JP2021008110A

JP2021008110A - ハイブリッド複合材部品用の編み組み繊維のトウのレイアップ及び製造

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Inventors: アーモルオーガル，; Ogale Amol
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Abstract

【課題】積層板を作製するための方法及び装置を提供する。【解決手段】ある方法は、積層板用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップすること、及び積層板用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップすることを含む。【選択図】なし

Description

本開示は、製造の分野に関し、特に、トウ（tow）のレイアップ（layup）を介した繊維強化複合材部品の製造に関する。

構成材料（例えば、炭素繊維強化ポリマー（CFRP））の多層積層板は、複合材部品に硬化させるための任意の様々な形状に形成することができる。積層板は、それぞれが単方向繊維強化材料のトウを含む、複数の層にレイアップすることができる。複数の積層板は、手作業で、自動テープレイアップ機（ATLM）によって、又は自動繊維配置（AFP）機によってレイアップされてよい。

複数の積層板は、複合材部品に硬化されるときに所望のレベルの性能を提供するが、複数の積層板向けのレイアッププロセスは、複雑で時間がかかることに変わりはない。更に、誘導加熱溶接（induction welding）などの複数の積層板を共に取り付けるための技法は、そのような材料から作製される複数の積層板に対して実行することが困難な場合がある。例えば、誘導を介してこれらの材料から作製された積層板を加熱することは、望まれるよりも多くの電流を誘導コイルを通して流すことを必要とし得る。

したがって、先に検討した問題のうちの少なくとも幾つか及び他の想定される問題を考慮した方法及び装置を有していることが望ましいであろう。

本明細書で説明される実施形態は、積層板用の編み組み繊維（braided fiber）を含むトウを提供する。トウは、熱可塑性材料が予め含浸され、ATLM又はAFP機によってレイアップされてよい。更に、トウは導電性なので、印加された磁場に応じて、繊維同士の間の交差部分が熱を生成する。これにより、単方向繊維のトウと比較して、誘導中のトウにおける加熱の量が高まる。

一実施形態は、積層板を製造するための方法である。該方法は、積層板用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップすること、及び積層板用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップすることを含む。

更なる一実施形態は、プログラミングされた指示命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体である。該指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、積層板を製造するための方法を実行するように動作可能である。該方法は、積層板用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップすること、及び積層板用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップすることを含む。

更なる一実施形態は、積層板を製造するための装置である。該装置は、単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを保存する第１のスプール、積層板用の第１の組の層をレイアップする第１のエンドエフェクタであって、第１の組の層が、第１のスプール上に保存された単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む、第１のエンドエフェクタ、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを保存する第２のスプール、及び、積層板用の第２の組の層をレイアップする第２のエンドエフェクタであって、第２の組の層が、第２のスプール上に保存された編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む、第２のエンドエフェクタを含む。

一実施形態は、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを製造するための方法である。該方法は、マンドレルの周りに閉じた断面形状を形成する周囲を有する編み模様（weave）を形成するために、予め含浸された単方向材料の繊維を編み組むこと、周囲に沿った仮留め（tacking）位置において予め含浸された繊維を仮留めすること、及び、仮留め位置同士の間の切断位置において編み模様を切断することであって、編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進み且つローラの後ろに配置されているナイフを用いて、編み模様を切断することを含む。

更なる一実施形態は、プログラミングされた指示命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体である。該指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、方法を実行するように動作可能である。該方法は、マンドレルの周りに閉じた断面形状を形成する周囲を有する編み模様（weave）を形成するために、予め含浸された単方向材料の繊維を編み組むこと、周囲に沿った仮留め（tacking）位置において予め含浸された繊維を仮留めすること、及び、仮留め位置同士の間の切断位置において編み模様を切断することであって、編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進み且つローラの後ろに配置されているナイフを用いて、編み模様を切断することを含む。

更なる一実施形態は、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを製造するための装置である。該装置は、ローラであって、円筒形状マンドレルにおいてレイアップされた単方向材料の編み組まれた予め含浸された繊維の編み模様の周囲に沿った仮留め位置に熱及び圧力を印加し、編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進むローラ、及び、仮留め位置同士の間の切断位置において編み模様を切断し、編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進み、ローラの後ろに配置されているナイフを含む。

他の例示的な実施形態（例えば、上述の実施形態に関連する方法及びコンピュータ可読媒体）が、以下で説明され得る。検討してきた特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において個別に実現可能であり、又は、以下の説明及び図面を参照して更なる詳細が理解され得る、更に別の実施形態において組み合わされてもよい。

ここで、本開示の幾つかの実施形態を、例示としてのみ、添付図面を参照して説明する。全ての図面において、同じ参照番号は同じ要素又は同じ種類の要素を表す。

例示的な一実施形態おける、製造環境のブロック図である。例示的な一実施形態における、ハイブリッドレイアップシステムを動作させるための方法を示すフローチャートである。例示的な一実施形態における、単方向繊維のトウで構成される積層板の上に編み組み繊維のトウをレイアップするエンドエフェクタの側面図である。例示的な一実施形態における、単方向繊維のトウで構成される積層板の上に編み組み繊維のトウをレイアップするエンドエフェクタの上面図である。図４〜図６は、例示的な一実施形態における、誘導加熱溶接が行われることになる場所に沿った編み組み繊維のトウを含む複数の積層板の側面図である。図４〜図６は、例示的な一実施形態における、誘導加熱溶接が行われることになる場所に沿った編み組み繊維のトウを含む複数の積層板の側面図である。図４〜図６は、例示的な一実施形態における、誘導加熱溶接が行われることになる場所に沿った編み組み繊維のトウを含む複数の積層板の側面図である。例示的な一実施形態における、編み組み繊維のトウを生成するための製造システムのブロック図である。例示的な一実施形態における、編み組み繊維のトウを生成するために製造システムを動作させるための方法を示すフローチャートである。例示的な一実施形態における、材料のトウを形成するために編み組み繊維の閉じた編み模様を切断する図７の製造システムの側面図である。例示的な一実施形態における、切断されてマンドレルから取り外された編み模様の斜視図である。例示的な一実施形態における、航空機の製造及び保守方法のフロー図である。例示的な一実施形態による、航空機のブロック図である。

図面及び以下の明細書の記載により、本開示の特定の例示的な実施形態が提供される。従って、当業者は、本明細書で明示的に記載又は図示されない様々な構成を考案して本開示の原理を具体的に実現することができるが、それらは本開示の範囲に含まれることを理解されたい。更に、本明細書に記載の如何なる実施例も、本開示の原理の理解を助けることを意図したものであり、具体的に記載された実施例や諸条件に限定されないという解釈がなされるべきである。この結果、本開示を限定するものは、下記の特定の実施形態又は実施例ではなく、特許請求の範囲及びその均等物である。

炭素繊維強化ポリマー（CFRP）部品などの複合材部品は、最初に、プリフォームと総称されている多重層にレイアップされる。プリフォームの各層内の個々の繊維は、互いに平行に揃えられているが、様々な寸法に沿って結果として得られる複合材部品の強度を高めるために、種々の繊維配向を示してよい。プリフォームは、プリフォームを硬化して（例えば、航空機に使用される）複合材部品にするため、凝固する粘着性の樹脂を含み得る。未硬化の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が含侵されている炭素繊維は「プリプレグ」と称される。他の種類の炭素繊維は、熱硬化性樹脂が含侵されていない「ドライファイバ」を含むが、粘着付与剤又は結合剤を含み得る。ドライファイバは、硬化前に樹脂が注入されてよい。熱硬化性樹脂に関しては、固化することは硬化と称される一方向のプロセスであり、一方、熱可塑性樹脂に関しては、樹脂は再加熱されると粘性のある形態になり得る。

図１は、例示的な一実施形態における、ハイブリッドレイアップシステム１１０を含む製造環境１００のブロック図である。ハイブリッドレイアップシステム１１０は、単方向繊維層と編み組み繊維層の両方を有する積層板１６０を形成するために、単方向トウ１２６（すなわち、単方向繊維のトウ）と編み組みトウ１２８（すなわち、編み組み繊維のトウ）をレイアップすることができる、任意のシステム又はデバイスを備える。編み組みトウ１２８は、トウの長さに平行又は垂直ではない繊維配向の任意の所望の組み合わせを示すために、偏って編み組みされてよい。例えば、繊維配向は、＋２２度／−２２度、＋４５度／−４５度、＋１０度／−１０度、＋８０度／−８０度などであってよい。更に、編み組み熱可塑性繊維強化材料の複数のトウのそれぞれの中の繊維は、開いた編み模様、閉じた編み模様、又は任意の所望のパターンを形成してよい。

図１によれば、ハイブリッドレイアップシステム１１０は、コントローラ１１２及びメモリ１１４を含む。コントローラ１１２は、ハイブリッドレイアップシステム１１０の動作を指示し、メモリ１１４は、ハイブリッドレイアップシステム１１０を動作させるための指示命令（例えば、数値制御（NC）プログラム）を記憶する。コントローラ１１２は、例えば、カスタム回路として、プログラムされた指示命令を実行するハードウェアプロセッサとして、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。

ハイブリッドレイアップシステム１１０は、スプール１１６とスプール１１８も含む。スプール１１６は、単方向トウ１２６（例えば、熱可塑性材料が予め含浸された単方向繊維のトウ）を保存する。スプール１１８は、編み組みトウ１２８（例えば、熱可塑性材料が予め含浸された編み組み繊維のトウ）を保存する。本明細書で説明されるそれぞれのトウは、数十又は数百フィートだけ延在する直線的な一体型テープを含む。エンドエフェクタ１３６が、単方向トウ１２６をレイアップし、エンドエフェクタ１３８が、編み組みトウ１２８をレイアップする。加熱器１４２及び１４４（例えば、輻射加熱器、レーザーなど）並びに冷却システム１４４及び１４８（例えば、ファン、冷たいマンドレルなど）が、図３に関連して以下で説明されるように、レイアッププロセスを促進する。本明細書で説明されるトウは、結合剤又は粘着付与剤を用いて固定された「ドライファイバ」、又は熱可塑性材料が予め含浸されたトウを含んでよい。

積層板１６０は、ハイブリッドレイアップシステム１１０によってマンドレル１５０の上にレイアップされ、単方向トウ層１６２と編み組みトウ層１６４の両方を含む。単方向トウ層１６２は、熱可塑性材料１６３（例えば、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））、及び単方向繊維１６５を含み、一方で、編み組みトウ層１６４は、熱可塑性材料１６３及び織り繊維１６７を含む。本明細書で使用される際に、編み組み／織り繊維は、パターンを形成するために互いに編み込まれた繊維である。これらのパターンは、開いた編み模様、閉じた編み模様、三軸編み模様（triaxial weave）などを含んでよい。一実施形態では、第１の組の層（すなわち、単方向トウ層１６２）内の繊維のサイズ（例えば、直径）が、第２の組の層（すなわち、編み組みトウ層１６４）内の繊維のサイズと等しい。

ハイブリッドレイアップシステム１１０の動作の例示的な詳細は、図２に関連して説明されることとなる。この実施形態については、ハイブリッドレイアップシステム１１０が、マンドレル１５０の上方に配置され、積層板のレイアップを実行するようになっていると想定する。

図２は、例示的な一実施形態における、ハイブリッドレイアップシステムを動作させるための方法２００を示すフローチャートである。方法２００のステップは、図１のハイブリッドレイアップシステム１１０を参照して説明されるが、方法２００はその他のシステムにおいても実施され得ることが、当業者には認識されよう。本明細書で説明されるフローチャートのステップは、網羅的なものではなく、図示していない他のステップを含んでよい。本明細書で説明されるステップは、代替的な順序でも実行されてよい。

ステップ２０２では、コントローラ１１２が、単方向繊維強化材料のトウを第１のスプールから取り出すために、エンドエフェクタ１３６を操作する。一実施形態では、これが、エンドエフェクタ１３６においてピンチローラ（図示せず）を介してトウを引き出すことを含む。供給速度は、分当たり数フィート又はそれより上などの任意の所望の速度であってよい。

ステップ２０４では、コントローラ１１２が、積層体１６０用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップする。一実施形態では、これが、メモリ１１４内に記憶されたNCプログラム内の指示命令に従って、エンドエフェクタ１３６を操作することを含む。これは、NCプログラムによって示された方向及び配向において、トウからセグメントを供給し切断することを含む。更なる実施形態では、トウが、個別に供給され切断される複数のレーンのそれぞれを占めてよい。

ステップ２０６では、コントローラ１１２が、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを第２のスプールから取り出すために、エンドエフェクタ１３８を操作する。一実施形態では、これが、エンドエフェクタ１３８においてピンチローラ（図示せず）を介してトウを引き出すことを含む。供給速度は、分当たり数フィート又はそれより上などの任意の所望の速度であってよい。一実施形態では、ステップ２０６が、ステップ２０２と同調して実行され、一方で、更なる実施形態では、ステップ２０６が、ステップ２０２とは無関係に実行される。

ステップ２０８では、コントローラ１１２が、積層体１６０用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップする。一実施形態では、これが、メモリ１１４内に記憶されたNCプログラム内の指示命令に従って、エンドエフェクタ１３８を操作することを含む。これは、NCプログラムによって示された方向及び配向において、トウからセグメントを供給し切断することを含む。更なる実施形態では、トウが、個別に供給され切断される複数のレーンのそれぞれを占めてよい。ある実施形態では、第２の組の層をレイアップすることが、積層板が別の積層板と誘導加熱溶接されることになる場所で実行される。

第２の組の層をレイアップすることは、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを操縦すること（steering：向きを変えることなど）を更に含んでよい。例えば、コントローラ１１２は、レイアップ中にエンドエフェクタ１３６及びエンドエフェクタ１３８を操作してよく、エンドエフェクタ１３８が第２の組の層をレイアップしている間、第２の組の層を操縦してよい。単方向トウを操縦することと比較して、編み組みトウを操縦することは有益である。というのも、編み組みトウ内の繊維は、互いに対してより容易に移動し、生地全体のシートよりも容易にシヤ（shear：せん断）の中に配置されるからである。

方法２００は、以前のシステム及び技法を超えた利点を提供する。というのも、方法２００は、編み組まれた層と単方向層の両方を有する複合材の作製を可能にするからである。更に、編み組み層は、（単一の連続的な予め製作されたシートからではなく）トウから形成されるので、トウは、任意の所望のサイズの編み組み層を形成するためにレイアップされてよい。方法２００は、以下で説明される誘導加熱溶接を促進することにおける実質的な利点も提供する。

図３Ａは、例示的な一実施形態における、（単方向繊維のトウから作製された）単方向トウ１２６で構成される積層板の上に編み組み繊維の編み組みトウ１２８をレイアップするエンドエフェクタ１３８の側面図である。図３Ａによれば、エンドエフェクタ１３８におけるレイアップのために１以上のレーンの中に配置された編み組みトウ１２８は、加熱器１４６によって加熱される。これにより、編み組みトウ１２８の温度が、仮留め温度（例えば、編み組みトウ１２８内の熱可塑性材料の溶融温度から華氏３０度以内の温度）まで高められる。更なる一実施形態では、積層板の複数の層をレイアップする間、加熱器が、複数の層を熱可塑性材料の溶融温度まで加熱する。圧密ローラ３００が、編み組みトウ１２８を積層板の上に押圧し、冷却システム１４８が、冷却流体（例えば、高体積流量の室温の空気、水など）を、圧密ローラ３００による圧密の後で編み組みトウ１２８の表面に付ける。

図３Ｂは、例示的な一実施形態における、単方向繊維のトウで構成される積層板の上に編み組み繊維のトウをレイアップするエンドエフェクタ１３８の上面図である。図３Ｂによれば、エンドエフェクタ１３８は、トウ３６０を配置する間、曲線３７０に沿って移動し、トウ３６０の「操縦（steering）」として知られるものを実行する。これにより、トウ３６０は、複雑な輪郭に合致し、下層内のトウ３５０とは異なることが可能になる。

図４〜図６は、例示的な一実施形態における、誘導加熱溶接が行われることになる場所に沿った編み組み繊維のトウを含む複数の積層板の側面図である。特に、図４は、例示的な一実施形態における、線Ｌに沿って誘導加熱溶接のために配置された積層板４１０と積層板４２０を示している。図４で示されているように、積層板４１０と積層板４２０の層４１４は、線Ｌに近接して配置されている。これらの層４１４は、編み組み繊維のトウを含む。繊維が、炭素繊維などの導電性材料から作製される実施形態では、磁場に曝されたときに、繊維同士の間の交差部分が誘導加熱を受ける。これにより、今度は、線Ｌに近接する積層板４１０及び４２０の温度が、複数の積層板内の熱可塑性材料の溶融温度より上の温度まで高められ、それは、誘導加熱溶接を促進する。したがって、誘導加熱溶接における利益は、複数の層４１２が単方向繊維のトウを含むとしても実現される。

図５は、図４の変形例を示している。積層板５１０と積層板５２０は、誘導加熱溶接が線Ｌに沿って形成されるように配置されている。図５で示されているように、編み組み繊維の層５１４は、線Ｌに配置されており、右と左に単方向繊維の複数の層５１２が隣接している。この配置は、誘導加熱溶接中に最も誘導加熱を受ける領域を局所化する。

図６では、肘継手６４０を形成する誘導加熱溶接を促進するために、編み組み繊維の層６３０が提供される。図６で示されているように、肘形状の積層板６１０は、線Ｌに沿って平坦な積層板６２０まで誘導加熱溶接される。層６３０は、線Ｌに沿って２つの積層板の間に配置されている。誘導加熱溶接中などに、磁場に曝されると、層６３０内の繊維同士の間の交差部分が、サセプタとして作用し、熱を生成する。この熱は、近隣の複数の積層板内の熱可塑性材料を溶かし、複数の積層板の間の熱可塑性材料を混合する。熱可塑性材料の固化に際して、複数の積層板は、単一の複合材部品に統合される。

図７は、例示的な一実施形態による、編み組み繊維のトウを生成するための製造システム７００のブロック図である。製造システム７００は、閉じた断面形状を有する織り／編み組みプリフォームを切断し、プリフォームを積層板の上への後のレイアップのためにスプール上に巻き付けることができる、任意のシステム又はデバイスを備える。

この実施形態では、製造システム７００が、コントローラ７２０を含む。コントローラ７２０は、数値制御（NC）プログラムに従って製造システム７００を動作させる。コントローラ７２０は、例えば、カスタム回路として、プログラムされた指示命令を実行するハードウェアプロセッサとして、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。

編み組み機７１０は、材料の単一方向のトウを三次元の編み組みに編み組む三次元編み組み機を含む。例えば、編み組み機７１０は、それぞれが単方向繊維を提供する複数のスプールであって、マンドレル７３０の周りに形成され且つ所望のパターンを有する編み模様７４０にそれらの繊維を編み組むために、予め規定されたパターンで互いに周回する複数のスプールを含んでよい。編み模様７４０の完了に際して、編み模様７４０は、マンドレル７３０の周りに巻き付けられ、周囲７８０を有し、（ページの中に進む方向へ）数十又は数百フィートだけ延在してよい。

編み組み後に、編み模様７４０は、（以下の図９に関連して説明されるように）切断され、マンドレル７３０から取り外される。このプロセスを容易にするために、ローラ７５０が、加熱器７５２によって加熱され、編み模様７４０の温度を編み模様７４０内の熱可塑性材料の仮留め温度まで高める。ローラは、仮留め位置Ｔにおいて編み模様７４０をマンドレル７３０の中へ押す力Ｆも印加する。ローラ７５０が、（例えば、ページの中に進む方向へ）進んだ後で、熱可塑性材料が冷え、熱可塑性材料をマンドレルに粘着させる。これにより、編み模様７４０が切断されるときに、編み模様７４０が滑ることが防止される。ナイフ７６０が、切断位置Ｃに沿って編み模様７４０を切断する。次いで、編み模様７４０は、マンドレル７３０から解放され、スプール７７０の周りに巻き付けられる。スプール７７０の周りに巻き付けられたときに、編み模様７４０の周囲は、真っ直ぐにされ、平坦に押圧される。

図８は、例示的な一実施形態における、編み組み繊維のトウを生成するために製造システムを動作させるための方法８００を示すフローチャートである。図８によれば、ステップ８０２は、マンドレルの周りに閉じた断面形状（例えば、円形状、楕円形状、正方形状）を形成する周囲を有する編み模様を形成するために、単方向材料の予め含浸された繊維を編み組むことを含む。一実施形態では、このステップが、NCプログラムに従って動作する工業用三次元編み組み機によって実行される。

ステップ８０４では、編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進むローラ７５０を用いて、予め含浸された繊維を加熱及び圧密することによって（例えば、表面層又は編み模様における全ての層を加熱及び圧密することによって）、編み模様７４０の周囲に沿った仮留め位置において、予め含浸された繊維が仮留めされる。仮留めプロセスは、編み模様７４０を仮留め位置に粘着させる。これは、編み模様７４０が固定され、編み模様７４０が切断されるときにマンドレル７３０に沿って滑るのに抵抗することを意味する。

ステップ８０６は、編み模様７４０に沿って進み且つローラ７５０の後ろに配置されているナイフ７６０を用いて、仮留め位置同士の間の切断位置において編み模様７４０を切断することを含む。これは、編み模様７４０を切断して開き、編み模様７４０が、平坦にされ、スプール上に巻き付けられ／スプール上から取られることを可能にする。

図９は、例示的な一実施形態における、材料のトウを形成するために編み組み繊維の編み模様７４０を切断する図７の製造システムの側面図である。図９で示されているように、ローラ７５０は、加熱器７５２によって加熱され、編み模様７４０をマンドレル７３０の上に圧密する。ローラ７５０が、進行方向に進む際に、ナイフ７６０が、後に続き、編み模様７４０を切断する。次いで、編み模様７４０は、マンドレル７３０から引き外される（例えば、前に、下になど。編み模様７４０をマンドレル７３０に固定している任意の仮留めを壊す）。編み模様７４０の周囲７８０は、平面的な形状へと平坦にされ、編み模様７４０は、スプール上に巻き付けられる。それによって、スプールの各ターンが、編み模様７４０の長さのより多くのものを必要とする（すなわち、長さ方向が、スプール上に巻き付けられる）。

図１０は、例示的な一実施形態における、切断されてマンドレルから取り外された編み模様１０００の斜視図である。この実施形態では、編み模様１０００が、側部１０１０及び側部１０１２、並びに切断縁部１０２０及び切断縁部１０２２を含む。編み模様１０００は、（例えば、押圧によって）平面的な形状に平坦化されたが、編み模様の側部を切断縁部から区別するために、幾つかの曲がりが図面内に残されている。

一実施形態では、編み模様の第１の切断縁部（例えば、切断縁部１０２０）をスプールと接触するように配置すること、編み模様の側部（例えば、側部１０１０と側部１０１２）を巻き上げるようにスプールを回転させること、及び編み模様の第２の切断縁部（例えば、切断縁部１０２２）をスプールに配置することによって完了することによって、編み模様１０００がスプール上に巻き付けられる。更なる一実施形態では、編み模様の第１の側部（例えば、側部１０１０）をスプールと接触するように配置すること、編み模様の切断縁部（例えば、切断縁部１０２０と切断縁部１０２２）を巻き上げるようにスプールを回転させること、及び編み模様の第２の側部（例えば、側部１０１２）をスプールに配置することによって完了することによって、編み模様１０００がスプール上に巻き付けられる。

実施例
以下の実施例では、更なる処理、システム、及び方法が、ハイブリッド複合材部品用の製造及びレイアップシステムの文脈で説明される。

図面をより具体的に参照すると、本開示の実施形態は、図１１に示す航空機の製造及び保守方法１１００、及び図１２に示す航空機１１０２に照らして記載され得る。製造前の段階では、方法１１００は、航空機１１０２の仕様及び設計１１０４と、材料の調達１１０６とを含むことができる。製造段階では、航空機１１０２の構成要素及びサブアセンブリの製造１１０８と、システムインテグレーション１１１０とが行われる。その後、航空機１１０２は、認可及び納品１１１２を経て、運航１１１４に供され得る。顧客によって運航されている期間中、航空機１１０２には、定期的な整備及び保守１１１６（改変、再構成、改修なども含み得る）が予定される。本明細書で具現化される装置及び方法は、方法１１００に記載されている製造及び保守の１以上の任意の適切な段階（例えば、仕様及び設計１１０４、材料の調達１１０６、構成要素及びサブアセンブリの製造１１０８、システムインテグレーション１１１０、認可及び納品１１１２、運航１１１４、整備及び保守１１１６）、並びに／又は航空機１１０２の任意の適切な構成要素（例えば、機体１１１８、システム１１２０、内装１１２２、推進システム１１２４、電気システム１１２６、液圧システム１１２８、環境システム１１３０）で採用され得る。

方法１１００の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば、顧客）によって実施又は実行され得る。本明細書の目的のために、システムインテグレータとは、限定しないが、任意の数の航空機製造者及び主要システムの下請業者を含んでもよく、第三者とは、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含んでもよく、オペレータとは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであってもよい。

図１２で示すように、方法１１００によって製造された航空機１１０２は、複数のシステム１１２０及び内装１１２２を備えた機体１１１８を含み得る。システム１１２０の例は、推進システム１１２４、電気システム１１２６、液圧システム１１２８、及び環境システム１１３０のうち１以上を含む。任意の数の他のシステムも含まれ得る。航空宇宙の例が示されているが、本発明の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用され得る。

上述のように、ここで具現化される装置及び方法は、製造及び保守方法１１００の１以上の任意の段階で採用され得る。例えば、構成要素及びサブアセンブリの製造１１０８に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機１１０２の運航中に製造される構成要素又はサブアセンブリと同様の方法で製作又は製造され得る。また、１以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせは、例えば、航空機１１０２の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機１１０２のコストを削減することにより、サブアセンブリの製造１１０８及びシステムインテグレーション１１１０の段階で利用することができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせのうちの１以上を、航空機１１０２の運航中に、例えば限定しないが、保守及び整備１１１６に利用することができる。例えば、本明細書に記載の技法及びシステムは、材料の調達１１０６、構成要素及びサブアセンブリの製造１１０８、システムインテグレーション１１１０、運航１１１４、及び／若しくは整備及び保守１１１６に、並びに／又は、機体１１１８及び／若しくは内装１１２２に使用され得る。これらの技法及びシステムは、例えば、推進システム１１２４、電気システム１１２６、油圧システム１１２８、及び／又は環境システム１１３０を含むシステム１１２０にも、利用され得る。

一実施形態では、部品は、機体１１１８の一部を備え、構成要素及びサブアセンブリの製造１１０８中に製造される。この部品は、次に、システムインテグレーション１１１０において航空機に組み込まれ、その後、摩耗により部品が使用不能となるまで運航１１１４において利用され得る。その後、整備及び保守１１１６において、部品は廃棄され、新たに製造された部品と交換され得る。本発明の構成要素及び方法は、新しい部品を製造するため、構成要素及びサブアセンブリの製造１１０８の期間中にわたって利用され得る。

図に示されているか、又は本明細書に記載されている、様々な制御要素（例えば、電気的構成要素又は電子部品）のうちの任意のものが、ハードウェア、プロセッサ実装型ソフトウェア、プロセッサ実装型ファームウェア、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。例えば、あるエレメントは専用ハードウェアとして実装され得る。専用ハードウェア要素は、「プロセッサ（processors）」、「コントローラ（controllers）」と称され得るか、又は何らかの類似の用語で呼ばれ得る。機能は、プロセッサによって提供される場合、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又は、複数の個別のプロセッサであって、そのうちの幾つかが共有となり得る複数の個別のプロセッサによって提供され得る。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行することができるハードウェアのみを表わすと解釈されるべきでなく、限定するものではないが、デジタル信号プロセッサ（DSP：digital signal processor）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ASIC：application specific integrated circuit）又はその他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA：field programmable gate array）、ソフトウェア格納用の読み出し専用メモリ（ROM：read only memory）、ランダムアクセスメモリ（RAM：random access memory）、不揮発性記憶装置、ロジック部、又は、何らかの他の物理ハードウェアコンポーネント若しくはモジュールが黙示的に含まれてもよい。

また、制御要素は、プロセッサ又はコンピュータによって実行可能な命令として実装されて、その要素の機能を実行することができる。指示命令の幾つかの例は、ソフトウェア、プログラムコード、及びファームウェアである。指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、その要素の機能を実施するようプロセッサに指示するように動作可能である。指示命令は、プロセッサによって可読な記憶装置に格納され得る。記憶装置の幾つかの例は、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスク及び磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、又は光学的に可読なデジタルデータ記憶媒体である。

更に、本開示は以下の条項による実施例を含む。
条項１．
積層板を製造するための方法であって、前記積層板用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップすること、及び前記積層板用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップすることを含む、方法。
条項２．
前記積層板用の前記第２の組の層の前記レイアップ中に、前記第２の組の層を操縦することを更に含む、条項１に記載の方法。
条項３．
前記第１の組の層内の繊維のサイズが、前記第２の組の層内の繊維のサイズと等しい、条項１又は２に記載の方法。
条項４．
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウが、スプールから取り出される、条項１から３のいずれか一項に記載の方法。
条項５．
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウのそれぞれの中の繊維が、開いた編み模様を形成する、条項１から４のいずれか一項に記載の方法。
条項６．
前記第２の組の層をレイアップすることが、前記積層板が別の積層板と誘導加熱溶接されることになる場所で実行される、条項１から５のいずれか一項に記載の方法。
条項７．
前記第１の組の層及び前記第２の組の層をレイアップする間、前記第１の組の層及び前記第２の組の層を、前記熱可塑性材料の溶融温度まで加熱することを更に含む、条項１から６のいずれか一項に記載の方法。
条項８．
前記第１の組の層をレイアップする間、前記単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを第１のスプールから供給することを更に含む、条項１から７のいずれか一項に記載の方法。
条項９．
前記第２の組の層をレイアップする間、前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを第２のスプールから供給することを更に含む、条項１から８のいずれか一項に記載の方法。
条項１０．
条項１から９のいずれか一項に記載の方法に従って組み立てられた航空機の一部分。
条項１１．
プログラムされた指示命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、積層板を製造するための方法を実行するように動作可能であり、前記方法が、前記積層板用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップすること、及び前記積層板用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップすることを含む、媒体。
条項１２．
前記方法が、前記積層板用の前記第２の組の層の前記レイアップ中に、前記第２の組の層を操縦することを更に含む、条項１１に記載の媒体。
条項１３．
前記第１の組の層内の繊維のサイズが、前記第２の組の層内の繊維のサイズと等しい、条項１１又は１２に記載の媒体。
条項１４．
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウが、スプールから取り出される、条項１１から１３のいずれか一項に記載の媒体。
条項１５．
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウのそれぞれの中の繊維が、開いた編み模様を形成する、条項１１から１４のいずれか一項に記載の媒体。
条項１６．
前記第２の組の層をレイアップすることが、前記積層板が別の積層板と誘導加熱溶接されることになる場所で実行される、条項１１から１５のいずれか一項に記載の媒体。
条項１７．
前記方法が、前記第１の組の層及び前記第２の組の層をレイアップする間、前記第１の組の層及び前記第２の組の層を、前記熱可塑性材料の溶融温度まで加熱することを更に含む、条項１１から１６のいずれか一項に記載の媒体。
条項１８．
前記第１の組の層をレイアップする間、前記単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを第１のスプールから供給することを更に含む、条項１１から１７のいずれか一項に記載の媒体。
条項１９．
前記第２の組の層をレイアップする間、前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを第２のスプールから供給することを更に含む、条項１１から１８のいずれか一項に記載の媒体。
条項２０．
条項１１から１９のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体に記憶された前記指示命令によって規定される前記方法に従って組み立てられた航空機の一部分。
条項２１．
積層板を製造するための装置であって、単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを保存する第１のスプール、前記積層板用の第１の組の層をレイアップする第１のエンドエフェクタであって、前記第１の組の層が、前記第１のスプール上に保存された前記単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む、第１のエンドエフェクタ、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを保存する第２のスプール、及び、前記積層板用の第２の組の層をレイアップする第２のエンドエフェクタであって、前記第２の組の層が、第２のスプール上に保存された前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む、第２のエンドエフェクタを備える、装置。
条項２２．
レイアップ中に前記第１のエンドエフェクタ及び前記第２のエンドエフェクタを操作するコントローラであって、前記第２のエンドエフェクタが前記第２の組の層をレイアップしている間、前記第２の組の層を操縦するコントローラを更に備える、条項２１に記載の装置。
条項２３．
前記第１の組の層内の繊維のサイズが、前記第２の組の層内の繊維のサイズと等しい、条項２１又は２２に記載の装置。
条項２４．
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウのそれぞれの中の繊維が、開いた編み模様を形成する、条項２１から２３のいずれか一項に記載の装置。
条項２５．
コントローラであって、前記第２のエンドエフェクタが、前記積層板が別の積層板と誘導加熱溶接されることになる場所で、前記第２の組の層をレイアップするように指示するコントローラを更に備える、条項２１から２４のいずれか一項に記載の装置。
条項２６．
加熱器（１４２）であって、前記第１の組の層及び前記第２の組の層のレイアップ中、前記第１の組の層及び前記第２の組の層を、前記熱可塑性材料の溶融温度まで加熱する加熱器（１４２）を更に備える、条項２１から２５のいずれか一項に記載の装置。
条項２７．
条項２１から２６のいずれか一項に記載の装置を使用して航空機の一部分を製造すること。
条項２８．
プログラムされた指示命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、積層板を製造するための条項１から９のいずれか一項に記載の方法を実行するように動作可能である、媒体。

条項Ａ１．
編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを製造するための方法であって、マンドレルの周りに閉じた断面形状を形成する周囲を有する編み模様を形成するために、予め含浸された単方向材料の繊維を編み組むこと、前記周囲に沿った仮留め位置において前記予め含浸された繊維を仮留めすること、及び、前記仮留め位置同士の間の切断位置において前記編み模様を切断することであって、前記編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進み且つローラの後ろに配置されているナイフを用いて、前記編み模様を切断することを含む、方法。
条項Ａ２．
前記編み組むことが、前記予め含浸された繊維を三次元で編み組むことを含む、条項Ａ１に記載の方法。
条項Ａ３．
前記閉じた断面形状が円形状である、条項Ａ１又はＡ２に記載の方法。
条項Ａ４．
前記予め含浸された繊維を加熱することが、前記予め含浸された繊維の温度を前記熱可塑性材料の溶融温度まで高めることを含む、条項Ａ１からＡ３のいずれか一項に記載の方法。
条項Ａ５．
前記編み模様を前記マンドレルから取り外すこと、前記編み模様を２つの切断縁部及び２つの側部を有する平面的な形状に平坦化すること、並びに、前記編み模様の第１の切断縁部をスプールと接触するように配置すること、前記編み模様の前記側部を巻き上げるように前記スプールを回転させること、及び前記編み模様の第２の切断縁部を前記スプールに配置することによって完了することによって、前記編み模様を前記スプール上に巻き付けることを更に含む、条項Ａ１からＡ４のいずれか一項に記載の方法。
条項Ａ６．
前記編み模様を前記マンドレルから取り外すこと、前記編み模様を２つの切断縁部及び２つの側部を有する平面的な形状に平坦化すること、並びに、前記編み模様の第１の側部をスプールと接触するように配置すること、前記編み模様の前記切断縁部を巻き上げるように前記スプールを回転させること、及び前記編み模様の第２の側部を前記スプールに配置することによって完了することによって、前記編み模様を前記スプール上に巻き付けることを更に含む、条項Ａ１からＡ５のいずれか一項に記載の方法。
条項Ａ７．
前記編み模様が開いた編み模様を含む、条項Ａ１からＡ６のいずれか一項に記載の方法。
条項Ａ８．
仮留めすることが、前記編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進むローラを用いて、前記予め含浸された繊維を加熱及び圧密することによって実行される、条項Ａ１からＡ７のいずれか一項に記載の方法。
条項Ａ９．
前記編み模様が円筒形状の編み組み構造を含む、条項Ａ１からＡ８のいずれか一項に記載の方法。
条項Ａ１０．
条項Ａ１からＡ９のいずれか一項に記載の方法に従って組み立てられた航空機の一部分。
条項Ａ１１．
プログラムされた指示命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを製造するための方法を実行するように動作可能であり、前記方法が、マンドレルの周りに閉じた断面形状を形成する周囲を有する編み模様を形成するために、予め含浸された単方向材料の繊維を編み組むこと、前記周囲に沿った仮留め位置において前記予め含浸された繊維を仮留めすること、及び、前記仮留め位置同士の間の切断位置において前記編み模様を切断することであって、前記編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進み且つローラの後ろに配置されているナイフを用いて、前記編み模様を切断することを含む、媒体。
条項Ａ１２．
前記編み組むことが、前記予め含浸された繊維を三次元で編み組むことを含む、条項Ａ１１に記載の媒体。
条項Ａ１３．
前記閉じた断面形状が円形状である、条項Ａ１１又はＡ１２に記載の媒体。
条項Ａ１４．
前記予め含浸された繊維を加熱することが、前記予め含浸された繊維の温度を前記熱可塑性材料の溶融温度まで高めることを含む、条項Ａ１１からＡ１３のいずれか一項に記載の媒体。
条項Ａ１５．
前記方法が、前記編み模様を前記マンドレルから取り外すこと、前記編み模様を２つの切断縁部及び２つの側部を有する平面的な形状に平坦化すること、並びに、前記編み模様の第１の切断縁部をスプールと接触するように配置すること、前記編み模様の前記側部を巻き上げるように前記スプールを回転させること、及び前記編み模様の第２の切断縁部を前記スプールに配置することによって完了することによって、前記編み模様をスプール上に巻き付けることを更に含む、条項Ａ１１からＡ１４のいずれか一項に記載の媒体。
条項Ａ１６．
前記方法が、前記編み模様を前記マンドレルから取り外すこと、前記編み模様を２つの切断縁部及び２つの側部を有する平面的な形状に平坦化すること、並びに、前記編み模様の第１の側部をスプールと接触するように配置すること、前記編み模様の前記切断縁部を巻き上げるように前記スプールを回転させること、及び前記編み模様の第２の側部を前記スプールに配置することによって完了することによって、前記編み模様を前記スプール上に巻き付けることを更に含む、条項Ａ１１からＡ１５のいずれか一項に記載の媒体。
条項Ａ１７．
前記編み模様が開いた編み模様を含む、条項Ａ１１からＡ１６いずれか一項に記載の媒体。
条項Ａ１８．
仮留めすることが、前記編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進むローラを用いて、前記予め含浸された繊維を加熱及び圧密することによって実行される、条項Ａ１１からＡ１７のいずれか一項に記載の媒体。
条項Ａ１９．
前記編み模様が円筒形状の編み組み構造を含む、条項Ａ１１からＡ１８のいずれか一項に記載の媒体。
条項Ａ２０．
条項Ａ１１からＡ１９のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体に記憶された前記指示命令によって規定される前記方法に従って組み立てられた航空機の一部分。
条項Ａ２１．
編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを製造するための装置であって、ローラであって、円筒形状マンドレルにおいてレイアップされた単方向材料の編み組まれた予め含浸された繊維の編み模様の周囲に沿った仮留め位置に熱及び圧力を印加し、前記編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進むローラ、及び、前記仮留め位置同士の間の切断位置において編み模様を切断し、前記編み模様の長さに沿ったプロセス方向に進み、前記ローラの後ろに配置されているナイフを備える、装置。
条項Ａ２２．
前記ローラを前記編み模様内の熱可塑性材料の溶融温度まで加熱する加熱器を更に備える、条項Ａ２１に記載の装置。
条項Ａ２３．
前記編み模様が切断された後で、前記編み模様を巻き上げるスプールを更に備える、条項Ａ２１又はＡ２２に記載の装置。
条項Ａ２４．
前記編み模様が、前記予め含浸された繊維の三次元編み組みを含む、条項Ａ２１からＡ２３のいずれか一項に記載の装置。
条項Ａ２５．
前記円筒形状マンドレルを更に備え、前記編み模様の前記外周が、前記マンドレルの周りの閉じた断面形状を形成する、条項Ａ２１からＡ２４のいずれか一項に記載の装置。
条項Ａ２６．
前記閉じた断面形状が円形状である、条項Ａ２５に記載の装置。
条項Ａ２７．
前記編み模様が開いた編み模様を含む、条項Ａ２１からＡ２６いずれか一項に記載の装置。
条項Ａ２８．
前記編み模様が円筒形状の編み組み構造を含む、条項Ａ２１からＡ２７のいずれか一項に記載の装置。
条項Ａ２９．
条項Ａ２１からＡ２８のいずれか一項に記載の装置を使用して航空機の一部分を製造すること。
条項Ａ３０．
プログラムされた指示命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記指示命令は、プロセッサによって実行されたときに、積層板を製造するための条項Ａ１からＡ９のいずれか一項に記載の方法を実行するように動作可能である、媒体。

特定の実施形態が本明細書に記載されているが、本開示の範囲は、これらの特定の実施形態に限定されない。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲及びそのいずれの均等物により定められる。

Claims

積層板を製造するための方法であって、
前記積層板用の単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第１の組の層をレイアップすること（２０４）、及び
前記積層板用の編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む第２の組の層をレイアップすること（２０８）を含む、方法。
前記積層板用の前記第２の組の層の前記レイアップ中に、前記第２の組の層を操縦することを更に含む、請求項１に記載の方法。
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウが、スプールから取り出される、請求項１又は２に記載の方法。
前記第２の組の層をレイアップすることが、前記積層板が別の積層板と誘導加熱溶接されることになる場所で実行される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の組の層及び前記第２の組の層をレイアップする間、前記第１の組の層及び前記第２の組の層を、熱可塑性材料の溶融温度まで加熱することを更に含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
前記第１の組の層をレイアップする間、前記単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを第１のスプールから供給することを更に含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
前記第２の組の層をレイアップする間、前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを第２のスプールから供給することを更に含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
積層板（１６０）を製造するための装置であって、
単方向熱可塑性繊維強化材料のトウ（１２６）を保存する第１のスプール（１１６）、
前記積層板用の第１の組の層（１６２）をレイアップする第１のエンドエフェクタ（１３６）であって、前記第１の組の層が、前記第１のスプール上に保存された前記単方向熱可塑性繊維強化材料のトウを含む、第１のエンドエフェクタ（１３６）、
編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウ（１２８）を保存する第２のスプール（１１８）、及び
前記積層板用の第２の組の層（１６４）をレイアップする第２のエンドエフェクタ（１３８）であって、前記第２の組の層が、前記第２のスプール上に保存された前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウを含む、第２のエンドエフェクタ（１３８）を備える、装置。
レイアップ中に前記第１のエンドエフェクタ及び前記第２のエンドエフェクタを操作するコントローラであって、前記第２のエンドエフェクタが前記第２の組の層をレイアップしている間、前記第２の組の層を操縦するコントローラを更に備える、請求項８に記載の装置。
前記第１の組の層内の繊維（１６５）のサイズが、前記第２の組の層内の繊維（１６７）のサイズと等しい、請求項８又は９に記載の装置。
前記編み組み熱可塑性繊維強化材料のトウのそれぞれの中の繊維が、開いた編み模様を形成する、請求項８から１０のいずれか一項に記載の装置。
コントローラ（１１２）であって、前記第２のエンドエフェクタが、前記積層板が別の積層板と誘導加熱溶接されることになる場所で、前記第２の組の層をレイアップするように指示するコントローラ（１１２）を更に備える、請求項８から１１のいずれか一項に記載の装置。
前記第１の組の層及び前記第２の組の層のレイアップ中に、前記第１の組の層及び前記第２の組の層を、熱可塑性材料の溶融温度まで加熱する加熱器（１４２）を更に備える、請求項８から１２のいずれか一項に記載の装置。