先進グリッド構造体およびその製造方法

【課題】この発明は、軽量、高強度、高剛性および制振性を維持しつつ、熱伝導性を高めることができる先進グリッド構造体およびその製造方法を得る。
【解決手段】先進グリッド構造体１は、直方体のリブ２〜４を交差して正三角形を組み合わせてなる幾何学的パターンを形成するように配列して構成される。先進グリッド構造体１の外周領域を構成するリブ２〜４の部位は、一方向材と制振材とを交互に積層して構成されている。先進グリッド構造体１の外周領域に囲まれた中央領域を構成するリブ２〜４の部位は、一方向材により構成されている。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば人工衛星に搭載されるコンポーネント機器を取り付ける機器パネルに適用される先進グリッド構造体に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
人工衛星に搭載されるコンポーネント機器は、機器パネルに取り付けられて、ロケットで打ち上げられる。この際、厳しい振動環境に曝されることから、コンポーネント機器には、耐振動特性が求められる。
一方、機器パネルについては、打ち上げ時の重量軽減のために、軽量化が求められる。また、打ち上げ時の振動によって機器パネルが損傷して、或いは撓んで、コンポーネント機器に荷重がかかり、コンポーネント機器が破損するのを避けるために、機器パネルには、高強度、高剛性が求められる。
近年では、これに加えて、さらに厳しい振動環境においてもコンポーネント機器の破損を防止するために、コンポーネント機器が取り付けられる機器パネルにも振動を抑制する制振機能が求められている。
【０００３】
従来の構造体では、繊維強化合成樹脂材料からなる２つの面板間に、連結部付近では、制振材が設けられ、連結部付近を除く領域では、例えばコアポリメタクリルイミドなどの硬質発泡合成樹脂からなる多数の空隙を有するコアが設けられていた（例えば、特許文献１参照）。
このように構成された従来の構造体では、硬質発泡合成樹脂からなるコアを繊維強化合成材料からなる面板間に設けたサンドイッチパネル構造とし、軽量、高強度および高剛性を実現している。また、制振材が連結部付近に設けられているので、被連結体から連結部を介して伝達される振動が制振材で制振され、振動の構造体に取り付けられた機器への伝達が抑制される。
【０００４】
【特許文献１】特開２００１−２７８０３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の構造体では、熱伝導率の良い炭素繊維強化合成樹脂を用いて面板を作製しても、面板の厚みが薄いので、面板の熱伝導性は低くなる。また、制振材の熱伝導性も低い。そこで、従来の構造体に取り付けられた機器から発生する熱の制御が十分にできないという課題があった。
【０００６】
この発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、軽量、高強度、高剛性および制振性を維持しつつ、熱伝導性を高めることができる先進グリッド構造体およびその製造方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この発明による先進グリッド構造体は、直方体のリブを交差させて幾何学的パターンを形成するように配列してなる先進グリッド構造体であって、上記幾何学的パターンの外周領域を構成する上記リブの部位が、炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材と制振材とを交互に積層して構成され、かつ上記外周領域に囲まれた上記幾何学的パターンの中央領域を構成する上記リブの部位が、炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材により構成されているものである。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、幾何学的パターンの中央領域が、炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材により構成されているので、軽量、高強度、および高剛性の先進グリッド構造体が得られる。また、幾何学的パターンの外周領域が、炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材と制振材とを交互に積層して構成されているので、振動が幾何学的パターンの外周領域で減衰され、幾何学的パターンの中央領域に加わる振動負荷が低減される。さらに、幾何学的パターンの中央領域および外周領域に炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材が用いられているので、熱伝導性が高められ、優れた放熱性が実現される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体を示す斜視図、図２はこの発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体における制振部と高剛性部とを模式的に示す斜視図、図３はこの発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体を構成するリブを示す斜視図、図４はこの発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体を用いたコンポーネント機器の搭載状態を説明する斜視図である。
【００１０】
図１において、先進グリッド構造体１は、平行に所定のピッチで配列された０°方向に延在する第１リブ２の群と、互いに平行に所定のピッチで配列されて＋６０°方向に延在し、第１リブ２に対して６０°の交差角で交差する第２リブ３の群と、互いに平行に所定のピッチで配列されて−６０°の方向に延在し、第１リブ２と第２リブ３との交差部を通る第３リブ４の群と、を有する。つまり、第１乃至第３リブ２〜４の群が、矩形の枠体５内に正三角形の頂点で交差するように、即ち正三角形を組み合わせた幾何学的パターンを構成するように配列されている。ここでは、矩形の枠体５の相対する２辺が第１リブ２で構成され、第１乃至第３リブ２〜４が枠体５の残る相対する２辺に連結されている。
【００１１】
図３に示されるように、第１乃至第３リブ２〜４は、それぞれ、高剛性部６ａの両端に制振部７ａを有する直方体に構成されている。そして、第１乃至第３リブ２〜４の高剛性部６ａは、プリプレグ８を所定高さに積層して硬化させて構成されている。第１乃至第３リブ２〜４の制振部７ａは、プリプレグ８と制振材９とを交互に所定高さに積層し、プリプレグ８を硬化させて構成されている。プリプレグ８は、一方向材で作製されている。ここで、一方向材とは、長さ方向が揃えられた炭素繊維１０の集合体に合成樹脂１１を含浸して作製され、炭素繊維１０の長さ方向がプリプレグ８の長さ方向に一致しているプリプレグ材料である。そして、この一方向材からなるプリプレグ８を硬化させたものが炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材となる。合成樹脂１１としては、例えば不飽和ポリエステル、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂が用いられる。制振材９としては、例えば主成分が石油系アスファルトと熱可塑性ゴムとであり、加熱混錬で原材料を製造した後、シート形状に成型した粘弾性体シートが用いられる。また、制振材９は、同一高さ位置の高剛性部６ａのプリプレグ８に突き合わせ接続されており、制振部７ａを構成するプリプレグ８は、同一高さ位置の高剛性部６ａのプリプレグ８の延長部により構成されている。
【００１２】
図２に示されるように、高剛性部６ａが先進グリッド構造体１の中央領域に配列されて高剛性部６を構成し、制振部７ａが高剛性部６を取り囲む外周領域に配列されて制振部７を構成している。
【００１３】
このように構成された先進グリッド構造体１では、炭素繊維１０が第１乃至第３リブ２〜４の長さ方向に連続しており、第１乃至第３リブ２〜４の長さ方向の熱伝導性が高められる。この先進グリッド構造体１は、図４に示されるように、枠体５を衛星構体パネル１３，１４に接合して取り付けられる。そして、コンポーネント機器１５が先進グリッド構造体１の高剛性部６に取り付けられる。そこで、コンポーネント機器１５で発生した熱は、第１乃至第３リブ２〜４に沿って衛星構体パネル１３，１４に伝達され、衛星構体パネル１３，１４から放熱される。また、衛星構体パネル１３，１４から枠体５を介して制振部７に伝達された振動は、制振部７を構成する制振材９で制振される。
【００１４】
この実施の形態１によれば、先進グリッド構造体１が、一方向材からなるプリプレグ８を積層して硬化させて作製された炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材で構成された直方体の第１乃至第３リブ２〜４を、正三角形を組み合わせた幾何学的パターンを構成するように配列して作製されているので、軽量、高強度、かつ高剛性の先進グリッド構造体を実現できる。
【００１５】
高剛性部６を構成する第１乃至第３リブ２〜４の部位は一方向材からなるプリプレグ８のみで構成されているので、高強度かつ高剛性の高剛性部６が得られる。そこで、振動が高剛性部６に伝達されても、高剛性部６の損傷や変形は発生しにくく、高剛性部６に取り付けられたコンポーネント機器１５に荷重がかかりにくい。また、先進グリッド構造体１の外周部分に制振部７を構成しているので、衛星構体パネル１３，１４から先進グリッド構造体１に伝達された振動は制振部７で減衰される。このように、高剛性部６の強度および剛性が高く、かつ高剛性部６に加わる振動負荷が低減されるので、打ち上げ時の振動に起因するコンポーネント機器１５の損傷発生が抑制される。
【００１６】
第１乃至第３リブ２〜４が、一方向材からなるプリプレグ８を積層して硬化させて構成されているので、炭素繊維１０が第１乃至第３リブ２〜４の長さ方向に連続しており、第１乃至第３リブ２〜４の長さ方向の熱伝導性が高められる。そこで、高剛性部６に取り付けられたコンポーネント機器１５の発熱が第１乃至第３リブ２〜４を介して衛星構体パネル１３，１４に伝達、放熱されるので、コンポーネント機器１５の熱制御性がよくなる。
【００１７】
つぎに、先進グリッド構造体１の製造方法について図５乃至図７を参照しつつ説明する。なお、図５〜図７では、上段に各工程での貼り付けパターンを示し、下段に貼り付け後の積層状態の上面図を示している。また、各図におけるプリプレグ８ａ〜８ｈは、上述のプリプレグ８と同一のものであり、粘弾性体シート１２ａ〜１２ｃは、同一のものである。
【００１８】
まず、図５の（ａ）に示されるように、一方向材からなるテープ状のプリプレグ８ａを所定ピッチで成形型（図示せず）上に貼り付ける。ついで、図５の（ｂ）に示されるように、先に貼り付けたプリプレグ８ａの列の両端を連結するようにプリプレグ８ｂを２列に成形型上に貼り付ける。ついで、図５の（ｃ）に示されるように、先に貼り付けたプリプレグ８ａに対して＋６０度の角度で、プリプレグ８ｃを所定ピッチで成形型上に貼り付ける。ついで、図５の（ｄ）に示されるように、先に貼り付けたプリプレグ８ａに対して−６０度の角度で、プリプレグ８ｄを所定ピッチで成形型上に貼り付ける。これにより、正三角形を組み合わせた幾何学的パターンが形成される。この図５の（ａ）〜（ｄ）の工程を所定回繰り返し、プリプレグ８ａ〜８ｄを所定の厚みまで積層する。
【００１９】
つぎに、図６の（ａ）に示されるように、制振材シートとしての粘弾性体シート１２ａをプリプレグ８ａの積層体の各端部に重ねて貼り付ける。ついで、図６の（ｂ）に示されるように、プリプレグ８ｅを露出するプリプレグ８ａの積層体上に重ねて貼り付ける。この時、粘弾性体シート１２ａの端面と中央部に配置されたプリプレグ８ｅの端面とが突き合わせ接続されている。ついで、図６の（ｃ）に示されるように、先に貼り付けた粘弾性体シート１２ａの各端部を連結するようにプリプレグ８ｆを２列に貼り付ける。ついで、図６の（ｄ）に示されるように、粘弾性体シート１２ｂをプリプレグ８ｃの積層体の各端部に重ねて貼り付ける。ついで、図７の（ａ）に示されるように、プリプレグ８ｇを露出するプリプレグ８ｃの積層体上に重ねて貼り付ける。この時、粘弾性体シート１２ｂの端面と中央部に配置されたプリプレグ８ｇの端面とが突き合わせ接続されている。
【００２０】
さらに、図７の（ｂ）に示されるように、粘弾性体シート１２ｃをプリプレグ８ｄの積層体の各端部に重ねて貼り付ける。ついで、図７の（ｃ）に示されるように、プリプレグ８ｈを露出するプリプレグ８ｄの積層体上に重ねて貼り付ける。この時、粘弾性体シート１２ｃの端面と中央部に配置されたプリプレグ８ｈの端面とが突き合わせ接続されている。この図６の（ａ）〜（ｄ）および図７の（ａ）〜（ｃ）の工程を所定回繰り返し、粘弾性体シート１２ａ〜１２ｃおよびプリプレグ８ｅ〜８ｈを所定の厚みまで積層する。この粘弾性体シート１２ａ〜１２ｃおよびプリプレグ８ａ〜８ｈの積層工程は、例えば自動積層ロボットを使用して行われる。
【００２１】
ついで、このように粘弾性体シート１２ａ〜１２ｃおよびプリプレグ８ａ〜８ｈが積層された成形型をオートクレーブなどで加熱加圧成形する。これにより、プリプレグ８ａ〜８ｈの積層体が加熱硬化されて一体化され、正三角形を組み合わせた幾何学的パターンの図１に示される先進グリッド構造体１が得られる。
【００２２】
このように、この実施の形態１によれば、先進グリッド構造体１を自動で簡易に一体成形することができるので、軽量、高強度、かつ高剛性で、制振性および放熱性に優れた先進グリッド構造体を安価に、短納期で製造することができる。
【００２３】
実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る先進グリッド構造体の製造方法を説明する図、図９はこの発明の実施の形態２に係る先進グリッド構造体の製造方法におけるプリプレグ供給状態を説明する要部拡大図である。
【００２４】
図８および図９において、自動積層ロボット２０は、制御装置２１と、アーム２２の先端に取り付けられた加圧ヘッド２３と、を備えている。加圧ヘッド２３は、貼り付けテープ２５が離型テープ２６を挟み込んでロール状に巻き付けられたドラム２４と、離型テープ２６を巻き取るテープ巻き取りローラ２７と、貼り付けテープ２５を成形型１９上に貼り付ける加圧ローラ２８と、を備えている。貼り付けテープ２５は、連続したプリプレグ８の下層と、プリプレグ８と粘弾性体シート１２とが突き合わせ接続されて交互に配列された上層との２層構造に作製されている。そして、粘弾性体シート１２の長さおよび配列間隔は、図１に示される先進グリッド構造体１の仕様（幾何学的パターンなど）および貼り付けテープ２５の貼り付け順を考慮して設計される。また、制御装置２１が、加圧ヘッド２３が成形型１９上を所望の走行パターンで走行し、貼り付けテープ２５を成形型１９上に貼り付けて先進グリッド構造体１を構成するように、アーム２２を駆動制御する。
【００２５】
この実施の形態２によれば、貼り付けテープ２５は、連続したプリプレグ８の下層と、プリプレグ８と粘弾性体シート１２とが突き合わせ接続されて交互に配列された上層との２層構造に作製されている。そこで、プリプレグ８と粘弾性体シート１２とを同一層に貼り付ける際に、プリプレグ８と粘弾性体シート１２とを同一工程で貼り付けることができ、プリプレグ８および粘弾性体シート１２との積層工程が短縮され、生産性が高められる。また、２層構造となっているので、所望の積層高さを得るための積層工程が半分ですみ、その分積層工程が短縮され、生産性が高められる。さらに、貼り付けテープ２５が連続した状態でプリプレグ８と粘弾性体シート１２とを断線することなく供給できるので、生産性が高められる。
【００２６】
なお、上記各実施の形態では、先進グリッド構造体１が、第１乃至第３リブ２〜４を、矩形の枠体５内に正三角形の頂点で交差するように配列して構成されているものとしているが、先進グリッド構造体は、それぞれ平行な直方体のリブで構成される複数のリブ群が他のリブ群のリブと交差して幾何学的パターンを形成し、かつ長さ方向を揃えられた炭素繊維の集合体がその長さ方向をリブの長さ方向に一致させて各リブの長さ方向の全域に渡って延在されていればよく、リブにより形成される幾何学的パターンは正三角形を組み合わせたものに限定されるものではない。例えば、それぞれ平行なリブで構成される第１および第２リブ群を、正方形を組み合わせた幾何学的パターンとなる格子状に配列したものでもよいし、それぞれ平行なリブで構成される第１乃至第３リブ群を、三角形と六角形とを組み合わせた幾何学的パターンとなるように配列したものでもよい。また、リブ群間の配列ピッチを同ピッチにする必要はなく、各リブ群内の配列ピッチも等ピッチにする必要もない。
【００２７】
また、上記各実施の形態では、先進グリッド構造体１は、矩形の枠体５を有するものとしているが、矩形の枠体５を省略して先進グリッド構造体を作製しても、同様の効果が得られる。
また、上記各実施の形態では、制振材９としては、例えば主成分が石油系アスファルトと熱可塑性ゴムとであり、加熱混錬で原材料を製造した後、シート形状に成型した粘弾性体シートを用いるものとしているが、制振材はこれに限定されるものではなく、例えば、アクリルなどの樹脂系の粘弾性材料などを用いてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体を示す斜視図である。
【図２】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体における制振部と高剛性部とを模式的に示す斜視図である。
【図３】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体を構成するリブを示す斜視図である。
【図４】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体を用いたコンポーネント機器の搭載状態を説明する斜視図である。
【図５】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体の製造工程を説明する工程図である。
【図６】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体の製造工程を説明する工程図である。
【図７】この発明の実施の形態１に係る先進グリッド構造体の製造工程を説明する工程図である。
【図８】この発明の実施の形態２に係る先進グリッド構造体の製造方法を説明する図である。
【図９】この発明の実施の形態２に係る先進グリッド構造体の製造方法におけるプリプレグ供給状態を説明する要部拡大図である。
【符号の説明】
【００２９】
１先進グリッド構造体、２第１リブ、３第２リブ、４第３リブ、６高剛性部、７制振部、８，８ａ〜８ｈプリプレグ、９制振材、１０炭素繊維、１１合成樹脂、１２，１２ａ〜１２ｃ粘弾性体シート（制振材シート）。

【特許請求の範囲】
【請求項１】
直方体のリブを交差させて幾何学的パターンを形成するように配列してなる先進グリッド構造体であって、
上記幾何学的パターンの外周領域を構成する上記リブの部位が、炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材と制振材とを交互に積層して構成され、かつ上記外周領域に囲まれた上記幾何学的パターンの中央領域を構成する上記リブの部位が、炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材により構成されていることを特徴とする先進グリッド構造体。
【請求項２】
上記幾何学的パターンの外周領域を構成する炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材が、上記幾何学的パターンの中央領域を構成する炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材の延長部により構成され、かつ上記幾何学的パターンの外周領域を構成する制振材が、同一高さ位置の上記幾何学的パターンの中央領域を構成する炭素繊維強化プラスチックの一方向強化材に突き合わせ接続されていることを特徴とする請求項１記載の先進グリッド構造体。
【請求項３】
上記請求項１又は請求項２に記載の先進グリッド構造体を製造する方法であって、
一方向材をテープ状に成形したプリプレグを成形型上に上記幾何学的パターンを形成するように貼り付ける工程、上記制振材をテープ状に成形した制振材シートを上記幾何学的パターンの外周領域に配置された上記プリプレグの部位上に貼り付ける工程、および上記プリプレグを上記制振材シートと突き合わせ接続するように、上記幾何学的パターンの中央領域に配置された上記プリプレグの部位上に貼り付ける工程を繰り返し、上記プリプレグおよび上記制振材シートを上記成形型上に所定高さに積み上げる工程と、
上記成形型上に積み上げられた上記プリプレグおよび上記制振材シートの積層体を加熱、加圧して上記プリプレグを硬化させる工程と、
を有することを特徴とする先進グリッド構造体の製造方法。
【請求項４】
上記請求項１又は請求項２に記載の先進グリッド構造体を製造する方法であって、
一方向材をテープ状に成形したプリプレグと上記制振材をテープ状に成形した制振材シートとが突き合わせ接続されて交互に配列された層を、上記プリプレグの単一層上に積層して２層構造に構成された貼り付けテープを成形型上に積み上げて、所定高さを有する上記幾何学的パターンを形成する工程と、
上記成形型上に積み上げられた上記貼り付けテープの積層体を加熱、加圧して上記プリプレグを硬化させる工程と、
を有することを特徴とする先進グリッド構造体の製造方法。

【図１】