JP4987002B2 - 複合構造部材を製造する装置ならびに方法 - Google Patents

Description

本開示内容は、一般に、複合構造部材に関する。より詳細には、本開示内容は、成形構造部材を複合材料から製造する装置並びに方法に関する。

複合材料は、自動車産業、海洋産業、並びに航空宇宙産業を含む種々の産業でますます使用されている。このような複合材料は、船体若しくは車体パネルのような荷重を支持しない構造体を製造するのに使用されている。このような複合材料は、また、圧力容器や航空機の胴体のような荷重を支持する構造体の製造に用いられている。

複合材料は、特に、荷重を支持する構造部材の設計に用いられる。このような設計に使用される複合材料は、エポキシのような樹脂材料と一緒に結合された、炭素、アラミド、ガラス、若しくは石英のような丈夫な繊維材料を含んでいる。このような材料は、荷重配分比に対する高張力の効果を有することができ、このため、十分な張力を有する軽荷重量の構造体の設計を可能にしている。このような材料への荷重は、主に繊維により支持されるので、種々の複合材料は、一方向の繊維、即ち、互いに同一の方向に実質的に整合された繊維により、開発されている。かくして、このような材料は、構造部材の引張荷重の方向に沿って繊維を配置する設計に頻繁に使用される。

しかし、このような複合材料の設計は、一方向の繊維が構造部材の外形に従わないという欠点を有している。例えば、一平面内で湾曲された表面を有する構造部材において、複合材料は、平坦なアークの形状にトリミングされることができるが、繊維は、このアークの湾曲に従わない。このような設計において、一方向の繊維の方向は、構造部材の荷重の方向にならない。更に、一方向の繊維は、湾曲部のトリミングされたエッジに沿って切断される。

従って、構造部材の湾曲形状に沿うように整合され荷重を支持する繊維により湾曲した複合構造部材を製造する方法を提供することが望ましい。

上記の必要性は、本発明により十分に満たされる。幾つかの実施形態で、所定の繊維配置の組み合わせと手動若しくは自動のレイアッププロセスとを使用して、構造部材の湾曲部に沿って整合された荷重支持用の繊維により、湾曲した複合構造部材を半自動的に製造するのを可能にした方法の一態様が、与えられる。

本発明の一実施形態は、フォームの長手方向軸に対して約０°で湾曲したフォームに複合プライを配置する装置に関する。このフォームは、ウェブ面とキャップ面とを有している。この装置は、ウェブ用の圧縮ローラと、１セットの案内ローラとを有している。ウェブ用の圧縮ローラは、ウェブ面上で複合材料を圧縮して、ウェブプライを形成する。前記１セットの案内ローラは、キャップ面を押圧する。圧縮ローラは、案内ローラによりフォームに沿うように導かれる。

本発明の他の実施形態は、湾曲した複合プライを製造する装置に関する。この装置は、案内するための手段と、配置するための手段と、圧縮するための手段とを有している。前記案内するための手段は、フォームのキャップ面に沿ってトウ配置装置を方向付ける。前記配置するための手段は、ウェブプライをフォームのウェブ面上に形成するように、複合材料の連続的に互いに隣接された複数のストリップを平坦なアークの形状に配置する。複合材料は、一般の(general)繊維の方向を有する複数の繊維を含み、ストリップの各々の繊維の方向は、平坦なアームの全長に沿って実質的に整合されている。前記圧縮するための手段は、ウェブプライを圧縮する。

本発明の更なる他の実施形態は、湾曲した複合プライを製造する方法に関する。この方法において、トウ配置装置は、フォームのキャップ面を押圧する１セットのローラにより、フォームに沿って案内される。更に、複合材料の連続的に互いに隣接された複数のストリップが、ウェブプライをフォームのウェブ面上に形成するように、平坦なアークの形状に配置される。複合材料は、一般の繊維の方向を有する複数の繊維を備え、ストリップの各々の繊維の方向は、平坦なアークの全長に沿って実質的に整合される。更に、ウェブプライは圧縮される。

かくして、本発明の詳細な説明がより良く理解され得るように、また、本技術に対する貢献がより良く理解され得るように、本発明の特定の実施形態が、幾分広く示される。もちろん、添付された請求項の主題をなし後述される本発明の更なる実施形態も、存在する。

この態様において、本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明が、これの適用例で、以下の記載で説明若しくは図示されている部品の配置並びに構造の細部に限定されないことは、理解される。本発明は、記載されたものに加えて、複数の実施形態が可能であり、種々の方法で実施並びに実行されることができる。また、本明細書並びに要約書に用いられる用語並びに術語が、説明を目的とするものであり、限定するものとして見なされるべきでないことは、理解される。

このように、当業者は、開示内容が基礎にする概要が、本発明の幾つかの目的を実行するための他の構造、方法、並びにシステムを設計するための基本として容易に利用され得ることを、理解している。従って、請求項が、本発明の精神並びに範囲から逸脱しない程度の同等の構造を含むように見なされることが、重要である。

本開示内容に従った実施形態は、湾曲した複合構造部材を製造するための装置を提供している。この装置は、複合材料の繊維の方向が、構造部材の湾曲部に実質的に整合されるように、湾曲した複合ウェブ用のフォーム、即ち製造工具上にプライを配置するように構成されている。

プライをウェブ上に配置することに加え若しくは代わって、この装置は、複合材料の繊維の方向が、構造部材の中央線並びに/若しくはエッジに実質的に沿うように、湾曲した複合フランジ、若しくはキャップ用のフォーム、即ち製造工具上にプライを配置するように構成される。

以下の説明では、複合構造部材が、最初に、本発明の一実施形態に適切な文脈の例を与えるように、図示並びに説明される。しかし、他の複合品が、種々の実施形態に容易に適用可能である。例えば、真っ直ぐな物品、複合形式の湾曲物品、多軸形式の湾曲物品等が、種々の実施形態の範囲内である。

一実施形態が、全体を通して同じ参照符号が同じ部分を示しているそれぞれの図を参照して、説明される。一実施形態の方法により製造され得る「Ｃ字」形状の断面を形成した1つの湾曲平面、即ちウェブ面１０４と２つの側面、即ちキャップ面１０６，１０８とを有する複合構造部材１０２の一例が、図１Ａに示されている。同様に、図１Ｂは、本開示内容の一実施形態の方法を使用して製造され得る、幾つかの切欠部、即ち「小穴(mouse holes)」１１２が形成された1つの湾曲平面、即ちウェブ面１０４とフランジ形式の１つの側面、即ちキャップ面１０６とを有する複合構造部材１１０の一例を示している。これら構造部材１０２，１１０の２つの例は、航空機の胴体の構造支持部材として使用される第１のフレーム部分、即ちシャー・タイ(shear tie)１１０の例と、第２のフレーム部分、即ちフローティングフレーム１０２の例とにそれぞれ対応する。これら構成部品の例は、２００４年５月２０日に出願された"Composite Barrel Sections for Aircraft Fuselages and other Structures, and Methods and Systems for Manufacturing such Barrel Sections"というタイトルのBiornstandらによる米国特許出願第１０/８５１，３８１号と、２００４年５月２５日に出願された"Structural Panels for Use in Aircraft Fuselages and other Structures"というタイトルのJohnsonらによる米国特許出願第１０/８５３，０７５号とに見られる。しかし、本開示内容の別の実施形態が、圧力容器、他の複合容器、ボート、電車、潜水艦、アーチ、ビル、橋、耐震材、窓枠、若しくはドア枠に使用されるような、補強材、ビーム、並びにフレームを含む互換性のある荷重支持用の部材を形成するのに使用されることもできる。

本開示内容の一実施形態において、構造部材は、以下のような複合材料から、例えば、金属が混合され得る、炭素、アラミド、ガラス、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標）、ほう素、Ｈｙｂｏｒ（登録商標）、若しくは石英のような繊維、ＴｉＧｒのような金属箔、若しくは繊維金属ラミネートにより補強された、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、若しくはＰＰＳのようなポリマーマトリックス、エポキシ、ＢＭＩ、若しくは、熱硬化性プラスチックから製造される。本開示内容の種々の実施形態に使用される複合材料の例は、グラファイト繊維強化エポキシ、繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）、ガラス繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）、炭素繊維強化プラスチック（ＣＲＰ）、金属マトリックス複合材（ＭＭＣ）、並びに、強化炭素（グラファイトマトリックスの炭素繊維）を含む。

一実施形態は、手による、即ち手動のレイアップ(layup)プロセス、若しくは、自動のレイアッププロセスを有することができ、複合織物若しくは複合テープのような複合材料が、フォーム、マンドレル、即ち製造工具上に配置される。この製造工具、即ちマンドレル２００の一例が、図２に示されている。このマンドレル２００は、図１Ａ並びに１Ｂにそれぞれ示されている構造部材１０２，１１０の湾曲平面１０４に対応したウェブ面２０２を有することができる。このマンドレル２００は、更に、内側面、即ちキャップ面２０４、外側面、即ちキャップ面２０６、若しくは、内側面と外側面との両方、即ち両キャップ面２０４，２０６を有することができる。他の実施形態では、マンドレル２００は、他の面との無端に近い(near-endless)組み合わせを有することができる。

一実施形態は、繊維配置装置を有することができる。他の実施形態は、プライを配置する方法を有することができ、繊維配置装置が、構造部材の湾曲したウェブプライ並びに/若しくはキャッププライを製造するのに使用されることができる。繊維配置プロセスは、代表的に、複数の「トウ」（即ち、「プリプレグトウ(prepreg tow)」として一般に知られるエポキシのような熱硬化性樹脂材料が予め含浸された炭素繊維若しくはグラファイト繊維のような連続フィラメントの撚られていない束）、若しくは、スリット複合テープ（「スリットテープ」）を製造工具、即ちマンドレルに配置することを含んでいる。通常の繊維配置マシンは、移動可能な送出ヘッドに複数のトウを供給し、この送出ヘッドは、トウをコリメートして（即ち、トウを互いに平行にして）、これらトウをマンドレルの表面に押圧する１つ以上の圧縮ローラを使用してマンドレルの表面にトウを与える。代表的なトウは、平らにされたときに、約０．１２インチ（０．３０４８ｃｍ）ないし０．０５インチ（０．３０４８ないし０．１２７ｃｍ）の幅を有する。更に、このようなマシンは、配置の間に、個々のトウを供給、クランプ留め、切断、並びに再開する(restart)ための手段を代表的に有している。しかし、このような通常のマシンは、極めて複雑で高価であり、動作させるのに時間がかかる。

前記スリットテープは、製造者により標準的な幅に形成された後にスリットが形成された複合テープである。テープにスリットを形成することにより、幅が狭くされ、これによって、生産性と設計との目的を達成するために、配置の間に、より優れた動作並びに調整を可能にする。例えば、特定の実施形態において、１２インチ（３０．４８ｃｍ）の幅のテープには、各々が１/８インチ（０．３１７５ｃｍ）の互いに均一な９６のスリットが形成されている。一般に、スリットテープは、約０．１２インチ（０．３０４８ｃｍ）から約６インチ（１５．２４ｃｍ）までの幅を有することができ、裏紙を有しても良いし有さなくても良い。

本開示内容に従った繊維配置プロセス３００の一実施形態が、図３に示されている。この実施形態では、トウ配置装置３０２が、適切な複合材料の実質的に連続し互いに隣接されたストリップ３０４を配置することができる。適切な複合材料の例は、例えば、フォイル、フィルム、スリットテープ、プリプレグトウ等を含む。特定の実施形態では、ストリップは、前記ウェブ面２０２の形状に一致した平坦なアーク３０６上に配置される。この結果、スリットテープ若しくはトウのストリップ並びに/若しくは繊維は、しわのような繊維の歪みを実質的に形成することなく、湾曲部の全長に沿ってアークの長手方向の中央線と整合するように、方向付けられる。特定の実施形態では、湾曲した構造部材は、均一な半径を有する平坦なアークの形状を有している。これにもかかわらず、他の実施形態は、実質的に真っ直ぐな構造部材、若しくは、不均一な半径の曲率並びに/若しくは平面に配置されない複雑な外形を有する部材を備えている。他の実施形態では、トウ配置装置３０２は、複数のプライを重ね合わせに配置し、より厚いグレードのプライを形成することができる。

種々のプロセスは、また、ウェブプライをトリミングするプロセスを含むことができる。このウェブプライは、過度の複合並びに基体材料をウェブプライのエッジから除去するように、トリミングされることができる。例えば、ウェブプライをトリミングするプロセスの一実施形態では、技術者、即ちエンジニアのようなユーザ、若しくは、数値制御されたプライ切断マシンが、ウェブ面２０２のような、マンドレル若しくは他の製造工具の湾曲形状であり得るウェブ面の外形に一致するように、ウェブプライを切断することができる。

動作において、トウ配置装置３０２は、マンドレル２００にウェブ並びに/若しくはキャッププライを配置するのに使用されることができる。例えば、このトウ配置装置３０２は、ウェブプライ３１０を配置するように、マンドレル２００に沿って移動され、内側のキャップ２０４と外側のキャップ２０６との一方若しくは両方に係合した１セットのローラ３０８により案内される。ウェブプライ３１０を構成しているストリップ３０４は、クリール、即ちスプール３１２のような材料源から供給されることができる。ストリップ３０４が、トウ配置装置３０２中に供給されるのに従って、これらストリップは、コームを介してテンションシステムに通され、そして、より詳細に以下に説明されるようなローラにより、マンドレル２００に押圧されることができる。

前記トウ配置装置３０２は、適切な方法で、マンドレル２００に沿って移動されることができる。例えば、このトウ配置装置３０２は、アクチュエータ若しくは他の駆動メカニズムを有することができる。更に、このトウ配置装置３０２は、ユーザによって移動されることができる。ウェブプライ３１０は、複合繊維が、アークの全長に沿って湾曲面の中央線に整合されるように、マンドレルの湾曲したウェブ面２０２に方向付けられることができる。このウェブプライ３１０は、０°のプライとして一般に称され、この名称は、面の中央線に対する繊維の角度を表している。別の実施形態では、ウェブプライ３１０は、マンドレル上の０°、±４５°、９０°、若しくは他のタイプのプライであり得る前のプライを覆うようにレイアップされることができる。

他の実施形態では、キャッププライが、キャッププライをレイアップするプロセス４００を使用して、トウ配置装置３０２によりマンドレル２００（若しくは他の製造工具）に配置される。図４は、本開示内容に従った、キャッププライをレイアップするプロセス４００の一例を示している。この一例では、キャッププライ４０２が、マンドレル２００にレイアップされることができる。このキャッププライ４０２は、例えば約２インチ（５．０８ｃｍ）の幅を有する複合テープを有することができ、テープ繊維の方向が、キャップ面２０６に沿って長手方向、即ちほぼ０°の方向に延びるように、マンドレル２００に配置されることができる。図４に更に示されているように、単一のキャッププライ４０２又は４０４が、図１Ｂの構造部材の例のような単一のフランジを有する「Ｌ字」形状の断面を形成するように、マンドレル２００の一側にレイアップされることができる。また、第２のキャッププライ４０４又は４０２が、図１Ａの構造部材のような２つのフランジを有する「Ｃ字」形状の断面を形成するように、マンドレル２００の他側に与えられることができる。

前記キャッププライ４０２，４０４の一方若しくは両方の場合、接続部４０６，４０８が、キャッププライ４０２，４０４がウェブプライ３１０に接するマンドレル２００のコーナーに沿って形成されることができる。このようにして、キャッププライ４０２，４０４の一方若しくは両方と、ウェブプライとが、ウェブ面２０２と、キャップ面１０６，１０８の一方若しくは両方との全体に渡って、連続的な実質的に０°のプライを形成する。前記接続部４０６，４０８は、ウェブ面とキャップ面との長手方向へのテンションの荷重を支持するように設計された、ウェブ面とキャップ面との長さ方向に沿った０°の繊維を遮ることはない。このため、これら接続部４０６，４０８は、構造部材１０２，１１０の荷重支持能力に影響を与えることはない。別の実施形態は、０°のウェブプライ３１０がない、０°のキャッププライ４０２，４０４を有することができる。

本開示内容の更なる他の実施形態において、斜めのプライをレイアップするプロセスが、図５に示され、斜めのプライが、手動若しくは自動でマンドレルに配置されることができる。この例では、斜めのプライ５０２が、繊維が、マンドレル２００のウェブ面の中央線からプラス（＋）並びにマイナス（−）約４５°で斜めにそれぞれ方向付けされるように、マンドレル２００に配置されることができる。この実施形態の複合織物５０４は、樹脂が予め含浸されたプリプレグの複合織物である。しかし、他の実施形態では、複合織物５０４が、乾燥形態の複合織物を含む適切なタイプの複合織物を有しても良い。図５に示されている斜めのプライは、複合織物５０４のシートを有している。しかし、別の実施形態は、テープの繊維がマンドレルのウェブ面の中央線から約＋４５°若しくは−４５°で方向付けられるように、マンドレル２００にレイアップされた複合テープのストリップから形成された斜めのプライを有することもできる。更に、別の実施形態は、ウェブ面の中央線から０°ないし９０°の角度、例えばプラスマイナス６０°で斜めに方向付けされた繊維を有する斜めのプライを有することもできる。

前記構造部材のフランジ形式の側面、即ちキャップ面を形成するために、前記斜めのプライ５０２の材料は、この斜めのプライ５０２の少なくとも一方のエッジが、マンドレル２００の側面に重なり得るように、マンドレル２００のウェブ面２０２よりも幅広く切断される。斜めのプライ５０２の一方のエッジが、図１Ｂに示されている例示的な構造部材のように「Ｌ字」形状の断面を形成するために、マンドレル２００の外側のキャップ面２０６に重ねられても良い。代わって、しわが形成されるのを防止若しくは最小にするために、斜めのプライ５０２は、「Ｌ字」形状の断面を形成するように、最初に、マンドレル２００の内側のキャップ面２０４に配置され、次に、湾曲したウェブ面２０２全体に渡って繊維を引っ張って均一に広げることにより、湾曲したウェブ面２０２を覆うように重ねられても良い。更に、斜めのプライ５０２は、オプションとして、図１Ａに示されている例示的な構造部材のような「Ｃ字」形状の断面を形成するように、マンドレル２００の外側のキャップ面２０６を覆うように重ねられても良い。これと同様に、斜めのプライ５０２は、最初に、湾曲したウェブ面２０２全体に渡って繊維を引っ張って均一に広げることにより、湾曲したウェブ面２０２に配置され、次に、図１Ｂに示されている例示的な構造部材のような「Ｌ字」形状の断面を形成するために、外側のキャップ面に重ねられても良い。

他の実施形態は、クロスプライをレイアップするプロセス６００、即ち図６に示されているのと同様の形態にプライを配置させるプロセスを有することができる。最初に、一方向(unidirectional)に延びる複合テープ６０２が、複数のセグメントに切断される。例えば、このテープは、図６に示されているように、台形のセグメント６０４に切断されることができる。本開示内容のために、用語「台形("trapezoidal")」は、二辺が平行でない四角形に関連したイギリス英語とは対称的に、二辺だけが平行な四角形に関連したアメリカ英語の一般的な趣旨の意味で使用されている。イギリス英語で、二辺だけが平行な四角形に一般に使用される用語は、"trapezium"である。

図６において、前記台形のテープセグメントの互いに平行でない２辺は、マンドレル２００にレイアップされたときに、マンドレル２００の湾曲面、即ちウェブ面２０２の長手方向の中央線の接線にほぼ垂直な角度で、切断されることができる。そして、テープセグメント６０４は、テープセグメント６０４にしわを形成することなく、マンドレル２００のウェブ面２０２の中央線にほぼ直角で方向付けられた繊維を有するクロスプライ６０６を形成するように、マンドレル２００にレイアップされることができる。

上述された斜めのプライの例のように、前記クロスプライ６０６は、このクロスプライ６０６の一方若しくは両方のエッジが、フランジ形式の側面、即ちキャップ面を形成するためにマンドレル２００の片面若しくは両面に重ねられ得るように、マンドレル２００のウェブ面よりも幅広に切断されることができる。一実施形態では、テープは、マンドレル２００のキャップ面２０４，２０６に重なるテープセグメント６０８のエッジが、互いに平行な辺を有し、マンドレル２００のウェブ面２０２を覆う部分が、平行でない辺を有するように、異形の「漏斗」形状のセグメント６０８に切断されても良い。別の実施形態では、テープは、矩形のセグメントに切断され、マンドレル２００にレイアップされるときに、テープセグメント間のギャップをオーバーラップするのを可能にしても良いし、セグメント間にギャップを形成可能にしても良い。再び、このようにして、「Ｃ字」形状の断面若しくは「Ｌ字」形状の断面が、形成されることができる。

代わって、しわの形成を防止若しくは最小にするために、前記クロスプライ６０６は、「Ｌ字」形状の断面を形成するように、最初に、マンドレル２００の内側のキャップ面２０４に配置され、次に、湾曲したウェブ面２０２全体に渡って繊維を引っ張って均一に広げることにより、湾曲したウェブ面２０２に重ねられることができる。更に、このクロスプライ６０６は、オプションとして、図１Ａに示されている例示的な構造部材のような「Ｃ字」形状の断面を形成するように、マンドレル２００の外側のキャップ面２０６に重ねられることができる。同様に、クロスプライ６０６は、図１Ｂに示されている例示的な構造部材のような「Ｌ字」形状の断面を形成するように、最初に、湾曲したウェブ面２０２全体に渡って繊維を引っ張って均一に広げることにより、湾曲したウェブ面２０２に配置され、次に、外側のキャップ面に重ねられることもできる。

本発明の種々の実施形態において、構造部材は、マンドレル２００に類似した、内側モールドライン（「ＩＭＬ」）の（例えば雄型の）製造工具にレイアップされて硬化されても良いし、構造部材は、ＩＭＬにレイアップされ、圧縮され(debulked)、図７に示されているような外側モールドライン（「ＯＭＬ」）の（例えば雌型の）製造工具に移され、そして、硬化されても良い。第１の実施形態では、以下に説明されるようなレイアップの手順の後に、構造部材のレイアップ体は、真空バッグにシールされ、部分的な真空状態が、この真空バッグ中に形成される。これは、複合プライの層間と、複合材料並びにそれぞれのマンドレル間とに形成された空気を、複合材料の内側と下側とから除去するためである。例えば、図８は、硬化用のシールされた真空バッグに構造部材のレイアップ体を密閉するのに適した内側モールドライン（「ＩＭＬ」）の（例えば雄型の）製造工具を示す斜視図である。より詳細には、複合構造部材１０２のレイアップの後に、前記マンドレル若しくは図８に示されているＩＭＬ製造工具は、真空バッグ８０２中に入れられ、部分的な真空状態が、複合構造部材１０２の種々の層を一体的にするのを助けるように、真空バッグ８０２中に形成される。

図７に示されている別の実施形態では、構造部材が、ＩＭＬにレイアップされ、圧縮され、前記ＯＭＬの製造工具７０２に移され、そして硬化される。例えば、移送プロセス７００において、構造部材が、マンドレル２００にレイアップされ、真空バッグ８０２中に入れられる。部分的な真空状態が、レイアップ体から空気を吸引してプライを更にコンパクトにするように、真空バッグ８０２中に形成される。この手順は、代表的に、「圧縮動作」として称される。圧縮されたレイアップ体は、ＩＭＬからＯＭＬ製造工具７０２に移されて、硬化される。オプションとして、硬化される前に、レイアップされた構造部材と、製造工具７０２とは、真空バッグ７０４中に入れられ、部分的な真空状態が、この真空バッグ７０４中に形成されることができる。

図９は、複合構造部材を製造するための実施形態に従った方法をまとめたフローチャートである。このプロセスは、工程９０２で開始され、トウ配置装置３０２が、複合材料の連続的に互いに隣接されたストリップをマンドレル２００に配置するのに使用される。上述されたように、種々の実施形態では、複合部材は、スリットテープの形態であっても良いし、プリプレグトウの形態でもあっても良い。更に、上述されたように、トウ配置装置３０２は、図３に示されている平坦なアークのような幾つかの実用的若しくは有用な形状のストリップを配置することができる。このとき、スリットテープ若しくはトウの繊維は、しわのような繊維の歪みを形成することなく、湾曲部の全長に沿ってアークの長手方向の中央線と整合するように方向付けられる。ウェブプライは、複合繊維が、図３に示されているウェブプライのように、アークの全長に沿ってマンドレル２００の湾曲したウェブ面の中央線と整合した０°の方向に向けられるように、レイアップされることができる。さらに、種々の実施形態は、他のプライと組み合わされた２つ以上のウェブプライを有することができる。更に、他の実施形態では、トウ配置装置３０２は、複数のプライを重ねて、より厚いグレードのプライを形成することができる。

工程９０４では、トウ配置装置３０２により配置されたウェブプライが、ウェブプライの配置を完了するように、トリミング、即ち切断されることができる。例えば、ユーザ、若しくは、数値制御されたプライ切断マシンが、マンドレル２００の端部若しくは端部近くでウェブプライを切断することができる。

工程９０６で、トウ配置装置３０２が、マンドレルにキャッププライ４０２並びに/若しくは４０４を配置するのに使用されることができる。上述されたように、キャッププライ４０２並びに/若しくは４０４は、複合テープを有することができ、このテープの繊維の方向が、図４に示されているキャッププライのレイアップのように、キャップ面に沿った長さ方向、即ち０°の方向に延びるように、マンドレル若しくは他の工具に配置されることができる。単一のキャッププライは、図１Ｂに示されている例示的な構造部材のように、単一のフランジを有する「Ｌ字」形状の断面を形成するために、マンドレル、即ち工具の一側にレイアップされることができる。これに加えて、第２のキャッププライが、図１Ａに示されている例示的な構造部材のように、２つのフランジを有した「Ｃ字」形状の断面を形成するために、マンドレルの他側に与えられることができる。この結果、ウェブ面と一方若しくは両方のキャップ面とに渡って、連続的な０°のプライが、形成される。種々の実施形態では、キャッププライは、マンドレル若しくは他の工具に直接レイアップされても良いし、代わって、マンドレル若しくは他の工具に形成された前のプライ若しくはプライの組み合わせを覆うようにレイアップされても良い。更に、種々の実施形態は、他のプライと組み合わされた２つ以上のキャッププライを有しても良い。

工程９０８で、複合繊維の±４５°の斜めのプライが、図２に示されているようなマンドレル若しくは他の同様の製造工具に、手動若しくは自動的にレイアップされることができる。この斜めのプライは、織物繊維が、図５に示されている斜めのプライのように、マンドレル若しくは他の工具のウェブ面の中央線から約±４５°で方向付けられるように、マンドレル若しくは他の工具に配置されることができる。上述されたように、種々の実施形態では、複合織物は、樹脂が予め含浸されたプリプレグの複合織物を含む適切な複合織物の形態をなすことができる。種々の実施形態では、斜めのプライは、マンドレル若しくは他の工具に直接レイアップされても良いし、代わって、マンドレル若しくは他の工具に形成された前のプライ若しくはプライの組み合わせを覆うようにレイアップされても良い。更に、種々の実施形態は、他のプライと組み合わされた２つ以上の斜めのプライを有しても良い。

工程９１０で、構造部材の側面、即ちキャップ面を形成するために、斜めのプライの複合織物は、各斜めのプライの少なくとも一方のエッジが、マンドレル若しくは他の工具の側面に重ねられ得るように、マンドレル若しくは他の工具のウェブ面よりも幅広に切断されることができる。斜めのプライの単一のエッジが、図１Ｂに示されている例示的な構造部材のように、「Ｌ字」形状の断面を形成するために、マンドレル若しくは他の工具の片側に重ねられても良い。又は、斜めのプライの２つのエッジが、図１Ａに示されている例示的な構造部材のように、「Ｃ字」形状の断面を形成するために、マンドレル若しくは他の工具の両側に重ねられても良い。代わって、マンドレルの内側のキャップ面を覆う複合織物にしわが形成されるのを防止若しくは最小にするために、斜めのプライは、キャップ面若しくはウェブ面でのしわの形成を防止若しくは最小にする必要性により複合織物を伸ばした状態で、最初に、内側のキャップ面に付着され、次にウェブ面に重ねられることができる。更に、斜めのプライは、ウェブ面若しくは外側のキャップ面でのしわの形成を防止若しくは最小にする必要性に応じて複合織物を伸ばした状態で、外側のキャップ面に重ねられることができる。

工程９１２で、一方向の複合テープが、図６に示されているテープセグメントのように、複数のセグメントに切断されることができる。

工程９１４で、テープセグメントは、マンドレル若しくは他の同様の製造工具に、手動若しくは自動的にレイアップされることができる。上述されたように、テープセグメントの繊維は、９０°のクロスプライを形成するように、マンドレル若しくは他の工具のウェブ面の中央線と約９０°で整合されることができる。台形若しくは異形の「漏斗」形状のテープセグメントの場合、繊維は、テープセグメントが互いにオーバーラップすることもテープセグメント間にギャップが形成されることも、また、テープにしわが形成されることもなく、マンドレル若しくは他の工具のウェブ面の中央線とほぼ直角で方向付けられることができる。

上記の斜めのプライの場合のように、クロスプライは、マンドレル若しくは他の工具のウェブ面よりも幅広に切断されることができ、このクロスプライの一方若しくは両方のエッジは、側面、即ちキャップ面を形成するように、マンドレル若しくは他の工具の片側若しくは両側に重ねられることができる。再び、このようにして、「Ｃ字」形状の断面若しくは「Ｌ字」形状の断面を有した構造部材が、形成されることができる。種々の実施形態では、クロスプライは、マンドレル若しくは他の工具に直接レイアップされても良いし、代わって、マンドレル若しくは他の工具に形成された前のプライ若しくはプライの組み合わせを覆うようにレイアップされても良い。更に、種々の実施形態は、他のプライと組み合わされた２つ以上のクロスプライを有しても良い。

工程９１６で、構造部材のレイアップ体は、オプションとして、凹形の製造工具、例えば雌型のマンドレルに移送されることができる。上述したように、この凹型の工具、即ちマンドレルは、図７に示されているように、構造部材のレイアップ体の外面に一致することができる。

工程９１８で、構造部材のレイアップ体は、図８に示されているようなマンドレル若しくは他の工具、若しくは、図７に示されているような凹型の工具若しくはマンドレルの真空バッグ中にシールされたまま、硬化可能にされ得る。上述されたように、真空状態により、複合プライの層間と、複合材料並びにマンドレル間とに形成された空気を、複合材料の内側と複合材料の下側とから除去することができる。

工程９２０で、構造部材のレイアップ体は、硬化した後に、デザインの仕様との適合性を確認するために検査されることができる。次に、工程９２２で、構造部材のレイアップ体は、過度の材料を除去するように、必要に応じて、トリミングされることができる。更に、図１Ｂに示されているような切欠部、即ち「小穴」が、構造部材にトリミングされることができる。制御が、処理が休止若しくは停止される工程９２４に続く。

上述された図９のフローチャートの例示的な実施形態は、たった１つのウェブプライと、１つのキャッププライと、１つの斜めのプライと、１つのクロスプライとを有する。しかし、他の実施形態は、任意のオーダーでレイアップされたいずれの組み合わせの幾つものプライを有することができる。例えば、図１Ａに示されている構造部材のような「Ｃ字」形状の断面を有したフローティングフレームは、１８のプライをウェブ面に有し、２８のプライを両キャップ面の各々に有することができる。この実施形態では、方法は、以下のオーダーで半分のプライをレイアップすることを含むことができる。

４５°の斜めのプライをウェブ面と両キャップ面とに配置する
キャッププライを両キャップ面の各々に配置する
更なるキャッププライを両キャップ面の各々に配置する
ウェブプライをウェブ面に配置し、キャッププライを両キャップ面に配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
キャッププライを両キャップ面の各々に配置する
更なるキャッププライを両キャップ面の各々に配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
クロスプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
キャッププライを両キャップ面の各々に配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
クロスプライをウェブ面と両キャップ面とに配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
この例のウェブ面並びに各キャップ面への第２の半分のプライが、合計でウェブ面への１８のプライと両キャップ面の各々への２８のプライとのために、鏡像を形成するようにプライの第１の半分のプライと反対のオーダーで、即ち対称的なレイアップのオーダーで、マンドレルにレイアップされることができる。

図１Ａに示されている構造部材１０２のような「Ｃ字」形状の断面を有した他の例示的な構造部材は、ウェブ面の長手方向の２つの極端部(extremes)の各々が、構造部材の各極端部で、最終的に１２インチ（３０．４８ｃｍ）のウェブ面を覆うように、更なる１０のプライを有し得ることを除いて、前の例と同じプライの組み合わせを有することができる。この実施形態では、２つの更なる斜めのプライが、前の例の第１の４５°の斜めのプライの後と、第１の０°のウェブプライの前とに、両キャッププライを同時に有した構造部材の各々の極端部で、ウェブ面にレイアップされても良い。

更に、２つの更なるクロスプライが、前の例の第２の斜めのプライの後と第３の斜めのプライの前とに、両キャッププライを同時に有した構造部材の各極端部でウェブ面にレイアップされても良い。更に、０°のウェブプライが、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レイアップされても良い。同様に、対称的なプライのオーダーが、更なる０°のウェブプライと、２つの更なるクロスプライと、２つの更なる斜めのプライとを、前の例の第２の半分のプライ間に、反対のオーダーでレイアップすることにより、達成されることができる。

この最終的な例において、（対称的な層の第1の半分の）更なるプライの各々は、例えば、前のものよりも１/２インチ（１．２７ｃｍ）大きく構造部材の中央に向けて延ばされることができる。即ち、例えば、第1の更なる４５°の斜めのプライは、構造部材のレイアップ体の各端部から１２．５インチ（３１．７５ｃｍ）延びることができ、第２の更なる４５°の斜めのプライは、レイアップ体の各端部から１３インチ（３３．０２ｃｍ）延ばされることができ、また、第１の更なるクロスプライは、レイアップ体の各端部から１３．５インチ（３４．２９ｃｍ）延びることができ、また、第２の更なるクロスプライは、レイアップ体の各端部から１４インチ（３５，５６ｃｍ）延びることができ、また、更なるウェブプライは、レイアップ体の各端部から１４．５インチ（３６．８３ｃｍ）延びることができる。対称的、即ち鏡像のレイアップオーダーを形成するために、対称的な層の第２の半分の５つの更なるプライの各々が、前のものよりも０．５インチ（１.２７ｃｍ）短く延びることができる。

更なる例として、図１Ｂに示されている構造部材のような「Ｌ字」形状の断面を有したシャー・タイが、２４のプライを有して良い。この実施形態では、方法が、以下のオーダーで半分のプライをレイアップすることを含む。

４５°の斜めのプライをウェブ面と両キャップ面とに配置する
クロスプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
ウェブプライをウェブ面に位置付け、キャッププライを両キャップ面に配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
クロスプライをウェブ面と両キャップ面とに配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
ウェブプライをウェブ面に位置付け、キャッププライをキャップ面に配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
クロスプライをウェブ面と両キャップ面とに配置する
４５°の斜めのプライをウェブ面とキャップ面とに配置する
ウェブプライをウェブ面に配置しキャッププライをキャップ面に配置する
この例の第２の半分のプライは、ウェブ面と両キャップ面の各々とへの合計２４のプライのために、鏡像を形成するように第１の半分のプライとは反対のオーダーで、即ち対称的なレイアップのオーダーで、マンドレルにレイアップされることができる。

図１０は、複合材料の０°のウェブプライ並びに/若しくはキャッププライを本発明の一実施形態に従って配置するのに使用されるトウ配置装置３０２を示している断面斜視図である。図１０に示されているように、このトウ配置装置３０２は、１つのコーム(comb)１００２と、１つのテンション装置１００４と、１つのトウ用のノーズピース１００６と、１つの圧縮ローラ１００８と、複数のローラ１０１０とを有している。動作時に、複合材料は、各ストリップ２０４が、コーム１００２の対応したスロットを通るように、スプール３１２から供給される。これらストリップ２０４は、適切なテンション装置により張られる。例えば、テンション装置１００４は、上側ブロック１０１２と下側ブロック１０１４とを有している。ストリップ２０４は、この上側ブロック１０１２と下側ブロック１０１４との間に通されることができ、この上側ブロック１０１２と下側ブロック１０１４とを互いに当接する力が、ドラックテンション(drag tension)をストリップに発生させる。上側のブロック１０１２と下側のブロック１０１４とは、ストリップ２０４中に含まれた樹脂と互換性のある面をそれぞれ有している。例えば、超高分子量（ＵＨＭＷ）プラスチック、テフロン（登録商標）フィルム等が、幾つかの樹脂システムとの互換性を有している。特定の例では、下側のブロックは、ＵＨＭＷプラスチックの面を有し、また、上側のブロック１０１２は、テフロン（登録商標）フィルムの面を有したフォームバッキングを備えている。

前記トウ用のノーズピース１００６は、ストリップ３０４を前記圧縮ローラ１００８へと案内する。このトウ用のノーズピース１００６は、ストリップ３０４に対応した複数のスロット１０１６を有することができる。ストリップ３０４は、１つ置きのストリップ３０６が、ノーズピース１００６の比較的上方で対応したスロット１０１６中に通され、残りのストリップ３０４が、ノーズピース１００６の比較下方で対応したスロット１０１６中に通されるように、組み合わされる(interlaced)ことができる。更に、前記トウ用のノーズピース１００６は、オプションとして、電力線１０２０を通して電力が供給される加熱部材１０１８を有して良い。この加熱部材１０１８は、存在する場合、ストリップ３０４に十分な熱を与えて、例えば粘着性、ドレープ性、変形性等のストリップ３０４の１つ以上の動作性質を改良するように構成されることができる。

前記圧縮ローラ１００８は、ウェブプライ３１０を形成するように、ウェブ面２０２（若しくは、前に与えられたウェブプライ３１０）にストリップ３０４を押し当てる。この圧縮ローラ１００８は、ストリップ３０４の圧縮を容易にするのに十分な弾性を有する材料を含むことができる。

図１０に示されているように、一実施形態では、複数のローラ３０８が、キャッププライ４０２の幾らか下方で、キャップ面２０４を押圧するように配設されることができる。これに関連して、連続的なキャッププライ４０２が、キャップ面２０４に位置されるのに従って、複合構造部材１０２のディメンションが、変更される。キャップ面２０４に対するトウ配置装置３０２の案内を示すことにより、変更されたディメンションに適合する複雑なシステムが、省略されることができる。更に、複合材料の性質に応じて、キャッププライ４０２は、ローラ３０８が適切に機能するのに十分足りる滑らかさ並びに/若しくは剛性を有していなくても良い。かくして、ローラ３０８をキャップ面２０４に係合させることにより、これら並びに潜在的な他の問題は、回避されることができる。オプションとして、トウ配置装置３０２は、キャップ面２０６に係合並びに/若しくは当接するように、他のセットのローラ３０８を有しても良い。キャップ面２０６に係合並びに/若しくは当接するように構成されたローラ３０８は、存在すれば、キャップ面２０４に係合ならびに/若しくは当接するように構成された前記ローラ３０８と同様である。

前記複数のローラ１０１０は、ウェブ面２０２若しくは前に位置されたウェブプライ３１０上方の所定の高さにトウ配置装置３０２を実質的に維持するように構成されることができる。特定の例では、これらローラ１０１０は、内側のホールと外側のホイールとの直線的な移動を変更するのに適合するように、複数のホイールを有している。これらローラ１０１０は、例えば、ＵＨＭＷ、黄銅、テフロン（登録商標）等の適切な材料を含むことができる。

図１１Ａないし１１Ｃは、複合材料の０°のウェブプライ並びに/若しくはキャッププライのレイアップを配置するように構成されたトウ配置装置３０２の種々の実施形態を示している簡略図である。図１１Ｂに示されているように、トウ配置装置３０２は、キャッププライ用の圧縮ローラ１１０２と、キャッププライ用のノーズピース１１０４と、キャッププライ用のテンション装置１１０５と、キャッププライ用のスプール１１０８とを有することができる。

図１１Ｃは、０°のウェブプライ１０４とキャッププライ４０２，４０４とのレイアップを配置するためのトウ配置装置３０２を示している簡略図である。このトウ配置装置は、本発明の一実施形態に従って、圧縮構造部材１０２の径方向に沿って、径方向に延びるプライ１０００を配置並びに/若しくは圧縮する。図１１Ｃに示されているように、トウ配置装置３０２は、キャッププライ用の１対の圧縮ローラ１１０２と、キャッププライ用の１対のノーズピース１１０４と、キャッププライ用の１対のテンション装置１１０６と、キャッププライ用の１対のスプール１１０８とを有することができる。

更に、前記トウ配置装置３０２は、オプションとして、ウェブプライ３１０と、キャッププライ４０２並びに/若しくは４０４との間のインターフェースで、径方向に延びるプライ１０００の圧縮を容易にするように、１つ以上の４５°の圧縮ローラ１１１０を有して良い。この径方向に延びるプライ１０００は、ウェブプライ３１０からキャッププライ４０２並びに/若しくは４０４への移行を容易にするように、円弧、即ち面取り部を有することができる。この径方向に延びるプライ１０００は、それぞれの面を超えてインターフェースエリアに延びている、ウェブプライ３１０とキャッププライ４０２並びに/若しくは４０４からの材料を有することができる。更に若しくは他の実施形態では、径方向に延びるプライ１０００は、テンション装置１００４と、トウ用のノーズピース１００６と、圧縮ローラ１００８とに類似した部品により配置されたトウ若しくはテープを有することができる。

本発明の多くの特性と効果とは、詳細な明細書から明らかである。かくして、本発明は、添付の請求項により、本発明の真の精神並びに範囲内にある本発明のこのような特性並びに効果の全てをカバーするように意図されている。更に、複数の変更並びに変形が当業者に容易に考えられるので、本発明を、図示並びに説明された正確な構造並びに動作に限定するように望むものではない。従って、全ての適切な変形例並びにそれに相当するものが、本発明の範囲内であると考えられる。

「Ｃ字」形状の断面を有し湾曲した構造部材を示している斜視図である。 「Ｌ字」形状の断面を有し湾曲した構造部材を示している斜視図である。 本発明の一実施形態に従った製造工具、即ちマンドレルを示している斜視図である。 本発明の一実施形態に従った複合材料の０°のウェブの製造並びにレイアップのプロセスを示している斜視図である。 本発明の一実施形態に従った複合材料の０°のキャッププライのレイアップを示している斜視図である。 製造工具への複合材料の４５°の斜めのプライのレイアップを示している斜視図である。 複合材料の９０°のクロスプライのレイアップを示している斜視図である。 構造部材のレイアップに適した外側モールドライン（例えば、雌型）の製造工具を示している斜視図である。 硬化のためにシールされた真空バッグ中に構造部材のレイアップを囲むのに適した内側モールドライン（例えば、雌型）の製造工具を示している斜視図である。 湾曲した複合構造部材を製造するために用いられ得る工程を示しているフローチャートである。 本発明の一実施形態に従った複合材料の０°のウェブプライのレイアップを配置する装置を示している斜視図である。 本発明の実施形態に従った複合材料の０°のウェブプライのレイアップを配置する装置を示している簡略図である。 本発明の実施形態に従った複合材料の０°のウェブプライとキャッププライとのレイアップを配置する装置を示している簡略図である。 本発明の実施形態に従って、０°のウェブプライとキャッププライとのレイアップを配置し、構造部材の径方向に沿ってプライを配置並びに/若しくは圧縮する装置を示している簡略図である。

Claims (15)

1. 複合プライを配置する装置であって、
   ウェブ面と第１の湾曲したキャップ面とを有する湾曲したフォームと、
   前記ウェブ面上で複合材料を圧縮してウェブプライを形成するウェブ用の圧縮ローラと、
   前記キャップ面に当接する第１の１セットの案内ローラとを具備し、前記圧縮ローラは、前記案内ローラにより前記フォームに沿うように導かれる装置。
2. 前記フォームの第２のキャップ面に当接する第２の１セットの案内ローラと、
   前記複合材料を供給するように構成されたスプールと、
   前記複合材料に十分なドラッグテンションを発生させるテンション装置とを更に具備している請求項１の装置。
3. 前記複合材料を前記圧縮ローラへと案内するノーズピースと、
   前記複合材料の性質を改良するのに十分な熱を複合材料に加える、前記ノーズピース中の加熱部材とを更に具備している請求項１の装置。
4. 前記キャップ面にキャッププライを配置するキャップ用の圧縮ローラを更に具備している請求項１の装置。
5. 前記ウェブプライと前記キャッププライとの間のインターフェースに圧縮力を与える４５°の圧縮ローラと、
   プライを置くように前記ウェブ用の圧縮ローラの軸に対して４５°に配置された４５°のトウ配置装置とを更に具備し、前記４５°の圧縮ローラは、前記プライを圧縮するように構成されている請求項４の装置。
6. 前記フォームの第２のキャップ面に第２のキャッププライを配置する第２のキャップ用の圧縮ローラを更に具備している請求項４装置。
7. 前記ウェブプライと前記キャッププライとは、前記湾曲したフォームの長手方向軸に対して約０°で配置される請求項４の装置。
8. 湾曲した複合プライを製造する装置であって、
   トウ配置装置をフォームのキャップ面に沿って案内するための手段と、
   前記フォームのウェブ面上にウェブプライを形成するように、複合材料の連続的に互いに隣接された複数のストリップを平坦なアークの形状に配置するための手段と、
   前記ウェブプライを圧縮するための手段とを具備し、
   前記複合材料は、一般の繊維の方向を有する複数の繊維を含み、前記ストリップの各々の繊維の方向は、前記平坦なアークの全長に沿って実質的に整合される装置。
9. 前記複数のストリップを供給するための手段と、
   前記ウェブプライを硬化するための手段とを更に具備し、前記ストリップの各々は、樹脂が含浸された一方向の複合テープから切断されたスリットを有している請求項８の装置。
10. キャッププライを前記キャップ面に配置するための手段と、
    前記キャッププライを圧縮するための手段と、
    前記キャッププライと前記ウェブプライとの間のインターフェースを圧縮するための手段と、
    前記ウェブプライと前記キャッププライとの間のインターフェースにプライを配置するための手段とを更に具備し、
    前記キャッププライは、一般のテープ繊維の方向を有する複数のテープ繊維からなる複合テープを含み、前記テープ繊維の方向は、前記キャップ面の長手方向の中央線と実質的に整合され、また、接続部が、前記キャッププライと前記ウェブプライとの間のインターフェースに形成され、
    前記インターフェースを圧縮するための手段は、前記プライを圧縮するように構成されている請求項８装置。
11. 湾曲した複合プライを製造する方法であって、
    フォームの１つ又は２つのキャップ面に当接する１セットのローラによりフォームに沿ってトウ配置装置を案内する工程と、
    前記フォームのウェブ面上にウェブプライを形成するように、複合材料の連続的に互いに隣接された複数のストリップを平坦なアークの形状に配置する工程と、
    前記ウェブプライを圧縮する工程とを具備し、
    前記複合材料は、一般の繊維の方向を有した複数の繊維を含み、また、前記ストリップの各々の繊維の方向は、前記平坦なアークの全長に沿って実質的に整合される方法。
12. 前記複数のストリップを供給する工程を更に具備し、各ストリップには、樹脂が含浸された一方向の複合テープから切断されたスリットを有する請求項１１の方法。
13. 前記ウェブプライを硬化する工程を更に具備する請求項１１の方法。
14. 前記キャップ面にキャッププライを配置する工程を更に具備し、前記キャッププライは、一般のテープ繊維の方向を有した複数のテープ繊維を有する複合テープを含み、また、前記テープ繊維の方向は、前記キャップ面の長手方向の中央線と実質的に整合され、また、接続部が、前記キャッププライとウェブプライとの間のインターフェースに形成される請求項１１の方法。
15. 前記キャッププライを圧縮する工程と、
    前記キャッププライとウェブプライとの間のインターフェースを圧縮する工程と、
    前記キャッププライとウェブプライとの間のインターフェースにプライを配置する工程とを更に具備し、
    前記キャッププライとウェブプライとの間のインターフェースに配置されたプライは、キャップ面とウェブ面それぞれの面を超えてインターフェースエリアに延びている、ウェブプライとキャッププライの材料を有する請求項１１の方法。

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