JP2012504506A - 外形を備えたプリフォームを形成すべく補強繊維構造体の部分を配置し、同部分に襞を形成するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、乾燥したシート状構造体（５５）のウェブ形式の複数の部分（８、２５、４５、５４）を自動的に配置し、同部分に襞を形成するための装置（１、１５）に関し、これを繰り返すことにより、コア（７、１９）に外形を備えたプリフォーム（５３）を形成し、複合材料から強化プロフィールを形成する。部分が２つのローラコンベア（９、１０、２１、２２）間にてカセット（３乃至６、２０）に保持され、コア（７、１９）に同時に配置されることにより、外形を備えたプリフォーム（５３）は、高い寸法精度と同時に高い生産性にてＣＲＰプロフィールを形成する。プリフォーム（５３）は合成要素を形成すべく型中にて硬化可能なプラスチック材料に浸されるＲＴＭ装置にて処理される。さらに、本発明は少なくとも一軸に対して湾曲されるように形成されるＣＲＰプロフィールを効率的に形成する方法に関する。

Description

本発明は、特に多軸繊維織物および補強織物のうち少なくともいずれか一方の、シート状構造体の複数のウェブ形式部分を自動的に位置決めして襞を形成し、この部分の位置決めおよび襞形成を繰り返すことにより、コアに外形を備えたプリフォームを形成し、外形を備えたプリフォームを成型工具にて硬化可能なプラスチック材料に浸すことにより、補強プロフィールを形成するための装置に関する。

複合材料、特に炭素繊維により補強されたエポキシ樹脂（ＣＦＲＰ）から形成される要素は現代の航空機構造体にて使用が増加している。

しかしながら、このタイプの要素は製造許容誤差が低いため、自動的な大量生産を行うには製造上の問題がある。これまでのところ、これらの要素の形成は、マニュアル作業の割合が高く、不正確な製品の製造や、製造コストの高騰という問題が発生する。このことが、民間の航空機の大量生産が広汎にいきわたらせる妨げとなっている。

上述した課題を解決するために、例えば、樹脂搬送成形（ＲＴＭ）方法のような湿式技術として知られている方法が注目されている。このタイプの方法における複雑な外形のＣＦＲＰ要素において、予め形成される乾燥した補強繊維構造体（プリフォームとして周知）は、通常プリフォームに適合する多部分成型工具に位置され、続いて、これに圧力および温度が同時に作用され、硬化可能なプラスチック材料、例えばエポキシ樹脂系に浸される。続いて、硬化可能なプラスチック材料により完全に浸されたプリフォームは２００℃未満の温度にて硬化される。このタイプの方法においては、外形を形成する成型工具を使用することにより、高い寸法精度および潜在的に大量生産する性能を得られる。しかしながら、ほぼ未解決である１つの課題は、プリフォームの自動生産であり、プリフォームは、このタイプの方法にさらに必要とされ、いくつかの例において、最初の段階にてプリフォームを扱うことができる場合に、プリフォームはさらに接着剤と共に付加的に設けられる必要があり、続く縫い込みがさらに考えられる。

最近、複合体の湾曲したＣＦＲＰプロフィールのこのタイプのプリフォームは、多軸繊維織物（ＭＡＦ）、不織布の織物や織地のような予め形成された半完成品の繊維製品を位置させることにより形成される。この目的のために、半製品は、ロールから切断され、プリフォームの形状を形成すべくコアに位置され、続いて、様々な技術および様々な補助装置を使用して、要求された表面外形および所定の個別の場合に応じて主に手作業により襞が形成される。本出願の明細書において、用語「襞形成」は、最初の平坦な補強繊維織物に、特に少なくとも１つの空間方向に湾曲した表面外形に折り目を形成することなく形状を形成することを示す。個別の繊維は、相互に上下に重合し、且つ相互に覆うように摺動して延び、重合領域において相互に対する角度が変化する。

さらに、周知のＴＦＰ配置工程（仮編成済みの繊維配置）は、乾燥したプリフォームの形成において周知である。この工程において、比較的狭小な補強繊維ストランドは、織物の基板に並んで相互に上面に連続して位置され、続いて所定位置に固定される。このＴＦＰ配置工程は、事実上任意の表面外形を有するプリフォーム形成の他、高度の自動化を可能にするが、非常に時間を要するものである。さらに、基板は完成した合成要素中の異物を生じ、これを取り払うことにより、補強繊維ストランドに湾曲（起伏）が生じる。

回転するマンドレル上に巻き付けることにより巻き付け工程にてプリフォームを形成することがさらに周知である。巻き付け工程は、回転対称なプリフォームに特に好適であり、さらに自動化に好適である。しかしながら、課題は、プリフォームのために得られる表面外形は、基本的に円形体に制限されることにある。

付加的に、長尺状をなすプリフォーム形成のための多数の編み工程、かぎ針編み工程および編組工程が周知である。この工程により、例えばＺ字状やＵ字状の断面外形を有するプリフォームが続いて複雑な屈曲工程や折り畳み工程による第２の工程にて形成される。しかしながら、屈曲工程の自動化は大きな困難を伴うものであるため、確実に再現できるものではない。さらに、このように部分中に補強領域を形成することはできるものではない。

本発明の課題の大部分は、周知の方法の上述した短所をほぼ克服し、複合材料、例えば、炭素繊維補強エポキシ樹脂系から少なくとも一方向に湾曲される補強プロフィールを形成するための、大量生産に好適な方法にてプリフォームを形成することができる装置を提供することにある。

この課題は、請求項１の特徴を有する装置によってまず解決される。
直線的、且つ／または湾曲したプロフィールを形成するための外形を備えたプリフォームは、少なくとも１つの部分の必要な層がそれぞれ少なくとも１つのカートリッジに準備され保持され、配置および襞形成工程のためにそこから引き出すため、少なくとも１つの部分が２つのローラコンベア間にて少なくとも１つのカートリッジのコアに位置させるべく準備され保持されることにより、迅速な配置、および襞形成が可能となる。この例において、カートリッジは、配置され襞が形成される部分を受容するための２つの対向するように位置されるローラコンベアを含む。

しかしながら、装置は湾曲したプロフィールの長手方向全体にわたって延びる少なくとも３つの部分を受容および保持するためにカートリッジ構造体として周知のものと組み合わされる少なくとも３つのカートリッジを好適に含み、これによりこれらの少なくとも３つの部分は、配置および襞形成のためにカートリッジから同時に引き出される。

補強繊維シート状構造体の個別の部分をカートリッジから引き出すべくこれらのカートリッジの各々は、対向するように位置されたローラコンベアを少なくとも含み、これらのローラコンベア間にシート状構造体の部分が受容される。ローラコンベアはそれぞれ複数のローラにより形成される。装置によって加工されるシート状構造体は、好適に炭素繊維から形成される多軸織物である。

１つ以上のカートリッジから引き出される部分は、コアに位置され、その表面の外形は、形成される外形を備えたプリフォームの内面外形にほぼ対応する。部分は、コアの周囲にほぼ匹敵する長さであり、コアは前面、背面および上面と、外形を備えたプリフォームの後に切断により潜在的に調整可能な余地とを含む。

一層が完全に位置され襞が形成された後に、少なくとも１つのカートリッジはシート状構造体の半製品が再度セットされるか再度装填され、外形を備えたプリフォームが予め定められた材料の厚みとなるまで、配置および襞形成工程が繰り返される。

少なくとも２つのカートリッジが設けられる場合に、これらは相互に連結され、これにより、ハンドリング手段、例えば所定範囲にわたって自由に移動可能な関節部により連結されたアームロボットやガントリロボットは、コアに対して空間にカートリッジを連結して位置決めするために十分である。これに代えて、カートリッジの各々を空間に個別に位置決め可能に構成することが考えられ、これは例えば各カートリッジの対応するハンドリング手段によって可能である。

カートリッジには、シート状補強繊維織物の部分が、織物のための少なくとも１つの予備ロールおよび少なくとも１つの切断手段とともに、完全に自動的且つ好適に再度装填される。

装置の好適な実施例によると、少なくとも３つの相互に連結されたカートリッジがコアの任意の所望の湾曲部に適合するように設けられる。
即ち、配置工程、引き出し工程および襞形成工程において個別のハンドリング手段によって空間にて個別に各カートリッジを位置決めする必要はない。さらに、コアの少なくとも軸方向に湾曲した外形や、これに載置される外形を備えたプリフォームの少なくとも軸方向に湾曲した外形は、好適に隣接して位置され相互に関節部により連結されるカートリッジによって形成される多角形形状に接合される。

装置内にローラを有するカートリッジの数が多いほど、カートリッジ構造体は、外形を備えたプリフォームのそれぞれの局部的な湾曲部に、より正確に適合することができる。ローラコンベア間の関節部により、例えば、予備ロールから補強繊維シート状構造体の新しい部分を受容すべく配置および襞形成工程において従来位置された相互に平行に空間をおいた配置から、ロールコンベアを枢動させることができる。

個別のカートリッジ間、およびローラコンベア間の関節部は、例えば、アクチュエータとして電動サーボ制御部、油圧ピストン、および／または空気圧式ピストンから形成される。これにより、通常複数のローラコンベアを有する多数のカートリッジからなるカートリッジ構造体は、完全に自動的に、柔軟に、且つ迅速に配置される別体として形成されたコアやプロフィールを備えたプリフォームに適合される。

装置の開発により、カートリッジが少なくとも１つのハンドリング手段、特に少なくとも１台の関節部によって連結されたアームロボットおよび少なくとも６°の範囲にて自由に移動可能なガントリロボットのうち少なくともいずれか一方によって空間にて自由に位置されることができる。

本実施例により、さらに調整された連続した通路システムによって連続して位置されるコアやプロフィールを備えたプリフォームの二次元的に湾曲した表面外形に自動的に続くことができ、高度に正確に、且つ高度に再現可能な方法にて部分を位置させ部分に襞を形成することができる。

装置のさらなる開発によって、コアは特に、Ｕ字状、Ｚ字状、Ｌ字状で、Ｉ字状に形成された断面外形あるいはこれらの任意の所望の組み合わせを有し、これらにより、少なくとも一部が湾曲した強化プロフィールのための外形を備えたプリフォームを形成する。

これにより、航空機胴体構造を強化するためのストリンガ・プロフィール、横木プロフィールあるいは環状の前方区域のようなＣＦＲＰ材料から強化プロフィールを形成することができる。これらは高度な製造および再現工程を共に、短い処理時間にてほぼ完全に自動的に行う本発明による装置の使用において、多数、通常数千要求される。屈曲部は異なる部分において異なってもよい、即ち、プロフィールの曲率半径は、その長手方向範囲全体にわたって必ずしも一定である必要はない。付加的に、断面外形は、さらに部分的に異なってもよい。これは即ち、例えば、矩形プロフィールのコアの配置されるプリフォームの幅および高さのうち少なくともいずれか一方が周囲の方向か長手方向の範囲に沿って変わってもよいことを示す。

本発明の開発により、コアの正面部およびコアの背面部の領域において、把持手段が各例に設けられる。
最初に、コアに適用される補強繊維シート状構造体の予め所定の長さに正確に切断された部分はカートリッジから引き出される。この時点において、部分の開始部は、正面の把持手段により正面のコアの領域に固定される。続いて、カートリッジあるいはカートリッジ構造体全体は、ハンドリング手段による付勢によりコアを覆うように引き出され、部分は、湾曲した領域にて襞襞が形成され、平面のコア領域にて位置される。部分を含むカートリッジがコア背面部に至った場合に、カートリッジはコア背面部を覆ってさらに少し下方へ案内される。これにより、僅かな付勢下にて位置された部分は、背面把持手段により把持される。続いて、カートリッジ構造体全体は、補強繊維シート状構造体が収納される予備ロールの方へ移動する。カートリッジ構造体に部分を再び装填するために、カートリッジ中の各２つのローラコンベアは、例えば予備ロールからカートリッジのローラコンベア間に、所定の長さの部分を案内することができるように所定の角度にて離間するように屈曲される。続いて、予備ロールから引き出された補強繊維シート状構造体は、自動切断手段によって正確な長さに切断される。

各例において部分の長さはコアの周囲の外形の局部の長さに予備部分を加えたものに対応し、これによりコアにて所定位置にて各部分の開始部および終了部を把持し、配置工程の完了後に要求される任意のトリミングを実施することができる。特に様々な角度（例えば９０°、プラスマイナス４５°、３０°、６０°および０°）にて相互に積層される炭素繊維からなる多軸織物である補強繊維シート状構造体の部分が、カートリッジ構造体に再び装填されると、部分のさらなる層がコアに位置される。コア上の層が要求される数に到達するまで、この工程が繰り返される。必要に応じて任意により複数の０°の層が付加的な手段、特にロール手段によって位置される。

さらなる好適な実施例において、空間にて自由に配置可能な少なくとも１つのロール手段によって特にコア正面部およびコア背面部のうち少なくともいずれか一方の領域に、ウェブ形式補強繊維構造体を位置させることができる。

上述したように、（特に周囲への圧力を吸収するための）０°の層が、外形を備えたプリフォームの層構造体内に付加的に案内され、外形を備えたプリフォームの長手方向、あるいは湾曲した外形を備えたプリフォームの場合に周囲の方角に平行に延びてもよい。胴体セル組織の領域において非常に高い周囲の応力が生じるが、これは基本的に周囲の方向に平行に延びる補強繊維によってのみ吸収可能であるため、強化プロフィールが例えば環状の前方区域として使用される場合に、これらの付加的な補強繊維層は、完成したＣＦＲＰ要素によって得られる強度のために決定的に重要である。したがって、本発明による装置により、圧力の分配に調整されるか好適に構成される補強繊維の配向を有する外形を備えたプリフォームを、圧力が作用されることなく短い処理時間により、且つ同時に高い再現性および寸法精度により完全に自動的に形成することができる。

さらに、本発明による課題は次の工程を含む請求項１３に記載の方法によって解決される。請求項１３に記載の方法は、ａ）層のコアに補強繊維シート状構造体の部分を配置し、この部分に襞を形成する工程において、少なくとも１つの部分が少なくとも１つのカートリッジから引き出される配置および襞形成工程と、ｂ）成型工具に外形を備えたプリフォームを配置する工程と、ｃ）成型工具中の外形を備えたプリフォームを硬化可能なプラスチック材料に浸し、圧力および温度を同時に作用させることにより硬化する工程とを含む。

上述したように、航空機の補強胴体のセル構造体のための湾曲したＣＦＲＰ補強プロフィールは、短い処理時間、高い再現性、正確な製造、および高い寸法精度により、完全に自動的に形成することができる。原則として、方法は、カートリッジ１つのみにより、特にわずかにのみ湾曲されるプロフィールにより実行することができる。しかしながら、カートリッジ構造体に関節部により連結された２つまたは３つ以上のカートリッジが、例えば環状前方部等のＣＦＲＰプロフィールを形成すべく長手の湾曲したコアにおける配置および襞形成工程を加速するためにも好適に使用されてもよい。

方法の工程ａ）において、実際の外形を備えたプリフォームは、正確な長さに切断された補強繊維のシート状構造体の部分を層のコアに位置させ、部分に襞を形成することにより形成される。この目的のために、部分はカートリッジから引き出され、コアに位置され、その際に湾曲したコア表面外形を有する領域に襞が形成される。コアに所定数の層が得られるまで、配置および襞形成工程が繰り返される。既に位置された部分の層は、コア正面部およびコア背面部の領域に位置される把持手段によって固定される。

必要に応じて、あるいは必要でなくてもすでに繊維材料により構成される場合に、この方法工程において、位置される層は塗布手段によって固定することができる。塗布手段は、例えばコア上に位置され接着剤により充填される分配箱のような好適な分配手段を含む。これに代えて、ドリップ手段やスプレー手段が接着剤を塗布すべくさらに設けられてもよい。接着剤は、好適に熱可塑性を備え容易に溶解可能な材料の微粒子である。補強繊維シート状構造体の層がコアに位置され把持手段によって固定された後に、接着剤は、コア上部の領域に好適に最初に塗布される。続いて、補強繊維シート状構造体の一部の次の層が位置される。その後、分配された接着剤は、好適に電気的に動力が供給された放射加熱システムの形態の加熱手段によって溶融され、相互に上下に積層される２つの層の間を、剛性を備えるように機械的に結合する。これに必要な接触圧力は、真空マットおよびプランジャのうち少なくともいずれか一方のような押圧手段によって得られる。プランジャは、誘導コイル、電気抵抗ヒータあるいはプランジャ中の循環する流体によって加熱され、且つ／または凝固された外形を備えたプリフォームを迅速に温度制御できるように冷却手段によって冷却することができる。

この場合において、プランジャの表面形状は、外形を備えたプリフォームの所定の目標形状に続く。
方法の工程ｂ）において、既に形成された外形を備えたプリフォームは、コアから取り払われ、多重部分成型工具に位置される。コアから外形を備えたプリフォームを取り払うに先立って、または取り払った後に、あるいは取り払う前後に、要求される寸法精度を得るべく外形を備えたプリフォームの端部を切り取ることが必要であろう。

外形を備えたプリフォームが通常多重部分成型工具に位置された後に、方法工程ｃ）において、外形を備えたプリフォームは要素を形成すべく浸されて硬化される。この目的のために、外形を備えたプリフォームが完全に浸されるように、硬化可能なプラスチック材料、特に好適なエポキシ樹脂系は加圧下にて成型工具に案内される。続いて、硬化可能なプラスチック材料に完全に浸された外形を備えたプリフォームは、ＣＦＲＰ要素、特に形成されるＣＦＲＰプロフィールを形成する成型工具にて圧力および温度を同時に作用させることにより、硬化される。

装置および方法のさらなる好適な実施例が添付の特許請求の範囲に示される。

装置のカートリッジ構造体の４つのカートリッジを示す斜視図。 コア上の部分の作用および襞形成中における装置を単純化して図示することにより方法の手順を示す概略図。 コア上の部分の作用および襞形成中における装置を単純化して図示することにより方法の手順を示す概略図。 コア上の部分の作用および襞形成中における装置を単純化して図示することにより方法の手順を示す概略図。 コア上の部分の作用および襞形成中における装置を単純化して図示することにより方法の手順を示す概略図。 コア上の部分の作用および襞形成中における装置を単純化して図示することにより方法の手順を示す概略図。 塗布手段による接着剤の任意の塗布を示す図。 接着剤の溶融を示す図。 ０°に配向された補強繊維の任意の適用を示す図。 補強繊維シート状構造体の一部を装填したカートリッジ構造体内のカートリッジを示す図。

図１は、装置のカートリッジ構造体の４つのカートリッジを示す斜視図である。
装置１（図１に完全には示されない）は、合計４つの隣接して位置されたカートリッジ３乃至６を有するカートリッジ構造体２を特に含む。基本的に平面のカートリッジ３乃至６は、各例において、例えばロック関節部（Feststellgelenken ）（図示しない）により相互に連結される。コア７の一次元の湾曲部にできるだけ正確に適合するために、コア７の予め形成された湾曲部へのカートリッジ構造体２が好適に近似するまで、関節部は解放され、カートリッジ３乃至６は整列する。ロック関節部を続いてロックすることにより、この設定は配置および襞形成工程全体にわたって保持される。ロック関節部は、例えば自己抑止的な電動機サーボ制御部によって形成されてもよい。通常調整は、半径の変化に応じて、襞形成工程中に常に要求される。カートリッジ３乃至６は、任意により、自然に湾曲するように形成されてもよい。このタイプの構造体において、ローラコンベア内のローラは、例えば可撓性を備えた軸上を延びてもよい。これに代えて、所定の固有の弾性および可撓性を備えるローラを使用することも考えられる。

カートリッジ構造体２内のカートリッジ３乃至６の数が多いほど、カートリッジ構造体２の通路は、少なくとも弾性のないカートリッジ構造体あるいはローラコンベアの場合に湾曲したコアの外形により正確に適合する。コア７は、図１において示される、４個のカートリッジ３乃至６の各々へ完全に引き込まれ、加工のために保持される補強繊維シート状構造体の部分８を位置させることに使用される。図示の実施例において、コア７はほぼ矩形の断面の外形を有するが、これは特にＣ字状プロフィールおよびＵ字状プロフィールとして周知の外形を備えたプリフォームを形成すべく調整される。原則として、コア７は任意の所望の１次元および２次元のうち少なくともいずれか一方に湾曲した表面外形を有し、これにより代替プロフィール外形の形成のための他のプリフォームも形成することができる。実施例において、カートリッジ３乃至６はすべて、同一に形成されるため、上記のものにおいてカートリッジの基本構造について説明するためには、他のものを示す代表的な例として正面のカートリッジ６の例を使用するだけで十分である。

カートリッジ６は２つのローラコンベア９、１０を含み、これらは僅かな間隔をおいて連続して設けられる。図１に示される実施例において、ローラコンベア９および１０の各々は、合計５つの水平に位置されたローラを含み、これらのうち１つのローラ１１が、すべての残りの同一のローラを代表するものとして参照数字により示される。ローラは、カートリッジ６において回転可能となるように上下方向に相互に対して上方にて一様に収容される。各ローラコンベア内のローラの数は、広い範囲内にて選択可能であり、ローラコンベア９および１０の間にて受容される補強繊維シート状構造体の部分８の長さＬにより主に決定される。図１に示される実施例において、ローラは各々３つの部分に形成される。即ち、例えば、ローラ１１は１つの共通の、任意により可撓性を備えた軸を中心として回転可能なように収容される合計３つの部分的なローラ１２乃至１４から形成される。少なくとも可撓性を備えた軸がローラコンベア内にて使用される場合において、ローラは、ローラコンベア９および１０間にて受容される補強繊維シート状構造体を破損しないように弾性を備えた材料から形成されるか、少なくとも１つの弾性を備えたケーシングを有する。ゴム、フェルト、あるいは合成繊維により形成される低い堆積のビロード等の材料が、特に好適である。

好適に、カートリッジ３乃至６の各々における個別のローラは、それぞれそれ自身を駆動させる駆動部を有し、これらの駆動部は、特にローラと直接一体的に形成される連続的にして且つ電子的に制御可能な電動機である。これにより、繊維構造体を延ばしたり、歪めたり、その他の損傷を付与することなくカートリッジ３乃至６から補強繊維シート状構造体の部分を引き出すことができる。

カートリッジ構造体２全体は、例えば特にコア７に対する空間にほぼ自由に位置決めすべく、関節部により連結されたアームロボットあるいはガントリロボットのようなハンドリング手段に位置される。これに代えて、個別のカートリッジ３乃至６はそれぞれこのタイプの位置決め手段を有してもよい。この場合において、カートリッジ３乃至６間の関節部は不要である。

本発明によれば、カートリッジ構造体２はハンドリング手段によってコア７の上側の周囲に案内される。一方、部分はローラによってカートリッジ３乃至６から同期して引き出され、コア７に位置され、襞が形成される。上述したように、補強繊維シート状構造体の部分の開始部および終了部は、好適な把持手段（図１に示されない）によってコア７の領域に固定される。コア７に部分の所定数の層が得られるまで、この配置および襞形成工程が繰り返される。

図１に示されるカートリッジ構造体２に沿って、完成品の装置１は、送風手段および塗布手段をさらに含み、これらにより、繊維材料中または繊維材料上にすでに設けられた接着剤、あるいは塗布手段により連続して塗布される接着剤によって配置済みの層に付加的な中間層が固定される。特に図２乃至１１に示すようにこの接着剤は好適な加熱手段によって溶融され、押圧手段によって固結される。本明細書において、「固結」は、外形を備えたプリフォームの表面外形を、外形を備えたプリフォームの所定の目的の表面外形に同時に圧縮および適合させることにより、滑らかにすることを示す。同時に、外形を備えたプリフォーム内の空気および波形の包含物が取り払われる。プリフォームは、同時に冷却も行う押圧手段を使用して、十分に高い接触圧力を作用させることにより好適に固結される。固結は、例えば少なくとも１つの圧力ピストン、自動的に位置される真空マット等により、自動的に行われ、これらは、任意により固結後に冷却処理を加速するための熱分散手段を有する。原則として、固結や圧縮、および円滑化が、接着剤の各溶融の後に必要である。さらに、包括的な制御および調整手段が、装置内の工程のすべてをほぼ自動的に行うことができるように設けられる。

配置および襞形成工程の完了後に、本発明による装置１によって形成された外形を備えたプリフォームは、成型工具に位置される。成型工具にて、プリフォームは硬化可能なプラスチック材料、特に好適なエポキシ樹脂系に完全に浸され、圧力および温度のうち少なくともいずれか一方が作用され、続いてＣＦＲＰ要素を形成すべく１２０℃乃至３２０℃までの間の温度領域にて硬化される。

図２に示される装置１５は公知の関節部によって連結されるアームロボット１６を含む。白い方向矢印によって示されるように、所定の程度自由に運動可能である。
関節部によって連結されたアームロボット１６によって、カートリッジ構造体１７は、特にベース面１８に載置されるコア１９に対して空間において自由に移動され位置決めされる。図面において明瞭に示すべく、カートリッジ構造体１７は１つのカートリッジ２０のみを含む。これは、２つの相互に平行にして、且つ上下方向に延びるローラコンベア２１および２２により形成される。ローラコンベア２１および２２の各々は、５つのローラを含むが、ローラコンベア２１および２２のそれぞれの２つのローラ２３および２４のみが参照符号にて示される。ローラコンベア２１および２２内のローラ２３および２４は、電子制御の電動機によって個別に好適に駆動される。点線によって示される補強繊維シート状構造体の部分２５は、一様に間隔をおいて設けられたローラコンベア２１および２２の間にて完全に受容される。部分２５は、モータ駆動のローラによって、小さな黒い矢印２６の方向に２つのローラコンベア２１および２２の間に引き出される。例として、コア１９は、正面部２７、コア背面部２８およびコア上部２を含み、ほぼ矩形の断面外形を有する。コア下部３０は装置１５内のベース面１８に載置される。

原則として、ＣＦＲＰ補強プロフィールを形成するための外形を備えたプリフォームの様々な変形を製造することができるようにコア１９は任意の所望の断面外形を有する。さらに、コア１９は空間における少なくとも１つの方角に、且つ任意によりさらに異なる部分の上方に異なる角度の湾曲部を有するように構成されてもよい。部分２５を容易に位置決めさせる導電性を備えた金属板３１が、コア正面部２７の領域に設けられる。部分２５の開始部３２がカートリッジ２０の外部にすでに位置されていても、終了部３３はカートリッジ２０内になお位置される。

周知の送風手段３４がカートリッジ構造体１７の領域にさらに設けられる。送風手段３４は保持部３５と、保持部３５に対して下方に傾斜して固定され圧縮空気を出力するノズル３６とを含む。

正面の把持手段３７が、コア正面部２７の領域に設けられ、対応する把持手段３８がコア背面部２８の領域に設けられる。把持手段３７および３８の両者は、コア１９から後方に枢動した位置に示され、開始部３２あるいは部分２５の終了部３３を所定位置にて把持するようにアクチュエータ（図示しない）によって小さな白い湾曲した矢印の方向に枢動させることにより、コア正面部２７またはコア背面部２８にそれぞれ接触する。部分２５を所定位置にて把持することにより、さらに関節部により連結されるアームロボット１６に設けられるカートリッジ構造体１７によって好適に低い張力下にてコア１９の周囲に部分２５を位置させることができ、これにより、部分、特に湾曲した領域に同時に襞を形成することができる。座標系３９は空間におけるカートリッジ構造体１７の運動を示すために設けられる。

図２に示すように、カートリッジ構造体１７は、配置および襞形成工程を開始すべくモータ駆動のローラによりカートリッジ２０から部分２５を引き出すことができるように、コア１９の正面部２７に対する位置へ既に移動されている。付加的に、図２乃至６に、概略的に示された装置を使用して外形を備えたプリフォームを形成する方法の手順が、より詳細にわたって示される。図２乃至６において、各例における構造的に同じ要素は類似の参照数字にて示される。明瞭に示すべく、図３乃至６には、関節部により連結されるアームロボット１６は示されていない。

図２に示される位置から開始して、図３に示されるように、部分２５の開始部３２がわずかにコア正面部２７を越えて下方へ突出するために十分に前進し、正面の把持手段３７によって所定位置にて把持されるまで、部分２５はローラによってカートリッジ２０から上下方向に引き出される。これに代えて、開始部３２は、さらにコア正面部２７の同一平面上にて終端してもよい。

カートリッジ構造体１７全体は上下方向において上方に、即ち、座標系３９のｚ軸と平行に、関節部により連結されたアームロボット１６によって移動され、図３および４に示されるように、コア正面部２７およびコア上部２９を覆う部分２５を張引すべく横断方向、即ちｘ軸と平行に摺動される。コア１９の局部的な湾曲に応じて、補強繊維シート状構造体の部分２５には、同時に襞が形成される。全図において白い方向矢印によって示されるカートリッジ構造体１７の運動中に、ローラコンベア２１および２２間にて受容される部分２５は、モータ駆動のローラにより小さな黒い矢印２６の方向にカートリッジ構造体１７から好適に同期して搬送される。図５において、カートリッジ構造体１７は、上下方向の下方への運動の完了後にコア１９に対するその終了位置に至り、部分２５の終了部３３は、コア背面部２８の領域に接触する。

図６は、圧縮空気が送風手段３４のノズル３６を退出し、その結果、部分２５の終了部３３が、小さな余剰部を除き、コア背面部２８と接触させられる態様を示す。特に図７に示すように、続いて、位置決めされ襞を形成された部分２５は、背面把持手段３８によって所定位置に固定される。圧縮空気の使用により、部分２５の繊維構造体の一体性が損なわれることが防止される。

図７は、例えば接着剤４２を有する容器４１からなる塗布手段４０によって、コア上部２９の領域の部分２５の表面全体にわたってできるだけ一様に接着剤４２を塗布する方法を示す。この目的のために、カートリッジ構造体１７、即ちこの例における個別のカートリッジ２０は、塗布手段４０の作業領域から取り払われる。接着剤４２は低温によっても溶融可能な加熱可塑性微粒子が好適である。この方法の工程において、部分２５は、把持手段３７および３８によってコア１９上の所定位置にて把持される。これに代えて、接着剤４２は、コア正面部２７およびコア背面部２８に位置される部分２５の領域に塗布されてもよい。

図８に示す工程段階において、補強繊維シート状構造体の一部４５のさらなる一層４４は、塗布された接着剤４２と共に部分２５に位置され襞が形成される。続いて、加熱手段４３が好適な間隔をおいてコア１９の上方に位置される。加熱手段４３はマトリックス中に位置される複数の赤外線エミッタ４６を有し、これらは例えば埋め込まれた電気的な加熱線やその他の好適な放射線源を有するセラミックのプレートによって形成される。加熱手段４３は誘導加熱によって作動される。加熱手段４３の下方のマトリックス配置される赤外線エミッタ４６により、接着剤４２は迅速にして且つ特に一様にその融点まで加熱される。さらに、赤外線エミッタ４６により、接着剤４２を迅速に冷却可能であり、層４４間の接着剤４２が制御不能に延びることが防止される。接着剤４２を活性化した後に位置された層の表面を滑らかにすべく少なくとも１つのプランジャ（図示しない）が設けられ、プランジャの寸法および配置は、位置された補強繊維シート状構造体の目的の表面外形に対応する。１つ以上のプランジャには、温度を動的に好適に制御できるように加熱手段および冷却手段のうち少なくともいずれか一方が設けられる。加熱手段および冷却手段の両者は、プランジャの連続的な穴によって形成され、これらを通して例えば油やガスのような温度を制御された流体が案内される。これに代えて、抵抗器および誘導加熱システムならびにペルティエ素子を有する冷却手段が設けられてもよい。

図９は、コア正面部２７およびコア背面部２８の領域の２つのロール手段４９および５０による２つの任意のウェブ形式の補強繊維構造体４７および４８の部分２５への配置方法を示す。２つのロール手段４９および５０は、特に各例において連続した補強繊維構造体４７および４８が連続して引き出される予備ロール５１および５２を含む。所定の次元における長さに補強繊維構造体４７および４８を切断することができるようにロール手段４９および５０は任意によりさらに切断手段（図示しない）を有する。２つのロール手段４９および５０は、例えば公知の関節部により連結されたアームロボットのようなハンドリング手段によって座標系３９のｙ軸とほぼ平行に移動される。配置および襞形成工程においてできるだけ張力および歪みが生じないように、予備ロール５１および５２は、ｙ軸に沿って、ロール手段４９および５０の線形運動に同期して回転する。

２つの補強繊維構造体４７および４８は、周知の９０°の方向、即ち図９に示す座標系３９のｙ軸と平行に延びる複数の炭素繊維により好適に形成される。対照的に、部分２５は多軸炭素繊維織物として周知のものであり、ここで個別の炭素繊維はプラスマイナス４５°乃至０°の角度の配向に交互に相互に積層されて延びる。即ち、コア上部２９に位置される部分２５の領域において、多軸織物の炭素繊維は座標系３９のｘｙ平面内、即ちｘｙ平面と平行に延び、これにより、ｘ軸またはｙ軸のそれぞれに対してプラスマイナス４５°か０°の角度をなす。

これらのウェブ形式の補強繊維構造体４７および４８の連結は任意であり、例えば航空機の胴体セル構造体を補強するための環状の前方区域として使用するため等の所定の目的のための外形を備えたプリフォームを形成する場合にのみ通常行われる。明瞭に示すために図９には図示しないが、好適に、補強構造体は、多軸繊維織物の部分２５および４５の各例において少なくとも１層によって好適に０°の配向にて両側を覆われ、これにより後に合成要素の好適な表面特性が得られる。図９に示す工程段階の完了により、外形を備えたプリフォーム５３の実地の形成が完了する。プリフォーム５３は、多軸繊維織物および補強繊維構造体の、相互に積層し任意により間に０°の配向の複数の層を設け配置し襞を形成した複数の部分２５、４５によって形成される。

この複合炭素繊維補強構造体を有する外形を備えたプリフォーム５３は、さらなるハンドリング手段によってコア１９から自動的に取り払われ、後に気密にシールされる対応して形成された通常多重部分からなる成型工具に位置される。硬化可能なプラスチック材料が、続いて外形を備えたプリフォームを完全に包囲するマトリックスを形成すべく成型工具内に案内される。プラスチック材料、特に好適なエポキシ樹脂系は、ＣＦＲＰ要素やＣＦＲＰプロフィールを形成すべく圧力および温度のうち少なくともいずれか一方を同時に作用させることにより硬化され、工具が冷却された後に工具から取り払われる。外形を備えたプリフォーム５３が上述したＲＴＭ工程を行うべく多重部分成型工具内に案内されるに先立って、必要な高い寸法精度を得るべく特に外形を備えたプリフォーム５３の隅部の領域における余剰な材料をトリミングによって取り去る必要がある。さらに、最終的に硬化されたＣＦＲＰ要素を確実に所定の寸法にすべく最終的な切断工程を行う必要がある。

図１０は、部分がコア１９に位置され襞を形成された後に、カートリッジ構造体１７あるいは個別のカートリッジ２０に補強繊維シート状構造体５５の新しい部分５４を装填する方法を示す。

図１０に示されるように、この目的のためにローラコンベア２１および２２は、シート状構造体５５を容易に案内すべく例えば１０°の小さな角度だけ個別に離間するように屈曲される。小さな黒い矢印の方向に予備ロール５６を回転させることによって予備ロール５６からシート状構造体５５を引き出すことにより、分離される部分５４は２つのローラコンベア２１と２２の間に移動される。続いて、ローラコンベア２１および２２は、白い湾曲した矢印の方向に再び折り重ねられ、即ちローラコンベア２１および２２は、ほぼ相互に平行に延び、補強繊維シート状構造体５５がこれらのローラコンベア２１および２２間にて受容される。

続いて、部分５４は切断手段５７によって補強繊維シート状構造体５５から分離される。完全に自動的な切断手段５７は、例えば特に対向支持部５８および切れ刃５９を有する。部分５４は水平方向の白い双頭の矢印の方向における切れ刃５９の水平方向の運動によって分離される。これに代えて、例えば水またはレーザ手段によって分離が行われてもよい。

続いて、カートリッジ２０の位置はハンドリング手段によってコア１９に対して変更可能であり、図３乃至８に示されるように新しい部分５４はコア１９に位置され、襞が形成される。補強繊維シート状構造体およびウェブ形式の補強繊維構造体のうち少なくともいずれか一方の部分の層の数がコア１９に形成される外形を備えたプリフォーム５３内にて所定の数に到達するまで、この工程が繰り返される。

好適に、硬化可能なプラスチック材料に外形を備えたプリフォーム５３を浸し、ＲＴＭ工程を行なう成型工具、成型工具の温度を制御する加熱手段、および硬化可能なプラスチック材料用の射出手段が、必要なすべての補助手段を含め、方法を実施すべく装置内に直接一体的に設けられる。

１…装置、２…カートリッジ構造体、３…カートリッジ、４…カートリッジ、５…カートリッジ、６…カートリッジ（３乃至６…４つのカートリッジからなるカートリッジ構造体）、７…（１次元的に湾曲した）コア、８…部分（補強繊維シート状構造体）、９…ローラコンベア、１０…ローラコンベア、１１…ローラ、１２…部分的ローラ、１３…部分的ローラ、１４…部分的ローラ、１５…装置、１６…関節部を備えたアームロボット、１７…カートリッジ構造体、１８…ベース面（装置）、１９…（１次元的に湾曲した）コア、２０…カートリッジ、２１…ローラコンベア、２２…ローラコンベア、２３…ローラ、２４…ローラ、２５…部分（補強繊維シート状構造体）、２６…矢印、２７…コア正面部、２８…コア背面部、２９…コア上部、３０…コア下側、３１…導電性金属板、３２…開始（部）、３３…終了（部）、３４…送風手段、３５…保持部（送風手段）、３６…ノズル（送風手段）、３７…正面把持手段、３８…背面把持手段、３９…座標系、４０…固定手段、４１…容器、４２…接着剤、４３…加熱手段、４４…層（第２の部分）、４５…部分（補強繊維シート状構造体の第２の部分）、４６…赤外線エミッタ、４７…補強繊維構造体（ウェブ形式）、４８…補強繊維構造体（ウェブ形式）、４９…ロール手段、５０…ロール手段、５１…予備ロール、５２…予備ロール、５３…外形を備えたプリフォーム、５４…部分（補強繊維シート状構造体）、５５…補強繊維シート状構造体、５６…予備ロール、５７…切断手段、５８…対向支持部、５９…切れ刃。

Claims (17)

1. シート状構造体（５５）、特に多軸繊維織物および織られた補強繊維のうち少なくともいずれか一方の複数のウェブ形式部分（８；２５、４５、５４）を自動的に配置し、同部分（８；２５、４５、５４）に襞を形成する装置（１；１５）にて、部分（８；２５、４５、５４）の配置および襞形成を繰り返すことによりコア（７；１９）に外形を備えたプリフォーム（５３）を形成し、成型工具中の該外形を備えたプリフォーム（５３）に硬化可能なプラスチック材料を浸すことにより、強化プロフィールを形成する装置（１；１５）であって、少なくとも一部分（８；２５、４５、５４）が２つのローラコンベア（９、１０；２１、２２）間における少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）にて、コア（７；１９）に位置されるべく保持され、これにより、正確な長さに予め切断された少なくとも１つの部分（８；２５、４５、５４）は２つのローラコンベア（９、１０；２１、２２）間に受容可能となることを特徴とする繊維構造体の部分の配置および襞形成のための装置（１；１５）
2. 少なくとも３つのカートリッジ（３乃至６；２０）、特に相互に関節部によって連結されたカートリッジ（３乃至６；２０）が、コア（７；１９）の任意の所望の湾曲部に続くようにカートリッジ構造体（２；１７）を形成すべく設けられることを特徴とする請求項１に記載の装置（１；１５）。
3. 前記カートリッジ（３乃至６；２０）は、ハンドリング手段、特に関節部により連結されたアームロボット（１６）および少なくとも６°の範囲にて自由に移動可能なガントリロボットのうち少なくともいずれか一方によって空間に自由に位置決め可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の装置（１；１５）。
4. 前記コア（７；１９）は、特に、Ｕ字状、Ｚ字状、Ｌ字状、Ｉ字状の断面外形、あるいはこれらの任意の所望の組み合わせを有し、これにより少なくとも一部が湾曲した補強プロフィールのための外形を備えたプリフォーム（５３）を形成可能であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置（１；１５）
5. コア正面部（２７）およびコア背面部（２８）の領域に、各場合に対応する把持手段（３７、３８）が設けられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
6. ウェブ形式補強繊維構造体（４７、４８）が、空間に自由に位置決めされる少なくとも１つのロール手段（４９、５０）によって特にコア正面部（２７）およびコア背面部（２８）のうち少なくともいずれか一方の領域に位置決め可能であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
7. ２つのローラコンベア（９、１０；２１、２２）ごとの間の距離が少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）にて調整可能であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
8. ローラコンベア（９、１０；２１、２２）がそれぞれ複数の円筒状のローラ（１１；２３、２４）からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
9. ローラ（１１；２３、２４）は、弾性を備えた材料、特に、ゴム材料、発砲プラスチック材料、堆積物あるいはこれらの任意の所望の組み合わせから形成されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
10. 圧縮空気により作用する送風手段（３４）が少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）の領域に設けられることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
11. 塗布手段（４０）、特に、接着剤（４２）を含む分配手段が設けられ、該接着剤（４２）は加熱手段（４３）によって溶融可能な熱可塑性を備えた粒子であることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
12. 外形を備えたプリフォーム（５３）を固結すべく、少なくとも１つの温度制御可能な押圧手段が設けられることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の装置（１；１５）。
13. 請求項１乃至１２のいずれか一項に記載の装置（１；１５）により少なくとも一部が湾曲した強化プロフィールを形成する方法であって、ａ）補強繊維シート状構造体（５５）の一部分（８；２５、４５、５４）を装置（１；１５）の少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）に配置し、正確な長さに切断された部分（８；２５、４５、５４）が、カートリッジ（３乃至６；２０）の２つのローラコンベア（９、１０；２１、２２）間に連続して受容される工程と、ｂ）コア（７；１９）に対してカートリッジ（３乃至６；２０）を位置決めする工程と、ｃ）２つのローラコンベア（９、１０；２１、２２）間にて少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）に、補強繊維シート状構造体（５５）の少なくとも一部分（８；２５、４５、５４）を保持する工程と、ｄ）補強繊維シート状構造体（５５）の部分（８；２５、４５、５４）を層のコア（７；１９）に配置し、同部分（８；２５、４５、５４）に襞を形成することにより外形を備えたプリフォーム（５３）を形成する工程において、該少なくとも一部分（８；２５、４５、５４）は、少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）から引き出されるプリフォーム（５３）形成工程と、ｅ）成型工具に外形を備えたプリフォーム（５３）を位置させる工程と、ｆ）成型工具中の外形を備えたプリフォーム（５３）を硬化可能なプラスチック材料に浸し、圧力および温度を同時に作用させることにより硬化する工程とを含むことを特徴とする強化プロフィール形成方法。
14. 前記少なくとも一部分（８；２５、４５、５４）は少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）から引き出されることと、続いて位置される部分（８；２５、４５、５４）の開始部（３２）が対応する正面把持手段（３７）によってコア正面部に固定されることと、続いて、少なくとも１つのカートリッジ（３乃至６；２０）が、ハンドリング手段によってコア（７；１９）の周囲に案内され、該少なくとも一部分（８；２５、４５、５４）が２つのローラコンベア（９、１０；２１、２２）間にて同時に引き出され、配置され且つ襞が形成されることと、少なくとも一部分（８；２５、４５、５４）の少なくとも１つの終了部（３３）は、背面把持手段（３８）によってコア背面部（２８）に固定されることとを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. ロール手段（４９、５０）から、特にコア正面部（２７）およびコア背面部（２８）のうち少なくともいずれか一方の領域に、ほぼウェブ形式の補強繊維構造体（４７、４８）が、把持手段（３７、３８）によって位置され固定されることを特徴とする請求項１３または１４に記載の方法。
16. 前記部分（８；２５、４５、５４）の少なくとも１つの層（４４）が位置された後に、所定位置に固定するための接着剤（４２）が、少なくとも位置された部分（８；２５、４５、５４）およびウェブ形式の補強繊維構造体（４７、４８）のうち少なくともいずれか一方の領域に塗布されることを特徴とする請求項１３乃至１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 外形を備えたプリフォーム（５３）の部分（８；２５、４５、５４）の少なくとも１つの層（４４）が接着剤（４２）によって所定位置に固定された後に押圧手段によって固結が行われることを特徴とする請求項１３乃至１６のいずれか一項に記載の方法。

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