JP5424891B2 - 熱膨張ツーリングコールを使用してハット型に強化された複合部品を形成する装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は複合部品の形成に関し、特に拡張可能なツーリングコールを使用してハット型に硬化されて強化された複合部品を形成する装置及び方法に関する。

航空機及びその他の産業で使用されるような複合構造は、通常重合体複合材料が被覆されている間にその材料を少なくとも部分的に硬化することにより形成され、形成ツールにより支持される。航空宇宙及びその他の応用で使用される１つの普通の複合構造はハット型に強化された複合部品である。ハット型に強化された複合部品を構成するため、製造プロセスは複合材料をベースツールに配置し、ベースツールにより支持されている複合材料上にツーリングマンドレルを配置し、１つのツーリングマンドレル上に付加的な複合材料を配置し、複合材料の少なくとも一部を形成ツールで被覆することにより開始される。形成ツールは通常、少なくともツーリングマンドレルの上に存在する複合材料をカバーし、ハット形状を規定するのを助ける。複合材料はその後、一体化した複合構造を生成するためにさらに複合層を接着し結合するように減量および加熱のような硬化プロセスを受けることができる。

部品の臨界的寸法を正確に決める必要が増加することにより、少なくとも寸法に関しては高い正確度で複合部品を形成できるツールが必要になる。ハット型に強化された複合部品に関しては、例えばハット型に強化されたレグと対応する平面構造との間の交差部で規定される半径は典型的に非常に厳密な許容度内に維持されなければならない。通常の剛性の形成ツールは必要とされる正確度で複合部品を生成するための限定された能力を与える可能性がある。即ち硬化プロセス期間中、ツーリングマンドレルは膨張し、他方で複合材料の少なくとも一部をカバーする熱膨張が少ない複合物形成ツールの膨張は少なく、複合材料内で高い及び低い圧力領域が生じ、それによって部品の有孔性または不所望な複合材料の動きが生じる。このように、複合材料はほとんど膨張のない形成ツールを使用して臨界的な寸法を有する部品の製造しようとする試みに失敗してスクラップにされる可能性がある。さらにツーリングマンドレルと熱膨張の少ない形成ツールとの間の膨張差は複合材料の結合プロセスも悪化し、したがって結果的な部品は剥離のような欠陥を示す。

熱膨張の少ないツールよりも膨張できる熱膨張性のさらに大きい形成ツールが開発されている。しかしながら、ほぼ熱膨張のない形成ツールと熱膨張の大きい形成ツールの両者は臨界的な空間的要件を満たす部品を確実には製造することはできない。例えばハット型に強化された複合部品は通常、ハット型の強化されたレグと対応する平面構造の交差における特別な角の丸みを必要とする。これはしばしばハット型に強化された複合部品の臨界的な寸法である。通常、熱膨張ツーリングマンドレルはハット型構造の内部を形成するために使用され、熱膨張の少ない形成ツールはハット型構造の内部を形成するのに使用されることができる。しばしば熱膨張ツーリングマンドレルは硬化プロセス期間中に膨張し、熱膨張の少ない形成ツールはそれ程膨張しない。この膨張差の問題は完成部品の角の丸みが許容度外となる可能性があることである。

形成と品質の正確性を増加して、ハット型に強化された複合物のような複合部品を形成する装置及び方法を提供することが有効である。さらにスクラップにされる複合材料の量を減少するような装置及び方法を提供することが有効であろう。

本発明の実施形態はハット型に強化された複合部品のような複合部品を製造するための改良された装置及び方法を提供することによって前述の要求を解決し、他の利点を実現することができる。通常、本発明の実施形態はより大きいフレキシブル性で複合部品を形成するための装置及び方法を提供し、それによって任意の欠陥の量および深刻さを減少させる。例えば複合部品は拡張可能なツーリングコール（caul）及び拡張可能なツーリングマンドレルの使用により形成されることができる。

１実施形態では、複合部品を形成するためのツールが与えられる。このツールは第１及び第２のレグ部と、その第１及び第２のレグ部に接続される第３及び第４のレグ部をそれぞれ含んでいる。ツールはさらに第３及び第４のレグ部の間に延在しそれらを接続する相互接続部を含んでいる。第１と第３のレグ部と第２と第４のレグ部はそれぞれ平坦な表面を規定している。第１及び第２のレグ部と第３及び第４のレグ部はそれぞれフット部を含むことができる。第１及び第２のレグ部のフット部は相互接続部と平行であることができる。レグ部間で異なる膨張を有効に行うため、複合物形成ツールの第１及び第２のレグ部は第３及び第４のレグ部と相互接続部を形成する材料よりも熱膨張が少ない材料を含んでいる。例えば第１及び第２のレグ部とそれぞれのフット部はフルオロエラストマーから形成されることができ、第３及び第４のレグ部と相互接続部はシリコーンゴムを含むことができる。さらに第１及び第２のレグ部はファイバ補強を有するフルオロエラストマーを含むことができる。

別の実施形態では、複合部品を形成する方法が提供される。この方法はベースツール上に初期複合材料を配置し、複合材料上にツーリングマンドレルを配置するステップを含んでいる。この方法はさらにツーリングマンドレル上に付加的な複合材料を配置し、ツーリングマンドレル上に存在する複合材料の少なくとも一部を複合物形成ツールで覆うステップことを含んでいる。さらに方法は少なくとも部分的に複合材料を硬化させて強化するために放射熱を複合部品に与えること等により複合材料を加熱するステップを含んでいる。この方法はツーリングマンドレルが複合材料の加熱期間中に膨張することも許容する。これに関して、複合物形成ツールの第１の部分は複合材料の加熱期間中に複合物形成ツールの第２の部分よりも程度において大きく膨張することによりサイズを変更することを許容され、複合物形成ツールの第２の部分は複合物形成ツールの第１の部分よりもベースツールに近い。

別の実施形態では、複合物形成のための装置が提供される。その装置はベースツールとそのベースツール上のツーリングマンドレルを含んでいる。ツーリングマンドレルは対向する第１及び第２の表面を有し、第１の表面は第２の表面の半径よりも小さい半径を有する。装置はツーリングマンドレルの上に存在し、それぞれフット部を備えた第１及び第２のレグ部とその第１及び第２のレグ部に接続される第３及び第４のレグ部と、第３及び第４のレグ部の間に延在しそれらを接続する相互接続部を有する複合物形成ツールも含んでいる。第１及び第２のレグ部のフット部は相互接続部と平行であってもよい。第１及び第３のレグ部と第２及び第４のレグ部はそれぞれの平面構造を規定する。それぞれのフット部を備えた第１及び第２のレグ部はフルオロエラストマーで形成されることができる。さらに第１及び第２のレグ部はファイバ補強柱を有するフルオロエラストマーで形成されることができる。第３及び第４のレグ部、相互接続部、ツーリングマンドレルはシリコーンゴムで形成されることができる。
１３． ベースツールと、
前記ベースツール上のツーリングマンドレルと、
ツーリングマンドレルを覆っている存在する複合物形成ツールとを具備し、
複合物形成ツールはそれぞれのフット部を備えた第１及び第２のレグ部と、前記第１及び第２のレグ部にそれぞれ接続されている第３及び第４のレグ部と、前記第３及び第４のレグ部の間に延在しそれらを接続する相互接続部とを有している複合物形成装置。
１４． 複合物形成ツールのそれぞれのフット部を備えた第１及び第２のレグ部のフット部はフルオロエラストマーで構成されている請求項１３記載の複合物形成応用。
１５． 複合物形成ツールの第３及び第４のレグ部と相互接続部はシリコーンゴムで構成されている請求項１３記載の複合物形成応用。
１６． 複合物形成ツールの第１及び第２のレグ部のフット部は相互接続部と平行である請求項１３記載の複合物形成応用。
１７． 第１及び第３のレグ部と第２及び第４のレグ部はそれぞれの平面を規定している請求項１３記載の複合物形成応用。
１８． 第１及び第２のレグ部はファイバ補強材を有するフルオロエラストマーで構成されている請求項１３記載の複合物形成応用。
１９． ツーリングマンドレルはシリコーンゴムで構成されている請求項１３記載の複合物形成応用。
２０． ツーリングマンドレルは上部表面と下部表面を具備し、上部表面は下部表面の半径よりも小さい半径を有している請求項１３記載の複合物形成応用。

図１は１実施形態による複合部品を備えた複合物形成装置の断面図である。 図２は別の実施形態によるベースツール上に位置する複合材料を有する複合材料上のツーリングマンドレルの断面図である。 図３は別の実施形態によるツーリングマンドレルが複合材料上に位置されている間に、付加的な複合材料が配置されているツーリングマンドレルの断面図である。 図４はさらに別の実施形態による付加的な複合材料をカバーする複合物形成ツールの断面図である。 図５は別の実施形態による複合物形成ツールの第２の部分よりも程度を大きくサイズ変更している複合物形成ツールの第１の部分の断面図である。

したがって本発明の実施形態を通常の用語で説明するが、添付の図面を参照し、これは必ずしも実寸大ではない。
添付図面を参照して、以下実施形態をより十分に説明するが、全てではなく幾つかの実施形態を示す。これらの実施形態は多くの異なる形態で実施されることができ、ここで説明されている実施形態に限定されると解釈すべきではなく、むしろこれらの実施形態はこの説明が応用可能な法的要件を満たすために与えられる。同一の参照符合は全体を通して同じ素子を示している。

図１を参照すると、複合物形成装置10が示されている。図１に示され以下説明される複合物形成装置10の実施形態はハット型に強化された複合ビームのようなハット型に強化された複合部品50を形成するために構成されるが、複合物形成装置10及び関連される形成方法は他のタイプの複合構造を形成するために構成されることもできる。強化されたハット型及び他のタイプの複合部品は通常は航空宇宙応用で使用されるが、結果的な複合部品は所望ならばその他の応用及びその他の産業で使用されてもよい。

図１では、形成装置10は複合物形成ツール20、ツーリングマンドレル30、ベース結合ツール40を含んでいる。ベース結合ツール40は典型的に形成動作期間中複合構造を支持するように設計されており、幾つかの例では、複合構造の結果的な形状の少なくとも一部を規定することができる。このようにして、ベース結合ツール40は通常平坦な形状を有するが、結果的な複合部品の形状に応じてその他の形状であることもできる。ベース結合ツール40は典型的に、スチール、炭素またはガラスエポキシ、或いは他の金属または非金属材料から形成される。

ツーリングマンドレル30は通常結果的な複合構造内の内部空間または孔を規定するように設計されており、それ自体、結果的な複合部品のサイズ及び形状に基づいて種々の形状及びサイズを有することができる。示されている実施形態では、ツーリングマンドレル30は対向する第２の表面32の幅よりも小さい断面幅を有する第１の表面31を備えた台形であるように示されている。ツーリングマンドレル30はシリコーンゴムのような種々の材料から作られることができる。

複合物形成ツール20は通常ツーリングマンドレル30に対して相補的な形状を有し、そのツーリングマンドレル30は結果的な複合部品の形状及びサイズによって規定される。しかしながら複合物形成ツール20の形状は結果的な複合部品の形状及びサイズにより決定されるならばツーリングマンドレル30とは異なってもよい。複合物形成ツール20の形状はテーパー部、１つの部分と別の部分との厚さの差、必要とされる部品の製造を助けるためのその他の特性を含むことができる。図１では、複合物形成ツール20は第１のフット部分21、第１のレグ部22および第２のレグ部23、第３のレグ部24および第４のレグ部25、相互接続部26を含んでいる。この実施形態では、第１及び第３のレグ部22、24は第１のレグ27を構成し、第２及び第４のレグ部23、25は第２のレグ28を構成する。各レグは両者のレグ部を設けるために等しく分割されることができ、または各レグ部は第１及び第２のレグ部22、23がそれぞれのフット部21の近くであり第３および第４のレグ部24、25が相互接続部26に近い限り、レグ全体の異なる量を構成することができる。

第１及び第２のレグ部22、23は第３及び第４のレグ部24、25よりも熱膨張が小さく、それは第３及び第４のレグ部24、25が第１及び第２のレグ部22、23よりも大きい熱膨張係数の材料から形成されるためである。例えば第１及び第２のレグ部22、23はフルオロエラストマーから形成されることができ、第３及び第４のレグ部24、25と相互接続部26はシリコーンゴムから形成されることができる。フット部21は通常、フルオロエラストマーのような第１及び第２のレグ部22、23と同じ材料から形成される。また第１及び第２のレグ部22、23とそれぞれのフット部21はガラスまたは炭素ファイバ補強層を含むことができる。熱膨張特性が異なるために、第３及び第４のレグ部24、25は複合部品の硬化期間のように温度が変化するとき第１及び第２のレグ部22、23よりも膨張し、収縮する。結果的に、複合物形成ツール20とツーリングマンドレル30は複合部品のレグと対応する平坦構造との間の交差部において規定される半径の臨界的形状を依然として制御しながら曲率変化を許容する。第１及び第２のレグ部22、23とそれぞれのフット部21は部品の形状により大きな制御を行うため第３及び第４のレグ部24、25と比較するとき追加的な厚さを含むこともできる。

複合部品を形成する１つの有効な方法は図２で開始され、図２はベース結合ツール40上に位置する複合材料51に位置されるツーリングマンドレル30を示している。複合材料51は０、４５、９０の配向方向、０、３０、６０、９０の配向方向、又はその他の適切な配向方向でレイアップされている通常の樹脂を予め含浸されている生地又はテープ形状の黒鉛ファイバのマトリックスのようなプレプレグ材料の１以上のプライまたはシートであってもよい。ツーリングマンドレル30が複合材料51上に配置された後、図３に示されているように付加的な複合材料52がツーリングマンドレル30上に配置される。前述したように、付加的な複合材料52はラップ及びチューブプライのような１以上のプライ、或いはプレプレグ材料のような複合材料のシートであってもよい。付加的な複合材料52は複合材料51と同じ又は異なる複合材料から形成されることができる。また、付加的な複合材料52は複合材料51と同じ又は異なるファイバ配向方向を有することができる。

図４で見られるように、複合部品の形成における次のステップは付加的な複合材料52の少なくとも一部分をカバーするように複合物形成ツール20を配置することである。真空バッグ60が真空バッグ複合物形成ツール20、ツーリングマンドレル30、複合材料51、付加的な複合材料52、ベース結合ツール40の順序で、複合物形成ツール20と複合材料51上に配置されることができる。通常、硬化プロセスは複合物形成ツール20が付加的な複合材料52の上部に配置された後に行われ、通常真空バッグ60の排気手段等によってその位置に保持される。硬化プロセスは複合材料に対する放射熱手段のような熱の供給、および随意選択的に圧縮または排気圧力の適用を含むことができる。

第１及び第２のレグ部22、23が第３及び第４のレグ部24、25よりも低い熱膨張係数を有する熱膨張の少ない材料から形成される結果として、第３及び第４のレグ部24、25は第１及び第２のレグ部22、23よりも大きく膨張するので、第１及び第２のレグ部22、23は加熱処理期間中に第３及び第４のレグ部24、25よりもそれらの形状及び位置を保持する。実寸大ではないが、図５は複合材料52、51の加熱期間中、複合物形成ツール20の第１及び第２のレグ部22、23よりも程度が大きくサイズを変化する複合物形成ツール20の第３及び第４のレグ部24、25を示している。また図５では、ツーリングマンドレル30は複合材料の加熱期間中に、典型的には第１及び第２のレグ部22、23よりも大きい程度で膨張し、第３及び第４のレグ部24、25の膨張よりも小さいかそれに等しい量だけ膨張する。図４と５を比較するときに分かる複合物形成ツール20のサイズの相対的変化は通常典型的な膨張の大きさの程度ではないが説明のために誇張されている。また第１及び第３のレグ部22、24の間の線Ａと、第２及び第４のレグ部23、25の間の線Ｂは説明のためのものであり、通常は目に見えるものではない。線ＡとＢの両者は第３及び第４のレグ部24、25が第１及び第２のレグ部22、23よりもいかに膨張するかを示す役目をしている。例えば図４の線Ａは加熱されていない第１のレグ27をほぼ２つの等しい部分、即ち第１及び第３のレグ部22、24に分割している。このように図４は第１のレグ部22の長さ、即ちＬ１を示し、これは第３のレグ部24の長さ、即ち長さＬ３とほぼ同じである。図５で行われる硬化プロセスにより、前述したように別々のレグ部を形成する材料の熱膨張係数の差のために第３のレグ部24は第１のレグ部22よりも程度が大きく膨張する。図５を図４と比較することによって、第３のレグ部24の長さＬ３は硬化プロセス期間中に増加するように示されており、第１のレグ部22の長さＬ１は長さＬ３程増加するように示されていない。さらに、図５は、線Ａがもはや第１のレグ27をほぼ２つの等しい部分に分割しないで、代わりに第３のレグ部24が第１のレグ部22よりも大きく膨張する結果として第３のレグ部24がレグ全体の半分を超える部分を形成することを示している。第２のレグ28を形成する第２及び第４のレグ部23、25も第１のレグ27と共に前述した方法と同じ方法で硬化プロセス期間に少量及び大量にそれぞれ膨張する。

硬化プロセス後、複合物形成装置10と複合材料51、52は冷却され複合物形成ツール20とツーリングマンドレル30はその後除去される。複合物形成ツール20とツーリングマンドレル30の両者は多数の複合部品の製造のために再使用されることができる。その後、ハット型に強化された複合部品50のような複合部品はベース結合ツール40から除去される。冷却後、複合物は樹脂の硬化及び固化のために硬化期間中にそれが有していた形状を維持することができる。他の実施形態では、異なるタイプの複合部品が形成されることができる。

レグの他の部分と比較して大きく膨張しない材料を有する第１及び第２のレグ部22、23の形成により、コーナー形状は製造期間中、複合部品の統合に関して望ましい許容度内に制約されるか保持されることができる。このようにして、フット部21と第１及び第２のレグ部22、23との間で規定されるコーナーは第３及び第４のレグ部24、25と相互接続部26との間の角のような複合部のその他の部分よりも厳格な許容度に形成されることができる。フット部21と第１及び第２のレグ部22、23との間で規定されるコーナーは複合部のその他の部分よりも厳しい許容度に保持されなければならないので、複合物形成ツール20は硬化プロセス期間中に行われる複合材料とツーリングマンドレル30の必然的な膨張を許容しながら、幾つかの特徴構造の非常に厳格な許容度でさえも満たす複合部品を形成するように構成される。

前述の説明で与えられている教示及び関連図面の便宜性を有する、ここで説明した本発明の多くの変形及びその他の実施形態は、これらの発明に関係する当業者には明白であろう。例えば複合物形成装置10は他の形状を有してもよく、また、或いは複合物形成ツール20のその他の部分は熱膨張が少ない材料で形成されることができる。しかしながら、通常複合物形成ツール20は小さい許容度を有する複合部品の特性に近い低い熱膨張係数を有する熱膨張が少ない材料と、緩い許容度を有する複合部品のその他の特性に近い大きい熱膨張係数を有する熱膨張係数の大きい材料とを含み、複合材料51、52および／またはツーリングマンドレル30の膨張はより大きい熱膨張材料から形成される複合物形成ツール20の部分の膨張により主に適合される。それ故、本発明は説明した特別な実施形態に限定されず、その変形及びその他の実施形態は特許請求の範囲の技術的範囲内に含まれることを意図されることが理解されよう。特別な用語がここで使用されているが、これらは一般的で説明的な意味でのみ使用され、本発明を限定する目的ではない。

Claims (11)

1. 第１及び第２のレグと、
   前記第１及び第２のレグの間に延在し、前記第１及び第２のレグの上端に接続する相互接続部と、
   前記第１及び第２のレグの下端にそれぞれ個別に接続されるフット部と、を具備する複合物形成ツールであって、
   前記第１のレグと前記第２のレグはそれぞれ、一本の境界線によって、第１及び第３のレグ部と、第２及び第４のレグ部に分割され、前記第１及び第２のレグ部はそれぞれ前記フット部の近くに位置し、前記第３および第４のレグ部は前記相互接続部の近くに位置し、
   前記第１及び第２のレグ部は前記第３及び第４のレグ部と相互接続部を形成する材料よりも熱膨張が少ない材料で構成されている複合物形成ツール。
2. 第１及び第２のレグ部はフルオロエラストマーで構成されている請求項１に記載の複合物形成ツール。
3. 第３及び第４のレグ部と相互接続部はシリコーンゴムで構成されている請求項１に記載の複合物形成ツール。
4. 第１及び第２のレグ部のフット部は相互接続部と平行である請求項１に記載の複合物形成ツール。
5. 第１及び第３のレグ部と第２及び第４のレグ部はそれぞれの平面を規定している請求項１に記載の複合物形成ツール。
6. 第１及び第２のレグ部はファイバ補強柱を有するフルオロエラストマーを含んでいる請求項１に記載の複合物形成ツール。
7. ベースツール上に初期複合材料を配置し、
   前記初期複合材料上にツーリングマンドレルを配置し、
   前記ツーリングマンドレルを覆って付加的な複合材料を配置し、
   前記ツーリングマンドレル上に存在する複合材料の少なくとも一部を複合物形成ツールで被覆し、前記複合物形成ツールは二つのレグを持ち、各レグは一本の境界線によって、第１の部分と第２の部分に分割され、前記第１の部分と前記第２の部分は異なる材料からなり、
   少なくとも部分的に複合材料を硬化するために複合材料を加熱し、
   前記複合物形成ツールの前記第１の部分が複合材料の加熱期間中に前記複合物形成ツールの前記第２の部分よりも大きい割合でサイズを変更することを許容するステップを含んでおり、
   前記複合物形成ツールの前記第２の部分は前記複合物形成ツールの前記第１の部分よりも前記ベースツールに近く、且つ、前記ベースツールに沿って延びる部分と、前記ツーリングマンドレルに沿って、前記ベースツールから離れるように延びる部分によって画定される、複合材料のコーナーを覆う、複合部品の形成方法。
8. さらに、複合材料を加熱しながら複合材料に圧力を加えるステップを含む、請求項７に記載の複合部品の形成方法。
9. 複合材料の加熱は放射熱を複合部品に加えるステップを含む、請求項７に記載の複合部品の形成方法。
10. 複合物形成ツールの第１の部分がサイズを変更することを許容するステップは、複合物形成ツールの第１の部分が複合物形成ツールの第２の部分よりも大きく膨張するステップを含む、請求項７に記載の複合部品の形成方法。
11. さらに、ツーリングマンドレルも複合材料の加熱期間中に膨張することを許容するステップを含む、請求項７に記載の複合部品の形成方法。

Images