JP2024505371A - 航空機の翼部または尾翼のための複合材料からなるモノリシック構造体を製造する方法 - Google Patents

航空機の翼部または尾翼のための複合材料からなるモノリシック構造体を製造する方法 Download PDF

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Abstract

本発明は、繊維強化プリプレグ材料から開始して製造される複合材料からなるモノリシック構造体(1)に関する。この構造体は、相互に対面する2つの壁部(6、7)と、これらの壁部(6、7)の間に横軸方向に延在し、これらの壁部に対して連結され、これらの壁部によりそれぞれの細長空洞部(9)を画定する、少なくとも1つの相互連結要素(8)とを備える。これらの壁部(6、7)は、方向(B)の両側に対称的に延在する。相互連結要素(8)は、前述の方向(B)に対して横軸方向に延在するリブ(10)であり、少なくとも一方の壁部(6、7)が、サンドイッチ構造を有し、相互に対面する2つのパネル(11、12)と、これらのパネル(11、12)間に横軸方向に延在し、これらのパネルに対して連結され、これらのパネルにより各細長空洞部(14)を画定し、リブ(10)まで横軸方向に延在する、少なくとも1つのスパー部材(13)とを備える。

Description

関連出願の相互参照
本特許出願は、2021年1月4日に出願されたイタリア特許出願第102021000000044号に基づく優先権を主張する。このイタリア特許出願の全開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
技術分野
本発明は、航空機の、特に飛行機の翼部または尾翼のための複合材料からなるモノリシック構造体を製造する方法に関する。以下の説明においては、具体的には飛行機を明示的に参照するが、一般性を失うわけではない。
周知のように、翼部または尾翼は、固定表面を有する構造的構成要素であり、これらは、航空機の一部であり、軽量化に適した空洞部を有する複合材料からなる構造体を内部に組み込む。
具体的には、「翼部」という用語は、航空機または飛行機の一構成要素を意味し、この翼部の表面は、その表面上を流れる流体流に対してある特定の姿勢に従って配置され、表面自体に対して作用する、速度、圧力、および粘度作用の局所的な差異に関連する複雑な物理作用によって引き起こされる、一連の流体力学的動作(力およびモーメントの結果としての)を発生させることが可能である。
尾翼は、安定化機能を有する飛行機または航空機のパーツであり、1つまたは複数の水平面と、1つまたは複数の垂直面とを備える。水平面は、スタビライザである固定パーツと、スタビライザの後方にヒンジ連結されたバランサである可動パーツとからしばしば構成される。いくつかの例では、水平面は、スタビレータ(スタビライザおよびバランサの短縮形)である単一の表面により形成される。さらに、垂直面は、2つの表面からなり、一方の表面は固定された尾部垂直安定板であり、他方の表面は可動の方向舵であるが、高性能飛行機(軍用および曲芸飛行用)のいくつかの例では、完全可動垂直尾翼が存在する。
また、飛行機の翼部および尾翼は、基部からすなわち胴体に連結された領域から自由端部にかけてテーパ状パターンをしばしば有する。
換言すれば、基部の中央ゾーンを自由端部の中央ゾーンに結び付ける方向を翼部または尾翼の長手延在方向として識別し、前述の長手方向に対して横軸方向に延在し翼部または尾翼自体のウィンド前縁をウィンド後縁に接合する仮想セグメントを翼弦として識別することにより、前述の翼弦の長さが、胴体から前述の翼部または尾翼の自由端部に向かって離れるにつれて、どのように短くなるかを理解することが可能となる。
上記で明示したように、既知のタイプの翼部および尾翼は共に、複合材料から製造された構造体を内部に有し、この構造体は、
第1の壁部と、
第1の壁部に対面する下方壁部であって、第1の壁部から非ゼロ量だけ離間されて配置された下方壁部と、
第1の壁部と第2の壁部との間に延在し、これらの壁部間に境界を画する複数の相互連結要素であって、前記壁部が共にそれぞれ、空洞部を貫通して延在する、複数の相互連結要素と
から主に構成される。
複合材料の使用により、飛行機の総重量を削減し、また同時に非常に強力な構造を獲得することが可能となる。
既知のタイプの構造体の第1の壁部および第2の壁部は、ほぼ平行であり、より厳密には翼部または尾翼の自由端部に向かって相互に若干収束する。
この相互連結要素は、スパー部材により画定され、これらのスパー部材は、翼部または尾翼の翼弦に対して横軸方向に延在し、それぞれの方向において翼部または尾翼自体の自由端部に対して基部を接合する。
より厳密には、スパー部材は、構造体の壁部に対して実質的に直交方向を成す、またはより一般的には横軸方向を成すパーテーションから一般的に構成される。
既述の構造体は、例えば炭素繊維、アラミド繊維、ガラス繊維等の種々の天然繊維により強化された熱硬化性マトリクス(樹脂)を含むプリプレグから開始する、以下に示すステップを含む既知の方法を利用して製造される。
まず最初に、プリプレグ状態において、各スパー部材は、適切なプレフォーム成形ツール上でプレフォーム成形されて、C字断面を有し、背部の両端部エッジから直交方向に突出した背部の2つのフランジから構成された、2つの細長プロファイル要素が形成される。スパー部材を形成するために、これらの2つのC字形状プロファイル要素は、対向側に凹部をそれぞれ成すようにそれらのそれぞれの背部に沿って共に接合される。
具体的には、各C字形状プロファイル要素が、実質的に平行六面体プロファイルを有するプレフォーム成形ツールの3つの平坦面上に積層される。このツールの第1の面は、プリプレグにより完全に覆われ、第1の面に直交し第1の面に隣接する、相互に平行である他の2つの面は、ある長さのみにわたり被覆される。
必要な真空圧密後におよび所定の温度にて、C字形状プロファイル要素は、上述の様式で2つずつ接合されて、所望の個数のスパー部材が形成される。これらのスパー部材は、細長ピン形状を有するそれぞれの剛性支持ツールによる後の硬化ステップのために、定位置にかつ所定の距離をおいて保持される。
プレフォーム成形作業は、重合プロセスを生じさせることなくプリプレグ材料が固結形状を獲得することを可能にする、真空および温度を印加するプロセスである。
各支持ツールが、実質的に平行六面体の剛性の中実細長本体から構成され、平坦面により画定され、製造されることとなる構造体の細長空洞部の形状に対応する断面を有する。
プレフォーム成形されたプリプレグの形態に依然としてある各スパー部材を2つの支持ツールの間に位置決めする前に、これらの支持ツールは、以下の一連のステップ、すなわち
例えばフィルムの形態の分離剤層を各支持ツールに対して施すことにより、それぞれの細長空洞部からの支持ツール自体の以降における取出しを容易にするステップと、
かように調製された各支持ツール上にチューブ状バッグを取り付けて、後の封着作業のために支持ツール自体の各端部にチューブ状バッグの余剰部を残すステップと、
各支持ツール上におよびチューブ状バッグの外部に通気布を巻き付けて、シーラントによりこの通気布のフラップを固定するステップと、
かように調製された各支持ツール上にチューブ状分離フィルムを取り付けて、この例においても、後の封着作業のために支持ツール自体の各端部にチューブ状分離フィルムの余剰部を残すステップと、
チューブ状バッグの端部およびチューブ状分離フィルムの端部をシーラントを用いて封着するステップと、
真空を印加し、チューブ状分離フィルムにより各支持ツール上でドレッシング全体が収縮されるのを待機するステップと
から構成されるドレッシング作業を受ける。
この時点にて、それぞれの背部に沿って共に接合された2つのC字形状プロファイル要素からそれぞれ構成されるプレフォーム成形されたスパー部材は、以前に上述のドレッシング作業を受けた支持ツール間に位置決めされる。具体的には、各プレフォーム成形されたスパーは、
スパーを構成するC字形状プロファイル要素の各対の背部同士が、2つの相互に隣接する支持ツールの2つの対面する平坦面の間に配置され、
各プロファイル要素のウィングが、相互に平行でありプロファイル要素自体の背部を支持する平坦面に対して実質的に直交する各支持ツールのそれぞれの平坦面上に載置される
ように、配置される。
プレフォーム成形されたスパー部材および以前のドレッシングされた支持ツールから構成される、かように形成されたアセンブリは、成形型内に挿入される。この成形型は、下方プレートと、上方プレートと、下方プレートおよび上方プレートを連結する2つの対向側の側壁部とからなる。
具体的には、上方プレートおよび下方プレートのそれぞれの上に、1つまたは複数のプリプレグ材料層が積層され、これらの材料層は、第1のスキンおよび第2のスキンを画定するためのものである。これらのスキンは、固化ステップ後に、製造されることとなる構造体の第1の壁部および第2の壁部を構成する。
より厳密には、それぞれの支持ツールにより定位置に保持されるプレフォーム成形されたスパー部材が、第1のスキンを担持する成形型の下方プレート上に位置決めされる。その後、第2のスキンを担持する成形型の上方プレートが、型自体の側壁部上で、ならびにプレフォーム成形されたスパー部材および支持ツールから構成されたアセンブリ上で閉じられる。
この時点で、分離フィルム、通気布、およびバッグフィルムが、成形型の全体の上に連続的に配置される。バッグフィルムは、成形型の底部にてシーラントにより封着される。
各支持ツール上に配置されたチューブ状分離フィルムは、その端部にて開かれる。各支持ツールに対して長さにおいて余剰部となる部分が、切断される。
各支持ツール上のチューブ状バッグは、これらの端部にて開かれ、封着される。
いわゆるエンベロープバッグは、成形型上に配置された外部バッグフィルムのエッジを支持ツールのチューブ状バッグの端部に封着することによって、およびさらに隣接し合うチューブ状バッグの端部同士を封着することによって、かようにして形成される。
この時点にて、外部バッグの材料が成形型の外部表面に向かって収縮するまで、真空が、エンベロープバッグ内部に印加される。
次いで、チューブ状バッグの端部が開かれ、チューブ状バッグ自体は、真空印加を継続することによりそれぞれの支持ツールから装着解除されて、エンベロープバッグ内部に囲まれる体積が最小限に抑制される傾向となる。
この時点にて、支持ツールが取り出され、かように形成されたアセンブリが、所与の圧力値および温度値にて固化作業を実施するようにオートクレーブ内処理される(例えば、エポキシ樹脂の場合には、固化温度は約180℃であり、固化圧力は6～7バールの間である)。
既述の方法および使用されるツールにより、プレフォームを正確に位置決めし、エンベロープバッグの形成および製造のための型の閉鎖作業の最中にそれらのプレフォームの位置を維持することが可能となる。
固化サイクルの前に支持ツールを取り出すことにより、固化に必要な圧力条件および温度条件の下でツールが不適切に変形することが防止され、それによって複合材料からなるすべてのパーツに対する均一な圧力印加が確保される。
代わりに、チューブ状バッグにより、それらのチューブ状バッグが接触する複合材料パーツに対する均一な圧力印加が可能になる。
しかし、本出願人は、既述の構造体およびその構造体を実現するための方法には改善の余地があることに気づいた。
具体的には、ここまでにおいて詳細に分析した既知のタイプのマルチスパー構造体においては、外部荷重は、第1の壁部および第2の壁部を画定する2つのスキンの間に、ならびに様々なスパー部材の間に分散される。このタイプの構造を有する翼部または尾翼は、最終用途に対して完全に機能する一方で、ねじりよりも曲げに関して技術的により優れた性能を示す。
したがって、既知の翼部および尾翼と同一の挙動を曲げ荷重に関して示す一方で、動作中にねじり荷重に対してより優れた応答を示す翼部および尾翼を製造する必要性が、業界に存在する。
さらに、翼部または尾翼のための構造体を製造する方法をより効率的かつより低コストにするために単純化する必要性が、業界に存在する。最後に、表面仕上げの品質、具体的には構造体内部の表面仕上げの品質が、さらなる改良を必要としている。
米国特許出願公開第2017/0174313A1号は、航空機の翼部のための複合材料からなる構造体を製造する方法について記載している。この方法は、横並びにかつ相互に平行に配置された支持ツールのアセンブリの周囲にリング上に巻き付けられた未固化複合材料からなる2つのスキンを使用する。翼部の各リブを画定することとなる未固化複合材料は、支持ツールの各対の間に配置される。また、この方法は、2つのスキン間の特定の位置に挿入される、および最終固化ステップの最中に支持要素の使用を回避するために十分な架橋度合いを有する、プレフォーム成形された強化構造体の使用を提供する。したがって、プレフォーム成形された強化構造体の構成要素は、スキンおよびリブが製造される時点とは異なる時点にて製造され、したがってこの方法は長期的かつ複雑なものとなる。接着剤または他の固定システムが、プレフォーム成形されたおよび少なくとも部分的に架橋された強化構造体および未固化スキンを接合するために使用される必要がある。したがって、実現された構造体は、モノリシックであるとは言えず、すなわち各部分において同等であり固化ステップ前と同一条件を有するプリプレグ材料を用いて1度で実現されるとは言えない。
米国特許出願公開第2017/0174313A1号
本発明の目的は、信頼性が非常に高く、コストが限定的であり、上記において具体的に示した要件および既知のタイプの複合材料からなるモノリシック構造体を製造する方法に関連する要件の中の少なくとも1つを満たすことを可能にする、航空機の翼部または尾翼のための複合材料からなるモノリシック構造体を製造する方法を提供することである。
本発明によれば、この目的は、請求項1において特許請求するような、航空機の翼部または尾翼のための複合材料からなるモノリシック構造体を製造する方法によって実現される。
以下、本発明をよりよく理解するために、完全に例としておよび添付の図面の補助により、好ましい非限定的な一実施形態を説明する。
本発明の方法により製造された複合材料からなるモノリシック構造体を翼部内に組み込む航空機の、明瞭化のために複数のパーツが除去された平面図である。 図1のモノリシック構造体の、明瞭化のために複数のパーツが除去された、拡大斜視図である。 図2のモノリシック構造体の細部の拡大された部分断面斜視図である。 図3の細部の詳細のさらに拡大された部分断面斜視図である。 図3の細部の詳細のさらに拡大された部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各壁部を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第1の支持ツールの部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各壁部を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第1の支持ツールの部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各壁部を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第1の支持ツールの部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各壁部を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第1の支持ツールの部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各相互連結要素を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第2の支持ツールの部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各相互連結要素を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第2の支持ツールの部分断面斜視図である。 プリプレグ複合材料による図2のモノリシック構造体の各相互連結要素を形成および積層する作業の最中における一連のステップの中の第2の支持ツールの部分断面斜視図である。 図6から図12の第1の支持ツールおよび第2の支持ツールによる一連の製造ステップにおける図2のモノリシック構造体の部分断面斜視図である。 図6から図12の第1の支持ツールおよび第2の支持ツールによる一連の製造ステップにおける図2のモノリシック構造体の部分断面斜視図である。 図6から図12の第1の支持ツールおよび第2の支持ツールによる一連の製造ステップにおける図2のモノリシック構造体の部分断面斜視図である。 複合材料からなるモノリシックボックス形状構造体の可能な一変形例の細部を部分断面斜視図にて示す、図5と同様の図である。 プリプレグ複合材料による図16の変形例によるモノリシック構造体の相互連結要素を形成および積層する作業の最中における2つの部分的に断面化された第2の支持ツールの斜視図である。
図1および図2を参照すると、1は、航空機のための、すなわち少なくとも短距離にわたり飛行することが可能なビークルのための、複合材料からなるモノリシック構造体を全体として示す。
図1に示す例では、航空機が、飛行機2として示され、この飛行機2は、胴体3、2つの翼部4、および複数の尾翼5を既知の様式で備える。この中でもとりわけ、尾部垂直安定板および2つのスタビライザが部分的に視認できる。
飛行機2は、胴体3の軸および飛行機2自体の前進方向と同一の軸Aを有する。翼部4および尾翼5は、胴体3から起始してカンチレバー式に延在する。
さらに詳細には、各翼部4は、胴体3に対して連結された基部部分4aと、基部部分4a自体の対向側に位置する自由端部部分4bとを有する。
したがって、各翼部4は、自由端部部分4bの中央ゾーンに対して基部部分4aの中央ゾーンを接合する接合部として識別される長手方向Bに沿って延在する。各翼部4の長手方向延長方向Bは、飛行機2の軸Aに対して横軸方向に位置し、傾斜を付けられる例では、胴体3の前方部分に向かって軸A自体との間に鈍角を形成する。代替的には、方向Bは、軸Aとの間に鋭角または直角を形成することも可能である。
各翼部4は、方向Bに対して横軸方向において、ウィンド前縁4cおよびウィンド後縁4dにより境界を画定される。各翼部4において、前縁4cは、飛行機2の前進移動方向を基準として後縁4dの正面に位置する。
図示する例では、各翼部4は、基部部分4aから起始し自由端部部分4bに向かい、方向Bに沿ってテーパ状パターンを成す。実際的には、方向Bに対して横軸方向に延在し各翼部4の後縁4dに前縁4cを接合する仮想セグメントを、翼弦として識別した場合に、図示する例では、前述の翼弦は、胴体3から翼部4自体の自由端部部分4bに向かって離れるように移動するにつれて、その長さが短くなると指摘することができる。
図1に示す例において分かるように、構造体1は、各翼部4の内部部分を構成する。
構造体1は、飛行機2の各尾翼5に対して、または飛行機の翼部もしくは尾翼に対して全般的に使用することも可能である点に留意されたい。
図1～図5を参照すると、構造体1は、
第1の壁部6と、
第2の壁部7であって、第2の壁部7自体の最大表面に沿って壁部6の最大表面に対面し、非ゼロ量だけ壁部6から離間されて配置された、第2の壁部7と、
複数の相互連結要素8であって、壁部6と壁部7との間に横軸方向に延在し、壁部6および壁部7に対して連結され、壁部6および壁部7自体と共に各細長空洞部9を画定する、複数の相互連結要素8と
を備える。
図示する例では、壁部6は、各翼部４の使用の位置において構造体1の下方壁部を形成し、壁部7は、構造体1自体の上方壁部を形成する。
壁部6および壁部7は、長手方向Bの両側において対称的に延在し、方向B自体に対してほぼ平行である。
相互連結要素8は、長手方向Bに対して横軸方向に延在するリブ10から構成される。
各壁部6、7は、「サンドイッチ」構造を有し、このサンドイッチ構造は、
第1のパネル11であって、第1のパネル11自体の最大表面に沿って、他方の壁部7、6の最大表面に対面する、第1のパネル11と、
第2のパネル12であって、第2のパネル12自体の最大表面に沿って、パネル11の最大表面に対面する、第2のパネル12と、
複数のスパー部材13であって、パネル11とパネル12との間に横軸方向に延在し、パネル11および12に対して連結され、パネル11、12自体と共に各細長空洞部14を画定し、リブ10に対して横軸方向に延在する、複数のスパー部材13と
からなる。
実際的には、壁部6および7のパネル11同士は、相互に対面しており、パネル11、12自体に対して横軸方向においてパネル12同士の間に配置される、またはより内部に配置される。
パネル11、および同様にパネル12は、長手方向Bの両側に対称的に延在し、方向B自体に対してほぼ平行である。
図示しない可能な代替例によれば、壁部6および壁部7の一方のみが、サンドイッチ構造を有し、他方は、単一のパネルのみにより形成されることが可能である。
図示する例では、各壁部6、7のパネル11とパネル12との間の距離は、パネル11、12自体に対する横軸方向におけるパネル11同士の間の距離よりも短い。
壁部6および壁部7の一方のみが上述のサンドイッチ構造を有し、他方が単一のパネルにより形成される代替例では、サンドイッチ構造を有する壁部6、7のパネル11とパネル12との間の距離は、単一のパネルにより形成される壁部6、7からのパネル11の距離よりも短い。
パネル11および12、ならびにより一般的には壁部6および7は、図示する例では、翼部4の自由端部部分4bに向かって相互に若干収束する。図示しない可能な一代替例によれば、パネル11および12、ならびにより一般的には壁部6および7は、相互に対して平行であることも可能である。
いずれの場合においても、パネル11および12、ならびにより一般的には壁部6および7は、相互に対してほぼ平行であると見なすことができる。
リブ10およびスパー部材13は、開口断面または閉鎖断面を有することが可能である。
図2、図3、および図5に示す解決策では、リブ10は、C字形状断面を有する。図示しない他の可能な代替例によれば、リブ10は、I字、T字、二重T字、二重C字、Z字、または他の形状に一致する断面を有することも可能である。
図示する例では、各壁部6、7のスパー部材13は、最外パネル12に向かって2つずつ収束する斜めI字形状断面を有する。この例においても、スパー部材13の断面は、例えば垂直I字、C字、Z字、T字、二重T字等に個々に一致するものであることが可能である。
構造体1は、例えば炭素繊維および/またはアラミド繊維および/またはガラス繊維等の種々の性質を有し得る繊維により強化された、例えば熱硬化性樹脂から作製されたものなどのポリマーマトリクスを有するプリプレグから開始して製造される。
代替的には、構造体1は、上記に示したタイプの繊維により強化された熱可塑性樹脂から作製されたマトリクスプリプレグから開始して製造されることも可能である。
これら両例において、パネル11、12は、各スキン11a、12aから開始して製造される(図8、図9、図13、図14、図15)。各スキンは、以降においてさらに詳細に説明されることとなるように、各平坦表面上に積層された前述の繊維強化されたプリプレグの1つまたは複数の層によって形成される。
図6～図9を参照すると、スパー部材13は、スパー部材13自体の長手方向延在方向に細長い各支持ツール15上に上記で定義したプリプレグ材料を積層することによって実現される。
具体的には、支持ツール15は、製造されることとなる構造体1内の所定の位置にスパー部材13を維持するようになされ、加熱および冷却にそれぞれ応答して、すなわち温度刺激に応答して、剛性状態から可撓性エラストマー状態におよびその逆に移行することを可能にするのに適した、強化材料およびポリマーをベースとする組成を有する。
有利には、支持ツール15を構成するポリマーは、既知のタイプの形状記憶熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーである。このポリマーは、例えば形状記憶性を有するエポキシポリマー、形状記憶性を有するシアン酸エステルポリマー、形状記憶性を有するポリウレタンポリマー、形状記憶性を有するビニルポリマー、形状記憶性を有するポリイミドポリマー、形状記憶性を有するマレイミドポリマー、またはコポリマーを含むこれらの組合せである。
形状記憶性を有するポリマーの特性により、支持ツール15は、長期的な反復使用にもかかわらず、および多数の加熱および冷却サイクルの後でも、場合によっては専用の再成形ツールに挿入することにより、元の剛性形状を回復することができる。
支持ツール15の強化材料は、1つまたは複数の弾性繊維を含み得る。
具体的には、強化材料としては、ナイロン繊維、ライクラ繊維、ポリエステル繊維、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ボロン繊維、玄武岩繊維、ポリマー繊維、チョップド繊維、メッシュ、3次元繊維プレフォーム、標準的な緯糸布、綾織り布、または他のタイプの布、およびそれらの組合せが含まれ得る。ナイロン繊維の適切な市販の例は、Ivista(Wichita、Kans)の製造によるナイロンである。
いくつかの実施形態では、支持ツール15は、2つ以上の異なるタイプの強化材料を含み得る。
各支持ツール15は、形成されることとなるスパー部材13の延在方向に細長いプリズム形状部と、同方向への中空形状部とを有する。具体的には、各支持ツール15は、構造体1の各壁部6、7中に形成されることとなる各空洞部14のプロファイルと相補的な多角形外部プロファイルを有する断面を有する。図示する例では、各支持ツール15は、二等辺台形断面を有し、斜角エッジ17により共に接合される4つの側壁部16によって画定される。これらの壁部16は、各支持ツール15の長手方向貫通空洞部18を画定する。
図示しない可能な一代替例によれば、支持ツール15は、斜角エッジを有する平行六面体セクションを有することも可能である。
図示する例では、プリプレグ材料は、必要に応じてプリプレグ材料の粘着性度合いに基づき、樹脂ベース接着剤(「粘着付与剤」として知られる)の塗布後に剛性状態の各支持ツール15のすべての壁部16上に外部に積層される。
形成されることとなるスパー部材13の断面の構成に応じて、プリプレグ材料を用いた被覆は、各支持ツール15の壁部16の中のいくつかに対して限定されることが可能である。さらに、やはり形成されることとなるスパー部材13の断面の構成に応じて、支持ツール15は、種々の、しかしいずれの場合においてもスパー部材13同士の間に製造されることとなる空洞部14の形状に対して常に相補的である、断面を有することが可能である。
各支持ツール15が剛性状態にあることにより、各支持ツール15上に1つまたは複数のプリプレグ層を載置することが可能となる。さらに、プリプレグ層の組成により、プリプレグ材料を積層する前に支持ツール15をドレッシングすることが不要となり得る。
プリプレグ材料が各支持ツール15の壁部16上に載置された後に、支持ツール15は、外部バッグ(周知であるため図示せず)内に囲まれ封入され、次いでこの外部バッグ内で、真空が、プリプレグ材料自体の様々な層の圧縮を実現するために既知の様式で印加される。
この時点にて、圧縮された積層プリプレグ材料を外部に有する支持ツール15同士を横方向に横並びに共に接近させるまたは配置することによって、前段落で述べた外部バッグを除去すると(図7、図8)、支持ツール15自体の台形断面の斜め側辺を画定する壁部16を被覆するプリプレグ材料部分同士を共に2つずつ横方向に接合することが可能となる。
各支持ツール15の平坦壁部16同士が、斜角エッジ17により接合されることにより、プリプレグ材料は、プリプレグ材料が載置される壁部16自体と同一の、およびこれらの壁部16同士を接合する斜角エッジ17と同一の外部形状を有する。
したがって、凹部19が、横並びに配置され、プリプレグ材料で外部被覆された、支持ツール15の各対の間に形成される。凹部19は、略V字形状断面を有する。凹部19は、凹部19自体のプロファイルに対して相補的なプロファイルを有する各プリプレグ充填ビード20またはヌードル(図8)によって充填される。
横並びに配置された支持ツール15により、支持ツール15を外部被覆するプリプレグ材料により、および充填ビード20により構成される、かように形成されたアセンブリは、スキン11aとスキン12aとの間に載置および配置され、これらのスキンは、各壁部6または7のパネル11および12を形成することとなる。
図8および図9は、壁部6のみの形成を示し、他方の壁部7の形成は、完全に同様の様式で実施されるものと理解される点に留意されたい。
図示する例では、壁部6のスキン12aは、周知であるため図示しない成形表面上に積層される。より厳密には、樹脂ベース接着剤(「粘着付与剤」として知られる)が、この成形表面に対して予め塗布され、次いでスキン12aを形成する繊維で強化された種々のプリプレグ材料層が、積層される。
好ましくは、例えば4層ごとなど所定の層数を積層した後に、真空圧密ステップが実施される。
この時点にて、各支持ツール15により定位置に保持されたプレフォーム成形されたスパー部材13および充填ビード20は、スキン上に配置される。
その後、スキン12aに関して見たものと同様の様式で積層および圧縮されたスキン11a(図9)が、かように形成されたアセンブリに対して施される。
図10～図12を参照すると、リブ10は、リブ10自体の主要延在方向に伸びたならびに支持ツール15と同一の組成および特性を有するさらなる支持ツール21上に、上記で定義したプリプレグ材料を積層することにより実現される。
具体的には、各リブ10は、各細長プロファイル要素22から開始して実現される。この細長プロファイル要素22は、C字形状断面を有し、平坦かつスキン11a、12aおよびパネル11、12に対して実質的に直交する主要部分23と、主要部分23自体の両端部エッジから実質的に直交方向に横軸方向に突出し主要部分23の同一側に配置された2つの端部付加物24とにより構成される。
必須ではないが好ましくは、各支持ツール21は、各リブ10の長手方向延在方向に細長い平行六面体形状部と、同一方向への中空形状部とを有する。具体的には、各支持ツール21は、構造体1に形成されることとなる各空洞部9のプロファイルに対して相補的な多角形外部プロファイルを有する断面を有する。図示する例では、各支持ツール21は、4つの側壁部25により画定され、これらの4つの側壁部は、2つずつにおいて平行であり、2つの隣接し合う壁部25に対してそれぞれが直交方向を成す。
壁部25は、各支持ツール21の長手方向貫通空洞部26を画定する。
各プロファイル要素22は、樹脂ベース接着剤(「粘着付与剤」として知られる)の塗布後に剛性状態の各支持ツール21の3つの隣接し合う壁部25上に外部に積層される。
具体的には、剛性状態の支持ツール21の壁部25が、各プロファイル要素22のプリプレグにより完全に被覆され、その一方でこの壁部25に隣接する2つの他の壁部25は、所定の長さのみにわたり被覆される。
したがって、各支持ツール21は、その側部の一方の上に各プリプレグC字形状プロファイル要素22を支持することが可能となる。
支持ツール21が剛性状態にあることにより、各支持ツール21上に1つまたは複数のプリプレグ層を載置することが可能となる。さらに、プリプレグ層の組成により、プロファイル要素22を積層する前に支持ツール21をドレッシングすることが不要となり得る。
プロファイル要素22が各支持ツール21の壁部25上に載置された後に、支持ツール21は、外部バッグ(周知であるため図示せず)内に囲まれ封入され、次いでこの外部バッグ内で、真空が、プロファイル要素22自体の圧縮を実現するために既知の様式で印加される。
この時点にて、それぞれの圧縮されたプリプレグプロファイル要素22(図12)を外部に有する支持ツール21同士を横方向に横並びに共に接近させるまたは配置することによって、支持ツール21自体によりこれらのプロファイル要素22を相互から所望の距離をおいた状態に維持することが可能となる。さらに、適切なプリプレグ充填ビード29またはヌードルが、スキン11a同士の間の領域と、主要部分23と各端部付加物24との間の連結領域とにも挿入される。
具体的には、各プリプレグプロファイル要素22は、
主要部分23が、相互に隣接する2つの支持ツール21の2つの対面する壁部25間に配置され、
端部付加物24が、相互に対して実質的に平行であり主要部分23を支持する壁部25に対して実質的に直交方向を成す、各支持ツール21の各壁部25上に載置される
ように、配置される。
プリプレグプロファイル要素22と、プリプレグプロファイル要素22を定位置に保持する支持ツール21とにより構成される、かように形成されたアセンブリは、以前に形成されたスキン11aの上に、および壁部6を形成することとなるアセンブリ上に載置される。
壁部6の形成に関して見たものと同様に、プロファイル要素22および支持ツール21により画定されるアセンブリ上には、壁部7を形成することとなるスキン11aおよび12aが、これらのスキン11a,12a自体の間に、プレフォーム成形されたスパー部材13と、各支持ツール15により定位置に保持された充填ビード20との介在物を伴って、施される(図13および図14)。
この全体が、成形型に挿入される。成形型は、周知のものであり、図示しない。
図13～図15において視認できるように、支持ツール15は、形成されることとなる構造体1を画定するように取り付けられると、支持ツール21の主要延在方向に対して横軸方向を成す主要延在方向を有する。
この時点にて、通気布(周知であるため図示しない)と、支持ツール15、21自体から前方および後方にて突出するチューブ状バッグ27とが、各支持ツール15、21自体の内部に挿入される(図15)。
図示しない可能な代替例によれば、通気布およびチューブ状バッグ27は、各支持ツール15、21の周囲に配置されることが可能である。
図15において視認可能な2つの上方フラップ28aおよび下方フラップ28bを有するさらなる外部バッグ28が、使用時に、チューブ状バッグ26の突出端部に対して形成および溶接されることとなる予めに調製された構造体1の周囲に配置される。
支持ツール15、支持ツール21、充填ビード20、支持ツール15の周囲に配置されたプリプレグ材料、プロファイル要素22、ならびにスキン11aおよび12aを備える、かように形成されたアセンブリは、既知の図示しない様式でオートクレーブ内に配置されて、所定の圧力値および温度値にて固化作業が実施される(例えば、エポキシ樹脂の場合には、固化温度は約180℃であり、固化圧力は6～7バールの間である)。
固化ステップの最中に、温度刺激により、支持ツール15、21の壁部16および25は、剛性状態から可撓性エラストマー状態に移行する。実際に、支持ツール15、21は、固化温度未満および50℃超の温度にて可撓性エラストマー状態になるように構成される。固化圧力は、形成されることとなる構造体1の外部および支持ツール15、21の内部の両方において、ならびにしたがってチューブ状バッグ26を通り構造体1自体の空洞部9および14の内部において作用し、したがってチューブ状バッグ26は、状態変化により可撓性になった壁部16、25を圧迫する。固化圧力の結果として、次いで壁部16、25は、重合するプリプレグ材料を均一に圧迫する。
固化ステップが完了すると、支持ツール15、21は、再び加熱されて可撓性エラストマー状態へと移行し、それにより成形された構造体1の空洞部9、14からの取出しが可能となる。
図16の変形例は、構造体1を示す。この構造体1では、リブ10は、I字形状断面を有し、2つのプロファイル要素22を接合することにより各主要部分23同士を対面接触状態に配置し、端部付加物24同士を逆方向から突出させることによって実現される(図17)。
構造体1の特徴の、および構造体1を製造するための上述の方法の特徴の検討から、実現され得る利点は明白である。
具体的には、スパー部材13およびリブ10の両方を有する構造体1を有する、翼部4および尾翼5は、曲げだけでなくねじりにおいても高い性能を示す。
換言すれば、構造体1は、可撓性荷重に対して既知のタイプの構造体と同一の挙動を示すが、動作中にねじり荷重に対してより優れた応答が可能になる。
さらに、既述の方法は、既知の方法よりも簡素化され速い。なぜならば、プリプレグ材料が、支持ツール15、21の上に直接的に積層され、適切なプレフォーム成形ツールの上には積層されず、次いで支持ツールへと移送されるからである。
最後に、固化ステップ前に支持ツール15、21を取り出すことが不用となる。なぜならば、これらのツールは、プリプレグ材料を均一に圧迫することにより、固化作業の最中に可撓性弾性状態を呈するからである。
特許請求の範囲により定義される保護範囲から逸脱することなく、本明細書において説明および図示される構造体1および関連する製造方法に対して修正および変形を加えることが可能であることは明らかである。
具体的には、支持ツール15、21は、ポリスチレンまたは他の低融点熱可塑性材料から作製することが可能であり、それによりこれらのツールは、固化温度にて溶融し「消滅」する。固化圧力は、チューブ状バッグ27を介して印加される。
この例では、支持ツール15、21に関して上記で示したタイプの低融点材料を使用することにより、固化後に実施されることになる唯一の作業が、チューブ状バッグ27の取出しになる。
さらなる代替例は、水または他の液体の中で溶解可能な支持ツールに代表されるものが可能である。
この支持ツールの例では、固化作業の終了時に、支持ツール15、21の除去は、水または専用溶媒を用いて溶解することによって実現される。
1 構造体
2 飛行機
3 胴体
4 翼部
4a 基部部分
4b 自由端部部分
4c ウィンド前縁
4d ウィンド後縁
5 尾翼
6 第1の壁部
7 第2の壁部
8 相互連結要素
9 細長空洞部
10 リブ
11 第1のパネル
11a スキン
12 第2のパネル、最外パネル
12a スキン
13 スパー部材
14 細長空洞部
15 支持ツール
16 側壁部、壁部、平坦壁部
17 斜角エッジ
18 長手方向貫通空洞部
19 凹部
20 プリプレグ充填ビード
21 支持ツール
22 細長プロファイル要素、プリプレグC字形状プロファイル要素、プリプレグプロファイル要素
23 主要部分
24 端部付加物
25 壁部
26 長手方向貫通空洞部、チューブ状バッグ
27 チューブ状バッグ
28 外部バッグ
28a 上方フラップ
28b 下方フラップ
29 プリプレグ充填ビード

Claims (10)

  1. 航空機(2)の翼部(4)または尾翼(5)のための複合材料からなるモノリシック構造体(1)を製造する方法であって、前記構造体(1)は、繊維強化ポリマーマトリクスを含むプリプレグ材料から開始して製造され、
    第1の壁部(6)と、
    第2の壁部(7)であって、前記第2の壁部(7)の最大表面に沿って前記第1の壁部(6)の最大表面に対して対面し、前記第1の壁部(6)自体から非ゼロ量だけ離間されて配置される、第2の壁部(7)と、
    前記第1の壁部(6)と前記第2の壁部(7)との間に横軸方向に延在し、前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)に対して連結され、前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)自体により各第1の細長空洞部(9)を画定する、少なくとも1つの相互連結要素(8)と
    を備え、
    前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)は、前記航空機(2)の胴体(3)に対して連結された基部部分(4a)から前記翼部(4)または前記尾翼(5)自体の自由端部部分(4b)までの前記翼部(4)または前記尾翼(5)の延在方向と使用時において一致する方向(B)の両側に対称的に延在し、
    前記相互連結要素(8)は、前記方向(B)に対して横軸方向に延在するリブ(10)であり、
    前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の少なくとも一方(6、7)が、サンドイッチ構造を有し、
    前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の他方(7、6)に対面する第1のパネル(11)と、
    前記第1のパネル(11)に対面する第2のパネル(12)と、
    少なくとも1つのスパー部材(13)であって、前記第1のパネル(11)と前記第2のパネル(12)との間に横軸方向に延在し、前記第1のパネル(11)および前記第2のパネル(12)に対して連結され、前記第1のパネル(11)および前記第2のパネル(12)自体により各第2の細長空洞部(14)を画定し、前記リブ(10)に対して横軸方向に延在する、少なくとも1つのスパー部材(13)と
    を備える、方法において、
    a)少なくとも2つの細長い第1の支持ツール(21)を用意するステップであって、前記第1の支持ツール(21)のそれぞれが、前記構造体(1)内に形成されることとなる前記第1の空洞部(14)のプロファイルに対して相補的な多角形外部プロファイルを有する断面を有する、ステップと、
    b)前記リブ(10)を形成することとなる前記プリプレグ材料の1つまたは複数の層を前記第1の支持ツール(21)同士の間に配置するように、前記第1の支持ツール(21)同士を横並びに横方向に配置するステップと、
    c)少なくとも2つの第2の細長支持ツール(15)を用意するステップであって、前記第2の細長支持ツール(15)のそれぞれが、前記構造体(1)内に形成されることとなる前記第2の空洞部(8)のプロファイルに対して相補的な多角形外部プロファイルを有する断面を有する、ステップと、
    d)前記スパー部材(13)を形成することとなる前記プリプレグ材料の1つまたは複数の層を前記第2の支持ツール(15)同士の間に配置するように、前記第2の支持ツール(15)同士を横並びに横方向に配置するステップと、
    e)前記プリプレグ材料の1つまたは複数の層を、少なくとも3つの別個のスキン(11a、12a)ごとに積層することによって、前記スキン(11a、12a)を形成するステップと、
    f)前記スキン(11a、12a)の中の第1のスキンと第2のスキンとの間に、前記第2の支持ツール(15)によりおよび前記第1のスキンと前記第2のスキンとの間に配置された前記プリプレグ材料により形成されたアセンブリを挿入することによって、前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)中の前記第1の壁部(6)を形成するステップと、
    g)前記スキン(11a、12a)の中の前記第2のスキン(11a)と第3のスキン(11a)との間に、前記第1の支持ツール(21)と前記第1の支持ツール(21)同士の間に配置された前記プリプレグ材料とによって形成されたアセンブリを挿入するステップと、
    h)前記ステップa)から前記ステップg)において形成された群を、所定の固化温度および圧力のオートクレーブ内に配置するステップと
    を含み、
    前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)は、内部が中空であり、室温にて剛体状態になるような組成を有し、
    前記第1の支持ツール(21)は、前記第2の支持ツール(15)の主要延在方向に対して横軸方向である主要延在方向を有し、
    前記ステップb)および前記ステップd)は、前記剛体状態にある前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)の壁部(25、16)の外部表面上に前記プリプレグ材料を直接的に積層することによって実施される、
    方法。
  2. 前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)は、加熱および冷却のそれぞれに応答して前記剛体状態から可撓性エラストマー状態へとおよびその逆へと移行することを可能にするのに適した強化材料およびポリマーをベースとする組成を有し、前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)は、前記固化温度未満および50℃超の温度にて前記可撓性エラストマー状態を呈するように構成され、前記固化圧力は、前記ステップh)の最中に、前記オートクレーブの内部ならびに前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)の内部の両方に印加され、前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)の壁部(25、16)は、前記剛体状態から前記可撓性エラストマー状態への移行により可撓性になされ、したがって前記固化圧力自体により押されて前記隣接するプリプレグ材料に付着する、
    請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)の前記ポリマーは、形状記憶熱硬化性ポリマーまたは熱可塑性ポリマーであり、前記第1の支持ツール(21)および前記第2の支持ツール(15)の前記強化材料は、1つまたは複数の弾性繊維を含む、
    請求項2に記載の方法。
  4. 前記第1の支持ツール(21)および/または前記第2の支持ツール(15)は、低融点熱可塑性材料、特にポリスチレンから作製され、前記ステップh)の最中に前記第1の支持ツール(21)および/または前記第2の支持ツール(15)が溶解し、前記固化圧力がチューブ状バッグ(27)を介して印加されるように、前記チューブ状バッグ(27)で外部被覆される、
    請求項1に記載の方法。
  5. 前記第1の支持ツール(21)および/または前記第2の支持ツール(15)は、所与の溶媒、例えば水などの中で溶解可能な材料から作製される、
    請求項1に記載の方法。
  6. 前記構造体(1)の前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の中の前記他方(7、6)もまた、前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の前記一方と同一のサンドイッチ構造を備え、前記方法は、
    i)前記プリプレグ材料の1つまたは複数の層を積層することにより第4のスキン(12a)を形成するステップと、
    l)前記第3のスキン(11a)と前記第4のスキン(12a)との間に、前記第2の支持ツール(15)によりおよび前記第2の支持ツール(15)同士の間に配置された前記プリプレグ材料により形成されたさらなるアセンブリを挿入することによって、前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の前記他方(7、6)もまたサンドイッチ構造中に形成するステップと
    をさらに含む、
    請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の前記一方(6、7)の前記第1のパネル(11)と前記第2のパネル(12)との間の距離が、前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)の前記他方(7、6)からの前記第1のパネル(11)の距離よりも短い、
    請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記第1の壁部(6)および前記第2の壁部(7)のそれぞれの前記第1のパネル(11)と前記第2のパネル(12)との間距離は、相互に対面する前記第1のパネル(11)同士の間の距離よりも短い、
    請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記リブ(10)は、開口断面または閉鎖断面を有するプロファイル要素である、
    請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記スパー部材(13)は、開口断面または閉鎖断面を有する、
    請求項1から9のいずれか一項に記載の方法。
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