JP2008540166A - 中空繊維強化構造部材を製造するための方法 - Google Patents

中空繊維強化構造部材を製造するための方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、中空繊維強化構造部材を製造するための方法であって、第１円形ブレード層を形成する段階と、第１ブレード層の表面に対してたて繊維及びよこ繊維を有する少なくとも１つの織物を備える平らな強化された本体を位置付ける段階と、第１ブレード層及び強化された本体の周りに第２ブレード層を供給する段階と、型内で第１ブレード層、強化された本体、及び第２ブレード層の組合せを位置付ける段階と、組合せに樹脂を含浸させる段階と、樹脂と含浸された組合せを型から取り除く段階と、を備える方法を提供する。

Description

本発明は、例えばプロペラ用着陸ギアブレード（の一部）として及びヘリコプター用ブレードのような、特に航空機と共に使用するための中空繊維強化構造部材に関する。大抵は一定方向の荷重を搬送するために使用されるストラット及びブレースのような航空機用構造部材は、慣用的に鋼、アルミニウム、あるいはチタニウムのような金属で作られている。かなりの重量低減が遷移強化プラスチック材料を使用することによってなし得る。こうした材料の例は炭素繊維によって補強されたエポキシ樹脂マトリックスである。これらの材料は航空宇宙産業で使用される翼又は水平安定板のような薄壁の細い構造に慣用的に使用される。
着陸ギアにおけるこれらの材料の適用の問題点の１つは着陸ギアにおける高集中荷重であり、これらの幅に対して非常に厚い壁圧を要する。これらの厚い壁厚は、非常に多数の相対的に薄い層を互いに対して積み重ねることによって積層体複合物で製造し得るのみであり、このプロセスを非常に骨が折れ且つ従ってコスト高にしている。過去には、慣用的なプリプレグ構成物でこれらのタイプのコンポーネントを製造するための努力がされてきたが、これらは高コスト及び労働により決して上手くいかなかった。
コストを減じるこれらの方法の１つはＲＴＭ（樹脂トランスファーモールド成型）のような液体モールド成型技術を使用することである。これらの方法によって、繊維強化は第１に完全にプリフォーム内に組み込まれた後にこのプリフォームにはネガティブ・モールド内で液体樹脂が注入される。これはコストに対する改良を意味し得るが、プリフォームを作ることに含まれる労働力は依然として極めて高い。
２次元及び３次元ブレード、３次元非固締織物及び縫い合わされた織物のような、プリフォームの製造を機械化するための幾つかの方法は過去に開発されてきた。これらの方法の全てはこれらが製造し得る幾何学的形状及びレイ・アップにおける特定の限定を被る。ブレードによって、例えば、限定された数のみの長さ方向の繊維を実施し得る一方で、ウィービング及び織物によって、平ら又は半平な形状のみを製造し得る。これらの方法の全ては航空機の着陸ギア・コンポーネントに典型的なビームタイプのコンポーネントにとっては適していない。
本発明は、一方では中空繊維構造部材を製造するためにコストを減じること、他方では、中空繊維強化構造部材の品質を改良することである。従って、本発明によるこの方法は、第１円形ブレード層を形成する段階と、第１ブレード層の表面に対してたて繊維及びよこ繊維を有する少なくとも１つの織物を備える平らな強化された本体を位置付ける段階と、第１ブレード層及び強化された本体の周りに第２ブレード層を供給する段階と、型内で第１ブレード層、強化された本体、及び第２ブレード層の組合せを位置付ける段階と、組合せに樹脂を含浸させる段階と、樹脂と含浸された組合せを型から取り除く段階と、を備える方法を提供する。
本発明により製造された構造部材は、例えば、横方向の力に対する抵抗及び中空構造部材の使用中に制動力に対する抵抗を与えるためにより多くの方向から負荷を掛けられるという重要な利点を有する。たて繊維及びよこ繊維は当該構造部材の強度及び剛直性に寄与するからである。本発明のような強化された本体を使用しなければ、これに比較してより多くのブレード層が使用されるべきであり、壁の厚さを増加せしめる。
強化することの利点は特に更なる好ましい実施形態によるときに特に達成される。強化された本体は織物層のスタックを備える。
ブレード層と強化された本体との間の良好な連結は樹脂、好ましくは熱硬化性樹脂を、型内の平らな強化された本体及び少なくとも１つのブレード層に、上昇した圧力及び上昇した温度で注入することによって実現し得る。
好ましくは、ブレード層、たて繊維及び／又はよこ繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維（ケブラー（登録商標）あるいはポリアミド繊維である。これらの繊維は当該構造部材のための良好な強度特性を有している。
本発明は、最終的には、本発明により上述した方法に従って製造された中空繊維強化構造部材にも関する。
一般に、本発明の目的は、コストを低減させる一方で、従来技術に比べて複合体ブレースの品質を改善することである。これは、慣用（手動）ではあるが、クロス・プライ層を配置する完全に自動化された方法によって、プリフォームに繊維強化部を配置する最適化方法組み合わせることによって達成し得る。より詳細には、大多数の層は、正しい配向をしたネットサイズの層のスタック及びプリフォームのための正しい寸法に帰着する。これらのスタックはマンドレル上に正しい位置及び配向で配置される。プレカット・スタックの配置の前後で、織物層はマンドレル組立体上にブレーディングされる。これは、マンドレル及びプリフォームを機械の回転中心線に沿った長手方向に移動させるブレード機械から成るいわゆるブレード・マシン上に予備成形し得る。マンドレルを移動させる一方でブレーディングすることによって、織物層がマンドレル上に作り出される。この層の頂部には、プレカットされたスタックを再び特定の位置に配置し得る。そして、このプロセスは別の層をブレーディングすることで再び繰り返される。
このブレーディングプロセスに関する変数の１つはブレード・ボビンとマンドレルの長手方向速度の間の関係、並びに既に存在する層を具備するマンドレルの周囲との関係である。これらの両方は繊維の角度及び各々の横断面の層の厚さを決定する。これらのパラメータを変えることによって、層の厚さ又はブレード層の角度の何れかを変更し得る。
次に、本発明を、本発明の好ましい実施形態の説明及び添付の図面を参照して以下に説明する。
図１は、丸められた角隅部を具備する矩形横断面を有するマンドレル１を示している。
マンドレル１は、本発明による方法の第１の好ましい実施形態に従って製造された中空繊維強化構造部材の最終的な内側部分の位置にある。外周の第１のブレード層２は、マンドレル１の周りで編まれる。明瞭化のために、或る距離は、マンドレル１及び第１ブレード層２との間に図１に示すように存在する。この距離は実際には存在しない。
第１ブレード層のブレード（並びに、更に検討されるべき第２ブレード層３及び第３ブレード層４）は、矢印７に従って中央線８の周りでマンドレル１の同時回転の間中ずっと該マンドレル１に向かう点線８に従って供給点５からブレード繊維を供給することによって行われる。同時にマンドレル１が図面の平面に直角に行きつ戻りつ移動され、この移動は繊維をして、一方ではマンドレル１の回転速度、及び他方では、マンドレル１が図面の平面に直角に行きつ戻りつつ移動される速度に依存して、例えば、９０°又は１２０°の頂角を有する側面がＶ字形状を画定せしめる。別様に、供給点５はマンドレル１の中央線８の回りを矢印９の方向に回転及び／又は供給点５（マンドレル１の代わりに又は恐らくはマンドレル１と同時にさえ）図面の位相に直角に行きつ戻りつ移動される。繊維８及びマンドレル１間の相対運動はこの点で関連する。所望により、巻回されてきた繊維８の一部は編成の間中に圧力ロールに対して押圧される。
一旦、第１ブレード層２が所望の厚さに到達すると、ブレード、あるいは換言すれば、供給点５及びマンドレル１間の相対運動並びに供給点５を介した繊維８の供給は中断され、その後、平らな強化された本体１０は、これらの強化された本体を手又は機械的に、例えば、ピック・アンド・プレース・ロボットによって第１ブレード層２の外側部にある当該部品に対して位置付けることによって、例えば、結合剤、機械式ピン又は他の固定手段によるこの位置への固定の何れかによって、これらの強化された本体を位置付けることによって第１ブレード層２の外側部上のマンドレル１の短い対向するサイトに設けられる。
各々の強化された本体は、たて繊維及びよこ繊維を具備する、多数の織物層によって構成されており、これらの層は互いに対して積み重ねられる。初期の段階の間中、織物層は、例えば、上昇した圧力及び温度で熱可塑性プラスチック結合剤の使用によって相互連結されてきた。
次に、ブレード編成プロセスが続けられ、これが第２ブレード層３をして該第２ブレード層３が第１ブレード層２に対して強化された本体１０を押圧する展開を始めせしめる。
図２はこの状況に関連する。次に、図１の強化された本体１１のような更に強化された本体と、図１の第３ブレード層４のような更なるブレード層と、が要求されている強度及び剛直性に依存して同様な仕方で作り得る。
所望量のブレード層及び強化本体が形成されるや否や、次のステップではマンドレル１を含む全体が硬い型内に配置される。この型は全体を完全に包囲する。その後、ブレード層２、３及び強化本体１０、１１には、例えば、上昇した温度及び上昇した圧力においてエポキシのような熱硬化性樹脂のような樹脂が注入される。樹脂の硬化後に、外側型は開いてマンドレル１は取り除かれることは、例えば、機械加工、穿孔、あるいは切断によって機械的に機械加工し得る中空繊維強化構造部材に帰着する。こうした製品は、例えば、着陸ギアの部品として、プロペラ用ブレードとして、あるいはヘリコプター用ブレードとして適用し得る。
上述した実施形態における強化された本体１０、１１は平らな側部に設けられるが、本発明の枠組内で強化された本体１０、１１は、例えば、マンドレル１の丸みのある位置のように、丸められた位置に設けることも可能である。
本発明による装置の第１の好ましい実施形態の横断面図である。 図１の詳細を示す図である。
符号の説明
１ マンドレル
２ 第１ブレード層
３ 第２ブレード層
４ 第３ブレード層
５ 供給点
７ 矢印
８ 繊維
９ 矢印
１０ 本体
１１ 強化された本体

Claims (5)

  1. 中空繊維強化構造部材、特に航空機用の部材を製造するための方法であって、
    第１円形ブレード層を形成する段階と、
    第１ブレード層の表面に対してたて繊維及びよこ繊維を有する少なくとも１つの織物を備える平らな強化された本体を位置付ける段階と、
    第１ブレード層及び強化された本体の周りに第２ブレード層を供給する段階と、
    型内で第１ブレード層、強化された本体、及び第２ブレード層の組合せを位置付ける段階と、
    組合せに樹脂を含浸させる段階と、
    樹脂と含浸された組合せを型から取り除く段階と、を備える方法。
  2. 前記強化された本体は織物層のスタックを備えることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記型内の前記平らな強化された本体及び前記少なくとも１つのブレード層に熱硬化性樹脂であることが好ましい樹脂を注入することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の方法。
  4. ブレード繊維、たて繊維及び／又はよこ繊維は、ガラス繊維、炭素繊維、アラミド繊維、あるいはポリアミド繊維であることを特徴とする、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の方法。
  5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の方法によって製造された中空繊維強化構造部材。
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