JP5551411B2 - ケースの製造方法、及びケース - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなるケースを製造する方法に関する。

近年、新素材に関する研究開発の活発化に伴い、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料（ＦＲＰ）が軽量で高強度を有する素材として注目されており、航空機エンジンのファンケースの構成材料に複合材料を適用する研究開発がなされている。そして、複合材料からなるファンケースを製造する方法の先行技術として特許文献１に示すものがあり、先行技術に係るケースの製造方法の内容は、次のようになる。

即ち、外周側にファンケースの最終形状に対応する形状の成形面を有したマンドレルを用い、マンドレルを軸心周りに回転させつつ、ファンケースの軸長に対応する幅を有した織物をマンドレルへ供給することにより、織物をマンドレルの成形面側に巻付けて、ファンケースの最終形状と同形状の成形体を成形する。そして、成形体を加熱することにより、成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、複合材料からなるファンケースを製造することができる。なお、ファンケースの製造後に、ファンケースをマンドレルから取り外しておく。

米国特許出願公開第２００９／００９８３３７号明細書

ところで、成形体のねじり強度及びねじり剛性を十分に確保するために、一般に、織物の構成要素の中に繊維配向角が−１０〜＋１０度の強化繊維（繊維配向角−１０〜＋１０度の強化繊維）を含める必要がある。一方、織物の構成要素の中に繊維配向角−１０〜＋１０度の強化繊維を含めると、単純円筒形状のファンケースを適切に製造することができるものの、軸方向（ファンケースの軸方向）に沿って外径が大きく変化するファンケースを製造する場合に、ファンケースの最大外径部で繊維配向角−１０〜＋１０度の強化繊維の周方向の長さが規定されることもあって、外径が小さい箇所では繊維配向角−１０〜＋１０度の強化繊維の長さが余剰になり、しわや繊維の蛇行が生じて、複合材料の強度低下を招くことになる。つまり、前述の場合には、ファンケースの強度及び剛性を十分に高めることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のケースの製造方法を提供することを目的とする。

本発明の特徴は、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなる筒状のケースを製造する方法において、外周側に前記ケースの最終形状に対応する形状の成形面を有したマンドレルを用い、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、繊維配向角が−７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度（繊維配向角−７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度）の強化繊維（強化繊維の繊維帯）からなりかつ前記ケースの軸長に対応する幅を有した織物を前記マンドレルへ供給することにより、前記織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける織物巻付工程と、前記織物巻付工程の終了後に、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、強化繊維のロービング（繊維束）を前記マンドレルの軸方向へ前記マンドレルに対して相対的に移動させながら前記マンドレルへ供給することにより、前記ロービングを前記マンドレルの成形面側に前記マンドレルの周方向に対して−１０〜＋１０度の傾斜角を保った状態で螺旋状に巻付けるロービング巻付工程と、前記織物巻付工程及び前記ロービング巻付工程の終了後に、前記織物巻付工程と前記ロービング巻付工程を交互に繰り返すことにより、前記ケースの最終形状と同形状の成形体を成形する繰り返し工程と、前記繰り返し工程の終了後に、前記成形体を加熱することにより、前記成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる加熱工程と、を具備したことを要旨とする。

ここで、前記ケースとは、航空機エンジンのファンケースのみならず、複合材料からなる種々の筒状のケースを含む意であって、前記ケースの軸長に対応する幅とは、前記ケースと同じ軸長の前記成形体を成形するための幅のことをいう。また、繊維配向角とは、前記織物の長手方向、換言すれば、前記ケースの周方向に対する強化繊維の鋭角側の傾斜角のことをいい、例えば前記織物の長手方向に対して時計回り方向へ傾斜している場合には正の繊維配向角となり、前記織物の長手方向に対して反時計回り方向へ傾斜している場合には負の繊維配向角となる。更に、前記ロービングの傾斜角とは、前記マンドレルの周方向に対する前記ロービングの鋭角側の傾斜角のことをいい、例えば前記マンドレルの周方向に対して時計回り方向へ傾斜している場合には正の傾斜角となり、前記マンドレルの周方向に対して反時計回り方向へ傾斜している場合には負の傾斜角となる。

本発明の特徴によると、前記織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける織物巻付工程と、前記ロービングを前記マンドレルの周方向に対して−１０〜＋１０度の傾斜角を保った状態で前記マンドレルの成形面側に螺旋状に巻付けるロービング巻付工程を交互に繰り返すことにより、前記ケースの最終形状と同形状の前記成形体を成形しているため、繊維配向角が−１０〜＋１０度（繊維配向角−１０〜＋１０度）の強化繊維を前記織物の構成要素から除外しても、前記ロービングによって前記成形体のねじり強度及びねじり剛性を確保することができる。

本発明によれば、繊維配向角−１０〜＋１０度の強化繊維を前記織物の構成要素から除外しても、前記ロービングによって前記成形体のねじり強度及びねじり剛性を確保できるため、軸方向（前記ケースの軸方向）に沿って外径が大きく変化する前記ケースを製造する場合であっても、前記複合材料の強度低下に繋がるしわや繊維の蛇行の発生を抑えて、前記ケースの強度及び剛性を十分に高めることができる。

本発明の実施形態に係るケースの製造方法における織物巻付工程を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るケースの製造方法におけるロービング巻付工程を説明する模式的な斜視図である。 織物の部分平面図であって、一部を破断してある。 ロービングをマンドレルの成形面側に巻付ける際におけるマンドレルの周方向に対するロービングの傾斜角を説明する模式的な図である。 本発明の実施形態に係るケースの製造方法の実施に用いられるマンドレル回転装置、織物供給装置、及びロービング供給装置を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るケース製造方法の実施に用いられるマンドレル及びマンドレル回転装置を説明する模式的な断面図である。 航空機エンジンの模式的な断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係るファンケースの部分断面図である。

本発明の実施形態について図１から図７を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向をそれぞれ指してある。

まず、本発明の実施形態に係るケースの製造方法の製造対象であるファンケースについて簡単に説明する。

図７に示すように、本発明の実施形態に係るケースの製造方法の製造対象である筒状のファンケース１は、航空機エンジン３に用いられ、航空機エンジン３における複数のファンブレード５を覆うものである。また、ファンケース１は、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなるものであって、軸方向（ファンケース１の軸方向）に沿って外径が大きく変化するようになっている。

続いて、本発明の実施形態に係るケースの製造方法の実施に用いられる装置等について説明する。

図６に示すように、本発明の実施形態に係るマンドレル７は、筒状のマンドレル本体９、及びマンドレル本体９の端部に着脱可能に設けられたエンド型１１を備えている。また、マンドレル７は、外周側に、ファンケース１の最終形状に対応する成形面Ｓを有している。

図５及び図６に示すように、適宜位置には、マンドレル７を回転させるマンドレル回転装置１３が配設されており、このマンドレル回転装置１３の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、適宜位置には、一対の側板１５が左右に対向して設けられており、一対の側板１５には、左右方向へ延びた回転軸１７が回転可能に設けられており、この回転軸１７は、マンドレル７を一体的にセット可能である。また、左寄り側板１５には、回転軸１７を軸心周りに回転させる回転モータ１９が設けられており、この回転モータ１９の出力軸には、主動ギア２１が一体的に設けられてあって、回転軸１７の左端部（一端部）には、この主動ギア２１に噛合可能な従動ギア２３が一体的に設けられている。ここで、例えば一対の側板１５の上側部分を上下方向へ開閉可能又は切離可能にしたり、一対の側板１５にその他適宜の構成を付加したりすることによって、回転軸１７は一対の側板１５に対して着脱できるようになっている。

マンドレル回転装置１３の前方には、織物２５をマンドレル７へ供給する織物供給装置２７が設けられており、この織物供給装置２７の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、マンドレル回転装置１３の前方には、フロントフレーム２９が配設されており、このフロントフレーム２９の上部には、一対のボビン支持部材３１が左右に対向して設けられており、右寄りのボビン支持部材３１は、左右方向へ位置調節可能になっている。また、一対のボビン支持部材３１の間には、織物２５を巻いたボビン３３が回転自在に支持されている。ここで、例えば一対のボビン支持部材３１の上側部分を上下方向へ開閉可能又は切離可能にしたり、一対のボビン支持部材３１にその他適宜の構成を付加したりすることによって、ボビン３３は一対のボビン支持部材３１に対して着脱できるようになっている。なお、織物２５の詳細については、後述する。

マンドレル回転装置１３の後方には、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維のロービング（繊維束）３５をマンドレル７へ供給するロービング供給装置３７が設けられており、このロービング供給装置３７の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、マンドレル回転装置１３の後方には、リアフレーム３９が配設されており、リアフレーム３９の上部には、左右方向へ延びた一対のガイドレール４１が設けられている。また、一対のガイドレール４１には、ロービング３５の供給位置を可変する供給ヘッド４３が左右方向へ移動可能に設けられており、この供給ヘッド４３は、左右移動モータ等の左右移動アクチュエータ（図示省略）の駆動によって左右方向へ移動するものである。

なお、説明の都合上、織物供給装置２７及びロービング供給装置３７はマンドレル回転装置１３に対して反対側に配設されているが、織物供給装置２７及びロービング供給装置３７の位置関係は特に限定はなく、種々の位置関係で実施可能である。

続いて、本発明の実施形態に係るケースの製造方法について説明する。

本発明の実施形態に係るケースの製造方法は、炭素繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなる筒状のファンケース１を製造する方法であって、織物巻付工程、ロービング巻付工程、繰り返し工程、及び加熱工程を具備している。そして、各工程の具体的な内容は、次のようになる。

織物巻付工程
図１に示すように、外周側にファンケース１の最終形状に対応する形状の成形面Ｓを有したマンドレル７を用い、回転モータ１９の駆動によりマンドレル７を軸心周りに回転軸１７と一体的に回転させつつ、マンドレル７の回転に連動してボビン３３を回転させて、織物２５をマンドレル７へ供給する。これにより、織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に巻付けることができる。

ここで、図３に示すように、織物２５は、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維の２軸の繊維帯４５，４７からなるノンクリンプ構造であって、ファンケース１の軸長に対応する幅を有している。また、２軸の繊維帯４５，４７の繊維配向角αは、−７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度（好ましくは、−６０〜−３０度及び／又は＋３０〜＋６０度、具体的には、＋４５度及び／又は−４５度）になっている。２軸の繊維帯４５，４７の繊維配向角αの絶対角が２０度未満であると、ファンケース１にしわや繊維の蛇行の発生が懸念されるからであり、一方、２軸の繊維帯４５，４７の繊維配向角αの絶対角が７０度を超えると、後述の成形体１Ｆ（図６参照）のねじり強度及びねじり剛性を確保することが困難になるからである。更に、マンドレル７の成形面Ｓ側に巻付ける織物２５には、予めエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸されている。

なお、織物２５の形態は、ノンクリンプ構造に限られるものでなく、平織り構造、綾織り構造等であっても構わなく、図３における破線で示した部位は、ステッチング部である。また、織物巻付工程において、織物２５の巻層数は、単数又は複数を問わない。

ロービング工程
織物巻付工程の終了後に、図２に示すように、回転モータ１９の駆動によりマンドレル７を軸心周りに回転軸１７と一体的に回転させつつ、左右移動アクチュエータの駆動により供給ヘッド４３を左右方向させて、炭素繊維等の強化繊維のロービング３５をマンドレル７の軸方向（左右方向）へ移動させながらマンドレル７へ供給する。これにより、ロービング３５をマンドレル７の成形面Ｓ側に螺旋状に巻付けることができる。

ここで、図４に示すように、ロービング３５を巻付ける際に、マンドレル７の周方向に対するロービング３５の傾斜角βは−１０〜＋１０度、好ましくは、−１０〜−２度及び／又は＋２〜＋１０度に保っている。ロービング３５の傾斜角βの絶対角が１０度を超えると、後述の成形体１Ｆをねじり強度及びねじり剛性を確保することが困難になるからである。また、マンドレル７の成形面Ｓ側に巻付けるロービング３５には、予めエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸されている。

なお、ロービング巻付工程において、ロービング３５の巻層数は、単数又は複数を問わない。

繰り返し工程
織物巻付工程及びロービング巻付工程の終了後に、織物巻付工程とロービング巻付工程を交互に複数回繰り返す。これにより、ファンケース１の最終形状と同形状の成形体を成形することができる。

加熱工程
繰り返し工程の終了後に、回転軸１７を一対の側板１５から離脱させて、マンドレル７を回転軸１７から取り外す。次に、マンドレル７を成形体１Ｆと共に加熱炉（図示省略）の所定位置にセットする。そして、加熱炉のヒータ（図示省略）によって成形体１Ｆを熱硬化性樹脂の所定の硬化温度まで加熱する。これにより、成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させることができる。

以上により、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなるファンケース１を製造することができる。そして、ファンケース１の製造後に、マンドレル本体９からエンド型１１を離脱させて、ファンケース１をマンドレル本体９から取り外しておく。

なお、前述のように、マンドレル７の成形面Ｓ側に巻付ける織物２５及びロービング３５に予め熱硬化性樹脂が含浸させる代わりに、繰り返し工程の終了後であって加熱工程の開始前に、溶融状態のエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂を注入によって成形体１Ｆ内に含浸させる含浸工程を具備するようにしても構わない。また、織物巻付工程とロービング工程の順番を逆にしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に巻付ける織物巻付工程と、ロービング３５をマンドレル７の周方向に対して−１０〜＋１０度の傾斜角βを保った状態でマンドレル７の成形面Ｓ側に螺旋状に巻付けるロービング巻付工程を交互に複数回繰り返すことにより、ファンケース１の最終形状と同形状の成形体１Ｆを成形しているため、繊維配向角α−１０〜１０度の強化繊維を織物２５の構成要素から除外しても、ロービング３５によって成形体１Ｆのねじり強度及びねじり剛性を確保することができる。

従って、本発明の実施形態に係るケースの製造方法によれば、軸方向に沿って外径が大きく変化するファンケース１を製造する場合であっても、成形体１Ｆのねじり強度及びねじり剛性を確保しつつ、複合材料の強度低下に繋がるしわや繊維の蛇行の発生を抑えて、ファンケース１の強度及び剛性を十分に高めることができる。

本発明の実施形態の変形例について図８を参照して説明する。

図８に示すように、本発明の実施形態の変形例に係るファンケース４９は、本発明の実施形態に係るケースの製造方法によって製造されたファンケース１と同じものであるが、別の方面からファンケース４９を特定している。

即ち、ファンケース４９は、ファンケース１と同様に、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなるものであって、軸方向（ファンケース４９の軸方向）に沿って外径が大きく変化するようになっている。そして、ファンケース４９は、織物２５（図１参照）を含む複数の織物層５１と、複数の織物層５１に交互に積層されかつロービング３５（図２参照）を含むロービング層５３とを具備している。ここで、各織物２５は、繊維配向角（ファンケース１Ａの周方向に対する傾斜角）が７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度（好ましくは、−６０〜−３０度及び／又は＋３０〜＋６０度、具体的には、＋４５度及び／又は−４５度）の強化繊維からなるものである。また、各ロービング３５は、ファンケース１Ａの周方向に対する傾斜角が−１０〜＋１０度（好ましくは、−１０〜−２度及び／又は＋２〜＋１０度）の強化繊維からなるものである。なお、各織物層５１は、単層構造又は複層構造のいずれであっても構わない。

従って、ファンケース４９が繊維配向角−７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度の強化繊維からなる織物２５を含む複数の織物層５１と傾斜角−１０〜＋１０度の強化繊維からなるロービング３５を含む複数のロービング層５３とを交互に積層してなるため、繊維配向角−１０〜１０度の強化繊維を織物２５の構成要素から除外しても、ロービング３５によって成形体１Ｆ（図６参照）のねじり強度及びねじり剛性を確保することができる。よって、本発明の実施形態の変形例によれば、本発明の実施形態の効果と同様の効果を奏するものである。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

α 織物の繊維配向角
β マンドレルの周方向に対する傾斜角
Ｓ 成形面
１ ファンケース
１Ｆ 成形体
３ 航空機エンジン
５ ファンブレード
７ マンドレル
９ マンドレル本体
１１ エンド型
１３ マンドレル回転装置
１５ 側板
１７ 回転軸
１９ 回転モータ
２５ 織物
２７ 織物供給装置
２９ フロントフレーム
３１ ボビン支持部材
３３ ボビン
３５ ロービング
３７ ロービング供給装置
３９ リアフレーム
４３ 供給ヘッド
４５ 繊維帯
４７ 繊維帯
４９ ファンケース
５１ 織物層
５３ ロービング層

Claims (7)

1. 強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなる筒状のケースを製造する方法において、
   外周側に前記ケースの最終形状に対応する形状の成形面を有したマンドレルを用い、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、繊維配向角が−７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度の強化繊維からなりかつ前記ケースの軸長に対応する幅を有した織物を前記マンドレルへ供給することにより、前記織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける織物巻付工程と、
   前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、強化繊維のロービングを前記マンドレルの軸方向へ前記マンドレルに対して相対的に移動させながら前記マンドレルへ供給することにより、前記ロービングを前記マンドレルの成形面側に前記マンドレルの周方向に対して−１０〜＋１０度の傾斜角を保った状態で螺旋状に巻付けるロービング巻付工程と、
   前記織物巻付工程及び前記ロービング巻付工程の終了後に、前記織物巻付工程と前記ロービング巻付工程を交互に繰り返すことにより、前記ケースの最終形状と同形状の成形体を成形する繰り返し工程と、
   前記繰り返し工程の終了後に、前記成形体を加熱することにより、前記成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる加熱工程と、を具備したことを特徴とするケースの製造方法。
2. 前記マンドレルの周方向に対する前記ロービングの傾斜角は、−１０〜−２度及び／又は＋２〜＋１０度であることを特徴とする請求項１に記載のケースの製造方法。
3. 前記マンドレルの成形面側に巻付ける前記織物及び前記ロービングには、予め熱硬化性樹脂が含浸されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のケースの製造方法。
4. 前記繰り返し工程の終了後であって前記加熱工程の開始前に、溶融状態の熱硬化性樹脂を注入によって前記成形体内に含浸させる含浸工程と、を具備したことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のケースの製造方法。
5. 前記織物は、ノンクリンプ構造であることを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれかの請求項に記載のケースの製造方法。
6. 前記ケースは、航空機エンジンに用いられるファンケースであることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれかの請求項に記載のケースの製造方法。
7. 強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなる筒状のケースにおいて、
   繊維配向角が−７０〜−２０度及び／又は＋２０〜＋７０度の強化繊維からなる織物を含む複数の織物層と、
   複数の前記織物層に交互に積層され、周方向に対する傾斜角が−１０〜＋１０度の強化繊維のロービングを含む複数のロービング層と、具備したことを特徴とするケース。

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