JP2017501902A - ファイバテープを敷設するための敷設装置および方法 - Google Patents

Abstract

表面６上にファイバテープ２を自動で敷設するための敷設装置１であって、クリール１０は、３次元において個々に横断されることができる独立した位置決め装置２２上に配置されて、敷設ヘッド８の動きを追跡する、敷設装置１が開示され、敷設方法も開示される。【選択図】図１

Description

本発明は、請求項１のプリアンブルにしたがって表面上にファイバテープを自動で敷設するための敷設装置、および表面上にファイバテープを自動で敷設するための方法に関する。

軽量構造において、特に、航空機構造および宇宙旅行において、繊維強化複合材料部品は、それらの高い強度と同時に低い質量によりそれらが高い重量節減可能性を有するせいで、非常に幅広いさまざまな構造部品用の広がりを増加させるために展開される。

ここで、複合材料部品における強化繊維のアライメントは、機械的特性（例えば、剛性および荷重容量）に対する決定的な影響を有する。強化繊維は、理想的なケースでは部品の限定的な荷重方向に従わなければならず、波動性を有してはならず、そして機械荷重に対してできるだけ均一に従わなければならない。

上記の要件プロフィールを実施するための１つの可能性は、いわゆるファイバ配置方法（ＦＰ法）によって提供される。ここで、熱可塑性または熱硬化性プラスチック材料によって予備含浸され、そして、２、３ミリメートル（例えばおよそ３ｍｍ）の幅および数センチメートル（例えば２０ｃｍ）の強化繊維によって補強されたファイバテープは、形成的なベース上の定められた軌道に沿ってロボット的に導かれる敷設ヘッドによって敷設される。連続的に構築されるＦＰブランクまたはプリフォームが所望のジオメトリおよび材料厚さを達成するまで、この敷設プロセスは、自動の手法で繰り返される。自動の敷設プロセスは、安価な製造費用と同時にかなりの数において製造されているファイバ複合材料部品の幾何学的な寸法の信頼性が高い再現性を許容する。製造業者によってすでに予め含浸されたファイバテープ（いわゆるプリプレグ・テープ）を敷設することは、好ましくは、完結した部品における強化繊維の進行が力の流路（ｆｏｒｃｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ）に整列されることを確実にする軌道に沿って行われる。

部品のさらなる処理は、基材の形成において展開されるプラスチック材料の機能として、敷設プロセスの終結の後に行われる。ファイバテープが、例えば、硬化可能な熱硬化性プラスチック材料（例えば、エポキシ樹脂）で形成されている場合、ブランクを硬化させることは、通常、複合材料部品を完成するように圧力および／または温度の適用によって行われる。熱可塑性プラスチック材料を含浸されるファイバテープは、敷設プロセスの間、ファイバテープの充分な柔軟性を維持するために、例えば、最高４５０℃の高温をすでに必要とする。熱可塑性ファイバテープにおいてファイバの配置敷設プロセスの完了後に行われるさらなる処理ステップがない場合には、ブランクの室温までの能動的または受動的冷却は充分である。しかしながら、熱可塑性ファイバテープについては、オートクレーブに続く強化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）は、場合によっては必要でもありうる。

予備含浸されたまたは含浸されたファイバテープを敷設する代わりに、ドライ・ファイバテープがＦＰ法を用いて敷設されることもできる。この場合には、このように発生するプリフォームは、敷設プロセスの後、注入または注入方法を用いて樹脂で満たされることができて、硬化されることができる。この種のＦＰ法は、ドライ・ファイバ配置方法またはダイレクト・トウ配置方法として公知である。

ファイバテープは、通常、スプール上に巻回される。そしてそれは、いわゆるクリールにおいて互いに前後に格納される。周知の技術の敷設装置において、クリールは、敷設ヘッドに取り付けられる。この種の敷設ヘッドは、大きい重量および複雑な構造を特徴とする。それにより、複雑な構造は、スプールの切換えをより困難にする。

代わりの敷設装置では、敷設ヘッドとクリールは、可動ベース・プラットホーム上に配置される。ここで、クリールは、敷設ヘッドから少し離れて配置される。これは、多数のテンションローラおよび偏向ローラ上のファイバテープのガイダンスを必要とする。テンションローラおよび偏向ローラ上のガイダンスは、保護されない手法で行われ、そのため、ファイバテープは、汚染にさらされる。さらに、ファイバテープのゆがみまたはねじれが結果として起こりえる。そしてそれは、敷設ヘッドにおけるファイバテープのアライメントに影響を及ぼすことができる。

クリールが装置の横方向の領域において敷設ヘッドとは別に配置される、周知の技術の他の敷設装置では、ファイバテープは、ボーデンケーブル−タイプ・チャネルによって導かれる。チャネルがファイバテープを環境の影響から基本的に保護するとはいえ、チャネル自体は、汚染されることができる。そして、これらの汚染物質は、ファイバテープ上へ堆積されることができる。さらに、チャネル・ガイダンスのシステムは、技術的に複雑である。

本発明の目的は、表面上にファイバテープを自動で敷設するための敷設装置を作り出すことである。そしてそれは、いかなる特定の敷設ヘッド位置とも独立して、敷設ヘッドとクリールとの間に維持される短い距離、およびクリールの単純な切換えをも可能にする。さらに、表面上にファイバテープを自動で敷設する方法を作り出すことは、本発明の目的である。

この目的は、請求項１の特徴を有する敷設装置によって、そして請求項９の特徴を有する方法によって、達成される。

表面上にファイバテープを自動で敷設するための発明の敷設装置は、敷設ヘッドに適応するための、位置決め装置上に配置される敷設ヘッド・マウント、および、クリールに適応するためのクリール・マウントを有する。本発明によれば、クリール・マウントは、個々に制御可能でかつ横断可能な位置決め装置上に配置されて、それにより、敷設ヘッドの動きは、追跡されることができる。

敷設ヘッドおよびクリールの個々の配置によって、敷設ヘッド・マウントの、そしてひいては敷設ヘッドの動きの追跡との組み合わせにおいて、クリールと敷設ヘッドとの間の一定の、そして特に最小の距離は、常にセットされることができる。敷設ヘッドに関するクリールの個々のマウントおよび追従制御の結果として、変わらないクリールと敷設ヘッドとの間の相対位置のせいで、ファイバテープのガイダンスは、技術的に単純化されることができて、すなわち、別々のテンションローラ、偏向ローラおよび類似のものは、省略されることができる。複雑な溝形ガイドなしでさえ、環境の影響の結果としてのファイバテープの汚染は、最低限まで減少するか、または全く除外される。ファイバテープの望ましくないねじれが除外されるようにクリールが追跡されることができると同時に、そのため、ファイバテープは、最適アライメントにおいて敷設ヘッドに供給される。さらに、クリールのいかなる切換えも単純化される。というのも、クリール・マウントは、敷設ヘッドから切り離されて、すなわち分離されて、そしてしたがって、良好なアクセスが提供されるからである。

敷設装置は、複数のクリール・マウントを有することができる。この手段によって、敷設装置は、例えば、異なるファイバテープ幅のクリールとともに同時に使用されることができる。その結果、敷設プロセスにおいて、いかなる割込みもほぼなしで個々のファイバテープ幅間の切換えはなされることができる。代わりにおよび／または加えて、敷設装置は、同じファイバテープ幅を有する複数のクリールとともに使用されることができる。その結果、１つのクリールの消費の後、いかなる割込みもほぼなしで完全なクリールはアクセスされることができる。

実施形態の一例において、複数のクリール・マウントは、個々に制御可能な位置決め装置上に配置される。この手段によって、敷設装置の柔軟性は、さらに増加することができる。したがって、例えば、敷設プロセスのうちに、それ自身の位置決め装置上に配置される空のクリールは、敷設プロセスのいかなる割込みもなしで完全なクリールに切り換えられることができる。さらに敷設プロセスの間、敷設装置は、次の敷設プロセスのために準備されることができて、適切なクリールとともに使用されることができる。

少なくとも１つの切換えデバイスが設けられ、切換えデバイスによって少なくとも１つのクリールがそのマウントから取り外されて、そのマウントに新たなまたは代わりのクリールが取り付けられる場合、クリールの切換えは、自動化されることができる。

問題の位置決め装置が適切な切換え位置に横断されることができる場合、切換えプロセスは、さらに改善されることができる。

実施形態の一例において、少なくとも１つのクリール・マウントの少なくとも１つの位置決め装置は、継ぎ合わされた腕ロボットである。この種のロボットは、その運動の最大自由度を特徴とする。その結果、非常に複雑な球の表面の場合でさえ、クリールは、非常に近い距離で敷設ヘッドに追従することができる。

実施形態の他の例において、少なくとも１つのクリール・マウントの少なくとも１つの位置決め装置は、入口ロボット（ｐｏｒｔａｌ ｒｏｂｏｔ）である。この種のロボットは、継ぎ合わされた腕ロボットよりも少ない複合制御および調節エレクトロニクスを必要とする。

クリールと連携する位置決め装置は、敷設ヘッドと連携する位置決め装置よりも少なくとも１つ以上多い自由度を有するのが好ましい。この手段によって、クリールと連携する位置決め装置は、敷設ヘッドと連携する位置決め装置のほぼ独立した周囲の部分に立てられることができる。というのも、少なくとも１つ以上多い自由度の結果、異なる建設サイトのために補償がなされることができるからである。

表面上にファイバテープを自動で敷設するための発明の方法において、特に発明の敷設装置を制御するために、敷設ヘッドおよびクリールは、個々に制御可能な位置決め装置上に配置され、クリールの位置決め装置は、クリールが敷設ヘッドの動きを追跡するように制御され、すなわち空間において移動する。

発明の方法は、単純なクリール切換えに加えて、敷設ヘッドとクリールとの間に維持される小さい距離を可能にする。表面から見られるように、クリールは、敷設ヘッドのすぐ後ろに配置される。その結果、ファイバテープは、クリールと敷設ヘッドとの間の小さい開放距離を導かれるだけである。

本発明の実施形態の他の有利な例は、さらに補助的な請求項の対象である。

以下において、本発明の実施形態の好適な例は、非常に簡略な概略図を用いてさらに詳細に解明される。

図１は、本発明の敷設装置の実施形態の一例の基本的な機能的構造を示す。

図１は、複合材料部品を構築する目的で表面４上にファイバテープ２を自動で敷設するための発明の敷設装置１の概略図を示す。ここで、表面４は、成形治具によって形成される。そして成形治具は、例えば、航空機構造の胴体シェルを描く。したがって、ここで生産されている例示的な複合材料部品は、胴体シェルである。

実施形態のこの例では、成形治具６は、静止手法において取り付けられて、図１に示す座標系に関してｘ−方向およびｚ−方向に主に延びる。言うまでもなく、成形治具６は、それが平面においてまたは３次元において横断されることができるように、取り付けられることもできる。

敷設装置１は、いわゆるファイバ配置方法（ＦＰ法）の実行を可能にする。そして、ファイバテープ２は、生産されるべき複合材料部品に関連する力の流路（ｆｏｒｃｅ ｆｌｏｗ ｐａｔｈ）と合わせられる軌道において表面４上に敷設される。明快さのために、１つのファイバテープ２は、すべてのファイバテープのための代表として数字を割り当てられる。

ファイバテープ２は、例えば、いわゆるプリプレグ・テープ材料である。しかしながら、あるいは、ファイバテープ２は、ドライ・ファイバテープでもありうる。敷設装置１は、したがって、プリプレグの敷設だけ、またはドライ・ファイバテープの敷設だけ、に限られない。敷設装置１は、ファイバテープの含浸の程度から独立していて、したがって、プリプレグおよびドライ・ファイバテープの両方の操作を許容する。それらは、炭素繊維で好ましくは補強される。そして炭素繊維は、熱可塑性または熱硬化性プラスチック材料いずれかのプラスチック基材に埋め込まれる。あるいは、定められた機械的許容荷重がＦＰ法を使用して生産される複合材料部品によって提供される限り、いかなる有機および／または無機強化繊維も展開されることができる。熱可塑性樹脂基材の場合、熱可塑性プラスチックの特定の材料特性に依存して、ＦＰ法の間、その柔軟性および操作可能性を確実にするために、例えばレーザビームによって、ファイバテープ８０をほぼ４５０℃の温度まで加熱することが、必要でありうる。

敷設装置１は、敷設ヘッド８および少なくとも１つのクリール１０を有する。敷設ヘッド８は、それらの材料に関して、そしてそれらの厚みおよび幅に関しても両方とも異なるファイバテープ２を敷設することを許容する。

敷設ヘッド８は、ファイバテープ２を表面４上に押圧することを目的とした加圧ローラユニット１２、ファイバテープ２をクリールから敷設ヘッド８に導くことを目的とした複数のガイド、ファイバテープ２をサイズに切ることを目的とした切断デバイス、およびファイバテープ２を動作温度まで任意に加熱することを目的とした加熱デバイスを有する。加圧ローラユニット１２、ガイド、切断デバイスおよび加熱デバイスは、従来のタイプのものであり、明快さの理由で、それらは表されない。

クリール１０は、多数のスプール１４を有する。そしてスプール１４の各々は、ファイバテープ２に適応することができる。スプール１４は、クリール１０において、図示しない平行なスプール軸上に取り付けられる。ここで、ファイバテープ２が互いに平行に、そして好ましくは１つの平面においてクリール１０から導き出されるように、それらは配置される。

クリール１０を切り換えることを目的として、例えば、空のクリールを完全なクリールと交換することを目的として、敷設装置１は、図示しない切換えデバイスを有する。

敷設ヘッド８およびクリール１０は、いずれの場合も、敷設装置１のそれぞれ敷設ヘッド・マウント１６およびクリール・マウント１８によって、独立して（すなわち個々に）制御可能でかつ横断可能な位置決め装置２０、２２上に配置される。位置決め装置２０、２２によって、敷設ヘッド８およびクリール１０は、３次元において、したがって成形治具６の表面４に関して、自由に位置決めされることができる。実施形態のこの例において、位置決め装置２０、２２は、腕ロボットとして実施される。特に、クリールと関連した位置決め装置２２は、ここではジョイント腕ロボットとして実施され、そして、以下に見られるように、敷設ヘッドと関連した位置決め装置２０よりも少なくとも１つ以上多い自由度を有する。しかしながら、位置決め装置２０、２２は、入口ロボットでもありうる。複数の自由度を有する独立して制御可能な位置決め装置２０、２２上の敷設ヘッド８およびクリール１０の個々の配置は、クリール１０による敷設ヘッド８の動き、したがって、敷設ヘッド８の現在位置から独立している敷設ヘッド８とクリール１０との間の不変の相対位置の追跡を可能にする。特にこの手段によって、敷設ヘッド８と関連したファイバテープ２の最適アライメント、およびクリールの単純な切換えが現状のままで、敷設ヘッド８から小さいかつ一定の距離ａでのクリール１０のガイダンスは、可能になる。クリール１０と敷設ヘッド８との間の距離は、クリール１０と敷設ヘッド８との間のファイバテープ２の開いた（すなわち、いかなるガイドもない）長さに対応する。

ここで図示した実施形態の例では、クリールと関連した位置決め装置２２は、敷設ヘッドと関連した位置決め装置２０より上に位置する周囲の部分に接続している。

ここで、敷設ヘッド８の位置決め装置２０は、ベース２４、ベース２４上にヒンジされた枢動アーム２６、および枢動アーム２６の自由端に取り付けられた回転ヘッド２８を有する。回転ヘッド２８は、回転板３０を介して、敷設ヘッド・マウント１６したがって敷設ヘッド８に適応する。予め定められた軌道にしたがって表面４上にファイバテープ２を敷設することを目的として、ベース２４は、座標系に関してｘ−方向において、したがって成形治具６に平行に、少なくとも線形に横断されることができる。加えて、ベース２４は、例えば、交差テーブル上に取り付けられることもでき、したがって、ｙ−方向において、したがって成形治具６の方向に、同じように線形に横断されることができる。枢動アーム２６は、ｘ−方向に延びる枢支軸３２の周りに枢動することができる。回転ヘッド２８は、枢支軸と平行に延びる回転軸３４の周りに少なくとも回転することができる。回転板３０は、回転ヘッド２８の回転軸に対して直交する横軸３６の周りに回転することができる。

ここで、位置決め装置２２は、２本の枢動アーム３８、４０を有する。そして枢動アーム３８、４０は、ベース４２と回転板４６を有する回転ヘッド４４との間に配置されて、互いに継ぎ合わされる手法で接続される。枢動アーム３８、４０によって、クリール１０と成形治具６（すなわち敷設ヘッド８）との間のｙ−方向における距離の変更は、なされることができる。ベース４２は、座標系に関してｘ−方向において、したがって成形治具６と平行に、線形に横断されることができる。加えて、ベース４２は、ｚ−方向に延びる垂直軸４８の周りに回転することができる。加えて、ベース４２は、例えば、交差テーブル上に取り付けられることもできて、したがって、ｙ−方向において、したがって成形治具６の方向に、同様に線形に横断されることができる。垂直軸４８の周りにベース４２を回転させるオプションによって、ベースと関連した枢動アーム３８は、ｘ−ｙ平面において枢支軸５０の周りに枢動することができる。回転ヘッドと関連した枢動アーム４０は、枢支軸５０と平行に延びるジョイント軸４２を介して、ベースと関連した枢動アーム３８に関して枢動することができる。回転ヘッド４４は、枢支軸５０およびジョイント軸５２と平行に延びる回転軸５４の周りに少なくとも回転することができる。回転板４６は、回転ヘッド４４の回転軸５４に対して直交する横軸５６の周りに回転することができる。

表面４上にファイバテープ２を自動で敷設する発明の経過において、クリール１０に適応している位置決め装置２２は、一定のまたはほぼ一定の距離でファイバテープ２を敷設することを目的として、それが敷設ヘッドの動きを追跡するように制御される。表面６から見られるように、クリール１０は、敷設ヘッド８のすぐ後ろに配置される。その結果として、距離ａ、したがってクリール１０と敷設ヘッド８との間のファイバテープ２の開いた長さは、最小にされる。敷設ヘッド８と関連するクリール１０の位置は、理想的には変化しない。そのため、ファイバテープ２は、一定の距離で供給されるだけでなく、敷設ヘッド８に対する最適アライメントでもある。

開示されたのは、表面上にファイバテープを自動で敷設するための敷設装置であって、３次元において個々に横断されることができて、敷設ヘッドの動きを追跡することができる独立した位置決め装置上にクリールが配置される、敷設装置である。敷設方法もまた開示される。

１ 敷設装置
２ ファイバテープ
４ 表面
６ 成形治具
８ 敷設ヘッド
１０ クリール
１２ 加圧ローラユニット
１４ スプール
１６ 敷設ヘッド・マウント
１８ クリール・マウント
２０ 位置決め装置

Claims (9)

1. 敷設ヘッド（８）に適応するために位置決め装置（２０）上に配置される敷設ヘッド・マウント（１６）を有し、そしてクリール（１０）に適応するためにクリール・マウント（１８）を有して、表面（６）上にファイバテープ（２）を自動で敷設するための敷設装置（１）であって、
   前記クリール・マウント（１８）は、個々に制御可能でかつ横断可能な位置決め装置（２２）上に配置されて、それにより、前記敷設ヘッド・マウント（１６）の動きは、追跡されることができることを特徴とする、敷設装置（１）。
2. 前記位置決め装置（２２）は、複数のクリール・マウント（１８）を有する、請求項１に記載の敷設装置。
3. 複数のクリール・マウント（１８）は、独立して制御可能な位置決め装置（２２）上に配置される、請求項１または２に記載の敷設装置。
4. 切換えデバイスは、少なくとも１つのクリール（１８）の自動切換えのために設けられる、請求項１、２または３に記載の敷設装置。
5. 少なくとも１つのクリール・マウント（１８）は、切換え位置へと横断されることができる、請求項１〜４のいずれか１項に記載の敷設装置。
6. 少なくとも１つのクリール・マウント（１８）の少なくとも１つの位置決め装置（２２）は、継ぎ合わされた腕ロボットである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の敷設装置。
7. 少なくとも１つのクリール・マウント（１８）の少なくとも１つの位置決め装置（２２）は、入口ロボットである、請求項１〜５のいずれか１項に記載の敷設装置。
8. 少なくとも１つのクリール・マウント（１８）の位置決め装置は、少なくとも１つの敷設ヘッド・マウント（１６）の位置決め装置（２０）よりも少なくとも１つ以上多い自由度を有する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の敷設装置。
9. 表面上にファイバテープを自動で敷設するための、特に、請求項１〜８のいずれか１項に記載の敷設装置（１）を制御するための、方法であって、
   敷設ヘッド（８）およびクリール（１０）は、個々に制御可能な位置決め装置（２２）上に配置され、クリール（１）は、敷設ヘッド（８）の動きを追跡する、方法。
   
   

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