JP6971882B2 - ３ｄ形状に成形するためのレイアップ特異部を有するフラットな複合材 - Google Patents

Description

本開示は、複合材の分野に関し、特に、自動繊維配置（Automated Fiber Placement：AFP）装置（自動テープ敷設（Automated Tape Laying：ATL）装置としても知られる）によって行われるレイアップに関する。

例えば炭素繊維強化ポリマー（Carbon Fiber Reinforced Polymer：CFRP）によって作製されたものなどの複合部品は、高いレベルの機械的強度と低重量とを兼ね備えている。このような組み合わせは、航空機の設計及び製造の分野において、望ましい。複合部品の製造は、構成材料を層状にレイアップして積層体を形成することを伴う。構成材料は、例えば、硬化可能樹脂を予備含浸させた平行な炭素繊維を含むテープである。このような予備含浸テープは、「プリプレグ」テープとも称される。数値制御（Numerical Control：NC）プログラムに基づいて、プリプレグテープを自動で予測通り且つ確実にレイアップするために、ＡＦＰ装置が用いられることがある。このようにして得られた積層体は、次に、固めて複合部品にするために、硬化される。

複合部品に求められる形状の多くは、複雑な３次元（３Ｄ）形状である。ＡＦＰ装置は、複雑な３Ｄ形状のレイアップが可能であるが、ＡＦＰ装置の動作速度は、特に、鋭角の角部をレイアップする際に、実質的に低下する。従って、複雑な３Ｄ積層体のレイアップに要するマシンタイム（ひいては費用）は、フラットな積層体（例えば、概ね平面状であり、高さが幅及び／又は長さの１０分の１未満であるもの）の場合よりも、相当に大きい。また、硬化されるまで積層体の３Ｄ形状を維持しておくことが、特に難しい場合がある。

複合部品の設計者は、ＡＦＰ装置を用いて、硬化させてフラットな複合部品とするためのフラットな積層体をレイアップすることができるが、フラットな積層体は、複合部品に求められる複雑な幾何学的表面形状（例えば、空気力学的形状を実現するもの）を有していない。また、フラットな積層体を複雑な３Ｄ形状に成形することは、実際的でない。フラットな積層体内の炭素繊維は、伸張に対する抵抗が高いためである。このため、フラットな積層体を成形（例えばモールド成形）すると、得られる成形体に皺が形成されるおそれがある。

従って、複合部品の設計者は、皺を発生させることなく、フラットな材料から複雑な輪郭の部品を形成する手法を、模索し続けている。

本明細書に記載の実施形態は、フラットな積層体用の設計を創出する。当該設計は、皺、歪み、あるいは亀裂を発生させることなく、フラットな積層体を複雑な３Ｄ形状に成形（例えば、型押し（stamp）／加圧成形（press）／モールド成形（mold））することを可能にする特異部を含むものである。このような「２．５Ｄ」積層体は、予め規定された位置に、レイアップ特異部（例えば余剰の材料）を含む。このような特異部を設けることによって、その対応箇所は、所望の３Ｄ形状に従って、構造的一体性を失うことなく成形される。さらなる実施形態において、このような積層体をレイアップするＡＦＰ装置は、物理的なレイアップ中にトウの配置のずれを検出するとともに、レイアップを命令するＮＣプログラムを変更して、隙間の上にテープの新たな層が配置されるようにすることができる。

一実施形態は、複合部品の３次元（３Ｄ）形状を規定するデータをロードすること、前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定すること、前記３Ｄ形状の、平面形状への扁平化をシミュレートすること、及び、前記平面形状を有するマンドレルを準備すること、を含む方法である。当該方法は、さらに、積層体を前記マンドレルにレイアップするにあたり、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際の制約因子を補償できるようにするための特異部を前記マンドレルに配置すること、及び、前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムを生成することを含む。ＮＣプログラムは、積層体の層を形成するために、特異部を有するマンドレル上に、構成材料のトウをレイアップするための命令を含む。

さらなる実施形態は、プロセッサによって実行された際に方法を遂行させるための命令プログラムが記録された非一時的なコンピュータ可読媒体である。当該方法は、平面状のマンドレルに積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際の、前記３Ｄ形状に対応する制約因子を補償できるようにするものための特異部を前記マンドレルに配置すること、及び、前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムを生成することを含む。前記ＮＣプログラムは、前記積層体の層を形成するために、前記マンドレルに配置された前記特異部を含む前記平面状のマンドレル上に、構成材料のトウをレイアップするための命令を含む。当該方法は、さらに、前記ＮＣプログラムに従って前記積層体をレイアップすること、及び、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形することを含む。

さらなる実施形態は、複合部品の３次元（３Ｄ）形状を規定するデータを保存するメモリを含むシステムである。当該システムは、前記データをロードし、前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定し、前記３Ｄ形状を平面形状に扁平化し、前記平面形状に特異部を配置する制御部をさらに含み、前記特異部は、レイアップされた積層体が、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際に制約因子を補償できるようにするものである。前記制御部は、さらに、前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムを生成し、前記ＮＣプログラムは、前記積層体の層を形成するために、構成材料のトウをレイアップするための命令を含む。

さらなる実施形態は、複合部品を形成する方法であり、予想されるプライ間の剪断が２次元（２Ｄ）積層体にすでに組み込まれるようにプライが積層されるようにするための特異部を有する２Ｄ積層体をマンドレルにレイアップすること、及び、前記予想されたプライ間の剪断を生じさせることも含めて、前記２Ｄ積層体を複雑な輪郭のプリフォームに成形する。

他の例示的な実施形態（例えば、上記の実施形態に関連する方法及びコンピュータ可読媒体）について、以下に説明する。上述の特徴、機能、利点は、種々の実施形態において個別に達成可能であり、また、さらに別の実施形態と組み合わせることも可能であり、その詳細は、以下の説明及び図面を参照することにより明らかであろう。

本開示のいくつかの実施形態を、単なる例示として、添付図面を参照しつつ以下に説明する。すべての図面において、同じ参照符号は、同じ要素又は同じ種類の要素を示している。

例示的な実施形態におけるＡＦＰ装置の図である。 例示的な実施形態における、フラットな積層体をレイアップするＡＦＰ装置と相互作用するレイアップ設計システムを示すブロック図である。 例示的な実施形態における、後に３Ｄ形状に成形される積層体のレイアップを形成する方法を示すフローチャートである。 例示的な実施形態における、ＡＦＰ装置に命令するＮＣプログラムに対するその場での訂正の方法を示すフローチャートである。 例示的な実施形態における複合部品を示す図である。 例示的な実施形態における、図５の複合部品のための最初のレイアップを示す図である。 例示的な実施形態における、図５の複合部品のための追加のレイアップを示す図である。 例示的な実施形態における、複合部品用のレイアップ内の方向付けられたトウを示す図である。 例示的な実施形態における、積層体から形成された３Ｄ複合部品の図である。 例示的な実施形態における、図１０の複合部品を形成するために用いる積層体の図である。 例示的な実施形態における、航空機の製造及び保守方法のフロー図である。 例示的な実施形態における、航空機のブロック図である。

図面及び以下の記載は、本開示の特定の例示的な実施形態を説明するものである。なお、当業者であれば、本明細書には明確に記載又は図示されていないものの、本開示の原理を具現化するとともに本開示の範囲に含まれる様々な変形を創出することができるであろう。さらに、本明細書で説明されている例は、本開示の原理に対する理解を助けることを意図するものであり、本開示は、そのような具体的に説明された例や条件に限定されないと解釈されるべきである。したがって、本開示は、以下に説明する特定の実施形態又は実施例に限定されるものではなく、請求の範囲及びその均等範囲によって限定されるものである。

図１は、例示的な実施形態における、支持体１７０に取り付けられたＡＦＰ装置１００を示す図である。ＡＦＰ装置１００は、構成材料のトウ（tow）１５２をレイアップ（lay up）することにより、硬化して複合部品にする積層体１５０を形成可能な、任意のシステム又は装置を含む。ＡＦＰ装置１００は、エンドエフェクタ／ヘッド１８０を含んでおり、これが、レイアップ中に、硬化可能な構成材料（例えばＣＦＲＰ部品用のプリプレグ炭素繊維テープ）のトウ１５２を吐出する。トウ１５２がレイアップされて積層体１５０が形成される。当該積層体は、１つ又は複数の材料層を含んでおり、これが硬化されて、単一の一体型複合部品となる。

ＡＦＰ装置１００は、積層体１５０上にトウ１５２をレイアップする動作を行う。ＡＦＰ装置１００は、Ｘ軸１６６に沿って積層体１５０に対して真っ直ぐに近接／離間する方向に、Ｙ軸１６４に沿って垂直方向上下に、及び／又は、Ｚ軸１６２に沿って横方向に、移動しうる。本明細書において、ＡＦＰ装置１００が、ヘッド１８０の１回の「スウィープ（sweep）」動作中に複数のトウ１５２を同時にレイアップする場合、これらのトウ１５２をまとめて、１つの「コース（course）」と称する。連続して配置される１組の重ならないコースを、層と称することができる。積層体１５０に層が追加されるにつれて、得られる複合部品の強度が効果的に向上する。

トウ１５２が迅速且つ効率的にレイアップされるように、ＡＦＰ装置１００の動作は、ＮＣプログラムによって制御される。一実施形態において、ＮＣプログラムは、ＡＦＰ装置１００の位置合わせ／位置変更、ヘッド１８０の移動、積層体１５０上へのトウ１５２のレイアップを行うために、コースごとに命令を与える。このようにして、ＮＣプログラムからの命令を実行することによって、ＡＦＰ装置１００は、硬化して複合部品にするための積層体を製造する。

ＡＦＰ装置１００は、複雑な湾曲形状を３Ｄ空間内にレイアップするものとして示されているが、このようなプロセスが常に最も効率が良いとは限らない。曲面上でＡＦＰ装置１００を移動させるには、ＡＦＰ装置１００のヘッドを、常に位置変更及び再位置合わせする必要があり、これにより、ＡＦＰ装置１００の速度が低下する。このため、ＡＦＰ装置１００は、レイアップ設計システムと協働するように改良されている。当該設計システムは、所望の３Ｄ形状への成形（例えば型押し）を容易にするレイアップ特異部を含んだフラットな形状として、積層体をレイアップすることを可能にする（レイアップ速度を高める）ものである。本明細書において、形状、マンドレル、又は積層体の高さが、幅及び／又は長さの１０パーセント未満（例えば２パーセント未満）である場合に、それらを「フラット」であるとみなす。フラットではない形状を、３Ｄ形状とみなす。

図２は、例示的な実施形態における、フラットな積層体２４０をレイアップするＡＦＰ装置２２０と相互作用する、レイアップ設計システム２１０を示すブロック図である。本実施形態において、レイアップ設計システム２１０は、制御部２１２を含み、当該制御部は、フラットな積層体２４０をレイアップするための動作を規定するＮＣプログラム２１８を生成する。制御部２１２は、積層体２４０を現在の形状から所望の３Ｄ形状に確実に成形（例えばモールド成形／型押し成形）できるようにするレイアップ特異部（layup features）を、ＮＣプログラム２１８内に含んでいる。制御部２１２は、例えば、カスタム回路、プログラムされた命令を実行するハードウェアプロセッサ、又はそれらの組み合わせとして、構成することができる。レイアップ設計システム２１０は、メモリ２１４をさらに含む。当該メモリは、複合部品用の所望の３Ｄ形状２１６を規定するデータ、ならびに、制御部２１２によって生成された少なくとも１つのＮＣプログラム２１８を、格納する。メモリ２１４は、データを格納するための任意の適当なコンピュータ可読媒体であってよい。

ＡＦＰ装置２２０は、ＮＣプログラム２１８からの命令に基づいて、マンドレル２６０上に、構成材料（例えば炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ））のトウ２４４を、レイアップする。本実施形態において、ＡＦＰ装置２２０は、アクチュエータと剛性部材との運動学的連鎖（kinematic chain）２２２を含み、これらは、積層体２４０の層２４２を形成するためにエンドエフェクタ２４２がトウ２４４をレイアップする際に、エンドエフェクタ２２４を配置する動作を行う。カメラ２３０も示しているが、これは、３Ｄカメラ、立体カメラ、又は深度カメラを含みうる。カメラ２３０は、ＡＦＰ装置２２０に取り付けてもよいし、独立して制御してもよい。レイアップ中にカメラ２３０によって取得された画像２１９に基づいて、制御部２１２は、ＮＣプログラム２１８内に保持された命令を調整することができる。レイアップが完了すると、積層体２４０は、マンドレル２６０から取り外され、例えば上型２５２と下型２５４との間で積層体２４０の型押しを行うなどによって、成形される。

レイアップ設計システム２１０の動作の例示的な詳細について、図３Ａ〜３Ｂを参照して説明する。本実施形態に関して、設計者が、複合部品の所望の３Ｄ形状を示す入力を、レイアップ設計システム２１０に与えているものと仮定する。図３Ａは、後に３Ｄ形状に成形される積層体のレイアップを形成する方法３００の例示的な実施形態を示すフローチャートである。方法３００の工程は、図２のレイアップ設計システム２１０を参照して説明するが、当業者であればわかるように、方法３００は、他のシステムでも行うことができる。本明細書で説明するフローチャートの工程が、必ずしもすべて含まれるとは限らず、また、図示しない他の工程を含むこともありうる。また、本明細書で説明する工程を、別の順序で行ってもよい。

方法３００において、制御部２１２は、複合部品の３Ｄ形状を規定するデータをロードする（工程３０２）。当該データは、例えば、３Ｄの形状／構造物の様々な部分の寸法及び位置を、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイル又は３Ｄモデルファイルで示すものである。制御部２１２は、さらに、３Ｄ形状の寸法に基づいて、制約因子（constraints）を特定する（工程３０４）。制約因子は、例えば、３Ｄ形状の様々な部分（例えば角部）の半径、３Ｄ形状における異なる位置間の距離などを含む。制御部２１２は、（例えば、積層体としてのレイアップ、あるいは、フラットなマンドレルとしての使用のために）当該３Ｄ形状について、平面形状への扁平化をシミュレートする（工程３０６）。この扁平化シミュレーション又は「ロールアウト（roll out）」は、３Ｄ形状内の材料が、どのように外方に広がって、複数の平面状の層から成るフラットなパターンになるかを予測し、材料を広げることができるように材料に切り込みを入れることを伴いうる。

ロールアウト中に、３Ｄ形状からセグメント化された２Ｄ形状を抽出し、これを用いてカッターファイル（cutter files）を形成することができる。これらのカッターファイルは、材料ロールから切り出すための１つ又は複数のフラットな２Ｄ形状を示す。例えば、カッターファイルは、３Ｄ形状を形成するために共にドレープ成形（draped）することができる、積層体の「プリプレグ」パッチ（patch）を切るための命令を与えうる。ただし、設計者が、一体型の積層体に比べて、複数片積層体を望ましくないと考える場合もありうる。

制約因子が特定されて、３Ｄ形状の平面形状へのロールアウトが首尾よく行われると、制御部２１２は、制約因子に基づいて、平面形状に加えるべきレイアップ特異部を検討する。

レイアップ特異部は、平面形状を３Ｄ形状に成形する際に皺が形成されないようにするための、平面形状に加えられる物理的な変更部分である。すなわち、レイアップ特異部は、積層体が複雑な３Ｄ輪郭形状に成形される際に、皺が形成されないようにする。一実施形態において、特異部はマンドレル２６０に配置され、このような特異部により、積層体を３Ｄ形状に成形する際に制約因子が補償されるように、積層体をマンドレル２６０上にレイアップすることが可能となる。さらなる実施形態において、制御部２１２は、強度を向上させるために、ロールアウト積層体の個々のパッチ／片同士を結合させることもでき、この場合もなお、得られる積層体は、所望の形状に成形可能である。すなわち、制御部２１２の働きにより、カッターファイル内に見つけられたセグメント化された２Ｄ形状を、ＣＡＤソフトウェアを用いて、大きな平面形状へと再結合することができ、当該大きな平面形状は、ＡＦＰ装置２２０による一連の所望の動作によって後にレイアップされる積層体を表すものである。

このように、制御部２１２は、２Ｄ形状を設計した後にこれを複雑な３Ｄ輪郭形状に変換しようとするのではなく、複雑な輪郭形状の３ＤＣＡＤ構造体からスタートし、これをデジタル空間内で扁平化し、２Ｄ積層体のレイアップを決定する。この積層体（「２．５Ｄ」レイアップ）を用いて、皺の無い３Ｄ構造物が作成される。従って、このリバースエンジニアリングアプローチは、設計プロセス全体において、３Ｄから２Ｄへ、そして再び３Ｄに戻す変換を用いている。

積層体用のレイアップの作成中に、平面形状が、「２．５Ｄ」の幾何学形状に変換される。当該プロセスは、製造すべき３Ｄ幾何学形状の制約因子を把握することを伴う。すなわち、得られる積層体において材料が追加又は除去されるように、成形中の一方向性テープ／トウの皺又は亀裂が予測される位置に、平面形状に対する特異部が形成される。この当初の２．５Ｄ幾何学形状に対して、積層体に繊維を配置及び配向することを考慮した３Ｄ成形シミュレーションが行われる。３Ｄ成形シミュレーションでは、プライ（ply）の滑り／剪断に起因する皺及び成形上の問題点（例えば、重大な応力及びひずみの箇所、成形後に余分な材料が存在する箇所など）の可能性を調べるべく、得られる積層体が分析される。制御部２１２は、次に、この情報に基づいて、２．５Ｄ幾何学形状を調整し、３Ｄ成形シミュレーション及び２．５Ｄ幾何学形状のアップデートに関わるプロセスを、繰り返し行う。すなわち、制御部２１２は、マンドレルへの特異部の配置、マンドレル上にレイアップされた積層体を３Ｄ形状に成形するシミュレーションの作成、及び、シミュレーションによって示唆された予測される皺又は亀裂に基づく特異部の変更、を繰り返し行う。

２．５Ｄ幾何学形状に対するアップデートは、所与の位置にレイアップされる材料の長さの調節、積層体の１つ又は複数の層における繊維配向の調節、マンドレルへの表面特異部の追加などを含みうる。一実施形態において、制御部２１２は、成形中に積層体が広がる距離を予測し、当該距離に対応するトウ長さを積層体に加えることによって、レイアップ特異部を形成する。例えば、これらの予測は、平面形状における複数の関心対象部分の各々における１つ又は複数の寸法に沿った、予想されるプライの剪断（例えばプライの滑り）を考慮したものである。このようなシミュレーションと、それに続く２．５Ｄ幾何学形状の調整とを、何回か繰り返すことによって、当該幾何学形状における、皺を回避すべき重要部分の特定を容易に行うことができる。

メモリに格納された所望の特異部を把握した上で、制御部２１２は、次に、当該平面形状を有するマンドレルを準備する（工程３０８）。次に、制御部２１２は、特異部をマンドレルに配置設定するが、ここで、当該特異部は、マンドレル上にレイアップされた積層体が、積層体を３Ｄ形状に成形する際に制約因子を補償できるようにするものである（工程３１０）。これは、例えば、物理的な機械加工又はその他の方法で、マンドレルに変更を加えることを含みうる。

制御部２１２は、さらに、フラットなマンドレル上に積層体をレイアップする際にＡＦＰ装置２２０に命令するＮＣプログラム２１８を作成する（工程３１２）。ＮＣプログラム２１８は、特異部（例えば、実施形態によってマンドレル又は積層体に設けられる補償特異部）を含む平面状のマンドレル上に、積層体の層を形成するために、構成材料のトウをレイアップするための命令を含む。このことは、当初より複雑な輪郭を呈する３Ｄマンドレル上に積層体をレイアップさせるのではなく、フラットなマンドレル上に積層体をレイアップするための命令を、ＮＣプログラム２１８が与えることを意味する。マンドレル及び／又はレイアップは、マンドレルの全体のフラットな形状を実質的に変化させない特異部を含む。例えば、加えられる特異部は、マンドレル及び積層体がフラットな状態を維持できるような、十分に小さい高さ（例えば幅又は長さの１０パーセント未満）を有する。このようにして、２．５Ｄ幾何学形状は、次に、ＡＦＰ装置用のレイアップパターンに変換することができ、あるいは、成形中に皺が形成されないようにする表面特異部を含むようマンドレルを修正するのに、用いることもできる。

図３Ｂは、２．５Ｄ積層体の作成に関するさらなる方法３５０を示す。図３Ｂによれば、制御部２１２は、マンドレル上に特異部を有する２Ｄ積層体をレイアップするよう、ＡＦＰ装置２２０に命令するが、ここで、当該特異部は、予想される（例えば成形中の）プライ間の剪断が２Ｄ積層体にすでに組み込まれるようにプライが積層されるようにするものである（工程３５２）。これは、ＮＣプログラム２１８に従って、行うことができる。次に、当該２Ｄ積層体が、複雑な輪郭のプリフォームに成形（例えば型押し）される（工程３５４）。この作業では、積層体が所望の３Ｄ形状となる際に、予想されたプライ間の剪断が生じる。すなわち、平面状マンドレルは、プライの滑り／剪断に用いられる材料を提供する特異部を有している。従って、２．５Ｄレイアップが３Ｄ形状に成形される際に、所望のプライの滑りを実現するのに必要な材料が存在している。

レイアップ中においては、ＡＦＰ装置２２０における並進ずれ（translation inconsistencies）や予想外の材料の変化などにより、トウ２４４のいくつかが所望の位置に配置されない可能性が依然として存在する。このため、図４では、物理的なレイアップにおける不一致に迅速且つ効果的に対処するために、その場でＮＣプログラム２１８をアップデート及び訂正する方法４００が提供される。

方法４００は、制御部２１２が、レイアップ中に、ＡＦＰ装置２２０によって配置されたトウ２４４の画像を、（カメラ２３０で）取得することを含む（工程４０２）。制御部２１２は、さらに、取得された画像に基づいて、レイアップ中に、ＡＦＰ装置によって配置されたトウ２４４の実際の位置を求める（工程４０４）。制御部２１２は、次に、トウ２４４の実際の位置を、ＮＣプログラム２１８によって示されたトウ２４４の予測位置と比較する（工程４０６）。制御部２１２は、実際の位置と予測位置との不一致を検出し（工程４０８）、このような不一致に基づいて、レイアップ中に、ＮＣプログラム２１８を変更する（工程４１０）。例えば、制御部２１２は、画像に示されているトウを特定し、当該トウをＮＣプログラム２１８内に特定されるトウと相関させ、ＮＣプログラム２１８が使用している座標空間内における当該トウの実際の位置を求め、不一致があるかどうかを判定する。当該不一致が、トウ間の隙間を含む場合、制御部２１２は、この隙間上にトウを配置する命令を追加することによって隙間を覆うように、ＮＣプログラムを変更することができる。不一致が、トウの実際の位置が予測位置からずれていることを含む場合、制御部２１２は、このずれに基づいて、他の層においてトウを配置するための命令を訂正することによって、ＮＣプログラムを変更することができる。

方法３００及び４００を、組み合わせて用いることにより、歪み、亀裂、又は、積層体内部の炭素繊維の損傷を発生させることなく、フラットな積層体を所望の３Ｄ形状に成形することができる。また、これらの方法によれば、設計者は、レイアップ中にＡＦＰ装置の動作の閉ループ制御を行うことによって、意図したように積層体をレイアップすることができる。
［実施例］

以下の実施例においては、損傷や歪みを発生させることなく積層体を３Ｄ部品に成形することを可能にするレイアップ特異部を含む積層体に関連させて、追加のプロセス、システム、及び方法を説明する。

図５は、例示的な実施形態における複合部品５００を示す図である。複合部品５００は、本体５１０、上側フランジ５２０、及び、下側フランジ５３０を含む。各フランジは、外側角部５４２及び内側角部５４４を含み、これらの角部が、上面５５０及び下面５６０に不整を生じさせる。図５に示すように、フランジの縁部から外側角部までの距離（Ｌ_O）は、フランジの縁部から内側角部までの距離（Ｌ_I）より大きい。このことは、図６に示すような大きな２Ｄ輪郭を含む平面形状６２０を有する、純粋にフラットな積層体の場合、複合部品５００を成形するために型押し及びその後の硬化を行うと、部分６１０に撓み（warping）が生じうることを意味する。この問題に対処するため、図７に示すように、図２の制御部２１２は、マンドレル７３０に配置されたレイアップ特異部７１０（例えば突状部）の形態で、積層体７２０にレイアップ特異部を加えており、これによって２．５Ｄ幾何学形状が形成されている。これらの特異部によって、部分６１０にレイアップされる材料の量が変化し、複合部品５００の内側角部及び外側角部に対応できるよう、十分な量の材料が存在することになる。このようなレイアップ特異部７１０は、例えば、マンドレル７３０の大部分はフラットな状態でマンドレル７３０に一体化させてもよいし、迅速製造技術などによってマンドレル７３０上に着脱可能に配置してもよい。このように、プライ間の予測される剪断（すなわちプライの滑り）が、積層体の形状にすでに組み込まれた状態で、プライがレイアップされる。

図８〜図９は、例示的な実施形態における複合部品用レイアップにおける、方向付けされたトウを含むレイアップ特異部を示す図である。方向付けされたトウは、平面形状に成形するための完全にフラットなマンドレル７３０の上にレイアップすることができ、２．５Ｄ積層体８１０が成形中に３Ｄ曲率に対応できるように、追加の材料をもたらすことができる。本実施形態において、トウ８１２は、マンドレル８２０の表面に沿って、面内を進むように方向付けされており、従って、すべてが同じ高さを有する。

図１０は、例示的な実施形態における、積層体から形成された３Ｄ複合部品１０００の図である。図１１〜図１２は、例示的な実施形態における、図１０の複合部品１０００を形成するために用いられる積層体１１００の図である。具体的には、図１１は、上面図であり、図１２は、図１１の矢印１２に対応する断面図である。本実施形態において、積層体１１００は、頂部１１２５を含む環状の突起／隆起部１１２０を含む。環状突起１１２０は、複合部品１０００の３Ｄ形状に合致するように積層体１１００を成形することを可能にする材料を含んでいる。積層体１１００は、中央部１１３０及び余剰部（例えばスクラップ１１１０）をさらに含む。積層体１１００を部品１０００に成形する際には、中央部１１３０がぴんと引き伸ばされるが、環状部１１２０に余剰の材料があるため、亀裂が防止される。これらの種々の部分に配置される材料の量のバランスを取ることにより、皺や亀裂を発生させることなく、部品１０００を形成することができる。

より具体的に図面を参照すると、本開示の実施形態は、図１３に示す航空機の製造及び保守方法１３００に関連させて、また、図１４に示す航空機１３０２に関連させて説明することができる。生産開始前のステップとして、例示的な方法１３００は、航空機１３０２の仕様決定及び設計１３０４及び材料調達１３０６を含む。生産中には、航空機１３０２の部品及び小組立品の製造１３０８並びにシステムインテグレーション１３１０が行われる。その後、航空機１３０２は、認可及び納品１３１２の工程を経て、使用１３１４に入る。顧客による使用中は、航空機１３０２は、定例の整備及び保守１３１６（これは、改良、再構成、改修なども含みうる）のスケジュールに組み込まれる。本明細書において具現化されている装置及び方法は、製造及び保守方法１３００における任意の１つ又は複数の適当な段階（例えば、仕様決定及び設計１３０４、材料調達１３０６、部品及び小組立品の製造１３０８、システムインテグレーション１３１０、認可及び納品１３１２、使用１３１４、整備及び保守１３１６）、及び／又は、航空機１３０２の任意の適当なコンポーネント（例えば、機体１３１８、システム１３２０、内装１３２２、推進系１３２４、電気系１３２６、油圧計１３２８、環境系１３３０）において、採用することができる。

方法１３００の各ステップは、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することができる。説明のために言及すると、システムインテグレータは、航空機メーカー及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、及び供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織などであってもよい。

図１４に示すように、例示的な方法１３００によって製造される航空機１３０２は、複数のシステム１３２０及び内装１３２２を備える機体１３１８を含む。ハイレベルシステム１３２０の例には、駆動系１３２４、電気系１３２６、油圧系１３２２及び環境系１３３０のうちの１つ又は複数が含まれる。また、その他のシステムをいくつ含んでもよい。航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本発明の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用してもよい。

上述したように、本明細書において具現化されている装置及び方法は、製造及び保守方法１３００における、１つ又は複数のどの段階において採用してもよい。例えば、製造工程１３０８に対応する部品又は小組立品は、航空機１３０２の使用中に製造される部品又は小部品と同様に組み立て又は製造することができる。また、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又は、それらの組み合わせを、例えば生産工程１３０８及び１３１０で用いることにより、実質的に航空機１３０２の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることもできる。同様に、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又は、それらの組み合わせを、航空機１３０２の使用中に、例えば、限定するものではないが、整備及び保守１３１６に用いてもよい。例えば、本明細書で説明した技術及びシステムを、工程１３０６、１３０８、１３１０、１３１４、及び／又は、１３１６で用いてもよいし、機体１３１８及び／又は内装１３２２に用いてもよい。これらの技術及びシステムを、さらには、例えば推進系１３２４、電気系１３２６、油圧計１３２８、及び／又は環境系１３３０を含め、システム１３２０に用いてもよい。

一実施形態において、積層体２４０は、硬化されることにより機体１３１８の一部を含む複合部品になるものであり、部品及び小組立品の製造工程１３０８において製造される。次に、当該複合部品は、システムインテグレーション１３１０において航空機に組み付けられ、摩耗により使用不可能となるまで、使用段階１３１４において使用される。次に、整備及び保守１３１６において、当該複合部品は、廃棄され、新たに製造された部品と交換される。本明細書で説明した高度化されたレイアップ設計技術を、追加の複合部品を製造するために、部品及び小組立品の製造工程１３０８にて用いてもよい。

図示又は明細書中で説明した様々な制御要素（例えば電気又は電子部品）は、いずれも、ハードウェア、ソフトウェアを実現するプロセッサ、ファームウェアを実現するプロセッサ、又は、これらのいずれかの組み合わせとして、実現することができる。例えば、ある要素を、専用ハードウェアとして実現することができる。専用ハードウェア要素を、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は、他の同様の用語で称する場合がある。プロセッサの形で設けられる場合、機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、又は、共有可能なものを一部に含む複数の個別プロセッサにより提供される。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアのみに言及すると解釈されるべきではなく、限定されることなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）若しくは他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェアの保存用の読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、論理回路、又は、他の物理的なハードウェア部品若しくはモジュールを暗黙的に含みうる。

また、制御要素は、当該要素の機能を果たすための、プロセッサ又はコンピュータにより実行可能な命令として実現することもできる。命令の例をいくつか挙げると、ソフトウェア、プログラムコード、及び、ファームウェアがある。命令は、プロセッサにより実行されると稼働して、当該プロセッサに対して要素の機能を果たすように命令する。命令は、プロセッサによる読み取りが可能な記憶装置に保存してもよい。記憶装置の例としては、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスクや磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、又は、光学的に読み取り可能なデジタルデータ記憶媒体などが挙げられる。
［付記］

本発明について、以下の付記においても言及するが、これらは特許請求の範囲と混同されるべきではない。

Ａ１． 複合部品の３次元（３Ｄ）形状を規定するデータをロードすること（３０２）、
前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定すること（３０４）、
前記３Ｄ形状の、平面形状への扁平化をシミュレートすること（３０６）、
前記平面形状を有するマンドレルを準備すること（３０８）、
前記マンドレルに積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際の前記制約因子を補償できるようにするための特異部を前記マンドレルに配置すること（３１０）、
前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムであって、前記積層体の層を形成するために、前記特異部を有する前記マンドレルに、構成材料のトウをレイアップするための命令を含むＮＣプログラムを生成すること（３１２）、を含む、方法。

Ａ２． さらに、前記ＮＣプログラムに従って前記平面状のマンドレルに前記積層体をレイアップすることを含む、付記Ａ１に記載の方法。

Ａ３． さらに、レイアップが完了した後に前記積層体を成形することを含む、付記Ａ２に記載の方法。

Ａ４． 前記積層体を成形することは、
相補状の成形ツールの間に前記積層体を配置すること、
前記成形ツールを互いに向けて動かすことによって、前記積層体を成形すること、を含む、付記Ａ３に記載の方法。

Ａ５． さらに、前記ＡＦＰ装置によって配置されたトウの画像をレイアップ中に取得すること（４０２）、
前記画像に基づいて、前記ＡＦＰ装置によって配置されたトウの実際の位置をレイアップ中に求めること（４０４）、
トウの前記実際位置を、前記ＮＣプログラムによって示されたトウの予測位置と比較すること（４０６）、
前記実際位置と前記予測位置との不一致を検出すること（４０８）、
前記不一致に基づいて、レイアップ中に前記ＮＣプログラムを変更すること（４１０）、を含む、付記Ａ２に記載の方法。

Ａ６． 不一致は、トウ間の隙間を含み、
前記ＮＣプログラムを変更することは、前記隙間上にトウを配置する命令を追加することを含む、付記Ａ５に記載の方法。

Ａ７． 不一致は、トウの実際の位置が、予測位置からずれていることを含み、
前記ＮＣプログラムを変更することは、前記ずれに基づいて、他の層においてトウを配置するための命令を修正することを含む、付記Ａ５に記載の方法。

Ａ８． トウの実際の位置を求めることは、カメラの位置及び配向に基づいて、前記画像内のトウを前記ＮＣプログラムの座標空間内に配置することを含む、付記Ａ５に記載の方法。

Ａ９． さらに、前記積層体を硬化して前記複合部品にすることを含む、付記Ａ２に記載の方法。

Ａ１０． さらに、反復的に、
前記マンドレルへの前記特異部の配置をシミュレートすること、
前記マンドレルにレイアップされた積層体を前記３Ｄ形状に成形するシミュレーションを作成すること、
前記シミュレーションによって示唆された予測される皺又は亀裂に基づいて、前記特異部を変更すること、を含む、付記Ａ１に記載の方法。

本発明のさらなる側面によれば、以下が提供される。

Ｂ１． プロセッサによって実行された際に方法を遂行させるための命令プログラムが記録された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記方法は、
平面状のマンドレルに積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を３Ｄ形状に成形する際の、前記３Ｄ形状に対応する制約因子を補償できるようにするための特異部を前記マンドレルに配置すること（３１０）、
前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムであって、前記積層体の層を形成するために、前記マンドレルに配置された前記特異部を含む前記平面状のマンドレルに、構成材料のトウをレイアップするための命令を含むＮＣプログラムを生成すること（３１２）、
前記ＮＣプログラムに従って前記積層体をレイアップすること（３５２）、
前記積層体を前記３Ｄ形状に成形すること（３５４）、を含む、媒体。

Ｂ２． 前記方法は、さらに、
前記３Ｄ形状を規定するデータをロードすること、
前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定すること、
前記３Ｄ形状を平面形状に扁平化すること、
前記平面形状に従って前記マンドレルを作製すること、を含む、付記Ｂ１に記載の媒体。

Ｂ３． 前記特異部を配置することは、前記マンドレルの表面に変更を加えることを含む、付記Ｂ１に記載の媒体。

Ｂ４． 前記方法は、さらに、相補状の成形ツールの間に前記積層体を配置すること、
成形中に前記成形ツールを互いに向けて動かすこと、を含む、付記Ｂ１に記載の媒体。

本発明のさらなる態様によれば、以下が提供される。

Ｃ１． 複合部品の３次元（３Ｄ）形状を規定するデータ（２１６）を保存するメモリ（２１４）と、
前記データをロードし、前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定し、前記３Ｄ形状を平面形状（６２０）に扁平化し、前記平面形状に特異部（７１０）を配置する、制御部（２１２）と、を含み、前記特異部は、積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際の制約因子を補償できるようにするためのものであり、
前記制御部は、前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置（１００）に命令する数値制御（ＮＣ）プログラム（２１８）を生成し、前記ＮＣプログラムは、前記積層体の層（２４２）を形成するために、構成材料のトウ（２４４）をレイアップするための命令を含む、システム。

Ｃ２． 前記制御部は、さらに、前記積層体を硬化して前記複合部品にすることを命令する、付記Ｃ１に記載のシステム。

Ｃ３． 前記特異部は、前記積層体がレイアップされる平面状マンドレルの表面に対する変更を含む、付記Ｃ１に記載のシステム。

Ｃ４． 前記特異部は、前記積層体における材料の量を増やすために、前記積層体の層（２４２）内で方向付けられたトウ（２４４）を含む、付記Ｃ１に記載のシステム。

Ｃ５． 前記制御部は、成形中に前記平面形状の一部が広がる距離（Ｌ_O−Ｌ_I）を予測し、前記距離に対応するトウの長さを前記平面形状に加えることによって、前記特異部を追加する、付記Ｃ１に記載のシステム。

Ｃ６． 前記ＡＦＰ装置によって配置されたトウ（２４４）の画像（２１９）をレイアップ中に取得するカメラ（２３０）をさらに含み、
前記制御部は、前記画像に基づいて、前記ＡＦＰ装置によって配置されたトウの実際の位置をレイアップ中に求めることと、トウの前記実際位置を、前記ＮＣプログラムによって示されたトウの予測位置と比較することと、前記実際位置と前記予測位置との不一致を検出することと、前記不一致に基づいて、レイアップ中に前記ＮＣプログラムを変更することと、を含むフィードバック制御ループを実行する、付記Ｃ１に記載のシステム。

Ｃ７． 不一致は、トウ間の隙間を含み、
前記制御部は、前記隙間上にトウを配置する命令を追加することによって、前記隙間を覆うように、前記ＮＣプログラムを変更する、付記Ｃ６に記載のシステム。

Ｃ８． 不一致は、トウの実際の位置が、予測位置からずれていることを含み、
前記制御部は、前記ずれに基づいて、他の層においてトウを配置するための命令を修正することによって、前記ＮＣプログラムを変更する、付記Ｃ６に記載のシステム。

Ｃ９． 前記制御部は、前記カメラの位置及び配向に基づいて、前記画像内のトウを前記ＮＣプログラムの座標空間内に配置することによって、トウの実際の位置を求める、付記Ｃ６に記載のシステム。

本発明のさらなる態様によれば、以下が提供される。

Ｄ１． 複合部品を形成する方法であって、
マンドレルに、予想されるプライ間の剪断が２次元（２Ｄ）積層体にすでに組み込まれるようにプライが積層されるようにするための特異部を有する２Ｄ積層体をレイアップすること（３５２）、
前記予想されたプライ間の剪断を生じさせることも含めて、前記２Ｄ積層体を複雑な輪郭のプリフォームに成形すること（３５４）、を含む、方法。

Ｄ２． 前記特異部は、前記積層体における材料の量を増やすように、前記積層体の層内で方向付けられたトウを含む、付記Ｄ１に記載の方法。

Ｄ３． 前記特異部は、増加されたトウ長さを含む、付記Ｄ１に記載の方法。

Ｄ４． 前記積層体を成形することは、相補状の成形ツールの間で前記積層体を型押しすることを含む、付記Ｄ１に記載の方法。

Ｄ５． 前記２Ｄ積層体はフラットであり、前記特異部は、２Ｄ積層体における垂直方向の変位部である、付記Ｄ１に記載の方法。

本明細書において特定の実施形態を説明したが、本開示の範囲は、これら特定の実施形態に限定されない。本開示の範囲は、以下の請求の範囲及びその均等範囲によって規定される。

Claims (14)

1. 複合部品の３次元（３Ｄ）形状を規定するデータをロードすること、
   前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定すること、
   前記３Ｄ形状の、平面形状への扁平化をシミュレートすること、
   前記平面形状を有するマンドレルを準備すること、
   前記マンドレルに積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際の制約因子を補償できるようにするための特異部を前記マンドレルに配置すること、
   前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムであって、前記積層体の層を形成するために、前記特異部を有する前記マンドレルに、構成材料のトウをレイアップするための命令を含むＮＣプログラムを生成すること、を含む、方法。
2. さらに、前記ＮＣプログラムに従って前記平面状のマンドレルに前記積層体をレイアップすることを含む、請求項１に記載の方法。
3. さらに、レイアップが完了した後に前記積層体を成形することを含み、
   前記積層体を成形することは、
   相補状の成形ツールの間に前記積層体を配置すること、
   前記成形ツールを互いに向けて動かすことによって、前記積層体を成形すること、を含む、請求項２に記載の方法。
4. さらに、前記ＡＦＰ装置によって配置されたトウの画像をレイアップ中に取得すること、
   前記画像に基づいて、前記ＡＦＰ装置によって配置されたトウの実際の位置をレイアップ中に求めること、
   トウの前記実際位置を、前記ＮＣプログラムによって示されたトウの予測位置と比較し、
   前記実際位置と前記予測位置との不一致を検出すること、
   前記不一致に基づいて、レイアップ中に前記ＮＣプログラムを変更すること、を含む、請求項２に記載の方法。
5. 不一致は、トウ間の隙間を含み、
   前記ＮＣプログラムを変更するに際して、前記隙間上にトウを配置する命令を追加する、請求項４に記載の方法。
6. 不一致は、トウの実際の位置が、予測位置からずれていることを含み、
   前記ＮＣプログラムを変更することは、前記ずれに基づいて、他の層においてトウを配置するための命令を修正することを含む、請求項４に記載の方法。
7. さらに、反復的に、
   前記マンドレルへの前記特異部の配置をシミュレートすること、
   前記マンドレルにレイアップされた積層体を前記３Ｄ形状に成形するシミュレーションを作成すること、
   前記シミュレーションによって示唆された予測される皺又は亀裂に基づいて、前記特異部を変更すること、を含む、請求項１に記載の方法。
8. プロセッサによって実行された際に方法を遂行させるための命令プログラムが記録された非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記方法は、
   平面状のマンドレルに積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を３Ｄ形状に成形する際の、前記３Ｄ形状に対応する制約因子を補償できるようにするための特異部を前記マンドレルに配置すること、
   前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムであって、前記積層体の層を形成するために、前記マンドレルに配置された前記特異部を含む前記平面状のマンドレルに、構成材料のトウをレイアップするための命令を含むＮＣプログラムを生成すること、
   前記ＮＣプログラムに従って前記積層体をレイアップすること、
   前記積層体を前記３Ｄ形状に成形すること、を含む、媒体。
9. 前記方法は、さらに、
   前記３Ｄ形状を規定するデータをロードすること、
   前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定すること、
   前記３Ｄ形状を平面形状に扁平化すること、
   前記平面形状に従って前記マンドレルを作製すること、を含む、請求項８に記載の媒体。
10. 前記方法は、さらに、相補状の成形ツールの間に前記積層体を配置すること、
    成形中に前記成形ツールを互いに向けて動かすこと、を含む、請求項８に記載の媒体。
11. 複合部品の３次元（３Ｄ）形状を規定するデータを保存するメモリと、
    前記データをロードし、前記３Ｄ形状の寸法に基づいて制約因子を特定し、前記３Ｄ形状を平面形状に扁平化し、前記平面形状に特異部を配置する、制御部と、を含み、前記特異部は、積層体をレイアップするにあたり、前記積層体を前記３Ｄ形状に成形する際の制約因子を補償できるようにするためのものであり、
    前記制御部は、前記積層体をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）装置に命令する数値制御（ＮＣ）プログラムを生成し、前記ＮＣプログラムは、前記積層体の層を形成するために、構成材料のトウをレイアップするための命令を含む、システム。
12. 前記特異部は、前記積層体がレイアップされる平面状マンドレルの表面に対する変更を含む、請求項１１に記載のシステム。
13. 前記特異部は、前記積層体における材料の量を増やすために、前記積層体の層内で方向付けられたトウを含む、請求項１１に記載のシステム。
14. 前記制御部は、成形中に前記平面形状の一部が広がる距離（Ｌ_O−Ｌ_I）を予測し、前記距離に対応するトウの長さを前記平面形状に加えることによって、前記特異部を追加する、請求項１１に記載のシステム。

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