JP2011516316A - 両側にカバー層を備えたコア複合体を製造する方法 - Google Patents

両側にカバー層を備えたコア複合体を製造する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、少なくとも1つの折り畳まれたハニカム・コア4、19を備えた平坦、1次または2次に湾曲されたコア複合体1、23を製造する方法に関する。初期には、まだ硬化されていないカバー層2、3、13、22を貼り付ける前に、カバー層2、3、13、22を配置し、かつ/または硬化させるときに、カバー層2、3、13、22の折り畳まれたハニカム・コアの流路5、6内へのテレグラフィングを防止し、コア複合体1、23の縁端部が解消され、多角形状が解消された表面をもたらすために、硬化性で後に除去可能なコア充填材15、16が、折り畳まれたハニカム・コア4、19の全長排水可能流路5、6内に導入される。この方法による製作されたコア複合体1、23は、空気力学的かつ美的な観点から最適な構造的機械的特性、理想的な仕上げ面の品位を有し、それによって、更なる時間およびコスト集約に対する必要性、ならびに、ある状況では重量が増大する仕上げステップなしに、コア複合体1、23の直接的再処理が可能である。この方法で、折り畳まれたハニカム4、19を備えた巻かれたコア複合体1、23、ならびに縦方向に分割された(セグメント化された)大型航空機用の胴体部分向けに設置されたカバー層2、3、13、22を備えたシェルセグメントを有する、特に単一体の胴体部分を製造することが可能である。

Description

本発明は、折り畳まれたハニカム・コアが、カバー層と平行に延びるいくつかの排水可能流路を有する、両側にカバー層を備えた折り畳まれたハニカム・コアを有するコア複合体の製造方法に関する。
航空機の建造において、炭素繊維可塑性サンドイッチ胴体セルは、巻き工程で個々に製作される。これに使用されるコア複合体は、貼り付けられたカバー層がハニカム領域において陥凹するのを防止し、したがって、特に、その状態としてもたらされる構造空気力学的および光学的な欠陥を防止するために、小容量のセルを有するハニカム形状のコアで形成される。
この種の小型セルのハニカム・コアは、最新の大型旅客機用の単一体胴体部分を巻くには適していない。一方、使用されるハニカム・コアは、排水機能が欠如している。コア複合体内に浸透する、かつ/またはコア複合体内部に形成する結露は、それによって、たとえば、高い飛行高度での氷結過程によって相当な損傷を引き起こすことがあり、これは、通常の飛行動作において構造的強度を著しく低下させる可能性があり、したがって、容認できない安全性のリスクを意味する。他方、ハニカム・コアの小容量のセル構造は、相当に重量を増大させる。さらに、ハニカム・コアで、カバー層と平行に連動する負荷に関して、高度に異方性の特性のみが設定できるので、主として非常に狭い限度範囲内だけであっても、ハニカム・コアで従来式に形成されたコア複合体の負荷の流れに適した構成が可能である。
全長流路を備えた排水可能な折り畳まれたハニカム・コアが、ここに対応策を提供することができる。この流路は、素早い間違いのない水の排出を確実にする。さらに、一例として、台形状またはジグザグ形状の経路により、ハニカム・コアと比較して負荷の流れに関して改良された、折り畳まれたハニカム・コアの構成が可能となる。さらに、このような折り畳まれたハニカム・コアは、1次または2次の曲線で構成することができ、そのため、基本的に完全な胴体部分、またはいくつかの縦縁の形成部を有する胴体部分を組み立てるための少なくともシェルセグメントを製造することが可能である。
しかし、この種の折り畳まれたハニカム・コアは、これによって少なくとも一部の区域内で連続して湾曲する表面が形成されず、いくつかの複数断片の多角形的特徴を有する表面幾何形状が生まれるので、カバー層で巻く、かつ/またはカバーすることが不十分にしかできない。しかし、このような非連続な表面形状を有するコア複合体は、多くの理由で航空機の胴体部分の外層に使用することができない。なぜなら、縁端部を有する表面は、特に、このコア化合物で作られた構成要素部分の空気力学的な特性を低下させ、さらに、滑らかな構造と比較して、大幅に低減された機械構造的支持強度をもたらすからである。
以前に公開されたDE102006050823A1から、少なくとも1つの繊維層を支持構造体に被膜するステップと、支持構造体の少なくとも1つの中空のキャビティ内に充填材を導入するステップと、繊維層にマトリックス材料を注入するステップと、繊維補強された層を硬化させるステップと、少なくとも1つの中空のキャビティから充填材を除去するステップとによって作られる複合体部分が知られている。
DE102005016654A1から、2つのカバー層間で3次元的に形成されたコア構造を有する、吸音内側ライニング用のサンドイッチ状要素であって、コア構造および/またはカバー層が、音の送達のための少なくとも幾らかの領域通路を有し、吸音層が、少なくとも1つのカバー層の領域内の少なくとも一部の区域内に配置される、サンドイッチ状要素が知られている。
DE102006056353B3から、軟化温度を有する平坦な材料を準備するステップと、予め決められた折り線の領域内の平坦な材料を少なくとも軟化温度まで局所的に熱するステップと、折り線の加熱された領域に沿って平坦な材料を折り畳まれたハニカム構造に折り畳むステップとを有する、コア複合体用の折り畳まれたハニカム構造を製造する方法が知られている。
DE843890Bから、いくつかの縦方向の壁および加熱硬化型樹脂を含む積層繊維材料の横断網を有するプレート型中空体であって、各横断網は、折り畳まれた、または巻かれた繊維材料から作られた流路または中空のキャビティを有するいくつかの本体の少なくとも1つに属し、流路または中空のキャビティに、縦方向の壁が加熱硬化型樹脂によって接合され、製造中、積層された縦方向の壁および横断網は、それらの厚み方向の圧力を熱の作用中に受け、そのため、1つの圧縮された剛直で均質な完全なユニットが形成されるプレート型中空体が知られている。
DE102006050823A1 DE102005016654A1 DE102006056353B3 DE843890B
本発明の目的は、したがって、上で概説した欠点を持たないコア複合体を製造する方法を提供することである。
これは、請求項1による方法によって達成される。この方法の好ましい実施形態は、従属請求項の主題を形成する。
本発明による方法は、以下のステップを有する:
a)工具上に湿式プリプレグで形成された下部カバー層を配置するステップ、
b)少なくとも一部の領域内で、折り畳まれたハニカム・コア内にコア充填材を導入するステップ、
c)下部カバー層上に少なくとも1つの折り畳まれたハニカム・コアを配置するステップ、
d)上部カバー層を形成するために、折り畳まれたハニカム・コア上にプリプレグ材を配置するステップ、
e)圧力および/または温度を印加することによってコア複合体全体を硬化させるステップ、および
f)コア充填材を除去するステップ。
方法のステップa)において、「湿式」、すなわち、硬化性可塑性材料をしみ込ませた予備含浸された補強繊維構成、いわゆる「プリプレグ」材が、工具上に配置され、または敷設され、または巻かれ、工具の形状とは無関係に、今後のコア複合体の下部カバー層を形成する。今後のコア複合体の形状は、これにより、工具の表面形状によって予め決まる。ステップa)およびb)の順序は、必要に応じて入れ替えることもできる。プリプレグ材として、一例として、硬化性エポキシ樹脂を浸透させた炭素繊維織物材、炭素繊維編物材、または炭素繊維非捲縮材料を使用することができ、これは、帯状またはパネル状の幾何学形状を有することができる。
これに続き、またはこれ以前に、ステップb)において、少なくとも一部の領域内で、折り畳まれたハニカム・コア内にコア充填材が導入される。これにより、カバー層を製作するために、折り畳まれたハニカム・コアの片側面または両側面に施されたプリプレグ材料は、窪み(いわゆる、「テレグラフィング」)の形成部を有する折り畳まれたハニカム・コアの大容量の全長流路(キャビティ)に引き込まれないことになり、そのため、後続のコア複合体は、空気力学的、静的、および光学的な観点から、特に滑らかで連続的に湾曲した(多角形状のない)理想的表面を有する。
方法のステップc)において、少なくとも1つの折り畳まれたハニカム・コアが、工具上に既に敷設された下部カバー層上に配置される。折り畳まれたハニカム・コアは、従来のハニカム・コアとは異なり独立セル反復ユニットではなく連続全長流路を有する。これらの全長流路は、一例として、ジグザグにした、または湾曲された、または台形状の経路を有し、コアに対して排水容量を提供することができる。初期には薄層状のブランクの熟練した折り畳みにより、折り畳まれたハニカム・コアは、単一または2つの曲率を有することができ、このため、折り畳まれたハニカム・コアは、理想的な仕方で、航空機胴体セルの所定の表面幾何形状に適合することができる。折り畳まれたハニカム・コアは、必要な固有の剛性を処理中に確保するために、この方法によるその使用の時点で既に完全に硬化された熱硬化性の(硬化性)可塑性材料で含浸された(しみ込ませた、浸透された)任意の補強繊維構成または用紙で製作することができる。本方法を実施するための折り畳まれたハニカム・コアは、一例として、適切なエポキシ樹脂、フェノール樹脂またはポリエステル樹脂で浸透された、既知のNomex(登録商標)紙または別の炭素繊維織物材料、炭素繊維非捲縮材料またはガラス繊維織物材料で形成することができる。折り畳まれたハニカム・コアは、代わりに金属箔でも形成することができる。
さらに、折り畳まれたハニカム・コアを初期には全くコア充填材が無い下部カバー層上に配置し、次いで、少なくとも1つの一部領域で、折り畳まれたハニカム・コアのなお利用可能な上部側内にコア充填材を導入することが可能である。回転巻き取りマンドレル(「雄型」工具)が、工具として使用される場合、コア充填材は、回転する折り畳まれたハニカム・コアに引き込まれる充填材用の注入装置が一体となったヘラを用いて塗布し、滑らかにすることができる。コア充填材が硬化した後で、方法はステップd)に進む。
方法のステップd)において、コア複合体の上部カバー層を製作するために、折り畳まれたハニカム・コア上にプリプレグ材料が更に配置される。プリプレグ材料は、狭い帯状の様式で、または広いパネル型の半仕上げの製品として処理することができる。回転巻き取りマンドレルが工具として使用される場合、帯型プリプレグ材料を、回転する折り畳まれたハニカム・コア上に層状に巻くことができることが好ましい。コア充填材の結果、少なくとも上部カバー層の多角形状のない構成が確保される。
方法のステップe)において、コア複合体全体は、既知の硬化手順を使用して、圧力および/または温度を印加することによって引き続いて硬化される。
方法の最後のステップf)において、仕上げられたコア複合体の重量を低減させ、再び排水容量を生み出すために、コアの鋳型が、折り畳まれたハニカム・コアから完全に除去される。一例として、材料「Aqua−Core(登録商標)」が、コア充填材として使用される場合、硬化されたコア充填材は、溶剤として水を使用することによって、排水可能の折り畳まれたハニカム・コアから簡単に完全に洗い流すことができる。基本的に、適切な温度でのワックス融解および/または金属合金を、コア充填材として使用することができる。
方法の有利な展開によれば、下部および/または上部のカバー層は、少なくとも一部の領域内で、折り畳まれたハニカム・コアに接着剤によって固着される。
その結果、これは、カバー層が折り畳まれたハニカム・コアから溶解することを防止し、損傷耐性ならびにコア複合体の耐荷重容量を増大させる。この手順は、硬化性可塑性材料(熱硬化性可塑性材料)、より詳細には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、フェノール樹脂またはBMI樹脂を備えたカバー層を製造するために使用される「プリプレグ」材料の含浸が、カバー層の折り畳まれたハニカム・コアへの十分な耐荷重接着結合には足りない可能性がある場合に、必要となることがある。
本発明による方法の更なる展開によれば、その上に取り付けられるコア複合体の今後のカバー層の多角形状のない外側および内側の輪郭が製作されるように、折り畳まれたハニカム・コアの上部側および/または下部側が、コア充填材で充填され、成型されることが提案される。
今後のコア複合体の縁端部のない上部面および/または下部面が、それにより達成され、これは、最適な構造的機械的および空気力学的ならびに美的な特性を有する。本発明により製造されたコア複合体は、したがって、追加的、かつある状況において、平滑化、研削などの重量が増大する二次的機械加工ステップの必要なしに、胴体部分または航空機の他の主要な構造的部分を製造するために直接使用することができる。
コア複合体の滑らかな連続する最上部側および最下部側を得るために必要な、導入されたコア充填材の成型は、コア複合体の所望の形状に応じて、一例として、平坦ならびに1次または球面状(2次)湾曲した接触圧力プレートまたは工具によって実施することができる。さらに、適切な引き込む工具によって、既に僅かに表面仕上げされたコア充填材を滑らかにし成型することが可能であり、折り畳まれたハニカム・コアが回転巻き取りマンドレル上に既に配置されている場合、この方法は、特別な利点を伴って適用することができる。
更に有利な更なる展開によれば、工具は、プリプレグ材料が、少なくとも1つのカバー層を形成するために層状に巻かれる回転巻き取りマンドレルであることが提案される。
これにより、排水可能な折り畳まれたハニカム・コアを使用することによって、コア複合体を備えた単一体の、大型航空機用の完全な胴体部分を製作することが可能である。この場合、機械的接続をもたらすために継ぎ目の点で重ね継ぎされる、対応する固有の曲率で互いに隣接するいくつかの前もって作られた折り畳まれたハニカム・コアを使用することが一般に推奨される。
別法として、方法を実施するために使用される工具は、平坦、1次元または、なお2次元湾曲された表面幾何形状(球面状湾曲、または単一軸湾曲)を有することもできる。この場合では、シェルセグメントは、一例として航空機の胴体部分またはプレート状の構成要素部分用に製作することができる。次いで、航空機の胴体部分は、航空機建造における従来のアルミニウム建築の場合のように、縦縁を形成することによって、いくつかのシェルセグメントから組み立てられる。
方法の更なる展開では、コア複合体に、胴体部分の製造用のシェルセグメントの幾何形状が工具を用いて与えられることが提案される。
薄層状の1次または2次(球面状)に湾曲された工具により、その方法を用いて、コア複合体として航空機の胴体部分の生産用のシェルセグメントを製造することが可能であり、次いで、当該胴体部分が、縦縁を形成することで、いくつかのシェルセグメントを接合することによって製作される。平坦な工具を用いて、この方法で必要に応じてプレート状の非湾曲したコア複合体を製造することも可能である。
本発明の更なる特徴および利点は、添付の図面が参照される好ましい実施形態の以下の説明から明らかである。
折り畳まれたハニカム・コアを備えた本発明による方法により製造されたコア複合体を斜視図で概略的に示す図である。 本発明による方法の順序の実施形態を概略的に示す図である。 本発明による方法の順序の実施形態を概略的に示す図である。 本発明による方法の順序の実施形態を概略的に示す図である。 本発明による方法の順序の実施形態を概略的に示す図である。
図1は、空間の方向に曲率を有するサンドイッチ構造を備えた本発明による方法の条件により製造されたコア複合体を示す。両側で折り畳まれたハニカム・コアをカバーする2つのカバー層が、輪郭のみ示されているが、さらに、折り畳まれたハニカム・コアの内部構造が見えるように透明である。
コア複合体1は、上部カバー層2および下部カバー層3を有し、その間に折り畳まれたハニカム・コア4が取り付けられる。カバー層2、3の両方、更に折り畳まれたハニカム・コア4は、空間の1方向に湾曲している。基本的にこの方法で、平坦、1次または2次(球面状)に湾曲されたコア複合体は、非常に高い耐荷重容量を有して作ることができる。折り畳まれたハニカム・コア4は、いくつかの平行に取り付けられた全長かつ台形状に延びる(排水)流路5、6を有する。流路5、6は、基部ライン7〜9、ならびに頂部ライン10〜12によって画定され、これらも台形状の経路を有する。基本的に、流路5、6は、ほぼ方形状、台形状、または波形(正弦波)状の経路を有することもできる。
製造プロセスの流れは、以下の説明において参照される図2〜図5を参照して更に詳細に説明される。
最初に、ステップa)の図2に示されたように、下部の未だ「湿式」のカバー層13が工具14に被膜される。下部カバー層13は、硬化性可塑性材料で予備含浸された任意の種類の補強繊維構成、たとえばエポキシ樹脂または炭素繊維非捲縮材料(「プリプレグ」材料)で含浸された炭素繊維織物材料で形成される。この「プリプレグ」材料は、工具14上で網状に配置することができる、または、回転する場合には、次いで実質的に回転対称の工具14をこの上に巻くこともできる。十分に狭い帯状の「プリプレグ」材料の場合、これは、TFP(修正された繊維配置)プロセス内に設置することができる。工具14の表面の幾何形状は、今後のコア複合体の少なくとも内部の成型を規定する。
方法の更なるステップb)(図3参照)において、除去可能なコア充填材15、16が、折り畳まれたハニカム・コア19の最上部側17内および最下部側18内に導入され、折り畳まれたハニカム・コア19は、今後のコア複合体の構成要素部分の所定の理想的な幾何形状に対応するように、製造者の側で既に予備成型される。これにより、外側の輪郭20および内部の輪郭21は、製造されるべき今後のコア複合体の常に湾曲し(すなわち、滑らかな)、かつ多角形状のない所望の理想的な幾何形状に従うことを考慮されたい。コア充填材15、16は、溶剤によって、または必要に応じて融解によって、折り畳まれたハニカム・コア19から再び除去することができる。
少なくとも一部の領域内で、折り畳まれたハニカム・コア19の片側面または両側面内にコア充填材15、16を導入することは、たとえば、適切な工具によって、まだ完全には硬化されていないコア充填材15、16に沿って引き込むことで実施することができる。一例として、水溶性材料「AquaCore(登録商標)」をコア充填材15、16として使用することができる。コア充填材15、16は、カバー層が、折り畳まれたハニカム・コア19の比較的大容量の全長流路内に引き込まれる(いわゆる、「テレグラフィング」)のを防止する。これにより、後続のコア複合体の達成できる静的強度、空気力学的な特性、ならびに両側の外側の光学的外観に関して最適の特性が達せられる。
図4に示されたように、ステップc)において、ステップb)で準備された、または前もって作られた、少なくとも1つの折り畳まれたハニカム・コア19が、工具14上に既に配置されている下部カバー層13上に配置される。
別法として、折り畳まれたハニカム・コア19の最上部面へのコア充填材15、16の導入を制限することによって、少なくとも一部の領域でのコア充填材15、16の導入ならびに輪郭成型を、この方法ステップ中に行うことができる。
図5に示されたステップd)において、完全なコア複合体23を製作するために、第2の上部カバー層22が、折り畳まれたハニカム・コア19上に配置される。また上部カバー層22は、適切な工具14が利用可能である場合は、配置または巻き付けによって、適切な湿式「プリプレグ」材料で製作される。
方法のステップe)の要件によれば、コア複合体23の硬化のステップは、たとえば、構築物が真空ホイルでカバーすることができる、圧力および温度を同時に印加したオートクレーブ内で従来の方法によって実施される。
別法として、硬化のステップは、大気圧下で行うこともできる。この場合、工具14は、一例として電気的に加熱可能な設計とすることができる。コア複合体23の一様で急速な硬化を達成するために、上部カバー層22は、好ましくは、コア複合体の所望の外部幾何形状に従う同様な電気的に加熱可能な工具で、折り畳まれたハニカム・コア19上に押圧することができる。
方法の最終ステップf)は、仕上げられ硬化されたコア複合体23からのコア充填材15、16の除去可能に関し、これは、一例として、適切な溶剤を使用した溶解、または融解によって行うことができる。
工具14の4分の1円状の断面幾何形状から外れて、これは、一例として、カバー層13、22、ならびに少なくとも折り畳まれたハニカム・コア19を巻き付ける、または設置するための、ほぼ円形、楕円、卵形の断面形状、または任意の種類の湾曲した断面幾何形状を有する巻き取りマンドレルとしても設計することができる。基本的に、工具14はまた、板タイプのコア複合体を生み出すために、平坦な構成を有することができる。
本発明による方法は、正確に輪郭付けられた、より詳細には、特に1次または2次に湾曲されたコア複合体の多角形状のない製造を可能にする。基本的に、完全な航空機の胴体部分が、このようなコア複合体で単一体で形成することができ、コア複合体において、コア複合体の高い固有の強度の結果として、少なくとも一部の区域内で、ストリンガおよび/またはリング成形機を使用した追加的補強を省略することができる。
別法として、少なくとも2つのシェルセグメントが、コア複合体で製作することもでき、次いで、これらは、1つの完全な胴体部分を組み立てるために縦縁に沿って互いに接続される。
1 コア複合体
2 上部カバー層(コア複合体)
3 下部カバー層(コア複合体)
4 折り畳まれたハニカム・コア
5 流路(排水可能)
6 流路(排水可能)
7 基部ライン
8 基部ライン
9 基部ライン
10 頂部ライン
11 頂部ライン
12 頂部ライン
13 下部カバー層(コア複合体)
14 工具
15 コア充填材
16 コア充填材
17 上面(折り畳まれたハニカム・コア)
18 下面(折り畳まれたハニカム・コア)
19 折り畳まれたハニカム・コア
20 外側輪郭(折り畳まれたハニカム・コア)
21 内側輪郭(折り畳まれたハニカム・コア)
22 上部カバー層(コア複合体)
23 コア複合体

Claims (9)

  1. 両側にカバー層(2、3、13、22)を備える、折り畳まれたハニカム・コア(4、19)を有するコア複合体(1、23)を製造する方法であって、前記折り畳まれたハニカム・コア(4、19)が、前記カバー層(2、3、13、22)と平行に延びる排水可能な流路(5、6)を有し、
    a)工具上に湿式プリプレグで形成された下部カバー層(3、13)を配置するステップと、
    b)少なくとも一部の領域内で、前記折り畳まれたハニカム・コア(4、19)内にコア充填材(15、16)を導入するステップと、
    c) 前記下部カバー層(3、13)上に少なくとも1つの折り畳まれたハニカム・コア(4、19)を配置するステップと、
    d)上部カバー層(2、22)を形成するために、前記折り畳まれたハニカム・コア(4、19)上に前記プリプレグ材を配置するステップと、
    e)圧力および/または温度を印加することによって前記コア複合体(4、19)全体を硬化させるステップと、
    f)前記コア充填材(15、16)を除去するステップとを含む方法。
  2. 前記下部および/または上部のカバー層(2、3、13、22)が、少なくとも一部の領域内で、折り畳まれたハニカム・コア(4、19)に接着剤で固着されることを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記折り畳まれたハニカム・コア(4、19)の上側(17)および/または下側(18)が、前記コア充填材(15、16)で充填され、成型され、そのため前記取り付けられたカバー層(2、3、13、22)の多角形状のない外側および内側の輪郭(20、21)が設定されることを特徴とする、請求項1または2に記載の方法。
  4. 前記工具(14)が、前記プリプレグ材料が、少なくともカバー層(2、3、13、22)を形成するために巻かれる回転巻き取りマンドレルであることを特徴とする、請求項1乃至3のいずれか一項に記載の方法。
  5. より詳細には、航空機胴体部分を製造するために、前記コア複合体(1、23)が、前記工具(14)を用いて実質的にシェルセグメント幾何形状を与えられることを特徴とする、請求項1乃至4のいずれか一項に記載の方法。
  6. より詳細には、単一体の航空機胴体部分のために、前記コア複合体(1、23)が、前記巻き取りマンドレルによって実質的に中空円柱形状を与えられることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の方法。
  7. プリプレグ材料として、硬化性可塑性材料、より詳細にはエポキシ樹脂で、補強繊維、より詳細には炭素繊維で予備含浸された半仕上げ製品が使用され、前記予備含浸された半仕上げ製品が、プロセス、より詳細には、巻き取りおよび/または配置の後になって初めて硬化されることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記少なくとも1つの折り畳まれたハニカム・コア(4、19)が、硬化性可塑性材料で含浸され、初期には平坦で、次いで繰り返し折り畳まれた薄層状の表面補強構成で形成されることを特徴とする、請求項1乃至7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記コア充填材(15、16)が、溶剤で融解する、または溶解することにより前記折り畳まれたハニカム・コア(4、19)から除去されることを特徴とする、請求項1乃至8のいずれか一項に記載の方法。
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