JP2021529684A - 複合部品を製造するための方法およびツールセット - Google Patents

Abstract

複合部品を製造する方法の開示である。部品用のプリフォーム１４０はプリフォームの第１の面がツールのレイアッププロファイル１３６に一致するようにレイアップツール１３０上にレイアップされる。プリフォーム１４０は各々部品の各側に対応するニアネットシェイププロファイルを有している、対向する第１および第２の成形面１６４、１６８を備える成形ツール１６０に移送される。プリフォーム１４０は成形ツールで部品のニアネットシェイプに成形される。プリフォーム１４０は成形前に部品のニアネットシェイプを超えるプリフォームバルクを有しており、レイアッププロファイルは第１の成形面１６４のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてプリフォームバルクの一部を収容する。したがって、プリフォームの第１の面および対向する第２の面１４２は成形中変位して成形面１６４、１６８の各ニアネットシェイププロファイルに一致する。【選択図】図４

Description

本開示は、複合部品を製造するための方法およびツールセットに関する。

炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）などの複合材料は、高強度かつ低重量といった望ましい材料特性の組み合わせを提供しうるため、部品への使用目的で選択される機会が多くなっている。特に、航空宇宙産業で使用される部品を複合材料から製造することが提案されている。

従来、複合材料は、繊維補強材の連続層をレイアップツール（またはモールド）に当てて、部品の目的の形状に対応するプリフォームを形成するというレイアップ手順によって製造されている。繊維補強材は、樹脂などのマトリックス材によって事前に含浸されうる（「プリプレグ」、または予め含浸された繊維補強材料として知られている）か、そうでなければそれはレイアップ後にマトリックス材が提供されてもよい（「樹脂注入」として知られている）。

部品のネットシェイプよりも大きい体積を占めるようにプリフォームをレイアップすることが一般的に必要であるが、これはプリフォームが成形および／または硬化中に圧力下で除去されるプリフォームバルク（すなわち、その固化および硬化された形状を超える体積）を取り込むものであるからである。例えば、プリフォームバルクは部品のネットシェイプの（すなわち、部品の最終形状の）１０％ほどであろう。

プリフォームバルクはレイアップツール上で受け入れられた第１の面から対向する第２の面までプリフォームの積層方向に沿って積み重なる。プリフォームバルクは典型的には真空バッグや当て板を第２の面上に付けることによって圧力下で取り出される。第２の面に向いた層は、デバルクの間最も遠くに変位される傾向がある。デバルクの間の変位によって、しわなどの欠陥を生じうる。

一態様によると複合部品を製造する方法であって、レイアップツール上の複合部品用のプリフォームをプリフォームの第１の面がレイアップツールのレイアッププロファイルに一致するようにレイアップすること、部品の各側に対応するニアネットシェイププロファイルを各々有し、対向する第１および第２の成形面を備える成形ツールにプリフォームを移送すること、および部品のニアネットシェイプに対する成形ツールでプリフォームを成形することを備え、プリフォームは成形前に部品のニアネットシェイプを超えるプリフォームバルクを有しており、レイアップツールのレイアッププロファイルは成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてプリフォームバルクの一部を収容しており、プリフォームの第１の面および対向する第２の面の双方は成形の間変位して成形ツールの成形面の各ニアネットシェイププロファイルに一致する、方法が提供される。

換言すると、レイアッププロファイルはプリフォームの反対側の部品用のニアネットシェイプを超過するプリフォームバルクを許容するよう、第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてもよい。

ここでは用語「ニアネットシェイプ」は、部品を仕上げるためにニアネットシェイプを成形した後に最小の仕上げ（例えば機械加工）が必要とされるような、部品の最終形状（すなわちネットシェイプ）に近い形状を示すために用いられる技術用語である。

レイアップツールのレイアッププロファイルは、第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてプリフォームバルクの約半分を収容してもよい。

レイアップツールのレイアッププロファイルは、成形ツールの第２の成形面のニアネットシェイププロファイルを導入するためプリフォームの第１の面に第１の面変位分布による変位、および成形ツールの第２の成形面のニアネットシェイププロファイルを導入するためプリフォームの第２の面に第２の面変位分布による変位、を生じさせるために成形ツールのプリフォームの成形が成形ツールの第１形成面のニアネットシェイププロファイルからオフセットされていてもよい。第１および第２の面変位分布は等しくかつ互いに向かい合っていてもよい。

部品のニアネットシェイプは、部品の間で可変の厚み分布を有しており、レイアップツールのレイアッププロファイルは、可変の厚みに比して成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされていてもよい。

換言すると、レイアップツールのレイアッププロファイルと成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルとの間にオフセット分布が存在してもよく、オフセット分布は部品の厚み分布に比例してもよい。

レイアップツールのレイアッププロファイルは、少なくともレイアップツールの部分領域上で成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてもよい。レイアッププロファイルのさらなる部分領域は、第１の成形面の各領域からオフセットされなくてもよく、例えば、同じプロファイルを有していてもよい。例えば、ファンブレード本体の根元に対応するレイアッププロファイルの根元部分領域は、第１の成形面のニアネットシェイププロファイルからオフセットされてもよい一方、ファンブレード本体のエアロフォイルコアに対応するレイアッププロファイルのエアロフォイルコア部分領域は、第１の成形面の対応する部分領域と同じプロファイルを有していてもよい。

部品は、エアロフォイル構造用のブレード本体であってもよい。レイアッププロファイルは、少なくともブレード本体のブレード根元に対応してもよい。

成形ツールでの成形前に、プリフォームのブレード根元部分は、プリフォームの第１および第２の面の間に対称平面を有していてもよい。したがって、対称なニアネットシェイプを有しているブレードを提供するため、成形中の第１および第２面変位分布は対称であってもよい。

第２の態様によると、複合部品を成形するためのツールセットであって、レイアッププロファイルを有しており、かつ部品用のプリフォームの第１の面上にレイアッププロファイルを与えるよう構成されたレイアップツールと、プリフォームを部品のニアネットシェイプに成形するよう構成された成形ツールであって、成形ツールは対向する第１および第２の面を備え、各々部品の各側に対応するニアネットシェイププロファイルを有しており、レイアップツールのレイアッププロファイルは成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされており、部品のニアネットシェイプを超えるプリフォームバルクの一部を収容し、使用中レイアップツール上にレイアップされたプリフォームの第１の面が成形の間変位されて、成形ツールの第１の面のニアネットシェイププロファイルに一致するツールセットが提供される。

レイアップツールのレイアッププロファイルは、成形ツールの各成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてプリフォームバルクの一部を収容しており、プリフォームバルクは成形ツールによって規定されたニアネットシェイプの局所的厚みの４％と１２％との間に対応してもよい。

レイアップツールのレイアッププロファイルは、成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされて、ニアネットシェイプ（成形ツールによって規定されるように）の局所的厚みの４％と１２％との間に対応するプリフォームバルクの約半分−すなわちニアネットシェイプの局所的厚みの２％と６％との間を収容してもよい。

部品のニアネットシェイプは可変の厚み分布を有していてもよい。レイアップツールのレイアッププロファイルは、部品のニアネットシェイプの可変の厚み分布に比例する可変のオフセット分布を有していてもよい。

ツールセットはブレード根元を含むファンブレード本体を製造するためのものであってもよく、レイアップツールのレイアッププロファイルは少なくともブレード根元に対応する。

第３の態様によると、第１の態様による方法によって製造された複合ブレード本体（例えばファンブレード本体またはガスタービンエンジン用の他のブレード用のブレード本体など）が提供される。

第４の態様によると、第３の態様による複合ブレード本体を備える１または複数のブレードを備えるガスタービンエンジンが提供される。本願の他の箇所で記載されるように、本開示はガスタービンエンジンに関連してもよい。かかるガスタービンエンジンはタービン、燃焼設備、コンプレッサ、およびタービンをコンプレッサに接続するコアシャフトを備えていてもよい。かかるガスタービンエンジンはエンジンコアの上流に配置された（ファンブレードを有する）ファンを備えていてもよい。

本開示の配置は、ギアボックスを経由して駆動されるファンにとって有用であろうが、これに限定されるものではない。したがって、ガスタービンエンジンは、コアシャフトよりも低い回転速度でファンを駆動するようにコアシャフトからの入力を受け取りかつファンに動力を出力するギアボックスを備えていてもよい。ギアボックスへの入力は、コアシャフトから直接的、または、例えばスプールシャフトおよび／またはギアを経由してコアシャフトから間接的であってもよい。コアシャフトは、タービンおよびコンプレッサが（低速度で回転するファンと）同じ速度で回転するように、タービンおよびコンプレッサを固く接続してもよい。

説明されたおよび／または請求項に記載されたガスタービンエンジンは適切な一般的構造を有していてもよい。例えば、ガスタービンエンジンは、タービンおよびコンプレッサを接続する任意に必要な数のシャフト、例えば１、２または３つのシャフトを有していてもよい。単なる例として、コアシャフトに接続されたタービンは、第１のタービンであってもよく、コアシャフトに接続されたコンプレッサは、第１のコンプレッサであってもよく、かつコアシャフトは第１のコアシャフトであってもよい。エンジンコアは、さらに第２のタービン、第２のコンプレッサ、および第２のタービンを第２のコンプレッサに接続する第２のコアシャフトを備えていてもよい。第２のタービン、第２のコンプレッサ、および第２のコアシャフトは第１のコアシャフトよりも速い回転速度で回転するよう配置されていてもよい。

かかる配置において、第２のコンプレッサは第１のコンプレッサの軸方向下流に配置されてもよい。第２のコンプレッサは第１のコンプレッサからの流れを受け入れる（例えば直接受け入れる、一般的な環状管を介して）よう配置されていてもよい。

ギアボックスは（例えば使用中に）最も低い回転速度で回転するよう構成されたコアシャフト（例えば上記例の第１のコアシャフト）によって駆動されるよう配置されてもよい。例えば、ギアボックスは（例えば使用中に）最低の回転速度で回転するよう構成されたコアシャフトによってのみ駆動されるよう構成されてもよい（例えば第１のコアシャフトのみで、第２のコアシャフトではない）。あるいは、ギアボックスは１以上の任意のシャフトによって駆動されるように配置されていてもよい。説明されたおよび／または請求項に記載の任意のガスタービンエンジンにおいて、燃焼設備がファンおよび（複数の）コンプレッサの軸方向下流に提供されてもよい。例えば、燃焼設備は、第２のコンプレッサの直接下流（例えばその出口）にあってもよく、ここで第２のコンプレッサが提供される。さらなる例として、燃焼設備の出口の流れが第２のタービンの注入口に提供されてもよく、ここで第２のタービンが提供される。燃焼設備はタービンの上流に提供されてもよい。

このコンプレッサまたは各コンプレッサ（例えば上述した第１のコンプレッサおよび第２のコンプレッサ）は任意の数の段、例えば複数段を備えていてもよい。各段は回転ブレードの列および静翼の列を備えていてもよく、これらは（入射角が可変であってもよい点で）可変な静翼であってもよい。回転ブレードの列および静翼の列は互いに軸方向にオフセットされていてもよい。

本願で説明されたおよび／または請求項に記載されたファンブレードおよび／またはファンブレードのエアロフォイル部分は任意の適切な材料または材料の組み合わせから製造されてもよい。例えばファンブレードおよび／またはエアロフォイルの少なくとも一部は複合材料、例えば金属マトリックス複合材料および／またはカーボン繊維などの有機マトリックス複合材料から製造されてもよい。さらなる例として、ファンブレードおよび／またはエアロフォイルの少なくとも一部は、チタンベース金属またはアルミニウムベース金属（アルミニウム−リチウム合金など）といった金属から製造されてもよい。ファンブレードは異なる金属を用いて製造された少なくとも２つの領域を備えていてもよい。例えば、ファンブレードは保護前縁を有していてもよく、これはブレードの残りよりも衝撃（例えば鳥、氷または他の材料）によりよく耐えることのできる材料を用いて製造されてもよい。かかる前縁は、例えばチタンまたはチタンベース合金を用いて製造されてもよい。したがって、単なる例として、ファンブレードはチタン前縁付きのカーボン繊維またはアルミニウムベース（例えばアルミニウムリチウム合金など）の本体を有していてもよい。

本願で説明されたおよび／または請求項に記載されたファンは、ファンブレードがそこから例えば半径方向に延在しうる中心部を備えていてもよい。ファンブレードは任意の望ましい方法で中心部に取り付けられてもよい。例えば、各ファンブレードはハブ（またはディスク）の対応するスロットに係合する治具を備えていてもよい。単なる例として、かかる治具はハブ／ディスクにファンブレードを固定するためハブ／ディスクの対応するスロットに入り込むおよび／または係合しうる蟻継ぎの形であってもよい。

当業者は互いに排他的である場合を除き、上記の態様のいずれか１つに関して説明された特徴またはパラメータが任意の他の態様に適用されうることを理解するであろう。さらに、互いに排他的である場合を除き、本願で説明されたいかなる特徴またはパラメータも本願で説明されたいかなる態様および／またはいかなる他の特徴またはパラメータに適用および／または組み合わされうる。

本発明は添付の図面を参照して、例として、ここから説明される。

図１はガスタービンエンジンの側断面図である。 図２は先行技術に基づくツール上のファンブレード本体用プリフォームのレイアップおよびデバルクを模式的に示す。 図３は先行技術に基づくツール上のファンブレード本体用プリフォームのレイアップおよびデバルクを模式的に示す。 図４はレイアップツール上のファンブレード本体用プリフォームのレイアップを模式的に示す。 図５は図４のレイアップツールおよび成形ツールを含むツールセットを模式的に示す。 図６は成形ツール上の図４のプリフォームの成形を示す。 図７は成形ツール上の図４のプリフォームの成形を示す。 図８はファンブレードを製造する方法のフローダイアグラムである。

図１は主回転軸９を有するガスタービンエンジン１０を示す。エンジン１０は、吸気口１２と、コア気流Ａとバイパス気流Ｂの２つの気流を発生させる推進ファン２３と、を備える。ガスタービンエンジン１０は、コア気流Ａを受け入れるコア１１を備える。エンジンコア１１は、軸方向の流れ順に、低圧コンプレッサ１４、高圧コンプレッサ１５、燃焼装置１６、高圧タービン１７、低圧タービン１９、およびコア排気ノズル２０を備える。ナセル２１は、ガスタービンエンジン１０を囲みかつバイパスダクト２２およびバイパス排気ノズル１８を規定する。バイパス気流Ｂは、バイパスダクト２２を介して流れる。ファン２３は、低圧タービン１９に取り付けられかつシャフト２６および遊星ギアボックス３０を経由して低圧タービン１９により駆動される。

使用中、コア気流Ａは低圧コンプレッサ１４によって加速および圧縮されかつ高圧コンプレッサ１５へ向けられて、さらなる圧縮が行われる。高圧コンプレッサ１５から排気された圧縮空気は、燃焼装置１６へ向けられて、燃料と混合され、かつこの混合気が燃焼される。その結果生じた高温の燃焼生成物は、その後ノズル２０を介して排気される前に膨張し、それにより高圧および低圧タービン１７、１９を駆動して何らかの推進力を提供する。高圧タービン１７は、適切な相互接続シャフト２７によって高圧コンプレッサ１５を駆動する。ファン２３は、一般的に推進力の大部分を提供する。遊星ギアボックス３０は、減速ギアボックスである。

本開示が適用されうる他のガスタービンエンジンは別の構成を有していてもよい。たとえば、かかるエンジンは別の個数のコンプレッサおよび／またはタービンおよび／または別の個数の相互接続シャフトを有していてもよい。さらなる例として、図１に示すガスタービンエンジンは分割流ノズル２０を有し、ダクト２２はバイパスダクト２２を介した流れがコアエンジンノズル２０とは別個でその半径方向外側にある自身のノズルを有することを意味する。ただし、これは限定的ではなく、本開示のいかなる態様もバイパスダクト２２を介した流れと、コア１１を介した流れとが、混合流ノズルと呼ばれることがある単一のノズルの手前で（またはその上流で）混合される、または組み合わされるエンジンに同様に適用されうる。１または両方のノズル（混合または分割流）は、固定または可変の領域を有してもよい。説明された例は、ターボファンエンジンに関するが、本開示は、例えば、（ファン段がナセルによって囲まれていない）オープンロータまたはターボプロップエンジンなどあらゆる種類のガスタービンエンジンに適用しうる。いくつかの配置において、ガスタービンエンジン１０はギアボックス３０を備えていなくてもよい。

ガスタービンエンジン１０、およびその部品の配置は、従来の座標軸系によって規定されており、（回転軸９と揃う）軸方向、半径方向（図１の下から上方向）、および円周方向（図１の視界においてページに対して垂直）を備える。軸、半径および円周方向は相互に垂直である。

図２は、ガスタービン用ファンブレードに対応するプリフォーム４０の先に考慮された例のレイアップツール３０の部分断面図を示す。ツール３０は、ハブに挿入するための半径方向内側の根元と、タービンの環内で回転し空気を加速するための半径方向外側のエアロフォイルコアと、を備える複合ファンブレード本体のためのものである。複合ファンブレード本体には、エアロフォイルコアに結合されうる保護用前縁や先端の金属加工など、ファンブレードの製造を完了させるための付加的部品が提供されてもよい。本願において、半径方向に対する言及はファンブレードがファンに取り付けられたときに沿って延びるように設計されている方向をいう。それはファンブレードの全長方向と同等であってもよい。本例では、断面図は、半径方向と平行であり、かつファンブレードの（換言するとファンブレード用プリフォームの）翼弦方向に対して垂直である。

図２のビューは、ファンブレードの根元に対応するツールの根元部分３２と、エアロフォイルコアの近位の（すなわち、根元に最も近い）一部に対応する、ツールのエアロフォイル部分３４の小さな一部のみを示すために部分的である。ツール（およびプリフォーム、真空バッグ）の切り詰めたエアロフォイル部分に隣接する破線は図面の各要素がこの部分的視界を超えて続いていることを示している。

レイアップツール３０は、ファンブレードの第１の側のニアネットシェイプに対応するレイアッププロファイルを有するレイアップ面３６を規定する。ファンブレードの根元はファンのハブに係合しかつハブにおけるファンブレード上の遠心力に反応するための厚い根元（すなわち根元においてブレードの半径方向および翼弦方向に対して垂直な厚み方向に沿って）を有するためのものである。この単純化した例では、根元は厚みが一定の近位部分と、ファンブレードのエアロフォイルコアに向かって先細るテーパリングネック部分とを有している。この例では、根元は半径方向に関して対称である。

図２は、繊維補強材料（例えばプリプレグ炭素繊維強化ポリマー）の層の連続的適用でレイアップツール上に積層式に適用されているプリフォーム４０を示す。したがってプリフォーム４０の最下層は、レイアップツールのレイアップ面３６のプロファイルに一致し、それ自体がファンブレードの第１の側のニアネットシェイプに対応する。

プリフォーム４０の最上層４２はファンブレードの対向する第２の側のニアネットシェイプに一致しない。その代わり、プリフォーム４０はこの例においてファンブレードのネットシェイププロファイルの厚みの１０％に相当するプリフォームバルクを組み込むために適用される（ただし他の例ではネットシェイププロファイルの厚みの４〜１２％のように別の量であってもよい）。これは図２にファンブレードの第２の側のニアネットシェイププロファイルに対応する仮想線４４と、ファンブレードのニアネットシェイプを１０％超過するプリフォームのプリフォームバルク部分４６とによって図示されている。本例では、ファンブレードの根元が半径方向平面に関して対称であるべきなので、仮想線４４は根元のレイアップ面３６の鏡像である。

図２は、成形準備のためにプリフォームの上に適用されツール３０（ツールの遠位端は図示されず）で密封された真空バッグ５０を示す。

図３は、プリフォーム４０を固化するため昇温昇圧下でのプリフォームの成形に従うツール３０上のプリフォーム４０を示す。プリフォームの最上層４２が変位してファンブレードの第２の側のニアネットシェイププロファイルに対応するように成形中プリフォーム４０のプリフォームバルクが除去される。この変位は、真空バッグ５０の動きを示す矢印で図４に図示されている。成形前のプリフォームのプリフォームバルク部分４６に対応するプリフォーム４７の領域は影付き図で示されており、プリフォームバルク部分４６に対応する層が除去というより、むしろ変位されていることを示している。

したがって、典型的には成形中の最高の変位は最上層４２および付近の層の変位であり、レイアップ面に隣接する最下層の変位は全くないか低い。

図４は本発明による例のレイアップツール１３０を示しておりレイアップツール１３０のレイアップ面によって規定されるレイアッププロファイル１３６がプリフォームバルク部分を収容するためにファンブレードの対応する側のニアネットシェイププロファイルに対してオフセットされている点で図２および３のレイアップツール３０と異なる。したがって、ツール上で成形されるプリフォーム１４０においては、プリフォームバルクの同じ合計量（例えばネットシェイプ厚みの１０％）に対して図２および３のプリフォーム４０と比較して、プリフォーム内のプライの最大の変位が減少するように、プリフォームバルクがプリフォームの第１と第２の側の双方に渡って分配される。

以下でさらに詳細に説明されるように、本例では、レイアップツール１３０は、ファンブレードの各第１の側のニアネットシェイププロファイルを規定する第１の成形面を有する成形ツールを含むツールセット内に提供される。したがって、レイアッププロファイル１３６のオフセットは、成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関して評価されることができる。

図４は、ガスタービンのファンブレード用ファンブレード本体に対応するプリフォーム１４０をレイアップするための例のレイアップツール１３０の部分断面図を示す。ツール１３０は、ハブに挿入するための半径方向内側の根元とタービンの環内の回転で空気を加速するための半径方向外側のエアロフォイルコアとを備えるファンブレード本体のためのものである。本例では、図２および３に示すように断面図がファンブレードの半径方向と平行でありかつファンブレードの（すなわち、ファンブレード用プリフォームの）翼弦方向に対して垂直である。

図４の視界は、ファンブレード本体の根元に対応するツールの根元部分１３２と、エアロフォイルコアの近位（すなわち根元に最も近い）部に対応するツールのエアロフォイル部分１３４の小さな一部分のみを示しており部分的である。ツール（およびプリフォーム、真空バッグ） の切り詰めたエアロフォイル部分に隣接する破線は図面の各要素がこの部分的視界を超えて続いていることを示している。

ファンブレード本体の根元は、ファンのハブに係合し、かつハブにおけるファンブレード本体上の遠心力に反応するための太い根元（すなわち根元においてブレードの半径方向と翼弦方向に対して垂直な厚み方向に沿って）を有すべきものである。この単純化した例では、根元は厚みが一定した近位部分と、ファンブレード本体のエアロフォイルコアに向かってテーパー形状を成すテーパリングネック部とを有している。本例では根元は半径方向に関して対称である。

図４は、ツール上に適用されたプリフォーム１４０を有するレイアップツール１３０であるが、成形前にプリフォームバルクを組み込む。プリフォーム１４０は、繊維補強材料（例えば、プリプレグ炭素繊維強化ポリマー）の層を連続的に適用することでレイアップツール上に積層式に適用される。したがって、プリフォーム１４０の最下層は、レイアップツール１３０のレイアップ面のレイアッププロファイル１３６に一致する。

本例では、プリフォームバルクはファンブレード本体のニアネットシェイプの厚みの１０％に対応する。以下でさらに詳細に説明されるように、ファンブレード本体のニアネットシェイプは、成形ツールによって規定される。ただし、例示のためファンブレード本体のニアネットシェイプは、成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに対応する第１の側プロファイル１７４ （ファンブレード本体の第１の側のニアネットシェイプを規定する）と、成形ツールの第２の成形面のニアネットシェイププロファイルに対応する第２の側プロファイル１７８ （ファンブレード本体の第２の側のニアネットシェイプを規定する）とによってプリフォーム１４０内に示されている。

最下層と第１の側プロファイル１７４との間、および最上層と第２の側プロファイル１７８との間のプリフォームの外側部分１７５、１７９は、プリフォーム１４０のプリフォームバルクに対応する。

図４に示すように、レイアッププロファイル１３６は、第１の側プロファイル１７４に対してオフセットしており、プリフォームバルク部分を収容するため、成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルを表す。この単純化した例では、オフセットは、第１の側プロファイル１７４（すなわち第１の成形面１６４）の対応するテーパーと比較したレイアッププロファイルのネック部分のテーパーから明らかである。特に、レイアッププロファイル１３６におけるテーパーは第１の側プロファイル１７４（すなわち、第１の成形面１６４）のテーパーよりも急である。他の例では、オフセットは他の対応する特徴における相違から明らかであってもよい。例えば、レイアップツールのレイアッププロファイル内での局所的な湾曲が成形ツールの第１の成形面内のものよりも少なくてもよく、厚み方向に沿った最大値および最小値の間のレイアッププロファイルの程度が第１の成形面の対応する程度よりも大きくなるであろう。

本例では、レイアップツール１３０のレイアッププロファイル１３６はプリフォームバルクの半分を収容するためにオフセットされている。したがって、本例では、プリフォーム１４０の最上層のプロファイルが、根元におけるプリフォームの最下層のプロファイル（レイアップツール１３０のレイアッププロファイル１３６に一致）を表しており、この最下層および最上層によって規定されるプリフォームの第１および第２の面はそれぞれ成形前の対称平面Ｓ（本例では半径方向平面に対応する）に関して対称である。

図５は、レイアップツール１３０および成形ツール１６０を含むツールセットを示し、このツールセットは、上述の通り第１の成形面１６４を有する第１の成形要素１６２と、上述の通り第２の成形面１６８を有する対向する第２の成形要素１６６を備える。

ファンブレード本体は根元で対称であるべきものであるので、第１および第２の成形面１６４、１６８は相互に鏡像であるが、他の例では、ファンブレード本体は根元で対称でなくてもよく、したがって成形面は相互に鏡像でなくてもよい。図５の作図線は第１の成形要素１６２の第１の成形面１６４に関するレイアップツールのレイアッププロファイル１３６のオフセットを示す。特に、レイアップツールのレイアップ面と成形ツールの第１の成形面との間のオフセットは、根元の比較的厚い部分でより大きく、根元の比較的薄い部分でより小さくなるように、根元の局所的な厚みに対応することが分かる。これは、収容されるプリフォームバルクの量が一般的には局所的な厚みに比例することを示す。換言すれば、レイアップツールのレイアッププロファイルと、成形ツールの第１の成形面のニアネットシェイププロファイルとの間には、可変オフセット分布が存在し、それは部品のニアネットシェイプの可変厚み分布（形成ツールの成形面により規定される）に比例する。

図６に示すように、この特定の例では、レイアップツール１３０のレイアップ面で支持されていたプリフォーム１４０の最下層が成形ツールの第１の成形要素１６２の第１の成形面１６４上で支持されるようにプリフォーム１４０が成形ツール１６０へ移送される。第２の成形要素１６６は、第２の成形面１６８がプリフォーム１４０の最上層１４２に係合するよう、当て板式にプリフォームの上に配置される。その後、プリフォーム１４０は形成ツールの第１および第２の形成要素１６２、１６６の間で昇温昇圧下で硬化される。例えば、真空バッグ１５０を成形ツール上に適用するなどして、真空が成形ツールおよびプリフォームに適用されて圧力を加える。成形ツールは、１以上のヒーターで加熱されてもよく、または成形ツールはオーブンやオートクレーブの中に配置されてもよい。

図７に示すように、第１および第２の成形要素１６２、１６６がプリフォーム１４０を固化するためにともに引き付けられるので、成形ツール１６０の第１および第２の成形要素１６４、１６６の成形面１６４、１６８の各ニアネットシェイププロファイルに一致するように、プリフォームの最下層と対向する最上層（すなわち第１の面と対向する第２の面）が成形中変位する。したがって、ブレード本体のニアネットシェイププロファイルおよび厚みの変動は、成形要素１６２、１６６の共同構成によって規定される。図７に示すように、成形前にプリフォームバルクに対応するプリフォーム１４０の外側領域１７５、１７９は、第１および第２の成形面１６４、１６８のニアネットシェイププロファイルに一致するように変位される。

成形中の最下層および最上層の変位量は、成形中、少なくとも根元では、成形ツールの第１成形要素および第２の成形要素のそれぞれの成形面のニアネットシェイププロファイルを採用するために、最下層の第１の面変位分布および最上層の第２の面変位分布が存在するように、面ごとに異なる変化する場合がある。この特定の例では、レイアッププロファイルはプリフォームバルクの半分を収納するためにオフセットされ、成形面は根元で相互に鏡像であるため、これら２つの分布は同一でありかつ互いに向かい合う。同様に、根元での最下層および最上層のプロファイルは、対称平面Ｓに関して対称であり（図４が示すとおり）、本例では、半径方向平面と揃っている。

図８は複合部品を製造するための製造方法のフローダイアグラムであり、図４〜７に関して上述したレイアップおよび成形ステップを図示し、図４〜７のツールセット（１３０、１６０）、およびプリフォーム１４０を参照して簡潔に説明される。

ブロック７２では、ファンブレード本体用プリフォーム１４０が、繊維補強材料の連続層を積層式にレイアップすることによって、レイアップツール１３０のレイアップ面に適用される。このプリフォームは、ファンブレード本体のニアネットシェイプの厚みの約１０％に相当するプリフォームバルクを組み込む。

ブロック７４では、レイアップツールのレイアップ面で支持されていた最下層が成形ツールの第１の成形面１６４で支持されるようにプリフォーム１４０が成形ツール１６０の第１の成形要素１６２へ移送される。

ブロック７６では、第２の成形要素１６６がプリフォーム１４０の上に適用され、成形ツール１６０の第１および第２の成形要素１６２、１６６の第１および第２の成形面１６４、１６８のニアネットシェイププロファイルによって規定されるようにファンブレード本体のニアネットシェイプにプリフォームを形成するためにプリフォーム１４０を昇温昇圧下に配置するように成形ツール１６０が操作される。

ブロック７８では、成形されたファンブレード本体が成形ツールから取り出され、ネットシェイプ（すなわち、ファンブレード本体の最終形状）に機械加工される。ファンブレード本体は図１の例のガスタービンなどのガスタービンに組み込むことができる。

プリフォームバルク（「レイアップオフセット」と呼ぶ場合あり）を収容するためにレイアップツールのレイアップ面のレイアッププロファイルを部品の各側のニアネットシェイププロファイル（すなわち成形面のいずれか１つによって規定されるニアネットシェイププロファイル）に対してオフセットすることによって、本発明は成形の間プリフォームのいずれかの側の最大変位を最小化する。これは、高変位によって生じうるしわなどの成形欠陥を軽減するのに役立つ。

過去には、例えば真空バッグを部分的に置かれたプリフォームに適用し、昇圧および／または昇温下でプリフォームを固化することによって、レイアップ中に中間固化を実施することも提案されていた。中間固化の間でプリフォームの限られた部分上にのみプリフォームバルクの蓄積が許容されるため、過剰な変位もまた軽減する。

これらの手法（すなわちレイアップオフセットおよび中間固化） は一緒または単独で使用されてもよい。レイアップオフセットは成形結果に悪影響を与えることなく中間固化の量（すなわち頻度）の軽減を可能にしうるか、または中間固化の代わりに使用されうる。

プリフォームの両側のプリフォームバルクを収容することで、成形の間ニアネットシェイプに到達する変位分布が対称になりうる。対照的に、プリフォームバルクがプリフォームの片側のみに蓄積した場合、最上層がニアネットシェイプに一致できにくくなり（特に成形欠陥なしに）、成形後に機械加工によって除去されるべき余分な材料が部品の片側に圧倒的に残りうる。したがって、機械加工後、部品の片側は部品の面を規定するか、またはこれに密接に従う層を有する場合がある一方、対向する側は面に沿って途切れる層（すなわち機械加工された箇所）を有する場合があるが、これは構造的特性および面の仕上げに悪影響を及ぼす場合がある。プリフォームバルクがプリフォームの両側に均等に蓄積することを許容することによって、プリフォームの各側が各成形面のニアネットシェイププロファイルに一致しうるように、任意の層の最大変位が低減されうる（上述の通り）。したがって、成形後および機械加工前の部品のプロファイルは部品のネットシェイプとより密接に対応しうる−例えば部品の各側が部品の面を規定するかまたはこれに密接に従う層を有する場合がある。

本発明は上述の実施形態に限定されずかつここに記載された概念から逸脱することなく様々な修正および改良がなされうることが理解されよう。互いに排他的である場合を除き、どの特徴も単独でまたは他のいかなる特徴とも組み合わせて採用されてもよく本開示はここに記載された１以上の特徴のすべての組み合わせおよびサブコンビネーションに及びかつこれらを含む。

Claims (13)

1. 複合部品を製造する方法であって、
   レイアップツール（１３０）上の前記複合部品用のプリフォーム（１４０）を前記プリフォームの第１の面が前記レイアップツールのレイアッププロファイル（１３６）に一致するようにレイアップすること、
   前記部品の各側に対応するニアネットシェイププロファイルを各々有し、対向する第１および第２の成形面（１６４，１６８）を備える成形ツール（１６０）に前記プリフォームを移送すること、および前記部品のニアネットシェイプに対する成形ツールで前記プリフォームを成形すること、を備え、
   前記プリフォームは、成形前に前記部品の前記ニアネットシェイプを超えるプリフォームバルクを有しており、前記プリフォームバルクが前記プリフォームの反対側の部品用のニアネットシェイプを超過することを許容するよう、前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは前記成形ツールの前記第１の成形面の前記ニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされて前記プリフォームバルクの一部を収容しており、
   前記プリフォームの第１の面および対向する第２の面の双方は成形の間変位して前記成形ツール（１６０）の成形面の各ニアネットシェイププロファイルに一致する、方法。
2. 前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは、前記成形ツールの前記第１の成形面の前記ニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされて前記プリフォームバルクの約半分を収容する、請求項１に記載の方法。
3. 前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは、
   前記成形ツールの第２の成形面の前記ニアネットシェイププロファイルを導入するため前記プリフォームの前記第１の面に第１の面変位分布による変位、および前記成形ツールの第２の成形面の前記ニアネットシェイププロファイルを導入するため前記プリフォームの前記第２の面に第２の面変位分布による変位、を生じさせるために、前記レイアップツールのレイアッププロファイルが前記成形ツールの前記第１の形成面のニアネットシェイププロファイルからオフセットされている請求項１または２に記載の方法。
4. 前記第１および第２の面変位分布は等しくかつ互いに向かい合っている、請求項３に記載の方法。
5. 前記部品のニアネットシェイプは、前記部品の各側の間で可変の厚み分布を有しており、前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは、前記可変の厚みに比して成形ツールの前記第１の成形面のニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされている、請求項１〜４のいずれかに記載の方法。
6. 前記部品は、ガスタービンエンジン用のファンブレードなどの、エアロフォイル構造用のブレード本体であり、前記レイアッププロファイルは少なくとも前記ブレード本体のブレード根元に対応する、請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記プリフォームのブレード根元部分は、前記成形ツールの成形前に、前記第１および第２の面の間で対象面（Ｓ）を有している、請求項６に記載の方法。
8. 複合部品を成形するためのツールセットであって、
   レイアッププロファイル（１３６）を有しており、かつ前記部品用のプリフォーム（１４０）の第１の面上に前記レイアッププロファイルを与えるよう構成されたレイアップツール（１３０）と、
   前記プリフォームを前記部品のニアネットシェイプに成形するように構成された成形ツール（１６０）であって、前記成形ツールは対向する第１および第２の面（１６４、１６８）を備え、各々前記部品の各側に対応するニアネットシェイププロファイルを有しており、
   前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは、前記成形ツールの前記第１の成形面の前記ニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされており前記プリフォームの反対側の前記部品の前記ニアネットシェイプを超過する前記プリフォームのプリフォームバルクの一部を収容し、
   使用中、前記レイアップツール上にレイアップされたプリフォームの前記第１の面が成形の間変位されて前記成形ツールの前記第１の面の前記ニアネットシェイププロファイルに一致するツールセット。
9. 前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは前記成形ツールの前記各成形面の前記ニアネットシェイププロファイルに関してオフセットされてプリフォームバルクの一部を収容しており、
   前記プリフォームバルクは前記成形ツールによって規定された前記ニアネットシェイプの局所的厚みの４％と１２％との間に対応する、請求項８に記載のツールセット。
10. 前記部品の前記ニアネットシェイプは、可変の厚み分布を有しており、
    前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは、前記部品の前記ニアネットシェイプの前記可変の厚み分布に比例する可変のオフセット分布を有している、請求項８または９に記載のツールセット。
11. 前記ツールセットはブレード根元を含むファンブレード本体を製造するためのものであり、前記レイアップツールの前記レイアッププロファイルは少なくとも前記ブレード根元に対応する、請求項８〜１０のいずれかに記載のツールセット。
12. 請求項１〜７のいずれかに記載の方法によって製造された複合ファンブレード本体。
13. 請求項１２に記載のファンブレード本体を備える１または複数のブレードを備えるガスタービンエンジン。

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