JP6021162B2 - 摺動式外側突出部を備えたマンドレル - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本国際出願は、２０１１年８月５日に出願された、「Ｍａｎｄｒｅｌ Ｗｉｔｈ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｅｘｔｅｒｉｏｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」と題された米国特許出願第１３／２０４，４６８号明細書（その内容が参照より全体として本開示に組み込まれる）に関係し、かつそれに基づく優先権を主張する。

本発明は、概して、熱硬化性材料から中空部品を形成するためのマンドレルに関する。

細長い中空機械部品は、複合材料などの非金属材料から構築されることが増えている。一般的に、そのような複合材料は、熱硬化プロセスによって構築される。

そのような熱硬化工程では、熱硬化性材料をマンドレルの外側に適用し、その非金属材料を硬化し、硬化した非金属材料を冷却し（この間部品はマンドレルに支持されたままである）、そして最後に完成部品をマンドレルから取り除くことによって、機械部品を形成することが一般的である。

部品がフランジなどの横突出部を有するべきときに問題が生じる。マンドレルは一般的に鋼から作製されるので、それゆえ非金属材料よりもかなり大きい熱膨張係数を有する。マンドレルは、横突出部を支持するために使用されるマンドレルの横部材を含み、複合部品より大きい率で膨張する。これにより（複合部品の）横部分と（マンドレルの）横部材との間に間隙が形成され、それにより横突出部と横部材との間の支持圧力が低減する。このことが次に、非金属部品の横突出部を、横部材によって提供される支持部から早期に分離させる場合がある。そのような早期分離は、非金属部品の多孔性、層剥離、および／または他の層の品質問題をしばしばもたらす。

複合部品が横突出部を有するべきときに生じる別の問題は、冷却中マンドレルの横部材が横突出部を粉砕し得ることである。

これら問題を解決する試みにおいて、いくつかの従来技術のマンドレルは、「浮遊式」横部材（マンドレルの中央部分の外側に沿って自由に摺動する横部材）を有するように設計された。そのような浮遊式横部材は一般的に、冷却中に横突出部を粉砕する横部材の傾向を解決することに成功するが、横部材の最終的な配置を正確に制御することはできない。これは、複合部品の横突出部の位置を正確に制御できないことを意味する。

従って、従来技術の上述の問題を回避する横突出部を有する機械部品を形成することができるマンドレルに対する必要性がある。

本発明によりこの必要性は満たされる。本発明は中空部品を形成するのに適したマンドレルであり、中空部品は、第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製され、長手軸を有する細長い本体を有し、かつ本体から外方へ延びる、本体に取り付けられた横突出部を有し、マンドレルは（ａ）第１端部、反対側の第２端部、長手軸、外面および第１膨張係数と異なる第２膨張係数を有する細長い中央部材、（ｂ）第１位置に配置され、中央部材の外面から外方へ延びる横部材であって、中央部材の長手軸と平行な経路に沿って摺動可能なように中央部材に摺動可能に取り付けられた横部材、および（ｃ）第１端部、第２端部および第１膨張係数と実質的に同様の膨張係数を有する剛性の細長い支柱部材であって、支柱部材の第１端部が横部材に取り付けられ、支柱部材の第２端部が第１位置から離間された第２位置に取り付けられ、支柱部材が中央部材の長手軸と実質的に平行に配置される支柱部材とを含む。

本発明のこれらおよび他の特徴、態様および利点は、以下の記載、付随する請求項、および添付図面を参照することにより、より深く理解されよう。

図１は、本発明の特徴を有する第１マンドレルの斜視図である。 図２は、図１に示されるマンドレルの側面図である。 図３は、図１に示されるマンドレルの端面図である。 図４は、図３に示されるマンドレルの、線４−４に沿って取られた断面図である。 図５は、本発明の特徴を有する第２マンドレルの斜視図である。 図６は、図５に示されるマンドレルの断面図である。

以下の考察は、本発明の一実施形態およびその実施形態のいくつかの変形形態を詳細に記載している。しかしながら、本考察は、本発明をそれら特定の実施形態に限定しているように解釈されるべきでない。当該技術の当業者は、多数の他の実施形態も認識するであろう。

本発明は、中空部品の形成に適したマンドレル１０であり、中空部品は第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製され、長手軸を有する細長い本体、および本体から外方へ延びる、本体に取り付けられた横突出部を有する。

熱硬化性材料は繊維と母材の複合材であってもよい。繊維材料は、炭素、黒鉛、ガラス繊維、石英、セラミック、アラミド、ナノ（ｎａｎｎｏ）繊維、ＵＨＭＷＰＥ、玄武岩、および他の構造的に強化された繊維を含む。母材は、エポキシ、ポリイミド、ビスマレイミド、フェオリック（ｐｈｅｏｌｉｃ）、熱可塑性樹脂、ポリエステル、ビニルエステル、シアン酸エステル、セラミック、または他のポリマー複合母材を含むことができる。繊維および母材はどのような組合せであってもよい。

マンドレル１０は、細長い中央部材１２と、１つまたは複数の可動横部材１４と、少なくとも１つの細長い剛性支柱部材１６とを含む。

中央部材１２は細長く、第１端部１８、反対側の第２端部２０、長手軸２２、および外面２４を有する。一般的に、中央部材１２は、約４フィート〜約２０フィートの長さであり、最も一般的には、長さ約５フィートなど、約３フィート〜約８フィートの長さである。

同じく一般的に、中央部材１２は鋼から作製される。しかしながら、アルミニウム−鋼合金またはＩｎｖａｒ（登録商標）などのニッケル−鋼合金など、他の合金を用いることができる。中央部材１２は、多くの用途において、炭素強化複合材または炭素複合材から作製することもできる。

中央部材１２は第１膨張係数と著しく異なる膨張係数を有する。膨張係数の違いは、複合材が硬化する間、損傷をもたらし得る。一般的に、膨張係数は「著しく異なり」、それは中央部材の膨張係数が第１膨張係数と少なくとも５％異なることを意味する。

図に示す実施形態では、中央部材１２の外面２４は、中央部材１２の長さを通して円形の断面を有する。図１〜４に示す実施形態では、中央部材１２の外面２４は、中央部材１２の長さを通して等しい円形断面を有する直円柱である。図５および６に示す実施形態では、しかしながら、中央部材１２の外面２４の円形断面は、第１端部１８において第２端部２０よりも大きい。中央部材１２の外面２４は、他の多くの形状を有することができ、それには楕円形断面および多角形断面（正方形断面、長方形断面、八角形断面等など）を有する形状が含まれる。不規則な断面を有する中央部材１２を本発明に使用することもできる。

図に示す実施形態では、中央部材１２は、円形断面を有する内側通路２６を画定する。図１〜４に示す実施形態では、中央部材１２は、中央部材１２の長さを通して同じ円形断面を有する直円柱である内側通路２６を画定する。図５および６に示す実施形態では、中央部材１２は円形断面を有する内側通路２６を画定するが、内側通路２６は中央部材１２の第１端部１８において第２端部２０の通路より直径が大きい。

横部材１４は第１位置２８に配置され、中央部材１２の外面２４から外方へ突出する。横部材１４は中央部材１２に摺動可能に取り付けられ、その結果、横部材１４は中央部材１２の長手軸２２と平行な経路に沿っておよび第１位置２８から離間した第２位置３０の方向に摺動可能である。

同じく図に示す実施形態では、マンドレル１０はさらに、第２位置３０に配置され、かつ中央部材１２の外面２４から外方へ突出する第２横部材３２を含む。これら実施形態では、第２横部材３２は、第２横部材３２が中央部材１２の長手軸２２と実質的に平行な経路に沿って摺動可能なように、中央部材１２に摺動可能に取り付けられる。他の実施形態では、第２横部材３２を中央部材１２にしっかり取り付けることができる。第２横部材３２を備えた実施形態により、マンドレル１０は、一対の反対側の端部フランジなど、反対側の横突出部を有する部品を形成することが可能になる。

細長い支柱部材１６は剛性であり、第１端部３４と、第２端部３６と、第１膨張係数と実質的に同様の膨張係数とを有する。「実質的に同様」とは、支柱部材１６の膨張係数が、完成部品の損傷を防止するように、部品の硬化および冷却の間、部品とマンドレル１０の横部材１４との間に十分な正の接触を生じさせるのに十分に近いことを意味する。一般的に、細長い支柱部材１６は、第１膨張係数の約５％以内の膨張係数を有する。

好ましくは、支柱部材１６は、部品と同じ材料から作製される。そのような実施形態では、膨張係数は第１膨張係数と同一である。しかしながら、支柱部材１６が第１膨張係数と実質的に同様の膨張係数を有する限り、支柱部材１６を形成するのに他の多くの材料を使用してもよい。そのような他の材料の例は、炭素、黒鉛、ガラス繊維、石英、セラミック、アラミド、ナノ（ｎａｎｎｏ）繊維、ＵＨＭＷＰＥ、玄武岩の繊維、および他の構造的に強化された繊維を有し、かつエポキシ、ポリイミド、ビスマレイミド、フェオリック、熱可塑性樹脂、ポリエステル、ビニルエステル、シアン酸エステル、セラミックの母材、または他のポリマー複合母材を有する複合材料を含む。

支柱部材１６の第１端部３４は横部材１４に取り付けられ、支柱部材１６の第２端部３６は第２位置３０に取り付けられる。支柱部材１６は中央部材１２の長手軸２２と実質的に平行に配置される。

図に示す実施形態では、細長い支柱部材１６は複数の剛性の細長い支柱部材１６を含む。図１〜４に示す実施形態では、マンドレル１０は３つの細長い支柱部材１６を含む。図５および６に示す実施形態では、マンドレル１０は６つの細長い支柱部材１６を含む。

同じく図に示す実施形態では、支柱部材１６は第２位置３０において摺動可能な第２横部材１４に取り付けられる。他の実施形態では、支柱部材１６は、第２位置３０に配置された非摺動性の第２横部材に取り付けることができる。さらに他の実施形態では、支柱部材１６は第２位置３０において、マンドレル１０の部品ではなく中央部材１２に対してしっかり配置されたプレートまたは壁に取り付けることができる。

細長い支柱部材１６は一般的に中実の円筒部材である。図に示す実施形態では、細長い支柱部材１６は、一般的に約０．１インチ〜約４インチの断面直径を有する直円柱である。

本発明はまた、上記マンドレル１０を使用する方法である。本方法において、マンドレル１０は、第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製される中空部品を形成するために使用され、部品は（ｉ）第１端部、第２端部および長手軸を有する細長い本体と、（ｉｉ）本体から外方へ延びる、本体に取り付けられた横突出部とを含み、方法は（ａ）本発明のマンドレル１０を提供するステップと、（ｂ）熱硬化性材料をマンドレル１０の中央部材１２の外面２４に適用することによって本体を形成するステップと、（ｃ）熱硬化性材料を横部材１４の内面３８に適用することによって横突出部を形成するステップと、（ｄ）横突出部と横部材１４の内面との接触を維持しながら、硬化性材料を高温まで加熱する間、部品の本体および部品の横突出部をマンドレル１０に緊密に保持するステップと、（ｅ）部品が硬化した後、部品を冷却するステップとを含む。

本発明により、上記背景のセクションで考察した問題は解決される。横部材１４は中央部材１２に沿って摺動できるので、および細長い支柱部材１６は、マンドレル１０を用いて形成される部品の膨張係数と実質的に同様の膨張係数を有するので、マンドレル１０の加熱および冷却においておよび部品はマンドレル１０の横部材１４からの部品の早期分離を引き起こさない。同じく、横部材１４は中央部材１２に沿って摺動できるので、冷却中、横部材が横突出部と衝突する危険はない。

このように本発明を記載したが、上に記載したような、および請求項によって以下に記載されるような本発明の範囲および公正な意味合いから逸脱することなく、多数の構造的な修正および適合を行うことができることは明白であろう。

Claims (11)

1. 中空部品を形成するのに適したマンドレルにおいて、前記部品が、第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製され、長手軸を有する細長い本体を有し、かつ前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた横突出部を有し、前記マンドレルが、
   （ａ）第１端部、反対側の第２端部、長手軸、外面および前記第１膨張係数と異なる第２膨張係数を有する細長い中央部材、
   （ｂ）第１位置に配置され、前記中央部材の前記外面から外方へ突出する横部材であって、前記中央部材の前記長手軸と平行な経路に沿って摺動可能なように前記中央部材に摺動可能に取り付けられた横部材、および
   （ｃ）第１端部、第２端部および前記第１膨張係数から５％の範囲内の膨張係数を有する剛性の細長い支柱部材であって、前記支柱部材の前記第１端部が前記横部材に取り付けられ、前記支柱部材の前記第２端部が前記第１位置から離間された第２位置に取り付けられ、前記支柱部材が前記中央部材の前記長手軸と実質的に平行に配置される剛性の細長い支柱部材と、
   を含むことを特徴とするマンドレル。
2. 請求項１に記載のマンドレルにおいて、前記支柱部材の前記第２端部が、前記第２位置に配置された第２横部材に取り付けられることを特徴とするマンドレル。
3. 請求項１に記載のマンドレルにおいて、前記剛性の細長い支柱部材が、複数の剛性の細長い支柱部材を含むことを特徴とするマンドレル。
4. 請求項１に記載のマンドレルにおいて、前記第２膨張係数が前記第１膨張係数より大きく、前記横部材が前記第２位置の方向に摺動可能なように前記中央部材に摺動可能に取り付けられることを特徴とするマンドレル。
5. 請求項１に記載のマンドレルにおいて、前記横部材が、前記中央部材の前記第１端部の近くに配置されかつ前記中央部材の前記外面から外方へ突出する第１横部材と、前記中央部材の前記第２端部の近くに配置されかつ前記中央部材の前記外面から外方へ突出する第２横部材とを含み、両方の横部材が、前記中央部材の前記長手軸と平行な経路に沿って摺動可能なように、前記中央部材に摺動可能に取り付けられ、および前記支柱部材の前記第１端部が前記第１横部材に取り付けられ、前記支柱部材の前記第２端部が前記第２横部材に取り付けられることを特徴とするマンドレル。
6. 請求項５に記載のマンドレルにおいて、前記剛性の細長い支柱部材が、複数の剛性の細長い支柱部材を含むことを特徴とするマンドレル。
7. 請求項５に記載のマンドレルにおいて、前記第２膨張係数が前記第１膨張係数より大きく、前記横部材が前記第２位置の方向に摺動可能なように前記中央部材に摺動可能に取り付けられることを特徴とするマンドレル。
8. 第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製される中空部品を形成する方法であって、前記部品が（ｉ）第１端部、第２端部および長手軸を有する細長い本体と、（ｉｉ）前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた横突出部とを含み、前記方法が
   （ａ）中空部品を形成するのに適したマンドレルを提供するステップであって、前記部品が、第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製され、長手軸を有する細長い本体を有し、かつ前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた横突出部を有し、前記マンドレルが、
   （ｉ）第１端部、反対側の第２端部、長手軸、外面および前記第１膨張係数と異なる第２膨張係数を有する細長い中央部材、
   （ｉｉ）第１位置に配置され、前記中央部材の前記外面から外方へ突出する横部材であって、前記中央部材の前記長手軸と平行な経路に沿って摺動可能なように前記中央部材に摺動可能に取り付けられた横部材、および
   （ｉｉｉ）第１端部、第２端部および前記第１膨張係数から５％の範囲内の膨張係数を有する剛性の細長い支柱部材であって、前記支柱部材の前記第１端部が前記横部材に取り付けられ、前記支柱部材の前記第２端部が前記第１位置から離間された第２位置に取り付けられ、前記支柱部材が前記中央部材の前記長手軸と実質的に平行に配置される剛性の細長い支柱部材と、を含むマンドレルを提供するステップと、
   （ｂ）前記熱硬化性材料を前記マンドレルの前記中央部材の前記外面に適用することによって前記部品の前記本体を形成するステップと、
   （ｃ）前記熱硬化性材料を前記横部材に適用することによって横突出部を形成するステップと、
   （ｄ）前記横突出部と前記横部材の間の接触を維持しながら、前記硬化性材料を高温まで加熱する間、前記部品の前記本体および前記部品の前記横突出部を前記マンドレルに緊密に保持するステップと、
   （ｅ）前記部品が硬化した後、前記部品を冷却するステップと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、前記剛性の細長い支柱部材が、複数の剛性の細長い支柱部材を含むことを特徴とする方法。
10. 第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製される中空部品を形成する方法であって、前記部品が（ｉ）第１端部、第２端部および長手軸を有する細長い本体と、（ｉｉ）前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた第１横突出部と、（ｉｉｉ）前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた第２横突出部とを含み、前記方法が
    （ａ）中空部品を形成するのに適したマンドレルを提供するステップであって、前記部品が、第１膨張係数を有する熱硬化性材料から作製され、第１端部、第２端部および長手軸を有する細長い本体を有し、前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた第１横突出部を有し、かつ前記本体から外方へ延びる、前記本体に取り付けられた第２横突出部を有し、前記マンドレルが、
    （ｉ）第１端部、反対側の第２端部、長手軸、外面および前記第１膨張係数と異なる第２膨張係数を有する細長い中央部材、
    （ｉｉ）前記中央部材の前記第１端部の近くに配置され、前記中央部材の前記外面から外方へ突出する第１横部材および、前記中央部材の前記第２端部の近くに配置され、前記中央部材の前記外面から外方へ突出する第２横部材であって、両方の横部材が、前記中央部材の前記長手軸と平行な経路に沿って摺動可能なように前記中央部材に摺動可能に取り付けられた第１横部材および第２横部材、ならびに、
    （ｉｉｉ）第１端部、第２端部および前記第１膨張係数から５％の範囲内の膨張係数を有する剛性の細長い支柱部材であって、前記支柱部材の前記第１端部が前記第１横部材に取り付けられ、前記支柱部材の前記第２端部が前記第２横部材に取り付けられ、前記支柱部材が前記中央部材の前記長手軸と実質的に平行に配置される剛性の細長い支柱部材と、を含むマンドレルを提供するステップと、
    （ｂ）熱硬化性材料を前記マンドレルの前記中央部材の前記外面に適用することによって前記部品の前記本体を形成するステップと、
    （ｃ）前記熱硬化性材料を前記第１横部材に適用することによって第１横突出部を形成するステップと、
    （ｄ）前記熱硬化性材料を前記第２横部材に適用することによって第２横突出部を形成するステップと、
    （ｅ）前記第１横突出部と前記第１横部材の間の接触を維持し、かつ前記第２横突出部と前記第２横部材の接触を維持しながら、前記硬化性材料を高温まで加熱する間、前記部品の前記本体および前記部品の両方の横突出部を前記マンドレルに緊密に保持するステップと、
    （ｆ）前記部品が硬化した後、前記部品を冷却するステップと、を含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１０に記載の方法おいて、前記剛性の細長い支柱部材が、複数の剛性の細長い支柱部材を含むことを特徴とする方法。

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