JP4452812B2

JP4452812B2 - Ｃｆｒｐ表面板を使用した軽金属ハニカムパネル製造方法とその装置

Info

Publication number: JP4452812B2
Application number: JP2004286997A
Authority: JP
Inventors: 豊岩堀; 隆司石川
Original assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Current assignee: Japan Aerospace Exploration Agency JAXA
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2010-04-21
Anticipated expiration: 2024-09-30
Also published as: JP2006095967A

Description

本発明は炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からなる非常に薄い板を表面板として、コアにアルミハニカム等の軽金属ハニカムを使用したハニカムサンドイッチパネルを製作する方法とその装置に関する。

航空機やそれに搭載される機器、空中を飛翔あるいは飛行する物体、更には宇宙空間にて使用される機器の構造材として、また、地上で使用される機器のうち、特に軽量であることが望まれるものの構造材として、コアにアルミハニカムを使用し表面板としてＣＦＲＰの非常に薄い板を用いたハニカムサンドイッチパネル自体は既に公知の素材である。このハニカムサンドイッチパネルの製造工程を図３によって説明すると、まず表面板として使われるＣＦＲＰの板がシート状のＣＦＲＰプリプレグを積層してオートクレープ成形して作られる。この様にして得たＣＦＲＰ板をサンディング処理をし、ハニカムコアの両側端面には接着剤を付着させてこれをサンドイッチにして前記ＣＦＲＰ板を圧接加熱する。温度が高くなると前記接着剤が硬化しハニカムコアの両側端面とＣＦＲＰ板を接着する。

この様にして作られるハニカム構造体はその重量に対して機械的強度が高いため、軽量化の素材として広く用いられているところであるが、最近は、宇宙空間に膨大な数の太陽電池素子を設置する際の基板としての利用されている。ハニカムパネルを太陽電池素子の基板として用いる場合、同ハニカムパネルには、強度は、設計上の標定となることが少ない。というのは太陽電池素子を流体抵抗を受けることのない宇宙空間で安定支持できればよいこと、及びロケット打ち上げ時の耐振動設計に際しては、一般的に固有振動数を高くし応答応力を低くすることが行われることから、高強度であることよりも、軽量かつ高剛性であることが重要事項となる。したがって、ハニカムパネルを構成する表面板としては、できる限り薄手の軽量なものを使用し、かつハニカムパネルの剛性として高くなるようなものが望ましいこととなる。

現在のハニカムパネルは、あらかじめ成形した非常に薄いＣＦＲＰ板(0.1ｍｍ程度)をアルミハニカムに接着して製作されていることが多く、接着の際に、接着剤をはさんで加熱して硬化接着が行われている。その成形プロセスは図４に示すように、まず（ａ）アルミハニカムを中心にして、両面からフィルム状の接着剤とＣＦＲＰ薄板を積層するために準備されるが、このときは常温環境にある。（ｂ）アルミハニカムとＣＦＲＰ薄板を貼着するため接着剤が硬化して接着状態となるまで温度を上げてゆく。しかし、アルミハニカムとＣＦＲＰ板の熱膨張率は大きく異なるため、常温で積層(ＣＦＲＰ＋接着剤＋アルミハニカム＋接着剤＋ＣＦＲＰ)して圧力と温度をかけていくと、接着硬化の所定温度では材料の熱膨張差によって、アルミニウムは膨張し、ＣＦＲＰ板はアルミに比べて常温時と近い寸法を保ったままで接着剤が硬化する。因みにアルミニウムの熱膨張率は２３×１０^−６／℃であり、ＣＦＲＰの方は構成材料及び積層配向によって若干のバラツキがあるが−５〜５×１０^−６／℃と大きな違いがある。（ｃ）接着剤が硬化して安定した接着状態となるまで高い温度状態を所定時間保つ。（ｄ）その後常温に戻すが、常温に戻ったときには、アルミニウムは硬化温度時より収縮し、ＣＦＲＰ板はほとんど収縮しないことから、ＣＦＲＰ板にはアルミハニカムによって圧縮力がかけられることになる。そのため、（ｅ）薄いＣＦＲＰを表面板として用いた場合には、接着工程が終了し常温に戻った場合に、ハニカムセルが収縮しその開口部分のＣＦＲＰの表面は、圧縮力による座屈が起こり、ハニカム形状の繰り返し凹凸が発生してしまう。この凹凸は、ハニカムパネルの剛性・強度および品質を著しく低下させる。そのため、薄いＣＦＲＰ板を用いたハニカムパネルでは、ハニカムのセルサイズ(大きさ)をできる限り大きくし軽量化を図りたいところ、この凹凸を防ぐためにセルサイズを小さくして、熱による圧縮座屈を防止して、表面の平面度を保っている状況にある。この現象は、耐熱性を向上させるため、接着剤をより高温で硬化させようとすると、熱残留荷重が増加してしまうことから、激しく発生するようになり、アルミハニカムを使用して耐熱性を向上させることには限界を伴う。

この様な状況の中で、特許文献１には表面板として薄手のものを用いた場合でも、この薄手の表面板に窪みが存在しないハニカムパネルを提供すること、また、製造作業が容易で生産性に優れるハニカムパネルの製造方法を提供することを目的とし、ハニカムコアと、このハニカムコアを挟むよう設けられた一対の表面板と、前記ハニカムコアと前記表面板とを接合する接着剤の層とを具備してなるハニカムパネルであって、前記接着剤の層が、前記表面板における前記ハニカムコアと当接する側の面全域に設けられてなるハニカムパネルが提示されている。これは接着剤をハニカムコアの端縁に対応した部分にだけでなく、表面板の全域、すなわちハニカムコアを構成するセル個々の開口内に対応した部分にも設ければ、接着剤が硬化して収縮する際、収縮力は局所的に集中することなく平面的に分散され、表面板に窪みが生じなくなるという技術的思想に基づいたものである。そして、この特許文献１では更に、接着剤をシート状に構成しておき、それをハニカムコアと表面板との間に挟み込むようにして設置すれば、接着剤をハニカムコアの端縁に付着させる場合に比べ、製造作業が簡略化され、大幅な生産性の向上が図れることから、ハニカムコアと、このハニカムコアを挟むよう設けられた一対の表面板と、前記ハニカムコアと前記表面板とを接合する接着剤の層とを具備してなるハニカムパネルであって、前記接着剤の層が、前記表面板における前記ハニカムコアと当接する側の面全域に設けられてなることを特徴とするハニカムパネルを提示している。ただし、凹凸の少ないパネルを作るためには上記の条件の他に昇温を100℃以下に抑え、加熱時間を100℃の場合で５時間程度と長くとることを要するものである。
また、上記の特許文献１の技術は接着剤が収縮する際、収縮力が局所的に集中しないように平面的に分散させるもので、表面の凹凸を軽減する効果を奏するがそもそもの原因である熱膨張差に基づくアルミニウムコアとＣＦＲＰ薄板との熱歪み差を小さくするものではなかった。
特開２０００−１５７２４号公報「ハニカムパネル及びその製造方法」平成１２年１月１８日公開特開平２−２５１４２６号公報「軽量ハニカムサンドイッチパネルの製造方法」平成２年１０月９日公開

本発明が解決しようとする課題は、ＣＦＲＰ板とアルミハニカムを接着する工程で、熱膨張差に起因するＣＦＲＰ板の残留熱歪差を低減させ、成形後のハニカムパネルの表面板とアルミハニカム間の荷重を低減することで、凹凸が発生することを抑制すると共に、ハニカムパネル自体の強度剛性を向上させるハニカムパネル製造方法を提示することにある。
また、接着工程においてＣＦＲＰ板とアルミハニカムの熱歪差を低減することにより、現状使用されている接着剤よりも耐熱性の高い接着剤を用いることを可能とし、凹凸を防止しつつ現行よりも耐熱性の高い、軽量なハニカムパネルを提供することにある。

本発明のハニカムパネルの製造方法は、アルミ等の軽金属ハニカムをコアとしてその両面にＣＦＲＰ薄板を表面板に加熱状態で接着する際に、熱膨張率の低いＣＦＲＰ板を前記軽金属ハニカムの膨張とほぼ等しくなるように引き伸ばした状態で該軽金属ハニカムに接着するようにした。
また、本発明のハニカムパネルの製造方法は、熱膨張率の低いＣＦＲＰ板を軽金属ハニカムコアの膨張とほぼ等しくなるように引き延ばす手段として、前記軽金属ハニカムの治具を用い、該治具に前記ＣＦＲＰ板を保持させるようにした。
更に、本発明のハニカムパネルの製造方法は、セルサイズ１／４インチ以上３／８インチ以下の軽金属ハニカムに、上記表面板を130℃以上で硬化する接着剤を用いたことを特徴とする。
本発明に使用されるアルミニウム治具は、中央にハニカムパネルの端面を嵌合する大きさの穴部を設けた２つの軽金属枠体間にＣＦＲＰ板を挟持するようにした。
本発明に使用されるハニカムパネル製造装置は、ハニカムパネル製造用治具の軽金属枠体の穴部に嵌合する大きさの凸部が中央に形成された熱板を上下に備え、該熱板は加熱機能を有すると共に上下方向に変位可能なものであって、両者間にＣＦＲＰ板、接着剤フィルム、ハニカムコア、接着剤フィルムそしてＣＦＲＰ板を積層して圧接することを特徴とする。

本発明のハニカムパネルの製造方法は、軽金属ハニカムをコアとしてその両面にＣＦＲＰ薄板を表面板に加熱状態で接着する際に、熱膨張率の低いＣＦＲＰ板を前記軽金属ハニカムコアの膨張とほぼ等しくなるように引き伸ばした状態で前記軽金属ハニカムに接着するようにしたものであるから、ハニカムパネルの製造プロセスで硬化接着後の前記軽金属ハニカムが収縮する状態においても熱膨張率の低いＣＦＲＰ板はもとの常温時の状態に戻るだけで、開口部分のＣＦＲＰの表面は、圧縮力を受けることが無く座屈させられることはない。
凹凸が少ない分、ハニカムパネルとしての剛性・強度が高い製品が得られる。また、凹凸が発生しない分、さらにＣＦＲＰの表面板を薄く軽量化できる。
また、熱膨張率の低いＣＦＲＰ板を前記軽金属ハニカムコアの膨張とほぼ等しくなるように引き延ばす手段として、前記コアと同じ熱膨張の治具を用い、該治具に前記ＣＦＲＰ板を保持させるようにした本発明のハニカムパネルの製造方法は、治具がハニカムコアと同じ熱膨張率の材質を選定することで、無理なく容易にＣＦＲＰ板に対し熱膨張率の高い前記軽金属ハニカムの膨張と同じだけ伸ばされる状態をつくることができる。

本発明のハニカムパネルの製造方法は、セルサイズ１／４インチ以上３／８インチ以下のアルミハニカムに、上記表面板を130℃以上で硬化する接着剤を用いて上記の製造方法を実施するものであるから、ハニカム開口部分のＣＦＲＰの表面が凹凸変形し難くなったことによりハニカムのセルサイズを従来（１／４インチ）より大きいものを用いて軽量化が図られ、また接着剤として従来使用している130℃タイプより高い温度で硬化する180℃タイプのものまで使用可能となり、ハニカムパネルの耐熱性の向上が図れる。耐熱性が高くなるということは太陽電池パネルとしての使用に際して、パネル温度がこれまでよりも高くなっても良いため、集光機能を高くして発電量を増加させることに繋がる。
本発明に使用されるアルミニウム治具は、中央にハニカムパネルの端面を嵌合する大きさの穴部を設けた２つの軽金属枠体間にＣＦＲＰ薄板を挟持するようにしただけの単純構造であるが、温度変化に伴うアルミハニカムの膨張収縮に準じたＣＦＲＰ薄板の伸び縮みを安定かつ確実に実現できる。
また、本発明に使用されるハニカムパネル製造装置は、凸部が中央に形成された熱板を上下に備え、該熱板は加熱機能を有すると共に上下方向に変位可能なものというシンプルな構成であるが、両者間にＣＦＲＰ板、接着剤フィルム、ハニカムコア、接着剤フィルムそしてＣＦＲＰ板を積層して加熱・圧接するだけで、凹凸を防止しつつ現行よりも耐熱性の高い、軽量なハニカムパネルの製造を可能とする。

本発明の課題の主因は、ＣＦＲＰ板の熱膨張率とアルミニウムやチタン等コア材として用いられる軽金属の熱膨張率とで差があることに起因する。その点に鑑み、本発明ではＣＦＲＰ薄板をアルミハニカムに接着する工程において、図１（ａ）に示すようにアルミニウム製のＣＦＲＰ薄板支持治具（以下、アルミニウム治具と略称する。）４を用い、ＣＦＲＰ薄板２の周囲を常温下で保持固定する。なお、このアルミニウム治具４はコアとなるアルミハニカム１の両側に配置されるが、図１では簡単のため片側だけを図示する。次ぎに、（ｂ）に示すようにアルミニウム治具４を用い、ＣＦＲＰ薄板２を常温下で保持固定した状態で加熱して接着硬化させる温度まで昇温する。アルミニウム治具４がＣＦＲＰ薄板２を引張り、伸長変形が与えられるようにする。アルミニウム治具４はアルミハニカム１と同じ素材であることから、その温度膨張率は等しく、結果的にＣＦＲＰ薄板２はこのアルミニウム治具４によって対峙するアルミハニカム１の面と同等の変形をすることになる。（ｃ）アルミハニカム１を挟んで両面からフィルム状の接着剤３を介してＣＦＲＰ薄板２が圧接された状態で接着剤３が硬化する温度に所定時間保たれる。（ｄ）接着硬化が安定したら、常温まで徐々に降温されアルミハニカム１は収縮していくが、常温に戻る途中も戻った際にも温度差がない限りアルミニウム治具４も同様の収縮をする。その間ＣＦＲＰ薄板２はアルミハニカム１を挟んで両面からアルミニウム治具４によって圧力がかけられているが、アルミハニカム１とアルミニウム治具４は同じ収縮をするため、アルミニウム治具４に保持固定されているＣＦＲＰ薄板２も同じように収縮する。（ｅ）常温まで降温したら、ＣＦＲＰ薄板２の保持を解きアルミニウム治具４をアルミハニカム１を挟持した状態から外す。アルミハニカム１に接着されたＣＦＲＰ薄板２はアルミニウム治具４による保持固定状態を解かれているが、これは本来の常温での形状であり、ハニカムによって圧縮力を受けることはない。このようにして、本発明の製造方法は材料の熱膨張差に伴う変形差を低減させることができ、結果的にアルミハニカム１とＣＦＲＰ薄板２を凹凸面を生じることなく接着させることができる。

軽量ハニカムサンドイッチパネルの製造における材料の熱膨張差に伴う変形差を低減させる方法として、予めＣＦＲＰ薄板にテンションをかけた状態でハニカムコアと接着し、常温時での圧縮変形を軽減させようとする手法が特許文献２に提示されている。冷却時に受ける圧縮力を吸収すべく接着時にはＣＦＲＰ薄板を引き伸ばした状態にしておく点で、本発明思想と一部類似するが、この特許文献２の手法は図５に示すようにテンション治具ａ１，ａ２でＣＦＲＰ薄板２に適宜のテンションをかけ、当初の常温時から加熱時も冷却時もこのテンションをかけた状態（引き伸ばされた状態）であるため、その間に膨張収縮するハニカムコア１との間での位置ズレを生じ安定した接着が困難であるし、ハニカムコア１の変形を吸収できるようにそれ以上の引き伸ばしをさせるだけのテンションの値をＣＦＲＰ薄板にかける必要があるが、その値の割り出しとテンション治具でその分のテンション調節をテンション治具ａ１，ａ２で実際に行うことは容易ではない。本発明はハニカムコアと基本的に同じ熱変形をする同材料の治具で保持させるだけで、ハニカムコアとＣＦＲＰ薄板との間で、温度変化に伴う変形歪みを常に少なくできる点でこの特許文献２とは技術的思想を異にし、顕著な実施効果を奏するものである。

本発明に係るＣＦＲＰ表面板を使用したアルミハニカムパネル製造方法の１実施例について図２を参照しながら説明する。まず、本発明で用いるアルミニウム治具４であるが、アルミハニカム１の面を緩く嵌合することが出来る大きさの穴部４ｂを中央に形成する。アルミニウム治具４はＣＦＲＰ薄板２を固定したまま熱膨張によって膨張し、ＣＦＲＰ薄板２を変形させるだけの引張り荷重をあたえつつアルミハニカム１に近い変形をするように設計する必要がある。したがって、アルミニウム治具４の厚みは、ＣＦＲＰ薄板２が昇温するに従って、ハニカムコアと同様に変形するようにＣＦＲＰ薄板２が挟まれた状態でアルミニウム治具４についての剛性計算をして設計する。このアルミニウム治具４によるＣＦＲＰ薄板２の保持固定は、図２のＣに示すように0.1ｍｍのＣＦＲＰ薄板２を一方のアルミニウム治具枠体４ａに張り、更にもう一方のアルミニウム治具枠体４ａで挟んで複数のボルトで締め付ける。これは常温環境で行うのでＣＦＲＰ薄板２にテンションをかける必要はない。ＣＦＲＰ薄板２をアルミハニカム１に貼り付けるための接着剤としては、フィルム状の180℃硬化型接着剤３を用いる。従来は製造後に出来る凹凸を少なくするため、130℃以下で硬化する接着剤を使用していたが、本発明の製造方法によれば、製造後に出来る凹凸は大幅に抑制できるため、180℃以上で硬化する接着剤を使用できることを確認した。そこで、本実施例ではこの180℃硬化型接着剤（エポキシ樹脂系）を用いることにしたものである。次ぎにアルミハニカム１であるが、これにはハニカムセルの寸法六角形の対向する辺間の距離３／８インチ（9.53ｍｍ）のものを使用した。従来は製造後に出来る凹凸を抑制するため、１／４インチが限度とされていた。このハニカムセル寸法を大きくすることにより、ハニカムパネルの軽量化が図れる。

図２のＡに示されるように下方側熱板５の上にアルミニウム治具４に挟まれて保持固定されたＣＦＲＰ薄板２を載置する。そのＣＦＲＰ薄板２の面上にフィルム状の180℃硬化型接着剤３を載置し、その上にアルミハニカム１を載せ、更にその上にフィルム状の接着剤３を、更にその上方にアルミニウム治具４で保持固定されたＣＦＲＰ薄板２を重ねて積層形態とし、最後に上側熱板５を載せて、図２のＢに示すように上下の熱板で圧接すると共に加熱する。上下の熱板５は内側面がアルミニウム治具４の穴４ｂに嵌合するように中央部が凸形状に形成されている。また、圧接加熱時にアルミニウム治具４が不安定とならないように上下のアルミニウム治具４間には厚みが調整されたスペーサ６が配置される。その状態においてアルミハニカム１内の雰囲気を加圧状態にすると共にＣＦＲＰ薄板２をアルミハニカム面に圧接する。この状態で加熱して温度を上昇させ、180℃まで持っていくが、なるべく上記部材内で急激な温度勾配を生じさせないように時間をかけて徐々に昇温することが望ましい。0.5〜３℃／分が目安で、ちなみにこの実施例では６０分をかけた。180℃に達したら、接着剤が硬化安定するまでその温度状態を維持する。この時間Ｔは材料に依存する定数ａと材料に依存する活性化エネルギーＥを規定温度（この場合180℃）ｋと気体定数Ｒの積で割ったものを足して（Ｔ＝ａ＋Ｅ／Ｒｋ）算出される。この実施例では２時間として実施した。その後、常温まで戻すことになるが、これも加熱時同様上記部材内で温度勾配を生じさせないように時間をかけて徐々に降温することが望ましく、この実施例では１時間かけて常温に戻した。本発明では加熱前、加熱時、硬化処理時、降温時を通してアルミハニカム１とアルミニウム治具４とが同温で同じ膨張収縮をすることが重要な要素となる。なお、熱板５は熱効率、耐久性の点から鉄材が使用され、加熱・圧接状態において鉄材とアルミニウム材とは熱膨張に差が生じるが、熱板５とＣＦＲＰ板２面間に作用する摩擦力は小さく、これがアルミニウム治具枠体４ａの膨張によるＣＦＲＰ板２の引き伸ばしに影響を及ぼすことはない。
この実施例で製造されたアルミハニカムパネルの表面にできた凹凸は0.3ｍｍ以内に収まっていることが確認された。

本明細書においては本発明のＣＦＲＰ表面板を使用したアルミハニカムパネルを人工衛星搭載の太陽電池パネルへの使用を想定して説明してきたが、本発明の製造方法による製造物であるＣＦＲＰ表面板を使用したアルミハニカムパネルは、これに限られず、重量に対して機械的強度が高い、軽量化の素材として広く用いることができるものである。

本発明のＣＦＲＰ表面板を使用したアルミハニカムパネルの製造方法を説明する図である。本発明の実施例を説明する図である。アルミハニカムをコアとし表面板にＣＦＲＰ板を用いたパネルの製造工程を説明する図である。従来のＣＦＲＰ表面板を使用したアルミハニカムパネルの製造方法を説明する図である。ＣＦＲＰ表面板に負荷テンションをかけて凹凸を抑制する従来技術を説明する図である。

符号の説明

１アルミハニカム２ＣＦＲＰ薄板
３接着剤４アルミニウム治具
４ａ治具枠体４ｂ穴部
５熱板６スペーサ

Claims

軽金属ハニカムをコアとしてその両面にＣＦＲＰ薄板を表面板に加熱状態で接着する際に、熱膨張率の低いＣＦＲＰ板を前記軽金属ハニカムの膨張とほぼ等しくなるように引き伸ばした状態で前記軽金属ハニカムに接着するようにしたハニカムパネルの製造方法。
熱膨張率の低いＣＦＲＰ板を軽金属ハニカムの膨張とほぼ等しくなるように引き延ばす手段として、コアと同じ熱膨張率の治具を用い、該治具に前記ＣＦＲＰ板を保持させるようにした請求項１に記載のハニカムパネルの製造方法。
セルサイズ１／４インチ以上３／８インチ以下のアルミハニカムに、上記表面板を130度以上で硬化する接着剤を用いたことを特徴とする請求項１又は２に記載のハニカムパネルの製造方法。
中央にハニカムパネルの端面を嵌合する大きさの穴部を設けた２つの軽金属枠体間にＣＦＲＰ板を挟持するようにしたものである請求項２又は３の製造方法に用いられるハニカムパネル製造用治具。
請求項４に記載のハニカムパネル製造用治具の軽金属枠体の穴部に嵌合する大きさの凸部が中央に形成された熱板を上下に備え、該熱板は加熱機能を有すると共に上下方向に変位可能なものであって、両者間にＣＦＲＰ板、接着剤フィルム、ハニカムコア、接着剤フィルムそしてＣＦＲＰ板を積層して圧接することを特徴とするハニカムパネル製造装置。