JP4905539B2 - ハニカム様構造体の製造方法、及びハニカム様構造体 - Google Patents

Description

本発明は、複数のセル部がハニカム様に配列されてなるハニカム様構造体の製造方法、及びそのハニカム様構造体に関する。

従来のハニカム様構造体の製造方法としては、例えば特許文献１記載のものが知られている。このような製造方法では、プリプレグの表面に条線状に接着剤を塗布し、このプリプレグを接着剤が半ピッチずれた位置関係となるように積層する。そして、積層したプリプレグを加熱してプリプレグを硬化させた後、積層方向に展開することで、ハニカム様構造体が製造されることになる。

特開平６−３１２４７３号公報

しかしながら、上記のハニカム様構造体の製造方法では、プリプレグにおいて本来展開されるべき部位（以下、「展開部位」という）をも接着剤が固着させ易い。よって、通常、かかる展開が確実に行えるように、例えば剥離フィルム等を用いて展開部位の剥離性を確保する必要がある。そのため、製造工程が煩雑になるおそれがある。

また、上記のハニカム様構造体の製造方法では、前述のように積層したプリプレグを展開することから、通常、セル部形状が概略６角形状となる。そのため、様々な形状のセル部を成形することが困難である。

そこで、本発明は、様々なセル部形状のハニカム様構造体を容易に製造することができるハニカム様構造体の製造方法、及びそのハニカム様構造体を提供することを課題とする。

上記課題を達成するために、本発明に係るハニカム様構造体の製造方法は、複数のセル部がハニカム様に配列されてなるハニカム様構造体の製造方法であって、熱収縮性材にプリプレグを被覆して積層することで積層体を形成する積層工程と、積層工程の後、熱収縮性材が収縮しない温度で積層体を加熱することで、当該積層体においてプリプレグを予備硬化すると共に当接するプリプレグ同士を接着する予備硬化工程と、予備硬化工程の後、熱収縮性材が収縮する温度で積層体を加熱することで、当該積層体においてプリプレグを本硬化すると共に熱収縮性材を収縮させる本硬化工程と、を含むことを特徴とする。

この本発明のハニカム様構造体の製造方法では、予備硬化工程にて熱収縮性材が収縮しない温度で積層体が加熱される。これにより、この積層体のプリプレグにあっては、半硬化状態となり、ある程度の負荷に対しての剛性が発現される。そのため、その後の本硬化工程において、プリプレグが本硬化されると共に熱収縮性材が熱収縮されてその容積が減少されると、プリプレグの形状がセル壁として保持されたまま、セル部としての空隙が形成されることになる。従って、本発明によれば、熱収縮性材の形状に応じた所望な形状となるようセル部を腑形化して成形することができ、積層体を展開したり、展開部位の剥離性を確保したりすることが不要となる。よって、様々なセル部形状のハニカム様構造体を容易に製造することが可能となる。

また、予備硬化工程においては、プリプレグの硬化深度が１０％以上になるように積層体を加熱することが好ましい。この場合、その後の本硬化工程において、プリプレグの形状をセル壁として確実に保持させることができる。

また、積層工程においては、並設された複数の熱収縮性材にプリプレグが波状となるようにして被覆された中間体を複数形成し、複数の中間体を互いに面対称となるように積層することで、積層体を形成することが好ましい。この場合、プリプレグの無駄な重積を抑制して構造効率の高いハニカム様構造体を製造することが可能となる。

また、積層工程においては、熱収縮性材に第１のプリプレグを被覆してなる被覆体に第２のプリプレグを被覆して積層することで、積層体を形成することが好ましい。この場合、セル部内にセル部がさらに配列されたハニカム様構造体が製造されることになる。よって、複雑なセル部形状のハニカム様構造体をも、容易に製造することができる。

また、本発明に係るハニカム様構造体は、上記ハニカム様構造体の製造方法により製造されたハニカム様構造体であって、第１のセル壁で画成され、ハニカム様に複数配列された第１のセル部と、第２のセル壁で画成され、第１のセル部の内部に複数配列された第２のセル部と、を備えたことを特徴とする。

このハニカム様構造体にあっては、上記ハニカム様構造体の製造方法により容易に製造することができる。

このとき、第１のセル部は四角柱状を呈し、第２のセル部は三角柱状を呈することが好ましい。この場合、ハニカム様構造体の構造効率を高いものにすることが可能となる。

本発明によれば、様々なセル部形状のハニカム様構造体を容易に製造することが可能となる。

図１は、本発明の第１実施形態に係る製造方法で製造されたハニカム様構造体を示す斜視図である。 図１のハニカム様構造体の製造方法について説明するためのフローチャートである。 図１のハニカム様構造体の製造方法におけるコアユニットを示す斜視図である。 図１のハニカム様構造体の製造方法におけるコアユニットを示す側面図である。 図１のハニカム様構造体の製造方法におけるプリフォームを示す側面図である。 図１のハニカム様構造体の製造方法における本硬化工程を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係る製造方法で製造されたハニカム様構造体を示す斜視図である。 図７のハニカム様構造体の製造方法における被覆体を示す側面図である。 図７のハニカム様構造体の製造方法について説明するためのフローチャートである。 図７のハニカム様構造体の製造方法におけるプリフォームを示す側面図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は省略する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係るハニカム様構造体の製造方法について説明する。まず、第１実施形態に係る製造方法で製造されたハニカム様構造体について説明する。

図１は、本発明の第１実施形態に係る製造方法で製造されたハニカム様構造体を示す斜視図である。図１に示すように、ハニカム様構造体１は、例えば衝突等によるエネルギを吸収させるためのものであり、ここでは、その外形が略長方体形状を呈している。

このハニカム様構造体１は、四角柱状の複数のセル部２がハニカム様（蜂の巣状）に配列されてなり、当該セル部２を画成（区画）するセル壁３を備えている。セル部２には、断面四角形状のセル孔２ａが形成されている。セル壁３は、例えば、繊維強化プラスチック（Fiber Reinforced Plastics：FPR）で形成されている。

なお、図中のハニカム様構造体１では、後述の製造方法にて用いるポリスチレンフォーム製の芯体４がセル孔２ａ内に残存している。

次に、上述したハニカム様構造体１の製造方法について、図２に示すフローチャートを参照しつつ詳細に説明する。

まず、ポリスチレンフォームを分断し、セル孔２ａの断面形状を１／２分割した断面四角形状を有する四角柱状の芯体４を複数形成する（Ｓ１）。この芯体４は、熱収縮性を有する熱収縮材として機能する。芯体４におけるポリスチレンフォームは、その発泡倍率が３０倍〜４５倍とされている。ここでの発泡倍率は、後述の予備硬化工程で芯体４が軟化するのを抑制するため、低発泡倍率のものが好ましいとして３０倍とされている。

また、このポリスチレンフォームは、例えば押出法やビーズ法等の手法で形成されている。ここでは、ポリスチレンフォームの形成手法は、後述の本硬化工程で芯体４が熱収縮し易くするため、好ましいとしてビーズ法が用いられている。

続いて、図３，４に示すように、複数の芯体４を並設し、これらの芯体４にシート状のプリプレグ５を波状（凹凸状）となるようにして被覆することで、コアユニット（中間体）６を形成する（Ｓ２）。

具体的には、図４に示すように、並設された芯体４において一側面７ａと当該一側面７ａに対向する他側面７ｂとが並設方向に沿って交互に露出するように、複数の芯体４の側面７にプリプレグ５を被覆する。換言すると、並設された各芯体４における１つの側面８を除く側面７が覆われるように、プリプレグ５を波状にして被覆する。

ここで、プリプレグ５は、その硬化温度が８０℃〜１３０℃とされている。ここでの硬化温度は、後述の予備硬化工程で芯体４が軟化するのを抑制するため、低温のものが好ましいとして８０℃とされている。

続いて、上記Ｓ２を繰り返し行い複数のコアユニット６をした後、図５に示すように、これらのコアユニット６を所定の積層数だけ積層し、プリフォーム（積層体）９を形成する（Ｓ３）。このとき、隣接するコアユニット６ａ，６ｂは、積層面１０を介して互いに面対称になるように積層されている。つまり、隣接するコアユニット６ａ，６ｂにおいて芯体４の露出する側面８が対応するように、コアユニット６が積層されている。また、ここでの積層数は、積層方向（図示上下方向）に成形されるセル部２数の２倍とされる。

続いて、ナイロン等の薄膜で形成された袋体にプリフォーム９を内挿し、この袋体内を真空吸引することで、プリフォーム９の外形形状を保持させる（Ｓ４）。そして、この状態で、プリフォーム９を加熱炉に投入し、８０℃を超えない温度でプリフォーム９を所定時間加熱する。これにより、プリフォーム９において、芯体４を熱収縮させずにプリプレグ５を予備硬化させて半硬化状態とし、且つ、当接するプリプレグ５同士をプリプレグ５自体の接着力でもって自接着させる（Ｓ５：予備硬化工程）。ここで、予備硬化工程では、プリプレグの硬化深度が１０％以上になるようにプリフォーム９を加熱している。なお、「硬化深度」とは、市販の所定のプリプレグの硬化深度を０％とし、さらに硬化を進行させた場合の進行程度を意味している。

続いて、１２０℃以上の温度、すなわちプリプレグ５の本硬化温度でプリフォーム９を所定時間加熱する。これにより、プリフォーム９におけるプリプレグ５を本硬化させると共に、図６に示すように、芯体４を自立的に熱収縮させて芯体４の容積を急減させる（Ｓ６：本硬化工程）。その結果、プリプレグ５の形状がセル壁３として保持されたまま、セル孔２ａとしての空隙Ｂが形成され、ハニカム様構造体１が製造される。ここでは、隣接する２つのコアユニット６ａ，６ｂのプリプレグ５によって、１つのセル部２が画成されている。

なお、上記予備硬化工程及び上記本硬化工程における硬化時間は、プリプレグ５の種類に応じて適宜設定すればよい。例えば、本実施形態の予備硬化工程では、好ましいとして硬化深度が１０％以上となる硬化時間としている。

以上、本実施形態においては、予備硬化工程にて、芯体４が収縮しない温度である上限８０℃の温度でプリフォーム９が加熱され、プリフォーム９のプリプレグ５が半硬化状態となっている。そのため、この予備硬化工程を経たプリプレグ５では、ある程度の負荷に対しての剛性（いわゆる、セルフスタンド機能）が発現される。その結果、その後の本硬化工程にてプリプレグ５を本硬化させると共に芯体４を熱収縮させると、プリプレグ５を変形させず凹凸状のままセル壁３として構成できると共に、芯体４の熱収縮で形成された空隙Ｂをセル孔２ａとして構成できる。また、本実施形態では、上述したように、予備硬化工程にてプリプレグ５同士が自接着されることから、接着剤を別途塗布することを不要にできる。

すなわち、本実施形態の製造方法では、芯体４の形状に応じた所望な形状となるように、セル部２を製造工程の初期段階から腑形化して成形することができる。よって、プリフォーム９を展開する工程、及び展開部位の剥離性を確保する工程が不要となる。従って、様々なセル部形状のハニカム様構造体１を容易に製造することができ、ひいては、エネルギ吸収効率の高いセル部形状のハニカム様構造体１を、簡便且つ低コストで製造することが可能となる。

また、本実施形態では、上述したように、予備硬化工程にてプリプレグ５の硬化深度が１０％以上になるようにプリフォーム９が加熱されている。この場合、その後の本硬化工程において、プリプレグ５の形状をセル壁３として確実に保持させることができる。なお、予備硬化工程でのプリプレグ５の硬化深度が１０％よりも小さいと、プリプレグ５の剛性が充分でなく、例えば、その後の本硬化工程にて芯体４を熱収縮したとき、当該熱収縮に伴ってプリプレグ５が変形（型崩れ）してしまう場合がある。

また、本実施形態では、上述したように、プリプレグ５が波状を呈するように複数の芯体４に被覆されて、コアユニット６が形成されている。そして、複数のコアユニット６が積層面１０を介して互いに面対称になるよう積層されて、プリフォーム９が形成されている。よって、プリプレグ５を無駄に重積させずに構造効率の高いハニカム様構造体１を製造できる。加えて、この場合、一様なセル部２が偏りの少ないハニカム様で配列されるため、ハニカム様構造体１における積層方向の寸法バラツキを低減することも可能となる。

ところで、従来の製造方法においてのプリフォーム９を展開する工程では、プリプレグ５自体が粘着性を有するため、展開部位が粘着してしまい、意図する展開を行うことが困難になるおそれがある。また、従来の製造方法のようにプリプレグ５を接着剤で接着し積層すると、プリプレグ５が網目状素材であるため、プリプレグ５の網目を接着剤が通って展開部位を固着させ、本来の展開が困難になるおそれがある。この点において、本実施形態では、上述したように、プリフォーム９を展開させず且つ接着剤を用いずにハニカム様構造体１を製造することから、特に有効なものといえる。

また、従来の製造方法では、積層したプリプレグ５間に袋体を挿入し、この袋体を膨張させることでセル部２を成形する場合もあるが、この場合には、プリプレグ５の硬化後に袋体を取り出す工程が要されるため、製造工程が煩雑になる。これに対し、本実施形態では、上述したように、芯体４を熱収縮させるだけでセル部２を成形でき、芯体４を取り出す必要もない。よって、外部から密封されるハニカム様構造体であっても、その内部にハニカム様にセル部２を成形することが可能となる。

［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係るハニカム様構造体の製造方法について説明する。なお、以下の説明においては、上記第１実施形態と異なる点について主に説明する。

図７は、本発明の第２実施形態に係る製造方法で製造されたハニカム様構造体を示す斜視図である。図７に示すように、本実施形態のハニカム様構造体２０が上記のハニカム様構造体１と異なる点は、セル部（第１のセル部）２が、その内部に配列された三角柱状のセル部（第２のセル部）２１，２２をさらに含む点である。セル部２１には、断面直角三角形状のセル孔２１ａが形成され、セル部２２には、断面三角形状のセル孔２２ａが形成されている。

このハニカム様構造体２０を製造する場合、芯体４を形成した後、図８に示すように、この芯体４をその長手方向に沿って１／２分割することで、芯体４を２つの三角柱状の芯体２３ａ，２３ｂで構成させる（図９のＳ１１）。ここでの芯体２３ａ，２３ｂの断面形状は、それぞれ芯体４の断面形状を１／２分割した直角三角形状となっている。

続いて、芯体４の対向する両側面７ｃ，７ｃ、及び芯体２３ａ，２３ｂ間の分割面７ｄを覆うように、芯体４にプリプレグ（第１のプリプレグ）２４を被覆する。これにより、プリプレグ２４の表面に沿う方向から見て、当該プリプレグ２４がＺ字状を呈するように芯体２３ａ，２３ｂに被覆されてなる被覆体２５を形成する（Ｓ１２）。

続いて、上記Ｓ１２を繰り返し行い複数の被覆体２５を形成する。そして、図１０に示すように、上記Ｓ２と同様に、複数の被覆体２５の側面２６にプリプレグ（第２のプリプレグ）５を被覆し、コアユニット２７を形成する（Ｓ１３）。

続いて、上記Ｓ１３を繰り返し行い複数のコアユニット２７をした後、これらのコアユニット２７を積層面２８を介して面対称になるように積層し、プリフォーム２９を形成する（Ｓ１４）。

その後、上記Ｓ４〜Ｓ６の工程を行うことで、プリプレグ５が第１のセル壁に相当するセル壁３として構成され、プリプレグ２４が第２のセル壁に相当するセル壁３として構成される。これと共に、芯体２３ａの熱収縮で形成された空隙がセル孔２１ａ（図７参照）として構成され、芯体２３ｂ，２３ｂの熱収縮で形成された空隙がセル孔２２ａ（図７参照）として構成される。

以上、本実施形態の製造方法においても、上記効果と同様な効果、すなわち、様々なセル部形状のハニカム様構造体２０を容易に製造するという効果を奏する。

さらに、本実施形態では、上述したように、プリプレグ２４が芯体２３ａ，２３ｂに被覆されてなる被覆体２５にさらにプリプレグ５を被覆することで、セル部２内にセル部２１，２２をさらに配列させている。このように本実施形態によれば、複雑な形状のセル部２を有するハニカム様構造体２０をも、容易に製造することが可能となる。なお、セル部２は四角柱状を呈し、セル部２１，２２は三角柱状を呈することから、ハニカム様構造体２０の構造効率が高いものになっている（図７参照）。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、芯体４の断面形状を四角形状とし、芯体２３ａ，２３ｂの断面形状を三角形状としたが、これらの断面形状を種々の多角形状としてもよく、円形状としてもよい。この場合、セル孔の断面形状を、種々の多角形状や円形状とすることができる。

また、上記実施形態では、硬化温度が８０℃〜１３０℃のプリプレグ５を用いたが、これに限定されるものではなく、例えば、硬化温度が６０℃〜８０℃のプリプレグを用いてもよい。この場合、予備硬化工程では上限６０℃の温度でプリフォームが加熱され、本硬化工程では８０℃以上の温度でプリフォームが加熱される。

また、上記実施形態では、ハニカム様構造体を容易に製造する観点から、熱収縮した芯体４をセル孔２ａ内にそのまま残存させたが、この芯体４を溶剤等で洗浄し除去してもよい。なお、芯体は軽量であることから、芯体を残存させても、ハニカム様構造体の重量増加及びこれに伴う悪影響の懸念は極めて少ない。

以下、本発明の実施例について説明する。

まず、四角柱状の芯体を並列に７本並べた後、これらの芯体にプリプレグを波状となるようにして被覆し、コアユニットを形成した。（図３参照）。ここで、芯体は、ビーズ法によって発泡倍率が４５倍で形成されたポリスチレンフォーム製のものを用い、長さを８０ｍｍ、幅を２０ｍｍ、高さを１０ｍｍとした。プリプレグは、カーボン繊維及び熱硬化型樹脂であるエポキシ樹脂を含むプリプレグ（Ｗ３１０１／Ｑ１１２Ｊ：東邦テナックス社製）であって硬化温度が８０℃〜１３０℃であるものを用い、幅を８０ｍｍとした。

続いて、上記のコアユニットの形成を繰り返し実施し、８個のコアユニットを得た。そして、８個のコアユニットを互いに面対称となるように積層し、プリフォームを得た。

続いて、プリフォームをナイロン製の袋体に内装し、この袋体の内部を真空ポンプで真空減圧した後、１０分間保持した。このプリフォームを、袋体に内装され真空減圧されたまま加熱炉に投入し、８０℃で５時間保持した。その後、炉内にて１３０℃で１．５時間保持し、ハニカム様構造体を得た。

以上、実施例に係るハニカム様構造体の製造方法では、８０℃の温度でプリフォームが加熱されると、芯体が収縮されずにプリプレグが半硬化状態となった。その後、１３０℃の温度でプリフォームが加熱されると、プリプレグが変形せずに凹凸状のままセル壁として本硬化されると共に、芯体が熱収縮されてセル孔としての空隙が形成された。また、８０℃の温度でプリフォームが加熱されると、プリフォームの隣接するプリプレグ同士が自接着された。この結果から、芯体の形状に応じた所望な形状にセル部を腑形化して成形でき、様々なセル部形状のハニカム様構造体を容易に製造できるという本発明の効果を確認することができた。

１，２０…ハニカム様構造体、２…セル部（第１のセル部）、２１，２２…セル部（第２のセル部）、３…セル壁（第１のセル壁，第２のセル壁）、４，２３ａ，２３ｂ…芯体（熱収縮性材）、５…プリプレグ（第２のプリプレグ）、６，２７…コアユニット（中間体）、９，２９…プリフォーム（積層体）、２４…プリプレグ（第１のプリプレグ）、２５…被覆体。

Claims (6)

1. 複数のセル部がハニカム様に配列されてなるハニカム様構造体の製造方法であって、
   熱収縮性材にプリプレグを被覆して積層することで積層体を形成する積層工程と、
   前記積層工程の後、前記熱収縮性材が収縮しない温度で前記積層体を加熱することで、当該積層体において前記プリプレグを予備硬化すると共に当接する前記プリプレグ同士を接着する予備硬化工程と、
   前記予備硬化工程の後、前記熱収縮性材が収縮する温度で前記積層体を加熱することで、当該積層体において前記プリプレグを本硬化すると共に前記熱収縮性材を収縮させる本硬化工程と、を含むことを特徴とするハニカム様構造体の製造方法。
2. 前記予備硬化工程においては、前記プリプレグの硬化深度が１０％以上になるように前記積層体を加熱することを特徴とする請求項１記載のハニカム様構造体の製造方法。
3. 前記積層工程においては、並設された複数の前記熱収縮性材に前記プリプレグが波状となるようにして被覆された中間体を複数形成し、複数の前記中間体を互いに面対称となるように積層することで、前記積層体を形成する請求項１又は２記載のハニカム様構造体の製造方法。
4. 前記積層工程においては、前記熱収縮性材に第１のプリプレグを被覆してなる被覆体に第２のプリプレグを被覆して積層することで、前記積層体を形成することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項記載のハニカム様構造体の製造方法。
5. 請求項４記載のハニカム様構造体の製造方法により製造されたハニカム様構造体であって、
   第１のセル壁で画成され、ハニカム様に複数配列された第１のセル部と、
   第２のセル壁で画成され、前記第１のセル部の内部に複数配列された第２のセル部と、を備えたことを特徴とするハニカム様構造体。
6. 前記第１のセル部は四角柱状を呈し、前記第２のセル部は三角柱状を呈することを特徴とする請求項５記載のハニカム様構構造体。