JP5809837B2 - 複雑な形状寸法を有する複合積層材を形成及び適用するための方法と装置 - Google Patents

Description

本発明は、概して複合部品の作製に関し、具体的には、ダブラーなどの複合積層材を形成して、複雑な形状寸法を有する部品の表面に適用するための方法と装置に関する。

一又は複数の方向に向く繊維からなる複数のプライを含む複合積層構造を積み上げるために、自動積層成形（ＡＦＰ）装置を使用することができる。構造全体がＡＦＰ装置を使用して作製される場合、プライは通常連続的に形成されるため、積み上げ速度はＡＦＰ装置の速さに依存する。積み上げプロセスを加速するために、構造の特定のセグメントを手動で積層し、事前にアセンブルされたキットとして構造に適用することができる。例えば、ダブラーを事前にアセンブルして、ＡＦＰ積層シーケンスの間にサブタスクとして手動で適用することができる。しかしながら、ダブラー積層材を手動で事前にアセンブルすることは、特に、マルチ外形を有する航空機の機首又は尾部といった、表面の形状寸法が複雑な構造にダブラーを適用しなければならない場合、長時間を要し、困難でありうる。自動化された設備を使用してダブラーを事前にアセンブルするためのこれまでの試みは、平坦な積層材、又は一次元に一定の曲率を有する積層材に限られていた。

したがって、ダブラーのような積層を形成してマルチ外形を含む複雑な表面形状を有する複合構造に適用するための方法と装置に対する需要が存在する。

開示される実施形態は、マルチ外形部品のような複雑な形状を有する複合構造上において、積層を形成及び適用するための方法と装置を提供する。積層、適用、及び圧密化の要件は、単一のツールを使用することができる一のプロセスに統合される。積層材は、部品表面とほぼ一致するマルチ外形ツール面を有するツール上に複合材料を積層するためのＡＦＰ装置を使用して、部品表面の寸法形状と一致するように迅速に形成することができる。このツールは、部品表面上に積層を配置して圧密化するために使用することもできる。開示される方法と装置により、ダブラーのような積層をメインアセンブリラインの外で作製することが可能となり、したがって、メインアセンブリプロセスの速度を落とすことなく、必要に応じた積層の再加工、及び検査を行うことができる。

開示される一実施形態によれば、外形を有する部品上に複合積層材を形成及び配置する方法が提供される。本方法は、部品の外形とほぼ一致する外形を有するツールの上に、外形を有する複合積層材を形成することを含む。本方法は、ツールに対する部品の位置を表わす一組の位置データを生成することも含む。本方法は、部品の近くにツールを動かして、部品上に、外形を有する積層材を配置するために、マニピュレータ及び位置データを使用する。外形を有する複合積層材の形成は、ツール上に自動的に複合材料を配置する自動積層成形装置を使用して行うことができる。積層材は、ツール上でブラダーを膨張させること、及び／又はツール上でバッグを膨張させることにより、部品に対して圧密化することができる。バッグは、減圧することにより、圧密化された積層材から分離することができる。位置データの生成は、共通の三次元（３Ｄ）座標系において、部品の外形の３Ｄ位置に対するツール外形の３Ｄ位置を決定することにより、実行することができる。

別の実施形態によれば、マルチ外形の表面を有する部品上に複合ダブラーを適用する方法を提供することができる。本方法は、部品表面の外形にほぼ一致する、ツールのマルチ外形面上に、真空バッグを引き付けることを含む。ツール面の上には、バッグの上から複合プライが積層される。本方法は、部品の表面に対するツール面の位置を表わす一組の位置データを生成することを含む。本方法は、更に、位置データとマニピュレータとを使用して、ツールを自動的に部品の近くへと動かし、部品表面に対して積層材を配置することを含む。本方法は、バッグを膨張させることにより、部品表面に対して積層材を圧密化することも含む。ツール面上にバッグを引き付けることは、バッグを真空引きすることにより行われる。

また別の実施形態によれば、マルチ外形表面を有する部品上に積層材を適用する方法が提供される。本方法は、部品表面の外形にほぼ一致する、ツールのマルチ外形面上に、柔軟なバッグを引き付けることを含む。本方法は、バッグで覆われたツール面上に複合積層材を配置すること、及びツールを部品の近くに動かして、ツールを使用して部品表面上に積層材を配置することを含む。本方法はまた、バッグを膨張させることにより、部品表面に対して積層材を圧密化すること、及びバッグを真空引きすることにより、圧密化された積層材からバッグを引き離すことを含む。本方法は、更に、ツール面とバッグとの間でブラダーを膨張させることにより、部品表面に対して積層材を圧密化することを含むことができる。

また別の実施形態によれば、外形を有する基板上に複合積層材を適用するための装置が提供される。本装置は、ツールと、第１及び第２コのンパクタと、第１及び第２のコンパクタを制御する手段とを含む。ツールは、基板の近くにツールを動かすためのマニピュレータに取り付けられており、基板の外形とほぼ一致する外形を有するツール面を含んでいる。第１の柔軟なコンパクタはツール面を覆っており、コンパクタの上には複合積層材が配置される。第２の柔軟なコンパクタは、第１のコンパクタと、基板上に積層材を圧密化するためのツール面との間に配置される。第１のコンパクタは、ツールにシールされた真空バッグを含むことができ、第２のコンパクタは、柔軟で膨張させることが可能なブラダーを含むことができる。第１及び第２のコンパクタを制御する手段は、圧力源と、真空源と、圧力源及び真空源を使用して第１及び第２のコンパクタを選択的に与圧及び減圧するためのコントローラとを含むことができる。

別の実施形態によれば、マルチ外形表面を有する部品上において、複合積層材を形成及び適用するための装置が提供される。本装置は、部品表面の外形とほぼ一致するマルチ外形面を有するツールと、ツール上の柔軟なバッグと、マニピュレータと、コントローラとを含んでいる。柔軟なバッグは、ツール面の外形を覆ってそのような外形に適合しており、バッグ上には積層材が配置されて、柔軟なバッグが与圧されることにより部品表面に対して積層材が圧密化される。マニピュレータは、部品の近くへとツールを動かし、部品表面上に積層材を配置する。コントローラは、マニピュレータの動作及びバッグの与圧を制御する。本装置は、更に、ツール面と、部品表面に対して積層材を圧密化するためのバッグとの間に、膨張させることが可能なブラダーを含むことができる。一実施形態では、ツールは構造用発泡材から形成される。

また別の実施形態によれば、マルチ外形表面を有する部品上において複合積層材を形成及び適用するための装置が提供される。本装置は、ツールと、ロボットマニピュレータと、複合繊維自動積層成形装置と、ロケータシステムと、コンパクタと、制御手段とを含んでいる。ツールは、部品表面の外形とほぼ一致するマルチ外形面を含む。ロボットマニピュレータの上には、ツールを操作するためのツールが搭載される。複合繊維自動積層成形装置は、ツール面上にマルチプライ複合積層材を形成するための繊維配置ヘッドを含む。ロケータシステムは、繊維配置ヘッドと、ツール面と、部品表面とを、共通の空間座標系において互いに対して位置決めする一組の位置データを生成する。ツール上のコンパクタは、部品表面に対して積層材を圧密化し、制御手段は、マニピュレータ、自動積層成形装置、及びコンパクタの動作を、位置データに基づいて制御する。

本発明は、マルチ外形表面を有する部品上に複合ダブラーを適用する方法にも関し、本方法は、
部品表面の外形とほぼ一致する、ツールのマルチ外形面上に、真空バッグを引き付けること、
バッグの上からツール面上に複合プライを積み上げること、
部品の表面に対するツール面の位置を表わす一組の位置データを生成すること、
位置データとマニピュレータとを使用して、自動的にツールを部品の近くへと移動させ、部品表面に対して積層材を配置すること、並びに
バッグを膨張させることにより、部品表面に対して積層材を圧密化すること
を含む。

上述の方法では、ツール面上にバッグを引き付けることを、バッグを真空引きすることにより実行することができる。

本方法は、更に、
バッグを真空引きすることにより、圧密化された積層材からバッグを引き離すこと
を含むことができる。

本方法は、更に、
バッグとツール面との間でブラダーを膨張させることにより、部品に対して積層材を圧密化すること
を含むことができる。

本発明は、マルチ外形表面を有する部品の上に積層材を適用する方法にも関し、本方法は、
部品表面の外形とほぼ一致するツールのマルチ外形面上に柔軟なバッグを引き付けること、
バッグで覆われたツール面の上に、複合積層材を配置すること、
部品の近くにツールを移動させ、ツールを使用して部品表面上に積層材を配置すること、
バッグを膨張させることにより、部品表面に対して積層材を圧密化すること、並びに
バッグを真空引きすることにより、圧密化された積層材からバッグを引き離すこと
を含む。

上述の方法は、更に、
ツール面とバッグとの間でブラダーを膨張させることにより、部品表面に対して積層材を圧密化すること
を含むことができる。

本方法では、
ツール面上にバッグを引き付けることが、バッグを真空引きすることを含むことができ、且つ
部品の近くにツールを移動させることが、空間内において部品の位置をツール面の位置に関連付ける一組のデータによりプログラムされたコントローラによって操作されるマニピュレータを用いて実行することができる。

本発明は、マルチ外形表面を有する部品上において複合積層材を形成及び適用するための装置にも関し、本装置は、
部品表面の外形とほぼ一致するマルチ外形面を有するツール、
ツール面の外形を覆ってそのような外形に適合するツール上の柔軟なバッグであって、その上に積層材が配置されて、与圧されると部品表面に対して積層材を圧密化するバッグ、
ツールを部品の近くへと動かして、部品表面上に積層材を配置するマニピュレータ、並びに
マニピュレータの動作及びバッグの与圧を制御するコントローラ
を備えている。

上述の装置は、更に、
部品表面に対して積層材を圧密化するための、ツール面とバッグとの間に配置されて膨張させることが可能なブラダー
を備えることができる。

本装置では、ツールは構造用の発泡材とすることができる。

本発明は、マルチ外形表面を有する部品の上において、複合積層材を形成及び適用するための装置にも関し、本装置は、
部品表面の外形とほぼ一致するマルチ外形面を有するツール、
その上に搭載されたツールを操作するためのロボットマニピュレータ、
ツール面上にマルチプライ複合積層材を形成するための繊維配置ヘッドを含む複合繊維自動積層成形装置、
繊維配置ヘッド、ツール面、及び部品表面を、共通の空間座標系内で互いに対して位置決めする一組の位置データを生成するためのロケータシステム、
部品表面に対して積層材を圧密化するための、ツール上のコンパクタ、並びに
位置データに基づいて、マニピュレータ、自動積層成形装置、及びコンパクタの動作を制御する制御手段
を備えている。

上述の装置では、コンパクタは、ツールに対してシールされてツール面を覆う与圧可能なバッグを含むことができ、このバッグは与圧されると部品表面に対して積層材を押し付ける。

本装置は、更に、
ツール面と、積層材に圧密化のための圧力を印加するバッグとの間に配置された、バッグを介して与圧可能なツール上のブラダー
を含むことができる。

本装置は、更に、
圧力源、
真空源、並びに
制御手段により動作されて、バッグ及びブラダーの各々と、圧力源及び真空源とを選択的に連結する一組のバルブ
を含むことができる。

本発明は、マルチ外形表面を有する航空機の複合部品上において、複合ダブラーを形成及び適用するための装置にも関し、本装置は、
部品表面の外形とほぼ一致するマルチ外形面を有する構造用発泡材ツール、
ツールを操作するためのロボットマニピュレータ、
マニピュレータ上にツールを取り外し可能に取り付けて、マニピュレータ上のツールの交換を可能にする取り付けアダプタ、
ツール面上にマルチプライ複合積層材を形成するための繊維配置ヘッドを含む複合繊維自動積層成形装置、
繊維配置ヘッド、ツール面、及び部品表面を共通の空間座標系に位置決めする一組の位置データを生成するためのロケータシステム、
ツール面を覆い、且つツールに対してシールされた、部品表面に対して積層材を圧密化するための、膨張させることが可能なバッグ、
部品表面に対して積層材を圧密化するための、ツール面上及びバッグ内部において膨張させることが可能なブラダー、
圧力源、
真空源、
圧力源及び真空源の各々をバッグ及びブラダーと選択的に連結するためのバルブシステムを含む、バッグ及びブラダーの各々を別々に膨張及び減圧する手段、並びに
マニピュレータ、自動積層成形装置、及びバルブシステムの動作を調節及び制御するためのコントローラ
を備えている。

本発明は、マルチ外形表面を有する航空機の複合部品上において複合ダブラーを形成及び適用する方法にも関し、本方法は、
部品表面の外形にほぼ一致する、ツールのマルチ外形面上に、柔軟なバッグを配置すること、
ツールに対してバッグをシールして、ほぼ気密なチャンバを形成すること、
真空チャンバを真空引きすることにより、ツール面上にバッグを引き付けること、
自動積層成形装置を使用して、バッグの上に複合積層材を形成し、ツール面の外形に適合させること、
自動制御されるマニピュレータにツールを取り付けること、
３Ｄ空間座標系において部品表面に対してツール面を位置決めする一組の位置データを生成すること、
マニピュレータを使用して、部品の近くへとツールを動かし、部品表面上に積層材を配置すること、
ツール面とバッグとの間でバッグを膨張させて、部品表面に対して積層材を圧密化すること、
部品表面に対して積層材を更に圧密化するために、バッグを膨張させること、
バッグを真空引きすることによりバッグを減圧すること、並びに、
プログラムされたコントローラを使用して、自動積層成形装置、バッグ、ブラダー、及びマニピュレータの動作を調節及び制御すること
を含む。

図１は、複雑な寸法形状を有する複合積層材を形成及び適用するための装置の機能的ブロック図を示している。 図２は、開示された実施形態による航空機のマルチ外形機首セクションの斜視図であり、マルチ外形機首セクションの上に複合ダブラーが適用及び圧密化されている。 図３は、図２に示されるダブラーを形成及び適用するために使用されるツールの等角図であり、明瞭性のために圧密化バッグ及びブラダーは省略されている。 図４は、複雑な寸法形状を有する複合積層材を形成して、図２に示す機首セクションに適用するための装置の側面図である。 図５は、ツール及びロケータシステムの断面図及び線図の組み合わせを示している。 図６Ａは、最初に組み立てられたときのツールの断面図である。 図６Ｂは、図６Ａに示すツールの斜視図である。 図７Ａは、図６Ａに似ているが、バッグがツール表面に引き付けられている。 図７Ｂは、図６Ｂに似ているが、バッグがツール表面に引き付けられている。 図８Ａは、ツールの断面図であり、ツール面上に積層材を形成する自動繊維配置ヘッドを示している。 図８Ｂは、ツールの斜視図であり、ツール面上に部分的に形成された積層材を示している。 図９Ａは、ツールの断面図であり、ツール面上に配置された積層と、部品表面に対して積層材を圧密化するために膨張させたツールブラダーとを示している。 図９Ｂは、部品表面上に積層材を配置するツールを示す斜視図である。 図１０は、図９Ａに似ているが、ツール上のバッグが膨張させられて、部品表面に対して積層材を更に圧密化している。 図１１は、図１０に似ているが、バッグが真空引きされたことにより積層材からバッグが分離している。 図１２は、マルチ外形部品表面上において、複雑な寸法形状を有する積層を形成及配置する方法を示すフロー図である。 図１３は、航空機の製造及び整備方法のフロー図である。 図１４は、航空機のブロック図である。

まず図１〜３を参照すると、開示される実施形態は、複雑な寸法形状を有する基板２２の上に複合積層材２０を形成及び配置する方法と装置とに関し、このような複雑な寸法形状は、図２に示す部品２４のマルチ外形表面２２を含みうる。図示の実施形態では、部品２４は航空機の機首セクションを含み、積層材２２は、機首セクション２４の領域３４を補強するダブラー２０を含んでいる。この装置は、一又は複数のコントローラ３５によって操作される適切なマニピュレータ３６の上に取り付けられたツールアセンブリ２５を含んでいる。マニピュレータ３６は、コントローラ３５によって使用されるプログラムされた一組の指令に基づいて座標系５５の複数の軸に沿ってツールアセンブリ２５を動かすロボット又は同様の自動装置を含むことができる。

ツールアセンブリ２５は、部品２４に積層材２０が適用される領域３４内のマルチ外形部品表面２２とほぼ一致するマルチ外形ツール面２８を有するツール２６を含む。ツールアセンブリ２５は、それぞれ部品表面２２に対して積層材２０を圧密化するための第１及び第２のコンパクタ５４、５６も含んでいる。ツールアセンブリ２５は、更に、ツール２６が取り付けられるツール基部３０を含む。コンパクタ５４、５６の各々は、コントローラ３５によって操作される圧力源６２及び真空源６４をそれぞれ使用して、それぞれ膨張及び減圧される。

積層材２０は、自動積層成形装置（ＡＦＰ）４２によってマルチ外形ツール面２８上に形成することができ、ＡＦＰ装置４２はコントローラ３５によって操作することもできる。ロケータシステム３４は、特定の三次元座標系５５において、部品表面２２に対するツール面２８の位置及び方向を位置決めする一組の位置データ４５ａを生成する。同様に、ロケータシステム４５をコントローラ３５が使用して、ツール面２８に対するＡＦＰ装置４２の運動を位置決め及び調節することができる。

次に、装置の更なる詳細を示す図４及び５を参照する。この実施形態では、マニピュレータ３６は、一対のレール３８に沿った線形運動を行なうように取り付けられたロボット３６を含んでいる。ロボット３６はロボットアーム４０を含み、アーム４０の端部には、素早く切替えられるアダプタ３２によってツールアセンブリ２５が取り付けられている（図５）。素早く切替えられるアダプタ３２は、寸法形状の異なる部品２４の様々な領域に様々に構成された積層材２０を配置するために、様々に構成されたツール２６をアーム４０に素早く取り付けることを可能にする。上述のように、ロボット３６は、一又は複数のプログラムされたコントローラ３５（図１）によって操作されて、空間座標系５５（図５）内の複数の軸に沿ってツールアセンブリ２５を配置することができる。ロボット３６は、ツールアセンブリ２５を動かして、部品２４のマルチ外形表面２２上の標的領域３４にダブラー又はその他の積層材２０を配置する。

ＡＦＰ装置４２は、レール３８に沿って線形運動するために取り付けられた第２ロボットデバイス４２ａを含むことができ、且つロボットアーム４６の端部に取り付けられた自動繊維配置ヘッド４４を含んでいる。後述するように、ヘッド４４が複合繊維からなるテープ又はトウの複数のストリップ又はコースをツール面２８の上に敷くことにより、マルチ外形積層材２０が形成され、次いでこの積層材２０は、ロボット３６によって配置されたツールアセンブリ２５によって、ツール表面２２上に配置及び圧密化される。別の実施形態では、積層材２０は、適切に装備して、コンベヤ（図示しない）又は回転トレイ（図示しない）上のロボットに送達することができる。

ロケータシステム４５（図１）は、部品２４、詳細には部品表面２２に対するツール２６の位置、即ちツール面２８（図１）の位置を、監視及び更新する。ロケータシステム４５を使用することにより、ツールアセンブリ２５及びロボット３６は、固定位置に取り付けられるのではなく、可動とすることができる。このような可動性は、配置精度を向上させると同時に、リーン生産方式に寄与することができる。上述のように、ロケータシステム４５（図１）は、ＡＦＰ装置４２、ツールアセンブリ２５、及び部品２４の動きを、共通の空間座標系５５（図５）内で調節するために、一組の位置データ４５ａ（図１）を生成する。位置データ４５ａを常に更新し、それをコントローラ３５が閉フィードバックループにおいて使用することにより、部品表面上２２における積層材２０の配置精度を達成することができる。

ロケータシステム４５は、一又は複数のレーザートラッカー４８を含むことができる。このレーザートラッカー４８は、ツールアセンブリ２５及び部品２４の上に配置された反射標的５０上にレーザー光線５２を向けることにより、位置データを発生させる。ロケータシステム４５は、随意で、反射体５０によって反射されたレーザー光線の位置を記録する写真測量カメラ３３を更に含むことにより、空間座標系５５において部品表面２２に対するツールアセンブリ２５の位置を測定することができる。写真測量カメラ３３は、限定しないが、例えば市販のＶ−Ｓｔａｒカメラといった市販のカメラを含むことができる。複数の標的５０のレーザートラッカー測定値と写真測量との組み合わせを使用することにより、共通の空間座標系５５において部品表面２２に対するツール面２０ａの位置を決定することができる。標的５０の位置のレーザー追跡測定値と写真測量とは、コントローラ３５の一部を含みうる一又は複数のコンピュータ及びソフトウェアプログラムを利用して統合することができる。反射標的５０を含むロケータシステム４５は、２００９年９月８日発行の米国特許第７５８９７２５８号に開示されているものに類似していてよく、ここで参照したことによりこの米国特許全体を本明細書に包含する。

次に、図５を詳細に参照する。ツール２６は、限定しないが、例えば軽量の構造用発泡材を含むことができ、この場合ツール面２８は、限定しないが、機械加工及びモールディングといった複数の周知の加工技術のいずれかによって形成することができる。ツール２６は、安価な加工方法を使用した他の安価な材料から作製することができ、それによりツール２６の費用を低減することができる。第１のコンパクタ５４は、膨張させることが可能なブラダー５４を含むことができ、このブラダーは、５４ａに示すように、ツール面２８上か、又はツール面２８内部のやや窪んだ部分に配置できる。第２のコンパクタ５６は柔軟な真空バッグ５６を含むことができ、この真空バッグの周囲５６ａはツール２６に対してシールされていることにより、ツール面２８上に、与圧されたほぼ気密なチャンバ６５を形成している。ツール面２８とバッグ５６との間に通気口５８を設けることにより、減圧排気の間にバッグ５６の下方で空気を移動させることができる。バッグ５６及び通気口５８の両方がツール面２８をカバーしているので、ツール面２８が損傷から保護されており、ツール２６から積層材２０を除去し易い。バッグ５６は、積層プロセスの間に複合積層プリプレグがバッグ５６の表面に歪みなく接着することが可能であるが、部品表面２２上において積層材料を膨張させ、圧密化し、そして解放するのに十分な弾性を有する表面組成を有することができる。バッグ５６は、限定しないが、例えばラテックスフィルム、ポリ包装フィルム、或いはテクスチャー構造又は非テクスチャー構造を有するウレタンから形成することができる。

図５、６Ａ、７Ａ、８Ａ、９Ａ、及び１０に示す実施形態では、ブラダー５４は、概ね平行で、別個であるが、相互に接続されて、単一のブラダーとして動作する一連のブラダー５４ｂとして図示されている。しかしながら、他の実施形態では、ブラダー５４は、ツール面２８のほぼ全体に亘って延びる単一のブラダーを含んでもよい。ブラダー５４の形状、大きさ、及び膨張シーケンスは、部品表面２２に対する圧密化を最適化するように決定することができる。ブラダー５４及びバッグ５６は、それぞれ、一連のフロー制御バルブ７２及び三方向制御バルブ７０を介して、圧力源６２及び真空源６４に接続される。制御バルブ７０は、上述のコントローラ３５（図１）と同じ又は異なるコントローラ７４によって動作して、圧力源６２及び真空源６４のいずれかをブラダー５４及びバッグ５６に選択的に連結するように機能する。このように、自動的に動作する制御バルブ７０は、ブラダー５４及びバッグ５８の一方又は両方を、圧力源６２に接続することにより、ブラダー５４又はバッグ５６を与圧して膨張させることができる。同様に、制御バルブ７０は、ブラダー５４又はバッグ５６に真空源６４を連結することにより、ブラダー５４を減圧するか、又はバッグ５６を減圧排気することができ、これによりバッグ５６がツール面２８上に引き付けられる。幾つかの実施形態では、ツール面２８に真空溝６０を設けることができ、この真空溝は、チャンバ６５の与圧／減圧のために、制御バルブ７０にも連結できる。

図６〜１１は、ツールアセンブリ２５の使用と、マルチ外形積層材２４を形成し、次いで部品表面２２上において積層材２４を配置及び圧密化するために使用される一連のステップを示している。まず、図６Ａ及び６Ｂに示すように、ツール２６をツール基部３０上に固定した後で、バッグ５６及び通気口５８をツール面２８上にインストールしてバッグ５６の周囲５６ａをツール２６にシールすることにより、バッグ５６とツール２６との間にほぼ気密で与圧可能なチャンバ５６（図５及び６）を形成する。次いで真空ライン６６及び圧力ライン６８（図５）をインストールし、ブラダー５４及びバッグ５８の両方に接続する。この時点で、ライン７５及びライン７１のいずれもが、制御バルブ７０（図５）によって圧力源６２又は真空源６４に接続されておらず、大気に開放されているので、ブラダー５４及びチャンバ６５はほぼ大気圧である。

図７Ａ及び７Ｂに示すように、ツールアセンブリ２５は、制御バルブ７０を用いて真空源６４をライン７５及び７７の両方に接続することにより準備され、その結果、ブラダー５４のほぼ完全な減圧が行われ、チャンバ６５から空気が排出される。チャンバ６５からの空気の排出により、ツール表面２８上にバッグ５６が引き付けられ、バッグ５６がツール面２８のマルチ外形にほぼ適合する。

図８Ａ及び８Ｂに示すように、ツール面２８上にバッグ５６が引き付けられると、繊維配置ヘッド４４は、所定のプライスケジュールに従って、バッグ５６上への複合繊維材料の敷設を開始することができる。プライは、ＡＦＰ装置４２によって形成されるにつれてツール面２８の外形に適合するので、積層材２０の外形は結果として部品表面２２の外形とほぼ一致する。ライン７５及び７７は、ツール面２８上に積層材２０が形成されている際に、真空源６４と連結されたままである。

図９Ａ及び図９Ｂに示すように、積層材２０がツール２６上に形成された後、ロボット３６は、ツールアセンブリ２５を部品２４の近くへと動かして、部品表面２２上の所望の位置３４（図４参照）に積層材２０を適用する。部品表面２２に積層材２０が適用されて表面と接触している状態で、圧力源６２はライン７５と連結されており、一方真空源６４はライン７７と連結されたままである。ライン７５を与圧することによりブラダー５４が膨張し、それによりブラダー５４は膨張して積層材２０に圧力を印加する。これにより、部品表面２２に対して積層材が圧密化される。ブラダー５４による積層材２０のこのような圧密化の間に、ライン７７を介して真空引きされる結果、バッグ５６は減圧されたままである。

次に、図１０に示すように、バッグ５６を与圧して膨張させるライン７７に圧力源６２を連結すると、バッグが拡張して積層材２０に圧力を加え、部品表面２２に対して積層材２０を更に圧密化させる。

図１１は、本プロセスの次のステップを示している。このステップでは、真空源６４がライン７５及び７７の両方に連結されることにより、ブラダー５４及びバッグ５６の両方が減圧される。バッグ５６が減圧されると、バッグ５６は積層材２０から離れて後退する。バッグ５６が積層材２０から分離すると、ロボット５６が、次の積層／適用サイクルの準備が整った待機位置（図示しない）へとツールアセンブリ２５を戻す。

次に図１２を参照する。図１２は、複合積層材を形成してマルチ外形部品表面に適用する方法のステップを示している。まずステップ７６においてツール２６を作製する。これは、図示の実施例では、構造用発泡材を、部品表面２２とほぼ一致するマルチ外形面２６を有する所望の形状に形成することにより行うことができる。上述のように、構造用発泡材は、限定しないが、機械加工及びモールディングを含む種々の既知の加工方法のいずれかを使用して所望のツール形状に形成することができる。次に、ステップ７８では、真空／圧力ライン７５、７７をツール２６に配置し、流れ制御バルブ７２に連結する。ステップ８０では、上述の写真測量及び／又はレーザー追跡技術、或いは他の技術を使用して一組の位置データを生成することにより、部品表面２２に対してツール面２６を位置決めする。ステップ８２では、ブラダー５４及びバッグ５６の両方を真空引きすることにより、バッグ５６をマルチ外形ツール面２６上に引き付ける。ステップ８３では、ＡＦＰ装置４２を使用して、ツール面２６と適合するバッグ５６の上に一又は複数のプライを形成することにより、複合積層材をツール面２６上に形成する。

マルチ外形積層材２０を形成したら、次いで、ステップ８４において、ロボット３６又はその他のマニピュレータがツールアセンブリ２５を部品２４の近くに動かし、積層材２０を部品表面２２の上に配置する。次に、ステップ８６に示すように、ブラダー５４を与圧することにより、ブラダー５４を膨張させて積層材２０に圧密化のための圧力を印加する。この間、真空バッグ５６は減圧したままとする。次いで、ステップ８８では、バッグ５６も与圧することにより、バッグ５６を膨張させて、積層材２０に対して圧密化圧力を更に加える。これにより、部品表面２２に対して積層材２０が更に圧密化される。圧密化の後、まずバッグ５６を真空引きし、次いでブラダー５４を真空引きすると、それらの各々が減圧されて積層材２０から離れる。本方法の実用的な一実施形態では、ブラダー５４を一分間に亘って膨張させる間に、バッグ５６を真空引きする。次いで、バッグ５６を一分間に亘って膨張させ、その後バッグ５６を真空引きする。これにより、圧密化された積層材２０からバッグ５６が離れ易くなる。最後に、ステップ９２において、ツールアセンブリ２５を待機位置に後退させ、積層材の形成及び配置サイクルを繰返す準備が整う。

本発明の実施形態は、様々な用途、特に、例えば航空、船舶、及び自動車の分野を含む輸送産業に使用することが可能である。したがって、図１３及び１４に示すように、本発明の実施形態は、図１３に示す航空機の製造及び整備方法９４と、図１４に示す航空機９６に使用することができる。本発明の実施形態の航空機への応用例には、例えば、限定しないが、構造用部材及び内装用コンポーネントといった広い種類のアセンブリ及びサブアセンブリが含まれうる。製造前の段階では、例示的方法９４は、航空機９６の仕様及び設計９８と、材料調達１００とを含むことができる。製造段階では、航空機９６の、コンポーネント及びサブアセンブリの製造１０２と、システムインテグレーション１０４とが行われる。その後、航空機９６は、認可及び納品１０６を経て就航１０８される。顧客により就航される間、航空機９６は、定期的な保守及び整備１１０（改修、再構成、改装なども含む）を受ける。

方法９４の各プロセスは、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実施又は実行されうる。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機製造者及び主要なシステム下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図１４に示すように、例示的な方法９４によって製造された航空機９６は、複数のシステム１１４及び内装１１６と共に機体１１２を含むことができる。ハイレベルシステム１１４の実施例には、推進システム１１８、電気システム１２０、油圧システム１２２、及び環境システム１２４の内の一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてもよい。本発明の方法は、内装１１６又は機体１１２に使用されるコンポーネント、構造用部材、一又は複数のサブアセンブリを作製するために利用することができる。航空産業の実施例を示したが、本発明の理念は、船舶及び自動車産業といった他の産業に適用可能である。

本明細書に具現化したシステム及び方法は、製造及び整備方法９４のいずれかの一又は複数の段階において利用することができる。例えば、製造段階１０２に対応するコンポーネント、構造用部材、アセンブリ、又はサブアセンブリは、航空機９６が就航中に製造されるものと同様の方式で作製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、又はそれらの組み合わせは、例えば、航空機９６の、アセンブリの実質的な効率化又はコストダウンによって、製造段階１０２及び１０４の間に利用することができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせの内の一又は複数を、航空機９６が就航している間に、限定しないが、例えば保守及び整備１１０に、利用することができる。

特定の例示的な実施形態に関して本発明の実施形態を説明したが、これら特定の実施形態は説明を目的としているのであって、限定を目的としているのではなく、したがって当業者には他の変形例が自明であろう。

本発明は、以下の実施態様を含む。
（態様１）
外形を有する部品の上に複合積層材を形成及び配置する方法であって、
部品の外形とほぼ一致する外形を有するツールの上に、外形を有する複合積層材を形成すること、
ツールに対する部品の位置を表わす一組の位置データを生成すること、並びに
マニピュレータ及び位置データを使用して、部品の近くへとツールを動かし、外形を有する部品の上に、外形を有する積層材を配置すること
を含む方法。
（態様２）
外形を有する複合積層材を形成することを、ツール上に複合材料を自動的に配置する自動積層成形装置を使用して実行する、態様１に記載の方法。
（態様３）
ツール上でブラダーを膨張させることにより、部品に対して積層材を圧密化すること
を更に含む、態様１に記載の方法。
（態様４）
ツール上でバッグを膨張させることにより、部品に対して積層材を更に圧密化すること
を更に含む、態様３に記載の方法。
（態様５）
バッグを減圧することにより、圧密化された積層材からバッグを後退させること
を更に含む、態様４に記載の方法。
（態様６）
位置データを生成することを、共通の三次元（３Ｄ）座標系において、部品の外形の３Ｄ位置に対するツールの外形の３Ｄ位置を決定することにより実行する、態様１に記載の方法。
（態様７）
外形を有する基板上に複合積層材を適用するための装置であって、
基板の近くへとツールを動かすためのマニピュレータに取り付けられるツールであって、基板の外形とほぼ一致する外形を有するツール面を含むツール、
基板上に積層材を圧密化するための、ツール上の第１の柔軟なコンパクタであって、ツール面を覆い、上に複合積層材が配置されるよう適合された第１の柔軟なコンパクタ、並びに
第１及び第２のコンパクタを制御する手段
を備える装置。
（態様８）
第１のコンパクタと、基板上に積層材を圧密化するためのツール面との間に配置される、ツール上の第２の柔軟なコンパクタ
を更に備える、態様７に記載の装置。
（態様９）
第１のコンパクタが、ツールにシールされた真空バッグを含んでおり、
第２のコンパクタが、柔軟で膨張させることが可能なブラダーを含んでおり、且つ
第１及び第２のコンパクタを制御する手段が、圧力源と、真空源と、圧力源及び真空源をバッグ及びブラダーと選択的に連結させるためのコントローラとを含んでいる、
態様７に記載の装置。

Claims (6)

1. 外形を有する部品（２４）の上に複合積層材（２０）を形成及び配置する方法であって、
   部品の外形とほぼ一致する外形を有し、面上にブラダー（５４）及びバッグ（５６）を順次設けたツール（２５）のバッグ（５６）上に、部品の外形とほぼ一致する外形を有する複合積層材を形成すること、
   ツールに対する部品の位置を表わす一組の位置データ（４５ａ）を生成すること、
   マニピュレータ（３６）及び位置データを使用して、部品の近くへとツールを動かし、外形を有する部品の上に、該複合積層材を配置すること、
   該ツール上で該ブラダー（５４）を膨張させることにより、部品に対して該複合積層材を圧密化すること、及び
   該ツール上で該バッグ（５６）を膨張させることにより、部品に対して該複合積層材を更に圧密化すること
   を含む方法。
2. バッグを減圧することにより、圧密化された積層材からバッグを後退させること
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. まずバッグを、それからブラダーを真空引きすることにより、バッグ及びブラダーを減圧し複合積層材（２０）から引き離すことを含む、請求項１に記載の方法。
4. 外形を有する複合積層材を形成することを、ツール上に複合材料を自動的に配置する自動積層成形装置（４２）を使用して実行する、請求項１に記載の方法。
5. 位置データを生成することを、共通の三次元（３Ｄ）座標系（５５）において、部品の外形の３Ｄ位置に対するツールの外形の３Ｄ位置を決定することにより実行する、請求項１に記載の方法。
6. 外形を有する基板（２２）上に複合積層材（２０）を適用するための装置であって、
   基板の近くへとツールを動かすためのマニピュレータ（３６）に取り付けられるツールであって、基板の外形とほぼ一致する外形を有するツール面（２８）を含むツール（２５）、
   基板上に積層材を圧密化するための第１の柔軟なコンパクタであって、ツールにシールされた真空バッグ（５６）を含み、ツール面を覆い、上に複合積層材が配置されるよう適合された第１の柔軟なコンパクタ、
   第１のコンパクタと基板上に積層材を圧密化するためのツール面との間に配置され、柔軟で膨張させることが可能なブラダーを（５４）含む、ツール上の第２の柔軟なコンパクタ、及び
   圧力源（６２）と、真空源（６４）と、圧力源及び真空源をバッグ及びブラダーと選択的に連結させるためのコントローラ（７４）とを含んでいる、第１及び第２のコンパクタを制御する手段
   を備える装置。

Images