JP2012153068A - インサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】重量増加の原因となる金属インサート部品の使用を極減させるとともに、強度的な信頼性の高いインサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法を得る
【解決手段】コア材（１１）の厚さ方向の両面に配置され、繊維クロス（１２ａ）で構成された表皮（１２）と、両面に配置された表皮間を貫通する孔を有し、繊維ブレードで構成されたインサート部（１３）とを備えたインサート構造を有するサンドイッチパネル（１０）であって、表皮（１２）とインサート部（１３）との接合部の繊維が連続し一体構造化されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、一般産業用のエレベータや大型映像器機の筐体パネル、駅ホーム柵、車両などの輸送・運搬用機器の構造部材、あるいは航空機や人工衛星の構造体などに用いられる、インサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法に関する。

従来のＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃ：炭素繊維強化プラスチック）サンドイッチパネル（ハニカムコア、フォームコアを使用）は、軽量化を図る目的から、ＣＦＲＰ表皮を非常に薄く構成し、さらにコア材を密度が低く弱い材料で構成している。そのため、ＣＦＲＰサンドイッチパネル同士を締結する場合、あるいは機器を表面に実装する場合には、強度の強い金属製のインターフェース部品の取り付けが不可欠であった。

しかしながら、金属製のインターフェース部品は重く、さらには、炭素繊維との反応や熱膨脹率のミスマッチによる熱応力の発生、および接着構造にたるための強度的信頼性等に課題があり、その改善が望まれていた。

インサートとハニカムパネル表皮との平面度を確保する目的で用いられるハニカムパネルへのインサートの埋め込み方法には、次のようなものがあり、具体的には、以下のステップにより行っている。
（ステップ１）ハニカムパネルにインサート装着孔を穿孔する。
（ステップ２）その後、穿孔によって切除されたコア部分を除去したうえで、粘着テープを用いてインサート装着孔に装着されているインサートをハニカム表皮に対して面一として固定する。
（ステップ３）エポキシ樹脂などの充填剤をインサート装着孔内に注入して平面度を調整した後、硬化させることでインサートを固定する。

また、インサート装着孔内に充填剤を注入した場合には、重量的に重くなるのを防止することが必要となる。このために、インサートをハニカムコアの表面にてフランジ接合させるようにした構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平６−１２６８６９号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
上述した従来のインサートを設けるための構成では、次のような問題があった。第１に、従来のインサートは、充填剤によりハニカムコアと表皮との間を広範囲に固定する必要があるため、ハニカムパネルの重量を増大させてしまうという問題があった。例えば、約２ｍ×１ｍ×１ｉｎｔ程度の衛星用ハニカムパネル（約２３ｋｇ）では、約２００個程度の機器取付け用インサート（充填剤重量；約２ｋｇ）が必要とされ、重量の増大の原因となる。

また、従来のインサートは、インサート部材が金属製であるとともに、抜け防止のためのリーフ形状を形成する必要があり、重量増加の原因となっていた。

また、サンドイッチパネルのインサートを一般産業用の構造部材に適応する場合には、衛星用ハニカムパネルより強度負荷が厳しく、長期的な信頼性が必要とされる。しかしながら、金属材料のインサート部品は、ＣＦＲＰパネルとの熱膨張係数が大きく異なり、固定している接着界面に熱応力が発生し易いとともに、炭素繊維と金属間の反応による強度劣化を起こすため、強度的な信頼性に問題があった。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、重量増加の原因となる金属インサート部品の使用を極減させるとともに、強度的な信頼性の高いインサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法を得ることを目的とする。

本発明に係るインサート構造を有するサンドイッチパネルは、コア材の厚さ方向の両面に配置され、繊維クロスで構成された表皮と、両面に配置された表皮間を貫通する孔を有し、繊維ブレードで構成されたインサート部とを備えたインサート構造を有するサンドイッチパネルであって、表皮とインサート部との接合部の繊維が連続し一体構造化されているものである。

また、本発明に係るインサート構造を有するサンドイッチパネルの製造方法は、コア材の厚さ方向の両面に配置された第１の繊維クロスおよび第２の繊維クロスで構成された表皮と、両面に配置された表皮間を貫通する孔を有し、繊維ブレードで構成されたインサート部とを備え、表皮とインサート部との接合部の繊維が連続し一体構造化されているインサート構造を有するサンドイッチパネルの製造方法であって、第１の繊維クロスを切断せずに、偏在させて有孔させる工程と、繊維ブレードの一端部を開繊して広げ、第１の繊維クロスに重ねる工程とを繰り返し、必要な厚さまで第１の繊維クロスを積層させることで、繊維ブレードの一端部と、積層された第１の繊維クロスとを一体構造化させる第１ステップと、繊維ブレードを貫通させるための孔加工を施したコア材を、第１ステップで第１の繊維クロスと一体構造化された繊維ブレードにセットする第２ステップと、繊維ブレードの他端部を開繊してコア材に対して広げる工程と、第２の繊維クロスを切断せずに、偏在させて有孔させ、コア材に重ねる工程とを繰り返し、必要な厚さまで第２の繊維クロスを積層させることで、繊維ブレードの他端部と、積層された第２の繊維クロスとを一体構造化させる第３ステップとを備えるものである。

本発明に係るインサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法によれば、サンドイッチパネルの表皮とインサート部の接合部の繊維が連続し一体構造化されていることにより、重量増加の原因となる金属インサート部品の使用を極減させるとともに、強度的な信頼性の高いインサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるＣＦＲＰサンドイッチパネルの構造を示す断面図である。 本発明の実施の形態１におけるインサート部に用いるブレードの模式図である。 本発明の実施の形態１における図１に示したインサート部の断面を説明するための模式図である。 本発明の実施の形態１における表皮のインサート周囲の強化繊維の分布を示すための模式図である。 本発明の実施の形態１におけるインサート両端部の繊維の表皮インサート部周辺部の分布を示すための模式図である。 本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの成形に使用する治具の模式図である。 本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの第１の成形手順を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの第２の成形手順を示す図である。 本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの第３の成形手順を示す図である。

以下、本発明のインサート構造を有するサンドイッチパネルおよびその製造方法の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明は、サンドイッチパネルのインターフェース部を、金属部品の代わりに表皮と同様の繊維材料で構成することを特徴としている。これにより、熱膨脹率の差の影響が解消される。さらに、インターフェース部と表皮部を一体で構成することを特徴としている。これにより、サンドイッチパネルの厚さ方向の強度補強が可能となり、強度的な信頼性が向上する。さらに、サンドイッチパネルのインサート周りの表皮の補強および充填剤によるコアの補強が不要になり、また、金属インサートが不要となるため、軽量化が可能となる。

なお、以下の実施の形態においては、表皮およびブレードに適用される繊維材料としてＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）を用いる場合を中心に説明するが、繊維材料としては、例えば、その他の繊維強化プラスチック、ガラス繊維、炭素繊維、ケブラー繊維やセラミックス繊維等の織物、または一方向シートを用いることも可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるＣＦＲＰサンドイッチパネルの構造を示す断面図である。具体的には、繊維材料の一例として繊維強化プラスチックで形成されたインサート構造を有するサンドイッチパネル（インターフェース埋め込みサンドイッチパネル）を示している。図１に示すインサート構造を有するサンドイッチパネル１０は、フォームコア１１、表皮１２、およびインサート部１３を備えている。

図１に示すように、表皮１２は、フォームコア１１の厚さ方向の両面に位置しており、繊維強化プラスチックで構成されている。また、インサート部１３は、表皮１２と両端部が接合一体化された繊維強化プラスチックで構成されている。

図２は、本発明の実施の形態１におけるインサート部１３に用いるブレードの模式図である。図２に示すように、インサート部１３に使用するブレード１４は、表皮１２と同様に、繊維強化プラスチックで構成されており、表皮１２と接合するブレード両端部１４ａの強化繊維が開繊されている。

図３は、本発明の実施の形態１における図１に示したインサート部の断面を説明するための模式図である。図３に示すように、ブレード１４で構成されるインサート部１３の両端は、表皮１２の繊維とブレード両端部１４ａの開繊された繊維が交互に重なり合って構成されている。

また、インサート部１３の側壁部は、繊維強化プラスチックで構成されており、その内側は、充填物がなく中空となっている。また、インサート部１３の外側は、コア材１１と成形時に接合され一体になっている。

図４は、本発明の実施の形態１における表皮１２のインサート周囲の強化繊維の分布を示すための模式図である。図４に示すように、表皮１２を構成する強化繊維クロス１２ａは、インサート部１３の孔部周辺において、強化繊維が孔部を迂回するように偏在し、孔部周囲に密集し、繊維密度が高くなっている。

また、図５は、本発明の実施の形態１におけるインサート両端部の繊維の表皮インサート部周辺部の分布を示すための模式図である。この図５および先の図３に示すように、インサート部１３と表皮１２との接合部１５は、強化繊維が互いにオーバーラップされており、強度的に補強された一体構造になっている。

上述したように、本実施の形態１におけるサンドイッチパネル１０のインサート部１３は、表皮１２と同様に、繊維強化プラスチックで構成されている。このため、サンドイッチパネルの厚さ方向の強度が強化されている。

また、表皮１２とインサート部１３は、強化繊維が途切れることなくラップされて一体化するように構成されており、また、表皮１２のインサート周辺部は、強化繊維が切断されることなく、インサート部周囲に偏在して繊維の充填密度が高くなっている。このため、接合部１５は、その他の部分より強度が高くなる。この結果、軽量で十分な強度を有するインサート部を備えたサンドイッチパネル１０を得ることが可能になる。

次に、上述したインサート構造を有するサンドイッチパネル１０の製造方法について、図６〜図９を用いて説明する。図６は、本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネル１０の成形に使用する治具の模式図である。図６において、インサート部１３の形状に合わせたピン２２を立てた定盤２１を準備する。この場合、インサート部１３にネジ形状が必要な場合は、単純形状のピン２２の代わりにボルトを用いる。

次に、図７は、本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの第１の成形手順を示す図である。表皮１２用の強化繊維クロス１２ａを、準備した定盤２１の上に敷く。この時、ピン２２の部分は、クロスの繊維を切断することなく、網目をずらして広げてから積層させる。この場合、強化繊維クロス１２ａは、ガラス繊維、炭素繊維、ケブラー繊維やセラミックス繊維等の織物、または一方向シートを用いてもよい。

次に、図８は、本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの第２の成形手順を示す図である。ピン２２の部分に強化繊維で編まれたブレード１４（スリーブ）を片側開繊させて、開繊した方から被せる。被せた後に、根本部を押さえ、開繊していない手前側の端部を引っ張り、ブレード１４をすぼめて、ピン２２に密着させる。この操作を複数回繰り返し、必要な厚さまで強化繊維クロス１２ａを積層する。

この場合、ブレード１４の強化繊維は、表皮１２用の強化繊維クロス１２ａと同様に、ガラス繊維、炭素繊維、ケブラー繊維やセラミックス繊維等のいずれの繊維を用いてもよい。

次に、コア材１１をセットする。コア材１１は、あらかじめピン２２の位置の部分に穴加工を実施してからセットする。

次に、図９は、本発明の実施の形態１におけるインサート構造を有するサンドイッチパネルの第３の成形手順を示す図である。この図９に示す手順に従って、上側の表皮材の積層を実施する。

最初に、ピン２２に被せたブレード１４の最外層の端部を開繊させて、コア材１１に押し付ける。次に、表皮１２用の強化繊維クロス１２ａを、ピン２２の部分のクロスの繊維を切断することなく、網目をずらして広げて、コア材１１の上に積層する。この操作を繰り返し、必要な厚さまで強化繊維クロス１２ａを積層する。

必要な厚さまでの積層が終了した後、ＶａＲＴＭ（Ｖａｃｕｕｍ ａｓｓｉｓｔ Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｍｏｌｄｉｎｇ）成形に必要な副資材を順番にセットした後、全体をバギングフィルム２３で覆う。

その後、バギングフィルム２３で覆った積層体の片側から真空ポンプ２５等を用いて吸引し減圧させて、反対方向から常温硬化樹脂、あるいは熱硬化性樹脂を吸入させて、積層した強化繊維部に樹脂２４を含浸させる。樹脂２４として熱硬化性樹脂を使用する場合には、オーブン等に入れ、樹脂注入後に過熱して樹脂２４を硬化させる。

樹脂２４の硬化後、バギングフィルム２３を剥がし、ピン２２を抜いて脱型することで、本実施の形態１のインサート構造を有するサンドイッチパネル１０が得られる。

以上のように、実施の形態１によれば、インサート部が繊維材料で構成されている。このため、金属製のインサート部材の取付けが不要となり、充填剤を使用する必要もなくなる。

さらに、インサート部は、繊維材料で構成されているため、金属に比べ軽量であり、表皮と同一材料で構成することができる。このため、温度変化による熱歪み、熱応力の発生の影響がなく、インサート部の信頼性を向上させることができる。

また、インサート部が、繊維クロスと繊維ブレードの端部をオーバーラップさせて一体化して成形されている。このため、特性の異なる部品の組み合わせを回避でき、さらに接着構造をなくすことができるとともに、補強も不要となる。

また、サンドイッチパネル表皮のインサート孔部周囲の繊維を切断せずに、その周囲に偏在させて強化繊維の体積含有率を高めている。このため、強度を向上させることができ、表皮部分の特別な補強も不要となる。

また、サンドイッチパネル表皮の繊維クロスを切断せずに偏在させて有孔させる工程と、繊維ブレードの両端部を開繊して広げる工程を繰り返してインサート部を賦形する工程により、サンドイッチパネルを成形している。この結果、不連続な構造あるいは接着構造のない、一体のインサート部を有するサンドイッチパネルが得られ、インサート両端部の補強も不要となる。

また、成形プロセスに、ＶａＲＴＭ法を用いている。このため、使用する原料にプリプレグシートの代わりに、樹脂を含浸していないクロス材が使用可能となり、成形プロセスコストを低減することができる。

１０ インサート構造を有するサンドイッチパネル、１１ フォームコア（コア材）、１２ 表皮、１２ａ 強化繊維クロス、１３ インサート部、１４ａ ブレード両端部、１４ ブレード、１５ 接合部、２１ 成形用定盤、２２ ピン、２３ バギングフィルム、２４ 樹脂、２５ 真空ポンプ。

Claims (6)

1. コア材の厚さ方向の両面に配置され、繊維クロスで構成された表皮と、
   両面に配置された前記表皮間を貫通する孔を有し、繊維ブレードで構成されたインサート部と
   を備えたインサート構造を有するサンドイッチパネルであって、
   前記表皮と前記インサート部との接合部の繊維が連続し一体構造化されている
   ことを特徴とするインサート構造を有するサンドイッチパネル。
2. 請求項１に記載のインサート構造を有するサンドイッチパネルにおいて、
   前記接合部は、前記繊維クロスと前記繊維ブレードの端部をラップさせて一体化成形されることで、前記一体構造化されている
   ことを特徴とするインサート構造を有するサンドイッチパネル。
3. 請求項２に記載のインサート構造を有するサンドイッチパネルにおいて、
   前記繊維クロスは、前記インサート部の前記孔の周囲の繊維を切断することなく、前記周囲に偏在させている
   ことを特徴とするインサート構造を有するサンドイッチパネル。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載のインサート構造を有するサンドイッチパネルにおいて、
   前記表皮は、炭素繊維クロスで構成され、
   前記インサート部は、炭素繊維ブレードで構成されている
   ことを特徴とするインサート構造を有するサンドイッチパネル。
5. コア材の厚さ方向の両面に配置された第１の繊維クロスおよび第２の繊維クロスで構成された表皮と、両面に配置された前記表皮間を貫通する孔を有し、繊維ブレードで構成されたインサート部とを備え、前記表皮と前記インサート部との接合部の繊維が連続し一体構造化されているインサート構造を有するサンドイッチパネルの製造方法であって、
   前記第１の繊維クロスを切断せずに、偏在させて有孔させる工程と、前記繊維ブレードの一端部を開繊して広げ、前記第１の繊維クロスに重ねる工程とを繰り返し、必要な厚さまで前記第１の繊維クロスを積層させることで、前記繊維ブレードの一端部と、積層された前記第１の繊維クロスとを一体構造化させる第１ステップと、
   前記繊維ブレードを貫通させるための孔加工を施した前記コア材を、前記第１ステップで前記第１の繊維クロスと一体構造化された前記繊維ブレードにセットする第２ステップと、
   前記繊維ブレードの他端部を開繊して前記コア材に対して広げる工程と、前記第２の繊維クロスを切断せずに、偏在させて有孔させ、前記コア材に重ねる工程とを繰り返し、必要な厚さまで前記第２の繊維クロスを積層させることで、前記繊維ブレードの他端部と、積層された前記第２の繊維クロスとを一体構造化させる第３ステップと
   を備えることを特徴とするインサート構造を有するサンドイッチパネルの製造方法。
6. 請求項５に記載のインサート構造を有するサンドイッチパネルの製造方法において、
   前記繊維ブレードに対して、必要な厚さまで積層された前記第１の繊維クロスおよび前記第２の繊維クロスが一体構造化された後の成形プロセスにおいて、ＶａＲＴＭ法を適用する
   ことを特徴とするインサート構造を有するサンドイッチパネルの製造方法。

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