しわの発生が少ない高度に曲線の付けられたスチフナの製造方法及び製造装置
【課題】曲線を有する繊維補強複合部材を製造方法において、レイアップ工程中に、しわが発生することを実質的に低減又は解消でき、且つプライの切り分け及び継ぎ合わせの必要としない、硬度に曲線の付けられた繊維補強複合部材を製造するための方法及び装置を提供する。
【解決手段】所望の面外湾曲及び対応するマンドレル面内形状変化を有するマンドレルを用いて、プライを面外湾曲に適合させること、すなわち、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む。レイアップの締め固めは、各プライを締め固めて、プライのしわを実質的に除去し、且つ変形された繊維配向をプライに設定する。
【解決手段】所望の面外湾曲及び対応するマンドレル面内形状変化を有するマンドレルを用いて、プライを面外湾曲に適合させること、すなわち、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む。レイアップの締め固めは、各プライを締め固めて、プライのしわを実質的に除去し、且つ変形された繊維配向をプライに設定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、複合構造体の製造工程に関し、より特定すると、しわの発生が少ない、高度に曲線の付けられた繊維補強複合スチフナ（補剛材の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スチフナなどの複合積層体を形成するために一方向補強プリプレグのプライをレイアップ（積層）する工程の間、時に１つまたは複数のプライにしわが発生することがある。しわは、硬化された積層体に空隙又は切れ目を生じさせうるので望ましくない。しわは、限定するものではないが、レイアップ工程中にプライが変形されること、及び／又は未硬化樹脂の粘着性によって生じる一方向補強繊維間の比較的強い摩擦が原因で発生しうる。しわの発生は、高度に曲線の付けられたツール表面上に一方向プリプレグプライのスタック（積み重ね）が形成される場合、特に問題となりうる。
【０００３】
従来、曲線の付けられた領域にしわができるのを防ぐために、プリプレグプライは複数の区分に切り分けられていた。その後、前記複数の区分は、所望の湾曲を達成するために、継ぎ合わされて、曲線の付けられた形成ツール上に個々に載置されていた。しかし、このようなプライの切り分け及び継ぎ合わせは、硬化された部分の特性に望ましくない影響を及ぼしうる。こういった特性が低下する可能性を補償するために、時に追加的なプライ又はダブラーが必要とされることがあるが、これはスチフナの厚さ及び重量の増加につながりうる。上述した切り分け及び継ぎ合わせ技術はまた、時間が掛かり且つ労働集約的であり、材料を浪費することになり、硬化された部分に望ましくない前負荷をもたらしうる。また、ＩＭＬ（内側モールドライン）にプライを追加する必要がある場合、ＩＭＬの輪郭曲線が急激にならないように、それらのプライは特定の割合で徐々に追加しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、レイアップ工程中にプライにしわが発生することを実質的に低減又は解消でき且つプライの切り分け及び継ぎ合わせの必要としない、スチフナなどの、高度に曲線の付けられた繊維補強複合材部分を製造するための方法及び装置が必要となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示した実施形態によると、補強繊維がスチフナの湾曲領域全体に亘って連続し、且つプライのしわの発生が実質的に低減されるか又は解消された、ストリンガなどの、高度に曲線の付けられた繊維補強複合スチフナを製造するための方法及び装置が提供される。プライのしわの発生は、スチフナの材料特性に適応するようにレイアップマンドレルの形状を仕立てることによって回避される。材料特性への適応は、スチフナ部分の形状に応じてマンドレルの一部を選択的に広げたり狭めたりすることによってなされる。マンドレルにおけるこれらの形状変化によって、スチフナ部分の厚さを変更する必要なく、マンドレルの輪郭曲線が調整される。また、開示した方法によって、プライの追加が必要とされうる領域で許容可能な輪郭曲線を増やすことが可能となり、プライの割合を増加することができ、これは輪郭曲線に対する過去の制約によって生じていた寄生重量を低減しうる。
【０００６】
マンドレルの仕立てられた形状により、連続的且つ実質的にしわを発生することなく高度に曲線の付けられた領域に繊維、特にゼロ度繊維を横渡しすることができる。より高剛性のプライ、つまり複合材のゼロ度プライは切り分け及び継ぎ合わせの必要がなく、むしろスチフナの湾曲の全長に亘って連続的に延びるので、硬化されたスチフナの構造特性は低下されない。レイアップの際にプライを改変（切り分け及び継ぎ合わせ）する必要がないので、開示した製造方法を用いてより高い生産速度が実現されうる。また、より変化に富んだスチフナの輪郭曲線が適応され、それにより、より複雑且つ重量効率の良いスチフナの設計が実現可能となる。
【０００７】
開示した一実施形態によると、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法が提供される。前記方法は、所望の面外湾曲及び対応する面内湾曲を有するツールを提供することと、ツール上にレイアップを形成することと、レイアップを締め固めすることとを含む。レイアップの形成は、複数の繊維補強プライをツール上にレイアップすることと、プライをツールの面外湾曲及び対応する面内湾曲に適合させることとを含む。プライを面外湾曲に適合させることは、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む。レイアップの締め固めは、各プライを締め固めてプライのしわを実質的に除去し且つ前記変形された繊維配向をプライに設定することを含む。
【０００８】
開示した別の実施形態によると、帽子型の断面及びその長さに沿って面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法が提供される。前記方法は、繊維補強複合プライを形成ツール上にレイアップすることによってレイアップを組み立てることと、形成ツールを用いてレイアップに面外湾曲を形成することとを含む。前記方法はさらに、前記ツールを用いて対応する面内湾曲をレイアップに形成することを含む。一実施形態で、帽子型ストリンガはキャップ、側面及び底部フランジを含み、及び面外湾曲はストリンガのフランジに形成される。対応する面内湾曲はストリンガの側面に形成される。
【０００９】
別の実施形態によると、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナをレイアップするためのマンドレルの作成方法が提供される。前記方法は、マンドレル本体に少なくとも１つの面外湾曲を形成することと、マンドレル本体上にレイアップされた複合プライに対する面外湾曲の影響を補うように面外に実質的に対応する面内湾曲をマンドレルに形成することとを含む。少なくとも１つの面外湾曲はマンドレル本体上の第１ツール面に形成され、面内湾曲は第１ツール面に隣接した第２ツール面に形成される。
【００１０】
さらなる実施形態によると、その長さに沿って面外曲り区分を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナを形成するための装置が提供される。前記装置は、繊維補強複合プライが形成されうるマンドレルを備える。マンドレルは、スチフナの面外曲り区分と実質的に一致する区分を含む第１ツール面と、第１ツール面の面外曲り区分に実質的に対応する面内曲り区分を有する区分を含む第２ツール面とを有する。第１及び第２ツール面は互いに横断して延び且つ互いに隣接する。
【００１１】
さらに別の実施形態によると、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガを製造するための装置が提供される。前記装置は、面外湾曲及びマンドレルにそれに対応する面内形状変化を有するストリンガマンドレルを備える。
【００１２】
本発明は、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法であって、
所望の面外湾曲及び対応する面内湾曲を有するツールを提供するステップと、
プライをツールの面外湾曲及び対応する面内湾曲に適合させることを含めて、複数の繊維補強複合プライをツール上にレイアップすることによって、ツール上にレイアップを形成するステップと、
レイアップを締め固めするステップと
を含む前記方法に関する。
【００１３】
本発明はまた、各プライの補強繊維が実質的に一方向の繊維配向を有する、前記方法に関する。
【００１４】
本発明はまた、プライを面外湾曲に適合させることが、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、前記方法に関する。
【００１５】
本発明はまた、プライをツールの面内湾曲に適合させることが、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、前記方法に関する。
【００１６】
本発明はまた、レイアップの締め固めが、各プライを締め固めてプライのしわを実質的に除去し且つ前記変形された繊維配向をプライに設定することを含む、前記方法に関する。
【００１７】
本発明はまた、少なくとも特定のプライの繊維が、スチフナの全長に亘って実質的に連続的に延びる、前記方法に関する。
【００１８】
本発明はまた、上述した方法によって製造される繊維補強複合スチフナに関する。
【００１９】
本発明はまた、帽子型の断面及びその長さに沿って面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法であって、
繊維補強複合プライを形成ツール上にレイアップすることによってレイアップを組み立てるステップと、
形成ツールを用いてレイアップに面外湾曲を形成するステップと、
前記ツールを用いて対応する面内形状変化をレイアップに形成するステップと、
を含む、前記方法に関する。
【００２０】
本発明はまた、帽子型ストリンガがキャップ、側面及び底部フランジを含み、及び面外湾曲がストリンガのフランジに形成される、前記方法に関する。
【００２１】
本発明はまた、対応する面内形状変化がストリンガの側面に形成される、前記方法に関する。
【００２２】
本発明はまた、面外湾曲及び対応する面内形状変化をレイアップに形成するステップが、各プライの繊維を、公称直線配向から面外湾曲及び対応する面内形状変化により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、前記方法に関する。
【００２３】
本発明はまた、上述した方法によって製造されるストリンガに関する。
【００２４】
本発明は、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナをレイアップするためのマンドレルの作成方法であって、
マンドレル本体に少なくとも１つの面外湾曲を形成するステップと、
マンドレル本体上にレイアップされた複合プライに対する面外湾曲の影響を補うように面外に実質的に対応する面内湾曲をマンドレルに形成するステップと、
を含む、前記作成方法。
【００２５】
本発明はまた、
少なくとも１つの面外湾曲がマンドレル本体上の第１ツール面に形成され、
面内湾曲が第１ツール面に隣接した第２ツール面に形成される、
前記方法に関する。
【００２６】
本発明はまた、その長さに沿って面外曲り区分を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナを形成するための装置であって、
繊維補強複合プライが形成されうるマンドレルを備え、
前記マンドレルは、スチフナの面外曲り区分と実質的に一致する区分を含む第１ツール面を有し、
前記マンドレルは、第１ツール面の面外曲り区分に実質的に対応する面内曲り区分を有する区分を含む第２ツール面を有する、
前記装置に関する。
【００２７】
本発明はまた、第１及び第２ツール面が互いに横断して延びる、前記装置に関する。
【００２８】
本発明はまた、第１及び第２ツール面が互いに隣接する、前記装置に関する。
【００２９】
本発明はまた、
プライを第１及び第２ツール面に対して締め固めするツールであって、前記ツールは第１ツール面の面外曲り区分と実質的に一致する曲面と、第２ツール面の面内形状変化を有する区分と実質的に一致する曲面とを有する、前記ツール
をさらに備える、前記装置に関する。
【００３０】
本発明はまた、
面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガと、
面外湾曲及びマンドレルにそれに対応する面内形状変化を有するストリンガマンドレルと、
を製造するための装置に関する。
【００３１】
本発明はまた、ストリンガの断面が帽子型であって、マンドレルが、
ストリンガのキャップを形成するための上面と、
ストリンガの対向する両側をそれぞれ形成するための側面と、
反対方向に延びるストリンガのフランジを形成するための一対の底面と、
を含む、前記装置に関する。
【００３２】
本発明はまた、
上面及び各側面が面外湾曲を有する区分を含み、
各側面が対応する面内形状変化を有する区分を含む、
前記装置に関する。
【００３３】
本発明はまた、
マンドレルが上部、側部及び基部を含み、
面外湾曲がマンドレルの基部に画定され、
対応する面内形状変化がマンドレルの側部の拡幅として画定される、
前記装置に関する。
【００３４】
本発明はまた、ストリンガマンドレルが、Ｉ、Ｊ、Ｚ、Ｌ、Ｃ、及び帽子からなる群から選択されるストリンガ断面を形成するためのツール面を含む、前記装置に関する。
【００３５】
本発明はまた、帽子型の断面及びその長さに沿って面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガの製造方法であって、
一対のツール底面、一対のツール側面、及びツール上面を有するマンドレルツールを提供するステップであって、ツール底面が面外湾曲を有し、且つ各ツール側面及びツール上面が対応する形状変化を有する、前記ステップと、
プライを、ツール底面の面外湾曲とツール側面及びツール上面における対応する形状変化とに適合させることを含めて、一方向繊維補強複合プライをマンドレル上にドレープすることによって、レイアップを組み立てるステップと、
各プライの繊維を、公称直線配向から、ツール底面の面外湾曲とツール側面及びツール上面における対応する形状変化とによってそれぞれ決定される第１及び第２変形配向へと全般的に変形させることを含めて、マンドレルに対してレイアップを締め固めするステップと、
締め固めされたレイアップを硬化するステップと、
を含む、前記方法に関する。
【００３６】
本発明はまた、その長さに沿って面外曲り区分を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガを形成するための装置であって、
繊維補強複合プライが形成されうるマンドレルと、
スチフナの面外曲り区分と実質的に一致する区分を含む第１ツール面を有するマンドレルと、
第１ツール面に隣接し且つ前記面を横断して延びる第２ツール面を有するマンドレルであって、第２ツール面は、第１ツール面の面外曲り区分に実質的に対応する面内形状変化を有する区分を含む、前記マンドレルと、
プライを第１及び第２ツール面に対して締め固めするための一対の締め固めツールであって、それぞれが、第１ツール面の面外曲り区分と実質的に一致する曲面と、第２ツール面の面内形状変化を有する区分と実質的に一致する曲面とを含む、前記ツールと、
を備える、前記装置。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】航空機胴体の断面の斜視図である。
【図２】図１の胴体に使用されたストリンガの長手方向断面図であり、前記ストリンガは胴体スキンの湾曲に適合する面外湾曲を有する。
【図３】図２の線３−３に沿った断面図である。
【図４】図２及び図３に示されたストリンガの平面図である。
【図５】上にストリンガレイアップが形成されているマンドレルの斜視図である。
【図６】図５に示されたマンドレルの等角図である。
【図７】単一のプライの一部の斜視図であり、上にレイアップはされているが、図６に示されたマンドレルの形状にはまだ適合されていない繊維の位置を示す。
【図８】図７と同様の図であるが、締め固めに続いてマンドレルの形状に適合されたプライ繊維を示す。
【図９】開示された方法及び装置を用いて形成されうるスチフナの形態の例を示す斜視図である。
【図１０】図５に示されたレイアップを締め固めするツールセットの斜視図である。
【図１１】マンドレル及び図１０に示された締め固めツールの１つの斜視図である。
【図１２】面外湾曲を有するスチフナを形成する１つの方法のフロー図である。
【図１３】面外湾曲を有するスチフナを形成する別の方法のフロー図である。
【図１４】航空機製造及び実用稼動（サービス）手順のフロー図である。
【図１５】航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１−４を参照して、開示する実施形態は、複合輪郭曲線を有するスチフナ２０を含む、長さに沿った１又は複数の区分４０に沿って面外湾曲３６を有する一方向繊維補強複合積層体スチフナ２０を製造するための方法及び装置に関する。図１は、間隔の開いた樽型フレーム２２に取り付けられた外側スキン２４、及び長手方向に延びる円周方向に間隔の開いたスチフナ２０を有する航空機胴体２６を示し、スチフナはストリンガ２０と呼ばれることもある。ストリンガ２０はスキン２４に取り付けられ、前記スキンを補剛する働きをする。後述されるように、スキン２４は、ストリンガ２０が適合する必要のある１又は複数の起伏又は湾曲３４（図２及び３）を有しうる。
【００３９】
特に図２、図３及び図４を参照すると、図示された例で、スキン２４の補剛に用いられるストリンガ２０は断面が帽子型であるが、後に詳述されるように他の断面形状も可能である。ストリンガ２０は、スキン２４の内側表面３５と実質的に適合し且つ任意の適切な手段によって前記表面に固定される、横方向に延びるフランジ３２に、側壁３０によって接続される概ね平坦なキャップ２８を備える。図示した実施形態で、側壁３０はキャップ２８及びフランジ３２に実質的に垂直に延びるが、他の実施形態で、側壁３０はキャップ２８及び／又はフランジ３２に対して傾斜していてよい。フランジ３２は、ストリンガ２０の区分４０に沿って延びる面外湾曲３６を含み、これは、フランジ３２が湾曲区分４０でスキン２４と実質的に適合するように、スキン２４の湾曲３４と実質的に一致する。本明細書で使用される「面外湾曲」は、実質的にフランジ３２のプライの面内にないか又はフランジ３２のプライの面と平行に延びる面内にある湾曲を言う。
【００４０】
プライレイアップ及び形成工程の間、フランジ３２の面外湾曲３６により、フランジ３２のプライは区分４０に沿って側壁３０のプライに引張力を与える。通常この引張力により、側壁３０のプライは、形成工程の間か又は硬化の前に、特にストリンガが曲線の付けられたツール（図示せず）上にプライの平坦なスタックを形成することによって製造される場合、１つにはプリプレグプライ間の摩擦によってプライを互いに対して移動させ且つツールの輪郭曲線に適合させることがより困難となる理由でプライにしわを生じさせる形成ツール（図示せず）から離れることになる傾向がある。
【００４１】
プライのこういった材料特性に対応し且つプライのしわ発生（図２及び図３には図示せず）を解消するために、プライは、面外湾曲３６に対応する面内形状変化を有するストリンガ２０が得られるようにレイアップ及び形成される。図示した実施形態で、これらの面内形状変化は、面外湾曲３６に隣接して、区分４０内で側壁３０の外方湾曲４１を有する。側壁３０の外方湾曲４１は、面外湾曲３６の曲率半径「Ｒ」（図２）と実質的に一致する曲率半径「Ｒ」（図４）を有し、よって本質的に側壁湾曲４１はフランジ湾曲３６の鏡像である。その結果、側壁３０は、実質的なしわの発生なく、ストリンガ２０の区分４０を滑らかに延びる。
【００４２】
面内側壁湾曲４１の結果、キャップ２８には半径「Ｒ」の下方湾曲３８が与えられ、よってキャップ２８の高さ「Ｈ」及び区分４０に沿った曲線の付けられた拡幅「Ｗ」が減少する。キャップ２８のこの曲線付けは、側壁３０の面内変化を反映する。
【００４３】
図５は、上に多重プライのプリプレグ積層体レイアップ４４が、図２−４に示されたストリンガ２０の製造工程の一部として形成されうるツールマンドレル４２を示す。一方向繊維補強プライ４５が、それらをマンドレル４２上にドレープすることによってレイアップされ、レイアップ４４が形成される。１つの実施形態では、プリプレグプライの順序付けされた平坦なスタック（図示せず）が、スタックのプライの数、順序、及び繊維配向を特定しうる所定のプライスケジュール（図示せず）にしたがってレイアップされる。平坦なプライスタックは次いで、図６の矢印６０によって示される方向に、ツールマンドレル４２上にドレープされ、マンドレル４２の輪郭曲線に適合される。
【００４４】
ツールマンドレル４２は、硬化されたストリンガ２０のフランジ３２の面外湾曲３６に長さ「Ｌ」及び半径「Ｒ」で対応する面外湾曲４６を有するツール底面４８を含む。図５はまた、側壁３０の面内外方湾曲４１を含むストリンガレイアップ４４の対応する面内形状変化を示す。実際には、マンドレル４２の内側モールドライン（ＩＭＬ）の輪郭曲線は、それがストリンガ２０のキャップ２８及び側壁３０に反映されるように、＋／−９０度回転される（図２から図５）。
【００４５】
次に図６を参照して、マンドレル４０は、それぞれストリンガ２０のキャップ２８、側壁３０及びフランジ３２（図３）のＩＭＬを成すツール上面５８、ツール側面５６及びツール底面４８を有するマンドレル本体５５を備える。ツール底面４８のそれぞれは、図５と関連して前述したとおりの半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」の湾曲４６を有する。マンドレル４２はまた、面外湾曲４６の長さ「Ｌ」に沿った面外湾曲４６に対応する面内形状変化を有する。前記面内形状変化は、ツール底面４８の面外湾曲の半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」と実質的に一致するツール側面５６の外方湾曲４９を含む。ツール上面５８は、ツール底面４８の面外湾曲の半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」と実質的に一致する下方曲り区分４７を含む。ツール側面５６の湾曲４９によって、長さ「Ｌ」に沿ってツール上面の幅５４が増加し、並びに符号５１で示される高さが減少する。
【００４６】
面外湾曲４６によって生じるプライ材料への影響を補うために必要なマンドレル４２の面内形状変化は、面外湾曲４６の位置、形状及び寸法によって決定される。図示された実施形態では、面外湾曲４６は半径「Ｒ」を有し、マンドレル４２の長さ「Ｌ」に沿って延び、その結果、マンドレルのツール側面５６を覆うプライ材料上の「引張」を補うように形成された、半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」をまた有するマンドレル形状の面内変化が必要となる。前記プライ材料上の引張は、形成工程中にプライ材料が隣接するツール底面４８で湾曲４６へと引き下げられることによって生じる。ツール側面５６は、面外湾曲４６へと引き下げられた結果材料が引張られる方向に曲げられる、つまりツール面５６は、面外湾曲４６によってツール底面４８上に発生されるプライ材料の「引張」によって生じるプライ材料の外方変位と概ね一致するように図示した実施形態で外側に曲げられる。面外湾曲によって生じるプライ材料への影響を補うために必要な面内形状変化量はまた、一部には、形成ツールの２つの隣接する面、例えばマンドレル４２上の隣接するツール面４８及び５６の間の角度θに依存しうる。
【００４７】
次に図７及び図８を参照して、図７は、図５に示されたマンドレル４２上にドレープされた後だがマンドレル４２の特徴に適合するように締め固めされる前の、ゼロ度繊維配向を持つ一方向繊維６６を有したプライ４５の２つの部分６７，６９を示す。ゼロ度繊維６６は、マンドレル４２に押し付けられる前は互いに対して実質的に平行に延びる。この時点で、プライ４５の一方の部分６７はツール側面５６の１つを覆い、もう一方の部分６９はツール底面４８の１つを覆う。図８を参照して、締め固めの間、繊維６６は、ツール底面４８の面外湾曲４６（図６）に適合するように変形され、その結果、繊維６６の区分７０は５２で示される下方湾曲の形を取り、これは図６に示したマンドレル４２の面外湾曲４６と実質的に一致する。同様に、プライ部分６７の繊維６６は、図６に示したマンドレル４２のツール側面４９の湾曲と実質的に一致する外方湾曲４１の形を取るように締め固め中に変形される。締め固め工程の間、繊維６６は、図７に示された公称直線配向から図８に示された変形された配向５２，４１へと全般的に変形し、これらの変形された配向はそれぞれ、図６のマンドレル４２のツール底面４８の面外湾曲と、マンドレル４２のツール側面５６での対応する形状変化４９とによって決定される。
【００４８】
上述の帽子型ストリンガ２０は、開示した方法及び装置を用いて形成されうる様々なスチフナ構造の単なる例示である。例えば、図９に示されるように、開示した方法及び装置を用いて、傾斜した側壁５４を有する変形した帽子形状２０ａ、「Ｉ」形状２０ｂ、「Ｃ」形状２０ｃ、「Ｚ」形状２０ｄ、「Ｌ」形状２０ｅ及び「Ｊ」形状２０ｆに対応する断面を有するストリンガとして又は他の目的で使用されうる実質的にしわのないスチフナの少なくとも一部を製造することができる。
【００４９】
図１０及び図１１は、ストリンガレイアップ４４の形成及び締め固めに用いられるツール７４の更なる詳細を示す。一対の締め固めツール７６，７８を用いて、レイアップ４４をマンドレル４２に対して締め固めする。締め固めは、例えば且つ限定するものではなく、従来の真空バッグを用いて及び／又はオートクレーブ処理によって行われうる。図１１に最もよく見られるように、締め固めツール７８のそれぞれは、フランジ８０、側壁８２、底部８４を含み、これらはそれぞれストリンガレイアップ４４のキャップ２８、側壁３０及びフランジ３２（図３）を締め固め且つそれらの圧力を加える。フランジ８０及び底部８４はそれぞれ、ツール上面５８及びマンドレル４２のツール底面４８の湾曲４６にそれぞれ対応する面外湾曲４６ａを含む。同様に、締め固めツール７８の側部８２は、マンドレル４２のツール側面５６のものと実質的に一致する曲り区分４７ａを含む。
【００５０】
次に、先述したストリンガ２０といった、実質的にしわのない繊維強化複合スチフナの製造方法のステップを示した図１２に注目する。ステップ８６から始まり、所望の面外湾曲４６及び対応する面内形状変化４７を有するツール４２が提供される。続いてステップ８８で、所望のプライスケジュール（図示せず）に対応する繊維配向を有した一方向繊維強化プリプレグの連続したプライ４５（図５）をレイアップすることによってツール４２上にレイアップ４４が形成される。或いは、レイアップ４４は、順序付けされたプライ４５の平坦なスタック（図示せず）として予め形成されうる。プライ４５のそれぞれ、又はプライスタックは、マンドレル４２上にプライ４５（又はスタック）を図５に示した方向６０にドレープすることによって敷設される。ステップ９０で、各プライ４５又はプライスタックは、面外湾曲４６と、マンドレル４２の面内形状変化４７を表す対応する面内湾曲４９とを含むマンドレル４２のツール面に適合される。ステップ９２で、レイアップ４４は締め固めされ、これは締め固めツール７６，７８（図１０及び図１１）の使用及び真空バッグ処理を含みうる。最後に、ステップ９４で、レイアップ４４が硬化される。
【００５１】
図１３は、面外湾曲４６を有するストリンガの製造方法の別の実施形態を示す。９６から始まり、レイアップ４４（図５）は、一方向繊維プリプレグのプライ４５をマンドレル４２などの適切な形成ツール上に連続的にレイアップすることによって、或いは、プライ４５を順序付けされた平坦なプライのスタックとしてレイアップすることによって、組み立てられる。次に９８で、ツール４２を用いてレイアップ４４の面外湾曲を形成し、そして１００で、ツール４２を用いてレイアップ４４の対応する面内湾曲及び形状変化４１を形成する。レイアップは、ステップ１０２で締め固めされ、ステップ１０４で硬化される。
【００５２】
次に図１４及び図１５を参照して、開示した実施形態は、図１４で示されたような航空機製造及び実用稼動（サービス）方法１０６、及び図１５に示されたような航空機１０８との関連で用いられうる。製造前段階で、例示的な方法１０６は、航空機１０８の仕様及び設計１１０、及び資材調達１１２を含みうる。製造中、航空機１０８の部品及びサブアセンブリの製造１１４、及びシステム統合１１６が行われる。開示された方法及び装置を用いて、ステップ１１４で用いられたサブアセンブリに統合される高度に曲線の付けられたスチフナが製造されうる。その後、航空機１０８は、実用稼動１２０するために認証及び搬送１１８を経る。顧客による実用稼動中、航空機１０８は、日常保守及びアフターサービス１２２（改良、再構成、改修等も含みうる）が予定されうる。
【００５３】
方法１０６の各工程は、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）によって実行又は遂行されうる。本明細書において、システムインテグレータとは、限定するものではないが任意の数の航空機製造業者及び主要システム下請け業者を含んでよく、第三者とは、限定するものではないが任意の数のベンダー、下請け業者及びサプライヤーを含んでよく、そしてオペレータとは、航空会社、リース会社、軍事体、サービス組織等であってよい。
【００５４】
図１５に示されたように、例示的方法１０６によって製造された航空機１０８は、複数のシステム１２６を有した機体１２４及び内部１２８を含みうる。高レベルのシステム１２６の例には、１つ又は複数の推進システム１３０、電気システム（系統）１３２、油圧システム（系統）１３４、及び環境システム１３６が含まれる。任意の数の他のシステムも含まれうる。開示された方法及び装置によって製造されたスチフナ及び他の複合部品は、機体１２４か又は内部１２４で用いられうる。航空機の例が示されているが、本発明の原理は、自動車産業といった他の産業に適用可能である。
【００５５】
本明細書で具体化された装置は、製造及び実用稼動方法１０６のいずれか１つ又は複数の段階中に使用されうる。例えば、製造工程１１４に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機１０８が実用稼働中に製造される部品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、１つ又は複数の装置実施形態は、製造段階１１４及び１１６で、例えば実質的に航空機１０８の組み立てを促進するか又はコストを低減することに利用されうる。同様に、１つ又は複数の装置実施形態は、航空機１０８の実用稼働中に、例えば且つ限定するものではなく、保守及びアフターサービス１２２で利用されうる。
【００５６】
本開示の実施形態は特定の例示的実施形態について説明したが、特定の実施形態は例示を目的としたものであり、限定するものではなく、当業者は他の変形も考えうることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５７】
２０ スチフナ、ストリンガ
２２ 樽型フレーム
２４ スキン
２６ 航空機胴体
２８ キャップ
３０ 側壁
３２ フランジ
３４ スキン２４の湾曲、起伏
３５ スキン２４の内側表面
３６ フランジ３２の面外湾曲
３８ キャップ２８の下方湾曲
４０ 長さに沿った部分
４１ 側壁３０の外方湾曲、レイアップ４４の対応する面内湾曲・形状変化
４２ ツールマンドレル
４４ 積層体レイアップ、ストリンガレイアップ
４５ 一方向繊維補強プライ
４６ ツール底面４８の面外湾曲
４７ 面内形状変化
４８ ツール底面
４９ ツール側面５６の外方湾曲
５１ 高さ
５４ ツール上面の幅
５５ マンドレル本体
５６ ツール側面
５８ ツール上面
６７ プライ４５の一部分
６９ プライ４５の一部分
７４ ツール
７６ 締め固めツール
７８ 締め固めツール
８０ フランジ
８２ 側壁
８４ 底部
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、複合構造体の製造工程に関し、より特定すると、しわの発生が少ない、高度に曲線の付けられた繊維補強複合スチフナ（補剛材の製造方法及び製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スチフナなどの複合積層体を形成するために一方向補強プリプレグのプライをレイアップ（積層）する工程の間、時に１つまたは複数のプライにしわが発生することがある。しわは、硬化された積層体に空隙又は切れ目を生じさせうるので望ましくない。しわは、限定するものではないが、レイアップ工程中にプライが変形されること、及び／又は未硬化樹脂の粘着性によって生じる一方向補強繊維間の比較的強い摩擦が原因で発生しうる。しわの発生は、高度に曲線の付けられたツール表面上に一方向プリプレグプライのスタック（積み重ね）が形成される場合、特に問題となりうる。
【０００３】
従来、曲線の付けられた領域にしわができるのを防ぐために、プリプレグプライは複数の区分に切り分けられていた。その後、前記複数の区分は、所望の湾曲を達成するために、継ぎ合わされて、曲線の付けられた形成ツール上に個々に載置されていた。しかし、このようなプライの切り分け及び継ぎ合わせは、硬化された部分の特性に望ましくない影響を及ぼしうる。こういった特性が低下する可能性を補償するために、時に追加的なプライ又はダブラーが必要とされることがあるが、これはスチフナの厚さ及び重量の増加につながりうる。上述した切り分け及び継ぎ合わせ技術はまた、時間が掛かり且つ労働集約的であり、材料を浪費することになり、硬化された部分に望ましくない前負荷をもたらしうる。また、ＩＭＬ（内側モールドライン）にプライを追加する必要がある場合、ＩＭＬの輪郭曲線が急激にならないように、それらのプライは特定の割合で徐々に追加しなければならない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、レイアップ工程中にプライにしわが発生することを実質的に低減又は解消でき且つプライの切り分け及び継ぎ合わせの必要としない、スチフナなどの、高度に曲線の付けられた繊維補強複合材部分を製造するための方法及び装置が必要となっている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
開示した実施形態によると、補強繊維がスチフナの湾曲領域全体に亘って連続し、且つプライのしわの発生が実質的に低減されるか又は解消された、ストリンガなどの、高度に曲線の付けられた繊維補強複合スチフナを製造するための方法及び装置が提供される。プライのしわの発生は、スチフナの材料特性に適応するようにレイアップマンドレルの形状を仕立てることによって回避される。材料特性への適応は、スチフナ部分の形状に応じてマンドレルの一部を選択的に広げたり狭めたりすることによってなされる。マンドレルにおけるこれらの形状変化によって、スチフナ部分の厚さを変更する必要なく、マンドレルの輪郭曲線が調整される。また、開示した方法によって、プライの追加が必要とされうる領域で許容可能な輪郭曲線を増やすことが可能となり、プライの割合を増加することができ、これは輪郭曲線に対する過去の制約によって生じていた寄生重量を低減しうる。
【０００６】
マンドレルの仕立てられた形状により、連続的且つ実質的にしわを発生することなく高度に曲線の付けられた領域に繊維、特にゼロ度繊維を横渡しすることができる。より高剛性のプライ、つまり複合材のゼロ度プライは切り分け及び継ぎ合わせの必要がなく、むしろスチフナの湾曲の全長に亘って連続的に延びるので、硬化されたスチフナの構造特性は低下されない。レイアップの際にプライを改変（切り分け及び継ぎ合わせ）する必要がないので、開示した製造方法を用いてより高い生産速度が実現されうる。また、より変化に富んだスチフナの輪郭曲線が適応され、それにより、より複雑且つ重量効率の良いスチフナの設計が実現可能となる。
【０００７】
開示した一実施形態によると、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法が提供される。前記方法は、所望の面外湾曲及び対応する面内湾曲を有するツールを提供することと、ツール上にレイアップを形成することと、レイアップを締め固めすることとを含む。レイアップの形成は、複数の繊維補強プライをツール上にレイアップすることと、プライをツールの面外湾曲及び対応する面内湾曲に適合させることとを含む。プライを面外湾曲に適合させることは、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む。レイアップの締め固めは、各プライを締め固めてプライのしわを実質的に除去し且つ前記変形された繊維配向をプライに設定することを含む。
【０００８】
開示した別の実施形態によると、帽子型の断面及びその長さに沿って面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法が提供される。前記方法は、繊維補強複合プライを形成ツール上にレイアップすることによってレイアップを組み立てることと、形成ツールを用いてレイアップに面外湾曲を形成することとを含む。前記方法はさらに、前記ツールを用いて対応する面内湾曲をレイアップに形成することを含む。一実施形態で、帽子型ストリンガはキャップ、側面及び底部フランジを含み、及び面外湾曲はストリンガのフランジに形成される。対応する面内湾曲はストリンガの側面に形成される。
【０００９】
別の実施形態によると、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナをレイアップするためのマンドレルの作成方法が提供される。前記方法は、マンドレル本体に少なくとも１つの面外湾曲を形成することと、マンドレル本体上にレイアップされた複合プライに対する面外湾曲の影響を補うように面外に実質的に対応する面内湾曲をマンドレルに形成することとを含む。少なくとも１つの面外湾曲はマンドレル本体上の第１ツール面に形成され、面内湾曲は第１ツール面に隣接した第２ツール面に形成される。
【００１０】
さらなる実施形態によると、その長さに沿って面外曲り区分を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナを形成するための装置が提供される。前記装置は、繊維補強複合プライが形成されうるマンドレルを備える。マンドレルは、スチフナの面外曲り区分と実質的に一致する区分を含む第１ツール面と、第１ツール面の面外曲り区分に実質的に対応する面内曲り区分を有する区分を含む第２ツール面とを有する。第１及び第２ツール面は互いに横断して延び且つ互いに隣接する。
【００１１】
さらに別の実施形態によると、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガを製造するための装置が提供される。前記装置は、面外湾曲及びマンドレルにそれに対応する面内形状変化を有するストリンガマンドレルを備える。
【００１２】
本発明は、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法であって、
所望の面外湾曲及び対応する面内湾曲を有するツールを提供するステップと、
プライをツールの面外湾曲及び対応する面内湾曲に適合させることを含めて、複数の繊維補強複合プライをツール上にレイアップすることによって、ツール上にレイアップを形成するステップと、
レイアップを締め固めするステップと
を含む前記方法に関する。
【００１３】
本発明はまた、各プライの補強繊維が実質的に一方向の繊維配向を有する、前記方法に関する。
【００１４】
本発明はまた、プライを面外湾曲に適合させることが、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、前記方法に関する。
【００１５】
本発明はまた、プライをツールの面内湾曲に適合させることが、各プライの繊維を公称直線配向から面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、前記方法に関する。
【００１６】
本発明はまた、レイアップの締め固めが、各プライを締め固めてプライのしわを実質的に除去し且つ前記変形された繊維配向をプライに設定することを含む、前記方法に関する。
【００１７】
本発明はまた、少なくとも特定のプライの繊維が、スチフナの全長に亘って実質的に連続的に延びる、前記方法に関する。
【００１８】
本発明はまた、上述した方法によって製造される繊維補強複合スチフナに関する。
【００１９】
本発明はまた、帽子型の断面及びその長さに沿って面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法であって、
繊維補強複合プライを形成ツール上にレイアップすることによってレイアップを組み立てるステップと、
形成ツールを用いてレイアップに面外湾曲を形成するステップと、
前記ツールを用いて対応する面内形状変化をレイアップに形成するステップと、
を含む、前記方法に関する。
【００２０】
本発明はまた、帽子型ストリンガがキャップ、側面及び底部フランジを含み、及び面外湾曲がストリンガのフランジに形成される、前記方法に関する。
【００２１】
本発明はまた、対応する面内形状変化がストリンガの側面に形成される、前記方法に関する。
【００２２】
本発明はまた、面外湾曲及び対応する面内形状変化をレイアップに形成するステップが、各プライの繊維を、公称直線配向から面外湾曲及び対応する面内形状変化により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、前記方法に関する。
【００２３】
本発明はまた、上述した方法によって製造されるストリンガに関する。
【００２４】
本発明は、面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナをレイアップするためのマンドレルの作成方法であって、
マンドレル本体に少なくとも１つの面外湾曲を形成するステップと、
マンドレル本体上にレイアップされた複合プライに対する面外湾曲の影響を補うように面外に実質的に対応する面内湾曲をマンドレルに形成するステップと、
を含む、前記作成方法。
【００２５】
本発明はまた、
少なくとも１つの面外湾曲がマンドレル本体上の第１ツール面に形成され、
面内湾曲が第１ツール面に隣接した第２ツール面に形成される、
前記方法に関する。
【００２６】
本発明はまた、その長さに沿って面外曲り区分を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナを形成するための装置であって、
繊維補強複合プライが形成されうるマンドレルを備え、
前記マンドレルは、スチフナの面外曲り区分と実質的に一致する区分を含む第１ツール面を有し、
前記マンドレルは、第１ツール面の面外曲り区分に実質的に対応する面内曲り区分を有する区分を含む第２ツール面を有する、
前記装置に関する。
【００２７】
本発明はまた、第１及び第２ツール面が互いに横断して延びる、前記装置に関する。
【００２８】
本発明はまた、第１及び第２ツール面が互いに隣接する、前記装置に関する。
【００２９】
本発明はまた、
プライを第１及び第２ツール面に対して締め固めするツールであって、前記ツールは第１ツール面の面外曲り区分と実質的に一致する曲面と、第２ツール面の面内形状変化を有する区分と実質的に一致する曲面とを有する、前記ツール
をさらに備える、前記装置に関する。
【００３０】
本発明はまた、
面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガと、
面外湾曲及びマンドレルにそれに対応する面内形状変化を有するストリンガマンドレルと、
を製造するための装置に関する。
【００３１】
本発明はまた、ストリンガの断面が帽子型であって、マンドレルが、
ストリンガのキャップを形成するための上面と、
ストリンガの対向する両側をそれぞれ形成するための側面と、
反対方向に延びるストリンガのフランジを形成するための一対の底面と、
を含む、前記装置に関する。
【００３２】
本発明はまた、
上面及び各側面が面外湾曲を有する区分を含み、
各側面が対応する面内形状変化を有する区分を含む、
前記装置に関する。
【００３３】
本発明はまた、
マンドレルが上部、側部及び基部を含み、
面外湾曲がマンドレルの基部に画定され、
対応する面内形状変化がマンドレルの側部の拡幅として画定される、
前記装置に関する。
【００３４】
本発明はまた、ストリンガマンドレルが、Ｉ、Ｊ、Ｚ、Ｌ、Ｃ、及び帽子からなる群から選択されるストリンガ断面を形成するためのツール面を含む、前記装置に関する。
【００３５】
本発明はまた、帽子型の断面及びその長さに沿って面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガの製造方法であって、
一対のツール底面、一対のツール側面、及びツール上面を有するマンドレルツールを提供するステップであって、ツール底面が面外湾曲を有し、且つ各ツール側面及びツール上面が対応する形状変化を有する、前記ステップと、
プライを、ツール底面の面外湾曲とツール側面及びツール上面における対応する形状変化とに適合させることを含めて、一方向繊維補強複合プライをマンドレル上にドレープすることによって、レイアップを組み立てるステップと、
各プライの繊維を、公称直線配向から、ツール底面の面外湾曲とツール側面及びツール上面における対応する形状変化とによってそれぞれ決定される第１及び第２変形配向へと全般的に変形させることを含めて、マンドレルに対してレイアップを締め固めするステップと、
締め固めされたレイアップを硬化するステップと、
を含む、前記方法に関する。
【００３６】
本発明はまた、その長さに沿って面外曲り区分を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガを形成するための装置であって、
繊維補強複合プライが形成されうるマンドレルと、
スチフナの面外曲り区分と実質的に一致する区分を含む第１ツール面を有するマンドレルと、
第１ツール面に隣接し且つ前記面を横断して延びる第２ツール面を有するマンドレルであって、第２ツール面は、第１ツール面の面外曲り区分に実質的に対応する面内形状変化を有する区分を含む、前記マンドレルと、
プライを第１及び第２ツール面に対して締め固めするための一対の締め固めツールであって、それぞれが、第１ツール面の面外曲り区分と実質的に一致する曲面と、第２ツール面の面内形状変化を有する区分と実質的に一致する曲面とを含む、前記ツールと、
を備える、前記装置。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】航空機胴体の断面の斜視図である。
【図２】図１の胴体に使用されたストリンガの長手方向断面図であり、前記ストリンガは胴体スキンの湾曲に適合する面外湾曲を有する。
【図３】図２の線３−３に沿った断面図である。
【図４】図２及び図３に示されたストリンガの平面図である。
【図５】上にストリンガレイアップが形成されているマンドレルの斜視図である。
【図６】図５に示されたマンドレルの等角図である。
【図７】単一のプライの一部の斜視図であり、上にレイアップはされているが、図６に示されたマンドレルの形状にはまだ適合されていない繊維の位置を示す。
【図８】図７と同様の図であるが、締め固めに続いてマンドレルの形状に適合されたプライ繊維を示す。
【図９】開示された方法及び装置を用いて形成されうるスチフナの形態の例を示す斜視図である。
【図１０】図５に示されたレイアップを締め固めするツールセットの斜視図である。
【図１１】マンドレル及び図１０に示された締め固めツールの１つの斜視図である。
【図１２】面外湾曲を有するスチフナを形成する１つの方法のフロー図である。
【図１３】面外湾曲を有するスチフナを形成する別の方法のフロー図である。
【図１４】航空機製造及び実用稼動（サービス）手順のフロー図である。
【図１５】航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
図１−４を参照して、開示する実施形態は、複合輪郭曲線を有するスチフナ２０を含む、長さに沿った１又は複数の区分４０に沿って面外湾曲３６を有する一方向繊維補強複合積層体スチフナ２０を製造するための方法及び装置に関する。図１は、間隔の開いた樽型フレーム２２に取り付けられた外側スキン２４、及び長手方向に延びる円周方向に間隔の開いたスチフナ２０を有する航空機胴体２６を示し、スチフナはストリンガ２０と呼ばれることもある。ストリンガ２０はスキン２４に取り付けられ、前記スキンを補剛する働きをする。後述されるように、スキン２４は、ストリンガ２０が適合する必要のある１又は複数の起伏又は湾曲３４（図２及び３）を有しうる。
【００３９】
特に図２、図３及び図４を参照すると、図示された例で、スキン２４の補剛に用いられるストリンガ２０は断面が帽子型であるが、後に詳述されるように他の断面形状も可能である。ストリンガ２０は、スキン２４の内側表面３５と実質的に適合し且つ任意の適切な手段によって前記表面に固定される、横方向に延びるフランジ３２に、側壁３０によって接続される概ね平坦なキャップ２８を備える。図示した実施形態で、側壁３０はキャップ２８及びフランジ３２に実質的に垂直に延びるが、他の実施形態で、側壁３０はキャップ２８及び／又はフランジ３２に対して傾斜していてよい。フランジ３２は、ストリンガ２０の区分４０に沿って延びる面外湾曲３６を含み、これは、フランジ３２が湾曲区分４０でスキン２４と実質的に適合するように、スキン２４の湾曲３４と実質的に一致する。本明細書で使用される「面外湾曲」は、実質的にフランジ３２のプライの面内にないか又はフランジ３２のプライの面と平行に延びる面内にある湾曲を言う。
【００４０】
プライレイアップ及び形成工程の間、フランジ３２の面外湾曲３６により、フランジ３２のプライは区分４０に沿って側壁３０のプライに引張力を与える。通常この引張力により、側壁３０のプライは、形成工程の間か又は硬化の前に、特にストリンガが曲線の付けられたツール（図示せず）上にプライの平坦なスタックを形成することによって製造される場合、１つにはプリプレグプライ間の摩擦によってプライを互いに対して移動させ且つツールの輪郭曲線に適合させることがより困難となる理由でプライにしわを生じさせる形成ツール（図示せず）から離れることになる傾向がある。
【００４１】
プライのこういった材料特性に対応し且つプライのしわ発生（図２及び図３には図示せず）を解消するために、プライは、面外湾曲３６に対応する面内形状変化を有するストリンガ２０が得られるようにレイアップ及び形成される。図示した実施形態で、これらの面内形状変化は、面外湾曲３６に隣接して、区分４０内で側壁３０の外方湾曲４１を有する。側壁３０の外方湾曲４１は、面外湾曲３６の曲率半径「Ｒ」（図２）と実質的に一致する曲率半径「Ｒ」（図４）を有し、よって本質的に側壁湾曲４１はフランジ湾曲３６の鏡像である。その結果、側壁３０は、実質的なしわの発生なく、ストリンガ２０の区分４０を滑らかに延びる。
【００４２】
面内側壁湾曲４１の結果、キャップ２８には半径「Ｒ」の下方湾曲３８が与えられ、よってキャップ２８の高さ「Ｈ」及び区分４０に沿った曲線の付けられた拡幅「Ｗ」が減少する。キャップ２８のこの曲線付けは、側壁３０の面内変化を反映する。
【００４３】
図５は、上に多重プライのプリプレグ積層体レイアップ４４が、図２−４に示されたストリンガ２０の製造工程の一部として形成されうるツールマンドレル４２を示す。一方向繊維補強プライ４５が、それらをマンドレル４２上にドレープすることによってレイアップされ、レイアップ４４が形成される。１つの実施形態では、プリプレグプライの順序付けされた平坦なスタック（図示せず）が、スタックのプライの数、順序、及び繊維配向を特定しうる所定のプライスケジュール（図示せず）にしたがってレイアップされる。平坦なプライスタックは次いで、図６の矢印６０によって示される方向に、ツールマンドレル４２上にドレープされ、マンドレル４２の輪郭曲線に適合される。
【００４４】
ツールマンドレル４２は、硬化されたストリンガ２０のフランジ３２の面外湾曲３６に長さ「Ｌ」及び半径「Ｒ」で対応する面外湾曲４６を有するツール底面４８を含む。図５はまた、側壁３０の面内外方湾曲４１を含むストリンガレイアップ４４の対応する面内形状変化を示す。実際には、マンドレル４２の内側モールドライン（ＩＭＬ）の輪郭曲線は、それがストリンガ２０のキャップ２８及び側壁３０に反映されるように、＋／−９０度回転される（図２から図５）。
【００４５】
次に図６を参照して、マンドレル４０は、それぞれストリンガ２０のキャップ２８、側壁３０及びフランジ３２（図３）のＩＭＬを成すツール上面５８、ツール側面５６及びツール底面４８を有するマンドレル本体５５を備える。ツール底面４８のそれぞれは、図５と関連して前述したとおりの半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」の湾曲４６を有する。マンドレル４２はまた、面外湾曲４６の長さ「Ｌ」に沿った面外湾曲４６に対応する面内形状変化を有する。前記面内形状変化は、ツール底面４８の面外湾曲の半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」と実質的に一致するツール側面５６の外方湾曲４９を含む。ツール上面５８は、ツール底面４８の面外湾曲の半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」と実質的に一致する下方曲り区分４７を含む。ツール側面５６の湾曲４９によって、長さ「Ｌ」に沿ってツール上面の幅５４が増加し、並びに符号５１で示される高さが減少する。
【００４６】
面外湾曲４６によって生じるプライ材料への影響を補うために必要なマンドレル４２の面内形状変化は、面外湾曲４６の位置、形状及び寸法によって決定される。図示された実施形態では、面外湾曲４６は半径「Ｒ」を有し、マンドレル４２の長さ「Ｌ」に沿って延び、その結果、マンドレルのツール側面５６を覆うプライ材料上の「引張」を補うように形成された、半径「Ｒ」及び長さ「Ｌ」をまた有するマンドレル形状の面内変化が必要となる。前記プライ材料上の引張は、形成工程中にプライ材料が隣接するツール底面４８で湾曲４６へと引き下げられることによって生じる。ツール側面５６は、面外湾曲４６へと引き下げられた結果材料が引張られる方向に曲げられる、つまりツール面５６は、面外湾曲４６によってツール底面４８上に発生されるプライ材料の「引張」によって生じるプライ材料の外方変位と概ね一致するように図示した実施形態で外側に曲げられる。面外湾曲によって生じるプライ材料への影響を補うために必要な面内形状変化量はまた、一部には、形成ツールの２つの隣接する面、例えばマンドレル４２上の隣接するツール面４８及び５６の間の角度θに依存しうる。
【００４７】
次に図７及び図８を参照して、図７は、図５に示されたマンドレル４２上にドレープされた後だがマンドレル４２の特徴に適合するように締め固めされる前の、ゼロ度繊維配向を持つ一方向繊維６６を有したプライ４５の２つの部分６７，６９を示す。ゼロ度繊維６６は、マンドレル４２に押し付けられる前は互いに対して実質的に平行に延びる。この時点で、プライ４５の一方の部分６７はツール側面５６の１つを覆い、もう一方の部分６９はツール底面４８の１つを覆う。図８を参照して、締め固めの間、繊維６６は、ツール底面４８の面外湾曲４６（図６）に適合するように変形され、その結果、繊維６６の区分７０は５２で示される下方湾曲の形を取り、これは図６に示したマンドレル４２の面外湾曲４６と実質的に一致する。同様に、プライ部分６７の繊維６６は、図６に示したマンドレル４２のツール側面４９の湾曲と実質的に一致する外方湾曲４１の形を取るように締め固め中に変形される。締め固め工程の間、繊維６６は、図７に示された公称直線配向から図８に示された変形された配向５２，４１へと全般的に変形し、これらの変形された配向はそれぞれ、図６のマンドレル４２のツール底面４８の面外湾曲と、マンドレル４２のツール側面５６での対応する形状変化４９とによって決定される。
【００４８】
上述の帽子型ストリンガ２０は、開示した方法及び装置を用いて形成されうる様々なスチフナ構造の単なる例示である。例えば、図９に示されるように、開示した方法及び装置を用いて、傾斜した側壁５４を有する変形した帽子形状２０ａ、「Ｉ」形状２０ｂ、「Ｃ」形状２０ｃ、「Ｚ」形状２０ｄ、「Ｌ」形状２０ｅ及び「Ｊ」形状２０ｆに対応する断面を有するストリンガとして又は他の目的で使用されうる実質的にしわのないスチフナの少なくとも一部を製造することができる。
【００４９】
図１０及び図１１は、ストリンガレイアップ４４の形成及び締め固めに用いられるツール７４の更なる詳細を示す。一対の締め固めツール７６，７８を用いて、レイアップ４４をマンドレル４２に対して締め固めする。締め固めは、例えば且つ限定するものではなく、従来の真空バッグを用いて及び／又はオートクレーブ処理によって行われうる。図１１に最もよく見られるように、締め固めツール７８のそれぞれは、フランジ８０、側壁８２、底部８４を含み、これらはそれぞれストリンガレイアップ４４のキャップ２８、側壁３０及びフランジ３２（図３）を締め固め且つそれらの圧力を加える。フランジ８０及び底部８４はそれぞれ、ツール上面５８及びマンドレル４２のツール底面４８の湾曲４６にそれぞれ対応する面外湾曲４６ａを含む。同様に、締め固めツール７８の側部８２は、マンドレル４２のツール側面５６のものと実質的に一致する曲り区分４７ａを含む。
【００５０】
次に、先述したストリンガ２０といった、実質的にしわのない繊維強化複合スチフナの製造方法のステップを示した図１２に注目する。ステップ８６から始まり、所望の面外湾曲４６及び対応する面内形状変化４７を有するツール４２が提供される。続いてステップ８８で、所望のプライスケジュール（図示せず）に対応する繊維配向を有した一方向繊維強化プリプレグの連続したプライ４５（図５）をレイアップすることによってツール４２上にレイアップ４４が形成される。或いは、レイアップ４４は、順序付けされたプライ４５の平坦なスタック（図示せず）として予め形成されうる。プライ４５のそれぞれ、又はプライスタックは、マンドレル４２上にプライ４５（又はスタック）を図５に示した方向６０にドレープすることによって敷設される。ステップ９０で、各プライ４５又はプライスタックは、面外湾曲４６と、マンドレル４２の面内形状変化４７を表す対応する面内湾曲４９とを含むマンドレル４２のツール面に適合される。ステップ９２で、レイアップ４４は締め固めされ、これは締め固めツール７６，７８（図１０及び図１１）の使用及び真空バッグ処理を含みうる。最後に、ステップ９４で、レイアップ４４が硬化される。
【００５１】
図１３は、面外湾曲４６を有するストリンガの製造方法の別の実施形態を示す。９６から始まり、レイアップ４４（図５）は、一方向繊維プリプレグのプライ４５をマンドレル４２などの適切な形成ツール上に連続的にレイアップすることによって、或いは、プライ４５を順序付けされた平坦なプライのスタックとしてレイアップすることによって、組み立てられる。次に９８で、ツール４２を用いてレイアップ４４の面外湾曲を形成し、そして１００で、ツール４２を用いてレイアップ４４の対応する面内湾曲及び形状変化４１を形成する。レイアップは、ステップ１０２で締め固めされ、ステップ１０４で硬化される。
【００５２】
次に図１４及び図１５を参照して、開示した実施形態は、図１４で示されたような航空機製造及び実用稼動（サービス）方法１０６、及び図１５に示されたような航空機１０８との関連で用いられうる。製造前段階で、例示的な方法１０６は、航空機１０８の仕様及び設計１１０、及び資材調達１１２を含みうる。製造中、航空機１０８の部品及びサブアセンブリの製造１１４、及びシステム統合１１６が行われる。開示された方法及び装置を用いて、ステップ１１４で用いられたサブアセンブリに統合される高度に曲線の付けられたスチフナが製造されうる。その後、航空機１０８は、実用稼動１２０するために認証及び搬送１１８を経る。顧客による実用稼動中、航空機１０８は、日常保守及びアフターサービス１２２（改良、再構成、改修等も含みうる）が予定されうる。
【００５３】
方法１０６の各工程は、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）によって実行又は遂行されうる。本明細書において、システムインテグレータとは、限定するものではないが任意の数の航空機製造業者及び主要システム下請け業者を含んでよく、第三者とは、限定するものではないが任意の数のベンダー、下請け業者及びサプライヤーを含んでよく、そしてオペレータとは、航空会社、リース会社、軍事体、サービス組織等であってよい。
【００５４】
図１５に示されたように、例示的方法１０６によって製造された航空機１０８は、複数のシステム１２６を有した機体１２４及び内部１２８を含みうる。高レベルのシステム１２６の例には、１つ又は複数の推進システム１３０、電気システム（系統）１３２、油圧システム（系統）１３４、及び環境システム１３６が含まれる。任意の数の他のシステムも含まれうる。開示された方法及び装置によって製造されたスチフナ及び他の複合部品は、機体１２４か又は内部１２４で用いられうる。航空機の例が示されているが、本発明の原理は、自動車産業といった他の産業に適用可能である。
【００５５】
本明細書で具体化された装置は、製造及び実用稼動方法１０６のいずれか１つ又は複数の段階中に使用されうる。例えば、製造工程１１４に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機１０８が実用稼働中に製造される部品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、１つ又は複数の装置実施形態は、製造段階１１４及び１１６で、例えば実質的に航空機１０８の組み立てを促進するか又はコストを低減することに利用されうる。同様に、１つ又は複数の装置実施形態は、航空機１０８の実用稼働中に、例えば且つ限定するものではなく、保守及びアフターサービス１２２で利用されうる。
【００５６】
本開示の実施形態は特定の例示的実施形態について説明したが、特定の実施形態は例示を目的としたものであり、限定するものではなく、当業者は他の変形も考えうることを理解されたい。
【符号の説明】
【００５７】
２０ スチフナ、ストリンガ
２２ 樽型フレーム
２４ スキン
２６ 航空機胴体
２８ キャップ
３０ 側壁
３２ フランジ
３４ スキン２４の湾曲、起伏
３５ スキン２４の内側表面
３６ フランジ３２の面外湾曲
３８ キャップ２８の下方湾曲
４０ 長さに沿った部分
４１ 側壁３０の外方湾曲、レイアップ４４の対応する面内湾曲・形状変化
４２ ツールマンドレル
４４ 積層体レイアップ、ストリンガレイアップ
４５ 一方向繊維補強プライ
４６ ツール底面４８の面外湾曲
４７ 面内形状変化
４８ ツール底面
４９ ツール側面５６の外方湾曲
５１ 高さ
５４ ツール上面の幅
５５ マンドレル本体
５６ ツール側面
５８ ツール上面
６７ プライ４５の一部分
６９ プライ４５の一部分
７４ ツール
７６ 締め固めツール
７８ 締め固めツール
８０ フランジ
８２ 側壁
８４ 底部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法であって、
所望の面外湾曲及び対応する面内湾曲を有するツールを提供するステップと、
複数の繊維補強複合プライをツール上にレイアップすることによって、ツール上にレイアップを形成するステップであって、プライをツールの面外湾曲及び対応する面内湾曲に適合させることを含むステップと、
レイアップを締め固めするステップと
を含む方法。
【請求項２】
各プライの補強繊維が実質的に一方向の繊維配向を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プライを面外湾曲に適合させることが、各プライの繊維を、公称直線配向から、ツールの面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
プライをツールの面内湾曲に適合させることが、各プライの繊維を公称直線配向からツールの面内湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
レイアップの締め固めが、各プライを締め固めてプライのしわを実質的に除去し且つ前記変形された繊維配向をプライに設定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも特定のプライの繊維が、スチフナの全長に亘って実質的に連続的に延びる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガを製造するための装置であって、
ストリンガマンドレルが、面外湾曲及びそれに対応するマンドレル形状の面内変化を有している、装置。
【請求項８】
ストリンガの断面が帽子型であって、マンドレルが、
ストリンガのキャップを形成するための上面と、
ストリンガの対向する両側をそれぞれ形成するための側面と、
反対方向に延びるストリンガのフランジを形成するための一対の底面と
を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
上面及び各底面が面外湾曲を有する区分を含み、
各側面が対応する面内形状変化を有する区分を含む、
請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
マンドレルが上部、側部及び基部を含み、
面外湾曲がマンドレルの基部に画定され、且つ
対応する面内形状変化がマンドレルの側部の拡幅として画定される、
請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
ストリンガマンドレルが、Ｉ、Ｊ、Ｚ、Ｌ、Ｃ、及び帽子からなる群から選択されるストリンガ断面を形成するためのツール面を含む、
請求項７に記載の装置。
【請求項１】
面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合スチフナの製造方法であって、
所望の面外湾曲及び対応する面内湾曲を有するツールを提供するステップと、
複数の繊維補強複合プライをツール上にレイアップすることによって、ツール上にレイアップを形成するステップであって、プライをツールの面外湾曲及び対応する面内湾曲に適合させることを含むステップと、
レイアップを締め固めするステップと
を含む方法。
【請求項２】
各プライの補強繊維が実質的に一方向の繊維配向を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
プライを面外湾曲に適合させることが、各プライの繊維を、公称直線配向から、ツールの面外湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
プライをツールの面内湾曲に適合させることが、各プライの繊維を公称直線配向からツールの面内湾曲により決定される変形配向へと全般的に変形せしめることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
レイアップの締め固めが、各プライを締め固めてプライのしわを実質的に除去し且つ前記変形された繊維配向をプライに設定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
少なくとも特定のプライの繊維が、スチフナの全長に亘って実質的に連続的に延びる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
面外湾曲を有する、実質的にしわのない繊維補強複合ストリンガを製造するための装置であって、
ストリンガマンドレルが、面外湾曲及びそれに対応するマンドレル形状の面内変化を有している、装置。
【請求項８】
ストリンガの断面が帽子型であって、マンドレルが、
ストリンガのキャップを形成するための上面と、
ストリンガの対向する両側をそれぞれ形成するための側面と、
反対方向に延びるストリンガのフランジを形成するための一対の底面と
を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
上面及び各底面が面外湾曲を有する区分を含み、
各側面が対応する面内形状変化を有する区分を含む、
請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
マンドレルが上部、側部及び基部を含み、
面外湾曲がマンドレルの基部に画定され、且つ
対応する面内形状変化がマンドレルの側部の拡幅として画定される、
請求項７に記載の装置。
【請求項１１】
ストリンガマンドレルが、Ｉ、Ｊ、Ｚ、Ｌ、Ｃ、及び帽子からなる群から選択されるストリンガ断面を形成するためのツール面を含む、
請求項７に記載の装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−７１６００（Ｐ２０１２−７１６００Ａ）
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−２０６２８７（Ｐ２０１１−２０６２８７）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１２日（２０１２．４．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０６２８７（Ｐ２０１１−２０６２８７）
【出願日】平成２３年９月２１日（２０１１．９．２１）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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