JP2020138537A

JP2020138537A - 複合構造体を製造するための能動冷却システム

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Publication number: JP2020138537A
Application number: JP2019229273A
Authority: JP
Inventors: ロバート・エー・キッシュ; A Kisch Robert; ブライス・エー・ジョンソン; Brice A Johnson
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2020-09-03
Anticipated expiration: 2039-12-19
Also published as: EP3702141A1; EP3702141B1; US20200276774A1; JP7448351B2; US11577476B2; US11214022B2; US20220072815A1; CN111619139B; CN111619139A

Abstract

【課題】ローラーの巻き付き及び複合構造体で望ましくない不整合が形成されるのを防止するために能動的に制御される温度調節を複合材製造システムに提供する。【解決手段】複合材製造システムが提供される。当該システムは、繊維配置ヘッドと、このヘッドに関連付けられた転圧ローラーと、転圧ローラーに関連付けられた温度調節システムとを備える。温度調節システムは転圧ローラーの温度を能動的に制御するよう構成される。温度調節システムはいくつかの温度センサーと冷却システムとコントローラーとを備える。いくつかの温度センサーは転圧ローラーの温度を検知するよう構成される。冷却システムは転圧ローラーに関連付けられ、転圧ローラーを冷却するよう構成されている。コントローラーはいくつかの温度センサー及び冷却システムと通信する。コントローラーは転圧ローラーを冷却するように構成され、その結果、温度が閾値温度よりも低くなる。【選択図】図3

Description

本開示は、一般に複合構造体の製造に関する。より詳細には、本開示は、航空機用途の複合構造体の製造に使用される、能動冷却システムに関する。

軽量で構造的に丈夫な部品をさまざまな用途に提供するために、製造者はますます複合構造体を使用するようになっている。このような複合構造体のいくつかは、自動繊維配置システムを使用して製造される。このような技術では複合材料が加熱され、転圧ローラーが複合材料を基板に結合する。自動繊維配置システムは、複雑な工具を使用しているときに手作業による技法よりも高水準の精度を提供し、複合構造体の製造速度が向上する。

繊維配置ヘッドは、複合材料のタック及び接着性を高めるために、通常は基板に向けられたヒーターを使用する。材料が基板上に積層される際に、システム内の他の構成要素も同様に加熱される。このような構成要素の温度は、所望よりも制御するのが困難な場合がある。例えば、転圧ローラーが高温になりすぎると、複合材料が基板と結合せずに転圧ローラーに粘着する場合がある。この状態になると複合材料がローラーに巻き付き、機械を停止して転圧ヘッドを清浄にしなければならないために、生産フローに影響が出る可能性がある。ローラーの巻き付きは配置品質にも影響するため対応が必要になり、フローにさらなる遅延及び／又は影響を与える結果になる。

したがって、上述の問題のうちの少なくとも一部及び考えられる他の問題を考慮に入れた方法及び装置を有することが、望ましいと考えられる。

本開示の例示的な実施形態は、繊維配置ヘッドと、繊維配置ヘッドに関連付けられた転圧ローラーと、転圧ローラーに関連付けられた温度調節システムとを備える、複合材製造システムを提供する。温度調節システムは、転圧ローラーの温度を能動的に制御するように構成されている。温度調節システムは、いくつかの温度センサーと、冷却システムと、コントローラーとを備える。いくつかの温度センサーは、転圧ローラーの温度を検知するように構成されている。冷却システムは転圧ローラーに関連付けられ、転圧ローラーを冷却するように構成されている。コントローラーは、いくつかの温度センサー、及び冷却システムと通信する。コントローラーは転圧ローラーを冷却するように構成され、その結果、温度が閾値温度よりも低くなる。

本開示の別の例示的な実施形態は、複合材製造システムにおいて転圧ローラーの温度を調節する方法を提供する。温度センサーが転圧ローラーの温度を感知する。次にコントローラーが、転圧ローラーの温度が閾値温度を下回っているかどうかを判定する。転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っている場合は、転圧ローラーの温度が閾値温度を下回るまで転圧ローラーを冷却するために、コントローラーが冷却システムを調節する。

本開示のさらに別の例示的な実施形態は、自動繊維配置システムを使用して、航空機用の複合構造体を形成する方法を提供する。複合材料が基板に対して位置決めされる。複合材料は加熱される。材料を基板に結合するために、転圧ローラーが、加熱された複合材料に圧力を印加する。複合材料が積層される際に、温度センサーが転圧ローラーの温度を感知する。コントローラーは、転圧ローラーの温度が閾値温度を下回っているかどうかを判定する。転圧ローラーの温度が閾値温度を下回っていない場合は、温度が閾値温度を下回るまで転圧ローラーが冷却される。

特徴及び機能を、本発明の種々の実施形態において別個独立に達成することができ、或いは以下の説明及び図面を参照してさらなる詳細を見て取ることができる、さらに別の実施形態において組み合わせることができる。

例示的な実施形態に特有であると考えられる新規な特徴が、添付の特許請求の範囲に記載される。しかしながら、例示の実施形態、並びにそれらの好ましい使用の態様、さらなる目的及び特徴は、本発明の例示の実施形態の以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と併せて検討することによって、最もよく理解されるであろう。

例示的な実施形態による、複合材製造システムの斜視図を示す。例示的な実施形態による、製造環境のブロック図を示す。例示的な実施形態による、複合材製造システムの断面図を示す。例示的な実施形態による、複合材製造システムの別の断面図を示す。例示的な実施形態による、複合材製造システムのさらに別の断面図を示す。例示的な実施形態による、ローラーの断面図を示す。例示的な実施形態による、複合材製造システムにおいて転圧ローラーの温度を調節するプロセスのフロー図を示す。例示的な実施形態による、航空機用の複合構造体を形成するプロセスのフロー図を示す。例示的な実施形態による、航空機の製造及び保守点検方法のブロック図を示す。例示的な実施形態の実行の対象となりうる航空機のブロック図を示す。

例示的な実施形態は、1つ以上の異なる考慮すべき事項を認識し考慮している。例えば、例示的な実施形態は、複合構造体の現在の製造プロセスが、システム内の部品の温度制御について課題を提示している場合があることを認識し考慮している。一部の自動繊維配置（Automated Fiber Placement、AFP）システムは、転圧ローラーの温度を調節しない。転圧ローラーの表面が加熱されて閾値温度を上回ると、複合材料は基板と結合せずに転圧ローラーに粘着する。その結果ローラーの巻き付きが発生し、ローラーから残滓を除去するために、AFPをオフラインにすることが必要になる。この休止時間は、複合材製造システムの効率に影響を及ぼす。

例示的な実施形態では、熱可塑性樹脂を使用すると、AFP内の加熱部品が華氏700度を超える温度に達する場合があることも認識し考慮している。このような温度下では、転圧ローラーの性能が所望よりも早期に低下するリスクがある。適切な冷却を行わなければ、転圧ローラーを頻繁に交換しなければならず、システムがオフラインになり製造コストが上昇する。

さらに、例示的な実施形態では、複合繊維材料が所望よりも高温のときは、トウを操作して所定の位置に配置するのが困難になることも認識し考慮している。材料が室温まで迅速に冷却されるほど、転圧ローラーの通過後に基板の表面が剥離する可能性が低くなる。材料の温度が高すぎて基板と結合できないと、複雑な表面でしわ又はパッカリングが生じる場合がある。

いくつかの現在使用されている解決策では、過剰な熱が緩和されるように、冷却空気を転圧ローラーの表面に向ける。しかしながら、このような解決策では、製造のさまざまな段階における転圧ローラーの温度の変化に対応しない。例えば、非制御の冷却システムでは、繊維配置の開始時に、タックを良好にするためにヒーターがトウを加熱するのが困難になり、逆効果となる。また、場合によっては、空気ノズルからの対流冷却でも、ローラーの巻き付きはなお発生する。繊維配置システムの多くは、転圧ローラー冷却機構をまったく有していない。

したがって、開示される実施形態は、ローラーの巻き付き、及び複合構造体で望ましくない不整合が形成されるのを防止するために、能動的に制御される温度調節を複合材製造システムに提供する。複合材製造システムは、繊維配置ヘッドと、繊維配置ヘッドに関連付けられた転圧ローラーと、温度調節システムとを備える。温度調節システムは転圧ローラーに関連付けられ、転圧ローラーの温度を能動的に制御するように構成されている。温度調節システムは、いくつかの温度センサーと、コントローラーと、冷却システムとを備える。コントローラーは、いくつかの温度センサー、及び冷却システムと通信する。いくつかの温度センサーは、転圧ローラーの温度を検知するように構成されている。転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っている場合は、温度が閾値温度を下回るまで転圧ローラーを冷却するために、コントローラーが冷却システムを作動させるように構成されている。

ここで図面を参照し、特に図1を参照すると、例示的な実施形態に従って、複合材製造システムの斜視図が示されている。複合材製造システム100は、この図の例では、自動繊維配置システムである。

本明細書において使用されるとき、「自動繊維配置システム」という用語は、「先進型繊維配置システム」として知られている、或いはこの語と交換可能に使用される場合がある。複合材製造システム100は、複合構造体を形成するために複合材料を基板に結合可能な、自動化された構成要素及び／又は装置の組み合わせを含む。

図示されているように、複合材製造システム100は、工具102、ロボットアーム104、支持構造体106、繊維配置ヘッド108、ヒーター110、転圧ローラー112、及び温度調節システム114を備える。複合材製造システム100は、トウの形状の複合材料116を基板118上に配置するために使用される。

次に図2を参照すると、例示的な実施形態による、製造環境のブロック図が示されている。製造環境200は、複合材製造システム202内の構成要素が、複合構造体204の製造に使用されうる環境である。

複合構造体204は、プラットフォーム206で使用する構造体である。プラットフォーム206は、例えば、これに限定されないが、移動基盤、固定基盤、地上構造物、水上構造物、又は宇宙構造物などであってもよい。より詳細には、プラットフォーム206は、航空機、水上船舶、タンク、兵員輸送機、列車、宇宙船、宇宙ステーション、衛星、潜水艦、自動車、発電所、橋梁、ダム、住宅、製造設備、ビル、その他の適切なプラットフォームであってもよい。

この図の例では、プラットフォーム206は航空機208の形態をとる。複合構造体204が航空機208用に製造されるとき、複合構造体204は、例えば、これに限定されないが、航空機208で使用されるストリンガー、スパー、リブ、パネル、安定板、外皮パネルその他何らかの適切な構造体であってもよい。

図示されているように、複合材製造システム202は、繊維配置ヘッド210、転圧ローラー212、ヒーター214、及び温度調節システム216を備える。複合材製造システム202は、この図の例では、先進型繊維配置システムである。

図示されているように、繊維配置ヘッド210は、複合構造体204を形成するために、基板220上に複合材料218を配置する装置である。複合材料218は、この図の例ではトウの形状をとる。繊維配置ヘッド210は、複合材料218を所望の幾何学的形状で基板220上に配置するのをガイドする。

転圧ローラー212は、繊維配置ヘッド210に関連付けられている。転圧ローラー212は、加熱された複合材料218及び基板220を固める装置である。転圧ローラー212は、加熱された複合材料218を基板220に結合するのに十分な圧力を印加する。

この図の例では、ヒーター214は繊維配置ヘッド210に関連付けられている。ヒーター214は、基板220上に配置する複合材料218を加熱するように構成されている。ヒーター214は、赤外線ヒーター、レーザー又はその他適切な種類の加熱機構の形態をとってもよい。ヒーター214は、基板220に対する複合材料218の粘着性（タック）を向上させるために、複合材料218を加熱する。

複合材製造システム202が基板220上に複合材料218を積層すると、ヒーター214の熱が転圧ローラー212の温度222を上昇させる。プロセスが継続するにつれて、ヒーター214が、転圧ローラー212の温度222を転圧ローラー212の閾値温度224よりも上昇させる場合がある。閾値温度224は、転圧ローラー212のために選択された温度であり、ローラーの巻き付き、複合材料218内のしわ、複合材料218のパッカリング、複合構造体204内のその他の望ましくない不整合226のうちの少なくとも1つを防止する。

本明細書において使用されるように、「のうちの少なくとも1つ」という表現は、アイテムのリストとともに使用される場合に、リストに挙げられたアイテムのうちの1つ以上のアイテムの種々の組み合わせを使用できることを意味し、リストの各アイテムのうちのただ1つだけが必要であってよい。換言すると、「のうちの少なくとも1つ」は、アイテムの任意の組み合わせ、及びいくつかのアイテムをリストから使用することができるが、必ずしもリストの全てのアイテムが必要とされるわけではないことを意味する。アイテムは、個々の物体、事物、又は種類であってよい。

例えば、「アイテムA、アイテムB、又はアイテムCのうちの少なくとも1つ」は、限定することなく「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。またこの例は、アイテムA、アイテムB、及びアイテムC、又はアイテムBとアイテムCも含みうる。当然、これらのアイテムの任意の組み合わせが存在してもよい。他の例において、「のうちの少なくとも1つ」は、例えば、これらに限られるわけではないが、2つのアイテムAと1つのアイテムBと10個のアイテムC、4つのアイテムBと7つのアイテムC、又は他の適切な組み合わせであってもよい。

図示されているように、温度調節システム216は、転圧ローラー212に関連付けられている。温度調節システム216は、転圧ローラー212の温度222を閾値温度224よりも低く維持するために、転圧ローラー212の温度222を能動的に制御するように構成されている。

この図の例では、温度調節システム216は、いくつかの温度センサー228と、コントローラー230と、冷却システム232とを備える。本明細書において使用されるとき、アイテムに対して「いくつかの」という言葉が用いられるときは、1つ以上のアイテムを意味する。したがって、いくつかの温度センサーとは、1つ以上の温度センサーである。

図示されているように、いくつかの温度センサー228は、転圧ローラー212の表面234に関連付けられている。いくつかの温度センサー228の1つ以上が、サーモスタット、赤外線センサー、熱放射センサー、高温計、熱電対、その他何らかの適切な種類の温度センサーの形態をとってもよい。これらの例示的な例では、いくつかの温度センサー228は接触又は非接触センサーであってもよい。いくつかの温度センサー228は、転圧ローラー212の温度222を連続的に感知して、コントローラー230にフィードバックを送信するように構成されている。

この図示されている例では、コントローラー230は、いくつかの温度センサー228、及び冷却システム232と通信する。具体的には、コントローラー230は、転圧ローラー212の温度222に関する情報を受信して、温度222を転圧ローラー212の閾値温度224と比較し、これに応じて、温度222が閾値温度224を下回るまで転圧ローラー212を冷却するために、冷却システム232を作動させるように構成されている。コントローラー230は、複合材製造プロセスの全体にわたって能動的である。他の例示されている例では、コントローラー230は、温度222を望ましい温度範囲内に維持しうる。

冷却システム232は、冷却装置236を備える。冷却装置236は、この図の例では、チラーの形態をとってもよい。冷却装置236は、転圧ローラー212の表面234の温度222が閾値温度224を下回るまで、転圧ローラー212に流体237を供給するように構成されている。冷却装置236は、転圧ローラー212に流体237を供給する前に、所望の方法で流体237を冷却するように構成されている。

流体237は、冷却空気238、冷却液240、その他何らかの適切な種類の流体の形態をとってもよい。流体237の流れは、例えば、これに限定されないが、弁、供給ライン、パイプ、輸送部品、その他適切な構成要素などの冷却システム232内のいくつかの構成要素を使用して、コントローラー230によって制御されてもよい。

いくつかの例示されている例では、冷却装置236は、転圧ローラー212の表面234を内側から外側へ冷却するように、転圧ローラー212の中に流体237を供給する。換言すると、冷却空気238が転圧ローラー212の反対側の端部から放散するように、転圧ローラー212は中空である。他の例示的な例では、冷却空気をさらに供給して、表面234を直接冷却してもよい。

いくつかの例示的な例では、冷却システム232は、チルドローラー242を備える。チルドローラー242は、転圧ローラー212と伝導接触している。この例示的な例では、いくつかの温度センサー228の1つ以上がチルドローラー242に関連付けられてもよい。

流体237を使用して転圧ローラー212を直接冷却する代わりに、冷却装置236は、チルドローラー242に冷却空気238又は冷却液240のうちの少なくとも1つを供給する。チルドローラー242は、その後、伝導によって転圧ローラー212を冷却する。冷却液240が使用されると、冷却液240はいくつかのチャネル246を通って循環し、複合材料218が汚染されるのを防止するために冷却装置236に還流される。

転圧ローラー212は、いくつかのチャネル244を備える。流体237は、転圧ローラー212を冷却するために、転圧ローラー212内のいくつかのチャネル244を流れる。同じように、チルドローラー242はいくつかのチャネル246を備える。冷却空気238及び冷却液240は、チルドローラー242を冷却するために、チルドローラー242内のいくつかのチャネル246を流れてもよい。いくつかのチャネル244及びいくつかのチャネル246は、さまざまな形態をとり、さまざまな幾何学的形状を有していてもよく、転圧ローラー212及びチルドローラー242のそれぞれの全長にわたって、或いは転圧ローラー212及びチルドローラー242長さの一部のみにわたって延伸してもよい。

図示されているように、コントローラー230は、転圧ローラー212の温度222に応じて冷却システム232を能動的に制御する。コントローラー230は、転圧ローラー212へ流れる冷却空気238又は冷却液240のうちの少なくとも1つの流れを増加させてもよい。場合によっては、コントローラー230は、冷却装置236全体を遮断してもよい。他の例示的な例では、コントローラー230は、転圧ローラー212の温度222を閾値温度224よりも低く維持するために、ヒーター214に関連付けられて両装置をタンデムに制御してもよい。

さらに別の例示的な例では、温度調節システム216は、コントローラー230を使用して、予測的冷却248を提供してもよい。予測的冷却248は、製造プロセスにおける知られている事象に基づいて、冷却システム232用に事前にプログラムされた一連の動作を含んでもよい。例えば、複合材料218を基板220上に積層するのを開始した時点で、冷却システム232がオフにされてもよい。プロセスが継続するにつれて、コントローラー230は、製造プロセスにおけるその期間、又はそのステップに対する冷却の基準線レベルまで、フィードバックなしで自動的に調整する。予測的冷却248は、冷却システム232の基準線動作を設定するために使用されてもよく、プロセスを微調整するためにいくつかの温度センサー228が使用される。

例示的な実施形態では、複合材製造システム202は、転圧ローラー212の過熱によるローラーの巻き付きでオフラインになるリスクを低減して、より効率的に作動することができる。結果として複合構造体204は、現在使用されているシステムよりも迅速に、且つ手直しが少なく形成されうる。

例示的な実施形態は、転圧ローラー212の下にある間に、複合材料218を急冷する性能をさらに有する。複合材料218は、複合材料218の物理的強度がより高まるように、転圧ローラー212の下で急冷されてもよい。結果として、複合材料218は、複合構造体204内に望ましくない不整合226が形成されるリスクを低減しながら、より容易に操作されて基板220上の所定の位置に固定されうる。このプロセスは、複合材料218が基板220上にリアルタイムで積層される際に、転圧ローラー212に供給される流体237の短いバーストによって行われてもよい。コントローラー230は、システムからのフィードバック、事前に設定されたシステムの動作、その他何らかの方法に基づいて、このようなバーストを制御する。

例示的な実施形態を使用することによって、転圧ローラー212の温度222が正確に制御され、複合材製造システム202内の転圧ローラー212並びに他の構成要素の保護がさらに強化される。温度調節システム216は、ヒーター214で生成された熱によってこのような構成要素の性能低下を防止するために能動的な冷却制御を提供し、追加の製造コスト及び休止時間がかからないようにする。

次に図3を参照すると、例示的な実施形態による、複合材製造システムの断面図が示されている。図1の線3−3に沿って取られた、繊維配置ヘッド108の断面図が示される。図3は、図2でブロックの形態で示した複合材製造システム202内の構成要素の物理的実装の例を示す。

図示されているように、繊維配置ヘッド108は、複合材料116を基板118上に配置するために矢印300の方向へ移動する。繊維配置ヘッド108が移動すると、温度調節システム114が、転圧ローラー112の温度を監視し制御する。

この図の例では、温度調節システム114は、いくつかの温度センサー302と、コントローラー304と、冷却システム306と、供給ライン308とを備える。この図の例では、冷却システム306は、供給ライン308を通して転圧ローラー112に冷却空気を供給するチラーである。冷却空気は、矢印309の方向に、転圧ローラー112から放散する。

他の例示的な例では、冷却液が供給ライン308を通って流れてもよい。このような液体は、その後、転圧ローラー112を通って流れ、方向を変えて冷却システム306に戻される。

温度センサー302は、繊維配置ヘッド108がその経路に沿って移動する際に、転圧ローラー112の表面310で温度を連続的に監視する。転圧ローラー112の表面310の温度が変化すると、コントローラー304によって供給ライン308を通る空気の流れが調整される。

次に図4を参照すると、例示的な実施形態による、複合材製造システムの別の断面図が示されている。図4は、図2にブロックの形態で示されている、複合材製造システム202内の構成要素の物理的実装の例をさらに示す。

図示されているように、繊維配置ヘッド108にチルドローラー400が追加されている。チルドローラー400は、転圧ローラー112と伝導接触している。供給ライン308は除去されている。供給ライン402は、チルドローラー400が伝導によって転圧ローラー112の表面310の温度を下げるように、冷却空気及び／又は冷却液をチルドローラー400に導く。

図5には、例示的な実施形態による、複合材製造環境のさらに別の断面図が示されている。この例示的な例では、供給ライン308は、冷却システム306から転圧ローラー112に冷却空気を供給する。ほぼ同時に、冷却システム306から冷却空気及び／又は冷却液が、供給ライン402を通ってチルドローラー400に流れる。コントローラー304は、転圧ローラー112の表面310の温度を閾値温度よりも低くするために、供給ライン308及び供給ライン402の少なくとも1つを通る流体の流れを調節してもよい。

次に図6を参照すると、例示的な実施形態による、複合材製造システムのローラーの断面図が示されている。チルドローラー400のより詳細な断面図が示される。

図示されているように、チルドローラー400は、コア600とチャネル602とを有する。チャネル602は、冷却された流体がチルドローラー400を通るように誘導する。チャネル602は、チルドローラー400の一部として形成されてもよい。この図では、チャネル602はチルドローラー400に関して図示されているが、具体的な実装に応じて、転圧ローラー112も同様にチャネルを有していてもよい。

図1、及び図3から図6に示す異なる構成要素は、図2の構成要素と組み合わせてもよく、図2の構成要素とともに使用してもよく、或いはこの2つの組み合わせであってもよい。また、図1、及び図3から図6のいくつかの構成要素は、図2にブロックの形態で示した構成要素がどのように物理的な構造物として実装されうるかについての例示的な例であってもよい。

図1及び図3から図6に示されているもの以外の、複合材製造システム100の他の構成が実装されてもよい。例えば、図3から図6には温度センサーが1つのみと、1つのチラーとが示されているが、温度調節システム114に、2つのセンサー、5つのセンサー、或いはいくつかの他の数のセンサー又はチラーが実装されてもよい。各温度センサーは、コントローラー304と通信する。他の例示的な例では、転圧ローラー112又はチルドローラー400の1つ以上が、完全に、又は部分的に中空であってもよい。さらに別の例示的な例では、3つ以上の供給ラインが、1つ以上のローラーの異なる領域に冷却された流体を供給してもよい。

次に図7を参照すると、例示的な実施形態による、複合材製造システムにおいて転圧ローラーの温度を調節するプロセスのフロー図が示されている。図2の転圧ローラー212の温度222を調節するために、図7に示されている方法が温度調節システム216に使用されてもよい。

本プロセスは、転圧ローラーの温度を感知することから始まる（動作700）。次に本プロセスは、コントローラーに温度情報を送信する（動作702）。コントローラーは、転圧ローラーの温度を転圧ローラーの閾値温度と比較する（動作704）。次にコントローラーは、転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っているかどうかを判定する（動作706）。転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っていない場合、プロセスは動作700に戻る。転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っている場合、本プロセスは転圧ローラーに供給する冷却された流体を増加させ（動作708）、その後、プロセスは動作700に戻る。このようにして、温度調節システム216は、転圧ローラー212の温度222を能動的に調節する。調節は、冷却された流体を増加又は減少させること、或いは冷却システムを完全に遮断することを含んでもよい。

ここで図8を参照すると、例示的な実施形態による、航空機の複合構造体を製造するプロセスのフロー図が示されている。図2の複合構造体204を形成するために、図8に示されている方法が、複合材製造システム202で使用されてもよい。

本プロセスは、基板に対して複合材料を位置決めすることから始まる（動作800）。次に、繊維配置ヘッドが基板に沿って移動する際に、複合材料が加熱される（動作802）。転圧ローラーが、加熱された複合材料及び基板に圧力を印加する（動作804）。

その後、転圧ローラーの温度が検知される（動作806）。次に本プロセスは、コントローラーに温度情報を通信する（動作808）。

次に本プロセスは、転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っているかどうかを判定する（動作810）。転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っていない場合、プロセスは動作806に戻る。転圧ローラーの温度が閾値温度を上回っている場合、転圧ローラーは温度が閾値温度を下回るまで冷却され（動作812）、その後、プロセスは動作806に戻る。

種々の図示の実施形態におけるフロー図及びブロック図は、例示的な実施形態における装置及び方法のいくつかの考えられる実施例の構造、機能、及び動作を示している。この点に関し、フロー図又はブロック図における各ブロックは、モジュール、部分、機能、及び／或いは動作又はステップの一部分を表すことができる。

本開示の例示的実施形態を、図9に示されるとおりの航空機の製造及び保守点検方法900及び図10に示されるとおりの航空機1000の文脈において説明することができる。最初に図9に目を向けると、例示的な実施形態に従い、航空機の製造及び保守点検方法のブロック図が示されている。製造の前段階において、航空機の製造及び保守点検方法900は、図10の航空機1000の仕様及び設計902並びに材料調達904を含むことができる。

製造時に、図10の航空機1000の構成要素及び部分組立品の製造906並びにシステム統合908が行われる。その後に、図10の航空機1000を、認証及び搬送910を経て就航中912にすることができる。顧客による就航中912に、図10の航空機1000について、改良、構成変更、改修、並びに他の整備又は保守点検を含むことができる所定の整備及び保守点検914が計画される。

図2の複合構造体204は、構成要素及び部分組立品の製造906中に、温度調節システム216を有する複合材製造システム202を使用して作成されてもよい。また、複合材製造システム202内の構成要素は、図10の航空機1000の変更、再構成、又は改修の一部として、日常的な整備及び保守点検914中に使用されてもよい。

航空機の製造及び保守点検方法900のプロセスの各々は、システムインテグレーター、第三者、運用者、又はこれらをいくつか組み合わせて実行又は達成することができる。これらの例において、運用者は、顧客であってよい。本明細書の目的において、システムインテグレーターは、これらに限られるわけではないが、任意の数の航空機メーカー及び主要なシステムの下請け業者を含むことができ、第三者は、これらに限られるわけではないが、任意の数の製造供給元、下請け業者、及びサプライヤーを含むことができ、運用者は、航空会社、リース企業、軍、サービス組織（service organization）、などであってよい。

ここで図10を参照すると、例示的な実施形態を使用して作成された複合構造体が実装されうる、航空機のブロック図が示されている。この例において、航空機1000は、図9の航空機の製造及び保守点検方法900によって製造され、複数のシステム1004及び内部1006を有する機体1002を含みうる。システム1004の例として、推進システム1008、電気システム1010、油圧システム1012、及び環境システム1014のうちの1つ以上が挙げられる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙の例が示されているが、別の例示の実施形態は、自動車産業などの他の産業にも適用可能である。

本明細書において具現化された装置及び方法を、図9の航空機の製造及び保守点検方法900の少なくとも1つの段階において採用することができる。一例示の例においては、図9の構成要素及び部分組立品の製造906において製造される構成要素又は部分組立品を、航空機1000が図9の就航中912の状態にあるときに製造される構成要素又は部分組立品と同様のやり方で製作又は製造することができる。さらに別の例として、1つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、図9の構成要素及び部分組立品の製造906並びにシステム統合908などの製造の段階において利用することができる。1つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機1000が就航中912の状態にあるとき、図9の整備及び保守点検914の最中、或いは両方において利用することができる。いくつかのさまざまな例示の実施形態の使用は、航空機1000の組み立てを大幅に促進し、航空機1000のコストを大幅に削減し、或いは航空機1000の組み立ての大幅な促進及び航空機1000のコストの大幅な削減の両方を行うことができる。

例示的な実施形態を使用することにより、複合材製造システムは、転圧ローラーの過熱によるローラーの巻き付きでオフラインになるリスクを低減して、より効率的に作動することができる。結果として複合構造体は、現在使用されているシステムよりも迅速に、且つ手直しが少なく形成される。

例示的な実施形態は、精密に制御して冷却する性能をさらに有する。流体の供給は、弁及び供給ラインのシステムによって制御されてもよい。伝導冷却もまた、現在使用されている製造システムに新たな形態をもたらす。コントローラーは、転圧ローラー下にある間にトウを急冷するために、転圧ローラーの温度を調節することができる。転圧下にある間にトウを冷却することによってその強度が高まり、しわやパッカリングが発生するリスクを低減して、複雑な幾何学的形状をより正確に操作することが可能になる。

熱可塑性樹脂の使用時に、例示的な実施形態は、繊維配置ヘッド内の構成要素に保護を提供する。ローラー温度を制御することは、このような構成部品の過剰な熱による性能低下を防止するのに役立ち、したがって追加の製造コスト及び休止時間がかからないようにする。

例示の実施形態のいくつかの代案の実施例において、ブロックにて示された1つ以上の機能は、図に示された順序とは異なる順序で生じてもよい。例えば、いくつかの場合に、続けて示されている2つのブロックを、実質的に同時に実行することができ、或いは関係する機能に応じて、ブロックが場合によっては逆順で実行されてもよい。また、フロー図及びブロック図に示されたブロックに加えて、他のブロックが追加されてもよい。

種々の例示的な実施形態の説明は、例示及び説明の目的で提示されており、全てを述べ尽くそうとするものでも、開示された形式の実施形態への限定を意図するものでもない。多数の変更及び変種が、当業者にとって明らかであろう。さらに、種々の例示の実施形態は、他の望ましい実施形態と比べて異なる形態を提供することができる。選択された1つ又は複数の実施形態は、実施形態の原理及び実際の応用を最も上手く解説するとともに、種々の実施形態の開示を想定される個々の用途に適した種々の変更と併せて当業者にとって理解可能にするために、選択及び説明されている。

100 複合材製造システム
102 工具
104 ロボットアーム
106 支持構造体
108 繊維配置ヘッド
110 ヒーター
112 転圧ローラー
114 温度調節システム
116 複合材料
118 基板
200 製造環境
202 複合材製造システム
204 複合構造体
206 プラットフォーム
208 航空機
210 繊維配置ヘッド
212 転圧ローラー
214 ヒーター
216 温度調節システム
218 複合材料
220 基板
222 温度
224 閾値温度
226 望ましくない不整合
228 いくつかの温度センサー
230 コントローラー
232 冷却システム
234 表面
236 冷却装置
237 流体
238 冷却空気
240 冷却液
242 チルドローラー
244 いくつかのチャネル
246 いくつかのチャネル
248 予測的冷却
300 矢印
302 温度センサー
304 コントローラー
306 冷却システム
308 供給ライン
309 矢印
310 表面
400 チルドローラー
402 供給ライン
600 コア
602 チャネル
900 航空機の製造及び保守点検方法
902 仕様及び設計
904 材料調達
906 構成要素及び部分組立品の製造
908 システム統合
910 認証及び搬送
912 就航中
914 整備及び保守点検
1000 航空機
1002 機体
1004 システム
1006 内部
1008 推進システム
1010 電気システム
1012 油圧システム
1014 環境システム

Claims

複合材製造システム（202）であって、
繊維配置ヘッド（210）と、
前記繊維配置ヘッド（210）に関連付けられた転圧ローラー（212）と、
前記転圧ローラー（212）に関連付けられ、前記転圧ローラー（212）の温度（222）を能動的に制御する温度調節システム（216）であって、前記温度調節システム（216）は、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）を検知するいくつかの温度センサー（228）と、
前記転圧ローラー（212）に関連付けられ、前記転圧ローラー（212）を冷却する冷却システム（232）と、
前記いくつかの温度センサー（228）、及び前記冷却システム（232）と通信するコントローラー（230）であって、前記コントローラー（230）は、前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が閾値温度（224）を下回るように、前記冷却システム（232）を調節するように構成されている、コントローラー（230）と
を含む、温度調節システム（216）と
を備える、複合材製造システム（202）。
前記冷却システム（232）が、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）の中に冷却空気（238）を供給する冷却装置（236）
を備える、請求項1に記載の複合材製造システム（202）。
前記冷却システム（232）が、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）の中に冷却液（240）を供給する冷却装置（236）
を備える、請求項1又は2に記載の複合材製造システム（202）。
前記冷却システム（232）が、
前記転圧ローラー（212）と伝導接触しているチルドローラー（242）
を備える、請求項1から3のいずれか一項に記載の複合材製造システム（202）。
前記冷却システム（232）が、
前記チルドローラー（242）に冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つを供給する冷却装置（236）
をさらに備える、請求項4に記載の複合材製造システム（202）。
前記チルドローラー（242）が、
冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つが前記チルドローラー（242）を通るように導くいくつかのチャネル（246）
を備える、請求項4又は5に記載の複合材製造システム（202）。
前記転圧ローラー（212）が、
冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つが前記転圧ローラー（212）を通るように導くいくつかのチャネル（244）
を備える、請求項1から6のいずれか一項に記載の複合材製造システム（202）。
前記コントローラー（230）が、前記転圧ローラー（212）に予測的冷却（248）を提供するように構成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の複合材製造システム（202）。
前記冷却システム（232）が、前記転圧ローラー（212）によって複合材料（218）が基板（220）に印加されたときに、前記複合材料（218）内で望ましくない不整合（226）が形成されるのを防止するために、前記複合材料（218）を急冷するように構成されている、請求項1から8のいずれか一項に記載の複合材製造システム（202）。
複合材製造システム（202）において転圧ローラー（212）の温度（222）を調節する方法であって、前記方法が、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）を感知するステップと、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が閾値温度（224）を下回っているかどうかを判定するステップと、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）を冷却するステップと
を含む、方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）を通して冷却空気（238）を供給するステップ
を含む、請求項10に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）と伝導接触しているチルドローラー（242）に冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つを供給するステップ
を含む、請求項10又は11に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
前記転圧ローラー（212）に冷却空気（238）を供給するステップと、
前記転圧ローラー（212）と伝導接触しているチルドローラー（242）に前記冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つを供給するステップと
を含む、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）に予測的冷却（248）を提供するために、前記転圧ローラー（212）を通る冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つの流れを制御するステップ
をさらに含む、請求項10から13のいずれか一項に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
前記転圧ローラー（212）内のいくつかのチャネル（244）を通る冷却空気（238）の流れを制御するステップ
を含む、請求項10から14のいずれか一項に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
チルドローラー（242）内のいくつかのチャネル（246）を通る冷却空気（238）の流れを制御するステップであって、前記チルドローラー（242）が前記転圧ローラー（212）と伝導接触している、ステップ
を含む、請求項10から15のいずれか一項に記載の方法。
航空機（208）用の複合構造体（204）を形成する方法であって、前記方法が、
基板（220）に対して複合材料（218）を位置決めするステップと、
前記複合材料（218）を加熱するステップと、
転圧ローラー（212）を使用して前記複合材料（218）及び前記基板（220）に圧力を印加するステップと、
前記転圧ローラー（212）の温度（222）を感知するステップと、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が閾値温度（224）を下回っているかどうかを判定するステップと、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで前記転圧ローラー（212）を冷却するステップと
を含む、方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）に冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちのいずれか1つを供給するステップ
を含む、請求項17に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）を冷却するステップが、
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）が前記閾値温度（224）を下回るまで、前記転圧ローラー（212）と伝導接触しているチルドローラー（242）に冷却空気（238）又は冷却液（240）のうちの少なくとも1つを供給するステップ
を含む、請求項17又は18に記載の方法。
前記転圧ローラー（212）の前記温度（222）を調節するステップが、
前記転圧ローラー（212）内のいくつかのチャネル（244）を通る冷却空気（238）又は冷却液（240）の少なくとも1つの流れを制御するステップ
を含む、請求項17から19のいずれか一項に記載の方法。