無人航空機は大型化、高速化、高機能化が進んでいます。マッピング ドローンや産業用検査プラットフォームから耐久性の高い固定翼 UAV に至るまで、設計者は剛性、耐衝撃性、寸法精度を犠牲にすることなく構造重量を軽減する必要があります。
複合サンドイッチ構造は、このバランスを達成する最も効果的な方法の 1 つです。軽量フォームコアがカーボンファイバーまたはグラスファイバースキンの間に接着されており、同様の重量の固体ラミネートよりもかなり硬い構造を作り出しています。
ただし、すべての UAV に最適な単一のフォームコア素材はありません。 PMI フォーム、PVC フォームコア、PET フォームコアはそれぞれ、重量、機械的性能、加工温度、コストのバランスが異なります。
正しい選択は、いくつかの要因によって決まります。
• コンポーネントが翼、胴体、または内部構造であるかどうか
• 一次耐荷重部品であるか二次耐荷重部品であるか
• 必要な重量剛性比
• 硬化温度と硬化圧力
• 製造方法
• 衝撃と疲労の要件
• 生産量と材料の予算
このガイドでは比較します PMIフォーム, PVCフォームコア と PET フォームコア。 UAV の翼と胴体用のまた、構造性能、製造プロセス、プロジェクトコストに応じて適切な材料を選択する方法についても説明します。
目次
UAV 構造にフォームコア材料が使用されるのはなぜですか?
複合サンドイッチ パネルでは、外側のカーボンファイバーまたはグラスファイバーのスキンが引張荷重と圧縮荷重に耐えます。の フォームコアが スキンを分離し、スキン間のせん断荷重を伝達します。
スキン間の距離を増やすと、材料を大量に追加することなく、曲げ剛性を大幅に向上させることができます。これにより、サンドイッチ構造は UAV 構造にとって特に価値があり、重量を軽減することで飛行時間、積載量、操縦性が向上します。
フォームコア材料には次の利点があります。
• 機体重量の軽減
• 翼と胴体の剛性の向上
• 座屈に対する耐性の向上
• 寸法安定性の向上
• ペイロード容量の増加
• 飛行耐久性の向上
• 空力形状の製造の容易化
• 複合外板の連続接着面
ハニカムコアと比較して、構造用フォームは多くの場合、インサート、エッジ、開口部の周囲の機械加工、成形、シールが容易です。独立気泡フォームコア材料は、湿気の浸透に対する優れた耐性も備えています。
PMI フォーム、PVC フォーム、PET フォームはすべて UAV 複合サンドイッチ構造で使用できますが、互換性はありません。
PMI 対 PVC 対 PET フォーム: 主な違い
PMI フォームは、全体として最高の重量に対する剛性のパフォーマンスと、高温の加工温度に対する最高の耐性を提供します。これは主に、高性能翼、炭素繊維プリプレグ構造、主要な耐荷重コンポーネントに使用されます。
PVC フォームコアは、機械的性能、耐衝撃性、加工性、価格のバランスが優れています。真空注入された翼、リブ、フェアリング、隔壁、および一般的な胴体構造に適しています。
PET フォームコアは、優れた圧縮性能、競争力のあるコスト、リサイクル可能な熱可塑性プラスチックベースを提供します。一般に、胴体パネル、ペイロード構造、およびサンドイッチ二次コンポーネントに適しています。
最終的な選択は、ポリマーの種類のみに基づいて行うべきではありません。フォームの密度、厚さ、加工温度、樹脂の取り込み、局所的な負荷条件も考慮する必要があります。
高性能 UAV 翼用 PMI フォーム
PMI (ポリメタクリルイミド フォーム) は、軽量、高剛性、高温処理が重要な場合に使用される高性能構造フォームです。
これは、プリプレグとオートクレーブまたは加熱プレスプロセスで製造されたカーボンファイバー UAV 構造に特に適しています。適切な PMI フォーム グレードは、高性能複合材の硬化に必要な温度と圧力下で寸法安定性を維持できます。
UAV における典型的な PMI フォームの用途
PMI フォームは次の用途に使用できます。
• 固定翼 UAV の翼外板
• 高アスペクト比の翼
• 翼桁およびせん断ウェブ
• 操縦翼面
• 尾翼構造
• プロペラおよびローター部品
• 胴体主殻
• 内部構造フレーム
• 高負荷機器パネル
耐久性の高い固定翼 UAV では、翼の変形を注意深く制御する必要があります。過度のたわみは空力プロファイルを変化させ、制御精度を低下させ、飛行効率を低下させる可能性があります。
PMI フォームコアは、比較的低い密度で高いせん断剛性と圧縮性能を提供します。このため、PMI は、可能な限り高い重量剛性比が必要とされる一次構造にとって魅力的なものになります。
PMIフォームの利点
PMI フォームの主な利点は次のとおりです。
• 高い比剛性
• 重量に対する高い圧縮強度 •
優れた寸法安定性
• 高温硬化との適合性
• 良好な疲労性能
• 正確な CNC 加工
• 薄いサンドイッチ構造への適性
• 炭素繊維プリプレグシステムとの良好な適合性
ラミネートが高温炭素繊維プリプレグを使用し、コンポーネントがオートクレーブ硬化サイクルに耐える必要がある場合、通常、PMI フォームが UAV 翼コアとして推奨されます。
PMIフォームの限界
PMI フォームは、ほとんどの PVC および PET フォーム グレードより高価です。その優れた処理温度と機械的性能は、すべての UAV に必要なわけではありません。
たとえば、室温真空注入によって製造された商用ドローンは、追加の材料コストに見合った十分な PMI の恩恵を受けられない可能性があります。
したがって、PMI フォームは、次のようなパフォーマンスが重要な領域で選択的に使用すると最も効果的です。
• 主翼構造
• 翼桁
• 高荷重胴体フレーム
• 操縦翼面
• 高温で硬化した部品
二次カバー、フェアリング、および軽荷重パネルは、PVC または PET フォームを使用してより経済的に製造できます。
費用対効果の高い UAV 構造用の PVC フォームコア
架橋 PVC フォームコアは、軽量、せん断強度、靱性、機械加工性、コストの実用的なバランスを提供します。
真空注入、ハンドレイアップ、樹脂トランスファー成形、低温または中温硬化によって製造される複合サンドイッチ構造に広く使用されています。
多くの産業用、測量用、農業用、および商業用 UAV では、PVC フォームは、PMI のコストを高めることなく、十分な機械的性能を提供します。
UAV における一般的な PVC フォームコアの用途
PVC フォームコアは次の用途に使用できます。
• 真空注入翼外板
• 翼リブ
• 隔壁
• 胴体シェル
• 着陸装置フェアリング
• モーター カバー
• バッテリー カバー
• ハッチおよびアクセス パネル
• 操縦翼面
• インサート周囲の局所補強
負荷が軽いパネルには、低密度の PVC フォームを選択できます。高密度の PVC フォームは、ハードポイント、ファスナー、ヒンジ、着陸装置の接続部、装備マウントの周囲に使用できます。
PVCフォームコアの利点
PVC フォームは 以下を提供します:
• 優れたせん断強度
• 優れた耐疲労性
• 優れた耐衝撃性と損傷耐性
• 低吸水性
• 独立気泡構造
• 容易な CNC 加工
• 一般的なコンポジットレジンシステムとの良好な接着
• 複数の密度と厚さのオプション
• 真空注入との互換性
• 競争力のある全体コスト
PVC フォームは、頻繁に取り扱い、輸送、離陸または着陸の衝撃を受ける可能性のある UAV コンポーネントに特に役立ちます。
その靭性により、フェアリング、バッテリーハッチ、アクセスパネル、汎用の機体構造に適しています。
PVC フォーム加工の考慮事項
PVC フォームコアを選択する前に、硬化サイクルを確認する必要があります。
標準的な PVC フォーム グレードは、一般に高温の航空宇宙用オートクレーブ処理よりも室温または中温での硬化に適しています。
温度制限はグレードやメーカーによって異なります。 UAV メーカーは以下を評価する必要があります。
• 最高硬化温度
• 加熱時間
• オートクレーブまたはプレス圧力
• フォームの密度と厚さ
• ツールの形状
• 樹脂の発熱
• セルの変形またはコア崩壊のリスク
低温プリプレグまたは真空注入の場合、PVC フォームは PMI の効率的かつ経済的な代替品となります。
要求の厳しい高温同時硬化の場合、通常は適切な PMI フォームを選択する方が安全です。
UAV 胴体および二次構造用 PET フォームコア
PET フォーム は、機械的性能、加工の柔軟性、競争力のあるコストを兼ね備えた熱可塑性構造フォームです。
これは、リサイクル可能なコア材料やリサイクル PET コンテンツで製造された製品を求める UAV メーカーにとって特に魅力的です。
UAV の構造では、PET フォームは一般に、重量が最も重要な高性能翼コンポーネントよりも胴体パネルや二次構造に適しています。
UAV における典型的な PET フォームコアの用途
PET フォームは次の目的で検討できます。
• 胴体シェル
• ペイロードベイパネル
• 機器コンパートメント
• バッテリーエンクロージャ
• 内部パーティション
• アクセスドア
• 非主要フェアリング
• 地上管制機器ハウジング
• 輸送および保護構造物
PET フォームは、選択された密度とグレードが必要なせん断、圧縮、および疲労性能を満たしている場合、中程度に荷重がかかる翼にも使用できます。
ただし、経済的またはリサイクル可能であるという理由だけで、高性能 UAV 翼に PET を選択すべきではありません。完全な機械要件と処理要件を評価する必要があります。
PETフォームコアの利点
PET フォームは以下を提供できます。
• 優れた圧縮性能
• 優れた熱安定性
• 真空注入との適合性
• 熱成形能力
• 競争力のある材料コスト
• リサイクル可能な熱可塑性化学物質
• リサイクル含有グレードの入手可能性
• より厚いサンドイッチパネルへの適性
UAV の胴体またはペイロード コンパートメントの場合、PET フォームは構造性能、パネルの厚さ、コストの間で効果的なバランスを提供できます。
サンドイッチ構造が適切に設計され、テストされていれば、より大きな局所圧縮抵抗が必要な領域で高密度 PET フォームを使用することもできます。
PET フォームの加工に関する考慮事項
PET フォームを真空注入に使用する場合は、樹脂の取り込みを考慮する必要があります。
露出したセル、溝、穿孔、および表面の切り込みは、追加の樹脂を吸収する可能性があります。これにより、完成したサンドイッチパネルの重量が増加し、低密度フォームの予想される重量上の利点が減少する可能性があります。
したがって、UAV 設計者は、フォーム密度だけを比較するのではなく、完全な注入サンドイッチの重量を比較する必要があります。
総重量には次のものが含まれる場合があります。
• ドライフォームコア
• 吸収樹脂
• カーボンファイバーまたはグラスファイバースキン
• 接着フィルム
• 表面フィラー
• 局所補強材
• インサートおよびポッティングコンパウンド
PET グレードは、脆さ、セル構造、熱成形性能、耐熱性も異なります。加工試作は量産前に実施する必要があります。
UAV の翼に最適なフォームコアはどれですか?
UAV の翼に最適なフォームコアは、主に構造負荷、硬化温度、製造プロセスによって決まります。
次の場合に PMI フォームを選択してください。
• 翼には高温の炭素繊維プリプレグが使用されています
。 • オートクレーブ圧力が適用されます
。 • 最大の重量に対する剛性の性能が必要です。 •
UAV は高アスペクト比の翼を備えています。
• 飛行耐久性は材料コストよりも重要です
。 • 硬化中の寸法安定性が重要です
。 • 翼は主要な耐荷重構造です。
次の場合に PVC フォームコアを選択してください。
• 翼は真空注入法で製造される
• 硬化温度は比較的低い
• 優れた耐衝撃性が必要である
• プロジェクトには管理された材料予算がある
• UAV は商業用または産業用に設計されている
• 翼には CNC 加工されたリブまたは内部プロファイルが含まれている
• 性能とコストのバランスが必要
次のような場合には PET フォームを検討してください。
• 翼は中程度の負荷がかかる構造である
• 選択されたグレードは、必要なせん断性能と圧縮性能を満たしている
• リサイクルされた内容またはリサイクル可能性がプロジェクトの優先事項である
• 設計には比較的厚いコアが必要である
• 硬化プロセスは、選択された PET グレードと互換性がある
多くの高性能固定翼 UAV では、PMI が主翼構造のコアとして推奨されます。
真空注入によって製造されるコスト重視の翼の場合、多くの場合、PVC フォームがより実用的なソリューションになります。
PET フォームは慎重な評価が必要であり、一般に中程度の負荷がかかった構造や二次構造に適しています。
UAV の機体に最適なフォームコアはどれですか?
UAV の胴体にはさまざまな構造ゾーンが含まれています。一部の領域では高い剛性が必要ですが、他の領域では耐衝撃性、局部圧縮強度、または経済的なパネルの厚さが必要です。
胴体主要構造用 PMI フォーム
PMI フォームは、高温プリプレグで製造された高性能胴体シェル、主要フレーム、セクションに適しています。
これは、機体がセンサー、アンテナ、光学システム、通信機器に対して正確な位置合わせを維持する必要がある場合に特に役立ちます。
一般胴体構造用PVCフォーム
PVC フォームは、真空注入胴体シェル、隔壁、機器カバー、衝撃を受けやすいパネルなどに多用途に使用できます。
その靭性と機械加工性により、湾曲した構造、切り欠き、アクセス開口部、局所的に強化された領域に適しています。
胴体二次パネル用 PET フォーム
PETフォームは 、コストと持続可能性が重要な大型の胴体パネル、ペイロードコンパートメント、内部パーティション、二次カバーに適しています。
適切な構造テストを行った後、機器取り付けエリアの周囲に高密度 PET を使用することも検討できます。
適切に最適化された UAV は、機体全体で常に 1 つのコア材料を使用するとは限りません。主翼構造に PMI を、耐衝撃部品に PVC を、より厚い二次胴体パネルに PET を使用する可能性があります。
フォームの密度と厚さの選択方法
材料の種類だけでサンドイッチの性能が決まるわけではありません。泡の密度と厚さも同様に重要です。
フォームの厚さを増やすと、複合スキン間の距離が増えるため、一般にパネルの曲げ剛性が向上します。
フォーム密度が増加すると、一般的に圧縮強度、せん断強度、局所耐荷重性能が向上します。ただし、構造重量も増加します。
実際の UAV 設計では、以下を使用できます。
• 幅が広く、負荷が軽いパネルには低密度フォームを使用
• ヒンジ、ファスナー、インサート付近には高密度フォームを使用
• パネルの剛性が主な要件である場合には厚いフォームを使用
• 薄くて負荷が大きいコンポーネントには PMI フォームを使用
• 衝撃に弱い部分には PVC フォームを
使用 • 厚い二次パネルには PET フォームを使用
多くの場合、コンポーネント全体に高密度フォームを使用するよりも、局所的な補強の方が効率的です。
高密度インサート、接着ブロック、またはポッティングコンパウンドを以下の周囲に追加できます。
• ボルトと留め具
• 着陸装置の接続
• モーターマウント
• 翼の取り付けポイント
• ペイロードインターフェース
• バッテリーサポート
• ヒンジと制御機構
最終的なフォームの密度と厚さは、構造計算、プロトタイプの製造、代表的な機械試験を通じて検証する必要があります。
UAV メーカーが評価すべき追加要素
樹脂の適合性
フォームコアは、選択したエポキシ、ビニルエステル、またはその他の樹脂システムと互換性がなければなりません。
接着力、耐薬品性、硬化温度、樹脂の発熱はすべて製造前に評価する必要があります。
樹脂の取り込み
溝、穿孔、露出した細胞は注入中に樹脂を吸収する可能性があります。
過剰な樹脂の吸収により、不必要な重量が増加し、低密度フォームコアを使用することで期待される利点が減少する可能性があります。
加工精度
薄い UAV フォームコアシートには、多くの場合、厳しい厚さの公差が必要です。
CNC 加工された翼のプロファイル、テーパーエッジ、チャネル、および内部構造は、取り扱い、レイアップ、硬化中にその寸法を維持する必要があります。
表面処理
ほこり、汚れ、表面セルの損傷により、接着品質が低下する可能性があります。
フォーム表面は洗浄し、接着剤または樹脂システムの要件に従って準備する必要があります。
インサートとハードポイント
通常、集中した荷重を低密度フォームに直接移すべきではありません。
通常、ファスナーや構造接続部の周囲には、高密度インサート、接着ブロック、ポッティングコンパウンド、または局所的に強化されたラミネートが必要です。
プロトタイプの検証
技術データシートは有用な比較情報を提供しますが、完成したサンドイッチの性能はラミネートシステム全体に依存します。
代表的なテスト パネルは、実際の以下のものを使用して製造する必要があります。
• 発泡グレードと密度
• コアの厚さ
• 強化材
• 樹脂またはプリプレグのシステム
• 硬化温度
• 硬化圧力
• 表面処理
• 製造プロセス
JLON が UAV 複合製造をサポートする方法
JLON は 、UAV の翼、胴体、内部構造用の構造用フォームコア材料と関連複合材料を供給しています。
当社の UAV 複合材料ポートフォリオには以下が含まれます。
• 高性能および高温構造用の PMI フォーム
• 複数の密度と厚さの PVC フォームコア
• 胴体および二次サンドイッチパネル用の PET フォームコア
• 重量に敏感な UAV コンポーネント用の薄いフォームシート
• CNC 加工されたフォームコア
• 溝付き、穴あき、輪郭カットのフォームシート
• カーボンファイバーファブリック
• グラスファイバーファブリック
• ピールプライ
• リリースフィルム
• 真空バギングフィルム
• フローメディア
• その他の真空注入消耗品
JLON は、標準のフォームコアシートを提供することも、顧客の図面に従ってカスタマイズされた寸法や機械加工を提供することもできます。
関連する DNV 認証を取得した PVC および PET フォーム製品は、文書化された材料認定が必要なプロジェクトに利用できます。特定の製品グレードについて認証の有無を確認する必要があります。
JLON は、UAV メーカーが以下に従ってフォーム グレードを比較するのに役立ちます。
・必要な密度
・コアの厚み
・機械的性能
・樹脂系
・硬化温度
・加工圧力
・表面処理
・年間需要
・目標材料コスト
最終的な推奨事項
PMIフォーム、PVCフォーム、 PET フォームは すべて UAV サンドイッチ構造に適した用途を持っていますが、交換可能な材料として扱うべきではありません。
高性能 UAV 翼、一次構造、および高温プリプレグ処理には、PMI フォームをお選びください。コストは高くなりますが、剛性対重量のパフォーマンス、寸法安定性、高温耐性の総合的な組み合わせが最適です。
真空注入翼、リブ、一般的な胴体構造、フェアリング、耐衝撃性コンポーネントには PVC フォームコアを選択してください。構造性能、靭性、加工性、コストの最良の組み合わせの 1 つを提供します。
圧縮性能、経済的なパネルの厚さ、持続可能性が重要な機体パネル、ペイロード領域、二次構造には PET フォームコアを選択してください。
多くの UAV では、最も効率的なソリューションは、機体全体に 1 つのフォームを使用するのではなく、ハイブリッド材料戦略です。
各フォームコアをコンポーネントの負荷、製造プロセス、機能に適合させることで、構造の信頼性を損なうことなく重量を削減し、コストを制御できます。
UAV コンポーネントの図面、必要な密度、厚さ、樹脂システム、硬化温度、推定年間需要を JLON にお問い合わせください。当社のチームは、適切な PMI フォーム、PVC フォームコア、または PET フォームコアを推奨し、製造試験用のサンプルを提供します。
よくある質問
カーボンファイバー製の UAV 翼に最適なフォームコアは何ですか?
PMI フォームは一般に、特に高温硬化またはオートクレーブ圧力が関与する場合、高性能炭素繊維プリプレグ ウィングに好まれます。
PVC フォームは、真空注入または低温プロセスで製造されるカーボンファイバー翼にとって、より経済的な選択肢となります。
PVCフォームは固定翼UAVに使用できますか?
はい。 PVC フォームコアは、真空注入翼外板、リブ、隔壁、操縦翼面、胴体パネルに使用できます。
選択した PVC フォーム グレードは、硬化温度と構造要件に適合する必要があります。
PETフォームはドローンの翼に適していますか?
PET フォームは、その機械的特性と加工挙動が設計要件を満たしている場合、中程度の負荷がかかる UAV 翼構造に使用できます。
重量に非常に敏感な主翼構造の場合は、PMI または PVC フォームの方が適していることがよくあります。
UAV の機体にはどのフォームコアが最適ですか?
PVC フォームは、一般的な機体構造に多用途に使用できます。 PMI フォームは高性能の主胴体シェルに適していますが、PET フォームはより厚い二次パネルやペイロード コンパートメントに魅力的です。
異なるフォームコア材料を同じ UAV で使用できますか?
はい。ハイブリッド設計では、主翼構造に PMI フォーム、耐衝撃コンポーネントに PVC フォーム、および二次胴体パネルに PET フォームを使用する場合があります。
このアプローチにより、重量、パフォーマンス、コストのバランスをとることができます。
JLON はカスタム加工された UAV フォームコアを提供できますか?
はい。 JLON は、標準のフォームコアシートに加え、顧客の図面や製造要件に応じて、CNC 加工、溝付き、穴あき、テーパー、輪郭カットのコンポーネントを提供できます。