JP2004175116A - 複合物品を作製するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 複合材料レイアップの製造を迅速化し、かつ品質を向上する自動化システムを提供する。
【解決手段】 生産性を向上するために複数の材料ディスペンサを有する、複合物品を作製するための装置。装置は、ワーク基準面を規定する構造物、構造物に対して可動な複数の材料ディスペンサを含み、材料ディスペンサの各々は予め定められた軸に沿ってワーク基準面に帯状材料を適用し、前記予め定められた軸の各々は互いに平行であり、ワーク基準面に適用される帯状材料は層を形成する。この発明による複合材料を作製するための方法も提供される。
【選択図】 図１

Description

発明の分野
この発明は一般に、複合材料から物品を作製するための装置および方法に関する。

発明の背景
一部または全体が複合材料から形成される物品（以降、「複合物品」と称する）は、通常、比較的軽量および比較的強度が高いなどの所望の特性を完成物品に与えるために幅広い分野で用いられている。複合物品を作製する１つの方法は、グラファイトテープまたはグラファイト布などの複合材料の帯を使用して、当該技術分野で複合「レイアップ（lay-up）」として知られるものを形成することを含む。レイアップは１つまたは複数の層を含み、各層は材料の帯を接触および／または重ねることで形成される。材料に含浸される（プリプレグ）か、または後に材料の１つまたは複数の層に注入され得る樹脂は、材料の帯が互いに結合するように後に処理され、レイアップを硬化させる。典型的には、レイアップは、完成複合物品の所望の幾何学的形状に沿った成形ワーク面を有するマンドレル上に形成される。レイアップは比較的柔軟であり、硬化する前はそれ自身を支えられないため、通常、マンドレルが用いられて硬化プロセス中にレイアップを支える。

複合物品の作製のための公知の方法は、手動および自動の作製を含む。手動の作製は、手動による切断および技術者によって材料をマンドレルの表面に位置付けることを必要とする。この作製方法は時間および費用がかかり、レイアップの不均一性につながり得る。公知の自動作製技術は、フラットテープ積層装置（ＦＴＬＭ）および曲面テープ積層装置（ＣＴＬＭ）を含む。通常、ＦＴＬＭおよびＣＴＬＭはともに、複合材料が適用されるべきワーク面上を移動する単一の複合材料ディスペンサを含む。通常、複合材料は１回に（複合材料の）１列に並べられ、所望の幅および長さの層を作る。その後、付加的な層を前の層の上に作り、所望の厚みのレイアップが得られる。通常、ＦＴＬＭは、複合材料を平坦な移送シートに適用し、この移送シートおよびレイアップは後にＦＴＬＭから取外され、型またはマンドレルに位置付けられる。これに対し、通常、ＣＴＬＭは、複合材料を直接マンドレルのワーク面に適用する。

多くの複合物品の仕様では、各層の複合材料が予め定められた方向付けで適用されることが必要され、各層の方向付けは異なっている。層の中の複合材料の方向付けを変えるため、典型的には、テープディスペンサをマンドレルまたは移送シートに対して異なる角度で移動させるか、または、マンドレルもしくは移送シートをテープディスペンサに対して手動でシフトさせる。公知の自動テープ積層装置で用いられるバッチ処理は、速度が遅く、冗長かつ煩わしいものであり得る。したがって、複合レイアップの作製を迅速化し、かつ品質を向上する自動化プロセスが必要とされている。

発明の概要
この発明は、複合物品を作製するための装置を提供する。この装置は、ワーク基準面を規定する構造物と、この構造物に対して可動である複数の材料ディスペンサ（材料分配装置）とを含み、材料ディスペンサの各々は、予め定められた軸に沿ってワーク基準面に帯状材料を適用する（宛がう、または供給する）。予め定められた軸は互いに平行であり、帯状材料がワーク基準面に適用される（宛がわれる、または供給される）とき、材料の帯
は複合物品の層を形成する。

この発明は、さらに複合物品を作製するための方法を提供し、この方法は、複数の材料ディスペンサを設けるステップと、複数の材料ディスペンサを用いて予め定められた軸に沿ってワーク基準面に帯状材料を適用して（宛がって、または供給して）第１の方向に方向付けされた第１の層を形成するステップとを含み、ワーク基準面は複数の材料ディスペンサに対して可動であり、上記方法はさらに、ワーク基準面または複数の材料のディスペンサのうちの１つを回転させるステップと、予め定められた軸に沿って第１の層の上に帯状材料を適用して（宛がって、または供給して）第２の方向に方向付けされた第２の層を形成するステップとを含む。

この発明を利用可能な他の領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかであろう。詳細な説明および特定の例は例示のためのものにすぎず、この発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。

この発明は、詳細な説明および添付の図面から十分に理解されるであろう。

好ましい実施例の詳細な説明
図１を参照すると、この発明の教示に従って構成された複合材料作製装置が参照番号１２で示される。図示の特定の実施例では、複合材料作製装置１２は、ワーク基準面（すなわち、ワーク面）１６を有する構造物１４を含む。複合材料作製装置１２はワーク基準面１６上方に持ち上げられたガントリー１８を有する。与えられる例では、ガントリー１８は、２つの垂直ビーム２０およびブリッジレール２２を含む。しかしながら、当業者には、ガントリー１８は、ブリッジレール２２の対向する端部を支持するオーバーヘッドステージまたはビームの対（図示せず）を含む、他のさまざまな方法で構成可能であることが理解されるであろう。

垂直ビーム２０は、ワーク領域２６の対向する側を結合する軌道２４の対に関連付けられる。なお、軌道２４は、ブリッジレール２２によって規定されるＹ軸に一般的に垂直なＸ軸を規定する。垂直ビーム２０は軌道２４に沿って動くことが好ましく、したがって、軌道２４は、たとえば、垂直ビーム２０に取付けられたホイール（図示せず）がその上を移動するレールであってもよい。ガントリー１８は、好適な駆動機構２５によって、軌道２４に沿って選択的に推進されることが好ましい。好適な駆動機構２５は、当該技術分野で公知のサーボトラクタまたは何らかの駆動機構であってもよい。ブリッジレール２２は、固定された位置、または下方にある構造物１４に対して垂直に動くことができるように垂直ビーム２０に取付けられる。後者の場合、ブリッジレール２２は、ガントリー１８の下にある構造物１４に対してブリッジレールの位置を調整するために、垂直方向に動かすことができる。ガントリー１８に装備がある場合のガントリー１８の軌道２４上での並進運動、およびブリッジレール２２の垂直の動きは、自動または手動で制御できる。複合物作製装置１２は、制御処理ユニットまたはコントローラ１５を含み、これは駆動機構２５およびガントリー１８ならびにそのいくつかの構成要素にインターフェイスする。この開示の程度を考慮すると、コントローラ１５の動作および構成について詳細に述べる必要はない。なぜなら、コントローラ１５は当業者の能力の十分範囲内であるためである。

ワーク領域２６の前方端部２８および後方端部３０は、端部軌道３２によって結合される。ワーク領域２６内で、構造物１４は支持ベース３４に位置付けられるか、またはそこに組込まれてもよい。この発明のこの実施例の好ましい局面では、支持ベース３４は、ブリッジレール２２に対して回転可能である。そのような回転は、支持ベース３４を回転ターンテーブル８０に位置付けるか、または従来の回転駆動機構８０ａを支持ベース３４に
組込むことによって実現されることが好ましい。したがって、与えられる例では、構造物１４のワーク基準面１６は、回転ターンテーブル８０を回転させることによって位置付けが変わり得る。またはこれに代えて、支持ベース３４の位置を固定し、ガントリー１８が動かされてもよく（たとえば、回転される）、または、後述するように、ブリッジレール２２の動きは、材料をワーク基準面１６に並べる位置付けを変えるためにＸ軸およびＹ軸の両方に沿って回転され、制御されてもよい。

複数の材料ディスペンサ３６は、ブリッジレール２２の両側５８および６０にそれぞれ取付けられる。材料ディスペンサ３６は、隣接する材料ディスペンサ３６が対向する方向で材料を計量分配するように方向付けられている場合、ブリッジレール２２の１つの側にのみ（５８または６０）取付けてもよい。材料ディスペンサ３６は、たとえば、樹脂含浸炭素繊維テープまたは布などの材料の帯６２を構造物１４のワーク基準面１６に適用する（宛がう）。ブリッジレール２２に沿った材料ディスペンサ３６の位置は、材料ディスペンサ３６がブリッジレール２２に沿って予め定められた位置で取付けられるように固定される。代替の実施例では、材料ディスペンサ３６の位置は調整可能であり、材料ディスペンサ３６の位置は、図１および図２に示されるように、さまざまなサイズの帯状材料６２および材料ディスペンサ３６の構成部品を適応させるため、ブリッジレール２２に沿って互いに対して並進運動させてもよい。材料ディスペンサ３６は、当該技術分野で公知の方法によってブリッジレール２２に沿って並進運動させてもよい。１つの好ましい方法は、材料ディスペンサ３６をブリッジレール２２に沿って軌道６５に取付けることである。材料ディスペンサ３６上のロック機構６７は、動作中、各材料ディスペンサ３６の位置をロックする。ロック機構６７の解除によって、材料ディスペンサ３６はブリッジレール２２に沿って新たな位置に動くことができる。ブリッジレール２２および軌道６５は、必要に応じて材料ディスペンサ３６の導入（挿入）または取外しを可能にしてもよい。

この実施例の好ましい構成は、図１の例に示すように、ブリッジレール２２の側５８、６０にある千鳥状材料ディスペンサ３６を含む。各材料ディスペンサ３６は、ロール状の帯状材料６２を含むハウジング５２を有する。ハウジング５２は、通常、帯状材料６２の幅よりも幅が広いため、千鳥状の構成によって、適用された帯状材料６２が当接するか、または小さな隙間（帯状材料６２の幅の２分の１未満が好ましい）のみを有することが可能になる。したがって、ガントリー１８の第１の側５８の材料ディスペンサ３６は、帯状材料６２が代替の帯状のパターンに適用されるように、第２の側６０の材料ディスペンサ３６に対して位置付けられる。帯状材料６２の端縁７１間の距離の量は、材料ディスペンサ３６間の距離の関数であり、作製される複合レイアップのさまざまな設計基準に基づいて選択される。帯状材料６２の端縁７１の互いに対する位置は、小さな隙間があいているもの（好ましい）から、重なりがないもの（すなわち、当接している）、帯状材料６２の幅の２分の１を超えるものまで、さまざまであり得る。材料ディスペンサ３６間の距離は、所望の程度の重なりを得るために、（たとえば、軌道６５およびロック機構６７を介して）調整を必要とすることがある。代替の実施例では、材料ディスペンサ３６はブリッジレール２２に沿って固定されてもよく、ブリッジレール２２はＹ軸に沿って短い距離（すなわち、帯状材料６２の幅未満）動いて、類似の帯状材料６２の層が同じ位置付けで以前に適用された帯状材料６２の層に重なることを可能にする。

図２を参照すると、材料ディスペンサ３６がブリッジレール２２に結合されたものとして示される。なお、材料ディスペンサ３６のうちの第１のディスペンサ（６４）はブリッジレール２２の第１の側５８に結合され、材料ディスペンサ３６のうちの第２のディスペンサ（６６）は第２の側６０に結合される。材料ディスペンサ３６の各々は、材料ディスペンサのハウジング５２内でスプール９０に巻かれる帯状材料６２を動作可能に収容する。スプール９０上のそのような帯状材料６２は、任意でハウジング５２に内蔵される別のカートリッジ（図示せず）に保持してもよい。帯状材料６２は、放出中の帯状材料６２の
望ましくない詰りを防ぐため裏紙９２を有する。帯状材料６２は、ワーク基準面１６に適用される放出区域９４に近づく前に切断される。

材料ディスペンサ３６は帯状材料６２を切断するためのカッター１０２も有する。そのようなカッター１０２は、たとえば、ブレードまたはレーザカッターであってもよい。カッター１０２の好ましい一実施例は、図２および図５に示され、ここではカッタードラム１０４は、表面１０８を有し、１つのカッターブレード１０６がカッタードラム１０４の全長に沿って突出し、延在している。帯状材料６２がワーク基準面１６に適用されると、ブレード１０６は、帯状材料６２が通過する領域１１０から離れる方を向く。帯状材料６２が巻き出されると、アイドラドラム１１２の上を通過し、アイドラドラム１１２は帯状材料を放出区域１１４に向ける。帯状材料６２は、一方の側をアイドラドラム１１２に、他方の側をカッタードラム１０４に向けてそれらの間を通過する。カッタードラム１０４は、帯状材料６２の切断が必要でない場合、通過する帯状材料６２から離れる方を向いたカッターブレード１０６を備えて静止している。次に、カッタードラム１０４は作動され、帯状材料６２に向かって回転し、それを切断する。このタイプのカッタードラム１０４によって、帯状材料６２の適用を中断することなく、連続的に切断を実現することができる。カッタードラム１０４は、帯状材料６２のみを切断して、裏紙９２を無傷で残すように構成される。裏紙９２は、コレクタスプロール１１６に引き続き巻かれる。コレクタスプロール１１６は、任意で帯状材料６２のロール９０を備えたハウジング５２内のカートリッジ（図示せず）に含まれてもよい。裏紙９２は、材料ディスペンサ３６の開放区域１１４に帯状材料６２を引出す。裏紙９２によって、ワーク基準面１６に沿って帯状材料６２を動かし、かつ円滑（スムーズ）に適用することが容易になる。

この発明のカッタードラム１０４の代替の実施例は、カッタードラム１０４が帯状材料６２に向かって回転しているときに、角度をつけた切断を行なうのを可能にする螺旋構造のブレード（図示せず）を含む。各材料ディスペンサ３６のカッターブレード１０６が帯状材料６２にわたって真っ直ぐに切断を行なうとき、結果的な帯状材料の複合レイアップは、のこぎり状または小鈍鋸歯状の端縁を有する。そのような複合レイアップは、通常、レイアップマンドレルでの硬化が行なわれた後にトリミングして、完成複合物品の真っ直ぐな完成端縁を実現することができる。

帯状材料６２および裏紙９２は、第１のコンパクタ９６またはシューによって、ワーク基準面１６に対して加圧されるか、または円滑（スムーズ）にされる。コンパクタ９６またはシューは、格納式である（すなわち、材料ディスペンサ３６の底面９８から下がることができ、かつ材料ディスペンサ３６の底面９８上方で少なくとも部分的に後退することができる）。さらに、第１のコンパクタ９６は、任意で、矢印Ｒによって示される回転の動きの自由度を有し、これによって、第１のコンパクタ９６はワーク基準面１６に沿って角度または外形に適合することができる。この動きの自由は、構造物１４が外形をつけられたレイアップマンドレルであるときに必要となり得る。材料ディスペンサ３６は、任意で、後ろ側のコンパクタ１００を有し、これは、帯状材料６２が切断された後に、ワーク基準面１６に沿って、帯状材料６２の特に終端縁７４（図１）を円滑（スムーズ）にするのを支援する。第１および後ろ側のコンパクタ９６、１００はともに、材料ディスペンサが使用されていないときには後退し、第１および後ろ側のコンパクタ９６、１００の動きはコンピュータ制御によって自動化されることが好ましい。

帯状材料６２は、繊維強化複合材料、ポリマー（たとえば、接着剤またはラミネート）金属ホイルを含み得るが、この発明は上記の材料に限定されず、どの帯状材料にも適合可能である。当業者には理解されるように、帯状材料６２の材料の選択は、複合物品が使用される用途に依存し、異なる帯状材料６２を代替の層に適用して所望の特性を備えた複合レイアップを実現してもよい。

繊維強化複合材料は一般に、テープ、織布、不織布、紙、およびそれらの混合物に分類される。「テープ」は一般に、帯状材料の１つの軸に沿って延在する一軸の強化繊維を指す。「布」という言葉は一般に、帯状材料内で少なくとも２つの異なる軸に沿って並べられる強化繊維を指す。布は、二軸、三軸および四軸で市販されており、これらはそれぞれ、２つ、３つまたは４つの異なる軸で延在している繊維を指す。繊維は任意で互いに巻き付けられてもよく、または不織布に作られてもよい。さまざまな複合強化繊維が市販されており、たとえば、炭素、ケブラー（Ｒ）繊維、ガラスおよびそれらの混合物などがある。金属ホイルも公知であり、複合物品に含まれ得る。そのような金属ホイルは、レイアップ複合材料内で材料の層として頻繁に散在されている。帯状材料は、さまざまな幅で市販されている。繊維強化帯状材料に一般的な１つの幅は６インチである。この発明はさまざまな帯状材料の幅を企図しており、さまざまな帯状材料の幅に適合可能である。材料ディスペンサ３６は、異なる帯状材料の幅に適応するために、ガントリー１８に沿って再度位置付けてもよい。

「複合物品」という言葉は一般に、複合樹脂マトリックス（母材）を含む材料を指し、樹脂は少なくとも１つのポリマーまたはポリマーの混合物、および全体に分散されてマトリックスまたは複合材料を形成する繊維ならびに粒子を含む。帯状材料６２は、樹脂を含浸した構成および含浸していない構成の両方で入手可能である。樹脂を含浸した帯状材料６２（一般に「プリプレグ」と称される）は、帯状材料をロールに巻き付ける前に帯に樹脂が追加されている。樹脂を含浸しない非含浸帯状材料６２（一般に「ドライファイバ」と称される）が用いられる場合、樹脂は、通常、後続の処理ステップで追加される。非含浸帯状材料６２は、通常、粘着剤または接着剤（通常、ポリマー）を用い、これによって、帯状材料６２の層をワーク基準面１６または帯状材料６２の以前に適用された他の層に接着するのが容易になる。帯状材料６２の層に後に樹脂を追加する処理方法は周知であり、たとえば、帯状材料６２への真空下での樹脂注入を含む。

図１に戻ると、材料ディスペンサ３６は、帯状材料６２の供給が尽きたとき、または帯状材料６２の異なる層が複合レイアップに必要とされるときに入れ替えなければならない。この特定の実施例では、材料ディスペンサ３６自身全体を取換えるために、材料切換機４０が材料ディスペンサ３６を支援する。材料切換機４０は、任意で、材料ディスペンサ３６のハウジング５２に内蔵される材料カートリッジ（図示せず）のみを入れ替えてもよい。したがって、材料切換機４０は、任意で、ハウジング５２を含めて材料ディスペンサ３６全体を入れ替えてもよいし、または、材料カートリッジのみを入れ替えて、ブリッジレール２２に取付けられる材料ディスペンサ３６およびハウジング５２を残してもよい。図１および図２に示される例は、材料ディスペンサ３６全体を取換える材料切換機４０を示す。しかしながら、どちらの構成の材料切換機４０も実行可能であり、この発明で企図される。

好ましい実施例では、１つまたは複数の可動モジュラ材料切換機４０が端部軌道３２の各々に沿って並進運動して、ブリッジレール２２の関連付けられる側にある複数の材料ディスペンサ３６を支援する。端部軌道３２は切換ステーション３８の付近にあり、これは可動材料切換機４０を支援し、使用された材料ディスペンサ３６および新たな材料ディスペンサ３６の貯蔵場所を提供する。可動モジュラ材料切換機４０は、ガントリー１８に取付けられた材料ディスペンサ３６内の帯状材料６２を補給または入れ替えるために、取換用の材料ディスペンサ３６を保持する。

可動モジュラ材料切換機４０は自動化され、かつガントリー１８とインターフェイスして、たとえば、所与の材料ディスペンサ３６の材料が予め定められたレベルまで減少したときか、または異なる帯状材料６２を適用すべきときに指定された材料ディスペンサ３６
を取換えることが好ましい。ガントリー１８は、端部軌道３２の隣にくるように前方端部２８または後方端部３０に動かされる。材料切換機４０は端部軌道３２に沿って横向きに動くため、保守を必要とする個々の材料ディスペンサ３６に近づく。このような材料ディスペンサ３６は、帯状材料６２の量が少ないことを示す材料ディスペンサ３６自身からの出力信号に基づいて選択するか、または、形成されている複合レイアップ内の帯状材料６２を切換えるために自動または手動で選択してもよい。材料切換機４０は、使用済みまたは使用中の材料ディスペンサ３６を位置付けるための受取区域５４を有する。材料切換機４０は取換区域５６も有し、材料ディスペンサ３６に位置付けることができるように材料ディスペンサ３６を保管する。

材料切換機４０は、必要に応じて材料ディスペンサ３６と係合し、ガントリー１８とインターフェイスして、ブリッジレール２２に直接的に相互に接続されるか、またはこれに代えて軌道６５およびロック機構６７に相互に接続されるクイックコネクト６８（図示せず）を解除し、材料ディスペンサ３６を取外す。材料切換機４０は、「古い」材料ディスペンサ３６を受取区域５４に位置付け、「新しい」材料ディスペンサをとってブリッジレール２２に取付ける。またはこれに代えて、材料の補給および／または切換動作は、手動で行なわれ得る。そのような実施例では、切換ステーションおよび端部軌道３２は必要な構成要素ではない。

材料ディスペンサ３６は、チェアレール２２に直接取付けられるか、または、カップリング６８を介してチェアレール２２上の軌道６５に取付けられる。カップリング６８の１つの好ましいタイプは、一般に「クイックコネクト」として知られる素早く解除できる接続であり、たとえば、テキサス州キャロルトンのEOA Systems, Inc.から市販されているQuick Change 300などがある。さらに、カートリッジ（図示せず）のみが材料ディスペンサ３６から取外される場合、これはクイックコネクトによってハウジング５２に結合されることが好ましい。しかしながら、当業者には理解されるように、好適なカップリングおよびクイックコネクトは周知であるため、この発明の範囲は、ここで説明し、図示する例示的なカップリングに限定されない。第１および第２の材料ディスペンサ６４、６６が、材料ディスペンサ６４、６６のブリッジレール２２に沿った動きを可能にする軌道６５に取付けられる場合、解除可能なロック機構６７は材料ディスペンサ３６を定位置にロックする。

図１および図２に一般的に示されるように、第１および第２の材料ディスペンサ６４、６６の各々は、帯状材料６２を構造物１４のワーク基準面１６に適用するために用いられる。ブリッジレール２２の第１および第２の側５８、６０にある複数の材料ディスペンサ３６によってワーク基準面１６に適用される複数の材料帯状６２は、層８２を形成する。開始点８１から終了点８３までのブリッジレール２２のアウトストロークによって、材料ディスペンサ３６は帯状材料６２を第１の方向７０で適用することができ、各材料の帯６２は実質的に互いに平行である。７２で示されるように、ブリッジレール２２が逆の方向に移動するときに起こる戻りまたはバックストロークによって、第２の材料ディスペンサによって帯状材料６２を予め定められた軸に沿って平行に並べることが可能になる。ガントリー１８の１回の往復ストロークで、すべてが互いに対して平行である材料の帯６２で構成される材料８２の層全体が作られる。

ガントリー１８はワーク領域２６にわたって構造物１４の上で第１の方向７０（すなわち、アウトストローク）に動き、第２の方向７２で戻り（すなわち、戻りストローク）、帯状材料６２を予め定められた軸に沿って並べる。ガントリー１８は、前方端部２８から後方端部３０に及ぶワーク領域２６全体の上を動いてもよいが、これに代えて、ガントリーはワーク領域２６の小さな区域上のみを動いてもよい。したがって、材料帯状６２が適用されている動作中、ガントリー１８は軌道２４に沿って短い距離を移動することができ
る。このことは、構造物１４およびそのワーク基準面１６がワーク領域２６全体と比較して比較的小さく、かつガントリー１８が、構造物１４の前方の開始位置または開始点８１から、構造物１４の端部の終了位置または終了地点８３へ軌道２４に沿って部分的に移動する必要しかない場合に有利である。ガントリー１８を軌道２４に沿って部分的に並進運動させることによって、予め定められた軸に沿ってワーク基準面１６に帯状材料６２を素早く適用することが容易となる。

図３に関して、図示される特定の構成では、帯状材料６２は、（図１の第１の材料ディスペンサ６４を介して）第１の方向７０に適用され、（図２の第２の材料ディスペンサ６６を介して）第２の方向７２に適用され、第２の方向７２は第１の方向７０に対向する。帯状材料６２の各端縁７１は、対向する方向で適用された別の帯状材料６２の別の端縁７１にインターフェイスする（すなわち、小さな隙間を有するか、または当接する程度にまできわめて接近する）。合流線７５、７７は、第１の方向７０で適用された帯状材料６２の端縁が、第２の方向７２で適用された帯状材料６２の端縁に接近および／または当接するところを示す。

図４Ａおよび図４Ｂを参照すると、さまざまな代替の構成の構造物１４が示される。図４Ａに示される構造物１４はレイアップマンドレル８７である。レイアップマンドレル８７は、帯状材料６２が並べられるワーク基準面１６を規定するテンプレートまたは型であってもよい。レイアップマンドレル８７のワーク基準面１６は、帯状材料がワーク基準面１６に対して円滑（スムーズ）にされるような態様で第１のコンパクタ９６および後ろ側のコンパクタ１００が若干の角度だけ旋回して外形に従うように、適度に緩やかな外形を有することが好ましい。コンパクタ９６、１００が受容可能な最大の勾配または角度は、通常約１５％の傾斜である。帯状材料６２の適用が完了した後（すなわち、層のすべてがワーク基準面１６に並べられて複合レイアップ９１が形成されたとき）、レイアップマンドレル８７はワーク領域２６（図１）から取外され、さらに処理される。たとえば、さらなる処理は、真空含浸処理を通じてポリマー樹脂を複合レイアップ９１に追加すること、および／または複合レイアップ９１を構成する帯状材料６２をオートクレービングまたは焼成によって硬化するか、または架橋結合させることを含んでもよい。処理の後、複合物品（図示せず）はレイアップマンドレル８７から取外され、必要に応じて、トリミングおよび／または機械加工してもよい。

図４Ｂに示される構造物１４は移送シート８９であり、これは帯状材料６２を適用する表面を提供する材料の層である。図４Ａに示されるレイアウトマンドレル８７のように、帯状材料６２は複数の層に適用されて移送シート８９にレイアップ９１を形成する。帯状材料レイアップ９１の適用が完了すると、移送シート８９は、複合物品に所望の外形を有する別のレイアウトマンドレル（図示せず）に移送され、帯状材料レイアップ９１は硬化される。移送シート８９は、たとえば、当該技術分野で公知の取外し可能な裏紙として、レイアップ９１から取外されるように設計してもよい。またはこれに代えて、移送シート８９は、複合物品または部品に組込まれて、たとえば、複合物品の外面または内面を形成してもよい。組込まれる移送シート８９は、たとえば、スクリムクロスまたはガラス繊維布であってもよく、これは、後に複合部品が機械加工される場合に有利となり得る。たとえば、組込まれる移送シート８９は、ドリル加工または機械加工が行なわれるときに硬化された複合物品が裂けるのを防ぐことができ、さらに、より円滑（スムーズ）な外面の仕上げが得られる。レイアップ９１の後続の処理は、移送シート８９がある場合でも、またはない場合でも、図４Ａのマンドレル８７が構造物１４として使用されるときのレイアップ９１の処理に類似である。

再び図１を参照すると、この発明の好ましい実施例の一局面は、好ましくは回転ターンテーブル８０に搭載される支持ベース３４を含み、ワーク基準面１６に適用されるときに
層８２を形成する帯状材料６２の方向付けは、帯状材料６２の層８２の間で選択的に切換えることができる。単一の強化繊維方向を有する複合強化材料（たとえば、一軸のテープ）は、異方性の特性を示す。これは、それらの材料が一般に強化繊維の第１の軸に沿って比較的高い強度を示すが、他の軸に沿って同じ強度は示さないことを意味する。したがって、帯状材料の選択、および複合強化材料が使用される用途によって、複合材料は、いくつかの予め定められた軸に対して複数の方向で等方的または均一の強度を示す必要があり得る。上述のように、複数の材料の層がワーク基準面１６に並べられるとき、それらは一般に「レイアップ」と称される。支持ベース３４が材料の層８２の間で回転されるとき、図６に示される複合材料のように、レイアップは異なる方向付けを有する。

図６で与えられる特定の例では、第１の層８４は、ワーク基準面に適用される複数の材料の帯６２を含み、各々の帯はＸ軸に沿ったブリッジレール２２による動きによって形成される第１の予め定められた軸に平行な軸に沿って並べられる。帯状材料６２の第２の層８６は、帯６２の各々が、軸Ａから＋４５°回転した第２の予め定められた軸Ｂに平行な軸に沿って適用されるように、第１の層８４の上に適用される。この切換を実現するため、支持ベース３４は０°の位置から反時計回りに４５°回転させられる。材料帯状６２の第３の層８８は、帯６２の各々が、軸Ａから−４５°回転した第３の予め定められた軸Ｃに平行な軸に沿って適用されるように、第２の層８６の上に適用される。この切換を実現するため、支持ベース３４は０°の位置から時計回りに４５°（すなわち、＋４５°の位置から時計回りに９０°）回転させられる。ワーク基準面１６に対する０°の位置の場所は、複合物品の仕様によって確立される。この発明の好ましい一実施例では、回転ターンテーブル８０は、当該技術分野で周知の従来の回転駆動機構８０ａを介して自動化される。回転ターンテーブル８０ａの動作は、材料ディスペンサ３６からの帯状材料６２の適用に一体化される。さらに、当業者に認識されるように、複合レイアップ９１にはさまざまな構成および角度が選択され得る。このため、上述の例はこの発明の範囲を制限することを意図しない。

ワーク基準面１６上に適用される帯状材料の複数の層（すなわち、複合レイアップ９１）は、４から１００以上もの帯状材料６２の層８２を有し得る。この発明の好ましい一実施例では、帯状材料６２は６インチの長さを有し、全体の幅が約１５フィートの帯状材料６２の帯を作る（ガントリー１８または３０の各側には両側を含めて全部で１５の材料ディスペンサがある）。レイアップ９１の層８２の数の好ましい範囲は、約２０層から４０層の間である。

図７では、代替の構成の複合材料作製装置１２′が示され、材料ディスペンサ３６は、ワーク基準面１６ａ′および１６ｂ′を有する少なくとも２つの構造物１２４に帯状材料６２を適用する。複合材料作製装置１２′のいくつかの構成要素は、上述の実施例で説明したのと類似の態様でコントローラ１５′によって制御される。第１および第２の構造物１２８ならびに１３０は、それぞれ、活動領域１４４のワーク領域１３４内の第１の支持ベース１３２に担持される。ワーク領域１３４内の非活動領域１４５は、上述の活動領域１４４と同一に構成され、それぞれ第２の支持ベース１４０に担持される第３および第４の構造物１３６ならびに１３８を有する。オーバーヘッドガントリー１８′の構成は、上述の実施例で説明したものと構造的にも動作的にも同じであり、材料の帯６２をワーク基準面１６ａ′、１６ｂ′に適用する複数の材料ディスペンサ３６を有する。ガントリー１８′は、活動領域１４４の第１の支持ベース１３２上の第１および第２の構造物１２８、１３０に帯状材料６２を適用する。第３および第４の構造物１３６、１３８を備える第２の支持ベース１４０は、非活動領域１４５にあり、ここではガントリー１８′は上方で動作していない。この実施例では、ガントリー１８′および材料ディスペンサ３６のための別々の２つのワーク領域１４４、１４５が可能である。したがって、ガントリー１８′が第１の支持ベース１３２上で作業をしているとき、帯状材料の適用以外の他の活動のため
に第２の支持ベース１４０にアクセスすることができる。この構成は、構造物１２４（たとえば、移送シートまたはレイアップマンドレル自身）にレイアップが適用されており、別のステーションに移動して、さらに処理しなければならない場合に特に有利である。

図７に示されるように、構造物１２４は２つの別々の移送シート、第３および第４の移送シート１３６および１３８であり、第２の支持ベース１４０上に位置付けられる。第３および第４の移送シート１３６、１３８は移送され、レイアップマンドレル１５２に位置付けられる（単純にするため、１つのレイアップマンドレルのみを図７に示す）。次に、レイアップマンドレル１５２は、処理室１５４で硬化されるか、または架橋結合される。そのような処理室１５４は、通常、ヒートオーブンか、またはオートクレーブ室である。この実施例の複数の支持ベース１３２、１４０の構成は、連続的な材料ディスペンサ３６の適用を可能にし、支持ベース（１３２または１４０）に新たな構造物１２４を位置付けるために動作を中断しなければならない単一の支持ベース（１３２または１４０）よりも作業効率を向上する。

図８は、この発明の第２の代替の実施例の教示に従って構成された複合材料作製装置１２″の部分的な上面図である。複合材料製造装置１２″は、４つの垂直ビーム２０″、間隔をあけられたブリッジレール２２″の対、横方向の安定器３００の対、およびブリッジレール２２″から吊るされた回転ディスペンサユニット３０２を有するガントリー１８″を含む。各ブリッジレール２２″は、垂直ビーム２０″の対に結合され、各横方向の安定器３００は垂直ビーム２０″の対に結合される。ガントリー１８″は、図１の実施例で説明したのと類似の態様で軌道２４上で可動である。

回転ディスペンシングユニット３０２は、円弧状の外側の軌道３０８、および材料ディスペンサ３６が搭載されるレール３１０を含む。レール３１０は軌道６５（図１および図２）に類似であってもよく、材料ディスペンサ３６は上述のものと類似の態様で、従来のクイックコネクト６８を通じて取外し可能かつ調整可能にレール３１０に結合される。ブリッジレール２２″は外側の軌道３０８を支持してそこで回転を行なわせ、外側の軌道３０８の回転は、周知の従来の回転駆動機構３２０を介して制御される。レール３１０は外側の軌道３０８に固定される。またはこれに代えて、外側の軌道３０８はブリッジレール２２″によって回転不能に支持され、レール３１０が回転可能に外側の軌道３０８に結合されてもよい。

ブリッジレール２２″上のＹ軸に沿った回転ディスペンシングユニット３０２の動きを制御するため、線形駆動機構３２２がさらに設けられる。線形駆動機構３２２、回転駆動機構３２０、および駆動機構２５は、回転ディスペンシングユニット３０２の軸３３２が回転する態様で正確に位置付けられ、次にＸ方向およびＹ方向に動かされて所望の軸に沿ってワーク基準面１６に帯状材料６２を計量分配できるように、コントローラ１５″によって協調されることが好ましい。

図示の特定の実施例では、第１の層３３０は、回転ディスペンシングユニット３０２を用いて０°の方向付けで適用されている。次に、回転ディスペンシングユニット３０２は、０°軸の基準に対して時計方向に−４５°の角度回転され、ガントリー１８″はＹ方向に沿って移動されて、第２の層２３２が適用される。当業者に理解されるように、ガントリー１８″は、一端から他端にフルストローク移動するのではなく、軌道２４に沿って部分的にのみ移動して、ある角度で帯状材料６２を適用してもよい。この発明で必要とされる高度に同期された動きのため、この実施例はコンピュータ制御システムによって完全に自動化されることが好ましい。この発明の別の局面は、自動的な材料の取換えなど、上述のものと類似である。

この発明は、この発明の好ましい実施例の教示に従った複合材料を含む材料を形成するための方法もさらに提供する。複合物品を作製するための方法は、複数の材料ディスペンサ３６を設けるステップを含み、材料ディスペンサ３６の各々は、材料ディスペンサ３６の下方の構造物１４上のワーク基準面１６に帯状材料６２を計量分配する。次に、帯状材料６２はワーク基準面１６に適用される。材料ディスペンサ３６の各々は、予め定められた軸に沿って帯状材料６２をワーク基準面１６上に適用して、第１の方向付けを有する第１の層８４を形成し、ワーク基準面１６は複数の材料ディスペンサ３６に対して可動であるか、またはこれに代えて、材料ディスペンサ３６はワーク基準面１６に対して可動である。次に、ワーク基準面１６または複数の材料ディスペンサ３６が回転され、帯状材料６２が予め定められた軸に沿って第１の層８４上に適用されて、第２の方向付けを有する第２の層８６を形成する。複数の層８２を適用するために、このようなプロセスを繰返してもよい。帯状材料６２は、回転のステップの前に切断装置１０２によって切断してもよい。帯状材料６２の層８２のワーク基準面１６への適用に続いて処理ステップを行なってもよく、ここで層８２は硬化させられるか、または反応させられる。さらに、複数の材料ディスペンサ３６は材料ディスペンサ切換器を用いて自動的に切換えることができる。

好ましい実施例に関して、この発明を明細書で説明し、図面で図示してきたが、請求項に規定されたこの発明の範囲を離れることなく、さまざまな変更を行なうことができ、かつ要素を均等物で置き換え可能であることが当業者には理解されるであろう。さらに、特定の状況または材料をこの発明の教示に適合させるため、この発明の本質的な範囲を離れることなく、多くの修正を行なうことができる。この発明は、この発明を実行するために企図されるベストモードとして図面に示され、明細書に説明される特定の実施例に限定されない。この発明は、上述の説明および特許請求の範囲内のいかなる実施例も含む。

この発明の好ましい実施例に従って構成された複合材料作製装置の斜視図である。 図１の線２−２に沿った断面図である。 この発明の好ましい一実施例による、ワーク基準面に適用される帯状材料の層の平面図である。 マンドレル上での例示的な複合レイアップの作製を示す概略図である。 移送シート上での例示的な複合レイアップの作製を示す概略図である。 カッターおよびアイドラドラムを示す例示的な材料ディスペンサの一部分の斜視図である。 帯状材料のさまざまな層およびそれらの方向付けを示す、図１の複合レイアップの部分的な切欠き平面図である。 活動領域および非活動領域の２つの支持ベースおよび処理ステーションを示すこの発明の第１の代替の好ましい実施例の斜視図である。 この発明によるガントリーおよび材料ディスペンサの構成の第２の代替の好ましい実施例の部分的な上面図である。

符号の説明

１２ 複合材料作製装置、１４ 構造物、１６ ワーク基準面、３６ 材料ディスペンサ、６２ 帯状材料。

Claims (41)

1. 複合物品を作製するための装置であって、
   ワーク基準面を規定する構造物と、
   前記構造物に対して可動な複数の材料ディスペンサとを含み、前記材料ディスペンサの各々は、ある予め定められた軸に沿って前記ワーク基準面に帯状材料を適用し、
   前記予め定められた軸の各々は互いに平行であり、前記帯状材料は、前記ワーク基準面に適用されるときに層を形成する、複合物品を作製するための装置。
2. 前記複数の材料ディスペンサは、第１の方向に前記ワーク基準面に前記材料を適用する第１の材料ディスペンサ、および第２の方向に前記ワーク面に前記材料を適用する第２の材料ディスペンサを含み、前記第１の方向および前記第２の方向は互いに反対の方向である、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
3. 支持ベースをさらに含み、前記構造物は前記支持ベース上に載置される、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
4. 前記複数の材料ディスペンサの下に、少なくとも２つの構造物が配置される、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
5. 前記構造物は、レイアップマンドレルである、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
6. 前記構造物は、移送シートである、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
7. ガントリーをさらに含み、前記複数の材料ディスペンサは前記ガントリーに取付けられる、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
8. 前記ガントリーは、前記複数の材料ディスペンサを回転させるための回転機構を含む、請求項７に記載の複合物品を作製するための装置。
9. ガントリーをさらに含み、前記複数の材料ディスペンサは前記ガントリーに取付けられ、前記第１の材料ディスペンサは、前記ガントリーの第１の側に取付けられ、前記第２の材料ディスペンサは、前記ガントリーの第２の側に取付けられる、請求項２に記載の複合物品を作製するための装置。
10. 前記複数の材料ディスペンサは、すばやく解除される接続によって前記ガントリーに取付けられる、請求項９に記載の複合物品を作製するための装置。
11. 前記ガントリーおよび前記構造物のうちの一方は、前記ガントリーおよび前記構造物のうちの他方に対して回転可能である、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
12. 前記支持ベースは回転ターンテーブルを含む、請求項３に記載の複合物品を作製するための装置。
13. 前記帯状材料は、繊維強化複合材料、ポリマー、接着剤、金属およびそれらの混合物からなるグループから選択される材料を含む、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
14. 前記繊維強化複合材料は、樹脂含浸複合材料および非含浸複合材料からなるグループから選択される材料を含む、請求項１３に記載の複合物品を作製するための装置。
15. 前記繊維強化材料は、炭素を含む繊維、ケブラー（Ｒ）繊維、ガラス、およびそれらの混合物からなるグループから選択される繊維を含む、請求項１３に記載の複合物品を作製するための装置。
16. 前記帯状材料は、テープ、織布、不織布、紙およびそれらの混合物からなるグループから選択される繊維強化複合材料を含む、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
17. 前記複数の材料ディスペンサの帯状材料を取換えるための自動帯状材料取換システムをさらに含む、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
18. 前記帯状材料取換システムは、可動モジュラ帯状材料切換機を含む、請求項１７に記載の複合物品を作製するための装置。
19. 前記複数の材料ディスペンサの前記各々は、前記ワーク基準面に沿って前記帯状材料を円滑にするために動作可能な引込み式のコンパクタを含む、請求項１に記載の複合物品を作製するための装置。
20. 前記引込み式のコンパクタは、前記ワーク基準面上の外形を付けられた表面に対して回転の自由度を有し、前記引込み式のコンパクタは、前記外形を付けられた表面上で前記ワーク基準面に沿って帯状材料を円滑にする、請求項１９に記載の複合物品を作製するための装置。
21. 複合物品を作製するための装置であって、
    ワーク領域内の複数の構造物に帯状材料を適用するために動作可能な複数の材料ディスペンサを含み、前記複数の材料ディスペンサは前記複数の構造物に対して可動であり、
    前記構造物のうちの少なくとも１つは前記ワーク領域の活動領域にあり、前記複数の材料ディスペンサは前記活動領域に前記帯状材料を適用し、前記構造物のうちの少なくとも１つは前記ワーク領域内の非活動領域にあり、前記複数の材料ディスペンサは前記非活動領域に帯状材料を適用しない、複合物品を作製するための装置。
22. 前記複数の材料ディスペンサのうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つの構造物に沿って第１の方向に帯状材料を適用し、前記複数の材料ディスペンサのうちの少なくとも１つは、前記少なくとも１つの構造物に沿って第２の方向に帯状材料を適用する、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
23. 前記構造物は、レイアップマンドレルである、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
24. 前記構造物は、移送シートである、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
25. 前記複数の材料ディスペンサは、ガントリーに取付けられる、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
26. 前記ガントリーは、前記複数の構造物に対して回転可能である、請求項２５に記載の複合物品を作製するための装置。
27. 前記複数の構造物は、複数の支持ベース上にある、請求項２１に記載の複合物品を作製
    するための装置。
28. 前記複数の支持ベースは、前記複数の前記材料ディスペンサに対して可動である、請求項２７に記載の複合物品を作製するための装置。
29. 前記複数の支持ベースは、回転ターンテーブルを含む、請求項２７に記載の複合物品を作製するための装置。
30. 前記複数の材料ディスペンサ内の前記帯状材料は、自動取換システムによって取換えられる、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
31. 前記自動取換システムは、可動モジュラ帯状材料切換機を含む、請求項３０に記載の複合物品を作製するための装置。
32. 前記帯状材料は、繊維強化複合材料、ポリマー、接着剤、金属、およびそれらの混合物からなるグループから選択される材料を含む、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
33. 前記帯状材料は、テープ、織布、不織布、紙、およびそれらの混合物からなるグループから選択される繊維強化複合材料を含む、請求項２１に記載の複合物品を作製するための装置。
34. 前記繊維強化複合材料は、樹脂含浸複合材料および樹脂非含浸複合材料からなるグループから選択される、請求項３３に記載の複合物品を作製するための装置。
35. 前記繊維強化材料は、炭素を含む繊維、ケブラー（Ｒ）繊維、ガラスおよびそれらの混合物からなるグループから選択される繊維を含む、請求項３３に記載の複合物品を作製するための装置。
36. 複合物品を作製するための方法であって、
    複数の材料ディスペンサを設けるステップを含み、前記材料ディスペンサの各々は、帯状材料を計量分配するために動作可能であり、前記方法はさらに、
    前記帯状材料をワーク基準面に適用するステップを含み、前記材料ディスペンサの各々は、ある予め定められた軸に沿って帯状材料を適用して第１の方向に方向付けされた第１の層を形成し、前記ワーク基準面は前記複数の材料ディスペンサに対して可動であり、前記方法はさらに、
    前記ワーク基準面または前記複数の材料ディスペンサのうちの１つを回転させるステップと、
    ある予め定められた軸に沿って前記第１の層の上に前記帯状材料を適用して第２の方向に方向付けされた第２の層を形成するステップとを含む、複合物品を作製するための方法。
37. 前記回転させるステップは、前記ワーク基準面を回転させることによって実現される、請求項３６に記載の複合物品を作製するための方法。
38. 前記複数の材料ディスペンサは、自動材料ディスペンサ切換機によって補給される、請求項３６に記載の複合物品を作製するための方法。
39. 前記複数の材料ディスペンサは、前記ワーク基準面に対して動くオーバーヘッドガントリーに取付けられる、請求項３６に記載の複合物品を作製するための方法。
40. 前記回転させるステップの前に、前記帯状材料が前記複数の材料ディスペンサの各々の上の切断装置によって切断される、請求項３６に記載の複合物品を作製するための方法。
41. 前記第１および第２の層を処理して材料内の樹脂を硬化させるためのステップをさらに含む、請求項３６に記載の複合物品を作製するための方法。

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