JP2012504183A - 未硬化の複合積層体の皺の低減 - Google Patents

Abstract

皺に振動及び圧力を加えることにより、未硬化の複合積層体の繊維強化樹脂層から皺が除去される。

Description

本発明は概して複合積層体の加工に関し、さらに具体的には未硬化の積層体の皺を低減する方法に関するものである。

複数層の未硬化プリプレグを積層して、複合積層体を形成するプロセスの間に、しばしば一又は複数の層に皺が形成される場合がある。皺は非限定的に、積層プロセス中に変形した層、及び／又は、未硬化樹脂の粘着性によって発生する強化繊維間の比較的強い摩擦によるものであり得る。皺により硬化積層体の空隙又は切れ目が起きる可能性があるため望ましくない。

過去においては、未硬化の積層体に起こる皺は、皺を伸ばしやすい手動ツールを使用して皺を手で「こする」ことによって、皺に熱及び圧力を加えて取り除くことができた。皺を取り除くこの先行技術は時間がかかり、ある場合には効果がないこともある。

したがって、迅速で効果的であり、皺の改善プロセス中に強化繊維を実質的に変えることがない、未硬化の繊維強化樹脂の積層体から皺を低減する又は取り除く方法が必要である。

積層プロセス中に未硬化積層体に形成される皺は、高周波数、低振幅振動と圧力を組合せて皺に加えることによって実質的に低減する又は取り除くことができる。皺低減プロセスは効果的であり、強化繊維の望ましくない変化又は乱れが最小限に抑えられる。未硬化積層体の皺の低減は、手動でこする先行技術と比べて短い時間で行うことができ、これによりこの方法を高速製造用途に用いることができ、皺の低減プロセスを行うために必要な特別な機器も最小限に抑えることができる。

開示の方法は、層の遷移領域の上に形成されたハットスティフナー、Ｃ及びＺフレーム等のドレープ形成部品の内側脚部、及び航空機用のＩ形状の翼ストリンガーの特定領域の場合のように、積層体の層が互いにくっつきやすい所の皺を低減する又は除去するのに特に効果的である。

ある開示の方法の実施形態によれば、繊維強化プリプレグ樹脂層の皺を低減する方法は、皺に振動を与えることを含む。トランスデューサのヘッドを層と接触させて、トランスデューサを励起して振動を起こさせ、トランスデューサのヘッドを皺の上で動かすことによって、皺に振動を与えることができる。振動は高周波数及び低振幅のものであることが好ましい。トランスデューサのヘッドによって強化繊維が変形又は変化しないように、保護シートをトランスデューサのヘッドと層の間に配置することができる。皺の低減を促進するために、トランスデューサのヘッドを介して皺に圧力を加えることができる。

別の方法の実施形態では、未硬化複合積層体の皺を低減する方法は：ヘッドを使用して皺のある領域の積層体に圧力を印加し；積層体に圧力をかけながら、ヘッドを皺の上で動かし；ヘッドで積層体に圧力をかけながら、ヘッドを振動させることによって皺に振動を加えることを含む。積層体の強化繊維を保護するために、ヘッドと皺の領域の積層体の間にシートを配置することができ、シートにヘッドを押し付けることによって、ヘッドによって積層体に圧力をかけることができる。ヘッドは高周波数、低振幅の信号を使用して励起することができる。

さらなる方法の実施形態によれば、複合航空機サブアセンブリを加工する方法は：複数層の繊維強化複合積層体を形成し、ここで複数層のうちの少なくとも１つの層が皺を含み；トランスデューサのヘッドを使用して皺の領域の少なくとも１つの層に圧力を印加して、トランスデューサのヘッドを層の上で動かすことによって皺を低減し；トランスデューサのヘッドで少なくとも１つの層に圧力をかけながら、トランスデューサのヘッドを励起して振動させ；積層体を成形し；そして積層体を硬化させることを含む。本方法はさらに、積層体の少なくとも一部の上に平坦なシートを配置して平坦なシートで皺をカバーし、シートにトランスデューサのヘッドを押し付けることによって、少なくとも１つの層に圧力を印加し；次に、皺が低減された後に、積層体からシートを取り外すことを含むことができる。

１０．未硬化の複合積層体の皺を低減する方法であって：
ヘッドを使用して皺の領域の積層体に圧力を印加し；
積層体に圧力を掛けながら、皺の上でヘッドを動かし；
ヘッドで積層体に圧力を掛けながら、ヘッドを振動させることによって皺に振動を印加する
ことを含む方法。
１１．皺の領域の積層体の上にシートを配置することによって積層体を保護することをさらに含み、
シートにヘッドを押し付けることによって、ヘッドによって積層体に圧力が印加される、
請求項１０に記載の方法。

１２．ヘッドを振動させることが、高周波信号でヘッドを励起することを含む、請求項１０に記載の方法。
１３．ヘッドを励起することが、約１５０００〜７００００Ｈｚの周波数を有する信号でヘッドを励起することを含む、請求項１２に記載の方法。
１４．ヘッドを振動させることが、低振幅信号でヘッドを励起することを含む、請求項１０に記載の方法。

１５．低振幅信号でヘッドを励起することが、約０．０００５〜０．００５インチの振幅を有する信号をヘッドへ送ることを含む、請求項１４に記載の方法。
１６．シートが、ヘッドを押し付ける実質的に平坦な保護面を含む、請求項１１に記載の方法。
１７．少なくとも皺の領域の層を加熱することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。

１８．複合航空機サブアセンブリを加工する方法であって：
複数層の繊維強化複合積層体を形成し、複数層のうちの少なくとも１つの層が皺を含み；
皺を、
トランスデューサのヘッドを使用して、皺の領域の少なくとも１つの層に圧力を印加し、
トランスデューサのヘッドを層の上で動かし、
トランスデューサのヘッドが少なくとも１つの層に圧力をかけている間に、トランスデューサのヘッドを励起して振動させる
ことによって低減し；
積層体を成形し；
積層体を硬化させる
ことを含む方法。

１９．さらに：
積層体の少なくとも一部の上に平坦なシートを配置することによって、平坦なシートで皺をカバーし；
皺が低減された後で、積層体からシートを取り外す
ことを含み、
トランスデューサのヘッドを使用して少なくとも１つの層に圧力を印加することが、トランスデューサのヘッドをシートに押し付けることを含む、
請求項１８に記載の方法。
２０．トランスデューサのヘッドを励起して振動させることが、トランスデューサのヘッドに高周波励起信号を送ることを含む、請求項１８に記載の方法。

２１．高周波励起信号を送ることが、約１５０００〜７００００Ｈｚの周波数を有する信号を送ることを含む、請求項２０に記載の方法。
２２．信号が低振幅を有する、請求項２１に記載の方法。
２３．信号の振幅が約０．０００５〜０．００５インチである、請求項２２に記載の方法。
２４．皺の領域の少なくとも１つの層を加熱する
ことをさらに含む、請求項１８に記載の方法。

２５．複合航空機サブアセンブリを加工する方法であって：
複数層の繊維強化複合積層体を形成し、積層体が皺を含み；
皺を、
実質的に平坦なシートを積層体の上に配置して皺をカバーし、
トランスデューサのヘッドをシートに接触させ；
トランスデューサのヘッドを皺の領域のシートに押し付けることによって、皺に圧力を印加し、
トランスデューサのヘッドをシートに押し付けながら、トランスデューサのヘッドを積層体の上で動かし、
少なくとも皺の領域の積層体を加熱し、
トランスデューサのヘッドをシートに押し付けながら、高周波、低振幅信号でトランスデューサのヘッドを励起して振動させる
ことによって低減し；
皺が低減された後で、シートをとりはずし；
積層体を成形し；
積層体を硬化させる
ことを含む方法。

開示された実施形態の他の機構、利点及び長所は、添付の図面及び添付の請求項に従って下記の実施形態の説明を読むときに明らかとなる。

図１は皺が上層に形成された未硬化積層体の斜視図である。 図２は図１に示す未硬化積層体の斜視図であり、皺に押し付けられた振動しているトランスデューサのヘッドをさらに示す図である。 図３は図２と同様の斜視図であるが、トランスデューサのヘッドと積層体の間に配置されている保護シートを示す図である。 図４は皺の一部が低減されている、図２及び３に示す未硬化の積層体の斜視図である。 図５は図３の線５−５に沿って切り取った断面図である。 図６は皺が低減された後の、図５に示す積層体の断面図である。 図７は開示の実施形態による、低減可能な皺の例示形態を示す平面図である。 図８は開示の実施形態による、低減可能な皺の例示形態を示す平面図である。 図９は開示の実施形態による、低減可能な皺の例示形態を示す平面図である。 図１０は未硬化積層体の皺を低減する方法のステップを示す簡略化したフロー図である。 図１１は航空機の製造及び就航方法のフロー図である。 図１２は航空機のブロック図である。

図１を参照すると、例えば非限定的に、エポキシ樹脂マトリックスに保持された強化炭素繊維等の未硬化の複合積層体２０は複数層２２の繊維強化されたプリプレグ材料を含む。層２２の強化繊維は織物又は編物であってよく、多様な繊維配向性のうちのいかなる繊維配向性を有していてもよい。ある場合には、幾つかの層２２は樹脂を予め含浸させた単向性繊維を含むことができる。

積層体２０は、例えば非限定的に、積層体２０を所望の複合構造体に形作るのに使用される工具（図示せず）の上に形成された積層体２６を含むことができる。層２２を工具（図示せず）の上に連続的に積み重ねる積層プロセスの間に、バックル又はバックリングとも呼ばれる一又は複数の皺２４が層２２の幾つか又は全てに形成される可能性がある。ある場合には、皺２４は積層体２０の層の最上部にのみ存在する可能性がある。

皺２４は非限定的に、個々の層２２が積層される方法の不規則性によって起こる場合があり、又は工具（図示せず）の一部を形成するでこぼこの表面積、角度等に起因する場合がある。どの場合においても、強化繊維を保持するためのマトリックスとして使用される樹脂の粘着性により強化繊維３４間の摩擦及び隣接する層２２間の摩擦が起こる可能性があり、これにより皺２４の伸びが阻止される可能性がある。プリプレグ層２２を含む積層体２０が図示されているが、開示の方法の実施形態は、後に樹脂が注入され、ここでプリフォームがプリフォーム層の皺を形成しやすくする樹脂バインダを使用する乾燥プリフォームの皺を低減するのにも使用することができることをここで注記すべきである。また、方法の実施形態を複数層の積層体２６の皺の低減に関連して示してきたが、この方法はまた、単一層における皺を低減するのにも有利に使用可能であることも注記すべきである。

開示の実施形態によれば、皺２４の領域の積層体２０の表面３４に、高周波数、低振幅の振動を加えることによって、皺２４を低減することができる、又はある場合には除去することができる。さらに、皺２４へ振動エネルギーの印加と同時に圧力を印加することにより、皺２４の低減を促進することができる。ある実施形態では、表面３４の皺２４に係合し圧力を印加する平坦な下面３０を有するトランスデューサのヘッド２８を用いて、皺２４に振動が印加される。

トランスデューサのヘッド２８は、電力を下面３０において増幅されフォーカスされる振動エネルギーに変換する市販の装置を含むことができる。印加される振動の周波数及び振幅は用途、及び、例えば非限定的に、積層体２０の厚さ、樹脂マトリックスの種類、強化繊維の直径、トランスデューサのヘッド２８のサイズ、及び印加される電力レベルを含む様々な要因によって変化する。６００ワットで稼動する１インチのトランスデューサのヘッドを使用したある主用途では、３５０００Ｈｚの周波数が良い結果をもたらした。他の用途においては、１５０００〜７００００Ｈｚの周波数が良い結果をもたらし得る。好適な振幅の範囲は、トランスデューサのヘッド２８の種類及びサイズで変化し得るが、通常は、様々な用途に対して約０．０００５〜０．００５インチの振幅が好適であり得る。

ここで図３を参照すると、ある用途においては、トランスデューサの下面３０と積層体２０の表面３４の間に材料の保護シート３６を配置することが有利であり得る。シート３６は例えば非限定的に、実質的に平坦な上面３７を有するＡｒｍａｌｏｎ（登録商標）等のテフロン（登録商標）コーティングされたグラスファイバーファブリックを含むことができる。シート３６は、トランスデューサのヘッド２８の移動面３０との係合によって上層２２の繊維が変形する又はそうでなければ乱されることを防止する役割を果たし得る。さらに、シート３６はトランスデューサのヘッド２８によって印加した圧力を積層体２０の表面３４により良く分配する機能を持つことができ、その一方で平坦な上面３７は皺２４と、表面３４よりも摩擦が少ないトランスデューサの下面３０の間の界面となる。最後に、保護シート３６により、トランスデューサのヘッド２８が積層体２０の表面３４に直接係合したときに起こりがちなトランスデューサの下面３０の樹脂の蓄積も除去される。

トランスデューサのヘッド２８は、皺２４の上を、例えば皺２４の方向又は配向に沿って、あるいは前述の配向に対して横方向等、様々ないかなる方向にも動かすことができる。図４は開示の実施形態にしたがって部分的に処理された皺２４を示す図である。図４に示すように、皺２４のある区域３８は、上述した方法を用いて振動エネルギーと圧力を同時に印加することによって実質的に低減、及び実質的に除去されている。

図５は積層体２０、シート３６、及びトランスデューサのヘッド２８の積み重ねられた状態を示す図である。シート３６は、この場合には皺２４が形成される、番号４５で指定される３つの上層を含む皺２４の領域の上に置かれる。トランスデューサのヘッド２８によって、振動エネルギーが印加されるのと同時に、皺２４に矢印４０の方向に下向きの圧力が加えられる。積層体の層２２に引き起こされた高速振動運動は未硬化樹脂の静止摩擦に打ち勝ち、通常束になった繊維が互いに通り過ぎて皺の高さを低減することが可能になる。振動運動はまた、樹脂の粘度を一時的に低減するのに十分な量の摩擦熱も発生させることができ、これによりさらに皺の伸びが促進される。

ある用途では、ヒートガン（図示せず）又は他の好適な熱源を使用してトランスデューサのヘッド２８近辺の皺２４に追加の熱３２を加える、又は積層体２０全体を予め加熱することも有利であり得るが、加えた熱が樹脂を硬化させるほど高いものであってはならない。皺２４の加熱により、樹脂バインダの粘度を一時的に低下させることができ、これにより強化繊維間の摩擦が低減されて皺２４がさらに伸びやすくなる。

図６は開示の方法による処理後の図５に示す皺２４を示す図である。高周波数、低振幅の振動エネルギーと圧力の同時印加により、強化繊維が互いに滑りあい、皺２４が平坦化されることが可能になる。図６では高さが実質的に低減された皺２４を示すが、ある用途では皺の基本的な除去が可能である。

皺が積層体２０の同じ通常領域で起こりやすいある高速生産環境では、上述した皺を低減する方法を自動化することが望ましい場合がある。例えば、トランスデューサのヘッド２８をコンピュータ（図示せず）又はプログラマブルロジックコントローラ（図示せず）によって制御される多軸ロボット（図示せず）のアーム、又はｘ、ｙ、ｚステージ（図示せず）に装着することができる。

ここで、図１〜６には実施形態を説明しやすくするために単純で直線形の皺２４が示されているが、開示の実施形態を使用して、多様な他の形状を有する皺を低減することも可能であることに注目すべきである。例えばわずかな例を挙げると、図７に示すようなおおむね泡の形状の皺２４ａ、図８に示すようなテーパー形状の皺２４ｂ、又は図９に示すような交差した皺２４ｃを低減するのにも有用であり得る。

上述した皺を低減する方法は、図１０のフロー図にさらに示されている。ステップ４２で開始し、複数のプリプレグ層２２を好適な工具（図示せず）の上に積層する。次にステップ４４において積層体に存在する皺を見つけて、そして任意にステップ４６において、シート３６を積層体の上面の上に配置する。ある用途では、ステップ４８に示すように、皺低減プロセスの前（予熱）又は皺低減プロセス中のいずれかにおいて、皺２４に熱を任意に加えることができる。ステップ５０においては、トランスデューサのヘッド２８をシート３６と圧接させて、シート３６を介して積層体に圧力を印加する。ステップ５２では、高周波、低振幅信号をトランスデューサのヘッド２８に送って、ヘッドを振動させる。通常、この振動は積層体２４の表面３４に対して実質的に垂直（すなわち、上下振動）となるが、振動は横方向又は振動性要素を有していてよい。

ステップ５４に示すように、圧力と振動エネルギーを皺２４に加え続けながら、トランスデューサのヘッド２８を皺２４全体において移動させる。上述した皺低減処理に続いて、皺２４をステップ５６で点検することができ、必要に応じてステップ５８に示すように皺を再処理することができる。皺２４が実質的に低減又は除去されたら、ステップ６０においてトランスデューサのヘッド２８と保護シート３６を取り外すことができ、続いてステップ６２に示すように、通常の方法で積層体を成形し硬化させる。

本発明の実施形態は、様々な可能性のある用途、特に例えば航空宇宙、海洋、及び自動車用途を含む運送業において使用することができる。したがって、ここで図１１及び１２を参照すると、本発明の実施形態は図１１に示すような航空機の製造及び就航方法６４及び図１２に示すような航空機６６において使用可能である。試作段階においては、例示の方法６４は航空機６６の仕様及び設計６８と、材料調達７０を含むことができる。製造段階においては、航空機６６の部品及びサブアセンブリの製造７２と、システム統合７４がおこなわれる。そのあとに、航空機６６は、認可及び納品７６を経て就航７８される。顧客によって就航されている間、航空機６６には所定の整備及び保守８０（変更、再構成、改装等も含むことができる）が予定される。

本方法６４の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客等）によって行う又は実施することができる。この説明のために、システムインテグレータは限定しないが、任意の数の航空機メーカー、及び主要システムの下請け業者を含むことができ；第三者は限定しないが、任意の数の供給メーカー、下請け業者、及びサプライヤを含むことができ；オペレータは、航空会社、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。

図１２に示すように、例示の方法６４で製造された航空機６６は、複数のシステム８４と内装８６を有する機体８２を備えることができる。高レベルシステム８４の例は、一又は複数の推進システム８８、電気システム９０、油圧システム９２、及び環境システム９４が挙げられる。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙での実施例を示したが、本発明の原理は例えば海洋及び自動車産業等の他の産業分野に応用することが可能である。

本明細書に具現化されたシステム及び方法は、製造及び就航方法６４の任意の一又は複数の段階において採用することができる。例えば、製造プロセス８８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機６６が就航している間に製造される部品又はサブアセンブリと同じ方法で加工又は製造することができる。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を、例えば、航空機６６を実質的に組立てしやすくする、又は航空機６６にかかる費用を削減することによって、製造段階７２及び７４において用いることが可能である。同様に、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、またはこれらの組み合わせを、航空機６６が就航している間に、例えば限定しないが、整備及び保守８０に用いることができる。

本発明の実施形態を特定の実例となる実施形態に関連させて説明してきたが、当然ながら特定の実施形態は説明のためであり、限定するものではなく、当業者が他の変形例を発想することが可能である。

Claims (9)

1. 繊維強化プリプレグ樹脂層の皺を低減する方法であって：
   皺に振動を与えること
   を含む方法。
2. 皺に振動を与えることは：
   トランスデューサのヘッドを層と接触させ、トランスデューサのヘッドを励起して振動させ、
   皺の上でトランスデューサのヘッドを動かす
   ことによって行われる、請求項１に記載の方法。
3. トランスデューサのヘッドを励起して振動させることが、トランスデューサのヘッドを励起して高周波数で振動させることを含む、請求項２に記載の方法。
4. トランスデューサのヘッドを励起して、約１５０００〜７００００Ｈｚの周波数で振動させる、請求項３に記載の方法。
5. トランスデューサのヘッドを励起して振動させることが、トランスデューサのヘッドを励起して低振幅で振動させることを含む、請求項２に記載の方法。
6. トランスデューサのヘッドを励起して、約０．０００５〜０．００５インチの振幅で振動させる、請求項４に記載の方法。
7. トランスデューサのヘッドが皺の上を移動している間に、トランスデューサのヘッドを使用して皺に圧力を加えること
   をさらに含む、請求項２に記載の方法。
8. 保護シートをトランスデューサのヘッドと皺の間に配置することによって層を保護すること
   をさらに含む、請求項２に記載の方法。
9. 皺の領域の層を加熱すること
   をさらに含む、請求項２に記載の方法。

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