JP7261357B2 - 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型材を挟んで前記スキンと反対側に位置し、前記第１型材よりも厚みの大きい第２型材と、を備え、前記第２型材は、前記第１型材よりも柔らかい材料で形成されているとともに、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、スキンと接する第１型材は比較的硬い材料で形成されることで、スキンに接する面が部分的に変形するのを抑制することができる。さらに、スキンと反対側に位置する第２型材は比較的柔らかい材料で形成されるとともに、スリットが形成されているため、スキンとストリンガとの間の空間の変位に追従しやすい。その結果、成形後の中子の抜き取りが容易となる。
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、スキンと接する第１型材は比較的硬い材料で形成されることで、スキンに接する面が部分的に変形するのを抑制することができる。さらに、スキンと反対側に位置する第２型材は比較的柔らかい材料で形成されるとともに、スリットが形成されているため、スキンとストリンガとの間の空間の変位に追従しやすい。その結果、成形後の中子の抜き取りが容易となる。
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は、中子の正面図である。 図４は、図３のIV-IV矢視断面図である。 図５は、変形例に係る中子の正面図である。
＜構造体＞
以下、本実施形態に係る中子１００について説明する。はじめに、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の厚みは一定でないものとする。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は、スキン１０２と中子１００の正面図であり、図４は図３におけるIV-IV矢視断面図である。なお、図３及び図４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５も同様である。
前述のとおり、本実施形態のスキン１０２は、厚みが一定でなく、長手方向位置によって厚みが異なる。その結果、スキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７は、長手方向に進むにつれて変位する。本実施形態に係る中子１００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。
図３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、を備えている。
第１型材１０は、スキン１０２に接する部材であって、長手方向に沿って延びている。本実施形態の第１型材１０は複数のプレート１１を縦方向に重ねて形成されている。第１型材１０を構成するプレート１１の数は特に限定されないが、３つ以上であることが望ましい。プレート１１を３つ以上重ねることにより、プレート１１に挟まれたプレート１１が存在することになる。プレート１１の表面を滑らかに形成することで、プレート１１に挟まれたプレート１１は容易に抜き取ることができる。
また、第１型材１０を構成する各プレート１１の幅方向寸法は特に限定されない。ただし、スキン１０２をしっかりと支持できるように、プレート１１とストリンガ１０３（フランジ部１０６又は側面部１０５）との隙間が小さくなるようにプレート１１の幅方向寸法を設定するのが望ましい。また、プレート１１の幅方向端部がストリンガ１０３に接していれば、プレート１１はストリンガ１０３に支持されて安定する。
構造体１０１の成形工程ではスキン１０２に部分的な力が加えられるため（図２（ｅ）参照）、第１型材１０（つまりプレート１１）は部分的な変形が生じないようにある程度硬い材料で形成するのが望ましい。また、第１型材１０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、中子１００を抜き取る際にスキン１０２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、第１型材１０をステンレス鋼で形成することができる。
第１型材１０を比較的硬い材料で形成すると、柔軟性に乏しくなり、成形後における中子の抜き取りが容易でなくなるおそれがある。ところが、本実施形態では、第１型材１０を構成するプレート１１を薄くすることができるため、各プレート１１は柔軟性が高い。そのため、成形後における各プレート１１の抜き取り、ひいては中子１００の抜き取りが容易となる。
第２型材２０は、第１型材１０を挟んでスキン１０２と反対側に位置する部材である。第２型材２０は、長手方向に沿って延びており、断面矩形状に形成されている。ただし、図５に示すように、第２型材２０はストリンガ１０３の断面形状に沿って、断面台形状に形成されていてもよい。また、本実施形態の第２型材２０は、第１型材１０よりも厚み（縦方向寸法）が大きい。
第２型材２０の上面２１は、第１型材１０に接しており、下面２２はストリンガ１０３の底面部１０４に接している。ただし、第２型材２０と第１型材１０との間、又は、第２型材２０とストリンガ１０３の底面部１０４との間には、図外の部材が介在していてもよい。
本実施形態の第２型材２０は、第１型材１０よりも柔らかい材料で形成されている。ここで、第２型材２０とスキン１０２との間には第１型材１０が介在しているため、スキン１０２に加えられる部分的な力は分散して第２型材２０に伝わる。そのため、第２型材には部分的な力は加わらず、第１型材１０のような高い硬度は求められない。むしろ、第２型材２０を抜き取るには、高い硬度は望ましくない。また、第２型材２０も、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。以上を踏まえると、第２型材２０をフッ素樹脂、ポリイミド、又は、アルミニウムで形成することができる。
さらに、本実施形態の第２型材２０には、長手方向に対して垂直なスリット２３が複数形成されている。これにより、スリット２３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１００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、抜き取りが容易となる。また、第２型材２０に形成されるスリット２３の数は限定されない。
なお、本実施形態では、スリット２３は、第２型材２０の下面２２側に開口し、下面２２からスキン１０２側に向かって延びている。ただし、スリット２３は、第２型材２０の上面２１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。さらに、スリット２３の縦方向寸法は限定されず、例えば第２型材２０の縦方向寸法の５０％以上であってもよい。
以上が、本実施形態に係る中子１００である。本実施形態では、構造体１０１の成形工程において、中子１００を抜き取る作業では、まず最も抜き取りやすいプレート１１に挟まれたプレート１１を抜き取る。続いて、プレート１１に挟まれていないプレート１１を抜き取る。そして、最後に第２型材２０を抜き取る。いずれの部材もスキン１０２とストリンガ１０３との間の空間１０７の変位に追従しやすいため、容易に抜き取ることができる。
＜まとめ＞
以上のとおり、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型材を挟んで前記スキンと反対側に位置する第２型材と、を備え、前記第２型材は、前記第１型材よりも柔らかい材料で形成されているとともに、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、スキンと接する第１型材は比較的硬い材料で形成されることで、スキンに接する面が部分的に変形するのを抑制することができる。さらに、スキンと反対側に位置する第２型材は比較的柔らかい材料で形成されるとともに、スリットが形成されているため、スキンとストリンガとの間の空間の変位に追従しやすい。その結果、成形後の中子の抜き取りが容易となる。
また、実施形態に係る中子では、前記第１型材は複数のプレートを前記スキンの垂線方向に重ねて形成されている。
この構成によれば、第１型材が複数のプレートで形成されているため、第１型材についても、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なる結果、成形後の中子の抜き取りが容易となる。
また、実施形態に係る中子では、前記スキンの垂線方向における前記第２型材の厚みは、前記スキンの垂線方向における前記第１型材の厚みよりも大きい。
この構成によれば、比較的柔らかい材料で形成されるとともに、スリットが形成されている第２型材の中子全体に対する割合が大きくなるため、成形後の中子の抜き取りが一層容易となる。
また、実施形態に係る中子では、前記第１型材はステンレス鋼で形成されており、
前記第２型材はフッ素樹脂、ポリイミド、又は、アルミニウムで形成されている。
この構成によれば、中子は一体成形の工程で加えられる熱に耐えることができ、抜き取る際に生じる摩擦を低減することができる。
１０ 第１型材
１１ プレート
２０ 第２型材
２３ スリット
１００ 中子
１０１ 構造体
１０２ スキン
１０３ ストリンガ
１０７ 空間

Claims (5)

  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型材を挟んで前記スキンと反対側に位置する第２型材と、を備え、
    前記第２型材は、前記第１型材よりも柔らかい材料で形成されているとともに、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、中子。
  2. 前記第１型材は複数のプレートを前記スキンの垂線方向に重ねて形成されている、請求項１に記載の中子。
  3. 前記スキンの垂線方向における前記第２型材の厚みは、前記スキンの垂線方向における前記第１型材の厚みよりも大きい、請求項１又は２に記載の中子。
  4. 前記第１型材はステンレス鋼で形成されており、
    前記第２型材はフッ素樹脂、ポリイミド、又は、アルミニウムで形成されている、請求項１乃至３のうちいずれか一の項に記載の中子。
  5. 前記スキンと前記ストリンガとの間の空間に請求項１乃至４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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