JP5063707B2 - 一体式金属製結合金具を有する熱可塑性複合パーツとその作製方法 - Google Patents
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Description
連続工程においてTPC積層構造及びパーツを製造するという課題に加えて、金属製の結合金具を積層構造に取り付ける必要がある。金属製の結合金具は、例えば、航空機産業において、積層構造を航空機の他のパーツに、又は剛性を追加することが必要な積層構造の補強領域に取り付けるために使用される。過去には、金属製の結合金具はまず別個の形状として形成され、次いで締結装置を用いて積層構造に接合されていた。積層構造及びパーツに金属製の結合金具を加えるこのような方法は、通常、費用効率が悪く、追加の時間及び材料を必要とし、航空機の重量を増加させる。TPCと金属製結合金具の間に結合された接合部を形成するための工程が存在するが、これらの結合された接合部はオーブン又はオートクレーブ内で処理する必要があるので、市販の設備の容積により処理できるパーツの長さが制限される。
本発明の一実施形態によれば、一体式の金属製結合金具を有する熱可塑性複合積層構造の製造方法が提供される。本方法は、熱可塑性複合材料からなる複数のプライからなる一のスタックと、少なくとも一つの金属製結合金具とを含むレイアップを形成するステップ、プレス機にレイアップを供給するステップ、及びプレス機を使用してプライと結合金具とを圧密するステップを含む。熱可塑性材料からなるフィルムを金属製結合金具とプライの一つの間に導入することにより結合を向上させる。スタック中のプライを互いに固定することにより、加工工程中それらの相対的方向を維持することができる。金属製結合金具と積層構造の間の接合部は、例えばダブルラップスプライス、スカーフ、ステップラップ、又はラビットを含め、いかなる形態をとることもできる。金属製結合金具を含むレイアップは、予備成形及び圧密作業の間に連続的に移動されられる工具の間に配置される。レイアップは、予備成形作業の間に、積層構造の凡その形状に予備成形される。予備成形に続いて、プライ及び金属製結合金具は、圧縮プレス加工において圧密される。
別の実施形態では、それぞれが少なくとも一つの一体式金属製結合金具を有する熱可塑性積層パーツが連続製造方法により製造される。本方法は、それぞれが熱可塑性複合材料からなる複数の積層を含む固定された一のスタックと少なくとも一つの金属製結合金具とを含む複数のレイアップを形成するステップ、各レイアップ上に一組の工具を配置するステップ、予備成形ステーション内でレイアップを連続的に移動させるステップ、予備成形ステーションにおいてパーツの凡その形状に各レイアップを予備成形するステップ、予備成形されたレイアップと共に工具を連続的にプレス機に通すステップ、及び工具をプレス機に通して工具の連続するセクションを圧縮することにより、レイアップ中のプライと結合金具とを圧密するステップを含む。レイアップは、プライが、互いに対して且つ金属製結合金具に対して、固定され且つ位置合わせされた関係に保持されるように、プライを並べて固定することにより形成することができる。レイアップを含む工具を段階的にプレス機に通過させると、プレス機によりレイアップの連続するセクションが圧密される。
連続工程において、金属製結合金具を有する複合積層体を製造する方法であって、
(A)熱可塑性複合材料からなる複数のプライを並べるステップ、
(B)積層体の金属製結合金具を供給するステップ、
(C)それぞれが並べられたプライと金属製結合か金具のうちの少なくとも一つとを含む、複数のレイアップを形成するステップ、
(D)ステップ(C)において形成されたレイアップの各々を、適切な形状の積層体に予備成形するステップ、並びに
(E)連続的圧縮成形プレス機内でレイアップを漸進的に移動させることにより、レイアップ内のプライ及び金属製結合金具を圧密するステップ
を含む方法。
(請求項13)
ステップ(A)が、プライと金属製結合金具の各々の間に熱可塑性フィルムを導入することを含む、請求項12に記載の方法。
(請求項14)
(F)プライを互いに結合させることにより複数の固定されたスタックを形成するステップ
をさらに含み、各スタック内のプライ及び金属製結合金具が互いに固定された関係に保持される、請求項12に記載の方法。
(請求項15)
ステップ(C)が、各スタック内の金属製結合金具とプライの間に接合部を形成することを含む、請求項12に記載の方法。
(請求項16)
(E)少なくとも二つの工具の間に各レイアップを配置するステップ
をさらに含む、請求項12に記載の方法。
(請求項17)
熱可塑性複合材料が、自由流れ温度を有するマトリックス樹脂コンポーネントを含み、本方法がさらに、
(E)ステップ(E)を実行する前に、熱可塑性複合材料からなるマトリックス樹脂コンポーネントの自由流れ温度以上になるまで予備成形されたレイアップの各々を加熱するステップ
を含む、請求項12に記載の方法。
(請求項18)
ステップ(E)が、予備成形されたレイアップの各々に対して工具をプレスすることにより、予備成形されたレイアップに工具の形状を付与することを含む、請求項12に記載の方法。
(請求項19)
ステップ(C)〜(E)を連続的に実行する、請求項12に記載の方法。
(請求項20)
(F)金属製結合金具の表面を洗浄するステップ、及び
(G)結合金具の洗浄された表面に接着プライマーを適用するステップ
をさらに含む、請求項12に記載の方法。
(請求項21)
(G)結合金具のプライムされた表面に樹脂フィルムを適用するステップ
をさらに含む、請求項20に記載の方法。
(請求項22)
少なくとも一つの一体式金属製結合金具を有する熱可塑性積層パーツであって、
(A)それぞれが熱可塑性材料からなる複数のプライの固定されたスタックと、少なくとも一つの金属製結合金具とを含む、複数のレイアップを形成するステップ、
(B)各レイアップの上に一組の工具を配置するステップ、
(C)予備成形ステーション内でレイアップを連続的に移動させるステップ、
(D)予備成形ステーションにおいて、適切な形状のパーツに各レイアップを予備成形するステップ、
(E)プレス機内で、予備成形されたレイアップと共に工具を連続的に移動させるステップ、並びに
(F)プレス機内で工具を移動させながら、工具の連続するセクションを圧縮することにより、レイアップ内のプライと結合金具とを圧密するステップ
を含む方法により製造される熱可塑性積層パーツ。
(請求項23)
ステップ(A)が、プライを互いに固定することにより、互いに対して且つ金属製結合金具に対して、プライを固定された関係に保持することを含む、請求項22に記載の方法。
(請求項24)
ステップ(B)が、レイアップと共に工具を予備成形ステーションに供給することを含む、請求項22に記載の方法。
(請求項25)
(G)ステップ(F)を実行する前に、プライのマトリックス樹脂コンポーネントの自由流れ温度までレイアップを加熱するステップ
をさらに含む、請求項22に記載の方法。
(請求項26)
ステップ(E)が、プレス機内で、予備成形されたレイアップと共に工具を段階的に移動させることを含む、請求項22に記載の方法。
本発明の実施形態の他の特徴、利点及び長所は、添付図面及び請求の範囲を参照する後述の実施形態の説明により明らかになる。
変形例(図示しない)では、床梁20のような熱可塑性複合積層体は、一又は複数の均一な又は不均一な固定された多層プライシート74、76を、熱可塑性複合材料30からなる一又は複数の単独プライ(図2及び3の32)、熱可塑性複合材料30からなる一又は複数の部分プライ(図3の34)、或いは一又は複数の均一な又は不均一な厚みの固定された多層固定スタック74、76、及びそれらのいずれかの組み合わせのうちの何れかと、本明細書に記載の方法と同様の方法で圧密することによって形成される。更に、一又は複数のフィラー塊26をこの組み合わせに使用して、熱可塑性複合積層体20の更に別の変形例を形成することもできる。図1に示すような熱可塑性複合床梁20を形成する本方法について、図2−6を用いて後述で更に詳細に説明する。
塊26は、押し出し成形又はその他の周知の成形技術により、熱可塑性材材料30に適合する熱可塑性材料37から形成されることが好ましい。好ましくは、塊26のマトリックス樹脂成分42は、材料30のマトリックス樹脂成分40と同じである。加えて、フィラー塊26は、熱可塑性材料30に含まれる繊維38に類似の繊維44を使用することもできる。
次いで、ステップ160において、熱可塑性材料36からなる複数のプライ32、34を所望の構成に重ね、ハンドレイアップ又は自動工程を用いて、不均一又は均一な厚みの固定されていない多層プライシートスタック58又は60を形成する。
図2の工程によって作製された、固定されていない、不均一な厚みの多層シートスタック58の一実施例を図3に示す。図3は、種々の完全プライ及び部分プライ32、34を示し、さらにはプライ32、34の間に形成されたポケット36を示す。さらに、図3は、互いに90°の角度で配置された一方向性繊維38を有する部分プライ62、64を示し、ここで、部分プライ62は第一の方向(繊維38が前66から後ろ68に延びている)に配置されており、部分プライ64は異なる方向(繊維38が側方70から側方72に延びている)に配置されている。図示しないものの、当然であるが、プライは互いに対して異なる方向に延びる繊維38を有してもよく、互いに直角(つまり0/90°の配置)から互いに平行(つまり、0/0°の配置)まで、その間の考慮可能なすべての角度(例えば0/30°の方向、0/60°、0°、45°、90°等の方向を含む)で配置することができる。
ステップ175では次に、固定されたスタック74、76を小さいピースに切り分けるか、又は図1の床梁20のような熱可塑性複合積層体の形成に使用するために準備する。
図4及び5に示すように、圧密構造78は、予備成形ゾーン80及び圧密ゾーン82を含むことができる。予備成形ゾーン80では、少なくとも一つの均一又は不均一な厚みの固定スタック74、76と、随意で少なくとも一つのフィラー塊26と、図2及び3に示した熱可塑性材料からなる不均一な厚みの固定スタック76、均一な厚みの固定スタック74、及び単一プライ32のうちの少なくとも一つとからなる組み合わせが、適切な方向に配置されて連続工程に供給され、高温で所望の形状に予備成形されて予備成形済みパーツ84が形成される。次いで予備成形済みのパーツ84は予備成形ゾーン80を出て圧密ゾーン82に入り、そこで圧密されて、上記図1に記載の床梁20のような一体化された単一の熱可塑性複合積層体を形成する。パーツの予備成形に使用される高温は、固定スタック74、76又は単一プライ32を軟化させることにより、予備成形工程の間に層を屈曲させるのに十分高くなければならない。しかしながら、この高温は、マトリックス樹脂40、42のポリマー成分が粘稠液としての濃度を保つ温度より低くなければならない。
固定スタック74又は76の第1の組94は、U字型チャネル86の各中央部88の間の、ギャップ90に導入される。同時に、任意のフィラー塊26及び追加の固定スタック74又は76、或いはプライ32が、第1組94の各フランジに沿って、対応する側方工具部材92内に導入される。図4及び5に関する後述の記載では、説明のために、ギャップ90内に導入される図示の第1組94を、不均一な厚みの固定スタック76とする。図では、均一な厚みの固定スタック74は、U字型チャネル86の外側部分98と各側方工具部材92の間に導入されている。また、この図にプライ層32は示さない。図示されていないが、U字型チャネル86は、特定の材料(ここでは、不均一な固定スタック76の第1組94)の積層の厚みの変化(図1のt1及びt2に対応)に適合するように設計された傾斜及び他の形状を含んでいる。
図4に最もよく示すように、予備成形されたパーツ84は、ガイドローラ105上において、圧密ゾーン82内の分離又は接続された圧密構造102に進入する。圧密構造102は、各々がU字型チャネル86と側方仕上げ用シート部材92の外表面と適合する一様に104で示す複数の標準的な金型を含む。仕上げ用金型104の更なる詳細は、図13及び16を参照して後述する。圧密構造102の標準的金型104とチャネル86及びシート部材92の外表面の間の表面の共通性により、パーツに固有の且つ高価な適合金具の必要性が排除され、さらには異なるプライ構成を有する異なる予備成形パーツ間の立ち上がり時間が排除される。
成形されて形状が決まったパーツ84は、次いでプレスゾーン112とは分離した冷却ゾーン114に進入し、そこで温度がマトリックス樹脂40、42の自由流れ温度を下回る温度に下げられ、よって融合又は圧密パーツが、プレス加工後のその最終形状116に硬化する。次に、プレス加工されたパーツ116は圧密構造102を出て、側方シート部材92はローラ120に再度巻き取られ、廃棄される。
使用することができる好ましい圧密構造102は、1993年9月30日公開の独国特許出願公開第4017978号に記載のいわゆる連続圧縮成形(「CCM」)工程である。しかしながら、本発明では、押し出し成形又はロール成形を含むがこれらに限定されない、当業者に既知の他の成形工程を特に考慮する。
本発明の実施形態は、基本的にI形梁の形状を有する熱可塑性複合床梁20を形成するという観点から説明されているが、本発明では他に可能な形状を特に考慮する。これには、L字型、C字型、T字型、又は場合によっては平坦なパネル形状を有する熱可塑性複合材料の積層が含まれ、この場合、パーツは、あらゆるセクションにおいて厚みの遷移を有しうる。これらの別の形状を有する積層体、又は更に別の形態の床梁20は、一又は複数の均一又は不均一な固定された多層プライシート74、76を、熱可塑性複合材料30からなる一又は複数のプライ32、熱可塑性材料30からなる一又は複数の部分プライ34、或いは一又は複数の均一又は不均一な厚みの固定多層スタック74、76、及びこれらのいずれかの組み合わせのいずれかと、本明細書に記載の方法と類似の方法で圧密することにより形成される。さらに、一又は複数のフィラー塊26を用いて熱可塑性複合積層体20の別の変形例を形成することもできる。これら別の好ましい変形例のいずれかを実現するためには、TPC積層体20の所望の厚みの変化に合わせるために、予備成形ゾーン81内の細工を変更する必要がある。例えば、図5のU字型工具86は、図1の床梁20のようなI形梁の形成に専用であり、ギャップ90を有する別の形状の工具86を使用してC字型積層体、L字型積層体、又は各プライ層の間にテーパを有する平坦な梁が形成される。U字型工具86に類似の、これら別形態の工具は、圧密ゾーン102内の標準金型104に適合する、スタック74、76に接しない領域を有する。
本発明の実施形態は、連続工程において、特定用途専用の、変化する厚みを有する複雑な熱可塑性複合積層体を加工する新規方法が提供される。この新規方法は、自動化された設備又はハンドレイアップを利用して多層スタック内にパーツ又はコンポーネントを並べる。各スタックにおいて、プライ組み立て領域を含む全てのプライは、適切な位置に固定されて、方向及び位置を維持している。本圧密構造は、多層スタックから複合積層体を形成するのに二段階方法を利用しており、この結果を達成するための全ての必要なパーツ形状を含んでいる。予備成形ゾーン80におけるU字型工具86のような機械設備は、形成されるTPC積層体20に所望の厚みの変化を形成するために適切な形状を有するように形成され、さらには圧密ゾーン82の標準金型と適合するように設計される。
本方法のこの実施形態による湾曲した熱可塑性積層パーツの加工における準備ステップは、上述したものと類似である。図2に関連して上述したように、熱可塑性材料からなる複数のプライをコンベヤテーブル上に配置して、所定の順番に並べられた、多層の、不均一又は均一な厚みを有する多プライスタックを形成する。よって、結果として得られる多層スタックは、図3に示すスタック58に類似しており、完全プライ及び部分プライ32、34と、プライ32、34の間に形成されるポケット36とを含む。繊維の方向が互いに異なるように配置された一方向性繊維38を有する部分プライ62、64を含めることもできる。上述のように、多層スタック58に含まれるシートは、はんだごて又はその他の加熱デバイス(図示しない)を用いて互いに固定されるので、プライは互いに固定された関係に保持される。前述の本方法によって製造される、所定の順番に並べられた固定スタック224を図8に示す。
パーツブランク材226は、湾曲していない複合パーツの製造に関して前述したものとほぼ同じ方法で、後述する圧密工具235の組と共に予備成形ステーション275(図14及び15)に供給される。しかしながら、本実施形態の場合、圧密工具235及びブランク材226は、予備成形ステーション275に供給されるとき、湾曲した経路を通過する。
ここで特に図14及び15を参照する。上部及び下部工具スリーブ232、234は、ブランク材が予備成形ステーション275への湾曲経路280に供給される手前において、パーツブランク材226の周囲に組み立てられている。予備成形ステーション275は、複数の成形デバイス268と、一組のガイド270とを含む。図のパーツブランク材226は、Z字断面パーツ220のウェブ220a及びキャップ220b(図7e)を含む平坦な固定スタック262と、梁のウェブ220aの局所的補強となる一組の強化プライ264とを含む。
プレス機284は、図4に関して前述したものと基本的に同じである。しかしながら、図4に示すプレス機とは異なり、プレス機284に使用される金型は、予備成形された湾曲パーツ226を収容するためにある程度湾曲している。そのような金型286を図17に示す。図示の金型286の内面296は、上部工具スリーブ232のフランジ265の湾曲に適合する湾曲を有する。金型286は、矢印288で示す方向に向かって内側に移動し、締め固め工程の間にフランジ265に接触し、内側工具スリーブ228と接触する別の湾曲した金型(図示しない)に対向する。プレス機284に使用される金型の湾曲量は、製造される湾曲パーツの形状と、パーツの形状の加工に必要な工具スリーブの形状とに、それぞれ部分的に依存する。金型286の外面298は、図17に示すように湾曲していてもよく、或いは平坦でもよい。予備成形されたパーツは、湾曲経路280内を、プレス機284に向かって漸進する。パーツの動きは各漸進ステップで一時停止し、プレス用金型が工具スリーブ235に熱と力を加えることにより、プライの、金型の下に位置するセクションが圧密される。
湾曲した熱可塑性積層パーツ236の別の実施例を図10及び11に示す。この場合、パーツの湾曲はその全長に亘っており、パーツの本体238の断面はU字型である。本体238は一対の傾斜路240を有し、各傾斜路で本体238の厚みが遷移することにより、パーツ236はその長さに沿って厚みの異なる三つのセクションを有する。加えて、本体238の上側には、パーツ236の厚みの小さい領域となるポケット又は窪み242が設けられている。本体238の異なる厚みはt1、t2、t3で表わされ、ポケット242の厚みはt4で表わされる。パーツ236の内側及び外側の湾曲は一定であるが、パーツ236の長さに沿って湾曲は変化してもよい。
図13は、本発明の実施形態により加工される湾曲パーツ212の別の実施例を示す。パーツ212は、I字断面を有する湾曲した梁を備える。従来式の機械金型256を使用して、湾曲し、且つ長さ方向に沿って厚みの変化するパーツを圧密することができる。この実施例では、工具スリーブは、一対の平坦な金属シート又はシム260と、概ねU字型の断面を有する一対の工具スリーブ258とを含む。平坦なシート260は、パーツ212のキャップの形成を助け、スリーブ258は、キャップの一部及びパーツ212のウェブの形成に機能する。スリーブ258の、パーツ212に対向する面は、パーツ212に鏡像の形状を付与する隆起領域又は傾斜などの細工形状を有することができる。図13には特に示さないが、シート260及び工具スリーブ258の湾曲はその全長に亘っていてよく、よって同様に湾曲したパーツ212が形成される。
次に図19−23を参照する。図19に示す金属製結合金具のような金属パーツ又は結合金具を、後述でさらに詳細に説明する方法に従ってTPC積層構造306に接着し、当該構造と一体に形成することができる。構造306のTPC複合材料は、例えば、AS4D/PEKKを含むことができるが、これに限定されない。金属製結合金具304は、用途に応じて、アルミニウム又はチタンを含むがこれらに限定されないあらゆる適切な材料から形成することができる。金属製結合金具304は、結合金具304の用途及び目的に応じて、様々な形状寸法のうちのいずれかを有することができる。図19に示す用途の場合、金属製結合金具304は、TPC積層構造306の一セクションを補強する「ダブラー」として機能する。
図21は、TPC積層体320と金属製結合金具318の間のスカーフジョイント322を示す。
図23は、金属製結合金具330とTPC積層体332の間に形成されたラビットジョイント334を示す。
図19−23に示す接合部は、本発明の実施形態の実行に使用可能な多岐に亘る接合部構造及び形状の単なる例示である。
次に、「ステップB」において、金属製結合金具342、343、350、と、複数のTPCプライ346と、PEKKフィルムの層344、348から構成されるレイアップ345を準備する。金属製結合金具342、343及び350のプライムされた接着表面に、PEKKフィルムの層340を適用する。接合部の種類及び特定の用途に応じて、自動化された工程又はハンドレイアップを使用し、材料338の供給源から得た補強複合材料の複数のプライ346を含むカスタマイズされたスタックを形成することができる。前記材料338の供給源はスプールの形態でもよい。上述した自動工程は、多岐に亘るレイアップ構造の複数のパーツ又はコンポーネント用の材料ブランクを製造する。スタック中のプライ346は、上述のように、加熱又は超音波接着デバイスを用いて複数の箇所で互いに固定される。図24に示す特定の実施形態では、結合金具342、343は、図20−23に示す接合部のいずれか(或いはその他の接合部構造)を用いてプライ346のスタックの端部に接合され、金属製結合金具350はプライ346の上部に配置されて完成パーツにおいてダブラーとして機能する。
図24及び25の「ステップD」は、工具352とレイアップ345の関係をさらに分かり易く示す。圧密工具352は、レイアップ345のそれぞれ反対の側面に係合する工具部材358及び360を含む。工具部材358、360には、工具部材358、360を互いに締め付けることによりプライ346のレイアップ345を圧密する定盤354、356が係合する。一方の工具358は、ダブラー結合金具350の形状に適合する形状のポケットを含む。第2の工具部材360の対向する両面はいずれも滑らかである。
図5に示すような予備成形ステーションを通過することができ、そこでレイアップ345は、概ねパーツ366の最終形状に予備成形される。
CCMマシン368は、結合金具342、343、350を含むレイアップ345を、固体のモノリシックパーツに圧密する。レイアップ345及び圧密工具352が漸進的にCCMマシン368内を通過するとき、レイアップ345が段階的移動を行う度に、定盤354、356が工具352の各セクションに連続的に圧力を印加する。ここで、加熱プレス(図示しない)を利用するものなど、他の圧密工程も使用できることに注意されたい。
本発明の実施形態について、特定の例示的実施形態を参照して説明したが、これら特定の実施形態は説明のみを目的とする非限定的なものであり、当業者であれば他の変形例を想起可能である。
Claims (8)
- 少なくとも一つの一体式金属製結合金具を有する熱可塑性複合積層体の製造方法であって、
(A)熱可塑性複合材料からなる多プライスタックと、少なくとも一つの金属製結合金具とを含むレイアップを形成するステップ、
(B)少なくとも二つの工具の間に前記レイアップを配置するステップ、
(C)適切な形状の積層体に前記レイアップを予備成形し、プレス機に前記工具及び予備成形された前記レイアップを供給するステップ、及び
(D)プレス機を用いてプライと金属製結合金具とを圧密するステップ
を含み、
ステップ(D)が、予備成形された前記レイアップに対して前記工具をプレスすることにより、予備成形された前記レイアップの厚さを部分的に変化させることを含む方法。 - ステップ(A)が、金属製結合金具とプライの一つの間に熱可塑性フィルムを導入することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(A)が、金属製結合金具とスタック内のプライの間に接合部を形成することを含む、請求項1に記載の方法。
- ステップ(A)が、プライを互いに結合することを含む、請求項1に記載の方法。
- 熱可塑性複合材料が、自由流れ温度を有するマトリックス樹脂コンポーネントを含み、本方法がさらに、
(E)ステップ(D)を実行する前に、熱可塑性複合材料からなるマトリックス樹脂コンポーネントの自由流れ温度以上に少なくともなるまで予備成形された前記レイアップを加熱するステップ
を含む、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。 - ステップ(C)が、プレス機内で予備成形された前記レイアップを漸進的に移動させることにより行われる、請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。
- ステップ(C)が、プレス機内で予備成形された前記レイアップを段階的に移動させることを含み、且つ
ステップ(D)が、予備成形された前記レイアップが漸進するたびに、当該レイアップに圧力を印加することを含む、
請求項1ないし4のいずれか1項に記載の方法。 - 請求項1ないし7のいずれか1項に記載の方法により製造された熱可塑性複合積層構造。
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