JPH10511052A - 複合構造内に部材を挿入するためのシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 複合構造内に補強ピンを挿入するための方法およびシステムであって、圧縮性材料（２８）内に所定数の補強ピン（２２、２４、２６）を挿入し；圧縮性材料／ピンの組合せ体を複合構造上に配置し；ピンに対して超音波エネルギーを印加し；超音波トランスデューサ（３４）による超音波エネルギーの印加と同時に、圧縮性材料に対して圧力を印加し、これにより、圧縮性材料を押圧してピンを複合構造内に挿入し、２つのラミネート（３０、３２）の連結を達成する、あるいは、単一複合構造の補強を達成する。

Description

【発明の詳細な説明】 複合構造内に部材を挿入するためのシステム 発明の属する技術分野 本発明は、超音波エネルギーおよび圧力を利用して、複合構造内に補強部材を 挿入するための方法およびシステムに関するものである。 発明の背景 強度対重量比が大きいことにより、複合構造が使用される。しかしながら、複 合部材の固定方法が、しばしば問題となる。例えば、航空機の構造用スキン部材 を支持ストリンガーに対して取り付けるには、ボルトおよび／またはリベットを 使用することができる。しかし、このような固定であると、重量が増加してしま ったり、製造コストが増大してしまったり、さらに、ラミネート複合体の層どう しの間における局所破損モードに寄与してしまったりする。また、２つの複合部 材を連結するために、半田づけが使用される（米国特許明細書第５，０２１，１ ０７号参照）。しかし、負荷がかかった場合に２つの複合部材間の完全な連結を 維持し得るほどの十分な強度が、常に得られるわけではない。 本出願人は、構造部材の厚さ方向に貫通させて、ボロンファイバのようなピン を挿入することにより、剥離やクラックを防止するための複合構造の補強が行え ることを、見い出した。ピンは、熱的に減圧可能なフォームボディ内に挿入され 、フォームボディは、複合部材上に配置される。オートクレーブ内において、印 加する温度および圧力を増大させることにより、ピンを複合部材の厚さ方向に挿 入することができる。これに関しては、米国特許明細書第４，８０８，４６１号 を参照されたい。 近年、本出願人によって、ピンを互いに連結すべき２つの複合構造内に挿入し 得ること、および、２つの接合体を貫通して延在しているピンによって連結され たこのような構造は、半田づけだけによって形成された連結構造よりも強度が大 きいこと、および、固定手段としてのリベットやボルトに対して意義深い利益を もたらし得ること、が示された。これに関しては、米国特許出願第０８／０５６ ，０２９号および米国特許明細書第５，１８６，７７６号を参照されたい。 さらに、従来技術においては、航空機ウィングのスキン／ストリンガー構造の ような複合構造を連結するためのピンの挿入方法において、簡便さを欠いている 。というのは、このような構造は、そう簡単には、オートクレーブ内に入らない からである。 発明の概要 したがって、本発明の目的は、複合材料内へと補強ピンを挿入するための改良 された方法およびシステムを提供することである。 また、本発明の目的は、オートクレーブを使用する必要がないような、また、 オートクレーブ内で使用される温度を上げる必要がないような、複合構造内へと 補強ピンを挿入するための方法およびシステムを提供することである。 また、本発明の目的は、１つの複合ラミネートを他の複合ラミネートに対して 連結するのに使用可能な、半田づけや、リベットタイプまたはボルトタイプの固 定手段を使用することなく、複合ラミネートどうしの間に連結を形成し得るよう な、複合構造内へと補強ピンを挿入するための方法およびシステムを提供するこ とである。 また、本発明の目的は、複合構造を補強し得るような、複合構造内へと補強ピ ンを挿入するための方法およびシステムを提供することである。 また、本発明の目的は、製造コストを低減し得るとともに、局所破損モードに 寄与しないような、複合構造内へと補強ピンを挿入するための方法およびシステ ムを提供することである。 本発明は、超音波エネルギーおよび圧力を、複合構造内にピンを挿入するため に利便的に使用することによって得られるものであって、これにより、オートク レーブのような、温度と圧力とを増大させるような外部ソースの必要性を排除し 得るものである。本発明においては、さらに、超音波エネルギーによってピンを 加熱する。これにより、ピンを、複合構造内に容易に挿入することができる。こ の場合、複合構造の個々の層を傷めることがない。また、挿入時にピン近傍の材 料が溶融し、これにより、２つの複合構造どうしの連結強度をさらに増大させる ことができる。本発明の方法およびシステムは、２つの複合部材の連結に、およ び／または、１つの複合部材の補強に、使用することができる。 本発明は、複合構造内に補強ピンを挿入するための方法およびシステムを、特 徴としており、また、好適に備えている、有している、あるいは、本質的にその ような方法およびシステムから構成されている。本発明による方法においては、 圧縮性材料内に所定数の補強ピンを挿入し；圧縮性材料／ピンの組合せ体を複合 構造上に配置し；ピンに対して超音波エネルギーを印加し；同時に、圧縮性材料 に対して圧力を印加し、これにより、圧縮性材料を押圧してピンを複合構造内に 挿入する。 圧縮性材料／ピンの組合せ体を複合構造上に配置するに際しては、圧縮性材料 ／ピンの組合せ体を、複数のラミネート構造の連結に供される２つまたはそれ以 上のラミネート構造どうしの連結領域の近傍に配置する。圧縮性材料／ピンの組 合せ体を複合構造上に配置するに際しては、また、圧縮性材料／ピンの組合せ体 を、ラミネート構造の補強に供されるラミネート構造の上に配置する。複合構造 は、加硫されたファイバマトリクス構造とすることができる。複合構造は、また 、未加硫のファイバマトリクス構造とすることができる。 本発明による方法においては、さらに、圧縮性材料への圧力印加時において圧 縮性材料内での補強ピンの向きを適正に維持するために、圧縮性材料の少なくと も一面に、スクリーン層を付加する。 複合構造内に補強ピンを挿入するための本発明によるシステムにおいては、圧 縮性材料の内部に挿入配置された所定数の補強ピンと；ピンに超音波エネルギー を印加するための超音波デバイスと；圧縮性材料を押圧してピンを複合構造内に 挿入するために、超音波エネルギーの印加と同時に、ピンに対して圧力を印加す るための手段と；を具備している。 複合構造は、連結されるべき少なくとも２つのラミネート構造、あるいは、補 強されるべきラミネート構造、を備えている。複合構造は、加硫されたファイバ マトリクス構造、あるいは、未加硫のファイバマトリクス構造、を備えている。 圧縮性材料は、この圧縮性材料への圧力印加時においてこの圧縮性材料内での 補強ピンの向きを適正に維持するために、圧縮性材料の少なくとも一面に、スク リーン層を備えることができる。 好ましい実施形態の説明 他の目的、特徴点、および、利点は、添付図面を参照した以下の好ましい実施 形態の説明により、当業者であれば理解されるであろう。 図１は、典型的には航空機ウィング部分をなす、ストリンガーによって構造的 に補強された２つのラミネートを示す概略的な断面図である。 図２Ａ〜図２Ｃは、２つのラミネートの厚さ方向に補強ピンを挿入するために 使用される方法およびシステムを示す概略的な断面図である。 図３は、図２Ａ〜図２Ｃの方法によって挿入された補強ピンを示す概略的な斜 視図であって、２つのラミネート間に連結を形成する様子が示されている。 図４は、ラミネートの個々の層を補強するために、単一のラミネート内に挿入 されたピンを示す概略的な斜視図である。 図５は、本発明の超音波ホーンの適用時にピンの向きを維持するために付加さ れたスクリーン材料層を備えた、フォームボディ／ピンの組合せ体を示す概略的 な斜視図である。 図１は、航空機ウィング部分として知られているような、ストリンガー１４に よって構造的に補強された２つのラミネート１０、１２を示している。上記の発 明の背景の項で説明したように、ラミネート１２をストリンガー１４に対して連 結するために、符号１６で示すようなボルトタイプまたはリベットタイプの固定 手段を使用すると、重量が増大してしまったり、製造コストが増大してしまった り、さらに、ラミネート／ストリンガー界面におけるあるいはラミネートの層１ ３、１７どうしの間にさえおける局所破損モードに寄与してしまったりする。他 方、すべての応用に関して、米国特許明細書第４，８０８，４６１号に記載され ているように、ラミネート１２とストリンガー１４とに貫通させてピンを挿入す るために、オートクレーブを使用することは、実用的ではない。 本発明においては、図２Ａに示すように、複数のピン２２、２４、２６が、ま ず、フォームボディ２８内に挿入され、その後、ラミネート３２に対して連結さ れるべきラミネート３０上に、フォームボディ／ピン組合せ体が配置される。そ して、超音波トランスデューサ３４が、ピン２２、２４、２６に対して超音波エ ネルギーを印加するために使用される。これと同時に、図２Ｂにおいて力Ｆで示 すような圧力が印加され、フォームボディ２８が圧縮されるとともに、各ラミネ ートの個別層に劣化をもたらすことなく、ピン２２、２４、２６が図示のように ラミネート３０、３２の厚さ寸法を貫通して挿入される。フォームボディ２８は 、超音波エネルギーおよび圧力を印加するステップ時においては、ピンを便宜的 に適正な向きに維持する。また、超音波エネルギーを使用することにより、図２ Ｃにおいて符号３４、３６で示すように、ピン２２回りに、局所的な溶融が引き 起こされる。このことは、ラミネート３０、３２間の接合を、より強力なものと する。 このようにして、ラミネート３０がラミネート３２に対して（あるいは、図１ においては、ラミネート１０、１２がストリンガー１４に対して）、ボルトタイ プまたはリベットタイプの固定手段を使用することなく、また、ラミネートの個 々の層を一切劣化させることなく、連結される。 図３には、図２Ａ〜図２Ｃを参照して上述した方法に基づいて超音波エネルギ ーおよび圧力を使用することにより、図示のように、一端において列をなすピン ４４、４６、４８によって、また、他端において列をなすピン５０、５２、５４ によって、連結された２つの複合材料を示している（ピンを同じ高さに揃えた後 の様子が図示されている）。 また、図４に示すように、単一のラミネート６０を、図示のように、列をなす ピン６２、６４を挿入することによって補強することができる。この補強により 、オートクレーブを使用することなく、米国特許明細書第４，８０８，４６１号 に記載されているように、ラミネート６０をｚ方向に補強することができる。 図２Ａに示すようなボディ２８は、ＲＴＶシリコンラバーのような弾性材料、 ＦＩＢＥＲ ＦＯＲＭ（登録商標）グラファイト絶縁、ＫＡＷＯＯＬ（登録商標 ）セラミクス絶縁、フェノールをベースとするフォーム、ファイバガラス、ポリ アミドをベースとする絶縁、メラミン、Ｒｏｈａｃｅｌｌ（登録商標）、Ｐｏｌ ｙｍａｔｈａｃｒｙｌｉｍｉｄｅ（登録商標）、Ｄｉｖｅｎｅｙｃｅｌｌ（登録 商標）、クロスリンクしたポリビニル、Ｋｌｅｇｅｃｅｌｌ（登録商標）をベー スとした堅固なポリ塩化ビニル、フォーム、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ポリエ ステル、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリスチレン、ポリイ ミド、セルロース、アセテート、シリコーン、ポリベンゾイミダゾール、ポリビ ニル、ＰＥＥＫ、ポリエチルエーテルケトン、ＰＰＳ、ポリフェロンラインサル ファイド（Polyphelonlynesulfide）、カーボン、および、グラファイト、を備 えた、圧力下で圧縮可能な材質とすることができる。 補強ピン２２、２４、２６は、アルミニウム、ボロン、カーボン、グラファイ ト、ケブラー、ステンレス鋼、チタン、タングステン、ガラス、シリコンカーバ イド、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、堅固なフェノール、堅固なポリイ ミド、堅固なエポキシ、熱プラスチック、および、このような材料の複合体とす ることができる。補強ピン２２、２４、２６は、数値制御機械や当業者には公知 の他の手段によって、フォームボディ２８内に挿入される。各々が約０．１ｍｍ の直径とされたロッドまたはファイバまたはピン２２、２４、２６からなる配列 が、約１．５ｍｍのファイバどうしの間隔でもって、ボディ２８内に配置される 。ピンの直径、長さ、および、配置間隔は、補強されるべき複合構造の幾何形状 、あるいは、形成されるべき連結の幾何形状に依存する。 ラミネート３０、３２は、既に加硫された樹脂マトリクス内のファイバ、プレ ペグ（prepeg）として組み合わされた未加硫樹脂内のファイバ、ファイバ状材料 からなるプレフォーム材料、および、粘着性付与剤、あるいは、まだ含浸されて いないつや消しの生ファイバ、から形成されたファイバマトリクス構造すること ができる。ファイバマトリクス構造をなす個々の層を固定するために使用される 樹脂は、エポキシポリマイド（epoxy polymides）、ビスマレイミド、フェノー ル（phenolics）、ポリシアヌレート（polycyanurate）、ＰＥＥＫ、ポリエーテ ルケトン、ＰＰＳ、ポリフェノールサルファイド、ＡＶＡＭＩＤ、ポリマイド（ polymides）、ポリエステル、および、ビニルエステルとすることができる。 必要に応じて、湾曲形状を有したファイバマトリクスラミネート構造が要望さ れた場合には、圧縮可能なフォームボディ２８を、連結または補強されるべき複 合構造の外形形状に適合するように、熱形成することができる。図２Ａに示すよ うな超音波トランスデューサ３４は、Ｂｒａｎｓｏｍ社から入手可能なモデルＴ Ｗ２であり、これには、Ｂｒａｎｓｏｍ社の電源であるモデルＥ１５０が接続さ れている。超音波トランスデューサ３４は、所定長さのＳｃｏｔｃｈテープでも って、フォームボディ／ピンの組合せ体がラミネート３０、３２の近傍に固定さ れた後に、ドリルプレス内において、フォームボディ２８上に配置された。その 後、超音波トランスデューサが２０ｋＨｚの周波数にまで励起され、約２０〜３ ０ｆｔ．ｌｂ．くらいの印加圧力でもって、ドリルプレスを使用して、フォーム ボディを押圧した。ホーン３４の先端３５の面積は、幅．５”かつ長さ．４３５ ”に限定され、同時に約４つのピンを挿入するために使用された。パワーおよび 溶着時間は、特定の用途に応じて変化させることができる。実験例においては、 ７５％のパワーおよび２．０ｓｅｃの溶着時間であると、プレフォーム内のステ ンレス鋼製のまたは同様のピンを、複合材料内に挿入するに際して、良好な結果 が得られることがわかった。 その結果、連結された複合材料構造、および／または、補強された複合構造が 得られる。この場合、オートクレーブを使用する必要がなく、温度を上げる必要 もない。また、ボルトやリベットといった従来の固定手段を使用した際に固有の 限定も存在しない。 図５に示すように、フォームボディ７０内におけるピン７２の配列が比較的厚 くなってしまうような場合には、圧力印加の下で超音波トランスデューサを適用 した時に、ピンがフォームボディ構造の質を落とし、フォームボディがピンを適 正な位置に支持することが困難となってしまう。したがって、本発明のある実施 形態においては、スクリーン層７６をフォームボディに配置して、ピン７２、７ ４を、図示のように、スクリーン層７６の格子内に挿入する。このようにすれば 、圧力印加時に、スクリーン層によって、ピンを適正な向きに維持することがで きる。また、フォームボディの反対側に、他のスクリーン層（図示せず）を設け ることもできる。 本発明の特定の特徴点について例示したけれども、この例示は、便宜的なもの に過ぎず、いくつかの特徴点を、本発明のいくつかのまたはすべての特徴点と任 意に組み合わせることができる。 当業者であれば、添付の請求範囲内において、他の形態を採用することができ る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 マギー， コンスタンス アメリカ合衆国 マサチューセッツ 01460 リットルトン フォスター スト リート 63

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．複合構造内に補強ピンを挿入するための方法であって、 圧縮性材料内に所定数の補強ピンを挿入して圧縮性材料／ピンの組合せ体を形 成し； 前記圧縮性材料／ピンの組合せ体を、樹脂マトリクス内にファイバを有してな る複数の層を備えてなる複合構造上に、配置し； 前記ピンに対して超音波エネルギーを印加し； 同時に、前記圧縮性材料に対して圧力を印加し、これにより、前記圧縮性材料 を押圧して前記ピンを前記複合構造内に挿入することを特徴とする方法。 ２．圧縮性材料／ピンの組合せ体を複合構造上に配置するに際しては、前記圧縮 性材料／ピンの組合せ体を、複数のラミネート構造の連結に供される２つまたは それ以上のラミネート構造どうしの連結領域の近傍に配置することを特徴とする 請求項１記載の方法。 ３．圧縮性材料／ピンの組合せ体を複合構造上に配置するに際しては、前記圧縮 性材料／ピンの組合せ体を、ラミネート構造の補強に供されるラミネート構造の 上に配置することを特徴とする請求項１記載の方法。 ４．前記複合構造が、前記樹脂マトリクスが加硫されている、加硫されたファイ バマトリクス構造を備えていることを特徴とする請求項１記載の方法。 ５．前記複合構造が、前記樹脂マトリクスが加硫されていない、未加硫のファイ バマトリクス構造を備えていることを特徴とする請求項１記載の方法。 ６．さらに、 前記圧縮性材料への圧力印加時において前記圧縮性材料内での前記補強ピンの 向きを適正に維持するために、前記圧縮性材料の少なくとも一面に、スクリーン 層を付加することを特徴とする請求項１記載の方法。 ７．樹脂マトリクス内にファイバを有してなる複数の層を備えてなる複合構造内 に、補強ピンを挿入するためのシステムであって、 内部に所定数の補強ピンが配置された圧縮性材料と； 前記ピンに超音波エネルギーを印加するための超音波デバイスと； 前記圧縮性材料を押圧して前記ピンを前記複合構造内に挿入するために、超音 波エネルギーの印加と同時に、前記ピンに対して圧力を印加するための手段と； を具備することを特徴とするシステム。 ８．前記複合構造は、連結されるべき少なくとも２つのラミネート構造を備えて いることを特徴とする請求項７記載のシステム。 ９．前記複合構造は、補強されるべきラミネート構造を備えていることを特徴と する請求項７記載のシステム。 １０．前記複合構造は、前記樹脂マトリクスが加硫されている、加硫されたファ イバマトリクス構造を備えていることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １１．前記複合構造は、前記樹脂マトリクスが加硫されていない、未加硫のファ イバマトリクス構造を備えていることを特徴とする請求項７記載のシステム。 １２．前記圧縮性材料は、この圧縮性材料への圧力印加時においてこの圧縮性材 料内での前記補強ピンの向きを適正に維持するために、前記圧縮性材料の少なく とも一面に、スクリーン層を備えていることを特徴とする請求項７記載のシステ ム。