JP4977696B2 - 補強ビームおよび補強ビームを製造するための方法ならびに繊維積層物 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも１つの繊維積層物により強化された合成材を含む、補強ビーム、詳細には航空機の胴体セル用の曲線状リングフレームセグメントに関する。
さらに、本発明は、少なくとも１つの繊維積層物により強化された合成材を含む、補強ビーム、詳細には航空機の胴体セル用の曲線状リングフレームセグメントを製造する方法に関する。

さらに、本発明は、繊維積層物が第１の繊維方向を有する少なくとも１つの層と、第２の繊維方向を有する少なくとも１つの層と、第３の繊維方向を有する追加層とを備えた補強ビーム、詳細にはリングフレームセグメントを製造するための繊維積層物に関する。

通常、リングフレームは胴体セルを強化するために航空機に使用されている。これらのリングフレームの大半はアルミニウムビームで作られている。アルミニウムビームはそれらを曲げることにより胴体セルの胴体の湾曲に比較的容易に適合させることができるため、アルミニウムビームによる、より長いリングフレームセグメントまたは円形リングフレームの製造は、通常特に問題を引き起こさない。

飛行中、航空機の胴体セルの強化のために例えばＺ字形の断面を有するそのようなリングフレームは、垂直ビームの領域において、剪断力および横方向力の少なくとも一方を主として受ける。他方、湾曲したビームの部分は、引張力および圧縮力の少なくとも一方を主として受ける。アルミニウムリングフレームの場合、金属材料が通常は等方性材料の性質を有するため、リングフレームの異なる部分における一方の剪断力および／または横方向力または他方の引張力および／または圧縮力の差は、あまり重要でない。

しかしながら、さらなる軽量化を達成するために、繊維強化複合材料の個々の構成要素、特に、炭素繊維強化エポキシ樹脂は、ますます航空機の構築に使用されている。繊維で強化された複合材料の機械的性質は、通常異方性が大きく、その結果、主な機械的負荷の方向は好ましくは主たる繊維方向と一致させることが好ましい。従って、最適な機械的性質を達成するためには、加えられた力の方向に繊維強化材の方向を特に適合または調節することが必要である。

これに関し、円形、楕円形、または円の一部の形状を有する構成要素の場合に繊維の強化を達成するためには、織物、繊維束、またはそれらの組み合わせを導入することにより、かなりの困難が伴う。その理由は、そのような場合、最適な剛性を達成するためには少なくとも主たる繊維方向を構成要素の周辺の輪郭と平行にすることが、不可欠である場合が多いからである。

一旦繊維強化材が形成されると、リングフレームまたはリングフレームセグメントを形成するための補強ビーム等の実際の構成要素が、いわゆる樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）法等の当該技術分野で周知の方法を使用して製造される。代わりに、製造に連続的射出成形を使用することも可能である。

そのような構成要素の補強が織物またはその同等物で実現される場合、周囲または周辺に沿って短い織物片をセクションに分けて並べることが可能である。しかしながら、これは部分への分割が必要であるために比較的多くの継ぎ目があるという欠点がある。織物片を重ねて配置することで継ぎ目の数を減少させることは可能である。しかし、これでは重
なった領域に厚みのある部分ができる。

さらに、構成要素全体に沿って長い繊維または長い繊維束を数回巻き付けることにより、そのような繊維強化を遂行することが可能である。この方法にはより高いコストを要するが、繊維強化材中の不必要な継ぎ目が回避される。

最後に、織物コースの一部分から本質的に対角線方向の片をカットする可能性がある。織物コースから対角線上にカットされたそのような片は、曲げた状態で配置することができる、すなわちしわや折り目へと完全に曲げなくても平面内で曲線になるように配置することができる。したがって、そのような織物片は、円形、楕円形、または円の一部の形状を有する小さい寸法を有する構成要素の周辺を補強するのに主に適している。というのは、理想的な場合、継ぎ目が一つしか生じないためである。しかしながら、そのような片は、織物コースの幅が制限されているために制限された長さでしか織ることができないという欠点を有し、そのため、リングフレームまたはその同等物等のより大きな構成要素をそのような方法で製造することができない。

したがって、本発明の目的は、大きな幾何学的寸法の繊維強化剛性材料から形成された構成要素を提供することにあり、特に炭素繊維で強化されたエポキシ樹脂を含み、実質的に最適な機械的性質を有する、特に曲線状リングフレーム、曲線状リングフレームセグメントまたはその同等物用の補強ビームを提供することにある。代わりに、外装にはガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物を使用することも可能である。さらに、他の硬化可能な合成材（すなわち樹脂系）を使用することも可能である。これに関して、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂およびその同等物について述べておく。

本明細書において、「最適な機械的性質」という表現は、詳細には、最小の重量における構成要素の最大の機械的強度を意味する。かかる最適な機械的性質を達成するために、構成要素の異なる領域における繊維強化材の方向は、それぞれ加えられた力の異なる方向に一貫して追従すべきであり、可能な場合、継ぎ目を示さない。

上記目的は、請求項１に記載の方法によって解決される。
１または複数の繊維積層物が第１の繊維方向の少なくとも１つの完全領域層と、第２の
繊維方向の少なくとも１つの完全領域層と、１または複数の繊維積層物の周辺領域に配置された第３の繊維方向の少なくとも１つの追加層とを備えるという事実により、周辺領域の屈曲または曲折によりベース部分すなわちベースセクションが剪断力および横方向力の少なくとも一方を受容または受けるのに最適であり、外側部分すなわち外側セクションが引張力および圧縮力の少なくとも一方を受容するのに同様に理想的である補強ビームを形成することが可能となる。

その周辺領域が第３の繊維方向を有する層を備えた繊維積層物を利用することにより、本発明の補強ビームは実質的にいかなる長さでも作成することができ、その長さは、最大に形成できる使用した繊維積層物のコース長さによってのみ制限される。

補強ビームの望ましい実施形態では、繊維積層物は複数の繊維から形成され、詳細には、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物の多軸繊維積層物から形成される。

多軸の繊維を使用する場合、特に繊維積層物の周辺領域で、剪断力および横方向力の少
なくとも一方を受けるまたは受容するために、例えば０°の繊維方向の、第３繊維方向の１または数枚の追加層を配置することができ、他方、剪断力および横方向力の少なくとも一方を理想的に受けるために、他の完全領域層は例えば±４５°の繊維方向を有する。また、＋２０°と＋７０°の間や、−７０°と−２０°の間の他の繊維方向も可能である。さらに、炭素繊維で作られた「エンドレス（終端のない）」多軸領域積層物を使用することにより、空間的に拡張された補強ビームを形成することが可能となり、それはリングフレームまたはリングフレームセグメントの役割を果たすことができる。製造される補強ビームの必要条件を考慮して、種々の繊維のタイプを形成することができる。

上記の本発明の方法によれば、例えば「樹脂トランスファー成形」（ＲＴＭ）法を使用して、例えば炭素繊維で強化された合成材からなる、実質的にいかなる曲率であってもよく断面形状が例えばＬ字形である補強ビームを製造することが可能である。補強ビームはそのベース領域で剪断力および横方向力の少なくとも一方を受けるまたは受容するのに特に適していると共に、補強ビームはその外側部分で引張力および圧縮力の少なくとも一方を受けるまたは受容するために特に最適化される。「曲げた状態で配置する（draping）
」という表現は、±４５°の繊維方向の層のみが実質的に配置されている繊維積層物のベース部分を、しわや折り目を作ることなく水平面で支持体上に湾曲または屈曲された方法で載置できることを意味する。その結果、より小さな曲率半径を有する曲線状リングフレームセグメントも容易に製造することができる。

本明細書では、実質的にエンドレスの帯状繊維積層物を使用することにより、ほとんどいかなる長さの補強ビームでも製造することが可能であり、特に、継ぎ目を一つしか持たない大きなリングフレームを製造することが可能である。そのように形成された補強ビームは、軽量化のために、例えば炭素繊維強化されたエポキシ樹脂から形成された、種々の曲率半径を有するリングビームセグメントとして特に適している。さらに、本発明の方法に従って作られた補強ビームは、異なる領域の繊維強化材の異なる方向のため、「最適な機械的性質」を実質的に有している。

第１および第２の繊維方向の層が完全領域層であり、繊維積層物の周辺領域に第３の繊維方向の１または複数の層が配置されていることにより、本発明の領域構造を用いて、単に外側部分を形成するために周辺領域を曲折または屈曲し、その後残りのベース部分を曲げた状態で配置することにより、幾何学的形状が大きい場合でも、実質的にいかなる曲率を有する補強ビームをも形成することが可能である。さらに、本発明の繊維積層物によって形成された補強ビームは、ベース部分に剪断力および横方向力の少なくとも一方を生じさせる負荷を与えるのに特に適すると共に、補強ビームは外側部分で引張力および圧縮力の少なくとも一方を受けるのに特に適している。これは、フライト中に航空機の胴体セル内のリングフレームまたはリングフレームセグメントとして補強ビームを使用する場合に特に当てはまる。

補強ビームのさらに望ましい実施形態は従属請求項で規定される。

以下は、本発明の補強ビーム、補強ビームの製造に使用される繊維積層物、および補強ビームの製造方法の説明である。
図１は、Ｚ字形の断面を有する補強ビームの断面図である。この補強ビームは例えば航空機の胴体セルの補強用のリングフレームとして使用される。

図１に示された実施形態では、補強ビーム１は実質的にＺ字形の断面を有している。補強ビーム１は特に航空機の胴体セル（（図面では非図示）を強化する役割を果たし、この目的でパネルまたは床板２に接続されている。フライト中、ベース部分３には特に剪断力および横方向力の少なくとも一方が作用する。補強ビーム１は、外側部分４において、引張力を主に受け、他方、外側部分５において、圧縮応力が生じる。さらに、補強ビーム１は曲げモーメントも受ける。補強ビーム１は、図１に非図示のＺ字形ブランクを、硬化可能な合成材に含浸させることにより形成される。Ｚ字形ブランクは元々平面状の繊維積層物を成形することにより形成される。本明細書において、硬化可能な合成材は、Ｚ字形ブ
ランクを形成する繊維積層物の個々の繊維はあらゆる側から埋め込まれるマトリックスを形成する。

図２は、一緒に組み立てられた合計４つの曲線状補強ビーム６から形成されたリングフレーム７を示す。リングフレーム７は例えば航空機の胴体セルを強化するために使用することができる。Ｚ字形の断面を有する図１の補強ビーム１とは異なり、図２の補強ビーム６はＬ字形の断面を有している。本発明の補強ビーム６は実質上いかなる寸法にも（すなわち広範囲の曲率半径に）曲げて製造することができるため、図に示されたリングフレーム７の区分化は、必ずしも要求されない。補強ビーム６は図示しない接続手段により接合部８で互いに接続される。

明瞭さのため、図３は、本発明による補強ビームを製造するために使用されるいくつかの層を備えた繊維積層物をわずかにずらして見られるように示した平面図である。繊維積層物は、互いの上に提供されたいくつかの層の形で配置された、複数の多軸方向に配列された炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物より形成されている。

図３に示される実施形態では、繊維積層物９は合計３つの層１０，１１および１２を備えている。層１０では、複数の繊維が＋４５°の繊維方向に配列され、そのうちの１つが参照数字１３により代表的な繊維として示されている。層１１では、複数の繊維が−４５°の繊維方向に配列され、そのうちの１つが参照数字１４により代表的な繊維として示されえいる。その結果、例えば、層１０および１１の繊維１３および１４は、約９０°の角度で互いに重なり合う。最後に、第３の層１２では、複数の繊維が０°の繊維方向に配列され、そのうちの１つが参照数字１５により代表的な繊維として示されている。

実際の実施形態では、繊維積層物９の層は互いの上に面一に配列される。示された±４５°および０°という角度は、繊維１３，１４および１５を例にとると、個々の層の繊維と水平軸との間でそれぞれ決定された。工業的製造プロセス中に、まず領域積層物が製造され、そこからその長手方向にカットすることによりいくつかの繊維積層物９を切り出すことができる。その後、それらの繊維積層物９を横方向にカットすることにより繊維積層物９は適切な長さに調節される。その結果、例えば、適切な直径のリングフレーム等を形成することができる。繊維積層物９の製造方向は大きな矢印によって示されている。

４５°の繊維方向を有する層１０および１１は、主として剪断力および横方向力の少なくとも一方を受ける役割を果たす。これに対し、０°の繊維方向を有する第３の層１２は、構造的条件により、主として引張力および圧縮力の少なくとも一方と曲げモーメントとを受ける。

構造的条件によりの上側の層１１が−４５°の繊維方向の繊維を備えるため、図３に示された繊維積層物９はいわゆる「−／＋」繊維積層物と呼ばれる。他方、＋４５°の繊維方向の層１０が上側になるよう層１０および１１の配列が交換された場合、この定義によれば、それは「＋／−」繊維積層物または±４５°繊維積層物となる。この区別は、繊維積層物で形成された本発明の補強ビームの対称性に関して特に大きな関連性がある。繊維で強化された合成材による補強ビームの製造のように、複合材料の構成要素を設計する場合、可能な限り、構成要素の上側の繊維方向が、構成要素の下側の繊維方向に一致することが望ましい。例えば、２つの「−／＋」繊維積層物９が互いに重ねて配置される場合、「−／＋｜−／＋」という層配列から容易に理解できるように、上記の設計条件は満たされない。また、「＋／−｜＋／−」という組み合わせについても同じことが言える。他方、「−／＋」という繊維積層物９を「＋／−」という繊維積層物の上に配置する場合、上側と底側の繊維方向は「−／＋｜＋／−」という組み合わせに一致するため、上記の境界条件は満たされる。

層１０，１１および１２内の繊維は互いと実質的に平行に走るように配列される。繊維積層物９の個々の層１０，１１および１２は、非図示の仕付け糸で互いに接続される。適切な結合剤を使用すると、仕付け糸を完全にまたは少なくとも部分的に省略することが可能である。帯状の多軸繊維積層物９は、実質上任意の所望の長さに亘って図３の水平方向に延びる。しかしながら、その長さは製造技術、特に、巻き付け能力および輸送重量の少なくとも一方により制限される。

層１０および１１の各々は、完全領域層（つまり領域完全に亘って延びる）であるが、第３の層１２は周辺領域１６に亘ってのみ延びる。周辺領域の幅１７は、繊維積層物９の幅全体１８よりかなり小さい。±４５°の繊維方向の繊維を備えた層１０および１１は、繊維積層物９のベース領域１９に配列される、本発明の方法によれば、Ｌ字形の断面を有するＬ字形ブランクを形成するために、ベース領域１９は一度折り曲げられ、曲げた状態で配置される。本明細書において、「曲げた状態で配置される (draped)」という表現
は、しわや折り目を形成せずに平面内でベース領域１９から湾曲して配置されることを意味する。繊維積層物９のベース領域１９の幅は、幅全体１８と周辺領域の幅１７との間の差から与えられる。周辺領域の幅１７と、繊維積層物９の幅全体１８との間の比は、この例では０．０５と０．５の間にある。さらに、繊維積層物９は、通常、図３に示されるよりも多数の並列の積み重ねられた層１０，１１および１２を含む。

代わりに、図３に示される配置とは異なり、０°の繊維方向を有する層１２を層１０と層１１の間に配列することも可能である。また、０°、＋４５°および−４５°という上述の繊維方向とは異なり、特定の用途には他の繊維方向が有利であり得る。他の用途では、２０°と７０°の間または−７０°と−２０°の間の範囲の繊維方向が可能であり、特定の用途に有利であり得る。示された実施形態と異なり、繊維積層物９は、０°、＋４５°および−４５°の繊維方向またはそれとは異なる方向の繊維を備えた、いかなる配列および数の層を備えてもよい。

繊維積層物９の幅全体１８はより大きな製造幅の一部にすぎなくてもよく、その結果、例えば、繊維積層物９の形状に一致して形成された２つの繊維積層物は、各々、より大きくてより幅広い繊維積層物の部分的領域を形成する。この場合、繊維積層物は、繊維方向が０°である繊維を備えた２つの周辺領域を備える。特に製造幅および周辺領域幅の少な
くとも一方次第で、繊維積層物はいかなる数の周辺領域を備えてもよい。

本発明の方法によれば、Ｌ字形の断面を有する補強ビーム（図４参照）を形成すべく周辺領域１６またはベース領域１９を屈曲または曲折することにより、繊維積層物９から簡単なＬ字形ブランクをまず形成することが可能である。Ｌ字形ブランクには、補強ビームを形成すべく、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂またはその同等物の等の硬化可能な合成材が含浸される。

図４は、Ｌ字形ブランクに成形された繊維積層物より作られたＬ字形の断面を有する補
強ビームの断面図を示す。
硬化可能な合成材に浸漬されるか同合成材を含浸された繊維積層物９より形成されていた補強ビーム２２は、外側部分２０およびベース部分２１を備えている。外側部分２０は、周辺領域１６を屈曲または曲折することにより平面状の繊維積層物９から得られる。従って、ベース部分２１は繊維積層物９の残りの領域を含む。補強ビーム２２の実質的にＬ字形の断面は、これはＬ字形ブランクにより定義されるものであるが、考えられる多くの断面形状の一例にすぎない。例示のため、図３の参照数字に対応する参照数字が、繊維積層物９中の実際のもっと多数の層を代表する層として、図４で層１０、１１および１２に対しても与えられる。

したがって、本発明によれば、主に補強ビーム６のそのような領域で動作中に生じる剪断力および横方向力の少なくとも一方を最適に受け取る±４５°の繊維方向を有する層だけが、補強ビーム２２のベース部分２１に配列される。±４５°の繊維方向を有する層１２に加えて、主に補強ビーム６のそのような領域で生じる引張力および圧縮力の少なくとも一方と曲げモーメントとを実質上理想的に受け取る０°の繊維方向を有する層が、補強ビーム２２の周辺部分２０に存在する。それぞれに異なる繊維方向を有する層がこのように空間的に区別されて配置されることにより、繊維積層物９で強化されるビーム２２の非常に高い機械的強度が可能になると同時に、最小の重量が達成される。さらには、特に周辺部分の圧縮強さおよび引張強さを増加させるために、周辺部分に炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物より形成された個別の繊維束（「ロービング」）を配置することも可能である。

さらに、±４５°という好ましい繊維方向を有する層がベース領域２１に存在することにより、繊維積層物９へと曲げた状態で配置され、これは実質的に任意の曲率半径を有し、その上大きな長手方向寸法を有する曲線状補強ビーム２２を製造することを可能にする。これに関して、「曲げた状態で配置する（draping）」という用語は、±４５°の繊維
方向を有する層だけが配列された繊維積層物９の部分が、しわや折り目を形成せずに一平面内で湾曲した方法で配置されることを意味する。この曲げた状態での配置のため、多軸繊維積層物のそれぞれの層の中で互いに実質的に等距離に平行に最初に配列された繊維は、自身の方向および距離の少なくとも一方を、互いにわずかに変更することが可能である。

補強ビーム２２を製造するための、繊維積層物９から形成されたＬ字形ブランクへのエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂またはその同等物等の硬化可能な合成材の含浸は、例えば、「樹脂トランスファー成形」（ＲＴＭ）として知られているプロセスに従って密閉の型の中で行なわれる。代わりに、補強ビーム２２は、炉またはオートクレーブ内に配置された真空バッグ中で繊維積層物９に硬化可能な合成材を含浸させることにより形成されてもよい。硬化も周囲温度または加熱可能なツール内で行なわれ得る。

実質上任意の長さで利用可能な繊維積層物９を、例えば接合部を１つしか持たないリングフレーム用の、任意の曲率を有する対応する長い補強ビーム２２を製造するために利用
できることは特に有利である。

図５は、Ｌ字形の断面を有する曲線状補強ビームの平面図である。
補強ビーム２３は、Ｌ字形の断面を有するＬ字形ブランクから形成される。上に説明したように、Ｌ字形ブランク２４は、紙面に対して９０°の角度に境界線２７に沿って周辺部分２６を屈曲または曲折させ、続いて残りの領域を曲げた状態で配置することにより、繊維積層物２５から形成される。残りの領域では、曲率を生成するために±４５°の繊維方向を有する繊維のみが配列される。その後、Ｌ字形ブランクは公知のプロセスにて硬化可能な合成材に浸漬される。

補強ビーム２３は、＋４５°の繊維方向に配列された複数の繊維を含む層２９を備えたベース部分２８を有する。代表的な繊維として、層２９内の繊維の１つが参照数字３０で示されている。層２９の上に−４５°の繊維方向に配列された複数の繊維を含む層３１が存在する。代表的な繊維として、層３１内の繊維の１つが参照数字３２で示されている。外側部分３３では、±４５°の繊維方向を有する繊維を備えた層２９および３１が、平行線模様でかなり単純化して示されている。繊維方向が±４５°の繊維の本当の配向は図に示された配向からずれている場合もある。層２９および３１の上に、０°の繊維方向を有する複数の繊維を含む層３４が外側部分３３の領域に配列される。これらの繊維は、実質的に曲線状補強ビーム２３の周辺の輪郭すなわち外形に追従する。代表的な繊維として、層３４の繊維の１つが参照数字３５で示されている。図３に示される実施形態の説明に従って、０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層３４も、層２９と３１の間またはそれらの下に配列され得る。

ベース部分２８の領域では、特に、剪断力および横方向力の少なくとも一方と、トルクとが、フライト中に補強ビーム２３に作用する。補強ビーム２３は航空機の胴体セルの強化用のリングフレームとして例えば使用され得る。他方、引張力および圧縮力の少なくとも一方が補強ビーム２３の外側部分３３に作用する。したがって、補強ビーム２３のベース部分２８と同様外側部分３３において、上述の力およびトルクを受けるために、繊維強化材は実質的に理想的な様式に配列される。さらに、繊維強化材のそのような配列は、補強ビーム２３の周辺の輪郭に沿って流れるそれらの領域に作用する力に追従する。したがって、補強ビーム２３は最小の重量で最大量の力を受けることができる。

本発明の方法に従って曲線状補強ビーム２３を製造するために、まず、繊維積層物２５が、製造される曲線状補強ビーム２３と同じ曲率半径を有する支持体の上に周辺領域２６を載せるようにして配置される。その後、ベース部分２８を、外側部分３３に対して９０°だけ曲折または屈折し、次に、曲げた状態で配置する。この状態で、ベース部分２８は紙面と平行に配列され、外側部分３３は紙面に対して約９０°の角度をなす。続いて、成形された繊維積層物２５は、補強ビーム２３を形成すべく、硬化可能な合成材に浸漬され得る。硬化可能な合成材で浸漬され、補強ビーム２３を形成する繊維積層物２５の輪郭が、図５の点線により示されている。

図６を参照すると、以下の説明は少なくとも１つの繊維積層物を備え、Ｌ字形の断面を有する曲線状補強ビームを製造するための本発明の方法に特に焦点をあてている。
第一に、いくつかの幅狭のエンドレス繊維積層物（形状および構造は図３に示された繊維積層物に対応）を、６ｍ以内の幅を有する市販のエンドレス繊維積層物から長手方向カットにより切断する。その後、所望の補強ビームを製造するのに十分長い少なくとも１つのセクションを、狭幅のエンドレス繊維積層物のうちの１つから側方カットにより切り離す。その結果、図３の繊維積層物が得られる。本発明の補強ビームを製造するために複数のそのような繊維積層物を使用することが可能である。

補強ビーム３６を製造するために、まず、そのような繊維積層物３７を、＋４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層３９と、−４５°の方向に配列された繊維を備えた層４０と、０°の繊維方向の少なくとも１つの層４１とを有するその周辺領域３８が、所望の曲率半径を得るために構築の条件に従って曲げられる支援体上に来るように配置される。その後、±４５°の繊維方向に配列された繊維を含む層３９および４０のみを備えた繊維積層物３７の領域４２を屈曲または曲折させ、曲率を形成するために領域４２を曲げた状態で配置する。したがって、最初の単純なＬ字形の断面を有する曲線状Ｌ字形ブランク４３が得られる。

硬化可能な合成材で浸漬することにより、Ｌ字形ブランク４３はＬ字形の断面を有する補強ビーム３６に作り変えられる。補強ビーム３６はベース部分４４と、ベース部分４４に対して実質的に直角に配列された外側部分４５とを備えている。＋４５°の繊維方向を有する少なくとも１つの層３９と、−４５°の繊維方向を有する層４０が、本発明の繊維分布のためにベース部分４４中に配列される。層３９および４０に加えて、０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層４１が外側部分４５に存在する。

硬化可能な合成材による浸漬に先立って、Ｌ字形ブランク４３は、Ｚ字形ブランクを形成すべく線４６の領域で矢印４７の方向に折り曲げられるか、Ｃ字形ブランクを形成すべく矢印４８の方向に９０°に折り曲げられてもよい。したがって、簡単なやり方で、対応する断面を有する補強ビームを製造するためのＺ字形ブランクおよびＣ字形ブランクを形成することが可能である。樹脂による浸漬に先立って、Ｌ字形ブランク、Ｚ字形ブランクおよびＣ字形ブランクを組み合わせることにより、より複雑な断面形状を有する補強ビームを形成することも更に可能である。

したがって、本発明の方法によれば、広範なバリエーションの断面の形状を取る、実質的に任意の長さの曲線状補強ビームを製造することが可能となり、ビームの長さは利用されるひも状または織物状の繊維積層物の長さによってのみ制限される。このように、単純なやり方で、例えば接合部を一つしか有しない非常に大きな直径の航空機の胴体セルの強化用の大きなリングフレームを形成することが可能である。あるいは、適切な支持体上に繊維積層物を多数重ねて巻き上げ、その後樹脂を含浸させることにより、シームレスのリングフレームを形成することも可能である。

図７は、矢印４７の方向（図６参照）に線４６に沿って折り曲げることにより、Ｌ字形ブランク３６からどのようにＺ字形ブランク４９を形成することができるかを示す略図である。このＺ字形ブランク４９は、実線によって示された＋４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層と、破線によって示された−４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層と、円によって示された０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層とを有している。

図８も、矢印４８の方向（図６参照）に線４６に沿って折り曲げることにより、どのようにＣ字形ブランク５０を形成することができるかを示す略図である。図７の図と同様に、Ｃ字形ブランク５０は、実線によって示された＋４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層と、破線によって示された−４５°の繊維方向の繊維を備えた層と、円によって示された０°の繊維方向へ配列された繊維を備えた層とを有している。

図６、７および８では、実質上いかなる層の配列も可能である。硬化可能な合成材に浸漬することにより、必要に応じて、Ｚ字形ブランク４９およびＣ字形ブランク５０を対応する断面形状を有する曲線状補強ビームに作り変えることができる。

図９〜１７は、層の配列を変化させた、各々３つのバリエーションのＬ字形ブランク、
Ｚ字形ブランクおよびＣ字形ブランクを示す。図中の異なる繊維方向の層の表現は、図６〜８のそれらの表現に相当する。図９〜１７では、０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層は円により表わされ、４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層は実線により表わされ、−４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層は破線により表わされる。

左の列では、０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層が＋４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層の上に配置されている。中間の列では、０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層は、＋４５°の繊維方向を備えた層と、−４５°の繊維方向を備えた層との間にそれぞれ配置されている。他方、右の列では、０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層が−４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層の下に配置されている。ここでは、繊維強化された合成物の構成要素のための一般的設計規則が適用され、これによると、特に対称性の理由から、同じ繊維方向に配列された繊維を備えた層は、完成された合成物の構成要素の上側または下側の領域に配列されるものとする。例えば、ベース材料（繊維積層物）が＋／−／０という層配列を有する場合、０／−／＋という層配列を備えた第２の材料（繊維積層物）は対称の条件を満たすために必要である。ここで、「＋」は＋４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層を示し、「−」は−４５°の繊維方向に配列された繊維を備えた層を示し、「０」は０°の繊維方向に配列された繊維を備えた層を示す。±４５°および０°から外れた角度を選択可能であることは言うまでもない。

硬化可能な合成材に浸漬させることにより、図９〜１７のブランクから、対応する断面形状および対応する層配列を有する補強ビームを形成することが可能である。
図１８〜２０は、実質的に任意の複雑さの断面形状と、必要な場合には曲線形状とを有する補強ビームが、Ｌ字形ブランク、Ｚ字形ブランクおよびＣ字形ブランクから、それらを適切な方法で組み合わせることによりいかに形成可能であるかを示す。ここで、ブランクは、硬化可能な合成材での浸漬の前に互いに結合されることが望ましい。

例えば、図１８に示されるＬ字形ブランク５１は、図９のＬ字形ブランクと図１１のＬ字形ブランクを組み合わせることにより形成される。図１８のＬ字形ブランク５１の形状とは対照的に、図１９のＬ字形ブランク５２は、その上側およびその下側の繊維方向が同じであるため、対称な形状を有している。

相応して、図２０のブランク５３の複雑な断面形状は、図１１、９、１５、１１および１２のブランクを組み合わせることにより形成することができる。必要な場合には、ブランク５３も図１９のＬ字形ブランク５２のように対称的に形成することができる、すなわち、その上側とその下側に同じ繊維方向を有するように形成することができる。

本発明は、少なくとも１つの繊維積層物９，２５，３７により強化された合成材を含む、補強ビーム１，６，２２，２３，３６、詳細には、航空機の胴体セル用の曲線状リングフレームセグメントに関する。ここで、１または複数の繊維積層物９，２５，３７は、第１の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層１０，２９，３９と第２の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層１１，３１，４０とを備え、１または複数の繊維積層物９，２５，３７の周辺領域１６には第３の繊維方向を有する少なくとも１つの追加層１２，３４，４１が配列される。

第１および第２の繊維方向の層１０，１１，２９，３１，３９，４０は、剪断力および横方向力の少なくとも一方を主として受ける補強ビーム１，６，２２，２３，３６のベース部分３，２１，２８，４４に配列され得る。

第１および第２の繊維方向、ならびに第３の繊維方向の層１０−１２，２９，３１，３４，３９−４１は、引張力および圧縮力の少なくとも一方を主として受ける補強ビーム１
，６，２２，２３，３６の外側部分４，５，２０，３３，４５に配列され得る。 さらに、層１０−１２，２９，３１，３４，３９−４１は各々、互いに実質的に平行かつ等距離に配列された複数の繊維１３−１５，３０，３２，３５から形成され得る。

第１の繊維方向は、＋２０°から＋７０°までの範囲にあり得る。
第２の繊維方向は−７０°から−２０°までの範囲にあり得る。
第３の繊維方向は実質的に０°であり得る。

ベース部分３，２１，２８，４４は、曲線状補強ビーム１，６，２２，２３，３６の製造のために曲げた状態で配置され得る。
補強ビーム１，６，２２，２３，３６のベース部分３，２１，２８，３５および外側部分４，５，２０，３３，４５は、Ｌ字形の断面を形成する約９０°の角度を定義し得る。

補強ビーム１，６，２２，２３，３６は、特に、Ｚ字形またはＣ字形の断面を形成するために、ベース部分３，２１，２８，４４の領域で少なくとも一回屈曲され得る。
繊維積層物９，２５，３７は、複数の繊維１３−１５，３０，３２，３５により、特に炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物の多軸繊維積層物により、形成され得る。

合成材は、硬化可能な合成材、詳細にはエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂またはその同等物であり得る。
本発明はさらに、少なくとも１つの繊維積層物９，２５，３７により強化された合成材を含む、補強ビーム１，６，２２，２３，３６、詳細には航空機の胴体セル用の曲線状リングフレームセグメントを製造する方法に関する。繊維積層物９，２５，３７は、第１の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層１０，２９，３９と、第２の繊維方向を有する少なくとも１つの一層の層１１，３１，４０と、少なくとも１つの周辺領域１６，２６，３８の第３の繊維方向を備えた少なくとも１つの追加層１２，３４，４１とを備える。方法はさらに、
−曲線状の支持体上に、少なくとも１つの繊維積層物９，２５，３７の周辺領域１６，２６，３８を載せる工程と、
−ブランク、詳細にはＬ字形の断面を有するＬ字形ブランク４３、５１、５２を形成するために、繊維積層物９，２５，３７のベース領域１９を屈曲させる工程と、
−ブランクに硬化可能な合成材を含浸させ、ブランクを硬化する工程と、
から成る。

少なくとも１つのＬ字形ブランク４３，５１，５２のベース領域１９は、特にＺ字形の断面を有するＺ字形ブランク４９またはＣ字形の断面を有するＣ字形ブランク５０を形成するために、硬化に先立って少なくとも一回屈曲され得る。

Ｌ字形ブランク４３，５１，５２、Ｚ字形ブランク４９またはＣ字形ブランク５０は、複雑な断面を有する補強ビーム１，６，２２，２３，３６を形成するために、好ましくは、硬化可能な合成材による含浸の前に、互いに組み合わされる。

主として第１および第２の繊維方向の層１０，１１，２９，３１，３９，４０は補強ビーム１，６，２２，２３，３６のベース部分３，２１，２８，４４に配列され、主として剪断力および横方向力の少なくとも一方を受ける。

主として第１および第２の繊維方向ならびに第３の繊維方向の層１０，１２，２９，３１，３４，３９−４１は補強ビーム１，６，２２，２３，３６の外側部分４，２０，３３
，４５に配列され、主として引張力および圧縮力の少なくとも一方を受ける。

繊維積層物９，２５，３７は、複数の繊維１３−１５，３０，３２，３５により、詳細には炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物の多軸繊維積層物により形成され得る。

詳細には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂またはその同等物が、１または複数の繊維積層物９，２５，３７に含浸させるために使用され得る。
本発明はさらに、補強ビーム１，６，２２，２３，３６、詳細にはリングフレームセグメントの製造のために繊維積層物９，２５，３７に更に関する。繊維積層物９，２５，３７は第１の繊維方向の少なくとも１つの層１１，３１，４０と、第２の繊維方向の少なくとも１つの層１０，２９，３９と、第３の繊維方向の追加層１２，３４，４１とを備え、第１および第２の繊維方向の層１０，１１，２９，３１，３９，４０は完全領域層であり、第３の繊維方向の１または複数の層１２，３４，４１は繊維積層物９，２５，３７の周辺領域１６，２６，３８に配列される。

繊維積層物９，２５，３７はひも状であってもよいし、織物状であってもよい。
繊維積層物９，２５，３７の個々の層１０−１２，２９，３１，３４，３９−４１は互いに実質的に平行に等距離に配列された複数の繊維１３−１５，３０，３２，３５を備え得る。

特に剪断力および横方向力の少なくとも一方を受けるために、第１の繊維方向は＋＋２０°から＋７０°までの範囲にあり得る。
特に剪断力および横方向力の少なくとも一方を受けるために、第２の繊維方向は−７０°から−２０°までの範囲にあり得る。

引張力および圧縮力の少なくとも一方を受けるために、第３の繊維方向は約０°であり得る。
周辺領域の幅（１７）と、繊維積層物（９，２６，３７）の全体の幅（１８）との間の比は、０．０５と０．５の間にあり得る。

繊維積層物９，２６，３７は、複数の繊維１３−１５，３０，３２，３５から形成され、詳細には炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維またはその同等物の多軸繊維積層物から形成され得る。

参照数字のリスト
１ 補強ビーム
２ 床板
３ ベース部分
４ 外側部分
５ 外側部分
６ 補強ビーム
７ リングフレーム
８ 接合部
９ 繊維積層物
１０ 層（＋４５°繊維方向）
１１ 層（−４５°繊維方向）
１２ 層（０°繊維方向）
１３ 繊維
１４ 繊維
１５ 繊維
１６ 周辺領域
１７ 周辺領域の幅
１８ 幅合計
１９ ベース領域
２０ 外側部分
２１ ベース部分
２２ 補強ビーム
２３ 補強ビーム
２４ Ｌ字形ブランク
２５ 繊維積層物
２６ 周辺領域
２７ 境界線
２８ ベース部分
２９ 層（＋４５°繊維方向）
３０ 繊維
３１ 層（−４５°繊維方向）
３２ 繊維
３３ 外側部分
３４ 層（０°繊維方向）
３５ 繊維
３６ 補強ビーム
３７ 繊維積層物
３８ 周辺領域
３９ 層（＋４５°繊維方向）
４０ 層（−４５°繊維方向）
４１ 層（０°繊維方向）
４２ 領域
４３ Ｌ字形ブランク
４４ ベース部分
４５ 外側部分
４６ ライン
４７ 矢印
４８ 矢印
４９ Ｚ字形ブランク
５０ Ｃ字形ブランク
５１ Ｌ字形ブランク
５２ Ｌ字形ブランク
５３ ブランク

Ｚ字形の断面を有する補強ビームの断面図。 Ｌ字形の断面をした４つの補強ビームセグメントから形成されたリングフレームの平面図。 補強ビームを形成するための繊維積層物の平面図。 Ｌ字形の断面を有する補強ビームの断面図。 Ｌ字形の断面を有する補強ビームの曲線部分の平面図。 Ｌ字形ブランクに形成された繊維積層物の断面図。 Ｚ字形ブランクに形成された繊維積層物の断面図。 Ｃ字形ブランクに形成された繊維積層物の断面図。 Ｌ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｌ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｌ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｚ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｚ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｚ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｃ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｃ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｃ字形ブランクの種々の実施形態の断面図。 Ｌ字形ブランク、Ｚ字形ブランクおよびＣ字形ブランクを組み合わせることにより、より複雑な断面形状を有する補強ビームを形成するところを示す断面図。 Ｌ字形ブランク、Ｚ字形ブランクおよびＣ字形ブランクを組み合わせることにより、より複雑な断面形状を有する補強ビームを形成するところを示す断面図。 Ｌ字形ブランク、Ｚ字形ブランクおよびＣ字形ブランクを組み合わせることにより、より複雑な断面形状を有する補強ビームを形成するところを示す断面図。

Claims (7)

1. 繊維積層物（９，２５，３７）により強化された合成材を含む曲線状補強ビーム（１，６，２２，２３，３６）を製造する方法であって、
   予め製造された終端のない繊維積層物から、任意の長さおよび幅を有する繊維積層物（９，２５，３７）を切断する工程であって、
   前記繊維積層物（９，２５，３７）は、
   繊維積層物（９，２５，３７）の領域に完全に亘って延びる、＋２０°から＋７０°までの範囲にある第１の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１０，２９，３９）と、
   繊維積層物（９，２５，３７）の領域に完全に亘って延びる、−７０°から−２０°までの範囲にある第２の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１１，３１，４０）と、
   曲線状の補強ビーム（１，６，２２，２２，２３，３６）の周辺の輪郭に追従し、かつ繊維積層物（９，２５，３７）の領域の一部のみに亘って延びる、約０゜の第３の繊維方向を有する少なくとも１つの追加層（１２，３４，４１）とを備え、
   繊維積層物（９，２５，３７）は、
   前記第１の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１０，２９，３９）および前記第２の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１１，３１，４０）のみが配置されたベース領域（１９）と、
   前記第１の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１０，２９，３９）、前記第２の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１１，３１，４０）、および前記第３の繊維方向を有する少なくとも１つの追加層（１２，３４，４１）を有する周辺領域（１６，２６，３８）と
   を備えている、工程と、
   曲線状の支持体の上に繊維積層物（９，２５，３７）の周辺領域（１６，２６，３８）を載せる工程と、
   繊維積層物（９，２５，３７）のベース領域（１９）を折り曲げ、続いて曲げた状態で配置してＬ字型の断面を有するＬ字形ブランク（４３，５１，５２）を形成する工程であって、前記繊維積層物（９，２５，３７）の前記ベース領域（１９）と前記周辺領域（１６，２６，３８）とが前記折り曲げ後に約９０゜の角度を定義し、前記ベース領域（１９
   ）は折り曲げ後に平面に配置される、工程と、
   Ｌ字形ブランク（４３，５１，５２）に硬化可能な合成材を含浸させ、Ｌ字形ブランク（４３，５１，５２）を硬化させ、Ｌ字形の断面の補強ビーム（１，６，２２，２３，３６）を形成する工程と、
   からなる方法。
2. Ｌ字形ブランク（４３，５１，５２）の繊維積層物（９，２５，３７）のベース領域（１９）が、Ｚ字形の断面を有するＺ字形ブランク（４９）またはＣ字形の断面を有するＣ字形ブランク（５０）を形成するために、含浸および硬化の前に、約９０°だけ折り曲げられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 複雑な断面を有する曲線状補強ビーム（１，６，２２，２３，３６）を形成するために、硬化可能な合成材を含浸させ、硬化させたＬ字形ブランク（４３，５１，５２）、Ｚ字形ブランク（４９）またはＣ字形ブランク（５０）が互いに結合することを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 繊維積層物（９，２５，３７）が、複数の繊維（１３−１５，３０，３２，３５）で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
5. 前記複数の繊維（１３−１５，３０，３２，３５）は、炭素繊維、ガラス繊維、またはアラミド繊維からなる多軸繊維積層物であることを特徴とする請求項４に記載の方法。
6. 前記繊維積層物（９，２５，３９）の含浸にエポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、またはＢＭＩ樹脂が使用されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の方法。
7. 前記第１の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１０，２９，３９）、前記第２の繊維方向を有する少なくとも１つの完全領域層（１１，３１，４０）、および前記第３の繊維方向を有する少なくとも１つの追加層（１２，３４，４１）の各々が、実質的に互いに平行で等距離に配置された複数の繊維（１３−１５，３０，３２，３５）から形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の方法。

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