JP7404499B2 - 積層体および複合材製造方法 - Google Patents

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Description

本開示は、複数の第１複合シートを含む第１層に接触した状態で複数の第２複合シートを含む第２層が積層された積層体および複合材製造方法に関するものである。
従来、ガラス繊維や炭素繊維等の繊維基材と樹脂材料を含む複合シートを積層した積層体が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、面内方向に曲線状に延びる複合シートの部品を製造するために、平坦な矩形状の積層体を所望の形状に切断して切り抜く方法が開示されている。
米国特許第９１０２１０３号明細書
しかしながら、特許文献１に開示される方法では、面内方向に曲線状に延びる複合シートを切り抜く際に不要となる部分が発生するため、平坦な矩形状の積層体の全てを有効に活用することができず、製造コストが増大してしまう。
また、面内方向に曲線状に延びる複合シートの部品を製造するために、例えば、直線状に延びる複合シートを用いる場合、複合シートを曲線状に曲げながら積層する必要がある。この場合、複合シートが伸び縮みしにくい性質を有するため、複合シートを積層する際に複合シートの面内に変形が生じて皺が発生してしまう可能性がある。そして、皺が発生した複合シートを複数層に渡って積層すると、積層体の製造不良となってしまう。
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、面内方向に曲線状に延びる形状を有するとともに製造コストが低くかつ製造品質の高い積層体および複合材製造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積層体は、第１長手方向および第１短手方向を有するとともに前記第１長手方向に対して第１所定角度を有する第１繊維方向に配向された第１繊維基材と第１樹脂材料とを含む複数の第１複合シートと、第２長手方向および第２短手方向を有するとともに前記第２長手方向に対して第２所定角度を有する第２繊維方向に配向された第２繊維基材と第２樹脂材料とを含む複数の第２複合シートと、を備え、複数の前記第１複合シートを含む第１層に接触した状態で、複数の前記第２複合シートを含む第２層が積層されており、複数の前記第１複合シートは、隣り合う一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差するように曲線状の配列方向に沿って配置されており、複数の前記第２複合シートは、隣り合う一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部とが前記厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差するように前記配列方向に沿って配置されている。
本開示の一態様に係る積層方法は、複数の第１複合シートを含む第１層に接触した状態で、複数の第２複合シートを含む第２層を積層する積層方法であって、前記第１複合シートは、第１長手方向および第１短手方向を有するとともに前記第１長手方向に対して第１所定角度を有する第１繊維方向に配向された第１繊維基材と第１樹脂材料とを含むシート状に形成され、前記第２複合シートは、第２長手方向および第２短手方向を有するとともに前記第２長手方向に対して第２所定角度を有する第２繊維方向に配向された第２繊維基材と第２樹脂材料とを含むシート状に形成され、複数の前記第１複合シートを、隣り合う一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差するように配列方向に沿って配置する第１積層工程と、複数の前記第２複合シートを、隣り合う一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部とが前記厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差するように前記配列方向に沿って配置する第２積層工程と、を備える。
本開示によれば、面内方向に曲線状に延びる形状を有するとともに製造コストが低くかつ強度が高い積層体および複合材製造方法を提供することができる。
本開示の一実施形態に係るパネル構造体を示す斜視図である。 複数の第１複合シートを積層面に積載した積層体を示す平面図である。 図２に示す積層体の部分拡大図である。 図３に示す第１複合シートの平面図である。 隣り合う一方の第１複合シートの第１長手方向と他方の第１複合シートの第１長手方向との関係を示す図である。 複数の第２複合シートを第１複合シートに積層した積層体を示す平面図である。 図６に示す積層体の部分拡大図である。 図７に示す第２複合シートの平面図である。 隣り合う一方の第２複合シートの第２長手方向と他方の第２複合シートの第２長手方向との関係を示す図である。 本実施形態の積層方法を示すフローチャートである。 第６層の複数の第６複合シートを積層した積層体を示す平面図である。 図１１に示す積層体のＡ－Ａ矢視断面図である。 本実施形態の複合材の製造方法を示すフローチャートである。
〔第１実施形態〕
以下、本開示の一実施形態に係る積層体１００および積層体１００の積層方法について、図面を参照して説明する。図１は、本開示の一実施形態に係るパネル構造体１０を示す斜視図である。本実施形態のパネル構造体１０は、積層体１００から製造されるフレーム２０を備える。
本実施形態のパネル構造体１０は、航空機の円筒状の胴体を構成する構造体である。図１に示すように、面板１７と、面板１７の一方の面に互いに平行に設けられている複数のリブ１２と、リブ１２の延びている方向に対して交差する方向で互いに平行に設けられている複数のフレーム２０とを有する。本実施形態のフレーム２０は、繊維基材と樹脂材料とを含む複合シートを複数層（例えば、２０層以上）に渡って積層した平面状の積層体をＺ型に賦形して製造されたものである。なお、図１に示すフレーム２０はＺ型であるが、Ｃ型等の他の形状であってもよい。
リブ１２が延びている方向をリブ方向Ｘとし、フレーム２０が延びている方向をフレーム方向（材軸方向）Ｙとする。リブ１２は、図１に示すように、面板１７の一方の面から垂直に立ち上がっているリブ本体１３と、リブ本体１３の端部から面板１７と平行な方向に延びているフランジ部１４と、を有している。すなわち、リブ１２は、リブ方向Ｘに垂直な断面の形状がＬ型を成し、Ｌの一方の腕部分がリブ本体１３を成し、Ｌの他方の腕部分がフランジ部１４を成している。
フレーム２０は、図１に示すように、面板１７の一方の面から立ち上がっているフレーム本体２３と、面板１７に対向し、フレーム本体２３の面板１７側の端部からリブ方向Ｘの一方の側に延びている第一フランジ部２１と、面板１７に対向するとともにフレーム本体２３の面板１７から遠い側の端部からリブ方向Ｘの他方の側に延びている第二フランジ部２２と、を有する。すなわち、フレーム２０は、フレーム方向Ｙに垂直な断面の形状がＺ型を成し、Ｚの一方の腕部分が第一フランジ部２１を成し、Ｚの他方の腕部分が第二フランジ部２２を成している。
図１に示すように、フレーム２０は、フレーム本体２３の面内方向（フレーム本体２３の面と水平な方向）に曲線状に延びる形状を有する。すなわち、フレーム２０は、パネル構造体を組み合わせて形成される略円筒状の航空機の胴体（図示略）の中心軸を中心として円弧状の形状を有する。
次に、本実施形態の積層体１００について、図面を参照して説明する。本実施形態の積層体１００は、複数の複合シートを曲線状の配列方向ＡＤに沿って配置して複合シートの層を形成し、複合シートの層を複数層に渡って積層したものである。
本実施形態は、積層体１００の一例として、１層を６枚の複合シートを配列方向ＡＤに沿って連続的に配置したものとし、複合シートの層を６層に積層したものを示すが、他の態様であってもよい。例えば、１層を６枚とは異なる任意の枚数の複合シートで構成してもよく、積層体を６層とは異なる任意の層数の複合シートで構成してもよい。
積層体１００として積層される複合シートは、繊維基材（例えば、炭素繊維，ガラス繊維）と樹脂材料とを含むシート状の材料である。樹脂材料としては、熱硬化性樹脂および熱可塑性樹脂のいずれかを用いることができる。熱硬化性樹脂は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、シアネートエステル、ポリイミド等である。
熱可塑性樹脂は、例えば、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、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）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）等である。
図２は、複数の第１複合シート１１０を積層面Ｓｕに積載した積層体を示す平面図である。図３は、図２に示す積層体１００の部分拡大図である。図４は、図３に示す第１複合シート１１０の平面図である。図５は、隣り合う一方の第１複合シート１１０ｃの第１長手方向ＬＤ１ｃと他方の第１複合シート１１０ｄの第１長手方向ＬＤ１ｄとの関係を示す図である。本実施形態の積層体１００は、最終的に６層で積層されるものであるため、図２および図３に示す積層体１００は、積層が完了する前の段階のものである。
図２に示すように、本実施形態の積層体１００は、隣り合う一方の第１複合シート１１０の長手方向（第１長手方向）の端部と他方の第１複合シート１１０の長手方向（第１長手方向）の端部とが厚さ方向（図１２に示す厚さ方向ＴＤ）に重ならない状態で近接して配置されたものである。第１複合シート１１０は、繊維基材（第１繊維基材）と樹脂材料（第１樹脂材料）を含むシート状の材料である。
図２に示す積層面Ｓｕは、複数の第１複合シート１１０を含む複数層の複合シートを積層するために複合シートが設置される面である。厚さ方向とは、積層面Ｓｕに直交する方向であり、複数層の複合シートが積層されることにより積層体１００の厚みが増す方向である。
図２に示す例では、複数の第１複合シート１１０は、点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円弧上を通過する配列方向ＡＤに沿って、第１複合シート１１０ａ，第１複合シート１１０ｂ，第１複合シート１１０ｃ，第１複合シート１１０ｄ，第１複合シート１１０ｅ，第１複合シート１１０ｆの順に時計回りに配置される。
本実施形態において、配列方向ＡＤは、点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円弧上を通過する方向としたが、他の態様であってもよい。配列方向ＡＤは、例えば、一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる方向など、他の任意の曲線に沿った方向としてもよい。
図２に示すように、複数の第１複合シート１１０は、位置Ｐ１１～Ｐ１７を端部位置（第１端部位置）とするように配置される。第１複合シート１１０ａの長手方向の端部は位置Ｐ１１と位置Ｐ１２に配置され、第１複合シート１１０ｂの長手方向の端部は位置Ｐ１２と位置Ｐ１３に配置され、第１複合シート１１０ｃの長手方向の端部は位置Ｐ１３と位置Ｐ１４に配置される。第１複合シート１１０ｄの長手方向の端部は位置Ｐ１４と位置Ｐ１５に配置され、第１複合シート１１０ｅの長手方向の端部は位置Ｐ１５と位置Ｐ１６に配置され、第１複合シート１１０ｆの長手方向の端部は位置Ｐ１６と位置Ｐ１７に配置される。
図３に示すように、第１複合シート１１０ｃは、配列方向ＡＤに沿った第１長手方向ＬＤ１ｃおよび第１長手方向ＬＤ１ｃに第１複合シート１１０ｃの面内において直交する第１短手方向ＳＤ１ｃを有する。第１複合シート１１０ｄは、配列方向ＡＤに沿った第１長手方向ＬＤ１ｄおよび第１長手方向ＬＤ１ｄに直交する第１短手方向ＳＤ１ｄを有する。第１複合シート１１０ｅは、配列方向ＡＤに沿った第１長手方向ＬＤ１ｅおよび第１長手方向ＬＤ１ｅに直交する第１短手方向ＳＤ１ｅを有する。第１複合シート１１０ａ，第１複合シート１１０ｂ，第１複合シート１１０ｅ，第１複合シート１１０ｆについても、第１長手方向ＬＤ１と第１長手方向ＬＤ１に直交する第１短手方向ＳＤ１を有する。
図４に示すように、第１複合シート１１０ｄは、第１短手方向ＳＤ１ｄの一方側（点Ｏに対する内周側）における第１長手方向ＬＤ１ｄの長さよりも第１短手方向ＳＤ１ｄの他方側（点Ｏに対する外周側）における第１長手方向ＬＤ１ｄの長さが長く等脚の台形形状となっている。他の第１複合シート１１０（１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｅ，１１０ｆ）も同じ形状となっている。
本実施形態の積層体１００は、等脚の台形形状となる第１複合シート１１０の第１長手方向ＬＤ１の端部の辺を隣接する他の第１複合シート１１０の第１長手方向ＬＤ１の端部の辺の位置と一致させて配列方向ＡＤに沿って隙間なく配置したものである。
図４に示す第１複合シート１１０ｄの表面の線は、第１複合シート１１０ｄに含まれる繊維基材が配向される繊維方向（第１繊維方向ＦＤ１）を示す。図５に示すように、第１複合シート１１０ｄの第１繊維方向ＦＤ１ｄは、第１長手方向ＬＤ１ｄに対して所定角度θ（第１所定角度）を有する。図４に示す第１所定角度θは９０度である。
図３に示すように、本実施形態の積層体１００は、第１層目を構成する複数の第１複合シート１１０の第１長手方向（ＬＤ１）に対する第１繊維方向ＦＤ１を同一の角度（９０度）としている。本実施形態の積層体１００は、第２～６層目についても、各層を構成する複数の複合シートの長手方向に対する繊維方向を同一の角度としている。
本実施形態では、第１層目に積層する第１複合シート１１０の第１繊維方向ＦＤ１を第１長手方向ＬＤ１に対して９０度の角度を有するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、第１層目に積層する第１複合シート１１０の第１繊維方向ＦＤ１と第１長手方向ＬＤ１ｄとがなす角度（第１所定角度）は、０度（同一方向），４５度，－４５度等の任意の角度としてもよい。
図２に示すように、第１複合シート１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅ，１１０ｆのそれぞれは、隣り合う一方の第１複合シート１１０の第１長手方向ＬＤ１と他方の第１複合シート１１０の第１長手方向ＬＤ１とが交差するように曲線状の配列方向ＡＤに沿って配置されている。図３および図５に示すように、例えば、隣り合う一方の第１複合シート１１０ｄの第１長手方向ＬＤ１ｄと他方の第１複合シート１１０ｃの第１長手方向ＬＤ１ｃとが交差角度αで交差するように配置されている。
ここで交差角度αは、３０度以下に設定するのが好ましく、より好ましくは２２．５度以下である。本実施形態の積層体１００は、円弧状の配列方向ＡＤに沿って複数の複合シートを配置するものであるが、各複合シートは円弧状に形成されたものではなく長手方向に沿って直線状に形成されている。そのため、複合シートの長手方向と配列方向ＡＤとは完全には一致せずに近似したものとなる。
交差角度αが大きくなると複合シートの長手方向と配列方向ＡＤとの近似度が低下するため、長手方向と配列方向ＡＤとの近似度を確保するために、交差角度αに上限を設定するのが好ましい。交差角度αを３０度以下に設定することで、隣り合う一対の複合シートにおける長手方向の変化を３０度以下に抑制し、長手方向と配列方向ＡＤとの近似度を確保することができる。
次に、積層面Ｓｕに配置された複数の第１複合シート１１０に接触した状態で複数の第２複合シート１２０を積層した積層体１００について図面を参照して説明する。
図６は、複数の第２複合シート１２０を複数の第１複合シート１１０に積層した積層体１００を示す平面図である。図７は、図６に示す積層体１００の部分拡大図である。図８は、図７に示す第２複合シート１２０の平面図である。図９は、隣り合う一方の第２複合シート１２０ｃの第２長手方向ＬＤ２ｃと他方の第２複合シート１２０ｄの第２長手方向ＬＤ２ｄとの関係を示す図である。本実施形態の積層体１００は、最終的に６層で積層されるものであるため、図６および図７に示す積層体１００は、積層が完了する前の段階のものである。
図６に示すように、本実施形態の積層体１００は、隣り合う一方の第２複合シート１２０の長手方向（第２長手方向）の端部と他方の第２複合シート１２０の長手方向（第２長手方向）の端部とが厚さ方向（図１２に示す厚さ方向ＴＤ）に重ならない状態で近接して配置されたものである。第２複合シート１２０は、繊維基材（第２繊維基材）と樹脂材料（第２樹脂材料）を含むシート状の材料である。
図６に示す例では、複数の第２複合シート１２０は、点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円弧上を通過する配列方向ＡＤに沿って、第２複合シート１２０ａ，第２複合シート１２０ｂ，第２複合シート１２０ｃ，第２複合シート１２０ｄ，第２複合シート１２０ｅ，第２複合シート１２０ｆの順に時計回りに配置される。
図６に示すように、複数の第２複合シート１２０は、位置Ｐ２１～Ｐ２７を端部位置（第２端部位置）とするように配置される。第２複合シート１２０ａの長手方向の端部は位置Ｐ２１と位置Ｐ２２に配置され、第２複合シート１２０ｂの長手方向の端部は位置Ｐ２２と位置Ｐ２３に配置され、第２複合シート１２０ｃの長手方向の端部は位置Ｐ２３と位置Ｐ２４に配置される。第２複合シート１２０ｄの長手方向の端部は位置Ｐ２４と位置Ｐ２５に配置され、第２複合シート１２０ｅの長手方向の端部は位置Ｐ２５と位置Ｐ２６に配置され、第２複合シート１２０ｆの長手方向の端部は位置Ｐ２６と位置Ｐ２７に配置される。
図６に示すように、複数の第１複合シート１１０の端部が配置される配列方向ＡＤにおける複数の位置Ｐ１１～Ｐ１７は、複数の第２複合シート１２０の端部が配置される配列方向ＡＤにおける複数の位置Ｐ２１～Ｐ２７とは異なる位置である。位置Ｐ１１～Ｐ１７と位置Ｐ２１～Ｐ２７を異ならせることで、複数の第１複合シート１１０からなる第１層における第１複合シート１１０の切れ目となる位置と、複数の第２複合シート１２０からなる第２層における第２複合シート１２０の切れ目となる位置とが異なった位置となる。そのため、これらの位置を一致させる場合に比べ、積層体１００から製造される構造体の強度を高めることができる。
図７に示すように、第２複合シート１２０ｃは配列方向ＡＤに沿った第２長手方向ＬＤ２ｃおよび第２短手方向ＳＤ２ｃを有し、第２複合シート１２０ｄは配列方向ＡＤに沿った第２長手方向ＬＤ２ｄおよび第２短手方向ＳＤ２ｄを有し、第２複合シート１２０ｅは配列方向ＡＤに沿った第２長手方向ＬＤ２ｅおよび第２短手方向ＳＤ２ｅを有する。第２複合シート１２０ａ，第２複合シート１２０ｂ，第２複合シート１２０ｅ，第２複合シート１２０ｆについても、第２長手方向ＬＤ２と第２短手方向ＳＤ２を有する。
図８に示すように、第２複合シート１２０ｄは、第２短手方向ＳＤ２ｄの一方側（点Ｏに対する内周側）における第２長手方向ＬＤ２ｄの長さよりも第２短手方向ＳＤ２ｄの他方側（点Ｏに対する外周側）における第２長手方向ＬＤ２ｄの長さが長く等脚の台形形状となっている。他の第２複合シート１２０（１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｅ，１２０ｆ）も同じ形状となっている。
本実施形態の積層体１００は、等脚の台形形状となる第２複合シート１２０の第２長手方向ＬＤ２の端部の辺を隣接する他の第２複合シート１２０の第２長手方向ＬＤ２の端部の辺の位置と一致させて配列方向ＡＤに沿って隙間なく配置したものである。
図８に示す第２複合シート１２０ｄの表面の線は、第２複合シート１２０ｄに含まれる繊維基材が配向される繊維方向（第２繊維方向ＦＤ２）を示す。図８に示すように、第２複合シート１２０ｄの第２繊維方向ＦＤ２ｄは、第２長手方向ＬＤ２ｄと同じ方向である。すなわち、第２繊維方向ＦＤ２ｄと第２長手方向ＬＤ２ｄとがなす角度（第２所定角度）は０度である。
本実施形態では、第２層目に積層する第２複合シート１２０の第２繊維方向ＦＤ２を第２長手方向ＬＤ２に対して０度の角度を有するものとしたが、他の態様であってもよい。例えば、第２層目に積層する第２複合シート１２０の第２繊維方向ＦＤ２ｄと第２長手方向ＬＤ２ｄとがなす角度（第２所定角度）は、９０度，４５度，－４５度等の任意の角度としてもよい。
図６に示すように、第２複合シート１２０ａ，１２０ｂ，１２０ｃ，１２０ｄ，１２０ｅ，１２０ｆのそれぞれは、隣り合う一方の第２複合シート１２０の第２長手方向ＬＤ２と他方の第２複合シート１２０の第２長手方向ＬＤ２とが交差するように曲線状の配列方向ＡＤに沿って配置されている。図７および図９に示すように、例えば、隣り合う一方の第２複合シート１２０ｄの第２長手方向ＬＤ２ｄと他方の第２複合シート１２０ｃの第２長手方向ＬＤ２ｃとが交差角度αで交差するように配置されている。交差角度αは、第１層において、隣り合う一方の第１複合シート１１０の第１長手方向ＬＤ１と他方の第１複合シート１１０の第１長手方向ＬＤ１とが交差する交差角度と同じである。
ここで、図１０を参照して本実施形態の積層方法について説明する。図１０は、本実施形態の積層方法を示すフローチャートである。
ステップＳ１０１でｎ＝１が設定され、ステップＳ１０２で第ｎ層目の複数の複合シートが積層される。
第ｎ層目の複数の複合シートが積層された後、ステップＳ１０３で積層が完了したかどうかが判定されてＮＯであればステップＳ１０４へ処理を進め、ＹＥＳであれば本フローチャートの処理を終了する。ステップＳ１０４では、ｎ＝ｎ＋１が設定されて次の層の積層がステップＳ１０２で行われる。
以上のようにして複数の第１複合シート１１０を含む第１層（図１２のＬＹ１）に接触した状態で、複数の第２複合シート１２０を含む第２層（図１２のＬＹ２）が積層される。第２層の上に複数の第３複合シートを含む第３層（図１２のＬＹ３）が積層され、第３層の上に複数の第４複合シートを含む第４層（図１２のＬＹ４）が積層され、第４層の上に複数の第５複合シートを含む第５層（図１２のＬＹ５）が積層され、第５層の上に複数の第６複合シートを含む第６層（図１２のＬＹ６）が積層される。
図１１は、第６層の複数の第６複合シート１６０を積層した積層体１００を示す平面図である。図１２は、図１１に示す積層体のＡ－Ａ矢視断面図である。図１１では、複数の第６複合シート１６０の繊維方向の図示を省略している。
図６に示す例では、複数の第２複合シート１２０は、点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円弧上を通過する配列方向ＡＤに沿って、第２複合シート１２０ａ，第２複合シート１２０ｂ，第２複合シート１２０ｃ，第２複合シート１２０ｄ，第２複合シート１２０ｅ，第２複合シート１２０ｆの順に時計回りに配置される。
図１１に示す例でも、複数の第５複合シート１５０，複数の第６複合シート１６０のそれぞれは、点Ｏを中心とした半径Ｒ１の円弧上を通過する配列方向ＡＤに沿って、時計回りに配置される。なお、図１１では、第１複合シート１１０，第２複合シート１２０，第３複合シート１３０，第４複合シート１４０の図示を省略している。
図１１に示すように、複数の第６複合シート１６０は、位置Ｐ６１～Ｐ６７を端部位置とするように配置される。第６複合シート１６０ａの長手方向の端部は位置Ｐ６１と位置Ｐ６２に配置され、第６複合シート１６０ｂの長手方向の端部は位置Ｐ６２と位置Ｐ６３に配置され、第６複合シート１６０ｃの長手方向の端部は位置Ｐ６３と位置Ｐ６４に配置される。第６複合シート１６０ｄの長手方向の端部は位置Ｐ６４と位置Ｐ６５に配置され、第６複合シート１６０ｅの長手方向の端部は位置Ｐ６５と位置Ｐ６６に配置され、第６複合シート１６０ｆの長手方向の端部は位置Ｐ６６と位置Ｐ６７に配置される。
図１２に示すように、積層体１００は、複数の第１複合シート１１０の端部が配置される配列方向ＡＤにおける複数の第１端部位置（例えば、位置Ｐ１４）は、複数の第２複合シート１２０の端部が配置される配列方向ＡＤにおける複数の第２端部位置（例えば、位置Ｐ２４）とは異なる位置となっている。同様に、厚さ方向ＴＤにおいて隣り合う層の端部位置は、異なる位置となっている。
図１２に示す例では、第２層ＬＹ２の第２複合シート１２０の端部位置Ｐ２４は、配列方向ＡＤにおいて、第１層ＬＹ１の第１複合シート１１０の端部位置Ｐ１４および第３層ＬＹ３の第３複合シート１３０の端部位置Ｐ３４と異なる位置である。同様に、第４層ＬＹ４の第４複合シート１４０の端部位置Ｐ４４は、配列方向ＡＤにおいて、第３層ＬＹ３の第３複合シート１３０の端部位置Ｐ３４および第５層ＬＹ５の第５複合シート１５０の端部位置Ｐ５４と異なる位置である。また、第６層ＬＹ６の第６複合シート１６０の端部位置Ｐ６４は、配列方向ＡＤにおいて、第５層ＬＹ５の第５複合シート１５０の端部位置Ｐ５４と異なる位置である。
このように、位置Ｐ１４，位置Ｐ２４，位置Ｐ３４，位置Ｐ４４，位置Ｐ５４，位置Ｐ６４の配列方向の位置を、隣接する複合シートの層の間で異ならせることで、これらの位置を一致させる場合に比べ、積層体１００から製造される構造体の強度を高めることができる。
次に、本実施形態の複合材の製造方法について説明する。図１３は、本実施形態の複合材の製造方法を示すフローチャートである。
ステップＳ２０１で、図１０のステップＳ１０１～Ｓ１０４で説明した積層工程を実行する。
ステップＳ２０２では、賦形装置（図示略）を用いて積層工程にて積層された積層体１００を配列方向ＡＤに直交する面の断面視がＺ型となるように賦形する。具体的には、賦形装置により、図１１に示す山折り線ＭＦに沿って折り曲げ角度が９０度となるように山折りに賦形し、図１１に示す谷折り線ＶＦに沿って折り曲げ角度が９０度となるように谷折りに賦形する。山折り線ＭＦは点Ｏを中心とした半径Ｒ２の円弧上を通過する線であり、半径Ｒ２は半径Ｒ１よりも小さい。谷折り線ＶＦは点Ｏを中心とした半径Ｒ３の円弧上を通過する線であり、半径Ｒ３は半径Ｒ１よりも大きい。
ステップＳ２０３では、積層体１００を構成する複合シートを硬化させる硬化工程を実行する。複合シートに含まれる樹脂材料が熱硬化性樹脂である場合は、ステップＳ２０２で賦形された積層体１００をオートクレーブ内で熱することにより熱硬化性樹脂を硬化させる。複合シートに含まれる樹脂材料が熱可塑性樹脂である場合は、ステップＳ２０２で熱を加えられた状態で賦形された積層体１００を冷却して熱可塑性樹脂を硬化させる。
ステップＳ２０４では、積層体１００の幅方向の端部をトリミング（切除）して積層体１００の形状を整える。具体的には、ウォータージェットカッタ等のトリミング装置（図示略）により、図１１に示す内側トリミング線ＴＲ１の内側の積層体１００を切除し、図１１に示す外側トリミング線ＴＲ２の外側の積層体１００を切除する。内側トリミング線ＴＲ１は点Ｏを中心とした半径Ｒ４の円弧上を通過する線であり、半径Ｒ４は半径Ｒ２よりも小さい。外側トリミング線ＴＲ２は点Ｏを中心とした半径Ｒ５の円弧上を通過する線であり、半径Ｒ５は半径Ｒ３よりも大きい。
以上説明した本実施形態に係る積層体１００が奏する作用および効果について説明する。
本開示に係る積層体１００によれば、第１層ＬＹ１を構成する複数の第１複合シート１１０のそれぞれが第１長手方向ＬＤ１と第１短手方向ＳＤ１を有する。また、第１層ＬＹ１を構成する複数の第１複合シート１１０のそれぞれの第１繊維方向ＦＤ１が第１長手方向ＬＤ１に対して第１所定角度θを有する。同様に、第２層ＬＹ２を構成する複数の第２複合シート１２０のそれぞれが第２長手方向ＬＤ２と第２短手方向ＳＤ２を有する。また、第２層ＬＹ２を構成する複数の第２複合シート１２０のそれぞれの第２繊維方向ＦＤ２が第２長手方向ＬＤ２に対して第２所定角度を有する。第１所定角度θおよび第２所定角度は、例えば、０度，９０度，４５度，－４５度等のいずれかの角度である。
本開示に係る積層体１００によれば、複数の第１複合シート１１０は、隣り合う一方の第１複合シート１１０ｃの第１長手方向ＬＤ１ｃの端部と他方の第１複合シート１１０ｄの第１長手方向ＬＤ１ｄの端部とが厚さ方向ＴＤに重ならない状態で近接した状態で配置されている。また、複数の第２複合シート１２０は、隣り合う一方の第２複合シート１２０ｃの第２長手方向ＬＤ２ｃの端部と他方の第２複合シート１２０ｄの第２長手方向ＬＤ２ｄの端部とが厚さ方向ＴＤに重ならない状態で近接した状態で配置されている。積層体１００は、複数の第１複合シート１１０および複数の第２複合シート１２０を近接した状態で配置したものであるため、製造時に不要となる部分が発生せず、製造コストを低減することができる。
本開示に係る積層体１００によれば、一方の第１複合シート１１０ｃの第１長手方向ＬＤ１ｃと他方の第１複合シート１１０ｄの第１長手方向ＬＤ１ｄとが交差するように曲線状の配列方向ＡＤに沿って配置されている。また、一方の第２複合シート１２０ｃの第２長手方向ＬＤ２ｃと他方の第２複合シート１２０ｄの第２長手方向ＬＤ２ｄとが交差するように曲線状の配列方向ＡＤに沿って配置されている。
そのため、それぞれの第１複合シート１１０では面内変形を生じさせずに第１繊維方向ＦＤ１に第１繊維基材を配向しつつ、全体として曲線状の配列方向に沿って第１複合シート１１０が配置される。同様に、それぞれの第２複合シート１２０では面内変形を生じさせずに第２繊維方向ＦＤ２に第２繊維基材を配向しつつ、全体として曲線状の配列方向ＡＤに沿って第２複合シート１２０が配置される。第１複合シート１１０および第２複合シート１２０のいずれにも面内変形が生じないため、積層体１００の製造品質を高めることができる。
本実施形態の積層体１００において、一方の第１複合シート１１０ｃの第１長手方向ＬＤ１ｃと他方の第１複合シート１１０ｄの第１長手方向ＬＤ１ｄとが交差する交差角度αは、３０度以下である。
交差角度αを３０度以下とすることで、曲線状の配列方向ＡＤに対する第１長手方向ＬＤ１の近似性およびそれに伴う積層体１００の製造品質を高めることができる。
本実施形態に係る積層体１００において、複数の第１複合シート１１０の端部が配置される配列方向ＡＤにおける複数の第１端部位置Ｐ１１～Ｐ１７は、複数の第２複合シート１２０の端部が配置された配列方向ＡＤにおける複数の第２端部位置Ｐ２１～Ｐ２７とは異なる位置である。
本実施形態に係る積層体１００によれば、第１端部位置と第２端部位置とを異ならせることで、第１端部位置と第２端部位置とが一致する場合よりも積層体１００を硬化させた構造体の強度を高めることができる。すなわち、第１端部位置と第２端部位置とが一致した場合に生じうる亀裂や破断を抑制することができる。
以上説明した実施形態に記載の積層体は、例えば以下のように把握される。
本開示に係る積層体（１００）は、第１長手方向（ＬＤ１）および第１短手方向（ＳＤ１）を有するとともに前記第１長手方向に対して第１所定角度（θ）を有する第１繊維方向（ＦＤ１）に配向された第１繊維基材と第１樹脂材料とを含む複数の第１複合シート（１１０）と、第２長手方向（ＬＤ２）および第２短手方向（ＳＤ２）を有するとともに前記第２長手方向に対して第２所定角度を有する第２繊維方向（ＦＤ２）に配向された第２繊維基材と第２樹脂材料とを含む複数の第２複合シート（１２０）と、を備え、複数の前記第１複合シートを含む第１層（ＬＹ１）に接触した状態で、複数の前記第２複合シートを含む第２層（ＬＹ２）が積層されており、複数の前記第１複合シートは、隣り合う一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部とが厚さ方向（ＴＤ）に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差するように曲線状の配列方向（ＡＤ）に沿って配置されており、複数の前記第２複合シートは、隣り合う一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部とが前記厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差するように前記配列方向に沿って配置されている。
本開示に係る積層体によれば、第１層を構成する複数の第１複合シートのそれぞれが第１長手方向と第１短手方向を有する。また、第１層を構成する複数の第１複合シートのそれぞれの第１繊維方向が第１長手方向に対して第１所定角度を有する。同様に、第２層を構成する複数の第２複合シートのそれぞれが第２長手方向と第２短手方向を有する。また、第２層を構成する複数の第２複合シートのそれぞれの第２繊維方向が第２長手方向に対して第２所定角度を有する。第１所定角度および第２所定角度は、例えば、０度，９０度，４５度，－４５度等のいずれかの角度である。
本開示に係る積層体によれば、複数の第１複合シートは、隣り合う一方の第１複合シートの第１長手方向の端部と他方の第１複合シートの第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接した状態で配置されている。また、複数の第２複合シートは、隣り合う一方の第２複合シートの第２長手方向の端部と他方の第２複合シートの第２長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接した状態で配置されている。積層体は、複数の第１複合シートおよび複数の第２複合シートを近接した状態で配置したものであるため、製造時に不要となる部分が発生せず、製造コストを低減することができる。
本開示に係る積層体によれば、一方の第１複合シートの第１長手方向と他方の第１複合シートの第１長手方向とが交差するように曲線状の配列方向に沿って配置されている。また、一方の第２複合シートの第２長手方向と他方の第２複合シートの第２長手方向とが交差するように曲線状の配列方向に沿って配置されている。そのため、それぞれの第１複合シートでは面内変形を生じさせずに第１繊維方向に第１繊維基材を配向しつつ、全体として曲線状の配列方向に沿って第１複合シートが配置される。同様に、それぞれの第２複合シートでは面内変形を生じさせずに第２繊維方向に第２繊維基材を配向しつつ、全体として曲線状の配列方向に沿って第２複合シートが配置される。第１複合シートおよび第２複合シートのいずれにも面内変形が生じないため、積層体の製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層体において、前記配列方向は、一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる方向である。
本開示に係る積層体によれば、一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる配列方向に沿って第１複合シートおよび第２複合シートを配置する場合であっても、第１複合シートおよび第２複合シートを適切に配置して製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層体において、一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差する交差角度（α）は、３０度以下である。
交差角度を３０度以下とすることで、複数の第１複合シートの曲線状の配列方向に対する第１長手方向の近似性およびそれに伴う積層体の製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層体において、一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差する交差角度（α）は、３０度以下である。
交差角度を３０度以下とすることで、複数の第２複合シートの曲線状の配列方向に対する第２長手方向の近似性およびそれに伴う積層体の製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層体において、複数の前記第１複合シートの端部が配置される複数の第１端部位置（Ｐ１１～Ｐ１７）と、複数の前記第２複合シートの端部が配置される複数の第２端部位置（Ｐ２１～Ｐ２７）とは、前記配列方向において異なる位置である。
本開示に係る積層体によれば、第１端部位置と第２端部位置とを配列方向において異ならせることで、第１端部位置と第２端部位置とが一致する場合よりも積層体を硬化させた構造体の強度を高めることができる。すなわち、第１端部位置と第２端部位置とが配列方向において一致した場合に生じうる亀裂や破断を抑制することができる。
以上説明した実施形態に記載の積層方法は、例えば以下のように把握される。
本開示に係る積層方法は、複数の第１複合シートを含む第１層に接触した状態で、複数の第２複合シートを含む第２層を積層する積層方法であって、前記第１複合シートは、第１長手方向および第１短手方向を有するとともに前記第１長手方向に対して第１所定角度を有する第１繊維方向に配向された第１繊維基材と第１樹脂材料とを含むシート状に形成され、前記第２複合シートは、第２長手方向および第２短手方向を有するとともに前記第２長手方向に対して第２所定角度を有する第２繊維方向に配向された第２繊維基材と第２樹脂材料とを含むシート状に形成され、複数の前記第１複合シートを、隣り合う一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差するように配列方向に沿って配置する第１積層工程と、複数の前記第２複合シートを、隣り合う一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部とが前記厚さ方向に重ならない状態で近接し、かつ一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差するように前記配列方向に沿って配置する第２積層工程と、を備える。
本開示に係る積層方法によれば、複数の第１複合シートは、第１積層工程により、隣り合う一方の第１複合シートの第１長手方向の端部と他方の第１複合シートの第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接した状態で配置される。また、複数の第２複合シートは、第２積層工程により、隣り合う一方の第２複合シートの第２長手方向の端部と他方の第２複合シートの第２長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で近接した状態で配置される。第１積層工程および第２積層工程は、複数の第１複合シートおよび複数の第２複合シートを近接した状態で配置するため、製造時に不要となる部分が発生せず、製造コストを低減することができる。
本開示に係る積層方法によれば、第１積層工程により、一方の第１複合シートの第１長手方向と他方の第１複合シートの第１長手方向とが交差するように曲線状の配列方向に沿って配置される。また、第２積層工程により、一方の第２複合シートの第２長手方向と他方の第２複合シートの第２長手方向とが交差するように曲線状の配列方向に沿って配置される。そのため、それぞれの第１複合シートでは面内変形を生じさせずに第１繊維方向に第１繊維基材を配向しつつ、全体として曲線状の配列方向に沿って第１複合シートが配置される。同様に、それぞれの第２複合シートでは面内変形を生じさせずに第２繊維方向に第２繊維基材を配向しつつ、全体として曲線状の配列方向に沿って第２複合シートが配置される。第１複合シートおよび第２複合シートのいずれにも面内変形が生じないため、積層体の製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層方法において、前記配列方向は、一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる方向である。
本開示に係る積層方法によれば、一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる配列方向に沿って第１複合シートおよび第２複合シートを配置する場合であっても、第１複合シートおよび第２複合シートを適切に配置して製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層方法において、一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差する交差角度（α）は、３０度以下である。
交差角度を３０度以下とすることで、複数の第１複合シートの曲線状の配列方向に対する第１長手方向の近似性およびそれに伴う積層体の製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層方法において、一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差する交差角度（α）は、３０度以下である。
交差角度を３０度以下とすることで、複数の第２複合シートの曲線状の配列方向に対する第２長手方向の近似性およびそれに伴う積層体の製造品質を高めることができる。
本開示に係る積層方法において、複数の前記第１複合シートの端部が配置される複数の第１端部位置（Ｐ１１～Ｐ１７）と、複数の前記第２複合シートの端部が配置される複数の第２端部位置（Ｐ２１～Ｐ２７）とは、配列方向において異なる位置である。
本開示に係る積層方法によれば、第１端部位置と第２端部位置とを配列方向において異ならせることで、第１端部位置と第２端部位置とが一致する場合よりも積層体を硬化させた構造体の強度を高めることができる。すなわち、第１端部位置と第２端部位置とが配列方向において一致した場合に生じうる亀裂や破断を抑制することができる。
２０ フレーム
１００ 積層体
１１０ 第１複合シート
１２０ 第２複合シート
ＡＤ 配列方向
ＦＤ１ 第１繊維方向
ＦＤ２ 第２繊維方向
ＬＤ１ 第１長手方向
ＬＤ２ 第２長手方向
ＬＹ１ 第１層
ＬＹ２ 第２層
ＭＦ 山折り線
ＳＤ１ 第１短手方向
ＳＤ２ 第２短手方向
Ｓｕ 積層面
ＴＤ 厚さ方向
ＴＲ１ 内側トリミング線
ＴＲ２ 外側トリミング線
ＶＦ 谷折り線
α 交差角度

Claims (6)

  1. 第１長手方向および第１短手方向を有するとともに前記第１長手方向と同一または異なる方向である第１繊維方向に配向された第１繊維基材と第１樹脂材料とを含む複数の第１複合シートと、
    第２長手方向および第２短手方向を有するとともに前記第２長手方向と同一または異なる方向である第２繊維方向に配向された第２繊維基材と第２樹脂材料とを含む複数の第２複合シートと、を備え、
    複数の前記第１複合シートを含む第１層に接触した状態で、複数の前記第２複合シートを含む第２層が積層されており、
    複数の前記第１複合シートは、隣り合う一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差するように一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる配列方向に沿って配置され、かつ一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で前記配列方向に近接しており、
    複数の前記第２複合シートは、隣り合う一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差するように前記配列方向に沿って配置され、かつ一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部とが前記厚さ方向に重ならない状態で前記配列方向に近接しており、
    複数の前記第１複合シートの端部が配置される複数の第１端部位置と、複数の前記第２複合シートの端部が配置される複数の第２端部位置とは、前記配列方向において異なる位置である積層体。
  2. 一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差する交差角度は、０度以上かつ３０度以下である請求項１に記載の積層体。
  3. 一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差する交差角度は、０度以上かつ３０度以下である請求項２に記載の積層体。
  4. 第１繊維基材と第１樹脂材料を含む複数の第１複合シートを含む第１層に接触した状態で、第２繊維基材と第２樹脂材料を含む複数の第２複合シートを含む第２層を積層して積層体を形成し、前記積層体を硬化させて複合材を製造する複合材製造方法であって、
    前記第１複合シートは、第１長手方向および第１短手方向を有するとともに前記第１長手方向と同一または異なる方向である第１繊維方向に配向された第１繊維基材と第１樹脂材料とを含むシート状に形成され、
    前記第２複合シートは、第２長手方向および第２短手方向を有するとともに前記第２長手方向と同一または異なる方向である第２繊維方向に配向された第２繊維基材と第２樹脂材料とを含むシート状に形成され、
    前記第１複合シートおよび前記第２複合シートを含む複数層の複合シートを積層して前記積層体を形成する積層工程と、
    前記積層工程で積層された前記積層体を賦形する賦形工程と、
    前記積層体に含まれる前記第１複合シートおよび前記第２複合シートを硬化させる硬化工程と、
    前記硬化工程により硬化した前記積層体の端部を切除するトリミング工程と、を備え、
    前記積層工程は、
    複数の前記第１複合シートを、隣り合う一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差するように一定の方向に曲がる曲線に沿って延びる配列方向に沿って配置し、かつ一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向の端部とが厚さ方向に重ならない状態で前記配列方向に近接させて配置する第１積層工程と、
    複数の前記第２複合シートを、隣り合う一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差するように前記配列方向に沿って配置し、かつ一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向の端部とが前記厚さ方向に重ならない状態で前記配列方向に近接させて配置する第２積層工程と、を備え、
    ２以上の所定層数の前記複合シートが積層されたことに応じて前記積層工程が終了して前記賦形工程が開始され、
    複数の前記第１複合シートの端部が配置される複数の第１端部位置と、複数の前記第２複合シートの端部が配置される複数の第２端部位置とは、前記配列方向において異なる位置である複合材製造方法。
  5. 一方の前記第１複合シートの前記第１長手方向と他方の前記第１複合シートの前記第１長手方向とが交差する交差角度は、０度以上かつ３０度以下である請求項４に記載の複合材製造方法。
  6. 一方の前記第２複合シートの前記第２長手方向と他方の前記第２複合シートの前記第２長手方向とが交差する交差角度は、０度以上かつ３０度以下である請求項５に記載の複合材製造方法。
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