JP2014527473A - マスターレスのレイアップマンドレルツール - Google Patents

Abstract

複合材料をレイアップするためのマンドレルツールであって、複合材料に対してレイアップ面を提供するための複合材の表面板と、当該表面板を支持するためのセル型ヘッダーボード構造体とを備えるツール。

Description

母材に埋め込まれる強化用繊維のプライを含む複合材は、軽くて高い強度を有するため、非常に好ましい。複合材の一つの例は、構成要素がエポキシ母材に埋め込まれる炭素繊維を含む炭素繊維強化プラスティック（ＣＦＲＰ）である。

複合材部品の製作は、レイアップマンドレルツールのツール表面上に強化用繊維を配置することを含む。その繊維は、堆積物（「プリプレグ」）の上の樹脂に予め含浸されてもよく、又は乾燥させた後に樹脂に浸されてもよい。樹脂に浸された繊維又は予め含浸された繊維は、袋に入れて硬化させる。

複合材部品の迅速製作は、広く様々な理由により望ましい。迅速製作は、航空機、自動車、又はその他の構造物の部品の試作品を製造するために使用され、競争評価、取引研究、又は場合によってはワーキングモデルを提供することができる。迅速製作は、航空機、自動車、風車、又は土木構造物（例えば、橋の構成要素）などのような製品を修繕するために使用され、素早くそれらの製品を有効に機能するように戻すことができる。

本明細書中の実施形態にしたがって、複合材料をレイアップするためのマンドレルツールは、複合材料に対してレイアップ面を提供するための複合材の表面板、及び当該表面板を支持するためのセル型ヘッダーボード構造体を備えている。

本明細書中の別の実施形態にしたがって、レイアップマンドレルツールを製作する方法は、ヘッダーボードからセル型構造体を作り出すことと、セル型構造体を泡状材料で充填することと、機械加工された表面を得るために泡状材料及びセル型構造体を機械加工することと、表面板を形成するために複合材料を機械加工された表面上にレイアップして硬化させることとを備える。

本明細書中の別の実施形態にしたがって、方法は、マンドレルツールのためにヘッダーボードの材料、厚さ、及び剛性を選択することを含んで、複合材部品をレイアップして硬化させるためのマンドレルツールを設計することを備える。本方法は、選択された材料、厚さ、及び剛性にしたがってヘッダーボードを製造することと、当該ヘッダーボードをセル型構造体に組み立てることと、セル型構造体のセルを泡状材料で充填することと、機械加工された表面を得るために泡状材料及びセル型構造体を機械加工することと、表面板を形成するために複合材料を機械加工された表面上にレイアップして硬化させることとをさらに備える。

図１は、マスターレスのレイアップマンドレルツールを製作する方法を示した図である。 図２Ａ−Ｄは、様々な製作段階にあるマスターレスのレイアップマンドレルツールを示した図である。

永久的な鋳型は、典型的には、複合材部品の製作のための生産用レイアップマンドレルツールを所定量作り出すために使用される。対照的に、本明細書中のレイアップマンドレルツールは、永久的な鋳型を用いて形成されない。むしろ、本明細書中のレイアップツールはマスターレスである。

図１は、マスターレスのレイアップマンドレルツールを作り出す方法を示している。ブロック１１０において、セル型構造体は、部品設計の寸法にしたがって製作される。セル型構造体は、ツール全体を取り囲み部品の大まかな輪郭及び形状を含む鋼片を提供する。航空機の部品などのような所定の部品に対しては、当該輪郭及び形状は、一定の曲面または複雑な複合的輪郭であってもよい。セル型構造体はヘッダーボードから形成されてもよい。材料システム並びにヘッダーボードの密度及び厚さは、マンドレルツールの望ましい耐久性を得るために調整されてもよい。マンドレルシステムは、、エポキシ及びビスマレイミド（ＢＭＩ）を含むことができるが、それらに限定られるものではない。ヘッダーボードは、ウォータージェット、ルータ、又は他のツールによって切断されてもよい。ヘッダーボードは、接着、機械的締結、又はその両者によって結合されてもよい。付加的な強化のために、角が取り付けられてもよい。

さらに図２Ａを参照すると、「矩形格子状の」セル型構造体１１２が示されている。このセル型構造体は、オープンセル１１６のアレイを画定するヘッダーボード１１４から形成される。矩形格子状の構造１１２は、先端及び後端において開口している。

ブロック１２０において、セル型構造体１１２は、膨張する泡状材料１２２によって充填される（図２Ｂ参照）。泡状材料１２２は、レイアップ及び硬化のような加工条件の下においても寸法的安定性を維持する。例えば、樹脂注入及び硬化、又はプリプレグ硬化の温度において、泡状材料１２２は、品質劣化又は縮小又は膨張すべきでない。泡状材料１２２は、これらの温度において品質劣化又は縮小又は膨張すべきでない。同様に、泡状材料１２２は、樹脂注入の間の圧力又は硬化プリプレグのオートクレーブ圧力の下で、歪むべきではない。次いでセル型構造体１１２の上に形成される表面板が、予測可能な配置において硬化されるように、寸法の安定性及び圧縮強度の要件が維持されるべきである。泡状材料１２２の寸法安定性が実現できない場合には、表面板に対して付加的な材料が追加されてもよい。寸法安定性が実現できないことは望ましくない。例えば、表面板が望ましい位置にない場合、表面板には、切り落としが足りない（クリーンアップされない）領域と、切り落としが過剰な（材料が過度に除去される）領域とが生じ得る。

泡状材料１２２の例は、ポリウレタン、ポリイソシアヌレート、炭素発泡体、セラミック、及びオートクレーブ気泡コンクリートを含むが、それらに限られるものではない。泡状材料１２２は、ブロックの形状を有してもよく、又は注入されて硬化されてもよく、又は上述のいくつかの組み合わせが加えられてもよい。泡状材料１２２は、過剰な接着剤が泡状材料に入ることを防ぐために、適合性材料（例えば、原樹脂又は代替的な樹脂）によってシールされてもよい。

ブロック１３０において、泡状材料１２２及びヘッダーボード１１４は、表面板のレイアップに対して望ましい表面を得るために機械加工される。結果として得られる機械加工された表面１３２の例が、図２Ｃに示されている。

ブロック１４０において、表面板は、機械加工された表面１３２の上に形成される。しかしながら、表面板を形成するのに先立って、接着剤の層が機械加工された表面１３２に適用されて、表面板をヘッダーボード１１４に接着する手助けをし、及び樹脂が泡状材料１２２を突き破ることを妨げるようにしてもよい。接着剤は、好ましくは原樹脂との適合性を有するものであり、支持されてもされなくてもよい。

表面板は、接着剤層の上に強化用繊維を含んだ素材を配置することにより形成されてもよい。繊維は、乾燥していてもよいし又はプリプレグであってもよい。繊維が乾燥している場合、乾燥している樹脂は次いで樹脂に浸される。この樹脂は、ここまで「原」樹脂と呼んできたものである。樹脂に浸された繊維又はプリプレグは、その後袋に入れて硬化させる。表面板は、接着及び機械的締結の組み合わせによって、ヘッダーボードに結合されてもよい。機械的締結は、クリップ又はブラケットによって実行されてもよい。

ブロック１５０において、泡状材料１２２は、セル型構造体１１２から除去される。樹脂に浸された繊維に関しては、泡状材料１２２は、樹脂の含浸の後、硬化の前に除去することができる。プリプレグの場合、泡状材料１２２は硬化後に除去することができる。いくつかの実施形態において、泡状材料１２２は、セル型構造体１１２の後ろ側からえぐって引き出されてもよい。他の実施形態においては、泡状材料１２２は、ブロックとしてそのままの状態で除去される。

いくつかの実施形態において、泡状材料１２２は、セル型構造体１１２から完全に除去される。他の実施形態において、レイアップマンドレルツールは低い外形を有し、部品の品質に影響を与えなければ、泡状材料１２２はセル型構造体１１２の中に残されてもよい。

硬化の最中に熱的な条件が確実に満たされるように（例えば、熱がツールの後ろ側まで確実に伝達されるように）、泡状材料１２２が除去されてもよい。泡状材料１２２は、ツールの後ろ側を熱源から断熱しうる断熱材であり、それにより硬化プロファイル要件によって決定される所要時間における必要な温度を妨げる。短いヘッダーボードを有するツールの場合、泡状材料の熱的な影響は小さいため、その場に残されてもよい。

泡状材料１２２のブロックがそのままの状態で除去される場合、そのブロックは再利用されてもよい。ブロックを再利用することにより、将来のコストを減らし製造の速度を高めることができる。そのままの状態の除去を可能とするために、セル型構造体１１２の中に泡状材料１２２を成型するに先立って、複数のステップが採用される。例えば、ヘッダーボード１１４の壁面は、間紙（テフロン、ナイロン、フルオロエラストマーのような材料から作られるシート）で裏打ちされてもよく、又は離型フィルム又は泡状材料１２２とヘッダーボード１１４との間の接着力又は摩擦係数を減ずる他の材料によって裏打ちされてもよい。加えて、セル型構造体１２２の中の抜き勾配により、泡状材料１２２が引き抜かれるときの容易さを高める勾配として除去を促進してもよい。

ブロック１６０において、露出されている表面板の表面は、機械加工され、磨かれ、最終形状へと勾配付けされる。最終的な機械加工は、典型的なマスターツールの成型では、通常、得ることが難しい許容誤差を保証する。最終的な表面板の厚さは、ツールの耐久性及びツールに与えられる負荷荷重によって決まる。最終的な厚さの最小値である０．２５インチが耐久性を保証するならば、最初の厚さ（例えば、１インチ）は、機械加工により最終的な厚さが可能になるように決められる。機械加工はフライス盤によって行われてもよい。研磨により、モールド線表面に、望ましいエアロ品質表面仕上げを行ってもよい。

機械加工された表面板の表面は、複合材部品の意図された用途に依存して、部品の内側又は外側のモールド線表面を形成してもよい。複合材部品のツール側は、典型的には、部品の後ろ側により優れた表面仕上げを施すためにカウル板が使用されなければ、板の後ろ側よりも優れた表面仕上げを有する。

ブロック１７０において、機械加工された表面板の表面は次いで洗浄され、シールされ、さらに剥離塗装される。シールは、いかなる小さなすき間をも充填し、剥離塗装は、硬化された部品がくっつくことなしにツールから除去され得るように、くっつき防止処置を提供する。

さらに、図２Ｄは、機械加工された表面板１４２を含むレイアップマンドレルツールの実施例を示している。表面板１４２は、ヘッダーボード１１４に共結合される。ヘッダーボード１１４は、表面板１４２に一体的な補剛を提供し、高い外形のツールの基礎構造への取り付けを可能にし、そして低い外形のツール（そのまま使用される）に基本的な標準化システムを提供する。一体的な補剛は、表面板の面積が大きくなるほど「壊れやすく」なる大きな表面板１４２にとって価値がある。一体的な補剛はまた、表面板１４２の剛性を高める。

ブロック１８０において、レイアップマンドレルツールは、使用される準備ができている。いくつかの実施形態では、ツールのみが複合材部品を製造するために使われる。

他のいくつかの実施形態において、マンドレルツールは、より大きなマンドレルツールシステムの一部分であってもよい。マンドレルツールシステムは、複数の部分を一緒に組み合わせることにより形成されてもよい。真空シール平面は、マンドレルツールシステム全体にわたる真空の一体性を確実なものとするために、部分と部分の間に使用することができる。或る部分を製作現場からレイアップ現場まで運ぶことが必要な場合、過大な及び荷重の輸送によるコスト高及び遅延を避けるために、レイアップする現場にて部分同士を組み立てることが便利であろう。

高い外形のツール（一般的に言って、高さが約２４インチ以上のもの）は、ヘッダーボードの高さ及び泡状材料の体積を減ずるために、基礎構造を利用することができる。基礎構造は、ツールの剛性を犠牲にすることなく、床又はカートの上方でツールを支持することができる。対照的に、外形の低いツールは、床又はカートからツールを支持するためのいかなる付加的な基礎構造をも必要とせずに、パネル生産のための相対的に短いヘッダーボードを用いて「現状のまま」使用される。

このように、開示されるのは、レイアップマンドレルツールを迅速に製作するための方法である。単純にいくつかのパラメータ（ヘッダーボードの密度及び厚さ、表面板の厚さ、及び材料システム）を変更することによって、異なる目的でレイアップマンドレルツールを作るために、同じ構成が使用され得る。いくつかのツールは、特注の取替部品を製作するために使用されてもよい。他のいくつかのツールは、限定的に使用される試作品用の部品を製作するために、使用されてもよい。さらに別のいくつかのツールは、複数の生産工程に使用されてもよい。

マスターレスのツールの耐久性は、ツールをより高価な「生産」又は回数の多い工程の部品に対して使用することができるように、高められてもよい。耐久性は、表面板の厚さを増加することによって、ヘッダーボードの剛性及び厚さを増加することによって、高めることができる。ヘッダーボードの剛性は、ヘッダーボード間の空間を狭めることによって、高めることができる。耐久性はまた、ヘッダーボードにより耐久性の高い材料を選択することによって高められてもよい。例えば、ビスマレイミド（ＢＭＩ）はエポキシよりも高い耐久性を有する。エポキシ材料は、華氏２５０度までの生産サイクル、１００回超までのサイクル、及び華氏３５０度における１０回までの工程に対して好適である。ビスマレイミドなどのような材料は、華氏３５０度及び１０回の工程を超えるサイクル要件に好適である。

これらのパラメータのいずれか又は全てを増加させることは、マスターレスのツールのコストを増加させるが、より多くの硬化サイクル又は工程に使用され得るマスターレスのツールを提供する。限定された生産サイクルを有する部品は、より結合の少ない（例えば、５０パーセント以下の）材料、及びより大きな空間を有するヘッダーボードを使用することができる。より耐久性の高いツールは、ヘッダーボードとヘッダーボード、及び表面板とヘッダーボードの両方に対して、１００パーセントの結合取り付けを有しうる。

いくつかの実施形態において、本明細書のマスターレスのツールは、生産ツールの製作のためのマスターとして使用されてもよい。所定のパラメータを調整することによって、マスターは伝統的な不変鋼、スチールなどの代替物として作成することができる（マスターは、標準的な複合工具を生産するために使用され得る）。本明細書のマスターは、スチール又は不変鋼よりも有意に短い時間（例えば、５０パーセント短い）で生産することができる。これにより、マスターを必要とする伝統的な最終的複合工具のリードタイムが有意に短縮される。

本明細書のマスターレスのレイアップマンドレルツールは、いかなる特定の種類の部品にも限定されるものではない。複合部品の例は、翼パネル、貨物口パネル、自動車のボンネット及びパネル、トラックのボンネット及びパネル、複合材タンクのためのパネル、並びに複合材ドームを含むが、それらに限定られるものではない。これら部品のいくつかは、複雑な曲線を含む表面を有し得る。

Claims (20)

1. 複合材料をレイアップするためのマンドレルツールであって、
   前記複合材料のレイアップ面を提供する複合材の表面板と、
   前記表面板を支持するためのセル型ヘッダーボード構造体と
   を備えるツール。
2. 前記表面板が、母材に埋め込まれる強化用繊維を含む、請求項１に記載のツール。
3. 前記セル型ヘッダーボード構造体のセルに充填される膨張可能な泡状材料をさらに備える請求項１又は２に記載のツール。
4. 前記泡状材料は、レイアップ及び硬化条件下において寸法安定性を維持する、請求項３に記載のツール。
5. 前記セル型ヘッダーボード構造体は空である、請求項１乃至４のいずれか１項に記載のツール。
6. 前記レイアップ面は、複雑な曲線を含む表面である、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のツール。
7. レイアップマンドレルツールを製作する方法であって、
   ヘッダーボードからセル型構造体を作り出すことと、
   前記セル型構造体を泡状材料で充填することと、
   機械加工された表面を得るために前記泡状材料及び前記セル型構造体を機械加工することと、
   表面板を形成するために、前記機械加工された表面上に複合材料をレイアップして硬化させることと
   を備える方法。
8. 前記表面板の露出している表面を機械加工することをさらに備える請求項７に記載の方法。
9. 機械加工された前記表面板の表面を洗浄することと、シールすることと、剥離塗装することと
   をさらに備える請求項８に記載の方法。
10. 前記表面板を硬化させた後に前記泡状材料を除去することをさらに備える請求項７乃至９のいずれか１項に記載の方法。
11. 前記ヘッダーボードが、エポキシ樹脂から作られており、試作品に適切な厚さ及び剛性を有する、請求項７乃至１０のいずれか１項に記載の方法。
12. 前記ヘッダーボードが、ビスマレイミド樹脂から作られており、マスター及び回数の多い生産工程に適切な厚さ及び剛性を有する、請求項７乃至１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 前記ヘッダーボードの材料、剛性、及び厚さが、望ましい耐久性に依拠して選択される、請求項７乃至１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記表面板が、複雑な曲線を含む表面を有する修理部品のレイアップ面を提供する、請求項７乃至１３のいずれか１項に記載の方法。
15. マンドレルツールのヘッダーボードの材料、厚さ、及び剛性を選択することを含んで、複合材部品をレイアップして硬化させるための前記マンドレルツールを設計することと、
    選択された前記材料、厚さ、及び剛性にしたがって前記ヘッダーボードを製作し、前記ヘッダーボードをセル型構造体に組み立てることと、
    前記セル型構造体のセルを泡状材料で充填することと、
    機械加工された表面を得るために、前記泡状材料及び前記セル型構造体を機械加工することと、
    表面板を形成するために、機械加工された前記表面の上に複合材料をレイアップして硬化させることと
    を備える方法。
16. 前記表面板の露出している表面を機械加工して、複合材部品のレイアップ面を形成することをさらに備える請求項１５に記載の方法。
17. 前記表面板を硬化させた後に前記泡状材料を除去することをさらに備える請求項１５又は１６項に記載の方法。
18. 前記ヘッダーボードが、エポキシ樹脂から作られており、試作品に適切な厚さ及び剛性を有する、請求項１５乃至１７のいずれか１項に記載の方法。
19. 前記ヘッダーボードが、ビスマレイミド樹脂から作られており、マスター及び回数の多い生産工程に適切な厚さ及び剛性を有する、請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記ヘッダーボードの材料、剛性、及び厚さが、望ましい耐久性に依拠して選択される、請求項１５乃至１９のいずれか１項に記載の方法。

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