JP2016047650A - サンドイッチパネルおよびサンドイッチパネルの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 人工衛星搭載用サンドイッチパネルにおいて、ロケット打ち上げ時に生じるパネル内側と外側との圧力差によって発生する破損を回避できることを可能にするハニカムコアおよび、そのハニカムコアを用いたサンドイッチパネルを得る。【解決手段】 繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を材料としたハニカムコアの上下面を表皮で挟んだサンドイッチパネルであって、前記サンドイッチパネルは、前記ハニカムコアを構成する筒状のセルの側面に、前記表皮で上下面が挟まれた前記セルの上下開口部をなす辺の一部から切り込まれた切り口を備え、前記切り口には前記セルの材料と同じ材料のセル片が前記切り口の一辺に付着しており、隣接する前記セルの間で、前記セル片が付着した前記切り口を経路として空気が通るようにした。【選択図】 図１

Description

この発明は、人工衛星等に搭載されるサンドイッチパネルおよびサンドイッチパネルに用いられるハニカムコアに関するものである。

サンドイッチパネルはハニカムコアと表皮から構成されており、ハニカムコアの上下面に表皮を接着して一体化した構造を有する。サンドイッチパネルは例えば人工衛星用の構体、人工衛星に搭載されるアンテナ、太陽電池パネルの基盤として用いられる。
人工衛星はロケットに搭載され、その後衛星軌道に投入されるが、ロケット打上げ時には急速に高度を上げるため、外気の圧力はロケットの高度上昇に伴い急激に低くなり、外気と衛星内部との間に圧力差が生じる。サンドイッチパネルにおいても同様に、表皮とハニカムコアによって構成される空間内部と外気の間にも同様に圧力差が生じる。
圧力差が大きい場合には、この圧力差によってサンドイッチパネルが破損するなどの不具合が発生する。このためハニカムコアには通常、ハニカムコアと表皮によって構成される空間内部の空気をハニカムコア外部に逃がして、圧力差をなくすためのベントホール（ｖｅｎｔ ｈｏｌｅ）が形成される（例えば、特許文献１参照）。

特開２０００−６８９８号公報 特開２０１０−１２６５７３号公報 特開２００８−２８４８７号公報

人工衛星に用いられるサンドイッチパネルのハニカムコアの素材としては、アルミニウムのほか、繊維素材を樹脂と複合化させた複合材（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））で、炭素繊維を素材としたＣＦＲＰやアラミド（aramid）繊維を素材としたＡＦＲＰなどが挙げられる。

素材をアルミニウムとするハニカムコアは、多くの場合、アルミ箔に接着剤を条線状に塗布し、接着剤を半ピッチずつずらしてブロック状に重積し、加圧硬化させた後、厚み加工し、重積方向に展張することで得られる。
素材をアルミニウムとするハニカムコアについては、アルミ箔の状態、もしくは加圧硬化した段階、厚み加工した段階のいずれか状態であれば隣接する箔同士が密着した収納された状態であり、寸法が小さいため、アルミ箔面に直交する方向にニードルなどの工具で穴をあけることが可能であり、これによってベントホールを形成することが可能である。

一方、素材をＦＲＰやアラミド繊維とするハニカムコアは、多くの場合、正六角形などの形状を有する複数の成形型に積層成形することで得られる。
例えば特許文献２では、ＦＲＰを素材とするハニカムコアの製造方法において、強化繊維をコルゲート状に賦形してコルゲート状強化繊維を得る工程と、シクロオレフィンモノマーと重合触媒とを含んでなる重合性組成物を得られたコルゲート状強化繊維に含浸させた後、重合してプリプレグを製造する工程と、得られたプリプレグを積層して架橋する工程を有するハニカムコアの製造方法を提案している。

しかしながらＦＲＰを素材とした特許文献２の製造方法では、成形が終わった時点では、ハニカムコアを形成するハニカムコア壁面同士は積層状態から離されて正六角形などの形状を成し、中に空間を成している。１つ１つのハニカムコア寸法が大きいため、ハニカムコア壁面に直交した方向にニードルなどの工具で穴をあけることができず、アルミ箔面のときのようにベントホールを形成することができないという課題があった。

また、特許文献３では、ＦＲＰを素材とするハニカムコアの製造方法として、強化繊維のシートに樹脂を含浸させた変形可能なプリプレグを順次積層する工程、６角形のハニカム形状に成形した状態で前記プリプレグが上下段で重複する辺の幅方向両側端部又はその付近で、固定金具を用いて上下のプリプレグ相互を該辺の長手方向のほぼ全長に亘って縫い付ける工程、内圧により所定径の柱状に膨張する伸縮性及び必要に応じて耐熱性を有する材料からなる多数の成形チューブをハニカム壁の長手方向に平行にそのほぼ全長に亘って延在させ、前記プリプレグの上下段間で千鳥配置なるように前記プリプレグ各層間に配置する工程、前記成形チューブを配置したプリプレグを成形後のハニカムに相当する大きさの外型枠内に収容して、該成形チューブを気体により内部から加圧し、前記プリプレグを６角形ハニカム壁面の形状に変形させる工程、 該成形チューブの内部圧力と前記外型枠の反力によって、ハニカム壁面相互が強固に圧着される状態で前記プリプレグの含浸樹脂を硬化・接着させる硬化処理工程、前記成形チューブ内の気体圧を減じて該チューブをハニカムセル中空部から除去する工程により、繊維強化樹脂製ハニカムを製造する方法を提案している。

しかしながら、特許文献３で開示された製造方法においても特許文献２と同様に、成形が終わった時点でハニカムコア壁面同士は積層状態から離されて正六角形などの空間を形成している。ハニカムコアの寸法が大きいため、ハニカムコア壁面に直交した方向にニードルなどの工具で穴をあけることができず、ベントホールを形成することができないという課題があった。

このようにＦＲＰやアラミド繊維を素材としてハニカムコアを製造する場合には、ハニカムコアの成形が終わった時点でハニカムコア壁面同士は積層状態から離されて正六角形などの空間が形成されるため、ハニカムコアの壁面に直交した方向にニードルなどの工具で穴をあけることができず、ベントホールを形成することができないという課題があった。

この発明は係る課題を解決するためになされたもので、ＦＲＰやアラミド繊維を素材としたハニカムコアにおいて、ベントホールの機能を備えたサンドイッチパネルおよびハニカムコアを提供することを目的とする。

この発明に係るサンドイッチパネルは、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を材料としたハニカムコアの上下面を表皮で挟んだサンドイッチパネルであって、前記サンドイッチパネルは、前記ハニカムコアを構成する筒状のセルの側面に、前記表皮で上下面が挟まれた前記セルの上下開口部をなす辺の一部から切り込まれた切り口を備え、前記切り口には前記セルの材料と同じ材料のセル片が前記切り口の一辺に付着しており、隣接する前記セル間において、前記切り口を経路として空気が通るものである。

本発明によれば、サンドイッチパネルのハニカムコアの素材が繊維素材を樹脂と複合化させた複合材（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））で、炭素繊維を素材としたＣＦＲＰやアラミド（aramid）繊維を素材としたＡＦＲＰなどであっても、ハニカムコア壁面の一部にベントホールを形成したベントホール付ハニカムコアを提供できる。
これにより、例えば当該ハニカムコアをサンドイッチパネルに適用し、サンドイッチパネルを人工衛星の構体などに使用した場合であっても、衛星内部と外気との圧力差によってサンドイッチパネルが破損するなどの不具合発生を防止して、信頼性の高いサンドイッチパネルを得ることができる。

この発明の実施の形態１に係るサンドイッチパネルの斜視図を示す。 この発明の実施の形態１に係るハニカムコアの斜視図を示す。 この発明の実施の形態１に係るセルの斜視図を示す この発明の実施の形態１に係るサンドイッチパネルのスリット状の切り口のある方向からみた断面図を示す。 この発明の実施の形態２に係るハニカムコアの斜視図を示す。 この発明の実施の形態３に係るハニカムコアの斜視図を示す。

実施の形態１．
以下、この発明を実施するための形態について、図面を参照して説明する。
図１は、この発明の実施の形態１におけるサンドイッチパネル１０の構造を示す模式図である。図２は、本実施の形態におけるハニカムコア１の模式図である。

図１においてサンドイッチパネル１０は、本願発明に係るハニカムコア１を２枚の表皮５ａ、５ｂで上下両面から挟んたものとして構成される。

図２において、ハニカムコア１には筒状の複数のセル１ａが設けられている。各セル１ａは６枚のセル側面２０から形成されている。セル側面２０の材料は、各種繊維素材を樹脂と複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））であり、例えばＣＦＲＰ（カーボン（炭素）繊維強化プラスチック、ＧＦＲＰ（ガラス）繊維強化プラスチック、ＱＦＲＰ（クォーツ（石英ガラス）繊維強化プラスチックが用いられる。
また図２に示すように、筒状のセル１ａの開口部にあたる上部分にはスリット状の切り口３（以下、単に「切り口３」という）が設けられている。

図３は図２のセル１ａを示す斜視図である。図３において、セル１ａは６枚のセル側面２０ａ〜２０ｆから構成され、筒状の形態を有している。セル１ａの上下の面はそれぞれ開口となっており、開口部３０を成している。上側の開口部３０はセル側面２０ａ〜２０ｆのそれぞれの面の一辺２ａ〜２ｆから構成されており、形状は正六角形となっている。 ここでは、セル１ａの開口部３０を構成しているセル側面２０ａ〜２０ｆの辺２ａ〜２ｆのことを、エッジ２ａ〜２ｆということにする。

図３に示した例では、正六角形をなすエッジ２ａ〜２ｆの中の２辺であるエッジ２ａ、２ｄの一部より切り口３ａ、３ｄが切り込まれている。すなわち、セル側面２０ａにおいて、セル側面２０ａの一辺であるエッジ２ａの一部分には切り口３ａが切り込まれて形成されている。また、セル側面２０ｄにおいて、セル側面２０ｄの一辺であるエッジ２ｄの一部には切り口３ｄが切り込まれて形成されている。
図３のようにハニカムコア１を構成するセル１ａの開口部において、正六角形をなす辺であって対向する一組の辺の一部には切り口３が設けられている。

なお、この切り口３は、図１〜図３の例では正六角形の対向する一組の辺に形成されているが、一組の辺に限らず３組の全ての辺にあってもよい。また、今までの説明ではセル１ａの上部に切り口３を設けていたが、下部開口部を成す辺（エッジ）に形成するようにしてもよい。また、正六角形をなす６辺のうち１辺にのみ切り口が形成されていてもよい。

次に、切り口３の形成方法について説明する。切り口３はセル１を多数組み合わせて配置した状態で、回転型のダイヤモンドカッターの刃先を前後方向にエッジ部分に刃を当てることで加工する。この場合、ダイヤモンドカッターは直線的に切り口を形成するため、隣接するハニカムコアと切り口の方向は並行になる。切り口３の形状は刃先形状により決まる。
加工のピッチは正六角形のハニカムコアの場合、コアサイズによってほぼ一義に決定することができる。例えば、切り口の方向をハニカムコアのリボン方向と直交方向に配置する場合には、加工のピッチはコアサイズのｓｉｎ３０°の逆数倍とすれば、ハニカムコアの中心に等間隔で配置することができる。
切り口３をセル下部のエッジにも形成する場合には、ハニカムコア１の上下面を逆にし、同じように回転型のダイヤモンドカッターの刃先を移動させることで形成することができる。
このようにして切り口が形成されたハニカムコア１ができれば、ハニカムコア１の両面を２枚の表皮５で挟み、接着剤で接着することでサンドイッチパネル１０を得ることができる。

または、最初に、下面側の表皮５ｂにハニカムコア１を接着剤で固定した後に、ダイヤモンドカッターの刃先を当てて切り口３を形成した後、上面の表皮５ａでハニカムコア１を挟むようにして固定するようにしてもよい。
あるいは、最初に個々のセル１ａのエッジにダイヤモンドカッターで切り口を形成しておき、その後にセル１ａを組み合わせてハニカムコア１を作るようにしてもよい。

一方、図１において、表皮５ａ、５ｂの材質はハニカムコア１と同じく繊維素材を樹脂と複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））であり、プリプレグシートを適当な大きさに裁断したのち複数枚積層して加熱硬化成形し、その後熱処理を施すことにより得られたものである。

このようなハニカムコア１と表皮５ａ、５ｂを用いて、図１に示すようにハニカムコア１の両面を２枚の表皮５ａ、５ｂで挟み、接着剤で接着することでサンドイッチパネル１０を得る。

図４は切り口３をセルの上辺に形成したハニカムコア１を用いたサンドイッチパネル１０において、切り口３が形成されている方向からみたサンドイッチパネル１０の概略図である。
このようにハニカムコア壁面に切り口３が形成されていることで、ハニカムコア内部と外部の間で空気が通る経路が確保され、切り口３がベントホールの機能を果たしている。

以上のように実施の形態１のハニカムコア１は、ダイヤモンドカッターの刃先をハニカムコアの各セルのエッジ２に当てて移動させることで切り口３を形成する。
これにより、従来、ハニカムコアの材料が各種繊維素材を樹脂と複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））で、例えばＣＦＲＰ（カーボン（炭素）繊維強化プラスチック、ＧＦＲＰ（ガラス）繊維強化プラスチック、ＱＦＲＰ（クォーツ（石英ガラス）繊維強化プラスチックの場合において、ハニカムコア１の壁面に直交する方向にニードルなどの工具で穴を開けることが難しい場合であっても、ベントホール付きハニカムコアを短い加工時間で作製することができる。
このハニカムコア１の両面を２枚の表皮５で挟み、接着剤で接着することで作製したサンドイッチパネル１０によれば、ハニカムコア内の圧力とハニカムコア外の外気圧力とで圧力差が生じるような場合であっても、ハニカムコアと表皮によって構成される空間内部の空気をハニカムコア外部に逃がして圧力差をなくすことができ、サンドイッチパネルが破損するなどの不具合を防止することができる。

なお、上記ではセルを形成する手段としてダイヤモンドカッターを用いた例について説明したが、切り口の形成手段はダイヤモンドカッターに限られるものではなく、ダイヤモンドワイヤーソーやソーブレードのような加工機であってもよい。

実施の形態２．
実施の形態２ではハニカムコアの素材がアラミド繊維など非常に剛性が低い場合について説明する。

図５に、実施の形態２におけるハニカムコアの斜視図を示す。なお、実施の形態１のハニカムコアに相当する箇所には同一番号を付す。
図５において、ハニカムコア１の材料は各種繊維素材を樹脂と複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））であり、特に、ＡＦＲＰ（アラミド繊維強化プラスチック）のように、剛性が非常に低い材料である。
セル１ａのエッジには実施の形態１のときと同様に切り口３ｂが形成される。
切り口３ｂの形状は矩形とする。切り口の形成方法は回転型のダイヤモンドカッターによって加工することが加工時間短縮の観点で望ましい。この場合、ダイヤモンドカッターは直線的に切り口を形成するため、隣接するハニカムコアと切り口の方向は並行になる。加工のピッチは正六角形のハニカムコアの場合、コアサイズによってほぼ一義に決定することができる。例えば、切り口の方向をハニカムコアのリボン方向と直交方向に配置する場合には、加工のピッチはコアサイズのsin３０°の逆数倍とすれば、ハニカムコアの中心に等間隔で配置することができる。

ここで、ハニカムコアの素材がアラミド繊維など非常に剛性が低い場合、ダイヤモンドカッターで加工した場合には、切り口と同じ形状のセル素材が切り口の一辺に付着された状態で加工される。
このため、加工後の切り口にはエッジ２の一辺に切り口３ｂが配置されており、かつ、切り口と同じ形状のセル素材がセル素材片４として、切り口の一辺に結合されて残った状態となる。

このように実施の形態２のハニカムコア１は、ダイヤモンドカッターの刃先を各セルのエッジ２に当てて移動させることで切り口３を形成する。
これにより、ハニカムコアの材料が各種繊維素材を樹脂と複合化させた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ（Fiber Reinforced Plastics））で、特にＡＦＲＰ（アラミド繊維強化プラスチック）のように剛性が非常に低い材料の場合において、ハニカムコア１の壁面に直交する方向にニードルなどの工具で穴を開けることが難しい場合であっても、ベントホール付きハニカムコアを短い加工時間で作製することができる。なお、この場合、切り口と同じ形状のセル素材がセル素材片４として、切り口の一辺に結合されて残った状態となるが、形成した切り口はベントホールとして機能する。
このハニカムコア１の両面を２枚の表皮５で挟み、接着剤で接着することで作製したサンドイッチパネル１０によれば、ハニカムコア内の圧力とハニカムコア外の外気圧力とで圧力差が生じるような場合であっても、ハニカムコアと表皮によって構成される空間内部の空気をハニカムコア外部に逃がして圧力差をなくすことができ、サンドイッチパネルが破損するなどの不具合を防止することができる。

実施の形態３．
実施の形態１、２では、切り口３の形状は矩形であったが、実施の形態３では矩形以外の形状の場合について説明する。

図６に、実施の形態２におけるハニカムコアの斜視図を示す。なお、実施の形態１、２で示したハニカムコアの各部に相当する箇所には同一番号を付す。

実施の形態３のハニカムコア１は、エッジ２の一辺に切り口３ｃが配置されている。切り口３ｃの形状は直線状である。切り口の形成方法はＮＣカッターによって、加工することが、加工時間短縮および加工機制約回避の観点で望ましい。この場合、ＮＣカッターは直線的に切り口を形成するため、隣接するハニカムコアと切り口の方向は並行になる。加工のピッチは正六角形のハニカムコアの場合、コアサイズによってほぼ一義に決定することができる。例えば、切り口の方向をハニカムコアのリボン方向と直交方向に配置する場合には、加工のピッチはコアサイズのsin３０°の逆数倍とすれば、ハニカムコアの中心に等間隔で配置することができる。
このように、エッジ２の１辺に配置する切り口の形状は矩形に限られるものではなく、ハニカムコアの壁面と表皮によって構成される空間内部の空気をハニカムコアの外部に逃がして圧力差をなくすことができるものであれば、切り口の形状は例えば直線状をした切れ目であっても構わない。

１ ハニカムコア、１ａ セル、２ エッジ、３ スリット状の切り口、３ｂ 切り口（矩形）、３ｃ 切り口（直線状）、４ セルの一部のセル素材、５ａ、５ｂ 表皮、１０ サンドイッチパネル、２０ セル側面、３０ 開口部。

Claims (5)

1. 繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を材料としたハニカムコアの上下面を表皮で挟んだサンドイッチパネルであって、
   前記サンドイッチパネルは、前記ハニカムコアを構成する筒状のセルの側面に、前記表皮で上下面が挟まれた前記セルの上下開口部をなす辺の一部から切り込まれた切り口を備え、前記セルの材料と同じ材料のセル片が前記切り口の一辺に付着し、
   前記セル片が付着した前記切り口を経路として、隣接するセル間で空気が通ることを特徴とするサンドイッチパネル。
2. 前記繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）は、ＣＦＲＰ（カーボン繊維強化プラスチック）、ＧＦＲＰ（ガラス繊維強化プラスチック）、ＱＦＲＰ（クォーツ繊維強化プラスチック）、アラミド繊維素材を樹脂と複合化させたＡＦＲＰ（アラミド繊維強化プラスチック）のいずれかであることを特徴とする請求項１記載のサンドイッチパネル。
3. 前記切り口は直線上に並び、前記切り口に付着するセル片は前記セルの側面に対し同一方向に傾いていることを特徴とする請求項１、２いずれか記載のサンドイッチパネル。
4. 前記切り口の形状は、回転型のダイヤモンドカッターの刃先の形状であることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載のサンドイッチパネル。
5. 繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）を材料としたハニカムコアの上下面を表皮で挟み、前記ハニカムコアを構成する筒状のセルの側面に、前記表皮で上下面が挟まれた前記セルの上下開口部をなす辺の一部から切り込まれた切り口を有するサンドイッチパネルの製造方法であって、
   回転型のダイヤモンドカッターの刃先を、前記筒状のセルの上下開口部をなす辺に当て前記切り口を形成することを特徴とするサンドイッチパネルの製造方法。

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