JP2023545356A

JP2023545356A - 複合材テープフィルム除去を含む繊維配置機

Info

Publication number: JP2023545356A
Application number: JP2023514921A
Authority: JP
Inventors: グリムショー，マイケル・エヌ; グレース，トーマス・シー
Original assignee: フィブ・マシニング・システムズ，インコーポレーテッド
Priority date: 2020-09-04
Filing date: 2020-09-04
Publication date: 2023-10-30
Also published as: EP4208331A1; EP4208331A4; CN116034013A; US20220396040A1; WO2022050950A1

Abstract

複数の複合材テープセグメントを型に適用するための繊維配置ヘッドが、裏当てフィルムを有する複合材テープを保管しかつ複合材テープを繊維配置ヘッドに供給するための供給ロールと、フィルムロールから取り出された複合材テープから裏当てフィルムを受け取るためのフィルムロールと、供給ロールまたはフィルムロールを回転させるための電気モータと、供給ロールまたはフィルムロールと連結されたスリップクラッチであって、供給ロールの角度位置に対するフィルムロールの角度位置の相対変位を可能にする、スリップクラッチと、を含む。【選択図】図３

Description

[0001]本出願は、繊維配置機に関し、より詳細には、複合材テープからのフィルムの除去を効率的に管理する繊維配置ヘッドに関する。

[0002]繊維配置機は、複合材ワークピースを作り出すために使用される。樹脂が浸透した繊維状物質の形態の複合材料が、複合材ワークピースを集団的に形成するために、正確な位置および長さで機械により型またはマンドレルに適用される。繊維配置機は、複合材ワークピースの最終的な形状に複合材テープを正確に適用するために、繊維配置ヘッドを型の上で移動させる。繊維配置ヘッドは、移動するにつれて、連続体（ｃｏｕｒｓｅ）またはトウ（ｔｏｗ）とも呼ばれる複数の複合材テープセグメントを型に残す。複数の複合材テープストランドが連続体の一部として同時に適用され得るが、繊維配置ヘッドは、連続体を適用することの一環として、トウのそれぞれを個別に制御することができる。型へのこれらの複合材テープセグメントの自動適用は、複合材テープを保持し、移動させて、最終的には切断する、多様な機械群の協働を伴う。

[0003]繊維配置機によって使用される複合材繊維テープは、型への適用後または適用中に加えられる熱によって活性化される樹脂が含浸され得る。複合材繊維テープは、必要とされるまでロールまたは筒に巻回されて存在するように、ロールまたは筒上にまとめられ得る。次いで、テープの一端が繊維配置機に送り込まれ、繊維配置機は、複合材繊維テープをロール／筒から引っ張る。しかし、複合材繊維テープに予め含浸された樹脂はいくぶん粘つく場合があり、そのため、テープが筒／スプールに保管されるときに複合材繊維テープの１つのセクションがテープの別のセクションに接触しないように、フィルム－プラスチック製インターリーブと呼ばれることがある－がテープの片面上に位置決めされることがある。この構成は、複合材繊維テープのセクションが故意でなく互いに付着することを防ぐことができる。型またはマンドレルへの適用の前に、フィルムはテープから除去される。型／マンドレルに適用される複合材繊維テープからこのフィルムが除去されるときにそれを管理することは、有益である。

[0004]１つの実施態様では、複数の複合材テープセグメントを型に適用するための繊維配置ヘッドが、裏当てフィルムを有する複合材テープを保管しかつ複合材テープを繊維配置ヘッドに供給するための供給ロールと、フィルムロールから取り除かれる複合材テープから裏当てフィルムを受け取るためのフィルムロールと、供給ロールまたはフィルムロールを回転させる電気モータと、供給ロールまたはフィルムロールと連結されたスリップクラッチであって、供給ロールの角度位置に対するフィルムロールの角度位置の相対変位を可能にする、スリップクラッチと、を含む。

[0005]繊維配置機の一実施態様を示す斜視図である。 [0006]繊維配置ヘッドの一実施態様を示す別の斜視図である。 [0007]繊維配置ヘッドの一部分の一実施態様を示す斜視図である。 [0008]繊維配置ヘッドの一部分の一実施態様を示す輪郭図である。 [0009]繊維配置ヘッドの一部分の一実施態様を示す別の斜視図である。 [0010]繊維配置ヘッドの一部分の一実施態様を示す別の斜視図である。 [0011]繊維配置ヘッドの一部分の一実施態様を示す輪郭図である。 [0012]繊維配置ヘッドの一部分の一実施態様を示す輪郭図である。

[0013]繊維配置機が、型に適用するために供給される複合材テープの１つまたは複数のスプールを担持する繊維配置ヘッドを含み得る。多数の複合材テープセグメントが、型に適用されて複合材部品を集団的に形成し得る。複合材テープがスプールから供給されるときに、裏当てフィルム（プラスチック製インターリーブ）がテープから除去され得る。供給スピンドルが供給スプールを担持することができ、フィルムスピンドルによって担持された別個のフィルムスプールが、テープが供給スプールから引っ張られるときに複合材テープから除去された裏当てフィルムを受け取ることができる。フィルムスピンドルは、電気モータに接続されてよく、電気モータは、フィルムスピンドルを回転させ、かつ、フィルムスプールによって集められる裏当てフィルムにかかる張力を維持するのに役立つ。最初に、複合材テープの供給スプールが開始量のテープを含んでいるときに、供給スプールは初期直径で存在する。複合材テープが供給スプールから取り出され、裏当てフィルムがフィルムスピンドルに受け入れられるにつれて、供給スプールの直径は減少し、フィルムスプールの直径は増大する。供給スプールおよびスピンドルスプールの直径の変化は、それらのスプールの直径比を変化させ得る。裏当てフィルムがテープから除去されるときに、フィルムスピンドルを回転させる電気モータが供給スピンドルおよびフィルムスピンドルより大きい角速度で回転することにより、複合材テープおよび裏当てフィルムにかかる張力を維持し得るように、スリップクラッチが供給スピンドルまたはフィルムスピンドルと連結され得る。

[0014]繊維配置機１０の一実施態様が、図１に示されている。繊維配置機１０は、繊維配置ヘッド１４と分離可能に連結されたロボットアーム１２を含む。ロボットアームは、ベース１６によって支持されてよく、ロボットアームは、ベース１６上で軸（ｘ）の周りで直線的に移動する。例えば枢動、回転、または伸縮によって移動することができる複数の可動セグメント１８が、ベース１６から外方に延在し得る。ロボットアーム１２は、ベース１６に対して複数の軸の周りで移動することができる。例えば、第１のセグメント１８ａが、ロボットアーム１２がベース１６を中心として回転することができるように、一方の端部においてベース１６に回転可能に連結してよい。第２のセグメント１８ｂが、第１のセグメント１８ａと枢動可能に連結してよく、第３のセグメント１８ｃが、第２のセグメントと枢動可能に連結してよい。第４のセグメント１８ｄが、第３のセグメント１８ｃに連結されて、第３のセグメントから離れるようにまた第３のセグメントに向かうように伸縮自在に移動してよい。セグメント１８は、ワークピースを作り出すために使用される型２０またはマンドレルに対してロボットアーム１２の遠位端部を移動させるために、流体ラム、電気モータ、もしくはそれらの組合せ、または他の駆動要素を使用して、互いに対して移動され得る。

[0015]実行可能命令を有するコンピュータ可読記憶媒体と通信しているマイクロプロセッサ（図示せず）が、流体ラム、電気モータ、または他の駆動要素の動きを制御し、それによりロボットアーム１２の可動セグメント１８の動作および位置を制御し得る。マイクロプロセッサは、マイクロコントローラ、ホストプロセッサ、コントローラ、および特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を含む、電子命令を処理することができる任意のタイプのデバイスであってよい。マイクロプロセッサは、ロボットアーム１２の制御を行うためだけに使用される専用プロセッサであってよく、または、他の機械機能と共有されてもよい。マイクロプロセッサは、メモリに格納されたソフトウェアまたはファームウェアプログラムなどの、様々なタイプのデジタル記録された命令を実行する。ロボットアームを動かす流体ラムまたは電気モータなどの機構とマイクロプロセッサとの間の通信は、通信バスを介して行われ得る。

[0016]ロボットアーム１２は、点検修理のためにヘッド１４を位置決めするために、または複合材テープを型２０に適用するために、繊維配置ヘッド１４を３つの軸に沿って移動させることができる。これは、繊維配置ヘッドとともに使用され得るロボットアーム１２の１つの実施態様であるが、複合材テープを適用するロボットアームまたは機械的デバイスの他の実施態様も、同様に使用され得る。ベース１６に対して遠位のロボットアーム１２の端部は、繊維配置ヘッド１４と解放可能に係合するチャック２２を含み得る。チャック２２および繊維配置ヘッド１４の一部分は、チャック２２が繊維配置ヘッド１４を解放可能に掴むことができるように、対応する特徴を有し得る。１つの実施態様では、繊維配置ヘッド１４は、ヘッド１４の表面に対して直角に延在する円筒形シャンクを含む。ロボットアーム１２は、チャック２２がシャンクと係合しまた繊維配置ヘッド１４がアーム１２に弾性的に連結されるように、チャック２２を位置決めすることができる。

[0017]図２～６に示されるように、繊維配置ヘッド１４は、クリールフレーム２４と、ヘッド１４のための複合材テープの供給源として複合材テープを担持する複数のスプール２６と、切断挟持再始動（ＣＣＲ）組立体３２とを含み得る。ＣＣＲ組立体３２は、スプール２６から複合材テープを受け取って型２０に適用して複合材部品を作り出すことができる圧縮ローラ３４（あるいは、圧縮摺動部）を含み得る。クリールフレーム２４は、複数の外側表面３６と、外側表面３６に対して直角に取り付けられたスピンドル３８とを含む。スピンドル３８は、いくつかの実施態様では、空気圧的に、機械的に、または流体的に制御されるダンサー要素を使用してテープ張力を生成するように移動されることが可能であり、ダンサー要素は、テープが型２０に適用されるときに複合材テープにかかる張力を維持するのに役立つ。より具体的には、図３～６に示されるように、繊維配置ヘッド１４は、供給スピンドル３８ａによって担持される供給スプール２６ａと、フィルムスピンドル３８ｂによって担持されるフィルムスプール２６ｂとを含み得る。ダンサーロール２８もまた、複合材テープが供給スプール２６ａから繰り出されるときに複合材テープの張力を管理する助けとなるように、繊維配置ヘッド１４によって担持され得る。１つの実施態様では、ダンサーロール２８は、ダンサーアーム３０によって与えられる力に応答して線形スライド２９に沿って移動することができる。これは、以下でより詳細に論じられる。複合材テープは、型２０への最終的な適用のために、供給スプール２６ａから繰り出され、裏当てフィルムが集められるフィルムスプール２６ｂへとダンサーロール２８を越えて、圧縮ローラ３４内へ移動し得る。

[0018]繊維配置ヘッド１４の内側表面４２の一部分が、図３～４に示されている。繊維配置ヘッド１４に含まれる多数の構成要素が、内側表面４２に近接して示されている。例えば、繊維配置ヘッド１４は、フィルムスピンドル３８ｂを供給スピンドル３８ａおよび供給スプールテンショナ５０に機械的に接続する回転駆動部４６を含み得る。供給スプールテンショナ５０は、供給スピンドル３８ａを回転させるための電気モータを含み得る。この実施態様では、回転駆動部４６は、ベルトまたはチェーンなどの無限ループ４７を含むことができ、無限ループ４７は、フィルムスプール２６ｂの出力軸４５に取り付けられたフィルムプーリ５４、および、スリップクラッチ４８を介して供給スピンドル３８ａに最終的に連結される供給プーリ５２の両方と係合する。いくつかの実施態様では、スリップクラッチ４８は、供給スプール２６ａの軸方向端部に隣接して位置決めされてよく、さらに他の実施態様では、クラッチ４８は、供給スプール２６ａによって担持される複合材料の径方向内方に位置決めされてよい。供給プーリ５２およびフィルムプーリ５４の直径は、特定の比を維持するように選択され得る。これは、以下でより詳細に論じられる。フィルムプーリ５４および供給プーリ５２は、増大した張力が無限ループ４７とプーリ５２、５４との間の摩擦を相応に増大させるように、相応に成形された無限ループを受け入れるための溝付き軸方向外側表面を含み得る。または、別の実施態様では、プーリ５２、５４は、チェーンとして実装された無限ループと係合する、径方向外向きの歯を含み得る。無限ループにかかる張力は、無限ループと接触するように付勢されるアイドラプーリを含むダンサーアイドラ５８を使用して維持され得る。しかし、回転駆動部が出力軸４５と供給スピンドル３８ａとの間の歯車接続部として実装される、他の実施態様が可能である。この実施態様では、供給スプールテンショナ５０は、供給スピンドル３８ａにかかる規定水準のねじれ抵抗を維持することができる。供給スプールテンショナ５０は、無限ループ４７と連結された出力部を有するサーボモータを含んでよく、出力部は、供給スピンドル３８ａの一端に取り付けられた張力プーリ５６と係合する。しかし、サーボモータが供給スピンドル２６ａと軸方向に位置合わせされ、かつ、スピンドルの回転軸と同軸の直列歯車減速機を含む、他の実施態様が可能である。

[0019]スリップクラッチ４８は、供給プーリ５２と連結するクラッチ入力部６０と、供給スピンドル３８ａと係合して供給スピンドル３８ａを回転させるクラッチ出力部６２と、を含み得る。特定の量または水準のトルクがクラッチ入力部６０に印加されるまで、クラッチ入力部６０は、クラッチ出力部６２に対して固定された角度位置を維持する。トルクの水準を超えると、スリップクラッチ４８は、クラッチ入力部６０がクラッチ出力部に対する角度位置を変えることを可能にし、それにより、クラッチ入力部６０からクラッチ出力部６２に伝達されるトルクの量を制限する。スリップクラッチは、様々なやり方のうちのいずれかで実施されてよく、角変位が生じるトルクの量は、選択されてよい。例えば、１つまたは複数の摩擦パッドが、クラッチ入力部６０とクラッチ出力部６２との間の回転軸に沿って位置決めされてよい。クラッチ入力部６０およびクラッチ出力部６２は、摩擦パッドの対向する端部と連結し得る。いくつかの実施態様では、カラーとともに使用される軸方向ねじが、摩擦パッドの互いに対する圧力を増減させることによりクラッチ出力部６２がクラッチ入力部６０に対して角度的に変位されるトルク値を増減させるために使用され得る。供給プーリ５２の直径のフィルムプーリ５４の直径に対する比は、複合材テープが十分に巻回されている初期状態（初期直径）に供給スプール２６ａがあるかどうかまたはかなりの量の裏当てフィルムがフィルムスピンドル３８ｂに巻回されている枯渇（depleted）状態に供給スプール２６ａがあるかどうかにかかわらず電気モータが動作している間はクラッチ入力部６０がクラッチ出力部６２に対して角度的に変位されるように、選択され得る。

[0020]図７に目を向けると、初期状態における供給スプール２６ａの一実施態様の輪郭図が示されており、図８では、枯渇状態における供給スプール２６ａの一実施態様の輪郭図が示されている。図７では、供給スプール２６ａは、全容量まで複合材テープ６４が巻かれている。この実施態様では、全容量における供給スプール２６ａは、２０．３２ｃｍ（８インチ）の直径を有することができ、フィルムスプール２６ｂは、空またはほとんど空のときに６．３５ｃｍ（２．５インチ）の直径を有することができる。出力軸４５の角速度を考慮すると、全容量における供給スプール２６ａと空のフィルムスプール２６ｂとの比は、３．２：１である。複合材テープ６４が繊維配置ヘッド１４に供給されて型２０上に堆積されるにつれて、供給スプール２６ａの直径は減少し、一方で、複合材テープ６４から除去された裏当てフィルム６６をフィルムスプール２６ｂが受け入れるにつれて、フィルムスプール２６ｂの直径は増大する。複合材テープ６４が供給スプール２６ｂから取り出され、取り出されたテープ６４からの裏当てフィルム６６がフィルムスプール２６ｂに巻回されたときに、供給スプール２６ａの直径は、７．６２ｃｍ（３インチ）であり、一方で、フィルムスプール２６ｂの直径は、１６．５１ｃｍ（６．５インチ）である。枯渇した供給スプールと裏当てテープ６６で満たされたフィルムスプールとの比は、１：２．２である。電気モータは、１つの実施態様では４：１の比が存在するように、ある角速度で供給プーリ５２をフィルムプーリ５４に対して回転させることができ、その結果、供給スプール２６ａおよびフィルムスプール２６ｂの直径の変化にかかわらず、供給スピンドル３８ａは、クラッチ入力部６０がクラッチ出力部６２に対して角度的に変位されるように増速駆動（overdriven）されて、裏当てフィルム６６が複合材テープ６４から除去されるときに裏当てフィルム６６の張力を維持することができる。２，４００毎分回転数（ＲＰＭ）の出力軸角回転速度において、供給スプール２６ａは、９５．５ＲＰＭの角回転速度で回転することができ、フィルムスプール２６ｂは、３０６ＲＰＭの角回転速度で回転することができる。複合材テープ６４のすべてまたはほとんどすべてが供給スプール２６ａから引き出された後、供給スプール２６ａは、２４１ＲＰＭの角回転速度で回転することができ、フィルムスプールは、１１８ＲＰＭの角回転速度で回転することができる。

[0021]これまで述べてきたことは、本発明の１つまたは複数の実施形態に関する説明であることが、理解されるべきである。本発明は、本明細書において開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、以下の特許請求の範囲によってのみ定められる。さらに、上記の説明に含まれる記述は、特定の実施形態に関するものであり、また、用語もしくは語句が上記で明確に定義されている場合を除き、本発明の範囲への制限または特許請求の範囲において使用される用語の定義への制限と解釈されるべきではない。様々な他の実施形態、ならびに開示された実施形態に対する様々な変更および修正が、当業者には明らかになるであろう。すべてのそのような他の実施形態、変更、および修正は、添付の特許請求の範囲に記載の範囲に含まれることが意図されている。

[0022]本明細書および特許請求の範囲において、用語「例えば（ｅ．ｇ．）」、「例えば（ｆｏｒｅｘａｍｐｌｅ）」、「例として（ｆｏｒｉｎｓｔａｎｃｅ）」、「～などの（ｓｕｃｈａｓ）」、および「～のような（ｌｉｋｅ）」、ならびに動詞「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「有している（ｈａｖｉｎｇ）」、「含んでいる（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、およびそれらの他の動詞の形態は、１つまたは複数の構成要素もしくは他の物品の列挙と併せて使用された場合、それぞれ無制限と解釈されるべきであり、つまり、列挙は、他の追加の構成要素または物品を除外すると見なされるべきではない。他の用語は、異なる解釈を必要とする文脈においてそれらの用語が使用される場合を除き、それらの用語の最も広い妥当な意味を使用して解釈されるべきである。

Claims

複数の複合材テープセグメントを型に適用するための繊維配置ヘッドであって、
裏当てフィルムを有する複合材テープを保管しかつ前記複合材テープを前記繊維配置ヘッドに供給するための供給ロールと、
前記複合材テープから前記裏当てフィルムを受け取るためのフィルムロールであって、前記複合材テープは前記フィルムロールから取り外される、フィルムロールと、
前記供給ロールまたは前記フィルムロールを回転させるための電気モータと、
前記供給ロールまたは前記フィルムロールと連結されたスリップクラッチであって、前記供給ロールの角度位置に対する前記フィルムロールの角度位置の相対変位を可能にする、スリップクラッチと、
を備える、繊維配置ヘッド。
ダンサーロールをさらに備え、前記ダンサーロールが、前記供給ロールから複合材テープを受け取り、かつ、前記複合材テープにかかる張力を維持しながら前記テープを前記フィルムロールの外側表面上へ送る、請求項１に記載の繊維配置ヘッド。
供給プーリが、フィルムプーリに対して、供給スプールおよびフィルムスプールの直径の変化にかかわらず供給スピンドルが増速駆動され得るように、４：１の比が存在するような角速度で回転される、請求項１に記載の繊維配置ヘッド。
回転駆動部が、前記供給プーリ、前記フィルムプーリ、および無限ループを含む、請求項３に記載の繊維配置ヘッド。
前記フィルムロールを担持しかつ前記電気モータからの回転入力を受け取るためのフィルムスピンドルをさらに備える、請求項１に記載の繊維配置ヘッド。
前記供給ロールを担持しかつ前記電気モータからの回転入力を受け取るための供給スピンドルをさらに備える、請求項１に記載の繊維配置ヘッド。