JPH11348139A - 立体構造物内部の三次元中空構造材成型法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一体成型等において、強度の必要な立体的
構造物を軽量化する場合、強度を維持出来る程度の桁、
枠に相当する構造材部分を残し内部を空層にするのだ
が、構造材の単位強度を上げる事が困難で、おのずから
大きな構造材で重くなった。 【解決手段】 立体的な表面材等の内部に、空気や流
体で満たされた変形可能な薄い皮等を持つ複数の球状物
と、細断した繊維状の強化材を、硬化可能な液状のマト
リクス材に混合しセット、それを遠心力による重力を加
えて、その重力を増すほど、各素材のもつ比重差が分離
力を促進する現象を利用し、球間や表面材との隙間に高
密度の強化材層を作り、更なる加重力で球状物の変形を
促進させる事で強化材層の圧縮、余分なマトリクス材の
絞り出しにと作用する。この様に球状物と強化材混合の
マトリクス材を使い、桁、梁に相当する部材を遠心力で
生じる重力を制御する事で必要な強度の成型を可能にし
た。又、成型硬化後、互いに接触する球状物を熱や薬液
の反応等で溶かし出す事で再軽量化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】飛行機の翼などの軽くて強度
の必要な構造物で、主にパネル状、又はスキン状で面や
シェルなどを構成したものの内部にソリッド材としてス
ペーサーや桁、枠、箱などの耐力部材が必要な製品の製
造。

【０００２】

【従来の技術】立体的な構造物を軽量化する場合、内部
は強度を維持出来る程度の桁、枠に相当する部分を残
し、その他を空層にすれば良いわけで、一般的な製造方
法はスペーサーや桁、枠、ハニカム状スキン構造材など
の耐力部材に、表面材であるパネル状の板を接着材やボ
ルトナット、リベット等を用い接着し軽量かつ強度を得
ていた。又、成型では球体をマトリクス材に細断した強
化材を混合した液と一緒に型や完成された外皮の中空に
封入する事で空層の多い上記構造体を作る方法も有る
が、不要なマトリクス材を圧力で絞り出すのだが、マト
リクス材に含まれる強化材が絞り口に集中し、均一な密
度の耐力部材を形成する事が難しかった。その他、成型
品としては発泡材料を用い、発泡後硬化した、その泡と
泡が接触する面の連続が、特有な立体ハニカム状スキン
構造となることを利用した物も有るが、その泡の表皮強
度が弱く主に断熱材としての利用が多かった。又、その
泡材の中に炭素繊維等の強化材を混入させても強化材密
度及び密着度が低く、十分な製品強度が得られず、金型
等を使い表面材と一体圧力成型したい場合など強度の要
求される構造材の製造には不向きであった。

【０００３】

【発明が解決しょうとする課題】立体的な構造物の成型
において、いかにしてその内部を空洞にし表面材が受け
る力を支持出来る強い立体的な構造材を作り上げるか、
そしてその構造材として、炭素繊維等の強化材を使用し
た場合、それらの表面材、構造材の繊維密度を上げ密着
度を増し、不必要なマトリクス材を均一に絞り出す為の
圧力をいかに掛けるかが課題であり、それらを満たす製
造方法が今まで無かった。

【０００４】

【課題を解決するための手段】この成型では比重の軽い
方向に成型する方法と、比重の重い方向に成型する方法
が有り、各々を軽方成型、重方成型と言う事にする。一
般的に複合材料としてガラス繊維、ボロン繊維、炭素繊
維、アラミド繊維等の強化材と、その強化材を結合し一
体化させる為のポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、セメ
ント等のマトリクス材が知られているが、強化材とマト
リクス材とは幾ばくかの比重差がある。

【０００５】軽方成型では、図１の様な通路でつながっ
た二つの部屋状の空間と一つの開放された空間皿を持
ち、重方成型では、図２３の様な通路でつながった一つ
の部屋状の空間と一つの開放された空間皿を持ち、マト
リクス材や炭素繊維等の細断された強化材とマトリクス
材を混合した液状のもので満たすことが出来る容器で、
その部屋の一つを今作りたい製品の型として用いられ
る。

【０００６】その型部分の壁面、つまり、完成品の表面
部に当たる部分には必要強度の炭素繊維等の繊維で織ら
れた布状の袋や表面材を配置する。その内部には、気体
ないし流体で満たされ、強化材マトリクス材が貫通せず
変形可能な表皮等で覆われた、図２のゴムボールの様な
複数の球状物が詰まり、球状物は二つの部屋を、あるい
は一つの部屋と開放された空間皿を移動出来る構造とし
た。

【０００７】上記容器をセットし、図８図９のような遠
心力で容器部屋列方向に重力を与える事が出来る装置を
用い、その回転における容器内の重力コントロール過程
で生じる各素材の分離力の変化を利用する事とした。

【０００８】上記の様にソリッド材に球状物を混入し、
単なる圧力ではなく重力で素材の比重差が分離力となり
球状物の密度やその隙間の強化材密度を上げ、又は球状
物の変形を誘起させる事で圧縮させ、硬化したその球外
部の接触面や隙間を構造材として利用出来る。つまり球
状物と加重力のコントロールを併用するという方法で問
題を解決した。

【０００９】

【発明の実施の形態】複数の球状物と、細断された強化
材とマトリクス材を混合した液状のもので満たした容器
内で、今比重の大きいもの順がマトリクス材、強化材、
球状物である場合、軽方成型で、上から球状物、強化
材、マトリクス材の分離された層ができる、しかし実際
の地上自然重力下では、各材料の比重差が少なく、マト
リクス材の粘性も手伝い容易に分離しないのである。

【００１０】しかし遠心力で重力を加えることにより徐
々に分離が始まり、球が容器上部に集合し、その球と球
の隙間に強化材が蓄積し、マトリクス材は下部に、つま
り、重力を増すほど軽い物は上に、重いものは下にと分
離する力として作用する。

【００１１】又、上記過程よりもっと重力を加えると、
弾力のある球は、互いの球や表面材の隙間を埋めるべく
作用が起き、変形する事になるが、その時次に軽い強化
材は、球や表面材の隙間に残り、流体で重いマトリクス
材は下部に移動する、つまり、球間、表面材の変形収縮
する隙間には、強化材の高密度圧縮が行われる事にな
り、その状態を維持しながら硬化させる。その球状体の
隙間が作る高密度な強化材の連結された三次元構造は、
同じく高密度で表面材と連結する事となる。

【００１２】又、図３の様に表面に細断された繊維とマ
トリクス材でなる、弱硬化された層を形成する球を使つ
た場合、上記過程の球の隙間を埋める圧縮状態に達した
とき、弱硬化されたマトリクス材はやはり絞り出される
事となり、挟まれ残る繊維は密度が増す事になる。その
場合は、図３の弱硬化球と液状のマトリクス材のみでも
良く、必ずしも細断された繊維をマトリクス材に混入さ
せて使う必要はなく、立体ハニカム状スキン構造とな
り、平均された強度の多面体の面形成がされる事とな
る。

【００１３】材料セット時の、逃げ切らない容器内部の
空気成分の排出や、加重力時に圧力で球等の収縮で起き
るマトリクス材の必要量の増減は、図１の型部とつなが
った上部にある開放された空間皿に、適宜な位置までマ
トリクス材を満たす事により解消される事となる。

【００１４】

【実施例】次に、この発明の代表的な実施例として軽方
成型で、長方形の板の製造を図面に基づいて説明する。

【００１５】図５の様にボルト、ナットで組み立て解体
出来る二つの形状の板で、組み立てると図７の様にな
り、断面が図１の様な１の型室と２の交換室と３のリチ
ャージタンクで構成される三つの空間が各々の通路で連
結された容器を使う。図１の２の交換室には図１０の４
の弁と５のバネで外部から材料注入する時のみ開く構造
のものが取り付けてあり、図１２の様に１２の圧送ホー
スを押し付け、容器の中へマトリクス材を注入する事が
出来る。

【００１６】図４の様な形の９の強化繊維で織り込んだ
袋状の物で、１０の材料通過口を一つ持つ表面強度を維
持しうる織り方で仕上がっていて、袋の内から外へは空
気やマトリクス材以外は通さない緻密さを備えている。

【００１７】図６の様に中に、１０を下に向けた１１の
表面強化材と、図２の様な１３の空気でふくらんだ強く
薄い１４のゴム状の膜で出来た球を適切な数だけセット
し閉じる。閉じた容器断面は図１１のごとくである。

【００１８】図１２の様に外部からマトリクス材に、細
断された強化材を混合した液状物を注入し、図１３にな
るまで満たす。その時の型室内部は、マトリクス材の粘
性で分離せず繊維が点在している状態である。

【００１９】次に、図９の様に遠心重力装置に取り付け
されたこの容器を回転させ重力を加えると容器内では、
図１５の様に一番軽い球状物が型内に詰まりその次に軽
い繊維が隙間に密集し、さらに強い重力を加えること
で、分離力が球状物を型内に押し込む力として作用し、
球状物の収縮変形を促進、型内は変形した球状物で埋ま
ろうとし、液状であるマトリクス材は交換室に移動、逃
げ切れない軽い繊維は隙間で圧縮される事となる。それ
が図１７である。

【００２０】図１７の状態で硬化させ、容器を解体し硬
化した全体を図１９の３７の部分で切断し必要な製品を
取り出す。その製品断面が図２０である。

【００２１】隣接する球状物同士は必ず接する面を持つ
ので、図２０の１４の表皮を熱や薬液で溶かし排出する
事で、図２２の３８の様な圧縮強化繊維柱のみが残る事
となり更に軽量化を図る事となる。

【００２２】球状物に、図３の様な弱硬化した強化繊維
膜を使用した場合、図１２の様に外部からマトリクス材
のみを注入し、図１４になるまで満たす。次に、図９の
様に遠心重力装置に取り付けされた、この容器を回転さ
せ重力を加えると容器内では、図１６の様に軽い球状物
が型内に詰まり密着する。

【００２３】更に強い重力を加えることで、比重差が球
状物を型内に押し込む力として作用し、球状物の収縮変
形を促進、型内は変形した球状物で埋まろうとし、球表
面に形成されていた弱硬化強化繊維膜のゼリー状である
マトリクス材は、互いの球状物同士の圧力で、封入した
マトリクス材と共に交換室に移動し、圧縮された高密度
の繊維膜を形成する事となる。それが図１８である。

【００２４】図１８の状態で硬化させ、容器を解体し硬
化した全体を図１９の３７の部分で切断し必要な製品を
取り出す。その製品断面が図２１である。

【００２５】上記実施例では、マトリクス材が強化繊維
より比重が重い時の製造、つまり軽方成型であったが今
度は逆で、強化繊維がマトリクス材より比重が重い場合
の重方成型の実施例を記す。

【００２６】図２３はその重力方向に成型する容器の断
面図で、図２４の様に中に、１０を上に向けた９をセッ
トする。強化材より比重が重い、図２の１３の流体でふ
くらんだ、強く薄い１４のゴム状の膜で出来た球を適切
な数と、マトリクス材に、細断された強化材を混合した
液状物を注入し、図２５になる様セットする。その時の
型室内部は、マトリクス材の粘性で分離せず繊維が点在
している状態である。

【００２７】次に、図９の様に遠心重力装置に取り付け
された、この容器を回転させ重力を加えると容器内で
は、図２６の様に一番重い球状物が型内に詰まりその次
に重い繊維が隙間に密集する。さらに強い重力を加える
ことで、分離力が球状物を型内に押し込む力として作用
し、球状物の収縮変形を促進、型内は変形した球状物で
埋まろうとし、液状で軽いマトリクス材は交換室に移
動、逃げ切れない重い繊維は隙間で圧縮される事とな
る。それが図２７である。

【００２８】図２７の状態で硬化させ、容器を解体し交
換室部分を切断し必要な製品を取り出す。その製品断面
が図２０である。隣接する球状物同士は必ず接する面を
持つので、図２０の１４の表皮を熱あるいは薬液で溶か
し、その内部の流体と共に排出する事で、図２２の２８
の様な圧縮強化繊維柱のみが残る事となり、軽く強い構
造材が作成できる。

【発明の効果】表面が二次元三次元の凹凸する複雑な形
状や、狭い場所にも耐力構造を作り込む事が出来、従来
表面材と構造材と接着材などで固定していた分野等も含
め、幅広い商品開発が期待される。

【図面の簡単な説明】

【図１】軽方成型容器断面図。

【図２】球体とその表皮断面拡大図。

【図３】弱硬化強化材膜を持つ球状体とその表皮断面拡
大図。

【図４】表面強化材姿図。

【図５】軽方成型容器組み立て図。

【図６】軽方成型容器組み上げ概念図。

【図７】軽方成型容器姿図。

【図８】遠心重力装置姿図。

【図９】遠心重力装置動作姿図。

【図１０】軽方成型容器のマトリクス材注入口開閉断面
図。

【図１１】表面材と球をセットした状態の、軽方成型容
器断面図。

【図１２】マトリクス材注入中の、軽方成型容器断面
図。

【図１３】全材料がセットされた状態の、軽方成型容器
断面と型部の拡大断面図。

【図１４】弱硬化強化材膜を持つ球体がセットされた状
態の軽方成型容器断面と型部の拡大断面図。

【図１５】重力を加した時の軽方成型容器断面と型部の
拡大断面図。

【図１６】弱硬化強化材膜球を使用し、重力を加した時
の軽方成型容器断面と型部の拡大断面図。

【図１７】更に大きな重力を加した時の、軽方成型容器
断面と型部の拡大断面図。

【図１８】弱硬化強化材膜球を使用し、更に大きな重力
を加した時の、軽方成型容器断面と型部の拡大断面図。

【図１９】軽方成型容器解体後の、硬化成型物とその切
断図。

【図２０】製品の拡大断面図。

【図２１】弱硬化強化材膜球を使用した製品の拡大断面
図。

【図２２】球体膜を取り除いた最軽量製品の拡大断面
図。

【図２３】重方成型容器の断面図。

【図２４】重方成型容器へ強化繊維袋をセットした時の
断面図。

【図２５】重方成型容器に材料をセットした時の断面
図。

【図２６】セットされた重方成型容器へ重力を加した時
の断面図。

【図２７】セットされた重方成型容器へ更に大きな重力
を加した時の断面図。

【符号の説明】

１ 型室 ２ 交換室 ３ リチャージタンク ４ 弁 ５ バネ ６ 注入口 ７ ボルト、ワッシャ ８ ナット、ワッシャ ９ 強化繊維で織った袋 １０ 袋口 １１ 袋 １２ 圧送ホース １３ 気体や液体の詰まった球状物 １４ 変形可能表皮 １５ 強化繊維 １６ 弱硬化マトリクス材 １７ マトリクス材 １８ 地上重力方向と通常重力 １９ 遠心重力方向と加重力 ２０ 遠心重力方向と超重力 ２１ 球状物 ２２ マトリクス材と強化繊維の混合液 ２３ 容器型１ ２４ 容器型２ ２５ 遠心重力装置接続爪 ２６ 成型容器 ２７ 自由継ぎ手 ２８ アーム ２９ モーター ３０ バランスウエート ３１ 球状物 ３２ 弱硬化強化材膜を持つ球状物 ３３ 強化繊維密度の高いマトリクス材混合液 ３４ 圧縮強化繊維層 ３５ 硬化物 ３６ 製品部 ３７ 切断方向 ３８ 圧縮強化繊維柱

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】立体的な構造物の内部に、空気や流体で満
   たされた変形可能な薄い皮等を持つ複数の球状物と、細
   断した繊維状の強化材を、硬化可能な液状のマトリクス
   材に混合し、それを遠心力による重力を加えて、その重
   力を増すほど、各素材のもつ比重差が分離力を促進する
   現象を利用し、球間や表面材の隙間に高密度の強化材層
   を作り、更なる加重力で球状物の変形を促進させ隙間の
   収縮、つまり強化材層の圧縮、余分なマトリクス材の絞
   り出しにと作用し、特有な三次元中空構造材を作る事を
   特徴とする成型方法。
2. 【請求項２】請求項１で硬化後、互いに接触する球状物
   を熱や薬液の反応等で溶かし出し軽量化する方法。
3. 【請求項３】請求項１の球状物の外表面に、弱硬化した
   マトリクス材の中に強化材が混入されている層で覆われ
   ている物を使い、弱硬化したマトリクス材をも絞り出す
   程度の重力をかける事で請求項１の隙間だけでなく接触
   面全体に強化材膜を施す事を特徴とするこの成型方法。