JP7475861B2 - 複合材部品用のツールとしての拡張可能なブラダー - Google Patents

Description

本開示は、製造の分野に関し、具体的には、複合材部品の製造に関する。

複合材部品は、構造体だけでなくビークルにも構造的な強度をもたらす。例えば、ストリンガ又は他の構造支持体は、所望の形状（例えば、Ｃ字型の断面、Ｉ字型の断面、ハット型の断面など）に配置された繊維強化材料を含むプリフォームをレイアップすることによって製造されうる。次いで、プリフォームは硬化されて複合材部品になる。

プリフォームは、硬化（例えば、固化又は凝固）する前には構造的な強度が不足している。そのため、形成ツールは、プリフォームが硬化する前に、プリフォームを所望の形状に押圧し、保持する。しかしながら、その形状に空洞が含まれる場合には、プリフォームを所望の形状に押圧して保持することは困難になりうる。このような状況では、空洞内の鋭角な隅部は硬化して、形成ツールに結合し、プリフォームが硬化されて複合材部品になった後に形成ツールから取り外すことはより困難になる。しかも、プリフォームの空洞全体にわたって力を一様に加えることは困難になりうる。これは、内部に空洞を有するプリフォームを完全に圧密化させることは困難になりうることを意味する。

したがって、上記の問題点のうちの少なくともいくつかと、起こりうる他の問題点を考慮した、方法及び装置を手に入れることが望ましいであろう。

本書に記載の実施形態は、拡張可能なペレットが充填され、プリフォームの空洞用の形成ツールとして使用されうる、柔軟性のあるブラダーを提供する。空洞内の他のブラダーに関して、各ブラダーのサイズ、形状、及び位置を調整することによって、力は空洞全体にわたって均一に印加されうる。さらに、ペレットは、プリフォームが硬化する間に加えられる熱に反応して拡張しうる。これにより、ブラダーは硬化する間に強制的に所望の形状になり、硬化が完了した（また、部品が冷えた）後に収縮する。ブラダーは収縮した後、出来上がった複合材部品から容易に取り外される。

一実施形態は、複合材部品を製造するための方法である。方法は、繊維強化材料から作られ空洞を含むプリフォームをレイアップすることと、空洞内に拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入することと、トリガー条件に反応してブラダーを膨張させることと、ブラダーが膨張している間にプリフォームを圧密化することと、ブラダーを収縮させることと、空洞からブラダーを除去することと、を含む。

さらなる実施形態は、プログラミングされた命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、その命令は、プロセッサによって実行されると、複合材部品を製造するための方法を実施するように動作可能である。方法は、繊維強化材料から作られ、空洞を含むプリフォームをレイアップすることと、空洞内に拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入することと、トリガー条件に反応してブラダーを膨張させることと、ブラダーが膨張している間にプリフォームを圧密化することと、ブラダーを収縮させることと、空洞からブラダーを除去することと、を含む。

さらに別の実施形態は、複合材部品を製造するための装置である。装置は、ブラダーと、ブラダーの内部空間内に配置され、発泡剤を含む拡張可能なペレットとを含む。

本装置はまた、特許請求の範囲と混同すべきでない下記の条項においても言及される。

条項１． 複合材部品の製造方法であって、
繊維強化材料から作られ、空洞を含むプリフォームをレイアップすること（２０２）と、
前記空洞内に、拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入すること（２０４）と、
トリガー条件に反応して前記ブラダーを膨張させること（２０８）と、
前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを圧密化すること（２１０）と、
前記ブラダーを収縮させること（２１４）と、
前記空洞から前記ブラダーを除去すること（２１６）と、
を含む製造方法。

条項２． 前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを複合材部品へと硬化すること（２１２）をさらに含む、条項１に記載の方法

条項３． 前記ペレット内の発泡剤によって前記拡張可能なペレットの容積を増大させることをさらに含み、
前記ブラダーの膨張は、増大する前記ペレットの前記容積によって引き起こされる、条項１又は２に記載の方法。

条項４． 前記ブラダーの外側にある前記空洞に充填材ペレットを挿入することをさらに含む、条項１から３のいずれか一項に記載の方法。

条項５． 追加の拡張可能なペレットが充填された追加のブラダーを前記空洞に挿入することをさらに含む、条項１から４のいずれか一項に記載の方法。

条項６． 前記空洞の断面形状に基づいて、前記空洞内に前記ブラダーを配置することをさらに含む、条項１から５のいずれか一項に記載の方法。

条項７． 前記空洞の断面形状に基づいて前記ブラダーの形状を選択することをさらに含む、条項１から６のいずれか一項に記載の方法。

条項８． 前記ブラダーの膨張の前にマンドレルに対して前記プリフォームをレイアップすることをさらに含む、条項１から７のいずれか一項に記載の方法。

条項９． 前記発泡剤をトリガーしてガスを放出することによって、前記ペレットの前記容積を増大させることをさらに含む、条項１から８のいずれか一項に記載の方法。

条項１０． 前記トリガー条件は、温度トリガー反応、減圧、紫外線トリガー化学反応、及び付加的な部品の混合からなる群から選択される、条項１から９のいずれか一項に記載の方法。

条項１１． 条項１から１０のいずれか一項に記載の方法により組み立てられた航空機の一部。

本媒体のさらなる態様により、下記が提示される。
条項１２． プログラミングされた命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、プロセッサによって実行されると、複合材部品を製造するための方法を実施するように動作可能であり、前記方法は、
繊維強化材料から作られ、空洞を含むプリフォームをレイアップすること（２０２）と、
前記空洞内に、拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入すること（２０４）と、
トリガー条件に反応して前記ブラダーを膨張させること（２０８）と、
前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを圧密化すること（２１０）と、
前記ブラダーを収縮させること（２１４）と、
前記空洞から前記ブラダーを除去すること（２１６）と、
を含む、非一過性のコンピュータ可読媒体。

条項１３． 前記方法は、前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを複合材部品へと硬化すること（２１２）をさらに含む、条項１２に記載の媒体。

条項１４． 前記方法はさらに、前記ペレット内の発泡剤によって前記拡張可能なペレットの容積を増大させることをさらに含み、
前記ブラダーの膨張は、増大する前記ペレットの前記容積によって引き起こされる、条項１２又は１３に記載の媒体。

条項１５． 前記方法は、前記ブラダーの外側にある前記空洞に充填材ペレットを挿入することをさらに含む、条項１２から１４のいずれか一項に記載の媒体。

条項１６． 前記方法は、追加の拡張可能なペレットが充填された追加のブラダーを前記空洞に挿入することをさらに含む、条項１２から１５のいずれか一項に記載の媒体。

条項１７． 前記方法は、前記空洞の断面形状に基づいて、前記空洞内に前記ブラダーを配置することをさらに含む、条項１２から１６のいずれか一項に記載の媒体。

条項１８． 前記空洞の断面形状に基づいて前記ブラダーの形状を選択することをさらに含む、条項１２から１７のいずれか一項に記載の媒体。

条項１９． 前記ブラダーの膨張の前にマンドレルに対して前記プリフォームをレイアップすることをさらに含む、条項１２から１８のいずれか一項に記載の媒体。

条項２０． 前記トリガー条件は、温度トリガー反応、減圧、紫外線トリガー化学反応、及び付加的な部品の混合からなる群から選択される、条項１２から１９のいずれか一項に記載の媒体。

条項２１． 前記発泡剤をトリガーしてガスを放出することによって、前記ペレットの容積を増大させることをさらに含む、条項１２から２０のいずれか一項に記載の媒体。

条項２２． 条項１２から２１のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体に保存された命令によって画定された方法により組み立てられた航空機の一部。

本装置のさらなる態様により、下記が提示される。
条項２３． 複合材部品を製造するための装置であって、
ブラダー（１００）と、
前記ブラダーの内部空間（１４０）内に配置され、発泡剤（７２２）を含む拡張可能なペレット（１３０）と、
を含む装置。

条項２４． 前記発泡剤は、トリガー条件に反応して前記拡張可能なペレットのサイズを大きくし、
前記拡張可能なペレットは、拡張すると、前記内部空間よりも大きな総容積を有し、前記ブラダーを膨張させる、条項２３に記載の装置。

条項２５． 前記拡張可能なペレットはそれぞれ、発泡剤が充填される気密性のポケット（７２０）を有する柔軟性のある材料のマトリクス（７１０）を含む、条項２３又は２４に記載の装置。

条項２６． 前記拡張可能なペレットはそれぞれ、
密閉空間（８２０）を画定する柔軟性のある膜（８１０）と、
前記発泡剤を含む、前記密閉空間内に配置された核（８３０）と、
を含むマイクロバルーン（８００）を含む、条項２３から２５のいずれか一項に記載の装置。

条項２７． 前記発泡剤は熱の印加に反応してガスを放出する、条項２３から２６のいずれか一項に記載の装置。

条項２８． 前記ブラダーの柔軟性のある外皮（９１０）は、前記ブラダーの拡張量を制御する繊維（９２０）で強化されている、条項２３から２７のいずれか一項に記載の装置。

条項２９． 条項２３から２８のいずれか一項に記載の装置を使用して、航空機の一部を製造すること。

他の例示的な実施形態（例えば上述の実施形態に関する方法及びコンピュータ可読媒体）については、以下で説明される。上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することが可能であり、或いは、さらに別の実施形態において組み合わせることが可能である。これらの実施形態は、以下の説明及び図面を参照することによってさらに詳細に理解することができる。

ここで、本開示のいくつかの実施形態を、例示としてのみ、添付図面を参照して説明する。すべての図面で、同じ参照番号は、同じ要素又は同じタイプの要素を表わす。

例示的な実施形態における、切り取られた部分と拡張可能なペレットを含むブラダーの斜視図である。 例示的な実施形態における、複合材部品を製造するための方法を示す、フロー図である。 様々な例示的な実施形態における、プリフォームの空洞に挿入されたブラダーの側面図である。 様々な例示的な実施形態における、プリフォームの空洞に挿入されたブラダーの側面図である。 様々な例示的な実施形態における、プリフォームの空洞に挿入されたブラダーの側面図である。 様々な例示的な実施形態における、プリフォームの空洞に挿入されたブラダーの側面図である。 例示的な実施形態における、拡張可能なペレットを示している。 例示的な実施形態における、拡張可能なペレットを示している。 例示的な実施形態における、繊維強化されたブラダーを示している。 例示的な実施形態における、硬化システムのブロック図である。 例示的な実施形態における、航空機の製造及び保守方法を示すフロー図である。 例示的な実施形態における、航空機のブロック図である。

これらの図面及び以下の説明により、本開示の特定の例示的な実施形態を提示する。したがって、当業者は、本書に明示的に記載または図示されていない様々な装置を考案して本開示の原理を具体的に実現することができるが、それらは本開示の範囲に含まれることを理解されたい。さらに、本書に記載のいかなる実施例も、本開示の原理の理解を助けることを意図したものであり、具体的に記載された実施例や諸条件に限定されないと理解されたい。この結果、本開示を限定するものは、下記の具体的な実施形態または実施例ではなく、特許請求項の範囲及びその均等物である。

炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ）部品などの複合材部品は最初に、プリフォームと総称されている多重層にレイアップされる。プリフォームの各層内の個々の繊維は、互いに平行に揃えられているが、様々な寸法に沿って得られる複合材の強度を高めるため、様々な繊維配向を示す。プリフォームは、プリフォームを硬化して（例えば、航空機に使用される）複合材部品にするため、凝固する粘着性の樹脂を含みうる。未固化の熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂が含侵されている炭素繊維は「プリプレグ」と称される。他の種類の炭素繊維は、熱硬化性樹脂に含侵されていない「ドライファイバー」を含むが、粘着付与剤又は結合剤を含みうる。ドライファイバーは固化前に樹脂が注入される。熱硬化性樹脂に関しては、硬化することは固化と称される一方向の処理であるが、一方、熱可塑性樹脂に関しては、樹脂は再加熱されると粘性のある形態になりうる。以下の図及び記述は、複合材部品の成形を促進するブラダー及び他のコンポーネントについて説明したものである。

図１は、例示的な実施形態で、ペレット１３０が見えるように切り取られた部分を含むブラダー１００の斜視図である。ブラダー１００は、ペレット１３０が充填された柔軟性のある拡張可能な空間（内部空間１４０など）を有する、任意のシステム、装置又はコンポーネントを備える。ペレット１３０は、プリフォームが硬化して複合材部品になる間に加えられる熱などのトリガー条件に反応して拡張する。トリガー条件はペレット１３０のコンポーネントの相転移を引き起こす。これにより、ブラダー１００は拡張する。ブラダー１００の拡張は圧力を加え、プリフォームを圧密化して圧縮し、所望の形状にする。この実施形態では、ブラダー１００は、ペレット１３０の拡張に反応して変形するように構成された柔軟性のある外皮１１０を含む。例えば、柔軟性のある外皮１１０は、華氏３５０度の硬化温度で溶融しない、可塑的に又は弾性的に変形可能な材料を含みうる。したがって、外皮１１０は柔軟性があるため、ペレット１３０がブラダー１００の容積を増大させることもできるが、ペレット１３０がすべての方向に無制限に拡張するのを防止することもできる。これは、ペレット１３０が拡張する方法を抑制すること、また、プリフォームが硬化して複合材部品になった後、ペレット１３０の除去を容易することによって、技術的な利点を提供する。この実施形態では、ブラダー１００は球形に描かれているが、ブラダー１００は、管状の形状又は他の所望の形状を想定しうる。

ペレット１３０は、ブラダー１００の切り欠き１２０を通して見ることができる。切り欠き１２０は、純粋にペレット１３０の説明を容易にするために設けられている。しかしながら、さらなる実施形態では、切り欠き１２０又はポート（図示せず）は、ブラダー１００へのペレット１３０の充填、或いはブラダー１００からのペレット１３０の取出しを容易にするため、ブラダー１００に含まれていてもよい。ペレット１３０は、熱可塑性物質などの県警可能な物質から作られた、小さな粒状のコンポーネントである。ペレット１３０は内部の発泡剤（図７、図８を参照して以下で説明される）を含む。ペレット１３０がトリガー（例えば、加熱）されると、発泡剤は容積が増大し、これによりペレット１３０の容積を増大させる。冷却すると、発泡剤は容積が減少し、これによりペレット１３０はつぶれる。使用後、ペレット１３０はリサイクルされ、別のペレットになる。

ブラダー１００の動作の例示的な詳細は、図２を参照して説明される。この実施形態では、一又は複数のブラダー１００（例えば、ブラダー及び追加のブラダー）にはペレット１３０が充填され、複合材部品の製造で使用されるのを待つことになる。

図２は、例示的な実施形態における、複合材部品を製造するための方法２００を示したフロー図である。方法２００のステップは、図１のブラダー１００を参照して説明されるが、当業者であれば、方法２００が他のデバイスで実施されうることを理解するであろう。本書に記載のフロー図のステップは、網羅的なものではなく、図示していない他のステップを含みうる。本書に記載のステップは、代替的な順序でも実施されうる。

ステップ２０２では、固まっていない繊維強化材料から作られたプリフォームがレイアップされる。プリフォームは熱硬化性材料又は熱可塑性材料を含み、炭素繊維、ガラスファイバーなどで強化されうる。例えば、一実施形態では、プリフォームはＣＦＲＰの複数のプライを含み、各プライは、異なる方向に配置された繊維を有する。例えば、図３の製造システム３００に示したように、表面３３２を含むプリフォーム３３０の上方部分は、マンドレル３１０の表面３１２の上にレイアップされ、表面３３４を含むプリフォーム３３０の下方部分は、マンドレル３２０の表面３２２の上にレイアップされうる。マンドレル３１０とマンドレル３２０は次に、硬化中にプリフォーム３３０のアウタモールドライン（ＯＭＬ）上に所望の形状を実現するため、接合されうる。

プリフォームはまた、空洞を含む。例えば、図３に示したように、空洞３４０は、（プリフォーム３３０のインナモールドライン（ＩＭＬ）を形成する）内面３３６の境界によって画定される。空洞３４０は開口部３４２を経由してアクセス可能である。開口部３４２は、ページの内外への移動によって、空洞３４０へのアクセスを可能にする。空洞３４０内の内側の隅３３８は、プリフォーム３３０の硬化中に所望の形状を実現するのが特に困難になりうる。

ステップ２０４では、ブラダー１００が空洞３４０内に挿入される。例えば、図３に示したように、様々なサイズ及び／又は形状を有する５個のブラダー１００は、開口部３４２を介して空洞３４０に挿入される。ブラダー１００は、まだ拡張していないペレット１３０を含む。したがって、拡張前のブラダー１００内のペレット１３０の総容積は、内部空間１４０の容積以下である。しかも、ブラダー１００の容積の合計は、空洞３４０の容積を下回る。これは、ブラダー１００が開口部３４２を経由して、空洞３４０内に容易に挿入可能になりうることを意味する。さらなる実施形態では、空洞３４０内の一又は複数のブラダー１００のサイズ、形状、及び／又は配置は、空洞３４０の断面形状に応じて変動しうる。これは、形状及びサイズが変化する空洞を有するプリフォームの圧縮を可能にすることによって、技術的な利点をもたらす。

ステップ２０６では、ペレット１３０の容積は、トリガー条件に応じたペレット１３０内の発泡剤によって増大する。例えば、製造システム３００の全体は硬化温度まで加熱されうる。加熱に反応して、或いは他のトリガー条件に反応して、発泡剤は活性化し、容積が増大し、その結果、ペレット１３０の容積が増大する。例えば、発泡剤は加熱されるにつれて、固相又は超臨界状態からガス状態に遷移し、その結果、ペレット１３０の圧力と容積を高める。トリガー条件のさらなる例には、温度によってトリガーされる化学／物理反応、環境圧力の減圧（ペレットを圧力容器から取り出すことによって起こる減圧で、これによりペレットは大気圧で時間の経過とともに発泡する）、紫外線によってトリガーされる化学反応、及び付加的な部品の混合（例えば、接着剤とペレットの２成分の混合）が含まれる。

ステップ２０８では、ブラダー１００は、ペレット１３０の容積の増大を引き起こすトリガー条件に反応して膨張する。例えば、トリガー条件は、ブラダー１００内のペレット１３０の総容積を、内部空間１４０の容積よりも大きくすることがありうる。これにより、ペレット１３０は、ブラダー１００の柔軟性のある外皮１１０に力を加え、ブラダー１００の柔軟性のある外皮１１０を外向きに押しやる。この柔軟性のある外皮１１０の変形は、ブラダー１００の材料に応じて弾性的に、又は可塑的になりうる。ブラダー１００が膨張している間に、ブラダーはプリフォーム３３０の内面３３６の上方部分に接触し、この部分をマンドレル３１０に押圧する力を加える。ブラダー１００はまた、プリフォーム３３０の内面３３６の下方部分に接触し、この部分をマンドレル３２０に押圧する力を加える。これは、プリフォーム３３０を圧縮し、プリフォーム３３０に所望の形状を強制的に実現する。つまり、プリフォーム３３０は、マンドレル３１０及び／又はマンドレル３２０に対してレイアップされ、次に他のマンドレルに接触するに至る。ブラダー１００を膨張させることにより、プリフォーム３３０をマンドレル３１０とマンドレル３２０に対して押圧する。ペレット１３０がブラダー１００内で自由に移動可能であるため、また、ブラダー１００が柔軟性のある外皮を有するため、ペレット１３０の拡張によってブラダー１００は複雑な表面形状（例えば、プリフォーム３３０の内側の隅）に適合し、押圧する。したがって、ステップ２１０では、プリフォーム３３０はブラダー１００が膨張している間に圧密化される。すなわち、ブラダー１００によって印加される圧力は、マンドレル３１０とマンドレル３２０に対してプリフォーム３３０を圧密化させる役割を果たす。

ステップ２１２では、プリフォーム３３０は、一又は複数のブラダー１００が膨張している間に、硬化して複合材部品になる。したがって、一又は複数のブラダー１００は、硬化処理中にプリフォーム３３０に所望の形状を与え続け、硬化中にプリフォーム３３０が変形したり、つぶれるのを防止する。次に、プリフォーム３３０は硬化が完了して複合材部品になる。いくつかの実施形態では、プリフォーム３３０は（熱硬化性材料の場合には）固化によって硬くなり、一方、他の実施形態では、プリフォーム３３０は（熱可塑性材料の場合には）溶融温度未満に冷却することにより硬化しうる。

ステップ２１４では、一又は複数のブラダー１００は収縮される。これは、発泡剤の容積を減少させるようにペレット１３０を発泡温度未満に冷却すること、或いは他の適切な手段によって、ペレット１３０の容積を減少させることによって実施されうる。さらなる実施形態では、これは、生成されたガスの一部を（例えば、ポートの操作又はブラダー１００の穿刺によって）ブラダー１００の外に放出することによって実施されうる。一又は複数のブラダー１００は次に、収縮した状態にある間に、ステップ２１４で空洞３４０から除去される。収縮状態には、除去を容易にするという技術的なメリットがある。

ペレット１３０を使用することにより、ブラダー１００が空洞３４０内にある隅に適合する能力が高まるため、方法２００は従来の技術よりも有利である。空洞の特徴的な部分（内域など）の近傍にペレット１３０を配置することによって、製造中に架橋及びその他の問題を回避しうる。しかも、ペレット１３０はブラダー１００内に封入されているため、ペレット１３０はプリフォーム３３０が硬化した後に除去可能であり、ペレット１３０が拡張する方向は、ブラダー１００の柔軟性のある外皮１１０のサイズ（並びに、柔軟性のある外皮１１０が作られる材料）に基づいて制御されうる。しかもさらに、ブラダー１００は膨張の促進に使用されるコンポーネントを既に含んでいるため、ブラダー１００を別々の膨張システムに連結する必要はない。これにより、ホースを各ブラダーに接続することが不要になり、ブラダー１００の取付及び除去時の作業が減るという技術的なメリットをもたらす。

図４～図６は、様々な例示的な実施形態で、プリフォームの空洞に挿入されたブラダーの側面図を示している。図４では、完全に拡張したときにブラダー１００が届かない間隙を埋めるため、一又は複数のブラダー１００と共に、充填材ペレット４００が含まれている。空洞３４０内に挿入された充填材ペレット４００は、一又は複数のブラダー１００の外側にある。充填材ペレット４００は、必要であれば、付加的な拡張可能なペレット、或いは、拡張可能でないペレットを含みうる。

さらなる実施形態では、ブラダー１００に加えて、棒状の材料が空洞３４０内に挿入されうる。図５に示した一実施形態では、硬質材料５１０から作られたバー５００（例えば、中空ロッド）がブラダー１００と共に空洞３４０に挿入されている。硬質材料は、アルミニウムなどの硬化温度で溶けない任意の好適な材料、プリフォーム３３０の硬化温度よりも高い溶融温度を有する熱可塑性材料などを含みうる。バー５００は、硬化処理中に用いられる温度よりも高い溶融温度を有する。したがって、ペレット１３０と異なり、バー５００はリサイクルする必要はなく、再使用されうる。そのため、バー５００の使用により、硬化処理時の多数のブラダーやペレットのニーズは減少する。硬化処理中に力がプリフォーム３３０に均等に印加されるように保証するため、バー５００は、拡張後にプリフォーム３３０に接触しない場所に配置されうる。バー５００はまた、要望に応じて中実又は中空であってよく、プリフォーム３３０の硬化処理中に、限られた範囲内の拡張と収縮をもたらす熱膨張係数（ＣＴＥ）を有しうる。

図６に示された一実施形態では、硬質材料６１０のバー６００は、ブラダー１００内に配置される。図５のバー５００のように、バー６００は、プリフォーム３３０の硬化中に使用されるペレット１３０の量を低減し、次に、プリフォーム３３０が硬化されるたびにリサイクルが必要になる材料の量を低減する。

図７は、例示的な実施形態で拡張可能なペレット７００を示している。この実施形態では、ペレット７００は、熱可塑性のポリウレタン、ポリプロピレン、ナイロンなどの拡張可能で柔軟性のある材料のマトリクス７１０を含む。マトリクス７１０は、硬化処理中に溶融しない材料から作られる。マトリクス７１０は、発泡剤７２２が充填される複数の気密性ポケット７２０を画定する。発泡剤７２２は、ガス、粉末、超臨界ガス、又は他のコンポーネントを含む。発泡剤７２２が加熱されると、ガスを放出し、そのガスは気密性ポケット７２０の各々に負荷を加える。例えば、発泡剤７２２は気相に移行し、加熱中は理想気体の法則に従って体積が増大する。発泡剤７２２の拡張は、気密性ポケット７２０の各々のサイズを増大させ、次にペレット７００の容積全体を増大させる。発泡剤７２２は冷却されると、元の容積に戻ることがあり、或いは、大幅に収縮することなく、拡張した形状を保持することもありうる。マトリクス７１０は次に、可塑的に変形又は拡張した状態に留まること、つぶれること、或いは弾性的に元のサイズ及び形状に戻ることがありうる。ペレット７００は、溶融温度までペレット７００を加熱すること、及び、作られたペレット７００の元の材料を再利用することによってリサイクルされうる。これは、使用済みのペレット７００から回収されたリサイクル材料を用いて、新しいペレットが製造されうることを意味する。この実施形態では、ペレット７００は、ペレット形状、円筒形、球形、米粒に似た形状を含み、未拡張状態にあるときには、１マイクロメートルから１００ミリメートルの範囲内にサイズになる。

図８は、さらなる例示的な実施形態で、拡張可能なペレット８００を示している。図７とは異なるこの実施形態では、ペレット８００は、密閉空間８２０内に一群の核８３０を封じ込めた柔軟性のある膜８１０を有する「マイクロバルーン」を含む。柔軟性のある膜８１０は、硬化処理中に溶融しない材料から作られる。密閉空間８２０内に配置された核８３０は発泡剤を含む。あるトリガー条件（例えば、プリフォーム３３０の硬化温度未満の活性化温度）で、核８３０内の発泡剤はガスを放出する。このガスは核８３０に圧力を加え、その直径を（例えば、１０％から１００％、或いはそれ以上）増大させる。核８３０の容積の増大は次にペレット８００の容積を増大させる。この実施形態では、ペレット８００は、未拡張状態にあるとき、直径が１マイクロメートルから１０ミリメートルの範囲内にある。

図９は、例示的な実施形態で、繊維強化されたブラダー９００を示している。この実施形態では、ブラダー９００の柔軟性のある外皮９１０は、所定のサイズ及び形状を超えて拡張するブラダー９００の抵抗を高める繊維９２０によって強化されている。したがって、繊維９２０は、ブラダー９００の拡張の大きさを制御する。繊維９２０は、適切な配向、又は配向の組み合わせを想定しうる。ブラダー９００が所望のサイズと形状を超えて膨張するとき、繊維９２０は緊張状態にあり、さらなる拡張に抵抗するブラダー９００の能力を大幅に高めている。ブラダー９００にペレットが過剰に充填されているとき、ブラダー９００が破裂又は過大に拡張しないように防止することによって、ブラダー９００は技術的なメリットをもたらしうる。ブラダー９００はまた、ブラダー９００の拡張方法に影響を与えることを目的とした繊維を含みうる。例えば、様々なパターン、配向又は方向で繊維を配置することにより、ブラダー９００を様々な方向に拡張することを可能にしうる。

さらなる実施形態では、ブラダーの拡張は、ブラダー内のペレットの数及び／又は種類を調整すること、柔軟性のある外皮１１０の厚み又は柔軟性のある外皮１１０が作られる材料を調整すること、ブラダーの形状を調整すること、各ペレット内の発泡剤の量又は各ペレット内の発泡剤の種類を調整すること、ブラダー内の各ペレットのサイズを調整すること、などによって制御されうる。ブラダーでの遷移の配向及び配置はまた、充填される空洞の形状に適合するように、ブラダーの成形に役割を果たす。

なおさらなる実施形態では、空洞３４０の形状の中空シェル（図示せず）には、上述のブラダー１００が充填されうる。また、中空シェルはプリフォーム３３０の空洞３４０内に挿入されうる。中空シェルは除去されて、プリフォーム３３０の硬化中に機械的な支持を提供するため、代わりにブラダー１００が残されることもありうる。

実施例
以下の実施例において、追加の処理、システム、及び方法が、複合材プリフォームの硬化システムに関連して説明される。

図１０は、例示的な実施形態での硬化システム１０００のブロック図である。図１０によれば、硬化システム１０００は、マンドレル１０１０とマンドレル１０２０を含む。プライ１０３２がマンドレル１０１０に接触し、プライ１０３２がマンドレル１０２０に接触するように、プリフォーム１０３０はこれらのマンドレルに対してレイアップされる。各プライは繊維１０３４、並びに樹脂１０３６を含む。複数のプライ１０３２は共に、ブラダー１０５０によって充填される空洞１０４０を形成する。ブラダー１０５０には、拡張可能なペレット１０６０、並びに、空洞１０４０内で自由に動けるペレット１０７０が充填される。ペレット１０６０は、温度上昇に反応して拡張する発泡剤１０６２を含み、ペレット１０７０は、発泡剤１０６２と同様な方法で作動する発泡剤１０７２を含む。

図面をより具体的に参照すると、本開示の実施形態は、図１１に示す航空機の製造及び保守方法１１００、及び図１２に示す航空機１１０２に照らして記載されうる。製造前の段階では、方法１１００は、航空機１１０２の仕様及び設計１１０４と、材料の調達１１０６とを含むことができる。製造段階では、航空機１１０２のコンポーネント及びサブアセンブリの製造１１０８と、システムインテグレーション１１１０とが行われる。その後、航空機１１０２は、認可及び納品１１１２を経て、運航１１１４に供されうる。顧客によって運航されている期間中、航空機１１０２には、定期的な整備及び保守１１１６（改変、再構成、改修なども含みうる）が予定される。本書で具現化される装置及び方法は、方法１１００に記載されている製造及び保守の一又は複数の任意の適切な段階（例えば、仕様及び設計１１０４、材料の調達１１０６、コンポーネント及びサブアセンブリの製造１１０８、システムインテグレーション１１１０、認可及び納品１１１２、運航１１１４、整備及び保守１１１６）及び／又は航空機１１０２の任意の適切なコンポーネント（例えば、機体１１１８、システム１１２０、内装１１２２、推進システム１１２４、電気システム１１２６、油圧システム１１２８、環境システム１１３０）で採用されうる。

方法１１００の各処理は、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）によって実施又は実行されうる。本書の目的では、システムインテグレータは、任意の数の航空機製造業者及び主要システム下請業者を含みうるがそれらに限定されず、第三者は、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含みうるがそれらに限定されず、かつ、オペレータとは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

図１２に示すように、方法１１００によって製造された航空機１１０２は、複数のシステム１１２０及び内装１１２２を備えた機体１１１８を含みうる。システム１１２０の例は、推進システム１１２４、電気システム１１２６、油圧システム１１２８、及び環境システム１１３０のうち一又は複数を含む。任意の数の他のシステムも含まれうる。航空宇宙の例が示されているが、本発明の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用されうる。

上述のように、ここで具現化される装置及び方法は、製造及び保守方法１１００の一又は複数の任意の段階で採用されうる。例えば、コンポーネント及びサブアセンブリの製造１１０８に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機１１０２の運航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリと同様の方法で製作又は製造されうる。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせは、例えば、航空機１１０２の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機１１０２のコストを削減することにより、サブアセンブリの製造１１０８及びシステムインテグレーション１１１０の段階で利用することができる。同様に、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のうちの１つ以上を、航空機１１０２の運航中に、例えば限定しないが、保守及び整備１１１６に利用することができる。例えば、本書に記載の技法及びシステムは、材料の調達１１０６、コンポーネント及びサブアセンブリの製造１１０８、システムインテグレーション１１１０、サービス１１１４、及び／又は整備及び保守１１１６に、及び／又は、機体１１１８及び／又は内装１１２２に、使用されうる。これらの技法及びシステムは、例えば、推進システム１１２４、電気システム１１２６、油圧システム１１２８、及び／又は環境システム１１３０を含むシステム１１２０にも、利用されうる。

一実施形態では、部品は、機体１１１８の一部を備え、コンポーネント及びサブアセンブリの製造１１０８中に製造される。この部品は、次に、システムインテグレーション１１１０において航空機に組み込まれ、その後、摩耗により部品が使用不能となるまで運航１１１４において利用されうる。その後、整備及び保守１１１６において、部品は廃棄され、新たに製造された部品と交換されうる。本発明のコンポーネント及び方法は、新しい部品を製造するため、コンポーネント及びサブアセンブリの製造１１０８の期間中にわたって利用されうる。

本書中で図示又は記載された種々の制御要素（例えば電気又は電子コンポーネント）のいずれもが、ハードウェア、プロセッサ実装ソフトウェア、プロセッサ実装ファームウェア、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装されうる。例えば、ある要素は、専用ハードウェアとして実装されうる。専用ハードウェア要素は、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は同様の何らかの専門用語で称されることがある。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又はいくつかが共有されうる複数の個別のプロセッサによって提供されうる。さらに、「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することができるハードウェアのみを表わすと解釈されるべきでなく、限定するものではないが、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）又はその他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェア格納用の読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、論理若しくは何らかの他の物理ハードウェアコンポーネント又はモジュールが黙示的に含まれてもよい。

また、制御要素は、プロセッサ又はコンピュータによって実行可能な命令として実装されて、その要素の機能を実行することができる。命令のいくつかの例は、ソフトウェア、プログラムコード、及びファームウェアである。命令は、プロセッサによって実行されると動作可能になって、その要素の機能を実行するようにプロセッサへ指示する。命令は、プロセッサが読むことができる記憶デバイスに格納されうる。記憶デバイスのいくつかの例は、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスク及び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である。

特定の実施形態が本明細書に記載されているが、本開示の範囲は、これらの特定の実施形態に限定されない。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその均等物によって定められる。

Claims (16)

1. 複合材部品の製造方法であって、
   繊維強化材料から作られ、空洞を含むプリフォームをレイアップすること（２０２）と、
   前記空洞内に、拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入すること（２０４）と、
   トリガー条件に反応して前記ブラダーを膨張させること（２０８）と、
   前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを圧密化すること（２１０）と、
   前記ブラダーを収縮させること（２１４）と、
   前記空洞から前記ブラダーを除去すること（２１６）と、
   を含む製造方法。
2. 前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを複合材部品へと硬化すること（２１２）をさらに含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記ペレット内の発泡剤によって前記拡張可能なペレットの容積を増大させることをさらに含み、
   前記ブラダーの膨張は、増大する前記ペレットの前記容積によって引き起こされる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記トリガー条件に反応して前記発泡剤からガスを放出することによって、前記ペレットの前記容積を増大させることをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 前記ブラダーの外側にある前記空洞に充填材ペレットを挿入することをさらに含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 追加の拡張可能なペレットが充填された追加のブラダーを前記空洞に挿入することをさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記空洞の断面形状に基づいて、前記空洞内に前記ブラダーを配置することをさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 前記ブラダーの膨張の前にマンドレルに対して前記プリフォームをレイアップすることをさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記トリガー条件は、温度トリガー反応、減圧、紫外線トリガー化学反応、及び付加的な部品の混合からなる群から選択される、請求項１から８のいずれか一項に記載の方法。
10. プログラミングされた命令を具現化する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、前記命令は、プロセッサによって実行されると、複合材部品を製造するための方法を実施するように動作可能であり、前記方法は、
    繊維強化材料から作られ、空洞を含むプリフォームをレイアップすること（２０２）と、
    前記空洞内に、拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入すること（２０４）と、
    トリガー条件に反応して前記ブラダーを膨張させること（２０８）と、
    前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを圧密化すること（２１０）と、
    前記ブラダーを収縮させること（２１４）と、
    前記空洞から前記ブラダーを除去すること（２１６）と、
    を含む、非一過性のコンピュータ可読媒体。
11. 複合材部品を製造するためのコンピュータプログラムであって、
    繊維強化材料から作られ、空洞を含むプリフォームをレイアップすること（２０２）と、
    前記空洞内に、拡張可能なペレットが充填された一又は複数のブラダーを挿入すること（２０４）と、
    トリガー条件に反応して前記ブラダーを膨張させること（２０８）と、
    前記ブラダーが膨張している間に前記プリフォームを圧密化すること（２１０）と、
    前記ブラダーを収縮させること（２１４）と、
    前記空洞から前記ブラダーを除去すること（２１６）と
    をプロセッサに実行させる、コンピュータプログラム。
12. 複合材部品を製造するための装置であって、
    膨張及び収縮可能なブラダー（１００）と、
    前記ブラダーの内部空間（１４０）内に配置され、発泡剤（７２２）を含む拡張可能なペレット（１３０）と、
    を含む装置。
13. 前記発泡剤は、トリガー条件に反応して前記拡張可能なペレットのサイズを大きくする、請求項１２に記載の装置。
14. 前記拡張可能なペレットはそれぞれ、発泡剤が充填される気密性のポケット（７２０）を有する柔軟性のある材料のマトリクス（７１０）を含む、請求項１２又は１３に記載の装置。
15. 前記拡張可能なペレットはそれぞれ、
    密閉空間（８２０）を画定する柔軟性のある膜（８１０）と、
    前記発泡剤を含む、前記密閉空間内に配置された核（８３０）と、
    を含むマイクロバルーン（８００）を含む、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の装置。
16. 前記ブラダーの柔軟性のある外皮（９１０）は、前記ブラダーの拡張量を制御する繊維（９２０）で強化されている、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の装置。

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