JP2015529575A - 複合品およびそのための方法 - Google Patents

Abstract

一次的な複合構造体と、一次的な複合構造体によって形成された平面から外に延びる一体型の二次的な複合構造体とを有するように複合品を形成する方法が提供される。方法は、第１のプライを積層して一次的な複合構造体を構成することを含む。第１のプライは、連続補強材料を含み、一次的な複合構造体を形成する第１の領域から二次的な複合構造体を形成する第２の領域内まで延びる。第１のプライの積層中に、追加のプライは、第１の領域ではなく第２の領域内で第１のプライと交互配置される。追加のプライは、第１の領域と第２の領域の間の強化領域内に端を発し、強化領域から第２の領域内に延びる。プライを交互配置した後に、強化領域は変形されて第２の領域を配向させ、第１のプライの連続補強材料によって形成された平面から外に延びる二次的な複合構造体を形成する。【選択図】図１

Description

本発明は、概して複合構造体を製作するための方法に関する。より具体的には、本発明は、例えば、ターボ機械用のコンポジットケーシングの一体型フランジ等の、一体型の複合的な二次的構造体を有するように複合品を製作する方法に関する。

複合材料は、一般的に、高分子複合材料の場合には高分子材料（高分子マトリックス複合材料、すなわちＰＭＣ）である、マトリックス材料に埋め込まれた繊維補強材料を備える。複合材料の繊維補強材は、材料の二次的な要素として機能する一方、マトリックス材料は、補強材を保護し、補強材の繊維配向を保持し、補強材に対する荷重を消散させるように機能する。

複合材料は、それらの耐久性および相対的な軽量性によって、航空宇宙分野の様々な用途での使用が益々普及している。非限定的な特定の例は、航空機のガスタービンエンジン用のファンケーシングのためのＰＭＣ材料の使用を含む。複合材料は、優れた強度および重量特性をもたらすことができるが、複合材料から製作された構造体上のフランジおよび他の二次的な形状構成の設計は、難題をもたらす。例として、連続補強材料を含む積層構成を有する複合構造体は、連続補強繊維の存在によって優れた面内強度を示すことができる。ここで、連続補強材料は、典型的にマトリックス材料内にランダムに散在する短繊維で構成される不連続繊維補強材料とは対照的に、複合体のマトリックス材料内に特定の配向（一方向）、例えば、複合体に関する荷重方向と平行な配向を有するように、典型的に配向される連続繊維または繊維束（トウ）を意味する。連続繊維補強材を含む複合構造体は、優れた面内強度を示すことができるが、連続補強繊維の平面から外に延びるフランジおよび他の二次的構造体は、一次的な複合構造体とのそれらの取付け点または接合部に連続繊維を欠いている。連続繊維の欠如、およびフランジへの取付け部によって形成される著しい面外荷重の可能性は、応力増加による損傷を受け易い相対的に脆弱な取付け接合部をもたらす場合がある。フランジを別に製作して、例えば、追加繊維または金属ブラケット等の、補助的な補強構造体によってフランジを一次的な複合構造体に取り付けることができるが、複合材料の使用によって可能となる重量節減の効果は、結果として著しく低減される場合がある。

ガスタービンエンジンのコンポジットケーシングの場合、取付け点での構造的な脆弱性を解消するために、繊維プリフォームデザインで構成される一体型フランジが提案されている。しかし、そのような繊維プリフォームデザインの選択肢は、かなり制限される傾向にある。コンポジットケーシングおよびそれらの一体型フランジの構成に使用されるプライは、典型的に、繊維の配向を制限する折または編プリフォームであり、その結果、剛性および強度を容易に最適化することができない。ケーシング内の繊維トウとフランジ本体内の繊維トウとを交互配置する度合も、典型的に制限され、層間剥離に対する抵抗力が制限される。

したがって、一体型の複合フランジ、または取付け点に連続繊維を有する他の二次的な複合構造体を有するように複合構造体を製作することができる、改善された技術が必要である。

米国特許出願公開第２００９／１７６０６６号明細書

本発明は、一次的な複合構造体および少なくとも１つの一体型の二次的な複合構造体を備える、例えば、一体型フランジを有するコンポジットケーシング等の、複合品を製作するための方法と、この方法によって形成された複合品とを提供し、一次的な複合構造体と二次的な複合構造体との間の取付け領域内には連続繊維が存在する。本発明は、一体型の強化領域を備える複合品を製作するための方法をさらに提供する。

本発明の第１の態様によれば、一次的な複合構造体と、一次的な複合構造体内の連続補強材料によって形成された平面から外に延びる一体型の二次的な複合構造体とを有するように複合品を形成する方法が提供される。方法は、第１のプライを積層して一次的な複合構造体を構成することを含む。第１のプライは、連続補強材料を含み、一次的な複合構造体を形成する第１の領域から二次的な複合構造体を形成する第２の領域内まで延びる。第１のプライの積層中に、追加のプライは、第２の領域が第１のプライおよび追加のプライの両方を含むように、第１の領域ではなく第２の領域内で第１のプライと交互配置される。追加のプライは、第１の領域と第２の領域との間の強化領域内に端を発し、強化領域から第２の領域内に延びる。プライを交互配置した後に、強化領域内の交互配置された第１のプライおよび追加のプライは、変形されて第２の領域を配向させ、第１のプライの連続補強材料によって形成された平面から外に延びる二次的な複合構造体を形成する。

本発明の第２の態様によれば、複合品は、連続補強材料を備える一次的な複合構造体と、一次的な複合構造体内の連続補強材料によって形成された平面から外に延びる一体型の二次的な複合構造体と、を備える。一次的な複合構造体は、連続補強材料を含む第１のプライを含み、二次的な複合構造体は、第１のプライおよび追加のプライを備える。追加のプライは、一次的な複合構造体と二次的な複合構造体との間の強化領域内に端を発し、強化領域から二次的な複合構造体内に延びる。

本発明の第３の態様によれば、強化領域を有する複合品を形成する方法が提供される。方法は、第１のプライを積層して複合品を構成することを含む。第１のプライの積層中に、追加のプライは、強化領域が第１のプライおよび追加のプライの両方を含むように、第１の領域ではなく強化領域内で第１のプライと交互配置される。

本発明の技術的な効果は、複合品の重量を著しく増加させずに、一次的な複合構造体との相対的に強力な取付け領域を有する一体型の複合的な二次的構造体を有するように一次的な複合構造体を製作する可能性にある。特に、一次的な複合構造体内に連続補強材料を有する第１のプライを設け、二次的な複合構造体内に第１のプライを連続させ、追加のプライを第１のプライと交互配置して二次的な複合構造体を形成することによって、結果として得られる複合品は、当該分野で既知の従来の取付け方法と比べて第１と第２の複合構造体の間の接合強度の向上を示すことを可能にすると考えられる。

本発明の他の態様および利点は、以下の詳細な説明から一層理解されるであろう。

本発明の態様による複合品の個別のプライを表す概略断面図である。 図１の予備的な複合品の強化領域内およびフランジ領域内に組み込まれてもよい様々なプライ配向を表す概略図である。 本発明の態様による複合品の個別のプライを表す概略断面図である。

本発明は、少なくとも１つの一体型の二次的な複合構造体を組み込む一次的な複合構造体を備えるように繊維補強積層材料から形成される複合品を製造するためのプロセスに関して説明される。二次的な複合構造体は、一次的な複合構造体内の連続補強材料によって形成された平面から外に延びる。様々な用途が想定でき可能であるが、特に注目される用途は、例えば、航空機のガスタービンエンジンを含むガスタービンのコンポーネント等の、相対的に軽量なコンポーネントを要求する用途を含む。特に注目されるのは、例えば、航空機のガスタービンエンジンのファンケーシング等の、一体型の複合フランジを有する複合品である。他の可能な二次的構造体は、非限定的に、ケーシング構造体の一体型の補強輪および強度隔壁を含んでもよい。

本発明の教示を様々な複合材料の適用にまで拡張することができるが、特に注目されるのはＰＭＣ材料である。さらに、本発明は、広範な繊維補強積層材料を使用することができるが、本発明が特に注目すると考えられる積層材料は、ガラス繊維、グラファイト繊維、カーボン繊維、セラミック繊維、ポリ（パラフェニレンテレフタルアミド）繊維（すなわちＫＥＶＬＡＲ（登録商標））等の芳香族ポリアミド繊維のうちの１つ以上から形成された連続補強材料を含む。連続補強材料の繊維は、個別の繊維として、または、より好ましくは、ここでは連続補強繊維の捩れていない束を意味する繊維束（トウ）として存在してもよい。

ＰＭＣ材料を製作する目的で、積層材料は、樹脂の硬化または凝固に続いて最終複合品内に補強材料用の固形マトリックス材料を形成する液体樹脂をさらに備える。樹脂は、一般的に、熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂に分類することができる。熱可塑性樹脂は、一般的に、化学的変化よりもむしろ物理的変化によって、反復的に、加熱されると軟化および流動化することができ、十分に冷却されると硬化することができる高分子として分類される。本発明での使用を見出すことができる熱可塑性樹脂の注目に値する類例は、ナイロン、熱可塑性ポリエステル、ポリアリールエーテルケトンおよびポリカーボネート樹脂を含む。航空宇宙分野の用途での使用が期待されている高性能熱可塑性樹脂の具体例は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）およびポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）を含む。対照的に、堅固な剛体まで完全に硬化すると、熱硬化性樹脂は、加熱されても著しく軟化しない代わりに、十分に加熱されると熱的に分解する。航空宇宙分野の用途での使用が期待されている高性能熱硬化性樹脂の注目に値する例は、エポキシ樹脂およびポリエステル樹脂を含む。

本発明の好ましい態様によれば、一次的な複合構造体の本体内に端を発する連続補強材料の連続繊維または繊維束（トウ）によって少なくとも部分的に形成された一体型の二次的構造体を有するように一次的な複合構造体を製作することができる。連続繊維または繊維トウを含む複数のプリプレグプライを備える繊維補強積層材料（構造体）を積層して一次的な複合構造体を構成することができる。ここで述べるように、プライは、連続補強材料を含む個別の層であり、例えば、積層材料の下層プライ等の、表面領域を完全に覆うことができる。一次的な複合構造体の連続プライ内の連続補強材料は、様々な繊維配向角を有することが好ましい。積層に続いて、プライは、一次的な複合構造体の一端でプライ（およびプライの連続補強材料）の平面から外に形成されて二次的構造体を形成する。

二次的構造体は、一次的な複合構造体からのプライと交互配置される追加のプリプレグプライを含むようにさらに構成される。二次的構造体の追加のプライも、連続補強材料を含む。二次的構造体の追加のプライは、追加のプライと交互配置される、一次的な複合構造体からの隣接するプライに対して同じ繊維配向を有することができる。二次的構造体および一次的構造体とのその取付け部の剛性および／または強度を向上させる目的で、二次的構造体の追加のプライは、追加のプライと交互配置される、一次的な複合構造体の隣接する各プライに対して異なる繊維配向角を有することが好ましい。二次的構造体を形成する追加のプライの厚さも、二次的構造体の厚さを増加するために加減することができる。これらの追加のプライも、二次的構造体に対して一次的構造体内の様々な位置に端を発することができ、追加のプライの端部は、応力集中を最小化するように千鳥配置される。例えば、自動繊維配置マシンおよびフィラメントワインディング装置を用いて、個別の繊維または繊維トウのプライを成形型の表面に直接配置することによって、一次的な複合構造体およびその二次的な複合構造体の強化を容易にすることができる。これらの装置は、交互配置の度合を変えて様々な繊維配向で繊維トウを経済的に配置することを可能にする。

図１は、上述した形式の予備的な複合構造体１０を概略的に表しており、そこでは、シェルプライ１８は、一次的な複合構造体の少なくとも一部を形成する、シェル領域１２内の第１のプライ群を示し、フランジ領域１４内のシェルプライ１８の部分は、シェルプライ１８の平面から外に形成されて、例えばフランジ等の二次的な複合構造体を形成する。シェル領域１２とフランジ領域１４の間には、強化領域１６が形成され、その中では、シェルプライ１８が変形されて（不図示）、フランジ領域１４内のシェルプライ１８の部分は、平面から外に、例えば、シェル領域１２（したがって、シェル領域１２内の一次的な複合構造体）と垂直に配向される。図１は、成形型２２の表面２４上の積層体としてプライ１８を表している。

図１から明らかなように、強化領域１６は、漸減領域１６Ａおよび均等厚領域１６Ｂを備える。フランジ領域１４および強化領域１６は、図１ではシェル領域１２およびフランジ領域１４の全範囲を通じて連続であるように見られるシェルプライ１８と交互配置される追加の強化プライ（層）２０を含む。当該分野で既知の従来技術とは異なり、１つ以上の強化プライ２０は、隣接する２つのシェルプライ１８の間よりもむしろ、好ましくは、それぞれ個別のシェルプライ１８内で交互配置されるように表されている。強化プライ２０は、好ましくは、強化領域１６の均等厚領域１６Ｂ内およびフランジ領域１４内で実質的に均等な厚さを達成する目的で、強化領域１６の漸減領域１６Ａ内の様々な位置に端を発するように、図１に表されている。フランジ領域１４における連続するシェルプライ１８および交互配置された強化プライ２０の端部は、フランジ領域１４内のプライ１８および２０から二次的な複合構造体を形成した後に、二次的な複合構造体を形成するプライ１８および２０の端部が、上部に予備的な複合構造体１０が製作される成形型２２の表面２４と略平行な端面を形成するように、面取りされ、さもなければ図１に表されるように終端することが好ましい。フランジ領域１４内のプライ１８および２０を面取りすることによって、シェルプライ１８または強化プライ２０のいずれかである、成形型表面２４により近い連続補強材料（繊維または繊維トウ）が、曲げられるときにより大きな曲率半径を有することが可能であり、成形型表面２４からより遠いプライ１８および２０の端部と面一になることが可能である。

図２は、二次的な複合構造体（フランジ領域１４によって形成される）と、一次的な複合構造体（シェル領域１２によって形成される）へのその取付け部（強化領域１６によって形成される）との強度を向上させるために、シェルプライ１８および強化プライ２０を交互配置することによって、フランジ領域１４内および強化領域１６内に様々なプライ配向を組み込むことができる方法を概略的に表している。例では、β−βの繊維配向を有する強化プライ２０は、θ−θおよびα−αの繊維配向を有する繊維の間でシェルプライ１８内に交互配置されて、図２の右側端に表される繊維配向の組合せをもたらす。

シェルプライ１８および強化プライ２０の連続補強材料における適した繊維直径、トウ直径、繊維／トウの中心間隔は、特定の用途、プライ１８および２０の厚さ、ならびに他の要因に依存する。本発明の特定の実施形態では、予備的な複合構造体１０を構成するために、シェルプライ１８および強化プライ２０では、１インチ当たり約１〜約８繊維トウ（約２．５〜２０ｃｍ）が使用されており、各繊維トウは、約６０００〜約４８０００の繊維フィラメントを備えてもよい。これらの繊維フィラメントは、任意の厚さを有してもよいが、特定の実施形態では、繊維フィラメントの厚さは、約０．００３〜約０．０１０インチ（約０．０７５〜約０．２５ｍｍ）であってもよい。

プライ１８および２０が成形型表面２４に積層されると、強化領域１６、およびその中のプライ１８および２０の一部を変形させて、フランジ領域１４をシェル領域１２およびその中のプライ１８の平面から外に配向することによって、二次的な複合構造体を形成することができ、その後に、予備的な複合構造体１０がデバルクされ硬化されてもよい。当業者は、部品の寸法および使用される樹脂のような要因に基づいて適当なデバルクおよび最終硬化パラメータを決定する方法について理解するであろう。最終硬化が終了すると、成形型２２は、上述した一次的および二次的な複合構造体を含む、結果として得られたＰＭＣ物品を生じさせるために、取り外されてもよい。

上記から当然のことながら、上述した方法で製作された一体型フランジ（または他の二次的構造体）は、別に形成されてコンポジットケーシング（または他の一次的構造体）にボルト止めまたは固着されるフランジよりも軽量にすることができる。フランジ内の繊維トウの大半は、ケーシング内に端を発する連続繊維とすることができ、不連続繊維を含む構成よりも高い荷重負担能力をもたらす。さらに、様々な繊維配向および様々な交互配置の度合を伴う個別の繊維トウで構成されたフランジは、繊維プリフォームシート（例えば、織または編）が使用される場合に可能であるよりも非常に高い設計上の融通性をもたらすことができる。追加の利点は、個別の繊維トウを自動マシンで配置することができ、これによって手動での積層に依存するプロセスと比べて製作コストを低減させることである。

本発明の代替的な実施形態では、シェルプライ１８を有する複合構造体１０は、図３に表す局所的な強化（増厚）領域１６を含むように上記プロセスによって形成されてもよい。構造体１０は、前述の実施形態のような二次的構造体を形成しないが、構造体が切取り部を要求したり、剛性の向上を必要としたりするとき等、幾つかの用途では、強化領域１６を有することが依然として望ましい場合があることが想定される。局所的な強化領域１６は、２つの漸減領域１６Ａおよび均等厚領域１６Ｂを備える。

本発明は、具体的な実施形態に関して説明されているが、当業者によって他の形態を採用することができることは明らかである。例えば、一次的および／または二次的な複合構造体の物理的構成は、示されているものとは異なることができ、記されているもの以外の材料およびプロセスを使用することができる。したがって、本発明の範囲は、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

１０ 複合構造体
１２ シェル領域
１４ フランジ領域
１６ 強化（増厚）領域
１６Ａ 漸減領域
１６Ｂ 均等厚領域
１８ シェルプライ
２０ 強化プライ
２２ 成形型
２４ 成形型表面

Claims (20)

1. 一次的な複合構造体と、前記一次的な複合構造体内の連続補強材料によって形成された平面から外に延びる一体型の二次的な複合構造体とを有するように複合品（１０）を形成する方法であって、
   前記一次的な複合構造体を形成する第１の領域（１２）から前記二次的な複合構造体を形成する第２の領域（１４）内まで延びる、前記連続補強材料を含む第１のプライ（１８）を積層して前記一次的な複合構造体を構成することと、
   前記第１のプライ（１８）の積層中に、前記第２の領域（１４）が前記第１のプライ（１８）および追加のプライ（２０）の両方を含み、前記追加のプライ（２０）が前記第１の領域（１２）と前記第２の領域（１４）との間の強化領域（１６）内に端を発し前記強化領域（１６）から前記第２の領域（１４）内に延びるように、前記第１の領域（１２）ではなく前記第２の領域（１４）内で前記追加のプライ（２０）を前記第１のプライ（１８）と交互配置することと、
   次いで、前記強化領域（１６）および前記強化領域（１６）内の交互配置された前記第１のプライ（１８）および前記追加のプライ（２０）を変形させて前記第２の領域（１２）を配向させ、前記第１のプライ（１８）の前記連続補強材料によって形成された前記平面から外に延びる前記二次的な複合構造体を形成することと、
   を含む方法。
2. 前記連続補強材料が一方向繊維を備え、前記第１のプライ（１８）の連続する個別のプライ内の前記一方向繊維が、様々な繊維配向角を有する、請求項１に記載の方法。
3. 前記追加のプライ（２０）が第２の連続補強材料を含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記追加のプライ（２０）のうちの少なくとも１つの前記第２の連続補強材料が、少なくとも１つの追加のプライと交互配置される、前記第１のプライ（１８）のうちの少なくとも１つの前記連続補強材料とは異なる繊維配向角を有する、請求項３に記載の方法。
5. 前記追加のプライ（２０）のそれぞれが、前記第１のプライ（１８）の個別のプライ内で交互配置される、請求項１に記載の方法。
6. 前記追加のプライ（２０）が第２の連続補強材料を含み、前記追加のプライ（２０）のうちの少なくとも１つの前記第２の連続補強材料が、少なくとも１つの追加のプライが内部で交互配置される、前記第１のプライ（１８）のうちの少なくとも１つの前記連続補強材料とは異なる繊維配向角を有する、請求項５に記載の方法。
7. 前記追加のプライ（２０）が、前記一次的な複合構造体に対して前記二次的な複合構造体の厚さを増加させる、請求項１に記載の方法。
8. 前記一次的な複合構造体と前記二次的な複合構造体との間の前記強化領域（１６）によって形成された接合領域での応力集中を最小化するために、前記追加のプライ（２０）の端部が前記強化領域（１６）内で千鳥配置されるように、前記追加のプライ（２０）が前記強化領域（１６）内の様々な位置に端を発する、請求項１に記載の方法。
9. 前記第２の領域（１４）における前記第１のプライ（１８）および前記追加のプライ（２０）によって形成された端部が、前記積層ステップに続いて面取りされるように、前記第１のプライ（１８）および前記追加のプライ（２０）が、前記第２の領域（１４）内の様々な位置で終端する端部を有する、請求項１に記載の方法。
10. 前記第２の領域（１４）における前記第１のプライ（１８）および前記追加のプライ（２０）によって形成された前記端部が、前記変形ステップに続いて、前記一次的な複合構造体を形成する前記第１のプライ（１８）と略平行な端面を形成する、請求項９に記載の方法。
11. 前記複合品（１０）が高分子マトリックス複合品である、請求項１に記載の方法。
12. 前記複合品（１０）がガスタービンエンジンのファンケーシングであり、前記一体型の二次的な複合構造体が前記ファンケーシングのフランジである、請求項１に記載の方法。
13. 請求項１に記載の方法によって形成された前記一次的な複合構造体および前記一体型の二次的な複合構造体を有する、複合品（１０）。
14. 連続補強材料を備える一次的な複合構造体と、
    前記一次的な複合構造体内の前記連続補強材料によって形成された平面から外に延びる一体型の二次的な複合構造体と、を備え、
    前記一次的な複合構造体が、前記連続補強材料を備える第１のプライ（１８）を備え、前記二次的な複合構造体が前記第１のプライ（１８）および追加のプライ（２０）を備え、前記追加のプライ（２０）が、前記一次的な複合構造体と前記二次的な複合構造体との間の強化領域（１６）内に端を発し、前記強化領域（１６）から前記二次的な複合構造体内に延びる、複合品（１０）。
15. 前記連続補強材料が一方向繊維を備え、前記第１のプライ（１８）の連続する個別のプライ内の前記一方向繊維が、様々な繊維配向角を有する、請求項１４に記載の複合品（１０）。
16. 前記追加のプライ（２０）のそれぞれが、前記第１のプライ（１８）の個別のプライ内で交互配置される、請求項１４に記載の複合品（１０）。
17. 前記追加のプライ（２０）が第２の連続補強材料を含み、前記追加のプライ（２０）のうちの少なくとも１つの前記第２の連続補強材料が、前記少なくとも１つの追加のプライが内部で交互配置される、前記第１のプライ（１８）のうちの少なくとも１つの前記連続補強材料とは異なる繊維配向角を有する、請求項１６に記載の複合品（１０）。
18. 前記一次的な複合構造体と前記二次的な複合構造体との間の前記強化領域（１６）によって形成された接合領域での応力集中を最小化するために、前記追加のプライ（２０）の端部が前記強化領域（１６）内で千鳥配置されるように、前記追加のプライ（２０）が前記強化領域（１６）内の様々な位置に端を発する、請求項１４に記載の複合品（１０）。
19. 前記複合品（１０）が、高分子マトリックス複合品であり、ガスタービンエンジンのファンケーシングであり、前記一体型の二次的な複合構造体が前記ファンケーシングのフランジである、請求項１４に記載の複合品（１０）。
20. 強化領域（１６）を有する複合品（１０）を形成する方法であって、
    第１のプライ（１８）を積層して前記複合品（１０）を構成することと、
    前記第１のプライ（１８）の積層中に、前記強化領域（１６）が前記第１のプライ（１８）および追加のプライ（２０）の両方を含むように、第１の領域（１２）ではなく前記強化領域（１６）内で前記追加のプライ（２０）を前記第１のプライ（１８）と交互配置することと、
    を含む方法。