湾曲複合フレーム及び湾曲複合フレームの製造方法
【課題】航空機用途に必要な仕様を満たしながら、重量、材料及び作業を削減する航空機の胴体構造のフレームを提供する。
【解決手段】航空機の湾曲した複合フレーム３６は、おおむねＺ形状の断面を有する複数層の複合積層体を含む。少なくとも特定の積層体の層は、フレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいて実質的に接触している単向性強化用繊維を含む。
【解決手段】航空機の湾曲した複合フレーム３６は、おおむねＺ形状の断面を有する複数層の複合積層体を含む。少なくとも特定の積層体の層は、フレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいて実質的に接触している単向性強化用繊維を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、機体構成部品等の複合構造物に関し、さらに具体的には一体型シャータイを有する航空機の胴体の湾曲した一体構造の複合フレーム部分、及び複合フレーム部分を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高強度で軽量の、高度に輪郭成形されたマルチレッグ構造物は、例えば航空宇宙ビークル等の多様な用途に使用することができる。航空宇宙用途に使用される様々なフレーム及び同様の構造物は、構造物の長さに沿って高度に湾曲した又は輪郭成形されたレッグを有することができる。例えば、航空機の胴体のフープ形フレーム部分は、留め具で互いに結合されたＣ形チャネル及びＬ形部材からなる２つの独立した部品からできていてよい。Ｌ形チャネルは、航空機の外板が固定されたシャータイとして機能する。
【０００３】
上述したツーピース構造のフレームは作製と、独立したツール、及び別々の検査工程が必要になる。さらに、積層配置は移動デカルト座標を基準として行われるため、強度、剛性及び重量を含む様々な性能要件を満たすためのフレームの積層の調整作業が複雑になる。また、ツーピース構造のフレームは、部品を作製するのに必要な手作業、及び複数の留め具を含む必要な追加材料のために、比較的加工の費用も高くなる。
【０００４】
したがって、航空機用途に必要な仕様を満たしながら、重量、材料及び作業を削減する航空機の胴体用途の構造フレームが必要である。また、大量生産環境における加工に適した高性能の構造フレームも必要である。
【発明の概要】
【０００５】
開示の実施形態により、重量効率が良く信頼性がある一方で、航空機の胴体のフープ方向において偏向を制御し機体の剛性を維持することができる、航空機用途に適した湾曲複合フレームが提供される。開示の複合フレームは航空機の外板を取り付けることができる一体型シャータイを有する一体構造物である。このフレームは、層／繊維の配向がフレームの湾曲を画定する極座標系を基準とする単向性強化用繊維を含む積層複合層を含む。極座標系内の層の配向により、少なくとも特定の層内の繊維がフレームの湾曲に沿ってほぼすべてのポイントでフレームの湾曲に実質的に接触して位置づけされることが可能になる。フレームの湾曲に接した０度の層を維持することで、フレームの断面内のフープ方向にフレームの係数を増加させ得るフレームのウェブ、内側コード、外側コードの積層配向率の選択が可能になり、したがって構造的効果並びに重量の削減が最適化される。一体型のフレームはシャータイをフレームに一体化させることができる、最適化された断面形状を有する。
【０００６】
ある開示の実施形態によれば、湾曲複合航空機のフレームは複数層の複合積層体を含む。少なくとも特定の積層体の層は、フレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいて実質的に接触する単向性の強化用繊維を含む。積層体は、ウェブ、内側コード、外側コードを含む一体型の単一構造物である。内側コードはウェブと一体型に形成され、ウェブの一端から外側に横方向に延在する。外側コードは、航空機の外板に固定されるように構成されており、また、ウェブと一体的に形成されている。外側コードは、内側コードの方向と反対の方向にウェブのもう一方の端から外側に横方向に延在する。各層は、フレームの湾曲を画定する極座標基準系内に整列した繊維配向性を有する。
【０００７】
別の実施形態によれば、湾曲した一体型の航空機の胴体フレームが提供されている。このフレームは、第１端部及び第２端部を有するウェブと、ウェブの第１端部の内側コードと、ウェブの第２端部の外側コードを含む。ウェブ、内側コード及び外側コードは、繊維強化樹脂の積層体で一体型に形成されており、Ｚ及びＪのうちの一つの形状の断面を有する。少なくとも一つのウェブ、内側コード及び外側コードは、フレームの湾曲に実質的に接触する単向性の強化用繊維を有する層を含む。
【０００８】
さらなる実施形態によれば、一体型のシャータイを有する湾曲複合胴体フレームが提供されている。フレームは、胴体の外板に固定されるように構成されているウェブ、内側コード、及び外側コードによって画定される断面を有する一体型の複数層の積層体を含む。内側及び外側コードはそれぞれ、ウェブの反対端に位置づけされ、ウェブから反対方向に外側に延在する。積層体は実質的にＺ及びＪのうちの一つの形状の断面形状を有する。
【０００９】
別の実施形態によれば、航空機の胴体の湾曲した一体型の複合フレームを加工する方法が提供されている。この方法は、繊維強化樹脂層の積層体を作製し、積層体をウェブ、内側コード及び外側コードを有する形状に成形するステップを含む。積層体は、フレームの湾曲を画定する極座標系を使用して作製される。少なくとも特定の層の単向性強化用繊維は、フレームの湾曲に実質的に接触して配向している。単向性強化用繊維をフレームの湾曲に実質的に接触するように配向させるステップは、コンピュータ制御の自動繊維配置機械を使用して行われる。積層体をＺ形状断面に成形するステップは、ツール上で積層体の縁を曲げることを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態によれば、湾曲複合胴体フレームを加工する方法が提供されている。この方法は、各々単向性の強化用繊維を有する複合層の積層体を作製し、湾曲ツール上の積層体を、ウェブと、ウェブの反対端でそれぞれ反対方向に延在するコードを有する断面形状に成形するステップを含む。積層体の作製は、少なくとも特定の層を、層の強化用繊維がフレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいて実質的に接触するように配置することを含む。
【００１１】
本発明はまた、航空機の胴体の湾曲した一体構造のフレームに関し、このフレームは：
第１及び第２端部を有するウェブと、
ウェブの第１端部の内側コードと、
ウェブの第２端部の外側コード
を含み、
ウェブ、内側コード及び外側コードは繊維強化樹脂の積層体で一体型にできており、おおむねＺ及びＪの内の一つの形状の断面を有する。
【００１２】
上述したフレームは、外側コードが胴体の外板に固定されるように構成されていてよい。
上述したフレームは、少なくとも特定の層がウェブ、内側コード及び外側コードを通じてほぼ連続的に延在するものであってよい。
【００１３】
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードのうちの少なくとも一つが、フレームの湾曲に実質的に接触している単向性強化用繊維を有する層を含んでいてよい。
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードの各々が、フレームの湾曲に実質的に接触する単向性強化用繊維を有する層を含むものであってよい。
【００１４】
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードの各々が、フレームの湾曲を画定する極座標系の動径座標に実質的に接触する単向性強化用繊維を有する層を含むものであってよい。
上述したフレームは、ウェブが、ウェブを強化する層ダブラーのパッドアップ部分を含むものであってよい。
【００１５】
本発明はまた、一体型のシャータイを有する湾曲した複合胴体フレームにも関し、このフレームは：
胴体の外板に固定されるように構成されているウェブ、内側コード及び外側コードを画定する断面を有し、内側及び外側コードがそれぞれウェブの反対端に位置づけされ、ウェブから反対方向に外向きに延在している、一体構造の複数層の積層体
を含む。
上述したフレームは、積層体が、実質的にＺ及びＪの内の一つの形状の断面を有するものであってよい。
【００１６】
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードの各々が、フレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントで実質的に接触している単向性強化用繊維を含むものであってよい。
【００１７】
本発明はまた、湾曲した複合胴体フレームを加工する方法にも関し、この方法は：
各々単向性強化用繊維を有する複合層の積層体を作製し、これには、少なくとも特定の層を、層の強化用繊維がフレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントで実質的に接触するように配置することが含まれるステップと；
湾曲ツール上の積層体を、ウェブと、ウェブの反対端でそれぞれ反対の位置に延在するコードを有する断面形状に成形するステップ
を含む。
【００１８】
上述した方法は、特定層の配置が、コンピュータ制御の自動繊維配置機械を使用して行われるものであってよい。
上述した方法は、層の作製が、フレームの湾曲を画定する極座標基準系を使用して行われるものであってよい。
【００１９】
上述した方法は、積層体の成形が、ツール上で積層体の縁部を曲げることによって行われるものであってよい。
【００２０】
本発明はまた、一体型のシャータイを有する航空機の湾曲した一体構造のフレームを加工する方法にも関し、この方法は：
極座標基準系を使用してフレームの湾曲を画定するステップと；
複合積層体を作製するステップであって−
単向性繊維で強化された樹脂を含む複合材料の複数層を積層し、各層は傾斜した繊維配向性を有し、
層が積層されている間に、極座標基準系を使用して、フレームの湾曲に対して各層を配向させ、これにはコンピュータ制御の自動繊維配置機械を使用して、繊維が湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいてフレームの湾曲に実質的に接触するように、ツール上に複合繊維を置くことが含まれる
ことを含むステップと；
第１、 第２及び第３ツール表面を有するツール上に積層体を配置するステップと；
ツール上の積層体を真空バッグ成形するステップであって、積層体を第１ツール表面上に引き下げて内側コードを成形し、積層体を第２表面上に引き下げて外側コードを成形し、積層体を第３表面に引き下げて、内側及び外側コードをつなぐウェブを成形することが含まれるステップと；
成形された積層体を硬化させる
ステップを含む。
【００２１】
本発明はまた、フレームを胴体の外板につなぐ一体型のシャータイを有する航空機の胴体の一体構造の複合フレームにも関し、この方法は：
ウェブ、内側コード及び外側コードを画定するほぼＺ形断面を有する複数層の複合積層体であって、外側コードが外板に固定されるように構成され、ウェブの一端から上向きに横方向に延在しており、内側コードがウェブの別の端から外側コードの方向とは反対の方向に外向きに横方向に延在している複数層の複合積層体と、
フレームの湾曲を画定する極座標基準系内で配向する単向性強化用繊維を有する層を含む、各ウェブ、内側コード及び外側コード、
湾曲の全長にほぼ沿ってフレームの湾曲に実質的に接触するように配向した強化用繊維を含む、少なくとも特定の層
を含む。
【００２２】
開示の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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は航空機の胴体のバレル部分の斜視図である。
【図２】図２は図１に示す胴体に使用される高度に輪郭成形された複合フレーム部分の斜視図である。
【図３】図３は図１の線３−３に沿って切り取った断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは図３と同様の図であるが、代替断面形状を有するフレーム部分を示す。
【図４】図４は図２に示すフレーム部分の層が積層された様子を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは本開示の実施形態によるフレームを用いた航空機の胴体の断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは図４Ａで「Ａ」に指定される領域の図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは図４Ｂで「Ｂ」に指定される領域の図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは一体型のシャータイを有する一体構造のフレームを加工する方法の簡略フロー図である。
【図５】図５は図２及び４Ｂに示すフレーム部分の加工に使用される平坦な層のスタックの斜視図である。
【図６】図６は層のスタックを配置するのに使用されるＡＦＰロボット機械の斜視図である。
【図７】図７は図６に示すロボットのエンドディフェクタとして使用されるＡＦＰ機械の斜視図である。
【図８】図８は図２及び４Ａのフレーム部分における層の配向を画定するのに使用される極座標系及びデカルト座標系を示す図である。
【図９】図９は０度に配向した繊維を含む層の平面図である。
【図１０】図１０はトウ及びテープウェッジの使用を示す、４５度及び９０度に配向した繊維をそれぞれ含む層の図である。
【図１１】図１１は層の平坦なスタックの斜視図である。
【図１２】図１２は図１１と同様の図であるが、層のスタックの一端に沿って形成されている切り抜き部分を示す斜視図である。
【図１３】図１３はフレーム部分の内側コードをドレープ成形するのに使用されるドレープ成形装置を示す断面図である。
【図１４】図１４は図１３のドレープ成形装置の一部を含む成形マンドレルに位置づけされた平坦な層のスタックの斜視図である。
【図１５】図１５は図１４と同様の図であるが、成形マンドレル周囲に完全に成形された内側コードを示す図である。
【図１６】図１６は柔軟膜が開放位置にあるドレープ成形装置の斜視図である。
【図１７】図１７は図１６と同様の図であるが、閉鎖されてツールアセンブリ周囲に引き下げられた状態の柔軟膜を示す図である。
【図１８】図１８はフレーム部分の外側コードをドレープ成形する高温ドレープ成形装置の断面図である。
【図１９】図１９は図１８に示す高温ドレープ成形装置の斜視図である。
【図２０】図２０は図１８のドレープ成形ツールアセンブリの一部を含む成形／硬化マンドレルの斜視図であり、ドレープ成形ツールアセンブリに位置づけされた部分的に成形されたフレーム部分を示す。
【図２１】図２１は図２０に同様の図であるが、成形／硬化マンドレルの上に完全に成形された外側コードを示す図である。
【図２２】図２２はフレーム部分を硬化させるのに使用する成形／硬化マンドレルバッグアセンブリの断面図である。
【図２３】図２３は連続的な輪郭成形された複合構造物を加工する方法を示すフロー図である。
【図２４】図２４は本発明の実施形態にしたがって成形可能な連続的な複合構造物の断面形状を示す図である。
【図２５】図２５は極座標系における配置に関連して基板上に配置されているテープ部分の平面図を示す。
【図２６】図２６は図２５の「Ａ」で指定される領域の拡大図である。
【図２７】図２７は代替的な端部の切り口を示す単一テープ部分の平面図である。
【図２８】図２８は自動テープ配置機械の斜視図である。
【図２９】図２９は一定の幅のテープ部分を使用して、輪郭成形された複合構造物を加工する方法を示すフロー図である。
【図３０】図３０は航空機の製造及び就航方法を示すフロー図である。
【図３１】図３１は航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
まず図１〜３を参照すると、バレル形状の胴体部分３０は、フレーム構造物３２の上に形成され、フレーム構造物３２に固定されている外板３４を含む。フレーム構造物３２は、複数の縦方向に配置されたバレルフレーム３２ａと、バレルフレーム３２ａを貫通する縦方向に延在するストリンガー３２ｂを含む。各バレルフレーム３２ａは、例えば非限定的に、スプライスプレート（図示せず）及び留め具（図示せず）等の任意の好適な手段を使用して互いに接合される、複数の一体構造のフレーム部分３６を含むことができる。しかしながら、ある用途においては、半フレーム及び全フレーム部分（図示せず）が可能であり得る。バレル形状のフレーム３２ａは実施形態ではほぼ円形であるように図示されているが、例えば非限定的に、楕円形、又はセグメント的円形、又は一又は複数の輪郭又は湾曲を有する他の非円形形状を含む他のフレーム形状も可能である。本明細書に使用されるように、「輪郭」及び「湾曲した」又は「湾曲」という用語は交互に使用される。
【００２５】
図３から良く分かるように、一体構造のフレーム部分３６は、おおむねＺ形状の断面を有し、ウェブ４２によって内側コード４０に接続された外側コード３８を含む湾曲した複数層の積層体を含む。内側コード４０は、一方向にウェブ４２の一端から横方向に延在し、外側コード３８は内側コード４０の方向とは反対方向にウェブ４２の一方の端から離れるように横方向に延在する。断面(図３)を見ると、外側コード３８及び内側コード４０は効率的に、ウェブ４２に対して横に延在し、ウェブ４２と一体的に形成された構造レッグ又はフランジを形成する。実施形態においては、コード３８、４０はウェブ４２に対してほぼ直角に延在するが、他の実施形態ではコード３８、４０とウェブ４２の間の角度は、直角よりも大きい又は小さい可能性がある。ウェブ４２は、層ダブラーから形成された任意の強化用パッド４４を含むことができる。
【００２６】
外側コード３８は、外板３４を結合させる及び/又は固定することができるシャータイを形成する。外側コード３８とウェブ４２の一端は、複数の間隔を置いて配置されたマウスホール形状のストリンガーの切抜き部分５３を含むことができ、この切抜き部分５３を通ってストリンガー３２ｂが延在する。後に説明するように、フレーム部分３６は例えばカーボンファイバーエポキシー等の繊維強化合成樹脂の積層体からできている。図４に示すように、フレーム部分３６は、効果的で繰り返し可能な、後に説明する加工方法の使用を促進しながら、最大の構造性能を得るために、配置及び配向される全体層４６及び部分層４８を含む積層体を含むことができる。
【００２７】
シャータイ３８として機能する一体的に形成されたコード３６を有する一体構造のフレーム部分３６は、特定用途に最適化された、Ｚ形状以外の断面形状を有することができる。例えば非限定的に、フレーム部分３６は図３Ａに示すようなＪ形状の断面を有することができ、この断面において内側コード３３はウェブ４２の反対方向に、ウェブ４２に対して横に延在するキャップ又はフランジを含む。
【００２８】
図４Ａに示すように、通常の胴体部分３０は、各々フレーム３２ａに接続した上部客室フロア４１及び下部貨物フロア４３を含むことができる。下部の貨物フロア４３は、これもまたフレーム３２ａに固定されているスタンション４５によって支持され得る。ここで図４Ｂ及び４Ｃも参照すると、各フレーム部分３６を含むフレーム３２ａは、極座標基準系３５に基づき設計され配置されている。極座標系は、平面上の各ポイントが固定方向から傾斜した固定ポイントからの距離によって決定される二次元座標系である。したがって、この実施例では、極座標系３５は、極３９から延びた半径座標又は半径「ｒ」と、角度座標又は本明細書で０°で表示される基準軸に対する半径ｒの極角と呼ぶことができる角度θを含む。各フレーム部分３６の湾曲３７と、フレーム部分３６の層スケジュールもまた極座標系３５を基準とする。フレーム部分３６を画定するのに極座標系３５を使用することで、最小重量で必要な強度を付与しながら単一部品に機構を一体化させることによる設計最適化もまた可能になり得る。
【００２９】
極座標系３５を使用したフレーム設計により、調整された軸剛性及び一体化された故障安全性を有する複合フレーム部分３６の加工が可能になり得る。例えば非限定的に、ウェブ４２を、所定の性能要件を満たすために０°繊維含有量が約４０〜５０％の範囲で、ゲージ（厚さ）を増加させるように設計することが可能である。層配置を含むフレーム部分３６の設計に極座標系３５を使用することにより、例えば非限定的に、内側及び外側コード３８、４０とパッドアップ４４の厚さ、またストリンガーの切抜き部分５２の形状及び寸法等の他の特徴の設計も最適化することが可能になり得る。
【００３０】
下に更に詳細に説明するように、各フレーム部分３６は所定の層スケジュールにしたがって積層される単向性繊維で強化された合成樹脂の積層体を含む。各層は、例えば非限定的に、繊維の配向が極座標系３５を基準とする積層工程中にツール（図示せず）上に置かれたスリットテープの形態のプリプレグ・トウを含むことができる。後に説明するように、極座標系３５を使用して層を形成するプリプレグテープを積層し配向させることにより、本明細書において０°層と呼ばれる、少なくとも特定の層の繊維配向を、フレーム部分３６の湾曲３７に接触するように位置づけすることが可能になり、これはフレーム３２ａ周囲のフープ方向４９（図４Ａ及び４Ｂ）と一致する。
【００３１】
ウェブ４２、内側コード４０及び外側コード３８はそれぞれ、特定の層スケジュールによって一又は複数の０°層を有することができる。０°繊維の、内側コード４０、ウェブ４２及び外側コード３８上のほぼ全てのポイントにおけるフープ方向での接触を維持することによって積層体の配向率を変更して、フレーム断面全体のフープ方向４９のヤング率（Ｅ）を増加させることができる。ある実施形態では、この変更軸面積は、内側コード４０について、０°層を４０〜５０％に調整することが可能である。
【００３２】
別の実施形態では、内側コードの圧縮荷重について、比較的高い軸弾性率で内側コード４０を調整することができる。ウェブ４２は、内側のせん断荷重を移動させるために、低い軸弾性率で調整可能な縮小されたゲージを有していてよい。パッドアップ４４は非常に高い軸弾性率で調整可能である。最後に、内側コード３８を低い軸弾性率で調整して、より高い半径剛性、留め具軸受及びせん断荷重移動性能を得ることができる。
【００３３】
開示の実施形態によれば、フレーム部分３６の少なくとも特定の積層体の層では、単向性繊維が、湾曲３７に沿ったほぼ全てのポイントにおいてフレーム部分３６の湾曲３７に実質的に接触して配向されている。したがって、図４Ｃに示すように、ウェブ４２内の通常の層４２は、フレーム部分３６の湾曲３７に沿った単向性の強化用繊維５９を含む。繊維５９は、湾曲３７を画定する半径「ｒ」にほぼ直角の接線５７に沿って位置している。
【００３４】
ここで、湾曲した複合フレーム部分３６を加工する方法のステップをおおまかに示す図４Ｄに注目する。ステップ６１で開始し、フレーム部分３６の輪郭又は湾曲３７だけでなく、フレーム部分３６の層の配向性を含むフレーム部分３６の特徴は、極座標基準系３５内で画定される。複合積層体はステップ６３において形成される。積層工程６３はステップ６５において、極座標基準系３５を使用して、フレーム部分３６の湾曲３７に接触している０°の単向性繊維の配向性を有する少なくとも特定の層を積層することを含む。積層工程６３はまた、ステップ６７において、これもまた極座標基準系３５を基準とする非０°の単向性繊維の配向性を有する層を積層することも含む。積層工程が完了したら、後に説明するステップ６９に示すようなツールを使用して、湾曲した積層体をＺ形状断面又はＪ形状断面に成形することができる。
【００３５】
ここで図５〜７を参照すると、ＡＦＰ機械５８をロボット６０のエンドエフェクタとして使用して繊維プリプレグテープの繊維トウ又はストリップを置き、平坦な層のスタック５０を形成することができる。ＡＦＰ機械５８は、進入してくるプリプレグ・トウ６２を受けるコーム６４を含むことができ、このプリプレグ・トウ６２はトウカッター６８で切断される前にリボナイザ６６を通過する。切断されたトウ７２は従属ローラ７０の下を通過し、従属ローラ７０は基板（図示せず）又は下部層（図示せず）上にトウ６２を当てて圧縮する。図５から良く分かるように、ＡＦＰ機械５８を使用して繊維トウ６２又はテープを置くことができ、繊維トウ６２又はテープでは、繊維はデカルト座標系４７の所定の角度に配向されている。実施例では、層のスタック５０は、繊維トウが０度に配向している層５２、繊維トウが＋４５度に配向している層５６、及び繊維トウが−４５度に配向している層５４を含む。図示しないが、層のスタック５０には、繊維トウが９０度に配向している層が組み込まれている。
【００３６】
図８はさらに、層のスタック５０に単向性繊維トウ又はテープが置かれているデカルト座標系４７の配向性と、フレーム部分３６の輪郭を画定する極座標系の関係を分かりやすく示す。数字３７で指定されるフレーム部分３６の輪郭は、極３９から始まって０°で表示される参照座標に対して極角θを形成する半径座標「ｒ」によって画定することができる。したがって、フレーム部分３６のそれぞれ輪郭成形された特徴は、角度θをなす値「ｒ」（半径座標）によって画定することができる。ここで、図示したフレーム部分３６は一定の半径（湾曲）を有し、ウェブ４２は一定のゲージ（厚さ）を有するが、フレーム部分３６の湾曲、ウェブ４２のゲージ、内側コード４０のゲージ及び外側コード３８のゲージはそれぞれ、フレーム部分３６の長さに沿って変動してもよいことに注目すべきである。
【００３７】
実施例においては、層のスタック５０は、少なくとも特定の単向性プリプレグ繊維が、半径座標「ｒ」に接して位置合わせされているデカルト座標系４７内で配向されている複数の層５２、５４、５６で形成されている。後にさらに詳しく説明するように、実施例においては、０度、−４５度、＋４５度及び＋９０度の繊維配向が採用されているが、フレーム部分３６の特定用途、及び形状を含む様々な要因によって、他の角度配向も可能である。前述したように、０°トウ（図５）を含む層５２の場合には、トウは、湾曲３７に沿ったほぼ全てのポイントにおいてフレーム部分３６の湾曲３７に実質的に接触している。
【００３８】
ここで、平坦な層のスタック５０のうちの幾つかの層の繊維配向を示す図９〜１２に注目する。図９は、トウ又はテープストリップが０度配向、湾曲３７（図８）に接して、フレーム部分３６の全長に延在した状態で、ＡＦＰ機械５８（図６）に置かれている層５２を示す。本明細書に使用されるように、「テープ」は予め含浸した単向性繊維を指し、「トウ」は例えば非限定的に、幅が０．１２５、０．２５または０．５インチであってよい狭い帯状にその長さに沿って切断されたテープを含むことができる。「コース」はＡＦＰ機械５８によって帯として適用されたトウを指す。「ドロップ」は、ＡＦＰ機械５８が一又は複数のトウを途中で途切れさせることを指し、隣接したトウ又はテープ間の間隔を含むことができる。切断／追加合流ゾーンとは、同じ層内の異なる配向のコースにおいてあるコースが終了することを意味し、したがってそこに隙間及び重なり合った領域ができる。
【００３９】
０°層５２は、ＡＦＰ機械５８を使用してスリットテープの配置を「誘導」して形成することができ、層５２の幅は共形性及び傾斜によって決まる。図９に全体層５２を示すが、部分層又は傾斜した層もまた可能である。後に外側コード、内側コード及びウェブに成形される層５２の部分はそれぞれ、番号３８、４０及び４２で指定される。ある用途では、外側コード４０を形成する層は、ＡＦＰ機械５８を使用して置かれる代わりに、幅が予め切断され、後に説明するツール上に配置されるトウ又はテープの層の分離した帯を使用して成形することができることに注目すべきである。
【００４０】
０度以外の角度に配向されたトウ又はテープを含む層は、各々先細りのウェッジ形状を有する隣り合ったトウ／テープの群又はセグメント５５、７４で形成されている。セグメント５５、７４は、上向きで側面を決めるドロップ部分にゆとりのあるテープを使用して形成することができる。例えば、図１０は各セグメント５５の繊維配向がおおむね＋４５度であるセグメント５５で形成された層５４を示す。
【００４１】
図１１は、各セグメント７４の繊維がおおむね９０度に配向され、フレーム部分３６の輪郭３７（図８）を画定する半径座標「ｒ」の角度に実質的に位置合わせされた、隣り合わせに置かれたセグメント７４で形成された層７６を示す。トウ７２がセグメント７４を形成するように置かれているところでは、個々のトウは層７６の湾曲方向に角度をなしている。傾斜したトウ７２は個別に互いに隣り合わせの状態で配置される。あるいは、これらのセグメントはＡＦＰ機械５８又は同様の装置によって互いに隣り合わせの状態に置かれた繊維テープの先細り形状のウェッジ７５で形成されてもよい。
【００４２】
ここで図１２を参照すると、平坦な層のスタック５０が完全に配置された後、層のスタック５０の一方の縁部５１に沿ってマウスホール型切抜き部分５３を作製することができる。切抜き部分５３は例えば非限定的に、ＮＣ制御超音波カッター（図示せず）を使用する等の任意の多様な技術を使用して作製することができる。
【００４３】
実施例では、切抜き部分５３によりストリンガー３２ｂがそれを通って延びる開口部が得られる（図１）。しかしながら他の用途においては、重量を削減するために及び／又はあとに続く加工工程における層の皺形成の可能性を低減するために同様の切抜き部分５３を設けることが望ましい場合がある。
【００４４】
ここで、ドレープ成形工程を使用して、内側コード４０が形成される様子を示す図１３〜１７に注目する。層のスタック５０は成形マンドレル８０の上部の平面８０ａに配置される。成形マンドレル８０は湾曲した又は輪郭成形された表面８０ｂを含み、実施例においては、上部の平面８０ａに対してほぼ９０度の角度をなしている。外側コード４０を形成するのに使用できる０度層は全て、輪郭成形面８０ｂに直接配置される。層のスタック５０の外側縁部５０ａは、湾曲した縁部８０ｂを通って延び、続いて図１３に示す位置まで移動される積層シェルフ８６によって層が配置される間、支持されることが可能である。成形マンドレル８０は、グラスファイバーブリーザ８２によって分離され、真空バッグツール８４に支持される。真空バッグ８８は、層のスタック５０と成形マンドレル８０の上に配置される。ブリーザ９０とＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）の層９２は、バッグ８８と層のスタック５０の間に配置することができる。バッグ８８はまた、その内面にチャネル（図示せず）を有することができ、この場合ブリーザ９０は必要ない。
【００４５】
ツール縁部８０ｂを層のスタック５０の縁部５０ａで覆い、バッグ８８を真空化して層のスタック５０に圧力をかけて、縁部５０ａが当接してほぼ平坦になり、成形マンドレル８０の前面８０ｂの輪郭に実質的に沿うまで、縁部５０ａを図１３の矢印９４の方向に下向きに曲げる。層のスタックの縁部５０ａはこのように、前部ツール面８０ｂの半径Ｒと実質的に同一の半径を有する内側コード４０に成形される。
【００４６】
上述した成形工程は、図１６及び１７に示すドレープ成形装置９６において行うことができる。バッグ８８は、例えば非限定的に、レッグ１００に支持される真空テーブル９８に回転可能に取り付けられたフレーム１０２に装着されたシリコン等でできた気体不浸透性膜を含むことができる。真空テーブル９８は空気をテーブル９８を通って引き込むことを可能にするポート又は貫通孔（図示せず）を含む。成形マンドレル８０は層のスタック５０及び積層シェルフ８６とともに真空テーブル９８に配置することができ、フレーム１０２は真空テーブル９８に当接して閉じられている。
【００４７】
図１７に示すように、真空システム（図示せず）を使用して、フレーム１０２及びテーブル９８によって形成された密封された空洞の空気を排出することができる。この空洞からの排出の結果、膜８８が成形マンドレル８０の上を覆うことにより成形マンドレル８０の前面８０ｂ上で縁部５０ａが成形される。成形工程の間、積層シェルフ８６が部分的に膜８８を支持し、これにより膜８８の縁部５０ａに印加された力が制御及び方向づけされる。
【００４８】
内側コード４０が完成したら、加工方法の次のステップは図１８〜２１に示されており、ここで外側コード３８が成形される。外側コード３８は、例えば非限定的に、図１９に示すドレープ成形装置１２４を使用して、張力、高温ドレープ成形によって加工することができる。ドレープ成形装置１２４は、レッグ１３４で支持される下部フレーム１２８に保持される加熱真空テーブル１３０を含む。上部の回転フレーム１２６は、例えばシリコンを含むことができる気体不浸透性膜１３２を含む。成形／硬化マンドレル１０６の形態のツール、及び輪郭成形ブロック１１２は真空テーブル１３０上に支持され、フレーム１２６が閉じられて下部フレーム１２８に当接して密封されている時に、膜１３２で覆われる。
【００４９】
図１８から良く分かるように、成形／硬化マンドレル１０６は層のスタック５０を支持する平坦な上部ツール面１０６ａを含む。成形／硬化マンドレル１０６の第２平坦面１０６ｂはツール面１０６ａから上向きに延びて内側コード４０と係合する。成形／硬化マンドレル１０６はさらに、ツール面１０６ａから下向きに延び、外側コード３８を成形するのに使用される第３面１０６ｃを含む。
【００５０】
成形／硬化マンドレル１０６は真空テーブル１３０上に支持される。グラスファイバー又は他の好適な材料でできた任意のブリーザ１１０を真空テーブル１３０と成形／硬化マンドレル１０６の間に配置することができる。輪郭成形された増圧器１２０を層のスタック５０の上に配置して、半径１２２を内側コード４０に隣接するように完全に維持することができる。非限定的に、テフロン（登録商標）等の材料の層１１６とブリーザ１１８を増圧器と層のスタック５０の間に配置することができる。ＦＥＰの追加層１２３を成形／硬化マンドレルと層のスタック５０の縁部の間に配置することができる。ＦＥＰ層１２３をブロック１１２に覆いかけ、この組み合わせにより、ドレープ成形工程の間に、バッグ膜１３２が層のスタック５０の外側縁部５０ｂに圧力を印加する角度が制御される。
【００５１】
外側コード３８は成形／硬化マンドレル１０６の上で高温ドレープ成形することができ、次にオーブン、又は例えば赤外線ランプ等の他の手段の内部で、例えば約１４０度（華氏）等の予め選択された温度に加熱することができる。バッグ膜１３２を真空化し、予め選択された期間保持する。張力が制御された高温ドレープ成形工程の間は、加熱によりマトリックス樹脂の粘性が低下して、繊維が層内で滑動することが可能になる。これにより、必要に応じて繊維がまとまる又は広がる、又はそうでなければ繊維自体が再配置されることが可能になる。スタック５０下の張力を維持することで皺の形成が最小限に抑えられる。半径増圧器１２０は、外側コード３８が成形される間、内側コードの半径１２２（図３の４０ａ）を保持する。
【００５２】
図２０は成形された内側コード４０がツール面１０６ａに当接して保持されている成形／硬化マンドレル１０６に位置づけされている部分的に成形された層のスタック５０を示す。層のスタック５０の外側縁部５０ｂはツール面１０６ｂ上にはみ出した形で置かれている。図２１に示すように、膜１３２が成形／硬化マンドレル１０６の上に覆いかぶさると、膜１３２はブロック１１２によって部分的に制御される角度で外側縁部５０ｂに圧力を印加する。層のスタック５０の縁部５０ｂは次に、ツール面１０６ｃに当接して完全に成形されて外側コード３８が形成されるまで、矢印１１４の方向に下向きに曲げられる。
【００５３】
フレーム部分３６の内側及び外側コード３８、４０が成形されたら、次にフレーム部分３６を硬化させる必要があり、これに関連して図２２に注目する。成形されたフレーム部分３６と成形／硬化マンドレル１０６が高温ドレープ成形装置１２４から取り外される。コールプレート１３９を外側コード３８の上に配置して、半径１４１を圧縮するのを補助することができる。同様に、増圧器１４２を取り付けて半径１２２の圧縮を補助することができる。従来技術の真空バッグ１３８がフレーム部分３６の上に配置され、密封材１４０で硬化マンドレル１３６に密封される。ブリーザ（図示せず）及びＦＥＰの剥離層（図示せず）をまた、成形／硬化マンドレル１０６とバッグ１３８の間に配置することもできる。
【００５４】
ここで、輪郭成形された複合構造物を製造する方法で使用される全ステップを示す図２３に注目する。プリプレグ繊維トウ及び/又はテープを含む原材料がステップ１４４において受け入れられ、検査される。ステップ１４６において、前述した成形マンドレル８０、及び成形／硬化マンドレル１０６が洗浄され準備される。次にステップ１４８において、外側のグラスファイバー層を成形マンドレル８０の上に配置することが可能である。
【００５５】
ステップ１５０において、スタック５０の様々な層が全て、一又は複数のＡＦＰ機械５８を使用して置かれる。平坦な層のスタック５０が形成されたら、次にステップ１５２で要求されるように、層のスタック５０にマウスホール型切抜き部分５３が形成される。次にステップ１５４において、層のスタック５０が成形マンドレル８０と積層シェルフ８６に配置される。次にステップ１５６において、これに続く成形工程で積層シェルフ８６が使用される位置に移動される。ステップ１５８において、上述したドレープ成形技術を使用して内側コード４０が成形される。
【００５６】
ステップ１６０において、部分的に成形された層のスタック５０が成形／硬化マンドレル１０６に配置される。ステップ１６２において、外側コード３８が成形／硬化マンドレル１０６上に高温ドレープ成形される。次にステップ１６４において、成形されたフレーム部分３６は硬化ツール１３６に移されて、内側のグラスファイバー層がフレームの上に配置される。次にステップ１６６において、コールプレート１３９と増圧器１４２が取り付けられ、続いてオートクレーブ硬化の準備のためにアセンブリの真空バッグ処理が行われる。ステップ１６８において、フレーム部分３６がオートクレーブ装置（図示せず）で硬化され、続いてステップ１７０において硬化され完全に成形されたフレーム部分３６がデバッグ及びデフラッシュ処理される。ステップ１７２において、数値制御カッターを使用してフレーム部分３６を調整することができ、調整されたフレーム部分３６を次に、従来の非破壊検査技術を利用してステップ１７４において検査することができる。
【００５７】
開示の実施形態では、Ｚ形状断面を有する輪郭成形された複合構造物の加工方法の使用が図示されているが、一又は複数のレッグが例えばウェブ等の構造機構から外向きに延在している他の様々な輪郭成形構造物も可能である。例えば図２４に示すように、例えば非限定的に、Ｃ形状１７６、Ｊ形状１７８、Ｌ形状１８０、Ｉ形状１８２、変更されたＪ形状１８４及び一又は複数の形態のＵ形状１８６等の他のレッグ構成又は断面形状を有する、輪郭成形された連続的な構造物の加工に開示の実施形態を用いることができる。
【００５８】
ここで、ほぼ一定幅、単向性のプリプレグ繊維テープでできた重なり合った層セグメント１８８を使用して、輪郭成形層２０１を積層する別の方法を示す図２５及び２６に注目する。一定幅の層セグメント１８８は、標準あるいは非標準幅のテープのスプール（図示せず）から引き出されたテープから切り取ることができる。図２５及び２６に示す実施例では、層セグメント１８８の形状はほぼ長方形だが、層セグメント１８８がほぼ同じ幅を有していれば、他の形状を有していてよい。層セグメント１８８は基板（図示せず）上に配置され、積層されている輪郭成形された層２０１の輪郭成形された中央線１９２に沿って配置される。各層セグメント１８８はそれぞれ内側コード３８及び外側コード４０を越えて半径方向に延在して、層セグメント１８８で形成された全体層２０１が構造物３６（図２）の輪郭とほぼ一致するように後に調整される延長部２００を形成する。
【００５９】
各層セグメント１８８は配置工程において、極座標系１９０の極３９から始まる半径座標「ｒ」に位置あわせされる縦方向の中央線１９４を含む。各中央線１９４は、図２５において０°で示す基準線に対して角度θを形成する。極座標系１９０を使用して、構造物３６（図２）の一又は複数の輪郭が画定される。開示の実施形態によれば、一定幅のテープセグメント１８８は、重なり量が好ましくはほぼ一定に保持されるように、相互に重なり合った状態１９１で配置される。各層セグメント１８８が配置される際に、各層セグメント１８８はすでに配置されている隣接セグメント１８８からわずかに角度１９３（図２６）をなして配向される。層セグメント１８８を重なり合った状態１９１で配置した結果、層セグメント１８８ａ、１８８ｂの隣接した層セグメントにより、内側コード３８近辺のパイ型の重なり部分１９６、及び外側コード４０に隣接したパイ型の隙間１９８が形成される。重なり部分１９６及び隙間１９８は、テープセグメント１８８の幅を変えることによって特定用途の構造要件を満たすように調節することができる。上述した一定幅テープの積層方法により、小規模の、高度に輪郭成形された複合構造物においてさえも、比較的速い速度で非ゼロ層の積層が可能になる。
【００６０】
図２６で良く分かるように、重なり部分１９６は層２０１の中央線１９２からおおむね延びており、層２０１において重なり部分２０４の幅２０４は中央線１９２からの距離が広まるごとに徐々に大きくなる。同様に、隣接する層セグメント１８８ａ、１８８ｂの間の隙間１９８の幅２０２は、中央線１９２からの距離が広まるにつれて大きくなる。開示の実施形態によれば、重なり部分１９６及び隙間１９８は両方とも実質的に最小化される。図１１に示す実施形態において使用される外周切断テープセグメント７４とは異なり、一定幅の簡素な端部切断層セグメント１８８の使用により、重なり部分１９６及び隙間１９８を最小限にするような所定の方法で層セグメント１８８を配置するのに自動機器（後に記載）が使用しやすくなる。
【００６１】
上述したように、一定幅の層セグメント１８８を重ね合わせて配置することにより、重なり部分１９６及び隙間１９８によって画定された実質的に均等に変位した切れ目のある層２０１ができる。
【００６２】
テープセグメント１８８の選択幅は用途によって変化する。重なり部分１９６及び／又は隙間１９８を縮小するために、より狭いテープセグメント１８８を用いることができる。同様に、より広いテープ幅を採用して、置く速度を上げることができる。４５度層２０１の重なり部分１９６及び隙間１９９は、層セグメント１８８を＋／−６０度配向に変更することによって縮小することができる。
【００６３】
図２７を参照すると、各テープセグメント１８８の重なり合った端部２００はステップ２０６において角度Фで切断して、内側コード３８と外側コード４０の外側輪郭をそれぞれ実質的に一致させることができる。したがってセグメント１８８の切断された端部２０６は構造物３６（図２）の輪郭にほぼ合ったものであってよく、これによりおおむね台形の形を有したセグメント１８８ができる。
【００６４】
開示の実施形態によれば、各層セグメント１８８は図２８に示す自動テープ配置機械２０８を使用して基板（図示せず）に配置することができ、この配置機械は、構造物３６（図２）の輪郭に関連する極配向において中央線１９４（図２５及び２６）を調整する。図２８を参照すると、自動テープ配置機械２０８は、ツールであってよい基板２１４の輪郭に対して回転運動するために、ガントリー２１４に装着された回転テープ配置ヘッド２１０、２１２を含む。各ヘッド２１０、２１２は、テープの長さを切断し、切断した長さのテープを基板２１４に配置する切断及び配置機構（図示せず）とともに複合テープ（図示せず）の供給装置を含む。テープヘッド２１０、２１２及び／又は基板２１４は、テープヘッド２１０、２１２が基板２１４全体で横方向になり、自動的に、通常ＣＮＣコントローラ（図示せず）の制御下で複合テープが配置されるように、互いに相対的に移動する。好適な自動テープ配置機械２０８の更なる詳細は、本明細書に参照することで全体の内容が組み込まれる、２００６年１１月２１日に発行された米国特許第７１３７１８２号明細書に開示されている。
【００６５】
ここで、一又は複数のレッグを有する、輪郭成形された複合構造物を作製する方法の全ステップを示す図２９に注目する。層２０１は、ステップ２１８で開始する一連のステップ２１６で置かれ、一定幅の、単向性繊維プリプレグテープを所望の長さに切断することによって層セグメント１８８が作製される。次にステップ２２０において、層セグメント１８８は隣り合わせに重なりあった状態で複合構造物の輪郭に沿って基板に配置される。配置工程の間は、層セグメント１８８の縦方向の中央線１９４は構造物の輪郭に関連する極配向に位置あわせされる。ステップ２２２においては、隣接する層セグメント１８８ａ、１８８ｂの間の重なり部分１９６及び隙間１９８が制御される。通常、この制御は図２８に示す種類の自動テープ配置機械を使用している時は自動的に実施される。
【００６６】
ステップ２２４において、各完成層２０１、又は層２０１のスタックを必要に応じて最終形状になるように調整することができる。ステップ２２６において、完成した層のスタック５０（図８）は、一又は複数のレッグの成形を含むことができる、本明細書で前述した技術を使用して成形することができる。最後にステップ２２８において、成形された層のスタック５０を圧縮し硬化させることができる。
【００６７】
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３０及び３１を参照すると、本発明の実施形態は図３０に示すような航空機の製造及び就航方法２３０及び図３１に示すような航空機２３２において使用可能である。開示の実施形態の航空機の用途は、例えば非限定的に、スティフナー、ビーム、及びストリンガーを含むことができるが、これはごく一部に過ぎない。試作段階においては、例示の方法２３０は、開示の輪郭成形構造物が航空機２３２での使用に指定されている、航空機２３０の仕様及び設計２３４と、材料調達２３６を含むことができる。製造段階においては、様々な部品及びサブアセンブリが開示の方法を用いて加工される、航空機２３０の部品及びサブアセンブリの製造２３８と、システム統合２４０がおこなわれる。そのあとに、航空機２３２は、認可及び納品２４２を経て就航２４４される。顧客によって就航されている間、航空機２３２には、開示の輪郭成形構造物の使用が含まれうる、所定の整備及び保守２４６（変更、再構成、改装も含むことができる）が予定される。
【００６８】
方法２３０の各プロセスは、システム・インテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例：顧客）によって行われる又は実施されることが可能である。この説明の目的のために、システム・インテグレーターは、非限定的に、任意の数の航空機メーカー及び主要なシステム下請業者を含むことができ、第三者は、非限定的に、任意の数の供給メーカー、下請業者及びサプライヤを含むことができ、オペレータは、航空機、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。
【００６９】
図３１に示すように、例示の方法２３０によって製造された航空機２３２は、複数のシステム２５０及び内部装飾２５２を有する機体２４８を含むことができる。高レベルシステム２５０の実施例は、一又は複数の推進システム２５４、電気システム２５６、油圧システム２５８、及び環境システム２６０を含む。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙における実施例を示したが、本開示の原理を海洋及び自動車産業等の他の業界に応用することができる。
【００７０】
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２３０の一又は複数の任意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２０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機２３２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２３２を実質的に組立てしやすくする、又は航空機２３２にかかる費用を削減することによって、製造段階２３８及び２４０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２３２が就航している間に、例えば非限定的に、整備及び保守２４６に用いることができる。
【００７１】
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。
【符号の説明】
【００７２】
３０ バレル形状の胴体部分
３２ フレーム構造物
３２ａ バレルフレーム
３２ｂ ストリンガー
３３ 内側コード
３４ 外板
３５ 極座標系
３６ フレーム部分、コード
３７ フレーム部分３６の湾曲
３８ 外側コード、シャータイ
３９ 極
４０ 内側コード
４１ 上部客室フロア
４２ ウェブ
４３ 下部の貨物フロア
４４ パッドアップ
４５ スタンション
４６ 全体層
４７ デカルト座標系
４８ 部分層
４９ フープ方向
５０ 平坦な層のスタック
５０ａ 層のスタック５０の外側縁部
５２ ストリンガーの切抜き部分、繊維トウが０度に配向している層
５３ ストリンガーの切抜き部分
５４ 繊維トウが−４５度に配向している層
５５ セグメント
５６ 繊維トウが＋４５度に配向している層
５８ ＡＦＰ機械
６０ ロボット
６２ プリプレグ・トウ
６４ コーム
７０ 従属ローラ
７２ 切断されたトウ
７４ セグメント
７５ ウェッジ
８０ 成形マンドレル
８０ａ 成形マンドレル８０の上部の平面
８０ｂ 成形マンドレル８０の湾曲した又は輪郭成形された表面
８２ グラスファイバーブリーザ
８４ 真空バッグツール
８６ 積層シェルフ
８８ 真空バッグ
９０ ブリーザ
９２ ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）の層
９６ ドレープ成形装置
９８ 真空テーブル
１００ レッグ
１０２ フレーム
１０６ 成形／硬化マンドレル
１０６ａ 平坦な上部ツール面
１０６ｂ ツール面
１０６ｃ ツール面
１１０ ブリーザ
１１２ 輪郭成形ブロック
１１８ ブリーザ
１２０ 半径増圧器
１２２ 内側コードの半径
１２３ ＦＥＰの追加層
１２４ ドレープ成形装置
１２６ 上部の回転フレーム
１２８ 下部フレーム
１３０ 加熱真空テーブル
１３２ 気体不浸透性膜
１３４ レッグ
１７６ Ｃ形状
１７８ Ｊ形状
１８０ Ｌ形状
１８２ Ｉ形状
１８４ 変更されたＪ形状
１８６ Ｕ形状
１８８ 層セグメント
１９０ 極座標系
１９２ 中央線
１９６ パイ型の重なり部分
１９８ パイ型の隙間
２０１ 輪郭成形された層
２０４ 重なり部分
２０８ 自動テープ配置機械
２１０ ヘッド
２１２ ヘッド
２１４ ガントリー
【技術分野】
【０００１】
本発明は概して、機体構成部品等の複合構造物に関し、さらに具体的には一体型シャータイを有する航空機の胴体の湾曲した一体構造の複合フレーム部分、及び複合フレーム部分を製造する方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高強度で軽量の、高度に輪郭成形されたマルチレッグ構造物は、例えば航空宇宙ビークル等の多様な用途に使用することができる。航空宇宙用途に使用される様々なフレーム及び同様の構造物は、構造物の長さに沿って高度に湾曲した又は輪郭成形されたレッグを有することができる。例えば、航空機の胴体のフープ形フレーム部分は、留め具で互いに結合されたＣ形チャネル及びＬ形部材からなる２つの独立した部品からできていてよい。Ｌ形チャネルは、航空機の外板が固定されたシャータイとして機能する。
【０００３】
上述したツーピース構造のフレームは作製と、独立したツール、及び別々の検査工程が必要になる。さらに、積層配置は移動デカルト座標を基準として行われるため、強度、剛性及び重量を含む様々な性能要件を満たすためのフレームの積層の調整作業が複雑になる。また、ツーピース構造のフレームは、部品を作製するのに必要な手作業、及び複数の留め具を含む必要な追加材料のために、比較的加工の費用も高くなる。
【０００４】
したがって、航空機用途に必要な仕様を満たしながら、重量、材料及び作業を削減する航空機の胴体用途の構造フレームが必要である。また、大量生産環境における加工に適した高性能の構造フレームも必要である。
【発明の概要】
【０００５】
開示の実施形態により、重量効率が良く信頼性がある一方で、航空機の胴体のフープ方向において偏向を制御し機体の剛性を維持することができる、航空機用途に適した湾曲複合フレームが提供される。開示の複合フレームは航空機の外板を取り付けることができる一体型シャータイを有する一体構造物である。このフレームは、層／繊維の配向がフレームの湾曲を画定する極座標系を基準とする単向性強化用繊維を含む積層複合層を含む。極座標系内の層の配向により、少なくとも特定の層内の繊維がフレームの湾曲に沿ってほぼすべてのポイントでフレームの湾曲に実質的に接触して位置づけされることが可能になる。フレームの湾曲に接した０度の層を維持することで、フレームの断面内のフープ方向にフレームの係数を増加させ得るフレームのウェブ、内側コード、外側コードの積層配向率の選択が可能になり、したがって構造的効果並びに重量の削減が最適化される。一体型のフレームはシャータイをフレームに一体化させることができる、最適化された断面形状を有する。
【０００６】
ある開示の実施形態によれば、湾曲複合航空機のフレームは複数層の複合積層体を含む。少なくとも特定の積層体の層は、フレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいて実質的に接触する単向性の強化用繊維を含む。積層体は、ウェブ、内側コード、外側コードを含む一体型の単一構造物である。内側コードはウェブと一体型に形成され、ウェブの一端から外側に横方向に延在する。外側コードは、航空機の外板に固定されるように構成されており、また、ウェブと一体的に形成されている。外側コードは、内側コードの方向と反対の方向にウェブのもう一方の端から外側に横方向に延在する。各層は、フレームの湾曲を画定する極座標基準系内に整列した繊維配向性を有する。
【０００７】
別の実施形態によれば、湾曲した一体型の航空機の胴体フレームが提供されている。このフレームは、第１端部及び第２端部を有するウェブと、ウェブの第１端部の内側コードと、ウェブの第２端部の外側コードを含む。ウェブ、内側コード及び外側コードは、繊維強化樹脂の積層体で一体型に形成されており、Ｚ及びＪのうちの一つの形状の断面を有する。少なくとも一つのウェブ、内側コード及び外側コードは、フレームの湾曲に実質的に接触する単向性の強化用繊維を有する層を含む。
【０００８】
さらなる実施形態によれば、一体型のシャータイを有する湾曲複合胴体フレームが提供されている。フレームは、胴体の外板に固定されるように構成されているウェブ、内側コード、及び外側コードによって画定される断面を有する一体型の複数層の積層体を含む。内側及び外側コードはそれぞれ、ウェブの反対端に位置づけされ、ウェブから反対方向に外側に延在する。積層体は実質的にＺ及びＪのうちの一つの形状の断面形状を有する。
【０００９】
別の実施形態によれば、航空機の胴体の湾曲した一体型の複合フレームを加工する方法が提供されている。この方法は、繊維強化樹脂層の積層体を作製し、積層体をウェブ、内側コード及び外側コードを有する形状に成形するステップを含む。積層体は、フレームの湾曲を画定する極座標系を使用して作製される。少なくとも特定の層の単向性強化用繊維は、フレームの湾曲に実質的に接触して配向している。単向性強化用繊維をフレームの湾曲に実質的に接触するように配向させるステップは、コンピュータ制御の自動繊維配置機械を使用して行われる。積層体をＺ形状断面に成形するステップは、ツール上で積層体の縁を曲げることを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態によれば、湾曲複合胴体フレームを加工する方法が提供されている。この方法は、各々単向性の強化用繊維を有する複合層の積層体を作製し、湾曲ツール上の積層体を、ウェブと、ウェブの反対端でそれぞれ反対方向に延在するコードを有する断面形状に成形するステップを含む。積層体の作製は、少なくとも特定の層を、層の強化用繊維がフレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいて実質的に接触するように配置することを含む。
【００１１】
本発明はまた、航空機の胴体の湾曲した一体構造のフレームに関し、このフレームは：
第１及び第２端部を有するウェブと、
ウェブの第１端部の内側コードと、
ウェブの第２端部の外側コード
を含み、
ウェブ、内側コード及び外側コードは繊維強化樹脂の積層体で一体型にできており、おおむねＺ及びＪの内の一つの形状の断面を有する。
【００１２】
上述したフレームは、外側コードが胴体の外板に固定されるように構成されていてよい。
上述したフレームは、少なくとも特定の層がウェブ、内側コード及び外側コードを通じてほぼ連続的に延在するものであってよい。
【００１３】
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードのうちの少なくとも一つが、フレームの湾曲に実質的に接触している単向性強化用繊維を有する層を含んでいてよい。
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードの各々が、フレームの湾曲に実質的に接触する単向性強化用繊維を有する層を含むものであってよい。
【００１４】
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードの各々が、フレームの湾曲を画定する極座標系の動径座標に実質的に接触する単向性強化用繊維を有する層を含むものであってよい。
上述したフレームは、ウェブが、ウェブを強化する層ダブラーのパッドアップ部分を含むものであってよい。
【００１５】
本発明はまた、一体型のシャータイを有する湾曲した複合胴体フレームにも関し、このフレームは：
胴体の外板に固定されるように構成されているウェブ、内側コード及び外側コードを画定する断面を有し、内側及び外側コードがそれぞれウェブの反対端に位置づけされ、ウェブから反対方向に外向きに延在している、一体構造の複数層の積層体
を含む。
上述したフレームは、積層体が、実質的にＺ及びＪの内の一つの形状の断面を有するものであってよい。
【００１６】
上述したフレームは、ウェブ、内側コード及び外側コードの各々が、フレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントで実質的に接触している単向性強化用繊維を含むものであってよい。
【００１７】
本発明はまた、湾曲した複合胴体フレームを加工する方法にも関し、この方法は：
各々単向性強化用繊維を有する複合層の積層体を作製し、これには、少なくとも特定の層を、層の強化用繊維がフレームの湾曲に沿ったほぼ全てのポイントで実質的に接触するように配置することが含まれるステップと；
湾曲ツール上の積層体を、ウェブと、ウェブの反対端でそれぞれ反対の位置に延在するコードを有する断面形状に成形するステップ
を含む。
【００１８】
上述した方法は、特定層の配置が、コンピュータ制御の自動繊維配置機械を使用して行われるものであってよい。
上述した方法は、層の作製が、フレームの湾曲を画定する極座標基準系を使用して行われるものであってよい。
【００１９】
上述した方法は、積層体の成形が、ツール上で積層体の縁部を曲げることによって行われるものであってよい。
【００２０】
本発明はまた、一体型のシャータイを有する航空機の湾曲した一体構造のフレームを加工する方法にも関し、この方法は：
極座標基準系を使用してフレームの湾曲を画定するステップと；
複合積層体を作製するステップであって−
単向性繊維で強化された樹脂を含む複合材料の複数層を積層し、各層は傾斜した繊維配向性を有し、
層が積層されている間に、極座標基準系を使用して、フレームの湾曲に対して各層を配向させ、これにはコンピュータ制御の自動繊維配置機械を使用して、繊維が湾曲に沿ったほぼ全てのポイントにおいてフレームの湾曲に実質的に接触するように、ツール上に複合繊維を置くことが含まれる
ことを含むステップと；
第１、 第２及び第３ツール表面を有するツール上に積層体を配置するステップと；
ツール上の積層体を真空バッグ成形するステップであって、積層体を第１ツール表面上に引き下げて内側コードを成形し、積層体を第２表面上に引き下げて外側コードを成形し、積層体を第３表面に引き下げて、内側及び外側コードをつなぐウェブを成形することが含まれるステップと；
成形された積層体を硬化させる
ステップを含む。
【００２１】
本発明はまた、フレームを胴体の外板につなぐ一体型のシャータイを有する航空機の胴体の一体構造の複合フレームにも関し、この方法は：
ウェブ、内側コード及び外側コードを画定するほぼＺ形断面を有する複数層の複合積層体であって、外側コードが外板に固定されるように構成され、ウェブの一端から上向きに横方向に延在しており、内側コードがウェブの別の端から外側コードの方向とは反対の方向に外向きに横方向に延在している複数層の複合積層体と、
フレームの湾曲を画定する極座標基準系内で配向する単向性強化用繊維を有する層を含む、各ウェブ、内側コード及び外側コード、
湾曲の全長にほぼ沿ってフレームの湾曲に実質的に接触するように配向した強化用繊維を含む、少なくとも特定の層
を含む。
【００２２】
開示の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。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は航空機の胴体のバレル部分の斜視図である。
【図２】図２は図１に示す胴体に使用される高度に輪郭成形された複合フレーム部分の斜視図である。
【図３】図３は図１の線３−３に沿って切り取った断面図である。
【図３Ａ】図３Ａは図３と同様の図であるが、代替断面形状を有するフレーム部分を示す。
【図４】図４は図２に示すフレーム部分の層が積層された様子を示す断面図である。
【図４Ａ】図４Ａは本開示の実施形態によるフレームを用いた航空機の胴体の断面図である。
【図４Ｂ】図４Ｂは図４Ａで「Ａ」に指定される領域の図である。
【図４Ｃ】図４Ｃは図４Ｂで「Ｂ」に指定される領域の図である。
【図４Ｄ】図４Ｄは一体型のシャータイを有する一体構造のフレームを加工する方法の簡略フロー図である。
【図５】図５は図２及び４Ｂに示すフレーム部分の加工に使用される平坦な層のスタックの斜視図である。
【図６】図６は層のスタックを配置するのに使用されるＡＦＰロボット機械の斜視図である。
【図７】図７は図６に示すロボットのエンドディフェクタとして使用されるＡＦＰ機械の斜視図である。
【図８】図８は図２及び４Ａのフレーム部分における層の配向を画定するのに使用される極座標系及びデカルト座標系を示す図である。
【図９】図９は０度に配向した繊維を含む層の平面図である。
【図１０】図１０はトウ及びテープウェッジの使用を示す、４５度及び９０度に配向した繊維をそれぞれ含む層の図である。
【図１１】図１１は層の平坦なスタックの斜視図である。
【図１２】図１２は図１１と同様の図であるが、層のスタックの一端に沿って形成されている切り抜き部分を示す斜視図である。
【図１３】図１３はフレーム部分の内側コードをドレープ成形するのに使用されるドレープ成形装置を示す断面図である。
【図１４】図１４は図１３のドレープ成形装置の一部を含む成形マンドレルに位置づけされた平坦な層のスタックの斜視図である。
【図１５】図１５は図１４と同様の図であるが、成形マンドレル周囲に完全に成形された内側コードを示す図である。
【図１６】図１６は柔軟膜が開放位置にあるドレープ成形装置の斜視図である。
【図１７】図１７は図１６と同様の図であるが、閉鎖されてツールアセンブリ周囲に引き下げられた状態の柔軟膜を示す図である。
【図１８】図１８はフレーム部分の外側コードをドレープ成形する高温ドレープ成形装置の断面図である。
【図１９】図１９は図１８に示す高温ドレープ成形装置の斜視図である。
【図２０】図２０は図１８のドレープ成形ツールアセンブリの一部を含む成形／硬化マンドレルの斜視図であり、ドレープ成形ツールアセンブリに位置づけされた部分的に成形されたフレーム部分を示す。
【図２１】図２１は図２０に同様の図であるが、成形／硬化マンドレルの上に完全に成形された外側コードを示す図である。
【図２２】図２２はフレーム部分を硬化させるのに使用する成形／硬化マンドレルバッグアセンブリの断面図である。
【図２３】図２３は連続的な輪郭成形された複合構造物を加工する方法を示すフロー図である。
【図２４】図２４は本発明の実施形態にしたがって成形可能な連続的な複合構造物の断面形状を示す図である。
【図２５】図２５は極座標系における配置に関連して基板上に配置されているテープ部分の平面図を示す。
【図２６】図２６は図２５の「Ａ」で指定される領域の拡大図である。
【図２７】図２７は代替的な端部の切り口を示す単一テープ部分の平面図である。
【図２８】図２８は自動テープ配置機械の斜視図である。
【図２９】図２９は一定の幅のテープ部分を使用して、輪郭成形された複合構造物を加工する方法を示すフロー図である。
【図３０】図３０は航空機の製造及び就航方法を示すフロー図である。
【図３１】図３１は航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
まず図１〜３を参照すると、バレル形状の胴体部分３０は、フレーム構造物３２の上に形成され、フレーム構造物３２に固定されている外板３４を含む。フレーム構造物３２は、複数の縦方向に配置されたバレルフレーム３２ａと、バレルフレーム３２ａを貫通する縦方向に延在するストリンガー３２ｂを含む。各バレルフレーム３２ａは、例えば非限定的に、スプライスプレート（図示せず）及び留め具（図示せず）等の任意の好適な手段を使用して互いに接合される、複数の一体構造のフレーム部分３６を含むことができる。しかしながら、ある用途においては、半フレーム及び全フレーム部分（図示せず）が可能であり得る。バレル形状のフレーム３２ａは実施形態ではほぼ円形であるように図示されているが、例えば非限定的に、楕円形、又はセグメント的円形、又は一又は複数の輪郭又は湾曲を有する他の非円形形状を含む他のフレーム形状も可能である。本明細書に使用されるように、「輪郭」及び「湾曲した」又は「湾曲」という用語は交互に使用される。
【００２５】
図３から良く分かるように、一体構造のフレーム部分３６は、おおむねＺ形状の断面を有し、ウェブ４２によって内側コード４０に接続された外側コード３８を含む湾曲した複数層の積層体を含む。内側コード４０は、一方向にウェブ４２の一端から横方向に延在し、外側コード３８は内側コード４０の方向とは反対方向にウェブ４２の一方の端から離れるように横方向に延在する。断面(図３)を見ると、外側コード３８及び内側コード４０は効率的に、ウェブ４２に対して横に延在し、ウェブ４２と一体的に形成された構造レッグ又はフランジを形成する。実施形態においては、コード３８、４０はウェブ４２に対してほぼ直角に延在するが、他の実施形態ではコード３８、４０とウェブ４２の間の角度は、直角よりも大きい又は小さい可能性がある。ウェブ４２は、層ダブラーから形成された任意の強化用パッド４４を含むことができる。
【００２６】
外側コード３８は、外板３４を結合させる及び/又は固定することができるシャータイを形成する。外側コード３８とウェブ４２の一端は、複数の間隔を置いて配置されたマウスホール形状のストリンガーの切抜き部分５３を含むことができ、この切抜き部分５３を通ってストリンガー３２ｂが延在する。後に説明するように、フレーム部分３６は例えばカーボンファイバーエポキシー等の繊維強化合成樹脂の積層体からできている。図４に示すように、フレーム部分３６は、効果的で繰り返し可能な、後に説明する加工方法の使用を促進しながら、最大の構造性能を得るために、配置及び配向される全体層４６及び部分層４８を含む積層体を含むことができる。
【００２７】
シャータイ３８として機能する一体的に形成されたコード３６を有する一体構造のフレーム部分３６は、特定用途に最適化された、Ｚ形状以外の断面形状を有することができる。例えば非限定的に、フレーム部分３６は図３Ａに示すようなＪ形状の断面を有することができ、この断面において内側コード３３はウェブ４２の反対方向に、ウェブ４２に対して横に延在するキャップ又はフランジを含む。
【００２８】
図４Ａに示すように、通常の胴体部分３０は、各々フレーム３２ａに接続した上部客室フロア４１及び下部貨物フロア４３を含むことができる。下部の貨物フロア４３は、これもまたフレーム３２ａに固定されているスタンション４５によって支持され得る。ここで図４Ｂ及び４Ｃも参照すると、各フレーム部分３６を含むフレーム３２ａは、極座標基準系３５に基づき設計され配置されている。極座標系は、平面上の各ポイントが固定方向から傾斜した固定ポイントからの距離によって決定される二次元座標系である。したがって、この実施例では、極座標系３５は、極３９から延びた半径座標又は半径「ｒ」と、角度座標又は本明細書で０°で表示される基準軸に対する半径ｒの極角と呼ぶことができる角度θを含む。各フレーム部分３６の湾曲３７と、フレーム部分３６の層スケジュールもまた極座標系３５を基準とする。フレーム部分３６を画定するのに極座標系３５を使用することで、最小重量で必要な強度を付与しながら単一部品に機構を一体化させることによる設計最適化もまた可能になり得る。
【００２９】
極座標系３５を使用したフレーム設計により、調整された軸剛性及び一体化された故障安全性を有する複合フレーム部分３６の加工が可能になり得る。例えば非限定的に、ウェブ４２を、所定の性能要件を満たすために０°繊維含有量が約４０〜５０％の範囲で、ゲージ（厚さ）を増加させるように設計することが可能である。層配置を含むフレーム部分３６の設計に極座標系３５を使用することにより、例えば非限定的に、内側及び外側コード３８、４０とパッドアップ４４の厚さ、またストリンガーの切抜き部分５２の形状及び寸法等の他の特徴の設計も最適化することが可能になり得る。
【００３０】
下に更に詳細に説明するように、各フレーム部分３６は所定の層スケジュールにしたがって積層される単向性繊維で強化された合成樹脂の積層体を含む。各層は、例えば非限定的に、繊維の配向が極座標系３５を基準とする積層工程中にツール（図示せず）上に置かれたスリットテープの形態のプリプレグ・トウを含むことができる。後に説明するように、極座標系３５を使用して層を形成するプリプレグテープを積層し配向させることにより、本明細書において０°層と呼ばれる、少なくとも特定の層の繊維配向を、フレーム部分３６の湾曲３７に接触するように位置づけすることが可能になり、これはフレーム３２ａ周囲のフープ方向４９（図４Ａ及び４Ｂ）と一致する。
【００３１】
ウェブ４２、内側コード４０及び外側コード３８はそれぞれ、特定の層スケジュールによって一又は複数の０°層を有することができる。０°繊維の、内側コード４０、ウェブ４２及び外側コード３８上のほぼ全てのポイントにおけるフープ方向での接触を維持することによって積層体の配向率を変更して、フレーム断面全体のフープ方向４９のヤング率（Ｅ）を増加させることができる。ある実施形態では、この変更軸面積は、内側コード４０について、０°層を４０〜５０％に調整することが可能である。
【００３２】
別の実施形態では、内側コードの圧縮荷重について、比較的高い軸弾性率で内側コード４０を調整することができる。ウェブ４２は、内側のせん断荷重を移動させるために、低い軸弾性率で調整可能な縮小されたゲージを有していてよい。パッドアップ４４は非常に高い軸弾性率で調整可能である。最後に、内側コード３８を低い軸弾性率で調整して、より高い半径剛性、留め具軸受及びせん断荷重移動性能を得ることができる。
【００３３】
開示の実施形態によれば、フレーム部分３６の少なくとも特定の積層体の層では、単向性繊維が、湾曲３７に沿ったほぼ全てのポイントにおいてフレーム部分３６の湾曲３７に実質的に接触して配向されている。したがって、図４Ｃに示すように、ウェブ４２内の通常の層４２は、フレーム部分３６の湾曲３７に沿った単向性の強化用繊維５９を含む。繊維５９は、湾曲３７を画定する半径「ｒ」にほぼ直角の接線５７に沿って位置している。
【００３４】
ここで、湾曲した複合フレーム部分３６を加工する方法のステップをおおまかに示す図４Ｄに注目する。ステップ６１で開始し、フレーム部分３６の輪郭又は湾曲３７だけでなく、フレーム部分３６の層の配向性を含むフレーム部分３６の特徴は、極座標基準系３５内で画定される。複合積層体はステップ６３において形成される。積層工程６３はステップ６５において、極座標基準系３５を使用して、フレーム部分３６の湾曲３７に接触している０°の単向性繊維の配向性を有する少なくとも特定の層を積層することを含む。積層工程６３はまた、ステップ６７において、これもまた極座標基準系３５を基準とする非０°の単向性繊維の配向性を有する層を積層することも含む。積層工程が完了したら、後に説明するステップ６９に示すようなツールを使用して、湾曲した積層体をＺ形状断面又はＪ形状断面に成形することができる。
【００３５】
ここで図５〜７を参照すると、ＡＦＰ機械５８をロボット６０のエンドエフェクタとして使用して繊維プリプレグテープの繊維トウ又はストリップを置き、平坦な層のスタック５０を形成することができる。ＡＦＰ機械５８は、進入してくるプリプレグ・トウ６２を受けるコーム６４を含むことができ、このプリプレグ・トウ６２はトウカッター６８で切断される前にリボナイザ６６を通過する。切断されたトウ７２は従属ローラ７０の下を通過し、従属ローラ７０は基板（図示せず）又は下部層（図示せず）上にトウ６２を当てて圧縮する。図５から良く分かるように、ＡＦＰ機械５８を使用して繊維トウ６２又はテープを置くことができ、繊維トウ６２又はテープでは、繊維はデカルト座標系４７の所定の角度に配向されている。実施例では、層のスタック５０は、繊維トウが０度に配向している層５２、繊維トウが＋４５度に配向している層５６、及び繊維トウが−４５度に配向している層５４を含む。図示しないが、層のスタック５０には、繊維トウが９０度に配向している層が組み込まれている。
【００３６】
図８はさらに、層のスタック５０に単向性繊維トウ又はテープが置かれているデカルト座標系４７の配向性と、フレーム部分３６の輪郭を画定する極座標系の関係を分かりやすく示す。数字３７で指定されるフレーム部分３６の輪郭は、極３９から始まって０°で表示される参照座標に対して極角θを形成する半径座標「ｒ」によって画定することができる。したがって、フレーム部分３６のそれぞれ輪郭成形された特徴は、角度θをなす値「ｒ」（半径座標）によって画定することができる。ここで、図示したフレーム部分３６は一定の半径（湾曲）を有し、ウェブ４２は一定のゲージ（厚さ）を有するが、フレーム部分３６の湾曲、ウェブ４２のゲージ、内側コード４０のゲージ及び外側コード３８のゲージはそれぞれ、フレーム部分３６の長さに沿って変動してもよいことに注目すべきである。
【００３７】
実施例においては、層のスタック５０は、少なくとも特定の単向性プリプレグ繊維が、半径座標「ｒ」に接して位置合わせされているデカルト座標系４７内で配向されている複数の層５２、５４、５６で形成されている。後にさらに詳しく説明するように、実施例においては、０度、−４５度、＋４５度及び＋９０度の繊維配向が採用されているが、フレーム部分３６の特定用途、及び形状を含む様々な要因によって、他の角度配向も可能である。前述したように、０°トウ（図５）を含む層５２の場合には、トウは、湾曲３７に沿ったほぼ全てのポイントにおいてフレーム部分３６の湾曲３７に実質的に接触している。
【００３８】
ここで、平坦な層のスタック５０のうちの幾つかの層の繊維配向を示す図９〜１２に注目する。図９は、トウ又はテープストリップが０度配向、湾曲３７（図８）に接して、フレーム部分３６の全長に延在した状態で、ＡＦＰ機械５８（図６）に置かれている層５２を示す。本明細書に使用されるように、「テープ」は予め含浸した単向性繊維を指し、「トウ」は例えば非限定的に、幅が０．１２５、０．２５または０．５インチであってよい狭い帯状にその長さに沿って切断されたテープを含むことができる。「コース」はＡＦＰ機械５８によって帯として適用されたトウを指す。「ドロップ」は、ＡＦＰ機械５８が一又は複数のトウを途中で途切れさせることを指し、隣接したトウ又はテープ間の間隔を含むことができる。切断／追加合流ゾーンとは、同じ層内の異なる配向のコースにおいてあるコースが終了することを意味し、したがってそこに隙間及び重なり合った領域ができる。
【００３９】
０°層５２は、ＡＦＰ機械５８を使用してスリットテープの配置を「誘導」して形成することができ、層５２の幅は共形性及び傾斜によって決まる。図９に全体層５２を示すが、部分層又は傾斜した層もまた可能である。後に外側コード、内側コード及びウェブに成形される層５２の部分はそれぞれ、番号３８、４０及び４２で指定される。ある用途では、外側コード４０を形成する層は、ＡＦＰ機械５８を使用して置かれる代わりに、幅が予め切断され、後に説明するツール上に配置されるトウ又はテープの層の分離した帯を使用して成形することができることに注目すべきである。
【００４０】
０度以外の角度に配向されたトウ又はテープを含む層は、各々先細りのウェッジ形状を有する隣り合ったトウ／テープの群又はセグメント５５、７４で形成されている。セグメント５５、７４は、上向きで側面を決めるドロップ部分にゆとりのあるテープを使用して形成することができる。例えば、図１０は各セグメント５５の繊維配向がおおむね＋４５度であるセグメント５５で形成された層５４を示す。
【００４１】
図１１は、各セグメント７４の繊維がおおむね９０度に配向され、フレーム部分３６の輪郭３７（図８）を画定する半径座標「ｒ」の角度に実質的に位置合わせされた、隣り合わせに置かれたセグメント７４で形成された層７６を示す。トウ７２がセグメント７４を形成するように置かれているところでは、個々のトウは層７６の湾曲方向に角度をなしている。傾斜したトウ７２は個別に互いに隣り合わせの状態で配置される。あるいは、これらのセグメントはＡＦＰ機械５８又は同様の装置によって互いに隣り合わせの状態に置かれた繊維テープの先細り形状のウェッジ７５で形成されてもよい。
【００４２】
ここで図１２を参照すると、平坦な層のスタック５０が完全に配置された後、層のスタック５０の一方の縁部５１に沿ってマウスホール型切抜き部分５３を作製することができる。切抜き部分５３は例えば非限定的に、ＮＣ制御超音波カッター（図示せず）を使用する等の任意の多様な技術を使用して作製することができる。
【００４３】
実施例では、切抜き部分５３によりストリンガー３２ｂがそれを通って延びる開口部が得られる（図１）。しかしながら他の用途においては、重量を削減するために及び／又はあとに続く加工工程における層の皺形成の可能性を低減するために同様の切抜き部分５３を設けることが望ましい場合がある。
【００４４】
ここで、ドレープ成形工程を使用して、内側コード４０が形成される様子を示す図１３〜１７に注目する。層のスタック５０は成形マンドレル８０の上部の平面８０ａに配置される。成形マンドレル８０は湾曲した又は輪郭成形された表面８０ｂを含み、実施例においては、上部の平面８０ａに対してほぼ９０度の角度をなしている。外側コード４０を形成するのに使用できる０度層は全て、輪郭成形面８０ｂに直接配置される。層のスタック５０の外側縁部５０ａは、湾曲した縁部８０ｂを通って延び、続いて図１３に示す位置まで移動される積層シェルフ８６によって層が配置される間、支持されることが可能である。成形マンドレル８０は、グラスファイバーブリーザ８２によって分離され、真空バッグツール８４に支持される。真空バッグ８８は、層のスタック５０と成形マンドレル８０の上に配置される。ブリーザ９０とＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）の層９２は、バッグ８８と層のスタック５０の間に配置することができる。バッグ８８はまた、その内面にチャネル（図示せず）を有することができ、この場合ブリーザ９０は必要ない。
【００４５】
ツール縁部８０ｂを層のスタック５０の縁部５０ａで覆い、バッグ８８を真空化して層のスタック５０に圧力をかけて、縁部５０ａが当接してほぼ平坦になり、成形マンドレル８０の前面８０ｂの輪郭に実質的に沿うまで、縁部５０ａを図１３の矢印９４の方向に下向きに曲げる。層のスタックの縁部５０ａはこのように、前部ツール面８０ｂの半径Ｒと実質的に同一の半径を有する内側コード４０に成形される。
【００４６】
上述した成形工程は、図１６及び１７に示すドレープ成形装置９６において行うことができる。バッグ８８は、例えば非限定的に、レッグ１００に支持される真空テーブル９８に回転可能に取り付けられたフレーム１０２に装着されたシリコン等でできた気体不浸透性膜を含むことができる。真空テーブル９８は空気をテーブル９８を通って引き込むことを可能にするポート又は貫通孔（図示せず）を含む。成形マンドレル８０は層のスタック５０及び積層シェルフ８６とともに真空テーブル９８に配置することができ、フレーム１０２は真空テーブル９８に当接して閉じられている。
【００４７】
図１７に示すように、真空システム（図示せず）を使用して、フレーム１０２及びテーブル９８によって形成された密封された空洞の空気を排出することができる。この空洞からの排出の結果、膜８８が成形マンドレル８０の上を覆うことにより成形マンドレル８０の前面８０ｂ上で縁部５０ａが成形される。成形工程の間、積層シェルフ８６が部分的に膜８８を支持し、これにより膜８８の縁部５０ａに印加された力が制御及び方向づけされる。
【００４８】
内側コード４０が完成したら、加工方法の次のステップは図１８〜２１に示されており、ここで外側コード３８が成形される。外側コード３８は、例えば非限定的に、図１９に示すドレープ成形装置１２４を使用して、張力、高温ドレープ成形によって加工することができる。ドレープ成形装置１２４は、レッグ１３４で支持される下部フレーム１２８に保持される加熱真空テーブル１３０を含む。上部の回転フレーム１２６は、例えばシリコンを含むことができる気体不浸透性膜１３２を含む。成形／硬化マンドレル１０６の形態のツール、及び輪郭成形ブロック１１２は真空テーブル１３０上に支持され、フレーム１２６が閉じられて下部フレーム１２８に当接して密封されている時に、膜１３２で覆われる。
【００４９】
図１８から良く分かるように、成形／硬化マンドレル１０６は層のスタック５０を支持する平坦な上部ツール面１０６ａを含む。成形／硬化マンドレル１０６の第２平坦面１０６ｂはツール面１０６ａから上向きに延びて内側コード４０と係合する。成形／硬化マンドレル１０６はさらに、ツール面１０６ａから下向きに延び、外側コード３８を成形するのに使用される第３面１０６ｃを含む。
【００５０】
成形／硬化マンドレル１０６は真空テーブル１３０上に支持される。グラスファイバー又は他の好適な材料でできた任意のブリーザ１１０を真空テーブル１３０と成形／硬化マンドレル１０６の間に配置することができる。輪郭成形された増圧器１２０を層のスタック５０の上に配置して、半径１２２を内側コード４０に隣接するように完全に維持することができる。非限定的に、テフロン（登録商標）等の材料の層１１６とブリーザ１１８を増圧器と層のスタック５０の間に配置することができる。ＦＥＰの追加層１２３を成形／硬化マンドレルと層のスタック５０の縁部の間に配置することができる。ＦＥＰ層１２３をブロック１１２に覆いかけ、この組み合わせにより、ドレープ成形工程の間に、バッグ膜１３２が層のスタック５０の外側縁部５０ｂに圧力を印加する角度が制御される。
【００５１】
外側コード３８は成形／硬化マンドレル１０６の上で高温ドレープ成形することができ、次にオーブン、又は例えば赤外線ランプ等の他の手段の内部で、例えば約１４０度（華氏）等の予め選択された温度に加熱することができる。バッグ膜１３２を真空化し、予め選択された期間保持する。張力が制御された高温ドレープ成形工程の間は、加熱によりマトリックス樹脂の粘性が低下して、繊維が層内で滑動することが可能になる。これにより、必要に応じて繊維がまとまる又は広がる、又はそうでなければ繊維自体が再配置されることが可能になる。スタック５０下の張力を維持することで皺の形成が最小限に抑えられる。半径増圧器１２０は、外側コード３８が成形される間、内側コードの半径１２２（図３の４０ａ）を保持する。
【００５２】
図２０は成形された内側コード４０がツール面１０６ａに当接して保持されている成形／硬化マンドレル１０６に位置づけされている部分的に成形された層のスタック５０を示す。層のスタック５０の外側縁部５０ｂはツール面１０６ｂ上にはみ出した形で置かれている。図２１に示すように、膜１３２が成形／硬化マンドレル１０６の上に覆いかぶさると、膜１３２はブロック１１２によって部分的に制御される角度で外側縁部５０ｂに圧力を印加する。層のスタック５０の縁部５０ｂは次に、ツール面１０６ｃに当接して完全に成形されて外側コード３８が形成されるまで、矢印１１４の方向に下向きに曲げられる。
【００５３】
フレーム部分３６の内側及び外側コード３８、４０が成形されたら、次にフレーム部分３６を硬化させる必要があり、これに関連して図２２に注目する。成形されたフレーム部分３６と成形／硬化マンドレル１０６が高温ドレープ成形装置１２４から取り外される。コールプレート１３９を外側コード３８の上に配置して、半径１４１を圧縮するのを補助することができる。同様に、増圧器１４２を取り付けて半径１２２の圧縮を補助することができる。従来技術の真空バッグ１３８がフレーム部分３６の上に配置され、密封材１４０で硬化マンドレル１３６に密封される。ブリーザ（図示せず）及びＦＥＰの剥離層（図示せず）をまた、成形／硬化マンドレル１０６とバッグ１３８の間に配置することもできる。
【００５４】
ここで、輪郭成形された複合構造物を製造する方法で使用される全ステップを示す図２３に注目する。プリプレグ繊維トウ及び/又はテープを含む原材料がステップ１４４において受け入れられ、検査される。ステップ１４６において、前述した成形マンドレル８０、及び成形／硬化マンドレル１０６が洗浄され準備される。次にステップ１４８において、外側のグラスファイバー層を成形マンドレル８０の上に配置することが可能である。
【００５５】
ステップ１５０において、スタック５０の様々な層が全て、一又は複数のＡＦＰ機械５８を使用して置かれる。平坦な層のスタック５０が形成されたら、次にステップ１５２で要求されるように、層のスタック５０にマウスホール型切抜き部分５３が形成される。次にステップ１５４において、層のスタック５０が成形マンドレル８０と積層シェルフ８６に配置される。次にステップ１５６において、これに続く成形工程で積層シェルフ８６が使用される位置に移動される。ステップ１５８において、上述したドレープ成形技術を使用して内側コード４０が成形される。
【００５６】
ステップ１６０において、部分的に成形された層のスタック５０が成形／硬化マンドレル１０６に配置される。ステップ１６２において、外側コード３８が成形／硬化マンドレル１０６上に高温ドレープ成形される。次にステップ１６４において、成形されたフレーム部分３６は硬化ツール１３６に移されて、内側のグラスファイバー層がフレームの上に配置される。次にステップ１６６において、コールプレート１３９と増圧器１４２が取り付けられ、続いてオートクレーブ硬化の準備のためにアセンブリの真空バッグ処理が行われる。ステップ１６８において、フレーム部分３６がオートクレーブ装置（図示せず）で硬化され、続いてステップ１７０において硬化され完全に成形されたフレーム部分３６がデバッグ及びデフラッシュ処理される。ステップ１７２において、数値制御カッターを使用してフレーム部分３６を調整することができ、調整されたフレーム部分３６を次に、従来の非破壊検査技術を利用してステップ１７４において検査することができる。
【００５７】
開示の実施形態では、Ｚ形状断面を有する輪郭成形された複合構造物の加工方法の使用が図示されているが、一又は複数のレッグが例えばウェブ等の構造機構から外向きに延在している他の様々な輪郭成形構造物も可能である。例えば図２４に示すように、例えば非限定的に、Ｃ形状１７６、Ｊ形状１７８、Ｌ形状１８０、Ｉ形状１８２、変更されたＪ形状１８４及び一又は複数の形態のＵ形状１８６等の他のレッグ構成又は断面形状を有する、輪郭成形された連続的な構造物の加工に開示の実施形態を用いることができる。
【００５８】
ここで、ほぼ一定幅、単向性のプリプレグ繊維テープでできた重なり合った層セグメント１８８を使用して、輪郭成形層２０１を積層する別の方法を示す図２５及び２６に注目する。一定幅の層セグメント１８８は、標準あるいは非標準幅のテープのスプール（図示せず）から引き出されたテープから切り取ることができる。図２５及び２６に示す実施例では、層セグメント１８８の形状はほぼ長方形だが、層セグメント１８８がほぼ同じ幅を有していれば、他の形状を有していてよい。層セグメント１８８は基板（図示せず）上に配置され、積層されている輪郭成形された層２０１の輪郭成形された中央線１９２に沿って配置される。各層セグメント１８８はそれぞれ内側コード３８及び外側コード４０を越えて半径方向に延在して、層セグメント１８８で形成された全体層２０１が構造物３６（図２）の輪郭とほぼ一致するように後に調整される延長部２００を形成する。
【００５９】
各層セグメント１８８は配置工程において、極座標系１９０の極３９から始まる半径座標「ｒ」に位置あわせされる縦方向の中央線１９４を含む。各中央線１９４は、図２５において０°で示す基準線に対して角度θを形成する。極座標系１９０を使用して、構造物３６（図２）の一又は複数の輪郭が画定される。開示の実施形態によれば、一定幅のテープセグメント１８８は、重なり量が好ましくはほぼ一定に保持されるように、相互に重なり合った状態１９１で配置される。各層セグメント１８８が配置される際に、各層セグメント１８８はすでに配置されている隣接セグメント１８８からわずかに角度１９３（図２６）をなして配向される。層セグメント１８８を重なり合った状態１９１で配置した結果、層セグメント１８８ａ、１８８ｂの隣接した層セグメントにより、内側コード３８近辺のパイ型の重なり部分１９６、及び外側コード４０に隣接したパイ型の隙間１９８が形成される。重なり部分１９６及び隙間１９８は、テープセグメント１８８の幅を変えることによって特定用途の構造要件を満たすように調節することができる。上述した一定幅テープの積層方法により、小規模の、高度に輪郭成形された複合構造物においてさえも、比較的速い速度で非ゼロ層の積層が可能になる。
【００６０】
図２６で良く分かるように、重なり部分１９６は層２０１の中央線１９２からおおむね延びており、層２０１において重なり部分２０４の幅２０４は中央線１９２からの距離が広まるごとに徐々に大きくなる。同様に、隣接する層セグメント１８８ａ、１８８ｂの間の隙間１９８の幅２０２は、中央線１９２からの距離が広まるにつれて大きくなる。開示の実施形態によれば、重なり部分１９６及び隙間１９８は両方とも実質的に最小化される。図１１に示す実施形態において使用される外周切断テープセグメント７４とは異なり、一定幅の簡素な端部切断層セグメント１８８の使用により、重なり部分１９６及び隙間１９８を最小限にするような所定の方法で層セグメント１８８を配置するのに自動機器（後に記載）が使用しやすくなる。
【００６１】
上述したように、一定幅の層セグメント１８８を重ね合わせて配置することにより、重なり部分１９６及び隙間１９８によって画定された実質的に均等に変位した切れ目のある層２０１ができる。
【００６２】
テープセグメント１８８の選択幅は用途によって変化する。重なり部分１９６及び／又は隙間１９８を縮小するために、より狭いテープセグメント１８８を用いることができる。同様に、より広いテープ幅を採用して、置く速度を上げることができる。４５度層２０１の重なり部分１９６及び隙間１９９は、層セグメント１８８を＋／−６０度配向に変更することによって縮小することができる。
【００６３】
図２７を参照すると、各テープセグメント１８８の重なり合った端部２００はステップ２０６において角度Фで切断して、内側コード３８と外側コード４０の外側輪郭をそれぞれ実質的に一致させることができる。したがってセグメント１８８の切断された端部２０６は構造物３６（図２）の輪郭にほぼ合ったものであってよく、これによりおおむね台形の形を有したセグメント１８８ができる。
【００６４】
開示の実施形態によれば、各層セグメント１８８は図２８に示す自動テープ配置機械２０８を使用して基板（図示せず）に配置することができ、この配置機械は、構造物３６（図２）の輪郭に関連する極配向において中央線１９４（図２５及び２６）を調整する。図２８を参照すると、自動テープ配置機械２０８は、ツールであってよい基板２１４の輪郭に対して回転運動するために、ガントリー２１４に装着された回転テープ配置ヘッド２１０、２１２を含む。各ヘッド２１０、２１２は、テープの長さを切断し、切断した長さのテープを基板２１４に配置する切断及び配置機構（図示せず）とともに複合テープ（図示せず）の供給装置を含む。テープヘッド２１０、２１２及び／又は基板２１４は、テープヘッド２１０、２１２が基板２１４全体で横方向になり、自動的に、通常ＣＮＣコントローラ（図示せず）の制御下で複合テープが配置されるように、互いに相対的に移動する。好適な自動テープ配置機械２０８の更なる詳細は、本明細書に参照することで全体の内容が組み込まれる、２００６年１１月２１日に発行された米国特許第７１３７１８２号明細書に開示されている。
【００６５】
ここで、一又は複数のレッグを有する、輪郭成形された複合構造物を作製する方法の全ステップを示す図２９に注目する。層２０１は、ステップ２１８で開始する一連のステップ２１６で置かれ、一定幅の、単向性繊維プリプレグテープを所望の長さに切断することによって層セグメント１８８が作製される。次にステップ２２０において、層セグメント１８８は隣り合わせに重なりあった状態で複合構造物の輪郭に沿って基板に配置される。配置工程の間は、層セグメント１８８の縦方向の中央線１９４は構造物の輪郭に関連する極配向に位置あわせされる。ステップ２２２においては、隣接する層セグメント１８８ａ、１８８ｂの間の重なり部分１９６及び隙間１９８が制御される。通常、この制御は図２８に示す種類の自動テープ配置機械を使用している時は自動的に実施される。
【００６６】
ステップ２２４において、各完成層２０１、又は層２０１のスタックを必要に応じて最終形状になるように調整することができる。ステップ２２６において、完成した層のスタック５０（図８）は、一又は複数のレッグの成形を含むことができる、本明細書で前述した技術を使用して成形することができる。最後にステップ２２８において、成形された層のスタック５０を圧縮し硬化させることができる。
【００６７】
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３０及び３１を参照すると、本発明の実施形態は図３０に示すような航空機の製造及び就航方法２３０及び図３１に示すような航空機２３２において使用可能である。開示の実施形態の航空機の用途は、例えば非限定的に、スティフナー、ビーム、及びストリンガーを含むことができるが、これはごく一部に過ぎない。試作段階においては、例示の方法２３０は、開示の輪郭成形構造物が航空機２３２での使用に指定されている、航空機２３０の仕様及び設計２３４と、材料調達２３６を含むことができる。製造段階においては、様々な部品及びサブアセンブリが開示の方法を用いて加工される、航空機２３０の部品及びサブアセンブリの製造２３８と、システム統合２４０がおこなわれる。そのあとに、航空機２３２は、認可及び納品２４２を経て就航２４４される。顧客によって就航されている間、航空機２３２には、開示の輪郭成形構造物の使用が含まれうる、所定の整備及び保守２４６（変更、再構成、改装も含むことができる）が予定される。
【００６８】
方法２３０の各プロセスは、システム・インテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例：顧客）によって行われる又は実施されることが可能である。この説明の目的のために、システム・インテグレーターは、非限定的に、任意の数の航空機メーカー及び主要なシステム下請業者を含むことができ、第三者は、非限定的に、任意の数の供給メーカー、下請業者及びサプライヤを含むことができ、オペレータは、航空機、リース会社、軍部、サービス組織等であってよい。
【００６９】
図３１に示すように、例示の方法２３０によって製造された航空機２３２は、複数のシステム２５０及び内部装飾２５２を有する機体２４８を含むことができる。高レベルシステム２５０の実施例は、一又は複数の推進システム２５４、電気システム２５６、油圧システム２５８、及び環境システム２６０を含む。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙における実施例を示したが、本開示の原理を海洋及び自動車産業等の他の業界に応用することができる。
【００７０】
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２３０の一又は複数の任意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２０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機２３２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２３２を実質的に組立てしやすくする、又は航空機２３２にかかる費用を削減することによって、製造段階２３８及び２４０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２３２が就航している間に、例えば非限定的に、整備及び保守２４６に用いることができる。
【００７１】
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。
【符号の説明】
【００７２】
３０ バレル形状の胴体部分
３２ フレーム構造物
３２ａ バレルフレーム
３２ｂ ストリンガー
３３ 内側コード
３４ 外板
３５ 極座標系
３６ フレーム部分、コード
３７ フレーム部分３６の湾曲
３８ 外側コード、シャータイ
３９ 極
４０ 内側コード
４１ 上部客室フロア
４２ ウェブ
４３ 下部の貨物フロア
４４ パッドアップ
４５ スタンション
４６ 全体層
４７ デカルト座標系
４８ 部分層
４９ フープ方向
５０ 平坦な層のスタック
５０ａ 層のスタック５０の外側縁部
５２ ストリンガーの切抜き部分、繊維トウが０度に配向している層
５３ ストリンガーの切抜き部分
５４ 繊維トウが−４５度に配向している層
５５ セグメント
５６ 繊維トウが＋４５度に配向している層
５８ ＡＦＰ機械
６０ ロボット
６２ プリプレグ・トウ
６４ コーム
７０ 従属ローラ
７２ 切断されたトウ
７４ セグメント
７５ ウェッジ
８０ 成形マンドレル
８０ａ 成形マンドレル８０の上部の平面
８０ｂ 成形マンドレル８０の湾曲した又は輪郭成形された表面
８２ グラスファイバーブリーザ
８４ 真空バッグツール
８６ 積層シェルフ
８８ 真空バッグ
９０ ブリーザ
９２ ＦＥＰ（フッ素化エチレンプロピレン）の層
９６ ドレープ成形装置
９８ 真空テーブル
１００ レッグ
１０２ フレーム
１０６ 成形／硬化マンドレル
１０６ａ 平坦な上部ツール面
１０６ｂ ツール面
１０６ｃ ツール面
１１０ ブリーザ
１１２ 輪郭成形ブロック
１１８ ブリーザ
１２０ 半径増圧器
１２２ 内側コードの半径
１２３ ＦＥＰの追加層
１２４ ドレープ成形装置
１２６ 上部の回転フレーム
１２８ 下部フレーム
１３０ 加熱真空テーブル
１３２ 気体不浸透性膜
１３４ レッグ
１７６ Ｃ形状
１７８ Ｊ形状
１８０ Ｌ形状
１８２ Ｉ形状
１８４ 変更されたＪ形状
１８６ Ｕ形状
１８８ 層セグメント
１９０ 極座標系
１９２ 中央線
１９６ パイ型の重なり部分
１９８ パイ型の隙間
２０１ 輪郭成形された層
２０４ 重なり部分
２０８ 自動テープ配置機械
２１０ ヘッド
２１２ ヘッド
２１４ ガントリー
【特許請求の範囲】
【請求項１】
航空機の湾曲した複合フレームであって：
少なくとも特定の積層体の層がフレームの湾曲に沿ったほぼすべてのポイントで実質的に接触している単向性強化用繊維を含んでいる複数層の複合積層体
を含むフレーム。
【請求項２】
積層体が、一体構造の単一構造物でできており、Ｚ及びＪのうちの一つの形状の断面を有する、請求項１に記載のフレーム。
【請求項３】
積層体が：
ウェブ、
ウェブと一体的に形成され、ウェブの一端から外向きに横方向に延在する内側コード、
航空機の外板に固定されるように構成されており、ウェブと一体的に形成され、ウェブの別の端から、内側コードの方向とは反対の方向に外向きに横方向に延在する外側コード
を含む、請求項１に記載のフレーム。
【請求項４】
少なくとも特定の層が、ウェブ、内側コード及び外側コードを通じてフレームの湾曲方向にほぼ連続的に延在する、請求項３に記載のフレーム。
【請求項５】
層が各々ポリマーマトリクスを含み、
繊維がエポキシマトリクス内部に保持されるカーボンファイバーを含む、
請求項１に記載のフレーム。
【請求項６】
各層が、フレームの湾曲を画定する極座標基準系内で位置合わせされた繊維配向性を有する、請求項１に記載のフレーム。
【請求項７】
航空機の胴体の、湾曲した一体構造の複合フレームを加工する方法であって：
フレームの湾曲を画定する極座標系を使用して繊維強化樹脂層の積層体を作製することであって、フレームの湾曲に実質的に接触している少なくとも特定の層の単向性強化用繊維を配向させることが含まれること、並びに
積層体をウェブ、内側コード及び外側コードを含む形状に成形すること
を含む方法。
【請求項８】
フレームの湾曲に実質的に接触している単向性強化用繊維を配向させることを、コンピュータで制御された自動繊維配置機械を使用して行う、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
積層体を成形することが、ツールの上で積層体の縁部を曲げることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１】
航空機の湾曲した複合フレームであって：
少なくとも特定の積層体の層がフレームの湾曲に沿ったほぼすべてのポイントで実質的に接触している単向性強化用繊維を含んでいる複数層の複合積層体
を含むフレーム。
【請求項２】
積層体が、一体構造の単一構造物でできており、Ｚ及びＪのうちの一つの形状の断面を有する、請求項１に記載のフレーム。
【請求項３】
積層体が：
ウェブ、
ウェブと一体的に形成され、ウェブの一端から外向きに横方向に延在する内側コード、
航空機の外板に固定されるように構成されており、ウェブと一体的に形成され、ウェブの別の端から、内側コードの方向とは反対の方向に外向きに横方向に延在する外側コード
を含む、請求項１に記載のフレーム。
【請求項４】
少なくとも特定の層が、ウェブ、内側コード及び外側コードを通じてフレームの湾曲方向にほぼ連続的に延在する、請求項３に記載のフレーム。
【請求項５】
層が各々ポリマーマトリクスを含み、
繊維がエポキシマトリクス内部に保持されるカーボンファイバーを含む、
請求項１に記載のフレーム。
【請求項６】
各層が、フレームの湾曲を画定する極座標基準系内で位置合わせされた繊維配向性を有する、請求項１に記載のフレーム。
【請求項７】
航空機の胴体の、湾曲した一体構造の複合フレームを加工する方法であって：
フレームの湾曲を画定する極座標系を使用して繊維強化樹脂層の積層体を作製することであって、フレームの湾曲に実質的に接触している少なくとも特定の層の単向性強化用繊維を配向させることが含まれること、並びに
積層体をウェブ、内側コード及び外側コードを含む形状に成形すること
を含む方法。
【請求項８】
フレームの湾曲に実質的に接触している単向性強化用繊維を配向させることを、コンピュータで制御された自動繊維配置機械を使用して行う、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
積層体を成形することが、ツールの上で積層体の縁部を曲げることを含む、請求項７に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図４】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図４Ｄ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【公開番号】特開２０１１−２５１６７７（Ｐ２０１１−２５１６７７Ａ）
【公開日】平成２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１１−１０４２００（Ｐ２０１１−１０４２００）
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【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２３年１２月１５日（２０１１．１２．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１０４２００（Ｐ２０１１−１０４２００）
【出願日】平成２３年５月９日（２０１１．５．９）
【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）】
[ Back to top ]