JP2022111982A - 基板に複合材料を積層するための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基板に複合材料を積層する方法及び装置を提供する。【解決手段】複合材料（１６０）を積層するための方法は、基板（１４０）に前記複合材料（１６０）を堆積させるステップと、圧縮ローラ（１３０）と前記基板（１４０）とがニップ（１３５）を形成するものであり、前記圧縮ローラで前記複合材料（１６０）を圧縮するステップと、前記ニップ（１３５）の近傍にプラズマ流を照射し、これにより前記複合材料（１６０）及び前記基板（１４０）の少なくとも一方を加熱するステップと、を含む。【選択図】図１

Description

本出願は、複合材料から物品を製造することに関し、より具体的には、そのような製造における複合材料の積層に関し、さらに具体的には、複合材料の積層におけるプラズマ加熱の利用に関する。

本発明は、米国航空宇宙局によって契約されたＳＡＡ１－２１１５７、ＳＡＡ１－２１１５７付属書１７、ＳＡＡ１－２１１５７付属書１７のＭＯＤ１の下、米国政府の支援でなされたものである。本発明の一定の権利は、米国政府に帰属する。本明細書に記載の発明は、特許権使用料なしに米国政府によって政府利用目的で製造及び使用されうる。

複合材構造は、高強度で低重量の材料として一般的に使用されている。複合材構造は、１つ又は複数の複合材レイヤを含み、各複合材レイヤは、補強材及び母材を含む。補強材は、例えば繊維を含む。母材は、例えば熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂などの高分子材料である。

繊維強化複合材料は、例えば、繊維トウのレイヤを複数積層して強化積層体を形成することで作製される。繊維トウは、一般的に、母材を含侵させた繊維束（補強材）を含む。繊維配置の技術によれば、繊維トウは、一般的にテープ状であってバルクリール（bulk reel）から供給され、圧縮ローラを用いたニップによって下側に位置する積層体に対して押圧される。積層が完了した強化積層体は、必要に応じて硬化及び／又は圧密化され、これにより複合材構造が形成される。

繊維トウの母材が熱可塑性樹脂である場合、典型的な積層プロセスでは、熱可塑性樹脂を加熱により軟化させて、強化積層体のレイヤとレイヤを圧密化する必要がある。例えば、繊維配置プロセスにおいて、ニップの近傍（ニップそのもの、又は、その近く）にレーザビーム（例えば赤外線レーザ）を照射して、繊維トウ、及び／又は、その下側の積層体を加熱する必要がある。しかしながら、レーザ光は、曲面形状が複雑な部分を均一に加熱できない場合がある。加えて、レーザは、一般的に安全機能を追加する必要があるため、コストが非常に高くなる。

したがって、当業者は、複合材料の積層の分野において研究及び開発の努力を続けている。

複合材料を積層するための方法が開示されている。

一実施例において、複合材料を積層するための方法は、基板に前記複合材料を堆積させることを含む。前記方法は、さらに、前記複合材料を圧縮ローラで圧縮することを含む。前記圧縮ローラと前記基板とは、ニップを形成するよう構成されている。前記方法は、さらに、前記ニップの近傍にプラズマ流を照射し、これにより、前記複合材料と前記基板との少なくとも一方を加熱することを含む。

また、基板に複合材料を積層するための装置が開示されている。

一実施例において、基板に複合材を積層するための装置は、圧縮ローラを含む。前記圧縮ローラは、当該圧縮ローラが前記基板に当接すると、ニップを形成するよう構成されている。前記装置は、さらに、プラズマ発生装置を備える。前記プラズマ発生装置は、前記ニップに向けてプラズマ流を照射するよう配置されている。

複合材料を積層するための装置を断面で示す正面図である。 複合材料を積層するための装置を断面で示す正面図である。 プラズマ発生装置を断面で示す正面図である。 プラズマ発生装置を示す概略図である。 図４のプラズマ発生装置のノズルチップを示す斜視図である。 図４のプラズマ発生装置のノズルチップを示す斜視図である。 複合材料を積層するための方法を示すフローチャートである。 航空機の製造及び使用方法を示すフロー図である。 航空機を示すブロック図である。

以下に記載する詳細な説明において、本開示の特定の実施例を示す添付図面を参照する。ただし、異なる構造及び処理を含む他の実施例も、本開示の範囲から逸脱するものではない。同一の特徴、要素、又は部材については、異なる図面においても同じ参照符号が用いられている。

以下に、本開示の要旨について例示的且つ非網羅的な実施例を示すが、これらの要旨は、請求の範囲に記載されている場合も、記載されていない場合もありうる。

以下の記載において、プラズマ処理を用いて複合材料のレイヤ間の粘着（tack）を促進する方法とその装置について説明する。１つ又は複数の実施例において、第１の複合材レイヤが形成され、そのレイヤの上に次の複合材レイヤが形成される。複合材料の積層が完了し、及び／又は、固化されるまでは、複合材レイヤは、粘着によって互いに固定されて維持される。

図１を参照すると、基板１４０に複合材料１６０を積層するための装置１００の例示的な実施形態が示されている。１つ又は複数の実施例において、装置１００はハウジング１０５を含む。一実施例において、装置１００は、さらに、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容された支持構造１０７を含む。１つ又は複数の実施例において、前記装置は、さらに、圧縮ローラ１３０を含む。一実施例において、圧縮ローラ１３０は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。圧縮ローラ１３０は、装置１００に対して調節及び回転可能に取り付けられている。一実施例において、圧縮ローラ１３０は、装置１００のハウジング１０５の中に位置する支持構造１０７に対して調節及び回転可能に取り付けられている。圧縮ローラ１３０は、当該圧縮ローラ１３０が基板１４０に当接すると、ニップ１３５を形成するよう構成されている。圧縮ローラ１３０は、複合材料１６０を圧縮又は配置する力を作用させて、当該複合材料を基板１４０に押圧するよう構成されている。

一実施例において、装置１００は、複合材料１６０の少なくとも一部、又は、基板１４０の少なくとも一部を加熱するよう構成された熱源１１３を含む。一実施例において、熱源１１３は、電気ヒータ、赤外線ヒータ、レーザ、レーザダイオードアレイ、ホットガストーチ（hot gas torch）、又はプラズマ発生装置１２０である。一実施例において、熱源１１３は、ニップ１３５に向けて配置されている。熱源１１３は、ニップ１３５近傍の複合材料１６０を処理するよう構成されている。１つ又は複数の実施例において、熱源１１３は、プラズマ発生装置１２０であって、既に配置されたトウプレグ／プリプレグなどの複合材料１６０のレイヤを加熱して粘着性を向上或いは活性化させ、これにより複合材料１６０におけるトウプレグ／プリプレグなどのレイヤ間の粘着／接着／配置を向上させる。

一実施例において、装置１００は、バルクリール１５５を含む。一実施例において、バルクリール１５５は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。バルクリール１５５は、装置１００に対して調節可能に取り付けられている。バルクリール１５５は、複合材料１６０を含み、当該複合材料１６０を装置１００から基板１４０に供給するよう構成されている。一実施例において、バルクリール１５５に含まれる複合材料１６０は、テープ１５０である。一実施例において、装置１００は、バルクリール１５５に隣接する送給部（feed unit）１５２を含む。送給部１５２は、複合材料１６０をバルクリール１５５から基板１４０のニップ１３５に搬送又は送給するよう配置されている。

一実施例において、装置１００は、切断部１５４を含む。切断部１５４は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。切断部１５４は、バルクリール１５５と圧縮ローラ１３０の間で送給部１５２に沿って配置されており、バルクリール１５５から供給される複合材料１６０が切断部１５４を通過するので、複合材料１６０を任意の長さで切断することができる。その後、複合材料１６０は、基板１４０に供給されて、圧縮ローラ１３０によって圧縮又は圧密化される。圧縮ローラ１３０は、複合材料１６０がバルクリール１５５から配置又は供給されると、当該複合材料１６０を基板１４０に押圧する力を加えるよう構成されている。一実施例において、複合材料１６０は、テープ１５０である。一実施例において、複合材料１６０は、補強材を含む。一実施例において、複合材料１６０は、熱可塑性材料を含む。

図２は、装置１００の例示的な実施形態を示す図である。一実施例において、装置１００は、ハウジング１０５を含む。一実施例において、装置１００は、さらに、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容された支持構造１０７を含む。１つ又は複数の実施例において、前記装置は、さらに、圧縮ローラ１３０を含む。一実施例において、圧縮ローラ１３０は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。一実施例において、圧縮ローラ１３０は、装置１００のハウジング１０５の中に位置する支持構造１０７に対して調節及び回転可能に取り付けられている。圧縮ローラ１３０は、当該圧縮ローラ１３０が基板１４０に当接すると、ニップ１３５を形成するよう構成されている。一実施例において、装置１００は、複合材料１６０の少なくとも一部、又は、基板１４０の少なくとも一部を加熱するよう構成された熱源１１３を含む。一実施例において、熱源１１３は、プラズマ発生装置１２０である。一実施例において、プラズマ発生装置１２０は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。プラズマ発生装置１２０は、図３に示すプラズマ流（plasma flume）１２５をニップ１３５に向けて照射するよう配置されている。一実施例において、プラズマ発生装置１２０は、大気圧プラズマヘッド１２８を含む。

図３は、プラズマ発生装置１２０の一実施例を示す断面図である。１つ又は複数の実施例において、プラズマ発生装置１２０は、ノズルチップ（nozzle tip）１２３を含む。ノズルチップ１２３は、プラズマ流１２５を所与の放射角（emanation angle）で放出させるよう構成されている。１つ又は複数の実施例において、放射角は、約０度から約１５度の範囲である。１つ又は複数の実施例において、ノズルチップ１２３は、プラズマ流１２５を約０度の放射角で放出させるよう構成されており、つまり、ノズルチップ１２３のノズル中心軸１２９が、図４に示すようにプラズマ流１２５開口の中心軸１３９ａとほぼ一直線或いは平行になるように構成されている。なお、プラズマ流開口（flume aperture）１３９は、プラズマ流１２５がノズルチップ１２３から放出される部分である。１つ又は複数の実施例において、ノズルチップ１２３は、ニップ１３５から約１．６５ｃｍ±０．１ｃｍの位置にプラズマ流１２５を照射させる。１つ又は複数の実施例において、ノズルチップ１２３は、所望の形状及び放射角のプラズマ流１２５が得られる他の構成と交換可能である。１つ又は複数の実施例において、ノズルチップ１２３は、約１７度の放射角でプラズマ流１２５を放射させるよう構成されている。プラズマ流１２５は、複合材料１６０に作用して、基板１４０に配置した複合材料１６０の積層性(layup)又は粘着性(tack)を改善するように構成されている。具体的には、プラズマ流１２５は、荷電化学種を含んでおり、これが複合材料１６０の表面を化学基（例えば、酸素官能基）で修飾して、複合材料１６０の粘着性を高め、最終的には積層性を高める。プラズマ処理を行うと、複合材料１６０の表面が有する表面エネルギーを増加させることができるので、プラズマ処理前に比べて複合材料１６０の表面の粘着性及び積層性を高めることができる。プラズマ流１２５は、複合材料のプライ又はテープ１５０の幅方向全体が粘着性及び圧密化に最適な温度になるように、複合材料１６０に対して所定の放射角で、また所定の距離離間した位置に照射される。１つ又は複数の実施例では、最適温度は、約９３℃である。

図４は、プラズマ発生装置１２０の例示的な実施形態を示す。プラズマ発生装置１２０は、プラズマジェット部（plasma jet）１２１に接続されたプラズマ発生器１８０を含む。プラズマジェット部１２１は、チャンバ１２２と、少なくとも１つの圧縮ガス１７５の取入れ口（inlet）１２７と、ノズルチップ１２３と、を含む。一実施例において、圧縮ガス１７５は、圧縮空気を含む。一実施例において、圧縮ガス１７５は、イオン化ガスを含む。プラズマ発生装置１２０は、手動で操作可能であり、或いは、自動繊維配置（ＡＦＰ）機１１５などによる自動操作も可能である。チャンバ１２２内部の圧縮ガス１７５は、プラズマ発生器１８０からの電力によって励起されるとイオン化されて、プラズマ流１２５が生成される。プラズマ流１２５はチャンバ１２２から放出されると、ノズルチップ１２３を通って噴射され、基板１４０に配置された複合材料１６０に対してニップ１３５の近傍で衝突し、当該部分が処理される。

図５及び図６は、様々な構成のノズルチップ１２３を示している。一実施例において、ノズルチップ１２３の放射角は、図５に示す様に、約１７度（±０．２％）以下である。この例は、過去に使用されていた構成である。一実施例において、ノズルチップ１２３の放射角は、図６に示す様に、約０度（±０．２％）以下である。ノズルチップ１２３の放射角が小さいと、放射角が大きいノズルチップに比べて、より強力で集束度の高い（拡散の小さい）プラズマ流１２５が供給される。このように、ノズルチップ１２３によって強力で集束度の高いプラズマ流１２５が供給されることにより、放射角が大きいノズルチップを用いる場合に比べて短い処理時間で、基板１４０の表面全体における複合材料１６０の積層性を高めることができる。また、ノズルチップ１２３を用いれば、熱可塑性材料など、表面エネルギーが低い難加工材料についても、より短い処理時間で複合材料１６０の積層性を高めることができる。

放射角が大きいノズルでは、ノズルを回転させてプラズマ流１２５を円環状、すなわち、「円錐状」や「リング状」に拡散させることが一般的であるが、放射角が０度のノズルチップ１２３では、通常、プラズマ処理においてこのような回転は行わない。角度０度のノズルチップ１２３は、放射角が小さいので、放射角が大きいノズルチップに比べて、集束度及び強度の高いプラズマ流を基板１４０上の複合材料１６０の表面に対して直交配向などの所与の配向で衝突させることができる。一実施例において、角度０度のノズルチップ１２３から放射されるプラズマ流１２５の直径（ｄ）は、例えば約６．４ミリメートル（±２％）である。ただし、実際には、プラズマ流１２５の外側エッジは、流動的で変動があることは理解されよう。したがって、記載したプラズマ流１２５の直径（ｄ）は、あくまでも概算値ではあるが、プラズマ発生装置１２０によって生成される直径は、概ね一定である。加えて、プラズマ流１２５の高さ（ｈ）は、例えば約１．２センチメートルから約２．０センチメートルである。よって、基板１４０に配置された処理中の複合材料１６０の表面とノズルチップ１２３との離間距離は、プラズマ処理の間、約１．２センチメートルから約２．０センチメートルの範囲となる。これに対して、角度１７度のノズルチップでは、放射角が１７度であって、プラズマ処理の間に回転される（通常、毎分約２８００回転）ので、直径が約２４ミリメートルの円環状であって、高さ約１．３センチメートルのプラズマ流１２５が生成されることになる。つまり、角度０度のノズルチップ１２３によれば、角度１７度のノズルチップ１２３よりも作動距離を大きく確保することができ、また、角度１７度のノズルチップ１２３によって供給される幅広の（拡散の大きな）円環状のプラズマ流１２５に比べて、集束度が約４倍高いプラズマ流１２５を供給することができる。作動距離が大きいことにより、複雑な形状の基板をより容易に処理することが可能になる。なお、角度が０度のノズルチップ１２３の構成、及び／又は、他の要因によっては、プラズマ流１２５の直径（ｄ）及び高さ（ｈ）が上述の値から外れる場合もありうる。

一実施例において、基板１４０に配置されてプラズマ発生装置１２０によって処理される複合材料１６０は、熱可塑性材料である。熱可塑性材料は、プラズマ発生装置１２０で処理することによって、複合材料１６０の粘着を促進することができる。本開示のプラズマ処理によって複合材料１６０の積層性を高めることができる熱可塑性材料としては、限定するものではないが例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリアクリルアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエステル－ポリアリレート（例えば、ベクトラン（登録商標））、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及び他の熱可塑性樹脂が挙げられる。

一実施例において、基板１４０に配置され、プラズマ発生装置１２０によって処理される複合材料１６０は、熱硬化性材料である。熱硬化性材料は、プラズマ発生装置１２０で処理することによって、複合材料１６０の粘着を促進することができる。適当な熱硬化性材料としては、限定するものではないが例えば、エポキシ樹脂、シアン酸エステル、ベンゾオキサジン、ポリイミド、ビスマレイミド、ビニルエステル、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタン／ポリウレア混合物、ポリエステル、及び他の熱硬化性樹脂が挙げられる。基板１４０に配置される複合材料１６０は、限定するものではないが例えば、金属、セラミクス、ゴム、ガラス、及び複合材料などの他の材料から形成される場合や、そのような他の材料を含有する場合もありうる。

基板１４０に配置された複合材料１６０は、必須ではないが、補強材で強化されている。補強材としては、限定するものではないが例えば、炭素繊維、ガラス繊維、ガラス球、鉱物繊維、或いは他の強化材料が挙げられる。補強材として繊維が用いられている場合、この繊維は、連続繊維でも短繊維でもよく、一方向性繊維でもランダム配向繊維でもよく、また、限定するものではないが例えば、平織、千鳥綾織（crowfoot weave）、斜子織（basket weave）、斜文織（twill weave）などの織物の形態でもよい。

角度が０度のノズルチップ１２３によって生成される高強度のプラズマ流１２５は、複合材料１６０の積層性及び材料の粘着性を増加させるために必要なプラズマ処理の時間を、放射角が５度より大きいノズルチップ１２３を用いる場合に比べて大幅に短縮することが可能である。一実施例において、複合材料１６０の積層体は、同じ材料に対する接着を含む。一実施例において、複合材料１６０の積層体は、プリプレグ材料など、他の材料に対する接着を含む。

図７は、複合材料１６０を積層するための方法３００を示すフローチャートである。一実施例において、方法３００は、基板１４０に複合材料１６０を堆積させること３１０を含む。一実施例において、基板１４０は、ツール１４５である。一実施例において、基板１４０は、既にツール１４５に配置された複合材料１６０である。複合材料１６０は、複合材プライ又はテープ１５０の形態であってもよい。一実施例において、複合材料１６０は、補強材を含む。一実施例において、複合材料１６０は、熱可塑性材料を含む。本開示のプラズマ処理によって複合材料１６０の積層性及び材料の粘着性を高めることができる熱可塑性材料としては、限定するものではないが例えば、ポリフェニレンスルフィド、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド、ポリエーテルイミド、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリエステル、ポリブタジエン、ポリウレタン、ポリプロピレン、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリフェニルスルホン、ポリアクリルアミド、ポリケトン、ポリフタルアミド、ポリフェニレンエーテル、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリエステル－ポリアリレート（例えば、ベクトラン（登録商標））、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及び他の熱可塑性樹脂が挙げられる。

一実施例において、方法３００で基板１４０に配置されてプラズマ発生装置１２０によって処理される複合材料１６０は、熱硬化性材料である。適当な熱硬化性材料としては、限定するものではないが例えば、エポキシ樹脂、シアン酸エステル、ベンゾオキサジン、ポリイミド、ビスマレイミド、ビニルエステル、ポリウレタン、ポリウレア、ポリウレタン／ポリウレア混合物、ポリエステル、及び他の熱硬化性樹脂が挙げられる。基板１４０に配置される複合材料１６０は、限定するものではないが例えば、金属、セラミクス、ゴム、ガラス、及び複合材料などの他の材料から形成される場合や、そのような他の材料を含有する場合もありうる。

一実施例において、堆積させること３１０は、バルクリール１５５から複合材料１６０を受け取ることを含む。一実施例において、バルクリール１５５は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。バルクリール１５５は、装置１００に対して調節可能に取り付けられている。バルクリール１５５は、複合材料１６０を含み、当該複合材料１６０を装置１００から、これを堆積させる基板１４０に供給するよう構成されている。一実施例において、バルクリール１５５に含まれる複合材料１６０は、テープ１５０である。一実施例において、装置１００は、バルクリール１５５に隣接する送給部１５２を含む。送給部１５２は、複合材料１６０をバルクリール１５５から基板１４０のニップ１３５に搬送又は送給するよう配置されている。

一実施例において、堆積させること３１０は、複合材料１６０を切断部１５４によって切断することを含む。切断部１５４は、ハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。切断部１５４は、バルクリール１５５と圧縮ローラ１３０の間で送給部１５２に沿って配置されており、バルクリール１５５から供給される複合材料１６０が切断部１５４を通過するので、複合材料１６０を任意の長さで切断することができる。その後、複合材料１６０は、詳細を後述するように、基板１４０に配置され、圧縮ローラ１３０によって圧縮又は圧密化される。

一実施例において、方法３００は、複合材料１６０を圧縮ローラ１３０によって圧縮すること３２０を含む。圧縮ローラ１３０と基板１４０は、ニップ１３５を形成するよう構成されている。一実施例において、圧縮ローラ１３０は、装置１００のハウジング１０５に少なくとも部分的に収容されている。圧縮ローラ１３０は、装置１００に対して調節及び回転可能に取り付けられている。一実施例において、圧縮ローラ１３０は、装置１００のハウジング１０５の中に位置する支持構造１０７に対して調節及び回転可能に取り付けられている。圧縮ローラ１３０は、当該圧縮ローラ１３０が基板１４０に当接すると、ニップ１３５を形成するよう構成されている。圧縮ローラ１３０は、基板１４０上の複合材料１６０を圧縮すること３２０において、複合材料１６０を圧縮又は配置する力を作用させて、当該複合材料を基板１４０に押圧するよう構成されている。

一実施例において、方法３００は、ニップ１３５の近傍にプラズマ流１２５を照射すること３３０を含み、これにより、複合材料１６０と基板１４０との少なくとも一方を加熱する。一実施例において、方法３００でプラズマ流１２５を照射すること３３０は、プラズマ発生装置１２０からプラズマ流１２５を照射すること３３０を含む。一実施例において、プラズマ発生装置１２０は、大気圧プラズマヘッド１２８を含む。一実施例において、プラズマ流１２５を照射すること３３０は、約１５ｐｓｉから約５０ｐｓｉの範囲の圧力でプラズマ流１２５を照射することを含む。

一実施例において、方法３００でプラズマ流１２５を照射すること３３０は、約０度から約２０度の範囲の放射角でプラズマ流１２５を照射することを含む。一実施例において、方法３００でプラズマ流１２５を照射すること３３０は、約０度から約１０度の範囲の放射角でプラズマ流１２５を照射することを含む。一実施例において、方法３００でプラズマ流１２５を照射すること３３０は、約０度から約５度の範囲の放射角でプラズマ流１２５を照射することを含む。一実施例において、方法３００でプラズマ流１２５を照射すること３３０は、約０度の放射角でプラズマ流１２５を照射することを含む。

一実施例において、方法３００のプラズマ流１２５は、約３．５ミリメートルから約９ミリメートルの最大幅を有する。一実施例において、プラズマ流１２５は、約１．２５センチメートルから約３センチメートルの長さを有する。一実施例において、プラズマ流１２５は、ニップ１３５から約１．２５センチメートルから約２センチメートルに位置する。ノズルチップ１２３の形状により、上述した形状及びサイズのプラズマ流１２５が可能になる。一実施例において、角度０度のノズルチップ１２３から放出されるプラズマ流１２５の直径（ｄ）は、例えば約６．５ミリメートル（±２％）である。ただし、実際には、プラズマ流１２５の外側エッジは、流動的で変動があることは理解されよう。したがって、記載したプラズマ流１２５の直径（ｄ）は、あくまでも概算値ではあるが、プラズマ発生装置１２０によって生成される直径は、概ね一定である。加えて、プラズマ流１２５の高さ（ｈ）は、例えば約１．２センチメートルから約２．０センチメートルである。よって、基板１４０に配置された処理中の複合材料１６０の表面とノズルチップ１２３との離間距離は、プラズマ処理の間、約１．２センチメートルから約２．０センチメートルの範囲となる。これに対して、角度１７度のノズルチップでは、放射角が１７度であって、プラズマ処理の間に回転される（通常、毎分約２８００回転）ので、直径が約２４ミリメートルの円環状であって、高さ約１．３センチメートルのプラズマ流１２５が生成されることになる。つまり、角度０度のノズルチップ１２３によれば、角度１７度のノズルチップ１２３よりも作動距離を大きく確保することができ、また、角度１７度のノズルチップ１２３によって供給される幅広の（拡散の大きな）円環状のプラズマ流１２５に比べて、集束度が約４倍高いプラズマ流１２５を供給することができる。作動距離が大きいことにより、複雑な形状の基板をより容易に処理することが可能になる。なお、角度が０度のノズルチップ１２３の構成、及び／又は、他の要因によっては、プラズマ流１２５の直径（ｄ）及び高さ（ｈ）が上述の値から外れる場合もありうる。

以下に記載する実施例は、限定を課すものではなく、本発明の実施態様の例示に過ぎない。

本開示の実施例は、図８に示す航空機の製造及び使用方法１１００、並びに、図９に示す航空機１１０２に関連して説明することができる。生産開始前の工程として、航空機の製造及び使用方法１１００は、航空機１１０２の仕様決定及び設計１１０４と、材料調達１１０６とを含む。生産中の工程としては、航空機１１０２の部品／小組立品の製造１１０８とシステム統合１１１０が行われる。その後、航空機１１０２は、認証及び納品１１１２の工程を経て、就航１１１４の工程に入る。顧客による使用の期間中は、航空機１１０２は、改良、再構成、改修などを含む、定例の整備及び保守１１１６に組み込まれる。

方法１１００の各ステップは、第三者、及び／又は、オペレータ５００（例えば顧客）によって実行又は実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレータは、航空機メーカ及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。また、オペレータ５００は、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等であってもよい。

方法１１００によって製造される航空機１１０２は、図９に示す様に、複数のシステム１１２０及び内装１１２２を有する機体１１１８を備える。複数のシステム１１２０の例としては、推進系１１２４、電気系１１２６、油圧系１１２８、及び環境系１１３０のうちの１つ又は複数が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。

本開示の方法及びシステムは、航空機の製造及び使用方法１１００の任意の１つ又は複数の段階において採用することができる。例えば、部品／小組立品の製造１１０８、システム統合１１１０、及び／又は、整備及び保守１１１６に対応する部品又は小組立品は、本開示の方法及びシステムを用いて作製することができる。他の例では、機体１１１８は、本開示の方法及びシステムを用いて製造することができる。また、装置の実施例、方法の実施例、又は、それらの組み合わせの１つ又は複数を、例えば、部品／小組立品の製造１１０８及び／又はシステム統合１１１０に用いることができ、これにより、例えば、機体１１１８及び／又は内装１１２２などの航空機１１０２の組み立て速度やコストを大幅に改善することができる。同様に、システムの実施例、方法の実施例、又は、それらの組み合わせの１つ又は複数を、航空機１１０２の就航中において、限定するものではないが例えば、整備及び保守１１１６に用いることができる。

本開示の実施例の態様は、ソフトウェア、ハードウェア、ファームウェア、又はそれらの組み合わせによって実装可能である。開示のシステムの様々な要素は、プロセッサにより実行可能な形式で機械読み取り可能な記憶装置に有形化されたコンピュータプログラムプロダクトとして個別に、或いは、組み合わせとして実装可能である。実施例における様々なステップは、コンピュータ読み取り可能な媒体に有形化されたプログラムをコンピュータプロセッサが実行して、入力を処理し、また出力を生成して機能を実行することによって実現することができる。コンピュータ読み取り可能な媒体は、例えば、メモリ、コンパクトディスクやフラッシュドライブなどの可搬型の媒体であるので、本開示の実施例の態様を具現化するコンピュータプログラムは、コンピュータにロードすることが可能である。

上述の方法及びシステムは、航空機に関連して説明された。しかしながら、本開示の方法及びシステムが様々な用途に適していること、及び、本開示が航空機を製造する用途に限定されないことは、当業者には容易に理解されるであろう。例えば、本開示の方法及びシステムは、航空機又は航空機の部材などの製造に限定されず、様々な物品の製造において実装することができる。また、航空機以外の用途も想定される。

また、上述では、航空産業において様々な（例えば、商業的、軍事的などの）規制に適合する航空機又は航空機部品を製造するために使用可能な方法及びシステムが説明されたが、本開示の方法及びシステムは、任意の産業において適切な産業基準に適合する所与の部品を容易に製造するためにも使用可能である。具体的な用途にしたがって、特定の方法及びシステムを選択し、適合させることができる。

本開示は、番号を付して記載した以下の付記による実施形態の例も包含する。

付記１． 複合材料を積層するための方法であって、
基板（１４０）に前記複合材料（１６０）を堆積させること（３１０）と、
圧縮ローラ（１３０）と前記基板（１４０）とがニップ（１３５）を形成するものであり、前記圧縮ローラ（１３０）で前記複合材料（１６０）を圧縮すること（３２０）と、
前記ニップ（１３５）の近傍にプラズマ流（１２５）を照射し（３３０）、これにより前記複合材料（１６０）及び前記基板（１４０）の少なくとも一方を加熱することと、を含む方法。

付記２． 前記複合材料（１６０）は、テープ（１５０）である、付記１に記載の方法（３００）。

付記３． 前記複合材料（１６０）は、補強材を含む、付記１又は２に記載の方法（３００）。

付記４． 前記複合材料（１６０）は、さらに、熱可塑性材料を含む、付記１～３のいずれかに記載の方法（３００）。

付記５． 前記プラズマ流（１２５）を照射すること（３３０）は、プラズマ発生装置（１２０）から前記プラズマ流（１２５）を照射することを含み、この際に、前記プラズマ発生装置（１２０）は、大気圧プラズマヘッド（１２８）を含むものである、付記１～４のいずれかに記載の方法（３００）。

付記６． 前記プラズマ流（１２５）を照射すること（３３０）は、約０度から約２０度の範囲の放射角で前記プラズマ流（１２５）を照射することを含む、付記１～５のいずれかに記載の方法（３００）。

付記７． 前記プラズマ流（１２５）を照射すること（３３０）は、約０度から約１０度の範囲の放射角で前記プラズマ流（１２５）を照射することを含む、付記１～６のいずれかに記載の方法（３００）。

付記８． 前記プラズマ流（１２５）を照射すること（３３０）は、約０度から約５度の範囲の放射角で前記プラズマ流（１２５）を照射することを含む、付記１～７のいずれかに記載の方法（３００）。

付記９． 前記プラズマ流（１２５）を照射すること（３３０）は、約１５ｐｓｉから約５０ｐｓｉの範囲の圧力で前記プラズマ流（１２５）を照射することを含む、付記１～８のいずれかに記載の方法（３００）。

付記１０． 前記プラズマ流（１２５）は、約３．８ミリメートルから約８．９ミリメートルの最大幅を有する、付記１～９のいずれかに記載の方法（３００）。

付記１１． 前記プラズマ流（１２５）は、約１．２センチメートルから約２．６センチメートルの長さを有する、付記１～１０のいずれかに記載の方法（３００）。

付記１２． 前記基板（１４０）は、ツール（１４５）である、付記１～１１のいずれかに記載の方法（３００）。

付記１３． 前記基板（１４０）は、既にツール（１４５）に配置された複合材料（１６０）である、付記１～１２のいずれかに記載の方法（３００）。

付記１４． 前記プラズマ流（１２５）は、前記ニップ（１３５）から約１．２センチメートルから約２センチメートルに位置する、付記１～１３のいずれかに記載の方法（３００）。

付記１５． 基板（１４０）に複合材料（１６０）を積層するための装置（１００）であって、
前記基板（１４０）に当接するとニップ（１３５）を形成するよう構成された圧縮ローラ（１３０）と、
前記ニップ（１３５）に向けてプラズマ流（１２５）を照射するよう配置されたプラズマ発生装置（１２０）と、を備える装置（１００）。

付記１６． 前記プラズマ発生装置（１２０）は、大気圧プラズマヘッド（１２８）を含む、付記１５に記載の装置（１００）。

付記１７． 前記プラズマ発生装置（１２０）は、前記プラズマ流（１２５）を約０度から約１５度の範囲の放射角で照射するよう構成されたノズルチップ（１２３）を含む、付記１５又は１６に記載の装置（１００）。

付記１８． さらに、前記複合材料（１６０）を含むバルクリール（１５５）を備える、付記１５～１７のいずれかに記載の装置（１００）。

付記１９． 前記複合材料（１６０）は、補強材を含む、付記１５～１８のいずれかに記載の装置（１００）。

付記２０． 前記複合材料（１６０）は、さらに、熱可塑性材料を含む、付記１５～１９のいずれかに記載の装置（１００）。

付記２１． 前記バルクリール（１５５）は、ハウジング（１０５）に少なくとも部分的に収容されている、付記１５～１８のいずれかに記載の装置（１００）。

付記２２． さらに、前記複合材料（１６０）を前記バルクリール（１５５）から前記ニップ（１３５）に送給するよう配置された送給部（１５２）を備える、付記１５～１８のいずれかに記載の装置（１００）。

付記２３． 前記複合材料（１６０）は、テープ（１５０）である、付記１５～２２のいずれかに記載の装置（１００）。

付記２４． さらに、前記ハウジング（１０５）に少なくとも部分的に収容された切断部（１５４）を備える、付記１５～２３のいずれかに記載の装置（１００）。

付記２５． 付記１５～２４のいずれかに記載の前記装置（１００）を備える自動繊維配置機（１１５）。

上述した特徴、効果、及び特性は、ある実施例のものを１つ又は複数の他の実施例と適当な態様で組み合わせることが可能である。当業者であれば、本明細書に記載した実施例は、特定の実施例における具体的な特徴、利点及び特性の１つ又は複数を省いても実施可能であることは理解されよう。場合によっては、ある実施例において追加の特徴及び効果が認識されることがあり、これらが、すべての実施例に存在するものではない場合もありうる。また、製造システム、プロセス、及び方法の様々な実施例を提示及び説明したが、本明細書を参照すれば、当業者には様々な変形が想到可能であろう。本出願は、そのような変形も包含するものであり、また、請求の範囲によってのみ限定されるものである。

Claims (20)

1. 複合材料を積層するための方法であって、
   基板に前記複合材料を堆積させることと、
   圧縮ローラと前記基板とがニップを形成するものであり、前記圧縮ローラで前記複合材料を圧縮することと、
   前記ニップの近傍にプラズマ流を照射し、これにより前記複合材料及び前記基板の少なくとも一方を加熱することと、を含む方法。
2. 前記複合材料は、テープである、請求項１に記載の方法。
3. 前記複合材料は、補強材を含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記プラズマ流を照射することは、プラズマ発生装置から前記プラズマ流を照射することを含み、この際に、前記プラズマ発生装置は、大気圧プラズマヘッドを含むものである、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
5. 前記プラズマ流を照射することは、約０度から約２０度の範囲の放射角で前記プラズマ流を照射することを含む、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
6. 前記プラズマ流を照射することは、約１５ｐｓｉから約５０ｐｓｉの範囲の圧力で前記プラズマ流を照射することを含む、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
7. 前記プラズマ流は、約３．８ミリメートルから約８．９ミリメートルの最大幅を有する、請求項１～６のいずれかに記載の方法。
8. 前記プラズマ流は、約１．２センチメートルから約２．６センチメートルの長さを有する、請求項１～７のいずれかに記載の方法。
9. 前記プラズマ流は、前記ニップから約１．２センチメートルから約２センチメートルに位置する、請求項１～８のいずれかに記載の方法。
10. 基板に複合材料を積層するための装置であって、
    前記基板に当接するとニップを形成するよう構成された圧縮ローラと、
    前記ニップに向けてプラズマ流を照射するよう配置されたプラズマ発生装置と、を備える装置。
11. 前記プラズマ発生装置は、大気圧プラズマヘッドを含む、請求項１０に記載の装置。
12. 前記プラズマ発生装置は、前記プラズマ流を約０度から約１５度の範囲の放射角で照射するよう構成されたノズルチップを含む、請求項１０又は１１に記載の装置。
13. さらに、前記複合材料を含むバルクリールを備える、請求項１０～１２のいずれかに記載の装置。
14. 前記複合材料は、補強材を含む、請求項１３に記載の装置。
15. 前記複合材料は、さらに、熱可塑性材料を含む、請求項１４に記載の装置。
16. 前記バルクリールは、ハウジングに少なくとも部分的に収容されている、請求項１３～１５のいずれかに記載の装置。
17. さらに、前記複合材料を前記バルクリールから前記ニップに送給するよう配置された送給部を備える、請求項１３～１６のいずれかに記載の装置。
18. 前記複合材料は、テープである、請求項１０～１７のいずれかに記載の装置。
19. さらに、前記ハウジングに少なくとも部分的に収容された切断部を備える、請求項１０～１８のいずれかに記載の装置。
20. 請求項１０～１９のいずれかに記載の前記装置を備える自動繊維配置機。

Images