JP4522796B2 - 繊維強化複合材環状構造体の製造方法、及びその構造体からなる航空機胴体用環状フレーム - Google Patents

繊維強化複合材環状構造体の製造方法、及びその構造体からなる航空機胴体用環状フレーム Download PDF

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Description

本発明は、繊維強化複合材からなる環状構造体の製造方法、及びその構造体からなる航空機胴体用環状フレームに関する。
航空機等の構造部材として、軽量で強度の高い繊維強化複合材からなる環状構造体が広く使用されている。繊維強化複合材環状構造体は、一般的に他の部材との結合用のフランジ部等を有するので、従来複数の平板状プリプレグを縫合し、一体的に硬化する方法により製造されてきた。例えば特開2001-310798号は、L字状等の異形断面を有する胴体構造体用インナーフレーム部材を、複数の平板状プリプレグを成形型上に載置した後、オートクレーブ中で加熱加圧することにより製造する方法を記載している。しかし複数の平板状プリプレグを用いる製造方法は工程数が多いので、製造コストが高いという問題があった。
そこで製造コストを削減すべく、強化繊維により所望の形状を有する環状プリフォームを成形し、それにマトリックス樹脂を一括含浸させて繊維強化複合材環状構造体を製造する方法が提案されている。繊維の配向自由度の観点から、環状プリフォーム用の基材としては組物が好適である。組物を用いる場合、例えば図23に示すように、円筒状に成形した平板組物50を全周にわたって部分的に半径方向に変形することにより、環状ウェブ部121とそれに対してほぼ垂直な半径方向フランジ部122とを有する環状プリフォーム10を成形する。
しかし組物はマンドレルの軸方向に配向した中央糸と、マンドレルの軸方向に対して所定の組角度で螺旋状に配向した組糸とが筒状に組まれたものであり、一般に全体的に目付けが均質である。そのため組物50をフランジ部122に要求される剛性を満たす目付けに形成すると、ウェブ部121では剛性過剰となり、しかも不要な重量増加や、材料コストの増大を招くという問題があった。
上記のように組物は中央糸と組糸を筒状に組むことにより形成するため、組物50の目付を部分的に調節して、ウェブ部121とフランジ部122の各目付をともに所望の範囲内とするのは容易でない。特開2001-30361号（特許文献１）は、マンドレル上にブレイダーにより複数層からなる筒状のプリフォームを組成する方法を開示しているが、この方法は組物の目付を部分的に調節するものではない。
特開2001-30361号
従って、本発明の目的は、各々最適な剛性を有するウェブ部及びフランジ部を具備する繊維強化複合材環状構造体を、比較的少ない工程数で低廉に製造する方法、及びその構造体からなる航空機胴体用環状フレームを提供することである。
上記目的に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、ウェブ部及びフランジ部を有する強化繊維製環状プリフォームとして、(a) 平板環状ウェブ部及び前記ウェブ部に対してほぼ垂直に設けられたフランジ部を有する環状の基本プリフォームと、(b) 前記環状基本プリフォームのウェブ部に接合した平板環状補強プリフォームと、(c) 前記環状基本プリフォームのフランジ部に接合した円筒状の補強プリフォームとを有する一体構造物を成形し、それにマトリックス樹脂を含浸させることにより、ウェブ部及びフランジ部が最適な剛性を有する繊維強化複合材環状構造体を比較的少ない工程数で低廉に製造できることを見出し、本発明に想到した。
すなわち、本発明の繊維強化複合材環状構造体の製造方法は、(a) 強化繊維からなる長板状帯片を円弧状の平板部及び前記平板部に対してほぼ垂直な部位を有する形状に変形してなる少なくとも1つの円弧状帯片の端部どうしを重着して、平板環状ウェブ部と前記ウェブ部に対してほぼ垂直なフランジ部とを有する環状の基本プリフォームを成形し、(b) 強化繊維からなる長板状帯片を円弧状に変形してなる少なくとも1つの平板円弧状帯片の端部どうしを重着して、平板環状補強プリフォームを成形し、(c) 強化繊維からなる長板状帯片を環状に変形してなる少なくとも1つの環状帯片の両端部を重着して、円筒状補強プリフォームを成形し、(d) 前記環状基本プリフォームのウェブ部に、前記平板環状補強プリフォームを接合するとともに、前記環状基本プリフォームのフランジ部に、前記円筒状補強プリフォームを接合することにより、一体構造を有する環状繊維プリフォームを成形し、その際、これらの重着部が前記環状繊維プリフォームの周方向にずれた位置にくるように、前記環状基本プリフォームに前記平板環状補強プリフォーム及び前記円筒状補強プリフォームを配置し、(e) 得られた環状繊維プリフォームにマトリックス樹脂を含浸させ、(f) 前記マトリックス樹脂を硬化させることを特徴とする。重着部の周方向のずれにより、前記環状繊維プリフォームの剛性を強化できる。
前記環状基本プリフォームの断面形状をL字状、U字状又はH字状とするとするのが好ましい。前記環状基本プリフォームに対して前記平板環状補強プリフォーム及び前記円筒状補強プリフォームを接合させる方法として、タック性形状保持材による接着及び／又はステッチングを用いるのが好ましい。
前記環状基本プリフォーム、前記平板環状補強プリフォーム及び前記円筒状補強プリフォームを形成する基材として、強化繊維からなる組糸を有する組物を用いるのが好ましい。
前記環状繊維プリフォームを成形型に載置し、前記環状繊維プリフォームとともに前記成形型をバッグフィルムで覆い、前記バッグフィルムで被覆した系内を真空に保ちながら、少なくとも２本の管から前記マトリックス樹脂を注入して、前記環状繊維プリフォームに前記マトリックス樹脂を含浸させるのが好ましい。
本発明の方法により製造された繊維強化複合材環状構造体は航空機胴体用環状フレームに好適である。
本発明の製造方法によれば、各々最適な剛性を有するウェブ部及びフランジ部を具備する繊維強化複合材環状構造体を、従来の複数の平板状プリプレグを縫合し、含浸樹脂を硬化させる方法に比べて少ない工程数で製造できるので、製造コストを低減できる。しかも繊維強化複合材環状構造体のウェブ部及びフランジ部の各々に所望の剛性を容易に付与できる。
[1] 環状繊維プリフォーム
図１〜図３は、本発明の繊維強化複合材環状構造体の製造方法において成形する環状繊維プリフォームの一例を示す。環状繊維プリフォーム１は、(a) 平板環状ウェブ部21及びウェブ部21に対してほぼ垂直に設けられたフランジ部22を有する環状の基本プリフォーム２と、(b) 環状基本プリフォーム２のウェブ部21に接合した平板環状補強プリフォーム３と、(c) 環状基本プリフォーム２のフランジ部22に接合した円筒状の補強プリフォーム４とからなる一体構造物である。各プリフォーム２，３，４は強化繊維により形成されている。
(1) 基材
各プリフォーム２，３，４は、強化繊維からなる布を基材として形成するのが好ましい。強化繊維布の三次元繊維組織の種類は特に制限されず、組物、織物及び編物からなる群から選ばれた少なくとも一種が好ましく、布強度の観点から組物及び織物がより好ましく、繊維の配向自由度の観点から組物が特に好ましい。
強化繊維は特に制限されず、炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維、ボロン繊維等が挙げられ、これらの中から用途に応じて適宜選択される。繊維強化複合材環状構造体を航空機胴体用環状フレームとして使用する場合、強化繊維としては炭素繊維が好ましい。
強化繊維布を長板状帯片に成形し、得られた長板状プリフォーム帯片を用いて各プリフォーム２，３，４を成形するのが好ましい。図４は組物からなる長板状プリフォーム帯片の一例を示す。組物からなる長板状プリフォーム帯片５（５'、５''）は３軸構造の繊維組織により構成され、長手方向を０°として±θ°の所定の組角度で螺旋状に配向した繊維（組糸）5aと、０°方向に配向した繊維（中央糸）5bとからなるのが好ましい。組糸5a及び中央糸5bを構成する繊維は、複数の繊維からなる束であるのが好ましい。各プリフォーム２，３，４の目付は、組糸5a及び／又は中央糸5bを構成する繊維の本数、組糸5a及び／又は中央糸5bの繊度等を調整することにより調整できる。
(2) 環状繊維プリフォームの製造方法
以下基材として組物からなる長板状プリフォーム帯片を用い、L字状の断面形状を有する環状繊維プリフォーム１を成形する場合を例にとって説明する。
(a) 環状基本プリフォーム
環状基本プリフォーム２を成形するには、例えば図４に示すような長板状プリフォーム帯片５の短手方向にL字状の断面形状を付与し、図５に示すような平板部21及び垂直部22を有する帯片５を成形する。次いで帯片５を、垂直部22を内側にして円弧状に変形した後、図６に示すように、少なくとも一つの円弧状帯片５の各端部を重着して一環状物とする。但し長板状プリフォーム帯片５を予めL字断面に変形する必要はなく、図４に示すような長板状プリフォーム帯片５を平板円弧状に変形した後でL字断面に変形しても良い。帯片５にL字状の断面形状を付与したり、帯片５を円弧状に変形したりする手段に特に制限はないが、プレス型等を用いることができる（以下同じ）。
環状基本プリフォーム２を構成する円弧状帯片５は、２〜８本であるのが好ましく、３〜７本であるのがより好ましい。この本数を１本とすると、平板部21及び垂直部22を有する１本の長板状プリフォーム帯片５を環状にしなければならないので、ムラなく変形するのが困難となる。一方この本数を９本以上とすると、各円弧状帯片５を重着する作業が煩雑化するだけでなく、得られる環状基本プリフォーム２の重着部23の数が多くなるので、環状基本プリフォーム２の製造コストと重量の観点から好ましくない。
円弧状帯片５の各端部を重着するには、図７に示すようにステッチング６を施すのが好ましい。各重着部23の周方向の長さL1は、成形する環状基本プリフォーム２の大きさに関わらず20〜30 mmとするのが好ましく、これにより環状基本プリフォーム２は十分な強度と剛性を有することができる。
環状基本プリフォーム２の目付は、環状繊維プリフォーム１の用途に応じて、適宜設定すればよい。図４に示す長板状プリフォーム帯片５を上記のように変形し、一環状物とした後に、フランジ部22となる部位の目付が、ウェブ部21となる部位の目付より大きくなるように、長板状プリフォーム帯片５の目付を可能な範囲内で部分的に調整してもよい。
(b) 平板環状補強プリフォーム
平板環状補強プリフォーム３を成形するには、例えば環状基本プリフォーム２のウェブ部21の径方向長さとほぼ同じ幅を有する長板状プリフォーム帯片５'（図４参照）を成形する。得られた長板状プリフォーム帯片５'を、平板円弧状に変形した後、図８及び図９に示すように、少なくとも一つの平板円弧状帯片５'の各端部を重着して一環状物とする。
平板環状補強プリフォーム３を構成する円弧状帯片５'は、環状基本プリフォーム２の場合と同じ理由により２〜８本であるのが好ましく、３〜７本であるのがより好ましい。平板円弧状帯片５'の重着方法及び重着部31の周方向の長さL2は、環状基本プリフォーム２の場合と同じでよいので、説明を省略する。平板環状補強プリフォーム３の目付は、環状繊維プリフォーム１の用途に応じて適宜設定すればよい。
(c) 円筒状補強プリフォーム
例えば環状基本プリフォーム２のフランジ部22の幅（軸方向長さ）とほぼ同じ幅を有する長板状プリフォーム帯片５''（図４参照）を環状に変形した後、図10及び図11に示すように両端部を重着して、円筒状補強プリフォーム４とする。円筒状補強プリフォーム４を構成する長板状プリフォーム帯片５''は通常一本で良いが、必要に応じて複数であってもよい。
環状帯片５''の重着方法及び重着部41の周方向の長さL3は、環状基本プリフォーム２の場合と同じでよいので、説明を省略する。円筒状補強プリフォーム４の目付は、環状繊維プリフォーム１の用途に応じて適宜設定すればよい。
(d) 環状繊維プリフォーム
環状繊維プリフォーム１は、例えば図１〜図３に示すように、環状基本プリフォーム２のウェブ部21のフランジ部22側の面に平板環状補強プリフォーム３を接合するとともに、環状基本プリフォーム２のフランジ部22の外周面に円筒状補強プリフォーム４を接合することにより形成する。これらを接合する際に成形型を用いてもよい。成形型として、環状基本プリフォーム２のフランジ部22に内接する垂直部と、環状基本プリフォーム２の底面に接する平板部とを有する形状のものが好ましい。
円筒状補強プリフォーム４を予め成形しておく代わりに、一本の長板状プリフォーム帯片５''をフランジ部22に巻き締め、円筒状補強プリフォーム４の成形とフランジ部22への接合を同時に行ってもよい。
環状繊維プリフォーム１を高剛性とするために、環状基本プリフォーム２の重着部23の位置と、平板環状補強プリフォーム３の重着部31の位置と、円筒状補強プリフォーム４の重着部41の位置とが環状繊維プリフォーム１の周方向にずれるように、プリフォーム２，３，４を配置するのが好ましい。
環状基本プリフォーム２に平板環状補強プリフォーム３及び円筒状補強プリフォーム４を接合する方法として、タック性形状保持材による接着及び／又はステッチングが好ましい。タック性を有する形状保持材としては接着剤、粘着材等が挙げられる。このような接合方法を用いることにより、マトリックス樹脂を含浸させるまで、環状繊維プリフォーム１の形状を保持できる。
接合方法としては形状保持材による接着が好ましい。形状保持材としては、エポキシ樹脂系接着剤が好ましい。形状保持材の使用量は、マトリックス樹脂及び形状保持材の合計を100質量％として、１〜５質量％であるのが好ましい。
上記のような方法で環状繊維プリフォーム１を作製することにより、ウェブ部11及びフランジ部12の各々に所望の目付を付与できる。
(3) その他の実施態様
環状繊維プリフォーム１の断面形状はL字状に限定されず、必要に応じて変更できる。例えば図12及び図13に示すようなU字状、又は図14及び図15に示すようなH字状とすることができる。U字状の断面形状を有する環状繊維プリフォーム１は、例えば図４に示すような長板状プリフォーム帯片５にU字状の断面形状を付与してフランジ部22を二箇所形成し、各フランジ部22，22に各円筒状補強プリフォーム４，４を接合するとともに、ウェブ部21に平板環状補強プリフォーム３を接合することにより成形できる。断面形状をU字状とした場合、図12及び図13に示すように、ウェブ部11の内側及び外側にフランジ部12，12を有する環状繊維プリフォーム１が得られる。
H字状の断面形状を有する環状繊維プリフォーム１は、例えば上記のようにして図12及び図13に示すようなU字状の断面形状を有する環状繊維プリフォームを二個成形し、図14及び図15に示すように、両環状繊維プリフォームのウェブ部21，21同士を接合することにより成形できる。断面形状をH字状とした場合、図14及び図15に示すように、ウェブ部11の両端から軸線方向両側に突出したフランジ部12，12を有する環状繊維プリフォーム１が得られる。
[2] 繊維強化複合材環状構造体の製造方法
繊維強化複合材環状構造体は、上記のような方法により成形した環状繊維プリフォーム１に、マトリックス樹脂（以下特段の断りがない限り単に「樹脂」とよぶ）を含浸させ、硬化させることにより製造する。
環状繊維プリフォーム１に樹脂を含浸させる方法に特に制限はなく、公知の方法が利用できる。樹脂含浸の方法として、例えば系内を真空にして樹脂を注入する真空注入成形法、樹脂を圧入するレジントランスファーモールディング（RTM）法、これらを組み合せたバキュームアシストレジントランスファーモールディング（VARTM）法等が挙げられる。
以下真空注入成形法により、L字状の断面形状を有する環状繊維プリフォーム１に樹脂を含浸させる例を、図面を用いて説明する。まず図16及び図17に示すように、環状成形型７の溝部71に環状繊維プリフォーム１を載置する。次いで図18〜図20に示すように、バッグフィルム74で被覆した成形型７の溝部71内を真空ポンプ等の真空吸引手段に接続した管73より減圧しながら、管72から樹脂を注入する。バッグフィルム74は、溝部71内の真空状態を保持できるように、成形型７の上面に接着テープ75により固定する。図18に示すように、注入された樹脂は溝部71に沿って流動し、環状繊維プリフォーム１内に浸透する。その結果、環状繊維プリフォーム１は完全に樹脂で含浸される。
樹脂注入管72は少なくとも２本設けるのが好ましい。樹脂注入管72の本数を２本以上とすることにより、樹脂を環状繊維プリフォーム１に均一に含浸させることができ、樹脂注入時間を短縮化でき、樹脂注入後の気泡の残留を低減できる。図18に示すように、複数の樹脂注入管72は成形型７にほぼ等間隔に設けるのが好ましい。
吸引管73は、樹脂注入管72の場合と同じ理由により、２本以上設けるのが好ましい。図18に示すように、複数の吸引管73は成形型７の樹脂注入管72の間にほぼ等間隔に設けるのが好ましい。
成形型の材料としては、例えばCFRP、鋼鉄、アルミニウム、シリコンゴム等が挙げられる。なおRTM法又はVARTM法を用いる場合は、樹脂を圧入するので、上下型からなる成形型を用いる。
樹脂としては、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が使用できる。熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、ポリウレタン、不飽和ポリエステル、ビスマレイミド樹脂、フェノール樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂としては、ナイロン等のポリアミド：ポリイミド；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート等のポリエステル；ポリアセタール；ポリフェニレンサルファイド；ポリエーテルエーテルケトン（PEEK）；ポリエーテルケトン等が挙げられる。
機械的強度及び耐熱性の観点から、炭素繊維とエポキシ樹脂との組合せ、又は炭素繊維とPEEKとの組合せが好ましい。強化繊維と樹脂との配合割合は任意に設定できる。エポキシ樹脂の市販品としてADR285（Adhesive Technologies 社製）等があり、炭素繊維強化PEEKの市販品としてAPC-2 （CYTEC FIBERITE 社製）等がある。熱硬化性樹脂を使用する場合は、硬化剤等の付与剤を添加してもよく、ADR285用の市販品硬化剤としてADH150（Adhesive Technologies 社製）がある。
含浸樹脂が熱硬化性樹脂の場合、硬化させる。エポキシ樹脂を用いた場合、オーブン等を用いて加熱硬化させる。必要に応じてオートクレーブ等を使用して加圧してもよい。
[3] 繊維強化複合材環状構造体
以上のような製造方法により得られる繊維強化複合材環状構造体は、軽量で強度が高いので、航空機胴体用環状フレームとして好適である。図21及び図22は、本発明の方法により製造した繊維強化複合材環状構造体を用いて航空機胴体を構成した例を示す。図22は図21に示す胴体構造体の部分斜視図である。図22では各部材を平板状に記載したが、実際は曲面状である。図21に示すように、胴体構造体８はスキン81、長手方向に走る背の低いストリンガー部材82、アウターフレーム部材83、及びインナーフレーム部材（アウターフレーム部材83に当接した環状フレーム）９を有する。図22に示すように、胴体構造体８は成形型（図示せず）上に敷いた繊維強化複合材からなるスキン81の上に複数のストリンガー部材82及び複数のアウターフレーム部材83を配列して一体硬化し、環状フレーム９をアウターフレーム部材83に当接させ、接着することにより成形できる。
図21及び図22に示す航空機胴体用環状フレーム９は円形の断面形状を有するが、本発明の方法は、楕円形等の様々な断面形状を有する航空機胴体用環状フレームを製造することもできる。本発明の方法により製造した繊維強化複合材環状構造体は航空機だけでなく、自動車、船舶等にも好適である。
以上の通り図面を参照して本発明を説明したが、本発明はそれらに限定されず、本発明の趣旨を変更しない限り種々の変更を加えることができる。
本発明に用いる環状繊維プリフォームの一例を示す斜視図である。 図１のA-A断面図である。 図１の環状繊維プリフォームの構成を示す分解斜視図である。 組物からなる長板状プリフォーム帯片を示す斜視図である。 図４の長板状プリフォーム帯片を屈曲させた状態を示す斜視図である。 図１の環状繊維プリフォームを構成する環状基本プリフォームを示す斜視図である。 図６のB部分を示す拡大斜視図である。 図１の環状繊維プリフォームを構成する平板環状補強プリフォームを示す斜視図である。 図８のC部分を示す拡大斜視図である。 図１の環状繊維プリフォームを構成する円筒状補強プリフォームを示す斜視図である。 図10のD部分を示す拡大斜視図である。 本発明に用いる環状繊維プリフォームの別の例を示す斜視図である。 図12のE-E断面図である。 本発明に用いる環状繊維プリフォームのさらに別の例を示す斜視図である。 図14のF-F断面図である。 樹脂を含浸させるための成形型に環状繊維プリフォームを設置した状態を示す平面図である。 図16のG-G断面図である。 真空注入成形法により環状繊維プリフォームに樹脂を含浸させる様子を示す平面図である。 図18のH-H断面図である。 図18のI-I断面図である。 本発明の環状フレームを用いた航空機胴体の一例を示す断面図である。 図21の航空機胴体の部分拡大斜視図である。 従来の環状プリフォームを示す斜視図である。
符号の説明
１，10・・・環状繊維プリフォーム
11，121・・・ウェブ部
12，122・・・フランジ部
２・・・環状基本プリフォーム
21・・・ウェブ部
22・・・フランジ部
23・・・重着部
３・・・平板環状補強プリフォーム
31・・・重着部
４・・・円筒状補強プリフォーム
41・・・重着部
５, ５', ５''・・・組物基材
5a・・・組糸
5b・・・中央糸
６・・・ステッチング
７・・・成形型
71・・・溝部
８・・・胴体構造体
81・・・スキン
82・・・ストリンガー部材
83・・・アウターフレーム部材
９・・・航空機胴体用環状フレーム
50・・・筒状組物
72・・・樹脂注入管
73・・・吸引管
74・・・バッグフィルム
75・・・接着テープ

Claims (6)

  1. (a) 強化繊維からなる長板状帯片を円弧状の平板部及び前記平板部に対してほぼ垂直な部位を有する形状に変形してなる少なくとも1つの円弧状帯片の端部どうしを重着して、平板環状ウェブ部と前記ウェブ部に対してほぼ垂直なフランジ部とを有する環状の基本プリフォームを成形し、
    (b) 強化繊維からなる長板状帯片を円弧状に変形してなる少なくとも1つの平板円弧状帯片の端部どうしを重着して、平板環状補強プリフォームを成形し、
    (c) 強化繊維からなる長板状帯片を環状に変形してなる少なくとも1つの環状帯片の両端部を重着して、円筒状補強プリフォームを成形し、
    (d) 前記環状基本プリフォームのウェブ部に、前記平板環状補強プリフォームを接合するとともに、前記環状基本プリフォームのフランジ部に、前記円筒状補強プリフォームを接合することにより、一体構造を有する環状繊維プリフォームを成形し、その際、これらの重着部が前記環状繊維プリフォームの周方向にずれた位置にくるように、前記環状基本プリフォームに前記平板環状補強プリフォーム及び前記円筒状補強プリフォームを配置し、
    (e) 得られた環状繊維プリフォームにマトリックス樹脂を含浸させ、
    (f) 前記マトリックス樹脂を硬化させることを特徴とする繊維強化複合材環状構造体の製造方法。
  2. 請求項１に記載の繊維強化複合材環状構造体の製造方法において、前記環状基本プリフォームの断面形状をL字状、U字状又はH字状とすることを特徴とする方法
  3. 請求項１又は２に記載の繊維強化複合材環状構造体の製造方法において、前記環状基本プリフォームに前記平板環状補強プリフォーム及び前記円筒状補強プリフォームを接合する方法として、タック性形状保持材による接着及び／又はステッチングを用いることを特徴とする方法。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の繊維強化複合材環状構造体の製造方法において、前記環状基本プリフォーム、前記平板環状補強プリフォーム及び前記円筒状補強プリフォームを形成する基材として、強化繊維からなる組物を用いることを特徴とする方法。
  5. 請求項１〜４のいずれかに記載の繊維強化複合材環状構造体の製造方法において、前記環状繊維プリフォームを成形型に載置し、前記環状繊維プリフォームとともに前記成形型をバッグフィルムで覆い、前記バッグフィルムで被覆した系内を真空に保ちながら、少なくとも２本の管から前記マトリックス樹脂を注入して、前記環状繊維プリフォームに前記マトリックス樹脂を含浸させることを特徴とする方法。
  6. 請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造されたことを特徴とする航空機胴体用環状フレーム。
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