JP2015183186A - 一時的に縫合されたプリフォームを用いた複合積層体の製造 - Google Patents

Abstract

【課題】縫合した積層繊維複合体を用いて繊維強化樹脂構造体を製造するに際し、硬化後の構造体に欠陥となる縫合材料が残存することを防止する方法の提供。
【解決手段】異なる繊維配向を有する一方向プリプレグ２４ａ、２４ｂ、２４ｃを積層した後、樹脂マトリックスと親和性のある熱可塑性樹脂からなる縫合糸で積層体を貫通するようまとめて縫合し縫合スタック２２を作成する。次にスタック２２を縫合糸の融点より高い温度で熱硬化し、縫合糸を融解することで構造体より除去する複合プリフォーム２０。
【選択図】図１

Description

本開示は、一般的には、複合積層構造体の製造に用いられるプリフォームに関し、特に、一時的に縫合されたプリフォームに関する。

高性能複合構造体は、プリプレグの層をレイアップするか、又は乾燥繊維に樹脂を注入して製造することができる。繊維は、一方向、織込み、又は網組みのいずれかの形態の繊維である。いくつかの用途では、レイアップの時間を削減するために、縫合材料を用いて隣接する繊維層を互いに縫合することがあるが、この材料は、構造体を硬化した後も、完成した構造体にそのまま残る。層同士を縫合することで、一層毎ではなく、層グループ単位でツール（tool）上にレイアップすることができるため、レイアップ処理の効率を高めることができる。一方向強化繊維から形成された縫合繊維層の成形は比較的容易であるため、曲がりが大きい構造体の形成に適している。しかしながら、縫合繊維層を用いて製造された構造体は、その強度及び耐亀裂性が、所定のレベルに達していない場合がある。

したがって、縫合繊維層を用いて複合構造体を製造する方法であって、硬化した構造体に縫合材料が残存するのを解消又は低減する方法が求められている。また、縫合積層プリプレグ、又は、樹脂注入に適した縫合繊維層を用いて組み立てられる構造体の製造に使用可能なプリフォームが求められている。

開示する実施形態は、縫合多層プリフォームを用いて、複合積層構造体を製造する方法を提供する。一実施形態において、上記プリフォームは、プリプレグの硬化中に融解するステッチ材料を用いて、一方向プリプレグの層をまとめて縫合することにより形成される。他の実施形態において、上記プリフォームは、繊維層への注入用樹脂の硬化中に融解するステッチ材料を用いて、ファイバ層を縫合することにより形成される。硬化処理中にステッチ材料が融解することにより、効果的にステッチが溶解し、ステッチと強化繊維との間でクリンプが発生することを防止する。ステッチが溶解することで、硬化構造体において繊維のクリンプにより生じる応力集中が軽減又は排除され、複合積層構造体の機械性能を向上させるとともに、積層体で生じうる亀裂伝播を低減することができる。縫合多層プリフォームを用いると、繊維強化材からなる複数の層のレイアップ及び形成を同時に行うことができ、生産効率を向上させることができる。

開示する一実施形態によると、複合構造体を製造する方法が提供される。プリプレグ層はまとめて縫合され、異なる繊維配向を有するプリプレグ層の縫合スタックが形成され、このプリプレグ層の縫合スタックは熱硬化される。プリプレグ層の縫合スタックの熱硬化中に、上記縫合のステッチが融解する。上記方法は、プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することを更に含んでもよく、プリプレグ層は、それぞれ樹脂粘着性を有し、プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することは、上記縫合が行われている間、樹脂粘着性を利用してこれらの層を互いに付着させ、プリプレグ層の層配向を維持することを含む。プリプレグ層の縫合は、スタックの厚みを実質的に貫通するステッチを用いて行われる。プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することは、プリプレグトウを敷設することと、層毎に、トウの繊維配向を異ならせることと、を含む。上記方法は、真空下で、縫合スタックを収縮（debulking）、一体化（consolidating）、及び硬化することを更に含んでもよい。ステッチの融解は、プリプレグ層の縫合スタックが完全に硬化する前に行われる。上記方法は、プリプレグ層の縫合スタックを、複合構造体の形状に対応する所望の形状に成形することを更に含んでもよい。

他の実施形態によると、複合プリフォームを製造する方法が提供される。プリプレグ層のスタックが組み立てられ、各層は、熱硬化性樹脂マトリックスに保持される強化繊維を含む。スタックが組み立てられた後に、プリプレグ層は、まとめて縫合される。この縫合は、プリプレグ層の熱硬化中に融解するステッチ材料を用いて行われる。プリプレグ層のスタックを組み立てることは、層をまとめて結合することにより、互いに位置合わせされた状態でこれらの層を保持することを含む。層の結合は、各層における樹脂マトリックスの粘着性を用いて行われる。プリプレグ層のスタックを組み立てることは、縫合中に、各プリプレグ層における樹脂マトリックスを用いて、これらの層における強化繊維が互いに隔離した状態で、強化繊維を保持することを含む。上記縫合は、ステッチが、プリプレグ層のスタックの厚みを、実質的に貫通するように行うことを含む。上記スタックは、プリプレグトウを敷設することにより組み立ててもよく、上記縫合は、プリプレグ層のスタックを実質的に完全に貫通するステッチが、プリプレグトウの間を通るように行ってもよい。スタックの組み立て中に、これらの層は、それぞれ異なる繊維配向を有するように配向される。

更に他の実施形態によると、複合プリフォームが提供される。上記プリフォームは、異なる繊維配向を有する一方向プリプレグ層のスタックを含む。ステッチは、スタックにおける全てのプリプレグ層を貫通しており、これにより、全ての層がまとめて保持される。ステッチは、プリプレグ層の熱硬化中に融解可能なステッチ材料で形成されている。各プリプレグ層は、プリプレグトウを含み、ステッチは、プリプレグトウの間を通る。ステッチは、一方向プリプレグ層のスタック全体に渡って略均一に分布していてもよい。プリプレグ層は、それぞれ樹脂マトリックスを含み、ステッチ材料は、樹脂マトリックスと適合性がある。樹脂マトリックスは熱硬化性樹脂であってもよく、ステッチ材料は熱可塑性樹脂であってもよい。熱硬化性樹脂は、熱硬化性樹脂が完全に硬化する硬化温度を有しており、熱可塑性樹脂の融解温度は、熱硬化性樹脂の硬化温度よりも低い。

更に他の実施形態によると、複合構造体を製造する方法が提供される。乾燥繊維層は、まとめて縫合されることにより、異なる繊維配向を有する乾燥繊維層の縫合スタックが形成される。乾燥繊維層のスタックには、ポリマー樹脂が注入される。樹脂が注入されたスタックは、熱硬化される。上記縫合のステッチは、縫合スタックの熱硬化中に融解する。上記方法は、真空下で、縫合スタックを収縮、一体化、及び硬化することを更に含む。乾燥繊維層の縫合は、スタックの厚み全体を実質的に貫通するステッチを用いて行われる。上記方法は、各乾燥繊維層に粘着剤を塗布することを更に含み、乾燥繊維層を組み立ててスタックを形成することは、縫合が行われている間、粘着剤を用いて乾燥繊維層を互いに付着させ、乾燥繊維層の繊維配向を維持することを含む。乾燥繊維層を組み立ててスタックを形成することは、乾燥繊維トウを敷設することと、乾燥繊維層毎に、乾燥繊維トウの繊維配向を異ならせることと、を含む。上記方法は、乾燥繊維層の縫合スタックを、複合構造体の形状に対応する所望の形状に成形することを更に含んでもよい。上記成形は、乾燥繊維層の縫合スタックを、モールドなどのツール上で成形することにより行われてもよい。

他の実施形態によると、乾燥繊維プリフォームを製造する方法が提供される。上記方法は、乾燥繊維層で構成されるスタックを組み立てることを含み、各層は、一方向強化繊維を含む。スタックが組み立てられた後に、乾燥繊維層は、まとめて縫合される。上記縫合は、スタックを貫通するステッチであって、所定の温度まで加熱されると融解するステッチを用いて行われる。上記方法は、各乾燥繊維層に粘着剤を塗布することを更に含み、乾燥繊維層のスタックを組み立てることは、粘着剤を用いてこれらの層を互いに位置合わせされた状態で維持することを含む。

要約すれば、本発明の一態様によると、複合構造体を製造する方法が提供され、当該方法は、プリプレグ層をまとめて縫合して、異なる繊維配向を有するプリプレグ層の縫合スタックを形成することと、プリプレグ層の縫合スタックを熱硬化することと、プリプレグ層の縫合スタックの熱硬化中に、縫合のステッチを融解することと、を含む。

好ましくは、上記方法は、プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することを更に含み、プリプレグ層はそれぞれ樹脂粘着性を有し、プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することは、縫合が行われている間、樹脂粘着性を利用して層を互いに付着させ、プリプレグ層の層配向を維持することを含む。

好ましくは、上記方法において、スタックは厚みを有し、プリプレグ層の縫合は、スタックの厚みを実質的に貫通するステッチを用いて行われる。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することは、プリプレグトウを敷設することと、層毎に、トウの繊維配向を異ならせることと、を含む。

好ましくは、上記方法は、真空下で、縫合スタックを収縮、一体化、及び硬化することを更に含む。

好ましくは、上記方法において、ステッチの融解は、プリプレグ層の縫合スタックが完全に硬化する前に行う。

好ましくは、上記方法は、プリプレグ層の縫合スタックを、複合構造体の形状に対応する所望の形状に成形することを更に含む。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層の縫合スタックの成形は、プリプレグ層を互いに縫合する前に行う。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層の縫合スタックの成形は、プリプレグ層を互いに縫合した後に行う。

本発明の他の態様によると、複合プリフォームを製造する方法が提供され、当該方法は、プリプレグ層のスタックを組み立てることを含み、各層は、熱硬化樹脂マトリックスに保持される強化繊維を含み、上記方法は、スタックが組み立てられた後に、プリプレグ層をまとめて縫合することを更に含み、上記縫合は、プリプレグ層の熱硬化中に融解するステッチ材料を用いて行われる。

好ましくは、上記方法においては、プリプレグ層のスタックを組み立てることは、層をまとめて結合することにより、互いに位置合わせされた状態でこれらの層を維持することを含む。

好ましくは、上記方法において、層の結合は、各層における樹脂マトリックスの粘着性を用いて行われる。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層のスタックを組み立てることは、縫合中に、各プリプレグ層における樹脂マトリックスを用いて、これらの層における強化繊維が互いに隔離した状態で、強化繊維を保持することを含む。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層のスタックは厚みを有し、上記縫合は、ステッチが、プリプレグ層のスタックの厚みを、実質的に完全に貫通するように行うことを含む。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層のスタックを組み立てることは、プリプレグトウを敷設することを含み、上記縫合は、ステッチが、プリプレグトウの間を通り、プリプレグ層のスタックを実質的に完全に貫通するように行ってもよい。

好ましくは、上記方法において、プリプレグ層のスタックを組み立てることは、各層が異なる繊維配向を有するように層を配向することを含む。

本発明の更に他の態様によると、複合プリフォームが提供され、当該複合プリフォームは、異なる繊維配向を有する一方向プリプレグ層で構成されるスタックと、スタックにおける全てのプリプレグ層を貫通し、層をまとめて保持することが可能なステッチと、を含み、ステッチは、プリプレグ層の熱硬化中に融解可能なステッチ材料で形成されている。

好ましくは、上記複合プリフォームにおいて、プリプレグ層は、それぞれプリプレグトウを含む。

好ましくは、上記複合プリフォームにおいて、ステッチは、プリプレグトウの間を通る。

好ましくは、上記複合プリフォームにおいて、ステッチは、一方向プリプレグ層のスタック全体に渡って略均一に分布している。

好ましくは、上記複合プリフォームにおいて、プリプレグ層は、それぞれ樹脂マトリックスを含み、ステッチ材料は、樹脂マトリックスと適合性がある。

好ましくは、上記複合プリフォームにおいて、樹脂マトリックスは熱硬化性樹脂であり、ステッチ材料は熱可塑性樹脂である。

好ましくは、上記複合プリフォームにおいて、熱硬化性樹脂は、当該熱硬化性樹脂が完全に硬化する硬化温度を有しており、熱可塑性樹脂の融解温度は、熱硬化性樹脂の硬化温度よりも低い。

本発明の、さらに他の態様によると、複合構造体を製造する方法が提供される。当該方法は、乾燥繊維層をまとめて縫合することにより、異なる繊維配向を有する乾燥繊維層の縫合スタックを形成することと、乾燥繊維層のスタックにポリマー樹脂を注入することと、乾燥繊維層の縫合スタックを熱硬化することと、乾燥繊維層の縫合スタックの熱硬化中に、縫合のステッチを融解することと、を含む。

好ましくは、上記方法は、真空下で、縫合スタックを収縮、一体化、及び硬化することを更に含む。

好ましくは、上記方法において、スタックは厚みを有し、乾燥繊維層の縫合は、スタックの厚みを実質的に貫通するステッチを用いて行われる。

好ましくは、上記方法は、各乾燥繊維層に粘着剤を塗布することを更に含み、乾燥繊維層を組み立ててスタックを形成することは、縫合が行われている間、粘着剤を用いて乾燥繊維層を互いに付着させ、乾燥繊維層の繊維配向を維持することを含む。

好ましくは、上記方法において、乾燥繊維層を組み立ててスタックを形成することは、乾燥繊維トウを敷設することと、乾燥繊維層毎に、乾燥繊維トウの繊維配向を異ならせることと、を含む。

好ましくは、上記方法は、乾燥繊維層のスタックを、複合構造体の形状に対応する所望の形状に成形することを更に含む。

好ましくは、上記の方法において、スタックの成形は、乾燥繊維層を互いに縫合する前に行う。

好ましくは、上記の方法において、スタックの成形は、乾燥繊維層を互いに縫合した後に行う。

好ましくは、上記方法において、乾燥繊維層のスタックを形成することは、乾燥繊維層の縫合スタックをツール上で形成することを含む。

好ましくは、上記方法において、乾燥繊維層のスタックをツール上で形成することは、スタックをモールド内に載置することを含み、乾燥繊維層のスタックに対する注入は、真空下でモールド内にポリマー樹脂を投入することを含む。

本発明の更なる態様によると、乾燥繊維プリフォームを製造する方法が提供され、当該方法は、乾燥繊維層のスタックを組み立てることを含み、各層は、一方向強化繊維を含み、上記方法は、スタックが組み合わされた後に、乾燥繊維層をまとめて縫合することを更に含み、この縫合は、スタックを貫通し、所定の温度で加熱されると融解するステッチを用いて行われる。

好ましくは、上記方法は、各乾燥繊維層に粘着剤を塗布することを更に含み、乾燥繊維層のスタックを組み立てることは、粘着剤を用いてこれらの層を互いに位置合わせされた状態で維持することを含む。

特徴、機能、および利点は、本開示の様々な実施形態において個別に達成可能であり、また、他の実施形態との組み合わせも可能である。詳細については、以下の記載と図面から分かるであろう。

例示的な実施形態を特徴付けると考えられる新規な特徴は、添付特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、例示的な実施形態、ならびに、好ましい使用形態、更にその目的および利点は、以下に示す添付の図面と共に本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されるであろう。

縫合プリフォームの上面斜視図である。 図１に示す縫合プリフォームの底面斜視図である。 縫合プリフォームを用いて製造可能な湾曲フレーム部の斜視図である。 図１に示す縫合プリフォームの分解斜視図であり、プリフォームの個々の層及びこれらの層の繊維配向を示す。 図１において「図５」として指定されている領域の平面図である。 図５の６−６線に沿った断面図である。 硬化の初期段階における、２つのトウの間のステッチの一部を示す断面図である。 図７と類似した図であるが、硬化の後期段階において、周囲のマトリックス樹脂に溶け込んだステッチを示している。 縫合プリプレグプリフォームを用いて複合構造体を製造する方法を示すフロー図である。 縫合プリプレグプリフォームを製造する方法を示すフロー図である。 縫合された乾燥繊維プリフォームを用いて複合構造体を製造する別の方法を示すフロー図である。 航空機製造及び保守方法を示すフロー図である。 航空機を示すブロック図である。

図１及び２を参照すると、複合プリフォーム２０は、プリプレグ層２４ａ、２４ｂ、２４ｃで構成される縫合スタック２２を含んでおり、各プリプレグ層は、繊維トウ２８により一方向に補強されている。スタック２２におけるプリプレグ層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、本明細書では「層」と呼ばれることもあり、これらの層は、スタック２２をその厚み方向に貫通するステッチ２６によりまとめて結合されている。図１及び２においては、ステッチ２６の上部及び下部がそれぞれ示されている。プリフォーム２０は、様々な複合構造体、特に、単純輪郭又は複雑輪郭を有する複合構造体の製造に用いることができる。例えば、図３を参照すると、プリフォーム２０を用いて、一体の複合フレーム部３０を製造してもよく、このプリフォームは、プリプレグ層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを縫合する前又はその後に、適切なツール（tooling）（図示略）を用いてプリプレグ層２４ａ、２４ｂ、２４ｃのスタック２２を成形することにより得られる。この例では、フレーム部３０は、その長さに沿って湾曲しており、湾曲内側翼弦フランジ３４と、湾曲外側翼弦フランジ３６、及びウェブ３２を備える。フランジ３４、３６は、複合曲率を有するアール状角部３８、４０に沿って、その形状がウェブ３２へと変化している。フレーム部３０は、開示するプリフォーム２０を用いて製造できる様々な複合積層構造体の一例にすぎない。図３に示すフレーム部３０は、Ｚ形状の断面を有しているが、これ以外の断面を有していてもよい。

特に図１、２及び４を参照すると、例示的な実施形態において３つの層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが示されているが、スタック２２は、用途に応じて、２つ、又は３つよりも多い層２４を含んでもよい。図１、２、及び４に示す実施形態では、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、それぞれ複数の一方向プリプレグトウ２８を含んでおり、これらのトウは、自動ファイバ配置装置（図示略）又は他の技術により、複数の並列する帯状（bandwidths）（図示略）に配置されている。しかしながら、後述するように、縫合スタック２２は、一方向乾燥繊維からなる乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃの縫合スタックを含んでもよく、この乾燥繊維は、トウ、一方向テープ、一方向強化材の切断パターン、又はそれ以外の形状を有していてもよい。

プリプレグトウ２８は、それぞれ、適切な樹脂を事前に含浸させた個々の強化繊維束（図示略）を含むが、詳細については後述する。層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、それぞれ、所望の繊維配向を有してもよいが、図４に示す例では、それぞれ、０°、９０°、０°の繊維配向を有する。一実施形態では、プリプレグトウ２８の断面は、略円形（図６を参照）であるが、他の実施形態では、プリプレグトウ２８の断面は、略フラットな形状（図示略）であり、「フラットトウ」又は「スプレッドトウ(spread tow)」とも呼ばれる。

トウ２８の含浸に用いる樹脂は、用途に適しており、且つ、所望の硬化温度を有する熱硬化性樹脂を含んでもよい。例えば、強化繊維は炭素を含み、マトリックスとして用いられる樹脂は、エポキシ樹脂などの、熱により硬化する熱硬化性樹脂を含んでもよいが、これらに限定されない。他の種類の強化繊維としては、金属、セラミック、及び／又はガラス繊維が考えられるが、これらに限定されない。用途に応じて、他の種類の樹脂をマトリックスとして用いることもでき、そのような樹脂としては、ポリエステル樹脂、ビニール・エステル樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、ＰＢＩ（ポリベンゾイミダゾール）樹脂、及びＢＭＩ（ビスマレイミド）樹脂が挙げられるが、これらに限定されない。

トウ２８に含浸された樹脂により、トウ２８、ひいては層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが樹脂粘着性を有し、また、この樹脂粘着性により、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが、レイアップされた時に、互いに付着し合う。樹脂粘着性により生じる付着力により、以降の処理において、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが、互いに位置合わせされた状態で、且つ、所望の層配向で保持される。この詳細については、後述する。マトリックス樹脂もまた、スタック２２の厚み「ｔ」方向に、層２４のトウ２８が互いに離間した状態で、これらのトウを保持する。いくつかの用途では、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ間の付着力を高めるために、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃに対して粘着剤を用いることが必要であるか、又は、好ましい。同様に、トウ２８が乾燥している（樹脂が含浸されていない）場合には、結合剤とも呼ばれる粘着剤を用いて、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを互いに接着し、縫合スタック２２を所望の形状に成形するまで、各層の繊維配向を保持してもよい。

ステッチ２６は、複数のトウ２８の間を通り、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを、所望の層配向で保持する。使用されるステッチ２６の数、密度、サイズ、間隔、及び種類は、用途に応じて異なる。同様に、ステッチ２６の締め具合についても、スタック２２における層２４の数、及び、複合構造体の製造の複雑性に応じて異なる。例えば、複合構造体の曲がりが大きい場合には、比較的、ステッチ２６を緩くすることが好ましい。これは、ツール上で層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを形成する際に、これらの層を、面内で互いに若干滑らせるためである。層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが、面内で若干滑るため、スタック２２が、湾曲したツールの表面によりフィットして、層にシワやひだが寄ることを防止する。

次に、特に図５及び６を参照すると、ステッチ２６が、各層２４ａ、２４ｂ、２４ｃにおいて隣り合うトウ２８の間で、スタック２２の厚み「ｔ」（図１）全体を実質的に貫通できる限り、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを縫合するために様々な種類のステッチ２６を用いることができる。図示する実施形態では、ステッチ２６は、トウ２８に効果的に巻き付いて、スタック２２を斜めに横切って延伸している。しかしながら、他の実施形態においては、ステッチ２６は、全てのトウ２８には巻き付く必要はなく、スタック２２を横切ってどの方向に延伸していてもよい。ステッチ２６の形成及び離間は、如何なる方法で行われてもよい。ただし、スタック２２を複合構造体の所望の形状に成形するために用いられるツール（図示略）上でスタック２２を成形する際に、これらのステッチが、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃをまとめて適切に保持していることを条件とする。しかしながら、いくつかの実施形態では、スタック２２を所望の形状に成形した後に、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを互いに縫合してもよい。

ステッチ２６を形成する材料（以降「ステッチ材料」）は、様々なポリマー樹脂のうち、トウ２８のマトリックス樹脂と適合し、且つ、マトリックス樹脂の熱硬化中にステッチ２６が融解するような融解温度を有する樹脂を含んでもよい。例えば、ステッチ材料は、マトリックス樹脂を硬化するために求められる温度の範囲内で比較的低い融解温度を有する熱可塑性樹脂を含んでいる。このような樹脂としては、例えば、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）、及びＰＥＫＫ−ＦＣ（ポリエーテルケトンケトン−ｆｃグレード）などがあるが、これらに限定されない。例えば、マトリックス樹脂が、約１８０℃で硬化するエポキシ樹脂である場合、ステッチ材料は、１５０℃の範囲の低融解温度を有する熱可塑性樹脂を含む。この例では、熱硬化性樹脂が実質的に硬化し始める前に、熱可塑性樹脂は、融解して、流動性熱硬化性樹脂と結合する。一実施形態では、マトリックス樹脂が融解して、初めに流動可能になる段階では、熱可塑性ステッチ材料は、その形状を維持し、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃ、に必要なサポートを提供できるものが選択される。硬化の初期段階において、マトリックス樹脂４４が硬化し始めることにより、マトリックス樹脂４４の粘度が高くなって初めて、熱可塑性ステッチ材料は融解し始め、マトリックス樹脂４４中に溶解する。複合積層構造体の一体化は、真空下で行われる。この真空下では、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが収縮するとともに、ステッチ２６が樹脂に溶け込んで複合積層構造体が硬化及び一体化するあいだ、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが動かないように、これらの層がまとめて保持される。

図７は、硬化サイクルの初期段階における複数のステッチ２６のうちの１つを示す断面側面図であり、この硬化サイクルでは、形成した複合積層構造体を、真空バッグ及び／又はオートクレーブにより加熱及び加圧することにより、当該構造体を硬化及び一体化する。加熱及び加圧の組み合わせにより、マトリックス樹脂４４が流動し始め、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを一体化する。樹脂の流動は、トウ２８に含浸されたマトリックス樹脂４４から生じる。硬化サイクルにおけるこの時点では、ステッチ２６は、まだ融解温度に達するまで加熱されていないため、その形状を維持している。しかしながら、硬化サイクルにおいて温度が更に上昇すると、ステッチ材料が融解し始めて、周囲に存在する、依然として流動可能なマトリクス樹脂４４に合流４２する。やがて、図８に示すように、ステッチ材料は、マトリックス樹脂４４の領域４６内に完全に溶解する。圧力を加えることにより、ステッチ材料及びマトリックス樹脂４４が共に流動し、互いに混じり合い易くなる。ステッチ２６として用いるために選択された特定のポリマー樹脂によっては、溶解したステッチ材料は、マトリックス樹脂４４の硬化を補助することができ、また、硬化した複合構造体の、耐衝撃性などの機械特性を向上させることができる。

次に図９に注目すると、同図は、縫合プリプレグを用いて複合積層構造体を製造する方法の全体的なステップを概略的に示している。まず、ステップ４８において、異なる繊維配向を有する一方向プリプレグ層で構成されるスタック２２を組み立てる。次に、ステップ５０において、プリプレグ層が組み立てられてスタック２２が形成された後に、ツール又は他の成形技術を用いて、スタック２２を所望の形に成形する。なお、いくつかの実施形態においては、特定のスタック形状になるようにプリフォーム２０のレイアップを行い、その後、プリフォーム２０の各層をまとめて縫合してもよい。言い換えれば、ステップ５０における縫合は、ステップ５２の成形の後に行ってもよい。ステップ５４において、縫合及び成形されたスタック２２を、例えば、オーブン又はオートクレーブ内に載置することにより、スタック２２を熱硬化する。ステップ５５において、縫合スタック２２の熱硬化中に、ステッチ材料を溶かすことにより、硬化が起こっている周囲のマトリックス樹脂４４に、ステッチを溶解させる。

図１０は、複数のプリプレグ層を用いてプリプレグプリフォーム２０を作製する方法の全体的なステップを概略的に示しており、これらのプリプレグ層は、次に行われるプリプレグの硬化工程中に融解する縫合材料によりまとめて縫合される。ステップ５６において、プリプレグ層のスタック２２を組み立てる。各層は、熱硬化性マトリックス樹脂４４に保持される強化繊維を含んでいる。ステップ５８において、スタックが組み立てられた後に、プリプレグ層をまとめて縫合する。この縫合は、プリプレグ層の熱硬化中に融解及び溶解するステッチ材料を用いて行う。

図１及び２を再び参照すると、上述したように、別の実施形態では、プリフォーム２０は、様々な樹脂注入処理での使用に適した乾燥繊維プリフォームであり、これらの樹脂注入処理においては、当該プリフォームは、樹脂が注入される強化材としての機能を果たす。この実施形態では、プリフォーム２０は、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃで構成される縫合スタック２２を含んでおり、これらの層は、それぞれ繊維トウ２８（図５及び６）又は一方向乾燥繊維テープなどの、一方向乾燥繊維強化材からなる。

層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、それぞれが互いに異なる繊維配向を有している。乾燥繊維プリフォーム２０に用いられる繊維トウ２８は、上述した材料と同様の１つ又はそれ以上の材料を含み、これらの材料は、プリフォーム２０のプリプレグに関する実施形態で説明した繊維トウ２８の作製に用いてもよい。乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃは、厚み「ｔ」（図６）を貫通するステッチ２６（図５及び６）により一時的に縫合されている。ステッチ２６は、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを、プリフォームとしてまとめて縫合する。しかしながら、樹脂注入処理で用いられるツール（図示略）の曲面上にプリフォームを押し付けて成形する際に、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃが互いに若干滑ることができるように、これらの層を緩めに縫合してもよい。上述したように、いくつかの実施形態では、乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを、プリフォーム２０としてまとめて縫合する前に、乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを所望の形状に成形してもよい。

ステッチ２６は、プリフォーム２０に対して収縮、一体化、樹脂注入が行われている間、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを所望の層配向で、且つ、互いに離間した状態で保持することを補助する。硬化処理を開始してからマトリックス樹脂が実際に硬化し始めるまで、乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを、所望の層配向及び空間関係になるように維持することにより、硬化した複合構造体における強化材がより均一に分布し、複合構造体の機械性能を向上させることができる。

上述したプリプレグプリフォーム２０の例と同様に、ステッチ２６を形成する材料は、様々なポリマー樹脂のうち、プリフォーム２０をツール上に載置して、樹脂を注入するために用いられるマトリックス樹脂と適合する樹脂である。ステッチ材料は、乾燥繊維プリフォーム２０に樹脂を注入した後にマトリックス樹脂を熱硬化している間に、ステッチ２６が融解するような融解温度を有している。例えば、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを、乾燥繊維プリフォーム２０としてまとめて縫合するために用いられるステッチ材料は、樹脂注入処理で用いられるマトリックス樹脂を硬化するために求められる温度の範囲内で比較的低い融解温度を有する熱可塑性樹脂を含んでいる。このような樹脂としては、例えば、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）、及びＰＥＫＫ−ＦＣ（ポリエーテルケトンケトン−ｆｃグレード）などがあるが、これらに限定されない。

図１１は、乾燥繊維プリフォーム２０に対する樹脂注入を用いて、複合構造体を製造する方法の各ステップを概略的に示している。まず、ステップ６０において、異なる繊維配向を有する乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃで構成されるスタックを組み立てる。ステップ６２において、任意で、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃの繊維配向を維持するために、粘着剤をこれらの層に塗布してもよい。ステップ６４において、縫合スタック２２が組み立てられた後に、乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃをまとめて縫合する。ステッチ２６は、スタック２２の層２４ａ、２４ｂ、２４ｃをまとめて保持する。ステップ６６において、乾燥繊維層の縫合スタック２２を、所望のプリフォーム形状に成形してもよい。

スタック２２の成形は、スタック２２を縫合する前又は後に、スタック２２をツール上で成形することにより行われる。スタック２２を所望の形状に成形する前に当該スタックを縫合する場合であって、ツールが１つ又はそれ以上の曲部を有している場合、ステッチ２６の縫締まりは、乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを互いに若干滑らせ、これらの層がツールの曲面によりフィットする程度にしてもよい。採用する樹脂注入処理の種類により、ステップ６８において、乾燥繊維プリフォーム２０を、樹脂注入用ツールに移動してもよい。いくつかの実施形態では、乾燥繊維層２４ａ、２４ｂ、２４ｃをプリフォーム２０の形状に成形するためのツールは、樹脂注入処理中に用いられるツールであってもよい。ステップ７０において、乾燥繊維プリフォーム２０に樹脂を注入し、ステップ７２において、樹脂を熱硬化する。ステッチ２６は、プリフォーム２０に対して収縮、一体化、樹脂注入が行われている間、層２４ａ、２４ｂ、２４ｃを所望の層配向で、且つ、互いに離間した状態で保持することを補助する。ステップ７４において、プリフォーム２０の層をまとめて保持するために用いられるステッチ２６は、融解して、プリフォーム２０に注入される樹脂に溶解する。

本開示における実施形態は、様々な用途に使用される可能性を有し、特に、航空宇宙、船舶、自動車、及びその他の用途を含む輸送業であって、複合積層構造体、特に曲線を有しており、比較的大量に生産される複合積層構造体が用いられる分野に用途を見出すことができる。したがって、図１２及び１３を参照すると、本開示の実施形態は、図１２に示す航空機の製造及び保守方法、並びに、図１３に示す航空機７８に関連して用いることができる。開示する実施形態の航空機用の用途としては、限定するものではないが、いくつか例をあげると、複合積層フレーム部、翼桁、ストリンガー、ビームなどがある。生産開始前の工程として、例示的な方法７６は、航空機７８の仕様決定及び設計８０と、材料調達８２とを含む。生産中には、航空機７８の部品／小組立品の製造８４、及び、システムインテグレーション８６が行われる。その後、航空機７８は、認可及び納品８８の工程を経て、就航９０に入る。顧客による使用中は、航空機７６は、定例のメンテナンス及び保守９２のスケジュールに組み込まれるが、これは改良、再構成、改修なども含む場合もある。

方法７６の各処理は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実行又は実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等であってもよい。

図１３に示すように、例示的な方法７６によって製造される航空機７８は、複数の高水準システム９６及び内装９８を具備した機体９４を含んでもよい。高水準システム９６の例としては、１つ又はそれ以上の推進系１００、電気系１０２、油圧系１０４、及び環境系１０６が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば船舶及び自動車産業等の他の産業に適用してもよい。

本明細書において具現化されているシステム及び方法は、製造及び保守方法７６における１つ又はそれ以上のどの段階において採用してもよい。例えば、製造工程８４に対応する部品又は小組立品は、航空機７６が運航中に製造される部品又は小組立品と同様の方法で製造されてもよい。また、例えば、実質的に、航空機７６の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、１つ又はそれ以上の装置の実施形態、１つ又はそれ以上の方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、製造工程８４及び８６において用いてもよい。同様に、１つ又はそれ以上の装置の実施形態、１つ又はそれ以上の方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機７６の使用中に、例えば、限定するものではないが、整備及び保守９２に用いてもよい。

様々な例示的な実施形態の説明は、例示および説明のために提示したものであり、全てを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの改変または変形が当業者には明らかであろう。また、例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる効果をもたらす場合がある。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の改変を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。

Claims (15)

1. 複合構造体を製造する方法であって、
   プリプレグ層をまとめて縫合して、異なる繊維配向を有するプリプレグ層の縫合スタックを形成することと、
   プリプレグ層の前記縫合スタックを熱硬化することと、
   プリプレグ層の前記縫合スタックの熱硬化中に、前記縫合のステッチを融解することと、を含む方法。
2. 前記プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することを更に含み、
   前記プリプレグ層はそれぞれ樹脂粘着性を有し、前記プリプレグ層を組み立てて前記スタックを形成することは、前記縫合が行われている間、前記樹脂粘着性を利用して前記層を互いに付着させ、前記プリプレグ層の前記層配向を維持することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記スタックは厚みを有し、前記プリプレグ層の縫合は、前記スタックの前記厚みを実質的に貫通するステッチを用いて行われる、請求項１に記載の方法。
4. 前記プリプレグ層を組み立ててスタックを形成することは、
   プリプレグトウを敷設することと、
   前記層毎に、前記トウの前記繊維配向を異ならせることと、を含む、請求項２に記載の方法。
5. 前記ステッチの融解は、プリプレグ層の前記縫合スタックが完全に硬化する前に行う、請求項１に記載の方法。
6. プリプレグ層の前記縫合スタックを、前記複合構造体の前記形状に対応する所望の形状に成形することを更に含む、請求項１に記載の方法。
7. プリプレグ層の前記縫合スタックの成形は、前記プリプレグ層を互いに縫合する前に行う、請求項６に記載の方法。
8. プリプレグ層の前記縫合スタックの成形は、前記プリプレグ層を互いに縫合した後に行う、請求項６に記載の方法。
9. 異なる繊維配向を有する一方向プリプレグ層で構成されるスタックと、
   前記スタックにおける全ての前記プリプレグ層を貫通し、前記層をまとめて保持することが可能なステッチと、を含み、前記ステッチは、前記プリプレグ層の熱硬化中に融解可能なステッチ材料で形成されている、複合プリフォーム。
10. 前記プリプレグ層は、それぞれプリプレグトウを含む、請求項９に記載の複合プリフォーム。
11. 前記ステッチは、前記プリプレグトウの間を通る、請求項１０に記載の複合プリフォーム。
12. 前記ステッチは、一方向プリプレグ層の前記スタック全体に渡って略均一に分布している、請求項９に記載の複合プリフォーム。
13. 前記プリプレグ層は、それぞれ樹脂マトリックスを含み、
    前記ステッチ材料は、前記樹脂マトリックスと適合性がある、請求項９に記載の複合プ リフォーム。
14. 前記樹脂マトリックスは熱硬化性樹脂であり、
    前記ステッチ材料は熱可塑性樹脂である、請求項１３に記載の複合プリフォーム。
15. 前記熱硬化性樹脂は、前記熱硬化性樹脂が完全に硬化する硬化温度を有しており、
    前記熱可塑性樹脂の融解温度は、前記熱硬化性樹脂の前記硬化温度よりも低い、請求項１４に記載の複合プリフォーム。

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