JP2009542492A - 航空宇宙用複合繊維部品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】成形コア材(4)の外形形状を規定するらせん構造体を備えて成形コア材(4)を成形するステップと、成形された前記成形コア材(4)の上に少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)を載置し、製造しようとする前記複合繊維部品(1)における少なくとも1つの前記成形部(14)を形成するステップと、少なくとも1つの前記成形部(14)を加熱及び/または加圧することにより前記複合繊維部品(1)を製造するステップと、を備えることを特徴とする特に航空宇宙用の複合繊維部品(1)の製造方法、これに対応する成形コア材(4)、及びこれに対応する複合繊維部品(1)。
【選択図】図3
Description
できるだけ少ない重量増加で航空機における高い負荷に耐えることができるように、CRPストリンガによって補強されたCRP外殻材が一般に知られている。この場合、ストリンガとしては、基本的にT型及びΩ型ストリンガの2つの種類に分けられる。
Ω型ストリンガは、略ハット形状をなしており、両端部が外殻材と接続されている。Ω型ストリンガは、硬化した状態にあるときに同様にして硬化した外殻材に接着結合されるか、またはウェットインウェット製法を用いて、外殻材と同時に硬化させることもできる。なお、加工の技術的観点から言えば後者の方が望ましい。しかしながら、Ω型ストリンガで補強された外殻材をウェットインウェット製法で製造する際には、製造工程中に形状が不安定となる未完成状態の繊維製品を所望のΩ形状に固定して支持するため、支持コア材または成形コア材が必要となる。Ω型ストリンガを備えた外殻材は、半完成繊維製品に、例えばエポキシ樹脂のようなマトリックスを導入するための注入工程における浸透性が優れている点で、T型ストリンガよりも有用である。また、注入工程は、低価格な半完成繊維製品の使用が可能であるため、例えばプリプレグ製法のような他の公知の複合繊維材部品の製造方法よりも費用がかからない。
このような背景から、本発明は、特に航空宇宙分野において、低コストで軽量な複合繊維材製品を提供するという目的に基づいてなされた。
つまり、特に航空宇宙のための複合繊維部品を製造するための方法は、成形コア材の外形形状を規定するらせん構造体を備えて成形コア材を成形するステップと、成形された前記成形コア材の上に少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品を載置し、製造しようとする前記複合繊維部品における少なくとも1つの前記成形部を形成するステップと、少なくとも1つの前記成形部を加熱及び/または加圧することにより前記複合繊維部品を製造するステップとからなる。
また、本発明に係る成形コア材、及び/または本発明に係る方法を用いて製造される少なくとも1つのストリンガを有した航空宇宙用の複合繊維部品が提供される。
したがって、本発明は、最初に述べた従来の手法に比べ、低コストな成形コア材を用いて複合繊維部品を製造できるという効果を奏する。従来のような高価なコア素材に代わり、良好かつ容易に成形部から除去できるらせん構造体の成形コア材が使用され、その容易な除去により部品内に残留していた従来の素材に比べ重量面で有効な効果を奏する。
好ましい改良としては、成形コア材を成形する際に、成形コア材の外形形状をなす中空形状体が、その周囲を囲むようにらせん状に延びるスリットを有して設けられ、当該スリットは、当該中空形状体の壁部の全周、または中空形状体の壁部の周面に割り付けられて配置された少なくとも3つの位置を除く中空形状体の壁部に貫通して形成される。部分的に貫通していない箇所は、成形コア材を成形部から除去する際の所定の破断点として機能するとともに、中空形状体を安定させるのに役立つ。中空形状体の全周にスリットが形成されている場合には、その後、例えば含浸槽内でのラッカーコーティングにより位置固定が施される。これは、スリットのない中空形状体の場合において行われても構わない。そのような中空形状体は成形ツールでプラスチックから容易に製造可能である。周囲にスリットを設けることにより、中空形状体の一端を把持して成形部から引き出せば成形部から当該中空形状体を容易に除去することができ、成形部にはコア材が残らないという効果を奏する。引き出される際、引張り力によって中空形状体は所定の破断点にて破断し、コアスリーブからはがれる。
この場合、らせん状成形コア材は、金属ワイヤのうねりを滑らかにするため、例えば充填剤と混合された脆性プラスチック、充填剤入りエポキシ樹脂、または軽量なナイフィングフィラー(knifing filler)のような素材による外面コーティングを施してもよい。これにより、表面が滑らかとなり、成形部から除去する上で良好な特性を得られる。このために、成形コア材を完全に覆うコアスリーブ、例えば可撓性チューブを付加的に使用しても構わない。これにより、除去の際に、成形部に損傷を与えずに成形部から良好かつ容易に成形コア材を除去できるという特性を同様に得られる。
硬化した半完成繊維製品の接着を抑制する分離層をコアスリーブに設けるのが好ましい。これにより、成形コア材を引き出した後のコアスリーブの取り外しが容易になる。
本発明の好ましい展開によれば、前記成形コア材は半完成繊維製品からなるベース部材上に配置されていることにより、及び/または、半完成繊維製品によって少なくとも部分的に囲まれることにより、複合繊維部品の少なくとも1つの部分を形成する。これにより、Ω型ストリンガを有した、例えば外殻材や、圧力ドーム等のベース部材を効率的に形成することができる。これに代えて、または、これに追加して、成形コア材によって全体的な形状が規定されるような別々の複合繊維部品を製造することもできる。
各図面において、特に明記していない限り、同一の要素或いは機能的に同一である要素については同じ参照符号を付してある。
図1は、本発明に係る製造方法を用いて製造中の複合繊維部品1の最初の実施例を示す概略斜視図である。
次に、当該成形コア材4の上には半完成繊維製品3が配設される。つまり、当該半完成繊維製品3は中央部分が成形コア材4の外面上にあり、両端部がベース部材2の上にある。なお、当該ベース部材2は、例えば航空機の外殻材等である。最終的に、複合繊維部品1の2つの成形部14が形成される。
次の工程では、使用される製法に応じ、加熱及び/または加圧下で、オーブンまたはオートクレーブ内において、成形コア材4及び半完成繊維製品3とともに、ベース材2を硬化させることにより、複合繊維部品1の完成品が製造される。ここでは、コア素材が加工温度及び加圧圧力に確実に耐えることが重要である。
図2は、図1で示す複合繊維部品1に用いられる本発明に係る成形コア材の前提となる断面を示す概略図である。
構造については後に詳しく説明する成形コア材4は、成形ツール8内に導入されて形成される断面6を有し、当該ツール内において、例えば加熱及び加圧のもと、略台形形状である所望の形状に成形される。この例において、コア素材7は、コアスリーブ9で囲まれており、コアスリーブ9は成形コア材4を完全に取り囲むとともに、熱や圧力について、その製造やその後の加工、処理に用いられる方法に適合したものとなっている。コアスリーブ9は、例えば、ポリアミド及び/またはPTFEのプラスチックから製造される。そして、当該コアスリーブ9の内側面11は成形コア材4の表面と直に接して設けられており、この例ではコアスリーブ9の外側面10に分離層(図示せず)がコーティングされている。なお、この分離層は付加的なスリーブからなっていても構わない。分離層は、成形コア材4を分離させる際、成形コア材4を成形部14から容易に外す上で有用である。
図3及び4に示されているように、成形コア材4は、らせん状に延設されたスリット17を周囲に有する第1の中空形状体15または第2の中空形状体16から構成されている。
同時に、このコーティングは、中空形状体即ちらせん状のワイヤがねじれたりほどけたりしないよう固定する。当該コーティングは、成形部14から取り去る際に、はがれやすく砕けやすいもろい素材とすることにより、作業の妨げとならない。この素材は、例えば、充填剤を混合した脆性プラスチック、充填剤入りエポキシ樹脂、または軽量なナイフィングフィラーである。
この方法で作られた成形コア材4は、上述したようにベース材2に装着される。このような状態が図1に示されている。成形コア4は上述したように半完成繊維製品3で覆われ、成形部14を形成する。
成形部から除去する際、切り込みのある中空形状体15、16の外端または巻き付けたワイヤの外端は、簡単に把持され、成形部14から引き出される。引き出された素材は巻き取られ、再利用/リサイクルすることができる。
なお、本発明は図示された航空宇宙用の複合繊維部品を製造するための特定の方法に限定されない。
また、成形コア材の形状は様々な方法で変更が可能である。
さらに、複数の成形コア材を用いて1つの成形コア材を形成することも可能であり、この場合、成形コア材の周囲に半完成繊維製品が配設される。この目的は、多様な成形コア材を用いることにより、さらに複雑な形状を得ることにある。これにより、より複雑な複合繊維部品を製造することができる。
例えば弾性プラスチックからなる厚壁らせん材を、中空形状体として使用しても構わない。
2 ベース材
3 半完成繊維製品
4 成形コア材
5 成形コア材の底部
6 成形コア材断面
7 コア開口部
8 成形ツール
9 コアスリーブ
10 コアスリーブ外側
11 コアスリーブ内側
12 ストリンガ
13 補強材
14 成形部
15 第1の中空形状体
16 第2の中空形状体
17 スリット
18 外側面
Claims (33)
- 成形コア材(4)の外形形状を規定するらせん構造体を備えた成形コア材(4)を成形するステップであって、前記成形コア材(4)を成形する際に、前記成形コア材(4)に適合した外形形状をなす中空形状体(15、16)を形成し、前記中空形状体(15、16)の壁部には、前記中空形状体(15、16)の周面にらせん状に延設されたスリット(17)が形成され、前記スリット付中空形状体(15、16)には位置固定が施され、前記周面にらせん状に延設された前記スリット(17)は、前記中空形状体(15、16)の壁部の周面に割り付けられた少なくとも3つの位置を除き、前記中空形状体(15、16)の壁部を貫通するように形成されるステップと、
成形された前記成形コア材(4)の上に少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)を載置し、製造しようとする前記複合繊維部品(1)における少なくとも1つの前記成形部(14)を形成するステップと、
少なくとも1つの前記成形部(14)を加熱及び/または加圧することにより前記複合繊維部品(1)を製造するステップと、
を備えることを特徴とする特に航空宇宙用の複合繊維部品(1)の製造方法。 - 前記スリット付中空形状体(15、16)は、例えば含浸槽内で、例えばラッカーコーティングが施されることにより位置固定されていることを特徴とする請求項1記載の製造方法。
- 成形コア材(4)の外形形状を規定するらせん構造体を備えた成形コア材(4)を成形するステップであって、前記成形コア材(4)を成形する際に、前記成形コア材(4)に適合した外形形状をなす中空形状体(15、16)を形成し、前記中空形状体(15,16)の壁部には、前記中空形状体(15、16)の周面にらせん状に延設されたスリット(17)が形成され、前記スリット付中空形状体(15、16)には位置固定が施され、前記周面にらせん状に延設された前記スリット(17)は、前記中空形状体(15、16)の壁部の全周で貫通して形成され、位置固定のために前記スリット付中空形状体(15、16)にコーティング、即ち例えば含浸槽内での、例えばラッカーコーティングを施すステップと、
成形された前記成形コア材(4)の上に少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)を載置し、製造しようとする前記複合繊維部品(1)における少なくとも1つの前記成形部(14)を形成するステップと、
少なくとも1つの前記成形部(14)を加熱及び/または加圧することにより前記複合繊維部品(1)を製造するステップと、
を備えることを特徴とする特に航空宇宙用の複合繊維部品(1)の製造方法。 - 成形コア材(4)の外形形状を規定するらせん構造体を備えた成形コア材(4)を成形するステップであって、前記成形コア材(4)を成形する際に、前記成形コア材(4)に適合した外形形状をなす中空形状体(15、16)を、らせん状に巻き付けたワイヤから形成し、前記成形コア材(4)に、外面のうねりを滑らかにするとともに前記ワイヤの位置固定のための外面コーティングを施すステップと、
成形された前記成形コア材(4)の上に少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)を載置し、製造しようとする前記複合繊維部品(1)における少なくとも1つの前記成形部(14)を形成するステップと、
少なくとも1つの前記成形部(14)を加熱及び/または加圧することにより前記複合繊維部品(1)を製造するステップと、
を備えることを特徴とする特に航空宇宙用の複合繊維部品(1)の製造方法。 - 前記ワイヤはスチールワイヤであることを特徴とする請求項4記載の製造方法。
- 前記成形コア材(4)の前記外面コーティングは、充填剤により混合された脆性プラスチック、充填剤入りエポキシ樹脂、または軽量なナイフィングフィラーと同等の素材であることを特徴とする請求項4または5記載の製造方法。
- ワイヤを巻き付けて成形コア材(4)を成形するステップにおいて、スプリングバックを回避するべくワイヤの熱処理を行うことを特徴とする請求項4から6のいずれかに記載の製造方法。
- 前記成形コア材(4)を成形するステップにおいて、成形しようとする前記成形コア材(4)の外形形状のうち、縁部が鋭角に形成される変曲部の領域に補強材(13)が配設されることを特徴とする請求項1から7のいずれかに記載の製造方法。
- 成形コア材(4)の外形形状を規定するらせん構造体を備えた成形コア材(4)を成形するステップであって、前記成形コア材(4)を成形する際に、前記成形コア材(4)に適合した外形形状をなす中空形状体(15、16)を形成し、前記中空形状体(15、16)の壁部には、前記中空形状体(15、16)の周面にらせん状に延設されたスリット(17)が形成され、前記スリット付中空形状体(15、16)に位置固定を施すステップと、
成形された前記成形コア材(4)の上に少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)を載置し、製造しようとする前記複合繊維部品(1)における少なくとも1つの前記成形部(14)を形成するステップと、
少なくとも1つの前記成形部(14)を加熱及び/または加圧することにより前記複合繊維部品(1)を製造するステップと、からなる製造方法であって、
前記成形コア材(4)を成形するステップにおいて、成形しようとする前記成形コア材(4)の外形形状のうち、縁部が鋭角に形成される変曲部の領域に補強材(13)が配設されることを特徴とする特に航空宇宙用の複合繊維部品(1)の製造方法。 - 前記中空形状体(15、16)の壁部に形成されたスリット(17)は、前記中空形状体(15、16)の周面に割り付けられた少なくとも3つの位置を除いて、前記中空形状体(15、16)の壁部を貫通しながららせん状に延設され、前記スリット(17)に対し位置固定が施されることを特徴とする請求項9記載の製造方法。
- 前記中空形状体(15、16)の壁部に形成され、その周囲にらせん状に延設されるスリット(17)は、前記中空形状体(15、16)の壁部の全周にわたって貫通し、位置固定のために前記スリット付中空形状体(15、16)にはコーティング、即ち例えば含浸槽内での、例えばラッカーコーティングを施すことを特徴とする請求項9記載の製造方法。
- 前記スリット付中空形状体(15、16)は、例えば含浸槽内で、例えばラッカーコーティングが施されることにより位置固定されていることを特徴とする請求項9から11のいずれかに記載の製造方法。
- 前記成形コア材(4)にはコアスリーブ(9)、即ちコア素材(4)を全体的に覆う可撓性チューブを用いて形成されることを特徴とする請求項1から12のいずれかに記載の製造方法。
- 前記半完成繊維製品(3)及び/またはマトリックスが前記コアスリーブ(9)に接着するのを抑制するための分離層が前記コアスリーブ(9)に設けられることを特徴とする請求項13記載の製造方法。
- 少なくとも部分的に少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)を載置するステップにおいて、前記成形コア材(4)は半完成繊維製品(3)からなるベース材(2)上に配置さることにより、及び/または半完成繊維製品(3)によって少なくとも部分的に囲まれることにより、前記複合繊維部品(1)における少なくとも1つの前記成形部(14)を形成し、
成形コア材(4)の内部には固定可能な内圧が与えられ、成形コア材(4)のコアスリーブ(9)の両端部は成形部(14)の外側に配置されることを特徴とする請求項1から14のいずれかに記載の製造方法。 - 前記成形コア材(4)を有した少なくとも1つの前記半完成繊維製品(3)にマトリックスが導入された後、前記マトリックスはその後に加圧及び/または加熱のもとで、少なくとも部分的に硬化されることを特徴とする請求項1から15のいずれかに記載の製造方法。
- 前記複合繊維部品(1)を製造する方法は、手作業による積層、プリプレグ製法、トランスファ製法、及び/または減圧注入製法であることを特徴とする請求項1から16のいずれかに記載の製造方法。
- 製造しようとする前記複合繊維部品(1)を加熱及び/または加圧した後、らせん構造体の一端または両端を引き出すとともに、任意で巻き取られることにより前記成形コア材(4)の除去が行われることを特徴とする請求項1から17のいずれかに記載の製造方法。
- 複合繊維部品(1)、特に航空宇宙のベース材(2)上のストリンガを製造するためのらせん構造を有した成形コア材(4)であって、
前記成形コア材(4)は、前記成形コア材(4)の外形形状を規定する中空形状体(15、16)であり、前記中空形状体(15、16)の壁部にはその周囲にらせん状にスリット(17)が延設され、
前記スリット付中空形状体(15、16)は位置固定が施され、
前記成形コア材(4)の周囲にらせん状に延設された前記スリット(17)は、前記中空形状体(15、16)の周囲に割り付けられた少なくとも3つの位置を除き、前記中空形状体(15、16)の壁部を貫通していることを特徴とする成形コア材(4)。 - 前記位置固定を形成するため、前記スリット付中空形状体(15、16)にはコーティング、即ち例えばラッカーコーティングが施されていることを特徴とする請求項19記載の成形コア材(4)。
- 複合繊維部品(1)、特に航空宇宙のベース材(2)上のストリンガを製造するためのらせん構造を有した成形コア材(4)であって、
前記成形コア材(4)は、前記成形コア材(4)の外形形状を規定する中空形状体(15、16)であり、前記中空形状体(15、16)の壁部にはその周囲にらせん状にスリット(17)が延設され、前記スリット(17)は、前記中空形状体(15、16)の壁部の全周にわたって貫通しており、位置固定を形成するため、前記スリット付中空形状体(15、16)はコーティング、即ち例えばラッカーコーティングが施されていることを特徴とする成形コア材(4)。 - 複合繊維部品(1)、特に航空宇宙のベース材(2)上のストリンガを製造するためのらせん構造を有した成形コア材(4)であって、
前記成形コア材(4)は、前記成形コア材(4)の外形形状を規定する中空形状体(15、16)であり、前記中空形状体(15、16)の壁部にはその周囲にらせん状にスリット(17)が延設され、
前記スリット付中空形状体(15、16)には位置固定が施され、
前記成形コア材(4)の外形形状のうち、縁部が鋭角に形成される変曲部の領域に補強材(13)が配設されていることを特徴とする成形コア材(4)。 - 前記補強材(13)は金属及び/またはプラスチックからなる角形状部材として形成されていることを前記特徴とする請求項24記載の成形コア材(4)。
- 前記中空形状体(15)はプラスチックの薄壁を有することを特徴とする請求項19から23のいずれかに記載の成形コア材(4)。
- 前記成形コア材(4)は、例えばエラストマからなる厚壁のらせん形状をなした中空形状体(16)であることを特徴とする請求項19から24のいずれかに記載の成形コア材(4)。
- 複合繊維部品(1)、特に航空宇宙のベース材(2)上のストリンガを製造するためのらせん構造を有した成形コア材(4)であって、
前記成形コア材(4)は、前記成形コア材(4)に適合した外形形状を有した中空形状体(15、16)の形状にらせん状に巻かれたワイヤであって、前記成形コア材(4)には、外面コーティングが施されており、
前記成形コア材(4)の外面コーティングは、充填剤と混合された脆性プラスチック、充填剤入りエポキシ樹脂、または軽量なナイフィングフィラーと同等の素材であり、外面のうねりを滑らかにするとともに前記ワイヤの位置固定するために行われることを特徴とする成形コア材(4)。 - 前記ワイヤは矩形断面を有することを特徴とする請求項26記載の成形コア材(4)。
- 前記成形コア材(4)の外形形状のうち、縁部が鋭角に形成される変曲部の領域に補強材(13)が配設されていることを特徴とする請求項26または27記載の成形コア材(4)。
- 前記補強材(13)は、金属及び/またはプラスチックの角形状部材として形成されていることを特徴とする請求項28記載の成形コア材(4)。
- 前記成形コア材(4)は、該成形コア材を封入するコアスリーブ(9)、即ち例えば可撓性チューブ、を備えていることを特徴とする請求項19から29のいずれかに記載の成形コア材(4)。
- 前記コアスリーブ(9)は成形コア材(4)の外側面を形成する、例えばさらなるスリーブの形で分離層を有していることを特徴とする請求項30記載の成形コア材(4)。
- 前記コアスリーブ(9)はプラスチック、特にポリアミド及び/またはPTFEプラスチックからなることを特徴とする請求項30または31記載の成形コア材(4)。
- 前記成形コア(4)は、Ω型、台形状、三角形状、環状、及び/または波状のように成形されていることを特徴とする請求項19から32のいずれかに記載の成形コア材(4)。
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