JP5733661B2 - 複次曲面サンドイッチパネル - Google Patents

Description

本発明は、２次、または３次の複次曲面サンドイッチパネルに関する。すなわち、光造形法や粉末造形法等を代表とする積層造形法によって内部にハニカム形状、または中空多面体の集合体に成形し、かつ複数の小穴を有する面板で覆われている中空コア材と、繊維強化プラスチック等の表裏面板よりなり、各種構造体として曲面成形に供される複次曲面成形用サンドイッチパネルに関する。

従来の航空機等の構造部材に用いるサンドイッチパネルの構成は、図６に示すように平面板形状のハニカムコアＤの表裏両面にアルミニウムや繊維強化プラスチック等の表裏面板１０，１１を接合してなる積層体である。

通常は成型時の有害な変形を避けるために図６のように平面に成形するが、曲面に成形する場合は、図５に示すように予めハニカムコアＣを曲面に切削加工したり、成形後に曲面に加圧加工するなど、多くの工程が必要となりコストも増大する。しかも、そのような方法によって製造された曲面サンドイッチパネルであっても、ハニカムコアがノーメックスやアラミド等、紙由来の材料を主とするため、ハニカム形状の内部中空構造を維持する剛性が低く、面板との接合時に加えられる圧力によって、中空構造を形成するセル壁が変形し、成形後の面板に座屈やしわ等の有害な不整面が発生し、所定の形状が成型できず、また強度や剛性の低下による歩留り低下の問題が生じる。

更に、座屈やしわの発生を防止するために、平面状のコア材を用いるため、表面形状と裏面形状はコア材の厚みを隔てて略並行形状でなければならず、円錐形状のような２次、３次元曲面のサンドイッチパネルの成形は困難であった。（例えば特許文献１，２参照）

特開平５−２３７９５５号公報 特開平１０−３２９２５０号公報

本発明は曲面サンドイッチパネルを成形する場合における上記従来の問題点を解消するためになされたものであり、その目的は、サンドイッチパネルを、表裏面板に座屈やしわ等の有害な変形を生じることなしに、複次曲面で成形することを可能とする複次曲面サンドイッチパネルを提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による曲面サンドイッチパネルは、図１から図３に示すように、ハニカム形状や多面体形状による中空構造を内部に有するコア材Ａを、３次元ＣＡＤ等で予め所定の形状に設計したデータを用い、表裏面板１，２と接合する以前に、コア材自体が独立して所定の立体形状になるよう、光造形法や粉末造形法を代表とする積層造形法によって製造することで、複次曲面形状に成形することを構成上の特徴とする。

コア材Ａの内部にハニカム形状を成形する場合、曲率半径が小さい裏面板２と接する部分のセル壁間隔４を小さく、表面板１と接するセル壁間隔３を大きくするなど、隣り合うセル壁の角度を調整して、自然な立体曲面形を成形することを構成上の第２の特徴とする。

更に、積層造形法で中空のコア材Ｂを成形することにより、図３のように予め面板７を内部のセル壁と同素材で一体成型しておくことが可能であるため、この面板７を、更に高強度な表裏面板５、６との接着面に利用することで接着が強固となり、もって製品強度が向上することを構成上の第３の特徴とする。

本発明に係る複次曲面サンドイッチパネルは、以上説明したように、中空コア材の製作に積層造形法を用いることにより、次の効果を発揮する。

第１に中空コア材の外表面形状、及び内部構造を、表裏面板と接合する以前に、独立して成形可能である。すなわち、本発明の複次曲面サンドイッチパネルに用いる中空コア材は、光造形法や粉末造形法を代表とする積層造形法を用いてなり、この積層造形法では、３次元ＣＡＤで予め所定の形状に設計したデータ通りに、内部構造も含め、コア材の形状を成形できるので、前述した従来例において用いられていた平面ハニカムコア材に比べ、この積層造形法で成形したコア材は、はるかに優れた成形の自由度を備えている。

そこで、このような光造形法や粉末造形法等の積層造形法で成形した中空コア材を採用した本発明の複次曲面サンドイッチパネルは、前述した従来例が不可能であった複次曲面への成形が可能である。すなわち、中空コア材は、それ自体が強度を有し、独立して所定の立体形状を有するために、表裏面板を接合する際の圧力によって発生するコア材の変形を防ぎ、もって表面に有害なしわや座屈が生じる事を防止できる。これにより、この複次曲面サンドイッチパネルを用いれば、例えば、高性能化が進むと同時に形状が複雑化し、厳しい曲率半径が採用される最近の航空機翼の前縁部分の構造部材として、また、ロケットなどの飛翔体の先端部分として、更に風車のブレードとして、製品化が容易に可能である。つまり、板厚を自在に変化させることが可能であり、高精度であると同時に、厳しい曲率半径の複雑な形状成形の要求に、十分対応可能である。

第２に、もって加工コスト面にも優れている。すなわち、本発明の複次曲面サンドイッチパネルは、上述したように、優れた成形性を備えている。そこで、比較的厚い板厚のものでも、そのまま所定曲率に成形することが可能となる。前述した従来のサンドイッチパネルのコア材のように、予め板厚と曲率を調整した複数のコア材を用意し、これをそれぞれ所定の曲率に成形して同心円状に積層する工程が不要となる。すなわち、本発明の複次曲面サンドイッチパネルは、例えば、最近の航空機の主翼前縁のようにＲ＝２０ｍｍ程度の曲率の厳しい前縁半径を有する曲面パネルを製作する場合、前縁形状に応じた外半径と、所定強度を達するに必要な厚みになる内半径を有する断面形状のコア材を積層造形法で予め別に成形しておき、これをそのままサンドイッチパネルのコア材として使用することができるために、成形用の型ワクが不要となる。このように本複次曲面サンドイッチパネルは、その加工費が大幅に低減される等、加工コスト面に優れている。

第３に、軽量性にも優れている。すなわち、本発明の複次曲面サンドイッチパネルは、積層造形法でコア材を成形するために、優れた内部構造の設計自由度を備えている。そこで、大きな強度が必要なところはコア内部の中空構造を形成するセル開口断面を小さくして密度を高くし、それ以外のところはセル開口断面を大きくして密度を低くするような調整を施したり、セル壁の板厚を各個別に調整することにより、従来の均一な板厚のコア材では避けられなかった不要な重量増加を防ぐことができる。このように複次曲面サンドイッチパネルを用いることにより、部材重量が大幅に軽減される等、軽量性に優れている。

第４に、しかも適応性に優れている。すなわち、コア材を、すでにサンドイッチパネル製造に用いている既成の型ワクに合わせて積層造形法で、予め別に成形し、このコア材を用いてサンドイッチパネルを製造し直すことにより、既成のサンドイッチパネルが軽量・高強度で、更に低コストに改善される等、既存製造設備を用いたサンドイッチパネル製造への適応性に優れている。

第５に、しかも簡単容易に製造可能である。すなわち、本発明の複次曲面サンドイッチパネルは、積層造形法により、簡単容易に製造可能である。すなわち、３次元ＣＡＤによって設計したコア形状データを積層造形装置に入力すれば、コア材が複次曲面形状で成形できるため、このコアを型ワク代わりに用いてサンドイッチパネルを製造すれば、簡単容易に、製造コストに優れて軽量な複次曲面サンドイッチパネルが製造可能である。このように、従来例に存した課題が大きく解決される等、本発明の発揮する効果は顕著である。

本発明における複次曲面サンドイッチパネルを一部切り欠いた斜視図。 図１の一部断面図。 図１の中空コア材Ａの外表面に、表裏面板との接合を強固にするための、面板７を予め一体成形した場合の一部断面図 従来工法によって製作された、航空機の翼前縁に適用された複次曲面サンドイッチパネルの構造を一部切り欠いた斜視図。 図４の一部断面図。 従来の一般的工法によって製作された、平面サンドイッチパネルの構造を示す斜視図。 積層造形法の代表例である光造形法による、部品製作工程の断面図。

以下、本発明の実施の形態を、添付の図面に示した本発明の実施の形態に基づいて説明する。

以下本発明を実施例によって更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

（第一実施例）
図１〜図２は本発明の第１実施例を示すものである。図１は複次曲面サンドイッチパネルの斜視図、図２は図１の一部断面図であり、図７は積層造形法の代表例である光造形法の断面図である。
まず、図１において、この光造形法や粉末造形法等の積層造形法で成形する中空コア材Ａの製造方法を説明する。複次曲面サンドイッチパネルの一例として２次曲面サンドイッチパネルを説明するが、スパン方向に断面形状の変化する、３次曲面サンドイッチパネルとすることもできる。また、ここでは光造形法を代表例として説明する。

図７ （ ａ ） に示すように、光硬化性樹脂を満たしたタンクＰ内に、図外で駆動される昇降台Ｑが昇降自在に設定される。昇降台Ｑ上面を光硬化性樹脂の表面より１ピッチ（ 例えば０．１５ ｍ ｍ ） だけ低い位置にセットすると、昇降台Ｑの上面には1ピッチ分の光硬化性樹脂層が形成される。この状態で、昇降台Ｑ上の光硬化性樹脂の薄膜に所定パターンの紫外線レーザーＲを照射し、その照射部分に対応する光硬化性樹脂を硬化させて第１の樹脂層を成形する。続いて、図７ （ ｂ ） に示すように、昇降台Ｑを１ピッチ下降させた後に、第１の樹脂層の上面を覆う光硬化性樹脂の薄膜に所定パターンの紫外線レーザーＲを照射し、その照射部分に対応する光硬化性樹脂を硬化させて前記第１の樹脂層に積層された第２の樹脂層を成形する。このように、昇降台Ｑを１ピッチ下降させる度に紫外線レーザーＲを照射することにより、中空コア材Ａの全体をスパン方向の一端側から他端側に順次成形して行く（ 図７ （ ｃ ） 参照） 。

このように光造形法を代表とする積層造形法を採用することで、複雑な内部形状を有する中空コア材Ａを高精度かつ安価に一体成形することができる。

さて、本発明における複次曲面を有するサンドイッチパネルを製作するために使用される中空コア材Ａは、図１、Ａに示すように、３次元ＣＡＤ等によって予めそれ自体が独立して所定の複次曲面に設計されており、上記光造形法を代表とする積層造形法によって内部の中空多面体構造と共に一体成形されており、表裏に中空コア材Ａの外形に沿った形状の繊維強化プラスチックやアルミ板等の表裏面板１，２を接合することによって、高強度な複次曲面サンドイッチパネルが構成される。

（第２実施例）
前述のような本発明の第一実施例では、中空コア材Ａが表裏面板１，２と接する部分３，４は、中空コア材Ａを構成するセル壁の端面であるため、表裏面板１，２と接する部分が８角形等の線状となり、中空コア材Ａと表裏面板１，２を接着する場合、その接合部は極めて細くなり、十分な接着面積が得られないことがある。そこで、第２実施例においては、接着面積を増やし、接着をより強固にするために、図３のように、中空コア材Ｂを成形する際、予め表面に薄い面板７を外形に沿って同質素材で一体成形しておき、しかる後、表裏面板５、６を、中空コア材Ｂと一体成形してある面板７に接着することで、中空コア材Ｂと表裏面板５，６との接着が強固に行われる。

このように、中空コア材Ｂの外周に薄い面板７を一体成形しておくと、中空コア材Ｂの内部に、硬化されなかった樹脂が残ることになる。そこで、一体成形された薄い面板７に樹脂抜きのための小穴Ｈ（直径２ｍｍ程度）を設定することができる。この樹脂抜きの小穴Ｈは、図３のように、中空コア材Ｂのスパン方向端部側面に、中空コア材Ｂを貫通させて設定することもできる。小穴Ｈは、ひとつのセルに２か所以上設けることにより、残留樹脂を効果的に抜くことが出来る。もちろん、小穴Ｈは開放状態でもよいが、同質の樹脂によって埋めてもよい。

（第３実施例）
ところで、中空コア材Ａ、Ｂは、光造形法を代表とする積層造形法により、それ自体が独立して3次元形状に造形されるので、内部の中空構造は自在に構成できる。すなわち、ハニカム形状が代表的であるが、完成時に必要とされる構造特性により、略四面体、切頂八面体等の多面体による空間充填によっても成形可能であり、強度と重量の要件から導かれる任意の内部形状の組み合わせによって構成することができる。

（第４実施例）
また、図２において、中空コア材Ａの内部を構成するセルの板壁の厚さや形状も自在に設計することが可能であるため、表裏面板１と２が接合される部分の近くで、中空コア材Ａの板厚が薄くなる部分を中実に造形して強度を増し、表裏面板１、２を接合する際の有害なしわや座屈を防止したり、複次曲面サンドイッチパネルに要求される強度要件に合わせて、部分的にセル板壁を厚く強化するなど、種々の調整を行うことができる。

（第５実施例）
それから、このように製造された複次曲面サンドイッチパネルの内部に補強用の部材を挿入するための穴や切り欠きを中空コア材Ａ，Ｂの内部に予め成形しておくことも自在である。

（第６実施例）
ところで、中空コア材Ａ、Ｂの表裏に接合される表裏面板１，２及び５，６は、中空コア材Ａ，Ｂが独立していることから、中空コア材Ａ，Ｂを型ワクとして、直接、成形前の繊維強化プラスチックを積層して製品を成形することも可能である。しかし、中空コア材Ａ，Ｂの耐熱性が、表裏面板の成形に使用する繊維強化プラスチックの焼成温度に耐えられない場合、または、工程的に非効率的となる場合や、金属性の表裏面板と接合する場合は、予め中空コア材Ａ，Ｂと同形状の、別に用意された成形用の型ワクによって表裏面板１，２及び５，６を成形、焼成しておき、その後接着による接合を行うことができる

（第７実施例）
更に、本発明で用いる中空コア材の成形に、金属材料を用いれば、金属による中空コア材の成形が可能となり、この金属製中空コア材に金属製の表裏面板を接合することにより、極めて比強度、比剛性の高い複次曲面サンドイッチパネルを製作することができる。このように中空コア材と表裏面板の材質は、任意の組み合わせを選択できる。

本発明は、複次曲面ハニカムパネルとその製造方法に関する。すなわち、２次曲面や３次曲面、更にはこれらの曲面が一体的に連続した曲面その他の複次曲面を備え、航空機の翼前縁やロケットの先端部外壁、風車ブレードを始め種々の機器，構造部材に使用される、複次曲面サンドイッチパネルと、その製造方法に関するものである。

Ａ 中空コア材
Ｂ 表面を薄板で一体造形した中空コア材
Ｃ 従来工法による緩曲面のハニカムコア材
Ｄ 一般的な平面ハニカムコアを用いたサンドイッチパネル
Ｈ 残留樹脂を抜くための小穴
１ 表面版
２ 裏面板
３ 表面側大開口セル
４ 裏面側小開口セル
５ 表面版
６ 裏面板
７ 中空コア材に一体成型された薄板
８ 表面版
９ 裏面板
１０ 表面版
１１ 裏面板

Claims (4)

1. 内部に中空多面体構造の集合体を有する中空コア材の表裏面に、表裏面板を接合してなる複次曲面サンドイッチパネルにおいて、
   前記中空コア材は、前記中空多面体構造の集合体を構成するセル壁と、前記表裏面板と接合し複数の小穴を有する面板とから、一体成形により構成されるものであって、前記中空コア材自体が独立して所定の複次曲面の外形からなる立体形状になるよう、積層造形法によって一体成形される、複次曲面サンドイッチパネル。
2. 前記中空多面体構造の集合体が、ハニカム構造であり、前記セル壁の角度が、表裏面板と略直交する方向に調整されており、かつ前記セル壁の板厚が調整されていることを特徴とする、請求項１記載の複次曲面サンドイッチパネル。
3. 前記中空多面体構造の集合体が、１種あるいは数種の多面体を構成するセルからなる空間充填構造であることを特徴とする、請求項１記載の複次曲面サンドイッチパネル。
4. 前記面板が、硬化されずに残った樹脂を排出するための前記小穴を有し、かつ、前記セル壁と同素材であることを特徴とする、請求項１記載の複次曲面サンドイッチパネル。