JP2011518068A - 輪郭に合致した複合構造物を生産する方法及びその方法によって生産される構造物 - Google Patents

Abstract

長さが輪郭に合致しており少なくとも１つの脚部を有する複合部品を形成する方法が提供されている。この方法は、同一方向のファイバーの個々のセグメントを各層に置くことにより、ファイバー強化されたプリプレグ層の積層体を形成することを含む。各セグメントは部品の輪郭に対して予め選択された配置方向に配置される。脚部はツール上で積層体の部分を曲げることによって形成される。

Description

本発明は概して、複合部品を加工する技術に関し、さらに具体的には、同一方向の予備含浸複合材料を使用して、極めて輪郭に合致した非デカルト座標複合構造物、特に複数の脚部を有するフレーム部分等の構造物を生産する方法に関するものである。

航空宇宙産業において使用される極めて輪郭に合致した構成部品は非限定的に、通常アルミニウム等の軽量金属からできているフレーム、スパー、リブ、及びストリンガーを含む。例えば鋳造、成形、転造及び機械加工等の非限定的な金属加工プロセスが、複雑形状を有する極めて輪郭に合致した複合構成部品を加工するのに適切である。金属構成部品を複合材料と置き換えることを好む傾向があるにも関わらず、大規模な民間及び軍用航空機に必要な複雑な輪郭を有する連続的な複数の脚部形状を加工するための幾つかの方法が存在する。

極めて輪郭に合致した複合構成部品を作製する既存の方法は、概してハンドレイアップ技術、ブレード／樹脂注入加工、及び自動ファイバー配置（ＡＦＰ）機械の使用に限られているが、これらの技術にはそれぞれ不利な点がある。例えば、幅の狭い帯状の材料を手動で複数の脚部形状に配置することが要求されるハンドレイアップ法は高価で且つ時間がかかるものであり、したがってプロトタイピング作業及び小規模の生産工程にのみ適切であり得る。同様に、ファイバーを輪郭に合致した形状に編組して成形し、その後樹脂を注入する公知技術もまた時間がかかるものであり、重量の増加を含む、高性能な用途に適切でない品質を呈する構成部品が生産されることもあり得る。最後に、ＡＦＰ機械の使用は、密着した半径を有する極めて輪郭に合致した、複数の脚部を有する構成部品の生産に使用するのに効率的でない可能性がある。それは、これらの構造的な特徴により、機械が比較的頻繁に開始し、停止し、そして方向転換をする必要があるからである。さらに、Ｚ又はＪ断面を含むもの等の特定の構成部品の形態は、ＡＦＰ機械を使っては加工できない可能性がある。それは、ＡＦＰ機械がこれらの構成部品の内側の隅部に材料を置くことができない場合があるためである。

したがって、大量生産の環境において高性能規格を満たす複数の脚部機構を含む、輪郭に合致した、特に極めて輪郭に合致した連続的な複合構造物の加工方法が必要である。

本発明の実施形態により、同一方向のプリプレグ複合材料を使用した、極めて輪郭に合致した連続的な複合構造物の加工方法が提供される。本方法は、低歪み性のプライの無制限の配置方向、安定した樹脂／ファイバー容量、及び滑らかな表面を提供する。その結果得られた複合構造物は軽量であり、精密な機能設置が行われているため、航空機の組立プロセスにおいて優れた装備性を促進する。開示の方法は、航空機及び他の輸送手段のシャータイ、ストリンガー、スパー、及びリブを非限定的に含む広い範囲の構造物を加工するのに採用することができる。

例えばフレーム、スパー、リブ及びストリンガー等の大きく湾曲した、複数の脚部を有する複合構造物の加工中にファイバーの極性配向を維持するように、ファイバートウと幅の狭いテープ帯を置いて配列し、そして成形する、連続的な輪郭に合致した複合構造物を加工することが可能である。この方法は、室温ドレープ成形、ファイバーステアリング、高度ファイバートウ、及びテープ配置及び張力制御ホットドレープ成形を用いる。歪みのない同一方向のプリプレグ及び極めて精密なファイバー配置の使用により、代替方法を使用して加工した構造物に比べて重量の軽い構造物が得られる。

ある開示の実施形態によれば、長さが輪郭に合致しており少なくとも１つの脚部を有する複合部品を形成する方法が提供されており、この方法は：各セグメントを部品の輪郭に対して予め選択された配置方向に配置し；ツール上で積層体の部分を曲げることによって少なくとも１つの脚部を形成することを含む、同一方向のファイバーの個々のセグメントを各プライに置くことにより、ファイバー強化されたプリプレグプライの積層体を形成することを含む。積層体の形成は、同一方向のファイバーの個々のテーパの付いたセグメントを形成してセグメントを配置することを含むことができる。これには、テーパの付いた各セグメントの縦軸を、部品の輪郭を画定する動径座標におおむね平行に方向付けすることが含まれ得る。個々のセグメントはＡＦＰ機械によって置くことができ、この機械はまた、部品の長さに沿って同一方向のファイバーを個々のセグメントのファイバー配置方向に対しておおむね横方向に置くのにも使用できる。プリプレグプライの積層体を曲げて脚部を形成するステップはドレープ成形によって実施することができる。

別の開示の実施形態によれば、輪郭に合致した複合フレーム部分を形成する方法が提供されており、この方法は：ファイバーセグメントを少なくとも特定のプライの予め選択された極性配向に個々に配置し；フレーム部分の第１脚部を形成し；形成された積層体を圧縮して硬化させることを含む、ファイバー強化されたプリプレグプライの平坦な積層体を形成することを含む。ファイバーセグメントの配置は、各セグメントのファイバーパターンにテーパを付けることを含むことができる。ファイバーセグメントの配置は、ＡＦＰ機械によって実施することができ、この機械においてファイバーテープウェッジが互いに隣り合わせに配置される。

さらなる実施形態によれば、フレーム部分の長さに沿って延在する少なくとも１つの脚部を含む断面を有する、湾曲した複合フレーム部分を加工する方法が提供されている。この方法は：フレーム部分の湾曲によって画定される動径座標におおむね並ぶ配向軸を有する同一方向のファイバーのセグメントを置いて、フレーム部分の長さに沿って同一方向のファイバーコースを置き；ツール上に積層体を真空成形することによって、積層体の端部に沿って少なくとも１つの脚部を形成し；真空成形された積層体を圧縮し硬化させることを含む、ＡＦＰ機械を使用してファイバー強化されたプリプレグプライの積層体を形成することを含む。同一方向のファイバーセグメントを置くステップは、セグメントを積層体の長さに沿って互いに隣り合わせに配置することによって実施可能である。この方法はさらに、積層体の端部に沿って複数の相隔たるカットアウトを形成することを含むことができる。

開示された実施形態は、連続的な脚部を有する、極めて輪郭に合致した複合構造物を加工する、効率的で信頼性のある方法の必要を満たす。

１０．輪郭に合致した複合フレーム部分を形成する方法であって：
ファイバー強化されたプリプレグプライの第１積層体を形成し、これにはファイバーセグメントを少なくとも特定のプライの予め選択された極性配向に個別に配置することが含まれ；
フレーム部分の第１脚部を形成し；
形成された積層体を圧縮して硬化させる
ことを含む方法。
１１．ツール上に平坦な積層体を形成するホットドレープ成形によってフレーム部分の第２脚部を形成する
ことをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

１２．ファイバーセグメントを個別に配置するステップが、各セグメントのファイバーパターンにテーパを付けることを含む、請求項１０に記載の方法。
１３．ファイバーセグメントを個別に配置するステップが、自動ファイバー配置機械を使用して行われる、請求項１２に記載の方法。

１４．ファイバーセグメントを個別に配置するステップが、ファーバーテープウェッジを互いに隣り合わせに配置することによって実施される、請求項１０に記載の方法。
１５．ファイバーセグメントの配置方向に対しておおむね横方向に延びる別のプライに、同一方向のファイバーパターンを置く
ことをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

１６．フレーム部分の第１脚部を形成するステップが、積層体を積層体の第１端部に沿って曲げることによって行われる、請求項１０に記載の方法。
１７．積層体を積層体の第２端部に沿って曲げることによって、フレーム部分の第２脚部を形成する
ことをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

１８．第１端部に沿って積層体を曲げるステップが、ツール上で積層体を真空成形することによって行われる、請求項１６に記載の方法。
１９．第２端部に沿って積層体を曲げるステップが、ホットドレープ成形によって行われる、請求項１７に記載の方法。

２０．請求項１０に記載の方法によって形成された輸送手段の複合フレーム部分。
２１．フレーム部分の長さに沿って延在する少なくとも１つの脚部を含む断面を有する湾曲した複合フレーム部分を加工する方法であって：
フレーム部分の湾曲を画定する動径座標におおむね並ぶ配向軸を有する同一方向のファイバーセグメントを置いて、同一方向のファイバーコースをフレーム部分の長さに沿って置くことを含む、自動ファイバー配置機械を使用してファイバー強化されたプリプレグプライの積層体を形成し；
ツール上で積層体を真空成形することによって積層体の端部に沿って少なくとも１つの脚部を形成し；
真空成形された積層体を圧縮し硬化させる
ことを含む方法。

２２．同一方向のファイバーセグメントを置くステップが、セグメントを積層体の長さに沿って互いに隣り合わせに配置することによって行われる、請求項２１に記載の方法。
２３．フレーム部分の長さに沿って同一方向のファイバーコースを置くステップが、自動ファイバー配置機械をフレーム部分の湾曲におおむね一致する湾曲した経路に沿って移動させることを含む、請求項２１に記載の方法。

２４．積層体の端部に沿って相隔たる複数のカットアウトを形成する
ことをさらに含む、請求項２１に記載の方法。
２５．航空機の複数の脚部を有する湾曲した複合フレーム部分を加工する方法であって：
同一方向のプリプレグファイバーセグメントを、セグメントのファイバーの軸配向がフレーム部分の湾曲を画定する動径座標におおむね配列されている積層体の長さに沿って互いに隣り合わせに自動的に配置することによって、少なくとも特定のプライを形成し、ファイバーの軸配向がセグメントのファイバーの軸配向に対して横方向である積層体の長さに沿って、同一方向のプリプレグファイバーを自動的に配置することによって別のプライを形成することを含む、自動ファイバー配置機械を使用して複合プライの平坦な積層体を形成し、
平坦な積層体の第１端部に沿って平坦な積層体に相隔たるカットアウトを形成し、
ドレープ成形を使用してフレーム部分の第１脚部を形成して、ツール上で平坦な積層体の第２端部を曲げて、
ホットドレープ成形を使用することによってフレーム部分の第２脚部を形成して、ツール上で平坦な積層体の第１端部を曲げる
ことによって、フレーム部分を形成し；
ツール上にフレーム部分を配置し；
フレーム部分に増圧器と当て板を設置し；
フレーム部分とツールを真空バッグ処理して；
オートクレーブでフレーム部分を圧密化し硬化させる
ことを含む方法。

開示の実施形態の他の特徴、効果及び利点は、付属の図面及び添付の請求項にしたがって読むときに、下記の実施形態の説明から明らかとなるであろう。

図１は航空機の機体の円筒部分の斜視図である。 図２は図１に示す機体に使用される極めて輪郭に合致した複合フレーム部分の斜視図である。 図３は図１の線３−３に沿って切り取った断面図である。 図４は図２に示すフレーム部分のプライの積み重ねを示す断面図である。 図５は図２に示すフレーム部分の加工に使用される平坦なプライの積層体の斜視図である。 図６はプライの積層体を配置するのに使用されるＡＦＰロボット機械の斜視図である。 図７は図６に示すロボットのエンド検出器として使用されるＡＦＰ機械の斜視図である。 図８は図２のフレーム部分におけるプライの配置方向を画定するのに使用される極及びデカルト座標系を示す概略図である。 図９は０度に配向したファイバーを含むプライの平面図である。 図１０は４５度及び９０度に配向したファイバーをそれぞれ含むプライを示し、トウ及びテープウェッジの使用を示す概略図である。 図１１はプライの平坦な積層体の斜視図である。 図１２は図１１と同様の図であるが、プライの積層体の一端部に沿って形成されているカットアウトを示す斜視図である。 図１３はフレーム部分の内側の翼弦をドレープ成形するのに使用されるドレープ成形装置を示す断面図である。 図１４は図１３のドレープ成形装置の一部を含む成形マンドレルに位置づけされた平坦なプライの積層体の斜視図である。 図１５は図１４と同様の図であるが、成形マンドレルの周りに完全に形成されている内側の翼弦を示す図である。 図１６は開位置に開かれた柔軟なメンブレンを有するドレープ成形装置の斜視図である。 図１７は図１６と同様の図であるが、閉じられてツールアセンブリ周囲に引き伸ばされている柔軟なメンブレンを示す図である。 図１８はフレーム部分の外側の翼弦をドレープ成形するホットドレープ成形装置の断面図である。 図１９は図１８に示すホットドレープ成形装置の斜視図である。 図２０は図１８のドレープ成形ツールアセンブリの一部を含む成形／硬化マンドレルの斜視図であり、その上に位置づけされた部分的に形成されたフレーム部分を示す。 図２１は図２０と同様の図であるが、成形／硬化マンドレルの上に完全に形成されている外側の翼弦を示す図である。 図２２はフレーム部分を硬化させるのに使用される成形／硬化マンドレルバッグアセンブリの断面図である。 図２３は連続的な輪郭に合致した複合構造物を加工する方法を示すフロー図である。 図２４は開示の実施形態にしたがって形成可能である連続的な複合構造物の断面形状を示す図である。 図２５は航空機の製造及び就航方法のフロー図である。 図２６は航空機のブロック図である。

最初に図１〜３を参照すると、円筒形状の機体部分３０は、フレーム構造物３２の上に形成され固定された外側の外板３４を含む。フレーム構造物３２は、複数の縦方向に配置された円筒フレーム３２ａと、円筒フレーム３２ａを通る縦方向に延びるストリンガー３２ｂを含む。各円筒フレーム３２ａは、例えば非限定的にスプライスプレート（図示せず）及び留め具（図示せず）等の適切な全ての手段を使用して共にスプライスされた複数のフレーム部分３６を含むことができる。しかしながらある用途においては、半分のフレーム及び完全なフレーム部分（図示せず）が可能であり得る。

図３において良く分かるように、フレーム部分３６はおおむねＺ形状の断面を持ち、通常ウェブ４２で内側の翼弦４０に接続された外側の翼弦３８を含むことができる。外側及び内側の翼弦３８、４０は、断面で見たときに（図３）、ウェブ４２に対して横方向に延びる「脚部」を実質的に形成する。したがって本明細書で使用されるように、用語「（単数の）脚部」及び「（複数の）脚部」は、例えば非限定的に、ウェブ等の輪郭に合致した構造物のほかの機構に対して横方向に延びるキャップ又はフランジ等の一又は複数の構造的機構を指す。実例となる実施形態では、ウェブ４２は任意的な補強パッド４４を含むことができる。外側の翼弦３８は外板３４が連結及び／又は固定されることのできるシヤータイを形成する。外側の翼弦３８のほかにウェブ４２の一端部は、複数の、相隔たる幅の狭い形状のカットアウト５３を含むことができ、このカットアウト５３を通ってストリンガー３２ｂが延びている。下に説明されるように、フレーム部分３６は例えばカーボンファイバーエポキシ樹脂等のファイバー強化合成樹脂を積み重ねたプライから形成されている。図４に示すように、フレーム部分３６は、後述する効率的且つ繰り返し可能な加工方法の使用を促進しながらも最大の構造的耐力を提供するように配置し方向付けされた完全なプライ４６と部分プライ４８を含むプライの積み重ねを含むことができる。

ここで図５〜７を参照すると、ＡＦＰ機械５８をロボット６０のエンド検出器として使用して、ファイバープリプレグテープのファイバートウ又はストリップを置いて、平坦なプライの積層体５０を形成することができる。ＡＦＰ機械５８は、トウカッター６８によって切断される前に、リボナイザー６６を通過する進入してくるプリプレグトウ６２を受けるコーム６４を含むことができる。切断されたトウ７２は、トウ６２を基板（図示せず）又は下部のプライ層（図示せず）に当てて圧縮する従属ローラ７０の下を通過する。図５で良く分かるように、ＡＦＰ機械５８を使用して、ファイバーがデカルト座標系４７の予め選択された角度で配向しているファイバートウ６２又はテープを置くのに使用可能である。図示した実施例では、プライ積層体５０は、０度に配向したファイバートウ５２、＋４５度に配向したファイバートウ５６、及び−４５度に配向したファイバートウ５４を含む。図示していないが、プライ積層体５０には９０度に配向したファイバートウが組み込まれている。

図８は、プライ積層体５０に同一方向のファイバートウ又はテープが置かれているデカルト座標系５３の配置方向と、フレーム部分３６の輪郭を画定する極座標系の関係を良く現している。数字３７で指定されているフレーム部分３６の輪郭は、極３９から始まり、０度で示される参照座標に対して極角θを形成する動径座標「ｒ」によって画定することができる。したがって、フレーム部分３０によるそれぞれ輪郭に合致した特性は、角度θにおいて値「ｒ」（動径座標）によって画定することができる。ここで注記すべきなのは、図示したフレーム部分３６が一定の半径（曲率）を有し、ウェブ４２が一定のゲージ（厚さ）を有し、フレーム部分３６の曲率、ウェブ４２のゲージ、内側の翼弦４０のゲージと外側の翼弦３８のゲージはそれぞれ、フレーム部分３６の長さに沿って可変であり得ることである。

実例となる実施形態では、プライ積層体５０は、同一方向のプリプレグファイバーが動径座標「ｒ」に接線方向に並んだデカルト座標系４７内に配向している複数のプライによって形成されている。下にさらに詳しく説明するように、実例となる実施例では、０度、−４５度、＋４５度及び＋９０度のファイバーの配置方向を用いるが、特定の用途、及びフレーム部分３６の形状を含む、様々な要因によって他の角度の配置方向も可能である。

ここで、平坦なプライ積層体５０の幾つかのプライのファイバーの配置方向を示す図９〜１２に注目する。図９は、ＡＦＰ機械５８によってトウ又はテープストリップが０度の配置方向に置かれ、フレーム部分３６の全長が延びているプライ５２を示す。本明細書で使用されるように、「テープ」は同一方向の予備含浸ファイバーを指し、「トウ」は、長さに沿って、例えば非限定的に０．１２５、０．２５、又は０．５インチの幅であってよい狭い帯状に切断されたテープを含むことができる。「コース」は、ＡＦＰ機械５８によって帯として適用されたトウを指す。「ドロップ」は、ＡＦＰ機械５８が一又は複数のトウを継続させないことを指し、隣接したトウ又はテープの間の距離を含むことができる。切断／追加収束区域は、あるコースが、同じプライの中の異なる配置方向のコースにおいて終了することにより、間隔及び重なりのある領域が作られることを意味する。

０度のプライ５２は、ＡＦＰ機械５８を使用して、一致とドロップオフによりプライ５２の幅が決まるスリットテープの設置を「誘導」することによって形成することができる。完全なプライ５２が図９に示されているが、部分プライ又はドロップオフを有するプライもまた可能である。後に外側の翼弦、内側の翼弦及びウェブに形成されるプライ５２の部分はそれぞれ数字３８、４０及び４２で指定されている。ここで注目すべきなのは、幾つかの用途においては、外側の翼弦４０を形成しているプライを、予め幅が切断され、ＡＦＰ機械５８を使用して置かれる代わりに後述する工具に配置されるテープのトウ又は層の別々の帯を使用して形成することができることである。

０度以外の角度に配向したトウ又はテープを含むプライは、それぞれテーパの付いたウェッジ形状を有するトウ／テープの隣り合わせのグループ又はセグメント５５、７４によって形成される。セグメント５５、７４は、側面を決める見上げ角度及びドロップ許容差を有するテープを使用して形成することができる。例えば、図１０は各セグメント５５のファイバーの配置方向がおおむね＋４５度であるセグメント５５によって形成されるプライ５４を示す。

図１１は、各セグメント７４のファイバーがおおむね９０度に配向し、フレーム部分３６の輪郭３７（図８）を画定している動径座標「ｒ」の角度にほぼ配列されている、隣り合わせに配置されたセグメント７４によって形成されたプライ７６を示す。トウ７２が置かれてセグメント７４が形成されるところでは、個々のトウはプライ７６が湾曲している方向に角度をなしている。角度をなしているトウ７２は、互いに隣り合わせに個別に配置されている。あるいは、セグメントは、ＡＦＰ機械５８又は同様の装置によって互いに隣り合わせに置かれたファイバーテープのテーパの付いたウェッジ７５によって形成可能である。

ここで図１２を参照すると、平坦なプライ積層体５０が全て配置された後で、幅の狭いカットアウト５３をプライ積層体５０の一端部５１に沿って作製することができる。カットアウト５３は、例えば非限定的に、ＮＣ制御超音波カッター（図示せず）を使用し、任意の様々な技術を使用して作製可能である。

実例となる実施例では、カットアウト５３により、ストリンガー３２ｂが通って延びる開口部が提供される（図１）。しかしながら、別の用途では、同様のカットアウト５３を提供して、重量を削減する、及び／又は後に続く加工プロセス中にプライの皺が発生する可能性を削減することが望ましい場合がある。

ここで、ドレープ成形プロセスを使用した内側の翼弦４０の形成を示す図１３〜１７に注目する。プライ積層体５０は、成形マンドレル８０の平坦な上面８０ａに配置される。成形マンドレル８０は、実例となる実施例では、平坦な上面８０ａに対してほぼ９０度の角度をなす湾曲した又は輪郭に合致した表面８０ｂを含む。外側の翼弦４０を形成するのに使用可能な全ての０度のプライが、輪郭に合致した表面８０ｂに直接配置される。プライ積層体５０の外側端部５０ａは、湾曲した端部８０ｂを越えて延び、プライの配置の間は、図１３に示す位置にその後移動される積層シェルフ８６によって支持されることが可能である。成形マンドレル８０は、グラスファイバー通気孔８２によって分離されて真空バッグツール８４上に支持される。真空バッグ８８はプライ積層体５０と成形マンドレルの上に配置される。通気孔９０と、ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）の層９２は、バッグ８８とプライ積層体５０の間に配置することができる。バッグ８８はまた、内面にチャネル（図示せず）を有することができ、この場合通気孔９０は必要ない。

プライ積層体５０の端部５９ａがツールの端部８０ｂの上にかかった状態で、バッグ８８に真空を引いてプライ積層体５０に圧力をかけ、これにより端部５０ａが、成形マンドレル８０の前面８０ｂにほぼ平坦に当接し、前面８０ｂの輪郭を実質的に呈するまで、図１３の矢印９４の方向に下向きに曲がる。プライ積層体の端部５０ａはこのように、ツール前面８０ｂの半径Ｒにほぼ等しい半径を有する内側の翼弦４０に形成される。

上述した成形プロセスは、図１６及び１７に示すドレープ成形装置９６において行うことができる。バッグ８８は、例えば非限定的に、脚部１００に支持された真空テーブル９８に回転可能に付着されたフレーム１０２に取り付けられたシリコーンでできた、気体不透過メンブレンを含むことができる。真空テーブル９８は、空気がテーブル９８を通って引き込まれることを可能にするポート又は送り穴（図示せず）を含む。成形マンドレル８０はプライ積層体５０と積層シェルフ８６とともに真空テーブル９８に配置することができ、フレーム１０２は真空テーブル９８に当接して閉じている。

図１７に示すように、真空システム（図示せず）を使用して、フレーム１０２及びテーブル９８によって形成された密封された空洞内の空気を排出することができる。この空洞の排気により、メンブレン８８が成形マンドレル８０の上に引き下げられ、これにより成形マンドレル８０の前面８０ｂの上に端部５０ａが形成される。形成プロセス中は、積層シェルフ８６がメンブレン８８を部分的に支持することにより、メンブレン８８の端部５０ａに印加される力が制御され方向付けされる。

内側の翼弦４０が完全に形成されたら、加工方法の次のステップは、外側の翼弦３８が形成されている図１８〜２１に示されている。外側の翼弦３８は、例えば非限定的に、図１９に示すドレープ成形装置１２４を使用して、張力、ホットドレープ成形によって加工することができる。ドレープ成形装置１２４は、脚部１３４によって支持される下方フレーム１２８に保持された加熱された真空テーブル１３０を含む。上方の枢軸フレーム１２６は例えば、シリコーンを含むことができる気体不透過メンブレン１３２を含む。成形／硬化マンドレル１０６と輪郭に合致したブロック１１２の形態のツールは、フレーム１２６が下方フレーム１２８に当接して閉じられ密封された時に、真空テーブル１３０に支持され、メンブレン１３２によってカバーされる。

図１８において最も良く分かるように、成形／硬化マンドレル１０６は、プライ積層体５０を支持する平坦な上方ツール面１０６ａを含む。成形／硬化マンドレル１０６の第２平坦面１０６ｂは、ツール面１０６ａから上向きに延び、内側の翼弦４０と係合する。成形／硬化マンドレル１０６は、ツール面１０６ａから下向きに延びる第３面１０６ｃをさらに含み、外側の翼弦３８を形成するのに使用される。

成形／硬化マンドレル１０６は真空テーブル１３０に支持される。グラスファイバー又は他の適切な材料で形成された任意の通気孔１１０は、真空テーブル１３０と成形／硬化マンドレル１０６の間に配置することができる。輪郭に合致した増圧器１２０は、半径１２２が確実に内側の翼弦４０に隣接して完全に保持されるように、プライ積層体５０の上に配置することができる。例えば非限定的に、テフロン（登録商標）及び通気孔１１８等の材料のプライ１１６を、増圧器及びプライ積層体５０の間に配置することができる。ＦＥＰの追加層１２３を成形／硬化マンドレルの端部及びプライ積層体５０の間に配置することができる。ＦＥＰ層１２３でブロック１１２の上を覆い、この組合せは、ドレープ成形プロセス中にプライ積層体５０の外側端部５０ｂにバッグメンブレン１３２が圧力を印加する角度を制御する機能を持つ。

外側の翼弦３８は、成形／硬化マンドレル１０６の上にホットドレープ成形することができ、次にオーブン又は例えば赤外線ランプなどの他の手段によって、予め選択された温度、例えば華氏約１４０度で加熱することができる。真空をバッグメンブレン１３２に引き、予め選択された時間保持する。張力が制御されたホットドレープ成形プロセスでは、加熱によるマトリックス樹脂の粘度の減少の結果として、ファイバーをプライ内部で滑動させることができる。これにより、必要に応じて、ファイバーがまとまる又は広がる、又はそうでなければファイバー自体が位置を変更することが可能になる。積層体５０の下の張力を維持することによって、皺が最小限に抑えられる。半径増圧器１２０は、外側の翼弦３８を形成しながら、内側の翼弦の半径１２２（図３の４０ａ）を保持する。

図２０は、形成された内側の翼弦４０がツール面１０６ａに当接して保持されている、成形／硬化マンドレル１０６に位置づけされた、部分的に形成されたプライ積層体５０を示す。プライ積層体５０の外側端部５０ｂは、ツール面１０６ｂの上にカンチレバーで支持されている。図２１に示すように、メンブレン１３２が成形／硬化マンドレル１０６の上に引き下げられた時に、メンブレン１３２はブロック１１２によって部分的に制御された角度において外側の端部５０ｂに圧力を印加する。プライ積層体５０の端部５０ｂは次に、ツール面１０６ｃに当接して完全に成形されるまで矢印１１４の方向に下方向に曲げられ、外側の翼弦３８が形成される。

フレーム部分３６の内側及び外側の翼弦３８、４０が形成されたら、次にフレーム部分３６を硬化させる必要があり、これに関しては図２２を注目する。形成されたフレーム部分３６と、成形／硬化マンドレル１０６は、ホットドレープ成形装置１２４から取り外される。半径１４１を圧縮しやすくするために、当て板１３９を外側の翼弦３８の上に配置することができる。同様に、半径１２２の圧縮を助けるために、増圧器１４２を設置することができる。従来の真空バッグ１３８はフレーム部分３６の上に配置され、密封機構１４０によって硬化マンドレル１３６に密封される。ＦＥＰの通気孔（図示せず）及び剥離プライ（図示せず）を、成形／硬化マンドレル１０６及びバッグ１３８の間に配置することもできる。

ここで、輪郭に合致した複合構造物を生産する方法で使用される全部のステップを示す図２３に注目する。プリプレグファイバートウ及び／又はテープを含む原材料は１４４において受け入れられ、検査される。１４６においては、前述した成形マンドレル８０、及び成形／硬化マンドレル１０６が洗浄され、準備される。次に、１４８において、外側のグラスファイバープライを成形マンドレル８０の上に配置可能である。

ステップ１５０においては、積層体５０の種々のプライの全てが、一又は複数のＡＦＰ機械５２を使用して置かれる。平坦なプライ積層体５０が形成されると次に、幅の小さいカットアウト５３がステップ１５２で要求されるようにプライ積層体５０に作製される。次に、ステップ１５４において、プライ積層体５０が成形マンドレル８０及び積層シェルフ８６に配置される。次に１５６において、積層シェルフ８６は、後に続く成形プロセスにおいてそれが使用される位置に移動される。ステップ１５８において、内側の翼弦４０が上述したドレープ成形技術を使用して形成される。

ステップ１６０において、部分的に形成されたプライ積層体５０が成形／硬化マンドレル１０６に配置される。１６２において、外側の翼弦３８が成形／硬化マンドレル１０６上でホットドレープ成形される。次に、ステップ１６４において、形成されたフレーム部分３６が硬化ツール１３６に移されて、内側のグラスファイバープライがフレームの上に配置される。次に、１６６において、当て板１３９及び増圧器１４２が設置され、その後オートクレーブ硬化の準備においてアセンブリが真空バッグ処理される。１６８において、フレーム部分３６がオートクレーブ（図示せず）内で硬化され、その後１７０において、硬化された完全成形のフレーム部分３６がデバッグ処理され、バリ取りが行われる。フレーム部分３６は、１７２において数値制御カッターを使用してトリム処理され、トリム処理されたフレーム部分３６はその後、１７４において従来の非破壊評価技術を使用して検査することができる。

開示された実施形態は、Ｚ形状の断面を有する輪郭に合致した複合構造物を加工する方法の使用を示すが、例えばウェブ等の一又は複数の脚部が構造的特徴から外向きに延びている、様々な他の輪郭と合致した構造物が可能である。例えば、図２４に示すように、開示した実施形態を用いて、例えば非限定的に、Ｃ形状１７６、Ｊ形状１７８、Ｌ形状１８０、Ｉ形状１８２、変更されたＪ形状１８４及びＵ形状１８６の一又は複数の形態等の他の脚部の構成又は断面形状を有する、輪郭に合致した、連続的な構造物を加工することができる。

開示の実施形態は、様々な可能性のある用途、具体的には例えば航空宇宙、海洋、及び自動車の用途を含む運送産業に使用可能である。したがって、図２５及び２６をここで参照すると、開示の実施形態は図２５に示す航空機の製造及び就航方法２００と、図２６に示す航空機２０２において使用することができる。開示の実施形態の航空機の用途は、例えば非限定的に、機体外板、翼外板、操縦翼面、ハッチ、床板、ドアパネル、アクセスパネル及び尾翼等の複合補強部材を含むことができ、これはごく一部に過ぎない。試作段階において、例示の方法２００は、航空機２０２の規格及び設計２０４と、材料調達２０６を含むことができる。製造段階においては、航空機２０２の部品及びサブアセンブリの製造２０８と、システム統合２１０が行われる。その後、航空機２０２は認可及び納品２１２を経て就航２１４されることができる。顧客によって就航されている間、航空機２０２には、（変更、再構成、改装、及び他も含むことができる）所定の整備及び保守２１６が予定される。

方法２００の各プロセスは、システム・インテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例：顧客）によって行われる又は実施されることが可能である。この説明の目的のために、システム・インテグレーターは、非限定的に、任意の数の航空機メーカー及び主要なシステム下請業者を含むことができ；第三者は、非限定的に、任意の数の供給メーカー、下請業者及びサプライヤを含むことができ；オペレータは、航空機、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。

図２６に示すように、例示の方法２００によって製造された航空機２０２は、複数のシステム２２０及び内部装飾２２２を有する機体２１８を含むことができる。高レベルシステム２２０の実施例は、一又は複数の推進システム２２４、電気システム２２６、油圧システム２２８、及び環境システム２３０を含む。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙における実施例を示したが、本開示の原理を海洋及び自動車産業等の他の業界に応用することができる。

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２００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２０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機２０２が就航している間に製造される部品又はサブアセンブリ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２０２を実質的に組立てしやすくする、又は航空機２０２にかかる費用を削減することによって、製造段階２０８及び２１０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２０２が就航している間に、例えば非限定的に、整備及び保守２１６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。

Claims (9)

1. 長さが輪郭に合致しており、少なくとも１つの脚部を有する複合部品を形成する方法であって：
   各プライに、同一方向のファイバーの個別のセグメントを置くことによって、ファイバー強化されたプリプレグプライの積層体を形成し、これには各セグメントを部品の輪郭に関連する予め選択された配置方向に配置することが含まれ；
   ツールの上で積層体の一部を曲げることにより、少なくとも一つの脚部を形成する
   ことを含む方法。
2. セグメントをテーパ付けし、
   セグメントの配置が、テーパの付いた各セグメントの縦軸を、部品の輪郭を画定する動径座標におおむね平行に方向付けすることを含む
   請求項１に記載の方法。
3. 積層体の形成が、個別のセグメントのファイバー方向に対しておおむね垂直に延びた同一方向のファイバーを置くことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 個別のセグメントを置くステップが、自動ファイバー配置機械によって行われる、請求項１に記載の方法。
5. 積層体の形成が、同一方向のファイバーを部品の長さに沿って、個別のセグメントのファイバー配向に対しておおむね横方向に置くことをさらに含む、請求項４に記載の方法。
6. ツールの上で積層体の一部を曲げるステップが、ドレープ成形によって行われる、請求項１に記載の方法。
7. 形成された積層体を圧縮し、硬化することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 請求項１に記載の方法によって形成された複合部品。
9. 請求項１に記載の方法によって形成された航空機のフレーム部分。

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