JP4940299B2 - 航空および宇宙航行用繊維複合材料製部材を製造する方法および成形コア - Google Patents

航空および宇宙航行用繊維複合材料製部材を製造する方法および成形コア Download PDF

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Description

本発明は、特に航空および宇宙航行用の繊維複合材料製部材を製造する方法、そのような繊維複合材料製部材を製造する成形コア、およびそのような成形コアおよびそのような方法、もしくはそのいずれかによって製造された少なくとも１つのストリンガを備える繊維複合材料製部材に関係する。
本発明は望まれるあらゆる繊維複合材料製部材に適用できるが、本発明およびそれに基づく問題を、二次元ストリンガで補強した炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）部材、例えば航空機の外板を参照しながら、以下詳細に説明する。
航空機セクターに生じる荷重になるべく少ない追加重量で耐えるために、ＣＲＰ製外板をＣＲＰ製ストリンガで補強するのは一般に知られている。この点に関し、本質的に２種類のストリンガ、T 型ストリンガとΩ型ストリンガとが区別されている。
T 型ストリンガの断面はベースとステムからできている。ベースは外板との接続面をなす。航空機の建造において、T 型ストリンガで補強した外板の使用が広く普及している。
Ω型ストリンガはつば付き帽子のような形で、その両端が外板に接続される。Ω型ストリンガは、同じく硬化した外板に硬化した状態で接着接合しても、または外板と同時に湿潤硬化してもよい。プロセスの技術面からより有利であるため、後者が望ましい。しかし、Ω型ストリンガで補強する外板の湿潤製造には、製造プロセス中に寸法が不安定な繊維半製品を所望のΩ型に固定および支持するために、支持コアまたは成形コアが必要である。Ω型ストリンガを備える外板は、母材、例えばエポキシ樹脂を繊維半製品に挿入するための注入プロセス中の浸透がより高められるという点で、T 型ストリンガより優れる。注入プロセスは、より安価な繊維半製品を使用できるため、例えばプリプレグプロセスなどの繊維複合材料製部材を製造する他の周知の方法よりコストが安い。
しかし、Ω型ストリンガの製造には問題があり、現在支持コアまたは成形コアに使われている材料が高価で、Ω型ストリンガの形成後にかろうじて取り除くことしかできないため、その結果、ストリンガに残る材料が繊維複合材料製部材の重量に、ひいては航空機の重量に不利な要因となる。さらに、ストリンガに残る材料は航空機全体の重量に不利な要因となることも問題である。
以上の背景から、本発明は、特に航空および宇宙航行用の低コストで軽量な繊維複合材料製部材を提供するという目的に基づく。
本発明によると、この目的は特許請求項１の特徴をもつ方法、特許請求項２２の特徴をもつ成形コア、および特許請求項３０の特徴をもつ繊維複合材料製部材、もしくはそのいずれかによって達成する。
したがって、特に航空および宇宙航行用の繊維複合材料製部材を製造する方法が提供され、前記方法は、弾性コアスリーブをプレストレス機構に挿入するステップと、プレストレス機構を始動することによって、挿入したコアスリーブにあらかじめ弾性応力をかけるために膨張させるステップと、膨張したコアスリーブの開口からコアボディを挿入するス
テップと、コアスリーブでコアボディをぴったり収容し、さらに成形コアを形成するために、プレストレス機構を作動停止することによってコアスリーブを解放するステップと、製造する繊維複合材料製部材の造形のために、形成した成形コア上に少なくとも１つの繊維半製品を少なくとも部分的に置くステップとを含む。
また、航空および宇宙航行のベース部分に繊維複合材料製部材、特にストリンガを製造する成形コアも提供し、前記成形コアは、成形コアの外面をなすコアスリーブと、コアスリーブによって少なくとも部分的に収容されているコアボディとを含む。
また、特に航空および宇宙航行において、本発明による成形コアおよび本発明による方法、もしくはそのいずれかによって製造される少なくとも１つのストリンガを備える繊維複合材料製部材も提供する。
その結果、本発明は、高価な材料の代わりに、成形コアにより安価な材料を有利に使用できるため、繊維複合材料製部材をより安価な成形コアによって製造できる点で、冒頭に述べたアプローチより優れる。
本発明の有利な改良形態および改良は従属請求項に見出すことができる。
好適な実施形態によると、プレストレス機構を始動したときに、プレストレス機構によって、コアスリーブを膨張させるためにコアスリーブの外面に真空が生じる。弛緩している状態では、コアスリーブはコアスリーブに押し込むことになっているコアボディよりも径が小さいことが好ましい。それから、プレストレス機構によって、コアスリーブはその径が、コアスリーブの長手方向にコアボディを押入れできるところまで膨張させられる、または引き伸ばされる。このために、真空が、コアスリーブに対して本質的に半径方向に作用する力を生み、その結果コアスリーブにあらかじめ弾性応力をかける。さらにコアボディを膨張したコアスリーブに押し込み、さらにプレテンション機構によって、コアスリーブの外面に対する真空がプレストレス機構の作動停止によって解放されると、コアスリーブは半径方向にコアボディの周りをぴったり圧迫し、その結果成形コアを形成する。
したがって、これは、コアボディを非常に簡単にコアスリーブで取り巻くことができるという利点を達成する。このようなコアスリーブは、一方で、ＣＲＰから成形コアを「解放する」という機能を担うので、その後の成形コアの取り外しにおいて、ＣＲＰ製壁への接着を解決しなくてもよい。他方で、「密封」機能を提供する。その結果、空気を含有するまたは多孔質のコア材料の場合、繊維複合材料製部材から樹脂がコアに浸透することを防げ、逆に、成形コアからＣＲＰ積層板に空気が逃れるのを防ぐ。
本出願において、「真空を解放する」または「真空を終わらせる」とは、真空を有する空間において、周辺圧力、例えば大気圧との圧力均衡を意味すると理解される。
本発明の好適な展開の場合、コアスリーブの開口は、プレストレス機構を作動停止した後に、溶接および接着接合、もしくはそのいずれかで閉鎖する。特に、成形コアを繊維半製品で完全に包封する場合、成形コアと繊維半製品との材料の混ざりを結果的に確実に防ぐことができる。成形コアを繊維半製品で完全に取り巻く場合、繊維複合材料製部材の硬化の後、まず成形コアに進入できるように繊維複合材料製部材を機械加工する必要があろう。その後成形コアを取り除くことができる。
あるいは、プレストレス機構の作動停止によって、コアスリーブをコアボディの外周、つまり開口をなす縁領域に密封接触させてもよい。この場合、結果的に、コアスリーブはコアボディを完全には収容しない。そのため、本発明の本実施形態では、繊維複合材料製部材を製造するための繊維半製品を成形および支持するために、コアスリーブで取り巻かれているコアボディの部分だけを使用するのが好ましい。この場合、コアスリーブをもた
ないコアボディの部分は、製造する繊維複合材料製部材から突き出る。繊維複合材料製部材を硬化し終えたら、成形コアの移動方向、特に成形コアの長手方向が解放されているため、繊維複合材料製部材からコアボディをより容易に取り除くことができる。
本発明を図面の模式図に表されている例示的な実施形態に基づいて、以下詳細に説明する。
すべての図において、同じまたは機能的に同じ要素は、別段の指示がない限り、それぞれ同じ参照番号を付している。
図１〜図５は、本発明の例示的な実施形態による多数の方法ステップを模式的に示している。
図１Ａおよび図１Ｂに表されている本例示的な実施形態による最初の方法ステップにおいて、コアスリーブ１をプレストレス機構３の下側部分２に挿入する。本例示的な実施形態によると、コアスリーブ１は弾性材料および寸法的に不安定な材料、もしくはそのいずれか、例えばプラスチック、特にポリアミドおよびＰＴＦＥプラスチック、もしくはそのいずれかから作る。
コアスリーブ１はその縦軸が同じくプレストレス機構３の縦軸に本質的に平行に置かれている。下側部分２はその長さに沿って切断したパイプの第１半体として形成するのが好ましい。コアスリーブ１は弾性の撓み管として形成し、その一端１ａが閉じられていて、その他端１ｂに開口４を設けるように形成する。あるいは、プレストレス機構３の下側部分２および上側部分５を一体として形成することもできよう。
その後、図２Ａおよび図２Ｂに図示するように、好ましくはその長さに沿って切断したパイプの第２半体として形成される上側部分５を、プレストレス機構３の下側部分２に載せる。
プレストレス機構３を組み立てた状態で、上側部分５の断面５ａおよび下側部分２の断面２ａが本質的に気密性のパイプ断面６を形成する。パイプ断面６は好ましくは成形コアの断面に適合して、角を丸くした本質的に台形になるように形成されている。あるいは、パイプ断面６は、例えば、三角形、楕円形、円形および波形、もしくはそのいずれかになるように形成してもよい。
上側部分および下側部分のそれぞれ一体成形された部分７ａおよび７ｂは合わせて、例えば孔９を形成する。孔９は真空ポンプ（図示せず）に接続されている。
次の方法ステップで、コアスリーブ１の縁領域１ｃをパイプ断面６に対して気密に閉鎖し、好ましくはプレストレス機構３の右端３ｂにかぶせる。折り返された縁領域１ｃは、プレストレス機構の外周３ｃにクランプリング１０によって締め付けるのが好ましい。
その結果、適当な気密空間１１が形成され、コアスリーブ１の外側１ｄおよびプレストレス機構の内壁３ｄによって画定される。それによって、クランプリング１０はその締付け作用によってコアスリーブ１の外側１ｄとプレストレス機構３との間から空気が逃げるのを防ぐ。
図３Ａおよび図３Ｂに示す本例示的な実施形態による次の方法ステップは、プレストレス機構３を始動させる、すなわち、真空ポンプにスイッチを入れて空間１１から空気を抜く。その結果、コアスリーブ１の外側１ｄはプレストレス機構３の内壁３ｄにぴったり対接するようになる。こうしてコアスリーブ１の弾性材料が膨張し、それによって特に半径方向、すなわち長手方向に垂直にあらかじめ応力がかけられる。
次の方法ステップで、寸法が安定したコアボディ１３を、このように膨張させたコアスリーブ１の開口に押し込む。
その後、プレストレス機構３を作動停止し、すなわち、空間１１の真空を解放し、それによって空間１１の圧力が外側の圧力、つまり大気圧と均衡になる。
弛緩している状態では、コアスリーブ１の直径Ｄ１はコアボディ１３の直径Ｄ２よりも小さい。そのため、あらかじめ応力をかけたコアスリーブはほんのわずかに弛緩し、それによってコアボディ１３を円周方向にぴっちり取り囲むことになる。
その後、図４Ａおよび図４Ｂに示すように、クランプリング１０は取り除くことができ、その結果製造される成形コア１４をプレストレス機構３から取り除くことができる。
本例示的な実施形態による別の方法ステップは、コアスリーブの縁領域１ｃを合わせて溶接するのが好ましい。このように合わせて溶接することで、コアボディ１３がその内部にありながら、コアボディ１３と製造する繊維複合材料製部材（図５Ｂに示す）との材料の混ざりを防ぐ。
あるいは、コア１３は、図３Ａおよび図３Ｂで示す方法ステップでプレストレス機構３の開口側の端部３ｂを越えて突き出るような長さに形成してもよい。クランプリング１０を取り除くと、縁領域１ｃは形状的な理由から合わせて溶接することはできないが、コアボディ１３の突出部分１３ａ（図５Ｂに示す）をぴったり取り巻くことになる。
成形コア１４は、成形コア１４に少なくとも部分的に対応する形状部分をもつことになる繊維複合材料製部材２２を製造するのに適している。
一般に、成形コア１４は、例えばハンドレイアップ、プリプレグまたは真空射出プロセスなど、繊維複合材料製部材を製造する様々な方法で使用できる。しかし、真空注入プロセスにおける成形コアの使用を例として提示することとする。
図５Ａから図５Ｃは、本例示的な実施形態による繊維複合材料製部材を製造する別の方法ステップを図示している。
図５Ａに図示するように、成形コア１４は、例えば不織繊維織物の繊維半製品のベース部１５上に配置してもよい。その後、別の繊維半製品１６を、少なくとも部分的に成形コアに接触するように成形コア上に平らに置くと、成形コアの外形に対応する内側の形状を呈する。
図５Ｂは図５Ａの矢印Ａの方向に沿って切り取った図を示している。本例示的な実施形態の場合、コアスリーブ１で被覆されていない突出部分１３ａをもつ成形コア１４を使用している。コアスリーブの縁領域１ｄに、密封接着剤１８を挿入する。その後、別の繊維半製品１６およびベース部１５を密封フィルム１９で気密状態に被覆する。密封フィルム１９自体は密封接着剤１８で終わり、密封接着剤１８が密封フィルム１９とコアスリーブ１の間の空間を気密状態に密封する。さらに、繊維半製品１６の端部と密封接着剤との間の領域で成形コアを支持する充填物２を挿入できる。
その後、密封フィルムによって密封されている空間に真空を引いて、この空間と母材２１との接続が施される。密封フィルム下の空間からさらに空気を抜くと、母材２１は繊維半製品１６およびベース部１５に均一に分布する。好ましくはここで、コアスリーブ１は、母材２１がコアボディ１３に浸透するのを防ぐ、および物質、特に空気がコアボディ１３から製造する繊維複合材料製部材２２に逃げるのを防ぐ、もしくはそのいずれかを行う密封層を形成する。
別の方法ステップでは、構成物１７をオートクレーブまたはオーブン（図示せず）内に配置して、圧力および熱、もしくはそのいずれかの下で硬化する。そのため、コアスリーブ１は、その「密封」および「解放」機能を失うことなく、および外側の所定の公差を変形させることなく、もしくはそのいずれかを行うことなく、例えば１８０度の範囲で必要なプロセス温度に耐える材料から作るのが好ましい。
こうして硬化した構成物１７は、堅い外板２３がほぼΩ型のストリンガ２４によって補強された、図５Ｃに図示する繊維複合材料製部材２２を有する。
成形コア１４を取り除くには様々な選択肢がある。例えば、例えば水溶性の材料から作られているコアボディ１３は、噴射水流によって洗い流してもよい。このために、ホース２６を有する洗浄デバイス３６を設け、それによって水および洗い流したコアボディの材料２７を運び去る。
あるいは、コアボディ１４をΩ型ストリンガ２４から長手方向に単に引き出してもよい。このために、コアスリーブ１はその内側に滑り特性をもつコーティングを施し、または適切な滑り特性をもつ材料から製造し、すなわち、コアスリーブ１は、例えば、コアボディ１３がそれをコアスリーブ１に接着接合されるのを防ぐ離型層を有する。その結果、コアスリーブ１はΩ型ストリンガ２４内にとどまるが、部材２２の重量にはわずかしか影響しない。
コアスリーブ１はΩ型ストリンガ２４にとどまることもできるであろうが、コアスリーブ１を様々な方法で取り除く可能性もある。
図６および図７は、本発明の例示的な実施形態によるコアスリーブを取り除くための別の方法ステップを示している。
図６に図示するように、ライン２９をコアスリーブ１の締結点３０に締結する。その後、ライン２９にストリンガ２４の長手方向に力Ｆを加え、その結果コアスリーブ１はストリンガ２４から引き出される。好ましくは、それによってコアスリーブ１は、製造する繊維複合材料製部材２２がコアスリーブ１に接着接合するのを防ぐ離型層を含む。あるいは、コアスリーブ１を押し出すラムを使用してもよい。
図７では、コアスリーブ１の閉鎖端１ａにストリンガ２４の長手方向に沿って気圧Ｐを加えて、コアスリーブ１をストリンガ２４からストリンガの長手方向に押し出す。
説明する方法は、断面が長手方向Ｌに可変な成形コア１４の製造にも特に有利に使用できる。たとえば、水溶性のコアボディ１３を使用する場合、繊維複合材料製部材２２を少なくとも部分的に硬化して、成形コア１４を製造されたストリンガ２４から難なく取り除くためにコアボディ１３を洗い流した後、可変な断面をもつことが可能である。コアボディの材料２７は、後で新たなコアボディ１３を形成するためにもう一度使用できる。
本発明は、図面に表している航空および宇宙航行用の繊維複合材料製部材を製造するための特定の方法に制限されるものではない。
また、本発明による製造方法の個々の方法ステップの個々のシーケンスは、様々な方法で入れ替えることができる。個々の方法ステップがとる形態も変更できる。例えば、コアスリーブを製造したストリンガから取り除くために、コアスリーブを圧力で押し出すのではなく、吸引力で抜き取ってもよい。
また、成形コアの形状は様々な方法で変更できる。
また、１つの成形コアを形成するために多数の成形コアを使用して、その周りに不織繊維織物を置くことも可能である。ここでの目的は、複数の成形コアによってより複雑な形状を作ることにある。その結果、より複雑な繊維複合材料製部材を製造できる。
本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 本発明の例示的な実施形態による成形コアを製造する多数の方法ステップを示す断面図。 例示的な実施形態による繊維複合材料製部材を製造する別の方法ステップを示す斜視図。 例示的な実施形態による繊維複合材料製部材を製造する別の方法ステップを示す断面図。 例示的な実施形態による繊維複合材料製部材を製造する別の方法ステップを示す斜視図。 例示的な実施形態によるコアスリーブを取り除く別の方法ステップを示す断面図。 例示的な実施形態によるコアスリーブを取り除く別の方法ステップを示す断面図。
符号の説明
１…コアスリーブ、１ａ…コアスリーブの閉鎖端、１ｂ…コアスリーブの開放端、１ｃ…コアスリーブの縁領域、１ｄ…コアスリーブの外側、２…プレストレス機構の下側部分、３…プレストレス機構、３ａ…孔側の端部、３ｂ…開口側の端部、３ｃ…外周、３ｄ…内壁、４…コアスリーブの開口、５…プレストレス機構の上側部分、５ａ…上側部分の断面、５ｂ…下側部分の断面、６…パイプ断面、７ａ，７ｂ…一体成形された部分、９…孔、１０…クランプリング、１１…気密空間、１３…コアボディ、１３ａ…突出部分、１４…成形コア、１５…ベース部、１６…繊維半製品、１７…構成物、１８…密封接着剤、１９…密封フィルム、２０…充填物、２１…母材、２２…繊維複合材料製部材、２３…外板、２４…Ω型ストリンガ、２５…洗浄デバイス、２６…ホース、２７…コアボディ材料、２９…ライン、３０…締結点、Ｄ１…コアスリーブの直径、Ｄ２…コアボディの直径、Ｐ…気圧、Ｌ…長手方向。

Claims (19)

  1. 弾性コアスリーブ（１）をプレストレス機構（３）に挿入するステップと、
    前記プレストレス機構（３）を始動することによって、挿入した前記コアスリーブ（１）をあらかじめ弾性応力をかけるために膨張させるステップと、
    前記膨張したコアスリーブ（１）の開口（４）から、寸法が安定しているコアボディ（１３）を挿入するステップと、
    前記コアボディ（１３）を前記コアスリーブ（１）でぴったり収容するため、そして前記成形コア（１４）を形成するために、前記プレストレス機構（３）を作動停止することによって前記膨張したコアスリーブ（１）を解放するステップと、
    製造する前記繊維複合材料製部材（２２）の造形のために、形成された前記成形コア（１４）上に少なくとも１つの繊維半製品（１６）を少なくとも部分的に置くステップとを備え、
    前記プレストレス機構（３）が始動されるときに、前記コアスリーブ（１）を膨張させるために、前記コアスリーブ（１）の外面（１ｄ）に前記プレストレス機構（３）によって真空を生み出し、
    前記プレストレス機構（３）が作動停止されたときに、前記プレストレス機構（３）により前記コアスリーブ（１）の外面（１ｄ）への真空を解放する、
    航空宇宙用の繊維複合材料製部材（２２）の製造方法。
  2. 前記プレストレス機構（３）が閉鎖断面（６）をもつパイプの一部として形成されることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. 前記プレストレス機構（３）を下側部分（２）および上側部分（５）によって形成して、前記コアスリーブ（１）をそこに置くために前記プレストレス機構（３）がその長さに沿って開くことを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
  4. 前記プレストレス機構（３）に前記コアボディ（１３）を挿入するための開口（３ｂ）を設けることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
  5. 前記コアスリーブ（１）はその開口（４）の領域（１ｃ）で前記プレストレス機構（３）の前記開口（３ｂ）に接合させて、それを気密に閉鎖することを特徴とする、請求項４に記載の方法。
  6. 前記プレストレス機構（３）を作動停止した後に、前記コアスリーブ（１）の前記開口（４）を溶接および接着接合、もしくはそのいずれかで閉鎖することを特
    徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  7. 前記プレストレス機構（３）の作動停止により、前記コアスリーブ（１）を前記コアボディ（１３）の外周、つまり前記開口（４）を形成する縁領域（１ｃ）に密封接触させることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
  8. 前記プレストレス機構（３）の作動停止後に、前記成形コア（１４）を前記プレストレス機構（３）から取り除くことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
  9. 前記成形コア（１４）を半加工繊維複合材料製品のベース部材（１５）上に配置して、および繊維半製品（１６）によって前記コアスリーブ（１）の領域で少なくとも部分的に取り巻いて、もしくはそのいずれかを行うことによって前記繊維複合材料製部材（２２）の少なくとも一部を形成することを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
  10. 前記成形コア（１４）はそれを取り巻く繊維半製品（１６）から突き出すように配置されていて、前記繊維複合材料製部材（２２）を形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  11. 前記成形コア（１４）の突出部分（１３ａ）に密封エレメント（１８）を設けて、少なくとも母材（２１）の挿入中に前記繊維半製品（１６）を密封することを特徴とする、請求項１０に記載の方法。
  12. 前記成形コア（１４）を、前記繊維半製品（１６）で完全に収容するように配置していて、前記繊維複合材料製部材（２２）を形成することを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
  13. 前記成形コア（１４）を使って前記少なくとも１つの繊維半製品（１６）に母材（２１）を挿入し、その後圧力および熱、もしくはそのいずれかの下で少なくとも部分的に硬化して、前記繊維複合材料製部材（２２）を形成することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
  14. 前記コアボディ（１３）および前記コアスリーブ（１）、もしくはそのいずれかを取り除くために、前記少なくとも部分的に硬化した繊維複合材料製部材（２２）を機械加工することを特徴とする、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記繊維複合材料製部材（２２）の前記少なくとも部分的な硬化の後、それから前記コアボディ（１３）を取り除くことを特徴とする、請求項１３又は１４に記載の方法。
  16. 前記コアボディ（１３）の洗い流し、吸引による引き抜きおよび機械的な引き出し、もしくはそのいずれかによって、前記コアボディ（１３）を前記繊維複合材料製部材（２２）から取り除くことを特徴とする、請求項１５に記載の方法。
  17. 前記コアスリーブ（１）を前記少なくとも部分的に硬化した繊維複合材料製部材（２２）から取り除くことを特徴とする、請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の方法。
  18. 前記コアスリーブ（１）の適切な係合エレメント（３０）を前記スリーブを取り除く手段（２９）に係合させて、前記コアスリーブ（１）を圧縮空気、吸引による引き抜き、洗い流しおよび機械的な引き出し、もしくはそのいずれかによって取り除くことを特徴とする、請求項１７に記載の方法。
  19. 前記繊維複合材料製部材（２２）を製造する前記方法が、ハンドレイアップ、プリプレグ、トランスファー成形および真空注入プロセス、もしくはそのいずれかの形態をとることを特徴とする、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。
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