ソーラーカー／ソーラーボートなど
超軽量モノコック構造体の設計製作

as of 11/21/97

はじめに

GHクラフトは、先端複合材料（Advanced Composite Material:ACM）特にカーボンファイバーなどを用いた製品の開発、 設計、製作を行っています。
超軽量の車体は、カーボンファイバーとハニカムコアを用いて構造を作り上げます。ここでは、設計、広報、材料、 材料入手方法について、初歩から上級者までを対象に、計画から完成までわかりやすく解説していきます。今まで、 多くのソーラーカーチームのメンバーが、当社の工場で専門のスタッフと協同で作業したり、また、学生の方は実習として ソーラーカーやエコランカーのCFRP車体を製作しています。ご希望の方はお問い合わせください。

1.　設計と計画：

まず、CFRP（カーボンファイバー強化プラスティックス）やハニカムサンドイッチ構造がなぜ優れている のか整理しておきましょう。

• 比剛性（比弾性率）と比強度が優れている。：
  一般的な金属材料は、剛性や強度の点でCFRPより優れています。CFRPは単位重量で見たときに優れているので、多くの場合、 断面積を金属より大きく取る必要があります。繊維を一方向に引きそろえた成形物は、その方向について、金属材料の性能を 上回ります。
• 剛性はEI（弾性率　×　断面2次モーメント）：
  CFの物性だけに頼らないこと。断面2次モーメントや構造的な配慮を合わせることで、効果を発揮します。サンドイッチ構造は、 コア厚の3乗に剛性が比例するので、Ｉが急激におおきくなるというメリットがあります。金属材料に比べて、自重が著しく 小さいサンドイッチのコア材を使うことで、Ｉを大きく稼げることをうまく利用することが大切です。 （ハニカム材の見せかけ比重は一般的に0.03～0.1位です。）
• FRP(繊維強化プラスティック）は強い物ほど強い方向性を持っている。：
  繊維が強化されていることを意識して部材の形を考える必要があります。

構造計画に対する考え方 :

軽い車体はシンプルに。構造を構成する部品（ビーム、フレーム、バルクヘッド、パネルなど）をできる限り少なくして、 接着箇所を減らすこと。重量軽減するためには小骨をたくさん入れないようにすることです。例えば、外板のコア材は比重が 十分小さいので、厚さを大きくして補強フレームを極力減らすことです。（このような構造をモノコック構造といいます。） また、部材にかかる応力は面内に分散するように配置し、応力が走る周囲を補強することも重要です。

限られた予算と日程のなかでいかに車体を製作するか :

大切なことは、何を最も優先するかを明確にすることです。見た目を良くするか、性能を取るか。限られた時間と 予算の中で、何を捨て何を確保するか、方針をしっかりたててください。多くの方が陥り易いことですが、枝葉末節に こだわって本筋を見失いがちです。それが個性でもあるのでしょうが、ソーラーカーによくある例では、ボディの形に こだわってウレタンやスチロールを削って磨き雌型を造り、FRPの美しいボディを造ることに大半の時間とエネルギーを 使ってしまうことがあります。その作業が空力性能にどのぐらい貢献するか、判断しなければなりません。
成績を重視するなら、トータルで軽く、何よりも空力的に優れたボディを考えることです。ソーラーパネルの効率は、 平らなものほど良く、空力性能との折り合いを付けるには全面投影面積をとにかく小さくする、車体のボリュームも小さくする、 シンプルな２次曲面で構成し、面の数を少なくする、無駄なフィレットアールを付けないなどが大切です。

CADを活用する :

超軽量車体に限ったことではありませんが、物を造るときCADはたいへん重要な役割を果たします。 まだ使ったことのない方には、安価なパソコンCADを是非お勧めします。 マッキントッシュやDOS-Vで動くAshlar Vellumというソフトを私は使っていますが、たいへん重宝しています。　 CADの良いところは、書いた図をそのまま原寸図に出来、形の寸法指示をしなくても厳密な寸法をCADデータ自体が すでに持っていることです。１／１の出力をすれば、後の工程がとても楽になります。高度な３次元の曲面を表現できる 必要は必ずしもありません。また異なったソフトや機種間のデータのやり取りもほとんど問題はありません。できれば、 DXF、IGESなどのフォーマットでデータ出力出来るものを使うとより良いでしょう。

2.　材料：

• プリプレグ材（この素材を使用することでAeroSpace Specへとグレードアップできる）：
  工法を秘密にしてきたためにあまり知られていません。超軽量のFRPを使った作業では、真空バッグやバキュームバッグの 使い方がキーになっています。ポリエステルやエポキシ樹脂と、ガラス、カーボン繊維の織物やマットを塗り重ねて積層したのでは、 余分な樹脂や気泡が多い為、これを抜き取ったり、サンドイッチのコア材をしっかり張り付けるために真空バッグを使います。 しかし、真空バッグを使っても、超軽量高強度複合材の樹脂と強化繊維の最適な割合は、べたべたした樹脂をローラーや刷毛で 塗ることでは不安定な結果しか得られません。
  そこで使用するのがプリプレグ（PREPREG）です。これは、強化繊維の 織物にあらかじめ規定量の樹脂（一般的にはエポキシ）を材料メーカーで含浸させたものです。使いやすいように樹脂を半硬化させ、 室温では手で触ってもべた付くことがないようにしてあり、ワックスペーパーと薄い保護フィルムで材料を覆いコイル状の荷姿で 供給されます。エポキシ樹脂のプリプレグで125度で硬化するものが最も流通しており、航空機には180度硬化のものが使われます。 最近は低温で硬化するプリプレグもでてきており、アメリカズ・カップのヨットは70～90度で硬化するものが使われます。 この低温硬化のプリプレグがソーラーカーやボートには最適なのですが、常温での材料保管寿命が短いのと、量がまとまらないと 入手できないという短所があります。
• 織物（クロス材）とUD（ユニダイレクショナル材）：
  強化繊維は一般的に織物（クロス材）で使われます。一方繊維の特性を充分に発揮するUD（ユニダイレクショナル材）と言われ る一方向に繊維を引きそろえた状態のプリプレグがあります。UDの繊維方向に沿った引っ張り／圧縮強度や剛性（弾性率）は クロス材の2～3倍になります。この理由から、航空機、ヨット、釣竿、ゴルフシャフト等はUDを使います。しかし、このUDには、 複雑な局面の成形がほとんどできないことと、繊維と違う方向には剛性、強度ともに極端に弱いという欠点があります。 そこで、やむなくクロス材が使われています。特別に超軽量の車体を作る場合は、ゴルフシャフト用の極薄いUDがありますが、 この薄いUD材の繊維を上手にレイアウトするためにCAEの構造解析を入念に行うことが必要になります。

  以下に代表的な材料を挙げて見ましょう。

  • 各種CF繊維：繊維の弾性率、強度で各種のものが市場にあります。
    低弾性：10～18～24 ton/mm²（24 ton/mm²が標準、引っ張り／圧縮がバランスしている。）
    中弾性、高強度：30 ton/mm²（高引っ張り強度を持つFSX等の目的で開発された。）
    高弾性：40～60 ton/mm²（ピッチ系繊維は太い。PAN系は細い。圧縮強度低くなるので注意。）
    超高弾性：70～100 ton/mm²（熱膨張がマイナス。圧縮弱い。熱伝導高い。宇宙用に開発された。）
  • アラミドファイバー
    ケブラーなど：弾性率　3～5 ton/mm²
    ガラスファイバー：Eガラス、Sガラス
  • 代表的なCFクロス
    3K平織り：最も標準的なクロス材。カーボンのフィラメントを3000本束ねた糸で織った織物。重さ　約200g/m² （プリプレグの重量　330～400g/m²
    1K平織り：カーボンのフィラメントを1000本束ねた糸で織った織物。極薄く、軽い部材に使います。高価格。重さ 　約120g/m²（プリプレグの重量　200～240g/m²）
  • ハニカム・コア（蜂の巣状芯材）：市販されているものは以下のものです。
    ペーパー：主に家具、建材などに使われる（間仕切り、キャビネットのドアなど）比較的安価
    アルミ：航空機、新幹線などの 床板やパネル部に使われる。強度大。中程度の価格。
    NOMEX：航空機のパネルに使われる。最も軽くて強い。高価。
  • 軽いハニカム
    ソーラーパネルの例（断面）：重さ=約1.4kg/m²
    
  

3.　工法：

使用する材料により、それぞれに適した工法があります。ここでは、ソーラーカーの成形について、トピック的に取り上げます。

• 真空バック、バキュームバック：
  硬化させる温度によってバッグの材質を選択しますが、ナイロンの専用フィルムが用意されています。常温硬化の樹脂なら安価な ポリエチレンの50ミクロン以上のフィルムで良いでしょう。使い方には独特のノウハウがエアロスペースの業界で工夫されてきました。 その一番は真空を保つためのシール材です。これも専用のシールテープが用意されています。これは大変便利で、ワックスペーパーで 保護されたガムがテープ状にコイルされています。高品質なFRPを成形するためには、その他にいろいろな副資材を用います。 凡その使い方を図示しておきます。

  

  
  

• アメリカズ・カップの船体：雄型、低温硬化プリプレグ、バキュームバック、オーブン硬化
  FRPは雌型で成形するものと思い込まれているケースが見受けられます。一般的に、少数の船体は簡易的な木製の雄型で成形します。 外板の板厚を差し引いた形状で木造ウレタンフォームなどの型を作ります。この表面を真空を確保するFRPのコーティングを施すか、プラ スティックのフィルムを張り付けます。CFRPプリプレグを積層し、真空バッグで覆い、オーブンで80～90度で加熱硬化させます。 プリプレグを使わずにポットライフが数時間ある樹脂も使えますが、作業性や出来上がった成形物の性能から、今日ほとんど使いません。 アマチュアがこの工法を取り入れにくい最大の問題は大きなオーブンを必要とすることでしょう。雄型の外側に船体を成形し、 表面をパテとサンディングで仕上げます。こうする事で、マスター型を仕上げる工程を省く事が出来るのです。船体が大きい程、 その他に積層作業の上でもメリットがあります。しかし、仕上げにパテを使用することで多少重くなるデメリットもあります。
• オーブン：熱の供給システムをどうするか
  コンパネにガラスウールなどの断熱財を張り付けて簡単なチャンバーを作り、灯油燃料のジェットヒーターと温度コントローラーで作れます。 室内の温度が一様になるように扇風機を仕込んだり、焚き込み口を工夫します。型に電熱線を仕込んだり、ブランケットヒーターを 使ったりすることも行われましたが、コストパフォーマンスが悪いものでした。毎年チャレンジするつもりなら、設備を作ってしまうことも 考えられます。

  

  
  

• 雌型、成形：
  雌型は、車体の成形後、内部構造の組み立てジグを兼ねることが出来、トータルで工数削減高精度を実現できます。 FRPやスチールを工夫して、雌型が設計の基準面に平行になるように作っておくことです。

  
  

• スタイロフォーム、ウェットレイアップ工法：
  バックヤード・ビルダーに適した工法の一つに、スチロール／スタイロフォームとエポキシ樹脂FRPがあります。スキンの厚さの 分だけ一周り小さく造形したフォームの上に直接クロス材をハンドレイアップする工法で、飛行機の自作に良く使われており、 バート・ルターンの設計はほとんどこれで造られます。サーフボード／セールボードは特にこの工法が適しています。 中空に造りたいとき、工夫を要しますが、中実である分、全体剛性は大変優れています。スタイロフォームは価格も安く、 比重が小さいので、この面からも魅力があります。３次元的な造形を要求される場合、この工法が利用されます。 車体先端のラウンド処理や、ホイールカバーなどにこの工法を用いると良いでしょう。

4.　２次接着、オーバーレイアップ：

実際の車体では、カウルやシャシーを始めから一体で造るのではなく、別々に成形した複数個の部材を、リベットや接着剤によ り組み合わせて造ることになります。このような接着作業をサンドイッチパネルの成形におけるスキンとコアの積層工程（これ も一種の接着作業です。）に対比して、２次接着と呼びます。サンドイッチパネルは、見かけ上は厚いしっかりしたパネルに見えますが、 実際には厚いコア材の両側に薄いスキン層があるだけなので、２次接着においては、このスキン同士をうまくつなげることが大事です。 図のように、クロス材によるハンドレイアップやコーナー材を用いた接着＆リベットでつなぐわけですが、このようなコーナー部は、 力の集中しやすい所でもあるため充分な注意が必要です。基本的な考え方としては、コーナーRをなるべく大きくとり、接合材の厚さを いずれの場合もサンドイッチパネルのスキン層に＋α分確保することです。

1)　Tジョイント

2)　コーナージョイント

5.　設計製作の例：

理想的な高性能シャシーの形を1996年WSCでホンダとアイシンのチームが見せてくれました。しかし、これを製作するために、 設計の段階でCAD/CAEに膨大な時間と費用を必要としますし、型治具製作費用もかなり高額となります。これに対して、 CFRPハニカム・サンドイッチ構造の高性能モノコック・シャシーをいかに経済的に製作するかということから開発された構造、 工法が、CF/ハニカムパネル接着リベット組み立て工法です。そのメリットは、以下のようにまとめられます。曲面形状を作りにくい 点を除けば、軽量で高剛性の車両を製作する最良の方法といえます。

• 設計、基本レイアウトが簡単にできる。
• CAE／構造解析の展開、モデリング時間が大幅に短い。
• パネル組み立て（接着リベット工法）は製作が簡単。ベニヤ板などで1／1モックアップなど簡単に行える。パイプ溶接構造より易しい。
• サス／シャシー取り付け部品などの展開が易しい。
• 寸法制度が高いものを作れる。常温溶接、低温膨張、比弾性率が金属に比べて極端に高い。

具体的製作例

1. 設計：1／10～1／5のスケールで図面を描く。
   形の選択が重要です。平板を曲げて作れる２次曲面を組み合わせて 構成される多面体を想定します。
2. 各パネルを展開し、図面のサイズの各平面をボール紙もしくは、スチレンペーパー等から切り出し、セロテープなどで組み立てる。
3. 上記の工程から、図面へフィードバックして、図面精度を上げる。
4. 各平面パネルの原寸図を描く。パネルを2.7mmか4mmぐらいの合板から切り出し、仮組み立てする。部品まで組み込み人間も乗って みれる1／1モックアップを作ってみる。メカや装置を実際に搭載し検討する。
5. 組み立て治具を外見に合わせて合板（ベニヤなど）で製作する。
6. モックアップを分解して1／1のテンプレートとし、サンドイッチパネルを購入するか、製作し切り出す。
7. 治具のなかで瞬間接着剤等を使ってパネルを仮止め、組み立てする。
8. GFまたはCFのテープとエポキシ樹脂で図のように２次接着する。
9. フレーム、バルクヘッドなどの構造材を２次接着する。
10. ひっくり返して外側から２次接着する。
11. 全体をサンディング、脱脂して、ウレタンまたはエポキシ系のシーラーを塗付する。
12. サンディングシーラーまたはサーフェーサーを塗付、上塗をする。

以上のように、工程を進めます。後は今回の記事を参考に工夫してみてください。

6.　自作家用の部品／材料／その他もろもろの仕入先：

＊エアクラフトスプルース社は、アメリカの自作飛行機の材料通信販売店です。ここのカタログがあると何かと便利です。 軽飛行機の部品、材料、自作用図面を読むとたいへん参考になります。工作をする場所、設計、段取りから丁寧に 説明されているので、この通りに作業すると、実際に空を飛べる飛行機が出来ることが納得出来ます。ここから始めるのとかえって 早道かもしれません。