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技術 一体型取付部品を有する熱可塑性複合支持構造および方法

出願人 ザ・ボーイング・カンパニー
発明者 ジェームズ・スコット・グリフィング
出願日 2014年11月14日 (6年0ヶ月経過) 出願番号 2014-231408
公開日 2015年6月11日 (5年5ヶ月経過) 公開番号 2015-107642
状態 特許登録済
技術分野 プラスチック等の注型成形、圧縮成形 プラスチック等の射出成形 型の被覆による成形、強化プラスチック成形 高分子組成物
主要キーワード 金型治具 中心ウェブ 治具部材 繊維強化熱可塑性材料 各温度ゾーン プライ積層体 部分組立品 軽量複合材
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2015年6月11日)のものです。
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図面 (20)

課題

軽量であり、かつ製造容易な独自の取付部品を有する複合材支持構造と、かつ独自の形状をした取付部品を一体化することができ、より速い速度で製造できる方法を提供する。

解決手段

圧縮シリンダ50を、部品用空隙部65を有する金型60上に配置するステップ、圧縮シリンダ50および金型60を相対移動させるステップ、繊維強化樹脂フレーク56を前期圧縮シリンダ50内に収容するステップ、繊維強化樹脂フレーク56中の樹脂溶融させて、樹脂及び繊維の流動性混合物を形成するステップ、流動性混合物を部品用空隙部65に流し込んで、圧縮成形するステップを含む、方法。

概要

背景

支持構造は、この構造を他の構成要素に取り付ける、他の構成要素で支持する、または他の構成要素に接続する箇所となる独自の取付部品を有する場合がある。航空機産業では、特定の支持構造は、「hog−out(ホグアウト)」と表記される場合がある加工金属部材により形成することができ、この加工金属部材は、特定用途向けに独自に形成される複数の金属部材構成部を有する。効果的ではあるが、これらの特定の形状に加工される部材は、所望の状態よりも重くなる虞があり、製造費用が高く付く。

概要

軽量であり、かつ製造容易な独自の取付部品を有する複合材支持構造と、かつ独自の形状をした取付部品を一体化することができ、より速い速度で製造できる方法を提供する。圧縮シリンダ50を、部品用空隙部65を有する金型60上に配置するステップ、圧縮シリンダ50および金型60を相対移動させるステップ、繊維強化樹脂フレーク56を前期圧縮シリンダ50内に収容するステップ、繊維強化樹脂フレーク56中の樹脂溶融させて、樹脂及び繊維の流動性混合物を形成するステップ、流動性混合物を部品用空隙部65に流し込んで、圧縮成形するステップを含む、方法。

目的

本開示の実施形態は、取り付け箇所を形成して他の構成要素を支持する、かつ/または取り付ける、かつ/または荷重を他の構造に伝達するために適する、独自に構成される一体型取付部品を有する複合材支持構造を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
1件
牽制数
0件

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請求項1

少なくとも1つの一体型取付部品を有する複合材部品を製造する方法であって、前記方法は、圧縮シリンダを、部品用空隙部および少なくとも1つの取付部品用空隙部を有する金型上に配置するステップと、前記圧縮シリンダおよび前記金型を相対移動させるステップと、繊維強化樹脂フレーク充填剤を前記シリンダ内に収容するステップと、前記フレーク中の樹脂溶融させて、樹脂および繊維の流動性混合物を形成するステップと、前記圧縮シリンダおよび前記金型が互いに対して移動するときに、前記流動性混合物を前記部品用空隙部に流し込んで、かつ前記取付部品用空隙部に流し込んで圧縮成形するステップと、を含む、方法。

請求項2

前記圧縮シリンダおよび前記金型を相対移動させるステップは、前記金型を前記圧縮シリンダに対して連続的に移動させることにより行われる、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記圧縮シリンダおよび前記金型を相対移動させるステップは、前記金型を前記圧縮シリンダに対して間欠的に移動させることにより行われる、請求項1または2に記載の方法。

請求項4

繊維強化樹脂フレークの充填剤を、複数の圧縮シリンダの各圧縮シリンダ内に収容するステップと、前記圧縮シリンダの各圧縮シリンダを、前記金型上の異なる箇所に配置して、前記部品の異なる領域をそれぞれ成形するステップと、を更に含む、請求項1から3のいずれか一項に記載の方法。

請求項5

前記流動性混合物を圧縮成形するステップは、ピストンを前記シリンダ内で押し下げることにより行われる、請求項1から4のいずれか一項に記載の方法。

請求項6

前記樹脂は熱可塑性樹脂である、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。

請求項7

前記繊維の各繊維は、約0.25インチ超の長さを有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。

請求項8

前記繊維の各繊維は、約0.5インチの長さを有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の方法。

請求項9

繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される細長部品と、前記部品に一体化され、かつランダム配向繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される少なくとも1つの取付具と、を備える、複合材構造

請求項10

前記ランダム配向繊維はそれぞれ、約0.25インチ〜約0.50インチの長さを有する、請求項9に記載の複合材構造。

請求項11

前記部品を強化する前記繊維は、ほぼ連続する一方向配向繊維である、請求項9または10に記載の複合材構造。

請求項12

前記部品を強化する前記繊維はそれぞれ、ほぼランダム繊維配向を有する、請求項9から11のいずれか一項に記載の複合材構造。

請求項13

前記部品を強化する前記繊維はそれぞれ、約0.25インチ〜約0.50インチの長さを有する、請求項9から12のいずれか一項に記載の複合材構造。

請求項14

前記部品の樹脂、および前記取付具の樹脂は、溶融して融合する、請求項9から13のいずれか一項に記載の複合材構造。

技術分野

0001

本開示は概して、複合材部品の製造に関し、更に詳細には、一体型取付部品を有する繊維強化熱可塑性支持構造に関する。

背景技術

0002

支持構造は、この構造を他の構成要素に取り付ける、他の構成要素で支持する、または他の構成要素に接続する箇所となる独自の取付部品を有する場合がある。航空機産業では、特定の支持構造は、「hog−out(ホグアウト)」と表記される場合がある加工金属部材により形成することができ、この加工金属部材は、特定用途向けに独自に形成される複数の金属部材構成部を有する。効果的ではあるが、これらの特定の形状に加工される部材は、所望の状態よりも重くなる虞があり、製造費用が高く付く。

発明が解決しようとする課題

0003

この問題に対する1つの部分的な解決策では、押出状の支持構造を、繊維強化熱可塑性材料から、連続圧縮成形法を使用して成形する方法を用い、この連続圧縮成形法では、金属製取付部品または個別に成形される取付部品を支持構造に組み付ける。しかしながら、この手法は、非常に多大な工数を要し、この手法によって更に、支持構造が所望の状態よりも重くなる。

0004

従って、軽量であり、かつ製造するのが容易である独自の取付部品を有する複合材支持構造が必要である。また、このような複合材支持構造を製造し、かつ独自の形状をした取付部品を一体化することができ、より速い生産速度で製造する環境に良好に適合する方法が必要である。

0005

本出願は、2013年12月3日に出願された米国特許出願第14/095,711号(代理人整理番号13−0763−US−NP)、および2013年12月3日に出願された米国特許出願第14/095,693号(代理人整理番号13−0764−US−NP)の関連出願である。

課題を解決するための手段

0006

本開示の実施形態は、取り付け箇所を形成して他の構成要素を支持する、かつ/または取り付ける、かつ/または荷重を他の構造に伝達するために適する、独自に構成される一体型取付部品を有する複合材支持構造を提供する。これらの取付部品を支持構造に一体化することにより、製造コストを低減することができ、構造性能を高めることができる。支持構造は、連続長さを持ち、かつ複数の取付部品を備えるように製造することができ、これらの取付部品は、この支持構造の長さに沿った任意の所望の箇所で一体化される。

0007

本開示の1つの実施形態によれば、少なくとも1つの一体型取付部品を有する複合材部品を製造する方法が提供される。圧縮シリンダを、部品用空隙部および少なくとも1つの取付部品用空隙部を有する金型上に配置し、前記圧縮シリンダおよび前記金型を互いに対して移動させる。繊維強化樹脂フレーク充填剤を前記シリンダ内に収容し、前記フレーク中の樹脂溶融させて、樹脂および繊維の流動性混合物を形成する。前記圧縮シリンダおよび前記金型が互いに対して移動するときに、前記流動性混合物を前記部品用空隙部に流し込んで、かつ前記取付部品用空隙部に流し込んで圧縮成形する。前記金型を移動させるステップは、前記金型を前記圧縮シリンダに対して、間欠的に、または連続的に移動させることにより行うことができる。複数の前記圧縮シリンダは、前記金型上の異なる箇所に配置して、前記部品の異なる領域を成形することができる。前記圧縮シリンダへの充填は、オフラインで行うことができる。前記流動性混合物を圧縮成形するステップは、ピストンを前記シリンダ内で押し下げることにより行われる。前記樹脂は熱可塑性樹脂とすることができ、前記繊維は、約0.25インチ超の長さを有することができる。前記繊維は、約0.50インチの長さを有することができる。

0008

本開示の別の実施形態によれば、一体型取付部品を有する繊維強化熱可塑性細長構造を製造する方法が提供される。前記方法は、繊維強化熱可塑性部品を成形するステップと、熱可塑性取付部品を前記繊維強化熱可塑性部品上で圧縮成形するステップと、を含む。前記繊維強化熱可塑性部品を成形するステップは、連続圧縮成形法により行うことができる。前記熱可塑性取付部品を圧縮成形するステップは、圧縮シリンダを、前記部品上に配置するステップと、前記圧縮シリンダを使用して、熱可塑性樹脂およびランダム配向強化繊維の流動性混合物を前記部品上で圧縮成形するステップと、を含むことができる。前記圧縮シリンダは、前記部品の長さに沿った種々の領域に移動させて、複数の取付部品の各取付部品を前記部品上で連続的に成形することができる。前記方法は更に、前記部品の複数領域を前記流動性樹脂に溶融させて融合させるステップを含むことができる。前記熱可塑性取付部品を圧縮成形するステップは、金型を前記部品上に配置するステップと、前記圧縮シリンダを使用して、熱可塑性樹脂および繊維の流動性混合物を前記金型に流し込んで、かつ前記部品を押圧して圧縮成形するステップと、を含むことができる。前記方法は更に、熱可塑性プリプレグフレークの充填剤を前記圧縮シリンダ内に流し込むステップと、前記プリプレグフレーク中の樹脂を、前記充填剤を前記圧縮シリンダ内で加熱することにより溶融させるステップと、を含むことができる。

0009

本開示の更に別の実施形態によれば、複合材構造は、繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される細長部品と、前記部品に一体化され、かつランダム配向繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される少なくとも1つの取付具と、を備える。前記ランダム配向繊維はそれぞれ、約0.25インチ〜約0.50インチの長さを有することができる。前記部品を強化する前記繊維は、ほぼ連続する一方向配向繊維である。前記部品を強化する前記繊維はそれぞれ、ほぼランダム繊維配向を有する。前記部品の樹脂、および前記取付具の樹脂は、溶融して融合する。

0010

要約すると、本発明の1つの態様によれば、少なくとも1つの一体型取付部品を有する複合材部品を製造する方法が提供され、前記方法は、圧縮シリンダを、部品用空隙部および少なくとも1つの取付部品用空隙部を有する金型上に配置するステップと、前記圧縮シリンダおよび前記金型を相対移動させるステップと、繊維強化樹脂フレークの充填剤を前記シリンダ内に収容するステップと、前記フレーク中の樹脂を溶融させて、樹脂および繊維の流動性混合物を形成するステップと、前記圧縮シリンダおよび前記金型が互いに対して移動するときに、前記流動性混合物を前記部品用空隙部に流し込んで、かつ前記取付部品用空隙部に流し込んで圧縮成形するステップと、を含む。

0011

有利な点として、前記方法では、前記圧縮シリンダおよび前記金型を相対移動させるステップは、前記金型を前記圧縮シリンダに対して連続的に移動させることにより行われる。

0012

有利な点として、前記方法では、前記圧縮シリンダおよび前記金型を相対移動させるステップは、前記金型を前記圧縮シリンダに対して間欠的に移動させることにより行われる。

0013

有利な点として、前記方法は更に、繊維強化樹脂フレークの充填剤を、複数の圧縮シリンダの各圧縮シリンダ内に収容するステップと、前記圧縮シリンダの各圧縮シリンダを前記金型上の異なる箇所に配置して、前記部品の異なる領域をそれぞれ成形するステップと、を含む。

0014

有利な点として、前記方法では、前記流動性混合物を圧縮成形するステップは、ピストンを前記シリンダ内で押し下げることにより行われる。

0015

有利な点として、前記方法では、前記樹脂は熱可塑性樹脂である。

0016

有利な点として、前記方法では、前記繊維の各繊維は、約0.25インチ超の長さを有する。

0017

有利な点として、前記方法では、前記繊維の各繊維は、約0.5インチの長さを有する。

0018

本発明の別の態様によれば、一体型取付部品を有する繊維強化熱可塑性細長構造を製造する方法が提供され、前記方法は、繊維強化熱可塑性部品を成形するステップと、熱可塑性取付部品を前記繊維強化熱可塑性部品上で圧縮成形するステップと、を含む。

0019

有利な点として、前記方法では、前記繊維強化熱可塑性部品を成形するステップは、連続圧縮成形法により行われ、熱可塑性取付部品を圧縮成形するステップは、圧縮シリンダを、前記部品上に配置するステップと、前記圧縮シリンダを使用して、熱可塑性樹脂およびランダム配向強化繊維の流動性混合物を前記部品上で圧縮成形するステップと、を含む。

0020

有利な点として、前記方法では、前記圧縮シリンダは、前記部品の長さに沿った種々の領域に移動させて、複数の取付部品の各取付部品を前記部品上で連続的に成形する。

0021

有利な点として、前記方法は更に、前記部品の複数領域を前記流動性樹脂に溶融させて融合させるステップを含む。

0022

有利な点として、前記方法では、熱可塑性取付部品を圧縮成形するステップは、複数の金型の各金型を前記部品上に配置するステップと、前記圧縮シリンダを使用して、熱可塑性樹脂および繊維の流動性混合物を前記金型の各金型に流し込んで、かつ前記部品を押圧して圧縮成形するステップと、を含む。

0023

有利な点として、前記方法は更に、熱可塑性プリプレグフレークの充填剤を前記圧縮シリンダ内に流し込むステップと、前記プリプレグフレーク中の樹脂を、前記充填剤を前記圧縮シリンダ内で加熱することにより溶融させるステップと、を含む。

0024

本発明の更に別の態様によれば、複合材構造が提供され、前記複合材構造は、繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される細長部品と、前記部品に一体化され、かつランダム配向繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される少なくとも1つの取付具と、を含む。

0025

有利な点として、前記複合材構造では、前記ランダム配向繊維はそれぞれ、約0.25インチ〜約0.50インチの長さを有する。

0026

有利な点として、前記複合材構造では、前記部品を強化する前記繊維は、ほぼ連続する一方向配向繊維である。

0027

有利な点として、前記複合材構造では、前記部品を強化する前記繊維はそれぞれ、ほぼランダムな繊維配向を有する。

0028

有利な点として、前記複合材構造では、前記部品を強化する前記繊維はそれぞれ、約0.25インチ〜約0.50インチの長さを有する。

0029

有利な点として、前記複合材構造では、前記部品の樹脂、および前記取付具の樹脂は、溶融して融合する。

0030

特徴、機能、および利点は、本開示の種々の実施形態において個別に実現することができる、または更に他の実施形態において組み合わせることができ、これらの実施形態では、更なる詳細は、次の説明、および以下の図面を参照することにより理解することができる。

0031

例示的な実施形態に固有と考えられる新規な特徴が添付の請求項に説明されている。しかしながら、例示的な実施形態のみならず、これらの例示的な実施形態の好適な使用形態、更に別の目的、および利点は、本開示の例示的な実施形態に関する以下の詳細な説明を、添付の図面に関連付けながら一読することにより最も深く理解される。

図面の簡単な説明

0032

本開示の実施形態による一体型取付部品を有する熱可塑性複合材支持構造の斜視図を図示している。
図1に示す支持構造の側立面図を図示している。
図2の線3−3に沿った断面図を図示している。
図1〜3に示す支持構造を成形する装置を示す長手方向断面図を図示しており、支持構造は、圧縮シリンダによって部分的に成形されている。
フレーク中の樹脂が溶融する前の充填剤の繊維強化熱可塑性フレークを図示している。
図5に示す充填剤中のフレークのうちの1つのフレークの平面図を図示している。
図4と同様の様子を図示しているが、圧縮シリンダが進んでしまって、支持構造上の更に別の領域を成形する様子を図示している。
図4の線8−8に沿った断面図を図示している。
図4切断線9−9に沿った断面図を図示している。
図4の「矢印図形10」として指示される方向に見たときの平面図を図示しており、上型の複数の入口開口部が良く見えるようになっている。
図10と同様の様子を図示しているが、上型の入口開口部の別の構成を示している。
図4と同様の様子を図示しているが、第1圧縮シリンダで部品上の1つの領域を成形しているときに、第2圧縮シリンダにプリプレグフレークが充填されている様子を示している。
図12と同様の様子を図示しているが、一連の圧縮シリンダにプリプレグフレークがオフラインで充填されて生産速度を速める様子を示している。
一体型取付部品を有する熱可塑性複合材支持構造を製造する装置の別の構成の側面図を図示している。
図14に示す連続圧縮成形装置の更に別の細部を示す概略側面図を図示している。
図14の線16−16に沿った断面図を図示している。
図14の線17−17に沿った断面図を図示している。
図14の線18−18に沿った断面図を図示している。
一体型取付部品を有する熱可塑性複合材支持構造を製造する方法のフロー図を図示している。
一体型取付部品を有する熱可塑性複合材支持構造を製造する別の方法のフロー図を図示している。
航空機製造および整備方法のフロー図を図示している。
航空機のブロック図を図示している。

実施例

0033

図1図2,および図3を参照するに、本開示の実施形態は、長手方向軸線35を有する細長繊維強化熱可塑性支持構造25に関する。支持構造25は、1つ以上の一体型熱可塑性複合材取付部品40を有する熱可塑性複合材部品を広範に備える。この例では、部品30は、フランジ32とも表記される場合がある一対の脚部32により形成される略H字形断面を有する。これらの脚部32は、中心ウェブ34により連結合体されるが、部品30は、多種多様な他の断面形状のうちのいずれの断面形状を有していてもよい。これらの脚部32、およびウェブ34は、上側溝36および下側溝38をそれぞれ形成する。これらの取付部品40のうちの1つ以上の取付部品は、部品30と一体に形成されて、取付部品40が、ウェブ34だけでなく、両方の脚部32にも取り付けられる。これらの取付部品40は、多種多様なサイズおよび形状のうちのいずれのサイズおよび形状を有していてもよく、他の構成要素(図示せず)を支持するように、または取り付け箇所として機能するように適合させ、これらの取り付け箇所で、部品30を他の構造に取り付ける。用途によって異なるが、これらの取付部品40は、荷重を部品30と他の構造との間で伝達することができる。

0034

図2および図3から最も良く分かるように、これらの取付部品40は、部品30と一体に、支持構造25の長手方向軸線35に沿った1つ以上の所望の箇所に形成される。図示の例では、これらの取付部品40は、下側溝38の一部に嵌め込まれ、部品30のこれらの脚部32、およびウェブ34と一体に形成される。この例では、取付部品40は先細状本体42を有し、この先細状本体42は、1つ以上の貫通孔44を、先細状本体の外側端に有することができる。任意であるが、金属のような耐摩耗材料により形成されるインサート46は、貫通孔44に配置することができる。これらの取付部品40の各取付部品は、特定の用途の要求を満たすように構成される多種多様な独自の形状のうちのいずれの形状を有していてもよい。以下に更に詳細に説明されるように、1つの実施形態では、部品30および取付部品40はそれぞれ、ほぼランダムな配向を有する非常に長い繊維で強化される熱可塑性樹脂により形成される。しかしながら、後の方で説明される別の実施形態では、部品30が連続一方向配向繊維で強化されるのに対し、これらの取付部品40は、ランダムに配向した不連続長繊維で強化される。

0035

次に、図4および図7〜10に注目するに、これらの図は、1つ以上の一体型取付部品40を有する細長熱可塑性複合材支持構造25を圧縮成形する装置55を示している。装置55は、互いに対して移動することができる(図4および図7金型アセンブリ48および圧縮シリンダ50を含む。図示の例では、金型アセンブリ48は、圧縮シリンダ50が静止している状態で右に向かって移動66することができる(図4および図7)が、他の実施形態では、圧縮シリンダ50は、金型アセンブリ48が静止している状態で移動させることができる。金型アセンブリ48および圧縮シリンダ50の両方を同時に移動させることもできる。以下に説明するように、圧縮シリンダ50は、部品30の複数領域を、これらの取付部品40とともに、圧縮シリンダ50および金型アセンブリ48が互いに対して、連続的または間欠的に移動66するときに、徐々に圧縮成形する。

0036

金型アセンブリ48は、適切な型締め具70により取り外し可能に固定合体される細長い下型60および細長い上型62を備える。プレス機または油圧型締装置(図示せず)のような他の手段を用いて、金型60,62を合体させた状態で保持することができる。下型60は、下型の長さに沿って延伸する部品用上型空隙部64と、下型の長さに沿って延伸する一連の個々の取付部品用下型空隙部空隙部65と、を含む。上型空隙部64は、部品30の形状に一致し、下型空隙部65はそれぞれ、形状がこれらの取付部品40に一致する。

0037

図8および図9を詳細に参照するに、下型60は、金型アセンブリ48を加熱および/または冷却するために使用される流体を流す内部流路73を含むことができる。下型空隙部65は、上型空隙部64と連通し、かつ上型空隙部64から下方に延伸することができる。上型62はマンドレル62aを含み、このマンドレル62aは、上型空隙部64内に延出する。上型62は更に、1つ以上の入口開口部68を含み、これらの入口開口部68は、上型62の厚さを貫通して、上型空隙部64内に達している。図示の実施形態では、これらの入口開口部68は、中心に配置され、そしてマンドレル62aを貫通しているが、これらの入口開口部68は、マンドレル62aの他の複数領域に配置されていてもよい。1つの実施形態では、図10から最も良く分かるように、これらの入口開口部68が、連続する個々の長手方向離間貫通孔68aを備えることができるのに対し、図11に示す別の実施形態では、これらの入口開口部68は、1つ以上の細長開口部68bを備えることができる。

0038

次に、図4図7図8,および図9を参照するに、圧縮シリンダ50は、上型62の上面に、これらの入口開口部68に被さって着座する。圧縮シリンダ50は、繊維強化樹脂フレーク57(図5)の充填剤56を圧縮シリンダ50内に収容するように適合させる。図6に示すように、これらのフレーク57は、一方向配向繊維59で強化された適切な熱可塑性樹脂を含むことができる。熱可塑性樹脂は、熱可塑性ポリマーマトリクスを、これらには限定されないが、ポリエチルエチルケトン(「PEEK」)、ポリエチルケトンケトン(「PEKK」)、ポリフェニルスルホン(「PPS」)、ポリエチルイミド(「PEI」)として含むことができる。これらの繊維59(図6)は、炭素ガラス、または用途に適する他の材料により形成することができる。これらのフレーク57は、例えばこれに限定されないが、一方向配向熱可塑性プリプレグを所望のサイズおよび形状に切り刻むことにより形成することができる。図示の例では、これらのフレーク57の各フレークは、矩形の形状であるが、他の形状も可能である。1つの実施形態では、これらの繊維59は、当分野では、「long fibers(長繊維)」であると考えられる。本明細書において使用されるように、「long fibers(長繊維)」という用語は、0.25インチ(0.635cm)よりも略長い長さLを有する繊維を指す。1つの実施形態では、これに限定されないが、これらの繊維59は、約0.25インチ(0.635cm)と約0.50インチ(1.27cm)との間の長さLを有する。二方向配向繊維(図示せず)で強化された熱可塑性樹脂のフレーク57を用いることも可能である。

0039

圧縮シリンダ50は、油圧シリンダのような適切な動力源(図示せず)に接続されるラム54によって駆動される内部ピストン52を含む。充填剤56をこれらのフレーク57中の熱可塑性樹脂の溶融温度まで加熱して、熱可塑性樹脂およびランダム配向不連続長繊維59の流動性混合物を得る。ピストン52をラム54で下方に変位58させて、流動性混合物を圧縮し、流動性混合物を、入口開口部68を通過するように押し下げて、上型空隙部および下型空隙部64内に流し込むことにより、部品30を40とともに、略同時に圧縮成形する。

0040

使用状態では、熱可塑性プリプレグフレーク57の充填剤56は、圧縮シリンダ50内に収容される。1つ以上の任意のインサート46を下型空隙部64に配置することができ、下型60および上型62をそれぞれ閉じ、型締めして合体させることにより、圧縮成形作業を開始する状態となる。充填剤56を、任意の適切な手段を使用して加熱することにより、熱可塑性樹脂および長繊維59の流動性混合物を成形する。圧縮シリンダ50内のピストン52が、流動性混合物を、これらの入口開口部68を通過するように押し下げて、金型空隙部64,65内に流れ込ませることにより、部品30の一部を1つ以上の取付部品40とともに同時に成形する。

0041

部品30をこれらの取付部品40とともに同時に成形することにより、一体化複合材支持構造25が得られ、この場合、これらの取付部品40は部品30に一体化される。充填剤56が金型空隙部64,65内で圧縮されている状態で、金型アセンブリ48(および/または圧縮シリンダ50)を移動66させる。金型アセンブリ48と圧縮シリンダ50との間の相対移動は、溶融充填剤56が入口開口部68内を流動し、金型空隙部64,65内で圧縮されるときに、略連続的に、または徐々に行うことができる。部品用複合材支持構造25の長さによって異なるが、追加の充填剤56を圧縮シリンダ50に流し込んで、完成品部品30を略連続的かつ順番に行われる圧縮成形作業により成形することができる。図7は、圧縮シリンダ50が進んだ様子、および部品30が4個の一体型取付部品40とともにほぼ完成した様子を示している。

0042

図12は、1つ以上の更に別の圧縮シリンダ50aが、これらの取付部品40を含む構造25を圧縮成形する過程において圧縮シリンダ50より進んだ箇所に並んで配置されていることを除き、図4および図7に示す装置と同様である装置55の別の実施形態を示している。更に別の圧縮シリンダ50aを金型アセンブリ48上に、先に進んだ位置(図12を見たときに左の方の位置)に配置することにより、これらの圧縮シリンダ50aに、容器72内に収容されるフレーク74を供給74して、フレーク57の充填剤56を充填77することができる。圧縮シリンダ50内の充填剤56を、金型アセンブリ48に流し込み、圧縮成形する場合、ピストン52は、次のインライン圧シリンダ50aに、次の圧縮シリンダ50aに充填剤56が充填された後に移動させることができる。次に、次のインライン圧縮シリンダ50aを使用して、連続圧縮成形法を継続することにより、部品30およびこれらの取付部品40の次の部分を、金型アセンブリ48が圧縮シリンダ50,50aに対して移動し続けている状態で圧縮成形する。

0043

図13を参照するに、圧縮成形法の速度は、複数の圧縮シリンダ50, 50a,50b、フレーク74の容器72を使用して、圧縮シリンダ50bへの充填をオフライン76で行うことにより高めることができる。これらの圧縮シリンダ50bへの充填は、圧縮成形が、金型アセンブリ48上に既に配置されていた圧縮シリンダ50, 50aを使用して行われているのと同時にオフライン76で行われる。これらの圧縮シリンダ50bへの充填が行われ、圧縮成形作業が圧縮シリンダ50, 50aを使用して完了すると、予めオフライン76で充填が行われている圧縮シリンダ50bを金型アセンブリ48上に送り込み、空になっている圧縮シリンダ50, 50aを金型アセンブリ48から離れるようにオフライン76で送り出して再充填を行う。

0044

次に、図14図18を参照するに、これらの図は、1つ以上の一体型熱可塑性複合材取付部品40を有する熱可塑性複合材部品30を含む熱可塑性複合材構造25を製造する装置55の別の実施形態を示している。前に説明した実施形態とは異なり、この例では、部品30が、一方向配向連続繊維83により強化されるのに対し、これらの取付部品40の各取付部品は、ほぼランダムに配向した不連続繊維59(図6)により強化される。強化繊維59,83は、これらには限定されないが、ガラス繊維炭素繊維、または用途に適する他の材料により形成される繊維を含むことができる。部品30およびこれらの取付部品40中の熱可塑性樹脂は、これらには限定されないが、ポリエチルエチルケトン(「PEEK」)、ポリエチルケトンケトン(「PEKK」)、ポリフェニルスルホン(「PPS」)、ポリエチルイミド(「PEI」)のような熱可塑性マトリクスポリマーを含むことができる。

0045

熱可塑性複合材部品30は、後で更に詳細に説明される連続圧縮成形(CCM)装置80により成形することができる。図示の例では、熱可塑性樹脂部品30は、これらには限定されないが、用途に適する炭素またはガラスのような材料により形成される一方向配向連続繊維83で強化される。他の実施形態では、繊維強化は二方向に行うことができる。これらの取付部品40は、図1図7に関連して前に説明したこれらの取付部品40と同様に、ランダム配向繊維59(図6)で強化された熱可塑性樹脂により形成される。これらの取付部品40は、後で説明される溶融法または溶着法により部品30と一体に結合される。

0046

図15は、CCM装置80の1つの適切な実施形態を更に詳細に示している。CCM装置80は、予備成形ゾーン96および圧密化ゾーン108を広範に備える。予備成形ゾーン96では、繊維強化熱可塑性材料プライ88を、これらのプライの配向角が正しくなるように装着してプライ積層体とし、治具94で重ね合わせる。プライ88の積層体を治具94とともに予備成形ゾーン96に送り込み、この予備成形ゾーン96では、これらのプライを、部品30の概略形状高温で予め成形しておく。次に、予備成形部品30が、予備成形ゾーン96から出て行き、圧密化ゾーン108に進入し、この圧密化ゾーン108では、予備成形部品30を圧密化して、1つの一体型熱可塑性複合材積層体部品30を形成する。部品30を予備成形するために使用される高い温度は、これらのプライ88の軟化を生じてこれらのプライ88を必要に応じて、予備成形プロセス中に湾曲させることができるために十分高い。

0047

予備成形部品30は、圧密化ゾーン108内の別体の圧密化構造102、またはつながっている圧密化構造102に進入する。圧密化構造102は、参照番号110で概略指示され、かつ治具94と個々に嵌合する複数の標準化金型治具を含む。圧密化構造102は脈動構造116を有し、この脈動構造116は、予備成形部品30を、圧密化ゾーン108内を、予備成形ゾーン96から離れる方向に徐々に前進させる。部品30が前進しているとき、部品30はまず、加熱ゾーン104に進入し、この加熱ゾーン104では、この部品を、これらのプライ88のマトリクス樹脂ポリマー成分が自由に流動することができる温度にまで加熱する。

0048

次に、部品30は前進して加圧ゾーン106に達し、この加圧ゾーン106では、標準化金型110を、これらのプライ88を圧密化して(すなわち、マトリクス樹脂を自由に流動させて)、プライの所望の形状および厚さとするために十分な所定の力(圧力)で、一括して下降させるか、または個々に下降させる。各金型110は、絶縁体付きの複数の異なる温度ゾーンを有するように形成することができる。これらの金型110を開き、部品30を圧密化構造102内で、予備成形ゾーン96から離れる方向に前進させる。次に、これらの金型110を再び閉じて、予備成形部品30の一部を、力を加えながら、異なる温度ゾーン内で圧縮することができる。プロセスは、予備成形部品30が冷却ゾーン112に向かって徐々に前進している状態で、金型110の各温度ゾーンに対応して繰り返される。

0049

冷却ゾーン112では、成形かつ造形後の部品30の温度は、これらのプライ88のマトリクス樹脂の自由流動温度以下の温度にすることにより、溶融部品30または圧密部品30を硬化させて部品の最終的な加圧形状とすることができる。次に、完全に成形され、圧密化された部品30は、圧密化構造102から出て行き、この場合、これらの治具部材94は、参照番号120の位置で回収することができる。

0050

CCM装置80および関連する連続圧縮成形法についての更なる詳細は、1993年9月30日に発行された独国特許出願公開第4017978号明細書に記載されており、この独国特許出願の内容は、本明細書において参照することにより本明細書に組み込まれる。しかしながら、これらには限定されないが、引き抜き成形、またはロール成形を含む当分野の当業者には公知の他の成形法が、本開示から具体的に想到される。

0051

CCM装置80の構成によって異なるが、部品がCCM装置80から出て行って、部品をこれらの取付部品40と一体に結合させる作業を開始する状態になった後に、部品30を部品30の溶融温度に、または溶融温度に近い温度に再加熱する必要がある。1つの実施形態では、部品30が圧密化された後、部品は冷却ゾーン112で冷却されなくてもよく、この場合、部品は、CCM装置80から、部品の溶融温度で、または溶融温度に近い温度で出て行くことができる。しかしながら、別の実施形態では、熱75(図14)を部品30に、部品がCCM装置80から出て行った後に加えて部品30を、部品の溶融温度に、部品が冷却ゾーン112で冷却された後に、再加熱することができる。

0052

図14および図16図18を参照するに、部品30がCCM装置80から出て行くと、1つ以上の圧縮成形金型82を部品30の上部に、かつこれらの取付部品40が成形される予定の部品30の所望の複数領域95に配置する。これらの部品用領域95を必要に応じて、部品30の熱可塑性樹脂の溶融温度に、または溶融温度に近い温度に加熱する。これらの圧縮成形金型82は、金型内部空隙部84を有し、これらの金型内部空隙部84は、これらの取付部品40の形状にほぼ一致する。これらの圧縮成形金型82の各圧縮成形金型の底部は、開放され、成形直後の部品30の形状に忠実追従し、成形直後の部品30は、図示の例では、上側溝36(図16)を含む。これらの図面には図示されていないが、これらの金型82の各金型は、一体型加熱冷却部を有することにより、金型82の温度を制御することができる。

0053

繊維強化熱可塑性フレークの充填剤56を収容する圧縮シリンダ50は、金型82の上部に配置される。充填剤56中の熱可塑性樹脂は、樹脂の溶融温度に加熱されて、流動性熱可塑性樹脂および強化繊維の混合物が得られる。ラム54は、ピストン52を下方58に変位させて、溶融充填剤56を、入口開口部68を通って金型82内に押し込むことにより、これらの取付部品40を圧縮成形する。図16および17から最も良く分かるように、溶融充填剤56は、これらの取付部品40が成形される予定の箇所にある部品30の上側溝36に流れ込み、上側溝36を充填する。この圧縮成形法が行われているときに、充填剤56の熱可塑性樹脂は、部品30中の軟化熱可塑性樹脂または溶融熱可塑性樹脂に溶融して融合することにより、これらの取付部品40を部品30と一体に結合するか、または溶着する。

0054

次に、図19に注目するに、この図は、一体型取付部品40を有する繊維強化熱可塑性部品30を成形する方法のステップを広範に示している。ステップ122では、任意のインサート46を金型アセンブリ48内の金型空隙部65内に配置することができ、ステップ124では、熱可塑性プリプレグフレーク57の充填剤56を圧縮シリンダ50内に収容する。ステップ126では、熱可塑性プリプレグフレーク57中の樹脂を圧縮シリンダ50内で溶融させる。ステップ128では、金型アセンブリ48および圧縮シリンダ50を互いに対して移動させる。ステップ130では、金型アセンブリ48および圧縮シリンダ50が互いに対して移動するときに、圧縮シリンダ50を使用して、溶融プリプレグフレーク57を圧縮成形して、一体型取付部品40を有する部品30とする。

0055

次に、図20は、一体型繊維強化熱可塑性取付部品40を有する繊維強化熱可塑性部品30を備える繊維強化熱可塑性支持構造25を成形する別の実施形態を示している。概略的に言うと、連続繊維で強化される熱可塑性部品30はステップ132で形成され、ステップ134では、取付部品40が部品30上で圧縮成形される。熱可塑性部品30の形成は、ステップ136から始まり、ステップ136では、複数枚のプライで構成される熱可塑性複合材積層体を、例えば一連のプライ88を結束することにより形成する。ステップ138では、熱可塑性複合材積層体を、部品30の種々の形状を成形するように適合させた治具94のセットに組み付ける。ステップ140では、熱可塑性複合材積層体を、積層体および治具の組付体を、連続圧縮成形装置80を通って連続的に移動させることにより圧密化して部品30とする。別の構成として、積層体および治具の組付体は、連続成形装置を通って脈動状に、または段階的に移動させることができる。部品30は連続圧縮成形装置80からほぼ連続的に出て行く。

0056

取付部品40の製造は、ステップ142から始まり、ステップ142では、熱可塑性プリプレグフレーク57の充填剤56を圧縮シリンダ50内に流し込む。ステップ144では、圧縮シリンダ50を、金型82のような適切な治具とともに部品30上に、部品30が連続圧縮成形装置80から連続的に、または段階的に出て行くときに配置する。ステップ146では、プリプレグフレーク57を加熱して、プリプレグフレーク57中の樹脂を溶融させる。ステップ148では、圧縮シリンダ50を使用して、溶融プリプレグフレークを圧縮成形して、移動中の部品30上の取付部品40とすることにより、取付部品40が部品30と一体に結合する。圧縮シリンダ50によって行われる圧縮成形は、連続圧縮成形装置80を通過する部品30の移動と連動して、または同期して行われる。更に、図14に示す実施形態の場合、これらの取付部品40を圧縮成形するために使用される金型82または他の治具は部品30上に、部品30が連続圧縮成形装置80から出て行くときに配置される。

0057

本開示の実施形態は、多種多様な潜在的用途に応用することができ、特に例えば航空宇宙用途、船舶用途、自動車用途、および取付部品を有する複合材製細長部品を使用することができる他の用途を含む輸送産業に応用することができる。従って、次に、図21および22を参照するに、本開示の実施形態は、図21に示す航空機の製造および保守点検方法150、および22に示す航空機152に関連して使用することができる。本開示の実施形態の航空機用途は、例えばこれらには限定されないが、構成要素の取り付け先である取付部品を有するハンガーおよび支持体のような複合材製細長部品を含むことができる。

0058

製造前段階では、例示的な方法150において、航空機152の仕様および設計154、および材料調達156を行うことができる。製造段階では、航空機152の構成要素および部分組立品の製造158、およびシステム統合160が行われる。本開示の方法150を用いて、製造段階158で製造され、製造段階160で一体化される構成要素および部分組立品を取り付ける、または支持する軽量部品を製造することができる。その後、航空機152は、認証および搬送162を経て、就航164されることになる。顧客が供用している間、航空機152は、日常的な整備および保守点検166が行われるようにスケジューリングされ、この整備および保守点検166は、改修再構成改装などを含むこともできる。整備および保守点検166が行われている間、一体型取付部品を有する本開示の軽量複合材部品を使用して、既存の部品に置き換えることができる、かつ/または更に別の構成要素を航空機152に取り付けることができる。

0059

方法150のプロセスの各プロセスは、システムインテグレータサードパーティ、および/またはオペレータ(例えば、顧客)によって行うことができるか、または実行することができる。この説明を進めるために、システムインテグレータとして、これらには限定されないが、任意の数の航空機製造業者、および大手システムサブコントラクタを挙げることができ、サードパーティとして、これらには限定されないが、任意の数のベンダー、サブコントラクタ、およびサプライヤーを挙げることができ、オペレータは、航空会社リース会社隊、整備機関などとすることができる。

0060

図22に示すように、例示的な方法150により製造される航空機152は、複数のシステム170を搭載した機体168と、機内172と、を含むことができる。機内172の内部では、本開示の方法150を用いて、例えばこれに限定されないが、頭上のエアダクトのような1つ以上の構成要素178を支持する、取り付ける、または安定させるように適合させた取付部品176を有するハンガー174のような部品を製造することができる。本開示の方法150を用いて、機体168に使用される部品を製造することもできる。高位システム170の例として、推進システム180、電気システム182、油圧システム184、および環境システム186のうちの1つ以上を挙げることができる。任意の数の他のシステムを含めてもよい。航空宇宙用の例を示しているが、本開示の原理は、船舶産業および自動車産業のような他の産業に適用することができる。

0061

本明細書において具体化される装置および方法は、航空機の製造および保守点検方法150の種々の段階のうちの任意の1つ以上の段階において用いることができる。例えば、製造プロセス158に対応する構成要素または部分組立品は、航空機152の就航中に製造される構成要素または部分組立品と同様の方法で組み立てる、または製造することができる。更に、1つ以上の装置実施形態、方法実施形態、またはこれらの実施形態の組み合わせは、製造段階158および160において、例えば航空機120の組み立てを大幅に促進することにより、または航空機120のコストを大幅に低減することにより利用することができる。同様に、装置実施形態、方法実施形態、またはこれらの実施形態の組み合わせのうちの1つ以上の実施形態は、航空機120を供用している間に利用することができ、例えばこれに限定されないが、航空機に、整備および保守点検166が施されている間に利用することができる。

0062

本明細書において使用されるように、列挙されるアイテム付属して使用される場合の「at least one of(〜のうちの少なくとも1つの)」というフレーズは、列挙されるアイテムのうちの1つ以上のアイテムの異なる組み合わせを使用することができ、かつ列挙される各アイテムの1つだけで済ませることを意味する。例えば、「at least one of item A, item B, and item C(アイテムA、アイテムB、およびアイテムCのうちの少なくとも1つ」は、これらには限定されないが、「item A(アイテムA)」、「item A and item B(アイテムAおよびアイテムB)」、または「item B(アイテムB)」を含むことができる。この例はまた、「item A, item B, and item C(アイテムA、アイテムB、およびアイテムC)」、または「item B and item C(アイテムBおよびアイテムC)」を含むことができる。アイテムとは、特定のオブジェクト、物、またはカテゴリーとすることができる。別の表現をすると、at least one ofとは、任意の組み合わせアイテムを指し、多数のアイテムを列挙アイテムの中から使用することができるが、列挙アイテムの全てが必要である訳ではない。

0063

異なる例示的な実施形態についての記載は、例示および説明を目的として提供されているものであり、網羅的にしようとしているのではない、または開示される構成の実施形態に限定されるものではない。多くの変形および変更が可能であることは、当分野の当業者には明らかであろう。更に、異なる例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる利点を提供することができる。選択される実施形態または実施形態は、これらの実施形態の原理、実際の用途を最も分かり易く説明するために、当分野の他の当業者が、想定される特定の使用に適合するように種々の変更が為される種々の実施形態に関する開示を理解することができるように選択され、記載されている。

0064

25支持構造、部品用複合材支持構造、一体化複合材支持構造、熱可塑性複合材支持構造、繊維強化熱可塑性支持構造
30部品、熱可塑性複合材部品、一体型熱可塑性複合材積層体部品、予備成形部品
32フランジ、脚部
34ウェブ
35長手方向軸線
36 上側溝
38 下側溝
40 一体型繊維強化熱可塑性取付部品、一体型取付部品、一体型熱可塑性複合材取付部品
42先細状本体
44貫通孔
46インサート
48金型アセンブリ
50,50a,50b圧縮シリンダ
52ピストン
54ラム
55 装置
56充填剤
57繊維強化樹脂フレーク、プリプレグフレーク、繊維強化樹脂フレーク
58変位
59長繊維、不連続繊維、強化繊維、ランダム配向繊維、一方向配向繊維
60下型
62上型
62aマンドレル
64 上型空隙部、金型空隙部
65 下型空隙部、金型空隙部
66 移動
68入口開口部
68a長手方向離間貫通孔
68b細長開口部
70型締め具
72容器
73内部流路
74 供給、フレーク
75 熱
76オフライン
77充填
80連続圧縮成形(CCM)装置
82圧縮成形金型、金型
83 一方向配向連続繊維
84金型内部空隙部
88繊維強化熱可塑性材料プライ、プライ
94治具、治具部材
95 部品の複数領域、部品用領域
96予備成形ゾーン
102圧密化構造
104加熱ゾーン
106加圧ゾーン
108圧密化ゾーン
110 金型、標準化金型
112冷却ゾーン
116脈動構造
120航空機
122,124,126,128,130,132,134,136,138,140,142,144,146,148 ステップ
150 航空機の製造および保守点検方法
152 航空機
154仕様および設計
156材料調達
158 構成要素および部分組立品の製造、製造段階、製造プロセス
160システム統合、製造段階
162 認証および搬送
164 就航中
166整備および保守点検
168機体
170 システム
172 機内
174ハンガー
176 取付部品
178 構成要素
180推進システム
182電気システム
184油圧システム
186 環境システム

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