JPH091681A - 繊維強化複合材の構造体及びその製造方法 - Google Patents

繊維強化複合材の構造体及びその製造方法

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JPH091681A
JPH091681A JP7154756A JP15475695A JPH091681A JP H091681 A JPH091681 A JP H091681A JP 7154756 A JP7154756 A JP 7154756A JP 15475695 A JP15475695 A JP 15475695A JP H091681 A JPH091681 A JP H091681A
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 板厚制御が容易で、低コストで安定した品質
となる。 【構成】 強化繊維素材６ａを単純な箱型形状に積層し
て形成した箱型繊維部材をそのまま、または必要形状に
切断した補助部材１を主構造体を形成する主強化繊維に
組み合わせて一体化した繊維プリフォームをＲＴＭ成形
法により所定の製品形状に成形する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、航空機の機体構造等に
適用される繊維強化複合材の構造体およびその製造方法
に関する。
【０００２】
【従来の技術】航空機の機体構造等に用いられる繊維強
化複合材の構造体は、主に、炭素繊維、ガラス繊維等の
強化繊維に樹脂を含浸させたプリプレグをレイアップ治
具に積層し、オートクレーブにより加圧・硬化して成形
したり、このように成形された成形品に２次接着等を施
して複合材サブ組立品とし、この複合材サブ組立品をフ
ァスナ手段を用いて組み立てることで作られている。
【０００３】図１９に従来のスティフナ補強ビーム構造
の一例を示す。このスティフナ補強ビーム構造１００
は、予めＣ型に成形されたビーム材１０１のウエブ部１
０１ａに予めＬ型等に成形されたスティフナ１０２を接
着またはファスナ結合することで作られている。このス
ティフナ補強ビーム構造１００では、ウエブ部１０１ａ
の剛性を向上するために、図２０に示すように、フラン
ジ部１０１ｂとウエブ部１０１ａのコーナーＲ部をパッ
ドアップする手段が用いられている。
【０００４】繊維強化複合材の補強パネルとして、プリ
プレグに折り曲げ部を設けて形成した開口部を有するフ
レームと、このフレームの開口部に挿入され折り曲げ部
をその面に接合したストリンガと、フレームとストリン
ガに接合されたスキンを備えたものは、たとえば、特開
平４−３３４６９６号公報に記載されている。
【０００５】また、繊維強化複合材の継手として、繊維
強化複合材よりなる部材を積層して作られる継手の境界
部に繊維強化複合材の充填材を配し、充填材の周囲また
は内部に炭化珪素等のウイスカを散布した格子状の基材
を持つ樹脂を含浸させた繊維強化複合材を挿入し、これ
らを成形硬化処理して作るものは、たとえば、実開昭６
３−１２４１１９号公報に記載されている。
【０００６】また、航空機の構造に多い３つの面が１点
に交わる箱型形状等の構造を形成するためには、朱子織
等の賦形性の高い織物を用いたプリプレグ材を用いて成
形するか、金具を製作しファスナ結合するなどの方法が
用いられている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】航空機の構造には、３
つの面が１点に交わる、いわゆる箱型形状を有する構造
要素が多く含まれているが、このような部材の製作に
は、金属構造ではブロックからの削りだしや板金加工に
より行ない、複合材では上記した方法によって行なうの
が通常である。
【０００８】従来の方法により複合材部品を製造する場
合、人手または機械（レイアップマシン）を用いて成形
治具上にプリプレグをレイアップして行く方法が主流で
あるが、複雑な形状を有する複合材構造を製造する場
合、その複合材部品の成形は、人手によるレイアップに
より、また、複合材部品を２次接着によりサブ組立する
場合、専用の接着治具を必要とし、しかも、設計要求
上、加熱硬化型の接着剤を用いることが多いため、部品
成形のためだけでなく接着剤硬化のために複数回のオー
トクレーブによる加圧硬化を必要とし、製品の加工コス
トが非常に高くなってしまう。
【０００９】これらの要因による複合材構造の高コスト
は、比強度、比剛性、耐食性にすぐれた特性を持ってい
るにもかかわらず、複合材構造品の適用が進まない要因
の一つになっている。また、一体成形により箱形等の複
雑な形状を有する複合材部品を成形する際には、朱子織
等の賦形性の高い織物を使用することとなるが、賦形性
の高い織物を使用したプリプレグを成形治具上にレイア
ップする際に、作業者の高い技能を要し、かつ、複合材
部品の板厚制御が難しく品質が安定しにくいという問題
がある。
【００１０】本発明は上記した点を考慮してなされたも
ので、箱形プリフォームを一方向強化材、織物材等に組
み合わせた複雑構造プリフォームをＲＴＭ成形により一
体成形することで成形される繊維強化複合材の構造体及
びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項１に係る
繊維強化複合材の構造体は、強化繊維素材を単純な箱型
形状に積層して形成した箱型繊維部材をそのまま、また
は必要形状に切断して形成される補助部材を主構造体を
形成する主強化繊維に組み合わせた繊維プリフォームを
ＲＴＭ成形法により所定の製品形状に成形したことを特
徴とする。
【００１２】本発明の請求項２に係る発明は、請求項１
の繊維強化複合材の構造体において、箱型繊維部材を繊
維の織物としたことを特徴とする。
【００１３】本発明の請求項３に係る繊維強化複合材の
構造体は、請求項１の繊維強化複合材の構造体におい
て、補助部材を一面を開口した矩形状の箱型としたこと
を特徴とする。
【００１４】本発明の請求項４に係る繊維強化複合材の
構造体の製造方法は、強化繊維素材を単純な箱型形状に
積層して箱型繊維部材を形成し、この箱型繊維部材をそ
のまま、または必要形状に切断して補助部材とし、この
補助部材を主構造体を形成する主強化繊維部材に組み合
わせて一体化した繊維プリフォームを形成し、この繊維
プリフォームを成形型に配置し、成形型内に樹脂を注入
し、樹脂を含浸した繊維プリフォームを硬化処理して所
定の製品形状とすることを特徴とする。
【００１５】
【作用】本発明の繊維強化複合材の構造体は、炭素繊維
またはガラス繊維等の強化繊維により箱形に製織したド
ライプリフォームを基本要素として１体または複数の箱
形または、箱形を切断したプリフォームに、炭素繊維ま
たはガラス繊維等の強化繊維を用いた一方向強化材また
は織物材を必要数組み合せた一体形状プリフォームをＲ
ＴＭ成型法により一体成形硬化したことで、板厚制御が
容易で安定した品質となる。
【００１６】本発明の繊維強化複合材の構造体の製造方
法は、２次接着によるサブ組立、人手によるレイアップ
が必要なくなるため、加工コストが著しく低下し、ま
た、強化繊維を立体形状に製織した素材をＲＴＭ成形す
るため、板厚制御が容易となり、作られた繊維強化複合
材の構造体の品質も安定する。
【００１７】
【実施例】以下本発明の実施例を図面につき説明する。
図１は、本発明による繊維強化複合材の構造体に用いる
箱型形状ドライプリフォーム１の斜視図を示す。この箱
型形状ドライプリフォーム１は、図２に示すように、Ｘ
方向炭素繊維糸２とＹ方向炭素繊維糸３とＺ方向炭素繊
維糸４とＲ方向炭素繊維糸５とから構成される炭素繊維
織物材６を複数枚積層することで形成される。
【００１８】上記炭素繊維織物材６は、図２に示すよう
に、箱型治具７上に配置された炭素繊維織物素材６ａの
箱型治具７より外方に延びるＸ方向炭素繊維糸２とＹ方
向炭素繊維糸３を箱型治具７の側面７ａに沿ってＺ方向
へ賦形して、箱型治具７の側面７ａに沿ったＺ方向炭素
繊維糸４とし、このＺ方向炭素繊維糸４と周方向に延び
るＲ方向炭素繊維糸５とを手作業または機械的作業によ
り織物状に製織することで形成される。
【００１９】上記箱型形状ドライプリフォーム１は、炭
素繊維織物材６を複数枚積層することで形成されるが、
箱型形状ドライプリフォーム１を構成する炭素繊維織物
材６の積層枚数は、強度／設計上で要求される必要な板
厚により決められる。箱型形状ドライプリフォーム１と
して積層される炭素繊維織物材は、炭素繊維糸を用いて
板厚方向にステッチング処理することで互いにずれない
ように結合される。
【００２０】上記箱型形状ドライプリフォーム１は、図
３に示すように、炭素繊維織物片を炭素繊維糸８と炭素
繊維糸９が斜め方向に延びるように箱型治具７上に配置
し、箱型治具７から外方に斜め方向に延びる炭素繊維糸
８と炭素繊維糸９を箱型治具７の側面７ａに沿って交互
に組み上げることにより形成される炭素繊維織物材１０
を複数枚積層することで形成することもできる。
【００２１】このように形成された箱型形状ドライプリ
フォーム１は、図４に示すように、平面部１ａとこの平
面部１ａから立ち上がる側壁部１ｂとを有する一面開口
の箱形をなしている。
【００２２】図５は、上記箱型形状ドライプリフォーム
１を補強材としたビーム構造体２０を示す。このビーム
構造体２０は、ウエブ部２１ａとフランジ部２１ｂを有
する断面Ｉ形のビーム形主構造体２１とこのビーム形主
構造体２１のウエブ部２１ａに結合される箱型補助部材
２２とから構成される。
【００２３】上記ビーム構造体２０は、箱形ドライプリ
フォーム１を図示しない含浸／硬化治具上にセットし、
ビーム形ドライプリフォームのウエブおよびフランジと
なる炭素繊維織物材または一方向材を含浸／硬化治具に
積層し、ビーム形ドライプリフォームのフィレット部に
炭素繊維を充填し、これらの積層の後、含浸／硬化治具
の組み立てを行ない、含浸／硬化治具内を真空引きした
後、樹脂の含浸を行ない、治具内が樹脂で満たされた
後、加熱硬化処理を行なうことで成形される。このよう
に、箱形ドライプリフォームを並べ、炭素繊維織物材ま
たは一方向材と組み合わせてビーム形ドライプリフォー
ムを形成し、ＲＴＭ成形法（樹脂未含浸状態の繊維によ
り形成されるプリフォームを密閉治具中にセットし樹脂
を注入して複合材を製造する方法）により成形されたビ
ーム構造体２０は、従来法によるビーム部とスティフナ
を別々に成形硬化し、２次接着により製造するビーム構
造体に比べて低コストとなる。
【００２４】図６は図５で示すビーム構造体２０の変形
例を示す。図６で示すビーム構造体３０は、断面コ字形
のビーム形主構造体３１とこのビーム形主構造体３１の
ウエブ部３１ａおよびフランジ部３１ｂに接合される補
助部材３２とから構成される。上記補助部材３２は、図
７に示すように、箱型形状ドライプリフォーム１を中央
部で切断して形成される分割ドライプリフォーム３２
ａ，３２ａを、図８に示すように、背中合わせに接合す
ることで形成される。補助部材３２は、ビーム形ドライ
プリフォームのウエブ面およびフランジ面への接合面を
持つスティフナ要素となる。背向するドライプリフォー
ム３２ａと３２ａを、炭素繊維等によりステッチングし
て互いに結合することもできる。
【００２５】上記ビーム構造体３０の成形は、図９に示
すように、補助部材３２（スティフナ要素）を、含浸／
硬化治具４０上にセットし、その後、補助部材３２のフ
ィレット部３３に炭素繊維を充填し、ビーム形主構造体
３１のウエブ部とフランジ部となる炭素繊維織物材又は
一方向材３４を積層し、積層後、含浸／硬化治具（４
１，４２，４３，４４，４５）の組立を行い、治具内を
真空引きし、治具内を樹脂で満たした後、加熱硬化処理
することで行なわれる。これにより、補助部材３２がビ
ーム形主構造体３１のウエブ面およびフランジ面に一体
的に接合された補強ビーム構造となる。こうして得られ
るビーム構造３０は、図１０に示すように、フランジ部
３１ａの接合部断面が一定の厚さとなり、従来のスティ
フナ強化ビーム構造と比較して、ウエブの座屈後に補助
部材３２がビーム形主構造体３１のフランジ部を直接支
持し安定化が図られるため、板厚増加の必要がなく、図
１９で示すビーム構造体１００と比較し効率的にウエブ
部板厚を決定することができ、重量軽減できるだけでな
く、部品点数減少やＲＴＭ成形による一体成形と相まっ
て、２０％程度の加工コストの削減が可能となる。
【００２６】図１１は、本発明による繊維強化複合材の
構造体を航空機の複合材ドア構造５０に適用した例を示
す。この航空機の複合材ドア構造５０は、図２に示す箱
型治具７の形状及び寸度を変化させて、複数種類の箱形
プリフォーム（５１〜５５）を製作し、図９に示す治具
コンセプトに準じた治具にプリフォーム（５１〜５５）
および炭素繊維一方向材および織物材５６（図１２）を
セットし、ＲＴＭ成形法を用いて製作される。外枠とな
る箱形プリフォーム５３は、図２と同様な方法で織られ
た箱形プリフォームをプリフォームの角を切除して複数
枚積層し、上下左右の四角の枠体と背面のシート材と分
割して積層することで製作される。この場合、箱形プリ
フォーム５１〜５５には若干のコンターがあるので、対
応する治具にコンターを付けて置く。コンターがゆるや
かなものでは、平面のまま図２と同様な方法で箱形のプ
リフォームを織ることで製作し、樹脂を含浸硬化処理す
る段階で変形させる。
【００２７】上記航空機用複合材ドア構造２８は、従来
の金属構造のものに比べ２０％の軽量化、従来の複合材
構造のものに比べ２０％の低コスト化が可能となる。
【００２８】図１３は、本発明による繊維強化複合材の
構造体を航空機の複合材一体成形アクセスパネル６０に
適用した例を示す。この複合材一体成形アクセスパネル
６０は、図２に示す箱型治具７の形状及び寸度を変化さ
せて、複数種類の箱形プリフォーム（６１、６２、６
３）を製作し、図９に示す治具コンセプトに準じた治具
にプリフォーム６１、６２、６３をセットし、上記実施
例に準じた手順でＲＴＭ成形することで製作される。こ
の場合、外枠となる箱形プリフォーム６３は、シート材
をプレスして製作するか、またはある部分まで汎用の機
械で平面状に織り、その後治具に合わせて手織りまたは
機械織りをし、この一連の作業を繰り返して積層し、ス
テッチングして製作される。スティフナーとなるプリフ
ォーム６２は、外枠となる箱形プリフォーム６３の半円
部と同じく、ある部分まで汎用の機械で平面状に織り、
その後治具に合わせて手織りまたは機械織りをし、ある
いは最初から治具にセットして織る。
【００２９】このようにして成形されたアクセスパネル
は、従来の金属構造に比べ２０％の軽量化、従来の複合
材構造に比べ２０％の低コスト化が可能となる。
【００３０】図１５は、本発明による繊維強化複合材の
構造体を航空機の圧力隔壁７０に適用した例を示す。こ
の航空機の圧力隔壁７０は、図１６に示すようなクラウ
ンプリフォーム７１と複数のゴアプリフォーム７２と炭
素繊維織物材又は一方向材７３から構成されている。
【００３１】クラウンプリフォーム７１は、ある部分ま
で汎用の機械で平面状に織り、その後治具に合わせて手
織りまたは機械織りをし、あるいは最初から治具にセッ
トして織ることで製作される。ゴアプリフォーム７２
は、複数の小ゴアプリフォーム７２ａ，７２ｂ，７２
ｃ，７２ｄを結合して構成される。各小ゴアプリフォー
ムは、クラウンプリフォーム７１と同様に、ある部分ま
で汎用の機械で平面状に織り、その後治具に合わせて手
織りまたは機械織りし、Ｒ方向にも糸を通して織り、こ
れを繰り返して積層してステッチングして製作される。
ゴアプリフォーム７２は、複数の小ゴアプリフォーム７
２ａ，７２ｂ，７２ｃ，７２ｄの背面に炭素繊維織物材
又は一方向材７３を配置し、小ゴアプリフォーム同士、
または小ゴアプリフォームと炭素繊維織物材又は一方向
材をステッチングして製作される。
【００３２】航空機用複合材圧力隔壁７０は、必要数の
プリフォーム７１，７２と炭素繊維一方向材または織物
材７３と、炭素繊維一方向材または織物材をＺ型に賦形
した補強材７４とを図９に示すコンセプトに準じた治具
にセットし一体でＲＴＭ成形することによりつくられる
か、または、必要数のプリフォーム７１，７２と炭素繊
維一方向材または織物材７３とを図９に示すコンセプト
に準じた治具にセットし一体でＲＴＭ成形した後、別途
成形した補強材７４を２次接着またはファスナ組立によ
り取付けてもよい。
【００３３】成形された航空機用複合材圧力隔壁７０
は、従来の金属構造に比べ２０％の軽量化、従来の複合
材構造に比べ２０％の低コスト化を可能とする。
【００３４】図１７は、本発明による繊維強化複合材の
構造体を航空機の複合材胴体構造８０に適用した例を示
す。この航空機の複合材胴体構造８０は、箱形プリフォ
ーム８１とスティフナープリフォーム８２と炭素繊維織
物材又は一方向材８３から構成されている。箱形プリフ
ォーム８１は、コンターと角度を持った割型治具上で織
成された後、治具を分解し治具から分離される。この箱
形プリフォーム８１にスティフナープリフォーム８２を
適切な間隔で配置して作成される。スティフナープリフ
ォーム８２は図６のプリフォーム３２と同様に製作され
る。
【００３５】航空機用複合材胴体構造８０は、箱形プリ
フォーム８１とスティフナプリフォーム８２を製作し、
必要数のプリフォーム８１、８２と炭素繊維一方向材及
び織物材８３をＲＴＭ成形して作られる。
【００３６】航空機用複合材胴体構造８０は、従来の金
属構造に比べ２０％の軽量化、従来の複合材構造に比べ
２０％の低コスト化が可能となる。
【００３７】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、請求
項１の繊維強化複合材の構造体は、板厚制御が容易で、
低コストで安定した品質となる。
【００３８】また、請求項４の繊維強化複合材の構造体
の製造方法は、２次接着によるサブ組立、人手によるレ
イアップの必要がなく、加工コストが著しく低下し、強
化繊維を立体形状に製織した素材をＲＴＭ成形するの
で、板厚制御も容易で安定した複合材一体成形構造のも
のを作ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の繊維強化複合材の構造体に用いられる
箱型形状ドライプリフォームの斜視図。
【図２】図１の箱型形状ドライプリフォームの炭素繊維
織物材の成形方法を示す図。
【図３】図２の炭素繊維織物材の成形方法の変形例を示
す図。
【図４】本発明の繊維強化複合材の構造体の箱形補助部
材を示す図。
【図５】本発明の繊維強化複合材の構造体をビーム構造
体に適用した例を示す図。
【図６】図５のビーム構造体の変形例を示す図。
【図７】図４の箱形補助部材を切断する状態を示す図。
【図８】本発明の繊維強化複合材の構造体の補助部材を
示す図。
【図９】図６のビーム構造体に使用される成形治具を示
す図。
【図１０】図６のビーム構造体の側面図。
【図１１】本発明による繊維強化複合材の構造体を航空
機の複合材ドア構造に適用した例を示す図。
【図１２】図１１の複合材ドア構造の断面図。
【図１３】本発明による繊維強化複合材の構造体を航空
機の複合材一体成形アクセスパネルに適用した例を示す
図。
【図１４】図１３のＡーＡ線に沿った断面図。
【図１５】本発明による繊維強化複合材の構造体を航空
機の圧力隔壁に適用した例を示す図。
【図１６】図１５の圧力隔壁の一部を示す図。
【図１７】本発明による繊維強化複合材の構造体を航空
機の複合材胴体構造に適用した例を示す図。
【図１８】図１７の一部を展開して示す図。
【図１９】従来のビーム構造体を示す図。
【図２０】従来のビーム構造体の側面図。
【符号の説明】
１ 箱型形状ドライプリフォーム ２ Ｘ方向炭素繊維糸 ３ Ｙ方向炭素繊維糸 ４ Ｚ方向炭素繊維糸 ５ Ｒ方向炭素繊維糸 ６ 炭素繊維織物材 ７ 箱型治具 ２０ ビーム構造体 ２１ ビーム形主構造体 ２２ 補助部材
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｂ２９Ｌ 22:00 Ｃ０８Ｌ 101:00 (72)発明者 西 本 光 男 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 (72)発明者 真 杉 京 一 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内 (72)発明者 天 岡 和 昭 東京都新宿区西新宿一丁目７番２号 富士 重工業株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】強化繊維素材を単純な箱型形状に積層して
    形成した箱型繊維部材をそのまま、または必要形状に切
    断した補助部材を主構造体を形成する主強化繊維に組み
    合わせて一体化した繊維プリフォームをＲＴＭ成形法に
    より所定の製品形状に成形したことを特徴とした繊維強
    化複合材の構造体。
  2. 【請求項２】箱型繊維部材が繊維の織物であることを特
    徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材の構造体。
  3. 【請求項３】補助部材が一面を開口した矩形状の箱型で
    あることを特徴とする請求項１に記載の繊維強化複合材
    の構造体。
  4. 【請求項４】強化繊維素材を単純な箱型形状に積層して
    箱型繊維部材を形成し、この箱型繊維部材をそのまま、
    または必要形状に切断して補助部材とし、この補助部材
    を主構造体を形成する主強化繊維部材に組み合わせて一
    体化した繊維プリフォームを形成し、この繊維プリフォ
    ームを成形型に配置し、成形型内に樹脂を注入し、樹脂
    を含浸した繊維プリフォームを硬化処理して所定の製品
    形状とすることを特徴とする繊維強化複合材の構造体の
    製造方法。
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