その用途に応じて湾曲してもよいし、形状または厚さはこれに限定されない。同様に、リブ１２の具体的な形状、厚さおよび高さも特に限定されない。リブ１２は、基板部１１を補強するために設けられるので、基板部１１に求められる強度に応じた厚さまたは高さに設定されればよい。
図１Ａに示すパネル構造体１０Ａを例に挙げてリブ１２およびリブ交差部１３について、図２を参照して説明する。
基板部１１およびリブ１２は、いずれもマトリクス樹脂２１および強化繊維２２から少なくとも構成される。基板部１１は、例えば複数の複合材料層が積層された構成であり、基板部１１に用いられる強化繊維２２は、リブ１２と同様に、連続繊維または切込み入り連続繊維である。そして基板１１の強化繊維の配向方向はＸＹ平面内のいずれかの方向である。
あるいは、基板部１１は、強化繊維２２として連続繊維ではなく短繊維を含有する構成であってもよい。さらには、少なくともリブ１２において強化繊維およびマトリクス樹脂が用いられていれば、それ以外の部位には強化繊維が必ずしも用いられなくてもよい。例えば、強化繊維に代わる公知の充填材を含有する構成であってもよい。
図２は、基板部１１およびリブ１２に、強化繊維２２として少なくとも連続繊維または切込み入り連続繊維が用いられた例を示す。図２上では、強化繊維２２を長破線で模式的に示しており、強化繊維２２以外の空白の部分がマトリクス樹脂２１に相当する。また、図２下では、強化繊維２２ａがＸＹ平面の任意の方向に配向していることになるため図示の便宜上、強化繊維２２ａをドット状に模式的に図示している。なお、強化繊維２２ｂを図２上と同様に長破線で模式的に図示している。
図２上に示すように、リブ１２には、配向方向がそれぞれリブ１２の長手方向となるＸ軸方向、Ｙ軸方向となるような連続繊維を少なくとも含む強化繊維２２が配置されている。また、リブ１２同士が直交するリブ交差部１３には強化繊維２２が重なるように配置されている。
図２下において基板部１１には、強化繊維２２ａがＸＹ平面の任意の方向に配向している。また、プレス成形時に基板部１１のうちリブ１２近傍の強化繊維２２ａがリブ１２に押し上げられる結果、リブ１２の強化繊維２２ｂがリブ１２の先端部に形成される。
よって、リブ１２の先端部の強化繊維２２ｂは、その配向方向がリブ１２の長手方向と略一致するものが含まれ、リブ１２の根本付近には、その配向方向が任意となる基板１１由来の強化繊維２２ａが配置される。
複合材料製のパネル構造体１０Ａ，１０Ｂを製造する際には、一般的にはプリプレグが用いられる。プリプレグは、強化繊維２２で構成される基材にマトリクス樹脂２１を含浸させたシート体である。後述するようにマトリクス樹脂２１として熱硬化性樹脂が用いられている場合、プリプレグにおけるマトリクス樹脂２１は半硬化状態であればよい。
マトリクス樹脂２１および強化繊維２２の具体的な種類は特に限定されず、公知の適用可能な材料を適宜選択して用いることができる。
マトリクス樹脂２１としては、代表的には、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂が挙げられる。熱硬化性樹脂の具体的な種類は特に限定されないが、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、シアネートエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミド樹脂等が挙げられる。これら熱硬化性樹脂は単独種で用いられてもよいし、複数種が組み合わせられて用いられもよい。また、これら熱硬化性樹脂のより具体的な化学構造も特に限定されず、公知の種々のモノマーが重合されたポリマーであってもよいし、複数のモノマーが重合されたコポリマーであってもよい。また、平均分子量、主鎖および側鎖の構造等についても特に限定されない。
また、熱可塑性樹脂の具体的な種類も特に限定されないが、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）等のエンジニアリングプラスチックが好適に用いられる。これら熱可塑性樹脂もより具体的な化学構造は特に限定されず、公知の種々のモノマーが重合されたポリマーであってもよいし、複数のモノマーが重合されたコポリマーであってもよい。また、平均分子量、主鎖および側鎖の構造等についても特に限定されない。
マトリクス樹脂２１には、公知の添加剤等の他の成分が添加されてもよい。例えば、添加剤としては、公知の硬化剤、硬化促進剤、繊維基材以外の補強材または充填材等を挙げることができる。これら添加剤の具体的な種類、組成等についても特に限定されず、公知の種類または組成のものを好適に用いることができる。
マトリクス樹脂２１が樹脂以外の他の成分を含有する場合には、樹脂および他の成分により構成される樹脂組成物と解釈することができる。
複合材料に用いられる強化繊維２２の具体的な種類は特に限定されないが、例えば、炭素繊維、ポリエステル繊維、ＰＢＯ（ポリパラフェニレンベンゾビスオキサゾール）繊維、ボロン繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、シリカ繊維（石英繊維）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）繊維、ナイロン繊維、等を挙げることができる。これら強化繊維２２は、１種類のみが用いられてもよいし２種類以上が適宜組み合わせて用いられてもよい。また、強化繊維２２の基材は特に限定されないが、代表的には、織物、組物、編物、不織布等を用いることができる。
強化繊維２２として、連続繊維、もしくは長繊維（不連続繊維であるが繊維の長さが長いもの）が用いられてもよい。また、強化繊維２２としては、複数種類の繊維材料または充填材もしくは補強材が併用されてもよい。例えば、基板部１１では、マトリクス樹脂２１とともに連続繊維ではなく短繊維が用いられてもよいし、繊維状ではなく粒子状の充填材または補強材（フィラー）が用いられもよい。充填材もしくは補強材としては、複合材料またはマトリクス樹脂２１の種類に応じて公知のものを好適に用いることができる。
また、複数種類の繊維材料が併用される場合であれば、連続繊維とともに短繊維が併用されてもよいし、強化繊維２２が連続繊維の織物、組物等の基材として構成されている場合には、基材が部分的に切込みを有してもよい。強化繊維２２が基材である場合には、切込みを有する基材と切込みを有しない通常の基材とを併用してもよい。この場合、特に、強化繊維２２うちリブ交差部１３に対応する部位には切込みが入っていない方が強度的に好ましい。
［プリプレグおよび積層体］
次に、パネル構造体１０Ａ，１０Ｂを製造するために用いられるプリプレグおよびその積層体について、図３Ａ，図３Ｂおよび図４Ａ，図４Ｂを参照して説明する。
本実施の形態では、例えば、プリプレグを所定形状に積層して積層体を形成してからプレス成形することにより、基板部１１、リブ１２およびリブ交差部１３を備えるパネル構造体１０Ａ，１０Ｂを製造する。
図３Ａ，図３Ｂ，図４Ａ，および図４Ｂに示す例では、積層体２３を形成する際には、基板部１１を構成するための基板用プリプレグ２０ａと、リブ１２を構成するリブ用プリプレグ２０ｂとを少なくとも用い、必要に応じて、図３Ｂに示すように、リブ１２およびリブ交差部１３を構成するためにダブラプリプレグ２０ｃを用いる。
具体的には、プレス成形前の積層体２３は、基板材料部２４および付加積層部２５から少なくとも構成される。基板材料部２４は、本実施の形態では、基板部１１を構成する基板用プリプレグ２０ａを積層した部位（基板積層部）である。なお、基板用プリプレグ２０ａの強化繊維が連続繊維または切込み入り連続繊維である場合には、その配向方向はＸＹ平面の任意の方向である。基板用プリプレグ２０ａを用いない場合には、基板材料部２４は積層体ではなく、例えば１枚の板状部であってもよい。
付加積層部２５は、リブ用プリプレグ２０ｂを、基板材料部２４におけるリブ１２およびリブ交差部１３に対応する位置に付加的に積層した部位である。なお、図３Ａ，図３Ｂでは、積層体２３の一例を分解斜視図として図示し、図４Ａ，図４Ｂでは、積層体２３の他の例を模式的側面図として図示している。
図３Ａ，図３Ｂに示すように、リブ用プリプレグ２０ｂは、リブ１２およびリブ交差部１３に対応する位置で重複するように付加積層される。これにより、得られるパネル構造体１０Ａにおいて、リブ交差部１３に対応する位置には、リブ用プリプレグ２０ｂに由来する強化繊維２２が配されることになる。また、図３Ｂに示す積層体２３では、リブ交差部１３およびその周辺部（リブ交差部１３に隣接するリブ１２）に対応する位置には、基板用プリプレグ２０ａよりも面積の小さいダブラプリプレグ２０ｃが、基板用プリプレグ２０ａの間に介在するように追加積層される。
なお、付加積層部２５は、リブ１２のような立体的な形状を有しているわけではなく、基板材料部２４の厚さが部分的に（リブ１２およびリブ交差部１３に対応する位置で）厚くなっているような形状となっている。
後述するように、このような実質的に平板状の積層体２３をプレス成形することにより、リブ用プリプレグ２０ｂ（あるいはリブ用プリプレグ２０ｂおよびダブラプリプレグ２０ｃ）は、成形型が有するリブ１２に対応するキャビティにこれらが導入されてリブ１２が形成される。本実施の形態では、例えば基板用プリプレグ２０ａ（およびダブラプリプレグ２０ｃ）として切込みプリプレグ（あるいは切込み入り連続繊維を有するプリプレグ）を用いることで、リブ１２にも、基板材料部２４を構成する基板用プリプレグ２０ａを導入することができる。
ただし、基板用プリプレグ２０ａの導入量は限定的であるため、基板用プリプレグ２０ａのみでリブ交差部１３およびその周辺のリブ１２（リブ交差部１３に隣接するリブ１２）を構成することはできない。それゆえ、図３Ａ、図４Ａまたは図４Ｂに示す積層体２３のように、リブ用プリプレグ２０ｂによりリブ交差部１３およびその周辺のリブ１２の体積を補うことになる。また、図３Ｂに示すように、リブ用プリプレグ２０ｂに加えてダブラプリプレグ２０ｃを併用することにより、リブ交差部１３およびその周辺のリブ１２の体積を補ってもよい。
図３Ａ、図４Ａまたは図４Ｂに示す積層体２３では、リブ用プリプレグ２０ｂとしては、例えば、長手方向に幅が略一定の短冊形状のものを用いているが、リブ用プリプレグ２０ｂの具体的な形状はこれに限定されない。リブ用プリプレグ２０ｂは長手方向の幅が部分的または徐々に異なる形状であってもよい。
また、図３Ａに示す積層体２３では、略同一形状のリブ用プリプレグ２０ｂ（短冊形状）を複数積層した構成であるが、図４Ａまたは図４Ｂに示す積層体２３では、リブ用プリプレグ２０ｂとして幅の異なるプリプレグを用いている。例えば、図４Ａに示す積層体２３では、付加積層部２５において、略同一形状のリブ用プリプレグ２０ｂが複数積層された上で、最も外面側には、他のリブ用プリプレグ２０ｂよりも幅広のリブ外面用プリプレグ２０ｄが積層されている。あるいは、図４Ｂに示す積層体２３では、付加積層部２５において、外面側（本実施の形態における上側、基板材料部２４とは反対側）に位置するに伴って徐々に幅広になるリブ用幅変化プリプレグ２０ｅを用いている。
図４Ａまたは図４Ｂの構成により、得られるパネル構造体１０Ａでは、リブ１２の外面側を幅広の複合材料層で覆うことができるので、リブ１２を構成する複合材料層に剥離が生じるおそれをより一層抑制することができる。なお、リブ外面用プリプレグ２０ｄの幅、あるいは、リブ用幅変化プリプレグ２０ｅにおける最も幅広のものの幅は特に限定されない。一般的には、少なくともリブ１２の幅（板厚）よりも大きい幅であればよい。
例えば、プリプレグ２０ａ～２０ｃの形状、プリプレグ２０ａ～２０ｃの積層枚数、プリプレグ２０ａ～２０ｃの積層方向等については、製造するパネル構造体１０Ａの形状、用途、種類等に応じて適宜設定することができる。図３Ａに示す例では、リブ用プリプレグ２０ｂとしては、リブ１２の形状に沿った細長い帯状のものが用いられるが、ダブラプリプレグ２０ｃのような広がりを有するものがリブ用プリプレグ２０ｂとして用いられてもよい。また、図３Ａ，図３Ｂまたは図４Ａ，図４Ｂでは、基板用プリプレグ２０ａの積層枚数が４～５枚であり、リブ用プリプレグ２０ｂの積層枚数が３～５枚であり、ダブラプリプレグ２０ｃの積層枚数が１枚であるが、これら図示の枚数は、説明の便宜上模式的に１桁の数で図示しているだけであり、実際にはパネル構造体１０Ａの構造に応じた多数の枚数が積層されればよい。
なお、積層体２３には、他の材料層として金属メッシュ層あるいは金属箔が含まれてもよい。金属メッシュ層または金属箔も伸展性を有するので、本開示に係るパネル構造体１０Ａの他の材料層として好適に用いることができる。例えば、積層体２３の表面には、銅メッシュ層が積層されてもよい。銅メッシュ層を含む積層体２３を後述するように加熱加圧成形することで、表面に銅メッシュを備えるパネル構造体１０Ａを製造することができる。例えば銅メッシュ層を備える複合材料製部品は耐雷保護対策が好ましい。
また、積層体２３には、他の材料層として非導電性複合材料（ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等）の材料層を含んでもよい。非導電性複合材料は、積層体２３の表面全体に積層されてもよいし、部分的に積層されてもよい。このような非導電性複合材料の層を含む積層体を後述するように加熱加圧成形することで、表面に非導電性複合材料の層を備えるパネル構造体１０Ａを製造することができる。
表面の非導電性複合材料は、代表的には、電食対策（例えばＣＦＲＰとイオン化傾向の遠い金属部材とが接触する際に、当該金属部材の腐食を抑制するための対策）に用いられるが、当該被導電性複合材料の具体的な種類は特に限定されず公知のものを好適に用いることができる。また、非導電性複合材料の用途も電食対策に限定されず、公知の他の用途で用いることができる。
［パネル構造体の製造方法］
次に、パネル構造体の製造方法について、図５Ａ，図５Ｂを参照して具体的に説明する。
まず、プリプレグ２０ａ，２０ｂ、または、プリプレグ２０ａ～２０ｃ、または、プリプレグ２０ａ，２０ｂ，２０ｄ、または、プリプレグ２０ａ，２０ｅ等で構成される積層体２３を形成し、そして、この積層体２３をプレス成形することによりパネル構造体１０Ａ，１０Ｂが形成される。なお、本開示に係る製造方法においてプレス成形によりリブ１２およびリブ交差部１３の形成を説明する便宜上、本実施の形態では、図４）に示す積層体２３に対して、図３Ｂに例示するダブラプリプレグ２０ｃを追加した構成の積層体２３を例示する。
図５Ａに示すように、プレス成形時に用いられる成形型３０は、図１Ａに示す十字交差構造のパネル構造体１０Ａの製造に用いるものであり、上型３１、下型３２、上側熱盤３３、下側熱盤３４等を備えている。
図５Ａに示す例では、上型３１が基板部１１の下面（図１Ａの下面）に対応し、下型３２が基板部１１の上面（図１Ａの上面）、リブ１２に対応する。上型３１と下型３２との間には、キャビティ３５が形成されている。
図５Ｂ上に示すように、積層体２３は、基板用プリプレグ２０ａ，リブ用プリプレグ２０ｂ，ダブラプリプレグ２０ｃ、およびリブ外面用プリプレグ２０ｄから構成される。本実施の形態では、基板用プリプレグ２０ａのうち少なくとも上側の一部およびダブラプリプレグ２０ｃとして切込みプリプレグが用いられている。なお、リブ用プリプレグ２０ｂおよびリブ外面用プリプレグ２０ｄは、切込みのない連続繊維で構成される通常のプリプレグが用いられてもよいし、切込みプリプレグが用いられてもよい。
また、積層体２３においては、基板材料部２４が図５Ａ，図５Ｂに示すように基板積層部として構成されてもよいし、基板積層部ではなく前述した単層構造であってもよい。あるいは、図４Ａに示すように積層体２３がダブラプリプレグ２０ｃを含まない構成であってもよいし、図４Ｂに示すように、リブ用プリプレグ２０ｂの代わりに、リブ用幅変化プリプレグ２０ｅが用いられる構成であってもよい。
上型３１の外側（上側）には上側熱盤３３が設けられ、下型３２の外側（下側）には下側熱盤３４が設けられており、これら熱盤３３，３４から上型３１および下型３２に対して熱および圧力が加えられる。これにより、上型３１および下型３２の間に介在する積層体２３が加熱加圧され（ホットプレスされ）、パネル構造体１０Ａが成形される。下型３２は、リブ１２およびリブ交差部１３に対応する複雑な凹凸構造が形成されている。そのため、図５Ａに示す例では、複数の型部材を締結部材３６で締結固定することにより、下型３２が構成されている。なお、成形型３０は図５Ａの構成に限定されない。
図５Ｂ上に示すように、まず上型３１および下型３２の間に積層体２３を配置する。続いて、図５Ｂ下に示すように、上下の熱盤３３，３４により上型３１および下型３２を加熱加圧（ホットプレス）する。なお、図５Ｂ下の矢印では、加圧方向を模式的に示している。これにより、プリプレグ２０ａ～２０ｄを構成するマトリクス樹脂２１が流動し、強化繊維２２もマトリクス樹脂２１とともに流動または伸展（もしくはその両方）する。
その結果、リブ用プリプレグ２０ｂが、キャビティ３５のうちリブ１２およびリブ交差部１３に対応する空間に導入される。また、本実施の形態では、基板用プリプレグ２０ａとして切込みプリプレグが用いられるので、基板用プリプレグ２０ａのうちリブ１２側（積層体２３における本実施の形態の「上」側、図５Ｂでは図の下側）の一部がリブ交差部１３およびその周辺のリブ１２に対応する空間に導入される。また、リブ１２に対応する位置に積層され、切込みプリプレグであるダブラプリプレグ２０ｃも、リブ交差部１３およびその周辺のリブ１２に導入される。
これにより、図５Ｂ下に示すように、リブ１２の先端側には、リブ用プリプレグ２０ｂ由来の複合材料層１４ｂが形成される。このとき、リブ１２の最も先端側には、リブ外面用プリプレグ２０ｄが積層されているので、リブ１２の先端側外面は、リブ外面用プリプレグ２０ｄ由来の複合材料層１４ｄにより覆われる。また、本実施の形態では、ダブラプリプレグ２０ｃを用いるので、リブ１２の根元側を含む大部分には、ダブラプリプレグ２０ｃ由来の複合材料層１４ｃおよび基板用プリプレグ２０ａ由来の複合材料層１４ａが形成される。
このように、リブ１２は、リブ用プリプレグ２０ｂ由来の複合材料層１４ｂを有することになる。ここで、リブ用プリプレグ２０ｂの強化繊維２２には連続繊維または切込み入り連続繊維が用いられるので、リブ１２だけでなくリブ交差部１３の強度をより向上させることができる。
リブ交差部１３における連続繊維の配置について、図６Ａ～図６Ｃを参照してより具体的に説明する。図６Ａおよび図６Ｂは、図１Ａに示すパネル構造体１０ＡにおけるＩ－Ｉ線（一点鎖線）方向で割断した図に相当し、十字交差構造の２本のリブ１２のうちＹ軸方向を長手方向とするリブ１２の断面（縦断面）を模式的に図示したものである。図６Ｃは、図６Ａの断面をＸ軸方向から見たときの模式図である。
図６Ａは、リブ１２の先端側（外面側）に位置する複合材料層１４ｂおよび最も外側（最も先端側）に位置する複合材料層１４ｄの分解斜視図である。また、図６Ｂは、リブ１２の先端側に位置する複合材料層１４ｅの分解斜視図である。
図６Ａは、略同一形状のリブ用プリプレグ２０ｂを積層し、最も先端側にリブ外面用プリプレグ２０ｄを積層した構成に対応する。それゆえ、図６Ａに示す複合材料層１４ｂは、図４Ａに示す略同一形状のリブ用プリプレグ２０ｂに由来する層となり、複合材料層１４ｄは、図４Ａに示すリブ外面用プリプレグ２０ｄに由来する層となる。複合材料層１４ｂは、リブ１２の先端部に単純積層される層であるが、複合材料層１４ｄは、前述したように、リブ１２の外面側の少なくとも一部または外面側を全体的に覆うことになる。
図６Ｂは、図４Ｂのリブ用幅変化プリプレグ２０ｅを積層した構成に対応する。それゆえ、図６Ｂに示す複合材料層１４ｅは、図４Ｂに示すリブ用幅変化プリプレグ２０ｅに由来する層となる。複数のリブ用幅変化プリプレグ２０ｅは、リブ１２の先端側（Ｚ軸方向）に向かって徐々に幅広になるので、複数の複合材料層１４ｅは、先端側に向かって徐々にリブ１２の先端部を覆う面積が広くなる層となる。
さらに、図６Ｃに示すように、十字交差構造を構成する一方のリブ１２のリブ交差部１３においては、当該一方のリブ１２を構成する複合材料層１４ｂ（または複合材料層１４ｄ，１４ｅ）と、他方のリブ１２を構成する複合材料層１４ｂ（または複合材料層１４ｄ，１４ｅ）とが互いに積層された状態となる。
これにより、プレス成形された複合材料製のパネル構造体１０Ａにおいて、リブ１２だけでなくリブ交差部１３にも連続繊維または切込み入り連続繊維が配置される。そのため、リブ１２だけでなくリブ交差部１３においても基板部１１を補強することが可能になる。しかも、複合材料層１４ｂ（または複合材料層１４ｄ，１４ｅ）は、リブ１２の延伸方向に沿って積層されている。そのため、リブ交差部１３においても連続繊維または切込み入り連続繊維はリブ１２の延伸方向に沿って配置され、かつ、複数のリブ１２の交差によって、連続繊維または切込み入り連続繊維も交差する形でリブ交差部１３に配置される。これにより、リブ交差部１３における基板部１１の補強作用をより一層向上することが可能になる。
例えば十字交差構造等の立体構造を含む場合には、このような複雑な構造に対応する立体形状となるようにプリプレグを積層するため、一般的に、積層時間が長くなる。また、このように積層した複雑な立体形状をプレス成形することは通常困難であるため、実用上ではオートクレーブ成形が用いられている。しかしながら、オートクレーブ成形では、成形時間が長くなってしまう。このように従来技術を適用して立体構造からなるパネル構造体を製造するためには多大な時間を必要とするため大量生産が難しかった。
これに対して、本実施の形態によれば、積層体２３は実質的に平板状であるためプレス成形が可能であり、リブ１２を含む複雑な立体形状からなるパネル構造体を容易に製造することができる。
また、従来、プレス成形によりリブ等の立体構造部に連続繊維を配置することは難しかったが、付加積層部２５を有する積層体２３をプレス成形することで、リブ交差部１３に連続繊維または切込み入り連続繊維を配置し、強度・剛性を向上させたパネル構造体を製造することができる。
図７Ａ，図７Ｂを参照して説明する。図７Ａ，図７Ｂは、図１Ｂに示すアイソグリッド構造のパネル構造体１０Ｂを実際に製造した一例である。このうち図７Ａがプリプレグを積層した積層体２３の一例であり、図７Ｂが、図７Ａに示す積層体２３をホットプレス成形することにより製造されたパネル構造体１０Ｂの一例である。
図７Ａに示すように、基板材料部２４の上面に付加積層部２５が確認できるものの、積層体２３そのものは実質的に平板状である。このような積層体２３をホットプレス成形により成形することで、図７Ｂに示すパネル構造体１０Ｂが製造される。図７Ｂから明らかなように、このパネル構造体１０Ｂでは、基板部１１に対して立設する複数のリブ１２が形成できること、並びに、これらリブ１２が交差してリブ交差部１３が形成できることがわかる。
このように、本開示に係る複合材料製パネル構造体は、強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のプレス成形品であるパネル構造体であって、基板部と、当該基板部に対して立設する板状のリブと、当該リブ同士が交差するリブ交差部と、を備え、リブおよびリブ交差部には強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維が配置されている構成である。
また、本開示に係る複合材料製パネル構造体の製造方法は、強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のパネル構造体をプレス成形により製造する複合材料製パネル構造体の製造方法であって、パネル構造体は、基板部と、当該基板部に対して立設する板状のリブと、当該リブ同士が交差するリブ交差部と、を備えるものであり、少なくともマトリクス樹脂を用いて、基板部を構成する基板材料部を形成するとともに、当該基板材料部におけるリブおよびリブ交差部に対応する位置に、当該リブおよび当該リブ交差部の一部を構成し、強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維を用いたリブ用プリプレグを、付加的に積層して付加積層部を形成し、得られる積層体を成形型によりプレス成形する構成の製造方法である。
このような構成によれば、プレス成形された複合材料製のパネル構造体において、リブだけでなくリブ交差部にも連続繊維が配置されている。これにより、リブだけでなくリブ交差部においても基板部を補強することが可能になる。そのため、複合材料製パネル構造体において、基板部に設けられるリブの交差部の強度をより一層向上することが可能となる。
本開示に係るパネル構造体１０Ａ、１０Ｂの具体的な用途は特に限定されず、航空宇宙分野、自動車・二輪車分野、鉄道分野、海洋分野、産業機器分野、医療機器分野、スポーツ用品分野、建築土木分野等のさまざまな分野において用いられるパネル状部材として好適に用いることができる。より好ましくは、航空機または宇宙機等の航空宇宙分野に用いられる。
なお、本発明は前記実施の形態の記載に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示した範囲内で種々の変更が可能であり、異なる実施の形態や複数の変形例にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施の形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
また、上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
本発明は、基板部に立設する複数のリブおよびリブ交差部を有する複合材料製パネル構造体の分野に広く好適に用いることができる。
１０Ａ：パネル構造体（十字交差構造）
１０Ｂ：パネル構造体（アイソグリッド構造）
１１：基板部
１２：リブ
１３：リブ交差部
１４ａ～１４ｅ：複合材料層
２０ａ：基板用プリプレグ
２０ｂ：リブ用プリプレグ
２０ｃ：ダブラプリプレグ
２０ｄ：リブ外面用プリプレグ
２０ｅ：リブ用幅変化プリプレグ
２１：マトリクス樹脂
２２：強化繊維
２２ａ：強化繊維（連続繊維または切込み入り繊維、あるいは短繊維）
２２ｂ：強化繊維（連続繊維または切込み入り繊維）
２３：積層体
２４：基板材料部（基板積層部）
２５：付加積層部
３０：成形型
３１：上型
３２：下型
３３：上側熱盤
３４：下側熱盤
３５：キャビティ
３６：締結部材

Claims (12)

  1. 強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のプレス成形品であるパネル構造体であって、
    基板部と、当該基板部に対して立設し、互いに交差する少なくとも２つのリブと、を備え、
    前記リブおよび各前記リブが交差するリブ交差部には前記強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維が配置されており、
    前記リブおよび前記リブ交差部の先端には、前記リブが立設する方向にリブ用の複合材料層が重なって配置されており、
    前記リブおよび前記リブ交差部の前記先端以外には、前記リブの幅方向に複合材料層が重なって配置されていることを特徴とする、
    複合材料製パネル構造体。
  2. 強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のプレス成形品であるパネル構造体であって、
    基板部と、当該基板部に対して立設し、互いに交差する少なくとも２つのリブと、を備え、
    前記リブおよび各前記リブが交差するリブ交差部には前記強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維が配置されており、
    前記リブ交差部には、交差する前記リブのうち一方の前記リブの一部を構成する第１の複合材料層と、他方の前記リブの一部を構成する第２の複合材料層とが、前記リブが立設する方向に重なって配置されていることを特徴とする、
    複合材料製パネル構造体。
  3. 前記リブにおける前記連続繊維または前記切込み入り連続繊維の配向方向は、前記リブの長手方向と略一致しているものを含むことを特徴とする、
    請求項１または２に記載の複合材料製パネル構造体。
  4. 前記基板部には、前記強化繊維として前記切込み入り連続繊維が含まれており、
    前記リブおよび前記リブ交差部には、前記基板部の前記切込み入り連続繊維が含まれていることを特徴とする、
    請求項１から３のいずれか１項に記載の複合材料製パネル構造体。
  5. 前記リブ交差部は、２本以上の前記リブ同士が互いに交差するグリッド構造であることを特徴とする、
    請求項１から４のいずれか１項に記載の複合材料製パネル構造体。
  6. 航空機用または宇宙機用であることを特徴とする、
    請求項１から５のいずれか１項に記載の複合材料製パネル構造体。
  7. 前記強化繊維が炭素繊維であり、前記マトリクス樹脂が熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂であることを特徴とする、
    請求項１から６のいずれか１項に記載の複合材料製パネル構造体。
  8. 基板部と、基板部に対して立設し、互いに交差する少なくとも２本のリブとを含み、強化繊維およびマトリクス樹脂を含有する複合材料製のパネル構造体の製造方法であって、
    少なくとも前記マトリクス樹脂を用いて、前記基板部を構成する基板材料部を形成し、
    当該基板材料部における前記リブに対応する位置に、前記強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維を用いたリブ用プリプレグを、前記基板材料部上に積層し付加積層部を形成し、
    積層された前記基板材料部および前記付加積層部を成形型によりプレス成形することを特徴とする、
    複合材料製パネル構造体の製造方法。
  9. 前記付加積層部を形成する際には、前記複合材料製パネル構造体の最も外面側に位置する前記リブ用プリプレグを、他の前記リブ用プリプレグよりも幅広のものとすることを特徴とする、
    請求項８に記載の複合材料製パネル構造体の製造方法。
  10. 前記基板材料部は、基板用プリプレグを積層して形成されるとともに、
    前記基板用プリプレグは、前記強化繊維として連続繊維または切込み入り連続繊維を含有することを特徴とする、
    請求項８または９に記載の複合材料製パネル構造体の製造方法。
  11. 前記基板材料部における少なくとも前記リブおよび前記リブが交差するリブ交差部の位置する側には、前記強化繊維として切込み入り連続繊維を用いた切込みプリプレグが用いられ、
    前記プレス成形により、前記リブおよび前記リブ交差部には、前記基板材料部に由来する強化繊維の少なくとも一部が導入され、前記リブ用プリプレグが前記リブの先端側に形成される、
    請求項８から１０のいずれか１項に記載の複合材料製パネル構造体の製造方法。
  12. 前記基板材料部における少なくとも前記リブおよび前記リブが交差するリブ交差部の位置する側には、前記強化繊維として切込み入り連続繊維を用いた切込みプリプレグが用いられ、
    前記基板材料部における前記リブ交差部および当該リブ交差部に近接する前記リブに対応する位置には、前記基板用プリプレグよりも面積の小さく、かつ、前記強化繊維として切込み入り連続繊維を含有するダブラプリプレグを、当該基板用プリプレグの間に介在するように追加積層することを特徴とする、
    請求項１０に記載の複合材料製パネル構造体の製造方法。
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