JP4940301B2 - レイアップ配列及び構造配列並びに航空宇宙産業用構成部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、テープ敷設機によって敷設されるレイアップ配列（ｌａｙ−ｕｐ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と、テープ敷設機によって敷設される構造配列（ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）と、航空宇宙産業用構成部品の製造方法に関する。

航空宇宙産業の所望領域において有用ではあるが、本発明及び本発明の基になる問題が、航空機の翼の外殻の製造に関してより詳細に説明される。
民間の航空機による運行において、航空機の重量を低減させるために、翼の外殻全体をＣＦＲＰ材料から製造するような移行が一層進んでいる。この目的のために、一層又は複数層のＣＦＲＰプリプレグ材料（ＣＦＲＰ ｐｒｅｐｒｅｇ ｍａｔｅｒｉａｌ）−樹脂マトリックスが予備含浸された炭素繊維レイアップを含むと理解される−は、テープ敷設機によって、積層装置内に互いに積み重ねられる。テープ敷設機は、積層装置へのＣＦＲＰプリプレグ材料の高度に精確な位置決めを保証する。このような高度に精確な位置決めは、より後の性質、特に製造される航空機の外殻の強度にとって重要である。

また、絶縁材料及び／又は避雷材料層が、この一層又は複数層のＣＦＲＰプリプレグ材料に又はその下方に塗布されなければならない。
この種の絶縁材料は一般的に、ガラス繊維織物の形態において構成される。ガラス繊維織物は、ＣＦＲＰから作られる翼の外殻及びアルミニウム構成部品、例えば翼のリブ又はフレーム間の直接接触を防止する。それ故、ガラス繊維材料は、ＣＦＲＰから作られる翼の外殻及びアルミニウム構成部品間に電気絶縁をもたらし、ひいては、アルミニウム構成部品の腐食を防止する。

避雷材料は一般的に、細い青銅線（ｆｉｎｅ ｂｒｏｎｚｅ ｗｉｒｅ）から作られる織物を含むものとして理解されるブロンズメッシュを有する。ブロンズメッシュは、翼の外殻への落雷時に、翼の外殻を避けて電荷を伝導することを可能にする。

翼の外殻を製造するために、ガラス繊維織物及び／又はブロンズメッシュ材料は、第１工程において、樹脂マトリックスが供給され、第２工程において、積層装置の正確な位置に敷設される。これに関連する問題としては、これらの工程が目下、手動で行われることである。これは極めて時間の浪費であり、また高い人件費を必要とするため、結果的に、この種の翼の外殻の製造において製造コスト高となる。位置決めにおいて必要とされる精度はまた、手動により困難を伴ってのみ達成され得、それ故、位置決め誤差となることが多い。

従って、本発明の目的は、費用効率のより高い、特に自動化された、航空機用絶縁及び／又は避雷材料を備えた構成部品の製造を可能にすることである。

本発明によれば、上記目的は、特許請求項１の特徴を備えたレイアップ配列、特許請求項６の特徴を備えた構造配列、及び／又は特許請求項１２の特徴を備えた方法によって達成される。

本発明によれば、テープ敷設機によって敷設されるレイアップ配列には、樹脂マトリックスが予備含浸されたガラス繊維レイアップが供給される。
更に、テープ敷設機によって敷設される構造配列には、金属から作られると共に、樹脂マトリックスが予備含浸される構造体が供給される。

更に、航空機用構成部品の製造方法には、以下の方法工程が備えられる：テープ敷設機によって敷設されるレイアップ配列に、樹脂マトリックスが予備含浸されたガラス繊維レイアップを供給する工程と、及び／又はテープ敷設機によって敷設される構造配列に、金属から作られると共に、樹脂マトリックスが予備含浸される構造体を供給する工程と、レイアップ配列及び／又は構造配列をテープ敷設機によって積層装置に敷設する工程と、レイアップ配列及び／又は構造配列を硬化させて構成部品を形成する工程。

本発明の基となる概念は、レイアップ配列及び／又は構造配列の自動敷設を可能にすることを含む。この目的のために、ガラス繊維織物に代えて、既に予備含浸されたガラス繊維レイアップが、絶縁材料として使用される。樹脂マトリックスが供給されたガラス繊維レイアップは、ガラス繊維織物よりも、自動化においてより良好な操作性を有する。同じことが、金属から作られると共に、樹脂マトリックスが予備含浸される構造体にも当てはまる。手動操作と比較すると、自動操作の間、特に送り及び供給工程の間には、例えばスピンドル及び偏向ローラによって、高い機械ストレスが生じる。例えばブロンズメッシュ材料は、機械荷重に対して比較的敏感であり、従って、自動操作の間に破損させられかねない。

テープ敷設機によるレイアップ配列及び／又は構造配列の敷設は、テープ敷設機が通常は既にＣＦＲＰプリプレグ材料を敷設するために供給されており、それ故、本発明に係るレイアップ配列及び／又は構造配列を加工するための新たな調達を行う必要がなく、その限りにおいて有利である。従って、既存の手段に頼ることができるため、費用の節約になる。手動操作工程が省略され、その結果、更なる費用効果が生じる。更に、必要とされる位置決め精度は、自動テープ敷設機によって容易に達成され得る。

本発明のより有利な改善物及び改良物は、従属請求項に見られる。
本発明の好適な発展形によれば、ガラス繊維レイアップは、一方向レイアップとして構成される。従って、積層体−複数の層からなる構造体−が有利には積み重ねられ、この積層体は軽量であると共に、所望の方向において非常に高い強度を有する。

好適な例証実施形態によれば、レイアップ配列は、ウェブ材料の形態において構成される。この種のウェブ材料は、自動工程において容易に加工され得ると共に、シート状積層体の積み重ねに十分に適する。

本発明の更なる好適な発展形では、一方の側において、ガラス繊維レイアップにはバッキング材料、具体的には裏紙が、このガラス繊維レイアップから取り外し可能に備えられており、ガラス繊維レイアップを支持する。裏紙は２つの本質的な機能を有する：第一に、裏紙は、レイアップ配列の自動化プロセスにおいて、供給及び送り工程の間に、予備含浸ガラス繊維レイアップを支持する。第二に、裏紙は、樹脂が供給及び送り手段、例えばスピンドル又は偏向ローラに接着するのを防止する。

本発明の好適な例証実施形態によれば、他方の側、特に第一の側とは反対側において、ガラス繊維レイアップには、保護フィルムが、ガラス繊維レイアップから取り外し可能に備えられ、ガラス繊維レイアップを保護する。保護フィルムは、取扱いを容易にし、特にガラス繊維レイアップが送り手段に固着するのを防止するという目的を有する。

本発明の好適な発展形によれば、構造配列の金属には、銅、青銅、及び／又はアルミニウムを含む。これらの材料は、一般的に落雷時に、特に電流を伝導するのに適している。
本発明の更なる好適な発展形によれば、構造配列はシート状に、特にウェブ材料の形態をなすように構成される。これにより、自動化プロセスにおいて構造配列の簡易な操作を可能にし、また航空宇宙産業において通常必要とされるような、大型積層体の簡易且つ経済的な製造を可能にする。

本発明の更なる好適な発展形によれば、構造体は特にその厚みに沿って網状に、特にダイアモンド形状、矩形、及び／又は蜂の巣形状の凹部を備えるように構成される。この場合、厚みはシート状構造配列を指しており、厚みは、構造配列の大きさの３方向の最も短いものである。この種の構造体は非常に軽量であり、従って、航空機の重量を低減させる。更に、その確定且つ限定された構造体に起因して、構造配列は、例えばブロンズメッシュ材料よりも、自動化された操作により適している。

本発明の好適な発展形によれば、その側面の少なくとも一つにおいて、構造体にはバッキング材料、具体的には裏紙が、この構造体から取り外し可能に備えられており、構造体を支持する。裏紙の機能は、ここでは、レイアップ配列の裏紙に対応する。

本発明の更なる好適な例証実施形態では、一方の側、特に反対側において、構造体には保護フィルムが、特にこの構造体から取り外し可能に備えられ、構造体を保護する。保護フィルムはここでは、レイアップ配列の保護フィルムと同じ機能を有する。

本発明の更なる好適な発展形では、特にコンピュータ数値制御によって、テープ敷設機は複数の軸線に沿って移動させられる。これによれば、複雑な積層体の積み重ねが可能となり、レイアップ配列及び／又は構造配列の位置決め及び配向が、簡単、迅速、且つ高精度に調整されることが可能となる。

本発明の更なる好適な例証実施形態では、レイアップ及び／又は構造配列は、積層装置に関して、異なる方向に沿って敷設される。それ故、要件を満たす極めて柔軟な構造を有する積層体、及び最終的に構成部品が製造され得る。例えば、ガラス繊維は、アルミニウム構成部品に対して、ガラス繊維の最小磨耗が存在するように配向されてよく、このアルミニウム構成部品は、その使用の間に前記構成部品に隣接する。

本発明の更なる好適な例証実施形態では、複数のレイアップ及び／又は構造配列は、層状に積み上げられるように敷設される。その結果、避雷機能を獲得し得、また問題なく、アルミニウム構成部品を腐食させずにこのアルミニウム構成部品と相互作用し得る積層体が得られる。

本発明の更なる好適な発展形では、ＣＦＲＰプリプレグ材料の少なくとも一層が、特にテープ敷設機、及び／又は更なるテープ敷設機によって、レイアップ配列及び／又は構造配列の間及び／又は下に敷設される。これにより、ＣＦＲＰ材料に起因して、非常に高い強度を備え、また避雷及び／又は抗腐食機能を備えた複合材料が製造される。ＣＦＲＰプリプレグ材料、レイアップ配列及び／又は構造配列の敷設が、同じテープ敷設機によって行われるならば、レイアップ配列及び／又は構造配列を敷設するための付加的な機械の供給は不要であり、また極めて費用効率の高い製造工程が可能になる。

本発明の更なる好適な発展形によれば、レイアップ配列は、テープ敷設機によって、特にアルミニウムから作られた構成部品上に敷設される。従って、構成部品は、自動的に積層に設置され、腐食に対する保護が保証される。この目的のために、テープ敷設機は自動的に、特にアルミニウムから作られた構成部品の存在を認識し得、且つＣＦＲＰプリプレグ材料からレイアップ配列の構成部品への敷設に自動的に切り替え得る。

本発明の更なる好適な発展形によれば、レイアップ及び／又は構造配列及び／又はＣＦＲＰ材料は、必要に応じて、送り機器によってテープ敷設機に供給される。これにより、この複合材料から積層体、また最終的に構成部品の極めて柔軟且つ迅速な製造方法が生じる。

レイアップ及び／又は構造配列は好適には、コイル状ウェブ材料として供給される。この種のコイル状ウェブ材料は、空間節約的に収容され得ると共に、自動化プロセスの間に、例えばスピンドルによって、容易に供給され得る。

本発明を、例証実施形態を用いて、また添付の図面を参照して、以下により詳細に説明する。

図面において、同じ符号は、特に言及されない限りは、同一又は機能的に同一の構成部品に付される。
図１は、本発明の第１例証実施形態に係るレイアップ配列１の斜視図を示す。

レイアップ配列１は、スピンドル２に巻回されたベール（ｂａｌｅ）３として供給される。既に巻き出されているウェブ形状端には、符号４が付される。鎖線は、レイアップ配列におけるガラス繊維５の繊維方向を概略的に示す。ガラス繊維５は好適には、巻き出し方向に、即ちウェブ形状端４に沿って延びる。

図２は、図１のＩ‐Ｉ線における断面を示す。
レイアップ配列１は好適には、バッキング層（ｂａｃｋｉｎｇ ｌａｙｅｒ）６と、ガラス繊維レイアップ８と、保護フィルム９とからなる。バッキング層６は好適には、紙層の形態で構成される。バッキング層６の上方には、断面に対して直交するように延在するガラス繊維５の層が配置される。樹脂マトリックス１０はガラス繊維５の間に配置される。ガラス繊維レイアップ８には、この樹脂マトリックスが予備含浸される。即ち、樹脂マトリックスは、ガラス繊維レイアップ８が、レイアップ配列の自動化プロセスの供給工程の間に、破損、例えば引き裂かれないように、ガラス繊維レイアップ８に十分な量の支持をもたらす。保護フィルム９は、ガラス繊維レイアップ８の上方に延在する。

図３は、本発明の第２例証実施形態に係る構造配列１２を示す。構造配列１２はここでは、スピンドル１３に巻回されたベール１４の形態をなして供給される。構造配列１２の巻き出されたウェブ形状端には、符号１５が付される。鎖線は、金属ネット１６を示す。金属ネット１６はダイアモンド形状凹部１７を有する。ダイアモンド形状凹部１７は、構造配列１２の重量を低減させる。

図４は、図３のＩＩ‐ＩＩ線における断面を示す。例えば銅から作られる金属ネット１６は、シート状で、好適には紙材料から作られるバッキング層２０の上方に延在する。金属ネット１６は、樹脂マトリックスによって予備含浸される。即ち、凹部１７には樹脂マトリックス１８が充填されており、また樹脂マトリックス１８は未だ、自動化された操作を可能にするために、十分に柔軟な状態にある。その上方において、保護フィルム２１が金属ネット１６に隣接する。

図５は、本発明の第３例証実施形態に係る航空宇宙産業用構成部品の製造時における方法状況を示す。
積層装置２３には、製造される翼部分３７の外輪郭を予め定める外形２４が備えられる。Ｘ軸２６に沿って移動可能なフレーム構造２７を有するテープ敷設機２５は、敷設機器２８を有する。敷設機器２８はフレーム構造２７伝いに、Ｙ軸２９に沿って移動可能である。敷設機器２８の下端にある敷設ローラ３１は、Ｚ方向３２に沿って移動可能であり、また好適には約３段階の自由度で枢転できるように構成される。敷設機器２８は好適には、機構を保護する伸縮ベローズ２８ａと、敷設ローラ３１を作動させるエレクトロニクスを有しており、機構は伸縮ベローズ２８ａによって保護される。テープ敷設機２５、また従って、敷設ローラ３１の位置決めは、コンピュータ数値制御によって制御される。

敷設機器２８には、送り機器３４によって、敷設のために、また従って、外形２４への積層体の積み重ねのために、材料が送り込まれる。図５に示す配置の代替物では、送り機器３４が独立機器として構成されており、送り機器３４自体が、敷設機器２８に配置され、或いは敷設機器２８の一部として構成されてもよい。

この場合には、送り機器３４は、敷設機器２８に第１例証実施形態に係るレイアップ配列１を送り込み、この配列は、ウェブ３５及びベール３によって示される。更に、送り機器３４は好適には、第２例証実施形態に係る構造配列１２のベール１４を有する。更に、送り機器は、ＣＦＲＰプリプレグ材料が巻き上げられたベール３６を有する。送り機器３４は、ベール３，１４又は３６からの材料を、必要に応じて、敷設機器２８に送り込むように構成される。次に、この材料は、敷設機器２８を介して案内され、バッキング層６及び２０は各々、取り除かれる。テープ敷設機２５において、このレイアップ配列１及び／又は構造配列１２は、好適には、保護フィルム９，２１が無い状態で使用される。

構造配列１２及び／又はレイアップ配列１及び／又はＣＲＦＰプリプレグ材料は、続いて、敷設ローラ３１によって、外形２４に付着（ａｐｐｌｙ）させられる。本例証実施形態では、敷設機器２８によって積み重ねられた例証の翼部分３７は、既に外形２４上に配置されている。

図６は、図５のＩＩＩ‐ＩＩＩ線における例証の翼部分３７の断面を示す。
第１層３９は、第２例証実施形態に対応する予備含浸金属ネットを有しており、敷設機器２８によって外形２４に付着させられる。次に、一方向性ＣＦＲＰプリプレグ材料の第２及び第３層４０，４１が、第１層３９に付着させられる。更なる工程では、第１例証実施形態に対応する予備含浸ガラス繊維レイアップからなる第４層４２が、第３層４１に付着させられる。

例えば、続いてアルミニウムから作られる構成部品を、第４層４２に敷設するという更なる可能性が存在し、予備含浸ガラス繊維レイアップの他の層をこのアルミニウム構成部品上に積み重ね、且つ複数のＣＦＲＰプリプレグ材料を備えた構造体全体が完成する。これはまた、完全に自動化されて行われ得る。

翼部分３７は完成した後に、例えばオートクレーブで硬化させられる。
本発明は、この場合には、好適な例証実施形態を参照して説明されているが、これらの例証実施形態に制限されるものではなく、むしろ様々に変更され得る。

例えば、第３例証実施形態に係る翼部分の層は、様々に積み重ねられてもよい。異なる材料の連続、即ち金属ネットの予備含浸層、ＣＦＲＰ層、及び／又は予備含浸ガラス繊維層は、極めて多様に変更され及び／又は補足されてもよい。

本発明では、既に周知のテープ敷設機、又は例えば金属ネット切断用の特別な切断ナイフを備えるように変形させられたテープ敷設機を使用してもよい。

本発明の第１例証実施形態に係るレイアップ配列を示す斜視図。 図１のＩ‐Ｉ線視断面図。 本発明の第２例証実施形態に係る構造配列を示す斜視図。 図３のＩＩ‐ＩＩ線視断面図。 本発明の第３例証実施形態に係る航空宇宙産業用構成部品の製造の間における方法の状況を示す図。 図５のＩＩＩ‐ＩＩＩ線視断面図。

符号の説明

１ レイアップ配列、２ スピンドル、３ ベール、４ 巻出し端、５ 繊維、６ バッキング層、８ ガラス繊維レイアップ、９ 保護フィルム、１０ 樹脂マトリックス、１２ 構造配列、１３ スピンドル、１４ ベール、１５ 巻出し端、１６ 金属ネット、１７ 凹部、１８ 樹脂マトリックス、２０ バッキング層、２１ 保護フィルム、２３ 積層装置、２４ 外形、２５ テープ敷設機、２６ Ｘ軸、２７ フレーム構造、２８ 敷設機器、２８ａ 伸縮ベローズ、２９ Ｙ軸、３１ 敷設ローラ、３２ Ｚ軸、３４ 送り機器、３５ ウェブ、３６ ＣＦＲＰプリプレグ材料のベール、３７ 翼部分、３９ 第１層、４０ 第２層、４１ 第３層、４２ 第４層

Claims (9)

1. 航空宇宙産業用構成部品（３７）の製造方法であって、
   金属から作られると共に、樹脂マトリックスが予備含浸させられた構造体（１６）を含む構造配列（１２）を供給する工程と、
   前記構造配列（１２）をテープ敷設機（２５）によって積層装置（２３）に敷設する工程と、
   前記構成部品（３７）を形成するために、前記構造配列（１２）を硬化させる工程とを含む方法。
2. 前記テープ敷設機（２５）は、コンピュータ数値制御によって、複数の軸（２６，２９，３２）に沿って移動させられることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記構造配列（１２）は、前記積層装置（２３）に対して、異なる方向（２６，２９，３２）に沿って敷設されることを特徴とする請求項１又は２に記載の方法。
4. 複数の構造配列（１２）が、層（３９；４２）となるように積み重ねられることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法。
5. 各々がガラス繊維から作られると共に、樹脂マトリックスが予備含浸させられた複数のレイアップ配列（１）が、層（３９；４２）となるように積み重ねられることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の方法。
6. ＣＦＲＰプリプレグ材料（３６）の少なくとも一層（４０，４１）は、前記テープ敷設機（２５）及び他のテープ敷設機の少なくとも一方によって、レイアップ配列と構造配列（１；１２）との間、及び、レイアップ配列又は構造配列（１；１２）の下のいずれかに置かれることを特徴とする請求項５に記載の方法。
7. 他のレイアップ配列（１）が、前記テープ敷設機（２５）によって、アルミニウムから作られた構成部品（３７）上に敷設されることを特徴とする請求項５又は６に一項に記載の方法。
8. 前記レイアップ配列及び構造配列（１；１２）の少なくとも一方と、ＣＦＲＰプリプレグ材料（３６）との組み合わせの少なくとも１つは、必要に応じて、送り機器（３４）によって前記テープ敷設機（２５）に供給されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記レイアップ配列及び構造配列（１；１２）の少なくとも一方は、コイル状ウェブ材料（３；１４）として供給されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法。

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