JP5607935B2 - 複合スパー - Google Patents

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Description

本発明は複合スパー（spar）に関する。より具体的には、本発明は例えばプロペラスパーまたは翼スパーなどの、様々な航空機に利用される厚さの変化する複合スパーに関するものである。
スパーは、様々な製品の不可欠な構成要素である。そのようなスパーは通常、それらの製品に支持を強化するために使用される耐力構造要素である。例えば翼スパーは、航空機に翼を固定するため及び翼によって発生する揚力を航空機の胴体へ伝達するために航空機に備え付けられている。
スパーは大抵、強固な基礎構造あるいは骨格構造として供給される金属物質を使用して形成されることが知られている。例えば、様々な金属スパーはプロペラブレード（参照文献１から参照文献５を参照）としてそこに形成された翼に構造支柱を提供するために使用されることが知られている。
しかしながら、スパーは現在、複合物質（例えばガラス及び／又は炭素などの様々な繊維の織物又は編組物質）を使用して製造されている。なぜなら、そのような複合物質（参照文献６から参照文献８を参照）は一般的に従来の金属スパーより更に軽く硬いからである。
それにもかかわらず、従来の複合物質のスパーは様々な用途に適してはいるが、例えば翼／プロペラスパーなどの変化する厚さの複雑な形状を形成する必要がある場合には理想的ではない。
従って、複合物質を使用して複雑なスパー形状を形成する需要に対応するために、様々な製造技術が導入されている。
例えば、プロペラ用のスパーを製造するとき、理想的な三次元形状のスパーに最も近似している階段状の縁を形成するために、切断されたシート布部材の形成部品を手によって敷き詰めるプライドロップ（ply-drop）技術が使用されることが知られている。そしてその階段状の縁を有するスパーは、完成したエアフォイル型プロペラを供給するために樹脂によって強化される前に、複合繊維物質により重ね編みされる。
上記の技術は高品質のプロペラを供給するが、そのような製造技術に関連する若干の不利な点も存在する。例えば、布／織物部材は高価であり、使用する前に品質検査を行わなければならない。またその技術は、複数層の階段状の縁を有するスパー部品にその層を正しく組み立てるには、作業者の技術と経験に大きく依存する。これは更に製造工程を減速し、また製品を比較的高価にする。
また、スパーを形成する個々の層が使用中に剥離しないことを保証するために、完成した翼の強さは、個々の形成部材の相互密着性にかかっている。更に、個々の層階段状の縁又はプライドロップ（ply-drop）は、完成したプロペラにおいて樹脂の塊が堆積する傾向がある空間を、複数層スパー及び上を覆う編組膜の間にもたらす場合がある。編組繊維のずれとともに、これらの樹脂の塊は次々に、構造内で亀裂が起こるストレスポイントを生成する可能性を結果的に引き起こすしわをプロペラ翼のスパーに形成する。
そのため、複合スパー、具体的には変化する厚さを有するスパーの改良された製造方法を提供することが望ましい。
米国特許出願第２００８−２０６０４８ 国際公開番号ＷＯ９９／６１３８５ 米国特許第６５０３６２５ 国際公開番号ＷＯ００／４１５２３ 特開２００２−２４０１５９
従来のスパーに関連し、またその製造方法を考慮した上述の難点が認識しながら、本発明の様々な観点及び実施例は考案されている。
本発明の第一観点によると、少なくとも一つの非一様厚複合スパー部材を製造する方法が提供されている。その方法は、可変厚さ成形繊維プレフォーム（可変厚さ成形繊維母材）を形成するために非円筒型マンドレル上に複数の繊維を編む方法と、少なくとも一つの非一様厚複合スパー部材を得るために成形された繊維プレフォームを平板化し切断する方法と、からなる。
本発明の第二観点によると、非一様厚複合スパー部材を製造するための装置が提供されている。その装置は、編み機と、可変位置シャトルと、非円筒型マンドレルと、からなる。可変位置シャトルは、スパープライ（spar ply）が非円筒型マンドレルの周囲に編まれるように、編み機に関連した非円筒型マンドレルの相対位置を変えることができる。
本発明のその他の観点によると、本発明の第二の観点に従った装置で使用される非円筒型マンドレルが提供されている。
本発明の様々な観点及び実施例は、プライドロップ技術を使用せずに変厚スパー部材を製造することを可能にする。それにより、費用と製造上の欠陥を減らしながら製造は敏速化される。
本発明の様々な観点及び実施例は、図を参照して説明される。
本発明の実施形態に従った非一様厚複合スパー部材を製造するための装置である。 図２Ａは、本発明の実施形態に従った可変厚さ成形繊維プレフォームであり、図２Ｂは、本発明の実施形態に従って形成された図２Ａの可変厚さ成形繊維プレフォームであり、図２Ｃは、本発明の実施形態に従った図２Ｂの形成により生成された非一様厚複合スパー部材および不要部分の切り落とし部材であるである。 本発明の実施形態に従って、少なくとも一つの非一様厚複合スパー部材を製造するための方法を示した図である。
図１は、本発明の実施形態に従って非一様厚複合スパー部材１５２を製造する装置１００を示す。その装置は、編み機１２０と、可変位置シャトル１４２と、非円筒型マンドレル１４０とを具備する。
非円筒型マンドレル１４０は、発泡体、アルミニウム、プラスチックなどから形成されてもよく、プロペラ翼を形成するためには、およそ１．３メートルの長さを有すればよい。スパーを製造する様々な実施形態において、径が次第に大きくされたマンドレルを複数本（例えば３本まで）が使用されてもよい。このスパー部材１５２の厚みは、例えば約１０ミリメートルから、約１５又は２０ミリメートルまで変動し、完成したスパー部材１５２は、例えば約１３００ミリメートル×２５０ミリメートル×９ミリメートルのサイズを有する。
一つの実施形態において、編み機１２０はHerzog Maschinenfabrik GmbH & Co. KG, Am Alexanderhaus 160, D-26127, Oldenburg, Germany（http://www.herzog-online.com）から入手可能なHerzog （登録商標）RF1/192-100編み機である。
編み機１２０は、複数のボビン１２４が搭載される回転ドラム１２２を含む。図１においては明瞭化のために、８つのボビン１２４のみが示されているが、実動段階では、多数のボビン（例えば１９２）が備えられている。作動中、回転ドラム１２２は、制御／ドライブ装置１３０によって、円筒方向軸１４４の周囲を回転するようにされる。その制御と駆動はコンピュータ制御システム（不図示）の制御の下の電動操作を含む。８つのボビン１２４は、夫々独立して、一つのキャリアから次のキャリアへと動きながら、この編組の表面をＳ字パターンを描きながら進む。
ボビン１２４は、様々な繊維１２６を搭載しており、これら繊維から最終的に非一様厚複合スパー部材１５２が編まれる。繊維１２６は、例えばガラス繊維、ｅ-ガラス、ケブラー（登録商標）、ボロン、Ｓ−ガラス、サーモプラスチック、炭素繊維などを含んでいてもよい。繊維１２６は、夫々が、複数の縒り糸からなってもよい。一つの実施形態において、ガラス繊維及び炭素繊維は、４：１の割合である。適当な炭素及びガラス繊維は、様々な製造元から商業的に入手可能である。
様々な実施形態において、繊維１２６は数千の個別のフィラメントで構成される繊維束として供給される。そのような個別のフィラメントは、ほぼ０．００５から０．０１０ミリメートル程度の径である。例えば、３ｋ、６ｋ、１２ｋ、２４ｋ(１Ｋは炭素繊維フィラメント１０００本)などの繊維束が使用される。他の実施形態において、繊維１２６は比較的平らで約３から５ミリメートルの幅を有する１２ｋＨＴＡタイプである。
繊維１２６は編ガイド１２８を通されて、一旦、非円筒型マンドレル１４０に巻き取られる。非円筒型マンドレル１４０はテーパー形状でよく、例えば、先端を切り取ったコーンのような形状、錐台などでもよい。非円筒型マンドレル１４０は、可変位置シャトル１４２の稼動中に、この非円筒型マンドレル１４０の編み機１２０に対する相対位置が軸１４４方向に沿って横方向に動くように、可変位置シャトル１４２に結合されている。非円筒型マンドレル１４０は、両端から曲がることなく支持されるように適当に軽く硬い物質からなる。
稼働中、回転ドラム１２２が回転するとともに、非円筒型マンドレル１４０は円筒軸１４４に沿う横方向に動き、繊維１２６はスパープライ１５０を形成するために、非円筒型マンドレル１４０の表面上に編まれる。この工程は、例えば非円筒型マンドレル１４０が逆方向に動いている最中に更に一つかそれ以上のスパープライを重ね編みすることにより繰り返されてもよい。
非円筒型マンドレルを円筒軸１４４に沿って例えば一定の速度で動かしつつ、繊維１２６を同じくある一定の速度で織り上げていくことにより、スパープライ１５０は、非円筒マンドレルの半径方向の寸法が軸方向１４４に沿って変化するが故に、その円筒軸１４４の長さ方向に従って変化する厚さを設けられることになる。従って、非一様厚のスパープライ１５０がプライドロップ技術又は他の類似の技術を使用することなく簡単に形成することができる。また、このような技術は、熟練技術を持つ作業者を必要とせずに、所望の非一様厚みを有するスパープライを容易に得ることを自動化することができるる。
スパープライは、最適なねじり強度を提供するためには、繊維１２６が、軸１４４に対して、+４５°、０°、−４５°の角度で堆積（編み上）する三軸織であってよい。例えば、完成した複合スパー部材１５２において負荷耐性構造を形成する目的で、炭素繊維を実質的に円筒軸１４４に対して互いに平行（即ち、軸１４４に対して０°）に配置して編み、続いて、同じく完成複合スパー部材１５２においてねじれ剛性を得る目的で、（例えば円筒軸１４４に対して+４５°及び−４５°の角度で）オフセットしたガラス繊維を交互に織り込んだものであってよい。様々な実施形態において、更に層の厚みを制御するために関連する繊維の編み角度を変化させることも可能である。
非一様厚複合スパー部材１５２を製造するための装置１００は、形成されたスパープライを平板化するための用具、例えば、ローラ、真空プレス装置、プレス機、など（図示せず）を含んでいてもよい。また、平板化したスパープライを切断するに先だって、平板化スパープライを安定させるために、樹脂を供給して硬化させる装置（図示せず）も備え付けられてもよい。さらに、スパープライを切断するためのカッター（図示せず）もまた備え付けられてよい。これらの要素は、非一様厚複合スパー部材１５２の実質的にオートメーション化された製造のために備え付けられる。
図２Ａは、本発明の実施形態に従った可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０を示す。可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０は図１に示されたタイプの装置１００を使用して製造される。
可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０は、円錐曲線の形状に形成されたスパープライから形成される。可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０は、第一端部１５３から第二端部１５１に向かって長手方向に直径が小さくなっている。スパープライの厚みは、第一端部１５３から第二端部１５１に向かって厚くなっている。そのような厚さは、具非一様厚複合スパー部材１５２の完成品に対する具体的且つ所望の必要性にしたがって、実際は直線であるか、または、その他の様々な所定の厚さ形状（例えば放射状線、斬近線、など）に一致するように形成されていてもよい。
スパープライは、３種類の繊維を編んだ三軸織パターンで形成されてもよい。例えば、縦繊維束は（例えば約±４５°、±６０°、±７５°またはそれらの組合せなどの角度で）相互に編まれた交差繊維束と共に、通常、第一端部１５３から第二端部１５１に伸びて供給されてもよい。スパー部材の完成品におけるねじれ性能はこのようにして組み込まれる。更に、本発明に従って相互に編まれた繊維を提供することにより、従来の散在した別の層みよるよりも、本発明が提供する、非一様厚複合スパー部材は、改良された内部負荷分散特性を備えている。
図２Ｂは、本発明の実施形態に従って形成された図２Ａの可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０である。可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０のスパープライは平板化される。
可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０は、付随的に、平板化される前に、例えばスティッチングやボンディングなどで固定または安定されてもよい。一つの実施形態において、スパープライは平板化され、その側面部１５４、１５６は樹脂を含ませ硬化することで、可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０を実質的に平板化状態で維持することが可能になる。結果的に二つの非一様厚複合スパー部材１５２を形成することとなる中央部は接着されていないので、この二つの相対するスパープライ要素は容易に分離することができる。代替的に、この中央部を、上記相対する二つのスパープライを一緒に縫い合わせることで、一時的に閉じることができる。
様々な実施形態において、繊維１２６はその表面にバインダー物質を備えていてもよい。一般的にそれは熱及び／又は圧力下において層を強固するために使用されてもよいエポキシ又はサーモプラスチックバインダー剤である。プレフォーム１５０はその後平板化され、そして徐々に加熱、冷却され切断される。あるいは、シート状のバインダー物質が手動で加えられる。その他には、プレフォームを切断する際適所に保つために真空を使用する。これは穴の開いたテーブル及び真空発生器を使用して行われてもよい。
一旦平板化された可変厚さ成形繊維プレフォーム１５０は、二本の切断線１５５および１５７に沿って切断される。例えば、ギロチンタイプカッター又はコンピュータ数値制御装置切断（CNC）が使用されてもよい。
図２Ｃは、本発明の実施形態に従った図２Ｂの形成により生成された非一様厚複合スパー部材および不要部分切落し部材である。不要切落し部は、２つの処理された側面部１５４および１５６からなり、例えば硬化樹脂が浸透されていてもよい。
非一様厚複合スパー部材１５２は、全体に連続的に分布している繊維によって隙間の無い織物として形成される。非一様厚複合スパー部材１５２の厚みは、第一端部１５３に向かって厚くなり、第二端部１５１に向かって薄くなる。
非一様厚複合スパー部材１５２は、例えばプロペラや翼などに使用されることが好ましい。これらのスパーは、スパーの長さ方向に応じた厚さの変化を持たせることによって、それが使用される際に発生する異なる負荷を相殺することを可能にするからである。例えば、第二端部１５１に向かって厚い部分は強化された強度及び／又は強固な接合が求められるプロペラの根元／胴体への内側接合の近くで使用されてもよい。
図３は、本発明の実施形態に従って、少なくとも一つの非一様厚複合スパー部材を製造するための方法を示した図である。
その方法は、可変厚さ成形繊維プレフォームを成形するために非円筒型マンドレルに複数の繊維を編むステップ（２０２）からなる。
編み上げた後のステップでは、成形された繊維プレフォームを平板化する（２０４）。付随的に、平板化されたプレフォームを固定する（２０６）。
本方法の最終段階では、少なくとも一つの非一様厚複合スパー部材を得るために、平板化され付随に固定された成形繊維プレフォームを切断するステップ（２０８）からなる。
以上、本発明の多様な観点及び実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、非一様厚複合スパー部材の様々な異なる実施形態が技術的範囲内において上記各実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。例えば、非円筒型マンドレルは、完成部材の一体部分を形成する成形したスポンジ核として、上から編まれて平板化された繊維がそのためマンドレルから取り除かれずに完成製品を生成するために提供されてもよい。
しかし、本発明は、添付の特許請求の範囲の請求項１乃至１３に記載された以外に、下記発明をも含み得るものである。例えば、
［請求項１４］ 実質的に添付の図により上記で説明される少なくとも一つの非一様厚複合スパー部材を製造する方法。
［請求項１５］ 実質的に添付の図により上記で説明される非一様厚複合スパー部材。
［請求項１６］ 実質的に添付の図により上記で説明される非一様厚複合スパー部材を組み込んだ製品。
［請求項１７］ 実質的に添付の図により上記で説明される非一様厚複合スパー部材を製造する装置。
［請求項１８］ 実質的に添付の図により上記で説明される非円筒型マンドレル。
尚、上述の明細書で言及した参考文献は以下の通りであって、その内容全体は参照文献として本明細書に取り込まれる。
参照文献
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8. WO 2008/087443 (Bateup)

Claims (7)

  1. 非一様厚の複合スパー部材を製造する方法であって、
    複数の繊維を非円筒型マンドレルに通して可変厚さ形状の繊維プレフォームを成形する編組工程と、
    前記成形された繊維プレフォームを平板化する工程と、
    平板化された前記成形された繊維プレフォームを切断して前記非一様厚複合スパー部材を得る工程と、
    を有することを特徴とする方法。
  2. 前記平板化された成形繊維プレフォームを切断する工程の前に、この成形繊維プレフォームを固定する工程を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
  3. 前記編組工程は、３種類の繊維を三軸織パターンに編む工程を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の方法。
  4. 前記編組工程は、前記繊維を４５°−０°−４５°の配列で編む工程を有することを特徴とする請求項３に記載の方法。
  5. 複数の層を１層の上に他層を重ねて連続的に編む工程を有することにより、前記可変厚さ成形繊維プレフォームの平均厚さを増加させることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載の方法。
  6. 請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の方法で製造される非一様厚複合スパー部材。
  7. 前記非一様厚複合スパー部材を組み込んだ製品は、プロペラ又は翼スパーである請求項６に記載の製品。
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