複合材を用いた構造部材の成形方法及び複合材料を用いた構造部材
【課題】他部材との接合面に凹凸面を形成する場合であっても、背中合わせの接合時にしわ発生の原因となる隙間を形成することがない複合材を用いた構造部材の成形方法を提供すること。
【解決手段】シート状複合材料３１を積層してなる平板状のプリプレグ３０からコ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法において、複合材料３０が、シート状複合材料３１を最小厚さｔ１に積層して平板状のベース素材３２を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面の凸部となる位置に限定してベース素材３２にシート状複合材料３１を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層される。
【解決手段】シート状複合材料３１を積層してなる平板状のプリプレグ３０からコ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法において、複合材料３０が、シート状複合材料３１を最小厚さｔ１に積層して平板状のベース素材３２を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面の凸部となる位置に限定してベース素材３２にシート状複合材料３１を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば航空機の主翼に使用される骨格部材のように、フランジ面に凹凸がある複合材を用いた構造部材の成形方法及び複合材を用いた構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複合材料の特性である強度−重量比及び剛性比が高いという理由から、軽量化を必要とされる構造物及び構造部材に複合材料の採用が増加している。このような複合材料としては、たとえば炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）などが知られている。しかし、複合材料は、一般的に製造時における作業工程が多くなる傾向があるため製造コストや品質管理の問題を有しており、特に、複雑な形状や大規模な部品ほどこの問題は顕著になる。
ところで、航空機等の骨格構造部材にはＨ型断面、Ｔ型断面及びＬ型断面等を有するものがあるが、強度は従来の鋼材部材と同等であり、かつ軽量化の要求から、このような各構造部材も複合材料を用いて製造されつつある。特に航空機では、このような長尺の構造部材がストリンガと称されている。このようなストリンガを製作する場合、最初にコ字型断面形状のチャンネル材またはＬ字型断面形状のアングル材を２個製作した後、両チャンネル材または両アングル材を背中合わせに組み付けてＨ型断面形状またはＴ型断面形状の長尺棒状部材（複合材を用いた構造部材）とする工法がある。
【０００３】
上述したコ字型断面形状のチャンネル材（以下、「Ｃチャンネル」と呼ぶ）を成形する従来技術として、ホット・ドレープ成形法と呼ばれる工法が知られている。
この成形法においては、たとえば図７（ａ）に示すように、ホット・ドレープ槽１内のブラダ２上に、所望の厚さとしたプリプレグ（複合材プリプレグシートの積層体）３び角柱形状としたマンドレル（成形型）４を配置し、所定位置に位置決めしてからブラダ２の下に設けられたヒータ（不図示）を所定温度に加熱する。この加熱により、プリプレグ３が所望の温度まで昇温して軟化するので、この加熱状態を所定時間保持した後、ホット・ドレープ槽１内を密閉空間５にして真空圧まで減圧する。
この減圧により、図７（ｂ）に示すように、大気圧に連通するブラダ２の内部は真空の密閉空間５内より相対的に高圧となり、従って、膨張したブラダ２がプリプレグ３をマンドレル４に向けて押圧する。この結果、プリプレグ３はマンドレル４に沿って略コ字状の断面形状に変形するので、室温状態のマンドレル４に所定時間押し付けられることで硬化したＣチャンネルが成形される。（たとえば、特許文献１参照）
【０００４】
また、板状の熱可塑性複合材平板の表面を超塑性シートで覆った後、加熱状態で平板の両端から張り出している超塑性シートをクランプにより挟持して曲げ方向の加えることにより、平板を成形治具に沿って成形する技術が開示されている。（たとえば、特許文献２参照）
また、無端状としたプリプレグを一対の棒状賦型で両側に引っ張りながら成形型に押し付けて中間形状に形成した後、棒状賦型を引き抜いて略Ｌ状断面等の所定形状に形成する繊維強化複合材の成形方法が開示されている。（たとえば、特許文献３参照）
【特許文献１】特表平１０−５０７６９７号公報
【特許文献２】特開平０５−４２５９０号公報
【特許文献３】特開２０００−５２４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した複合材を用いた構造部材（以下、「構造部材」と呼ぶ）Ｃは、たとえば航行機の主翼を構成する骨格部材として使用する場合、図８に示すように、強度部位の板厚を部分的に増して内面に凹凸が形成された複合材料製板材（スキン）６の内面に接するフランジ面が必要となる。なお、航空機主翼の強度部位には、たとえばエンジン取付部や車輪取付部等がある。
このため、構造部材Ｃの構成部品となるＣチャンネル１０（図１０参照）の成形に使用するプリプレグ（複合材料）３は、たとえば図９に示すように、同一幅としたプリプレグシート３ａの積層数を長手方向に変化させたものとなる。すなわち、複合材料のプリプレグシート積層数は、長手方向と直交する断面において、Ｃチャンネル１０のフランジ面１１及びウェブ面１２が同一となる。
【０００６】
この結果、図１０に示すように、成形されたＣチャンネル１０は、フランジ面１１の長手方向に積層数に応じた所望の凹凸が形成されるだけでなく、ウェブ面１２についても同様の凹凸が形成される。
従って、Ｃチャンネル１０のウェブ面１２どうしを背中合わせに接合してＨ型断面形状の構造部材Ｃとする工程では、たとえば図１１に示すように、積層数が少ない凹部のウェブ面１２，１２間に隙間１３が形成される。このため、接合時の押圧力が隙間１３を埋めるように作用し、ウェブ１２を形成するプリプレグシート３ａの層間にしわ（波形変形）を発生させるという問題が指摘されている。このようなしわの発生は、加工時の圧縮応力を低下させるとともに成形品の強度低下をまねく原因となるため好ましくない。
また、一対のアングル材を背中合わせに組み付けてＴ型断面形状の構造部材とする場合においても、Ｈ型断面形状の構造部材Ｃと同様にしわ発生の問題が指摘されている。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、他部材との接合面に凹凸面を形成する場合であっても、背中合わせの接合時にしわ発生の原因となる隙間を形成することがない複合材を用いた構造部材の成形方法及び複合材を用いた構造部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とするものである。
【０００９】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、複合材料が、シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面の凸部となる位置に限定してベース素材にシート状複合材料を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されるので、ベース素材積層工程で得られた平板状のベース素材により平坦なウェブ面を形成することができ、従って、背中合わせの接合による隙間の形成が防止される。
【００１０】
本発明の請求項２は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層するとともに、前記ウェブ面となる位置に最大厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とするものである。
【００１１】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、複合材料が、シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面の凸部となる位置に限定してベース素材にシート状複合材料を所望の厚さまで積層するとともに、ウェブ面となる位置に最大厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されるので、ウェブ面となる位置が最大厚さまで積層されて平坦なウェブ面を形成することができ、従って、背中合わせの接合による隙間の形成が防止される。
【００１２】
請求項１または２に記載の発明において、前記凸部積層工程で形成された凹部に、成形時のみ前記複合材料全体の板厚を均一にする当て材を配設することが好ましく、これにより、成形時の曲げ加工力を均等化することができる。なお、この当て材は、曲げ加工による成形が終了した後除去される。
【００１３】
本発明の請求項４は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚とする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、フランジ面の凹部となる位置に当て材を配設した状態でシート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、複合材料をコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、複合材料を成形した後、フランジ面から当て材を除去して凹部を所望の板厚とする凹部形成工程とを備えているので、複合材料全体を同一厚さの状態にして成形することが可能になり、曲げ加工力を均等化して成形することができる。また、成形工程の終了後には、フランジ面から当て材を除去することにより、フランジ面に所望の凹凸が形成される。
【００１５】
本発明の請求項５は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置及び前記ウェブ面となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚にするとともに、前記ウェブ面から前記当て材を除去して最小厚さとする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、フランジ面の凹部となる位置及びウェブ面となる位置に当て材を配設した状態でシート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、複合材料をコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、複合材料を成形した後、フランジ面から当て材を除去して凹部を所望の板厚にするとともに、ウェブ面から当て材を除去して最小厚さとする凹部形成工程とを備えているので、複合材料全体を同一厚さの状態にして成形することが可能になり、曲げ加工力を均等化して成形することができる。また、成形工程の終了後には、当て材を除去したフランジ面には所望の凹凸が形成され、かつ、当て材を除去したウェブ面は最小厚さとなる。
【００１７】
本発明の複合材を用いた構造部材は、請求項１から５のいずれかに記載の複合材を用いた構造部材の成形方法により成形したことを特徴とするものである。
【００１８】
このような複合材を用いた構造部材によれば、請求項１から５のいずれかに記載の複合材を用いた構造部材の成形方法により成形したので、平坦なウェブ面が形成されたものとなる。従って、背中合わせの接合による隙間の形成を防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明によれば、コ字状またはＬ字状等の断面形状を背中合わせにして接着され、他部材との接合面となるフランジ面に板厚変化に対応するための凹凸が形成されている複合材を用いた構造部材の製造時において、最小厚さまたは最大厚さに積層された平坦な面どうしを背中合わせに接合して押圧力により接着させるため、接合面間に隙間が形成されることはない。また、凸部積層工程で形成された凹部に当て材を配設したり、あるいは、当て材を用いて同一厚さとした複合材料を成形することにより、成形時のみ複合材料全体の板厚が見かけ上均一になるので、コ字状またはＬ字状等の断面形状の成形時に曲げ加工力が均等化してしわを発生しにくくなる。
従って、接合面及び近傍の複合材料は、接合面を接着させる押圧力を受けてもしわを発生することがなくなるので、歩留まりが向上して良好な品質の複合材を用いた構造部材を安定して製造することができる。また、しわに起因する圧縮応力の低下も防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る複合材料構造部材の成形方法及び複合材を用いた構造部材の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は、複合材を用いた構造部材（以下、「構造部材」と呼ぶ）Ｃの使用例として、航空機における主翼の一部を構成するウイングボックスの構成例を示す斜視図である。このウイングボックス２０は、多数のＨ型ストリンガ２１及びリブ材２２を井桁状に組み合わせて骨格を形成し、その外側をスキン２３及びスパー２４で覆った中空の構造体である。以下の説明では、構造部材Ｃの一例として、Ｈ型ストリンガ２１について説明する。
【００２１】
Ｈ型ストリンガ２１は、図２に示すように、主翼の翼長（長手）方向に延びるＨ型断面形状の複合材を用いた構造部材であり、たとえば炭素繊維にエポキシ樹脂等の高分子材料を組み合わせた炭素繊維複合材が採用される。このＨ型ストリンガ２１は、板状の複合材料（プリプレグ）を成形してなる一対のＣチャンネル１０Ａを背中合わせに接合して製造される。なお、図中の符号１１はＣチャンネル１０Ａのフランジ面、１２はウェブ面である。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
この実施形態において、Ｃチャンネル１０Ａの成形には、図１に示すプリプレグ（複合材料）３０が使用される。このプリプレグ３０は、シート状複合材料３１を積層した平板状の複合材料であり、以下に説明する工程で積層される。
最初のベース素材積層工程では、シート状複合材料３１を最小厚さｔ１とするのに必要な枚数を積層して平板状のベース素材３２を得る。この工程で積層するシート状複合材料３１は、プリプレグ３０の全面をカバーする同形状とされる。
次の凸部積層工程では、Ｃチャンネル１０Ａの成形後にフランジ面１１の凸部（パッドアップ部）となる肉厚位置３３に限定して、ベース素材３２に必要枚数のシート状複合材料３１を所望の厚さまで追加して積層する。この結果、シート状複合材料３１の厚さは、肉厚位置３３において所望の最大厚さｔ２まで増加する。
【００２３】
上述した積層工程を経て製造されたプリプレグ３０は、ベース素材３２が、強度上必要となる最小厚さｔ１を確保するとともに、成形後にＣチャンネル１０Ａのウェブ面１２となる位置に凹凸のない平坦面を形成している。そして、成形後にＣチャンネル１０Ａのフランジ面１１において凸部となる位置には、積層数（肉厚）を増した肉厚位置３３が形成されている。
このような肉厚部３３は、たとえば航空機の主翼において、構造部材Ｃを取り付ける位置のスキン２３と整合をとるため、すなわち、必要強度に応じてスキン２３の内面に形成される凹凸（積層数差）に合わせてフランジ面１１に設けられるものであるから、必要強度を確保したウェブの板厚ｔ１との関連性はない。
【００２４】
このため、上述したプリプレグ３０を使用して成形したＣチャンネル１０Ａは、ウェブ面１２が積層数変化による凹凸のない平坦面となり、積層数変化のあるフランジ面１１には、最小厚さｔ１の凹部及び最大厚さｔ２の凸部による凹凸が形成される。従って、Ｃチャンネル１０Ａを背中合わせに接合して構造部材Ｃを製造する場合、ウェブ面１２が互いに平坦面となるため接合部に隙間を形成することはない。
すなわち、背中合わせに接合して貼り合わせるウェブ面１２は、シート状複合材料３１の積層数に差がない同一積層数のベース素材３２であるから、接合面間に積層数差に起因した隙間が形成されることはない。従って、Ｃチャンネル１０Ａを接合する際には、隙間を埋めるようにして無理な力が作用することはなくなるので、しわの発生を防止することができる。
【００２５】
このように、上述した構造部材Ｃの成形方法では、複合材料３０が、シート状複合材料３１を最小厚さｔ１に積層して平板状のベース素材３２を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面１１の凸部となる位置に限定してベース素材３２にシート状複合材料３１を所望の厚さｔ２まで積層する凸部積層工程を実施して積層されるので、ベース素材積層工程で得られた平板状のベース素材３２により平坦なウェブ面１２を形成し、背中合わせの接合による隙間の形成を防止することができる。
従って、上述した成形方法を用いて製造された構造部材Ｃは、しわのない良好な品質の部材となる。
【００２６】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図４及び図５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、Ｃチャンネル１０Ｂの成形には、図４に示すプリプレグ（複合材料）４０が使用される。このプリプレグ４０は、シート状複合材料４１を積層した平板状の複合材料であり、以下に説明する工程で積層される。
最初のベース素材積層工程では、シート状複合材料４１を最小厚さｔ１とするのに必要な枚数を積層して平板状のベース素材４２を得る。この工程で積層するシート状複合材料４１は、プリプレグ４０の全面をカバーする同形状とされる。
次の凸部積層工程では、Ｃチャンネル１０Ｂの成形後にフランジ面１１の凸部（パッドアップ部）となる肉厚位置４３及びウェブ面１２となる位置に限定して、ベース素材４２に必要枚数のシート状複合材料４１を所望の厚さまで追加して積層する。この結果、シート状複合材料４１の厚さは、肉厚位置４３において所望の最大厚さｔ２まで増加する。
【００２７】
このような成形方法としても、成形されたＣチャンネル１０Ｂの接合面となるウェブ面１２は積層数変化のない平坦面になるので、背中合わせの接合による隙間の形成が防止される。すなわち、この実施形態では、積層数を増すためのシート状複合材料４１がウェブ面１２となる位置にも積層されているので、最小厚さｔ１の積層数で平坦面とした第１の実施形態とは異なり、積層数が最大厚さｔ２に一致した平坦面となる。
このため、上述したプリプレグ４０を使用して成形したＣチャンネル１０Ｂは、ウェブ面１２が積層数変化による凹凸のない平坦面となり、積層数変化のあるフランジ面１１には、最小厚さｔ１の凹部及び最大厚さｔ２の凸部による凹凸が形成される。従って、Ｃチャンネル１０Ｂを背中合わせに接合して構造部材Ｃを製造する場合、ウェブ面１２が互いに平坦面となるため接合部に隙間を形成することはないので、隙間を埋めるようにして無理な力が作用することはなく、しわの発生を防止することができる。
【００２８】
＜第３の実施形態＞
続いて、本発明の第３の実施形態を図６に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、Ｃチャンネル１０Ａ，１０Ｂの成形には、図６（ａ），（ｂ）に示すプリプレグ（複合材料）３０Ａ，４０Ａが使用される。
【００２９】
図６（ａ）に示す実施形態のプリプレグ４０Ａは、以下に説明する成形方法に採用されるものである。
すなわち、この実施形態における複合材を用いた構造部材の成形方法は、フランジ面１１の凹部となる位置に当て材５０を配設した状態でシート状複合材料４１を肉厚部４３と同様の最大厚さｔ２に積層し、全体を同一厚さｔ２とした平板状のプリプレグ４０Ａを得る積層工程と、プリプレグ４０Ａをコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、プリプレグ４０Ａを成形した後、フランジ面１１から当て材５０を除去して凹部を所望の板厚（たとえば最小板厚ｔ１）にする凹部形成工程とを備えている。
【００３０】
当て材５０は、成形工程完了後に容易に除去できるようにするため、たとえば凹部となる位置のシート状複合材料４１を、たとえば肉厚部４３等の他の部分から予め切断するなどして分離させた状態のものを最大厚さｔ２まで積層したものでもよいし、あるいは、予め用意した凹部高さに相当する積層体等の部材を採用して当て材５０とし、積層作業の適当な時点（たとえば、最小厚さｔ１まで積層した時点）で凹部となる位置に配設するとともに、周囲の肉厚部４３となる部分にシート状複合材料４１を積層してもよい。
なお、当て材５０については、たとえば、マンドレル４と同じ材料等のように、複合材料以外の材料を採用してもよい。
【００３１】
このとき、たとえば当て材５０がプリプレグ４０Ａのような複合材料である場合には、成形工程の曲げ加工を実施すると樹脂分の接着作用により互いに接着される。そこで、この接着対策として、当て材５０の下面とフランジ面１１となるベース素材４２の表面との間にビニールシート等の中間材を挿入することにより、接着力の低減により当て材５０の除去作業を容易にすることが好ましい。
すなわち、フランジ面１１の凹部となる位置にも、シート状複合材料４１または類似の複合材料等を積層して得られる当て材５０を配設し、あるいは、当て材５０となる積層体等の部材を配設して、プリプレグ４０Ａの全体を同一厚さｔ２の状態にしてから成形工程を実施するので、曲げ加工力を均等化して成形することができる。
また、成形工程が終了した後には、フランジ面１１から当て材５０を除去することにより、フランジ面１１には所望の凹凸が形成される。
【００３２】
また、図６（ｂ）に示すプリプレグ３０Ａは、図６（ａ）に示す実施形態の第１変形例であり、この場合の積層工程では、フランジ面１１の凹部となる位置及びウェブ面１２となる位置に当て材５０を配設した状態にしてシート状複合材料３１を最大厚さｔ２まで積層し、全体を同一厚さｔ２とした平板状のプリプレグ３０Ａを得る。すなわち、上述した図６（ａ）ではウェブ面１２の板厚が最大厚さｔ２となるのに対し、この第１変形例の成形方法では、たとえばウェブ面１２の板厚を凹部と同じ最小厚さｔ１とするため、凹部と同様の厚さにした当て材５０が使用されている。
【００３３】
この場合の当て材５０は、複合材料をコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程が終了した後、凹部形成工程で除去される。そして、当て材５０を除去したフランジ面１１には所望の板厚（たとえば最小板厚ｔ１）の凹部が形成され、かつ、当て材５０を除去したウェブ面１２は最小厚さｔ１の平坦面となる。
従って、プリプレグ３０Ａの全体を同一厚さｔ２の状態にして成形工程を実施可能となるので、曲げ加工力を均等化して成形することができる。
【００３４】
また、上述した当て材５０は、上述した第１及び第２の実施形態に示したプリプレグ３０、４０をコ字型断面形状に曲げ加工し、Ｃチャンネル１０Ａ、１０Ｂを成形する際に適用されるしわ低減対策としても有効である。以下、このしわ低減対策について、図６を参照して説明する。なお、このしわ防止対策は、シート状複合材料３１，４１の積層完了後にプリプレグ３０，４０に形成された凹部に対し、後から当て材５０を配設して同一厚さとした複合材料を成形するものであり、従って、当て材５０を配設した状態で同一厚さに形成されたプリプレグ３０Ａ，４０Ａとは異なるものである。
【００３５】
このしわ低減対策では、凸部積層工程で形成された凹部に対して、すなわち、板厚がｔ２より薄い領域に対して、成形時のみプリプレグ３０，４０の板厚を全体にわたって均一にする当て材５０が配設されている。この当て材５０は、曲げ加工時における見かけ上の板厚が肉厚部３３，４３と同一のｔ２となるように、ベース素材３２，４２上に重ねて添えられた部材であり、たとえばプリプレグ３０，４０と同じ複合材料製としてもよいし、あるいは、複合材料以外（たとえば、マンドレル４と同じ材料）の材料製としてもよい。なお、この当て材５０は、曲げ加工による成形が終了した後に除去される。
【００３６】
このような当て材５０を用いて板厚が均一化された状態で成形すると、成形時の曲げ加工力を均等化することができる。このため、プリプレグ３０，４０をコ字状またはＬ字状等の断面形状に成形する際には、プリプレグ３０，４０の成形部全体に均等な曲げ加工力が作用するので、しわが発生しにくくなる。
なお、当て材５０が複合材料製の場合には、曲げ加工により複合材料どうしが樹脂分の接着作用で接着されるので、当て材５０の下面とベース素材３２，４２の表面との間にビニールシート等の中間材を挿入することで、成形完了後に当て材５０を除去する作業が容易になる。
【００３７】
ところで、上述した両実施形態においては、コ字状断面のＣチャンネル１０Ａ，１０Ｂを背中合わせに接合して接着したＨ型断面の複合材を用いた構造部材Ｃに関する成形方法を説明したが、本発明は、たとえばＬ字状断面のアングル材を背中合わせに接着したＴ字型断面形状の複合材を用いた構造部材等にも適用可能である。
また、上述した実施形態では、積層数が２種類の例を示したが、３種類またはそれ以上の場合に適用することも可能である。
【００３８】
従って、上述した本発明によれば、コ字状またはＬ字状等の断面形状を背中合わせにして接着され、他部材との接合面となるフランジ面１１に板厚変化に対応するための凹凸を積層数変化により形成されている複合材を用いた構造部材の製造時において、たとえば最小厚さｔ１または最大厚さｔ２に積層された平坦な面どうしを背中合わせに接合して押圧力により接着させるため、接合面間に隙間が形成されることはない。このため、接合面及び近傍の複合材料は、接合面を接着させる押圧力を受けてもしわを発生することがなくなるので、歩留まりが向上して良好な品質の複合材を用いた構造部材を安定して製造することができる。また、当て材５０の採用により、Ｃチャンネル１０Ａ，１０Ｂ等の成形時にもしわを生じにくくなるので、これによっても、歩留まりが向上して良好な品質の複合材を用いた構造部材を安定して製造できるようになる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、たとえば航空機、船舶、車両及び風車等のように、軽量構造が要求される炭素繊維複合材料等の複合材を用いた構造部材に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る複合材を用いた構造部材の成形方法について、第１の実施形態を示す複合材料の積層状態を示す斜視図である。
【図２】図１の複合材料により成形したＣチャンネルを接合して製造される複合材を用いた構造部材を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図３】航空機の主翼を構成するウイングボックスの構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る複合材を用いた構造部材の成形方法について、第２の実施形態を示す複合材料の積層状態を示す斜視図である。
【図５】図４の複合材料により成形したＣチャンネルを接合して製造される複合材を用いた構造部材を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図６】本発明に係る複合材を用いた構造部材の成形方法について、当て材を用いて曲げ加工する複合材料の状態を示す斜視図であり、（ａ）は第３の実施形態及びしわ低減対策を図４に示す第２の実施形態へ適用した例、（ｂ）は第３の実施形態の第１変形例及び図１に示す第１の実施形態へ適用した例である。
【図７】Ｃチャンネルを成形するホット・ドレープ成形法を示す図で、（ａ）は成形準備前の状態を示し、（ｂ）は成形時の状態を示している。
【図８】航空機の主翼構造を示す要部断面図である。
【図９】複合材を用いた構造部材の成形方法について、従来技術を示す複合材料の積層状態を示す斜視図である。
【図１０】図９の複合材料により成形したＣチャンネルを示す斜視図である。
【図１１】図９の複合材料により成形した図１０のＣチャンネルを接合して製造される複合材を用いた構造部材を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０Ａ，１０Ｂ Ｃチャンネル
１１ フランジ面
１２ ウェブ面
１３ 隙間
３０，３０Ａ，４０，４０Ａ プリプレグ（複合材料）
３１，４１ シート状複合材料
３２，４２ ベース素材
３３，４３ 肉厚部
５０ 当て材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば航空機の主翼に使用される骨格部材のように、フランジ面に凹凸がある複合材を用いた構造部材の成形方法及び複合材を用いた構造部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、複合材料の特性である強度−重量比及び剛性比が高いという理由から、軽量化を必要とされる構造物及び構造部材に複合材料の採用が増加している。このような複合材料としては、たとえば炭素繊維複合材料（ＣＦＲＰ）などが知られている。しかし、複合材料は、一般的に製造時における作業工程が多くなる傾向があるため製造コストや品質管理の問題を有しており、特に、複雑な形状や大規模な部品ほどこの問題は顕著になる。
ところで、航空機等の骨格構造部材にはＨ型断面、Ｔ型断面及びＬ型断面等を有するものがあるが、強度は従来の鋼材部材と同等であり、かつ軽量化の要求から、このような各構造部材も複合材料を用いて製造されつつある。特に航空機では、このような長尺の構造部材がストリンガと称されている。このようなストリンガを製作する場合、最初にコ字型断面形状のチャンネル材またはＬ字型断面形状のアングル材を２個製作した後、両チャンネル材または両アングル材を背中合わせに組み付けてＨ型断面形状またはＴ型断面形状の長尺棒状部材（複合材を用いた構造部材）とする工法がある。
【０００３】
上述したコ字型断面形状のチャンネル材（以下、「Ｃチャンネル」と呼ぶ）を成形する従来技術として、ホット・ドレープ成形法と呼ばれる工法が知られている。
この成形法においては、たとえば図７（ａ）に示すように、ホット・ドレープ槽１内のブラダ２上に、所望の厚さとしたプリプレグ（複合材プリプレグシートの積層体）３び角柱形状としたマンドレル（成形型）４を配置し、所定位置に位置決めしてからブラダ２の下に設けられたヒータ（不図示）を所定温度に加熱する。この加熱により、プリプレグ３が所望の温度まで昇温して軟化するので、この加熱状態を所定時間保持した後、ホット・ドレープ槽１内を密閉空間５にして真空圧まで減圧する。
この減圧により、図７（ｂ）に示すように、大気圧に連通するブラダ２の内部は真空の密閉空間５内より相対的に高圧となり、従って、膨張したブラダ２がプリプレグ３をマンドレル４に向けて押圧する。この結果、プリプレグ３はマンドレル４に沿って略コ字状の断面形状に変形するので、室温状態のマンドレル４に所定時間押し付けられることで硬化したＣチャンネルが成形される。（たとえば、特許文献１参照）
【０００４】
また、板状の熱可塑性複合材平板の表面を超塑性シートで覆った後、加熱状態で平板の両端から張り出している超塑性シートをクランプにより挟持して曲げ方向の加えることにより、平板を成形治具に沿って成形する技術が開示されている。（たとえば、特許文献２参照）
また、無端状としたプリプレグを一対の棒状賦型で両側に引っ張りながら成形型に押し付けて中間形状に形成した後、棒状賦型を引き抜いて略Ｌ状断面等の所定形状に形成する繊維強化複合材の成形方法が開示されている。（たとえば、特許文献３参照）
【特許文献１】特表平１０−５０７６９７号公報
【特許文献２】特開平０５−４２５９０号公報
【特許文献３】特開２０００−５２４４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した複合材を用いた構造部材（以下、「構造部材」と呼ぶ）Ｃは、たとえば航行機の主翼を構成する骨格部材として使用する場合、図８に示すように、強度部位の板厚を部分的に増して内面に凹凸が形成された複合材料製板材（スキン）６の内面に接するフランジ面が必要となる。なお、航空機主翼の強度部位には、たとえばエンジン取付部や車輪取付部等がある。
このため、構造部材Ｃの構成部品となるＣチャンネル１０（図１０参照）の成形に使用するプリプレグ（複合材料）３は、たとえば図９に示すように、同一幅としたプリプレグシート３ａの積層数を長手方向に変化させたものとなる。すなわち、複合材料のプリプレグシート積層数は、長手方向と直交する断面において、Ｃチャンネル１０のフランジ面１１及びウェブ面１２が同一となる。
【０００６】
この結果、図１０に示すように、成形されたＣチャンネル１０は、フランジ面１１の長手方向に積層数に応じた所望の凹凸が形成されるだけでなく、ウェブ面１２についても同様の凹凸が形成される。
従って、Ｃチャンネル１０のウェブ面１２どうしを背中合わせに接合してＨ型断面形状の構造部材Ｃとする工程では、たとえば図１１に示すように、積層数が少ない凹部のウェブ面１２，１２間に隙間１３が形成される。このため、接合時の押圧力が隙間１３を埋めるように作用し、ウェブ１２を形成するプリプレグシート３ａの層間にしわ（波形変形）を発生させるという問題が指摘されている。このようなしわの発生は、加工時の圧縮応力を低下させるとともに成形品の強度低下をまねく原因となるため好ましくない。
また、一対のアングル材を背中合わせに組み付けてＴ型断面形状の構造部材とする場合においても、Ｈ型断面形状の構造部材Ｃと同様にしわ発生の問題が指摘されている。
【０００７】
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、他部材との接合面に凹凸面を形成する場合であっても、背中合わせの接合時にしわ発生の原因となる隙間を形成することがない複合材を用いた構造部材の成形方法及び複合材を用いた構造部材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記の課題を解決するため、下記の手段を採用した。
本発明の請求項１は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とするものである。
【０００９】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、複合材料が、シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面の凸部となる位置に限定してベース素材にシート状複合材料を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されるので、ベース素材積層工程で得られた平板状のベース素材により平坦なウェブ面を形成することができ、従って、背中合わせの接合による隙間の形成が防止される。
【００１０】
本発明の請求項２は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層するとともに、前記ウェブ面となる位置に最大厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とするものである。
【００１１】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、複合材料が、シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面の凸部となる位置に限定してベース素材にシート状複合材料を所望の厚さまで積層するとともに、ウェブ面となる位置に最大厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されるので、ウェブ面となる位置が最大厚さまで積層されて平坦なウェブ面を形成することができ、従って、背中合わせの接合による隙間の形成が防止される。
【００１２】
請求項１または２に記載の発明において、前記凸部積層工程で形成された凹部に、成形時のみ前記複合材料全体の板厚を均一にする当て材を配設することが好ましく、これにより、成形時の曲げ加工力を均等化することができる。なお、この当て材は、曲げ加工による成形が終了した後除去される。
【００１３】
本発明の請求項４は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚とする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１４】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、フランジ面の凹部となる位置に当て材を配設した状態でシート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、複合材料をコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、複合材料を成形した後、フランジ面から当て材を除去して凹部を所望の板厚とする凹部形成工程とを備えているので、複合材料全体を同一厚さの状態にして成形することが可能になり、曲げ加工力を均等化して成形することができる。また、成形工程の終了後には、フランジ面から当て材を除去することにより、フランジ面に所望の凹凸が形成される。
【００１５】
本発明の請求項５は、シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置及び前記ウェブ面となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚にするとともに、前記ウェブ面から前記当て材を除去して最小厚さとする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とするものである。
【００１６】
このような複合材を用いた構造部材の成形方法によれば、フランジ面の凹部となる位置及びウェブ面となる位置に当て材を配設した状態でシート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、複合材料をコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、複合材料を成形した後、フランジ面から当て材を除去して凹部を所望の板厚にするとともに、ウェブ面から当て材を除去して最小厚さとする凹部形成工程とを備えているので、複合材料全体を同一厚さの状態にして成形することが可能になり、曲げ加工力を均等化して成形することができる。また、成形工程の終了後には、当て材を除去したフランジ面には所望の凹凸が形成され、かつ、当て材を除去したウェブ面は最小厚さとなる。
【００１７】
本発明の複合材を用いた構造部材は、請求項１から５のいずれかに記載の複合材を用いた構造部材の成形方法により成形したことを特徴とするものである。
【００１８】
このような複合材を用いた構造部材によれば、請求項１から５のいずれかに記載の複合材を用いた構造部材の成形方法により成形したので、平坦なウェブ面が形成されたものとなる。従って、背中合わせの接合による隙間の形成を防止することができる。
【発明の効果】
【００１９】
上述した本発明によれば、コ字状またはＬ字状等の断面形状を背中合わせにして接着され、他部材との接合面となるフランジ面に板厚変化に対応するための凹凸が形成されている複合材を用いた構造部材の製造時において、最小厚さまたは最大厚さに積層された平坦な面どうしを背中合わせに接合して押圧力により接着させるため、接合面間に隙間が形成されることはない。また、凸部積層工程で形成された凹部に当て材を配設したり、あるいは、当て材を用いて同一厚さとした複合材料を成形することにより、成形時のみ複合材料全体の板厚が見かけ上均一になるので、コ字状またはＬ字状等の断面形状の成形時に曲げ加工力が均等化してしわを発生しにくくなる。
従って、接合面及び近傍の複合材料は、接合面を接着させる押圧力を受けてもしわを発生することがなくなるので、歩留まりが向上して良好な品質の複合材を用いた構造部材を安定して製造することができる。また、しわに起因する圧縮応力の低下も防止される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る複合材料構造部材の成形方法及び複合材を用いた構造部材の一実施形態を図面に基づいて説明する。
図３は、複合材を用いた構造部材（以下、「構造部材」と呼ぶ）Ｃの使用例として、航空機における主翼の一部を構成するウイングボックスの構成例を示す斜視図である。このウイングボックス２０は、多数のＨ型ストリンガ２１及びリブ材２２を井桁状に組み合わせて骨格を形成し、その外側をスキン２３及びスパー２４で覆った中空の構造体である。以下の説明では、構造部材Ｃの一例として、Ｈ型ストリンガ２１について説明する。
【００２１】
Ｈ型ストリンガ２１は、図２に示すように、主翼の翼長（長手）方向に延びるＨ型断面形状の複合材を用いた構造部材であり、たとえば炭素繊維にエポキシ樹脂等の高分子材料を組み合わせた炭素繊維複合材が採用される。このＨ型ストリンガ２１は、板状の複合材料（プリプレグ）を成形してなる一対のＣチャンネル１０Ａを背中合わせに接合して製造される。なお、図中の符号１１はＣチャンネル１０Ａのフランジ面、１２はウェブ面である。
【００２２】
＜第１の実施形態＞
本発明の第１の実施形態を図１及び図２に基づいて説明する。
この実施形態において、Ｃチャンネル１０Ａの成形には、図１に示すプリプレグ（複合材料）３０が使用される。このプリプレグ３０は、シート状複合材料３１を積層した平板状の複合材料であり、以下に説明する工程で積層される。
最初のベース素材積層工程では、シート状複合材料３１を最小厚さｔ１とするのに必要な枚数を積層して平板状のベース素材３２を得る。この工程で積層するシート状複合材料３１は、プリプレグ３０の全面をカバーする同形状とされる。
次の凸部積層工程では、Ｃチャンネル１０Ａの成形後にフランジ面１１の凸部（パッドアップ部）となる肉厚位置３３に限定して、ベース素材３２に必要枚数のシート状複合材料３１を所望の厚さまで追加して積層する。この結果、シート状複合材料３１の厚さは、肉厚位置３３において所望の最大厚さｔ２まで増加する。
【００２３】
上述した積層工程を経て製造されたプリプレグ３０は、ベース素材３２が、強度上必要となる最小厚さｔ１を確保するとともに、成形後にＣチャンネル１０Ａのウェブ面１２となる位置に凹凸のない平坦面を形成している。そして、成形後にＣチャンネル１０Ａのフランジ面１１において凸部となる位置には、積層数（肉厚）を増した肉厚位置３３が形成されている。
このような肉厚部３３は、たとえば航空機の主翼において、構造部材Ｃを取り付ける位置のスキン２３と整合をとるため、すなわち、必要強度に応じてスキン２３の内面に形成される凹凸（積層数差）に合わせてフランジ面１１に設けられるものであるから、必要強度を確保したウェブの板厚ｔ１との関連性はない。
【００２４】
このため、上述したプリプレグ３０を使用して成形したＣチャンネル１０Ａは、ウェブ面１２が積層数変化による凹凸のない平坦面となり、積層数変化のあるフランジ面１１には、最小厚さｔ１の凹部及び最大厚さｔ２の凸部による凹凸が形成される。従って、Ｃチャンネル１０Ａを背中合わせに接合して構造部材Ｃを製造する場合、ウェブ面１２が互いに平坦面となるため接合部に隙間を形成することはない。
すなわち、背中合わせに接合して貼り合わせるウェブ面１２は、シート状複合材料３１の積層数に差がない同一積層数のベース素材３２であるから、接合面間に積層数差に起因した隙間が形成されることはない。従って、Ｃチャンネル１０Ａを接合する際には、隙間を埋めるようにして無理な力が作用することはなくなるので、しわの発生を防止することができる。
【００２５】
このように、上述した構造部材Ｃの成形方法では、複合材料３０が、シート状複合材料３１を最小厚さｔ１に積層して平板状のベース素材３２を得るベース素材積層工程の後、成形後にフランジ面１１の凸部となる位置に限定してベース素材３２にシート状複合材料３１を所望の厚さｔ２まで積層する凸部積層工程を実施して積層されるので、ベース素材積層工程で得られた平板状のベース素材３２により平坦なウェブ面１２を形成し、背中合わせの接合による隙間の形成を防止することができる。
従って、上述した成形方法を用いて製造された構造部材Ｃは、しわのない良好な品質の部材となる。
【００２６】
＜第２の実施形態＞
続いて、本発明の第２の実施形態を図４及び図５に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、Ｃチャンネル１０Ｂの成形には、図４に示すプリプレグ（複合材料）４０が使用される。このプリプレグ４０は、シート状複合材料４１を積層した平板状の複合材料であり、以下に説明する工程で積層される。
最初のベース素材積層工程では、シート状複合材料４１を最小厚さｔ１とするのに必要な枚数を積層して平板状のベース素材４２を得る。この工程で積層するシート状複合材料４１は、プリプレグ４０の全面をカバーする同形状とされる。
次の凸部積層工程では、Ｃチャンネル１０Ｂの成形後にフランジ面１１の凸部（パッドアップ部）となる肉厚位置４３及びウェブ面１２となる位置に限定して、ベース素材４２に必要枚数のシート状複合材料４１を所望の厚さまで追加して積層する。この結果、シート状複合材料４１の厚さは、肉厚位置４３において所望の最大厚さｔ２まで増加する。
【００２７】
このような成形方法としても、成形されたＣチャンネル１０Ｂの接合面となるウェブ面１２は積層数変化のない平坦面になるので、背中合わせの接合による隙間の形成が防止される。すなわち、この実施形態では、積層数を増すためのシート状複合材料４１がウェブ面１２となる位置にも積層されているので、最小厚さｔ１の積層数で平坦面とした第１の実施形態とは異なり、積層数が最大厚さｔ２に一致した平坦面となる。
このため、上述したプリプレグ４０を使用して成形したＣチャンネル１０Ｂは、ウェブ面１２が積層数変化による凹凸のない平坦面となり、積層数変化のあるフランジ面１１には、最小厚さｔ１の凹部及び最大厚さｔ２の凸部による凹凸が形成される。従って、Ｃチャンネル１０Ｂを背中合わせに接合して構造部材Ｃを製造する場合、ウェブ面１２が互いに平坦面となるため接合部に隙間を形成することはないので、隙間を埋めるようにして無理な力が作用することはなく、しわの発生を防止することができる。
【００２８】
＜第３の実施形態＞
続いて、本発明の第３の実施形態を図６に基づいて説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分には同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
この実施形態において、Ｃチャンネル１０Ａ，１０Ｂの成形には、図６（ａ），（ｂ）に示すプリプレグ（複合材料）３０Ａ，４０Ａが使用される。
【００２９】
図６（ａ）に示す実施形態のプリプレグ４０Ａは、以下に説明する成形方法に採用されるものである。
すなわち、この実施形態における複合材を用いた構造部材の成形方法は、フランジ面１１の凹部となる位置に当て材５０を配設した状態でシート状複合材料４１を肉厚部４３と同様の最大厚さｔ２に積層し、全体を同一厚さｔ２とした平板状のプリプレグ４０Ａを得る積層工程と、プリプレグ４０Ａをコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、プリプレグ４０Ａを成形した後、フランジ面１１から当て材５０を除去して凹部を所望の板厚（たとえば最小板厚ｔ１）にする凹部形成工程とを備えている。
【００３０】
当て材５０は、成形工程完了後に容易に除去できるようにするため、たとえば凹部となる位置のシート状複合材料４１を、たとえば肉厚部４３等の他の部分から予め切断するなどして分離させた状態のものを最大厚さｔ２まで積層したものでもよいし、あるいは、予め用意した凹部高さに相当する積層体等の部材を採用して当て材５０とし、積層作業の適当な時点（たとえば、最小厚さｔ１まで積層した時点）で凹部となる位置に配設するとともに、周囲の肉厚部４３となる部分にシート状複合材料４１を積層してもよい。
なお、当て材５０については、たとえば、マンドレル４と同じ材料等のように、複合材料以外の材料を採用してもよい。
【００３１】
このとき、たとえば当て材５０がプリプレグ４０Ａのような複合材料である場合には、成形工程の曲げ加工を実施すると樹脂分の接着作用により互いに接着される。そこで、この接着対策として、当て材５０の下面とフランジ面１１となるベース素材４２の表面との間にビニールシート等の中間材を挿入することにより、接着力の低減により当て材５０の除去作業を容易にすることが好ましい。
すなわち、フランジ面１１の凹部となる位置にも、シート状複合材料４１または類似の複合材料等を積層して得られる当て材５０を配設し、あるいは、当て材５０となる積層体等の部材を配設して、プリプレグ４０Ａの全体を同一厚さｔ２の状態にしてから成形工程を実施するので、曲げ加工力を均等化して成形することができる。
また、成形工程が終了した後には、フランジ面１１から当て材５０を除去することにより、フランジ面１１には所望の凹凸が形成される。
【００３２】
また、図６（ｂ）に示すプリプレグ３０Ａは、図６（ａ）に示す実施形態の第１変形例であり、この場合の積層工程では、フランジ面１１の凹部となる位置及びウェブ面１２となる位置に当て材５０を配設した状態にしてシート状複合材料３１を最大厚さｔ２まで積層し、全体を同一厚さｔ２とした平板状のプリプレグ３０Ａを得る。すなわち、上述した図６（ａ）ではウェブ面１２の板厚が最大厚さｔ２となるのに対し、この第１変形例の成形方法では、たとえばウェブ面１２の板厚を凹部と同じ最小厚さｔ１とするため、凹部と同様の厚さにした当て材５０が使用されている。
【００３３】
この場合の当て材５０は、複合材料をコ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程が終了した後、凹部形成工程で除去される。そして、当て材５０を除去したフランジ面１１には所望の板厚（たとえば最小板厚ｔ１）の凹部が形成され、かつ、当て材５０を除去したウェブ面１２は最小厚さｔ１の平坦面となる。
従って、プリプレグ３０Ａの全体を同一厚さｔ２の状態にして成形工程を実施可能となるので、曲げ加工力を均等化して成形することができる。
【００３４】
また、上述した当て材５０は、上述した第１及び第２の実施形態に示したプリプレグ３０、４０をコ字型断面形状に曲げ加工し、Ｃチャンネル１０Ａ、１０Ｂを成形する際に適用されるしわ低減対策としても有効である。以下、このしわ低減対策について、図６を参照して説明する。なお、このしわ防止対策は、シート状複合材料３１，４１の積層完了後にプリプレグ３０，４０に形成された凹部に対し、後から当て材５０を配設して同一厚さとした複合材料を成形するものであり、従って、当て材５０を配設した状態で同一厚さに形成されたプリプレグ３０Ａ，４０Ａとは異なるものである。
【００３５】
このしわ低減対策では、凸部積層工程で形成された凹部に対して、すなわち、板厚がｔ２より薄い領域に対して、成形時のみプリプレグ３０，４０の板厚を全体にわたって均一にする当て材５０が配設されている。この当て材５０は、曲げ加工時における見かけ上の板厚が肉厚部３３，４３と同一のｔ２となるように、ベース素材３２，４２上に重ねて添えられた部材であり、たとえばプリプレグ３０，４０と同じ複合材料製としてもよいし、あるいは、複合材料以外（たとえば、マンドレル４と同じ材料）の材料製としてもよい。なお、この当て材５０は、曲げ加工による成形が終了した後に除去される。
【００３６】
このような当て材５０を用いて板厚が均一化された状態で成形すると、成形時の曲げ加工力を均等化することができる。このため、プリプレグ３０，４０をコ字状またはＬ字状等の断面形状に成形する際には、プリプレグ３０，４０の成形部全体に均等な曲げ加工力が作用するので、しわが発生しにくくなる。
なお、当て材５０が複合材料製の場合には、曲げ加工により複合材料どうしが樹脂分の接着作用で接着されるので、当て材５０の下面とベース素材３２，４２の表面との間にビニールシート等の中間材を挿入することで、成形完了後に当て材５０を除去する作業が容易になる。
【００３７】
ところで、上述した両実施形態においては、コ字状断面のＣチャンネル１０Ａ，１０Ｂを背中合わせに接合して接着したＨ型断面の複合材を用いた構造部材Ｃに関する成形方法を説明したが、本発明は、たとえばＬ字状断面のアングル材を背中合わせに接着したＴ字型断面形状の複合材を用いた構造部材等にも適用可能である。
また、上述した実施形態では、積層数が２種類の例を示したが、３種類またはそれ以上の場合に適用することも可能である。
【００３８】
従って、上述した本発明によれば、コ字状またはＬ字状等の断面形状を背中合わせにして接着され、他部材との接合面となるフランジ面１１に板厚変化に対応するための凹凸を積層数変化により形成されている複合材を用いた構造部材の製造時において、たとえば最小厚さｔ１または最大厚さｔ２に積層された平坦な面どうしを背中合わせに接合して押圧力により接着させるため、接合面間に隙間が形成されることはない。このため、接合面及び近傍の複合材料は、接合面を接着させる押圧力を受けてもしわを発生することがなくなるので、歩留まりが向上して良好な品質の複合材を用いた構造部材を安定して製造することができる。また、当て材５０の採用により、Ｃチャンネル１０Ａ，１０Ｂ等の成形時にもしわを生じにくくなるので、これによっても、歩留まりが向上して良好な品質の複合材を用いた構造部材を安定して製造できるようになる。
なお、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において適宜変更することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３９】
本発明は、たとえば航空機、船舶、車両及び風車等のように、軽量構造が要求される炭素繊維複合材料等の複合材を用いた構造部材に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明に係る複合材を用いた構造部材の成形方法について、第１の実施形態を示す複合材料の積層状態を示す斜視図である。
【図２】図１の複合材料により成形したＣチャンネルを接合して製造される複合材を用いた構造部材を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図３】航空機の主翼を構成するウイングボックスの構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明に係る複合材を用いた構造部材の成形方法について、第２の実施形態を示す複合材料の積層状態を示す斜視図である。
【図５】図４の複合材料により成形したＣチャンネルを接合して製造される複合材を用いた構造部材を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【図６】本発明に係る複合材を用いた構造部材の成形方法について、当て材を用いて曲げ加工する複合材料の状態を示す斜視図であり、（ａ）は第３の実施形態及びしわ低減対策を図４に示す第２の実施形態へ適用した例、（ｂ）は第３の実施形態の第１変形例及び図１に示す第１の実施形態へ適用した例である。
【図７】Ｃチャンネルを成形するホット・ドレープ成形法を示す図で、（ａ）は成形準備前の状態を示し、（ｂ）は成形時の状態を示している。
【図８】航空機の主翼構造を示す要部断面図である。
【図９】複合材を用いた構造部材の成形方法について、従来技術を示す複合材料の積層状態を示す斜視図である。
【図１０】図９の複合材料により成形したＣチャンネルを示す斜視図である。
【図１１】図９の複合材料により成形した図１０のＣチャンネルを接合して製造される複合材を用いた構造部材を示す図で、（ａ）は外観斜視図、（ｂ）は平面図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０Ａ，１０Ｂ Ｃチャンネル
１１ フランジ面
１２ ウェブ面
１３ 隙間
３０，３０Ａ，４０，４０Ａ プリプレグ（複合材料）
３１，４１ シート状複合材料
３２，４２ ベース素材
３３，４３ 肉厚部
５０ 当て材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項２】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層するとともに、前記ウェブ面となる位置に最大厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項３】
前記凸部積層工程で形成された凹部に、成形時のみ前記複合材料全体の板厚を均一にする当て材が配設されることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項４】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、
前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、
前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚とする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項５】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置及び前記ウェブ面となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、
前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、
前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚にするとともに、前記ウェブ面から前記当て材を除去して最小厚さとする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の複合材を用いた構造部材の成形方法により成形したことを特徴とする複合材を用いた構造部材。
【請求項１】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項２】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記複合材料が、前記シート状複合材料を最小厚さに積層して平板状のベース素材を得るベース素材積層工程の後、成形後に前記フランジ面の凸部となる位置に限定して前記ベース素材に前記シート状複合材料を所望の厚さまで積層するとともに、前記ウェブ面となる位置に最大厚さまで積層する凸部積層工程を実施して積層されることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項３】
前記凸部積層工程で形成された凹部に、成形時のみ前記複合材料全体の板厚を均一にする当て材が配設されることを特徴とする請求項１または２に記載の複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項４】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、
前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、
前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚とする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項５】
シート状複合材料を積層してなる平板状の複合材料からコ字状断面またはＬ字状断面に成形され、凹凸を設けたフランジ面と平坦なウェブ面とを備えている複合材を用いた構造部材の成形方法であって、
前記フランジ面の凹部となる位置及び前記ウェブ面となる位置に当て材を配設した状態で前記シート状複合材料を最大厚さに積層し、全体を同一厚さとした平板状の複合材料を得る積層工程と、
前記複合材料を前記コ字状断面またはＬ字状断面に成形する成形工程と、
前記複合材料を成形した後、前記フランジ面から前記当て材を除去して前記凹部を所望の板厚にするとともに、前記ウェブ面から前記当て材を除去して最小厚さとする凹部形成工程と、を備えていることを特徴とする複合材を用いた構造部材の成形方法。
【請求項６】
請求項１から５のいずれかに記載の複合材を用いた構造部材の成形方法により成形したことを特徴とする複合材を用いた構造部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２００７−２３００３６（Ｐ２００７−２３００３６Ａ）
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２９１８（Ｐ２００６−５２９１８）
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月１３日（２００７．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２８日（２００６．２．２８）
【出願人】（０００００６２０８）三菱重工業株式会社 (10,378)
【Ｆターム（参考）】
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