JP6815095B2 - 繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱による方法 - Google Patents
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Description
本願は繊維配置に関し、より具体的には、レーザー支援繊維配置に関する。
複合構造は一般的に高強度で軽量の材料として使用され、そのため、航空宇宙産業及び自動車産業に様々な用途が見出される。複合構造は一又は複数の複合層を含み、各複合層は強化材料及びマトリクス材料を含む。強化材料は繊維を含みうる。マトリクス材料は、熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂のようなポリマー材料を含みうる。
繊維強化複合構造は、強化レイアップを形成するための繊維トウを複数層レイアップすることによって製造されうる。繊維トウは概して、マトリクス材料に含浸された繊維の束（強化材料）を含む。繊維配置技術では、繊維トウは概してバルクリールから小片／テープ形状で供給され、圧縮ローラーを使用して圧縮ニップの位置で下層レイアップ上に圧縮される。完全にアセンブルされた強化レイアップは次に、複合構造を形成するため、硬化及び／又は一体化される。
繊維トウのマトリクス材料が熱可塑性樹脂の場合には、レイアッププロセスは典型的に、熱可塑性樹脂を柔らかくして強化レイアップ内で層と層を一体化するための加熱を必要とする。典型的に、レーザービーム（例えば、赤外線レーザービーム）は、繊維配置中に繊維トウ及び／又は下層レイアップを加熱するため、圧縮ニップに向かって発射される。しかしながら、レーザー加熱は制御が難しく、繊維トウ及び／又は下層レイアップを過熱させる結果となりうる。
そのため当業者は、レーザー支援繊維配置の分野において研究開発の努力を継続している。
一実施形態では、開示された繊維配置システムは、回転軸の周りに回転可能な圧縮ローラーであって、少なくとも部分的に圧縮ニップ領域を定義する圧縮ローラーと、電磁放射ビームを発するレーザーを含むレーザー加熱アセンブリと、圧縮ニップ領域に位置合わせされるスキャンフィールドを定義するスキャンヘッドとを含んでもよく、スキャンヘッドはスキャンフィールド内のビームをスキャンする。
別の実施形態では、基板上に複合プライを配置するための方法が開示されている。本方法は、（１）基板に対して圧縮ローラーを配置して、両者の間にニップを定義するステップ、（２）ニップに隣接して電磁放射ビームをスキャンするステップ、及び（３）圧縮プライをニップに通すステップを含みうる。
開示されている繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱による方法の他の実施形態は、以下の詳細な説明、添付の図面及び付随する特許請求の範囲により、明確になるであろう。
更に、本開示は下記の条項による実施形態を含む。
条項１． 回転軸の周りに回転可能な圧縮ローラーであって、少なくとも部分的に圧縮ニップ領域を定義する圧縮ローラーと、電磁放射ビームを発するレーザー並びに前記圧縮ニップ領域に位置合わせされるスキャンフィールドを定義するスキャンヘッドを含むレーザー加熱アセンブリとを含み、前記スキャンヘッドは前記スキャンフィールド内の前記ビームをスキャンする、繊維配置システム。
条項２． 前記スキャンヘッドは、少なくとも１つの検流計デバイスを含むガルボアセンブリを備える、条項１に記載の繊維配置システム。
条項３． 前記ガルボアセンブリは、ｘ軸検流計デバイス及びｙ軸検流計デバイスを備える、条項２に記載の繊維配置システム。
条項４． 前記スキャンヘッドは更に光学素子を備える、条項２に記載の繊維配置システム。
条項５． 前記光学素子はテレセントリックレンズを備える、条項４に記載の繊維配置システム。
条項６． 前記ビームはパルス周波数を有する、条項１に記載の繊維配置システム。
条項７． 前記パルス周波数は約１ｋＨｚから約１０ｋＨｚの範囲に及ぶ、条項６に記載の繊維配置システム。
条項８． 前記パルス周波数は約３ｋＨｚから約６ｋＨｚの範囲に及ぶ、条項６に記載の繊維配置システム
条項９． 前記レーザー加熱アセンブリは更に、前記パルス周波数を制御するように構成されたコントローラを備える、条項６に記載の繊維配置システム。
条項１０． 前記ビームは光パワーを有し、前記レーザー加熱アセンブリは更に前記光パワーを制御するように構成されたコントローラを備える、条項１に記載の繊維配置システム。
条項１１． 前記ビームは、約０．７５μｍから約１．４μｍの範囲に及ぶ波長を有する、条項１に記載の繊維配置システム。
条項１２． 基板を備え、前記圧縮ローラーと前記基板とは両者の間にニップを定義し、また、前記ニップに配置される複合プライを更に備える、条項１に記載の繊維配置システム。
条項１３． 前記スキャンヘッドは、前記ニップから約６インチ〜約１２インチ離間されている、条項１２に記載の繊維配置システム。
条項１４． 前記複合プライは、強化材料及び熱可塑性ポリマーを含む、条項１２に記載の繊維配置システム。
条項１５． 前記スキャンヘッドは、前記スキャンフィールドを横断して延在するスキャン行内の前記ビームをスキャンする、条項１に記載の繊維配置システム。
条項１６． 前記スキャン行は、少なくとも１つの加熱ゾーンと少なくとも１つのデッドゾーンを含む、条項１５に記載の繊維配置システム。
条項１７． 前記基板に対して圧縮ローラーを配置して、両者の間にニップを定義すること、前記ニップに隣接して電磁放射ビームをスキャンすること、及び前記複合プライを前記ニップに通すことを含む、基板上に複合プライを配置するための方法。
条項１８． 前記ビームは光パワーを有し、更に前記光パワーを制御することを含む、条項１７に記載の方法。
条項１９． 前記ビームはパルス周波数を有し、更に前記パルス周波数を制御することを含む、条項１７に記載の方法。
条項２０． 前記ビームの前記スキャニングは、前記ビームのラスタリングを含む、条項１７に記載の方法。
図１を参照すると、一般的に１０で示される開示の繊維配置システムの一実施形態は、圧縮ローラー１２、レーザー加熱アセンブリ１４、及び複合プライ１８のバルクリール１６を含みうる。本開示の範囲を逸脱することなく、繊維配置システム１０は、バルクリール１６から圧縮ローラー１２まで複合プライ１８をガイドするための一又は複数のガイドローラー２０、及び／又は矢印Ｙで示した方向に圧縮ローラー１２及びレーザー加熱アセンブリ１４を付勢するためのドライブ機構など、様々な付加的コンポーネントを含みうる。
この時点で、開示された繊維配置システム１０は自動繊維配置（ＡＦＰ）マシンに関連しうることを当業者は理解するであろう。例えば、繊維配置システム１０の圧縮ローラー１２及びレーザー加熱アセンブリ１４は、自動繊維配置マシンのアプリケーションヘッド内に少なくとも部分的に配置されうる。自動繊維配置マシンのアプリケーションヘッドは、ロボットアームなどによる可動式であってもよい。
開示されている繊維配置システム１０のバルクリール１６から供給される複合プライ１８の組成は、ニーズ／アプリケーションに応じて変化しうる。１つの具現化では、複合プライ１８は、強化材料及びマトリクス材料を含む繊維強化材料であってもよい。強化材料は、炭素繊維などの繊維になりうる（又は、含みうる）。繊維は１つの方向に配向されてもよく（例えば、一方向性）、２つ以上の方向に配向されてもよい（例えば、二方向性）。マトリクス材料は、熱硬化性樹脂、又は代替的に熱可塑性樹脂のようなポリマーマトリクス材料であってもよい（又は、含みうる）。別の具現化では、複合プライ１８は無補強（例えば、樹脂のみの材料）となりうる。
１つの特定の非限定的な例では、複合プライ１８は熱可塑性トウ（又はスリットテープ）となりうる。熱可塑性トウは、強化材料（例えば、炭素繊維）及び熱可塑性マトリクス材料を含みうる。複合プライ１８としての使用に適した熱可塑性トウを形成するために使用されうる熱可塑性ポリマーの具体的な例には、限定するものではないが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリエチレン、ポリプロピレン及びポリスチレンが含まれる。
開示されている繊維配置システム１０の圧縮ローラー１２は、回転軸Ａ（図１のページに対して垂直）の周りに回転可能であってもよく、また、圧縮ローラー１２と基板２２の表面２６との間にニップ２４を定義するように基板２２に対して配置されてもよい。基板２２は、表面２６の上に複合プライ１８を受容することができる構造又は材料の配置であってもよい。一実施例として、基板２２は、一又は複数の適用済み複合プライ１８の層を含む強化レイアップとなりうる。別の実施例として、基板２２は、裏地などの複合裏当て材となりうる。
複合プライ１８は、バルクリールからほどかれ、ガイドローラー２０上を通過し、圧縮ローラー１２の上に延在し、最終的にはニップ２４を通過しうる。複合プライ１８がニップ２４を通るにつれて、圧縮ローラー１２は、基板２２の表面２６に対して複合プライ１８を付勢しうる。更に、圧縮ローラー１２が基板２２に対して動くにつれて（例えば、矢印Ｙで示した方向に）、基板２２の表面２６上に複合層２８が形成されうる。このような方法で、（複合層２８と同様な）複数の層が基板２２に適用されうる。
開示されている繊維配置システム１０のレーザー加熱アセンブリ１４は、圧縮ローラー１２と基板２２との間のニップ２４に隣接した（ニップの位置又はその近傍の）圧縮ニップ領域２５に、電磁放射ビーム３０を発射するように配置されうる。したがって、ビーム３０は、複合プライ１８及び基板２２の一部がニップ２４を通過する直前に、或いは通過すると同時に、複合プライ１８の一部及び／又は基板２２の一部を加熱しうる。複合プライ１８及び／又は基板２２が熱可塑性材料を含む場合、レーザー加熱アセンブリ１４からの熱は熱可塑性材料を柔らかくし、これによって熱可塑性材料を粘着性にし、複合プライ１８と基板２２との間の連結を促進する。
レーザー加熱アセンブリ１４から発せられる電磁放射ビーム３０は波長を有する。ビーム３０の波長は設計検討値であってもよい。１つの表現では、ビーム３０は約０．７５μｍから約１．４μｍ（近赤外線（ＮＩＲ））の範囲の波長を有する。別の表現では、ビーム３０は約１．４μｍから約３μｍ（短波長赤外線（ＳＷＩＲ））の範囲の波長を有する。別の表現では、ビーム３０は約３μｍから約８μｍ（中波長赤外線（ＭＷＩＲ））の範囲の波長を有する。別の表現では、ビーム３０は約８μｍから約１５μｍ（長波長赤外線（ＬＷＩＲ））の範囲の波長を有する。更に別の表現では、ビーム３０は約１５μｍから約１０００μｍ（遠赤外線（ＦＩＲ））の範囲の波長を有する。
更に図１を参照すると、レーザー加熱アセンブリ１４は、スキャンヘッド５０、レーザー５２、電源５４、光ファイバー５６、及びコントローラ５８を含みうる。レーザー加熱アセンブリ１４は、本開示の範囲を逸脱することなく、付加的な電子コンポーネント、付加的な光コンポーネント及び／又は付加的な構造コンポーネントなどの付加コンポーネントを含みうる。
レーザー加熱アセンブリ１４のスキャンヘッド５０は、圧縮ローラー１２に隣接して、より具体的には、圧縮ローラー１２と基板２２との間のニップ２４に隣接した圧縮ニップ領域２５にビーム３０を発射するように、圧縮ローラー１２と基板２２に対して配置されてもよい。１つの表現では、スキャンヘッド５０は、ニップ２４から約３インチ〜約３６インチ離間されうる。別の表現では、スキャンヘッド５０は、ニップ２４から約４インチ〜約２４インチ離間されうる。更に別の表現では、スキャンヘッド５０は、ニップ２４から約６インチ〜約１２インチ離間されうる。
図２を参照すると、スキャンヘッド５０は、ハウジング６０、ガルボアセンブリ６２、及び光学素子６４を含みうる。ハウジング６０は、内部体積６６及び内部体積６６への開口６８を定義しうる。ガルボアセンブリ６２は、ハウジング６０の内部体積６６内に位置決めされうる。光学素子６４は、少なくとも部分的にハウジング６０内に位置決めされてもよく、ハウジング６０の開口６８に位置合わせされてもよい。
スキャンヘッド５０のガルボアセンブリ６２は、ｘ軸検流計デバイス７０及びｙ軸検流計デバイス７２を含みうる。ｘ軸検流計デバイス７０は、第１シャフト７８によって第１モーター７６に接続された第１ミラー７４を含みうる。第１モーター７６は第１シャフト７８を回転し、これによって、第１ミラー７４を第１回転軸Ｒ１の周りに回転しうる。同様に、ｙ軸検流計デバイス７２は、第２シャフト８４によって第２モーター８２に接続された第２ミラー８０を含みうる。第２モーター８２は第２シャフト８４を回転し、これによって、第２ミラー８０を第２回転軸Ｒ２の周りに回転しうる。
スキャンヘッド５０のガルボアセンブリ６２が示され、ｘ軸検流計デバイス７０及びｙ軸検流計デバイス７２を共に有するように説明されているが、１つの検流計デバイスのみを有するガルボアセンブリ６２を使用することにより、本開示の範囲を逸脱する結果になることはない。更に、２つ以上の検流計デバイスを有するガルボアセンブリを使用することにより、本開示の範囲を逸脱する結果になることはない。
スキャンヘッド５０は、図１に示すように、光ファイバー５６によってレーザー５２に光学的に連結されうる。したがって、図２に示すように、スキャンヘッド５０はレーザー５２によって発せられるビーム３０を受けて、ビーム３０をガルボアセンブリ６２に向けることができる。ガルボアセンブリ６２は、コントローラ５８によって指示される方法で、ビーム３０のスキャニングを促進しうる（図１）。具体的には、ｙ軸検流計デバイス７２のミラー８０は、入射ビーム３０を受けることができ、第２回転軸Ｒ２の周りの回転を制御することにより、ミラー８０はｙ軸に沿ってビーム３０をスキャンすることができる。ｘ軸検流計デバイス７０のミラー７４は、ｙ軸検流計デバイス７２によって反射されたビーム３０を受けることができ、第１回転軸Ｒ１の周りの回転を制御することにより、ミラー７４はｘ軸に沿ってビーム３０をスキャンすることができる。
したがって、ガルボアセンブリ６２は、２次元スキャンフィールド８６を定義しうる。ガルボアセンブリ６２がｘ軸検流計デバイス７０及びｙ軸検流計デバイス７２を含むとき、スキャンフィールド８６は、図２に示すように、ｘ軸方向（横方向）とｙ軸方向（マシン方向）の両方に延在しうる。
図１に示すように、コントローラ５８はスキャンヘッド５０と通信しうる。コントローラ５８は、制御されたデバイス（例えば、ガルボアセンブリ６２、電源５４、レーザー５２）から所望の結果を実現するため、コマンド信号を生成して通信することが可能な任意の装置又はシステムであってもよい。コマンド信号は、命令（例えば、ユーザーからの入力）及び／又はフィードバック信号に基づきうる。したがって、再び図２を参照すると、コントローラ５８（図１）は、ガルボアセンブリ６２の検流計デバイス７０、７２のミラー７４、８０を駆動するモーター７６、８２に運動コマンドを提供するため、スキャンヘッド５０のガルボアセンブリ６２と通信しうる。
図１に示すように、また、図２を参照すると、スキャンヘッド５０は、ガルボアセンブリ６２によって定義されるスキャンフィールド８６が、圧縮ローラー１２と基板２２との間のニップ２４に隣接した圧縮ニップ領域２５に位置合わせされるように、圧縮ローラー１２と基板２２に対して配向されうる。したがって、ガルボアセンブリ６２を制御することによって（例えば、関連するモーター７６、８２によって、ミラー７４、８０の配向を制御することによって）、コントローラ５８は圧縮ニップ領域２５内の任意の所望の位置にビーム３０を発射しうる。ミラー７４、８０の堅固な制御によって、コントローラ５８は、圧縮ニップ領域２５内でビーム３０の高速スキャニングを達成しうる。
したがって、スキャンヘッド５０は、圧縮ニップ領域２５内でｘ軸方向及びｙ軸方向の双方でのビーム３０のスキャニング（例えば、ラスタリング）を容易にしうる。このように、単一のスキャンヘッド５０は、レーザーアレイ及び／又は、関連ビームの動きを有効にするようにレーザーを関節運動させる関節運動デバイスを必要とすることなく、圧縮ニップ領域２５を加熱しうる。
図２を再度参照すると、スキャンヘッド５０の光学素子６４は、ガルボアセンブリ６２を出るビーム３０を受信するように位置決めされうる。光学素子６４は、ガルボアセンブリ６２から受けたビーム３０を操作し、ビーム３０を圧縮ニップ領域２５に向けることができる。
光学素子６４は、対物レンズなどのレンズであってもよい（或いは含んでもよい）。スキャンヘッド５０によって光ファイバー５６から受信されるビーム３０は発散ビームであってもよい。したがって、光学素子６４がレンズである／レンズを含む場合には、ビーム３０は、所望の最大横断寸法Ｄ（例えば、直径）を有するスポット９０にフォーカスされうる。１つの表現では、ビーム３０によって形成されるスポット９０の最大横断寸法Ｄは、約０．００１インチから約１インチまでの範囲に及ぶ。別の表現では、ビーム３０によって形成されるスポット９０の最大横断寸法Ｄは、約０．０１インチから約１インチまでの範囲に及ぶ。１つの特定の非限定的な例として、ビーム３０によって形成されるスポット９０は、約０．０５インチの直径Ｄを有しうる。
１つの具体的な構造物の中では、光学素子６４はテレセントリックレンズとなりうる（又は含みうる）。当業者であれば、光学素子６４（内での）としてのテレセントリックレンズの使用は、スキャンヘッド５０からの距離の関数としてスキャンフィールド８６内で実質的に変化しない最大横断寸法Ｄを有するスポット９０を生み出しうることを、理解するであろう。したがって、スポット９０がスキャンフィールド８６の隅々まで移動されたとしても、スポット９０は実質的に一様でありうる。
再び図１を参照すると、コントローラ５８は、レーザー５２によって供給され、最終的に、圧縮ニップ領域に投影されるビーム３０の一又は複数のパラメータを制御しうる。１つの実装では、コントローラ５８はビーム３０の光パワーを制御しうる。別の実装では、コントローラ５８はビーム３０のパルス周波数を制御しうる。更に別の実装では、コントローラ５８はビーム３０の光パワーとビーム３０のパルス周波数の両方を制御しうる。コントローラ５８による他のビームパラメータ（例えば、負荷サイクル）の制御も検討されている。
レーザー加熱アセンブリ１４のレーザー５２は、電源５４と電気的に連結されうる。例えば、電源５４は交流電流源であってもよい。レーザー５２は、電源５４によって電力供給されると、ビーム３０を生成しうる。ビーム３０は光パワーを有してもよく、光パワーは電源５４によって供給される電力の関数となりうる。例えば、レーザー５２に５００ワットが供給されると、レーザー５２は全光パワーを有するビーム３０を放射しうる。しかしながら、供給電力が低下するにつれ、光パワーは対応する量（全パワーの一定の割合）が低下する。
レーザー加熱アセンブリ１４のコントローラ５８は、電源５４と通信を行いうる。したがって、コントローラ５８は、レーザー５２に供給される電気エネルギーの量を制御し、またこのようにして、電源５４を制御することによって、レーザー５２によって放射されるビーム３０の光パワーを制御しうる。
レーザー加熱アセンブリ１４のコントローラ５８はまた、レーザー５２の作動及び／又はレーザー５２によって発せられるビーム３０のパルス周波数を制御するため、レーザー５２と通信を行いうる。１つの実装では、レーザー５２は連続波（ＣＷ）レーザーであってもよく、コントローラ５８は所望のパルス周波数を実現するため、レーザー５２によって発せられるビーム３０を変調しうる。別の実施形態では、レーザー５２はパルスレーザーであってもよく、所望のパルス周波数を有するビーム３０を発しうる。
ビーム３０のパルス周波数は、他の可能な要因の中で、スキャンヘッド５０のガルボアセンブリ６２（図２）がビーム３０をスキャンする速度に基づきうる。１つの表現では、ビーム３０のパルス周波数は、約０ｋＨｚ（連続ビーム、パルスなし）から１０ｋＨｚまでに及ぶ。１つの表現では、ビーム３０のパルス周波数は、約１ｋＨｚから約１０ｋＨｚまでに及ぶ。別の表現では、ビーム３０のパルス周波数は、約２ｋＨｚから約８ｋＨｚまでに及ぶ。別の表現では、ビーム３０のパルス周波数は、約３ｋＨｚから約６ｋＨｚまでに及ぶ。更に別の表現では、ビーム３０のパルス周波数は、約１ｋＨｚから約５ｋＨｚまでに及ぶ。
したがって、開示されている繊維配置システム１０のレーザー加熱アセンブリ１４は、ビーム３０の光パワー及び／又はビーム３０のパルス周波数を制御する一方で、圧縮ローラー１２と基板２２との間のニップ２４に隣接した圧縮ニップ領域２５に位置合わせされたスキャンフィールド８６内で、ビーム３０をスキャンしうる。ビーム３０の他のパラメータ（例えば、負荷サイクル）はまた、ビーム３０がスキャンフィールド８６内でスキャンされる間に、制御されうる。したがって、レーザー加熱アセンブリ１４は、圧縮ニップ領域２５内で様々な加熱プロファイルを得るために使用されうる。
図３は、開示されている繊維配置システム１０のレーザー加熱アセンブリ１４を使用して、複合プライ１８及び基板２２上で得られうる例示的な加熱プロファイルを示している。図３の特定の非限定的な実施例では、ビーム３０（図１及び図２）は、複数のスキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０を生み出すため、レーザー加熱アセンブリ１４によってスキャンされうる。各スキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０は、スキャンフィールド８６に沿ってマシン（ｙ軸）方向に延在する各スキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０の列１１２を生成するため、スキャンフィールド８６（図２）を横断して横方向に（ｘ軸）に延在しうる。スキャン行１００、１０４、１０８は、圧縮ニップ領域２５内の基板２２の表面２６上に形成され、一方、スキャン行１０２、１０６、１１０は、圧縮ニップ領域２５内の複合プライ１８上に形成されうる。
ビーム３０（図１及び図２）の光パワーを制御することによって、スキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０からスキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０までの加熱の量は変化しうる。図３に密度の異なる点で示したように、ニップ２４に最も近くなりうるスキャン行１００、１０２は、スキャン行１０４、１０６、１０８、１１０を形成するために使用されるビーム３０よりも大きな光パワーを有するビーム３０を使用して形成され、一方、スキャン行１０４、１０６は、スキャン行１０８、１１０を形成するために使用されるビーム３０よりも大きな光パワーを有するビーム３０を使用して形成されうる。したがって、ニップ２４に圧縮される寸前には、複合プライ１８及び基板２２の一部にはより大きな熱が加えられ（スキャン行１００、１０２を参照）、一方、隣接部分は徐々に予熱されうる（スキャン行１０４、１０６、１０８、１１０を参照）。
更に、非ゼロパルス周波数を実現するため、ビーム３０（図１及び図２）のパルス周波数を制御することによって、スキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０内に加熱ゾーン１２０及びデッドゾーン１２２が確立されうる。加熱ゾーン１２０は、電磁放射を受けた（パルスのオンサイクル）スキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０の部分に対応し、一方、デッドゾーン１２２は、電磁放射を受けなかった（パルスのオフサイクル）スキャン行１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０の部分に対応する。
したがって、図４Ａに示した波形はスキャン行１００、１０２を生成したビーム３０（図１及び図２）を表わし、一方、図４Ｂに示した波形はスキャン行１０４、１０６を生成したビーム３０を表わし、更に図４Ｃに示した波形はスキャン行１０８、１１０を生成したビーム３０を表わす。この時点で、スキャン速度、ビーム３０の光パワー及び／又はビーム３０のパルス周波数を変えることによって、加熱プロファイルの変化が得られることを、当業者は理解するであろう。
また、複合プライを基板上に配置するために使用されうる、繊維配置方法が開示される。図５を参照し、更に図１及び図２を追加参照すると、開示されている繊維配置方法の一実施形態は、２００で概略的に示されており、ブロック２０２で、圧縮ローラー１２と基板２２との間にニップ２４を形成するため、基板２２に対して圧縮ローラー１２を位置付けるステップによって開始されうる。
ブロック２０４では、電磁放射ビーム３０がニップ２４に隣接してスキャンされうる。ビーム３０はスキャンフィールド８６内でスキャンされてもよく、スキャンフィールド８６は、圧縮ローラー１２と基板２２との間のニップ２４に隣接する圧縮ニップ領域２５に位置合わせされうる（例えば、重ね合わせられる）。例えば、ビーム３０はスキャンフィールド８６を横断してラスター化されうる。
ブロック２０６、ビーム３０の少なくとも１つのパラメータが制御されうる。一実施形態では、ビーム３０の光パワーは制御されうる。別の実施形態では、ビーム３０のパルス周波数は制御されうる。更に別の実施形態では、ビーム３０の光パワーとビーム３０のパルス周波数の両方を制御されうる。
ブロック２０８では、複合プライ１８（例えば、熱可塑性トウ）は、圧縮ローラー１２と基板２２との間のニップ２４に通されうる。その結果、複合プライ１８及び／又は基板２２は、ニップを通るにつれて、電磁放射ビーム３０によって加熱されうる。
したがって、開示されている繊維配置方法２００は、複合プライ１８がニップ２４を通るにつれて、複合プライ１８の制御された放射加熱を促進しうる。特に、ビームの光パワー及び／又はビーム３０のパルス周波数を制御している間にビーム３０をスキャンすることによって、複合プライ１８及び基板２２の過熱のリスクは（なくならないまでも）大幅に低減されうる。
本開示の実施例は、図６に示した航空機の製造及び保守方法５００、並びに図７に示した航空機６００に照らして説明することができる。製造前の段階では、例示的な方法５００は、ブロック５０２で示した航空機６００の仕様及び設計と、ブロック５０４で示した材料調達とを含みうる。製造段階では、ブロック５０６で示した航空機６００のコンポーネント及びサブアセンブリの製造とブロック５０８で示したシステムインテグレーションとが行われる。その後、航空機６００はブロック５１０で示した認可及び納品を経て、ブロック５１２で示した運航に供される。運航中、航空機６００は、ブロック５１４で示した定期的な保守及び点検がスケジューリングされうる。定期的な保守及び点検は、航空機６００の一又は複数のシステムの修正、再構成、改修などを含みうる。
例示的な方法５００のプロセスの各々は、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実行又は実施されうる。本明細書では、システムインテグレータは、限定するものではないが、任意の数の航空機製造者、及び主要システム下請業者を含み、第三者は、限定するものではないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含み、且つ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであってもよい。
図７に示したように、例示的な方法５００（図６）によって製造された航空機６００は、複数の高レベルのシステム６０４及び内装６０６を有する機体６０２を含みうる。高レベルのシステム６０４の例には、推進システム６０８、電気システム６１０、油圧システム６１２、及び環境システム６１４のうちの一又は複数が含まれうる。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ているが、本発明の原理は、自動車産業及び海洋産業のような他の産業にも適用されうる。従って、本書で開示されている原理は、航空機６００に加えて、例えば陸上ビークル、海洋ビークル、宇宙ビークルなどの他のビークルにも適用しうる。
開示されている繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱による方法は、製造及び保守方法５００の、一又は複数の任意の段階において採用されうる。例えば、コンポーネント及びサブアセンブリの製造（ブロック５０６）に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、開示されている繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱を使用して、製作又は製造されうる。また、開示されている繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱による方法は、例えば、航空機６００の組立てを実質的に効率化するか、或いはコストを削減することにより、製造段階（ブロック５０６及び５０８）で利用されうる。同様に、開示されている繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱による方法は、例えば、限定するものではないが、航空機６００の運航（ブロック５１２）期間中に、及び／又は整備及び保守段階（ブロック５１４）で利用されうる。
開示されている繊維配置システム及び変調レーザースキャン加熱による方法の様々な実施形態が示され、説明されているが、当業者は、本明細書を読むことで、修正例を想起しうる。本願は、かかる変更態様を含み、特許請求の範囲によってのみ限定される。
Claims (12)
- 回転軸Ａの周りに回転可能な圧縮ローラー（１２）であって、少なくとも部分的に圧縮ニップ領域（２５）を画定する圧縮ローラー（１２）と、
電磁放射ビーム（３０）を発するレーザー（５２）、
前記圧縮ニップ領域（２５）に位置合わせされるスキャンフィールド（８６）を画定し、前記スキャンフィールド（８６）内の前記ビーム（３０）をスキャンするスキャンヘッド（５０）、及び
コントローラ（５８）
を含むレーザー加熱アセンブリ（１４）とを含み、
前記スキャンヘッド（５０）は前記スキャンフィールド（８６）を横断して延在するスキャン行（１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０）内の前記ビーム（３０）をスキャンし、前記ビーム（３０）は、スキャン行（１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０）からスキャン行（１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０）までの加熱の量を変化させるように前記コントローラ（５８）によって制御される光パワーを有する、繊維配置システム（１０）。 - 前記スキャンヘッド（５０）は、少なくとも１つの検流計デバイス（７０、７２）を含むガルボアセンブリ（６２）を備える、請求項１に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記ガルボアセンブリ（６２）は、ｘ軸検流計デバイス（７０）及びｙ軸検流計デバイス（７２）を備える、請求項２に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記スキャンヘッド（５０）は更に光学素子（６４）を備える、請求項２又は３に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記光学素子（６４）はテレセントリックレンズを備える、請求項４に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記ビーム（３０）はパルス周波数を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記パルス周波数は約１ｋＨｚから約１０ｋＨｚの範囲に及ぶ、請求項６に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記コントローラ（５８）が、前記パルス周波数を制御するように更に構成されている、請求項６に記載の繊維配置システム（１０）。
- 前記ビーム（３０）は、約０．７５μｍから約１．４μｍまでの範囲に及ぶ波長を有する、請求項１から８のいずれか一項に記載の繊維配置システム（１０）。
- 基板（２２）上に複合プライ（１８）を配置するための方法（２００）であって、
前記基板（２２）に対して圧縮ローラー（１２）を配置（２０２）して、両者の間にニップ（２４）を、及び前記ニップ（２４）に隣接する圧縮ニップ領域（２５）を画定すること、
前記圧縮ニップ領域（２５）に位置合わせされるスキャンフィールド（８６）を画定するスキャンヘッド（５０）によって、レーザー（５２）によって放射される電磁放射ビーム（３０）をスキャンすること（２０４）であって、前記スキャンヘッド（５０）は、前記ニップ（２４）に隣接して前記スキャンフィールド（８６）内の前記ビーム（３０）をスキャンする、スキャンすること（２０４）、及び
前記複合プライ（１８）を前記ニップ（２４）に通すこと（２０８）
を含み、
前記スキャンヘッド（５０）は前記スキャンフィールド（８６）を横断して延在するスキャン行（１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０）内の前記ビーム（３０）をスキャンし、前記ビーム（３０）は、スキャン行（１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０）からスキャン行（１００、１０２、１０４、１０６、１０８、１１０）までの加熱の量を変化させるように制御される光パワーを有する、方法（２００）。 - 前記ビーム（３０）はパルス周波数を有し、更に前記パルス周波数を制御すること（２０６）を含む、請求項１０に記載の方法（２００）。
- 前記ビーム（３０）を前記スキャンすること（２０４）は、前記ビーム（３０）のラスタリングを含む、請求項１０又は１１に記載の方法（２００）。
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