JP7469049B2 - マグネシウムブラダーを用いて複合材構造体を製造するための方法とシステム - Google Patents

Description

［米国政府ライセンス権］
本発明は、米国陸軍研究所と米国国防高等研究計画局（ＤＡＲＰＡ）によって助成されたＷ９１１‐ＮＦ‐１６‐２‐００８７による米国政府の補助で為されたものである。米国政府は本発明に一定の権利を有する。

本開示は、複合材構造体の製造に概して係り、特にマグネシウムブラダーを用いて航空機応用の複合材構造体を製造するための方法とシステムに関する。

製造業者が、多様な応用のために軽量で構造的に堅固な部品を提供する複合材構造体を使用することが増えてきている。こうした複合材構造体の一部は、圧縮成形プレス機を用いて製造される。大抵のプレスシステムは、僅かな製造公差を有する金型を使用する。こうした技術では、複合材がプレス機の下部プラテン上の雄型の上に置かれて、雌型を有する上部プラテンが圧力と熱を印加して複合材構造体を成形する。この金型は、取り扱いが難しく、及び／又は、調達が希望よりも高価となり得る。

金型を用いる場合、プレスシステムは、典型的には、単一部品の幾何学的形状を得るように、又は、代わりに、金型挿入体を導入して僅かなバリエーションの幾何学的形状を得るように構成される。

プレス法を用いて複合材構造体を製造するには、各サイクルを完了させるのに数時間かかる。最終的な構造体に不整合がある場合や選択された公差から外れる場合には、再加工が必要となり得て、更なる遅延をもたらす。

従って、上述の問題のうちの少なくとも一部や、他の想定される問題を考慮した方法と装置が望まれている。

本開示の例示的な実施形態は、プレス機とブラダーを備える複合材製造システムを提供する。プレス機は上部と下部を備える。下部は、複合材構造体用の所望の形状を有し、複合材の層を受けるように構成される。ブラダーは、プレス機の上部に付随していて、複合材の層に圧力を印加することによってブラダーが複合構造体の形になるように加熱時に超塑性状態に達するように構成される。

本開示の他の例示的な実施形態は、複合材構造体を成形するための方法を提供する。複合材構造体用の所望の形状を有するプレス機の下部に複合材の層を配置する。プレス機の上部に付随しているブラダーを複合材の層の上に配置する。プレス機を閉じる。プレス機の上部とブラダーとの間の空間を第一レベルの圧力に加圧する。ブラダーが複合材構造体の形になるようにブラダーを超塑性状態に加熱する。次いで、第一レベルの圧力よりも高い第二レベルの圧力に空間を加圧して、複合材構造体を成形する。ブラダーが複合材の層に直接接触するので、サイクル全体にわたって複合材の層に熱と圧力を伝える。

本開示の更なる例示的な実施形態は、航空機用の複合材構造体をコンソリデーション及び成形するための方法を提供する。複合材構造体用の所望の形状を有するプレス機の下部に複合材の層を配置する。プレス機の上部に付随しているブラダーを複合材の上に配置する。プレス機を閉じる。プレス機の上部とブラダーとの間の空間を第一レベルの圧力に加圧する。ブラダーが複合構造体の形になるようにブラダーを超塑性状態に加熱する。次いで、第一レベルの圧力よりも高い第二レベルの圧力に空間を加熱して、一回のプロセスを用いて複合材構造体をコンソリデーション及び成形する。

本開示の多様な実施形態における特徴及び機能は独立して達成可能であり、又は更に他の実施形態において組み合わせ可能であり、その更なる詳細については以下の説明及び図面を参照することで理解できるものである。

例示的な実施形態を特徴付けると考えられる新規特徴が添付の特許請求の範囲に与えられている。しかしながら、例示的な実施形態、並びに好適な使用モード、更なる課題やその特徴は、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を添付図面と共に読むことで最も良く理解されるものである。

例示的な実施形態に係る複合材製造システムの斜視図の例示である。 例示的な実施形態に係る製造環境のブロック図の例示である。 例示的な実施形態に係る複合材製造システムのより詳細な図の例示である。 例示的な実施形態に係るプレス機の上部の例示である。 例示的な実施形態に係るプレス機の上部の他の例示である。 例示的な実施形態に係るプレス機の断面図の例示である。 例示的な実施形態に係るプレス機の断面図の他の例示である。 例示的な実施形態に係るプレス機の断面図の更に他の例示である。 例示的な実施形態に従って成形される複合材構造体の例示である。 例示的な実施形態に係るブラダーの例示である。 例示的な実施形態に係る複合材構造体を成形するためのプロセスのフローチャートの例示である。 例示的な実施形態に係る航空機用の複合材構造体をコンソリデーション及び成形するためのプロセスのフローチャートの例示である。 例示的な実施形態に係る航空機の製造と整備方法のブロック図の例示である。 例示的な実施形態が実施され得る航空機のブロック図の例示である。

例示的な実施形態は、一つ以上の多様な検討事項を認識して考慮している。例えば、例示的な実施形態は、複合材構造体の現状の製造プロセスが希望よりも時間がかかるものであることを認識して考慮している。金型を有するプレス機を使用する場合、製造サイクルは完了に八時間以上かかり得る。このような金型は、場合によっては数週間となる長いリードタイムを有し、典型的には金型の到着後に再加工を要する。

金型は航空機製造業者が望む多様性に欠ける。雄型と雌型は部品の設計に固有のものであり、僅かな公差で単一部品の幾何学的形状を得るように構成される。場合によっては、挿入体を用いて僅かな幾何学的形状バリエーションを得ることができるが、全く異なる部品の幾何学的形状が必要な場合には、雄型と雌型の両方を変更しなければならない。金型を用いる場合には、金属が加熱状態から冷却状態になると収縮するので、冷却段階中の複合材の完全性を維持するために追加の圧力が必要とされる。

また、例示的な実施形態は、繊維強化熱可塑性物質を成形する際に、現状用いられている一部の解決策が従来のオートクレーブ処理を用いた片面金型を採用していることを認識して考慮している。このような処理は、宇宙空間用グレードの熱可塑性物質用の高温消耗材、高感圧テープ、高温許容オートクレーブを必要とする。このような構成要素は希望よりも高価で処理中の使用が難しいものとなり得る。

従って、本開示の実施形態は、プレス機とマグネシウムブラダーとを備える複合材製造システムを提供する。プレス機は複合材構造体用の所望の形状を有する下部を有する。下部は、複合材の層を受けるように構成される。マグネシウムブラダーはプレス機の上部に付随していて、複合材の層に圧力を印加することによってマグネシウムブラダーが複合材構造体の形になるように加熱時に超塑性状態に達するように構成される。マグネシウムブラダーは、複合材構造体の上でその形になり複合材構造体と直接接触するので、複合材から離れて実質的に収縮すること無く、冷却される。冷却中に、ブラダー中の圧力がブラダーを押し戻し、複合材構造体に対して圧力を伝えて、冷却サイクル全体にわたって所望の量の圧力を印加することができる。マグネシウムブラダーを用いて一つの複合材構造体が成形されると、同様の構造体を成形するためにそのブラダーを再使用し得る。熱可塑性物質で製造を行う場合には、プレス機に配置する前にその物質をコンソリデーションさせる必要がない。コンソリデーションと成形の両方を単一サイクルで行うことができる。部品の表面全体にわたる熱的均一性が実現される。

以下図面を参照し、特に図１を参照すると、例示的な実施形態に係る複合材製造システムの斜視図の例示が示されている。複合材製造システム１００は、この例示的な例では圧縮成形システムである。

図示されているように、複合材製造システム１００は、上部１０４と下部１０６を有するプレス機１０２と、コントローラー１０８とを含む。プレス機１０２の上部１０４と下部１０６は、例示的な実施形態においてプラテンとも称され得る。

加熱機構とガス供給システム（図示せず）がプレス機１０２に統合されている。型１１０はプレス機１０２の下部１０６上に配置される。型１１０は複合材１１２を受ける雄型である。上部１０４は、図４及び図５に詳細に示されるように、マグネシウムブラダーを適所に保持する内部支持構造体を有する。

複合材１１２は、この例示的な例では熱可塑性物質を備える。複合材１１２は、プレス機１０２の下部１０６の型１１０の上に配置される際には、まだコンソリデーションされていない。他の例示的な例では、複合材１１２は熱可塑性物質を備えないものとなり得る。プレス機１０２のセクション１１４中の構成要素が図３により詳細に示されている。

以下図２を参照すると、例示的な実施形態に係る製造環境のブロック図の例示が示されている。製造環境２００は、複合材製造システム２０２内の構成要素を用いて複合材構造体２０４を製造し得る環境である。複合材製造システム２０２は、複合材構造体２０４を製造するための或る数のプロセスを行う。

本願において、事項について使用される「或る数」とは、その事項が一つ又は複数あることを意味する。従って、或る数のプロセスは一つ以上のプロセスである。

複合材構造体２０４は、プラットフォーム２０６で使用されるように構成された構造体である。プラットフォーム２０６は、例えば、移動プラットフォーム、静止プラットフォーム、陸上構造、水中／水上構造、又は宇宙型構造であり得るがこれらに限定されない。より具体的には、プラットフォーム２０６は、航空機、水上艦、戦車、人員運搬車、列車、宇宙船、宇宙ステーション、人工衛星、潜水艦、自動車、発電所、橋、ダム、家、製造工場、建物、又は他の適切なプラットフォームであり得る。

プラットフォーム２０６はこの例示的な例では航空機２０８の形態を取っている。複合材構造体２０４が航空機２０８用に製造される場合、複合材構造体２０４は、例えば、縦通材、スパー、リブ、パネル、スタビライザー、スキンパネル、又は航空機２０８で使用されるようの構成された他の適切な構造体であり得る。

図示されているように、複合材製造システム２０２は、プレス機２１０と、ブラダー２１２と、加熱器２１４と、ガス供給器２１６と、冷却システム２１８とを備える。プレス機２１０はこの例示的な例では液圧プレス機の形態を取っている。プレス機２１０は、圧縮成形法によって複合材構造体２０１４を成形するように構成される。

プレス機２１０は、上部２２０と、下部２２２と、支持構造体２２４とを備える。ブラダー２１２はプレス機２１０の上部２２０に付随している。型２２６はプレス機２１０の下部２２２に付随していて、下部２２２が複合材構造体２０４用の所望の形状２２８を有するようになっている。プレス機２１０の下部２２２は、複合材構造体２０４を成形するために複合材の層２３０を受けるように構成される。

複合材の層２３０は、あらゆる種類の複合材を備え得る。一部の場合では、複合材の層２３０は、熱可塑性物質の層２３２の形態を取り得る。複合材の層２３０が熱可塑性物質の層２３２の形態を取る場合、複合材製造システム２０２は、熱可塑性物質の層２３２を実質的に同時にコンソリデーション及び成形するように構成される。結果として、熱可塑性物質の層２３２を、プレス機２１０の下部２２２に配置する前にコンソリデーションさせる必要が無い。

図示されているように、支持構造体２２４はプレス機２１０の上部２２０に接続される。支持構造体２２４は、複合材構造体２０４の成形中にブラダー２１２を適所に保持するように構成される。支持構造体２２４はこの例示的な例ではフレーム２３４の形態を取っている。フレーム２３４はリッジ部２３６と中空中心部２３８を有する。リッジ部２３６は中空中心部２３８の周囲２４０に延在する。中空中心部２３８の周囲２４０のリッジ部２３６は、ブラダー２１２の部分２４２に対応する。フレーム２３４の中空中心部２３８は、プレス機２１０を閉じた際にブラダー２１２が複合材の層２３０と接することを可能にする。

この例示的な例では、フレーム２３４がブラダー２１２で覆われる。言い換えると、ブラダー２１２はフレーム２３４に取り付けられていないものとなり得る。フレーム２３４は、ブラダー２１２の部分２４２の周りに圧力２４４を印加して、ブラダー２１２を適所に保持するための気密シール２４６を生じさせる。気密シール２４６は、この例示的な例では、実質的な気密シール又はほぼ気密シールである。他の例示的な例では、ブラダー２１２は、接着剤、固定具又は他の方法を用いてフレーム２３４に取り外し可能に取り付けられ得る。

図示されているように、ブラダー２１２は金属シートの形態を取る。ブラダー２１２は、マグネシウムとアルミニウムとマグネシウム合金とアルミニウム合金とのうちの少なくとも一つから選択された金属、又は他の適切な物質を備える。ブラダー２１２用に選択された物質は、華氏６００度から８００度の間の温度に加熱された際に超塑性状態２４８に達するように構成される。こうした温度は、一般的には華氏６９８度から７９７度の間で行われるプレス機２１０による複合材構造体２０４の圧縮成形又は圧着の際に使用される温度に対応している。勿論、プロセスに応じて、複合材構造体２０４の成形を異なる温度でも行い得る。

本願において、「少なくとも一つ」との用語が列挙された事項と共に使用されている場合、これは列挙されている事項のうちの一つ以上の多様な組み合わせが使用可能であり、列挙されている各事項のうち一つのみが必要とされ得ることを意味する。言い換えると、「少なくとも一つ」は、列挙されている事項のあらゆる組み合わせやあらゆる数の事項が使用可能であるが、列挙されている事項の全てが必要ではないことを意味する。事項は特定の物体、物、又はカテゴリーであり得る。

例えば、「事項Ａと事項Ｂと事項Ｃとのうちの少なくとも一つ」は、事項Ａを含む、事項Ａと事項Ｂを含む、又は事項Ｂを含むとなり得るがこれらに限定されない。また、この例は、事項Ａと事項Ｂと事項Ｃを含む、又は事項Ｂと事項Ｃを含むともなり得る。勿論、これら事項のあらゆる組み合わせが存在し得る。他の例では、「少なくとも一つ」は、例えば、二つの事項Ａと一つの事項Ｂと十個の事項Ｃであることや、四つの事項Ｂと七つの事項Ｃであることであり得るが、これらに限定されず、他の適切な組み合わせであり得る。

超塑性状態２４８は、ブラダー２１２が超塑性形態になり始める際のブラダー２１２の物理的状態である。言い換えると、ブラダー２１２が変形し始めるのに十分な熱と圧力がブラダー２１２に印加される。ブラダー２１２の完全な超塑性は、本開示の例示的な実施形態を可能にするのには不必要である。

この例示的な例では、ブラダー２１２は超塑性状態２４８において変形し、ブラダー２１２が複合材構造体２０４用の所望の形状２２８を取ることができるようになる。言い換えると、複合材の層２３０に圧力２５０を印加することによって、ブラダー２１２が複合材構造体２０４の形になる。超塑性状態２４８において、ブラダー２１２と型２２６は、従来の金型と同じ様に連携して動作するように構成される。

この例示的な例では、ブラダー２１２はマグネシウムブラダー２５２の形態を取っている。例えば、マグネシウムブラダー２５２は、華氏６００度から８００度で超塑性形態になり始めるように構成された物質であるＡＺ３１マグネシウムを備え得るが、これに限定されない。超塑性状態２４８のブラダー２１２は、複合材の層２３０に圧力２５０を印加するだけではなくて、複合材の層２３０に熱２５４を伝えるようにも構成される。

プレス機２１０は室温で閉じられる。プレス機２１０の上部２２０の表面とブラダー２１２との間に空間２５８が存在する。ガス供給器２１６が、ブラダー２１２の後方から空間２５８を加圧して、プレス機２１０の上部２２０からブラダー２１２を離隔して、複合材の層２３０に対してブラダー２１２を押し付ける。ガス供給器２１６は、圧縮空気等のあらゆる種類の加圧ガス２６０を供給し得る。ガス供給器２１６は、市販のあらゆる種類のガス供給源であり得る。

プロセスが続行していくと、ガス供給器２１６が空間２５８を加圧して、複合材構造体２０４を所望の形状２２８に成形するための所望のレベルの圧力を提供する。例えば、ガス供給器２１６は、複合材構造体２０４の成形の一つの段階において第一レベル２６２の圧力２５０に空間２５８を加圧し得る。同様にして、ガス供給器２１６は、複合材構造体２０４の成形の後続の段階において第二レベル２６４の圧力２５０に空間２５８を加圧し得る。このようにして、圧力２５０を所望のとおりに制御することができる。

加熱器２１４は、プレス機２１０とその構成要素を加熱するように構成される。加熱器２１４は、抵抗加熱器、加熱オイル、加熱蒸気、加熱圧縮空気、誘導加熱のうちの少なくとも一つから選択された熱源、又は他の適切な種類の熱源であり得る。加熱器２１４は、複合材構造体２０４を成形するのに十分なレベルの熱２５４を提供する。

この例示的な例では、冷却システム２１８は、プレス機２１０の中で複合材構造体２０４を冷却するように構成される。冷却システム２１８は、例えば、冷却オイル、大気、圧縮空気の形態を取り得るが、これらに限定されず、他の適切な種類の冷却システムとなり得る。ブラダー２１２は冷却中に実質的に収縮しないので、複合材構造体２０４の製造全体にわたって所望の量の圧力２５０を提供する。

複合材構造体２０４の成形が完了すると、プレス機２１０から複合材構造体２０４が取り出される。ブラダー２１２は、複合材構造体２０４用の所望の形状２２８を維持する。結果として、ブラダー２１２を用いて、追加の構造体を製造し得る。例えば、ブラダー２１２を使用して第一複合材構造体２６６を成形し、次いで、ブラダー２１２を再使用して第二複合材構造体２６８を成形し得る。このような例示的な例では、ブラダー２１２は再使用可能ブラダー２７０の形態を取る。

一部の例示的な例では、複合材の層２３０は多様な箇所にプライドロップ２７２を含む。ブラダー２１２は複合材構造体２０４の成形中に超塑性状態２４８に達するので、ブラダー２１２はプライドロップ２７２を踏まえて変形して、複合材構造体２０４用の所望の形状２２８がプロセス全体にわたって維持されるようになる。

例示的な実施形態を用いて、複合材製造システム２０２が効率的に動作することができる。結果として、現状用いられているシステムよりも素早くあまり再加工を要せずに複合材構造体２０４を成形し得る。

ブラダー２１２に用いられる物質は、金型設備の物質よりも顕著に安価であり、再使用可能であり、一回のサイクルで熱可塑性物質をコンソリデーション及び成形するのに十分な熱及び圧力を印加することができる。従って、例示的な実施形態は、熱可塑性物質についての処理要求、金型調達コスト、及びサイクル時間を減らす。

硬質な金型とは異なり、ブラダー２１２は、プロセスの冷却段階中に複合材から離れて顕著に収縮せずに、複合材構造体２０４を所望の形状２２８に維持する。その理由は、ブラダー２１２の超塑性状態２４８中にわたってブラダー２１２が複合材構造体２０４と直接接触するからである。型２２６とブラダー２１２が超塑性発生温度未満に冷却されると、ブラダー２１２が圧力２４４から押し戻されて、熱膨張又は収縮によって存在し得るブラダー２１２と複合材構造体２０４との間の空間を埋める。結果として、例示的な実施形態は、多用性があり安価なマグネシウムブラダーが雌型として機能して、複合材構造体２０４の再加工の必要性を減らすという片面金型を提供する。

次に図３を参照すると、例示的な実施形態に係る複合材製造システムのより詳細な図の例示が示されている。図１のセクション１１４についてプレス機１０２のより詳細な図が示されている。図３は、図２にブロック形態で示されている複合材製造システム２０２内の構成要素の物理的な実施形態の一例を示す。

図示されているように、フレーム３００がプレス機１０２の上部１０４に接続される。ブラダー３０２は複合材１１２の上方の適所に保持される。プレス機１０２の上部１０４が矢印３０４の方向に移動して複合材１１２に近づき、複合材１１２の上にブラダー３０２を配置する。

以下図４を参照すると、例示的な実施形態に係るプレス機の上部の例示が示されている。また、図４は、図２にブロック形態で示されている複合材製造システム２０２内の構成要素の物理的な実施形態の一例を示す。図４は、真上を見た際のプレス機１０２の上部１０４を示す。

図示されているように、フレーム３００は、フレーム３００の周囲４０２の留め具４００を用いて、プレス機１０２の上部１０４に取り付けられる。フレーム３００はリッジ部４０４と中空中心部４０６を有する。

ブラダー３０２は、フレーム３００の中空中心部４０６の中に示されている。ブラダー３０２は、この例示的な例ではその元々の状態で示されている。言い換えると、ブラダー３０２は、本願記載のプロセスを予め経た再使用可能ブラダーではない。

中空中心部４０６は形状４０８を有する。形状４０８は、ブラダー３０２が複合材１１２と型１１０の全体を覆うように選択される。

次に図５を参照すると、例示的な実施形態に係るプレス機の上部の他の例示が示されている。この例示的な例では、プレス機１０２の上部１０４が透視図で示されている。図５は、上方から真下を見た際のプレス機１０２の上部１０４を示す。

この例示的な例では、ブラダー３０２はシートの形態を取っている。図示されているように、シート５００は正方形であり、図４に示される中空中心部４０６を覆う。シート５００の周囲はフレーム３００の周囲と接している。

図６～図８は、例示的な実施形態に係るプレス機の断面図の例示である。プレス機１０２の断面図が図３の線６‐６に沿って示されている。この例示的な例ではプレス機１０２は閉じられている。

図６は閉じた直後のプレス機１０２を示す。プレス機１０２は加熱されていない。ガスが、矢印６００の方向にプレス機１０２の上部１０４とブラダー３０２の背面との間を流れる。ガスを用いて、複合材１１２に近づけるようにブラダー３０２を押す。フレーム３００のリッジ部４０４とブラダー３０２がほぼ気密シール６０４を生じさせる。

図７では、空間６０２が第一レベルに加圧されている。この第一レベルの圧力は、例えば、１０～３０ｐｓｉとなり得るが、これに限定されない。

また、プレス機１０２内の構成要素が加熱されている。例えば、型１１０とブラダー３０２と複合材１１２が略華氏７００度に加熱されているが、これに限定されない。圧力は加熱段階中において第一レベルのままである。この温度において、ブラダー３０２が、型１１０上の複合材１１２の上で超塑性変形を始める。ブラダー３０２が複合材１１２と接触すると、ブラダー３０２に対する圧力が複合材１１２に伝わる。複合材１１２が所望の形状を取り始める。ブラダー３０２はこのプロセス中に熱も伝える。この例示的な例では、システム全体が略華氏８００度に加熱され得る。

図８は、冷却段階の開始時におけるプレス機１０２内の構成要素を示す。空間６０２は、加熱の最終段階で第二レベルに加圧されている。例えば、第二レベルの圧力は１３０～２１０ｐｓｉであり得るが、これに限定されない。

ここで、第二レベルの圧力は、複合材１１２が冷却されるまで維持される。複合材１１２は、複合材構造体用の所望の形状を有する。具体的な実施形態に応じて、プレス機１０２内の構成要素は、複合材構造体の結晶化温度未満の温度に冷却される。圧力が解放されて、プレス機１０２が開かれる。

次に図９を参照すると、例示的な実施形態に係る複合材構造体の例示が示されている。複合材構造体９００は、図６～図８に示されるプロセスを用いて成形されたものである。複合材構造体９００は形状９０２を有する。

図１０を参照すると、例示的な実施形態に係るブラダーの例示が示されている。図１０は、図９の複合材構造体９００の成形後のブラダー３０２を示す。ブラダー３０２の形状１０００は複合材構造体９００の形状９０２に対応している。この場合、ブラダー３０２は再使用可能ブラダー１００２の形態を取っている。他の構造体を成形するために、追加の複合材を型１１０の上に置いて、図６～図８に示されているプロセスを繰り返す。

図１と図３～図１０に示される多様な構成要素を、図２の構成要素と組み合わせ得て、図２の構成要素と共に使用し得て、又はこれら二つの組み合わせとし得る。また、図１と図３～図１０の一部の構成要素は、図２にブロック形態で示されている構成要素が物理的構造としてどのように実施され得るのかを例示する例となり得る。

図１や図３～図６に示される以外の他の構成で複合材製造システム１００を実施し得る。例えば、図３～図１０には示されていないが、例示的な実施形態を用いて、構造体の任意の部分にプライドロップを有する構造体を製造し得る。例えば、ブラダー３０２が、本願に記載されているのと同じ様に機能して、構造体の中心のプライドロップ、構造体の外縁に向かうプライドロップ、又は他のプライドロップを有する複合材構造体に熱及び圧力を印加する。結果として、例示的な実施形態は、多様な部品の幾何学的形状に対処する。

更に、プレス機の上部とマグネシウムシートとの間の空間を加圧することでプロセスが完了しているが、他の例示的な例では従来のブラダーを使用し得る。このような場合には、ブラダー自体が膨張して、複合材構造体を成形するための所望のレベルの圧力を提供する。

他の例示的な例では、複数のブラダーを用いて、一回のプレスサイクルで複数の構造体を成形し得る。更に他の例示的な例では、一つのブラダーを用いて、一回のサイクルで一つよりも多くの構造体を成形し得る。

次に図１１を参照すると、例示的な実施形態に係る複合材構造体を成形するためのプロセスのフローチャートの例示が示されている。図１１に示されているプロセスを複合材製造システム２０２と共に用い、図２のブラダー２１２を使用して複合材構造体２０４を成形し得る。

本プロセスは、プレス機の下部の型の上に複合材の層を配置することで開始する（工程１１００）。次に、本プロセスは、プレス機の上部に付随しているブラダーを複合材の層の上に配置する（工程１１０２）。ブラダーの部分の周りに圧力を印加して実質的な気密シールを生じさせるように構成されたフレームを用いて、プレス機の上部にブラダーを取り付ける（工程１１０４）。

次いで、本プロセスは、プレス機の上部とブラダーとの間の空間を第一レベルの圧力に加圧する（工程１１０６）。プレス機の上部とブラダーとの間の空間にガスを供給することによって空間を加圧する。結果として、ブラダーが複合材の層に圧力を印加する。次いで、ブラダーが複合材構造体の形になるようにブラダーを超塑性状態に加熱する（工程１１０８）。

ブラダーが超塑性状態に達した後に、本プロセスは、第一レベルの圧力よりも高い第二レベルの圧力に空間を加圧して、複合材構造体を成形する（工程１１１０）。次いで、ブラダーを第二レベルの圧力にしたままで複合材構造体を冷却する（工程１１１２）。その後、プロセスが終了する。

以下図１２を参照すると、例示的な実施形態に係る航空機用の複合材構造体をコンソリデーション及び成形するためのプロセスのフローチャートの例示が示されている。図１２に示される方法も複合材製造システム２０２と共に用い、図２のブラダー２１２を使用して複合材構造体２０４を成形し得る。

本プロセスは、複合材構造体用の所望の形状を有するプレス機の下部にコンソリデーションされていない熱可塑性物質を配置することで開始する（工程１２００）。次いで、本プロセスは、プレス機の上部に付随しているマグネシウムブラダーを熱可塑性物質の上に配置する（工程１２０２）。そして、プレス機を閉じる（工程１２０４）。

その後、本プロセスは、プレス機の上部とマグネシウムブラダーとの間の空間を第一レベルの圧力に加圧して、マグネシウムブラダーを熱可塑性物質に接触させる（工程１２０６）。次いで、本プロセスは、熱可塑性物質に圧力を印加することによってマグネシウムブラダーが複合材構造体の形になるようにマグネシウムブラダーを超塑性状態に加熱する（工程１２０８）。

次いで、本プロセスは、第一レベルの圧力よりも高い第二レベルの圧力に空間を加圧して、複合材構造体を成形する（工程１２１０）。マグネシウムブラダーを第二レベルの圧力にしたままで複合材構造体を冷却する（工程１２１２）。

プレス機を開き、型から複合材構造体を取り出す（工程１２１４）。次いで、本プロセスは、マグネシウムブラダーが再使用可能であるかどうかを決定する（工程１２１６）。マグネシウムブラダーが再使用可能である場合には、本プロセスが他のサイクル用に工程１２００に戻り、そのマグネシウムブラダーを用いて第二複合材構造体を成形する。マグネシウムブラダーが再使用可能ではない場合には、プロセスが終了し、又は、新たなマグネシウムシートをフレームに取り付けて、第二複合材構造体を製造する。

図示されている多様な例示的な実施形態のフローチャートとブロック図は、例示的な実施形態の装置と方法の一部の想定される実施形態の構造、機能、動作を例示するものである。この点に関して、フローチャートやブロック図の各ブロックは、モジュール、セグメント、機能、及び／又は工程やステップの一部を表すものであり得る。

本開示の例示的な実施形態は、図１３に示されるような航空機の製造と整備方法１３００や図１４に示されるような航空機１４００に関して説明され得るものである。まず、図１３を参照すると、例示的な実施形態に係る航空機の製造と整備方法のブロック図の例示が示されている。製造準備段階において、航空機の製造と整備方法１３００は、図１４の航空機１４００の仕様及び設計１３０２と材料調達１３０４とを含み得る。

製造段階においては、図１４の航空機１４００の部品とサブアセンブリの製造１３０６と、システム統合１３０８が行われる。その後、図１４の航空機１４００が認証と搬送１３１０を得て、就航１３１２する。顧客による就航１３１２の間に、図１４の航空機１４００の所定の整備１３１４（変更、再構成、改造、又は他の整備が含まれ得る）がスケジュールされる。

部品とサブアセンブリの製造１３０６において、ブラダー２１２を備える複合材製造システム２０２を用いて、図２の複合材構造体２０４を作製し得る。また、図１４の航空機１４００の変更、再構成、又は改造の一部として、所定の整備１３１４において複合材製造システム２０２内の構成要素が使用され得る。

航空機の製造と整備方法１３００の各プロセスは、システムインテグレータ、サードパーティ、オペレータ、それ等の組み合わせによって実施又は実行され得る。こうした例において、オペレータは顧客であり得る。説明目的として、システムインテグレータとして、任意の数の航空機製造者や主要なシステム下請け業者が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、また、サードパーティとして、任意の数のベンダー、下請け業者、サプライヤが挙げられるが、これらに限定されるものではなく、オペレータは、航空会社、リース業者、軍隊、整備業者等であり得る。

以下図１４を参照すると、例示的な実施形態を用いて作製された複合材構造体が使用され得る航空機の例示が示されている。この例では、航空機１４００は、図１３の航空機の製造と整備方法１３００によって製造され、機体１４０２、複数のシステム１４０４、内装１４０６を含み得る。システム１４０４の例として、推進システム１４０８、電気システム１４１０、油圧システム１４１２、環境システム１４１４のうち一つ以上が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれ得る。航空宇宙の例が示されているが、自動車産業等の他の産業に別の例示的な実施形態が適用され得る。

本開示の装置及び方法は、図１３の航空機の製造と整備方法１３００の少なくとも一つの段階において採用され得る。例示的な一例では、図１３の部品とサブアセンブリの製造１３０６において製造される部品やサブアセンブリが、航空機１４００が図１３の就航１３１２中において製造される部品やサブアセンブリと同様に製造され得る。更に他の例としては、図１３の部品とサブアセンブリの製造１３０６やシステム統合１３０８等の製造段階において、一つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせが利用され得る。航空機１４００が図１３の就航１３１２中において、整備１３１４において、又はその両方において、一つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせが利用され得る。或る数の例示的な実施形態の使用が、航空機１４００の組み立てを実質的に促進し、航空機１４００のコストを削減し、又は、航空機１４００の組み立ての促進と航空機１４００のコストの削減の両方を達成し得る。

例示的な実施形態を用いて、複合材製造システムが短いサイクル時間で効率的に動作することができる。熱可塑性物の圧縮成形を、従来用いられているシステムよりも四倍速く完了させることができる。例示的な実施形態は、同じサイクルで熱可塑性物質のコンソリデーションと成形を行うように構成されているので、必要なプロセスが少なくなる。結果として、熱可塑性物質が緩い複数のプライから正しい形状の部品になることができる。

例示的な実施形態は、従来の金型よりもはるかに安価な物質を使用する。プレス機の片側のみに高価な金型が必要となるので、コスト削減が実現される。また、公差が許容される場合には、ブラダーを用いて、一つよりも多くの構造体を作製して、更なる節約を達成し得る。

また、例示的な実施形態は、複合材構造体にプライドロップが存在する場合における正確な圧縮成形を提供する。結果として、例示的な実施形態は、複雑な幾何学的形状の複合材用の片面金型を提供することができる。

例示的な実施形態のいくつかの代替例では、ブロックに記されている機能が、図に記されている順序以外で行われ得る。例えば、一部の場合では、関与している機能に応じて、連続して示されている二つのブロックが実質的に同時に実行され得て、又は、場合によっては、逆の順序でブロックが行われ得る。また、フローチャートやブロック図に例示されているブロックに他のブロックが追加され得る。

多様な例示的な実施形態の説明を例示及び説明目的で与えてきたが、その説明は、包括的なものではなく、開示されている形態の実施形態に限定されるものでもない。多様な修正と変更が当業者には明らかである。更に、多様な例示的な実施形態は、他の望ましい実施形態と比較して異なる特徴を与え得る。選択された実施形態は、実施形態の原理、実際的な応用を最も良く説明するため、そして、想定される特定の使用に適するような多様な修正を有する多様な実施形態について当業者が本開示を理解することができるように選択されて説明されているものである。

１００ 複合材製造システム
１０２ プレス機
１０４ プレス機の上部
１０６ プレス機の下部
１０８ コントローラー
１１０ 型
１１２ 複合材
３００ フレーム
３０２ ブラダー
４００ 留め具
４０２ フレームの周囲
４０４ フレームのリッジ部
４０６ 中空中心部
６０２ 空間
６０４ 気密シール

Claims (16)

1. 上部（２２０）と、複合材構造体（２０４）用の所望の形状（２２８）を有する下部（２２２）であって複合材の層（２３０）を受けるように構成されている下部（２２２）とを備えるプレス機（２１０）と、
   前記プレス機（２１０）の上部（２２０）に付随しているブラダー（２１２）であって、前記複合材の層（２３０）に圧力（２５０）を印加することによって該ブラダー（２１２）が前記複合材構造体（２０４）の形になるように加熱時に超塑性状態（２４８）に達するように構成されているブラダー（２１２）と、
   前記プレス機（２１０）の上部（２２０）に接続され、前記複合材構造体（２０４）の成形中に前記ブラダー（２１２）を適所に保持するように構成された支持構造体（２２４）と、を備え、
   前記支持構造体（２２４）が、
   前記ブラダー（２１２）の部分（２４２）の周りに圧力（２４４）を印加して、前記ブラダー（２１２）を適所に保持するための気密シール（２４６）を生じさせるように構成されたリッジ部（２３６）を有するフレーム（２３４）と、
   中空中心部（２３８）と、を備える、複合材製造システム（２０２）。
2. 前記ブラダー（２１２）が、摂氏３１６度（華氏６００度）から摂氏４２７度（華氏８００度）の間で前記超塑性状態（２４８）に達するように構成されたマグネシウムを備える、請求項１に記載の複合材製造システム（２０２）。
3. 前記ブラダー（２１２）が前記複合材の層（２３０）に熱（２５４）を伝えるように構成されている、請求項２に記載の複合材製造システム（２０２）。
4. 前記ブラダー（２１２）が再使用可能ブラダー（２７０）である、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合材製造システム（２０２）。
5. 前記複合材の層（２３０）がプライドロップ（２７２）を有する、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合材製造システム（２０２）。
6. 複合材構造体（２０４）を成形するための方法であって、
   プレス機（２１０）の下部（２２２）の型（２２６）であって前記複合材構造体の所望の形状（２２８）を有する型（２２６）の上に複合材の層（２３０）を配置することと、
   前記プレス機（２１０）の上部（２２０）に付随しているブラダー（２１２）を前記複合材の層（２３０）の上に配置することと、
   前記ブラダー（２１２）と前記プレス機（２１０）の上部（２２０）との間に気密シール（２４６）を生じさせるように構成されたフレーム（２３４）を用いて、前記プレス機（２１０）の上部（２２０）に前記ブラダー（２１２）を取り付けることと、
   前記プレス機（２１０）を閉じることと、
   前記プレス機（２１０）の上部（２２０）と前記ブラダー（２１２）との間の空間（２５８）を第一レベル（２６２）の圧力（２５０）に加圧して、前記ブラダー（２１２）を前記複合材の層（２３０）に接触させることと、
   前記ブラダー（２１２）が前記複合材構造体（２０４）の形になるように前記ブラダー（２１２）を超塑性状態（２４８）に加熱することと、
   前記第一レベル（２６２）の圧力（２５０）よりも高い第二レベル（２６４）の圧力（２５０）に前記空間（２５８）を加圧して、前記複合材構造体（２０４）を成形することと、を備える方法。
7. 前記ブラダー（２１２）が、摂氏３１６度（華氏６００度）から摂氏４２７度（華氏８００度）の間で前記超塑性状態（２４８）に達するように構成されたマグネシウムを備える、請求項６に記載の方法。
8. 前記ブラダー（２１２）を前記第二レベル（２６４）の圧力（２５０）にしたままで前記複合材構造体（２０４）を冷却することを更に備える請求項６又は７に記載の方法。
9. 前記複合材構造体（２０４）が第一複合材構造体（２６６）であり、
   前記ブラダー（２１２）を再使用して、所望の形状（２２８）を有する第二複合材構造体（２６８）を成形することを更に備える請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記複合材構造体（２０４）を成形することと同時に前記複合材の層（２３０）をコンソリデーションさせることを更に備える請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記プレス機（２１０）の上部（２２０）と前記ブラダー（２１２）との間の空間（２５８）を加圧することが、前記プレス機（２１０）の上部（２２０）と前記ブラダー（２１２）との間の空間（２５８）にガス（２６０）を供給して、前記複合材の層（２３０）に圧力（２５０）を印加することを備える、請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 航空機（２０８）用の複合材構造体（２０４）を成形するための方法であって、
    前記複合材構造体（２０４）用の所望の形状（２２８）を有するプレス機（２１０）の下部（２２２）に熱可塑性物質（１１２）を配置することと、
    前記プレス機（２１０）の上部（２２０）に付随しているブラダー（２１２）を前記熱可塑性物質の上に配置することと、
    フレーム（２３４）を用いて前記プレス機（２１０）の上部（２２０）に前記ブラダー（２１２）を取り付けることと、
    前記プレス機（２１０）を閉じることと、
    前記プレス機（２１０）の上部（２２０）と前記ブラダー（２１２）との間の空間（２５８）を第一レベル（２６２）の圧力（２５０）に加圧することと、
    前記熱可塑性物質に圧力（２５０）を印加することによって前記ブラダー（２１２）が前記複合材構造体（２０４）の形になるように前記ブラダー（２１２）を超塑性状態（２４８）に加熱することと、
    前記第一レベル（２６２）の圧力（２５０）よりも高い第二レベル（２６４）の圧力（２５０）に前記空間（２５８）を加圧して、前記複合材構造体（２０４）を成形することと、を備える方法。
13. 前記ブラダー（２１２）を前記第二レベル（２６４）の圧力（２５０）にしたままで前記複合材構造体（２０４）を冷却することを更に備える請求項１２に記載の方法。
14. 前記ブラダー（２１２）が、摂氏３１６度（華氏６００度）から摂氏４２７度（華氏８００度）の間で前記超塑性状態（２４８）に達するように構成されたマグネシウムを備える、請求項１２又は１３に記載の方法。
15. 前記熱可塑性物質（１１２）がプライドロップ（２７２）を有する、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記ブラダー（２１２）が再使用可能ブラダー（２７０）である、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。

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