(57)【要約】      （修正有）【課題】複合材部品を作製するための方法及びシステムの提供。【解決手段】一実施形態は、複合材部品を作製するための方法である。この方法は、チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、前記チップの嵩係数を低減することと、前記予備一体化素材を部分ごとに形状付けして、ダイ（７００）に収まる成形体積素材（６００）にすることと、前記ダイ（７００）において前記成形体積素材（６００）を圧縮成形することと、を含む。【選択図】図８
2020179667.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材部品を作製するための方法であって、
チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、前記チップの嵩係数を低減することと、
前記予備一体化素材を部分ごとに形状付けして、ダイに収まる成形体積素材にすることと、
前記ダイにおいて前記成形体積素材を圧縮成形することと、を含む方法。
【請求項２】
前記チップの嵩係数の低減は、前記予備一体化素材の嵩係数が、１と２との間になるように行う、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップをモールドに入れることを含み、
前記嵩係数を低減することは、熱及び圧力を加えて前記チップを塑性変形させて、前記モールドに適合する予備一体化素材にすることをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。
【請求項４】
圧縮成形は、前記ダイの収容部に前記成形体積素材を配置することを含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項５】
圧縮成形は、前記成形体積素材を溶融して、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含む溶融チョップドファイバにすることをさらに含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
圧縮成形は、前記溶融チョップドファイバを前記収容部によって画定される形状に圧縮成形し、前記溶融チョップドファイバを冷却して複合材部品にすることをさらに含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップに対して２０ポンド／平方インチと５０００ポンド／平方インチとの間の圧力を加えることを含む、請求項１〜６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項８】
複合材部品を作製するためのシステムであって、
不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含むチョップドファイバのチップを予備一体化して、１と２との間の嵩係数を有する予備一体化素材にするモールドと、
複合材部品の形状を画定する収容部を有する雌型圧縮成形ダイと、
前記収容部に対して相補的な突出部を有する雄型圧縮成形ダイと、
予備一体化チョップドファイバの成形体積素材と、を含み、前記成形体積素材は、予備一体化素材から作製され、前記収容部内において前記収容部の少なくとも１つの壁に密着させて配置される、システム。
【請求項９】
前記成形体積素材は、２未満の嵩係数を有する、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記雌型圧縮成形ダイは、一体型ヒータを含む、請求項８又は９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記モールドは、前記チップを受容する凹部を含む、請求項８〜１０のいずれか１つに記載のシステム。
【請求項１２】
前記雌型圧縮成形ダイは、複数の収容部を含み、
前記雄型圧縮成形ダイは、複数の突出部を含み、当該突出部の各々は、異なる受容部に対して相補的である、請求項８〜１１のいずれか１つに記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複合材料の分野に関し、特に、複合材部品の作製に関する。
【背景技術】
【０００２】
「チョップドファイバ（chopped fiber）」は、熱可塑性樹脂で強化された不連続繊維の細片を指す用語である。各細片は、比較的小さく（例えば、全長１０インチ未満）、短繊維のセグメントを含む。チョップドファイバ細片を溶融温度まで加熱してから加圧すると、ファイバ細片間の熱可塑性樹脂が混ざり合い、ランダムに配向された短繊維によって強化された単一の複合材部品が得られる。
【０００３】
チョップドファイバ細片は、廃棄されるスクラップ複合材部品を細断することによって準備することもできるし、一方向性プリプレグテープから特定の寸法に切断することもできる。こうして得られるチョップドファイバ片は、相当な量になる。言い換えれば、チョップドファイバ片を成形ダイに積み上げると、これらのファイバ片は、空隙により分離される。
【０００４】
したがって、上述した問題のうちの少なくともいくつかと、他の潜在的な問題を考慮した方法及び装置が望まれている。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書で説明する実施形態においては、圧縮成形により、ダイに配置するためのチョップドファイバの中実素材（solid charges）を作製する。中実素材には空隙が存在しておらず、当該中実素材が配置されるダイに収まるような形状を有する。したがって、中実素材は、チョップドファイバのばらばらな細片と比較して占有する空間が小さく、圧縮成形ダイを小型化することができる。さらに、中実素材は、空隙による断熱がないため、チョップドファイバ片の積層体よりも実質的により速く溶融する。
【０００６】
一実施形態は、複合材部品を作製するための方法である。この方法は、チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、前記チップの嵩係数を低減することと、前記予備一体化素材を部分ごとに形状付けして、ダイに収まる成形体積素材にすることと、前記ダイにおいて前記成形体積素材を圧縮成形することと、を含む。
【０００７】
さらなる実施形態は、プロセッサにより実行されると、複合材部品を作製するための方法を実行させるようプログラムされた命令を具現化する非一時的なコンピュータ可読媒体である。この方法は、チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、前記チップの嵩係数を低減することと、前記予備一体化素材を部分ごとに形状付けして、ダイに収まる成形体積素材にすることと、前記ダイにおいて前記成形体積素材を圧縮成形することと、を含む。
【０００８】
さらなる実施形態は、複合材部品を作製するためのシステムである。このシステムは、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含むチョップドファイバのチップを予備一体化して、１と２との間の嵩係数を有する予備一体化素材にするモールドと、複合材部品の形状を画定する収容部を有する雌型圧縮成形ダイと、前記収容部に対して相補的な突出部を有する雄型圧縮成形ダイと、予備一体化チョップドファイバの成形体積素材と、を含み、前記成形体積素材は、予備一体化素材から作製され、前記収容部内において前記収容部の少なくとも１つの壁に密着させて配置される。
【０００９】
さらに別の実施形態は、複合材部品の作製を容易にするための装置である。この装置は、モールドを含み、前記モールドは、複数の壁と、前記壁に囲まれるとともに、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含むチョップドファイバのチップを受容する凹部と、を含む。この装置はまた、前記モールドに対して相補的な寸法を有するプレスを含む。
【００１０】
さらに別の実施形態は、成形体積素材を含む製品であって、前記成形体積素材は、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含み、チョップドファイバのチップから溶融されて、圧縮成形ダイの受容部の壁に密着するように成形されている。
【００１１】
他の例示的な実施形態（例えば、上記実施形態に関する方法及びコンピュータ可読媒体）については、以下で説明する。上述した特徴、機能、及び、利点は、様々な実施形態において個別に達成可能であり、また、さらに別の実施形態と組み合わせることも可能である。この詳細については、以下の説明及び図面を参照することにより明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
以下では、添付図面を参照しながら、単なる例示として、本開示のいくつかの実施形態を説明する。全ての図面において、同じ参照符号は同じ要素又は同じ種類の要素を示している。
【００１３】
【図１】例示的な実施形態におけるチョップドファイバの予備一体化素材を作製するための成形装置を示す図である。
【図２Ａ−２Ｂ】例示的な実施形態において、チョップドファイバの予備一体化素材を作製し、当該素材を使用して複合材部品を作製するための方法を示す図である。
【図３−４】例示的な実施形態における、予備一体化素材の加圧成形を示す図である。
【図５−６】例示的な実施形態において、予備一体化素材を所望の形状に形状付けする様子を示す図である。
【図７】例示的な実施形態において、成形体積素材を圧縮成形ダイに挿入する様子を示す。
【図８−９】例示的な実施形態において、圧縮成形ダイに配置された成形体積素材を示す図である。
【図１０】例示的な実施形態における複合材作製システムを示すブロック図である。
【図１１】例示的な実施形態における航空機の製造及び保守方法を示すフローチャートである。
【図１２】例示的な実施形態における航空機を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図面及び以下の記載は、本開示の特定の例示的な実施形態を説明するものである。したがって、当業者であれば、本明細書に明示的に説明又は図示されていなくても、本開示の範囲内において本開示の原理を具現化する様々な変形が可能であることは理解されよう。さらに、本明細書で説明されている例は、本開示の原理に対する理解を助けることを意図するものであり、具体的に説明された例や条件に限定されないと解釈すべきである。したがって、本開示は、以下に説明する特定の実施形態又は例に限定されるものではなく、請求の範囲及びその均等物によって限定されるものである。
【００１５】
図１は、例示的な実施形態におけるチョップドファイバ（熱可塑性樹脂及び繊維を含む）の予備一体化素材（pre-consolidated charge）を作製するための成形装置１００を示す図である。成形装置１００は、モールド１２０と、プレス１１０とを含む。モールド１２０は、リップ（lip）１２２とベース１２６とを有する壁１２８を含み、当該リップ及び当該ベースは、共にチョップドファイバのチップ１３０が入れられる凹部１２４を画定している。チップ１３０は、コンポーネント１３２（例えば、複合材部品）を細断（例えば、小さい固形片に切断）したり、コンポーネント１３２（例えば、プリプレグの一方向性テープ）からプレカット片（pre-cut pieces）を作製したりすることによって、得られる。このような実施形態においては、チョップドファイバのチップ１３０は、細断された複合材部品（すなわちコンポーネント１３２）の断片を含む。
【００１６】
したがって、チップ１３０は、フラットな薄片や粗い塊片（volumetric pieces）などを含みうる。プレス１１０は、モールド１２０に対して相補的な寸法を有しており、予備一体化素材を作製するために、高圧及び高温で凹部１２４に押し込まれる。チップ１３０は、凹部１２４内に積み重ねられたときに、大きな嵩係数（bulk factor）（例えば、５と１０との間）を示しうる。本明細書において、「嵩係数」とは、チョップドファイバのチップの体積と、同じ重量で空隙のない個体に一体化された後のチョップドファイバのチップの体積との比率をいう。したがって、凹部１２４内の空間の大部分は、チップ１３０間を断熱する空隙１３４を含みうる。このため、チップ内の熱可塑性樹脂を溶融するために要する時間が大幅に増える可能性がある（例えば、加圧した場合であっても９０分以上）。しかしながら、予備一体化素材が一体化された後であれば、その時間を圧縮成形するために使用することができる。予備一体化素材には空隙がないため、当該素材は、ばらばらなチップ（loose chips：以下「ルーズチップ」と訳す）よりも遥かに速く（例えば、１０倍以上速く）加熱される。成形装置１００を動作させて、大量のチップ１３０（圧縮成形のためにダイを満たすのに必要なチョップドファイバの量の２倍以上）で予備一体化素材を形成する場合、製造処理に費やす時間の全体を削減することができる。具体的には、成形装置１００において断熱により遅延する加熱処理を１回行った後に、圧縮成形システムにおいて短時間の加熱処理を複数回行う方が、圧縮成形システムにおいて断熱が遅延する加熱処理を複数回行うよりも相当に速くなる。
【００１７】
成形装置１００の動作の詳細を、図２Ａ〜２Ｂを参照しながら説明する。本実施形態において、成形装置１００は、空であって、チョップドファイバの予備一体化素材を作製するための充填待ち状態であると仮定する。チョップドファイバにおける熱可塑性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ナイロン等を含みうる。
【００１８】
図２Ａは、例示的な実施形態において、チョップドファイバの予備一体化素材を作製し、当該素材を使用して複合材部品を作製するための方法２００を示すフローチャートである。図２Ａは、上記方法の概要を示しており、図２Ｂは、当該方法におけるステップを追加的且つ詳細に説明している。
【００１９】
方法２００のステップは、図１に示す成形装置１００を参照して説明するが、当業者であれば、他のシステムにおいても方法２００を実行可能であると理解するであろう。本明細書で説明するフローチャートは全てのステップを含むわけではなく、図示していない他のステップも含みうる。本明細書で説明するステップはまた、異なる順序で実行することも可能である。
【００２０】
ステップ２０２において、１と２との間の嵩係数（例えば、１．１と１との間の嵩係数）を有する予備一体化素材が形成される。上述したように、予備一体化素材は、成形装置１００内でチョップドファイバのルーズチップを一緒に加熱及び加圧することによって形成することができる。例えば、一実施形態においては、熱可塑性樹脂が溶融するまで成形装置１００及びチョップドファイバのチップ１３０の全体をオーブンで加熱し、その後、プレスによる押圧及び冷却を行う。さらなる実施形態においては、モールド１２０及びプレス１１０を所定位置で加熱し、チップにおける熱可塑性樹脂がモールド１２０からの間接的な熱により溶融した後、プレス１１０を閉じる。さらなる実施形態においては、モールド１２０を加熱し、チップ１３０における熱可塑性樹脂を溶融するためにＩＲ対流要素（図示略）をモールド１２０の上方に配置し、その後プレス１１０の所にモールド１２０を移動させ、ヒータをプレスの外方に移動させて、プレスを閉じる。チョップドファイバのチップ、及び／又は成形装置１００は、必要に応じて、チップを充填及び追加する前に予熱してもよい。
【００２１】
予備一体化素材が形成された後、当該素材内に異物が存在していないことを確認するためにさらに検査を行ってもよい。例えば、超音波又は視覚技術によって予備一体化素材を検査してもよい。
【００２２】
ステップ２０４において、予備一体化素材が部分ごとに、雌型の圧縮成形ダイに収まるような成形体積素材に形状付けられる。形状付け処理は、予備一体化素材から複数のピースを打ち抜き又は切り取ることを含みうる。各ピースは雌型圧縮成形ダイの収容部に収まるように設計されている。例えば、図５〜６に示すように、予備一体化素材４００の複数の部分５００をトリミング、打ち抜き、又は整形して、複数の成形体積素材６００を形成してもよい。各成形体積素材６００の体積は、当該素材から作製される複合材部品の体積と等しい。
【００２３】
ステップ２０６において、成形体積素材が、雌型圧縮成形ダイ内で圧縮成形される。例えば、これは、雄型圧縮成形ダイを雌型圧縮成形ダイに押し込むことを含みうる。この押込作業は、成形体積素材が雌型圧縮成形ダイの凹部に配置されている状態で行われる。さらに、この押込作業は、（上述した）圧縮成形用の圧力及び温度で行われる。
【００２４】
図２Ｂに示す方法２５０は、図２に示す様々なステップを詳細に説明している。ステップ２５２において、不連続繊維（例えば、ガラス繊維や炭素繊維）及び熱可塑性樹脂を含むチョップドファイバのチップ１３０がモールド１２０に配置される。チョップドファイバにおける熱可塑性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ナイロン等を含みうる。ステップ２５２は、所定質量のチップ１３０をモールド１２０に流し込むことを含みうる。上述した配置の動作は、例えば、自動ディスペンサやロボットアーム（図示略）によって実行可能である。
【００２５】
ステップ２５４において、チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、当該チップの嵩係数が低減される。例えば、加熱してからプレス１１０を作動させてもよい。図３に示すように、プレス１１０は、凹部１２４に対して圧縮圧力Ｐ（例えば、２０ポンド／平方インチと５００ポンド／平方インチとの間の圧力）及び熱（例えば、華氏６００度と８００度との間などの、熱可塑性樹脂の融点よりも高く、且つ、熱可塑性樹脂の分解温度（degradation temperature）よりも低い温度）を加える。一実施形態において、嵩係数を低減することは、チョップドファイバのチップに対して２０ポンド／平方インチと５０００ポンド／平方インチとの間の圧力を加えることを含む。チップ１３０は、空隙により断熱されているが、当該チップ１３０は、時間の経過とともに溶融して単一の塊のチョップドファイバになる。この塊は、固化すると、２未満の嵩係数（例えば、エアポケットが存在しない状態に対応する１の嵩係数、又はエアポケットがほとんど存在しない状態に対応する１．１の嵩係数）を有する予備一体化素材を形成する。特定の実施形態において、嵩係数を低減することは、チョップドファイバのチップ１３０の嵩係数を５より大きい値から２未満に低減する圧力を加えることを含む。図４は、成形が完了した後に凹部１２４内にある予備一体化素材４００を示す。このように、熱及び圧力を加えることにより、熱可塑性樹脂のチップが塑性変形して、モールドに適合する予備一体化素材が形成される。
【００２６】
ステップ２５６において、予備一体化素材４００がモールド１２０から取り出される。ステップ２５７において、予備一体化素材が部分５００ごとに、圧縮成形ダイの収容部内に収まるような成形体積素材に成形される。成形体積素材は、当該成形体積素材が圧縮成形されて形成される最終的な複合材部品と同じ質量を持つ。成形処理は、予備一体化素材から複数のピースを打ち抜き又は切り取ることを含みうる。各ピースはダイの内部に収まるように設計されている。例えば、図５〜６に示すように、予備一体化素材４００をトリミング、打ち抜き、又は整形して、複数の成形体積素材６００を形成してもよい。各成形体積素材６００の質量は、当該素材から作製される複合材部品の質量と等しい。
【００２７】
予備一体化素材４００から形成される成形体積素材６００の数が増えると、製造速度の面で大きな利点が得られる。すなわち、圧縮成形ダイにおける複数回の圧縮成形を容易にするのに十分な数の成形体積素材６００がある場合、製造工程においてチップ１３０を溶融する総時間を短縮することができる。
【００２８】
ステップ２５８において、成形体積素材６００は、当該素材が適合するように作製されたダイの収容部に配置される。本明細書において、収容部に「収まる」成形体積素材６００は、当該収容部の全容積を完全に満たす必要はない。なぜならば、当該素材に対する圧縮成形によりこれを実現することができるからである。成形体積素材を配置したときに収容部から突出しなければ、当該素材は、収容部に収まっているとみなすことができる。さらなる実施形態において、成形体積素材は、収容部の１つ以上の壁に密着して配置されている。さらに別の実施形態において、成形体積素材６００は、収容部の内部に正確に嵌合する。ただし、この場合、当該収容部の形状が、後の圧縮成形処理において変更されるか、或いは、結果として得られる複合材部品の最終形状が、雄型ダイによって少なくとも部分的に画定される。この構成により、圧縮成形において、成形体積素材の伝熱加熱を促進させることができる。図７は、圧縮成形のために、雌型ダイ７００の収容部７０２内に成形体積素材６００を配置する様子を示す。収容部７０２は、軸部７０４を含み、当該軸部は、結果として得られる複合材部品の所望形状に従った形状を有する。例えば、軸部７０４は、結果として得られる複合材部品を別の複合材部品に挿入し易くすることができる。軸部７０４はまた、結果として得られる複合材部品が硬化された後に当該部品を押し出し易くするための抽出ピン又はピストン（図示略）を収容するのに使用することもできる。この実施形態において、成形体積素材は、方向７１０に移動されて、壁７０６に密着して配置される。したがって、成形体積素材６００は、収容部７０２のディスク形状部分内に配置されるが、収容部７０２の軸部７０４には入らない。図８は、収容部７０２に挿入された成形体積素材６００を示す。
【００２９】
ステップ２６０において、成形体積素材６００が加熱されて溶融し、溶融チョップドファイバになる。成形体積素材６００には空隙が存在しないため、断熱されていない。これは、（例えば、雌型ダイ７００からの）伝熱による熱移動、及び（例えば、赤外線ランプ、又は他の加熱要素からの）放射性熱伝達により、成形体積素材における熱可塑性樹脂が直接加熱され、溶融時間を１０分の１、或いはこれよりもさらに短縮することができる。したがって、雌型ダイ７００のサイクル時間が短縮され、複合材部品をより迅速に作製することができる。さらに、雌型ダイ７００のサイズは他の雌型ダイよりも小さいが、これは、雌型ダイ７００の収容部が、低い嵩係数（例えば、１と２との間）に対応して寸法が決められているのに対して、チョップドファイバのチップを利用する他の雌型ダイは、高い嵩係数（例えば、５と７との間）に対応する必要があるからである。
【００３０】
ステップ２６２において、溶融チョップドファイバは、収容部によって画定された形状に圧縮成形される。溶融チョップドファイバは粘度が低く、また、収容部の形状は複雑になりうるため、溶融チョップドファイバは、圧力及び熱を加えなければ完全に収容部に流れ込まない。成形中に加えられる圧力の大きさは、形状、及びチョップドファイバが流れる距離によって異なりうる。すなわち、形状がより複雑であり、且つ流れ距離がより大きい場合、より高い圧力、及び／又は圧力が必要となりうる。この圧縮成形処理中に用いられる圧力の大きさは、２０ポンド／平方インチと５０００ポンド／平方インチとの間の圧力であってもよく、温度は、チョップドファイバにおける熱可塑性樹脂の溶融温度よりも大きく、且つ当該熱可塑性樹脂の分解温度よりも低くてもよい。図９（図８に示す矢印９に対応する）は、溶融熱可塑性樹脂を軸部７０４に押し込むために、成形体積素材６００が溶融している状態で、当該素材に対して、突出部９１０を有する雄型ダイ９００を方向９２０に押し付ける例を示す。本実施形態において、ダイは、一体型ヒータ９３０を含み、当該ヒータは、圧縮成形処理における加熱を促進して、ダイキャビティの全体が満たされる前に熱可塑性樹脂が一体化／硬化されるのを防止する。
【００３１】
ステップ２６４において、溶融チョップドファイバが冷却されて複合材部品になる。冷却処理は、雌型ダイ７００を介して冷却流体（例えば、空気や水）を引き込むことにより、受動的又は能動的に実行される。複合材部品が形成された後、当該部品を取り出し、予備一体化素材４００から作製されるさらなる成形体積素材を雌型ダイ７００に再び充填してもよい。
【００３２】
方法２００及び２５０は、圧縮成形を行う度に、チョップドファイバのチップの溶融に関連する時間のかかる作業を行う必要がないため、従来のシステム及び技術と比較して技術的な利点を有する。むしろ、大きな予備一体化素材を作製することができるため、何度も繰り返し実行される圧縮成形の材料を供給することができる。これにより、チョップドファイバのチップの溶融に費やす総時間が短縮されるため、生産速度が向上する。さらに、成形体積素材の嵩係数は、チョップドファイバのチップの嵩係数よりも相当に低いため、雌型圧縮成形に使用される収容部の体積は、チョップドファイバ片の積層体を収容するのに十分に大きく作製する必要がない。これにより、圧縮成形に使用されるダイを小型化することができるため、ダイの熱質量を減らすことができる。この特徴により、加熱要件の軽減、及びサイクル時間の短縮という技術的利点を供することができる。
【００３３】
２つのステップからなるチョップドファイバ圧縮成形処理もまた、従来の単一のステップからなるチョップドファイバ圧縮成形処理と比較して品質の面で利点を供することができる。この新規技術による予備一体化素材のファイバ分布は、形状が単純であり、また、製造中に生じうる流動が比較的少ないため、より均一性がある。一方で、ばらばらなチョップドファイバチップは、雌型ダイのキャビティに落ち込んで、異なる配向を形成する可能性がある。ある処理においてインプットの均一性が高い場合、典型的にはそのアウトプットの均一性も高くなる。このため、同じ処理において作成される複数の異なる部品間のばらつきを低減して、品質を向上させることができる。
【００３４】
単一のステップからなる処理である射出成形とは異なり、本明細書で説明する圧縮成形技術は、充填と押圧とが別々のステップで行われる２段階の処理である。射出成形の代わりに圧縮成形を用いることにより、圧力要件の軽減、ツールの複雑性の低減、より大きい強化要素（例えば、短繊維）に対応できるよう改善された構造特性などの技術的利点を供することができる。
【実施例】
【００３５】
以下の例においては、チョップドファイバの複合材部品のための圧縮成形システムに関連させて、追加の処理、システム、及び方法の説明を行う。
【００３６】
図１０は、例示的な実施形態における複合材作製システム１０００を示すブロック図である。複合材作製システム１０００は、チョップドファイバの予備一体化素材が作製されるモールド１０１０を含む。複合材作製システム１０００は、熱可塑性樹脂１０２４と、当該熱可塑性樹脂１０２４を補強するランダムに配向された不連続繊維１０２２とからなる成形体積素材１０２０をさらに含む。成形体積素材１０２０は、雌型ダイ１０３０の収容部１０３２に密着して配置されており、収容部１０３２に雄型ダイ１０４０の突出部１０４２（例えば、圧縮成形力を加えるよう意図された突出部）を押し込むことにより圧縮成形されて、複合材部品となる。圧縮成形中の加熱は、ダイと一体化されたヒータ１０３６及びヒータ１０４６により行われる。ヒータは、抵抗加熱要素、誘導により加熱される強磁性サセプタ、誘導により加熱されるスマートサセプタ、又は他の加熱技術を含みうる。所望の形状に成形された後、ダイの冷却路１０４４及び冷却路１０３４を介して冷却流体（例えば、空気や水）を引き込むことにより、ダイが冷却される。
【００３７】
より具体的に図面を参照すると、本開示の実施形態は、図１１に示すように航空機の製造及び保守方法１１００に関連させ、図１２に示すように航空機１１０２に関連させて説明することができる。生産開始前の工程として、方法１１００は、航空機１１０２の仕様決定及び設計１１０４と、材料調達１１０６とを含みうる。生産中の工程としては、航空機１１０２の部品及びサブアセンブリの製造１１０８、並びに、システムインテグレーション１１１０が行われる。その後、航空機１１０２は、認証及び納品１１１２の工程を経て、就航１１１４に入る。顧客による就航期間中、航空機１１０２は、定例の整備及び保守１１１６（これは、改良、再構成、改修などを含みうる）に組み込まれる。本明細書で具体化した装置及び方法は、１１００における任意の１つ以上の適切な段階（例えば、仕様決定及び設計１１０４、材料調達１１０６、部品及びサブアセンブリの製造１１０８、システムインテグレーション１１１０、認証及び納品１１１２、就航１１１４、並びに整備及び保守１１１６）、及び／又は航空機１１０２の任意の適切なコンポーネント（例えば、機体１１１８、システム１１２０、内装１１２２、推進系１１２４、電気系１１２６、油圧系１１２８、環境系１１３０）において採用することができる。
【００３８】
上記方法１１００の各工程は、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータ（例えば、顧客）によって実行又は実施することができる。なお、システムインテグレータは、限定するものではないが、航空機メーカ及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよい。第三者は、限定するものではないが、売主、下請業者、及び供給業者をいくつ含んでいてもよい。オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織などであってもよい。
【００３９】
図１２に示すように、方法１１００によって製造される航空機１１０２は、複数のシステム１１２０と内装１１２２とを備えた機体１１１８を含みうる。システム１１２０の例としては、推進系１１２４、電気系１１２６、油圧系１１２８、及び環境系１１３０のうちの１つ以上が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本発明の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用してもよい。
【００４０】
既に述べたように、本明細書で具現化される装置及び方法は、方法１１００で説明した製造及び保守における任意の１つ以上の段階で採用することができる。例えば、部品及びサブアセンブリの製造１１０８に対応する部品又はサブアセンブリは、航空機１１０２の就航期間中に作製される部品又はサブアセンブリと同様に作製又は製造することができる。また、１つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、サブアセンブリの製造１１０８、及びシステムインテグレーション１１１０で用いることにより、航空機１１０２の組立速度を実質的に速めたりコストを削減したりすることもできる。同様に、１つ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１１０２の就航期間中に、例えば、限定するものではないが、整備及び保守１１１６に用いてもよい。例えば、本明細書で説明した技術及びシステムを、材料調達１１０６、部品及びサブアセンブリの製造１１０８、システムインテグレーション１１１０、就航１１１４、及び／又は整備及び保守１１１６で用いてもよいし、機体１１１８、及び／又は内装１１２２に用いてもよい。これらの技術及びシステムは、例えば、推進系１１２４、電気系１１２６、油圧系１１２８、及び／又は環境系１１３０を含む複数のシステム１１２０に利用することもできる。
【００４１】
一実施形態において、部品は、機体１１１８の一部であり、部品及びサブアセンブリの製造１１０８の工程中に製造される。その後、上記部品は、システムインテグレーション１１１０において航空機に組み込まれ、就航１１１４において、摩耗により使用不可となるまで使用される。その後、整備及び保守１１１６において、上記部品は廃棄され、新たに製造された部品と交換される。本発明のコンポーネント及び方法は、新たな部品を成形するために部品及びサブアセンブリの製造１１０８において利用してもよい。
【００４２】
図示又は本明細書で説明した様々な制御要素（例えば、電気部品や電子部品）はいずれも、ハードウェア、ソフトウェアを実行するプロセッサ、ファームウェアを実行するプロセッサ、又はこれらの組み合わせとして実現することができる。例えば、ある要素は、専用ハードウェアとして実現することができる。専用ハードウェア要素は、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は他の同様の用語で呼ばれる。プロセッサの形で提供される場合、その機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、又は共有可能なものを含む複数の個別プロセッサにより提供されうる。さらに、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアのみに言及すると解釈されるべきではない。これらの用語は、限定するものではないが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）若しくは他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェア保存用の読取専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、論理回路、又は他の物理的なハードウェア部品若しくはモジュールを暗黙的に含みうる。
【００４３】
さらに、制御要素は、当該要素の機能を実行するためのプロセッサ又はコンピュータにより実行可能な命令として実現することもできる。命令の例をいくつか挙げると、ソフトウェア、プログラムコード、及びファームウェアがある。命令は、プロセッサにより実行されると稼働して、当該プロセッサに対して要素の機能を実行するように指示する。命令は、プロセッサによる読み取りが可能な記憶装置に保存することができる。記憶装置の例としては、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスクや磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ又は、光学的に読み取り可能なデジタルデータ記憶媒体などが挙げられる。
【００４４】
さらに、本開示は、以下の付記による例を含む。
【００４５】
付記１．複合材部品を作製するための方法であって、チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、前記チップの嵩係数を低減することと、前記予備一体化素材を部分ごとに形状付けして、ダイに収まる成形体積素材にすることと、前記ダイにおいて前記成形体積素材を圧縮成形することと、を含む方法。
【００４６】
付記２．前記予備一体化素材は、１と２との間の嵩係数を有する、付記１に記載の方法。
【００４７】
付記３．前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップをモールドに入れることを含む、付記１又は２に記載の方法。
【００４８】
付記４．前記嵩係数を低減することは、熱及び圧力を加えて前記チップを塑性変形させて、前記モールドに適合する予備一体化素材にすることをさらに含む、付記３に記載の方法。
【００４９】
付記５．前記嵩係数を低減することは、前記モールドから前記予備一体化素材を取り出すことをさらに含む、付記４に記載の方法。
【００５０】
付記６．圧縮成形は、前記ダイの収容部に前記成形体積素材を配置することを含む、付記１〜５のいずれか１つに記載の方法。
【００５１】
付記７．前記収容部に前記成形体積素材を配置することは、前記収容部の壁に密着させて前記成形体積素材を配置することを含む、付記６に記載の方法。
【００５２】
付記８．圧縮成形は、前記成形体積素材を溶融して、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含む溶融チョップドファイバにすることをさらに含む、付記６又は７に記載の方法。
【００５３】
付記９．前記成形体積素材は、当該成形体積素材が圧縮成形されて形成される複合材部品と同じ質量を持つ、付記８に記載の方法。
【００５４】
付記１０．圧縮成形は、前記溶融チョップドファイバを前記収容部によって画定される形状に圧縮成形し、前記溶融チョップドファイバを冷却して複合材部品にすることをさらに含む、付記８又は９に記載の方法。
【００５５】
付記１１．前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップの嵩係数を５より大きい値から２未満に低減する圧力を加えることを含む、付記１〜１０のいずれか１つに記載の方法。
【００５６】
付記１２．前記チョップドファイバのチップは、細断された複合材部品の断片を含む、付記１〜１１のいずれか１つに記載の方法。
【００５７】
付記１３．前記チョップドファイバのチップは、プリプレグの一方向性テープから切断されたものである、付記１〜１２のいずれか１つに記載の方法。
【００５８】
付記１４．前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップに対して２０ポンド／平方インチと５０００ポンド／平方インチとの間の圧力を加えることを含む、付記１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
【００５９】
付記１５．付記１〜１４のいずれか１つに記載の方法により組み立てられる航空機の一部。
【００６０】
付記１６．プロセッサにより実行されると、付記１〜１４のいずれか１つに記載の方法を実行させるようプログラムされた命令を具現化する非一時的なコンピュータ可読媒体。
【００６１】
付記１７．プロセッサにより実行されると、複合材部品を作製するための方法を実行させるようプログラムされた命令を具現化する非一時的なコンピュータ可読媒体であって、前記方法は、チョップドファイバのチップを予備一体化素材に成形する際に、前記チップの嵩係数を低減することと、前記予備一体化素材を部分ごとに形状付けして、ダイに収まる成形体積素材にすることと、前記ダイにおいて前記成形体積素材を圧縮成形することと、を含む方法。
【００６２】
付記１８．前記予備一体化素材は、１と２との間の嵩係数を有する、付記１７に記載の媒体。
【００６３】
付記１９．前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップをモールドに入れることを含む、付記１７又は１８に記載の媒体。
【００６４】
付記２０．前記嵩係数を低減することは、熱及び圧力を加えて前記チップを塑性変形させて、前記モールドに適合する予備一体化素材にすることをさらに含む、付記１９に記載の媒体。
【００６５】
付記２１．前記嵩係数を低減することは、前記モールドから前記予備一体化素材を取り出すことをさらに含む、付記２０に記載の媒体。
【００６６】
付記２２．圧縮成形は、前記ダイの収容部に前記成形体積素材を配置することを含む、付記１７〜２１のいずれか１つに記載の媒体。
【００６７】
付記２３．前記収容部に前記成形体積素材を配置することは、前記収容部の壁に密着させて前記成形体積素材を配置することを含む、付記２２に記載の媒体。
【００６８】
付記２４．圧縮成形は、前記成形体積素材を溶融して、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含む溶融チョップドファイバにすることをさらに含む、付記２３に記載の媒体。
【００６９】
付記２５．前記成形体積素材は、当該成形体積素材が圧縮成形されて形成される複合材部品と同じ質量を持つ、付記２４に記載の媒体。
【００７０】
付記２６．圧縮成形は、前記溶融チョップドファイバを前記収容部によって画定される形状に圧縮成形し、前記溶融チョップドファイバを冷却して複合材部品にすることをさらに含む、付記２４又は２５に記載の媒体。
【００７１】
付記２７．前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップの嵩係数を５より大きい値から２未満に低減する圧力を加えることを含む、付記１７〜２６のいずれか１つに記載の媒体。
【００７２】
付記２８．前記チョップドファイバのチップは、細断された複合材部品の断片を含む、付記１７〜２７のいずれか１つに記載の媒体。
【００７３】
付記２９．前記チョップドファイバのチップは、プリプレグの一方向性テープから切断されたものである、付記１７〜２８のいずれか１つに記載の媒体。
【００７４】
付記３０．前記嵩係数を低減することは、前記チョップドファイバのチップに対して２０ポンド／平方インチと５０００ポンド／平方インチとの間の圧力を加えることを含む、付記１７〜２９のいずれか１つに記載の媒体。
【００７５】
付記３１．付記１７〜３０のいずれか１つに記載のコンピュータ可読媒体に保存された前記命令によって規定される前記方法に従って組み立てられた航空機の一部。
【００７６】
付記３２．複合材部品を作製するためのシステムであって、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含むチョップドファイバのチップを予備一体化して、１と２との間の嵩係数を有する予備一体化素材にするモールドと、複合材部品の形状を画定する収容部を有する雌型圧縮成形ダイと、前記収容部に対して相補的な突出部を有する雄型圧縮成形ダイと、予備一体化チョップドファイバの成形体積素材と、を含み、前記成形体積素材は、予備一体化素材から作製され、前記収容部内において前記収容部の少なくとも１つの壁に密着させて配置される、システム。
【００７７】
付記３３．前記成形体積素材は、２未満の嵩係数を有する、付記３２に記載のシステム。
【００７８】
付記３４．前記雌型圧縮成形ダイは、一体型ヒータを含む、付記３２又は３３に記載のシステム。
【００７９】
付記３５．前記モールドは、前記チップを受容する凹部を含む、付記３２〜３４のいずれか１つに記載のシステム。
【００８０】
付記３６．前記雌型圧縮成形ダイは、複数の収容部を含み、前記雄型圧縮成形ダイは、複数の突出部を含み、当該突出部の各々は、異なる受容部に対して相補的である、付記３２〜３５のいずれか１つに記載のシステム。
【００８１】
付記３７．前記予備一体化素材は、１と２との間の嵩係数を有する、付記３２〜３６のいずれか１つに記載のシステム。
【００８２】
付記３８．前記成形体積素材は、当該成形体積素材が圧縮成形されて形成される複合材部品と同じ質量を持つ、付記３２〜３７のいずれか１つに記載のシステム。
【００８３】
付記３９．前記チョップドファイバのチップは、細断された複合材部品の断片を含む、付記３２〜３８のいずれか１つに記載のシステム。
【００８４】
付記４０．前記チョップドファイバのチップは、プリプレグの一方向性テープから切断されたものである、付記３２〜３９のいずれか１つに記載のシステム。
【００８５】
付記４１．前記チョップドファイバのチップは、細断された複合材部品、及びプリプレグの一方向性テープのうちの少なくとも一方の断片を含む、付記３２〜３８のいずれか１つに記載のシステム。
【００８６】
付記４２．付記３２〜４１のいずれか１つに記載のシステムを用いた航空機の一部の作製。
【００８７】
付記４３．複合材部品の作製を容易にするための装置であって、モールドとプレスとを含み、前記モールドは、複数の壁と、前記壁に囲まれるとともに、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含むチョップドファイバのチップを受容する凹部と、を含み、前記プレスは、前記モールドに対して相補的な寸法を有する、装置。
【００８８】
付記４４．前記モールドは、熱及び圧力を受けて前記チョップドファイバのチップを予備一体化して、１と２との間の嵩係数を有する予備一体化素材にする、付記４３に記載の装置。
【００８９】
付記４５．成形体積素材を含む製品であって、前記成形体積素材は、不連続繊維及び熱可塑性樹脂を含み、チョップドファイバのチップから溶融されて、圧縮成形ダイの受容部の壁に密着するように成形されている、製品。
【００９０】
付記４６．前記成形体積素材の嵩係数は、１と２との間である、付記４５に記載の製品。
【００９１】
本明細書において特定の実施形態を説明したが、本開示の範囲は、これらの特定の実施形態に限定されない。本開示の範囲は、以下の請求の範囲及びその均等物によって規定される。
【図１】
2020179667.tif 000003
【図２Ａ】
2020179667.tif 000004
【図２Ｂ】
2020179667.tif 000005
【図３】
2020179667.tif 000006
【図４】
2020179667.tif 000007
【図５】
2020179667.tif 000008
【図６】
2020179667.tif 000009
【図７】
2020179667.tif 000010
【図８】
2020179667.tif 000011
【図９】
2020179667.tif 000012
【図１０】
2020179667.tif 000013
【図１１】
2020179667.tif 000014
【図１２】
2020179667.tif 000015
【外国語明細書】
2020179667000001.pdf
2020179667000002.pdf
2020179667000003.pdf
2020179667000004.pdf