構造部材の連続製造方法
【課題】炭素繊維を主材とする複合材料の成形方法の改良を図る。
【解決手段】炭素繊維の布にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグ材料を使用するＨ型の構造部材は、曲率を有する部材に成形することが難しい。そこで、曲げることができる２つの構成部材１１０、１２０に分割して部材１１０、１２０に曲率を与え、両者を接合して曲率を有する構造部材１００を製造する。
【解決手段】炭素繊維の布にエポキシ樹脂を含浸させたプリプレグ材料を使用するＨ型の構造部材は、曲率を有する部材に成形することが難しい。そこで、曲げることができる２つの構成部材１１０、１２０に分割して部材１１０、１２０に曲率を与え、両者を接合して曲率を有する構造部材１００を製造する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料を使った構造部材の連続製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維を主材とする複合材料を使った構造部材の代表的成形方法としてオートクレーブ装置を用いた成形法が挙げられる。
図１６に、オートクレーブ装置６００を用いた製法の概要を示すが、オートクレーブ成形法で使われる複合材料は、炭素繊維の布にエポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維／エポキシ・プリプレグと称する材料である。
オートクレーブ装置の缶内６００に窒素ガスを充填し、窒素ガスの圧力と温度を上げてバキュームバッグ６１０内に密封された材料６５０を加圧、加熱して成形するので、２次曲面、３次曲面を持つ製品、複雑な形状を持つ高品質の構造部材６５０の成形が可能である。
しかし、大型のオートクレーブ装置６００と大型の成形金型（成形治具）６２０が必要であること、人員による、レイアップ、セットアップと称される成形工程が必要であること、１回の成形工程で限られた個数の製品しかできない製法であることなどの理由から、生産効率が悪くコストが高い。
【０００３】
［熱膨張の影響］
その上、材料によって異なる熱膨張率の影響を受けて、完成した構造部材を構成する炭素繊維Ｆ１にうねり（揺らぎ）が生じて、強度、弾性率が共に低下し、低い応力領域での曲げ剛性が低いという欠点を持っている。
主材料の炭素繊維Ｆ１そのものの熱膨張率はゼロ、あるいはマイナスであるのに対して、繊維を固めるエポキシ樹脂Ｐ１の熱膨張率は６５ＰＰＭと高い。
オートクレーブ製法では、窒素ガスからプリプレグ材料６５０への熱伝導を良くするため、金型（治具）６２０の材料として熱伝導の良いアルミニューム合金が使われる。
アルミニューム合金の熱膨張率は２３ＰＰＭと高いので、オートクレーブ缶内で加熱されると金型６２０は大きく熱膨張する。
室温２０℃から、加熱温度の１８０℃まで１６０℃昇温したとき、炭素繊維Ｆ１は伸びないが、プリプレグに含まれている樹脂Ｐ１は、繊維Ｆ１によって多少拘束されるものの、大きく熱膨張した状態で硬化を終える。
同様に、１６０℃の昇温に対して、金型６２０の熱膨張は、炭素繊維Ｆ１に拘束されないので０．３７％に達し、長さ２メートルの金型６２０の熱膨張は７．４ｍｍと大きな値となる。
炭素繊維Ｆ１は、加熱されている間、樹脂Ｐ１と金型６２０に引き伸ばされて真直ぐに伸びている。
加熱／加圧工程が終了して、冷却工程が始まると金型６２０及び硬化したエポキシ樹脂Ｐ１は収縮を始める。
この際、炭素繊維Ｆ１は熱収縮しない上、弾性率が高いので応力収縮もしないので、図１７の概念図に示すように、僅かながら波状の屈曲を繰り返した（揺らぎ）状態で工程を終える。
このようにして完成した構造部材に引張り荷重を加えると、図１８に示すとおり、繊維の屈曲がなくなるまで、低い弾性率を示す。
すなわち、初期の低応力領域では、応力／歪の関係が比例せずに図１８のＡ部のように曲線を示し、繊維が真直ぐになって初めて図１８のＢ部のように、材料が持っている弾性率を示す。
このように、低い応力領域では大きな変形（歪）を生じ、弾性率が低い。
反対に圧縮荷重を加えると、繊維の屈曲は、さらに大きくなって行くので、応力−歪線図は図１８のＣ部のように低い弾性率を示し、遂には挫屈してしまう。
樹脂で固められた繊維群が圧縮を受けた場合、図１９に示すとおり、繊維の初期の真直度によって圧縮弾性率や挫屈強度が変わる。
線ＬＡは繊維が真直ぐな場合、線ＬＢは僅かなうねりを持っていた場合、線ＬＣは大きなうねりを持っている場合である。
繊維が挫屈した後も、周囲の樹脂が繊維を支えるので、それなりの応力を発揮する。
複合材料学会では、これらの現象を「マイクロバックリング」と称して研究が続けられている。
揺らぎの問題を解決するための一つの手段として、アルミニューム合金の金型に替えてインバーと言う熱膨張率がゼロという特殊な金属材料で作った金型が使われることもあるが、材料が高価な上加工が難しく、熱伝導率はステンレス鋼程度と悪いので、昇温工程時間が長くなると言う欠点がある。
以上がオートクレーブ成形法に関する説明である。
【０００４】
その他の成形方法としてホットプレス成形法がある。
生産性が高く、パネル製品の製造には適しているものの、プレス型の制約、加圧方向の制約から、複雑な断面形状を持つ構造部材、長尺の構造部材の製造は困難である。
大型製品の場合、プレス型の面精度の確保が難しいため、精密な構造部材の製造は困難である。
ホットプレスのプレス型には、熱膨張率の低い鋼を使うことも出来るので、製品がプレス型の熱膨張の影響を受けることは少ないにせよ、樹脂の熱収縮の影響は避けられない。
これらの成形法に加えて、長尺物の成形方法として、複合材料を連続的に成形するプルトルージョン（引き抜き成形方＝Ｐｕｌｔｒｕｓｉｏｎ）と称する方法が知られている。
この方法は、長繊維を金型に通して引き抜きながら成形し、同時に含浸させた樹脂を短時間で硬化させて成形する方法で、生産性に優れている上、成形加工中、常に張力が加わっているので、繊維のうねりは少ないので、材料特性は優れているが、複雑な断面形状を持つ材料や高品質の構造部材を成形することはできない。
【０００５】
「ＡＤＰ成形法」
プルトルージョン成形法の発展型の成形方法で、本発明の出願人は、下記特許文献１において連続成形方法に関する特許を取得している。
特許文献１の成形方法（ＡＤＰ成形法）は、あらかじめ繊維群に樹脂を含浸させて半硬化させたプリプレグ材料を使用する。
図２０に示す通り、プリプレグ材料７０２はロール７０１に巻かれて供給され、必要枚数のプリプレグ材料７０２を重ね、成形金型７００に通して引き抜きながら間歇的に加圧、加熱を繰り返して含浸樹脂を硬化させ、除圧時に部材を僅かずつ移動させて製造する連続成形方法である。
プリプレグ材料７０２を加熱／加圧する装置７００は、一般的な小型の熱成形プレスと同じ構造で、材料を間歇的に加熱／加圧する。
図２０−１の中央の装置は、樹脂を完全に硬化させるための後熱（Ｐｏｓｔ−Ｃｕｒｅ）炉７２０で、材料が左から右に進行しながら樹脂が完全硬化する。
図２０−１の右端の装置は、除圧サイクルに合わせて間歇的に材料を移動させる装置７３０である。
フリクションを与えるための加圧シリンダー７３１が、送りシリンダー７３２によって移動を繰り返し、材料を移動させる。
図２０−２に、Ｔ型の構造部材を成形する金型の構造を示すが、加熱／加圧する装置７００の成形金型７５０は上下３つの部分７５１、７５２，７５３に分かれていて、成形する構造部材の断面形状を持ち、それぞれが加熱装置７４０を内蔵している。
金型の上部７５１、７５２が圧力シリンダー７６１、７６２によって上下して、材料を間歇的に加圧する。
加圧圧力は３Ｋｇ／ｃｍ２程度、加圧サイクルは、加圧３０秒、除圧２秒程度の繰り返しである。
除圧工程において、材料を３０ｍｍ程度ずつ移動させるので、移動速度は、毎時３．４ｍ程となる。
加熱温度は、含浸樹脂の熱硬化特性から決まるが、１２０℃〜１８０℃であり、硬化炉を通過して完全に硬化した構造部材は所要の長さに鋸で切断される。
以上がＡＤＰ成形法の説明である。
プルトルージョンに比べて、高品質で複雑な材料構成を持つ構造部材の成形が可能であり、成形加工の間中、僅かながらではあるが、繊維に張力が加わっているので“揺らぎ”が少ないので、部材としての材料特性に優れているが、材料を加熱／加圧する金型の形状、加圧方向の制約などから成形できる断面形状に限界があった。
航空機用の構造部材として、強い曲率をもつ構造部材、中空の構造部材、捩れを持つ構造部材が求められて来たが、このＡＤＰ成形方法では製造することが難しかった。
【０００６】
そこで、本発明の出願人は研究を続け、下記特許文献２から５において一定の曲率を有した複合材料部材の連続成形方法に関する特許を取得しているが、未だに断面形状や曲率の成形制約が多い。
以上の理由から、先端複合材料を使った構造部材は、軽量で高強度という特徴を持ちながら成形方法が未開発のため、それらの特徴が活かされていない。
【特許文献１】特許第１８８６５２２号
【特許文献２】特許第３４０２４８１号
【特許文献３】特許第１８８６５６０号
【特許文献４】特許第３０１２８４７号
【特許文献５】特許第３７４２０８２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、複合材料を使った高品質の構造部材の成形方法において、湾曲させた構造部材、中空の構造部材、長尺の構造部材、あるいは一定の捩り率で捩った構造部材の製造方法を確立することである。
さらに、成形時に生じる繊維の“揺らぎ”を最小限に抑え、低応力範囲における曲げ剛性の高い構造部材の製造方法を確立することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、課題を解決するための手段として、次の３つの基本的な手段を組み合わせて用いた。
基本的な手段Ｋ−１
作ろうとする構造部材を、あらかじめ２つ（あるいは複数）の構成部材に分割し、それらの構成部材を構成する「繊維方向の決定」（ｆｉｂｅｒ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）によって、個別では曲げることを可能とし、それぞれを曲げた状態、あるいは、曲げることが出来る状態で作って準備する。
これらの構成部材同士を重ね合わせて、次の基本的な手段Ｋ−２によって接着接合して、曲げ剛性の高い構造部材を製造する。
従って、これらの構成部材は、組み合わされて始めて構造部材としての強度特性を発揮するが、単独では構造部材としての強度を持っていない。
「繊維方向の決定」の詳細は、実施例−１、及び、それぞれの実施例で説明する。
基本的な手段Ｋ−２
接着接合は、接着フィルムを挟んで構成部材同士を重ね合わせ、加圧と除圧を周期的に連続的に繰り返し、除圧時に部材を接着金型の間を滑らせて、僅かずつ間歇的、連続的に移動させながら行うことを特徴としている。
連続的な接着方法を採ることによって、構造部材に与える曲率を途中から自由に変化させること、長尺の構造部材を製造すること、さらに、構造部材の接着に必須である加熱及び加圧を確実に行うことを可能としている。
適用できる材料は、複合材料同士、あるいは複合材料と金属の組合せがある。
具体的な方法を実施例−１で説明する。
基本的な手段Ｋ−３
複合材の成形時に生じる繊維の揺らぎをなくして、低応力領域における曲げ剛性の高い梁を作る手段として、構造部材となって応力を負担する繊維に初期張力を与えて真直ぐにする方法を採った。
すなわち、基本的な手段Ｋ−１によって構成部材を用意する際に、それらをあらかじめ、意図的に曲げて成形しておき、続く基本的な手段Ｋ−２による接着接合工程で、これらの構成部材同士を重ね合わせて真直ぐに、あるいは、所要の曲率に強制しながら接着することによって、構造部材となって応力を負担する繊維に初期張力を与える。
基本的な手段Ｋ−３、及び、この場合の繊維方向決定の詳細は、実施例−３で説明する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の基本的な手段Ｋ−１と基本的な手段Ｋ−２を組み合わせて適用することによって高品質の複合材料製で、一定の曲率で湾曲させた構造部材、中空の構造部材、途中から曲率を変えて湾曲させた構造部材、あるいは一定の捩り率で捩った構造部材の製造方法を確立することができた。
さらに、基本的な手段Ｋ−３を追加適用することによって、成形時に生じる繊維のうねりを最小限に抑え、曲げ弾性率の高い構造部材の製造方法を確立することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［発明の実施例−１］
［一定の強い曲率で湾曲させた構造部材］
本発明の「基本的な手段Ｋ−１」と「基本的な手段Ｋ−２」を組み合わせて適用した実施例として、航空機の胴体フレームを作ることを目的とした一定の強い曲率で湾曲させた構造部材の製造方法について説明する。
図１にその概念図を示すが、構造部材は、高さ８０ｍｍ、曲げ半径２，５００ｍｍで、Ｈ型断面の構造部材１００である。
この場合、塑性変形を与えることによって所要の形状にするためには、上下のフランジに必要な永久変形の値はそれぞれ１．６％と計算される。
航空機に用いられる高強度アルミニューム合金材料は、引張り、圧縮の塑性変形が共に大きく、最大塑性歪率は１０％を悠に超えるので、Ｈ型の断面を持つ真っ直ぐな素材を押し出し加工で作っておいて、塑性変形による２次的な曲げ加工で所要の曲率を与えることができる。
しかし、炭素繊維複合材では、炭素繊維の塑性変形は皆無であるため、２次的な曲げ加工で１．６％という大きな歪率を与えることはできない。
無理に曲げて成形すると、引張り側の繊維は伸びないので、圧縮側の繊維に３．２％の変形が必要となるが、実際には繊維は縮まないので屈曲や皺ができることとなる。
屈曲した繊維や皺のある繊維は所要の引張り／圧縮に耐えないので、出来上がった部材は構造部材として使うことはできない。
【００１１】
構造部材１００は、梁材として下曲げモーメントＭを受けた時、上側のフランジ１０１には圧縮応力、下側のフランジ１０２には引張り応力、ウエブ１０３には剪断応力が発生する。
そこで、Ｈ型の断面を持つ構造部材１００を作るに当たり、発明の「基本的な手段Ｋ−１」を適用して、図２に示す通り、あらかじめ２種類のＴ型の構成部材１１０、１２０を作っておいて、「基本的な手段Ｋ−２」の連続接着によって接着接合して強度、剛性の高い構造部材を作る。
Ｔ型の構成部材１１０、１２０は、個別の状態では所要の曲率で曲げることができる繊維構成を持っているので、これらを曲げながら接着接合する。
繊維構成について図３−１を用いて以下に詳述する。
Ｔ型の構成部材１１０、１２０は、基本的には同一形状、同一構造であるが、構造部材１００が受ける荷重、形状要求などによっては、変えることとなる。
それぞれのフランジ１１１、１２１は、引張力／圧縮力（軸力）に対抗して高い弾性率と強度を持たせるために、図３−１（ｂ）に示すとおり、軸方向に対して０°一方向に引き揃えた繊維（Ｕｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ：ＵＤ繊維）を主体として構成する。
（さらに実際には、それらのＵＤ繊維が均一な応力を受けるように繊維間に剪断力を伝える±４５°方向の繊維を配することも必要となる。）
梁材の剪断力を受け持つウエブ部分１１２、１２２は高い剪断弾性率を持たせるため、±４５°方向の繊維で構成しておいて、フランジに剪断力を伝えるために、折り返して重ねる。
このようにして準備された構成部材１１０、１２０のウエブの部分に接着フィルムを挟んで重ね合わせ、後に詳述する方法で、曲げながら接着接合してＨ型断面の構造部材１００を作るが、以下に、曲げることができる理由を説明する。
図３−２に示すように、ウエブ３１３ａ、３２３ａを、仮に９０°の一方向繊維で構成すると、９０°方向の繊維は軸方向に抵抗を示さないので、出来た構成部材はフランジ中央に位置する中立軸を中心として、容易に曲げ得る特性を持つが、剪弾力による軸力の伝達ができない。そこで、ウエブを±４５°方向の繊維で構成することとした。±４５°方向の繊維でも伸縮が可能である。
曲率が強い場合は、図３−３（ａ）に示すとおり、ウエブ３１３ｂ、３２３ｂを＋４５°の一方向繊維と、−４５°の一方向繊維層で構成し、層間に９０°の一方向繊維を挿入することによって、ウエブ３１３ｂ、３２３ｂの端部の伸縮の自由度を増す方法を採る。実際の繊維構成の例を図３−３（ｂ）に示す。
ウエブの強度について検討すると、仮に、構造部材１００に１，０００Ｋｇの集中荷重が加わった場合、ウエブの高さは８０ｍｍなので、ウエブの中の“剪断流れ”（Ｓｈｅａｒ Ｆｌｏｗ）は、１２．５Ｋｇ／ｍｍと計算され、仮にウエブの厚さが４層で０．８ｍｍとすると、加わる応力は１５．６Ｋｇ／ｍｍ２となり、４５°の炭素繊維プリプレグが充分に耐える値である。
これらのＴ型の断面を持つ炭素繊維複合材料の構成部材１１０、１２０は前記の特許文献１に開示されたＡＤＰ製法によって製造されるが、通常のオートクレーブを使った製法、プルトルージョン製法で作っても良い。
以上が、本発明の「基本的な手段Ｋ−１」の適用である。
【００１２】
次に、本発明の「基本的な手段Ｋ−２」の適用について説明する。
図４に示すように、準備工程でＴ型の構成部材１１０と１２０が、それぞれ曲げた状態でウエブ同士の間に接着剤フィルム１０４を挟んで重ね合わされる。
フィルム状の接着剤１０４はエポキシ系の熱硬化性接着剤で、半硬化させた状態で所要の幅に切断され、セパレーターフィルム（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｆｉｌｍ）１０５を挟んでロール状に巻いて供給される。セパレーターフィルム１０５は接合前に巻き取られる。
図５−１、図５−２は、加熱、加圧工程を示している。
材料を加熱／加圧する装置２００が図５−１の左側に配されているが、一般的な小型の熱成形プレスと同じ構造で、材料を間歇的に加熱／加圧する。
図５−１の中央の装置は、接着剤を完全に硬化させるための後熱（Ｐｏｓｔ−Ｃｕｒｅ）炉２２０で、材料を左から右に進行させて接着剤を完全に硬化させる。
硬化時間の短い樹脂を選べば、後熱炉は不要となるが、硬化の信頼性から、意図的に長い硬化時間の樹脂が用いられる。
図５−１の右端の装置は、除圧サイクルに合わせて間歇的に材料を移動させる装置２３０である。
装置２３０はフリクションを与えるための加圧シリンダー２３１が、送りシリンダー２３２によって移動を繰り返し、材料を移動させる。
出来た構造部材は、所要の長さに鋸で切断される。
図５−２に示すとおり、加熱／加圧する装置２００の成形金型は上型２０１と下型２０２に分かれていて、それぞれが加熱装置を内蔵している。
下型２０２は、台２１０の上に固定されていて、上型２０１は、圧力シリンダー２１２によって上下して、材料を間歇的に加圧する。
加圧圧力は、３Ｋｇ／ｃｍ２程度で充分であり、加圧サイクルは、加圧３０秒、除圧２秒程度の繰り返しである。
除圧工程において、材料を３０ｍｍ程度移動させるので、移動速度は３２秒に３０ｍｍ（約３．４ｍ／時）となる。
加熱温度は、接着剤樹脂の熱硬化特性から決まるが、１２０℃〜１８０℃である。
３０％程度硬化していた接着剤の樹脂は、加熱／加圧金型の中で、一旦溶融した後硬化を始めるが、金型を出る時には、硬化が進んで安定した状態に達している。
以上の説明のとおり、一定の曲率で曲がったＨ型の構造部材１００を作るために、図６−１、図６−２に示すとおり、接着接合するに当たって、第１の構成部材１１０、及び第２の構成部材１２０をガイドローラー３５０を通過させて重ね合わせ、所要の曲率で曲げを与えながら、前記のホットプレス２００に導く。
あるいは、図６−３に示す通り、それぞれの構成部材１１０、１２０を曲げた状態で作っておいて、ホットプレス２００に導く方法もある。
以上が、本発明の「基本的な手段Ｋ−２」の適用説明である。
以上の説明の通り、曲げることが出来る構成部材１１０，１２０は、個別の状態では構造部材としての強度、剛性を持たないが、それらを組み合わせることによって、曲げ剛性の高い構造強度部材となる。
以上の方法は、信頼性の高い熱硬化性樹脂を使用した例を説明したが、熱可塑性樹脂を用いた構造部材の成形にも適用できる。
あらかじめ成形する複数の構成部材に熱可塑性樹脂のプリプレグ材料を使った場合、接合のための再加熱によって、双方の熱可塑性樹脂材料が部分的に溶融するので、接着剤を省くことが可能となるが、熱可塑性樹脂の硬度が低いので、繊維を固める力が弱く、構造部材の圧縮強度特性が充分発揮できない欠点もある。
【００１３】
［発明の実施例−２］
本発明の実施例−２として、図７−１に示すとおり、航空機の胴体フレームなどに適用される帽子型の断面形状（Ｈａｔ Ｓｅｃｔｉｏｎ）を持ち、一定の曲率で曲がっている炭素繊維複合材料製の梁材（Ｃｕｒｖｅｄ Ｂｅａｍ）４００の製造方法について説明する。
帽子型の断面を持つ構成部材４００を作るに当たり、本発明の「基本的な手段Ｋ−１」を適用して、溝型の構成部材４１０と、アングル状の断面を持つ構成部材４２０、４３０の３つの構成部材をあらかじめ曲げた状態で作っておいて、「基本的な手段Ｋ−２」によって接着接合して製造することを特徴としている。
それぞれの構成部材４１０、４２０、４３０は、ＡＤＰ製法によって製造され、長尺で曲がった状態で作られて、接着の準備がなされている。
帽子型の断面形状を持つ梁材４００に曲げモーメントが加わると、梁材４００のフランジを形成する辺４０１、４０４、４０５には引張り／圧縮応力が加わり、ウエブを構成する辺４０２、４０３には、剪断力が加わる。
そこで、溝型の構成部材４１０は、図７−１に示すとおり、帽子型梁材４００のフランジを形成する辺４１１は引張力／圧縮力に対抗して高い強度と弾性率を持たせるために０°のＵＤ繊維を主体として構成し、梁材のウエブを構成する辺４１２、４１３は、剪断力に対抗して高い剪断弾性率を持たせるため、＋４５°、−４５°方向のＵＤ繊維のみで構成している。
ウエブを構成する４５°方向繊維は、フランジ部の０°のＵＤ繊維に重ねる。
ウエブを構成する辺４１２、４１３を＋４５°、−４５°方向のＵＤ繊維のみで構成することにより、構成部材４１０の中立軸（Ｎｅｕｔｒａｌ Ａｘｉｓ）を０°方向の繊維で構成されたフランジ４１１の厚さの中央に位置させることができるので、プリプレグを積層した後で曲げを与えてもフランジに応力は発生しないので、皺のない状態で曲げながら作ることを可能としている。
同じ目的から、アングル型の構成部材４２０、４３０も、図７−１に示すとおり、梁材のフランジを形成する辺４２１、４３１は、０°のＵＤ繊維を主体として構成し、梁材のウエブを構成する辺４２２、４３２は、＋４５°、−４５°方向のＵＤ繊維のみで構成して中立軸をフランジ４２１、４３１の中央に位置させている。図７−２。
ウエブを構成する４５°方向繊維は、図７−２に示す通り、フランジ部の０°のＵＤ繊維に重ねる。
加熱、加圧による接着接合の方法は、本発明の「基本的な手段Ｋ−２」を適用する。
図８は、図７−１に示した断面構造を有し、一定の曲率を有する長尺の梁材を連続的に接着接合する手段を示す。
以上の説明の通り、基本的な手段Ｋ−１を適用して作られた構成部材４１０、４２０、４３０は、個別の状態では曲げることが出来る反面、構造部材としての強度を持たないが、それらを基本的な手段Ｋ−２によって接着接合することによって、高い曲げ剛性と強度を持つ構造部材とすることが出来る。
基本的な手段Ｋ−１と、基本的な手段Ｋ−２を組み合わせて適用した他の応用例として、図９（ａ）に示す中空断面の構造部材５１０や図９（ｂ）に示す一定の捩り率で捩った風車ブレードの構造部材５２０を作ることもできる。
【００１４】
［発明の実施例−３］
図１０に、本発明の実施例−３として、Ｈ型構造部材のフランジ部の繊維群に初期張力を与えて揺らぎをなくし、低い応力範囲における曲げ弾性率を改善した梁の例を説明する。
この実施例は、真直ぐな構造部材６００としているが、曲がった構造部材に適用することも可能である。
図１０に示すとおり繊維の基本的な構成は実施例−１と同じである。
初期張力は、うねっている炭素繊維を一直線に引き伸ばすだけの変位を与えれば良いので、必要な変位量は図１３から分かるように０．１％〜０．２％程度で充分である。
既に記した実施例と同じく、この構成部材６００の上側のフランジ６０１、及び、下側のフランジ６０２を構成する繊維は、軸に対して０°方向を持った繊維を主体とする。
ウエブ６０３を構成する繊維は、軸に対して＋４５°と−４５°方向のみとするが、力の伝達のため、折り返してフランジ部に重ねる。
この構成部材６００を２つのＴ型構成部材６１０、６２０で構成する。
Ｔ型の構成部材６１０、６２０のウエブ６１２、６２２の端部には、フランジ６１１、６２１に初期張力を与えるために、対応して圧縮される圧縮材６０５、６０６を配しておく。
すなわち、Ｔ型の構成部材６１０、６２０を作っておいて、図１１に示すとおり、曲げを与えながら圧縮材６０５、６０６を接着接合する。
圧縮材６０５、６０６は０°方向のＵＤ繊維の束を＋４５°と−４５°方向の繊維で包んだ構成となっている。
圧縮材６０５、６０６は、繊維束に替えてチタン合金などの金属ロッドとすることも良策である。
この断面形状と繊維構成を持つ材料を、ＡＤＰ製法であらかじめ製造しておくが、この際、図１１に示すとおり、所要の曲率で曲げを与えておくことが特徴である。
繊維群に初期張力を与えて揺らぎをなくすために、繊維を伸ばす量を０．２％とすると、構造部材６００の高さが８０ｍｍの場合、Ｔ型構成部材６１０、６２０を個別に作る際に与える曲率：曲げ半径は２０ｍと計算される。
この状態で構成部材６１０、６２０は、個別でも曲げ剛性を持つこととなる。
次に、図１２に示すとおり、これらの構成部材６１０、６２０を重ね合わせると同時に、ローラー３５０で矯正して真直ぐとしながら金型プレス２００で接着接合する。
接着接合方法は、実施例−１と同じであるが、加熱／加圧時間を長くする必要がある。
このようにして完成した梁材のフランジ部６０１、６０２には初期張力が加わっている。
ウエブの端部に配された圧縮材６０５、６０６には、フランジの初期張力に釣合う圧縮応力が加わっている。それぞれの内部応力がバランスして、完成した構造部材は真直ぐとなる。または、真直ぐとなるように構成部材６１０、６２０内部応力を調整する。
図１８で説明すると、初期張力がない場合、曲げモーメントが加わって１００ＭＰａ（１０．２Ｋｇ／ｍｍ２）の応力が発生すると、０．２％の伸び率が生じるので、弾性率は５０ＧＰａ（５，１００Ｋｇ／ｍｍ２）と計算されるが、１００ＭＰａ（１０．２Ｋｇ／ｍｍ２）の応力に相当する初期張力が加えられている場合は、１００ＭＰａ（１０．２Ｋｇ／ｍｍ２）の応力増加に対して伸び率の増し分は０．１％増のみなので、弾性率は１００ＧＰａ（１０，２００Ｋｇ／ｍｍ２）と計算され、倍増することが分かる。
このように、低い応力範囲で、高い曲げ剛性を示すこととなる。
初期張力を与える目的は、繊維群の揺らぎをなくして真直ぐにすることなので、
初期張力は必要最少現に止める。
この方法は、曲がった構造部材の曲げ剛性の改善にも適用できる。
【００１５】
［発明の実施例−４］
本発明の実施例−４として、航空機の後部胴体ストリンガーの製造方法を説明する。
図１３に示すとおり、航空機の胴体ストリンガー７００は、胴体外板が受ける引張力／圧縮力（特に圧縮力）を負担する役割を果たすので、フランジ７０１からウエブ７０２に力が流れる。従って、ストリンガー７００のフランジ７０１は剪断力、ウエブ７０２は引張力／圧縮力に耐える必要がある。
航空機の後部胴体は、尾端に向けて細くなって行くので、胴体外板を支持するストリンガーも曲率を持った構造材となり、曲率は装着部位によって異なる。
従来、金属製の後部胴体ストリンガーは、真直ぐなストリンガーを作り、装着部位に合わせて、２次の塑性変形加工で所要の曲率を与えたが、炭素繊維複合材料を使用した場合、前述のとおり、２次の塑性変形加工で所要の曲率で曲げることはできない。
そこで、この実施例−４で説明する方法は、ストリンガーごとに異なった曲率を製造時に与えて完成させておく方法である。航空機に使用される部材はすべてパーツ番号で識別されるので、パーツ番号ごとに異なった曲率の曲げを与えることとなり、曲率はストリンガーの部位で異なる。
ストリンガーの断面は、図１３に示すとおりＴ型であるが、これまでに説明してきた実施例と異なり、ウエブが引張力／圧縮力を負担するため、繊維の構成は根本的に異なり、図１４に示すとおりである。
ストリンガー８００は、４ｍｍ×６ｍｍの４角のロッド８０１を、一方向繊維で作っておいて５本を重ね、それらの両側に４５°方向の繊維で作ったアングル材８０２、８０３を配して、全体を曲げながら接着接合して製造する。必要に応じて底面材８０４を配しても良い。
接着接合は実施例−１と基本的には同じであるが、図１５−１、図１５−２に示すように、ガイドローラー９５０で与える曲率を、ＮＣ装置９６０でコントロールすることによって、作ろうとするストリンガーの曲率を途中から変えることを可能としていて、間歇的な連続接着の長所を活かしている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一定の曲率で湾曲させた構造部材を示す説明図
【図２】一定の曲率で湾曲させた構造部材の製造方法を示す説明図
【図３−１】フランジとウエブの繊維方向を示す説明図
【図３−２】ウエブを９０°の一方向繊維で構成した例を示す説明図
【図３−３】（ａ）はウエブを±４５°方向繊維の織布で構成した例、（ｂ）は実際の繊維構成の例を示す説明図
【図４】接着接合準備を示す説明図
【図５−１】連続接着の加熱、加圧工程の全体図（側面図）
【図５−２】連続接着の加熱、加圧工程を示す説明図
【図６−１】連続接着の加熱、加圧工程の全体図（平面図）
【図６−２】連続接着接合時の曲げ工程を示す説明図
【図６−３】あらかじめ曲げて作った構成部材の連続接着接合を示す説明図
【図７−１】本発明の実施例−２の帽子型断面の胴体フレームを示す説明図
【図７−２】繊維方向の構成と中立軸を示す説明図
【図８】帽子型断面の胴体フレームの接着接合を示す説明図
【図９】その他の適用例を示す説明図
【図１０】予張力を与えた梁材の構造を示す説明図
【図１１】構成部材に圧縮材を接合する工程を示す説明図
【図１２】構成部材の曲がりを真直ぐに強制しながら接着接合する工程を示す説明図
【図１３】後部胴体ストリンガーを示す説明図
【図１４】カーブしたストリンガーの構造概念図
【図１５−１】曲率を可変とする構造部材の製造装置を示す説明図
【図１５−２】曲率を可変とする構造部材の製造装置を示す説明図
【図１６】オートクレーブ装置を使った成形を示す説明図
【図１７】炭素繊維の“揺らぎ”の概念図
【図１８】繊維に“揺らぎ”がある場合の応力−歪線図
【図１９】繊維の“揺らぎ”度合いと挫屈荷重を示す説明図
【図２０−１】ＡＤＰ成形法を示す説明図
【図２０−２】ＡＤＰ成形法を示す説明図
【符号の説明】
【００１７】
１００ 曲率を有する構造部材
１１０ 構成部材
１１１ フランジ
１１２ ウエブ
１２０ 構成部材
１２１ フランジ
１２２ ウエブ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料を使った構造部材の連続製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭素繊維を主材とする複合材料を使った構造部材の代表的成形方法としてオートクレーブ装置を用いた成形法が挙げられる。
図１６に、オートクレーブ装置６００を用いた製法の概要を示すが、オートクレーブ成形法で使われる複合材料は、炭素繊維の布にエポキシ樹脂を含浸させた炭素繊維／エポキシ・プリプレグと称する材料である。
オートクレーブ装置の缶内６００に窒素ガスを充填し、窒素ガスの圧力と温度を上げてバキュームバッグ６１０内に密封された材料６５０を加圧、加熱して成形するので、２次曲面、３次曲面を持つ製品、複雑な形状を持つ高品質の構造部材６５０の成形が可能である。
しかし、大型のオートクレーブ装置６００と大型の成形金型（成形治具）６２０が必要であること、人員による、レイアップ、セットアップと称される成形工程が必要であること、１回の成形工程で限られた個数の製品しかできない製法であることなどの理由から、生産効率が悪くコストが高い。
【０００３】
［熱膨張の影響］
その上、材料によって異なる熱膨張率の影響を受けて、完成した構造部材を構成する炭素繊維Ｆ１にうねり（揺らぎ）が生じて、強度、弾性率が共に低下し、低い応力領域での曲げ剛性が低いという欠点を持っている。
主材料の炭素繊維Ｆ１そのものの熱膨張率はゼロ、あるいはマイナスであるのに対して、繊維を固めるエポキシ樹脂Ｐ１の熱膨張率は６５ＰＰＭと高い。
オートクレーブ製法では、窒素ガスからプリプレグ材料６５０への熱伝導を良くするため、金型（治具）６２０の材料として熱伝導の良いアルミニューム合金が使われる。
アルミニューム合金の熱膨張率は２３ＰＰＭと高いので、オートクレーブ缶内で加熱されると金型６２０は大きく熱膨張する。
室温２０℃から、加熱温度の１８０℃まで１６０℃昇温したとき、炭素繊維Ｆ１は伸びないが、プリプレグに含まれている樹脂Ｐ１は、繊維Ｆ１によって多少拘束されるものの、大きく熱膨張した状態で硬化を終える。
同様に、１６０℃の昇温に対して、金型６２０の熱膨張は、炭素繊維Ｆ１に拘束されないので０．３７％に達し、長さ２メートルの金型６２０の熱膨張は７．４ｍｍと大きな値となる。
炭素繊維Ｆ１は、加熱されている間、樹脂Ｐ１と金型６２０に引き伸ばされて真直ぐに伸びている。
加熱／加圧工程が終了して、冷却工程が始まると金型６２０及び硬化したエポキシ樹脂Ｐ１は収縮を始める。
この際、炭素繊維Ｆ１は熱収縮しない上、弾性率が高いので応力収縮もしないので、図１７の概念図に示すように、僅かながら波状の屈曲を繰り返した（揺らぎ）状態で工程を終える。
このようにして完成した構造部材に引張り荷重を加えると、図１８に示すとおり、繊維の屈曲がなくなるまで、低い弾性率を示す。
すなわち、初期の低応力領域では、応力／歪の関係が比例せずに図１８のＡ部のように曲線を示し、繊維が真直ぐになって初めて図１８のＢ部のように、材料が持っている弾性率を示す。
このように、低い応力領域では大きな変形（歪）を生じ、弾性率が低い。
反対に圧縮荷重を加えると、繊維の屈曲は、さらに大きくなって行くので、応力−歪線図は図１８のＣ部のように低い弾性率を示し、遂には挫屈してしまう。
樹脂で固められた繊維群が圧縮を受けた場合、図１９に示すとおり、繊維の初期の真直度によって圧縮弾性率や挫屈強度が変わる。
線ＬＡは繊維が真直ぐな場合、線ＬＢは僅かなうねりを持っていた場合、線ＬＣは大きなうねりを持っている場合である。
繊維が挫屈した後も、周囲の樹脂が繊維を支えるので、それなりの応力を発揮する。
複合材料学会では、これらの現象を「マイクロバックリング」と称して研究が続けられている。
揺らぎの問題を解決するための一つの手段として、アルミニューム合金の金型に替えてインバーと言う熱膨張率がゼロという特殊な金属材料で作った金型が使われることもあるが、材料が高価な上加工が難しく、熱伝導率はステンレス鋼程度と悪いので、昇温工程時間が長くなると言う欠点がある。
以上がオートクレーブ成形法に関する説明である。
【０００４】
その他の成形方法としてホットプレス成形法がある。
生産性が高く、パネル製品の製造には適しているものの、プレス型の制約、加圧方向の制約から、複雑な断面形状を持つ構造部材、長尺の構造部材の製造は困難である。
大型製品の場合、プレス型の面精度の確保が難しいため、精密な構造部材の製造は困難である。
ホットプレスのプレス型には、熱膨張率の低い鋼を使うことも出来るので、製品がプレス型の熱膨張の影響を受けることは少ないにせよ、樹脂の熱収縮の影響は避けられない。
これらの成形法に加えて、長尺物の成形方法として、複合材料を連続的に成形するプルトルージョン（引き抜き成形方＝Ｐｕｌｔｒｕｓｉｏｎ）と称する方法が知られている。
この方法は、長繊維を金型に通して引き抜きながら成形し、同時に含浸させた樹脂を短時間で硬化させて成形する方法で、生産性に優れている上、成形加工中、常に張力が加わっているので、繊維のうねりは少ないので、材料特性は優れているが、複雑な断面形状を持つ材料や高品質の構造部材を成形することはできない。
【０００５】
「ＡＤＰ成形法」
プルトルージョン成形法の発展型の成形方法で、本発明の出願人は、下記特許文献１において連続成形方法に関する特許を取得している。
特許文献１の成形方法（ＡＤＰ成形法）は、あらかじめ繊維群に樹脂を含浸させて半硬化させたプリプレグ材料を使用する。
図２０に示す通り、プリプレグ材料７０２はロール７０１に巻かれて供給され、必要枚数のプリプレグ材料７０２を重ね、成形金型７００に通して引き抜きながら間歇的に加圧、加熱を繰り返して含浸樹脂を硬化させ、除圧時に部材を僅かずつ移動させて製造する連続成形方法である。
プリプレグ材料７０２を加熱／加圧する装置７００は、一般的な小型の熱成形プレスと同じ構造で、材料を間歇的に加熱／加圧する。
図２０−１の中央の装置は、樹脂を完全に硬化させるための後熱（Ｐｏｓｔ−Ｃｕｒｅ）炉７２０で、材料が左から右に進行しながら樹脂が完全硬化する。
図２０−１の右端の装置は、除圧サイクルに合わせて間歇的に材料を移動させる装置７３０である。
フリクションを与えるための加圧シリンダー７３１が、送りシリンダー７３２によって移動を繰り返し、材料を移動させる。
図２０−２に、Ｔ型の構造部材を成形する金型の構造を示すが、加熱／加圧する装置７００の成形金型７５０は上下３つの部分７５１、７５２，７５３に分かれていて、成形する構造部材の断面形状を持ち、それぞれが加熱装置７４０を内蔵している。
金型の上部７５１、７５２が圧力シリンダー７６１、７６２によって上下して、材料を間歇的に加圧する。
加圧圧力は３Ｋｇ／ｃｍ２程度、加圧サイクルは、加圧３０秒、除圧２秒程度の繰り返しである。
除圧工程において、材料を３０ｍｍ程度ずつ移動させるので、移動速度は、毎時３．４ｍ程となる。
加熱温度は、含浸樹脂の熱硬化特性から決まるが、１２０℃〜１８０℃であり、硬化炉を通過して完全に硬化した構造部材は所要の長さに鋸で切断される。
以上がＡＤＰ成形法の説明である。
プルトルージョンに比べて、高品質で複雑な材料構成を持つ構造部材の成形が可能であり、成形加工の間中、僅かながらではあるが、繊維に張力が加わっているので“揺らぎ”が少ないので、部材としての材料特性に優れているが、材料を加熱／加圧する金型の形状、加圧方向の制約などから成形できる断面形状に限界があった。
航空機用の構造部材として、強い曲率をもつ構造部材、中空の構造部材、捩れを持つ構造部材が求められて来たが、このＡＤＰ成形方法では製造することが難しかった。
【０００６】
そこで、本発明の出願人は研究を続け、下記特許文献２から５において一定の曲率を有した複合材料部材の連続成形方法に関する特許を取得しているが、未だに断面形状や曲率の成形制約が多い。
以上の理由から、先端複合材料を使った構造部材は、軽量で高強度という特徴を持ちながら成形方法が未開発のため、それらの特徴が活かされていない。
【特許文献１】特許第１８８６５２２号
【特許文献２】特許第３４０２４８１号
【特許文献３】特許第１８８６５６０号
【特許文献４】特許第３０１２８４７号
【特許文献５】特許第３７４２０８２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、複合材料を使った高品質の構造部材の成形方法において、湾曲させた構造部材、中空の構造部材、長尺の構造部材、あるいは一定の捩り率で捩った構造部材の製造方法を確立することである。
さらに、成形時に生じる繊維の“揺らぎ”を最小限に抑え、低応力範囲における曲げ剛性の高い構造部材の製造方法を確立することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明では、課題を解決するための手段として、次の３つの基本的な手段を組み合わせて用いた。
基本的な手段Ｋ−１
作ろうとする構造部材を、あらかじめ２つ（あるいは複数）の構成部材に分割し、それらの構成部材を構成する「繊維方向の決定」（ｆｉｂｅｒ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）によって、個別では曲げることを可能とし、それぞれを曲げた状態、あるいは、曲げることが出来る状態で作って準備する。
これらの構成部材同士を重ね合わせて、次の基本的な手段Ｋ−２によって接着接合して、曲げ剛性の高い構造部材を製造する。
従って、これらの構成部材は、組み合わされて始めて構造部材としての強度特性を発揮するが、単独では構造部材としての強度を持っていない。
「繊維方向の決定」の詳細は、実施例−１、及び、それぞれの実施例で説明する。
基本的な手段Ｋ−２
接着接合は、接着フィルムを挟んで構成部材同士を重ね合わせ、加圧と除圧を周期的に連続的に繰り返し、除圧時に部材を接着金型の間を滑らせて、僅かずつ間歇的、連続的に移動させながら行うことを特徴としている。
連続的な接着方法を採ることによって、構造部材に与える曲率を途中から自由に変化させること、長尺の構造部材を製造すること、さらに、構造部材の接着に必須である加熱及び加圧を確実に行うことを可能としている。
適用できる材料は、複合材料同士、あるいは複合材料と金属の組合せがある。
具体的な方法を実施例−１で説明する。
基本的な手段Ｋ−３
複合材の成形時に生じる繊維の揺らぎをなくして、低応力領域における曲げ剛性の高い梁を作る手段として、構造部材となって応力を負担する繊維に初期張力を与えて真直ぐにする方法を採った。
すなわち、基本的な手段Ｋ−１によって構成部材を用意する際に、それらをあらかじめ、意図的に曲げて成形しておき、続く基本的な手段Ｋ−２による接着接合工程で、これらの構成部材同士を重ね合わせて真直ぐに、あるいは、所要の曲率に強制しながら接着することによって、構造部材となって応力を負担する繊維に初期張力を与える。
基本的な手段Ｋ−３、及び、この場合の繊維方向決定の詳細は、実施例−３で説明する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の基本的な手段Ｋ−１と基本的な手段Ｋ−２を組み合わせて適用することによって高品質の複合材料製で、一定の曲率で湾曲させた構造部材、中空の構造部材、途中から曲率を変えて湾曲させた構造部材、あるいは一定の捩り率で捩った構造部材の製造方法を確立することができた。
さらに、基本的な手段Ｋ−３を追加適用することによって、成形時に生じる繊維のうねりを最小限に抑え、曲げ弾性率の高い構造部材の製造方法を確立することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
［発明の実施例−１］
［一定の強い曲率で湾曲させた構造部材］
本発明の「基本的な手段Ｋ−１」と「基本的な手段Ｋ−２」を組み合わせて適用した実施例として、航空機の胴体フレームを作ることを目的とした一定の強い曲率で湾曲させた構造部材の製造方法について説明する。
図１にその概念図を示すが、構造部材は、高さ８０ｍｍ、曲げ半径２，５００ｍｍで、Ｈ型断面の構造部材１００である。
この場合、塑性変形を与えることによって所要の形状にするためには、上下のフランジに必要な永久変形の値はそれぞれ１．６％と計算される。
航空機に用いられる高強度アルミニューム合金材料は、引張り、圧縮の塑性変形が共に大きく、最大塑性歪率は１０％を悠に超えるので、Ｈ型の断面を持つ真っ直ぐな素材を押し出し加工で作っておいて、塑性変形による２次的な曲げ加工で所要の曲率を与えることができる。
しかし、炭素繊維複合材では、炭素繊維の塑性変形は皆無であるため、２次的な曲げ加工で１．６％という大きな歪率を与えることはできない。
無理に曲げて成形すると、引張り側の繊維は伸びないので、圧縮側の繊維に３．２％の変形が必要となるが、実際には繊維は縮まないので屈曲や皺ができることとなる。
屈曲した繊維や皺のある繊維は所要の引張り／圧縮に耐えないので、出来上がった部材は構造部材として使うことはできない。
【００１１】
構造部材１００は、梁材として下曲げモーメントＭを受けた時、上側のフランジ１０１には圧縮応力、下側のフランジ１０２には引張り応力、ウエブ１０３には剪断応力が発生する。
そこで、Ｈ型の断面を持つ構造部材１００を作るに当たり、発明の「基本的な手段Ｋ−１」を適用して、図２に示す通り、あらかじめ２種類のＴ型の構成部材１１０、１２０を作っておいて、「基本的な手段Ｋ−２」の連続接着によって接着接合して強度、剛性の高い構造部材を作る。
Ｔ型の構成部材１１０、１２０は、個別の状態では所要の曲率で曲げることができる繊維構成を持っているので、これらを曲げながら接着接合する。
繊維構成について図３−１を用いて以下に詳述する。
Ｔ型の構成部材１１０、１２０は、基本的には同一形状、同一構造であるが、構造部材１００が受ける荷重、形状要求などによっては、変えることとなる。
それぞれのフランジ１１１、１２１は、引張力／圧縮力（軸力）に対抗して高い弾性率と強度を持たせるために、図３−１（ｂ）に示すとおり、軸方向に対して０°一方向に引き揃えた繊維（Ｕｎｉ−Ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ Ｆｉｂｅｒ：ＵＤ繊維）を主体として構成する。
（さらに実際には、それらのＵＤ繊維が均一な応力を受けるように繊維間に剪断力を伝える±４５°方向の繊維を配することも必要となる。）
梁材の剪断力を受け持つウエブ部分１１２、１２２は高い剪断弾性率を持たせるため、±４５°方向の繊維で構成しておいて、フランジに剪断力を伝えるために、折り返して重ねる。
このようにして準備された構成部材１１０、１２０のウエブの部分に接着フィルムを挟んで重ね合わせ、後に詳述する方法で、曲げながら接着接合してＨ型断面の構造部材１００を作るが、以下に、曲げることができる理由を説明する。
図３−２に示すように、ウエブ３１３ａ、３２３ａを、仮に９０°の一方向繊維で構成すると、９０°方向の繊維は軸方向に抵抗を示さないので、出来た構成部材はフランジ中央に位置する中立軸を中心として、容易に曲げ得る特性を持つが、剪弾力による軸力の伝達ができない。そこで、ウエブを±４５°方向の繊維で構成することとした。±４５°方向の繊維でも伸縮が可能である。
曲率が強い場合は、図３−３（ａ）に示すとおり、ウエブ３１３ｂ、３２３ｂを＋４５°の一方向繊維と、−４５°の一方向繊維層で構成し、層間に９０°の一方向繊維を挿入することによって、ウエブ３１３ｂ、３２３ｂの端部の伸縮の自由度を増す方法を採る。実際の繊維構成の例を図３−３（ｂ）に示す。
ウエブの強度について検討すると、仮に、構造部材１００に１，０００Ｋｇの集中荷重が加わった場合、ウエブの高さは８０ｍｍなので、ウエブの中の“剪断流れ”（Ｓｈｅａｒ Ｆｌｏｗ）は、１２．５Ｋｇ／ｍｍと計算され、仮にウエブの厚さが４層で０．８ｍｍとすると、加わる応力は１５．６Ｋｇ／ｍｍ２となり、４５°の炭素繊維プリプレグが充分に耐える値である。
これらのＴ型の断面を持つ炭素繊維複合材料の構成部材１１０、１２０は前記の特許文献１に開示されたＡＤＰ製法によって製造されるが、通常のオートクレーブを使った製法、プルトルージョン製法で作っても良い。
以上が、本発明の「基本的な手段Ｋ−１」の適用である。
【００１２】
次に、本発明の「基本的な手段Ｋ−２」の適用について説明する。
図４に示すように、準備工程でＴ型の構成部材１１０と１２０が、それぞれ曲げた状態でウエブ同士の間に接着剤フィルム１０４を挟んで重ね合わされる。
フィルム状の接着剤１０４はエポキシ系の熱硬化性接着剤で、半硬化させた状態で所要の幅に切断され、セパレーターフィルム（Ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｆｉｌｍ）１０５を挟んでロール状に巻いて供給される。セパレーターフィルム１０５は接合前に巻き取られる。
図５−１、図５−２は、加熱、加圧工程を示している。
材料を加熱／加圧する装置２００が図５−１の左側に配されているが、一般的な小型の熱成形プレスと同じ構造で、材料を間歇的に加熱／加圧する。
図５−１の中央の装置は、接着剤を完全に硬化させるための後熱（Ｐｏｓｔ−Ｃｕｒｅ）炉２２０で、材料を左から右に進行させて接着剤を完全に硬化させる。
硬化時間の短い樹脂を選べば、後熱炉は不要となるが、硬化の信頼性から、意図的に長い硬化時間の樹脂が用いられる。
図５−１の右端の装置は、除圧サイクルに合わせて間歇的に材料を移動させる装置２３０である。
装置２３０はフリクションを与えるための加圧シリンダー２３１が、送りシリンダー２３２によって移動を繰り返し、材料を移動させる。
出来た構造部材は、所要の長さに鋸で切断される。
図５−２に示すとおり、加熱／加圧する装置２００の成形金型は上型２０１と下型２０２に分かれていて、それぞれが加熱装置を内蔵している。
下型２０２は、台２１０の上に固定されていて、上型２０１は、圧力シリンダー２１２によって上下して、材料を間歇的に加圧する。
加圧圧力は、３Ｋｇ／ｃｍ２程度で充分であり、加圧サイクルは、加圧３０秒、除圧２秒程度の繰り返しである。
除圧工程において、材料を３０ｍｍ程度移動させるので、移動速度は３２秒に３０ｍｍ（約３．４ｍ／時）となる。
加熱温度は、接着剤樹脂の熱硬化特性から決まるが、１２０℃〜１８０℃である。
３０％程度硬化していた接着剤の樹脂は、加熱／加圧金型の中で、一旦溶融した後硬化を始めるが、金型を出る時には、硬化が進んで安定した状態に達している。
以上の説明のとおり、一定の曲率で曲がったＨ型の構造部材１００を作るために、図６−１、図６−２に示すとおり、接着接合するに当たって、第１の構成部材１１０、及び第２の構成部材１２０をガイドローラー３５０を通過させて重ね合わせ、所要の曲率で曲げを与えながら、前記のホットプレス２００に導く。
あるいは、図６−３に示す通り、それぞれの構成部材１１０、１２０を曲げた状態で作っておいて、ホットプレス２００に導く方法もある。
以上が、本発明の「基本的な手段Ｋ−２」の適用説明である。
以上の説明の通り、曲げることが出来る構成部材１１０，１２０は、個別の状態では構造部材としての強度、剛性を持たないが、それらを組み合わせることによって、曲げ剛性の高い構造強度部材となる。
以上の方法は、信頼性の高い熱硬化性樹脂を使用した例を説明したが、熱可塑性樹脂を用いた構造部材の成形にも適用できる。
あらかじめ成形する複数の構成部材に熱可塑性樹脂のプリプレグ材料を使った場合、接合のための再加熱によって、双方の熱可塑性樹脂材料が部分的に溶融するので、接着剤を省くことが可能となるが、熱可塑性樹脂の硬度が低いので、繊維を固める力が弱く、構造部材の圧縮強度特性が充分発揮できない欠点もある。
【００１３】
［発明の実施例−２］
本発明の実施例−２として、図７−１に示すとおり、航空機の胴体フレームなどに適用される帽子型の断面形状（Ｈａｔ Ｓｅｃｔｉｏｎ）を持ち、一定の曲率で曲がっている炭素繊維複合材料製の梁材（Ｃｕｒｖｅｄ Ｂｅａｍ）４００の製造方法について説明する。
帽子型の断面を持つ構成部材４００を作るに当たり、本発明の「基本的な手段Ｋ−１」を適用して、溝型の構成部材４１０と、アングル状の断面を持つ構成部材４２０、４３０の３つの構成部材をあらかじめ曲げた状態で作っておいて、「基本的な手段Ｋ−２」によって接着接合して製造することを特徴としている。
それぞれの構成部材４１０、４２０、４３０は、ＡＤＰ製法によって製造され、長尺で曲がった状態で作られて、接着の準備がなされている。
帽子型の断面形状を持つ梁材４００に曲げモーメントが加わると、梁材４００のフランジを形成する辺４０１、４０４、４０５には引張り／圧縮応力が加わり、ウエブを構成する辺４０２、４０３には、剪断力が加わる。
そこで、溝型の構成部材４１０は、図７−１に示すとおり、帽子型梁材４００のフランジを形成する辺４１１は引張力／圧縮力に対抗して高い強度と弾性率を持たせるために０°のＵＤ繊維を主体として構成し、梁材のウエブを構成する辺４１２、４１３は、剪断力に対抗して高い剪断弾性率を持たせるため、＋４５°、−４５°方向のＵＤ繊維のみで構成している。
ウエブを構成する４５°方向繊維は、フランジ部の０°のＵＤ繊維に重ねる。
ウエブを構成する辺４１２、４１３を＋４５°、−４５°方向のＵＤ繊維のみで構成することにより、構成部材４１０の中立軸（Ｎｅｕｔｒａｌ Ａｘｉｓ）を０°方向の繊維で構成されたフランジ４１１の厚さの中央に位置させることができるので、プリプレグを積層した後で曲げを与えてもフランジに応力は発生しないので、皺のない状態で曲げながら作ることを可能としている。
同じ目的から、アングル型の構成部材４２０、４３０も、図７−１に示すとおり、梁材のフランジを形成する辺４２１、４３１は、０°のＵＤ繊維を主体として構成し、梁材のウエブを構成する辺４２２、４３２は、＋４５°、−４５°方向のＵＤ繊維のみで構成して中立軸をフランジ４２１、４３１の中央に位置させている。図７−２。
ウエブを構成する４５°方向繊維は、図７−２に示す通り、フランジ部の０°のＵＤ繊維に重ねる。
加熱、加圧による接着接合の方法は、本発明の「基本的な手段Ｋ−２」を適用する。
図８は、図７−１に示した断面構造を有し、一定の曲率を有する長尺の梁材を連続的に接着接合する手段を示す。
以上の説明の通り、基本的な手段Ｋ−１を適用して作られた構成部材４１０、４２０、４３０は、個別の状態では曲げることが出来る反面、構造部材としての強度を持たないが、それらを基本的な手段Ｋ−２によって接着接合することによって、高い曲げ剛性と強度を持つ構造部材とすることが出来る。
基本的な手段Ｋ−１と、基本的な手段Ｋ−２を組み合わせて適用した他の応用例として、図９（ａ）に示す中空断面の構造部材５１０や図９（ｂ）に示す一定の捩り率で捩った風車ブレードの構造部材５２０を作ることもできる。
【００１４】
［発明の実施例−３］
図１０に、本発明の実施例−３として、Ｈ型構造部材のフランジ部の繊維群に初期張力を与えて揺らぎをなくし、低い応力範囲における曲げ弾性率を改善した梁の例を説明する。
この実施例は、真直ぐな構造部材６００としているが、曲がった構造部材に適用することも可能である。
図１０に示すとおり繊維の基本的な構成は実施例−１と同じである。
初期張力は、うねっている炭素繊維を一直線に引き伸ばすだけの変位を与えれば良いので、必要な変位量は図１３から分かるように０．１％〜０．２％程度で充分である。
既に記した実施例と同じく、この構成部材６００の上側のフランジ６０１、及び、下側のフランジ６０２を構成する繊維は、軸に対して０°方向を持った繊維を主体とする。
ウエブ６０３を構成する繊維は、軸に対して＋４５°と−４５°方向のみとするが、力の伝達のため、折り返してフランジ部に重ねる。
この構成部材６００を２つのＴ型構成部材６１０、６２０で構成する。
Ｔ型の構成部材６１０、６２０のウエブ６１２、６２２の端部には、フランジ６１１、６２１に初期張力を与えるために、対応して圧縮される圧縮材６０５、６０６を配しておく。
すなわち、Ｔ型の構成部材６１０、６２０を作っておいて、図１１に示すとおり、曲げを与えながら圧縮材６０５、６０６を接着接合する。
圧縮材６０５、６０６は０°方向のＵＤ繊維の束を＋４５°と−４５°方向の繊維で包んだ構成となっている。
圧縮材６０５、６０６は、繊維束に替えてチタン合金などの金属ロッドとすることも良策である。
この断面形状と繊維構成を持つ材料を、ＡＤＰ製法であらかじめ製造しておくが、この際、図１１に示すとおり、所要の曲率で曲げを与えておくことが特徴である。
繊維群に初期張力を与えて揺らぎをなくすために、繊維を伸ばす量を０．２％とすると、構造部材６００の高さが８０ｍｍの場合、Ｔ型構成部材６１０、６２０を個別に作る際に与える曲率：曲げ半径は２０ｍと計算される。
この状態で構成部材６１０、６２０は、個別でも曲げ剛性を持つこととなる。
次に、図１２に示すとおり、これらの構成部材６１０、６２０を重ね合わせると同時に、ローラー３５０で矯正して真直ぐとしながら金型プレス２００で接着接合する。
接着接合方法は、実施例−１と同じであるが、加熱／加圧時間を長くする必要がある。
このようにして完成した梁材のフランジ部６０１、６０２には初期張力が加わっている。
ウエブの端部に配された圧縮材６０５、６０６には、フランジの初期張力に釣合う圧縮応力が加わっている。それぞれの内部応力がバランスして、完成した構造部材は真直ぐとなる。または、真直ぐとなるように構成部材６１０、６２０内部応力を調整する。
図１８で説明すると、初期張力がない場合、曲げモーメントが加わって１００ＭＰａ（１０．２Ｋｇ／ｍｍ２）の応力が発生すると、０．２％の伸び率が生じるので、弾性率は５０ＧＰａ（５，１００Ｋｇ／ｍｍ２）と計算されるが、１００ＭＰａ（１０．２Ｋｇ／ｍｍ２）の応力に相当する初期張力が加えられている場合は、１００ＭＰａ（１０．２Ｋｇ／ｍｍ２）の応力増加に対して伸び率の増し分は０．１％増のみなので、弾性率は１００ＧＰａ（１０，２００Ｋｇ／ｍｍ２）と計算され、倍増することが分かる。
このように、低い応力範囲で、高い曲げ剛性を示すこととなる。
初期張力を与える目的は、繊維群の揺らぎをなくして真直ぐにすることなので、
初期張力は必要最少現に止める。
この方法は、曲がった構造部材の曲げ剛性の改善にも適用できる。
【００１５】
［発明の実施例−４］
本発明の実施例−４として、航空機の後部胴体ストリンガーの製造方法を説明する。
図１３に示すとおり、航空機の胴体ストリンガー７００は、胴体外板が受ける引張力／圧縮力（特に圧縮力）を負担する役割を果たすので、フランジ７０１からウエブ７０２に力が流れる。従って、ストリンガー７００のフランジ７０１は剪断力、ウエブ７０２は引張力／圧縮力に耐える必要がある。
航空機の後部胴体は、尾端に向けて細くなって行くので、胴体外板を支持するストリンガーも曲率を持った構造材となり、曲率は装着部位によって異なる。
従来、金属製の後部胴体ストリンガーは、真直ぐなストリンガーを作り、装着部位に合わせて、２次の塑性変形加工で所要の曲率を与えたが、炭素繊維複合材料を使用した場合、前述のとおり、２次の塑性変形加工で所要の曲率で曲げることはできない。
そこで、この実施例−４で説明する方法は、ストリンガーごとに異なった曲率を製造時に与えて完成させておく方法である。航空機に使用される部材はすべてパーツ番号で識別されるので、パーツ番号ごとに異なった曲率の曲げを与えることとなり、曲率はストリンガーの部位で異なる。
ストリンガーの断面は、図１３に示すとおりＴ型であるが、これまでに説明してきた実施例と異なり、ウエブが引張力／圧縮力を負担するため、繊維の構成は根本的に異なり、図１４に示すとおりである。
ストリンガー８００は、４ｍｍ×６ｍｍの４角のロッド８０１を、一方向繊維で作っておいて５本を重ね、それらの両側に４５°方向の繊維で作ったアングル材８０２、８０３を配して、全体を曲げながら接着接合して製造する。必要に応じて底面材８０４を配しても良い。
接着接合は実施例−１と基本的には同じであるが、図１５−１、図１５−２に示すように、ガイドローラー９５０で与える曲率を、ＮＣ装置９６０でコントロールすることによって、作ろうとするストリンガーの曲率を途中から変えることを可能としていて、間歇的な連続接着の長所を活かしている。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】一定の曲率で湾曲させた構造部材を示す説明図
【図２】一定の曲率で湾曲させた構造部材の製造方法を示す説明図
【図３−１】フランジとウエブの繊維方向を示す説明図
【図３−２】ウエブを９０°の一方向繊維で構成した例を示す説明図
【図３−３】（ａ）はウエブを±４５°方向繊維の織布で構成した例、（ｂ）は実際の繊維構成の例を示す説明図
【図４】接着接合準備を示す説明図
【図５−１】連続接着の加熱、加圧工程の全体図（側面図）
【図５−２】連続接着の加熱、加圧工程を示す説明図
【図６−１】連続接着の加熱、加圧工程の全体図（平面図）
【図６−２】連続接着接合時の曲げ工程を示す説明図
【図６−３】あらかじめ曲げて作った構成部材の連続接着接合を示す説明図
【図７−１】本発明の実施例−２の帽子型断面の胴体フレームを示す説明図
【図７−２】繊維方向の構成と中立軸を示す説明図
【図８】帽子型断面の胴体フレームの接着接合を示す説明図
【図９】その他の適用例を示す説明図
【図１０】予張力を与えた梁材の構造を示す説明図
【図１１】構成部材に圧縮材を接合する工程を示す説明図
【図１２】構成部材の曲がりを真直ぐに強制しながら接着接合する工程を示す説明図
【図１３】後部胴体ストリンガーを示す説明図
【図１４】カーブしたストリンガーの構造概念図
【図１５−１】曲率を可変とする構造部材の製造装置を示す説明図
【図１５−２】曲率を可変とする構造部材の製造装置を示す説明図
【図１６】オートクレーブ装置を使った成形を示す説明図
【図１７】炭素繊維の“揺らぎ”の概念図
【図１８】繊維に“揺らぎ”がある場合の応力−歪線図
【図１９】繊維の“揺らぎ”度合いと挫屈荷重を示す説明図
【図２０−１】ＡＤＰ成形法を示す説明図
【図２０−２】ＡＤＰ成形法を示す説明図
【符号の説明】
【００１７】
１００ 曲率を有する構造部材
１１０ 構成部材
１１１ フランジ
１１２ ウエブ
１２０ 構成部材
１２１ フランジ
１２２ ウエブ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維を主材とする複合材料を使用する長尺の構造部材の製造方法であって、
複合材料を構成する炭素繊維の方向を選択することによって、軸線に沿って曲率を有する複数の構成部材を成形する工程と、
複数の構成部材を重ね合わせて接着接合することによって所定の曲率を有する構造部材を製造する工程を備え、
接着接合は、間欠的な加圧、加熱を繰り返し、除圧時に部材を一定距離だけ移動させることを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項２】
炭素繊維を主材とする複合材料を使用する長尺の構造部材の製造方法であって、
複合材料を構成する炭素繊維の方向を選択することによって、軸線に沿って曲率を有する複数の構成部材を成形する工程と、
複数の構成部材を重ね合わせて接着接合することによって所定の曲率を有する構造部材を製造する工程を備え、
曲率を有する構成部材を重ね合わせて接着接合する際に、構成部材を強制的に矯正することによって構成部材の応力負担繊維に初期張力を与えて、繊維の波状屈曲を少なくして、低応力領域の変形を低減することを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項３】
構造部材の連続製造方法であって、炭素繊維を主材とする構成部材を用意する工程と、
炭素繊維を主軸とする構成部材に金属材料を組み合わせて連続的に接着接合する工程を備える構造部材の連続製造方法。
【請求項４】
平行する方向に配設される帯状のフランジと、フランジを連結するウェブを備える炭素繊維を主材とする複合材料を使用する構造部材の連続製造方法であって、
フランジは、主として炭素繊維がフランジの長手方向に平行に配設され、ウェブは炭素繊維がフランジの長手方向に対して角度を有して配設される複数の構成部材を用意する工程と、
構成部材のウェブを連続的に接着接合する工程を備えることを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項５】
平行する方向に配設される帯状のフランジと、フランジを連結するウェブを備える炭素繊維を主材とする複合材料を使用する構造部材の連続製造方法であって、
フランジは、主として炭素繊維がフランジの長手方向に平行に配設され、ウェブは炭素繊維がフランジの長手方向に対して角度を有して配設される複数の構成部材を用意する工程と、
構成部材のウェブを連続的に接着接合する工程を備え、
複数の構成部材に予張力を与えつつ連続的に接着接合することを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項６】
構造部材は断面がＨ字形の部材である請求項４又は５記載の構造部材の連続製造方法。
【請求項７】
構造部材は断面が帽子形の部材である請求項４又は５記載の構造部材の連続製造方法。
【請求項１】
炭素繊維を主材とする複合材料を使用する長尺の構造部材の製造方法であって、
複合材料を構成する炭素繊維の方向を選択することによって、軸線に沿って曲率を有する複数の構成部材を成形する工程と、
複数の構成部材を重ね合わせて接着接合することによって所定の曲率を有する構造部材を製造する工程を備え、
接着接合は、間欠的な加圧、加熱を繰り返し、除圧時に部材を一定距離だけ移動させることを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項２】
炭素繊維を主材とする複合材料を使用する長尺の構造部材の製造方法であって、
複合材料を構成する炭素繊維の方向を選択することによって、軸線に沿って曲率を有する複数の構成部材を成形する工程と、
複数の構成部材を重ね合わせて接着接合することによって所定の曲率を有する構造部材を製造する工程を備え、
曲率を有する構成部材を重ね合わせて接着接合する際に、構成部材を強制的に矯正することによって構成部材の応力負担繊維に初期張力を与えて、繊維の波状屈曲を少なくして、低応力領域の変形を低減することを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項３】
構造部材の連続製造方法であって、炭素繊維を主材とする構成部材を用意する工程と、
炭素繊維を主軸とする構成部材に金属材料を組み合わせて連続的に接着接合する工程を備える構造部材の連続製造方法。
【請求項４】
平行する方向に配設される帯状のフランジと、フランジを連結するウェブを備える炭素繊維を主材とする複合材料を使用する構造部材の連続製造方法であって、
フランジは、主として炭素繊維がフランジの長手方向に平行に配設され、ウェブは炭素繊維がフランジの長手方向に対して角度を有して配設される複数の構成部材を用意する工程と、
構成部材のウェブを連続的に接着接合する工程を備えることを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項５】
平行する方向に配設される帯状のフランジと、フランジを連結するウェブを備える炭素繊維を主材とする複合材料を使用する構造部材の連続製造方法であって、
フランジは、主として炭素繊維がフランジの長手方向に平行に配設され、ウェブは炭素繊維がフランジの長手方向に対して角度を有して配設される複数の構成部材を用意する工程と、
構成部材のウェブを連続的に接着接合する工程を備え、
複数の構成部材に予張力を与えつつ連続的に接着接合することを特徴とする構造部材の連続製造方法。
【請求項６】
構造部材は断面がＨ字形の部材である請求項４又は５記載の構造部材の連続製造方法。
【請求項７】
構造部材は断面が帽子形の部材である請求項４又は５記載の構造部材の連続製造方法。
【図１】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５−１】
【図１５−２】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０−１】
【図２０−２】
【図２】
【図３−１】
【図３−２】
【図３−３】
【図４】
【図５−１】
【図５−２】
【図６−１】
【図６−２】
【図６−３】
【図７−１】
【図７−２】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５−１】
【図１５−２】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０−１】
【図２０−２】
【公開番号】特開２００８−１１０５３９（Ｐ２００８−１１０５３９Ａ）
【公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−２９５２１９（Ｐ２００６−２９５２１９）
【出願日】平成１８年１０月３１日（２００６．１０．３１）
【出願人】（０００１３２０１３）株式会社ジャムコ (53)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１０月３１日（２００６．１０．３１）
【出願人】（０００１３２０１３）株式会社ジャムコ (53)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]