複合的な環状構造体を自動的に形成する方法
【課題】軽量、高強度の構造体、特に環状の複合構造体を形成するための効率的で且つ効果的な方法、装置及び
システムを提供する。
【解決手段】環状の複合構造体を形成する装置は、環状の形状のツール取扱い組立体６６０と、形成ヘッド６０４とを含む。該環状の形状のツール取扱い組立体６６０は、選択した断面の幾何学的形態の形成面を含む。形成ヘッド６０４は、ツールの形成面の廻りにて周方向に連続的なプライ層のプライを１つずつ形成する形態とされている。
システムを提供する。
【解決手段】環状の複合構造体を形成する装置は、環状の形状のツール取扱い組立体６６０と、形成ヘッド６０４とを含む。該環状の形状のツール取扱い組立体６６０は、選択した断面の幾何学的形態の形成面を含む。形成ヘッド６０４は、ツールの形成面の廻りにて周方向に連続的なプライ層のプライを１つずつ形成する形態とされている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］ 航空宇宙分野を含む産業界において、軽量、高強度の構造体が課題とされている。こうした必要性を満たすため、繊維強化した複合材料がしばしば使用されている。しかし、特定の形状を有する繊維強化した複合材料から出来た複合構造体は、所望の強度特性にて組み立てることは困難である。例えば、環状の形状の複合構造体は、通常、中間のデバルキングを用いてハンドレイアップにより製造されている。これは、コストの嵩む過程であり、完成するまでかなりの時間を必要とし、所望以下の結果となることがしばしばである。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］ 上述した理由のため、また、当業者が本明細書を読み且つ理解することにより明らかとなるであろう以下に記載したその他の理由のため、当該分野では、所望の特徴を有する環状の形状の構造体を形成するための効率的で且つ効果的な方法及びシステムが課題とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５１３，７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
［０００３］ 既存のシステムの上述した問題点は、本発明の実施の形態により解決され、また、以下の説明を読み且つ研究することにより理解されよう。以下の概要は、単に一例として掲げたものであり、限定的なものではない。これは、単に読み手に対して本発明の特徴の幾つかを理解する助けとなるように記載したものである。
【０００５】
［０００４］ １つの実施の形態において、環状の複合構造体を形成する装置が提供される。該装置は、環状の形状をしたツールと、形成ヘッドとを含む。該環状の形状のツールは、選択した断面の幾何学的形態の形成面を含む。形成ヘッドは、ツールの形成面の廻りにて周方向に連続的なプライ層のプライを１つずつ形成する形態とされている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
［０００５］ 本発明は、以下の詳細な説明及び以下の図面を検討することにより、より容易に理解され且つ更なる有利な効果及び用途がより容易に明らかになるであろう。
【図１Ａ】１Ａは本発明の１つの実施の形態による環状の形状のツールの等角図である。
【図１Ｂ】１Ｂは図１Ａのツールの側面図である。
【図１Ｃ】１Ｃは図１Ａのツールの頂面図である。
【図１Ｄ】１Ｄは図１Ｃの線ＡＡに沿った断面側面図である。
【図１Ｅ】１Ｅは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｆ】１Ｆは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｇ】１Ｇは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｈ】１Ｈは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｉ】１Ｉは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｊ】１Ｊは互いに連結した形成後の環状の複合構造体の１つ以上を示す断面側面図である。
【図１Ｋ】１Ｋは互いに連結した形成後の環状の複合構造体の１つ以上を示す断面側面図である。
【図１Ｌ】１Ｌは互いに連結した形成後の環状の複合構造体の１つ以上を示す断面側面図である。
【図２Ａ】２Ａは本発明の１つの実施の形態によるツールに連結したブリッジの頂面図である。
【図２Ｂ】２Ｂは図２Ａのブリッジ及びツールの側面図である。
【図２Ｃ】２Ｃは１つの実施の形態のブリッジ及びツールの別の頂面図である。
【図３Ａ】３Ａは本発明の１つの実施の形態のプライ層を第一の方向に圧縮するローラの図である。
【図３Ｂ】３Ｂは本発明の１つの実施の形態のプライ層を第二の方向に圧縮するローラの図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態を形成する流れ図である。
【図５Ａ】５Ａは本発明の実施の形態による形成後の複合構造体の図である。
【図５Ｂ】５Ｂは本発明の実施の形態による形成後の複合構造体の図である。
【図６Ａ】６Ａは、ツールの別の実施の形態のヘッド基部を形成し且つ本発明の構造体を形成する形成ヘッドの側面斜視図である。
【図６Ｂ】６Ｂは、本発明の１つの実施の形態による形成ヘッド、ツールの取扱い組立体及び材料の供給組立体の図である。
【図６Ｃ】６Ｃは、本発明の１つの実施の形態の別のツールの側面斜視図である。
【図６Ｄ】６Ｄは、図６Ｂのツールの取扱い組立体に図６Ｃのツールを取り付けた側面斜視図である。
【図６Ｅ】６Ｅは、本発明の１つの実施の形態の制御システムのブロック図である。
【図７】本発明の１つの実施の形態の形成状態を示す図である。
【０００７】
［００２５］ 一般的な方法に従い、説明した色々な特徴は、正確な縮尺にて示したものではなく、本発明に関連した特定の特徴を強調すべく示したものである。参照番号は、図面及び説明の全体を通じて同様の要素を表すものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［００２６］ 以下の詳細な説明において、本明細書の一部を構成し、また、本発明が実施可能な特定の実施の形態を単に一例として示す、添付図面に関して説明する。これらの実施の形態は、当該技術の当業者が本発明を実施するのを可能にするのに十分、詳細に説明し、また、その他の実施の形態が利用可能であること、また、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく論理的、機械的及び電気的変更を加えることが可能であることが理解される。このため、以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈されるべきではなく、また、本発明の範囲は請求の範囲及びその等価物によってのみ規定される。
【０００９】
［００２７］ 本発明の実施の形態は、繊維強化した複合材から補強した閉じた環状構造体を製造する方法及びシステムを提供する。機械による過程は、連続的な又は不連続的な材料を自動的に、部分的な位置にて部分的なプライを含む、一定断面の補強した環状の構造体に形成することを許容する。実施の形態は、プライ毎に材料を連続的に巻く過程が、ローラによる圧密化にて完全な周方向プライをレイアップし、形成することを許容する。このことは、自動的に製造することを許容し、また、中間のデバルクを必要とせずに、ハンドレイアップよりも低コストにて、優れた特定の強度特性を有する部品を製造する。複合構造体を形成するため使用される材料は、全体として、プライ層として説明する。プライ層は、プレプレグ材料及びドライ繊維材料を含むが、これらに限定されず、所望の特徴を呈する任意の材料にて製造することができる。プレプレグ材料及びドライ繊維材料は、テープ、織り布地、不織布地、及び非クリンプ布地を含むが、これにのみ限定されるものではない。
【００１０】
［００２８］ 図１Ａを参照すると、１つの実施の形態の環状の形状のツール１００の等角図が示されている。ツール１００は、内面１０２と、外面１０４とを含む。この実施の形態において、ツール１００は、リフトポケット１０６ａ、１０６ｂ上に休止している。引き上げ空所１０６ａ、１０６ｂは、フォークリフトのような重荷重装置を動かす車両にてツールを動かすことを許容する。ツール１００の側面図が図１Ｂに示されている。図示したように、ツール１００のこの実施の形態の外面１０４は、フランジ１０８ａ、１０８ｂを含む。外面１０４及びフランジ１０８ａ、１０８ｂは、ツール１００の形成面を形成する。図１Ｃは、ツール１００の頂面図である。図示したように、ツール１００は、この実施の形態にて、環状の形状をしている。図１Ｄは、図１Ｃの線ＡＡに沿ったツール１００の断面図を示す。この図面において、複合材料のレイアップ１１０は、外面１０４と、ツール１００のフランジ１０８ａ、１０８ｂにて出来た形成面上に示されている。更に、この実施の形態において、ツール１００は、部品を引き出す目的のため、分離可能な設計とされている。特に、この実施の形態において、フランジ１０８ａは、複合材料のレイアップ１１０が形成され且つ硬化したとき、ツール１００に沿って隔てられた締結具１０７を除去することによりツール１００の他の部分から分離される。このことは、形成した複合構造体をツール１００から容易に引きだすことを許容する。図示したように、複合材料のレイアップの断面の幾何学的形態はＣ字形の形態をしている。しかし、任意の断面の幾何学的形態とすることが考えられ、本発明は、Ｃ字形にのみ限定されるものではない。すなわち、ツールの形成面は、所望の断面の幾何学的形態を有する複合構造体を形成するため望まれる任意の断面の幾何学的形態を有することができる。例えば、形成した全円周の複合構造体の可能な断面の幾何学的形態１２０、１２２、１２４、１２６、１２８は図１Ｅ、図１Ｆ、図１Ｇ、図１Ｈ、図１Ｉに示されている。更に、断面の幾何学的形態１３０、１３２及び１３４は、図１Ｊ、図１Ｋ及び図１Ｌに示した２つ以上の全円周の複合構造体を連結することにより形成することもできる。従って、本発明は、特定の断面の幾何学的形態にのみ限定されるものではない。
【００１１】
［００２９］ 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、複合材料レイアップをツール１００に施すため使用される機構の１つの実施の形態を示す。特に、図２Ａは、ツール１００に回転可能に連結したブリッジの頂面図を示す。該ブリッジは、ブリッジフレーム２０２を含む。フレーム２０２は、第一のレール１３０ａと第２のレール１３０ｂとを有している。第一及び第二のレール１３０ａ、１３０ｂはこの実施の形態にてツール１００の直径を超えて伸びている。第一のレール１３０ａは、離間部材１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ及び１３２ｆにより第二のレール１３０ｂから隔てられている。支持体１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃは、レール１３０ａ、１３０ｂの間に更に追加されて、ブリッジフレーム２０２に対する追加の支持体を追加する。ブリッジ２００は、第一の端部２０４ａと、第二の端部２０４ｂとを有している。この実施の形態において、離間部材１３２ａは、ブリッジの第一の端部２０４ａに近接し、また、離間部材１３２ｆは、ブリッジ２００の第二の端部２０４ｂに近接している。図２ａには、離間部材１３２ａ、１３２ｂの間に配置された装着支持体１３８ａと、離間部材１３２ｅ、１３２ｆの間に装着した装着支持体１３８ｂとが更に示されている。ブリッジ２００のフレーム２０２には、ガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂが更に装着され、これらのガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂの各々は、レール１３０ａ、１３０ｂにより規定されたフレーム２０２の幅を横断して伸びている。各ガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂの端部には、それぞれのガイドローラ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄが装着されている。ガイドローラ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、ツール１００の内面１０２と係合する設計とされている。特に、ガイドローラ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、ツール１００の周りを回転するとき、ブリッジツール１００を案内する。１つの実施の形態において、ガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂは、フレームの内面の異なる直径を受け入れることができるように調節可能である。
【００１２】
［００３０］ 図２Ｂ及び図２Ｃは、ブリッジ２００をツール１００と回転可能に連結する方法を更に示す。特に、図２Ｂは、ブリッジ２００が連結された、ツール１００の断面側面図を示し、図２Ｃは、ツール１００上におけるブリッジ２００の別の頂面図である。図示したように、ブリッジ２００は、複数のトラップローラ２１０ａ、２１０ｂと、支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄとを含む。トラップローラ２１０ａ、２１０ｂは、トラップローラの支持部材２０９を介してフレーム２０２に連結されている。トラップローラ２１０ａ、２１０ｂは、ツール１００の内面から伸びるリップ１０３の第一の面１０３ａと係合する。尚、支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、ツールのリップ１０３の第二の面１０３ｂと係合する。従って、ツール１００のリップ１０３は、ガイドローラ２１０ａ、２１０ｂと支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄとの間にて連結されている。支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、支持ブラケット２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄを介してブリッジ２００のフレーム２０２に連結されている。トラップローラ２１０ａ、２１０ｂ及び支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、ブリッジ２００がツールの廻りにて回転するときブリッジ２００をツール１００の上に維持する。形成ヘッド２２０がブリッジ２００の第二の端部に近接して連結されている。この形成ヘッド２２０は、ローラ２２２、２２４、２２６を含むものとして図示されている。形成ヘッド２２０は、ツール１００の形成面上に連続的なプライ層を施し且つ１つずつプライ層を同時に形成する。形成ヘッド２２０の更なる説明については以下に記載する。ブリッジ２００の第一の端部２０４ａに近接して、圧縮ローラ２３０が連結されている。圧縮ローラ２３０は、プライ層をツール１００の形成面上に圧縮するため使用する。ブリッジ２００は、ツールに対して２方向に回転させることができる。従って、ブリッジ２００がツール１００に対して第一の方向に回転してプライ層がツール１００の形成面上に形成されたとき、ブリッジ２００はツール１００に対する方向を逆にし、圧縮ローラ２３０が図３Ａ、図３Ｂに示したように、２方向に作用することができる。特に、図３Ａは、プライ層３００を第一の方向に圧縮する圧縮ローラ２３０を示し、図３Ｂは、プライ層３００を第二の方向に圧縮する圧縮ローラ２３０を示す。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、ブリッジ２００を使用して複合材料をツール１００の外側形成面上に形成する状態を示すが、同一の原理は、ツール１００の内面上に形成した形成面に適用することができる。従って、この実施の形態（図示せず）において、ブリッジのフレーム２０２に装着された形成ヘッド２００は、ツール１００の内面に近接するであろう。従って、本発明は、ツール１００の外側の形成面にのみ限定されるものではない。
【００１３】
［００３１］ 図４を参照すると、１つの実施の形態の形成流れ図４００が示されている。流れ図４００は、この実施の形態にて、最初に、プライ層を製造することから開始する（４０２）。１つの実施の形態において、プライ層は、所望の繊維角度の方向を実現し得るように供給材を切断することにより製造される。次に、切断した繊維部分は、互いに接合して所望の角度方向及び所望の長さを有するプライ層を形成する。次に、平坦なプライ層は、通常、直ちに使用可能となる迄、供給ロールに巻く。１つの実施の形態において、プライ層の幅は、ツールの全幅まで切断する。従って、この実施の形態において、プライは、フランジ端縁からフランジ端縁まで連続している。次に、ツール１００を準備する（４０４）。１つの実施の形態において、ツールは、剥離コーティングを施すことにより準備し、この剥離コーティングは、形成した複合材部品をツール１００から引き出すことを許容する。次に、含浸させたピールプライを１つの実施の形態にてツール１００の形成面の所望の領域に施す（４０６）。１つの実施の形態において、ツールは、加熱してツール１００におけるプライ層の粘着性を向上させる。次に、プライ層は、形成ヘッド２２０により１つのプライ層ずつ形成面に施す（４０８）。１つの実施の形態において、材料は、ツールの周りに連続的に巻かれる。形成ヘッド２２０は、１つの実施の形態にて、各プライ層を均衡した対称の準等方位性レイアップにて施す。更に、形成ヘッド２２０は、ツール１００の形成面上にプライ層を施し且つプライ層を同時に形成する。１つの実施の形態において、プライ層は、手で施し、また、形成ヘッド２２０が層を形成する。プライ層は、形成ヘッドのローラにより個々に圧縮される（４１０）。１つの実施の形態において、プライ端部は、周方向に２５．４ｍｍだけ互いに重なり合う。１つの実施の形態において、ピールプライは、積層体の外面のコーナとフランジに施し、樹脂の濃度を制御する（４１２）。次に、バギング(ｂａｇｇｉｎｇ)過程が行われる（４１４）。更に、この実施の形態において、少なくとも１つのコーナにてコーナ圧密化装置を使用する（４１６）。次に、バギングした部品を、選択した熱及び圧力の下、オートクレーブ内にて硬化させる（４１８）。部品が硬化したとき、形成された複合構造体はツールから引き出す（４１０）。その後、最終部品はデバギング(ｄｅｂａｇｇｉｎｇ)し且つトリミンクセ処理する（４２０）。１つの実施の形態において、トリミング処理過程にてブリッジ２００が使用される。
【００１４】
［００３２］ 図５Ａ及び図５Ｂは、ツール１００（上述）又はツール６００（以下に説明）と同様のツールにて製造した形成後の複合構造体５００、５０１を示す。図示したように、これらの例において、複合構造体５００、５０１は、全体として円形（環状）であり、複合構造体５００は、Ｃ字形の断面の幾何学的形態を有し、また、複合構造体５０１は、Ｚ字形の断面の幾何学的形態を有している。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、ツール１００に対して回転するブリッジ２００に装着した形成ヘッド２２０を示すが、その他の実施の形態において、形成ヘッドは、静止し、ツールが動く。例えば、図６Ａを参照すると、形成ヘッドの基部６０２上の形成ヘッド６０４が示されている。この実施の形態において、形成ヘッドの基部６０２は、形成ヘッドの基部６０２がその上に休止する表面と係合する基部板６５４を含む。ケーブルトラック６４０及び細長の部材６５２ａ、６５２ｂが基部板６５４に装着されている。基部６０２の第一の基部支持体６０１は、基部板６５４と摺動可能に連結される。特に、形成ヘッドの基部６０２の第一の基部支持体６０１と連結したガイド（又は摺動体）６５０は、細長い部材６５２ａ、６５２ｂと摺動可能に係合して基部６０２の基部板６５４に対する、基部支持体６０１の動きを制御する。第一の基部支持体６０１を基部６０２の基部板６５４に対して動かすためケーブルトラック６４０が使用される。この動きは、形成ヘッド６０４が以下に更に説明するようにツールに対して接近、離反する動きを許容する。
【００１５】
［００３３］ 第一の基部支持体６０１は、形成ヘッドの基部６０２のこの実施の形態にて第二の基部支持体６０３に連結される。一方、第二の基部支持体６０３は、形成ヘッド６０４に連結される。形成ヘッド６０４は、この実施の形態にて全体としてＣ字形をしている。この実施の形態において、形成ヘッド６０４は、湾曲した細長いフレーム部材６３２ａ、６３２ｂ、６３２ｃ、６３２ｄを含む。装着板６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、６３０ｄ、６３０ｅ、６３０ｆがフレーム部材６３２ａ、６３２ｂ、６３２ｃ、６３２ｄの間に連結されている。ブラケット６２８は、装着板６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、６３０ｄ、６３０ｅ、６３０ｆに選択的に連結されている。空気シリンダ本体６２４（空気シリンダの）は、選択した位置にてブラケット６２８に連結されている。従って、特定の位置へのローラ６２０、６２２の位置決めは、この配置にて実現することができる。ロッド６２６（空気シリンダの）は、各それぞれの空気シリンダ本体６２４から選択的に外方に伸びてそれぞれの形成ローラ６２０、６２２をツールの形成面と係合させる。特に、空気シリンダ本体６２４は、それぞれの形成ローラ６２０、６２２によりプライ層に選択した力を加え、ツールの形成面の上にプライ層を形成する。加えられる一例としての力は４５．３ｋｇ（１００ｌｂｓ）である。１つの実施の形態において、プライ層の形成が完了したとき、ロッド６２６は、その、それぞれの空気シリンダ本体６２４内に後退する。
【００１６】
［００３４］ 図６Ｂを参照すると、１つの実施の形態の形成ヘッド６０４、ツール取扱い組立体６６０及び材料供給組立体６０８の図が示されている。ツール取扱い組立体６６０は、ツール取扱い支持体６６１がその上に伸びるツール保持基部６６２を含む。ツール装着部材６６４がツール装着支持体６６１に回転可能に連結されている。モータ（図示せず）は、ツール装着部材６６４をツール保持組立体６６０のツール保持支持体６６１に対して選択した角速度にて回転させる。材料供給組立体６０８は、この実施の形態にて操作者６１２によりツールに置かれる材料６１０のロールを回転可能に保持する。ツール６００の一例は、図６Ｃに図示されている。ツール６００が、ツール保持組立体６６０のツール装着部材６６４上に取り付けられているのが図６Ｄである。図６Ｄは、この実施の形態にてツール６００上にて材料を付与し且つ形成する状態を示す。図示したように、ツール６００は、操作者６１２が材料（プライ層）をツール６００に付与するとき、ツール保持組立体６６０上にて回転する。形成ローラ６２０、６２２を含む形成ヘッド６０４は、ツール６００上にてプライ層を形成する。プライ層が形成されたとき、形成ヘッド６０４は、摺動体６５０を介してツール６００から引き戻される。次に、形成されたプライ層６１０を有するツール１００は、硬化のため除去することができる。図６Ｅは、図６Ｄに示したように、複合材の形成装置を作動させるため使用する制御システム６８０のブロック図を示す。図示したように、コントローラ６８２は、ツール６００を回転すべき回転数と、回転中、ツール６００を停止させる前のツール６００の角速度とを含むが、これらにのみ限定されない入力を操作者から受け取る。コントローラ６８２は操作者の入力に応答して、所望の性能を実現するようモータ６８４を制御する。この実施の形態におけるコントローラ６８２は、また、加熱要素６８６を制御し、該加熱要素は、プライ繊維及び（又は）ツールを加熱してツールに対するプライの接着を助けるべく使用される。該加熱要素６８６は、対流加熱要素、赤外線加熱要素及び伝導加熱要素を含むが、これらにのみ限定されない任意の型式の加熱要素とすることができる。この実施の形態におけるコントローラ６８２は、また、作動制御装置６８８と連通している。作動制御装置６８８は、上述したアクチュエータ６２４の各々を制御するように連結されている。従って、コントローラ６８２は、操作者の入力に応答して、作動制御装置６８８に命令してこれに応じてそれぞれのアクチュエータ６２４の空気シリンダ６２６を動かす。
【００１７】
［００３５］ 上述したように、本発明の実施の形態は、形成ヘッドを使用する。自動式プライ供給装置（分与装置７２４）を含む形成ヘッドの別の例は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、「複合材の補強装置及び補強構造体を形成する装置及び方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ ａｎｄ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」という名称で２００４年７月３０日付けにて出願し、同時に譲渡した米国特許第７，５１３，７６９号公報（ベンソン（Ｂｅｎｓｏｎ）その他の者）に見ることができる。形成ヘッドの説明は、図７の概略図に示されている。特に、図７は、材料の分与装置７２４及び形成ヘッド７２６の一例を示す。材料７４０（例えば、プライ層又はプレプレグ布）は、１対の供給ローラ７４６により起動される供給及び張力ローラ７４２から且つ方向変更ローラ７４４上に供給される。材料７４０は、本発明のその他の実施の形態に関して上述したような特定の長さ、幅、又はその双方に材料を切断するため使用することのできる切断装置７４８を超えて進む。その後、材料７４０は、粘着ローラ７５０によりツール７０６Ａの一部分に分配される。
【００１８】
［００３６］ 粘着ローラ７５０（及び材料７４０が遭遇する後続のローラ）は第一の立面図にて示され、また、第二の回転した立面図は、色々なローラが材料７４０及び下側ツール７０６Ａと相互作用することにより材料７４０が形成される方法を更に理解し得るようにするため、直下に示されていることが理解される。
【００１９】
［００３７］ 形成ヘッド７２６は、ツール７０６Ａ上に分配された材料７４０（又は、ツール７０６Ａ上に分配されたそれ以前に形状を設定した材料プライ）の形状を設定し且つデバルクするため使用される複数のローラ７２８Ａ−７２８Ｄを含む。このように、例えば、第一のローラ７２８Ａは、ツール７０６Ａと係合し、材料７４０を全体としてツール７０６Ａの形状に順応させる。第二に、１組みのローラ７２８Ｂを使用して材料をツール７０６Ａの側壁７５４に押し付けることができる。所望であれば、これは、ローラ７２８Ｂの回転立面図にて示したように、ツール７０６Ａの上方部分から底部分まで作用する多数セットのローラ７２８Ｂにより実現することができる。別セットのローラ７２８Ｃを使用して材料７４０をツール７０６Ａの内側下方コーナ部７５６内に押し込むことができる。ローラ７２８Ａ−７２８Ｄの間の１つ又はより多くの中間位置にて絞り器７５８（又はシュー）を使用して材料の皺を取るのを助けることができる。最後に、１組みのローラ７２８Ｄを使用して複合構造体７０２のフランジ部材を加圧し且つ形成することができる。
【００２０】
［００３８］ 複合構造体７０２を形成する過程は、材料７４０を内側から外側に形成し、整形し且つデバルクする工程を含むことが分かる。換言すれば、粘着ローラ７５０は、ツール７０６Ａ、及びその上に配置された材料７４０の中心で圧力を加え、後続のローラ７２８Ａ−７２８Ｄは、各々、その後、材料７４０の外端縁に更に向けた位置にて圧力を加える。かかる過程は、材料の層状プライ間の皺及び空隙を除去し、これにより高度に圧密化し且つデバルクした複合部材を製造するのに効率的で且つ効果的であると判断した。
【００２１】
［００３９］ 巻き取りローラ７６０は、形成ヘッド７２６と関係付け、（又は、キャリッジ組立体７１０と独立的に連結し）、例えば、複合構造体７０２を形成するため使用されるプレプレグ材料の表面上に分配することのできるキャリア材料７６２（バッキングとも呼ばれる）を集めることができる。適当なポリマー材料を含むことができるキャリア材料７６２は、ロール巻きした形態にあるとき（すなわち、供給及び張力ローラ７４２上にあるとき）、プレプレグ材料がそれ自体に接着するのを防止するのみならず、材料７４０が整形され形成され又はデバルクされる間、材料７４０上に残り、色々なローラ７５０及び７２８Ａ−７２８Ｄが材料７４０に付着し、また、その表面の樹脂を集め且つ蓄積させるのを防止する。更に、かかるキャリア材料７６２の存在は、複合構造体７０２を形成する間、色々なローラ７２８が材料７４０を加圧し且つ摩擦するとき、複合構造体７０２を形成すべく使用される材料７４０を保護する作用を果たすことができる。
【００２２】
［００４０］ 本明細書にて特定の実施の形態について図示し且つ説明したが、当該技術の当業者には、同一の目的を達成することを計画する任意の構成は、図示した特定の実施の形態に置換することが可能であることが理解されよう。本出願は、本発明の任意の適応例及び変更例を包含することを意図するものである。このため、本発明は、請求項及びその等価物によってのみ限定されることを明白に意図するものである。
【符号の説明】
【００２３】
１００ ツール
１０２ ツールの内面
１０３ ツール１００の内面から伸びるリップ
１０３ａ リップ１０３の第一の面
１０３ｂ リップ１０３の第二の面
１０４ リップの外面
１０６ａ 引き上げ空所
１０６ｂ 引き上げ空所
１０７ 締結具
１０８ａ フランジ
１０８ｂ フランジ
１１０ 複合材料のレイアップ
１２０ 複合構造体の幾何学的形態
１２２ 複合構造体の幾何学的形態
１２４ 複合構造体の幾何学的形態
１２６ 複合構造体の幾何学的形態
１２８ 複合構造体の幾何学的形態
１３０ 複合構造体の断面の幾何学的形態
１３０ａ 第一のレール
１３０ｂ 第２のレール
１３２ 複合構造体の断面の幾何学的形態
１３２ａ 離間部材
１３２ｂ 離間部材
１３２ｃ 離間部材
１３２ｄ 離間部材
１３２ｅ 離間部材
１３２ｆ 離間部材
１３４ 複合構造体の断面の幾何学的形態
１３４ａ 支持体
１３４ｂ 支持体
１３４ｃ 支持体
１３６ａ ガイドローラ支持体
１３６ｂ ガイドローラ支持体
１３８ａ 装着支持体
１３８ｂ 装着支持体
【技術分野】
【０００１】
［０００１］ 航空宇宙分野を含む産業界において、軽量、高強度の構造体が課題とされている。こうした必要性を満たすため、繊維強化した複合材料がしばしば使用されている。しかし、特定の形状を有する繊維強化した複合材料から出来た複合構造体は、所望の強度特性にて組み立てることは困難である。例えば、環状の形状の複合構造体は、通常、中間のデバルキングを用いてハンドレイアップにより製造されている。これは、コストの嵩む過程であり、完成するまでかなりの時間を必要とし、所望以下の結果となることがしばしばである。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］ 上述した理由のため、また、当業者が本明細書を読み且つ理解することにより明らかとなるであろう以下に記載したその他の理由のため、当該分野では、所望の特徴を有する環状の形状の構造体を形成するための効率的で且つ効果的な方法及びシステムが課題とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許第７，５１３，７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
［０００３］ 既存のシステムの上述した問題点は、本発明の実施の形態により解決され、また、以下の説明を読み且つ研究することにより理解されよう。以下の概要は、単に一例として掲げたものであり、限定的なものではない。これは、単に読み手に対して本発明の特徴の幾つかを理解する助けとなるように記載したものである。
【０００５】
［０００４］ １つの実施の形態において、環状の複合構造体を形成する装置が提供される。該装置は、環状の形状をしたツールと、形成ヘッドとを含む。該環状の形状のツールは、選択した断面の幾何学的形態の形成面を含む。形成ヘッドは、ツールの形成面の廻りにて周方向に連続的なプライ層のプライを１つずつ形成する形態とされている。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
［０００５］ 本発明は、以下の詳細な説明及び以下の図面を検討することにより、より容易に理解され且つ更なる有利な効果及び用途がより容易に明らかになるであろう。
【図１Ａ】１Ａは本発明の１つの実施の形態による環状の形状のツールの等角図である。
【図１Ｂ】１Ｂは図１Ａのツールの側面図である。
【図１Ｃ】１Ｃは図１Ａのツールの頂面図である。
【図１Ｄ】１Ｄは図１Ｃの線ＡＡに沿った断面側面図である。
【図１Ｅ】１Ｅは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｆ】１Ｆは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｇ】１Ｇは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｈ】１Ｈは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｉ】１Ｉは可能な断面の幾何学形態を示す形成した環状の複合構造体の断面側面図である。
【図１Ｊ】１Ｊは互いに連結した形成後の環状の複合構造体の１つ以上を示す断面側面図である。
【図１Ｋ】１Ｋは互いに連結した形成後の環状の複合構造体の１つ以上を示す断面側面図である。
【図１Ｌ】１Ｌは互いに連結した形成後の環状の複合構造体の１つ以上を示す断面側面図である。
【図２Ａ】２Ａは本発明の１つの実施の形態によるツールに連結したブリッジの頂面図である。
【図２Ｂ】２Ｂは図２Ａのブリッジ及びツールの側面図である。
【図２Ｃ】２Ｃは１つの実施の形態のブリッジ及びツールの別の頂面図である。
【図３Ａ】３Ａは本発明の１つの実施の形態のプライ層を第一の方向に圧縮するローラの図である。
【図３Ｂ】３Ｂは本発明の１つの実施の形態のプライ層を第二の方向に圧縮するローラの図である。
【図４】本発明の１つの実施の形態を形成する流れ図である。
【図５Ａ】５Ａは本発明の実施の形態による形成後の複合構造体の図である。
【図５Ｂ】５Ｂは本発明の実施の形態による形成後の複合構造体の図である。
【図６Ａ】６Ａは、ツールの別の実施の形態のヘッド基部を形成し且つ本発明の構造体を形成する形成ヘッドの側面斜視図である。
【図６Ｂ】６Ｂは、本発明の１つの実施の形態による形成ヘッド、ツールの取扱い組立体及び材料の供給組立体の図である。
【図６Ｃ】６Ｃは、本発明の１つの実施の形態の別のツールの側面斜視図である。
【図６Ｄ】６Ｄは、図６Ｂのツールの取扱い組立体に図６Ｃのツールを取り付けた側面斜視図である。
【図６Ｅ】６Ｅは、本発明の１つの実施の形態の制御システムのブロック図である。
【図７】本発明の１つの実施の形態の形成状態を示す図である。
【０００７】
［００２５］ 一般的な方法に従い、説明した色々な特徴は、正確な縮尺にて示したものではなく、本発明に関連した特定の特徴を強調すべく示したものである。参照番号は、図面及び説明の全体を通じて同様の要素を表すものである。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［００２６］ 以下の詳細な説明において、本明細書の一部を構成し、また、本発明が実施可能な特定の実施の形態を単に一例として示す、添付図面に関して説明する。これらの実施の形態は、当該技術の当業者が本発明を実施するのを可能にするのに十分、詳細に説明し、また、その他の実施の形態が利用可能であること、また、本発明の思想及び範囲から逸脱することなく論理的、機械的及び電気的変更を加えることが可能であることが理解される。このため、以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈されるべきではなく、また、本発明の範囲は請求の範囲及びその等価物によってのみ規定される。
【０００９】
［００２７］ 本発明の実施の形態は、繊維強化した複合材から補強した閉じた環状構造体を製造する方法及びシステムを提供する。機械による過程は、連続的な又は不連続的な材料を自動的に、部分的な位置にて部分的なプライを含む、一定断面の補強した環状の構造体に形成することを許容する。実施の形態は、プライ毎に材料を連続的に巻く過程が、ローラによる圧密化にて完全な周方向プライをレイアップし、形成することを許容する。このことは、自動的に製造することを許容し、また、中間のデバルクを必要とせずに、ハンドレイアップよりも低コストにて、優れた特定の強度特性を有する部品を製造する。複合構造体を形成するため使用される材料は、全体として、プライ層として説明する。プライ層は、プレプレグ材料及びドライ繊維材料を含むが、これらに限定されず、所望の特徴を呈する任意の材料にて製造することができる。プレプレグ材料及びドライ繊維材料は、テープ、織り布地、不織布地、及び非クリンプ布地を含むが、これにのみ限定されるものではない。
【００１０】
［００２８］ 図１Ａを参照すると、１つの実施の形態の環状の形状のツール１００の等角図が示されている。ツール１００は、内面１０２と、外面１０４とを含む。この実施の形態において、ツール１００は、リフトポケット１０６ａ、１０６ｂ上に休止している。引き上げ空所１０６ａ、１０６ｂは、フォークリフトのような重荷重装置を動かす車両にてツールを動かすことを許容する。ツール１００の側面図が図１Ｂに示されている。図示したように、ツール１００のこの実施の形態の外面１０４は、フランジ１０８ａ、１０８ｂを含む。外面１０４及びフランジ１０８ａ、１０８ｂは、ツール１００の形成面を形成する。図１Ｃは、ツール１００の頂面図である。図示したように、ツール１００は、この実施の形態にて、環状の形状をしている。図１Ｄは、図１Ｃの線ＡＡに沿ったツール１００の断面図を示す。この図面において、複合材料のレイアップ１１０は、外面１０４と、ツール１００のフランジ１０８ａ、１０８ｂにて出来た形成面上に示されている。更に、この実施の形態において、ツール１００は、部品を引き出す目的のため、分離可能な設計とされている。特に、この実施の形態において、フランジ１０８ａは、複合材料のレイアップ１１０が形成され且つ硬化したとき、ツール１００に沿って隔てられた締結具１０７を除去することによりツール１００の他の部分から分離される。このことは、形成した複合構造体をツール１００から容易に引きだすことを許容する。図示したように、複合材料のレイアップの断面の幾何学的形態はＣ字形の形態をしている。しかし、任意の断面の幾何学的形態とすることが考えられ、本発明は、Ｃ字形にのみ限定されるものではない。すなわち、ツールの形成面は、所望の断面の幾何学的形態を有する複合構造体を形成するため望まれる任意の断面の幾何学的形態を有することができる。例えば、形成した全円周の複合構造体の可能な断面の幾何学的形態１２０、１２２、１２４、１２６、１２８は図１Ｅ、図１Ｆ、図１Ｇ、図１Ｈ、図１Ｉに示されている。更に、断面の幾何学的形態１３０、１３２及び１３４は、図１Ｊ、図１Ｋ及び図１Ｌに示した２つ以上の全円周の複合構造体を連結することにより形成することもできる。従って、本発明は、特定の断面の幾何学的形態にのみ限定されるものではない。
【００１１】
［００２９］ 図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、複合材料レイアップをツール１００に施すため使用される機構の１つの実施の形態を示す。特に、図２Ａは、ツール１００に回転可能に連結したブリッジの頂面図を示す。該ブリッジは、ブリッジフレーム２０２を含む。フレーム２０２は、第一のレール１３０ａと第２のレール１３０ｂとを有している。第一及び第二のレール１３０ａ、１３０ｂはこの実施の形態にてツール１００の直径を超えて伸びている。第一のレール１３０ａは、離間部材１３２ａ、１３２ｂ、１３２ｃ、１３２ｄ、１３２ｅ及び１３２ｆにより第二のレール１３０ｂから隔てられている。支持体１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃは、レール１３０ａ、１３０ｂの間に更に追加されて、ブリッジフレーム２０２に対する追加の支持体を追加する。ブリッジ２００は、第一の端部２０４ａと、第二の端部２０４ｂとを有している。この実施の形態において、離間部材１３２ａは、ブリッジの第一の端部２０４ａに近接し、また、離間部材１３２ｆは、ブリッジ２００の第二の端部２０４ｂに近接している。図２ａには、離間部材１３２ａ、１３２ｂの間に配置された装着支持体１３８ａと、離間部材１３２ｅ、１３２ｆの間に装着した装着支持体１３８ｂとが更に示されている。ブリッジ２００のフレーム２０２には、ガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂが更に装着され、これらのガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂの各々は、レール１３０ａ、１３０ｂにより規定されたフレーム２０２の幅を横断して伸びている。各ガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂの端部には、それぞれのガイドローラ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄが装着されている。ガイドローラ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、ツール１００の内面１０２と係合する設計とされている。特に、ガイドローラ２０６ａ、２０６ｂ、２０６ｃ、２０６ｄは、ツール１００の周りを回転するとき、ブリッジツール１００を案内する。１つの実施の形態において、ガイドローラ支持体１３６ａ、１３６ｂは、フレームの内面の異なる直径を受け入れることができるように調節可能である。
【００１２】
［００３０］ 図２Ｂ及び図２Ｃは、ブリッジ２００をツール１００と回転可能に連結する方法を更に示す。特に、図２Ｂは、ブリッジ２００が連結された、ツール１００の断面側面図を示し、図２Ｃは、ツール１００上におけるブリッジ２００の別の頂面図である。図示したように、ブリッジ２００は、複数のトラップローラ２１０ａ、２１０ｂと、支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄとを含む。トラップローラ２１０ａ、２１０ｂは、トラップローラの支持部材２０９を介してフレーム２０２に連結されている。トラップローラ２１０ａ、２１０ｂは、ツール１００の内面から伸びるリップ１０３の第一の面１０３ａと係合する。尚、支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、ツールのリップ１０３の第二の面１０３ｂと係合する。従って、ツール１００のリップ１０３は、ガイドローラ２１０ａ、２１０ｂと支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄとの間にて連結されている。支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、支持ブラケット２０７ａ、２０７ｂ、２０７ｃ、２０７ｄを介してブリッジ２００のフレーム２０２に連結されている。トラップローラ２１０ａ、２１０ｂ及び支持ローラ２０８ａ、２０８ｂ、２０８ｃ、２０８ｄは、ブリッジ２００がツールの廻りにて回転するときブリッジ２００をツール１００の上に維持する。形成ヘッド２２０がブリッジ２００の第二の端部に近接して連結されている。この形成ヘッド２２０は、ローラ２２２、２２４、２２６を含むものとして図示されている。形成ヘッド２２０は、ツール１００の形成面上に連続的なプライ層を施し且つ１つずつプライ層を同時に形成する。形成ヘッド２２０の更なる説明については以下に記載する。ブリッジ２００の第一の端部２０４ａに近接して、圧縮ローラ２３０が連結されている。圧縮ローラ２３０は、プライ層をツール１００の形成面上に圧縮するため使用する。ブリッジ２００は、ツールに対して２方向に回転させることができる。従って、ブリッジ２００がツール１００に対して第一の方向に回転してプライ層がツール１００の形成面上に形成されたとき、ブリッジ２００はツール１００に対する方向を逆にし、圧縮ローラ２３０が図３Ａ、図３Ｂに示したように、２方向に作用することができる。特に、図３Ａは、プライ層３００を第一の方向に圧縮する圧縮ローラ２３０を示し、図３Ｂは、プライ層３００を第二の方向に圧縮する圧縮ローラ２３０を示す。図２Ａ、図２Ｂ、及び図２Ｃは、ブリッジ２００を使用して複合材料をツール１００の外側形成面上に形成する状態を示すが、同一の原理は、ツール１００の内面上に形成した形成面に適用することができる。従って、この実施の形態（図示せず）において、ブリッジのフレーム２０２に装着された形成ヘッド２００は、ツール１００の内面に近接するであろう。従って、本発明は、ツール１００の外側の形成面にのみ限定されるものではない。
【００１３】
［００３１］ 図４を参照すると、１つの実施の形態の形成流れ図４００が示されている。流れ図４００は、この実施の形態にて、最初に、プライ層を製造することから開始する（４０２）。１つの実施の形態において、プライ層は、所望の繊維角度の方向を実現し得るように供給材を切断することにより製造される。次に、切断した繊維部分は、互いに接合して所望の角度方向及び所望の長さを有するプライ層を形成する。次に、平坦なプライ層は、通常、直ちに使用可能となる迄、供給ロールに巻く。１つの実施の形態において、プライ層の幅は、ツールの全幅まで切断する。従って、この実施の形態において、プライは、フランジ端縁からフランジ端縁まで連続している。次に、ツール１００を準備する（４０４）。１つの実施の形態において、ツールは、剥離コーティングを施すことにより準備し、この剥離コーティングは、形成した複合材部品をツール１００から引き出すことを許容する。次に、含浸させたピールプライを１つの実施の形態にてツール１００の形成面の所望の領域に施す（４０６）。１つの実施の形態において、ツールは、加熱してツール１００におけるプライ層の粘着性を向上させる。次に、プライ層は、形成ヘッド２２０により１つのプライ層ずつ形成面に施す（４０８）。１つの実施の形態において、材料は、ツールの周りに連続的に巻かれる。形成ヘッド２２０は、１つの実施の形態にて、各プライ層を均衡した対称の準等方位性レイアップにて施す。更に、形成ヘッド２２０は、ツール１００の形成面上にプライ層を施し且つプライ層を同時に形成する。１つの実施の形態において、プライ層は、手で施し、また、形成ヘッド２２０が層を形成する。プライ層は、形成ヘッドのローラにより個々に圧縮される（４１０）。１つの実施の形態において、プライ端部は、周方向に２５．４ｍｍだけ互いに重なり合う。１つの実施の形態において、ピールプライは、積層体の外面のコーナとフランジに施し、樹脂の濃度を制御する（４１２）。次に、バギング(ｂａｇｇｉｎｇ)過程が行われる（４１４）。更に、この実施の形態において、少なくとも１つのコーナにてコーナ圧密化装置を使用する（４１６）。次に、バギングした部品を、選択した熱及び圧力の下、オートクレーブ内にて硬化させる（４１８）。部品が硬化したとき、形成された複合構造体はツールから引き出す（４１０）。その後、最終部品はデバギング(ｄｅｂａｇｇｉｎｇ)し且つトリミンクセ処理する（４２０）。１つの実施の形態において、トリミング処理過程にてブリッジ２００が使用される。
【００１４】
［００３２］ 図５Ａ及び図５Ｂは、ツール１００（上述）又はツール６００（以下に説明）と同様のツールにて製造した形成後の複合構造体５００、５０１を示す。図示したように、これらの例において、複合構造体５００、５０１は、全体として円形（環状）であり、複合構造体５００は、Ｃ字形の断面の幾何学的形態を有し、また、複合構造体５０１は、Ｚ字形の断面の幾何学的形態を有している。図２Ａ、図２Ｂ及び図２Ｃは、ツール１００に対して回転するブリッジ２００に装着した形成ヘッド２２０を示すが、その他の実施の形態において、形成ヘッドは、静止し、ツールが動く。例えば、図６Ａを参照すると、形成ヘッドの基部６０２上の形成ヘッド６０４が示されている。この実施の形態において、形成ヘッドの基部６０２は、形成ヘッドの基部６０２がその上に休止する表面と係合する基部板６５４を含む。ケーブルトラック６４０及び細長の部材６５２ａ、６５２ｂが基部板６５４に装着されている。基部６０２の第一の基部支持体６０１は、基部板６５４と摺動可能に連結される。特に、形成ヘッドの基部６０２の第一の基部支持体６０１と連結したガイド（又は摺動体）６５０は、細長い部材６５２ａ、６５２ｂと摺動可能に係合して基部６０２の基部板６５４に対する、基部支持体６０１の動きを制御する。第一の基部支持体６０１を基部６０２の基部板６５４に対して動かすためケーブルトラック６４０が使用される。この動きは、形成ヘッド６０４が以下に更に説明するようにツールに対して接近、離反する動きを許容する。
【００１５】
［００３３］ 第一の基部支持体６０１は、形成ヘッドの基部６０２のこの実施の形態にて第二の基部支持体６０３に連結される。一方、第二の基部支持体６０３は、形成ヘッド６０４に連結される。形成ヘッド６０４は、この実施の形態にて全体としてＣ字形をしている。この実施の形態において、形成ヘッド６０４は、湾曲した細長いフレーム部材６３２ａ、６３２ｂ、６３２ｃ、６３２ｄを含む。装着板６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、６３０ｄ、６３０ｅ、６３０ｆがフレーム部材６３２ａ、６３２ｂ、６３２ｃ、６３２ｄの間に連結されている。ブラケット６２８は、装着板６３０ａ、６３０ｂ、６３０ｃ、６３０ｄ、６３０ｅ、６３０ｆに選択的に連結されている。空気シリンダ本体６２４（空気シリンダの）は、選択した位置にてブラケット６２８に連結されている。従って、特定の位置へのローラ６２０、６２２の位置決めは、この配置にて実現することができる。ロッド６２６（空気シリンダの）は、各それぞれの空気シリンダ本体６２４から選択的に外方に伸びてそれぞれの形成ローラ６２０、６２２をツールの形成面と係合させる。特に、空気シリンダ本体６２４は、それぞれの形成ローラ６２０、６２２によりプライ層に選択した力を加え、ツールの形成面の上にプライ層を形成する。加えられる一例としての力は４５．３ｋｇ（１００ｌｂｓ）である。１つの実施の形態において、プライ層の形成が完了したとき、ロッド６２６は、その、それぞれの空気シリンダ本体６２４内に後退する。
【００１６】
［００３４］ 図６Ｂを参照すると、１つの実施の形態の形成ヘッド６０４、ツール取扱い組立体６６０及び材料供給組立体６０８の図が示されている。ツール取扱い組立体６６０は、ツール取扱い支持体６６１がその上に伸びるツール保持基部６６２を含む。ツール装着部材６６４がツール装着支持体６６１に回転可能に連結されている。モータ（図示せず）は、ツール装着部材６６４をツール保持組立体６６０のツール保持支持体６６１に対して選択した角速度にて回転させる。材料供給組立体６０８は、この実施の形態にて操作者６１２によりツールに置かれる材料６１０のロールを回転可能に保持する。ツール６００の一例は、図６Ｃに図示されている。ツール６００が、ツール保持組立体６６０のツール装着部材６６４上に取り付けられているのが図６Ｄである。図６Ｄは、この実施の形態にてツール６００上にて材料を付与し且つ形成する状態を示す。図示したように、ツール６００は、操作者６１２が材料（プライ層）をツール６００に付与するとき、ツール保持組立体６６０上にて回転する。形成ローラ６２０、６２２を含む形成ヘッド６０４は、ツール６００上にてプライ層を形成する。プライ層が形成されたとき、形成ヘッド６０４は、摺動体６５０を介してツール６００から引き戻される。次に、形成されたプライ層６１０を有するツール１００は、硬化のため除去することができる。図６Ｅは、図６Ｄに示したように、複合材の形成装置を作動させるため使用する制御システム６８０のブロック図を示す。図示したように、コントローラ６８２は、ツール６００を回転すべき回転数と、回転中、ツール６００を停止させる前のツール６００の角速度とを含むが、これらにのみ限定されない入力を操作者から受け取る。コントローラ６８２は操作者の入力に応答して、所望の性能を実現するようモータ６８４を制御する。この実施の形態におけるコントローラ６８２は、また、加熱要素６８６を制御し、該加熱要素は、プライ繊維及び（又は）ツールを加熱してツールに対するプライの接着を助けるべく使用される。該加熱要素６８６は、対流加熱要素、赤外線加熱要素及び伝導加熱要素を含むが、これらにのみ限定されない任意の型式の加熱要素とすることができる。この実施の形態におけるコントローラ６８２は、また、作動制御装置６８８と連通している。作動制御装置６８８は、上述したアクチュエータ６２４の各々を制御するように連結されている。従って、コントローラ６８２は、操作者の入力に応答して、作動制御装置６８８に命令してこれに応じてそれぞれのアクチュエータ６２４の空気シリンダ６２６を動かす。
【００１７】
［００３５］ 上述したように、本発明の実施の形態は、形成ヘッドを使用する。自動式プライ供給装置（分与装置７２４）を含む形成ヘッドの別の例は、その内容を参考として引用し本明細書に含めた、「複合材の補強装置及び補強構造体を形成する装置及び方法（Ａｐｐａｒａｔｕｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｆｏｒ Ｆｏｒｍｉｎｇ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｓｔｉｆｆｅｎｅｒｓ ａｎｄ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」という名称で２００４年７月３０日付けにて出願し、同時に譲渡した米国特許第７，５１３，７６９号公報（ベンソン（Ｂｅｎｓｏｎ）その他の者）に見ることができる。形成ヘッドの説明は、図７の概略図に示されている。特に、図７は、材料の分与装置７２４及び形成ヘッド７２６の一例を示す。材料７４０（例えば、プライ層又はプレプレグ布）は、１対の供給ローラ７４６により起動される供給及び張力ローラ７４２から且つ方向変更ローラ７４４上に供給される。材料７４０は、本発明のその他の実施の形態に関して上述したような特定の長さ、幅、又はその双方に材料を切断するため使用することのできる切断装置７４８を超えて進む。その後、材料７４０は、粘着ローラ７５０によりツール７０６Ａの一部分に分配される。
【００１８】
［００３６］ 粘着ローラ７５０（及び材料７４０が遭遇する後続のローラ）は第一の立面図にて示され、また、第二の回転した立面図は、色々なローラが材料７４０及び下側ツール７０６Ａと相互作用することにより材料７４０が形成される方法を更に理解し得るようにするため、直下に示されていることが理解される。
【００１９】
［００３７］ 形成ヘッド７２６は、ツール７０６Ａ上に分配された材料７４０（又は、ツール７０６Ａ上に分配されたそれ以前に形状を設定した材料プライ）の形状を設定し且つデバルクするため使用される複数のローラ７２８Ａ−７２８Ｄを含む。このように、例えば、第一のローラ７２８Ａは、ツール７０６Ａと係合し、材料７４０を全体としてツール７０６Ａの形状に順応させる。第二に、１組みのローラ７２８Ｂを使用して材料をツール７０６Ａの側壁７５４に押し付けることができる。所望であれば、これは、ローラ７２８Ｂの回転立面図にて示したように、ツール７０６Ａの上方部分から底部分まで作用する多数セットのローラ７２８Ｂにより実現することができる。別セットのローラ７２８Ｃを使用して材料７４０をツール７０６Ａの内側下方コーナ部７５６内に押し込むことができる。ローラ７２８Ａ−７２８Ｄの間の１つ又はより多くの中間位置にて絞り器７５８（又はシュー）を使用して材料の皺を取るのを助けることができる。最後に、１組みのローラ７２８Ｄを使用して複合構造体７０２のフランジ部材を加圧し且つ形成することができる。
【００２０】
［００３８］ 複合構造体７０２を形成する過程は、材料７４０を内側から外側に形成し、整形し且つデバルクする工程を含むことが分かる。換言すれば、粘着ローラ７５０は、ツール７０６Ａ、及びその上に配置された材料７４０の中心で圧力を加え、後続のローラ７２８Ａ−７２８Ｄは、各々、その後、材料７４０の外端縁に更に向けた位置にて圧力を加える。かかる過程は、材料の層状プライ間の皺及び空隙を除去し、これにより高度に圧密化し且つデバルクした複合部材を製造するのに効率的で且つ効果的であると判断した。
【００２１】
［００３９］ 巻き取りローラ７６０は、形成ヘッド７２６と関係付け、（又は、キャリッジ組立体７１０と独立的に連結し）、例えば、複合構造体７０２を形成するため使用されるプレプレグ材料の表面上に分配することのできるキャリア材料７６２（バッキングとも呼ばれる）を集めることができる。適当なポリマー材料を含むことができるキャリア材料７６２は、ロール巻きした形態にあるとき（すなわち、供給及び張力ローラ７４２上にあるとき）、プレプレグ材料がそれ自体に接着するのを防止するのみならず、材料７４０が整形され形成され又はデバルクされる間、材料７４０上に残り、色々なローラ７５０及び７２８Ａ−７２８Ｄが材料７４０に付着し、また、その表面の樹脂を集め且つ蓄積させるのを防止する。更に、かかるキャリア材料７６２の存在は、複合構造体７０２を形成する間、色々なローラ７２８が材料７４０を加圧し且つ摩擦するとき、複合構造体７０２を形成すべく使用される材料７４０を保護する作用を果たすことができる。
【００２２】
［００４０］ 本明細書にて特定の実施の形態について図示し且つ説明したが、当該技術の当業者には、同一の目的を達成することを計画する任意の構成は、図示した特定の実施の形態に置換することが可能であることが理解されよう。本出願は、本発明の任意の適応例及び変更例を包含することを意図するものである。このため、本発明は、請求項及びその等価物によってのみ限定されることを明白に意図するものである。
【符号の説明】
【００２３】
１００ ツール
１０２ ツールの内面
１０３ ツール１００の内面から伸びるリップ
１０３ａ リップ１０３の第一の面
１０３ｂ リップ１０３の第二の面
１０４ リップの外面
１０６ａ 引き上げ空所
１０６ｂ 引き上げ空所
１０７ 締結具
１０８ａ フランジ
１０８ｂ フランジ
１１０ 複合材料のレイアップ
１２０ 複合構造体の幾何学的形態
１２２ 複合構造体の幾何学的形態
１２４ 複合構造体の幾何学的形態
１２６ 複合構造体の幾何学的形態
１２８ 複合構造体の幾何学的形態
１３０ 複合構造体の断面の幾何学的形態
１３０ａ 第一のレール
１３０ｂ 第２のレール
１３２ 複合構造体の断面の幾何学的形態
１３２ａ 離間部材
１３２ｂ 離間部材
１３２ｃ 離間部材
１３２ｄ 離間部材
１３２ｅ 離間部材
１３２ｆ 離間部材
１３４ 複合構造体の断面の幾何学的形態
１３４ａ 支持体
１３４ｂ 支持体
１３４ｃ 支持体
１３６ａ ガイドローラ支持体
１３６ｂ ガイドローラ支持体
１３８ａ 装着支持体
１３８ｂ 装着支持体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
環状の複合構造体を形成する方法において、
選択した断面の幾何学的形態を有する環状ツールの形成面上に1つずつ連続的なプライ層を施すステップと、
形成ヘッドにて環状ツールの全周にプライ層を形成するステップとを備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記プライ層を前記ツール上にて圧密化するステップを更に備える、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記形成ヘッドは、前記ツールの表面に順応した少なくとも１つのローラを含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記形成ヘッドは、少なくとも１つのプライ層を平滑にする少なくとも１つの搾り器を含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、
選択した方向を有するプライのロールを製造するステップを更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記ツールの形成面に対してプライ層を手で施すステップと、形成ヘッドにて前記ツールの形成面に対してプライ層を自動的に施すステップとの一方を更に備える、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
複合構造体を引き出すことを許容し得るよう剥離コーティングにて前記ツールを準備するステップを更に備える、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、
前記プライ層を形成するとき、前記形成ヘッドを前記ツールに対して動かすステップを更に備える、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、
前記プライ層を形成するとき、前記ツールを前記形成ヘッドに対して動かすステップを更に備える、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、
プライ層の端部を周方向に重ね合せるステップを更に備える、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、
全周の環状ツールの形成面上に１つ以上のプライ層を連続的に巻き付けるステップを更に備える、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、
バギング過程を施すステップと、
前記プライ層を硬化させるべくオートクレーブにて熱及び圧力を付与するステップと、
形成した複合構造体を前記ツールから引き出すステップと、
前記硬化後、前記複合構造体をデバギングし且つトリミング処理するステップとを更に備える、方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記プライ層は、プレプレグ繊維材料及び乾燥した繊維材料の一方にて形成される、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記材料は、テープ、織り布地、不織の布地及び非クリンプ布地の少なくとも１つである、方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法において、
少なくとも２つの形成した複合構造体を互いに組み立てて所望の断面の幾何学的形態を形成するステップを更に備える、方法。
【請求項１６】
環状の複合構造体を形成する装置において、
選択した断面の幾何学的形態の形成面を有する環状の形状のツールと、
前記ツールの形成面の廻りにて周方向に１つずつ連続的なプライ層を形成する形態とされた形成ヘッドとを備える、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置において、前記ツールは、前記形成ヘッドに対して回転する形態とされる、装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の装置において、前記形成ヘッドは、前記ツールに対して回転する形態とされる、装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置において、
前記ツールに回転可能に連結したブリッジと、該ブリッジに連結した形成ヘッドと、を備える、装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置において、前記ブリッジは、第一の端部と、第二の端部と、該第一の端部に近接して連結した形成端部とを備え、前記ブリッジは、該ブリッジが前記ツールに対して回転するとき、前記プライ層を圧密化する形態とされたブリッジの第二の端部に近接して連結した少なくとも１つの圧密化ローラを更に備える、装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の装置において、
前記ブリッジに連結した少なくとも１つのガイドローラであって、前記ブリッジが前記ツールの廻りにて回転するとき、前記ツールと係合して前記ブリッジを案内する形態とされた前記少なくとも１つのガイドローラと、
前記ブリッジに連結した少なくとも１つの支持ローラであって、前記ブリッジが前記ツールの廻りにて回転するとき、前記ツールと係合して前記ブリッジを支持する形態とされた前記少なくとも１つの支持ローラと、
前記ブリッジに連結した少なくとも１つのトラップローラであって、前記ツールの一部分と係合して、前記少なくとも１つのトラップローラ及び前記少なくとも１つの支持ローラが前記ブリッジを前記ツール上に保持する形態とされた前記少なくとも１つのトラップローラとを更に備える、装置。
【請求項２２】
請求項１６に記載の装置において、
前記ツールを垂直方向に向けて回転可能に保持する形態とされたツールの保持組立体と、
前記ツールを前記ツールの保持組立体の廻りにて回転させる形態とされたモータと、
前記形成ヘッドを前記ツールの保持組立体に対して保持し且つ位置決めする形態とされた形成ヘッドの基部と、
前記ツール上に配置すべきプライのロールを保持する形態とされた材料の供給組立体とを更に備える、装置。
【請求項２３】
複合構造体を形成するシステムにおいて、
選択した断面の幾何学的形態の形成面を有する環状ツールと、
前記ツールを回転可能に保持する形態とされたツールの保持組立体と、
前記ツールを前記ツールの保持組立体の廻りにて回転させる形態とされたモートと、
プライ層を前記ツールの前記形成面上に形成する形態とされた形成ヘッドとを備える、複合構造体を形成するシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記ツール上に配置すべきプライのロールを保持する形態とされた材料の供給組立体を更に備える、システム。
【請求項２５】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記ツールの保持組立体上のツールの回転を制御するコントローラを更に備える、システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載のシステムにおいて、前記形成ヘッドの基部は、前記ツールの形成面と係合し且つ非係合状態となるように前記形成ヘッドを選択的に動かす形態とされる、システム。
【請求項２７】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記形成ヘッドを前記ツールの前記形成面に対して保持し且つ位置決めする形態とされた形成ヘッドの基部を更に備える、システム。
【請求項１】
環状の複合構造体を形成する方法において、
選択した断面の幾何学的形態を有する環状ツールの形成面上に1つずつ連続的なプライ層を施すステップと、
形成ヘッドにて環状ツールの全周にプライ層を形成するステップとを備える、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法において、
前記プライ層を前記ツール上にて圧密化するステップを更に備える、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法において、前記形成ヘッドは、前記ツールの表面に順応した少なくとも１つのローラを含む、方法。
【請求項４】
請求項１に記載の方法において、前記形成ヘッドは、少なくとも１つのプライ層を平滑にする少なくとも１つの搾り器を含む、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法において、
選択した方向を有するプライのロールを製造するステップを更に備える、方法。
【請求項６】
請求項１に記載の方法において、前記ツールの形成面に対してプライ層を手で施すステップと、形成ヘッドにて前記ツールの形成面に対してプライ層を自動的に施すステップとの一方を更に備える、方法。
【請求項７】
請求項１に記載の方法において、
複合構造体を引き出すことを許容し得るよう剥離コーティングにて前記ツールを準備するステップを更に備える、方法。
【請求項８】
請求項１に記載の方法において、
前記プライ層を形成するとき、前記形成ヘッドを前記ツールに対して動かすステップを更に備える、方法。
【請求項９】
請求項１に記載の方法において、
前記プライ層を形成するとき、前記ツールを前記形成ヘッドに対して動かすステップを更に備える、方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法において、
プライ層の端部を周方向に重ね合せるステップを更に備える、方法。
【請求項１１】
請求項１に記載の方法において、
全周の環状ツールの形成面上に１つ以上のプライ層を連続的に巻き付けるステップを更に備える、方法。
【請求項１２】
請求項１に記載の方法において、
バギング過程を施すステップと、
前記プライ層を硬化させるべくオートクレーブにて熱及び圧力を付与するステップと、
形成した複合構造体を前記ツールから引き出すステップと、
前記硬化後、前記複合構造体をデバギングし且つトリミング処理するステップとを更に備える、方法。
【請求項１３】
請求項１に記載の方法において、前記プライ層は、プレプレグ繊維材料及び乾燥した繊維材料の一方にて形成される、方法。
【請求項１４】
請求項１３に記載の方法において、前記材料は、テープ、織り布地、不織の布地及び非クリンプ布地の少なくとも１つである、方法。
【請求項１５】
請求項１に記載の方法において、
少なくとも２つの形成した複合構造体を互いに組み立てて所望の断面の幾何学的形態を形成するステップを更に備える、方法。
【請求項１６】
環状の複合構造体を形成する装置において、
選択した断面の幾何学的形態の形成面を有する環状の形状のツールと、
前記ツールの形成面の廻りにて周方向に１つずつ連続的なプライ層を形成する形態とされた形成ヘッドとを備える、装置。
【請求項１７】
請求項１６に記載の装置において、前記ツールは、前記形成ヘッドに対して回転する形態とされる、装置。
【請求項１８】
請求項１６に記載の装置において、前記形成ヘッドは、前記ツールに対して回転する形態とされる、装置。
【請求項１９】
請求項１８に記載の装置において、
前記ツールに回転可能に連結したブリッジと、該ブリッジに連結した形成ヘッドと、を備える、装置。
【請求項２０】
請求項１９に記載の装置において、前記ブリッジは、第一の端部と、第二の端部と、該第一の端部に近接して連結した形成端部とを備え、前記ブリッジは、該ブリッジが前記ツールに対して回転するとき、前記プライ層を圧密化する形態とされたブリッジの第二の端部に近接して連結した少なくとも１つの圧密化ローラを更に備える、装置。
【請求項２１】
請求項２０に記載の装置において、
前記ブリッジに連結した少なくとも１つのガイドローラであって、前記ブリッジが前記ツールの廻りにて回転するとき、前記ツールと係合して前記ブリッジを案内する形態とされた前記少なくとも１つのガイドローラと、
前記ブリッジに連結した少なくとも１つの支持ローラであって、前記ブリッジが前記ツールの廻りにて回転するとき、前記ツールと係合して前記ブリッジを支持する形態とされた前記少なくとも１つの支持ローラと、
前記ブリッジに連結した少なくとも１つのトラップローラであって、前記ツールの一部分と係合して、前記少なくとも１つのトラップローラ及び前記少なくとも１つの支持ローラが前記ブリッジを前記ツール上に保持する形態とされた前記少なくとも１つのトラップローラとを更に備える、装置。
【請求項２２】
請求項１６に記載の装置において、
前記ツールを垂直方向に向けて回転可能に保持する形態とされたツールの保持組立体と、
前記ツールを前記ツールの保持組立体の廻りにて回転させる形態とされたモータと、
前記形成ヘッドを前記ツールの保持組立体に対して保持し且つ位置決めする形態とされた形成ヘッドの基部と、
前記ツール上に配置すべきプライのロールを保持する形態とされた材料の供給組立体とを更に備える、装置。
【請求項２３】
複合構造体を形成するシステムにおいて、
選択した断面の幾何学的形態の形成面を有する環状ツールと、
前記ツールを回転可能に保持する形態とされたツールの保持組立体と、
前記ツールを前記ツールの保持組立体の廻りにて回転させる形態とされたモートと、
プライ層を前記ツールの前記形成面上に形成する形態とされた形成ヘッドとを備える、複合構造体を形成するシステム。
【請求項２４】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記ツール上に配置すべきプライのロールを保持する形態とされた材料の供給組立体を更に備える、システム。
【請求項２５】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記ツールの保持組立体上のツールの回転を制御するコントローラを更に備える、システム。
【請求項２６】
請求項２３に記載のシステムにおいて、前記形成ヘッドの基部は、前記ツールの形成面と係合し且つ非係合状態となるように前記形成ヘッドを選択的に動かす形態とされる、システム。
【請求項２７】
請求項２３に記載のシステムにおいて、
前記形成ヘッドを前記ツールの前記形成面に対して保持し且つ位置決めする形態とされた形成ヘッドの基部を更に備える、システム。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図１Ｈ】
【図１Ｉ】
【図１Ｊ】
【図１Ｋ】
【図１Ｌ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【図１Ｂ】
【図１Ｃ】
【図１Ｄ】
【図１Ｅ】
【図１Ｆ】
【図１Ｇ】
【図１Ｈ】
【図１Ｉ】
【図１Ｊ】
【図１Ｋ】
【図１Ｌ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図２Ｃ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図７】
【公開番号】特開２０１１−１０２０３３（Ｐ２０１１−１０２０３３Ａ）
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２０１０−２５０４１３（Ｐ２０１０−２５０４１３）
【出願日】平成２２年１１月９日（２０１０．１１．９）
【出願人】（５９８１７４３７０）アライアント・テクシステムズ・インコーポレーテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】Ａｌｌｉａｎｔ Ｔｅｃｈｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２５０４１３（Ｐ２０１０−２５０４１３）
【出願日】平成２２年１１月９日（２０１０．１１．９）
【出願人】（５９８１７４３７０）アライアント・テクシステムズ・インコーポレーテッド (19)
【氏名又は名称原語表記】Ａｌｌｉａｎｔ Ｔｅｃｈｓｙｓｔｅｍｓ Ｉｎｃ．
【Ｆターム（参考）】
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