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JP2025095565A - Propeller blade and manufacturing method thereof - Google Patents

Propeller blade and manufacturing method thereof Download PDF

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JP2025095565A
JP2025095565A JP2023211652A JP2023211652A JP2025095565A JP 2025095565 A JP2025095565 A JP 2025095565A JP 2023211652 A JP2023211652 A JP 2023211652A JP 2023211652 A JP2023211652 A JP 2023211652A JP 2025095565 A JP2025095565 A JP 2025095565A
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JP
Japan
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propeller blade
shape
propeller
prepreg
fiber
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JP2023211652A
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Japanese (ja)
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雄介 山中
Yusuke Yamanaka
琢也 唐木
Takuya Karaki
聡 清家
Satoshi Seike
宏樹 若林
Hiroki Wakabayashi
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Toray Industries Inc
Original Assignee
Toray Industries Inc
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Publication date
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Abstract

To provide a propeller blade which can achieve both productivity and high strength reliability.SOLUTION: A propeller blade has a member shaped in a propeller shape in which fiber-reinforced composite materials where reinforcement fibers are uniaxially or multiaxially oriented are stacked, wherein the member has at least one layer of the fiber-reinforced composite materials in which the reinforcement fibers are uniaxially oriented, and in a layer in which the reinforcement fibers are oriented at an angle of 60° or more with respect to a bottom direction (wing length direction) from a wing end of the propeller blade, among the layers of the fiber-reinforced composite materials in which the reinforcement fibers are uniaxially oriented, a sheet-like prepreg as a raw material is molded by applying a notch thereto, and in at least the bottom part of the propeller blade, the reinforcement fibers are disconnected at a fiber length of 10 to 100 mm.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、プロペラブレードに関する。 The present invention relates to a propeller blade.

プロペラブレードは、翼形状を有し、駆動軸を中心に回転することで空気を後方へ押しやり推力を得る。効率良く空気を後方へ押しやるため、プロペラブレードでは根元から翼端に向かって迎え角や翼弦方向長さが変化する複雑な形状となっている。 The propeller blades have a wing shape and rotate around the drive shaft to push the air backwards, generating thrust. To push the air backwards efficiently, the propeller blades have a complex shape in which the angle of attack and chord length change from the base to the tip.

プロペラブレード重量の削減は航空機のペイロード増加及び航続距離の増加に寄与するため、高強度で高剛性な繊維強化材料が構造材として使用されるが、プロペラブレードは前述の通り複雑な形状を有するため、その成形における難易度は高く、ハイビルトレートでの生産は困難である。 Because reducing the weight of propeller blades contributes to increasing the payload and range of an aircraft, high-strength, high-rigidity fiber-reinforced materials are used as structural materials. However, as propeller blades have complex shapes as mentioned above, molding them is difficult, and high-build production is difficult.

一方で近年ではUrban Air Mobility(UAM)や、ドローン等多数のプロペラブレードを有する機体が盛んに開発されており、今後プロペラブレードを従来以上にハイビルトレートで生産する必要がある。 On the other hand, in recent years, there has been active development of aircraft with many propeller blades, such as Urban Air Mobility (UAM) and drones, and in the future, it will be necessary to produce propeller blades at a higher build rate than ever before.

特開2023-97542号公報JP 2023-97542 A 特開2007-261141号公報JP 2007-261141 A 国際公開第2017/159567号International Publication No. 2017/159567

近年開発されているUAMやドローンでは多数のプロペラブレードを有する機体が開発されている。これらの機体では航続距離、時間増加のため、軽量化ニーズが高く、一機体当たりの搭載数が多いプロペラブレードについて、特に軽量化ニーズが高い。この軽量化ニーズに応えるため、プロペラブレードには高比強度・高比剛性である繊維強化複合材料が適用されている。 In recent years, UAM and drones have been developed that have many propeller blades. To increase the flight range and time of these aircraft, there is a high need to reduce their weight, especially for the propeller blades that are installed in large numbers per aircraft. To meet this need for weight reduction, fiber-reinforced composite materials with high specific strength and high specific rigidity are used for the propeller blades.

繊維強化複合材料製のプロペラブレードを製造する場合、あらかじめ強化繊維基材に樹脂を含浸させたプリプレグを用いると、成形時の繊維撚れを抑制でき、また成形品の重量ばらつきも抑えられ高い品質のプロペラブレードを作製することができる。 When manufacturing propeller blades made of fiber-reinforced composite materials, using prepregs, which are made by impregnating a reinforced fiber base material with resin, can suppress fiber twisting during molding and also reduce weight variation in the molded product, allowing for the production of high-quality propeller blades.

プリプレグを用いたプロペラブレードの成形工程は、基材の切り出し、賦形、加熱加圧硬化の順に実施される。これらの工程の中で、特に賦形工程がプロペラブレード成形の上で難易度が高く生産レートのボトルネックとなりやすい工程となっている。プロペラブレード翼弦方向長さ、迎え角、翼形の曲面形状が翼長方向に連続的に変化する成形品に対し、連続繊維からなるプリプレグを皺なく配置することは極めて困難である。 プロペラブレードのサイズは大きくとも数m程度であるため、多くの場合手作業での賦形が実施されている。手作業で賦形作業を実施する場合、作業時間がかかり、手作業による作業のばらつきが生じる。 The process of molding propeller blades using prepregs involves cutting out the base material, shaping, and curing under heat and pressure, in that order. Of these processes, the shaping process is particularly difficult in propeller blade molding and is likely to become a bottleneck in production rate. It is extremely difficult to arrange prepregs made of continuous fibers without wrinkles for molded products in which the chordwise length of the propeller blade, the angle of attack, and the curvature of the airfoil shape change continuously in the blade span direction. Since the size of a propeller blade is at most a few meters, shaping is often performed by hand. When shaping is performed by hand, the work takes time and there is variation in the work due to the manual work.

このような背景から賦形工程の自動化ニーズは高い。賦形の自動化の方法として、ホットフォーミングによる自動賦形方法があげられる。ホットフォーミングではプリプレグ積層体温度を所望の温度まで昇温し、樹脂粘度を下げることにより積層体の硬さを制御し賦形性を向上させ自動で賦形を実施する手法である。 In light of this, there is a high demand for automating the forming process. One method for automating forming is the automatic forming method using hot forming. In hot forming, the temperature of the prepreg laminate is raised to the desired temperature, and the resin viscosity is reduced to control the hardness of the laminate, improving formability and performing automatic forming.

ホットフォーミングを実施することである程度の形状まではプリプレグ積層体を賦形することは可能であるが、プロペラブレードのように翼弦方向長さ、迎え角、翼形の曲面形状が翼長方向に連続的に変化する成形品に対しては、連続繊維が突っ張るため、プリプレグを皺なく配置することは極めて困難である。 It is possible to shape the prepreg laminate to a certain degree by using hot forming, but for molded products such as propeller blades, where the chord length, angle of attack, and curvature of the airfoil shape change continuously in the span direction, it is extremely difficult to arrange the prepregs without wrinkles because the continuous fibers are stretched.

特許文献1では、有限長の切り込みを入れたプリプレグ基材を複数層積層してなるプリプレグ基材積層体と切り込みを入れないで連続した炭素繊維を強化繊維とし、かつ、前記プリプレグ基材積層体の最表層の少なくとも片側に配設されたプリプレグ基材、で構成されていることを特徴とするプリプレグ基材積層体を用いた成形が示されているが、耐鳥衝突性を担保すべく高い強度信頼性が要求されるプロペラブレードに対しては、十分な強度信頼性が得られない。 Patent Document 1 shows molding using a prepreg substrate laminate, which is characterized by being composed of a prepreg substrate laminate formed by laminating multiple layers of prepreg substrates with finite length slits and a prepreg substrate that uses continuous unslit carbon fibers as reinforcing fibers and is arranged on at least one side of the outermost layer of the prepreg substrate laminate. However, sufficient strength reliability cannot be obtained for propeller blades, which require high strength reliability to ensure bird strike resistance.

他にも、特許文献2に示すように、一方向炭素繊維シートとランダムに配向した短繊維束を用いた成形材料が示されているが、ランダム配向材は、面外方向に繊維が配向しやすく、強度・剛性面で連続繊維材に劣る上、特許文献1と同様に、耐鳥衝突性を担保すべく高い強度信頼性が要求されるプロペラブレードに対しては、十分な強度信頼性が得られない。 As shown in Patent Document 2, a molding material using a unidirectional carbon fiber sheet and randomly oriented short fiber bundles is shown, but the randomly oriented material has fibers that tend to orient in the out-of-plane direction, making it inferior to continuous fiber materials in terms of strength and rigidity. In addition, as with Patent Document 1, it does not provide sufficient strength reliability for propeller blades, which require high strength reliability to ensure bird strike resistance.

特許文献3では、プロペラブレードなどの扁平軽量部材の成形時に、プロペラブレードのスキンに切込みを有するプリプレグ(切込プリプレグ)から強化繊維を起毛させ、コア層との接着強度を向上させる例が示されているが、スキンとコア層の接着強度は向上するものの、特許文献1と同様に、耐鳥衝突性を担保すべく高い強度信頼性が要求されるプロペラブレードに対しては、十分な強度信頼性が得られない。 Patent Document 3 shows an example in which, when molding a flat lightweight component such as a propeller blade, reinforcing fibers are raised from a prepreg (cut prepreg) having cuts in the skin of the propeller blade to improve the adhesive strength with the core layer. However, although the adhesive strength between the skin and the core layer is improved, as with Patent Document 1, sufficient strength reliability cannot be obtained for propeller blades, which require high strength reliability to ensure bird strike resistance.

以上のように従来技術においては、切込みプリプレグや短繊維強化材料を用いて賦形性を向上させる手段が示されてきているが、強度信頼性と両立させる手法が示されておらず、ハイビルトレートと強度信頼性の両立がなされていない。 As described above, conventional technology has demonstrated methods for improving formability using cut prepregs and short fiber reinforced materials, but has not demonstrated a method for achieving both high build rate and strength reliability.

そこで、本発明では、生産性と高い強度信頼性を両立し得るプロペラブレードを提供することを目的とする。 Therefore, the objective of the present invention is to provide a propeller blade that can achieve both productivity and high strength reliability.

本発明は、かかる課題を解決するために、次のような手段を提供するものである。
[1] 強化繊維が一軸配向または多軸に配向された繊維強化複合材料が積層され、プロペラ形状に賦形された部材を有するプロペラブレードであって、該部材は、強化繊維が一軸配向された繊維強化複合材料の層を少なくとも1層有し、かつ、強化繊維が一軸配向された繊維強化複合材料の層のうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向されている層については、少なくともプロペラブレードの根元部分において、強化繊維が繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とする、プロペラブレード。
[2] 翼根本から翼長の30%以内の領域において、垂直断面外周の最大値と最小値の比が1.2以上である前記[1]に記載のプロペラブレード。
[3] 強化繊維が一軸配向または多軸に配向された複数のシート状のプリプレグを積層して積層プリプレグを得る工程(第1の工程)と、該積層プリプレグをプロペラ形状に賦形する工程(第2の工程)と、該積層プリプレグをプロペラブレード成形型内で加熱硬化させる工程(第3の工程)とを有するプロペラブレードの製造方法であって、強化繊維が一軸配向されたシート状のプリプレグのうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向された強化繊維を含むプリプレグにあっては、少なくともプロペラブレードの根元に対応する部分おいて、該プリプレグに含まれる強化繊維は繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とする、プロペラブレードの製造方法。
[4] 第2の工程において、積層プリプレグに張力を付与しながら前記積層プリプレグの表面に圧力を加え、プロペラブレードスキンの外層側表面の形状もしくは内層側表面の形状に賦形することを特徴とする、前記[3]に記載のプロペラブレードの製造方法。
[5] 第2の工程において、積層プリプレグを予熱してプロペラ形状に賦形することを特徴とする前記[3]または[4]に記載のプロペラブレードの製造方法。
[6] 第2の工程は、プロペラブレードスキンの外層側表面の形状を有する型と内層側表面の形状を有する型との間に積層プリプレグを配置し、前記2つの型で積層プリプレグを挟み圧接してプロペラ形状に賦形する工程であり、かつ、前記2つの型で積層プリプレグを圧接する前に、内層側表面の形状を有する型にのみ積層プリプレグの一部を接触せしめた状態とし、その後に圧接を行うことを特徴とする前記[3]~[5]の何れかに記載のプロペラブレードの製造方法。
In order to solve the above problems, the present invention provides the following means.
[1] A propeller blade having a member formed into a propeller shape by laminating fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially, said member having at least one layer of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are uniaxially oriented, and characterized in that, among the layers of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented at an angle of 60° or more relative to the direction from the tip to the root (blade length direction) of the propeller blade, the reinforcing fibers are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm at least in the root portion of the propeller blade.
[2] A propeller blade as described in [1], wherein the ratio of the maximum value to the minimum value of the vertical cross-sectional outer periphery is 1.2 or more in a region within 30% of the blade length from the blade root.
[3] A method for producing a propeller blade, comprising the steps of laminating a plurality of sheet-like prepregs in which reinforcing fibers are uniaxially or multiaxially oriented to obtain a laminated prepreg (first step), shaping the laminated prepreg into a propeller shape (second step), and heat-curing the laminated prepreg in a propeller blade molding die (third step), wherein, among the sheet-like prepregs in which the reinforcing fibers are uniaxially oriented, the prepregs contain reinforcing fibers oriented at an angle of 60° or more relative to the direction from the blade tip to the root (blade length direction) of the propeller blade, at least in a portion corresponding to the root of the propeller blade, the reinforcing fibers contained in the prepregs are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm.
[4] The method for manufacturing a propeller blade according to [3] above, characterized in that in the second step, pressure is applied to the surface of the laminated prepreg while tension is applied to the laminated prepreg, thereby shaping it into the shape of an outer layer surface or an inner layer surface of a propeller blade skin.
[5] The method for manufacturing a propeller blade according to the above [3] or [4], characterized in that in the second step, the laminated prepreg is preheated and shaped into a propeller shape.
[6] The method for manufacturing a propeller blade according to any one of [3] to [5] above, wherein the second step is a step of placing a laminated prepreg between a mold having a shape of an outer layer side surface of a propeller blade skin and a mold having a shape of an inner layer side surface, and sandwiching and pressing the laminated prepreg between the two molds to form it into a propeller shape, and wherein before pressing the laminated prepreg between the two molds, a part of the laminated prepreg is brought into contact only with the mold having the shape of the inner layer side surface, and then pressing is performed.

本発明によれば、生産性と高い強度信頼性を両立し得るプロペラブレードを提供することができる。本発明のプロペラブレードは特にUAMやドローンといった多数のプロペラブレードを使用する飛行体に好適である。 The present invention provides a propeller blade that is both highly manufacturable and highly reliable in strength. The propeller blade of the present invention is particularly suitable for aircraft that use a large number of propeller blades, such as UAMs and drones.

切込み入りのプリプレグの一例の模式図Schematic diagram of an example of a prepreg with cuts

本発明に係るプロペラブレードは、強化繊維が一軸配向または多軸に配向された繊維強化複合材料が積層され、プロペラ形状に賦形された部材を有するプロペラブレードであって、該部材は、強化繊維が一軸配向された繊維強化複合材料の層を少なくとも1層有し、かつ、強化繊維が一軸配向に配向された繊維強化複合材料の層のうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向されている層については、少なくともプロペラブレードの根元部分において、強化繊維が繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とするものである。 The propeller blade according to the present invention is a propeller blade having a member formed into a propeller shape by laminating fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially, and the member has at least one layer of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially, and is characterized in that, among the layers of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially, the reinforcing fibers are oriented at an angle of 60° or more from the tip to the root direction (span direction) of the propeller blade, at least in the root portion of the propeller blade, the reinforcing fibers are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm.

本発明に係るプロペラブレードは、翼形状を有し、駆動軸を中心に回転することで空気を後方へ押しやり推力を得る。一般に、軽量かつ高剛性、高強度のプロペラブレードを得るべく繊維強化複合材料をプロペラブレードに適用する場合、外形を繊維強化複合材料で成型し、その内側に前記外形をなす繊維強化複合材料を支持する部材を配する態様が好ましく採用されている。ここで、プロペラブレードの形状を支持する部材としては、発泡フォームのような中実の態様やリブのように部分的に繊維強化複合材料を内側から補剛する態様が挙げられる。本発明のプロペラブレードは、プロペラブレードの外形が繊維強化複合材料によって形成されている(以下、プロペラ形状に賦形された繊維強化複合材料の部材を便宜的に「スキン」ということがある)。そして、スキンは、強化繊維が一軸配向または多軸に配向された繊維強化複合材料が積層されて形成されている。 The propeller blade according to the present invention has a wing shape, and rotates around the drive shaft to push air backward and obtain thrust. In general, when a fiber-reinforced composite material is applied to a propeller blade to obtain a lightweight, highly rigid, and strong propeller blade, a preferred embodiment is that the outer shape is molded from the fiber-reinforced composite material, and a member that supports the fiber-reinforced composite material forming the outer shape is arranged inside the molded propeller blade. Here, examples of the member that supports the shape of the propeller blade include a solid embodiment such as expanded foam, and an embodiment in which the fiber-reinforced composite material is partially stiffened from the inside, such as a rib. In the propeller blade according to the present invention, the outer shape of the propeller blade is formed from a fiber-reinforced composite material (hereinafter, the member of the fiber-reinforced composite material formed into the propeller shape may be referred to as a "skin" for convenience). The skin is formed by laminating fiber-reinforced composite materials in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially.

スキンに用いられる強化繊維としては、例えば、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、ポリパラフェニレンベンズオキサドール(PBO)繊維などの有機繊維、ガラス繊維、炭素繊維、炭化ケイ素繊維、アルミナ繊維、チラノ繊維、玄武岩繊維、セラミックス繊維などの無機繊維、ステンレス繊維やスチール繊維などの金属繊維、ボロン繊維、天然繊維、変性した天然繊維が挙げられる。その中でも本発明では、炭素繊維を用いることが好ましく、炭素繊維は、これら強化繊維の中でも軽量であり、しかも比強度および比弾性率において特に優れた性質を有しており、さらに耐熱性や耐薬品性にも優れている。さらに、高強度の炭素繊維が得られやすいPAN系炭素繊維がより好ましい。 Examples of reinforcing fibers used in the skin include organic fibers such as aramid fibers, polyethylene fibers, and polyparaphenylene benzoxazole (PBO) fibers; inorganic fibers such as glass fibers, carbon fibers, silicon carbide fibers, alumina fibers, Tyranno fibers, basalt fibers, and ceramic fibers; metal fibers such as stainless steel fibers and steel fibers; boron fibers; natural fibers; and modified natural fibers. Among these, the present invention preferably uses carbon fibers, which are the lightest of these reinforcing fibers and have particularly excellent properties in terms of specific strength and specific elastic modulus, as well as excellent heat resistance and chemical resistance. Furthermore, PAN-based carbon fibers are more preferable because they are easier to obtain high-strength carbon fibers.

強化繊維が一軸配向しているとは、ある一つの方向に強化繊維が配向している状態であり、例えば、一方向プリプレグや一軸織物基材などがこれに該当する。また、強化繊維が多軸に配向しているとは、一つの層内に複数の方向に配向している強化繊維が存在する状態であり、例えば織物状の繊維基材が該当する。一般に繊維強化複合材料では、繊維配向方向によりその材料特性が大きく変化する。例えば、繊維配向方向に引張荷重を加える場合と、繊維配向方向に対し直交方向に対し引張荷重を加える場合とでは、一般に繊維配向方向に引張荷重を加える場合に、強度、剛性共に高くなる。一方でプロペラブレードは運用中に多様な荷重が加わる。このため、一般にプロペラブレードのスキンを構成する強化繊維が全て同一の方向に配向しているということはなく、複数の方向に配向した強化繊維がプロペラブレードに含まれている。本発明においては、一軸配向または多軸に配向された繊維強化複合材料の配向方向を各層毎に制御し、プロペラブレードスキンの力学特性を制御することができる。 The reinforcing fibers are oriented uniaxially, which means that the reinforcing fibers are oriented in one direction, as in unidirectional prepregs and uniaxial woven substrates. The reinforcing fibers are oriented multiaxially, which means that reinforcing fibers oriented in multiple directions exist in one layer, as in woven fiber substrates. In general, the material properties of fiber-reinforced composite materials change significantly depending on the fiber orientation direction. For example, when a tensile load is applied in the fiber orientation direction, and when a tensile load is applied in a direction perpendicular to the fiber orientation direction, the strength and rigidity are generally both higher when a tensile load is applied in the fiber orientation direction. On the other hand, propeller blades are subjected to various loads during operation. For this reason, the reinforcing fibers that make up the skin of a propeller blade are not all oriented in the same direction, and the propeller blade contains reinforcing fibers oriented in multiple directions. In the present invention, the orientation direction of a uniaxially or multiaxially oriented fiber-reinforced composite material can be controlled for each layer to control the mechanical properties of the propeller blade skin.

また、本発明における繊維強化複合材料は、前記の強化繊維に樹脂が含浸された材料である。樹脂の種類は特に制限されないが、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、フェノール樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ウレタンアクリレート樹脂、フェノキシ樹脂、アルキド樹脂、ウレタン樹脂、マレイミド樹脂、シアネート樹脂などの熱硬化性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート(PET)樹脂、ポリブチレンテレフタレート(PBT)樹脂、ポリトリメチレンテレフタレート(PTT)樹脂、ポリエチレン(PE)樹脂、ポリプロピレン(PP)樹脂、スチレン系樹脂、ポリオキシメチレン(POM)樹脂、ポリアミド(PA)樹脂、ポリカーボネート(PC)樹脂、ポリメチレンメタクリレート(PMMA)樹脂、ポリ塩化ビニル(PVC)樹脂、ポリフェニレンスルフィド(PPS)樹脂、ポリフェニレンエーテル(PPE)樹脂、変性PPE樹脂、ポリイミド(PI)樹脂、ポリアミドイミド(PAI)樹脂、ポリエーテルイミド(PEI)樹脂、ポリスルホン(PSU)樹脂、変性PSU樹脂、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリケトン(PK)樹脂、ポリアリーレンエーテルケトン樹脂(PAEK)、ポリアリレート(PAR)樹脂、ポリエーテルニトリル(PEN)樹脂、フェノール系樹脂、フェノキシ樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂などのフッ素系樹脂、更にポリスチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリウレタン系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ポリブタジエン系樹脂、ポリイソプレン系樹脂、フッ素系樹脂等の熱可塑エラストマーやこれらの共重合体、変性体であってもよく、また、これらの混合物であってもよい。さらに前記ポリアリーレンエーテルケトン樹脂(PAEK)としては、例えば、ポリエーテルケトン(PEK)、ポリエーテルエーテルケトン(PEEK)、ポリエーテルエーテルケトンケトン(PEEKK)、ポリエーテルケトンケトン(PEKK)、ポリエーテルケトンエーテルケトンケトン(PEKEKK)、ポリエーテエーテルルケトンエーテルケトン(PEEKEK)、ポリエーテルエーテルエーテルケトン(PEEEK)、及びポリエーテルジフェニルエーテルケトン(PEDEK)が挙げられる。 The fiber-reinforced composite material in the present invention is a material in which the reinforcing fibers are impregnated with a resin. The type of resin is not particularly limited, but examples thereof include thermosetting resins such as epoxy resins, unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, phenolic resins, epoxy acrylate resins, urethane acrylate resins, phenoxy resins, alkyd resins, urethane resins, maleimide resins, and cyanate resins, polyethylene terephthalate (PET) resins, polybutylene terephthalate (PBT) resins, polytrimethylene terephthalate (PTT) resins, polyethylene (PE) resins, polypropylene (PP) resins, styrene-based resins, polyoxymethylene (POM) resins, polyamide (PA) resins, polycarbonate (PC) resins, polymethylene methacrylate (PMMA) resins, polyvinyl chloride (PVC) resins, polyphenylene sulfide (PPS) resins, and polyphenylene The resin may be a fluorine-based resin such as ether (PPE) resin, modified PPE resin, polyimide (PI) resin, polyamideimide (PAI) resin, polyetherimide (PEI) resin, polysulfone (PSU) resin, modified PSU resin, polyethersulfone resin, polyketone (PK) resin, polyarylene ether ketone resin (PAEK), polyarylate (PAR) resin, polyethernitrile (PEN) resin, phenolic resin, phenoxy resin, or polytetrafluoroethylene resin; or a thermoplastic elastomer such as polystyrene resin, polyolefin resin, polyurethane resin, polyester resin, polyamide resin, polybutadiene resin, polyisoprene resin, or a fluorine-based resin; or a copolymer or modified product thereof; or a mixture thereof. Further, examples of the polyarylene ether ketone resin (PAEK) include polyether ketone (PEK), polyether ether ketone (PEEK), polyether ether ketone ketone (PEEKK), polyether ketone ketone (PEKK), polyether ketone ether ketone ketone (PEKEKK), polyether ether ketone ether ketone (PEEKEK), polyether ether ether ketone (PEEEK), and polyether diphenyl ether ketone (PEDEK).

スキンの形態としては、特に制限はなく、例えばプロペラブレードの上側の翼形状を有する上側スキンとプロペラブレードの下側の翼形状を有する下側スキンとで分割された構造であっても良いし、積層された強化繊維複合材料が螺旋状に巻かれてプロペラ形状をなした態様であっても良い。また、スキン内に多孔質体やハニカムコア等を設け、サンドイッチ構造としても構わない。 There are no particular limitations on the shape of the skin, and it may be a structure divided into an upper skin having the shape of an upper blade of the propeller blade and a lower skin having the shape of a lower blade of the propeller blade, or a configuration in which laminated reinforced fiber composite material is wound in a spiral shape to form a propeller shape. In addition, a sandwich structure may be formed by providing a porous body or honeycomb core inside the skin.

本発明のプロペラブレードのスキンの内側の構造は、特に制限はなく、先述したとおり、例えば、多孔質体を配置し多孔質体をコア材として使用しても良いし、中空構造とし翼の厚み方向でスキン間に介在して、翼長方向に延在するシェアウェブなどの補強構造を設けた構造としても良い。 The structure of the inside of the skin of the propeller blade of the present invention is not particularly limited, and as mentioned above, for example, a porous body may be arranged and used as a core material, or a hollow structure may be formed and interposed between the skins in the thickness direction of the blade, with a reinforcing structure such as a shear web extending in the blade span direction.

また、本発明においては、強化繊維が一軸配向された繊維強化複合材料の層を少なくとも1層有していることを特徴とする。一軸配向された繊維強化複合材料は、層厚み方向への繊維配向がなく、高い力学特性が得られやすい。また、繊維強化複合材料の異方性を強く出すことができ、好適である。 The present invention is also characterized by having at least one layer of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are uniaxially oriented. Uniaxially oriented fiber-reinforced composite material has no fiber orientation in the layer thickness direction, making it easy to obtain high mechanical properties. It is also preferable because it can strongly bring out the anisotropy of the fiber-reinforced composite material.

また、本発明では強化繊維が一軸配向に配向された繊維強化複合材料の層のうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向されている層は、少なくともプロペラブレードの根元部分において、強化繊維が繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とする(この層を、便宜上、「翼弦方向断続繊維層」と称することがある)。なおここで、プロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)とは、プロペラブレードの回転平面に垂直に自然光等の平行光線を投射して得た投影像において、該像に外接する矩形のうち面積が最小となる矩形(便宜上「外接矩形」という)の長辺方向をいう。また、「断続されている」とは、連続していた層内の繊維が切断された状態で層内に存在していることをいい、外見上は、繊維の長手方向になぞってゆくと不連続点が観測される状態である。この不連続点は、図1に示すように、強化繊維103が一軸に配向された繊維強化複合材料に切り込み102を入れて、繊維を切断して形成することができる。また、根元部分とは、翼根本から翼長の30%以内の領域をいう。なお、直線が交わる場合、交点にては2組の対頂角を認識できるが、本発明にあっては、翼長方向と強化繊維の配向方向のなす角度は小さい方の角度で求めるものとする。 In addition, in the present invention, among the layers of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented in a uniaxial orientation, the layer in which the reinforcing fibers are oriented at an angle of 60° or more with respect to the direction from the tip to the base of the propeller blade (span direction) is characterized in that the reinforcing fibers are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm at least in the base part of the propeller blade (for convenience, this layer may be referred to as a "chord-direction interrupted fiber layer"). Here, the direction from the tip to the base of the propeller blade (span direction) refers to the long side direction of the rectangle (for convenience, referred to as the "circumscribed rectangle") that has the smallest area among the rectangles circumscribing the image obtained by projecting parallel light such as natural light perpendicular to the plane of rotation of the propeller blade. In addition, "intermittent" means that the fibers in the layer that were continuous are present in the layer in a cut state, and a discontinuity is observed when the fibers are traced in the longitudinal direction. As shown in Figure 1, this discontinuity can be formed by cutting the fibers by making a cut 102 in a fiber-reinforced composite material in which reinforcing fibers 103 are uniaxially oriented. The root portion refers to the region from the base of the blade to within 30% of the blade length. When straight lines intersect, two pairs of opposite angles can be recognized at the intersection, but in this invention, the angle between the blade length direction and the orientation direction of the reinforcing fibers is determined as the smaller angle.

前記の翼弦方向断続繊維層において切込みは、プロペラブレードの全域に亘って施されていても良いし、プロペラブレードの根本部においてのみ切込みが施されていても良い。前記翼弦方向断続繊維層を設けることにより、プロペラブレードの形状に賦形する際に生じる翼弦方向の周長変化、及びスキンの内層と外層の周長変化を吸収することができ、賦形性を格段に向上させつつ、プロペラブレードの強度低下を引き起こさない利点がある。プロペラブレードの根本部分では翼形状の変化が特に大きいため、この効果が得られやすい。一方で、強化繊維が一軸配向に配向された繊維強化複合材料の層のうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°未満の角度を有して配向されている層について、かかる繊維強化複合材料の層に含まれる繊維は連続繊維であることが好ましい。翼長方向に対して60°未満の角度を有して配向されている層は、プロペラブレードの形状に賦形する際の周長変化やスキンの内層と外層の周長変化の影響を受けにくく、賦形性に対する悪影響が小さい一方で、プロペラブレードの強度を大きく支配しているため、連続繊維を適用することが好ましい。 The cuts in the chordwise intermittent fiber layer may be made over the entire area of the propeller blade, or may be made only at the root of the propeller blade. By providing the chordwise intermittent fiber layer, the change in circumferential length in the chordwise direction that occurs when forming the shape of the propeller blade, and the change in circumferential length of the inner layer and the outer layer of the skin can be absorbed, and there is an advantage that the formability is significantly improved while not causing a decrease in the strength of the propeller blade. This effect is easily obtained because the change in the blade shape is particularly large at the root of the propeller blade. On the other hand, among the layers of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are oriented in a uniaxial orientation, for layers in which the reinforcing fibers are oriented at an angle of less than 60° from the tip to the root direction (blade length direction) of the propeller blade, the fibers contained in such a fiber-reinforced composite material layer are preferably continuous fibers. Layers oriented at an angle of less than 60° to the blade length direction are less susceptible to changes in circumference when forming into the shape of a propeller blade, and to changes in circumference between the inner and outer layers of the skin, and have little adverse effect on formability, but they largely govern the strength of the propeller blade, so it is preferable to use continuous fibers.

強化繊維が繊維長10~100mmで断続されている状態とは、例えば、一方向に配向した連続繊維を含むプリプレグに対して、例えば図1に示すような強化繊維103が連続繊維として一方向101に配向したプリプレグに切込み102を挿入して得られる状態(なお、図1の外縁は図示する上での便宜上の表記であり、この図では実際の強化繊維103は繊維配向101に連続している。)や、繊維長10~100mmの短繊維が一軸に配向している状態である。特に連続繊維を含むプリプレグに対して切込みを挿入した、切込みプリプレグを使用する場合、その切込み挿入パターンについて特に制限はない。 The state in which the reinforcing fibers are interrupted at fiber lengths of 10 to 100 mm refers to, for example, a state obtained by inserting incisions 102 into a prepreg in which reinforcing fibers 103 are oriented in one direction 101 as continuous fibers, as shown in FIG. 1, for a prepreg containing continuous fibers oriented in one direction (note that the outer edge of FIG. 1 is a notation for convenience of illustration, and in this figure the actual reinforcing fibers 103 are continuous with the fiber orientation 101), or a state in which short fibers with fiber lengths of 10 to 100 mm are oriented uniaxially. In particular, when using an incised prepreg in which incisions are inserted into a prepreg containing continuous fibers, there are no particular restrictions on the incision insertion pattern.

また、本発明のプロペラブレードは、翼根本から翼長の30%以内の領域において、垂直断面外周の最大値と最小値との比が1.2以上であることが好ましい。翼根本から翼長の30%以内の領域とは、プロペラブレードの回転中心を通り、前記外接矩形の短辺に対して並行であり、かつ前記回転平面に対して垂直な平面から、該外接矩形長辺方向に回転中心から遠い方の側の矩形の短辺までの長さの30%まで、回転中心から等距離に矩形の短辺が存在する場合は、回転中心からそれぞれの矩形の短辺までの長さの30%に含まれる領域に対応する部分である。また、垂直断面外周とは、前記の外接矩形の短辺に平行にプロペラブレードを切断して得られる回転平面に垂直な断面の外周長さである。本発明は特に、翼根本から翼長の30%以内の領域において、垂直断面外周の最大値と最小値との比が1.2以上であるプロペラブレードにおいて、その成形性の向上が顕著である。 In addition, the propeller blade of the present invention preferably has a ratio of the maximum value to the minimum value of the vertical cross-sectional periphery of 1.2 or more in a region within 30% of the blade length from the blade root. The region within 30% of the blade length from the blade root is a portion corresponding to a region that is included in 30% of the length from the rotation center to the short side of the circumscribing rectangle, which passes through the rotation center of the propeller blade, is parallel to the short side of the circumscribing rectangle, and is perpendicular to the rotation plane, from a plane that passes through the rotation center of the propeller blade, is parallel to the short side of the circumscribing rectangle, and is 30% of the length from the rotation center to the short side of each rectangle, if there are short sides of the rectangle equidistant from the rotation center. In addition, the vertical cross-sectional periphery is the periphery length of a cross section perpendicular to the rotation plane obtained by cutting the propeller blade parallel to the short side of the circumscribing rectangle. The present invention is particularly notable for the improvement in formability of a propeller blade in which the ratio of the maximum value to the minimum value of the vertical cross-sectional periphery is 1.2 or more in a region within 30% of the blade length from the blade root.

また、本発明のプロペラブレードの製造方法は、強化繊維が一軸配向または多軸に配向された複数のシート状のプリプレグを積層して積層プリプレグを得る工程(第1の工程)と、該積層プリプレグをプロペラ形状に賦形する工程(第2の工程)と、該積層プリプレグをプロペラブレード成形型内で加熱硬化させる工程(第3の工程)とを有し、強化繊維が一軸配向されたシート状、すなわち平板の形状、のプリプレグのうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向された強化繊維を含むプリプレグにあっては、少なくともプロペラブレードの根元に対応する部分おいて、該プリプレグに含まれる強化繊維は繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とする。なお、根元に対応する部分とは、プロペラブレードへの成形後に根元部分となる予定の部分である。 The method for manufacturing a propeller blade of the present invention includes a step of laminating a plurality of sheet-shaped prepregs in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially to obtain a laminated prepreg (first step), a step of forming the laminated prepreg into a propeller shape (second step), and a step of heat-curing the laminated prepreg in a mold for forming a propeller blade (third step). In the prepregs in the form of sheets, i.e., flat plates, in which the reinforcing fibers are oriented at an angle of 60° or more from the tip to the root direction (span direction) of the propeller blade, the reinforcing fibers contained in the prepreg are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm at least in the portion corresponding to the root of the propeller blade. The portion corresponding to the root is the portion that will become the root portion after molding into a propeller blade.

プロペラブレードのスキンを繊維強化複合材料で作製する場合、繊維強化基材に樹脂を含浸せしめ、半硬化状態としたプリプレグを用いて、これをプロペラ形状に賦形することが、簡単に所望の形状に成形でき、かつ、硬化させることで高強度な部材とできるので好ましく採用される。この際、強化繊維が一軸配向または多軸に配向されたプリプレグが用いられうるが、一方でプロペラブレードのスキンは前述の通り複雑な形状であるため、一軸配向または多軸に配向された強化繊維が突っ張り、翼形状への賦形性には困難性がある。特に賦形を自動化しようとする場合、一層この困難性は高い。 When making the skin of a propeller blade from a fiber-reinforced composite material, it is preferable to use a prepreg in which a fiber-reinforced base material is impregnated with resin and left in a semi-cured state, and then molded into a propeller shape, as this can be easily molded into the desired shape and can be made into a high-strength component by curing. In this case, a prepreg in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially can be used, but on the other hand, since the skin of a propeller blade has a complex shape as mentioned above, the uniaxially or multiaxially oriented reinforcing fibers are pushed out, making it difficult to mold into a blade shape. This difficulty is particularly high when attempting to automate the molding process.

そこで、本発明のプロペラブレードの製造方法では、賦形性、特に自動賦形性を改善しつつ、高い力学特性を有するプロペラブレードを得るべく、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向された強化繊維を含むプリプレグにあっては、該プリプレグに含まれる強化繊維は繊維長10~100mmで断続されているプリプレグを用いる。なおここで、該プリプレグにおいて、切込みは根元に対応する部分において少なくとも施されており、また、全体に亘って切込みが施されていても良い。そのようなプリプレグは、連続した強化繊維を、繊維長が10~100mmとなるように切断して得ることが簡単である。第1の工程では、かかるプリプレグとその他のプリプレグとを積層して積層プリプレグとする。また、積層プリプレグは、第2工程に備えてプロペラブレードのスキンに成形する際に不要となる予定の部分を予めトリミングすることができる。このような工程を加えることは、工程の自動化の点で有利である。また、強化繊維が一軸配向に配向された繊維強化複合材料の層のうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°未満の角度を有して配向されている層については、かかる繊維強化複合材料の層に含まれる繊維は連続繊維であることが好ましい。 In the method for producing a propeller blade of the present invention, in order to obtain a propeller blade having high mechanical properties while improving formability, particularly automatic formability, a prepreg containing reinforcing fibers oriented at an angle of 60° or more from the tip of the propeller blade to the root direction (blade length direction) is used in which the reinforcing fibers contained in the prepreg are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm. In this case, in the prepreg, the cut is made at least in the part corresponding to the root, and the cut may be made over the entire prepreg. Such a prepreg can be easily obtained by cutting the continuous reinforcing fibers so that the fiber length is 10 to 100 mm. In the first step, such a prepreg and other prepregs are laminated to form a laminated prepreg. In addition, the laminated prepreg can be trimmed in advance of the parts that will not be needed when it is molded into the skin of the propeller blade in preparation for the second step. Adding such a step is advantageous in terms of automating the process. In addition, among layers of fiber-reinforced composite material in which the reinforcing fibers are uniaxially oriented, in layers in which the reinforcing fibers are oriented at an angle of less than 60° from the tip to the root direction (span direction) of the propeller blade, it is preferable that the fibers contained in such layers of fiber-reinforced composite material are continuous fibers.

続いて、前記の積層プリプレグをプロペラ形状に賦形する。プロペラ形状への賦形に当たっては、プロペラブレードスキンの外層側表面の形状を有する型もしくは内層側表面の形状を有する型に圧接し賦形を行うことがこのましい。プロペラブレードスキンの外層側表面の形状を有する型もしくは内層側表面の形状を有する型の例としては、プロペラブレード成形型、プロペラブレードコアまたはプリフォーム型などがあげられる。プロペラブレード成形型とは以降の工程においてプリプレグを加熱硬化する際にプロペラブレードの翼形状を形成する型である。また、プロペラブレードコアとは、最終成形品に残留する例えば多孔質体によるものであっても良いし、プリプレグを加熱硬化した後に取り除き、プロペラブレード内部に中空部を形成するためのコアであっても良い。また、プリフォーム型とは積層プリプレグをプロペラ形状に賦形するためのみに用いられる型である。なお、第2の工程においてプロペラ形状とされた積層プリプレグは、第3の工程を経て最終的なプロペラブレードの形状とされる。例えば、プロペラブレード成形型へのプリプレグの噛みこみを抑制する観点や成形品とするために加熱加圧硬化し圧縮される等の理由から、第2の工程後の形状としては、最終的なプロペラブレードの形状に一致するところまで賦形する必要はない。前記のとおり作製した積層プリプレグをプロペラブレードスキンの外層側表面形状もしくは内層側表面形状を有するもの、例えばプロペラブレード成形型、プロペラブレードコア、プリフォーム型に積層プリプレグを押し付けることにより、繊維の突っ張り等なく、良好に賦形を完了することができる。また、このようにプロペラ形状に賦形することにより自動化することが可能となる。 Next, the laminated prepreg is shaped into a propeller shape. When shaping into a propeller shape, it is preferable to press the laminated prepreg into a mold having the shape of the outer layer side surface of the propeller blade skin or the shape of the inner layer side surface to perform shaping. Examples of a mold having the shape of the outer layer side surface of the propeller blade skin or the shape of the inner layer side surface include a propeller blade molding mold, a propeller blade core, and a preform mold. The propeller blade molding mold is a mold that forms the blade shape of the propeller blade when the prepreg is heated and cured in the subsequent process. The propeller blade core may be, for example, a porous body that remains in the final molded product, or it may be a core that is removed after the prepreg is heated and cured to form a hollow part inside the propeller blade. The preform mold is a mold that is used only to shape the laminated prepreg into a propeller shape. The laminated prepreg that has been shaped into a propeller shape in the second process is made into the final shape of the propeller blade through the third process. For example, from the viewpoint of preventing the prepreg from getting caught in the propeller blade mold and for reasons such as the fact that it is heated, pressurized, cured and compressed to form a molded product, it is not necessary to shape the prepreg to the point of matching the final shape of the propeller blade after the second process. By pressing the laminated prepreg prepared as described above against something having the outer layer surface shape or inner layer surface shape of the propeller blade skin, such as a propeller blade mold, a propeller blade core or a preform mold, shaping can be completed satisfactorily without tension on the fibers. Furthermore, shaping into a propeller shape in this way makes it possible to automate the process.

第3の工程では、第2の工程を経て得られたプロペラ形状に賦形された積層プリプレグを加熱硬化する。加熱硬化はプロペラブレードの翼形状に固定するため、プロペラブレード成形型内にプロペラ形状に賦形された積層プリプレグを配置して行う。 In the third step, the laminated prepreg formed into the propeller shape obtained in the second step is heat cured. Heat curing is performed by placing the laminated prepreg formed into the propeller shape in a propeller blade mold in order to fix it into the blade shape of the propeller blade.

また、本発明では、第2の工程において、積層プリプレグに張力を付与しながらプロペラブレードコアまたはプリフォーム型あるいはプロペラブレード成形型に圧接し賦形を行うことが好ましい。張力を付与しながらプロペラ形状に賦形する際、翼弦方向断続繊維層を採用することで、その伸長効果を効果的に活用し皺なく、良好に賦形することができる。張力を付与する方向について特に制限はないが、プロペラブレード表面の翼弦方向に曲率を有する部分や翼弦方向の翼周長さが大きく変化する部分に対して張力を付与する場合は翼弦方向に対して張力を付与することが、良好な賦形を実現することができ、好適である。 In the present invention, it is preferable that in the second step, the laminated prepreg is pressed against a propeller blade core, a preform mold, or a propeller blade molding mold while tension is applied to the laminated prepreg to form the shape. When forming the propeller shape while tension is applied, by using a chordwise interrupted fiber layer, the stretching effect can be effectively utilized to form the shape well without wrinkles. There are no particular restrictions on the direction in which tension is applied, but when applying tension to a part of the propeller blade surface that has a curvature in the chordwise direction or a part where the blade circumference in the chordwise direction changes significantly, applying tension in the chordwise direction is preferable because it allows for good shaping.

また、本発明では、積層プリプレグをプロペラ形状に賦形する際に、プロペラブレードスキンの外層側表面の形状を有する型と内層側表面の形状を有する型との間に積層プリプレグを配置し、前記2つの型で積層プリプレグを挟み圧接してプロペラ形状に賦形する工程であり、かつ、前記2つの型で積層プリプレグを圧接する前に、内層側表面の形状を有する型にのみ積層プリプレグの一部を接触せしめた状態とし、その後に圧接を行うことが好ましい。 In addition, in the present invention, when forming the laminated prepreg into a propeller shape, the laminated prepreg is placed between a mold having the shape of the outer layer surface of the propeller blade skin and a mold having the shape of the inner layer surface, and the laminated prepreg is sandwiched and pressed between the two molds to form the propeller shape. Furthermore, it is preferable that before pressing the laminated prepreg between the two molds, only a part of the laminated prepreg is brought into contact with the mold having the shape of the inner layer surface, and then the pressing is performed.

プロペラブレードスキンの外層側表面の形状を有する型と内層側表面の形状を有する型との間に積層プリプレグを配置し、前記2つの型で積層プリプレグを挟み、圧接することで、プロペラ形状への賦形が容易であり、また、自動化においても有利である。また、前記2つの型で積層プリプレグを圧接する前の段階において、内層側表面の形状を有する型にのみ積層プリプレグの一部を接触せしめた状態とし、その後に圧接を行う場合、内層側表面の形状を有した型に接触した積層プリプレグの動きが固定され、積層プリプレグの外層側表面の側が引き伸ばされる。張力を付与しつつ圧接を行う場合、積層プリプレグと内層側表面の形状を有する型との接触面積の増加に伴って、張力を付与する方向を変化させ、また、圧接する力を増加させることが好ましい。本発明の製造法を用いてプロペラブレードを製造する場合、翼弦方向断続繊維層を設けることによる賦形性の改善を効果的に行うことができ、皺なく良好に賦形することができる。 By placing a laminated prepreg between a mold having the shape of the outer layer surface of the propeller blade skin and a mold having the shape of the inner layer surface, and sandwiching and pressing the laminated prepreg between the two molds, it is easy to shape it into a propeller shape, and it is also advantageous in automation. In addition, if a part of the laminated prepreg is brought into contact only with the mold having the shape of the inner layer surface at a stage before pressing the laminated prepreg with the two molds, and then pressing is performed, the movement of the laminated prepreg that is in contact with the mold having the shape of the inner layer surface is fixed, and the outer layer surface side of the laminated prepreg is stretched. When pressing is performed while applying tension, it is preferable to change the direction of applying tension and increase the pressing force as the contact area between the laminated prepreg and the mold having the shape of the inner layer surface increases. When a propeller blade is manufactured using the manufacturing method of the present invention, the improvement of formability by providing a chord-direction interrupted fiber layer can be effectively performed, and the blade can be well shaped without wrinkles.

本発明の製造方法では、積層プリプレグをプロペラ形状に賦形する際に、予め積層したプリプレグを予熱することが好ましい。積層プリプレグを予熱することにより、切込みプリプレグの伸長効果が得られやすくなり、プロペラ形状に賦形する際に必要とされる賦形力を低減し、賦形性を向上することができる。以上より、本発明は、特に自動で3次元プリフォームを得てプロペラブレードの生産レートを向上させること、また、生産時の作業ばらつきを低減させプロペラブレードを高品位に保つことに好適である。 In the manufacturing method of the present invention, when forming the laminated prepreg into a propeller shape, it is preferable to preheat the laminated prepreg. Preheating the laminated prepreg makes it easier to obtain the elongation effect of the incised prepreg, reducing the forming force required when forming into a propeller shape and improving the formability. As described above, the present invention is particularly suitable for automatically obtaining three-dimensional preforms to improve the production rate of propeller blades, and for reducing operational variability during production to maintain high quality propeller blades.

以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明する。ただし、本発明はかかる実施例の項の記載に限定して解釈されるものではない。なお、強化繊維の配向方向として、翼根元から翼先端に向かう方向(翼長方向)を0°、翼前縁から翼後縁に向かう方向(翼弦方向)を90°とする。 The present invention will be explained in more detail below with reference to examples. However, the present invention should not be interpreted as being limited to the description in the Examples section. The orientation direction of the reinforcing fibers is defined as 0° in the direction from the base of the blade to the tip of the blade (span direction), and 90° in the direction from the leading edge of the blade to the trailing edge of the blade (chord direction).

(実施例1)
Toray Composite Materials America, Inc.社製 P707AG-15 炭素繊維一方向プリプレグを準備し、プロペラブレードスキンの上側スキンと下側スキンのそれぞれに対応する形状にあわせて切り出しを行った。切り出しを調整することによって0°方向に炭素繊維が配向したプリプレグ(プリプレグ1)と90°方向に炭素繊維が配向したプリプレグ(プリプレグ2)を得た。
Example 1
Toray Composite Materials America, Inc. P707AG-15 carbon fiber unidirectional prepreg was prepared and cut out to match the shapes of the upper and lower propeller blade skins. By adjusting the cutout, a prepreg (prepreg 1) in which the carbon fibers were oriented in the 0° direction and a prepreg (prepreg 2) in which the carbon fibers were oriented in the 90° direction were obtained.

プリプレグ2に対しては、切り出し時に炭素繊維の配向方向に対して10°方向の直線状の切込みを周期的に挿入し、全ての炭素繊維が切込みによって断続された状態とされており、切込み付与後の繊維長が30mmとなるようにした。この時切込みの炭素繊維直交方向の長さは10mmであった。 When cutting out the prepreg 2, linear cuts were periodically inserted at 10° to the orientation direction of the carbon fibers, so that all the carbon fibers were interrupted by the cuts, and the fiber length after the cuts was 30 mm. At this time, the length of the cuts in the direction perpendicular to the carbon fibers was 10 mm.

続いて、直交二軸織物である炭素繊維織物が樹脂に含浸された、Toray Composite Materials America, Inc.社製 F6273C-07M 炭素繊維織物プリプレグを準備し、プロペラブレードスキンの上側スキンと下側スキンのそれぞれに対応する形状にあわせて切り出しを行った。切り出しによって織物中の炭素繊維が-45°方向と+45°方向に配向するよう切り出されたプリプレグ(プリプレグ3)を得た。 Next, we prepared F6273C-07M carbon fiber woven prepreg manufactured by Toray Composite Materials America, Inc., in which orthogonal biaxial woven carbon fiber fabric was impregnated with resin, and cut it out to match the shapes corresponding to the upper and lower propeller blade skins. We obtained a prepreg (prepreg 3) in which the carbon fibers in the fabric were oriented in the -45° and +45° directions.

プロペラブレードの上側スキンと下側スキンのそれぞれに対応して、前記プリプレグ1、プリプレグ2およびプリプレグ3を翼の外側となる面の側から、[プリプレグ3/プリプレグ1/プリプレグ1/プリプレグ1/プリプレグ2/プリプレグ1/プリプレグ2/プリプレグ1/プリプレグ2/プリプレグ3]の順に積層し、プロペラブレードの上側スキンと下側スキンとなる積層プリプレグを得た。 Prepreg 1, prepreg 2 and prepreg 3 were laminated in the following order from the outer surface of the blade: [prepreg 3/prepreg 1/prepreg 1/prepreg 1/prepreg 2/prepreg 1/prepreg 2/prepreg 1/prepreg 2/prepreg 3] corresponding to the upper and lower skins of the propeller blade, respectively, to obtain laminated prepregs that would become the upper and lower skins of the propeller blade.

得られた積層プリプレグを、プロペラスキン形状のキャビティを有するプリフォーム型の、スキンとした時に内層側となる側の表面に対して、翼弦方向に張力を付与しながら圧接し、積層プリプレグのスキンとした時に内層側表面となるべき面の一部が前記プリフォーム型の表面上に賦形された状態を得た。その後プリフォーム型を閉じプロペラブレードの上側スキンの形状に賦形された積層プリプレグを得た。次いで上側スキンと同様の方法で、下側スキンの形状に賦形された積層プリプレグを得た。スキンとした時には上側スキンとなる積層プリプレグ、スキンとした時には下側スキンとなる積層プリプレグのいずれも賦形時に皺や繊維の突っ張りが生じなかった。 The obtained laminated prepreg was pressed against the surface of a preform mold having a cavity in the shape of a propeller skin, which would become the inner layer when made into a skin, while applying tension in the chord direction, resulting in a state in which a part of the surface that would become the inner layer surface when made into a skin of the laminated prepreg was shaped on the surface of the preform mold. The preform mold was then closed to obtain a laminated prepreg shaped into the shape of the upper skin of a propeller blade. Next, a laminated prepreg shaped into the shape of the lower skin was obtained in the same manner as for the upper skin. Neither the laminated prepreg that would become the upper skin when made into a skin, nor the laminated prepreg that would become the lower skin when made into a skin, experienced wrinkles or fiber tension during shaping.

ポリプラエボニック株式会社製ポリメタクリルイミド硬質発泡体 ROHACELL(登録商標) 110 IG-Fをプロペラブレードのコア形状に切削加工し、多孔質のコア部材を得た。その後、前記の上側スキンの形状に賦形された積層プリプレグと下側スキンの形状に賦形された積層プリプレグでもって前記多孔質のコア部材を挟み込み、次いで、プロペラブレード成形型内に配置し型締め後、オーブンにて加熱硬化成形を実施した。 Polypla Evonik Co., Ltd.'s polymethacrylimide rigid foam ROHACELL (registered trademark) 110 IG-F was cut into the core shape of a propeller blade to obtain a porous core member. The porous core member was then sandwiched between a laminated prepreg shaped into the shape of the upper skin and a laminated prepreg shaped into the shape of the lower skin, and then placed in a propeller blade mold and clamped, after which it was heated and cured in an oven.

成形品の表面は平滑であることを目視で確認した。また成形品の断面を繊維強化複合材料層が確認できるまで研磨した後、顕微鏡で確認したところ皺による層構造の乱れやボイドがないことを確認した。 The surface of the molded product was visually confirmed to be smooth. In addition, the cross section of the molded product was polished until the fiber-reinforced composite material layer could be seen, and then examined under a microscope, which confirmed that there were no voids or disturbances in the layer structure due to wrinkles.

(実施例2)
実施例1に記載の方法と同様の方法で得た多孔質のコア部材と、スキンとした時にプロペラブレード上側スキンの外表面の形状を与える型(型1A)を準備した。次いで、実施例1に記載の方法と同様の方法で得た積層プリプレグを60℃に予熱し、翼弦方向に張力を付与しながら前記多孔質のコア部材に圧接し、積層プリプレグのスキンとした時に内層側表面となるべき面の一部が多孔質のコア部材の外表面に賦形された状態を得た。次いで、これに型1Aを被せ、積層プリプレグを多孔質のコア部材と型1Aで挟み込んで圧力を加えて積層プリプレグの賦形を完了し、その後、型1A取り外し、多孔質のコア部材にスキンとした時にプロペラブレード上側スキンとなる積層プリプレグが被覆された複合体(複合体A)を得た。
Example 2
A porous core member obtained by the same method as that described in Example 1 and a mold (mold 1A) that gives the shape of the outer surface of the upper skin of the propeller blade when made into a skin were prepared. Next, the laminated prepreg obtained by the same method as that described in Example 1 was preheated to 60°C, and pressed against the porous core member while applying tension in the chord direction, so that a part of the surface that should become the inner layer side surface when made into a skin of the laminated prepreg was shaped on the outer surface of the porous core member. Next, the mold 1A was placed on the laminated prepreg, and the laminated prepreg was sandwiched between the porous core member and the mold 1A and pressure was applied to complete the shaping of the laminated prepreg. Thereafter, the mold 1A was removed, and a composite (composite A) was obtained in which the laminated prepreg that becomes the upper skin of the propeller blade when made into a skin was covered on the porous core member.

次いで、スキンとした時にプロペラブレード下側スキンの外表面の形状を与える型(型1B)と、実施例1に記載の方法と同様の方法で得た積層プリプレグとを準備し、前記の複合体Aの積層プリプレグが被覆されていない残り半面に対して、上記と同様の操作を行って、スキンとした時にプロペラブレード上側スキンとなる積層プリプレグを被覆した。スキンとした時には上側スキンとなる積層プリプレグ、スキンとした時には下側スキンとなる積層プリプレグのいずれも賦形時による皺や繊維の突っ張りが生じなかった。 Next, a mold (Mold 1B) that would give the shape of the outer surface of the lower skin of the propeller blade when made into a skin and a laminated prepreg obtained by the same method as that described in Example 1 were prepared, and the remaining half of the composite A that was not covered with the laminated prepreg was covered with the laminated prepreg that would become the upper skin of the propeller blade when made into a skin by carrying out the same operation as above. Neither the laminated prepreg that would become the upper skin when made into a skin nor the laminated prepreg that would become the lower skin when made into a skin had any wrinkles or fiber tension during shaping.

その後、上記の操作で得た積層プリプレグで被覆された複合体をプロペラブレード成形型内に配置し型締め後、オーブンにて加熱硬化成形を実施した。 The composite covered with the laminated prepreg obtained by the above procedure was then placed in a propeller blade mold, and after the mold was closed, it was heated and cured in an oven for molding.

得られた成形品の表面は平滑であることを目視で確認した。また成形品断面を繊維強化複合材料層が確認できるまで研磨した後、顕微鏡で確認したところ皺による層構造の乱れやボイドがないことを確認した。 The surface of the resulting molded product was visually confirmed to be smooth. Furthermore, the cross section of the molded product was polished until the fiber-reinforced composite material layer could be seen, and then examined under a microscope, where it was confirmed that there were no voids or disturbances in the layer structure due to wrinkles.

(比較例1)
プリプレグ2に切込みを付与しなかった以外は実施例1と同様にして、成形品(プロペラブレード)を得た。プロペラブレードの上側スキンの形状に賦形された積層プリプレグを得る工程の中で、プリプレグ2に対応する層において炭素繊維が突っ張り、賦形された積層プリプレグにしわが寄った。
(Comparative Example 1)
A molded product (propeller blade) was obtained in the same manner as in Example 1, except that no cuts were made in prepreg 2. During the process of obtaining a laminated prepreg shaped into the shape of the upper skin of the propeller blade, the carbon fibers were stretched in the layer corresponding to prepreg 2, and the shaped laminated prepreg was wrinkled.

成形品の表面は平滑であることを目視で確認したが、成形品断面を繊維強化複合材料層が確認できるまで研磨した後、顕微鏡で確認したところ皺による層構造の乱れを確認し、さらに当該箇所にはボイドが存在していることを確認した。層構造の乱れやボイドが存在するため、成形品の信頼性は実施例の成形品よりも劣ることは明らかである。 The surface of the molded product was confirmed to be smooth by visual inspection, but after polishing the cross section of the molded product until the fiber-reinforced composite material layer could be seen, it was confirmed under a microscope that wrinkles had caused a disturbance in the layer structure, and that voids existed in those areas. Due to the disturbance in the layer structure and the presence of voids, it is clear that the reliability of the molded product is inferior to that of the molded product in the examples.

本発明に係るプロペラブレードは、成形時の賦形性に特に優れ、製造自動化を可能としつつ、高い力学特性を有するプロペラブレードであり、UAMや、ドローンなどのプロペラに好適に用いることができる。 The propeller blade of the present invention is particularly excellent in formability during molding, allows for automated manufacturing, and has high mechanical properties, making it suitable for use in propellers for UAMs, drones, etc.

101:繊維配向方向
102:切込み
103:強化繊維
101: fiber orientation direction 102: incision 103: reinforcing fiber

Claims (6)

強化繊維が一軸配向または多軸に配向された繊維強化複合材料が積層され、プロペラ形状に賦形された部材を有するプロペラブレードであって、該部材は、強化繊維が一軸配向された繊維強化複合材料の層を少なくとも1層有し、かつ、強化繊維が一軸配向された繊維強化複合材料の層のうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向されている層については、少なくともプロペラブレードの根元部分において、強化繊維が繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とする、プロペラブレード。 A propeller blade having a member formed into a propeller shape by laminating fiber-reinforced composite material in which reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially, the member having at least one layer of fiber-reinforced composite material in which reinforcing fibers are oriented uniaxially, and, among the layers of fiber-reinforced composite material in which reinforcing fibers are oriented at an angle of 60° or more from the tip to the root direction (span direction) of the propeller blade, the reinforcing fibers are interrupted at least at the root portion of the propeller blade at a fiber length of 10 to 100 mm. 翼根本から翼長の30%以内の領域において、垂直断面外周の最大値と最小値の比が1.2以上である請求項1に記載のプロペラブレード。 The propeller blade of claim 1, in which the ratio of the maximum to minimum values of the vertical cross-sectional circumference is 1.2 or more in a region within 30% of the blade length from the blade root. 強化繊維が一軸配向または多軸に配向された複数のシート状のプリプレグを積層して積層プリプレグを得る工程(第1の工程)と、該積層プリプレグをプロペラ形状に賦形する工程(第2の工程)と、該積層プリプレグをプロペラブレード成形型内で加熱硬化させる工程(第3の工程)とを有するプロペラブレードの製造方法であって、強化繊維が一軸配向されたシート状のプリプレグのうち、強化繊維がプロペラブレードの翼端から根元方向(翼長方向)に対して60°以上の角度を有して配向された強化繊維を含むプリプレグにあっては、少なくともプロペラブレードの根元に対応する部分おいて、該プリプレグに含まれる強化繊維は繊維長10~100mmで断続されていることを特徴とする、プロペラブレードの製造方法。 A method for manufacturing a propeller blade, comprising the steps of laminating a plurality of sheet-shaped prepregs in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially or multiaxially to obtain a laminated prepreg (first step), forming the laminated prepreg into a propeller shape (second step), and heat-curing the laminated prepreg in a propeller blade mold (third step), characterized in that, among the sheet-shaped prepregs in which the reinforcing fibers are oriented uniaxially, the reinforcing fibers are oriented at an angle of 60° or more from the tip to the base direction (blade length direction) of the propeller blade, at least in the portion corresponding to the base of the propeller blade, the reinforcing fibers contained in the prepreg are interrupted at a fiber length of 10 to 100 mm. 第2の工程において、積層プリプレグに張力を付与しながら前記積層プリプレグの表面に圧力を加え、プロペラブレードスキンの外層側表面の形状もしくは内層側表面の形状に賦形することを特徴とする、請求項3に記載のプロペラブレードの製造方法。 The method for manufacturing a propeller blade according to claim 3, characterized in that in the second step, pressure is applied to the surface of the laminated prepreg while tension is applied to the laminated prepreg, to shape it into the shape of the outer layer surface or the shape of the inner layer surface of the propeller blade skin. 第2の工程において、積層プリプレグを予熱してプロペラ形状に賦形することを特徴とする請求項3または4に記載のプロペラブレードの製造方法。 The method for manufacturing a propeller blade according to claim 3 or 4, characterized in that in the second step, the laminated prepreg is preheated and shaped into a propeller shape. 第2の工程は、プロペラブレードスキンの外層側表面の形状を有する型と内層側表面の形状を有する型との間に積層プリプレグを配置し、前記2つの型で積層プリプレグを挟み圧接してプロペラ形状に賦形する工程であり、かつ、前記2つの型で積層プリプレグを圧接する前に、内層側表面の形状を有する型にのみ積層プリプレグの一部を接触せしめた状態とし、その後に圧接を行うことを特徴とする請求項3または4に記載のプロペラブレードの製造方法。 The method for manufacturing a propeller blade according to claim 3 or 4, characterized in that the second step is a step of placing a laminated prepreg between a mold having the shape of the outer layer surface of the propeller blade skin and a mold having the shape of the inner layer surface, and sandwiching and pressing the laminated prepreg between the two molds to form it into a propeller shape, and that before pressing the laminated prepreg between the two molds, a part of the laminated prepreg is brought into contact only with the mold having the shape of the inner layer surface, and then pressing is performed.
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