JP5148466B2 - 複合材料の修理方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合材料の修理方法に関するものであり、特に、コーナーＲ部近傍や、損傷部近傍に他部材が存在しているなどの複雑形状部であっても修理可能な複合材料の修理方法に関するものである。

従来から軽量な材料としてプラスチックが広く用いられている。しかし、プラスチックは軽量ではあるが、弾性率が低く構造用材料としては適していないため、構造用材料として使用する場合には、弾性率の高い繊維を方向性を持たせたままプラスチックの中に入れて強化し、軽量で強度の高い繊維強化プラスチック（Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＦＲＰ）として用いられる。前記弾性率の高い繊維としては、例えば炭素繊維やガラス繊維などが用いられ、特に炭素繊維を強化繊維として用いたＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ：ＣＦＲＰ）は、その他のＦＲＰと比べて強度と弾性率が高く、耐蝕性に優れることから、航空機、宇宙機器、自動車、鉄道など種々の分野で広く使用されている。

かかるＦＲＰ部品には、製造時に内部に気泡が生じたり、ＦＰＲ部品を使用して構造物を組み立てる際に傷が生じたりするなど、欠陥部や損傷部が形成される場合がある。欠陥部や損傷部が生じると、ＦＲＰ部品の強度が低下するため、修理を行う必要がある。

従来における、ＦＲＰ部品の損傷部の修理方法について、図７を用いて説明する。
図７は従来のＦＲＰ部品の損傷部の修理方法の説明図である。
まず、ＦＲＰ部品の母材１０２に形成された損傷部１０４を含み、該損傷部１０４の周辺を研削により削除する。このとき、損傷部だけを抉るようにして損傷部１０４及びその周辺を削除すると削除部分が母材１０２表面に対して垂直に近い形状になり、削除部に応力集中が起こるため、前記研削による削除する研削部の一定の傾斜１０６をもたせる。

次に前記研削部に、接着フィルムと、繊維補強材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグで作成した修理パッチ１０８を配置する。
修理パッチ１０８を配置した後、修理パッチ１０８周辺の母材１０２の表面にサーモカップル１１０を設置するとともに、修理パッチ１０８全体を覆うようにヒータマット１１２を設置する。

その後、ヒータマット１１２全体を覆うようにバックフィルム１１６を設置し、バックフィルム１１６と母材１０２との間に形成され、修理パッチ１０８、サーモカップル１１０及びヒータマット１１２を含む空間を吸引装置１１４によって真空引きする。
さらに、サーモカップル１１０の温度をモニタリングして温度制御しながらヒータマット１１２から修理パッチ１０８に熱を加えて均温化をはかり、修理パッチ１０８を硬化させて母材１０２に接着させる。

このようにして、損傷部とその周辺を削除し、該削除した部分に修理パッチを配置し、修理パッチを硬化させて母材に接着させるＦＲＰの修理方法は、例えば特許文献１に開示されている。

ＵＳＰ６，７６１，７８３号公報

しかしながら、図７で説明したような、損傷部とその周辺を削除し、該削除した部分に修理パッチを配置し、修理パッチを硬化させて母材に接着させるＦＲＰの修理方法は、損傷部周辺の母材表面が一平面であれば問題なく損傷部の修理が可能であるが、損傷部周囲に他部材が存在したり、損傷部周囲の母材表面の形状が一平面ではなく複雑な形状である場合には適用が困難である。

例えば図８に示したように、母材１０２に形成された損傷部１０４の近傍に他部材１２０が存在している場合には、損傷部１０４の周囲Ａを、他部材１２０に影響を与えず、ある一定の角度をもった形状で研削することは困難であり、損傷部１０４の修理が困難である。

また、例えば図９に示したように、母材１０２に形成された損傷部１０４の近傍にコーナーＲ狭隘部１２２のような複雑形状部がある場合にも、損傷部１０４の周囲Ｂを、ある一定の角度をもった形状で研削することは困難であり、損傷部１０４の修理が困難である。

従って、本発明はかかる従来技術の問題に鑑み、損傷部周辺に他部材が存在したり、損傷部周囲の母材表面の形状が一平面ではなく複雑な形状であっても、修理を行うことが可能な複合材料の修理方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため本発明においては、繊維をプラスチックの中に入れて強化することで形成される複合材料の損傷部に、繊維補強材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを配置し、加熱することで前記プリプレグを硬化させて前記損傷部を修理する複合材料の修理方法において、前記複合材料の損傷部に、対向する２側面にテーパ部を形成するように前記プリプレグを積層して配置し、前記テーパ部上に、ダミー部材を配置して、該ダミー部材と前記積層したプリプレグの表面とで平面を形成し、前記ダミー部材及び積層したプリプレグを覆うように、全面を加熱可能なヒータマットを配置し、前記ヒータマットの全面を被覆材で被覆して、該被覆材と前記複合材との間にできる空間を真空引きし、前記ヒータマットの全面を加熱させて、前記積層したプリプレグを硬化させてから、前記ダミー部材を取り除くことを特徴とする。

これにより、損傷部を研削せず、損傷部の上からプリプレグを積層して配置するため、損傷部周辺に他部材が存在したり、損傷部周囲の母材表面の形状が一平面ではなく複雑な形状であっても、修理が可能となる。
さらに、前記プリプレグを対向する２側面にテーパ部が生じるように積層して配置することにより、積層したプリプレグ（以下積層したプリプレグを修理パッチと称する）の端部に応力集中が生じることを防止することができる。
さらに、前記修理パッチの端部のテーパ部上にダミー部材を配置し、ダミー部材と修理パッチの表面、即ち前記ヒータマットと接する面を平面とすることで、ダミー部材及び修理パッチと、ヒータマットとの間に間隙がほとんど生じない。そのため、均圧に真空引きし、均温に加熱することができる。従って、圧力の不均一に起因する修理パッチの品質不良や、温度の不均一に起因する修理パッチの硬化不良等を防止することができる。

従って、損傷部周辺に他部材が存在したり、損傷部周囲の母材表面が複雑な形状であっても、良好な品質で修理が可能となり、従って複合材料修理の適用範囲が拡大する。

また、前記積層したプリプレグ（修理パッチ）と同じ厚みを有し、前記ヒータマットの加熱温度に対して耐熱性を有する補助部材を前記積層したプリプレグと並設し、前記ダミー部材と積層したプリプレグと補助部材とで形成され、前記ヒータマットと対向する面の面積を、前記ヒータマットの、前記積層したプリプレグと対向する面の面積よりも大としたことを特徴とする。

ヒータマットは、通常内部にニクロム線などの電熱線を埋設しており、その大きさや形状を変更するには新たに購入しなければならない。そのため、前記補助部材を使用せず、ヒータマットの修理パッチと対向する面の面積が、修理パッチのヒートマットと対向する面の面積よりも大きい場合には、修理パッチ又はダミー部材と接触できない部分でヒータマットが変形してしまう可能性があるが、前記補助部材を使用することにより、ヒータマット全面が修理パッチ、ダミー部材又は補助部材と接触することができるため、ヒータマットの変形を防止することができる。これにより、良好な品質で修理が可能であるとともに、ヒータマットの汎用性が高くなる。
なお、前記補助部材は、ヒータマットの加熱温度に対して耐熱性を有する必要があり、例えばシリコンラバーシート製やフッ素樹脂製のものを使用することができる。

また、前記プリプレグは、側端部が前記複合材料の表面と接して積層されていることを特徴とする。
これにより、前記テーパ部にプリプレグによる段差のない修理パッチを作成することができる。

また、前記テーパ部上に、前記ヒータマットの加熱温度に対して耐熱性を有する部材を配置してから、該部材上に前記ダミー部材を配置することを特徴とする。
これにより、ダミー部材を容易に取り除くことができる。前記部材としては、例えばフッ化エチレンプロピレン樹脂（Ｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ−Ｅｔｈｙｌｅｎｅ−Ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ：ＦＥＰ）製のフィルムシートを用いることができる。また、フィルムシートでなく、テーパ部上に耐熱性の油であるシリコーン油を塗布することもできる。

以上記載のごとく本発明によれば、損傷部周辺に他部材が存在したり、損傷部周囲の母材表面の形状が一平面ではなく複雑な形状であっても、修理を行うことが可能な複合材料の修理方法を提供することができる。

以下、図面を参照して本発明の好適な実施例を例示的に詳しく説明する。但しこの実施例に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれに限定する趣旨ではなく、単なる説明例に過ぎない。

実施例１は、ＦＲＰ部品の母材に形成された損傷部の近傍にコーナーＲ部が存在する場合における、前記損傷部の修理方法の例である。
図２は実施例１における損傷部周辺の斜視図である。図２において、２はＦＲＰ部品の母材であり、該母材２にはコーナーＲ部２２が設けられており、コーナーＲ部２２近傍の母材表面に損傷部４が形成されている。

図１は、実施例１における複合材料の修理の手順を示すフローチャートである。図１を用いて図２におけるＦＲＰ部品の母材２に形成された損傷部４の修理の手順を説明する。

修理が開始されるとステップＳ１で、損傷部上に修理パッチを形成する。
修理パッチの形成について、図２及び図３を用いて説明する。図３は図２におけるＣ方向矢視図である。
修理パッチ８は、図２に示したように、損傷部４を覆うように形成される。
また、修理パッチ８は、図３に示したように、複数枚のプリプレグ１８を積層して形成されている。それぞれのプリプレグ１８の端部は母材２の表面と接触しており、さらに修理パッチ８の２側面に傾斜部６が設けられている。
プリプレグ１８を対向する２側面に傾斜部６が生じるように積層して修理パッチ８を形成することにより、修理パッチ８の端部に応力集中が生じることを防止することができる。

ステップＳ１で修理パッチ８の形成が終了すると、ステップＳ２でダミー複合材を配置する。
ダミー複合材２４は、例えば修理パッチ８を形成するときと同じプリプレグを積層して形成した複合材を使用することができる。

ダミー複合材２４の配置について、図４を用いて説明する。図４は図２におけるＤ部拡大図である。なお図４においては、母材２の図示は省略している。
図４に示したように、ダミー複合材２４は、修理パッチ８における傾斜部６に配置される。
なお、後述するように、ダミー複合材２４は後に取り除くので、該取り除きを容易にするため、傾斜部６とダミー複合材２４との間には、後述するヒータマットによる加熱温度に対して耐熱性を有する薄い部材（フィルム、塗膜など）を配置しておく。前記ヒータマットによる加熱温度に対して耐熱性を有する部材として、例えばＦＥＰ製のフィルムやシリコーン油塗膜などが挙げられる。
ダミー複合材２４は、傾斜部６に配置することにより、ダミー複合材の表面２６と修理パッチの表面２８とで平面を形成するような形状とする。

ステップＳ２でダミー複合材２４の配置が終了すると、ステップＳ３でヒータマットを配置する。
ヒータマット１２の配置について、図４を用いて説明する。
図４に示したように、ヒートマット１２はＬ字型のものを使用し、Ｌ字型のヒートマット１２をダミー複合材の表面２６と修理パッチの表面２８の表面全体を覆うように設置する。ステップＳ２で説明したように、ダミー複合材の表面２６と修理パッチの表面２８とで平面を形成しているため、ヒートマット１２とダミー複合材の表面２６及び修理パッチの表面２８との間には間隙はほとんど生じない。
さらに、修理パッチ８の近傍の母材２の表面にはサーモカップル１０を配置する。

ステップＳ３でヒータマットの配置が終了すると、ステップＳ４で真空引きを行う。
真空引きについて、図５を用いて説明する。
図５は図４におけるＥ方向矢視図である。但し、図４においては母材２の図示は省略したが、図５においては母材２も図示し、後述するバックフィルム１６は断面を示した。

まず、ヒータマット１２全体を覆うようにバックフィルム１６を設置する。次いで、バックフィルム１６と母材２との間に形成され、修理パッチ８、ダミー複合材２４、サーモカップル１０及びヒータマット１２を含む空間を吸引装置１４によって真空引きする。
前述の通り、ヒートマット１２とダミー複合材の表面２６及び修理パッチの表面２８との間には間隙はほとんど生じていないため、前記真空引き時に均圧に減圧することができ、圧力の不均一に起因する修理パッチの欠損等を防止することができる。

ステップＳ４で真空引きが終了すると、ステップＳ５で加熱を行う。
該加熱は、ステップＳ４で行った真空引き状態を維持したまま行い、サーモカップル１０の温度をモニタリングして温度制御しながらヒータマット１２から修理パッチ８に熱を加えて均温化をはかり、修理パッチ１０８を硬化させて母材２に接着させる。
前述の通り、ヒートマット１２とダミー複合材の表面２６及び修理パッチの表面２８との間には間隙はほとんど生じていないため、温度の不均一に起因する修理パッチの硬化不良等を防止することができる。

ステップＳ５で加熱が終了すると、ステップＳ６で吸引装置１４による真空引きを停止し、バックフィルム１６、ヒータマット１２を順に取り除き、その後ダミー複合材２４を取り除く。ダミー複合材２４と修理パッチ８の傾斜部６との間には、ＦＥＰ製のフィルムなどを配置しているため、ダミー複合材２４は簡単に取り除くことができる。

以上のステップＳ１からステップＳ６の手順で作業を行うことにより、損傷部周囲の母材表面が複雑な形状であっても、良好な品質で修理が可能である。従って複合材料の適用範囲が拡大する。
なお、本実施例１においては、コーナーＲ部形状近傍に損傷部がある場合の例について説明したが、その他の複雑な形状の近傍に損傷部がある場合においても適用可能である。

図６は実施例２における、修理パッチ端部周辺の斜視図である。
図６において、実施例１における説明で用いた図１〜図５と同一符号は同一物を表し、その説明を省略する。

図６においては、ダミー複合材の表面２６と修理パッチの表面２８とで形成される平面の面積よりも、該平面と対向する面の面積が大であるヒータマット１２ｂを使用する。

修理パッチ８に並設するようにして、補助部材３２を配置している。補助部材３２は、シリコンラバーシートを用いているが、ヒータマット１２ｂによる加熱温度に対して耐熱性を有する部材で形成されていれば他の部材で代用することもできる。
また、補助部材３２は、その厚みが修理パッチ８と同じであり、従ってダミー複合材の表面２６と修理パッチの表面２８と補助部材の表面３０とで平面が形成される。このとき、ダミー複合材の表面２６と修理パッチの表面２８と補助部材の表面３２とで形成される平面の面積が、該平面と対向するヒータマット１２ｂの面の面積以上となるように、補助部材３０の大きさを選定する。

ヒータマット１２ｂは、通常内部にニクロム線などの電熱線を埋設しており、その大きさや形状を変更するには新たに購入しなければならない。そのため、補助部材３２を使用せず、ヒータマット１２ｂを使用した場合には、ヒータマット１２ｂのダミー複合材の表面２６及び修理パッチの表面２８の何れとも接触できない部分が生じ、該部分で変形してしまう可能性があるが、補助部材３２を使用することにより、ヒータマット１２ｂの修理パッチ８と対向する面の全面がダミー複合材の表面２６、修理パッチの表面２８又は補助部材の表面３２の何れかと接触することができるため、ヒータマット１２ｂの変形を防止することができる。これにより、良好な品質で修理が可能であるとともに、大きめのヒータマットを用意しておけばよく、ヒータマット１２ｂの汎用性が高くなる。

損傷部周辺に他部材が存在したり、損傷部周囲の母材表面の形状が一平面ではなく複雑な形状であっても、修理を行うことが可能な複合材料の修理方法として利用できる。

実施例１における複合材料の修理の手順を示すフローチャートである。 実施例１における損傷部周辺の斜視図である。 図２におけるＣ方向矢視図である。 図２におけるＤ部拡大図である。 図４におけるＥ方向矢視図である。 実施例２における、修理パッチ端部周辺の斜視図である。 従来のＦＲＰ部品の損傷部の修理方法の説明図である。 従来のＦＲＰ部品の損傷部の修理方法が困難となる例の説明図である。 従来のＦＲＰ部品の損傷部の修理方法が困難となる別の例の説明図である。

符号の説明

２ 母材（複合材料）
４ 損傷部
６ 傾斜部（テーパ部）
８ 修理パッチ（積層したプリプレグ）
１２、１２ｂ ヒータマット
１６ バックフィルム（被覆材）
１８ プリプレグ
２２ コーナーＲ部
２４ ダミー複合材（ダミー部材）
３２ 補助部材

Claims (4)

1. 繊維をプラスチックの中に入れて強化することで形成される複合材料の損傷部に、繊維補強材に未硬化の熱硬化性樹脂を含浸させたプリプレグを配置し、加熱することで前記熱硬化性樹脂を硬化させて前記損傷部を修理する複合材料の修理方法において、
   前記複合材料の損傷部に、対向する２側面にテーパ部を形成するように前記プリプレグを積層して配置し、
   前記テーパ部上に、ダミー部材を配置して、該ダミー部材と前記積層したプリプレグの表面とで平面を形成し、
   前記ダミー部材及び積層したプリプレグを覆うように、全面を加熱可能なヒータマットを配置し、
   前記ヒータマットの全面を被覆材で被覆して、該被覆材と前記複合材との間にできる空間を真空引きし、
   前記ヒータマットの全面を加熱させて、前記積層したプリプレグを硬化させてから、前記ダミー部材を取り除くことを特徴とする複合材料の修理方法。
2. 前記積層したプリプレグと同じ厚みを有し、前記ヒータマットの加熱温度に対して耐熱性を有する補助部材を前記積層したプリプレグと並設し、
   前記ダミー部材と積層したプリプレグと補助部材とで形成され、前記ヒータマットと対向する面の面積を、
   前記ヒータマットの、前記積層したプリプレグと対向する面の面積よりも大としたことを特徴とする請求項１記載の複合材料の修理方法。
3. 前記プリプレグは、側端部が前記複合材料の表面と接して積層されていることを特徴とする請求項１又は２記載の複合材料の修理方法。
4. 前記テーパ部上に、前記ヒータマットの加熱温度に対して耐熱性を有する部材を配置してから、該部材上に前記ダミー部材を配置することを特徴とする請求項１〜３何れかに記載の複合材料の修理方法。

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