JP5628214B2 - 輪郭成形複合構造物を製造する方法 - Google Patents

Description

本発明は概して、複合構造物を製作する技術に関し、さらに具体的には、単向性の予め含浸させた複合テープと自動テープ配置装置を使用して、高度に輪郭成形された非デカルト座標複合構造物を製造する方法に関するものである。

高い強度を持ち、軽量である、高度に輪郭成形されたマルチレッグ構造物は、例えば航空宇宙機等の様々な用途に使用することができる。例えば、航空宇宙フレーム、スパー、リブ、ストリンガー、及び同様の構造物は多数のレッグを有し、このレッグは構造物の長さに沿って輪郭成形されている。複合材料から上記の高度に輪郭成形された構造物を製作することは難しく、したがって、大きな労働力を要するばかりか高生産量の用途に好適でない可能性がある、ハンドレイアップ技術に主に制限される。自動繊維配置（ＡＦＰ）機械を使用して、ある形の複合構造物を製造することが可能であるが、これらの機械は半径の狭い高度に輪郭成形されたマルチレッグ構造物を製造するのに効率的でない可能性がある。その理由は一つには、これらの構造物の構造的特徴がより複雑なため、機械が比較的頻繁に開始及び停止するだけでなく、方向を変える必要があり得るためである。さらに、特定の構造物の形状、例えばＺ又はＪ断面を含む構造物の形状は、これらの構造物の内側の隅に材料を積むことができない可能性があるため、ＡＦＰ機械を使用して製作することができない。

したがって、大量生産環境における高性能仕様に則したマルチレッグ機能を含む、輪郭成形された、特に高度に輪郭成形された連続的な複合構造物を製作する方法が必要である。

本発明の実施形態は、例えばプリプレグ繊維テープ等の単向性の複合材料を使用して高度に輪郭成形された連続的な複合構造物を製作する方法を提供する。本方法により、ゆがみが少なく、樹脂／繊維含有量が一貫しており、表面の滑らかな、ほぼ無制限に配向した層が提供され得る。結果的に得られる複合構造物は軽量であり、正確な機能配置により航空機の組立工程における取付けが非常にしやすくなる。本発明の方法を用いて、航空機及び他のビークルのシャータイ、ストリンガー、フレーム、スパー及びリブを非限定的に含む多様な構造物を製作することができる。

例えばフレーム、スパー、リブ及びストリンガー等の高度に輪郭成形されたマルチレッグ複合構造物の製作中に繊維の極性配向を維持するような方法で一定幅のテープセグメントを配置し、位置合わせした連続的な輪郭成形された複合構造物を製作することができる。本方法は、自動繊維テープ配置装置を使用して機械のヘッドの動きを最小限に抑えながら、テープセグメントを素早く位置合わせし配置することによって実行することができる。単向性のプリプレグテープを使用し、繊維を歪みなく非常に正確に配置することによって、他の方法を使用して製作された構造物と比較して重量の軽い構造物を得ることができる。

ある開示の実施形態によれば、輪郭成形された複合構造物を製作する方法が提供されている。本方法は、複合チャージを積層することを含み、複合チャージには単向性の繊維の少なくとも一つの層、実質的に一定の幅を有するプリプレグ層セグメントが含まれる。層セグメントは隣り合わせに重なった状態で配置され、層セグメントの長手方向の中央線は、構造物の輪郭線に対して極性配向に位置合わせされる。複合チャージは構造物の形状に実質的に成形され、成形チャージはその後硬化される。層セグメントは、層セグメント間の重なり量が実質的に一定に保たれるように配置される。層セグメントは複合テープの長さをカットすることによって形成することができる。

別の開示の実施形態によれば、自動制御されたテープ配置ヘッドを使用して複合チャージを製造することを含む、輪郭成形された複合構造物を製作する方法が提供される。ヘッドを使用して基板上に複数の実質的に一定幅のプリプレグテープセグメントをそれぞれ隣り合わせに重なった状態で配置する。またヘッドを使用して、テープセグメントを構造物の輪郭線に対して極性配向に位置合わせも行う。チャージを実質的に構造物の形状に成形した後で硬化させる。層セグメントは、ヘッドを基板を横切るように動かすことによって配置し、複合テープの長さをカットしてセグメントを作製し、その後ヘッドで基板上に配置する。

さらなる実施形態によれば、輪郭成形された複合フレーム部分を形成する方法が提供されている。本方法は、繊維強化されたプリプレグ層の平坦なスタックを形成することを含み、これには実質的に一定幅の複合繊維テープセグメントを個々に隣り合わせに重なった状態で、構造物の輪郭線に対して極性配向に配置することが含まれる。本方法は、フレーム部分の第１及び第２レッグを形成し、形成されたスタックを圧縮して硬化させることを含むことができる。

開示の実施形態により、高度に輪郭成形された複合構造物、特に複数のレッグを有し、大量生産環境において自動テープ配置機械との使用に好適な複合構造物を製作する方法の必要が満たされる。

１０．輪郭成形された複合構造物を製作する方法であって：
自動制御されたテープ配置ヘッドを使用して複合チャージを製造し、これには、ヘッドを使用して複数の実質的に一定幅のプリプレグテープセグメントをそれぞれ、隣り合わせに重なりあった状態で基板上に配置して、テープセグメントを構造物の輪郭線に対して極性配向に位置合わせすることが含まれ；
チャージを実質的に構造物の形状に成形し；
成形されたチャージを硬化させる
ことを含む方法。

１１．ヘッドを使用して層セグメントを配置することが、ヘッドを基板を横切るように動かして、複合テープの長さをカットしてセグメントを作製することを含む、請求項１０に記載の方法。

１２．テープの長さをカットすることが、構造物の輪郭線におおむね一致する角度においてテープの長さをカットすることを含む、請求項１１に記載の方法。

１３．ヘッドを使用してテープセグメントを位置合わせすることが、テープセグメントの長手方向の中央線を極座標系の動径座標に沿って位置合わせすることを含む、請求項１０に記載の方法。

１４．ヘッドを使用してテープセグメントを配置することが、ヘッドを使用して、テープセグメントが配置されている時にテープセグメント間の重なり量を実質的に一定に保つことを含む、請求項１０に記載の方法。

１５．テープセグメントの極性配向に起因して、隣接したテープセグメント間に間隙ができ、ヘッドを使用してテープセグメントを配置することが、実質的に間隙を最小限に抑えることを含む、請求項１０に記載の方法。

１６．テープセグメントの縁部をトリミングして、構造物の輪郭線におおむね一致させることをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

１７．請求項１０の方法によって製作された輪郭成形された複合構造物。

１８．輪郭成形された複合フレーム部分を成形する方法であって：
繊維強化されたプリプレグ層の平坦なスタックを形成し、これには実質的に一定幅の複合繊維テープセグメントを個々に、隣り合わせに重なった状態に、構造物の輪郭線に対して極性配向に配置することが含まれ；
フレーム部分の第１レッグを形成し；
形成されたスタックを圧縮し硬化させる
ことを含む方法。

１９．フレーム部の第１レッグを形成することが、スタックの第１縁部に沿ってスタックを曲げることによって行われる、請求項１８に記載の方法。

２０．スタックの第２縁部に沿ってスタックを曲げることによりフレーム部の第２レッグを形成することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。

２１．テープセグメントを個々に配置することが、構造物の輪郭線とおおむね一致するテープセグメントの端部をトリミングすることを含む、請求項１８に記載の方法。

２２．繊維セグメントを個々に配置することが、自動制御テープ配置ヘッドを使用することによって行われ、
ヘッドを使用してテープセグメントを個々に配置することが、極座標系の動径座標に沿ってテープセグメントの長手方向の中央線を位置合わせすることを含む、
請求項１８に記載の方法。

２３．テープを使用してテープセグメントを個々に配置することが、テープセグメントが配置されている時にテープセグメント間の重なり量をほぼ一定に維持することを含む、請求項１８に記載の方法。

２４．請求項１０に記載の方法によって形成されたビークルの複合フレーム部。

２５．航空機のマルチレッグ曲線複合フレーム部を製作する方法であって：
自動繊維テープ配置機械を使用して、複合層の平坦なスタックを形成し、これには、一定幅の単向性繊維プリプレグテープのセグメントを、スタックの長さに沿って隣り合わせに重なった状態に自動的に配置することによって少なくとも特定の層を形成することが含まれ、ここではテープセグメントの長手方向の中央線がフレーム部の湾曲を画定する極座標系の動径座標におおむね位置合わせされ、また、プリプレグ単向性テープをスタックの長さに沿って自動的に配置することによって他の層を形成する
ことによってフレーム部を形成し、
平坦なスタックの第１縁部に沿って平坦なスタックに間隔を置いたカットアウトを形成し、
ドレープ成形を使用してツール上で平坦なスタックの第２縁部を曲げて、フレーム部の第１レッグを形成し、
高温ドレープ成形を使用してツール上で平坦なスタックの第１縁部を曲げて、フレーム部の第２レッグを形成し、
ツール上にフレーム部を配置し、
フレーム部とツールを真空バッグ処理し、
フレーム部を圧縮して硬化させる
ことを含む方法。

開示の実施形態の他の機構、利点及び長所は、添付の図面及び添付の請求項に従って下記の実施形態の説明を読むときに明らかとなる。

図１は航空機の機体のバレル部分の斜視図である。 図２は図１に示す機体で使用する高度に輪郭成形された複合フレーム部の斜視図である。 図３は図１の線３−３に沿って切り取った断面図である。 図４は図２に示すフレーム部の層の作成を示す断面図である。 図５は図２に示すフレーム部の製作に使用する平坦な層のスタックの斜視図である。 図６は層のスタックを配置するのに使用するＡＦＰロボット機械の斜視図である。 図７は図６に示すロボット上のエンドディフェクタとして使用するＡＦＰ機械の斜視図である。 図８は図２のフレーム部の層の配向を画定するのに使用する、極座標系及びデカルト座標系を示す図である。 図９は０度に配向する繊維を含有する層の平面図である。 図１０は４５度及び９０度に配向する繊維をそれぞれ含有する層を示す図であり、トウ及びテープウェッジの使用を示している。 図１１は層の平坦なスタックの斜視図である。 図１２は図１１と同様の斜視図であるが、層のスタックの一つの縁部に沿って形成されているカットアウトを示す図である。 図１３はフレーム部の内側翼弦をドレープ成形するのに使用するドレープ成形装置を示す断面図である。 図１４は図１３のドレープ成形装置の一部を含む成形マンドレルに位置づけされた平坦な層のスタックの斜視図である。 図１５は図１４と同様の図であるが、成形マンドレル周囲に完全に形成された内側翼弦を示す。 図１６は柔軟膜が開放位置に開かれているドレープ成形装置の斜視図である。 図１７は図１６と同様の図であるが、閉じられてツールアセンブリ周囲に覆いかぶさっている柔軟膜を示す。 図１８はフレーム部の外側翼弦をドレープ成形するための高温ドレープ成形装置の断面図である。 図１９は図１８に示す高温ドレープ成形装置の斜視図である。 図２０は図１８のドレープ成形ツールアセンブリの一部を含む成形／硬化マンドレルの斜視図であり、その上に位置づけされた部分的に形成されたフレーム部を図示している。 図２１は図２０と同様の図であるが、成形／硬化マンドレルの上に完全に形成された外側翼弦を示す。 図２２はフレーム部を硬化させるのに使用する成形／硬化マンドレルバッグアセンブリの断面図である。 図２３は連続的な、輪郭成形された複合構造物を製作する方法を示すフロー図である。 図２４は開示の実施形態に従って形成することができる連続的な複合構造物の断面形状の図である。 図２５は極座標系でのテープセグメントの位置合わせと関連させて、基板上に配置されているテープセグメントの平面図である。 図２６は図２５の「Ａ」で指定された領域の拡大図である。 図２７は端部カットの代替形態を示す単一のテープセグメントの平面図である。 図２８は自動テープ配置機械の斜視図である。 図２９は一定幅のテープセグメントを使用して輪郭成形された複合構造物を製作する方法のフロー図である。 図３０は航空機の製造及び保守方法のフロー図である。 図３１は航空機のブロック図である。

まず図１〜３を参照すると、バレル形状の機体部分３０は、フレーム構造物３２の上に形成され、フレーム構造物３２に固定された外板３４を含む。フレーム構造物３２は、複数の、長手方向に間隔を置いて配置されたバレルフレーム３２ａ及びバレルフレーム３２ａを貫通する長手方向に延びたストリンガー３２ｂを含む。各バレルフレーム３２ａは、例えば非限定的に、接合板（図示せず）及び留め具（図示せず）等の好適な任意の手段を使用して互いに接合された多数のフレーム部３６を含むことができる。ある応用形態ではしかしながら、半フレーム及び全フレーム部（図示せず）が可能であり得る。

図３で良くわかるように、フレーム部３６はおおむねＺ形状の断面を有することができ、おおまかなウェブ４２によって内側翼弦４０に接続される外側翼弦３８を含む。外側翼弦３８及び内側翼弦４０は、断面（図３）で見た場合、ウェブ４２に対して横方向に延びる「レッグ」を効果的に形成する。したがって本明細書で使用されるように、「レッグ」又は「複数のレッグ」という用語は、例えば非限定的にウェブ等の輪郭成形された構造物の他の機構に対して横方向に延びるキャップ又はフランジ等の一以上の構造的特徴を指すものである。図示した実施形態では、ウェブ４２は任意の強化パッド４４を含むことができる。外側翼弦３８は外板３４を接合する及び/又は固定することができるシャータイを形成する。外側翼弦３８とウェブ４２の一縁部は、複数の間隔を置いて配置された、小さい形状のカットアウト５３を含むことができ、このカットアウトの中をストリンガー３２ｂが延在する。後に説明するように、フレーム部３６は繊維強化合成樹脂、例えばカーボンファイバーエポキシ樹脂の積層された層から形成される。図４に示すように、フレーム部３６は完全層４６と部分層４８を含む層の積み重ねを含むことができ、完全層４６と部分層４８は最大限の構造性能を提供する一方で、後に説明する、効率的で且つ繰り返し可能な製作方法の使用を促進するように、配置され配向されている。

ここで図５〜７を参照すると、ＡＦＰ機械５８をロボット６０のエンドエフェクタとして使用して、繊維プリプレグテープの繊維トウ又はストリップを配置して平坦な層のスタック５０を形成することができる。ＡＦＰ機械５８は、トウカッター６８によって切断される前に、リボナイザー６６を通過して入ってくるプリプレグトウ６２を受け入れるクシ状部６４を含むことができる。カットされたトウ７２は、従属ローラ７０の下を通過し、従属ローラ７０によってトウ６２が基板（図示せず）、又は下部層（図示せず）上に適用され圧縮される。図５で良く分かるように、ＡＦＰ機械５８を使用して、繊維トウ６２又はテープを配置することができ、繊維トウ６２又はテープにおいて繊維はデカルト座標系４７の予め選択した角度に配向されている。図示した実施例では、層のスタック５０は０度に配向した繊維トウ５２、＋４５度に配向した繊維トウ５６及び−４５度に配向した繊維トウ５４を含む。図に示していないが、層スタック５０には９０度に配向した繊維トウが組み込まれている。

図８は、単向性の繊維トウ又はテープが層のスタック５０に配置されるデカルト座標系４７の配向と、フレーム部３６の輪郭線を画定する極座標系との関係をより良く示す。番号３７で指定されるフレーム部３６の輪郭線は、極３９から始まり、０度で表される基準座標に対して極角度θを形成する動径座標「ｒ」によって画定することができる。したがって、フレーム部３６によってそれぞれ輪郭成形された特徴は、角度θでの値「ｒ」（動径座標）によって画定することができる。ここで注記したいのは、図示したフレーム部３６は一定半径（曲率）を有し、ウェブ４２は一定のゲージ（厚さ）を有し、フレーム部３６の曲率、ウェブ４２のゲージ、内側翼弦４０のゲージ及び外側翼源３８のゲージはそれぞれ、フレーム部３６の長さに沿って可変であり得る。

図示した実施例では、層のスタック５０は多数の層５２でできており、多数の層５２では、単向性プリプレグ繊維は、動径座標「ｒ」に接して位置あわせされたデカルト座標系４７内に配向されている。後にさらに詳しく説明するが、図示した実施例では、０度、−４５度、＋４５度、及び＋９０度の繊維配向が用いられているが、特定の応用形態、及びフレーム部３６の形状等を含む様々な要因によって他の配向角度も可能である。

ここで、平坦な層のスタック５０の幾つかの層の繊維配向を示す図９〜１２に注目する。図９は、トウ又はテープストリップがＡＦＰ機械５８によって０度配向に配置され、フレーム部３６の全長に渡って延びた層５２を示す。本明細書で使用されるように、「テープ」は予め含浸させた単向性繊維を指し、「トウ」は長さに沿って切り込みが入れられた幅の狭い帯状のテープを含み、例えば非限定的に、幅は０．１２５、０．２５又は０．５インチであってよい。「コース」は、ＡＦＰ機械５８によって帯状に適用されたトウをさす。「ドロップ」は、ＡＦＰ機械５８が一又は複数のトウを中断することを指し、隣接したトウ又はテープとの間隔を含むことができる。カット／追加収束ゾーンは、同じ層内の異なる配向のコースにおいて、一つのコースが終わることを意味し、これにより間隙及び重なり合った領域ができる。

０度層５２は、ＡＦＰ機械５８を使用して、切り込みテープの配置を「誘導」することによって形成することができ、ここでは一致性とドロップオフにより層５２の幅が決まる。完全な層５２が図９に示されているが、部分層又はドロップオフのある層もまた可能である。後に外側翼弦、内側翼弦及びウェブとなる層５２の部分はそれぞれ、番号３８、４０及び４２で指定される。ここで注記すべきことは、ある応用形態では、外側翼弦４０を形成する層は、ＡＦＰ機械５８を使用して配置するのではなく、幅が予めカットされており且つ後に説明するツール上に配置された個別の帯状のトウ又はテープ層を使用して形成することができる。

０度以外の角度に配向したトウ又はテープを含む層は、それぞれテーパウェッジ形状を有するトウ／テープの隣り合ったグループ又はセグメント５５、７４で形成されている。セグメント５５、７４は側面を決める上向き角度とドロップ許容量を有するテープを使用して形成することができる。例えば、図１０は、各セグメント５５の繊維配向がおおむね＋４５度であるセグメント５５によって形成された層５４を示す。

図１１は、隣り合わせに配置されたセグメント７４によって形成された層７６を示し、ここでは各セグメント７４の繊維はおおむね９０度に配向し、フレーム部３６の輪郭線３７（図８）を画定する動径座標「ｒ」の角度にほぼ位置合わせされている。トウ７２が配置されてセグメント７４を形成するところでは、個々のトウは層７６の湾曲方向に角度をなしている。角度をなしたトウ７２は独立して互いに隣り合わせに配置されている。あるいは、セグメントは、ＡＦＰ機械５８又は類似の装置によって互いに隣り合わせの状態に配置された繊維テープのテーパウェッジ７５によって形成することができる。

ここで図１２を参照する。平坦な層のスタック５０が完全に配置された後で、層のスタック５０の一縁部５１に沿って小さなカットアウト５３を開けることができる。カットアウト５３は、例えば非限定的にＮＣ制御超音波カッター（図示せず）を使用して等、任意の様々な技術を使用して開けることができる。

図示した実施例では、カットアウト５３によりストリンガー３２ｂが通って延びる開口部が得られる（図１）。しかしながら他の応用形態では、重量を減らし、及び／又は続く製作工程において層に皺ができる可能性を低減するために同様のカットアウト５３を設けることが望ましくあり得る。

ここで、ドレープ成形工程を利用して内側翼弦４０を形成する様子を示す図１３〜１７に注目する。層のスタック５０は成形マンドレル８０の上部の平坦な表面８０ａに配置される。成形マンドレル８０は、図示した実施例では、上部の平坦な表面８０ａに対してほぼ９０度の角度を形成する湾曲した、又は輪郭成形された表面８０ｂを含む。外側翼弦４０を形成するのに使用可能な全ての０度層が輪郭成形された表面８０ｂの上に直接配置される。層のスタック５０の外側縁部５０ａは、湾曲した縁部８０ｂを通過して延び、層が配置される間、続いて図１３に示す位置に移動する積層シェルフ８６によって支持されることが可能である。成形マンドレル８０は真空バッグツール８４上に支持され、グラスファイバーブリーザ８２によって分離される。真空バッグ８８は層のスタック５０と成形マンドレル８０の上に配置される。ブリーザ９０及びＦＥＰの層９２（フッ素化エチレンプロピレン）をバッグ８８と層のスタック５０の間に配置することができる。バッグ８８はまた、内側表面上にチャネル（図示せず）を有することができ、この場合ブリーザ９０は必要ない。

層のスタック５０の縁部５０ａがツールの縁部８０ｂに覆いかぶさった状態で、バッグ８８を真空化して層のスタック５０に圧力をかけて、縁部５０ａが成形マンドレル８０の前面８０ｂに接触してほぼ平坦になり、成形マンドレル８０の前面８０ｂの輪郭線とほぼ同じになるまで、縁部５０ａを図１３の矢印９４の方向に下向きに曲げる。層のスタックの縁部５０ａはこのように、前部のツール面８０ｂの半径Ｒとほぼ同一の半径を有する内側翼弦４０に成形される。

上述した成形工程は、図１６及び１７に示すドレープ成形装置９６において実施することができる。バッグ８８は、例えば非限定的にシリコーンでできた気体不透過性膜を含むことができ、この気体不透過性膜は、レッグ１００に支持された真空テーブル９８に回転可能に取り付けられたフレーム１０２に装着されている。真空テーブル９８は、空気がテーブル９８を通って流れ込むことを可能にするポート又は貫通部（図示せず）を含む。成形マンドレル８０は層のスタック５０及び積層シェルフ８６とともに、真空テーブル９８に配置することができ、フレーム１０２はこの時真空テーブル９８に接触して閉じている。

図１７に示すように、真空システム（図示せず）を使用して、フレーム１０２及びテーブル９８によって形成された密閉空間の空気を排出させることができる。この空間の排出により、膜８８が成形マンドレル８０の上に引き下ろされ、これにより成形マンドレル８０の前面８０ｂの上で縁部５０ａが形成される。成形工程中は積層シェルフ８６が膜８８を部分的に支持し、これにより膜８８の縁５０ａにかかる力を制御し、方向づけする。

内側翼弦４０が完成したら、製作方法の次のステップは、外側翼弦３８が形成される図１８〜２１に示される。外側翼弦３８は、張力、高温ドレープ成形によって、例えば非限定的に図１９に示すドレープ成形装置１２４を使用して製作することができる。ドレープ成形装置１２４は、レッグ１３４によって支持される下部フレーム１２８に保持される加熱された真空テーブル１３０を含む。上部の回転可能なフレーム１２６は、例えばシリコーンを含むことができる気体不透過性膜１３２を含む。成形／硬化マンドレル１０６の形態のツール及び輪郭成形されたブロック１１２は、真空テーブル１３０に支持されており、フレーム１２６が閉じて下部フレーム１２８に接して密閉されている時に、膜１３２によってカバーされている。

図１８で良く分かるように、成形／硬化マンドレル１０６は層のスタック５０を支持する平坦な上部ツール面１０６ａを含む。成形／硬化マンドレル１０６の第２の平坦面１０６ｂはツール面１０６ａから上向きに延びており、内側翼弦４０と係合する。成形／硬化マンドレル１０６はさらに、ツール面１０６ａから下向きに延びており且つ外側翼弦３８を形成するのに使用する第３面１０６ｃを含む。

成形／硬化マンドレル１０６は、真空テーブル１３０上に支持される。グラスファイバー又は他の好適な材料からできた任意のブリーザ１１０を真空テーブル１３０と成形／硬化マンドレル１０６の間に配置することができる。輪郭成形された増圧器１２０を、半径１２２が内側翼弦４０に隣接して完全に維持されるように、層のスタック５０上に配置することができる。非限定的に、テフロン（登録商標）等の材料でできた層１１６及びブリーザ１１８を、増圧器及び層のスタック５０の間に配置することができる。ＦＥＰの追加層１２３を、成形／硬化マンドレルの縁部と層のスタック５０の間に配置することができる。ＦＥＰ層１２３はブロック１１２に覆いかぶさり、この組み合わせは、ドレープ成形工程中に、バッグ膜１３２が層のスタック５０の外側の縁部５０ｂに圧力を印加する角度を制御する働きをする。

外側翼弦３８は、成形／硬化マンドレル１０６の上に高温ドレープ成形することができ、その後にオーブン内部で、又は赤外線ランプ等の他の手段により予め選択した温度、例えば約１４０度（華氏）に加熱することができる。バッグ膜１３２を真空化して予め選択された時間保持する。張力が制御された高温ドレープ成形工程では、加熱によりマトリックス樹脂の粘度が低下するために繊維が層の中で滑動することができる。これにより繊維が必要に応じて、束になったり、広がったり、またはそうでなければ繊維自体で再配置を行うことが可能になる。スタック５０の張力を維持することにより、皺の形成が最小限に抑えられる。半径増圧器１２０は、外側翼弦３８が形成される間、内側翼弦の半径１２２（図３の４０ａ）を保持する。

図２０は、形成された内側翼弦４０がツール表面１０６ａに接して保持されている成形／硬化マンドレル１０６に位置づけされた、部分的に形成された層のスタック５０を示す。層のスタック５０の外側縁部５０ｂはツール表面１０６ｂの上でカンチレバーの構造になっている。図２１に示すように、膜１３２が成形／硬化マンドレル１０６の上に覆いかぶさると、膜１３２は、ブロック１１２によって部分的に制御される角度において外側縁部５０ｂに圧力をかける。層のスタック５０の縁部５０ｂは次に、ツール表面１０６ｃに接して完全に成形され、外側翼弦３８を形成するまで、矢印１１４の方向に下向きに曲がる。

フレーム部３６の内側及び外側翼弦３８、４０が形成されたら、その次にフレーム部３６を硬化させる必要があり、これに関連して図２２を注目する。形成されたフレーム部３６と成形／硬化マンドレル１０６を高温ドレープ成形装置１２４から取り外す。半径１４１を圧縮しやすくするために、コールプレート１３９を外側翼弦３８の上に配置することができる。同様に、増圧器１４２を半径１２２の圧縮を助けるために取り付けることができる。従来の真空バッグ１３８をフレーム部３６の上に配置して、密封材１４０で硬化マンドレル１３６に密封することができる。ブリーザ（図示せず）とＦＥＰの剥離層（図示せず）を成形／硬化マンドレル１０６及びバッグ１３８のあいだに配置することもできる。

ここで、輪郭成形された複合構造物を製造する方法で使用される全体的なステップを示す図２３に注目する。プリプレグ繊維トウ及び／又はテープを含む原材料をステップ１４４にて受け入れ、検査する。ステップ１４６においては、前述した成形マンドレル８０、及び成形／硬化マンドレル１０６を洗浄し、準備する。次にステップ１４８において外側のグラスファイバー層を成形マンドレル８０の上に配置することができる。

ステップ１５０において、スタック５０の様々な層の全てを一以上のＡＦＰ機械５８を使用して配置する。平坦な層のスタック５０が形成されたら、必要に応じてステップ１５２において小さなカットアウト５３を次に層のスタック５０に形成する。次に、ステップ１５４において層のスタック５０を成形マンドレル８０と積層シェルフ８６上に配置する。次にステップ１５６において、積層シェルフ８６を続く成形工程で使用する位置に移動する。ステップ１５８において、内側翼弦４０を上述したドレープ成形技術を使用して形成する。

ステップ１６０では、部分的に形成された層のスタック５０を成形／硬化マンドレル１０６に配置する。ステップ１６２では、外側翼弦３８を成形／硬化マンドレル１０６上で高温ドレープ成形する。次にステップ１６４において、形成されたフレーム部３６を硬化ツール１３６に移し、内側グラスファイバー層をフレームの上に配置する。次にステップ１６６において、コールプレート１３９と増圧器１４２を取り付け、その後でオートクレーブ硬化の準備としてアセンブリを真空バッグ処理する。ステップ１６８において、フレーム部３６をオートクレーブ（図示せず）において硬化させ、その次にステップ１７０において硬化された完成したフレーム部３６をデバッグ及びデフラッシュ処理する。フレーム部３６はステップ１７２において数値制御カッターを使用してトリミングすることができ、トリミングされたフレーム部３６は次に従来の非破壊検査技術を使用してステップ１７４において検査することができる。

開示の実施形態では、Ｚ形状の断面を有する、輪郭成形された複合構造物を製作する方法の使用を示したが、一以上のレッグが例えばウェブ等の構造的機構から外向きに延びた、他の様々な輪郭成形された構造物が可能である。例えば、図２４で示すように、開示の実施形態を用いて、例えば非限定的に、Ｃ形状１７６、Ｊ形状１７８、Ｌ形状１８０、Ｉ形状１８２、修正Ｊ形状１８４及びＵ形状１８６の一以上の形態等の他のレッグ構成又は断面形状を有する、輪郭成形された連続的な構造物を製作することができる。

ここで、ほぼ一定幅の単向性プリプレグ繊維テープでできた、重なり合った層セグメント１８８を使用して輪郭成形された層２０１を配置する別の方法を示す図２５及び２６に注目する。一定幅の層セグメント１８８を、標準幅の又は非標準幅のテープのスプール（図示せず）から引き出したテープからカットすることができる。図２５及び２６に示す実施例では、層セグメント１８８の形状はほぼ長方形であるが、層セグメント１８８は、幅が実質的に同じであれば、他の形状を有してもよい。層セグメント１８８を基板（図示せず）上に配置し、配置される輪郭成形された層２０１の輪郭成形された中央線１９２に沿って配置する。層セグメント１８８はそれぞれ、内側及び外側翼弦３８、４０を越えて半径方向に延びて延長部２００を形成し、この延長部は後にトリミングを行って、これにより層セグメント１８８によって形成された完全層２０１が構造物３６の輪郭とほぼ一致するようにする（図２）。

各層セグメント１８８は、動径座標「ｒ」が極座標系１９０の極３９から始まる配置工程中に位置合わせされる長手方向の中央線１９４を含む。各中央線１９４は、図２５において「０°」と示される基準線に対して角度θを形成する。極座標系１９０は構造物３６の一以上の輪郭線を画定するのに使用される（図２）。開示の実施形態によれば、一定幅のテープセグメント１８８を、重なり量が好ましくはほぼ一定に保たれるように、互いに重なり合った状態１９１に配置する。各層セグメント１８８が配置されるときに、事前に配置された隣接するセグメント１８８からわずかな角度１９３（図２６）をなして配向される。層セグメント１８８を重なり合った状態１９１に配置することにより、隣接した層セグメント１８８ａ、１８８ｂが内側翼弦３８近辺でパイ形状の重なり部分１９６と、外側翼弦４０に隣接してパイ形状の間隙１９８を形成することになる。重なり部分１９６と間隙１９８は、テープセグメント１８８の幅を変えることによって、特定の応用形態の構造要件を満たすように調節することができる。上述した一定幅のテープの積層方法により、小規模の高度に輪郭成形された複合構造物においてさえも、比較的早い速度で非ゼロ層を積層することが可能になる。

図２６から良く分かるように、重なり部分１９６は層２０１の中央線１９２からおおむね延びており、層２０１においては、重なり部分１９６の幅２０４は中央線１９２から距離が離れるにつれて徐々に広くなる。同様に、隣接する層セグメント１８８ａ、１８８ｂの間の間隙１９８の幅２０２は、中央線１９２からの距離が広がるにつれて大きくなる。開示の実施形態によれば、重なり部分１９６と間隙１９８はいずれも実質的に最小限に抑えられる。図１１に示す実施形態において使用される外周カットテープセグメント７４とは対照的に、単純な、一定幅の端部カット層セグメント１８８を使用することで、重なり部分１９６と間隙１９８が最小限に抑えられる所定の方法で層セグメント１８８を配置する（後に説明する）自動化装置の使用が促進される。

上述した一定幅の層セグメント１８８を重なり合わせて配置することにより、重なり部分１９６と間隙１９８によって画定されるほぼ均等に変位した切れ目を有する層２０１が出来上がる。

テープセグメント１８８のために選択される幅は応用形態によって様々である。狭いテープセグメント１８８を用いて、重なり部分１９６及び／又は間隙１９８を減らすことができる。同様に広いテープ幅を採用して積層速度を速めることができる。４５度層２０１の重なり部分１９６と間隙１９９は、層セグメント１８８を＋／−６０度の配向に変更することによって減らすことができる。

図２７を参照すると、各テープセグメント１８８の重なり合った端部２００をステップ２０６で角度Фにおいてカットすることができ、これにより内側翼弦３８と外側翼弦４０の外形がそれぞれ実質的に一致するようになる。セグメント１８８のカットされた端部２０６はしたがって、構造物３６(図２)の輪郭線にほぼ追随することができ、セグメント１８８がおおむね台形の形状を有するようになる。

開示の実施形態によれば、各層セグメント１８８は、極配向における中央線１９４（図２５及び２６）を構造物３６（図２）の輪郭線に対して位置合わせする、図２８に示す自動テープ配置装置２０８を使用して、基板（図示せず）上に配置することができる。図２８を参照すると、自動テープ配置装置２０８は、ツールであってよい、基板２１４の輪郭線に対して回転運動をするためのガントリー２１４上に取り付けられた回転可能なテープ配置ヘッド２１０、２１２を含む。各ヘッド２１０、２１２は、テープをある長さにカットし、テープのカットした長さを基板２１４上に配置するカット及び配置機構（図示せず）とともに、複合テープ（図示せず）の供給を含む。テープヘッド２１０、２１２及び／又は基板２１４は、テープヘッド２１０、２１２が基板２１４全体を横切って、通常ＣＮＣコントローラ（図示せず）の制御下において複合テープを自動的に配置するように、互いに相対的に移動する。好適な自動テープ配置機械２０８のさらなる詳細は、参照することによって本明細書に全体の内容が組み込まれる、２００６年１１月２１日発行の米国特許第７１３７１８２号明細書に開示されている。

ここで、一以上のレッグを有する輪郭成形された複合構造物を製作する方法の全体ステップを示す図２９に注目する。層２１は、ステップ２１８において開始する一連のステップ２１６において配置され、層セグメント１８８は一定幅の単向性繊維プリプレグテープを所望の長さにカットすることによって製造される。次にステップ２２０において、層セグメント１８８は、複合構造物の輪郭線を追随する隣り合わせの重なり合った状態で基板上に配置される。配置工程中、層セグメント１８８の長手方向の中央線１９４は、構造物の輪郭線に対して極配向に位置合わせされる。ステップ２２２では、隣接する層セグメント１８８ａ、１８８ｂ間の重なり部分１９６及び間隙１９８が制御される。通常、この制御は、図２８に示す種類の、自動テープ配置装置を使用している時は自動的に実行される。

ステップ２２４では、各完全層２０１、又は層２０１のスタックを次に、必要に応じて最終的な形状にトリミングすることができる。ステップ２２６では、完成した層のスタック５０(図８)を、一以上のレッグを形成することを含むことができる、本明細書に予め説明した技術を使用してある形状に成形することができる。最後にステップ２２８において、成形された層のスタック５０を圧縮し硬化させることができる。

本発明の実施形態は、様々な可能性のある用途、特に例えば航空宇宙、海洋、及び自動車用途を含む運送業において使用することができる。したがって、ここで図３０及び３１を参照すると、本発明の実施形態は図３０に示すような航空機の製造及び就航方法２３０及び図３１に示すような航空機２３２において、使用可能である。開示の実施形態の航空機への用途は例えば非限定的に、スティフナー、ビーム、及びストリンガー等の複合補強部材が挙げられるが、これはほんの一部にすぎない。試作段階においては、例示の方法２３０は、開示の輪郭成形された構造物が航空機２３２への使用に特定される、航空機２３２の仕様及び設計２３４と、材料調達２３６を含むことができる。製造段階においては、開示の方法を用いて様々な部品及びサブアセンブリが製作される、航空機２３２の部品及びサブアセンブリの製造２３８と、システム統合２４０がおこなわれる。そのあとに、航空機２３２は、認可及び納品２４２を経て就航２４４される。顧客によって就航されている間、航空機２３２には開示の輪郭成形された構造物の使用を含むことができる、所定の整備及び保守２４６（変更、再構成、改装も含むことができる）が予定される。

本方法２３０の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客等）によって行う又は実施することができる。この説明のために、システムインテグレータは限定しないが、任意の数の航空機メーカー、及び主要システムの下請け業者を含むことができ；第三者は限定しないが、任意の数の供給メーカー、下請け業者、及びサプライヤを含むことができ；オペレータは、航空会社、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。

図３１に示すように、例示の方法２３０で製造された航空機２３２は、複数のシステム２５０と内装２５２を有する機体２４８を備えることができる。高レベルシステム２５０の例は、一又は複数の推進システム２５４、電気システム２５６、油圧システム２５８、及び環境システム２６０が挙げられる。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙での実施例を示したが、本発明の原理は例えば海洋及び自動車産業等の他の産業分野に応用することが可能である。

本明細書に具現化されたシステム及び方法は、製造及び就航方法２３０の任意の一又は複数の段階において採用することができる。例えば、製造プロセス２０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機２３２が就航している間に製造される部品又はサブアセンブリと同じ方法で加工又は製造することができる。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせを、例えば、航空機２３２を実質的に組立てしやすくする、又は航空機２３２にかかる費用を削減することによって、製造段階２３８及び２４０において用いることが可能である。同様に、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、またはこれらの組み合わせを、航空機２３２が就航している間に、例えば限定しないが、整備及び保守２４６に用いることができる。

この開示の具体的な実施例はここで説明および記載されてきたが、上述したように、この開示の精神および範囲から逸脱することがなければ多くの変更がなされ得る。したがって、この開示の範囲は、上述した具体的な実施例の開示によって限定されるべきではない。そうではなく、この開示は特許請求の範囲への参照によって全体的に決定されるべきである。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
輪郭成形された複合構造物を製作する方法であって：
複合チャージを積層することであって、実質的に一定の幅を有する単向性の繊維プリプレグ層セグメントの少なくとも一つの層を積層することを含み、層セグメントを隣り合わせに重なり合った状態で配置することと、層セグメントの長手方向の中央線を構造物の輪郭線に対して極配向に位置合わせすることとを含むこと、
複合チャージを実質的に構造物の形状に成形すること、及び
成形したチャージを硬化させること
を含む方法。
（態様２）
層セグメントを隣り合わせの状態に配置することが、層セグメントが配置されている時に、層セグメント間の重なり量を実質的に一定に保つことを含む、態様１に記載の方法。
（態様３）
層を積層することが、ある長さの複合テープから層セグメントをカットすることを含む、態様１に記載の方法。
（態様４）
テープをカットすることが、ある長さのテープを構造物の輪郭線におおむね一致する角度でカットすることを含む、態様３に記載の方法。
（態様５）
層セグメントの極配向に起因して、隣接している層セグメント間に間隙ができ、層を積層することが、さらに、間隙を実質的に最小限に抑えることを含む、態様１に記載の方法。
（態様６）
構造物の輪郭線とおおむね一致するように、層セグメントの縁部をトリミングすることをさらに含む、態様１に記載の方法。
（態様７）
層セグメントを配置し、中央線を位置合わせすることが、自動制御されたテープ適用ヘッドによって実施される、態様１に記載の方法。
（態様８）
層を積層することが、ある長さの複合繊維テープからセグメントをカットすることによって層セグメントを製造することを含む、態様１に記載の方法。
（態様９）
態様１に記載の方法によって製作される輪郭成形された複合構造物。

Claims (12)

1. 輪郭成形された複合構造物を製作する方法であって：
   層スタック（５０）を形成するためにマトリックス樹脂を含む複合チャージを積層するステップであって、一定の幅を有する単向性の繊維プリプレグ層セグメント（１１８）の少なくとも一つの層を積層することを含み、層セグメントを隣り合わせに重なり合った状態で配置することと、層セグメント（１１８）の長手方向の中央線（１９４）を構造物の輪郭線に対して極配向に位置合わせすることとを含む積層ステップと、
   ドレープ成形プロセスを用いて複合チャージを構造物の形状に成形するステップであって、
   層スタックを成形マンドレル（８０）上に配置することと、
   複合チャージの層スタック内で繊維を加熱することと、
   マトリックス樹脂の粘度を低下させることと、
   層スタックの下で張力を維持することと、
   マトリックス樹脂の粘度を低下させた結果として、層スタック（５０）内で繊維を滑動させることと、
   束ねること、広げること、又は成形マンドレル（８０）上に繊維を再配置することを含む、繊維を再配置することと、
   を含む成形ステップと、
   成形したチャージを硬化させるステップと
   を含む方法であって、
   マンドレルが上部表面（８０ａ）と、半径（ｒ）を有する輪郭形成された表面（８０ｂ）とを有し、層スタック（５０）が、層スタックの外側縁部（５０ａ）が輪郭形成された表面（８０ｂ）を通過して延びるように配置され、且つ、前記成形ステップが、
   真空バッグ（８８）を層スタックと成形マンドレル（８０）の上に配置することと、
   真空バッグ（８８）内で真空を引き、それによって層スタック（５０）に圧力を加え、輪郭形成された表面（８０ｂ）に対して縁部（５０ａ）が平坦になるまで縁部（５０ａ）を湾曲させ、輪郭形成された表面の半径（ｒ）と同一の半径を有した構造物の形状に成形することと
   を含む、方法。
2. 前記成形ステップがさらに、
   積層シェルフ（８６）を提供することと、
   層スタック（５０）が成形マンドレル（８０）上に配置されたときに、層スタックの外側縁部（５０ａ）が積層シェルフ（８６）を有する輪郭形成された表面を通過して延びる場合、前記外側縁部を支持することと
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 積層シェルフ（８６）が移動した後、前記積層シェルフが真空バッグ（８８）を、その真空引きの間、部分的に支持する、請求項１又は２に記載の方法。
4. 成形済み構造体を、上部表面（１０６ａ）と、前記成形済み構造体を支持する第２表面（１０６ｂ）と、前記第２表面の反対端で前記上部表面から下向きに延びる第３表面（１０６ｃ）とを有する第２成形マンドレル（１０６）上に、層スタックの外側縁部（５０ｂ）が前記第３表面（１０６ｃ）を通過して延びるように配置するステップと、
   成形マンドレル（１０６）上に外側縁部（５０ｂ）を高温ドレープ成形して外側翼弦（３８）を形成するステップと
   を含む第２成形ステップをさらに含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）の層（１２３）が、成形マンドレル（１０６）の縁部と層スタック（５０）との間に配置され、層スタックの外側縁部（５０ａ）の端部から離間したブロック（１１２）上にドレープ成形される、請求項４に記載の方法。
6. 成形済み構造体の半径を維持するように、輪郭形成された増圧器（１２０）を層スタック（５０）上に配置するステップをさらに含む、請求項４又は５に記載の方法。
7. 層セグメントを隣り合わせの状態に配置することが、層セグメントが配置されている時に、層セグメント間の重なり量を一定に保つことを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 層を積層することが、ある長さの複合テープから層セグメントをカットすることを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. テープをカットすることが、ある長さのテープを構造物の輪郭線に一致する角度でカットすることを含む、請求項８に記載の方法。
10. 層セグメントの極配向に起因して、隣接している層セグメント間に間隙ができ、層を積層することが、さらに、間隙を最小限に抑えることを含む、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 構造物の輪郭線と一致するように、層セグメントの縁部をトリミングするステップをさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 層セグメントを配置し、中央線を位置合わせすることが、自動制御されたテープ適用ヘッドによって実施される、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法。

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