複合テープの敷設方法
複合部材および複合部材を形成するための関連する方法を提供する。複合部材が複数の細長いテープ（１２）から形成される。各テープが複数の自然な経路セグメント（７２ａ、７２ｇ）によって画定される経路（７０）に沿って配置され、自然な経路セグメントのそれぞれは隣接セグメントに対して非自然なオフセット角（７６）を画定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年１０月５日に出願された米国仮特許出願第６０／６１５，８９５号の利点を主張し、その全体を本願明細書において援用する。
【０００２】
発明の背景
１）発明の分野
本発明は複合構造物の製造に関し、より詳細には、起伏のある構成に細長いテープを敷設するかまたは配置して複合構造物を形成するための装置および関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２）関連技術の説明
複合部材は、一般的に、マトリクス材に配置される補強材で形成される。たとえば、補強材はグラファイトなど繊維材料であってもよく、マトリクス材は樹脂状ポリマー材料であってもよい。１つの従来の製造方法によると、複数の細長い複合テープを敷設して部材の層を徐々に重ねる（ｂｕｉｌｄ）ことによって、複合材料が複合部材の所望の形状に配置される。起伏テープ敷設機（ＣＴＬＭ）を使用して複合部材の形状を画定するマンドレルにテープの第１の層を配置することによって、複合部材を形成するための自動操作を開始することができる。ＣＴＬＭは、ロールまたは他のテープの供給物を含み、これは所望の構成でマンドレル上にテープを案内するテープ配置ヘッドを用いてマンドレル上に送り出される。すなわち、テープ配置ヘッドがマンドレルとヘッドの間に相対運動を与えるので、ヘッドはマンドレルの表面にわたって移動する。ヘッドは通常、マンドレルが完全におおわれるまで定められたパターンでマンドレル上に繰り返された経路を作成し、表面にわたる連続したヘッドの経路によって、さらなるテープの層が重ねられる。圧縮ローラがマンドレルまたはすでに配置されたテープの層にテープを押圧し、テープの多重の層の接着を容易にする。
【０００４】
この従来のＣＴＬＭは、テープを正確に配置することができ、自動プロセスによって、複合部材を形成することのできる速度を増大することができる。さらに、ＣＴＬＭは、一般的に、選択されたマンドレルの表面に対応する様々な構成でテープを敷設でき、それによって複合部材を所望の形状に形成する。複雑な起伏の表面を製造するための１つの従来の方法では、自然な経路、すなわち、テープを最小限に圧力を加えるかまたはしわを寄せてテープがそれに沿ってマンドレルに略平坦に配置されることの可能なコースに沿って、第１のテープがマンドレル全体に配置される。起伏のあるマンドレルのために、自然な経路は通常は湾曲している。第１のテープが自然な経路に沿って配置されたあと、後続のテープが第１のテープと類似した方向に、すなわち第１のテープに略平行にマンドレル全体に延びる自然な経路に沿って配置される。しかしながら、マンドレルの複雑な起伏のために、隣接のテープの自然な経路は、それらの全長に沿って平行ではない。通常は、テープは、隣接するテープのいかなる重なり（すなわち、「ラップ」）を避けつつ、できる限り近くに配置されるのは、テープの重なりによって結果として生じる複合部材の強度が低減する可能性があるためである。したがって、自然な経路に沿って配置される隣接のテープの縁部は、その間の空間または「間隙」を画定し、この間隙のサイズはテープの長さに沿って変動可能である。間隙は、結果として生じる複合部材の強度を低減させる可能性もある。場合によっては、結果として生じるラップおよび／または間隙のための強度の低減が、部材を形成するためのＣＴＬＭの使用を妨げるのに十分に大きくなり得る。
【０００５】
それゆえに、複雑な構成を画定しつつ隣接のテープによって画定されるラップおよび／または間隙を減少させるかまたは最小限に抑え、かつ実質的に配置されたテープにしわを
つくらずにこのことを行うための、テープを配置するための装置および方法が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の要旨
本発明は、複合部材および関連する複合部材を形成する方法と装置とを提供する。この方法は、複雑な構成を有する複合部材を形成するために複合テープを配置するのに使用されてもよい。この方法は、ラップ、間隙、しわ、および／またはテープの他の所望されない不均一性の発生を低減または最小限に抑えることができる。
【０００７】
１実施形態によると、本発明は、複合部材の所望の起伏に形状が対応する起伏表面が、略平行な構成の複数の細長いテープを支持するために設けられる方法を提供する。各テープは、マトリクス材に配置される複数の補強部材を含み、複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って配置される。各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然な角度を画定し、各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するため、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される。通常は、テープは、テープが実質上しわになることなく表面に配置される。
【０００８】
表面の起伏を決定し、少なくとも表面の一部にわたる第１の経路を決定し、第１の経路に隣接する第２の経路の各自然な経路セグメントの構成を計算することによって、各経路の構成を決定してもよく、各自然な経路セグメントの第１の端部は隣接セグメントに対するオフセット角を画定するので、各自然な経路セグメントの第２の端部が第１の経路からの所定のオフセット距離を画定し、オフセット距離は所定のオフセット距離間隔内にある。たとえば、各自然な経路セグメントのオフセット角を所定の最大のオフセット角よりも小さくして自然な経路セグメントを計算することができるので、細長いテープがしわ無く配置されるように構成される。さらに、各自然な経路セグメントの第２端部のオフセット距離間隔を最大の所定のオフセット距離間隔よりも小さい目標距離にほぼ等しくして、自然な経路セグメントを計算することができる。
【０００９】
より詳細には、第２の経路の自然な経路セグメントうちの第１の経路セグメントの構成は、第２の経路の両側の端部の間の部分的な位置で計算することができ、各連続した経路セグメントの第２の端部が経路セグメントのうちの連続した１つの第１の端部を画定して、第２の経路の連続した自然な経路セグメントの構成は、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントから反対方向に計算されることができる。自然な経路セグメントのうち第１の経路セグメントの構成を計算する前に、第１の経路に隣接する自然な経路の構成を計算してもよく、その間の最小の横の距離を画定する第１の経路に隣接する自然な経路の部分を決定してもよい。したがって、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成は、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を、最小の横の距離を画定する自然な経路の部分に位置が対応する点で計算することを含んでもよい。
【００１０】
細長いテープが自動テープ敷設装置の供給ロールから配置され、圧縮装置で起伏表面に押圧されることができる。各テープは複数の部分に配置可能であり、各部分は少なくとも供給されるおよそテープの長さであり、自動テープ敷設装置の供給ロールおよび圧縮装置の間に支持される。
【００１１】
別の実施形態によると、本発明はまた、起伏表面を画定するのに略平行な構成で配置される複数の細長いテープを含む複合部材を提供する。各テープは、マトリクス材に配置さ
れる複数の補強部材を含み、複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って配置される。各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然なオフセット角を画定し、各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するので、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される。細長いテープはしわ無く配置されることができる。たとえば、各テープの隣接部分は、約４度以下または約０．５度以下の非自然なオフセット角を画定することができる。通常はテープの長さに応じて、テープは自然な経路セグメントに沿って配置される種々の数の部分を画定することができる。たとえば、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定して、各セグメント（およびそれゆえに、テープのそれぞれ連続的な部分）が約６インチから３フィートまでの間など約３インチから６フィートまでの間の長さを画定することができる。
【００１２】
このように本発明を一般的な条件で記載してきたが、次に添付の図面を参照することとする。これらの図面は必ずしも尺度通りに描かれていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明は、添付の図面参照しつつより完全に以下に説明することとする。本発明のいくつかの実施形態を示すが、すべてを示すものではない。実際にこの発明は多くの異なる形態で実施可能であり、本願明細書において説明される実施形態に制限されるものとして解釈されるべきでない。むしろこれらの実施形態が提供されるので、この開示が適用可能な法的要件を満たすこととなる。同じ数字は全体にわたって同じ要素を表す。
【００１４】
次に図面、特に図１を参照する。本発明の１実施形態による、複合部材１４を形成する間の細長いテープ１２を配置するための装置１０が、略図で示されている。装置１０は、様々な材料の、種々の構成を有する複合部材１４を形成するのに使用可能である。特に、装置１０は、マトリクス材に配置される補強材を含む１つ以上の細長いテープ１２を配置するのに使用可能である。テープ１２は、種々のサイズおよび形状で提供されることができ、通常は、３インチ、６インチまたは１２インチの幅を有する長い長方形のストリップである。通常、補強材は複数の繊維状の部材であり、繊維状の部材は、繊維、ストランド、ひもなど織成されたか不織のマット、および、ガラス繊維、金属、鉱物、伝導性または非伝導性のグラファイトまたは炭素、ナイロン、Ｅ． Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標であるＫｅｖｌａｒ（登録商標）などのアラミドなどその他材料等である。各テープ１２は通常、マトリクス材を含み、補強部材がその中に配置される。しかしながら、場合によっては、テープ１２はマトリクス材なしで形成されてもよく、マトリクス材は別々に配置されてもよい。いずれにせよ、マトリクス材は、熱可塑性プラスチックや熱硬化性重合樹脂など種々の材料を含むことができる。典型的な熱硬化性樹脂は、アリル、アルキドポリエステル、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、エポキシ、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリウレタン類（ＰＵＲ）、ポリ尿素−ホルムアルデヒド、シアン酸塩エステルおよびビニルエステル樹脂を含む。典型的な熱可塑性樹脂は、以下を含む。すなわち、液晶ポリマ（ＬＣＰ）と；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、およびポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）を含むフッ素樹脂と；Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＬＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｔｈｏｒｎｔｏｎｓ Ｃｌｅｖｅｌｅｙｓ
Ｌａｎｃａｓｈｉｒｅ， ＵＫの商標であるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（登録商標））を含むケトンを主成分とする樹脂と；ナイロン−６／６、３０％のガラス繊維などのポリアミドと；ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）と；ポリアミドイミド（ＰＡＩＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）と；ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびポリ（フェニレンテレフタラート）を含むポリエステル
熱可塑性プラスチックと；ポリスルホン（ＰＳＵ）と；ポリ（フェニレンサルファイド）（ＰＰＳ）とを含む。
【００１５】
さらに以下に考察されるように、テープ１２は、複合部材１４の所望の構成を画定するために配置されることができる。特に、テープ１２は、種々のサイズおよび形状の部材を形成するために配置されることができる。たとえば、図２に示す複合部材１４は、航空機の翼である。別の実施形態において、複合部材１４は、他のエーロフォイル、航空機のボディパネル、航空宇宙ビークルおよび構造物のための他の部材、自動車、船舶用車両または他の車両の構造部材などとして使用可能である。場合によっては、複合部材１４は、複雑なジオメトリーを画定することができる。たとえば、多重の軸を中心として湾曲している１つ以上の起伏が、屈曲部、開口部または他の不規則な形状などを画定する。
【００１６】
装置１０は、複合部材１４の所望の形状に対応する構成で細長いテープ１２を配置するために使用されるテープ配置ヘッドを概ね画定することができる。たとえば、図１に示すように、装置１０は、マンドレル１６、すなわち、ついでテープ１２およびそれゆえに複合部材１４に与えられる起伏表面１８を有する工具上に細長いテープ１２を配置することができる。さまざまなマンドレルが使用可能であり、マンドレル１６が様々な起伏を画定できることが理解される。特に、マンドレル１６の表面１８は、隣接するテープ間で生じるラップや間隙無く長方形のテープを配置することがその上では困難であるか不可能であろう複雑な起伏を画定することができる。また、本願明細書においてテープ１２がマンドレル１６「の上に」配置できると概して記載されているが、テープ１２の第１の層をマンドレル１６の上に直接配置してもよく、後続の層を前の層の上に配置してもよいことが理解される。
【００１７】
装置１０は、１つ以上の細長いテープ１２の供給物を含み、供給物は送り出され起伏表面１８上に配置される。たとえば、テープ１２が、装置１０に取り付けられるスプール２２に支持されるロール２０などのディスペンサで供給されることができる。場合によっては、ディスペンサは、マンドレル１６に同時に配置されるように多重のテープ１２を提供する多重ロールまたは他の供給装置を含んでもよい。あるいは、単一のテープ１２が１つ以上の部分に配置されてもよい。たとえば、単一のテープ１２がマンドレル１６に連続して配置される多重の部分に切断されてもよく、または、単一のテープ１２は切断されることなく連続的に単一の部分としてマンドレル１６に配置されてもよい。すなわち、本願明細書において述べられている「複数のテープ」または「多重のテープ」は、複数の隣接する細長い部分を画定するテープの単一の部分として配置されることができる。
【００１８】
図１に示す実施形態において、ロール２０を支持するスプール２２が回転可能に取り付けられるので、テープ１２がそこから送り出されることができる。テープ１２が、ロール２０から、マンドレル１６上のテープ１２の配置を制御する配置ガイドまで供給される。配置ガイドは図示しているような回転可能に取り付けられるローラ２４であってもよいので、ローラ２４がマンドレル１６とともにころがり接触しながら、装置１０がマンドレル１６の表面１８にわたって移動可能となる。したがって、装置１０は、ローラ２４を介してマンドレル１６に概ね向かう方向の力を加えることができるので、圧縮ローラ２４がテープ１２上に圧力をかけ、圧縮領域でマンドレル１６を押圧する。ローラ２４はまた、取付け台２７によって調節可能に取付け可能であり、取付け台２７は装置１０の残り部に対して調整できるので、ローラ２４がテープ１２およびマンドレル１６に様々な圧力を加えることができ、そうでない場合にはテープ１２の配置を制御することができる。圧縮ローラ２４が表されているが、圧縮シューまたはプレス機など他のタイプの圧縮装置が利用されてもよい。
【００１９】
装置１０は、駆動アセンブリ２６によってマンドレル１６に対して移動する。このこと
を概略的に図１に示す。駆動アセンブリ２６は、空圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータ、電気モータまたは電気サーボ、および／または、チェーン機構、歯車機構またはシャフトドライブ機構など、種々の駆動装置を含むことができる。マンドレル１６の表面１８にわたりテープ１２を配置するためにマンドレル１６に対して装置１０の所望の相対的な配置を達成するのに、駆動アセンブリ２６が装置１０またはマンドレル１６を移動するよう構成されることができる。通常は、テープ１２の１つ以上の部分を各経路に配置して、装置１０がマンドレル１６の表面１８に沿って多重の経路内を略線形に移動する。たとえば、装置１０は、マンドレル１６の第１の端部２８から反対端３０まで移動して１つ以上のテープ１２を配置することができ、ついで第１の端部２８に戻り、前の経路に配置されたこれらのテープ１２に隣接するさらなるテープ１２を配置するために同じ方向で別の経路を開始することができる。あるいは、装置１０は、位置および／または方向を各経路間で調整して、マンドレル１６のまわりの連続する経路に１つ以上のテープ１２を巻きつけることができるので、テープ１２が隣接部分に配置される。
【００２０】
装置１０はまた、種々の他の構成要素を含んでもよい。たとえば、ローラ３２は、装置１０を通してテープ１２を案内するのに使用可能である。任意の数のローラ３２、３４が設けられてもよく、場合によっては、テープ１２の運動を制御するために、いくつかまたはすべてのローラ３２、３４が、モータまたは他のアクチュエータによって駆動されてもよい。さらに、装置１０は、通常は、テープ１２および／またはマンドレル１６を加熱するための加熱装置３６を含む。この加熱装置３６は、レーザ、レーザーダイオードアレイ、高温ガストーチ、電熱器、などであってもよい。加熱装置３６は、通常は十分なエネルギを供給し、一度圧縮力を受けたテープ１２が下にあるテープ１２に接着することができるようになる。
【００２１】
加熱装置３６は、アレイを形成する多重のレーザダイオードなど多重の独立した加熱要素を含んでもよい。各加熱要素は他のレーザダイオードから独立した方法でエネルギ源に連結されることができるので、各加熱要素トの動作電力は他の加熱要素とは無関係に制御可能である。このような加熱装置は、２００２年９月１７日に発行され本出願の譲受人に譲渡された「自動化配置の間に複合材料を加熱し複合材料の温度を制御するための方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｄｕｒｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）」と題されるホームズらの米国特許番号第６，４５１，１５２号にさらに記載されており、その全体を引用によって本願明細書に援用する。さらに、米国特許第６，４５１，１５２号に記載するように、マンドレル１６に配置される前および／または後で、テープ１２によって画定可能な特定の領域またはゾーンを加熱するためにそれぞれが構成されるように、個々の加熱要素が配置されることができる。したがって、加熱要素のうちの１つ以上の動作電力を変更することによって、テープ１２のうちの特定の１つまたはテープ１２のうちの特定の領域の加熱が、他のテープ１２の加熱とは無関係に制御されることができる。ゾーンの均一でない加熱が望ましくなり得るのは、たとえば、テープ１２が同一のサイズでない場合や、または同一材料でできていない場合、そしてその結果、配置するためのテープの最適温度を得るのに異なるエネルギ量を必要とする場合である。また、マンドレル１６のジオメトリーのため、異なる量の加熱が望ましくなり得る。
【００２２】
加熱装置３６が、加熱装置３６を制御するために構成されるコントローラ４０と、電気的に接続されてもよい。コントローラ４０は、たとえば点検、速度制御、温度および速度の検出、欠陥のマーキングなどに一体化された機能など他の機能を果たすこともできる。たとえば、装置１０は、カメラ、温度センサ、予め配置された検出器、タックモニタリング装置、およびテープ１２を監視するためのその他を含む点検システム４２を有していてもよい。さらに、装置１０は、複合部材１４の欠陥または他の指定された部分をマークす
るためのマーキング装置を含んでもよい。
【００２３】
それぞれの細長いテープ１２は、複数の自然な経路セグメントによって画定される変形経路５０に沿って配置されることができる。「自然な経路」という用語は、測地的曲線、すなわち、その測地的曲率があらゆる点でゼロと等しいために表面に対して局所的に直線である曲線を意味する。測地的曲率は、表面上にある曲線のコンテキストに画定されることのできる特別な種類の曲率である。曲線を平面におくと、その曲線が表面に接触する各点では接平面と呼ばれる平面が構成されることができ、この平面は表面上の隣接した点の群に対して最も平坦に近いものである。もし、与点において、その点で接平面に対して垂直に突出する（すなわち見られる）ときに曲線が直線に見える場合、その時曲線はその点においてゼロの測地的曲率を有する。測地的曲線（または自然な経路）は、あらゆる点でその長さに沿ってこの特性を有する。表面上に２つの異なった点を与えられると、それらの間の最も短い経路が測地的曲線である。
【００２４】
本発明による各変形経路５０は、セグメントが接合する点で非自然なオフセット角を画定する複数の自然な経路セグメントを含む。すなわち、変形経路５０の各セグメントが、自然な経路を画定する。しかしながら、変形経路が２つの隣接セグメントが接合する点で接平面に対して垂直に突出する場合、ついで、突出したセグメントは、その突出した点ではゼロでないオフセット角を画定する。したがって、変形経路は、隣接セグメントが接合する点でゼロに等しい測地的曲率を有さず、それゆえに、自然な経路でない。
【００２５】
したがって、テープ１２を本発明の変形経路５０に沿って配置して、各テープ１２は複数の連続的な部分を画定し、各部分は自然な経路セグメントのうちの１つに対応する。各経路５０の各セグメント、したがって各テープ１２の各部分は、線形であってもよく、または非線形であってもよい。たとえば、表面の平面部分にわたる自然な経路は線形である。しかしながら、起伏のあるマンドレル１６にわたる自然な経路は非線形であり、表面１８の構成に応じて１つ以上の寸法に関する曲率を画定することができる。
【００２６】
複合部材１４を形成するための各テープ１２の経路５０を決定する１つの方法を、図４から図８に示す。図４は、参照番号１２ａによって個々に示すテープ１２のうちの第１のテープの中心線５２ａに対応する第１の経路５０ａを示す。複合部材１４を形成するために最初に起伏表面１８に配置されるテープは、通常は、マンドレル１６の長手方向の端部２８、３０の間にマンドレル１６の横の端部２９、３１の間の位置で延びる自然な経路に沿って配置される。たとえば図３に示すように、任意の他のテープ１２の前に第１のテープ１２ａがマンドレル１６に配置されることができ、自然な経路に沿って配置される。後続のテープ１２は、第１のテープ１２ａに概して平行に第１のテープ１２ａの両側に配置される。明確に示す目的のために、第１のテープ１２ａの中心線５２ａを図３に示す。図３に示すように、第１のテープ１２ａの中心線は、３次元曲線、すなわち多重の平行でない軸を中心として湾曲する線を画定する。
【００２７】
再び図４を参照する。経路５０ａの実際の構成が図３に示すようにテープ１２ａの中心線５２ａに対応するように湾曲しもよいが、明確に図示するために、第１のテープ１２ａの経路５０ａは（テープの中心線５２ａに対応して）直線の構成で図示されている。第１の経路５０ａは、自然な経路、すなわち、最初に起伏表面１８に配置されることになるテープ１２の経路５０であってもよい。あるいは、図４に示す第１の経路５０ａは、以下に記載される方法によって計算されるセグメント化された経路であってもよい。すなわち、「第１の経路」および「第１のテープ」という用語は、前述のテープを述べる便宜のために以下に使用される。このテープは、経路５０ａがそのために計算されていて、参照のために第１の経路５０ａに後続する隣接の第２の経路５４の構成を計算するのに使用されていて、それに沿って第２のテープが第１のテープ１２ａに隣接して配置されることになっ
ている。テープ１２は、種々の経時的な順番で表面１８に配置されることができる。さらに、図４から図８は実際のテープ１２を示していない。実際に、図４から図８は、テープ１２の経路５０の決定を表し、テープ１２のうちのいくつかまたはすべてがマンドレル１６に配置される前に経路５０を決定することができる。たとえば、テープ１２の経路５０は数値によって決定されることができるので、ついで、計算された経路５０にしたがってテープ１２を配置さすることができる。
【００２８】
第１のテープ１２ａに近接して配置されることになっている個々に参照番号１２ｂによって示す第２のテープ１２のための第２の経路５０ｂを決定するために、第２の経路５０ｂの第１の点（または開始点）５４は、第１のテープ１２ａの経路５０ａから横方向の距離で画成される。具体的には、第１の点５４は、通常は第１のテープ１２ａの経路５０ａから横方向に、テープ１２の幅とほぼ等しい距離で配置される。したがって、第１のテープ１２ａを第１の経路５０ａに沿って配置し、第２のテープ１２ｂを第２の経路５０ｂに沿って配置して、テープ１２ａ、１２ｂの横の縁部５６は相互に近接する。テープ１２ａ、１２ｂの中心線５２ａ、５２ｂは、テープ１２の幅よりもわずかに離されてもよく、テープ１２の間に小さな間隙を設ける。具体的には、第１の点５４はテープ１２の幅よりわずかに横方向にずれていてもよいので、テープが１２ａ、１２ｂがその間の所定のオフセット距離間隔内にあるオフセット距離を画定する。所定のオフセット距離間隔は、最小のオフセット距離、最大のオフセット距離、および、最小と最大の距離の間にある目標（または所望の）オフセット距離によって画定されることができる。
【００２９】
ついで、概して表面１８の端部２８、３０のうちの１つに向かう方向にある第２の経路５０ｂの構成が、複数の自然な経路セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃにおいて決定される。図６に示すように、第１のセグメント５８ａが第１の点５４から延びる。すなわち、第１のセグメント５８ａの第１の端部が第１の点５４によって画定され、その反対側のセグメント５８ａの第２の端部が、所定のオフセット距離間隔内の距離で第１の経路５０ａから横方向にも配置される後続の点によって画定される。図７および図８に示すように、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第２の点は、同じ経路５０に沿った連続したセグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第１の点である。各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの構成は、反復処理を使用して決定することができる。この処理では、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃが均一であるか固定されたセグメント長を有し、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第２端部（セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの中心線５０ｂによって画定されるように）が、第１の経路５０ａから所定のオフセット距離間隔内で保持されるように、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第２の端部が計算される。さらに、所定のオフセット距離間隔内でもあるそれらの長さに沿って間隙を画定するように、第１および第２のテープ１２ａ、１２ｂを作製することができる。たとえば、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃのそれぞれの１つの第２の端部は、図５に示すように、第１の経路５０ａから横方向に配置される座標位置に目標のオフセット距離で最初に設定することができる。ついで、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの起伏（したがって、対応するテープの部分）が決定されるので、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃが第１および第２の点の間で表面１８に沿って自然な経路に追従する。起伏表面上の２つの点の間にある自然な経路の構成は、表面１８にしたがってテープ１２の構成を数学的にモデル化することなどによって、種々の既知の方法を使用して決定されてもよい。第１および第２のテープ１２ａ、１２ｂ間の間隙は、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの全長に沿って決定される。間隙が間隔の外にある場合、すなわち最小のオフセット距離よりも小さいか、または最大のオフセット距離よりも大きい場合、ついで、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの方向はわずかに変形する（図６）。すなわち、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、第１の点５４からわずかに異なる角度で延びるように作製される。セグメントはわずかに異なる角度で第１の点から延びるが、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、自然な経路をその端部の間になお画定することとなる。セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの向きは、通常は最
小限に変形されるので、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの全体の横の縁部５６は、第１のテープ１２ａで所定のオフセット距離間隔内の間隙を画定する。
【００３０】
したがって、第２の経路５０ｂの第１のセグメント５８ａの構成が決定されたあと、第１のセグメント５８ａから起伏表面１８の端部３０に向かって延びる連続したセグメント５８ｂ、５８ｃの構成が、図８に示すように経時的な方法で同様に決定される。さらに、第２の経路５０ｂの構成は、図８に示すように、第１の点（開始点）５４から起伏表面１８の反対端２８に向かう方向に同様に決定され、セグメント５８ｄ、５８ｅ、５８ｆを含む。各経路５０は、任意の数のセグメントを含むことができ、したがって、各テープは任意の数の対応する連続的な部分を画定することができる。集合的に参照符号５８によって示される各セグメントは自然な経路を画定し、セグメント５８は、経路５０にしたがって配置されるテープ１２の中心線５２によって、第１および第２のテープ１２ａ、１２ｂの横の縁部５６がその間の所定のオフセット距離間隔内の間隙を画定するように画定される。最大および最小の間隔の数値は、結果として生じる複合部材１４の特性、複合部材１４の要件および表面１８の起伏度に関する間隙およびラップの影響によって決定されてもよい。場合によっては、間隔の最小値は、ゼロまたは小さな負値でさえあってもよい。
【００３１】
すべての経路の構成は、テープ１２のいくつかまたはすべてが起伏表面１８に配置される前に決定されてもよい。すなわち、経路５０の構成を決定する前述の方法が理論的にまたは数値によって行われてもよく、ついで、テープ１２がそれに応じて配置されてもよい。たとえば、計算された経路５０の構成が、電子的に装置１０のメモリ４４に保存されることができ、ついで、テープ１２は、それぞれの経路５０の算出された構成にしたがって装置１０によって配置されることができる。
【００３２】
複合部材１４を製造する１つの方法によると、起伏表面１８の起伏はモデル化され、数値によって、たとえばマンドレル１６の起伏表面１８上の点の代表的な複数の座標データ数値としてコンピュータ装置に保存される。コンピュータソフトウェアプログラムの命令にしたがって動作するコンピュータなどプログラム可能な論理デバイスが、経路５０の構成を計算するのに使用可能であり、経路５０の構成は、複合部材１４の製造において後に使用するために保存可能である。たとえば、経路５０の構成は、経路５０を画定する複数の座標データ点として保存可能である。経路５０を示す座標データ点は、コンピュータのデータベースまたは別の電子機器の記憶装置に保存可能である。その後、たとえばデータベースに保存したデータ点は、複合テープ１２を配置して複合部材１４を形成するために装置１０の運動を制御するのに使用可能である。たとえば、データ点は、装置１０の運動の特徴である命令を生成するのに使用可能であり、これらの命令はメモリ４４に保存可能であるか、そうでない場合は、複合部材１４を製造する間に装置１０を制御するために備えることができる。
【００３３】
上述の通り、それぞれの経路５０のそれぞれのセグメント５８が、各セグメント５８の両側の端部の点の間に延びる自然な経路を画定する。しかしながら、各経路５０のセグメント５８は、共に自然な経路を画定しない。すなわち、セグメント５８は、非自然な角度で接合される。したがって、各テープ１２は複数の部分として配置されることができ、各部分は長さおよび位置がセグメント５８のうちの１つに対応している。各テープ１２は、連続的に部分を画定する。すなわち、各テープ１２は、その端部の間を中断または切れ目なく連続性があり均一となることができ、テープ１２の端部間に複数の部分を含む。しかしながら、それぞれ一対の隣接部分の間で、各テープ１２が非自然な角度を画定し、そこでテープ１２が自然な経路からわずかに分岐する。したがって、通常はテープ１２が結果としてしわになるのに十分な圧力を加えられないのは隣接セグメント（したがって、テープ部分）が配置される角度の差異が後述するように通常は比較的小さいためであるが、各テープ１２はこの角度でわずかに圧力を加えられることができる。
【００３４】
非自然な角度の数値は、各経路５０の各セグメント５８の構成を決定した結果である。各非自然な角度は、起伏表面１８上の同じ点を通って延びる自然な経路に生ずるであろう角度からわずかにずれている角度によって外れる。そうでない場合には起伏表面１８上の同じ点で自然な経路によって画定されるであろう自然な角度に対する各非自然な角度のオフセットの量は、最大のオフセット角に制限されることができる。セグメント（したがって、テープ部分）の間の最大のオフセット角は、テープ１２がそれに一致することとなる起伏、テープ１２の物理的特性、装置１０の構成などで影響を受けてもよい。たとえば、最大のオフセット角は、テープ１２の幅、厚さおよび剛性と、タッキングの量またはテープ１２の粘着性、したがってテープ１２が下位層に十分に接着する方法と、装置１０の圧縮装置の幾何学的構成などで影響を受けてもよい。通常は、隣接セグメント５８（したがって、テープ部分）の間の最大のオフセット角は、約３度または４度未満であり、より一般的には０．５度未満である。場合によっては、隣接セグメント（したがって、テープ部分）５８の間の最大のオフセット角は、約０．１度未満または０．００１度未満でさえある。
【００３５】
各テープ１２は、任意の数の非自然な角度と、その間にある任意の数のセグメント５８（したがって、テープ部分）とを画定することができる。たとえば、多数の角度および経路は、各テープの各経路の長さ、テープの経路の複雑さ、自然な経路から、または、隣接するテープの経路からのテープの最大の所望のずれ、およびテープの材料の物理的特性によって、決定されることができる。本発明の典型的な１実施形態において、各テープの各連続的な部分は、約３インチから６フィートまでの間の長さ、たとえば約６インチから３フィートまでの間の長さを有する。したがって、１実施形態において、１８フィートの長さを有するテープ１２は、約３個と７２個の間の連続的な部分（したがって、連続的な部分の間に約２個と７１個の間の非自然な角度間）を有することができ、または、約６個と３６個の間の連続的な部分（したがって、連続的な部分の間に約５個と３５個の間の非自然な角度間）を有することができる。しかしながら、特定の構成を達成するために必要に応じて、異なるテープは異なる数の部分（したがって、セグメント５８）と非自然な角度とを画定することができることが理解される。
【００３６】
図４から図８を参照しつつ記載されているように、テープ１２の経路５０は、開始点５４から起伏表面１８の端部２８、３０の間に決定され、開始点５４から反対方向に外方に計算される。開始点５４は、それぞれの経路５０の中間点であってもよい。特に、各経路５０の出発点５４の位置は、すでに計算された経路５０の中間点によって決定されてもよい。あるいは、開始点５４は、中間点以外、たとえば起伏表面１８の端部２８、３０のうちの１つにより近くに、または起伏表面１８の一端２８、３０にさえ配置されることができるので、ついで、経路５０が単一の方向に沿って反対端２８、３０に向かって決定されることができる。
【００３７】
１実施形態において、開始点５４は、経路５０の部分に近接して配置され、ここではセグメント５８（したがって、テープ部分）間の角度を変形することなくテープ１２が重なり合う可能性がある。すなわち、第２の経路５０ｂのための自然な経路セグメント５８が決定される前に、自然な経路は第１の経路５０ａに隣接して決定されてもよい。通常は、自然な経路は、第１の経路５０ａに対して正確に平行ではない。したがって、２つの経路５０ａ、５０ｂの間の横の距離は、経路５０ａ、５０ｂに沿って変動する。すなわち、経路５０ａ、５０ｂの１つ以上の部分で、２つの経路５０ａ、５０ｂが最小の横の距離を画定する。第２の経路５０ｂの構成を計算するための開始点５４は、最小の横の距離が画定される自然な経路の部分に起伏表面１８上の位置が対応する点に配置されることができる。換言すれば、第２の経路５０ｂの経路を計算するための開始点５４は、第２のテープ１２ｂが自然な経路に沿って配置される場合に、テープ５０ａ、５０ｂの重なりがおそらく
生ずるであろう表面の部分に対応することができる。このような開始点の使用によって、各経路５０の連続したセグメント５８間に過度のオフセット角を使用せずに、結果として最小のラップおよび間隙が生じ得ることが考えられる。いずれにせよ、テープ１２は、２つの端部２８、３０の間を繰り返し移動して各経路にテープ１２のうちの１つ以上を敷設する装置１０によって、起伏表面１８の一端２８、３０から他端２８、３０まで連続的に配置されることができる。
【００３８】
図９から図１１は、テープ１２の経路５０のセグメント５８間の非自然な角度の調整の効果を示す。具体的には、図９は、起伏表面１８にわたる自然または測地的な経路を示す。図１０は、少なくともいくつかの隣接するセグメント５８が非自然な角度を画定する、図９の自然な経路と本発明によって決定された変形経路５０と複数の自然な経路セグメント５８から形成される経路との比較を示す。具体的には、図９の自然な経路６０は、８つの点６４ａから６４ｈによって画定される７つのセグメント６２ａから６２ｇを含む。経路６０の隣接セグメント６２ａから６２ｇの間の６つの点６４ｂから６４ｇで、経路６０は自然な角度を画定する。同様に、７つのセグメント７２ａから７２ｇを有する本発明による変形経路７０が、点７４ａから７４ｈを備えて図１０に示される。しかしながら、第２のおよび第３のセグメント７２ｂおよび７２ｃの間の角度は非自然な角度である。すなわち、角度が自然な角度からオフセット角７６によって変形され、したがって、セグメント７２ｂ、７２ｃの経路が自然な経路から変形する。実際に、角度が比較的わずかに変形することによって、経路７０の構成にかなり影響を与える可能性があることが示されている。したがって、隣接テープ１２間の間隙および／またはラップが、最小限に抑えられ、除去され、そうでない場合には最適化されることができる。この点に関しては、図１０に示すオフセット角７６が、説明のために一般に利用されるものよりもいくぶんより大きくなるように示されていることに注意されたい。
【００３９】
図１１は、図１０の経路へのさらなる変形を示す。図１１の変形経路８０は、７つの点８４ａから８４ｇによって画定される６つのセグメント８２ａから８２ｆを含む。特に、変形経路８０は、図１０に示す経路７０の第３の点７４ｃ、すなわち、図１０に示す図９の自然な経路６０からの経路７０のずれの第１の点を省略する。いかなる特定の理論にも制限されることを意図としないが、考えられるのは、第１の変形経路が最初に自然な経路から外れる１つ以上の点の省略することによって、変形経路の平滑度を改良することができ、それによって、テープ１２の応力、テープ１２間のしわ、および／またはラップや間隙がおそらく低減することである。図１２は、起伏表面１８に配置されるテープ９０を示し、テープ９０は部分９２ａから９２ｆを画定し、部分９２ａから９２ｆのそれぞれは図１１の経路８０の経路セグメント８２ａから８２ｆに対応する。
【００４０】
経路５０、７０、８０のセグメント５８、７２ａから７２ｇ、８２ａから８２ｆ、したがってテープ１２の部分は、種々の長さを有することができる。本発明の１実施形態において、それぞれのセグメント５８は、テープ１２とローラ２４の供給ロール２０または他の圧縮装置の間の距離と少なくともほぼ同じ長さである、すなわち、そのために、装置１０内のロール２０から送り出される任意のテープ１２が、各テープ１２の方向がそれぞれの経路によって画定される後続の非自然な角度で修正される前に、マンドレル１６上に配置されることができる。あるいは、テープ１２がローラ３２または他の支持構造物などによってロール２０および圧縮装置の間に支持される場合、各セグメント（したがって、テープ１２の各対応する部分）が、少なくとも圧縮装置とロール２０または他の支持構造物の間の少なくともおよそ距離である長さを有することができる。たとえば、１実施形態において、各セグメントは、少なくとも約３０インチの長さを有する。
【００４１】
各テープ１２は、通常はその長さに沿って均一幅を有する、すなわち、そのために、各テープの横の縁部５６が線形であり互いに平行である。しかしながら、場合によっては、
縁部５６の一方または両方が非線形であり、および／または、縁部が非平行であってもよい。たとえば、各テープ１２の縁部５６のうちの１つが、敷設操作の前か間に切り取られることができる。このような方法で、テープ１２はさらに加工物の種々の起伏に適応し、および／または、テープ１２間のラップまたは間隙を減少するのに適合可能となる。テープ１２を切り離すかまたは切断するための装置および方法は、２００５年３月２４日に出願され、「複合テープの輪郭を切断するための装置および方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｔａｐｅ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ）」と題する、米国特許第１１／０８８２８８号にさらに記載されており、その全体を引用によって本願明細書に援用する。
【００４２】
この発明が関する本発明の多くの変形および他の実施形態は、前述の説明および関連する図面に示される教示の助けをかりて当業者に考えられるであろう。それゆえに、本発明は、開示されている特定の実施形態に制限されるべきではなく、変形および他の実施形態は添付の請求の範囲に含まれることが意図されると理解すべきである。特定の用語が本願明細書において利用されているが、それらは、一般的な記述の意味でのみ使用され、制限する目的のために使用されていない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の１実施形態による、複合部材を形成する間の細長いテープを配置するための装置を略図で示す正面図である。
【図２】本発明の１実施形態によって形成された複合部材を示す斜視図である。
【図３】本発明の１実施形態による製造する間の複合部材を示す斜視図である。
【図４】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図５】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図６】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図７】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図８】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図９】本発明の別の実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図１２】図１１の経路に沿って配置される複合テープを示す図である。
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００４年１０月５日に出願された米国仮特許出願第６０／６１５，８９５号の利点を主張し、その全体を本願明細書において援用する。
【０００２】
発明の背景
１）発明の分野
本発明は複合構造物の製造に関し、より詳細には、起伏のある構成に細長いテープを敷設するかまたは配置して複合構造物を形成するための装置および関連する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
２）関連技術の説明
複合部材は、一般的に、マトリクス材に配置される補強材で形成される。たとえば、補強材はグラファイトなど繊維材料であってもよく、マトリクス材は樹脂状ポリマー材料であってもよい。１つの従来の製造方法によると、複数の細長い複合テープを敷設して部材の層を徐々に重ねる（ｂｕｉｌｄ）ことによって、複合材料が複合部材の所望の形状に配置される。起伏テープ敷設機（ＣＴＬＭ）を使用して複合部材の形状を画定するマンドレルにテープの第１の層を配置することによって、複合部材を形成するための自動操作を開始することができる。ＣＴＬＭは、ロールまたは他のテープの供給物を含み、これは所望の構成でマンドレル上にテープを案内するテープ配置ヘッドを用いてマンドレル上に送り出される。すなわち、テープ配置ヘッドがマンドレルとヘッドの間に相対運動を与えるので、ヘッドはマンドレルの表面にわたって移動する。ヘッドは通常、マンドレルが完全におおわれるまで定められたパターンでマンドレル上に繰り返された経路を作成し、表面にわたる連続したヘッドの経路によって、さらなるテープの層が重ねられる。圧縮ローラがマンドレルまたはすでに配置されたテープの層にテープを押圧し、テープの多重の層の接着を容易にする。
【０００４】
この従来のＣＴＬＭは、テープを正確に配置することができ、自動プロセスによって、複合部材を形成することのできる速度を増大することができる。さらに、ＣＴＬＭは、一般的に、選択されたマンドレルの表面に対応する様々な構成でテープを敷設でき、それによって複合部材を所望の形状に形成する。複雑な起伏の表面を製造するための１つの従来の方法では、自然な経路、すなわち、テープを最小限に圧力を加えるかまたはしわを寄せてテープがそれに沿ってマンドレルに略平坦に配置されることの可能なコースに沿って、第１のテープがマンドレル全体に配置される。起伏のあるマンドレルのために、自然な経路は通常は湾曲している。第１のテープが自然な経路に沿って配置されたあと、後続のテープが第１のテープと類似した方向に、すなわち第１のテープに略平行にマンドレル全体に延びる自然な経路に沿って配置される。しかしながら、マンドレルの複雑な起伏のために、隣接のテープの自然な経路は、それらの全長に沿って平行ではない。通常は、テープは、隣接するテープのいかなる重なり（すなわち、「ラップ」）を避けつつ、できる限り近くに配置されるのは、テープの重なりによって結果として生じる複合部材の強度が低減する可能性があるためである。したがって、自然な経路に沿って配置される隣接のテープの縁部は、その間の空間または「間隙」を画定し、この間隙のサイズはテープの長さに沿って変動可能である。間隙は、結果として生じる複合部材の強度を低減させる可能性もある。場合によっては、結果として生じるラップおよび／または間隙のための強度の低減が、部材を形成するためのＣＴＬＭの使用を妨げるのに十分に大きくなり得る。
【０００５】
それゆえに、複雑な構成を画定しつつ隣接のテープによって画定されるラップおよび／または間隙を減少させるかまたは最小限に抑え、かつ実質的に配置されたテープにしわを
つくらずにこのことを行うための、テープを配置するための装置および方法が必要である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
発明の要旨
本発明は、複合部材および関連する複合部材を形成する方法と装置とを提供する。この方法は、複雑な構成を有する複合部材を形成するために複合テープを配置するのに使用されてもよい。この方法は、ラップ、間隙、しわ、および／またはテープの他の所望されない不均一性の発生を低減または最小限に抑えることができる。
【０００７】
１実施形態によると、本発明は、複合部材の所望の起伏に形状が対応する起伏表面が、略平行な構成の複数の細長いテープを支持するために設けられる方法を提供する。各テープは、マトリクス材に配置される複数の補強部材を含み、複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って配置される。各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然な角度を画定し、各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するため、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される。通常は、テープは、テープが実質上しわになることなく表面に配置される。
【０００８】
表面の起伏を決定し、少なくとも表面の一部にわたる第１の経路を決定し、第１の経路に隣接する第２の経路の各自然な経路セグメントの構成を計算することによって、各経路の構成を決定してもよく、各自然な経路セグメントの第１の端部は隣接セグメントに対するオフセット角を画定するので、各自然な経路セグメントの第２の端部が第１の経路からの所定のオフセット距離を画定し、オフセット距離は所定のオフセット距離間隔内にある。たとえば、各自然な経路セグメントのオフセット角を所定の最大のオフセット角よりも小さくして自然な経路セグメントを計算することができるので、細長いテープがしわ無く配置されるように構成される。さらに、各自然な経路セグメントの第２端部のオフセット距離間隔を最大の所定のオフセット距離間隔よりも小さい目標距離にほぼ等しくして、自然な経路セグメントを計算することができる。
【０００９】
より詳細には、第２の経路の自然な経路セグメントうちの第１の経路セグメントの構成は、第２の経路の両側の端部の間の部分的な位置で計算することができ、各連続した経路セグメントの第２の端部が経路セグメントのうちの連続した１つの第１の端部を画定して、第２の経路の連続した自然な経路セグメントの構成は、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントから反対方向に計算されることができる。自然な経路セグメントのうち第１の経路セグメントの構成を計算する前に、第１の経路に隣接する自然な経路の構成を計算してもよく、その間の最小の横の距離を画定する第１の経路に隣接する自然な経路の部分を決定してもよい。したがって、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成は、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を、最小の横の距離を画定する自然な経路の部分に位置が対応する点で計算することを含んでもよい。
【００１０】
細長いテープが自動テープ敷設装置の供給ロールから配置され、圧縮装置で起伏表面に押圧されることができる。各テープは複数の部分に配置可能であり、各部分は少なくとも供給されるおよそテープの長さであり、自動テープ敷設装置の供給ロールおよび圧縮装置の間に支持される。
【００１１】
別の実施形態によると、本発明はまた、起伏表面を画定するのに略平行な構成で配置される複数の細長いテープを含む複合部材を提供する。各テープは、マトリクス材に配置さ
れる複数の補強部材を含み、複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って配置される。各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然なオフセット角を画定し、各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するので、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される。細長いテープはしわ無く配置されることができる。たとえば、各テープの隣接部分は、約４度以下または約０．５度以下の非自然なオフセット角を画定することができる。通常はテープの長さに応じて、テープは自然な経路セグメントに沿って配置される種々の数の部分を画定することができる。たとえば、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定して、各セグメント（およびそれゆえに、テープのそれぞれ連続的な部分）が約６インチから３フィートまでの間など約３インチから６フィートまでの間の長さを画定することができる。
【００１２】
このように本発明を一般的な条件で記載してきたが、次に添付の図面を参照することとする。これらの図面は必ずしも尺度通りに描かれていない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明は、添付の図面参照しつつより完全に以下に説明することとする。本発明のいくつかの実施形態を示すが、すべてを示すものではない。実際にこの発明は多くの異なる形態で実施可能であり、本願明細書において説明される実施形態に制限されるものとして解釈されるべきでない。むしろこれらの実施形態が提供されるので、この開示が適用可能な法的要件を満たすこととなる。同じ数字は全体にわたって同じ要素を表す。
【００１４】
次に図面、特に図１を参照する。本発明の１実施形態による、複合部材１４を形成する間の細長いテープ１２を配置するための装置１０が、略図で示されている。装置１０は、様々な材料の、種々の構成を有する複合部材１４を形成するのに使用可能である。特に、装置１０は、マトリクス材に配置される補強材を含む１つ以上の細長いテープ１２を配置するのに使用可能である。テープ１２は、種々のサイズおよび形状で提供されることができ、通常は、３インチ、６インチまたは１２インチの幅を有する長い長方形のストリップである。通常、補強材は複数の繊維状の部材であり、繊維状の部材は、繊維、ストランド、ひもなど織成されたか不織のマット、および、ガラス繊維、金属、鉱物、伝導性または非伝導性のグラファイトまたは炭素、ナイロン、Ｅ． Ｉ． ｄｕ Ｐｏｎｔ ｄｅ Ｎｅｍｏｕｒｓ ａｎｄ Ｃｏｍｐａｎｙの登録商標であるＫｅｖｌａｒ（登録商標）などのアラミドなどその他材料等である。各テープ１２は通常、マトリクス材を含み、補強部材がその中に配置される。しかしながら、場合によっては、テープ１２はマトリクス材なしで形成されてもよく、マトリクス材は別々に配置されてもよい。いずれにせよ、マトリクス材は、熱可塑性プラスチックや熱硬化性重合樹脂など種々の材料を含むことができる。典型的な熱硬化性樹脂は、アリル、アルキドポリエステル、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、エポキシ、フェノール樹脂、ポリエステル、ポリウレタン類（ＰＵＲ）、ポリ尿素−ホルムアルデヒド、シアン酸塩エステルおよびビニルエステル樹脂を含む。典型的な熱可塑性樹脂は、以下を含む。すなわち、液晶ポリマ（ＬＣＰ）と；ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、ペルフルオロアルコキシ樹脂（ＰＦＡ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、およびポリテトラフルオロエチレン−ペルフルオロメチルビニルエーテル（ＭＦＡ）を含むフッ素樹脂と；Ｖｉｃｔｒｅｘ ＰＬＣ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ， Ｔｈｏｒｎｔｏｎｓ Ｃｌｅｖｅｌｅｙｓ
Ｌａｎｃａｓｈｉｒｅ， ＵＫの商標であるポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ（登録商標））を含むケトンを主成分とする樹脂と；ナイロン−６／６、３０％のガラス繊維などのポリアミドと；ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）と；ポリアミドイミド（ＰＡＩＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）と；ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）およびポリ（フェニレンテレフタラート）を含むポリエステル
熱可塑性プラスチックと；ポリスルホン（ＰＳＵ）と；ポリ（フェニレンサルファイド）（ＰＰＳ）とを含む。
【００１５】
さらに以下に考察されるように、テープ１２は、複合部材１４の所望の構成を画定するために配置されることができる。特に、テープ１２は、種々のサイズおよび形状の部材を形成するために配置されることができる。たとえば、図２に示す複合部材１４は、航空機の翼である。別の実施形態において、複合部材１４は、他のエーロフォイル、航空機のボディパネル、航空宇宙ビークルおよび構造物のための他の部材、自動車、船舶用車両または他の車両の構造部材などとして使用可能である。場合によっては、複合部材１４は、複雑なジオメトリーを画定することができる。たとえば、多重の軸を中心として湾曲している１つ以上の起伏が、屈曲部、開口部または他の不規則な形状などを画定する。
【００１６】
装置１０は、複合部材１４の所望の形状に対応する構成で細長いテープ１２を配置するために使用されるテープ配置ヘッドを概ね画定することができる。たとえば、図１に示すように、装置１０は、マンドレル１６、すなわち、ついでテープ１２およびそれゆえに複合部材１４に与えられる起伏表面１８を有する工具上に細長いテープ１２を配置することができる。さまざまなマンドレルが使用可能であり、マンドレル１６が様々な起伏を画定できることが理解される。特に、マンドレル１６の表面１８は、隣接するテープ間で生じるラップや間隙無く長方形のテープを配置することがその上では困難であるか不可能であろう複雑な起伏を画定することができる。また、本願明細書においてテープ１２がマンドレル１６「の上に」配置できると概して記載されているが、テープ１２の第１の層をマンドレル１６の上に直接配置してもよく、後続の層を前の層の上に配置してもよいことが理解される。
【００１７】
装置１０は、１つ以上の細長いテープ１２の供給物を含み、供給物は送り出され起伏表面１８上に配置される。たとえば、テープ１２が、装置１０に取り付けられるスプール２２に支持されるロール２０などのディスペンサで供給されることができる。場合によっては、ディスペンサは、マンドレル１６に同時に配置されるように多重のテープ１２を提供する多重ロールまたは他の供給装置を含んでもよい。あるいは、単一のテープ１２が１つ以上の部分に配置されてもよい。たとえば、単一のテープ１２がマンドレル１６に連続して配置される多重の部分に切断されてもよく、または、単一のテープ１２は切断されることなく連続的に単一の部分としてマンドレル１６に配置されてもよい。すなわち、本願明細書において述べられている「複数のテープ」または「多重のテープ」は、複数の隣接する細長い部分を画定するテープの単一の部分として配置されることができる。
【００１８】
図１に示す実施形態において、ロール２０を支持するスプール２２が回転可能に取り付けられるので、テープ１２がそこから送り出されることができる。テープ１２が、ロール２０から、マンドレル１６上のテープ１２の配置を制御する配置ガイドまで供給される。配置ガイドは図示しているような回転可能に取り付けられるローラ２４であってもよいので、ローラ２４がマンドレル１６とともにころがり接触しながら、装置１０がマンドレル１６の表面１８にわたって移動可能となる。したがって、装置１０は、ローラ２４を介してマンドレル１６に概ね向かう方向の力を加えることができるので、圧縮ローラ２４がテープ１２上に圧力をかけ、圧縮領域でマンドレル１６を押圧する。ローラ２４はまた、取付け台２７によって調節可能に取付け可能であり、取付け台２７は装置１０の残り部に対して調整できるので、ローラ２４がテープ１２およびマンドレル１６に様々な圧力を加えることができ、そうでない場合にはテープ１２の配置を制御することができる。圧縮ローラ２４が表されているが、圧縮シューまたはプレス機など他のタイプの圧縮装置が利用されてもよい。
【００１９】
装置１０は、駆動アセンブリ２６によってマンドレル１６に対して移動する。このこと
を概略的に図１に示す。駆動アセンブリ２６は、空圧アクチュエータまたは油圧アクチュエータ、電気モータまたは電気サーボ、および／または、チェーン機構、歯車機構またはシャフトドライブ機構など、種々の駆動装置を含むことができる。マンドレル１６の表面１８にわたりテープ１２を配置するためにマンドレル１６に対して装置１０の所望の相対的な配置を達成するのに、駆動アセンブリ２６が装置１０またはマンドレル１６を移動するよう構成されることができる。通常は、テープ１２の１つ以上の部分を各経路に配置して、装置１０がマンドレル１６の表面１８に沿って多重の経路内を略線形に移動する。たとえば、装置１０は、マンドレル１６の第１の端部２８から反対端３０まで移動して１つ以上のテープ１２を配置することができ、ついで第１の端部２８に戻り、前の経路に配置されたこれらのテープ１２に隣接するさらなるテープ１２を配置するために同じ方向で別の経路を開始することができる。あるいは、装置１０は、位置および／または方向を各経路間で調整して、マンドレル１６のまわりの連続する経路に１つ以上のテープ１２を巻きつけることができるので、テープ１２が隣接部分に配置される。
【００２０】
装置１０はまた、種々の他の構成要素を含んでもよい。たとえば、ローラ３２は、装置１０を通してテープ１２を案内するのに使用可能である。任意の数のローラ３２、３４が設けられてもよく、場合によっては、テープ１２の運動を制御するために、いくつかまたはすべてのローラ３２、３４が、モータまたは他のアクチュエータによって駆動されてもよい。さらに、装置１０は、通常は、テープ１２および／またはマンドレル１６を加熱するための加熱装置３６を含む。この加熱装置３６は、レーザ、レーザーダイオードアレイ、高温ガストーチ、電熱器、などであってもよい。加熱装置３６は、通常は十分なエネルギを供給し、一度圧縮力を受けたテープ１２が下にあるテープ１２に接着することができるようになる。
【００２１】
加熱装置３６は、アレイを形成する多重のレーザダイオードなど多重の独立した加熱要素を含んでもよい。各加熱要素は他のレーザダイオードから独立した方法でエネルギ源に連結されることができるので、各加熱要素トの動作電力は他の加熱要素とは無関係に制御可能である。このような加熱装置は、２００２年９月１７日に発行され本出願の譲受人に譲渡された「自動化配置の間に複合材料を加熱し複合材料の温度を制御するための方法（Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｈｅａｔｉｎｇ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｏｆ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｄｕｒｉｎｇ Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）」と題されるホームズらの米国特許番号第６，４５１，１５２号にさらに記載されており、その全体を引用によって本願明細書に援用する。さらに、米国特許第６，４５１，１５２号に記載するように、マンドレル１６に配置される前および／または後で、テープ１２によって画定可能な特定の領域またはゾーンを加熱するためにそれぞれが構成されるように、個々の加熱要素が配置されることができる。したがって、加熱要素のうちの１つ以上の動作電力を変更することによって、テープ１２のうちの特定の１つまたはテープ１２のうちの特定の領域の加熱が、他のテープ１２の加熱とは無関係に制御されることができる。ゾーンの均一でない加熱が望ましくなり得るのは、たとえば、テープ１２が同一のサイズでない場合や、または同一材料でできていない場合、そしてその結果、配置するためのテープの最適温度を得るのに異なるエネルギ量を必要とする場合である。また、マンドレル１６のジオメトリーのため、異なる量の加熱が望ましくなり得る。
【００２２】
加熱装置３６が、加熱装置３６を制御するために構成されるコントローラ４０と、電気的に接続されてもよい。コントローラ４０は、たとえば点検、速度制御、温度および速度の検出、欠陥のマーキングなどに一体化された機能など他の機能を果たすこともできる。たとえば、装置１０は、カメラ、温度センサ、予め配置された検出器、タックモニタリング装置、およびテープ１２を監視するためのその他を含む点検システム４２を有していてもよい。さらに、装置１０は、複合部材１４の欠陥または他の指定された部分をマークす
るためのマーキング装置を含んでもよい。
【００２３】
それぞれの細長いテープ１２は、複数の自然な経路セグメントによって画定される変形経路５０に沿って配置されることができる。「自然な経路」という用語は、測地的曲線、すなわち、その測地的曲率があらゆる点でゼロと等しいために表面に対して局所的に直線である曲線を意味する。測地的曲率は、表面上にある曲線のコンテキストに画定されることのできる特別な種類の曲率である。曲線を平面におくと、その曲線が表面に接触する各点では接平面と呼ばれる平面が構成されることができ、この平面は表面上の隣接した点の群に対して最も平坦に近いものである。もし、与点において、その点で接平面に対して垂直に突出する（すなわち見られる）ときに曲線が直線に見える場合、その時曲線はその点においてゼロの測地的曲率を有する。測地的曲線（または自然な経路）は、あらゆる点でその長さに沿ってこの特性を有する。表面上に２つの異なった点を与えられると、それらの間の最も短い経路が測地的曲線である。
【００２４】
本発明による各変形経路５０は、セグメントが接合する点で非自然なオフセット角を画定する複数の自然な経路セグメントを含む。すなわち、変形経路５０の各セグメントが、自然な経路を画定する。しかしながら、変形経路が２つの隣接セグメントが接合する点で接平面に対して垂直に突出する場合、ついで、突出したセグメントは、その突出した点ではゼロでないオフセット角を画定する。したがって、変形経路は、隣接セグメントが接合する点でゼロに等しい測地的曲率を有さず、それゆえに、自然な経路でない。
【００２５】
したがって、テープ１２を本発明の変形経路５０に沿って配置して、各テープ１２は複数の連続的な部分を画定し、各部分は自然な経路セグメントのうちの１つに対応する。各経路５０の各セグメント、したがって各テープ１２の各部分は、線形であってもよく、または非線形であってもよい。たとえば、表面の平面部分にわたる自然な経路は線形である。しかしながら、起伏のあるマンドレル１６にわたる自然な経路は非線形であり、表面１８の構成に応じて１つ以上の寸法に関する曲率を画定することができる。
【００２６】
複合部材１４を形成するための各テープ１２の経路５０を決定する１つの方法を、図４から図８に示す。図４は、参照番号１２ａによって個々に示すテープ１２のうちの第１のテープの中心線５２ａに対応する第１の経路５０ａを示す。複合部材１４を形成するために最初に起伏表面１８に配置されるテープは、通常は、マンドレル１６の長手方向の端部２８、３０の間にマンドレル１６の横の端部２９、３１の間の位置で延びる自然な経路に沿って配置される。たとえば図３に示すように、任意の他のテープ１２の前に第１のテープ１２ａがマンドレル１６に配置されることができ、自然な経路に沿って配置される。後続のテープ１２は、第１のテープ１２ａに概して平行に第１のテープ１２ａの両側に配置される。明確に示す目的のために、第１のテープ１２ａの中心線５２ａを図３に示す。図３に示すように、第１のテープ１２ａの中心線は、３次元曲線、すなわち多重の平行でない軸を中心として湾曲する線を画定する。
【００２７】
再び図４を参照する。経路５０ａの実際の構成が図３に示すようにテープ１２ａの中心線５２ａに対応するように湾曲しもよいが、明確に図示するために、第１のテープ１２ａの経路５０ａは（テープの中心線５２ａに対応して）直線の構成で図示されている。第１の経路５０ａは、自然な経路、すなわち、最初に起伏表面１８に配置されることになるテープ１２の経路５０であってもよい。あるいは、図４に示す第１の経路５０ａは、以下に記載される方法によって計算されるセグメント化された経路であってもよい。すなわち、「第１の経路」および「第１のテープ」という用語は、前述のテープを述べる便宜のために以下に使用される。このテープは、経路５０ａがそのために計算されていて、参照のために第１の経路５０ａに後続する隣接の第２の経路５４の構成を計算するのに使用されていて、それに沿って第２のテープが第１のテープ１２ａに隣接して配置されることになっ
ている。テープ１２は、種々の経時的な順番で表面１８に配置されることができる。さらに、図４から図８は実際のテープ１２を示していない。実際に、図４から図８は、テープ１２の経路５０の決定を表し、テープ１２のうちのいくつかまたはすべてがマンドレル１６に配置される前に経路５０を決定することができる。たとえば、テープ１２の経路５０は数値によって決定されることができるので、ついで、計算された経路５０にしたがってテープ１２を配置さすることができる。
【００２８】
第１のテープ１２ａに近接して配置されることになっている個々に参照番号１２ｂによって示す第２のテープ１２のための第２の経路５０ｂを決定するために、第２の経路５０ｂの第１の点（または開始点）５４は、第１のテープ１２ａの経路５０ａから横方向の距離で画成される。具体的には、第１の点５４は、通常は第１のテープ１２ａの経路５０ａから横方向に、テープ１２の幅とほぼ等しい距離で配置される。したがって、第１のテープ１２ａを第１の経路５０ａに沿って配置し、第２のテープ１２ｂを第２の経路５０ｂに沿って配置して、テープ１２ａ、１２ｂの横の縁部５６は相互に近接する。テープ１２ａ、１２ｂの中心線５２ａ、５２ｂは、テープ１２の幅よりもわずかに離されてもよく、テープ１２の間に小さな間隙を設ける。具体的には、第１の点５４はテープ１２の幅よりわずかに横方向にずれていてもよいので、テープが１２ａ、１２ｂがその間の所定のオフセット距離間隔内にあるオフセット距離を画定する。所定のオフセット距離間隔は、最小のオフセット距離、最大のオフセット距離、および、最小と最大の距離の間にある目標（または所望の）オフセット距離によって画定されることができる。
【００２９】
ついで、概して表面１８の端部２８、３０のうちの１つに向かう方向にある第２の経路５０ｂの構成が、複数の自然な経路セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃにおいて決定される。図６に示すように、第１のセグメント５８ａが第１の点５４から延びる。すなわち、第１のセグメント５８ａの第１の端部が第１の点５４によって画定され、その反対側のセグメント５８ａの第２の端部が、所定のオフセット距離間隔内の距離で第１の経路５０ａから横方向にも配置される後続の点によって画定される。図７および図８に示すように、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第２の点は、同じ経路５０に沿った連続したセグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第１の点である。各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの構成は、反復処理を使用して決定することができる。この処理では、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃが均一であるか固定されたセグメント長を有し、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第２端部（セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの中心線５０ｂによって画定されるように）が、第１の経路５０ａから所定のオフセット距離間隔内で保持されるように、各セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの第２の端部が計算される。さらに、所定のオフセット距離間隔内でもあるそれらの長さに沿って間隙を画定するように、第１および第２のテープ１２ａ、１２ｂを作製することができる。たとえば、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃのそれぞれの１つの第２の端部は、図５に示すように、第１の経路５０ａから横方向に配置される座標位置に目標のオフセット距離で最初に設定することができる。ついで、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの起伏（したがって、対応するテープの部分）が決定されるので、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃが第１および第２の点の間で表面１８に沿って自然な経路に追従する。起伏表面上の２つの点の間にある自然な経路の構成は、表面１８にしたがってテープ１２の構成を数学的にモデル化することなどによって、種々の既知の方法を使用して決定されてもよい。第１および第２のテープ１２ａ、１２ｂ間の間隙は、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの全長に沿って決定される。間隙が間隔の外にある場合、すなわち最小のオフセット距離よりも小さいか、または最大のオフセット距離よりも大きい場合、ついで、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの方向はわずかに変形する（図６）。すなわち、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、第１の点５４からわずかに異なる角度で延びるように作製される。セグメントはわずかに異なる角度で第１の点から延びるが、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃは、自然な経路をその端部の間になお画定することとなる。セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの向きは、通常は最
小限に変形されるので、セグメント５８ａ、５８ｂ、５８ｃの全体の横の縁部５６は、第１のテープ１２ａで所定のオフセット距離間隔内の間隙を画定する。
【００３０】
したがって、第２の経路５０ｂの第１のセグメント５８ａの構成が決定されたあと、第１のセグメント５８ａから起伏表面１８の端部３０に向かって延びる連続したセグメント５８ｂ、５８ｃの構成が、図８に示すように経時的な方法で同様に決定される。さらに、第２の経路５０ｂの構成は、図８に示すように、第１の点（開始点）５４から起伏表面１８の反対端２８に向かう方向に同様に決定され、セグメント５８ｄ、５８ｅ、５８ｆを含む。各経路５０は、任意の数のセグメントを含むことができ、したがって、各テープは任意の数の対応する連続的な部分を画定することができる。集合的に参照符号５８によって示される各セグメントは自然な経路を画定し、セグメント５８は、経路５０にしたがって配置されるテープ１２の中心線５２によって、第１および第２のテープ１２ａ、１２ｂの横の縁部５６がその間の所定のオフセット距離間隔内の間隙を画定するように画定される。最大および最小の間隔の数値は、結果として生じる複合部材１４の特性、複合部材１４の要件および表面１８の起伏度に関する間隙およびラップの影響によって決定されてもよい。場合によっては、間隔の最小値は、ゼロまたは小さな負値でさえあってもよい。
【００３１】
すべての経路の構成は、テープ１２のいくつかまたはすべてが起伏表面１８に配置される前に決定されてもよい。すなわち、経路５０の構成を決定する前述の方法が理論的にまたは数値によって行われてもよく、ついで、テープ１２がそれに応じて配置されてもよい。たとえば、計算された経路５０の構成が、電子的に装置１０のメモリ４４に保存されることができ、ついで、テープ１２は、それぞれの経路５０の算出された構成にしたがって装置１０によって配置されることができる。
【００３２】
複合部材１４を製造する１つの方法によると、起伏表面１８の起伏はモデル化され、数値によって、たとえばマンドレル１６の起伏表面１８上の点の代表的な複数の座標データ数値としてコンピュータ装置に保存される。コンピュータソフトウェアプログラムの命令にしたがって動作するコンピュータなどプログラム可能な論理デバイスが、経路５０の構成を計算するのに使用可能であり、経路５０の構成は、複合部材１４の製造において後に使用するために保存可能である。たとえば、経路５０の構成は、経路５０を画定する複数の座標データ点として保存可能である。経路５０を示す座標データ点は、コンピュータのデータベースまたは別の電子機器の記憶装置に保存可能である。その後、たとえばデータベースに保存したデータ点は、複合テープ１２を配置して複合部材１４を形成するために装置１０の運動を制御するのに使用可能である。たとえば、データ点は、装置１０の運動の特徴である命令を生成するのに使用可能であり、これらの命令はメモリ４４に保存可能であるか、そうでない場合は、複合部材１４を製造する間に装置１０を制御するために備えることができる。
【００３３】
上述の通り、それぞれの経路５０のそれぞれのセグメント５８が、各セグメント５８の両側の端部の点の間に延びる自然な経路を画定する。しかしながら、各経路５０のセグメント５８は、共に自然な経路を画定しない。すなわち、セグメント５８は、非自然な角度で接合される。したがって、各テープ１２は複数の部分として配置されることができ、各部分は長さおよび位置がセグメント５８のうちの１つに対応している。各テープ１２は、連続的に部分を画定する。すなわち、各テープ１２は、その端部の間を中断または切れ目なく連続性があり均一となることができ、テープ１２の端部間に複数の部分を含む。しかしながら、それぞれ一対の隣接部分の間で、各テープ１２が非自然な角度を画定し、そこでテープ１２が自然な経路からわずかに分岐する。したがって、通常はテープ１２が結果としてしわになるのに十分な圧力を加えられないのは隣接セグメント（したがって、テープ部分）が配置される角度の差異が後述するように通常は比較的小さいためであるが、各テープ１２はこの角度でわずかに圧力を加えられることができる。
【００３４】
非自然な角度の数値は、各経路５０の各セグメント５８の構成を決定した結果である。各非自然な角度は、起伏表面１８上の同じ点を通って延びる自然な経路に生ずるであろう角度からわずかにずれている角度によって外れる。そうでない場合には起伏表面１８上の同じ点で自然な経路によって画定されるであろう自然な角度に対する各非自然な角度のオフセットの量は、最大のオフセット角に制限されることができる。セグメント（したがって、テープ部分）の間の最大のオフセット角は、テープ１２がそれに一致することとなる起伏、テープ１２の物理的特性、装置１０の構成などで影響を受けてもよい。たとえば、最大のオフセット角は、テープ１２の幅、厚さおよび剛性と、タッキングの量またはテープ１２の粘着性、したがってテープ１２が下位層に十分に接着する方法と、装置１０の圧縮装置の幾何学的構成などで影響を受けてもよい。通常は、隣接セグメント５８（したがって、テープ部分）の間の最大のオフセット角は、約３度または４度未満であり、より一般的には０．５度未満である。場合によっては、隣接セグメント（したがって、テープ部分）５８の間の最大のオフセット角は、約０．１度未満または０．００１度未満でさえある。
【００３５】
各テープ１２は、任意の数の非自然な角度と、その間にある任意の数のセグメント５８（したがって、テープ部分）とを画定することができる。たとえば、多数の角度および経路は、各テープの各経路の長さ、テープの経路の複雑さ、自然な経路から、または、隣接するテープの経路からのテープの最大の所望のずれ、およびテープの材料の物理的特性によって、決定されることができる。本発明の典型的な１実施形態において、各テープの各連続的な部分は、約３インチから６フィートまでの間の長さ、たとえば約６インチから３フィートまでの間の長さを有する。したがって、１実施形態において、１８フィートの長さを有するテープ１２は、約３個と７２個の間の連続的な部分（したがって、連続的な部分の間に約２個と７１個の間の非自然な角度間）を有することができ、または、約６個と３６個の間の連続的な部分（したがって、連続的な部分の間に約５個と３５個の間の非自然な角度間）を有することができる。しかしながら、特定の構成を達成するために必要に応じて、異なるテープは異なる数の部分（したがって、セグメント５８）と非自然な角度とを画定することができることが理解される。
【００３６】
図４から図８を参照しつつ記載されているように、テープ１２の経路５０は、開始点５４から起伏表面１８の端部２８、３０の間に決定され、開始点５４から反対方向に外方に計算される。開始点５４は、それぞれの経路５０の中間点であってもよい。特に、各経路５０の出発点５４の位置は、すでに計算された経路５０の中間点によって決定されてもよい。あるいは、開始点５４は、中間点以外、たとえば起伏表面１８の端部２８、３０のうちの１つにより近くに、または起伏表面１８の一端２８、３０にさえ配置されることができるので、ついで、経路５０が単一の方向に沿って反対端２８、３０に向かって決定されることができる。
【００３７】
１実施形態において、開始点５４は、経路５０の部分に近接して配置され、ここではセグメント５８（したがって、テープ部分）間の角度を変形することなくテープ１２が重なり合う可能性がある。すなわち、第２の経路５０ｂのための自然な経路セグメント５８が決定される前に、自然な経路は第１の経路５０ａに隣接して決定されてもよい。通常は、自然な経路は、第１の経路５０ａに対して正確に平行ではない。したがって、２つの経路５０ａ、５０ｂの間の横の距離は、経路５０ａ、５０ｂに沿って変動する。すなわち、経路５０ａ、５０ｂの１つ以上の部分で、２つの経路５０ａ、５０ｂが最小の横の距離を画定する。第２の経路５０ｂの構成を計算するための開始点５４は、最小の横の距離が画定される自然な経路の部分に起伏表面１８上の位置が対応する点に配置されることができる。換言すれば、第２の経路５０ｂの経路を計算するための開始点５４は、第２のテープ１２ｂが自然な経路に沿って配置される場合に、テープ５０ａ、５０ｂの重なりがおそらく
生ずるであろう表面の部分に対応することができる。このような開始点の使用によって、各経路５０の連続したセグメント５８間に過度のオフセット角を使用せずに、結果として最小のラップおよび間隙が生じ得ることが考えられる。いずれにせよ、テープ１２は、２つの端部２８、３０の間を繰り返し移動して各経路にテープ１２のうちの１つ以上を敷設する装置１０によって、起伏表面１８の一端２８、３０から他端２８、３０まで連続的に配置されることができる。
【００３８】
図９から図１１は、テープ１２の経路５０のセグメント５８間の非自然な角度の調整の効果を示す。具体的には、図９は、起伏表面１８にわたる自然または測地的な経路を示す。図１０は、少なくともいくつかの隣接するセグメント５８が非自然な角度を画定する、図９の自然な経路と本発明によって決定された変形経路５０と複数の自然な経路セグメント５８から形成される経路との比較を示す。具体的には、図９の自然な経路６０は、８つの点６４ａから６４ｈによって画定される７つのセグメント６２ａから６２ｇを含む。経路６０の隣接セグメント６２ａから６２ｇの間の６つの点６４ｂから６４ｇで、経路６０は自然な角度を画定する。同様に、７つのセグメント７２ａから７２ｇを有する本発明による変形経路７０が、点７４ａから７４ｈを備えて図１０に示される。しかしながら、第２のおよび第３のセグメント７２ｂおよび７２ｃの間の角度は非自然な角度である。すなわち、角度が自然な角度からオフセット角７６によって変形され、したがって、セグメント７２ｂ、７２ｃの経路が自然な経路から変形する。実際に、角度が比較的わずかに変形することによって、経路７０の構成にかなり影響を与える可能性があることが示されている。したがって、隣接テープ１２間の間隙および／またはラップが、最小限に抑えられ、除去され、そうでない場合には最適化されることができる。この点に関しては、図１０に示すオフセット角７６が、説明のために一般に利用されるものよりもいくぶんより大きくなるように示されていることに注意されたい。
【００３９】
図１１は、図１０の経路へのさらなる変形を示す。図１１の変形経路８０は、７つの点８４ａから８４ｇによって画定される６つのセグメント８２ａから８２ｆを含む。特に、変形経路８０は、図１０に示す経路７０の第３の点７４ｃ、すなわち、図１０に示す図９の自然な経路６０からの経路７０のずれの第１の点を省略する。いかなる特定の理論にも制限されることを意図としないが、考えられるのは、第１の変形経路が最初に自然な経路から外れる１つ以上の点の省略することによって、変形経路の平滑度を改良することができ、それによって、テープ１２の応力、テープ１２間のしわ、および／またはラップや間隙がおそらく低減することである。図１２は、起伏表面１８に配置されるテープ９０を示し、テープ９０は部分９２ａから９２ｆを画定し、部分９２ａから９２ｆのそれぞれは図１１の経路８０の経路セグメント８２ａから８２ｆに対応する。
【００４０】
経路５０、７０、８０のセグメント５８、７２ａから７２ｇ、８２ａから８２ｆ、したがってテープ１２の部分は、種々の長さを有することができる。本発明の１実施形態において、それぞれのセグメント５８は、テープ１２とローラ２４の供給ロール２０または他の圧縮装置の間の距離と少なくともほぼ同じ長さである、すなわち、そのために、装置１０内のロール２０から送り出される任意のテープ１２が、各テープ１２の方向がそれぞれの経路によって画定される後続の非自然な角度で修正される前に、マンドレル１６上に配置されることができる。あるいは、テープ１２がローラ３２または他の支持構造物などによってロール２０および圧縮装置の間に支持される場合、各セグメント（したがって、テープ１２の各対応する部分）が、少なくとも圧縮装置とロール２０または他の支持構造物の間の少なくともおよそ距離である長さを有することができる。たとえば、１実施形態において、各セグメントは、少なくとも約３０インチの長さを有する。
【００４１】
各テープ１２は、通常はその長さに沿って均一幅を有する、すなわち、そのために、各テープの横の縁部５６が線形であり互いに平行である。しかしながら、場合によっては、
縁部５６の一方または両方が非線形であり、および／または、縁部が非平行であってもよい。たとえば、各テープ１２の縁部５６のうちの１つが、敷設操作の前か間に切り取られることができる。このような方法で、テープ１２はさらに加工物の種々の起伏に適応し、および／または、テープ１２間のラップまたは間隙を減少するのに適合可能となる。テープ１２を切り離すかまたは切断するための装置および方法は、２００５年３月２４日に出願され、「複合テープの輪郭を切断するための装置および方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｔａｐｅ Ｐｒｏｆｉｌｅ Ｃｕｔｔｉｎｇ）」と題する、米国特許第１１／０８８２８８号にさらに記載されており、その全体を引用によって本願明細書に援用する。
【００４２】
この発明が関する本発明の多くの変形および他の実施形態は、前述の説明および関連する図面に示される教示の助けをかりて当業者に考えられるであろう。それゆえに、本発明は、開示されている特定の実施形態に制限されるべきではなく、変形および他の実施形態は添付の請求の範囲に含まれることが意図されると理解すべきである。特定の用語が本願明細書において利用されているが、それらは、一般的な記述の意味でのみ使用され、制限する目的のために使用されていない。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】本発明の１実施形態による、複合部材を形成する間の細長いテープを配置するための装置を略図で示す正面図である。
【図２】本発明の１実施形態によって形成された複合部材を示す斜視図である。
【図３】本発明の１実施形態による製造する間の複合部材を示す斜視図である。
【図４】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図５】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図６】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図７】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図８】本発明の１実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図９】本発明の別の実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図１０】本発明の別の実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図１１】本発明の別の実施形態による、複合部材を形成するために細長いテープがそれに沿って配置される経路を略図で示す平面図である。
【図１２】図１１の経路に沿って配置される複合テープを示す図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合部材を形成する方法であって、方法が、
略平行な構成の複数の細長いテープを支持するために複合部材の所望の起伏に形状が対応する起伏表面を設けることであって、各テープはマトリクス材に配置される複数の補強部材を含む、起伏表面を設けることと、
複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って細長いテープのそれぞれを配置することであって、各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然な角度を画定し、各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するので、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される、細長いテープのそれぞれを配置することと、
を備える、方法。
【請求項２】
表面の起伏を決定することと、
表面の少なくとも一部にわたり第１の経路を決定することと、
第１の経路に隣接する第２の経路の各自然な経路セグメントの構成を計算することであって、第２の経路の各自然な経路セグメントの第２の端部が第１の経路からの所定のオフセット距離を画定し、オフセット距離は所定のオフセット距離間隔内にあるように、第２の経路の各自然な経路セグメントの第１の端部は第２の経路の隣接する自然な経路セグメントに対するオフセット角を画定する、第１の経路の各自然な経路セグメントの構成を計算することと、
によって、各経路の構成を決定することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記計算するステップが、細長いテープがしわ無く配置されるために構成されるように、各自然な経路セグメントのオフセット角を所定の最大のオフセット角よりも小さくして、自然な経路セグメントを計算することを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記計算するステップが、各自然な経路セグメントの第２の端部のオフセット距離間隔を最大の所定のオフセット距離間隔よりも小さい目標距離にほぼ等しくして、自然な経路セグメントを計算することを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記計算するステップが、
第２の経路の自然な経路セグメントうちの第１の経路セグメントの構成を第２の経路の両側の端部の間の部分的な点で計算することと、
第２の経路の連続した自然な経路セグメントの構成を自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントから反対方向に計算することであって、各連続した経路セグメントの第２の端部が経路セグメントのうちの連続した１つの第１の端部を画定する、連続した自然な経路セグメントの構成を計算することと、
を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を計算する前記ステップの前に、第１の経路に隣接する自然な経路の構成を決定することと、
その間の最小の横の距離を画定する第１の経路に隣接する自然な経路の部分を決定することと、
をさらに備え、
自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を計算する前記ステップが、最小の横の距離を画定する自然な経路の部分に位置が対応する点で、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を計算することを備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記配置するステップが、細長いテープを自動テープ敷設装置の供給ロールから配置し、かつ圧縮装置で起伏表面にテープを押圧することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記配置するステップが、各テープを複数の部分に配置することを備え、各テープの各部分は自動テープ敷設装置の供給ロールと圧縮装置の間に支持されるテープの少なくともほぼその長さである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記配置するステップが、テープを実質的にテープのしわのない表面に配置することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記配置するステップが各細長いテープを配置することを備え、テープの隣接部分が約４度未満であるオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記配置するステップが各細長いテープを配置することを備え、隣接部分が約０．５度未満であるオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記配置するステップが、連続的な部分のそれぞれが約３インチから６フィートまでの間の長さを画定するように各細長いテープを配置することを備え、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記配置するステップが、連続的な部分のそれぞれが約６インチから３フィートまでの間の長さを画定するように各細長いテープを配置することを備え、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１の処理によって形成される複合部材。
【請求項１５】
起伏表面を画定する複合部材であって、部材が、
起伏表面を画定するのに略平行な構成で配置される複数の細長いテープであって、各テープはマトリクス材に配置される複数の補強部材を含む、複数の細長いテープを備え、
細長いテープのそれぞれが複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って配置され、各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然なオフセット角を画定し、かつ各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するため、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される、複合部材。
【請求項１６】
細長いテープがしわ無く配置される、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１７】
各テープの隣接部分が約４度以下の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１８】
各テープの隣接部分が約０．５度以下の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１９】
各テープの連続的な部分のそれぞれが約３インチから６フィートまでの間の長さを画定し、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項２０】
各テープの連続的な部分のそれぞれが約６インチから３フィートまでの間の長さを画定し、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１】
複合部材を形成する方法であって、方法が、
略平行な構成の複数の細長いテープを支持するために複合部材の所望の起伏に形状が対応する起伏表面を設けることであって、各テープはマトリクス材に配置される複数の補強部材を含む、起伏表面を設けることと、
複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って細長いテープのそれぞれを配置することであって、各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然な角度を画定し、各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するので、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される、細長いテープのそれぞれを配置することと、
を備える、方法。
【請求項２】
表面の起伏を決定することと、
表面の少なくとも一部にわたり第１の経路を決定することと、
第１の経路に隣接する第２の経路の各自然な経路セグメントの構成を計算することであって、第２の経路の各自然な経路セグメントの第２の端部が第１の経路からの所定のオフセット距離を画定し、オフセット距離は所定のオフセット距離間隔内にあるように、第２の経路の各自然な経路セグメントの第１の端部は第２の経路の隣接する自然な経路セグメントに対するオフセット角を画定する、第１の経路の各自然な経路セグメントの構成を計算することと、
によって、各経路の構成を決定することをさらに備える、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記計算するステップが、細長いテープがしわ無く配置されるために構成されるように、各自然な経路セグメントのオフセット角を所定の最大のオフセット角よりも小さくして、自然な経路セグメントを計算することを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記計算するステップが、各自然な経路セグメントの第２の端部のオフセット距離間隔を最大の所定のオフセット距離間隔よりも小さい目標距離にほぼ等しくして、自然な経路セグメントを計算することを備える、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記計算するステップが、
第２の経路の自然な経路セグメントうちの第１の経路セグメントの構成を第２の経路の両側の端部の間の部分的な点で計算することと、
第２の経路の連続した自然な経路セグメントの構成を自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントから反対方向に計算することであって、各連続した経路セグメントの第２の端部が経路セグメントのうちの連続した１つの第１の端部を画定する、連続した自然な経路セグメントの構成を計算することと、
を備える、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を計算する前記ステップの前に、第１の経路に隣接する自然な経路の構成を決定することと、
その間の最小の横の距離を画定する第１の経路に隣接する自然な経路の部分を決定することと、
をさらに備え、
自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を計算する前記ステップが、最小の横の距離を画定する自然な経路の部分に位置が対応する点で、自然な経路セグメントのうちの第１の経路セグメントの構成を計算することを備える、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記配置するステップが、細長いテープを自動テープ敷設装置の供給ロールから配置し、かつ圧縮装置で起伏表面にテープを押圧することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記配置するステップが、各テープを複数の部分に配置することを備え、各テープの各部分は自動テープ敷設装置の供給ロールと圧縮装置の間に支持されるテープの少なくともほぼその長さである、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記配置するステップが、テープを実質的にテープのしわのない表面に配置することを備える、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記配置するステップが各細長いテープを配置することを備え、テープの隣接部分が約４度未満であるオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記配置するステップが各細長いテープを配置することを備え、隣接部分が約０．５度未満であるオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記配置するステップが、連続的な部分のそれぞれが約３インチから６フィートまでの間の長さを画定するように各細長いテープを配置することを備え、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記配置するステップが、連続的な部分のそれぞれが約６インチから３フィートまでの間の長さを画定するように各細長いテープを配置することを備え、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
請求項１の処理によって形成される複合部材。
【請求項１５】
起伏表面を画定する複合部材であって、部材が、
起伏表面を画定するのに略平行な構成で配置される複数の細長いテープであって、各テープはマトリクス材に配置される複数の補強部材を含む、複数の細長いテープを備え、
細長いテープのそれぞれが複数の自然な経路セグメントによって画定される経路に沿って配置され、各セグメントは経路の隣接セグメントに対して非自然なオフセット角を画定し、かつ各テープは自然な経路セグメントに対応する複数の連続的な部分を画定するため、各細長いテープの横の縁部がテープのうちの隣接する１つから所定のオフセット距離間隔内で配置される、複合部材。
【請求項１６】
細長いテープがしわ無く配置される、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１７】
各テープの隣接部分が約４度以下の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１８】
各テープの隣接部分が約０．５度以下の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項１９】
各テープの連続的な部分のそれぞれが約３インチから６フィートまでの間の長さを画定し、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【請求項２０】
各テープの連続的な部分のそれぞれが約６インチから３フィートまでの間の長さを画定し、各テープの隣接部分がその間の非自然なオフセット角を画定する、請求項１５に記載の複合部材。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２００８−５１５６６５（Ｐ２００８−５１５６６５Ａ）
【公表日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５３５７２６（Ｐ２００７−５３５７２６）
【出願日】平成１７年１０月５日（２００５．１０．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３５４４５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０４１７６８
【国際公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【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）】
【公表日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月５日（２００５．１０．５）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０３５４４５
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０４１７６８
【国際公開日】平成１８年４月２０日（２００６．４．２０）
【出願人】（５００５２０７４３）ザ・ボーイング・カンパニー (773)
【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ
【Ｆターム（参考）】
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