JP7449084B2 - 複合材料を接合するための電磁誘導溶接装置および関連の接合方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本特許出願は、２０１８年１２月２０日に出願されたイタリア特許出願第１０２０１８００００２０５２４号の優先権を主張し、イタリア特許出願第１０２０１８００００２０５２４号の全開示が、本明細書に援用される。

本発明は、とくには航空用途のための複合材料を接合するための可搬の電磁誘導溶接装置に関し、以下の説明は、そのような電磁誘導溶接装置にとくに言及するが、決して一般性を否定するものではない。

さらに、本発明は、上述の電磁誘導溶接装置によって複合材料を接合するための方法に関する。

知られているとおり、複合材料は、航空産業を含むさまざまな産業分野で使用されている。とくには、樹脂マトリクスと、マトリクス中に埋められた補強繊維とを含む半製品でおおむね構成される「含浸済み」または「プリプレグ」と一般的に称される繊維強化複合材料が知られている。繊維は、例えば単一の方向や、２つ以上の互いに異なる方向などに、さまざまな構成にて配置されてよく、あるいは布地を形成するように配置されてよい。マトリクスは、製造時に繊維を相互に固定し、おそらくは他の構成要素にも固定するために使用される。

プリプレグは、通常は、テープの形態にて準備されてロールに巻かれ、所望の機械的特性を達成するために、プリプレグについて、熱による安定化処理を、多くの場合に圧力の下で施さなければならない。

航空産業において主に使用されるプリプレグは、熱硬化性材料または熱可塑性材料のマトリクスを有することができる。

前者（熱硬化性材料）の場合、マトリクスは、適切な温度条件および／または特定の物質の存在下で、堅固、不溶性、および不融性の材料に変化するポリマーで構成される。この変化は、強力な（共有またはイオン）結合の形成によってポリマー鎖の間に生じる架橋反応（ポリマー鎖が反応性官能基のレベルにおいて異なる鎖の間に結合を生じさせる反応を被る硬化として知られるプロセス）に続いて生じる。

重合の前に、熱硬化性材料は、粘着性を有している。したがって、これらの材料を使用し、さまざまな層を適切な順序または向きにて互いに重ねて配置して、成層を作り出すことができる。その後に、成層は、材料を重合させ、分子量を高め、巨大分子間の結合の生成（架橋）を引き起こすことで、温度および圧力のサイクル（真空バッグおよびオートクレーブにおいて、オーブン、成形プレス、などを使用）に曝され、その結果、意図される用途に適した構造特性および機械的特性を有する材料へと変化させる。

一部の熱硬化性ポリマーは、熱のみによって架橋し、あるいは圧力と熱との組み合わせによって架橋するが、他の熱硬化性ポリマーは、室温での化学反応によって架橋（低温架橋）させることが可能である。

後者（熱可塑性材料）の場合、マトリクス樹脂は、大きな分子量を有し、したがって一方では重合サイクルを行う必要がなく、他方では粘着性を有さない。

第一近似において、熱可塑性マトリクスのプリプレグは、単一の薄板によって形成された最終状態の製品と見なすことができる。積層体の形成を可能にするために、プリプレグを、熱可塑性プリプレグを構成する薄板または層の少なくとも接触面の融合を生じさせるように加熱し、押し付け、その後に冷ます必要がある。融合のために必要な温度は、非晶質の熱可塑性物質のガラス転移温度Ｔ_ｇ、および半結晶の熱可塑性物質の融点Ｔ_ｆである。

これらの場合、熱可塑性プリプレグに基づく積層体を製造するための装置は、樹脂を溶かし、したがって積層体を構成する種々の層の間の付着を得るような温度に達するための（材料によるが、きわめて大きいかもしれない）熱ももたらさなければならず、加えて、半結晶の熱可塑性物質について、冷却が速すぎると部品の非晶質化が生じ、結果として性能特性が失われる可能性がある。

すでに説明したように、プリプレグの安定化のプロセスおよび最終的な部品を形成するさまざまなプリプレグ層の接合のプロセスは、通常は、オートクレーブ、オーブン、または成形プレスで行われる。例えば、航空分野、造船分野、などにおける構造部品など、きわめて大きな部品の場合、既知の安定化プロセスおよび接合プロセスは、過度に高価であり、多数の望ましくない制約を生じさせる可能性がある。

したがって、複合材料における部品について、とりわけサイズがきわめて大きい場合に、その場での安定化および接合を達成可能にする技術を開発することが必要とされている。

本発明の１つの目的は、複合材料の接合のための溶接装置であって、上述の要求を満たすことを可能にすると同時に、高品質の溶接を達成することを可能にする溶接装置を生み出すことである。

本発明によれば、請求項１およびその従属請求項に記載の可搬の溶接装置が提供される。

さらに、本発明は、請求項１０に記載の複合材料を接合する方法に関する。

次に、本発明を、本発明の実施形態（ただし、これに限られるわけではない）を示す添付の図面を参照して説明する。
ポリマーマトリクスを有する導電性複合材料において被着材のテープを接合するための本発明に従って製作された可搬の電磁誘導溶接装置の側面図であり、分かり易くするためにいくつかの部品は取り除かれている。 図１の詳細を拡大した斜視図であり、分かり易くするためにいくつかの部品は取り除かれている。 図２の詳細をさらに拡大した斜視図であり、分かり易くするためにいくつかの部品は取り除かれている。 図３の詳細を拡大した斜視図である。

図１は、ポリマーマトリクスを有する導電性複合材料において被着材のテープ２を互いに接合するための可搬の電磁誘導溶接装置（全体として１で示されている）を示す。

とくに、使用されるテープ２は、一般に、複合材料に特別な機械的特性を与えるために適した補強繊維と、主として寄生電流を溶接装置１によって誘導することができる導電性繊維とを分散させた樹脂系のマトリクスを含む。

マトリクスは、熱可塑性樹脂系、半結晶樹脂系、または非晶質樹脂系、あるいは熱硬化性樹脂系であってよい。

最初の事例において、半結晶熱可塑性樹脂は、例えば、約３４０℃の融点Ｔ_ｆを有するポリエーテルエーテルケトン、すなわちＰＥＥＫであってよい。あるいは、この半結晶熱可塑性樹脂は、例えば、約３７０℃の融点Ｔ_ｆを有するポリエーテルケトンケトン、すなわちＰＥＫＫであってよい。非晶質熱可塑性樹脂の例は、例えば、約２１５℃のガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリエーテルイミド、すなわちＰＥＩによって代表される。

熱硬化性樹脂が使用される場合、後者は、例えば、エポキシ、ＢＭＩ（ビスマレイミド）、またはフェノール樹脂であってよい。

補強繊維を、１つ以上の単向性の層にて配置することができ、互いに異なる配向を有するいくつかの層にて配置することができ、あるいは織物のように配置することができる。

補強繊維は、好ましくはカーボンであるが、あるいは、例えばガラス繊維あるいはガラス繊維とカーボン繊維との組み合わせなど、航空分野において知られている他の種類の補強繊維を使用することができる。

導電性繊維は、好ましくはカーボンであり、少なくとも２つの異なる方向にて、好ましくはすべての方向に無作為に、マトリクス中に分散させられるが、あるいは、導電性繊維は、例えば金属材料などの別の導電性材料で作られてもよい。

図１～図３を参照すると、溶接装置１は、
・接合するテープ２を受け止めるように設計される作業面４、またはすでに配置された少なくとも１つのテープ２によって定められ、１つ以上の他のテープ２を受け止める作業面４に面する固定されたベース３と、
・一度に１つのテープ２を受け取り、受け取ったテープ２を作業面４上に引き伸ばすために作業面４に平行な少なくとも第１の移動線Ｌ１に沿ってベース３に対して移動することができる動作ヘッド５と、
・動作ヘッド５をベース３へと接続し、移動線Ｌ１に平行な動きおよび移動線Ｌ１を横切りかつ作業面４に平行である少なくともさらなる移動線Ｌ２に平行な動きを動作ヘッド５に付与するように、選択的に動作させることができる可動アーム６と、
・動作ヘッド５に接続され、一度に１つのテープ２を動作ヘッド５へと供給するように選択的に動作させることができる送り手段８と
を備える。

とくには、移動線Ｌ１に沿った動作ヘッド５の動きは、好ましくは、動作ヘッド５に供給されたそれぞれのテープ２を作業面４に沿って引き伸ばすために使用される。移動線Ｌ２に沿った動作ヘッド５の動きは、好ましくは、今まさに適用されたテープ２の領域に隣接かつ平行な作業面４の領域に動作ヘッド５を移動させるために使用される。

詳細には、動作ヘッド５は、送り手段８から一度に１つのテープ２を受け取り、このテープ２を作業面４上に向けるように構成される少なくとも１つの位置決めローラ９と、移動線Ｌ１に沿って位置決めローラ９に整列かつ位置決めローラ９から離れて位置する少なくとも１つの加圧ローラ１０と、移動線Ｌ１に対して位置決めローラ９と加圧ローラ１０との間に位置し、使用時にジュール効果によってテープ２の互いに接するポリマーマトリクスの局所的融合を生じさせるべく互いに重なるテープ２に寄生電流を誘導するために適した電磁場を発生させるように選択的に通電される少なくとも１つのインダクタ１１とを備える。

位置決めローラ９は、移動線Ｌ１に平行な動作ヘッド５の送り方向に沿って加圧ローラ１０の下流に配置される。

図示されていない可能な代替案によれば、動作ヘッド５は、２つ以上の位置決めローラ９および２つ以上の加圧ローラ１０を備えることもできる。

より詳細には、動作ヘッド５は、キャリッジ１２を備える。キャリッジ１２は、位置決めおよび加圧ローラ９、１０を備え、作業面４上をスライドする。

図示（図４）の場合、インダクタ１１は、薄い絶縁膜で覆われた曲がりくねった導電性材料（通常は、銅線）で構成される。あるいは、インダクタ１１を、コイルによって定めることも可能である。

インダクタ１１は、好ましくは、キャリッジ１２を通過する座１３に収容され、キャリッジ１２が作業面４上をスライドするときに接合されるテープ２と相互作用するように突出する。

とくには図１～図３に見られるように、動作ヘッド５は、熱センサ１４、好ましくは熱カメラをさらに備える。熱センサ１４は、キャリッジ１２上に片持ち梁の様相で取り付けられ、インダクタ１１の作業領域を狙い、接合されるテープ２のマトリクスの到達温度を非接触で検出するように構成され、キャリッジ１２上に配置される。

図１および図２を参照すると、可動アーム６は、
・作業面４に平行であり、図示の場合においては移動線Ｌ１を横切る水平方向Ｘに平行に、ベース３に可動に結合されるスライダ１５と、
・方向Ｘに平行な第１の水平軸Ａを中心にしてスライダ１５に枢支される第１の端部１７と、軸Ａおよび方向Ｘに平行な第２の軸Ｂを中心にして動作ヘッド５に枢支される第２の端部１８とを有する関節要素１６と
を備える。

より具体的には、スライダ１５は、ベース３の案内要素２１に方向Ｘに沿ってスライド可能に結合される支持部２０と、軸ＡおよびＢならびに方向Ｘに対して直角な垂直軸Ｃを中心にして回転可能に支持部２０に結合される可動部２２とを備える。

関節要素１６は、端部１７を定める第１の接続部材２３と、端部１８を定める第２の接続部材２４とを備え、次いで、接続部材２３、２４は、それぞれの端部１７、１８の反対側のそれぞれの一致する端部２５、２６において、軸ＡおよびＢに平行な軸Ｄを中心にして互いに枢支される。

より詳細には、接続部材２３は、一端においてスライダ１５の可動部２２に枢支され、他端において接続部材２４に枢支される単一のレバーによって定められる。

図１および図２に見られるように、接続部材２４は、軸Ｄを中心にして接続部材２３に枢支される第１のレバー２７と、軸Ｂを中心にして動作ヘッド５に枢支される第２のレバー２８とを備え、次いで、２つのレバー２７、２８は、軸Ａ、Ｂ、およびＤに直角な軸Ｅを中心にして互いに枢支される。

さらに図１および図２を参照すると、動作ヘッド５が、作業面４に対して横方向であり、より具体的には作業面４に対して直角であり、さらに軸Ａ、Ｂ、およびＤに対して直角であり、動作ヘッド５を通過する軸Ｆを中心にして、関節要素１６の端部１８、より具体的にはレバー２８にどのように結合されるかに、注目することができる。

送り手段８は、基本的に、テープ２のロール（それ自体は既知であり、図示されていない）と、ロールからテープ２を繰り出すための繰り出し手段（やはりそれ自体は既知であり、図示されていない）と、可動アーム６の周囲で延び、動作ヘッド５へと送られるテープ２の複数のガイドローラ３１を内部に保持する可撓導管３０とを備え、可撓導管３０の下流端３２が、位置決めローラ９に隣接する位置で動作ヘッド５に横方向に固定される。

使用時に、案内要素２１に沿ったスライダ１５の移動により、可動アーム６は、動作ヘッド５と一緒に、水平方向Ｘに沿って移動することができる。

他方で、それぞれの軸Ａ、Ｂ、およびＤを中心とする第１の接続部材２３、第２の接続部材２４、および動作ヘッド５の回転により、方向Ｘに対して直角な２つの他の方向Ｙ、Ｚに沿った動作ヘッド５の動きを達成でき、したがって方向Ｘ、Ｙ、Ｚに沿った動きの組み合わせからもたらされる複雑な動きが生み出され、ここで、方向Ｙは軸Ｃと平行に垂直に延び、方向Ｚは水平に延びる。

軸Ｆを中心とする回転によって、動作ヘッド５は、作業面４におけるそれぞれのテープ２の引き伸ばしを、作業面４に対して任意の向きに従って配置された移動線Ｌ１に沿って進めることができる。

軸Ｃを中心とする回転によって、動作ヘッド５は、軸Ｃの周囲の任意の位置に配置された平坦または湾曲した任意の作業面４について作業を行うことができる。

溶接装置１は、複合材料のテープ２を互いに溶接するためだけでなく、これらのテープ２を所定の作業面４、すなわちこれらのテープ２を受け止めるように意図された表面、または１つ以上のすでに配置されたテープ２によって定められる表面に徐々に引き伸ばすために好適に使用される。

ひとたび装置１が作業すべき作業面４の近くに配置されると、テープ２が、それぞれのロールから導管３０の内部に送られ、その後に下流端３２において導管３０から出て、動作ヘッド５の位置決めローラ９によって受け取られる。一方で、動作ヘッド５は、可動アーム６によって移動線Ｌ１に沿って送られる。

この動作の際に、下方のテープ２の上に今まさに引き伸ばされたテープ２を接合するために、インダクタ１１に電流が供給され、接合されるテープ２のマトリクスの主に導電性繊維に寄生電流を誘導するために適した可変の電磁場Ｅが生成される。

導電性繊維は、少なくとも２つの異なる方向にてそれぞれのマトリクスに分散しているため、ジュール効果によってマトリクスを加熱する実際の「電気回路」がマトリクス内に生じる。

局所的な加熱は、きわめて効率的であり、すなわち２つのテープ２のマトリクスの間の接触領域において、融点Ｔ_ｆまたはガラス転移温度Ｔ_ｇに到達し、局所的に超えることを可能にする。

キャリッジ１２上の位置決めおよび加圧ローラ９、１０の配置により、加圧ローラ１０の通過は、重ねられたテープ２に寄生電流が誘導された後に生じる。

このようにして、接合されるテープ２の領域に、電磁誘導によってテープ２の間の界面において得られた軟化の後、かつこれらの領域の冷却の最中に、圧力が徐々に加えられる。

好ましくは、少なくとも加圧ローラ１０は、テープ２から残留の熱を徐々に除去するために低温に保たれる。

本発明によって実現される溶接装置１および接合方法の特性を調べることで、それらによって達成できる利点は明らかである。

とくに、溶接装置１は、複合材料の安定化ならびに複合材料のいくつかの層または薄板の接合の両方に関して、現場での作業に好適である。

可動アーム６の動きの多様性および動作ヘッド５の特定の構成ゆえに、溶接装置１は、平坦または湾曲あるいはそれらの組み合わせの任意の形状の表面または部品の効率的かつきわめて迅速なやり方での処理に好適である。

最後に、本明細書に記載した溶接装置１および接合方法について、特許請求の範囲に定められる技術的範囲から逸脱することなく、修正および変更が可能であることは明らかである。

Claims (10)

1. ポリマーマトリクスを有する導電性複合材料において被着材のテープ（２）を接合するための可搬の電磁誘導溶接装置（１）であって、
   前記装置（１）は、
   接合される被着材の前記テープ（２）を受け止めるように設計され、あるいはすでに配置された被着材の少なくとも１つのテープ（２）によって定められ、被着材の１つ以上の他のテープ（２）を受け止める作業面（４）に面するベース（３）と、
   一度に被着材の１つのテープ（２）を受け取り、被着材の前記受け取ったテープ（２）を前記作業面（４）上に引き伸ばすために前記作業面（４）に平行な少なくとも第１の移動線（Ｌ１）に沿って前記ベース（３）に対して移動することができる動作ヘッド（５）と、
   前記動作ヘッド（５）を前記ベース（３）へと接続し、前記第１の移動線（Ｌ１）に平行な動きおよび前記第１の移動線（Ｌ１）を横切りかつ前記作業面（４）に平行である少なくとも第２の移動線（Ｌ２）に平行な動きを前記動作ヘッド（５）に付与するように選択的に動作させることができる可動アーム（６）と、
   前記動作ヘッド（５）に接続され、一度に被着材の１つのテープ（２）を前記動作ヘッド（５）へと供給するように選択的に動作させることができる送り手段（８）と
   を備え、
   前記動作ヘッド（５）は、
   前記送り手段（８）から一度に被着材の１つのテープ（２）を受け取る少なくとも１つの位置決めローラ（９）と、
   前記第１の移動線（Ｌ１）に沿って前記位置決めローラ（９）に整列かつ前記位置決めローラ（９）から離れて位置する少なくとも１つの加圧ローラ（１０）と、
   前記第１の移動線（Ｌ１）に対して前記位置決めローラ（９）と前記加圧ローラ（１０）との間に位置し、使用時にジュール効果によって被着材の前記テープ（２）の互いに接するポリマーマトリクスの局所的融合を生じさせるべく互いに重なる被着材の前記テープ（２）に寄生電流を誘導するために適した電磁場を発生させるように選択的に通電される少なくとも１つのインダクタ（１１）と
   を有する、装置（１）。
2. 前記可動アーム（６）は、
   前記作業面（４）に平行な第１の水平方向（Ｘ）に平行に前記ベース（３）に可動に結合されるスライダ（１５）と、
   前記第１の方向（Ｘ）に平行な第１の軸（Ａ）を中心にして前記スライダ（１５）に枢支される第１の端部（１７）と、前記第１の軸（Ａ）および前記第１の方向（Ｘ）に平行な第２の軸（Ｂ）を中心にして前記動作ヘッド（５）に枢支される第２の端部（１８）とを有する関節要素（１６）と
   を備える、請求項１に記載の装置。
3. 前記スライダ（１５）は、
   前記ベース（３）の案内要素（２１）に前記第１の方向（Ｘ）に沿ってスライド可能に結合される支持部（２０）と、
   前記第１および第２の軸（Ａ、Ｂ）ならびに前記第１の方向（Ｘ）に対して直角な第３の垂直軸（Ｃ）を中心にして回転可能に前記支持部（２０）に結合される可動部（２２）とを備える、請求項２に記載の装置。
4. 前記関節要素（１６）は、
   前記第１の端部（１７）を定める第１の接続部材（２３）と、
   前記第２の端部（１８）を定める第２の接続部材（２４）とを備え、
   前記第１および第２の接続部材（２３、２４）は、前記第１および第２の軸（Ａ、Ｂ）に平行な第４の軸（Ｄ）を中心にして、それぞれの前記第１および第２の端部（１７、１８）の反対側の一致する端部（２５、２６）において、互いに枢支される、請求項２または３に記載の装置。
5. 前記第２の接続部材（２４）は、
   前記第４の軸（Ｄ）を中心にして前記第１の接続部材（２３）に枢支される第１のレバー（２７）と、
   前記第２の軸（Ｂ）を中心にして前記動作ヘッド（５）に枢支される第２のレバー（２８）とを備え、
   前記第１および第２のレバー（２７、２８）は、前記第１、第２、および第４の軸（Ａ、Ｂ、Ｄ）に直角な第５の軸（Ｅ）を中心にして互いに枢支される、請求項４に記載の装置。
6. 前記動作ヘッド（５）は、前記作業面（４）に対して横方向であり、前記第１および第２の軸（Ａ、Ｂ）に対して直角であり、前記動作ヘッド（５）を通過する第６の軸（Ｆ）を中心にして、前記関節要素（１６）の前記第２の端部（１８）にも結合される、請求項２～５のいずれか一項に記載の装置。
7. 前記動作ヘッド（５）は、前記位置決めおよび加圧ローラ（９、１０）が設けられ、前記作業面（４）上をスライドするキャリッジ（１２）を備える、請求項１～６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記インダクタ（１１）は、前記キャリッジ（１２）を通過する座（１３）に収容され、接合される被着材の前記テープ（２）と相互作用するように突出する、請求項７に記載の装置。
9. 前記送り手段（８）は、前記可動アーム（６）の周囲に延び、前記動作ヘッド（５）へと送られる被着材の前記テープ（２）を案内するためのガイド手段（３１）を内部に支持する可撓導管（３０）を備え、前記導管（３０）の下流端（３２）が、前記位置決めローラ（９）に隣接する位置で前記動作ヘッド（５）に固定される、請求項１～８のいずれか一項に記載の装置。
10. 請求項１～９のいずれか一項に記載の溶接装置（１）によってポリマーマトリクスを有する導電性複合材料において被着材のテープ（２）を接合する方法であって、
    前記方法は、
    一度に被着材の１つのテープ（２）を前記動作ヘッド（５）へと送るステップと、 前記動作ヘッド（５）を前記作業面（４）に沿って前記第１および第２の移動線（Ｌ１、Ｌ２）に平行に移動させるステップと、
    前記位置決めローラ（９）によって、前記動作ヘッド（５）から受け取られる被着材の前記テープ（２）を、被着材の少なくとも１つのすでに配置されたテープ（２）上へと引き伸ばすステップと、
    前記インダクタ（１１）に通電し、被着材の前記重なり合うテープ（２）に寄生電流を誘導するために適した電磁場を発生させることで、ジュール効果によって被着材の前記テープ（２）の互いに接するポリマーマトリクスの局所的融合を生じさせるステップと、 前記通電するステップの後に、前記加圧ローラ（１０）によって、被着材の前記重なり合うテープ（２）を押さえるステップと
    を含む方法。

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