JP7261356B2 - 中子及び構造体の成形方法 - Google Patents

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Description

本開示は、繊維強化樹脂を含む構造体の成形工程で用いる中子、及び、当該中子を用いた構造体の成形方法に関する。
繊維強化樹脂製のスキンと梁状のストリンガとを一体成形してなる構造体が考案されている。上記のストリンガとして、スキン側に開口する断面ハット型のものを用いることができる。断面ハット型のストリンガは、構造体の断面変化に追従しやすく、重量に比して強度が高いという利点がある。ただし、断面ハット型のストリンガは、スキンと一体成形する工程において、スキンとの間の空間に中子を挿入する必要がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１５－１４２９９３号公報
スキンとストリンガとを一体成形する工程では、スキンの外面に大きな力が部分的に加えられる場合がある。そのため、中子のスキンを支持する面、つまり中子のスキンに接する面は部分的に変形しないことが望ましい。ただし、硬い材料で形成された中子は、柔軟性が乏しく、成形後における中子の抜き取りが容易ではない。
本開示は、以上のような事情に鑑みてなされたものであり、スキンに接する面が部分的に変形しにくく、かつ、成形後の抜き取りが容易である中子及び構造体の成形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中子は、繊維強化樹脂製のスキンと前記スキン側に開口する断面ハット型のストリンガとを一体成形する工程において、前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に挿入される中子であって、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記スキンに接する第１型材と、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第１型材に隣接して前記スキンに接する第２型材と、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第１型材及び前記第２型材を挟んで前記スキンと反対側に位置し、前記第１型材及び前記第２型材の両方に接する第３型材と、を備えている。
この構成によれば、スキンに接する面が部分的に変形しないように中子を比較的硬い材料で形成した場合であっても、第３型材が下になる状態で第３型材を抜き取れば、第１型材及び第２型材が崩れ落ちて、第１型材及び第２型材が抜き取りやすくなる。
本開示の一態様に係る構造体の成形方法は、前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に記載の中子を挿入し、その状態で前記スキンと前記ストリンガとを一体成形した後、前記空間から前記中子を抜き取る。
この成形方法によれば、スキンに接する面が部分的に変形しないように中子を比較的硬い材料で形成した場合であっても、第３型材が下になる状態で第３型材を抜き取れば、第１型材及び第２型材が崩れ落ちて、第１型材及び第２型材が抜き取りやすくなる。
上記の構成によれば、スキンに接する面が部分的に変形しにくく、かつ、成形後の抜き取りが容易である中子及び構造体の成形方法を提供することができる。
図１は、中子を用いて成形する構造体の正面図である。 図２（ａ）乃至（ｇ）は、構造体の成形工程を示した図である。 図３（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ第１実施形態に係る中子の正面図、I-I矢視断面図、及び、背面図である。 図４（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ第２実施形態に係る中子の正面図、II-II矢視断面図、及び、背面図である。 図５（ａ）乃至（ｃ）は、それぞれ第３実施形態に係る中子の正面図、III-III矢視断面図、及び、背面図である。
（第１実施形態）
はじめに、第１実施形態に係る中子１００について説明する。
＜構造体＞
まず、中子１００を用いて成形される構造体１０１について説明する。図１は、構造体１０１の正面図であって、構造体１０１の一部を示している。構造体１０１は、一例として航空機の機体である。構造体１０１は、スキン１０２と、複数のストリンガ１０３とを備えている。図１では、複数のストリンガ１０３のうちの１つを示している。なお、構造体１０１の形状は限定されず、平板状であってもよく、円筒状であってもよい。
スキン１０２は、構造体１０１の表面にあたる部分である。本実施形態では、スキン１０２の厚みは一定であるものとする。スキン１０２は、カーボンなどの繊維に樹脂を含侵させたシート状のプリプレグを積層し、これらを硬化することで形成されている。つまり、スキン１０２は繊維強化樹脂製である。スキン１０２の厚みは、プリプレグの積層数で調整することができる。本実施形態のスキン１０２を構成する樹脂は熱可塑性樹脂であるが、熱硬化性樹脂であってもよい。
ストリンガ１０３は、スキン１０２の内側に位置し、スキン１０２と一体に形成される部分である。ストリンガ１０３は梁の役割を果たし、所定の方向（図１の紙面に垂直な方向）に延びている。構造体１０１が筒状である場合は、ストリンガ１０３は構造体１０１の軸方向に沿って延びる。本実施形態のストリンガ１０３は、スキン１０２と同じ材料（つまり、繊維強化樹脂）で形成されている。ただし、ストリンガ１０３は、スキン１０２と異なる材料で形成されていてもよい。例えば、ストリンガ１０３は、インバー合金で形成されていてもよい。
ここで、以下では、ストリンガ１０３が延びる方向を「長手方向」と称し、長手方向に対して垂直な断面を単に「断面」と称し、断面視においてスキン１０２が延びる方向を「幅方向」と称し、断面視においてスキン１０２の垂線方向を「縦方向」と称する。なお、縦方向は、鉛直方向と一致しない場合もある。
ストリンガ１０３は、スキン１０２側に開口する断面ハット型である。具体的には、ストリンガ１０３は、スキン１０２から最も遠くに位置する底面部１０４と、底面部１０４の幅方向両端からスキン１０２に向かって延びる２つの側面部１０５と、各側面部１０５からスキン１０２に接しながら幅方向外側に延びる２つのフランジ部１０６と、を有している。なお、２つの側面部１０５は、互いに幅方向に離れるようにして、縦方向に対して傾斜している。
スキン１０２及びストリンガ１０３は上記のように構成されているため、スキン１０２とストリンガ１０３との間には空間１０７が形成される。この空間１０７は、長手方向に延びており、断面視において台形状の形状を有している。スキン１０２とストリンガ１０３とを一体成形する工程では、この空間１０７に中子１００が挿入される。
＜構造体の成形工程＞
次に、上述した構造体１０１の成形工程、つまりスキン１０２とストリンガ１０３とを一体成形する工程について説明する。図２（ａ）乃至（ｇ）は、構造体１０１の成形工程を示した図である。なお、以下で説明する構造体１０１の成形工程は、スキン１０２が熱可塑性樹脂で形成される場合の一例であり、例えばスキン１０２が熱硬化性樹脂で形成される場合は異なる工程が実施される。
本実施形態の成形工程では、まず、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、予め用意した基礎型１０８の溝１０９にストリンガ１０３を設置する。基礎型１０８は、完成後の構造体１０１の形状に応じた形状を有しており、例えば板状や断面半円状の形状を有している。続いて、図２（ｃ）に示すように、ストリンガ１０３の内部に中子１００を挿入する。中子１００の詳細は後述する。
続いて、図２（ｄ）に示すように、基礎型１０８及び中子１００の表面に沿ってスキン１０２を形成する。前述のとおり、スキン１０２はプリプレグを積層することにより形成される。このとき、スキン１０２は硬化しておらず、ストリンガ１０３とも結合していない。
続いて、図２（ｅ）に示すように、スキン１０２に熱を加えるとともに、加圧装置１１０を用いてスキン１０２の表面に力を加える。このとき、スキン１０２には部分的な力が加わる。また、スキン１０２の温度は例えば３５０度といった高温となる。このように、熱を加えながら加圧成形することにより、スキン１０２が硬化して、ストリンガ１０３と結合する。つまり、スキン１０２とストリンガ１０３とは一体成形される。
続いて、図２（ｆ）に示すように、スキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７から中子１００を抜き取る。最後に、図２（ｇ）に示すように、スキン１０２とストリンガ１０３とが一体化した構造体１０１を基礎型１０８から取り外す。以上が、構造体１０１の成形工程である。
＜中子＞
次に、本実施形態に係る中子１００について説明する。ここで、図３（ａ）は中子１００の正面図、図３（ｂ）は図３（ａ）におけるI-I矢視断面図、図３（ｃ）は中子１００の背面図である。なお、図３（ａ）乃至（ｃ）は、中子１００がスキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７に挿入された状態を示している。この点は、後述する図４（ａ）乃至（ｃ）及び図５（ａ）乃至（ｃ）も同様である。
図３（ａ）に示すように、本実施形態に係る中子１００は、互いに分離可能な第１型材１０と、第２型材２０と、第３型材３０と、を備えている。
第１型材１０は、スキン１０２に接する部材である。第１型材１０は、第２型材２０と幅方向に隣り合うようにして、長手方向に沿って延びている。本実施形態の第１型材１０は、長手方向位置にかかわらず、同じ断面形状を有している。
より詳細には、本実施形態の第１型材１０は、スキン１０２に接する上面１１と、ストリンガ１０３の側面部１０５に接する外側面１２と、上面１１の反対側に位置し第３型材３０と接する下面１３と、第２型材２０と接する内側面１４と、下面１３と内側面１４との間に位置し第３型材３０と接する断面Ｌ字状の窪み面１５と、を有している。
第２型材２０は、第１型材１０と同様にスキン１０２に接する部材である。第２型材２０は、第１型材１０と幅方向に隣り合うようにして、長手方向に沿って延びている。本実施形態の第２型材２０は、長手方向位置にかかわらず、同じ断面形状を有している。
より詳細には、本実施形態の第２型材２０は、スキン１０２に接する上面２１と、ストリンガ１０３の側面部１０５に接する外側面２２と、上面２１の反対側に位置し第３型材３０と接する下面２３と、第１型材１０と接する内側面２４と、下面２３と内側面２４との間に位置し第３型材３０と接する断面Ｌ字状の窪み面２５と、を有している。
また、第２型材２０の窪み面２５は、第１型材１０の窪み面１５と一体となって挿入溝２６を形成している。挿入溝２６は、第１型材１０と第２型材２０の境界部分に位置しており、長手方向に延びている。また、挿入溝２６は、断面視において矩形状の形状を有している。
さらに、上述した第１型材１０の内側面１４と第２型材２０の内側面２４は、互いに接しており、縦方向に対して傾斜している。具体的には、第１型材１０の内側面１４は、断面視において上面１１とのなす角が鈍角となるように傾斜している。また、第２型材２０の内側面２４は、断面視において上面２１とのなす角が鋭角となるように傾斜している。
第３型材３０は、第１型材１０及び第２型材２０を挟んでスキン１０２と反対側に位置する部材である。第３型材３０は、長手方向に沿って延びている。本実施形態の第３型材３０は、長手方向位置にかかわらず、同じ断面形状を有している。より詳細には、第３型材３０は、本体部３１と、突起部３２と、を有している。
本体部３１は、断面視において矩形状の形状を有している。本体部３１の下面３３は、ストリンガ１０３の底面部１０４に接している。また、本体部３１の突起部３２の幅方向両側に位置するショルダ面３４は、第１型材１０の下面１３及び第２型材２０の下面２３の両方に接している。なお、上記のとおり本実施形態の本体部３１は断面視において矩形状の形状を有しているが、本体部３１はストリンガ１０３の断面形状に沿って台形状の形状を有していてもよい。
突起部３２は、第３型材３０の幅方向中央からスキン１０２側に向かって突出する部分である。突起部３２は、断面視において矩形状の形状を有しており、第１型材１０の窪み面１５と第２型材２０の窪み面２５が一体となって形成された挿入溝２６に挿入されている。したがって、突起部３２は、第１型材１０の窪み面１５及び第２型材２０の窪み面２５の両方に接している。
中子１００を構成する各型材１０、２０、３０は、以上のように形成されている。そのため、第１型材１０及び第２型材２０は、ストリンガ１０３の側面部１０５及び第３型材３０に支持される。その結果、中子１００は全体として崩れることなくスキン１０２を介して加えられる縦方向の力に耐えることができる。
一方、第１型材１０及び第２型材２０は、いずれも第３型材３０に支持されているため、第３型材３０に支持されなければ、第１型材１０及び第２型材２０は崩れ落ちる。したがって、スキン１０２とストリンガ１０３とを一体成形する工程中の中子１００を抜き取る作業（図２（ｅ）から図２（ｆ）への作業）において、はじめに第３型材３０を抜き取れば、第１型材１０及び第２型材２０も崩れ落ちて容易に抜き取ることができる。
しかも、本実施形態では、断面視において、第１型材１０と第２型材２０の境界は、縦方向に対して傾斜している。そのため、第３型材３０を抜き取ったときに、第１型材１０が先に落ち、その際に第１型材１０と第２型材２０が互いに引っ掛かることも無いため、第１型材１０及び第２型材２０は一層崩れ落ちやすい。
なお、各型材１０、２０、３０は、構造体１０１の成形工程で加えられる熱に耐えられる材料で形成する必要がある。さらに、各型材１０、２０、３０は、抜き取る際にスキン１０２やストリンガ１０３との摩擦が大きくならないように、表面が滑らであることが望ましい。以上を踏まえると、各型材１０、２０、３０を金属で形成することができる。また、製造コストを考慮すると、各型材１０、２０、３０をアルミニウムで形成することができる。
（第２実施形態）
次に、第２実施形態に係る中子２００について説明する。ここで、図４（ａ）は中子２００の正面図、図４（ｂ）は図４（ａ）におけるII-II矢視断面図、図４（ｃ）は中子２００の背面図である。なお、本実施形態に係る中子２００の構成要素のうち、第１実施形態に係る中子１００の構成要素と同じ又は対応するものには、同じ参照符号を付して説明を省略する。
図４（ｂ）に示すように、本実施形態では、スキン１０２の厚みが一定でなく、スキン１０２の厚みは長手方向位置によって異なる。その結果、スキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７は、長手方向に進につれて変位する。本実施形態に係る中子２００は、このような構造体１０１の成形に対応できるよう構成されている。
まず、本実施形態に係る中子２００は、第１型材１０、第２型材２０、及び、第３型材３０が、いずれも長手方向に分割されている。図４（ｂ）に示す例では、各型材１０、２０、３０は、長手方向に３分割されている。ただし、各型材１０、２０、３０の分割数はこれに限定されない。このように、各型材１０、２０、３０が長手方向に分割されているため、分割された部分が相対的に変位することができる。その結果、本実施形態に係る中子２００は、スキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７の変位に追従しやすく、抜き取りも容易となる。
さらに、本実施形態に係る中子２００には、第３型材３０に長手方向に対して垂直なスリット３５が複数形成されている。これにより、スリット３５を境界にして隣り合う部分が相対的に変位することができる。その結果、本実施形態に係る中子２００は、スキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７の変位に追従しやすく、抜き取りも容易となる。また、第３型材３０に形成されるスリット３５の数は限定されない。
なお、本実施形態では、スリット３５は、第３型材３０の下面３３側に開口し、下面３３からスキン１０２側に向かって延びている。ただし、スリット３５は、第３型材３０の上面側に開口し、ストリンガ１０３の底面部１０４側に向かって延びていてもよい。また、本実施形態では、第３型材３０にスリット３５が形成されているが、第１型材１０及び第２型材２０にもスリットを形成してもよい。さらに、スリット３５の縦方向寸法は限定されず、例えば第３型材３０の縦方向寸法の５０％以上であってもよい。
（第３実施形態）
次に、第３実施形態に係る中子３００について説明する。ここで、図５（ａ）は中子３００の正面図、図５（ｂ）は図５（ａ）におけるIII-III矢視断面図、図５（ｃ）は中子３００の背面図である。なお、本実施形態に係る中子３００の構成要素のうち、第１実施形態に係る中子１００の構成要素と同じ又は対応するものには、同じ参照符号を付して説明を省略する。
図５（ａ）に示すように、本実施形態に係る中子３００は、第１型材１０、第２型材２０、及び、第３型材３０に加え、第４型材４０を備えている。
本実施形態の第３型材３０は、本体部３１を有するものの突起部３２（図３（ａ）参照）を有しておらず、断面視において全体が矩形状の形状を有している。第３型材３０の正面側の端面には、雌ねじ３６が形成されている。第３型材３０を抜き取る際には、この雌ねじ３６に治具を取り付け、取り付けた治具を介して第３型材３０を引き抜いてもよい。
また、本実施形態における第１型材１０の窪み面１５と第２型材２０の窪み面２５が一体となって形成された挿入溝２６は、第１実施形態の挿入溝２６よりも幅方向寸法が大きい。そのため、本実施形態の挿入溝２６に第３型材３０（本体部３１）を挿入することができる。
第４型材４０は、長手方向に沿って延び、第３型材３０を挟んで第１型材１０及び第２型材２０と反対側に位置している。第４型材４０の下面４１がストリンガ１０３の底面部１０４に接しており、第４型材４０の上面には第３型材３０を受ける受け溝４２が形成されている。
ここで、図５（ｂ）に示すように、第３型材３０の縦方向における寸法は、正面側から背面側に向かうに従って（図５（ｂ）の紙面左から右へ向かうに従って）小さくなっている。そのため、図５（ａ）と図５（ｃ）とを比較してわかるように、第３型材３０は、長手方向の正面側から背面側に向かうに従って断面積が小さくなるように形成されている。つまり、第３型材３０は楔状に形成されている。したがって、本実施形態によれば、第３型材３０を正面側から引っ張ることで、第３型材３０を容易に抜き取ることができる。
なお、本実施形態では、挿入溝２６の深さ寸法（縦方向寸法）は長手方向の正面側から背面側に向かうに従って小さくなっており、第４型材４０の縦方向寸法及び断面積は長手方向の正面側から背面側に向かうに従って大きくなっている。このように第１型材１０、第２型材２０、及び、第４型材４０を構成することにより、第３型材３０の断面積が変化するにもかかわらず中心位置はほとんど変化しない。その結果、第３型材３０を長手方向に沿ってまっすぐに引き抜くことができる。
（まとめ）
以上のとおり、第１乃至第３実施形態に係る中子は、繊維強化樹脂製のスキンと前記スキン側に開口する断面ハット型のストリンガとを一体成形する工程において、前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に挿入される中子であって、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記スキンに接する第１型材と、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第１型材に隣接して前記スキンに接する第２型材と、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第１型材及び前記第２型材を挟んで前記スキンと反対側に位置し、前記第１型材及び前記第２型材の両方に接する第３型材と、を備えている。
この構成によれば、スキンに接する面が部分的に変形しないように中子を比較的硬い材料で形成した場合であっても、第３型材が下になる状態で第３型材を抜き取れば、第１型材及び第２型材が崩れ落ちて、第１型材及び第２型材が抜き取りやすくなる。
また、第１乃至第３実施形態に係る中子では、前記ストリンガの長手方向に対して垂直な断面視において、前記第１型材と前記第２型材の境界は、前記スキンの垂線方向に対して傾斜している。
この構成によれば、第３型材を抜き取ったときに、第１型材又は第２型材が先に落ち、その際に第１型材と第２型材が互いに引っ掛かることもなく崩れ落ちるため、第１型材及び第２型材の抜き取りが一層容易となる。
また、第２実施形態に係る中子では、前記第１型材、前記第２型材、及び、前記第３型材は、いずれも長手方向に分割されている。
この構成によれば、長手方向に分割された部分が相対的に変位することができるため、スキンとストリンガとの間の空間の変位に追従しやすく、抜き取りも容易となる。
また、第２実施形態に係る中子では、前記第３型材には、前記ストリンガの長手方向に対して垂直なスリットが形成されている。
この構成によれば、スリットを境界にして隣り合う部分が相対的に変位することができるため、スキンとストリンガとの間の空間の変位に追従しやすく、抜き取りも容易となる。
また、第３実施形態に係る中子では、前記第３型材は、長手方向の一端側から他端側に向かうに従って断面積が小さくなるように形成されている。
この構成によれば、第３型材を一端側に引っ張ることで、第３型材を容易に抜き取ることができる。
また、第３実施形態に係る中子では、前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第３型材を挟んで前記第１型材及び第２型材と反対側に位置する第４型材をさらに備えている。
この構成によれば、第１型材、第２型材、及び、第４型材の形状を調整することで、第３型材の中心位置が長手方向位置にかかわらず一定にすることができるため、第３型材を長手方向に沿ってまっすぐに引き抜くことができる。
また、第１乃至第３実施形態に係る構造体の成形方法は、前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に請求項１乃至６のうちいずれか一の項に記載の中子を挿入し、その状態で前記スキンと前記ストリンガとを一体成形した後、前記空間から前記中子を抜き取る。
この成形方法によれば、スキンに接する面が部分的に変形しないように中子を比較的硬い材料で形成した場合であっても、第３型材が下になる状態で第３型材を抜き取れば、第１型材及び第２型材が崩れ落ちて、第１型材及び第２型材が抜き取りやすくなる。
１０ 第１型材
２０ 第２型材
３０ 第３型材
３５ スリット
４０ 第４型材
１００ 中子
１０１ 構造体
１０２ スキン
１０３ ストリンガ
１０７ 空間
２００ 中子
３００ 中子

Claims (6)

  1. 繊維強化樹脂製のスキンと前記スキン側に開口する断面ハット型のストリンガとを一体成形する工程において、前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に挿入される中子であって、
    前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記スキンに接する第１型材と、
    前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第１型材に隣接して前記スキンに接する第２型材と、
    前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第１型材及び前記第２型材を挟んで前記スキンと反対側に位置し、前記第１型材及び前記第２型材の両方に接する第３型材と、を備え、
    前記ストリンガの長手方向に対して垂直な断面視において、前記第１型材と前記第２型材の境界は、前記スキンの垂線方向に対して傾斜している、中子。
  2. 前記第１型材、前記第２型材、及び、前記第３型材は、いずれも長手方向に分割されている、請求項１に記載の中子。
  3. 前記第３型材には、前記ストリンガの長手方向に対して垂直なスリットが形成されている、請求項１又は２に記載の中子。
  4. 前記第３型材は、長手方向の一端側から他端側に向かうに従って断面積が小さくなるように形成されている、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載の中子。
  5. 前記ストリンガの長手方向に沿って延び、前記第３型材を挟んで前記第１型材及び第２型材と反対側に位置する第４型材をさらに備えている、請求項４に記載の中子。
  6. 前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に請求項１乃至５のうちいずれか一の項に記載の中子を挿入し、前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に前記中子を挿入した状態で前記スキンと前記ストリンガとを一体成形した後、前記空間から前記中子を抜き取る、構造体の成形方法。
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