(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ローラー及び第２ローラーを具備するロール成形型（３２）であって、
前記第１ローラー（３４）が、前記第２ローラー（３６）の円周面内の対応する成形凹部内に配置されるべく構成された成形区域を有し、
前記第１ローラー及び第２ローラーが、該ローラー間を通過させられる細長い部材上に付与されるべき所望の形状に対応する、該ローラー間の隙間（４０）を画成し、前記所望の形状がウェブ（３０）部分と脚（２６）部分との間の湾曲したエルボ部を含む、ロール成形型（３２）において、
前記湾曲したエルボ部に対応する、前記ローラー間の隙間（４０）の曲率半径が最小値と最大値との間で変化するように、前記第２ローラー（３６）内の凹部の形状と、前記第１ローラー（３４）の対応する区域の形状とが、該ローラーの円周の一部分の回りで変化することを特徴とする、ロール成形型（３２）。
【請求項２】
前記所望のウェブ部分に対応する、前記ローラー間に形成される前記隙間（４０）の部分と、前記所望の脚部分に対応する、前記ローラー間に形成される前記隙間（４０）の部分とが互いに対してほぼ９０°であるように、前記第１ローラー（３４）の成形区域と前記第２ローラー（３６）内の対応する成形凹部とが形成される、請求項１に記載のロール成形型（３２）。
【請求項３】
前記第１ローラー（３４）及び第２ローラー（３６）が、該ローラー間に形成される隙間（４０）がほぼＵ字形状であるように形成される、請求項１に記載のロール成形型（３２）。
【請求項４】
前記第１ローラー（３４）及び第２ローラー（３６）が回転可能である、請求項１〜３のいずれか１項に記載のロール成形型（３２）。
【請求項５】
前記湾曲したエルボ部に対応する、前記ローラー間に形成される前記隙間（４０）の曲率半径が前記ローラーの半回転に亘って最小値と最大値との間で変化するように、前記第１ローラー及び第２ローラーが形成される、請求項４に記載のロール成形型（３２）。
【請求項６】
細長いウェブ要素と少なくとも一つの細長い脚要素とを有するスティフナーを成形する方法であって、前記ウェブ要素及び脚要素が湾曲したエルボ部によって接続され、第１ローラー及び第２ローラーを具備するロール成形型（３２）を通して細長い部材を送り込むことを含み、前記第１ローラー（３４）が、前記第２ローラー（３６）の円周面内の対応する成形凹部内に配置されるべく構成された成形区域を有し、前記第１ローラー及び第２ローラーが、該ローラー間を通過させられる細長い部材上に付与されるべき所望の形状に対応する、該ローラー間の隙間（４０）を画成し、前記所望の形状がウェブ（３０）部分と脚（２６）部分との間の湾曲したエルボ部を含む、方法において、
前記湾曲したエルボ部に対応する、前記ローラー間の前記隙間（４０）の曲率半径が最小値と最大値との間で変化するように、前記第２ローラー（３６）内の凹部の形状と、前記第１ローラー（３４）の対応する区域の形状とが、該ローラーの円周の一部分の回りで変化し、
前記細長い部材の一部分が前記型のローラー間に送り込まれているとき、第１位置と第２位置との間で前記第１ローラー及び第２ローラーを回転させることを更に含み、これによって、前記スティフナー内に形成される、前記湾曲したエルボ部の曲率半径が変化されることを特徴とする、方法。
【請求項７】
前記細長い部材が、その後、該細長い部材の長手方向の軸線に沿って折り曲げられるように構成された更なる組の型のローラーを通して送り込まれる、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記スティフナーが非金属の複合材料を具備する、請求項６または７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
複合材構造の製造において、例えば航空宇宙産業において、スキンを強化すべく構造部材が複合材スキンに取り付けられることが多い。斯かる構造部材は、ストリンガーまたはスティフナーと称されることが多い、十分に細長い補強部材を含むことができる。航空宇宙産業におけるスティフナーの使用の典型的な例は、複合材のストリンガーがウイングカバーまたはウイングスキンの内面に取り付けられる航空機の翼の構成においてである。ストリンガーまたはスティフナーは、様々な断面形状を示すように形成されうるが、典型的には、Ｔ字形断面に形成される。典型的には、Ｔ字形断面のスティフナーは平ら且つ未硬化の予め含侵された複合材積層体から生産され、複合材積層体はＬ字形断面に形成され、その後、Ｌ字形断面は、生産する所望のＴ字形断面に背中合わせで圧縮される。これにより、平らな複合材スキンに容易に取り付けられるＴ字形断面のスティフナーが生産される。しかしながら、要望通りにスキンの強度を局所的に変化させるべく複合材スキンの厚さを変化させることが次第に一般的な方法となっている。厚さの変化は、ストリンガーが取り付けられるべきである複合材スキンを横断して、傾斜した区域または非平面状区域を生み出す。スキンの傾斜した面に細長いスティフナーを適合させるために、スティフナーは、分離したＬ字形断面または完成したＴ字形断面のいずれかに形成された後、所要の外形に変形されなければならない。これは、二次元断面の最初の平面状の積層体よりもむしろ三次元断面に亘るスティフナーの変形を含むので、複合材積層体の一部分が圧縮される箇所のＴ字形断面のスティフナー内に皺（wrinkling）が発生することが多い。斯かる皺は、局所的な応力点を提供することによりスティフナーの全体的な強度を減少させ、それ故に皺がない場合に必要であるだろう大きさよりもスティフナーが大きく作られることを必要とし、またＬ字形断面が所要のＴ字形断面のスティフナーを形成すべく背中合わせで圧縮されるのを妨げることがある。
【０００２】
それ故に、皺の問題に直面することなく斯かるスティフナーを形成できることは有益であるだろう。
【発明の概要】
【０００３】
本発明の第１態様によれば、細長いウェブ要素と少なくとも一つの細長い脚要素とを有するスティフナーが提供され、ウェブ要素及び脚要素は、湾曲したエルボ部によって接続され、ここで、湾曲したエルボ部の半径は、スティフナーの第２部分よりも第１部分で大きい。
【０００４】
加えて、スティフナーの第１部分の脚要素は、スティフナーの第２部分の脚要素に対して鉛直にずらされる。
【０００５】
加えてまたは代替的に、第１部分と第２部分との間のスティフナーの中間部分の湾曲したエルボ部の曲率半径がそれぞれの最大値と最小値との間で変化する。
【０００６】
加えてまたは代替的に、ウェブ要素の高さはスティフナーの長さに亘ってほぼ一定である。
【０００７】
好ましくは、ウェブ要素及び脚要素は互いに対してほぼ９０°である。加えて、スティフナーがほぼＴ字形断面であるように、スティフナーは二つの細長い脚要素を有することができる。
【０００８】
本発明の第２態様によれば、第１ローラー及び第２ローラーを具備するロール成形型が提供され、第１ローラーが、第２ローラーの円周面内の対応する成形凹部内に配置されるべく構成された成形区域を有し、第１ローラー及び第２ローラーが、ローラー間を通過させられる細長い部材上に付与されるべき所望の形状に対応する、ローラー間の隙間を画成し、所望の形状がウェブ部分と脚部分との間の湾曲したエルボ部を含み、ここで、湾曲したエルボ部に対応する、ローラー間の隙間の曲率半径が最小値と最大値との間で変化するように、第２ローラー内の凹部の形状と、第１ローラーの対応する区域の形状とが、ローラーの円周の一部分の回りで変化する。
【０００９】
加えて、所望のウェブ部分に対応する、ローラー間に形成される隙間の部分と、所望の脚部分に対応する、ローラー間に形成される隙間の部分とが互いに対してほぼ９０°であるように、第１ローラーの成形区域と第２ローラー内の対応する成形凹部とが形成されてもよい。加えて、第１ローラー及び第２ローラーが、ローラー間に形成される隙間がほぼＵ字形状であるように形成される。
【００１０】
加えてまたは代替的に、第１ローラー及び第２ローラーは回転可能であってもよい。好ましくは、ローラーは、湾曲したエルボ部に対応する、ローラー間に形成される隙間の曲率半径がローラーの半回転に亘って最小値と最大値との間で変化するように、第１ローラー及び第２ローラーが形成される。
【００１１】
本発明の第３態様によれば、本発明の第１態様に係るスティフナーを成形する方法が提供され、この方法は、本発明の第２態様に係るロール成形型を通して細長い部材を送り込むことと、細長い部材の一部分が型のローラー間に送り込まれているとき、第１位置と第２位置との間で型のローラーを回転させることとを含み、これによって、スティフナー内に形成された、湾曲したエルボ部の曲率半径が変化される。
【００１２】
好ましくは、細長い部材が、その後、細長い部材の長手方向の軸線に沿って折り曲げられるように構成された更なる組の型のローラーを通して送り込まれうる。
【００１３】
好ましくは、スティフナーは非金属の複合材料を具備してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、取り付けられたＴ字形断面のスティフナーを備えた平面状複合材スキンの一部を示す。
【図２】図２は、背中合わせの二つのＬ字形断面要素によって形成されたＴ字形断面のスティフナーの一部を示す。
【図３】図３は、平面状の積層体からＬ字形断面要素への変形を概略的に示す。
【図４】図４は、複合材スキンの非平面状区域を覆う、従来技術に係るＴ字形断面のスティフナーの配置を概略的に示す。
【図５】図５は、従来技術に係る近接するＬ字形断面のスティフナー要素上への皺の変形を概略的に示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の実施形態に係る異なる曲率半径を有するＬ字形断面要素を概略的に示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の実施形態に係る異なる曲率半径を有するＬ字形断面要素を概略的に示す。
【図７】図７は、本発明に従って形成されたＣ字形断面要素を概略的に示す。
【図８】図８は、図７に示されたＣ字形断面要素の側面図を概略的に示す。
【図９】図９は、図７のＣ字形断面要素から形成されたＴ字形断面のスティフナーを概略的に示す。
【図１０】図１０は、図９に示されるスティフナーの側面図を概略的に示す。
【図１１】図１１は、図９に示されるスティフナーの平面図を概略的に示す。
【図１２】図１２は、第１の向きにある、本発明の実施形態に係るロール型の正面図と側面図と平面図とを概略的に示す。
【図１３】図１３は、第２の向きにある、図１２のロール型に対応する図を概略的に示す。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付の図面を参照して、限定するものではない例示的な単なる例として本発明の実施形態を説明する。
図１は、従来技術から知られているようにＴ字形断面のスティフナー４が取り付けられた、航空機のウイングカバーのような複合材スキン２の一部を概略的に示す。スティフナー４が取り付けられた航空機カバー２の表面は平らであり、このことは、スティフナー４が取付け面で対応して平らであることのみを必要とすることを意味する。
【００１６】
図２は、斯かるＴ字形断面のスティフナーの典型的な製造方法を示すべく、より詳細にスティフナー４の端部分を示す。完成したスティフナー４は、実際には、互いに背中合わせで接合された、Ｌ字形断面の分離した二つの細長い要素６を具備する。Ｌ字形断面要素６は、一連のロール型９を通過させられる複合材積層体８（図３参照）の細長い平面状区域から形成され、ロール型９は、積層体の残りの部分に対して約９０°の方向に細長い積層体の一区域を徐々に曲げるべく構成され、その結果、図２に示されるＬ字形断面要素６を形成する。積層体の曲げを促進するために、平面状の複合材積層体はロール型８を通過させられる直前または通過させられるときに加熱せしめられうる。この曲げ処理の結果として、図２に示されるＬ字形断面要素６は、丸みを帯びた（radiused）エルボ部１０を有する。
【００１７】
図４は、複合材スキン２’及びスティフナー４のより典型的な構成を断面図で概略的に示す。より典型的なこの構成において、複合材スキン２’は平面ではなく２Ａ〜２Ｄの厚さの異なる区域を有し、厚さの異なる区域が複合材スキンのより大きなまたはより小さな強度を必要とする範囲に提供される。その結果、図４に示されるように、当然のことながら、従来技術の平面状のスティフナー４は、いくつかの変形を経なければスキンカバー２’の傾斜した外形に適合できない。複合材カバー２’の傾斜した外形に適合すべくＴ字形断面のスティフナーを変形することができるが、変形は、複合材スキンの厚さが異なる区域間の交差区域でＴ字形断面の鉛直部分のこれら区域を圧縮または伸長することを含むため、個々のＬ字形断面要素６の皺が発生しがちである。これは図５に示され、ここで、各Ｌ字形断面要素６は細長い皺１２を有し、細長い皺１２は、最終的なＴ字形断面のスティフナーを形成するために互いに当接されるべき表面上に形成される。これら皺１２の存在は、別個のＬ字形断面要素の表面が互いに完全に当接するのを妨げ、その結果、二つのＬ字形断面要素間の接合強度を低下させ、また、応力集中のような公知の作用のせいでスティフナー４内に固有の弱さをもたらす。
【００１８】
本発明によれば、Ｌ字形断面要素の斯かる変形または最終的なＴ字形断面のスティフナーの斯かる変形はＬ字形断面要素の曲率半径を変化させることによって回避され、Ｌ字形断面要素の曲率半径を変化させることは、次にスティフナーの中央のウェブの高さに対するスティフナーの脚（複合材スキンに取り付けられるスティフナーの部分）の高さを変化させる効果を有する。これは、図６Ａ及び図６Ｂに概略的に示される。図６Ａは、ウェブ高さｈと、脚幅ｗと、スティフナーのウェブと脚との間のｒ＝０の曲率半径とを有するＬ字形断面要素の断面図を概略的に示す。（半径０は実際には実現するのが困難であるだろうし且つ望ましくないが今回は例示目的で使用されることが理解されるであろう。）図６Ｂは、ウェブ高さｈ’＝ｈを有する、対応するＬ字形断面要素を示すが、ウェブと脚との間の曲率半径はｒ＝３ｈ／８である。図６Ｂのスティフナーの脚の水平面が、ウェブの頂端に対して、ｒに等しい距離だけ低いことが容易に理解されうる。また、図６Ｂに示されるスティフナーの脚幅ｗ’が、図６Ａに示されるスティフナーの脚幅ｗよりもかなり短いことも分かるであろう。
【００１９】
従って、本発明の実施形態において、Ｌ字形断面要素６は、スティフナーのウェブと脚との間の曲率半径が細長い要素の長さに沿って最小値と最大値との間で変化する状態で形成され、曲率半径は、スティフナーのウェブの高さを高くしたい場合、すなわちスティフナーのウェブの頂部に対してスティフナーの脚を効果的に低くしたい場合に大きくなる。図７はＣ字形断面の細長い要素２０を概略的に示し、Ｃ字形断面の細長い要素２０は本発明の原理に従って曲率半径を変化させて形成される。Ｃ字形断面要素２０は、複合材料の元の単一の平面状ウェブから形成される、事実上同一の二つのＬ字形断面要素であり、その後、図７の破線２２で示されるその中心軸線に沿ってＣ字形断面要素２０を更に折り曲げることによって所望のＴ字形断面のスティフナーに形成される。図７に示されるＣ字形断面要素は、二つの区域、すなわち、最小曲率半径を有する符号Ａ及びＥの付された区域と、一定の最大曲率半径を有する符号Ｃの付された中央区域と、曲率半径が最小値と最大値との間で連続して変化する二つの過渡的区域Ｂ、Ｄとを含む。図７に示されるＣ字形断面要素の側面図が、対応する区域に同一の符号が付された状態で図８に示される。図６Ｂに示される、最終的に形成されたスティフナーの脚幅ｗ’に相当する、区域Ｃの平面状区域の高さが、区域Ａ及びＥの平面状区域の高さよりも低いことが図８から理解されうる。
【００２０】
最終的に成形されたＴ字形断面のスティフナーが図９に示され、このスティフナーは前に示したように破線２２に沿って図７のＣ字形断面要素を更に折り曲げることによって形成される。スティフナー２４の中間区域Ｃは、過渡区間における、スティフナーの脚とウェブ３０との間の最大曲率半径を有するが、この中間区域Ｃは脚区域２６を有し、この脚区域２６は端区域Ａ及びＥのスティフナーの脚部分２８に対してスティフナーのウェブの頂端と相対的に鉛直にずらされ、端区域Ａ及びＥは過渡区間における最小曲率半径を有する。このことは図１０においてより明瞭に示され、図１０は、図９に示される完全に成形されたスティフナー２４の概略側面図である。上述したように、過渡区域における最大曲率半径を有する区域のスティフナーの脚２６の幅ｗ’は、他の区域のスティフナーの脚幅よりも小さい。これは、図１１に示される、完全に成形されたＴ字形断面のスティフナー２４の平面図から明瞭に見られる。
【００２１】
図９に示される傾斜したスティフナー２４を生産するために、特に図７に示された、形成されたＣ字形断面要素２０を生産するために、均一な断面のＣ字形断面要素が、図３に関連して前述されたような公知のロール成形技術を使用して複合材料の細長い平面状区域から最初に生産される。しかしながら、その後、均一な断面のＣ字形断面要素は更なる組の型を通過させられ、更なる組の型は、Ｃ字型断面要素２０の曲率半径ｒを要望通りに変化させることができるように本発明の更なる態様に従って形成され、図９に示されるような、本発明の第１態様に係る傾斜したＴ字形断面のスティフナー２４を形成する。曲率半径ｒを変化させるのに使用される、本発明の第２態様の実施形態に係る一組の型が図１２及び図１３に示される。
【００２２】
図１２を参照すると、型３２は、正面図、側面図、及び平面図の複合図で示され、相補的な第１ローラー３４及び第２ローラー３６を含む。第２ローラー３６は、図１２に示される型３２の方向において、底部のローラーであり、ローラーの円周外面に形成されたＵ字形状のチャネル３８を有する。Ｕ字形状のチャネル３８の水平区域と鉛直区域との間の深さ、幅、及び曲率半径は、所望の最小値の曲率半径ｒを有するＣ字形断面２０の所望の外形寸法に対応する第１組の値と、曲率半径ｒが所望の最大値であるときのＣ字形断面２０の所望の外形寸法に対応する第２組の値との間で、第２ローラー３６の１８０°区分回りで変化する。幅、深さ、及び曲率半径についての、第１組の値と第２組の値との間での、第２ローラー３６の１８０°に亘る遷移は連続的であり、すなわち、Ｕ字形状のチャネル３８の寸法が、ステップ状に変化することなく、好ましくは１８０°全体に亘って一定の変化率を有する。第１ローラー３４は、図１２に示される方向において、上側のローラーを表し、第１ローラー３４の外面は、使用中に第２ローラー３６のＵ字形状のチャネル３８内に延在すべく構成され、且つ形成されるべきＣ字形断面要素２０の所望の厚さに対応する、Ｕ字形状の隙間４０またはＣ字形断面の隙間４０が第１ローラー３４と第２ローラー３６との間に存在するように寸法が決められる。第２ローラー３６のＵ字形状のチャネル３８の寸法における変化全体に亘って隙間４０を一定の値に維持するために、第１ローラー３４の外面の寸法は第１組の寸法と第２組の寸法との間で１８０°に亘り対応して変化し、第１組の寸法ではローラー３４の水平外面と鉛直外面との間の曲率半径は最小であり、第２組の寸法では曲率半径は最大である。その遷移は同様に連続的であり且つ第２ローラー３６の寸法における遷移と対応した比率で変化する。
【００２３】
図１２に示される型の第１ローラー及び第２ローラーの図は第１位置のローラーを示し、第１位置では、ローラー間の隙間４０は、その後に形成されるウェブ部分３０と脚部分との間の曲率半径が最小であるときのＣ字形断面２０の所望の形状に対応する。使用中、好ましくは、前段階のロール型によって所望のＣ字形断面に近づいた形状に予め形成された複合材料の細長い区域が、ローラー間の隙間４０を通して型３２の第１ローラー３４と第２ローラー３６との間に送り込まれる。細長い要素の送り方向は、図１２の各図に示される影付きの矢印によって示される。当然のことながら、実際には、ローラー３４、３６は二つのローラー間の隙間４０の寸法を一定に維持するようにこの場所に固定される。Ｃ字型断面要素の脚部分と中央のウェブとの間の曲率半径を増加させることによって、結果として生じる脚部分をウェブの頂端に対して低くしたいとき、型の上側のローラー３４と下側のローラー３６は、等しい比率で等しい量だけ共に回転される。図１２に示される特定の実施形態において、回転方向は、上側の第１ローラー３４について反時計回りであり、且つ下側の第２ローラー３６について時計回りであるだろう。しかしながら、回転方向が反対の向きであるように、第１ローラー及び第２ローラーを容易に構成することができる。型３２のローラーを回転させる作用が第１ローラー３４の外面寸法の変化と第２ローラー３６のＵ字形状のチャネル３８の外面寸法の変化と連動することによって、細長い複合材要素が通過するローラー間の隙間４０は滑らかに変化することができる。
【００２４】
図１３は、図１２に示される型３２と対応する正面図、側面図、及び平面図を示すが、第１ローラー３４及び第２ローラー３６は、図１２に示される方向に対して完全に１８０°回転されている。結果として、第１ローラー３４と第２ローラー３６との間の隙間４０は、中央のウェブ区域と脚部分との間の曲率半径ｒが所望の最大値である状態の、Ｃ字形断面要素の所望の形状に対応する形状及び寸法を有する。理解されるように、一旦、隙間４０が所望の形状及び寸法を有する点に第１ローラー及び第２ローラーが回転されると、細長い複合材区域が狭い固定ローラー間を連続して通るときに細長い複合材区域が、隙間４０の形状に対応する一定の断面を有するように、ローラーの回転は止められる。曲率半径ｒが減少されたＣ字形区域要素の断面に戻すように遷移させるために、型３２の第１ローラー及び第２ローラーは、所要量だけ反対方向に共に回転させられる。型３２のローラー３４、３６を設置することと、ローラー３４、３６それぞれの回転を発生させ且つ制御する手段とは、当業者が既存の知識から適切な機構を提供できるであろうと考えられるので、本発明の範囲に属する。例えば、ローラーが、適切な電気システムの制御の下、例えば別体の電気的または水圧式のアクチュエーターによって回転されることができ、または、例えば１以上の歯車または歯付きベルトによって互いに機械的にリンクされてもよいので、単一アクチュエーターを使用してローラーを共に回転させることができる。
【００２５】
本明細書に記述された本発明の態様では、スティフナーを生産するための方法及び装置とともに、対応して傾斜された、すなわち非平面状スキンまたは非平面状カバーに取り付けるために適切な、改良された傾斜したスティフナーまたはストリンガーが提供される。
【図１】
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【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６Ａ−６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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