(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
板状体、および、開口部と開口部内方に延在する接着代と開閉自在な作業孔とを有する箱状体を構成部材とし、閉空間を有する構造体を機械的結合手段を用いずに一体的に製造する方法であって、
接着代を有する複数の前記板状体から前記箱状体を形成してシリコンゴム製のビーズを主構成要素とするフレキシブルマンドレルを充填する箱状体形成工程と、
熱硬化型の接着剤を介して前記閉空間を構成する構成部材を組み合わせるとともに、前記フレキシブルマンドレルが前記閉空間内に充填された構造体を一時的に形成する閉空間形成工程と、
前記構造体を所定の治具で固定し加熱して前記フレキシブルマンドレルを膨張させて前記閉空間内側から外側へと押圧力を作用させるとともに前記接着剤を硬化させる加熱工程と、
前記フレキシブルマンドレルを前記閉空間内から排出する排出工程と
を備えることを特徴とする閉空間を有する構造体の製造方法。
【請求項２】
前記フレキシブルマンドレルは、シリコンゴム製のビーズのみから構成されたものであることを特徴とする請求項１記載の閉空間を有する構造体の製造方法。
【請求項３】
前記フレキシブルマンドレルは、シリコンゴム製のビーズにガラスビーズを混入させたものであることを特徴とする請求項１記載の閉空間を有する構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、閉空間を有する構造体の製造方法に関し、特に、閉空間を有する繊維強化樹脂複合材製の構造体を、リベット等の機械的結合手段を使用することなく接着によって一体的に成形し、製造上の労力・コストの低減、および、製造サイクルの迅速化を図ることができる閉空間を有する構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
航空機や宇宙構造物は、その用途の特殊性から、その構造が高強度でかつ軽量であることが望ましい。このため、航空機の主翼、尾翼、胴体などを構成する際には、主として外殻の部材に荷重を担わせるセミモノコック構造が採用されており、このセミモノコック構造の代表例としては航空機の主翼が挙げられる。航空機の主翼は、前縁部分、桁間部分および後縁部分から構成されており、この中の桁間部分は、前桁、後桁、上下外板、ストリンガー、リブなどから構成される箱型構造とされている。
【０００３】
前記した箱型構造のように、その内部に閉空間を有する構造体を構成する手法としては、（１）金属材料または複合材料から調製した板状体１００を使用して図７に示すような開口部２１０を有する直方体状の箱状体２００を構成し、その開口部２１０に設けたフランジ２１１の上部に上部板状体３００を配置し、これらフランジ２１１と上部板状体３００とを図８で示すように機械的結合手段（リベット）４００を使用して結合する手法や、（２）複数の組み合わせ式の金属製マンドレルを使用して、開口部を有する直方体状の箱状体をＲＴＭ法によって２個成形し、これら２個の箱状体の開口部同士を機械的結合手段を使用して結合する手法などが提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、前記（１）の手法による場合には、図７および図８で示したように、箱状体２００の開口部２１０に設けたフランジ２１１および上部板状体３００の周縁部にリベット孔を設ける作業や、リベット締め作業などの煩雑な作業が必要であった。また、前記した航空機の桁間部分のように大型の構造体を構成する場合には、多数のリベット４００を必要とするために重量が大きくなり、軽量化の要請に反することとなっていた。さらに、別途リベット４００を製作するためのコストも嵩んでいた。
【０００５】
また、前記（２）手法による場合には、やはり、箱状体の開口部同士をリベット結合する必要があるため、前記したような作業の煩雑化、構造体の重量増加、コストの嵩みなどの問題が同様に生じていた。また、構造体の形状に合わせた金属製マンドレルを使用する必要があるため、形状の異なる金属製マンドレルを多数準備する必要があった。さらに、ＲＴＭ法の加熱工程の際に、成形された箱状体が熱収縮するため、金属製マンドレルをこの箱状体内部から引き抜く作業（脱型作業）が困難で、製造サイクルの遅延をもたらしていた。
【０００６】
本発明の課題は、閉空間を有する構造体の製造方法において、自在に変形可能で脱型が容易なフレキシブルマンドレルを使用することにより、製造上の労力および製造コストを低減させ、かつ、製造サイクルの迅速化を達成することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、請求項１記載の発明は、例えば図１ないし図６に示すように、板状体、および、開口部と開口部内方に延在する接着代と開閉自在な作業孔とを有する箱状体を構成部材とし、閉空間を有する構造体を機械的結合手段を用いずに一体的に製造する方法であって、
接着代を有する複数の前記板状体から前記箱状体を形成してシリコンゴム製のビーズを主構成要素とするフレキシブルマンドレルを充填する箱状体形成工程と、
熱硬化型の接着剤を介して前記閉空間を構成する構成部材を組み合わせるとともに、前記フレキシブルマンドレルが前記閉空間内に充填された構造体を一時的に形成する閉空間形成工程と、
前記構造体を所定の治具で固定し加熱して前記フレキシブルマンドレルを膨張させて前記閉空間内側から外側へと押圧力を作用させるとともに前記接着剤を硬化させる加熱工程と、
前記フレキシブルマンドレルを前記閉空間内から排出する排出工程と
を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項１記載の発明によれば、リベット結合工程を経ることなくフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を接着により一体的に製造することができるので、リベット孔を設ける作業、リベット締め作業などの煩雑な作業が不要となり、製造上の労力を格段に低減させることができる。
【０００９】
また、請求項１記載の発明によれば、金属製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を製造することができるので、製造する構造体の形状に合わせた多種類の金属製マンドレルを準備する必要がない。従って、製造コストを格段に低減させることができる。
【００１１】
請求項１記載の発明によれば、金属製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を製造することができ、このフレキシブルマンドレルを製造終了後に作業孔から容易に排出することができる。従って、従来困難であった脱型作業がきわめて容易となり、製造サイクルの迅速化をもたらすことができる。
【００１２】
また、請求項１記載の発明によれば、金属製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を製造することができ、この製造工程に使用したフレキシブルマンドレルを製造終了後に作業孔から排出して次の製造工程に再使用することができる。従って、製造コストを格段に低減させることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の閉空間を有する構造体の製造方法において、前記フレキシブルマンドレルは、シリコンゴム製のビーズのみから構成されたものであることを特徴とする。
【００１４】
請求項３記載の発明は、請求項１記載の閉空間を有する構造体の製造方法において、例えば図２に示すように、前記フレキシブルマンドレルは、シリコンゴム製のビーズにガラスビーズを混入させたものであることを特徴とする。
【００１５】
請求項２または３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の奏する作用効果に加え、シリコンゴム製のビーズの充填率、直径、硬度を適宜変更したり、シリコンゴム製のビーズとガラスビーズとの混合比率を適宜変更したりすることによって、加熱工程でのフレキシブルマンドレルの膨張による押圧力の大きさを自在に制御することができる。従って、構成部材の材質や大きさ、接着剤の種類などに応じて、最適な押圧力を作用させることができるので、より高品質の構造体を製造することができる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。以下の実施の形態においては、本発明に係る製造方法を使用して、縦５０ｍｍ×横６０ｍｍ×高さ２５ｍｍの直方体形状を呈する箱型構造物（図５および図６参照）を製造する工程について説明する。箱型構造物を構成する各板状体は、エポキシ樹脂を母材とした炭素繊維強化樹脂複合材を使用して硬化成形したものである。
【００１７】
本実施の形態に係る製造方法では、まず、箱型構造物の底壁となる板状体（以下、「下部板状体」という）１０ｄを基台３０の上に配置し、この下部板状体１０ｄの各辺に、熱硬化型接着剤を介して、箱型構造物の側壁となる板状体（以下、「側部板状体」という）１０ｓを配置して、開口部２１と開口部内方に延在する接着代２２と開閉自在な作業孔２３とを有する直方体形状の箱状体２０を形成する（図１参照）。また、箱状体２０の上側に配置する板状体（以下、「上部板状体」という）１０ｕを準備する（図１参照）。熱硬化型接着剤としては、エポキシ樹脂に代表される熱硬化性樹脂製の接着剤を挙げることができる。
【００１８】
各側部板状体１０ｓには、上部板状体１０ｕ、下部板状体１０ｄおよび隣接する他の側部板状体１０ｓと接着するための接着代が設けられており、この接着代に熱硬化型接着剤を適用して前記した態様で配置されることにより、各側部板状体１０ｓと下部板状体１０ｄ、および、各側部板状体１０ｓ同士が仮固定されて、箱状体２０が構成されることとなる（図１参照）。また、各側部板状体１０ｓに設けられた上部板状体１０ｕとの接着代は、箱状体２０の開口部内方に延在する接着代２２とされる（図１参照）。
【００１９】
箱状体２０の前面に配置された側部板状体１０ｓには、直径１０ｍｍの作業孔２３が設けられている（図１参照）。この作業孔２３は、後述するフレキシブルマンドレル５０を排出するためのものである。作業孔２３の設けられる位置、形状、大きさなどは、前記した機能を果たすことができれば特に限定されるものではない。
【００２０】
次いで、箱状体２０の側部板状体１０ｓの外側面に密着させて側部治具４１を配置し、この側部治具４１を基台３０に固定する。この側部治具４１は、後述する上部治具４２をその上部に配置・固定することにより、箱状体２０の上方に固定する上部板状体１０ｕの位置のずれを防止するとともに、後述する加熱工程でフレキシブルマンドレル５０を膨張させて箱状体２０の内部側から押圧力を作用させた際に、フレキシブルマンドレル５０および側部治具４１、上部治具４２によって各接着部に押圧力を与えるように機能するものである。
【００２１】
次いで、箱状体２０の開口部２１から、シリコンゴム製のビーズ５１にガラスビーズ５２を混入させて構成したフレキシブルマンドレル５０を、箱状体２０の内部に充填する（箱状体形成工程：図２参照）。この際には、図２に示すように、側部板状体１０ｓの上端（すなわち、箱状体２０のフランジ２２の下面）までフレキシブルマンドレル５０を充填するようにする。
【００２２】
本実施の形態においては、フレキシブルマンドレル５０を構成するシリコンゴム製のビーズ５１は、直径４ｍｍでデュロメータ硬度５０のものを使用しており、ガラスビーズの直径も４ｍｍとしている。ガラスビーズの加熱による膨張率は、熱硬化型接着剤の硬化に必要な温度域では無視することができる。
【００２３】
次いで、フレキシブルマンドレル５０が充填された箱状体２０のフランジ２２の上に、熱硬化型接着剤６０を介して上部板状体１０ｕを配置して、直方体形状の閉空間を有する箱型構造物を一時的に形成する（閉空間形成工程：図２参照）。この工程において、上部板状体１０ｕの周縁部は、熱硬化型接着剤６０によって箱状体２０のフランジ２２に仮固定される。なお、図示していないが、上部板状体１０ｕには、後述する加熱工程によって膨張した箱状体２０内部の空気を逃がすための微小孔が設けられている。
【００２４】
次いで、図３および図４に示すように、上部板状体１０ｕの上側に上部治具４２を配置し、この上部治具４２を前記した側部治具４１に固定して、上部板状体１０ｕを箱状体２０に固定する。すなわち、基台３０、側部治具４１および上部治具４２によって、上部板状体１０ｕおよび箱状体２０を囲うようにする。本実施の形態においては、側部治具４１および上部治具４２は、図３に示したように、下部板状体１０ｄと各側部板状体１０ｓとの接着部分、側部板状体１０ｓ同士の接着部分、および、各側部板状体１０ｓと上部板状体１０ｕとの接着部分を特に補強するものとしている。
【００２５】
次いで、基台３０、側部治具４１および上部治具４２によって上部板状体１０ｕおよび箱状体２０を囲った状態で、オーブンを使用してこれら上部板状体１０ｕおよび箱状体２０を、１８０℃で５分間加熱する（加熱工程）。この加熱工程によって、箱状体２０の内部に充填されたフレキシブルマンドレル５０を膨張させて、箱状体２０のフランジ２２を箱状体２０の内部側から上部板状体１０ｕ側へと押圧力を作用させる。
【００２６】
箱状体２０のフランジ２２および上部板状体１０ｕの周縁部は、側部治具４１、上部治具４２およびフレキシブルマンドレル５０によって挟まれた状態で固定されているため、前記加熱工程でフレキシブルマンドレル５０を膨張させて押圧力を作用させると、箱状体２０のフランジ２２と上部板状体１０ｕの周縁部との間に配置された熱硬化型接着剤６０が、オーブンによる加熱と前記押圧力下で硬化反応する。この結果、上部板状体１０ｕの周縁部が箱状体２０のフランジ２２と強固に接着される。
【００２７】
次いで、側部治具４１および上部治具４２を常温まで冷却した後に箱型構造物から取り外し、箱状体２０に設けられた作業孔２３から、箱状体２０内部に充填されたフレキシブルマンドレル５０を排出する（排出工程、図５参照）。この後、作業孔２３を閉鎖して、所望の箱型構造物を得る（図６参照）。
【００２８】
本実施の形態に係る製造方法において使用されるフレキシブルマンドレル５０は、シリコンゴム製のビーズ５１を主構成要素としているため、箱状体２０および上部板状体１０ｕから形成される直方体形状の閉空間に応じて自在に変形可能である。また、フレキシブルマンドレル５０を構成するシリコンゴム製のビーズ５１は、加熱工程によって膨張させることができ、かつ、１個１個が柔軟であるので、加熱膨張させて閉空間を形成する面に接触したシリコンゴム製のビーズがこの接触面に沿って変形する。従って、閉空間を形成する全ての面にくまなく均一な押圧力を作用させることができる。
【００２９】
このため、下部板状体１０ｄと各側部板状体１０ｓとの接着部分、側部板状体１０ｓ同士の接着部分、および、各側部板状体１０ｓと上部板状体１０ｕとの接着部分に充分な押圧力を作用させることができる。従って、リベット結合工程を経ることなく箱型構造物を接着のみにより製造することができる。この結果、リベット孔を設ける作業、リベット締め作業などの煩雑な作業が不要となり、製造上の労力を格段に低減させることができる。
【００３０】
また、本実施の形態に係る製造方法を使用すれば、リベット結合工程を経ることなく箱型構造物を製造することができるので、例えば、本実施の形態に係る箱状体２０や上部板状体１０ｕが大型である場合でも、リベットの使用によって箱型構造物の重量が増加することがない。従って、航空機の主翼の桁間部分（箱型構造）の製造にも、きわめて好適に使用することができる。さらに、リベット製作のためのコストを削減することができ、製造コストを格段に低減させることができる。
【００３１】
さらに、本実施の形態に係る製造方法を応用して、ドライプリフォームで囲まれる閉空間にフレキシブルマンドレルを充填するようにすれば、箱状体２０をＲＴＭ法で一体成形する際に必要な金属製マンドレルを使用せずに箱型構造物を製造することができるので、箱型構造物のサイズや形状に合わせた多種類の金属製マンドレルを準備する必要がない。また、箱型構造物の製造に使用したフレキシブルマンドレル５０は、製造終了後に作業孔から排出して次の製造工程に再使用することができるので、製造コストを格段に低減させることができる。
【００３２】
さらにまた、本実施の形態に係る製造方法を応用すれば、箱状体２０をＲＴＭ法で一体成形する際に必要な金属製マンドレルを使用せずに箱型構造物を製造することができ、製造終了後にフレキシブルマンドレル５０を作業孔から容易に排出させることができる。従って、金属製マンドレルを使用する際のような脱型作業の困難さがなく、製造サイクルの迅速化がもたらされる。
【００３３】
なお、前記した実施例においては、接着に１〜３×１０-2ＭＰａ程度の圧力が必要であるため、フレキシブルマンドレル５０を箱状体２０の内部空間一杯に充填したが、接着に必要な圧力に応じて、フレキシブルマンドレル５０を構成するシリコンゴム製のビーズ５１の充填量を変更することもできる。
【００３４】
例えば、万能試験機などを使用して、シリコンゴム製のビーズ５１の圧縮率と圧力との関係（すなわち、シリコンゴム製のビーズ５１を所定体積圧縮した場合に、物体にどの程度圧力を加えることができるか）を調べ、この関係を利用して、接着に必要な圧力を得るためのシリコンゴム製のビーズ５１の圧縮率を求める。次いで、求めた圧縮率と箱状体２０の容積との関係から、必要なシリコン製のビーズ５１の体積（充填量）を適宜決めることができる。
【００３５】
なお、前記した実施例においては、シリコンゴム製のビーズ５１とガラスビーズ５１とから構成したフレキシブルマンドレル５０を構成したが、シリコンゴム製のビーズ５１のみからフレキシブルマンドレル５０を構成することもできる。
【００３６】
また、前記した実施例においては、硬化成形した板状体を使用して箱状体２０を構成しているが、これに代えて、１次硬化成形した板状体を使用して箱状体２０を構成してもよい。この場合には、板状体を加熱工程で２次硬化させることとなるが、この際、シリコンゴム製のビーズ５１およびガラスビーズ５２が板状体に押圧されて球状の型が板状体に形成されるのを防ぐために、各板状体（下部板状体１０ｄ、側部板状体１０ｓおよび上部板状体１０ｕ）とシリコンゴム製のビーズ５１およびガラスビーズ５２との間に、シリコンゴム製のビーズ５１と同程度の硬度を有する耐熱板を配置するのがよい。
【００３７】
また、前記した実施例においては、箱状体２０の内部に直接フレキシブルマンドレル５０を充填して加熱膨張させているが、所定のバッグフィルムの内部にフレキシブルマンドレル５０を充填してこのバッグフィルム内の空気を排出してその形状を整え、これを箱状体２０内に収納した上で加熱膨張させてもよい。この場合には、排出工程において作業孔２３近傍のバッグフィルム部分を破り、その内部のフレキシブルマンドレル５０を排出させるようにする。
【００３８】
また、前記した実施例においては、上部板状体１０ｕおよび箱状体２０の外側に側部治具４１および上部治具４２を配置しているが、接着に必要な圧力が比較的小さく、かつ、板状体が十分な剛性を有して内部からの押圧力による撓み変形が無視できる場合には、治具を配置する工程を省くこともできる。
【００３９】
【発明の効果】
請求項１記載の発明によれば、リベット結合工程を経ることなくフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を接着により一体的に製造することができるので、リベット孔を設ける作業、リベット締め作業などの煩雑な作業が不要となり、製造上の労力を格段に低減させることができる。
【００４０】
また、請求項１記載の発明によれば、金属製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を製造することができるので、製造する構造体の形状に合わせた多種類の金属製マンドレルを準備する必要がない。従って、製造コストを格段に低減させることができる。
【００４１】
請求項１記載の発明によれば、金属製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を製造することができ、このフレキシブルマンドレルを製造終了後に作業孔から容易に排出することができる。従って、従来困難であった脱型作業がきわめて容易となり、製造サイクルの迅速化をもたらすことができる。
【００４２】
また、請求項１記載の発明によれば、金属製マンドレルを使用せずにフレキシブルマンドレルを使用して閉空間を有する構造体を製造することができ、この製造工程に使用したフレキシブルマンドレルを製造終了後に作業孔から排出して次の製造工程に再使用することができる。従って、製造コストを格段に低減させることができる。
【００４３】
請求項２または３記載の発明によれば、請求項１記載の発明の効果を奏するのは勿論のこと、シリコンゴム製のビーズの充填率、直径、硬度を適宜変更したり、シリコンゴム製のビーズとガラスビーズとの混合比率を適宜変更したりすることによって、加熱工程でのフレキシブルマンドレルの膨張による押圧力の大きさを自在に制御することができる。従って、構成部材の材質や大きさ、接着剤の種類などに応じて、最適な押圧力を作用させることができるので、より高品質の構造体を製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る製造方法で使用される箱状体を基台の上に載置した状態を示す斜視図である。
【図２】図１の箱状体にフレキシブルマンドレルを充填して上部板状体を配置した状態におけるII-II部分の断面図である。
【図３】図２の箱状体および上部板状体の外側に治具を配置した状態を示す斜視図である。
【図４】図３のIV-IV部分の断面図である。
【図５】図３の状態から加熱工程を経て形成した箱型構造物の作業孔からフレキシブルマンドレルを排出する状態を示す斜視図である。
【図６】図５のVI-VI部分の断面図である。
【図７】従来の閉空間を有する構造体の製造方法で使用される箱状体と板状体とを示す斜視図である。
【図８】図７の箱状体にリベット結合によって板状体を固定した状態のVIII-VIII部分の断面図である
【符号の説明】
１０ｕ    上部板状体
１０ｓ    側部板状体
１０ｄ    下部板状体
２０      箱状体
２１      開口部
２２      フランジ
２３      作業孔
３０      基台
４１      側部治具
４２      上部治具
５０      フレキシブルマンドレル
５１      シリコンゴム製のビーズ
５２      ガラスビーズ
６０      熱硬化型接着剤
１００      板状体
２００      箱状体
２１０      開口部
２１１      フランジ
３００      上部板状体
４００      リベット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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