JP5550851B2

JP5550851B2 - 大型バレル部構成部品の製作のためのマルチヘッド自動化複合材料積層機

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Publication number: JP5550851B2
Application number: JP2009112111A
Authority: JP
Inventors: ジョンソン，ブライス・エイ; スプーン，スティーブン・エス; ダラス，ランダル・エス
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2009-05-01
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2024-08-19
Also published as: WO2005018917A3; EP2261010A1; US20080156436A1; US7282107B2; WO2005018917A2; ES2582645T3; JP2007503329A; EP1658172B1; JP2009166503A; EP1658172A2; US20050039843A1

Description

本発明は、一般的に複合材料を使用する大規模構造の製造に関し、より詳しくは、大型航空機胴体部の自動化された複合材料の積層に関する。

炭素繊維エポキシおよび黒鉛ビスマレイミド（ＢＭＩ）材料のような複合材料の構造性能の優位性は航空宇宙産業で周知である。航空機の設計者は、例えばそれらの優れた剛性、強度、および低重量のため、複合材料に魅了されてきた。より進んだ先端材料およびより多くの多種多様な材料の形態が利用可能になるにつれて、複合材料の航空宇宙産業での利用が増大してきた。自動化テープレイヤ技術は、翼パネルおよび尾翼のような大型複合構造の製作に幅広く使用される自動化プロセスになるまで発展した。現在のテープレイヤ技術は、多種多様な宇宙航空用構成部品に要求されるプロセス能力の柔軟性をもたらすように改善されてきた。航空宇宙産業のテープ敷設の適用は、例えば大型複合構造の製造コストを管理するのに役立つかもしれない材料レイアップレートを達成するので、例えば直径１５〜２０フィートの大型航空機胴体部の自動化テープレイアップのような、テープレイヤの新しい革新的な用途を定めることができる。

自動化テープ敷設機は一般的に、例えばガントリにおける５軸運動および搬送ヘッドにおける５軸運動の１０個の運動軸を有することのできるガントリ型の機械である。一般的に自動テープレイヤは、ガントリ構造（平行レール）、精密グラウンドウェイ上を移動する横送りバー、材料搬送ヘッドを上昇および下降させるラムバー、ならびにラムバーの下端に取り付けられた材料搬送ヘッドから構成される。市販のテープレイヤは一般的に、フラットテープ敷設機（ＦＴＬＭ）または起伏テープ敷設機（ＣＴＬＭ）のいずれかを使用して、フラットまたは少し起伏のある積層アプリケーションのレイアップ用に特に構成されている。ガントリ型テープレイヤでは、ツーリング（またはフラットテーブル）は床に固定されたガントリ構造の下で一般的に転動し、機械の搬送ヘッドは次いでレイアップ表面に初期化される。

図１Ａは、典型的なテープ敷設機の材料搬送ヘッド１００を図示する。ＦＴＬＭおよびＣＴＬＭ機用の搬送ヘッドは基本的に、図１Ａに示す搬送ヘッド１００と同一構成である。市販の自動化テープレイヤの搬送ヘッドは一般的に、７５ｍｍ（３インチ）、１５０ｍｍ（６インチ）、および３００ｍｍ（１２インチ）の材料幅を受け入れるように構成される。フラットテープレイヤは一般的に、１５０ｍｍ（６インチ）および３００ｍｍ（１２インチ）幅の材料を使用する。起伏テープレイヤは一般的に、７５ｍｍ（３インチ）および１５０ｍｍ（６インチ）幅の材料を使用する。ＣＴＬＭシステムは通常、平面起伏表面にレイアップするときには、３インチまたは６インチ幅の材料を使用する。テープレイヤ用の材料１０２は一般的に、大径スプールで供給される。テープ材１０２は裏打ち紙１０６を有し、それはプリプレグ（樹脂を事前含浸させた繊維）がツール表面１０８に塗布されるときに抜き出さなければならない。材料のスプールは一般的に搬送ヘッド供給リール１０４内に装填され、上部テープガイドシュートに通され、カッタ１１０を通過する。次いで材料１０２は下部テープガイドを通過し、セグメント化された圧縮シュー１１２の下を通り、裏打ち紙巻取りリール１１４に進む。裏打ち紙は抜き出され、紙巻取りリール１１４の巻取りローラ上に巻回される。搬送ヘッド１００はツール表面１０８と接触し、テープ材料１０２は、圧縮圧力によりツール表面１０８に「配置」される。テープ敷設機は一般的にツール表面１０８のコンピュータプログラムされた経路（コース）にテープを敷設し、正確な位置および角度で材料１０２を切断し、テールをレイアウトし、搬送ヘッド
１００をツール表面１０８から上昇させ、経路開始位置に後退し、次の経路の敷設を開始する。搬送ヘッド１００は、欠陥が検出されたときに機械制御装置にテープ材料１０２の敷設を停止させる信号を送る、光学的テープ欠陥検出システムを有することができる。搬送ヘッド１００はまた一般的に、テープ間接着の粘着性レベルを高めるようにプリプレグ材を加熱する、加熱システム１１６をも有する。加熱されたテープ温度は一般的に８０Ｆ〜１１０Ｆの範囲である。

ＣＴＬＭ搬送ヘッドは単一片の広幅プリプレグテープを取り扱うが、繊維配置ヘッドは複数帯片の狭幅テープを処理して、テープと同様の固体帯状材料を形成する。トウと呼ばれる個々のプリプレグ繊維は一般的に８分の１インチ幅である。トウ１１８を図１Ｂ、１Ｃ、および１Ｄに示す。トウ１１８は通常トウプレグスプール１２０のようなスプールから引き出され、繊維搬送システム１２２を通して、図１Ｃに概略的に図示する繊維配置ヘッド１３０内に供給される。繊維搬送システム１２２は例えばテンショナ（ｔｅｎｓｉｏｎｅｒ）システム１２４を含むことができる。

繊維配置ヘッド１３０では、トウ１１８は、図１Ｂに示すように、単一繊維帯１２６にコリメートし、主軸台と心受台との間に装着できる表面１４０のような作業面上に積層することができる。図１Ｄに示す経路１２８のような繊維帯または経路を開始するときに、個々のトウ１１８は、クランプ１３９を解除し、かつ同時に回転補足ローラ１３４に対してピンチローラ１３２を起動させることによって、ヘッド１３０に通される。材料は、配置されている間に、通常転圧ローラ１３６により表面１４０のような表面上に圧縮される。ひとたびトウが転圧ローラ下に供給されると、ピンチローラは後退し、各トウをツールに沿った経路によって要求されるようにヘッドを通して繰り出すことが可能になる。経路１２８が敷設されるときに、ヘッド１３０は個々のトウ１１８のいずれかを切断または再始動することができる。図１Ｃは、繊維配置ヘッド１３０の上部１１９ａおよび下部１１９ｂ繊維経路１１９用のメカニズムの断面図を示す。各トウ経路１１９は、他の全てのトウ経路１１９から独立して起動させることのできる、それ自体のカッタ１３８、ピンチローラ１３２、およびクランプ１３９を有する。これは、繊維帯１２６または経路１２８の幅を、図１Ｄに示すように、１つのトウ幅に等しい増分単位で増減することを可能にする。繊維帯１２６または経路１２８の幅の調整は、隣接する経路１２８間の過度の間隙または重複を解消する。経路１２８の終点で、残りのトウ１１８は、プライ境界１４２の形状に合致するように切断することができる。トウが切断されるときに、クランプ３９が同時に起動されて、それが張力によってヘッドからスリップまたは引き出されるのを防止する。ヘッド１３０は次いで次の経路１２８の始めに配置することができる。経路１２８の配置中に、各トウ１１８はツール表面に沿った機械の経路によって決定されるそれ自体の速度で送り出され、各トウ１１８を独立して部品の表面１４０に合致させることが可能になる。このため、繊維つまりトウ１１８は測地的経路に制約されない。それらは、指定された設計目標に適合するように進路を取ることができる。転圧ローラ１３６のような転圧装置は粘着性向上のための熱と組み合わされて、トウ１１８をレイアップ表面１４０上に積層する。トウ１１８を作業面１４０（または前に敷設されたプライ）上に押圧するこの動作は、トウ１１８をレイアップ表面１４０に接着させ、かつ閉じ込められた空気を除去し、真空デバルキング（ｄｅｂｕｌｋｉｎｇ）の必要性を最小化する。また、繊維を凹面に敷設することをも可能にする。

テープ敷設ヘッド１００のような繊維配置ヘッド１３０は、例えばアーム機構を使用して幾つかの運動軸を設けることができ、コンピュータ数値制御することができる。機械がトウを積層しているときに、運動軸はヘッド１００または１３０が表面１０８または１４０に対して垂直であることを確実にする必要があるかもしれない。機械はまた、例えば空調クリールに取り付けることのできるテンショナシステム１２４のような、多数の電子繊維テンショナを有することもできる。これらのテンショナは個々のトウの繰出しをもたら
し、かつ正確な張力を維持することができる。ヘッド１００または１３０は、個々のプリプレグトウ１１８を正確に送り出し、切断し、クランプし、かつ再始動することができる。

複合材料を使用する胴体の製作は、複合材料の使用を従来の胴体の製作方法に比較して経済的にするのに充分な高いレートでの複合材料の自動配置を必要とする。製造されるより新しくより大型の胴体に軽量かつ高強度の複合材料を利用するには、複合材料の敷設レートの飛躍的向上が要求される。テープ敷設および繊維配置のような現行プロセスは現在、ボーイング７Ｅ７のような新しい大型航空機プログラムにおける生産レートを満たすことを経済的に実現可能とするには遅すぎる。敷設レートを現状の技術より大幅に増大し、かつ必要とされる機械の数を低減する複合材料の自動配置のためのツールおよびプロセスが必要である。

例えば、既存の技術を使用して、長さ６０フィートの一定断面の大型胴体外板全体をレイアップマンドレル上に配置するには、一般的に３〜４週間を要する。標準的自動化積層プロセスは、最高で持続して毎時２０ポンド（ｌｂｓ／ｈｒ）の材料を配置することができ、１，０００ｌｂｓ／ｈｒ程度に近づくことのできる自動化複合材料配置機械が必要である。一般的に６０フィート長とすることができるが、約２０フィートから約１１０フィートまたはそれ以上の長さ範囲とすることのできる、一定断面の大型胴体外板全体は、１日か２日でレイアップマンドレル上に配置することができる。時間の短縮は、複合材料を使用して大型胴体外板のような大型航空機部品を製造する現実性および経済的実行可能性を著しく高めることができる。

このように、大型胴体部の複合製作用の自動化レイアップ機が必要である。また、レートを現状の技術より大幅に増大する、自動化レイアップ機およびプロセスを使用して複合部品を製作することも必要である。さらに、必要とされる機械の数を低減して、必要とされる工場空間および必要な総合資本投資を低減する、自動化レイアップ機械およびプロセスも必要である。

発明の概要
本発明の一態様では、回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための装置は、複数の材料搬送ヘッドを支持する機械的支持構造を含む。ツールは機械的支持構造に対して移動可能であり、機械的支持構造はマンドレル表面に対する材料搬送ヘッドの移動を提供可能である。各々の材料搬送ヘッドは、マンドレル表面に対して個別に調整可能な位置を有する。

本発明の他の態様では、回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための装置は、複数の材料搬送ヘッドを支持する機械的支持構造を含む。ツールは機械的支持構造に対して移動可能かつ回転可能である。機械的支持構造はマンドレル表面に対する材料搬送ヘッドの同時の軸方向並進を提供可能であり、各々の材料搬送ヘッドの他の材料搬送ヘッドに対する位置は、個別に調整可能である。

本発明のさらに他の態様では、回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための装置は、複数の材料搬送ヘッドがツールの周りに配置されるようにそれらを支持する機械的支持構造を含む。ツールは機械的支持構造に対して移動可能かつ回転可能である。機械的支持構造は、マンドレル表面に対する材料搬送ヘッドの同時の軸方向並進を提供可能である。複数の材料搬送ヘッドの各々の機械的支持構造に対する
位置は、個別に調整可能である。

本発明のさらに他の態様では、回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための航空機部品製造装置は、複数の材料搬送ヘッドがツールの周りに配置されるようにそれらを支持する機械的支持構造を含む。ツールは機械的支持構造に対して移動可能かつ回転可能である。機械的支持構造は、マンドレル表面に対する材料搬送ヘッドの同時の軸方向並進を提供可能である。複数の材料搬送ヘッドの各々の機械的支持構造に対する位置は、個別に調整可能である。アーム機構は各材料搬送ヘッドを機械的支持構造に接続する。アーム機構は、マンドレル表面に対する各材料搬送ヘッドのマンドレル表面に垂直な方向の運動をもたらし、マンドレル表面に対して垂直な軸を中心とする各材料搬送ヘッドの回転をもたらし、マンドレル表面に対して周方向の各材料搬送ヘッドの周方向位置の調整をもたらし、かつマンドレル表面に対する各材料搬送ヘッドの軸方向の位置調整をもたらす。

本発明のさらなる態様では、回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための航空機部品製造装置は、ツールが材料搬送ヘッドに対して移動可能であるように、複数の材料搬送ヘッドを支持するための手段を含む。装置はまた、マンドレル表面に対する複数の材料搬送ヘッドの移動をもたらす手段と、複数の材料搬送ヘッドの各々のマンドレル表面に対する個々の位置の調整をもたらすための手段とをも含む。

本発明のさらに他の態様では、回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための方法は、ツールが複数の材料搬送ヘッドに対して移動可能であるように、複数の材料搬送ヘッド支持するステップと、マンドレル表面に対する複数の材料搬送ヘッドの移動をもたらすステップと、複数の材料搬送ヘッドの各々についてマンドレル表面に対する個々の位置調整をもたらすステップとを含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様、および利点は、以下の図面、説明、および請求の範囲を参照することにより、いっそうよく理解されるであろう。

公知の典型的なテープ敷設機械の材料搬送ヘッドの図である。公知の別個の上部および下部（奇数および偶数）繊維経路の収束によって形成されるトウのコリメート帯の図である。公知の典型的な繊維搬送システムおよび繊維配置ヘッド、または繊維配置機の材料搬送ヘッドの略図である。公知の個々のプリプレグ繊維トウの切断による帯テーパリング効果の図である。本発明の一実施形態に係る水平構成の自動化された複合材料の積層用の航空機部品製造装置の斜視図である。本発明の他の実施形態に係る垂直構成の自動化された複合材料の積層用の航空機部品製造装置の斜視図である。本発明の実施形態に係る垂直構成の自動化された複合材料の積層用の航空機部品製造装置の斜視図である。

発明の詳細な説明
以下の詳細な説明は、現在考えられる本発明を実施する最良の形態の説明である。本発明の範囲は添付する請求の範囲によって最良に定義されるので、説明は限定の意味に解釈すべきものではなく、単に本発明の一般原理を例示する目的で行うものである。

概して、本発明の一実施形態は、例えば商用および軍用航空機の製造に使用できる、複合材料から作られる胴体構造のような大型部品の製作を提供する。一実施形態では、本発明は、大量の高性能複合材料を大型（一般的に直径または最大厚さが１５フィートを超える）の一定断面の例えば丸い形状の、例えば円形または楕円形断面のマンドレル上に、先行技術に比較して非常に高いレートで自動敷設および圧縮することを可能にする。例えば、一実施形態を使用すると、配置つまり敷設のレートは、フィラメント巻回、繊維配置、および自動テープ敷設のような先行技術の複合材料配置プロセスより約４８倍早くなると推定される。先行技術である遅い敷設レートは製造フローを増加し、かつ製造生産計画のレートスケジュールを満たすために必要な機械の台数を増加する。本発明の実施形態の使用に関連付けられる節約は、先行技術に比較して、複合材料をレイアップするフロータイムを著しく低減することができ、生産胴体バレル部を高いレートで組み立てるために必要な資本および設備を低減することができる。

一実施形態では、本発明は、商用および軍用航空機の胴体構造の前方部または後部のように、一定の断面を持たない胴体構造のような大型部品の複合材料からの製作に使用することもできる。

先行技術に一般的な単ヘッドの複合材料配置機とは対照的に、一実施形態のマルチヘッド構成は、先行技術に比較して増大した敷設レートを可能にする。一実施形態では、敷設レートは、まっすぐな一定断面のツールでも、繊維配置ヘッドで一般的に使用される狭幅の材料幅（１／８インチ）ではなく、広幅の事前含浸複合テープおよびＣＴＬＭ搬送を使用することにより、先行技術に比較して増大することができる。広幅テープの使用は、レイアップツールの複雑度を一定断面に限定することがある。表面が一定断面ではない場合、繊維配置ヘッドは複雑な起伏面上への材料を適切に配置することが必要になるかもしれない。しかし一実施形態では、テープヘッドの単純さは、より複雑な繊維配置型の搬送ヘッドを使用するのに比較して、機械のアップ時間を大幅に増加することができる。

例えば、ヘッドの複雑性に関連するダウンタイムのため、約４０％の利用率で標準的繊維配置機は単一の４インチ幅の帯状の材料を毎分１２００インチで配置することができる場合、６つのヘッドを使用する本発明の一実施形態は、典型的な起伏テープ敷設機（ＣＴＬＭ）でよくありそうな８０％の機械利用率で、同一速度（毎分１２００インチ）で１２インチ幅帯状テープを６経路同時に配置することができる。同じ実施形態がＣＴＬＭで一般的なより厚いテープ（１９０面積重量（ＡＷ））を使用する場合、この例におけるより薄い材料の形の繊維配置（１４０ＡＷ）に比較して、敷設レートは、現状技術の繊維配置機より６×８０％／４０％×（１２インチ／４インチ）×１９０ＡＷ／１４０ＡＷ＝４８倍高速となる。例えば、６つのテープ敷設ヘッドを使用する一実施形態は、ピークレート時に少なくとも毎時７００ポンド（ｌｂｓ／ｈｒ）の複合材料を敷設することができることが考えられる。ピークレートは、プロセスダウンタイムまたは他のプロセス中断を含まない平均敷設レートと記述することができる。ピークレートは一般的に、部品を製造するために必要な総時間数を部品の総重量で除算する持続生産レートとはみなされない。持続生産レートは、ダウンタイム、保守、休止、および他の中断をはじめとする中断を含む。

他の例として、長さ３０ｆｔ、直径１４ｆｔのバレル部胴体は、６ヘッド、１２インチ幅ＣＴＬＭ構成を使用して、８回のパスで（ツールの軸から０°で）（長さ３０ｆｔ×１２インチ／ｆｔ／６００インチ／分（３０ｆｔにおける加速および減速を平均したもの）＋０．２４分／パス転向時間）×８パス／８０％の利用＝８．４分で配置することができる。同じ条件下で、単ヘッド繊維配置機では、設計でより多くのプライを必要とするより薄いテープを使用して、（（３０×１２）／６００＋０.２４）×１３２）／４０％＝２７７分つまり４．６時間および１３２回のパスがかかる。より厚いテープ（１９０ＡＷ対１４０ＡＷ）を使用しても、単ヘッド繊維配置は同一前提の下で２０４分つまり３．４時
間かかる。例えば、６つの繊維配置ヘッドを使用する一実施形態は、ピークレートで少なくとも３００ｌｂｓ／ｈｒの複合材料を敷設することができると考えられる。

本発明の一実施形態はまた、ツールおよびマンドレルを垂直構成に配向することによって、大型回転ツールを取り扱う問題にも対処する。フィラメント巻回および繊維配置は両方とも一般的に、水平スピンドル上のツールの装着を利用する。ツールの慣性は比較的小さいスピンドルシャフトを通して反応するという事実は、ツール設計に動的不安定性の問題を課す。また、水平レイアウトは大型ツールにたるみを引き起こす。ツールが長くかつ大きい直径であればあるほど、動的安定性およびたるみの問題は深刻になる。現行ツーリング技術は、この水平構成の限界が商用航空機の生産にとって理想であるものをはるかに下回ることを示唆している。垂直回転軸を有するツールを配向することにより、たるみの問題を緩和することができ、ツールの慣性が比較的小さいスピンドルシャフトを介して反応する必要が無いように、ツールは水平回転台上に搭載することができる。加えて、たるみの問題に対処することにより、垂直構成は、水平構成が一般的にそれに限定される直線状の一定断面形状より複雑なマンドレルの形状が可能になり、より複雑な形状を敷設するために必要な繊維配置ヘッドおよびクリールを搭載することがより現実的になる。

ここで、図２を参照すると、一実施形態に係る自動化された複合材料の積層のための航空機部品製造装置２００が図示されている。装置２００は、ツール２０２を使用して自動化された複合材料の積層を促進する。ツール２０２は軸２０４を有し、それを中心に、またはそれに対してツール２０２は略対称とすることができ、それはツール２０２の長手軸とすることができ、かつそれはツール２０２の回転軸として使用することができる。装置２００は図２に示すように、ツール２０２の軸２０４が水平方向を向いた水平構成を提示する。心受台（または主軸台）２０５は軸２０４が水平になるようにツール２０２を保持することができ、軸２０４がツール２０２の回転軸となるように、軸２０４を中心とするツール２０２の回転に備えることができる。ツール２０２は、例えばツール２０２を製造工程の一段階から別の段階に動かすときに、心受台２０５から取外すことができる。ツール２０２はマンドレル表面２０６を有することができ、それは略円筒性とする、つまり多かれ少なかれ一定の断面を有することができ、それは複合材料による製造に適した任意の形状、例えば丸みを帯びた四角形、円形、楕円形、または他の形状とすることができる。例えばマンドレル表面２０６は、航空機胴体の中央部の形状に合致させることができる。マンドレル表面２０６はまた略円錐性とする、つまりテーパ付または漸減する断面を有することもでき、それは複合材料により製造するのに適した任意の形状、例えば丸みを帯びた長方形、円形、楕円形、または他の形状を有することができる。例えばマンドレル表面２０６は、航空機胴体のノーズ部またはテールコーン部に見られる複雑な形状に合致させることができる。マンドレル表面２０６は、回転軸２０４を中心に略対称とすることができる。図の簡潔を期すために、図には単純な円形のまっすぐなマンドレルが示されているが、マンドレル表面２０６には複合繊維材をレイアップすることによって作成される部品の製造に適した任意の形状を持たせることができると考えられる。

装置２００は二つまたはそれ以上の材料送出ヘッド、つまり材料搬送ヘッド２０８を含むことができる。材料搬送ヘッド２０８は例えばフラットテープ敷設機または起伏テープ敷設機のような材料搬送ヘッド１００、または繊維配置ヘッド１３０と同様とすることができる。マンドレル表面２０６の形状は、航空機部品製造装置２００を使用して製造される航空機部品によって大きく異なるので、材料搬送ヘッド２０８は、表面の起伏要件を満たすために必要に応じて、フラットもしくは起伏テープ敷設搬送ヘッド、または繊維配置搬送ヘッドに基づく既存の搬送ヘッドの適応型とすることができる。例えば、ツール２０２およびマンドレル表面２０６の断面が図２に示すようにほとんど一定に維持されるときに、テープ敷設ヘッドは材料搬送ヘッド２０８用に使用することができる。同様に、ツール２０２およびマンドレル表面２０６の断面がツール２０２の長さに沿って有意に変化す
るときに、繊維配置ヘッドは材料搬送ヘッド２０８に使用することができる。

ツール２０２は、図２に示すように水平方向に、または図３および４に示すように垂直方向に取り付けることができる。図２は水平構成の装置２００を示し、材料搬送ヘッド２０８はテープ敷設ヘッドまたは繊維配置ヘッドのいずれかとすることができる。一般的に、水平構成の装置２００は、繊維配置ヘッドより一般的に小さくよりコンパクトな、図２に示すようなテープ敷設ヘッドを使用して、一定断面のマンドレル表面２０６のレイアップにより適している。図３および４は、垂直構成を有する他の実施形態に係る、装置２００のような航空機部品製造装置を示し、材料搬送ヘッド２０８は、図３に示すように材料搬送ヘッド１００のようなテープ敷設ヘッドとすることができ、または代替的に図４に示すように繊維配置ヘッド１３０のような繊維配置ヘッドとすることができる。一般的に、図４に示す装置４００の垂直構成は、一般的にテープ敷設ヘッドより複雑であり、材料を搬送ヘッドに供給するためにクリールシステム３２２を必要とする繊維配置ヘッドを使用して、変化する断面のマンドレル表面２０６、つまりより複雑な起伏を有する表面をレイアップするのにより適している。

装置２００は、材料搬送ヘッド２０８を支持することができ、マンドレル表面２０６に対する材料搬送ヘッド２０８の移動に備える機械的支持構造２１０を含むことができる。ツール２０２は、機械的支持構造２１０に対して移動可能かつ回転可能とすることができる。機械的支持構造２１０は並進および回転リング２１２を含むことができ、そこに材料搬送ヘッド２０８を、リング２１２および搬送ヘッド２０８がマンドレル表面２０６を取り囲むように、取り付けることができる。機械的支持構造２１０は、図２に示すようにリング２１２を垂直向きに支持することのできる、リング架台２１４を含むことができる。リング架台２１４は、軸２０４を中心とするリング２１２の回転に備えることができる。リング架台２１４は、リング架台２１４がツール２０２の軸２０４の方向に沿って移動できるように、レール２１６上に取り付けることができる。すなわち、リング２１２およびリング架台２１４を含むことのできる機械的支持構造２１０は、マンドレル表面２０６に対する全ての搬送ヘッド２０８の同時の軸方向並進をもたらす。

動作時に、ツール２０２が回転する間に、リング２１２はツール２０２の全長に沿って並進することができ、材料搬送ヘッド２０８がツール表面全体つまりマンドレル表面２０６全体に経路２１８の材料を配置することが可能になる。リング２１２はまた、ツール２０２の全長に沿って回転することもでき、同じく材料搬送ヘッド２０８が材料経路２１８をマンドレル表面２０６全体に配置することを可能にする。ツール２０２の回転の代わりにリング２１２の回転は材料配置に必要ではないかもしれないが、材料搬送ヘッド２０８の便利な保守および点検に備えるために、リング２１２を回転させて位置決めできるようにしてもよい。さらに、ツール２０２はハンドレイアップ操作のためにマンドレル表面２０６にアクセスするために、リング２１２とは独立して回転することができる。

装置２００は、材料搬送ヘッド２０８を機械的支持構造２１０に、つまりリング２１２に接続するアーム機構２２０を含むことができる。図には示さないが、回転軸２０４に平行であってマンドレル表面２０６を取り囲むレールのアレイのような代替的機械的支持構造２１０を使用して、材料搬送ヘッド２０８をリングに直接接続することなく、複数の材料搬送ヘッド２０８から同時に材料搬送を達成することができることが考えられる。アーム機構２２０は、マンドレル表面２０６に対する材料搬送ヘッド２０８の運動を達成することができる。

例えば、各々の個別材料搬送ヘッド２０８は、個々の材料搬送ヘッド２０８を機械的支持構造２１０に接続するアーム機構２２０によってもたらされる、他の材料搬送ヘッド２０８およびマンドレル表面２０６に対する多少の移動および個別位置調整を考慮して、他
の材料搬送ヘッド２０８とは独立して、（ツール２０２に対する）周（フープ）方向および軸方向に移動する能力を有することができる。

独立した軸方向位置調整は、例えば材料のパイルを周方向に、またはツール２０２のシリンダのフープ方向に配置するのに有用であろう。この場合、配置される材料の帯つまり経路２１８が、ツール２０２またはマンドレル表面２０６上に配置されるときに、重複または間隙無しに相互に隣接するように、全てまたは一部のヘッドが、相互に対して軸方向に、ツール２０２の長さに沿って、自らを再配置することができる。

また、例えば、各々の個別材料搬送ヘッド２０８は、個々の材料搬送ヘッド２０８を機械的支持構造２１０に接続するアーム機構２２０によってもたらされる、マンドレル表面２０６に対して垂直つまり直角の方向に、他の材料搬送ヘッド２０８とは独立して移動し、かつマンドレル表面２０６に対して垂直な軸を中心に（ツール２０２を基準にして）他の材料搬送ヘッド２０８とは独立して回転する能力を有することができる。
したがって各材料搬送ヘッド２０８はマンドレル表面２０６に対して接近したり遠ざかる多少の個別移動および位置調整をもたらすことができ、マンドレル表面２０６に対する多少の個別回転および角度位置調整をもたらすことができる。

複数の材料搬送ヘッド２０８の各々は、例えば全ての材料搬送ヘッド２０８を同時に制御する、既存の数値制御（ＮＣ）またはコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）プログラミングソフトウェアを使用して、他の全ての搬送ヘッド２０８と協働して個別に制御することができる。複数の材料搬送ヘッド２０８はまた、ツール２０２およびマンドレル表面２０６の回転と協働して制御することもできる。例えばツール２０２の回転は、材料搬送ヘッド２０８のＣＮＣ制御と協調するＣＮＣ制御を使用して、心受台２０５を通して駆動することができる。

ここで、図３および図４を参照すると、代替実施形態に係る自動化された複合材料の積層用の航空機部品製造装置３００および４００が図示されている。図３に示す装置３００、および図４に示す装置４００は、ツール２０２が垂直向きの回転軸２０４を有する垂直構成を示す。水平回転台３１６は回転軸２０４が垂直となるようにツール２０２を保持することができ、回転軸２０４を中心とするツール２０２の回転に備えることができる。ツール２０２は例えばツール２０２が製造工程の一段階から別の段階に移動するときに、回転台３１５から取外し可能にすることができる。上述の通り、ツール２０２はマンドレル表面２０６を有することができ、それは軸２０４に対して略対称とすることができ、かつそれは、図の簡潔を期すために図３および４に示した単純なまっすぐの円筒形より複雑な表面形状を有することができる。

装置２００の場合と同様に、装置３００および装置４００は複数の材料搬送ヘッド２０８を含むことができ、それは例えばフラットテープ敷設ヘッド、起伏テープ敷設ヘッド、または繊維配置ヘッドとすることができる。図３および４は、垂直構成を有する航空機部品製造装置３００および４００を示し、材料搬送ヘッド２０８は図３に示すようにテープ敷設ヘッドとするか、または図４に示すように繊維配置ヘッドとすることができる。一般的に、材料搬送ヘッド２０８にテープ敷設ヘッドの使用を示す装置３００は、一定断面のマンドレル表面２０６をレイアップするのにより適している。一般的に、材料搬送ヘッド２０８に繊維配置ヘッドの使用を示す装置４００は、テープ敷設ヘッドより一般的に複雑であり搬送ヘッドに材料を供給するためにクリールシステム３２２を必要とする繊維配置ヘッドを使用して、断面が変化するマンドレル表面２０６、つまりより複雑な起伏を有する表面をレイアップするのにより適している。

装置３００および４００は、材料搬送ヘッド２０８を支持することができかつマンドレ
ル表面２０６に対する材料搬送ヘッド２０８の移動に備える、機械的支持構造３１０を含むことができる。ツール２０２は、機械的支持構造３１０に対して移動可能かつ回転可能とすることができる。機械的支持構造３１０は、リング３１２および搬送ヘッド２０８がマンドレル表面２０６を取り囲むように、材料搬送ヘッド２０８をその上に取り付けることのできる、並進および回転リング３１２を含むことができる。機械的支持構造３１０は、図３および４に示すようにリング３１２を水平向きに支持することのできる垂直支持柱３１４を含むことができる。（図面を簡潔かつ分かりやすくするために、支持柱３１４の一部は図３および図４で仮想線で示されている）。

リング３１２は、垂直支持柱３１４がツール２０２の回転軸２０４の方向に沿ったリングの垂直移動に備えることができるように、垂直支持柱３１４に接続することができる。換言すると、リング３１２および垂直支持柱３１４を含むことができる機械的支持構造２１０は、マンドレル表面２０６に対する全ての搬送ヘッド２０８の同時の軸方向並進をもたらすことができる。水平リング３１２もまた、クリールシステム３２２を支持するために使用することができる。クリールシステム３２２は、繊維配置ヘッドが材料搬送ヘッド２０８として使用されるときに、材料を繊維配置ヘッドに供給することができる。クリールシステム３２２は、図４に示すようにリング３１２上に取り付けることができる。

動作時、ツール２０２が回転台３１６上で回転する間に、リング３１２はツール２０２の全長に沿って並進することができ、材料搬送ヘッド２０８がツール表面全体つまりマンドレル表面２０６全体に経路２１８の材料を配置することを可能にする。上述の通り、複数の材料搬送ヘッド２０８の各々が、例えば材料搬送ヘッド２０８の全てを同時に制御するＮＣまたはＣＮＣを使用して、他の全ての搬送ヘッド２０８と協調して個別に制御することができる。複数の材料搬送ヘッド２０８は、同じくＣＮＣまたはＮＣ制御を使用して、ツール２０２およびマンドレル表面２０６の回転と協調して制御することもできる。例えば、ツール２０２の回転は、ＣＮＣ制御を使用して回転台３１６を介して駆動することができる。

装置３００および４００は、材料搬送ヘッド２０８を機械的支持構造３１０つまりリング３１２に接続するアーム機構２２０を含むことができる。図には示さないが、回転軸２０４に平行でありかつマンドレル表面２０６を取り囲む垂直支持柱３１４のアレイのような代替的機械的支持構造３１０を使用して、材料搬送ヘッド２０８をリングに直接接続することなく、複数の材料搬送ヘッド２０８からの材料搬送を同時に達成することができることが考えられる。アーム機構２２０は、マンドレル表面２０６に対する材料搬送ヘッド２０８の運動を提供することができる。

例えば、各々の個別材料搬送ヘッド２０８は、個別材料搬送ヘッド２０８を機械的支持構造３１０に接続するアーム機構２２０によってもたらされる、他の材料搬送ヘッド２０８およびマンドレル表面２０６に対する多少の移動および個別位置調整を考慮して、他の材料搬送ヘッド２０８とは独立して周（フープ）方向および軸方向（ツール２０２を基準にして）に移動する能力を有することができる。

また、例えば各々の個別材料搬送ヘッド２０８は、個別材料搬送ヘッド２０８を機械的支持構造３１０に接続するアーム機構２２０によってもたらされる、他の材料搬送ヘッド２０８とは独立してマンドレル表面２０６に垂直つまり直角の方向に移動し、かつ他の材料搬送ヘッド２０８とは独立してマンドレル表面２０６に垂直な軸を中心に（ツール２０２を基準にして）回転する能力を有することができる。したがって、各材料搬送ヘッド２０８は、マンドレル表面２０６に対して接近したり遠ざかる多少の個別移動および位置調整をもたらすことができ、マンドレル表面２０６に対する多少の個別回転および角度位置調整をもたらすことができる。

ツール２０２のマンドレル表面２０６のようなマンドレル表面上への自動化された複合材料の積層方法は、ツールおよび材料搬送ヘッドが相互に対して移動可能であるように、搬送ヘッド２０８のような複数の材料搬送ヘッドを支持することを含む。例えばツールは、心受台２０５を使用することなどによって水平に取り付けることができ、あるいは回転台３１６を使用することなどによって垂直に取り付けることができる一方、複数の材料搬送ヘッドは、機械的支持構造２１０または機械的支持構造３１０を使用することなどによって、ツールとは独立して支持することができる。

該方法はまた、マンドレル表面に対する全ての材料搬送ヘッドの移動に備える一方で、各材料搬送ヘッドについて他の材料搬送ヘッドとは独立してマンドレル表面に対する個別位置調整に備えることも含むことができる。例えば、機械的支持構造２１０または３１０は、マンドレル表面に対する全ての材料搬送ヘッドを一緒に移動させることができ、例えば材料ヘッドを軸方向に、つまりツール２０２の軸２０４に対して平行な方向に並進させることができる。同時に、マンドレル表面に対して周方向の材料搬送ヘッドの周方向位置調整、マンドレル表面に対する材料搬送ヘッドの軸方向位置調整、マンドレル表面に対して垂直な方向の材料搬送ヘッドの運動、およびマンドレル表面に対して垂直な軸を中心とする材料搬送ヘッドの回転を、例えば各材料搬送ヘッドを機械的支持構造に接続するアーム機構２２０のような機構によって、達成することができる。

該方法はさらに、ツール２０２の軸２０４のような水平または垂直の回転軸を中心としてツールを回転し、複数の材料搬送ヘッド２０８から経路２１８に複合材料を同時に搬送することを含むことができる。材料搬送のプロセス、材料搬送ヘッドの位置決めおよび移動、ならびにツールの回転は、複数の材料搬送ヘッドに対し協調制御を同時に提供するＮＣまたはＣＮＣ技術を使用して制御することができる。

もちろん、上記は本発明の好適な実施形態に関係しており、以下の請求の範囲に記載する発明の精神および範囲から逸脱することなく、変形を施すことができることを理解されたい。

Claims

回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための装置であって、
ツールがそれに対して移動可能かつ回転可能である機械的支持構造と、
前記機械的支持構造によって支持され、かつツールの周囲に配置される複数の材料搬送ヘッドとを備え、
前記機械的支持構造がマンドレル表面に対して前記複数の材料搬送ヘッドの同時の軸方向並進を与え、
前記機械的支持構造に対する前記複数の材料搬送ヘッドの少なくとも１つの位置が個別に調整可能であり、
前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドを前記機械的支持構造に接続するアーム機構をさらに備え、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対して垂直な方向に、マンドレル表面に対する前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの運動をもたらし、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対して垂直な軸を中心とする、マンドレル表面に対する前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの回転をもたらし、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対して周方向の、前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの周方向位置調整をもたらし、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対する、前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの軸方向位置調整をもたらし、
前記機械的支持構造が前記マンドレル表面を取り囲むリングを備え、前記装置が、
ツールの回転軸が水平となるようにツールを保持し、かつツールの水平方向の回転を与える心受台と、
リング架台とをさらに備え、
前記リング架台が前記リングを垂直向きに支持し、
前記リング架台がツールの回転軸の方向に沿って移動して、マンドレル表面に対する前記複数の材料搬送ヘッドの同時の前記軸方向並進を提供し、
前記複数の材料搬送ヘッドの少なくとも１つがテープ敷設搬送ヘッドであり、
前記アーム機構が、前記リングの内側側面に取り付けられており、
前記複数の材料搬送ヘッドが少なくとも７００ｌｂｓ／ｈｒの複合材料を敷設することができる、装置。
回転軸を有するツールのマンドレル表面上の自動化された複合材料の積層のための装置であって、
ツールがそれに対して移動可能かつ回転可能である機械的支持構造と、
前記機械的支持構造によって支持され、かつツールの周囲に配置される複数の材料搬送ヘッドとを備え、
前記機械的支持構造がマンドレル表面に対して前記複数の材料搬送ヘッドの同時の軸方向並進を与え、
前記機械的支持構造に対する前記複数の材料搬送ヘッドの少なくとも１つの位置が個別に調整可能であり、
前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドを前記機械的支持構造に接続するアーム機構をさらに備え、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対して垂直な方向に、マンドレル表面に対する前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの運動をもたらし、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対して垂直な軸を中心とする、マンドレル表面に対する前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの回転をもたらし、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対して周方向の、前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの周方向位置調整をもたらし、
前記アーム機構が、マンドレル表面に対する、前記少なくとも１つの材料搬送ヘッドの軸方向位置調整をもたらし、
水平回転台および少なくとも１つのクリールシステムをさらに備え、
前記水平回転台が、ツールの回転軸が垂直となるようにツールを支持し、かつツールの回転軸を中心にツールを回転させ、
前記機械的支持構造が、水平に配向されかつ前記マンドレル表面を取囲むリングを備え、
前記リングが、前記リングの垂直移動をもたらす少なくとも１つの垂直支持柱に接続され、
前記少なくとも１つのクリールシステムが前記リング上に取り付けられ、
前記クリールシステムが前記複数の材料搬送ヘッドの少なくとも１つに材料を供給し、
前記複数の材料搬送ヘッドの前記少なくとも１つが繊維配置ヘッドであり、
前記アーム機構が、前記リングの内側側面に取り付けられており、
前記複数の材料搬送ヘッドが少なくとも３００ｌｂｓ／ｈｒの複合材料を敷設することができる、装置。
前記複数の材料搬送ヘッドの各々が、前記複数の材料搬送ヘッドと協働して、かつツールのマンドレル表面の回転と協働して個別に制御可能である、請求項１または２に記載の装置。