(57)【要約】【課題】製造コストを格段に削減しながら、高強度の熱可塑型複合材補強パネルを得ることができる複合材補強パネルの製造方法を提供する。【解決手段】角Ｒを持つ矩形断面の治具に複合材を積層して硬化させた後、機械加工によりＬ字状断面やコ字状断面等のストリンガ２００を製作する。この際、ストリンガ２００の角Ｒ部に、外板とストリンガ２００とが接合されたときに生じる空隙を埋めるフィラを一体に成形する。外板とストリンガ２００との接合では、外板を積層する下型治具３０にストリンガ２００を嵌入させる溝を設け、嵌入されたストリンガ２００の上面が下型治具３０の上面の一部をなすように固定し、これらの上に複合材を積層して硬化させる。【選択図】　　　　　　　図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱可塑型複合材料を用いて、外板及びストリンガを有する複合材補強パネルを製造する方法において、
コーナ部が滑らかな曲線とされた矩形状断面を有する成形治具に、熱可塑型複合材料を積層して、外板に接合される一面及びコーナ部を有するストリンガを製作するストリンガ製作工程と、
前記ストリンガの前記コーナ部の外面に熱可塑型複合材料を積層して、所定厚さのフィラ母材を形成するフィラ母材形成工程と、
前記フィラ母材を加工して、前記外板と前記ストリンガの前記コーナ部との間に形成される間隙を埋めるような形状のフィラを形成するフィラ形成工程と、
前記一面が露出する状態で前記ストリンガを嵌入させる凹部と、露出した前記ストリンガの前記一面とともに滑らかな平面を形成する表面と、を有する下型治具を準備する下型治具準備工程と、
前記ストリンガを前記下型治具の前記凹部に嵌入させて前記一面を露出させるストリンガ配置工程と、
前記下型治具の前記表面及び前記ストリンガの前記一面に熱可塑型複合材料を積層して、前記外板の成形及び前記外板と前記ストリンガとの接合を同時に実現させる外板成形・接合工程と、
を備えることを特徴とする複合材補強パネルの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複合材補強パネルの製造方法に関し、特に、自動積層装置により熱可塑型複合材料を用いて複合材補強パネルを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、Ｌ字型断面やコの字型断面を有するストリンガを外板に取り付けて構成した補強パネルが、航空機の主翼や胴体に採用されている。近年においては、かかる補強パネルを、所定の自動積層装置により、熱可塑型複合材料を用いて製造する技術が開発されつつある。例えば、所定の下型治具の凹部にストリンガを配置して、ストリンガの外板との接合面を露出させ、かかる接合面及び下型治具の表面に、外板成形用の熱可塑型複合材料を自動積層装置によって積層することにより、外板の成形と、外板へのストリンガの接合と、を同時に実現させる複合材補強パネルの製造方法が提案されている。
【０００３】
ここで、所定の自動積層装置とは、一方向に延在させた強化繊維を熱可塑性樹脂で被覆した狭幅テープ状の熱可塑型複合材料（以下、「テープ状プリプレグ」という）を、成形治具へと所定の速度で供給するとともに、かかるテープ状プリプレグを高温窒素ガスで加熱溶融させローラで加圧しながら成形治具上に自動積層するものである（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第５４４７５８６号明細書
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記した従来の複合材補強パネルの製造方法を採用すると、外板とストリンガのコーナ部との間に楔形の間隙が形成される。このように形成された間隙の近傍には応力集中が発生し易く、複合材補強パネルの強度が低下する場合がある。このため、かかる間隙にフィラを埋め込むことによって所要の強度を確保する必要がある。
【０００６】
ここで、前記した自動積層装置を使用しない従来のマッチドダイ成形法においては、以下のような手法でフィラを形成していた。まず、フィラ付のストリンガの形状に加工した成形治具を用意する。次いで、この成形治具にストリンガを組み込むとともにフィラ部分に熱可塑型複合材料のプリプレグを詰め込み、バギングの後オートクレーブによって加熱・加圧して一体成形することにより、ストリンガのコーナ部にフィラを形成していた。
【０００７】
しかし、かかるマッチドダイ成形法を採用した場合には、バギング作業やオートクレーブによる加熱・加圧作業に人件費や副資材を要する上に、フィラ付の部品毎に個々に成形治具を用意する必要があるため治具製作費が嵩み、結果的に成形コストが高くなるという問題がある。
【０００８】
また、従来の二次接着法においては、以下のような手法でフィラを形成していた。まず、フィラ単体形状の成形治具を用意し、この成形治具に熱可塑型複合材料のプリプレグを詰め込み、バギングの後オートクレーブによって加熱・加圧してフィラを単体で成形する。次いで、フィラ付のストリンガの形状に加工した成形治具に、成形したフィラとストリンガを組み込み、再度のバギングの後オートクレーブによって加熱・加圧して両者を接着させることにより、ストリンガのコーナ部にフィラを形成していた。
【０００９】
しかし、かかる二次接着法を採用した場合にも、フィラを単体で成形するための人件費、副資材及び治具製作費が必要となる上に、成形したフィラとストリンガとを接着するために再度のバギング作業やオートクレーブによる加熱・加圧作業に人件費や副資材を要することとなる。また、マッチドダイ成形法と同様に、フィラ付の部品毎に個々に成形治具を用意する必要があるため治具製作費が嵩み、結果的に成形コストが高くなるという問題がある。
【００１０】
本発明の課題は、製造コストを格段に削減しながら、外板とストリンガのコーナ部との間に間隙が形成されるのを阻止して高強度の複合材補強パネルを得ることができる複合材補強パネルの製造方法を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、熱可塑型複合材料を用いて、外板及びストリンガを有する複合材補強パネルを製造する方法において、コーナ部が滑らかな曲線とされた矩形状断面を有する成形治具に、熱可塑型複合材料を積層して、外板に接合される一面及びコーナ部を有するストリンガを製作するストリンガ製作工程と、前記ストリンガの前記コーナ部の外面に熱可塑型複合材料を積層して、所定厚さのフィラ母材を形成するフィラ母材形成工程と、前記フィラ母材を加工して、前記外板と前記ストリンガの前記コーナ部との間に形成される間隙を埋めるような形状のフィラを形成するフィラ形成工程と、前記一面が露出する状態で前記ストリンガを嵌入させる凹部と、露出した前記ストリンガの前記一面とともに滑らかな平面を形成する表面と、を有する下型治具を準備する下型治具準備工程と、前記ストリンガを前記下型治具の前記凹部に嵌入させて前記一面を露出させるストリンガ配置工程と、前記下型治具の前記表面及び前記ストリンガの前記一面に熱可塑型複合材料を積層して、前記外板の成形及び前記外板と前記ストリンガとの接合を同時に実現させる外板成形・接合工程と、を備えることを特徴とする。
【００１２】
請求項１に記載の発明によれば、外板に接合される一面及びコーナ部を有するストリンガを製作し、このストリンガのコーナ部の外面にフィラ母材を形成し、このフィラ母材を加工して特定形状のフィラを形成し、ストリンガを下型治具の凹部に嵌入させて一面を露出させ、下型治具の表面及びストリンガの一面に熱可塑型複合材料を積層して、外板の成形及び外板とストリンガとの接合を同時に実現させるので、製造される複合材補強パネルの外板とストリンガのコーナ部との間に間隙が形成されるのを阻止することができる。従って、外板とストリンガのコーナ部との間に応力集中が発生するのを防止することができ、複合材補強パネルの強度を高めることができる。
【００１３】
また、請求項１に記載の発明によれば、ストリンガの製作やフィラ母材の形成を行うとともに、下型治具の表面及びストリンガの一面に熱可塑型複合材料を積層して外板の成形や外板とストリンガとの接合を同時に実現させるので、従来のバギング作業や、オートクレーブによる加熱・加圧作業に要していた人件費や副資材が不要となる。しかも、フィラ付の部品毎に個々に成形治具を用意する必要もないので、治具製作費が嵩まない。この結果、複合材補強パネルの製造コストを格段に削減することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。本実施の形態においては、所定の自動積層装置により、熱可塑型複合材料を用いて、航空機の主翼や胴体を構成する複合材補強パネルを製造する方法について説明することとする。
【００１５】
図１は、本実施の形態に係る製造方法のフィラ母材形成工程により、ストリンガ用部材２００Ａのコーナ部２１０Ａにフィラ母材３００Ａを形成した状態を示す斜視図であり、図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面の拡大図である。また、図３は、本実施の形態に係る製造方法のフィラ形成工程によりフィラ３００が形成された状態のストリンガ２００を示す斜視図であり、図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面の拡大図である。
【００１６】
また、図５は、本実施の形態に係る製造方法の外板成形工程により外板用部材１００Ａを成形するとともに、外板用部材１００Ａにストリンガ２００を接合した状態を示す斜視図である。また、図６は、本実施の形態に係る製造方法によって製造された複合材補強パネル１の斜視図であり、図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面の拡大図である。本実施の形態に係る製造方法によって製造される複合材補強パネル１は、図６に示すように、外板１００にＬ字型断面を有するストリンガ２００を接合して構成したものである。
【００１７】
なお、本実施の形態で用いられる自動積層装置は、一方向に延在させた強化繊維を熱可塑性樹脂で被覆した狭幅テープ状の熱可塑型複合材料（テープ状プリプレグ）を、成形治具へと所定の速度で移送するとともに、かかるテープ状プリプレグを高温窒素ガスで加熱溶融させローラで加圧しながら成形治具上に自動積層するものである。
【００１８】
テープ状プリプレグを構成する熱可塑性樹脂の種類としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリスチレン、塩化ビニル樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリサルホン、ポリイミドなどを挙げることができる。また、テープ状プリプレグを構成する強化繊維の種類としては、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、アルミナ繊維などを挙げることができる。
【００１９】
本実施の形態に係る製造方法によって複合材補強パネル１を製造するには、まず、図１に示したように、回転軸２０を中心に回転可能な成形治具である略四角柱状のマンドレル１０の表面にテープ状プリプレグを順次積層して、環状のストリンガ用部材２００Ａを成形する。本実施の形態においては、コーナ部が滑らかな曲線とされた矩形状断面を有するマンドレル１０を採用している（図１参照）。
【００２０】
環状のストリンガ用部材２００Ａを成形する際、回転軸２０の延在方向（以下、「軸方向」という）にテープ状プリプレグを積層する場合には、まず、マンドレル１０の一の表面１１に自動積層装置のローラを軸方向に複数回往復させながらテープ状プリプレグを積層する。次いで、回転軸２０を中心にマンドレル１０を略９０°回転させ、他の表面１２にローラを軸方向に複数回往復させながらテープ状プリプレグを積層する。以下、同様の手順を繰り返して、マンドレル１０の４つの表面にテープ状プリプレグを積層し、環状のストリンガ用部材２００Ａを成形する。この際、マンドレル１０のコーナ部にテープ状プリプレグを積層する際には、マンドレル１０のコーナ部に沿った凹型の回転面を有するローラを使用する。
【００２１】
また、回転軸２０の軸方向と略直交する方向にテープ状プリプレグを積層する場合には、回転軸２０を中心にマンドレル１０を回転させるとともに、マンドレル１０又は自動積層装置のローラを軸方向に複数回往復移動させながらテープ状プリプレグを積層する。この際、平坦な回転面を有するローラを用いる。
【００２２】
ストリンガ用部材２００Ａは４つのコーナ部２１０Ａを有しており、ストリンガ用部材２００Ａを所定位置で切断することにより、コーナ部２１０を有するストリンガ２００を製作することができる（図３参照）。
【００２３】
次いで、図１に示したように、ストリンガ用部材２００Ａのコーナ部２１０Ａの外面に、自動積層装置を軸方向に複数回往復させながらテープ状プリプレグを順次積層して、所定厚さのフィラ母材３００Ａを形成する（フィラ母材形成工程）。図２は、図１のＩＩ−ＩＩ断面の拡大図であり、ストリンガ用部材２００Ａのコーナ部２１０Ａと、コーナ部２１０Ａの外面に形成されたフィラ母材３００Ａと、を示すものである。
【００２４】
次いで、ストリンガ用部材２００Ａを所定位置で切断して、Ｌ字型断面を有するストリンガ２００を製作する（ストリンガ製作工程）。ストリンガ２００は、図３に示すように、コーナ部２１０と、外板１００に接合される接合面２２０と、を有している。
【００２５】
次いで、フィラ母材３００Ａに切削加工を施して、外板１００とストリンガ２００のコーナ部２１０との間に形成される楔形の間隙（図７参照）を埋めるような形状のフィラ３００を形成する（フィラ形成工程）。
【００２６】
図４は、図３のＩＶ−ＩＶ断面の拡大図であり、ストリンガ２００のコーナ部２１０と、コーナ部２１０の外面に形成されたフィラ３００と、を示すものである。フィラ３００は、図４に示すように、ストリンガ２００の接合面２２０とともに滑らかな平面を形成する平坦部３１０を有している。後述するように、これら接合面２２０及び平坦部３１０の上に外板１００が接合されることとなる。
【００２７】
次いで、特定構造の下型治具３０を準備する（下型治具準備工程）。下型治具３０は、図５に示したように、接合面２２０が露出する状態でストリンガ２００を嵌入させる凹部３１と、露出したストリンガ２００の接合面２２０とともに滑らかな平面を形成する表面３２と、を有している。かかる表面３２及び露出した接合面２２０には、後述するように、自動積層装置のローラによってテープ状プリプレグが積層される。
【００２８】
下型治具３０は、自動積層装置の高温窒素ガスによる加熱に耐え得る耐熱性と、自動積層装置のローラによる積層圧力に耐え得る剛性と、の双方を備えるものを採用する。なお、本実施の形態で用いられる下型治具３０は、回転軸４０を中心に回転可能とされており、他の表面も成形の際に使用することができる。
【００２９】
次いで、図５に示すように、ストリンガ２００を下型治具３０の凹部３１に嵌入させて、接合面２２０を露出させる（ストリンガ配置工程）。なお、図５からは明らかでないが、ストリンガ２００の接合面２２０を露出させた際に、フィラ３００の平坦部３１０も露出されることとなる。
【００３０】
次いで、下型治具３０の表面３２と、ストリンガ２００の接合面２２０と、フィラ３００の平坦部３１０に自動積層装置のローラによってテープ状プリプレグを順次積層して、外板用部材１００Ａの成形と、外板用部材１００Ａへのストリンガ２００の接合と、を同時に実現させる。この後、外板用部材１００Ａを所定位置で切断して外板１００とする（外板成形・接合工程）。以上の工程により、図６に示したような複合材補強パネル１が得られる。
【００３１】
図７は、図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面の拡大図である。本実施の形態においては、図７に示すようにストリンガ２００のコーナ部２１０にフィラ３００を設けているため、外板１００と、ストリンガ２００のコーナ部２１０と、の接合部分に形成される楔形の間隙を、フィラ３００で塞ぐことができる。
【００３２】
本実施の形態に係る製造方法においては、コーナ部２１０及び外板１００への接合面２２０を有するストリンガ２００を製作し、このストリンガ２００のコーナ部２１０にフィラ母材３００Ａを形成し、このフィラ母材３００Ａを切削加工して特定形状のフィラ３００を形成し、ストリンガ２００を下型治具３０の凹部３１に嵌入させて接合面２２０を露出させ、下型治具３０の表面３２及びストリンガ２００の接合面２２０にテープ状プリプレグを積層して外板１００の成形及び外板１００とストリンガ２００との接合を同時に実現させるので、製造された複合材補強パネル１の外板１００とストリンガ２００のコーナ部２１０との間に楔形の間隙が形成されるのを阻止することができる。従って、外板１００とストリンガ２００のコーナ部２１０との間に応力集中が発生するのを防止することができ、複合材補強パネル１の強度を高めることができる。
【００３３】
また、本実施の形態に係る製造方法においては、所定の自動積層装置によってストリンガ２００の製作やフィラ母材３００Ａの形成を行い、かつ、下型治具３０の表面３２及びストリンガ２００の接合面２２０に自動積層装置によってテープ状プリプレグを積層して、外板１００の成形及び外板１００とストリンガ２００との接合を同時に実現させるので、従来のバギング作業や、オートクレーブによる加熱・加圧作業に要していた人件費や副資材が不要となる。しかも、フィラ付の部品毎に個々に成形治具を用意する必要もないので、治具製作費が嵩まない。この結果、複合材補強パネル１の製造コストを格段に削減することができる。
【００３４】
なお、本実施の形態に係る製造方法においては、外板１００にＬ字型断面のストリンガ２００を接合した例を示したが、コーナ部を有するストリンガ（例えばコの字型断面、ハット型断面、Ｚ型断面等のストリンガ）を外板に接合する場合であれば、本実施の形態に係る製造方法を有効に適用することができる。
【００３５】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、ストリンガのコーナ部にフィラ母材を積層して機械加工により特定形状のフィラを形成した後に、外板とストリンガとの接合を行うので、外板とストリンガとのコーナ部との間に間隙が形成されるのを阻止することができる。従って、複合材補強パネルの強度を高めることができる。また、フィラ母材を積層して機械加工を施すことによりフィラを形成するため、治具制作費が嵩まず、かつ、外板の成形及び外板とストリンガとの接合を同時に実現させるので、従来のバギング作業や、オートクレーブによる加熱・加圧作業に要していた人件費や副資材が不要となる。この結果、複合材補強パネルの製造コストを格段に削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る製造方法のフィラ母材形成工程により、ストリンガ用部材のコーナ部にフィラ母材を形成した状態を示す斜視図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ断面の拡大図である。
【図３】ストリンガのコーナ部にフィラを形成した状態を示す斜視図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ断面の拡大図である。
【図５】本実施の形態に係る製造方法の外板成形・接合工程により、外板用部材を成形するとともに外板用部材にストリンガを接合した状態を示す斜視図である。
【図６】本実施の形態に係る製造方法によって製造された複合材補強パネルの斜視図である。
【図７】図６のＶＩＩ−ＶＩＩ断面の拡大図である。
【符号の説明】
１　　　　複合材補強パネル
１０　　　マンドレル
１１　　表面
１２　　表面
２０　　　回転軸
３０　　　下型治具
３１　　凹部
３２　　表面
４０　　　回転軸
１００　　　外板
１００Ａ　　外板用部材
２００　　　ストリンガ
２１０　　　コーナ部
２２０　　　接合面
２００Ａ　　ストリンガ用部材
２１０Ａ　　コーナ部
３００　　　フィラ
３１０　　　平坦部
３００Ａ　　フィラ母材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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