JP2013511406A - 複合材湾曲部品の製造方法および複合材湾曲部品の製造装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、複合材湾曲部品の製造方法に関し、この方法では、この部品を形成する複合材繊維層（１１０）を少なくとも折り曲げ加工工程の間緊張状態に維持し、該層の互いに対する変位をさらに制御する。本発明はまた、このような方法を実施できる装置にも関する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複合材湾曲部品の製造方法、とりわけ本発明による方法を実施することができる複合材湾曲部品の製造装置に関する。本発明は特に、高温重合樹脂に含浸した強化繊維層を含む積層複合材部品に関する。

本発明は、とりわけ鋼材、縦通材、翼または胴体エレメントなど、比較的厚い、すなわち約１０〜２５ｍｍの航空部品を製造する航空分野で適用される。

現在、局地的に曲率半径を有する複合材部品を作製するには、所望の曲率半径を有するプレフォームを複合材製繊維帯で直接覆い、重合後に所望の湾曲部品が得られるようにする方法が知られている。しかし、このような製造方法は、とりわけ生産性の観点から満足のいくものではない。

また、航空鋼材および縁を折り曲げた翼の上面板を作製できる高温折り曲げ加工装置も知られている。しかし、この折り曲げ加工では、重合後に部品の各部分のとりわけ曲率半径レベルで繊維を緊張させることができない。実際、この折り曲げ加工によって部品の内側半径レベルで圧縮された繊維にシワができるほか、オートクレーブ圧力では重合中に部品が縮小することによる長さ不足を補うのに常に十分ではない。

そのため、完成部品の内側半径には繊維の波がみられ、この波は、圧縮した複合材料が重なってシワになる、繊維の余分な長さに相当するものである。その上最終部品は、縮小する際に繊維長が不足することにより、オートクレーブ圧力による圧縮がとりわけ半径領域で良好でないために多孔質になることがある。

よって本発明では、上記の欠点が一切または部分的にない複合材湾曲部品および複合材湾曲部品の作製装置を提供しようとしている。とりわけ、所望する曲率半径がいくらであっても内側半径および／またはとりわけ外径半径レベルの繊維長が過不足にならないように、部品の厚み全体に必要な長さである繊維長を有する複合材湾曲部品を作製できる。

そのために、本発明では、湾曲する部品の内面を折り曲げ加工工程で緊張状態に維持し、曲率半径、とりわけ内側半径レベルにおけるシワの形成を回避または最低でも制限するようにすることを提案する。また、本発明によれば、プリプレグし重合していない複合材繊維層を事前にガラス繊維プレートなどのプレート上に配置するか、引っ張り応力に耐性のある複合層上に配置し、これを折り曲げ加工工程の間緊張状態に維持する。したがって複合材繊維層は、折り曲げ段階でも緊張状態に維持される。また、折り曲げ加工時に同時または同時ではなく複合材繊維層を摺動させ、最終部品の厚み全体に必要な繊維長とするのに必要なだけの摺動が得られるようにすることも提案する。例えば、繊維層を加熱プレートと冷却プレートの２つのプレート間に保持し、最も外側の複合材繊維層と接触している上方プレートがこの繊維層と同時に摺動でき、この摺動に追従するようにする。最も外側の層とは、後に部品の外側半径となる層のことである。したがって、層が互いに十分に摺動する場合、上方プレートの変位を推定することでこの摺動を容易に可視化することができ、部品を局地的に冷却して層を互いに固定し、それ以上前に摺動しないようにする。当然ながら、例えばセンサなど、上方プレート以外の目に見える目印または摺動推定手段を設けて複合材繊維層の摺動を推定することも可能である。温度を約８０℃まで上昇させることにより、複合材繊維層の樹脂は液化するため、層は折り曲げ加工の進行につれて互いに摺動し、最も外側の層が伸びることなく折り曲げ加工が可能になる。最も外側の層は最も変位する層であり、最も内側の層はほとんど固定されたままである。このほか、内側の層がしっかり緊張し、各層は必要な距離だけ変位して曲率半径に必要な繊維長を確保するため、得られる湾曲部品は曲率半径に起伏も亀裂もない滑らかな面となる。

よって本発明は、複合材湾曲部品の製造方法であって、
−全ての複合材繊維層を基層上に平らに配置する工程と、
−上方プレートおよび下方プレートの２つのプレートの間に基層および全ての複合材繊維層を載置する工程であって、下方プレートはプレフォームと隣接し、このプレフォームの曲率半径は、製造する部品に所望する内側半径と一致する工程と、
−基層を緊張させる工程と、
−基層および全ての複合材繊維層を加熱する工程と、
−複合材繊維層の互いに対する摺動および下方プレートに対する摺動を測定しながら、基層および全ての複合材繊維層を折り曲げる工程と、
−複合材繊維層の摺動が十分となり、所望の曲率半径が得られた時点で折り曲げ加工を停止する工程と
を含むことを特徴とする製造方法に関する。

この基層は、上に複合材の連続層を載置するか、上に複合材層を直接載置するプレートとすることができるが、この層は本発明による方法の過程で受ける引っ張り応力に耐え得るものであり、最終的な湾曲部品の内層を形成するものでなければならない。

所望の曲率半径が得られた時点で、得られた湾曲部品を冷却して重合が開始しないようにすることが有利である。例えば、形成工程終了時に湾曲部品をこの部品の温度よりも低い温度にさらして冷却する。このほか、形成工程が終了した時点で部品の加熱を単純に停止することで、湾曲部品自体を徐々に冷却させることも可能である。

特定の実施形態では、上方プレートを複合材繊維層の上に載置し、この上方プレートが複合材繊維層と同時に下方プレートに対して変位できるように上方プレートを配置する。上方プレートの下方プレートに対する変位、または他の複合材繊維層に対して固定状態にある基層に対する変位を測定することで、折り曲げ加工中に複合材繊維層の摺動を推定する。

このほか、複合材繊維層上に載置せずに固定した上方プレート、および繊維層の摺動を推定するセンサなどの手段を設け、複合材繊維層の摺動が十分となった時期および所望の曲率半径が得られたことを使用者がわかるようにすることも可能である。

基層および全ての複合材繊維層の加熱およびこれに続く冷却は、下方プレートおよび／または上方プレートおよび／またはプレフォームを用いて行うことが有利であるため、これらは加熱／冷却作用を持つプレートおよびプレフォームである。当然ながら、これ以外のあらゆる加熱および冷却手段を検討してもよい。

基層の寸法は、この基層が支持する複合材繊維層の寸法よりも厳密に大きいことが好ましい。

本発明の特定の一実施形態によれば、折り曲げ加工工程を、
−２つのプレートの間に位置する基層および全ての複合材繊維層が加熱された時点で、基層を緊張状態に維持しながら、上方プレートが所望の分だけ変位するまで予備折り曲げ加工を実施する工程と、
−曲率半径を有するようになる領域のみを加熱状態に維持するように上記部分を冷却する工程と、
−所望の角度になるまで複合材部品の折り曲げ加工を継続する工程と
に分割することができる。

したがって、複合材繊維層が十分に変位したと推定された時点で、それ以上一切摺動しないように部品を冷却し、湾曲する領域のみを高温に維持して折り曲げ加工を継続できるようにする。そのため、折り曲げ加工のこの第２の段階では、もはや基層を緊張状態に維持する必要はない。実際、予備折り曲げ加工時に層が摺動可能なときに緊張状態を維持することによって、内側の層を緊張状態に維持することができ、最後の折り曲げ加工の際に層は再び互いに固定される。

所望の角度に調節し、プレフォームの延長線上に伸びる基材に当接するまで、折り曲げ加工を継続することが好ましい。

折り曲げ加工工程の前に、所望の曲率半径を得るのに必要とされる上方プレートの下方プレートに対する変位を決定することが有利である。例えば、複合材部品の所望の最終曲率半径における角度に、上方プレートの下方プレートに対する変位、例えば重合後の部品の厚みを乗じたものに決定する。

折り曲げ加工の際、複合材部品の加熱した部分は、温度が６０〜１００℃に達することがあり、８０℃＋／−１０℃の温度であることが好ましい。

部品の全体または一部の冷却は、部品または部品の一部の温度を１０〜４０℃、好ましくは２０℃＋／−１０℃の温度にすることで成立することが有利である。

複合材繊維層は、例えば炭素繊維層である。

基層は、例えばガラス繊維フィルムである。折り曲げ加工を達成するため、基層の引っ張り点を折り曲げ加工の方向へ変位させる。

折り曲げ加工が完了し、湾曲部品が折り曲げ加工され、冷却されたあと、複合材部品を重合することが好ましい。この重合は、皮膜を装着した凸状または凹状の機械で行い、オートクレーブによる重合を実施する。重合工程では、部品は縮小し、厚みが約１５％消失する。湾曲部品の作製時にはこの現象を考慮することが重要であり、とりわけ高温での折り曲げ加工段階で部品に対して所望する最終角度に応じてプレフォームの曲率半径を決定するのに重要である。本発明による方法を用いると、縮小した後に複合材部品の繊維はとりわけ湾曲領域で緊張し、亀裂が生じない、またはほとんど生じない。

本発明はまた、複合材湾曲部品の製造装置であって、
−下方プレートと、
−上方プレートと、
−曲率半径を有するプレフォームであって、下方プレートの延長線上にあるプレフォームと、
−少なくとも部分的に２つのプレートの間に伸び、後続の湾曲部品の作製において用いられる複合繊維材料の連続層を受容する基層と、
−基層を緊張状態に維持することができる引っ張り装置と、
−複合材料層の下方プレートおよび／または基層に対する変位の測定装置と
を有することを特徴とする製造装置にも関する。

本発明による複合材湾曲部品の製造装置の特定の実施形態では、上方プレートを複合材繊維層上に載置し、この繊維層と同時に変位させることができ、測定装置が上方プレートの下方プレートに対する変位を測定する。

そのため、本発明による装置は、上方プレートの下方プレートまたは基層に対する変位を測定する手段も備えて、事前に計算したプレートの変位に応じて折り曲げ加工を制御し、複合材部品の所望の最終角度に対するプレートの変位をよりよく調整することが好ましい。

上方プレートおよび／または下方プレートおよび／またはプレフォームは、加熱体／冷却体であることが有利である。

上方プレートは、機械的に均衡を保つことにより部分的に相殺される死荷重を有することが有利である。

プレフォームの曲率半径は、作製する部品に関して所望する内側の曲率半径と釣り合っていることが有利である。さらに正確には、２つの曲率半径の差は、理論的には重合前の部品の厚みと重合後の部品の厚みとの差を乗じた縮小率と等しい。

引っ張り装置は、折り曲げ加工段階で湾曲する部品の寸法全体に対して均一の力で引っ張ることができる。

本発明は、以下の説明文を読み、添付の図面を吟味すればよりよく理解できるであろう。図面は例として示すものであり、本発明を何ら限定するものではない。

唯一の図は、複合材湾曲部品を製造するための本発明による装置の概略図である。

図からわかるように、本発明による装置１００は、台Ｂに固定して設置された下方加熱／冷却プレート１０１、および上方加熱／冷却プレート１０２を有する。

下方加熱／冷却プレート１０１の隣に、さらに正確にはプレート１０１と連続するように、プレフォーム１０３を固定して設置する。プレフォーム１０３の曲率半径１０４は、製造する部品の、重合前の所望の内側半径と一致する。

例えばガラス繊維である基層１０５を下方プレート１０１の上に配置し、２つのプレート１０１、１０２の間に部分的に延在させる。基層１０５は、その第１の端部１０７を固定装置１０６で固定し、基層１０５に一定の引っ張り力Ｆをかけることができる引っ張り装置１０９で、第１の端部１０７とは反対側の第２の端部１０８を固定する。基層１０５は、引っ張り装置１０９を用いて引っ張ることによって平らに保持する。

基層１０５の寸法よりも小さい寸法の炭素繊維層１１０または被覆層を基層１０５上で被覆し、圧縮する。したがって、被覆層１１０は全体的に基層１０５上に載置される。複合材繊維の連続層１１０は、前方部分１１１が２つのプレート１０１、１０２の間でサンドイッチ状になり、後方部分１１２がプレート１０１、１０２から出るように配置し、湾曲する領域をプレフォーム１０３と一致させる。

プレフォーム１０３の曲率半径１０４は、次工程で使用する重合機の曲率半径と一致するように決定し、被覆層１１０の厚みＥよりも小さくする。

上方加熱／冷却プレート１０２は最も外側の複合繊維層１１０の上に載置し、上方加熱／冷却プレートの重量はカウンターウエイト装置（図示せず）を用いて釣り合わせる。

被覆層１１０の前方部分１１１は、この被覆層を間に配置する２つの加熱／冷却プレート１０１、１０２とプレフォーム１０３とによって温度を８０℃まで上昇させる。

次に、基層１０５に対して一定の引っ張り力Ｆを維持し、引っ張り点を折り曲げ方向に変位させながら被覆層１１０を高温で折り曲げ加工処理する。プレフォーム１０３の曲率半径１０４が一定であれば、引っ張り点は自然と円の伸開線の軌道をたどる。この第１の折り曲げ段階ですべての基層１０５を引っ張り状態に維持するかぎり、得られる湾曲部品においてとりわけ内側半径の繊維にシワができることはない。

上方プレート１０２の下方プレート１０１に対する相対変位ｄが、部品の重合後の所望の弧度に、重合後の、すなわち１５％縮小したのちの部品の厚みを乗じたものと等しいときに、引き続き加熱／冷却プレート１０１、１０２を用いて被覆層１１０の前方部分１１１を２０℃に冷却することが好ましい。上方プレート１０２の変位は、例えば付属の測定装置１１６で測定する。樹脂を冷却することによって、被覆層１１０を他の層に対して凝固させることができる。プレフォーム１０３付近に位置する被覆層１１０の中間部分１１３のみを、プレフォーム１０３によって８０℃に維持する。前方部分１１０の被覆層１１０はすべて、部品に対して所望する最終角度にまだ達していないとしても、繊維長が部品の曲率半径に十分となるのに必要な距離に応じて変位する。唯一の図には、層１１０の前方部分１１１の摺動１１５を、被覆層１１０の左端に角を切り落とした斜めの部分で示している。上方プレート１０２をその上に載置する最も外側の層１１０は、引っ張り装置が下げられる動きに追従して最も摺動する層であり、基層１０５に直接接する最も内側の層１１０は動いていない。

続いて被覆層１１０の中間部分で折り曲げ、プレフォーム１０３の曲率半径１０４の延長線上に伸びる平面１１４に被覆層１１０の後方部分１１２が達するまで折り曲げる。折り曲げ加工のこの第２の工程では、基層１０５を引っ張って維持する必要はない。

次に、湾曲した中間部分１１３を２０度前後に達するように冷却する。

このようにして、得られた部品を型から出し、例えば凹状の重合機内に配置してこれを重合し、希望の／予定の寸法の最終的な湾曲部品を得ることが可能になる。したがって湾曲部分は重合前には繊維長に余裕があり、この余分な部分は、オートクレーブによる重合サイクルの最中に材料が縮小する際に生じる繊維の収縮分を補うのに有用である。折り曲げ加工の第２の段階で得られるこの繊維の余分な部分は、例えばプレフォーム１０３内にできた局地的な空洞に収めることができる。

Ｂ 台
Ｅ 厚み
Ｆ 引っ張り力
ｄ 変位
１００ 装置
１０１ 下方プレート
１０２ 上方プレート
１０３ プレフォーム
１０４ 曲率半径
１０５ 基層
１０６ 引っ張り装置（固定装置）
１０７ 第１の端部
１０８ 第２の端部
１０９ 引っ張り装置
１１０ 繊維層／被覆層
１１１ 前方部分
１１２ 後方部分
１１３ 中間部分
１１４ 平面
１１５ 摺動
１１６ 測定装置

Claims (10)

1. 複合材湾曲部品の製造方法であって、
   −全ての複合材繊維層（１１０）を基層（１０５）上に平らに配置する工程と、
   −上方プレート（１０２）および下方プレート（１０１）の２つのプレートの間に前記基層および前記全ての複合材繊維層を設置する工程であって、前記下方プレートはプレフォーム（１０３）と隣接し、該プレフォームの曲率半径（１０４）は、製造する部品に所望する内側半径と一致する工程と、
   −前記基層を緊張させる工程と、
   −前記基層および前記全ての複合材繊維層を加熱する工程と、
   −前記複合材繊維層の互いに対する摺動（１１５）を測定しながら前記基層および前記全ての複合材繊維層を折り曲げる工程と、
   −前記複合材繊維層の摺動が十分となり、所望の曲率半径が得られた時点で折り曲げ加工を停止する工程と
   を含むことを特徴とする複合材湾曲部品の製造方法。
2. −前記上方プレートを前記複合材繊維層の上に載置し、前記上方プレートが前記複合材繊維層と同時に前記下方プレートに対して変位できるように前記上方プレートを配置する工程と、
   −前記上方プレートの前記基層および／または前記下方プレートに対する変位を測定することで、前記折り曲げ加工中に前記複合材繊維層の摺動を推定する工程と
   を含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. −加熱／冷却要素である前記上方プレートおよび／または前記下方プレートおよび／または前記プレフォームを用いて、前記基層および前記全ての複合材繊維層を加熱する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の複合材湾曲部品の製造方法。
4. −前記基層および前記全ての複合材繊維層が加熱された時点で、前記基層を緊張状態に維持しながら、前記上方プレートが所望の分だけ変位するまで予備折り曲げ加工を実施する工程と、
   −曲率半径を有するようになる領域（１１３）のみを加熱状態に維持するように前記基層および前記全ての複合材繊維層を冷却する工程と、
   −所望の角度になるまで前記複合材部品の折り曲げ加工を継続する工程と
   をさらに含むことを特徴とする請求項２又は３に記載の複合材湾曲部品の製造方法。
5. −前記上方プレートの前記下方プレートおよび／または前記基層に対する変位（ｄ）を、前記複合材部品の所望の最終曲率半径における角度に、前記部品の厚み（Ｅ）を乗じたものとなるように決定する工程をさらに含むことを特徴とする請求項２〜４のいずれか１項に記載の複合材湾曲部品の製造方法。
6. −得られた湾曲部品を冷却する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の複合材湾曲部品の製造方法。
7. −前記折り曲げ加工では、前記基層および前記全ての複合材繊維層の温度を８０℃＋／−１０℃まで上昇させ、折り曲げ加工後に２０℃＋／−１０℃まで冷却する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の複合材湾曲部品の製造方法。
8. 複合材湾曲部品の製造装置であって、
   −下方プレート（１０１）と、
   −上方プレート（１０２）と、
   −曲率半径（１０４）を有するプレフォームであって、前記下方プレートの延長線上にあるプレフォーム（１０３）と、
   −少なくとも部分的に２つのプレートの間に伸び、後続の湾曲部品の作製において用いられる複合繊維材料の連続層（１１０）を受容する基層（１０５）と、
   −前記基層を緊張状態に維持することができる引っ張り装置（１０６、１０９）と、
   −前記複合材料層の前記基層および／または前記下方プレートに対する変位の測定装置（１１６）と
   を有することを特徴とする製造装置（１００）。
9. 前記上方プレートは、前記複合材繊維層上に載置され、前記複合材繊維層と同時に変位することができ、前記測定装置は、前記上方プレートの前記基層および／または前記下方プレートに対する変位（ｄ）を測定することを特徴とする請求項８に記載の複合材湾曲部品の製造装置。
10. 前記上方プレートおよび／または前記下方プレートは、加熱／冷却作用を持つプレートであり、および／または前記プレフォームは加熱／冷却作用を持つプレフォームであることを特徴とする請求項８又は９に記載の複合材湾曲部品の製造装置。

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