JP6034871B2 - 複合材料部品を製作するための装置 - Google Patents

Description

本明細書は、複合材料部品を製作するための装置に関する。

この種の装置は、複合材料部品を製作するため、特に航空エンジンファンケーシングを製作するために使用され得る。

航空エンジンにおいては、通常、ファンケーシングがいくつかの機能を実行する。ファンケーシングは、エンジンの中に空気入口通路を画定し、ファンブレードの先端と位置合わせしたアブレイダブル材料を支持し、エンジンの入口で音響処理のための任意の構造体を支持し、保持シールドを組み込む、または支持する。シールドは、遠心分離によって吸い込まれた、外側に突出した損傷ブレードの物体または断片のようなデブリを保持するためのトラップを構成し、これは、この種のデブリがケーシングを通過し、航空機の他の部分に到達するのを阻止するためである。

複合材料からファンケーシングを作製することが知られている。例示として、文献欧州特許第１９６１９２３号明細書は、厚さが変化する複合材料ケーシングを製作する方法を説明している。その方法は、「プリフォーム」と呼ばれることが多い繊維強化構造体を形成するステップと、樹脂マトリックスでプリフォームを高密度化するステップとを含む。繊維プリフォームは、繊維ストリップの複数の層を重ね合わせることによって作製される。その例では、繊維ストリップは、三次元製織によって作製され、これは、プリフォームを形成するために、複数の重なり合った層としてマンドレルに巻き付けられる。使用されるマンドレルは、ケーシングの主壁の内部形状に一致する外部形状を有する中央壁と、ケーシングの固定フランジの形状に一致する形状の２つのチークプレートとを有する。そのように得られた繊維プリフォームは、マンドレルに保持され、次いでマンドレルによって一部が形成されるモールドに閉じ込められ、次にはモールドに注入される樹脂で含浸される。

含浸ステップ中に、繊維ストリップの層はテンション状態となり、マンドレルのチークプレートと中央壁との間に画定される凹角から分離する傾向があり、それによって、圧密欠陥、および層の間の樹脂の塊、およびその結果として、これらの角においてケーシングの構造体の不規則性がもたらされる。

その問題を軽減するために、「圧密」チョックを適切な位置に設置することが知られており、これは、注入が行われている間に繊維プリフォームを前記角に押圧するように構成される。残念ながら、チョックは、従来、手で適切な位置に設置されており、チョックは、見えない状態において、手探りで所定の位置に置かれ、その後、これらは、モールドの別の部分にねじ込まれることによって固締される。したがって、チョックを適切な位置に設置するこのステップは、緩慢で、面倒で、量産スループット速度と両立できず、これはまた、チョックが不完全に位置決めされることになり得る。

欧州特許第１９６１９２３号明細書

チョックを適切な位置に設置することをより容易にする新しいタイプの装置に対する必要性がある。

本明細書は、複合材料部品を製作するための装置に関するものであり、複合部品は、繊維構造体に樹脂を注入することによって製作され、本装置は、
繊維構造体を支持するように構成される第１のダイであり、それらの間に凹角を画定する２つの隣接する支持表面を有する第１のダイと、
繊維構造体を前記角に押圧するように構成される楔形状部を共に画定する第１および第２の隣接する面を有する少なくとも１つのチョックと、
第１のダイに対して可動である第２のダイであり、第１のダイ、第２のダイ、およびチョックが、閉位置において繊維構造体を取り囲む樹脂注入空間を共に画定するように、第１および第２のダイが、繊維構造体およびチョックを押し付けるように構成される、第２のダイと
を備える。

したがって、閉位置または「注入」圧力は、樹脂が注入されている間に装置が位置決めされる位置である。

提案された装置においては、チョックは、少なくとも１つのリンクによって第２のダイに接続され、リンクは、第２のダイが第１のダイに近づく場合に繊維構造体（または繊維プリフォーム）を凹角に押圧するために前記角に向かって楔形状部を案内するように、第２のダイおよびチョックに対してヒンジで止められる。

１つまたは複数のリンクを使って、第１のダイの２つの支持表面の間に画定される凹角にチョックを位置決めすること、およびしたがって繊維構造体をこの角に押圧することは、各ダイが互いに近づくにつれて自動的に行われる。先に知られている手動位置決め方法と比較すると、チョックのこのような自動位置決めは、迅速で、より信頼性があり（ヒューマンエラーの危険がより少なく）、スループットの量産速度と両立できるという利点をもたらす。

ある実施形態においては、チョックの第３の面は、前記閉位置において第２のダイに押し当たり、前記第３の面は、第１および第２の面と反対側にある。閉位置において、このような押圧は、チョックが安定的に位置決めされ、圧縮力が適切に伝達されることを保証する。

ある実施形態においては、ガスケットが、リンクの周りで第３の面と第２のダイとの間に位置決めされる。このガスケットは、樹脂がチョックと第２のダイとの間を通過し、かつ特に樹脂が目詰まりし、したがってリンクを動けなくし、かつアセンブリの動作を妨げることを回避する働きをする。

ある実施形態においては、チョックは、少なくとも１対の相互に平行なリンクによって第２のダイに接続される。これにより、チョックを案内し、リンクの間で力を分配し、したがって接続が生産サイクルを通して信頼できかつ長続きすることを保証することができる。

ある実施形態においては、リンクは、チョックおよび第２のダイに形成されるそれぞれのキャビティに挿入されるように構成されるシェルにヒンジで止められる。したがって、リンクおよびシェルは、チョックからおよび第２のダイから取り外し可能であるモジュールを形成する。必要に応じて、このモジュールは、容易に取り替えられ得る。また、チョックおよび第２のダイの製作が簡易化される。シェルは、任意の適切な固定手段によってチョックおよび第２のダイに固定されることができ、たとえば、シェルは、前記キャビティの中に強制的に係合されることができ、かつ／または、これらは、ボルトによって所定の位置に保持され得る。

ある実施形態においては、第１のダイは、その周りに繊維構造体が巻き付けられるマンドレルであり、マンドレルは、中央壁および少なくとも１つのチークプレートを備え、中央壁およびチークプレートは、前記隣接する支持表面を画定する。したがって、前記チョックは、樹脂が注入されている間に中央壁とチークプレートとの間に繊維構造体を押圧する働きをする。

ある実施形態においては、装置は、複数のチョックを備え、各チョックは、リングセグメントの形をとっており、チョックは、マンドレルの全周を覆うように端を突き合わせて位置決めされる。このような状況下では、リンクは、たとえば自己妨害型係合によって、各リングセグメントの端部の近くに接続され得る。

また、本明細書は、複合材料部品を製作する方法を提供し、そこでは、樹脂が、前記複合材料部品を形成するために繊維構造体に注入され、提案された装置は、繊維構造体を支持し、かつ繊維構造体を取り囲む樹脂注入空間を画定するために使用される。

一般に、前記複合材料部品は、それらの間に凸角を画定する２つの隣接する外側表面を有する任意の部品であることができ、２つの外側表面は、製作中に第１のダイの２つの隣接する支持表面に一致し、部品の凸角は、ダイの凹角に一致する。

より詳細には、前記部品は、部品の軸線に対して実質的に垂直な少なくとも１つのフランジをもつ軸対称部品であることができ、前記凹角は、フランジのベースに形成される凸角に一致する。

ある実施においては、前記部品は、航空エンジンファンケーシングであり、ケーシングは、主壁および少なくとも１つの固定フランジを有し、前記凹角は、主壁と固定フランジとの間に形成される凸角に一致する。

例示として、ケーシングは、炭素、ガラス、アラミド、またはセラミック樹脂の繊維構造体から、および、たとえばエポキシ樹脂、ビスマレイドなどのポリマー樹脂、またはポリイミド樹脂から作製される。

上に挙げた特徴および利点ならびに他のものは、提案された装置の一実施形態の次に述べる詳細な説明を読むと明らかになる。詳細な説明は添付の図面を参照する。

添付の図面は、概略的であり、特に本発明の原理を示すものである。

図面においては、各図を通して、同一の要素（または要素の部分）は、同じ引用符号によって参照される。

繊維ストリップをマンドレルに巻き付けるための機械の側面図である。 図１のマンドレルの簡単化した斜視詳細図である。 チョックを自動的に位置決めするための連続するステップを示す、圧密チョックの一例の軸断面詳細図である。 チョックを自動的に位置決めするための連続するステップを示す、圧密チョックの一例の軸断面詳細図である。 チョックを自動的に位置決めするための連続するステップを示す、圧密チョックの一例の軸断面詳細図である。 図３から図５のチョックの斜視詳細図である。

一実施形態が、添付の図面を参照して下記に詳細に説明される。この実施形態は、本発明の特徴および利点を示している。それにもかかわらず、本発明は、この実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。特に、本発明は航空エンジンファンケーシングを製作するその用途との関連で下記に説明されているが、本発明は、その用途に限定されるものではない。

ファンケーシングを製作する方法の一実施が、文献欧州特許第１９６１９２３号明細書に説明されており参照する。

簡単に言えば、欧州特許第１９６１９２３号明細書に説明されている製作方法は、「巻取りマンドレル」と下記で呼ばれる、ドラム上での縦糸巻取りによる三次元製織によって繊維ストリップまたはシートを作製することから成る。このように作製される繊維シートは、その後、「含浸マンドレル」と下記で呼ばれる、樹脂注入モールドのマンドレル上に移送され、このマンドレルの外部形状は、製作されるべきケーシングの内側形状に合致する。含浸マンドレルの周りに繊維シートを巻き付けることにより、複数の重ね合わせたシート層でできている「プリフォーム」とも呼ばれる、繊維構造体を得ることができる。

次いで、含浸マンドレルに巻き付け保持されたプリフォームが、樹脂で含浸される。含浸後に、樹脂重合ステップが行われる。

図１は、特に巻取りマンドレル１４および含浸マンドレル１００を支持するスタンド１２を備えるワインダー機１０の一例を示している。これらのマンドレル１４、１００は、取り外し可能であり、すなわち、これらは、スタンド１２から運び去られる場合もある。

巻取りマンドレル１４は、三次元製織によって得られる繊維シート１６を担持する。これは、スタンド１２に対して回転するように取り付けられ、電気モータ２０によって軸１８を中心に回転駆動される。

含浸マンドレル１００は、巻取りマンドレル１４に蓄えられた繊維シート１６の重ね合わせた層を受け取ることになる。含浸マンドレル１００は、マンドレル１００に対して概ね垂直な方向に延在する２つのチークプレート１０４、１０６の間に円筒を形成する中央壁１０２を有する（図１および図２を参照されたい）。したがって、チークプレート１０４および１０６は、凹角Ａを画定するように中央壁１０２と協働する。マンドレル１００の外部形状は、製作されるべきケーシングの内部形状に一致する。より正確には、中央壁１０２の外側表面は、ケーシングの主壁の内側表面に一致する。さらに、チークプレート１０４、１０６の中央壁１０２に向かって対向している側面は、ケーシングの固定フランジの側面に一致し、これらのフランジは、他の要素が取り付けられ他の要素に接続できるようになるために、ケーシングの軸方向端部に設けられる。

含浸マンドレル１００は、巻取りマンドレル１４の回転軸１８に平行な水平軸２２を中心に回転するようにスタンド１２に回転可能に取り付けられ、これは、電気モータ２４によって回転駆動される。本明細書においては、軸方向は、マンドレル１００の軸回転２２の方向に一致し、半径方向は、前記軸に対して垂直な方向である。同様に、軸方向平面は、軸２２を含む平面であり、半径方向平面は、軸２２に対して垂直な平面である。

制御ユニット２６が、電気モータ２０、２４に接続され、これは、マンドレル１４および１００のそれぞれの回転速度を制御し監視する働きをする。一般的な方式で、制御ユニット２６は、ワインダー機１０の動作パラメータのすべてを制御する働きをする。

繊維シートは、図１の矢印Ｆによって認識される回転方向に含浸マンドレル１００の重ね合わせた層に巻き付けられる。例示として、４つの重ね合わせた層でできている繊維構造体２８を得るように、マンドレル１００の約４回転を超えてシート１６を巻き付けることができ、それにより、製作されるべきケーシングの仕様に応ずる厚さを有する。

マンドレル１００は、本明細書の意味では第１のダイを構成する。

巻き付けステップの後に、マンドレル１００は、図２から図６に示されるように、第２のダイ１３０を含む他の要素と結合するように移動される。より正確には、保護要素２９が、繊維構造体を保護し、かつ挟まれるのを避けるように繊維構造体２８上に位置決めされることができ、「圧密」チョックと呼ばれることが多い、角のあるチョック１１０が、マンドレル１００の中央壁１０２とチークプレート１０４、１０６との間に形成される凹角Ａを覆う繊維構造体２８の一部を覆ってマンドレル１００に位置決めされる。図２においては、明瞭化のために第２のダイ１３０は示されていないことを観察することが重要である。それにもかかわらず、下記に説明されるように、また図３から図６に示されるように、各チョック１１０は、リンク１５０によって第２のダイ１３０に接続される。同様に、リンク１５０は、図２に示されていない（これらは、図３から図６に示されている）。

チョック１１０のうちの１つが、図３から図５において詳細に軸断面で示されている。各チョック１１０は、凹角Ａに実質的に一致する凸角を有する楔形状部１１５を共に画定する第１および第２の隣接する面１１１および１１２を有する。この楔形状部１１５は、繊維構造体２８を角Ａに押圧するように構成される。また、チョック１１０は、第１および第２の面１１１、１１２と反対側に第３の面１１３を有する。チョック１１０は、三角形である軸方向プロファイルを有し（図３から図５を参照されたい）、このプロファイルの３つの側面は、前記面１１１−１１３に一致する。各チョック１１０は、端を突き合わせて位置決めされるとチョック１１０がマンドレル１００の全周を覆うように、マンドレル１００の周りに円周方向に延在するリングセグメントの形をとっている。図２においては、参照番号１０９は、２つの隣接するチョック１１０の間の界面を示している。示された例においては、各一連のチョック１１０は、４つのチョック１１０でできており、それぞれが約９０°の角度を占める。勿論、チョック１１０の数が異なることもある。

また、装置は、マンドレル１００に対して可動である第２のダイ１３０を有する（マンドレル１００は第１のダイを構成する）。「裏当て型」とも呼ばれる、第２のダイ１３０は、外側で円周方向にマンドレル１００およびチョック１１０を取り囲む。したがって、第２のダイ１３０およびマンドレル１００は、繊維構造体２８およびチョック１１０を押し付ける。

各チョック１１０は、対のリンク１５０によって第２のダイ１３０に接続され、所与の対のリンクは、互いに対して平行であり、これらのリンクの枢動軸は、相互に平行である。示された例においては、一対のリンク１５０が、各チョック１１０の円周方向端部のそれぞれに設けられる。１つまたは複数のリンクの対が、２つの端部に位置しているリンクの対から等しい距離をおいて加えられてもよい。各リンク１５０は、第２のダイ１３０がマンドレル１００に近接する場合に繊維構造体２８を角Ａに押圧するために角Ａに向かって楔形状部１１５を案内するように、第２のダイ１３０およびチョック１１０に対してヒンジで止められる。

所与の対の２つのリンク１５０は、チョック１１０および第２のダイ１３０に形成されるキャビティ１８１、１８２に挿入されるようにそれぞれ構成されるシェル１７１、１７２にヒンジで止められる。したがって、２つのリンク１５０およびシェル１７１、１７２は、チョック１１０からおよび第２のダイ１３０から取り外され得るモジュールを形成する。示された例においては、シェル１７１、１７２は、キャビティ１８１、１８２に強制的に係合される。

図３から図５は、第２のダイ１３０がマンドレル１００に近づくにつれてチョック１１０のうちの１つに自動的に位置決めされる際の連続するステップを示している。この例においては、ダイ１３０は、マンドレル１００が静止している間に移動する。ダイ１３０は、マンドレル１００に向かって半径方向に移動する（すなわち、図３を参照すると、ダイ１３０は下方に移動する）。ダイ１３０がマンドレル１００に半径方向に近づくにつれて、リンク１５０は、チークプレート１０４に向かってチョック１１０を駆動するように枢動し、チョック１１０の移動は、マンドレル１００に向かうダイ１３０の接近方向に垂直な方向の成分を有する（すなわち、説明された例では軸方向、および具体的には、図３を参照すると、チョック１１０は左に移動する）。

したがって、チョック１１０は、第２のダイ１３０がマンドレル１００に近づくにつれて、チョック１１０が繊維構造体２８を角Ａに押圧するように、角Ａに向かってリンク１５０によって案内される。

ダイ１３０は、図５に示されるように、「閉」位置に到達するまでマンドレル１００に接近させられ、そこでは、マンドレル１００、第２のダイ１３０、およびチョック１１０は、繊維構造体２８の周りに樹脂を注入するための注入空間１２５を共に画定する。閉位置においては、チョックの第１の面１１１は、チークプレート１０４に面し、繊維構造体２８は、この第１の面１１１とチークプレート１０４との間で圧縮され、チョックの第２の面１１２は、マンドレル１００の中央壁１０２に面し、繊維構造体２８は、この第２の面１１２と壁１０２との間で圧縮され、チョックの第３の面１１３は、第２のダイ１３０に当たっている。したがって、繊維構造体２８は、樹脂が注入空間１２５に注入されている間にチョック１１０によって角Ａに圧縮され、それにより、繊維構造体２８が角Ａから分離することを防止する。

図３から図６に示されるように、ガスケット１６０は、第３の面１１３と第２のダイ１３０との間に位置決めされ、リンク１５０の各対を取り囲む。このガスケット１６０は、樹脂が注入されている間、第３の面１１３と第２のダイ１３０との間の樹脂のいかなる浸入に対してもリンクを保護する働きをする。

注入空間１２５に樹脂を注入するための手段（図示せず）も設けられることを認められたい。たとえば、マンドレルのチークプレートのうちの１つ（たとえば、チークプレート１０４）は、空間１２５の内部に入る少なくとも１つの樹脂注入オリフィスを有することができる。したがって、樹脂は、マンドレル１００に保持される繊維構造体２８の端部のうちの１つに注入される。さらに、排出オリフィスが、反対側のチークプレート（たとえば、チークプレート１０６）に設けられ得る。

本明細書において説明された実施形態または実施は、非限定的な例示として与えられており、この明細書に照らして当業者は、本発明の範囲内にとどまりながら、これらの実施形態または実施を容易に改変することができ、あるいは他のものを想起することができる。

さらに、これらの実施形態または実施のさまざまな特徴は、それだけで使用されることができ、または互いに組み合わされ得る。これらが組み合わされる場合には、これらの特徴は、上記で説明されたようにまたは他の方法で組み合わされることができ、本発明は、本明細書で説明された特定の組合せに限定されるものではない。特に、異なる指定がない限り、１つの実施形態または実施を参照して説明された任意の特徴は、類似の方法で任意の他の実施形態または実施に適用され得る。

Claims (9)

1. 繊維構造体（２８）に樹脂を注入することによって複合材料部品を製作するための装置にして、
   繊維構造体を支持するように構成される第１のダイであり、それらの間に凹角（Ａ）を画定する２つの隣接する支持表面を有する第１のダイと、
   繊維構造体（２８）を前記凹角（Ａ）に押圧するように構成される楔形状部（１１５）を共に画定する第１および第２の隣接する面（１１１、１１２）を有する少なくとも１つのチョック（１１０）と、
   第１のダイに対して可動である第２のダイ（１３０）であり、第１のダイ、第２のダイ（１３０）、およびチョック（１１０）が、閉位置において繊維構造体（２８）を取り囲む樹脂注入空間（１２５）を共に画定するように、第１および第２のダイが、繊維構造体（２８）およびチョック（１１０）を押し付けるように構成される、第２のダイ（１３０）と
   を備える装置であって、
   チョック（１１０）が、少なくとも１つのリンク（１５０）によって第２のダイ（１３０）に接続され、リンク（１５０）は、第２のダイ（１３０）が第１のダイに近づく場合に繊維構造体（２８）を前記凹角（Ａ）に押圧するために前記凹角（Ａ）に向かって楔形状部（１１５）を案内するように、第２のダイ（１３０）およびチョック（１１０）に対してヒンジで止められることを特徴とする、装置。
2. チョック（１１０）の第３の面（１１３）が、前記閉位置において第２のダイ（１３０）に押し当たり、前記第３の面（１１３）が、第１および第２の面（１１１、１１２）と反対側にある、請求項１に記載の装置。
3. ガスケット（１６０）が、リンク（１５０）の周りで第３の面（１１３）と第２のダイ（１３０）との間に位置決めされる、請求項２に記載の装置。
4. チョック（１１０）が、少なくとも１対の相互に平行なリンク（１５０）によって第２のダイ（１３０）に接続される、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. リンク（１５０）が、チョック（１１０）および第２のダイ（１３０）に形成されるそれぞれのキャビティ（１８１、１８２）に挿入されるように構成されるシェル（１７１、１７２）にヒンジで止められる、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 第１のダイは、その周りに繊維構造体（２８）が巻き付けられるマンドレル（１００）であり、マンドレル（１００）が、中央壁（１０２）および少なくとも１つのチークプレート（１０４、１０６）を備え、中央壁（１０２）およびチークプレート（１０４、１０６）が、前記隣接する支持表面を画定する、請求項１から５のいずれか一項に記載の装置。
7. 複数のチョック（１１０）を有し、各チョック（１１０）がリングセグメントの形をとっており、チョック（１１０）が、マンドレル（１００）の全周を覆うように端を突き合わせて位置決めされる、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 繊維構造体（２８）に樹脂を注入することによって複合材料部品を製作するための方法であって、請求項１から７のいずれか一項に記載の装置が使用される、方法。
9. 前記部品が、航空エンジンファンケーシングであり、ケーシングが、主壁および少なくとも１つの固定フランジを有し、前記凹角（Ａ）が、主壁と固定フランジとの間に形成される凸角に一致する、請求項８に記載の複合材料部品を製作するための方法。

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