JP7426492B2 - 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。
複合材料製部品は、航空機用部品に限らず、大量生産の製造効率の観点から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、プレス成形により製造される、板状部から突出するリブを有する繊維強化プラスチック成形品が記載されている。この成形品では、板状部が繊維の体積含有率（Ｖｆ）が５０～７０％、平均厚さが１．５ｍｍ以下であり、リブは、平均幅が０．１～１．５ｍｍであり、さらに、板状部とリブにわたって繊維が存在している。特許文献１では、リブにおける繊維のＶｆを板状部と同様のレベルにするため、板状部における繊維のＶｆを特定するとともに、リブの平均幅を特定する構成となっている。
国際公開第２０１９／０７８２４２号公報
特許文献１に開示の成形品では、板状部（基板部）が平均厚さ１．５ｍｍ以下の薄肉のものに限定されているとともに、リブの厚さも０．１～１．５ｍｍの範囲内に限定されている。したがって、特許文献１に開示の手法は、１．５ｍｍ以上の肉厚の板状部を有するようなパネル構造体には適用できない。
また、特許文献１では、リブの高さは特に限定されていないが、上限の一例として５０ｍｍ以下が望ましいことが例示されている。ただし、リブの高さが高くなるほど、リブの先端まで繊維を存在させることが困難になる場合もある。このことは、特許文献１では、リブの高さとして５．０ｍｍ以下の実施例しか挙げられていない点にも示されている。
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、基板部およびリブを有し、基板部およびリブの厚さおよび高さによらず、リブの先端に繊維を配置させることが可能な、複合材料製パネル構造体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するリブと、を備え、前記基板部には、前記基板部および前記リブの体積から算出される前記基板部の必要板厚に基づいて積層数が決定された前記複合材料層である基本層が積層され、前記基板部のうち、少なくとも前記リブが立設するリブ基底部には、前記基本層に加えて複合材料層であるダブラ層が積層され、前記リブの先端部まで前記強化繊維が配置している
構成である。
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するリブとを含み、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を製造する複合材料製パネル構造体の製造方法であって、前記基板部が必要板厚となる数のプリプレグである基本プライ、および前記基板部のうち前記リブが立設するリブ基底部にプリプレグであるダブラプライを積層してプリプレグ積層体を形成し、前記プリプレグ積層体を成形型によりプレス成形する構成である。
前記構成によれば、リブ基底部には基準積層数を超えるダブラ層が積層されることにより、当該リブの先端部まで強化繊維が配置している。これにより、プレス成形するだけで、補強構造を有するパネル構造体を製造できるとともに、基板部およびリブの厚さおよび高さに制限されることなく、補強構造であるリブの先端部まで強化繊維を配置できる。そのため、基板部の強度および剛性を良好にできるので、良好な強度および剛性を有するパネル構造体を低コストで製造できる。
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、基板部およびリブを有し、基板部およびリブの厚さおよび高さに制限されることなく、リブの先端にも繊維を配置させることが可能な、複合材料製パネル構造体を提供できる、という効果を奏する。
図１は、実施の形態に係るパネル構造体の構成の一例を示す模式的斜視図である。 図２は、図１に示すパネル構造体が備えるリブおよびリブ基底部の代表的な構成の一例を示す模式的断面図である。 図３Ａは、図２に示すリブおよびリブ基底部の断面構造をさらに模式化した図であり、図３Ｂは、図３Ａに示すリブ基底部に含まれるリブ基底領域を模式的に示す図であり、図３Ｃは、図３Ｂに示すリブ基底領域を理論的に計算するためのフィラー領域を除いた領域を模式的に示す図である。 図４Ａ、図４Ｂは、本実施の形態で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模式的断面図である。 図５Ａは、図１に示すパネル構造体を、図４Ａのような積層体を用いてプレス成形で製造する際の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成形型のキャビティを拡大した部分模式図である。 図６Ａは、図１に示すパネル構造体を、図４Ｂのような積層体を用いてプレス成形で製造する際の成形型の他の例を示す模式図であり、図６Ｂは、図６Ａに示す模式図において、プリプレグ積層体および成形型のキャビティを拡大した部分模式図である。 図７Ａは、従来のプリプレグ積層体を用いて図１に示すパネル構造体を製造する際の成形型の代表的な一例を示す模式図であり、図７Ｂは、図７Ａに示す模式図において、プリプレグ積層体および成形型のキャビティを拡大した部分模式図である。 図８Ａは、実施例であるパネル構造体の具体例を示す外観写真であり、図８Ｂは、図８Ａに示すパネル構造体のリブの断面を示す写真である。
以下、本発明の代表的な実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
［複合材料製パネル構造体］
本開示に係る複合材料製パネル構造体の代表的な一例について、図１および図２を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上、複合材料製パネル構造体を、適宜「パネル構造体」と略す場合がある。
本実施の形態に係るパネル構造体は、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。パネル構造体の具体的な構成は特に限定されないが、例えば、図１に示すように、ウェブ部１１、リブ１２、フランジ部１３ａ，１３ｂを備えたパネル構造体１０であるここで、説明のためにウェブ部１１に沿ってリブ１２が延伸する方向をＸ軸、フランジ部１３ａ、１３ｂが延伸する方向をＹ軸、リブ１２が立設する方向をＺ軸とする。
本実施の形態では、ウェブ部１１を基板部とし、ウェブ部１１においてリブ１２が立設する部位をリブ基底部１４とする。
図１に示すように、パネル構造体１０の横断面は「Ｚ形」である。フランジ部１３ａは平板状のウェブ１１の一方の側縁部に位置し、第一面側にＺ軸方向に折れ曲がってＹ軸方向に延伸する。フランジ部１３ｂはウェブ部１１の他方の側縁部に位置し、第一面の反対側の表面である第二面側にＺ軸方向に折れ曲がってＹ軸方向に延伸する。リブ１２は、ウェブ部１１の第一面にＺ軸方向に立設し、ウェブ部１１の一方の側縁部から他方の側縁部に向かう方向であるＸ軸方向に延伸している。リブ１２の一方の端部は、フランジ部１３ａにつながっている。
パネル構造体１０において、基板部の具体的な形状および厚さは特に限定されず、その用途に応じて適宜設計できる。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。パネル構造体１０がフランジ部１３ａ，１３ｂあるいは他の構造部位を有する場合には、当該パネル構造体１０の種類、用途、使用条件等の諸条件に応じて、厚さまたは幅（あるいは高さ）等を適宜設定できる。
［リブおよびリブ基底部］
次に、パネル構造体１０のリブ１２およびリブ基底部１４について図２を参照して説明する。図２は、図１に示すパネル構造体１０におけるリブ１２およびリブ基底部１４の断面構成を示す模式図である。
図２の横方向がＸ軸方向に対応し、図２の縦方向がＺ軸方向に相当する。また、ウェブ１１において図中上側の表面が基板部の第一面に相当し、図中下側の表面が基板部の第二面に相当する。
パネル構造体１０は、少なくとも強化繊維およびマトリクス樹脂から構成され、基板部は強化繊維を含む複合材料層の積層構造を含む。図２では、強化繊維の層を太線または白抜き線で模式的に図示し、強化繊維を含む層を複合材料層として取り扱う。
パネル構造体１０の用途等に応じて、ウェブ部１１の「必要板厚」および必要板厚を実現するための「基準積層数」が予め設定される。ウェブ１１は基準積層数の複合材料層のみで構成される。
図２に示す例では、ウェブ部１１は模式的に太線の強化繊維の層で示す６層の複合材料層２１からなるが、６層に限定されず、実際のパネル構造体１０の板厚等に応じて決定すればよい。また、図２では、複合材料層２１の間隔が不均一であるが、これも図示の便宜に過ぎないことは言うまでもない。
図２においてウェブ部１１の必要板厚を実現する複合材料層２１を便宜上「基本層２１」と称する。ウェブ部１１のほとんどは基本層２１のみで構成される。リブ基底部１４には、基本層２１以外の複合材料層であるダブラ層２２が積層される。このダブラ層２２は、言い換えれば、基準積層数を超えて積層される複合材料層である。図２では、ダブラ層２２は、基本層２１と区別するために白抜き線の複合材料層として図示する。
図２に示す例では、ダブラ層２２の積層数は３層であるが、具体的な積層数は限定されない。
ダブラ層２２の積層数は、パネル構造体１０の設計上の体積に基づいて積層数の好ましい範囲を設定できる。例えば、パネル構造体１０の設計上の体積を「成形基準体積」とすると、基本層２１とダブラ層２２との合計積層数は、成形基準体積以上から成形基準体積の１．２５倍以下までの範囲内となる積層数である。一般的には、成形基準体積はプレス成形時に用いられる成形型のキャビティに基づいて設定できる。
本来であれば、必要板厚を実現する積層数で複合材料層を積層すれば、基板部およびリブ１２を成形できるはずである。しかしながら、本発明者らの鋭意検討によれば、単に必要板厚を実現する積層数からなるプリプレグ積層体をプレス成形しても、適切にリブ１２を形成できない場合があることが明らかとなった。そのため、リブ１２を有するパネル構造体１０をプレス成形する場合には、成形基準体積に基づいてダブラ層２２の積層数を設定することが好ましい。
例えば、ダブラ層２２の積層数が成形基準体積と同等の１．０倍未満であると、ダブラ層２２を追加積層したとしても、適切なリブ１２をプレス成形できなくなる場合がある。一方、ダブラ層２２の積層数が成形基準体積の１．２５倍を超えた場合、理論上、リブ１２およびリブ基底部１４の繊維体積含有率が過剰になる可能性がある。
基本層２１に対してダブラ層２２が追加されると、強化繊維の層だけでなくマトリクス樹脂２０も追加される。ダブラ層２２の追加により複合材料層の積層体積が増加すれば、マトリクス樹脂２０はリブ１２およびリブ基底部１４以外の部分に流出すると考えられるため、リブ１２およびリブ基底部１４における繊維体積含有率が増加すると見なせる。
一般的に、強度低下が見られない繊維体積含有率の上限値は、ノミナル値の＋５％と考えられる。計算上、基本層２１に対する追加量であるダブラ層２２の積層数が成形基準体積の１．２５倍以下であれば、繊維体積含有率の上限値に対応すると見なせる。もちろん、諸条件によってはダブラ層２２の積層数が成形基準体積の１．２５倍を超えても何ら問題ない場合もあることは言うまでもない。
パネル構造体１０においては、図２に示すように、基本層２１に対してダブラ層２２を追加積層しているため、リブ１２の先端部まで強化繊維が配置されている。図２では、リブ１２において、２層のダブラ層２２と３層の基本層２１とを図示しているが、これに限定されない。
さらに、本実施の形態に係るパネル構造体１０では、ダブラ層２２に加えて、リブ基底部１４内にて破線で示すフィラー領域１５に、複合材料層であるフィラー層２３を積層しても良い。このフィラー領域１５およびフィラー層２３について、図２に示すリブ基底部１４の模式的な断面構造をさらに模式化した図３Ａに基づいて具体的に説明する。
説明の便宜上、第一面および第二面を「第一面１１ａ」および「第二面１１ｂ」として符号を付して図示する。
基板部を構成する複数の複合材料層は、図３Ａに示すように、第一面側積層体１６ａおよび第二面側積層体１６ｂに模式的に区分できる。第一面側積層体１６ａは基板部であるウェブ部１１の第一面１１ａ側となる部位である。第二面側積層体１６ｂは基板部であるウェブ部１１の第二面１１ｂ側となる部位である。
リブ１２は２つの第一面側積層体１６ａ同士が対向して貼り合わされて構成されており、当該リブ１２の根元では２つの第一面側積層体１６ａが互いにＹ軸方向反対向きに湾曲して折り曲げられている。そのため、リブ１２は、ウェブ部１１である基板部から立設する構造となる。また、第二面側積層体１６ｂは、第一面側積層体１６ａの第二面１１ｂ側の表面に接するように配置される。
このような構造において、リブ１２と第一面側積層体１６ａと第二面側積層体１６ｂとの間には、図３Ａの模式的断面図に示すように、三角形状の断面を有するフィラー領域１５が規定される。当該領域１５は、Ｘ軸方向に沿って延伸する三角形状の断面を有する細長い領域である。図３Ａでは、リブ１２の延伸方向は紙面の鉛直方向である。
［フィラー領域］
図３Ａおよび図２に示すように、フィラー領域１５は、ウェブ部１１のリブ基底部１４に含まれる。本実施の形態では、リブ基底部１４のフィラー領域１５に対応する部位のみにフィラー層２３を積層する。
リブ基底部１４に対して、基準積層数を超える複合材料層として、ダブラ層２２に加えてフィラー層２３を積層する。これにより、特にパネル構造体１０の第二面１１ｂにおいて、リブ１２の反対側すなわち第一面１１ａのリブ１２に対向する側の部位の品質をより一層良好にできる。
諸条件にもよるが、ダブラ層２２のみが追加積層され、フィラー層２３が追加積層されていない場合には、パネル構造体１０の第二面１１ｂには、リブ１２に対応する位置に凹みが生じることがある。この凹みは、用途によってはパネル構造体１０の機能、強度等に影響を及ぼし、表面品質を低下させる可能性がある。
例えば、パネル構造体１０を構成要素の一つとして用いたときに、当該パネル構造体１０の第二面１１ｂを構造上の最外側に配置させる場合には、第二面１１ｂに凹みが存在しない方が好ましい。あるいは、パネル構造体１０の第二面１１ｂを他の構成要素と密接させる場合にも、第二面１１ｂに凹みが存在しない方が好ましい。また、パネル構造体１０のウェブ部１１に強度要求がある場合には、第二面１１ｂに凹みが存在すると繊維がうねっていることによる強度低下が生じる。この観点でも、第二面１１ｂには凹みが存在しない方が好ましい。このような用途では、リブ基底部１４に対してダブラ層２２に加えてフィラー層２３を追加積層することが好ましい。
フィラー層２３を追加積層する場合、具体的なフィラー層２３の積層数は特に限定されない。例えば、第二面１１ｂに凹みが生じても特に問題がない場合には、フィラー層２３は不要である。また、第二面１１ｂの凹みを適度に軽減する程度でよい場合、フィラー領域１５の設計上の体積に応じて、適当なフィラー層２３を追加積層すればよい。
さらに、第二面１１ｂに凹みが生じることを回避する場合、フィラー領域１５の設計上の体積をフィラー基準体積としたときに、フィラー層２３の積層数は、フィラー基準体積以上からフィラー基準体積の３．０倍以下までの範囲内となる積層数に設定することが好ましい。計算上、フィラー層２３の追加量がフィラー基準体積の３．０倍以下であれば、前述した繊維体積含有率の上限値（ノミナル値の＋５％）に対応すると見なせる。
もしフィラー層２３の積層数がフィラー基準体積未満であれば、第二面１１ｂに凹みが生じることを回避できない可能性がある。一方、フィラー層２３の積層数がフィラー基準体積の３．０倍を超えた場合、リブ基底部１４の繊維体積含有率が過剰になる可能性がある。
ここで、ダブラ層２２の積層数の基準となる成形基準体積は、前記の通り、プレス成形時に用いられる成形型のキャビティに基づいて設定すればよい。フィラー層２３の積層数の基準となるフィラー基準体積は、リブ１２の厚さとリブ基底部１４付近の湾曲の程度に基づいて理論的に計算できる。
フィラー基準体積の計算方法について、図３Ａに加えて、図３Ｂおよび図３Ｃに基づいて具体的に説明する。図３Ｂは、図３Ａに示すリブ基底部１４を拡大した模式図である。図３Ｃは、図３Ａおよび図３Ｂに示すリブ基底領域１７を示す模式図である。
前述したフィラー領域１５は、リブ基底部１４の第一面１１ａ側で互いに対向する第一面側積層体１６ａと、第二面１１ｂ側に位置し、これら第一面側積層体１６ａに対向する第二面側積層体１６ｂとの間の領域として設定できる。また、図３Ａにおいて破線で囲んだリブ基底領域１７は、リブ基底部１４のうち互いに対向する第一面側積層体１６ａの湾曲部分と、その間のフィラー領域１５と、により構成される領域として設定される。
リブ基底領域１７をより具体的に説明する。図３Ｂに示すように、第一面側積層体１６ａの湾曲部分を半径Ｒの四分円（半径Ｒの真円を１／４に分割した、中心角９０°の扇形）に近似したとする。このとき、第一面側積層体１６ａの厚さｔＨは、リブ１２の厚さｔＡの半分であるｔＡ／２になる。リブ基底領域１７のＺ軸方向の長さはＲ＋ｔＨとなる。リブ基底領域１７のＹ軸方向の長さは２Ｒ＋２ｔＨとなる。さらに、図３Ｃに示すように、リブ基底領域１７の横断面においてフィラー領域１５を除いた網掛け領域は、半径Ｒ＋ｔＨの四分円がＹ軸方向に並列した状態に近似できる。
それゆえ、フィラー領域１５の横断面の面積は、リブ基底領域１７の面積である（Ｒ＋ｔＨ）×（２Ｒ＋２ｔＨ）から、図３Ｃに示す網掛け領域の面積であるπ×（Ｒ＋ｔＨ）２×（２／４）を減算した面積として計算できる。フィラー領域１５は、Ｘ軸方向であるリブ１２の延伸方向に沿って延伸する細長い領域である。そのため、フィラー領域１５の体積すなわちフィラー基準体積は、フィラー領域１５の横断面の面積にリブ１２の長さすなわちフィラー領域１５の長さを乗算した体積として計算できる。
［プリプレグおよび積層体］
次に、パネル構造体１０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４Ａ、図４Ｂを参照して説明する。なお、図４Ａ、図４Ｂにおいても、図３Ａと同様に、説明の便宜上、第一面および第二面を「第一面１１ａ」および「第二面１１ｂ」として符号を付して図示する。図４Ａ、図４Ｂに示す例では、図面下側が第一面１１ａであり、図面上側が第二面１１ｂである。
前記の通り、本実施の形態に係るパネル構造体１０は、プレス成形により製造される「プレス成形体」である。当該構成を有するパネル構造体１０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、強化繊維で構成される基材にマトリクス樹脂２０を含浸したシート体である。
本実施の形態における代表的な一例では、まず、プリプレグを複数枚積層して図４Ａまたは図４Ｂに示すようにプリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂを形成する。当該リプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂをプレス成形することによりパネル構造体１０を製造する。なお、本開示に係るパネル構造体１０のより具体的な製造方法については後述する。
基本層２１およびダブラ層２２のいずれも、プレス成形される前はプリプレグすなわち基材にマトリクス樹脂２０を含浸したシート体である。そこで、図４Ａまたは図４Ｂにおいては、基本層２１に対応するプリプレグを基本プライ３１として図示し、ダブラ層２２に対応するプリプレグをダブラプライ３２として図示する。
図４Ａに示すプリプレグ積層体３０Ａは、基本プライ３１およびダブラプライ３２で構成されるが、図４Ｂに示すプリプレグ積層体３０Ｂは、基本プライ３１およびダブラプライ３２に加えて、フィラー領域１５に対応する部位にフィラープライ３３から構成される。
ここで、プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂにおいて、ダブラプライ３２は少なくともリブ１２に対応する位置に積層される。ただし、ダブラプライ３２の寸法または形状等は限定されない。
プリプレグ積層体３０Ｂにおいて、フィラープライ３３は、フィラー領域１５に対応する位置に、フィラー領域１５に対応する三角形状の断面形状となるように積層される。図４Ｂに示す例では、プリプレグ積層体３０Ｂの中央部に、第一面１１ａに位置するに伴って徐々に幅が狭くなる三角形状にフィラープライ３３が積層されている。
なお、基本プライ３１の積層数、ダブラプライ３２の積層数、およびフィラープライ３３の積層数はいずれも特に限定されない。製造されるパネル構造体１０に求められる基板部またはリブ１２の厚さ、成形型のキャビティ体積、あるいはフィラー領域１５の設計上の体積等に基づいて適宜設定できる。基板部またはリブ１２の厚さは前述した必要板厚等に対応する。キャビティ体積は、前述した成形基準体積に対応する。フィラー領域１５の設計上の体積は、前述したフィラー基準体積に基づく。
ダブラプライ３２はプレス成形によりパネル構造体１０のダブラ層２２となる。フィラープライ３３はプレス成形によりパネル構造体１０のフィラー層２３となる。そのため、ダブラプライ３２の積層数は、成形型のキャビティ体積以上から当該キャビティ体積の１．２５倍以下までの範囲内となる積層数に設定できる。これは成形基準体積１．０倍以上から成形基準体積の１．２５倍以下の範囲内である。同様に、フィラープライ３３の積層数は、フィラー基準体積以上からフィラー基準体積の３．０倍以下までの範囲内となる積層数に設定できる。
また、成形基準体積またはフィラー基準体積等の基準体積に基づいて複合材料層またはプリプレグの積層数を設定する手法については特に限定されず、従来の製造方法の知見を利用できる。
プリプレグを構成するマトリクス樹脂２０および強化繊維の具体的な種類は特に限定されない。マトリクス樹脂２０および強化繊維としては、パネル構造体１０の用途等に応じて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。
複合材料に用いられるマトリクス樹脂２０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、代表的には、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ることができ、あるいは、複数種を組み合わせて用いることができる。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ない。これら熱硬化性樹脂は、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、熱硬化性樹脂の平均分子量、主鎖および側鎖の構造等についても特に限定されない。
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のより具体的な化学構造は特に限定されない。
これら熱可塑性樹脂は、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、熱可塑性樹脂の平均分子量、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２０には、公知の添加剤等の他の成分を添加することができる。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２０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できる。
強化繊維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ることができる。また、強化繊維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）を用いられても良い。また、強化繊維としては、複数種類の繊維材料または充填材もしくは補強材を併用することができる。例えば、強化繊維として連続繊維に加えて短繊維を用いることができ、繊維状ではなく粒子状の充填材または補強材すなわちフィラーを用いることができる。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２０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。
本開示においては、強化繊維は、連続繊維および切込み入り連続繊維の少なくとも一方であることが好ましい。言い換えれば、プリプレグに用いられる強化繊維は、連続繊維であることが好ましい。当該連続繊維には切込みが入ってもよいし切込みが入っていなくてもよいし、切込みのあるものとないものが併用されてもよい。強化繊維が切込みを有するものである場合、連続繊維が織物または組物等の基材であればよい。また、切込みは、基材に対して部分的に形成されてもよいし、全体的に形成されてもよい。
［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、図６Ａ、図６Ｂ、並びに図７Ａ、図７Ｂを参照して具体的に説明する。
なお、パネル構造体１０として図１ではフランジ部１３ａ，１３ｂを備える構成を図示しているが、プレス成形によりリブ１２の形成を説明する便宜上、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、および図７Ｂにおいては、フランジ部１３ａ，１３ｂの形成に関しては図示を省略している。
本実施の形態では、プリプレグ積層体３０Ａをプレス成形することによりパネル構造体１０を製造する方法を第一の製造方法例とする。また、プリプレグ積層体３０Ｂをプレス成形することによりパネル構造体１０を製造する方法を第二の製造方法例とする。
図５Ａに示すように、プレス成形時に用いられる成形型４０は、パネル構造体１０を製造するために用いられるものであり、上型４１、下型４２、上側熱盤４３、下側熱盤４４等を備えている。
図５Ａに示す例では、上型４１が基板部であるウェブ部１１の第二面に対応し、下型４２がウェブ部１１の第一面およびリブ１２に対応する。上型４１と下型４２との間には、プリプレグ積層体３０が設置されるキャビティ４５が形成されている。なお、キャビティ４５には、フランジ部１３ａ，１３ｂに対応する空間が含まれるが、フランジ部１３ａ，１３ｂに対応する空間は図示を省略している。
上型４１の外側には上側熱盤４３が設けられ、下型４２の外側には下側熱盤４４が設けられている。上型４１の外側を上側とし、下型４２の外側を下側とする。これら熱盤４３，４４から上型４１および下型４２に対して熱および圧力が加えられる。これにより、上型４１および下型４２の間に介在するプリプレグ積層体３０Ａが加熱加圧すなわちホットプレスされ、パネル構造体１０が成形される。
下型４２は、少なくともリブ１２に対応する凹凸構造が形成されている。そのため、図５Ａに示す例では、下型４２は、複数の型部材を締結部材４６で締結固定された構成を有している。なお、成形型４０は図５Ａに示す構成に限定されない。
図５Ｂ上に示すように、まず上型４１および下型４２の間にプリプレグ積層体３０Ａを配置する。続いて、図５Ｂ下に示すように、上下の熱盤４３，４４により上型４１および下型４２を加熱加圧すなわちホットプレスする。なお、図５Ｂ下の矢印は、加圧方向を示している。このようなプレス成形により、プリプレグである基本プライ３１およびダブラプライ３２を構成するマトリクス樹脂２０が流動し、強化繊維もマトリクス樹脂２０とともに流動または伸展する。もしくは強化繊維は流動するとともに伸展することもある。
その結果、基本プライ３１とともにダブラプライ３２が、キャビティ４５のうちリブ１２に対応する空間に導入される。これにより、図５Ｂ下に示すように、リブ１２には、基本プライ３１およびダブラプライ３２に由来する複合材料層が形成され、リブ１２の先端部まで強化繊維が配置される。このため、基板部に設けられるリブ１２の強度および剛性を向上させることができる。
一般的に、複合材料製成形品がリブ１２のような複雑な立体構造を含む場合、当該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が積層されため、積層時間が長くなる。また、複雑な立体形状にプリプレグを積層した積層体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、プリプレグ積層体３０Ａ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低コストで製造することができる。また、従来、基板部およびリブの厚さおよび高さに制限がないパネル構造体のリブ先端に連続繊維を配置することは難しかったが、リブ基底部１４にダブラ層２２を追加したプリプレグ積層体３０Ａをプレス成形することで、リブ１２の先端部を含めたリブ１２およびリブ基底部１４全体に強化繊維が配置できるため、強度および剛性を向上させたパネル構造体１０を製造することができる。
次に、第二の製造方法例について、図６Ａ、図６Ｂを参照して説明する。図６Ａおよび図６Ｂに示す例では、上型４１が基板部であるウェブ部１１の第二面に対応し、下型４２がウェブ部１１の第一面およびリブ１２に対応する。
図６Ｂ上に示すように、まず上型４１および下型４２の間に、積層されたフィラープライ３３が逆三角形状になるようにプリプレグ積層体３０Ｂを配置する。
続いて、図６Ｂに示すように、上下の熱盤４３，４４により上型４１および下型４２が加熱加圧すなわちホットプレスされ、上型４１および下型４２の間に介在するプリプレグ積層体３０Ｂがプレス成形される。このとき、プリプレグである基本プライ３１、ダブラプライ３２およびフィラープライ３３を構成するマトリクス樹脂２０が流動し、強化繊維もマトリクス樹脂２０とともに流動または伸展する。もしくは強化繊維は流動するとともに伸展することもある。
その結果、基本プライ３１とともにダブラプライ３２が、キャビティ４５のうちリブ１２に対応する空間に導入される。さらに、キャビティ４５のうちフィラー領域１５に相当する空間には、フィラープライ３３が導入される。これにより、リブ１２には、基本プライ３１およびダブラプライ３２に由来する複合材料層が形成され、リブ１２の先端部まで強化繊維が配置される。
さらに、リブ基底部１４におけるフィラー領域１５には、フィラープライ３３に由来する複合材料層が形成される。リブ１２の全体に強化繊維が配置されるとともに、フィラー領域１５がフィラー層２３により良好に充填されるため、リブ１２の強度を向上できるとともに、基板部であるウェブ部１１の第二面における凹みの発生を有効に回避または抑制できる。
これに対して、従来技術では、図７Ａおよび図７Ｂに示すように、基本プライ３１のみからなるプリプレグ積層体１３０を使用してプレス成形するため強化繊維は十分に流動または伸展しない。これにより、従来の比較パネル構造体１００では、リブ１２に強化繊維が十分に配置されない。また、図７Ｂ下に示すように、基板部であるウェブ部１１では、リブ１２の反対側である第二面には凹みが生ずるおそれがある。
本開示においては、基本層に加えて、計算上「過剰な」複合材料層であるダブラ層を追加する。過剰な複合材料層であるダブラ層をリブ基底部付近に追加したとしても、技術常識を考慮すれば、リブ全体に強化繊維を配置できないと考えられる。すなわち、技術常識では、プレス成形時には、強化繊維が良好に流動または伸展するとは考えられないため、リブ全体に強化繊維が配置されないと考えられる。ところが、本発明者らの鋭意検討の結果、ダブラ層を追加することで、リブの先端部まで強化繊維を配置することが可能であることが明らかとなった。
さらには、本発明者らの鋭意検討の結果、リブ基底部には、本開示で規定する「フィラー領域」というプレス成形において重要となる領域が存在することが明らかとなった。そのため、本開示では、フィラー領域を充填するような複合材料層すなわちフィラー層をさらに追加する。これにより、まず、リブの先端部まで強化繊維を配置できる。これに加えて、パネル構造体の第二面に凹みが生じる可能性を有効に抑制または回避できる。リブの先端部まで強化繊維を配置できること、パネル構造体の第二面の凹みを抑制または回避できることは、基板部およびリブの厚さに制限されることなく実現できることは、本発明者らによる実験的な検証で明らかとなった。
次に、パネル構造体１０の具体的な実施例について、図８Ａ、図８Ｂを例示して説明する。図８Ａはパネル構造体１０の実施例を示す平面写真であり、図１に示すパネル構造体１０を図１の左側から撮影した状態に相当する。図８Ｂは、図８Ａに示すパネル構造体１０が備えるリブ１２の断面写真である。図８Ａおよび図８Ｂの写真は、前述した本発明者らによる実験的な検証の代表的な一例である。
図８Ａおよび図８Ｂに示すパネル構造体１０は、基本層に対してダブラ層を追加積層して、プレス成形により製造したものである。図８Ｂから明らかなように、リブ１２の先端部まで強化繊維が配置していることが観察される。したがって、本開示によれば、プレス成形により当該リブ１２の先端部まで強化繊維が配置されたパネル構造体１０を製造できることがわかる。
［変形例］
本開示に係るパネル構造体１０の具体的な形状は図１に示す構造に限定されない。パネル構造体１０は、基板部とリブとを備え、基板部が複数の複合材料層が積層されたものであり、リブが基板部に対して立設する板状である構造にできる。したがって、図１に示すようなパネル構造体１０は、Ｚ形断面ではなくてもよいし、両側縁部の少なくとも一方がフランジ部でなくてもよい。また、リブの延伸方向も図１に示すような側縁部に対して直行する方向でなくてもよい。ただし、前述したように、基板部のうち少なくともリブ基底部１４には、複合材料層に加えてダブラ層が積層される構造にできる。複合材料層は、基板部を構成する基本となる層であり、ダブラ層は、追加的な複合材料層であり、リブ１２にはその先端部まで強化繊維が配置している。
本開示に係るパネル構造体１０において、例えば、図１では、基板部であるウェブ部１１は平坦な板状であるが、ウェブ部１１は、パネル構造体１０の用途に応じて湾曲構造にできる。リブ１２は、代表的には、基板部を補強するために設けられる。図１ではウェブ部１１が基板部である。そのため、リブ１２の厚さおよび高さは、基板部に求められる強度および剛性に応じた厚さまたは高さに設定できる。同様に、パネル構造体１０が備えるフランジ部１３ａ，１３ｂあるいは他の構造部位の厚さまたは幅、あるいは高さ等を適宜設定できる。
図２にはフィラー領域１５に積層されるフィラー層２３を模式的に図示した。当該フィラー層２３の積層数の代表的な範囲は、前述したフィラー基準体積の１．０倍以上３．０倍以下の範囲内に限定されない。諸条件にもよるが、あくまで一例であるが、フィラー層２３の積層数の好ましい範囲としては、フィラー基準体積の１．２倍以上１．５倍以下を挙げることができる。フィラー層２３の積層数がこの範囲内であれば、基板部（ウェブ部１１）の第二面１１ｂに凹みが実質的に生じない。また、フィラー層２３の積層数がこの範囲内であれば、リブ基底部１４において、マトリクス樹脂２０および強化繊維の均等的な配置を実現しやすくできる。
プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂは、パネル構造体１０の用途によっては、プリプレグすなわち複合材料層以外の他の材料層を含むことができる。つまり、本開示に係るパネル構造体１０は、複合材料以外の他の材料を含むことができる。あくまで一例であるが、プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂの第一面１１ａまたは第二面１１ｂには、伸展性を有する樹脂または樹脂組成物により形成された樹脂層を積層することができる。このような樹脂層を含むプリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂをプレス成形することで、表面に樹脂層が形成されたパネル構造体１０を製造できる。
表面の樹脂層としては、機械加工性を付与する目的、あるいは、パネル構造体１０の外観を向上する目的のものが挙げられるが、特に限定されない。なお、機械加工性とは、例えば、前述した穴開け時にバリまたはささくれ等の発生を防止する性質が挙げられる。
プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂは、他の材料層として金属メッシュ層あるいは金属箔を含むことができる。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１０の他の材料層として好適に用いることができる。例えば、プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂの表面には、銅メッシュ層を積層することができる。銅メッシュ層を含むプリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂを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１０を製造できる。
また、プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂは、他の材料層として非導電性複合材料の材料層を含むことができる。非導電性複合材料としては、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＦＲＰ）等が挙げられる。非導電性複合材料は、プリプレグ積層体３０Ａまたは３０Ｂの表面全体に積層することができ、あるいは、部分的に積層することができる。このような非導電性複合材料の層を含む積層体を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１０を製造できる。
表面の非導電性複合材料は、代表的には、電食対策に用いることができる。電食対策とは、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が挙げられる。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。
このように、本開示に係るパネル構造体は、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であって、基板部と、当該基板部に対して立設するリブと、を備え、前記基板部には、前記基板部および前記リブの体積から算出される前記基板部の必要板厚に基づいて積層数が決定された前記複合材料層である基本層が積層され、前記基板部のうち、少なくとも前記リブが立設するリブ基底部には、前記基本層に加えて複合材料層であるダブラ層が積層され、前記リブの先端部まで前記強化繊維が配置している構成である。
前記構成によれば、基板部の補強構造となるリブを備える複合材料製パネル構造体において、リブ基底部には基準積層数を超えるダブラ層が積層される。これにより、プレス成形するだけで当該リブの先端部まで強化繊維が配置された、補強構造を有するパネル構造体を製造できる。さらに、基板部およびリブの厚さおよび高さに制限されることなく、補強構造であるリブの先端部まで強化繊維が配置しているので、基板部の強度および剛性を良好にできる。その結果、良好な強度および剛性を有するパネル構造体を低コストで製造できる。
前記構成の複合材料製パネル構造体においては、前記パネル構造体の設計上の体積を成形基準体積としたとき、前記基本層と前記ダブラ層との合計積層数は、前記成形基準体積以上から前記成形基準体積の１．２５倍以下までの範囲内となる積層数である構成であってもよい。
また、前記構成の複合材料製パネル構造体においては、前記リブおよび前記リブと湾曲してつながり前記基板部の一部を構成する複合材料層を第一面側積層体とし、前記リブと反対側の前記第一面側積層体表面に配置され、前記基板部を構成する複合材料層を第二面側積層体とし、前記第一面側積層体と前記第二面側積層体との間に生じる、前記リブに沿って延伸する三角形状の断面を有する領域をフィラー領域としたときに、前記フィラー領域のみに複合材料フィラー層が配置されている構成であってもよい。
また、前記構成の複合材料製パネル構造体においては、前記フィラー領域の設計上の体積をフィラー基準体積としたときに、前記複合材料フィラー層の積層数は、前記フィラー基準体積以上から前記フィラー基準体積の３．０倍以下までの範囲内となる積層数である構成であってもよい。
また、本開示に係るパネル構造体の製造方法は、基板部と、基板部に対して立設するリブとを含み、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を製造する複合材料製パネル構造体の製造方法であって、前記基板部が必要板厚となる数のプリプレグである基本プライ、および前記基板部のうち前記リブが立設するリブ基底部にプリプレグであるダブラプライを積層してプリプレグ積層体を形成し、前記プリプレグ積層体を成形型によりプレス成形する構成である。
前記構成によれば、基板部の補強構造となるリブを備える複合材料製パネル構造体をプレス成形により製造する際に、リブ基底部に基準積層数を超える枚数のプリプレグを層積層する。これにより、プレス成形されて得られるパネル構造体においては、基板部およびリブの厚さおよび高さに制限されることなく、補強構造であるリブの先端部まで強化繊維を配置できる。また、補強構造であるリブは、その先端部まで強化繊維が配置されているので、基板部の強度および剛性を良好にできる。その結果、良好な強度および剛性を有するパネル構造体を低コストで製造できる。
前記構成の複合材料製パネル構造体の製造方法においては、前記基本プライと前記ダブラプライとの合計積層数は、前記成形型のキャビティ体積以上から前記キャビティ体積の１．２５倍以下までの範囲内となる積層数である構成であってもよい。
また、前記構成の複合材料製パネル構造体の製造方法においては、前記パネル構造体において、前記リブおよび前記リブと湾曲してつながり前記基板部の一部を構成する複合材料層を第一面側積層体とし、前記リブと反対側の前記第一面側積層体表面に配置され、前記基板部を構成する複合材料層を第二面側積層体とし、前記第一面側積層体と前記第二面側積層体との間に生じる、前記リブに沿って延伸する三角形状の断面を有する領域をフィラー領域としたときに、前記フィラー領域のみにプリプレグであるフィラープライを積層する構成であってもよい。
また、前記構成の複合材料製パネル構造体の製造方法においては、前記フィラー領域の設計上の体積をフィラー基準体積としたときに、前記フィラープライの積層数は、前記フィラー基準体積以上から前記フィラー基準体積の３．０倍以下までの範囲内となる積層数である構成であってもよい。
本開示に係るパネル構造体１０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。
１０：パネル構造体
１１：ウェブ部（基板部）
１１ａ：第一面
１１ｂ：第二面
１２：リブ
１３ａ，１３ｂ：フランジ部
１４：リブ基底部
１５：フィラー領域
１６ａ：第一面側積層体
１６ｂ：第二面側積層体
１７：リブ基底領域
２０：マトリクス樹脂
２１：基本層（複合材料層、強化繊維）
２２：ダブラ層（複合材料層、強化繊維）
２３：フィラー層（複合材料層、強化繊維）
３０Ａ，３０Ｂ：プリプレグ積層体
３１：基本プライ（プリプレグ）
３２：ダブラプライ（プリプレグ）
３３：フィラープライ（プリプレグ）
４０：成形型
４１：上型
４２：下型
４３：上側熱盤
４４：下側熱盤
４５：キャビティ
４６：締結部材

Claims (11)

  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するリブと、を備え、
    前記基板部には、前記基板部および前記リブの体積から算出される前記基板部の必要板厚に基づいて積層数が決定された複合材料層である基本層が積層され、
    前記基板部のうち、少なくとも前記リブが立設するリブ基底部には、前記基本層に加えて連続繊維を含むシート状の複合材料層であるダブラ層が積層され、
    前記リブの先端部まで前記強化繊維が配置している、
    複合材料製パネル構造体。
  2. 前記パネル構造体の設計上の体積を成形基準体積としたとき、
    前記基本層と前記ダブラ層との合計積層数は、前記成形基準体積以上から前記成形基準体積の１．２５倍以下までの範囲内となる積層数である、
    請求項１に記載の複合材料製パネル構造体。
  3. 前記リブおよび前記リブと湾曲してつながり前記基板部の一部を構成する複合材料層を第一面側積層体とし、
    前記リブと反対側の前記第一面側積層体表面に配置され、前記基板部を構成する複合材料層を第二面側積層体とし、
    前記第一面側積層体と前記第二面側積層体との間に生じる、前記リブに沿って延伸する三角形状の断面を有する領域をフィラー領域としたときに、
    前記フィラー領域のみに複合材料フィラー層が配置されている、
    請求項１または２に記載の複合材料製パネル構造体。
  4. 前記フィラー領域の設計上の体積をフィラー基準体積としたときに、
    前記複合材料フィラー層の積層数は、前記フィラー基準体積以上から前記フィラー基準体積の３．０倍以下までの範囲内となる積層数である、
    請求項３に記載の複合材料製パネル構造体。
  5. 前記強化繊維は、連続繊維および切込み入り連続繊維の少なくとも一方である、
    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、宇宙機用または自動車用である、
    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、
    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するリブとを含み、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を製造する複合材料製パネル構造体の製造方法であって、
    前記基板部が必要板厚となる数のプリプレグである基本プライ、および前記基板部のうち前記リブが立設するリブ基底部に連続繊維からなるシート状のプリプレグであるダブラプライを積層してプリプレグ積層体を形成し、
    前記プリプレグ積層体を成形型によりプレス成形する、
    複合材料製パネル構造体の製造方法。
  9. 前記基本プライと前記ダブラプライとの合計積層数は、前記成形型のキャビティ体積以上から前記キャビティ体積の１．２５倍以下までの範囲内となる積層数である、
    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. 前記パネル構造体において、
    前記リブおよび前記リブと湾曲してつながり前記基板部の一部を構成する複合材料層を第一面側積層体とし、
    前記リブと反対側の前記第一面側積層体表面に配置され、前記基板部を構成する複合材料層を第二面側積層体とし、
    前記第一面側積層体と前記第二面側積層体との間に生じる、前記リブに沿って延伸する三角形状の断面を有する領域をフィラー領域としたときに、
    前記フィラー領域のみにプリプレグであるフィラープライを積層する、
    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. 前記フィラー領域の設計上の体積をフィラー基準体積としたときに、
    前記フィラープライの積層数は、前記フィラー基準体積以上から前記フィラー基準体積の３．０倍以下までの範囲内となる積層数である、
    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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