JP6591769B2 - 折り畳み式コイルマンドレル - Google Patents

Description

本開示は、一般的に、共硬化したカーボン／エポキシ構造の製造で使用するための、取り外し可能なマンドレルに関し、具体的には、積層の間のカーボン／エポキシ構造の外側ラミネート層の座屈を、軽減または解消することを容易にし、かつ、カーボン／エポキシ構造の共硬化の後に、容易かつ綺麗に取り外されることが可能な、折り畳み式コイルマンドレルに関する。

カーボン／エポキシ構造は、炭素繊維を支持し、かつ当該炭素繊維を一体に結合するための樹脂のマトリックス（一般的にはエポキシ）に埋め込まれた、複数の炭素繊維を含み、予備含浸された構造または「プリプレグ」構造として提供されてもよい。

カーボン／エポキシ構造は、頑丈かつ軽量であるので、幅広い産業において、構造自体が使用されるか、あるいは、その他のカーボン／エポキシ構造に共硬化して使用される。例えば、航空機産業において、航空機の翼は、共硬化したカーボン／エポキシ構造を備え、飛行中の翼にかかる空力荷重に対処するために十分な強度、および、航空機の要件に適応するために十分な低重量を、翼にもたらす。一般的に、航空機の翼およびその他の航空機構造は、（航空機外板などの）外側ラミネート層と共硬化した、補剛材または「ストリンガ」の配列で形成される。ストリンガは、I形鋼、Z型または「ハット形」の横断面などの、様々な横断面におけるプリプレグとして製造されてもよい。「ハット形ストリンガ」は、通常、基部から上方へ延伸し、かつ、ハット形横断面の体積を囲むハット形状に接続されている、一対のウェブによって形成される。

積層方法は、一般的に、ストリンガを航空機外板と共硬化させるために使用される。プリプレグとしても形成される航空機外板は、ストリンガ上に積層されて、ハット形横断面の体積を覆い、中空内部体積を形成する。オートクレーブまたは類似の方法によって、ストリンガおよび航空機外板を一体に共硬化させるために十分な熱および圧力が与えられる。取り外し可能なマンドレルは、一般的に、中空内部体積へ挿入され、硬化の間に中空内部体積を支持する。ストリンガが航空機外板に加わる負荷に耐える補剛材を提供する一方で、ストリンガの中空内部体積は、補剛材の強度に関連して軽量となる。上述の工程は、例えば、航空機外板を損傷させることなく、航空機外板をリブ、梁およびその他の航空機構造部品と共硬化させるなど、任意の種のカーボン／エポキシ構造の共硬化に使用されてもよい。

航空機構造のための中空ハット形ストリンガを形成し、支持用の内側取り外し可能マンドレルで、ストリンガを航空機外板に共硬化させる従来の装置および方法の一例を、図1から図4に示す。図1に示すように、溝付き表面シート10は、角度間隔で離間し、かつ、一般的に縦方向または長手方向Lに延伸する複数の溝12を有する。この例では、溝12は一般的に台形のハット形横断面を有しており、なだらかに湾曲して底面14に対して円弧状に移動する角部を含む。その他の溝の横断面形状もまた可能であり、いくつか挙げるとすれば、半円形の溝またはV字形の溝などがある。溝付き表面シート10は、エポキシマトリックスにおける炭素繊維または繊維などの複合材料製であってもよい。その他の材料を、単独または組み合わせて使用し、溝付き表面シート10を製造してもよく、その他の材料を複合材料と組み合わせてもよい。（図1の両矢印で示す）表面シートの熱膨張係数CTE_HOOPは、材料または材料の組み合わせに依存する。

図2から図4は、図1に示す種の溝付き表面シート10を使用して、航空機外板と共硬化したストリンガ16を形成する、従来の方法の様々な段階を示す横断面端部の図である。ストリンガ16は、側壁18および端フランジ部20aおよび20bを有する台形ハット形状の横断面を有する。図2を参照して、ストリンガ16は、溝付き表面シート10に形成されたハット形の溝12のうちの1つに位置決めされる。ストリンガ16の側壁18は、ハット形ストリンガ16内に中空内部体積24を画定する内面22を有する。硬質のハット形マンドレル26は、ストリンガ16の中空内部体積24内に位置決めされ、これにより、ハット形マンドレル26の外面28は、ストリンガ16の内面22との接触を支援して、積層および硬化の間に与えられた圧縮力の下でストリンガ16の形状を維持する。

図3を参照して、マンドレル26がストリンガ16の中空内部体積24を形成する側壁18の内側に位置決めされると、外側基板層30は、表面シート10、ストリンガの端フランジ部20aおよび20b、およびマンドレル26の上に積層され、航空機外板を形成する。ストリンガ16と同様に、外側基板層30は、カーボン／エポキシ構造のプリプレグであってもよい。外側基板層30は、オートクレーブまたは類似の方法で十分な熱および圧力が与えられることによって、ストリンガ16と共硬化する。外側基板層30は、ストリンガ16の端フランジ部20aおよび20bとマンドレル26の外面28とを共硬化させることで、結合された状態となる。

図4を参照して、最初に圧縮性パッドまたはコールシート32を外側基板層30の上に位置決めすることによって硬化を行ってもよく、真空バッグ34は、オートクレーブのための加圧環境を作り出すために、コールシート32および外側基板層30の上に位置決めされる。その後、真空バッグ34と外側基板層30との間の空隙は減圧され、外側基板層30、ストリンガ16の端フランジ部20aおよび20b、およびマンドレル26の外面28に対して均一な圧力を加える。外側基板層30はその後、真空下にある間に、オートクレーブを使用して、溝付き表面シート10、ストリンガ16の端フランジ部20aおよび20b、およびマンドレル26の外面28と、硬化温度で共硬化する。硬化後、外側基板層30は、コールシート32および真空バッグ34から分離し、ストリンガ16の中空内部体積24内のマンドレル26が取り外される。マンドレル26の外面28は、硬化に続いてストリンガ16の内面22から剥離する材料からなるか、あるいは、この材料で処理されて、マンドレル26の取り外しを可能にすることができる。

任意の様々なマンドレルを、中空内部体積を有する共硬化したカーボン／エポキシ構造の共硬化に使用してもよい。例えば、ストリンガの横断面の体積に挿入され得る硬質ゴム型のマンドレルがあるが、この種のマンドレルは、硬化後にストリンガから取り外すことが困難であることが判明した。また、硬化後に溶解され得る使い捨て型のマンドレルがあるが、この種のマンドレルは、面倒で非実用的な溶解処理を必要とする。他の種には、本来はセラミックビーズで満たされたゴム製マンドレルである、再利用可能な弾性マンドレルシステム（REMS）がある。しかしながら、REMS型のマンドレルを、より長い長さのストリンガとともに使用することは、非実用的であり得る。

一般的に使用される種のマンドレルは、硬化中の約100psiまでの圧力に崩壊しないように同等かつ逆の膨張力をもたらす、加圧可能な可撓性ブラダである。しかしながら、ブラダ型のマンドレルは、積層または配置の間に加圧されず、外側ラミネート層が座屈することを可能にし、後続の操作において多くの問題を引き起こす。また、ブラダ型のマンドレルは、外側ラミネート層内のしわを引き起こしかねず、漏出の可能性を毎回確認しなくてはならず、毎回挿入および取り外し、および／または高コストで取り替えなくてはならないため、使用するには不便である可能性がある。

それゆえ、積層の間の外側ラミネート層の座屈を軽減または解消することができ、かつ、カーボン／エポキシ構造の共硬化の後に、容易かつ綺麗に取り外されることが可能な、中空のカーボン／エポキシ構造の共硬化で使用する改良型マンドレルを提供することが望ましい。

本開示における好ましい実施形態によれば、中空のカーボン／エポキシ構造の共硬化で使用する折り畳み式コイルマンドレルが提供される。折り畳み式コイルマンドレルは、ドーピング材料によって湿潤された繊維であって、乾燥時に剛性特性がもたらされる繊維からなる。ドーピング材料で湿潤した繊維は、長手方向軸に沿って延伸し、かつ、乾燥時に外側コイルの形状を維持するコイルターンを形成し、中空のカーボン／エポキシ構造後続の積層および硬化の間、マンドレルとして使用される場合の外部圧縮力に耐える。折り畳み式コイルマンドレルは、ドーピング材料で湿潤した繊維の端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、折り畳み式コイルマンドレルを、硬化および廃棄後の中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる。

折り畳み式コイルマンドレルは、保護ライナ内に収容される。保護ライナは、共硬化の間の樹脂が、コイルマンドレルに融合することを防ぐための保護境界を提供する。折り畳み式コイルマンドレルの形成に使用される好ましい繊維は、液体ドーピング材料を吸収するのに十分な多孔質で、かつ、積層および共硬化の間の圧縮力に耐えるような特性で乾燥することが可能な、天然または合成繊維であってもよい。好ましい繊維は、乾燥時のドーピング材料の結合強度よりも大きい抗張力を有する。好ましいドーピング材料は、水性流体に懸濁しているセラミック粉末であってもよい。好ましい用途では、折り畳み式コイルマンドレルは、航空機構造においてストリンガを形成するマンドレルとしての使用に適した、コイル形状、大きさおよびコイル密度で形成される。折り畳み式コイルマンドレルは、ハット形ストリンガの形成で使用するために台形またはハット形の横断面を有してもよい。

また、折り畳み式コイルマンドレルの製造方法が提供される。この方法では、長手方向軸に沿って延伸し、互いに対向する相補的形状の半凹所を有し、かつ、金型の結合金型凹所を一体的に形成する上下半金型を有する、金型が提供される。アプリケータは、金型の結合金型凹所の開口端部を通して挿入され、乾燥時の繊維に剛性特性をもたらすドーピング材料で湿潤した繊維が送り込まれる。ドーピング材料で湿潤した繊維は、アプリケータの出口端部から押し出され、アプリケータを金型の結合金型凹所から出しながら回転させることで、金型の結合金型凹所内へ充填されたコイルターンを有するコイルを形成する。ドーピング材料で湿潤した繊維は、金型の結合金型凹所で乾燥され、これにより、得られたコイルは、中空のカーボン／エポキシ構造を形成するマンドレルとして使用される場合に、後続の積層および硬化の間の圧縮力に耐える剛性特性を有し、コイルの端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、硬化および廃棄後の中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる。

代替的な実施形態では、折り畳み式コイルマンドレルは、長手方向軸に沿って延伸するコイルターンを有し、かつ、中空のカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間の外部圧縮力に耐える外側コイルの形状を維持する、金属コイルからなってもよく、前記折り畳み式コイルマンドレルは、金属コイルの端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、硬化および廃棄後の中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができ、保護ライナは、折り畳み式コイルマンドレルを硬化後の中空のカーボン／エポキシ構造の内面から取り外すことを可能にする材料からなる、金属コイルにわたってスリービングされる。使用され得る金属の一例として、鋼線が挙げられる。金属コイルは、任意の様々なマンドレル形状からなってもよい。

さらに、本開示は、以下の項に従う実施形態を含む。

項1．
中空のカーボン／エポキシ構造の共硬化で使用する折り畳み式コイルマンドレルであって、
ドーピング材料によって湿潤された繊維であって、乾燥時に剛性特性がもたらされる繊維を備え、前記繊維は、長手方向軸に沿って延伸し、かつ、乾燥時に外側コイルの形状を維持するコイルターンを形成し、前記コイルターンは、中空のカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間、マンドレルとして使用される場合の外部圧縮力に耐え、前記折り畳み式コイルマンドレルは、前記繊維の端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、前記折り畳み式コイルマンドレルを、硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる、折り畳み式コイルマンドレル。

項2．
前記コイルターンは、保護ライナ内に収容される、項1に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項3．
前記保護ライナは、前記折り畳み式コイルマンドレルを硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造の内面から取り外すことを可能にする材料からなる、項2に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項4．
前記保護ライナの材料は、強化シリコーンゴムまたはフルオロポリマーの合成ゴムのエラストマーである、項2に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項5．
前記折り畳み式コイルマンドレルを形成するための前記繊維は、天然または合成繊維であり、前記ドーピング材料を吸収するのに十分な多孔質で、かつ、乾燥時の前記ドーピング材料の結合強度よりも大きい抗張力を有する、項1に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項6．
前記ドーピング材料は、水性流体に懸濁しているセラミック粉末である、項1に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項7．
前記折り畳み式コイルマンドレルは、航空機構造においてストリンガを形成するマンドレルとしての使用に適した、コイル形状、大きさおよびコイル密度を有する、項1に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項8．
前記折り畳み式コイルマンドレルは、台形またはハット形の横断面を有する中空のカーボン／エポキシ構造の形成において使用するために、台形またはハット形の横断面を有する、項1に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項9．
中空のカーボン／エポキシ構造の共硬化で使用する折り畳み式コイルマンドレルであって、
長手方向軸に沿って延伸するコイルターンを有し、かつ、前記中空のカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間の外部圧縮力に耐える外側コイルの形状を維持する金属コイルであって、前記金属コイルは、金属コイルの端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、硬化および廃棄後の前記中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる、金属コイルと、
前記折り畳み式コイルマンドレルを硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造の内面から取り外すことを可能にする材料からなる、前記金属コイルにわたってスリービングされる保護ライナと、を備える、折り畳み式コイルマンドレル。

項10．
前記金属コイルは、鋼線からなる、項9に記載の折り畳み式コイルマンドレル。

項11．
折り畳み式コイルマンドレルの製造方法であって、
長手方向軸に沿って延伸し、互いに対向する相補的形状の半凹所を有し、かつ、金型の結合金型凹所を一体的に形成する上下半金型を有する、金型を提供するステップと、
前記金型の前記結合金型凹所の開口端部を通してアプリケータを挿入して、乾燥時の繊維に剛性特性をもたらすドーピング材料で湿潤した繊維を、前記アプリケータ内に送り込むステップと、
前記ドーピング材料で湿潤した繊維を、前記アプリケータの出口端部から押出して前記アプリケータを前記金型の前記結合金型凹所から出しながら回転させることで、前記金型の前記結合金型凹所内へ充填されたコイルターンを有するコイルを形成するステップと、
前記ドーピング材料で湿潤した繊維を前記金型の前記結合金型凹所で乾燥させるステップであって、これにより、得られたコイルは、中空のカーボン／エポキシ構造を形成するマンドレルとして使用される場合に、後続の積層および硬化の間の圧縮力に耐える剛性特性を有し、前記コイルの端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、硬化および廃棄後の前記中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる、ステップとを含む、製造方法。

項12．
保護ライナ内で前記折り畳み式コイルマンドレルをスリービングするステップをさらに含む、項11に記載の方法。

項13．
前記保護ライナは、前記折り畳み式コイルマンドレルを硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造の内面から取り外すことを可能にする材料からなる、項12に記載の方法。

項14．
前記保護ライナの材料は、強化シリコーンゴムまたはフルオロポリマーの合成ゴムのエラストマーである、項13に記載の方法。

項15．
前記繊維は、天然または合成繊維であり、前記ドーピング材料を吸収するのに十分な多孔質で、かつ、乾燥時の前記ドーピング材料の結合強度よりも大きい抗張力を有する、項11に記載の方法。

項16．
前記ドーピング材料は、水性流体に懸濁しているセラミック粉末である、項11に記載の方法。

項17．
前記折り畳み式コイルマンドレルは、ストリンガの積層および硬化の間のコイル形状、大きさおよびコイル密度で形成される、項11に記載の方法。

項18．
項11に従う折り畳み式コイルマンドレルの製造方法であって、前記折り畳み式コイルマンドレルは、台形またはハット形の横断面を有する中空のカーボン／エポキシ構造の形成において使用するために、台形またはハット形の横断面を有する、製造方法。

項19．
折り畳み式コイルマンドレルの製造方法であって、
長手方向軸に沿って延伸するコイルターンを有し、かつ、中空のカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間の外部圧縮力に耐える外側コイルの形状を維持する、金属コイルを提供するステップであって、前記折り畳み式コイルマンドレルは、前記金属コイルの端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、硬化および廃棄後の前記中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる、ステップと、
保護ライナを、前記金属コイルにわたってスリービングするステップであって、前記保護ライナは、前記折り畳み式コイルマンドレルを硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造の内面から取り外すことを可能にする材料からなる、ステップとを含む、製造方法。

項20．
前記金属コイルは、鋼線からなる、項19に記載の方法。

本開示における様々な実施形態の他の目的、特徴および利点を、以下の詳細な説明において、添付の図面を参照して説明する。

ストリンガで航空機外板を形成するための従来の溝付き表面シートの図である。 図1に示す溝付き表面シートを使用してストリンガで航空機外板を形成するための、従来の方法の一段階を示す横断端面図である。 図1に示す溝付き表面シートを使用してストリンガで航空機外板を形成するための、従来の方法の他の段階を示す横断端面図である。 図1に示す溝付き表面シートを使用してストリンガで航空機外板を形成するための、従来の方法のその他の段階を示す横断端面図である。 折り畳み式コイルマンドレルの横断面図である。 ストリンガと溝付き表面シートとの共硬化で使用される折り畳み式コイルマンドレルを示す横断端面図である。 折り畳み式コイルマンドレルの好ましい製造方法の一段階を示す図である。 折り畳み式コイルマンドレルの好ましい製造方法の他の段階を示す図である。 折り畳み式コイルマンドレルの好ましい製造方法のその他の段階を示す図である。 折り畳み式コイルマンドレルの好ましい製造方法のさらにその他の段階を示す図である。 折り畳み式コイルマンドレルの好ましい製造方法の一段階を示す図である。

以下の詳細な説明では、（図5および図6に示す）折り畳み式コイルマンドレル40の製造、および、背景技術で説明した種類の共硬化法に従って、中空のカーボン／エポキシ構造を共硬化するための折り畳み式コイルマンドレル40の使用のための、本開示における原理を示す特定の好ましい実施形態を説明する。

好ましい使用環境では、折り畳み式コイルマンドレル40を、航空機外板と共硬化したストリンガを形成するために使用してもよい。しかしながら、その他類似の用途または環境において、および／または、例示的実施形態のその他類似または同等の変化を伴って、本開示の原理を実施してもよいことを当業者は認識するであろう。好ましい実施形態の簡潔な説明を、不必要に不明瞭にしないように、本発明の当業者にとって公知のこれらの方法、手順、構成要素または機能を詳細に述べないこともまた留意すべきである。

図5を参照して、折り畳み式コイルマンドレル40は、保護ライナ44にスリービングされるドーピング補剛ファイバコイル42を備える。ドーピング補剛ファイバコイル42の終端部42Aは、保護ライナ44の開口端部46から露出して、長手方向軸Lに沿った軸方向に終端部42Aを引張することを許容し、ドーピング補剛ファイバコイル42を折り畳んで、硬化後のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外す。

好ましい実施形態では、ドーピング補剛ファイバコイル42は、（例えば、以下に記載の図7Bに示す）液体ドーピング材料49で湿潤した、天然または合成繊維48から形成される。繊維48は、ドーピング材料49を吸収するのに十分な多孔質で、かつ、ドーピング補剛ファイバコイル42の形成を容易にし、かつ、積層および共硬化の間の圧縮力に耐える剛性特性で乾燥することが可能でなくてはならない。繊維48は、好ましくは、乾燥したドーピング材料49の結合強度よりも大きい抗張力を有し、これにより、ドーピング補剛ファイバコイル42の終端部42Aを軸方向に引張して、繊維48を破壊することなく、乾燥したドーピング材料49の結合を破壊する。

好ましいドーピング材料49は、水性流体に懸濁しているセラミック粉末である。一例としては、スイス国ネニコン／ウスターのAero Consultants, Ltd.から市販されているC−Aquaporが挙げられる。C−Aquapourは、粉末状のドーピング材料であり、容易に水と混合される。C−Aquapourを金型に流し込むかあるいは注入して、複合材料の積層のためにマンドレル複合体を形成してもよい。C−Aquapourは、水道水に容易に溶け、完成部品から容易に洗い流され得る。好ましいドーピング材料は、およそカ氏350度の温度に耐え得るべきである。乾燥すると、ドーピング材料49は繊維48に含浸して、得られたドーピング補剛ファイバコイル42に剛性特性をもたらす。これにより、ドーピング補剛ファイバコイル42は、共硬化したカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間に与えられる圧縮力の下で、マンドレルとして使用される場合に、自身の形状を維持することができる。好ましい実施形態では、ドーピング補剛ファイバコイル42は、積層の間の約100psiまで、またはそれ以上の圧縮力、および、カーボン／エポキシ構造の共硬化の間の約15psiまでの真空に耐え得るべきである。

好ましい実施形態では、折り畳み式コイルマンドレル40は、保護ライナ44内に収容されて、共硬化の間の樹脂が折り畳み式コイルマンドレル40に融合することを防ぐ、保護境界を提供する。保護ライナ44は、好ましくは、所望の障壁特性を提供する任意の材料から選択され、硬化後にマンドレルを取り外すための、カーボン／エポキシ構造の内面から解き放す特性を有してもよい。好ましいライナ材料は、一般的にOリング、およびその他の成形品または押出成形品で使用される型の、強化シリコーンゴムまたはフルオロポリマーの合成ゴムのエラストマーであってもよい。

図6に示すように、保護ライナ44に収容されたドーピング補剛ファイバコイル42を備える折り畳み式コイルマンドレル40を、航空機構造においてハット形ストリンガ16を形成するために使用してもよい。図1から図4に示す従来のストリンガ形成法について先に説明したように、ハット形ストリンガ16は、台形状の側壁18と、端フランジ部20aおよび20bとを有する。ストリンガ16の側壁18は、中空内部体積24をハット形ストリンガ16内に画定する内面22を有する。この例のハット形横断面で製造された折り畳み式コイルマンドレル40は、ストリンガ16の中空内部体積24内に位置決めされ、これにより、折り畳み式コイルマンドレル40の外面28は、ストリンガ16の内面22との接触を支援して、積層および硬化の間に与えられた圧縮力の下でストリンガ16の形状を維持する。折り畳み式コイルマンドレル40は、中空内部体積24の内径と実質的に同じ外径を有している。硬化後、折り畳み式コイルマンドレル40は、折り畳み式コイルマンドレル40の終端部42Aを引くことでストリンガ16から取り外され、この結果、ドーピング材料49が破砕され、かつ、ドーピング補剛ファイバコイル42が、ストリンガ16の中空内部体積24から引き出すことができるように、軸方向に折り畳まれる。折り畳まれる場合、折り畳み式コイルマンドレル40は、中空内部体積24の内径よりも小さい外径を有する。

好ましい用途では、折り畳み式コイルマンドレル40は、航空機構造においてストリンガを形成するマンドレルとしての使用に適した、コイル形状、大きさおよびコイル密度で形成される。その他のコイルの形状、大きさおよび密度をその他の用途に使用してもよい。例えば、開示の折り畳み式コイルマンドレル40は、ハット形横断面を有して形成され、ハット形中空内部体積24を含む台形またはハット形横断面を有するカーボン／エポキシ構造の製造に使用される。しかしながら、その他の横断面形状を有する中空内部体積を有するカーボン／エポキシ構造の製造に使用するために、その他の横断面形状を有して形成された折り畳み式コイルマンドレルで、開示の原理を同様に実施し得ることを、当業者は認識しているだろう。折り畳み式コイルマンドレルの横断面形状は、所望のカーボン／エポキシ構造の中空内部体積の横断面形状と一致すべきである。さらに、折り畳み式コイルマンドレル40の圧縮強度を、この技術をその他の用途で使用することができるように増加させてもよい。具体的には、ドーピング補剛ファイバコイル42の形成に使用される材料の量を増加して、結果的に折り畳み式コイルマンドレル40の構造的一体性を高めるように繊維48の厚さを増加させてもよい。これはまた、ドーピング補剛ファイバコイル42内に隣接するコイル間の空間を削減することで達成され、これにより、得られたマンドレルは、より厚くなり、さらなる構造的一体性を有し、剛性を増すことができる。

折り畳み式コイルマンドレル40の好ましい製造方法は、図7Aから図7Eに示されている。図7Aを参照して、折り畳み式コイルマンドレル40を形成するための金型50は、長手方向軸Lの方向に延伸する上部半金型50Aおよび下部半金型50Bを備えてもよい。半金型50Aおよび50Bは、金型凹所51Aおよび51Bを有し、かつ、互いに対向して嵌合し、折り畳み式コイルマンドレル40を内部に形成するための結合金型凹所51Aおよび51Bを形成する。金型は、金属、木材、またはその他の種類の硬質材料から製造されてもよい。

図7Bに示すように、結合金型凹所51Aおよび51Bの対向端部に開口端部52Bを残して、金型50の嵌合した半金型50Aおよび50Bによって形成された、結合金型凹所51Aおよび51Bの一端部52Aにおいて、プラグ53をストッパとして挿入してもよい。長く、薄い管状のアプリケータ54は、結合金型凹所51Aおよび51Bの開口端部52Bに挿入されてもよく、出口端部54Aおよび入口端部54Bを有し、ドーピング材料49で湿潤した繊維48を送り込んでドーピング補剛ファイバコイル42を結合金型凹所51Aおよび51Bに形成する。ドクターブレードによって、あるいは、貯留槽55から、ドーピング材料49を繊維48に塗布してもよい。繊維48は、送りローラーによって貯留槽55から直接、アプリケータの入口端部54Bへ送り込まれてもよい。

図7Cに示すように、ドーピング材料49で湿潤した繊維48は、アプリケータ54の入口端部54Bに送り込まれ、かつ、アプリケータ54の出口端部54Aで押し出される。アプリケータの出口端部54Aは、繊維48が押し出されるときに円運動で回転し、これにより、押し出されてドーピングされた繊維48は、コイルターン56を形成する。コイルターン56は、金型50の半金型50Aおよび50Bの結合金型凹所51Aおよび51Bに充填されることによって、結合金型凹所51Aおよび51Bのハット形横断面と一致するハット形コイルの横断面を呈する。コイルターン56は、結合金型凹所51Aおよび51Bによって提供される、いかなる形状をも呈する。

アプリケータ54は、出口端部54Aが回転するとき、結合金型凹所51Aおよび51Bの開口端部52Bに向かって後退し、これにより、一連のコイルターン56を長手方向軸Lの方向に形成する。出口端部54Aの回転およびドーピングされた繊維48の押出しの間のアプリケータ54の後退速度は、コイルの間隔および充填密度を決定する。つまり、後退速度がより速いと、コイル数はより少なくなり、かつコイル間の間隔はより広くなる一方で、後退速度がより遅いと、コイル数はより多くなり、かつ充填密度はより緊密になる。好ましい後退速度、ひいてはコイルの充填密度は、積層および共硬化の間の圧縮力に対する所望の抵抗量に依存する。ドーピングされた繊維48は、コイルを均一に成形して、一定の速度で所望の充填密度を得るように、アプリケータ54内へ送り込まれるべきである。

コイルを得られた形状に形成するために、送り込まれた繊維48は、結合金型凹所51Aおよび51Bの横断面形状を充填し、これに適合する。好ましい実施形態では、結合金型凹所51Aおよび51Bの横断面形状は、ハット形ストリンガの形成のためのマンドレルとして使用されるように、台形の横断面形状またはハット形状を形成する。しかしながら、結合金型凹所51Aおよび51Bの横断面形状は、任意の様々な大きさおよび形状を有することができるため、このコイル形成技術を、任意かつ所望の大きさおよび横断面形状のマンドレルを形成するために使用可能であることが理解されるべきである。

図7Dに示すように、コイル形成工程は、完成コイル60が形成されて終端部60Aを離れるまで継続される。その後、完成コイル60は、乾燥されてドーピング補剛ファイバコイル42を形成し、かつ、金型50から取り外される。図7Eに示すように、その後、ドーピング補剛ファイバコイル42は、上述の通り管状保護ライナ44に挿入されて、折り畳み式コイルマンドレル40を形成する。

代替的な実施形態では、折り畳み式コイルマンドレル40を、金属コイルから形成してもよく、この金属コイルは、長手方向軸に沿って延伸し、かつ、中空のカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間の外部圧縮力に耐える、外側コイルの形状を維持するコイルターンを有する。金属コイルには、任意の公知のワイヤ形成方法によって、マンドレル形状の横断面またはその他の横断面形状があらかじめ形成されてもよく、このワイヤ形成方法については、本明細書でさらに説明しない。使用され得る金属の例としては、劣化することなくオートクレーブの温度に耐えることができるだけでなく、室温での約100psiまでの圧縮負荷にも耐えることができる鋼線が挙げられる。金属コイルをあらかじめ形成された形状で維持する抵抗力よりも大きいせん断力が与えられる場合、金属コイルは、軸方向に折り畳み可能であり、これにより、金属コイルの端部を引いて金属コイルを折り畳むことで、コイルマンドレルを容易に取り外すことができる。金属コイルは、任意の様々なマンドレル形状で形成されてもよい。

当然のことながら、本開示における原理を実施するための上述の好ましい実施形態について、多くの変更および変形が考案されてもよい。例えば、開示の種の折り畳み式コイルマンドレルは、任意の形状または大きさを有する部品の製造に使用されてもよく、幅広い産業において使用されてもよい。以下の特許請求の範囲において定義される通り、すべての修正および変形は、本開示の精神および範囲内にあると考えられるものである。

10 溝付き表面シート
12 溝
14 底面
16 ストリンガ
18 側壁
20a、20b 端フランジ部
22 内面
24 中空内部体積
26 ハット形マンドレル
28 外面
30 外側基板層
32 コールシート
34 真空バッグ
40 折り畳み式コイルマンドレル
42 ドーピング補剛ファイバコイル
42A、60A 終端部
44 保護ライナ
46、52B 開口端部
48 天然または合成繊維
49 液体ドーピング材料
50 金型
50A 上部半金型
50B 下部半金型
51A、51B 金型凹所（結合金型凹所）
52A 一端部
53 プラグ
54 アプリケータ
54A 出口端部
54B 入口端部
55 貯留槽
56 コイルターン
60 完成コイル
L 長手方向軸
CTE_HOOP 熱膨張係数

Claims (10)

1. 中空のカーボン／エポキシ構造の共硬化で使用する折り畳み式コイルマンドレル（４０）であって、
   ドーピング材料（４９）によって湿潤された繊維（４８）であって、乾燥時に剛性特性がもたらされる繊維（４８）を備え、前記繊維（４８）は、長手方向軸に沿って延伸し、かつ、乾燥時に外側コイルの形状を維持するコイルターン（５６）を形成し、前記コイルターン（５６）は、中空のカーボン／エポキシ構造の後続の積層および硬化の間、マンドレルとして使用される場合の外部圧縮力に耐え、前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）は、前記繊維（４８）の端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）を、硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができ、
   前記ドーピング材料（４９）は、水性流体に懸濁しているセラミック粉末である、折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
2. 前記コイルターン（５６）は、保護ライナ（４４）内に収容される、請求項１に記載の折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
3. 前記保護ライナ（４４）は、前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）を硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造の内面（２２）から取り外すことを可能にする材料からなる、請求項２に記載の折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
4. 前記保護ライナ（４４）の材料は、強化シリコーンゴムまたはフルオロポリマーの合成ゴムのエラストマーである、請求項２に記載の折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
5. 前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）を形成するための前記繊維（４８）は、天然または合成繊維（４８）であり、前記ドーピング材料（４９）を吸収するのに十分な多孔質で、かつ、乾燥時の前記ドーピング材料（４９）の結合強度よりも大きい抗張力を有する、請求項１に記載の折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
6. 前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）は、航空機構造においてストリンガ（１６）を形成するマンドレルとしての使用に適した、コイル形状、大きさおよびコイル密度を有する、請求項１に記載の折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
7. 前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）は、台形またはハット形の横断面を有する中空のカーボン／エポキシ構造の形成において使用するために、台形またはハット形の横断面を有する、請求項１に記載の折り畳み式コイルマンドレル（４０）。
8. 折り畳み式コイルマンドレル（４０）の製造方法であって、
   長手方向軸に沿って延伸し、互いに対向する相補的形状の半凹所を有し、かつ、金型（５０）の結合金型凹所（５１Ａ，５１Ｂ）を一体的に形成する上下半金型（５０Ａ，５０Ｂ）を有する金型（５０）を提供するステップと、
   前記金型（５０）の前記結合金型凹所（５１Ａ，５１Ｂ）の開口端部（４６）を通して、アプリケータ（５４）を挿入して、乾燥時の繊維（４８）に剛性特性をもたらすドーピング材料（４９）で湿潤した繊維（４８）を、前記アプリケータ（５４）内に送り込むステップと、
   前記ドーピング材料（４９）で湿潤した前記繊維（４８）を、前記アプリケータ（５４）の出口端部（５４Ａ）から押出して、前記アプリケータ（５４）を前記金型（５０）の前記結合金型凹所（５１Ａ，５１Ｂ）から出しながら回転させることで、前記金型（５０）の前記結合金型凹所（５１Ａ，５１Ｂ）内へ充填されたコイルターン（５６）を有するコイル（４２）を形成するステップと、
   前記ドーピング材料（４９）で湿潤した前記繊維（４８）を前記金型（５０）の前記結合金型凹所（５１Ａ，５１Ｂ）で乾燥させるステップとを含み、これにより、得られたコイル（４２）は、中空のカーボン／エポキシ構造を形成するマンドレル（４０）として使用される場合に、後続の積層および硬化の間の圧縮力に耐える剛性特性を有し、コイル（６０）の端部が長手方向軸に沿う方向に引張されるときに与えられるせん断力によって軸方向に折り畳み可能であり、これにより、硬化および廃棄後の前記中空のカーボン／エポキシ構造から容易に取り外すことができる、方法。
9. 保護ライナ（４４）内で前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）をスリービングするステップをさらに含み、前記保護ライナ（４４）は、前記折り畳み式コイルマンドレル（４０）を硬化後の前記中空のカーボン／エポキシ構造の内面（２２）から取り外すことを可能にする材料からなる、請求項８に記載の方法。
10. 前記繊維（４８）は、天然または合成繊維（４８）であり、前記ドーピング材料（４９）を吸収するのに十分な多孔質で、かつ、乾燥時の前記ドーピング材料（４９）の結合強度よりも大きい抗張力を有する、請求項８に記載の方法。

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