JP5801885B2 - 一体型補剛材を有する複合構造物およびその作製方法 - Google Patents

Description

本開示は、概して複合構造物に関し、より詳細には一体型補剛材を有する複合構造部材を扱い、そのような部材を作製するための方法に関する。

強度および／またはスチフネスの要件を満たすために、時として、航空宇宙産業において用いられるような複合構造物を強化する必要がある。これらの構造物は、構造物に補剛材を追加することにより強化してもよく、これにより、構造物に追加の強度および剛性を与えることができる。これまで、個々の補剛材は、限定はされないが個別の締結具の使用、結合、共結合および共硬化を含むいくつかの二次的組立てプロセスのうちのいずれかを用いて主要な構造部材に取り付けられてきた。これらプロセスの各々は、限定はされないが、組立てプロセスを完了するための追加の時間および労力、および／または、部品の共硬化に用いられるオートクレーブのような比較的高価な資本設備の必要性といった不都合があることがある。また、場合によっては、補剛材は、複数の部品を含むことがあり、このことにより、輸送手段の重量および／または部品数が不要に増加し、かつ／または、組立てプロセスの完了に要する時間および労力が増大することがある。

したがって、補剛材が構造部材に一体化されて、一体化構造物を形成する補剛複合構造物を作製する簡潔で費用効率の高い方法が必要である。また、費用のかかる資本設備の必要性を減じ、かつ、より高生産の環境における使用のために少なくとも部分的に自動化することができる、補剛複合構造物を作製する方法も必要である。

開示される実施形態によると、補剛複合構造物は、さまざまな三次元形状のうちのいずれかとなるように形作られるか、湾曲させられるか、または、模様をつけられることができるモジュール式補剛材を用いて製造してもよい。補剛材は、ほんのいくつかを挙げると、外板、パネル、ウェブまたはフランジといったさまざまな複合構造部材のうちのいずれかに一体化されてもよい。補剛材同士を相互接続して、複合部材に一体化される補剛材ネットワークを形成してもよい。いくつかの実施形態において、補剛複合構造物は、亀裂伝播および停止を制御するため、および、部材の切り欠きの周囲における部材領域を強化するための補剛材の特徴を組み込んでもよい。モジュール式補剛材は、真空補助樹脂注入プロセス中に別々の繊維強化材とプレフォームとを混注することにより、製造プロセス中に複合部材に一体化されてもよい。強化材とプレフォームとの混注および次に続く硬化により、モジュール式補剛材が構造部材内で一体形成された一体化複合構造物が得られる。

製造プロセスは、簡易化した工作機械を使用し、比較的高価な資本設備に対する必要性を回避できる。補剛材のモジュール式設計により、多くの用途において補剛材の費用効率が高くなる可能性があり、かつ、補剛材の形成およびレイアウトにおいて柔軟性が提供される可能性がある。例えば、平行および／またはテーパ型の接続されていない直線補剛材に限定される可能性のある従来の補剛材レイアウト設計とは対照的に、補剛材のトラス構造および格子レイアウトが使用されてもよい。補剛材のモジュール式性質はまた、一構造物におけるより多い数のより小型の補剛材の使用を可能とするかもしれず、このことにより、より少ない数のより大型の補剛材を用いる可能性のある従前の補剛構造物に対する性能上の利点を提供することができる。複合構造物における開示される補剛材の使用は、構造物の複数側面からの検査を要することがある従前の補剛機構と比較して、構造物の単一側面からの構造物の非破壊検査をより容易とする可能性がある。

開示される一実施形態によると、一体型補剛複合構造物が提供される。該構造物は、構造部材部分と、補剛材部分と、硬化ポリマー樹脂基体とを含む。構造部材部分は、基体内に保持されている第１繊維強化材を含む。補剛材部分は、構造部材部分を補剛するための基体内に保持されている第２繊維強化材を含む。補剛材部分は、外殻および内部コアを含む。構造部材部分は、パネル、外板、はり、フランジ、ウェブ、および、溝形材のうちの１つであってもよい。構造部分と補剛材部分とは、実質的に一致した曲率を有していてもよい。補剛材部分は、接続されたまたは非接続のレイアウトで配置されていてもよい。

別の実施形態によると、一体化補剛複合構造物を作製する方法が提供される。該方法は、構造物を補剛するための補剛材の大きさおよび地点と概ね一致する少なくとも１つの凹部を金型工具面に形成すること、ならびに、凹部内に繊維プレフォームを配置すること、を含む。該方法は、繊維プレフォームの上を覆うように金型工具上に構造部材繊維強化材を配置すること、および、金型工具上のこれらに熱硬化性樹脂を混注すること、をさらに含む。次いで、樹脂を注入した強化材およびプレフォームを硬化させる。

さらに別の実施形態によると、補剛複合パネルを作製する方法が提供される。該方法は、工具面において複数の補剛材繊維プレフォームを引っ込ませること、および、引っ込ませた補剛材プレフォームの上を覆い、かつ、これに接触するように工具面上にパネル繊維強化材を配置すること、を含む。工具上でパネル強化材とプレフォームとを真空バッグに入れ、熱硬化性樹脂を混注する。

開示される別の実施形態によると、補剛複合パネルを作製する方法が提供される。該方法は、金型工具面において複数の繊維強化材補剛材プレフォームを引っ込ませること、および、引っ込ませた補剛材プレフォームの上を覆い、かつ、これらに接触するように工具面上に繊維パネル強化材を配置すること、を含む。工具上で強化材およびプレフォームを真空バッグに入れ、バッグ内を真空引きする。強化材とプレフォームとに熱硬化性樹脂を混注し、次いで、硬化させる。

さらに別の実施形態によると、１つ以上の一体型補剛材を有する複合構造物を作製するための装置を提供する。該装置は、繊維強化材を配置可能な工具面を有する工具と、繊維プレフォームを受容し、かつ、繊維強化材に対して引っ込ませるための工具面内の少なくとも一本の溝と、を含む。

１． 硬化ポリマー樹脂基体と、
基体内に保持されている第１繊維強化材を含む構造部材部分と、
構造部材部分を補剛するための補剛材部分であって、基体内に保持されている第２繊維強化材を含み、外殻および内部コアを含む補剛材部分と、
を含む、一体型補剛複合構造物。
２． 基体が、第１部分および第２部分全体を通じて実質的に連続しており、かつ、均質である、１に記載の補剛複合構造物。
３． 構造部材部分が、
パネル、
外板、
はり、
フランジ、
ウェブ、および、
溝形材
のうちの１つである、１に記載の補剛複合構造物。
４． 各々が、基体内に保持されている第２繊維強化材を含む複数の補剛材部分であって、補剛材部分の各々が外殻および内部コアを含む、複数の補剛材部分
をさらに含む、１に記載の補剛複合構造物。
５． 複数の補剛材部分が、相互接続された格子状に配置されている、４に記載の補剛複合構造物。
６． 格子において補剛材部分同士を接続している複数のノード
をさらに含む、５に記載の補剛複合構造物。
７． ノードの各々が、
金属部材、
予め硬化されている複合部材、および、
樹脂基体内に保持されている第３繊維強化材
のうちの１つを含む、６に記載の補剛複合構造物。
８． 構造部材部分が、内部に開口を含み、かつ、
補剛材部分が、開口を実質的に取り囲んでいる、
１に記載の補剛複合構造物。
９． コアが、補剛材部分を通じて長手方向に延在している強化材繊維を含む、１に記載の補剛複合構造物。
１０． コアが、強化繊維が保持されている充填材を含み、かつ、
殻が、少なくとも一層の相互接続されている繊維を含む、
９に記載の補剛複合構造物。
１１． 構造部材部分が、湾曲しており、かつ、
補剛材部分が、構造部分の曲率に実質的に一致するような外形とされている、
１に記載の補剛複合構造物。
１２． 補剛材部分が、構造部材部分の上を覆い、かつ、これと一体形成されている側方へ延在するフランジを含む、
１に記載の補剛複合構造物。

１８． 金型工具面において複数の繊維強化材補剛材プレフォームを引っ込ませること、
引っ込ませた補剛材プレフォームの上を覆い、かつ、これらに接触するように工具面上に繊維パネル強化材を配置すること、
工具上のパネル強化材および補剛材プレフォームを真空バッグに入れること、
バッグ内を真空引きすること、
パネル強化材と補剛材プレフォームとに熱硬化性樹脂を混注すること、および、
樹脂を注入したパネル強化材および補剛材プレフォームを硬化させること
を含む、補剛複合パネルを作製する方法。
１９． 補剛材プレフォームの各々とパネル強化材との間に接着剤を配置すること
をさらに含む、１８に記載の方法。
２０． 補剛材プレフォームの内側に強化材を配置すること
をさらに含む、１８に記載の方法。
２１． 大気圧およびバッグを用いて、混注中に補剛材プレフォームをパネル強化材に対して圧縮すること
をさらに含む、１８に記載の方法。
２２． 補剛材プレフォーム同士を接続している工具面における接続ノードを引っ込ませること
をさらに含む、１８に記載の方法。
２３． 工具面において補剛材プレフォームを引っ込ませることが、工具面に溝を形成することを含む、１８に記載の方法。

２４． 繊維強化材を配置可能な工具面を有する工具と、
繊維プレフォームを受容し、かつ、繊維強化材に対して引っ込ませるための工具面内の少なくとも一本の溝と、
を含む、１つ以上の一体型補剛材を有する複合構造物を作製するための装置。
２５． 繊維強化材および繊維プレフォームが、実質的に乾燥しており、かつ、前記装置が、
繊維強化材と繊維プレフォームとに樹脂を混注するための手段
をさらに含む、２４に記載の装置。
２６． 混注手段が、
樹脂源と、
繊維強化材および繊維プレフォームの上方に真空チャンバを形成する真空バッグと、
真空チャンバ内を真空引きするため、ならびに、樹脂源から真空バッグを介して繊維強化材および繊維プレフォーム内へ樹脂を吸い込むための手段と、
を含む、２４に記載の装置。
２７． 工具面が、複数の繊維プレフォームを受容し、かつ、繊維強化材に対して引っ込ませるための複数の溝を内部に含み、かつ、
溝の少なくともいくつかが、補剛材の断面形状と実質的に一致する断面形状を有する、
２４に記載の装置。
２８． 溝の少なくともいくつかが、格子パターンを形成している、２７に記載の装置。
２９． 溝の少なくとも一本が、補剛材を接続するためのノード要素を受容するよう構成されている、２７に記載の装置。

３０． 金型工具面に複数の溝を形成することを含む、金型工具を製造すること、
コアの周囲に相互接続している強化繊維の層を巻き付けることにより殻を形成することを含む、管形状の繊維強化材補剛材プレフォームを作製すること、
自動化配置機械を用いて、工具面の溝内に補剛材プレフォームを自動的に配置すること、
繊維強化材ノードプレフォームを作製すること、
補剛材プレフォーム同士を相互接続する地点における工具面の溝内にノードプレフォームを配置すること、
繊維外板強化材を作製すること、
補剛材プレフォームの上を覆い、かつ、これらに接触するように工具面上に外板強化材を配置すること、
外板強化材の上方に当て板を配置すること、
外板強化材および補剛材プレフォームの上方に真空バッグを配置すること、
バッグを工具に封止することにより、外板強化材および補剛材プレフォームの上方に真空気密筐体を形成すること、
筐体を熱硬化性樹脂源に接続すること、
バッグから空気を排気することにより、筐体内に真空を生成すること、
筐体内の真空を用いて、源から筐体内へ樹脂を引き込むことにより、外板強化材と補剛材プレフォームとノードプレフォームとに実質的に同時に樹脂を注入すること、
バッグおよび大気圧を用いて、樹脂を注入した外板強化材と補剛材プレフォームとノードプレフォームとを圧縮すること、および、
樹脂を注入した外板強化材と補剛材プレフォームとノードプレフォームとを硬化させること
を含む、一体型補剛材を有する一体化複合航空機外板を作製する方法。

３１． 繊維強化材を保持するよう適合されている実質的に連続しており、かつ、均質な硬化ポリマー基体と、
基体内に保持されており、かつ、少なくとも１つの曲率を内部に含むパネル形状の第１繊維強化材と、
基体内に保持されており、かつ、交差する格子パターンに配置されている長尺の補剛材形状の複数の第２繊維強化材であって、第２繊維強化材の少なくともいくつかが、第１強化材における曲率と実質的に一致する曲率を含み、かつ、パネルの上を覆う基部キャップおよび側方フランジを有し、第２強化材の各々が、繊維の外殻および強化材が充填された内部コアを含む、複数の第２繊維強化材と、
基体内に保持されている接続ノード形状の複数の第３繊維強化材であって、格子パターンにおける交点で第２強化材同士を接続している第３繊維強化材と、
を含む、一体型補剛材を有する一体化複合航空機外板。

図１は、一体形成された補剛材を有する一体化複合パネルの斜視図を示している。 図２は、図１における２−２線断面図を示している。 図３は、図２において「Ａ」で示される部分に相当する補剛材の代替の形態の角部の断面図を示している。 図４は、補剛材の代替の形態を示す断面図を示している。 図５は、補剛材の代替の形態を示す断面図を示している。 図６は、補剛材の代替の形態を示す断面図を示している。 図７は、補剛材の代替の形態を示す断面図を示している。 図８は、補剛材の代替の形態を示す断面図を示している。 図９は、補剛材の代替の形態を示す断面図を示している。 図１０は、開示されている方法に係る補剛複合構造物の作製に用いられる組立てプロセスを示している。 図１１は、一体形成された補剛材を有する一体化複合構造物を作製するための、明確にするためにわずかに拡大した装置断面図を示している。 図１２は、補剛材レイアウトの種々の構造の１つを有する補剛複合構造物の平面図を示している。 図１３は、補剛材レイアウトの種々の構造の１つを有する補剛複合構造物の平面図を示している。 図１４は、補剛材レイアウトの種々の構造の１つを有する補剛複合構造物の平面図を示している。 図１５は、補剛材レイアウトの種々の構造の１つを有する補剛複合構造物の平面図を示している。 図１６は、補剛材レイアウトの種々の構造の１つを有する補剛複合構造物の平面図を示している。 図１７は、補剛材の一体形成されたネットワークを有する一体化された航空機外板の斜視図を示している。 図１８は、構造物の厚み変化に沿った一体補剛材を有する複合構造物の断面図を示している。 図１９は、一体形成された補剛材を有する航空機外板の湾曲した前縁の断面図を示している。 図２０は、一体形成された補剛材を有する湾曲したパネルの斜視図を示している。 図２１は、一体形成された補剛材を有するＣ字形構造部材の斜視図を示している。 図２２は、一体補剛材を有する複合構造物の作製方法の工程全体のフロー図を示している。 図２３は、航空機の製造および保守方法論のフロー図を示している。 図２４は、航空機のブロック図を示している。

まず図１を参照すると、一体化された複合構造物３０は、複数の一体形成された補剛材３４を有する構造部材３２を含み、該補剛材３４は、構造部材３２に追加の強度および剛性を与える可能性がある。示されている実施例において、構造部材３２は、実質的に平坦なパネル３２ａであり、補剛材３４は、パネル３２ａの一側面上で互いに実質的に平行に延在するよう配置されている。ここで時としてフランジ５２とも呼ばれる補剛材ランナウト５２は、パネル３２ａにおけるピーク応力の集中を低減するためにパネル３２ａと実質的に滑らかに一体化されている。後で取り上げるように、構造部材３２は、用途によって、限定はされないが溝形材、はり、ウェブ、フランジ、外板などを含む他の形状および幾何学的形状を有してもよい。

ここで図２を参照すると、補剛材３０の各々は、モジュラー式の設計であり、かつ、突合せ継手２９に沿ってパネル３２ａに接合された底部キャップ３５を有する外殻３６に取り囲まれた内部コア３８を含む。任意の接着剤層４０を用いて、突合せ継手２９における補剛材３４のパネル３２ａに対する接合を助けてもよい。後でより詳細に取り上げるように、殻３６は、組むか、編むか、または、布地として織られていてもよい（図２には示されていない）１層以上の樹脂注入複合部材繊維強化材６７（図１０）を含んでもよい。強化繊維は、炭素、ガラスもしくは多様なポリマーまたはその他適切な強化材を含んでいてもよい。本実施例において、殻３６は、連続しており、かつ、丸みのある頂部４３と、側方へ延在しているフランジ５２と半径部（radius sections）４７を介して一体接続されている側壁４５とを含む。フランジ５２は、底部キャップ３５の上に存在し、かつ、補剛材３４とパネル３２ａとの間の突合せ継手２９の面積を増大させる一方で、前述のように、パネル３２ａ上のピーク応力の集中の最小化を助ける殻３６とパネル３２ａとの間の滑らかな移行をも提供している。

内部コア３８は、用途によって、中空であってもよく、構造材料または非構造材料が部分的または完全に充填されていてもよい。図２に示されている実施例の場合、内部コア３８は、適切な一方向炭素繊維強化材３９が充填されている。図３は、モジュール式補剛材３４の代替の実施形態を示しており、ここで、殻３６は、樹脂基体中に保持されている複数層３６ａの組まれた繊維を含み、かつ、コア３８は、一方向テープ、トウまたは布地の形態であってもよい１層以上の繊維強化樹脂の層４１が充填されている。

上で述べたように、補剛材３４は、幾何学的形状および／または構成の詳細の非常に多くの変形例を有していてもよい。図４は、図２に示したものと類似の補剛材３４を示している。ただしここでは、限定はされないがＺ字形ピンのような厚み方向強化材４４を用いて、補剛材３４のパネル３２ａへの接合を助け、かつ、構造物３２を追加で強化する。Ｚ字形ピン４４は、パネル３２ａおよび補剛材３４の底部キャップ３５を介してコア３８内へ延在している。図４に示されている補剛材３４は、断面が概ね台形であるが、限定はされないが「Ｔ」、「Ｊ」、「Ｃ」、「Ｉ」、「Ｚ」字形または帽子形を含むその他の断面形状とすることも可能である。他の実施形態において、補剛材３４は、固体積層体（図示せず）または固体積層体表面板を有するコア（図示せず）を含んでいてもよい。

図５は、構造強化材３９またはその他の充填材が充填されていても、されていなくてもよい２つのコア部３８ａ、３８ｂとこれらを隔てる中空のコア部４８とにコア３８を分割する外殻４６を含む補剛材３４の別の変形例を示している。本実施例において、端部キャップ３５は、突合せ継手２９に沿ってパネル３２ａと直接接合されており、かつ、接着剤４２は、突合せ継手２９の外縁３３に沿って用いられている。

図６は、図２に示したものと類似の補剛材３４の別の変形例を示しているが、ここでは、コア３８が中空である。

図７に、強化材３９が充填されている内部コア３８と丸みがつけられた下側側壁縁３７とを有する補剛材３４のさらに別の変形例を示す。

図８は、補剛材３４の別の実施形態を示しており、ここで、基部キャップ３５と外殻３６とは、パネル３２ａと補剛材３４との間の突合せ継手２９の面積を増大させ、かつ、パネル３２ａ上のピーク応力の集中の最小化を助ける重なり合った側方に延在するフランジ５２を有する。

補剛材３４のさらに別の実施例を図９に示す。補剛材３４の本実施形態は、１層以上の追加の層５０が、外殻３６を覆っており、かつ、側方へ延在してフランジ５２を形成していることを除いて、図２に示した実施形態と同様である。層の覆い５０は、補剛材３４を強化するとともに、パネル３２ａと殻３６／フランジ５２との間の接触面積を増大させている一方で、フランジ５２は、パネル３２ａ上のピーク応力の集中の最小化を助ける補剛材ランナウト５２を形成している。

図２〜図９から、補剛材３４が、補剛材３４に強度および／またはスチフネスを追加し、かつ／または、補剛材３４とパネル３２ａとの間の継手２９の強度および／または損傷許容性を高めることのできる広範な幾何学的形状、特徴、コア充填材および強化材を有していてもよいことは理解可能である。また、補剛複合構造物３０が、構造部材部分３２と補剛材部分３４との両方を保持するよう機能する実質的に連続した均質なポリマー樹脂基体を含むことも前述の説明から理解可能である。構造物３０は、それぞれ基体材料により一体化されている構造部材部分３０および補剛材部分３２のおかげで一体化されている。

ここで、１つ以上の一体形成された補剛材３４（図１）を有する一体化された複合構造物３０を作製する方法のいくつかの基本工程を示す図１０に注目する。５４において示されているように、単純な一体工具５６は、複合構造物完成品３０のインナーモールドライン（ＩＭＬ）を規定する工具面５６ａを有する。工具面５６ａは、図１０に示されているように実質的に平坦であってもよく、または、構造物完成品３０のＩＭＬと一致する１つ以上の曲線または特徴を有していてもよい。構造物完成品３０に一体化されることとなる補剛材３４の幾何学的形状に対応する１本以上の溝５８が工具面５６ａに形成されている。溝５８の深さＤは、補剛材３４の高さＨに実質的に相当する（図１１参照）。工具面５６ａはまた、下でより詳細に取り上げるように、ノード連結器（図示せず）が配置されることにより、補剛材３４間のネットワーク状の相互接続を形成可能な追加の凹状溝（図示せず）を含んでいてもよい。

６２において示されているように、乾燥した、または、実質的に乾燥した繊維補剛材プレフォーム６５が、手作業で、または、自動化配置設備６０を用いて溝５８内に配置される。補剛材プレフォーム６５の形状および構成によっては、補剛材プレフォーム６５の部分同士を粘着付与剤または結合剤により留め付けて、プレフォーム６５を一体に保持するのを助けたり、樹脂が注入されるまでその形状を維持してもよい。樹脂注入および硬化前において、補剛材プレフォーム６５は、ひも状かつ長さ方向に連続していてもよく、これにより、巻いて収納し、必要に応じて小分けにして切断することができる。あるいは、プレフォーム６５は、堅く、かつ、必要とされる長さ、大きさおよび形状となるように実質的に形成されて、平らに収納されてもよく、または、連続な／柔軟なと不連続な／堅いとの間のいかなる種類であってもよい。自動化配置設備６０が用いられると、プレフォーム６５は、比較的高速に工具５６上に配置可能である。工具５６内の溝５８は予め位置決めされているので、複合部材３２に対する補剛材３４の地点および向きは、正確に制御することができる。言い換えると、工具面５６ａにおける溝５８の固定された位置により、互いに対して、および、繊維強化材６７に対してプレフォーム６５が自動的に位置合わせされる。プレフォーム６５は、樹脂がまだ注入されていないので、比較的柔軟であることを除いて、前に説明した補剛材３４と実質的に同一である。

溝５８は、プレフォーム６５の断面形状と実質的に一致した断面形状（図示せず）を有していてもよく、その結果、溝５８内に配置されると、プレフォーム６５は、溝５８を実質的に完全に充填し、実質的に滑らかなＩＭＬ形状を生じる。柔軟なプレフォーム６５は、溝５８の断面形状および（存在すれば）曲率と容易に合致する。不連続な／堅いプレフォームは、溝の断面形状および（存在すれば）曲率と少なくとも実質的に一致するよう予め形成されてもよい。溝５８は、プレフォーム６５の頂部が工具面５６ａと概ね面一となるように、繊維強化材６７に対して工具５６内の補剛材プレフォーム６５を本質的に引っ込ませる。任意選択として、図２に示したように補剛材キャップ３５を突合せ継手２９に沿って複合部材３２に接着することが望まれる用途においては、補剛材プレフォーム６５を覆うように溝５８内にフィルム接着剤（図示せず）を配置してもよい。

次に、６４において示されているように、乾燥した、または、実質的に乾燥した複合部材繊維強化材６７を、補剛材プレフォーム６５および工具面５６ａの上を覆い、かつ、これらに接触するように工具面５６ａ上に配置する。複合部材繊維強化材６７および繊維プレフォーム６５は、結合剤（図示せず）により粘着力を高めてもよい。複合部材繊維強化材６７は、例えば限定はされないが、工具面５６ａ上に一層ずつレイアップされるか、または、工具面５６ａ上に積層された後、単一の予め組み立てられたレイアップとして配置される複数層の織物または編地を含んでもよいプレフォームを含んでいてもよい。示されている実施例において、複合部材繊維強化材６７は、実質的に平坦であるが、他の実施形態では、複合部材繊維強化材６７は、複合部材繊維強化材６７が工具面５６ａ上に配置される前に形作られたプレフォームとすることも可能である。６６において、当て板６８を複合部材繊維部材強化材６７の上方に配置する。当て板６８は、補剛材３４に隣接したＯＭＬ（アウターモールドライン）表面仕上げおよび外板区切りの制御を助ける。次いで、７０において、例えば限定はされないが、真空補助樹脂注入成型（ＶＡＲＩＭ）を含むさまざまなよく知られた樹脂注入技法のうちのいずれかを用いて、プレフォーム６５と複合部材繊維強化材６７とに適切な熱硬化性樹脂を混注する。下で取り上げるように、プレフォーム６５と繊維強化材６７とは、樹脂注入前に圧縮および固化してもよい。次いで、注入されたプレフォーム６５および複合部材繊維強化材６７を炉７２のような何らかの適切な手段により熱を印加して硬化させる。

ここで、図１０に関連して前に取り上げた方法工程を行うために用いてもよいＶＡＲＩＭレイアップアセンブリ８０の追加の詳細を示す図１１に注目する。工具５４における溝５８内に補剛材プレフォーム６５を配置し、続いて、複合部材強化材６７を補剛材プレフォーム６５の上を覆い、かつ、これに接触するように工具面５６ａ上に配置する。複合部材繊維強化材６７の上方に剥離層８２を配置し、剥離層８２の上方に適切な樹脂分布媒体８６を配置して、流動樹脂の移動および均一分布を助ける。複合部材繊維６７の外縁の下に剥離層８４を配置してもよい。

樹脂分布媒体８６の上方に剛体または半剛体の当て板６８を配置し、続いて、レイアップの上方に真空バッグ８８を配置し、かつ、シーラントテープ９０により、または、類似の手段により工具５４に封止する。他の実施形態において、二重真空バッグ技法を用いてもよく、ここで、樹脂注入および硬化プロセス中に第１真空バッグ８８における漏れからプレフォーム６５を保護するために、第１の真空バッグ８８の上方に第２の真空バッグ（図示せず）を配置する。当て板６８および樹脂分布媒体８６の使用は、樹脂注入に対する１つの典型的な機構の例示であるが、他の樹脂注入技法が使用される際は要求されない。多種多様なその他の樹脂注入技法が可能である。熱硬化性樹脂の供給槽９２は、樹脂注入管９４により真空バッグ８８内の溝形注入管９６に結合されている。排出真空槽１０２は、樹脂排出管１００により真空バッグ８８内側の溝形排出管９８に結合されている。

排出真空槽１０２により発生させられたバッグ８８内の真空は、バッグ８８の空気を抜くことにより、供給槽９２から溝形注入管９６を介してバッグ８８内へと樹脂を吸い込むバッグ８８内の大気圧より低い圧力を生成する。樹脂注入前に、バッグ８８を用いて、プレフォーム６５および繊維強化材６７を圧縮および固化してもよい。溝形注入管９６から樹脂が流れ、溝形排出管９８を介してバッグ８８を後にし、ここで、真空槽１０２に回収される。樹脂が注入溝形材９６から排出溝形材９８へ移動するので、大気圧がバッグ８８を当て板６８へ押し下げつつ、プレフォーム６５と複合部材繊維強化材６７とは樹脂の単一回の注射によって混注される。前に触れたように、図１１は、補剛複合構造物３０の作製に用いてもよい多数の樹脂注入技法のうちの１つを示しているに過ぎない。

当て板６８は、注入されたプレフォーム６５および複合部材繊維強化材６７に対してその面積にわたって実質的に均一な圧力を印加することにより、樹脂注入プロセス中にプレフォーム６５と複合部材繊維強化材６７とを圧縮し、かつ、互いに対して押し付ける。樹脂注入プロセス中と該プロセス後との両方で、注入されるプレフォーム６５および複合部材繊維強化材６７に熱を印加してもよく、これにより、樹脂の流れを促進し、次いで、樹脂を硬化させて、補剛材３４が複合部材３２に本質的に一体化されている一体化複合構造物３０を製造する。プレフォーム６５と複合部材繊維強化材６７との樹脂の混注により、構造物３０の構造部材部分３２および補剛材部分３４を保持および一体化する実質的に連続かつ均質な樹脂基体が生じる。

図１２〜図１６は、補剛材３４のさまざまなレイアウトパターンを有する補剛複合構造物３０を示している。図１２は、図１に示した実施形態と同様に、複数の一体形成された概ね平行な補剛材３４により補剛された複合パネル３２ａを示している。図１３は、補剛材３４が踏み切り状の（crossing-like）格子パターンに配置されている補剛複合パネル３２ａを示している。図１４は、補剛材３４が隣り合って配置されているが、全体としてパネル３２ａの長手方向に沿ってテーパ形となっている別の変形例を示している。図１５は、補剛材３４がアイソグリッドパターンに配置されているある実施形態を示しており、ここで、補剛材３４の端部は、接続ノード１０４において相互接続されている。図１６は、パネル３２ａにおける開口１０６を取り囲む概ね同心円状の楕円形補剛材３４の使用を示しており、これにより、開口１０６の周囲のパネル３２ａの領域を強化している。

図１７は、ノードを有する格子により補剛されたパネル３２ｂの別の実施例を示しており、ここで、補剛材３４は、製作プロセス中に接続ノード１０４と補剛材３４とが互いに、かつ、パネル３２ａと一体形成されるように、形成中に工具面５６ａ内に引っ込ませてもよい（図１０および図１１）接続ノード１０４により相互接続されている。本実施例において、パネル３２は、単一方向に湾曲しており、したがって、少なくともある数の補剛材３４もまたパネルの湾曲方向に湾曲している。接続ノード１０４は、例えば限定はされないが、金属部材のような予め形成された剛体部材、未硬化の複合部材、または、複合部材繊維強化材６７とともに樹脂を混注された乾燥した、もしくは、実質的に乾燥した繊維プレフォームを含んでいてもよい。接続ノード１０４が予め形成された剛体部材であるような実施形態においては、接続ノード１０４は、補剛材３４およびパネル３２ａと同時接合されてもよく、または、接続ノード１０４と補剛材３４とパネル３２ａとの間に配置される接着剤の層（図示せず）を用いて補剛材３４およびパネル３２ａとともに二次的に接合されてもよい。

図１８は、厚みの変化１０８があるパネル３２を示している。この厚み変化１０８は、工具面５６に適切な深さの外形を形成することにより吸収してもよい。補剛材プレフォーム６５の柔軟性により、プレフォーム６５が下に存在しているパネル３２ｂの厚みの外形１０８に合致できる。

図１９は、航空機翼の前縁１１０の形態の別の一体化補剛複合構造物３０を示している。本実施例は、補剛材３４が補剛しようと意図する複合部材３２の複合曲率を含む比較的大きな曲率に補剛材３４が合致できるということを示している。

図２０は、一方向に湾曲しているパネル３２を強化するための補剛材３４の使用を示している。補剛材３４の曲率は、パネル３２の曲率と一致している。

図２１は、はり３２ｃの断面形状と一致し、かつ、はり３２ｃの長手方向に沿って分離されている一体形成されたリブ状の補剛材３４により強化されているＣ字形溝形はり３２ｃの形態の一体化補剛複合構造物３０を示している。リブ状補剛材３４は、その他の断面形状を有する複合構造物３０において使用してもよい。

ここで、開示した一体形成補剛材３４を有する一体化複合構造物３０を作製する方法の工程を大まかに示す図２２に注目する。始めに工程１１２において、鋼鉄のような硬質材料に溝５８をミリングするといった何らかの適切な作製技法により、工具面５６ａに適切な深さおよび幾何学的形状を有する溝５８を形成する。１１４において、補剛材プレフォーム６５を形成し、これは、複数層の乾燥した繊維材料をレイアップすることを含んでもよい。該乾燥した繊維材料は、前述のように、組むか、織るか、または、編まれた材料を含んでいてもよい。補剛材プレフォーム６５は、前に取り上げた種類の充填材で充填しても、しなくてもよい。

１１６において、工具面５６ａにおける溝５８内に補剛材プレフォーム６５を配置し、続いて１１８において、図１１に関連して前に説明したように補剛材プレフォーム６５の上を覆い、かつ、これらに接触するように工具面５６ａ上に複合部材繊維強化材６７を配置する。１２０において、レイアップ８０の残りの構成部品を組立て、これは、プレフォーム６５および複合部材繊維強化材６７の上方に真空バッグ８８を配置し、それを工具５４に封止することを含む。次に、１２２において、バッグ８８の真空引きを行い、続いて１２４において、１回樹脂注入プロセスにおいてプレフォーム６５と複合部材繊維強化材６７とに熱硬化性樹脂を実質的に同時に注入する（すなわち、混注する）。バッグ８８内の真空は、プレフォーム６５および複合部材繊維強化材６７内への、および、これらを介した樹脂の引き込みを助ける可能性がある。図２２には示していないが、補剛材プレフォーム６５および繊維強化材６７を圧縮および固化することにより、これらの体積を減少させ、その結果、最小体積の樹脂を有する複合構造物を製造するために、樹脂注入工程１２４に先立ってバッグ８８の真空引きを行うことも可能である。あるいは、樹脂注入工程１２４中に圧縮および固化プロセスを実現してもよい。最後に、工程１２６において、所望の硬化計画にしたがって樹脂が注入された構造物を加熱することにより、該構造物を硬化させる。

本開示の実施形態は、例えば、航空宇宙、海洋および自動車用途を含む多種多様な潜在的用途、とりわけ、輸送産業において用いることができる。したがって、ここで、図２３および図２４を参照して、図２３に示すような航空機の製造および保守方法１３０ならびに図２４に示すような航空機１３２との関連において、本開示の実施形態を用いることができる。開示されている実施形態の航空機用途は、例えば限定はされないが、ほんのいくつかを挙げると、制御表面外板、翼および尾部外板、補剛アクセスドアおよびパネル、ならびに、補剛リブおよび桁ウェブを含む多種多様な構造的複合部品および構成部品を含んでいてもよい。本生産の前で、方法１３０の一例は、航空機１３２の仕様および設計１３４ならびに材料調達１３６を含んでいてもよい。生産の際は、航空機１３２の構成部品および部分組立品の製造１３８ならびにシステム統合１４０が行われる。その後、航空機１３２は、認証および納品１４２を経て、運航１４４されてもよい。顧客による運航中、航空機１３２は、（改修、再構成、修繕などをも含むかもしれない）定常的整備および保守１４６を受けてもよい。

方法１３０の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者および／または操作者（例えば、顧客）により行われるかまたは実施されてもよい。本件の説明のため、システムインテグレータは、任意の数の航空機製造者および主要なシステム下請け業者に限定されないがこれらを含んでもよい。第三者は、任意の数の取り扱い業者、下請け業者および供給業者に限定されないがこれらを含んでもよい。操作者は、航空会社、リース会社、軍隊、保守組織などであってもよい。

図２４に示されているように、例示的方法１３０により製造される航空機１３２は、複数のシステム１５０および内装１５２とともに機体１４８を含んでいてもよい。高レベルシステム１５０の例としては、推進システム１５４、電気システム１５６、油圧システム１５８および環境システム１６０のうちの１つ以上が挙げられる。任意の数の他のシステムを含んでもよい。開示されている方法は、内装１５２および機体１４８において用いられる補剛部品、構造物および構成部品を製作するために使用されてもよい。航空宇宙の例が示されているが、本開示の原理は、海洋産業および自動車産業といった他の産業に適用することもできる。

ここで実施されているシステムおよび方法は、製造および保守方法１３０のいずれか１つまたはそれ以上の段階中に使用してもよい。例えば、製造プロセス１３８に対応する部品、構造物および構成部品は、航空機１３２が運航されている間に製造される部品、構造物および構成部品と同様に製作または製造されてもよい。また、例えば、航空機１３２の組立てを大幅に早めるか、または、航空機１３２のコストを削減することにより、製造段階１３８および１４０中に、開示されている方法の実施形態を利用してもよい。同様に、航空機１３２が運航されている間から、例えば限定はされないが、整備および保守１４６までの間、１つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態またはこれらの組み合わせを利用してもよい。

ある例示的な実施形態に関して本開示の実施形態を説明してきたが、他の変形例に当業者が想到するであろうから、該特定の実施形態は、限定ではなく説明を目的とするものであることは理解されるべきである。

Claims (14)

1. 硬化ポリマー樹脂基体と、
   基体内に保持されている第１繊維強化材を含む構造部材部分と、
   構造部材部分を補剛するための補剛材部分であって、基体内に保持されている第２繊維強化材を含み、外殻および内部コアを含む補剛材部分と、
   補剛材部分の構造部材部分への接合を助けるように構成されている複数の厚み方向強化材であって、構造部材部分を介して内部コア内へ延在する厚み方向強化材と、
   を含む、一体型補剛複合構造物。
2. 基体が、実質的に連続しており、かつ、均質である、請求項１に記載の補剛複合構造物。
3. 各々が、基体内に保持されている第２繊維強化材を含む複数の補剛材部分であって、補剛材部分の各々が外殻および内部コアを含む、複数の補剛材部分
   をさらに含む、請求項１に記載の補剛複合構造物。
4. 複数の補剛材部分が、相互接続された格子状に配置されている、請求項３に記載の補剛複合構造物。
5. 格子において補剛材部分同士を接続している複数のノードをさらに含み、かつ、ノードの各々が、
   金属部材、
   予め硬化されている複合部材、および、
   樹脂基体内に保持されている第３繊維強化材
   のうちの１つを含む、請求項４に記載の補剛複合構造物。
6. 構造部材部分が、内部に開口を含み、かつ、
   補剛材部分が、開口を実質的に取り囲んでいる、
   請求項１に記載の補剛複合構造物。
7. コアが、補剛材部分を通じて長手方向に延在している強化材繊維を含む、請求項１に記載の補剛複合構造物。
8. コアが、一方向炭素繊維強化材で充填されていて、かつ、
   殻が、少なくとも一層の相互接続されている繊維を含む、
   請求項７に記載の補剛複合構造物。
9. 構造部材部分が、湾曲しており、かつ、
   補剛材部分が、構造部分の曲率に実質的に一致するような外形とされている、
   請求項１に記載の補剛複合構造物。
10. 補剛材部分が、構造部材部分の上を覆い、かつ、これと一体形成されている側方へ延在するフランジを含む、
    請求項１に記載の補剛複合構造物。
11. 構造物を補剛するための補剛材の大きさおよび地点と概ね一致する少なくとも１つの凹部を金型工具面に形成すること、
    凹部内に繊維プレフォームを配置することであって、一層以上の相互接続された繊維をレイアップすることによりコアの周囲に管状殻を形成することを備える、前記配置すること、
    繊維プレフォームの上を覆うように金型工具面上に構造部材繊維強化材を配置すること、
    金型工具上の繊維強化材とプレフォームとに熱硬化性樹脂を混注すること、
    樹脂を注入した繊維強化材およびプレフォームを硬化させること、および
    構造部材繊維強化材を介してコア内へ延在する厚み方向強化材を供給すること
    を含む、一体化補剛複合構造物を作製する方法。
12. 繊維強化材とプレフォームとに混注することが、
    繊維強化材とプレフォームと金型工具との上方に真空バッグを配置すること、
    バッグ内に真空を発生させること、および、
    バッグ内の真空を用いて、樹脂源からバッグ内、ならびに、繊維強化材およびプレフォーム内へ樹脂を引き込むこと
    を含む、請求項１１に記載の方法。
13. コアの周囲に管状殻を形成することが、凹部内にプレフォームを配置する前に行われる、請求項１１に記載の方法。
14. 凹部内にプレフォームを配置することが、自動配置機械により自動的に行われる、請求項１３に記載の方法。

Images