JP5587916B2 - 複合部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は２個以上の複合部品の製造方法に関する。

複合部品の厚さが養生中に減少することはよく知られている。このプロセスは，デバルキング，すなわち「圧密化（または減量化）」として知られ，そのほとんど全てが封入されている空気の放出によるものである。典型的には，予含浸積層体（一般的に「プリプレグ」として知られる）の厚さの減少は約10〜15％であり，乾燥繊維複合体ではさらに減少が大きくなる。これは以下いずれかの場合に深刻な問題になる恐れがある：
ａ）部品が有意な厚さ（通常10 mm より大）であり，少なくとも部分的に平面状でない場合，または
ｂ）部品が周囲の材料よりかなり厚いパッドアップ（詰め込み）領域を含んでいる場合。

複合部品を養生に先立ち熱間圧密化処理する方法が，特許文献１に記載されている。部品は雄形ツール上で形成および圧密化される。この方式における問題は，単一方向の複合部品しか一度に製造できないということである。従って，そのような標準的な装置を用いて複数の部品を同時に熱間圧密化処理する場合には，それら複数の部品を同一方向で縦列配置しなければならず，長くて重い雄形ツールが必要となる。

国際公開第2008/007140号パンフレット

本発明の第１の態様により，２個以上の複合部品の製造方法において，複合材料のバンドの一連の層をマンドレル上に配置機で載置することによって複合部品を前記マンドレル上で組立て；前記バンドを前記マンドレル上に載置する際に前記マンドレルを回転させ；複合部品を組立てた後，２個以上の圧密化フレームを複合部品の対向する端部の間で前記マンドレルに取付け；前記マンドレル，前記圧密化フレームおよび複合部品を圧密化バッグで包み；複合部品を加熱し；前記圧密化バッグが前記圧密化フレームと加熱された複合部品の間の空隙内に吸引されて，次第に前記圧密化バッグが加熱された複合部品を圧迫し，それにより，余剰な材料が前記圧密化バッグによって前記対向する端部に向かって絞られるように，前記マンドレルと前記圧密化バッグの間に真空状態を形成し；前記圧密化バッグおよび複合部品を前記マンドレルから除去することを含む，複合部品の製造方法を提案する。

典型的には，前記配置機で前記バンドを前記マンドレル上に押圧する。前記配置機で150 kg 以上の力を付与することができる。このようにした場合には，必要とされる圧密化が減るという利点があるが，大きい力により前記マンドレルが曲がるおそれがあるという不利がある。従って，より好ましくは，前記配置機によって前記バンドを前記マンドレル上に，150 kg 未満，典型的には100 kg 未満，最も好ましくは50 kg 未満の力で押圧する。このような力で押圧することは，前記マンドレルが比較的高いアスペクト比を備える場合に特に重要となる。典型的には，前記配置機によって前記バンドを前記マンドレル上に，10 kg を超え，好ましくは20 kg を超える力で押圧する。

典型的には，前記圧密化フレームの各々は，前記マンドレルに取付けられるベースと，前記圧密化バッグで包まれる遠位端とを備え；前記圧密化フレームの各々は，そのベースがその遠位端よりも狭幅である。これにより，前記圧密化フレームの前記ベースを，複合部品の対向する端部の間の空間内に収めることが可能となる。

前記圧密化フレームは中実の三角形状体（断面視において）であってよいが，このようにした場合は不必要な重量が加わることになる。従って，より好ましくは，前記圧密化フレームの各々は，前記ベースの対向する側で延びる一対のアームを備え，この一対のアームは，例えば，断面Ｔ字状（前記２本のアーム間の角度が180°である），より好ましくは断面Ｙ字状または断面Ｖ字状（前記２本のアーム間の角度が180°未満である）をなす。

複合部品を，凹状表面領域を有する雌形ツール上で，または雄形ツール（代替的には，部品の圧密化に用いたマンドレル）上で養生することができる。

典型的には，複合部品の各々は，コーナーでフランジに交わるウェブを備え；前記圧密化バッグは，まず前記ウェブに接触し，次いで，次第に前記コーナーを取り巻いて撓み，前記フランジを圧迫し，それにより，余剰な材料が前記圧密化バッグによって前記フランジの端部へと絞られる。従って，例えば，この製造方法を用いて４個のＬ字状構成部品を形成（４個の前記圧密化フレームを用いて）し，または２個のＣ字状構成部品を形成（２個の前記圧密化フレームを用いて）することができる。

典型的には，前記配置機によって載置した前記複合材料の前記バンドは，マトリクス材を含浸させた強化繊維（例えば，ガラス繊維または炭素繊維）を備える。マトリクス材は，熱可塑性材料，またはエポキシ樹脂等の熱硬化性材料であってよい。前記配置機は，複合材料の比較的広幅のバンドを載置するテープ載置ツール，より好ましくは，マトリクス材含浸繊維の比較的狭幅のトウを載置する繊維配置機であってよい。前記配置機を繊維配置機とする場合には，繊維の複数のトウを並行して載置してもよい。

以下に説明する好ましい実施形態において，複合部品は航空機翼の桁部材（スパー）とする。しかしながら，本発明を用いて，種々の他の航空機部品（例えば，縦通材），または，ボート，自動車用等（例えば）の他の複合構造部品を形成することができる。

本発明の第２の態様により，２個以上の複合部品を製造するための部品のキットにおいて，マンドレルと；前記マンドレルを回転可能に支持する支持部材と；前記マンドレルに取外し可能に取付けることができる２個以上の圧密化フレームと；前記マンドレルおよび前記圧密化フレームを包むことができる圧密化バッグとを備える，複合部品を製造するための部品のキットを提案する。
以下に，本発明の実施形態を添付図面を参照して説明する。

マンドレルの等角図である。 繊維トウをマンドレル上に載置している繊維配置機を示す端面図である。 一対のスパーを担持しているマンドレルの等角図である。 取付けられた圧密化フレームを示す等角図である。 取付けられた圧密化フレームを示す端面図である。 真空圧密化プロセスの第１段階における圧密化バッグを示す端面図である。 組立体の平面図である。 図７における一点鎖線Ａ−Ａに沿う断面図であり，真空圧密化プロセスの第１段階における圧密化バッグを示す。 一点鎖線Ａ−Ａに沿う断面図であり，真空圧密化プロセスの第２段階における圧密化バッグを示す。 一点鎖線Ａ−Ａに沿う断面図であり，真空圧密化プロセスの最終段階における圧密化バッグを示す。 養生中のスパーの一つを示す。

図１に，一対の移送フレームに取付けられたマンドレル１を示す。図２〜図１０に，航空機翼用の２個のＣ字状断面のスパーをマンドレル１を用いて組立ておよび圧密化する方法を示す。マンドレル１を複数の断片から形成し，ツールの断片の各々を，米国特許出願公開第2008/0302486号明細書においてより詳細に説明される少なくとも１本の細長いシャフトに取外し可能に取付ける。前記米国特許出願公開第2008/0302486号明細書において説明されるシャフトの特徴を，参照により本願に援用する。マンドレルの断片を，例えば，アルミニウムまたは炭素繊維強化プラスチック（CFRP）から形成することができる。

マンドレル１を，エンボス加工されたCapran（登録商標）真空バッグ（図示せず）により被覆し，この真空バッグを，バッグとマンドレル表面の間の真空状態を維持することによってマンドレルに保持する。エンボス加工で付与されたバッグの波状の形状により，空気を波／しわ形状部を通じて逃がすことが可能となる。

次いで図２に示すステップにおいて，複合材料のバンドの一連の層をマンドレル上に，配置ヘッド２を組み込んだ繊維配置機で載置することによってスパーをマンドレル１上で組み立てる。スパー３，４はそれぞれ，ウェブ3a,4aおよび一対のフランジ3b,4bを有する。２個のスパーのフランジは，ギャップによって隔てられた対向する端部3c,4cを有する。図２における上側のスパーはポート側のスパーであり，下側のスパーはスターボード側のスパーである。

配置ヘッド２は，樹脂含浸繊維のトウのバンドを，クリール（図示せず）からマンドレルと圧縮ローラ2bの挟込み部内へと並行してガイドするガイドローラ2aを備える。圧縮ローラは28 kg の力を付与して，トウを，エンボス加工したバッグまたは既に載置した複合材料の層に付着させる。トウを配置ヘッド２で若干加熱して樹脂に粘着性を与え，固着させる。

ガイドローラ2aの上流のカッター2cを用いてバンド内の１本以上のトウを切断することができる。配置ヘッド２は，材料の個別の又は複数のトウを任意の方向に，かつ繊維配置機の最小切断長（圧縮ローラ2bとカッター2cの間の距離）より長い任意の長さで堆積することができる多軸CNC制御デバイスである。配置ヘッド２をマンドレルに対して回転および平行移動させることができ，バンド内の異なるトウを異なる速度で供給してしわの形成を回避することができる。例えば，湾曲部での外側のトウを内側のトウよりも高い速度で供給することができる。図２にはヘッド２の概略図を示したにすぎず，この種のツールは当業界でよく知られているので，繊維配置ヘッド２のさらなる詳細は本明細書に示さないことに留意されたい。例示すれば，ツールはシンシナティ・バイパー1200（商標）であってよい。随意に，他の適切な繊維配置ヘッドの詳細について欧州特許出願公開第0491353（A）号明細書または米国特許第4943338号明細書を参照されたい。

図３は，Ｙ軸がマンドレル１の回転軸線と整列した直交座標系を示す等角図である。マンドレル１は，約14 m の長さＬ（マンドレル１の回転軸線に対して平行な）を有する。スパーのウェブは，約0.6 m の幅（従って，マンドレル１は約0.5 m の平均幅Ｗを有する）を有する。この高いアスペクト比（Ｌ/Ｗ＝28）の結果，圧縮ローラ2bで付与する力が大きすぎないようにして，マンドレルの過大な曲げを回避することが重要となる。従って，バンドをマンドレル上に載置する際は，バンドをマンドレル上に，圧縮ローラ2bにより28 kg の比較的低い力で押圧する。また，フィラメント巻線機とは対照的に，繊維トウを繊維内にほとんど張力を生じることなしに載置する。比較的低い圧縮力と繊維内の張力の欠如の双方によって，養生に先立つスパーの圧密化が必要になる。

繊維がＹ軸に平行に延びる複合材料のプライは0°プライとして知られ，Ｙ軸に垂直に延びるプライは90°プライとして，という様に知られている。繊維配置ヘッド２によりプライの積み重ねを所望の積み重ね順序，例えば，0°/ 90°/ +45°/ -45°/ 90°/ 0°で載置する。

バンドをマンドレル上に載置する際に，マンドレル１を繊維配置機のヘッドストックおよびテールストック（図示せず）によって回転させる。それと同時に，配置ヘッド２を任意の方向に平行移動または回転させることができる。図２に，マンドレル１の時計回りの回転と，ヘッド２の負のＸ方向（即ち，左方向）への移動とを表す破線矢印を示すが，マンドレル１及びヘッド２は任意の方向に，かつ互いに完全に独立して回転/平行移動できることを理解されたい。これにより，ツールのヘッド２を，マンドレル１の型表面上の斜面およびコーナー６に，複合材料の深刻な応力またはしわを増大させることなしに沿わせることが可能となる。例示のため，スパン方向斜面6a及びコード方向斜面6bを図１における型表面上に符号を付して示す。

スパーの最も内側の層を，エンボス加工した真空バッグに十分にかつ確実に付着させて，前記の層が重力下でマンドレルから落下することを防止する。スパーとエンボス加工した真空バッグとの付着がこれらスパーおよびバッグの落下を防止するのに不十分である場合には，随意に，１枚以上の90°トウの保持バンドをマンドレルの外周全体の周りに連続させて，スパーを選択した位置で互いに接続してもよい。

スパーを組み立てた後，繊維配置ヘッド２を取外す。随意に，一組の消耗材（図示せず）を，組み立てたスパーに巻き付けて，封入空気および揮発性物質が以下に説明する熱間圧密化プロセス中に逃げることを可能にし，真空バッグまたは真空膜がスパーに付着することを防止してもよい。

次に，図４に示すように，２個の圧密化フレーム10,11をマンドレルの対向する側面にねじ止めする。圧密化フレーム10,11は同一であるので，フレーム10についてのみ詳細に説明する。圧密化フレーム10は５個のＹ字状のサポートリブを備える。各サポートリブは，マンドレル１のスパー間のギャップにおけるねじ孔にねじ止めされるベース12と，ベース12の対向する側で延びる一対のアーム13,14とを有する。アーム13,14は，図５に最も明りょうに示されるように，上下にそれぞれ約50°の角度をなしている。アーム13,14の外側面は，マンドレルの全長に沿って延びるパネル15,16を担持している。パネル15,16の間の角度は約100°である。

次に，マンドレル，圧密化フレームおよび複合部品を圧密化バッグ20で包む。圧密化バッグ20は，種々の適切な弾性材料から形成することができる。好ましい実施形態において，バッグは，テキサス州フォートワースのモザイト・ラバー社製造のシリコンゴムからなり，封入空気を逃げやすくするフリース製の通気性下地を備えている。

次に，マンドレルと圧密化バッグの間に真空状態を形成して，図６〜図１０に示すように，圧密化フレームと複合部品の間の空隙21内に圧密化バッグを吸引する。この真空状態を，バッグ20における１個以上のポート（図示せず），またはマンドレル１における１個以上のポート（図示せず）を介して付与する。バッグ20にはいずれかの端部にプリーツをつけてバッグの外周を縮小させ，バッグ20を，袋詰めテープ（弾力性パテ）を用いて自動繊維配置機のヘッドストックおよびテールストックのリムに付着させる。

図５に示すように，スパーのウェブに垂直な圧密化フレームの幅Ｗ１を，スパーのウェブに垂直なスパー／マンドレル組立体の幅Ｗ２よりも若干大きくして，真空状態を付与する前に圧密化バッグがスパーのウェブに触れることなく圧密化フレーム10,11の遠位端だけに触れるようにする。各圧密化フレームも，その遠位端よりもそのベースにおいて著しく狭幅とすることにより，ベースを２個のスパーの端部間のギャップ内に収めることができる。

真空状態を付与する際，図６および図８に示すように，バッグ20は，スパーのウェブに係合し，次いで，ウェブがフランジに交わるコーナーを取り巻いて撓み始める。真空状態を強めると，バッグが空隙21内へ吸引されるためバッグが徐々にフランジを圧迫し，それにより，余剰な材料が圧密化バッグによってフランジの端部へと絞られる。

真空状態を付与する前，および真空状態を付与している間，組立体を85℃〜95℃（好ましくは90℃）の圧密化温度へと昇温し，圧密化処理中その温度に保持する。熱は，圧密化の間，オーブン，赤外線加熱素子または他の手段によって加えることができる。随意に，組立体をオートクレーブ内に配置し，１バールを超える圧力をバッグの外側に付与することによって追加的な圧密化圧力を与えてもよい。

バッグ内外の圧力差により，均一な流体静力学的圧力を被加工材の全領域に与える。空隙21にわたるバッグ20の橋渡しにより，バッグを引き伸ばして（ストレッチ），スパーがマンドレルの凸面状コーナーに係合する部分でスパーが反作用を及ぼすバッグの面においてストレッチ力を生じる。従って，各スパーに付与される圧密化圧力は，各スパーの表面にわたって，バッグがマンドレルの頂面および側面上の比較的凸面状でないほぼ平面状のウェブおよびフランジに係合する部位における純粋な流体静力学的圧力（大気圧以下の，またはオートクレーブを使用している場合には大気圧を超える）と，凸面状コーナー６における流体静力学的圧力に付加されたストレッチ圧力を含む増強圧力との間で変化する。

被加工材の圧密化は，圧密化処理段階中における圧力と上昇した温度の組み合わせによって生じる。また，圧密化は，図８および図９に示す中間位置を通じてスパーのフランジを徐々に下方に移動させ，余剰な空気および他の余剰な材料をフランジの端部で絞り出すバッグ20の作用によって支援される。圧密化処理中にスパーの厚みは約10％減少する。

圧密化処理後に，バッグ20（および随意の消耗材）を除去し；圧密化したスパー３，４を，エンボス加工した真空バッグとマンドレルの間の真空状態を除去し保持バンド（使用した場合）を切断することによって，マンドレルから解放し；エンボス加工した真空バッグをスパーから除去し；スパーを雌形養生ツールに移動し；関連する消耗材をスパーの内側成形ライン（ＩＭＬ）に付与する。この後，雌形養生ツールをオートクレーブ内に配置し，約180℃の温度まで加熱し，かつ約７バールまで加圧して，スパーを硬化する。

図１１に，雌形養生ツール30内に配置されたスパー４の一つの例を示す。スパー４は最終的な厚さになっており，このことは，スパーのＩＭＬ表面が養生中に移動する必然性がないことを意味する。従って，養生の間，スパーの厚さは，スパーの非平面状領域で一定であり続ける。

代替的処理において，図１１に示す雌形ツール30上で被加工材を養生する代わりに，マンドレル１上で加工材を養生してもよい。この場合，犠牲層を，幾何公差に適合するように機械加工するためスパーの外側成形ライン（ＯＭＬ）に付加することができる。熱間圧密化処理により雄形ツールで養生したスパーのコーナー形状を制御し，それによって，それらコーナー部分の半径のばらつきを減少させ，必要とされる犠牲層の厚さ（または数）を最小化する。

以上，本発明を１つ以上の好ましい実施形態を参照して説明したが，添付の特許請求の範囲に定義した本発明の範囲を逸脱することなく種々の改変および変更がなされてよいことを理解されたい。

Claims (12)

1. ２個以上の複合部品の製造方法において，
   複合材料のバンドの一連の層をマンドレル上に配置機で載置することによって対向する端部を有する複合部品を前記マンドレル上で組立て；
   前記バンドを前記マンドレル上に載置する際に前記マンドレルを回転させ；
   複合部品を組立てた後，２個以上の圧密化フレームを前記複合部品の前記対向する端部の間で前記マンドレルに取付け；
   前記マンドレル，前記圧密化フレームおよび複合部品を圧密化バッグで包み；
   複合部品を加熱し；
   前記圧密化バッグが前記圧密化フレームと加熱された複合部品の間の空隙内に吸引されて，次第に前記圧密化バッグが加熱された複合部品を圧迫し，それにより，余剰な材料が前記圧密化バッグによって前記対向する端部に向かって絞られるように，前記マンドレルと前記圧密化バッグの間に真空状態を形成し；
   前記圧密化バッグおよび複合部品を前記マンドレルから除去する
   ことを含む，複合部品の製造方法。
2. 請求項１に記載の複合部品の製造方法において，前記バンドを前記マンドレル上に，200 kg 未満の力で配置機により押圧することを含む，複合部品の製造方法。
3. 請求項１または２に記載の複合部品の製造方法において，
   前記圧密化フレームの各々は，前記複合部品の前記対向する端部の間で前記マンドレルに取付けられるベースと，前記圧密化バッグで包まれる遠位端とを備え；
   前記圧密化フレームの各々の幅は，そのベースにてその遠位端よりも狭幅であり，当該圧密化フレームのベースにおける幅は，当該ベースが前記対向する端部の間に収まるように，当該間における幅より幅狭である
   複合部品の製造方法。
4. 請求項３に記載の複合部品の製造方法において，前記圧密化フレームの各々は，前記ベースの対向する側で延びる一対のアームを備える，複合部品の製造方法。
5. 請求項４に記載の複合部品の製造方法において，前記２本のアーム間の角度が180°未満である，複合部品の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合部品の製造方法において，複合部品を，凹状表面領域を有する雌形ツール上で硬化することを含む，複合部品の製造方法。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の複合部品の製造方法において，
   複合部品の各々は，コーナーでフランジにつながるウェブを備え；
   前記圧密化バッグは，まず前記ウェブに接触し，次いで，次第に前記コーナーを取り巻いて撓み，前記フランジを圧迫し，それにより，余剰な材料が前記圧密化バッグによって前記フランジの端部へと絞られる，
   複合部品の製造方法。
8. 請求項７に記載の複合部品の製造方法において，
   複合部品の各々は，一対のコーナーのそれぞれで一対のフランジにつながるウェブを備え；
   前記圧密化バッグは，まず前記ウェブに接触し，次いで，次第に前記コーナーを取り巻いて撓み，前記フランジを圧迫し，それにより，余剰な材料が前記圧密化バッグによって前記フランジの各々の端部のそれぞれへと絞られる，
   複合部品の製造方法。
9. 請求項１〜８のいずれか一項に記載の複合部品の製造方法において，複合部品は航空機部品である，複合部品の製造方法。
10. 請求項１〜９のいずれか一項に記載の複合部品の製造方法において，
    前記配置機によって載置した前記複合材料の前記バンドは，マトリクス材を含浸させた強化繊維を備える，複合部品の製造方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の複合部品の製造方法において，
    前記マンドレルは，長さＬおよびその長さ方向に垂直な方向の平均幅Ｗを有し；
    アスペクト比Ｌ/Ｗは，10を超えている，
    複合部品の製造方法。
12. ２個以上の複合部品を製造するための部品のキットにおいて，
    マンドレルと；
    前記マンドレルを回転可能に支持する支持部材と；
    前記マンドレルに取外し可能に取付けることができる２個以上の圧密化フレームと；
    前記マンドレルおよび前記圧密化フレームを包むことができる圧密化バッグと
    を備える，複合部品を製造するための部品のキット。

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