JP2009078554A - 湾曲された熱可塑性複合材料の形成プロセス - Google Patents

Abstract

【課題】直線の材料積層体またはスプールから、湾曲した熱可塑性複合部品を形成する製造方法を提供する。
【解決手段】プロセスは、所定の長さの直線状の熱可塑性材料を供給する工程８０２、直線状の熱可塑性材料を選択された断面形状へ予備成形する工程８０４、予備成形した熱可塑性材料に熱および圧力を加える加圧工程８０６、加圧された熱可塑性材料を湾曲部に通過させることによって任意の所望の長さおよび曲率半径にする湾曲工程８０８からなる。
【選択図】図８

Description

本発明はプラスティック材料を使用する製造プロセスに関し、特に直線の材料積層体またはスプールから湾曲された熱可塑性複合材料を形成するプロセスに関する。

一定の厚さと直線の所定の長さの熱可塑性複合（ＴＰＣ）積層体を製造するために多くの複数のプロセスが存在する。加圧、型押、オートクレーブ成形のような非連続的プロセスに加えて、押出し、プルトルージョン、ロール成形、圧縮モールドのような連続的プロセスが存在する。これらの後者のプロセスは連続的な長さで部品を生成することができるが、これらには軽量の航空宇宙構造及びその他の重量が特に重要である構造で必要とされている可変の厚さおよび／または湾曲部を有する部品をそれらの長さに沿って製造する能力がない。さらに、これらの連続的な製造プロセスは個々の部品の特徴を形成するためにＴＰＣ材料の多数のディスクリートな長さの送り込みに依存している。したがってＴＰＣのディスクリートな長さは切断され、分類され、ラベルを付され、保管され、個々に連続的な製造プロセスを行うマシンへ供給される。ＴＰＣ材料のディスクリートな長さの使用は製造プロセスの自動化を減少し、工場のスペースの要求を増加し、材料の価格を増加させる。湾曲された熱可塑性部品の製造では、湾曲された形状に予め切断されることができる材料スタックの使用は材料の使用を非効率的にする。

発明の要約

したがって、直線状の材料スタックまたはスプールから湾曲された熱可塑性部品を形成するプロセスが必要とされている。本発明の示された実施形態はこれらの要件を満たすことを目的とされている。

実施形態のその他の特徴、便宜性、利点は添付図面と特許請求の範囲にしたがって考察するとき、以下の詳細な説明から明白になるであろう。

本発明は一般的に、湾曲された熱可塑性材料を形成するプロセスに関する。例示的な実施形態によれば、プロセスは、直線状の細長い熱可塑性材料を提供し、その直線状の熱可塑性材料を選択された断面形状へ予備成形し、その直線状の熱可塑性材料を加圧し、湾曲部を与えて直線状の細長い熱可塑性材料を湾曲部に通過することによって直線状の細長い熱可塑性材料に湾曲された形状を与えるステップを含んでいる。

例示的な実施形態は連続的なプロセスで湾曲された熱可塑性複合（“ＴＰＣ”）積層材料を成形するための優れた製造プロセスを提供する。この実施形態は例えば航空宇宙産業を含めた広範囲の潜在的な応用で適用可能な使用を見出している。開示されているプロセスは航空機の胴体の支持フレームワークに熱可塑性複合補強部材を形成するのに理想的に適している。熱可塑性複合補強部材の潜在的な例は胴体の外皮、翼の外皮、制御表面、ドアパネル、アクセスパネルを含んでいるがそれらに限定されない。補強部材はキールビーム、床げた、甲板ビームを含んでいるがそれらに限定されない。単なる例示的な目的で、プロセスを最初に商用航空機の胴体で使用するためのＵ型断面に湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18を形成し強化する構成を参照して説明する。しかしながらＵ型断面が示されているが、それらの長さに沿って湾曲部を有するＪセクション、Ｉセクション、Ｔセクション等のような他の補強された部材の形状についても後に説明する。

図面の図１乃至３および図７を参照すると、湾曲された熱可塑性部品を形成するためのプロセスの実行に適しているプロセスアセンブリ１が図１に示されている。プロセスアセンブリ１のプロセスの流れ方向は矢印５により示されている。プロセスアセンブリ１はそれぞれが相互に関して逐次的な関係で与えられることができる予備成形装置２、加圧装置３、湾曲部４を有することができる。以下説明するように、プロセスアセンブリ１は熱可塑性複合材料ブランク９から、選択された断面形状と長さ及び曲率半径を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18を形成する。

プロセスアセンブリ１の予備成形装置２は取入れ口端部２ａと出口端部２ｂを有することができる。予備成形装置２の取入れ口端部２ａは任意の規定されたレイアップで熱可塑性複合材料ブランク９の連続的な供給を受けるように構成されることができる。熱可塑性複合材料ブランク９は１または多数のスプール８に巻かれることができるスプールに巻かれた材料９ａの形態で予備成形装置２の取入れ口端部２ａに供給されることができる。その代わりに、熱可塑性複合材料ブランク９は積層された材料９ｂの形態で予備成形装置２の取入れ口端部２ａに供給されることができる。熱可塑性材料ブランク９は例えば一方向テープの１以上の層またはプライ、織られた布、この２つのハイブリッドな組合せを含むことができる。

予備成形装置２は熱可塑性複合材料９から形成されることができる湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18の特定の応用に応じて、熱可塑性複合材料ブランク９を選択された断面形状に成形することができる。図１乃至３に示されている例では、予備成形装置２は熱可塑性複合材料ブランク９をＵ型の断面形状に形成するが、予備成形装置２は熱可塑性複合材料ブランク９をＩ型の断面（図４）、Ｔ型の断面（図５）、Ｊ型の断面（図６）または任意の他の所望される断面形状へ成形するように構成されることができることが理解されよう。予備成形装置２は所望の断面形状を熱可塑性複合材料ブランク９に与えるのに適している当業者に知られた任意の設計を有することができる。

図２に示されているように、予備成形装置２の取入れ口端部２ａは平面または平坦な熱可塑性複合材料ブランク９を受取ることができる。予備成形装置２では、破線で示されているように、平面の底部パネル13に関してほぼ垂直の関係で延在することができる１対の部パネル14を形成するために熱可塑性材料ブランク９の外部エッジ領域は上方および内側方向に押される。底部パネル13および延在する側部パネル14はほぼＵ型の断面形状を有する予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12を形成することができる。予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12は予備成形された装置２の出口端部２ｂを出る。

プロセスアセンブリ１の加圧装置３は予備成形装置２の出口端部２ｂから予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12を受取るように構成されることができ、取入れ口端部３ａと、出口端部３ｂとを有している。加圧装置３は予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12に対して熱および圧力を加えて１または多数の材料層またはプライ（図示せず）を有する加圧された熱可塑性複合材料セグメント16を形成するように構成されることができる。加圧装置３は１または多数の層またはプライを形成された熱可塑性複合材料セグメント12の複合構造へ加圧し強化するのに適している当業者に知られた任意の設計を有することができる。

プロセスアセンブリ１の湾曲されたセクション４は加圧装置３から加圧された熱可塑性複合材料セグメント16を受けるように構成されている取入れ口端部４ａと、選択された断面形状を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18を湾曲されたセクション４から放出するように構成されている出口端部４ｂとを有することができる。プロセスアセンブリ１の湾曲されたセクション４は形成される湾曲された熱可塑性複合材料セグメントの所望の長さおよび曲率半径にそれぞれしたがって、任意の所望の長さおよび曲率半径を有することができる。加圧された熱可塑性複合材料セグメント16の直線状の形状から湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18の湾曲された形状への変移は、湾曲されたセクション４を通過されるとき加圧された熱可塑性複合材料セグメント16の加熱と湾曲を容易にするためにマシン強化ダイの適切な加熱ゾーン位置に存在することができる。

次に図面の図３乃至６を参照すると、湾曲された熱可塑性複合積層材料を形成するためのプロセスにしたがって形成されることができる湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18の別の断面形状が示されている。図４に示されているように、プロセスはほぼＩ型の断面形状を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18aを形成するために使用されることができる。セグメント18aはウェブ部分19と、ウェブ部分19のそれぞれのエッジに沿って延在する１対のキャップ部分20を含むことができる。図５に示されているように、プロセスはほぼＴ型の断面形状を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18bを形成するために使用されることができる。セグメント18bはウェブ部分19と、ウェブ部分19の１つのエッジに沿って延在するキャップ部分20とを含むことができる。図６に示されているように、プロセスはほぼＪ型の断面形状を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18cを形成するために使用されることができる。セグメント18cはウェブ部分22と、ウェブ部分22の１つのエッジにおける湾曲されたベース部分23と、ウェブ部分22の反対側エッジに沿って延在するキャップ部分24とを含むことができる。図３乃至６に関してこれまで説明し示した湾曲された熱可塑性複合材料セグメントの種々の断面形状は単なる例示であり、付加的な別の断面形状を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメントがプロセスにしたがって形成されることができることが理解されよう。

湾曲された熱可塑性複合（“ＴＰＣ”）積層材料を形成するためのプロセスの典型的な実行では、熱可塑性複合材料ブランク９はスプール８上に巻き付けられたスプール巻回体材料９ａの形態で、または図１に示されているように任意の規定されたレイアップにおける積層された材料９ｂから、予備成形装置２の取入れ口端部２ａに連続して供給されることができる。予備成形装置２は図１乃至３で示されている例ではほぼＵ型の断面形状である所望の断面形状を有する予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12へ熱可塑性複合材料ブランク９を予備成形する。したがって、Ｕ型の予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12はほぼ平坦の底部パネル13と、底部パネル13に関してほぼ垂直の関係で延在する１対の側部パネル14を有することができる。

予備成形された熱可塑性複合材料セグメント12は予備成形装置２の出口端部２ｂを出て、加圧装置３の取入れ口端部３ａに入る。加圧装置３は加圧された熱可塑性複合材料セグメント16を形成するために材料の１以上の層またはプライ（図示せず）を加圧するために熱および圧力を使用することができる。加圧された熱可塑性複合材料セグメント16は加圧装置３の出口端部３ｂを出て、湾曲部４の取入れ口端部４ａに入る。湾曲部４は図７に示されているように、選択された曲率半径を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメントを形成するために選択された長さと曲率の曲線を加圧された熱可塑性複合材料セグメント16に形成する。これが湾曲部４の出口端部４ｂを出た後、湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18は所望される長さに切断されることができる。湾曲された熱可塑性複合材料18の前進速度と長さは、ウェブ部分およびキャップ部分または例えばＩ型の断面（図４）、Ｔ型の断面（図５）またはＪ型の断面（図６）を有する湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18の一部における皺（図示せず）を除去するために材料、断面形状、曲率半径に基づくことができる。プロセスは自動化された連続的な圧縮モールドプロセスを使用して実行されることができる。

次に図８を参照すると、湾曲された熱可塑性複合材料セグメント18を形成する例示的なプロセスを示したプロセスフロー図800が示されている。このプロセスはブロック802で示されているように予めプライ（束に）されたスタックまたはスプールから直線状の材料を提供することを含むことができる。直線状の材料は例えば一方向テープ、織られた布または一方向テープと織られた布のハイブリッドの組合せであってもよい。プロセスで使用される材料の形態は典型的な湾曲された部品の材料スタックほど不経済ではなく高価ではない直線部品に使用されるものと同じであってもよい。プロセスはさらにブロック804で材料を選択された断面形状に予備成形することを含むことができる。選択された断面形状は例えばＵ型、Ｉ型、Ｔ型、Ｊ型または任意のその他の所望される形態であってもよい。プロセスはさらにブロック806で予備成形された材料を加圧し、ブロック808で湾曲された形状を加圧された材料に与えるステップを含むことができる。湾曲された形状を加圧された材料に与えることは加圧された材料が湾曲部を通過するようにさせることを含むことができる。

次に図９と１０を参照すると、本発明の実施形態は図９に示されているような航空機の製造およびサービス方法78と図１０に示されているような航空機94で使用されることができる。製造前の期間に、例示的な方法78は航空機94の設計80と材料調達82の仕様を含むことができる。製造中、航空機94のコンポーネントおよびサブアセンブリの製造84とシステムの統合86が行われる。その後、航空機94は使用のために検定と運搬88を受けることができる。顧客により使用されながら、航空機94は日常のメンテナンスとサービス92（変更、再構成、一新等を含むことができる）の予定を組まれることができる。

方法78の各プロセスはシステムインテグレータ、第３パーティおよび／またはオペレータ（例えば顧客）により実行または行われることができる。この説明の目的に対しては、システムインテグレータは限定なしに、任意の数の航空機製造業者および主システムの下請けを含むことができ、第３パーティは限定なしに任意の数の売主、下請け、供給者を含むことができ、オペレータは航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等であってもよい。

図１０に示されているように、例示的な方法78により製造された航空機94は複数のシステム96と内部100を有する機体98を含むことができる。高レベルのシステム96の例は１以上の推進系統102、電気系統104、水圧系統106、環境系統108を含む。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙の例が示されているが、本発明の原理は自動車産業のような他の産業に適用されることができる。

ここで実施されている装置は、製造およびサービス方法78の任意の１以上の段階の期間中に使用されることができる。例えば製造プロセス84に対応するコンポーネントまたはサブアセンブリは航空機94が使用されている間に製造されるコンポーネントまたはサブアセンブリと類似の方法で生成または製造されることができる。また、１以上の装置の実施形態が例えば航空機94の組み立てを実質的に促進するかその価格を減少することにより製造段84と86の期間に使用されることができる。同様に、例えば限定なしにメンテナンスとサービス92のために航空機94が使用中に１以上の装置の実施形態が使用されることができる。

この発明の実施形態をある例示的な実施形態に関して説明したが、他の変更が当業者により行われることができるので、特別な実施形態は説明の目的のためであり技術的範囲を限定するものではないことが理解されよう。

湾曲された熱可塑性部品を形成するためのプロセスの実行におけるプロセスアセンブリの斜視図。 選択された断面形状への材料セグメントの予備成形を示している予備成形された材料セグメントの端面図。 Ｕ型に湾曲され形成された材料セグメントの断面図。 Ｉ型に湾曲され形成された材料セグメントの断面図。 Ｔ型に湾曲され形成された材料セグメントの断面図。 Ｊ型に湾曲され形成された材料セグメントの断面図。 湾曲され形成された材料セグメントの部分的な断面の平面図。 湾曲された熱可塑性複合材料を形成するための例示的なプロセスの処理のフロー図。 航空機製造およびサービス方法のフロー図。 航空機のブロック図。

Claims (12)

1. 直線状の細長い熱可塑性材料を提供し、
   直線状の細長い熱可塑性材料を選択された断面形状へ予備成形し、
   直線状の細長い熱可塑性材料を加圧し、
   プロセスアセンブリに湾曲部を設けて直線状の細長い熱可塑性材料をプロセスアセンブリの前記湾曲部を通過させることによって、直線状の細長い熱可塑性材料に湾曲された形状を与えるステップを含んでいる湾曲された熱可塑性材料を形成するプロセス。
2. 前記断面形状は、ほぼＵ型の断面形状と、ほぼＩ型の断面形状と、ほぼＴ型の断面形状と、ほぼＪ型の断面形状を含んでいる請求項１記載のプロセス。
3. 直線状の細長い熱可塑性材料は一方向のテープで構成されている請求項１記載のプロセス。
4. 直線状の細長い熱可塑性材料は織られた布で構成されている請求項１記載のプロセス。
5. 直線状の細長い熱可塑性材料は一方向のテープと織られた布のハイブリッド組合せで構成されている請求項１記載のプロセス。
6. 相互にほぼ線形関係で予備成形装置と、加圧装置と、湾曲部とが順次配置されているプロセスアセンブリを提供し、
   直線状の細長い熱可塑性材料を前記予備成形装置、前記加圧装置および前記湾曲部をそれぞれ通過させ、
   前記予備成形装置において直線状の細長い熱可塑性材料を選択された断面形状へ予備成形し、
   前記加圧装置で直線状の細長い熱可塑性材料を加圧し、
   直線状の細長い熱可塑性材料が前記湾曲部を通過するとき、直線状の細長い熱可塑性材料に対して湾曲された形状を与えるステップを含んでいる湾曲された熱可塑性材料を形成するプロセス。
7. 前記断面形状は、ほぼＵ型の断面形状と、ほぼＩ型の断面形状と、ほぼＴ型の断面形状と、ほぼＪ型の断面形状を含んでいる請求項６記載のプロセス。
8. 直線状の細長い熱可塑性材料は一方向のテープで構成されている請求項６記載のプロセス。
9. 直線状の細長い熱可塑性材料は織られた布で構成されている請求項６記載のプロセス。
10. 相互にほぼ線形関係で予備成形装置と、加圧装置と、湾曲部とを順次配置されているプロセスアセンブリを提供し、
    直線状の細長い熱可塑性材料を前記予備成形装置と、前記加圧装置と、前記湾曲部とをそれぞれ連続的に通過させ、
    前記予備成形装置において直線状の細長い熱可塑性材料を選択された断面形状へ予備成形し、
    前記加圧装置で直線状の細長い熱可塑性材料を加圧し、
    直線状の細長い熱可塑性材料が前記湾曲部を通過するとき、直線状の細長い熱可塑性材料に湾曲された形状を与えるステップを含んでいる湾曲された熱可塑性材料を形成するプロセス。
11. 前記断面形状は、ほぼＵ型の断面形状と、ほぼＩ型の断面形状と、ほぼＴ型の断面形状と、ほぼＪ型の断面形状とを含んでいる請求項１０記載のプロセス。
12. 直線状の細長い熱可塑性材料は一方向のテープまたは織られた布である請求項１０記載のプロセス。

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