JP5852273B2 - ファンケースの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなるファンケースを製造する方法に関する。

近年、新素材に関する研究開発の活発化に伴い、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料（ＦＲＰ）が軽量で高強度を有する素材として注目されており、航空機エンジンのファンケースの構成材料に複合材料を適用する研究開発がなされている。そして、複合材料からなるファンケースを製造する方法の先行技術として特許文献１に示すものがあり、先行技術に係るファンケースの製造方法の内容は、次のようになる。

即ち、外周側にファンケースの最終形状に対応する形状の成形面を有したマンドレルを用い、マンドレルを軸心周りに回転させつつ、ファンケースの軸長に対応する幅を有した織物をマンドレルへ供給することにより、織物をマンドレルの成形面側に巻付けて、ファンケースの最終形状と同形状の成形体を成形する。そして、成形体を加熱することにより、成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる。これにより、複合材料からなるファンケースを製造することができる。なお、ファンケースの製造後に、ファンケースをマンドレルから取り外しておく。

米国特許出願公開第２００９／００９８３３７号明細書

ところで、製造対象であるファンケースの軸長が増加すると、それに伴い、マンドレルが大型化するのみならず、１つの織物の幅も大きくなる。そのため、織物を製作する織り機も大型化して、大規模な設備投資が必要になり、ファンケースの製造コストが高くなるという問題がある。

そこで、本発明は、前述の問題を解決することができる、新規な構成のファンケースの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなりかつ外径が軸方向に沿って変化しかつ航空機エンジンにおける複数のファンブレードを覆う筒状のファンケースを製造する方法において、外周側に前記ファンケースの最終形状に対応する形状の成形面を有したマンドレルを用い、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、前記マンドレルの軸心方向に平行な方向に位置をずらした複数のボビンを、前記マンドレルの回転に連動して回転させて、前記複数のボビンに巻かれかつ強化繊維（強化繊維の繊維帯）からなりかつ総幅が前記ファンケースの軸長に対応する複数の織物を前記マンドレルへ供給することにより、前記複数の織物の継ぎ目を形成しつつ、前記複数の織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける初回織物巻付工程と、前記初回織物巻付工程の終了後に、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、前記マンドレルの軸心方向に平行な方向に位置をずらした別の複数のボビンを、前記マンドレルの回転に連動して回転させて、前記別の複数のボビンに巻かれかつ強化繊維からなりかつ総幅が前記ファンケースの軸長に対応しかつ巻付け済みの前記複数の織物と異なる組み合わせの別の複数の織物を前記マンドレルへ供給することにより、前記別の複数の織物の継ぎ目を巻付け済の前記複数の織物の継ぎ目の位置とずらしながら形成しつつ、前記別の複数の織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける織物巻付工程（換言すれば、以後織物巻付工程）と、前記織物巻付工程の終了後に、前記織物巻付工程をＮ回繰り返すことにより、軸方向の位置が異なる（Ｎ＋２）種類の継ぎ目を有しかつ前記ファンケースの最終形状と同形状の成形体を成形する繰り返し工程と、前記繰り返し工程の終了後に、前記成形体を加熱することにより、前記成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる加熱工程と、を具備している。

ここで、本願の明細書及び特許請求の範囲において、前記ファンケースの軸長に対応する総幅とは、前記複数の織物の幅の総和であって、前記ファンケースと同じ軸長の前記成形体を成形するための総幅のことをいい、Ｎは、１以上の整数である。

本発明によると、前述のように、（Ｎ＋２）種類の組み合わせの前記複数の織物を前記マンドレルの成形面側に順次巻付けることにより、軸方向の位置が異なる（Ｎ＋２）種類の継ぎ目を有しかつ前記ファンケースの最終形状と同形状の前記成形体を成形することができる。これにより、各織物の幅を大きくしなくても、前記ファンケースの強度低下を抑えつつ、軸長の長い前記ファンケースを製造することができる。

本発明によれば、各織物の幅を大きくしなくても、前記ファンケースの強度低下を抑えつつ、軸長の長い前記ファンケースを製造できるため、前記ファンケースの軸長の増加に伴って織り機を大型化する必要がなくなり、設備投資を最小限に抑えて、前記ファンケースの製造コストの低減を図ることができる。

本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法における初回織物巻付工程を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法における織物巻付工程を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法における繰り返し工程の終了後における成形体を示す模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法におけるロービング工程を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法の実施に用いられるマンドレル回転装置、織物供給装置、及びロービング供給装置を説明する模式的な斜視図である。 本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法におけるマンドレル及びマンドレル回転装置を説明する模式的な断面図である。 航空機エンジンの模式的な断面図である。 本発明の実施形態の変形例に係るファンケースの部分断面図である。 衝撃試験の内容を示す模式的な図である。

本発明の実施形態について図１から図７を参照して説明する。なお、図面中、「ＦＦ」は、前方向、「ＦＲ」は、後方向、「Ｌ」は、左方向、「Ｒ」は、右方向をそれぞれ指してある。

まず、本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法の製造対象であるファンケースについて簡単に説明する。

図７に示すように、本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法の製造対象である筒状のファンケース１は、航空機エンジン３に用いられ、航空機エンジン３における複数のファンブレード５を覆うものである。また、ファンケース１は、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなるものであって、軸方向（ファンケース１の軸方向）に沿って外径が大きく変化するようになっている。

続いて、本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法の実施に用いられる装置等について説明する。

図６に示すように、本発明の実施形態に係るマンドレル７は、筒状のマンドレル本体９、及びマンドレル本体９の端部に着脱可能に設けられたエンド型１１を備えている。また、マンドレル７は、外周側に、ファンケース１の最終形状に対応する成形面Ｓを有している。

図５及び図６に示すように、適宜位置には、マンドレル７を回転させるマンドレル回転装置１３が配設されており、マンドレル回転装置１３の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、適宜位置には、一対の側板１５が左右に対向して設けられており、一対の側板１５には、左右方向へ延びた回転軸１７が回転可能に設けられており、この回転軸１７は、マンドレル７を一体的にセット可能である。また、左寄り側板１５には、回転軸１７を軸心周りに回転させる回転モータ１９が設けられており、この回転モータ１９の出力軸には、主動ギア２１が一体的に設けられてあって、回転軸１７の左端部（一端部）には、この主動ギア２１に噛合可能な従動ギア２３が一体的に設けられている。ここで、例えば一対の側板１５の上側部分を上下方向へ開閉可能又は切離可能にしたり、一対の側板１５にその他適宜の構成を付加したりすることによって、回転軸１７は一対の側板１５に対して着脱できるようになっている。

マンドレル回転装置１３の前方には、複数（本発明の実施形態にあっては、２つ）の織物２５をマンドレル７へ供給する織物供給装置２７が設けられており、この織物供給装置２７の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、マンドレル回転装置１３の前方左部には、第１フロントフレーム２９が配設されており、この第１フロントフレーム２９の上部には、一対の第１ボビン支持部材３１が左右に対向して設けられており、右寄りの第１ボビン支持部材３１は、左右方向へ位置調節可能になっている。また、一対の第１ボビン支持部材３１の間には、織物２５を巻いたボビン３３が回転自在に支持されている。ここで、例えば一対の第１ボビン支持部材３１の上側部分を上下方向へ開閉可能又は切離可能にしたり、一対の第１ボビン支持部材３１にその他適宜の構成を付加したりすることによって、ボビン３３は一対の第１ボビン支持部材３１に対して着脱できるようになっている。

マンドレル回転装置１３の前方右部には、第２フロントフレーム３５が配設されており、この第２フロントフレーム３５の上部には、一対の第２ボビン支持部材３７が左右に対向して設けられており、左寄りの第２ボビン支持部材３７は、左右方向へ位置調節可能になっている。また、一対の第２ボビン支持部材３７の間には、織物２５を巻いたボビン３３が回転自在に支持されている。ここで、例えば一対の第２ボビン支持部材３７の上側部分を上下方向へ開閉可能又は切離可能にしたり、一対の第２ボビン支持部材３７にその他適宜の構成を付加したりすることによって、ボビン３３は一対の第２ボビン支持部材３７に対して着脱できるようになっている。

ここで 、複数の織物２５は、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維（強化繊維の繊維帯）からなるノンクリンプ構造であって、複数の織物２５の総幅は、ファンケース１の軸長に対応する幅を有している。なお、織物２５の形態は、ノンクリンプ構造に限られるものでなく、平織り構造、綾織り構造等であっても構わない。

マンドレル回転装置１３の後方には、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維のロービング（繊維束）４７をマンドレル７へ供給するロービング供給装置４１が設けられており、このロービング供給装置４１の具体的な構成は、次のようになる。

即ち、マンドレル回転装置１３の後方には、リアフレーム４３が配設されており、このリアフレーム４３の上部には、左右方向へ延びた一対のガイドレール４５が設けられている。また、一対のガイドレール４５には、ロービング３９の供給位置を可変する供給ヘッド４７が左右方向へ移動可能に設けられており、この供給ヘッド４７は、左右移動モータ等の左右移動アクチュエータ（図示省略）の駆動によって左右方向へ移動するものである。

続いて、本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法について説明する。

本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法は、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなる筒状のファンケース１を製造する方法であって、初回織物巻付工程、織物巻付工程（換言すれば、以後織物巻付工程）、繰り返し工程、ロービング工程、及び加熱工程を具備している。そして、各工程の具体的な内容は、次のようになる。

初回織物巻付工程
図１に示すように、外周側にファンケース１の最終形状に対応する形状の成形面Ｓを有したマンドレル７を用い、回転モータ１９の駆動によりマンドレル７を軸心周りに回転軸１７と一体的に回転させつつ、マンドレル７の回転に連動して複数のボビン３３を回転させて、複数の織物２５をマンドレル７へ供給する。これにより、複数の織物２５の継ぎ目Ｊを形成しつつ、複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に巻付けることができる。ここで、初回織物巻付工程においてマンドレル７の成形面Ｓ側に巻付ける複数の織物２５には、予めエポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸されている。また、複数の織物２５の継ぎ目Ｊは、複数の織物２５の端部がオーバラップしてもしなくても構わない。

なお、複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に同時に巻付ける代わりに、複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に個別に巻付けても構わなく、複数の織物２５の巻層数は、単数又は複数を問わない。

織物巻付工程
初回織物巻付工程の終了後に、図２に示すように、複数のボビン３３を一対の第１ボビン支持部材３１及び一対の第２ボビン支持部材３７からそれぞれ離脱させる。次に、巻付済みの複数の織物２５と異なる組み合わせの別の複数の織物２５を巻いた別の複数のボビン３３を一対の第１ボビン支持部材３１及び一対の第２ボビン支持部材３７に装着する。そして、回転モータ１９の駆動によりマンドレル７を軸心周りに回転軸１７と一体的に回転させつつ、マンドレル７の回転に連動して別の複数のボビン３３を回転させて、異なる組み合わせの別の複数の織物２５をマンドレル７へ供給する。これにより、別の複数の織物２５の継ぎ目Ｊを巻付け済の複数の織物２５の継ぎ目Ｊの位置とずらしながら形成しつつ、別の複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に同時に巻付けることができる。ここで、織物巻付工程においてマンドレル７の成形面Ｓ側に巻付ける複数の織物２５には、予めエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸されている。

なお、別の複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に同時に巻付ける代わりに、複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に個別に巻付けても構わなく、別の複数の織物２５の巻層数は、単数又は複数を問わない。

繰り返し工程
織物巻付工程の終了後に、織物巻付工程をＮ回繰り返すことにより、図３に示すように、ファンケース１の最終形状と同形状の成形体を成形することができる。ここで、成形体１Ｆは、軸方向（成形体の軸方向）の位置が異なる（Ｎ＋２）種類の継ぎ目Ｊを有している。

ロービング工程
初回織物巻付工程の開始前、初回織物巻付工程の終了後であって織物巻付工程の開始前、繰り返し工程の途中、又は繰り返し工程の後に、図４に示すように、回転モータ１９の駆動によりマンドレル７を軸心周りに回転軸１７と一体的に回転させつつ、左右移動アクチュエータの駆動により供給ヘッド４７を左右方向させて、強化繊維のロービング３９をマンドレル７の軸方向（左右方向）へ移動させながらマンドレル７へ供給する。これにより、ロービング３９をマンドレル７の成形面Ｓ側に螺旋状に巻付けることができる。ここで、ロービング工程においてマンドレル７の成形面Ｓ側に巻付けるロービング３９には、予めエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂が含浸されている。

なお、ロービング３９の巻層数は、単数又は複数を問わない。

加熱工程
繰り返し工程及びロービング工程の終了後に、回転軸１７を一対の側板１５から離脱させて、マンドレル７を回転軸１７から取り外す。次に、マンドレル７を成形体１Ｆと共に加熱炉（図示省略）の所定位置にセットする。そして、加熱炉のヒータ（図示省略）によって成形体１Ｆを熱硬化性樹脂の所定の硬化温度まで加熱する。これにより、成形体に予め含浸させた熱硬化型樹脂を硬化させることができる。

以上により、強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなるファンケース１を製造することができる。そして、ファンケース１の製造後に、マンドレル本体９からエンド型１１を離脱させて、ファンケース１をマンドレル本体９から取り外しておく。ここで、ファンケース１の全ての層の中で、ファンケース１におけるファンブレード５との対向領域１ａに複数の織物２５の継ぎ目Ｊが存在する層の割合は、２１％以下になっている。

なお、前述のように、マンドレル７の成形面Ｓ側に巻付ける複数の織物２５及びロービング３９に予め熱硬化性樹脂が含浸させる代わりに、繰り返し工程及びロービング工程の終了後であって加熱工程の開始前に、溶融状態の熱硬化性樹脂を注入によって成形体１Ｆに含浸させる含浸工程を具備するようにしても構わない。

続いて、本発明の実施形態の作用及び効果について説明する。

前述のように、（Ｎ＋２）種類の組み合わせの複数の織物２５をマンドレル７の成形面Ｓ側に順次巻付けることにより、軸方向の位置が異なる（Ｎ＋２）種類の継ぎ目Ｊを有しかつファンケース１の最終形状と同形状の成形体１Ｆを成形することができる。これにより、各織物２５の幅を大きくしなくても、ファンケース１の強度低下を抑えつつ、軸長の長いファンケース１を製造することができる。

従って、本発明の実施形態によれば、ファンケース１の軸長の増加に伴って織り機を大型化する必要がなくなり、設備投資を最小限に抑えて、ファンケース１の製造コストの低減を図ることができる。特に、ファンケース１の全ての層の中で対向領域１ａに複数の織物２５の継ぎ目Ｊが存在する層の割合が２１％以下になっているため、ファンケース１の強度低下を十分に抑えて、高い耐衝撃性を発揮させることができる（後述の実施例参照）。

本発明の実施形態の変形例について図８を参照して説明する。

図８に示すように、本発明の実施形態の変形例に係るファンケース４９は、本発明の実施形態に係るファンケースの製造方法によって製造されたファンケース１と同じものであるが、別の方面からファンケース４９を特定している。

即ち、ファンケース４９は、ファンケース１と同様に、炭素繊維，アラミド繊維，又はガラス繊維等の強化繊維とエポキシ樹脂，フェノール樹脂，又はポリイミド樹脂等の熱硬化性樹脂との複合材料からなるものであって、軸方向（ファンケース４９の軸方向）に沿って外径が大きく変化するようになっている。そして、ファンケース４９は、強化繊維からなりかつ総幅が同じであってかつ組み合わせの異なる（Ｎ＋２）種類の複数の織物２５（図１及び図２参照）を用いて構成されている。また、ファンケース４９は、織物２５を含む（Ｎ＋２）種類の織物層５１、及びロービング３９（図４参照）含む複数のロービング層５３を備えており、（Ｎ＋２）種類の織物層５１は、軸方向の位置の異なる（Ｎ＋２）種類の繋ぎ目Ｊを有している。なお、各織物層５１は、単層構造又は複層構造のいずれであっても構わない。

従って、ファンケース１Ａが（Ｎ＋２）種類の織物層５１を備えており、（Ｎ＋２）種類の織物層５１が軸方向の位置の異なる（Ｎ＋２）種類の繋ぎ目Ｊを有しているため、各織物２５の幅を大きくしなくても、ファンケース４９の強度低下を抑えつつ、軸長の長いファンケース４９を製造することができる。よって、本発明の実施形態の変形例によれば、本発明の実施形態の効果と同様の効果を奏するものである。

なお、本発明は、前述の実施形態の説明に限られるものではなく、適宜の変更を行うことにより、種々の態様で実施可能である。また、本発明に包含される権利範囲は、これらの実施形態に限定されないものである。

図９に示すように、ファンケース１を模擬した試験品５５の全て層の中で、ファンケース１の対向領域１ａ（図７参照）の相当領域に複数の織物２５の継ぎ目Ｊ（図３参照）が存在する層の割合を変化させつつ、試験品５５の周囲をクランプ５７によって固定して、鋼製の弾丸５９を試験品５５の相当領域に打ち込むことにより、試験品５５について衝撃試験を行う。そして、試験品５５に衝突する前における弾丸５９の運動エネルギー（Ｅin＝（１／２）ｍ（Ｖin）2）、試験品５５に衝突した後における弾丸５９の運動エネルギー（Ｅout＝（１／２）ｍ（Ｖout）2）、及び試験品５５への衝突による吸収エネルギー（Ｅab＝Ｅin−Ｅout）を算出する。ここで、弾丸５９の質量：ｍ、試験品５５に衝突する前における弾丸５９の速度：Ｖin、試験品５５に衝突した後における弾丸５９の速度：Ｖoutである。なお、複数の織物２５の継ぎ目Ｊない比較品（図示省略）についても、同様の衝撃試験を行った。

そして、前述の衝撃試験の結果によると、試験品５５の全て層の中で相当領域に複数の織物２５の継ぎ目Ｊが存在する層の割合が２１％の場合において、試験品５５への衝突による吸収エネルギーは、比較品への衝突による吸収エネルギーの９６％になることが確認された。また、試験品５５の全て層の中で相当領域に複数の織物２５の継ぎ目Ｊが存在する層の割合を６６％まで増加させた場合においても、試験品５５への衝突による吸収エネルギーは、比較品への衝突による吸収エネルギーの８４％を確保できることが確認された。

Ｊ 継ぎ目
Ｓ 成形面
１ ファンケース
１Ｆ 成形体
１ａ 対向領域
３ 航空機エンジン
５ ファンブレード
７ マンドレル
９ マンドレル本体
１１ エンド型
１３ マンドレル回転装置
１５ 側板
１７ 回転軸
１９ 回転モータ
２１ 主動ギア
２３ 従動ギア
２５ 織物
２７ 織物供給装置
２９ 第１フロントフレーム
３１ 第１ボビン支持部材
３３ ボビン
３５ 第２フロントフレーム

Claims (6)

1. 強化繊維と熱硬化性樹脂との複合材料からなりかつ外径が軸方向に沿って変化しかつ航空機エンジンにおける複数のファンブレードを覆う筒状のファンケースを製造する方法において、
   外周側に前記ファンケースの最終形状に対応する形状の成形面を有したマンドレルを用い、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、前記マンドレルの軸心方向に平行な方向に位置をずらした複数のボビンを、前記マンドレルの回転に連動して回転させて、前記複数のボビンに巻かれかつ強化繊維からなりかつ総幅が前記ファンケースの軸長に対応する複数の織物を前記マンドレルへ供給することにより、前記複数の織物の継ぎ目を形成しつつ、前記複数の織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける初回織物巻付工程と、
   前記初回織物巻付工程の終了後に、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、前記マンドレルの軸心方向に平行な方向に位置をずらした別の複数のボビンを、前記マンドレルの回転に連動して回転させて、前記別の複数のボビンに巻かれかつ強化繊維からなりかつ総幅が前記ファンケースの軸長に対応しかつ巻付け済みの前記複数の織物と異なる組み合わせの別の複数の織物を前記マンドレルへ供給することにより、前記別の複数の織物の継ぎ目を巻付け済の前記複数の織物の継ぎ目の位置とずらしながら形成しつつ、前記別の複数の織物を前記マンドレルの成形面側に巻付ける織物巻付工程と、
   前記織物巻付工程の終了後に、前記織物巻付工程をＮ回繰り返すことにより、軸方向の位置が異なる（Ｎ＋２）種類の継ぎ目を有しかつ前記ファンケースの最終形状と同形状の成形体を成形する繰り返し工程と、
   前記繰り返し工程の終了後に、前記成形体を加熱することにより、前記成形体に予め含浸させた熱硬化性樹脂を硬化させる加熱工程と、を具備している、ファンケースの製造方法。
2. 前記初回織物巻付工程の開始前、前記初回織物巻付工程の終了後であって前記織物巻付工程の開始前、前記繰り返し工程の途中、又は前記繰り返し工程の終了後に、前記マンドレルを軸心周りに回転させつつ、強化繊維のロービングを前記マンドレルの軸方向へ前記マンドレルに対して相対的に移動させながら前記マンドレルへ供給することにより、前記ロービングを前記マンドレルの成形面側に螺旋状に巻付けるロービング巻付工程を具備している、請求項１に記載のファンケースの製造方法。
3. 前記マンドレルの成形面側に巻付ける前記織物には、予め熱硬化性樹脂が含浸されている、請求項１に記載のファンケースの製造方法。
4. 前記マンドレルの成形面側に巻付ける前記織物及び前記ロービングには、予め熱硬化性樹脂が含浸されている、請求項２に記載のファンケースの製造方法。
5. 前記繰り返し工程の終了後であって前記加熱工程の開始前に、溶融状態の熱硬化性樹脂を注入によって前記成形体内に含浸させる含浸工程を具備している、請求項１又は請求項２に記載のファンケースの製造方法。
6. 前記織物は、ノンクリンプ構造である、請求項１から請求項５のうちのいずれか１項に記載のファンケースの製造方法。

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