JP2001510746A - 熱可塑性マトリックスを有する複合材料から成る航空機胴体部等の大寸法のパーツの組立方法 - Google Patents
熱可塑性マトリックスを有する複合材料から成る航空機胴体部等の大寸法のパーツの組立方法Info
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Abstract
Description
を有する複合材料の製造方法に関するものである。
めの複合材料に特有の有利点からの利益を必要とするならば、多くの工業部門で
使用されても良い。よって、航空機産業において、本発明による方法が、特に、
航空機胴体部、航空機ジェットエンジンシュラウド等に使用されても良い。
を通して「外板」と称される)を作る必要がある場合に、この目的を達成するた
めの通常の手段は、レールやフレームや局所補強材等といった補強材を使用する
ことである。
金属プレートの形態であり、かつ補強材は複数のシート状金属プレートまたはリ
ベットのようなファスナにより外板に結合された複数の部分から成る形態であっ
た。多くの金属製構造は、特に大寸法のパーツに対して、現在でもこのような方
法で製造されている。特に、航空機産業において、航空機胴体部及びジェットエ
ンジンシュラウドは、特に米国特許第 560 102号明細書及び米国特許第 586 381号明細書に記載されているように、常にこのような方法により製 造されている。
埋め込まれた炭素繊維のような長寸法繊維から形成された複合材料製パーツに置
き換えられている。この変化は、複合材料に特有な数々の有利点により説明され
る。特に、これらの有利点には、金属製パーツに比較して25%の重量が節約さ
れる一方で、機械的特性が金属製パーツの特性と同等であり、かつ要求に応じて
変更することができる点が含まれている。複合材料製パーツは、さらに、良好な
耐疲労性、非腐食性、及び優れた物性値を有している。重量の節減及び樹脂マト
リックス内に埋め込まれた複数の長寸法繊維を有する複合材料の優れた機械的特
性は、航空機産業におけるこれらの材料の顕著な浸透を物語っている。
は、熱硬化性樹脂から成っている。初期の頃には、この熱硬化性樹脂が、要求さ
れた機械的特性を提供することができた唯一のタイプの樹脂であった。
な欠点があった。使用された樹脂の熱硬化性のために、パーツの製造は必然的に
比較的長時間の重合工程(通常、オートクレーブ内で行われる)で終了していた
。
かつ比較的廉価なオートクレーブが使用され、かつ複数のパーツが各オートクレ
ーブ内で同時に重合することが可能である。
一のオートクレーブ内で重合することができ、かつ非常に大きくかつ非常に高価
なオートクレーブが使用されねばならない。この工程にかかる期間及びオートク
レーブのコストにより、即座に、この方法の工業的実用性が乏しくなる。米国特
許第 170 967号明細書及び米国特許第 223 067号明細書では、航空
機胴体部の製造用に熱硬化性マトリックスを含む複合材料の使用を考えているが
、この技術を使用して大型パーツを工業的に製造することを正当化することは不
可能である。
でき、かつ熱硬化性マトリックスを有する最も最近の複合材料の機械的特性と等
しい機械的特性を有するPEEK(ポリエーテルエーテルケトン)樹脂といった
熱可塑性樹脂が比較的最近登場したので、既存の金属製パーツを熱可塑性マトリ
ックスを有する複合材料を使用して成るパーツにより置き換える傾向がある。
リックスを有する複合材料は、良好な耐衝撃性、耐火性、及び低吸湿性を有して
いる。よって、半完成品は、スレッドに含浸した樹脂がすでに重合されているた
めに、周囲温度において保持することができ、かつ事実上無制限の寿命を有して
いる。
に正確には、この文献には、補強材と外板とを別々に製作することが可能であり
、かつ溶着/拡散により組み立てることが可能であることが記載されている。
てられる前に、外板と補強材に対して硬化工程が施されねばならない。これらの
硬化工程の主たる機能は、空孔を除去しながら、第1に外板を形成しかつ第2に
各補強材を形成する各種層間の結合を作ることであることを記憶に留められたい
。これらの工程には、硬化すべき部材に圧力を負荷する段階と、それを樹脂の融
解温度よりも高い温度に加熱する段階とからなる。これらの硬化工程はオートク
レーブ内で実施される。このため、熱硬化性マトリックスを有する複合材料から
成る各パーツの組立に対する記載で上述したのと同様の理由により、この硬化工
程が大寸法の外板を有するパーツの組立に対しては不向きとなる。
高速な工業的組立に適した高速かつ安価な方法により、航空機胴体部といった大
寸法のパーツを作るための方法であって外板及び最終的構造体のいずれもが、最
終組立工程においてオートクレーブ内に配置される必要がないために、事実上サ
イズの制限を受けることのない方法を提供することである。
を有するパーツを組み立てる組立方法であって、 −熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維のストリップから開始し、積層、硬
化、及び成形により、補強材を個別に作成する段階と、 −組み立てるべきパーツ形状と相補的な形状を有する治具上に補強材を配置す
る段階と、 −補強材が配置される治具上に直接熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維の
少なくとも一つのストリップを連続的に積層しかつ硬化することにより、外板を
製造すると同時に、外板と補強材とを組み立てる段階と、 を備えることを特徴とする組立方法により達成される。
層時に外板を形成する繊維のストリップを連続的に硬化しているために、外板ま
たは所望のパーツをオートクレーブ内に配置する必要がなく、自在な寸法を有す
る各パーツを製造することができる。
ーツの組立時間は特に短い。さらに、先の部分の外板の製造中に、別の部分の補
強材を作ることができる。
る一枚の金属製シートと同様にパネルを形成するために、重合した熱可塑性樹脂
を含浸させた長寸法繊維のストリップを連続的かつ自動的に配置して行き、パネ
ルからブランクを切り出し、かつこれらのブランクを硬化し成形することにより
作られる。
。オートクレーブ内あるいは加熱プレス装置内で硬化できるものは、(通常の寸
法を有する通常のオートクレーブあるいは通常の加熱プレス装置を使用でき、か
つ複数のブランクがプレス装置内で同時に硬化可能であるような)比較的小さな
パーツに関してである。
で良好に配置させる必要がある場合には、熱成形は曲げ工程により行われても良
い。
には、ブランクが加熱プレス装置内で熱成形することにより同時に硬化され成形
されても良い。
は、治具のマンドレル形成部上に形成された凹所内に配置され、積層が行われ、
かつマンドレルがその軸を中心として回転することによりストリップがこのマン
ドレル上にて連続的に硬化される。
、フレーム、及び局所補強材を備える補強材が製造される。
て以下で記載する。
する。図2及び図3で特に示されるように、この種の胴体部は、外板10と、レ
ール12,フレーム14,及び局所補強材16により形成された補強材とを備え
ている。長手方向及び周方向にそれぞれ配置されたレール12とフレーム14は
、胴体部が金属製である場合と同様に、胴体部の骨組を形成している(図3)。
局所補強材16は、外板を補強するために外板10上に(特に、窓17の周囲領
域に)局所的に追加された過剰厚み部を形成している(図3)。
方法は、外板と補強材との組立により形成され熱可塑性マトリックスを有する複
合材料から成る大寸法を有するあらゆるタイプのパーツの製造に使用することが
可能である。結果として、パーツの形状及び寸法は異なっても良く、かつ補強材
の特性,数,及び配置も多様であって良い。特に、本発明は回転体の中空パーツ
の製造に特に適しているが、本発明は回転形状でない異なる形状を有するパーツ
の製造に対しても使用することが可能である。
局所補強材16から構成された各種補強材は、重合した熱可塑性樹脂を含浸させ
た長寸法繊維のストリップ18から開始し、積層、硬化、及び成形により、別々
に製造される。
維が通常使用される。しかしながら、異なる特性を有する繊維及び/または熱可
塑性樹脂が、本発明の枠組みの範囲を超えることなく、複数の適用例に使用され
ても良い。
18が通常使用される。しかしながら、変形例として、重合した樹脂を含浸させ
織られた繊維のストリップが、別の場合に使用されても良い。周囲温度において
、重合した熱可塑性樹脂を含浸させた繊維の層18は、柔軟かつ非結合ストリッ
プであり、かつ通常ロール状に蓄積される。
リップ18を配置して、得るべき機械的特性を考慮するために、異なる層同士で
異なる配置または同じ配置を有する多数の層(すなわちプライ)を形成すること
を有している。さらに、積層段階における重ね合わされた層の数は、補強材12
,14,及び16に対して必要とされる機械的特性に依存する。
依存して、レール12,フレーム14,局所補強材により形成された全補強材に
対して共通であっても良く、あるいはこれらの補強材にそれぞれ特有なものであ
っても良い。さらに、ストリップ18は、全ての補強材に対して同じであっても
良く、あるいは複数の補強材に対して異なっていても良い。
ことが可能である。
重合した熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維から成るストリップを積層する
ように構成されたレイアップヘッド(図示しない)を使用して好適に実施される
。この工程は、仏国特許出願第96 14799号明細書に記載された高速レイ アップヘッドを使用することで、有利に実施される。
次いで、配置されたストリップに圧力を付与し、これを前に置かれたストリップ
上に拡散により溶着する。レイアップヘッドは、ストリップ同士が再び分離する
ことを防止するために、その後すぐにストリップを冷却する。さらに、各ストリ
ップの互いに正確な位置決めを行うための手段を備えていても良い。
を配置する。よって、この積層工程により得られたパネル20は、好ましくは大
寸法を有する平坦なパネルであり、工業的工程の枠組み内で連続的に製造するこ
とが可能である。
れる。製造すべき補強材12,14,及び16の寸法に適した寸法を有するブラ
ンクを製造するために、切断が行われる。さらに、これらの寸法は、補強材が成
形された後に整形が必要な場合には若干大きくてもよい。
化工程(材料内部の空孔を除去し、かつ種々の構成層間の結合を向上させる主た
る目的を有している)が実施される。
ルから20バールの間に)加圧すること、及び樹脂を軟化させるために樹脂溶融
温度よりも通常高温(例えば、PEEK樹脂の場合には約400°C)に加熱す
ることにより特徴付けられている。
ても良い。
ーブが用いられることに留意されたい。なぜなら、硬化すべきブランク22の寸
法は、補強部材における、これらの部材が成形される前に組み立てられる部分の
寸法に対応しているからである。同一のオートクレーブ内で複数のブランクを通
常硬化することも可能であり、その場合には時間及びコストの大幅な節約が可能
である。
についてはdに,及び局所補強材16についてはeにそれぞれ図示されているよ
うに、別々に成形されている。
るストレート部(あるいは概略ストレート部)である。異なる断面(例えば、L
字状、Z字状、またはU字状断面)を有するストレート部が、同様な方法により
製造され、最終パーツに組み立てられても良い。
及びバックを備えた加熱プレスタイプの装置で、熱成形により成形される。熱可
塑性マトリックスを有する複合材料から成る成形パーツに対する熱成形手法は周
知であり、従って、ここでは、熱成形手法についての詳細な説明は行わない。
ら成る局所補強材16といった補強材も、予め硬化された平坦なブランク22か
ら開始して、特にパンチとバッグの間で、熱成形により製造されても良い。特に
、成形は、上述した欧州特許第584 017号公開公報にて記載された加熱プ レス装置と同様な加熱プレス装置内で行っても良い。
階及び成形段階は同時に行われても良い。次に、パネル20から切り出された平
坦なブランク22は、これら二つの機能を同時に行う加熱プレス装置内に直接配
置される。ここでも、欧州特許第584 017号公開公報にて記載された加熱 プレス装置と同様な加熱プレス装置を使用することができる。
状に湾曲した部分である。図示した実施形態において、これらの部分はU字断面
形状を有している。本発明の範囲から逸脱しなければ、他の断面(例えば、L字
断面形状)とすることも可能である。
形部材を得るために、まずこのブランクは、部材の全周囲で繊維の連続性が確実
となるように、その平面内で曲げられねばならない。特に、仏国特許第635 484号公開公報にて記載された装置と同様の装置を(使用する樹脂の熱可塑性
を考慮して変更した後に)使用して、上記の曲げが行われても良い。この変更は
、ストリップを曲げる円錐状ローラの入力側に、特に加熱手段を追加することに
より行われる。
パンチとダイの間、またはパンチとバッグの間で熱成形により成形される。同様
にして、レール12が上述したよう成形されても良い。
の積層工程、硬化工程、及び成形工程を、胴体部の大量製造に対する工程の枠組
みの範囲内で同時に実施できるということに気づくことが重要である。
可能である場合には、図2に示しているように、これら全ての補強材が治具23
上に配置されている。
ル)を備えている。このマンドレルにおいて、外表面の形状は製造すべき胴体部
の外板10の下側表面の形状と相補的である。円形マンドレル24は、簡単な記
載にて図2に示されている。
る各スポーク26に取り付けられている。この中央ハブを介して、マンドレルは
、図2における矢印F方向に回転駆動される。この回転駆動は、制御された比較
的低定速度でマンドレル24を回転させる適切な手段により提供される。
12,14,及び16の形状と相補的である。よって、レール12,フレーム1
4,及び局所補強材16がこれら各凹所30に配置された場合には、これら全て
の補強材が、各凹所30間のマンドレル24の外面と面一にされる。
aが(例えばフレーム14に)形成されているために、各レール12及び交差す
る各フレーム14を組み立てることが可能である。各ノッチ14aは、レール1
2とフレーム14とが凹所30内に配置される前に形成される。
ることも可能である。結果として、マンドレルは、互いに組み立てられかつ取り
外し可能な複数のセクタから形成されても良い。あるいは、マンドレルは、それ
自体に引込み可能としても良く、あるいはマンドレルが終了した時に、パーツの
取り外しを容易にする他の手段を使用しても良い。
各凹所30に配置されたときに、外方に面する中空のパーツを有している。好ま
しくは、コア40がこれら中空パーツ内に配置され、外板が組み立てられている
間に外板10が変形することを防止している。パーツの組立が終了したときに、
容易に破壊できまたは取り外し可能な材料から成っているコア40(例えば、溶
解可能コア)が、成形に対して使用される技法と同様な技法を用いて、使用され
る。
程の次の段階が図2に示すように始まる。この段階の間、この外板と補強材12
,14,及び16とが、積層及び重合した熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊
維のストリップ32の連続的硬化により組み立てられると同時に、外板10が、
これら補強材が結合したマンドレル24上に直接組み立てられる。
ル12,フレーム14,及び局所補強材16に対して使用されたストリップの特
性と同様である。よって、このストリップは、通常、既に重合されたPEEK(
ポリエーテルエーテルケトン)樹脂を含浸させた炭素繊維ストリップである。し
かしながら、特別な適用例においては、外板10を形成する複合材料は、補強材
が形成されている材料とは異なるものであって良いことを注意されたい。
回されたストリップ32から始まって、実施される。積層及び連続硬化は、符号
36で図示されたレイアップヘッドを使用して行われる。このレイアップヘッド
36は支持部(図示せず)に取り付けられ、これによりマンドレル24の軸と平
行に前進移動する。マンドレルが矢印F方向に回転駆動されるときに、ストリッ
プ32は、パーツの外板10を前進形成するように定められた積層手順に従って
、マンドレルの周囲に螺旋形状に巻回される。さらに、ストリップ32は、マン
ドレル24の軸に平行に配置されても良い。
の他の相対移動が、外板10を形成するために採用されても良いことを注意され
たい。
、(組立てられた)外板10を連続的に硬化させ、この外板10とレール12,
フレーム14,及び局所補強材16により形成された各補強材とを組み立てるよ
うに、構成されている。結果として、レイアップヘッド36は、所定の圧力周期
及び所定の温度周期を材料に作用させる。この周期は、マンドレル24上での作
用工程(すなわち、ストリップがマンドレル上に当てられたときに、ストリップ
32を加圧する作用工程)が、配置されたばかりのストリップを冷却する工程に
移行する前に、急速にストリップ32を加熱する工程を有している。
着させ、かつ空孔の除去を容易にするように、ストリップ32が樹脂の溶融温度
よりも高い温度に予め加熱される。一例として(ただし、これに限定されない)
、約400°Cの温度がPEEK樹脂に使用されても良い。
の間の圧力で(例えばロール38により)マンドレル24に当接される。
続いて冷却される。目標は、樹脂の溶融温度以下に(可能ならばガラス転移温度
以下に)ストリップの温度を低下させることである。
、かつストリップ32が切断される。外板10が、既に硬化されかつ(この場合
に、レール12,フレーム14,及び局所補強材16から成る)補強材に対する
拡散により溶着される。
内側に位置した各コア40を除去した後に、胴体部が即座に得られる。特に、得
られた胴体部は、その後オートクレーブ内に配置する必要がない。
ghtning protection)を組み込み、かつペイントを塗ることが可能な第1コーテ
ィングの塗布のような少なくとも部分的な最終工程を行うように、マンドレル2
4とレイアップヘッド36を支持するフレーム(図示せず)を使用しても良い。
低コストにより、外板と補強材とを組み立てることにより形成され熱可塑性マト
リックスを有する複合材料から成り大寸法を有するパーツを組み立てるために使
用できることを示している。通常金属製の非常に多くのパーツは複合材料で構成
することが可能であり、そのためこれらの材料に特有な有利点を得ることが可能
である。
を有する複合材料を用いた製造技法を使用することが出来ないか、あるいは使用
するには非常に高価である場合に、別の材料(特に金属製材料)から成る他の補
強材または他の部材を追加することを妨げるものではない点に注意すべきである
。
よる方法における第1段階を記載した図である。
による方法の最終段階を示す横断面図である。
を示す斜視図である。
を有するパーツを組み立てる組立方法であって、 −熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維のストリップから開始し、積層、硬
化、及び成形により、補強材を個別に作成する段階と、 −組み立てるべきパーツ形状と相補的な形状を有する治具上に、補強材を配置
する段階と、 −補強材が配置される治具上に直接熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維の
少なくとも一つのストリップを積層しかつ連続的に硬化することにより、外板を
製造すると同時に、外板と補強材とを組み立てる段階と、を備えてなる組立方法において、 前記補強材が配置される前記治具上に直接前記熱可塑性樹脂を含浸させた長寸 法の繊維の少なくとも一つのストリップを積層しかつ連続的に硬化し、続いて配 置されたばかりの前記ストリップを前記樹脂の溶融温度以下の温度に冷却するこ とにより、前記外板を製造すると同時に、該外板を前記補強材と組み立てる段階 と、 をさらに備えることを特徴とする組立方法により達成される。
積層時に外板を形成する繊維のストリップを連続的に硬化することを有している
ために、外板または所望のパーツをオートクレーブ内に配置する必要がなく、自
在な寸法を有する各パーツを製造することができる。
る一枚のシート状金属と同様にパネルを形成するために、重合した熱可塑性樹脂
を含浸させた長寸法繊維のストリップを連続的かつ自動的に配置して行き、パネ
ルからブランクを切り出し、かつこれらのブランクを硬化し成形することにより
作られる。
Claims (10)
- 【請求項1】 外板(10)及び補強材(12,14,16)を備える複合
材料から、大寸法を有するパーツを組み立てる組立方法であって、 −熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維のストリップ(18)から開始し、
積層、硬化、及び成形により、前記補強材(12,14,16)を個別に作成す
る段階と、 −組み立てるべき前記パーツの形状と相補的な形状を有する治具(23)上に
前記補強材(12,14,16)を配置する段階と、 −前記補強材(12,14,16)が配置される前記治具(23)上に直接前
記熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の繊維の少なくとも一つのストリップ(32
)を積層しかつ連続的に硬化することにより、前記外板(10)を製造すると同
時に、該外板と前記補強材(12,14,16)とを組み立てる段階と、 を備えることを特徴とする組立方法。 - 【請求項2】 前記補強材(12,14,16)は、パネル(20)を形成
するために、重合された前記熱可塑性樹脂を含浸させた長寸法の前記繊維の前記
ストリップ(18)を連続的かつ自動的に配置し、ブランク(22)を前記パネ
ルから切り出し、かつ前記ブランク(22)を硬化しかつ成形することにより作
製されることを特徴とする請求項1記載の組立方法。 - 【請求項3】 前記ブランク(22)は、成形される前に硬化されることを
特徴とする請求項2記載の組立方法。 - 【請求項4】 前記ブランク(22)は、オートクレーブまたは加熱プレス
装置内で硬化されることを特徴とする請求項2または3に記載の組立方法。 - 【請求項5】 前記ブランク(22)は、熱成形により成形されることを特
徴とする請求項2乃至4のいずれか一つに記載の組立方法。 - 【請求項6】 前記ブランク(22)は、熱成形により成形される前に、曲
げられることを特徴とする請求項5記載の組立方法。 - 【請求項7】 前記ブランク(22)は、加熱プレス装置内で、同時に硬化
されかつ成形されることを特徴とする請求項2記載の組立方法。 - 【請求項8】 中空のパーツの製造に適用する組立方法であって、前記補強
材(12,14,16)を前記治具(24)のマンドレル(23)形成部上に形
成された凹所内に配置し、次に積層が行い、かつ前記マンドレルをその軸を中心
として回転させることにより、前記ストリップ(32)を前記マンドレル上で連
続的に硬化することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか一つに記載の組立方
法。 - 【請求項9】 補強材を、レール(12),フレーム(14),及び局所補
強材(16)より構成し、該補強材を航空機胴体部の製造に適用することを特徴
とする請求項8記載の組立方法。 - 【請求項10】 避雷保護が前記外板(10)内に組み込まれていることを
特徴とする請求項1乃至9のいずれか一つに記載の組立方法。
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