(57)【要約】      （修正有）【課題】複合部品を製造するための方法及びシステムの提供。【解決手段】１つの実施形態は、レセプタクルを有する雌型と補完的な雄型を加熱することと、押出機内に配置されたチョップドプリプレグ繊維を溶融させるために、チョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の溶融点を超えるまで、押出機を加熱することと、チョップドプリプレグ繊維が溶融した状態を維持する間、押出機から雌型のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことと、雌型内に雄型を押し込むことであって、溶融したチョップドプリプレグ繊維をレセプタクルに完全に進入させる、雌型内に雄型を押し込むことと、複合部品を形成するために、雌型のレセプタクル内のチョップドプリプレグ繊維を冷却することとを含む方法である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合部品を製造するための方法（２００）であって、
レセプタクル（１２４，９２４）を有する雌型（１２０，９２０）及び補完的な雄型（１１０，９１０）を加熱すること（２０２）と、
押出機（３２０，８００，９５０）内に配置されたチョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を溶融させるために、前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）内の熱可塑性物質の溶融点を超えるまで、前記押出機（３２０，８００，９５０）を加熱すること（２０６）と、
前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）が溶融した状態を維持する間、前記押出機（３２０，８００，９５０）から前記雌型（１２０，９２０）の前記レセプタクル（１２４，９２４）内に前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を押し出すこと（２０８）と、
溶融した前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を前記レセプタクル（１２４，９２４）に完全に進入させて、前記雌型（１２０，９２０）内に前記雄型（１１０，９１０）を押し込むこと（２１０）と、
前記複合部品を形成するために、前記雌型（１２０，９２０）の前記レセプタクル（１２４，９２４）内の前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を冷却すること（２１２）と
を含む方法（２００）。
【請求項２】
前記レセプタクル（１２４，９２４）の体積が、前記レセプタクル（１２４，９２４）内に押し出された（２０８）前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）の体積の１．５倍未満である、請求項１に記載の方法（２００）。
【請求項３】
前記雌型（１２０，９２０）が複数のレセプタクル（１２４，９２４）を含み、前記方法（２００）が、
前記押出機（３２０，８００，９５０）から前記雌型（１２０，９２０）の前記複数のレセプタクル（１２４，９２４）内に前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を押し出すこと（２０８）
を更に含む、請求項１又は２に記載の方法（２００）。
【請求項４】
前記雌型（１２０，９２０）がセグメント化された型を含み、前記方法（２００）が、
前記レセプタクル（１２４，９２４）から前記複合部品を除去するために、前記セグメント化された型のセグメントを分離すること
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（２００）。
【請求項５】
前記雌型（１２０，９２０）及び前記雄型（１１０，９１０）を加熱すること（２０２）が、前記雌型（１２０，９２０）及び前記雄型（１１０，９１０）内のサセプタの温度を上昇させる電磁場を印加することを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法（２００）。
【請求項６】
前記雌型（１２０，９２０）及び前記雄型（１１０，９１０）を加熱すること（２０２）が、前記雌型（１２０，９２０）及び前記雄型（１１０，９１０）内の抵抗加熱要素（１３０，１４０，９１６，９２６）に電流を印加することを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法（２００）。
【請求項７】
前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を冷却すること（２１２）が、前記雌型（１２０，９１０）及び前記雄型（１１０，９１０）に冷却流体を印加することを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の方法（２００）。
【請求項８】
前記雌型（１２０，９２０）を前記押出機（３２０，８００，９５０）に配置すること（２０４）
を更に含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法（２００）。
【請求項９】
複合部品を製造するためのシステム（３００，９００）であって、
雌型（１２０，９２０）であって、
レセプタクル（１２４，９２４）を画定する本体（１２２，９２２）、及び
一体型加熱要素（１３０，９２６）
を含む雌型（１２０，９２０）と、
雄型（１１０，９１０）であって、
前記レセプタクル（１２４，９２４）の形状を補完する突出部（１１４，９１４）を画定する本体（１１２，９１２）、及び
一体型加熱要素（１４０，９１６）；
を含む雄型（１１０，９１０）と、
前記レセプタクル（１２４，９２４）内に押し出すための不連続繊維及び熱可塑性物質を含む溶融したチョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）を保管する押出機（３２０，８００，９５０）と
を含む、システム（３００，９００）。
【請求項１０】
前記雌型（１２０，９２０）の前記本体（１２２，９２２）が、複数のレセプタクル（１２４，９２４）を画定し、
前記雄型（１１０，９１０）の前記本体（１１２，９１２）が、前記複数のレセプタクル（１２４，９２４）のうちの対応するものの形状を各々が補完する複数の突出部（１１４，９１４）を画定する、請求項９に記載のシステム（３００，９００）。
【請求項１１】
前記押出機（３２０，８００，９５０）が、前記チョップドプリプレグ繊維（６５２，８６０，９５６）の長さよりも小さい出口直径（Ｄ）を有するノズル（４２６，８５０，９５８）を含む、請求項９又は１０に記載のシステム（３００，９００）。
【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、複合部品の製造に関する。
【背景技術】
【０００２】
「チョップドプリプレグ繊維（Ｃｈｏｐｐｅｄ  ｐｒｅｐｒｅｇ  ｆｉｂｅｒ）」は、不連続な繊維強化熱可塑性物質の片を指す用語である。各片は、比較的小さく（例えは、幅が１０インチ未満）、繊維のセグメント（例えば、繊維ガラス、炭素繊維など）を含む。チョップドプリプレグ繊維を溶融温度まで加熱して圧力をかけると、片と片との間の熱可塑性物質が混ざり合い、ランダムに配向された短繊維によって補強された単一の複合部品が生じる。ゆえに、本書で使用される際、「チョップドプリプレグ繊維」とは、繊維強化プリプレグのチョップド（短く切断された（ｃｈｏｐｐｅｄ））単方向フレークを指す。
【０００３】
チョップドプリプレグ繊維の片は、そうでなければ廃棄されるであろうスクラップ複合材料を細断することによって準備され、又は片が、単一方向のプリプレグテープから特定の寸法に切断されることがある。しがたって、各切断片は、熱可塑性物質を含浸させた単方向繊維を含むことがある。生じるチョップドプリプレグ繊維の片は、かなりの量のかさがある。即ち、チョップドプリプレグ繊維の片が成形のために型にスタックされるとき、片はエアギャップによって分離される。エアギャップは、チョップドプリプレグ繊維のスタックによって占有される体積の量を増加させる。
【０００４】
したがって、上記の問題点のうちの少なくともいくつかと、起こりうる他の問題点を考慮した、方法及び装置を有することが望ましいだろう。
【発明の概要】
【０００５】
本書に記載の実施形態は、溶融したチョップドプリプレグ繊維を、チョップドプリプレグ繊維部品のための圧縮成形型に直接適用する。溶融したチョップドプリプレグ繊維を型に直接適用することによって、もたらされる複合部品内の繊維配向が制御されうる。加えて、溶融したチョップドプリプレグ繊維が型のレセプタクルに直接適用されるので、レセプタクルは、チョップドプリプレグ繊維片の統合されていないスタック／チャージを収容するのに十分な大きさの体積で作成される必要がない。これにより、圧縮成形に使用される型のサイズが縮小し、型の熱質量が低下する。したがって、この機能により、加熱要件が軽減され、サイクル時間が速くなるという技術的恩恵がもたらされる。
【０００６】
１つの実施形態は、複合部品を製造するための方法である。方法は、レセプタクルを有する雌型と補完的な雄型を加熱することと、押出機内に配置されたチョップドプリプレグ繊維を溶融させるために、チョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の溶融点を超えるまで、押出機を加熱することと、チョップドプリプレグ繊維が溶融した状態を維持する間、押出機から雌型のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことと、雌型内に雄型を押し込むことであって、溶融したチョップドプリプレグ繊維をレセプタクルに完全に進入させる、雌型内に雄型を押し込むことと、複合部品を形成するために、雌型のレセプタクル内のチョップドプリプレグ繊維を冷却することとを含む。
【０００７】
更なる実施形態は、プロセッサによって実行されるときに、複合部品を製造するための方法を実行するために動作可能である、プログラムされた命令を実施する非一過性のコンピュータ可読媒体である。方法は、レセプタクルを有する雌型と補完的な雄型を加熱することと、押出機内に配置されたチョップドプリプレグ繊維を溶融させるために、チョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の溶融点を超えるまで、押出機を加熱することと、チョップドプリプレグ繊維が溶融した状態を維持する間、押出機から雌型のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことと、雌型内に雄型を押し込むことであって、溶融したチョップドプリプレグ繊維をレセプタクルに完全に進入させる、雌型内に雄型を押し込むことと、複合部品を形成するために、雌型のレセプタクル内のチョップドプリプレグ繊維を冷却することとを含む。
【０００８】
また更なる実施形態は、複合部品を製造するためのシステムである。システムは、レセプタクルを画定する本体と、一体型加熱要素とを含む雌型を含む。システムはまた、レセプタクルの形状を補完する突出部を画定する本体と、一体型加熱要素とを含む雄型を含む。システムは、レセプタクル内に押し出すための不連続繊維及び熱可塑性物質を含む溶融したチョップドプリプレグ繊維を保管する押出機を更に含む。
【０００９】
他の例示的な実施形態（例えば、上述の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、後述されることになろう。上述の特徴、機能及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することが可能であり、又は更に別の実施形態において組み合わせることが可能であるが、それらの更なる詳細は、以下の説明及び図面を参照して理解することができる。
【００１０】
ここで、本開示のいくつかの実施形態を、例示としてのみ、添付図面を参照して説明する。すべての図面で、同じ参照番号は、同じ要素又は同じタイプの要素を表わす。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】例示的実施形態におけるチョップドプリプレグ繊維複合部品のための圧縮成形装置の図である。
【図２】例示的実施形態におけるチョップドプリプレグ繊維複合部品のための圧縮成形装置を動作させる方法を図解するフローチャートである。
【図３】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図４】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図５】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図６Ａ】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図６Ｂ】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図７Ａ】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図７Ｂ】例示的実施形態における圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を示す。
【図８】例示的実施形態における、所定の体積の溶融したチョップドプリプレグ繊維を型に制御可能に適用するためにスクリュー軸を利用する押出機の図である。
【図９】例示的実施形態における製造システムのブロック図である。
【図１０】例示的実施形態における航空機の製造及び保守方法のフロー図である。
【図１１】例示的実施形態におけ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】
図面及び以下の説明は、本開示の特定の例示的実施形態を提供する。従って、当業者は、本明細書に明示的に記載又は図示されていない様々な装置を考案して本開示の原理を具体的に実現することができるが、それらは本開示の範囲に含まれることを理解されたい。更に、本明細書に記載のいかなる実施例も、本開示の原理の理解を助けることを意図したものであり、具体的に記載された実施例や諸条件に限定されないという解釈がなされるべきである。この結果、本開示を限定するものは、下記の具体的な実施形態又は実施例ではなく、特許請求項の範囲及びその均等物である。
【００１３】
図１は、例示的実施形態におけるチョップドプリプレグ繊維複合部品のための圧縮成形装置１００の図である。図１によれば、圧縮成形装置１００は、雄型１１０及び雌型１２０を含み、これらは、圧力で強制的に押し合わされて、チョップドプリプレグ繊維（熱可塑性物質と繊維を含む）を複合部品の望ましい形状に圧縮成形する。圧縮成形装置１００は、チョップドプリプレグ繊維のルーズにスタックされたチップの代わりに、溶融したチョップドプリプレグ繊維を受け入れるように寸法が決定されており、このことは、雌型１２０内のレセプタクルのサイズが、チョップドプリプレグ繊維のチップのかさばり係数（５と１０との間のかさばり係数を有する）とは対照的に、溶融したチョップドプリプレグ繊維（かさばり係数１を有する）のかさばり係数に対応するように調整されていることを意味する。本書で使用されるように、「かさばり係数（ｂｕｌｋ  ｆａｃｔｏｒ）」は、チョップドプリプレグ繊維のチップの体積対ボイドのない固体への統合後のチョップドプリプレグ繊維の等しい重量のチップの体積の割合を指す。
【００１４】
本実施形態では、雌型１２０は、本体１２２を含み、この本体１２２は、溶融したチョップドプリプレグ繊維を受け取るための１つ又は複数のレセプタクル１２４を画定する。各レセプタクル１２４は、複合部品の形状を画定し、溶融したチョップドプリプレグ繊維がレセプタクル１２４内で圧縮成形されるときに、形状を形成する。本実施形態では、レセプタクル１２４は、プロング１２８を含む。更なる実施形態では、レセプタクル１２４は、屈曲部分及びねじれ部分といった複雑な幾何学形状を有する追加的特徴を含んでもよい。各レセプタクル１２４は、チョップドプリプレグ繊維のスタックチップの代わりに、溶融したチョップドプリプレグ繊維（即ち、チョップドプリプレグ繊維のチップを溶融することによって作成された溶融した塊）を受け入れるように寸法が決定されるので、レセプタクルの体積対複合部品の体積の比率が減少する。例えば、チョップドプリプレグ繊維複合部品のための従来の圧縮成形型が、レセプタクルの体積対複合部品（５対１と１０対１との間の体積で製造される）の体積の比率を示す一方で、レセプタクル１２４は、それらの結果として生じる複合部品に関して、２未満（例えば、１．５）の比率を示すことがある。これにより、雌型１２０全体のサイズ及び重量が減少し、雌型１２０を加熱及び冷却するのに必要なエネルギー量が減少し、雌型１２０が圧縮成形温度に到達する速度が上がる。
【００１５】
この実施形態では、雌型１２０はまた、雌型１２０を加熱する一体型ヒータ１３０（例えば、スマートサセプタ、強磁性サセプタ、抵抗ヒータなど）と、冷却流体（例えば、水、空気、油など）が駆動される冷却経路１２６とを含む。しかしながら、更なる実施形態では、雌型１２０は、オーブン内で、又は放射エネルギー若しくは導電プロセスを介して熱を印加する、隣接した加熱要素によって、事前に加熱されてもよい。雌型１２０は、そうでなければ幾何学的にレセプタクル１２４内にロックされるであろう完成した複合部品の抽出を容易にするために、更に分割され又はセグメント化されてもよい。
【００１６】
雄型１１０は、本体１１２を含み、そこから突出部１１４が延びる。突出部１１４は、レセプタクル１２４に各々補完的である。要するに、各突出部１１４は、雌型１２０でレセプタクル１２４と位置合わせされ、溶融したチョップドプリプレグ繊維がレセプタクル１２４から流出するのを防止するように、レセプタクル１２４に進入するよう寸法が決定される。圧縮成形中に、突出部１１４は、レセプタクル１２４内に進み、レセプタクル１２４内で溶融したチョップドプリプレグ繊維を圧縮する。これにより、溶融したチョップドプリプレグ繊維がレセプタクル１２４内に移動し、溶融したチョップドプリプレグ繊維を複合部品の所望の形状に形成する。要するに、突出部１１４は、レセプタクル１２４内でチョップドプリプレグ繊維を形成するために、物理的圧縮成形力を提供し、チョップドプリプレグ繊維を複合部品に形成する技術的利点を提供する。特に、突出部１１４は、チョップドプリプレグ繊維の固体チップの代わりに、溶融したチョップドプリプレグ繊維で使用されるとき、溶融したチョップドプリプレグ繊維を、圧縮時により均一にかつ反応しやすく流動させる。これにより、複合部品を形成するために必要な圧力の量が低減するが、それは、溶融したチョップドプリプレグ繊維がより粘性と流動性を有しているからである。したがって、圧縮成形を実行するために必要とされるエネルギーは低下し、圧縮成形の結果がより均一になる。突出部１１４が、圧縮成形プロセス中にチョップドプリプレグ繊維と直接接触するので、突出部１１４は、生じる複合部品の少なくとも１つの側面を画定する。雄型１１０はまた、冷却を促進する流体経路１１６と、１つ又は複数のヒータ１４０とを含む。
【００１７】
圧縮成形装置１００の動作の例示的詳細が、図２を参照して検討されることになる。本実施形態について、技術者は、チョップドプリプレグ繊維から複合部品を製造する準備のプロセスにいると想定する。チョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質は、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ナイロンなどを含みうる。
【００１８】
図２は、例示的実施形態におけるチョップドプリプレグ繊維複合部品のための圧縮成形装置を動作させる方法を図解するフローチャートである。方法２００のステップが、図１の圧縮成形装置１００を参照して説明されるが、当業者であれば、方法２００が他のシステムで実行されうることを理解するだろう。本書に記載のフローチャートのステップは、網羅的なものではなく、図示していない他のステップを含みうる。本書に記載のステップはまた、代替的な順序で実行されてもよい。
【００１９】
ステップ２０２で、雌型１２０及び雄型１１０が加熱される。このステップは、雌型に進入する溶融したチョップドプリプレグ繊維が圧縮成形プロセス中に焼き付く又は凝固することが確実にないようにする、予熱プロセスの一部である。要するに、予熱プロセスは、溶融したチョップドプリプレグ繊維の早期凝固を防止する。この時点で、型がチョップドプリプレグ繊維の溶融温度を超える必要はなく、必要に応じて、チョップドプリプレグ繊維の溶融温度に対応する温度（例えば、華氏５０度未満又は華氏５０度超えの範囲内）まで加熱されることさえある。加熱プロセスは、圧縮成形プロセス中に、雌型１２０に適用された溶融したチョップドプリプレグ繊維が、確実に焼き付く又は凝固することがないようにする。本書で検討される型の突出部又は凹部は、溶融したチョップドプリプレグ繊維と複合部品の所望の外形との適合性を確実にする。
【００２０】
ステップ２０４で、雌型１２０は、不連続繊維及び熱可塑性物質を含むチョップドプリプレグ繊維を含む押出機（例えば、図３の押出機３２０）に配置される。押出機は、ステップ２０６で、熱可塑性物質の溶融点を超え、かつチョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の分解温度未満（例えば、華氏（Ｆ）６００度と８００度との間）まで、加熱される。ステップ２０８で、押出機は、溶融したチョップドプリプレグ繊維（即ち、液相の熱可塑性物質と固体の不連続繊維の組み合わせ）の体積を、チョップドプリプレグ繊維が溶融した状態を維持しつつ、これらのレセプタクルの体積に一致する（例えば、所望レベルの体積精度内の）雌型１２０のレセプタクル１２４の各々に押し出す。雌型１２０には、ここで、圧縮成形で使用するための溶融したチョップドプリプレグ繊維が詰め込まれる。押出機によって提供される溶融したチョップドプリプレグ繊維は、チョップドプリプレグ繊維（例えば、複数の単方向繊維を含む）のチップを溶融した状態になるまで加熱することによって、又は不連続繊維をある体積の液体熱可塑性物質に混合することによって、準備されうる。
【００２１】
ステップ２１０で、雄型１１０は、ある圧力（例えば、平方インチあたり２０ポンドと５０００ポンド（ＰＳＩ）との間）で、雌型１２０に押し込まれる。チョップドプリプレグ繊維が溶融するので（即ち、チョップドプリプレグ繊維の熱可塑性部分が溶融したので）、印加された圧力により、チョップドプリプレグ繊維は、各レセプタクル１２４によって画定された形状と適合するまで流入する。要するに、雄型１１０を雌型１２０に押し込むことにより、チョップドプリプレグ繊維が、レセプタクル１２４に完全に進入する。成形中に印加される圧力の量は、幾何学形状と、チョップドプリプレグ繊維が流れる距離とに依存しうる。要するに、幾何学形状がより複雑になり、流れる距離がより大きくなれば、必要な圧力はより高くなりうる。レセプタクル１２４には空気が存在しないため、圧縮成形プロセスはまた、生じる複合部品にエアポケットを発生させない。ステップ２１２で、チョップドプリプレグ繊維がレセプタクル１２４内で冷却され、複合部品を形成する。更なる実施形態では、本書に記載の型は、生じた複合部品の抽出又は冷却を容易にするために、セグメント化されてもよく、又は型が、この目的のために、突き出しピン（図９に示される）を含んでもよい。例えば、雌型１２０は、複合部品を抽出するために、冷却後に分離されたセグメント化された型を含んでもよい。単一ステップのプロセスである射出成形とは異なり、本書に記載の圧縮成形技術は、２つのステップのプロセスであり、充填とプレスは別々に実行される。射出成形の代わりに圧縮成形を用いることで、より大きな補強、圧力要件の低減（例えば、数千ＰＳＩではなく、数十ＰＳＩ又は数百ＰＳＩ）、工具の複雑さの軽減、及び所望の形状への適合強化を可能にする形での技術的恩恵がもたらされる。
【００２２】
図３−７は、例示的実施形態における図２の方法２００による圧縮成形中の溶融したチョップドプリプレグ繊維の適用を図解する。図３に示されるように、製造システム３００が組み立てられ、雄型１１０がチャンバ３１０内に置かれ、チャンバ３１０でアクチュエータ３６０（例えば、プレス）によって駆動される。チャンバ３１０は、ヒータ３４０を含む。１つの実施形態では、ヒータ３４０は、電場を発生させる電磁場発生器である。電場は、雄型１１０及び／又は雌型１２０のサセプタに熱を発生させる。更なる実施形態では、ヒータ３４０は、赤外線ヒータ、抵抗ヒータなどを含む。チャンバ３１０はまた、チャンバ３１０の外側に配置されたリザーバ（図示されず）を有する、冷却流体の加圧源などの冷却システム３５０を含む。雌型１２０は、トラック３８０に沿って方向３９０に進みうるシャトル３７０上に搭載されている。押出機３２０はまた、トラック３８０に沿って配置される。
【００２３】
図４では、雌型１２０は、押出機３２０の下を移動した。押出機３２０は、溶融したチョップドプリプレグ繊維のリザーバ４２２を含み、ヒータ４２８によってチョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の溶融温度以上に維持されている。プランジャ４２４の動作は、リザーバ４２２からノズル４２６の外側に、直径Ｄ及び長さＬを有する、溶融したチョップドプリプレグ繊維を駆動する。ノズル４２６のこれらの直径、及びスロープといった他の特徴は、各レセプタクル内に配置された繊維の位置合わせを制御するために調整されることがある。狭いノズル直径は、配置された繊維を軸Ａと位置合わせさせ、その一方で、幅の広いノズルは、配置された繊維をよりランダムに分散させうる。ノズル長が長い場合、溶融時の熱可塑性物質の粘度に応じて、また押出速度に応じて、繊維の軸Ａとの位置合わせもより多く行われる。いくつかの実施形態では、ノズル４２６は交換可能であり、製造されている複合部品に応じて、様々なノズルが押出機３２０の上に配置されてよい。これにより、制御される繊維配向／位置合わせが可能になり、異なる方向に印加される力に対して生じる複合部品の物理的特性（例えば、強度）が調整されうる。よって、いくつかの実施形態では、生じる複合部品に実質的に等方性の特性を提供するために、繊維は、ランダムに又はすべての方向にわたって均等に配向される。
【００２４】
ノズル４２６を離れる溶融したチョップドプリプレグ繊維は、レセプタクル１２４に堆積され、図５に示されるように、溶融したチョップドプリプレグ繊維のプール５００をもたらす。このプロセス中に、押出機３２０及び／又は雌型１２０は、ノズル４２６を充填のための追加のレセプタクルに位置合わせするために移動されてもよい。図５はまた、ヒータ３４０が起動され、雌型１２０が、搭載後に方向５１０にチャンバ３１０内に進むことを図解する。
【００２５】
更なる実施形態では、溶融したチョップドプリプレグ繊維を適用するために、雌型１２０と雄型１１０の両方がチャンバ３１０内にとどまり、押出機３２０がチャンバ３１０に進入してもよい。これらの構成は、押出機３２０がロボットアーム又は３軸移動ができる類似の装置に取り付けられる環境において有利でありうる。これらの構成はまた、雌型１２０のためのシャトル又は他のコンベヤを利用する必要がない。よって、いくつかの実施形態では、雌型１２０と雄型１１０の両方がチャンバ３１０内で静止状態にあり、押出機３２０が型の間を移動し、所望のようにレセプタクルを充填してもよい。
【００２６】
雄型１１０は、図３に示されるようにチャンバ３１０内で加熱され、雌型１２０は、その一体型ヒータ１３０を介して加熱されてもよい。また空気がチャンバ３１０から排気されてもよい。図６Ａでは、チョップドプリプレグ繊維のプール５００が溶融状態を維持する間、アクチュエータ３６０は、雄型１１０を雌型１２０内に駆動する。図６Ａの領域６５０に対応する図６Ｂは、プール５００の方に進む突出部１１４、及びプール内の繊維６５２を図解する。プール５００は、完全ではないが、部分的に、そのレセプタクル１２４に進入しているが、これは、領域６２４が充填されていない状態を維持しているからである。繊維６５２は、実質的にランダムに配向される。雄型１１０上の突出部１１４が雌型１２０上のレセプタクル１２４に補完的であるため、駆動作用は、溶融したチョップドプリプレグ繊維を各レセプタクル１２４から絞り出す代わりに、各レセプタクル１２４内の溶融したチョップドプリプレグ繊維を所望の形状にする。図７Ａでは、突出部１１４をレセプタクル１２４内に駆動することによって圧縮成形が完了した後に、冷却システム３５０を作動させる。冷却システム３５０は、冷却経路１２６及び１１６を通して冷却流体を駆動し、チョップドプリプレグ繊維の熱可塑性物質の溶融温度未満まで型を冷却する。これにより、レセプタクル１２４にあるチョップドプリプレグ繊維が固化し、複合部品になる。図７Ａの領域７５０に対応する図７Ｂは、プール５００を能動的に圧縮成形する突出部１１４を図解する。プール５００は、ここで完全にそのレセプタクル１２４に進入してしまい、領域６２４がここで充填される。繊維６５２は移動してしまっているが、実質的にランダムに配向された状態を維持している。
【００２７】
図８は、例示的実施形態における、所定の体積の溶融したチョップドプリプレグ繊維をリザーバ８３０から型に制御可能に適用するためにスクリュー軸８２０を用いる押出機８００の図である。本実施形態では、回転可能なモータ８１０が、プレート８４０を、スクリュー軸８２０に対して方向Ｒに駆動する。スクリュー軸８２０が装着されるので、回転モータ８１０の既知の角回転により、プレート８４０が既知の距離だけ下方に進む。これにより、既知の量の溶融したチョップドプリプレグ繊維８６０がノズル８５０を介して射出される。したがって、回転可能なモータ８１０の動作を反復的に制御する技術により、有利には、雌型の各レセプタクルに配置されるある体積（又は重量）のチョップドプリプレグ繊維を制御することができる。
【００２８】
実施例
下記実施例では、追加的プロセス、システム及び方法が、チョップドプリプレグ繊維複合部品のための圧縮成形システムに照らして説明される。
【００２９】
図９は、例示的実施形態における製造システム９００のブロック図である。図９によれば、製造システム９００は、チャンバ９７０を含み、その内部には、雄型９１０及び雌型９２０が配置される。雌型９２０は、本体９２２及びレセプタクル９２４を含む。雌型９２０はまた、加熱要素９２６と、冷却経路９２８を含み、それらはそれぞれヒータ９３０と冷却システム９４０に連結されている。また突き出しピン９２９も含まれ、固体の複合部品を雌型９２０から押し出すために駆動されることがある。雌型９２０は、シャトル９８０で維持され、トラック９８５に沿って横断する。
【００３０】
雄型９１０は、本体９１２と、突出部９１４と、加熱要素９１６と、冷却経路９１８とを含む。雄型９１０はまた、位置合わせピン９１５を含み、雌型９２０で凹部９２５との位置合わせを行う。雄型９１０は、圧縮成形を実行するために、アクチュエータ９６０によって雌型９２０内まで駆動される。圧縮成形は、特に上記方法において、射出成形を上回る繊維配向の制御を行い、更により低圧（例えば、数千ＰＳＩの代わりに、数百ＰＳＩで）で実行されてもよい。
【００３１】
ヒータ９３０は、抵抗加熱要素又は赤外線源を含みうる。加熱要素９１６及び９２６がサセプタである実施形態では、ヒータ９３０は、これらの構成要素を加熱する電磁場を発生させることがある。冷却システム９４０は、雌型がチャンバ９７０に到達した後に、ホース又はリンケージを介して、雌型９２０に連結されてもよい。冷却システム９４０は、圧縮完了後に、冷却経路９１８及び冷却経路９２８を通して冷却流体を駆動し、複合部品の製造の速度を上げる。
【００３２】
押出機９５０は、チャンバ９７０の外側にあり、溶融したチョップドプリプレグ繊維９５６を、リザーバ９５４からノズル９５８を通ってレセプタクル９２４内に駆動するプランジャ９５２を含む。押出機９５０はまた、溶融したチョップドプリプレグ繊維９５６を、溶融した状態でリザーバ９５４に維持するヒータ９５９を含む。雌型９２０及びシャトル９８０が押出機９５０の下に配置される間（例えば、雌型９２０のチャンバ９７０への進入前）に、押出機９５０は押出を実行しうる。
【００３３】
製造システム９００はまた、コントローラ９９０を含み、本書に記載の様々な構成要素の動作を制御する。例えば、コントローラ９９０はまた、ヒータ９３０及び／又は冷却システム９４０を制御するために、センサ９９２（例えば、温度センサ）と相互作用する。コントローラ９９０は、更に、溶融したチョップドプリプレグ繊維の分散を制御するために、センサ９９４（例えば、回転センサ）と相互作用し、アクチュエータ９６０の動作を制御するために、センサ９９６（例えば、圧力センサ）と相互作用する。コントローラ９９０は、加えて、ヒータ９５９を制御するために、温度センサ９９８からの入力を利用してもよい。コントローラ９９０は、例えば、カスタム回路として、プログラムされた命令を実行するハードウェアプロセッサとして、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装されうる。コントローラ９９０は、更に、押出機９５０の、レセプタクル９２４の各々との位置合わせを制御してもよい。例えば、コントローラ９９０は、ＮＣプログラムに従って、押出機９５０のノズル９５８の再配置を方向付けてもよく、又はノズル９５８のレセプタクル９２４との位置合わせを方向付けるために、カメラ９９９などの視覚感知システムを動作させてもよい。
【００３４】
より具体的に図面を参照すると、本開示の実施形態は、図１０に示される方法１０００の航空機の製造及び保守、及び図１１に示される航空機１００２に照らして説明されうる。製造前の段階では、方法１０００は、航空機１００２の仕様及び設計１００４と、材料調達１００６とを含みうる。製造段階では、航空機１００２の、構成要素及びサブアセンブリの製造１００８とシステムインテグレーション１０１０とが行われる。その後、航空機１００２は、認可及び納品１０１２を経て、運航１０１４に供されうる。顧客によって運航されている期間中、航空機１００２には、整備及び保守１０１６（改変、再構成、改修なども含みうる）の定期的な作業が予定される。本明細書で実施される装置及び方法は、方法１０００に記載の製造及び保守の１つ又は複数の任意の適切な段階（例えば、仕様及び設計１００４、材料の調達１００６、構成要素及びサブアセンブリの製造１００８、システムインテグレーション１０１０、認可及び納品１０１２、運航１０１４、整備及び保守１０１６）及び／又は航空機１００２の任意の適切な構成要素（例えば、機体１０１８、システム１０２０、内装１０２２、推進システムシステム１０２４、電気システムシステム１０２６、油圧システム１０２８、環境システム１０３０）で採用されうる。
【００３５】
方法１０００の各プロセスは、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）によって実施又は実行されうる。本明細書において、システムインテグレータは、任意の数の航空機製造業者及び主要システム下請業者を含みうるがそれらに限定されず、第三者は、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含みうるがそれらに限定されず、かつ、オペレータとは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。
【００３６】
図１１に示すように、方法１０００によって製造された航空機１００２は、複数のシステム１０２０及び内装１０２２を備えた機体１０１８を含みうる。システム１０２０の例は、推進システム１０２４、電気システム１０２６、油圧システム１０２８、及び環境システム１０３０のうちの１つ又は複数を含む。任意の数の他のシステムも含まれてよい。航空宇宙産業の例を示しているが、本発明の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用されうる。
【００３７】
上述のように、ここで具現化される装置及び方法は、製造及び保守に方法１０００に記載の１つ又は複数の任意の段階で採用されうる。例えば、構成要素及びサブアセンブリの製造１００８に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機１００２の運航中に製造される構成要素又はサブアセンブリと同様の方法で製作又は製造されうる。また、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせは、サブアセンブリの製造１００８及びシステムインテグレーション１０１０において、例えば、実質的に航空機１００２の組立てを効率化すること又は航空機１００２のコストを削減することによって、利用することができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、又はこれらの組み合わせのうちの１つ又は複数は、航空機１００２の運航中、例えば、限定しないが、整備及び保守１０１６中に利用することができる。例えば、本書に記載の技術及びシステムは、材料の調達１００６、構成要素及びサブアセンブリの製造１００８、システムインテグレーション１０１０、サービス１０１４、及び／又は整備及び保守１０１６のために使用されてもよく、及び／又は機体１０１８及び／又は内装１０２２に使用されてもよい。これらの技術及びシステムは、例えば、推進システム１０２４、電気システム１０２６、油圧システム１０２８、及び／又は環境システム１０３０を含むシステム１０２０に更に利用されてもよい。
【００３８】
１つの実施形態では、部品は、機体１０１８の一部を含み、構成要素及びサブアセンブリの製造１００８中に製造される。この部品は、次に、システムインテグレーション１０１０において航空機を形成するように組み立てられるが、その後、摩耗により部品が使用不能となるまで運航１０１４において利用されてもよい。その後、整備及び保守１０１６において、部品は廃棄され、新たに製造された部品と交換されてもよい。新しい部品を製造するために、構成要素及びサブアセンブリの製造１００８中にわたって発明の構成要素及び方法が利用されてもよい。
【００３９】
本明細書中で図示又は記載された種々の制御要素（例えば電気又は電子構成要素）のいずれもが、ハードウェア、プロセッサ実装ソフトウェア、プロセッサ実装ファームウェア、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装されうる。例えば、ある要素は、専用ハードウェアとして実装されうる。専用ハードウェア要素は、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は同様の何らかの専門用語で呼ばれてもよい。プロセッサによって提供される場合、機能は、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又はいくつかが共有であり得る複数の個別のプロセッサによって提供されうる。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することができるハードウェアのみを表わすと解釈されるべきでなく、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）又はその他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェア格納用の読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、論理若しくは何らかの他の物理ハードウェアコンポーネント又はモジュールが黙示的に含まれてもよい。
【００４０】
また、制御要素は、プロセッサ又はコンピュータによって実行可能な命令として実装されて、その要素の機能を実行することができる。命令のいくつかの例は、ソフトウェア、プログラムコード、及びファームウェアである。命令は、プロセッサによって実行されると動作可能になって、その要素の機能を実行するようにプロセッサへ指示する。命令は、プロセッサが読むことができる記憶デバイスに格納されうる。記憶デバイスのいくつかの例は、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスク及び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である。
【００４１】
さらに、本開示は、以下の条項による実施例を含む。
条項１．  複合部品を製造するための方法であって、レセプタクルを有する雌型と補完的な雄型を加熱することと、押出機内に配置されたチョップドプリプレグ繊維を溶融させるために、チョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の溶融点を超えるまで、押出機を加熱することと、チョップドプリプレグ繊維が溶融した状態を維持する間、押出機から雌型のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことと、雌型内に雄型を押し込むことであって、溶融したチョップドプリプレグ繊維をレセプタクルに完全に進入させる、雌型内に雄型を押し込むことと、複合部品を形成するために、雌型のレセプタクル内のチョップドプリプレグ繊維を冷却することと
を含む方法。
条項２．  レセプタクルの体積が、レセプタクル内に押し出されたチョップドプリプレグ繊維の体積の１．５倍未満である、条項１に記載の方法。
条項３．  雌型が複数のレセプタクルを含み、押出機から雌型の複数のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことを更に含む、条項１又は２に記載の方法。
条項４．  雌型がセグメント化された型を含み、レセプタクルから複合部品を除去するために、セグメント化された型のセグメントを分離することを更に含む、条項１から３のいずれか一項に記載の方法。
条項５．  雌型及び雄型を加熱することが、雌型及び雄型内のサセプタの温度を上昇させる電磁場を印加することを含む、条項１から４のいずれか一項に記載の方法。
条項６．  雌型及び雄型を加熱することが、雌型及び雄型内の抵抗加熱要素に電流を印加することを含む、条項１から５のいずれか一項に記載の方法。
条項７．  チョップドプリプレグ繊維を冷却することが、雌型及び雄型に冷却流体を印加することを含む、条項１から６のいずれか一項に記載の方法。
条項８．  雄型が、レセプタクルに補完的な突出部を有する、条項１から７のいずれか一項に記載の方法。
条項９．  雌型を押出機に配置することを更に含む、条項１から８のいずれか一項に記載の方法。
条項１０．  条項１から９のいずれか一項に記載の方法に従って組み立てられた航空機の部分。
条項１１．  プログラムされた命令を実施する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、命令は、プロセッサによって実行されると、条項１から９のいずれか一項に記載の方法を実行するために動作可能である、非一過性のコンピュータ可読媒体。
条項１２．  プログラムされた命令を実施する非一過性のコンピュータ可読媒体であって、命令は、プロセッサによって実行されるときに、複合部品を製造するための方法を実行するために動作可能であり、方法が、レセプタクルを有する雌型と補完的な雄型を加熱することと、押出機内に配置されたチョップドプリプレグ繊維を溶融させるために、チョップドプリプレグ繊維内の熱可塑性物質の溶融点を超えるまで、押出機を加熱することと、チョップドプリプレグ繊維が溶融した状態を維持する間、押出機から雌型のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことと、雌型内に雄型を押し込むことであって、溶融したチョップドプリプレグ繊維をレセプタクルに完全に進入させる、雌型内に雄型を押し込むことと、複合部品を形成するために、雌型のレセプタクル内のチョップドプリプレグ繊維を冷却することとを含む、非一過性のコンピュータ可読媒体。
条項１３．  レセプタクルの体積が、レセプタクル内に押し出されたチョップドプリプレグ繊維の体積の１．５倍未満である、条項１２に記載の媒体。
条項１４．  雌型が複数のレセプタクルを含み、方法が、押出機から雌型の複数のレセプタクル内にチョップドプリプレグ繊維を押し出すことを更に含む、条項１２又は１３に記載の媒体。
条項１５．  雌型がセグメント化された型を含み、方法が、レセプタクルから複合部品を除去するために、セグメント化された型のセグメントを分離することを更に含む、条項１２から１４のいずれか一項に記載の媒体。
条項１６．  雌型及び雄型を加熱することが、雌型及び雄型内のサセプタの温度を上昇させる電磁場を印加することを含む、条項１２から１５のいずれか一項に記載の媒体。
条項１７．  雌型及び雄型を加熱することが、雌型及び雄型内の抵抗加熱要素に電流を印加することを含む、条項１２から１６のいずれか一項に記載の媒体。
条項１８．  チョップドプリプレグ繊維を冷却することが、雌型及び雄型に冷却流体を印加することを含む、条項１２から１７のいずれか一項に記載の媒体。
条項１９．  雄型が、レセプタクルに補完的な突出部を有する、条項１２から１８のいずれか一項に記載の媒体。
条項２０．  雌型を押出機に配置することを更に含む、条項１２から１９のいずれか一項に記載の媒体。
条項２１．  条項１２から２０のいずれか一項に記載のコンピュータ可読媒体に記憶された命令によって定義される方法に従って組み立てられた航空機の部分。
条項２２．  複合部品を製造するためのシステムであって、雌型であって、レセプタクルを画定する本体、及び一体型加熱要素
を含む雌型と、雄型であって、レセプタクルの形状を補完する突出部を画定する本体、及び一体型加熱要素
を含む雄型と、レセプタクル内に押し出すための不連続繊維及び熱可塑性物質を含む溶融したチョップドプリプレグ繊維を保管する押出機と
を更に含む、システム。
条項２３．  レセプタクルの体積が、レセプタクル内に押し出されたチョップドプリプレグ繊維の体積の１．５倍未満である、条項２２に記載のシステム。
条項２４．  雌型の本体が複数のレセプタクルを画定し、雄型の本体が、複数のレセプタクルのうちの対応する１つの形状を各々が補完する複数の突出部を画定する、条項２２又は２３に記載のシステム。
条項２５．  押出機が、チョップドプリプレグ繊維の長さより小さい出口直径を有するノズルを含む、条項２２から２４のいずれか一項に記載のシステム。
条項２６．条項２２から２５のいずれか一項に記載のシステムを使用して航空機の部分を製造すること。
【００４２】
特定の実施形態が本明細書に記載されているが、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、以下の特許請求の範囲及びその均等物によって定められる。
【図１】
2020183111.tif 000002
【図２】
2020183111.tif 000003
【図３】
2020183111.tif 000004
【図４】
2020183111.tif 000005
【図５】
2020183111.tif 000006
【図６Ａ】
2020183111.tif 000007
【図６Ｂ】
2020183111.tif 000008
【図７Ａ】
2020183111.tif 000009
【図７Ｂ】
2020183111.tif 000010
【図８】
2020183111.tif 000011
【図９】
2020183111.tif 000012
【図１０】
2020183111.tif 000013
【図１１】
2020183111.tif 000014
【外国語明細書】
2020183111000001.pdf
2020183111000002.pdf
2020183111000003.pdf
2020183111000004.pdf