JP4986996B2 - 湾曲した複合構造要素の製造方法 - Google Patents

Description

発明の分野
この開示は一般に複合構造に関する。より特定的には、この開示は複合材料からの負荷を担持する構造要素の製造に関する。

発明の背景
複合材料は、自動車、船舶および航空宇宙産業を含むさまざまな産業においてますます用いられている。複合材料は、ボート船体または自動車のボディパネルのような負荷を担持しない構造を生産するために用いられてきた。複合材料は、圧力容器および航空機の胴体などの負荷を担持する構造の製造にも適用されてきた。

複合材料は、特に引張荷重を担持する構造部材の設計における用途を有する。これらの設計で用いられる複合材料は、エポキシなどの樹脂材料とともに接合された、炭素、アラミド、ガラスまたはクオーツなどの強い繊維性物質を含む。このような材料は、引張り強さ対重量比が高いという利点を有し得、相当の引張り強さを有する軽量構造設計を可能にする。これらの材料における負荷は主に繊維によって担持されるので、さまざまな複合材料が一方向繊維を用いて開発されており、すなわち、繊維が実質的に均一の方向に位置あわせされている。したがって、これらの材料は、構造部材において引張荷重の方向に沿って繊維を配置するような設計でよく用いられる。

しかしながら、複合材料設計は、一方向繊維が構造部材の輪郭に従わないという欠点を有し得る。たとえば、面内で湾曲した表面を含む構造要素では、複合材料は平坦な弓形の形状にトリミングされ得るが、繊維は弓形の湾曲には従わない。このような設計では、一方向繊維の配向は構造部材における負荷の方向にはない。さらには、一方向繊維は湾曲部のトリミングされた縁部に沿って切断される。

したがって、構造要素の曲率に沿って位置合わせされた荷重支持繊維を備えた湾曲した複合構造要素の製造方法を与えることが望ましい。

発明の概要
１つの局面では、繊維配置および手動または自動のレイアッププロセスの組合せを用いた、構造要素の曲率に沿って位置合わせされた荷重支持繊維を備える湾曲した複合構造要素の半自動製造をいくつかの実施例において可能にする方法が与えられる。

この発明の１つの局面によれば、湾曲した複合プライの製作方法は、プライを形成するために、接触して隣接した複数の複合材料のストリップを平坦な弓形の形状に配置することを含み得る。ストリップは、取外し可能な基板材料に配置されてもよい。複合材料は、一般的な繊維配向を有する複数の繊維を含むことができ、ストリップの各々の繊維配向は、平坦な弓形の全長に沿って実質的に位置合わせされ得る。さらに、この方法はプライの縁部をトリミングすることを含み得る。

この発明の別の局面によれば、湾曲した複合構造要素の製造方法は、複合材料を含む湾曲した複合ウェブプライを平坦な弓形の形状の曲面を含む製造工具上に置くステップを含
み得る。複合材料は、一般的な繊維配向を含む複数の繊維を含むことができ、ウェブ配置の繊維配向は、曲面の長手方向の中心線と実質的に位置合わせされ得る。この方法はさらに、ウェブプライを硬化するステップを含み得る。

この発明のさらに別の局面によれば、湾曲した複合構造要素の製造方法は、複合材料を含む斜めプライを平坦な弓形の形状の曲面を含む製造工具上に置くステップを含み得る。複合材料は、第１の繊維配向および第２の繊維配向を含む複数の繊維を含むことができる。さらに、斜めプライの第１および第２の繊維配向は、曲面の長手方向の中心線に沿ったすべての点でおよそ一定の、その長手方向の中心線の接線に対する角度を形成することができる。この方法はさらに、ウェブプライを硬化するステップを含み得る。

この発明のまたさらに別の局面によれば、湾曲した複合構造要素の製造方法は、一般的なテープ繊維配向を備えた複数のテープ繊維を有する複合テープの部分を裁断し、そのテープ部分を含むクロスプライを製造工具上に置くステップを含み得る。製造工具は平坦な弓形の形状の曲面を含むことができる。さらに、テープ繊維配向は、曲面の長手方向の中心線に沿ったすべての点でその長手方向の中心線の接線に対して実質的に直角を形成することができる。

このように、本願明細書の詳細な説明が一層よく理解されるよう、また当該技術へのこの貢献が一層よく認識されるように、この発明の一定の実施例が広めに概説された。当然ながら、下記に記載され、本願明細書に添付された請求項の主題を形成する、この発明の付加的な実施例が存する。

この点で、この発明の少なくとも１つの実施例について詳細に説明する前に、この発明はその用途において、以下の記載に述べられ図面に示された構造の詳細および構成要素の配置に限定されないことが理解されるべきである。この発明は、記載された実施例に加えてさらなる実施例が可能であり、かつさまざまなやり方で実現され、実行されることができる。さらに、本願明細書および要約書に用いられる語法および用語は説明のためであって、限定的であると見なされてはならないことが理解されるべきである。

そのため当業者は、この開示が基礎とする概念が、この発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法およびシステムの設計の基礎として容易に利用され得ることを認識するであろう。したがって、請求項が、この発明の精神および範囲から逸脱しない限りで、そのような等価な構造を含むと見なされることが重要である。

詳細な説明
この開示に従う実施例は湾曲した複合構造要素の製造方法を与える。この方法は、高度な繊維配置（ＡＦＰ）機械を用いて、複合材料の繊維配向が構造要素の曲率と実質的に位置合わせされるように、湾曲した複合ウェブプライを製作することを含み得る。次にウェブプライはトリミングされ、ウェブプライの形状と一致するための曲面を有する製造工具上に置くことができる。

この方法はさらに、ファブリック繊維が曲面の中心線の接線から４５度で配向された、複合ファブリックの斜めプライを置くことを含み得る。この方法はさらに、テープ繊維が曲面の中心線の接線に直角に配向された、複合テープ部分から構成されるクロスプライを置くことを含み得る。さらに、斜めプライおよびクロスプライの１つまたは両方の縁部が製造工具の側面の上に折重ねられてキャップ面を形成してもよい。

さらに、この方法は、繊維配向が製造工具のキャップ面の中心線と位置合わせされた、
複合テープから構成されるキャッププライを置くことを含み得る。次いで、構造要素レイアップは、複合材料の硬化を可能にするために真空バッグに封止されてもよく、その後に構造要素は検査されて余分の材料がトリミングで取除かれてもよい。複合構造要素のこの製造方法は、ウェブプライ繊維が構造要素の全長に沿ってその曲率と位置合わせされて配向されるという利点を有する。

この開示の実施例がここで図面を参照して記載され、図面を通して類似の参照番号は類似の部分を指す。図１Ａで、この開示の実施例の方法によって生成され得る、湾曲した平坦な表面すなわちウェブ表面１０４とＣ形状の断面を形成する２つの側面すなわちキャップ面１０６、１０８とを備えた複合構造要素１０２の例が示される。同様に、図１Ｂは、この開示の実施例の方法を用いて生成され得る、湾曲した平坦な表面すなわちウェブ表面１０４と、いくつかの切り欠き部すなわち「鼠穴」１１２を含む、フランジ面、側面すなわちキャップ面１０６とを備えた複合構造要素１１０の例を示す。これら例示的な２つの構造要素１０２、１１０は、第１のフレーム部分またはシヤタイ（１１０）の実施例、および航空機胴体において構造支持要素として用いられる第２のフレーム部分または浮動フレーム（１０２）の実施例に対応する。これらの構成要素の例は、２００４年５月２０日出願の同時係属出願であるビョルンスタッド（Biornstad）らの米国特許出願連続番号第１０／８５１，３８１号「航空機胴体および他の構造用の複合バレル部分ならびにそのようなバレル部分を製造する方法およびシステム（Composite Barrel Sections for Aircraft Fuselages and other Structures, and Methods and Systems for Manufacturing such Barrel Sections）」、および２００４年５月２５日出願のジョンソン（Jhonson）らによる米国特許出願連続番号第１０／８５３，０７５号「航空機胴体および他の構造に用いられる構造パネル」（Structural Panels for Use in Aircraft Fuselages and other Structures）に見られる。しかしながら、この開示の代替実施例は、圧力容器、他の複合コンテナ、ボート、列車、潜水艦、アーチ、ビル、橋、耐震改造、窓枠またはドア枠に用いられるものなどの補強材、梁および枠を含む、任意の互換性のある負荷を担持する要素を生産するために用いられ得る。

この開示の実施例では、構造要素は、複合材料、たとえばポリママトリクス、エポキシ、ＢＭＩ、または、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫなどのポリエステル熱硬化性プラスチック、または、炭素、アラミド、ガラス、ケブラー（登録商標）、ホウ素、Ｈｙｂｏｒもしくはクオーツなどの、おそらく金属と混合された、ＴｉＧｒもしくは繊維金属積層物などの金属フォイルなどの、繊維強化ＰＰＳから製造される。これらの複合材料は一般に、たとえば加熱または照射によるエネルギの追加を必要とする吸熱化学反応を通して、より強い形に「硬化」される。この開示のさまざまな実施例に用いられる複合材料の例は、炭素繊維強化エポキシ、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＧＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）、金属基複合材料（ＭＭＣ）および強化炭素（黒鉛マトリックスの炭素繊維）を含む。

この開示の実施例は、複合ファブリックまたは複合テープなどの複合材料が製造工具上に配置される、手の、すなわち手動のレイアッププロセス、または自動レイアッププロセスを含むことができる。製造工具すなわち心棒２００の例示的な実施例は図２に示される。例示的な心棒２００はウェブ表面２０２を含むことができ、それは図１Ａおよび図１Ｂに示される構造要素１０２、１１０の湾曲した平坦な表面１０４に対応する。例示的な心棒２００はさらに、内側面すなわちキャップ面２０４、外側面すなわちキャップ面２０６、または内側および外側両方の側面すなわちキャップ面２０４、２０６を含むことができる。他の実施例では、例示的な心棒２００は、他の表面のほぼ無限の組み合せを含むことができる。

この開示の実施例は、構造要素の湾曲したウェブプライを製作するために高度な繊維配
置（ＡＦＰ）機械を用いることができる、繊維配置プロセスを含むことができる。当該技術で公知であるように、繊維配置プロセスは、典型的には製造工具または心棒の上に複数の「トウ」（すなわち、一般に「プリプレッグトウ」として知られる、エポキシなどの熱硬化性樹脂材料が予め含浸された、炭素もしくは炭素繊維などの連続的なフィラメントの撚られていない束）またはスリットのある複合テープ（「スリットテープ」）を自動配置することを含む。従来の繊維配置機械は移動可能なペイオフヘッドに複数のトウを分配し、ペイオフヘッドは、トウを平行にし（すなわちトウを平行に並べ）、トウを表面に対して圧縮する１つ以上の圧密ローラを用いてトウを心棒表面に適用する。典型的なトウは、平らにされたとき、約０．１２インチから０．２５インチの幅がある。さらにこのような機械は、典型的には、配置中に個々のトウを分配し、クランプ締めし、裁断し、再開するための手段を含む。

スリットテープは、製造業者によって標準幅に作られた後にスリットを入れた複合テープである。テープにスリットを入れることは、生産性と設計目的とを達成するために、適用中に操縦性および適合性が増強され得る、より狭い幅を結果として生じる。たとえば、特定の実施例では、１２インチ幅のテープが、各々１／８インチの９６の均一なスリットに裁断される。一般に、スリットテープは約０．１２インチから最大約６インチまで変動する幅を有し、支持紙を含んでも含まなくてもよい。

この開示による繊維配置プロセス３００の例示的な実施例が図３に示される。この例示的な実施例では、高度な繊維配置（ＡＦＰ）機械３０２は、スリットテープまたはプリプレッグトウのいずれかである、接触して隣接した複合材料のストリップ３０４を、平坦な弓形３０６、すなわち曲線の形状で平面上に置くことができる。その結果、スリットテープまたはトウの繊維は、しわなどの繊維の歪みなく、曲線の全長に沿って弓形の長手方向の中心線と位置合わせされて配向される。特定の実施例では、湾曲した構造要素は、均一な半径を備えた平坦な弓形の形状を含む。しかしながら、他の実施例は、非均一な半径の曲率を備えた、または平面にない複雑な輪郭を含む構造要素を含む。この開示の特定の実施例において、心棒上に直接配置されるのではなく、複合材料のストリップ３０４は、たとえば金属のあて板で取付けられるマイラー（登録商標）などの取外し可能な基板上に置かれている。代替実施例では、ＡＦＰ機械３０２は複数のプライを上に重ねて配置することができ、より厚いグレードのプライを生成する。

この開示のさまざまなプロセスはさらに、ウェブプライの縁部から余分の複合物および基板材料を取除くためにウェブプライがトリミングされ得る、ウェブプライのトリミングプロセスを含むことができる。たとえば、ウェブプライトリミングプロセスの例示的な実施例では、数値制御されたプライ裁断機は、図２に示されるような心棒または他の同様の製造工具の恐らくは湾曲したウェブ表面の周囲の形状に一致するように、ウェブプライを裁断することができる。

この開示の実施例はさらに、図２に示されるような心棒または他の同様の製造工具にウェブプライが手動または自動で配置される、ウェブプライのレイアッププロセスを含むことができる。この開示によるウェブプライレイアッププロセス３０８の例示的な実施例も図３に示される。この例示的な実施例では、繊維配置プロセス３００で製作されたものなどのウェブプライ３１０が、手動または自動レイアッププロセスを用いて心棒２００に配置されることができる。ウェブプライ３１０は、複合繊維が弓形の全長に沿って曲面の中心線と位置合わせされるように、心棒の湾曲したウェブ表面２０２上に配向されることができる。ウェブプライ３１０は、表面の中心線に対する繊維の角度を意味する命名規則により、一般に０度のプライと呼ばれる。次いで、基板材料がウェブプライ３１０の表面から取除かれることができる。代替実施例では、ウェブプライ３１０は、心棒２００上で、ウェブプライまたは別の型のプライであってもよい以前のプライの上に置かれることがで
きる。

この開示の代替実施例では、キャッププライレイアッププロセス４００、すなわち、図２に示されるような心棒（または他の製造工具）上に手動または自動でキャッププライが配置されるプロセスを用いることができる。図４は、この開示によるキャッププライレイアッププロセス４００の実施例を示す。この例において、キャッププライ４０２は、図４に示されるような例示的な心棒または他の製造工具の上に置くことができる。キャッププライ４０２は、たとえば約２インチ幅の複合テープから構成されることができ、テープ繊維の配向が長さ方向に、すなわち実質的に０度でキャップ面１０６に沿って走るよう、心棒２００に配置することができる。図４にさらに示されるように、図１Ｂの例示的な構造要素のような単一のフランジを備えた「Ｌ」形状の断面を形成するために、単一のキャッププライ４０２または４０４を心棒２００の１つの側に置くことができ、図１Ａの例示的な構造要素のような２つのフランジを備えた「Ｃ」形状の断面を形成するために、第２のキャッププライ４０４または４０２を心棒２００の反対側に適用することができる。

キャッププライ４０２および４０４のいずれかまたは両方の場合において、スプライス４０６および４０８を心棒２００の隅部に沿って形成することができ、そこでキャップ４０２および４０４がウェブプライ３１０と合う。このようにして、キャッププライ（複数可）４０２および４０４ならびにウェブプライは、連続的で実質的に０度のプライを、ウェブ表面２０２と１つまたは両方のキャップ面１０６および１０８との上に形成する。スプライス４０６および４０８は、ウェブ表面およびキャップ面の長手方向で引張荷重を担持するよう設計されている、ウェブ表面およびキャップ面の長さに沿った０度の繊維を中断しないので、スプライス４０６、４０８は、構造要素１０２および１１０の荷重支持容量に影響しない。この開示の代替実施例は、０度のウェブプライ３１０なしで、０度のキャッププライ４０２および４０４を含むことができる。

この開示のさらに別の例示的な実施例では、斜めプライが心棒に手動または自動で配置され得る、斜めプライレイアッププロセス５００が図５で示される。この例において、繊維が心棒２００のウェブ表面の中心線から正（＋）および負（−）約４５度で偏向して配向されるように、斜めプライ５０２を心棒２００に配置することができる。この実施例における複合ファブリック５０４は、予め樹脂が含浸されたプリプレッグ複合物ファブリックである。しかしながら、他の実施例では、複合ファブリック５０４は、乾いた形状の複合物ファブリックを含むいかなる適切な型の複合ファブリックを含んでもよい。図５に示される斜めプライは１枚の複合ファブリック５０４を含んでいるが、代替実施例は、テープ繊維が心棒のウェブ表面の中心線から約＋４５度または−４５度で配向されるように心棒２００に置かれた、複合テープのストリップから形成された斜めプライを含むことができる。さらに、代替実施例は、たとえば正６０度および負６０度など、ウェブ表面の中心線から０度から９０度の間のいかなる角度でも偏向して配向された繊維を備えた斜めプライを含むことができる。

構造要素のフランジ面、側面すなわちキャップ面を形成するために、斜めプライ５０２の材料は心棒２００のウェブ表面２０２より広く裁断され、その結果、斜めプライ５０２の少なくとも１つの縁部は、心棒２００の側面上に折重ねることができる。図１Ｂに示される例としての構造要素の断面のような「Ｌ」形状の断面を形成するために、斜めプライ５０２の単一の縁部を心棒２００の外部キャップ面２０６の上に折重ねることができる。代替的には、しわを防ぐか最小限にするために、斜めプライ５０２をまず心棒２００の内側キャップ面２０４に配置し、次に、「Ｌ」形状の断面を形成するために、湾曲したウェブ表面２０２の上に繊維を引張って均一に広げることにより、湾曲したウェブの上に折重ねることができる。さらに、斜めプライ５０２は、図１Ａに示される例としての構造要素の断面のような「Ｃ」形状の断面を形成するために、任意に心棒２００の外側キャップ面
２０６の上に折重ねることができる。同様に、斜めプライ５０２を、湾曲したウェブの上に繊維を引張って均一に広げることにより、まず湾曲したウェブ表面２０２に配置することができ、次に、図１Ｂに示される例としての構造要素の断面のような「Ｌ」形状の断面を形成するために、外部キャップ面の上に折重ねることができる。

この開示の他の実施例は、クロスプライレイアッププロセス６００、すなわちプライが図６に示される態様に類似の態様で配置されるプロセスを含むことができる。まず、一方向複合テープ６０２が部分に裁断される。たとえば、図６に示されるように、テープは台形（trapezoidal）部分６０４に裁断することができる。この開示の目的のために、「trapezoidal」という用語は、いずれの２つの辺も平行でない四辺形を指すイギリス英語における一般的な意味とは対立して、２つの辺のみが平行である四辺形を指す、アメリカ英語における一般的な意味を指すとして用いられる。イギリス英語において、２つの辺のみが平行である四辺形に対して一般に用いられる用語は「trapezium」である。

図６に戻ると、台形テープ部分６０４の２つの平行ではない辺は、心棒２００に置かれた時にテープ部分の２つの平行ではない縁部が心棒２００の湾曲した表面すなわちウェブ表面２０２の長手方向の中心線の接線に実質的に直交するような角度で、裁断することができる。テープ部分６０４は、次に、テープ部分６０４にしわを形成することなく、繊維が心棒２００のウェブ表面２０２の中心線に対してほぼ直角に配向されたクロスプライ６０６を形成するように、例示的な心棒２００に置かれ得る。

上述の斜めプライの例において、クロスプライ６０６は、クロスプライ６０６の１つまたは２つの縁部が、フランジ面、側面すなわちキャップ面を形成するために心棒２００の側面または両側の上に折重ねられ得るように、心棒２００のウェブ表面より広く裁断され得る。１つの実施例では、テープは、心棒２００のキャップ面２０４、２０６の上に折重なるテープ部分６０８の縁部または両縁部は平行な辺を有し、心棒２００の表面２０２の上の部分は平行でない辺を有するように、修正された「煙突」形状部分６０８に裁断することができる。代替実施例では、テープは長方形の部分に裁断されることができ、心棒２００に置かれた時に重複するか、またはテープ部分間にギャップを形成することが可能になる。再度、このようにして「Ｃ」形状の断面または「Ｌ」形状の断面を形成することができる。

代替的には、しわを防ぐか最小限にするために、クロスプライ６０６をまず心棒２００の内側キャップ面２０４に配置し、次に、「Ｌ」形状の断面を形成するために、湾曲したウェブ表面２０２の上に繊維を引張って均一に広げることにより、湾曲したウェブ表面２０２の上に折重ねることができる。さらに、クロスプライ６０６は、任意で、図１Ａに示される例としての構造要素の断面のような「Ｃ」形状の断面を形成するために、心棒２００の外側キャップ面２０６の上に折重ねることができる。同様に、クロスプライ６０６は、湾曲したウェブ表面２０２の上に繊維を引張って均一に広げることにより、まず湾曲したウェブ表面２０２に配置することができ、次に、図１Ｂに示される例としての構造要素の断面のような「Ｌ」形状の断面を形成するために、外側キャップ面の上に折重ねられることができる。

図７は、構造要素レイアップが、凸型の心棒（または他の製造工具）から凹型の製造工具７０２へと移送される移送プロセス７００を示す。図７のこの例では、凹型の製造工具７０２、すなわち雌の心棒が示される。この例において、以前は図２の例示的な心棒２００などの凸型製造工具に置かれながら硬化することが可能であった構造要素プライが、硬化のために凹型の製造工具７０２に任意に移送されてもよい。この実施例では、凹型の製造工具７０２は、構造要素レイアップの外表面に一致する。

代替実施例では、プライは凸型製造工具に置かれるのではなく、図７に示されるように、凹型の製造工具に直接置くことができる。この場合、プライは凹型の製造工具に置かれたまま硬化することができ、または、任意で移送されて凸型の工具上で硬化することができる。

この開示の別の例示的なプロセスは封止プロセスを含むことができ、そこでは、構造要素レイアップは、複合プライの層の間および複合材料とそれぞれの心棒との間に捉えられた空気を複合材料の内部および真下から取除くために、真空バッグの内部に封止される。例示的な心棒２００レイアップ上の構造要素を包む真空バッグ８０２の例示的な実施例は、図８に示される。同様に、凹型の製造工具７０２上の構造要素レイアップを包む真空バッグ７０４の例示的な実施例は、図７に示される。

図９は、湾曲した複合構造要素を製造するための、この開示による例示的な方法を概説するフロー図である。プロセスは、高度な繊維配置（ＡＦＰ）機械が接触して隣接した複合材料のストリップを置く、ステップ９０２で開始する。上述のように、さまざまな実施例では、複合材料はスリットテープまたはプリプレッグトウのいずれかの形であり得る。さらに、上述のように、ＡＦＰ機械は、図３に示される例示的な平坦な弓形などのような、任意の数の実行可能または有用な形状にストリップを配置することができ、しわなどの繊維の歪みなしに、スリットテープまたはトウの繊維が、曲面の全長に沿って弓形の長手方向の中心線と位置合わせされて配向される。さらに上述のように、複合材料のストリップは、マイラー（登録商標）などの取外し可能な基板上に配置することができる。さらに、代替実施例では、ＡＦＰ機械は複数のプライを互いの上に配置することができ、より厚いグレードプライを形成する。このプロセスはステップ９０４に続く。

ステップ９０４において、ウェブプライはトリミングされ、ウェブプライの縁部から余分の複合物および基板材料を取除くことができる。このステップで、数値制御されたプライ裁断機が、心棒または図２に示されるような他の同様の製造工具のウェブ表面すなわち湾曲表面の周囲の形状にウェブプライを裁断することができる。次に、ステップ９０６において、ウェブプライは、心棒または図２に示されるような他の同様の製造工具に置かれることができる。ウェブプライは、手動または自動レイアッププロセスを用いて、図３に示されるウェブプライのように、弓形の全長に沿って、心棒または他の工具の湾曲したウェブ表面の中心線と位置合わせされた０度の方向に複合繊維を配向して、置かれることができる。さらに、基板材料は、このステップ中にウェブプライの表面から取除くことができる。さまざまな実施例では、ウェブプライは、心棒もしくは他の工具に直接置くことができ、または代替的には、心棒もしくは他の工具上の前のプライもしくはプライの組合せ上に直接置くことができる。さらに、さまざまな実施例は他のプライとの組合せで１つを越えるウェブプライを含んでもよい。このプロセスはステップ９０８に続く。

ステップ９０８において、図２に示される心棒などの製造工具上に手動または自動でキャッププライを置くことができる。上述のように、キャッププライは複合テープから構成されることができ、図４に示される例示的なキャッププライレイアップのように、テープ繊維の配向がキャップ面に沿って長さ方向すなわち０度の方向に走るように、心棒または他の工具上に配置することができる。図１Ｂに示される例としての構造要素の断面のように単一のフランジを備えた「Ｌ」形状の断面を形成するために、単一のキャッププライを心棒または工具の１つの側面に置くことができ、加えて、図１Ａに示される例としての構造要素の断面のような２つのフランジを備えた「Ｃ」形状の断面を形成するために、第２のキャッププライを心棒の反対側に適用することができ、ウェブ表面および１つまたは両方のキャップ面の上に連続的な０度のプライを形成する。さまざまな実施例では、キャッププライは心棒もしくは他の工具に直接置くことができ、または代替的には、心棒もしくは他の工具上の前のプライもしくはプライの組合せの上に直接置くことができる。さらに
、さまざまな実施例は他のプライとの組合せで１つを越えるキャッププライを含んでもよい。このプロセスはステップ９１０に続く。

ステップ９１０において、＋／−４５度の複合ファブリックの斜めプライを、手動または自動で、心棒または図２に示されるような他の同様の製造工具上に置くことができる。斜めプライは、ファブリック繊維が、図５に示される斜めプライのように、心棒または他の工具のウェブ表面の中心線から＋／−約４５度で配向されるように、心棒または他の工具上に配置されることができる。上述のように、さまざまな実施例では、複合ファブリックは、予め樹脂が含浸されたプリプレッグ複合ファブリックを含む、いかなる適切な複合ファブリックの形状をも取ることができる。さまざまな実施例では、斜めプライは心棒または他の工具に直接置くことができ、または代替的には、心棒もしくは他の工具上の前のプライもしくはプライの組合せ上に直接置くことができる。さらに、さまざまな実施例は他のプライとの組合せで１つを越える斜めプライを含んでもよい。このプロセスはステップ９１２に続く。

ステップ９１２において、構造要素の側面すなわちキャップ面を形成するために、各斜めプライの少なくとも１つの縁部は、心棒または他の工具の側面の上に折重ねることができるように、斜めプライの複合ファブリックは心棒または他の工具のウェブ表面より広く裁断することができる。図１Ｂに示される例としての構造要素の断面のような「Ｌ」形状の断面を形成するために、斜めプライの単一の縁部を心棒もしくは他の工具の１つの側の上に折重ねることができ、または、図１Ａに示される例としての構造要素の断面のような「Ｃ」形状の断面を形成するために、斜めプライの２つの縁部を心棒もしくは他の工具の２つの側の上に折重ねることができる。代替的には、心棒の内部キャップ面の上の複合ファブリックのしわを防ぐか最小限にするために、斜めプライはまず内部キャップ面に接着することができ、次にウェブ表面の上に折重ねられ、キャップ面上またはウェブ表面上にしわが寄ることを防ぐか最小限にするのに必要なだけ複合ファブリックを伸ばす。次いで、さらに斜めプライは外部キャップ面の上に折重ねることができ、ウェブ表面上または外部キャップ面上にしわが寄ることを防ぐか最小限にするために必要なだけ複合ファブリックを伸ばす。このプロセスはステップ９１４に続く。

ステップ９１４において、一方向複合テープは、図６に示される例示的なテープ部分のように、部分に裁断することができる。次に、ステップ９１６において、テープ部分は、手動または自動で心棒または他の同様の製造工具に置くことができる。上述のように、テープ部分の繊維は、９０度のクロスプライを形成するために、心棒または他の工具のウェブ表面の中心線と実質的に９０度に位置合わせすることができる。台形または修正された「煙突」形状のテープ部分の場合、繊維は、重複またはテープ部分間のギャップを形成すること、かつテープのしわを形成することなく、心棒または他の工具のウェブ表面の中心線とほぼ直角で配向されることができる。

上述の斜めプライの場合には、クロスプライは、心棒または他の工具のウェブ表面より広く裁断されることができ、クロスプライの１つまたは２つの縁部は、側面すなわちキャップ面を形成するために、心棒または他の工具の側面または両側に折重ねられ得る。再度このようにして「Ｃ」形状の断面または「Ｌ」形状の断面を備えた構造要素を形成することができる。さまざまな実施例では、クロスプライは心棒もしくは他の工具に直接置くことができ、または代替的には心棒もしくは他の工具の以前のプライもしくはプライの組合せ上に直接置くことができる。さらに、さまざまな実施例は他のプライと組合された１つを越えるクロスプライを含んでもよい。このプロセスはステップ９１８に続く。

ステップ９１８において、構造要素レイアップは、凹型の製造工具、たとえば雌の心棒へと任意で移送されてもよい。上述のように、図７に示されるような凹型の工具または心
棒は、構造要素レイアップの外表面に一致することができる。次に、ステップ９２０において、構造要素レイアップは、図８に示されるように心棒もしくは他の工具上で真空バッグ内部に封止されている間に、または図７に示されるように凹型の工具もしくは心棒の上で、硬化することができる。上述のように、真空は、複合プライの層の間および複合材料とそれぞれの心棒との間に捉えられた空気を複合材料の内部および真下から取除くことができる。このプロセスはステップ９２２に続く。

ステップ９２２において、構造要素レイアップが硬化した後、設計仕様との合致を証明するために検査され得る。次に、ステップ９２４において、必要であれば、構造要素レイアップは余分の材料を取除くためにトリミングされることができる。さらに、切欠き部すなわち図１Ｂに示されるような「鼠穴」が構造要素にトリミングされることができる。制御は、プロセスが終了するステップ９２６に続く。

上述の図９のフロー図の例としての実施例は、１つのウェブプライ、１つのキャッププライ、１つの斜めプライおよび１つのクロスプライのみを含む。しかしながら、他の実施例は、いかなる順序で置かれたいかなる組合せの、いかなる数のプライを含んでもよい。たとえば、図１Ａに示される例としての構造要素の断面のような「Ｃ」形状の断面を備えた浮動フレームは、ウェブ表面に１８のプライ、および２つのキャップ面の各々の上に２８のプライを含むことができる。この実施例では、方法は以下の順で半数のプライを置くことを含み得る：
・ ウェブ表面および両方のキャップ面上に４５度の斜めプライ、
・ ２つのキャップ面の各々の上のキャッププライ、
・ ２つのキャップ面の各々の上の付加的なキャッププライ、
・ ウェブ表面上のウェブプライおよび２つのキャップ面上のキャッププライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ２つのキャップ面の各々の上のキャッププライ、
・ ２つのキャップ面の各々上の付加的なキャッププライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面の上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面の上のクロスプライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面の上の４５度の斜めプライ、
・ ２つのキャップ面の各々の上のキャッププライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面上および２つのキャップ面上のクロスプライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ。

この例において、次に、ウェブ表面上およびキャップ面の各々の上のプライの後半分が前半分とは逆の順序で心棒に置かれ、ウェブ表面上の合計１８のプライおよび２つのキャップ面の各々の上の２８のプライについて、鏡像の、または対称なレイアップ順序を形成する。

たとえば、図１Ａに示される例としての構造要素の断面のような「Ｃ」形状の断面を備えた別の例としての構造要素は、ウェブ表面の２つの長手方向の最端の各々が構造要素の各最端でウェブ表面の最後の１２インチを覆う付加的な１０のプライを含むことができることを除いては、前の例と同じプライの組合せを含むことができる。この実施例では、２つの付加的な斜めプライが、２つのキャッププライと同時に、前の例の第１の４５度の斜めプライの後、かつ第１の０度のウェブプライの前に、構造要素の各最端においてウェブ表面に置かれることができる。

さらに、２つの付加的なクロスプライは、２つのキャッププライと同時に、前の例の第２の斜めプライの後、かつ第３の斜めプライの前に、構造要素の各最端においてウェブ表
面に置かれることができる。さらに、０度のウェブプライは、前の例の最後の３つのプライの前にキャッププライと同時に置くことができる。同様に、前の例の後半分のプライ間とは逆順序で、付加的な０度のウェブプライ、２つの付加的なクロスプライおよび２つの付加的な斜めプライを置くことにより、対称なプライ順序を得ることができる。

この最後の例において、（対称な層の前半分の）付加的なプライの各々は、構造要素の中央に向かって、たとえば２分の１インチだけ前よりも遠くまで延在することができる。すなわち、たとえば、第１の付加的な４５度の斜めプライは、構造要素レイアップの各端部から１２．５インチ延在することができ、第２の付加的な４５度の斜めプライはレイアップの各端部から１３インチ延在することができ、第１の付加的なクロスプライはレイアップの各端部から１３．５インチ延在することができ、第２の付加的なクロスプライはレイアップの各端部から１４インチ延在することができ、付加的なウェブプライはレイアップの各端部から１４．５インチ延在することができる。対称な、または鏡像のレイアップ順序を形成するために、対称な層の後半分の５つの付加的なプライは、各々前よりも２分の１インチ少なく延在することができる。

さらなる例として、図１Ｂに示される例としての構造要素の断面のような「Ｌ」形状の断面を備えたシヤタイは２４のプライを含むことができる。この実施例では、方法は以下の順で半数のプライを置くことを含むことができる：
・ ウェブ表面および両方のキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上のクロスプライ、
・ ウェブ表面およびキャップの表面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面上のウェブプライおよび２つのキャップ面上のキャッププライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面上および２つのキャップ面上のクロスプライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面上のウェブプライおよび２つのキャップ面上のキャッププライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面上および２つのキャップ面上のクロスプライ、
・ ウェブ表面およびキャップ面上の４５度の斜めプライ、
・ ウェブ表面上のウェブプライおよび２つのキャップ面上のキャッププライ。

次に、この例におけるプライの後半分は前半分とは逆順序で心棒に置かれ、ウェブ表面上および２つのキャップ面の各々の上の合計２４のプライについて、鏡像の、または対称なレイアップ順序を形成する。

この発明の多くの特徴および利点が詳細な説明から明らかであり、したがって、添付された請求項によって、この発明の精神および範囲内のこのような発明の特徴および利点がすべて包含されるよう意図される。さらに、多数の修正および変形が当業者には容易に想到されるので、この発明を、示され、記載された通りの構造および動作に限定することは望まれず、したがって、すべての適切な修正および等価物はこの発明の範囲内に再区分され得る。

「Ｃ」形状の断面を有する湾曲した構造要素を示す斜視図である。 「Ｌ」形状の断面を有する湾曲した構造要素を示す斜視図である。 この方法またはプロセスの実施例による製造工具または心棒を示す斜視図である。 複合材料の０度ウェブプライの製作およびレイアッププロセスを示す斜視図である。 複合材料の０度キャッププライのレイアップを示す斜視図である。 製造工具上の複合材料の４５度斜めプライのレイアップの斜視図である。 複合材料の９０度クロスプライのレイアップを示す斜視図である。 凹型製造工具上に転送された構造要素レイアップを示す斜視図である。 硬化用の封止された真空バッグにおける構造要素レイアップの筐体を示す斜視図である。 湾曲した複合構造要素を製造するために従うべきステップを示すフロー図である。

Claims (8)

1. 湾曲した複合構造要素を製造する方法であって、
   複合材料を含む湾曲した複合ウェブプライを製造工具上に置くステップを含み、製造工具は平坦な弓形の形状の曲面を含み、複合材料は一般的な繊維配向を含む複数の繊維を含み、ウェブプライの繊維配向は繊維の歪みなく曲面の長手方向の中心線と実質的に位置合わせされ、さらにウェブプライを硬化するステップと、
   曲面と交差してキャップ面と曲面との間に隅部を形成する製造工具のキャップ面に複合テープを含むキャッププライを置くステップをさらに含み、複合テープは一般的なテープ繊維配向を含む複数のテープ繊維を含み、テープ繊維配向はキャップ面の長手方向の中心線と実質的に位置合わせされ、キャッププライがウェブプライに合う隅部に沿って接合部が形成される、方法。
2. 曲面の上に斜めプライを置くステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 曲面の上にクロスプライを置くステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 複合材料の真下およびその内部から捉えられている空気を取除くために、製造工具上のウェブプライを含む湾曲した複合構造要素レイアップを真空バッグ内に封止するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. レイアップの表面の反対の形状を有する第２の湾曲した製造工具上に、ウェブプライを含む湾曲した複合構造要素レイアップを移送するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. ウェブプライを含む湾曲した複合構造要素レイアップを欠陥について検査するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. ウェブプライを含む湾曲した複合構造要素レイアップを余分の材料を取除くためにトリミングするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
8. 航空機の製造において用いられる、請求項１に記載の方法。

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