JP7465026B1 - How to make a flight propeller - Google Patents
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Abstract
【課題】プロペラの外皮の周縁の接着部を小さく又は最小限にとどめ、特に前縁に接着部を有さず、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラ及びその製造方法を提供する。【解決手段】飛行用プロペラは、主桁とリブと外皮からなる。外皮で覆われた内部は、1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブで構成され、その他の部分は中空である。外皮は、1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックからなる。プロペラ前縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さない。一方、プロペラ後縁の一部又は全部には上面外皮と下面外皮との接着部位を有する。【選択図】図5[Problem] To provide a flight propeller and its manufacturing method, in which the adhesive parts around the periphery of the propeller skin are kept small or to a minimum, particularly at the leading edge, and which has sufficient strength as a propeller while being lightweight due to a hollow part provided inside and which keeps manufacturing costs down. [Solution] The flight propeller is made up of a main spar, ribs, and skin. The interior covered by the skin is made up of one main spar and multiple ribs connected to it, and the rest of the propeller is hollow. The skin is made of carbon fiber reinforced plastic, with one or multiple sheets laminated together. The leading edge of the propeller does not have an adhesive part between the upper skin and the lower skin. Meanwhile, part or all of the trailing edge of the propeller has an adhesive part between the upper skin and the lower skin. [Selected Figure] Figure 5
Description
本発明は、飛行用プロペラ及びその製造方法に関するものである。 The present invention relates to a flight propeller and a method for manufacturing the same.
プロペラは、飛行機などに用いられ、動力源からの出力をプロペラの回転による推進力に変えて機体を前進させるための装置である。また、エンジンを動力源とする航空機などに用いられるものに限らず、スポーツとしての人力飛行機や補助動力付人力飛行機などにおいてもプロペラは重要な装置である。更に、近年ではドローン(無人航空機)や空飛ぶ車(空陸両用車)におけるプロペラも種々開発されている。 Propellers are devices used in airplanes and the like to convert the power output from the power source into thrust through the rotation of the propeller, propelling the aircraft forward. Propellers are not limited to those used in engine-powered aircraft, but are also important devices in human-powered sports aircraft and human-powered aircraft with auxiliary power. Furthermore, various propellers have been developed in recent years for drones (unmanned aerial vehicles) and flying cars (two-wheeled vehicles).
特に、人力飛行機やドローンなどの小型の飛行装置では、構造と強度に加え軽量化できるプロペラが求められる。以下、人力飛行機のプロペラを例にして説明する。人力飛行機の動力源は人であり、人がペダルを踏んで得られるペダルシヤフトの回転を動力伝達機構によりプロペラに伝え、プロペラを回転させることにより飛行する。 In particular, small flying devices such as human-powered airplanes and drones require propellers that are lightweight in addition to having good structure and strength. Below, we will explain using the propeller of a human-powered airplane as an example. A human-powered airplane is powered by a person, and the rotation of the pedal shaft obtained by the person stepping on the pedals is transmitted to the propeller by a power transmission mechanism, rotating the propeller and allowing the airplane to fly.
例えば、民間放送局主催による人力飛行機の滞空距離および飛行時間を競う競技会「鳥人間コンテスト選手権大会」が毎年開催され、機体の改良やプロペラの改良などが毎年話題となる。人力飛行機のプロペラは、機体に合わせて設計したプロペラを如何に丈夫に如何に軽く作るかが重要となる。 For example, a competition called the Birdman Contest Championship is held every year, sponsored by a commercial broadcasting station, in which participants compete to see who can fly the longest and longest human-powered aircraft. Improvements to the aircraft and propellers are a hot topic every year. When it comes to the propellers of human-powered aircraft, it is important to design them to match the aircraft and make them as strong and light as possible.
一般的には、人力飛行機のプロペラは、木材や発泡樹脂などをコア材(芯材)として、表面に炭素繊維を基布としたCFRPやガラス繊維を基布としたGFRPを張り付け成形するものである。しかし、このようなプロペラでは、内部にコア材があり軽量化が難しいという問題があった。 Typically, the propellers of human-powered aircraft are made by using wood or foamed resin as a core material, and then attaching CFRP, which has a carbon fiber base, or GFRP, which has a glass fiber base, to the surface. However, the problem with such propellers is that the core material is inside, making it difficult to reduce their weight.
そこで、プロペラ内部にできるだけ中空部を設けて軽量化を図るプロペラの作製方法も行われるようになった。例えば、下記非特許文献1及び非特許文献2には、人力飛行機のプロペラの構造や作製方法に関する記述がみられる。これらの方法は、設計したプロペラの外皮を上下面の2枚の外皮に分け、それぞれを作製するものである。 As a result, methods of manufacturing propellers have been developed that aim to reduce weight by creating as much hollow space as possible inside the propeller. For example, the following non-patent literature 1 and non-patent literature 2 describe the structure and manufacturing methods of propellers for human-powered aircraft. These methods involve dividing the outer skin of the designed propeller into two outer skins, one for the top and one for the bottom, and then manufacturing each separately.
具体的には、上下面の2枚の外皮のための2つの型の3Dデータを作る。次に、ケミカルウッドなどの材料をCNC旋盤で切削し上下面の外皮の型を作る。各型の表面に離型処理を施し、バルサ材を張りCFRPのプリプレグシートを積層する。この状態で真空引きしてから炉に入れて加熱し、プリプレグシートの樹脂を硬化させる。これで、上下面の2枚の外皮が完成する。 Specifically, 3D data is created for two molds for the two outer skins on the top and bottom. Next, materials such as chemical wood are cut on a CNC lathe to create the molds for the top and bottom skins. The surface of each mold is given a release treatment, and balsa wood is covered and CFRP prepreg sheets are laminated. In this state, the mold is vacuumed and then heated in an oven to harden the resin in the prepreg sheets. This completes the two outer skins for the top and bottom.
次に、外皮の内側に主桁とリブを配置して固定し、上下面の外皮の周縁をエポキシ系の接着剤などで固定する。上下面の外囲を固定したプロペラの表面に塗装して人力飛行機用のプロペラが完成する。この状態でも、プロペラの外皮はCFRPやバルサ材などが積層されて強度を有し、内部に中空部があって軽量化されている。しかし、この方法は、上下面の2つの型を作製しなければならず、作製コストが高くなるという問題があった。 Next, the main girders and ribs are placed and fixed inside the skin, and the periphery of the top and bottom skins are fixed with epoxy adhesive or similar. The surface of the propeller with the top and bottom outer peripheries fixed is then painted, and the propeller for a human-powered aircraft is complete. Even in this state, the propeller skin is strong as it is made of laminated CFRP or balsa wood, and has a hollow interior to reduce weight. However, this method requires the production of two molds, one for the top and one for the bottom, which increases the production costs.
更に、外皮が上下面の2枚からなり、それらの接着部がプロペラの周縁全体にあることから、飛行中に空気抵抗を直接受ける外皮の前縁の接着部が飛行中に剥離するという問題があった。このような剥離を避けるために、前縁の接着剤を多くすれば軽減されるが、前縁の剥離を無くすことはできなかった。また、前縁の接着を過剰にすれば、プロペラの重量が増加するという問題があった。 Furthermore, because the outer skin is made up of two pieces, an upper and lower surface, and the adhesive joint between them is located around the entire circumference of the propeller, there was a problem that the adhesive joint at the leading edge of the outer skin, which is directly subjected to air resistance during flight, would peel off during flight. In order to prevent such peeling, the amount of adhesive used at the leading edge could be increased, which reduced the problem, but it was not possible to eliminate peeling at the leading edge. Another problem was that excessive adhesive use at the leading edge would increase the weight of the propeller.
そこで、本発明は、上記の諸問題に対処して、プロペラの外皮の周縁の接着部を小さく又は最小限にとどめ、特に前縁に接着部を有さず、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラ及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention aims to address the above problems by providing a flight propeller and a manufacturing method thereof that has a small or minimal adhesive area around the periphery of the propeller skin, particularly no adhesive area at the leading edge, that has sufficient strength as a propeller, is lightweight due to the provision of a hollow area inside, and has low manufacturing costs.
上記課題の解決にあたり、本発明者は、鋭意研究の結果、プロペラ形状の中子を使用し、外皮を上下面の2枚にすることなく前縁に接着部を設けず、外皮が完成した段階で中子を取り出すことにより、又は、開放部を最小限にして中子を溶解して取り出すことにより、上記目的を達成できることを見出し本発明の完成に至った。 In order to solve the above problems, the inventors conducted extensive research and discovered that the above objectives could be achieved by using a propeller-shaped core, not dividing the outer skin into two pieces, an upper and lower, not providing an adhesive at the leading edge, and removing the core when the outer skin is completed, or by melting and removing the core with a minimum of openings, which led to the completion of the present invention.
また、本発明に係る飛行用プロペラの製造方法は、請求項1の記載によると、
炭素繊維強化プラスチックからなる外皮で覆われ、当該外皮の内部でプロペラ骨格を構成する主桁とリブ以外の部分が中空である飛行用プロペラの製造方法であって、
設計されたプロペラ形状を有する中子を作製する工程と、
前記中子のプロペラ後縁に対応する部分の一部又は全部に離型シート又は離型剤を付与する工程と、
前記離型シート又は離型剤が付与された前記中子の上下両面に中子前縁を跨ぐと共に中子後縁を跨ぐことなく1枚又は複数枚が積層された前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付する工程と、
前記プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化してプロペラ形状の外皮を成形する工程と、
プロペラ形状に成形された前記炭素繊維強化プラスチックからなる前記外皮の内部から、前記中子のプロペラ後縁に対応する部分に前記離型シート又は離型剤が付与されており且つ前記プリプレグシートが前記中子後縁を跨ぐことなく貼付されていることで上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を介して前記中子を取り出す工程と、
上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を介して、前記中子が取り出された前記外皮の内部に1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなる前記プロペラ骨格を挿入する工程と、
前記プロペラ骨格を挿入した前記外皮の上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を接着する工程とを介することにより、
製造された前記飛行用プロペラのプロペラ前縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さず、プロペラ後縁の一部又は全部には上面外皮と下面外皮との接着部位を有することを特徴とする。
According to a first aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a flight propeller, comprising the steps of:
A method for manufacturing a flight propeller, which is covered with an outer skin made of carbon fiber reinforced plastic, and the inside of the outer skin is hollow except for the main beams and ribs that constitute the propeller skeleton, comprising:
Producing a core having a designed propeller shape;
applying a release sheet or a release agent to a part or all of a portion of the core corresponding to the trailing edge of the propeller;
a step of attaching one or more laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to the upper and lower surfaces of the core to which the release sheet or release agent has been applied , straddling a leading edge of the core but not straddling a trailing edge of the core ;
A step of hardening the matrix resin of the prepreg sheet to form a propeller-shaped outer skin;
a step of removing the core from inside the outer skin made of the carbon fiber reinforced plastic molded into a propeller shape through a portion of the core where the release sheet or release agent is applied to a portion corresponding to the trailing edge of the propeller and where the prepreg sheet is attached without straddling the trailing edge of the core, so that the upper outer skin and the lower outer skin are not bonded to each other;
a step of inserting the propeller skeleton, which is composed of one main girder and a plurality of ribs connected thereto, into the inside of the skin from which the core has been removed, via a portion where the upper skin and the lower skin are not bonded;
By carrying out a process of adhering the unadhered portions of the upper and lower skins of the skin into which the propeller skeleton is inserted,
The manufactured flight propeller is characterized in that the leading edge of the propeller does not have an adhesion area between the upper and lower outer skins, and part or all of the trailing edge of the propeller has an adhesion area between the upper and lower outer skins.
また、本発明は、請求項2の記載によると、請求項1に記載の飛行用プロペラの製造方法であって、
前記外皮の内部から前記中子を取り出す工程において、
前記中子をプロペラ形状のまま又は分割して取り出すことを特徴とする。
According to a second aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the flight propeller according to the first aspect, comprising the steps of:
In the step of removing the core from inside the outer shell,
The core is removed in the propeller shape or after being divided.
また、本発明は、請求項3の記載によると、請求項1に記載の飛行用プロペラの製造方法であって、
前記外皮の内部から前記中子を取り出す工程において、
前記中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする。
According to a third aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the flight propeller according to the first aspect, comprising the steps of:
In the step of removing the core from inside the outer shell,
The core is removed in a dissolved or swollen state in a solvent.
また、本発明は、請求項4の記載によると、請求項3に記載の飛行用プロペラの製造方法であって、
前記中子は、水溶性樹脂から作製され、前記溶剤は水であって、
前記外皮の内部から前記中子を水で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする。
According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the flight propeller according to the third aspect, comprising the steps of:
The core is made of a water-soluble resin, the solvent is water,
The core is removed from inside the shell in a state where it is dissolved or swollen with water.
また、本発明に係る飛行用プロペラの製造方法は、請求項5の記載によると、
炭素繊維強化プラスチックからなる外皮で覆われ、当該外皮の内部でプロペラ骨格を構成する主桁とリブ以外の部分が中空である飛行用プロペラの製造方法であって、
1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなるプロペラ骨格を準備する工程と、
溶剤可溶性の樹脂を用いて、前記プロペラ骨格を内部に包含するプロペラ形状を有する中子を作製する工程と、
前記中子の上下両面に中子前縁及び中子後縁の両方を跨ぐようにして1枚又は複数枚が積層された前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付する工程と、
前記プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化して、プロペラ前縁及びプロペラ後縁に上面外皮と下面外皮との接着部位を有さないプロペラ形状の外皮を成形する工程と、
前記外皮の一部を開放して、前記中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出す工程と、
前記中子を取り出した前記外皮の開放部位を修復する工程とを介することにより、
製造された前記飛行用プロペラの前記外皮の一部に修復した前記開放部位を有することを特徴とする。
According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a flight propeller, comprising the steps of:
A method for manufacturing a flight propeller that is covered with an outer skin made of carbon fiber reinforced plastic, and a portion inside the outer skin other than the main beams and ribs that constitute the propeller skeleton is hollow, comprising:
A step of preparing a propeller skeleton including one main spar and a plurality of ribs connected thereto;
producing a propeller-shaped core containing the propeller skeleton therein using a solvent-soluble resin;
a step of attaching one or more laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to both the upper and lower surfaces of the core so as to straddle both the leading edge and the trailing edge of the core ;
A step of hardening the matrix resin of the prepreg sheet to form a propeller-shaped skin having no bonding site between the upper skin and the lower skin at the propeller leading edge and the propeller trailing edge ;
a step of opening a portion of the outer shell and removing the core in a state where the core is dissolved or swollen with a solvent;
and repairing the open portion of the shell from which the core was removed.
The manufactured flight propeller is characterized in that a portion of the outer skin has the repaired open area .
また、本発明は、請求項6の記載によると、請求項5に記載の飛行用プロペラの製造方法であって、
前記中子は、有機溶剤に可溶性の樹脂から作製され、前記溶剤は当該有機溶剤であって、
前記外皮の内部から前記中子を前記有機溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする。
According to a sixth aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the flight propeller according to the fifth aspect, comprising the steps of:
The core is made of a resin that is soluble in an organic solvent, and the solvent is the organic solvent,
The core is removed from inside the shell in a state where it is dissolved or swollen with the organic solvent.
また、本発明は、請求項7の記載によると、請求項5に記載の飛行用プロペラの製造方法であって、
前記中子は、水溶性樹脂から作製され、前記溶剤は水であって、
前記外皮の内部から前記中子を水で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする。
According to a seventh aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing the flight propeller according to the fifth aspect, comprising the steps of:
The core is made of a water-soluble resin, the solvent is water,
The core is removed from inside the shell in a state where it is dissolved or swollen with water.
上記構成によれば、飛行用プロペラは、主桁とリブと外皮からなる。外皮で覆われた内部は、1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブで構成され、その他の部分は中空である。外皮は、1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックからなる。プロペラ前縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さない。一方、プロペラ後縁の一部又は全部には上面外皮と下面外皮との接着部位を有する。 According to the above configuration, the flight propeller is composed of a main spar, a rib, and an outer skin. The inside covered by the outer skin is composed of one main spar and multiple ribs connected to it, and the rest of the skin is hollow. The outer skin is made of carbon fiber reinforced plastic, with one or multiple sheets laminated together. The leading edge of the propeller does not have an adhesion area between the upper skin and the lower skin. On the other hand, part or all of the trailing edge of the propeller has an adhesion area between the upper skin and the lower skin.
このことにより、プロペラの外皮の周縁の接着部を小さくし、特に前縁に接着部を有さず、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラを提供することができる。 This allows us to provide a flight propeller with a small adhesive area around the periphery of the propeller skin, with no adhesive area at the leading edge in particular, that has sufficient strength as a propeller, is lightweight due to the hollow area inside, and has low manufacturing costs.
また、上記構成によれば、飛行用プロペラの製造方法は、最初の工程は、設計されたプロペラ形状を有する中子を作製する。次の工程は、中子のプロペラ後縁に対応する部分の一部又は全部に離型シート又は離型剤を付与する。次の工程は、離型シート又は離型剤が付与された中子の上下両面に中子前縁を跨ぐと共に中子後縁を跨ぐことなく1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付する。次の工程は、プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化してプロペラ形状の外皮を成形する。 Also, according to the above configuration, the manufacturing method for a flight propeller has a first step of producing a core having a designed propeller shape. The next step is to apply a release sheet or a release agent to a part or all of the portion of the core that corresponds to the trailing edge of the propeller. The next step is to attach one or more laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to both the top and bottom surfaces of the core to which the release sheet or release agent has been applied, straddling the leading edge of the core but not straddling the trailing edge of the core . The next step is to harden the matrix resin of the prepreg sheets to form an outer skin in the shape of a propeller.
次の工程は、プロペラ形状に成形された炭素繊維強化プラスチックからなる外皮の内部から、中子のプロペラ後縁に対応する部分に離型シート又は離型剤が付与されており且つプリプレグシートが中子後縁を跨ぐことなく貼付されていることで上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を介して中子を取り出す。次の工程は、上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を介して、中子が取り出された外皮の内部に1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなるプロペラ骨格を挿入する。次の工程は、プロペラ骨格を挿入した外皮の上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を接着する。 In the next step, the core is removed from inside the skin made of carbon fiber reinforced plastic molded into a propeller shape through a portion where the upper and lower skins are not bonded because a release sheet or release agent has been applied to the portion of the core corresponding to the propeller trailing edge and the prepreg sheet has been attached without straddling the trailing edge of the core. In the next step, a propeller skeleton consisting of one main girder and multiple ribs connected to it is inserted into the skin from which the core has been removed, through the portion where the upper and lower skins are not bonded. In the next step, the portion where the upper and lower skins of the skin into which the propeller skeleton has been inserted are bonded.
このことにより、プロペラの外皮の周縁の接着部を小さく、特に前縁に接着部を有さず、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラの製造方法を提供することができる。 This makes it possible to provide a method for manufacturing an aircraft propeller that has a small adhesive around the periphery of the propeller skin, and in particular has no adhesive at the leading edge, while still having sufficient strength as a propeller and a hollow interior for reduced weight and manufacturing costs.
また、上記構成によれば、外皮の内部から中子を取り出す工程において、中子をプロペラ形状のまま又は分割して取り出すようにしてもよい。また、中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出すようにしてもよい。この場合、中子を水溶性樹脂から作製し、水で溶解又は膨潤した状態で取り出すようにしてもよい。これらのことにより、上記作用効果を具体的且つ効果的に発揮することができる。 Furthermore, according to the above configuration, in the process of removing the core from inside the outer shell, the core may be removed in the propeller shape or divided. The core may also be removed in a state dissolved or swollen with a solvent. In this case, the core may be made from a water-soluble resin and removed in a state dissolved or swollen with water. By doing so, the above-mentioned action and effect can be concretely and effectively achieved.
また、上記構成によれば、飛行用プロペラは、主桁とリブと外皮からなる。外皮で覆われた内部は、1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブで構成され、その他の部分は中空である。外皮は、1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックからなる。プロペラ前縁及びプロペラ後縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さない。 Furthermore, according to the above configuration, the flight propeller is composed of a main spar, a rib, and an outer skin. The inside covered by the outer skin is composed of one main spar and multiple ribs connected to it, and the rest of the part is hollow. The outer skin is made of one or multiple laminated carbon fiber reinforced plastic sheets. The leading edge and trailing edge of the propeller do not have any adhesion areas between the upper and lower skins.
このことにより、プロペラの外皮の周縁の接着部を最小限にとどめ、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラを提供することができる。 This allows us to provide a flight propeller that has a minimum amount of adhesive around the periphery of the propeller's outer skin, is strong enough to function as a propeller, has a hollow interior to reduce weight, and has low manufacturing costs.
また、上記構成によれば、飛行用プロペラの製造方法は、最初の工程は、1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなるプロペラ骨格を準備する。次の工程は、溶剤可溶性の樹脂を用いて、プロペラ骨格を内部に包含するプロペラ形状を有する中子を作製する。次の工程は、中子の上下両面に中子前縁及び中子後縁の両方を跨ぐようにして1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付する。次の工程は、プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化して、プロペラ前縁及びプロペラ後縁に上面外皮と下面外皮との接着部位を有さないプロペラ形状の外皮を成形する。次の工程は、外皮の一部を開放して、中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出す。次の工程は、中子を取り出した外皮の開放部位を修復する。 According to the above configuration, the manufacturing method of a flight propeller includes, in the first step, preparing a propeller skeleton consisting of one main spar and a plurality of ribs connected thereto. In the next step, using a solvent-soluble resin, a core having a propeller shape that contains the propeller skeleton inside is manufactured. In the next step, one or a plurality of laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets are attached to both the upper and lower surfaces of the core so as to straddle both the leading edge and the trailing edge of the core . In the next step, the matrix resin of the prepreg sheets is hardened to form a propeller-shaped outer skin that does not have an adhesive portion between the upper skin and the lower skin at the leading edge and the trailing edge of the propeller . In the next step, a part of the outer skin is opened, and the core is taken out in a state dissolved or swollen with a solvent. In the next step, the open portion of the outer skin from which the core was taken out is repaired.
このことにより、プロペラの外皮の一部に修復した開放部位を最小限にとどめ、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラの製造方法を提供することができる。 This makes it possible to provide a manufacturing method for an aircraft propeller that minimizes the repaired open areas on the propeller's outer skin, has sufficient strength as a propeller, is lightweight due to the provision of a hollow section inside, and keeps manufacturing costs down.
また、上記構成によれば、中子は、有機溶剤に可溶性の樹脂から作製され、外皮の内部から中子を有機溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出すようにしてもよい。また、中子は、水溶性樹脂から作製され、外皮の内部から中子を水で溶解又は膨潤した状態で取り出すようにしてもよい。これらのことにより、上記作用効果を具体的且つ効果的に発揮することができる。 Furthermore, according to the above configuration, the core may be made of a resin soluble in an organic solvent, and the core may be removed from inside the outer shell in a state where it is dissolved or swollen with the organic solvent. Also, the core may be made of a water-soluble resin, and the core may be removed from inside the outer shell in a state where it is dissolved or swollen with water. By doing so, the above-mentioned action and effect can be concretely and effectively exhibited.
ここで、本発明に係る飛行用プロペラ(以下、単に「プロペラ」という)について具体的に説明する。本発明に係るプロペラは、その用途が人力飛行機に限るものではなく、人力ヘリコプター、補助動力付き人力飛行機、ドローン(無人航空機)、空飛ぶ車(空陸両用車)、模型の飛行機やヘリコプター、その他の各種飛行装置に使用できるものである。 Here, we will specifically explain the flight propeller (hereinafter simply referred to as "propeller") of the present invention. The use of the propeller of the present invention is not limited to human-powered airplanes, but can also be used in human-powered helicopters, human-powered airplanes with auxiliary power, drones (unmanned aerial vehicles), flying cars (amphibious vehicles), model airplanes and helicopters, and various other flying devices.
また、本発明に係るプロペラは、人力飛行機など動力源の出力の低い飛行装置にも対応できるように軽量化を特徴とする。つまり、軽量化のために内部の中空部を広く作製した場合でも、プロペラの設計強度を維持することができる。具体的には、プロペラの外皮で覆われた内部は、1本の主桁と強度を維持するための必要枚数のリブのみで構成されている。なお、必要により最小限の他の構造物(例えば、補助桁や補助リブなど)を加えて構成してもよい。 The propeller of the present invention is also characterized by its light weight so that it can be used with flying devices with low output power sources, such as human-powered aircraft. In other words, even if the internal hollow portion is made large to reduce weight, the design strength of the propeller can be maintained. Specifically, the interior covered by the propeller skin is composed of only one main girder and the necessary number of ribs to maintain strength. Note that a minimum number of other structures (such as auxiliary girder and auxiliary ribs) may be added as necessary.
また、外皮は、軽量化のために1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックから構成されている。なお、必要により最小限の他の積層体(例えば、ガラス繊維のGFRPなど)を加えて構成してもよい。 The outer skin is made of one or more laminated carbon fiber reinforced plastic layers to reduce weight. If necessary, a minimum of other laminates (such as glass fiber GFRP) may be added.
本発明において、炭素繊維強化プラスチックとは、熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂とする狭義のCFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics)、及び、熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂とするCFRTP(Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics)の両方を含むものである。 In the present invention, carbon fiber reinforced plastics includes both CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) in the narrow sense, which uses a thermosetting resin as the matrix resin, and CFRTP (Carbon Fiber Reinforced Thermo Plastics), which uses a thermoplastic resin as the matrix resin.
また、本発明に係るプロペラは、第1実施形態によれば、プロペラの前縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さず、プロペラの後縁の一部又は全部には上面外皮と下面外皮との接着部位を有する。このプロペラの後縁の接着部位は、プロペラの製造段階で使用するプロペラ形状の型(本発明では「中子」という)を取り出すための開放部位である。この開放部位は、中子を取り出した後に上面外皮と下面外皮とを接着した部位となる(詳細は後述する)。 According to the first embodiment, the propeller of the present invention does not have an adhesion area between the upper and lower skins at the leading edge of the propeller, but has an adhesion area between the upper and lower skins at part or all of the trailing edge of the propeller. This adhesion area at the trailing edge of the propeller is an open area for removing the propeller-shaped mold (called the "core" in this invention) used in the propeller manufacturing stage. This open area becomes the area where the upper and lower skins are adhered after the core is removed (details will be described later).
一方、第2実施形態によれば、プロペラの前縁及び後縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さない。第2実施形態においては、プロペラの製造段階で使用するプロペラ形状の型(中子)を主として溶解して取り出すからである(詳細は後述する)。なお、「中子」とは本来、鋳造品において中に空洞があるものを製造する際に、空洞にあたる部分として鋳型の中にはめこむ砂型をいう。本発明においては、プロペラを製造する際に中にはめこむ内部型を表す用語として「中子」を使用する。 On the other hand, according to the second embodiment, the leading and trailing edges of the propeller do not have any adhesion areas between the upper and lower skins. This is because in the second embodiment, the propeller-shaped mold (core) used in the propeller manufacturing stage is mainly dissolved and extracted (details will be described later). Note that the term "core" originally refers to a sand mold that is fitted into a casting mold as the part that corresponds to the cavity when manufacturing a casting that has a cavity inside. In this invention, the term "core" is used to refer to the internal mold that is fitted when manufacturing a propeller.
このように、本発明に係るプロペラは、製造段階で中子を使用し、使用後の中子を取り出すことにより、プロペラ内部を中空にして軽量化を図ることができる。また、飛行中に最も風圧を受ける前縁に接着部位を有さないことで、飛行中の破損を防ぎ設計強度を維持することができる。更に、製造段階で中子を使用することで、上述した従来技術のように上下面の2枚の外皮のための2つの型を使用しない。このことから、プロペラの強度向上だけではなく、製造コストを抑えることができる。 In this way, the propeller of the present invention uses a core during the manufacturing stage, and by removing the core after use, the inside of the propeller can be made hollow, making it lighter. Also, by not having an adhesive site at the leading edge, which receives the most wind pressure during flight, damage during flight can be prevented and the design strength can be maintained. Furthermore, by using a core during the manufacturing stage, two molds for the two outer skins on the top and bottom surfaces, as in the prior art described above, are not used. This not only improves the strength of the propeller, but also reduces manufacturing costs.
次に、本発明に係るプロペラの製造方法を第1及び第2実施形態により説明する。本発明においては、上述のように、プロペラ形状の型(中子)を使用する。 Next, a method for manufacturing a propeller according to the present invention will be described with reference to the first and second embodiments. In the present invention, as described above, a mold (core) in the shape of a propeller is used.
≪第1実施形態≫
第1実施形態は、プロペラ形状に成形された炭素繊維強化プラスチックからなる外皮の内部から中子を取り出し、1本の主桁と複数枚のリブからなるプロペラ骨格を挿入する方法である。本第1実施形態の各工程を以下に具体的に説明する。
First Embodiment
In the first embodiment, a core is removed from inside a shell made of carbon fiber reinforced plastic molded into a propeller shape, and a propeller skeleton made of one main beam and multiple ribs is inserted into the shell. Each step of the first embodiment will be described in detail below.
(1)プロペラ形状を有する中子の作製
プロペラは、プロペラ自身の回転運動による速度と機体が前進する速度が合成された流れの中で推進力を得るために複雑な3次元形状となる。本発明においては、設計法を限定するものではなく、いずれかの方法で設計されたプロペラの形状をした型(中子)を使用する。
(1) Fabrication of a core having a propeller shape A propeller has a complex three-dimensional shape in order to obtain thrust in a flow in which the speed due to the rotational motion of the propeller itself and the forward speed of the aircraft are combined. In the present invention, the design method is not limited, and a mold (core) having a propeller shape designed by any method is used.
まず、プロペラの設計データを基に、中子を作製する。図1は、第1実施形態で使用する中子10を示す概要平面図である。図1において、中子10の一方のエッジは、プロペラが飛行中に大きな風圧を受けるプロペラ前縁に対応する部分であって、これを中子前縁11とする。また、中子10の他方のエッジは、プロペラを介して空気が流れていくプロペラ後縁に対応する部分であって、これを中子後縁12とする。なお、図1においては、プロペラの各部位での傾斜や厚みなどの3次元形状については省略する。 First, a core is created based on the design data for the propeller. Figure 1 is a schematic plan view showing a core 10 used in the first embodiment. In Figure 1, one edge of the core 10 corresponds to the propeller leading edge, which receives large wind pressure during flight, and is designated as the core leading edge 11. The other edge of the core 10 corresponds to the propeller trailing edge, through which air flows through the propeller, and is designated as the core trailing edge 12. Note that in Figure 1, the three-dimensional shape of each part of the propeller, such as the slope and thickness, is omitted.
中子10を作製する材料は、特に限定するものではなく、木材、樹脂材、発泡スチロールなどの発泡材など、どのようなものであってもよい。プロペラの設計データを基に、これらの材料の角材をCNC旋盤などで切削してもよい。又は、3Dプリンターを用いて各種樹脂を吐出し、3次元形状の中子10を作製してもよい。 The material from which the core 10 is made is not particularly limited, and may be any material, such as wood, resin, or foam material such as polystyrene foam. Based on the design data for the propeller, blocks of these materials may be cut using a CNC lathe or the like. Alternatively, various resins may be ejected using a 3D printer to create the three-dimensional shape of the core 10.
(2)中子のプロペラ後縁に対応する部分(中子後縁)の一部又は全部に離型シートを付与
後述するが、プロペラの外皮の材料としてCFRP又はCFRTPのプリプレグシートを使用する。そこで、中子後縁12にマトリックス樹脂に接着しない離型シート13を付与する。図2は、中子10の中子後縁12に離型シート13を付与した状態を示す概要平面図である。プロペラの外皮を成形した際に、この離型シート13の部分では上面外皮と下面外皮とが接着することを防止するためである。
(2) A release sheet is applied to part or all of the portion of the core corresponding to the propeller trailing edge (core trailing edge) As will be described later, a CFRP or CFRTP prepreg sheet is used as the material for the propeller skin. Therefore, a release sheet 13 that does not adhere to the matrix resin is applied to the core trailing edge 12. Figure 2 is a schematic plan view showing the state in which the release sheet 13 has been applied to the core trailing edge 12 of the core 10. This is to prevent the upper and lower skins from adhering to each other at the portion of this release sheet 13 when the propeller skin is molded.
なお、離型シート13は、CFRP又はCFRTPのマトリックス樹脂が接着できない素材、例えば、シリコーンゴム、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリアセタール、フッ素樹脂などのフィルムやテープを使用することが好ましい。また、離型シート13が付与されていない部分にもプリプレグシートのマトリックス樹脂が接着しないように、中子10の表面全体に離型シートを貼付してもよく、或いは、フッ素系又はシリコン系などの離型剤を塗布してもよい。 It is preferable to use a material for the release sheet 13 to which the matrix resin of the CFRP or CFRTP cannot adhere, such as a film or tape of silicone rubber, polypropylene, polyethylene, polyacetal, or fluororesin. Also, to prevent the matrix resin of the prepreg sheet from adhering to areas not covered with the release sheet 13, a release sheet may be affixed to the entire surface of the core 10, or a release agent such as a fluorine-based or silicone-based agent may be applied.
(3)中子の上下両面に炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付
中子後縁12に離型シート13を付与し表面全体に離型シートを貼付又は離型剤を塗布した状態の中子10の表面全体にCFRP又はCFRTPのプリプレグシートを貼付する。図3は、中子10の表面にCFRP又はCFRTPのプリプレグシート14を貼付する状態を示す概要平面図である。プリプレグシート14を構成する炭素繊維とマトリックス樹脂との組み合わせについては、特に限定するものではない。
(3) Affixing carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to the top and bottom surfaces of the core A release sheet 13 is attached to the core trailing edge 12, and a release sheet is attached to the entire surface of the core 10, or a release agent is applied thereto, and then a CFRP or CFRTP prepreg sheet is attached to the entire surface of the core 10. Figure 3 is a schematic plan view showing the state in which a CFRP or CFRTP prepreg sheet 14 is attached to the surface of the core 10. There are no particular limitations on the combination of carbon fiber and matrix resin that make up the prepreg sheet 14.
炭素繊維としては、多数本の炭素繊維束を一方向に引き揃えてシート状にしたUDプリプレグシートであってもよく、又は、炭素繊維織物からなる織物プリプレグシートであってもよい。 炭素繊維織物としては、例えば、3K平織カーボンなどを使用してもよい。また、CFRPのマトリックス樹脂(熱硬化性樹脂)としては、例えば、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂などを使用してもよい。一方、CFRTPのマトリックス樹脂(熱可塑性樹脂)としては、例えば、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルエーテルケトンなどを使用してもよい。 The carbon fiber may be a UD prepreg sheet in which a number of carbon fiber bundles are aligned in one direction to form a sheet, or a woven prepreg sheet made of woven carbon fiber. For example, 3K plain weave carbon may be used as the woven carbon fiber. For example, epoxy resin, phenolic resin, unsaturated polyester resin, vinyl ester resin, etc. may be used as the matrix resin (thermosetting resin) of the CFRP. On the other hand, for example, polyamide, polycarbonate, polybutylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone, etc. may be used as the matrix resin (thermoplastic resin) of the CFRTP.
図3において、プリプレグシート14を貼付する際には、CFRPのマトリックス樹脂を硬化させる前の状態で、又は、CFRTPのマトリックス樹脂をメルトさせた状態で中子10の上下面全体に貼付する。また、本発明においては、中子前縁11を跨ぐようにして上下面にプリプレグシート14を貼付する。一方、中子後縁12を跨ぐことなく上面及び下面にプリプレグシート14を貼付する(図3参照)。なお、図3においては、複数枚のプリプレグシート14を積層するが、これに限定されるものではなく、大きな1枚のプリプレグシートを中子10の上下面全体に貼付するようにしてもよい。 In FIG. 3, when the prepreg sheets 14 are applied, they are applied to the entire upper and lower surfaces of the core 10 before the matrix resin of the CFRP is cured, or when the matrix resin of the CFRTP is melted. In the present invention, the prepreg sheets 14 are applied to the upper and lower surfaces so as to straddle the leading edge 11 of the core. On the other hand, the prepreg sheets 14 are applied to the upper and lower surfaces without straddling the trailing edge 12 of the core (see FIG. 3). In FIG. 3, multiple prepreg sheets 14 are stacked, but this is not limiting, and one large prepreg sheet may be applied to the entire upper and lower surfaces of the core 10.
なお、プリプレグシート14の貼付は、プロペラの構造を考慮して必要な部位に積層すると共に、炭素繊維の配向方向を変化させるなどして貼付することが好ましい。これらのことにより、完成したプロペラは、設計強度を維持すると共に、プロペラ前縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さず、プロペラ後縁の一部又は全部には上面外皮と下面外皮との接着部位を形成することができる。 The prepreg sheets 14 are preferably attached in the necessary locations, taking into consideration the structure of the propeller, and are attached by changing the orientation direction of the carbon fibers. As a result, the completed propeller maintains the designed strength, does not have an adhesion area between the upper and lower skins at the leading edge of the propeller, and can have an adhesion area between the upper and lower skins formed at part or all of the trailing edge of the propeller.
(4)プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化してプロペラ形状の外皮を成形
図4は、中子の表面全体がCFRP又はCFRTPのプリプレグシートで被覆された状態を示す概要平面図である。図4において、中子10の表面全体は、プリプレグシート14で覆われており、プロペラの形状の外皮20が樹脂の硬化前の状態で形成されている。
(4) Forming a propeller-shaped outer skin by curing the matrix resin of the prepreg sheet Fig. 4 is a schematic plan view showing a state in which the entire surface of the core is covered with a CFRP or CFRTP prepreg sheet. In Fig. 4, the entire surface of the core 10 is covered with a prepreg sheet 14, and a propeller-shaped outer skin 20 is formed before the resin is cured.
外皮20の一方のエッジ(中子前縁11を覆う部分)は、プロペラが飛行中に大きな風圧を受けるプロペラ前縁に対応する部分であって、これを外皮前縁21とする。また、外皮20の他方のエッジ(中子後縁12を覆う部分)は、プロペラを介して空気が流れていくプロペラ後縁に対応する部分であって、これを外皮後縁22とする。なお、外皮後縁22においては、外皮20の上面外皮23(図示正面)と下面外皮24(図示裏面)とが離型シート13を挟んで接着することがない。 One edge of the skin 20 (the portion covering the core leading edge 11) corresponds to the propeller leading edge where the propeller receives strong wind pressure during flight, and is designated as the skin leading edge 21. The other edge of the skin 20 (the portion covering the core trailing edge 12) corresponds to the propeller trailing edge where air flows through the propeller, and is designated as the skin trailing edge 22. At the skin trailing edge 22, the upper skin 23 (front side in the figure) and the lower skin 24 (back side in the figure) of the skin 20 are not bonded together with the release sheet 13 sandwiched between them.
なお、この状態においては、CFRPのマトリックス樹脂は硬化していない。そこで、中子10を内部に保持した外皮20を密封し、内部を真空吸引し脱気する。このようにして、外皮20を中子10の形状に沿わせた状態で加熱炉に投入し、マトリックス樹脂(熱硬化性樹脂)の硬化反応を完結させる。一方、CFRTPの場合には、マトリックス樹脂(熱可塑性樹脂)が硬化する前に、中子10を内部に保持した外皮20を密封し、内部を真空吸引し脱気する。このようにして、外皮20を中子10の形状に沿わせた状態で冷却し、熱可塑性樹脂を硬化させる。 In this state, the matrix resin of the CFRP has not yet hardened. Therefore, the outer shell 20 holding the core 10 inside is sealed, and the inside is vacuum-suctioned and degassed. In this way, the outer shell 20 is placed in a heating furnace while conforming to the shape of the core 10, and the curing reaction of the matrix resin (thermosetting resin) is completed. On the other hand, in the case of CFRTP, before the matrix resin (thermoplastic resin) hardens, the outer shell 20 holding the core 10 inside is sealed, and the inside is vacuum-suctioned and degassed. In this way, the outer shell 20 is cooled while conforming to the shape of the core 10, and the thermoplastic resin is hardened.
このように、本発明において「硬化」とは、CFRPの熱硬化性樹脂が反応して硬化することに加え、CFRTPの熱可塑性樹脂が高温の軟化状態から低温の結晶状態などに硬化することの両方を含む。これらの操作により、外皮20は、設計されたプロペラの形状を固定することができる。 Thus, in the present invention, "hardening" includes both the reaction and hardening of the thermosetting resin in the CFRP, as well as the hardening of the thermoplastic resin in the CFRTP from a high-temperature softened state to a low-temperature crystalline state, etc. These operations allow the outer skin 20 to fix the designed propeller shape.
(5)プロペラ形状に成形された外皮の内部から中子を取り出す
図5は、中子10の表面全体に貼付したCFRP又はCFRTPのマトリックス樹脂を硬化させた後に、プロペラの外皮20の内部から中子10を取り出す状態を示す概要平面図である。図5においては、外皮後縁22の上面外皮23と下面外皮24とが接着していない部分から、中子10を取り出すことができる。中子10を取り出した外皮20は、プロペラの形状をして内部が中空となる。
(5) Removing the core from inside the outer skin molded into a propeller shape Figure 5 is a schematic plan view showing the state in which the core 10 is removed from inside the outer skin 20 of a propeller after the CFRP or CFRTP matrix resin affixed to the entire surface of the core 10 has been cured. In Figure 5, the core 10 can be removed from the portion of the skin trailing edge 22 where the upper skin 23 and the lower skin 24 are not bonded. The outer skin 20 from which the core 10 has been removed has the shape of a propeller and is hollow inside.
なお、図5においては、プロペラ形状のまま中子10を取り出すことができる。よって、取り出した中子10は、再度プロペラの製造に使用することができる。このことにより、プロペラの製造コストを更に抑えることができる。一方、外皮20の内部で中子10を複数の断片に分割すれば、取り出しが容易になる。また、この場合には、離型シート13を短くして、外皮後縁22の上面外皮23と下面外皮24との非接着部位を狭くする。このことにより、プロペラの後縁の接着部位を少なくして、プロペラの強度を更に向上させることができる。 In FIG. 5, the core 10 can be removed while still in the propeller shape. Therefore, the removed core 10 can be reused to manufacture propellers. This can further reduce the manufacturing costs of the propeller. On the other hand, if the core 10 is divided into multiple pieces inside the outer skin 20, it becomes easier to remove. In this case, the release sheet 13 is shortened to narrow the non-adhesive area between the upper outer skin 23 and the lower outer skin 24 of the outer skin trailing edge 22. This can reduce the adhesive area at the trailing edge of the propeller, further improving the strength of the propeller.
一方、中子10を溶剤で溶解する樹脂、好ましくは水溶性樹脂で作製した場合には、外皮20の内部で当該樹脂を溶解又は膨潤した状態で取り出すことができる。水溶性樹脂で中子10作製する場合には、3Dプリンターを利用して作製してもよい。なお、水溶性樹脂としては、完全に溶解する樹脂に限らず、水で膨潤するものでもよい。例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリルアミド(PAA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ブテンジオールビニルアルコールコポリマー(PVOH)などが挙げられる。 On the other hand, if the core 10 is made of a resin that dissolves in a solvent, preferably a water-soluble resin, the resin can be taken out in a dissolved or swollen state inside the outer shell 20. If the core 10 is made of a water-soluble resin, it may be made using a 3D printer. The water-soluble resin is not limited to resins that dissolve completely, and may be one that swells in water. Examples include polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylamide (PAA), carboxymethyl cellulose (CMC), butenediol vinyl alcohol copolymer (PVOH), etc.
(6)プロペラ形状に成形された外皮の内部に主桁とリブを挿入
次に、プロペラの強度を確保するために、中空の外皮20の内部に1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなるプロペラ骨格を挿入する。図6は、中子10を取り出した外皮20の内部に、プロペラ骨格を挿入する状態を示す概要平面図である。主桁31には、複数のリブ32が固定されプロペラ形状を維持・補強することができる。主桁31には、強度と軽量化を考慮してCFRPロッドなどを使用することが好ましい。また、リブ32には、CFRPボードなどを使用することが好ましい。
(6) Inserting the main girder and ribs inside the outer skin molded into the propeller shape Next, in order to ensure the strength of the propeller, a propeller skeleton consisting of one main girder and multiple ribs connected to it is inserted inside the hollow outer skin 20. Figure 6 is a schematic plan view showing the state in which the propeller skeleton is inserted inside the outer skin 20 from which the core 10 has been removed. Multiple ribs 32 are fixed to the main girder 31, so that the propeller shape can be maintained and reinforced. It is preferable to use CFRP rods or the like for the main girder 31 in consideration of strength and weight reduction. It is also preferable to use CFRP boards or the like for the ribs 32.
(7)外皮の上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を接着
図7は、外皮20の内部にプロペラ骨格が挿入され、上面外皮23と下面外皮24とが接着されて完成したプロペラ40を示す概要平面図である。このプロペラ40は、上下面を外皮20で覆われ、プロペラ前縁41には上面外皮23と下面外皮24との接着部位を有していない。一方、プロペラ後縁42には上面外皮23と下面外皮24との接着部位を有している。また、外皮20の内部は、1本の主桁31とこれに接続された複数枚のリブ32のみで構成され、その他の部分は中空である。主桁31の一方の端部は、外皮20の外部に突出しており、この部分に接続端子33が設けられ、ペダルシヤフトの回転を伝える動力伝達機構に接続される。
(7) Bonding of Unbonded Parts of the Upper Skin and the Lower Skin of the Skin Fig. 7 is a schematic plan view showing a propeller 40 completed by inserting a propeller skeleton inside the skin 20 and bonding the upper skin 23 and the lower skin 24. The upper and lower surfaces of this propeller 40 are covered with the skin 20, and the propeller leading edge 41 does not have a bonding part between the upper skin 23 and the lower skin 24. On the other hand, the propeller trailing edge 42 has a bonding part between the upper skin 23 and the lower skin 24. The inside of the skin 20 is composed of only one main spar 31 and a plurality of ribs 32 connected thereto, and the other parts are hollow. One end of the main spar 31 protrudes outside the skin 20, and a connection terminal 33 is provided on this part and is connected to a power transmission mechanism that transmits the rotation of the pedal shaft.
次に、本第1実施形態に係るプロペラを各実施例により説明する。なお、本発明は、以下に説明する各実施例にのみ限定されるものではない。 Next, the propeller according to the first embodiment will be described using examples. Note that the present invention is not limited to the examples described below.
本実施例1は、中子の作製を3Dプリンターで行い、プロペラの外皮を炭素繊維織物に熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として構成するCFRPで作製するものである。以下、具体的に説明する。 In this Example 1, the core is made using a 3D printer, and the outer skin of the propeller is made from CFRP, which is made of woven carbon fiber and a thermosetting resin as the matrix resin. The details are explained below.
まず、プロペラの設計データを基に、3Dプリンターを用いて中子10を作製した(図1参照)。本実施例1においては、ABS樹脂(アクリロニトリル、ブタジエン、スチレンの共重合体)により中子を作製した。次に、中子10の中子後縁12に離型シート13を付与した。本実施例1においては、OPPテープ(延伸ポリプロピレンフィルムに粘着剤を塗布した粘着テープ)を使用した(図2参照)。また、離型シート13が付与されていない中子10の表面全体にも、OPPテープを貼付した。 First, a core 10 was created using a 3D printer based on the design data for the propeller (see Figure 1). In this Example 1, the core was created using ABS resin (a copolymer of acrylonitrile, butadiene, and styrene). Next, a release sheet 13 was applied to the trailing edge 12 of the core 10. In this Example 1, OPP tape (an adhesive tape made of a stretched polypropylene film coated with an adhesive) was used (see Figure 2). In addition, OPP tape was also applied to the entire surface of the core 10 that did not have the release sheet 13 applied.
次に、中子10の表面全体にCFRPのプリプレグシート14を貼付した。本実施例1においては、炭素繊維織物(3K平織カーボン)に熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含侵したプリプレグシート14のみを使用した。なお、上述したように、中子前縁11を跨ぐようにして中子10の上下面にプリプレグシート14を貼付した。一方、中子後縁12を跨ぐことなく上面及び下面にプリプレグシート14を貼付した(図3参照)。なお、プロペラの強度を補強するため、必要な部分にはプリプレグシート14を積層し、必要により繊維方向を変化させて積層した。このようにして、中子10の表面にプリプレグシート14が貼付され、プロペラ形状をした外皮が形成された(図4参照)。 Next, a CFRP prepreg sheet 14 was attached to the entire surface of the core 10. In this Example 1, only a prepreg sheet 14 made of carbon fiber fabric (3K plain weave carbon) impregnated with epoxy resin, which is a thermosetting resin, was used. As described above, the prepreg sheet 14 was attached to the top and bottom surfaces of the core 10 so as to straddle the core leading edge 11. On the other hand, the prepreg sheet 14 was attached to the top and bottom surfaces without straddling the core trailing edge 12 (see Figure 3). In order to reinforce the strength of the propeller, the prepreg sheet 14 was laminated where necessary, and the fiber direction was changed as necessary. In this way, the prepreg sheet 14 was attached to the surface of the core 10, and a propeller-shaped outer skin was formed (see Figure 4).
次に、CFRPの熱硬化性樹脂を反応させて硬化し、設計されたプロペラ形状の外皮20を固定した。まず、プリプレグシート14が貼付された中子10を袋に入れて密封し、内部を真空吸引した。次に、この状態の中子10を加熱炉に投入し、80℃に昇温して外皮20のエポキシ樹脂の硬化反応を完結させた。この状態で、外皮20は、設計されたプロペラ形状に固定され、外皮後縁22が開放された状態となっている。 Then, the thermosetting resin of the CFRP was reacted and hardened, and the skin 20 with the designed propeller shape was fixed. First, the core 10 with the prepreg sheet 14 attached was placed in a bag, sealed, and the inside was evacuated. Next, the core 10 in this state was placed in a heating furnace, and the temperature was raised to 80°C to complete the hardening reaction of the epoxy resin of the skin 20. In this state, the skin 20 was fixed in the designed propeller shape, and the skin trailing edge 22 was left open.
次に、プロペラ形状に固定された外皮20の内部から、開放された外皮後縁22を介して中子10を取り出した(図5参照)。次に、中空となった外皮20の内部に、開放された外皮後縁22を介して主桁31とリブ32とからなるプロペラ骨格を挿入した。本実施例1においては、主桁31にはCFRPロッドを使用し、リブ32にはCFRPボードを使用した。なお、主桁31とリブ32とは、予め組み立てた状態のプロペラ骨格として外皮20の内部に挿入し、リブ32の外縁を外皮20の内部に接着固定した(図6参照)。 Next, the core 10 was removed from the inside of the outer skin 20 fixed in the propeller shape through the opened trailing edge 22 of the outer skin (see FIG. 5). Next, a propeller skeleton consisting of the main girders 31 and ribs 32 was inserted into the hollow inside of the outer skin 20 through the opened trailing edge 22 of the outer skin. In this Example 1, a CFRP rod was used for the main girders 31, and a CFRP board was used for the ribs 32. The main girders 31 and the ribs 32 were inserted into the inside of the outer skin 20 as a propeller skeleton in a pre-assembled state, and the outer edge of the ribs 32 was adhesively fixed to the inside of the outer skin 20 (see FIG. 6).
次に、プロペラ骨格が挿入された外皮20の開放された外皮後縁22を封鎖した。本実施例1においては、上面外皮23と下面外皮24とをエポキシ系の接着剤で接着した。このようにして、本実施例1のプロペラ40が完成した(図7参照)。プロペラ40の一方の端部には、主桁31の接続端子33が設けられ、ペダルシヤフトの回転を伝える動力伝達機構に接続される。 Next, the open skin trailing edge 22 of the skin 20 into which the propeller skeleton was inserted was sealed. In this embodiment 1, the upper skin 23 and the lower skin 24 were bonded with an epoxy adhesive. In this way, the propeller 40 of this embodiment 1 was completed (see Figure 7). A connection terminal 33 of the main girder 31 is provided at one end of the propeller 40, and is connected to a power transmission mechanism that transmits the rotation of the pedal shaft.
本実施例2は、上記実施例1と同様の中子を3Dプリンターで作成し、プロペラの外皮を炭素繊維織物に熱可塑性樹脂をマトリックス樹脂として構成するCFRTPで作製するものである。以下、具体的に説明する。 In this second embodiment, a core similar to that in the first embodiment is created using a 3D printer, and the outer skin of the propeller is made using CFRTP, which is made of carbon fiber fabric and thermoplastic resin as the matrix resin. The details are explained below.
まず、プロペラの設計データを基に、3Dプリンターを用いて中子10を作製した。本実施例2においては、上記実施例1と同様のABS樹脂により中子を作製した。次に、中子10の中子後縁12に上記実施例1と同様のOPPテープを使用して離型シート13を付与した。また、離型シート13が付与されていない中子10の表面全体にも、OPPテープを貼付した。 First, the core 10 was created using a 3D printer based on the design data of the propeller. In this Example 2, the core was created using the same ABS resin as in Example 1 above. Next, a release sheet 13 was applied to the core trailing edge 12 of the core 10 using the same OPP tape as in Example 1 above. In addition, OPP tape was also applied to the entire surface of the core 10 where the release sheet 13 was not applied.
次に、中子10の表面全体にCFRTPのプリプレグシート14を貼付した。本実施例2においては、上記実施例1と同様の炭素繊維織物(3K平織カーボン)に熱可塑性樹脂であるポリアミド樹脂(ナイロン66)を含侵したプリプレグシート14のみを使用した。なお、本実施例2においては、CFRTPを使用することからナイロン66の融点265℃にプリプレグシート14を加熱し、ナイロン66のガラス転移点75℃以上を維持した状態で貼付を行った。 Next, a CFRTP prepreg sheet 14 was attached to the entire surface of the core 10. In this Example 2, only a prepreg sheet 14 was used, which was made of carbon fiber fabric (3K plain weave carbon) similar to that in Example 1 above, impregnated with polyamide resin (nylon 66), which is a thermoplastic resin. Since CFRTP was used in this Example 2, the prepreg sheet 14 was heated to the melting point of nylon 66, 265°C, and attachment was performed while maintaining the glass transition point of nylon 66 at or above 75°C.
次に、CFRTPの熱可塑性樹脂を冷却して硬化し、設計されたプロペラ形状の外皮20を固定した。まず、プリプレグシート14が貼付された中子10を袋に入れて密封し、内部を真空吸引してプリプレグシート14を中子10に密着させると共に脱気した。次に、この状態の中子10を冷却しナイロン66を結晶化した。この状態で、外皮20は、設計されたプロペラ形状に固定され、外皮後縁22が開放された状態となっている。 Then, the thermoplastic resin of the CFRTP was cooled and hardened, and the skin 20 in the designed propeller shape was fixed. First, the core 10 with the prepreg sheet 14 attached was placed in a bag and sealed, and the inside was evacuated to adhere the prepreg sheet 14 to the core 10 and degassed. Next, the core 10 in this state was cooled to crystallize the nylon 66. In this state, the skin 20 was fixed in the designed propeller shape, and the skin trailing edge 22 was left open.
次に、プロペラ形状に固定された外皮20の内部から、開放された外皮後縁22を介して中子10を取り出した。次に、中空となった外皮20の内部に、開放された外皮後縁22を介してプロペラ骨格を挿入し、リブ32の外縁を外皮20の内部に接着固定した。なお、本実施例2においては、上記実施例1と同様のプロペラ骨格を使用した。 Next, the core 10 was removed from the inside of the outer skin 20, which had been fixed in a propeller shape, via the open outer skin trailing edge 22. Next, a propeller skeleton was inserted into the hollow inside of the outer skin 20 via the open outer skin trailing edge 22, and the outer edge of the rib 32 was adhesively fixed to the inside of the outer skin 20. In this Example 2, a propeller skeleton similar to that in Example 1 was used.
次に、プロペラ骨格が挿入された外皮20の開放された外皮後縁22を封鎖した。本実施例2においては、上記実施例1と同様にして上面外皮23と下面外皮24とをエポキシ系の接着剤で接着した。このようにして、本実施例2のプロペラ40が完成した。 Next, the open skin trailing edge 22 of the skin 20 into which the propeller skeleton was inserted was sealed. In this second embodiment, the upper skin 23 and the lower skin 24 were bonded together with an epoxy adhesive in the same manner as in the first embodiment. In this manner, the propeller 40 of this second embodiment was completed.
本実施例3は、水溶性樹脂を使用して中子を3Dプリンターで作成し、プロペラの外皮を上記実施例1と同様の熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として構成するCFRPで作製するものである。以下、具体的に説明する。 In this third embodiment, the core is made with a 3D printer using a water-soluble resin, and the outer shell of the propeller is made of CFRP using a thermosetting resin as the matrix resin, similar to that of the first embodiment. The details are explained below.
まず、プロペラの設計データを基に、3Dプリンターを用いて中子10を作製した。本実施例3においては、水溶性樹脂としてポリビニルアルコール(PVA)により中子を作製した。次に、中子10の中子後縁12に上記実施例1と同様のOPPテープを使用して離型シート13を付与した。なお、本実施例3においては、水溶性樹脂からなる中子を溶解して取り出すので、中子10の表面全体にはOPPテープを貼付しなかった。 First, the core 10 was created using a 3D printer based on the design data of the propeller. In this Example 3, the core was created using polyvinyl alcohol (PVA) as the water-soluble resin. Next, a release sheet 13 was applied to the core trailing edge 12 of the core 10 using the same OPP tape as in Example 1 above. In this Example 3, the core made of water-soluble resin was dissolved and removed, so OPP tape was not applied to the entire surface of the core 10.
次に、中子10の表面全体にCFRPのプリプレグシート14を貼付した。本実施例3においては、上記実施例1と同様の炭素繊維織物(3K平織カーボン)に熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含侵したプリプレグシート14のみを使用した。このようにして、中子10の表面にプリプレグシート14が貼付され、プロペラ形状をした外皮が形成された。 Next, a CFRP prepreg sheet 14 was attached to the entire surface of the core 10. In this Example 3, only a prepreg sheet 14 was used, which was made of carbon fiber fabric (3K plain weave carbon) similar to that in Example 1 above, impregnated with epoxy resin, a thermosetting resin. In this way, the prepreg sheet 14 was attached to the surface of the core 10, and a propeller-shaped outer skin was formed.
次に、CFRPの熱硬化性樹脂を反応させて硬化し、設計されたプロペラ形状の外皮20を固定した。本実施例3においては、上記実施例1と同様の操作で外皮20のエポキシ樹脂の硬化反応を完結させた。この状態で、外皮20は、設計されたプロペラ形状に固定され、外皮後縁22が開放された状態となっている。 Next, the thermosetting resin of the CFRP was reacted and cured, and the skin 20 was fixed in the designed propeller shape. In this Example 3, the curing reaction of the epoxy resin of the skin 20 was completed by the same operation as in Example 1 above. In this state, the skin 20 was fixed in the designed propeller shape, and the skin trailing edge 22 was in an open state.
次に、プロペラ形状に固定された外皮20の内部から、開放された外皮後縁22を介して中子10を取り出した。なお、本実施例3においては、中子10を水溶性樹脂であるポリビニルアルコールにより作製した。よって、外皮20の内部から中子10を取り出す際に、中子10を温湯で溶解して取り出すことができ、取り出し操作が容易であった。更に、外皮後縁22の開放部位を小さくすることができ、プロペラ強度を向上させることができる。 Next, the core 10 was removed from inside the outer skin 20, which was fixed in the shape of a propeller, via the open outer skin trailing edge 22. In this Example 3, the core 10 was made of polyvinyl alcohol, a water-soluble resin. Therefore, when removing the core 10 from inside the outer skin 20, the core 10 could be dissolved in hot water and removed, making the removal operation easy. Furthermore, the open area of the outer skin trailing edge 22 could be made smaller, improving the strength of the propeller.
次に、中空となった外皮20の内部に、開放された外皮後縁22を介してプロペラ骨格を挿入し、リブ32の外縁を外皮20の内部に接着固定した。なお、本実施例3においては、上記実施例1と同様のプロペラ骨格を使用した。次に、プロペラ骨格が挿入された外皮20の開放された外皮後縁22を封鎖した。本実施例3においては、上記実施例1と同様にして上面外皮23と下面外皮24とをエポキシ系の接着剤で接着した。このようにして、本実施例3のプロペラ40が完成した。 Next, the propeller skeleton was inserted into the hollow skin 20 via the open skin trailing edge 22, and the outer edge of the rib 32 was glued and fixed to the inside of the skin 20. In this Example 3, the same propeller skeleton as in Example 1 above was used. Next, the open skin trailing edge 22 of the skin 20 into which the propeller skeleton was inserted was sealed. In this Example 3, the upper skin 23 and the lower skin 24 were glued together with an epoxy adhesive in the same manner as in Example 1 above. In this manner, the propeller 40 of this Example 3 was completed.
以上説明したように、本第1実施形態においては、プロペラの外皮の周縁の接着部を小さくし、特に前縁に接着部を有さず、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラ及びその製造方法を提供することができる。 As described above, in the first embodiment, the adhesive portion around the periphery of the propeller skin is small, and there is no adhesive portion at the leading edge in particular, making it possible to provide a flight propeller and a manufacturing method thereof that has sufficient strength as a propeller, is lightweight due to the provision of a hollow portion inside, and has low manufacturing costs.
≪第2実施形態≫
第2実施形態は、1本の主桁と複数枚のリブからなるプロペラ骨格を内部に包含する中子を使用し、プロペラ形状に成形された炭素繊維強化プラスチックからなる外皮の内部から中子を溶解又は膨潤した状態で取り出す方法である。本第2実施形態の各工程を以下に具体的に説明する。
Second Embodiment
In the second embodiment, a core that contains a propeller skeleton consisting of one main girder and multiple ribs is used, and the core is removed in a dissolved or swollen state from inside a shell made of carbon fiber reinforced plastic molded into a propeller shape. Each step of the second embodiment will be specifically described below.
(1)1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなるプロペラ骨格を準備
本第2実施形態においては、まず、プロペラの強度を確保するために、中空の外皮の内部に配置するプロペラ骨格(1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブ)を準備する。プロペラ骨格の構造は、上記第1実施形態と同様であり、主桁には、強度と軽量化を考慮してCFRPロッドなどを使用することが好ましい。また、リブには、CFRPボードなどを使用することが好ましい。
(1) Preparing a propeller skeleton consisting of one main girder and multiple ribs connected to it In this second embodiment, first, in order to ensure the strength of the propeller, a propeller skeleton (one main girder and multiple ribs connected to it) is prepared, which is placed inside the hollow outer skin. The structure of the propeller skeleton is the same as in the first embodiment, and it is preferable to use CFRP rods or the like for the main girder in consideration of strength and weight reduction. It is also preferable to use CFRP boards or the like for the ribs.
(2)溶剤可溶性の樹脂を用いて、前記プロペラ骨格を内部に包含するプロペラ形状を有する中子を作製
本第2実施形態においては、プロペラ骨格を内部に包含するプロペラ形状を有する中子を使用する。図8は、第2実施形態で使用する中子110を示す概要平面図である。図8において、中子110の一方のエッジは、プロペラが飛行中に大きな風圧を受けるプロペラ前縁に対応する部分であって、これを中子前縁111とする。また、中子110の他方のエッジは、プロペラを介して空気が流れていくプロペラ後縁に対応する部分であって、これを中子後縁112とする。なお、図1においては、プロペラの各部位での傾斜や厚みなどの3次元形状については省略する。
(2) Using a solvent-soluble resin to fabricate a propeller-shaped core that contains the propeller skeleton inside In this second embodiment, a propeller-shaped core that contains the propeller skeleton inside is used. Fig. 8 is a schematic plan view showing a core 110 used in the second embodiment. In Fig. 8, one edge of the core 110 corresponds to the propeller leading edge that receives a large wind pressure during flight of the propeller, and this is referred to as a core leading edge 111. The other edge of the core 110 corresponds to the propeller trailing edge through which air flows through the propeller, and this is referred to as a core trailing edge 112. Note that in Fig. 1, the three-dimensional shape of the propeller, such as the inclination and thickness at each portion, is omitted.
図8において、中子110の内部には、1本の主桁131とこれに接続された複数枚のリブ132(図8においては6枚)が固定されたプロペラ骨格が包含されている。なお、主桁131は中子110の内部に埋め込まれているが、リブ132の外縁は中子110の内部に埋め込まれることなく、中子110の表面に露出している。この露出した中子110の表面は、後述するプロペラの外皮の内部に接着してプロペラの強度を補強する。また、中子110の内部にプロペラ骨格が包含されていることにより、中子110は各リブ132により複数のブロックa~fに分割されている(図8においては6ブロック)。 In FIG. 8, the inside of the core 110 contains a propeller skeleton with one main girder 131 and multiple ribs 132 (six in FIG. 8) connected to it. The main girder 131 is embedded inside the core 110, but the outer edges of the ribs 132 are not embedded inside the core 110 and are exposed on the surface of the core 110. This exposed surface of the core 110 is bonded to the inside of the propeller skin, which will be described later, to reinforce the strength of the propeller. Also, because the propeller skeleton is contained inside the core 110, the core 110 is divided into multiple blocks a-f by the ribs 132 (six blocks in FIG. 8).
本第2実施形態においては、中子110を作製する材料として溶剤可溶性の樹脂を使用する。溶剤可溶性の樹脂としては、特に限定するものではないが、後述する外皮を構成するCFRP又はCFRTPのマトリックス樹脂に影響を及ぼさない溶剤に可溶性であることが必要である。例えば、柑橘類から採取され、安全な溶剤として注目されているリモネンが挙げられる。リモネンに可溶性の樹脂としては、例えば、ポリスチレンや発泡スチロールがあり、また耐衝撃性ポリスチレン(HiPS)を使用することもできる。 In this second embodiment, a solvent-soluble resin is used as the material for producing the core 110. There are no particular limitations on the solvent-soluble resin, but it is necessary that the resin is soluble in a solvent that does not affect the matrix resin of the CFRP or CFRTP that constitutes the outer skin, which will be described later. For example, limonene, which is extracted from citrus fruits and has attracted attention as a safe solvent, can be used. Examples of resins that are soluble in limonene include polystyrene and polystyrene foam, and high impact polystyrene (HiPS) can also be used.
なお、本発明においては、溶剤可溶性の樹脂として水溶性樹脂を含むものであり、水を溶剤とする水溶性樹脂を使用することが好ましい。水溶性樹脂としては、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)、ポリアクリルアミド(PAA)、カルボキシメチルセルロース(CMC)、ブテンジオールビニルアルコールコポリマー(PVOH)などが挙げられる。水溶性樹脂を含む溶剤可溶性の樹脂を使用して中子110を作製する場合には、プロペラ骨格を包含することもあり、3Dプリンターを用いることが好ましい。 In the present invention, the solvent-soluble resin includes a water-soluble resin, and it is preferable to use a water-soluble resin that uses water as a solvent. Examples of water-soluble resins include polyvinyl alcohol (PVA), polyacrylamide (PAA), carboxymethyl cellulose (CMC), butenediol vinyl alcohol copolymer (PVOH), etc. When producing the core 110 using a solvent-soluble resin that includes a water-soluble resin, it is preferable to use a 3D printer, as it may include a propeller skeleton.
(3)中子の上下両面に1枚又は複数枚が積層された炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付
中子110の表面全体にCFRP又はCFRTPのプリプレグシートを貼付する。図9は、中子110の表面全体がCFRP又はCFRTPのプリプレグシートで被覆された状態を示す概要平面図である。図9において、外皮120の内部には、プロペラ骨格が包含された中子110が含まれている。なお、本第2実施形態においては、上記第1実施形態と異なり、中子前縁111及び中子後縁112の両方を跨ぐようにして上下面にプリプレグシートを貼付する。このことにより、図9においては、外皮前縁121だけでなく外皮後縁122においても解放された部位がなく、プロペラの設計強度を更に向上させることができる。
(3) Affixing one or more laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to the upper and lower surfaces of the core A CFRP or CFRTP prepreg sheet is affixed to the entire surface of the core 110. FIG. 9 is a schematic plan view showing a state in which the entire surface of the core 110 is covered with a CFRP or CFRTP prepreg sheet. In FIG. 9, the core 110 containing the propeller skeleton is included inside the outer shell 120. In the second embodiment, unlike the first embodiment, prepreg sheets are affixed to the upper and lower surfaces so as to straddle both the core leading edge 111 and the core trailing edge 112. As a result, in FIG. 9, there are no open areas not only on the outer shell leading edge 121 but also on the outer shell trailing edge 122, which can further improve the design strength of the propeller.
なお、プリプレグシートを構成する炭素繊維とマトリックス樹脂との組み合わせについては、特に限定するものではない。上記第1実施形態と同様に、炭素繊維としては、UDプリプレグシートや織物プリプレグシートを使用することができる。また、CFRPのマトリックス樹脂(熱硬化性樹脂)とCFRTPのマトリックス樹脂(熱可塑性樹脂)は、上記第1実施形態と同様の各種樹脂を使用することができる。 The combination of carbon fiber and matrix resin that constitute the prepreg sheet is not particularly limited. As in the first embodiment, UD prepreg sheets and woven prepreg sheets can be used as the carbon fiber. Also, the matrix resin (thermosetting resin) of the CFRP and the matrix resin (thermoplastic resin) of the CFRTP can be various resins similar to those in the first embodiment.
(4)プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化してプロペラ形状の外皮を成形
図9においては、中子110の表面全体は、プリプレグシートで覆われており、プロペラの形状の外皮120のマトリックス樹脂は硬化前の状態にある。そこで、プロペラ骨格を包含した中子110を内部に保持した外皮120のマトリックス樹脂を硬化させる。CFRP及びCFRTPの樹脂の硬化操作は、上記第1実施形態と同様であり、ここでは省略する。
(4) Forming a propeller-shaped outer skin by curing the matrix resin of the prepreg sheet In Fig. 9, the entire surface of the core 110 is covered with a prepreg sheet, and the matrix resin of the propeller-shaped outer skin 120 is in an uncured state. Then, the matrix resin of the outer skin 120 that holds the core 110 containing the propeller skeleton inside is cured. The curing operation of the CFRP and CFRTP resins is the same as in the first embodiment, and will not be described here.
(5)外皮の一部を開放して、前記中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出す
本第2実施形態においては、中子110が溶剤可溶性の樹脂で作製されている。また、中子110は、プロペラ骨格を包含している。そこで、本第2実施形態においては、外皮120の一部を開放して、中子110を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出す。なお、開放部位は最小限にとどめ、外皮120の外皮前縁121及び外皮後縁122に設けないことが好ましい。図10は、中子110の表面全体に貼付したCFRP又はCFRTPのマトリックス樹脂を硬化させた後に、プロペラの外皮120の内部から中子110を溶解して取り出す状態を示す概要平面図である。
(5) Part of the outer shell is opened, and the core 110 is taken out in a state of being dissolved or swollen with a solvent In the second embodiment, the core 110 is made of a solvent-soluble resin. The core 110 also includes the propeller skeleton. In the second embodiment, therefore, part of the outer shell 120 is opened, and the core 110 is taken out in a state of being dissolved or swollen with a solvent. It is preferable to keep the open area to a minimum, and not to provide the open area at the outer shell leading edge 121 and the outer shell trailing edge 122 of the outer shell 120. Fig. 10 is a schematic plan view showing the state in which the core 110 is dissolved and taken out from inside the outer shell 120 of the propeller after the CFRP or CFRTP matrix resin attached to the entire surface of the core 110 is hardened.
図10において、中子110は、プロペラ骨格を包含しており、6ブロック(図8のa~f)に分割されている。そこで、各ブロックa~fにそれぞれ対応した小さな解放部a1~f1を設ける。これにより、各解放部a1~f1から外皮120の内部に溶剤を投入し、各ブロックa~fの樹脂を溶解又は膨潤して外部に取り出すことができる。中子110を溶解又は膨潤して取り出した外皮120は、プロペラ骨格を内部に有してプロペラの形状をして内部が中空となる。なお、プロペラ骨格のリブ132は、CFRP又はCFRTPのマトリックス樹脂により外皮120の内部に接着固定されている。 In FIG. 10, the core 110 contains the propeller skeleton and is divided into six blocks (a-f in FIG. 8). Small open sections a1-f1 are provided for each block a-f. This allows a solvent to be poured into the inside of the outer shell 120 from each open section a1-f1, dissolving or swelling the resin of each block a-f and removing it to the outside. The outer shell 120 removed by dissolving or swelling the core 110 has the propeller skeleton inside, is propeller-shaped, and is hollow inside. The ribs 132 of the propeller skeleton are adhesively fixed to the inside of the outer shell 120 by a matrix resin of CFRP or CFRTP.
(6)中子を取り出した前記外皮の開放された部位を修復
最後に、中子110を溶解又は膨潤して取り出した各解放部a1~f1を接着等により修復する。図11は、プロペラ140の外皮120の内部から中子が取り出され、取り出した解放部a1~f1が修復されて完成した本第2実施形態のプロペラを示す概要平面図である。
(6) Repairing the opened portions of the outer shell from which the cores were removed Finally, each of the opened portions a1 to f1 that were removed by dissolving or swelling the cores 110 is repaired by gluing, etc. Figure 11 is a schematic plan view showing the propeller of the second embodiment that has been completed after the cores have been removed from inside the outer shell 120 of the propeller 140 and the removed open portions a1 to f1 have been repaired.
このプロペラ140は、上下面を外皮120で覆われ、プロペラ前縁141及びプロペラ後縁142には上面外皮と下面外皮との接着部位を有していない。また、外皮120の内部は、1本の主桁131とこれに接続された複数枚のリブ132のみで構成され、その他の部分は中空である。主桁131の一方の端部は、外皮120の外部に突出しており、この部分に接続端子133が設けられ、ペダルシヤフトの回転を伝える動力伝達機構に接続される。 The upper and lower surfaces of this propeller 140 are covered with an outer skin 120, and the propeller leading edge 141 and the propeller trailing edge 142 do not have any adhesive areas between the upper and lower outer skins. The inside of the outer skin 120 is composed only of one main girder 131 and multiple ribs 132 connected to it, and the rest of the skin is hollow. One end of the main girder 131 protrudes outside the outer skin 120, and a connection terminal 133 is provided at this part, which is connected to a power transmission mechanism that transmits the rotation of the pedal shaft.
次に、本第2実施形態に係るプロペラを実施例により説明する。なお、本発明は、以下に説明する実施例にのみ限定されるものではない。 Next, the propeller according to the second embodiment will be described using examples. Note that the present invention is not limited to the examples described below.
本実施例4は、プロペラ骨格を包含した中子の作製を3Dプリンターにより水溶性樹脂で行い、プロペラの外皮を炭素繊維織物に熱硬化性樹脂をマトリックス樹脂として構成するCFRPで作製するものである。以下、具体的に説明する。 In this fourth embodiment, the core containing the propeller skeleton is made from water-soluble resin using a 3D printer, and the outer skin of the propeller is made from CFRP, which is made of carbon fiber fabric and a thermosetting resin as the matrix resin. The details are explained below.
まず、主桁131に6枚のリブ132を固定して組み立てたプロペラ骨格を準備した。本実施例4においては、上記実施例1と同様に、主桁131にはCFRPロッドを使用し、リブ132にはCFRPボードを使用した。次に、プロペラの設計データを基に、3Dプリンターを用いてプロペラ骨格を包含する中子110を作製した(図8参照)。本実施例4においては、水溶性樹脂であるポリビニルアルコール(PVA)により110中子を作製した。 First, a propeller skeleton was prepared by assembling six ribs 132 fixed to the main girders 131. In this Example 4, as in the above Example 1, CFRP rods were used for the main girders 131, and CFRP boards were used for the ribs 132. Next, based on the propeller design data, a 3D printer was used to create a core 110 that contains the propeller skeleton (see Figure 8). In this Example 4, the core 110 was created using polyvinyl alcohol (PVA), a water-soluble resin.
次に、中子110の表面全体にCFRPのプリプレグシートを貼付した。本実施例4においては、上記実施例1と同様に、炭素繊維織物(3K平織カーボン)に熱硬化性樹脂であるエポキシ樹脂を含侵したプリプレグシートのみを使用した。なお、上述したように、中子前縁111及び中子後縁112の両方を跨ぐようにして中子110の上下面にプリプレグシートを貼付した(図9参照)。このことにより、外皮前縁121だけでなく外皮後縁122においても解放された部位がない。 Next, a CFRP prepreg sheet was attached to the entire surface of the core 110. In this Example 4, as in Example 1 above, only a prepreg sheet made of carbon fiber fabric (3K plain weave carbon) impregnated with epoxy resin, a thermosetting resin, was used. As described above, the prepreg sheet was attached to the top and bottom surfaces of the core 110 so as to straddle both the core leading edge 111 and the core trailing edge 112 (see Figure 9). As a result, there are no open areas not only on the outer skin leading edge 121 but also on the outer skin trailing edge 122.
次に、CFRPの熱硬化性樹脂を反応させて硬化し、設計されたプロペラ形状の外皮120を固定した。まず、プリプレグシートが貼付された中子110を袋に入れて密封し、内部を真空吸引した。次に、この状態の中子110を加熱炉に投入し、80℃に昇温して外皮120のエポキシ樹脂の硬化反応を完結させた。この状態で、外皮120は、設計されたプロペラ形状に固定され、外皮前縁121及び外皮後縁122に開放された部位がなかった。 Then, the thermosetting resin of the CFRP was reacted and hardened, and the outer skin 120 with the designed propeller shape was fixed. First, the core 110 with the prepreg sheet attached was placed in a bag, sealed, and the inside was evacuated. Next, the core 110 in this state was placed in a heating furnace, and the temperature was raised to 80°C to complete the hardening reaction of the epoxy resin of the outer skin 120. In this state, the outer skin 120 was fixed in the designed propeller shape, and there were no open areas on the leading edge 121 of the outer skin and the trailing edge 122 of the outer skin.
次に、プロペラ形状に固定された外皮120の外皮後縁22に近い部分で、各ブロックa~fに対応する位置に、それぞれ小さな解放部a1~f1として小穴を設けた。次に、各解放部a1~f1から外皮120の内部に温湯を投入し、各ブロックa~fのPVA樹脂を溶解して外部に取り出した(図10参照)。PVA樹脂を取り出した外皮120は、プロペラ骨格を内部に有してプロペラの形状をして内部が中空であった。また、プロペラ骨格の各リブ132は、CFRPのマトリックス樹脂により外皮120の内部に接着固定されていた。 Next, small holes were made as small open sections a1 to f1 in the area of the skin 120 near the rear edge 22, which was fixed into the propeller shape, at positions corresponding to each of the blocks a to f. Next, hot water was poured into the skin 120 from each of the open sections a1 to f1, and the PVA resin in each of the blocks a to f was dissolved and removed to the outside (see Figure 10). The skin 120 from which the PVA resin was removed had a propeller skeleton inside, was propeller shaped, and was hollow inside. Additionally, each rib 132 of the propeller skeleton was adhesively fixed to the inside of the skin 120 by the matrix resin of the CFRP.
次に、PVA樹脂を取り出した各解放部a1~f1の小穴を接着修復した。このようにして、本実施例4のプロペラ140が完成した(図11参照)。プロペラ140の一方の端部には、主桁131の接続端子133が設けられ、ペダルシヤフトの回転を伝える動力伝達機構に接続される。 Next, the small holes in each of the open sections a1 to f1 from which the PVA resin had been removed were repaired with glue. In this way, the propeller 140 of this embodiment 4 was completed (see Figure 11). A connection terminal 133 of the main girder 131 is provided at one end of the propeller 140, and is connected to the power transmission mechanism that transmits the rotation of the pedal shaft.
以上説明したように、本第2実施形態においては、プロペラの外皮の周縁の接着部を最小限にとどめ、プロペラとして十分な強度を有すると共に、内部に中空部を設けて軽量化され、且つ、製造コストを抑えた飛行用プロペラ及びその製造方法を提供することができる。 As described above, in the second embodiment, it is possible to provide a flight propeller and its manufacturing method that minimizes the adhesive around the periphery of the propeller skin, has sufficient strength as a propeller, is lightweight due to the provision of a hollow section inside, and keeps manufacturing costs down.
10,110…中子、11、111…中子前縁、12,112…中子後縁、
13…離型シート、14…プリプレグシート、
20,120…外皮、21,121…外皮前縁、22,122…外皮後縁、
23…上面外皮、24…下面外皮、
31,131…主桁、32,132…リブ、33,133…接続端子、
40,140…プロペラ、41,141…プロペラ前縁、42,142…プロペラ後縁、
a~f…ブロック、a1~f1…解放部。
10, 110 ... core, 11, 111 ... core front edge, 12, 112 ... core rear edge,
13... release sheet, 14... prepreg sheet,
20, 120 ... skin, 21, 121 ... skin front edge, 22, 122 ... skin rear edge,
23...upper surface outer skin, 24...lower surface outer skin,
31, 131... main beam, 32, 132... rib, 33, 133... connection terminal,
40, 140 ... propeller, 41, 141 ... propeller leading edge, 42, 142 ... propeller trailing edge,
a to f: blocks, a1 to f1: open portions.
Claims (7)
設計されたプロペラ形状を有する中子を作製する工程と、
前記中子のプロペラ後縁に対応する部分の一部又は全部に離型シート又は離型剤を付与する工程と、
前記離型シート又は離型剤が付与された前記中子の上下両面に中子前縁を跨ぐと共に中子後縁を跨ぐことなく1枚又は複数枚が積層された前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付する工程と、
前記プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化してプロペラ形状の外皮を成形する工程と、
プロペラ形状に成形された前記炭素繊維強化プラスチックからなる前記外皮の内部から、前記中子のプロペラ後縁に対応する部分に前記離型シート又は離型剤が付与されており且つ前記プリプレグシートが前記中子後縁を跨ぐことなく貼付されていることで上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を介して前記中子を取り出す工程と、
上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を介して、前記中子が取り出された前記外皮の内部に1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなる前記プロペラ骨格を挿入する工程と、
前記プロペラ骨格を挿入した前記外皮の上面外皮と下面外皮とが接着していない部位を接着する工程とを介することにより、
製造された前記飛行用プロペラのプロペラ前縁には上面外皮と下面外皮との接着部位を有さず、プロペラ後縁の一部又は全部には上面外皮と下面外皮との接着部位を有することを特徴とする飛行用プロペラの製造方法。 A method for manufacturing a flight propeller, which is covered with an outer skin made of carbon fiber reinforced plastic, and the inside of the outer skin is hollow except for the main beams and ribs that constitute the propeller skeleton, comprising:
Producing a core having a designed propeller shape;
applying a release sheet or a release agent to a part or all of a portion of the core corresponding to the trailing edge of the propeller;
a step of attaching one or more laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to the upper and lower surfaces of the core to which the release sheet or release agent has been applied , straddling a leading edge of the core but not straddling a trailing edge of the core ;
A step of hardening the matrix resin of the prepreg sheet to form a propeller-shaped outer skin;
a step of removing the core from inside the outer skin made of the carbon fiber reinforced plastic molded into a propeller shape through a portion of the core where the release sheet or release agent is applied to a portion corresponding to the trailing edge of the propeller and where the prepreg sheet is attached without straddling the trailing edge of the core, so that the upper outer skin and the lower outer skin are not bonded to each other;
a step of inserting the propeller skeleton, which is composed of one main girder and a plurality of ribs connected thereto, into the inside of the skin from which the core has been removed, via a portion where the upper skin and the lower skin are not bonded;
By carrying out a process of adhering the unadhered portions of the upper and lower skins of the skin into which the propeller skeleton is inserted,
A method for manufacturing a flight propeller, characterized in that the leading edge of the manufactured flight propeller does not have an adhesion area between the upper skin and the lower skin, and part or all of the trailing edge of the propeller has an adhesion area between the upper skin and the lower skin.
前記中子をプロペラ形状のまま又は分割して取り出すことを特徴とする請求項1に記載の飛行用プロペラの製造方法。 In the step of removing the core from inside the outer shell,
2. The method for manufacturing a flight propeller according to claim 1 , wherein the core is taken out in the shape of a propeller or in a divided form.
前記中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする請求項1に記載の飛行用プロペラの製造方法。 In the step of removing the core from inside the outer shell,
2. The method for manufacturing a flight propeller according to claim 1 , wherein the core is taken out in a dissolved or swollen state with a solvent.
前記外皮の内部から前記中子を水で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする請求項3に記載の飛行用プロペラの製造方法。 The core is made of a water-soluble resin, the solvent is water,
4. The method for manufacturing a flight propeller according to claim 3 , wherein the core is taken out from inside the outer shell in a dissolved or swollen state with water.
1本の主桁とこれに接続された複数枚のリブからなるプロペラ骨格を準備する工程と、
溶剤可溶性の樹脂を用いて、前記プロペラ骨格を内部に包含するプロペラ形状を有する中子を作製する工程と、
前記中子の上下両面に中子前縁及び中子後縁の両方を跨ぐようにして1枚又は複数枚が積層された前記炭素繊維強化プラスチックのプリプレグシートを貼付する工程と、
前記プリプレグシートのマトリックス樹脂を硬化して、プロペラ前縁及びプロペラ後縁に上面外皮と下面外皮との接着部位を有さないプロペラ形状の外皮を成形する工程と、
前記外皮の一部を開放して、前記中子を溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出す工程と、
前記中子を取り出した前記外皮の開放部位を修復する工程とを介することにより、
製造された前記飛行用プロペラの前記外皮の一部に修復した前記開放部位を有することを特徴とする飛行用プロペラの製造方法。 A method for manufacturing a flight propeller, which is covered with an outer skin made of carbon fiber reinforced plastic, and the inside of the outer skin is hollow except for the main beams and ribs that constitute the propeller skeleton, comprising:
A step of preparing a propeller skeleton including one main spar and a plurality of ribs connected thereto;
producing a propeller-shaped core containing the propeller skeleton therein using a solvent-soluble resin;
a step of attaching one or more laminated carbon fiber reinforced plastic prepreg sheets to the upper and lower surfaces of the core so as to straddle both the leading edge and the trailing edge of the core ;
A step of hardening the matrix resin of the prepreg sheet to form a propeller-shaped skin having no bonding site between the upper skin and the lower skin at the propeller leading edge and the propeller trailing edge ;
a step of opening a portion of the outer shell and removing the core in a state where the core is dissolved or swollen with a solvent;
and repairing the open portion of the shell from which the core was removed.
A method for manufacturing a flight propeller, comprising the step of repairing the open area on a portion of the outer skin of the manufactured flight propeller.
前記外皮の内部から前記中子を前記有機溶剤で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする請求項5に記載の飛行用プロペラの製造方法。 The core is made of a resin that is soluble in an organic solvent, and the solvent is the organic solvent,
6. The method for manufacturing a flight propeller according to claim 5 , wherein the core is taken out from inside the outer shell in a state where it is dissolved or swollen with the organic solvent.
前記外皮の内部から前記中子を水で溶解又は膨潤した状態で取り出すことを特徴とする請求項5に記載の飛行用プロペラの製造方法。 The core is made of a water-soluble resin, the solvent is water,
6. The method for manufacturing a flight propeller according to claim 5 , wherein the core is taken out from inside the outer shell in a dissolved or swollen state with water.
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