JP2003039560A - 閉空間を有する構造体の製造方法 - Google Patents
閉空間を有する構造体の製造方法Info
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Abstract
製造上の労力および製造コストを低減させ、かつ、製造
サイクルの迅速化を達成する。 【解決手段】 閉空間を有する構造体を機械的結合手段
を用いずに一体的に製造するにあたり、熱硬化型の接着
剤60を介して閉空間を構成する構成部材10u、20
を組み合わせるとともに、シリコンゴム製のビーズ51
を主構成要素とするフレキシブルマンドレル50が閉空
間内に充填された構造体を一時的に形成し、この構造体
を加熱してフレキシブルマンドレル50を膨張させて閉
空間内側から外側へと押圧力を作用させるとともに熱硬
化型の接着剤60を硬化させる。フレキシブルマンドレ
ル50を閉空間内から排出する。
Description
造体の製造方法に関し、特に、閉空間を有する繊維強化
樹脂複合材製の構造体を、リベット等の機械的結合手段
を使用することなく接着によって一体的に成形し、製造
上の労力・コストの低減、および、製造サイクルの迅速
化を図ることができる閉空間を有する構造体の製造方法
に関する。
性から、その構造が高強度でかつ軽量であることが望ま
しい。このため、航空機の主翼、尾翼、胴体などを構成
する際には、主として外殻の部材に荷重を担わせるセミ
モノコック構造が採用されており、このセミモノコック
構造の代表例としては航空機の主翼が挙げられる。航空
機の主翼は、前縁部分、桁間部分および後縁部分から構
成されており、この中の桁間部分は、前桁、後桁、上下
外板、ストリンガー、リブなどから構成される箱型構造
とされている。
空間を有する構造体を構成する手法としては、(1)金
属材料または複合材料から調製した板状体100を使用
して図7に示すような開口部210を有する直方体状の
箱状体200を構成し、その開口部210に設けたフラ
ンジ211の上部に上部板状体300を配置し、これら
フランジ211と上部板状体300とを図8で示すよう
に機械的結合手段(リベット)400を使用して結合す
る手法や、(2)複数の組み合わせ式の金属製マンドレ
ルを使用して、開口部を有する直方体状の箱状体をRT
M法によって2個成形し、これら2個の箱状体の開口部
同士を機械的結合手段を使用して結合する手法などが提
案されている。
手法による場合には、図7および図8で示したように、
箱状体200の開口部210に設けたフランジ211お
よび上部板状体300の周縁部にリベット孔を設ける作
業や、リベット締め作業などの煩雑な作業が必要であっ
た。また、前記した航空機の桁間部分のように大型の構
造体を構成する場合には、多数のリベット400を必要
とするために重量が大きくなり、軽量化の要請に反する
こととなっていた。さらに、別途リベット400を製作
するためのコストも嵩んでいた。
はり、箱状体の開口部同士をリベット結合する必要があ
るため、前記したような作業の煩雑化、構造体の重量増
加、コストの嵩みなどの問題が同様に生じていた。ま
た、構造体の形状に合わせた金属製マンドレルを使用す
る必要があるため、形状の異なる金属製マンドレルを多
数準備する必要があった。さらに、RTM法の加熱工程
の際に、成形された箱状体が熱収縮するため、金属製マ
ンドレルをこの箱状体内部から引き抜く作業(脱型作
業)が困難で、製造サイクルの遅延をもたらしていた。
製造方法において、自在に変形可能で脱型が容易なフレ
キシブルマンドレルを使用することにより、製造上の労
力および製造コストを低減させ、かつ、製造サイクルの
迅速化を達成することである。
めに、請求項1記載の発明は、例えば図1ないし図6に
示すように、閉空間を有する構造体を機械的結合手段を
用いずに一体的に製造する方法であって、熱硬化型の接
着剤を介して前記閉空間を構成する構成部材を組み合わ
せるとともに、シリコンゴム製のビーズを主構成要素と
するフレキシブルマンドレルが前記閉空間内に充填され
た構造体を一時的に形成する閉空間形成工程と、前記構
造体を所定の治具で固定し加熱して前記フレキシブルマ
ンドレルを膨張させて前記閉空間内側から外側へと押圧
力を作用させるとともに前記接着剤を硬化させる加熱工
程と、前記フレキシブルマンドレルを前記閉空間内から
排出する排出工程とを備えることを特徴とする。
合工程を経ることなくフレキシブルマンドレルを使用し
て閉空間を有する構造体を接着により一体的に製造する
ことができるので、リベット孔を設ける作業、リベット
締め作業などの煩雑な作業が不要となり、製造上の労力
を格段に低減させることができる。
製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使
用して閉空間を有する構造体を製造することができるの
で、製造する構造体の形状に合わせた多種類の金属製マ
ンドレルを準備する必要がない。従って、製造コストを
格段に低減させることができる。
空間を有する構造体の製造方法において、例えば図1な
いし図6に示すように、前記構成部材が、板状体、およ
び、開口部と開口部内方に延在する接着代と開閉自在な
作業孔とを有する箱状体であり、前記閉空間形成工程に
先立ち、接着代を有する複数の板状体から前記箱状体を
形成して前記フレキシブルマンドレルを充填する箱状体
形成工程を備えることを特徴とする。
載の発明の奏する作用効果に加え、金属製マンドレルを
使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を
有する構造体を製造することができ、このフレキシブル
マンドレルを製造終了後に作業孔から容易に排出するこ
とができる。従って、従来困難であった脱型作業がきわ
めて容易となり、製造サイクルの迅速化をもたらすこと
ができる。
項1記載の発明の奏する作用効果に加え、金属製マンド
レルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉
空間を有する構造体を製造することができ、この製造工
程に使用したフレキシブルマンドレルを製造終了後に作
業孔から排出して次の製造工程に再使用することができ
る。従って、製造コストを格段に低減させることができ
る。
記載の閉空間を有する構造体の製造方法において、前記
フレキシブルマンドレルは、シリコンゴム製のビーズの
みから構成されたものであることを特徴とする。
記載の閉空間を有する構造体の製造方法において、例え
ば図2に示すように、前記フレキシブルマンドレルは、
シリコンゴム製のビーズにガラスビーズを混入させたも
のであることを特徴とする。
求項1または2記載の発明の奏する作用効果に加え、シ
リコンゴム製のビーズの充填率、直径、硬度を適宜変更
したり、シリコンゴム製のビーズとガラスビーズとの混
合比率を適宜変更したりすることによって、加熱工程で
のフレキシブルマンドレルの膨張による押圧力の大きさ
を自在に制御することができる。従って、構成部材の材
質や大きさ、接着剤の種類などに応じて、最適な押圧力
を作用させることができるので、より高品質の構造体を
製造することができる。
面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態におい
ては、本発明に係る製造方法を使用して、縦50mm×
横60mm×高さ25mmの直方体形状を呈する箱型構
造物(図5および図6参照)を製造する工程について説
明する。箱型構造物を構成する各板状体は、エポキシ樹
脂を母材とした炭素繊維強化樹脂複合材を使用して硬化
成形したものである。
箱型構造物の底壁となる板状体(以下、「下部板状体」
という)10dを基台30の上に配置し、この下部板状
体10dの各辺に、熱硬化型接着剤を介して、箱型構造
物の側壁となる板状体(以下、「側部板状体」という)
10sを配置して、開口部21と開口部内方に延在する
接着代22と開閉自在な作業孔23とを有する直方体形
状の箱状体20を形成する(図1参照)。また、箱状体
20の上側に配置する板状体(以下、「上部板状体」と
いう)10uを準備する(図1参照)。熱硬化型接着剤
としては、エポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂製の
接着剤を挙げることができる。
u、下部板状体10dおよび隣接する他の側部板状体1
0sと接着するための接着代が設けられており、この接
着代に熱硬化型接着剤を適用して前記した態様で配置さ
れることにより、各側部板状体10sと下部板状体10
d、および、各側部板状体10s同士が仮固定されて、
箱状体20が構成されることとなる(図1参照)。ま
た、各側部板状体10sに設けられた上部板状体10u
との接着代は、箱状体20の開口部内方に延在する接着
代22とされる(図1参照)。
10sには、直径10mmの作業孔23が設けられてい
る(図1参照)。この作業孔23は、後述するフレキシ
ブルマンドレル50を排出するためのものである。作業
孔23の設けられる位置、形状、大きさなどは、前記し
た機能を果たすことができれば特に限定されるものでは
ない。
外側面に密着させて側部治具41を配置し、この側部治
具41を基台30に固定する。この側部治具41は、後
述する上部治具42をその上部に配置・固定することに
より、箱状体20の上方に固定する上部板状体10uの
位置のずれを防止するとともに、後述する加熱工程でフ
レキシブルマンドレル50を膨張させて箱状体20の内
部側から押圧力を作用させた際に、フレキシブルマンド
レル50および側部治具41、上部治具42によって各
接着部に押圧力を与えるように機能するものである。
リコンゴム製のビーズ51にガラスビーズ52を混入さ
せて構成したフレキシブルマンドレル50を、箱状体2
0の内部に充填する(箱状体形成工程:図2参照)。こ
の際には、図2に示すように、側部板状体10sの上端
(すなわち、箱状体20のフランジ22の下面)までフ
レキシブルマンドレル50を充填するようにする。
ンドレル50を構成するシリコンゴム製のビーズ51
は、直径4mmでデュロメータ硬度50のものを使用し
ており、ガラスビーズの直径も4mmとしている。ガラ
スビーズの加熱による膨張率は、熱硬化型接着剤の硬化
に必要な温度域では無視することができる。
填された箱状体20のフランジ22の上に、熱硬化型接
着剤60を介して上部板状体10uを配置して、直方体
形状の閉空間を有する箱型構造物を一時的に形成する
(閉空間形成工程:図2参照)。この工程において、上
部板状体10uの周縁部は、熱硬化型接着剤60によっ
て箱状体20のフランジ22に仮固定される。なお、図
示していないが、上部板状体10uには、後述する加熱
工程によって膨張した箱状体20内部の空気を逃がすた
めの微小孔が設けられている。
部板状体10uの上側に上部治具42を配置し、この上
部治具42を前記した側部治具41に固定して、上部板
状体10uを箱状体20に固定する。すなわち、基台3
0、側部治具41および上部治具42によって、上部板
状体10uおよび箱状体20を囲うようにする。本実施
の形態においては、側部治具41および上部治具42
は、図3に示したように、下部板状体10dと各側部板
状体10sとの接着部分、側部板状体10s同士の接着
部分、および、各側部板状体10sと上部板状体10u
との接着部分を特に補強するものとしている。
部治具42によって上部板状体10uおよび箱状体20
を囲った状態で、オーブンを使用してこれら上部板状体
10uおよび箱状体20を、180℃で5分間加熱する
(加熱工程)。この加熱工程によって、箱状体20の内
部に充填されたフレキシブルマンドレル50を膨張させ
て、箱状体20のフランジ22を箱状体20の内部側か
ら上部板状体10u側へと押圧力を作用させる。
体10uの周縁部は、側部治具41、上部治具42およ
びフレキシブルマンドレル50によって挟まれた状態で
固定されているため、前記加熱工程でフレキシブルマン
ドレル50を膨張させて押圧力を作用させると、箱状体
20のフランジ22と上部板状体10uの周縁部との間
に配置された熱硬化型接着剤60が、オーブンによる加
熱と前記押圧力下で硬化反応する。この結果、上部板状
体10uの周縁部が箱状体20のフランジ22と強固に
接着される。
を常温まで冷却した後に箱型構造物から取り外し、箱状
体20に設けられた作業孔23から、箱状体20内部に
充填されたフレキシブルマンドレル50を排出する(排
出工程、図5参照)。この後、作業孔23を閉鎖して、
所望の箱型構造物を得る(図6参照)。
されるフレキシブルマンドレル50は、シリコンゴム製
のビーズ51を主構成要素としているため、箱状体20
および上部板状体10uから形成される直方体形状の閉
空間に応じて自在に変形可能である。また、フレキシブ
ルマンドレル50を構成するシリコンゴム製のビーズ5
1は、加熱工程によって膨張させることができ、かつ、
1個1個が柔軟であるので、加熱膨張させて閉空間を形
成する面に接触したシリコンゴム製のビーズがこの接触
面に沿って変形する。従って、閉空間を形成する全ての
面にくまなく均一な押圧力を作用させることができる。
体10sとの接着部分、側部板状体10s同士の接着部
分、および、各側部板状体10sと上部板状体10uと
の接着部分に充分な押圧力を作用させることができる。
従って、リベット結合工程を経ることなく箱型構造物を
接着のみにより製造することができる。この結果、リベ
ット孔を設ける作業、リベット締め作業などの煩雑な作
業が不要となり、製造上の労力を格段に低減させること
ができる。
すれば、リベット結合工程を経ることなく箱型構造物を
製造することができるので、例えば、本実施の形態に係
る箱状体20や上部板状体10uが大型である場合で
も、リベットの使用によって箱型構造物の重量が増加す
ることがない。従って、航空機の主翼の桁間部分(箱型
構造)の製造にも、きわめて好適に使用することができ
る。さらに、リベット製作のためのコストを削減するこ
とができ、製造コストを格段に低減させることができ
る。
用して、ドライプリフォームで囲まれる閉空間にフレキ
シブルマンドレルを充填するようにすれば、箱状体20
をRTM法で一体成形する際に必要な金属製マンドレル
を使用せずに箱型構造物を製造することができるので、
箱型構造物のサイズや形状に合わせた多種類の金属製マ
ンドレルを準備する必要がない。また、箱型構造物の製
造に使用したフレキシブルマンドレル50は、製造終了
後に作業孔から排出して次の製造工程に再使用すること
ができるので、製造コストを格段に低減させることがで
きる。
を応用すれば、箱状体20をRTM法で一体成形する際
に必要な金属製マンドレルを使用せずに箱型構造物を製
造することができ、製造終了後にフレキシブルマンドレ
ル50を作業孔から容易に排出させることができる。従
って、金属製マンドレルを使用する際のような脱型作業
の困難さがなく、製造サイクルの迅速化がもたらされ
る。
1〜3×10-2MPa程度の圧力が必要であるため、フ
レキシブルマンドレル50を箱状体20の内部空間一杯
に充填したが、接着に必要な圧力に応じて、フレキシブ
ルマンドレル50を構成するシリコンゴム製のビーズ5
1の充填量を変更することもできる。
コンゴム製のビーズ51の圧縮率と圧力との関係(すな
わち、シリコンゴム製のビーズ51を所定体積圧縮した
場合に、物体にどの程度圧力を加えることができるか)
を調べ、この関係を利用して、接着に必要な圧力を得る
ためのシリコンゴム製のビーズ51の圧縮率を求める。
次いで、求めた圧縮率と箱状体20の容積との関係か
ら、必要なシリコン製のビーズ51の体積(充填量)を
適宜決めることができる。
ンゴム製のビーズ51とガラスビーズ51とから構成し
たフレキシブルマンドレル50を構成したが、シリコン
ゴム製のビーズ51のみからフレキシブルマンドレル5
0を構成することもできる。
形した板状体を使用して箱状体20を構成しているが、
これに代えて、1次硬化成形した板状体を使用して箱状
体20を構成してもよい。この場合には、板状体を加熱
工程で2次硬化させることとなるが、この際、シリコン
ゴム製のビーズ51およびガラスビーズ52が板状体に
押圧されて球状の型が板状体に形成されるのを防ぐため
に、各板状体(下部板状体10d、側部板状体10sお
よび上部板状体10u)とシリコンゴム製のビーズ51
およびガラスビーズ52との間に、シリコンゴム製のビ
ーズ51と同程度の硬度を有する耐熱板を配置するのが
よい。
20の内部に直接フレキシブルマンドレル50を充填し
て加熱膨張させているが、所定のバッグフィルムの内部
にフレキシブルマンドレル50を充填してこのバッグフ
ィルム内の空気を排出してその形状を整え、これを箱状
体20内に収納した上で加熱膨張させてもよい。この場
合には、排出工程において作業孔23近傍のバッグフィ
ルム部分を破り、その内部のフレキシブルマンドレル5
0を排出させるようにする。
状体10uおよび箱状体20の外側に側部治具41およ
び上部治具42を配置しているが、接着に必要な圧力が
比較的小さく、かつ、板状体が十分な剛性を有して内部
からの押圧力による撓み変形が無視できる場合には、治
具を配置する工程を省くこともできる。
結合工程を経ることなくフレキシブルマンドレルを使用
して閉空間を有する構造体を接着により一体的に製造す
ることができるので、リベット孔を設ける作業、リベッ
ト締め作業などの煩雑な作業が不要となり、製造上の労
力を格段に低減させることができる。
製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使
用して閉空間を有する構造体を製造することができるの
で、製造する構造体の形状に合わせた多種類の金属製マ
ンドレルを準備する必要がない。従って、製造コストを
格段に低減させることができる。
載の発明の効果を奏するのは勿論のこと、金属製マンド
レルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉
空間を有する構造体を製造することができ、このフレキ
シブルマンドレルを製造終了後に作業孔から容易に排出
することができる。従って、従来困難であった脱型作業
がきわめて容易となり、製造サイクルの迅速化をもたら
すことができる。
項1記載の発明の奏する作用効果に加え、金属製マンド
レルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉
空間を有する構造体を製造することができ、この製造工
程に使用したフレキシブルマンドレルを製造終了後に作
業孔から排出して次の製造工程に再使用することができ
る。従って、製造コストを格段に低減させることができ
る。
求項1または2記載の発明の効果を奏するのは勿論のこ
と、シリコンゴム製のビーズの充填率、直径、硬度を適
宜変更したり、シリコンゴム製のビーズとガラスビーズ
との混合比率を適宜変更したりすることによって、加熱
工程でのフレキシブルマンドレルの膨張による押圧力の
大きさを自在に制御することができる。従って、構成部
材の材質や大きさ、接着剤の種類などに応じて、最適な
押圧力を作用させることができるので、より高品質の構
造体を製造することができる。
る箱状体を基台の上に載置した状態を示す斜視図であ
る。
して上部板状体を配置した状態におけるII-II部分の断
面図である。
配置した状態を示す斜視図である。
造物の作業孔からフレキシブルマンドレルを排出する状
態を示す斜視図である。
される箱状体と板状体とを示す斜視図である。
固定した状態のVIII-VIII部分の断面図である
Claims (4)
- 【請求項1】閉空間を有する構造体を機械的結合手段を
用いずに一体的に製造する方法であって、 熱硬化型の接着剤を介して前記閉空間を構成する構成部
材を組み合わせるとともに、シリコンゴム製のビーズを
主構成要素とするフレキシブルマンドレルが前記閉空間
内に充填された構造体を一時的に形成する閉空間形成工
程と、 前記構造体を所定の治具で固定し加熱して前記フレキシ
ブルマンドレルを膨張させて前記閉空間内側から外側へ
と押圧力を作用させるとともに前記接着剤を硬化させる
加熱工程と、 前記フレキシブルマンドレルを前記閉空間内から排出す
る排出工程とを備えることを特徴とする閉空間を有する
構造体の製造方法。 - 【請求項2】前記構成部材が、 板状体、および、開口部と開口部内方に延在する接着代
と開閉自在な作業孔とを有する箱状体であり、 前記閉空間形成工程に先立ち、 接着代を有する複数の板状体から前記箱状体を形成して
前記フレキシブルマンドレルを充填する箱状体形成工程
を備えることを特徴とする請求項1記載の閉空間を有す
る構造体の製造方法。 - 【請求項3】前記フレキシブルマンドレルは、 シリコンゴム製のビーズのみから構成されたものである
ことを特徴とする請求項1または2記載の閉空間を有す
る構造体の製造方法。 - 【請求項4】前記フレキシブルマンドレルは、 シリコンゴム製のビーズにガラスビーズを混入させたも
のであることを特徴とする請求項1または2記載の閉空
間を有する構造体の製造方法。
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