JP2011235635A - 強化フルオロエラストマーブラダを用いた折り畳み式マンドレル - Google Patents

Abstract

【課題】繰り返しの使用に対して優れた寸法安定性を発揮し、マンドレルを使用してパーツの積層を可能にするために必要な強度及び剛性を有する、折り畳み式マンドレルを提供する。
【解決手段】折り畳み式マンドレル３０は空気注入式ブラダ３５であり、ブラダ３５が折り畳み式の側壁３２を有し、ブラダ３５はフルオロエラストマーゴムの内側層と外側層を有し、前記内側層と前記外側層との間に各側壁３２で途切れている強化材を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は概してパーツを成形できるマンドレルに関し、さらに具体的には複合パーツを積層する及び/又は硬化させる強化フルオロエラストマーブラダを用いた折り畳み式マンドレルに関するものである。

繊維強化樹脂製パーツを製造するために、空気注入式ブラダをしばしばマンドレルとして使うことがある。層を所望のパーツ形状に成形するために、繊維強化樹脂の複数層をマンドレルの上に積層する。積層体が圧縮された又は硬化した後で、パーツからマンドレルを引き抜くことができるようにマンドレルを折り畳んで断面形状を縮小することにより、積層体からマンドレルを取り外すことができる。

ある用途において、積層体の上に均一に圧力を印加するブラダの性能は、ブラダの寸法安定性に依存する場合がある。ブラダの寸法安定性の維持は、長いチューブ状の複合パーツを積層する場合には、特に問題になり得る。

複合パーツの積層及び硬化に使用される公知の種類のマンドレルは強化シリコンゴム製ブラダを用いるが、この種のブラダは繰り返し使うことにより時間経過とともに比較的早く継続的に縮小するため、硬化サイクル中に均一な圧力をかけることができなくなる。パーツの寸法要件が比較的厳しい場合には、強化シリコンゴムブラダは、熱成長と硬化処理後の収縮に伴う問題のために、１回しか使用することができない。

別の種類のマンドレルは、ナイロン製のチューブ状バッグ処理フィルムを使用して、硬化中にパーツの内部空洞にオートクレーブ圧を印加する。しかしながら、バッグ処理フィルムは、積層工程中にパーツを支持するために必要な構造強度及び剛性を有していない。

したがって、繰り返しの使用に対して優れた寸法安定性を発揮し、マンドレルを使用してパーツの積層を可能にするために必要な強度及び剛性を有する、折り畳み式マンドレルが必要である。

開示の実施形態では、折り畳み式マンドレルと、折り畳み式マンドレルを作製する方法が提供されており、折り畳み式マンドレルは、繰り返しの使用に対して最小の収縮量を呈し、複数の硬化サイクルでの使用に用いることができ、これにより連続的なツール費用を低減することができる強化フルオロエラストマーゴム製ブラダを含む。折り畳み式マンドレルにより、未硬化パーツの積層中に骨組みとサポートが提供され、硬化中に適切な形状とオートクレーブ圧を得ることができ、熱成長は最小限に抑えられ、硬化処理後に実質的な収縮が起こらない。マンドレルは真空化されると折り畳まれて、密閉されたパーツから簡単に取り出すことができる。パーツ硬化中の寸法制御を向上させるには、フルオロエラストマーゴムの低い熱膨張係数（ＣＴＥ）で達成可能である。高温でのフルオロエラストマーゴムの低い気体浸透率もまた、パーツの可能な気孔率を低減させることによってパーツの品質向上に貢献する。

開示の方法はまた、フルオロエラストマーゴムの揮発性も低減し、これにより繰り返し使用に対するマンドレルの寸法安定性を維持できる。マンドレルが折り畳み可能であることにより、パーツの外形が様々であるためにブラダがパーツ内部に閉じ込められるのを防止しながら、複雑な外形を有するパーツの積層が可能になる。

ある開示の実施形態によれば、空気注入式ブラダを含む折り畳み式マンドレルが提供されている。このブラダは、強化材がその間に挟まれているフルオロエラストマーゴムの内側層及び外側層を含む。強化材は、フルオロエラストマーゴムのコーティングを含むことができる。このブラダは、折り畳み式の側壁を含み、強化材は各側壁で途切れている。ある実施形態では、強化材はグラスファイバーを含む。強化材は、実質上互いの端と端が合うように配置された各側壁に少なくとも２つの通常堅く細長い部材を含むことができる。

別の開示の実施形態によれば、複合パーツを積層し硬化する折り畳み式マンドレルが提供されている。このマンドレルは、加圧されると膨らむように構成されている実質的に柔軟な加圧可能なブラダを含む。このブラダは、ゴムの内側層、ゴムの外側層、及びブラダが加圧された時はブラダに剛性を与え、ブラダを減圧した時に折り畳まれる実質的に堅い強化材を含む中間層を含む。ゴムの内側及び外側層はフルオロエラストマーゴムであり、強化材はフルオロエラストマーゴムでコーティングされている。強化材は、隣り合わせに配置されて柔軟な突き合わせ継ぎ手を形成し、強化材を曲げることを可能にするグラスファイバー部材を含む。

さらに別の実施形態によれば、複合パーツを作製する方法が提供され、この方法は、実質的に堅いストリップで柔軟なブラダを強化することを含む。この方法はさらに、ブラダを膨らませ、強化された膨張ブラダの上に複合パーツを積層することを含む。ブラダから空気が抜かれ、積層体が完成した後か、あるいは積層体が硬化された後に取り外される。ブラダは、マイナス気圧を使用して強化ストリップの縁部とともにブラダの側壁を折り畳むことによって空気抜きされる。ブラダの強化は、ストリップをゴムでコーティングし、２つのゴム層の間に隣り合わせの状態で配置することによって実施される。

図１は完全に膨張した状態の、開示の実施形態による折り畳み式マンドレルの斜視図である。 図２は図１の線２−２に沿って切り取られた断面図である。 図３は図１に示す折り畳み式マンドレルを使用して積層され硬化された通常の部品の等角投影図である。 図４は図３と同様の図であるが、図３に示すパーツ内部に取りつけられ膨張しているマンドレルを示す図である。 図５は図４と同様の等角投影図であるが、折り畳まれてパーツから取り外される過程のマンドレルを示す図である。 図６は図２と同様の断面図であるが、部分的に折り畳まれた側壁を示す図である。 図７は図１に示す折り畳み式マンドレルを形成するのに使用される部分的に完成した積層体を示す等角投影図である。 図８は図７に示す積層体の断面図であるが、層間の状態をより良く示すために拡大した図である。 図９は図７と同様の積層体の等角投影図であるが、フルオロエラストマーゴムの内側層の応用を示す図である。 図１０は図８と同様の図であるが、ゴムの内側層が積層体に適用されている様子を示す図である。 図１１は折り畳み式マンドレルを形成するのに使用される金型の等角投影図である。 図１２は図１１に示す金型に配置された後の積層体の断面図であり、この図では積層体の層を拡大して層間の状態をより良く見せている。 図１３は図１１に示す金型の空洞内に配置された後の積層体の斜視図である。 図１４は図１２と同様の図であるが、強化材と内側層の間に配置されている離型フィルムを示す図である。 図１５は図１４と同様の図であるが、部分的に形成された積層体に配置されている成形マンドレルを示す図である。 図１６は図１５に「Ａ」で指定されている領域の断面図である。 図１７は作製方法の連続ステップを示す積層体の断面図である。 図１８は作製方法の連続ステップを示す積層体の断面図である。 図１９は作製方法の連続ステップを示す積層体の断面図である。 図２０は作製方法の連続ステップを示す積層体の断面図である。 図２１は成形マンドレルが取り付けられた、完成した積層体の断面図である。 図２２は図１１に示す金型の斜視図であり、この図では積層体は完成しており、真空バッグ処理の準備のために金型にカバーが配置されている図である。 図２３は図２１と同様の図であるが、圧縮及び硬化工程中に成形マンドレルによって積層体に圧力を印加する様子を示す。 図２４は硬化された積層体から成形マンドレルを取り外す作業員を示す斜視図である。 図２５は折り畳み式マンドレルを作製する方法のフロー図である。 図２６は航空機の製造及び就航方法のフロー図である。 図２７は航空機のブロック図である。

図１及び２を参照すると、開示の実施形態は、空気注入式の柔軟なブラダ３５を含む折り畳み式マンドレル３０に関するものである。ブラダ３５は、４つの側壁３２と２つの端壁３４を含むが、ブラダ３５は４つ以上又は４つ以下の側壁３２を有することができる。マンドレル３０はまた、例えばブラダ３５を膨張させる空気等の加圧流体の供給源（図示せず）と、ブラダ３５から空気を抜く真空源(図示せず)に結合するように構成された圧力フィッティング３６も含む。実施形態では、マンドレル３０は細長く、おおむね台形の断面を有するが、他の断面形状も可能である。

特に図２を参照すると、ブラダ３５の壁３２はそれぞれ、内側層４２及び外側層４４の間に各々挟まれた中間層４９を含む。内側及び外側層４２、４４は各々、簡単に入手できるＶｉｔｒｏｎ(登録商標)等のフルオロエラストマーゴムを含む。フルオロエラストマーは、特殊用途のフッ化炭素ベースの合成ゴムであり、特に高温用途において広い耐薬品性及び優れた性能を有する。フルオロエラストマーゴムは、比較的低い熱膨張係数を有するため、マンドレル３０に優れた寸法安定性をもたらす。フルオロエラストマーゴムの内側及び外側層４２、４４の厚さは、特定用途によって変わる。中間層４９は、例えば非限定的に、各側面にフルオロエラストマーゴムのコーティング５１を有する織りグラスファイバー等の実質的に堅い材料でできた細長いストリップ４６を含むことができる強化材を含む。グラスファイバー製の強化ストリップ４６は、マンドレル３０に構造剛性を付与するばかりでなく、ブラダ３５の繰り返し使用による収縮を起こりにくくする。

後にさらに詳しく説明するように、グラスファイバー製強化ストリップ４６は隣り合わせに端と端を突き合わせて配置されてストリップ４６の間の突き合わせ継手４８を形成する。突き合わせ継手４８は、マンドレル３０が折り畳まれた時に、強化ストリップ４５が互いに角度をなして折れることを可能にするヒンジの役割を果たす。突き合わせ継手４８の設計及び位置により、ブラダ３５を予測可能な方法でマイナス気圧又は真空下で折り畳むことが可能になり、パーツからブラダ３５を取りだすことが容易になる。コーティング５１の厚さと、強化ストリップ４６の実際の材料構成及び表面仕上げは用途によって異なる可能性がある。コーティング５１により、強化ストリップ４６のフルオロエラストマーゴムの内側層４２及び外側層４４への接着が強まる。

また、図３及び４も参照すると、膨張した時に、比較的長いチューブ状の開口部４０を含む、細長く、おおむねチューブ状の複合パーツ３８等の複合パーツを積層するツールとして、強化された折り畳み式マンドレル３０を使用することが可能である。実施形態においては、開口部４０は、マンドレル３０の断面とほぼ一致する台形の断面を有する。強化ストリップ４６があるために、積層工程中に、マンドレル３０の側壁３２の上に複合材料の複数層（図示せず）を積層している間にマンドレル３０が寸法的に安定した状態を保つのに十分な剛性が得られる。マンドレル３０は、オートクレーブ処理又は他の硬化技術を使用してパーツ３８が硬化されている間、パーツ３８の形状を維持するために任意で使用することが可能である。

図５及び６を参照すると、積層及び/又は硬化工程に続いて、 マイナス圧力を使用して圧力フィッティングを介してブラダ３５から流体（例：空気）を抜いてブラダ３５を収縮させることによって、マンドレル３０をパーツ３８から取り外すことができる。ブラダ３５の空気が抜かれると、ブラダ３５内のマイナス圧力により、図５に示すように端壁３４及び側壁３５が内向きに曲がり、折り畳まれてパーツ３８から引き抜かれる。ブラダ３５から空気が抜かれ、折り畳まれ始めると、隣接した一対の強化ストリップ４６は、図６に示すように連結部４８において互いの縁部に沿って相互に相対的に折れ曲がる。図５に示すようにブラダ３５が部分的に折り畳まれた状態で、マンドレル３０をパーツ３８のチューブ状内部４０から引き抜くことができる。

折り畳み式マンドレル３０は、図７〜２４を参照しながらここで説明する方法にしたがって作製することができる。最初に図７及び８を参照すると、まずフルオロエラストマーゴムの層４４を置くことによって好適な基板５０上に積層体５６が形成される。次に、グラスファイバー製の布ストリップ４６又は他の強化材が、位置合わせされた端と端が接触した状態でゴム層４４の最上部に置かれて突き合わせ継手４８が形成される。強化ストリップ４６は、ゴム層４４の上に置かれる前にフルオロエラストマーゴムでコーティングされる。離型フィルム５２のストリップがゴム層４４の外側縁部と強化ストリップ４６の内の一つの間に挿入される。ＦＥＰを含むことができる２つの離型フィルム５４ストリップが互いに間隔をおいた形でグラスファイバー製ストリップ４６の最上部に配置され、強化ストリップ４６の一部４５はむき出しのまま残される。ゴムコーティング５１とゴム層５４の相対粘着性により、強化ストリップ４６が離型フィルム５２の領域以外のゴム層４４に付着する。

次に、図９及び１０に示すように、フルオロエラストマーゴムの層４２が積層体５６に配置され、離型フィルム５４と強化ストリップ４６のむき出し部分４６ａに覆いかぶさる。離型フィルム５４の存在により、ゴム層４２はむき出し部分４６ａに沿ってのみ強化ストリップ４６に付着する。したがって、内側ゴム層４２及び外側ゴム層４４の両方が強化ストリップ４６に接着されている領域は、図１０の番号５５で示す領域に限られている。図１０に示す積層体５６は次に、高温での真空バッグ処理によってラミネート加工を施してゴム層４２、４４を強化ストリップ４６にラミネートすることによって、ラミネートされる。

ここで図１１、１２及び１３を参照すると、ラミネート工程に続いて、積層体５６をカバー６２を含むツールアセンブリ５８の一部を形成する金型６０の空洞６０ａに配置することができる。形成補助器具（図示せず）を使用して、積層体５６を金型の空洞６０ａに押し付けて、積層体５６を金型の空洞６０ａの半径６０ｂ（図１３）に合わせることができる。この時点で図１２に示すように、離型フィルム５２、５４（図１０）は取り外されており、強化材４６と内側及び外側層４２、４４のそれぞれの間の完全にラミネートされた領域５５は金型空洞６０ａの底部に沿っておかれている。強化ストリップ４６の間の３つの突き合わせ継手４８はそれぞれ、３つの対応する側壁３２の中間におおまかに位置づけされ、積層体５６の外側の自由端部６４は金型６０の外側に延びてフラップの役割を果たす。

次に、図１３及び１４に示すように、離型フィルム６６のストリップが、強化ストリップ４６の縁部とゴム層４２の間に挿入され、続いて図１５に示すように成形マンドレル６８が金型空洞６０ａに挿入され部分的に形成された積層体５６の最上部に配置される。この時点において離型フィルム６６が取り外される。図１６から良く分かるように、成形マンドレル６８はナイロン製硬化チューブバッグ７２、薄いブリーザ７４及び離型フィルム層（例：ＦＥＰ）７６によって覆われる形状記憶フォームのコア７０を含むことができる。

次に図１７に示すように、内側層４２の一部を形成するフラップ４２ａが成形マンドレル６８上に折り重ねられ、続いて図１８に示すように、フラップ４２ｂ及び４６ａがフラップ４２ａの上に折り重ねられて、重なり接合部６５となる。その後に図１９に示すように、フラップ４６ｂがフラップ３２ｂの一部の上に折り重ねられて、２つの強化ストリップ４６の端部の間の突き合わせ継手４８ａとなる。次に図２０に示すように、フラップ４４ａが強化材の上に折り重ねられて、突き合わせ継手４８ａに重なる。最後に、図２１に示すように、フラップ４４ｂが４４ａの上に折り重ねられて、第２重なり接合部７８となる。

図２２を参照すると、様々なフラップが閉じられた状態で、金型６０にカバー６２を取り付けることによって封鎖することができ、続いてツールアセンブリ５８全体に真空バッグ処理（図示せず）を施して、図２３に示すように真空圧及び/又はオートクレーブ圧を印加することにより、積層体５６が圧縮され硬化される。ブラダ３５の真空バッグ処理により、ゴムの揮発性が除去されやすくなり、複数回の使用にわたるマンドレル３０の寸法安定性及び/又は耐収縮性が高まる。圧縮及び硬化に続いて、図２４に示すように、バッグ処理された形状記憶フォームコア７０を真空化することにより積層体５６から成形マンドレル６８を取り外すことができ、これによりコア７０が折り畳まれる。一旦折り畳まれると、作業員７９が離型フィルム７６の端部をつかんで、完全に硬化されたパーツ積層体５６の一端を介してマンドレル６８を引き抜くことができる。

図２５は、上述した折り畳み式マンドレルを作製する方法の全ステップを示す。ステップ８０で開始し、フルオロエラストマーゴムの外側層４４が好適な基板５０（図７）上に置かれ、続いてステップ８２において、後で各側壁３４の間のそれぞれおよそ中ほどに突き合わせ継手４８が位置決めされるように、ゴムでコーティングされた強化ストリップ４６を隣り合わせに互いに端と端が接した状態で位置合わせして置くことにより中間の強化層４９が形成される。ステップ８４において、離型フィルムは強化ストリップ４６の上に取り付けられ、強化ストリップ４６の一部はむき出しのまま残される。次にステップ８６において、フルオロエラストマーゴムの内側層４２が置かれ、高温での真空バッグ処理を含む任意の様々な技術を使用してラミネート加工が施される。ラミネート加工された積層体５６は次にステップ８８において金型６０に配置され、金型空洞６０ａの半径内に押し込まれる。次に、離型フィルム６６が内側層４２及び中間層４９の縁部フラップの間に挿入される。

ステップ９２において成形マンドレル６８が作製され、ステップ９４において積層体５６の上の金型６０の中に挿入された後に、離型フィルム６６を取り外すことができる。次にステップ９６において、内側層４２のフラップ４２ａが折り重ねられ、続いてステップ９８において内側層４２の第２フラップ４２ｂ、及び中間層４９のフラップ４６ａが折り重ねられてこれらのフラップの間に重なり接合部６５が形成される。次にステップ１００において、中間層４９の第２フラップ４６ｂが折り重ねられて中間層フラップの間に突き合わせ継手４８ａが形成される。ステップ１０２において、外側層４４の第１フラップ４４ａが折り重ねられ、続いてステップ１０４において、外側層４４の第２フラップ４４ｂが折り重ねられて、２つの外側層のフラップ４４ａ、４４ｂの間に重なり接合部７８が形成される。次に、ステップ１０６において、金型６０が閉じられ、ステップ１０８において、金型６０の上に真空バッグが取り付けられて積層体５６が真空化される。固まった積層体５６を次にステップ１１０において、任意にオートクレーブ処理を行って硬化することができる。ステップ１１２においては、成形マンドレル６８が硬化された積層体５６から取り外され、積層体５６が金型６０から取り外される。最後にステップ１１４において、端壁３４及び一又は複数の圧力フィッティング３６を硬化されたブラダに取り付けることができる。

本発明の実施形態は、様々な可能性のある用途、特に例えば航空宇宙、海洋、及び自動車用途を含む運送業において使用することができる。したがって、ここで図２６及び２７を参照すると、本発明の実施形態は図２６に示すような航空機の製造及び就航方法１２０及び図２７に示すような航空機１２２において使用可能である。本発明の実施形態の航空機用途は、例えばおおむねチューブ状の多様な構造及び非構造複合パーツ及び構造部品を含むことができる。試作段階においては、例示の方法１２０は航空機１２２の仕様及び設計１２４と、材料調達１２６を含むことができる。製造段階においては、航空機１２２の部品及びサブアセンブリの製造１２８と、システム統合１３０がおこなわれる。そのあとに、航空機１２２は、認可及び納品１３２を経て就航１３４される。顧客によって就航されている間、航空機１２２には所定の整備及び保守１３６（変更、再構成、改装も含むことができる）が予定される。

本方法１２０の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客等）によって行う又は実施することができる。この説明のために、システムインテグレータは限定しないが、任意の数の航空機メーカー、及び主要システムの下請け業者を含むことができ；第三者は限定しないが、任意の数の供給メーカー、下請け業者、及びサプライヤを含むことができ；オペレータは、航空会社、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。

図２７に示すように、例示の方法１２０で製造された航空機１２２は、複数のシステム１４０と内装１４２を有する機体１３８を備えることができる。高レベルシステム１４２の例は、一又は複数の推進システム１４４、電気システム１４６、油圧システム１４８、及び環境システム１５０が挙げられる。任意の数の他のシステムを含むことができる。本発明の方法は、内装１４２及び機体１３８に使用されるパーツ、構造物及び構造部品を加工するのに用いることができる。航空宇宙での実施例を示したが、本発明の原理は例えば海洋及び自動車産業等の他の産業分野に応用することが可能である。

本明細書に具現化されたシステム及び方法は、製造及び就航方法１２０の任意の一又は複数の段階において採用することができる。例えば、製造プロセス１２８に対応するパーツ、構造物及び構造部品は、航空機１２２が就航している間に製造されるパーツ、構造物及び構造部品と同じ方法で加工又は製造することができる。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせを、例えば、航空機１２２を実質的に組立てしやすくする、又は航空機１２２にかかる費用を削減することによって、製造段階１２８及び１３０において用いることが可能である。同様に、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、またはこれらの組み合わせを、航空機１２２が就航している間に、例えば限定しないが、整備及び保守１３６に用いることができる。

本発明の実施形態を特定の実例となる実施形態に関連させて説明してきたが、当然ながら特定の実施形態は説明のためであり、限定するものではなく、当業者が他の変形例を発想することが可能である。

３０ 折り畳み式マンドレル
３２ 側壁
３２ｂ フラップ
３４ 端壁
３５ ブラダ
３６ 圧力フィッティング
３８ パーツ
４０ チューブ状内部
４２ 内側層
４４ 外側層
４４ｂ フラップ
４６ 強化ストリップ
４６ａ むき出し部分
４６ｂ フラップ
４８ 突合せ継手
４８ａ 突合せ継手
４９ 中間層
５１ ゴムコーティング
５２ 離型フィルム
５４ 離型フィルム
５６ 積層体
５８ ツールアセンブリ
６０ 金型
６０ａ 金型空洞
６２ カバー
６４ 積層体の自由端部
６５ 重なり接合部
６６ 離型フィルム
６８ 成形マンドレル
７０ 形状記憶フォームのコア
７２ 硬化チューブバッグ
７４ ブリーザ
７６ 離型フィルム
７８ 重なり接合部
７９ 作業員

Claims (7)

1. 折り畳み式マンドレルであって、
   空気注入式ブラダを含み、
   ブラダが、フルオロエラストマーゴムの内側層及び外側層を含み、強化材が内側層と外側層との間に挟まれた
   折り畳み式マンドレル。
2. 強化材が、フルオロエラストマーゴムのコーティングを含む、請求項１に記載の折り畳み式マンドレル。
3. ブラダが折り畳み式の側壁を含み、
   強化材が各側壁で途切れている
   請求項１に記載の折り畳み式マンドレル。
4. 強化材がグラスファイバーである、請求項３に記載の折り畳み式マンドレル。
5. ブラダが、細長く、複数の側壁を含み、
   強化材が、相互にほぼ端と端を突き合わせて配置されている各側壁に少なくとも２つのおおむね堅く細長いストリップを含む
   請求項１に記載の折り畳み式マンドレル。
6. 複合パーツを作製する方法であって、
   実質的に堅いストリップで柔軟なブラダを強化すること、
   ブラダを膨張させること、
   強化して膨張させたブラダの上に複合パーツを積層すること、
   堅いストリップをその縁部に沿って折り曲げてブラダから空気を抜くこと、
   ブラダを積層体から取り外すこと
   を含む方法。
7. 強化することが、ゴム層の間にストリップを隣り合わせに配置することを含む、請求項６に記載の方法。

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