JP5901398B2 - 複合部品の電磁誘導圧密化のための装置と方法 - Google Patents

Description

本発明は、概して複合部品の製造装置と方法に関するものである。具体的には、本発明は、複合部品を電磁誘導により圧密化するための装置と方法に関し、この装置と方法は、圧密化のための加圧のためにオートクレーブを利用しながら、熱可塑性複合部品を電磁誘導により圧密化することを含む。

一部の応用例において、成形済み熱可塑性複合コンポーネントを生産速度及び生産費で広く使用でき、且つ重量を有意にセーブできる処理技術及び設備が望まれている。複合コンポーネントの生産率を高めるには、加熱、圧密化、及び冷却を制御下で迅速に行う能力が要求される。しかしながら、今日のオートクレーブの設計に使用されている電流抵抗（放射及び対流）加熱法による高性能熱可塑性複合構造の処理は、サイクルが長いという問題を有し、処理温度が高くなることにより設備機器に破断及び摩耗を生じる。

したがって、圧密化の加圧を行うためにオートクレーブを使用しながら電磁誘導を用いて熱可塑性複合部品を圧密化することを含む、複合部品の電磁誘導により圧密化する装置と方法が必要である。

本発明は、概して、複合部品の電磁誘導圧密化装置を目的としている。装置の例示的な一実施形態は、ベースマンドレルと、ベースマンドレルに担持された、特定のキュリー温度を有する強磁性ベースマンドレル表面板とを含んでいる。ベースマンドレルの表面板は、複合部品を支持し、且つ周囲圧力によりベースマンドレル表面板に対して複合部品を圧密化することを可能にする。少なくとも一の磁気誘導コイルがベースマンドレルに設けられている。

幾つかの実施形態では、複合部品の電磁誘導圧密化装置は、ベースマンドレルと；ベースマンドレルによって担持された、特定のキュリー温度を有する強磁性ベースマンドレル表面板であって、複合部品を支持し、周囲圧力により、ベースマンドレル表面板に対して複合部品を圧密化することを可能にするベースマンドレル表面板と；ベースマンドレルに設けられた少なくとも一の磁気誘導コイルと；ベースマンドレル中に延びる少なくとも一の冷却チャネルと；ベースマンドレルによって担持された封入フードと；封入フードによって担持された、特定のキュリー温度を有する強磁性封入フード表面板であって、隣接する複合部品近傍に位置決めされる強磁性封入フード表面板と；封入フードに設けられた少なくとも一の磁気誘導コイルと、封入フード中に延びる少なくとも一の冷却チャネルとを含んでいる。

本発明は、概して、複合部品の電磁誘導圧密化方法も目的としている。この方法の例示的な一実施形態は、強磁性ベースマンドレル表面板を有するベースマンドレルを用意することと、ベースマンドレル表面板の上に強磁性複合部品を配置することと；ベースマンドレル表面板及び強磁性複合部品を加熱することと；周囲圧力を用いて熱可塑性複合部品を圧密化することと；熱可塑性複合部品を冷却することとを含む。

図１は複合部品の電磁誘導圧密化装置の例示的一実施形態のブロック図である。 図１Ａは複合部品の電磁誘導圧密化装置の別の例示的一実施形態のブロック図である。 図１Ｂは複合部品の電磁誘導圧密化装置のまた別の例示的一実施形態のブロック図である。 図２は複合部品の電磁誘導圧密化装置の例示的一実施形態の側面図である。 図３は、複合部品の電磁誘導圧密化装置の動作を特徴付ける、時間と温度の関係を示す例示的なグラフである。 図４は複合部品の電磁誘導圧密化方法の例示的一実施形態のフロー図である。 図４Ａは複合部品の電磁誘導圧密化方法の別の例示的一実施形態のフロー図である。 図４Ｂは複合部品の電磁誘導圧密化方法のまた別の例示的一実施形態のフロー図である。 図５は航空機の製造及び保守方法を示すフロー図である。 図６は航空機のブロック図である。

以下の詳細な説明は、単に説明的な性質を有しており、記載される実施形態又は応用例と、記載される実施形態の使用を限定する意図を有さない。本明細書で使用される「説明」又は「例示」という表現は、「実施例、事例、又は例示となる」ことを意味している。本明細書に「説明」又は「例示」として記載される全ての実装態様は、他の実装態様より必ずしも好ましい、又は有利であるわけではない。後述する全ての実装態様は、当業者が本発明を実施することが可能となるように提示された例示的実装態様であり、特許請求の範囲を限定することを意図したものではない。更に、上述の技術分野、背景、概要、又は後述の詳細な説明において明示又は暗示されるいかなる理論にも拘束されることはない。

まず図１〜３には、複合部品の電磁誘導圧密化装置（以降、装置という）の例示的一実施例が、参照番号１により概略的に示されている。装置１はオートクレーブ３０を含んでいる。オートクレーブ３０は従来の設計を有し、オートクレーブハウジング３１はオートクレーブ内部３２を有している。オートクレーブ３０は少なくとも約２００ｐｓｉ（１平方インチ当たりポンド）の作動圧３４を有している。

オートクレーブ３０には被誘導加熱ツール５が設けられる。被誘導加熱ツール５はツールフレーム２を含んでいる。幾つかの実施形態では、ツールフレーム２はファイバーグラスである。ツールフレーム２にはベースマンドレル９が設けられる。ベースマンドレル９には、少なくとも一のヒンジ８を介して封入フード３が旋回可能に取り付けられる。封入フード３は、ベースマンドレル９に対して封入フード３を旋回させることを容易にするために、液圧起動式とすることができる。ベースマンドレル９は、輪郭を有するマンドレル表面１０を有し、封入フード３は、輪郭を有するフード表面４を有し、マンドレル表面１０とフード表面４とは互いに相補的である。幾つかの実施形態では、ベースマンドレル９及び封入フード３の各々は、厚さ０．１８５インチの３００シリーズラミネーションを含むラミネートされたツーリングダイとすることができる。図２に示すように、幾つかの実施形態では、機械的ピンコネクタ４０を使用して封入フード３をベースマンドレル９に結合することができる。

ベースマンドレル９及び封入フード３の各々の中には複数の誘導コイル１４が延びており、各々の選択的加熱を容易に行うことができる。誘導コイル１４は、輪郭を有するマンドレル表面１０と、輪郭を有するフード表面４とを囲い込むソレノイドの水冷誘導コイルとすることができる。誘導コイル１４には誘導電源１５を電気接続することができる。幾つかの実施形態では、誘導電源１５は２，０００ＫＷの誘導電源であり、１〜３ＫＨｚの動作周波数を有している。ベースマンドレル９の誘導コイル１４には、ベースマンドレル表面板２１が熱的に連結される。封入フード３の誘導コイル１４には、封入フード表面板２０が熱的に連結される。ベースマンドレル表面板２１及び封入フード表面板２０の各々は、限定しないが、強磁性材料、コバルト、ニッケル、又はこれらの組み合わせなどの熱伝導性材料とすることができる。幾つかの実施形態では、ベースマンドレル表面板２１及び封入フード表面板２０は、ＩＮＶＡＲ（登録商標）（６４ＦｅＮｉ）のスマートサセプタである。ベースマンドレル表面板２１は、輪郭を有するマンドレル表面１０に概ね一致しており、封入フード表面板２０は、輪郭を有するフード表面４に概ね一致している。

幾つかの実施形態では、封入フード３及びベースマンドレル９の各々の中に冷却チャネル６が延びている。冷却システム（図示しない）が、冷却チャネル６と流体連通するように配置される。この冷却システムは、装置１の動作中、冷却チャネル６内に冷却剤（図示しない）を分配する。これについては後述する。

装置１の例示的な応用例では、熱可塑性の複合部品又はレイアップ２４がバギング２６内に配置され、ベースマンドレル９上のベースマンドレル表面板２１上に排出される。封入フード表面板２０は、熱可塑性複合部品２４を封入するバギング２６の上方に、バギング２６と接しないように配置される。次いで、封入フード３及びベースマンドレル９内の誘導コイル１４に電力供給するために、誘導電源１５が作動される。誘導コイル１４は封入フード表面板２０及びベースマンドレル表面板２１をキュリー温度まで加熱する。その結果、封入フード表面板２０の状態が磁性から非磁性に変化することにより、封入フード表面板２０と熱可塑性複合部品２４の温度が安定する（〜２ＫＨｚの動作周波数、及び〜０．１２５インチのサセプタ圧）。幾つかの実施形態では、封入フード表面板２０及びベースマンドレル表面板２１は、１５分以内でキュリー温度まで加熱される。封入フード表面板２０及びベースマンドレル表面板２１の主要部分を加熱するだけでよく、誘導電源１５から大量の電力が封入フード表面板２０及びベースマンドレル表面板２１に直接連結されるので、熱可塑性複合部品２４は迅速に加熱される。

熱可塑性複合部品２４の加熱後、オートクレーブ３０の与圧操作により熱可塑性複合部品２４が加圧される。幾つかの応用例では、熱可塑性複合部品２４に印加される圧力３４は、少なくとも約２００ｐｓｉである。このステップでは、熱可塑性複合部品２４が圧密化される。幾つかの応用例では、熱可塑性複合部品２４の圧密化は１５分以下で行われる。熱可塑性複合部品２４の圧密化が完了した後、オートクレーブ３０の冷却運転により熱可塑性複合部品２４の強制ガス冷却を行うことができる。このステップは、熱可塑性複合部品２４を迅速且つ均一に冷却し、所望の結晶化度と熱可塑性複合部品２４に使用される樹脂とに応じて２０分未満という速さで達成される。圧密化後、熱可塑性複合部品２４は被誘導加熱ツール５から取り外される。

当業者であれば、高性能熱可塑性複合コンポーネントが、５０分以下のサイクルで、オートクレーブ３０内において圧密化可能であることが分かるであろう。装置１は、より高性能の複合材料の使用を可能にし、生産システムにおける現在の生産渋滞の解消を助けることができる。更に、この技術は、大規模な追加的資本投資をすることなく製品のスループットを増大させることにより、既存の装置の更なるてこ入れを行うことができる。

図３には、複合部品の電磁誘導圧密化装置の動作を特徴付ける、時間と温度の関係を示す例示的グラフ５０が示されている。グラフ５０は、時間軸５１（Ｘ軸）、温度軸５２（Ｙ軸）、及び時間と温度との関係を示す曲線５３を含んでいる。装置１の例示的応用例では、封入フード３の封入フード表面板２０が、約１５分でベースラインレベル（例えば華氏約７５°）からキュリー温度（華氏約７０５°）まで加熱される。封入フード表面板２０の温度は安定し、次いで次第にベースラインレベルに戻る。次いで、熱可塑性複合部品２４の圧密化が行われる。

次に図１Ａを参照する。図１Ａには、複合部品の電磁誘導圧密化装置の別の例示的実施形態が参照番号１ａによって概略的に示されている。装置１ａは、輪郭を有するマンドレル表面１０上にベースマンドレル表面板２１を有するベースマンドレル９を含んでいる。ベースマンドレル９中にはソレノイドの磁気誘導コイル１４が延びている。装置１ａの応用例は、図１の装置１に関して上述したものと同様であるが、但し、圧密化工程の間に、周囲圧力２８が印加されて、熱可塑性複合部品２４はベースマンドレル表面板２１に押し付けられる。

次に図１Ｂを参照する。図１Ｂには、複合部品の電磁誘導圧密化プロセスのまた別の例示的実施形態が、参照番号１ｂにより概略的に示されている。装置１ｂは、連続するマンドレル表面１０上にベースマンドレル表面板２１を有するベースマンドレル９を含んでいる。ベースマンドレル９には、輪郭を有するフード表面４を有する封入フード３であって、ソレノイドの磁気誘導コイル１４を備えた封入フード３が、ヒンジ８を介して旋回可能に取り付けられている。装置１ｂの応用例は、図１Ａの装置１ａに関して上述したものと同様であり、圧密化工程の間に、周囲圧力２８が印加されて、熱可塑性複合部品２４はベースマンドレル表面板２１に対して押し付けられる。封入フード３の磁気誘導コイル１４は、圧密化の間に、熱可塑性複合部品２４を加熱するために追加の熱を生成することができる。

次に図４を参照する。図４は、複合部品の電磁誘導圧密化方法の例示的一実施形態のフロー図４００である。複合部品の電磁誘導圧密化方法４００は、図１の装置１を操作して実施することができる。ブロック４０２において、被誘導加熱ツールを含むオートクレーブであって、ベースマンドレル表面板を含むベースマンドレルと、封入フード表面板を含む封入フードとを中に有するオートクレーブを用意する。ブロック４０４では、熱可塑性複合部品をベースマンドレルのベースマンドレル表面板の上に配置する。ベースマンドレル表面板の上に排出された部品と熱可塑性複合部品の上には、バギング材料を配置することができる。ブロック４０６では、表面板をキュリー温度まで加熱する。幾つかの応用例では、表面板は電磁誘導により少なくとも華氏約７０５°の温度に加熱される。ブロック４０８では、オートクレーブ内で生成される空気圧を使用して熱可塑性部品を圧密化する。幾つかの応用例では、部品に印加される空気圧は少なくとも約２００ｐｓｉである。ブロック４１０では、表面板及び熱可塑性複合部品を冷却する。幾つかの実施形態では、ガス冷却を使用して表面板及び熱可塑性複合部品を冷却する。ブロック４１２では、オートクレーブ内の表面板の間から熱可塑性部品を取り出す。

次に図４Ａを参照する。図４Ａは、複合部品の電磁誘導圧密化方法の別の例示的実施形態のフロー図４００ａである。複合部品の電磁誘導圧密化方法４００ａは、図１Ａの装置１ａを操作して実施することができる。ブロック４０２ａにおいて、ベースマンドレル表面板を含むベースマンドレルを有する被誘導加熱ツールを用意する。ブロック４０４ａでは、熱可塑性複合部品をベースマンドレル表面板の上に配置する。ブロック４０６ａでは、電磁誘導によりベースマンドレル表面板を加熱する。ブロック４０８ａでは、周囲圧力を使用して熱可塑性部品を圧密化する。ブロック４１０ａでは、ベースマンドレル表面板及び熱可塑性複合部品を冷却する。ブロック４１２ａでは、ベースマンドレル表面板の間から熱可塑性部品を取り出す。

次に図４Ｂを参照する。図４Ｂは、複合部品の電磁誘導圧密化方法のまた別の例示的実施形態のフロー図４００ｂである。複合部品の電磁誘導圧密化方法４００ｂは、図１Ｂの装置１ｂを操作して実施することができる。ブロック４０２ｂにおいて、ベースマンドレル表面板を含むベースマンドレルと、封入フード表面板を含む封入フードとを有する被誘導加熱ツールを用意する。ブロック４０４ｂでは、熱可塑性複合部品をベースマンドレル表面板の上に配置する。ブロック４０６ｂでは、電磁誘導により表面板を加熱する。ブロック４０８ｂでは、周囲圧力を使用して熱可塑性部品を圧密化する。ブロック４１０ｂでは、表面板及び熱可塑性複合部品を冷却する。ブロック４１２ｂでは、表面板の間から熱可塑性部品を取り出す。

次に図５及び６を参照する。図５及び６に示すように、本発明の実施形態は、図５に示す航空機の製造及び保守方法７８、及び図６に示す航空機９４に関して使用することが可能である。製造前の段階では、例示的な方法７８は、航空機９４の仕様及び設計８０と、材料調達８２とを含みうる。製造段階では、航空機９４のコンポーネント及びサブアセンブリの製造８４と、システムインテグレーション８６とが行われる。その後、航空機９４は認可及び納品８８を経て運航９０される。顧客により運航される間に、航空機９４は定期的な整備及び保守９２（改造、再構成、改修なども含みうる）を受ける。

方法７８の各プロセスは、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（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、及び主要システムの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６に示されるように、例示的方法７８によって製造された航空機９４は、複数のシステム９６及び内装１００を有する機体９８を含むことができる。高レベルのシステム９６の例には、推進システム１０２、電気システム１０４、油圧システム１０６、及び環境システム１０８のうち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。航空宇宙産業の例を示したが、本発明の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用可能である。

本明細書に具現化された装置は、製造及び保守方法７８の一又は複数の任意の段階で採用することができる。例えば、製造プロセス８４に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機９４の運航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリと同様の方法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は、例えば、航空機９４の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機９４のコストを削減することにより、製造段階８４及び８６の間に利用することができる。同様に、一又は複数の装置の実施形態を、航空機９４の運航中に、例えば限定しないが整備及び保守９２に利用することができる。

本発明の実施形態を、特定の例示的実施形態に関連させて説明したが、これらの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、当業者であれば他の変形例が想起可能であろう。

そのような実施形態の別の実施例では、キュリー点の低い適切な表面板の化学的性質に基づいて加熱時間の調整及び硬化温度の調整を行うことが、熱硬化性ポリマー組成物に対する処理条件となる。

１、１ａ、１ｂ 複合部品の電磁誘導圧密化装置
２ ツールフレーム
３ 封入フード
４ フード表面
５ 被誘導加熱ツール
６ 冷却チャネル
８ ヒンジ
９ ベースマンドレル
１０ マンドレル表面
１４ 誘導コイル
１５ 誘導電源
２０ 封入フード表面板
２１ ベースマンドレル表面板
２４ 熱可塑性複合部品
２６ バギング
３０ オートクレーブ
３１ オートクレーブハウジング
３２ オートクレーブ内部
４０ ピンコネクタ

Claims (8)

1. 複合部品（２４）を加熱及び圧密化するための複合部品電磁誘導圧密化装置（１）であって、
   ベースマンドレル（９）と、
   前記ベースマンドレル（９）によって担持された強磁性ベースマンドレル表面板（２１）であって、複合部品（２４）を支持し、且つ周囲空気圧力により前記ベースマンドレル表面板（２１）に対して複合部品（２４）を圧密化することを可能にする前記ベースマンドレル表面板（２１）と、
   前記ベースマンドレル（９）内の少なくとも一の磁気誘導コイル（１４）と、
   前記ベースマンドレル（９）により担持された封入フード（３）とを備え、前記封入フード（３）が、複合部品（２４）近傍への位置決めに適した強磁性封入フード表面板（２０）を担持しており、且つ内部に少なくとも一の磁気誘導コイル（１４）を含んでおり、
   さらに、前記ベースマンドレル（９）と前記封入フード（３）の間に配置されて、前記複合部品（２４）がその内部に配置されるバギング（２６）を備え、前記強磁性封入フード表面板（２０）が前記バギング（２６）の上方に前記バギング（２６）とは接触せずに配置されている、装置（１）。
2. 前記ベースマンドレル（９）中に延びる少なくとも一の冷却チャネル（６）を更に備えている、請求項１に記載の装置。
3. 複合部品（２４）を加熱及び圧密化するための複合部品電磁誘導圧密化装置（１）であって、
   ベースマンドレル（９）と、
   前記ベースマンドレル（９）によって担持された強磁性ベースマンドレル表面板（２１）であって、複合部品（２４）を支持し、且つ周囲空気圧力により前記ベースマンドレル表面板（２１）に対して複合部品（２４）を圧密化することを可能にする前記ベースマンドレル表面板（２１）と、
   前記ベースマンドレル（９）内の少なくとも一の磁気誘導コイル（１４）と、
   前記ベースマンドレル（９）中に延びる少なくとも一の冷却チャネル（６）と、
   前記ベースマンドレル（９）によって担持された封入フード（３）と、
   前記ベースマンドレル（９）と前記封入フード（３）の間に配置されて、前記複合部品（２４）がその内部に配置されるバギング（２６）と、
   前記封入フード（３）に担持されており、複合部品（２４）の近傍への位置決めに適した強磁性封入フード表面板（２０）と、
   前記封入フード（３）内の少なくとも一の磁気誘導コイル（１４）と、
   前記封入フード（３）中に延びる少なくとも一の冷却チャネル（６）と
   を備え、
   前記強磁性封入フード表面板（２０）が前記バギング（２６）の上方に前記バギング（２６）とは接触せずに配置されている、装置。
4. 前記ベースマンドレル（９）内及び前記封入フード（３）内の前記少なくとも一の磁気誘導コイル（１４）が、少なくとも一のソレノイドの磁気誘導コイル（１４）である、請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. オートクレーブ（３０）を更に備え、前記ベースマンドレル（９）及び前記封入フード（３）が前記オートクレーブ（３０）内に収容されている、請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記ベースマンドレル表面板（２１）及び前記封入フード表面板（２０）の各々が、６４ＦｅＮｉスマートサセプタである、請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 複合部品の電磁誘導圧密化方法であって、
   強磁性ベースマンドレル表面板（２１）を有するベースマンドレル（９）を用意すること、
   前記ベースマンドレル表面板（２１）の上に、熱可塑性複合部品（２４）を収容するバギング（２６）を配置すること、
   強磁性封入フード表面板（２０）を有する封入フード（３）を前記熱可塑性複合部品（２４）の近傍に設けること、
   前記強磁性封入フード表面板（２０）が前記バギング（２６）の上方に前記バギング（２６）とは接触せずに配置されている状態で、前記ベースマンドレル表面板（２１）と前記強磁性封入フード表面板（２０）と前記熱可塑性複合部品（２４）とを電磁誘導により加熱すること、
   周囲空気圧力を使用して前記熱可塑性複合部品（２４）を圧密化すること、及び
   前記熱可塑性複合部品（２４）を冷却すること
   を含む方法。
8. オートクレーブ（３０）を用意すること、及び
   前記オートクレーブ（３０）内に前記ベースマンドレル（９）と前記封入フード（３）とを配置すること
   を更に含み、
   周囲空気圧力を使用して前記熱可塑性複合部品（２４）を圧密化することが、前記オートクレーブ（３０）によって生成された周囲空気圧力を使用して前記熱可塑性複合部品（２４）を圧密化することである、
   請求項７に記載の方法。

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