JP5615864B2 - エラストマの当て板を用いて、複合構成材を処理するための装置および方法 - Google Patents

Description

発明の分野
本開示は、複合構成材の処理に関し、より具体的には、エラストマの当て板を用いて複合構成材を処理するための装置および方法に関する。

発明の背景
複合部品は、その高い強度および軽量により様々な製造物品に利用されている。これは航空機の製造分野に特に当てはまる。複合構成材の製造に用いられる典型的な材料は、フェノール樹脂、エポキシ樹脂およびビスマレイミド樹脂などの樹脂に埋込まれているガラス繊維またはグラファイト繊維を含む。繊維材料および樹脂材料は、様々な異なる製造システムおよびプロセスを用いて所望の形状に形成され得、次に所望の構成材を生産するために（例えば高圧および高温条件下）硬化され得る。

複合構成材を形成するための、様々な先行技術の装置および方法が存在することが認識される。例えば、複合構成材を形成するための従来の装置および方法は、例えばパンコルボ（Ｐａｎｃｏｒｂｏ）らに発行された米国特許第６，５６５、６９０Ｂ１号、ホルシンガー（Ｈｏｌｓｉｎｇｅｒ）に発行された米国特許第６，２４５，２７５Ｂ１号、ユーニ（Ｙｏｕｎｉｅ）らに発行された米国特許第５，８１７，２６９号、バージェス（Ｂｕｒｇｅｓｓ）らに発行された米国特許第５，９０２，５３５号、ミード（Ｍｅａｄ）らに発行された米国特許第５，２９２，４７５号、ダブリンスキ（Ｄｕｂｌｉｎｓｋｉ）らに発行された米国特許第５，２８６，４３８号、レオニ（Ｌｅｏｎｉ）らに発行された米国特許第５，１５２，９４９号などに一般に開示された方法を含む。

米国特許第６，５６５、６９０号明細書 米国特許第６，２４５，２７５号明細書 米国特許第５，８１７，２６９号明細書 米国特許第５，９０２，５３５号明細書 米国特許第５，２９２，４７５号明細書 米国特許第５，２８６，４３８号明細書 米国特許第５，１５２，９４９号明細書

このような先行技術方法を用いて望ましい結果が達成されてきたが、改良の余地はある。例えば、複合構成材を形成するための先行技術のプロセスが、複合構成材の特にバッグ側表面および円弧に沿って、ファイバ変形およびしわの影響を受けやすいことが知られている。従来の製造プロセスのこれらの望ましくない人為的結果によって、このような複合構成材を修理し再加工するための製造コストが増加し得る。さらに、複合構成材の一様でない、または滑らかでない表面は、組立て中に複雑な詰め金をする必要があり得、それは製造コストをさらに増大し得る。したがって、これらの結果を少なくとも部分的に緩和するような複合構成材を処理するための装置および方法が有用である。

発明の概要
本発明は、エラストマの当て板を用いて、複合構成材を処理するための装置および方法に向けられる。本発明に従った装置および方法は、複合構成材のファイバ変形およびしわを有利に減じ、先行技術と比較して、このような複合構成材の再加工および修理に関連するコストを減じ得る。

１つの実施例では、複合構成材を処理する方法は、非平面部を有するレイアップ心棒を与えるステップと、レイアップ心棒の非平面部でプリプレグ材料を形成するステップとを含む。この方法は初期位置においてプリプレグ材料の上にエラストマの当て板を与えるステップをさらに含み、その結果エラストマの当て板の第１の部分がレイアップ心棒のプリ
プレグ材料に隣接し、第１の部分に隣接するエラストマの当て板の第２の部分がプリプレグ材料から間隔をおいて配置される。次に、エラストマの当て板とレイアップ心棒との間に配される非平面部に隣接する空間内で圧力が減じられる。空間での圧力の低減と同時にエラストマの当て板は第２の位置まで延伸され、その結果、エラストマの当て板の第２の部分は、プリプレグ材料およびレイアップ心棒の少なくとも１つの近傍に引寄せられる。この方法は、例えば材料を高温および高圧条件にさらすことによってプリプレグ材料を硬化するステップをさらに含んでもよい。

本発明の好ましい代替的実施例は、添付の図面を参照して詳細に下記に記載される。
本発明の実施例による動作の第１段階における、複合構成材を製造するための成形システムの端部断面図である。 動作の第２段階における図１の成形システムの端部断面図である。 動作の第３段階における図１の成形システムの端部断面図である。 動作の第４段階における図１の成形システムの端部断面図である。 本発明の代替的実施例による成形システムの第１の位置における等角図法である。 図５の成形システムの第２の位置における等角図法である。 本発明のさらに別の実施例によって形成された１つ以上の複合構成材を有する航空機の側面の立面図である。

発明の詳細な説明
本発明は、エラストマの当て板を用いて複合構成材を処理するための装置および方法に関する。本発明のある実施例の多くの具体的な詳細は、以下の説明および図１−図７において、このような実施例についての完全な理解を与えるよう記載される。しかしながら、当業者は、本発明が付加的な実施例を有し得ること、または本発明が以下の説明に記載される詳細のうちのいくつかがなくても実行され得ることを理解するであろう。

図１は、本発明の実施例に従って複合構成材１０２を製造するための成形システム１００の端部断面図である。この実施例では、成形システム１００は、ベース１０６に位置決めされたレイアップ心棒１０４を含む。動作の第１段階１２０では、硬化されていない（またはプリプレグの）複合構成材１０２がレイアップ心棒１０４上に形成され、複合構成材１０２の上に剥離フィルム１０８が位置決めされる。この実施例では、硬化されていない複合構成材１０２が心棒１０４の段状部分に形成される。可撓性エラストマの当て板１１０は、剥離フィルム１０８の上に位置決めされる。この実施例では、ブリーザ材料１１２の１対のストリップがエラストマの当て板１１０の外端部１１３に隣接して結合され、ベース１０６に対して係合される。代替的に、ブリーザ材料１１２が当て板１１０に取付けられている必要はなく、単に当て板１１０とベース１０６との間に位置決めされてもよい。さらなる実施例では、ブリーザ材料１１２は当て板１１０の上もしくは下に置かれてもよく、またはなくてもよい。

図１にさらに示されるように、エラストマの当て板１１０の第１の側部分１１４および第２の側部分１１６が、剥離フィルム１０８、複合構成材１０２、およびレイアップ心棒１０４から間隔を置くように、エラストマの当て板１１０が複合構成材１０２の上に位置決めされる。動作の第１段階１２０では、第１の側部分１１４および第２の側部分１１６は、レイアップ心棒１０４の上部とベース１０６との間でぴんと張っているかもしくは延伸されてもよく、または張ってもいず、延伸されていなくてもよい。エラストマの当て板１１０の上部１１８は剥離フィルム１０８に対して係合される。より十分に後述するように、１つ以上の取付け装置（示されない）がエラストマの当て板１１０の外端部１１３に対して位置決めされ、エラストマの当て板１１０は、第１の側部分１１４および第２の側部分１１６が上部１１８とベース１０６との間に橋渡しとなった状態でベース１０６に固定されてもよい。

エラストマの当て板１１０が様々な好適な材料から形成され得ることが認識される。例えば、エラストマの当て板１１０は、シリコーンゴム、ブチルゴム、ネオプレン、ヴァイトン（Ｖｉｔｏｎ）（登録商標）または他の好適なエラストマ材料でできていてもよい。１つの特定の実施例では、エラストマの当て板１１０は、テキサス州フォートワース（Ｆｏｒｔ Ｗｏｒｔｈ、Ｔｅｘａｓ）のラバー社（Ｒｕｂｂｅｒ Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｉｎｃ）によって製造され、ワシントン州オーバーン（Ａｕｂｕｒｎ，Ｗａｓｈｉｎｇｔｏｎ）のトールテクノロジ社（Ｔｏｒｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｉｎｃ）によって販売されて製品番号ＥＬ８０として市場で入手可能なシリコーンゴムからできていてもよい。シリコーンゴムから形成されたエラストマの当て板１１０は、例えば少なくとも０．０８０インチの厚さを含むいずれの好適な厚さであってもよい。１つの特定の実施例では、航空宇宙産業に伴う複合材料処理の適用例について、シリコーンゴムから形成されたエラストマの当て板１１０が、伸び、耐久性および温度抵抗を含む、材料特性の好適な組合せをもたらすことに注意される。しかしながら、他の複合材料処理の適用例については、他のエラストマ材料が好適または好ましいかもしれず、したがって本発明を上述の特定のエラストマ材料に限定されるとして見るべきでないことが認識される。

図２は、動作の第２段階１２２における図１の成形システム１００の端部断面図である。エラストマの当て板１１０の上にバッグフィルム１２４が位置決めされる。バッグフィルム１２４は、エラストマの当て板１１０の外縁部１１３を越えて外向きに延在し、真空封止テープ１２６によってベース１０６に取付けられる。バッグフィルム１２４は、真空が与えられたときに橋渡しとならないように十分な余分の材料を伴ってこの部分の上に緩く適合し、バッグフィルム１２４は、エラストマの当て板１１０、複合構成材１０２および心棒１０４の上に引き下ろされる。１つの特定の実施例では、バッグフィルム１２４はバッグ材料を追加した１つ以上のひだ１２８を含み、そのためバッグフィルム１２４はエラストマの当て板１１０の上に緩く適合する。

図３は、動作の第３段階１３０における図１の成形システム１００の端部断面図であって、真空引き（または減圧）がバッグフィルム１２４内に形成されている。図３に示されるように、真空引きが行われるにつれて、真空のバッグフィルム１２４の下側の圧力が減じられ、第１の側部分１１４および第２の側部分１１６は、複合構成材１０２（およびレイアップ心棒１０４）の方へ内向きに引寄せられる。エラストマの当て板１１０が内向きに引寄せられるにつれてエラストマの当て板１１０が延伸され、バッグフィルム１２４のひだ１２８は展開して拡張し始める。上述のように、ひだ１２８は成形システム１００の動作にとって重要ではなく、エラストマの当て板１１０の上に適切な量のバッグフィルム１２４を与えるための１つのやり方を示すにすぎないことが認識される。その結果、排気中に当て板１１０の上に十分な量のバッグフィルム１２４があり、そのためバッグフィルム１２４が橋渡しとなることなくすべての点に下りてくることができる。

図４は、動作の第４段階１３２における図１の成形システム１００の端部断面図である。この段階では、減圧によって、エラストマの当て板１１０はきつく引寄せられ、剥離フィルム１０８（図３）と係合される。より具体的には、エラストマの当て板１１０の外縁部１１３がベース１０６に固定されるので、エラストマの当て板１１０は、レイアップ心棒１０４、複合構成材１０２および剥離フィルム１０８の上にきつく延伸されている。エラストマの当て板１１０の少なくとも側部分１１４，１１６が（および恐らくは上部１１８も）延伸されているので、エラストマの当て板１１０は複合構成材１０２の上にちょうど適合する。この構成において、成形システム１００は、成形システム１００を例えばオートクレーブまたは他の適切な装置に配置してそれを高温および高圧条件にさらすことによって、その最終的な硬化された状態を達成することができるよう取扱われ、処理される。代替的に、複合構成材１０２は、例えば、マイクロ波または他の適切な波長放射への露出、硬化薬剤、助剤、またはガス、または他の任意の好適な硬化手段への露出を含む、他の方法で硬化されてもよい。

本発明に従った装置および方法は、先行技術に対して著しい利点を備え得る。例えば、エラストマの当て板１１０が減圧によってレイアップ心棒１０４および複合構成材１０２の上に引き下ろされるにつれてきつく延伸されるので、複合構成材１０２のファイバ変形およびしわが減じられるか、またはなくなる。これらの効果は特に複合構成材１０２の外側の「バッグ側」表面、特に円弧において顕著であり得る。このように、複合構成材１０
２の品質が向上し、複合構成材１０２の再加工および修理に関連するコストが著しく減じられ得る。

さらに、本発明の実施例は実質的な省力化および使い捨て材料の節約をももたらすことができる。例えば、従来の複合物処理では、特製の表面ブリーザがその部分の上に与えられ、空気を排出し、ナイロンのバッグのしわが複合構成材のバッグ側の表面に移るのを防ぐことを助ける。本発明による再使用可能なエラストマの当て板を用いることによってこのブリーザをなくすことができ、材料コストおよび労力を節約する。

本発明が、上述したまたは図１−図４に示された特定の実施例に限定的ではなく、本発明に従った様々な装置および方法が想定されてもよいことが認識される。例えば、代替的実施例では、剥離フィルム１０８をなくしてもよいことに注意され得る。同様に、ブリーザ材料または他の好適な真空ポートの代替的構成が考えられ、エラストマの当て板１１０内の圧力を減じることを可能にする。さらに、エラストマの当て板１１０は、図１に示される特定の実施例よりも少ない分量、もしくは多い分量だけベース１０６への橋渡しとなってもよく、または、示されるようにレイアップ心棒１０４の両側からではなく片側から橋渡しとなってもよい。

図５は、本発明の代替的実施例による、係合解除された位置２２０における成形システム２００の等角図法である。図６は、係合された位置２２２における図５の成形システム２００の等角図法である。この実施例では、硬化されていないか、または部分的に硬化された複合構成材２０２がベース２０６を有する細長いレイアップ心棒２０４に位置決めされ、剥離フィルム２０８が複合構成材２０２の上に位置決めされる（図５）。エラストマの当て板２１０は剥離フィルム２０８の上に位置決めされる。この実施例では、エラストマの当て板２１０は、ガス透過層２１３が配置された縁部２１１を含む。ガス透過層２１３は、エラストマの当て板２１０に配置された複数のブリーザポート２１５を通して周囲の大気と通じる。図５に最も良く示されるように、複数の第１の取付け部材２１７がエラストマの当て板２１０の縁部２１１に取付けられ、対応する複数の第２の取付け部材２１９がベース２０６に取付けられる。

より十分に上述したように、動作において、第１の取付け部材２１７および第２の取付け部材２１９がともに（例えばスナップで）結合され、その結果、エラストマの当て板２１０の第１の部分２１４（図６）がレイアップ心棒２０４から間隔を置くように配置される。エラストマの当て板２１０の第２の部分（示されない）は、レイアップ心棒２０４の反対側で、レイアップ心棒２０４とのベース２０６との間で同様に橋渡しとなってもよい（またはそうでなくてもよい）。後に、真空フィルム２１８がエラストマの当て板２１０の上に位置決めされ、例えば真空シールテープ１２６（図３）を用いてベース２０６に結合される。上述の態様で、真空フィルム２１８とベース２０６（およびレイアップ心棒２０４）との間の圧力が減じられ、その結果、エラストマの当て板２１０は複合構成材２０２に対して内向きに引寄せられるにつれて延伸され、複合構成材２０２にちょうど適合して係合する。このように、第１の取付け部材２１７および第２の取付け部材２１９を有する成形システム２１０を用いて、上記に言及された本発明による装置および方法の利点を達成することができる。取付け部材２１７、２１９は、例えばフックおよびループの締付紐（例えばベルクロ（Ｖｅｌｃｒｏ（登録商標）））、クランプ締め部材、または他の好適な取付装置を含む、様々な他の種類の取付け部材２１７，２１９と置換されてもよいことが認識される。代替的に、いくつかの実施例については、取付け部材がなくされてもよいことが決定される。取付装置がない実施例については、現在のところ、理論に縛られることなく、プロセスの排気段階において、エラストマの当て板とレイアップ心棒のベースとの間の圧力が減じられることにより、エラストマの当て板の外縁部が正しい場所に固定されるよう動作すると考えられる。

本発明の代替的な実施例に従って形成された複合構成材を含む、様々な装置が考えられてもよいことが認識される。本発明は、上記に記載され図１−図６に示される特定の実施例に限定されない。例えば、図７は、本発明の代替的実施例に従って１つ以上の複合構成材６０２が形成された航空機６００の側面の立面図である。一般に、本発明に従って形成された複合構成材を除いて、航空機６００の様々な構成材およびサブシステムは公知の構造であってもよく、簡潔さのために本願明細書には詳細には記載されない。

図７に示されるように、航空機６００は胴体６０５に結合された１つ以上の推進装置６０４、主翼アセンブリ６０６（または他の揚力面）、尾翼部アセンブリ６０８、着陸アセンブリ６１０、制御システム６１２（見えない）、および航空機６００の正しい動作を可能にする他のシステムおよびサブシステムのホストを含む。本発明に従った装置および方法は、例えば尾翼部アセンブリ６０８、主翼アセンブリ６０６、胴体６０５、および航空機６００の他のいかなる好適な部分の様々な構成材およびサブ構成材をも含む、航空機６００のいかなる数の複合構成材６０２の製作にも利用することができることが認識される。図７に示される航空機が、イリノイ州シカゴ（Ｃｈｉｃａｇｏ，Ｉｌｌｉｎｏｉｓ）のボーイング社（Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ）から商業的に入手可能な例えば７３７，７４７，７５７，７６７、７７７および７Ｅ７型機を含む、旅客機の一般的代表である一方、本願明細書で開示される発明的な装置および方法は、事実上いかなる他の型の航空機のアセンブリに使用することもできる。より具体的には、本発明の教示は、その本文が本願明細書に引用によって援用される、例えばブックセールス出版（Ｂｏｏｋ Ｓａｌｅｓ Ｐｕｂｏｌｉｓｈｅｒｓ）２００１年９月発行のエンゾ アンジェルッチ（Ｅｎｚｏ Ａｎｇｅｌｕｃｃｉ）による「軍用機百科図鑑」（Ｔｈｅ Ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ Ｅｎｃｙｃｌｏｐｅｄｉａ ｏｆ Ｍｉｌｉｔａｒｙ Ａｉｒｃｒａｆｔ）および英国サリー（Ｓｕｒｒｅｙ，Ｕｎｉｔｅｄ Ｋｉｎｇｄｏｍ）のコールズドンのジェインの情報グループ（Ｊａｎｅ’ｓ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｇｒｏｕｐ ｏｆ Ｃｏｕｌｓｄｏｎ）発行の「ジェインの世界の航空機（Ｊａｎｅ’ｓ Ａｌｌ ｔｈｅ Ｗｏｒｌｄ’ｓ Ａｉｒｃｒａｆｔ）」などに記載されるものを含む、他の旅客機、戦闘機、積荷航空機、回転式航空機、他の型の有人機または無人機の製造および組立てに適用することができる。

本発明に従った装置および方法の代替的実施例は、例えばボート、自動車、カヌー、サーフボード、レクリエーショナルビークルまたはいかなる他の好適な車もしくはアセンブリ用の様々な種類の複合構成材の製造にも利用することができる。本発明に従った装置および方法の実施例は、多くの複合構成材、特に非平面またはアーチ形の外面を有する構成材の製作に利用することができる。これは例えば、任意の型の非平面（すなわち雄または雌、凹面または凸面など）の表面を有するレイアップ心棒に形成される複合構成材を含んでもよい。いくつかの特定の実施例では、例えば、本開示の教示に従って作られた複合構成材は、航空機（例えば航空機の尾翼、主翼および床張り部材のリブまたは他の構造部材）に用いられるものを含むがそれに限定されない様々な複合構成材についての特に一般的な幾何学的形状である、「Ｃ−チャネル」断面形状を有してもよい。

上述のように、本発明の好ましい代替的な実施例が示され、記載された一方で、本発明の精神および範囲から逸脱することなく多くの変形を行うことができる。したがって、本発明の範囲は好ましい実施例の開示によって限定されるものではない。その代り、本発明は添付の請求項の参照によってのみ決定されるべきである。

Claims (8)

1. ベース上に設けられる心棒上でプリプレグを硬化する方法であって、
   心棒の上部、前記上部から前記ベース方向に延在する心棒の中間部、および前記中間部から遠ざかって延在する前記ベース面である下部を含む段状の非平面部を形成するように、ベース上に心棒を提供するステップ、
   前記エラストマの当て板を与えるステップより前に、前記心棒の段状部に前記プリプレグを形成するステップと,
   前記プリプレグの上に剥離フィルムを提供するステップと、
   前記剥離フィルムの上にエラストマの当て板を与えるステップであって、
   前記エラストマの当て板の上部（１１８）は前記プリプレグ上の前記剥離フィルムに隣接し、前記エラストマの当て板の側部分（１１４，１１６）は前記エラストマの当て板の上部から連続的に延びて前記剥離フィルムから間隔を置き、前記側部分から連続的に延びる前記エラストマの当て板の外端部（１１３）が前記ベースに取り付けられ、前記エラストマの当て板は、前記エラストマの当て板と前記プリプレグが前記剥離フィルムにそれぞれ接触部を有するようにプリプレグとの間に前記剥離フィルムが介在されている、ステップと、
   前記エラストマの当て板の上に真空バッグを提供するステップと、
   前記エラストマの当て板の上に前記真空バッグを引き下ろす間に前記プリプレグ上の剥離フィルムの上方で前記エラストマの当て板を延伸するステップであって、前記プリプレグ上で密着適合するように硬化中にファイバの変形及びしわが減じられるように延伸するステップと、を含む方法。
2. 前記エラストマの当て板が前記プリプレグの上に延伸された状態で、前記プリプレグの部分的に硬化された樹脂を完全に硬化するために高温または高圧の少なくとも１つを前記プリプレグに与えるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記側部分（１１４，１１６）に隣接した前記エラストマの当て板の外端部（１１３）が、前記心棒の前記下部と係合される、請求項１に記載の方法。
4. 前記エラストマの当て板の外端部（１１３）が前記心棒に対して固定位置に固定され、前記エラストマの当て板の前記外端部（１１３）が前記側部分（１１４，１１６）に隣接し、且つ前記プリプレグから離間している、請求項１に記載の方法。
5. 前記エラストマの当て板の外端部（１１３）を固定するステップが、スナップ、フック及びループファスナ、クランプ締め部材の少なくとも１つを用いた前記エラストマの当て板の固定を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記エラストマの当て板と前記心棒との間の空間内の圧力を減じるステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記エラストマの当て板の外端部（１１３）が前記剥離フィルム、前記心棒及び前記ベースの方向に引寄せられる請求項１に記載の方法。
8. 前記エラストマの当て板と前記心棒との間に配された空間内の圧力を減じるステップは、前記空間内の前記圧力を減じることにより、前記エラストマの当て板の外端部（１１３）を前記心棒に対して固定位置に固定するステップを含む、請求項６に記載の方法。

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