JP6195101B2 - ２つの曲率を有するパネルの作製方法 - Google Patents

Description

本発明は、２つの曲率を有するパネルの作製方法に関する。

図１Ａおよび１Ｂには、航空機１０の前方を示し、特に胴体の一部を形成し、２つの曲率を有するシェルと呼ばれるパネル１２を示している。３次元形態のこのパネル１２は、角度が１８０°の扇形部に広がるとともに、特定の航空機モデルでは９ｍに及ぶことがある長さにわたって広がり、その表面積は約６０ｍ^２になることがある。

搭載質量を軽減するため、このパネル１２は、さまざまに異なる方向を向いた繊維で樹脂マトリクスに含浸させたものからできる複合材料で作製する。

以下の説明文において、長手方向とは航空機の先端部から尾部に伸びる方向を指す。長手面とは、長手方向を含む面を指す。横断面とは、長手方向に直角な面を指す。

最適な機械的耐性を達成するため、繊維は、０°の第１の方向、９０°の第２の方向、＋４５°の第３の方向、および−４５°の第４の方向の４つの方向を向いた４つの列に沿って配置する。

図２Ａおよび２Ｂに示すように、０°の方向を向く第１の列の繊維１４は、この繊維１４の交点（節とも呼ぶ）であって、この交点で繊維１４と直交する曲線との交点同士が違いに同一距離となるように配置する必要がある。

９０°の方向を向く第２の列の繊維１６は、すべての節で繊維１６が繊維１４と直交するように配置する必要がある。

＋４５°の方向を向く第３の列の繊維１８は、すべての節で繊維１８が繊維１４に対して４５°の方向を向くように配置する必要がある。

−４５°の方向を向く第４の列の繊維２０は、すべての節で繊維２０が繊維１４に対して−４５°の方向を向くように配置する必要がある。

その結果、最適な機械的耐性を得るためには、繊維１４、１６、１８および２０を測地線に沿っては配置しない。

２つの曲率を有するパネルを作製するには、作製する部品と合致する３次元形態である表面を有する成形型を作製し、繊維の軌道をたどる少なくとも１つの積層ヘッドを用いてプリプレグを位置決めする必要があり、これによって前述したような繊維配列を得て最適な機械的耐性を達成する。

繊維を積層したのち、全体をパネル１２用に重合する。

この実施形態は、ＡＦＰ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆ_ｉｂｒｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ、自動繊維積層）タイプの複雑かつ高コストのロボット化手段を必要とし、これはパネルの原価に影響を及ぼす。

また、本発明は、２つの曲率を有するパネルの作製方法を提供して先行技術の欠点を緩和することをねらいとしている。

そのために、本発明は、２つの曲率を有する複合材料製航空機パネルの作製方法であって、前記パネルが所定の配列に沿って分散した繊維を含む３次元プリフォームから得られる方法において、繊維からなる平面プリフォームを製造し、３次元プリフォームが得られるように前記平面プリフォームを変形させることからなり、繊維は、変形後に所定の繊維配列が得られるように平面プリフォームに適合した軌道をたどることを特徴とする方法を目的とする。

その他の特徴および利点は、添付の図を参照しながら例のみを目的として挙げた本発明に沿った説明文を読めば明らかになるであろう。

航空機の前方の側面図である。 航空機の前方の正面図である。 ２つの曲率を有するパネルの斜視図であり、繊維の位置を示す第１の角度から見た図である。 図２Ａのパネルの斜視図であり、図を別の角度から見た図である。 図２Ａに示すパネルが得られる平面パネルの上面図である。 変形前の図３のパネル平面図の斜視図、および図２Ａに示したパネルのような２つの曲率を有するパネルが得られるように変形させるのに使用する道具の一例の斜視図である。 長手方向に沿って配置した第１の繊維列を示す平面パネルの上面図である。 変形後の図５Ａのパネルの斜視図である。 ９０°に配置した第２の繊維列を示す平面パネルの上面図である。 変形後の図６Ａのパネルの斜視図である。 ４５°に配置した第３の繊維列を示す平面パネルの上面図である。 変形後の図７Ａのパネルの斜視図である。 縫製で保持した繊維のさまざまに異なる向きを示す図である。 基準繊維を表示した３次元プリフォームを示す図である。 基準繊維を位置決めした平面プリフォームの一部を示す図である。 平面プリフォームでの繊維の交点を、２つの繊維列に対する３次元プリフォームの対応する点をもとに位置決めする様子を示す図である。 平面プリフォームでの繊維の交点を、２つの繊維列に対する３次元プリフォームの対応する点をもとに位置決めする様子を示す図である。 平面プリフォームでの第３の列の繊維１本と第１の列の繊維との交点を、３次元プリフォームの対応する点をもとに位置決めする様子を示す図である。 平面プリフォームでの第３の列の繊維と第１の列の繊維との交点を、３次元プリフォームの対応する点をもとに位置決めする様子を示す図である。

さまざまな図には航空機前方の下部分の胴体に備える、シェルと称する２つの曲率を有するパネルを１２で示した。

例として、このパネルの面積は約６０ｍ^２とすることができる。

しかしながら、本発明は、２つの曲率および特殊な繊維配列を有するこれ以外の航空機パネルにも適用できる。

このパネルは、少なくとも２つの繊維列を有し、第１の列の繊維は第１の方向を向き、第２の列の繊維は第１の方向とは異なる第２の方向に沿って配置し、両繊維は測地線ではない軌道に沿って配置する。

一実施形態によれば、パネルは、０°の第１の方向、９０°の第２の方向、＋４５°の第３の方向、および−４５°の第４の方向の４つの方向を向いた４つの列に沿って配置する繊維を含んで機械的に最適な状態を得る。

０°の方向を向く第１の列の繊維１４は、この繊維１４の交点（節とも呼ぶ）であって、この交点で繊維１４と直交する曲線との交点同士が違いに同一距離となるように配置する必要がある。

９０°の方向を向く第２の列の繊維１６は、すべての節で繊維１６が繊維１４と直交するように配置する必要がある。

＋４５°の方向を向く第３の列の繊維１８は、すべての節で繊維１８が繊維１４に対して４５°の方向を向くように配置する必要がある。

−４５°の方向を向く第４の列の繊維２０は、すべての節で繊維２０が繊維１４に対して−４５°の方向を向くように配置する必要がある。

本発明によれば、本作製方法は、乾燥繊維からなる平面プリフォーム２２を製造し、形状が作製するパネル１２の形状と同じである３次元プリフォーム２４が得られるように前記平面プリフォーム２２を変形したのち、３次元プリフォーム２４の乾燥繊維を樹脂マトリクスに含浸することからなる。

繊維および樹脂は、追求するパネル１２の機械的特徴に応じて当業者が選択するものであるため、これについては詳述しない。

本方法の最終工程は、乾燥プリフォームを剛性成形型に設定し、ＲＴＭ法（Ｒｅｓｉｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒｔ Ｍｏｌｄｉｎｇ、樹脂含浸成形）またはＬＲＩ法（Ｌｉｑｕｉｄ Ｒｅｓｉｎ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ、液体樹脂注入）の場合にはこの成形型に、ＲＦＩ法（Ｒｅｓｉｎ Ｆ_ｉｌｍ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ、樹脂フィルム注入）の場合は樹脂フィルムを備えた真空容器に液体樹脂を注入する公知の技術を用いて、またはこれ以外の技術によって実施することができる。

３次元プリフォーム２４および樹脂は、繊維および樹脂に使用する材料、および仕上がるパネル１２に追求する特徴に応じて重合サイクルの影響を受ける。

平面プリフォーム２２の形成は、さまざまな方法で実施できる。一実施形態によれば、平面プリフォーム２２は、表面が仕上がりパネル１２の形状と合致する成形型に押圧する。図４に示す図によれば、平面プリフォーム２２は成形型２６の表面に押圧するため、この成形型の形状はパネルの凸状表面の形状と合致する。

変形例では、平面プリフォーム２２は、成形型と流し込み型との間に配置することができ、成形型または流し込み型の表面の形状は、パネルの凸状表面の形状と合致する。

繊維は乾燥している（樹脂に含浸していない）ため、平面プリフォーム２２を３次元プリフォーム２４に加工する際に、繊維が互いに対して摺動する。

図３、５Ａ、６Ａ、７Ａに示すように、平面プリフォーム２２は、繊維１４、１６、１８、２０を特殊な配列に沿って（３次元プリフォームの状態での方向とは異なる方向に沿って）配置し、前記繊維１４、１６、１８、２０が変形後の３次元プリフォームで所望する方向に沿って配置されるようにして作製する。

平面繊維を積層することにより、より簡易でコストの低い積層用機械を使用することができるとともに、積層時間が抑えられる。これらの要素すべてが、パネルの原価を削減するのに寄与している。

図示した実施形態によれば、繊維１４、１６、１８、２０は、平面プリフォーム２２が得られるように平面状に配置する。繊維１４、１６、１８、２０はそれぞれ、第１、第２、第３、および第４の軌道に沿って配置して前述した０°、９０°、＋４５°および−４５°の４つの方向を向くようにし、変形させて３次元プリフォーム２４を形成したのちに機械的に最適な状態が得られるようにする。

平面プリフォーム２２の表面は、３次元プリフォーム２４と同じである。

一実施形態によれば、３次元プリフォームの（長手方向に平行な）長さＬに相当する平面プリフォームの長さＬ’は長さＬよりも長く、伸張率（Ｌ’−Ｌ）／Ｌは２．５％である。

３次元プリフォーム２４の曲線ｌ１（パネルの後方縁）に相当する平面プリフォーム２２の曲線ｌ１’はｌ１よりも長く、伸張率（ｌ１’−ｌ１）／ｌ１は１．１％である。

３次元プリフォーム２４の曲線１２（パネルの前方縁）に相当する平面プリフォーム２２の曲線ｌ２’はｌ２よりも長く、伸張率（ｌ２’−ｌ２）／ｌ２は１．１％である。

繊維１４、１６、１８、２０の軌道は、変形後に０°、９０°、＋４５°および−４５°の方向が得られるようにコンピュータによって決定する。

図５Ａに示すように、繊維１４は、コンピュータによって計算した軌道に沿って平面プリフォーム２２に配置し、図５Ｂに示すように、前記繊維１４が３次元プリフォーム２４では０°の方向に沿って配置されるようにする。

図６Ａに示すように、繊維１６は、コンピュータによって計算した軌道に沿って平面プリフォーム２２に配置し、図６Ｂに示すように、前記繊維１６が３次元プリフォーム２４では９０°の方向に沿って配置されるようにする。

図７Ａに示すように、繊維１８は、コンピュータによって計算した軌道に沿って平面プリフォーム２２に配置し、図７Ｂに示すように、前記繊維１８が３次元プリフォーム２４では＋４５°の方向に沿って配置されるようにする。

図８に示すように、平面プリフォーム２２は繊維の方向がそれぞれ異なっている連続層を含むことができる。プリフォームの耐性を維持しながら変形時に繊維１６、１８、２０、２２が互いに対して摺動できるように、異なる層を少なくとも１箇所の縫製２６で結合することができる。

図９〜１４には、３次元プリフォーム２４に適切に分散した繊維が得られるように平面繊維の軌道を決定する方法を示した。この方法は、図９に示すように９０°の方向を向く繊維１６の中央の繊維Ｘと０°の方向を向く繊維１４の中央繊維Ｙとの交点に相当する中心がある第１の目印を、３次元プリフォーム２４上に規定することからなる。３次元プリフォーム２４の中央の中心Ｏを設けることによって、角度面でのゆがみが抑えられる。しかし、これ以外の繊維を基準繊維として使用してもよい。したがって、この点Ｏは必ずしも中心にあるわけではない。

中央の繊維Ｘの上、および中央の繊維Ｙの右に配置される扇形部では、繊維１４と中央の繊維Ｘとの交点をＸ_１、Ｘ_２、Ｘ_３、．．．と表記し、繊維１６と中央の繊維Ｙとの交点をＹ_１、Ｙ_２、Ｙ_３、．．．．と表記する。

３次元プリフォームでは、すべての交点に対して、曲線ＯＸ_ｉ（ｉは１〜ｎの変数であり、ｎは中央の繊維Ｙの片側にある０°の方向を向く繊維の数）の長さおよび曲線ＯＹ_ｊ（ｊは１〜ｍの変数であり、ｍは中央の繊維Ｘの片側にある９０°の方向を向く繊維の数）の長さを測定する。

図１０に示すように、平面形状では、３次元プリフォームの点Ｏに相当する点Ｏ’を中央に位置決めする。平面形状は、点Ｏにおける３次元平面に接する面に対応する。次に、Ｘ’（横座標軸）およびＹ’（縦座標軸）の２つの軸を位置決めし、この２つはそれぞれ中央の繊維Ｘおよび中央の繊維Ｙに相当する。２つの軸Ｘ’およびＹ’は直交する。点Ｘ’_１、Ｘ’_２、Ｘ’_３、．．．は軸Ｘ’上に、点Ｙ’_１、Ｙ’_２、Ｙ’_３、．．．は軸Ｙ’上に位置決めする。

各点に対し、距離ＯＸ’_ｉは曲線ＯＸ_ｉ（ｉは１〜ｎの変数）の長さと等しく、距離ＯＹ’_ｊは曲線ＯＹ_ｊ（ｊは１〜ｍの変数）の長さと等しい。

３次元プリフォームでは、点Ｐ_１，１は、点Ｘ_１を通る０°の方向を向く繊維と点Ｙ_１を通る９０°の方向を向く繊維との交点に相当する。変形例では、曲線Ｘ_１Ｐ_１，１の長さおよび曲線Ｙ_１Ｐ_１，１の長さを測定する。

平面形状では、横座標に曲線Ｙ_１Ｐ_１，１の長さ、縦座標に曲線Ｘ_１Ｐ_１，１の長さを持つ点Ｐ’１，１を位置決めする。

３次元プリフォームでは、各点Ｐ_ｉ，ｊは、点Ｘ_ｉを通る０°の方向を向く繊維と点Ｙ_ｊを通る９０°の方向を向く繊維との交点に相当し、ｉは１〜ｎの変数であり、ｊは１〜ｍの変数である。各点Ｐ_ｉ，ｊに対し、図１１に示すように、Ｙ_ｊを通る繊維のうち点Ｐ_{ｉ−１，ｊ}から点Ｐ_ｉ，ｊまでの部分の距離、およびＸ_ｉを通る繊維のうち点Ｐ_{ｉ，ｊ−１}から点Ｐ_ｉ，ｊまでの部分の距離を測定する。

平面形状では、各点Ｐ_ｉ，ｊに点Ｐ’_ｉ，ｊを一致させる。図１２に示すように、点Ｐ’_{ｉ−１，ｊ}とＰ’_ｉ，ｊとを隔てている距離は、Ｙ_ｊを通る繊維のうち点Ｐ_{ｉ−１，ｊ}から点Ｐ_ｉ，ｊまでの部分の長さと等しく、点Ｐ’_{ｉ，ｊ−１}とＰ’_ｉ，ｊとを隔てている距離は、Ｘ_ｉを通る繊維のうち点Ｐ_{ｉ，ｊ−１}から点Ｐ_ｉ，ｊまでの長さと等しいことがわかっているため、この点Ｐ’_ｉ，ｊは、点Ｐ’_{ｉ−１，ｊ}およびＰ’_{ｉ，ｊ−１}をもとに位置決めする。

右上４分の１の平面にある点Ｐ’_ｉ，ｊをすべて位置決めすると、同じ方法を実施して平面の残りの４分の３にある点Ｐ’_ｉ，ｊを位置決めする。

したがって、３次元プリフォームで点Ｘ_１を通る０°の方向を向いた繊維Ｆ１は、平面形状では点Ｐ’_１，ｊを通り、この場合ｊは−ｍ〜＋ｍの変数である。同じように、３次元プリフォームで点Ｘ_ｉを通る０°の方向を向いた繊維Ｆ_ｉは、平面形状では点Ｐ’_ｉ，ｊを通り、この場合ｊは−ｍ〜＋ｍの変数である。

同じように、３次元プリフォームで点Ｙ_ｊを通る９０°の方向を向いた繊維Ｆ_ｊは、平面形状では点Ｐ’_ｉ，ｊを通り、この場合ｉは−ｎ〜＋ｎの変数である。

０°および９０°の方向に沿った繊維の設定は、点Ｐ’_ｉ，ｊに規定される軌道をたどる積層ヘッドを用いて自動的に実施することができる。

０°および９０°の方向を向く繊維は平面形状で位置決めするため、４５°および／または１３５°の方向を向く繊維を位置決めすることができる。

図１３および１４に示すように、これらの繊維それぞれに対して次のように実施する。

第１に、３次元形状では、ｉが−ｎ〜＋ｎの変数である点Ａ_ｉを位置決めし、この点は、位置決めする繊維と０°の方向を向く繊維Ｆ_ｉとの交点に相当する。

各点Ａ_ｉに対し、繊維Ｆ_ｉの点Ｘ_ｉから点Ａ_ｉまでの部分の長さを測定する。Ｘ_ｉは、０°の方向を向く繊維Ｆ_ｉと中央の繊維Ｘとの交点である。

これらの長さをもとに、平面形状でｉが−ｎ〜＋ｎの変数である点Ａ’_ｉの位置を決定することができ、各点Ａ’_ｉに対し、平面形状での繊維Ｆ_ｉのうち点Ｘ’ｉから点Ａ’_ｉまでの長さは、３次元プリフォームでの繊維Ｆ_ｉのうち点Ｘ_ｉから点Ａ_ｉまでの曲線の長さと等しい。

したがって、３次元形状で点Ａ_ｉを通る繊維は、平面形状では点Ａ’_ｉを通る。

４５°または１３５°の繊維の軌道を決定するのに点Ｘ_ｉを用いる代わりに、点Ｙ_ｊを用いることができる。この場合、３次元プリフォームでは、ｊが−ｍ〜＋ｍの変数である点Ａ_ｊを位置決めし、この点は、位置決めする繊維１２と９０°の方向を向く繊維Ｆ_ｊとの交点に相当する。各点Ａ_ｊに対し、繊維Ｆ_ｊの点Ｙ_ｊから点Ａ_ｊまでの部分の長さを測定する。Ｙ_ｊは、９０°の方向を向く繊維Ｆ_ｊと中央の繊維Ｙとの交点である。

これらの長さをもとに、平面形状でｊが−ｍ〜＋ｍの変数である点Ａ’_ｊの位置を決定することができ、各点Ａ’_ｊに対し、平面形状での繊維Ｆ_ｊのうち点Ｙ’_ｊから点Ａ’_ｊまでの部分の長さは、３次元プリフォームでの繊維Ｆ_ｊのうち点Ｙ_ｊから点Ａ_ｊまでの部分の長さと等しい。

したがって、３次元形状で点Ａ_ｊを通る繊維は、平面形状では点Ａ’_ｊを通る。

Claims (7)

1. ２つの曲率を有する複合材料製航空機パネルの作製方法であって、前記パネルが所定の配列に沿って分散した繊維（１４，１６，１８，２０）を有する３次元プリフォーム（２４）から得られる方法において、
   前記パネルが少なくとも２つの繊維列を有し、第１の列の繊維（１４）は０°の方向を向き、第２の列の繊維（１６）は９０°の方向に沿って配置し、両繊維は測地線ではない軌道に沿って配置され、
   前記３次元プリフォーム（２４）の繊維が変形後に所望する方向に沿って配置されるように、平面プリフォーム（２２）を事前に規定した軌道をたどる乾燥繊維で作製し、
   前記平面プリフォーム（２２）の変形前の前記第１の列の繊維（１４）は、変形後の前記第１の列の繊維（１４）の曲がった軌道とは異なる曲がった軌道をたどり、
   前記平面プリフォーム（２２）の変形前の前記第２の列の繊維（１６）は、変形後の前記第２の列の繊維（１６）の曲がった軌道とは異なる曲がった軌道をたどり、
   前記乾燥繊維が変形時に互いに対して摺動するように、前記平面プリフォーム（２２）の長手方向に沿った縦断面と長手方向と垂直な横断面の両方において前記平面プリフォーム（２２）を変形させ、
   前記３次元プリフォーム（２４）の前記乾燥繊維を樹脂マトリクスに含浸し、前記パネルを得るために、前記３次元プリフォーム（２４）を重合させることを特徴とする方法。
2. 前記平面プリフォーム（２２）は、形状がパネルの凸状表面の形状と合致する成形型（２６）の表面に押圧することを特徴とする、請求項１に記載の２つの曲率を有する複合材料製航空機パネルの作製方法。
3. 前記平面プリフォーム（２２）は、成形型と流し込み型との間に介在させて変形させることを特徴とする、請求項１または２に記載の２つの曲率を有する複合材料製航空機パネルの作製方法。
4. 少なくとも２つの繊維列を有する３次元プリフォームに対し、第１の列の繊維（Ｆ_ｉ）と第２の列の繊維（Ｆ_ｊ）との交点に相当する点Ｐ_ｉ，ｊを決定し、各点Ｐ_ｉ，ｊに対し、前記第１の列の前記繊維（Ｆ_ｉ）のうち前記点Ｐ_ｉ，ｊから点Ｐ_{ｉ−１，ｊ}までの部分の長さと、前記第２の列の繊維（Ｆ_ｊ）のうち前記点Ｐ_ｉ，ｊから点Ｐ_{ｉ，ｊ−１}までの部分の長さとを測定し、前記３次元プリフォームの前記点Ｐ_ｉ，ｊにそれぞれ対応する前記平面プリフォームの点Ｐ’_ｉ，ｊを、すでに設定した前記点Ｐ’_{ｉ−１，ｊ}およびＰ’_{ｉ，ｊ−１}をもとに設定することを、前記点Ｐ’_{ｉ−１，ｊ}とＰ’_ｉ，ｊとを隔てている距離が、前記点Ｐ_{ｉ−１，ｊ}から前記点Ｐ_ｉ，ｊまでの長さと等しく、前記点Ｐ’_{ｉ，ｊ−１}とＰ’_ｉ，ｊとを隔てている距離が、前記繊維の前記点Ｐ_{ｉ，ｊ−１}から前記点Ｐ_ｉ，ｊまでの部分の長さと等しいことを知った上で行うことを特徴とする、請求項１から３のうちいずれか一項に記載の２つの曲率半径を有する複合材料製航空機パネルの作製方法。
5. 各列に対し、前記点Ｐ_ｉ，Ｏを含む繊維および点Ｐ_Ｏ，ｊを含む繊維にそれぞれ相当する基準繊維（Ｘ，Ｙ）を決定し、前記基準繊維（Ｘ，Ｙ）の点をもとに点Ｐ’_ｉ，ｊを位置決めすることからなることを特徴とする、請求項４に記載の２つの曲率半径を有する複合材料製航空機パネルの作製方法。
6. 前記基準繊維は、各列の中央の繊維であることを特徴とする、請求項４または５に記載の２つの曲率半径を有する複合材料製航空機パネルの作製方法。
7. 前記平面プリフォーム（２２）に少なくとも２つの繊維列を設定したのちに、すでに設定した第１の列の前記繊維と交わる第３の列の前記繊維のそれぞれに対し、前記３次元形状で位置決めする前記繊維とすでに設定した前記第１の列の前記繊維との交点に相当する点Ａ_ｉを位置決めし、各点Ａ_ｉに対し、すでに設定した前記第１の列の前記繊維の前記点Ａ_ｉからすでに設定した前記第２の列の前記基準繊維までの部分の長さを測定し、前記点Ａ_ｉに対応する前記平面プリフォーム（２２）での前記点Ａ’_ｉの位置を決定することからなり、各点Ａ’_ｉに対し、前記平面プリフォームにすでに設定した前記第１の列の前記繊維のうち前記点Ａ’_ｉからすでに設定した前記第２の列の前記基準繊維までの長さは、前記３次元プリフォームの前記第１の列の繊維のうち前記点Ａ_ｉからすでに設定した前記第２の列の前記基準繊維までの部分の長さと等しいことを特徴とする、請求項４から６のうちいずれか一項に記載の２つの曲率半径を有する複合材料製航空機パネルの作製方法。