(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料を加熱により硬化し、複合部品を製造することに使用されるツールであって、
形状を有する封入層と、
封入層の上に位置する断熱層と、
断熱層の上に位置する隔離層であって、隔離層が、その上に積層される複合材料と接することができる外表面を有し、断熱層が、複合材料に加えられた熱から封入層を絶縁することができ、封入層が、複合材料から複合部品を形成するための熱硬化プロセスの間、隔離層上に積層された複合材料の形状を維持することができる、隔離層と、
第２の断熱層であって、封入層が第２の断熱層の上に位置して熱から絶縁される、断熱層と、を含むツール。
【請求項２】
断熱材が、有機断熱材料、無機断熱材料、ポリマー、接着剤、エラストマー、ガラス、及びセラミックから選択された一つの断熱材料を含む、請求項１に記載のツール。
【請求項３】
断熱材が、発泡体、ハニカム、シート、及び繊維のうちの少なくとも一つを含む、請求項１に記載のツール。
【請求項４】
隔離層が、熱導体から形成されており、
熱導体が、金属、熱伝導性エラストマー、熱伝導性ポリマー、熱伝導性有機材料、及び金属繊維から選択された一つの熱伝導材料を含む、請求項１に記載のツール。
【請求項５】
ツールが内側モールド線である、請求項１に記載のツール。
【請求項６】
ツールが外側モールド線である、請求項１に記載のツール。
【請求項７】
複合部品が航空機のパーツである、請求項１に記載のツール。
【請求項８】
航空機のパーツが、胴体の円筒形セクション、翼パネル、安定板のセクション、補強材、フェアリング、操縦面、外板、外板のセクション、ドア、ストラット、及び管構造より選択される一つである、請求項７に記載のツール。
【請求項９】
複合材料を加熱により硬化し、複合部品を製造するための器具であって、
形状を有する封入層と、
封入層を覆う断熱層であって、断熱層は、複合材料に加えられる熱から封入層を絶縁することができ、封入層は、複合部品を形成するための熱硬化プロセスの間に断熱層を覆うように積層された複合材料の形状を維持することができる、断熱層と、
断熱層の上に位置する隔離層であって、その上に積層される複合材料と接することができる外表面を有し、断熱層と複合材料の間に位置する、隔離層と、
第２の断熱層であって、封入層が第２の断熱層の上に位置して熱から絶縁される、断熱層と、を含む器具。
【請求項１０】
封入層と断熱層とがツールを形成しており、更に、
複合積層材料と、
熱源と、を含んでいる、請求項９に記載の器具。
【請求項１１】
複合材料を加熱により硬化し、複合部品を製造する方法であって、
複合部品の形状を有する封入層と、封入層の上の断熱層と、断熱層の上の隔離層と、第２の断熱層とを含むツールの上に複合材料を配置するステップであって、隔離層が、その上に積層される複合材料と接する外表面を有し、断熱層が、複合材料に加えられる熱から封入層を絶縁し、封入層が、複合材料から複合部品を形成するための硬化プロセスの間に隔離層の上に積層される複合材料の形状を維持し、且つ封入層が第２の断熱層の上に位置して熱から絶縁される、前記ステップと、
外表面上の複合材料を加熱により硬化させて複合部品を形成するステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して複合部品に関し、具体的には複合部品を製造するための方法と器具に関する。更に詳細には、本発明は、ツールを使用して複合部品を製造するための方法と器具に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機の設計及び製造に占める複合材料の割合は益々増大している。一部の航空機においては、一次構造の５０％以上が複合材料から作成される場合がある。航空機において複合材料は、航空機の軽量化のために使用されている。このような軽量化により、ペイロード性能及び燃料効率といった性能特性が向上する。更に、複合材料は、航空機の種々の部品の耐用期間を延長する。
【０００３】
複合材料は、強靭且つ軽量な材料であり、二つ以上の異なる成分を組み合わせることにより生成されている。例えば、複合材料は、繊維及び樹脂を含みうる。繊維及び樹脂は混合され、硬化されて、複合材料を形成する。
【０００４】
更に、複合材料の使用により、航空機の各部分を構成するピース又はセクションをこれまでより大きくすることができる。例えば、航空機の胴体は、円筒形状のセクションを作製し、それらをつなげることで航空機の胴体を形成することができる。他の実施例には、例えば、限定しないが、接合されて翼を形成する翼セクション、接合されて安定板を形成する安定板セクション、補強材、フェアリング、操縦面、外板、外板セクション、ドア、ストラット、及び管構造が含まれる。
【０００５】
現在、製造される航空機に使用される多くの複合材料には、複合成分を硬化させるためにオートクレーブが必要である。オートクレーブは、熱と圧力の両方を供給する熱源である。複合樹脂は、通常、このような樹脂を流動化して硬化させることができる化学反応を起こすために加熱を必要とする。圧力は通常、樹脂流動の間にパーツに含まれる材料を圧密化するために印加される。典型的に使用される温度は通常華氏１５０度より高く（典型的には華氏約３５０度）、圧は１気圧より大きい。
【０００６】
更に、複合部品の製造において、材料は通常モールドを使用して成形される。このようなモールドは、ツールとも呼ばれる。ツールは、複合材料をツールに配したときに複合部品に所望の形状を維持するために十分な剛性を有している。ツールの成分は、複合材料を支持するための剛性を提供するものであれば、金属でも非金属でもよい。
【０００７】
大きな部品の場合、部品を圧縮するための大きなオートクレーブと、処理用のツールが必要である。場合によっては、このような大きな部品の直径は、例えば、１２〜２０フィートであり、重量は数トンにもなる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
この結果、硬化に必要な熱及び圧力を低減した複合材料が開発された。更に、このような種類の複合材料を硬化させるために必要な熱量は、通常、華氏約２５０度未満である。圧力は真空によって提供され、オーブン及び／又は加熱モールドが化学反応のための熱源として使用される。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
種々の有利な実施形態により、複合部品を製造するための方法と器具が提供される。有利な一実施形態では、複合部品の製造に使用されるツールが存在する。このツールは、形状を有する封入層と、封入層の上の断熱層と、断熱層の上の隔離層を含んでいる。隔離層は、最終的なパーツ形状を維持しながら、その上に積層される複合材料に接することができる外表面を有する。断熱層は、隔離層が、複合材料に加えられた熱を奪うことを絶つことができる。封入層は、複合材料から複合部品を形成するための硬化プロセスの間に、隔離層上に積層された複合材料の形状を維持することができる。
【００１０】
別の有利な実施形態では、器具は、形状を有する封入層と、封入層を覆う断熱層とを含み、この断熱層は、複合材料に加えられる熱から封入層を絶縁することができ、封入層は、複合部品を形成するための硬化プロセスの間に、断熱層上に積層される複合材料に断熱層の形状を維持することができる。
【００１１】
また別の有利な実施形態では、複合部品を製造する方法が提供される。複合材料は、複合部品の形状を維持する封入層と、封入層の上の断熱層と、断熱層の上の隔離層とを含むツールの上に配置される。ここで、隔離層は、その上に積層される複合材料と接する外表面を有し、断熱層は、複合材料に加えられる熱から封入層を絶縁し、封入層は、複合材料から複合部品を形成するための硬化プロセスの間に隔離層上に積層される複合材料の形状を維持するものである。外表面上の複合材料は、複合部品を形成するために硬化される。
【００１２】
本発明の特長、機能、及び利点は、本明細書に記載の種々の実施形態において単独で達成することができるか、又はまた別の実施形態において組み合わせることができる。これらの実施形態の詳細について、以下の記述及び添付図面を参照して説明する。
【００１３】
新規の特長と考えられる有利な実施形態の特徴は、請求の範囲に規定される。しかしながら、有利な実施形態と、好ましい使用モード及び更なる目的と利点とは、添付図面を参照して本明細書の有利な一実施形態に関する後述の詳細な説明を読むことにより、最もよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】有利な一実施形態を導入することが可能な航空機の製造及び整備方法を示す図である。
【図２】有利な一実施形態による航空機の図である。
【図３】有利な一実施形態による複合部品製造システムの図である。
【図４】有利な一実施形態によるツールの実施例を示す図である。
【図５】有利な一実施形態によるツールの実施例の拡大図である。
【図６】有利な一実施形態によるツールの別の実施例を示す図である。
【図７】有利な一実施形態によるツールの断面図である。
【図８】有利な一実施形態による熱効率の高いツールを形成するためのプロセスのフローチャートである。
【図９】有利な一実施形態による複合部品の製造プロセスのフローチャートである。
【図１０】有利な一実施形態による複合部品を加熱するために必要な時間を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図面を詳しく参照して、本発明の実施形態について、図１に示す航空機の製造及び整備方法１００と、図２に示す航空機２００との観点から説明する。まず、図１は、有利な一実施形態による航空機の製造及び整備方法を示している。生産前の段階において、例示的な航空機の製造及び整備方法１００は、図２の航空機２００の仕様及び設計１０２と、材料調達１０４とを含むことができる。生産段階では、図２の航空機２００の、部品及びサブアセンブリの製造１０６と、システムインテグレーション１０８とが行われる。その後、図２の航空機２００は、認可及び納入１１０を経て、就航１１２される。顧客により就航される間、図２の航空機２００は、定期的なメンテナンス及び点検１１４を受ける。このメンテナンス及び点検は、改修、再構成、改装、及びその他のメンテナンス又は点検を含むことができる。
【００１６】
航空機の製造及び整備方法１００のプロセスの各々は、システムインテグレータ、第三者、及び／又はオペレータにより実施又は実行されうる。このような実施例では、オペレータは顧客でありうる。本明細書の目的のために、システムインテグレータは、限定しないが、任意の数の航空機製造者及び主要システムの下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、公共機関等を含むことができる。
【００１７】
図２には、有利な一実施形態を導入することが可能な航空機の図を示す。この実施例では、航空機２００は、図１に示す航空機の製造及び整備方法１００により製造されたものであり、複数のシステム２０４を有する機体２０２と、内装２０６とを含むことができる。システム２０４の実施例には、推進システム２０８、電気システム２１０、油圧システム２１２、及び環境システム２１４のうちの一又は複数が含まれる。任意の数のその他のシステムが含まれてもよい。航空宇宙産業における実施例を示しているが、自動車産業のような他の産業に別の有利な実施形態を適用することができる。
【００１８】
本明細書に具体的に示す器具と方法は、図１に示す航空の製造及び整備方法１００の段階のうちのいずれか一つ又は複数の段階の間に利用することができる。例えば、図１に示す部品及びサブアセンブリの製造１０６において製造される部品又はサブアセンブリは、航空機２００が図１の就航１１２の段階にある間に製造される部品又はサブアセンブリと同様の方法で作製又は製造することができる。
【００１９】
また、例えば、限定しないが、航空機２００の、組立ての実質的な効率化、又はコスト削減により、製造段階において、図１の部品及びサブアセンブリの製造１０６、並びにシステムインテグレーション１０８のような、一又は複数の器具の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの一の組み合わせを利用することができる。同様に、航空機２００が、図１に示す就航１１２段階又はメンテナンス及び点検１１４段階にある間に、器具の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの一の組み合わせのうちの一又は複数を利用することができる。
【００２０】
種々の有利な実施形態では、複合部品の大型化により、このような部品が納まるように大型化したツールにおいて、複合材料を硬化させる際に熱を吸収する質量が増大したことを認識する。ツールが大きくなると、通常熱質量が大きい。ツールのこの熱質量は、複合材料から、熱源により生成される熱を吸収しうる。ツールがヒートシンクとして機能することにより、複合材料が所望の温度に達するまでにかかる時間が延びる。
【００２１】
結果として、複合材料を硬化させるために適切な温度に達するまでに必要な時間が延びる。このような加熱時間の延長は、サーマルラグとも呼ばれ、ツールの質量に比例して増大する。オーブンにより印加される低温、又は局所的加熱を用いた硬化システムでは、このような種類の複合部品の硬化に必要な時間量は、オートクレーブ内で硬化される場合より大きい。
【００２２】
加えられる熱量が小さく、低温で複合材料を硬化させるために長時間が必要になるため、このような種類の硬化システムでは問題が増大する。この問題は、ツールがヒートシンクとして機能し、複合材料から熱を取り去るために、複合材料側に適用される局所的加熱システムを用いても無くならない。
【００２３】
したがって、種々の有利な実施形態は、複合部品を製造するための現行のシステムを改善して、部品の製造に必要な時間量を低減することが必要であることを認識している。
【００２４】
種々の有利な実施形態により、複合部品を作製するための方法と器具が提供される。種々の有利な実施形態は、ヒートシンクとなるツールの除去又は縮小が、複合材料の硬化に必要な温度までこの材料を加熱するために必要な時間を短縮しうることを認識している。
【００２５】
その結果、種々の有利な実施形態では、封入層、断熱層、及び隔離層を含むツールを使用して複合部品を作成することができる。封入層は、ツールに積層された複合材料の一回分を硬化する間に隔離層及び／又は断熱層の形状を維持することにより、適切に成形された複合部品を生成することができる。
【００２６】
断熱層は、封入層の上に又は封入層を覆うように形成され、隔離層は、断熱層の上に又は断熱層を覆うように形成される。隔離層は、その上に積層される複合材料と接することが可能な外表面を有している。断熱層は、複合材料が加熱されるときの熱伝達から隔離層及び封入層を絶縁することができる。幾つかの実施形態では、これらの層の間に、他の材料又は層を配置することができる。このような他の層は、例えば、二つの層を互いに結合させるといった、様々な機能を有するものとすることができる。
【００２７】
このように、断熱層の使用により、複合材料から隔離層に伝わる熱が減少する。隔離層は、断熱材料又は熱導体から形成することができる。熱導体を使用する場合、隔離層は、複合材料及びツールに加えられた熱が、隔離層により、外表面上に複合材料が積層される他の領域に分散されるように構成されている。このようにして、隔離層は、均一な加熱を促進する機能を提供することができる。
【００２８】
図３には、有利な一実施形態による複合部品製造システムの図を示す。複合部品製造システム３００は、複合材料積層ユニット３０２、ツール３０４、及び熱源３０６を含んでいる。複合部品製造システム３００は、様々な種類の複合部品を製造するために使用することができる。例えば、航空機用の複合部品を製造することができる。複合部品の実施例には、例えば、胴体のセクション、機体、外板、及びその他適切な部品が含まれうる。
【００２９】
複合材料積層ユニット３０２は、ツール３０４上に複合材料３０８を配置又は積層することができる。複合材料積層ユニット３０２は、様々な形態をとりうる。例えば、複合材料積層ユニット３０２は、手積み又は自動テープ積層マシン又はシステムとすることができ、一例として、Ｍ．Ｔｏｒｒｅｓ社から市販されているテープ積層装置であるＭ．Ｔｏｒｒｅｓ成層を挙げることができる。別の例は、Ｆｏｒｅｓｔ−Ｌｉｎｅ社から市販されている複合作業機械であるＡｃｃｅｓｓ−Ａｔｌａｓである。使用できるマシンのまた別の例として、Ｉｎｇｅｒｓｏｌｌ  Ｍａｃｈｉｎｅ  Ｔｏｏｌｓ，  Ｉｎｃ．から市販されている自動テープ貼付装置（ＡＴＬＭ）が挙げられる。別の例は、自動繊維配置装置（ＡＦＰＭ）である。当然ながら、テープ、繊維、及び／又は適切な他の任意の材料などの複合材料を積層させることが可能な任意の種類のシステム又はマシンを使用して、複合材料積層ユニット３０２を実施することができる。
【００３０】
このような実施例では、ツール３０４は、複合材料３０８を硬化する間に発生する可能性があるサーマルラグを低減するように構成される。ツール３０４は様々な形態をとることができ、例えば、ツール３０４は、内側モールド線でも外側モールド線でもよい。ツール３０４の熱質量は、複合材料の積層に使用できる他のツールの熱質量よりも小さくすることができる。熱質量が小さいことにより、ツール３０４を、現在使用されているツールよりも、速く所望の温度に加熱することができる。更に、ツール３０４の構造は、複合材料３０８と接するツール３０４の部分に関しては、ヒートシンクではなく断熱材料として機能させることもできる。
【００３１】
図示のように、ツール３０４は、隔離層３１０、断熱層３１２、及び封入層３１４を含んでいる。このような実施例では、隔離層３１０の外表面３１６は、複合材料３０８と接することができる。即ち、複合材料３０８は、隔離層３１０の外表面３１６上に積層される。隔離層３１０は、熱拡散率の低い材料でも熱拡散率の高い材料でもよい。即ち、隔離層３１０は、用途に応じて、断熱材料から形成することも、熱導体から形成することもできる。
【００３２】
熱拡散率は、以下の式により算出することができる。
Ａ＝ｋ／ρｃｐ
式中、ａ＝熱拡散率、ｋ＝熱伝導率、ｐ＝密度、及びＣｐ＝比熱容量である。例えば隔離層３１０用又は断熱層３１２用に、断熱材料として使用する材料を選択する場合、拡散率は約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒未満である。熱導体となる材料を選択する場合、材料は、約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒を上回る熱拡散率を有するものを選択することができる。
【００３３】
このような実施例では、断熱層３１２は、熱伝導率又は拡散率の低い材料から作製される。この層は、様々な材料から作製することができ、様々な形状を有する。例えば、ハニカム形状、又は発泡体を使用することができる。使用可能な材料の他の例については後述する。
【００３４】
封入層３１４は、ツール３０４に剛性を与え、外表面３１６上に積層された複合材料３０８を硬化させる間にツール３０４の形状を維持する。封入層３１４は、用途に応じて、絶縁体から作製することも、導体から作製することもできる。断熱層３１２を使用することで、複合材料に加えられた熱が、ツール３０４を介して封入層３１４へ伝わることを防止又は低減することができる。複合材料３０８から熱が逃げることがなければ、複合材料３０８の硬化に必要な温度まで複合材料３０８を加熱するために必要な時間は短縮される。
【００３５】
熱源３０６は、ツール３０４の外表面３１６上に積層された複合材料３０８を加熱することができる。ツール３０４上の複合材料３０８を硬化させることにより、複合材料３０８がツール３０４の形状を維持する。熱源３０６は、様々な形態をとりうる。例えば、熱源３０６は、オーブン３１８又はオートクレーブ３２０により生成することができる。複合材料３０８とツール３０４に対し、オーブン３１８は熱を供給し、オートクレーブ３２０は熱と圧力とを供給する。
【００３６】
当然ながら、用途に応じて他の種類の熱源を使用することができる。例えば、オーブン３１８及びオートクレーブ３２０による熱的硬化の他に、他の種類の硬化プロセスを用いることができる。別の実施例として、電子ビームシステムを使用して複合材料３０８を硬化させることにより複合部品を形成することができる。熱源３０６は、現在使用できるあらゆる熱源を使用して実施することができる。例えば、Ａｎｃｈｏｒ  Ａｕｔｏｃｌａｖｅ  Ｓｙｓｔｅｍｓ社から市販されているアンカーオートクレーブを使用することができるか、或いはＴａｒｉｃｃｏ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ社から市販されている複合材料硬化用オートクレーブを使用することができる。
【００３７】
ツール３０４を使用することにより、複合材料３０８の温度を硬化に所望の温度にするまでに必要な時間を短縮することができる。このような時間の短縮は、ツール３０４の熱質量を低減したことにより可能である。このような実施例のツール３０４の構成により、複合材料３０８からツール３０４の他の層へ伝導する熱量が低減する。隔離層３１０が熱伝導性であるとき、熱は、ツール３０４の他の層を介して伝導するのではなく、再び複合材料３０８の他の部分へ向かう。
【００３８】
更に、ツール３０４に含まれる材料の熱伝導率が現在使用されているツールの材料より低いことにより、複合材料を硬化させるために必要な温度までツール３０４を加熱するために伝導される熱量又は必要な熱量を低減することができる。
【００３９】
加えて、ツール３０４の重量も低減することができ、これは複合部品製造システム３００を配置可能なフロアの構造的問題を低減する。その結果、オーブン３１８及びオートクレーブ３２０内における硬化時間の短縮を達成することができる。このように硬化時間が短縮されることで、既存の製造システムにツール３０４を使用することにより、製造費削減、プロセスの省力化、及びパーツ量増大が達成されうる。
【００４０】
複合部品製造システム３００は、製造システムを導入可能な一態様として示されている。当然ながら、図３に示す部品に加えて、或いはそれら部品に替えて、他の部品を使用することができる。例えば、自動操作システム、複合材料源、コンピュータ、又はその他の制御機構も、複合材料製造システム３００内部に存在しうる。別の実施例として、複合材料積層ユニット及び熱源の別の部材を、複合部品製造システム３００内部に導入することができる。
【００４１】
幾つかの有利な実施形態では、ツール３０４は、封入層３１４の下方に位置する断熱層３２２を含むことができる。断熱層３２２は、封入層３１４が金属のような熱導体であるとき、ツール３０４を更に断熱することにより、複合材料３０８を硬化させるために必要な時間を更に短縮することができる。
【００４２】
次に、有利な一実施形態によるツールの実施例を示す図４及び５を参照する。図３のツール３０４は、様々な形態をとりうる。この実施例に見ることができるように、翼４００は様々なツールを使用して積層された複合翼である。例えば、図３のツール３０４のようなツールを使用して、結合ジグ４０２、充填剤ブロック４０４、４０６、４０８、４１０、４１２、４１４、４１６、４１８、４２０、４２２、及び４２４を実施することができる。加えて、図３のツール３０４のようなツールを使用して、充填剤ブロック４２６、４２８、４３０、４３２、４３６、４４０、４４６、４４８、４５０、４５２、４５４、４５６、４５８、４６０、４６２、４６４、４６６、及び４６８を実施することができる。
【００４３】
図５は、図４のセクション４６９の詳細な実施例である。このセクションは、図４に示すツールのうちの幾つか、例えば、結合ジグ４０２、充填剤ブロック４０４、４０６、４２８、及び４３０を拡大したものである。
【００４４】
このような種類のツールは、翼４００の補強材及び外板といった様々な部品の複合材料を積層するために使用することができる。ツールの特定の種類の形状を図４及び５に示しているが、例えば、硬化プロセス、同時硬化プロセス、同時結合プロセス、及び結合プロセスといったプロセスを使用して複合材料から複合部品を形成するためのあらゆる種類のツールに、別の有利な実施形態を適用することができる。
【００４５】
図６は、有利な一実施形態によるツールの別の実施例を示している。この実施例では、ツール６００は、複合パーツとしてツール６００上に配置された複合材料６０２を有している。ツール６００は、架台６０４上の配置されている。ツール６００は、図３のツール３０４に類似の断面又は層を有する材料からなっている。図示のように、ツール６００は、複合材料６０２から形成される部品に形状を付与する。
【００４６】
図７は、有利な一実施例によるツールの断面を示している。この実施例では、断面７００は、図６のラインＡ−Ａに沿ったツール６００の断面の一実施例である。層７０２は、図３の封入層３１４のような封入層である。層７０４は層７０２を覆っており、図３の断熱層３１２の一実施例である。層７０４は、層７０２と層７０６との間に形成されている。層７０６は、図３の隔離層３１０のような隔離層の一実施例である。
【００４７】
層７０６は、その上に層７１０のような複合材料を積層するか、又は配置することにより複合部品を形成することができる表面である外表面７０８を有する。層７１０は、外表面７０８の上に配置される。層７０６は、層７０４の上に形成することができ、絶縁体又は導体といった様々な材料から作製することができる。絶縁体であるとき、層７０６は、ポリマー、接着剤、フィルム、エラストマー、有機繊維、及び無機繊維といった熱伝導率の低い材料から作製することができる。ポリマーを使用する場合、ポリマーには充填剤が入っていても、入っていなくてもよい。
【００４８】
当然ながら、用途に応じて層７０６には適切な他のあらゆる材料を使用することができる。無機材料の例としては、例えば、ガラス、ケブラ、及びポリマー母材を含むセラミック繊維が挙げられる。層７０６は、層７０４とは異なる材料から作製することができる、及び／又は異なる構造を有することができる。断熱材を使用する場合、熱伝導率の低い材料を選択することができる。このような実施例では、熱伝導率の低い材料は、約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒未満の熱拡散率を有することができる。
【００４９】
層７０６が熱導体である場合、層７０６は、例えば、金属、熱伝導性ポリマー、熱伝導性エラストマー、又は熱伝導性有機材料といった様々な材料から作成することができる。使用できる金属の例として、例えば、スチール、アルミニウム、銅、及び銀と、それらの合金とを挙げることができる。熱導体を使用する場合、熱伝導率の高い材料を選択することができる。この種の材料は、約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒を上回る熱拡散率を有するものとすることができる。
【００５０】
金属と共に、ソリッドメタル、スクリーン、又は金属製フェルトを使用することができる。更に、層７０６は、様々な絶縁材料又は導体材料の組み合わせから作成することができる。このような実施例では、層７０６の厚みは約０．２５０インチ未満とすることができる。熱導体を用いる場合、層７０６の耐久性は、層７０６に断熱材を用いる場合より向上しうる。
【００５１】
層７０４は、断熱特性を有する様々な材料から作製することができる。層７０４は、約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒未満の熱拡散率を有する材料を使用することができる。層７０４は、層７０２及び／又は層７０６を断熱するものを選択することができ、同時に軽量化のために小さい質量又は密度を有するものにすることができる。層７０４は、固体及び／又は多孔性で、及び／又は空洞を有するものとすることができる。例えば、層７０４は、発泡体、ハニカム、又は繊維の形態をとることができる。
【００５２】
更に、層７０４は、ポリマー母材に、発泡体、ハニカム、シート、及び繊維のうちの少なくとも一つを含むことができる。項目のうちの少なくとも一つとは、層７０４が、発泡体、ハニカム、シート、発泡体及びシート、発泡体及びハニカム、繊維を含むポリマー母材、或いは列挙した項目のいずれか他の組み合わせから作製できることを意味する。
【００５３】
発泡体を使用する場合、発泡体は、有機又は無機の断熱材料から作製することができる。ハニカムは、例えば、金属材料、非金属材料、熱エラストマー材料、及び／又は紙といった材料から作製することができる。繊維状断熱材料は、例えば繊維ガラスである。有機材料の一実施例は、バルサ材である。図示の実施例では、層７０４の厚みは、約０．２５０インチ〜約１２インチとすることができる。
【００５４】
層７０２は、断熱層７０４を覆い、ツールの形状と、層７１０中の複合材料から形成される複合パーツの形状を制御する能力を提供している。即ち、層７０２は、複合部品の製造中の取扱い及び安定性のために、種々の層に構造的整合性を与えることにより、複合部品に所望の形状を維持するものである。
【００５５】
層７０２は、有機材料又は無機材料といった様々な材料から作成することができる。層７０２の形態は、例えば、有機、無機、及び／又は金属材料といった材料の固形シートとすることができる。別の実施例として、ポリマー母材中に金属繊維を使用することができる。当然ながら、複合部品の形成に使用されるツールに構造的整合性を付与することができる任意の適切な形態の材料を使用することができる。図示のように、層７０２の厚みは約０．２５０インチ未満とすることができる。
【００５６】
このように、層７０６、７０４、及び７０２の構成により、図３のツール３０４のような、熱効率の高いツールが提供される。このような実施例では、熱効率の高いツールとは、現在使用されているツールと比較した場合に、ツールが吸収する熱量が少ないことにより複合部品を硬化させるための加熱時間が短縮されるようなツールである。
【００５７】
図７は、特定の熱拡散率の範囲、材料の厚み、材料の種類、及び材料の形態を示しているが、このような実施例は、有利な実施形態のうちの一部を例示することのみを目的として提示されている。他の有利な実施形態は、用途に応じて、他の熱拡散率のレベル、及び他の範囲又は厚みを使用することができる。
【００５８】
図８は、有利な一実施形態による熱効率の高いツールを形成するためのプロセスのフローチャートを示す。図８に示すプロセスは、図３のツール３０４のようなツールを形成するために使用することができる。
【００５９】
本プロセスは、ツールの材料を選択すること（工程８００）により開始される。このような材料は、上述のように、断熱材料と熱導体材料との組み合わせとすることができる。その後、プロセスでは封入層を形成する（工程８０２）。次に、封入層の上に断熱層を形成する（工程８０４）。次いでプロセスでは、断熱層の上に隔離層を形成し（工程８０６）、その後終了する。
【００６０】
当然ながら、ツールの種々の層の構成は、用途に応じて変えることができる。場合によっては、まず断熱層を形成し、封入層と隔離層とを断熱層の各側に配置してもよい。場合によっては、まず隔離層を形成し、隔離層の上に断熱層を形成し、断熱層の上に封入層を形成してもよい。場合によっては、隔離層と断熱層と封入層とを独立に形成しておき、これらを互いに接合してツールを形成してもよい。
【００６１】
図９は、有利な一実施形態による複合部品の製造プロセスのフローチャートを示している。図９に示すプロセスは、図３の複合部品製造システム３００のような複合部品製造システムを用いて実施することができる。
【００６２】
本プロセスは、所望の複合部品を特定すること（工程９００）により開始される。その後、特定した複合部品用のツールを選択する（工程９０２）。ツールの隔離層の上に複合材料を配置して、未硬化の複合部品を形成する（工程９０４）。
【００６３】
その後、未硬化の複合材料をツール上に配して加熱により複合材料を硬化させて複合部品を形成し（工程９０６）、その後プロセスは終了する。
【００６４】
図１０は、有利な一実施形態による複合材料の加熱に必要な時間を示すグラフである。グラフ１０００は、有利な一実施形態によりオーブン内でツールを華氏約１５０度まで加熱するのに必要な時間を示している。
【００６５】
線１００２は、オーブン内の温度を示す。この線は、オーブンが、種々の温度、例えば１５０度まで温まるのに必要な時間を示している。線１００４は、有利な実施形態に従って構成されたツールが、１５０度まで温まるのに必要な時間を示している。有利な一実施形態によるツールを使用すると、ツールは、１３０分で１５０度に達し、これは、オーブンが１５０度に達してから約５５分後に相当する。
【００６６】
線１００６は、従来のツールが１５０度まで温まるのに必要な時間を示している。線１００６によって示されるアルミニウム製のツールは、１９５分後に１５０度に達する。これは、オーブンが１５０度に達してから１２５分後に相当する。図示のように、従来の金具が適切な温度になるまでに必要な時間は、有利な実施形態による金具より長い。線１００８は、複合部品の製造に一般に使用される別のツールの加熱に必要な時間を示す。線１００８で示す金具は、一般に３６ＦｅＮｉと呼ばれるインバー（登録商標）から作製されたものである。図示のように、このツールは２９０分以内に１５０度に達しない。
【００６７】
このように、種々の有利な実施形態により、複合部品を製造するための方法と器具が提供される。種々の有利な実施形態では、断熱層と封入層とを有するツールが使用される。複合材料は、熱が複合材料から封入層へ伝導することを防止又は低減する断熱層の上に配置することができる。この結果、そのようにして熱的駆動を低下させることができる。
【００６８】
他の有利な実施形態では、断熱層の上に形成されて複合材料と接する隔離層を使用することができる。この隔離層は、用途に応じて、断熱材料又は熱導体とすることができる。熱導体の形態をとる場合、隔離層は、複合材料に加えられる熱を拡散させることができる。その結果、複合部品の一部分に他よりも大きな熱が加わっても、熱導体の形態の隔離層を使用することにより、他の部分もより均一に加熱されうる。
【００６９】
このようにして、有利な一実施形態によるツールを使用することにより、材料を硬化させるために必要な温度まで複合材料を加熱するために必要な時間を短縮することができる。その結果、複合部品の生成又は製造に必要な時間も短縮することができる。種々の有利な実施形態について、航空機用の複合部品の製造に関連させて説明したが、種々の有利な実施形態は、他の種類の機器の複合部品の製造に適用することができる。例えば、種々の有利な実施形態を、宇宙機、潜水艦、船舶、乗用車、トラック、製造設備、オフィスビル、及びその他の構造物の複合部品を製造するために使用することができる。
【００７０】
種々の有利な実施形態の説明は、例示及び説明のために提示されているのであって、精緻な説明であること、又は開示された形態に実施形態を限定することを意図していない。当業者には、多数の変更及び変形が可能であることが明らかであろう。更に、種々の有利な実施形態は、他の有利な実施形態とは異なる利点を提供することができる。選択されている一又は複数の実施形態は、実施形態の原理、実際の用途を最もよく説明し、他の当業者が、種々の実施形態の開示内容を、想定可能な用途に適した様々な変更と共に、理解することができるように、選ばれて説明されている。
また、本発明は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
複合部品の製造に使用されるツールであって、
形状を有する封入層と、
封入層の上に位置する断熱層と、
断熱層の上に位置する隔離層と
を含み、隔離層が、その上に積層される複合材料と接することができる外表面を有し、断熱層が、複合材料に加えられた熱から封入層を絶縁することができ、封入層が、複合材料から複合部品を形成するための硬化プロセスの間、隔離層上に積層された複合材料の形状を維持することができる、ツール。
（態様２）
断熱層が約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒未満の熱伝導率を有する、態様１に記載のツール。
（態様３）
断熱材料が、有機断熱材料、無機断熱材料、ポリマー、接着剤、エラストマー、ガラス、及びセラミックから選択された一つの断熱材料を含む、態様２に記載のツール。
（態様４）
断熱材料が、発泡体、ハニカム、シート、及び繊維のうちの少なくとも一つを含む、態様２に記載のツール。
（態様５）
熱導体が、金属、熱伝導性エラストマー、熱伝導性ポリマー、熱伝導性有機材料、及び金属繊維から選択された一つの熱伝導材料を含む、態様２に記載のツール。
（態様６）
第２の断熱層
を更に含み、第２の断熱層の上には封入層が位置しており、封入層が熱から絶縁される、態様２に記載のツール。
（態様７）
ツールが内側モールド線である、態様１に記載のツール。
（態様８）
ツールが外側モールド線である、態様１に記載のツール。
（態様９）
複合部品が航空機のパーツである、態様１に記載のツール。
（態様１０）
航空機のパーツが、胴体の円筒形セクション、翼パネル、安定板のセクション、補強材、フェアリング、操縦面、外板、外板のセクション、ドア、ストラット、及び管構造より選択される一つである、態様９に記載のツール。
（態様１１）
形状を有する封入層と、
封入層を覆う断熱層と
を含み、断熱層は、複合材料に加えられる熱から封入層を絶縁することができ、封入層は、複合部品を形成するための硬化プロセスの間に断熱層を覆うように積層された複合材料の形状を維持することができる、機具。
（態様１２）
封入層と断熱層とがツールを形成しており、更に、
複合積層材料と、
熱源と
を含んでいる、態様１１に記載の器具。
（態様１３）
断熱層を覆う隔離層
を更に含み、隔離層が、断熱層の上に積層された複合材料と接することができる外表面を有しており、且つ断熱層と複合材料との間に位置している、態様１１に記載の機具。
（態様１４）
断熱層が、約２．５Ｅ−０６ｍ２／秒未満の熱拡散率を有する、態様１３に記載の機具。
（態様１５）
第２の断熱層
を更に含み、第２の断熱層の上には封入層が位置しており、封入層が熱から絶縁される、態様１４に記載の機具。
（態様１６）
複合部品の製造方法であって、
複合部品の形状を有する封入層と、封入層の上の断熱層と、断熱層の上の隔離層とを含むツールであって、隔離層が、その上に積層される複合材料と接する外表面を有し、断熱層が、複合材料に加えられる熱から封入層を絶縁し、且つ封入層が、複合材料から複合部品を形成するための硬化プロセスの間に隔離層の上に積層される複合材料の形状を維持するツールの上に、複合材料を配置すること、及び
外表面上の複合材料を硬化させて複合部品を形成すること
を含む方法。
（態様１７）
硬化ステップが、
外表面上の複合材料をオートクレーブ内で硬化させること
を含む、態様１６に記載の方法。
（態様１８）
硬化ステップが、
外表面上の複合材料をオーブン内で硬化させること
を含む、態様１６に記載の方法。
（態様１９）
複合部品が航空機のパーツである、態様１６に記載の方法。
（態様２０）
航空機のパーツが、胴体の円筒形セクション、翼パネル、安定板のセクション、補強材、フェアリング、操縦面、外板、外板のセクション、ドア、ストラット、及び管構造から選択される一つである、態様１９に記載の方法。
【図１】
0005638397.tif 000002
【図２】
0005638397.tif 000003
【図３】
0005638397.tif 000004
【図４】
0005638397.tif 000005
【図５】
0005638397.tif 000006
【図６】
0005638397.tif 000007
【図７】
0005638397.tif 000008
【図８】
0005638397.tif 000009
【図９】
0005638397.tif 000010
【図１０】
0005638397.tif 000011