JP5992946B2 - ハニカム構造体及びハニカム構造体の製造方法 - Google Patents

ハニカム構造体及びハニカム構造体の製造方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、ハニカム構造体及びハニカム構造体の製造方法に関する。
従来、航空機の構造材として、軽量化及び機械的強度の向上を図るために、ハニカム構造体が用いられている。ハニカム構造体は、繊維強化プラスチック(FRP: Fiber Reinforced Plastics)等の複合材で構成されるスキン（外板）でハニカム構造を有するコア材を挟んだものである（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３参照）。
ハニカム構造体のサイズが大きい場合や曲面を形成する場合等には、ハニカム構造を有する複数のコア材が予備接合される。コア材の予備接合には、加熱によって膨張する発泡接着材がしばしば用いられる。このため、サイズが大きいハニカム構造体を製造する場合には、発泡接着材の加熱硬化によるコア材の予備接合が行われた後に、接合されたコア材上にスキンの素材となるスキンプリプレグを配置して加熱及び加圧が実施される。
特開昭６０−０９７８４０号公報 特開平１０−６４１７号公報 特開平０１−１９５０２４号公報
本発明は、より簡易な工程で製造することが可能なハニカム構造体及びハニカム構造体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の実施形態に係るハニカム構造体は、複数のコア材、外板、及び複数の補強シートを有する。複数のコア材は、それぞれハニカム構造を有し、前記ハニカム構造によって形成される複数の孔の数が増える方向に発泡接着材で互いに接合される。外板は、前記複数の孔が閉塞されるように前記複数のコア材に接着され、複合材で構成される。複数の補強シートは、前記外板の外表面側であって、前記発泡接着材をカバーする位置に配置され、硬化時において前記複合材を補強するためのものである。
また、本発明の実施形態に係るハニカム構造体の製造方法は、それぞれハニカム構造を有する複数のコア材を、前記ハニカム構造によって形成される複数の孔の数が増える方向に発泡接着材を挟んで配置するステップと、前記複数の孔が閉塞されるように前記複数のコア材にスキンプリプレグをセットするステップと、前記スキンプリプレグの外表面側をバギング材で保護するステップと、前記スキンプリプレグと前記バギング材との間及び前記スキンプリプレグと前記複数のコア材との間の少なくとも一方であって前記発泡接着材をカバーする位置に補強シートをセットするステップと、前記複数のコア材、前記スキンプリプレグ、前記バギング材及び前記補強シートがセットされた状態で加熱及び加圧することによって前記複数のコア材が前記発泡接着材で互いに接合され、かつ前記複数のコア材に硬化した外板が接合されたハニカム構造体を製造するステップとを有する。
本発明の実施形態に係るハニカム構造体及びハニカム構造体の製造方法によれば、より簡易な工程で製造することができる。
本発明の第１の実施形態に係るハニカム構造体の構造例を示す断面図。 図１に示すハニカム構造体の上面図。 図１に示すハニカム構造体の製造方法を示すフローチャート。 図１に示すハニカム構造体の製造方法を説明する図。 図４の位置Ａ−Ａから見たハニカム構造体の上面図。 本発明の第２の実施形態に係るハニカム構造体の構造例及びハニカム構造体の製造方法を示す断面図。 図６に示すハニカム構造体の製造方法を示すフローチャート。 本発明の第３の実施形態に係るハニカム構造体の構造例を示す上面図。 図８に示すハニカム構造体の製造方法を示す位置Ｂ−Ｂにおける断面図。
本発明の実施形態に係るハニカム構造体及びハニカム構造体の製造方法について添付図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るハニカム構造体の構造例を示す断面図であり、図２は図１に示すハニカム構造体の上面図である。
ハニカム構造体１は、複数のコア材２にスキン３を接着した構造を有している。複数のコア材２は、それぞれハニカム構造を有し、ハニカム構造によって形成される複数の孔の数が増える方向に発泡接着材４で互いに接合される。コア材２が有するハニカム構造は、横断面が六角形である角筒に限らず、任意の横断面形状を有する筒状体を配列した構造とすることができる。
また、各コア材２が有するハニカム構造の高さは一定であってもモールドに沿って変化する高さであってもよい。図１及び図２に示す例では、接合された２つのコア材２の四隅が傾斜する構造となっている。
複数のコア材２には、板状のスキン３が、ハニカム構造によって形成される複数の孔が閉塞されるように接着される。図１及び図２に示す例では、発泡接着材４で互いに接合された複数のコア材２が２枚のスキン３によって挟まれている。つまり、ハニカム構造体１は、２枚のスキン３で複数のコア材２を挟んだサンドイッチ構造を有している。また、２つのコア材２の四隅が傾斜しているため、上側のスキン３もコア材２に沿って傾斜している。
ハニカム構造体１を構成するスキン３は、複合材で構成される。一方、コア材２は複合材又は金属で構成することができる。
このような構造を有するハニカム構造体１は、航空機等の構造部品として用いることができる。すなわち、スキン３及び複数のコア材２によって、航空機の部品を構成することができる。
次にハニカム構造体１の製造方法について説明する。
図３は、図１に示すハニカム構造体１の製造方法を示すフローチャートである。また、図４は、図１に示すハニカム構造体１の製造方法を説明する図であり、図５は図４の位置Ａ−Ａから見たハニカム構造体１の上面図である。
まずステップＳ１において、下側のスキン３の素材となるスキンプリプレグ１０Ｌが成形治具Ｔの上にセットされる。次に、ステップＳ２において、それぞれハニカム構造を有する複数のコア材２が下側のスキンプリプレグ１０Ｌ上に配置される。但し、複数のコア材２は、ハニカム構造によって形成される複数の孔の数が増える方向に発泡接着材４を挟んで配置される。次に、ステップＳ３において、ハニカム構造によって形成される複数の孔が閉塞されるように複数のコア材２に上側のスキン３の素材となるスキンプリプレグ１０Ｕがセットされる。
次に、ステップＳ４において、上側のスキンプリプレグ１０Ｕの外表面側であって、発泡接着材４をカバーする位置に補強シートＳが成形治具の一部としてセットされる。次に、ステップＳ５において、補強シートＳがセットされた上側のスキンプリプレグ１０Ｕの外表面側がフィルム状のバギング材１１で保護される。次に、ステップＳ６において、バギング材１１で保護された内側の空間が真空状態にされる。この結果、下側のスキンプリプレグ１０Ｌ、複数のコア材２、発泡接着材４及び上側のスキンプリプレグ１０Ｕで構成されるハニカム構造体１の半製品が補強シートＳとともに大気圧によって加圧される。
次に、ステップＳ７において、バギング材１１の内側の真空引きによって加圧されたハニカム構造体１の半製品及び補強シートＳが、オートクレーブ装置内に搬入される。そして、オートクレーブ処理によって発泡接着材４及び上下のスキンプリプレグ１０Ｕ、１０Ｌが加熱硬化される。この結果、発泡接着材４で互いに接合された複数のコア材２に上側のスキン３及び下側のスキン３が所定の形状となって接合されたハニカム構造体１を得ることができる。
このように、複数のコア材２、スキンプリプレグ１０Ｕ、１０Ｌ、バギング材１１及び補強シートＳがセットされた状態で加熱及び加圧することによって、複数のコア材２が発泡接着材４で互いに接合され、かつ複数のコア材２に硬化したスキン３が接合されたハニカム構造体１を製造することができる。
つまり、バギング材１１とスキンプリプレグ１０Ｕとの間において、発泡接着材４をカバーする位置に補強シートＳを設けると、発泡接着材４による複数のコア材２の接着とスキンプリプレグ１０Ｕ、１０Ｌの加熱硬化とを１回の加熱で行うことが可能となる。これは、発泡接着材４を覆う部分における上側のスキンプリプレグ１０Ｕが加熱及び加圧されても、補強シートＳによって機械的強度が補強されているため、上側のスキンプリプレグ１０Ｕが凹まないためである。
換言すれば、仮に補強シートＳを設けずに、発泡接着材４による複数のコア材２の接着とスキンプリプレグ１０Ｕ、１０Ｌの加熱硬化とを１回の加熱で行おうとすると、発泡接着材４を覆う部分における上側のスキンプリプレグ１０Ｕに凹みが生じる。その結果、ハニカム構造体１の外観及び機械的強度が劣化し、製品として要求される品質を満足することが困難となる。このような背景から発泡接着材４による複数のコア材２の接着とスキンプリプレグ１０Ｕ、１０Ｌの加熱硬化とを１回の加熱で行うことは非現実的であると考えられてきた。
これに対して、上述した製造方法でハニカム構造体１を製造すれば、少なくとも１回の加熱によって外観及び機械的強度が良好なハニカム構造体１を製作することが可能となる。
上側のスキンプリプレグ１０Ｕにおける凹みや損傷等の品質の劣化を防止する観点からは、図４及び図５に例示されるように複数の補強シートＳを上側のスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間に設けることが好適である。複数の補強シートＳを上側のスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間に設ければ、図示されるように互いに幅が異なる複数の補強シートＳを、複数の補強シートＳの厚さ方向に階段状となるようにセットすることが可能となる。
特に、柔軟性を有する複数の補強シートＳを階段状に積層すれば、成形圧力に耐え得る厚みを確保しつつ、柔軟性を維持することができる。このため、硬化後の理想的なスキン３の形状が複雑な曲面であっても、複数の補強シートＳをスキン３に沿って撓めることができる。
加えて、各補強シートＳに、硬化後のスキン３の形状に追従する面取りを設けることが効果的である。
このような、補強シートＳの幅の調整及び面取り加工によって補強シートＳの設置によるスキン３の損傷を回避し、かつ成形後に理想的なスキン３の形状を得ることができる。つまり、補強シートＳの縁にスキン３の損傷や不十分な変形の原因となり得る段差を設けずに、スキンプリプレグ１０Ｕの凹みを防止するために十分な補強シートＳの機械的強度を確保することができる。
補強シートＳの材質としては、硬化されたプリプレグが適している。特に、試験の結果、スキンプリプレグ１０Ｕ側にガラス繊維強化プラスチック(GFRP: Glass fiber reinforced plastics)で構成される補強シートＳ１を配置し、バギング材１１側に炭素繊維強化プラスチック(CFRP: Carbon Fiber Reinforced Plastics)で構成される補強シートＳ２を配置することがスキンプリプレグ１０Ｕにおける凹みの防止に効果的であることが確認された。
これは、柔軟なGFRPで構成される補強シートＳ１をスキンプリプレグ１０Ｕ側に配置することによって、スキンプリプレグ１０Ｕの形状への追従性が向上したためと考えられる。尚、GFRPで構成される補強シートＳ１については、必要に応じてテフロン（登録商標）テープ１２でスキンプリプレグ１０Ｕに貼り付けることができる。
つまり以上のようなハニカム構造体１は、上側のスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間に補強シートＳを設けることによって、プリプレグの硬化及び複数のコア材２の接着を要するにも関わらず、１回の加熱硬化によって製造されたものである。一方、ハニカム構造体１の製造方法は、上側のスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間に補強シートＳを設けることによって、プリプレグの硬化及び複数のコア材２の接着を要するにも関わらず、１回の加熱硬化でハニカム構造体１を製造できるようにしたものである。
（効果）
このため、ハニカム構造体１の製造方法によれば、より簡易な工程でハニカム構造体１を製造することができる。すなわち、従来必要であったハニカムコアの予備接合が不要となり、１回の加熱によって同時にコア材２の接合及びスキンプリプレグ１０Ｕ、１０Ｌの硬化を実現することができる。
特に、常温で硬化する接着剤を使用してハニカムコアの予備接合を行うと十分な接着力が得られない。一方、発泡接着剤によるハニカムコアの接合とスキンプリプレグの硬化を同時に行おうとすると、真空引きによる加圧や成形時の加圧によってハニカムコアの接合部分における隙間を起点にして局所的な凹みが生じるという問題があった。このため、従来は、外観不良や強度不足を回避するために、スキンプリプレグの硬化のための加熱に先だって発泡接着剤を用いたハニカムコアの予備接合のために加熱及び加圧を要していた。
これに対して、ハニカム構造体１の製造方法によれば、スキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間に補強シートＳを設けることによってスキンプリプレグ１０Ｕの凹みを防止することができる。その結果、コア材２の予備接合が不要となり、１回の加熱でハニカム構造体１を製造することができる。これにより、ハニカム構造体１の製造コストを低減することができる。
しかも、ハニカムコアの予備接合を行うと、ハニカムコアの予備接合の形跡が残るが、ハニカム構造体１には、予備接合の形跡が残らない。このため、外観についても従来よりも高品質なハニカム構造体１を製造することができる。
（第２の実施形態）
図６は本発明の第２の実施形態に係るハニカム構造体の構造例及びハニカム構造体の製造方法を示す断面図である。
図６に示された第２の実施形態におけるハニカム構造体１Ａでは、複数のコア材２とスキン３との間であって、発泡接着材４をカバーする位置に補強シート２０が配置されている点が第１の実施形態におけるハニカム構造体１と相違する。第２の実施形態におけるハニカム構造体１Ａの他の構成及び作用については第１の実施形態におけるハニカム構造体１と実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
ハニカム構造体１Ａでは、構成要素として複数のコア材２とスキン３との間に補強シート２０が設けられる。補強シート２０は、必要に応じてフィルム接着剤２１によって複数のコア材２及びスキン３の少なくとも一方と接着される。
複数のコア材２とスキン３との間に設けられる補強シート２０は、複合材で構成することが適切である。また、複数のコア材２とスキン３との間に設けられる補強シート２０には、スキン３の形状に追従する面取りを設けることが望ましい。
次にハニカム構造体１Ａの製造方法について説明する。
図７は、図６に示すハニカム構造体１Ａの製造方法を示すフローチャートである。尚、図３に示すフローチャートと同様のステップには同符号を付して説明を省略する。
複数のコア材２とスキン３との間に補強シート２０を有するハニカム構造体１Ａを製造する場合には、上側のスキンプリプレグ１０Ｕをセットする前のステップＳ１０において補強シート２０がセットされる。この補強シート２０は、図６に示すように上側のスキンプリプレグ１０Ｕと複数のコア材２との間であって発泡接着材４をカバーする位置にセットされる。
補強シート２０は、フィルム接着剤２１によって複数のコア材２及び上側のスキンプリプレグ１０Ｕの少なくとも一方と接着することができる。
補強シート２０の材質は、予め硬化されたシート状のプリプレグとすることが適切である。このため、下側のスキンプリプレグ１０Ｌ、複数のコア材２、発泡接着材４、予め硬化されたプリプレグで構成される補強シート２０及び上側のスキンプリプレグ１０Ｕを含むハニカム構造体１Ａの半製品を加熱及び加圧することによって、複合材で構成される補強シート２０を複数のコア材２とスキン３との間に有するハニカム構造体１Ａを製造することができる。
このような第２の実施形態におけるハニカム構造体１Ａは、上側のスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間における補強シートＳに加え、上側のスキンプリプレグ１０Ｕと複数のコア材２との間にも補強シート２０が設置された状態で加熱硬化されることによって製造される。このため、複数のコア材２間の隙間が広い場合やハニカム構造の孔径が大きい場合のように、複数のコア材２間に凹みが発生し易い条件であっても、凹みの発生をより確実に防止することができる。
特に、図６に例示されるように、硬化されたプリプレグで構成される第１の補強シート２０をスキンプリプレグ１０Ｕと複数のコア材２との間に、GFRPで構成される第２の補強シートＳ３をスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間のスキンプリプレグ１０Ｕ側に、CFRPで構成される第３の補強シートＳ４をスキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間のバギング材１１に、それぞれセットすることが効果的であることが試験によって確認された。また、第１の補強シート２０として柔軟性を有するFRPを用いることが効果的であることも確認された。
（第３の実施形態）
図８は本発明の第３の実施形態に係るハニカム構造体の構造例を示す上面図であり、図９は図８に示すハニカム構造体の製造方法を示す位置Ｂ−Ｂにおける断面図である。
図８に示された第３の実施形態におけるハニカム構造体１Ｂでは、複数のコア材２が外部に露出している点が第１及び第２の実施形態におけるハニカム構造体１、１Ａと相違する。第３の実施形態におけるハニカム構造体１Ｂの他の構成及び作用については第１及び第２の実施形態におけるハニカム構造体１、１Ａと実質的に異ならないため同一の構成については同符号を付して説明を省略する。
図８に示すように、ハニカム構造を有するコア材２の全面がスキン３によって閉塞されていないハニカム構造体１Ｂを製造することもできる。図８に示す例では、ハニカム構造体１Ｂの四方の側面においてコア材２が外部に露出している。その場合には、図９に示すように、必要な位置にコア材２のスリップを防止するためのストッパ３０を治具として設ければよい。
補強シートの配置については、第１及び第２の実施形態と同様である。尚、スキンプリプレグ１０Ｕと複数のコア材２との間に補強シート２０を設ける場合には、バギング材１１とスキンプリプレグ１０Ｕとの間における補強シートＳを省略してもよい。つまり、スキンプリプレグ１０Ｕとバギング材１１との間及びスキンプリプレグ１０Ｕと複数のコア材２との間の少なくとも一方であって発泡接着材４をカバーする位置に補強シートＳ、２０をセットすることによってハニカム構造体１Ｂを製造することができる。
（他の実施形態）
以上、特定の実施形態について記載したが、記載された実施形態は一例に過ぎず、発明の範囲を限定するものではない。ここに記載された新規な方法及び装置は、様々な他の様式で具現化することができる。また、ここに記載された方法及び装置の様式において、発明の要旨から逸脱しない範囲で、種々の省略、置換及び変更を行うことができる。添付された請求の範囲及びその均等物は、発明の範囲及び要旨に包含されているものとして、そのような種々の様式及び変形例を含んでいる。
１、１Ａ、１Ｂ ハニカム構造体
２ コア材
３ スキン
４ 発泡接着材
１０Ｌ、１０Ｕ スキンプリプレグ
１１ バギング材
１２ テフロン（登録商標）テープ
２０ 補強シート
２１ フィルム接着剤
３０ ストッパ
Ｓ、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４ 補強シート
Ｔ 成形治具

Claims (11)

  1. それぞれハニカム構造を有し、前記ハニカム構造によって形成される複数の孔の数が増える方向に発泡接着材で互いに接合された複数のコア材と、
    前記複数の孔が閉塞されるように前記複数のコア材に接着される外板であって、複合材で構成される外板と、
    前記外板の外表面側であって、前記発泡接着材をカバーする位置に配置された、硬化時において前記複合材を補強するための複数の補強シートと、
    を有するハニカム構造体。
  2. 前記補強シートは、フィルム接着剤によって前記外板と接着される請求項１記載のハニカム構造体。
  3. 前記補強シートは、複合材で構成される請求項１又は２記載のハニカム構造体。
  4. 前記補強シートに、面取りを設けた請求項１乃至３のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
  5. 前記外板及び前記複数のコア材は航空機の部品を構成し、前記コア材は複合材又は金属で構成される請求項１乃至４のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
  6. 前記複数の補強シートは、前記外板の外表面側から外方向に徐々に幅が狭くなるように積層される請求項１乃至５のいずれか１項に記載のハニカム構造体。
  7. それぞれハニカム構造を有する複数のコア材を、前記ハニカム構造によって形成される複数の孔の数が増える方向に発泡接着材を挟んで配置するステップと、
    前記複数の孔が閉塞されるように前記複数のコア材にスキンプリプレグをセットするステップと、
    前記スキンプリプレグの外表面側をバギング材で保護するステップと、
    前記スキンプリプレグと前記バギング材との間及び前記スキンプリプレグと前記複数のコア材との間の少なくとも一方であって前記発泡接着材をカバーする位置に補強シートをセットするステップと、
    前記複数のコア材、前記スキンプリプレグ、前記バギング材及び前記補強シートがセットされた状態で加熱及び加圧することによって前記複数のコア材が前記発泡接着材で互いに接合され、かつ前記複数のコア材に硬化した外板が接合されたハニカム構造体を製造するステップと、
    を有するハニカム構造体の製造方法。
  8. 前記補強シートとして硬化されたプリプレグを用いる請求項７記載のハニカム構造体の製造方法。
  9. 互いに幅が異なる複数の補強シートを、前記複数の補強シートの厚さ方向に階段状となるように前記スキンプリプレグと前記バギング材との間にセットする請求項７又は８記載のハニカム構造体の製造方法。
  10. 硬化されたプリプレグで構成される第１の補強シートを前記スキンプリプレグと前記複数のコア材との間に、ガラス繊維強化プラスチックで構成される第２の補強シートを前記スキンプリプレグと前記バギング材との間の前記スキンプリプレグ側に、炭素繊維強化プラスチックで構成される第３の補強シートを前記スキンプリプレグと前記バギング材との間の前記バギング材側に、それぞれセットする請求項７乃至９のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
  11. 前記補強シートをフィルム接着剤によって前記複数のコア材及び前記スキンプリプレグの少なくとも一方と接着する請求項７乃至１０のいずれか１項に記載のハニカム構造体の製造方法。
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