複合材の修理

複合材の修理は、損傷した積層構造、繊維強化複合材、その他の複合材に対して行われます。接着複合材の修理により、損傷した部分の応力が軽減され、亀裂が開いたり大きくなったりすることが防止されます。複合材は、航空宇宙、海洋、自動車、陸上輸送、スポーツ用品市場など、幅広い用途で使用されています。複合材部品の損傷は必ずしも肉眼で確認できるとは限らず、構造部品の損傷の程度は、適切な非破壊検査 (NDT)方法によって判断するのが最も適切です。

対象となる複合構造は、主に図1に示すように積層プライまたはサンドイッチ構造で構成されたコンポーネントです。積層構造は、繊維配向によって必要な機械的特性のほとんどが提供され、マトリックスによって環境性能が主に決定されるように組み立てられます。サンドイッチ構造では、薄くて強度の高いスキンが軽量のハニカムコアで分離され、結合されています。コアが厚いほど、重量の増加は最小限でパネルの剛性が高まります。^[1]

繊維強化複合材への最も重要な損傷は、衝撃によるものです。低速および高速の衝撃では、複合材の構成によって損傷パターンが大きく異なります。金属の場合、衝撃エネルギーは弾性変形および塑性変形によって消散しますが、それでも構造は十分な構造的完全性を維持します。ただし、繊維強化複合材の場合、損傷は通常、表面に見られるものよりも広範囲にわたります。複合構造の典型的な損傷例を図 2 に示します。

モノリシック積層板では、下層の損傷は、表面にほとんど見えない程度の範囲にまで及ぶことがあります。その他の損傷は積層板の割れです。この場合、損傷は部品の全長に及ぶことはありません。機械性能への影響は、部品の厚さに対する割れの長さによって異なります。

サンドイッチ構造では、衝撃によりさまざまなサイズのへこみが生じ、エネルギー レベルによっては穴があくことも珍しくありません。この場合、両方のスキンが損傷する可能性があります。その他の一般的な損傷の種類には、熱損傷とボルト穴損傷があります。熱損傷は高温にさらされることによって発生し、表面層の分離を伴う局所的な破損を引き起こします。ボルト穴損傷は、接合目的で使用されるボルトまたはリベットとの複合構造の接触面の支持応力によって発生します。これにより、穴が伸びてラミネートが割れたり、上部の層が損傷したりする可能性があります。いずれの場合も、機械的性能への影響は損傷部分の厚さによって異なります。

初期の衝撃による損傷とは別に、損傷部分が湿気や、化学物質、潤滑剤、燃料、油圧油などの劣化要因にさらされることによっても、さらなる影響が生じます。このような環境が存在すると、機械的性能がさらに低下する可能性があります。

複合材の修理を行う際には、従うべき特定の手順があります。図 3 に、一般的な複合材の修理フローチャートを示します。

手順の最初のステップは、損傷を注意深く評価することです。複合材の損傷は明らかで簡単に評価できますが、多くの場合、実際の損傷ははるかに大きいにもかかわらず、最初は損傷が非常に小さく見えることがあります。繊維への衝撃による損傷は、強化された複合材の表面に小さなへこみとして現れることがありますが、根本的な損傷ははるかに広範囲に及ぶ可能性があります。修理するか廃棄するかの決定は、複合材の元の構造性能を回復するために必要な修理の範囲を考慮して決定されます。その他の考慮事項は、修理コスト、損傷の位置とアクセス可能性、適切な修理材料の入手可能性です。

初期評価によって、実施する修理の種類が決まります。簡単な修理は通常、規模が小さいか、部品の構造的完全性に影響を与えません。これらの修理は、ラミネートまたはサンドイッチ パネル用に示されている簡単なガイドラインに従って行われます。損傷が広範囲で、部品の構造性能を置き換える必要がある場合は、複雑な修理が必要です。材料の最適な選択は、元の繊維、織物、マトリックス樹脂を使用することです。代替案では、修理された複合材の使用環境、つまり高温、湿気、機械的性能を慎重に考慮する必要があります。提案された修理計画は、構造の元の設計要件をすべて満たす必要があります。

修理にはワークショップの専門機器が必要であり、部品を適切な修理ワークショップに戻すには何らかの即席の修理が必要です。通常はパッチの形で一時的な修理をコンポーネントに固定して、後で部品を修理できるまで安全を確保できます。恒久的な修理の場合は、ラミネートおよびサンドイッチ修理に関する承認済みの一般ガイドラインをすべて遵守する必要があります。これらの修理作業は、高品質を確保するために管理されたワークショップエリアで実行する必要があります。管理された環境で作業し、細部に注意を払えば、確実に成功します。

サービスを再開する前に、必ず品質チェックが必要です。修理した部品を総合的に検査するには、さまざまな非破壊検査 (NDT)を使用できます。修理した部分の品質、特に元の部品と修理した部分の境界面には特に注意を払う必要があります。通常の検査方法には、何らかの形の超音波検査やX 線検査が含まれます。

典型的な複合材の修理は、通常、肉眼またはさまざまな非破壊検査技術によって損傷を検出した後に開始されます。損傷の範囲を評価した後、損傷領域を修復する準備を行います。これは、損傷領域 1 の周囲の複合材を除去することによって行われます。図 4 に示すように、複合材の性質によって若干異なる 3 つの技術が利用されることが知られています。

複合材の修復を行う場合、適切な表面処理が成功の鍵となります。上記の修復には時間がかかり、多くの場合、高度なスキルと経験が必要です。このため、現在の開発では、高度な機械加工やナノ秒パルスレーザーなどの代替技術によってこのプロセスを自動化することに重点が置かれる傾向があります 2-3。損傷領域が完全に除去された後、表面は洗浄され、パッチによる最終修復の準備がさらに整えられます。これは、表面汚染物質のプラズマ燃焼、レーザー照射によるマトリックス材料の除去による繊維の露出、またはUVレーザー光による光化学反応による接着剤の表面濡れ性の向上によって行うことができます4。

一般的な修理では、パッチは真空下、接着剤が硬化するのに十分な温度で貼り付けられます。この目的のために、現場での修理にはポータブル ホット ボンダー デバイスを使用できます。より複雑で高品質の修理には、オートクレーブを使用する必要があります。ホット ボンダー ユニットを図 5 に示します。

いずれにせよ、真空バッグの使用は高品質の修理に必要なステップです。真空バッグ処理は、薄いセクションと大きなサンドイッチ構造を持つコンポーネントに適しています。真空バッグ技術では、図 6 に概略的に示すように、複合材レイアップの上に柔軟なバッグを配置して密封し、バッグの下からすべての空気を排出します。

空気を除去すると、バッグは 1 気圧 (1 bar) の圧密圧力でレイアップ上に押し下げられます。完成したアセンブリは、真空を適用したまま、硬化に必要な温度まで加熱されます。これは、加熱マットを使用するか、アセンブリを空気循環のよいオーブン内に置くことで実現できます。より厚いセクションと高品質の接着には、温度調節と追加の過圧を備えたオートクレーブの使用を検討する必要があります。

複合パッチ修理を成功させる上で最も重要な技術的課題は、(a) 修理パッチの適切な設計とそれに従う手順、(b) 適用に最適な材料とツールの選択、(c) 慎重な表面処理、(d) 複合パッチ修理の実施と硬化サイクルの慎重な適用、(e) 適切な方法による修理の非破壊評価、(f) 特定の時間間隔または継続的に修理の構造的完全性を監視することです。

• Völkermeyer, F.; Fischer, F.; Stute, U.; Kracht, D.: 炭素繊維強化プラスチックの接着修復のためのレーザーベースのアプローチ、Physics Procedia 12、2011、S. 537-542 doi :10.1016/j.phpro.2011.03.066
• Fischer, F.; Romoli, ; Kling, R.; Kracht, D.: 炭素繊維強化複合材のレーザーによる修復、Hocheng, H., Machining Technology for Composite Materials: Principles and Practice (pp. 309–330)、ケンブリッジ、イギリス: Woodhead Publishing Limited、2011 [1] Googleブックス
• Dittmar, H.; Bluemel, S.; Jaeschke, P.; Stute, U.; Kracht, D.: ナノ秒パルスによる CFRP レーザー加工の利点と課題、レーザーと電気光学の応用に関する第 31 回国際会議の議事録、2012 年、アナハイム、米国
• Völkermeyer, F.; Jaeschke, P.; Stute, U.; Kracht, D.: 炭素繊維強化プラスチックのレーザーによる濡れ性の修正、Applied Physics A、2012 年 9 月、doi :10.1007/s00339-012-7237-3

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