JP2012517920A - シェルボディの製造方法および関連するボディ - Google Patents

Abstract

【解決手段】
本発明は、シェルボディ（１９）の製造方法に関するものである。少なくとも２つのシェル部（２０、２２）は、コンポジットファイバー材料によってつくられており、塑性変形材料をからなる少なくとも１つの補正ボディ（３２、３４、３６、３８）は、少なくとも１つのシェル部（２０、２２）の少なくとも１つの境界エッジ（２４、２６、２８、３０）に固定されており、シェル部（２０、２２）は、平坦な継ぎ目（４０、４２）が形成されたシェルボディを形成するためにオーバーラップされており、少なくとも１つの補正ボディ（３２、３４、３６、３８）は、継ぎ目（４０、４２）の少なくとも１つに配置されている。それぞれオーバーラップ部における形状のずれを補正するために、対応する補正ボディの形状が変化し、シェル部（２０、２２）は、継ぎ目（４０、４２）において互いに結合される。

Description

この出願は、２００９年２月１８日に出願された独国特許出願番号１０２００９００９４９１．１および２００９年２月１８日に出願された米国暫定特許出願番号６１／１５３，５３４に基づく優先権を主張する。これらの出願の開示内容を参照により本明細書に含める。

本発明は、シェルボディの製造方法、シェルボディのシェル部、シェルボディ、乗り物（例えば、飛行機などの乗り物も含める）の胴体に関連するものである。

大型のシェルボディを製造するために、通常、いくつかのシェル部が別々に製造された後、組み立てられ、接続されることにより、シェルボディとなる。シェル部の補強および表面処置を行うときには、ラージフォーマット、ワンピースおよび自納式のシェルボディよりも、個々の小さなシェル部を扱う方が極めて簡単であるため、この方法は、乗り物、特に飛行機の製造において用いられてきた。

シェル部が別々に製造された場合には、シェルボディが組み立てられるときに、複数のシェル部がすぐに完全にぴったりとフィットする保証はない。なぜなら、所望の寸法からのずれは、特に、許容誤差範囲が極めて狭い大きなシェル部において、より大きな影響を与え、シェル部の境界エッジは、互いに分かれるからである。しかし、シェル部が対応するように曲げられたときに、わずかに塑性変形される金属材料を使えば、シェル部の形状は、容易に修正することができる。

しかし、この方法は、ラージフォーマットのシェルの製造のために、近代的なコンポジットファイバー材料を用いた時は、簡単には実施できない。ＣＦＲＰまたはＧＲＰは、極めて高い強度をもち、狭い範囲内であったとしても、実質的に変形させられないためである。したがって、コンポジットファイバー材料でできたシェル部の場合、形状のずれを補正するために、完成度を損なうことなくシェル部の形状を調整することはできない。

コンポジットファイバーでできたシェル部に関して、シェル部を塑性変形することに代わる、考えられる代替案は、互いに対向する境界エッジを厚くし、外側表面から物質を除去していくことで、寸法の誤差を補正することである。しかし、この方法は、とても大変な労働であり、かつ時間を消費し、シェル部の完成度に有害な影響を与える可能性がある。

この問題に対する別の解決策は、シングルピースのシェルボディを生産することであるが、シングルピースのシェルボディは、乗り物、特に、航空機の製造において、サイズを考慮すれば、非常に複雑で、高価である。

それゆえ、本発明の目的は、多数のセクションとしてシェルボディを製造し、寸法のずれを簡単に調整することができるシェルの製造方法を提案することであるとみなすことができる。

この目的は、独立請求項１に係る方法によって達成することができる。

例えば、本発明に係るシェルの製造方法は、後述する手順を含んでいてもよい。少なくとも２つのシェル部は、コンポジットファイバー材料により製造されている。それぞれのシェル部は、少なくとも１つの境界エッジを有している。塑性材料でできている少なくとも１つの補正ボディは、少なくとも１つの境界エッジにとりつけられている。例えば、このような補正ボディを、それぞれのシェル部の境界エッジにおいて固定するか、または補正ボディを１つのみ、それぞれのシェル部に取り付けることができる。しかし、２つの補正ボディを、１つのシェル部に固定し、そのような補正ボディを他のシェル部には取り付けないようにすることもできる。製造され、このように用意されたシェル部は、互いにオーバーラップされ、シェルボディを形成する。そして、それぞれ近接するシェル部の間にフラットな継ぎ目が生じ、少なくとも１つの補正ボディは、少なくとも１つの継ぎ目に配置される。

塑性変形材料でつくられたタイプの補正ボディは、機械的に補正ボディの形状を変化させることで、隣接するシェル部の間の寸法のずれを補正する方法を提供する。例えば、もしシェル部が、形成された円筒形状のシェルボディの前後軸に対して平行に延びる境界エッジを有するシリンダーバレルセグメントとして形成されているとき、これらの境界エッジは、特に大きなシェル部における境界エッジの長さにわたって分離する可能性がある。もし、このように分離したシェル部が、オーバーラップされていたとしたら、シェル部は、形成された継ぎ目において平坦に、かつぴったりと、それぞれ互いに接触することはない。それゆえ、２つのシェル部が互いに結合する時、継ぎ目の近傍においてシェル部に対するストレスおよびダメージが生じる。

しかし、もし補正ボディおよびシェル部、または２つの補正ボディがオーバーラップすれば、補正ボディは、シェル部と互いに硬く結合され、塑性変形ボディの形状は、簡単に補正できる。そのため、継ぎ目の内側においてフラットな接触が実現される。その結果、シェル部に対するストレスおよびダメージを防ぐことができる。

これは、硬化状態において実質的にその形状を変化させることができないカーボンファイバーコンポジット材料でシェル部を製造する時に特に有用である。

シェルボディの組み立て費用は、シェルの分割数を小さくすることで抑えられる。理想的な場合には、２つのシェル部のみを接合して１つのシェルボディを形成し、その結果、２つのフラットな継ぎ目が形成される。その継ぎ目において、少なくとも１つの補正ボディがそれぞれ配置される。しかし、本発明の方法は、より多くのシェル部を互いに結合する方法にまで拡張されるため、本発明の有用性は、否定的に限定されない。

本発明に係る方法では、ＣＦＲＰ構築方法において製造された大きなシェル部に対しても、許容誤差の補正を行うことができる。それゆえ、シェルボディの２つのシェル構造を扱うことが極めて容易である。より大きなシェル部を利用できることにより、全体の組み立てコストを削減できる。従来の製造方法と比較すると、シェル部の数を削減でき、それ故に、シェル部どうしを互いに結合するための結合部材の必要数を削減することもでき、それによって、重量を軽くすることができる。

別の主な利点は、フラットな継ぎ目により、線上の継ぎ目と比べて、結合したシェル部の間において力が特に十分に、かつ均等に伝達されるという事実にある。

本発明に係る方法の特に好ましい別の実施形態では、補正ボディはそれぞれのシェル部のコンポジットファイバー材料の中へラミネートされている。コンポジットファイバー材料でシェル部がつくられているとき、ファイバーマットまたはファイバー層は、通常、例えばマトリックス材料と接合されている。補正ボディは、コンポジットファイバー材料を硬化させる前に、境界エッジに導入され、コンポジットファイバー材料を硬化させた後に硬く接合される。１つの可能な調整として、補正ボディは、窪み、凹部などを、コンポジットファイバー材料によって包まれた領域において含むことができる。これにより、補正ボディの密着性を向上させることができ、これはワイヤで強化することと類似している。

本発明に係る他の有利な実施形態では、補正ボディは、ポジティブ結合の手順で、それぞれのシェル部に固定されてもよい。このために、シェル部に、適合する凹部、リベット、ブッシングなど、補正ボディに最大限の負荷を確実に導入するものを設けてもよい。

本発明に係る特に有利な別の実施形態では、複数の補正ボディは、シェル部に配置され、すべての継ぎ目において、少なくとも１つの補正ボディが配置される。非常に大きなシェルが生産されたとき、この方法により、全ての継ぎ目における寸法のずれを適切に補正できる。

本発明に係る方法の特に有利な実施態では、補正ボディは、折りたたみ式の構成要素として形成され得る。補正ボディの輪郭は、常にシェル部の輪郭と連続している。結果として、上記構造における局所的なピーク負荷を緩和することができる。

本発明に係る方法の有利な別の実施形態では、少なくともそれぞれのシェル部の領域を、シリンダーバレルセグメントとして成形することができ、乗り物の胴体、例えば、特に航空機の胴体がつくられている間、補正ボディを長方形の、細長い片として、シェル部の境界エッジ上に実現することができる。これによれば、特にシンプルな製造で、形を整えるのが特に簡単であり、寸法ずれを排除することができる。

本発明に係る方法の有利な別の実施形態では、少なくとも１つの補正ボディが、金属材料でできていてもよい。重量強度比に関して特に有利であるため、チタンを使用することを勧めるが、他の材料でもよい。

上記目的は、少なくとも１つの境界エッジを有する、コンポジットファイバー材料からなるシェル部によっても達成できる。上記シェル部は、少なくとも１つの補正ボディを備えている。上記補正ボディは、塑性変形材料を含み、寸法のずれを補正するために少なくとも１つの境界エッジに配置される。例えば、１つのシェルは、これらのシェル部をいくつか含んでもよい。しかし、２つの境界エッジを有するシェル部とそれぞれの補正ボディとを、２つの境界エッジを有するシェル部を有するが、それ自身の補正ボディを備えない境界エッジに対して結合することで、製造コストも、おそらく削減することができる。寸法のずれは、本発明に係る１つのシェル部の補正ボディにおいて、形状が変化することで補正される。

同様に、本発明は、少なくとも１つの、本発明のシェル部を有する、コンポジットファイバー材料からなるシェルボディによって達成される。同様に、上記目的は、少なくとも１つのシェルボディを有する乗り物（例えば、航空機）の胴体部によって成し遂げられる。上記シェルボディは、少なくとも本発明に係るシェル部および別のシェル部を含んでいる。さらに、上記目的は、本発明に係る胴体部を少なくとも１つ備える乗り物によって達成される。

本発明の更なる特徴、利点および可能な適用範囲は、後述する実施形態および図の説明から明らかになるであろう。この場合、記述または図示された全ての特徴は、単独でも任意に組み合わせても本発明の主題を構成し、個々のクレームまたはそれに対する過去の参照における上記特徴の構成とは切り離したとしても、当該特徴は本発明の主題を構成する。加えて、図面上の同じ参照番号は、同じまたは類似の物体を表している。

２つのシェル部からシェルを組み立てる従来の製造方法を示す図である。 ２つのシェル部からシェルを組み立てるための、本発明に係る方法を示す概観図である。 ２箇所の補正ボディを有する、本発明に係るシェル部の三次元図である。 ３つのシェル部を有するシェルの概観図である。 ４つのシェル部を有するシェルの概観図である。 本発明に係るシェルの組み立て方法を示す概略図である。 本発明に係るシェルで製造された少なくとも１つの胴体を有する航空機を示す図である。

図１は、コンポジットファイバー材料でつくられている複数のシェル部が、現行の、従来の方法で、どのように１つのシェルに接合され得るのかという例を示している。

ここでは、一例として、２つのシェル部２および４を挙げる。これらのシェル部２および４は、シリンダーバレルセグメントとして設計され、互いに接するように配置されている。そして、上部シェル部２の境界エッジ６および８は、下部シェル部４の境界エッジ１０および１２と結合できる。例えば、その結合は、一連の結合部材によってなされ、その結合部材は、継ぎ目１４および１６にわたって配置される。後者から、例として航空機の胴体部１８が組み立てられる。

ＣＦＲＰシェル部は、一度硬化状態になれば、最小限しか変形することができないため、ＣＦＲＰ構築方法で組み立てられるシェル部は、組み立て中に、寸法のずれを補正する必要がない。従来の構築方法で長い範囲にわたって２つのシェル部２と４とを組み立て、境界エッジ６と１０とが、または、境界エッジ８と１２とが一直線になるためには、許容誤差範囲は非常に狭くなる。もし、これらの狭い許容誤差範囲を遵守することが不可能ではないとしても、現行の製造プロセスを用いれば、とても高いコストがかかってしまう。

図２には、本発明に係る、シェル１９を組み立てるための方法が示されている。この例では、上部シェル部２０と下部シェル部２２とが、互いに接続されている。シェル部２０およびシェル部２２は、境界エッジ２４、境界エッジ２６、境界エッジ２８および境界エッジ３０を有している。一例として、補正ボディ３２、補正ボディ３４、補正ボディ３６および補正ボディ３８は、これら境界エッジ２４〜３０にそれぞれ配置されている。シェル部２０およびシェル部２２が、ＣＦＲＰのようなコンポジットファイバー材料によって製造されているのに対し、補正ボディ３２〜３８は、塑性変形可能な金属材料でつくられている。

シェル部２０とシェル部２２とを互いに結合すると、フラットな継ぎ目４０および４２が生じる。この部分でシェル部２０とシェル部２２とがオーバーラップする。示されている例では、このオーバーラップは、補正ボディ３２から３８によって実現され、その形状は、境界エッジ２４〜３０において寸法ずれが生じるのであれば、変形可能である。継ぎ目４０および４２は、わずかに曲げて修正することができ、補正ボディ３２〜３８またはシェル部２０および２２の間において、ぴったりとした接触を実現することができる。そして、２つのシェル部２０および２２は、従来の結合方法を用いて、継ぎ目４０および４２において互いに結合される。

図３は、上部シェル部２０の一例を示している。この上部シェル部２０は、シリンダーバレルセグメントとして形成されている。補正ボディ３２および３８は、境界エッジ２４および２６に配置され、補正ボディ３２および３８は、寸法のずれを修正するために利用される。これらの補正ボディ３２および３８は、その形状が、常に上部シェル部２０の形状と連続するように設計されていることが好ましい。不連続性を回避することによって、構造的な負荷のピークを、最小化または完全に排除する事ができる。

補正ボディ３２および３８は、チタンまたは、他の金属よりつくることができ、そうすることにより、強度を維持しながら最適な塑性変形を実現できる。リベットまたはねじなどの従来の方法による接合に加えて、近代的な接着結合方法または溶接方法も、用いることができる。一方で、完全に一体化された材料結合を、上部シェル部２０を用いて行ってもよく、例えばラミネーションなどによって行ってもよい。

図４ａは、３つのシェル部４６、４８および５０を含むシェル４４についての例を示している。補正ボディ５２から６２もまた、これらのシェル部４６から５０に配置され、寸法ずれを修正することが可能となる。

最後に、図４ｂには、シェル６４の更なる変形例が示されており、シェル６４は、補正ボディ７４から８８を備える４つのシェル部６６から７２を利用する。言うまでもないが、各継ぎ目には１つの補正ボディで十分であり、１つの継ぎ目内のある補正ボディは、例えば、シェルを３つまたは４つに分離することを考慮すれば、潜在的に完全に省略することができる。それゆえ、少なくとも２つの補正ボディのみが、３つのシェル部を有するシェルのために使われ、少なくとも２つまたは３つの補正ボディが、４つのシェル部を有するシェルのために使われる。

更に、当業者であれば、本発明に基づくアイデアからはずれることなく、４つ以上のシェル部に分割された場合を想定することができる。

さらに、図５には、概略ブロック図に基づいて、本発明に係る方法が図示されている。例えば、本発明に係る方法は、コンポジットファイバー材料でできた少なくとも２つのシェル部の製造工程９０を含んでいる。この製造工程は、ファイバーマットまたはファイバーの束を積層およびラミネートする工程を含んでいる。この工程の後に、塑性変形材料でできた少なくとも１つの補正ボディを、少なくとも１つの組み立てられたシェル部の少なくとも１つの境界エッジに結合させる工程９２が行われる。この結合工程は、上述したすべての結合方法を含むことができ、例えば、ポジティブ結合またはラミネーションなどによる完全材料結合、接着結合などが含まれる。別の工程で、シェル部は、オーバーラップされ（９４）、それによって、互いに近接するシェル部の間において、フラットな継ぎ目が形成されたシェルが生産される。少なくとも、１つの補正ボディは、複数の継ぎ目の少なくとも１つに配置される。補正ボディの形状を変化させる工程９６では、オーバーラップされた部分のそれぞれにおいて、寸法のずれが補正される。最後の段階として、シェル部は、継ぎ目と接続される（９８）。

最後に、図６は、本発明の方法に基づいて製造された１つまたはそれ以上の胴体部１０２を備えた航空機１００を示している。例えば、そのような胴体部１０２は、１つまたはそれ以上のシェルボディを含み、シェルボディは、本発明の方法に基づいて、個々のシェル部から順番につくられている。

更に、“含む”および“取り囲む”は、他の要素またはステップを排除しないことを意味し、“ａ”および“ｔｈｅ”は、複数を排除しないことを指摘しておく。また、上記実施の形態の１つを参照して説明されている機能または手順は、上述した他の実施形態の他の特性またはステップとの組み合わせで記述できることにも留意すべきである。クレームの参照符号は、限定的なものとみなすべきではない。

２ シェル部
４ シェル部
６ 境界エッジ
８ 境界エッジ
１０ 境界エッジ
１２ 境界エッジ
１４ 継ぎ目
１６ 継ぎ目
１８ シェルボディ／胴体部
１９ シェルボディ
２０ 上部シェル部
２２ 下部シェル部
２４ 境界エッジ
２６ 境界エッジ
２８ 境界エッジ
３０ 境界エッジ
３２ 補正ボディ
３４ 補正ボディ
３６ 補正ボディ
３８ 補正ボディ
４０ フラットな継ぎ目
４２ フラットな継ぎ目
４４ シェル部
４６ シェル部
４８ シェル部
５０ シェル部
５２ 補正ボディ
５４ 補正ボディ
５６ 補正ボディ
５８ 補正ボディ
６０ 補正ボディ
６２ 補正ボディ
６４ シェルボディ
６６ シェル部
６８ シェル部
７０ シェル部
７２ シェル部
７４ 補正ボディ
７６ 補正ボディ
７８ 補正ボディ
８０ 補正ボディ
８２ 補正ボディ
８４ 補正ボディ
８６ 補正ボディ
８８ 補正ボディ
９０ シェル部の製造
９２ 補正ボディの結合
９４ シェル部のオーバーラップ
９６ 補正ボディの形状の変化
９８ シェル部の接合
１００ 航空機
１０２ 胴体部

Claims (8)

1. シェル（１９、４４、６４）の組み立て方法であって、
   少なくとも１つの境界エッジ（２４、２６、２８、０）を備え、コンポジットファイバー材料でつくられた少なくとも２つのシェル部（４６、４８、５０、６６、６８、７０、７１）を製造する工程（９０）と、
   塑性変形材料で作られた少なくとも１つの補正ボディ（２４、２６、２８、５２、５４、５６、５８、６０、６２、７４、７６、７８、８０、８２、８４、８６、８８）を、少なくとも１つのシェル部の少なくとも１つの境界エッジにおいてラミネーティングによってシェルボディのコンポジットファイバー材料に結合する工程（９２）と、
   互いに近接するシェル部の間において、フラットな継ぎ目（４０、４２）が形成されたシェルボディを構築するために、上記シェル部をオーバーラップさせる工程（９４）と、
   各オーバーラップ部分での寸法のずれを補正するために上記補正ボディの形状を変化させる工程（９６）と、
   上記シェル部を上記継ぎ目において接合する工程（９８）とを含み、
   上記オーバーラップさせる工程において、上記少なくとも１つの補正ボディは、上記継ぎ目の少なくとも１つに配置されていることを特徴とする組み立て方法。
2. 複数の補正ボディが、上記シェル部に配置され、すべての継ぎ目において、少なくとも１つのそれぞれの補正ボディが配置される請求項１に記載の組み立て方法。
3. 上記少なくとも１つの補正ボディは、折り畳み式の構成要素であり、その輪郭は、常に上記シェル部の輪郭と連続している請求項１または２に記載の組み立て方法。
4. 少なくとも上記シェル部の領域は、シリンダーバレルセグメントとして成形されている請求項１〜３のいずれか１項に記載の組み立て方法。
5. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法で組み立てられるシェル部であって、
   コンポジットファイバー材料からできており、少なくとも１つの境界エッジと、少なくとも１つの塑性変形可能な補正ボディとを備えるシェル部。
6. コンポジットファイバー材料からなり、少なくとも１つのフラットな継ぎ目を生じさせるためにオーバーラップする少なくとも２つのシェル部を備え、
   補正ボディが、寸法のずれを補正するために少なくとも１つに継ぎ目に配置されており、上記補正ボディは、コンポジットファイバー材料にラミネートされることによりシェル部に固定されているシェルボディ。
7. コンポジットファイバー材料でつくられた少なくとも１つのシェルボディを備え、
   上記シェルボディは、少なくとも１つのフラットな継ぎ目を形成する少なくとも２つの、オーバーラップするシェル部を備え、
   補正ボディが、寸法のずれを補正するために少なくとも１つに継ぎ目に配置されており、上記補正ボディは、コンポジットファイバー材料にラミネートされることによりシェル部に固定されている胴体部。
8. 請求項７に記載の少なくとも１つの胴体部を備えた乗り物。
   

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