繊維複合構造部材の処理装置及び繊維複合構造部材の処理方法
繊維複合構造部材１０２の表面部１１２の上に配置された未硬化繊維層１０４を繊維複合構造部材に連結する連結装置１００を提供する。連結装置は圧力クッション３９０を備え、圧力クッション３９０は、表面部より上に配置される圧力キャップ１２０，３０８と、圧力キャップの外周縁部１０７に圧密に連結された圧密キャップマット１０６とを備え、圧力キャップ及びキャップマットにより限定された圧力領域を形成する。連結装置は、圧力領域にキャップマットを繊維層に押付ける過圧を導入する圧力導入手段３０２をさらに備える。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維複合構造部材、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からつくられた構造部材の処理方法に関する。さらに、本発明は、未硬化繊維層を繊維複合構造部材に連結する装置に関する。
【０００２】
本発明は、任意の繊維複合構造部材に適用可能であるが、航空機構造物の炭素繊維強化プラスチック部品に関する以下の問題を、より詳細に説明する。
【背景技術】
【０００３】
航空機の部品は、重量を低減するために、繊維複合材料、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からつくられることが益々多くなっている。航空機部品は、硬化された樹脂マトリクス、特に、エポキシ樹脂マトリクスにより互いに結合された繊維レイアップの複数の層から成る構造部材を備える。従来の方法に従ってこのような部品を製造するためには、含浸された繊維レイアップの複数の層が積層装置に配置される。次いで、樹脂マトリクスが、例えば、高温及び高圧にさらされることにより硬化される。
【０００４】
従来の方法によれば、部品が、圧密フォイルのバッグに密閉され、このバッグの内部が真空ポンプにより減圧される。次いで、このように密閉された部品がオートクレーブ内に入れられ、高圧にさらされる。
【０００５】
公開されている特許文献１は、繊維複合部品の製造方法を記載しており、この方法において、膨張エレメントが複合材料と共に、閉鎖可能な容器内に入れられる。容器は閉鎖され、膨張エレメントが過圧されて、複合材料を容器の外壁に押し付ける。
【０００６】
このような繊維複合部品に、例えば、欠陥の修正や、損傷の修復や、部品の修正等の修正作業を行う場合、従来の作業プロセスにおいては、部品の処理される面の上に、予備含浸された繊維層（プリプレグ）を、接着テープにより固定し、例えば真空バッグ等の圧密膜により覆う。この膜の下の密閉された領域を減圧し、この部品がオートクレーブ内に入れられ、硬化のために高圧にさらされる。
【０００７】
しかし、局部的に限定された小規模の修正作業であっても、部品全体を十分収容できる大きさのオートクレーブが設けられなければならないといった問題がある。このため、特に、例えば胴体シェルや胴体といった比較的大きい部品の補強エレメントのために、かなりのコストを要し、また、誤り修正作業が繰り返される場合にはコストが倍増する。当の十分に大きい寸法のオートクレーブが他の目的のために使用される場合、空き待ちにより時間が浪費される。別の欠点は、多くの場合、オートクレーブ内での硬化中に、部品が製造された装置に再挿入されなければならないことである。修正作業中は、装置は製造工程に利用できない。また、取り付けられたアセンブリの修正作業においては、これらのアセンブリが大きすぎる場合や、例えば高圧で損傷される電気設備などの部品を含む場合、オートクレーブに入れることができない。
【０００８】
オートクレーブを用いずに繊維層を硬化する場合、また、それにより、膜の下に密閉された領域が減圧されるだけの場合、繊維層は、内圧と外圧との０．８バール〜０．９バールの最大圧力差の間にさらされる。これらの圧力状況下では、接着フィルムが細孔を形成しやすくなり、これが部品の安定性を悪化させ、また、品質チェックに必要な超音波検査においてエラー表示を生じさせる。
【０００９】
特許文献２は、繊維複合構造部材の修復中に圧力を加えるラバースタンプを開示している。しかしながら、局部的に不均一な圧力分布により、このような機械的クランプエレメントは、通常、硬化される繊維層の厚さを不均一にし、修正作業の正確性を不十分とする。さらに、特許文献２は、ベル形状の上部を、修復位置を覆う膜の上に配置し、次いで、ベル形状の上部内の過圧を前記修復位置に加えることも開示している。しかしながら、この過圧が、ベル形状の上部と膜とを互いに遠ざけようとする力をもたらすため、ベル形状の上部と膜との間の接触ラインを確実にシールすることが困難である。さらに、この方法では、修復位置をフォイルや膜で覆うことが望ましくない場合に用いることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願ＵＳ２００７／００８０４８１
【特許文献２】ＤＥ ４０ １９ ７４４ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、オートクレーブを用いずに、材料の高品質性及び精度を保ちつつ、未硬化繊維層を繊維複合構造部材に連結することを可能にする、繊維複合構造部材の処理を確実に行う方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、この目的は、繊維複合構造部材の表面部上に配置された未硬化繊維層を前記繊維複合構造部材に連結する請求項１に記載の特徴を備える連結装置と、繊維複合構造部材を処理する請求項１４に記載の特徴を含む処理方法とにより達成される。
【００１３】
本発明の基本的な概念は、圧力クッションを形成するように互いに連結された圧力キャップと圧密キャップマットとにより限定された圧力領域内に高圧を与え、前記圧力により前記キャップマットを、前記繊維複合構造部材の表面部上に配置された前記繊維層に押し付けることである。これにより、前記膜を通して前記繊維層上に表面圧を加えることを可能にする。例えば、従来の方法においては、圧力は加熱プレス機内で未硬化繊維層上に加えられ、それにより繊維層を硬化させる。前記圧力は正確に均一に加えられるため、硬化後の前記繊維層は、均一な厚さが得られる。
【００１４】
前記圧力キャップと前記キャップマットとが圧力クッションの形態で互いに連結されるため、前記圧力領域は、前記表面部の幾何学的形状に関係なく、且つ、前記表面部が気密フォイルや膜により覆われているかどうかに関係なく、確実にシールすることができる。さらに、前記連結装置は、前記圧力領域のシーリングを破断することなく、異なる表面部に移動できるため、取り扱いが容易で効率的である。
【００１５】
これにより、例えばオートクレーブのような、繊維複合構造部材の全体を包囲するための容器が必要でなくなることが特に有利である。用いられる圧力キャップは、前記繊維層により覆われる前記表面部上に配置できる大きさを有するだけでよく、前記圧力キャップは、前記繊維層と同じ大きさか、或いは、繊維層よりもわずかに大きいだけである。この利点は、例えば、航空機の胴体、尾翼の厚板、フラップシェルといった大きい構造部材の細部が処理される場合に特に関係がある。取り付けられたアセンブリ上での作業も円滑に実行可能であり、処理部分の外部にある感圧部品が危険にさらされることもない。圧力キャップ、及び、必要に応じてカウンタベアリングを配置及び固定するための幾何学的な前提条件が満たされていればよい。
【００１６】
本発明に係る処理方法は、連続生産に用いられる大型のオートクレーブや積層装置における、高価な、しばしば限定的にのみ有効な容量を必要としないため、非常に費用効率的であるだけでなく、大型オートクレーブ及び連続装置を使用する場合の無駄な時間が省かれるため、迅速である。本発明に係る連結装置は、小型で費用効率が高く、組立が容易であるため、このような複数の装置を１つの構造物の異なる処理位置にて、同時に、又は連続して用いることができ、それにより利点をさらに増大させる。また本発明は、例えば航空機の修理時のようにオートクレーブが利用可能でない場合であっても適用することができる。
【００１７】
本発明の有利な実施形態及び改良点は、従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明に係る連結装置の好適な実施形態によれば、前記圧力クッションの前記圧力キャップと前記キャップマットとが、弾性材料により一体的に形成される。これにより、前記圧力領域の非常に確実なシーリングを達成し、装置の製造を費用効率的にし、装置の操作を容易にする。
【００１９】
好適な実施形態によれば、前記圧力クッションは、前記表面部を囲むラインに沿って繊維複合構造部材に接触するシーリング領域をさらに備える。これにより、前記キャップマットと前記繊維複合構造部材との間に気密シール領域を形成することができる。このシール領域は、前記表面部を気密の膜やフォイルで覆うことなく減圧させることができる。このため、さらに容易に操作することができる。
【００２０】
好適な実施形態によれば、前記圧力クッションは、前記シーリング領域により取り囲まれた凹部をさらに備える。このように、前記凹部は、これらの繊維層が圧縮されていない状態で繊維複合構造部材の表面レベルより上に著しく隆起している場合であっても収容することができる。また、前記キャップマット、前記繊維複合構造部材及び前記シーリング領域により画成された低圧領域を減圧するための減圧手段が、さらに設けられることが好ましい。これにより、外部の減圧装置を用いる必要がなくなる。
【００２１】
好適な実施形態によれば、前記キャップマットは半剛性の形態で設けられる。このようにすることで、前記圧力キャップと前記繊維複合構造部品との間の距離を保つことを可能にし、本発明の装置は、繊維複合構造部材の様々な形状の（例えば湾曲した）表面部に用いることができる。また、前記キャップマットは、その縁部が、その中央部よりも高い剛性を備えた半剛性形態で設けられていることが好ましい。このようにすることで、キャップマットは、その中央部においては前記表面部の形状に柔軟に適合する（例えば、前記繊維複合構造部材より上の膜と接触する）。一方、繊維複合構造部材と接触しない縁部の、より高い剛性が、前記過圧による前記縁部の膨張を防止する。
【００２２】
また、前記キャップマットは、前記圧力領域における前記過圧下で、前記繊維複合構造部材の外形に沿って、前記膜が殆ど完全に前記外形に嵌合するように設けられることが好ましい。このようにすることで、繊維層は、例えば、階段状の表面部のように起伏の多い外形でも、この表面部とは逆の外形を有するキャップマットを作成することで連結することができる。このため、マットを、例えば航空機のスキンの内側のストリンガのような補剛外形の間に用いようとする場合には、マットをマスターモデルからキャスト成形することにより、側圧を加えることも可能である。
【００２３】
また、好適な実施形態によれば、前記圧力キャップを前記キャップマットと共に前記表面部の上に押し付ける押圧アセンブリがさらに設けられていることが好ましい。このようにすることで、前記表面部への確実な押圧が実現する。また、前記押圧アセンブリは、前記処理される表面部とは反対側の面である前記繊維複合構造部材を支持するカウンタベアリングを備えることが好ましく、これにより、前記繊維複合構造部材に加えられる応力を低くした状態で、高い押圧が実現する。或いは、前記押圧アセンブリは、前記繊維複合構造部材の前記表面部付近の支持部上で支持する少なくとも１つのサクションカップをさらに備える。これにより、片側からのみアクセス可能な構造物の表面部を処理することができる。
【００２４】
好適な実施形態によれば、前記圧力キャップは、前記外周縁部がその上に形成された剛性フレームを備える。このようにすることで、前記圧力キャップに特別な安定性をもたらす。また、前記剛性フレームの内側に柔軟なキャップマットが詰められていることが好ましい。このようにすることで、軽量で容易に変更可能な構造を得ることができるため、有利である。
【００２５】
本発明に係る連結装置の好適な実施形態によれば、過圧を供給するコンプレッサがさらに設けられる。このようにすることで、圧力を発生させる外部手段を用いる必要がなく、これにより装置の輸送が容易になり、また装置の柔軟な使用が可能になる。
【００２６】
好適な実施形態によれば、前記繊維層を昇温により硬化させる加熱エレメントがさらに設けられる。これは、前記繊維層がその特定の樹脂マトリクスにより要求される高温で硬化できるようにするものである。また、加熱エレメントは、熱が前記繊維層の真近で発生できるように、前記繊維層を覆う前記膜や前記キャップマットと共に１つの部品から構成されることが好ましい。
【００２７】
好適な実施形態によれば、本発明に係る方法は、圧力クッションを前記繊維複合構造部材上に押し付けるステップをさらに備える。これにより、所与の表面圧を未硬化繊維層全体に確実に加えることが達成される。
【００２８】
好適な実施形態によれば、前記繊維複合構造部材より上に配置されたキャップマットにより限定された低圧領域がシールされ且つ減圧されるステップをさらに備える。これにより、別個の気密のフォイルや膜を空気クッションの下に配置することを必要とせずに、前記膜の両面の圧力差を、さらに０．８バールから０．９バール上昇させることができるため、有利である。また、前記キャップマット下の、例えば孔隙における残留空気を吸い出すことにより処理の質をさらに高めることができる。また、前記過圧を、対応する値だけ低下させることができる。このようにすることで、例えば前記圧力キャップをより軽量に且つ容易に設計することができる。
【００２９】
前記低圧領域のシーリングは、前記キャップマットを、前記圧力キャップにより前記繊維複合構造部材上に押し付けることにより実行されることが好ましい。このようにすることで、別個のシーリングステップが不要となる。
【００３０】
好適な実施形態によれば、前記少なくとも１つの繊維層の硬化は、例えば前記膜に埋め込まれ、又は、追加で重畳されたマットに埋めこまれている加熱エレメントを用いて加熱により実行される。前記繊維層の硬化は、使用される樹脂マトリクスに応じて、１２５℃〜１８０℃の温度まで加熱されることが好ましい。
【００３１】
好適な実施形態によれば、加えられる前記過圧は、少なくとも１バールである。このようにすることで、前記圧力領域と前記繊維層の領域との圧力差を、真空バッグのみを用いた場合に得られる圧力差よりも大きくすることができるためである。前記過圧は、前記圧力キャップ及び他の部品の比較的容易な設計を可能にする、１バール〜２バールであることが好ましい。
【００３２】
以下に、本発明を、添付図面を参照しつつ、実施形態を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】連結装置の断面の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る連結装置の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る処理方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面において、同一の参照符号は、特段の記載がない限り、同等の、又は機能的に同等の部品を示す。
【００３５】
図１は、初期の未硬化繊維層１０４を繊維複合構造部材１０２に連結している状態における連結装置１００の断面の概略図である。このために、繊維層１０４は表面部１１２上に配置されており、且つ、圧密膜（例えば真空フォイルやゴムマット）１０８により覆われている。膜１０８は、繊維複合構造部材１０２を完全に取り囲む真空バッグの外殻の一部により形成することもできる。
【００３６】
圧力キャップ１０６，１２０は、表面部１１２より上に配置される。圧力キャップ１０６は、柔軟なキャップマット１０６から、例えばゴムマットで形成され、圧力キャップ１２０は剛性フレーム１２０から形成され、フレーム１２０は、キャップマット１０６の上面に、キャップマット１０６の縁部１０７に沿って延在する。フレーム１２０は、キャップマット１０６の縁部１０７と共に、繊維複合部品１０２の上に、前記フレームの外周に沿って規則的な距離を有して配置されたねじクランプにより押し付けられる。また、周縁に延在するガスケット１１６は、キャップマット１０６の縁部１０７と繊維複合構造部材１０２との間に、気密に閉鎖された圧力領域１１０がキャップマット１０６と膜１０８との間に形成されるように挿入される。
【００３７】
しかしながら、膜１０８の上でガスケット１１６が膜１０８の全長にわたって延在する場合には、フレーム１２０の表面圧により過圧領域１１０のシーリングを可能にするだけでなく、低圧領域１１４のシーリングをも可能にするため、膜１０８を真空バッグや非接着性の膜に替えることができる。
【００３８】
弁ノズル１１６は、キャップマット１０６に、圧力領域１１０に過圧を生じさせるために設置される。装置の初期動作中、圧力領域１１０は上記の方法でシールされる。次いで、弁ノズル１１６は、コンプレッサ（図示せず）に接続され、コンプレッサは、過圧が圧力領域１１０に蓄積されるように切り替える。
【００３９】
矢印で示すように、過圧は境界に圧縮力を加える。図示されるように、キャップマット１０６に対して向けられている力は、キャップマット１０６をアーチ状に湾曲させる。膜１０８に対して向けられている力は、膜１０８、及び、膜１０８の下に取り囲まれる繊維層１０４を繊維複合部品１０２に押し付け、それにより繊維層１０４が圧縮される。
【００４０】
有利なことには、膜１０８の下に取り囲まれている部分１１４が、例えば真空ポンプ３０４によりさらに減圧される。真空ポンプ３０４は、例えば、図示されるように、真空ホース１２２により低圧領域１１４に接続され、真空ホース１２２は、ダクト１２４によりキャップマット１０６を通して誘導される。或いは、真空ホースは、例えばガスケット１１６の付近や、弁ノズル１１８の付近等の異なる位置を通して導入される。また、例えば圧力領域１１０のシーリング前の作業のために真空ポンプ３０４を設ける場合には、ダクト１２４を設けなくてもよい。低圧領域の減圧により、約１．８〜２．２バールの有効硬化圧力が加えられる。有効硬化圧力は、低圧領域１１４における約０．８バールの低圧（大気圧よりも低い圧力）と、圧力領域１１０における約１〜２バールの過圧とから成る。
【００４１】
図２は、圧力キャップ１２０，１０６を備える別の連結装置１００の斜視図である。圧力キャップ１２０，１０６は、図示される連結装置１００の動作状態において、繊維複合構造部材１０２の表面部１１２よりも上に配置される。圧力キャップ１２０，１０６は、キャップカバーとしてのゴムキャップマット１０６と、例えばスチールやアルミニウムからつくられた剛性フレーム１２０とから成り、フレーム１２０は、フレーム１２０と繊維複合部品１０２との間のゴムマットの縁部１０７を押し潰すように複数のねじクランプ２００を用いてゴムマット１０６を押圧する。例えばフレーム１２０はキャップマット１０６に接着してしっかりと連結することができる。図示される配置においては、フレーム１２０とキャップマット１０６とが別々の部品として形成できるよう、ねじクランプ２００の圧力はあらかじめキャップマット１０６にしっかりと連結される。
【００４２】
フレーム１２０を保持しているねじクランプ２００は、バー２０２により担持される。バー２０２は、繊維複合構造部材１０２の下側にて支持される。（その様子はここでは図示せず。）
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。図示される動作状態では、図１と同様、初期には未硬化繊維層１０４が繊維複合部品１０２の表面部の上に配置されており、また、膜１０８により覆われている。膜１０８と繊維複合エレメント１０２とが低圧室１１４を取り囲んでおり、膜１０８と繊維複合エレメント１０２との間に位置する低圧室１１４は、真空ポンプ３０４により減圧される。
【００４４】
このように準備された繊維複合部品１０２の表面部の上に、剛性圧力キャップ３０８を備えた圧力クッション３９０が配置され、圧力キャップ３０８の下側において、固定エレメント３１０、周縁ガスケット１１６、及びフレーム１２０によりキャップマット１０６が連結される。この連結は、前記キャップマットが圧力キャップ３０８のプレートと協働して、気密に閉鎖され且つ恒久的に固定された圧力領域１１０を圧力クッション３９０の内側に取り囲むように行われる。コンプレッサ３０２により、圧力領域１１０に圧力導入ノズル１１８を介して過圧される。電気加熱エレメント３０６は、キャップマット１０６の外側又は内側に配置されるか、或いは、キャップマット１０６内に埋め込まれる。加熱エレメントは、繊維層１０４を硬化するために加熱される。
【００４５】
装置１００の動作において、低圧領域１１４は真空ポンプ３０４により減圧される。圧力領域１１０では、矢印により示される過圧がコンプレッサ３０２により加えられ、この過圧によりキャップマット１０６を膨張させる。ねじクランプ２００（又は他の装置、例えばこの目的を達成する圧力スピンドルや圧力シリンダ）が適切な方法で調節されると、過圧はキャップマット１０６を膜１０８により覆われた繊維層１０４に押し付け、繊維層を圧縮する。加熱エレメント３０６は、繊維層１０４の最終的な硬化のために作動する。
【００４６】
図３Ａは、さらなる実施形態に係る連結装置の図である。この実施形態は、圧力キャップ３０８とキャップマット１０６が、例えばゴムのような弾性材料により一体的に形成されるという点で図３の実施形態とは異なる。すなわち、圧力領域１１０を構成する圧力クッション３９０は単一の部品で形成され、これにより連結装置を提供するコストを削減し、操作を非常に容易にする。圧力クッション３９０は、非使用時の状態では平坦で中空のマット形態を呈し、この中空マットの内側に位置する圧力領域１１０が収縮するように形成される。このため、圧力クッション３９０を効率的に保管することができる。
【００４７】
図３Ｂは、さらなる実施形態に係る連結装置の図である。この実施形態では、図３Ａに係る実施形態と同様、圧力キャップ３０８及びキャップマット１０６を備えた圧力クッション３９０は、例えばゴムのような弾性材料により一体的に形成されている。さらに、圧力クッション３９０はシーリング領域３９２を備え、シーリング領域３９２は、連結装置の使用中に、表面部１１２を取り囲む外周に沿って繊維複合構造部材１０２に接触する。シーリング領域３９２の存在により、表面部１１２を覆う圧密膜を別個に設けることなく、繊維層１０４の位置で低圧領域１１４を形成することができる。低圧領域１１４が形成される位置において、圧力クッションは浅い凹部３９８を備えている。減圧ダクト３９４は、低圧領域１１４から圧力クッション３９０の外周まで延在する。これにより、圧力クッション３９０が繊維複合構造部材１０２上に押し付けられた後、低圧領域１１４を真空ポンプ３０４により減圧することが可能となる。シーリング性能を高めるため、表面部１１２を取り囲む外周に沿って延在しているガスケット３９６（より柔軟な材料からつくられている）がシーリング領域に設けられている。
【００４８】
図４は、本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図である。この実施形態において、キャップマット１０６（図３と同様）は、圧力キャップ３０８に恒久的に連結されて一体的な圧力クッション３９０を構成し、この一体的な圧力クッション３９０は、バー２０２により支持される。バー２０２は、圧力キャップ３０８をキャップマット１０６とともに処理する繊維複合構造部材１０２の表面部１１２上に押し付けることを可能にする。この手段により、圧力キャップ３０８とキャップマット１０６との間の全体にかかる過圧が、表面部に間接的に加えられる。
【００４９】
バー２０２はＣ字状の形状を有し、バー２０２の圧力キャップとは反対側の端部にカウンタベアリング４００を有する。カウンタベアリング４００は、繊維複合構造部材１０２を、処理される表面部１１２とは反対側の裏面４０２で支持するのに適した外形を有する。例として示される繊維複合構造部材１０２は、その裏面にカウンタベアリング４００のキャビティに対応して嵌まり込む多数のストリンガ４０６を有する。高さ調節部４０４は、カウンタベアリングの高さを繊維複合構造部材１０２の厚さに適合させることを可能にし、また、キャップマット１０６の所望の表面圧力に適合させることを可能にする。
【００５０】
カウンタベアリング４００と同様、キャップマット１０６についても、圧力分布を改善し、キャップマット１０６の伸縮可能性が最適となるように、処理される表面部１１２の外形に応じて設計することができる。このようなキャップマット１０６は、例えば対応する形状を有するマスターパターン上で製造される。
【００５１】
図５は、本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図であり、この実施形態も、圧力キャップ３０８及びキャップマット１０６から一体ユニットとして構成された圧力クッション３９０を備える。また、圧力クッション３９０は、処理される繊維複合構造部材１０２の表面部１１２より上において、バー２０２により保持されている。この実施形態においては、バー２０２は繊維複合構造部材１０２の表面の支持部５０２上において、処理される表面部１１２付近に配置されたサクションカップ５００により支持されている。
【００５２】
図６は、例えば上記の連結装置のいずれか１つにより実行可能な、本発明の一実施形態に係る繊維複合構造部材の処理方法を示すフローチャートである。
【００５３】
この方法では、第１のステップ６００において、未硬化繊維層が繊維複合構造部材の表面部上に配置される。次いで、ステップ６０２において、繊維層が、例えば１回限り使用可能な真空フォイルや再利用可能なゴムマットのような圧密膜により覆われる。そして、ステップ６１４において、膜及び繊維複合構造部材により画成された低圧領域がシールされる。次いで、ステップ６１６において低圧領域が減圧される。
【００５４】
さらに、ステップ６０４において、圧力キャップ及び圧密キャップマットを備える圧力クッションが表面部よりも上に配置される。圧密キャップマットは、圧力キャップの外周縁部に、キャップマットが圧力キャップと共に圧力領域を限定するように圧密に連結される。圧力キャップ６０４及び膜６０２の配置は、圧力キャップの一部領域やキャップマットの一部領域（例えば、圧力キャップの縁部やキャップマットの中央）が繊維複合構造部材に押し付けられるように圧力キャップを繊維複合構造部材に押圧する。
【００５５】
さらに、ステップ６０８において、膜を繊維層に押し付ける過圧が圧力領域にて発生する。ステップ６０６及びステップ６０８を本発明による方法の最初に実行することも可能である。これは、例えば圧力クッションに圧縮空気などの圧力媒体を予め充填することにより行われる。
【００５６】
圧力キャップ６０４の配置と過圧の発生ステップ６０８との協働により、圧力キャップは、キャップマットと共に膜で覆われた繊維複合構造部材にキャップマットの一部分（例えばキャップマットの中央部）を繊維複合構造部材に押し付けるように押圧する６１２。
【００５７】
ステップ６１６における低圧領域の減圧と過圧の発生により、約１．８バール〜２．８バールの有効硬化圧力が加えられる。この圧力は、低圧領域における大気圧よりも低い約０．８バールの低圧と、圧力領域における約１バール〜２バールの過圧とから成る。
【００５８】
ステップ６０２及びステップ６１４に替わる別の方法として、キャップマット上に設けられたシール領域を繊維複合構造部材に押し付けることをステップ６０８と共に行うことで低圧領域をシールすることも可能である。このようにすることで、得られる低圧領域はキャップマットと繊維複合構造部材とにより画成される。この場合においては、ステップ６１６をステップ６０８の後に実行してもよい。
【００５９】
最終ステップ６１０において、繊維層は、例えば加熱エレメントによる加熱により硬化される。加熱エレメントは膜やキャップマットと一体化することができ、或いは、膜やキャップマットに取り付けることもできる。
【００６０】
本発明は、好適な実施形態を用いて説明してきたが、これらの実施形態に限定されることはなく、様々に変更可能である。
【００６１】
例えば、未硬化繊維層を異なるタイプの構造部材及び部品に連結することもできる。従って、上記の方法により、繊維ガラス補強プラスチックの層をアルミニウムから成る部品に連結することが可能である。さらに、繊維層の代わりに、例えば粒状物のような異なるタイプの材料を用いることができる。また、剛性エレメントを、基盤構造部材に、埋め込み接着フィルム層で連結することも可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１００ 連結装置
１０２ 繊維複合構造部材
１０４ 繊維層
１０６ キャップマット
１０７ 縁部
１０８ 圧密膜
１１０ 圧力領域
１１２ 表面部
１１４ 低圧領域
１１６ ガスケット
１１８ 圧力導入手段
１２０ フレーム
２００ ねじクランプ
２０２ バー
３００ 中間部
３０２ コンプレッサ
３０４ 真空ポンプ
３０６ 加熱エレメント
３０８ キャッププレート
３１０ 固定エレメント
３９０ 圧力クッション
３９２ シーリング領域
３９４ 減圧ダクト
３９６ ガスケット
３９８ 凹部
４００ カウンタベアリング
４０２ 裏面
４０４ 高さ調節部
４０６ ストリンガ
５００ 真空キャップ
５０２ 支持部
６００ 繊維層の配置
６０２ 繊維層の被覆
６０４ 圧力キャップの配置
６０８ 過圧の発生
６１０ 繊維層の硬化
６１２ 圧力キャップの押圧
【技術分野】
【０００１】
本発明は、繊維複合構造部材、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からつくられた構造部材の処理方法に関する。さらに、本発明は、未硬化繊維層を繊維複合構造部材に連結する装置に関する。
【０００２】
本発明は、任意の繊維複合構造部材に適用可能であるが、航空機構造物の炭素繊維強化プラスチック部品に関する以下の問題を、より詳細に説明する。
【背景技術】
【０００３】
航空機の部品は、重量を低減するために、繊維複合材料、特に、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）からつくられることが益々多くなっている。航空機部品は、硬化された樹脂マトリクス、特に、エポキシ樹脂マトリクスにより互いに結合された繊維レイアップの複数の層から成る構造部材を備える。従来の方法に従ってこのような部品を製造するためには、含浸された繊維レイアップの複数の層が積層装置に配置される。次いで、樹脂マトリクスが、例えば、高温及び高圧にさらされることにより硬化される。
【０００４】
従来の方法によれば、部品が、圧密フォイルのバッグに密閉され、このバッグの内部が真空ポンプにより減圧される。次いで、このように密閉された部品がオートクレーブ内に入れられ、高圧にさらされる。
【０００５】
公開されている特許文献１は、繊維複合部品の製造方法を記載しており、この方法において、膨張エレメントが複合材料と共に、閉鎖可能な容器内に入れられる。容器は閉鎖され、膨張エレメントが過圧されて、複合材料を容器の外壁に押し付ける。
【０００６】
このような繊維複合部品に、例えば、欠陥の修正や、損傷の修復や、部品の修正等の修正作業を行う場合、従来の作業プロセスにおいては、部品の処理される面の上に、予備含浸された繊維層（プリプレグ）を、接着テープにより固定し、例えば真空バッグ等の圧密膜により覆う。この膜の下の密閉された領域を減圧し、この部品がオートクレーブ内に入れられ、硬化のために高圧にさらされる。
【０００７】
しかし、局部的に限定された小規模の修正作業であっても、部品全体を十分収容できる大きさのオートクレーブが設けられなければならないといった問題がある。このため、特に、例えば胴体シェルや胴体といった比較的大きい部品の補強エレメントのために、かなりのコストを要し、また、誤り修正作業が繰り返される場合にはコストが倍増する。当の十分に大きい寸法のオートクレーブが他の目的のために使用される場合、空き待ちにより時間が浪費される。別の欠点は、多くの場合、オートクレーブ内での硬化中に、部品が製造された装置に再挿入されなければならないことである。修正作業中は、装置は製造工程に利用できない。また、取り付けられたアセンブリの修正作業においては、これらのアセンブリが大きすぎる場合や、例えば高圧で損傷される電気設備などの部品を含む場合、オートクレーブに入れることができない。
【０００８】
オートクレーブを用いずに繊維層を硬化する場合、また、それにより、膜の下に密閉された領域が減圧されるだけの場合、繊維層は、内圧と外圧との０．８バール〜０．９バールの最大圧力差の間にさらされる。これらの圧力状況下では、接着フィルムが細孔を形成しやすくなり、これが部品の安定性を悪化させ、また、品質チェックに必要な超音波検査においてエラー表示を生じさせる。
【０００９】
特許文献２は、繊維複合構造部材の修復中に圧力を加えるラバースタンプを開示している。しかしながら、局部的に不均一な圧力分布により、このような機械的クランプエレメントは、通常、硬化される繊維層の厚さを不均一にし、修正作業の正確性を不十分とする。さらに、特許文献２は、ベル形状の上部を、修復位置を覆う膜の上に配置し、次いで、ベル形状の上部内の過圧を前記修復位置に加えることも開示している。しかしながら、この過圧が、ベル形状の上部と膜とを互いに遠ざけようとする力をもたらすため、ベル形状の上部と膜との間の接触ラインを確実にシールすることが困難である。さらに、この方法では、修復位置をフォイルや膜で覆うことが望ましくない場合に用いることができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】米国特許出願ＵＳ２００７／００８０４８１
【特許文献２】ＤＥ ４０ １９ ７４４ Ａ１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
従って、本発明の目的は、オートクレーブを用いずに、材料の高品質性及び精度を保ちつつ、未硬化繊維層を繊維複合構造部材に連結することを可能にする、繊維複合構造部材の処理を確実に行う方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明によれば、この目的は、繊維複合構造部材の表面部上に配置された未硬化繊維層を前記繊維複合構造部材に連結する請求項１に記載の特徴を備える連結装置と、繊維複合構造部材を処理する請求項１４に記載の特徴を含む処理方法とにより達成される。
【００１３】
本発明の基本的な概念は、圧力クッションを形成するように互いに連結された圧力キャップと圧密キャップマットとにより限定された圧力領域内に高圧を与え、前記圧力により前記キャップマットを、前記繊維複合構造部材の表面部上に配置された前記繊維層に押し付けることである。これにより、前記膜を通して前記繊維層上に表面圧を加えることを可能にする。例えば、従来の方法においては、圧力は加熱プレス機内で未硬化繊維層上に加えられ、それにより繊維層を硬化させる。前記圧力は正確に均一に加えられるため、硬化後の前記繊維層は、均一な厚さが得られる。
【００１４】
前記圧力キャップと前記キャップマットとが圧力クッションの形態で互いに連結されるため、前記圧力領域は、前記表面部の幾何学的形状に関係なく、且つ、前記表面部が気密フォイルや膜により覆われているかどうかに関係なく、確実にシールすることができる。さらに、前記連結装置は、前記圧力領域のシーリングを破断することなく、異なる表面部に移動できるため、取り扱いが容易で効率的である。
【００１５】
これにより、例えばオートクレーブのような、繊維複合構造部材の全体を包囲するための容器が必要でなくなることが特に有利である。用いられる圧力キャップは、前記繊維層により覆われる前記表面部上に配置できる大きさを有するだけでよく、前記圧力キャップは、前記繊維層と同じ大きさか、或いは、繊維層よりもわずかに大きいだけである。この利点は、例えば、航空機の胴体、尾翼の厚板、フラップシェルといった大きい構造部材の細部が処理される場合に特に関係がある。取り付けられたアセンブリ上での作業も円滑に実行可能であり、処理部分の外部にある感圧部品が危険にさらされることもない。圧力キャップ、及び、必要に応じてカウンタベアリングを配置及び固定するための幾何学的な前提条件が満たされていればよい。
【００１６】
本発明に係る処理方法は、連続生産に用いられる大型のオートクレーブや積層装置における、高価な、しばしば限定的にのみ有効な容量を必要としないため、非常に費用効率的であるだけでなく、大型オートクレーブ及び連続装置を使用する場合の無駄な時間が省かれるため、迅速である。本発明に係る連結装置は、小型で費用効率が高く、組立が容易であるため、このような複数の装置を１つの構造物の異なる処理位置にて、同時に、又は連続して用いることができ、それにより利点をさらに増大させる。また本発明は、例えば航空機の修理時のようにオートクレーブが利用可能でない場合であっても適用することができる。
【００１７】
本発明の有利な実施形態及び改良点は、従属請求項に記載されている。
【００１８】
本発明に係る連結装置の好適な実施形態によれば、前記圧力クッションの前記圧力キャップと前記キャップマットとが、弾性材料により一体的に形成される。これにより、前記圧力領域の非常に確実なシーリングを達成し、装置の製造を費用効率的にし、装置の操作を容易にする。
【００１９】
好適な実施形態によれば、前記圧力クッションは、前記表面部を囲むラインに沿って繊維複合構造部材に接触するシーリング領域をさらに備える。これにより、前記キャップマットと前記繊維複合構造部材との間に気密シール領域を形成することができる。このシール領域は、前記表面部を気密の膜やフォイルで覆うことなく減圧させることができる。このため、さらに容易に操作することができる。
【００２０】
好適な実施形態によれば、前記圧力クッションは、前記シーリング領域により取り囲まれた凹部をさらに備える。このように、前記凹部は、これらの繊維層が圧縮されていない状態で繊維複合構造部材の表面レベルより上に著しく隆起している場合であっても収容することができる。また、前記キャップマット、前記繊維複合構造部材及び前記シーリング領域により画成された低圧領域を減圧するための減圧手段が、さらに設けられることが好ましい。これにより、外部の減圧装置を用いる必要がなくなる。
【００２１】
好適な実施形態によれば、前記キャップマットは半剛性の形態で設けられる。このようにすることで、前記圧力キャップと前記繊維複合構造部品との間の距離を保つことを可能にし、本発明の装置は、繊維複合構造部材の様々な形状の（例えば湾曲した）表面部に用いることができる。また、前記キャップマットは、その縁部が、その中央部よりも高い剛性を備えた半剛性形態で設けられていることが好ましい。このようにすることで、キャップマットは、その中央部においては前記表面部の形状に柔軟に適合する（例えば、前記繊維複合構造部材より上の膜と接触する）。一方、繊維複合構造部材と接触しない縁部の、より高い剛性が、前記過圧による前記縁部の膨張を防止する。
【００２２】
また、前記キャップマットは、前記圧力領域における前記過圧下で、前記繊維複合構造部材の外形に沿って、前記膜が殆ど完全に前記外形に嵌合するように設けられることが好ましい。このようにすることで、繊維層は、例えば、階段状の表面部のように起伏の多い外形でも、この表面部とは逆の外形を有するキャップマットを作成することで連結することができる。このため、マットを、例えば航空機のスキンの内側のストリンガのような補剛外形の間に用いようとする場合には、マットをマスターモデルからキャスト成形することにより、側圧を加えることも可能である。
【００２３】
また、好適な実施形態によれば、前記圧力キャップを前記キャップマットと共に前記表面部の上に押し付ける押圧アセンブリがさらに設けられていることが好ましい。このようにすることで、前記表面部への確実な押圧が実現する。また、前記押圧アセンブリは、前記処理される表面部とは反対側の面である前記繊維複合構造部材を支持するカウンタベアリングを備えることが好ましく、これにより、前記繊維複合構造部材に加えられる応力を低くした状態で、高い押圧が実現する。或いは、前記押圧アセンブリは、前記繊維複合構造部材の前記表面部付近の支持部上で支持する少なくとも１つのサクションカップをさらに備える。これにより、片側からのみアクセス可能な構造物の表面部を処理することができる。
【００２４】
好適な実施形態によれば、前記圧力キャップは、前記外周縁部がその上に形成された剛性フレームを備える。このようにすることで、前記圧力キャップに特別な安定性をもたらす。また、前記剛性フレームの内側に柔軟なキャップマットが詰められていることが好ましい。このようにすることで、軽量で容易に変更可能な構造を得ることができるため、有利である。
【００２５】
本発明に係る連結装置の好適な実施形態によれば、過圧を供給するコンプレッサがさらに設けられる。このようにすることで、圧力を発生させる外部手段を用いる必要がなく、これにより装置の輸送が容易になり、また装置の柔軟な使用が可能になる。
【００２６】
好適な実施形態によれば、前記繊維層を昇温により硬化させる加熱エレメントがさらに設けられる。これは、前記繊維層がその特定の樹脂マトリクスにより要求される高温で硬化できるようにするものである。また、加熱エレメントは、熱が前記繊維層の真近で発生できるように、前記繊維層を覆う前記膜や前記キャップマットと共に１つの部品から構成されることが好ましい。
【００２７】
好適な実施形態によれば、本発明に係る方法は、圧力クッションを前記繊維複合構造部材上に押し付けるステップをさらに備える。これにより、所与の表面圧を未硬化繊維層全体に確実に加えることが達成される。
【００２８】
好適な実施形態によれば、前記繊維複合構造部材より上に配置されたキャップマットにより限定された低圧領域がシールされ且つ減圧されるステップをさらに備える。これにより、別個の気密のフォイルや膜を空気クッションの下に配置することを必要とせずに、前記膜の両面の圧力差を、さらに０．８バールから０．９バール上昇させることができるため、有利である。また、前記キャップマット下の、例えば孔隙における残留空気を吸い出すことにより処理の質をさらに高めることができる。また、前記過圧を、対応する値だけ低下させることができる。このようにすることで、例えば前記圧力キャップをより軽量に且つ容易に設計することができる。
【００２９】
前記低圧領域のシーリングは、前記キャップマットを、前記圧力キャップにより前記繊維複合構造部材上に押し付けることにより実行されることが好ましい。このようにすることで、別個のシーリングステップが不要となる。
【００３０】
好適な実施形態によれば、前記少なくとも１つの繊維層の硬化は、例えば前記膜に埋め込まれ、又は、追加で重畳されたマットに埋めこまれている加熱エレメントを用いて加熱により実行される。前記繊維層の硬化は、使用される樹脂マトリクスに応じて、１２５℃〜１８０℃の温度まで加熱されることが好ましい。
【００３１】
好適な実施形態によれば、加えられる前記過圧は、少なくとも１バールである。このようにすることで、前記圧力領域と前記繊維層の領域との圧力差を、真空バッグのみを用いた場合に得られる圧力差よりも大きくすることができるためである。前記過圧は、前記圧力キャップ及び他の部品の比較的容易な設計を可能にする、１バール〜２バールであることが好ましい。
【００３２】
以下に、本発明を、添付図面を参照しつつ、実施形態を用いてより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】連結装置の断面の概略図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る連結装置の斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図である。
【図６】本発明の実施形態に係る処理方法のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
図面において、同一の参照符号は、特段の記載がない限り、同等の、又は機能的に同等の部品を示す。
【００３５】
図１は、初期の未硬化繊維層１０４を繊維複合構造部材１０２に連結している状態における連結装置１００の断面の概略図である。このために、繊維層１０４は表面部１１２上に配置されており、且つ、圧密膜（例えば真空フォイルやゴムマット）１０８により覆われている。膜１０８は、繊維複合構造部材１０２を完全に取り囲む真空バッグの外殻の一部により形成することもできる。
【００３６】
圧力キャップ１０６，１２０は、表面部１１２より上に配置される。圧力キャップ１０６は、柔軟なキャップマット１０６から、例えばゴムマットで形成され、圧力キャップ１２０は剛性フレーム１２０から形成され、フレーム１２０は、キャップマット１０６の上面に、キャップマット１０６の縁部１０７に沿って延在する。フレーム１２０は、キャップマット１０６の縁部１０７と共に、繊維複合部品１０２の上に、前記フレームの外周に沿って規則的な距離を有して配置されたねじクランプにより押し付けられる。また、周縁に延在するガスケット１１６は、キャップマット１０６の縁部１０７と繊維複合構造部材１０２との間に、気密に閉鎖された圧力領域１１０がキャップマット１０６と膜１０８との間に形成されるように挿入される。
【００３７】
しかしながら、膜１０８の上でガスケット１１６が膜１０８の全長にわたって延在する場合には、フレーム１２０の表面圧により過圧領域１１０のシーリングを可能にするだけでなく、低圧領域１１４のシーリングをも可能にするため、膜１０８を真空バッグや非接着性の膜に替えることができる。
【００３８】
弁ノズル１１６は、キャップマット１０６に、圧力領域１１０に過圧を生じさせるために設置される。装置の初期動作中、圧力領域１１０は上記の方法でシールされる。次いで、弁ノズル１１６は、コンプレッサ（図示せず）に接続され、コンプレッサは、過圧が圧力領域１１０に蓄積されるように切り替える。
【００３９】
矢印で示すように、過圧は境界に圧縮力を加える。図示されるように、キャップマット１０６に対して向けられている力は、キャップマット１０６をアーチ状に湾曲させる。膜１０８に対して向けられている力は、膜１０８、及び、膜１０８の下に取り囲まれる繊維層１０４を繊維複合部品１０２に押し付け、それにより繊維層１０４が圧縮される。
【００４０】
有利なことには、膜１０８の下に取り囲まれている部分１１４が、例えば真空ポンプ３０４によりさらに減圧される。真空ポンプ３０４は、例えば、図示されるように、真空ホース１２２により低圧領域１１４に接続され、真空ホース１２２は、ダクト１２４によりキャップマット１０６を通して誘導される。或いは、真空ホースは、例えばガスケット１１６の付近や、弁ノズル１１８の付近等の異なる位置を通して導入される。また、例えば圧力領域１１０のシーリング前の作業のために真空ポンプ３０４を設ける場合には、ダクト１２４を設けなくてもよい。低圧領域の減圧により、約１．８〜２．２バールの有効硬化圧力が加えられる。有効硬化圧力は、低圧領域１１４における約０．８バールの低圧（大気圧よりも低い圧力）と、圧力領域１１０における約１〜２バールの過圧とから成る。
【００４１】
図２は、圧力キャップ１２０，１０６を備える別の連結装置１００の斜視図である。圧力キャップ１２０，１０６は、図示される連結装置１００の動作状態において、繊維複合構造部材１０２の表面部１１２よりも上に配置される。圧力キャップ１２０，１０６は、キャップカバーとしてのゴムキャップマット１０６と、例えばスチールやアルミニウムからつくられた剛性フレーム１２０とから成り、フレーム１２０は、フレーム１２０と繊維複合部品１０２との間のゴムマットの縁部１０７を押し潰すように複数のねじクランプ２００を用いてゴムマット１０６を押圧する。例えばフレーム１２０はキャップマット１０６に接着してしっかりと連結することができる。図示される配置においては、フレーム１２０とキャップマット１０６とが別々の部品として形成できるよう、ねじクランプ２００の圧力はあらかじめキャップマット１０６にしっかりと連結される。
【００４２】
フレーム１２０を保持しているねじクランプ２００は、バー２０２により担持される。バー２０２は、繊維複合構造部材１０２の下側にて支持される。（その様子はここでは図示せず。）
【００４３】
図３は、本発明の一実施形態に係る連結装置の断面の概略図である。図示される動作状態では、図１と同様、初期には未硬化繊維層１０４が繊維複合部品１０２の表面部の上に配置されており、また、膜１０８により覆われている。膜１０８と繊維複合エレメント１０２とが低圧室１１４を取り囲んでおり、膜１０８と繊維複合エレメント１０２との間に位置する低圧室１１４は、真空ポンプ３０４により減圧される。
【００４４】
このように準備された繊維複合部品１０２の表面部の上に、剛性圧力キャップ３０８を備えた圧力クッション３９０が配置され、圧力キャップ３０８の下側において、固定エレメント３１０、周縁ガスケット１１６、及びフレーム１２０によりキャップマット１０６が連結される。この連結は、前記キャップマットが圧力キャップ３０８のプレートと協働して、気密に閉鎖され且つ恒久的に固定された圧力領域１１０を圧力クッション３９０の内側に取り囲むように行われる。コンプレッサ３０２により、圧力領域１１０に圧力導入ノズル１１８を介して過圧される。電気加熱エレメント３０６は、キャップマット１０６の外側又は内側に配置されるか、或いは、キャップマット１０６内に埋め込まれる。加熱エレメントは、繊維層１０４を硬化するために加熱される。
【００４５】
装置１００の動作において、低圧領域１１４は真空ポンプ３０４により減圧される。圧力領域１１０では、矢印により示される過圧がコンプレッサ３０２により加えられ、この過圧によりキャップマット１０６を膨張させる。ねじクランプ２００（又は他の装置、例えばこの目的を達成する圧力スピンドルや圧力シリンダ）が適切な方法で調節されると、過圧はキャップマット１０６を膜１０８により覆われた繊維層１０４に押し付け、繊維層を圧縮する。加熱エレメント３０６は、繊維層１０４の最終的な硬化のために作動する。
【００４６】
図３Ａは、さらなる実施形態に係る連結装置の図である。この実施形態は、圧力キャップ３０８とキャップマット１０６が、例えばゴムのような弾性材料により一体的に形成されるという点で図３の実施形態とは異なる。すなわち、圧力領域１１０を構成する圧力クッション３９０は単一の部品で形成され、これにより連結装置を提供するコストを削減し、操作を非常に容易にする。圧力クッション３９０は、非使用時の状態では平坦で中空のマット形態を呈し、この中空マットの内側に位置する圧力領域１１０が収縮するように形成される。このため、圧力クッション３９０を効率的に保管することができる。
【００４７】
図３Ｂは、さらなる実施形態に係る連結装置の図である。この実施形態では、図３Ａに係る実施形態と同様、圧力キャップ３０８及びキャップマット１０６を備えた圧力クッション３９０は、例えばゴムのような弾性材料により一体的に形成されている。さらに、圧力クッション３９０はシーリング領域３９２を備え、シーリング領域３９２は、連結装置の使用中に、表面部１１２を取り囲む外周に沿って繊維複合構造部材１０２に接触する。シーリング領域３９２の存在により、表面部１１２を覆う圧密膜を別個に設けることなく、繊維層１０４の位置で低圧領域１１４を形成することができる。低圧領域１１４が形成される位置において、圧力クッションは浅い凹部３９８を備えている。減圧ダクト３９４は、低圧領域１１４から圧力クッション３９０の外周まで延在する。これにより、圧力クッション３９０が繊維複合構造部材１０２上に押し付けられた後、低圧領域１１４を真空ポンプ３０４により減圧することが可能となる。シーリング性能を高めるため、表面部１１２を取り囲む外周に沿って延在しているガスケット３９６（より柔軟な材料からつくられている）がシーリング領域に設けられている。
【００４８】
図４は、本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図である。この実施形態において、キャップマット１０６（図３と同様）は、圧力キャップ３０８に恒久的に連結されて一体的な圧力クッション３９０を構成し、この一体的な圧力クッション３９０は、バー２０２により支持される。バー２０２は、圧力キャップ３０８をキャップマット１０６とともに処理する繊維複合構造部材１０２の表面部１１２上に押し付けることを可能にする。この手段により、圧力キャップ３０８とキャップマット１０６との間の全体にかかる過圧が、表面部に間接的に加えられる。
【００４９】
バー２０２はＣ字状の形状を有し、バー２０２の圧力キャップとは反対側の端部にカウンタベアリング４００を有する。カウンタベアリング４００は、繊維複合構造部材１０２を、処理される表面部１１２とは反対側の裏面４０２で支持するのに適した外形を有する。例として示される繊維複合構造部材１０２は、その裏面にカウンタベアリング４００のキャビティに対応して嵌まり込む多数のストリンガ４０６を有する。高さ調節部４０４は、カウンタベアリングの高さを繊維複合構造部材１０２の厚さに適合させることを可能にし、また、キャップマット１０６の所望の表面圧力に適合させることを可能にする。
【００５０】
カウンタベアリング４００と同様、キャップマット１０６についても、圧力分布を改善し、キャップマット１０６の伸縮可能性が最適となるように、処理される表面部１１２の外形に応じて設計することができる。このようなキャップマット１０６は、例えば対応する形状を有するマスターパターン上で製造される。
【００５１】
図５は、本発明の一実施形態に係る連結装置の側面図であり、この実施形態も、圧力キャップ３０８及びキャップマット１０６から一体ユニットとして構成された圧力クッション３９０を備える。また、圧力クッション３９０は、処理される繊維複合構造部材１０２の表面部１１２より上において、バー２０２により保持されている。この実施形態においては、バー２０２は繊維複合構造部材１０２の表面の支持部５０２上において、処理される表面部１１２付近に配置されたサクションカップ５００により支持されている。
【００５２】
図６は、例えば上記の連結装置のいずれか１つにより実行可能な、本発明の一実施形態に係る繊維複合構造部材の処理方法を示すフローチャートである。
【００５３】
この方法では、第１のステップ６００において、未硬化繊維層が繊維複合構造部材の表面部上に配置される。次いで、ステップ６０２において、繊維層が、例えば１回限り使用可能な真空フォイルや再利用可能なゴムマットのような圧密膜により覆われる。そして、ステップ６１４において、膜及び繊維複合構造部材により画成された低圧領域がシールされる。次いで、ステップ６１６において低圧領域が減圧される。
【００５４】
さらに、ステップ６０４において、圧力キャップ及び圧密キャップマットを備える圧力クッションが表面部よりも上に配置される。圧密キャップマットは、圧力キャップの外周縁部に、キャップマットが圧力キャップと共に圧力領域を限定するように圧密に連結される。圧力キャップ６０４及び膜６０２の配置は、圧力キャップの一部領域やキャップマットの一部領域（例えば、圧力キャップの縁部やキャップマットの中央）が繊維複合構造部材に押し付けられるように圧力キャップを繊維複合構造部材に押圧する。
【００５５】
さらに、ステップ６０８において、膜を繊維層に押し付ける過圧が圧力領域にて発生する。ステップ６０６及びステップ６０８を本発明による方法の最初に実行することも可能である。これは、例えば圧力クッションに圧縮空気などの圧力媒体を予め充填することにより行われる。
【００５６】
圧力キャップ６０４の配置と過圧の発生ステップ６０８との協働により、圧力キャップは、キャップマットと共に膜で覆われた繊維複合構造部材にキャップマットの一部分（例えばキャップマットの中央部）を繊維複合構造部材に押し付けるように押圧する６１２。
【００５７】
ステップ６１６における低圧領域の減圧と過圧の発生により、約１．８バール〜２．８バールの有効硬化圧力が加えられる。この圧力は、低圧領域における大気圧よりも低い約０．８バールの低圧と、圧力領域における約１バール〜２バールの過圧とから成る。
【００５８】
ステップ６０２及びステップ６１４に替わる別の方法として、キャップマット上に設けられたシール領域を繊維複合構造部材に押し付けることをステップ６０８と共に行うことで低圧領域をシールすることも可能である。このようにすることで、得られる低圧領域はキャップマットと繊維複合構造部材とにより画成される。この場合においては、ステップ６１６をステップ６０８の後に実行してもよい。
【００５９】
最終ステップ６１０において、繊維層は、例えば加熱エレメントによる加熱により硬化される。加熱エレメントは膜やキャップマットと一体化することができ、或いは、膜やキャップマットに取り付けることもできる。
【００６０】
本発明は、好適な実施形態を用いて説明してきたが、これらの実施形態に限定されることはなく、様々に変更可能である。
【００６１】
例えば、未硬化繊維層を異なるタイプの構造部材及び部品に連結することもできる。従って、上記の方法により、繊維ガラス補強プラスチックの層をアルミニウムから成る部品に連結することが可能である。さらに、繊維層の代わりに、例えば粒状物のような異なるタイプの材料を用いることができる。また、剛性エレメントを、基盤構造部材に、埋め込み接着フィルム層で連結することも可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１００ 連結装置
１０２ 繊維複合構造部材
１０４ 繊維層
１０６ キャップマット
１０７ 縁部
１０８ 圧密膜
１１０ 圧力領域
１１２ 表面部
１１４ 低圧領域
１１６ ガスケット
１１８ 圧力導入手段
１２０ フレーム
２００ ねじクランプ
２０２ バー
３００ 中間部
３０２ コンプレッサ
３０４ 真空ポンプ
３０６ 加熱エレメント
３０８ キャッププレート
３１０ 固定エレメント
３９０ 圧力クッション
３９２ シーリング領域
３９４ 減圧ダクト
３９６ ガスケット
３９８ 凹部
４００ カウンタベアリング
４０２ 裏面
４０４ 高さ調節部
４０６ ストリンガ
５００ 真空キャップ
５０２ 支持部
６００ 繊維層の配置
６０２ 繊維層の被覆
６０４ 圧力キャップの配置
６０８ 過圧の発生
６１０ 繊維層の硬化
６１２ 圧力キャップの押圧
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面部（１１２）よりも上に配置される圧力キャップ（１２０，３８０）、及び、前記圧力キャップ（１２０，３０８）の外周縁部（１０７）に圧密に連結された圧密キャップマット（１０６）を備え、それにより、前記圧力キャップ（１２０，３０８）と前記キャップマット（１０６）とにより限定された圧力領域を形成する圧力クッション（３９０）と、
前記圧力領域に過圧を導入する圧力導入手段（１１８）と、
前記過圧により前記キャップマット（１０６）を繊維層（１０４）に押し付けるように前記圧力クッション（３９０）を繊維複合構造部材（１０２）上に押し付ける押圧アセンブリ（２００，４００，５００）と、を備え、
前記押圧アセンブリ（２００，４００，５００）は、前記表面部（１１２）とは反対側の面（４０２）である前記繊維複合構造部材（１０２）を支持するカウンタベアリング（４００）を備える、繊維複合構造部材（１０２）の表面部（１１２）上に配置された未硬化繊維層（１０４）を繊維複合構造部材に連結する連結装置（１００）。
【請求項２】
前記圧力クッション（３９０）の前記圧力キャップ（３８０）と前記キャップマット（１０６）とが、弾性材料により一体的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の連結装置。
【請求項３】
前記圧力クッション（３９０）は、前記表面部（１１２）を囲むラインに沿って前記繊維複合構造部材（１０２）に接触するシーリング領域（３９２）をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の連結装置。
【請求項４】
前記圧力クッション（３９０）は、前記シーリング領域により取り囲まれた凹部（３９８）をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の連結装置。
【請求項５】
前記キャップマット（１０６）、前記繊維複合構造部材（１０２）及び前記シーリング領域（３９２）により画成された低圧領域（１１４）を減圧する減圧手段（３０４）がさらに設けられることを特徴とする請求項３又は４に記載の連結装置。
【請求項６】
前記キャップマット（１０６）は、その縁部（１０７）が、中央部（３００）よりも高い剛性を備えた半剛性形態で設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の連結装置。
【請求項７】
前記キャップマット（１０６）は、前記圧力領域における過圧下で、前記繊維複合構造部材（１０２）の外形に沿って前記外形に殆ど完全に嵌合するように設けられていることを特徴とする請求項６に記載の連結装置。
【請求項８】
前記圧力キャップ（１０６，１０２，３０８）は、前記外周縁部（１０７）がその上に形成された剛性フレーム（１２０）を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の連結装置。
【請求項９】
前記過圧を供給するコンプレッサ（３０２）がさらに設けられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の連結装置。
【請求項１０】
前記繊維層（１０４）を昇温により硬化させる加熱エレメント（３０６）がさらに設けられることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の連結装置。
【請求項１１】
前記加熱エレメント（３０６）は、前記キャップマット（１０６）と一体的に形成されることを特徴とする請求項９に記載の連結装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの未硬化繊維層（１０４）を繊維複合構造部材（１０２）の表面部上に配置させるステップ（６００）と、
圧力キャップ（１０６，１２０，３０８）、及び、前記圧力キャップと共に圧力領域を限定するように前記圧力キャップ（１０６，１２０，３０８）の外周縁部（１０７）に圧密に連結される圧密キャップマット（１０６）を備える圧力クッション（３９０）とを、前記表面部（１１２）より上に配置させるステップ（６０４）と、
圧力領域（１１０）に過圧を発生させるステップ（６０８）と、
前記繊維複合構造部材（１０２）を、前記繊維複合構造部材（１０２）の、前記表面部（１１２）に対向する側面（４０２）で支持した状態で、前記過圧が前記キャップマット（１０６）を少なくとも１つの前記繊維層（１０４）に対して押し付けるように、前記圧力クッション（３９０）を前記繊維複合構造部材（１０２）の上に押圧するステップ（６１２）と、
少なくとも１つの前記繊維層（１０４）を硬化させるステップ（６１０）と、を備える繊維複合構造部材（１０２）の処理方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記繊維層（１０４）を前記キャップマット（１０６）により覆うステップ（６０２）と、
前記キャップマット（１０６）と前記繊維複合構造部材（１０２）とにより限定された低圧領域（１１４）をシーリングするステップ（６１４）と、
前記低圧領域（１１４）を減圧するステップ（６１６）と、をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の処理方法。
【請求項１４】
前記低圧領域（１１４）をシーリングする前記ステップ（６１４）は、前記キャップマット（１０６）を前記圧力キャップ（１０６，１２０，３０８）により前記繊維複合構造部材（１０２）上に押し付けることにより実行されることを特徴とする請求項１３に記載の処理方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの前記繊維層（１０４）を硬化させるステップ（６１０）は、前記繊維層（１０４）の樹脂マトリクスに応じて、特に１２５℃〜１８０℃の温度に前記繊維層（１０４）を加熱することにより実行されることを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の処理方法。
【請求項１６】
加えられる前記過圧（６０８）は、大気圧よりも少なくとも１バール高い圧力であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の処理方法。
【請求項１】
表面部（１１２）よりも上に配置される圧力キャップ（１２０，３８０）、及び、前記圧力キャップ（１２０，３０８）の外周縁部（１０７）に圧密に連結された圧密キャップマット（１０６）を備え、それにより、前記圧力キャップ（１２０，３０８）と前記キャップマット（１０６）とにより限定された圧力領域を形成する圧力クッション（３９０）と、
前記圧力領域に過圧を導入する圧力導入手段（１１８）と、
前記過圧により前記キャップマット（１０６）を繊維層（１０４）に押し付けるように前記圧力クッション（３９０）を繊維複合構造部材（１０２）上に押し付ける押圧アセンブリ（２００，４００，５００）と、を備え、
前記押圧アセンブリ（２００，４００，５００）は、前記表面部（１１２）とは反対側の面（４０２）である前記繊維複合構造部材（１０２）を支持するカウンタベアリング（４００）を備える、繊維複合構造部材（１０２）の表面部（１１２）上に配置された未硬化繊維層（１０４）を繊維複合構造部材に連結する連結装置（１００）。
【請求項２】
前記圧力クッション（３９０）の前記圧力キャップ（３８０）と前記キャップマット（１０６）とが、弾性材料により一体的に形成されることを特徴とする請求項１に記載の連結装置。
【請求項３】
前記圧力クッション（３９０）は、前記表面部（１１２）を囲むラインに沿って前記繊維複合構造部材（１０２）に接触するシーリング領域（３９２）をさらに備えることを特徴とする請求項２に記載の連結装置。
【請求項４】
前記圧力クッション（３９０）は、前記シーリング領域により取り囲まれた凹部（３９８）をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の連結装置。
【請求項５】
前記キャップマット（１０６）、前記繊維複合構造部材（１０２）及び前記シーリング領域（３９２）により画成された低圧領域（１１４）を減圧する減圧手段（３０４）がさらに設けられることを特徴とする請求項３又は４に記載の連結装置。
【請求項６】
前記キャップマット（１０６）は、その縁部（１０７）が、中央部（３００）よりも高い剛性を備えた半剛性形態で設けられていることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の連結装置。
【請求項７】
前記キャップマット（１０６）は、前記圧力領域における過圧下で、前記繊維複合構造部材（１０２）の外形に沿って前記外形に殆ど完全に嵌合するように設けられていることを特徴とする請求項６に記載の連結装置。
【請求項８】
前記圧力キャップ（１０６，１０２，３０８）は、前記外周縁部（１０７）がその上に形成された剛性フレーム（１２０）を備えることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の連結装置。
【請求項９】
前記過圧を供給するコンプレッサ（３０２）がさらに設けられることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の連結装置。
【請求項１０】
前記繊維層（１０４）を昇温により硬化させる加熱エレメント（３０６）がさらに設けられることを特徴とする請求項１から９のいずれかに記載の連結装置。
【請求項１１】
前記加熱エレメント（３０６）は、前記キャップマット（１０６）と一体的に形成されることを特徴とする請求項９に記載の連結装置。
【請求項１２】
少なくとも１つの未硬化繊維層（１０４）を繊維複合構造部材（１０２）の表面部上に配置させるステップ（６００）と、
圧力キャップ（１０６，１２０，３０８）、及び、前記圧力キャップと共に圧力領域を限定するように前記圧力キャップ（１０６，１２０，３０８）の外周縁部（１０７）に圧密に連結される圧密キャップマット（１０６）を備える圧力クッション（３９０）とを、前記表面部（１１２）より上に配置させるステップ（６０４）と、
圧力領域（１１０）に過圧を発生させるステップ（６０８）と、
前記繊維複合構造部材（１０２）を、前記繊維複合構造部材（１０２）の、前記表面部（１１２）に対向する側面（４０２）で支持した状態で、前記過圧が前記キャップマット（１０６）を少なくとも１つの前記繊維層（１０４）に対して押し付けるように、前記圧力クッション（３９０）を前記繊維複合構造部材（１０２）の上に押圧するステップ（６１２）と、
少なくとも１つの前記繊維層（１０４）を硬化させるステップ（６１０）と、を備える繊維複合構造部材（１０２）の処理方法。
【請求項１３】
少なくとも１つの前記繊維層（１０４）を前記キャップマット（１０６）により覆うステップ（６０２）と、
前記キャップマット（１０６）と前記繊維複合構造部材（１０２）とにより限定された低圧領域（１１４）をシーリングするステップ（６１４）と、
前記低圧領域（１１４）を減圧するステップ（６１６）と、をさらに備えることを特徴とする請求項１２に記載の処理方法。
【請求項１４】
前記低圧領域（１１４）をシーリングする前記ステップ（６１４）は、前記キャップマット（１０６）を前記圧力キャップ（１０６，１２０，３０８）により前記繊維複合構造部材（１０２）上に押し付けることにより実行されることを特徴とする請求項１３に記載の処理方法。
【請求項１５】
少なくとも１つの前記繊維層（１０４）を硬化させるステップ（６１０）は、前記繊維層（１０４）の樹脂マトリクスに応じて、特に１２５℃〜１８０℃の温度に前記繊維層（１０４）を加熱することにより実行されることを特徴とする請求項１２から１４のいずれかに記載の処理方法。
【請求項１６】
加えられる前記過圧（６０８）は、大気圧よりも少なくとも１バール高い圧力であることを特徴とする請求項１２から１５のいずれかに記載の処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５】
【図６】
【公表番号】特表２０１０−５２８８９９（Ｐ２０１０−５２８８９９Ａ）
【公表日】平成２２年８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−５１０８０７（Ｐ２０１０−５１０８０７）
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５７０１０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８８５０
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【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８月２６日（２０１０．８．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月５日（２００８．６．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＥＰ２００８／０５７０１０
【国際公開番号】ＷＯ２００８／１４８８５０
【国際公開日】平成２０年１２月１１日（２００８．１２．１１）
【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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