構造部品の製造方法
本発明は、特に航空宇宙分野における構造部品を製造する方法を提供する。第１の硬化温度で硬化可能な複合繊維材料から所定形状の未硬化プリプレグ構造体（６）を形成する。次に、未硬化プリプレグ構造体（６）を、第１の硬化温度よりも低い第２の硬化温度で部分的に硬化された複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合して、未硬化プリプレグ構造体（６）を所定形状に保持する。更なる方法工程において、少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合された未硬化プリプレグ構造体（６）を第１の硬化温度で硬化して構造部品を形成する。本発明の基本思想は、寸法的に不安定なプリプレグ構造体を保持するのにこれまで用いられてきた特別なスチールからなる高価な治具の代わりに、プリプレグ構造体（６）よりも低い硬化温度を有する複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部（１２，１３）を用いることにより、低コストの治具での製造を可能とすることである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部品の製造方法、特に航空宇宙分野における構造部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明はいずれの構造部品にも適用可能であるが、本発明とその課題を、航空機のＴ字型ストリンガー補強スキンの製造に関連して詳細に説明する。
【０００３】
数多くのＴ字型ストリンガー補強スキンの製造方法が最新技術から公知である。
【０００４】
これら方法の一つに、未硬化のＴ字型ストリンガーを未硬化のスキン上に配置するものがある。この場合、Ｔ字型ストリンガーとスキンはそれぞれ、炭素繊維プラスチック（ＣＦＣ）プリプレグ材から形成される。更なる工程では、後の硬化工程前およびその工程中にＴ字型ストリンガーをスキン上の適切な位置に維持し、特にストリンガーウェブの「倒壊」を防止するための治具が用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＦＣプリプレグ材は低い熱膨張係数を有することから、Ｔ字型ストリンガー補強スキンの高強度に必要な硬化温度、約１２５〜１８０℃に曝しても長さがほとんど変わらないため、治具もそのような低い熱膨張係数を有しかつ硬化温度に耐える材料で形成されなければならない。
【０００６】
このため、現在、治具は特別なスチールで製造されており、高いコストを必要とする。このような高コストは、特別なスチール自体の材料費が高いことや治具を製造するための材料の機械加工にかかる費用が高いことが原因となっている。
【０００７】
さらに、このような治具は比較的柔軟性に欠ける。つまり、例えば、ストリンガーの形状を変える度に高額な治具の再加工が必要となる。
【０００８】
このような治具の更なる不利な点は、特に、長さが最大約３５メートルの航空機の翼部を製造するための治具の場合、かなりの重量になってしまい、非常に扱いにくくなることである。
【０００９】
このため、本発明は、特別なスチールで形成される上記の治具を利用しない構造部品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、この目的は請求項１の特徴を有する方法により達成される。
【００１１】
従って、特に航空宇宙分野における構造部品を以下の方法工程で製造する方法を提供する。まず、硬化可能な複合繊維材料を、第１の硬化温度で所定形状に形成して未硬化プリプレグ構造体を得る。更なる方法工程において、その未硬化プリプレグ構造体を少なくとも一つの保持部に接合し、第２の硬化温度で少なくとも部分的に硬化させて、未硬化プリプレグ構造体を所定形状に維持する。この場合、第２の硬化温度は第１の硬化温度よりも低い。また更なる方法工程において、少なくとも一つの保持部に接合された未硬化プリプレグ構造体を第１の硬化温度で硬化し、構造部品を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の基本思想は、特別なスチールからなる高価な治具に代わる、低コストの、硬化時にプリプレグ構造体を保持するための複合繊維材料からなる少なくとも部分的に硬化した保持部を供給することにある。
【００１３】
この目的のために、少なくとも部分的に硬化した保持部は、比較的低い硬化温度で既に硬化された複合繊維材料で構成される。このため、比較的高い熱膨張係数を有する材料から少なくとも一つの保持部を製造するための治具を備えてもよい。その結果、材料の選択の幅が広がるので、機械加工しやすくかつ比較的低コストな材料、例えばアルミニウムを、少なくとも一つの保持部を製造するための治具に用いることが可能となる。その結果、少なくとも一つの保持部の製造にかかるコストが低くなる。そして、このように低コストで製造された少なくとも一つの保持部は、ある一定の形で、未硬化であるために寸法的に不安定なプリプレグ構造体に、それを保持するために接合される。
【００１４】
複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部には、その熱膨張係数が未硬化プリプレグ構造体の複合繊維材料の熱膨張係数に非常に近いという利点もある。結果として、高い硬化温度での硬化時に、プリプレグ構造体と少なくとも一つの保持部との間に有害な応力が発生しなくなる。
【００１５】
従属する請求項は、本発明の方法の有利な改良および発展形態を記載している。
【００１６】
上記第１および第２の硬化温度はそれぞれ、プリプレグ構造体の複合繊維材料のマトリックスまたは少なくとも一つの保持部の複合繊維材料のマトリックスが活性化する温度、つまり、各マトリックスの高分子主鎖間で架橋が起こる温度に関係する。
【００１７】
本願において、複合繊維材料からなるプリプレグ構造体および複合繊維材料からなる保持部は、繊維構造、特に、好ましくは積層構造を有するテープ構造体で構成されるものと理解される。テープ構造体の繊維は、製造される構造部品の荷重の観点から、最適に設計されることが好ましい。繊維構造および／または繊維構造体には、マトリックス、特にエポキシ樹脂マトリックスが含浸される。
【００１８】
未硬化プリプレグ構造体の所定形状への「形成」とは、未硬化プリプレグ構造体の加熱成形を意味するものと理解されることが好ましい。しかし、プリプレグ構造体を所定の形状、例えば、治具または少なくとも一つの保持部自体に被着させることにより、ある一定形状への「形成」を行うことも可能である。
【００１９】
「未硬化プリプレグ構造体」とは、非硬化でさらに湿潤したプリプレグ構造体または、部分硬化したプリプレグ構造体を意味するものと理解される。
【００２０】
本発明の発展形態によると、少なくとも一つの保持部は、接合工程において、未硬化プリプレグ構造体に、特に同一平面で堅固に接合され、一体成形構造部品を形成する。原理的には、適切な固定手段、例えばピンだけで、保持部を未硬化プリプレグ構造体に接合し、この状態で両者を硬化することが考えられる。しかし、少なくとも一つの保持部を未硬化プリプレグ構造体に堅固に接合すると、よりさらに安定した構造部品が達成できる。
【００２１】
本発明の一実施形態では、未硬化プリプレグ構造体と少なくとも一つの保持部とを共に押し付けることにより、未硬化プリプレグ構造体を少なくとも一つの保持部に接合する。その結果、特に、プリプレグ構造体のマトリックス流により、保持部がプリプレグ構造体に有利に埋め込まれる。製造される構造部品の強度は概ね高くなる。
【００２２】
本発明の一実施形態では、少なくとも一つの保持部は、接合前に、形成されるプリプレグ構造体の外輪郭に対応する内輪郭を備えて形成される。このため、保持部とプリプレグ構造体との間において、できるだけ広い面積での接触、特に、全面にわたる密着状態を達成することができる。これにより、プリプレグ構造体が良好に支持される。
【００２３】
本発明の発展形態によると、少なくとも一つの保持部は、接合前に、中立折曲げ線に対して縮長した領域からの材料のだぶつきをなくすため、少なくとも一つの保持部に適切な切り込みが切られて、半径を有する湾曲状に形成される。中立折曲げ線は一般的に、材料が伸長も折曲げによる縮長もされていない湾曲体の領域を規定する。縮長領域は、中立折曲げ線に対して半径側に位置する。切り込みは、例えば、保持部において略三角形の切り目で形成され、縮長領域において保持部の一部が座屈するのを防止する。更なる工程において、切り込みにより部分的に途切れた縮長領域の複合繊維材料は、例えば、互いに接合され、特に、互いに接着され得る。この方法により、湾曲した保持部を非常に簡単に製造することができ、得られた保持部は、曲面を有する構造部品を製造するのに用いられ得る。これの更なる利点は、保持部を製造するための治具に変更を加えることなく、保持部自体を湾曲状に形成できることである。このため、製造コストを更に減らすことができる。
【００２４】
本発明の発展形態では、プリプレグ構造体は、接合前または接合中に、プロファイル、特に、ブレードを間に挟んだ二つのＬ字型プロファイルからなるＴ字型プロファイルとして形成され、および／または少なくとも一つの保持部は、プロファイル、特にＬ字型プロファイルとして設計され得る。本願において、「プロファイル」とは、本質的に一定断面を有し、以下で「長手方向」と記載される空間的方向に延びる部品を意味するものと理解される。「ブレード」とは、特にストリンガー内において、幾何学的に区分されたユニットを形成する複合繊維材料からなる強化層を指すものと理解される。この場合、まず、プリプレグ構造体のＬ字型プロファイルを、例えば、Ｌ字型プロファイルとして設計された保持部に被着し得る。更なる工程において、プリプレグ構造体のＬ字型プロファイルの一つにブレードを配置する。次に、二つの保持部を共に押し付けて、プリプレグ構造体を二つの保持部間で維持する。このような方法で、Ｔ字型プロファイルとして設計された構造部品を簡単に製造することができる。
【００２５】
更なる実施形態によると、その間にプリプレグ構造体を収容する二つの保持部を設ける。本願において、「収容」とは、部分的または全体的に収容することを指す。これにより、寸法がまだ不安定なプリプレグ構造体を支持することが可能となる。
【００２６】
本発明の発展形態によると、この二つの保持部を少なくとも部分的に互いに接触させる。これにより、特に、硬化されたプリプレグ構造体に占有されるこの二つの保持部間の空間を正確に規定することができる。
【００２７】
発展形態によると、少なくとも一つの保持部に接合された未硬化プリプレグ構造体を、硬化前に、複合繊維材料からなるスキン上に、特に、プリプレグ構造体および／または少なくとも一つの保持部をスキンに接触させた状態で配置する。これにより、後の硬化工程において、スキンが片面でプリプレグ構造体を支持し、少なくとも一つの保持部が、特にプリプレグ構造体の一つのウェブを支持するストリンガー補強スキンを製造することができる。
【００２８】
本発明のさらなる実施形態によると、プリプレグ構造体のマトリックスは、特に１１０〜２００℃の温度範囲内で硬化する高温硬化剤、特に、ジアミノジフェニルスルホンを含み、かつ／または少なくとも一つの保持部のマトリックスは、特に、２０〜１００℃の温度範囲内で硬化する低温硬化剤、特に、イソホロンジアミンまたは無水物系低温硬化剤を含む。低コスト材料を保持部を製造するための治具に用いることができるため、高温硬化剤で構造部品の所期の強度特性を達成し、低温硬化剤で構造部品の製造コストの低減を達成することができる。
【００２９】
本発明の発展形態によると、プリプレグ構造体の複合繊維材料は、炭素繊維を有し、かつ／または少なくとも一つの保持部の複合繊維材料は、ガラス繊維および／または炭素繊維および／または天然繊維を有する。保持部の炭素繊維は、高品質でないため、非常に好適な繊維であることが好ましい。これにより、保持部を低コストで製造しながら、所期の高強度を有する構造部品を得ることができる。保持部をガラス繊維プラスチック（ＧＦＰ）で形成する場合、構造部品の切り欠き棒衝撃強度が増すという更なる利点がある。また、構造部品を金属接合要素に接合した場合に、腐食および落雷の防護性が向上される。
【００３０】
構造部品は、ストリンガー、リブ、または、少なくとも一つのストリンガーもしくは少なくとも一つのリブを有するスキンとして設計されることが好ましい。
【００３１】
本発明を、添付図面を参照しながら例示的な実施形態に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面図である。
【図２】本発明の更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面斜視図である。
【図４】本発明のまた更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面図である。
【図５】図５Ａは、本発明のまた更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す斜視図である。図５Ｂは、図５Ａの例示的な実施形態に係る更なるある特定の時点の構造部分の状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
上記図面において、特に明記しない限り、同一または機能的に同一である部品には同一の参照符号を付すものとする。
【００３４】
図１は、本発明の例示的な実施形態に係る方法の方法状態を示す断面図である。
【００３５】
構成１は、積層デバイス３上に配置された、好ましくは非硬化ＣＦＣからなるスキン２を備えている。その上面側４で、スキン２は、Ｔ字型断面を有する未硬化プリプレグ構造体６の足部５ａ，５ｂに堅固に接合して接触している。未硬化プリプレグ構造体６は、好ましくはエポキシ樹脂マトリックスを有する未硬化のＣＦＣテープ構造体からなるブレード９を間に挟んだ、好ましくはエポキシ樹脂マトリックスを有する未硬化のＣＦＣテープ構造体からそれぞれなり、鏡対称である二つのＬ字型プロファイル７，８を押し付けることにより製造される。ブレード９は、Ｌ字型プロファイル７と８の二つの脚部１０，１１と共に、プリプレグ構造体６のウェブ５ｃを形成する。プリプレグ構造体６自体のＬ字型プロファイル７，８は、加熱成形により、図示のＬ字型形状にされていることが好ましい。
【００３６】
プリプレグ６は、未硬化のままでは寸法が不安定な状態である。図１に示すプリプレグ構造体６のＴ字型形状を保つために、二つの寸法安定性を有し、好ましくは、少なくとも部分的に硬化したＧＦＰ（ガラス繊維プラスチック）からなるＬ字型プロファイルとしてそれぞれ設計された保持部１２，１３を鏡対称となるように備える。この場合、特にプリプレグ構造体６のウェブ５ｃは、保持部１２，１３により支持される。この目的のために、プリプレグ構造体６のＬ字型プロファイル７と８の外輪郭１４，１５を保持部１２と１３の内輪郭１６と１７にそれぞれ堅固に接合して接触させる。
【００３７】
保持部１２，１３は、約８０℃の硬化温度で、冷〔低温〕硬化剤、例えばイソホロンジアミンの活性化により、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる治具を用いて製造される。この場合、保持部１２，１３は、その低温硬化剤を含んだエポキシ樹脂マトリックスを含浸したガラス繊維構造体からなる二つの層で構成される構造を有することが好ましい。
【００３８】
構造部品を形成するため、図１の構成１を真空バッグに入れ、例えばオートクレーブ（不図示）で硬化する。硬化は、約１８０℃のオートクレーブ内で行われ、適切な高温硬化剤、例えばジアミノジフェニルスルホンが、プリプレグ構造体６、すなわち、Ｌ字型プロファイル７，８とブレード９のマトリックスにおいて硬化される。その時、製造された構造部品は、図１に示す構成１に略形成されるが、全ての構成要素２，６，１２，１３は硬化し互いにしっかりと接合されて一体となり、スキン上にストリンガーを形成する。
【００３９】
図２の例示的な実施形態は、保持部１２，１３が、足部１２ａ，１２ｂと１３ａ，１３ｂにそれぞれ直角に延びるウェブ１２ｃと１３ｃを有するＺ字型プロファイルとして設計されている点が、図１の例示的な実施形態とは異なる。ここでは、保持部１２，１３を、足部１２ｂ，１３ｂに配された端部２１，２２で、好ましくは、プリプレグ構造体６のウェブ５ｃとブレード９の領域で互いに接触させる。
【００４０】
図２の例示的な実施形態では、図３から分かるように、部分的にのみ接触させることができる。この場合、保持部１２，１３の端部２１，２２は、セクション２４に沿った長手方向２３で接触し、長手方向２３のセクション２４につながるセクション２５において凹んでいる。これにより、既に述べたように、保持要素１２，１３は互いに規定された距離に配置されるので、材料、延いては重量を同時に節約できるという利点も得られる。
【００４１】
図４に係る例示的な実施形態は、端部２１，２２がブレードに接触した状態でブレード９が端部２１，２２間から延出している点が、図２に示す例示的な実施形態とは異なる。これにより、保持部１２，１３間において一定距離が確保される。
【００４２】
図５Ａは、脚部３１，３２を有する少なくとも部分的に硬化したＧＦＰからなるＬ字型プロファイル２６を示し、脚部３１には、（一例として参照符号３３で示す）三角形の切り込みが切られている。図５Ｂに示すように、Ｌ字型プロファイル２６は、半径３４で湾曲している。ここで、中立折曲げ線３５は、本質的に脚部３２の平面で延びている。Ｌ字型プロファイル３６が湾曲した状態では切り込み３３は閉じ、これを接着することにより、安定したＬ字型プロファイル２６が製造され、上述した例示的な実施形態に係る保持部１２または１３として用いられ得る。
【００４３】
以上、幾つかの例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の方法で変更され得る。
【００４４】
例えば、未硬化プリプレグ構造体の代わりに、非含浸繊維成形品を用いてもよい。この場合、高温硬化剤を含むマトリックスが含浸されていない繊維成形品を、その成形品を所定形状に保持するための、低温硬化剤で少なくとも部分的に硬化された少なくとも一つの保持部に接合されるまで、またはその内部に被着されるまで硬化する。
【００４５】
本発明は、以下の方法工程を含む特に航空宇宙分野における構造部品を製造する方法を提供する。まず、第１の硬化温度で硬化可能な複合繊維材料を所定形状の未硬化プリプレグ構造体に形成する。次に、未硬化プリプレグ構造体を、第１の硬化温度よりも低い第２の硬化温度で部分的に硬化された複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部に接合して、未硬化プリプレグ構造体を所定形状に保持する。更なる方法工程において、少なくとも一つの保持部に接合された未硬化プリプレグ構造体を第１の硬化温度で硬化して構造部品を形成する。本発明の基本思想は、寸法的に不安定なプリプレグ構造体を保持するのにこれまで用いられてきた特別なスチールからなる高価な治具の代わりに、プリプレグ構造体よりも低い硬化温度を有する複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部を用いることにより、低コストの治具での製造を可能とすることである。
【符号の説明】
【００４６】
１ 構成
２ スキン
３ 積層デバイス
４ 表面
５ａ 足部
５ｂ 足部
５ｃ ウェブ
６ プリプレグ構造体
７ Ｌ字型プロファイル
８ Ｌ字型プロファイル
９ ブレード
１２ 保持部
１２ａ 足部
１２ｂ 足部
１２ｃ ウェブ
１３ 保持部
１３ａ 足部
１３ｂ 足部
１３ｃ ウェブ
１４ 外輪郭
１５ 外輪郭
１６ 内輪郭
１７ 内輪郭
２１ 端部
２２ 端部
２３ 長手方向
２４ セクション
２５ セクション
２６ Ｌ字型プロファイル
３１ 脚部
３２ 脚部
３３ 切り込み
３４ 半径
３５ 折曲げ線
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造部品の製造方法、特に航空宇宙分野における構造部品の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明はいずれの構造部品にも適用可能であるが、本発明とその課題を、航空機のＴ字型ストリンガー補強スキンの製造に関連して詳細に説明する。
【０００３】
数多くのＴ字型ストリンガー補強スキンの製造方法が最新技術から公知である。
【０００４】
これら方法の一つに、未硬化のＴ字型ストリンガーを未硬化のスキン上に配置するものがある。この場合、Ｔ字型ストリンガーとスキンはそれぞれ、炭素繊維プラスチック（ＣＦＣ）プリプレグ材から形成される。更なる工程では、後の硬化工程前およびその工程中にＴ字型ストリンガーをスキン上の適切な位置に維持し、特にストリンガーウェブの「倒壊」を防止するための治具が用いられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＣＦＣプリプレグ材は低い熱膨張係数を有することから、Ｔ字型ストリンガー補強スキンの高強度に必要な硬化温度、約１２５〜１８０℃に曝しても長さがほとんど変わらないため、治具もそのような低い熱膨張係数を有しかつ硬化温度に耐える材料で形成されなければならない。
【０００６】
このため、現在、治具は特別なスチールで製造されており、高いコストを必要とする。このような高コストは、特別なスチール自体の材料費が高いことや治具を製造するための材料の機械加工にかかる費用が高いことが原因となっている。
【０００７】
さらに、このような治具は比較的柔軟性に欠ける。つまり、例えば、ストリンガーの形状を変える度に高額な治具の再加工が必要となる。
【０００８】
このような治具の更なる不利な点は、特に、長さが最大約３５メートルの航空機の翼部を製造するための治具の場合、かなりの重量になってしまい、非常に扱いにくくなることである。
【０００９】
このため、本発明は、特別なスチールで形成される上記の治具を利用しない構造部品の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によると、この目的は請求項１の特徴を有する方法により達成される。
【００１１】
従って、特に航空宇宙分野における構造部品を以下の方法工程で製造する方法を提供する。まず、硬化可能な複合繊維材料を、第１の硬化温度で所定形状に形成して未硬化プリプレグ構造体を得る。更なる方法工程において、その未硬化プリプレグ構造体を少なくとも一つの保持部に接合し、第２の硬化温度で少なくとも部分的に硬化させて、未硬化プリプレグ構造体を所定形状に維持する。この場合、第２の硬化温度は第１の硬化温度よりも低い。また更なる方法工程において、少なくとも一つの保持部に接合された未硬化プリプレグ構造体を第１の硬化温度で硬化し、構造部品を形成する。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の基本思想は、特別なスチールからなる高価な治具に代わる、低コストの、硬化時にプリプレグ構造体を保持するための複合繊維材料からなる少なくとも部分的に硬化した保持部を供給することにある。
【００１３】
この目的のために、少なくとも部分的に硬化した保持部は、比較的低い硬化温度で既に硬化された複合繊維材料で構成される。このため、比較的高い熱膨張係数を有する材料から少なくとも一つの保持部を製造するための治具を備えてもよい。その結果、材料の選択の幅が広がるので、機械加工しやすくかつ比較的低コストな材料、例えばアルミニウムを、少なくとも一つの保持部を製造するための治具に用いることが可能となる。その結果、少なくとも一つの保持部の製造にかかるコストが低くなる。そして、このように低コストで製造された少なくとも一つの保持部は、ある一定の形で、未硬化であるために寸法的に不安定なプリプレグ構造体に、それを保持するために接合される。
【００１４】
複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部には、その熱膨張係数が未硬化プリプレグ構造体の複合繊維材料の熱膨張係数に非常に近いという利点もある。結果として、高い硬化温度での硬化時に、プリプレグ構造体と少なくとも一つの保持部との間に有害な応力が発生しなくなる。
【００１５】
従属する請求項は、本発明の方法の有利な改良および発展形態を記載している。
【００１６】
上記第１および第２の硬化温度はそれぞれ、プリプレグ構造体の複合繊維材料のマトリックスまたは少なくとも一つの保持部の複合繊維材料のマトリックスが活性化する温度、つまり、各マトリックスの高分子主鎖間で架橋が起こる温度に関係する。
【００１７】
本願において、複合繊維材料からなるプリプレグ構造体および複合繊維材料からなる保持部は、繊維構造、特に、好ましくは積層構造を有するテープ構造体で構成されるものと理解される。テープ構造体の繊維は、製造される構造部品の荷重の観点から、最適に設計されることが好ましい。繊維構造および／または繊維構造体には、マトリックス、特にエポキシ樹脂マトリックスが含浸される。
【００１８】
未硬化プリプレグ構造体の所定形状への「形成」とは、未硬化プリプレグ構造体の加熱成形を意味するものと理解されることが好ましい。しかし、プリプレグ構造体を所定の形状、例えば、治具または少なくとも一つの保持部自体に被着させることにより、ある一定形状への「形成」を行うことも可能である。
【００１９】
「未硬化プリプレグ構造体」とは、非硬化でさらに湿潤したプリプレグ構造体または、部分硬化したプリプレグ構造体を意味するものと理解される。
【００２０】
本発明の発展形態によると、少なくとも一つの保持部は、接合工程において、未硬化プリプレグ構造体に、特に同一平面で堅固に接合され、一体成形構造部品を形成する。原理的には、適切な固定手段、例えばピンだけで、保持部を未硬化プリプレグ構造体に接合し、この状態で両者を硬化することが考えられる。しかし、少なくとも一つの保持部を未硬化プリプレグ構造体に堅固に接合すると、よりさらに安定した構造部品が達成できる。
【００２１】
本発明の一実施形態では、未硬化プリプレグ構造体と少なくとも一つの保持部とを共に押し付けることにより、未硬化プリプレグ構造体を少なくとも一つの保持部に接合する。その結果、特に、プリプレグ構造体のマトリックス流により、保持部がプリプレグ構造体に有利に埋め込まれる。製造される構造部品の強度は概ね高くなる。
【００２２】
本発明の一実施形態では、少なくとも一つの保持部は、接合前に、形成されるプリプレグ構造体の外輪郭に対応する内輪郭を備えて形成される。このため、保持部とプリプレグ構造体との間において、できるだけ広い面積での接触、特に、全面にわたる密着状態を達成することができる。これにより、プリプレグ構造体が良好に支持される。
【００２３】
本発明の発展形態によると、少なくとも一つの保持部は、接合前に、中立折曲げ線に対して縮長した領域からの材料のだぶつきをなくすため、少なくとも一つの保持部に適切な切り込みが切られて、半径を有する湾曲状に形成される。中立折曲げ線は一般的に、材料が伸長も折曲げによる縮長もされていない湾曲体の領域を規定する。縮長領域は、中立折曲げ線に対して半径側に位置する。切り込みは、例えば、保持部において略三角形の切り目で形成され、縮長領域において保持部の一部が座屈するのを防止する。更なる工程において、切り込みにより部分的に途切れた縮長領域の複合繊維材料は、例えば、互いに接合され、特に、互いに接着され得る。この方法により、湾曲した保持部を非常に簡単に製造することができ、得られた保持部は、曲面を有する構造部品を製造するのに用いられ得る。これの更なる利点は、保持部を製造するための治具に変更を加えることなく、保持部自体を湾曲状に形成できることである。このため、製造コストを更に減らすことができる。
【００２４】
本発明の発展形態では、プリプレグ構造体は、接合前または接合中に、プロファイル、特に、ブレードを間に挟んだ二つのＬ字型プロファイルからなるＴ字型プロファイルとして形成され、および／または少なくとも一つの保持部は、プロファイル、特にＬ字型プロファイルとして設計され得る。本願において、「プロファイル」とは、本質的に一定断面を有し、以下で「長手方向」と記載される空間的方向に延びる部品を意味するものと理解される。「ブレード」とは、特にストリンガー内において、幾何学的に区分されたユニットを形成する複合繊維材料からなる強化層を指すものと理解される。この場合、まず、プリプレグ構造体のＬ字型プロファイルを、例えば、Ｌ字型プロファイルとして設計された保持部に被着し得る。更なる工程において、プリプレグ構造体のＬ字型プロファイルの一つにブレードを配置する。次に、二つの保持部を共に押し付けて、プリプレグ構造体を二つの保持部間で維持する。このような方法で、Ｔ字型プロファイルとして設計された構造部品を簡単に製造することができる。
【００２５】
更なる実施形態によると、その間にプリプレグ構造体を収容する二つの保持部を設ける。本願において、「収容」とは、部分的または全体的に収容することを指す。これにより、寸法がまだ不安定なプリプレグ構造体を支持することが可能となる。
【００２６】
本発明の発展形態によると、この二つの保持部を少なくとも部分的に互いに接触させる。これにより、特に、硬化されたプリプレグ構造体に占有されるこの二つの保持部間の空間を正確に規定することができる。
【００２７】
発展形態によると、少なくとも一つの保持部に接合された未硬化プリプレグ構造体を、硬化前に、複合繊維材料からなるスキン上に、特に、プリプレグ構造体および／または少なくとも一つの保持部をスキンに接触させた状態で配置する。これにより、後の硬化工程において、スキンが片面でプリプレグ構造体を支持し、少なくとも一つの保持部が、特にプリプレグ構造体の一つのウェブを支持するストリンガー補強スキンを製造することができる。
【００２８】
本発明のさらなる実施形態によると、プリプレグ構造体のマトリックスは、特に１１０〜２００℃の温度範囲内で硬化する高温硬化剤、特に、ジアミノジフェニルスルホンを含み、かつ／または少なくとも一つの保持部のマトリックスは、特に、２０〜１００℃の温度範囲内で硬化する低温硬化剤、特に、イソホロンジアミンまたは無水物系低温硬化剤を含む。低コスト材料を保持部を製造するための治具に用いることができるため、高温硬化剤で構造部品の所期の強度特性を達成し、低温硬化剤で構造部品の製造コストの低減を達成することができる。
【００２９】
本発明の発展形態によると、プリプレグ構造体の複合繊維材料は、炭素繊維を有し、かつ／または少なくとも一つの保持部の複合繊維材料は、ガラス繊維および／または炭素繊維および／または天然繊維を有する。保持部の炭素繊維は、高品質でないため、非常に好適な繊維であることが好ましい。これにより、保持部を低コストで製造しながら、所期の高強度を有する構造部品を得ることができる。保持部をガラス繊維プラスチック（ＧＦＰ）で形成する場合、構造部品の切り欠き棒衝撃強度が増すという更なる利点がある。また、構造部品を金属接合要素に接合した場合に、腐食および落雷の防護性が向上される。
【００３０】
構造部品は、ストリンガー、リブ、または、少なくとも一つのストリンガーもしくは少なくとも一つのリブを有するスキンとして設計されることが好ましい。
【００３１】
本発明を、添付図面を参照しながら例示的な実施形態に基づいてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面図である。
【図２】本発明の更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面図である。
【図３】本発明の更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面斜視図である。
【図４】本発明のまた更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す断面図である。
【図５】図５Ａは、本発明のまた更なる例示的な実施形態に係る方法のある特定の時点の構造部分の状態を示す斜視図である。図５Ｂは、図５Ａの例示的な実施形態に係る更なるある特定の時点の構造部分の状態を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
上記図面において、特に明記しない限り、同一または機能的に同一である部品には同一の参照符号を付すものとする。
【００３４】
図１は、本発明の例示的な実施形態に係る方法の方法状態を示す断面図である。
【００３５】
構成１は、積層デバイス３上に配置された、好ましくは非硬化ＣＦＣからなるスキン２を備えている。その上面側４で、スキン２は、Ｔ字型断面を有する未硬化プリプレグ構造体６の足部５ａ，５ｂに堅固に接合して接触している。未硬化プリプレグ構造体６は、好ましくはエポキシ樹脂マトリックスを有する未硬化のＣＦＣテープ構造体からなるブレード９を間に挟んだ、好ましくはエポキシ樹脂マトリックスを有する未硬化のＣＦＣテープ構造体からそれぞれなり、鏡対称である二つのＬ字型プロファイル７，８を押し付けることにより製造される。ブレード９は、Ｌ字型プロファイル７と８の二つの脚部１０，１１と共に、プリプレグ構造体６のウェブ５ｃを形成する。プリプレグ構造体６自体のＬ字型プロファイル７，８は、加熱成形により、図示のＬ字型形状にされていることが好ましい。
【００３６】
プリプレグ６は、未硬化のままでは寸法が不安定な状態である。図１に示すプリプレグ構造体６のＴ字型形状を保つために、二つの寸法安定性を有し、好ましくは、少なくとも部分的に硬化したＧＦＰ（ガラス繊維プラスチック）からなるＬ字型プロファイルとしてそれぞれ設計された保持部１２，１３を鏡対称となるように備える。この場合、特にプリプレグ構造体６のウェブ５ｃは、保持部１２，１３により支持される。この目的のために、プリプレグ構造体６のＬ字型プロファイル７と８の外輪郭１４，１５を保持部１２と１３の内輪郭１６と１７にそれぞれ堅固に接合して接触させる。
【００３７】
保持部１２，１３は、約８０℃の硬化温度で、冷〔低温〕硬化剤、例えばイソホロンジアミンの活性化により、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる治具を用いて製造される。この場合、保持部１２，１３は、その低温硬化剤を含んだエポキシ樹脂マトリックスを含浸したガラス繊維構造体からなる二つの層で構成される構造を有することが好ましい。
【００３８】
構造部品を形成するため、図１の構成１を真空バッグに入れ、例えばオートクレーブ（不図示）で硬化する。硬化は、約１８０℃のオートクレーブ内で行われ、適切な高温硬化剤、例えばジアミノジフェニルスルホンが、プリプレグ構造体６、すなわち、Ｌ字型プロファイル７，８とブレード９のマトリックスにおいて硬化される。その時、製造された構造部品は、図１に示す構成１に略形成されるが、全ての構成要素２，６，１２，１３は硬化し互いにしっかりと接合されて一体となり、スキン上にストリンガーを形成する。
【００３９】
図２の例示的な実施形態は、保持部１２，１３が、足部１２ａ，１２ｂと１３ａ，１３ｂにそれぞれ直角に延びるウェブ１２ｃと１３ｃを有するＺ字型プロファイルとして設計されている点が、図１の例示的な実施形態とは異なる。ここでは、保持部１２，１３を、足部１２ｂ，１３ｂに配された端部２１，２２で、好ましくは、プリプレグ構造体６のウェブ５ｃとブレード９の領域で互いに接触させる。
【００４０】
図２の例示的な実施形態では、図３から分かるように、部分的にのみ接触させることができる。この場合、保持部１２，１３の端部２１，２２は、セクション２４に沿った長手方向２３で接触し、長手方向２３のセクション２４につながるセクション２５において凹んでいる。これにより、既に述べたように、保持要素１２，１３は互いに規定された距離に配置されるので、材料、延いては重量を同時に節約できるという利点も得られる。
【００４１】
図４に係る例示的な実施形態は、端部２１，２２がブレードに接触した状態でブレード９が端部２１，２２間から延出している点が、図２に示す例示的な実施形態とは異なる。これにより、保持部１２，１３間において一定距離が確保される。
【００４２】
図５Ａは、脚部３１，３２を有する少なくとも部分的に硬化したＧＦＰからなるＬ字型プロファイル２６を示し、脚部３１には、（一例として参照符号３３で示す）三角形の切り込みが切られている。図５Ｂに示すように、Ｌ字型プロファイル２６は、半径３４で湾曲している。ここで、中立折曲げ線３５は、本質的に脚部３２の平面で延びている。Ｌ字型プロファイル３６が湾曲した状態では切り込み３３は閉じ、これを接着することにより、安定したＬ字型プロファイル２６が製造され、上述した例示的な実施形態に係る保持部１２または１３として用いられ得る。
【００４３】
以上、幾つかの例示的な実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、種々の方法で変更され得る。
【００４４】
例えば、未硬化プリプレグ構造体の代わりに、非含浸繊維成形品を用いてもよい。この場合、高温硬化剤を含むマトリックスが含浸されていない繊維成形品を、その成形品を所定形状に保持するための、低温硬化剤で少なくとも部分的に硬化された少なくとも一つの保持部に接合されるまで、またはその内部に被着されるまで硬化する。
【００４５】
本発明は、以下の方法工程を含む特に航空宇宙分野における構造部品を製造する方法を提供する。まず、第１の硬化温度で硬化可能な複合繊維材料を所定形状の未硬化プリプレグ構造体に形成する。次に、未硬化プリプレグ構造体を、第１の硬化温度よりも低い第２の硬化温度で部分的に硬化された複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部に接合して、未硬化プリプレグ構造体を所定形状に保持する。更なる方法工程において、少なくとも一つの保持部に接合された未硬化プリプレグ構造体を第１の硬化温度で硬化して構造部品を形成する。本発明の基本思想は、寸法的に不安定なプリプレグ構造体を保持するのにこれまで用いられてきた特別なスチールからなる高価な治具の代わりに、プリプレグ構造体よりも低い硬化温度を有する複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部を用いることにより、低コストの治具での製造を可能とすることである。
【符号の説明】
【００４６】
１ 構成
２ スキン
３ 積層デバイス
４ 表面
５ａ 足部
５ｂ 足部
５ｃ ウェブ
６ プリプレグ構造体
７ Ｌ字型プロファイル
８ Ｌ字型プロファイル
９ ブレード
１２ 保持部
１２ａ 足部
１２ｂ 足部
１２ｃ ウェブ
１３ 保持部
１３ａ 足部
１３ｂ 足部
１３ｃ ウェブ
１４ 外輪郭
１５ 外輪郭
１６ 内輪郭
１７ 内輪郭
２１ 端部
２２ 端部
２３ 長手方向
２４ セクション
２５ セクション
２６ Ｌ字型プロファイル
３１ 脚部
３２ 脚部
３３ 切り込み
３４ 半径
３５ 折曲げ線
【特許請求の範囲】
【請求項１】
特に航空宇宙分野における構造部品を製造する方法であって、
第１の硬化温度で硬化可能な複合繊維材料から所定形状の未硬化プリプレグ構造体（６）を形成する工程と；
前記未硬化プリプレグ構造体（６）を、前記第１の硬化温度よりも低い第２の硬化温度で少なくとも部分的に硬化され寸法的に安定した複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合する工程と；
前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合された前記未硬化プリプレグ構造体（６）を前記第１の硬化温度で硬化して前記構造部品を形成する工程を含む方法。
【請求項２】
前記接合工程において、前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）を前記未硬化プリプレグ構造体（６）に、特に同一平面で堅固に接合し、一体成形構造部品を形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記未硬化プリプレグ構造体（６）および前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）を共に押し付けて接合することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）は、前記接合工程の前に、前記形成されるプリプレグ構造体（６）の外輪郭（１４，１５）に対応する内輪郭（１６，１７）を備えて形成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項５】
前記接合工程の前に、前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）は、中立折曲げ線（３５）に対して縮長した領域からだぶついた材料をなくすため、前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）に適切な切り込み（３３）が切られて、半径（３４）を有する湾曲状に形成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項６】
前記接合工程の前または前記接合工程中に、前記プリプレグ構造体（６）は、プロファイル、特に、ブレード（９）を間に挟んだ二つのＬ字型プロファイル（７，８）からなるＴ字型プロファイルとして設計され、かつ／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）は、プロファイル、特にＬ字型プロファイルとして設計されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項７】
その間にプリプレグ構造体（６）を収容し接合される二つの保持部（１２，１３）を設けることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項８】
前記接合時、前記二つの保持部（１２，１３）を少なくとも部分的に互いに接触させることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合された未硬化プリプレグ構造体（６）を、硬化前に、特に複合繊維材料からなるスキン（２）上に配置し、前記プリプレグ構造体（６）および／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）を前記スキン（２）に接触させたことを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記プリプレグ構造体（６）のマトリックスは、特に、１１０〜２００℃の温度範囲内で硬化する高温硬化剤、特にジアミノジフェニルスルホンを含み、かつ／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）のマトリックスは、特に、２０〜１００℃の温度範囲内で硬化する低温硬化剤、特にイソホロンジアミンまたは無水物系低温硬化剤を含むことを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記プリプレグ構造体（６）の複合繊維材料は、炭素繊維で形成され、かつ／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）の複合繊維材料は、ガラス繊維および／または炭素繊維および／または天然繊維で形成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記構造部品は、ストリンガー、リブ、または、少なくとも一つのストリンガー（６，１２，１３）もしくは少なくとも一つのリブを有するスキン（２）として設計されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１】
特に航空宇宙分野における構造部品を製造する方法であって、
第１の硬化温度で硬化可能な複合繊維材料から所定形状の未硬化プリプレグ構造体（６）を形成する工程と；
前記未硬化プリプレグ構造体（６）を、前記第１の硬化温度よりも低い第２の硬化温度で少なくとも部分的に硬化され寸法的に安定した複合繊維材料からなる少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合する工程と；
前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合された前記未硬化プリプレグ構造体（６）を前記第１の硬化温度で硬化して前記構造部品を形成する工程を含む方法。
【請求項２】
前記接合工程において、前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）を前記未硬化プリプレグ構造体（６）に、特に同一平面で堅固に接合し、一体成形構造部品を形成することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記未硬化プリプレグ構造体（６）および前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）を共に押し付けて接合することを特徴とする、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）は、前記接合工程の前に、前記形成されるプリプレグ構造体（６）の外輪郭（１４，１５）に対応する内輪郭（１６，１７）を備えて形成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項５】
前記接合工程の前に、前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）は、中立折曲げ線（３５）に対して縮長した領域からだぶついた材料をなくすため、前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）に適切な切り込み（３３）が切られて、半径（３４）を有する湾曲状に形成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項６】
前記接合工程の前または前記接合工程中に、前記プリプレグ構造体（６）は、プロファイル、特に、ブレード（９）を間に挟んだ二つのＬ字型プロファイル（７，８）からなるＴ字型プロファイルとして設計され、かつ／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）は、プロファイル、特にＬ字型プロファイルとして設計されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項７】
その間にプリプレグ構造体（６）を収容し接合される二つの保持部（１２，１３）を設けることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項８】
前記接合時、前記二つの保持部（１２，１３）を少なくとも部分的に互いに接触させることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）に接合された未硬化プリプレグ構造体（６）を、硬化前に、特に複合繊維材料からなるスキン（２）上に配置し、前記プリプレグ構造体（６）および／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）を前記スキン（２）に接触させたことを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記プリプレグ構造体（６）のマトリックスは、特に、１１０〜２００℃の温度範囲内で硬化する高温硬化剤、特にジアミノジフェニルスルホンを含み、かつ／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）のマトリックスは、特に、２０〜１００℃の温度範囲内で硬化する低温硬化剤、特にイソホロンジアミンまたは無水物系低温硬化剤を含むことを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記プリプレグ構造体（６）の複合繊維材料は、炭素繊維で形成され、かつ／または前記少なくとも一つの保持部（１２，１３）の複合繊維材料は、ガラス繊維および／または炭素繊維および／または天然繊維で形成されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記構造部品は、ストリンガー、リブ、または、少なくとも一つのストリンガー（６，１２，１３）もしくは少なくとも一つのリブを有するスキン（２）として設計されることを特徴とする、先行する請求項の少なくとも一項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【公表番号】特表２０１０−５２３３５７（Ｐ２０１０−５２３３５７Ａ）
【公表日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５００２５５（Ｐ２０１０−５００２５５）
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５３５３９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１１９７０１
【国際公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（５０４４６７４８４）エアバス・オペレーションズ・ゲーエムベーハー (268)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年７月１５日（２０１０．７．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月２６日（２００８．３．２６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５３５３９
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１１９７０１
【国際公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【出願人】（５０４４６７４８４）エアバス・オペレーションズ・ゲーエムベーハー (268)
【Ｆターム（参考）】
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