JP2010528910A - Ｊ形状断面を持つ複合材料の梁を製造するための硬化方法及び装置 - Google Patents

Abstract

Ｊ形状断面を持つ複合材料の梁を製造するために、２つの端部支持具（３０）によりテーブル（５０）に平行に支持される棒（２０）を含む硬化装置を準備する。未硬化複合材料のＪ形状梁（Ａ）を準備して装置（１０）に配置し、梁の底部フランジ（Ｄ）の位置を合わせ、これがテーブル（５０）に面し、ウェブ（Ｃ）と上部フランジ（Ｂ）が棒（２０）の２つの側部（２２、２１）のそれぞれに対して置かれるようにする。梁（Ａ）を真空バッグ（Ｖ）で覆い、梁の樹脂を硬化するために加圧器中で圧力と熱を加える。

Description

本発明は、Ｊ形状断面を持つ複合材料の梁を製造するための硬化方法及び装置に関する。

航空分野における、又は他の応用のための複雑な構造体を製作するために、複合材料から成りＪ形状断面を持つ軽量かつ高剛性の梁（図１）を製造することがしばしば必要とされる。幾つかの応用、例えば旅客機の床梁では、梁の幾何学的精密さが特に重要である。とりわけ、Ｊ形状断面の土台又は底部フランジは、梁を機体の骨組に結合する床部材や心材を取り付けるため、平坦であることが必要である。

複合梁を製造するため所謂硬化用具が用いられ、この用具は、加圧器中で圧力と熱を同時に加えることにより梁をその最終形状にできる支持具から成る。実際には、圧力により梁を形成する各種の層が圧縮され、熱は樹脂の液化を助けることにより初期の圧縮の補助を行い、続いて樹脂硬化反応を起こし最終形状とする。硬化用具は、この段階で梁を支持し収容する機能を有する。

現在の技術は、金型と対抗金型とを含み該当部分を完全に囲む形式の金属製装置の使用に基づいている（図２）。硬化すべき梁は、金属部の一方に置かれ、分解可能な可動装置の他部で囲まれる。そして、全組立体は、ポリアミド（ナイロン）薄膜製の所謂真空バッグ内に入れられ、真空にされる。組立体は、その後加圧器内に置かれ、圧力と熱が所定の時間経過に従って加えられる。真空バッグに加えられた圧力は、装置の金属部に伝えられ、更に圧力は梁に伝えられる。この圧縮の結果として、圧力は、同時に起こる温度上昇と相俟って樹脂の圧密化と硬化を引き起こす。

現在の技術水準には幾つかの欠点がある。
・ 梁への圧力の印加は直接ではなく剛性金属部を介しており、その結果、完全に接合されていなかったり幾何学的形状が生産する梁に完全に対応していない場合、大きな圧力が梁の特定区域に印加され、他の区域には殆ど圧力が印加されなくなる。これが意味するのは、高圧区域では樹脂が乏しくなって梁の厚さが局部的に減少し、低圧区域では圧縮が不十分であって梁が多孔性となる可能性が存在することである。この問題は、重量軽減のために厚さが可変である梁の場合、特に重要である。
・ 硬化すべき梁の端部と装置の端部との接合が不完全であると、圧力によって樹脂が流れ込む空間が生じ、梁を痩せさせ、厚さを減少させる。
・ 装置が相当な重量を有し、そのため適当な取り扱い手段が必要である。
・ 多数の部品から成る装置は、清掃費及び維持費が高い。

したがって、本発明の目的は、上記欠点を克服し、特に高度の幾何学的精密さを有するＪ形状の梁を製造することである。

これらの、また他の目的と効果は以下でより明らかとなるが、請求項１に係る発明の方法により達成される。本発明の他の態様については、請求項７に記載の特性を有する装置が提案されている。本発明の好適な実施形態は、従属請求項に示されている。

ここで、本発明の好適な、しかし非限定的な実施形態について説明する。参照する添付図面について以下に示す。
本発明に関連するＪ形状の梁の断面図である。 Ｊ形状の梁の硬化段階に使用される既知の装置の断面図である。 本発明による硬化装置の概略斜視図である。 加圧器内で本発明の装置に置かれた硬化すべき梁に作用する圧力を示す概略断面図である。 本発明による装置の側面図である。 図５のＶＩ−ＶＩ線に沿った断面図であり、本発明による装置における支持形成部の２つの異なる動作位置を示す。

図１に示されたようなＪ形状断面を有し複合材料から成る梁Ａを製造するために何よりもまず必要なことは、未硬化状態にあるＪ形状の梁を既知の方法で準備することである。この方法は、予め樹脂含浸した繊維層の平坦な組み合わせ、種々の断面形状（Ｃ形状、Ｌ形状、Ｚ形状）を有する部分の熱間成形、これらの構成要素の補助装置による接合を含み、その結果としてＪ形状断面を得る。

未硬化の梁は宙吊り棒硬化装置に置かれ、これは、図３、５、６Ａ、６Ｂにおいて、全体が１０で示され、概略的に描かれている。装置１０は、水平基部面又はテーブル５０上に載置された端部支持具３０と１以上の中間支持具４０（図３では不図示）で宙吊りされた直線水平棒２０を含んでいる。

例示した宙吊り棒２０は、既知の形状である実質的に台形の断面を有し、これは全長に亘って不変である。棒２０は、梁の上部フランジＢを下から支えることができる上部水平面２１と、ウェブＣの両側面の一方を寄りかからせる垂直側面２２を有する。棒２０は、剛性要件を満たし、梁の硬化に必要な温度と圧力に耐えられる任意の材料（鋼鉄、アンバー、複合材料等）から成る。

基部テーブル５０は、端部支持具により宙吊り棒２０を支持し、Ｊ形状梁の土台Ｄが所望の平坦な形状となることを保証するという機能を有する。したがって、テーブルは、適当な剛性と表面品質特性を持たねばならない。テーブルは、宙吊り棒２０と同様の要件を満たさねばならず、そのため、これと同じ材料で作成される

端部支持具３０は、棒２０をテーブル５０と平行に持ち上げてこれから離し、Ｊ形状梁の土台又はフランジＤが基部テーブルから調整距離（ほぼ０．１−０．２ｍｍ）離れ（調整間隔を有し）、上部フランジＢが宙吊り棒の上面２１の上にあるようにする。棒２０と端部支持具３０との結合は、中心ピンとボルトにより行われる。端部支持具３０と基部テーブル５０との結合も同様にして行われる。端部支持具３０は、装置の一時的な保守を除いては外すことがなく、そのため例えば溶接によりテーブル５０に固定される。

中間支持具４０は、棒２０に対して横に結合され、テーブル５０上にあって更なる一連の支持具を形成し、宙吊り棒のスパンを減少させその曲がりを減らすようにする。中間支持具４０は、例示では２個であるが、装置１０上に取り外し可能に搭載されており、これは、以下に示すように、梁への真空バッグ形成を容易にするために工程の中間段階で位置づけされるためである。このため中間支持具４０は、容易に分解できるネジとピンにより棒２０とテーブル５０に結合される。

中間支持具４０の数と空間的分布は、製造する梁の長さと高さ、特にその細長い外形に応じて決定しなければならない。旅客機の床に用いる梁の場合、或る用途では長さが約３．２０ｍ、高さが約１１０ｍｍであるが、試験で立証できたことは、少なくとも１つの中間支持具が欠けていると、加圧器中で圧力に晒されている宙吊り棒は、自重に加えて不均一な圧力の作用を受け、許容できないほどの棒の曲がりとこれに伴うＪ形状梁の上部フランジの曲がりを生じ、約７ｍｍのそりを持つことである。

ここで本発明の方法を好適に実施する上で好ましい一連の段階について説明する。予備的な段階を経て、装置１０を配置し、棒２０をテーブル５０上の固定支持具３０を用いて端部で固定しテーブルに平行とする。必要なことは、硬化すべき梁と接触する装置表面を清掃し、分離剤を用いることである。Ｊ形状断面を持つ未硬化複合材料の梁Ａは、上記のように、既知の方法を用いて別途準備される。

このようにして得られた未硬化のＪ形状梁は、宙吊り棒２０上に位置し、棒２０の面２１及び２２に対して上部フランジＢ及び心材Ｃを置く。

その後、真空バッグが本分野で既知の技術を用いて準備され、例えば、梁の、装置に接触しない側に高温分離フィルムを置き、続いて換気用繊維（ventilation fabric）の層を置き、最後に、所謂真空バッグを形成するために、梁を囲む機能を持つ適当な厚さのナイロン薄膜を置く。真空バッグの端部は、適当な封止テープＮ（図６Ａ）を用いて基部テーブル上で封止される。

その後、真空バッグに、中間支持具４０が位置する宙吊り棒の側部区域で、開口又は窓が設けられる。この開口の端部は、封止テープ又はマスティック樹脂Ｎで完全に封止される。

真空にするために真空バッグに適当数の弁を入れた後、バッグを低真空にするが、この真空は、中間支持具が無い状態で梁と宙吊り棒が許容できない程曲がることを避けるように計算された値である。

そして、１以上の中間支持具４０が、適当に間隔を置いて又は端部支持具３０から均等の間隔を置いて、所定位置に配置される。中間支持具４０は、取り外し可能な固定部材を用いて棒２０とテーブル５０に強固に固定される（図６Ｂ）。中間支持具４０の固定は、好ましくは、中間支持具４０と棒２０にそれぞれ対応する穴４２と２３に入れた中心ピン４１を用いて行われる。梁が真空バッグで覆われた装置１０を含む組立体は、加圧器に入れられ、梁の樹脂硬化に必要な温度と圧力が既知の方法で加えられる。

好ましいのは、梁のキャップＤをテーブル５０の少し上に宙吊りにし、硬化段階での許容できない皺の発生を防止することである。未硬化のＪ形状梁は、完全でなく、最終的でもない形状を有している。梁は、垂直の高さを最終的な高さより少し低くし、梁の上部フランジＢが宙吊り棒２０上にあるときに底部土台Ｄとテーブル５０との間に隙間があるようにする。隙間は約０．２ｍｍを越えないようにすることが好ましく、そうでなければ、節点の圧縮に関して問題が発生する。加圧器内では真空バッグに作用する圧力が梁を押し、硬化の間に土台をテーブル５０に対して動かす。明らかなことは、逆に未硬化の梁が少し高く、加圧器に入れる前に底部キャップＤがテーブル５０上にあると、圧力の結果、梁の上部フランジＢと宙吊り棒２０との間に隙間ができることである。このような状態では、バッグＶは加圧時に許容できない皺を生じることがある。

当然のことながら、本発明は、はじめに述べた従来技術に比して種々の効果を達成するものである。圧縮の圧力は梁に均一に加えられ、これによって、梁の厚さが許容範囲内となり、印加圧力の不十分な領域による多孔性の問題が回避される。装置は大量の樹脂を受ける空洞を有しておらず、樹脂が流れて厚さの減少を生ずることはない。この部分の土台又は底部フランジは、宙吊り棒に正確に関係する平坦面に対して圧縮される。装置は、数個の部品から成り、そのため容易に清掃及び保守を行うことができる。任意の長さ及び高さのＪ形状梁を正確に製造することができるが、それは中間支持具が、梁の細長い外形と加圧器内で作用する負荷に起因する宙吊り棒の過度な曲がりという問題を実質的になくすか、少なくとも大幅に減少させることによる。

当然のことながら、本発明はここで説明し図示した構造上の形状に限定されず、これは実施例と見なすべきものであり、逆に、本発明は、部品の形状や配置、構造的及び作用的な細部に関して改変することができるものである。

Claims (15)

1. Ｊ形状断面を持つ複合材料の梁を製造する方法であって、
   ａ１）少なくとも２つの第１の剛性支持具（３０）によりテーブル（５０）に平行に支持される棒（２０）を含む硬化器具を準備すること、
   ａ２）未硬化複合材料から成るＪ形状断面の梁（Ａ）を準備すること、
   ｂ） 装置（１０）上に未硬化梁（Ａ）を配置し、梁の底部フランジ（Ｄ）を位置づけしてテーブル（５０）に面するようにし、ウェブ（Ｃ）と上部フランジ（Ｂ）を棒（２０）の２つの側部（２２、２１）のそれぞれに対して置くこと、
   ｃ） 重合する梁（Ａ）を少なくとも１つの真空バッグ（Ｖ）で覆うこと、
   ｄ） バッグ（Ｖ）を真空にすること、
   ｅ） 梁（Ａ）の樹脂を硬化するために加圧器中で圧力と熱を加えること
   の段階を含む方法。
2. 第１の支持具（３０）間の少なくとも１つの中間位置にある他の少なくとも１つの剛性支持具（４０）で棒（２０）をテーブル（５０）に結合する段階を含む、請求項１記載の方法。
3. 上記他の中間支持具（４０）を結合する段階が真空バッグで覆うことを含む段階ｃ）の後で行われる、請求項２記載の方法。
4. 段階ｃ）が、棒（２０）をも真空バッグで覆い、棒（２０）が各中間支持具（４０）に結合される１つ又は複数の区域で真空バッグ（Ｖ）に少なくも１つの開口を形成し、その後１つ又は複数の開口の端部を封止する（Ｎ）段階を含む、請求項２記載の方法。
5. 段階ｂ）における梁の底部フランジ（Ｄ）がテーブル（５０）に面し、その上方に間隔をおいている、請求項１記載の方法。
6. 段階ｂ）における梁の底部フランジ（Ｄ）がテーブル（５０）の上方に約０．１−０．２ｍｍの距離をおいて位置している、請求項５記載の方法。
7. Ｊ形状断面を持つ複合材料の梁を製造するための硬化装置であって、
   少なくとも２つの第１の支持具（３０）によりテーブル（５０）に平行に支持される棒（２０）を含むことを特徴とする、装置。
8. ２つの第１の支持具（３０）が棒（２０）の両端を支持するようにテーブル（５０）に固定されていることを特徴とする、請求項７記載の装置。
9. 第１の支持具（３０）間の少なくとも１つの中間位置にある他の少なくとも１つの剛性支持具（４０）をも含むことを特徴とする、請求項７記載の装置。
10. 中間支持具（４０）が棒（２０）に取り外し可能に結合されることを特徴とする、請求項９記載の装置。
11. 中間支持具（４０）が中心手段（２３、４２、４１）により棒（２０）に結合されることを特徴とする、請求項９記載の装置。
12. 中間支持具（４０）がテーブル（５０）上にあることを特徴とする、請求項９記載の装置。
13. 棒（２０）が真っ直ぐであることを特徴とする、請求項７記載の装置。
14. 棒（２０）が水平であることを特徴とする、請求項７記載の装置。
15. 棒（２０）がテーブル（５０）の上方で支持されていることを特徴とする、請求項７記載の装置。

Images