JP3335355B2 - 低密度の、安定化した傾斜形ハニカムコアを使用して、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品を高圧共硬化成形する複合成形装置、および成形方法、ならびにそれによって製造した製品 - Google Patents

低密度の、安定化した傾斜形ハニカムコアを使用して、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品を高圧共硬化成形する複合成形装置、および成形方法、ならびにそれによって製造した製品

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は複合製品を成形する方法と装置に関し、特に
全密度が低く、安定化した傾斜形ハニカムコアを使用し
て傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品を高圧共
硬化成形する複合成形装置と、成形方法とに関する。
発明の背景 ハニカムコアを組み入れた複合製品は、強度が高く、
しかも軽量であるという双方の利点があるため、航空宇
宙分野の構造体を製造するために広範に利用されてい
る。ハニカムコア複合製品はハニカムコアによって仕切
られ、安定化を図ったファイバ強化、樹脂含浸した上下
の積層板からなっている。ハニカムコア複合製品は曲げ
強く、圧縮強度が強い特性を備えているので、すなわ
ち、ハニカムコアがせん断ウェブとして機能し、積層板
を固有曲折軸から分断するので、ハニカムコアは航空機
の胴体パネルやドア構造のような航空宇宙分野での用途
に特に有用である。ハニカムコア複合製品として製造し
た航空機の胴体パネルやドア構造は高い強度を有し、か
つ軽量であるので、航空機システム全体が軽量化され
る。
ハニカムコア複合製品はブラック・バッグ成形技術を
利用して製造できる。すなわち、積層板とハニカムコア
とが剛性鋳型と準剛性鋳型とからなる準剛性成形アセン
ブリ内に積層され、これがオートクレーブ内で加圧、高
温下で真空バッグ成形され、共硬化される。下層材料、
ハニカムコアおよび上層材料は順次、準剛性成形アセン
ブリ内に積層されるので、ハニカムコアは上下の積層板
で覆われる。上下の積層板はプリプレグである。すなわ
ち、エポキシ、フェノール、またはその他の同類の有機
樹脂材料で含浸され、プリプレグを形成するように成層
した黒鉛、アラミド（例えばKevlar（Ｒ））、ほう素、
ファイバガラス、等の配向繊維材料のマトリクスからな
る繊維織布、編み糸、または繊維トウである。積層前に
ハニカムコアに塗布される塗膜接着剤は、共硬化方法中
に上下の積層板と、網状のハニカムコアとを接着させ
る。
ハニカムコア複合製品として製造される航空機の胴体
パネルおよびドア構造の多くは、単一、または複数の傾
斜面を含む構造を有している。このような傾斜面によ
り、傾斜面を有するハニカムコア複合製品を製造し、使
用する際に悪影響を及ぼす幾つかの互いに関連する問題
点が生ずる。第１に、ハニカムコア材料は積層方法の前
に上記のような傾斜面を組み入れるためにネットシェイ
プされなければならない。すなわち傾斜形ハニカムコア
が形成されなければならない。これに付随して、ネット
シェイプ動作中にハニカムコアが損傷することを防止す
るため、ハニカムコア材料はネットシェイプの前に“安
定化”されなければならない。
ハニカムコア材料は傾斜面を組み入れるために一般
に、“安定化”されたハニカムコア材料を加工して、こ
の材料を除去することによってネットシェイプされ、そ
れによって単一、または複数の傾斜面が形成される。加
工用にこのようなハニカムコア材料を安定化させるた
め、すなわち、加工方法中に蛇腹状に折れないようにす
るため、一般に塗膜接着剤をハニカムコア材料の上下の
主要面に塗布し、被覆されたハニカムコア材料が硬化さ
れる。ハニカムコア材料は硬化後にネットシェィプする
ために加工され、ひいては傾斜形ハニカムコアとなる。
傾斜形ハニカムコアを準剛性成形アセンブリ内に積層
し、その後共硬化させるための“前準備”として、傾斜
したハニカムコアに別の塗膜接着剤層が塗布される。共
硬化方法中、第２塗膜接着剤層は上下の積層板と、傾斜
形ハニカムコアとを接着する。前述の製造技術によって
ブラッグ・バッグ技術用に使用するために基本的に受入
れられる傾斜形ハニカムコアが製造されるものの、この
ようなコアは一般に、ネットシェイプ動作のためにハニ
カムコア材料を“安定化”させ、かつ、共硬化中に上下
の積層板と傾斜形ハニカムコアとを結合するために傾斜
形ハニカムコアを“前準備”するための塗膜接着剤の塗
布状態が最適化されていないことに起因して、全密度が
高い（“全密度”という語句はここでは“安定化”と
“前準備”のために使用される傾斜形ハニカムコアの密
度と、塗膜接着剤の密度とを意味する）。このようにハ
ニカムコアの全密度が高いことは、航空機システムの総
重量を最小限にすることが決定的に重要な設計上の基準
であるような用途では受入れられない。
加えて、上記のような傾斜形ハニカムコアは現在のブ
ラック・バッグ技術で使用するために充分に安定化され
ないことがある。傾斜形ハニカムコアの傾斜面のつぶ
れ、すなわちへこみは、傾斜形ハニカムコア複合製品の
製造方法の共硬化段階中に繰り返し生ずる問題である。
つぶれは傾斜形ハニカムコアの安定化が不十分であるこ
と、または、共硬化方法中に傾斜面への圧力分布が非対
称であること、またはその双方の結果である。傾斜形ハ
ニカムコアの安定化は、コアの外壁に膨張性の接着剤フ
ォーム、または合成フォーム材を塗布し、または、コア
を埋めるために膨張性接着剤フォームまたは合成フォー
ム材を使用することによって達成してもよい。
しかし、安定化のためにこのような方法を選択するこ
とは、航空機システムの総重量を最小限にすることが設
計上の決定的な基準になるような用途では、膨張性接着
剤または合成フォーム材を傾斜形ハニカムコアの安定化
のために使用することで重量の点で許容し得ないほど不
利になるので実際的ではない。例えば、一般に使用され
ている合成フォーム材の一つであるEPOCAST（Ｒ）の典
型的な密度範囲は約30−50lb/ft3（481−801kg/m3）で
ある。
共硬化方法中のコアのつぶれを最小限に抑えるための
別の選択肢は共硬化圧を制限することである。一般に、
共硬化圧の最大値を約45psi（310kPa）に制限すると、
傾斜形ハニカムコア複合製品の製造時にコアのつぶれが
生ずる回数は大幅に減少する。しかし、成形方法の別の
側面にとって共硬化の最大圧を制限することは一般には
受入れられない。
例えば、低い共硬化圧、すなわち≦45psiの圧力を利
用して製造した傾斜形ハニカムコア複合製品の積層板で
は空隙のレベル、すなわち積層板内の圧密化が不十分な
領域が不合格のレベルに達することがある。あるいは、
共硬化圧を低く制限すると、上下の積層板と傾斜形ハニ
カムコアとの完全な結合が妨げられることがある。共硬
化圧を低く抑えることに起因する空隙および不完全な結
合の双方または一方によって、航空宇宙分野の用途での
使用に合格する例えば強度のような機械的特性を備えて
いない傾斜形ハニカムコア複合製品が産出される場合が
ある。
特に航空宇宙の用途では、高い共硬化圧を利用して傾
斜面を有するハニカムコア複合製品を製造するための共
硬化成形方法が得られれば有利であろう。このような高
圧共硬化成形方法を有効に利用するには、このような高
圧共硬化成形方法で、全密度が低く、安定性があるよう
に最適に形成された傾斜形ハニカムコアを得る必要があ
る。
これに付随して、上記のような成形方法中に積層板の
組合わせの傾斜面に全体に対称的な圧力配分がなされ、
かつ低密度の安定化した傾斜形ハニカムコアが得られる
ように最適化された、低密度の安定化した傾斜形ハニカ
ムコアを利用して上記のような高圧共硬化成形方法で使
用される複合成形装置を提供する必要がある。
発明の開示 本発明の一つの目的は、共硬化段階中に高い共硬化圧
を利用して傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品
を製造するための共硬化複合成形方法を提案することに
ある。
本発明の別の目的は、従来技術を利用して製造された
傾斜形ハニカムコア複合製品と比較して大幅に軽量化さ
れた、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品を製
造するために、前記の高圧共硬化複合成形方法で使用す
るための、全密度が低い、安定化した傾斜形ハニカムコ
アを提供することにある。
本発明の更に別の目的は、上記のような成形方法中に
積層板の組合わせの傾斜面に全体に対称的な圧力配分が
なされ、かつ低密度の安定化した傾斜形ハニカムコアが
得られるように最適化された、低密度の安定化した傾斜
形ハニカムコアを利用して上記のような高圧共硬化成形
方法で使用される複合成形装置を提供することにある。
上記の目的、およびその他の目的は、本発明に従った
全密度が低い、安定化した傾斜形ハニカムコアを利用し
て、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品を高圧
共硬化成形する複合成形装置と、成形方法によって達成
される。全密度が低い、安定化した傾斜形ハニカムコア
は、ハニカムコア材料を安定化させるために面積重量が
軽い塗膜接着層を塗布する最適な塗布技術を利用し、か
つ積層と共硬化のために傾斜形ハニカムコアを前準備す
ることによって製造される。
全密度が低く、安定化した傾斜形ハニカムコアは傾斜
面を含むように、安定化したハニカムコア材料をネット
シェープすることによって形成される。ハニカムコアは
ネットシェープ動作のために、ハニカムコア材料の上下
の主表面に額縁状に面積重量が軽い塗膜接着層を塗布す
ることによって安定化される。より詳細に説明すると、
上部主表面に塗布された塗膜接着層は加工される傾斜面
を所定距離だけ越えて内側に延ばされる。下部主表面に
塗布された塗膜接着層はハニカムコア材料の縁部から所
定距離だけ内側に延ばされる。
安定化したハニカムコア材料は傾斜形ハニカムコアを
形成するためにネットシェープされる。積層と共硬化の
ために傾斜形ハニカムコアを前準備するため、上下の主
表面と、傾斜形ハニカムコアの傾斜面とに面積重量が軽
い塗膜接着層を塗布して、全密度が低い、安定化した傾
斜形ハニカムコアが形成される。
複合成形装置は、成形面を有する剛性基体と、成形面
を有する相補形の準剛性鋳型とを含む準剛性成形アセン
ブリである。剛性基体と準剛性鋳型との成形面は相互の
組合わせで、製造される軽量のハニカムコア複合製品の
形状線外面を形成する。
準剛性鋳型は強化ツーリング材料、すなわちファイバ
強化されたエラストマー材料と、非強化エラストマー材
料の層の組合わせから形成されている。準剛性鋳型は、
構造上剛性の材料から形成され、製造される軽量のハニ
カムコア複合製品の傾斜面の構造と適合する構造を有す
る内部の剛性強化インサートを含んでいる。剛性強化イ
ンサートは準剛性鋳型を形成する強化ツーリング材料お
よび非強化エラストマー材料の双方または一方の層の間
に挟着される。準剛性鋳型の内部剛性強化インサート
は、全密度が低く、安定化した傾斜形ハニカムコアの傾
斜面と、その上層の複合プリプレグの全体に亘って対称
に圧力配分されるために役立つ。
複合プリプレグと全密度が低く、安定化した傾斜形ハ
ニカムコアとは準剛性成形アセンブリ内で積層され、こ
れはオートクレーブ内で真空バッグ処理される。真空バ
ッグは真空排気され、積層された成形アセンブリには高
圧共硬化のために、２段階の圧力、温度サイクルが施さ
れる。オートクレーブには所定の滞留圧が印加され、次
にオートクレーブの温度は周囲温度から所定の滞留温度
へと除々に上昇される。次にオートクレーブは所定の滞
留期間だけ所定の滞留圧と所定の滞留温度に整定され
る。
所定の滞留期間が経過した後、オートクレーブの圧力
は前記の所定の滞留圧から所定の高圧へと昇圧される。
次に、オートクレーブの温度が所定の滞留温度から所定
の共硬化温度へと上昇される。その後、オートクレーブ
は、積層を硬化させるために、所定の共硬化期間だけ所
定の高圧と、所定の共硬化温度に整定される。硬化が完
了した後、すなわち所定の共硬化期間が満了した後、オ
ートクレーブは周囲温度まで冷却される。次に、オート
クレーブは複合成形装置を取り出すために除圧され、こ
の複合成形装置は引き続いて真空バックから取り出され
（デバッグ）、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合
製品を取り出すために開放される。
図面の簡単な説明 本発明とそれに付随する特徴および利点は、添付図面
と合わせて以下の詳細な説明を参照することによってよ
り完璧に理解されよう。図中、 図１は本発明に従った複合成形装置の一実施例の横断
面図である。
図2A−2Lはハニカムコア材料をネットシェープ動作の
ために安定化させ、かつ積層および共硬化手順のために
傾斜形ハニカムコアを前準備するための塗膜接着剤を塗
布する種々の技術を示している。
図3A−3Bは本発明に従った高圧共硬化成形方法で使用
するための、全密度が低く、安定化した傾斜形ハニカム
コアを得るために、ハニカムコア材料を安定化させ、傾
斜形ハニカムコアを前準備するための塗膜接着剤塗布技
術を示している。
図４は本発明の安定化し、低密度の傾斜形ハニカムコ
アを使用して高圧共硬化成形方法に図１の複合成形装置
を使用する態様を示している。
図５は本発明に従った高圧共硬化成形方法のための２
段階の圧力、温度サイクルの一例を示したグラフであ
る。
好ましい実施例の詳細な説明 ここで図面を参照すると、幾つかの図面を通して同一
の参照符号は対応する、または同類の要素を示してお
り、図１は後に詳述するように製造された全密度が低
く、安定化した傾斜形ハニカムコア30（図４参照）を使
用して、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品
（LHCC製品）を製造するための、本発明に従った高圧共
硬化成形方法で使用する複合成形装置10の一実施例を示
している。複合成形方法で使用する材料は代表的には黒
鉛、アラミド（例えばKevlar（Ｒ））、ほう素、ファイ
バガラス、等のエポキシ、フェノール、またはその他の
同類の有機樹脂材料で含浸した配向繊維材料のマトリク
スからなっている。本発明に従った複合成形装置10と高
圧共硬化成形方法は、LHCC製品を製造するために複合プ
レプレグを使用するようにされている。複合プレプレグ
は所定量のエポキシ、フェノール、またはその他の同類
の有機樹脂材料で含浸した黒鉛、アラミド（例えばKevl
ar（Ｒ））、ほう素、ファイバガラス、等の配向繊維材
料のマトリクスからなる繊維織布、編み糸、または繊維
トウから形成される。有機樹脂で含浸した複合材料には
（“粘着性の”複合材料（プレプレグ）を形成するため
の処理段階が施される。粘着状態の複合プレプレグは硬
化前の積層段階をなす全ての動作で処理される。
複合成形装置10は剛性基体12と相補形の準剛性鋳型20
とからなる準剛性成形アセンブリである。剛性基体12と
相補形の準剛性鋳型12とは相互の組合わせで、製造され
るLHCC製品の形状線外面を形成する。剛性基体12はスチ
ールのような構造的に剛性の材料から形成されている。
図１の実施例に示した剛性基体12は平板構造の成形面13
を有している。しかし、剛性基体は、製造されるLHCC製
品の構造に応じてより複雑な構造の成形面を有していて
もよいことが専門家には明らかであろう。
相補形の準剛性鋳型20は後に詳述するように、鋳型20
の成形面21が製造されるLHCC製品の形状線外面と適合す
るように所定の程度の弾力性を備えた、ファイバ強化さ
れたエラストマー材料から形成した準剛性鋳型である。
準剛性鋳型20は本発明の高圧共硬化成形方法中に圧力が
均一に伝達されるために役立つ。更に、高圧共硬化方法
を促進するため、後に詳述するような剛性強化インサー
ト22を準剛性鋳型20内に配置し、これは製造されるLHCC
製品の傾斜面全体に亘り、すなわち、全密度が低く、安
定化したハニカムコア30の傾斜面と、これに対応して積
層された複合プレプレグ全体に亘って対称的な圧力配分
がなされるために役立つ。剛性強化インサート22と、全
密度が低く、安定化した傾斜形ハニカムコア30との組合
わせは相互作用して、本発明に従った高圧共強化成形方
法の高圧共硬化段階中にLHCC製品の傾斜面が凹むことを
根本的に防止することに役立つ。
複合成形装置の準剛性鋳型20は、本発明の譲受人が所
有し、本明細書に参考文献として組入れられている米国
特許明細書第5,071,338号「複雑な複合製品を形成する
ためのツーリング」に記載されている方法に従って製造
することが好ましい。鋳型20は強化ツーリング材料の組
合わせ、すなわち、エラストマー材料に封入されたエラ
ストマー含浸ファイバ強化材料と、後に詳述する剛性強
化インサート22との組合わせから形成される。
重量百分比で60％以上のフッ素を含有した完全飽和フ
ッ化ポリマーであるFLUOREL（Ｒ）（3Mカンパニー、セ
ントポール、ミシガン州）、または、フッ化ビニリデン
とヘキサフルオロプロピレンの共重合体を基にしたフル
オロエラストマー系であるVITON（Ｒ）（E.I.デュポン
・ドネモア・コーポレーション.,ウィルミントン、デラ
ウェア州）のようなフルオロエラストマーは、不活性特
性、高温での有用性、および約70ないし約80デュロメー
ターの硬度範囲を有しているので好適なエラストマー材
料である。
ハロゲン化エラストマー、フッ化シリコン・エラスト
マー、またはフッ化フォアゼン・エラストマーのような
同様の特性を有する別のエラストマーを使用してもよ
い。著しく引張り強く、スチールよりも延伸耐性が高い
芳香族ポリアミド繊維であるKLEVLAR（Ｒ）（E.I.デュ
ポン・ドネモア・コーポレーション）のようなアラミド
繊維、または布は、引裂き強さ、引張り強さ、および弾
性係数が高いので好適なファイバ強化材料である。
黒鉛またはファイバガラス等のその他の繊維強化材料
を使用してもよい。使用されるファイバ強化材料は細部
の領域でこわさと硬さを備えているとともに、ファイバ
強化積層を均一に圧密化するものである必要がある。
エラストマー材料は、例えばトルエン（メチルベンゼ
ン）または２−ブタノン（メチル エチル ケトン）等
のアルカリ芳香族溶剤のような適宜の溶剤（容積比約80
から99％）で溶解され、容積比が約90から約95％の溶剤
からなるエラストマー溶液が生成される。エラストマー
溶剤はエラストマーを沈殿させる、またはエラストマー
不溶性の、より重いポリマーを含有していてはならな
い。
エラストマー溶液は、材料を完全に含浸するように代
表的には複数の繊維束を織り込んで製造した布の形態の
繊維強化材料に被覆され、各繊維はエラストマー溶液に
よって完全に封緘される。次に溶剤は水切り（フラッシ
ング）または蒸発のような従来の技術を用いて完全に蒸
発せしめられる。
含浸された材料は次に、準剛性鋳型20を製造するため
に用いられる強化ツーリング材料を形成するために、カ
レンダー掛けまたは圧縮のような従来の技術を用いてエ
ラートマー・シートの間に挟装される。
準剛性鋳型20用の剛性強化インサート22は、製造され
るLHCC製品の傾斜面に亘り、すなわち、全密度が低く、
安定化したハニカムコア30の傾斜面と、これに対応して
積層された複合プレプレグ全体に亘って対称的な圧力配
分がなされるように作用する。この結果を達成するた
め、剛性強化インサート22は、後述するような本発明に
従った高温共硬化成形方法で用いられる共硬化温度でも
剛性を保持する、構造的に剛性の材料から形成される。
剛性強化インサート22は、製造されるLHCC製品の傾斜
面の対応構造と適合する平坦な構造を有するように形成
される。ここに記載している複合成形装置10の実施例で
は、剛性強化インサート22は厚さが約0.032インチ（8.1
mm）の6061T6アルミニウム製である。
準剛性鋳型20を製造する前に、製造されるLHCC製品の
実寸大の模型が従来の成形技術を用いて形成される。次
に強化ツーリング材料と非補強エラストマー材料、およ
び剛性強化インサート22の層が模型上に積層される。準
剛性鋳型20を形成するために必要な強化ツーリング材料
と非補強エラストマー材料の層の数、すなわち、鋳型20
の厚さは特定の用途によって異なる。
積層方法中、剛性強化インサート22は強化ツーリング
材料、および非補強エラストマー材料の双方または一方
の層の間に挟装されて鋳型20が形成される。剛性強化イ
ンサート22は、LHCC製品の模型の対応する傾斜面と平行
かつ平坦に向き合うように挟装される（図４参照）。
積層がなされた模型は次に、準剛性鋳型20を構成する
強化ツーリング材料、非補強エラストマー材料、および
挟装された剛性強化インサート22の層が模型の構造的な
特徴と精密に一致することを確実にするために、真空バ
ッグに封入され、かつ、真空処理される。圧密化した
後、真空バッグに封入され、積層がなされた模型は次に
硬化されて準剛性鋳型20を形成できる。
硬化サイクルの一例では、オートクレーブ内で約300
−400゜F（約149−204℃）で約100−200psi（689−1378
kPa）の圧力で約３−５時間に亘って硬化され、約400−
500゜F（204℃−260℃）で、大気圧で約８−10時間に亘
って後硬化される。準剛性鋳型20は使用前に、鋳型20が
仕上がり後のLHCC製品に付着することを防止するための
処理を施してもよい。そのために微粒ケイ酸塩物質であ
るMS−142（ミラー スチーブンソンCo.,ダンブリー、
カネティカット州）のような鋳型剥離剤が準剛性鋳型20
に塗布され、塗布された鋳型20は次に約350゜F（177
℃）の温度で約２時間に亘って焼付けされる。
前節で説明したように製造された準剛性鋳型20は、こ
れと一体の内部要素として剛性強化インサート22を含ん
でいる。鋳型20は複数の加熱サイクルに亘って安定して
いるので、再利用できるという付加的な利点も備えてい
る（約50から100サイクル）。
鋳型20は、従来の有機樹脂には見られることが多いア
ミン硬化剤に対する脆弱性がないので、その有用性が増
強される。鋳型20の機械的特性は時間を経ても著しく劣
化することはなく、損傷部分に前述のエラストマー溶液
を塗布することによって鋳型20に対する僅かな損傷なら
ば修復できる。
本発明に従った高圧共硬化成形方法用の複合成形装置
10で使用するための、全密度が低く、安定化した傾斜形
ハニカムコア30を開発する上で、発明者は相互に関連す
る２つの設計上の制約に直面した。その一つは、全密
度、すなわち、傾斜面ハニカムコアの密度と、ネットシ
ェープ動作用にハニカムコア材料を安定化させ、また、
積層および共硬化手順用に傾斜形ハニカムコアを前準備
するために使用される塗膜接着剤の密度の双方が低い傾
斜形ハニカムコアを得る必要があったことである。第２
の制約は、高圧共硬化成形方法で使用するために傾斜形
ハニカムコアが“安定化”されること、すなわち、方法
の高圧共硬化段階中にハニカムコアの傾斜面にへこみが
生じないことを確実にすることであった。
発明者は上記のような設計上の制約を良好に満たす要
件は、ネットシェープ動作のためにハニカムコア材料を
安定化させ、かつ共硬化手順用に傾斜形ハニカムコアを
前準備するために塗膜接着剤を最適に塗布することであ
るものと判断した。後に詳述する全密度が低く、安定化
した傾斜形ハニカムコア30が得られる最適な塗布技術を
確定するために、異なる重量の接着剤を用いた多くの異
なる塗膜接着剤塗布技術の評価がなされた。
初期の開発段階では、傾斜形ハニカムコアは、ハニカ
ムコアを安定化させるためにハニカムコアの上下の主要
面に重量0.06の塗膜接着剤の層（ここで重量0.0Xの塗膜
接着剤の単一層とは0.0Xlb/ft2（0.0X×4.88kg/m2）の
面積重量を有していることを意味する）を塗布し、ま
た、傾斜形ハニカムコアの前準備のために傾斜形ハニカ
ムコアの上下の主要面に重量0.03の塗膜接着剤の層を塗
布することによって製造された。
この傾斜形ハニカムコアは高圧共硬化成形方法で使用
するために充分に安定していたが、すなわち、高圧共硬
化中につぶれは生じなかったが、全密度が高いために、
傾斜形ハニカムコアの全重量は、航空機システムの全重
量を最低限に抑えることが決定的に重要な設計上の基準
となる航空宇宙の用途には重すぎるものであった。
図2A−2Lはネットシェープ動作中にハニカムコア材料
を安定化させ、かつ後述の積層手順のために傾斜形ハニ
カムコアを前準備するために評価された塗膜接着剤のそ
の他の幾つかの塗布技術を示したものである。
基本的に、参照記号HCMはハニカムコア材料を示し、
参照記号RHCは傾斜形ハニカムコアを示し、参照記号UMS
およびLMSは上下の主要面を示し、参照記号RSは傾斜面
を示し、参照記号MMは安定化したハニカムコア材料HCM
から加工によって除去されたハニカム材料を示し、参照
記号FAは塗膜接着剤の塗布部分を示している。
図2Aは重量0.03の塗膜接着剤FAを上下の主要面UMS,LM
Sに塗布することによって安定化させたハニカムコア材
料HCMを示している。図2Bは重量0.03の塗膜接着剤FAを
上下の主要面UMS,LMS、および傾斜面RSに塗布すること
によって共硬化手順用に前準備された、図2Aの安定化し
たハニカムコア材料HCMから得た傾斜形ハニカムコアRHC
を示している。
図2Cは重量0.03の塗膜接着剤FAを下部主要面LMSに塗
布し、かつ重量0.06の塗膜接着剤FAを額縁状に上部主要
面UMSに塗布することによって安定化されたハニカムコ
ア材料HCMを示している。
図2Dは重量0.03の塗膜接着剤FAを上下の主要面UMS,LM
S、および傾斜面RSに塗布することによって共硬化手順
用に前準備された、図2Cの安定化したハニカムコア材料
HCMから得た傾斜形ハニカムコアRHCを示している。
図2Eは重量0.03の塗膜接着剤FAを下部主要面LMSに塗
布し、かつ重量0.06の塗膜接着剤を額縁状に上部主要面
UMSに塗布することによって安定化されたハニカムコア
材料HCMを示している。図2Fは重量0.03の塗膜接着剤FA
を上部主要面UMS、および傾斜面RSに塗布することによ
って共硬化手順用に前準備された、図2Eの安定化したハ
ニカムコア材料HCMから得た傾斜形ハニカムコアRHCを示
している。
図2Gは重量0.03の塗膜接着剤FAを下部主要面LMSに塗
布することによって安定化されたハニカムコア材料HCM
を示している。
図2Hは重量0.03の塗膜接着剤FAを上部主要面UMS、お
よび傾斜面RSに塗布することによって共硬化手順用に前
準備された、図2Gの安定化したハニカムコア材料HCMか
ら得た傾斜形ハニカムコアRHCを示している。
図2Iは重量0.03の塗膜接着剤FAを下部主要面LMSに塗
布し、また、重量0.03の支持されない塗膜接着剤FA（支
持されない塗膜接着剤とはスクリム担体なしの塗膜接着
剤のことである）を上部主要面UMSに塗布することによ
って安定化されたハニカムコア材料HCMを示している。
図2Jは重量0.03の塗膜接着剤を上下の主要面UMS,LMS
および傾斜面RSに塗布することによって共硬化手順用に
前準備された、図2Iの安定化したハニカムコア材料HCM
から得た傾斜形ハニカムコアRHCを示している。
図2Kは重量0.03の塗膜接着剤FAを下部主要面LMSに塗
布し、また、重量0.03の支持されない塗膜接着剤FAを上
部主要面UMSに塗布することによって安定化されたハニ
カムコア材料HCMを示している。
図2Lは重量0.03の塗膜接着剤FAを傾斜面RSだけに塗布
することによって共硬化手順用に前準備された、図2Kの
安定化したハニカムコア材料HCMから得た傾斜形ハニカ
ムコアRHCを示している。
発明者は、上記の塗膜接着剤塗布技術は、航空機シス
テムの全重量を最低限に抑えることが決定的に重要な設
計上の基準となるLHCC製品を製造するための本発明に従
った高圧共硬化成形方法で使用するには不十分であるも
のと判断した。評価がなされた全ての塗膜接着剤塗布技
術では、所望の全密度よりも密度が高い傾斜形ハニカム
コアが得られ、従って重量の観点からは不適切である。
発明者が最適であるものと判断した塗膜接着剤塗布技
術、すなわち、本発明に従った複合成形装置10を使用し
た高圧共硬化成形方法に適した、全密度が低く、安定し
たハニカムコア30が得られる塗布技術は、図3A,3Bに示
してある。
図3Aは、重量0.03の塗膜接着剤FAを上下の主要面UMS,
LMSの双方に額縁状に塗布することによって安定化され
たハニカムコア材料HCM（これはNomex（Ｒ）、ファイバ
ガラスまたは黒鉛製でよい）を示している。より詳細に
述べると、上部主要面UMSに塗布された塗膜接着剤の層
は加工される傾斜面RSから所定の距離Ｘだけ越えて内側
に延びている。下部主要面LMSに塗布された塗膜接着剤
の層はハニカムコア材料HCMの縁部から所定距離Ｘだけ
内側に延びている。所定距離Ｘはハニカムコア材料HCM
の高さと方形寸法、および傾斜面の傾斜角θに基づいて
決まる。例えば、ハニカムコア材料HCMの高さが3/4イン
チ（19mm）で方形寸法が2'×2'（61cm×61cm）であり、
形成される傾斜面RSの傾斜角が約20゜である場合は所定
距離Ｘは約３インチ（7.6cm）であった。
図3Bは前節に記載したように傾斜面RSを形成するため
にハニカムコア材料MMを除去するため、図3Aに示した安
定したハニカムコア材料HCMを加工して製造された傾斜
形ハニカムコアRHCを示している。共硬化手順のために
傾斜形ハニカムコアRHCA前準備するため、重量0.03の塗
膜接着剤層が傾斜形ハニカムコアRHCの上下の主要面UM
S,LMSと傾斜面RSとに塗布されて、図3Bの全密度が低
く、安定化した傾斜形ハニカムコア30が形成される（図
４をも参照）。
前節に記載した実施例の場合、全密度が低く、安定化
した傾斜形ハニカムコア30の全密度は約3lb/ft3（48kg/
m3）であり、これは従来技術を用いて製造された安定化
された傾斜形ハニカムコアの全密度よりも大幅に低い。
ネットシェープ動作中にハニカムコア材料を“安定
化”させ、かつ共硬化手順用に傾斜形ハニカムコアを
“前準備”するために使用される塗膜接着剤FAは、FM30
0,FM300−2,M1146,またはAF−191のような面積重量が0.
03lb/ft2（0.098kg/m2）の市販のエポキシをベースにし
た塗膜接着剤である。上記の代表的な低密度塗膜接着剤
の硬化温度は250゜Fないし350゜F（121℃ないし177℃）
である。
以下の節では本発明に従った高圧共硬化成形方法を説
明するが、その実施例を図５に示してある。高圧共硬化
成形方法は前述の複合成形装置10を採用し、かつ、LHCC
製品を製造するために安定化された、低密度の傾斜形ハ
ニカムコア30を使用した改良型の準剛性成形アセンブリ
技術である。
本発明に従った高圧共硬化成形方法は、LHCC製品を製
造するために２段階の圧力、温度サイクルを採用してい
る。成形方法における積層手順は、図４に示すように単
一または複数の複合プリプレグLCPを剛性基体12上に積
層する手順である。安定化された、全密度が低い傾斜形
ハニカムコア30が下部複合プリプレグUCP層上に積重ね
られる。
次に、単一または複数の複合プリプレグUCP層が、安
定化された、低密度の傾斜形ハニカムコア30および下部
複合プリプレグLCP層と組合わせて積層される。積層手
順が完了すると、準剛性鋳型20が剛性基体12と組合わせ
て固定される（固定クランプCLが図４に例示されてい
る。）。
積層された複合成形装置10は次に、図４に示すように
真空バッグVB内に封入される。真空バッグVBは複合成形
装置10をオートクレーブ（図示せず）に装入するために
封緘する役割を果たし、そこで２段階の圧力、温度サイ
クルが実施される。真空バッグVBはナイロンのような弾
性材料、またはシリコン、ネオプレン、または亜硝酸ゴ
ムのようなエラストマー材料から製造したものでよく、
選択される材料はオートクレーブに圧力を誘導する媒体
に対して不透過性のものとする。真空バッグVBはこれを
真空源VSと流体連通させる真空ポートVPを備えている。
真空バッグに封入された複合成形装置10は次にオート
クレーブ内に装入される。真空源VSが起動されて、真空
バッグVB内に真空を導入し、真空バッグVBが積層された
複合成形装置10の形状と適合するようにされる。オート
クレーブは所定の滞留圧P1に加圧される。
オートクレーブの所定の滞留圧P1は積層された複合プ
リプレグUCP,LCPを圧密にするために真空バッグVBと準
剛性鋳型20とを通して伝達される。次に、オートクレー
ブの温度が周囲温度のレベルから、例えば約２−４゜F
／分（1.1−2.2℃／分）の割合で所定の滞留温度T1まで
上昇せしめられる。オートクレーブの温度が所定の滞留
温度T1に達すると、オートクレーブは所定の滞留期間DP
だけ滞留圧P1と滞留温度T2に整定される。
所定の滞留期間DPが経過した後、真空バッグVB内の真
空は真空ボートVPを介して通気される。次にオートクレ
ーブ内の圧力は所定の高圧P2まで昇圧される。オートク
レーブの所定の高圧P2は、積層された複合プリプレグUC
P,LCPおよび安定化された、低密度の傾斜形ハニカムコ
ア30とに共硬化圧力を印加するために真空バッグVBと準
剛性鋳型20とを通して伝達される。
剛性強化インサート22はその剛性と構造とによって、
製造中にLHCC製品の傾斜面、すなわち全密度が低い、安
定化されたハニカムコア30と、対応する積層複合プリプ
レグとの傾斜面に加わる圧力が対称に配分されるように
する。次に、オートクレーブ温度が次第に所定の共硬化
温度T2まで上昇される。
オートクレーブ温度が所定の共硬化温度T2に達する
と、所定の高圧P2と所定の共硬化温度T2は、複合プリプ
レグUCP,LCPの完全な硬化と、複合プリプレグUCP,LCPと
安定化された低密度の傾斜ハニカムコア30との固着を確
実なものにするために所定の共硬化期間CPだけ放置され
る。
所定の共硬化期間CPの満了後、すなわちLHCC製品が仕
上がりの形態に硬化された後、オートクレーブは所定の
高圧P2を保持しつつ周囲温度まで冷却される。周囲温度
に達すると、オートクレーブは除圧され、封入された複
合成形装置10がオートクレーブから取り出され、バッグ
から取り出され、かつ仕上がったLHCC製品を取り出せる
ように準剛性鋳型20が剛性基体12から分離される。
複合成形装置10と、安定化された低密度の傾斜ハニカ
ムコア30とを使用した上述の高圧共硬化成形方法では、
所定の滞留温度T1は約180゜F±10゜F（822℃±5.6℃）
であり、所定の滞留時間DPは約１時間であった。更に、
所定の高圧T2は約75psi（517kPa）であり、所定の共硬
化温度T2は約350゜F±10゜F（177℃±5.6℃）であり、
また、所定の共硬化期間CPは少なくとも２時間であっ
た。
上記の技術を応用して本発明の多様な修正と変化形が
可能である。従って、添付の請求の範囲内で、本発明は
上記に特定して記載した以外の態様で実施し得るもので
ある。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カールステンセン，トーマス エイ. アメリカ合衆国，コネチカット 06484, シェルトン，ロングヴュー ロード ８ (72)発明者 レイミー，フィリップ ジェイ. アメリカ合衆国，コネチカット 06460, ミルフォード，ホリス ドライブ 44 審査官 平井 裕彰 (56)参考文献 米国特許4942013（ＵＳ，Ａ) 米国特許3575756（ＵＳ，Ａ) 欧州特許出願公開319895（ＥＰ，Ａ １) 欧州特許出願公開491646（ＥＰ，Ａ １) 英国特許出願公開2245591（ＧＢ，Ａ) 英国特許出願公開845138（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) B29C 70/00 - 70/88 B29C 43/00 - 43/58 B29D 31/00 ＥＵＲＯＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ)

Claims (5)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】少なくとも一つの傾斜面を有する軽量のハ
    ニカムコア複合製品を高圧共硬化成形するための複合成
    形装置において、 成形面を有する剛性基体と、 成形面と少なくとも一つの内部剛性強化インサートとを
    有した相補形の準剛性鋳型と、を備えており、 前記準剛性鋳型は、強化ツーリング材料と非補強エラス
    トマー材料との組合わせで製造されるとともに、前記少
    なくとも一つの剛性強化インサートが前記強化ツーリン
    グ材料と前記非補強エラストマー材料との間に挟装さ
    れ、これにより前記準剛性鋳型は、高圧共硬化成形中に
    フレキシビリティを示して、前記成形面が製造される軽
    量のハニカムコア複合製品の形状線外面と適合し、かつ
    これを形成するように構成されており、 前記複合成形装置は、複合プリプレグと、全密度が低く
    かつ安定化された傾斜形ハニカムコアとを用いる高圧共
    硬化成形用に構成されるとともに、前記高圧共硬化成形
    は少なくとも一つの傾斜面を有する軽量のハニカムコア
    複合製品を形成するものであり、 さらに、前記少なくとも一つの剛性強化インサートは、
    高圧共硬化成形中に、全密度が低く、安定化された傾斜
    形ハニカムコアと、積層された複合プリプレグとの少な
    くとも一つの傾斜面に亘って対称的に圧力配分がなされ
    るように、製造される軽量のハニカムコア複合製品の少
    なくとも一つの傾斜面と適合する構造を有したことを特
    徴とする複合成形装置。
  2. 【請求項２】前記製造される軽量のハニカムコア複合製
    品は複数の傾斜面を有し、前記準剛性鋳型は、前記複数
    の傾斜面と対応する数の複数個の内部剛性強化インサー
    トを有することを特徴とする請求項１記載の複合成形装
    置。
  3. 【請求項３】前記少なくとも一つの内部剛性強化インサ
    ートがアウミニウム製であることを特徴とする請求項１
    に記載の複合成形装置。
  4. 【請求項４】少なくとも一つの傾斜面を有する軽量のハ
    ニカムコア複合製品の高圧共硬化成形方法において、 全密度が低く、安定化された傾斜形ハニカムコアと複合
    プリプレグと請求項１記載の複合成形装置とを使用し
    て、前記高圧共硬化成形方法のために準剛性成形アセン
    ブリを前準備するステップと、 前記前準備された準剛性成形アセンブリを真空バッグに
    封入するステップと、 前記真空バッグに封入された準剛性成形アセンブリをオ
    ートクレーブ内に装入するステップと、 前記真空バッグに封入された準剛性成形アセンブリに真
    空を導入するステップと、 前記オートクレーブを所定の滞留圧まで加圧するステッ
    プと、前記オートクレーブの温度を周囲温度から所定の
    滞留温度まで除々に上昇せしめるステップと、 前記オートクレーブを所定の滞留時間、所定の滞留圧と
    所定の滞留温度にて安定化させるステップと、 前記オートクレーブを前記所定の滞留圧から所定の高圧
    へと加圧するステップと、 前記オートクレーブの温度を前記所定の滞留温度から所
    定の共硬化温度へと上昇させるステップと、 少なくとも一つの傾斜面を有する軽量のハニカムコア複
    合製品を形成するために、前記オートクレーブを、前記
    所定の高圧及び前記所定の共硬化温度で前記所定の共硬
    化期間にて安定化させるステップと、を有することを特
    徴とする方法。
  5. 【請求項５】請求項４に記載の方法で製造した、少なく
    とも一つの傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製
    品。
JP51519294A 1992-12-23 1993-12-07 低密度の、安定化した傾斜形ハニカムコアを使用して、傾斜面を有する軽量のハニカムコア複合製品を高圧共硬化成形する複合成形装置、および成形方法、ならびにそれによって製造した製品 Expired - Fee Related JP3335355B2 (ja)

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