JPWO2018016050A1 - Ｃｆｒｐ部材及びラティス構造体 - Google Patents

Abstract

ＣＦＲＰ構造としての高い剛性を確保しつつ、任意の曲線あるいは曲面で構成される３次元構造を形成可能としたＣＦＲＰ部材及びその製造方法を提供する。所定の延在方向に延在する複数の炭素繊維束を積層した炭素繊維体を樹脂材料に含浸したＣＦＲＰ部材であって、前記炭素繊維体の最下層に位置する炭素繊維束の長さと最上層に位置する炭素繊維束の長さとが異なる。

Description

本発明は、炭素繊維を樹脂に含浸したＣＦＲＰ部材に関し、特に、任意の曲線あるいは曲面形状を形成できるＣＦＲＰ部材に関する。

航空機やロケット等の航空宇宙用のボディ外板等に適用される構造物は、軽量であることに加えて、例えば座屈等を生じない高い剛性が必要となる。
このような構造物として、炭素繊維を巻回した状態で樹脂に含浸させた管を長手方向に切断して複数の環状体に分割し、これら複数の環状体を外板に接合して形成したグリッドパネル構造体が知られている（例えば特許文献１参照）。

特願２０１５−１２７１２１号公報

特許文献１で開示されたグリッドパネル構造体は、１つの管から切断された複数の環状体を接合した構造のため、複数の環状体はそれぞれ同一の形状で構成される。
したがって、特許文献１に記載されたグリッドパネル構造体は、高さ方向の変動が小さい、すなわち２次元の平面構造を製造するのに適したものであり、３次元の曲面で構成される構造体を形成することは、高い剛性を備えるという元々の課題を考慮しても困難である。

そこで、本発明の目的は、ＣＦＲＰ構造としての高い剛性を確保しつつ、任意の曲線あるいは曲面で構成される３次元構造を形成可能としたＣＦＲＰ部材及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するために、本発明によるＣＦＲＰ部材は、所定の延在方向に延在する複数の炭素繊維束を積層した炭素繊維体が樹脂材料に内包されたものであって、前記炭素繊維体の最下層に位置する炭素繊維束の長さと最上層に位置する炭素繊維束の長さとが異なることを特徴とする。
このとき、前記複数の炭素繊維束は、それぞれ環状に形成されてもよい。

また、本発明によるＣＦＲＰ部材は、複数個のＣＦＲＰ部材における側面部の少なくとも一部を互いに接合することにより、ラティス構造体を構成することができる。

本発明によれば、ＣＦＲＰ構造としての高い剛性を確保しつつ、任意の曲線あるいは曲面で構成される３次元構造を形成可能としたＣＦＲＰ部材及びその製造方法を提供できる。

本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の構成を示す概要図であって、ＣＦＲＰ部材に内包される炭素繊維体の配置を示す斜視図である。 本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の構成を示す概要図であって、図１Ａの矢印Ａ方向からみたＣＦＲＰ部材の部分透過側面図である。 本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図である。 本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。 本発明の実施例２によるＣＦＲＰ部材の概略を示す斜視図である。 本発明の実施例２によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図である。 本発明の実施例２によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。 本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の構成を示す斜視図である。 本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の構成を示す概要図であって、ＣＦＲＰ部材に内包される炭素繊維体の配置を示す斜視図である。 本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の構成を示す概要図であって、図５Ａの矢印Ｂ方向からみたＣＦＲＰ部材の部分透過側面図である。 本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図である。 本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。 本発明の実施例４によるＣＦＲＰ部材の概略を示す斜視図である。 本発明の実施例４によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図である。 本発明の実施例４によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。

＜実施例１＞
図１は、本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の構成を示す概要図であって、図１Ａは、その斜視図であり、図１Ｂは、ＣＦＲＰ部材に内包される炭素繊維体の配置を示す斜視図であり、図１Ｃは、図１Ａの矢印Ａ方向からみたＣＦＲＰ部材の部分透過側面図である。
図１Ａに示すように、本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材１０は、同一の延在方向に延在する複数の炭素繊維束１３、１４、１５を積層した炭素繊維体１２が樹脂材料１１の内部に包み込まれた（埋め込まれた）構造を有している。 また、実施例１によるＣＦＲＰ部材１０は、２つの側面部１０ａとこれらを屈曲しつつ接続する接続部１０ｂとを含む形状をなしている。

ここで、本明細書における「炭素繊維束」とは、上記延在方向に連続的に炭素繊維を含む束状（帯状）の部材を意味するものであり、例えば、単一の炭素繊維、複数の炭素繊維を束状としたもの、あるいは短尺の炭素繊維を延在方向に連続的に並べて配置したもの等を含む。
また、複数の炭素繊維を束状にする、あるいは短尺の炭素繊維を延在方向に連続的に並べて配置するにあたり、樹脂材料等のバインダを介して帯状となるように形成してもよい。

図１Ｂに示すように、炭素繊維体１２は、最下層に位置する第１の炭素繊維束１３と、中間層に位置する第２の炭素繊維束１４と、最上層に位置する第３の炭素繊維束１５と、により構成されている。
炭素繊維束１３、１４、１５は、１本あるいは複数本の炭素繊維を上記所定の延在方向に沿って配置したものであり、ＣＦＲＰ部材の側面部１０ａ及び接続部１０ｂの位置と対応して、側面部１３ａ、１４ａ、１５ａと、接続部１３ｂ、１４ｂ、１５ｂと、をそれぞれ含む形状をなしている。

炭素繊維束１３、１４、１５は、図１Ｃに示すように、炭素繊維束１３の延在方向の全長Ｌ１３よりも炭素繊維束１５の延在方向の全長Ｌ１５が長くなるように設定されている。このとき、中間層に位置する炭素繊維束１４の全長は両者の中間となることが好ましい。
このように、最下層に位置する炭素繊維束１３と最上層に位置する炭素繊維束１５との延在方向の全長を異なる長さとすることにより、ＣＦＲＰ部材１０の上面１０ｃと下面１０ｄとの長さ（図１Ｃにおける幅）も異なるものとなり、ＣＦＲＰ部材１０は、上下面に任意の曲線あるいは曲面を形成する。

樹脂材料１１は、内部に炭素繊維体１２を内包した状態でその外面を被覆するように構成されており、例えば金型内での射出成形等の手法により形成することができる。
ここで、樹脂材料１１としては、例えば一般的な熱可塑性樹脂等を例示することができ、熱間で射出成形することにより、金型内で所定の最終形状のＣＦＲＰ部材１０を製造することができる。

図２は、本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、図２Ａは、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図であり、図２Ｂは、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。
図２Ａに示すように、図１で例示した実施例１によるＣＦＲＰ部材１０を複数個組み合わせてラティス構造（格子構造）を形成する。このとき、１つのＣＦＲＰ部材１０の側面部１０ａに他のＣＦＲＰ部材１０の側面部１０ａを接合し、さらに上記１つのＣＦＲＰ部材１０の接続部１０ｂに上記他のＣＦＲＰ部材１０とは別のＣＦＲＰ部材１０の接続部１０ｂを接合する。

このような接合部分を複数設けることにより、図２Ｂに示すように、複数のＣＦＲＰ部材１０に囲繞された複数の開口部１００ａを含み、任意の曲面形状を有するラティス構造１００が形成される。
このとき、ラティス構造１００の交差点（交差部分）Ｃ１は、２つのＣＦＲＰ部材１０の接続部１０ｂが接合された構造となるため、当該交差点Ｃ１では２つの炭素繊維体が互いに平行に存在することとなり、単体のＣＦＲＰ部材１０に比べてより高い剛性を得ることができる。

上記のような構成を備えることにより、本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材は、任意の曲線あるいは曲面を構成した状態で積層した炭素繊維体を内包するため、高い剛性を確保しつつ、任意の３次元形状を備えた部材とすることが可能となる。
また、本発明の実施例１によるＣＦＲＰ部材を複数接合してラティス構造とすることにより、交差部で炭素繊維体が交差することがなく、単体のＣＦＲＰ部材に比べてより高い剛性を得ることが可能となる。

＜実施例２＞
図３は、本発明の実施例２によるＣＦＲＰ部材の概略を示す斜視図である。
図３に示すように、本発明の実施例２によるＣＦＲＰ部材は、図１に示した２つの側面部１０ａを鈍角の配置で接続部１０ｂで接続した第１のＣＦＲＰ部材１０に加えて、２つの側面部２０ａを鋭角の配置で接続部２０ｂで接続した第２のＣＦＲＰ部材２０を用いる。
なお、第２のＣＦＲＰ部材２０は、実施例１の場合に対して角度配置の点以外は共通するため、再度の説明は省略する。

図４は、本発明の実施例２によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、図４Ａは、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図であり、図４Ｂは、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。
図４Ａに示すように、図３で例示したＣＦＲＰ部材１０とＣＦＲＰ部材２０とを複数個組み合わせてラティス構造（格子構造）を形成する。このとき、ＣＦＲＰ部材１０の側面部１０ａの一方の面にＣＦＲＰ部材２０の側面部２０ａを接合し、他方の面には別のＣＦＲＰ部材１０の接続部１０ｂを接合する。

このような接合部分を複数設けることにより、図４Ｂに示すように、複数のＣＦＲＰ部材１０及び複数のＣＦＲＰ部材２０に囲繞された複数の開口部２００ａを含み、任意の曲面形状を有するラティス構造２００が形成される。
このとき、ラティス構造２００の交差点（交差部分）Ｃ２は、一対のＣＦＲＰ部材１０の接続部１０ｂと一対のＣＦＲＰ部材２０の接続部２０ｂとが互いに対向する配置となり、単体のＣＦＲＰ部材に比べてより高い剛性が得られるとともに、互いが接合されていないため、変形に対する裕度を確保できる。

＜実施例３＞
図５は、本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の構成を示す概要図であって、図５Ａは、その斜視図であり、図５Ｂは、ＣＦＲＰ部材に内包される炭素繊維体の配置を示す斜視図であり、図５Ｃは、図５Ａの矢印Ｂ方向からみたＣＦＲＰ部材の部分透過側面図である。
図５Ａに示すように、本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材３０は、略ひし形の環状に形成された炭素繊維体３２（図５Ｂ参照）を樹脂材料３１の内部に含浸した構造を有している。

実施例３によるＣＦＲＰ部材３０は、対向する２組の側面部３０ａとこれらを屈曲しつつ接続する２組の接続部３０ｂ及び３０ｃとを含む形状をなしている。
接続部３０ｂは、隣り合う２つの側面部３０ａを鈍角で接続するように形成され、接続部３０ｂは、隣り合う２つの側面部３０ａを鋭角で接続するように形成される。

図５Ｂに示すように、炭素繊維体３２は、最下層に位置する第１の環状炭素繊維束３３と、中間層に位置する第２の環状炭素繊維束３４と、最上層に位置する第３の環状炭素繊維束３５と、により構成されている。
環状炭素繊維束３３、３４、３５は、１本あるいは複数本の炭素繊維を略ひし形の環状部材として形成したものであり、ＣＦＲＰ部材の側面部３０ａ並びに接続部３０ｂ及び３０ｃの位置と対応して、側面部３３ａ、３４ａ、３５ａと、接続部３３ｂ、３３ｃ、３４ｂ、３４ｃ、３５ｂ、３５ｃと、をそれぞれ含む形状をなしている。

環状炭素繊維束３３、３４、３５は、図５Ｃに示すように、例えば環状炭素繊維束３３の長軸方向の幅Ｄ３３よりも環状炭素繊維束３５の長軸方向の幅Ｄ３５が長くなるように設定されている。このとき、中間層に位置する環状炭素繊維束３４の長軸方向の幅は両者の中間となることが好ましい。
このように、最下層に位置する環状炭素繊維束３３と最上層に位置する環状炭素繊維束３５との長軸方向の全長を異なる長さとすることにより、ＣＦＲＰ部材３０の上面３０ｄにおける周長と下面３０ｅにおける周長とが異なるものとなり、ＣＦＲＰ部材３０は、上下面に任意の曲線あるいは曲面を形成する。

樹脂材料３１は、実施例１の場合と同様に、内部に炭素繊維体３２を内包した状態でその外面を被覆するように構成されており、例えば金型内での射出成形等の手法により形成することができる。
ここで、樹脂材料３１としては、例えば一般的な熱可塑性樹脂等を例示することができ、熱間で射出成形することにより、金型内で所定の最終形状のＣＦＲＰ部材３０を製造することができる。

図６は、本発明の実施例３によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、図６Ａは、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図であり、図６Ｂは、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。
図６Ａに示すように、図５で例示した実施例３によるＣＦＲＰ部材３０を複数個組み合わせてラティス構造（格子構造）を形成する際に、１つのＣＦＲＰ部材３０の側面部３０ａに他のＣＦＲＰ部材３０の側面部３０ａを接合し、さらに上記１つのＣＦＲＰ部材１０において接続部３０ｂを挟んで隣り合う側面部３０ａに、上記他のＣＦＲＰ部材３０とは別のＣＦＲＰ部材３０の側面部３０ａを接合する。

このような接合部分を複数設けることにより、図６Ｂに示すように、開口部３００ａを含む複数の環状のＣＦＲＰ部材３０がその側面部３０ａで互いに接合され、任意の曲面形状を有するラティス構造３００が形成される。
このとき、ラティス構造３００の交差点（交差部分）Ｃ３は、環状のＣＦＲＰ部材３０の接続部３０ｂ及び３０ｃがそれぞれ一対で対向する配置となり、単体のＣＦＲＰ部材に比べてより高い剛性が得られるとともに、互いが接合されていないため、変形に対する裕度を確保できる。

＜実施例４＞
図７は、本発明の実施例４によるＣＦＲＰ部材の概略を示す斜視図である。
図７に示すように、本発明の実施例４によるＣＦＲＰ部材４０は、複数の側面部４０ａとこれらを屈曲しつつ接続する複数の接続部４０ｂとが交互かつ連続的に形成された波打ち形状（コルゲート形状）をなしている。

また、実施例４によるＣＦＲＰ部材４０は、実施例１の場合と同様に、その内部に同一の延在方向に延在する複数の炭素繊維束を積層した炭素繊維体を樹脂材料の内部に含浸した構造を有している。
これらの炭素繊維体と樹脂材料との関係については、実施例１の図１において示したものを連続的に接続したものとして構成されるため改めての説明は省略するが、実施例１のＣＦＲＰ部材１０と同様に、ＣＦＲＰ部材４０は、上下面に任意の曲線あるいは曲面を形成する。

図８は、本発明の実施例４によるＣＦＲＰ部材の代表的な使用例であるラティス構造の概要を示すものであって、図８Ａは、複数のＣＦＲＰ部材による配置を部分拡大して示す斜視図であり、図８Ｂは、複数のＣＦＲＰ部材を接合して形成されたラティス構造を示す斜視図である。
図８Ａに示すように、図７で例示した実施例３によるＣＦＲＰ部材３０を複数個組み合わせてラティス構造（格子構造）を形成する際に、１つのＣＦＲＰ部材４０に連続的に形成されている接続部４０ｂと他のＣＦＲＰ部材４０に連続的に形成されている接続部４０ｂとを接合し、これら接続部４０ｂどうしの接合部（図８Ｂの交差点Ｃ４参照）をＣＦＲＰ部材４０の長手方向に千鳥状に配置する。

このような接合部分を複数設けることにより、図８Ｂに示すように、複数のＣＦＲＰ部材４０に囲繞された複数の開口部４００ａを含み、任意の曲面形状を有するラティス構造４００が形成される。
このとき、ラティス構造４００の交差点（交差部分）Ｃ４は、環状のＣＦＲＰ部材４０の接続部４０ｂがそれぞれ一対で対向する配置となり、単体のＣＦＲＰ部材に比べてより高い剛性が得られるとともに、他の実施例に比べて接合部の範囲を極小化できるため、ラティス構造の製造工程が容易となる。

以上、本発明の実施例１〜４によるＣＦＲＰ部材及びこれを用いたラティス構造体の構成を説明したが、本発明によるＣＦＲＰ部材は上記の具体例に限定されるものではなく、種々の改変を施すことができる。
例えば、上記実施例１〜４では、炭素繊維体を形成するにあたり、複数の炭素繊維束を個別に積層することによって構成した場合を例示したが、１本の炭素繊維あるいは１つの帯状の炭素繊維束を連続的に折り曲げて長さを調整しつつ積層する構造としてもよい。
特に、実施例３で示した環状炭素繊維体を構成する際に、略螺旋状に炭素繊維束を形成して積層することも可能である。

また、上記実施例１〜４具体例では、ＣＦＲＰ部材を金型内に炭素繊維束を配置した状態で、熱間の射出成形を行うことにより所定の曲面形状を得る場合を例示したが、射出成形時の温度を樹脂材料が完全に硬化する温度よりも低い温度に設定し、ＣＦＲＰ部材の中間品を作成した後、所定の形状に最終調整し、改めて完全硬化温度まで加熱することにより、ＣＦＲＰ部材の最終形状を得るように構成してもよい。
さらに、上記実施例１〜４では、３層による炭素繊維体の場合を例示したが、その層数は複数であれば２層あるいは４層以上としてもよいことは当然である。

なお、上記実施例１〜４では、ＣＦＲＰ部材を製造するにあたり、炭素繊維体を金型内に配置した状態で樹脂材料を射出成形する場合を例示したが、プリプレグを用いたオートクレーブ成形やプレス成形、ＲＴＭ（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形、インフュージョン成形、真空バッグ成形、テーププレースメント、あるいは３Ｄプリンティング等の公知の成形方法により、所定の形状となるように製造することも可能である。
その他にも、本発明の要旨を逸脱しない範囲で上記実施例に種々の改変を施すことも可能である。

１０、２０、３０、４０ ＣＦＲＰ部材
１０ａ、２０ａ、３０ａ、４０ａ 側面部
１０ｂ、２０ｂ、３０ｂ、３０ｃ、４０ｂ 接続部
１１、２１、３１、４１ 樹脂材料
１２、３２ 炭素繊維体
１３ 第１の炭素繊維束
１４ 第２の炭素繊維束
１５ 第３の炭素繊維束
３３ 第１の環状炭素繊維束
３４ 第２の環状炭素繊維束
３５ 第３の環状炭素繊維束
１００、２００、３００、４００ ラティス構造
１００ａ、２００ａ、３００ａ、４００ａ 開口部

上記の目的を達成するために、本発明によるＣＦＲＰ部材は、所定の延在方向に延在する複数の炭素繊維束を積層した炭素繊維体の外面を樹脂材料で被覆したＣＦＲＰ部材であって、前記炭素繊維体の最下層に位置する炭素繊維束の長さと最上層に位置する炭素繊維束の長さとを異ならせ、前記積層する方向の厚みを均一としつつ、その上下面に曲線あるいは曲面を形成したことを特徴とする。
このとき、前記複数の炭素繊維束は、それぞれ環状に形成されてもよい。

上記の目的を達成するために、本発明によるＣＦＲＰ部材は、所定の延在方向に延在する複数の炭素繊維束を積層した炭素繊維体の外面を樹脂材料で被覆したＣＦＲＰ部材であって、前記炭素繊維体の最下層に位置する炭素繊維束の長さと最上層に位置する炭素繊維束の長さとを異ならせ、前記積層する方向の厚みを均一としつつ、その上下面に曲線あるいは曲面を形成し、そのうち少なくとも一方の面に形成された前記曲線あるいは前記曲面は３次元曲面の上にあることを特徴とする。
このとき、前記複数の炭素繊維束は、それぞれ環状に形成されてもよい。

Claims (3)

1. 所定の延在方向に延在する複数の炭素繊維束を積層した炭素繊維体が樹脂材料に内包されたＣＦＲＰ部材であって、
   前記炭素繊維体の最下層に位置する炭素繊維束の長さと最上層に位置する炭素繊維束の長さとが異なる
   ことを特徴とするＣＦＲＰ部材。
2. 前記複数の炭素繊維束は、それぞれ環状に形成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載のＣＦＲＰ部材。
3. 請求項１又は２に記載されたＣＦＲＰ部材を複数個有し、前記ＣＦＲＰ部材の側面部の少なくとも一部が互いに接合されたラティス構造体。

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