JP2007046151A - 被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートの工業化可能な製造方法を提供する。
【解決手段】被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法であって、各フィラメントが、金属シースで被覆されたセラミック繊維を有し、被覆されたフィラメントのシート５９をピースに巻き付けるステップを含み、該ステップにおいて、巻き付けの開始時に、インサートの内側部分を拘束するための金属シム６３が巻き付けられ、巻き付けの終わりに、インサートの外側部分を拘束するための金属シム６３’が巻き付けられることを特徴とする方法である。この方法は、航空機用ターボ機械の構成部品の製造に適用される。
【選択図】図１２

Description

本発明は、金属母材内にセラミック繊維を含むタイプの複合材料製インサートを組み込む構成部品の製造に関する。

特に航空の分野において、最小限の質量および最小限のサイズのために構成部品の強度を最適化することが、不断の目標の１つである。あるいくつかの構成部品は、今後、金属母材の複合材料で作られたインサートを含んでもよく、そのような構成部品は、おそらくはモノリシックであろう。そのような複合材料は、例えばチタン（Ｔｉ）合金などの金属合金母材を備え、この母材内を、例えば炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック繊維などの繊維が延びている。このような繊維は、チタンよりもはるかに大きい引っ張り強度を有している（典型的には、１０００ＭＰａに対して４０００ＭＰａ）。したがって、繊維が荷重を引き受ける一方で、金属合金母材が、構成部品の残りの部分について結合剤の機能を提供するとともに、互いに接してはならない繊維を保護および絶縁するという機能も提供する。さらに、セラミック繊維は、耐腐食性を有しているが、金属によって補強されなければならない。

このような複合材料は、ブレードなどのモノリシックな構成部品のための補強材など、ディスク、軸、ラム本体、ケーシング、およびスペーサの製造に使用することができる。

そのような複合材料製のインサートを得るため、金属によって被覆されたセラミック繊維を含む「被覆されたフィラメント」と称されるフィラメントが、前もって形成される。金属が、フィラメントに取り扱いのために必要な弾性および可撓性を付与する。好ましくは、きわめて細いカーボンまたはタングステンフィラメントが、繊維の軸に沿って繊維の中央に位置し、このカーボンフィラメントが、炭化ケイ素で被覆される一方で、繊維に付着された液状金属が冷却されるときに生じる熱緩和の相違の際に、拡散障壁／緩衝機能をもたらすため、繊維と金属との間の界面に、カーボン薄膜が設けられている。

複合材料フィラメントまたは被覆されたフィラメントの製造は、例えば電界中での金属の蒸着、金属粉末を使用した電気泳動、または液状金属の槽中へのセラミック繊維の浸漬被覆など、さまざまなやり方で実行できる。セラミック繊維を液状金属へと浸漬させるそのような被覆プロセスが、本件出願人の名義による欧州特許第０９３１８４６号明細書に提示されている。このプロセスは、すでに述べた他のプロセスよりも、はるかに高速である。このようにして、構成部品に含まれる複合材料インサートの形成のための基礎として機能する、複合材料フィラメントまたは被覆されたフィラメントが得られる。

金属合金母材の複合材料で作られたインサートを備える構成部品を得るための知られているプロセスにおいて、被覆されたフィラメントが、プレフォームと呼ばれる加工品から形成される。そのようなプレフォームは、中央のマンドレルの周囲に延びる２枚の金属製保持フランジの間に、被覆されたフィラメントを巻き付けることによって得られる。巻き付けは、螺旋状に行われ、得られるプレフォームは、ディスクの形態であり、その厚さは、プレフォームを構成している被覆されたフィラメントの厚さである。プレフォームの連結を確実にするため、保持フランジが開口を含み、例えばアクリル樹脂など結合機能をもたらす材料が、この開口を通じて噴霧される。

図１は、複合材料インサートを備える構成部品の一実施形態を概略的に示している。図１を参照すると、それぞれがディスクの形態である複数のプレフォーム１が、円筒形の全体形状を有する容器２内で重ねられている。容器は環状の空洞３を有し、空洞３の容器の軸４を横切る断面形状は、プレフォーム１の断面形状である。プレフォーム１は、空洞３の全高が埋められるまで積み重ねられる。典型的には、このようにして８０個のプレフォームが重ねられる。この作業は手作業である。

次いで、例えばアクリル樹脂である結合剤をプレフォーム１から取り除くように、結合剤の除去作業および引き続くガス抜き作業を実行する必要がある。これは、プレスの段階において冷間および熱間時に、いかなる混入元素もチタンに接触したまま残っていてはならないためである。

環状の蓋５が、環状の空洞の形状と相補的な形状であるが、軸方向の寸法は空洞よりも小さい突起６を有し、この蓋５は、容器２の上部に配置され、突起６は、上部のプレフォーム１に接触される。蓋５は、例えば電子ビーム溶接によって容器２へと溶接され、このアセンブリが、好ましくは真空中に置かれる。続くステップは、このアセンブリに熱間等静圧プレスを加えるステップである。この作業の際、並置され被覆されたフィラメントからなるインサートが圧縮され、被覆されたフィラメントの金属シースが、一体に溶接され、さらに拡散によって容器２の空洞３の壁面に溶接されて、内部でセラミック（ここでは、ＳｉＣ）繊維が環状に広がっている金属合金（例えば、チタン合金）から構成される、密なアセンブリが形成される。

積み重ねたプレフォーム１を圧縮することによってもたらされる複合材料からなるインサートを含む、円筒形の構成部品が得られる。この構成部品に対し、任意に応力緩和処理を加えることができ、アセンブリが冷却されるとき、セラミック繊維とそれらが埋め込まれている金属との間の膨張の相違を、補償することが可能になる。

次いで構成部品は、一般的には、最終の構成部品を得るように機械加工される。例えば、目的が、一体のコンプレッサディスク（用語「一体」は、ブレードが、ディスクとともにただ１つの構成部品から形成されることを意味する）を製造することであれば、その複合材料インサートを含む容器が、ブレードを支えるリムの一部分が複合材料インサートを含む一体のブレード付きディスクまたは「ブリスク（ｂｌｉｓｋ）」を形成するように機械加工される。このリムは、リムの塊に含まれているセラミック複合材料のセラミック繊維によってアセンブリにもたらされる高い剛性および大きな強度のために、金属合金で作られた従来からのモノリシックディスクのリムに比べ、はるかに小さな寸法である。特に、このようなリムを、インサートが存在しないフランジまたはディスクの形態ではなく、単純なリングの形態とすることができる。

複合材料インサートを備える構成部品を製造するためのこのプロセスは、多くの欠点を有し、その各ステップにおいて必要とされる長さ、複雑さ、および正確さゆえに、工業規模で活用することが不可能である。

第１に、セラミック繊維は脆いため、被覆されたフィラメントについての作業は、何よりもまずそれらの間の接触を防止しなければならず、被覆されたフィラメントの溶接は、これまでは考えられていない。

さらに、結合剤の除去およびガス抜きの作業は、時間がかかるばかりか、結合剤がすべて除去されたかどうかが確実ではない。結合剤の完全な消失を保証することが、特に、後でチタン合金が正しく作用するために必要であるが、結合剤の完全な消失を保証するためには、結合剤の除去およびガス抜きのステップが、複数回必要である。これにより、プロセスの総所要時間が長くなり、プロセスの全体コストが高くなってしまう。

さらに、２つのフランジの間へと巻き付けられるときにフィラメントが破損するなら、この問題を解決して巻き付けを再開するための手段が、現時点において存在していないことから、新たなプレフォームを形成する必要がある。

さらに、被覆されたフィラメントのプレフォームを容器内に配置するステップが、現在のところ手作業である。この作業のコスト、および特にその正確さが、これによって影響を受ける。構成部品の主応力に従ったセラミック繊維の向きがきわめて大きな影響を有する、被覆されたフィラメントの容器内への配置は、それが複合材料の性能を決定する限りにおいて、今や製造手順において決定的な要因となっている。さらに、フィラメントの容器内への配置は、構成部品の製造の種々のステップにおいて、セラミック繊維の完全性を保存することによって、複合材料の品質を決定する。最後に、フィラメントの容器内への配置は、やはり被覆されたフィラメントを配置する作業が、比較的時間を要し、かつ手作業にて実行されるため、構成部品の最終的なコストを決定する。したがって、容器内へのフィラメントの配置が改善されれば、利益があるに相違ない。
欧州特許第０９３１８４６号明細書

したがって、本発明の目的は、被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートの工業化可能な製造方法を提供することにある。

本発明によれば、被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法であって、各フィラメントが、金属シースで被覆されたセラミック繊維を有し、互いに接合された被覆されたフィラメントのシートをピースへと巻き付けるステップを含み、該ステップにおいて、巻き付けの開始時に、インサートの内側部分を拘束するための金属シムが巻き付けられ、巻き付けの終わりに、インサートの外側部分を拘束するための金属シムが巻き付けられることを特徴とする。

図面を参照し、この方法の実施についての以下の説明から、本発明がより明確に理解され、他の特徴が明らかになるであろう。

本発明は、金属母材の内部をセラミック繊維が延びる、金属母材からなる複合材料で作られたインサートを含む構成部品の形成に関連する。この複合材料は、金属で被覆されたセラミック繊維を有するフィラメントを事前に製造することによって得られる。本発明の一実施形態においては、これが、チタン合金で被覆された炭化ケイ素（ＳｉＣ）セラミック繊維である。好ましくは、きわめて細いカーボンまたはタングステンフィラメントが、繊維の中心に、その軸に沿って位置している。このカーボンフィラメントが、炭化ケイ素で被覆される一方で、繊維に付着された液状金属が冷却されるときに生じる、熱膨張の相違において、拡散障壁／緩衝機能をもたらすため、繊維と金属との間の界面に、カーボン薄膜が設けられている。複合材料フィラメントの製造は、例えば電界中での金属の蒸着、金属粉末を使用した電気泳動、または液状金属の槽中への繊維の浸漬被覆など、さまざまなやり方で実行できる。好ましくは、本出願人の名義による欧州特許第０９３１８４６号明細書に提示されているように、セラミック繊維を液状金属へと浸漬させる被覆プロセスである。このようにして、以下では被覆されたフィラメントと称し、構成部品中に取り入れられる複合材料インサートの製造のための基礎として機能する、複合材料フィラメントが得られる。

被覆されたフィラメントからなる接合シートの製造のためのプロセスを、まず説明する。

まず、複数の被覆されたフィラメントが、好ましくはセラミック繊維を液状金属の槽に浸漬させる被覆プロセスによって、知られている技術の１つに従って生成される。これらのフィラメントは、それぞれボビンへと巻き取られる。各フィラメントは、例えば０．２ｍｍから０．３ｍｍの直径を有している。

図２を参照すると、それぞれ被覆されたフィラメント８が周囲に巻き付けられている複数のボビン７が、複数のボビン７からなるモジュール９に配置されている。このモジュール９は、フィラメント８を互いに交差させることなく、後述のワーピングモジュール（ｗａｒｐｉｎｇ ｍｏｄｕｌｅ）に向かって引き出すことができるように、ボビン７を配置することを可能にしている。この場合、ボビンモジュール９が、ボビン７を支持する二等辺三角形の形態の構造を有し、ボビン７の半分がこの三角形の片側に沿い、残りの半分がこの三角形の他方の側に沿い、三角形の頂点が、ボビンモジュール９の構造を形成している三角形の対称軸上に位置する点に向かって、フィラメント８がボビン７から引き出される側に向けられている。

他の実施形態においては、各ボビン７が、被覆されたフィラメントの束（または、アレイ）を支持してもよい。すなわち、１００本の被覆されたフィラメントからなるシートを形成するために、それぞれが周囲に巻き付けられた１０本の被覆されたフィラメントの束を有する１０個のボビン７を、使用することができる。

被覆されたフィラメント８は、ワーピングモジュール１０に向かって引き出される。このワーピングモジュール１０は、その構造が当業者にとって理解できるため、ここでは概略的かつ大まかな様相で示されている。これは、織物の分野において使用されるワーピングモジュールに類似している。ワーピングモジュール１０は、フィラメント８を、相互に重なることなく互いに接した同じ平面内の層として、互いに平行に延ばすことができる、案内手段を含む。その目的は、互いに接した平行フィラメント８からなる平坦なシートを形成することにある。

このようにしてワーピング状にされたフィラメント８が、レーザ溶接モジュール１１へと送り込まれる。このモジュールは、その上をフィラメント８が移動する平坦な支持体１２を含み、支持体の上方に、レーザ溶接装置１３が取り付けられている。したがって、フィラメント８は、レーザ溶接装置１３を通過して駆動される。アセンブリ全体は、例えばノズルによって注入されるアルゴンの雰囲気など、好ましくは不活性雰囲気中に収容される。レーザ溶接装置１３は、例えばネオジム（Ｎｄ）をドープしたＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザを備えることができ、このレーザは、その出力およびレーザビームの照射点が高度に正確であるという利点を有し、さらにきわめて微細なビームを有するという利点を有している。レーザは、好ましくは２Ｗから５Ｗの間の出力を有している。

レーザ溶接モジュール１１の下流側において、フィラメント８は、ボビンモジュール９から支持体１２上を並進するように、フィラメント８を引き出すためのモジュール１７によって駆動される。この駆動モジュール１７は、この場合には、周囲にフィラメント８が巻き付けられる回転ボビン１７’を備える。ボビン１７’は、矢印１８によって示されているとおりに回転する。この結果、フィラメント８が、駆動モジュール１７によって、ボビンモジュール９のフィラメントのボビン７から、ワーピングモジュール１０およびレーザ溶接モジュール１１に沿って駆動され、アセンブリ全体が、被覆されたフィラメント８からなる接合シートを形成するための装置５５を形成している。接合シートは、駆動モジュールのボビン１７’へと巻き取られる。

図５は、２つのフィラメント８を一体に溶接するためのレーザ溶接モジュール１１において、フィラメント８の走行方向を横切る平面の断面図を示している。溶接は、レーザ溶接装置１３を用いたスポット溶接によって実行される。各フィラメント８が、複数のスポット溶接部によって隣のフィラメントに接合される。各フィラメント８は、すでに理解されたように、例えばＴｉ合金で作られた金属シースなど、金属シース１５で被覆されたセラミック繊維１４を有している。レーザビームが、矢印１６によって示されているとおり、支持体１２に沿って駆動されるすべてのフィラメント８の軸を含む平面に垂直に、連続する２つのフィラメント８の間の接触点の方向に向けられる。これにより、フィラメントの金属シース１５の局所的な溶融が生じる。レーザは、セラミック繊維１４が、この局所的な溶融によって影響を受けることがないことを確実にするよう低い出力で、しかしながら高度に集中させて使用される。金属シース１５のうちの最小限の容積が、溶融させられる。これは、フィラメント８を、この場所において一体に接合されることを確実にするために十分である。溶接の各種パラメータは、金属の溶融から生じる溶接プールが流れ出すことがないように最適化される。

レーザビームが、セラミック繊維１４を損傷させることがないよう、フィラメント８の平面に垂直に、２つのフィラメント８に重なる点領域に沿ってレーザビームを向けることが重要であり、その完全性が、複合材料インサートを備える構成部品の製造への適用において、レーザビームに割り当てられた作業に必要な条件である。

スポット溶接は、きわめて強力である必要はない。スポット溶接の機能は、接合シートを形成するという目的のために、単にフィラメント８の全体の連結、または相互の保持を確保することにある。この連結は、例えば複合材料インサートを有する構成部品を構成する目的において、シートの取り扱い、ならびに場合によっては巻き付けおよび引き出しを可能にするために、ちょうど十分に強力でなければならない。すなわち、溶接は、フィラメント８を一体に保持するためだけのものである。

図３および図４は、この場合において、１２本の被覆されたフィラメント８を有するシートの形成について、レーザ溶接モジュール１１について考えられる２つの動作モードを概略的に示している。

図３の動作モードにおいては、被覆されたフィラメント８が、レーザ溶接装置１３の下方に位置したとき、フィラメント８を静止状態のままであるように、駆動モジュール１７が停止する。次いで、溶接装置１３が、溶接装置１３下のフィラメントの走行方向に垂直なセグメントに沿って、隣接するフィラメント８間に一連のスポット溶接部を生成する。この目的のため、溶接装置１３は、図５を参照して上述したとおり、２つのフィラメント８の間に第１のスポット溶接部１９を形成する。次いで、溶接装置１３が、２つのフィラメント８間の次の接触点に一致するように、フィラメント８の走行方向に垂直に停止および移動され、この２つのフィラメントを第２のスポット溶接部１９において溶接し、すべてのフィラメント８が、この変位セグメントに沿って一体に接合されるまで、以下同様である。このようにして、溶接装置１３が、溶接装置１３の直下のフィラメント８の走行方向に垂直に、スポット溶接部１９からなるセグメントを作り出す。次いで、駆動モジュール１７が、フィラメント８を長さ「Ｌ」だけ溶接装置１３を通過して走行させるように動作し、次いで、第１のセグメントと平行な他のセグメントについて、動作が繰り返される。

図４に示した動作モードにおいては、フィラメント８が、矢印２０によって示されている走行方向および向きに連続的に駆動され、この移動は、駆動モジュール１７によってもたらされる。溶接装置１３は、上述と同じ動作を実行し、すなわち溶接動作、およびフィラメント８の移動方向２０に垂直な経路に沿った次の点に向かう変位などを、第１のフィラメント８から最後のフィラメントまで実行し、次いで逆の様相で実行する。フィラメント８の移動の速度が十分に低速であれば、移動する２つのフィラメント間のスポット溶接部１９の溶接が、可能である。したがって、一連のスポット溶接部１９が、フィラメント８間に生成され、フィラメント８によって形成されるシート上にジグザグを形成する。

このようなジグザグ状のスポット溶接部１９の分布を、各スポット溶接部１９を溶接するときに、駆動モジュール１７を停止させて得ることも可能であり、駆動モジュール１７が、溶接装置１３が移動する間に、各スポット溶接部１９間の短い距離「ｌ」だけフィラメント８を駆動する。

さらに、スポット溶接部１９を形成する瞬間において、フィラメント８の移動の速度を遅くするだけで、作業を行なうことも可能である。

スポット溶接部１９のこのような分布の利点は、フィラメント８によって形成されるシートの表面全体にわたる均一性の向上にある。

いずれの場合においても、フィラメント８は、レーザ溶接モジュール１１を離れる際には、フィラメント８が、保持するスポット溶接部１９において一体に接合された接合シートの形態にある。このシートが、駆動モジュール１７のボビン１７’へと巻き取られる。

ここでは、被覆されたフィラメント８からなる接合シートの製造プロセスの準備段階については言及していない。この段階は、例えばプロセスの開始において、フィラメント８を互いに接合することなくボビン１７’へと巻き付ける（したがって、最終的に巻き付けられたシートの最も内側の部分は、シートの形態ではない）ことによって、あるいは、例えばプロセスの開始において、フィラメントを他の駆動装置を使用して駆動し、シートの形態をとり始めたときにボビン１７’へと接続することによってなど、当業者によって自由に構成することができる。

図３に示したセグメント構成に関連するスポット溶接部１９のセグメント間の間隔「Ｌ」、または図４に示したジグザグ構成における連続する２つのスポット溶接部１９の間の長手方向の間隔「ｌ」は、被覆されたフィラメント８からなるシートに所望される剛性に応じて設定される。すなわち、剛直なシートのためには、スポット溶接部１９が互いに接近され、一方柔軟なシートのためには、スポット溶接部１９がさらに離される。当然ながら、スポット溶接部１９の分布について他の構成も、考えることができる。スポット溶接部１９の構成および間隔は、特に、巻き付けられる必要があるか、ねじられる必要があるかなど、接合シートの意図される用途に応じて選択され、用途の所定の条件のもとで、アセンブリ全体の結合を確保するための最小限の間隔を考慮する。スポット溶接部１９の分布の構成に関する仕様は、プロセスそのものによって決まるというよりはむしろ、被覆されたフィラメント８からなるシートに意図される用途によって決まる。

レーザ溶接の実行速度および正確さゆえ、まさに説明されたプロセスを実現するために、フィラメント８が一体に接合される被覆されたフィラメント８からなる接合シートを、自動システムにおいて、工業規模で製造することが可能である。したがって、被覆されたフィラメント８からなる大量のシート（数キロメートルの同じシートを、形成することが可能である）を、種々のやり方で利用することが可能な形式で、迅速に得ることができる。さらに、フィラメント８の金属シース１５を溶融させることによって、シートが一体に接合されており、すなわち材料の追加がなく、特に接着剤などの結合剤の添加がないため、被覆されたフィラメントを使用した複合材料インサートを備える構成部品を製造するためのより一般的なプロセスに存在する結合剤の除去に関するすべてのステップを、無くすことができる。

複合材料インサートを備える構成部品を製造するためのプロセスであって、被覆されたフィラメントの束またはシートを巻き付けるステップを含むプロセスを、以下に説明する。

このプロセスは、被覆されたフィラメントの束またはシートを、中間部品に巻き付け、次いで容器の空洞へと組み込むステップ、すなわち容器の内側部品へと直接巻き付け、次いで外側部品によって完結させるステップを含む。すなわち、空洞の幅を有しているプレフォームを空洞の全高にわたって積み重ねるのではなく、幅が空洞の高さに対応する被覆されたフィラメントの束またはシートが、空洞の幅を満たすことができる数の層にて巻き付けられる。

このプロセスを実行するための第１の方法が、図６から図８に示されている。この実行方法において、容器の内側部品を形成するピース３９が、前もって機械加工される。用語「容器」は、被覆されたフィラメントを受け入れるように構成された環状の空洞を有する、軸４０を中心とする回転体を意味するものと理解される。そのような容器は、好ましくは、ここではＴｉ合金であり、被覆されたフィラメントの被覆と同じ金属で作られる。容器の内側部品を形成するピース３９は、軸４０を中心とする一部品の回転体である。ピース３９の内側部分４１は、容器の高さに等しい高さ「Ｈ」を有し、用語「高さ」は、軸方向の寸法を意味するものと理解される。ピース３９は、この内部部分４１に関して周囲に、容器の環状の空洞の高さ「ｈ」および幅「ｄ」に対応する、高さ「ｈ」および幅「ｄ」の第１の肩部４３をもたらす、面取り部分４２を有している。用語「幅」は、径方向の寸法を意味するものと理解される。この第１の肩部４３の周囲から、第２の肩部４４が延びており、第２の肩部４４の径方向の寸法によって容器の幅が完結しており、第２の肩部４４の表面は、環状の空洞の表面の高さに満たない高さまで延びている。

換言すると、容器の内部部品を形成しているピース３９が、容器の高さに満たない高さの外側リング（図８の参照符号４６に見られることができる）が除去される容器に対応しており、容器に形成される環状の空洞の外側に位置する径方向の領域を自由にしている。

したがって、被覆されたフィラメント４７からなる束（または、アレイ）または接合シートを、第１の肩部４３の高さ「ｈ」を形成している壁面へともたらすことができ、この肩部４３は、外側の壁面がない環状の空洞に対応している。

フィラメント４７の束またはシートを部品３９に巻き付けるため、最初の巻き付けの際に、これらフィラメントを肩部４３の壁面へと固定することが好ましい。この固定は、ここでは詳述しないが、好ましくは、２つの電極間の接触溶接プロセスおよび中周波の電流の通過によって得られる。

被覆されたフィラメント４７の束（または、アレイ）が存在する場合には、この束を繰り出すため、シートを製造するためのプロセスの場合における図２のボビンモジュールおよびワーピングモジュールに類似する、ボビンモジュールおよびワーピングモジュールを使用することが、例えば可能であり、次いで、ワーピングされた束が、ピース３９へと直接巻き付けられる。

被覆されたフィラメント４７からなる前形成された接合シートが存在する場合には、好ましくはこれを、上述のようにシート製造のためのプロセスに従って形成されることができる。ボビン、例えば図２に示したシートの製造のための装置の駆動モジュール１７のボビン１７’に巻き付けられたシートが、容器の内部部品を形成するピース３９へと巻き付けられるように繰り出される。

図２の駆動モジュール１７のボビン１７’を、容器の内部部品を形成するピース３９で直接置き換え、シートをピース３９へと巻き付けることも可能である。このようにして、被覆されたフィラメントが、ワーピングされ、シートへと形成され、次いでピース３９へと巻き付けられる。しかしながら、このシート形成作業は、任意である。

ここで、これら３つの場合において、容器の内側部品を構成するピース３９が、被覆されたフィラメント４７の束またはシートを巻き付けるように、その軸４０を中心として回転させられる。図７を参照すると、ひとたび必要な数のフィラメント層（この場合において、環状の空洞に対応する肩部４３の幅「ｄ」を満たすことができる層の数である）が巻き付けられると、被覆されたフィラメント４７の束またはシートが、好ましくは２つの電極間の接触溶接プロセスによって同様に、今回は巻き付け体へと固定され、次いで切断される。この場合、被覆されたフィラメント４７の束またはシートが、下方の層へと溶接される。

図８を参照すると、次いで、容器の外側部品を形成する外側リング４６が、内側部品を形成するピース３９の周囲に追加される。このリング４６は、任意に、好ましくは電子ビーム溶接によって溶接されてよく、あるいは単に所定の位置に保持される。このようにして、やはり容器が、被覆されたフィラメントが巻き付けられる環状の空洞を備えて適切に形成されるが、ここでは、高さ「ｈ」まで積み重ねられた幅「ｄ」のプレフォームの形態ではなく、被覆されたフィラメント４７からなる幅「ｈ」の束またはシートが、全体としての径方向の厚さが環状の空洞の幅「ｄ」に等しくなるような多数の層にて巻き付けられている。

次いで、環状の蓋４８が追加されるが、この蓋は、容器の内側部品を構成しているピース３９の面取り４２、ならびにピース３９の面取り４２と同心でありかつこの面取り４２へと向いている外側リング４６の面取り５０について、これらの面取りを補足するように意図された環状の突起４９を有している。これら２つの面取り４２、５０の間には、被覆されたフィラメント４７の束またはシートの層を有する環状の空洞が位置しており、これら被覆されたフィラメントの上に、蓋４８の環状の突起４９が載せられる。

ひとたび、内側部品を構成するピース３９、外側リング、および蓋が所定の位置におかれると、この構成は、やはり従来技術の場合と同様に、被覆されたフィラメントからなるインサートを含み閉じられた容器である。次いで、このアセンブリが、好ましくは電子ビーム溶接によって溶接され、真空中に置かれ、次いで知られているやり方にて熱間等静圧プレスで圧縮される。これにより、金属母材内をセラミック繊維が延びる、複合材料インサートの形成が達成される。したがって、複合材料インサートを有する最終構成部品を得るため、このアセンブリを機械加工することができる。このアセンブリを、複合材料インサートそのものを取り出すために機械加工することも可能である。

上述したプロセスの１つの利点は、その実行速度である。なぜなら、プレフォームを製造してその後に積層するというステップが省略される一方で、束またはシートの形態の被覆されたフィラメントの巻き付けが、はるかに高速であるからである。さらに、例えば接着剤など、追加の資材を必要としない。これは、一方では、より優れた品質の複合材料インサートをもたらし、他方では、結合剤の除去およびガス抜きの作業を不要にし、したがって大いなる時間の節約をもたらす。

プロセスを実行する第２の方法が、図９から図１１に示されている。この実施方法においては、軸４０を中心とする環状であって高さ「Ｈ」を有し、環状の空洞５２を含む容器５１が前もって形成される。環状の空洞５２は、高さ「ｈ」および幅「ｄ」の空洞に対応し、その底壁５４’および内側側壁５３’は、より大きな寸法の環状の空洞５２を得るように機械加工されている。図９は、高さ「ｈ」および幅「ｄ」の環状の空洞を、破線によって示しており、より深くて幅広い機械加工済みの空洞を、実線によって示している。

図１０を参照すると、径方向のリム５４を有する環状のマンドレル５３が、さらに形成され、このマンドレルが、容器の拡大された環状の空洞５２に収容されるように意図されている。マンドレル５３は、マンドレル５３が空洞内５２に収容されたとき、結果として空洞が、高さ「ｈ」および幅「ｄ」の空洞となり、マンドレルの壁面５３が、環状の空洞５２の内側の壁面５３’に当接し、マンドレルの半径方向のリム５４が、環状の空洞５２の底壁５４’に当接するような寸法とされている。ここで、マンドレル５３は、この場合にはＴｉ合金であり、容器５１と同じ材料で製作されている。

すでに述べたように、被覆されたフィラメント４７の束またはシートが、この場合にはマンドレル５３へと巻き付けられる。この束またはシートは、「ｈ」の全幅を有し、全体としての厚さが「ｄ」すなわちマンドレル５３の半径方向のリム５４の幅に等しくなるような多数の層が巻き付けられる。好ましくは、束またはシートの先頭が、２つの電極間の接触による電極溶接プロセスによって、マンドレルに固定される。

被覆されたフィラメント４７の束またはシートが、ひとたび必要な数の層だけ巻き付けられると、最後の層が、前の層へと、好ましくは２つの電極間の接触溶接プロセスによって固定され、次いで束またはシートが切断される。次いで、図１１に見られるように、巻き付け体を有するマンドレル５３が、容器５１の環状の空洞５２へと挿入される。前述の蓋４８と同一である蓋４８が追加され、このアセンブリが、真空中に置かれて電子ビーム溶接によって溶接され、次いで複合材料インサートを有する最終構成部品を得るために、良く知られているやり方にて熱間等静圧プレスで圧縮され、かつ機械加工される。

以上説明した２つの実行方法において、被覆されたフィラメント４７が、常に同じ平面においてお互いの上へと巻き付けられている。したがって、断面について眺めたとき、フィラメント４７の軸が、チェッカー盤の配置を構成し、その基本的な網目が正方形の網目である。インサートの緻密さを改善するため、連続する２つ被覆されたフィラメントの軸間の距離の半分だけ、各層が前の層からずらされ、したがって連続する３つの層のフィラメントの軸が、お互いに対して千鳥配置にあることが好ましい。この目的のため、シート４７を繰り出すための２つのボビン、または被覆されたフィラメント４７の束を繰り出すための２つのモジュールを設け、シートまたは束４７が、容器の内側部品を形成しているピース３９またはマンドレル５３に、結果として千鳥構成にずらされて重なり合って同時に巻き付けられるように、配置されることができる。ボビンまたはモジュールと、それらが巻き付けられるピース３９、５３との間には、フィラメントを互いに接するように位置させるための装置が存在してもよい。

本発明によれば、被覆されたフィラメントからなるインサートを、上述のプロセスによって得られる、巻きの先頭および巻きの終端を捕らえるための金属シムを備えて形成することができ、捕らえるためのシムを備え巻き付けられたインサートが、容器の空洞内に配置され、環状の蓋が追加され、このアセンブリが、複合材料インサートを有する構成部品を得るように、熱間等静圧プレスによって圧縮される。

したがって、被覆されたフィラメントからなる１つ以上の束またはシートを直接巻き付けることで、構成部品の複合材料インサートにおけるセラミック繊維の配置、したがって密度を、制御することが可能になる。

複合材料インサートを製造するための１つのプロセスを、次に説明する。

被覆されたフィラメントのシートを巻き付けるステップを含む、複合材料インサートを製造するためのプロセスにおいて、シートが、例えば２つの電極間の接触溶接によって、巻き付けの開始において容器またはマンドレルに固定され、巻き付けの終わりにおいて前の層に固定されている。

インサートにそのような溶接部を備えず、インサートを必ずしも容器またはマンドレルへと直接固定しないが、そのようなインサートを取り扱って容器の環状の空洞へと導入できることが、望ましい場合がある。

したがって、本発明は、巻き付けの開始および終了において、被覆されたフィラメントのシートをシムで機械的に拘束するステップを含む、インサートの製造プロセスを提案する。

図１５を参照すると、巻き付けの開始と終了に、シムを使用する拘束ステップを有しているシートの巻き付けの終了が示されており、複数の被覆されたフィラメントからなるシート５９が、２つのフランジ６０、６１間に巻き付けられており、フランジ６０、６１間にマンドレル６２が、フランジ６０、６１と一体に延びている。したがって、フランジ６０、６１およびマンドレル６２が、回転体を形成している。好ましくは、被覆されたフィラメントのシート５９は、被覆されたフィラメントのシートを製造するための上述のプロセスによって得られている。

図１２を参照すると、シート５９の最初の層の巻き付けの際に、シートがシム６３、すなわち金属箔と一緒に巻き付けられる。シムは、好ましくは、ここではチタン合金であり、被覆されたフィラメントの被覆と同じ材料、または類似の材料で作られる。好ましくは、シムは、被覆されたフィラメント５９のシートと同じ幅を有している。長さは、巻き付け先であるマンドレル６２の外周よりもわずかに長い。

シム６３は、巻き付けられたシート５９の下に位置し、シート５９の第１の端部６４が、シム６３の第１の端部６５を越えて上流側へ延びている。シム６３およびシート５９は、マンドレル６２の周囲を一周して巻き付けられており、したがってシム６３が、マンドレル６２に接触している。この１回転の終わりにおいて、シム６３が、シート５９の第１の端部６４の上方を通過して、シート５９の第１の端部を覆っており、シム６３の第２の端部６６が、シム６３の第１の端部６５の高さの上方に位置して、第１の端部６５を覆い、シム６３が、自身の２つの端部６５、６６の間に、シート５９の最初の層、特に端部６４を覆っている。このようにして、シム６３の第２の端部６６が、後にシート５９の他の層が巻き付けられることによって阻止されるため、シム６３が、シート５９（ここではシート５９の最初の巻き付け層）を拘束し、したがって形成されようとするインサートの内側部分を拘束するという機能を提供している。

シート５９の巻き付けが、必要な数の層を巻き付けるように続けられ、巻き付けの終わりにおいて、図１３を参照すると、最後の１回転においてシート５９の最後の層上にさらなるシム６３’が追加されて巻き付けられ、シート５９（ここでは、シートの最後の巻き付け層）、したがって巻き付けられたインサートの外側部分を拘束するという機能をもたらしている。巻き付けの終わりのシム６３’は、その長さがより長く、シート５９の最後の層の外周にあわせて作られる点を除き、巻き付けの始まりのシム６３に類似している。シム６３’の第１の端部６５’が、シート５９の第２の端部６４’（シート５９の最後の層の端部６４’に対応する）の下に位置している。シム６３は、単独でこのシート５９の最後の層の周囲に巻き付けられ、シムの第２の端部６６’が、シート５９の第２の端部６４’の上方を通過しており、したがってシート５９の第２の端部６４’は、巻き付けの終わりのシム６３’の第１および第２の端部６５’、６６’の間で動けなくない。

好ましくは、巻き付けの終わりのシム６３’の長さは、その第２の端部６６’が、シート５９の第２の端部６４’の上方を過ぎて、第１の端部６５’の付近において巻き付けの終わりのシム６３’の外表面に接触できるように選択されている。この場合、好ましくは、この第２の端部６６’が、シム６３’の外表面に、任意の適切な溶接プロセスによって、それらの接触の帯６７に沿って溶接される。他の任意の固定手段も、使用することが可能である。

このようにして、内側の拘束手段、すなわち巻き付けの開始時のシム６３と、外側の拘束手段、すなわち巻き付けの終わりのシム６３’とを備えて、複数層に巻き付けられた、被覆されたフィラメントの巻き付け体を、得ることができる。これらのシム６３、６３’が、巻き付け体を一体に保持し、したがってマンドレル６２を構成しているピースおよびフランジ６０、６１から巻き付け体を取り外し、そのまま取り扱うことができる。この目的のため、フランジのうちの一方が取り外し可能である。この巻き付け体が、巻き付けられた複合材料インサート６８を形成する。インサート６８の剛性は、シム６３、６３’について選択した厚さによって決まる。典型的には、この厚さは、チタン合金製のシムについては、０．２ｍｍから０．５ｍｍの間であってよい。内側、すなわち巻き付け開始時のシム６３が、巻き付けられたインサート６８のための支持基部を構成する。外側、すなわち巻き付けの終わりのシム６３’が、巻き付けられたインサート６８のための外部エンベロープを構成する。

ひとたびインサート６８が支持体から取り外されると、シート５９の第１の端部６４は、内側において、シム６３の第１の端部６５を超えて延びる。好ましくは、巻き付けられたインサート６８の最初の２つの層のみが示されている図１４を参照すると、この端部６４が、シム６３の端部に一致して切断され、同一面とされている。

好ましくは、内側シム６３の第２の端部６６および外側シム６３’の第１の端部６５’は、少なくともシート５９の端部６４、６４’および該当するシム６３、６３’のもう一方の端部６５、６６’の両者に整列して位置するように意図された部位において、該当するシム６３、６３’の残りの部分よりも厚みが小さい。これにより、シムの重なり合いに起因する半径方向の隆起を小さくすることができる。さらには、これら内側のシム６３および外側のシム６３’の重なり合いの領域が、好ましくは、半径方向の隆起を最小限にするために角度方向にずらされる。

シム６３、６３’の厚さの残りは、妥協の結果である。これは、各シム６３、６３’の厚さが、その存在による半径方向の寸法の増加を抑えるために、可能な限り小さくなければならず、しかしながら意図する用途に応じ、引き続く取り扱いのために巻き付けられたインサート６８の剛性を確保すべく十分に大きくなければならないためである。

図１６を参照すると、拘束または保持用のシム６３、６３’を備えて一旦形成され巻き付けられたインサート６８が、上述の容器に類似し、あるいは従来技術の容器に類似した容器５１の環状の空洞５２に配置される。環状の蓋４８が追加され、このアセンブリが、公知のやり方で、複合材料インサートを有する構成部品を得るように、熱間等静圧プレスによって圧縮される。

従来技術の複合材料インサートを有する構成部品を得るための作業についての概略の斜視図である。 被覆されたフィラメントからなる接合シートを製造するための装置の概略図である。 図２の装置の第１の動作モードによって形成されたシートの上方からの概略図である。 図２の装置の第２の動作モードによって形成されたシートの上方からの概略図である。 ２つのフィラメントを一体に溶接するための図２の装置のレーザ溶接モジュールで、被覆されたフィラメントの走行方向を横切る平面における概略の断面図である。 被覆されたフィラメントの束またはシートを巻き付けることによって、複合材料インサートを備える構成部品を製造するためのプロセスを実行する第１の方法を実現するための容器の内側部品を構成している構成部品の、巻き付けの開始時における概略の部分断面図である。 巻き付けプロセスの終了時における、図６の構成部品の概略の部分断面図である。 外側リングおよび蓋が追加された、図７の構成部品の概略の部分断面図である。 被覆されたフィラメントの束またはシートを巻き付けることによって、複合材料インサートを備える構成部品を製造するために本出願において説明されるプロセスを実行する第２の方法を実現するための環状の空洞を有する容器の概略の部分断面図である。 被覆されたフィラメントの束またはシートを巻き付けることによって、複合材料インサートを備える構成部品を製造するために本出願において説明されるプロセスを実行する第２の方法を実現するためのマンドレルの概略の部分断面図である。 図９の容器へと蓋を固定するステップを示している。 本発明によるインサートの製造のための方法において、被覆されたフィラメントのシートを巻き付けの開始において、シムで拘束するステップについての概略の部分断面図である。 本発明によるインサートの製造のための方法において、被覆されたフィラメントのシートを巻き付けの終了において、シムで拘束するステップについての概略の部分断面図である。 図１２の巻き付けの開始においてシムを切断するステップについての概略の部分断面図である。 被覆されたフィラメントのシートを拘束する図１２および図１３のステップについて、終了時の概略の部分断面図である。 シートを拘束するための図１２および図１３のステップを含む方法に従って形成された、巻き付けられた複合材料インサートを備える構成部品を製造するための方法の概略の部分断面図である。

符号の説明

７ ボビン
８ 被覆されたフィラメント
９ モジュール
１０ ワーピングモジュール
１１ レーザ溶接モジュール
１２ 支持体
１３ レーザ溶接装置
１４ セラミック繊維
１５ 金属シース
１７ 駆動モジュール
１７’ 回転ボビン
１９ 第１のスポット溶接部
２４、３０’ マンドレル
２９、２９’、４７、５９ シート
３０ 支持体
３１ 接触溶接装置
３１’ 電極溶接装置
３２、３２’ 中周波発生器
３３、３３’ 正の電極
３４、３４’ 負の電極
３７ 斜めの端部
３８ 電流の線
３９ ピース
４０ 軸
４１ 内側部分
４２、５０ 面取り
４３ 第１の肩部
４４ 第２の肩部
４６ 外側リング
４７ 被覆されたフィラメント
４８ 環状の蓋
４９ 環状の突起
５１ 容器
５２ 環状の空洞
５３、６２ マンドレル
５３’ 内側側壁
５４ 径方向のリム
５４’ 底壁
６０、６１ フランジ
６３、６３’ シム
６４、６５、６５’ 第１の端部
６４’、６６、６６’ 第２の端部
６７ 接触の帯
６８ 複合材料インサート

Claims (7)

1. 被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法であって、各フィラメントが、金属シースで被覆されたセラミック繊維を有し、被覆されたフィラメントのシートをピースに巻き付けるステップを含み、該ステップにおいて、巻き付けの開始時に、インサートの内側部分を拘束するための金属シムが巻き付けられ、巻き付けの終わりに、インサートの外側部分を拘束するための金属シムが巻き付けられる、方法。
2. インサートの外側部分を拘束するための金属シムの第２の端部が、シートの最後の層を覆い、かつ最後の層の第１の端部の付近に溶接される、請求項１に記載の被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法。
3. インサートの内側部分を拘束するための金属シムの第１の端部が、シートの第１の端部に一致して同一面である、請求項１または２に記載の被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法。
4. シートが、隣接するフィラメント間にスポット溶接部を形成するレーザ溶接によって形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するための方法。
5. 方法の終わりにおいて、巻き付けられたインサートが、巻き付けられたインサートが金属シムと一緒に巻き付けられるピースから取り外される、請求項１から４のいずれか一項に記載の被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートを製造するためのプロセス。
6. 被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートであって、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法によって形成され、内側部分を拘束するための金属シムおよび外側部分を拘束するための金属シムを備える、被覆されたフィラメントのシートの巻き付け体を備える、巻き付けられたインサート。
7. 金属母材の内部をセラミック繊維が延びる、金属母材を有する複合材料製のインサートを備える構成部品を製造するための方法であって、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法に従って得られた、被覆されたフィラメントの巻き付けられたインサートが、金属容器の環状の空洞に配置され、金属蓋が、容器に追加され、アセンブリが、熱間等静圧プレスによって圧縮される、方法。

Images