複合材料構造物製造用治具
【課題】 ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造に特に好適に用いられ、より多数回の使用が可能となるような耐久性を実現できるブラダタイプの治具を提供する。
【解決手段】 ブラダ１０Ａの本体となる本体部１１は、内部が中空の管状に形成されており、一方の端部が末端金具１２で封止され、内部が気密となっている。末端金具１２の挿入部１２ｂは、本体部１１の端部の中空に挿入されるが、その外周面に、当該外周面を巻き回すように、複数の帯状溝部１２ｄが形成されている。この帯状溝部１２ｄにより、本体部１１の内面と挿入部１２ｂの外周面との間には、環状の接着層１４が複数設けられることになるので、本体部１１と末端金具１２の密着性および本体部１１の内部の気密性を高めることができる。
【解決手段】 ブラダ１０Ａの本体となる本体部１１は、内部が中空の管状に形成されており、一方の端部が末端金具１２で封止され、内部が気密となっている。末端金具１２の挿入部１２ｂは、本体部１１の端部の中空に挿入されるが、その外周面に、当該外周面を巻き回すように、複数の帯状溝部１２ｄが形成されている。この帯状溝部１２ｄにより、本体部１１の内面と挿入部１２ｂの外周面との間には、環状の接着層１４が複数設けられることになるので、本体部１１と末端金具１２の密着性および本体部１１の内部の気密性を高めることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂複合材料を用いた複合材料構造物の製造に用いられる治具に関し、特に、骨格部材としてハット型ストリンガを用いた構造物の製造において、当該ハット型ストリンガの治具として用いられる膨張可能な袋状の治具（ブラダ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、これまで金属材料が用いられてきた分野において、繊維強化樹脂複合材料（以下、適宜「複合材料」と略す。）が広く用いられるようになっている。この複合材料の中でも、強化繊維として炭素繊維を用い、これにエポキシ樹脂等のマトリクス樹脂を含浸させて成形した炭素繊維強化型のものは、金属材料よりも軽量であることに加え、より高強度であることから、スポーツ用品、産業機械、航空宇宙等の分野に広く採用されている。
【０００３】
これら分野のうち航空宇宙の分野では、例えば、航空機の翼や胴体等の構造物において、軽量な金属の骨格部材であるスティフナ（stiffener）に複合材料からなるスキンを一体化するスティフンドパネル（stiffened panel）が採用されている。代表的なスティフナとしては、ストリンガおよびフレームが挙げられる。ストリンガは、相対的に厚みが小さい部材であり、構造物の長手方向に配置される。また、フレームは、相対的に厚みが大きい部材であり、構造物の断面方向（長手方向に直交する方向）に沿ってストリンガに交差して配置される。ストリンガは各種治具により支持されて構造物の形状に配置され、これにプリプレグが複数枚積層され、オートクレーブ（圧力釜）により加圧、加熱される。これによりプリプレグが硬化してスキンとなるとともに、当該スキンにストリンガが密着されて一体化される。さらに、ストリンガに対してフレームを組み付けることで、スティフンドパネルが形成される。
【０００４】
前記ストリンガには、主として断面形状の違いによりさまざまな種類が存在する。具体的には、平板状、角柱状、アルファベットのＣ型、同Ｉ型、同Ｌ型、同Ｚ型、あるいはハット型が知られている。中でも、ハット型ストリンガは、次の理由から、構造物の重量の低減に適しているため最近注目されている。
【０００５】
航空機においては、できる限り重量を低下させる必要がある反面、十分な強度を維持する必要がある。それゆえ、スティフンドパネルの本体であるスキンの板厚は一定とすることができず、より高強度を要する部位では板厚を大きくし、十分に強度を保持できる部位では板厚を小さくして軽量化を図ることになる。ストリンガを支持する治具は、ストリンガに沿った長い部材であって、プリプレグとストリンガとの位置関係を規定するものであり、プリプレグの硬化後に長手方向に沿って引き抜かれる。それゆえ、スキンの板厚が均等であればストリンガに接する面は平坦であるので、プリプレグの硬化後にストリンガを支持していた治具の引き抜きは比較的容易となる。ところが、スキンの板厚の変化箇所が多ければストリンガに接する面には凹凸が生じるので、治具もこの凹凸に対応して屈曲しているため、その引き抜きは困難となる。
【０００６】
ここで、ハット型ストリンガは、ストリンガの長手方向に沿って延びる一対の平坦な帯状部が形成され、これら帯状部の間で横断面が台形状に陥凹した形状の溝状部が形成されている構成となっている。構造物としてワンピースバレル（ＯＰＢ）で形成される航空機の胴体部を例に挙げると、帯状部はスキンの内面に密着する面（密着面）であるので、この密着面を外側として、胴体部の長手方向に沿ってハット型ストリンガが配され、胴体部の周方向に沿ってフレームが配されることで、所定構造、例えば円筒構造に組み合わせられる。この円筒構造の外側にプリプレグが巻き回されて積層され、さらに円筒構造の内側に治具としての、例えばマンドレルが取り付けられる。ここで、スキンとハット型ストリンガとの間に形成される空間、すなわち溝状部の内側には、ブラダと呼ばれる細長い治具が挿入されている。
【０００７】
ブラダは、柔軟性および伸縮性を有する材料で形成され、膨張および収縮が可能で、細長い袋状の構造となっている。そして、治具として溝状部に挿入されている間は内圧を高くして膨張させることで、帯状部の間でプリプレグに変形が生じないように伸張させて維持する。また、プリプレグが硬化してスキンとなった時点では、内圧を下げてブラダを収縮させて溝状部から引き抜く。このとき、ストリンガの帯状部はスキンの内面に密着して一体化されているため、通常の治具であれば、スキンの内面の凹凸が妨げとなって非常に引き抜き難くなるが、ブラダは、膨張状態から収縮して断面積が小さくなっており、しかも柔軟性を有しているので、凹凸による影響が小さくなり、溝状部から容易に引き抜くことができる。
【０００８】
ところで、前記ブラダは、いわゆるインフレータブルマンドレル（inflatable mandrel）と同様の機能を有するものである。インフレータブルマンドレルとしては、例えば、特許文献１に開示されるような、複数の層から形成される伸縮可能な円筒袋状に形成される構成が挙げられる。このような構成であれば、成形時には膨張して外型に対する内型（中子）として機能することができ、収縮した状態では外型のキャビティ内に容易に挿入したり、成形後のドラム状成形物から容易に引き抜いたりすることができる。インフレータブルマンドレルを利用した具体的な製造技術としては、例えば、特許文献２には、インフレータブルマンドレルを利用したラケットの製造技術が開示され、特許文献３には、インフレータブルマンドレルを利用した回転翼航空機のスパー（spar, 桁）を製造する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
米国特許第４６３２３２８号公報
特開平８−０００７７０号公報
米国特許第５９３９００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のとおり、一般的なブラダの構成は、管状の本体部の一方の端部に、金属製の封止部材であって本体部の内部を加圧するための加圧孔が形成されたる末端金具が取り付けられ、他方の端部には、弾性材料製の封止部材である末端栓部が取り付けられる構成となっている。ここで、前記末端金具を用いるブラダにおいては、一般的なインフレータブルマンドレルでは想定されない問題点が生ずる場合がある。
【００１１】
すなわち、ブラダはプリプレグの「裏当材」としての機能を有しているが、前記末端金具に加圧孔が形成されていることから、ハット型ストリンガの溝状部にブラダが内挿されると、末端金具は溝状部においてプリプレグに覆われずに露出している。これは、オートクレーブ内に収容されて加熱および加圧されたときに、その加圧雰囲気が、加圧孔を介して本体部の内部に及ぶようにするためである。したがって、オートクレーブ処理の後、ブラダを溝状部から引き抜くときには、末端金具を牽引することになる。
【００１２】
ところが、末端金具を牽引してブラダを引く抜くことを繰り返すと、ブラダの構造によっては、本体部と末端金具との接着部位において剥離が生じる場合がある。この剥離は、軽度であっても、オートクレーブの最中に本体部の内部から加圧雰囲気が漏出する現象を引き起こし、重度となれば、ブラダとして使用することができなくなる。このような問題点は、成形時の内型としてしか用いられない特許文献１ないし３に開示の技術では想定され得ることがなく、「裏当材」として機能するブラダ独特のものである。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、複合材料構造物の中でも、ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造に特に好適に用いられ、より多数回の使用が可能となるような耐久性を実現できるブラダタイプの治具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る複合材料構造物製造用治具は、上記の課題を解決するために、長手方向に沿って延びる溝状部を有するハット型ストリンガを骨格材料として含む骨格構造体にプリプレグを貼付して複合材料構造物を製造する際に、前記ハット型ストリンガの前記溝状部に内挿されて用いられ、伸縮性材料により管状に形成され、その長手方向に直交する断面である横断面が台形状となっている本体部と、前記本体部の一方の端部に取り付けられ、前記本体部の内部を加圧するための加圧孔が形成されている末端金具と、を備え、前記末端金具は、前記本体部の中空に挿入される挿入部を有し、当該挿入部は、柱状であって、その横断面が前記本体部の中空の輪郭形状に対応した形状であるとともに、その外周面には、当該外周面を巻き回すように形成される帯状溝部が設けられ、当該帯状溝部に接着剤が充填された上で、前記本体部の中空に挿入されている構成である。
【００１５】
前記構成によれば、前記挿入部に前記帯状溝部が形成されているので、当該帯状溝部は、本体部に挿入された状態で、接着剤を充填させる空間となることに加え、充填された接着剤を、挿入部の周囲でシール材のように環状に保持させることになる。それゆえ、末端金具と本体部との密着性を向上することができるだけでなく、本体部の内部の気密性をより向上させることができる。それゆえ、硬化後のスキンとハット型ストリンガとの間から複合材料構造物製造用治具を引き抜くときにも、末端金具と本体部との密着性を低下させることがなく、その寿命を延ばすことができるとともに、複合材料構造物製造用治具の膨張作用を安定して維持することができる。
【００１６】
前記複合材料構造物製造用治具においては、前記帯状溝部は、挿入部に複数設けられていることが好ましい。前記構成によれば、帯状溝部が複数設けられることで、前記密着性および気密性をより一層向上することができる。
【００１７】
前記複合材料構造物製造用治具においては、前記本体部の材質である伸縮性材料は特に限定されないが、耐熱性ゴム組成物を好ましく用いることができる。耐熱性ゴム組成物としては、具体的には、シリコーンゴム組成物やフッ素ゴム組成物等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明では、複合材料構造物製造用治具において、ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造に特に好適に用いることができ、より多数回の使用が可能となるような耐久性を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造物製造用治具としてのブラダの外観構成の一例を示す模式的斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すブラダの長手方向（縦方向）の断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）に示すブラダを構成する本体部および末端金具の構成の一例を示す斜視図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図２（ｃ）に示す末端金具を本体部に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、標準的な末端金具を本体部に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は、挿入部に形成されている帯状溝部の具体的な形状を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、ハット型ストリンガの構成の一例を示す部分斜視図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、プリプレグをオートクレーブで硬化させる工程において、ブラダ、プリプレグおよびマンドレルの位置関係を断面図として示す模式図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、プリプレグを硬化させた後に、ブラダを引き抜くときの状態を断面図として示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２１】
［複合材料構造物製造用治具としてのブラダの基本構成］
図１（ａ）および（ｂ）は本実施の形態に係る複合材料構造物製造用治具としてのブラダの外観構成の一例を示す模式的斜視図であり、図２（ａ）は、図１に示すブラダの長手方向の断面を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図１に示すブラダの本体部の形状を示す部分斜視図であり、図２（ｃ）は、図１に示すブラダの一方の端部に取り付けられている末端金具１２の形状を示す斜視図である。なお、以下の説明では、ブラダの長手方向を「縦方向」と称し、当該縦方向に直交する方向を「横方向」と称する。また、ブラダの縦方向の断面を「縦断面」と称し、ブラダの横方向の断面を「横断面」と称する。
【００２２】
本実施の形態にかかるブラダ１０Ａは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、その全体的な外観形状が柱状であって、本体部１１、末端金具１２および末端栓部１３から少なくとも構成されている。本体部１１は、ブラダ１０Ａの本体となる部材であって、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、内部が中空の管状に形成されている。
【００２３】
本体部１１は、図２（ｂ）に示すように、その横断面が台形状となっている。これは、後述するように、ブラダ１０Ａがハット型ストリンガに形成されている溝状部に内挿する形状となっている必要があることに基づく。本体部１１において、台形状の横断面の上底に対応する壁部は、その外面がハット型ストリンガの溝状部に接する面となるため、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、「接触壁部１１ａ」と称する。また、台形状の横断面の下底に対応する壁部は、その外面が、ブラダ１０Ａがハット型ストリンガの溝状部に内挿された状態で露出している面となるため、図１（ａ）および図２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、「露出壁部１１ｂ」と称する。したがって、図１（ａ）は、露出壁部１１ｂを上側としたときの斜視図であり、図１（ｂ）は、壁部１１ａを上側としたときの斜視図である。なお、当然のごとく、対向する壁部１１ａ（上底に対応する壁部）および露出壁部１１ｂ（下底に対応する壁部）は、互いに平行の位置関係にある。
【００２４】
また、図２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、本体部１１の横断面は、上底および下底のそれぞれの中点を通る線分に対して対象な台形状、すなわち等脚台形状となっている。したがって、本体部１１において、台形状の横断面の各斜辺に対応する壁部を傾斜壁部１１ｃ・１１ｃと定義すれば、これら傾斜壁部１１ｃ・１１ｃは、それぞれの傾斜方向が反対側となる状態で、同一の傾斜角度で傾斜していることになる。なお、これら傾斜壁部１１ｃ・１１ｃの外面も、壁部１１ａと同様にハット型ストリンガの溝状部に接する面である。
【００２５】
本体部１１は、図２（ａ）に示すように、管状に形成され、末端金具１２および末端栓部１３により両端が封止されることで、内部が気密となるよう構成されている。また、本体部１１は、伸縮性材料により形成され、後述するように、本体部１１内が加圧されることによって、当該本体部１１は膨張する。したがって、本体部１１の各壁部（壁部１１ａ、露出壁部１１ｂ、および傾斜壁部１１ｃ・１１ｃ）の厚みは、伸縮性材料の物性および使用時の加圧の程度等の条件にもよるが、膨張可能な柔軟性が発揮できる程度の寸法となっている必要がある。本実施の形態では、本体部１１を形成する伸縮性材料としては、後述するように公知のシリコーンゴム組成物が好ましく用いられるため、本体部１１の各壁部の厚みは４．０〜６．０ｍｍの範囲内が好ましく、４．５〜５．５ｍｍの範囲内がより好ましい。シリコーンゴム組成物の主成分であるシリコーンエラストマーのモノマー構造や平均分子量、あるいはシリコーンゴム組成物に含まれる各成分の種類や組成比等にもよるが、本体部１１の各壁部の厚みがこの範囲内であれば、後述する加圧条件で十分な膨張を実現することができる。なお、各壁部はいずれも同一の厚みであってもよく、各壁部それぞれで異なる厚みとなっていてもよい。
【００２６】
本体部１１の横断面は、前記のとおり、ハット型ストリンガの溝状部の形状に合わせて台形状となっていればよく、その具体的な寸法は特に限定されない。本実施の形態では、例えば、横断面の上底の長さ、すなわち壁部１１ａの幅は２０〜２５ｍｍの範囲内となっており、横断面の下底の長さ、すなわち露出壁部１１ｂの幅は、７０〜７３ｍｍの範囲内となっており、横断面の高さＨ、すなわち本体部１１における壁部１１ａおよび露出壁部１１ｂの間隔は、３４〜３７ｍｍの範囲内となっているが、これら数値範囲に限定されず、ハット型ストリンガの溝状部の形状に対応して、適宜設定される。
【００２７】
本体部１１の全長は特に限定されない。後述するように、本実施の形態に係るブラダ１０Ａは、複合材料構造物を製造するための治具として用いられるものであって、当該複合材料構造物の骨格部材として用いられる複数のハット型ストリンガの溝状部に内挿されるものであるため、さまざまな長さとなるよう設定される。例えば、複合材料構造物が、ワンピースバレル（ＯＰＢ）として形成される航空機の胴体部であれば、ハット型ストリンガの長さは、１〜１０ｍの範囲内でさまざまな種類のものが用いられるので、本体部１１の長さもこれに合わせて１〜１０ｍの範囲内となるように設定されればよい。
【００２８】
末端金具１２は、本体部１１の一方の端部を封止する部材であって、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、加圧孔１２ａが形成されている。末端金具１２は、本実施の形態では、図２（ｃ）に示すように、本体部１１の中空に挿入される挿入部１２ｂと、当該挿入部１２につながる頭部１２ｃとから少なくとも構成されている。挿入部１２ｂは、本体部１１に挿入された状態で接着剤により本体部１１の内面と密着する部位であり、頭部１２ｃは、本体部１１に挿入された状態では外部に露出する部位である。また、図２（ｃ）に示すように、挿入部１２ｂの外周面に、縦方向（挿入部１２ｂの延伸方向）に直交するように複数の帯状溝部１２ｄが形成されている。
【００２９】
挿入部１２ｂの形状は、本体部１１の中空の形状に合わせたものとなっていればよい。本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、本体部１１は、各壁部がいずれも同一の厚みとなっているので、中空の横断面の形状も台形状となる。したがって、挿入部１２ｂは、その横断面が台形状なっている短い柱状として形成されている。また、挿入部１２ｂの長さも特に限定されず、本体部１１の中空に挿入され接着剤で本体部１１の内面と接着された状態で、本体部１１の内部を気密に保持できるように、十分な接着面積を確保できる長さであればよい。本実施の形態では、例えば、５０〜７０ｍｍの範囲内となっている。
【００３０】
帯状溝部１２ｄは、図２（ｃ）に示すように、挿入部１２ｂの横方向、すなわち挿入部１２ｂが本体部１１の中空に挿入される方向（縦方向、ブラダ１０Ａの長手方向）に直交する方向に、当該挿入部１２ｂの外周面に巻き回されるような形状で形成されている。末端金具１２は、挿入部１２ｂに接着剤を塗布して本体部１１の中空に挿入されことで、当該本体部１１に固定されるが、挿入部１２ｂに帯状溝部１２ｄが形成されていれば、後述するように、帯状溝部１２ｄに接着剤が充填された状態で挿入部１２ｂと本体部１１とが接着されることになり、末端金具１２と本体部１１との接着状態を向上させることができるとともに、本体部１１の内部の気密性も高めることができる。
【００３１】
頭部１２ｃは、本体部１１の外部に確実に露出できるように、本体部１１の中空の寸法よりも十分に大きな形状となっていればよいが、後述するように、ハット型ストリンガの溝状部へ内挿する際の便宜上、その横断面が、本体部１１の外形寸法と同じ程度の寸法となっていることが好ましい。このように頭部１２ｃの横断面と本体部１１の横断面とがほぼ同じ大きさであれば、ブラダ１０Ａ全体において、各壁部の外面がほぼ同一の平面となるため、溝状部への内挿や引き抜きの利便性を高めることができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、末端金具１２の頭部１２ｃの外端は、平坦ではなく突き出た尖端状となっている。より具体的には、末端金具１２を本体部１１に取り付けたときに、壁部１１ａに対応する面を接触面とし、露出壁部１１ｂに対応する面を露出面とすれば、図２（ｃ）に示すように、末端金具１２の接触面は平坦なままで、露出面は接触面に向かって傾斜し、さらに、接触面は外端に向かうにつれて間隔が狭まるように形成されている。このように頭部１２ｃの外端が尖端状であれば、ハット型ストリンガの溝状部に内挿された状態から引き抜きやすくなるが、もちろんこの形状に限定されない。なお、末端金具１２の具体的な形状も、前述した挿入部１２ｂおよび頭部１２ｃを備える構成に限定されず、これら以外の構成を含んでもよい。
【００３３】
末端金具１２においては、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、頭部１２ｃの露出面に加圧孔１２ａの一方の開口が形成され、挿入部１２ｂの端面に加圧孔１２ａの他方の開口が形成されている。なお、図２（ｃ）では、末端金具１２の露出面が図中下側となっているので加圧孔１２ａは図示されない。この加圧孔１２ａは、頭部１２ｃの露出面に形成された一方の開口から頭部１２ｃ内に向かって略垂直に延伸し、頭部１２ｃの略中央で挿入部１２ｂ側に折れ曲がり、挿入部１２ｂの端面の開口につながるよう形成されている。したがって、ブラダ１０Ａをハット型ストリンガの溝状部に内挿した状態では、末端金具１２の頭部１２ｃの露出面に、加圧孔１２ａの一方の開口が露出しており、他方の開口は本体部１１の中空につながっている。それゆえ、加圧孔１２ａは、本体部１１の内部と外部とを接続する通気路となって、気密に封止された本体部１１の内部を加圧することができる。例えば、高圧環境のオートクレーブ内では、加圧孔１２ａから本体部１１の内部も高圧となるので、気密に封止されている本体部１１の内部が加圧して本体部１１が膨張することになる。
【００３４】
末端金具１２の材質は、本実施の形態では、アルミニウムまたはその合金が用いられているが、これに限定されない。ブラダ１０Ａは治具として用いられるため、できる限り軽量の材質であることが好ましく、かつ、加圧孔１２ａを内部に形成するため、加工性および孔の形状保持性に優れた材質であることが好ましい。それゆえ、本実施の形態では、コストの面から見てもアルミニウムまたはその合金が好適に用いられる。なお、複合材料構造物の製造条件によっては、軽量であることよりも他の条件が重視されることも有りうるので、例えば、アルミニウム以外の公知の金属材料、セラミック材料、あるいは耐熱性樹脂組成物が選択されてもよいし、各種の金属、セラミック、耐熱性樹脂組成物の複合材料が用いられてもよい。
【００３５】
末端栓部１３は、本体部１１の他方の端部（末端金具１２で封止された端部とは反対側の端部）を気密に封止する部材であって、本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、本体部１１の中空に挿入される挿入部１３ａと、挿入部１３ａにつながる外蓋部１３ｂとから構成されている。
【００３６】
末端栓部１３の挿入部１３ａは、末端金具１２の挿入部１２ｂと同様に、本体部１１の中空の横断面形状に合わせて、その横断面が台形状なっている短い柱状に形成され、外蓋部１３ｂは、その外径が本体部１１の外径とほぼ同じ程度となるように広がる板状に形成されている。挿入部１３ａの長さは特に限定されず、末端金具１２の挿入部１２ｂと同様に、本体部１１の中空に挿入され接着剤で本体部１１の内面と接着された状態で、本体部１１の内部を気密に保持できるように、十分な接着面積を確保できる長さであればよい。本実施の形態では、例えば、２０〜３０ｍｍの範囲内となっている。
【００３７】
なお、末端栓部１３の具体的形状や各部の寸法は、前記構成に限定されず、例えば、必要に応じて、挿入部１３ａおよび外蓋部１３ｂ以外の構成を含んでいてもよいし、本体部１１の内部を気密に封止することができれば、外蓋部１３ｂの形状が板状でなくてもよい。
【００３８】
なお、前記のとおり、本実施の形態では、本体部１１は、末端金具１２および末端栓部１３という２種の封止部材によって内部が気密に封止されているが、もちろんこれに限定されず、双方とも金属製の封止部材で封止されてもよいし、本体部１１の他方の端部では、封止部材という別部材ではなく、管状の本体部１１そのものを二次成形することによって開口が封止されてもよい。
【００３９】
［末端金具および本体部の接着構成］
本実施の形態に係るブラダ１０Ａでは、接着剤により末端金具１２が本体部１１に固定される場合に、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周に帯状溝部１２ｄが形成されているため、末端金具１２の接着固定状態をより強固なものとすることができる。この点について、ブラダ１０Ａの製造方法とともに、図３（ａ）および（ｂ）、図４（ａ）および（ｂ）に基づいて説明する。
【００４０】
図３（ａ）および（ｂ）は、図２（ｃ）に示す末端金具１２を本体部１１に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。図４（ａ）および（ｂ）は、標準的な末端金具１７を本体部１１に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。図５（ａ）〜（ｆ）は、挿入部１２ｂに形成されている帯状溝部１２ｄの具体的な形状を示す模式図である。
【００４１】
まず、耐熱性ゴム組成物を用いて公知の成形方法で本体部１１を成形し、本体部１１の両端に封止部材としての末端金具１２および末端栓部１３を取り付ける。このとき、図３（ａ）に示すように、末端金具１２の挿入部１２ｂと、図示されないが末端栓部１３の挿入部１３ａには、耐熱性ゴム組成物に用いられる公知の耐熱性の接着剤１８が塗布された上で、当該挿入部１２ｂおよび１３ａが本体部１１の端部にそれぞれ挿入される。
【００４２】
ここで、挿入部１２ｂの横断面の大きさは、通常、本体部１１の横断面における中空の大きさとほぼ同じとなるように形成されている。これは、ブラダ１０Ａの内部の気密性を向上させるためである。
【００４３】
つまり、横断面の中空の大きさに対して挿入部１２ｂの横断面の大きさが小さければ、末端金具１２を本体部１１に挿入して固定したとき、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間にクリアランス（隙間）が生じる。このクリアランスは、接着剤１８を保持するための空間としては有効なものであるが、本体部１１は、内部が加圧されて膨張するものであるため、クリアランスが大きすぎると、接着剤１８による接着の程度にもよるが、本体部１１の内部を気密に保持することができないおそれがある。したがって、本体部１１の膨張の程度も考慮した上で、挿入部１２ｂの横断面の大きさは、中空の横断面の大きさとほぼ同程度とすることが好ましい。
【００４４】
ところが、図３（ａ）に示すように、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周面全体に接着剤１８を塗布し、これを本体部１１の中空に挿入すると、本体部１１の端部の開口周縁で、挿入部１２ｂの外周面に塗布された接着剤１８が掻き取られてしまう。それゆえ、図３（ｂ）に示すように、挿入部１２ｂを、ほぼ完全に本体部１１の中空に挿入すれば、挿入部１２ｂの外周面から接着剤１８の大部分が掻き取られ、本体部１１の端部の開口と、末端金具１２における頭部１２ｃおよび挿入部１２ｂの段差との間に、掻き取られた接着剤１８が集められ、一部は本体部１１および末端金具１２の側面からはみ出す。
【００４５】
この点は、図４（ａ）および（ｂ）に示す標準的な末端金具１７を本体部１１に取り付ける場合も同様である。すなわち、図４（ａ）に示すように、末端金具１７の挿入部１７ｂの外周面全体に接着剤１８を塗布し、これを本体部１１の中空に挿入すると、本体部１１の端部の開口周縁で、大部分の接着剤１８が掻き取られ、図４（ｂ）に示すように、本体部１１の端部の開口と、末端金具１７における頭部１７ｃおよび挿入部１７ｂの段差との間に、掻き取られた接着剤１８が集められてしまう。
【００４６】
しかしながら、本実施の形態では、挿入部１２ｂの外周面に、縦方向に直交するように複数（例えば３つの）の帯状溝部１２ｄが形成されている。それゆえ、標準的な末端金具１７であれば、図４（ｂ）に示すように、挿入部１７ｂが本体部１１の中空に挿入されることで、挿入部１７ｂの外周面からほとんどの接着剤１８が除去されてしまうが、本実施の形態の構成であれば、図３（ｂ）に示すように、帯状溝部１２ｄに接着剤１８が充填されて、挿入部１２ｂと本体部１１との間に残存する。
【００４７】
帯状溝部１２ｄは、前記のとおり、挿入部１２ｂの外周面において、縦方向に直交するように形成される。そのため、挿入部１２ｂおよび本体部１１の間に残存する接着剤１８は、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に、環状のシール材のような形状で保持され、複数（例えば３つ）の接着層１４を形成することになる。したがって、接着剤１８を硬化させれば、複数の接着層１４により挿入部１２ｂと本体部１１とを十分に接着させることができるだけでなく、複数の接着層１４が、本体部１１と挿入部１２ｂとの間をシールすることになる。それゆえ、本体部１１に対する末端金具１２の接着状態（固定状態）をより確実なものとするだけでなく、本体部１１の内部の気密性も高めることができる。
【００４８】
特に、本体部１１の内部の気密性を高めるには、挿入部１２ｂの横断面の大きさと本体部１１の中空の横断面の大きさを同等とする構成が挙げられる。この構成であれば、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に無駄なクリアランスが生じないようにすることができる。ただし、標準的な末端金具１７であれば、挿入部１２ｂおよび本体部１１の中空の横断面の大きさが同等であれば、挿入部１２ｂおよび本体部１１との間で接着剤１８を保持できなくなるおそれがある。
【００４９】
もちろん、クリアランスを適切に設計することで、本体部１１を気密できるとともに、接着剤１８も適切に保持することは可能であるが、標準的な末端金具１７であれば、挿入部１２ｂの外周面が平坦であることから、安定して接着剤１８を保持することは難しい。これに対して、本実施の形態では、挿入部１２ｂの外周面に複数の帯状溝部１２ｄを形成することで、複数の接着層１４を形成することができるので、末端金具１２を本体部１１に対して、より確実に接着させることが可能となる。
【００５０】
ここで、帯状溝部１２ｄの具体的な構成は特に限定されない。例えば、図５（ａ）の斜線線の領域で示すように、帯状溝部１２ｄ−１は、挿入部１２ｂの外周面において、縦方向に直交する方向（横方向）に沿って巻き回されるように帯状に形成されていればよいが、必ずしも縦方向に直交するように形成されていなくてもよく、例えば、図５（ｂ）の斜線の領域で示すように、横方向に対して傾斜した形状の帯状溝部１２ｄ−２として形成されてもよい。帯状溝部１２ｄは、本体部１１に挿入された状態で、接着剤１８を充填させる空間としての機能（接着剤保持機能）を有しているだけでなく、充填された接着剤１８を、挿入部１２ｂの周囲でシール材のように環状に保持させる機能（シール機能）も有しているので、これら各機能を実現できるのであれば、帯状溝部１２ｄの形状は、どのような形状であってもよい。
【００５１】
たとえば、図５（ｃ）の斜線の領域で示すように、波状に湾曲する形状の帯状溝部１２ｄ−３が形成されてもよいし、図５（ｄ）の斜線の領域で示すように、幅の広い帯状溝部１２ｄ−１と幅の狭い帯状溝部１２ｄ−４とが混在して形成されてもよい。あるいは、図５（ｅ）の斜線の領域で示すように、３つの帯状溝部１２ｄ−１を縦方向につなぐ帯状溝部１２ｄ−５がさらに形成されてもよいし、図５（ｆ）の斜線の領域で示すように、挿入部１２ｂの先端側および付け根側では、標準的な帯状溝部１２ｄ−１が形成され、これらの間には、破線状に分断された破線状凹部１２ｄ−６が形成されてもよい。
【００５２】
図５（ｄ）に示す帯状溝部１２ｄ−１および１２ｄ−４の組合せや、図５（ｅ）に示す帯状溝部１２ｄ−１および１２ｄ−５の組合せであれば、接着層１４の面積を増やすことができるという利点がある。また、図５（ｆ）に示す帯状溝部１２ｄ−１および連続凹部１２ｄ−６の組合せであれば、挿入部１２ｂの先端側および付け根側の帯状溝部１２ｄ−１によりシール材としての機能が実現され、これらの間の破線状凹部１２ｄ−６により、挿入部１２ｂの中間部位で接着層１４を形成することができるので、接着剤１８の使用量を減らすことが可能である。
【００５３】
また、帯状溝部１２ｄの寸法についても特に限定されない。例えば、帯状溝部１２ｄの幅および深さは、前記接着剤保持機能およびシール機能を実現できるのであれば、挿入部１２ｂおよび本体部１１の具体的な寸法によって適宜設定される。本実施の形態では、例えば、挿入部１２ｂの長さが５０ｍｍであれば、帯状溝部１２ｄの幅は、２〜５ｍｍの範囲内であればよく、帯状溝部１２ｄの深さは、１〜３ｍｍの範囲内であればよい。
【００５４】
また、挿入部１２ｂに形成される帯状溝部１２ｄの数も特に限定されない。前記接着剤保持機能およびシール機能を実現するのであれば、少なくとも１つの帯状溝部１２ｄが形成されればよいが、挿入部１２ｂの外周面全体にわたって安定した接着状態を確保するのであれば、挿入部１２ｂの先端側、頭部１２ｃの付け根側、およびその間の３箇所に帯状溝部１２ｄが形成されると好ましい。つまり、帯状溝部１２ｄは３つ形成されると好ましい。ただし、挿入部１２ｂの長さ、本体部１１の内面との接触面積等の条件を考慮すれば、先端側と付け根側との２箇所であってもよいし、先端側および付け根側の間に２つ以上形成されてもよい。
【００５５】
［ブラダの使用方法］
本実施の形態に係るブラダ１０Ａは、スティフンドパネルを利用した各種の複合材料構造物の製造において、骨格部材のスティフナに含まれるハット型ストリンガの治具として好適に用いられる。この点について、図６（ａ）および（ｂ）、図７（ａ）および（ｂ）、図８（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。
【００５６】
図６（ａ）および（ｂ）は、ハット型ストリンガの構成の一例を示す部分斜視図である。図７（ａ）および（ｂ）は、プリプレグをオートクレーブで硬化させる工程において、ブラダ１０Ａ、プリプレグおよびマンドレルの位置関係を断面図として示す模式図である。図８（ａ）および（ｂ）は、プリプレグを硬化させた後に、ブラダ１０Ａを引き抜くときの状態を断面図として示す模式図である。
【００５７】
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ハット型ストリンガ２０は、一方向に延伸する棒状または長板状の形状を有し、その長手方向に沿って延び、互いに平行な一対の平坦な帯状部２０ａが形成され、これら帯状部２０ａの間に平坦領域の表面から陥凹した形状の溝状部２０ｂが形成された構成となっている。なお、図６（ａ）に示すように、溝状部２０ｂが下方となっている側の面を内面と称し、図６（ｂ）に示すように、溝状部２０ｂが上方となっている側の面を外面と称する。ブラダ１０Ａは、この溝状部２０ｂに内挿させて使用される。
【００５８】
具体的には、ハット型ストリンガ２０を、構造物の形状に合わせて所定の骨格形状に組み合わせる。このとき、ハット型ストリンガ２０は、外面を外側とするように組み合わせられるので、溝状部２０ｂにブラダ１０Ａが内挿される。この状態で、ハット型ストリンガの帯状部２０ａの外面側とブラダ１０Ａの露出壁部１１ｂの外面にプリプレグ３０が貼付される。
【００５９】
なお、プリプレグ３０の貼付方法は特に限定されず、例えば、構造物が航空機の胴体部であれば、骨格構造物は円筒形状に組み合わせられるので、積層ローラを備える自動積層機により、円筒形状の骨格構造物を回転させながらプリプレグ３０を貼付し積層する方法が挙げられる。なお、プリプレグ３０は、構造物の厚みが均等になるように貼付されるのではなく、剛性や強度を高めたい箇所では、スキンの厚みを大きくするように、より多く積層される。これは、例えば、航空機の胴体部であれば、スキンの厚みは全体的に薄く形成して、軽量化を図ることができるが、窓または扉等の周囲は強度を十分に高めるためにスキンを厚く形成することが求められるためである。したがって、硬化前のプリプレグ３０の厚みは一定ではない。
【００６０】
その後、プリプレグ３０の積層が完了すれば、図７（ａ）に模式的に示すように、円筒形状の構造物の内側に、円筒形状を保持するための治具であるマンドレル４２を取り付けて、さらにバッギングフィルム４３で全体を覆って、オートクレーブ内に収容する。そして、オートクレーブ内で所定の温度および所定の圧力で加熱および加圧処理を施す。このとき、図７（ａ）に示すように、オートクレーブ内の高温高圧雰囲気は、バッギングフィルム４３を介してプリプレグ３０全体に加えられるだけでなく、ブラダ１０Ａの末端金具１２の加圧孔１２ａからブラダ１０Ａの内部に伝達され（図中矢印Ｈ０）、ブラダ１０Ａが膨張する。また、オートクレーブ内の高温高圧雰囲気は、プリプレグ３０全体に加えられる（図中矢印Ｈ１）。
【００６１】
ここで、図７（ａ）に点線で囲んで示すように、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に、複数（図中３つ）の接着層１４が形成されている。この接着層１４は、挿入部１２ｂの外周面に形成された帯状溝部１２ｄにより保持されているため、挿入部１２ｂの外周面に、接着剤１８で形成された環状のシール材が複数設けられていることになる。それゆえ、ブラダ１０Ａの内部の高温高圧雰囲気は、挿入部１２ｂと本体部１１との間から漏出することがなく、それゆえ、ブラダ１０Ａを十分に膨らませることができる。
【００６２】
このようにブラダ１０Ａが膨張することで、図７（ａ）には図示されないハット型ストリンガ２０の帯状部２０ａがプリプレグ３０に強い外力で押さえつけられた状態が維持され、プリプレグ３０の硬化が進行する。そして、硬化が完了すれば、ハット型ストリンガ２０からなる骨格とプリプレグ３０が硬化してなるスキンとが強固に密着して一体化されたスティフンドパネル構造物が得られることになる。
【００６３】
その後、図８（ａ）に示すように、硬化したスキン３１とハット型ストリンガ２０との間から、ブラダ１０Ａを引き抜くことになる。ここで、本実施の形態に係るブラダ１０Ａであれば、前述のとおり、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に、図中点線で囲んで示される、複数の接着層１４が形成されている。この接着層１４は、例えば、挿入部１２ｂの先端側と付け根側とその間との３箇所に形成されているので、挿入部１２ｂ全体を本体部１１に良好に接着させることができる。
【００６４】
ここで、前述のとおり、スキン３１の厚みは一定ではなく、図８（ａ）において点線で囲まれた領域Ｄに示すように、その内面には凹凸が生じている。ブラダ１０Ａは、図８（ａ）に示すように、この凹凸（領域Ｄ）に沿って湾曲した上体で、ハット型ストリンガ２０とスキン３１との間に内挿されている。そして、このようなスキン３１とハット型ストリンガ２０との間からブラダ１０Ａを引き抜く場合には、図中矢印Ｐで示すように、末端金具１２の頭部１２ｃに引っ張りの外力を加えることになる。
【００６５】
本実施の形態に係るブラダ１０Ａであれば、図中点線で囲んで示される、複数の接着層１４により、挿入部１２ｂと本体部１１との接着状態が安定して保持されるので、スキン３１の内面の凹凸に沿ってブラダ１０Ａが湾曲していても、末端金具１２の頭部１２ｃを牽引することで、ブラダ１０Ａを適切に引き抜くことができる。
【００６６】
これに対して、図７（ｂ）に示すように、標準的な末端金具１７を備えるブラダ１０Ｂであれば、挿入部１７ｂと本体部１１との間で接着剤が十分に保持されない場合が多い（図４（ａ）および（ｂ）参照）。それゆえ、図８（ｂ）において図中矢印Ｐで示すように、末端金具１７の頭部１７ｃを引っ張ることでブラダ１０Ｂを引き抜こうとすると、末端金具１７と本体部１１との接着状態が適切に保持されないことから、挿入部１７ｂが本体部１１から抜け出てしまうおそれがある。この場合、ブラダ１０Ｂを簡単に引き抜くことができないだけでなく、スキン３１の内面の凹凸の状態によっては、ブラダ１０Ｂを完全に引き抜くことができないおそれもある。
【００６７】
さらに、挿入部１７ｂが本体部１１から完全に抜け出てしまわなくても、挿入部１７ｂの外周面から本体部１１の内面が剥がれてしまうと、挿入部１７ｂによる本体部１１の内部の気密性が十分に維持されない。このような状態のブラダ１０Ｂを用いて、再び円筒形状の構造物を製造しようとすれば、図７（ｂ）に示すように、挿入部１７ｂと本体部１１とが密着していない箇所から、高温高圧雰囲気が漏出し、ブラダ１０Ｂが十分に膨らまないという事態が生じる。
【００６８】
具体的には、前述したように、プリプレグ３０を硬化させる際には、構造物の内側にマンドレル４２を取り付けて、バッギングフィルム４３で全体を覆って、オートクレーブ内に収容するが、図７（ｂ）に示すように、オートクレーブ内の高温高圧雰囲気は、バッギングフィルム４３を介してプリプレグ３０全体に加えられるとともに、ブラダ１０Ｂの末端金具１７の加圧孔１７ａからブラダ１０Ｂの内部にも伝達される（図中矢印Ｈ０）。ここで、挿入部１７ｂの外周面から本体部１１の内面が剥がれると、本体部１１の内部に加えられるはずの高温高圧雰囲気は、剥がれた箇所から漏出する（図中矢印Ｈ２）。
【００６９】
このように、ブラダ１０Ｂが十分に膨張することができなければ、図７（ｂ）には図示されないハット型ストリンガ２０の帯状部２０ａをプリプレグ３０に強い外力で押さえつけることができなくなる状態で、プリプレグ３０の硬化が進行するので、適切な形状の構造物を製造できなくなる。したがって、ブラダ１０Ｂにおいて、本体部１１と挿入部１７ｂとの密着状態が不十分となれば、当該ブラダ１０Ｂは再度、構造物の製造に利用することができなくなる。
【００７０】
このように、本発明に係るブラダ１０Ａにおいては、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周面に帯状溝部１２ｄが形成されているため、末端金具１２と本体部１１との密着性を向上することができる。それゆえ、硬化後のスキン３１とハット型ストリンガ２０との間からブラダ１０Ａを引き抜くときにも、末端金具１２と本体部１１との密着性を低下させることがなく、ブラダ１０Ａの寿命を延ばすことができる。また、帯状溝部１２ｄにより保持される接着層１４は、挿入部１２ｂの外周面においてシール材のように機能するので、本体部１１の内部の気密性をより向上させることができ、ブラダ１０Ａの膨張作用を安定して維持することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、複合材料構造物の製造分野、特に、ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造の分野に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１０ ブラダ（複合材料構造物製造用治具）
１１ 本体部
１１ａ 接触壁部（台形状の横断面の上底に対応する壁部）
１１ｂ 露出壁部（台形状の横断面の下底に対応する壁部）
１２ 末端金具（金属製の封止部材）
１２ａ 加圧孔
１２ｂ 挿入部
１３ 末端栓部（弾性材料製の封止部材）
１７ 末端金具（金属製の封止部材）
１７ａ 加圧孔
１７ｂ 挿入部
２０ ハット型ストリンガ
２０ａ 帯状部
２０ｂ 溝状部
３０ プリプレグ
３１ スキン
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維強化樹脂複合材料を用いた複合材料構造物の製造に用いられる治具に関し、特に、骨格部材としてハット型ストリンガを用いた構造物の製造において、当該ハット型ストリンガの治具として用いられる膨張可能な袋状の治具（ブラダ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、これまで金属材料が用いられてきた分野において、繊維強化樹脂複合材料（以下、適宜「複合材料」と略す。）が広く用いられるようになっている。この複合材料の中でも、強化繊維として炭素繊維を用い、これにエポキシ樹脂等のマトリクス樹脂を含浸させて成形した炭素繊維強化型のものは、金属材料よりも軽量であることに加え、より高強度であることから、スポーツ用品、産業機械、航空宇宙等の分野に広く採用されている。
【０００３】
これら分野のうち航空宇宙の分野では、例えば、航空機の翼や胴体等の構造物において、軽量な金属の骨格部材であるスティフナ（stiffener）に複合材料からなるスキンを一体化するスティフンドパネル（stiffened panel）が採用されている。代表的なスティフナとしては、ストリンガおよびフレームが挙げられる。ストリンガは、相対的に厚みが小さい部材であり、構造物の長手方向に配置される。また、フレームは、相対的に厚みが大きい部材であり、構造物の断面方向（長手方向に直交する方向）に沿ってストリンガに交差して配置される。ストリンガは各種治具により支持されて構造物の形状に配置され、これにプリプレグが複数枚積層され、オートクレーブ（圧力釜）により加圧、加熱される。これによりプリプレグが硬化してスキンとなるとともに、当該スキンにストリンガが密着されて一体化される。さらに、ストリンガに対してフレームを組み付けることで、スティフンドパネルが形成される。
【０００４】
前記ストリンガには、主として断面形状の違いによりさまざまな種類が存在する。具体的には、平板状、角柱状、アルファベットのＣ型、同Ｉ型、同Ｌ型、同Ｚ型、あるいはハット型が知られている。中でも、ハット型ストリンガは、次の理由から、構造物の重量の低減に適しているため最近注目されている。
【０００５】
航空機においては、できる限り重量を低下させる必要がある反面、十分な強度を維持する必要がある。それゆえ、スティフンドパネルの本体であるスキンの板厚は一定とすることができず、より高強度を要する部位では板厚を大きくし、十分に強度を保持できる部位では板厚を小さくして軽量化を図ることになる。ストリンガを支持する治具は、ストリンガに沿った長い部材であって、プリプレグとストリンガとの位置関係を規定するものであり、プリプレグの硬化後に長手方向に沿って引き抜かれる。それゆえ、スキンの板厚が均等であればストリンガに接する面は平坦であるので、プリプレグの硬化後にストリンガを支持していた治具の引き抜きは比較的容易となる。ところが、スキンの板厚の変化箇所が多ければストリンガに接する面には凹凸が生じるので、治具もこの凹凸に対応して屈曲しているため、その引き抜きは困難となる。
【０００６】
ここで、ハット型ストリンガは、ストリンガの長手方向に沿って延びる一対の平坦な帯状部が形成され、これら帯状部の間で横断面が台形状に陥凹した形状の溝状部が形成されている構成となっている。構造物としてワンピースバレル（ＯＰＢ）で形成される航空機の胴体部を例に挙げると、帯状部はスキンの内面に密着する面（密着面）であるので、この密着面を外側として、胴体部の長手方向に沿ってハット型ストリンガが配され、胴体部の周方向に沿ってフレームが配されることで、所定構造、例えば円筒構造に組み合わせられる。この円筒構造の外側にプリプレグが巻き回されて積層され、さらに円筒構造の内側に治具としての、例えばマンドレルが取り付けられる。ここで、スキンとハット型ストリンガとの間に形成される空間、すなわち溝状部の内側には、ブラダと呼ばれる細長い治具が挿入されている。
【０００７】
ブラダは、柔軟性および伸縮性を有する材料で形成され、膨張および収縮が可能で、細長い袋状の構造となっている。そして、治具として溝状部に挿入されている間は内圧を高くして膨張させることで、帯状部の間でプリプレグに変形が生じないように伸張させて維持する。また、プリプレグが硬化してスキンとなった時点では、内圧を下げてブラダを収縮させて溝状部から引き抜く。このとき、ストリンガの帯状部はスキンの内面に密着して一体化されているため、通常の治具であれば、スキンの内面の凹凸が妨げとなって非常に引き抜き難くなるが、ブラダは、膨張状態から収縮して断面積が小さくなっており、しかも柔軟性を有しているので、凹凸による影響が小さくなり、溝状部から容易に引き抜くことができる。
【０００８】
ところで、前記ブラダは、いわゆるインフレータブルマンドレル（inflatable mandrel）と同様の機能を有するものである。インフレータブルマンドレルとしては、例えば、特許文献１に開示されるような、複数の層から形成される伸縮可能な円筒袋状に形成される構成が挙げられる。このような構成であれば、成形時には膨張して外型に対する内型（中子）として機能することができ、収縮した状態では外型のキャビティ内に容易に挿入したり、成形後のドラム状成形物から容易に引き抜いたりすることができる。インフレータブルマンドレルを利用した具体的な製造技術としては、例えば、特許文献２には、インフレータブルマンドレルを利用したラケットの製造技術が開示され、特許文献３には、インフレータブルマンドレルを利用した回転翼航空機のスパー（spar, 桁）を製造する技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
米国特許第４６３２３２８号公報
特開平８−０００７７０号公報
米国特許第５９３９００７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述のとおり、一般的なブラダの構成は、管状の本体部の一方の端部に、金属製の封止部材であって本体部の内部を加圧するための加圧孔が形成されたる末端金具が取り付けられ、他方の端部には、弾性材料製の封止部材である末端栓部が取り付けられる構成となっている。ここで、前記末端金具を用いるブラダにおいては、一般的なインフレータブルマンドレルでは想定されない問題点が生ずる場合がある。
【００１１】
すなわち、ブラダはプリプレグの「裏当材」としての機能を有しているが、前記末端金具に加圧孔が形成されていることから、ハット型ストリンガの溝状部にブラダが内挿されると、末端金具は溝状部においてプリプレグに覆われずに露出している。これは、オートクレーブ内に収容されて加熱および加圧されたときに、その加圧雰囲気が、加圧孔を介して本体部の内部に及ぶようにするためである。したがって、オートクレーブ処理の後、ブラダを溝状部から引き抜くときには、末端金具を牽引することになる。
【００１２】
ところが、末端金具を牽引してブラダを引く抜くことを繰り返すと、ブラダの構造によっては、本体部と末端金具との接着部位において剥離が生じる場合がある。この剥離は、軽度であっても、オートクレーブの最中に本体部の内部から加圧雰囲気が漏出する現象を引き起こし、重度となれば、ブラダとして使用することができなくなる。このような問題点は、成形時の内型としてしか用いられない特許文献１ないし３に開示の技術では想定され得ることがなく、「裏当材」として機能するブラダ独特のものである。
【００１３】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであって、複合材料構造物の中でも、ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造に特に好適に用いられ、より多数回の使用が可能となるような耐久性を実現できるブラダタイプの治具を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る複合材料構造物製造用治具は、上記の課題を解決するために、長手方向に沿って延びる溝状部を有するハット型ストリンガを骨格材料として含む骨格構造体にプリプレグを貼付して複合材料構造物を製造する際に、前記ハット型ストリンガの前記溝状部に内挿されて用いられ、伸縮性材料により管状に形成され、その長手方向に直交する断面である横断面が台形状となっている本体部と、前記本体部の一方の端部に取り付けられ、前記本体部の内部を加圧するための加圧孔が形成されている末端金具と、を備え、前記末端金具は、前記本体部の中空に挿入される挿入部を有し、当該挿入部は、柱状であって、その横断面が前記本体部の中空の輪郭形状に対応した形状であるとともに、その外周面には、当該外周面を巻き回すように形成される帯状溝部が設けられ、当該帯状溝部に接着剤が充填された上で、前記本体部の中空に挿入されている構成である。
【００１５】
前記構成によれば、前記挿入部に前記帯状溝部が形成されているので、当該帯状溝部は、本体部に挿入された状態で、接着剤を充填させる空間となることに加え、充填された接着剤を、挿入部の周囲でシール材のように環状に保持させることになる。それゆえ、末端金具と本体部との密着性を向上することができるだけでなく、本体部の内部の気密性をより向上させることができる。それゆえ、硬化後のスキンとハット型ストリンガとの間から複合材料構造物製造用治具を引き抜くときにも、末端金具と本体部との密着性を低下させることがなく、その寿命を延ばすことができるとともに、複合材料構造物製造用治具の膨張作用を安定して維持することができる。
【００１６】
前記複合材料構造物製造用治具においては、前記帯状溝部は、挿入部に複数設けられていることが好ましい。前記構成によれば、帯状溝部が複数設けられることで、前記密着性および気密性をより一層向上することができる。
【００１７】
前記複合材料構造物製造用治具においては、前記本体部の材質である伸縮性材料は特に限定されないが、耐熱性ゴム組成物を好ましく用いることができる。耐熱性ゴム組成物としては、具体的には、シリコーンゴム組成物やフッ素ゴム組成物等が挙げられる。
【発明の効果】
【００１８】
以上のように、本発明では、複合材料構造物製造用治具において、ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造に特に好適に用いることができ、より多数回の使用が可能となるような耐久性を実現できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る複合材料構造物製造用治具としてのブラダの外観構成の一例を示す模式的斜視図である。
【図２】（ａ）は、図１に示すブラダの長手方向（縦方向）の断面図であり、（ｂ）および（ｃ）は、（ａ）に示すブラダを構成する本体部および末端金具の構成の一例を示す斜視図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、図２（ｃ）に示す末端金具を本体部に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。
【図４】（ａ）および（ｂ）は、標準的な末端金具を本体部に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は、挿入部に形成されている帯状溝部の具体的な形状を示す模式図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、ハット型ストリンガの構成の一例を示す部分斜視図である。
【図７】（ａ）および（ｂ）は、プリプレグをオートクレーブで硬化させる工程において、ブラダ、プリプレグおよびマンドレルの位置関係を断面図として示す模式図である。
【図８】（ａ）および（ｂ）は、プリプレグを硬化させた後に、ブラダを引き抜くときの状態を断面図として示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００２１】
［複合材料構造物製造用治具としてのブラダの基本構成］
図１（ａ）および（ｂ）は本実施の形態に係る複合材料構造物製造用治具としてのブラダの外観構成の一例を示す模式的斜視図であり、図２（ａ）は、図１に示すブラダの長手方向の断面を示す断面図であり、図２（ｂ）は、図１に示すブラダの本体部の形状を示す部分斜視図であり、図２（ｃ）は、図１に示すブラダの一方の端部に取り付けられている末端金具１２の形状を示す斜視図である。なお、以下の説明では、ブラダの長手方向を「縦方向」と称し、当該縦方向に直交する方向を「横方向」と称する。また、ブラダの縦方向の断面を「縦断面」と称し、ブラダの横方向の断面を「横断面」と称する。
【００２２】
本実施の形態にかかるブラダ１０Ａは、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、その全体的な外観形状が柱状であって、本体部１１、末端金具１２および末端栓部１３から少なくとも構成されている。本体部１１は、ブラダ１０Ａの本体となる部材であって、図２（ａ）および（ｂ）に示すように、内部が中空の管状に形成されている。
【００２３】
本体部１１は、図２（ｂ）に示すように、その横断面が台形状となっている。これは、後述するように、ブラダ１０Ａがハット型ストリンガに形成されている溝状部に内挿する形状となっている必要があることに基づく。本体部１１において、台形状の横断面の上底に対応する壁部は、その外面がハット型ストリンガの溝状部に接する面となるため、図１（ｂ）および図２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、「接触壁部１１ａ」と称する。また、台形状の横断面の下底に対応する壁部は、その外面が、ブラダ１０Ａがハット型ストリンガの溝状部に内挿された状態で露出している面となるため、図１（ａ）および図２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、「露出壁部１１ｂ」と称する。したがって、図１（ａ）は、露出壁部１１ｂを上側としたときの斜視図であり、図１（ｂ）は、壁部１１ａを上側としたときの斜視図である。なお、当然のごとく、対向する壁部１１ａ（上底に対応する壁部）および露出壁部１１ｂ（下底に対応する壁部）は、互いに平行の位置関係にある。
【００２４】
また、図２（ｂ）に示すように、本実施の形態では、本体部１１の横断面は、上底および下底のそれぞれの中点を通る線分に対して対象な台形状、すなわち等脚台形状となっている。したがって、本体部１１において、台形状の横断面の各斜辺に対応する壁部を傾斜壁部１１ｃ・１１ｃと定義すれば、これら傾斜壁部１１ｃ・１１ｃは、それぞれの傾斜方向が反対側となる状態で、同一の傾斜角度で傾斜していることになる。なお、これら傾斜壁部１１ｃ・１１ｃの外面も、壁部１１ａと同様にハット型ストリンガの溝状部に接する面である。
【００２５】
本体部１１は、図２（ａ）に示すように、管状に形成され、末端金具１２および末端栓部１３により両端が封止されることで、内部が気密となるよう構成されている。また、本体部１１は、伸縮性材料により形成され、後述するように、本体部１１内が加圧されることによって、当該本体部１１は膨張する。したがって、本体部１１の各壁部（壁部１１ａ、露出壁部１１ｂ、および傾斜壁部１１ｃ・１１ｃ）の厚みは、伸縮性材料の物性および使用時の加圧の程度等の条件にもよるが、膨張可能な柔軟性が発揮できる程度の寸法となっている必要がある。本実施の形態では、本体部１１を形成する伸縮性材料としては、後述するように公知のシリコーンゴム組成物が好ましく用いられるため、本体部１１の各壁部の厚みは４．０〜６．０ｍｍの範囲内が好ましく、４．５〜５．５ｍｍの範囲内がより好ましい。シリコーンゴム組成物の主成分であるシリコーンエラストマーのモノマー構造や平均分子量、あるいはシリコーンゴム組成物に含まれる各成分の種類や組成比等にもよるが、本体部１１の各壁部の厚みがこの範囲内であれば、後述する加圧条件で十分な膨張を実現することができる。なお、各壁部はいずれも同一の厚みであってもよく、各壁部それぞれで異なる厚みとなっていてもよい。
【００２６】
本体部１１の横断面は、前記のとおり、ハット型ストリンガの溝状部の形状に合わせて台形状となっていればよく、その具体的な寸法は特に限定されない。本実施の形態では、例えば、横断面の上底の長さ、すなわち壁部１１ａの幅は２０〜２５ｍｍの範囲内となっており、横断面の下底の長さ、すなわち露出壁部１１ｂの幅は、７０〜７３ｍｍの範囲内となっており、横断面の高さＨ、すなわち本体部１１における壁部１１ａおよび露出壁部１１ｂの間隔は、３４〜３７ｍｍの範囲内となっているが、これら数値範囲に限定されず、ハット型ストリンガの溝状部の形状に対応して、適宜設定される。
【００２７】
本体部１１の全長は特に限定されない。後述するように、本実施の形態に係るブラダ１０Ａは、複合材料構造物を製造するための治具として用いられるものであって、当該複合材料構造物の骨格部材として用いられる複数のハット型ストリンガの溝状部に内挿されるものであるため、さまざまな長さとなるよう設定される。例えば、複合材料構造物が、ワンピースバレル（ＯＰＢ）として形成される航空機の胴体部であれば、ハット型ストリンガの長さは、１〜１０ｍの範囲内でさまざまな種類のものが用いられるので、本体部１１の長さもこれに合わせて１〜１０ｍの範囲内となるように設定されればよい。
【００２８】
末端金具１２は、本体部１１の一方の端部を封止する部材であって、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、加圧孔１２ａが形成されている。末端金具１２は、本実施の形態では、図２（ｃ）に示すように、本体部１１の中空に挿入される挿入部１２ｂと、当該挿入部１２につながる頭部１２ｃとから少なくとも構成されている。挿入部１２ｂは、本体部１１に挿入された状態で接着剤により本体部１１の内面と密着する部位であり、頭部１２ｃは、本体部１１に挿入された状態では外部に露出する部位である。また、図２（ｃ）に示すように、挿入部１２ｂの外周面に、縦方向（挿入部１２ｂの延伸方向）に直交するように複数の帯状溝部１２ｄが形成されている。
【００２９】
挿入部１２ｂの形状は、本体部１１の中空の形状に合わせたものとなっていればよい。本実施の形態では、図２（ｂ）に示すように、本体部１１は、各壁部がいずれも同一の厚みとなっているので、中空の横断面の形状も台形状となる。したがって、挿入部１２ｂは、その横断面が台形状なっている短い柱状として形成されている。また、挿入部１２ｂの長さも特に限定されず、本体部１１の中空に挿入され接着剤で本体部１１の内面と接着された状態で、本体部１１の内部を気密に保持できるように、十分な接着面積を確保できる長さであればよい。本実施の形態では、例えば、５０〜７０ｍｍの範囲内となっている。
【００３０】
帯状溝部１２ｄは、図２（ｃ）に示すように、挿入部１２ｂの横方向、すなわち挿入部１２ｂが本体部１１の中空に挿入される方向（縦方向、ブラダ１０Ａの長手方向）に直交する方向に、当該挿入部１２ｂの外周面に巻き回されるような形状で形成されている。末端金具１２は、挿入部１２ｂに接着剤を塗布して本体部１１の中空に挿入されことで、当該本体部１１に固定されるが、挿入部１２ｂに帯状溝部１２ｄが形成されていれば、後述するように、帯状溝部１２ｄに接着剤が充填された状態で挿入部１２ｂと本体部１１とが接着されることになり、末端金具１２と本体部１１との接着状態を向上させることができるとともに、本体部１１の内部の気密性も高めることができる。
【００３１】
頭部１２ｃは、本体部１１の外部に確実に露出できるように、本体部１１の中空の寸法よりも十分に大きな形状となっていればよいが、後述するように、ハット型ストリンガの溝状部へ内挿する際の便宜上、その横断面が、本体部１１の外形寸法と同じ程度の寸法となっていることが好ましい。このように頭部１２ｃの横断面と本体部１１の横断面とがほぼ同じ大きさであれば、ブラダ１０Ａ全体において、各壁部の外面がほぼ同一の平面となるため、溝状部への内挿や引き抜きの利便性を高めることができる。
【００３２】
また、本実施の形態では、末端金具１２の頭部１２ｃの外端は、平坦ではなく突き出た尖端状となっている。より具体的には、末端金具１２を本体部１１に取り付けたときに、壁部１１ａに対応する面を接触面とし、露出壁部１１ｂに対応する面を露出面とすれば、図２（ｃ）に示すように、末端金具１２の接触面は平坦なままで、露出面は接触面に向かって傾斜し、さらに、接触面は外端に向かうにつれて間隔が狭まるように形成されている。このように頭部１２ｃの外端が尖端状であれば、ハット型ストリンガの溝状部に内挿された状態から引き抜きやすくなるが、もちろんこの形状に限定されない。なお、末端金具１２の具体的な形状も、前述した挿入部１２ｂおよび頭部１２ｃを備える構成に限定されず、これら以外の構成を含んでもよい。
【００３３】
末端金具１２においては、図１（ａ）および図２（ａ）に示すように、頭部１２ｃの露出面に加圧孔１２ａの一方の開口が形成され、挿入部１２ｂの端面に加圧孔１２ａの他方の開口が形成されている。なお、図２（ｃ）では、末端金具１２の露出面が図中下側となっているので加圧孔１２ａは図示されない。この加圧孔１２ａは、頭部１２ｃの露出面に形成された一方の開口から頭部１２ｃ内に向かって略垂直に延伸し、頭部１２ｃの略中央で挿入部１２ｂ側に折れ曲がり、挿入部１２ｂの端面の開口につながるよう形成されている。したがって、ブラダ１０Ａをハット型ストリンガの溝状部に内挿した状態では、末端金具１２の頭部１２ｃの露出面に、加圧孔１２ａの一方の開口が露出しており、他方の開口は本体部１１の中空につながっている。それゆえ、加圧孔１２ａは、本体部１１の内部と外部とを接続する通気路となって、気密に封止された本体部１１の内部を加圧することができる。例えば、高圧環境のオートクレーブ内では、加圧孔１２ａから本体部１１の内部も高圧となるので、気密に封止されている本体部１１の内部が加圧して本体部１１が膨張することになる。
【００３４】
末端金具１２の材質は、本実施の形態では、アルミニウムまたはその合金が用いられているが、これに限定されない。ブラダ１０Ａは治具として用いられるため、できる限り軽量の材質であることが好ましく、かつ、加圧孔１２ａを内部に形成するため、加工性および孔の形状保持性に優れた材質であることが好ましい。それゆえ、本実施の形態では、コストの面から見てもアルミニウムまたはその合金が好適に用いられる。なお、複合材料構造物の製造条件によっては、軽量であることよりも他の条件が重視されることも有りうるので、例えば、アルミニウム以外の公知の金属材料、セラミック材料、あるいは耐熱性樹脂組成物が選択されてもよいし、各種の金属、セラミック、耐熱性樹脂組成物の複合材料が用いられてもよい。
【００３５】
末端栓部１３は、本体部１１の他方の端部（末端金具１２で封止された端部とは反対側の端部）を気密に封止する部材であって、本実施の形態では、図２（ａ）に示すように、本体部１１の中空に挿入される挿入部１３ａと、挿入部１３ａにつながる外蓋部１３ｂとから構成されている。
【００３６】
末端栓部１３の挿入部１３ａは、末端金具１２の挿入部１２ｂと同様に、本体部１１の中空の横断面形状に合わせて、その横断面が台形状なっている短い柱状に形成され、外蓋部１３ｂは、その外径が本体部１１の外径とほぼ同じ程度となるように広がる板状に形成されている。挿入部１３ａの長さは特に限定されず、末端金具１２の挿入部１２ｂと同様に、本体部１１の中空に挿入され接着剤で本体部１１の内面と接着された状態で、本体部１１の内部を気密に保持できるように、十分な接着面積を確保できる長さであればよい。本実施の形態では、例えば、２０〜３０ｍｍの範囲内となっている。
【００３７】
なお、末端栓部１３の具体的形状や各部の寸法は、前記構成に限定されず、例えば、必要に応じて、挿入部１３ａおよび外蓋部１３ｂ以外の構成を含んでいてもよいし、本体部１１の内部を気密に封止することができれば、外蓋部１３ｂの形状が板状でなくてもよい。
【００３８】
なお、前記のとおり、本実施の形態では、本体部１１は、末端金具１２および末端栓部１３という２種の封止部材によって内部が気密に封止されているが、もちろんこれに限定されず、双方とも金属製の封止部材で封止されてもよいし、本体部１１の他方の端部では、封止部材という別部材ではなく、管状の本体部１１そのものを二次成形することによって開口が封止されてもよい。
【００３９】
［末端金具および本体部の接着構成］
本実施の形態に係るブラダ１０Ａでは、接着剤により末端金具１２が本体部１１に固定される場合に、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周に帯状溝部１２ｄが形成されているため、末端金具１２の接着固定状態をより強固なものとすることができる。この点について、ブラダ１０Ａの製造方法とともに、図３（ａ）および（ｂ）、図４（ａ）および（ｂ）に基づいて説明する。
【００４０】
図３（ａ）および（ｂ）は、図２（ｃ）に示す末端金具１２を本体部１１に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。図４（ａ）および（ｂ）は、標準的な末端金具１７を本体部１１に取り付ける工程を示す模式的な部分断面図である。図５（ａ）〜（ｆ）は、挿入部１２ｂに形成されている帯状溝部１２ｄの具体的な形状を示す模式図である。
【００４１】
まず、耐熱性ゴム組成物を用いて公知の成形方法で本体部１１を成形し、本体部１１の両端に封止部材としての末端金具１２および末端栓部１３を取り付ける。このとき、図３（ａ）に示すように、末端金具１２の挿入部１２ｂと、図示されないが末端栓部１３の挿入部１３ａには、耐熱性ゴム組成物に用いられる公知の耐熱性の接着剤１８が塗布された上で、当該挿入部１２ｂおよび１３ａが本体部１１の端部にそれぞれ挿入される。
【００４２】
ここで、挿入部１２ｂの横断面の大きさは、通常、本体部１１の横断面における中空の大きさとほぼ同じとなるように形成されている。これは、ブラダ１０Ａの内部の気密性を向上させるためである。
【００４３】
つまり、横断面の中空の大きさに対して挿入部１２ｂの横断面の大きさが小さければ、末端金具１２を本体部１１に挿入して固定したとき、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間にクリアランス（隙間）が生じる。このクリアランスは、接着剤１８を保持するための空間としては有効なものであるが、本体部１１は、内部が加圧されて膨張するものであるため、クリアランスが大きすぎると、接着剤１８による接着の程度にもよるが、本体部１１の内部を気密に保持することができないおそれがある。したがって、本体部１１の膨張の程度も考慮した上で、挿入部１２ｂの横断面の大きさは、中空の横断面の大きさとほぼ同程度とすることが好ましい。
【００４４】
ところが、図３（ａ）に示すように、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周面全体に接着剤１８を塗布し、これを本体部１１の中空に挿入すると、本体部１１の端部の開口周縁で、挿入部１２ｂの外周面に塗布された接着剤１８が掻き取られてしまう。それゆえ、図３（ｂ）に示すように、挿入部１２ｂを、ほぼ完全に本体部１１の中空に挿入すれば、挿入部１２ｂの外周面から接着剤１８の大部分が掻き取られ、本体部１１の端部の開口と、末端金具１２における頭部１２ｃおよび挿入部１２ｂの段差との間に、掻き取られた接着剤１８が集められ、一部は本体部１１および末端金具１２の側面からはみ出す。
【００４５】
この点は、図４（ａ）および（ｂ）に示す標準的な末端金具１７を本体部１１に取り付ける場合も同様である。すなわち、図４（ａ）に示すように、末端金具１７の挿入部１７ｂの外周面全体に接着剤１８を塗布し、これを本体部１１の中空に挿入すると、本体部１１の端部の開口周縁で、大部分の接着剤１８が掻き取られ、図４（ｂ）に示すように、本体部１１の端部の開口と、末端金具１７における頭部１７ｃおよび挿入部１７ｂの段差との間に、掻き取られた接着剤１８が集められてしまう。
【００４６】
しかしながら、本実施の形態では、挿入部１２ｂの外周面に、縦方向に直交するように複数（例えば３つの）の帯状溝部１２ｄが形成されている。それゆえ、標準的な末端金具１７であれば、図４（ｂ）に示すように、挿入部１７ｂが本体部１１の中空に挿入されることで、挿入部１７ｂの外周面からほとんどの接着剤１８が除去されてしまうが、本実施の形態の構成であれば、図３（ｂ）に示すように、帯状溝部１２ｄに接着剤１８が充填されて、挿入部１２ｂと本体部１１との間に残存する。
【００４７】
帯状溝部１２ｄは、前記のとおり、挿入部１２ｂの外周面において、縦方向に直交するように形成される。そのため、挿入部１２ｂおよび本体部１１の間に残存する接着剤１８は、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に、環状のシール材のような形状で保持され、複数（例えば３つ）の接着層１４を形成することになる。したがって、接着剤１８を硬化させれば、複数の接着層１４により挿入部１２ｂと本体部１１とを十分に接着させることができるだけでなく、複数の接着層１４が、本体部１１と挿入部１２ｂとの間をシールすることになる。それゆえ、本体部１１に対する末端金具１２の接着状態（固定状態）をより確実なものとするだけでなく、本体部１１の内部の気密性も高めることができる。
【００４８】
特に、本体部１１の内部の気密性を高めるには、挿入部１２ｂの横断面の大きさと本体部１１の中空の横断面の大きさを同等とする構成が挙げられる。この構成であれば、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に無駄なクリアランスが生じないようにすることができる。ただし、標準的な末端金具１７であれば、挿入部１２ｂおよび本体部１１の中空の横断面の大きさが同等であれば、挿入部１２ｂおよび本体部１１との間で接着剤１８を保持できなくなるおそれがある。
【００４９】
もちろん、クリアランスを適切に設計することで、本体部１１を気密できるとともに、接着剤１８も適切に保持することは可能であるが、標準的な末端金具１７であれば、挿入部１２ｂの外周面が平坦であることから、安定して接着剤１８を保持することは難しい。これに対して、本実施の形態では、挿入部１２ｂの外周面に複数の帯状溝部１２ｄを形成することで、複数の接着層１４を形成することができるので、末端金具１２を本体部１１に対して、より確実に接着させることが可能となる。
【００５０】
ここで、帯状溝部１２ｄの具体的な構成は特に限定されない。例えば、図５（ａ）の斜線線の領域で示すように、帯状溝部１２ｄ−１は、挿入部１２ｂの外周面において、縦方向に直交する方向（横方向）に沿って巻き回されるように帯状に形成されていればよいが、必ずしも縦方向に直交するように形成されていなくてもよく、例えば、図５（ｂ）の斜線の領域で示すように、横方向に対して傾斜した形状の帯状溝部１２ｄ−２として形成されてもよい。帯状溝部１２ｄは、本体部１１に挿入された状態で、接着剤１８を充填させる空間としての機能（接着剤保持機能）を有しているだけでなく、充填された接着剤１８を、挿入部１２ｂの周囲でシール材のように環状に保持させる機能（シール機能）も有しているので、これら各機能を実現できるのであれば、帯状溝部１２ｄの形状は、どのような形状であってもよい。
【００５１】
たとえば、図５（ｃ）の斜線の領域で示すように、波状に湾曲する形状の帯状溝部１２ｄ−３が形成されてもよいし、図５（ｄ）の斜線の領域で示すように、幅の広い帯状溝部１２ｄ−１と幅の狭い帯状溝部１２ｄ−４とが混在して形成されてもよい。あるいは、図５（ｅ）の斜線の領域で示すように、３つの帯状溝部１２ｄ−１を縦方向につなぐ帯状溝部１２ｄ−５がさらに形成されてもよいし、図５（ｆ）の斜線の領域で示すように、挿入部１２ｂの先端側および付け根側では、標準的な帯状溝部１２ｄ−１が形成され、これらの間には、破線状に分断された破線状凹部１２ｄ−６が形成されてもよい。
【００５２】
図５（ｄ）に示す帯状溝部１２ｄ−１および１２ｄ−４の組合せや、図５（ｅ）に示す帯状溝部１２ｄ−１および１２ｄ−５の組合せであれば、接着層１４の面積を増やすことができるという利点がある。また、図５（ｆ）に示す帯状溝部１２ｄ−１および連続凹部１２ｄ−６の組合せであれば、挿入部１２ｂの先端側および付け根側の帯状溝部１２ｄ−１によりシール材としての機能が実現され、これらの間の破線状凹部１２ｄ−６により、挿入部１２ｂの中間部位で接着層１４を形成することができるので、接着剤１８の使用量を減らすことが可能である。
【００５３】
また、帯状溝部１２ｄの寸法についても特に限定されない。例えば、帯状溝部１２ｄの幅および深さは、前記接着剤保持機能およびシール機能を実現できるのであれば、挿入部１２ｂおよび本体部１１の具体的な寸法によって適宜設定される。本実施の形態では、例えば、挿入部１２ｂの長さが５０ｍｍであれば、帯状溝部１２ｄの幅は、２〜５ｍｍの範囲内であればよく、帯状溝部１２ｄの深さは、１〜３ｍｍの範囲内であればよい。
【００５４】
また、挿入部１２ｂに形成される帯状溝部１２ｄの数も特に限定されない。前記接着剤保持機能およびシール機能を実現するのであれば、少なくとも１つの帯状溝部１２ｄが形成されればよいが、挿入部１２ｂの外周面全体にわたって安定した接着状態を確保するのであれば、挿入部１２ｂの先端側、頭部１２ｃの付け根側、およびその間の３箇所に帯状溝部１２ｄが形成されると好ましい。つまり、帯状溝部１２ｄは３つ形成されると好ましい。ただし、挿入部１２ｂの長さ、本体部１１の内面との接触面積等の条件を考慮すれば、先端側と付け根側との２箇所であってもよいし、先端側および付け根側の間に２つ以上形成されてもよい。
【００５５】
［ブラダの使用方法］
本実施の形態に係るブラダ１０Ａは、スティフンドパネルを利用した各種の複合材料構造物の製造において、骨格部材のスティフナに含まれるハット型ストリンガの治具として好適に用いられる。この点について、図６（ａ）および（ｂ）、図７（ａ）および（ｂ）、図８（ａ）および（ｂ）を参照して説明する。
【００５６】
図６（ａ）および（ｂ）は、ハット型ストリンガの構成の一例を示す部分斜視図である。図７（ａ）および（ｂ）は、プリプレグをオートクレーブで硬化させる工程において、ブラダ１０Ａ、プリプレグおよびマンドレルの位置関係を断面図として示す模式図である。図８（ａ）および（ｂ）は、プリプレグを硬化させた後に、ブラダ１０Ａを引き抜くときの状態を断面図として示す模式図である。
【００５７】
図６（ａ）および（ｂ）に示すように、ハット型ストリンガ２０は、一方向に延伸する棒状または長板状の形状を有し、その長手方向に沿って延び、互いに平行な一対の平坦な帯状部２０ａが形成され、これら帯状部２０ａの間に平坦領域の表面から陥凹した形状の溝状部２０ｂが形成された構成となっている。なお、図６（ａ）に示すように、溝状部２０ｂが下方となっている側の面を内面と称し、図６（ｂ）に示すように、溝状部２０ｂが上方となっている側の面を外面と称する。ブラダ１０Ａは、この溝状部２０ｂに内挿させて使用される。
【００５８】
具体的には、ハット型ストリンガ２０を、構造物の形状に合わせて所定の骨格形状に組み合わせる。このとき、ハット型ストリンガ２０は、外面を外側とするように組み合わせられるので、溝状部２０ｂにブラダ１０Ａが内挿される。この状態で、ハット型ストリンガの帯状部２０ａの外面側とブラダ１０Ａの露出壁部１１ｂの外面にプリプレグ３０が貼付される。
【００５９】
なお、プリプレグ３０の貼付方法は特に限定されず、例えば、構造物が航空機の胴体部であれば、骨格構造物は円筒形状に組み合わせられるので、積層ローラを備える自動積層機により、円筒形状の骨格構造物を回転させながらプリプレグ３０を貼付し積層する方法が挙げられる。なお、プリプレグ３０は、構造物の厚みが均等になるように貼付されるのではなく、剛性や強度を高めたい箇所では、スキンの厚みを大きくするように、より多く積層される。これは、例えば、航空機の胴体部であれば、スキンの厚みは全体的に薄く形成して、軽量化を図ることができるが、窓または扉等の周囲は強度を十分に高めるためにスキンを厚く形成することが求められるためである。したがって、硬化前のプリプレグ３０の厚みは一定ではない。
【００６０】
その後、プリプレグ３０の積層が完了すれば、図７（ａ）に模式的に示すように、円筒形状の構造物の内側に、円筒形状を保持するための治具であるマンドレル４２を取り付けて、さらにバッギングフィルム４３で全体を覆って、オートクレーブ内に収容する。そして、オートクレーブ内で所定の温度および所定の圧力で加熱および加圧処理を施す。このとき、図７（ａ）に示すように、オートクレーブ内の高温高圧雰囲気は、バッギングフィルム４３を介してプリプレグ３０全体に加えられるだけでなく、ブラダ１０Ａの末端金具１２の加圧孔１２ａからブラダ１０Ａの内部に伝達され（図中矢印Ｈ０）、ブラダ１０Ａが膨張する。また、オートクレーブ内の高温高圧雰囲気は、プリプレグ３０全体に加えられる（図中矢印Ｈ１）。
【００６１】
ここで、図７（ａ）に点線で囲んで示すように、挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に、複数（図中３つ）の接着層１４が形成されている。この接着層１４は、挿入部１２ｂの外周面に形成された帯状溝部１２ｄにより保持されているため、挿入部１２ｂの外周面に、接着剤１８で形成された環状のシール材が複数設けられていることになる。それゆえ、ブラダ１０Ａの内部の高温高圧雰囲気は、挿入部１２ｂと本体部１１との間から漏出することがなく、それゆえ、ブラダ１０Ａを十分に膨らませることができる。
【００６２】
このようにブラダ１０Ａが膨張することで、図７（ａ）には図示されないハット型ストリンガ２０の帯状部２０ａがプリプレグ３０に強い外力で押さえつけられた状態が維持され、プリプレグ３０の硬化が進行する。そして、硬化が完了すれば、ハット型ストリンガ２０からなる骨格とプリプレグ３０が硬化してなるスキンとが強固に密着して一体化されたスティフンドパネル構造物が得られることになる。
【００６３】
その後、図８（ａ）に示すように、硬化したスキン３１とハット型ストリンガ２０との間から、ブラダ１０Ａを引き抜くことになる。ここで、本実施の形態に係るブラダ１０Ａであれば、前述のとおり、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周面と本体部１１の内面との間に、図中点線で囲んで示される、複数の接着層１４が形成されている。この接着層１４は、例えば、挿入部１２ｂの先端側と付け根側とその間との３箇所に形成されているので、挿入部１２ｂ全体を本体部１１に良好に接着させることができる。
【００６４】
ここで、前述のとおり、スキン３１の厚みは一定ではなく、図８（ａ）において点線で囲まれた領域Ｄに示すように、その内面には凹凸が生じている。ブラダ１０Ａは、図８（ａ）に示すように、この凹凸（領域Ｄ）に沿って湾曲した上体で、ハット型ストリンガ２０とスキン３１との間に内挿されている。そして、このようなスキン３１とハット型ストリンガ２０との間からブラダ１０Ａを引き抜く場合には、図中矢印Ｐで示すように、末端金具１２の頭部１２ｃに引っ張りの外力を加えることになる。
【００６５】
本実施の形態に係るブラダ１０Ａであれば、図中点線で囲んで示される、複数の接着層１４により、挿入部１２ｂと本体部１１との接着状態が安定して保持されるので、スキン３１の内面の凹凸に沿ってブラダ１０Ａが湾曲していても、末端金具１２の頭部１２ｃを牽引することで、ブラダ１０Ａを適切に引き抜くことができる。
【００６６】
これに対して、図７（ｂ）に示すように、標準的な末端金具１７を備えるブラダ１０Ｂであれば、挿入部１７ｂと本体部１１との間で接着剤が十分に保持されない場合が多い（図４（ａ）および（ｂ）参照）。それゆえ、図８（ｂ）において図中矢印Ｐで示すように、末端金具１７の頭部１７ｃを引っ張ることでブラダ１０Ｂを引き抜こうとすると、末端金具１７と本体部１１との接着状態が適切に保持されないことから、挿入部１７ｂが本体部１１から抜け出てしまうおそれがある。この場合、ブラダ１０Ｂを簡単に引き抜くことができないだけでなく、スキン３１の内面の凹凸の状態によっては、ブラダ１０Ｂを完全に引き抜くことができないおそれもある。
【００６７】
さらに、挿入部１７ｂが本体部１１から完全に抜け出てしまわなくても、挿入部１７ｂの外周面から本体部１１の内面が剥がれてしまうと、挿入部１７ｂによる本体部１１の内部の気密性が十分に維持されない。このような状態のブラダ１０Ｂを用いて、再び円筒形状の構造物を製造しようとすれば、図７（ｂ）に示すように、挿入部１７ｂと本体部１１とが密着していない箇所から、高温高圧雰囲気が漏出し、ブラダ１０Ｂが十分に膨らまないという事態が生じる。
【００６８】
具体的には、前述したように、プリプレグ３０を硬化させる際には、構造物の内側にマンドレル４２を取り付けて、バッギングフィルム４３で全体を覆って、オートクレーブ内に収容するが、図７（ｂ）に示すように、オートクレーブ内の高温高圧雰囲気は、バッギングフィルム４３を介してプリプレグ３０全体に加えられるとともに、ブラダ１０Ｂの末端金具１７の加圧孔１７ａからブラダ１０Ｂの内部にも伝達される（図中矢印Ｈ０）。ここで、挿入部１７ｂの外周面から本体部１１の内面が剥がれると、本体部１１の内部に加えられるはずの高温高圧雰囲気は、剥がれた箇所から漏出する（図中矢印Ｈ２）。
【００６９】
このように、ブラダ１０Ｂが十分に膨張することができなければ、図７（ｂ）には図示されないハット型ストリンガ２０の帯状部２０ａをプリプレグ３０に強い外力で押さえつけることができなくなる状態で、プリプレグ３０の硬化が進行するので、適切な形状の構造物を製造できなくなる。したがって、ブラダ１０Ｂにおいて、本体部１１と挿入部１７ｂとの密着状態が不十分となれば、当該ブラダ１０Ｂは再度、構造物の製造に利用することができなくなる。
【００７０】
このように、本発明に係るブラダ１０Ａにおいては、末端金具１２の挿入部１２ｂの外周面に帯状溝部１２ｄが形成されているため、末端金具１２と本体部１１との密着性を向上することができる。それゆえ、硬化後のスキン３１とハット型ストリンガ２０との間からブラダ１０Ａを引き抜くときにも、末端金具１２と本体部１１との密着性を低下させることがなく、ブラダ１０Ａの寿命を延ばすことができる。また、帯状溝部１２ｄにより保持される接着層１４は、挿入部１２ｂの外周面においてシール材のように機能するので、本体部１１の内部の気密性をより向上させることができ、ブラダ１０Ａの膨張作用を安定して維持することもできる。
【産業上の利用可能性】
【００７１】
本発明は、複合材料構造物の製造分野、特に、ハット型ストリンガを採用したスティフンドパネル構造物の製造の分野に好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００７２】
１０ ブラダ（複合材料構造物製造用治具）
１１ 本体部
１１ａ 接触壁部（台形状の横断面の上底に対応する壁部）
１１ｂ 露出壁部（台形状の横断面の下底に対応する壁部）
１２ 末端金具（金属製の封止部材）
１２ａ 加圧孔
１２ｂ 挿入部
１３ 末端栓部（弾性材料製の封止部材）
１７ 末端金具（金属製の封止部材）
１７ａ 加圧孔
１７ｂ 挿入部
２０ ハット型ストリンガ
２０ａ 帯状部
２０ｂ 溝状部
３０ プリプレグ
３１ スキン
【特許請求の範囲】
【請求項１】
長手方向に沿って延びる溝状部を有するハット型ストリンガを骨格材料として含む骨格構造体にプリプレグを貼付して複合材料構造物を製造する際に、前記ハット型ストリンガの前記溝状部に内挿されて用いられ、
伸縮性材料により管状に形成され、その長手方向に直交する断面である横断面が台形状となっている本体部と、
前記本体部の一方の端部に取り付けられ、前記本体部の内部を加圧するための加圧孔が形成されている末端金具と、を備え、
前記末端金具は、前記本体部の中空に挿入される挿入部を有し、
当該挿入部は、柱状であって、その横断面が前記本体部の中空の輪郭形状に対応した形状であるとともに、その外周面には、当該外周面を巻き回すように形成される帯状溝部が設けられ、当該帯状溝部に接着剤が充填された上で、前記本体部の中空に挿入されている、複合材料構造物製造用治具。
【請求項２】
前記帯状溝部は、前記挿入部に複数設けられている、請求項１に記載の複合材料構造物製造用治具。
【請求項３】
前記伸縮性材料は、耐熱性ゴム組成物である、請求項１または２に記載の複合材料構造物製造用治具。
【請求項１】
長手方向に沿って延びる溝状部を有するハット型ストリンガを骨格材料として含む骨格構造体にプリプレグを貼付して複合材料構造物を製造する際に、前記ハット型ストリンガの前記溝状部に内挿されて用いられ、
伸縮性材料により管状に形成され、その長手方向に直交する断面である横断面が台形状となっている本体部と、
前記本体部の一方の端部に取り付けられ、前記本体部の内部を加圧するための加圧孔が形成されている末端金具と、を備え、
前記末端金具は、前記本体部の中空に挿入される挿入部を有し、
当該挿入部は、柱状であって、その横断面が前記本体部の中空の輪郭形状に対応した形状であるとともに、その外周面には、当該外周面を巻き回すように形成される帯状溝部が設けられ、当該帯状溝部に接着剤が充填された上で、前記本体部の中空に挿入されている、複合材料構造物製造用治具。
【請求項２】
前記帯状溝部は、前記挿入部に複数設けられている、請求項１に記載の複合材料構造物製造用治具。
【請求項３】
前記伸縮性材料は、耐熱性ゴム組成物である、請求項１または２に記載の複合材料構造物製造用治具。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１１−９８５２７（Ｐ２０１１−９８５２７Ａ）
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２５５５２０（Ｐ２００９−２５５５２０）
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月１９日（２０１１．５．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月６日（２００９．１１．６）
【出願人】（００００００９７４）川崎重工業株式会社 (1,710)
【Ｆターム（参考）】
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