(57)【要約】【課題】自動化された装置を使用して、スクラップを低減させつつ、高度複合材の積層体を高速に製造する。【解決手段】本発明の一実施形態は、テープ材料から複合材プリフォームを製造する方法であって、加工面の上でテープを浮かせるテープ断片ガイドにテープ断片を送り出すステップと、テープ断片を加工面に対して所望の位置および向きに配置するために、テープ断片ガイドと加工面の少なくとも一方を移動させるステップと、加工面に先に置かれているテープ断片に向けてテープ断片を移動させるステップと、先に置かれているテープ断片にテープ断片を付着させるステップを、を有する方法を提供する。複合材テープから複合材プリフォームを製造するための上記方法に対応する装置も本願発明の一つである。【選択図】図１
2014024337.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ材料から複合材プリフォームを製造する方法であって、
加工面の上でテープ断片を浮かせるテープ断片ガイドに前記テープ断片を送り出すステップと、
前記テープ断片を前記加工面に対して所望の位置および向きに配置するために、前記テープ断片ガイドと前記加工面の少なくとも一方を移動させるステップと、
最初のテープ断片については加工面に、２つ目以降のテープ断片については前記加工面に先に置かれているテープ断片に向けて前記テープ断片を移動させるステップと、
２つ目以降のテープ断片については先に置かれている前記テープ断片に前記テープ断片を付着させるステップと、
を含んでおり、
２つ目以降のテープ断片を前記加工面に先に置かれているテープ断片に向けて移動させるステップの少なくとも一つでは、追加のテープ断片を、先に置かれている前記テープ断面に対して、実質的に平行に、且つそれに含まれる繊維の方向が先に置かれている前記テープ断面に含まれる繊維の方向とは異なるように配置し、
先に置かれている前記テープ断片に前記テープ断片を付着させるステップでは、先に置かれた前記テープ断片が存在する部分でのみ付着を行うとともに、先に置かれた前記テープ断片が存在しない部分では付着を行わないようにする、
方法。
【請求項２】
前記テープ断片は、熱可塑性または熱硬化性の高分子樹脂をプリプレグした複数の連続するまたはほぼ連続する強化繊維、熱可塑性または熱硬化性の高分子樹脂をプリプレグした複数の不連続な強化繊維、実質的に熱可塑性または熱硬化性の高分子樹脂、および金属膜の少なくとも１つを含む材料から形成される請求項１に記載の方法。
【請求項３】
芯材に前記テープ断片を付着させるステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記プリフォームは部分的に金属層を含む請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記テープ断片ガイドに前記テープ断片を送り出す前記ステップは、
テープ供給元から、前記加工面の上で前記テープ材料を浮かせる前記テープ断片ガイドにテープ材料を搬送するステップと、
前記テープ断片を提供するために前記テープ材料を所定の長さに切断するステップと、
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記テープ供給元は、巻き出され、テープ断片を形成するために所定の長さに切断される１つ以上のテープ材料のスプールを有する請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記テープ材料のスプールは１つ以上のテープ材料を含む請求項６に記載の方法。
【請求項８】
１つのテープ材料のスプールは別のテープ材料のスプールと幅が異なる請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記テープ材料が送り出される際の前記テープ材料の逆張力を低減させるためにスプールの端に弛みを維持するステップを更に有する請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記テープ材料を搬送するステップは、１つ以上のピンチローラを使用して、前記テープ断片ガイドに前記テープ材料を送り出すステップを有する請求項５に記載の方法。
【請求項１１】
前記テープ断片を提供するために前記テープ材料を切断するステップはインライン（in line）の切断方法を有する請求項５に記載の方法。
【請求項１２】
前記テープ断片ガイドと前記加工面の少なくとも一方を移動させるステップは、前記テープ断片ガイドの下で、前記加工面を回転させ、前記加工面を２軸移動で水平に移動させるステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
先に置かれている前記テープ断片に向けて前記テープ断片を移動させるステップは、前記加工面に向けて前記テープ断片ガイドを移動させるステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
先に置かれている前記テープ断片を前記加工面を介した吸引によって前記加工面に固定するステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記テープ断片を付着させるステップは、熱付着工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記熱付着工程は、超音波スポット溶着を含む請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱付着工程では、先に置かれている前記テープ断片に前記テープ断片を付着させるために、連続的またはほぼ連続的な超音波溶着を使用する請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
先に置かれている前記テープ断片に前記テープ断片を付着させた後に、前記テープ断片が、前記テープ断片ガイドから引き出されるように、前記加工面から前記テープ断片ガイドを遠ざけるステップを更に有する請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記テープ断片を送り出すステップは、前記テープ断片が、湾曲した形状に保持されるように、前記テープ断片ガイド内で前記テープ断片を締め付けるステップを有する請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記テープ断片ガイドは、２本の離間されたレールを有し、
前記テープ断片は、前記レールの間に長手方向に浮かされ、
前記テープ断片を付着させるステップは、
前記離間されたレールの間の前記テープ断片を押圧するステップと、
先に置かれている前記テープ断片に前記テープ断片を付着させるステップと、
前記テープ断片が、前記離間されたレールから解放されるように、前記離間されたレールを前記加工面から遠ざける際に前記テープ断片の押圧を維持するステップと、
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
先に置かれている前記テープ断片に向けて前記テープ断片を移動させるステップは、前記テープ断片が先に置かれている前記テープ断片の近くに載置されるまで、前記テープ断片ガイドを移動させるステップを有し、
前記テープ断片を付着させるステップは、
前記テープ断片が、先に置かれている前記テープ断片に接するように、前記テープ断片の、前記テープ断片ガイドによって支持されていない部分を押圧するステップと、
前記支持されていない部分を先に置かれている前記テープ断片に付着させるステップと、
を有する請求項１に記載の方法。
【請求項２２】
前記テープ断片ガイドは、対向する溝が設けられている実質的に平行なガイドレールを有し、
前記方法は、前記溝に前記テープ断片の長手縁を保持するステップを更に有する請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記テープ材料を切断するステップは、前記テープ材料の長手方向に対して切断ブレードの角度を調整するステップを有し、
前記方法は、前記角度の調整前後で前記テープ断片ガイドと前記切断ブレード間の距離を実質的に一定に維持するステップを更に有する請求項５に記載の方法。
【請求項２４】
複合材テープから複合材プリフォームを製造するための装置であって、
テープ材料を配給するテープ供給ユニットと、
前記テープ供給ユニットからテープを受け取るテープフィードユニットと、
前記テープフィードユニットから送り出されたテープを切断するカッターユニットと、
前記テープフィードユニットから送り出され、前記カッターユニットによって切断されたテープ断片を受け取るテープ断片ガイドと、
加工面と、
前記テープ断片を他の同様のテープ断片に付着させるように構成されたテープ付着器と、
を有し、
前記テープ断片ガイドは、前記加工面の上で前記テープ断片を浮かせるように構成され、
前記テープ断片ガイドと前記加工面の少なくとも一方は、前記加工面に対して平行とされた前記テープ断片を所望の位置におよびそれに含まれる繊維の方向を所望の角度とするようにして配置するために移動するように構成され、
前記テープ断片ガイドは、前記テープ断片を前記加工面に向けて移動させるように構成され、
前記テープ付着器は、前記テープ断片を押圧し、前記テープ断片を別の同様のテープ断片に付着させるように構成されているとともに、先に置かれた前記テープ断片が存在する部分でのみ付着を行うとともに、先に置かれた前記テープ断片が存在しない部分では付着を行わないようにするようになっている、装置。
【請求項２５】
前記テープ供給ユニットは、前記テープフィードユニットとテープのスプール間のテープの張力が最小限に低減されるように能動的に巻き出されるテープ材料のスプールを格納する１つ以上のクリールボックスを有する請求項２４に記載の装置。
【請求項２６】
ピンチローラが、クリールボックス内で、スプールからテープを送り出して、テープの弛んだ巻きを形成し、前記ピンチローラは、１つ以上の弛みループ位置センサからのフィードバックを使用して、前記弛みループのサイズを所定の範囲内に維持するように構成されている請求項２５に記載の装置。
【請求項２７】
前記テープフィードユニットは、テープの位置合せを維持するピンチローラとフィードガイドとを有する請求項２４に記載の装置。
【請求項２８】
前記カッターユニットは、前記テープフィードユニットがその間に前記テープを送り出すブレードおよびアンビルを有しており、前記ブレードが前記アンビルとの間で挟み込むことにより前記テープを前記テープ断片に切断するように、前記ブレードおよび前記アンビルの移動が制御されるようになっている請求項２４に記載の装置。
【請求項２９】
前記カッターユニットは、前記テープの長手方向に対して複数の角度に前記テープを切断するようになっている請求項２４に記載の装置。
【請求項３０】
前記テープ断片ガイドは、前記カッターユニットが切断角を変更する前後で、前記テープ断片ガイドと前記カッターユニット間に実質的に一定の距離を維持するように構成されている請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記カッターユニットは、その幅にわたる湾曲した軌跡で前記テープを切断するようになっている請求項２８に記載の装置。
【請求項３２】
前記テープ断片ガイドは、キャリッジに接続され、互いに対して配置されている２本以上の実質的に平行な溝付きレールを備えており、前記テープが前記溝に送り出されると、前記テープの対向する長手縁を保持するようになっている請求項２８に記載の装置。
【請求項３３】
前記キャリッジは、前記テープ断片ガイドに保持されているテープ断片を、前記テープが送り出されて切断される第１の位置から、前記加工面の近くの第２の位置に移動させる請求項３２に記載の装置。
【請求項３４】
前記加工面は、前記テープ断片を所望の位置および相対角度に配置するために、回転と、水平方向の互いに直行する２つの軸に沿う移動とを行えるようになっている、請求項２８に記載の装置。
【請求項３５】
前記加工面は、実質的に平坦な多孔板であり、前記加工面と接しているテープ断片を固定するための十分な吸引を生じさせるために前記多孔板から空気を吸引するようになっている請求項２８に記載の装置。
【請求項３６】
前記テープ付着器は、前記テープ断片を押圧し、先に置かれているテープ断片に前記テープ断片を取り付ける１以上の超音波タック溶着ヘッドの配列を有している請求項２８に記載の装置。
【請求項３７】
前記テープ断片を前記加工面に対して実質的に移動させることなく、前記テープ断片が前記テープ断片ガイドから解放されるように、前記テープ断片ガイドが前記加工面から後退する間に、前記テープ断片の、前記テープ断片ガイドによって支持されていない部分を押圧する押圧フィートを更に有する請求項２８に記載の装置。
【請求項３８】
１以上の超音波ウェルダーヘッドが前記押圧フィートを有する請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記テープ断片ガイドは、幅の異なるテープ断片に対応するようにその幅を自動的に調整する請求項２４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２００７年９月２６日に出願された米国仮出願第６０／９７５,４６４号ならびに２００８年９月２４日に出願された米国出願番号第１２／２３７，０７７号についての利益を主張し、これらの全体を引用によりここに援用する。
【０００２】
本発明は、一般に、高度複合材に関し、より詳細には、自動化された装置を使用して、スクラップを低減させつつ、高度複合材の積層体を高速に製造するためのシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
低重量で、高い強度および／または剛性を必要とする高性能の構造製品への高度複合材の使用が増えている。複合材とは、２種以上の構成材を含む実用的な材料である。本特許は、カーボンファイバー、グラスファイバーまたは他のも素材の繊維である強化繊維と、エポキシ、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレンまたは他の樹脂などの熱硬化性または熱可塑性の高分子樹脂とを組み合わせた高分子複合材に関する。繊維は、通常、繊維長方向の剛性と強度を与え、樹脂は、形状を定め、靭性を与えるとともに、繊維間に負荷を移動させる。繊維の樹脂に対する比（「繊維体積分率」とも呼ばれる）、繊維長、（繊維の向きがランダムな場合とは対照的な）製品の負荷に対する繊維の整列度、繊維の直線性が上がれば、高度複合材の構造的性能は向上する。また、高度複合材の重量は、その部分にかかる応力が大きいか／小さいかに応じて材料を選択的に増減することによって改善することができる。
【０００４】
一般に、高性能の高度複合材の製造は、時間がかかり、労働集約的な工程である。このため、重労働を軽減し、サイクルタイムを短縮し、製品の品質と再現性を改善するために、高度複合材の製造を自動化するための手法がいくつか開発されている。そのための装置は、航空機の胴体全体から圧力容器、パイプ、風力タービンのブレード、および翼の外板にわたる、大小の製品の製造に使用されている。このような機械は、一般に、多軸の数値制御装置に搭載された材料載置ヘッドを使用して、マンドレルまたはモールドにテープ材料を直接載置する。材料がレイアップされると、任意の下地層と一体化される。これは「インシトゥ（in situ）」一体化と呼ばれている。
【０００５】
引用することによって援用される米国特許第６,６０７,６２６号明細書および米国特許第６,９３９,４２３号明細書に記載されている別の手法は、複合材の積層体の全ての層が単純に付着される、平坦な「テーラードブランク（tailored blank）」をレイアップするものである。テーラードブランクを形成したら、その後実施する加工のステップにより、各層が一体化され、ブランクが最終形状に成形される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
テープおよび繊維載置機に一般的な１つの特徴は、加工面に材料を適用するために用いられる全体的な手法である。この装置は、テープまたはトウ（tow）材料を加工面に連続的に巻き出し、材料が表面に送り出されると、１以上の圧縮ローラまたはシューを使用して、それに材料を付着させる（tack it in place）。この手法によれば、高品質の製品を製造することができるが、材料の載置を高速化するには、大型でハイパワーの装置が必要となることが制約となっている。このことが、システムのサイズ、エネルギー消費、コストおよび精度に複合的に影響する。また、多くのシステムにおいては、特に、通常、融解されて載置中に再固化される熱可塑性樹脂を用いた複合材では、生産の速度が熱伝達の速さによって制約を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、加工面に複合材テープ材料を適用するためのシステムおよび方法を提供する。テープを加工面に連続的に適用する代わりに、本発明は、所定の長さのテープ材料を供給し、これを加工面の上に配置する。テープは、事前にテープ断片に切断されても、テープ供給元から送り出されて、所望の長さのテープ断片（またはコース）に切断されてもよい。テープ断片は、加工面に向けて移動する。テープ断片を加工面の近くまたはその上に配置したら、テープ断片全体が、一つの工程で下地の材料に付着されうる。この付着では、例えば、スポットウェルダーを使用して離れた場所で下地の材料にテープ断片を融着させることができる。付着工程からテープの送り出し工程を分離することにより、システムあ、自動化され、高速かつ高い信頼性で作動できるようになる。
【０００８】
本発明の一実施形態は、多軸可動テーブルの上に１以上のテープ断片を配置し、前記テーブルに前記テープ断片を下降させ、スポット溶着ユニットの配列を使用して前記テープ断片を先に配置されている材料に付着させることによって、高性能の高度複合材積層体を製造するためのシステムおよび方法を有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の一実施形態による例示的なテーラードブランクを示す模式図である。
【図２】本発明の一実施形態による、複合材テープを適用するための例示的なシステムを模式的に示す斜視図である。
【図３】図２のシステムを模式的に示す正面図である。
【図４】図２のシステムを模式的に示す上面図である。
【図５】本発明の一実施形態による、例示的な材料ディスペンスシステムおよびテープ搬送レールの詳細を示す模式図である。
【図６】本発明の一実施形態による、例示的な材料ディスペンスシステムおよびオートフィードユニットの詳細を示す模式図である。
【図７】本発明の一実施形態による例示的な載置ヘッドを示す模式図である。
【図８】本発明の一実施形態による、フロントフレームプレートを外した状態の例示的なフィードおよびカッターユニットを模式的に示す側面図である。
【図９ａ】本発明の一実施形態による、例示的なテープ載置ヘッドの詳細を示す模式図である。
【図９ｂ】本発明の一実施形態による、例示的なテープ載置ヘッドの詳細を示す模式図である。
【図１０】本発明の一実施形態による例示的なテープキャリッジの詳細を示す模式図である。
【図１１】本発明の一実施形態による例示的なキャリッジフレームを模式的に示す端面図である。
【図１２】本発明の一実施形態による例示的なキャリッジフレームのスロット形状孔を示す模式図である。
【図１３】本発明の一実施形態による、フィードおよびカッターユニットの出口を通り、キャリッジフレームのガイドレールに入るテープを模式的に示す側面図である。
【図１４】本発明の一実施形態による例示的なウェルダーフレームユニットの正面図を示す模式図である。
【図１５】本発明の一実施形態による、押圧フットが取り付けられている例示的な１つのウェルダーユニットを模式的に示す正面図である。
【図１６】本発明の一実施形態による巻き出しおよび弛みシステムの例示的な構成を示す模式図である。
【図１７】本発明の一実施形態による１つのオートフィーダーユニットの詳細な図を示す模式図である。
【図１８】本発明の一実施形態による、ガイドレール間の湾曲した形状のテープ断片と、加工面に対して垂直位置に下降したガイドレールを模式的に示す端面図である。
【図１９】本発明の一実施形態による、下地のテープ断片に付着されているテープ断片を模式的に示す端面図である。
【図２０】本発明の一実施形態による、ガイドレールが後退し、押圧フットがテープ断片を保持したときに、ガイドレールから除去されるテープ断片を模式的に示す端面図である。
【図２１】本発明の一実施形態による、ガイドレールが格納され押圧フットが格納された状態を模式的に示す端面図である。
【図２２】本発明の一実施形態による、アングルカッターと共にガイドレールの水平方向の移動を示す模式図である。
【図２３】本発明の一実施形態による、＋４５°の切断位置における例示的なアングルカッターと水平駆動ガイドレール機構を示す模式図である。
【図２４】＋４５°の切断位置の切断角の状態の、図２３の例示的なアングルカッターと水平駆動ガイドレール機構を示す模式図である。
【図２５】０°の切断位置の切断角の状態の、図２３の例示的なアングルカッターと水平駆動ガイドレール機構を示す模式図である。
【図２６】−４５°の切断位置の切断角の状態の、図２３の例示的なアングルカッターと水平駆動ガイドレール機構を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の一実施形態は、テープの載置方法を提供する。以下に詳細に説明するように、本テープの載置方法は、加工面の上に材料載置ヘッドを配置するステップと、前記加工面の上に前記テープを保持するガイドにテープを送り出すステップと、前記フィードストックから前記テープをテープ断片に切断するステップと、前記加工面の近くまたはその上に前記テープ断片を移動させるステップと、前記テープ断片を下地のテープの層に付着させるか、前記加工面に前記テープ断片を固定するステップと、を有する。
【００１１】
材料
本発明は、プリプレグ繊維、ポリマーテープおよび純ポリマーテープなどのテープ材料により高度複合材のプリフォームを製造するために使用することができる。高度複合材は、強化繊維、高分子樹脂を含み、場合によっては発泡体またはハニカムなどの芯材を含む。製品は、１以上の向きまたはプライ角で材料の層を積層することによって製造される。プライ角は、製品の負荷要件によって決定される。一般に、積層体に含まれる材料は、強化繊維と高分子樹脂を含むプリプレグテープである。しかし、用途の要件によって、無強化ポリマーテープ、芯材または金属膜などの他の材料が積層体に含まれてもよい。
【００１２】
強化繊維は、例えば、カーボン、ガラス、玄武岩、アラミド、ポリエチレンまたは任意の他の強化材から形成されうる。ひも、ロープ、毛髪または他の繊維などのような、ポリマー複合材に使用される強化繊維は、繊維の長さ方向について、製品に強度および剛性を与える。繊維は、好ましくはテープの長さにわたって連続しているかほぼ連続しており、テープ長（またはテープの長手方向）に平行に整列されるが、本発明の実施には、テープに対して特別な強化のための処理を必要としない。高分子樹脂は、熱可塑性のもの（例えば、ポリアミド、ポリフェニレンスルフィド）または熱硬化性のもの（例えば、エポキシ、ビニルエステルまたはポリエステル）であってもよい。ほとんどのポリマー複合材の用途と同様に、使用する高分子樹脂と繊維の種類、複合材中のこれらの割合と形状は、製造する製品に特有の要件によって決定される。
【００１３】
工程
【００１４】
本発明は、テープ材料の複数の層を含む積層体を製造するために使用することができる。各層は、平行に配置される１以上のテープ断片（「コース」とも呼ばれる）を有し、各層は、１つ以上、下地の層に融着される。最終的に製造される製品が所望の構造特性を有するように、各層の形状と、層内の繊維に対する積層体中の他の層内の繊維の向き（すなわち角度）とが選択される。テーラードブランクを製造するために用いられる方法の第１のステップでは、スプールから所定の長さのテープ材料をテープ断片配置システムに送り出し、テープ断片配置システムは、テープが配置される加工面の上にテープを浮かせる。第２のステップは、ステップ１と同時に実施してもよく、テープ断片が加工面（tool）に下降されるときに、テープ断片が製品の正しい位置と向きに配置されるように、加工面（tool）に対してテープ断片を配置する。第３のステップでは、ガイドによりテープ断片が下降され、テープ断片が下地の材料に付着されるか、加工面に固定される。加工面に直接接している材料は、テープの層を互いに付着させるために用いる方法とは異なる方法（真空など）を使用して加工面（tool）に固定することができる。材料の断片が、下地の材料または加工面に固定されると、テープ断片配置システムと付着システムが、その初期位置に戻り、新しい材料の断片がガイドに送り出され、ブランクが完成するまでこの工程を繰り返すことができる。
【００１５】
この加工方法にはバリエーションがあり、他の実施形態を使用してもよい。工程を、一連の連続するステップとしてここでは説明しているが、総加工時間を短縮するために、本方法の実施形態ではこれらのステップが同時に実施されてもよい。例えば、テープ断片配置システムおよび／または加工面（tool）の所定位置への移動は、ガイドの昇降および／またはテープのガイドへの送り出しと同時に行うことができる。また、本方法の実施形態は、装置に追加の配置ヘッドを搭載することによって、一度に複数の断片を配置するようにすることもできる。このため、本明細書全体は、その全体にわたって、断片が必ずしも１つずつ配置されることを示唆することはない。本方法の特定の実施形態では、１つのブランク内に幅が異なる材料や複数種の材料を配置することができてもよい。
【００１６】
また、本発明の別の実施形態では、ガイドレールに送り出した後にテープを切断するのではなく、事前に切断されているテープ断片を配置してもよい。装置の動作の順序のクリティカルパスから切断工程を省略することができるため、ガイドレールの前に、事前に切断されているテープを使用する（staging）ことで、装置の動作をスピードアップすることができる。テープ断片が、送り出しおよび配置と連動して事前に切断されても、テープ断片が、オフラインで事前に切断され、ガイドレールに送り出すキットとして使用（staged）されてもよい。
【００１７】
層を相互に付着させるために用いられる方法と、層の付着の程度は、実施形態毎に変更することができる別のパラメータである。コースを下地の層に付着させるための方法としては、接触加熱、超音波溶着、誘導溶着、レーザー加熱、高温ガス、または層を相互に接着するためのその他の方法が挙げられる。また、本方法は、関節式ヘッド、可動加工面、またはこの２つの配置手法の組み合せと併用することができる。ここに記載の実施形態は、ｘ方向およびｙ方向の移動と回転とが可能な平坦な加工面の上に配置される固定式材料配置ヘッドを使用することができるものとするが、配置ヘッドと加工面間の相対移動は、配置ヘッドの移動またはこの２つの組み合せによっても行うことができる。
【００１８】
本発明の実施
本発明の特定の実施を図１〜１６に示す。この例示的なシステムは、材料ディスペンスシステム１、テープ搬送レール２、配置ヘッド３、ブランク加工面として機能する真空テーブル４、３軸可動テーブル５、および構造ビーム６を備える。配置ヘッド３とテープ搬送レール２は、構造体のビームに取り付けられており、可動テーブル５と真空テーブル４の上に位置している。追加の支援システムも図示されており、これには、オペレータインタフェースコンピュータ７、電子制御キャビネット８、真空ポンプ９および周辺安全ガード１０が含まれる。
【００１９】
例えば、図５、６、１６、１７に示すように、材料ディスペンスシステム１（「クリールラック」とも呼ばれる）は、テープアンスプーラ機構１１を備えた１つ以上のクリールボックス３５を備える。このシステムにおいて、テープのロール４７が、スピンドル１２に装填され、固定されている。テープがほどけないようにするためにスプールガード１３が配置されている。テープの端が、クリールフィード機構１４のフィードローラ１５の間の第１のガイドローラ４８に送り出され、第２のガイドローラ４９を通る。その後、テープの１つの輪がスプール全体の周りでループを形成し、クリールフィード機構内の別の組のガイドローラ１６を回って送り出され、オートフィーダーユニット１７に送られる。テープがオートフィーダーユニットに送り出されると、オートフィーダーのピンチローラ１８が係合し、フィードガイド１９を通して（例えば、図１７を参照）、テープ搬送レールを通り、テープ配置ヘッド３に送り出す。テープがテープ配置ヘッドのフィードローラ２３を通ると、このローラ２３が係合し、オートフィーダーのローラ１８は解除される。
【００２０】
図７に示すように、テープ配置ヘッド３は、テープフィードおよびカッターユニット２０、溶着ユニット２１、ならびにテープキャリッジユニット２２の３つのサブシステムを備える。テープは、テープフィードおよびカッターユニット２０と、駆動している一組のフィードローラ２３とを通る。例えば、図８〜１０に示すように、フィードローラ２３はテープを挟み、調整可能なテープ位置合わせプレート４４に押し込み、テープ切断ユニット２４を通って、テープキャリッジユニット２２の一部であるガイドレール２５に送る。テープの端とカッターブレード４５の間の距離が所望のストリップ長２６になるまで、テープがガイドレール２５を通って送り出される。ある長さに等しくなると、ピンチローラがテープの送り出しを中断し、カッターユニットがテープを切断する。これにより、既知の長さのテープ断片２７がガイドレール２５間に浮いている状態となる。
【００２１】
図８に示すフィードおよびカッターユニットにおいて、カッターユニット２４は、フィードユニットがその間にテープを送り出すブレードとアンビルを有し、ブレードがアンビルとの間で挟み込むことによりテープをテープ断片に切断するように、ブレードとアンビルの移動が制御される。別のカッターの実施形態も使用することができ、これには、例えば、回転ナイフカッター、超音波ナイフ、あるいはテープの幅にわたる軌跡を通ってテープを切断することができるレーザーが含まれる。横断カッターまたは類似の装置については、例えば、切断線が湾曲形状や鋸状など、直線でなくてもよい。
【００２２】
ガイドレール２５は、テープキャリッジユニット２２の一部である。この実施形態では、システムは、一組のキャリッジフレーム２８にそれぞれ取り付けられた実質的に平行な２本のガイドレール２５を備える。テープのそれぞれの縁に対して、１本のガイドレールと１つのキャリッジフレームが設けられている。各キャリッジフレームは、リニアスライド３０とリニアアクチュエータ３１を介してメインウェルダーフレーム２９に取り付けられている。図１２に示すように、キャリッジフレームの水平部分４３内のスロット形状の取付孔４２により、テープ４８の中心線からのガイドの間隔を調整することができる。
【００２３】
この実施形態では、ガイドレールに設けた溝にテープの縁が載り、テープ断片がガイドレールの間に保持される。ある程度の横剛性（すなわち、テープ断片の幅方向の剛性）を有するテープは、溝に載せるだけで保持される。溝に保持するには横剛性が不十分なテープの場合、テープが締め付けられ、テープの中心がテープの縁より高い湾曲した形状になるように、ガイドレールが接近することができる。湾曲した形状はテープ断片に横剛性を付加し、ガイドによってテープを保持することが可能となる。
【００２４】
図１８〜２１は、テープ断片５６をハンドリングし、配置して、下地のテープ断片に付着させるための例示的なシステムおよび方法を示す。この例では、テープ断片５６は、ガイドレール２５の溝の下面に載せるだけで溝内に保持するには横剛性が不十分である。このため、テープ断片５６の縁が溝の垂直壁によって締め付けられるように、ガイドレール２５が近づき、図１８に示すように、テープ断片の中心がその縁５３より高くなるようにテープ断片５６が湾曲した形状になる。換言すれば、図１８では、テープ断片５６が幅方向において水平に対して凸状となっている。湾曲した形状はテープ断片に横剛性を付加し、ガイドレールによってテープを保持することが可能となる。
【００２５】
テープ断片５６がガイドレール２５に保持された状態で、図１８に示すように、ガイドレール２５が、加工面４のすぐ上の点まで下降する。次に、図１９に示すように、１本以上の圧力フィート５４が下降し、テープ断片５６を下地の材料に押圧する。本発明の本実施形態では、上記の専用の圧力フィート３３に加えて、ウェルダーチップ４６自体も圧力フィートとしても機能する。別の実施形態では、ウェルダーチップと圧力フィートが、１つの装置に統合されていてもよい。テープが配置されウェルダーチップが下降すると、テープ断片が下地の材料にタック溶着される。テープ断片が加工面に直接接する場合もあれば、先に配置されているテープ断片５５に接する場合もある。ウェルダーチップの下のテープ断片が、加工面に直接接している場合、テープ断片のその部分が、例えば、真空によってテーブルに固定されているため、チップのウェルダーが作動されることはない。
【００２６】
溶着が行われると、図２０に示すように、圧力フィートがテープを押圧している間にガイドレール２５が上昇する。これにより、テープの端がガイドレール２５の溝から滑り出て、ガイドレール２５からテープ断片５６が解放される。次に、図２１に示すように、圧力フィートが後退し、テープ断片５６が加工面４に置かれたままとなる。
【００２７】
真空テーブル４は、その上で製品が組み立てられる加工面として機能する。真空テーブルは、配置ヘッドの下に真空テーブルを正確に定位させられる３軸可動プラットフォーム５に取り付けられている。オフラインのプログラムからの命令が、テープの長さと、テーブル上でのテープの位置および向きとを決定する。テープが、ガイドレール２５に送り出されている間に、可動プラットフォーム５が、真空テーブルを、配置ヘッドの下の所望のｘ軸座標、ｙ軸座標および回転角座標に移動させる。
【００２８】
テープがガイドレール２５に送り出され、ロールから断片に切断され、真空テーブル４が所望の位置に配置されると、テープ断片が、先に配置されている層または加工面にほぼ接するまで、キャリッジフレーム２８が下降する。溶着ユニット２１から、１つ以上のウェルダーユニット３２の配列（図２、４、７では６つのウェルダーユニットが図示されている）が下降し、テープ断片を加工面（tool）に押圧する。ウェルダーチップ４６に加えて、押圧フット３３も、各ウェルダーアクチュエータ（例えば図１４、１５を参照）に取り付けられている。この押圧フットも、テープが下地の材料に付着されるまで、テープを押し下げてテープを固定する。
【００２９】
この時点で、各ウェルダーチップの下のテープは、加工面である真空テーブル４に直接接しているか、または、先に配置されていた材料の上に配置されている。前者の状況では、テープ断片が、テーブルの真空によって固定されている。後者の場合、ウェルダーが作動され、テープの最上層を下地の材料に付着させる。本発明の一実施形態では、ウェルダーは、超音波インパルスを使用して溶着を行う。
【００３０】
溶着／付着ステップが完了すると、ウェルダーユニットがテープと接したまま、キャリッジフレームが上昇し、そのロード位置に戻り始める。テープの中心が加工面（tool）に固定され、また、ウェルダーユニットによって押さえ付けられているため、この動きによりテープの縁がガイドレール２５から滑り出る。テープの縁がガイドレール２５から解放されると、ウェルダーユニットが後退し、テープ断片が真空テーブルの加工面に保持されたままとなる。
【００３１】
この手順が、ブランクを構成している各材料の断片に対して繰り返される。最後のテープ断片が配置されると、テーブルの吸引が切断され、テーブルから製品を容易に取り出すことが可能となる。
【００３２】
配置ヘッド３がガイドレール２５に高速にテープを供給するためには、テープは、逆張力が非常に低いことが好ましい。能動的な張力調節を行わなければ、フィードローラが、テープを所定位置に押し出す際に、材料のスプールの慣性が、テープの速い加速および減速に抵抗しかねない。このため、図１６に示すように、クリールボックス３５内で材料の最終ループ３４に弛みを発生させるように、材料ディスペンスシステム１は能動的に材料のロールを巻き出す。弛みの量は、配置するテープ断片の長さによって決まる。この弛みループにより、テープの逆張力がごく小さくなり、配置ヘッドが非常に高速に材料を供給することが可能となる。弛みループが小さくなり過ぎたり大きくなり過ぎると、クリールボックス３６内のセンサが、制御系にこれを通知する。
【００３３】
ピンチローラが、クリールボックス内で、スプールからテープを送り出して、テープの弛んだ輪を形成し、１つ以上の弛みループ位置センサからのフィードバックを使用して、弛みループのサイズを所定の範囲内に維持するように構成されうる。テープスプールの端に弛みを維持することで、テープの送り出し時のテープの逆張力が低減される。テープ供給元ユニットのテープスプールを能動的に送り出すことにより、テープフィードユニットとテープスプールの間のテープの張力が最小限に低減される。
【００３４】
運転中に、いくつかの原因により、正常動作のシーケンスが中断されることがある。このような原因の発生を通知し、これらを処理するためにいくつかのセンサが配置されている。１つの原因は、フィードローラが送り出すテープの量が適切ではない場合である。これは、テープが送り出されている量を測定するエンコーダホイール３７（図９ａ、９ｂ）を搭載することで対処することができる。測定された送り出し長が、所望の送り出し長に対する所定の許容範囲から外れている場合、是正処置がとられる。
【００３５】
また、システムは、材料のロールの端に達したことを検知する。ロールの端に達すると、オートフィーダーユニット１７のセンサ３８（図１７）がテープの端を検出する。配置ヘッド３への入口に設けられた第２の材料検出センサ３９（図８）がテープの端を検出するまで、システムはテープの送り出しを続ける。テープの端がこの点を通過すると、フィードローラが止まり、配置ヘッド内の方向変換プレート４０が係合して、テープの端を下に押す。次に、可動プラットフォームが、真空テーブルを配置ヘッドの下から移動させ、フィードローラ２３が逆転し、最後のテープストリップがキャッチベースン４１に送り出される。第２のクリールボックスに同じテープが装填されている場合には、システムは、オートフィーダーを作動させて配置ヘッドに新しい材料を装填し、それ以上遅延させることなく工程を続行することができる。
【００３６】
第２のクリールボックスは、複数の用途に使用することができる。テーラードブランクに複数種のテープ材料（例えば、グラスファイバーテープ、カーボンファイバーテープなど）が含まれる場合、クリールボックスに異なる材料を装填することができる。その後、配置ヘッドは、手動で再装填させる必要なく、２種類の材料をレイアップすることが可能である。一方のクリールボックスのオートフィードユニットのピンチローラが、十分な距離テープを引き出し、もう一方のクリールボックスからのテープを配置ヘッドに送り出し可能となる。
【００３７】
ここに記載した実施形態では、装置を、異なるテープ幅を加工するように設定することができる。加工するテープの幅を変更するには、テープロールの中心線が、ウェルダーチップの中心線と位置合わせされるように、クリールボックスに調整が行われる。次に、所望のテープ幅に対応するために、フィードガイドのエッジ、テープ搬送レールおよびキャリッジフレームのそれぞれの間隔が短縮または延長される。一実施形態では、調整は手動で行われる。別の実施形態では、自動幅調整を使用する。この自動調整により、幅の異なる材料を駆動させるために装置の設定に要する時間を短縮することができ、装置を停止させて調整を行う必要なく、複数のテープ幅を１つのブランクにレイアップできるようにする。
【００３８】
本発明の別の実施形態では、切断端がテープの側面に必ずしも垂直とは限らずにテープを切断できる機能が追加されている。切断角を変更可能とすることは、テーラードブランクの自由度を高め、ひいてはブランクの性能を改善することができる。本発明の一実施形態による例示的なアングル切断システムが、図２２〜２６に示される。このシステムでは、カッターユニット５０が、その中心の周りに回転し、ガイドレール５１がそれぞれ前後に移動して、テープ断片２６の切断端５２とガイドレール５１の間隔を狭く保っている。図の実施形態では、この水平移動は、垂直に向けたリニアスライド５８とアクチュエータが搭載されているウェルダーフレーム５９に、水平に向けたリニアスライド５７とアクチュエータを追加することによって行うことができる。カッターユニットが所定の角度に回転する際に（角度の異なる３種類のシステム構成を図２４〜２６に示す）、カッターの一方の側がガイドレールに接近し、もう一方の側がガイドレールから離れる。この動きは、カッターとレールの間の間隙を最短にするために、ガイドレールにより一致させる。間隙を最短にすることで、ガイドレールから出るテープ断片の量がごく僅かになることが保証され、テープ断片の端がガイドレールの端から垂れ下がり、テープ断片の取り扱いを妨げることのないよう防止することができる。
【００３９】
記載したシステムの別の変形例は、ガイドレールを、垂直方向だけではなく、テープの送り出し方向に沿って水平方向にも移動させるキャリッジシステムを備える。このような移動により、ウェルダーヘッドに対してテープをより正確に定位させることが可能となり、カッターブレードと第１のウェルダーヘッドの間の距離よりも短い経路を採用することが可能となる。カッターがテープ断片を切断し、テープがガイドレール内にあるときに、キャリッジが、カッターから水平方向に離れ、テープ断片を配置するために加工面に向けて下降する。横方向のガイドレール移動は、独立した概念として含まれてもよいが、アングル切断システムの特徴としてもよい。
【００４０】
本発明の一実施形態では、加工面およびガイドレールの一方または両方が、相対移動を与えるように移動する。このような移動は、水平、垂直、これらの組み合せなど、任意の方向に行われ、並進移動、回転移動、または枢軸移動などの移動が含まれてもよい。
【００４１】
当業者が理解するように、本明細書に記載のガイドレールは、テープが送り出され切断された後に、加工面の上にテープを浮かし、テープを配置するために使用することができる多くの手段の１つに過ぎない。加工面の上にテープを浮かせるために真空を使用する他の方法、ガイドレール間の間隔を広げて、テープを解放するトレイ、格納式のトレイ、あるいは他の機構も使用することができる。
【００４２】
例示ならびに説明のため、本発明の好ましい実施形態を上記に開示した。あらゆる形態を網羅したり、本発明を開示したそのままの形態に限定するものではない。上記の開示を鑑みれば、当業者にとって、本明細書に記載した実施形態の多くの変形例および変更例が明らかとなろう。本発明の範囲は、本明細書に添付の特許請求の範囲ならびにその均等物によってのみ定義される。
【００４３】
さらに、本発明の代表的な実施形態を記載する際に、本明細書では、本発明の方法および／またはステップを、特定順序の一連のステップによって記載した。しかし、その方法またはステップが、記載した特定のステップの順序に依存しない限り、その方法またはステップは、ここに記載した特定のステップの順序に限定されるべきではない。当業者が理解するように、ステップの順序の変更も可能である。したがって、本明細書に記載した特定のステップの順序は、特許請求の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。さらに、本発明の方法および／またはステップを対象とした請求項は、ステップの実行を、記載どおりの順序に限定されるべきではなく、本発明の趣旨ならびに範囲から逸脱することなくその順序を変更してもよいことを当業者は容易に理解できる。
【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６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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