JP2016088090A - 複合積層体を真空成形するための方法、器具、及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】航空機用外皮の補強に複合積層体ストリンガーを湾曲させて複雑な輪郭を形成させるのを通常行っている手作業を改善し、大重量の成形機器を用いずに効率よく行える装置・器具の提供。【解決手段】複合プリプレグプライ４４は、真空ダイヤグラム６２により加えられる圧縮力を用いて、適合性成形器具４６により、湾曲したツール３２上で成形及び圧縮され、成形器具４２は、プライ４４を固定した後に、当プライ４４を所望の順番でツール３２の各部に亘って掃引するように構成されている成形装置４５。【選択図】図２

Description

本開示は、概して複合積層体の製造に関し、特に、複合積層体を真空成形する方法、器具、及び装置に関する。

複合積層補強材は、特定の用途に合わせて複雑な輪郭を有することが求められる場合がある。例えば、航空機産業においては、航空機の外皮を補強するために用いられる複合積層体ストリンガーは、空気力学的（aerodynamic）胴体及びエーロフォイル（airfoils）によく見られる外皮形状の変化と一致させるために、１つ又は複数の平面内において湾曲していることがある。

複雑な輪郭を有する複合積層補強材のレイアップ及び成形は、曲部領域で複合プリプレグ材料にブリッジ（bridge）又はしわが発生することがあるため、困難である。このような事態を最小限に抑えるために、ストリンガーなどの複合積層構造補強材は、通常、手作業でレイアップする。しかしながら、補強材のハンドレイアップは、労力も時間もかかるため、コストがかかる。湾曲した複合補強材の成形及び圧縮を自動化するには、複雑で、大重量で、及び／又は、高価な機器を必要とする可能性がある。

従って、部分的な不一致や現場人件費（touch labor）を低減するとともに、複合プリプレグを積層してなるストリンガー（composite laminate prepreg stringer）などの湾曲した複合補強材を成形及び圧縮するための方法、器具、及び装置が求められている。また、上述した特殊且つ大重量の成形機器を必要とせず、必要な成形圧力を生成するために従来の真空ダイヤフラムを用いる方法、器具、及び装置が求められている。

開示される実施形態においては、シンプルな適合性成形器具（compliant former device）、及び、従来の真空ダイヤフラムにより加えられる圧縮用圧力を用いて、パッシブ方式により、輪郭形成された複合積層構造体が自動的に成形及び圧縮される。このため、現場人件費、及び部分的な不一致が低減される。また、上記実施形態においては、機具にかかるコストが低減されるとともに、高度に特殊化されたツールの必要性が回避される。適合性成形器具は、プライ（ply）のしわや座屈を低減又は排除するために、所望の順番でプリプレグプライに圧縮用圧力を加える成形手段（forming features）を含む。成形圧力は、真空ダイヤフラムに加えられる真空圧によってのみ供給される。適合性成形器具は分割されているため、撓むことにより、ツールの全長に亘って存在する局所的な輪郭に一致することができる。上記実施形態は、直線状ストリンガーなどの、湾曲していない複合積層構造体を成形及び圧縮するために用いることもできる。

開示される一実施形態によれば、複合積層構造体を成形する装置が提供される。プリプレグプライは、当該プライが成形されるツール輪郭表面を有するツール上に配置される。成形器具は、プリプレグプライ上に配置され、プライをツール輪郭表面上で成形するように構成されている。成形器具は、複数の成形セグメントと、当該成形セグメント間の可撓性接続部とを含む。成形セグメントの各々は、ツール輪郭表面においてプライの一部を成形するように構成されている。可撓性真空ダイヤフラムは、プライを覆っており、排気されてツール上に成形器具を押圧するように構成されている。可撓性接続部は、成形セグメントを通る可撓性ライン、及び／又は、成形器具に対して、成形セグメントのうち１つ又は複数を追加又は取り外しできるように構成されたスナップフィットジョイントを含みうる。一態様においては、可撓性接続部の各々は、コーンと、当該コーンを収容するためのカップとを含む。ツールは、キャップ部と、一対のフランジ部と、当該フランジ部を接続する一対のウェブ部とを含む。成形セグメントの各々は、キャップ部に対してプライを保持するように構成されたボディ部と、ウェブ部からフランジ部までプライを掃引（sweep）するように構成された成形フィンガーとを含む。ボディ部は、キャップ部に対してプライを固定するように構成されたクランプ部材と、クランプ部材と接続するとともに、当該クランプ部材をキャップ部に向かって付勢するように構成されたバネとを含む。成形セグメントの各々は、成形フィンガーとボディ部との間の可撓性接続部を更に含み、可撓性接続部は、成形フィンガーがボディ部に対して撓むように構成されている。ボディ部、可撓性接続部、及び成形フィンガーは、互いに一体的に形成されている。

他の開示される実施形態によれば、キャップ部、一対のフランジ部、及び当該フランジ部をキャップ部に接続する一対のウェブ部を有する湾曲したツール上でプリプレグプライを成形する器具が提供される。上記器具は、ボディ部、一対の成形フィンガー、及び一対の可撓性接続部を含む。ボディ部は、キャップ部を覆うプライ上に配置されるように構成されている。成形フィンガーは、それぞれウェブ部から下方のフランジ部へとプライを順次掃引するように構成されている。可撓性接続部は、成形フィンガーをボディ部の両側にそれぞれ接続する。ボディ部は、可撓性を有しており、可撓性接続部の各々は、ライブヒンジ（live hinge）を含む。成形フィンガーの各々も同様に可撓性を有し、ツールのウェブ部の全体に亘ってプライを掃引するように構成された内側端を含む。ボディ部、成形フィンガー、及び可撓性接続部は、単一の一体化構造をしている。上記器具は、ボディ部と接続するとともに、キャップ部に対してプライを固定するように構成されたクランプ部材と、ボディ部とクランプ部材との間に接続されるとともに、クランプ部材をキャップ部に向かって付勢するためのバネとを更に含みうる。バネ及びクランプ部材は、一体的に形成することができる。

他の実施形態によれば、ツールに対してプリプレグプライを成形する器具が提供される。上記器具は、ツールに重なるプライ上に配置されるように構成されたボディ部と、それぞれが、ツール上のプライを連続的に掃引するように構成された一対の成形フィンガーとを含む。上記器具は、一対の成形フィンガーをボディ部の両側にそれぞれ接続する一対の可撓性接続部を更に含む。可撓性接続部は、可撓性のバネ状材料からなる折畳部（folds）を含む。折畳部は、成形フィンガーと一体的に形成することができる。可撓性接続部は、成形フィンガーの両端の間の中間位置に取り付けられている。ボディ部は、ツールに対してプライを固定するためのクランプを含みうる。

更に他の実施形態によれば、キャップ部、一対のフランジ部、及び当該フランジ部をキャップ部に接続する一対のウェブ部を有するツール上でプリプレグプライを成形する方法が提供される。プライは、キャップ部を覆ってツール上に配置され、成形器具は、当該プライ上に配置される。真空ダイヤフラムは、成形器具を覆ってプライの上方に取り付けられ、真空ダイヤフラムを排気することにより圧縮力が生成される。成形器具は、真空ダイヤフラムにより加えられる圧縮力を用いてツールに対して押圧され、プライは、キャップ部、ウェブ部、及びフランジ部に亘って順次掃引される。上記方法は、ツールのキャップ部に対してプライを固定することを更に含みうる。

更に他の実施形態によれば、長手方向に輪郭形成された長状ツール上でプリプレグプライを成形する方法が提供される。成形器具は、長状ツール上のプリプレグプライの一部を成形するように構成された複数の成形セグメントを可撓接続することにより組み立てられる。プリプレグプライは、ツール上に配置され、成形器具は、ツールの長手方向における輪郭と実質的に一致するように構成される。成形器具は、ツールに対して押圧されて、当該ツール上でプリプレグプライを成形する。上記方法は、プライを覆う真空バッグを封止して、当該真空バッグを排気することにより圧縮力を生成することを更に含む。

更に、本開示は、以下の付記に係る実施形態も含むものとする。

付記１．
複合積層体を成形するための装置であって、
プリプレグプライが配置及び成形されるように構成されたツール輪郭表面を有するツールと、
前記プリプレグプライ上に配置され、前記プライを前記ツール輪郭表面上で成形するように構成された成形器具と、
前記プライを覆うとともに、排気されて前記ツール上に前記成形器具を押圧するように構成された可撓性真空ダイヤフラムと、を含み、
前記成形器具は、複数の成形セグメントと、前記成形セグメント間の可撓性接続部と、を含み、
前記成形セグメントの各々は、前記ツール輪郭表面において前記プライの一部を成形するように構成されている、装置。

付記２．
前記可撓性接続部は、前記成形セグメントを通る可撓性ラインを含む、付記１に記載の装置。

付記３．
前記可撓性接続部の各々は、前記成形器具に対して、前記成形セグメントのうち１つ又は複数を追加又は取り外しできるように構成されたスナップフィットジョイントである、付記１に記載の装置。

付記４．
前記可撓性接続部の各々は、コーンと、当該コーンを収容するためのカップとを含む、付記３に記載の装置。

付記５．
前記成形器具は、前記プリプレグプライを前記ツールに固定するように構成されたクランプ部材を含む、付記１に記載の装置。

付記６．
前記ツールは、キャップ部と、一対のフランジ部と、当該フランジ部を接続する一対のウェブ部とを含み、
前記成形セグメントの各々は、前記キャップ部に対して前記プライを保持するように構成されたボディ部と、前記ウェブ部から前記フランジ部まで前記プライを掃引するように構成された成形フィンガーとを含む、付記１に記載の装置。

付記７．
前記ボディ部は、
前記キャップ部に対して前記プライを固定するように構成されたクランプ部材と、
前記クランプ部材と接続するとともに、前記クランプ部材を前記キャップ部に向かって付勢するように構成されたバネと、を含む、付記６に記載の装置。

付記８．
前記成形セグメントの各々は、前記成形フィンガーと前記ボディ部との間の可撓性接続部を更に含み、前記可撓性接続部は、前記成形フィンガーが前記ボディ部に対して撓むように構成されている、付記６に記載の装置。

付記９．
前記ボディ部、前記可撓性接続部、及び前記成形フィンガーは、互いに一体的に形成されており、
前記ボディ部、前記可撓性接続部、及び前記成形フィンガーの各々は、可撓性を有する、付記８に記載の装置。

付記１０．
キャップ部、一対のフランジ部、及び前記フランジ部と前記キャップ部とを接続する一対のウェブ部を有するよう輪郭形成されたツール上でプリプレグプライを形成する器具であって、
前記キャップ部を覆う前記プライ上に配置されるように構成されたボディ部と、
それぞれ、前記ウェブ部から下方の前記フランジ部へと前記プライを順次掃引するように構成されている一対の成形フィンガーと、
前記一対の成形フィンガーを前記ボディ部の両側にそれぞれ接続する一対の可撓性接続部と、を含む器具。

付記１１．
前記ボディ部は可撓性を有する、付記１０に記載の器具。

付記１２．
前記可撓性接続部の各々は、ライブヒンジを含む、付記１０に記載の器具。

付記１３．
前記成形フィンガーの各々は可撓性を有し、前記ツールの前記ウェブ部の全体に亘って前記プライを掃引するように構成された内側端を含む、付記１０に記載の器具。

付記１４．
前記ボディ部、前記成形フィンガー、及び前記可撓性接続部は、単一の一体化構造をしている、付記１０に記載の器具。

付記１５．
前記ボディ部に接続されており、前記キャップ部に前記プライを固定するように構成されたクランプ部材と、
前記クランプ部材におけるガイドアームと、を更に含む、付記１０に記載の器具。

付記１６．
前記ボディ部と前記クランプ部材との間で接続され、前記クランプ部材を前記キャップ部に向かって付勢するためのバネを更に含む、付記１５に記載の器具。

付記１７．
前記バネ、前記クランプ部材、及び前記ガイドアームは一体的に形成されている、付記１６に記載の器具。

付記１８．
ツール上でプリプレグプライを成形するための器具であって、
前記ツールに重なる前記プライ上に配置されるように構成されたボディ部と、
それぞれが、前記ツール上の前記プライを連続的に掃引するように構成された一対の成形フィンガーと、
前記一対の成形フィンガーを前記ボディ部の両側にそれぞれ接続する一対の可撓性接続部と、を含む器具。

付記１９．
前記一対の可撓性接続部は、可撓性バネ状材料の折畳部を含む、付記１８に記載の器具。

付記２０．
前記バネ状材料の前記折畳部は、前記成形フィンガーと一体的に形成されている、付記１９に記載の器具。

付記２１．
前記可撓性接続部は、前記成形フィンガーの両端の間の中間位置に取り付けられている、付記１８に記載の器具。

付記２２．
前記ボディ部は、前記ツール上で前記プライを固定するためのクランプを含む、付記１８に記載の器具。

付記２３．
キャップ部、一対のフランジ部、及び前記フランジ部を前記キャップ部に接続する一対のウェブ部を有するツール上でプリプレグプライを成形する方法であって、
前記キャップを覆って前記ツール上に前記プライを配置することと、
前記プライ上に成形器具を設置することと、
前記プライの上方に真空ダイヤフラムを取り付けることと、
前記真空ダイヤフラムを排気することにより圧縮力を生成することと、
前記真空ダイヤフラムを排気することにより生成された前記圧縮力を用いて前記ツールに対して前記成形器具を押圧しながら、前記キャップ部、前記ウェブ部、及び前記フランジ部に亘って前記プライを順次掃引することと、を含む方法。

付記２４．
前記ツールの前記キャップ部に前記プライを固定することを更に含む、付記２３に記載の方法。

付記２５．
長手方向に輪郭形成された長状ツール上でプリプレグプライを成形する方法であって、
各々が前記長状ツール上で前記プリプレグプライの一部を成形するように構成された複数の成形セグメントを可撓接続することを含めて、成形器具を組み立てることと、
前記プリプレグプライを前記ツール上に配置することと、
前記成形器具を、前記ツールの長手方向の前記輪郭に実質的に一致させるように構成することと、
前記ツールに対して前記成形器具を押圧して、前記ツール上で前記プリプレグプライを成形することと、を含む方法。

付記２６．
前記プライを覆う真空バッグを封止することと、
前記真空バッグを排気することにより圧縮力を生成することと、を更に含む、付記２５に記載の方法。

上述する特徴、機能及び利点は、本発明の様々な実施形態において個々に実現可能であり、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、以下の説明と図面を参照することによって明らかになるであろう。

例示的な実施形態に特有のものと考えられる新規な特徴は、添付の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、並びに、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。

長手方向に沿って複数の曲部を有する複合積層ストリンガーを示す斜視図である。 成形処理に備えて設置された、図１に示すストリンガーの成形及び圧縮のための装置を示す断面図である。 図２に示す装置で用いられる適合性プライ成形器具の一実施形態を示す斜視図である。 図３に示すプライ成形器具の器具セグメント成形部の実施形態の一側面を示す斜視図である。 図４に類似しているが、器具セグメントの反対側を示す図である。 器具セグメントを組み立ててなるグループを示す側面図である。 スロットが見えるように成形フィンガーの１つを部分的に切り欠いた、図４及び５に示す器具セグメントの一改変例を示す斜視図である。 図２に類似しているが、プライがツール上に固定されるとともにそのウェブ部が部分的に成形されている様子を示す図である。 図８に類似しているが、完全に成形されたウェブ及び下方の内側アール部を示す図である。 図９に類似しているが、プライのフランジが完全に成形された成形プロセスの後半の段階を示す図である。 適合性プライ成形器具の代替的な実施形態を示す斜視図である。 図１１に示す成形器具の端面図である。 複合プリプレグプライを真空成形する方法を示すフロー図である。 航空機の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。

まず図１を参照すると、開示される実施形態は、長手方向に１つ又は複数の曲部（contours）を有しうる長状複合積層体を真空成形及び圧縮するための方法、器具、及び装置に関する。図１に示す例においては、複合積層構造体はストリンガー２０であるが、開示される実施形態は、長手方向に湾曲していないものを含む様々な構造部材を成形及び／又は圧縮するために用いることができる。ストリンガー２０は、限定するものではないが、ＣＦＲＰ（炭素繊維強化プラスチック）などのプリプレグの積層プライ（図１には、個々で示していない）を含む。

ストリンガー２０は、ハット型の断面３０を有しており、当該断面は、一対のウェブ２６を介して横方向に延びる一対のフランジ２４に接続されたキャップ２２により形成されている。各フランジ２４は、下方の内側アール部２８に沿って、対応するウェブ２６に遷移する。ストリンガー２０は、ＸＹ平面及びＸＺ平面の一方又は両方において、長手方向に１つ又は複数の曲部を含みうる。図１には示していないが、ストリンガー２０は、更に、Ｘ軸に沿って捩れていることもある。上述したように、開示した実施形態は、他の断面形状を有する構造部材を成形及び／又は圧縮するために用いることもできる。例えば、限定するものではないが、開示される実施形態は、開いておらず閉じた断面形状を有する複合ストリンガー、及び、アール部を含む場合と含まない場合がある半球形状又はオメガ形状などの他の略凸形の断面形状を有する複合ストリンガーを成形及び／又は圧縮するために用いることもできる。

次に図２に注目すると、同図は、マンドレル型長状ツール３２において１つ又は複数のプリプレグプライ４４を成形及び／又は圧縮するための器具４６及び装置４５を示す。装置４５は、プライ４４を成形及び圧縮するために真空圧のみに依存しうるため、プライ４４を成形するために「パッシブ」方式を用いている。装置４５は、概して、可撓性ダイヤフラム６２により生成された圧縮力を用いて、ツール３２上で１つ又は複数のプリプレグプライ４４を形成する適合性プライ成形器具４６を含む。当該成形器具は、以下では、単に「成形器具」４６と称する。可撓性ダイヤフラム６２は、プライ４４を覆うとともに、その外周が封止された、再利用可能なダイヤフラム又は従来の使い捨て真空バッグであってもよい。ツール３２は、当該ツール３２を取り囲むスタンドオフ４２を有するツールベース４０上に設けられている。スタンドオフ４２は、成形プロセス中、可撓性ダイヤフラム６２の外縁部を持ち上げて保持することを補助する。しかしながら、用途によっては、スタンドオフ４２を使用する必要はない。

ツール３２は、キャップ部３４、一対のフランジ部３６、及び一対のウェブ部３８を含み、これらの全ては、ストリンガー２０の形状と実質的に一致している。図２には示されていないが、ツール３２は、長手方向に、ストリンガー２０の対応する曲部と一致する１つ又は複数の湾曲したツール表面を有しうる。例えば、ツール３２は、限定するものではないが、アール部を含む場合と含まない場合がある半球形状又はオメガ形状などの、様々な略凸形断面形状のうち何れかを有する複合ストリンガーの成形及び／又は圧縮に適した特異部（features）を有しうる。

成形器具４６は、概して、可撓性ボディ部４８と、それぞれがボディ部４８の両側から横方向に延びる一対の可撓性成形フィンガー５０とを含む。成形フィンガー５０は、一対の可撓性接続部５２によりボディ部４８に接続している。当該可撓性接続部はバネ状であり、プライ成形工程中に、ボディ部４８に対して成形フィンガー５０を湾曲させることができるとともに、当該成形フィンガー５０に成形圧力を伝達する。成形器具４６は、中心に位置する足状のクランプ部材５４を更に含み、当該クランプ部材は、ツール３２のキャップ部３４に向かってクランプ部材５４を付勢するバネ５６又は同様の器具により、ボディ部４８に接続している。

クランプ部材５４は、下方向に延びてウェブ部３８の頂部を覆うガイドアーム５４ａを含む。ガイドアーム５４ａは、成形器具４６が最初にツール３２上に配置されてから当該ツールへと引き下げられる際、当該成形器具４６をキャップ部３４の中央線に誘導及び位置合わせすることを補助する。いくつかの実施形態においては、ガイドアーム５４ａの一方又は両方は、成形フィンガー５０に組み込まれていてもよい。以下で詳述するように、ガイドアーム５４ａを有するクランプ部材５４は、キャップ部３４に対してプライ４４を押圧するとともに、キャップ部３４とウェブ３８との交差部分に位置する上方アール部において、当該プライを圧延させる（roll over）機能を更に有する。

ボディ部４８は、プライ４４をツール３２上で成形及び押圧する際に当該ボディ部４８を若干変形させる任意の適切な可撓性材料を用いて形成することができる。同様に、成形フィンガー５０及び可撓性接続部５２は、可撓性を有する変形可能な材料で形成することができる。例えば、限定するものではないが、クランプ部材５４及びバネ５６に加えて、ボディ部４８、可撓性接続部５２、及び成形フィンガー５０は、例えば、熱可塑性材料などの、付加製造プロセス（additive manufacturing process）で通常用いられる様々な塑性材料のうちの何れを用いても形成することができる。しかしながら、成形器具４６に必要な適合性及び可撓性を持たせることができれば、金属や複合材料などの他の材料を用いることもできる。

可撓性接続部５２は、圧縮力を成形フィンガー５０に伝達する一方で、ボディ部４８に対して当該成形フィンガーを湾曲させる可撓性バネ状材料からなる折畳部（fold）を含みうる。可撓性接続部５２は、成形フィンガー５０の両端の間の中間位置において当該成形フィンガー５０に取り付けられている。成形フィンガー５０は、更に、成形／圧縮プロセス中に、湾曲及び／又は変形するように構成されている。従って、以下で詳述するように、成形フィンガー５０だけでなくボディ部４８も適合性を有しており、真空ダイヤフラム６２により生成されてプライ４４に加えられる圧縮力を伝達するために、成形プロセス中に多少変形することができる。ボディ部４８の頂部４９は、外側端４９ａを含み、当該外側端は、可撓性接続部５２の上に張り出すとともに、真空ダイヤフラム６２が、成形器具４６上に引き下げられる際に、当該真空ダイヤフラム６２が、可撓性接続部５２を内側に挟むことを防止する機能を有する。

一実施形態においては、ボディ部４８、可撓性接続部５２、及び成形フィンガー５０は、同じ材料で一体的に形成される。以下で明らかになるように、クランプ部材５４及びバネ５６の両方を、ボディ部４８と共に一体的に形成することもできる。任意ではあるが、ボディ部４８は、バネ５６によりクランプ部材５４に加えられるバネ力を増大する弾性発泡体（不図示）で満たされていてもよい。これに代えて、いくつかの実施形態においては、弾性発泡体が十分な力をクランプ部材５４に加えることができるようにすれば、バネ５６は別途必要でなくなる。なお、開示される成形器具４６は、長手方向に曲がっていないストリンガー２０、すなわち直線状ストリンガー２０などの複合積層構造体を成形及び圧縮するために用いることもできる。しかしながら、以下で詳述するように、ストリンガー２０が、その長手方向に沿って１つ又は複数の曲部を有する場合、成形器具４６は、当該成形器具４６を分割することにより、ストリンガーの輪郭に一致するように構成されてもよい。

次に図３に注目すると、同図は、湾曲するストリンガー２０及び同様の複合積層構造体を成形及び圧縮するのに適した成形器具４６の一実施形態を更に詳しく示している。この例においては、成形器具４６は、可撓性セグメント接続部６８により互いに接続された複数の成形セグメント６４を含み、当該接続により、成形セグメント６４は、ＸＹ平面及びＸＺ平面の一方又は両方において湾曲するとともに、Ｘ軸（すなわち、成形器具４６の縦軸）を中心として捩れることができる。従って、例えば、成形器具４６は、ＸＹ平面における蛇行したツール３２の輪郭、及び、ＸＺ平面における曲線又は輪郭に一致するように構成することもできる。成形セグメント６４の各々は、ツール３２上においてプライ４４の一部を成形するように構成されている。この例において、以下で明らかになるように、可撓性セグメント接続部６８は、成形フィンガー５０と一体的に形成されたスナップフィット型（snap-fit）の可撓性ジョイントであるが、これ以外の種類の可撓性セグメント接続部６８を用いることもできる。図３に示すように、可撓性セグメント接続部６８をスナップフィット式にすることにより、成形器具４６の全長を調整するために成形セグメント６４の追加又は取り外しを迅速に行うことができる。

セグメント６４の相互の曲がりを容易にするために、可撓性セグメント接続部６８は、成形セグメント６４間に比較的小さな空間６６を形成するように構成されている。図３に示す実施形態においては、成形セグメント６４の各々は、単一の一体化構造をしており、バネ５６は、クランプ部材５４及びボディ部４８と一体的に形成された、バネ要素からなる蛇腹状ウェブ（criss-crossed web）を含む。成形セグメント６４の幅は、用途に依存しうる。通常、薄い（幅が狭い）成形セグメント６４は、曲がりが大きいツール輪郭に対応することができ、厚い（幅が広い）成形セグメント６４は、比較的緩やかな輪郭を有するツール３２に適している。いくつかの実施形態においては、成形器具４６は、ツール３２の輪郭に応じて、厚いものと薄いものの組み合わせからなる成形セグメント６４を有しうる。各成形セグメント６４のボディ部４８の頂部７０は、実質的にフラットな形状をしている。これは、成形器具４６と真空ダイヤフラム６２との間の表面接触部分を増大するとともに、真空ダイヤフラム６２により加えられる圧縮力の方向性を高めるためである。なお、上述した成形器具４６の分割は、ツール３２の長手方向の曲部に対応するために必要と考えられるが、ツール３２がそのような曲部を有さない場合には、成形器具４６の分割は必要ないこともある。すなわち、開示される実施形態の変形例を用いて、直線状ストリンガーを成形及び圧縮してもよい。

図４及び５は、成形セグメント６４の代替の実施形態を示しており、当該実施形態において、可撓性セグメント接続部６８がクランプ部材５４と一体的に形成されている。この例において、可撓性セグメント接続部６８は、成形セグメント６４の一方の側面に設けられた凹型カップ７６（図４）と、成形セグメント６４の他方の側面に設けられ、隣接する成形セグメント６４のカップ７６に収容されるとともに当該カップと嵌合するコーン７８（図５）とを含む。カップ７６及び嵌合コーン７８は、成形セグメント６４を互いに湾曲及び／又は回転させる、これらのセグメント間の一種のボールジョイントを効果的に形成する。他の実施形態においては、カップ７６及びコーン７８は、成形セグメント６４をまとめて保持する機能を更に有するスナップフィット接続部として構成することもできる。カップ７６及びコーン７８は、設置及び成形工程中に成形セグメント６４が互いに自由に動けるようにするための、成形セグメント６４間において僅かなスペース６６（図２、及び３を参照）を維持するように構成されている。

上述した以外の機構を用いて成形セグメント６４を可撓的に相互接続することも可能である。例えば、図４、５、及び６を参照すると、成形セグメント６４の各々には、ボディ部４８及び／又は成形フィンガー５０と一体的に形成された１つ又は複数のホールループ（hole loop）７４が形成されていてもよい。コード又は類似する可撓性ライン７５を、成形セグメント６４の全てのループ７４に通すことにより、成形セグメント６４が互いに曲がるように当該成形セグメントを可撓接続することができる。いくつかの実施形態においては、成形セグメント６４は、カップ７６及びコーン７８により形成されたボールジョイントと、ライン７５が通されたループ７４とを両方含む。この後者の実施形態においては、カップ７６及びコーン７８が、成形セグメント６４同士を互いに僅かに離間させて当該成形セグメント６４間での可撓接続を形成する一方で、ライン７５は、成形セグメント６４を一つのアセンブリとして互いに保持するように機能する。

図７は、図４及び５に示す実施形態と全体構成が類似した成形セグメント６４の他の実施形態を示す。ただし、図７に示すこの実施形態においては、クランプ部材５４と一体的に形成されたブレード状のガイドアーム５４ｂが、成形フィンガー５０の内側端５０ａのスロット５５を通過するように配置されている。圧縮中、内側端５０ａが下方へ移動してウェブ部３８の最上領域にてプライ４４の成形を開始する際、ガイドアーム５４ｂは、スロット５５を通過する。図７に示す実施形態においては、内側端５０ａは、図４及び５に示す実施形態を用いる場合に比べて、ウェブ部３８に対する成形力の伝達をより早く開始する。

上述した実施形態においては、成形セグメント６４の各々は、単一の一体化構造をしており、ボディ部４８、成形フィンガー５０、及び可撓性接続部５２は、同じ材料で一体的に形成される。成形セグメント６４の一体型の実施形態は、３Ｄ印刷などの付加製造技術により製造することができるが、他の製造技術を用いることもできる。例えば、限定するものではないが、成形器具４６は、まず、押し出しダイから材料を押し出した後、成形器具４６を複数の個々の成形セグメント６４に切断することにより製造することができる。また、複数の個々の部品から成形セグメント６４の各々を製造することも可能である。例えば、そのような部品として、直動又は捻りスライド（linear or torsional slides）を、個別のヒンジ及びピストンなど（全て不図示）と接続してから、これらをまとめて組み立ててもよい。

次に図２及び８〜１０に注目すると、これらの図は、適合性を有する真空成形器具４６を用いて、ツール３２上で１つ又は複数のプライ４４を成形及び圧縮する工程を順番に示している。図２に示すように、まず、ツール３２のキャップ部３４をほぼ中心として１つ又は複数のプライをツール３２上に位置決めするように、装置４５を設置する。ＦＥＰ（フッ化エチレンプロピレン）６０又は同様の剥離フィルムでプライ４４上を覆うことにより、当該プライ４４を、Armalon（登録商標）などのテフロン（登録商標）でコーティングされたガラスクロスの上側層５８から分離する。Armalon（登録商標）層５８は、プライ４４の繊維を変形から守り、成形中の摩擦を低減するとともに、加えられる圧縮用圧力の分散を補助する。上述したように、ＦＥＰ及びArmalon（登録商標）を用いてもよいが、単一又は複数の層からなるその他の様々なフィルム及び包み材料（bagging material）を用いて、プリプレグプライ４４を保護しつつ、成形器具４６の動作を容易にすることもできる。

次に、成形器具４６を、プライ４４、ＦＥＰ６０、及びArmalon（登録商標）層５８で構成されるレイアップ上に設置する。このとき、ツール３２のキャップ部３４がほぼ中心となるようにクランプ部材５４を配置する。次に、真空バッグなどの可撓性真空ダイヤフラム６２でレイアップを覆って、その外周縁をスタンドオフ４２に封着する。真空ダイヤフラム６２は、成形器具４６におけるボディ部４８の頂部４９を覆うとともに、当該頂部に接触する。可撓性接続部５２の上に張り出した頂部４９の部分４９ａは、真空ダイヤフラム６２が、可撓性接続部５２を内側に挟み込んで、当該可撓性接続部の動作を邪魔することがないようにする。

図８を参照すると、上述した設置作業に続いて、密閉された真空ダイヤフラム６２により形成された真空チャンバを制御された速度で排気することにより、真空ダイヤフラム６２をレイアップ側へ引き下げるとともに、成形器具４６に圧縮用圧力を加える。真空ダイヤフラム６２は、最初に、成形ボディ部４８の頂部４９に接触し、次に、当該ボディ部４８を、ツール３２のキャップ部３４へ向かって下方に押圧する。成形ボディ部４８が下方へ移動してバネ５６に荷重をかけることにより、クランプ部材５４がツール３２のキャップ部３４にプライ４４を固定する。以下で説明する成形プロセスの残りの工程全体に亘って、プライ４４がキャップ部３４に固定された状態が維持される。

真空ダイヤフラム６２により加えられる圧縮用圧力に反応して成形ボディ部４８は、下方へ移動し続ける。この際に加えられる圧縮力は、可撓性接続部５２を介して成形フィンガー５０に伝達され、この結果、成形フィンガー５０の内側端５０ａが下方へ移動してプライ４４に接触する。成形プロセスは、キャップ部３４の交差部分におけるキャップ／ウェブのアール部で開始される。加えられる圧縮力によりボディ部が変形し（図８を参照）、成形フィンガー５０が横方向外側へと動かされて内側端５０ａが掃引（sweep）することにより、ウェブ部３８上でプライ４４が形成される。内側端５０ａは、プライ４４が、ツール３２の内側アール部３７（図８を参照）内に掃引されてしまうまで、当該プライの掃引を継続する。

内側端５０ａが内側アール部３７（図９）で「底面に達した（bottom out）」後も、可撓性ダイヤフラム６２により圧縮用圧力は継続して加えられるため、成形フィンガー５０は、内側端５０ａがツール３２のフランジ部３６に対してフラットになる（図１０）になるまで、湾曲及び変形する。内側端５０ａをフランジ部３６に対してフラットにすることで、プライ４４をフランジ部３６に完全に押し付けて成形することができる。

図１１及び１２は、先に述べたプロセス及び装置で用いることのできる適合性プライ成形器具４６の代替の実施形態を示す。成形器具４６は、長手方向に１つ又は複数の曲部を有するツールに一致するために、複数の平面において湾曲可能な複数の成形セグメント６４を含む。成形セグメント６４の各々は、ライブヒンジ（live hinges）５２により、横方向に延びる成形フィンガー５０と湾曲可能に接続されたボディ部４８を含む。「ライブヒンジ」とは、ボディ部４８と成形フィンガー５０との間の可撓性接続部のことであり、当該可撓性接続部は、その材料自体も可撓性を有しており、ボディ部４８及び成形フィンガー５０と一体的に形成される。

成形セグメント６４は、成形フィンガー５０における一連の可撓性セグメント接続部６８により湾曲可能に相互接続されている。この例においては、ボディ部４８の頂部４９は丸みがあるが、頂部４９は、用途に応じてフラット又はそれ以外の形状であってもよい。成形器具４６は、上述したタイプの様々な可塑性材料などの任意の適切な材料で形成することができる。しかしながら、限定するものではないが、複合材料及び金属などの他の材料を用いて成形器具４６を形成することもできる。成形器具４６のこの例においては、プライ４４は、成形フィンガー５０の内側端５０ａにより最初からツール３２のキャップ部３４に固定されるため、図２−１０に示すクランプ部材５４などの別個のクランプ部材が必要ない。

次に図１３に注目すると、同図は、概して、上述した装置４５及び器具４６を用いて複合積層体を成形するパッシブ方法の全体的なステップを示す。まず、開始のステップ８４において、複数の個々の成形セグメント６４を相互接続することにより、適合性成形器具４６を組み立てる。成形セグメント６４は、スナップフィット接続部や可撓性ラインを用いて相互接続してもよいし、成形ツール３２の曲部、起伏、又は、長手方向に湾曲したこれら以外の特異部に成形セグメント６４を一致させるその他の技術を用いて相互接続してもよい。成形する複合構造体が長手方向に湾曲していない場合、例えば、所望の断面形状を有する直線状ストリンガーである場合、個々の成形セグメント６４を相互接続する必要はなく、単一又は一体型の成形器具４６を用いて、プリプレグプライ４４に一定の制御された圧縮力を加えることにより、ツール３２上でプライ４４をパッシブに形成することができる。

８６において、１つ又は複数のプリプレグプライ４４をツール３２上に配置して、当該プライでツール３２のキャップ部３４を覆う。ステップ８８において、成形器具４６をプライ４４上に配置して、ツール３２の長手方向の輪郭に一致するように調整する。上述したように、様々なフィルム及び／又はバッグ成形材料のうち何れかをプライ４４上に設置して、プライ４４の保護及び／又は摩擦の低減を行うことにより、成形工程を容易にすることができる。次に、保護フィルム／成形バッグ材料を成形器具４６とプライ４４との間に介在させた状態で、成形器具４６をプライ４４上に設置する。通常、用途に応じて、成形器具４６をツール３２のキャップ部３４に沿って中央に配置する。次に、９０に示すように、可撓性真空ダイヤフラム６２をプライ４４の上方に設置して成形器具４６を覆うとともに、当該真空ダイヤフラムを封止することにより、プライ４４と成形器具４６との両方を含む真空チャンバを形成する。例えば、ステップ９０は、成形器具４６上の真空バッグを封止することにより行われる。

９２において、真空ダイヤフラム６２を排気することにより、圧縮力を生成させる。９４において、真空ダイヤフラム６２により生成された圧縮力が成形器具４６に伝達されるため、当該成形器具４６が、ツール３２に押圧される。９６において、成形器具４６を介して伝達された圧縮力により、プライ４４がツール３２のキャップ部３４に固定される。このため、次の成形ステップ中、プライ４４は保持され、中央に配置された状態が維持される。圧縮力を継続して加えることにより、成形器具４６がツール３２へと引き下げられる。

成形器具４６がツール３２に引き下げられる際、成形器具４６の可撓性フィンガー５０は、ツール３２におけるウェブ部３８から下方のフランジ部３６へと、プライ４４を順次掃引する。また、成形器具４６が引き下げられる際、ガイドアーム５４ａを有するクランプ部材５４は、ツール３２に対してプライ４４を押圧するとともに、キャップ部３４とウェブ３８との交差部分に位置する上方アール部において、当該プライを湾曲させる。ステップ９８の掃引過程において、成形器具４６は、ツール３２の断面輪郭に一致するように、必要に応じて変形する。可撓性フィンガー５０の掃引動作、及び、成形器具４６の変形の程度は、成形される特定の構造体の断面形状に依存する。なお、上述した掃引動作及び変形は、プリプレグプライ４４がツール３２の輪郭に成形されるように所定の順番で行われる。１００において、プライ４４は、成形器具４６により積層構造体の形状に完全に成形されており、この時点で、真空が解放されるとともに成形器具４６が取り外され、積層構造体は、更なる処理に対する準備が整った状態となる。成形された積層構造体は、ツールから取り外されるか、或は、当該積層構造体に対して硬化処理を行う準備が整えられる。最後に、１０１において、従来のオートクレーブ処理又はオートクレーブ外処理により、必要に応じて、複合積層構造体を硬化させる。

本開示の実施形態は、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、ストリンガー、翼桁、及びその他の補強材などの湾曲した長状複合部材が用いられる分野に用途を見出すことができる。従って、ここで図１４及び１５を参照すると、本開示の実施形態は、図１４に示す航空機の製造及び保守方法、並びに、図１５に示す航空機１０４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、例えば、限定するものではないが、長手方向に１つ又は複数の曲部を有するストリンガー、翼桁、及び他の補強材などがある。生産開始前の工程として、例示的な方法１０２は、航空機１０４の仕様決定及び設計１０６と、材料調達１０８とを含む。生産中には、航空機１０４の部品及び小組立品の製造１１０、並びに、システムインテグレーション１１２が行われる。その後、航空機１０４は、例えば、認可及び納品１１４の工程を経て、就航１１６に入る。顧客による運航中は、航空機１０４は、定例の整備及び保守１１８のスケジュールに組み込まれ、これは改良、再構成、改修なども含みうる。

方法１０２の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（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、及び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１５に示すように、例示的方法１０２によって製造される航空機１０４は、複数のシステム１２２及び内装１２４を具備した機体１２０を含んでもよい。高水準システム１２２の例として、推進系１２６、電気系１２８、油圧系１３０、及び環境系１３２のうちの１つ又は複数が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでもよい。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１０２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１１０に対応する部品又は小組立品は、航空機１０４が運航中に製造される部品又は小部品と同様に組み立て又は製造することができる。また、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、製造段階１１０及び１１２で用いて、実質的に航空機１０４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もできる。同様に、１つ又は複数の装置の実施形態、１つ又は複数の方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１０４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１１８に用いてもよい。

本明細書において、「少なくとも１つの」という語句がアイテムのリストについて用いられるときは、リストアップされたアイテムの１つ又は複数の様々な組み合わせを使用してもよいということであり、リストのアイテムの１つだけを必要とする場合もあることを意味する。例えば、「アイテムＡ、アイテムＢ、アイテムＣの少なくとも１つ」は、限定するものではないが、アイテムＡ、アイテムＡとアイテムＢ、又は、アイテムＢを含みうる。また、この例では、アイテムＡとアイテムＢとアイテムＣ、又は、アイテムＢとアイテムＣ、を含む場合もある。アイテムは、ある特定の対象、物、又はカテゴリーであってもよい。すなわち、「少なくとも１つの」は、あらゆる組み合わせのあらゆる数のアイテムをリストから使用してもよいが、リスト上の全てのアイテムを必要とするわけではないということを意味する。

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 (11)

1. 複合積層体を成形するための装置であって、
   プリプレグプライが配置及び成形されるように構成されたツール輪郭表面を有するツールと、
   前記プリプレグプライ上に配置され、前記プライを前記ツール輪郭表面上で成形するように構成された成形器具と、
   前記プライを覆うとともに、排気されて前記ツール上に前記成形器具を押圧するように構成された可撓性真空ダイヤフラムと、を含み、
   前記成形器具は、複数の成形セグメントと、前記成形セグメント間の可撓性接続部と、を含み、
   前記成形セグメントの各々は、前記ツール輪郭表面において前記プライの一部を成形するように構成されている、装置。
2. 前記可撓性接続部は、前記成形セグメントを通る可撓性ラインを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記可撓性接続部の各々は、前記成形器具に対して、前記成形セグメントのうち１つ又は複数を追加又は取り外しできるように構成されたスナップフィットジョイントである、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記可撓性接続部の各々は、コーンと、当該コーンを収容するためのカップとを含む、請求項３に記載の装置。
5. 前記成形器具は、前記プリプレグプライを前記ツールに固定するように構成されたクランプ部材を含む、請求項１〜４の何れかに記載の装置。
6. 前記ツールは、キャップ部と、一対のフランジ部と、当該フランジ部を接続する一対のウェブ部とを含み、
   前記成形セグメントの各々は、前記キャップ部に対して前記プライを保持するように構成されたボディ部と、前記ウェブ部から前記フランジ部まで前記プライを掃引するように構成された成形フィンガーとを含む、請求項１〜５の何れかに記載の装置。
7. 前記ボディ部は、
   前記キャップ部に対して前記プライを固定するように構成されたクランプ部材と、
   前記クランプ部材と接続するとともに、前記クランプ部材を前記キャップ部に向かって付勢するように構成されたバネと、を含む、請求項６に記載の装置。
8. 前記成形セグメントの各々は、前記成形フィンガーと前記ボディ部との間の可撓性接続部を更に含み、前記可撓性接続部は、前記成形フィンガーが前記ボディ部に対して撓むように構成されている、請求項６又は７に記載の装置。
9. 前記ボディ部、前記可撓性接続部、及び前記成形フィンガーは、互いに一体的に形成されており、
   前記ボディ部、前記可撓性接続部、及び前記成形フィンガーの各々は、可撓性を有する、請求項８に記載の装置。
10. キャップ部、一対のフランジ部、及び前記フランジ部を前記キャップ部に接続する一対のウェブ部を有するツール上でプリプレグプライを成形する方法であって、
    前記キャップを覆って前記ツール上に前記プライを配置することと、
    前記プライ上に成形器具を設置することと、
    前記プライの上方に真空ダイヤフラムを取り付けることと、
    前記真空ダイヤフラムを排気することにより圧縮力を生成することと、
    前記真空ダイヤフラムを排気することにより生成された前記圧縮力を用いて前記ツールに対して前記成形器具を押圧しながら、前記キャップ部、前記ウェブ部、及び前記フランジ部に亘って前記プライを順次掃引することと、を含む方法。
11. 前記ツールの前記キャップ部に対して前記プライを固定することを更に含む、請求項１０に記載の方法。

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