JP7444522B2 - 接続要素および接続要素の導入方法 - Google Patents

Description

本発明は、接続要素、特に熱接着接合ボスに関し、少なくとも１つの構成要素、特に中空チャンバ構成要素、特に中空チャンバを有する板状の中空チャンバ構成要素に圧力および回転によって導入されるべきであり、熱可塑性合成材料を含む主要部を備える接続要素であって、縦軸を有し、縦軸を中心に回転するように設計され、ツール配置点を有する上面と、上面から離れて対向する下面とを有する接続要素に関する。本発明は、さらに、中空チャンバ構成要素、特に中空チャンバを有する板状の中空チャンバ構成要素にこのような接続要素を導入する方法に関する。

同等の接続要素が従来技術から知られている。例えば、特許文献１は、このような接続要素を示している。加えて、特許文献２もまた、請求項１の前提部分の特徴を有する接続要素を示す。

このような接続要素は、特に航空機構造において、１つまたは複数の中空チャンバ構成要素に導入するために使用される。複数の中空チャンバ構成要素に同時に導入する場合には、中空チャンバ構成要素相互の接続が提供される。単一の中空チャンバ構成要素への導入中に、接続要素上に配置された機能要素を中空チャンバ構成要素に取り付けることができる。例えば、中空チャンバ構成要素に接続要素が導入されるとき、ケーブル等を通してリードするために使用することができる、あるタイプの中央通路を有する接続要素が知られている。

中空チャンバ構成要素は、通常、基部層、カバー層、および基部層とカバー層との間に配置されたハニカム構造体を含む。基層およびカバー層は、有利には、エポキシ樹脂に浸漬されたガラス繊維マットから作製され、ハニカム構造は、アラミド繊維またはフェノール樹脂に浸漬された紙から作製される。

従来技術から公知の接続要素が導入されると、中空チャンバ構成要素におけるそれらの固定が不十分な場合があることが示され、その結果、接続要素は、中空チャンバ構成要素から再び分離されるようになった。しかしながら、特に航空機建設においては、接続要素の恒久的に確実な締結が不可欠である。一方、航空機建設における接続の数が多いことが多いため、費用対効果の高い接続要素が求められている。

ＤＥ １０ ２０１４ ２０４ ４４９ Ａ１ ＤＥ １０ ２０１５ ２０８ ６７１ Ａ１

したがって、本発明は、中空チャンバ構成要素内に永久的かつ確実に固定することができる中空チャンバ構成要素内に導入され、安価に製造することができる接続要素を提供することを目的としている。

この問題は、請求項１の特徴を有する接続要素によって解決される。このタイプの接続要素は、接続要素が、上面と下面との間に延びる主要部上の円周面上に、熱的に活性化可能であって拡張可能な材料からなる膨張部を有する。

接続要素は、本質的に回転対称であるように設計されるのが有利であり、主要部において、上面上の領域にトルクを伝達するためのツール配置点を有する。これにより、中空のチャンバ部品に導入される接続要素に縦軸方向の軸力を加えると同時に、縦軸周りの回転で駆動することが可能となる。

中空チャンバ構成要素への導入中に、膨張部の熱的に活性化可能であって膨張可能な材料は、接続要素と中空チャンバ構成要素との間の摩擦によって発生する熱によって中空チャンバ構成要素のハニカム構造内の中空チャンバ内に拡張し得るので、中空チャンバ構成要素のカバー層の下に、接続要素を中空チャンバ構成要素内にしっかりと固定することによって、追加のアンダーカットを形成することができる。

接続要素の第１の有利な更なる発展形においては、接続要素の主要部に、膨張部が配置された溝が設けられる。溝が円周方向であれば特に好ましいことが証明されている。溝は、長方形の溝であるか、又は半円形の断面を有することが考えられる。勿論、製造技術の点で製造が容易である他のいかなる溝断面も考えられる。また、納入状態において、膨張部の表面が主要部の円周面と面一であれば有利であることが証明されている。溝は、有利には、縦軸の方向に上側３分の１または４分の１、すなわち上側の面に向いて３分の１又は４分の１のところに配置され、その結果、中空チャンバ構成要素のカバー層の領域に、拡張可能材料によって生成され得るアンダーカットを導入することができる。

接続要素の特に好ましい実施形態によれば、熱活性化可能な材料は、特に熱活性化され得る発泡剤を含む熱可塑性合成材料である。加熱すると発泡剤が昇華することが考えられる。

熱活性化可能な膨張性材料は、有利には熱の作用下で膨張するように設計される。このように、熱活性化可能な膨張性材料は、中空チャンバ構成要素への導入中に発生する摩擦熱により、中空チャンバ構成要素の中空チャンバ内に拡張し得る。

また、主要部に配置され、縦軸に同心に配置された金属スリーブが設けられていれば有利である。スリーブは、有利には、円筒形の開口部またはボアを有し、それにより、接続要素が構成要素または中空チャンバ構成要素に導入されると、ケーブルを開口部またはボアに通すことができる。接続要素は、有利には、中空チャンバ構成要素に導入された接続要素が中空チャンバ構成要素を完全に貫通するように選択される縦軸の方向の長さを有する。接続要素が中空チャンバ構成要素に導入されると、接続要素が部分的に溶融するため、接続要素の本来の長さが中空チャンバ構成要素の厚さよりも約３０％大きいという条件を設けることができる。

金属スリーブは、有利には、アルミニウムまたはステンレス鋼で作られる。

接続要素の別の特に有利な更なる発展形は、金属スリーブがプラズマ処理された表面を有し、主要部の熱可塑性合成材料で少なくとも部分的に封入されている。スリーブの表面がプラズマ窒化されている場合には、特に好ましい。このようにして熱可塑性合成材料の金属スリーブへの接着性を向上させることができる。これに代わるものとして、又はこれに加えて、熱可塑性合成材料からなるスリーブをねじれから保護する非円形－円筒形領域、例えば正方形又は六角形の頭部を有することが考えられる。しかしながら、スリーブの表面上にローレット、リブおよび／または溝を設けることもまた考えられる。しかし、リブ、溝又はローレットの導入、及び正方形又は六角形のヘッドの使用は、スリーブの必要な肉厚及び正方形又は六角形のヘッドの寸法のために、全体的に比較的大きな接続要素となる。その結果、比較的薄い肉厚を有する金属スリーブを使用できるので、表面のプラズマ処理は特に有利であることが証明されている。

有利には、金属スリーブが下面の領域において主要部によって閉じられるか、または、主要部が下面の領域において接続要素の縦軸に同心に配置された開口を有する。金属スリーブが下面の領域で主要部によって閉塞される場合、ツールによって主要部の下面が穿設されると有利であることが証明されており、特に中空チャンバ部品への導入時に接続要素を駆動するツールによって、上面から下面にかけて縦軸に沿って接続要素を貫通する開口が生成されるようになっている。それに対応して、中空チャンバ構成要素に導入された接続要素の金属スリーブにケーブルを通すことができる。

また、主要部の熱可塑性合成材料がポリアミドやポリプロピレンであれば有利である。主要部は、熱可塑性合成材料全体で構成されているものと考えられる。しかし、主要部は、相当する比率のガラス繊維と共に熱可塑性合成材料からなることも考えられる。熱可塑性合成材料は、ポリアミド６、ポリアミド６６またはポリアミド６６６であるのが有利である。

別の、特に有利な、接続要素の更なる発展形によれば、接続要素が、下面と円周面との間の遷移領域において、１ｍｍから２ｍｍの範囲の半径を有することが提供される。このような半径は、プロセスエンジニアリング上の理由から特に有利であることが証明されている。

当初記載した目的は、請求項１乃至１０のいずれかに記載の接続要素を中空チャンバ構成要素、特に中空チャンバを有する板状の中空チャンバ構成要素に導入する請求項１１に記載の特徴を有する方法によっても達成される。この方法は、接続要素をその縦軸を中心に回転駆動し、ツールによって中空チャンバ構成要素の方向に接続要素の縦軸に沿って軸力を加えることにより、接続要素と中空チャンバ構成要素、特に中空チャンバ構成要素の中空チャンバとの間の摩擦によって発生する熱によって熱的に活性化可能な膨張材料が拡張する。このようにして、中空チャンバ構成要素の予備打ち抜きを回避することができる。

本方法の第１の有利なさらなる発展形は、接続要素が、接続要素の縦軸の方向に導入された後に中空チャンバ構成要素を完全に貫通するように中空チャンバ構成要素に導入されることを提供する。

接続要素が、主要部に配置され且つ縦軸に同心に配置された金属スリーブを有し、導入後にケーブルを金属スリーブに通す場合、特に好ましいことが証明されている。このようにして中空チャンバ構成要素にケーブルを通すことができる。下面の領域において、金属スリーブが主要部品によって閉塞された接続要素が使用される場合、接続要素の下面の領域が導入されたときに、上面から下面に向かって縦軸に沿って接続要素を貫通する開口が生成されるように、ツールによって主要部品を穿孔することが有利である。

さらに、ツールが、接続手段に約８００Ｎ～約１，２００Ｎ、好ましくは約１，０００Ｎの範囲の軸力を加えると有利である。

接続手段は、好ましくは約４，０００ｒｐｍから約６，０００ｒｐｍ、好ましくは約５，０００ｒｐｍの範囲の回転速度でツールによって駆動される。

さらなる詳細且つ有利な発展形は、本発明の種々の実施形態を説明し、さらに詳細に記載した以下の記載に見出すことができる。

本発明に係る接続要素の第１の実施形態の、図５のＡ－Ａ線に沿った断面である。 本発明に係る接続要素の第２の実施形態の、図５のＡ－Ａ線に沿った断面である。 本発明に係る接続要素の第３の実施形態の、図５のＡ－Ａ線に沿った断面である。 本発明に係る接続要素の第４の実施形態の、図５のＡ－Ａ線に沿った断面である。 図１～図４に示す本発明に係る接続要素の上面図である。 中空チャンバ構成要素への従来技術による接続要素の導入を示す概略図である。

図１乃至図４において、本発明による接続要素１０の様々な実施形態が、図５による線Ａ－Ａに沿った断面で示されている。対応する要素は、対応する符号によって識別される。

図６に概略的に示され、熱接着接合ボスとも呼ばれる接続要素１０は、圧力と回転の影響を受けて中空チャンバ１２を有する板状の中空チャンバ構成要素１４に導入されるように設計された当該技術分野において知られている。

接続要素１０は、本質的に回転対称であるように設計され、熱可塑性合成材料を含む主要部１６を有する。接続要素１０はまた、縦軸１８を有し、縦軸１８を中心として回転するように設計されている。接続要素１０は、トルクの伝達のためのツール配置点２２を有する上面２０と、上面２０とは反対を向いている下面２４とを有する。

特に航空機構造では、このような接続要素１０は、それらを図６に示す中空チャンバ構成要素１４の１つまたは複数に導入するために使用される。図６から明らかに分かるように、中空チャンバ構成要素１４は、通常、基部層２６と、カバー層２８と、基部層２６とカバー層２８との間に配置されたハニカム構造体３０とを含む。基部層２６及びカバー層２８は、有利には、エポキシ樹脂に浸漬されたガラス繊維マットから作製され、ハニカム構造体３０は、アラミド繊維又はフェノール樹脂に浸漬された紙から作製される。

接続要素１０を中空チャンバ構成要素１４に導入するために、ツール配置点２２においてツール３２によって矢印３４の方向に回転駆動され、中空チャンバ構成要素１４の方向、すなわち矢印３６の方向に縦軸１８に沿って作用する軸力を受ける。図１乃至図５に示す接続要素１０のツール配置点２２は、図５に明白に分かるように、偏心して配置された３つの有底孔３３を備える。

図６に示され、従来技術から知られている接続要素１０が導入されると、中空チャンバ構成要素１４におけるそれらの締結がある程度不十分であることが示されており、その結果、接続要素１０の一部が中空チャンバ構成要素１４から取り外される。

したがって、図１乃至図５に示される発明による接続要素１０は、上面２０と下面２４との間に延在する主要部１６上の円周面３８上に熱的に活性化可能な膨張性材料からなる膨張部４０を有する。この目的で、上面２０に対向する上側の４分の１の領域には主要部１６に円周溝４２が設けられ、この溝には膨張部４０が配置されており、この膨張部４０の面４４が納入状態で主要部１６の円周面３８と面一となるようになっている。

熱的に活性化可能な膨張性材料は、熱の作用下で拡張するように設計されている。熱活性化可能材料は、熱活性化可能な発泡剤を含む熱可塑性合成材料である。加熱すると発泡剤が昇華することが考えられる。主要部１６の熱可塑性合成材料は、ポリアミド（ポリアミド６、ポリアミド６６又はポリアミド６６６）又はポリプロピレンである。主要部１６は、完全に熱可塑性合成材料からなると考えられる。しかしながら、主要部１６がガラス繊維の対応する部分と共に熱可塑性合成材料からなることも考えられる。

膨張部４０の熱的に活性化可能な膨張材料は、中空チャンバ構成要素１４への導入中に、接続要素１０と中空チャンバ構成要素１４との間の摩擦によって発生する熱により、中空チャンバ構成要素１４のハニカム構造体３０の中空チャンバ１２内に拡張し得るので、中空チャンバ構成要素１４のカバー層２８の下方に、接続要素１０を中空チャンバ構成要素１４内にしっかりと固定することによって、追加のアンダーカットを生成することができる。中空チャンバ構成要素１４への導入中、ツール３２は、約８００Ｎ～約１２００Ｎ、好ましくは約１０００Ｎの範囲の軸力で接続要素１０に作用し、約４０００ｒｐｍ～約６０００ｒｐｍ、好ましくは約５，０００ｒｐｍの範囲の回転速度で駆動される。

図１～図５に示される接続要素は、中空チャンバ構成要素１４に導入された接続要素１０が中空チャンバ構成要素１４を完全に貫通するように選択される（明瞭性の理由から図６にマークされている）縦軸１８の方向の長さ４６を有する。接続要素１０が中空チャンバ構成要素１４に導入されると、接続要素１０が部分的に溶融するため、接続要素１０の元の長さ４６は、中空チャンバ構成要素１４の厚さ４８よりも約３０％大きい。

プロセスエンジニアリング上の理由から、図１から図４に示す接続要素は、下面２４と円周面３８との間の遷移領域において、１ｍｍから２ｍｍの範囲の半径５０を有する。

図１に示す接続要素１０は、縦軸１８に同心に配置された１つの貫通孔５２のみを主要部１６に有する。

図２～図４に示す接続要素は、主要部１６に縦軸１８と同心に配置され、主要部１６の熱可塑性合成材料で少なくとも部分的に封入された金属スリーブ５４を有する。本発明では、金属スリーブ５４はアルミニウム製である。しかしながら、金属スリーブ５４がステンレス鋼製であることも考えられる。

主要部１６の熱可塑性合成材料に対する回転を防止するために、図２に示す金属スリーブ５４は、正方形又は六角形のヘッド５６を有する。しかしながら、リブ５４の表面５８上にリブ状及び／又は溝状に形成されたローレットを設けることも考えられる。

図３及び図４に示す金属スリーブ５４は、プラズマ窒化処理された表面５８を有する。これにより、金属スリーブ５４に対する熱可塑性合成材料の密着性を向上させることができる。図３及び図４に示す接続要素の金属スリーブ５４も円筒形の開口部又はボア６０を有しており、これにより、接続要素１０が中空チャンバ構成要素１４に導入されると、ケーブルを開口部又はボア６０に通すことができる。

図２及び図３に示す接続要素１０の主要部１６は、接続要素１０の縦軸１８に同心に配置された開口６２を有する。図４に示す接続要素１０では、金属スリーブ５４は、下面２４の領域で主要部１６によって閉じられている。金属スリーブ５４が下面２４の領域で主要部１６によって閉塞されている場合、中空チャンバ構成要素１４に導入されたときに接続要素１０を駆動するツール３２によって主要部１６の下面２４を穿設しなければなら
ず、上面２０から下面２４まで縦軸１８に沿って接続要素１０を貫通する開口が生成されることになる。それに対応して、ケーブルは、次いで、金属スリーブ５４を介して中空チャンバ構成要素１４に通すことができる。

全体として、中空チャンバ構成要素１４内の接続要素１０を永久的に固定するための安価なオプションを設けることができる。

Claims (14)

1. 加圧及び回転の影響を受けて少なくとも１つの構成要素に導入され、熱可塑性合成材料を含む主要部（１６）を備える接続要素（１０）であって、
   前記接続要素（１０）は、縦軸（１８）を有し、前記縦軸（１８）の周りに回転するように設計され、ツール配置点（２２）を有する上面（２０）と、前記上面（２０）から離れて対向する下面（２４）とを有し、
   前記主要部（１６）における前記上面（２０）と前記下面（２４）との間に延在する円周面（３８）上に熱的に活性化可能な膨張性材料からなる膨張部（４０）を有し、
   前記主要部（１６）の一部に溝部（４２）が設けられ、前記膨張部（４０）は前記溝部（４２）にのみ配置される接続要素（１０）。
2. 前記熱的に活性化可能な膨張性材料は、発泡剤を含む熱可塑性合成材料である請求項１に記載の接続要素（１０）。
3. 前記熱的に活性化可能な膨張性材料は、熱の作用を受けて拡張するように設計されている請求項１又は２に記載の接続要素（１０）。
4. 前記主要部（１６）に配置されかつ前記縦軸（１８）に同心に配置された金属スリーブ（５４）が設けられている請求項１～３の何れか１項に記載の接続要素（１０）。
5. 前記金属スリーブ（５４）は、アルミニウム又はステンレス鋼からなる請求項４に記載の接続要素（１０）。
6. 前記金属スリーブ（５４）は、プラズマ処理表面（５８）を有し、前記主要部（１６）の前記熱可塑性合成材料で少なくとも部分的に封入されている請求項４又は５に記載の接続要素（１０）。
7. 前記金属スリーブ（５４）が前記下面（２４）の領域で前記主要部（１６）によって閉じられているか、または前記主要部（１６）が前記下面（２４）の領域で前記接続要素（１０）の縦軸（１８）に同心に配置された開口部（６２）を有する請求項４～６の何れか１項に記載の接続要素（１０）。
8. 前記主要部（１６）の熱可塑性合成材料はポリアミド又はポリプロピレンである請求項１～７の何れか１項に記載の接続要素（１０）。
9. 前記接続要素（１０）は、前記下面（２４）と前記円周面（３８）との間の遷移領域において、１ｍｍ～２ｍｍの範囲の半径（５０）を有する、請求項１～８の何れか１項に記載の接続要素（１０）。
10. 請求項１～９の何れか１項に記載の接続要素（１０）を中空チャンバ構成要素（１４）に導入するための方法であって、
    前記接続要素（１０）をその長手方向軸（１８）の周りに回転駆動し、ツール（３２）によって前記接続要素（１０）の長手方向軸（１８）に沿って軸方向の力を前記中空チャンバ構成要素（１４）の方向に加えて、前記接続要素（１０）と前記中空チャンバ構成要素（１４）との間の摩擦によって発生する熱によって、前記熱的に活性化可能な膨張可能な材料を、前記中空チャンバ構成要素（１４）の中空チャンバ（１２）内に拡張させる方法。
11. 前記接続要素（１０）は、前記接続要素（１０）の縦軸（１８）の方向に導入された後、中空チャンバ構成要素（１４）を完全に貫通するように中空チャンバ構成要素（１４）に導入される、請求項１０に記載の方法。
12. 前記接続要素（１０）は、前記主要部（１６）に配置され、かつ前記縦軸（１８）に同心に配置された金属スリーブ（５４）を有し、前記導入後に前記金属スリーブ（５４）にケーブルが通される、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 前記接続要素（１０）は、８００Ｎ～１，２００Ｎの範囲の軸力で、前記ツール（３２）によって作用される、請求項１０～１２の何れか１項に記載の方法。
14. 前記接続要素（１０）は、４，０００ｒｐｍ～６，０００ｒｐｍの範囲の回転速度で前記ツールによって駆動される、請求項１０～１３の何れか１項に記載の方法。