| 【発明の名称】 |
曲面サンドイッチ構造体の製造方法 |
| 【発明者】 |
【氏名】後藤 淳
【氏名】西 一洋
【氏名】清水 さやか
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| 【要約】 |
【課題】均一な厚さで精度の高い曲面形状のサンドイッチ構造体、とりわけ小さな曲率を持つ曲面サンドイッチ構造体は勿論のこと複雑な形状を持つサンドイッチ構造体も容易に精度よく製造する。
【解決手段】ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックの一側を機械加工して、三次元の曲面を形成し、次にこの曲面に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合し、次いで前記ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックの他側に、前記三次元の曲面に沿って所要厚となるように機械加工して三次元の曲面を形成しコアとなし、然る後所要厚となったポリエーテルイミド樹脂発泡材のコアの内側の三次元の曲面に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合することを特徴とする曲面サンドイッチ構造体の製造方法。 |
【特許請求の範囲】
【請求項１】 ポリエーテルイミド樹脂発泡材を曲面板に加工してコアとなし、このコアの両面に同じ曲面に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合することを特徴とする曲面サンドイッチ構造体の製造方法。
【請求項２】 請求項１記載の曲面サンドイッチ構造体の製造方法において、コアの曲面状の加工が、所要厚のポリエーテルイミド樹脂発泡材の平板を、１７０℃〜２１０℃の温度範囲で真空吸引による圧力にて三次元の曲面に成形加工するものであることを特徴とする曲面サンドイッチ構造体の製造方法。
【請求項３】 請求項１記載の曲面サンドイッチ構造体の製造方法において、コアの曲面状の加工が、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックを、所要厚の三次元の曲面板に機械加工するものであることを特徴とする曲面サンドイッチ構造体の製造方法。
【請求項４】 ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックの一側を機械加工して、三次元の曲面を形成し、次にこの曲面に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合し、次いで前記ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックの他側に、前記三次元の曲面に沿って所要厚となるように機械加工して三次元の曲面を形成しコアとなし、然る後所要厚となったポリエーテルイミド樹脂発泡材のコアの内側の三次元の曲面に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合することを特徴とする曲面サンドイッチ構造体の製造方法。
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【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、航空機に用いる曲面サンドイッチ構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来より航空機の機体構造材としては、一般的に図８に示すようにノーメックス、アルミ、ＧＦＲＰ等より成るハニカムコア３０を、２枚の複合材面板３１で挾み、フィルム接着材３２を介在して接着結合したサンドイッチ構造体３３が使用されている。また、一部には、ポリメタクリルイミド発泡材をコアとするサンドイッチ構造体も使用されている。これらのサンドイッチ構造体は、主に厚肉が必要な動翼類（補助翼、フラップ、昇降舵、スポイラー等）、ドア、点検口のカバーおよびレドーム等に使用されていて、機体構造重量に占める割合は多くないが、機体表面積については広い割合を占めている。
【０００３】従来のハニカムコアを使用したサンドイッチ構造体は、以下に述べる数多くの問題点があった。
■ サンドイッチ構造体は、オートクレーブ中での成形中のハニカムのセル壁以外の部分は加圧されないので、図８のＡ部拡大図である図９に示すように複合材面板３１内の気泡３４が残留して強度が低く、航空機の繰り返し使用中に樹脂層３５に微小な亀裂３６が発生することが多い。
■ 航空機が地上と成層圏を往復する間に、大きな気圧と気温（１気圧、プラス４０℃から１／１０気圧、マイナス５４℃）の変動を受け、複合材面板３１に生じた亀裂３６を通じて外気がハニカムコア３０の内部に出入りする。
■ 外部からハニカムコア３０の内部に進入した大気の中に含まれていた湿気が、航空機の上昇による気圧・気温の変化により、ハニカムコア３０の内部で凝結し、水滴３７として残留する。この過程の繰り返しによりハニカムコア３０の内部に次第に水分が蓄積され、機体構造重量が増大する。その重量増加は、ボーイング７４７クラスの大型旅客機では数１００Ｋｇにも達するといわれている。
■ このハニカムコア３０の内部の水分は高空で凍結し、その体積膨張によりハニカムコア３０と複合材面板３１の接着接合を破壊して複合材面板３１を剥離させる。その結果、構造強度が低下し、飛行安全性が損なわれるという大きな問題が発生する。従って、複合材サンドイッチ構造体は軽量かつ高剛性であるという理由で、従来の航空機では機体構造材として多用されてきたが、徐々に金属構造体に置換されつつあるのが現状である。
【０００４】このような問題を解決するために、ハニカムコアを発泡プラスチックに置き換えたサンドイッチ構造体も提案された。この場合に発泡コアに独立気泡を含むものを採用すれば、ハニカムコアで問題となったコア内部への湿気の進入を防ぐことができるという利点がある。これは、従来のハニカムコアサンドイッチ構造体の改良となる魅力的な提案であった。この場合には、複合材面板の成形とコアとのサンドイッチ化を同一工程で行うため、その温度と圧力に耐えるコアが必要であることから、ポリメタクリルイミド発泡材がコアとして使用された。しかし、このポリメタクリルイミド発泡材コアにも以下のような問題点があった。
■ 吸湿により強度が大幅に低下する。
■ 運用中の吸湿による変形、体積収縮が生じ、これらに基づく面積との剥離が発生した。
■ 面板との接合強度が弱く、工具の落下や雹との衝突による衝撃にて、面板が剥離する。
■ 室温・大気中の放置でも、早く多量に吸湿してしまうため、シビアな保管条件が要求されると共に、使用前の乾燥処理が必要となることから、その取り扱いには費用と手間がかかる。
■ 室温での変形性能が極めて低く、部品形状の成形用の型に沿わせることがことができず、型とコアを高温に保持した後に成形を行う必要がある。
■ これは、専用の治具／設備と手間を必要とすると共に、設備内の高温の状態で成形型に沿わせるため、基本的には成形型に正確に沿ったかどうかを確認することができず、不具合が発生する場合があり、コアの成形コストを引き上げる要因となっている。
【０００５】さらに、上記ポリメタクリルイミド発泡材をコアとするサンドイッチ構造体の欠点を改良するため、ポリエーテルイミド発泡材が検討された。ポリエーテルイミド発泡材は、ポリメタクリルイミド発泡材と比較して図１０に示すように吸湿量が小さいばかりでなく、吸湿による特性劣化が無いため、厳密な保管条件の管理や脱湿処理等の作業も全く不要である。また、ポリエーテルイミド発泡材は、独立気泡から成るものであり、サンドイッチ構造体のコアとしても浸水が無いこと、及び重量や強度特性もほぼポリメタクリルイミド発泡材と同等であることから、サンドイッチ構造体用のコアとして適しているものと考えられる。
【０００６】上記のように利点の多いポリエーテルイミド発泡材であるが、これをコアにしたサンドイッチ構造体の図１１に示す製造工程において、以下に述べるような問題点があった。
■ ポリエーテルイミド樹脂そのものは熱可塑性であり、２００℃近傍の温度で荷重を与えることにより永久変形を与えることが可能である。しかし今回使用したいポリエーテルイミド発泡材は密度を下げるために多量の空隙（発泡）を含んでいることから、元々圧縮強度が低い。特にコアの成形に必要な２００℃近傍では、より圧縮強度が下がることから、従来は温度と圧力を多段階に制御可能な特殊な設備を用いてコア成形を行う必要があった。
■ また、このポリエーテルイミド発泡材を用いても、例えば航空機の翼端の如き袋状の曲率の小さい部品形状に成形することは不可能であった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】そこで本発明は、従来のポリエーテルイミド発泡材コアとＦＲＰ製面板とより成るサンドイッチ構造体の製造方法について、上記問題点を解決し、とりわけポリエーテルイミド発泡材コアの加工方法を改善し、従来の製造方法では実現できなかった曲面形状のサンドイッチ構造体を精度よく製造できる方法を提供しようとするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するための本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の１つは、ポリエーテルイミド樹脂発泡材を曲面板に加工してコアとなし、このコアの両面に同じ曲面に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合することを特徴とするものである。
【０００９】上記の曲面サンドイッチ構造体の製造方法において、コアの曲面状の加工の１つは、所要厚のポリエーテルイミド樹脂発泡材の平板を、１７０℃〜２１０℃の温度範囲で真空吸引による圧力にて三次元の曲面に成形加工するものであり、コアの曲面状の加工の他の１つは、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックを、所要厚の三次元の曲面板に機械加工するものである。
【００１０】本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の他の１つは、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックの一側を機械加工して、三次元の曲面を形成し、次にこの曲面に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合し、次いで前記ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックの他側を、前記三次元の曲面に沿って所要厚となるように機械加工して三次元の曲面を形成しコアとなし、然る後所要厚となったポリエーテルイミド樹脂発泡材コアの内側の三次元の曲面に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合することを特徴とするものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の実施形態を説明する。先ずその１つを図によって説明すると、図１のａに示すようにポリエーテルイミド樹脂発泡材を曲面板に加工してコア１となし、次にこのコア１の両面に図１のｂに示すように夫々同じ曲面に成形したＦＲＰ製面板２，２′を接着するか、又はコア１の両面に図１のｃに示すように未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板３，３′を配し、これを加熱硬化成形して接合し、曲面サンドイッチ構造体４を得る。
【００１２】この曲面サンドイッチ構造体４の製造方法において、曲面板のコア１の加工方法には、２つの方法がある。その１つは成形加工である。コア１の成形は、ポリエーテルイミド樹脂発泡材に温度と圧力を負荷することによって行う。従って、上下の型のマッチドダイ方式でも成形できるが、型費を安くできることから図２に示すように三次元の曲面成形用型治具５の型面６に所要厚のポリエーテルイミド樹脂発泡材の平板７を載せ、その上から変形性のある樹脂フィルム８を覆い、曲面成形用型治具５の基板９上に装着したシール材１０にてシールして設置し、樹脂フィルム８内に温度と圧力を負荷する方法が好ましい。この方法では圧力を特別に制御することなく、樹脂フィルム８に装備した口金１１から単純に図示せぬ真空ポンプ等にて樹脂フィルム８内を吸引する圧力を、ポリエーテルイミド樹脂発泡材の平板７に負荷することにより、このポリエーテルイミド樹脂発泡材の平板７をある程度曲面成形用型治具５の型面６に沿わせた状態で、図３に示す１７０℃〜２１０℃の温度を、温度が高い側では数分、温度が低い側では数時間かけることにより、図４に示すように熱可塑性材料であるポリエーテルイミド発泡材の平板７に型面６に沿った永久変形を与えて三次元の曲面板のコア１に成形加工できる。この成形加工における温度測定は、図２に示すようにポリエーテルイミド樹脂発泡材の平板７の表裏に設置した複数個の熱電対１２によって行われる。
【００１３】上記の曲面板のコア１の成形加工において、温度範囲を１７０℃〜２１０℃とした理由は、ポリエーテルイミド樹脂が高温曲げでの荷重たわみ温度が１７４℃、ガラス転移温度が２１７℃であり、それら近傍の温度範囲にて成形する必要性から、実際のコア１の曲面成形における成形温度と成形結果から決定したものである。即ち、真空吸引下において、１７０℃未満の成形温度では、図５のａに示すようにスプリングバッグが起こり、コア１に所定の曲面形状を与えることができなかった。また、２１０℃を超える成形温度では、図５のｂに示すようにコア１が応力に耐えきれず塑性変形が起きてしまい、表面に凹凸が生じたりして非常に荒れ、減厚した成形体しか得られなかった。然るに、１７０℃〜２１０℃の成形温度では、図５のｃに示すようにコア１が所定の曲面形状に、且つ所定の板厚に成形できた。
【００１４】尚、上記の曲面板のコア１の成形加工において、熱源はオーブンの他に、ヒートブランケット、型治具設置ヒーター、ヒートガン（熱可塑性であるため部分的に変形成形することができるため）を選択することができる。また、圧力を真空ポンプで与えることから、工場内のみでなく任意の場所でコア１の成形作業を行うことができる。
【００１５】曲面板のコア１の加工方法の他の１つは、機械加工である。この機械加工は、図６のａに示すポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロック１３の上面を機械加工して、図６のｂに示すように三次元の曲面１４を形成し、次にこの曲面１４に沿って所要厚となるようにポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロック１３の下面を機械加工して、図６のｃに示すように三次元の曲面１５を形成して、三次元の曲面板のコア１を得るものである。
【００１６】次に本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の他の１つについて説明する。これまで説明してきた本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法は、比較的大きな曲率を持つ曲面サンドイッチ構造体の製造に適するものである。ところで、航空機の翼端等の小さな曲率を持つ曲面サンドイッチ構造体は、コアが袋形形状のため現状では成形不可能であることから、幾つかの分割コアにして成形後、接着処理して組み立てによる一体のコア部品とすることが行われるが、非常に手間と費用がかかる。さらに、この小さな曲率のコア部品にＦＲＰ製面板を接着するのも非常に難しく、結局小さな曲率を持つ曲面サンドイッチ構造体の製造は困難なものとなっている。そこで本発明は、ポリエーテルイミド樹脂発泡材の優れた機械加工性に着目して、コアの曲面を機械加工により形成すると共にその曲面に面板を接着して曲面サンドイッチ構造体を作る方法を見い出した。即ち、本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の他の１つは、先ず図７のａに示すようにポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロック１６の一側を機械加工して、図７のｂに示すように曲率の小さな三次元の曲面１７を形成し、次にこの曲面１７に、図７のｃに示すように同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板１８を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合し、次いで前記ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロック１６の他側を、前記三次元の曲面１７に沿って所要厚となるように機械加工して、図７のｄに示すように三次元の曲面１９を形成しコア２０と成し、然る後所要厚となったコア２０の内側の三次元の曲面１９に、図７のｅに示すように同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板２１を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合し、曲面サンドイッチ構造体２２を得るものである。
【００１７】上記のように本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の他の１つは、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロック１６の一側に、機械加工により曲率の小さな曲面１７を形成するので、ポリエーテルイミド樹脂発泡材は機械加工による変形は無く、エキセス部分にパイロットホールをあけて基準を作ることができる。また、曲率の小さな曲面１７に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板１８を接着する際、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合する際、曲面１７が固い表面であるため、治具代りとなって面板１８は安定して精度よくポリエーテルイミド樹脂発泡材と一体化できる。さらに一側の曲面１７に面板１８を接着した状態で、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロック１６の他側を前記曲面１７に沿って所要厚となるように機械加工して曲面１９を形成するので、ずれや歪が無く、厚さの均一な精度の高いコア２０を形成できる。そして、この精度の高いコア２０の他側の曲面１９に、同じ曲面形状に成形したＦＲＰ製面板２１を接着するか、又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配し加熱硬化成形して接合するので、面板２１は安定して精度よくコア２０と一体化できる。かくして、従来の製造方法では実現不可能であった小さな曲率を持つ曲面サンドイッチ構造体２２は勿論のこと、複雑な形状を持つサンドイッチ構造体も容易に精度よく製造できるようになる。
【００１８】
【発明の効果】以上の説明で判るように本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の１つによれば、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のコアを、加熱・真空圧による成形加工或いは機械加工により曲面板にするので、精度の高いコアの製作が容易で、特別な温度・圧力制御装置は必要とせず、専用設備は不要である。従って、この曲面板のコアに、同じ曲面に成形したＦＲＰ製面板を接着又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグ面板を配して加熱硬化成形により接合して得る曲面サンドイッチ構造体は均一な厚さで、精度の高い曲面形状となる。
【００１９】また、本発明の曲面サンドイッチ構造体の製造方法の他の１つによれば、ポリエーテルイミド樹脂発泡材のブロックを機械加工して曲率の小さな曲面を外側及び内側に順次形成していくので、機械加工による変形がなく、しかもその曲率の小さな曲面を形成後直ちに同じ曲面に成形したＦＲＰ製面板を接着する際又は未硬化繊維強化樹脂プリプレグを配して加熱硬化成形により接合する際、コアとなるポリエーテルイミド樹脂発泡材の曲面が固い表面であるため、治具代りとなって、面板は安定して精度よくコアと一体化できる。従って、従来の製造方法では実現不可能であった小さな曲率を持つ曲面サンドイッチ構造体は勿論のこと、複雑な形状を持つサンドイッチ構造体も容易に精度よく製造できる。
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| 【出願人】 |
【識別番号】００００００９７４
【氏名又は名称】川崎重工業株式会社
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| 【出願日】 |
平成１３年３月２９日（２００１．３．２９） |
| 【代理人】 |
【識別番号】１０００６４２９６
【弁理士】
【氏名又は名称】高 雄次郎
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| 【公開番号】 |
特開２００２−２９２７７２（Ｐ２００２−２９２７７２Ａ） |
| 【公開日】 |
平成１４年１０月９日（２００２．１０．９） |
| 【出願番号】 |
特願２００１−９７１３７（Ｐ２００１−９７１３７） |
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