JP2018521885A - 多部分ツーリング - Google Patents

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Abstract

大型の複合構造の成形に用いられる多部分複合ツーリング(10)。このツーリングは、疑似等方性シート成形材料からなる少なくとも2つのツーリング部(12、14)を備えている。この2つのツーリング部は、ツーリング面でスカーフプラグによって継ぎ合わされる。このスカーフプラグは、疑似等方性シート成形材料からなる、特定の方向に配向された層から構成されている。スカーフプラグは、ツーリング部の形成に用いるのと同じ種類の疑似等方性シート成形材料からなる。

Description

本発明は、概して、複合材料を大型の複合構造に成形するための装置及び方法に関するものである。特に、本発明は、かかる大型の複合構造を形成するための多部分ツールと、かかるツールの各部を接合する方法に関するものである。
複合構造を形成するためのプロセスの多くでは、所望の表面輪郭と形状を得るための金型が利用される。この金型は、その中で未硬化樹脂/繊維材料を真空下で比較的高い硬化温度(175℃以上)まで加熱して最終的な複合部品又は構造を形成するオートクレーブプロセスで特に重要となる。
一般的には、非常に強度が高く、複合材料の硬化を行うためのオートクレーブで使用する高い硬化温度にも容易に耐えられるため、INVAR36などの合金鋼からなる金型が用いられる。これらの金型は、一般に、「ツール」や「ツーリング」とも呼ばれる。合金鋼からなるツーリングは、表面形状公差を小さくするために機械加工を行うことができる。また、大型の構造を成形するためのツーリングは、合金鋼ツーリングの各部を接合し、シーム溶接を行うことにより製造することができる。この溶接されたシームに機械加工と研磨を行って、金型表面の欠陥を取り除き、部品硬化面に不要な「マークオフ」がないシームレスなツーリング面を形成することができる。合金鋼は大型の多部分ツーリングの製造によく適しているが、欠点も数多く存在する。例えば、合金鋼ツーリングは、重く高価になりがちである。また、巨大な合金鋼多部分ツーリングの加熱とその後の冷却にかかる時間により、複合構造の成形時のサイクル時間が増大してしまう。
このような複合部品のオートクレーブ成形に用いられる合金鋼ツーリングに代わるものとして、複合材料からなるツーリングの開発が行われている。複合ツーリングは、一般に合金鋼ツーリングよりも軽量であるため人気がある。一般的に、複合ツーリングは、合金鋼や他の適した材料からなる高精度なマスター金型により形成される。
通常、複合ツーリングの製造には、事前含浸複合材料(プリプレグ)が用いられる。プリプレグは、複合ツールを形成するための成形や硬化を行う準備ができた未硬化樹脂マトリックスと繊維強化材との混合物である。メーカーは、繊維強化材に樹脂を事前含浸することにより、繊維ネットワークに含浸させる樹脂の量や位置を注意深く制御することができ、樹脂を望みどおりにネットワーク内に分布させることができる。
一方向(UD)テープは、一般的なプリプレグである。一方向テープの繊維は、互いに平行に延在する連続した繊維である。この繊維は、通常、「トウ」と呼ばれる数え切れない個々の繊維やフィラメントを束ねた形状である。この一方向繊維に、慎重に調整された量の未硬化樹脂を含浸させる。このUDプリプレグは、通常、保護層間に配置されて、保管又は製造施設への輸送のために巻かれたUDテープを形成する。このUDテープの幅は、通常、2cmから30cmである。
この一方向テープは、複合ツーリングの製造にはあまり適していない。UDテープの繊維の平行配向や連続した性質により、このUDテープを複雑なツール形状特性に適合させた場合に、繊維のバンチングやブリッジングが引き起こされる。また、UDテープからできた複合ツーリングは、ツールを大きく移動させずに、複合ツーリングに必要な小さい表面形状公差を得るための機械加工を行うことができない。
一般的に、不連続繊維複合体(DFC)成形材料と呼ばれる成形材料は、複合ツーリングの製造に適していることが分かっている。本明細書では疑似等方性シート成形材料と称するDFC成形材料の一種として、UDテープの属性とランダム配向された短い繊維を混合して、複合ツーリングを形成するための精密な成形と機械加工を行うことが可能な一つの成形材料を得る。疑似等方性シート成形材料は、熱硬化性樹脂を含浸させた一方向テープのセグメントやチップをランダムに配向してなる。疑似等方性シート成形材料は、複合ツーリングの製造に広く用いられてきた。疑似等方性シート成形材料は、HexTool(登録商標)やHexMC(登録商標)という商品名で、Hexcel社(カリフォルニア州ダブリン)から入手可能である。HexTool(登録商標)やHexMC(登録商標)を用いて製造された複合金型又はツーリングの例として、その内容が本明細書に参照により援用されている、特許文献1に記載されたものがある。
疑似等方性シート成形材料は、一般的には、好適な基材に多フィラメントのトウ(糸)を互いに平行になるように配置し、それらの平行なトウに樹脂を含浸させることでUDプリプレグを形成することにより製造される。そして、このUDプリプレグを切断して、通常、幅が5mmから25mm、長さが25mmから125mmのUDチップを形成する。こうして、疑似等方的に配向されたUDチップの層が形成される。疑似等方的に配向されたUDチップの複数の層を結合させて、複合ツーリングの製造に用いられる積層構造の成形材料が形成される。
複合ツーリングは、軽量かつ高い強度を有するので、航空機の翼、胴体、水平尾翼桁ツール、翼桁ツール、尾部ツールなどの大型複合構造又は部品の製造における使用に特に注目されている。そのような大型の複合構造の成形には、通常、長さ3メートル以上、幅1メートル以上の面を有する複合ツーリングが必要となる。複合ツーリングを製造する場所は、通常、そのツーリングを用いて大型複合構造の成形を行う場所とは同じではない。ある場所で一つの大型複合ツーリングを製造して、それを大型複合構造の成形を行う別の場所へと運搬することは実用的ではない。その代わりに、大型複合構造の成形が行われる製造場所へとトラックや他の適当な輸送手段で運搬が可能な複数のツーリング部を製造する。複数のツーリング部は、製造場所へ到着すると、接合されて所望の単一の大型複合ツーリングを形成する。
このように複数の複合ツーリング部を接合する上で考慮すべき重要な点は、ツーリング部間のシームを充填し、もしくは処理してツーリング面全体における表面欠陥を取り除くことである。シームを充填する材料としては、数多くの成形サイクルに十分に耐え得る耐久性を有していなければならない。また、このシームを充填する材料としては、シームとツーリング部間のボンドラインにおける分離を防ぐため、ツーリング部を形成する材料の物理的性質に合った熱膨張係数などの物理的性質も有していなければならない。このシーム充填材料は、シームに欠陥のないツーリング面を得るために、複合ツーリング部の面と同様、機械加工に適したものでなければならない。また、シーム充填では、ツーリング面に対する初期段階又は後続の機械加工及び/又は研磨時に露呈し得る穴や他の欠陥が存在してはならない。
米国特許第8,257,631号
本発明によれば、ツーリング部を形成する疑似等方性シート成形材料と同じ材料からなるスカーフプラグでツーリング部面間のシームを充填する多部分ツーリングが提供される。具体的には、このスカーフプラグは、ツーリング面全体における表面の欠陥を取り除くよう設計及び配向がされている。スカーフプラグは、数多くの成形サイクルに耐えられるよう、ツーリング部と同じ耐久性を有している。また、スカーフプラグは、複合ツーリング部の表面と同様に機械加工を行って、シームレスな多部分ツーリング面を得ることができる。
本発明の多部分ツーリングは、成形面を有する大型の複合構造の成形用に設計されている。この多部分ツーリングは、大型の複合構造の成形面の第1部分を形成するよう成形された第1ツール面を備えている。この第1ツーリング部は、第1側面と、第1ツール面から第1側面へと斜めに延在する第1スカーフ面とを有する。この第1スカーフ面は、第1ツール面に位置する第1外部エッジと、第1側面に位置する第1内部エッジとを有する。この第1ツーリング部は、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成されている。
また、上記多部分ツーリングは、大型の複合構造の成形面の第2部分を形成するよう成形された第2ツール面を備えている。この第2ツーリング部は、第2側面と、第2ツール面から第2側面へと斜めに延在する第2スカーフ面とを有する。この第2スカーフ面は、第2ツール面に位置する第2外部エッジと、第2側面に位置する第2内部エッジとを有する。この第2ツーリング部も、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成されている。
上記第1ツーリング部と第2ツーリング部は、第1スカーフ面と第2スカーフ面がスカーフシームを形成するよう互いに隣接して位置する。このスカーフシームは、第1及び第2内部エッジに沿って延在する頂点を有する。また、スカーフシームは、スカーフ面の第1及び第2外部エッジ間に延在する外部境界も有する。このスカーフシームの外部境界は、第1ツーリング面と第2ツーリング面間に延在するツーリングシーム面と一致する。
本発明の特徴として、スカーフシームを充填するスカーフプラグが備えられている。このスカーフプラグは、内側と外側を有する、疑似等方性シート成形材料の硬化層から構成された第1スカーフプラグ層を備えている。この第1スカーフプラグ層の内側は、第1及び第2スカーフ面に隣接して位置し、第1スカーフ面に位置する第1外部エッジからシーム頂点まで、かつ、そのシーム頂点から第2スカーフ面に位置する第2外部エッジまで延在する。第1スカーフプラグ層の外側は、第1外部エッジから第2外部エッジまで延在するV字形の表面輪郭を有する。このスカーフプラグは、第1スカーフプラグ層の外側とスカーフシームの外部境界との間に配置された複数の追加スカーフプラグ層も備えている。この追加スカーフ層はそれぞれ、疑似等方性シート成形材料の硬化層からなる。各追加スカーフプラグ層は、内側と外側を有する。追加スカーフプラグ層は、各追加スカーフプラグ層の内側が、第1スカーフプラグ層に近い隣接する追加スカーフプラグ層の外側に隣接して位置するようスカーフプラグに配置されている。追加スカーフプラグ層のうちの一つの内側は、第1スカーフプラグ層の外側に隣接して位置し、その第1スカーフプラグ層の表面輪郭に沿う。追加スカーフプラグ層は、ツーリングシーム面を形成する。
本発明の特徴として、所望のスカーフプラグの形状を有するが、未硬化の疑似等方性シート成形材料からなる圧密スカーフプラグが製造される。この圧密スカーフプラグは、スカーフシームに挿入された際に、その一部がツーリングシーム面の上側まで延在するような特大のサイズを有する。硬化後、そのツーリングシーム面の上側に残ったスカーフプラグの部分は、ツーリングシーム面と一致する外部境界を有する最終的なスカーフプラグを得るため、機械加工によって除去される。
本発明には、ツーリング面のシーム充填に用いられる多部分ツーリング及び圧密スカーフプラグに加え、その圧密スカーフプラグを用いて多部分ツーリングのシームを充填する方法も含まれる。
本発明に係るスカーフプラグは、疑似等方性シート成形材料からなる複合ツーリング部間の表面シームを充填するのに特によく適している。スカーフプラグは、ツーリング部と同様、数多くの成形サイクルに十分に耐え得る耐久性を有している。また、スカーフプラグは、シームツーリング部間のボンドラインにおける分離を防ぐため、ツーリング部を形成する材料の物理的性質に合った熱膨張係数などの物理的性質を有している。このスカーフプラグは、シームに欠陥のないツーリング面を得るために、複合ツーリング部の面と同様、機械加工及び/又は研磨を行うことができる。
疑似等方性シート成形材料からなる複数の層を圧密して圧密スカーフプラグを形成し、その後ツーリング部間のシームでオートクレーブ硬化を行うことにより、基本的にシームレスな多部分ツーリング面が形成される。このように形成されたスカーフプラグのシームには、スカーフプラグや周囲のツーリング面に対する初期段階又は後続の機械加工及び/又は研磨時に露呈し得る穴や他の欠陥が存在しない。
本発明の上記の及びその他多くの特徴及び付随する利点は、添付の図面とともに以下に述べる詳細な説明を参照することでより良く理解されるであろう。
2つのツーリング部間のシームを示す、本発明に係る例示的な多部分複合ツーリングの部分図である。 スカーフプラグ積層構造の細部を示す図1の側面図である。 図1及び図2に示すような最終的なスカーフプラグのシームを形成する機械加工を行う前の大きめのスカーフプラグを示す側面図である。 スカーフシームに適用される前の圧密スカーフプラグを示す部分図である。 30度のV字形断面形状を有する好適なスカーフプラグシームの断面写真である。 45度のV字形断面形状を有するスカーフプラグシームの断面写真である。 圧密スカーフプラグを形成するための簡易圧縮成形装置を示す図である。 図7に示す圧縮成形金型を示す断面図である。
図1及び図2は、本発明に係る例示的な多部分複合ツーリングの一部を10で示す。この多部分ツーリングは、使用温度が通常170℃から260℃であり、ツーリング面には45psiから125psiの圧力がかけられる既知のオートクレーブ養生プロセスにより大型の複合部品又は構造を製造するためのものである。しかしながら、このツーリングは、必要に応じて、成形する材料をそこまでの高温に加熱しなくてもよい、及び/又は、成形プロセスで高温が用いられない他の成形プロセスに使用してもよい。
この多部分ツーリングにより成形可能な大型の複合部品又は構造の例としては、航空機の翼、胴体、水平尾翼桁ツール、翼桁ツール、尾部ツールがあげられる。この多部分ツーリングによって得られる成形面の外形寸法は、数平方メートルから100平方メートル以上にも及ぶ。成形面のサイズは、接合されるツーリング部の数と、そのツーリングを適切に支持する機能によってのみ制限される。ツーリングの各部は、道路輸送、鉄道輸送、及び/又は、航空輸送が可能なサイズであることが好ましい。各ツーリング部は、幅が3メートル、長さが12メートルを超えないものとする。
上記多部分ツーリングは、所望のツーリング全体のサイズや各部のサイズにより、任意の数のツーリング部から構成されていてもよいが、例示目的として、第1ツーリング部12と第2ツーリング部14のみを有する多部分ツーリング10を示す。ツーリング部12、14は、構造物接合要素17によりしっかりと接合されている。この接合要素17は、数多くのオートクレーブ成形サイクルの間もツーリング部を正しい位置に保っておくのに十分な強度を有する。この多部分ツーリング10全体は、複合ツーリングを利用する既知の成形プロセスにより、他の支持構造(図示せず)にも支持される。
第1ツーリング部12は、大型の複合構造の成形面の第1部分を形成するよう成形された第1ツール面16を有する。また、第1ツーリング部12は、第1側面18と、第1ツール面16から第1側面18へと斜めに延在する第1スカーフ面20とを有する。この第1スカーフ面20は、第1ツール面16に位置する第1外部エッジ22と、第1側面18に位置する第1内部エッジ24とを有する。この第1ツーリング部12は、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、HexTool(登録商標)やHexMC(登録商標)などの疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成されている。
第2ツーリング部14は、大型の複合構造の成形面の第2部分を形成するよう成形された第2ツール面26を有する。また、第2ツーリング部14は、第2側面28と、第2ツール面26から第2側面28へと斜めに延在する第2スカーフ面30とを有する。この第2スカーフ面30は、第2ツール面26に位置する第2外部エッジ32と、第2側面28に位置する第2内部エッジ34とを有する。この第2ツーリング部14は、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、HexTool(登録商標)やHexMC(登録商標)などの疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成されている。
上記第1ツーリング部12と第2ツーリング部14とは、第1スカーフ面20と第2スカーフ面30によって、その2つのツーリング部間の面に位置するスカーフシーム36が形成されるよう、互いに隣接して配置されている。このスカーフシーム36は、第1内部エッジ24と第2内部エッジ34に沿って延在する頂点38を有する。また、スカーフシーム36は、ツーリング部の第1及び第2外部エッジ22、32間に延在する外部境界40も有する。この外部境界40は、ツーリング部の第1及び第2面16、26間に延在するツーリングシーム面と一致する。
本発明によれば、スカーフプラグ42がスカーフシーム36を埋める。このスカーフプラグ42は、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、HexTool(登録商標)やHexMC(登録商標)などの疑似等方性シート成形材料の硬化層からなる第1スカーフプラグ層44を備えている。この第1スカーフプラグ層44は、内側46と外側48を有する。スカーフプラグの内側46は、第1及び第2スカーフ面20、30に隣接して配置されている。スカーフプラグ層の内側46は、第1ツーリングの第1外部エッジ22から頂点38まで、及び、頂点38から第2ツーリングの第2外部エッジ32まで延在する。第1スカーフプラグ層の外側48は、第1外部エッジ22から第2外部エッジ32まで延在するV字形の表面輪郭を有する。
上記スカーフプラグ42は、第1スカーフプラグ層の外側48とスカーフシームの外部境界40との間に配置された複数の追加スカーフプラグ層50a乃至50iを備えている。この追加スカーフ層50a乃至50iはそれぞれ、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、HexTool(登録商標)やHexMC(登録商標)などの疑似等方性シート成形材料の硬化層からなる。
各追加スカーフプラグ層50a乃至50iは、内側と外側を有する。例えば、追加スカーフ層50aの内側を52で示し、外側を54で示す。これらの追加スカーフプラグ層50a乃至50iは、各追加スカーフプラグ層の内側が、第1スカーフプラグ層44に近い隣接する追加スカーフプラグ層の外側に隣接して位置するようスカーフプラグ42に配置されている。追加スカーフプラグ層50aの内側は、第1スカーフプラグ層の外側48に隣接して位置し、第1スカーフプラグ層の表面輪郭48に沿う。これらの追加スカーフプラグ層50a乃至50iは、ツーリングシーム面に一致するシーム境界40で終端する、及び/又は、それを形成する。
第1スカーフ面20とシーム境界40との角度60(斜角ともいう)は、20度から45度でなくてはならない。同様に、第2スカーフ面30とシーム境界40との斜角又は角度62も、20度から45度でなくてはならない。このスカーフプラグのV字形状の角度は、空隙率が低い適切なシームを得る上で重要であることが分かった。45度以上の斜角でシームを埋めるスカーフプラグは好ましくない。45度から35度の間の斜角であれば、多くの成形の用途にふさわしいシームが得られる。しかしながら、高温高圧のオートクレーブに用いられるツーリングには、25度から35度の斜角が好ましい。斜角が30度のシームであれば、多孔質ではない特に有用なシームが得られることが分かっており、複合部品のオートクレーブ成形時の高圧高温にさらされるツーリングでの使用に特に適している。
4000グラム毎平方メートル(gsm)のM61 HexTool(登録商標)のシート成形材料からなる複数の層を有する複合ツーリングに両側を縁取られたシーム内の所定の位置に配置されたV字形スカーフプラグの側断面図を図6に示す。このスカーフプラグは、4000グラム毎平方メートル(gsm)のM61 HexTool(登録商標)のシート成形材料からなる10の層から構成されている。図6の第1及び第2ツーリング部の斜角は、45度である。外部境界40を形成するスカーフプラグの上部は、5cmの幅を有する。
また、同様に、4000グラム毎平方メートル(gsm)のM61 HexTool(登録商標)のシート成形材料からなる複数の層を有する複合ツーリングに両側を縁取られたシーム内の所定の位置に配置されたV字形スカーフプラグの側断面図を図7に示す。このスカーフプラグは、4000グラム毎平方メートル(gsm)のM61 HexTool(登録商標)のシート成形材料からなる10の層から構成されている。図7では、第1及び第2ツーリング部の斜角は、30度である。このスカーフプラグの上部も、5cmの幅を有する。通常、スカーフプラグの上部の幅は、2cmから10cmである。
図6及び図7に示すスカーフプラグとツーリング部はいずれも、M61 HexTool(登録商標)のシート成形材料を成形するための標準的な手順に従って同様に製造されたものである。図7に示す30度のスカーフプラグは、その層間空隙率とボンドライン空隙率が、図6に示す45度のスカーフプラグに比べて大幅に小さいことが分かった。従って、150℃以上の温度、45psiから125psiの圧力で行われるオートクレーブで使用する多部分ツーリングの継ぎ合わせには、図7に示すスカーフプラグ設計が好ましい。
それぞれ70と72で示すように、スカーフプラグ42と第1及び第2スカーフ面20、30との間には、スカーフプラグ接着剤層が配置されることが好ましい。このスカーフプラグ接着剤層としては、スカーフプラグやツーリング部に用いられる樹脂と相性がいい任意の接着剤を使用することができる。高温成形(150℃以上)では、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、フェノール樹脂などからなる接着剤が好ましい。スカーフプラグの接着剤としては、Hexcel社(ユタ州ソルトレイクシティ)から入手可能なHP655ビスマレイミドフィルム接着剤が好ましい。この接着層は、所望の接着度を提供しつつ、できる限り薄いことが好ましい。接着層の好ましい厚さの範囲は、20ミクロンから1.5mmである。
側面18、28間の空間又は間隙は、シーラント又は接着剤80の層で封止される。このシーラントとしては、ツーリング部に用いられる樹脂と相性がいい任意のシーラントや接着剤を使用することができる。高温成形(150℃以上)では、ビスマレイミド、ポリイミド、ポリエーテル・エーテル・ケトン、フェノール樹脂などからなるシーラントが好ましい。シーラントとしては、HP655ビスマレイミドフィルム接着剤が好ましい。この間隙36の幅は、1mmから4mmであることが好ましい。
このスカーフシーム36は、まず、高温高圧で圧密された疑似等方性シート成形材料の未硬化層からなる圧密スカーフプラグによる過充填を行って、スカーフシーム36の形状にほぼ一致するV字形プラグを形成する。この圧密スカーフプラグは、圧密スカーフプラグが硬化すると、図3に90で示すように大きめのスカーフプラグが形成されるよう、スカーフシームよりも若干大きくなっている。
なお、側面18、28間の間隙は、上記圧密スカーフプラグがスカーフシーム36に入れられる前にシーラント層80で封止される。このシーラント層80は、圧密スカーフプラグの成形中に圧力をかけて大きめの硬化したスカーフプラグ90を形成できるようにツーリング部12、14間を封止するために、事前に位置決めを行う必要がある。
このような大きめの硬化したスカーフプラグ90の(図3に仮想線40で示す)シームの外部境界の上側に位置する部分92が除去されて、外部シーム境界40に一致するスカーフ面を有するスカーフプラグが得られる。大きめのスカーフプラグの余分な部分は、鋼及び/又は複合材料でできた金型の機械加工に一般的に用いられる任意の既知の機械加工ツールや技術により除去される。このような機械加工ツールには、通常、カーバイドやダイヤモンドでコーティングされた数値制御(N/C)カッターが採用される。スカーフプラグ面及び周囲ツーリング面には、必要に応じて、機械加工と研磨が施されて、所望の表面公差が得られる。表面公差は、一般的に、約±0.2mm以下である。ツーリング面とシーム面の公差は、約±0.1mm、正確には±100ミクロンであればよい。
スカーフプラグ42と周囲のツーリング面は、同じ種類の疑似等方性シート成形材料からできているので、これらの表面の機械加工と研磨を行うことにより、ほぼシームレスな多部分ツーリング面が形成される。他の利点として、スカーフプラグ面は、ツーリングを繰り返し使用して高温高圧で複合部品のオートクレーブ成形を行った場合にも、ツーリング面と同様の耐久性を有する。さらに、スカーフプラグとツーリング部がいずれも同じ熱膨張係数を有するため、スカーフプラグとツーリング部間のボンドラインに沿って亀裂が形成される傾向が低減される。また、スカーフプラグは、ツーリング面に調整や変更が必要となる場合に、ツーリング部と同様に機械加工と研磨を行うことができる。
シーム36の過充填を行うための圧密スカーフプラグを図4に100で示す。この圧密スカーフプラグ100は、図2に示す第1スカーフプラグ層50に対応する第1圧密スカーフプラグ層150を備えている。また、圧密スカーフプラグ100は、図2に示す追加スカーフプラグ層50a乃至50iに対応する、追加圧密スカーフプラグ層150a乃至150iも備えている。追加層150jを備えた圧密スカーフプラグ100が示されている。
この第1圧密スカーフプラグ層150の外側は、内角152を有するV字形状となっている。20度から45度で面取りされた第1及び第2ツーリング部によって形成されたシームに嵌合するには、スカーフV字形状の内角は90度から140度の範囲であればよい。25度から35度のツーリングシームの斜角と一致させるには、V字形状の内角は、110度から130度であることが好ましい。V字形状の内角としては、好適なツーリングシームの斜角である30度に対応する、120度であることが好ましい。
この圧密スカーフプラグ150は、図7及び図8に110で示す簡易圧縮成形金型などの圧密金型に、疑似等方性シート成形材料からなる適切なサイズの層を配置することによって形成される。この金型110は、金型本体111と、取り外し可能な上板112とを備えている。上板112の底部113と、圧密金型111の内面114、115とは、充填されるシームの形状とほぼ一致する所望のスカーフプラグ形状とほぼ一致するV字形状の金型キャビティ116を形成するよう成形されている。この金型は、前述したように、圧密スカーフプラグの上部154からあふれるようにシームの充填が行われるようなサイズを有する。特定のスカーフプラグに用いられる疑似等方性シート成形材料からなる層の数は、一般的に、層厚やスカーフプラグのサイズによって、5から30とさまざまである。
疑似等方性シート成形材料の未硬化層が上記圧密金型キャビティ116に配置されると、上板112が所定の位置に固定される。そして、金型110は、117で概略的に示される加力システムによって加圧され、118で概略的に示される加熱システムによって加熱されて、圧密スカーフプラグを形成する固形の未硬化積層体に層を圧密する。疑似等方性シート成形材料からなる層に印加される熱量と圧力は、成形材料樹脂の硬化を促進させずに固形の積層体へと層の圧密を行うのに十分なものである。この成形材料樹脂は、圧密スカーフプラグがツーリング部間のシーム内に配置されるまで硬化されないことが望ましい。炭素繊維とビスマレイミド樹脂からなる疑似等方性シート成形材料については、一般的に、圧密プロセスが、30,000から50,000ポンドの力を金型に加えて、60℃から95℃の温度で5分から30分行われる。
この圧密金型110と金型キャビティ116の加熱及び加圧プロセスは、疑似等方性シート成形材料を未硬化の圧密スカーフプラグプリフォームに成形するのに特によく適している。しかしながら、この金型や圧密プロセスは、疑似等方性シート成形材料から他のさまざまな圧密プリフォーム形状を形成するのに利用してもよい。金型と上板の内面は、さまざまなキャビティ形状を形成するのに必要に応じて変形と成形を行うことができる。その結果得られた金型は、硬化すると、航空機や航空宇宙機に用いられる部品や構造を含むさまざま複雑な部品や構造を形成する圧密プリフォームを形成するのに利用可能である。
圧密スカーフプラグ150が形成されると、すぐに使用されてもよいし、その圧密スカーフプラグに含まれる未硬化樹脂が硬化しない状態で保管することもできる。この圧密スカーフプラグによって得られる利点として、ある場所で製造と保管を行った後、多部分ツーリングの組立が行われる別の場所へと出荷することができる。また、さまざまな場所にある多部分ツーリングのさまざまなシームを封止するためのスカーフプラグの供給を準備するために、異なるサイズの圧密スカーフプラグをセットで製造し保管することができる。
圧密スカーフプラグ150は、複合ツーリングの製造に使用されてきた任意の疑似等方性シート成形材料から作られてもよい。一方向炭素繊維とビスマレイミド樹脂からなるチップからできたシート成形材料が好ましい。疑似等方性シート成形材料の好適な例としては、HexTool(登録商標)M61が挙げられる。HexTool(登録商標)M61は、2000gsmから4000gsmの面積重量で入手可能である。公称チップサイズは、幅が8mm、長さが50mmである。各チップには、炭素繊維と、38重量パーセントのビスマレイミド樹脂とが含まれる。HexTool(登録商標)M61の硬化層の厚さは、2000gsmシート成形材料では1.27mm、4000gsmシート成形材料では2.54mmである。最大使用温度が218℃の場合、ポストキュアされたHexTool(登録商標)M61のTgは275℃である。硬化後のHexTool(登録商標)M61の線熱膨張係数は、4.0×10−6/℃(Plane ASTME289−95)である。
圧密スカーフプラグとツーリング部は、同じ疑似等方性シート成形材料から形成されてもよいし、異なる疑似等方性シート成形材料から形成されてもよい。例えば、複合ツーリングの製造には、一般に、4000gsmのHexTool(登録商標)M61が用いられる。スカーフプラグも、ツーリング部と一致するように、4000gsmのHexTool(登録商標)M61から製造されてもよい。この場合、シート成形材料からなる8から12の層により、幅が約5cmの上面を有するスカーフプラグを形成する。
また、4000gsmのHexTool(登録商標)M61からなるツーリング部を継ぎ合わせるためのスカーフプラグの製造には、2000gsmのHexTool(登録商標)M61を用いてもよい。圧密スカーフプラグに対して高い柔軟性が望まれる場合には、より低い面積重量シート成形材料が有用である。シート成形材料としては、結果的に得られるスカーフプラグに生じるシワや折り目の量が軽減されやすいため、2000gsmのHexTool(登録商標)M61が好ましい。2000gsmのHexTool(登録商標)M61を用いてスカーフプラグを製造した場合、幅が5cmの上面を有するスカーフプラグに必要なシート成形材料の層数は、16から24層となる。
例示的な多部分複合ツーリングの一部を図5に200で示す。この多部分ツーリング200は、第1ツーリング部202、第2ツーリング部204、第3ツーリング部206を備えている。第1シーム208は、第1及び第2ツーリング部202、204間に位置する。第2シーム210は、第1及び第3ツーリング部202、206間に位置する。第3シーム212は、第2及び第3ツーリング部204、206間に位置する。これら3つのシーム208、210、212は、本発明によれば、スカーフプラグ214、216、218で部分的に充填されるよう示されている。3つのシームは、T接合部220で合流する。スカーフプラグ216、218は、単一のスカーフプラグであってもよい。このスカーフプラグは、接合部220で重畳されていても、突き合わせ接合されていてもよい。また、T接合部は、必要に応じて、単一のT字形圧密スカーフプラグとして形成されてもよい。
上記3つの部分からなる多部分複合ツーリングを図5に200で示し、複数のシームとシーム接合部でスカーフプラグの充填が可能な本発明に係るさらなる例である。2つの部分からなるツーリング10の場合と同様に、実際の多部分複合ツーリングは、一般的に、複数のスカーフプラグで継ぎ合わされる複数のツーリング部からなるものと考えられる。
このように、本発明の例示的な実施形態の例を説明したが、当業者であれば、本明細書中の開示はほんの一例にすぎず、本発明の範囲内でその他さまざまな代替例、適合例、変形例が可能であることに留意すべきである。従って、本発明は上記の好適な実施形態や実施例に限定されず、特許請求の範囲にのみ限定される。
2つのツーリング部間のシームを示す、本発明に係る例示的な多部分複合ツーリングの部分図である。 スカーフプラグ積層構造の細部を示す図1の側面図である。 図1及び図2に示すような最終的なスカーフプラグのシームを形成する機械加工を行う前の大きめのスカーフプラグを示す側面図である。 スカーフシームに適用される前の圧密スカーフプラグを示す部分図である。 本発明に係る例示的な3つの部分からなる多部分複合ツーリングを示す部分図 である。 45度のV字形断面形状を有するスカーフプラグシームの断面写真である。 30度のV字形断面形状を有する好適なスカーフプラグシームの断面写真であ る。 圧密スカーフプラグを形成するための簡易圧縮成形装置を示す図である。 図8に示す圧縮成形金型を示す断面図である。

Claims (20)

  1. 成形面を有する大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリングであって、
    前記大型の複合構造の成形面の第1部分を形成するよう成形された第1ツール面と、第1側面と、前記第1ツール面から前記第1側面へと斜めに延在する第1スカーフ面とを有する第1ツーリング部であって、前記第1スカーフ面は、前記第1ツール面に位置する第1外部エッジと、前記第1側面に位置する第1内部エッジとを有し、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成された前記第1ツーリング部と、
    前記大型の複合構造の成形面の第2部分を形成するよう成形された第2ツール面と、第2側面と、前記第2ツール面から前記第2側面へと斜めに延在する第2スカーフ面とを有する第2ツーリング部であって、前記第2スカーフ面は、前記第2ツール面に位置する第2外部エッジと、前記第2側面に位置する第2内部エッジとを有し、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成された前記第2ツーリング部であって、前記第1ツーリング部と第2ツーリング部は、前記第1スカーフ面と前記第2スカーフ面が前記第1及び第2ツーリング部間にスカーフシームを形成するよう互いに隣接して位置し、前記スカーフシームは、前記第1及び第2内部エッジに沿って延在する頂点と、前記第1及び第2外部エッジ間に延在する外部境界を有し、前記外部境界が前記第1ツーリング面と第2ツーリング面間に延在するツーリングシーム面と一致する、前記第2ツーリング部と、
    前記第1及び第2側面間であって、前記スカーフシームの外側に位置するシーラント層と、
    前記スカーフシームを充填するスカーフプラグであって、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の硬化層から構成された第1スカーフプラグ層を有し、前記第1スカーフプラグ層は、内側と外側を有し、前記第1スカーフプラグ層の内側は、前記第1及び第2スカーフ面に隣接して位置し、前記第1外部エッジから前記頂点まで、かつ、前記頂点から前記第2外部エッジまで延在し、前記第1スカーフプラグ層の前記外側は、前記第1外部エッジから前記第2外部エッジまで延在するV字形の表面輪郭を有し、前記スカーフプラグは、前記第1スカーフプラグ層の外側と前記スカーフシームの外部境界との間に配置された複数の追加スカーフプラグ層を備え、前記追加スカーフ層はそれぞれ、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる疑似等方性シート成形材料の硬化層からなり、各追加スカーフプラグ層は、内側と外側を有し、前記追加スカーフプラグ層は、各追加スカーフプラグ層の内側が、前記第1スカーフプラグ層に近い隣接する追加スカーフプラグ層の外側に隣接して位置するよう前記スカーフプラグに配置され、前記追加スカーフプラグ層のうちの一つの内側は、前記第1スカーフプラグ層の外側に隣接して位置し、前記第1スカーフプラグ層の表面輪郭に沿い、前記追加スカーフプラグ層は、前記ツーリングシーム面を形成する、前記スカーフプラグと、
    を具備することを特徴とする多部分ツーリング。
  2. 前記第1スカーフ面と前記外部境界との間の角度が25度から35度であり、前記第2スカーフ面と前記外部境界との間の角度が25度から35度であることを特徴とする請求項1に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  3. 前記第1スカーフ面と前記外部境界との間の角度が30度であり、前記第2スカーフ面と前記外部境界との間の角度が30度であることを特徴とする請求項2に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  4. 前記第1ツーリング部、第2ツーリング部及びスカーフプラグは、同じ面積重量を有するシート成形材料の層からなることを特徴とする請求項1に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  5. 前記第1ツーリング部と第2ツーリング部を形成するためのシート成形材料の層の面積重量は、前記スカーフプラグを形成するためのシート成形材料の層の面積重量より大きいことを特徴とする請求項1に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  6. 前記第1ツーリング部、第2ツーリング部及びスカーフプラグは、炭素繊維と硬化ビスマレイミド樹脂からなるチップをそれぞれ有することを特徴とする請求項1に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  7. 前記第1及び第2外部エッジ間に延在する前記スカーフシームの外部境界の幅が2cmから10cmであることを特徴とする請求項1に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  8. 前記第1スカーフ面と前記第1スカーフプラグ層の内側との間にはスカーフプラグ接着剤の第1層が配置され、前記第2スカーフ面と前記第1スカーフプラグ層の内側との間にはスカーフプラグ接着剤の第2層が配置されることを特徴とする請求項1に記載の大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング。
  9. 成形面を有する大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリング内のシームを封止するのに用いられる圧密未硬化スカーフプラグであって、
    前記多部分ツーリングは、前記大型の複合構造の成形面の第1部分を形成するよう成形された第1ツール面と、第1側面と、前記第1ツール面から前記第1側面へと斜めに延在する第1スカーフ面とを有する第1ツーリング部であって、前記第1スカーフ面は、前記第1ツール面に位置する第1外部エッジと、前記第1側面に位置する第1内部エッジとを有し、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成された前記第1ツーリング部と、前記大型の複合構造の成形面の第2部分を形成するよう成形された第2ツール面と、第2側面と、前記第2ツール面から前記第2側面へと斜めに延在する第2スカーフ面とを有する第2ツーリング部であって、前記第2スカーフ面は、前記第2ツール面に位置する第2外部エッジと、前記第2側面に位置する第2内部エッジとを有し、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成された前記第2ツーリング部であって、前記第1ツーリング部と第2ツーリング部は、前記第1スカーフ面と前記第2スカーフ面が前記第1及び第2ツーリング部間にスカーフシームを形成するよう互いに隣接して位置し、前記スカーフシームは、前記第1及び第2内部エッジに沿って延在する頂点と、前記第1及び第2外部エッジ間に延在する外部境界を有する、前記第2ツーリング部と、を有し、前記圧密未硬化スカーフプラグは、前記スカーフシームの過充填を行うのに用いられ、前記圧密未硬化スカーフプラグは、
    一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の圧密層から構成された第1圧密スカーフプラグ層であって、前記第1圧密スカーフプラグ層は、内側と外側を有し、前記第1圧密スカーフプラグ層の内側は、前記第1及び第2スカーフ面に隣接して位置し、前記第1外部エッジから前記頂点まで、かつ、前記頂点から前記第2外部エッジまで延在するよう成形され、前記第1圧密スカーフプラグ層の前記外側は、内角を有するV字形に前記第1外部エッジから前記第2外部エッジまで延在する表面輪郭を有し、前記圧密未硬化スカーフプラグは、前記第1圧密スカーフプラグ層の外側に配置された複数の追加圧密スカーフプラグ層を備え、前記追加圧密スカーフ層はそれぞれ、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる疑似等方性シート成形材料の圧密層からなり、各追加圧密スカーフプラグ層は、内側と外側を有し、前記追加圧密スカーフプラグ層は、各追加圧密スカーフプラグ層の内側が、前記第1圧密スカーフプラグ層に近い隣接する追加圧密スカーフプラグ層の外側に隣接して位置するよう前記スカーフプラグに配置され、前記追加圧密スカーフプラグ層のうちの一つの内側は、前記第1圧密スカーフプラグ層の外側に隣接して位置し、前記第1スカーフプラグ層の表面輪郭に沿い、前記追加圧密スカーフプラグ層は、前記スカーフシームの外部境界を越えて延在し、前記圧密未硬化スカーフプラグが前記スカーフシーム内に設置されると、前記スカーフシームの過充填を行うよう成形されている、
    ことを特徴とする圧密未硬化スカーフプラグ。
  10. 前記V字形状の内角は、110度から130度であることを特徴とする請求項9に記載の圧密未硬化スカーフプラグ。
  11. 前記V字形状の内角は、120度であることを特徴とする請求項10に記載の圧密未硬化スカーフプラグ。
  12. 前記第1圧密スカーフプラグ層と前記追加圧密スカーフプラグ層は、炭素繊維と未硬化ビスマレイミド樹脂からなるチップをそれぞれ有することを特徴とする請求項9に記載の圧密未硬化スカーフプラグ。
  13. 前記第1圧密スカーフプラグ層と前記追加圧密スカーフプラグ層は、その外部境界の幅が2cmから10cmであるスカーフシームの過充填を行うようサイズと形状が設定されていることを特徴とする請求項9に記載の圧密未硬化スカーフプラグ。
  14. 前記第1圧密スカーフプラグ層と前記追加圧密スカーフプラグ層は、同じ面積重量を有する疑似等方性シート成形材料の層からなることを特徴とする請求項9に記載の圧密未硬化スカーフプラグ。
  15. 成形面を有する大型の複合構造の成形に用いられる多部分ツーリングを継ぎ合わせる方法であって、
    前記大型の複合構造の成形面の第1部分を形成するよう成形された第1ツール面と、第1側面と、前記第1ツール面から前記第1側面へと斜めに延在する第1スカーフ面とを有する第1ツーリング部であって、前記第1スカーフ面は、前記第1ツール面に位置する第1外部エッジと、前記第1側面に位置する第1内部エッジとを有し、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成された前記第1ツーリング部を設ける工程と、
    前記大型の複合構造の成形面の第2部分を形成するよう成形された第2ツール面と、第2側面と、前記第2ツール面から前記第2側面へと斜めに延在する第2スカーフ面とを有する第2ツーリング部であって、前記第2スカーフ面は、前記第2ツール面に位置する第2外部エッジと、前記第2側面に位置する第2内部エッジとを有し、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の複数の硬化層から構成された前記第2ツーリング部を設ける工程と、
    前記第1スカーフ面と前記第2スカーフ面が、前記第1及び第2内部エッジに沿って延在する頂点と、前記第1及び第2外部エッジ間に延在する外部境界を有するスカーフシームを前記第1及び第2ツーリング部間に形成するよう、前記第1ツーリング部と第2ツーリング部を互いに隣接して配置する工程と、
    前記第1及び第2側面間であって、前記スカーフシームの外側にシーラント層を配置する工程と、
    一方向に配向した繊維と未硬化樹脂を含むチップを複数ランダムに配向してなる、疑似等方性シート成形材料の圧密層から構成された第1圧密スカーフプラグ層であって、前記第1圧密スカーフプラグ層は、内側と外側を有し、前記第1圧密スカーフプラグ層の内側は、前記第1及び第2スカーフ面に隣接して位置し、前記第1外部エッジから前記頂点まで、かつ、前記頂点から前記第2外部エッジまで延在するよう成形され、前記第1圧密スカーフプラグ層の前記外側は、前記スカーフシームの頂点における前記第1スカーフ面と第2スカーフ面との間の角度と同じ内角を有するV字形に前記第1外部エッジから前記第2外部エッジまで延在する表面輪郭を有し、前記圧密スカーフプラグは、前記第1圧密スカーフプラグ層の外側に配置された複数の追加圧密スカーフプラグ層を備え、前記追加圧密スカーフ層はそれぞれ、一方向に配向した繊維と硬化樹脂をそれぞれ含むチップを複数ランダムに配向してなる疑似等方性シート成形材料の圧密層からなり、各追加圧密スカーフプラグ層は、内側と外側を有し、前記追加圧密スカーフプラグ層は、各追加圧密スカーフプラグ層の内側が、前記第1圧密スカーフプラグ層に近い隣接する追加圧密スカーフプラグ層の外側に隣接して位置するよう前記スカーフプラグに配置され、前記追加圧密スカーフプラグ層のうちの一つの内側は、前記第1圧密スカーフプラグ層の外側に隣接して位置し、前記第1スカーフプラグ層の表面輪郭に沿い、前記追加圧密スカーフプラグ層の一つまたは複数は、前記スカーフシームを過充填するために前記スカーフシームの外部境界を越えて延在する、前記圧密未硬化スカーフプラグで前記スカーフシームを過充填する工程と、
    前記スカーフシームが過充填された前記圧密未硬化スカーフプラグを硬化して、前記スカーフシームの外部境界を越えて延在する部分を有する硬化特大スカーフプラグを形成する工程と、
    前記硬化特大スカーフプラグの前記スカーフシームの外部境界を越えて延在する部分を除去することにより、前記第1ツーリング面と前記第2ツーリング面との間に延在するツーリングシーム面を形成する工程と、
    を具備することを特徴とする方法。
  16. 前記第1スカーフ面と前記外部境界との間の角度が25度から35度であり、前記第2スカーフ面と前記外部境界との間の角度が25度から35度であることを特徴とする請求項15に記載の多部分ツーリングを継ぎ合わせる方法。
  17. 前記第1スカーフ面と前記外部境界との間の角度が30度であり、前記第2スカーフ面と前記外部境界との間の角度が30度であることを特徴とする請求項16に記載の多部分ツーリングを継ぎ合わせる方法。
  18. 前記第1スカーフ面と前記第1スカーフプラグ層の内側との間にスカーフプラグ接着剤の第1層を配置する工程と、前記第2スカーフ面と前記第1スカーフプラグ層の内側との間にスカーフプラグ接着剤の第2層を配置する工程とをさらに具備することを特徴とする請求項15に記載の多部分ツーリングを継ぎ合わせる方法。
  19. 前記第1ツーリング部と第2ツーリング部を形成するためのシート成形材料の層の面積重量は、前記圧密未硬化スカーフプラグを形成するための疑似等方性シート成形材料の圧密層の面積重量より大きいことを特徴とする請求項15に記載の多部分ツーリングを継ぎ合わせる方法。
  20. 前記第1ツーリング部と第2ツーリング部は、炭素繊維と硬化ビスマレイミド樹脂からなるチップを有し、前記圧密未硬化スカーフプラグは、炭素繊維と未硬化ビスマレイミド樹脂からなることを特徴とする請求項13に記載の多部分ツーリングを継ぎ合わせる方法。
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