(57)【要約】【課題】ブレードを使用して未硬化の複合材料を切断する際の一貫性を実現する。【解決手段】複合材構造製造システムが提供される。複合材構造製造システムは、ロボットアームと、ロボットアームに接続されたトリミングシステムと、を備える。トリミングシステムは、ナイフと、回転装置と、複数のレーザーと、ナイフに関連するロードセルと、を備える。回転装置は、中心点を中心にナイフのブレードを回転させるように構成される。複数のレーザーは、ブレードの所望の位置に対するブレードの位置を決定するように構成される。ロードセルは、未硬化の複合材構造のトリミング中にブレードに加えられた力の量を検知するように構成される。コントローラーは、トリミングシステムの構成要素から受信した情報に基づいてトリミングシステムの動作を制御する。【選択図】図３
2020192674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ロボットアームと、
前記ロボットアームに接続されたトリミングシステムと、
を備え、
前記トリミングシステムが、
ナイフと、
中心点を中心に前記ナイフのブレードを回転させる回転装置と、
前記ブレードの所望の位置に対する前記ブレードの位置を決定する複数のレーザーと、
前記ナイフに関連し、未硬化の複合材構造のトリミング中に前記ブレードに加えられた力の量を検知するロードセルと、
を備える、複合材構造製造システム。
【請求項２】
前記ロードセルから受信した情報に基づいて前記ブレードのパラメーターを調整するコントローラーをさらに備える、請求項１に記載の複合材構造製造システム。
【請求項３】
前記コントローラーが、複数の前記レーザーから受信した情報に基づいて、前記ブレードの速度、方向、前記位置、及び深さのうちの少なくとも１つを調整するようにさらに構成される、請求項２に記載の複合材構造製造システム。
【請求項４】
複数の前記レーザーが、
前記ナイフに関連し、前記ナイフの前記ブレードに対して第１の位置に配置された第１の１対のレーザーと、
前記ナイフに関連し、前記ナイフの前記ブレードに対して第２の位置に配置された第２の１対のレーザーと
を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の複合材構造製造システム。
【請求項５】
前記トリミングシステムが、前記ブレードが前記未硬化の複合材構造を切断するときに視覚情報を提供する視覚システムを備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の複合材構造製造システム。
【請求項６】
前記ブレードが、
ダブルベベル形状を有する第１の側面と、
平面形状を有し、前記第１の側面とは反対側を向いている第２の側面であって、前記ブレードの前記第２の側面が前記未硬化の複合材構造をトリミングする、第２の側面と、
を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の複合材構造製造システム。
【請求項７】
前記未硬化の複合材構造とツールとの間に配置された多孔質材料層をさらに備える、請求項６に記載の複合材構造製造システム。
【請求項８】
前記ブレードが前記未硬化の複合材構造をトリミングする際に、前記ツール、前記多孔質材料層、及び前記未硬化の複合材構造に対して真空を引く真空システムをさらに備える、請求項７に記載の複合材構造製造システム。
【請求項９】
前記ロボットアームに関連し、前記未硬化の複合材構造をトリミングするために前記トリミングシステムを前記未硬化の複合材構造の長さに沿って移動させる移動システムをさらに備える、請求項１から８のいずれか一項に記載の複合材構造製造システム。
【請求項１０】
未硬化の複合材構造をトリミングするための方法であって、前記方法は、
前記未硬化の複合材構造に対してトリミングシステムを配置するステップであって、前記トリミングシステムがロボットアームに取り外し可能に接続される、ステップと、
前記トリミングシステムのナイフのブレードを開始位置に位置合わせさせるステップと、
前記未硬化の複合材構造を経路に沿ってトリミングするステップと、
トリミング中に前記ナイフのパラメーターを調整するステップと
を含む、方法。
【請求項１１】
前記ナイフの前記パラメーターを調整する前記ステップが、
前記未硬化の複合材構造によって前記ブレードに加えられた力の量を検知するステップと、
前記力の量に関する情報をコントローラーに送信するステップと、
前記コントローラーが受信した前記情報に基づいて前記ブレードの速度を調整するステップと
を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記コントローラーが受信した前記情報に基づいて前記ブレードの方向、角度、及び深さのうちの少なくとも１つを調整するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ブレードの前記角度を調整する前記ステップが、回転装置を使用して中心点を中心に前記ナイフを回転させるステップを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記未硬化の複合材構造に対する前記ブレードの位置を決定するステップと、
前記ブレードの前記位置に関する情報をコントローラーに送信するステップと、
前記コントローラーが受信した情報に基づいて前記ブレードの前記位置を調整するステップと、
をさらに含む、請求項１０から１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記未硬化の複合材構造をトリミングするために、前記未硬化の複合材構造の長さに沿って前記トリミングシステムを移動させるステップをさらに含む、請求項１０から１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記ブレードが、ダブルベベル形状を有する第１の側面と、平面形状を有する第２の側面とを有し、
前記方法が、
前記未硬化の複合材構造とツールとの間に多孔質材料層を配置するステップと、
前記ツール、前記未硬化の複合材構造、及び前記多孔質材料層に対して真空を引くステップと、
前記平面形状を有する前記ブレードの前記第２の側面を使用して前記未硬化の複合材構造をトリミングするステップと
をさらに含む、請求項１０から１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
未硬化の複合材構造をトリミングするための複合材構造製造システムであって、前記複合材構造製造システムが、
前記未硬化の複合材構造を上にレイアップさせるツールと、
ロボットアームと、
前記ロボットアームに接続されたトリミングシステムと、
を備え、
前記トリミングシステムが、
中心点を中心に回転可能なブレードを有するナイフと、
前記ブレードに関連する回転装置と、
複数のレーザーと、
前記ナイフに関連するロードセルと、
コントローラーと
を備える、複合材構造製造システム。
【請求項１８】
複合材料の層と前記ツールとの間に配置された多孔質材料層をさらに備える、請求項１７に記載の複合材構造製造システム。
【請求項１９】
真空システムをさらに備える、請求項１８に記載の複合材構造製造システム。
【請求項２０】
前記ブレードが、
ダブルベベル形状を有する第１の側面と、
平面形状を有し、前記第１の側面とは反対側を向いている第２の側面であって、前記ブレードが前記第２の側面を使用して前記未硬化の複合材構造をトリミングする、第２の側面と、
を備える、請求項１８又は１９に記載の複合材構造製造システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、一般に、複合材構造の製造に関する。より具体的には、本開示は、航空機用途の複合材構造を製造する際に使用されるトリミングシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
製造業者は、様々な用途のための軽量で構造的に堅固な部品を提供するために複合材構造を使用する。複合材構造製造プロセスの効率を高めることは、航空機の製造業者にとって優先事項である。航空機の製造業者は、コストを下げ、航空機の生産速度を上げながら、プロセス中の複合材部品の再加工又は廃棄のリスクを最小化しようとしている。
【０００３】
部品の製作において、複合材構造が所望の構成にトリミングされる。トリミングは、時間のかかる複雑なプロセスになる場合がある。航空機の用途に使用されるいくつかの複合材構造は、長さが７０フィート（２１．３ｍ）以上である。このような大きな構造を製造フロア内であちこちに向けたり移動したりするには、時間、スペース、及び人的資源が必要である。
【０００４】
複合材構造は硬化の前又は後に所望の構成にトリミングされ得る。硬化又は結合の前に複合材構造がトリミングされる場合、複合材料は柔らかく、このことにより切断物の完全性を維持することが困難になる。この課題に対処するために、複合材構造は、超音波ナイフを使用して真空下で切断される。それでも、未硬化の複合材料のデリケートな状態は、ナイフブレードの撓みをもたらしたり、異なる領域で切断物の厚さが一貫しないことにつながったりし得る。場合によっては、撓みが非常に大きいため、ナイフブレードが変形したり壊れたりする危険がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
したがって、上述の問題の少なくともいくつか及び他の起こり得る問題を考慮に入れる方法及び装置を得ることが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本開示の例示的な実施形態は、ロボットアームと、ロボットアームに接続されたトリミングシステムと、を備える複合材構造製造システムを提供する。トリミングシステムは、ナイフと、回転装置と、複数のレーザーと、ナイフに関連するロードセルと、を備える。回転装置は、中心点を中心にナイフのブレードを回転させるように構成される。複数のレーザーは、ブレードの所望の位置に対するブレードの位置を決定するように構成される。ロードセルは、未硬化の複合材構造のトリミング中にブレードに加えられた力の量を検知するように構成される。
【０００７】
本開示の別の例示的な実施形態は、未硬化の複合材構造をトリミングするための方法を提供する。トリミングシステムは、未硬化の複合材構造に対して配置される。トリミングシステムは、ロボットアームに接続される。トリミングシステムのナイフのブレードは、切断のために開始位置に位置合わせされる。未硬化の複合材構造は経路に沿ってトリミングされる。ナイフのパラメーターは、トリミング中にブレードに加えられた力の量に基づいて調整される。
【０００８】
本開示のさらなる例示的な実施形態は、航空機の未硬化の複合材構造をトリミングするための複合材構造製造システムを提供する。複合材構造製造システムは、ツールと、ロボットアームと、ロボットアームに接続されたトリミングシステムと、を備える。トリミングシステムは、ナイフと、回転装置と、複数のレーザーと、ナイフに関連するロードセルと、コントローラーと、を備える。未硬化の複合材構造はツール上に配置される。
【０００９】
形態及び機能は、本開示の様々な実施形態において独立に達成されてもよいし、さらなる他の実施形態において組み合わされてもよく、このさらなる詳細は、以下の説明及び図面を参照して理解され得る。
【００１０】
例示的な実施形態の特徴と考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。しかしながら、例示的な実施形態、並びにその好ましい使用モード、さらなる目的、及び特徴は、添付の図面と併せて読めば、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を参照することによって最もよく理解されるはずである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的な実施形態による複合材構造製造システムの斜視図である。
【図２】例示的な実施形態による製造環境のブロック図である。
【図３】例示的な実施形態によるトリミングシステムの斜視図である。
【図４】例示的な実施形態によるトリミングシステムの側面図である。
【図５】例示的な実施形態によるトリミングシステムの上面図である。
【図６】例示的な実施形態によるトリミングシステムの分解図である。
【図７】例示的な実施形態によるナイフブレードの図である。
【図８】例示的な実施形態によるナイフブレードの別の図である。
【図９】例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造における切断の斜視図である。
【図１０】例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造における切断の断面図である。
【図１１】例示的な実施形態による、複合材ストリンガーの断面図である。
【図１２】例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造をトリミングするためのプロセスの流れ図である。
【図１３】例示的な実施形態による、航空機の未硬化の複合材構造をトリミングするためのプロセスの別の流れ図である。
【図１４】例示的な実施形態による、航空機の未硬化の複合材構造をトリミングするためのプロセスのさらに別の流れ図である。
【図１５】例示的な実施形態による、航空機の製造及び保守点検方法のブロック図である。
【図１６】例示的な実施形態が実施され得る航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
例示的な実施形態は、１以上の異なる考慮事項を認識し、考慮に入れている。例えば、例示的な実施形態は、複合材構造の現在の製造プロセスが生産効率の課題を提示する可能性があることを認識し、考慮に入れている。航空機に使用されるストリンガーなどの複合材部品は、構造を完成させるために他の複合材に結合される前に追加のトリミングが必要である。これらの部品は硬化又は結合の前にトリミングされるため、デリケートな材料にはナイフブレードによって粉砕されたり変形したりする危険がある。
【００１３】
例示的な実施形態はまた、複合材のための多くのトリミングシステムが製造環境において大きな不動の構造物に取り付けられることを認識し、考慮に入れている。例えば、トリミングシステムは、構造に対して一方向又は二方向のみに移動できるガントリーに取り付けられる場合がある。その結果、複合材は、ガントリーシステムを基準にして移動、反転、又は方向付けされる必要がある。一部の複合材部品は長さが７０フィート以上あるため、方向付けは必要以上に難しく、時間がかかる。これらのガントリーシステムは、広い床面積も必要とし、部品の複数のセグメントを同時に切断することはできない。
【００１４】
さらに、例示的な実施形態は、トリミング角度及びシステムのセットアップが切断の成功にとって重要な変数であることを認識し、考慮に入れている。超音波ナイフは、ブレードが撓んでブレードが折れたり破損したりしないようにする停止機構を備えた設計になっている。トリミング中にブレードがツールと接触すると、ブレードは複合材に向かって撓むため、ブレードの撓みが生じるだけでなく、切断の一貫性がなくなる。ブレードの形状は、切断の完全性にとって重要である。一部のブレード形状は、必要に応じて複合材をトリミングしない。
【００１５】
よって、本開示の実施形態は、ロボットアームと、ロボットアームに接続されたトリミングシステムと、を有する複合材構造製造システムを提供する。トリミングシステムは、ナイフと、回転装置と、複数のレーザーと、ナイフに関連するロードセルと、を備える。回転装置は、中心点を中心にナイフのブレードを回転させるように構成される。複数のレーザーは、ブレードの所望の位置に対するブレードの位置を決定するように構成される。ロードセルは、未硬化の複合材構造のトリミング中にブレードに加えられた力の量を検知するように構成される。ブレードは、ダブルベベル形状を有する第１の側面と、平面形状を有し、第１の側面とは反対側を向いている第２の側面と、を備える。ブレードは、第２の側面を使用して未硬化の複合材構造をトリミングする。多孔質材料層が、トリミング中のブレードの撓みを最小化するために未硬化の複合材構造とツールとの間に配置される。複合材構造は硬化の前又は後にトリミングすることができ、複数のロボットが複合材構造を同時にトリミングするために製造環境内を動き回ることができる。
【００１６】
ここで図面、特に図１を参照すると、例示的な実施形態による複合材構造製造システムの斜視図が示されている。複合材構造製造システム１００は、未硬化の複合材構造１０２に対して処理を実行することができる自動化された構成要素及び／又は装置の組み合わせを備える。
【００１７】
図示のように、複合材構造製造システム１００は、ツール１０４と、ロボットアーム１０６と、支持構造１０８と、トリミングシステム１１０と、を備える。トリミングシステム１１０は、未硬化状態の複合材料１１２をトリミングするために使用される。
【００１８】
図示のように、ロボットアーム１０６は、レール１１３上にある。レール１１３により、製造環境内を動き回れる。トリミングシステム１１０及び未硬化の複合材構造１０２の一部を含むセクション１１４は、図３により詳細に示されている。
【００１９】
次に図２を参照すると、例示的な実施形態による製造環境のブロック図が示されている。製造環境２００は、複合材構造を製作するために複合材構造製造システム２０２内の構成要素が使用され得る環境である。具体的には、複合材構造製造システム２０２は、この例示的な例では未硬化の複合材構造２０４に対してプロセスを実行するために使用される。
【００２０】
未硬化の複合材構造２０４は、硬化後にプラットフォーム２０６で使用するための構造である。プラットフォーム２０６は、例えば、限定するものではないが、移動式プラットフォーム、固定式プラットフォーム、陸上構造、水上構造、又は宇宙ベースの構造であってもよい。より具体的には、プラットフォーム２０６は、航空機、水上船舶、戦車、人員運搬車、列車、宇宙船、宇宙ステーション、衛星、潜水艦、自動車、発電所、橋、ダム、家、製造施設、建物、及び他の適切なプラットフォームであってもよい。
【００２１】
この例示的な例では、プラットフォーム２０６は、航空機２０８の形態をとる。未硬化の複合材構造２０４が航空機２０８用に製造される場合、未硬化の複合材構造２０４は、例えば、限定するものではないが、ストリンガー、スパー、リブ、パネル、スタビライザー、スキンパネル、又は航空機２０８で使用するための他の適切な構造であり得る。
【００２２】
図示のように、複合材構造製造システム２０２は、トリミングシステム２１０と、ロボットアーム２１２と、ツール２１４と、移動システム２１６と、真空システム２１８と、を備える。トリミングシステム２１０は、トリミングシステム２１０がロボットアーム２１２に接続されるように、ロボットアーム２１２のためのエンドエフェクタの形態をとる。トリミングシステム２１０は、ロボットアーム２１２が他のプロセスを実行する必要がある場合にトリミングシステム２１０を取り外して別のエンドエフェクタをロボットアーム２１２に取り付けできるように、ロボットアーム２１２に取り外し可能に接続され得る。ロボットアーム２１２は、必要に応じて、未硬化の複合材構造２０４に対してトリミングシステム２１０を複数の軸２１９を中心に移動させる。
【００２３】
図示のように、ツール２１４は、未硬化の複合材構造２０４を処理中に所定の位置で支持及び保持する複数の部品を備える。ツール２１４は、クランプ、ブラダー、バラスト、ブロック、又は処理中に未硬化の複合材構造２０４を所定の位置に保持するための他の適切な構造などの１以上の支持構造を備え得る。
【００２４】
この例示的な例では、トリミングシステム２１０は、ナイフ２２０と、回転装置２２２と、複数のレーザー２２４と、ロードセル２２６と、コントローラー２２８と、視覚システム２３０と、を備える。本明細書で使用される場合、アイテムに関して使用されるときの「複数の」は、１以上のアイテムを意味する。よって、複数のレーザーは１以上のレーザーである。
【００２５】
ナイフ２２０は、この例示的な例では、超音波ナイフの形態をとる。ナイフ２２０は、ブレード２３２を備える。ブレード２３２は、第１の側面２３４と、第１の側面２３４とは反対側を向いている第２の側面２３６と、を有する。ブレード２３２の第１の側面２３４は、ダブルベベル形状２３８を有し、ブレード２３２の第２の側面２３６は、実質的に平坦な形状２４０を有する。平坦な形状２４０は、この例示的な例では、平面形状である。換言すれば、ブレード２３２の第２の側面２３６は平坦な表面を有する。未硬化の複合材構造２０４を切断するとき、実質的に平坦な形状２４０を有する第２の側面２３６は、トリミングされた部分に面し、ダブルベベル形状２３８を有する第１の側面２３４は、破棄される材料に面する。
【００２６】
この例示的な例では、ナイフ２２０のブレード２３２は、パラメーター２４２を有する。パラメーター２４２は、未硬化の複合材構造２０４のトリミング中のブレード２３２の位置２４４、所望の位置２４６、速度２４８、深さ２５０、方向２５２、及び角度２５４を含む。ブレード２３２の位置２４４は、未硬化の複合材構造２０４に対するブレード２３２の現在の位置及び向きである。所望の位置２４６は、ブレード２３２が未硬化の複合材構造２０４を経路２５６に沿って切断するための所望の位置及び向きである。経路２５６は、この例示的な例では、所定のプログラムされたトリミング経路である。経路２５６は、ブレード２３２の開始位置２５８を有する。ブレード２３２は、未硬化の複合材構造２０４の全長２５９に沿って経路２５６をたどる。
【００２７】
速度２４８は、ブレード２３２が未硬化の複合材構造２０４をトリミングする速度である。ブレード２３２の深さ２５０及び角度２５４は、未硬化の複合材構造２０４の所望の切断形状を提供するように調整され得る。ブレード２３２の方向２５２は、切断のための所望の形状に基づいて変更される。これらの例示的な例では、ブレード２３２のすべてのパラメーター２４２がリアルタイムで調整され得る。
【００２８】
図示のように、回転装置２２２は、中心点２６０を中心にナイフ２２０のブレード２３２を回転させる装置である。回転装置２２２は、この例示的な例では、回転ステージの形態をとる。回転装置２２２は、コントローラー２２８からコマンドを受信するように構成され、それに応じてブレード２３２を回転させる。
【００２９】
複数のレーザー２２４は、ブレード２３２の所望の位置２４６に対するブレード２３２の位置２４４を決定するように構成される。複数のレーザー２２４のそれぞれは、この例示的な例では、ブレード２３２の位置２４４を決定するために各レーザーからの反射を使用するレーザー距離計の形態をとる。
【００３０】
この例示的な例では、複数のレーザー２２４は、ナイフ２２０に関連する第１の１対のレーザー２６２及び第２の１対のレーザー２６４を含む。第１の１対のレーザー２６２は、ナイフ２２０のブレード２３２に対して第１の位置２６６に配置される。同様に、第２の１対のレーザー２６４は、ナイフ２２０のブレード２３２に対して第２の位置２６８に配置される。例えば、限定するものではないが、第１の位置２６６はブレード２３２の上方とすることができ、第２の位置２６８はブレード２３２に隣接するいずれかの側とすることができる。複数のレーザー２２４はブレード２３２の位置２４４をブレード２３２の所望の位置２４６と比較するために情報２７０をコントローラー２２８に送信する。
【００３１】
この例示的な例では、ロードセル２２６は、ナイフ２２０に関連する装置であり、未硬化の複合材構造２０４のトリミング中にブレード２３２に加えられた力の量２７２を検知するように構成される。ロードセル２２６は、この例示的な例では多軸ロードセルである。ロードセル２２６は、情報２７０をコントローラー２２８に送信する。
【００３２】
コントローラー２２８は、トリミングシステム２１０内の構成要素の動作を制御する装置である。複数のレーザー２２４、ロードセル２２６、視覚システム２３０、及び他のシステムから受信した情報２７０に基づいて、コントローラー２２８は、ナイフ２２０のブレード２３２のパラメーター２４２を調整する。具体的には、コントローラー２２８は、トリミングシステム２１０の構成要素から受信した情報に基づいて、ブレード２３２の速度２４８、方向２５２、位置２４４、深さ２５０、及び角度２５４のうちの少なくとも１つを調整するように構成される。
【００３３】
例えば、限定するものではないが、未硬化の複合材構造２０４の厚さが経路２５６に沿って増加すると、コントローラー２２８は、切断の完全性を高め、ブレードの撓みを減らし、ブレード２３２の変形のリスクを低減するために、ブレード２３２の速度を低下させ得る。他の場合では、複合材料が薄い場合、ブレード２３２は、処理の効率を高めるために、未硬化の複合材構造２０４のこれらの部分をより速い速度で移動し得る。他のパラメーター２４２の調整により、複数の形状における未硬化の複合材構造２０４のトリミングが可能になり、ブレード２３２を必要に応じてリアルタイムで修正することができる。
【００３４】
本明細書で使用する場合、「少なくとも１つの」という語句は、アイテムのリストと共に使用される場合、リストされたアイテムのうちの１以上の異なる組み合わせを使用でき、リスト内の各アイテムの１つだけが必要とされ得ることを意味する。換言すれば、「少なくとも１つ」とは、リストからアイテムの任意の組み合わせ及び複数のアイテムを使用できるが、リスト内のすべてのアイテムが必要なわけではないことを意味する。アイテムは、特定のオブジェクト、モノ、又はカテゴリであり得る。
【００３５】
例えば、「アイテムＡ、アイテムＢ、又はアイテムＣのうちの少なくとも１つ」は、アイテムＡ、アイテムＡ及びアイテムＢ、又はアイテムＢを含むが、これらに限定されない。この例は、アイテムＡ、アイテムＢ、及びアイテムＣ、又はアイテムＢ及びアイテムＣも含み得る。当然のことながら、これらのアイテムの任意の組み合わせが存在してもよい。他の例では、「少なくとも１つ」は、例えば、限定するものではないが、アイテムＡのうちの２つ、アイテムＢのうちの１つ、及びアイテムＣのうちの１０個であってもよいし、アイテムＢのうちの４つ及びアイテムＣのうちの７つであってもよいし、他の適切な組み合わせであってもよい。
【００３６】
図示のように、視覚システム２３０は、トリミングシステム２１０のための視覚的フィードバックを提供する複数の構成要素を備える。視覚システム２３０は、カメラ、ビデオカメラ、又は他の適切な構成要素を含み得る。視覚システム２３０は、ブレード２３２が未硬化の複合材構造２０４を切断するときに視覚的フィードバックを提供する。例えば、視覚システム２３０は、トリミングプロセスが行われるときに人間のオペレーターがトリミングプロセスを見ることができるように、位置２４４にあるブレード２３２の画像を提供することができる。視覚システム２３０は、コントローラー２２８に情報２７０を提供する。
【００３７】
この図示の例では、移動システム２１６は、ロボットアーム２１２に関連する。移動システム２１６は、未硬化の複合材構造２０４をトリミングするために、未硬化の複合材構造２０４の長さ２５９に沿ってロボットアーム２１２を移動させる様々な構成要素を備える。移動システム２１６は、レール、車輪、又は他の適切な移動機構の形態をとることができる。場合によっては、移動システム２１６及びロボットアーム２１２は、製造環境２００内を自由に動き回ることができる自律ビークルを備えることができる。
【００３８】
未硬化の複合材構造２０４をレイアップする前に、多孔質材料層２７４がツール２１４の上に配置される。換言すれば、多孔質材料層２７４は、未硬化の複合材構造２０４とツール２１４との間に配置される。多孔質材料層２７４は、様々な形態を取り得る。例えば、限定するものではないが、多孔質材料層は、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、又は他の適切なタイプの材料のうちの少なくとも１つから選択される材料を含むシートであってよい。多孔質材料層２７４は、材料に対して真空２７６を引くことができるように多孔性である。多孔質材料層２７４の孔径は、特定の実施形態に応じて変わり得る。
【００３９】
多孔質材料層２７４は、ブレード２３２が未硬化の複合材構造２０４内に撓むのを防ぐように構成される。多孔質材料層２７４は、未硬化の複合材構造２０４を所望の方式でツール２１４から持ち上げる。結果として、未硬化の複合材構造２０４に向かって撓む替わりに、ブレード２３２は、切断の完全性を高めるために所望の位置に留まる。ブレード２３２がツール２１４に当たって未硬化の複合材構造２０４に向かって撓む替わりに多孔質材料層２７４を切断するため、超音波ナイフの自動停止機構はトリガーされない。多孔質材料層２７４の厚さは、停止機構及び／又はブレードの撓みを防止するために未硬化の複合材構造２０４をツール２１４から持ち上げるように選択される。ブレード２３２の長さ又は他のパラメーター２４２に応じて、様々な厚さを使用することができる。
【００４０】
真空システム２１８は、ツール２１４、多孔質材料層２７４、及び未硬化の複合材構造２０４に対して真空２７６を引く複数の構成要素を備える。ブレード２３２が未硬化の複合材構造２０４をトリミングする際に真空２７６が引かれる。
【００４１】
例示的な実施形態では、複合材構造製造システム２０２は、未硬化の複合材構造２０４をトリミングするために、以前に考えられていたよりも効率的且つ汎用的に機能することができる。結果として、未硬化の複合材構造２０４は、現在使用されているシステムよりも迅速に且つ再加工少なく形成される。
【００４２】
例示的な実施形態は、非対称ブレード２３２を使用して滑らかに切断し、トリミングシステム２１０が複数の複雑な形状の未硬化の複合材構造を切断できるように設計される。ロボットアーム２１２は、反転が不要であるように未硬化の複合材構造２０４の周りでトリミングシステム２１０を動かし、それにより人的資源を削減する。加えて、ツール２１４及び多孔質材料層２７４のセットアップにより、ブレード２３２の撓みが低減される。ナイフ２２０のブレード２３２のすべてのパラメーターは、リアルタイムで調整することができ、トリミングシステム２１０が以前に使用されていたシステムよりも複雑な工程を実行できるようにする。
【００４３】
次に図３を参照すると、例示的な実施形態によるトリミングシステムの斜視図が示されている。図３は、図２にブロック形式で示される複合材構造製造システム２０２内の構成要素の物理的実装形態の例を示している。図１のセクション１１４のより詳細な図が示されている。
【００４４】
図示のように、ナイフ３０２のブレード３００は、未硬化の複合材構造１０２をトリミングするための開始位置３０４付近に配置される。ブレード３００は、この例示的な例では、未硬化の複合材構造１０２を所望の方式で切断するために、経路３０８に沿って矢印３０６の方向に移動する。場合により、ブレード３００が反対方向に移動する必要がある場合もある。トリミングシステム１１０及びロボットアーム１０６は、任意の軸線に沿った動きに対応するように構成される。
【００４５】
次に図４を参照すると、例示的な実施形態によるトリミングシステムの側面図が示されている。図４はまた、図２にブロック形式で示される複合材構造製造システム２０２内の構成要素の物理的実装形態の例を示している。この図には、未硬化の複合材構造１０２の断面図が示されている。
【００４６】
図示のように、ナイフ３０２のブレード３００は、未硬化の複合材構造１０２を貫通している。ブレード３００の先端４００が未硬化の複合材構造１０２を切断していることがわかる。トリミングシステム１１０が移動するにつれて、ブレード３００は、必要に応じて中心点４０２を中心に回転され得る。
【００４７】
この図では、視覚システム４０４、レーザー４０６、及びレーザー４０８が示されている。支持構造４１０は、視覚システム４０４及びレーザー４０６のための取付面を提供する。
【００４８】
視覚システム４０４は、この例示的な例ではカメラの形態をとる。レーザー４０６は、ナイフ３０２の上方に取り付けられ、他方、レーザー４０８は、ナイフ３０２に隣接して取り付けられる。レーザー４０６は、ナイフ３０２の上方に取り付けられた１対のレーザーのうちの一方である。同様に、レーザー４０８は、ナイフ３０２に隣接して取り付けられた１対のレーザーのうちの一方である。レーザー４０６及びレーザー４０８は、この例示的な例ではスポットヘッドレーザーである。
【００４９】
図５では、例示的な実施形態によるトリミングシステムの上面図が示されている。この例示的な例では、ロボットアーム１０６が二点鎖線で示されている。
【００５０】
図示のように、コネクター５００がトリミングシステム１１０をロボットアーム１０６に取り付ける。この図では、レーザー５０４が示されている。レーザー５０４は、レーザー４０６と対になっており、ナイフ３０２の上方に取り付けられている。
【００５１】
次に図６を参照すると、例示的な実施形態によるトリミングシステムの分解図が示されている。この例示的な例では、クランプ６００及びクランプ６０２が示されている。クランプ６００及びクランプ６０２は、トリミングシステム１１０の他の構成要素にナイフ３０２を固定する。回転ステージ６０４は、その中心点を中心にブレード３００を回転させる。ロードセル６０６は、トリミング中にブレード３００に加えられた力の量を測定する。
【００５２】
図７及び図８は、例示的な実施形態によるナイフブレードの２つの側面の図である。ブレード３００の側面７００が図７に示され、ブレード３００の側面８００が図８に示されている。ブレード３００は、この例示的な例では非対称のブレードである。換言すれば、側面７００の形状と側面８００の形状とは異なる。
【００５３】
図示のように、ブレード３００の側面７００は、ダブルベベル形状７０２を有する。側面８００は、実質的に平坦な形状８０２を有する。ブレード３００が未硬化の複合材構造１０２を切断すると、実質的に平坦な形状８０２を有する側面８００が、部品に向かって内側に向けられ、ダブルベベル形状７０２を有する側面７００が、未硬化の複合材構造１０２からトリミングされる材料に向かって外側に向けられる。
【００５４】
次に図９を参照すると、例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造における切断の斜視図が示されている。図９は、未硬化の複合材構造１０２を切断するときの非対称ブレード３００を示している。
【００５５】
この例示的な例では、ブレード３００がトリミングされた材料９００を切り離す際の複合材料１１２の別個の層が示されている。ブレード３００は矢印９０２の方向に動いており、側面７００は、外側を向き、側面８００は、最終部品の方を向いている。
【００５６】
図示のように、多孔質材料層９０４は、ツール１０４と未硬化の複合材構造１０２との間に配置されている。多孔質材料層９０４は、図２にブロック形式で示される多孔質材料層２７４の物理的実装形態の例である。多孔質材料層９０４は、ブレードの撓み又はブレード３００及びナイフ３０２の緊急停止機構を実質的に防止するのに十分な厚さ９０６を有する。
【００５７】
図１０を参照すると、例示的な実施形態による複合材ストリンガーの断面図が示されている。複合材構造１０００は、その最終形状にトリミングされる前に示されている。
【００５８】
図示のように、複合材構造１０００は、ツール１００２上に配置される。多孔質材料層１００４は、複合材構造１０００とツール１００２との間に配置される。ブレード１００６は、複合材構造１０００をトリミングするために使用される。ブレード１００６は、例示的な実施形態によれば、ダブルベベル側面と実質的に平坦な側面とを有する非対称ブレードである。ブレード１００６は、複合材構造１０００をその長さに沿って角度１００８及び角度１０１０で切断する。
【００５９】
この図に見られるように、ブレード１００６が複合材構造１０００をトリミングするにつれて、先端１０１４を含むブレード１００６の部分１０１２は、多孔質材料層１００４に切り込まれる。したがって、多孔質材料層１００４は、ブレード１００６がツール１００２に接触し、複合材構造１０００に向かって撓むのを防止する。
【００６０】
図１１は、例示的な実施形態による複合材ストリンガーの断面図を示している。図１０からの複合材構造１０００は、トリミング後に示されている。複合材構造１０００及び他の複合材部品が、複合材ストリンガー１１００を形成するために使用される。ブレード１００６は、対象物を再方向付けしたり、アセンブリを反転したり、レイアップして固定したときにアセンブリをその位置から移動する必要なく、未硬化の複合材料をトリミングできる。
【００６１】
図１及び図３から図１１に示されている様々な構成要素は、図２の構成要素と組み合わされてもよいし、図２の構成要素と併せて使用されてもよいし、これらの２つを組み合わせてもよい。加えて、図１及び図３から図１１の構成要素のいくつかは、図２にブロック形式で示されている構成要素を物理的構造として実施し得る仕方の例示的な例であり得る。
【００６２】
複合材構造製造システム１００の他の構成は、図１及び図３から図１１に示されるもの以外で実施されてもよい。例えば、図１及び図３から図１１には、１つのトリミングシステムを備えた１つのロボットアームのみが示されているが、２つ、３つ、５つ、又はそれ以上のロボットアームが同時に使用されてもよい。そのような例示的な例では、ロボットアームは、複合材構造の長さに沿って実質的に同時に同じプロセス又は異なるプロセスを実行することができる。他の例示的な例では、未硬化の複合材構造１０２は、本明細書に示されるものとは別の構成で保持されてもよい。
【００６３】
例示的な実施形態は航空機用途のストリンガーの形成に関連して示され、説明されているが、例示的な実施形態は、任意の種類のプラットフォームと共に、そのプラットフォームの複合材部品をトリミングするために使用され得る。さらに、例示的な実施形態は多孔質材料に関連して説明されているが、真空を使用しない場合、選択される材料が多孔質である必要はない。換言すれば、複合材料の切断が真空下で完了されるのではない場合、例示的な実施形態を可能にするために材料が多孔性である必要はない。
【００６４】
次に図１２を参照すると、例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造をトリミングするためのプロセスの流れ図が示されている。図１２に示す方法は、図２の未硬化の複合材構造２０４をトリミングするために、トリミングシステム２１０と共に使用され得る。
【００６５】
プロセスは、ツール上に多孔質材料層を配置することにより開始する（工程１２００）。次に、未硬化の複合材構造が多孔質材料層の上に配置される（工程１２０２）。ツール、未硬化の複合材構造、及び多孔質材料層に対して真空が引かれる（工程１２０４）。
【００６６】
その後、トリミングシステムは、未硬化の複合材構造に対して配置される（工程１２０６）。次に、プロセスは、トリミングシステムのナイフのブレードを開始位置に位置合わせさせる（工程１２０８）。プロセスは、未硬化の複合材構造を経路に沿ってトリミングする（工程１２１０）。トリミングシステムは、未硬化の複合材構造の長さに沿って移動される（工程１２１２）。
【００６７】
プロセスは、ナイフが動くときにナイフのパラメーターを調整し（工程１２１４）、その後プロセスは終了する。ナイフのパラメーターを調整することは、トリミングシステムに一体化された回転装置を使用して、中心点を中心にナイフを回転することを含み得る。
【００６８】
次に図１３を参照すると、例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造をトリミングするためのプロセスの流れ図が示されている。図１３に示される方法は、トリミング中にナイフのブレードのパラメーターを調整するために、図１２の工程１２１４中に使用され得る。
【００６９】
プロセスは、未硬化の複合材構造によってブレードに加えられた力の量を検知することにより開始する（工程１３００）。次に、プロセスは、力の量に関する情報をコントローラーに送信する（工程１３０２）。次に、プロセスは、コントローラーが受信した情報に基づいてブレードの速度を調整し（工程１３０４）、その後プロセスは終了する。ブレードの方向、角度、及び深さのうちの少なくとも１つはまた、コントローラーが受信した情報に基づいて調整され得る。
【００７０】
次に図１４を参照すると、例示的な実施形態による、未硬化の複合材構造をトリミングするためのプロセスの流れ図が示されている。図１４に示される方法は、トリミング中にナイフのブレードのパラメーターを調整するために、図１２の工程１２１４中に使用され得る。図１３及び図１４を参照して説明された工程は、実質的に同時に行われ得る。
【００７１】
プロセスは、未硬化の複合材構造に対するブレードの位置を決定することにより開始する（工程１４００）。次に、プロセスは、ブレードの位置に関する情報をコントローラーに送信する（工程１４０２）。次に、プロセスは、ブレードの位置をブレードの所望の位置と比較する（工程１４０４）。プロセスは、コントローラーが受信した情報に基づいてブレードの位置を調整し（工程１４０６）、その後プロセスは終了する。
【００７２】
図１５に示すような航空機の製造及び保守点検方法１５００並びに図１６に示すような航空機１６００との関連で、本開示の例示的な実施形態を説明できる。最初に図１５を参照すると、例示的な実施形態による航空機の製造及び保守点検方法のブロック図が示されている。生産前段階において、航空機の製造及び保守点検方法１５００は、図１６の航空機１６００の仕様及び設計１５０２と、材料調達１５０４とを含み得る。
【００７３】
製造段階において、図１６の航空機１６００の構成要素及び部分組立品の製造１５０６とシステム統合１５０８とが行われる。その後、図１６の航空機１６００は、就航１５１２させるために、認証及び搬送１５１０を経ることができる。顧客による就航中１５１２、図１６の航空機１６００は、定期的な整備及び保守点検１５１４が予定されており、これには、修正、再構成、改修、及び他の整備又は保守点検が含まれ得る。
【００７４】
図２の未硬化の複合材構造２０４は、構成要素及び部分組立品の製造１５０６中にトリミングシステム２１０を備えた複合材構造製造システム２０２を使用して作製され得る。加えて、トリミングシステム２１０は、図１６の航空機１６００の修正、再構成、又は改修の一部として、定期的な整備及び保守点検１５１４中に使用され得る。
【００７５】
航空機の製造及び保守点検方法１５００のプロセスのそれぞれは、システム統合者、サードパーティー、オペレーター、又はそれらの何らかの組み合わせによって実行又は遂行され得る。これらの例では、オペレーターは顧客であり得る。本説明の目的のために、システム統合者は、限定するものではないが、任意の数の航空機製造業者及び主要なシステムのサブコントラクターを含むことができ、サードパーティーは、限定するものではないが、任意の数のベンダー、サブコントラクター、及びサプライヤーを含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事機関、就航業務組織などとすることができる。
【００７６】
次に図１６を参照すると、例示的な実施形態を使用して作製された複合材構造が実施され得る航空機のブロック図の図が示されている。この例では、航空機１６００は、図１５の航空機の製造及び保守点検方法１５００によって製造され、複数のシステム１６０４及び内部１６０６を備えた機体１６０２を備え得る。システム１６０４の例としては、推進システム１６０８、電気システム１６１０、油圧システム１６１２、及び環境システム１６１４のうちの１以上が挙げられる。任意の数の他のシステムを含むことができる。航空宇宙の例が示されているが、異なる例示的な実施形態は、自動車産業などの他産業に適用され得る
【００７７】
本明細書において具現化される装置及び方法は、図１５の航空機の製造及び保守点検方法１５００の段階のうちの少なくとも１つの間に利用され得る。１つの例示的な例では、図１５の構成要素及び部分組立品の製造１５０６で製作される構成要素又は部分組立品は、図１５の航空機１６００の就航中１５１２に製作される構成要素及び部分組立品と同様の仕方で製作又は製造されてもよい。さらに別の例として、図１５の構成要素及び部分組立品の製造１５０６並びにシステム統合１５０８の間などの製造段階の間に、１以上の装置実施形態、方法実施形態、又はこれらの組み合わせを利用してもよい。１以上の装置実施形態、方法実施形態、又はこれらの組み合わせは、航空機１６００の就航中１５１２、図１５の整備及び保守点検１５１４中に、又はその両方で利用され得る。複数の異なる例示的な実施形態の使用は、航空機１６００の組立を実質的に促進する、航空機１６００のコストを削減する、又は航空機１６００の組立の促進及び航空機１６００のコストの削減の両方を行うことができる。
【００７８】
例示的な実施形態を使用すると、複合材構造製造システムは、ブレードの撓み、損傷、又は部品の切断不良が原因でオフラインになるリスクが少なく、より効率的に機能することができる。結果として、複合材構造は、現在使用されているシステムよりも迅速に且つ再加工少なく形成される。
【００７９】
例示的な実施形態はまた、精密制御切断能力を有する。ナイフブレードは複数の軸線でリアルタイムに調整され得る。ロボットアームは、必要に応じて複合材構造を移動する必要なく、複合材構造の長さを移動する。複数のロボットアームが複合材構造に対して同時に作業できる。非対称のブレード及び多孔質材料層を使用することにより、未硬化の複合材料を切断する際の一貫性を実現できる。
【００８０】
例示的な実施形態の複数の代替的な実装形態では、ブロックに記載されている１以上の機能は、図に記載されている順序とは異なる順序で行われる場合がある。例えば、場合によっては、関連する機能に応じて、連続して示されている２つのブロックが実質的に同時に実行される場合もあるし、ブロックが逆の順序で実行される場合もある。また、流れ図又はブロック図において例示されたブロックに加えて、他のブロックが追加されてもよい。
【００８１】
異なる例示的な実施形態の説明は、例示及び説明の目的で提示されており、網羅的であること、又は開示された形態の実施形態に限定されることを意図していない。当業者には多くの修正及び変形が明らかであろう。さらに、異なる例示的な実施形態は、他の望ましい実施形態と比較して異なる特徴を提供し得る。選ばれた１以上の実施形態は、実施形態の原理、実際的な用途を最もよく説明し、他の当業者が本開示を、様々な修正を伴う様々な実施形態に関して、企図される特定の使用に適するように理解できるように選ばれ説明されている。
【符号の説明】
【００８２】
１００  複合材構造製造システム、１０２  未硬化の複合材構造、１０４  ツール、１０６  ロボットアーム、１０８  支持構造、１１０  トリミングシステム、１１２  複合材料、１１３  レール、１１４  セクション、２００  製造環境、２０２  複合材構造製造システム、２０４  未硬化の複合材構造、２０６  プラットフォーム、２０８  航空機、２１０  トリミングシステム、２１２  ロボットアーム、２１４  ツール、２１６  移動システム、２１８  真空システム、２１９  複数の軸線、２２０  ナイフ、２２２  回転装置、２２４  複数のレーザー、２２６  ロードセル、２２８  コントローラー、２３０  視覚システム、２３２  ブレード、２３４  第１の側面、２３６  第２の側面、２３８  ダブルベベル形状、２４０  平坦な形状、２４２  パラメーター、２４４  ブレードの位置、２４６  ブレードの所望の位置、２４８  速度、２５０  深さ、２５２  方向、２５４  角度、２５６  経路、２５８  ブレードの開始位置、２５９  長さ、２６０  中心点、２６２  第１の１対のレーザー、２６４  第２の１対のレーザー、２６６  第１の位置、２６８  第２の位置、２７０  情報、２７２  力の量、２７４  多孔質材料層、２７６  真空、３００  ブレード、３０２  ナイフ、３０４  開始位置、３０６  矢印、３０８  経路、４００  先端、４０２  中心点、４０４  視覚システム、４０６  レーザー、４０８  レーザー、４１０  支持構造、５００  コネクター、５０４  レーザー、６００  クランプ、６０２  クランプ、６０４  回転ステージ、６０６  ロードセル、７００  ブレードの側面、７０２  ダブルベベル形状、８００  側面、８０２  平坦な形状、９００  トリミングされた材料、９０２  矢印、９０４  多孔質材料層、９０６  厚さ、１０００  複合材構造、１００２  ツール、１００４  多孔質材料層、１００６  ブレード、１００８  角度、１０１０  角度、１０１２  ブレードの部分、１０１４  先端、１１００  複合材ストリンガー、１２００  工程、１２０２  工程、１２０４  工程、１２０６  工程、１２０８  工程、１２１０  工程、１２１２  工程、１２１４  工程、１３００  工程、１３０２  工程、１３０４  工程、１４００  工程、１４０２  工程、１４０４  工程、１４０６  工程、１５００  航空機の製造及び保守点検方法、１５０２  仕様及び設計、１５０４  材料調達、１５０６  構成要素及び部分組立品の製造、１５０８  システム統合、１５１０  認証及び搬送、１５１２  就航中，就航、１５１４  整備及び保守点検、１６００  航空機、１６０２  機体、１６０４  システム、１６０６  内部、１６０８  推進システム、１６１０  電気システム、１６１２  油圧システム、１６１４  環境システム
【図１】
2020192674.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
2020192674.tif 000012
【図１１】
2020192674.tif 000013
【図１２】
2020192674.tif 000014
【図１３】
2020192674.tif 000015
【図１４】
2020192674.tif 000016
【図１５】
2020192674.tif 000017
【図１６】
2020192674.tif 000018
【外国語明細書】
2020192674000001.pdf