(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
テープ材料から複合材料プリフォームを製造する方法であって、
テープ断片をブランク加工を行うための面に懸架するテープ断片ガイドに、前記テープ断片の第１端部が最初に前記テープ断片ガイドの第１位置に配置され、前記テープ断片の第２端部が最初に前記テープ断片ガイドの第２位置に配置されるように、前記テープ断片を供給し、
前記テープ断片を、前記ブランク加工を行うための面に対して所望の位置および向きに位置決めするために、前記テープ断片ガイドと前記ブランク加工を行うための面とを相対的に移動させ、
前記テープ断片ガイドにおいて、前記第１端部を第３位置に移動させ、前記第２端部を第４位置に移動させるように前記テープ断片を移動させ、
前記テープ断片を既存のテープ断片に固定することを特徴とする、テープ材料から複合材料プリフォームを製造する方法。
【請求項２】
前記テープ断片の移動は、前記テープ断片を把持部材で把持し、前記把持部材を前記テープ断片ガイドに沿って移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記テープ断片の供給は、把持部材を使用してテープ供給源からテープを引っ張り、前記テープを前記テープ断片に切断することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記テープ断片の固定は、少なくとも１つの溶接ユニットを含む溶接アセンブリを使用して前記テープ断片を前記既存のテープ断片に仮付けすることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記溶接アセンブリは、長手軸に沿って配置された、第１溶接ユニット、第２溶接ユニット、および第３溶接ユニットを含み、前記第２溶接ユニットは前記第１溶接ユニットと前記第３溶接ユニットとの間に配置されており、
前記方法は、さらに、
前記テープ断片を、前記第２溶接ユニットと整列させて、また前記長手軸に沿って、初期位置に、前記第１溶接ユニット、前記第２溶接ユニット、および前記第３溶接ユニットを位置決めし、
前記第１溶接ユニットと前記第３溶接ユニットとを前記初期位置に維持しながら、前記第２溶接ユニットを前記初期位置から前記テープ断片に向かって移動させ、
前記第２溶接ユニットを使用して前記テープ断片を前記既存のテープ断片に仮付けすることを特徴とする、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
テープの一部をブランク加工を行うための面に懸架するテープ断片ガイドに、前記テープの一部を供給し、
前記テープの一部の端部を把持して、前記テープ断片ガイドを介して前記テープの一部を引っ張り、
前記テープの一部の端部が所定の位置まで引っ張られたらテープ断片を形成するために前記テープの一部を切断し、
前記テープ断片を既存のテープ断片に固定することを特徴とする、テープ材料から複合材料プリフォームを製造する方法。
【請求項７】
前記テープ断片ガイドを介して前記テープ断片を移動させることをさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記テープ断片の固定は、テープ仮付け装置を前記テープ断片に向かって前記テープ断片に対して所定の位置まで移動させることを含み、前記テープ仮付け装置の移動と前記テープ断片の移動とはほぼ同時に行われることを特徴とする、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記ブランク加工を行うための面を移動させることをさらに含み、前記既存のテープ断片は前記ブランク加工を行うための面に配置されることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１０】
前記テープ断片の前記既存のテープ断片への固定は、テープ仮付け装置を前記テープ断片に向かって移動させることを含み、前記テープ断片と前記ブランク加工を行うための面とはほぼ同時に移動できることを特徴とする、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記テープ断片の固定は、前記テープ断片を前記既存のテープ断片に仮付けすることを含み、前記テープ断片の前記既存のテープ断片への仮付けは、一組の溶接ユニットのうちの複数の溶接ユニットを作動させることを含み、作動される溶接ユニットの数は前記テープ断片の長さと位置とによって決まることを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
隣接する溶接ユニットの第１群は前記テープ断片に向かって降下し、隣接する溶接ユニットの第２群は前記隣接する溶接ユニットの第１群に対して静止したままであることを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記一組の溶接ユニットは、第１溶接ユニット、第２溶接ユニットおよび第３溶接ユニットを含み、前記第２溶接ユニットは前記第１溶接ユニットと前記第３溶接ユニットとの間に配置され、前記溶接ユニットの作動は前記第１溶接ユニットおよび前記第３溶接ユニットに対して前記第２溶接ユニットを降下させることを含むことを特徴とする、請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
テープ断片を受容するテープ断片ガイドと、
前記テープ断片を前記テープ断片ガイドにおいて把持するよう構成されたテープ把持アセンブリと、
前記テープ断片を他の同様のテープ断片に仮付けするよう構成されたテープ仮付け装置と、を備え
前記テープ把持アセンブリは、前記テープ断片の一部を把持し、前記テープ断片ガイドの長さに関連付けられた軸に沿って移動するよう構成された把持部材を含み、
前記把持部材は前記テープ断片ガイドの第１位置から前記テープ断片ガイドの第２位置に移動し、それにより、前記テープ断片の一部を前記第１位置から前記第２位置に移動させることを特徴とする、複合材料テープから複合材料プリフォームを製造する装置。
【請求項１５】
前記テープ把持アセンブリは走路を備え、前記把持部材は前記走路に沿って摺動するよう構成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記テープ仮付け装置は、少なくとも１つの溶接ユニットを含む溶接アセンブリであることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１７】
前記テープ断片ガイドの端部にテープ切断システムが配置され、前記テープ切断システムはテープをテープ断片に切断するよう構成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１８】
前記把持部材は前記テープ断片ガイドの第１ガイド支持部と第２ガイド支持部との間を移動することを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項１９】
前記把持部材は、前記テープ断片の端部を掴むための把持先端部と把持支持部とを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項２０】
前記テープ断片はテープロールから形成されており、前記テープロールからのテープは駆動ローラーアセンブリおよび少なくとも１つのダンサーローラーを使用して前記テープ断片ガイドへ供給されることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項２１】
前記テープ断片ガイドは可変幅のテープ断片に自動的に適合するよう構成されていることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【請求項２２】
ブランク加工を行うための面をさらに備え、前記ブランク加工を行うための面は第１軸に沿って移動および回転し、前記少なくとも１つの溶接ユニットは、前記第１軸にほぼ直交する第２軸に沿って移動することを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項２３】
前記把持部材は前記第２軸と平行な方向に移動することを特徴とする、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
前記テープ断片は事前に切断され、前記テープ断片ガイドに別々に供給されることを特徴とする、請求項１４に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、２０１１年７月２８日付け提出の米国仮特許出願第６１／５１２，６３２号の利益を主張するものであり、その全体を引用により援用する。また、本願は、２０１１年１１月１日発行の米国特許第８，０４８，２５３号（２００８年９月２４日付け提出の米国特許出願第１２／２３７，０７７号）、２０１２年５月１日付け発行の米国特許第８，１６８，０２９号（２０１１年１０月３日付け提出の米国特許出願第１３／２５１，３６０号）および２０１２年３月３０日付け提出の米国特許出願第１３／４３５，００６号に関連するものであり、これらは全て、その全体が引用により援用される。
【０００２】
背景
本実施形態は一般に、先進複合材料に関し、より詳細には、自動化装置を使用して、先進複合材料積層体を切れ端を最小限に抑えて迅速に製造するためのシステムおよび方法に関する。
【０００３】
先進複合材料は、軽量かつ高い強度および／または高い剛性が必要とされる高機能構造製品にますます使用されている。複合材料は、二つ以上の構成材料からなる人工材料である。実施形態は、炭素繊維、ガラス繊維またはその他の強化繊維といった強化繊維をエポキシ、ナイロン、ポリエステル、ポリプロピレンまたはその他の樹脂といった熱硬化性または熱可塑性の高分子樹脂と組み合わせた高分子複合材料に関する。繊維は一般的に繊維長方向に沿って剛性と強度を提供し、樹脂は形状と靱性を提供するとともに、繊維間で荷重を伝達するよう作用する。先進複合材料部品の構造性能は、繊維対樹脂比（繊維体積含有率とも呼ばれる）の増加、繊維長の増加、繊維配向と部品の荷重経路との接近した配列（ランダムな繊維配向に対比して）および繊維の直線度に伴い増大する。また、先進複合材料部品の重量は、その重点の置き具合に応じて、選択的に材料を増減させて最適化することができる。
【０００４】
一般に、高性能な先進複合材料部品の製造は、緩慢かつ労働集約的なプロセスである。そのため、手作業を減らして、サイクルタイムを短縮し、部品の品質および反復性を向上させるために、先進複合材料部品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。そのような装置は、航空機の胴体や内部構造部材から圧力容器、パイプ、風力タービンのブレードおよび翼外板にわたる大小の部品を製造するために使用される。これらの装置は一般に、多軸ＣＮＣマニピュレータに取り付けられた材料配置ヘッドを使用して、テープ材料をマンドレルまたは金型に直接載置する。材料が置かれると、任意の下地層と複合化される。これは「その場」複合化と呼ばれている。
【０００５】
米国特許第６，６０７，６２６号および米国特許第６，９３９，４２３号に記載の別の手法は、引用により援用するが、略平坦な「テーラードブランク」を積層するもので、複合材料積層体の全ての層が単に仮付けされている。テーラードブランクを作製したら、その後に続く処理工程を使用して、層同士を複合化し、ブランクを最終形状に形成する。
【０００６】
テープおよび繊維配置装置の代表的な特徴の１つは、材料を加工面に施すために用いられる総合的技法である。そのような装置は、テープまたはトウ材料を部品の最終形状に近い形状と一致するように構成された加工面上に連続的に広げ、材料が加工面上に供給されると、１以上の圧縮ローラーまたはシューを使用して所定の位置で仮付けする。この技法は高品質の部品が得られる一方で、材料の配置速度を増大させるには、より大型かつ強力な装置が必要になるという主な制約があり、システムの大きさ、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、特に、配置されている間に溶解、再凝固させる熱可塑性複合材料は、速度もまた熱伝達率により制限される。
【０００７】
繊維配置およびテープ積層装置のもう一つの制約は、最も一般的な例として、装置が最終形状に非常に近い部品を生産するため、実現可能な部品の複雑さや外形が、積層ヘッドが取り付けられるマニピュレータの大きさや器用さに支配されることである。このようなシステムは一般に、上記言及した種類の部品を生産するために５または６自由度を必要とする。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態は、複合材料のテープ材料を加工面に施すためのシステムおよび方法を提供する。部品の最終形状に形成されてその場で複合化される加工面にテープを連続的に施す代わりに、実施形態では、所定長のテープ材料を供給し、加工面の上方に位置させることによって、後続の複合化および形成作業に適した略平坦形状のテープのコースを配置する。テープは事前にテープ断片に切断、またはテープ源から供給し（例えば、引っ張る）、所望の長さのテープ断片（または「コース」）に切断することができる。テープ断片は加工面に向かって移動させてもよい。加工面の近傍または加工面上にきたら、一つの工程でテープ断片全体を、下位の材料に仮付けすることができる。仮付け処理は、例えば、スポット溶接機を使用してテープ断片を下位の材料に点在した箇所で融着するか他の融着工程から構成することができる。テープ供給作業を仮付け作業から切り離すことでシステムを自動的、高速かつ確実に作動させることができる。
【０００９】
一実施形態は、１以上のテープ断片を多軸可動テーブルの上方に位置決めして、テープ断片をテーブルの上に降下させ、スポット溶接ユニットのアレイを利用して、テープ断片を、先に敷設した材料に仮付けすることで、高性能の先進複合材料積層体を作製するためのシステムおよび方法からなる。
【００１０】
一態様において、複合材料プリフォームをテープ材料から製造するための方法は、テープ断片を前記テープ断片を加工面に懸架するテープ断片ガイドに、前記テープ断片の第１端部が最初に前記テープ断片ガイドの第１位置に配置され、前記テープ断片の第２端部が最初に前記テープ断片ガイドの第２位置に配置されるように供給することを含む。この方法はまた、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位置決めするために前記テープ断片ガイドと前記加工面を相対的に移動させることを含む。またこの方法は、前記テープ断片ガイドにおいて、前記第１端部を第３位置に移動させ、前記第２端部を第４位置に移動させるように前記テープ断片を移動させることを含む。この方法はまた、前記テープ断片を前記加工面および既存のテープ断片のうち少なくとも一方に固定することを含む。
【００１１】
別の態様において、複合材料プリフォームをテープ材料から製造する方法は、テープの一部をテープ断片ガイドに供給し、前記テープの一部の端部を把持して、前記テープ断片ガイドに沿って前記テープの一部を引っ張ることを含む。またこの方法は、前記テープの一部の端部が所定の位置まで引っ張られたらテープ断片を形成するために前記テープの一部を切断することを含む。また、この方法は、前記テープ断片および加工面の既存のテープ断片のうちの少なくとも一方に固定することを含む。
【００１２】
別の態様において、複合材料プリフォームを複合材料テープから製造する装置は、テープ断片を受容するテープ断片ガイドと、前記テープ断片を前記テープ断片ガイドにおいて把持するよう構成されたテープ把持アセンブリとを備える。またこの装置は、前記テープ断片を他の同様のテープ断片に仮付けするよう構成されたテープ仮付け装置を備える。テープ把持アセンブリは、前記テープ断片の一部を把持し、前記テープ断片ガイドの長さに関連付けられた軸に沿って移動するよう構成された把持部材を含む。把持部材は前記テープ断片ガイドの第１位置から前記テープ断片ガイドの第２位置に移動し、それにより、前記テープ断片の一部を前記第１位置から前記第２位置に移動させる。
【００１３】
本実施形態のその他のシステム、方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明を考察すれば、当業者には明らかであり、または明らかになるだろう。そのような付加的なシステム、方法、特徴、および利点は全てこの説明および概要、実施形態の範囲に含まれ、請求の範囲によって保護されるものとする。
【００１４】
以下の図面および説明を参照することにより、実施形態をより良く理解することができる。図中の構成要素は必ずしも縮尺通りではなく、それよりむしろ実施形態の原理を示すことに重点が置かれている。また、図中、同様の参照符号は異なる図を通して対応する部分を示している。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】テーラードブランクの実施形態を示す概略図である。
【図２】複合材料テープを施すためのシステムの実施形態の等角図を示す概略図である。
【図３】図２に示すシステムの正面図を示す概略図である。
【図４】図２に示すシステムの平面図を示す概略図である。
【図５】材料分配システムおよびテープ輸送レールの実施形態の詳細図を示す概略図である。
【図６】材料分配システムおよび自動供給ユニットの実施形態の詳細図を示す概略図である。
【図７】配置ヘッドの実施形態を示す概略図である。
【図８】前枠板を外した供給切断機ユニットの実施形態の側面図を示す概略図である。
【図９】ａおよびｂは、テープ配置ヘッドの実施形態の詳細図を示す概略図である。
【図１０】テープ往復台の実施形態の詳細図を示す概略図である。
【図１１】往復台枠の実施形態の端面図を示す概略図である。
【図１２】往復台枠の実施形態における長孔を示す概略図である。
【図１３】供給切断機ユニットの出口を通過し、往復台枠のガイドレールに進入するテープの実施形態の側面図を示す概略図である。
【図１４】溶接機フレームユニットの実施形態の正面図を示す概略図である。
【図１５】押さえを取り付けた１つの溶接機ユニットの実施形態の正面図を示す概略図である。
【図１６】巻出し緩めシステムの構成の実施形態を示す概略図である。
【図１７】１つの自動供給ユニットの実施形態の詳細図を示す概略図である。
【図１８】ガイドレール間のテープ断片のカッピングと、降下したガイドレールの加工面に対する垂直方向位置の実施形態の端面図を示す概略図である。
【図１９】下位のテープ断片に仮付けされたテープ断片の実施形態の端面図を示す概略図である。
【図２０】ガイドレールが後退し、押さえがテープ断片を所定の位置に保持するときにガイドレールから外されるテープ断片の実施形態の端面図を示す概略図である。
【図２１】後退したガイドレールと後退した押さえの端面図の実施形態を示す概略図である。
【図２２】傾斜カッターと共にガイドレールの水平移動の実施形態を示す概略図である。
【図２３】＋４５°の切断位置での切断角を有する傾斜カッターおよび水平作動ガイドレール機構の実施形態を示す概略図である。
【図２４】＋４５°の切断位置での切断角を有する、図２３の傾斜カッターおよび水平作動ガイドレール機構の平面図を示す概略図である。
【図２５】０°の切断位置での切断角を有する、図２３の傾斜カッターおよび水平作動ガイドレール機構の平面図を示す概略図である。
【図２６】−４５°の切断位置での切断角を有する、図２３の傾斜カッターおよび水平作動ガイドレール機構の平面図を示す概略図である。
【図２７】複合材料テープを施すためのシステムの別の実施形態を示す概略図である。
【図２８】図２７に示すシステムの平面図を示す概略図である。
【図２９】図２８に示す断面線に沿った図２７に示すシステムの部分横断面図を示す概略図である。
【図３０】テープ分配システムの実施形態を示す概略図である。
【図３１】材料駆動システムの実施形態の等角図を示す概略図である。
【図３２】図３１の材料駆動システムの破断図を示す概略図である。
【図３３】材料駆動システムのチャック部材の実施形態の等角分解組立図を示す概略図である。
【図３４】図３３のチャック部材の等角図を示す概略図である。
【図３５】自動テープローディングシステムの実施形態の等角図を示す概略図である。
【図３６】図３５の自動テープローディングシステムの別の等角図である。
【図３７】溶接システムの実施形態を示す概略図である。
【図３８】図３７の溶接システムの分解組立等角図を示す概略図である。
【図３９】切断システムの実施形態の等角図を示す概略図である。
【図４０】溶接ユニットの実施形態の等角図を示す概略図である。
【図４１】把持アセンブリの実施形態の図を示す概略図である。
【図４２】図４１の把持アセンブリの分解組立等角図を示す概略図である。
【図４３】把持部材の実施形態の等角図を示す概略図である。
【図４４】図４３の把持部材の分解組立等角図を示す概略図である。
【図４５】一実施形態に係るいくつかのセンサの位置を示す概略図である。
【図４６】ａ〜ｇは、一実施形態に係る、テープ断片を加工面に施すプロセスにおける一連の工程を示す。
【図４７】ａおよびｂは、一実施形態に係る、テープ断片を加工面に施すプロセスにおける別の一連の工程を示す。
【図４８】テープ供給ユニットの駆動ローラーアセンブリおよび受動ローラーアセンブリの実施形態の簡略図を示す。
【図４９】テープ供給ユニットのいくつかの構成要素の概略図を示す。
【００１６】
詳細な説明
実施形態は、テープ配置方法を提供する。以下に詳細に説明するように、このテープ配置方法は、材料配置ヘッドを加工面の上方に位置させ、加工面の上方でテープを保持するガイドにテープを供給し、供給材料からテープをテープ断片に切断し、加工面近傍または加工面上にテープ断片を移動させ、そしてテープ断片を下位のテープ層に仮付けするか、テープ断片を加工面に固定することから構成されている。
【００１７】
材料
本実施形態は、プリプレグ繊維・高分子テープや純高分子テープなどのテープ材料から先進複合材料のプリフォームを作製するために使用することができる。先進複合材料は、強化繊維、高分子樹脂を含み、時として発泡体やハニカムなどの芯材料を含む。部品は、１以上の向きまたは層角度で材料の層を積層することによって作製される。層角度は、部品の負荷要件によって決定される。一般に、積層体を構成する材料は、強化繊維と高分子樹脂とを含むプリプレグテープである。しかしながら、用途の要件に応じて、非強化ポリマーテープ、芯材料、または金属膜といった他の材料が積層体に含まれてもよい。
【００１８】
強化繊維は、例えば、炭素、ガラス、玄武岩、アラミド、ポリエチレンまたはその他の強化材から作製することができる。紐、ロープ、毛髪または他の繊維と同様に、高分子複合材料に使用される強化繊維は、繊維の長さ方向に沿って、部品に強度および剛性を付加する。繊維は、長さが連続しているかほぼ連続し、テープ長（またはテープの長手軸）と並列していることが好ましいが、テープ内に特別な強化形態を必要としない。さらに、樹脂および、テープの縁部と実質的に並列していない連続または不連続の繊維とからなるテープを使用することができる。高分子樹脂は、熱可塑性（例えば、ポリアミド、ポリフェニレンサルファイド）でも、熱硬化性（例えば、エポキシ、ビニルエステルまたはポリエステル）でもよい。大半の高分子複合材料の用途と同様に、使用する特定の樹脂と繊維および複合材料中のこれらの割合と形態は、製造する部品の特定要件によって決定される。
【００１９】
プロセス
本実施形態は、複数層のテープ材料からなる積層体を作製するために使用することができる。各層は、互いに平行に配置される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以上の下位層に融着される。最終的に生産される部品が所望の構造特性を有するように、各層の形状と、積層体の他の層の繊維に対する層の繊維の向き、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のステップは、特定の長さのテープ材料をスプールから、テープが配置される加工面の上方にテープを懸架するテープ断片位置決めシステムに供給する。第２のステップは、ステップ１と同時に行われることがあるが、テープ断片が加工面の上に降下したときに部品に対して正確な位置および向きになるように、テープ断片を加工面に対して位置決めすることを含む。第３のステップでは、ガイドがテープ断片を降下させ、その断片が下位の材料に仮付けされるか、加工面に固定される。加工面に直接触れる材料は、テープの層を互いに仮付けするために用いる方法とは異なる方法（例えば、真空）を使用して加工面に固定することができる。材料の断片が、下位の材料または加工面に固定されると、テープ断片位置決めシステムと仮付けシステムが、その開始位置に戻り、材料の新しい断片がガイドに供給される。ブランクが完成するまでプロセスにおける上記ステップが繰り返される。
【００２０】
この包括的な加工方法の変形例または実施形態のいくつかを採用することができる。ここではプロセスを一連の順次ステップとして説明しているが、この方法の実施形態はこれらのステップを同時に実行して全体の加工時間を短縮することができる。例えば、テープ断片位置決めシステムおよび／または加工面の所定位置への移動は、ガイドが昇降する間および／またはテープがガイドへ供給されている間に行われてもよい。また、この方法の実施形態は、追加の配置ヘッドを装置に組み入れることで、一度に２つ以上の断片を配置することもできる。従って、この説明において、断片が必ず１つずつ配置されることを暗示するものは何もない。本方法の特定の実施形態は、１つのブランクに幅が異なる材料や複数の材料を配置できる機能を含むことも可能である。
【００２１】
また、別の実施形態は、テープをガイドレールに供給した後に切断するのではなく、事前に切断したテープ断片を配置することを含んでもよい。切断作業が装置の作業順序におけるクリティカルパスから外されるため、ガイドレールの前に事前に切断したテープを準備すると、装置の作業をスピードアップすることができる。さらに、事前に切断したテープ断片を使用すると、プロセスのテープ配置部分から動的張力制御の要件をなくすことができる。テープ断片は、供給および配置に合わせて事前に切断しても、オフラインで事前に切断して、ガイドレールに供給されるキットとして準備してもよい。
【００２２】
層同士を仮付けするために利用される方法とそれらが仮付けされる程度は、種々の実施形態において可変である別のパラメータである。コースを下位層に仮付けする方法としては、接触加熱、超音波溶接、誘導溶接、レーザー加熱、高温ガス、またはその他の、層を互いに付着する方法が挙げられる。また、この方法は、関節ヘッドまたは可動加工面、あるいは２つの位置決め手法の組み合わせと共に使用することができる。本明細書に記載の実施形態は、回転できるだけでなくｘ方向およびｙ方向で移動できる略平坦な加工面の上方に位置決めされる固定の材料配置ヘッドを使用するが、配置ヘッドと加工面との相対運動は、配置ヘッドまたは２つの組み合わせを移動させることでも実現できる。
【００２３】
実施
特定の実施を図２〜図１６に示す。この具体例としてのシステムは、材料分配システム１、テープ輸送レール２、配置ヘッド３、ブランクの加工面として機能する真空テーブル４、３軸移動テーブル５、および梁６からなる。配置ヘッド３とテープ輸送レール２は梁に固定され、移動テーブル５と真空テーブル４の上方に位置している。付加的な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。
【００２４】
例えば、図５、図６、図１６、および図１７に示すように、材料分配システム１は、クリールラックとも呼ばれ、テープアンスプーラ機構１１を含む１以上のクリールボックス３５を備える。このシステムでは、１巻のテープ４７が、スピンドル１２に装着され所定の位置に固定されている。テープの縁部を揃えておくためにスプールガード１３が設置されている。テープの前縁が、クリール供給機構１４の供給ローラー１５間の第１ガイドローラー４８に供給され、第２ガイドローラー４９を通過する。その後、テープのコイルがスプール全体の外側に掛けられ、クリール供給機構内の別の一組のガイドローラー１６の周りに供給され、自動供給ユニット１７に供給される。テープが自動供給ユニットに供給されると、自動供給装置のピンチローラー１８がテープと係合し、テープをテープ配置ヘッド３内に供給ガイド１９（例えば、図１７を参照）を経由し、テープ輸送レールを越えて供給する。テープがテープ配置ヘッドの供給ローラー２３（図９ａおよび図９ｂ参照）を通過すると、これらのローラー２３が係合し、自動供給装置のローラー１８は係脱する。
【００２５】
図７に示すように、テープ配置ヘッド３は、テープ供給切断機ユニット２０、溶接ユニット２１、およびテープ往復台ユニット２２の３つのサブシステムを有する。テープは、テープ供給切断機ユニット２０を経て、そして一組の従動供給ローラー２３を経て進入する。例えば図９ａおよび図９ｂに示すように、供給ローラー２３はテープをつまみ、調整可能なテープ位置合わせ板４４を通過し、テープ切断ユニット２４を経由して、テープ往復台ユニット２２の一部であるガイドレール２５（図１０参照）に押し込む。図１３に示すように、テープは、テープ端部とカッター刃４５の距離が所望のストリップ長２６になるまで、ガイドレール２５を介して供給される。その地点に達すると、ピンチローラーがテープの供給を停止して、切断機ユニットがテープを切断する。これにより、既知長のテープ断片２７がガイドレール２５間に懸架された状態になる。
【００２６】
図８に示す供給切断機ユニットにおいて、切断機ユニット２４は、供給ユニットがその間にテープを供給する刃とアンビルとを有し、刃がアンビルを通り過ぎてせん断するときにテープがテープ断片に切断されるように、刃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、例えば、回転ナイフカッター、超音波ナイフ、またはテープ幅方向の経路を横切ってテープを切断することができるレーザーが挙げられる。横断カッターまたは類似の装置であれば、切れ目は非線形に、例えば湾曲状、ギザギザ状、鋸歯状にすることができる。
【００２７】
ガイドレール２５は、テープ往復台ユニット２２の一部である（図７および図１０参照）。この実施形態では、システムは、一組の往復台枠２８にそれぞれ取り付けられた２本の略平行なガイドレール２５を備える。テープの各縁部に対して、１本のガイドレールと１つの往復台枠が設けられている。各往復台枠は、直線スライド３０と直線アクチュエータ３１とを介してメイン溶接機フレーム２９に取り付けられている。図１１および図１２に示すように、往復台枠における水平部４３の取付長孔４２によって、ガイドのテープ中心線４８からの距離を調整することができる。
【００２８】
この実施形態では、テープ断片が、テープの縁部が載るガイドレールの溝によって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、溝に載せるだけで定位置に留まる。溝に留まるには横剛性が不十分なテープに対しては、テープを圧迫し、テープの中心が縁部より高いカップ状になるように、ガイドレールを互いに接近させることができる。カップ形状は付加的な横剛性をテープ断片に与え、よってテープ断片をガイドで保持することができる。
【００２９】
図１８〜図２１は、テープ断片５６を操作、配置して、下位のテープ断片に仮付けするための具体例としての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の溝の下面上部に載せるだけで溝内に留まるには横剛性が十分ではない。そのため、テープ断片５６の縁部が溝の垂直壁によって圧迫されるように、ガイドレール２５を互いに接近するよう調整し、図１８に示すように、テープ断片５６をその中心がその縁部５３より高いカップ状にする。換言すれば、図１８において、テープ断片５６の幅は水平に対して凸状になっている。カップ形状はテープ断片に付加的な横剛性を与え、テープ断片をガイドレール２５の溝に十分に支持させることができる。
【００３０】
図１８に示すように、テープ断片５６がガイドレール２５内にある状態で、ガイドレール２５は、加工面４の真上の地点まで降下する。次に、図１９に示すように、１本以上の押さえ５４が降下し、テープ断片５６を押圧して下位の材料と接触させる。本実施形態では、上記専用の押さえ３３の他に、溶接機チップ４６自体（図１５参照）が押さえとして機能する。もう一つの選択肢として、溶接機チップと押さえは、１つの一体型装置にすることができる。テープが所定の位置にあり溶接機チップが降下すると、テープ断片は下位の材料に仮付け溶接される。テープ断片が加工面４に直接接触する場合もあれば、先に載置されているテープ断片５５に接触する場合もある。溶接機チップの下にあるテープ断片が加工面に直接接触している場合、テープ断片のその部分は、例えば、真空によってテーブルに固定されているため、その特定の溶接機は通電しない。
【００３１】
図２０に示すように、溶接が行われると押さえが引き続きテープを押圧している状態でガイドレール２５が上昇する。これにより、テープの縁部はガイドレール２５の溝から引き抜かれ、テープ断片５６をガイドレール２５から解放する。その後、図２１に示すように、押さえは後退し、テープ断片５６は加工面４上の所定の位置に固定したままにする。
【００３２】
本実施形態では、真空テーブル４は、その上に部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位置決めする３軸移動台５（図２、図３および図４参照）に取り付けられている。オフラインプログラムからの命令によって、テープの所要長さおよび、テーブル上でのテープの位置と配向が決定される。テープがガイドレール２５に供給されている間、移動台５は配置ヘッドの下にある真空テーブル４を所望のｘ軸座標、ｙ軸座標、および回転角座標に移動させる。その他の実施形態では、加工面は真空テーブルでなくてもよい。一部の例では、例えば、静電荷を利用してテープ断片または他の部品を加工面に保持することができる。加えて、材料を加工面に保持する当業界で周知の方法をさらに別の実施形態に用いることができる。
【００３３】
上記各サブシステムの構成および機能を説明したが、テープ配置プロセス全体は以下のように作用する。
【００３４】
テープがガイドレール２５に供給されてロールからテープ断片に切断され、真空テーブル４が所望の位置および配向に位置決めされると、テープ断片が、先に敷設された層か加工面のどちらかにほぼ接触するまで、往復台枠２８が降下する。１つ以上の溶接機ユニットのアレイが溶接ユニット２１から降下し、テープの断片を加工面（または先に敷設された層）に押圧する。参考のため、３個の６点式溶接機ユニットが図２、図４および図７に示されている。溶接機チップ４６に加えて、押さえ３３が、各溶接機のアクチュエータ（例えば、図１４および図１５参照）に取り付けられている。この押さえも、テープを押し下げて、テープを加工面４か先に敷設された層のどちらかに接触させたままにする役割を果たす。
【００３５】
テープ断片を加工面４に直接接触させて配置する場合、テーブルの真空によって所定の位置に保持してもよい。テープ断片を先に敷設された層の上部に配置する場合、溶接機が作動し、テープの最上層を下位の材料に仮付けしてもよい。一実施形態では、溶接機は超音波インパルスを使用して、これらの溶接を引き起こしてもよい。
【００３６】
溶接／仮付け工程が完了すると、溶接機ユニットは、往復台枠が上昇してその搭載位置に戻り始める間、テープと接触し続けている。テープの中心が加工面に固定されたままで、溶接機ユニットに留められているため、静止したテープ断片と上昇するガイドレール２５との相対運動によって、テープの縁部がガイドレール２５から引き出される。テープの縁部がガイドレール２５から自由になると、テープ断片を加工面４の所定位置に残して溶接機ユニットは後退する。
【００３７】
この手順は、ブランクを構成する材料の各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たら、テーブルの真空を止め、それにより、部品をテーブルから容易に取り外すことが可能になる。
【００３８】
配置ヘッド３がテープをガイドレール２５に迅速に供給するために、テープは、極めて小さい逆張力を有するように構成してもよい。張力が高すぎると、供給ローラー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はテープの急加減速に逆らう。このため、図１６に示すように、材料分配システム１は積極的に材料のロールを巻き出すことで、クリールボックス３５内の材料の最後の湾曲部３４にたるみを持たせる。たるみの量は、配置するテープ断片の長さによって決定する。このたるんだ湾曲部により、テープにごく小さな逆張力が残り、配置ヘッドが非常に迅速に材料を供給することが可能になる。たるんだ湾曲部が小さくなり過ぎるか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。
【００３９】
ピンチローラーは、テープをスプールからクリールボックス内のテープのたるんだ巻線へ供給することができ、１以上のたるみ湾曲部位置センサからのフィードバックを利用して、たるみ湾曲部の大きさを決定範囲内に維持するよう構成することができる。テープスプールの端部でたるみを保持することで、テープを供給する際、テープの逆張力を低減させる。テープ供給ユニットのテープスプールを積極的にほどくことで、テープ供給ユニットとテープスプールとの間のテープ張力を最小限にする。
【００４０】
操作中、種々の事象により通常の一連の動作が中断されることがある。そのような事象にフラグを立てて管理するために、数個のセンサが所定の位置に置かれている。そのような事象の１つは、供給ローラーが正確な量のテープを供給し損ねることである。これは、供給中のテープの長さを測定するエンコーダホイール３７（図９ａ）を採用することで対処されている。測定した供給長が所望の供給長に対するある一定の許容誤差内になければ、修正処置が取られる。
【００４１】
また、システムは、材料のロールが端部に達した時を検知する。ロールの端部に達すると、自動供給ユニット１７のセンサ３８（図１７）がテープの端部を検出する。システムは、配置ヘッド３の入口にある第２材料検出センサ３９（図８）がテープの端部を検出するまで、テープを供給し続ける。テープの端部がこの地点を通過すると、供給ローラーが停止し、配置ヘッド内のリダイレクト板４０が係合して、テープの端部を下方に偏向する。次に、可動台が、真空テーブル４を配置ヘッドの下から退去させ、供給ローラー２３が自身の運動を逆向きにし、それにより、テープの最終片が目皿４１（図２参照）に送り出される。第２クリールボックスが同種同サイズのテープを搭載している場合、システムは、自動供給装置を作動させて配置ヘッドに新しい材料を装着し、それ以上遅延させることなく作業を続行することができる。
【００４２】
第２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、ガラス繊維テープと炭素繊維テープ）が含まれる場合、クリールボックスに異なる材料を搭載することができる。そうすれば、手動で再搭載する必要なく配置ヘッドは２種類の材料を積層することができる。一方のクリールボックスの自動供給ユニットにおけるピンチローラーが、テープを十分な距離だけ後退させ、その結果、もう一方のクリールボックスからのテープが配置ヘッドに供給される。
【００４３】
本明細書に記載の実施形態では、異なるテープ幅を加工するように装置を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、溶接機チップの中心線と整列するようにクリールボックスを調整する。そして、供給ガイドのガイド縁部、テープ輸送レール、および往復台枠間の距離を広げるか狭めるかして所望のテープ幅に対応する。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、自動幅調整が採用される。この自動調整は、幅の異なる材料を流すために設備を設定するための所要時間を短縮できる。さらに、自動調整機構は、生産を中断して設備を調整することなく、１つのブランクに複数のテープ幅を積層することができる。
【００４４】
別の実施形態では、切り口がテープの側面に対して必ずしも垂直にならないようにテープを切断できる機能を追加する。切断角を変更できる機能を追加することで、テーラードブランクの自由度を高め、ひいては、切れ端の量を削減できるだけでなく、ブランクの性能を向上させることができる。一実施形態に係る具体例としての傾斜切断システムを図２２〜図２６に示す。このシステムでは、切断機ユニット５０が自転し、ガイドレール５１がそれぞれ前後に移動してテープ断片２７の切り口５２とガイドレール５１との接近した距離を維持する。図の実施形態では、水平移動は、垂直向きの直線スライド５８とアクチュエータが取り付けられる溶接機フレーム５９に、水平向きの直線スライド５７とアクチュエータを追加することで実現する。切断機ユニットが所定の角度に回転すると（図２４〜図２６に３種類の角度でのシステム構成を示す）、片側のカッターがガイドレールに向かって移動し、他方側のカッターがガイドレールから離れる。この移動は、カッターとレールの間隙を最小限に維持するためにガイドレールによって合わせることができる。最小限の間隙を維持することで、確実に僅かなテープ断片だけがガイドレールから突出することになり、テープ断片の端部がガイドレールの端部から垂下してテープ断片の処理を妨げることを防ぐ。
【００４５】
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、テープの供給方向に沿って水平方向にも移動させる往復台システムを備える。この移動により、溶接機ヘッドに対してさらに正確なテープの位置決めが可能になり、カッター刃と第１溶接機ヘッドの距離よりも短いコースを配置することが可能になる。カッターがテープ断片を切断した後で、テープがガイドレール内にあるとき、往復台が、カッターから水平方向に離れ、加工面に向かって降下してテープ断片を載置する。ガイドレールの横方向移動は、傾斜切断システムの特徴にもなり得るが、独立した概念として組み込まれる。
【００４６】
一実施形態では、加工面およびガイドレールのいずれか一方または両方が、互いに対して相対変位するように移動する。このような移動は、水平、垂直、またはこれらの組み合わせなど、任意の方向に可能であり、並進、回転、または枢軸移動といった移動が含まれる。
【００４７】
当業者であれば分かるように、本明細書に記載のガイドレールは、テープが供給されて切断されると、テープを加工面の上方に懸架し、位置決めするために使用され得る多くの手段のうちの
１つに過ぎない。真空を利用してテープを加工面の上方に懸架する他の方法、ガイドレール間の距離を広げてテープを解放するトレイ、格納式トレイ、またはその他の機構を採用してもよい。
【００４８】
別の実施
テープを使用した先進複合材料のテーラードブランクを作製するための方法およびシステムは、様々なテープ材料特性および／または大きさに自動的に適合するための装備を含むことができる。例えば、方法およびシステムは、種々の剛性のテープと使用できる加工面の上方にテープ断片を案内する装備を含むことができる。一部の実施形態において、方法およびシステムは直接駆動モータを使用して巻き出されるテープスプールを備えていてもよい。そのような場合、テープの逆張力はダンサーローラーなど種々のローラーを使用して管理することができる。
【００４９】
一部の実施形態では、方法およびシステムは、テープ仮付け装置に供給されるテープを把持するテープ把持アセンブリを備えることができる。テープ把持アセンブリは、テープの端部を把持し、テープをテープ断片に切断する所望の長さまでテープ供給源から引っ張ってもよい。この「引っ張り構成」は、例えば、ピンチローラーを使ってテープをテープ供給源からテープ断片ガイドに押す上記実施形態などの「押し構成」と対照をなす。引っ張り構成の一部の実施形態では、把持アセンブリがテープの端部を掴めるようにテープを（例えば、ピンチローラーによって）カッターから十分押し出してもよく、掴んだ時点でテープはもはや押し出されず（例えば、ピンチローラーによって解放され）、残りは、把持アセンブリがテープを引っ張る。引っ張り構成は、テープのより正確かつ確実な供給と、システムのより高速な処理速度を可能にする。
【００５０】
図２７〜図４９は、先進複合材料のテーラードブランクを作製するためのシステムの追加実施形態の各種図を示す。これら追加実施形態のいくつかの装備は図１〜図２６に示す実施形態を参照して開示した装備に類似している。理解しやすいように、同様の部品を表すのに同様の符号を使用する。しかしながら、図２７〜図４９に示す実施形態は先の実施形態に使用されていない追加の装備を含んでいてもよい。同様に、本実施形態は、図１〜図２６に示す先の実施形態に使用した装備を除外してもよい。さらに別の実施形態は、図１〜図２６に示す実施形態と図２７〜図４９に示す実施形態の装備の組み合わせを含むことができることも理解されよう。
【００５１】
複数層のテープ材料からなる積層体を作製するプロセスは、一般に、差異はあるものの上述した同様の方法で実行される。とりわけ、テープ材料がスプールからテープ配置ヘッドへ供給される第１ステップの間で実行される。本実施形態では、モータ駆動および従動ピンチローラーを使用してテープをスプールから巻き出してもよく、逆張力はダンサーローラーを使用して制御してもよい。テープはテープ切断システムを介して供給し、その端部をテープ把持アセンブリによって把持してもよい。テープ切断システムを介してテープを供給するために使用する機構（例えば、テープを押すピンチローラー）は、テープ把持アセンブリがテープを把持したらテープを放してもよい。次に、テープ把持アセンブリは、テープを切断システムによって切断する所望の長さまでテープ供給源から引っ張り、テープ断片を作製してもよい。次に、加工面に対して、テープ把持アセンブリを使用して、溶接システムなどのテープ仮付け装置の長さ方向に沿ってテープ断片を移動させる。さらに、加工面は回転できるだけでなく、テープ仮付け装置の長さに垂直な第１軸に沿って移動できる。一部の例では、テープ仮付け装置はテープ仮付け装置の長さと平行な方向に移動するよう構成することもできる。また一部の例では、テープ仮付け装置はテープ断片が位置付けされたら加工面に向かって降下させることができる。この時点で、テープ断片は下位の材料に仮付けされているか加工面に固定されているかのどちらでもよい。
【００５２】
図２７〜図２９を参照すると、システムの一実施形態は、材料分配システム１０１、テープ配置ヘッド１０３、ブランク加工面としての機能を果たす真空テーブル１０４、移動テーブル１０５および梁１０６から成る。材料分配システム１０１およびテープ配置ヘッド１０３は梁１０６に固定し、移動テーブル１０５および真空テーブル１０４の上方に配置してもよい。図示のように、その他の支援システムは、オペレータインタフェースコンピュータ１０７、電子制御キャビネット１０８、真空システム１０９、および周辺安全ガード１１０を含んでもよい。
【００５３】
本実施形態では、材料分配システム１０１は、図２〜図５に示す材料分配システム１に対する代替分配構成を提供してもよい。しかしながら、材料分配システム１０１は単なる例示を意図するもので、その他の実施形態ではいかなる種類の材料分配システムも使用することができるのは理解されよう。特に、テープをテープ配置ヘッド１０３に供給および／または送り出すよう構成されたシステムであればいかなるものも使用できる。材料分配システムは、テープをローラーから分配するか事前に切断したテープ断片を分配するよう構成することができる。
【００５４】
例えば、図２９および図３０に示すように、材料分配システム１０１は、スピンドル１１２を備えていてもよい。このシステムでは、１巻のテープが第１スピンドル１１８および第２スピンドル１１９をはじめとするスピンドル１１２に装着され、所定の位置に固定される。一部の例では、スプールガード１１３を使用してテープの縁部を揃えることができる。別の場合では、スピンドル１１２はスプールガードなしで使用することができる。テープの端部は、以下詳細に説明するテープ供給システム１３０に加えてローラーアセンブリ１２０も含む自動テープローディングシステム１９９から供給してもよい。以下説明するように、テープ供給システム１３０は、少なくとも２つの別個のテープ供給アセンブリとそれに対応するモータを含んでいてもよい。
【００５５】
図３１〜図３４は、材料駆動システム３００の実現可能な一実施形態の様々な図を示す。材料駆動システム３００は、スピンドル１１８およびテープのスプールをスピンドル１１８に固定するための装備を含んでいてもよい。一部の例では、テープのスプールは材料駆動システム３００のチャック部材３０２に載置されてもよい。チャック部材３０２は、テープスプールを所定の位置に保持し、テープが巻き出される際に発生するロールの大きな慣性加減速負荷に対応する機能を有するよう構成されていてもよい。
【００５６】
図３２〜図３４を参照し、チャック部材３０２は、巻付基部３０４とスリーブ部材３０６を含んでもよい。一部の例では、スリーブ部材３０６はさらに圧縮ばね３０８と接触するプレート３０７を含む。プレート３０７の種々の凹部３０９と圧縮ばね３０８の配列を示すために、プレート３０７は図３３ではスリーブ部材３０６から切り離して示されている。一部の例では、圧縮ばね３０８は、スリーブ部材３０６をデフォルト位置に付勢してもよい。チャック部材３０２の楔部材３１０が溝孔３１２から外向きに延出し、それによりテープのロールを把持するための外向き接触力を付与する。
【００５７】
一部の例では、楔部材３１０を後退させて、テープのロールの取り出しおよび／または交換を行うために、ばね３０８を圧縮するようにスリーブ部材３０６を巻付基部３０４内で軸方向に移動させてもよい。これにより、楔部材３１０を溝孔３１２内で後退させることができ、テープスプールへの把持を解除する。例えば、一実施形態では、空気圧アクチュエータ３２０が圧力板３２２を延在させて柱３２４を押圧する。柱３２４は、今度は、楔部材３１０がスリーブ部材３０６の凹部３３０に後退する隙間を提供する巻付基部３０４に沿って軸方向外向きにスリーブ部材３０６を並進させる。凹部３３０はスリーブ部材３０６の縮径領域であってもよい。楔部材３１０が後退した状態で、テープのロールを取り外しおよび／または取り付けることができる。テープのロールが存在しない状況では、楔部材３１０は自身の移動を制限するために急停止してもよい。
【００５８】
楔部材３１０を伸長し、材料のロールをスピンドル１１８上の所定位置に係止させるために、空気圧アクチュエータは、スリーブ部材３０６がデフォルト位置に戻るまで、圧力を解放し、圧縮ばね３０８がスリーブ部材３０６を軸方向内向きに摺動することができるようにしてもよい。スリーブ部材３０６がデフォルト位置にある状態で、楔部材３１０を凹部３３０の外へ移動させ、巻付基部３０４から外向きに伸長してもよい。一部の例では、楔部材３１０は、スリーブ部材３０６の軸方向運動に対して楔部材３１０の軸方向および径方向の両方向並進運動を案内し易くする傾斜部３１１を備える。
【００５９】
一部の実施形態では、チャック部材３０２とテープスプールとの接触力を高めるために、楔部材３１０は、テープロールとの牽引力または把持力を高める機能を含むことができる。例えば、一部の例では、楔部材３１０は、テープスプールを把持する表面に歯および／またはローレットを含むことができる。さらに別の例では、楔部材３１０は、テープスプールを把持する機能を高めるために、摩擦材または摩擦係数の比較的高い同様の材料を含むことができる。
【００６０】
このチャック部材３０２の構成は、材料の迅速な装着を容易にし、テープのロールを回転軸に沿って同心円状に揃えておくのに役立つ。加えて、この構成は、テープのスプールを迅速に加速させるために付加する必要のあるトルクの高負荷に対応することができる。さらに、このデザインは、一般的に使用されテープ業者から購入できる標準的な厚紙芯との互換を可能にする。スプール内に力を発生させるために空気圧ではなく圧縮ばねを使用することで、本デザインはロバスト性を高め、長期にわたり、より一貫した性能を有することができる。
【００６１】
さて、図３０、図３５、図３６、図４８、および図４９を参照すると、自動テープローディングシステム１９９はローラーアセンブリ１２０を備え、このローラーアセンブリ１２０は、第１ダンサーローラー１２１および第２ダンサーローラー１２２だけでなくアイドラーローラー１２６から構成されてもよい。例えば、第１スピンドル１１８からのテープは、第１アイドラーローラー１２７、第１ダンサーローラー１２１および第２アイドラーローラー１２８を回ってテープ供給システム１３０へと供給されてもよい。
【００６２】
テープ供給システム１３０が迅速にテープを供給するために、テープは極めて小さい逆張力を有するように構成してもよい。積極的に張力を制御しなければ、把持アセンブリがテープを所定位置に引っ張る際に、材料スプールの慣性はテープの急加減速に逆らう可能性がある。逆張力を制御するために、本実施形態は、テープに沿った逆張力を最小限にするために移動する第１ダンサーローラー１２１および第２ダンサーローラー１２２を活用してもよい。逆張力を管理するためにダンサーローラーを使用することにより、システムにテープを装着することが先のデザインに比してさらに簡便になる。さらに、ダンサーローラーは、ピンチローラーシステムを介するテープの供給と、チャック部材による材料スプールからの材料の巻き出しとの加速率の違いを許容しながら、一定の張力を維持するためにシステムによって使用されてもよい。
【００６３】
テープ供給システム１３０はさらに、第１テープ供給ユニット４０２と第２テープ供給ユニット４０４を備えていてもよい。第１第１テープ供給ユニット４０２は、第１ピンチローラーアセンブリ４２０を備え、第２テープ供給ユニット４０４は第２ピンチローラーアセンブリ４２２を備えていてもよく、これらは図４８と図４９に最も明瞭に示されている。第１ピンチローラーアセンブリ４２０は駆動ローラーアセンブリ４８０と受動ローラーアセンブリ４８２を備えていてもよい。駆動ローラーアセンブリ４８０はモータ４８４に取り付けられる一方、受動ローラーアセンブリ４８２は空気シリンダーアセンブリ４８８と連動させてもよい。係合していない位置では、受動ローラーアセンブリ４８２は後退し、駆動ローラーアセンブリ４８０を押圧しない。係合位置では、空気シリンダーアセンブリ４８８は受動ローラーアセンブリ４８２が駆動ローラーアセンブリ４８０に押圧されるように作動する。第２ピンチローラーアセンブリ４２２は駆動ローラーアセンブリ４９０と受動ローラーアセンブリ４９２を使用して同様に動作してもよい。一部の例では、例えば、駆動ローラーアセンブリ４９０はモータ４８５を使用して電力供給される。さらに、第１ピンチローラーアセンブリ４２０と第２ピンチローラーアセンブリ４２２はそれぞれ第１テープ供給ガイド４１０と第２テープ供給ガイド４２８と連動していてもよい。一部の例では、図３５、図３６、図４９で分かるように、第１テープ供給ガイド４１０と第２テープ供給ガイド４２８は、第１ピンチローラーアセンブリ４２０と第２ピンチローラーアセンブリ４２２と整列していてもよい。この配置によれば、テープ切断システム１５０（図３８および図３９参照）と整列させるために、テープは第１テープ供給ユニット４０２または第２テープ供給ユニットのどちらかを介して供給してもよい。
【００６４】
一部の実施形態では、自動テープローディングシステム１９９の構成要素はプレート４３０に取り付けてもよい。一部の例では、プレート４３０は、どのスプールが現在使用中かに応じて、第１テープ供給ユニット４０２または第２テープ供給ユニット４０４のどちらかを切断システム１５０と整列させるために垂直方向に並進移動する。この配置により、１つの切断システムがどちらのスピンドルからのテープでも使用可能になる。
【００６５】
さて、図３７〜図３９を参照すると、テープ配置ヘッド１０３はいくつかのサブシステムを備えていてもよい。つまり、切断システム１５０、溶接アセンブリ１６０、およびテープ断片ガイド１７０である。切断システム１５０はテープを切断するためのいかなる装備も含むことができる。切断システム１５０は、自動テープローディングシステム１９９がその間にテープを供給する刃とアンビルからなり、刃がアンビルを通り過ぎてせん断するとき、テープがテープ断片に切断されるように、それらの動きが制御される。図３９に示すように、切断システム１５０の一実施形態は、切断アンビル１５３、切断用溝孔１５４、刃物取付台１５６、およびアンビル用ブラケット１５７を備えていてもよい。刃は、アンビル１５３の中を進み、溝孔１５４から挿入したテープを切断するように構成してもよい。一部の例では、切断しやすいように、超硬切れ刃が溝孔１５４と連動している。別のカッターの実施形態も使用することができ、例えば、回転ナイフカッター、超音波ナイフ、またはテープ幅方向の経路を横切ってテープを切断することができるレーザーが挙げられる。横断カッターまたは類似の装置であれば、切れ目は非線形に、例えば湾曲状、ギザギザ状、鋸歯状にすることができる。
【００６６】
再び図３７および図３８を参照すると、溶接アセンブリ１６０は、溶接枠アセンブリ１６２、溶接ユニット１６４、および溶接機軌道１６６を備えることができる。溶接ユニット１６４は溶接機軌道１６６に移動可能に取り付けられ、溶接ユニット１６４が溶接機軌道１６６に沿って摺動可能にしてもよい。溶接ユニット１６４と溶接機軌道１６６は溶接枠アセンブリ１６２内に支持される。
【００６７】
種々の実施形態において、１以上の溶接ユニットの動作は変化する。一部の実施形態では、溶接ユニットは単一のユニットとして溶接機軌道に沿って移動させてもよい。一例として、本実施形態は、溶接機軌道１６６に沿って全てが一緒に並進する１８個の溶接ユニットを備える。他の実施形態では、溶接ユニットは溶接ユニットごとにグループで構成してもよく、各グループは他のグループとは関係なく移動することができる。例えば、別の実施形態で、１８個の溶接ユニットは、６個の溶接ユニットごとに３グループで構成してもよく、溶接ユニットの各グループは、残りの２グループとは独立して並進することができる。さらに他の実施形態では、各溶接ユニットがその他の全ての溶接ユニットとは関係なく移動するよう構成することができる。溶接ユニットを移動させるために、当業界で既知の任意の方法を使用することができる。例えば、各溶接ユニットが、他の全ての溶接ユニットとは関係なく移動する実施形態では、溶接ユニットはそれぞれユニットを軌道に沿って駆動するモータまたはねじ駆動装置を備えることができる。
【００６８】
図４０を参照すると、具体例としての溶接ユニット４５０が、説明のために分離して示されている。溶接ユニット４５０は溶接装置４５２を備え、この溶接装置はさらに溶接チップ４５４を備える。また、溶接ユニット４５０は、溶接チップの周囲に配置される押さえ４５６を備えていてもよい。一部の例では、溶接ユニット４５０はまた、溶接装置４５２を溶接アセンブリに固定するために使用される受け板４６２を備えていてもよい。垂直運動を容易にするために、溶接ユニット４５０は、溶接装置４５２の引っ張りに続いて溶接装置４５２をデフォルトの上昇位置に戻すための復元力を与える引っ張りばね４５８を備えることができる。一部の例では、溶接ユニット４５０は内部ガイドを有する空気圧シリンダーを使用して垂直方向に移動させてもよい。引っ張りばね４５８はまた、システム内の空気圧が失われた場合に溶接ユニット４５０を上昇位置に保持するのを助けてもよい。さらに、一部の例では、溶接ユニット４５０は、溶接ユニット４５０が垂直方向に並進する際にワイヤや他のユーティリティ接続の管理に役立つ通路４６０を備えることができる。
【００６９】
一部の例では、溶接ユニット４５０を使用して溶接を実行するために、溶接装置４５２は受け板４６２に対して下方に並進してもよい。溶接装置４５２が下方に移動する際、テープ材料に接触圧を印加して真空テーブルまたは先に載置したテープ断片にテープを押しつけるために、押さえ４５６は下位のテープ材料と接触してもよい。溶接チップ４５４がテープ材料に接触する際に、溶接装置４５２が接触位置で溶接部に通電してもよい。これに続いて、押さえ４５６と共に溶接装置４５２をばね４５８の助けによって後退させてもよい。この溶接ユニットの配置は、押さえと溶接装置の垂直移動を一体化できる。さらに、本デザインにおける押さえ４５６の配置は、超音波溶接の間、テープを溶接チップ４５４のどちらの側でも所定の位置に保持する機能を提供してもよい。
【００７０】
この詳細な説明に記述した実施形態の溶接アセンブリは、いくつかの代替デザインに対して、動作を改善させることができる。例えば、カスタマイズした溶接ユニットは、従来のユニットと比較すると、より厳格な許容誤差、より高速な動作、および低コスト化をもたらすことができる。
【００７１】
図３８に示すように、テープ断片ガイド１７０は第１ガイド支持部１６７と第２ガイド支持部１６８を備えていてもよく、まとめてテープガイド支持部１６９と称する。テープガイド支持部１６９は溶接アセンブリ１６０の長さ方向に沿ってテープ断片を誘導するのを助ける。一部の実施形態では、テープガイド支持部１６９は、テープ断片の縁部を受容し、テープ断片を真空テーブル／加工面の上方に懸架させることができる溝を備えてもよい。好適な溝デザインの一例は、図１３を参照してすでに上で開示している。しかしながら、別の実施形態は、テープ材料を隣接するガイド支持部間に保持する他の方法を組み込むことができる。また別の実施形態では、例えば、溝を排除し、テープ支持ガイドの縁部に沿って並ぶ複数の小さなピンチローラーに置き換えることができる。これらのピンチローラーは、テープ断片ガイド１７０を介してテープ材料を移動させるためにテープ材料の側縁部を掴握することができる。そのような実施形態では、テープは場合によっては従動ピンチローラーのみを使用してテープ断片ガイド１７０内で移動可能なため、テープ材料の前縁を掴握する付加的な把持システムは任意である。
【００７２】
テープ断片ガイド１７０はさらに、テープ把持アセンブリ１８０を備えてもよい。把持アセンブリ１８０は、図４１と図４２にさらに詳細に示されているが、走路部材１８２、ケーブルトレイ１８４、および走路アーム１８６を備えていても良い。走路部材１８２は、ガイドレールまたは走路に支持される従動ベルトから構成されていてもよい。従動ベルトはモータ１８３によって動力を供給されてもよい。動力チェーン１８４は走路アーム１８６と共に移動し、把持ユニット１９０に動力と空気を届ける。
【００７３】
把持アセンブリ１８０はさらに、把持部材１９０を備える。図４３および図４４に示すように、把持部材１９０は、テープをテープ断片ガイド１７０および溶接アセンブリ１６０に沿った種々の位置へ引っ張ることができるように、テープの縁部または他の部分を把持するように構成されている。一部の例では、把持部材１９０は、テープの一部を掴むための把持支持部１９２および把持先端部１９４を備えることができる。さらに、把持部材１９０は、把持部材１９０が走路部材１８２に沿って摺動できるように、走路アーム１８６において走路部材１８２に取り付けられていてもよい。
【００７４】
一部の例では、把持部材１９０のテープ材料またはテープ断片に対する相対位置は可変である。例えば、テープの幅を調整する際、把持部材１９０は、種々のテープ幅に対応して、異なる状態間で変更できる。詳細には、一実施形態において、把持部材１９０は、把持支持部１９２と把持先端部１９４が比較的幅の狭いテープ断片の中心に沿ってほぼ整列した幅狭状態と、把持支持部１９２と把持先端部１９４が比較的幅の広いテープ断片の中心に沿ってほぼ整列した幅広状態との間で移動することができる。この状態の変更は、例えば、空気圧シリンダー１９５を走路アーム１８６から外向きに延出させ、次に、把持支持部１９２と把持先端部１９４を移動させることで行うことができる。
【００７５】
テープ断片は、テープが自動テープローディングシステム１９９からテープ配置ヘッド１０３に搬送される際に作製されてもよい。テープの端部が切断システム１５０を進む（例えば、ピンチローラーで押される）際に、把持部材１９０がテープを把持してもよい。テープを供給する機構（例えば、ピンチローラー）は、把持部材１９０がテープを把持したらテープを放してもよい。その後、把持部材１９０は、テープ端部と切断システム１５０の距離が所望のストリップ長になるまで、第１ガイド支持部１６７と第２ガイド支持部１６８（図３７参照）との間で概ね平行な方向にテープを移動させてもよい。この地点に到達したら、把持部材１９０は、切断システム１５０がテープを切断する間、停止してテープを所定位置に保持する。これにより、テープ断片ガイド１７０内で懸架した既知の長さのテープ断片が作製される。これに続き、把持部材１９０は、新たに切断されたテープ断片をガイド支持部１６９内の別の位置に移動させることができる。代わりに、切断システム１５０が十分敏速であれば、把持部材１９０は、テープの切断のために停止しなくてもよい。
【００７６】
一部の実施形態において、第１ガイド支持部１６７と第２ガイド支持部１６８は、テープを溶接アセンブリ１６０と真空テーブル１０４との間で案内、支持、および／または懸架するための装備を含んでいてもよい。一部の例では、テープ断片ガイド１７０は、テープ断片ガイドを溶接枠アセンブリ１６２と接続するガイド運動装置１３５（図３８参照）などの第１ガイド支持部１６７および第２ガイド支持部１６８を上下動させるための装備を含んでいてもよい。さらに、一部の例では、第１ガイド支持部１６７と第２ガイド支持部１６８との間隔、つまり幅は自動的に調整され、変化するテープ幅に対応することができる。この自動幅調整は、ガイド運動装置１３５またはその他の装置またはシステムを使用して実現することができる。一部の例では、支持ガイド１６９は、水平または横方向の調整を可能にするガイド運動装置１３５の水平走路に装着してもよい。さらに、一部の例では、テープ断片ガイド１７０が真空テーブルに対して上下動できるように、支持ガイド１６９をガイド運動装置１３５に装着してもよい。
【００７７】
ガイドシステムの自動幅調整により、システムはオペレータの介入なしで異なる材料と異なる幅のテープ間で自動的に切り換えることが可能になり、その結果、システムの効率および処理時間を向上させることができる。この構成はまた、全ての構成要素を自動的に整列させることを可能にする。特にこの構成は、様々なオペレータが装置を設定、調節することに起因する固有のばらつきを排除することで配置の一様性を向上させることができる。また、この構成はシステムがより緩い切込み許容誤差で材料を流すことができる機能を向上させる。インライン幅測定をシステムに追加できるその他の実施形態では、装置は自動的にガイド支持部を実際のテープ幅に調節し、自動的にテープ配置位置を調節してテープ断片間の隙間および重なりを最小限にすることができる。
【００７８】
さて、図４５を参照すると、一部の実施形態は、把持システムの動作を監視するためだけでなく、テープの分配および装着面を含め、システムの動作を監視するための装備を含んでいてもよい。理解しやすいように、図４５を使用して、それらの用途に使用され得るセンサの近似位置を示す。しかしながら、センサの特定の位置は実施形態毎に変化してもよい。第１直径センサ５０２および第２直径センサ５０４はスピンドル１１８およびスピンドル１１９の動作をそれぞれ監視するよう構成されていてもよい。詳細には、これらの直径センサはテープロールの直径を測定するために使用してもよい。一部の例では、テープロールの直径は、駆動ローラーアセンブリ４８０および駆動ローラーアセンブリ４９０の閉ループ制御への入力に使用される。さらに、一部の例では、テープ張力センサ５１０とテープ張力センサ５１２は、ローラーアセンブリ１２０のアイドラーローラーの張力を監視するもので、クリールユニットの巻き出し速度を調整して、所望の逆張力を実現してもよい。一部の例では、ダンサーローラー１２１およびダンサーローラー１２２は、張力センサから収集した情報に応じて張力レベルを調整するために動作させることができる。
【００７９】
また、このシステムは、第１テープ供給ユニット４０２および第２テープ供給ユニット４０４とそれぞれ連動する前の供給ローラーセンサ５２０および前の供給ローラーセンサ５２２を備えることができ、これらはテープが自動テープローディングシステム１９９に搭載された時を検出してもよい。一部の例では、供給ローラーセンサはまた、テープの端部に達した時を検出してもよい。一部の実施形態では、後ろの供給ローラーセンサ５３１および後ろの供給ローラーセンサ５３３（図４８参照）が、それぞれの供給ローラーの後ろのテープの存在を判定する。後ろの供給ローラーセンサ５３１および後ろの供給ローラーセンサ５３３の近似位置は、図４５において領域５３０と領域５３２として大まかに示されているが、これらのセンサの例示位置は、さらに詳細な図が図４８に示されている。これらのセンサからの情報は、動作しているスプールを変更する前にテープが切断機ユニットから後退した時を判定し、テープの前端の位置を確認するために使用してもよい。できるだけ緩慢なフィードフォワード修正を避けるために、テープ端部の位置を知ることは、初期のテープ供給中に正確な量が把持部に前送りされることを確実なものにする。
【００８０】
一部の実施形態はまた、把持部材１９０と連動するセンサ５４０を備えることができる。センサ５４０からの情報は、把持部材１９０がテープを保持しているか否かを決定するために使用することができる。これは、テープがテープ断片ガイド１７０に進入したら発生し得るテープの込み合いや詰まりといった起こり得るテープ分配障害を検出するのに役立つ。
【００８１】
図３０、図３５、図３６、および図４５を参照すると、自動テープローディングシステム１９９は、新しいテープロールの前縁を装置内に位置決めし、自動的にテープ供給ロールを切り換えるためのシステムを提供してもよい。テープ位置決めヘッドに供給されたテープ材料が第１クリール（または第１スピンドル）から第２クリール（または第２スピンドル）へと変更される例示的状況をこれから説明する。第１スピンドル１１８からの既存のテープ材料は後ろのピンチローラーセンサ５３０を通り越して後退させ、テープガイドまたは切断機ユニットにテープがないことを確実にする。ローラーアセンブリ１２０とテープ供給システム１３０が垂直方向に移動し、第２テープ供給ユニット４０４を切断システム１５０と整列させてもよい。垂直移動と同時に、テープ断片ガイド１７０の幅も必要であれば調節し、第２スピンドル１１９のテープ材料に対応してもよい。その後、第２テープ供給ユニット４０４のピンチローラーは、テープを第２スピンドル１１９から第２テープ供給ユニット４０４および切断システム１５０を経由して後ろのピンチローラーセンサ５３２の先に移動させる。この時点で、スピンドル１１９からの新しいテープ材料は、把持部材１９０がテープを固定し、テープをガイドレールに配置し始めるように位置決めされてもよい。本明細書に記載のプロセスは、第１材料スプールからの材料と第２材料スプールからの材料との間で行ったり来たり変更するために使用されてもよいことは理解されるであろう。
【００８２】
この自動テープローディングシステム１９９の構成は、オペレータ介入なしにローラーを切り換えることができるため、システムの中断時間が短縮される。また、このシステムは、複数幅のテープを有するブランク（例えば、６インチのテープ断片と２インチのテープ断片の両方から成るブランク）を自動的に作製する手段だけでなく、自動的に複数の材料から成るブランク（炭素繊維テープ断片とガラス強化テープ断片の両方を有するブランクなど）を作製する手段も提供する。さらに、このシステムは、異なる幅と異なる材料の材料からブランクを作製するための手段を提供する。
【００８３】
図４６ａ〜図４６ｇは、テープ断片を操作、配置して、真空テーブル１０４および／または他のテープ断片に仮付けするための例示的システムおよび方法の概略図を示す。理解しやすいように、このシステムの一部の構成要素は概略的に示されている。例えば、溶接アセンブリ１６０はここでは５個の溶接ユニット２０５を含むように示されているが、図３８および図３９に示す実施形態は１８個の溶接ユニット１６４を含む。同様に、切断システム１５０はここでは概略的に切刃２０４として示されている。さらに、図４６ａ〜図４６ｇ、図４７ａおよび図４７ｂに示す溶接ユニットは概略的に示されている。溶接ユニットのさらに詳細な図は、図４０を参照のこと。
【００８４】
まず、図４６ａに示すように、把持部材１９０は切刃２０４とガイド運動装置２０６に近接する第１位置２２０に配置されている。把持部材１９０はテープ配置ヘッド１０３に供給されたテープの端部を掴む。一部の例では、自動テープローディングシステム１９９のピンチローラーがテープを切断システム１５０を経由して把持部材１９０まで押してもよい。この時点で、把持部材１９０はテープを掴み、ピンチローラーは把持部材１９０が移動し始める前にテープを解放してもよい。一部の例では、テープの端部は、把持部材１９０の把持支持部１９２と把持先端部１９４（図４３および図４４参照）との間で把持されてもよい。
【００８５】
次に、図４６ｂに示すように、真空テーブル１０４を回転させると共に軸２１０に沿って並進させてもよい。さらに、溶接ユニット２０５を軸２１２に沿って溶接機軌道１６６上を移動させてもよい。軸２１２は軸２１０にほぼ垂直である。従って、溶接ユニット２０５の軸２１２に沿った複合並進運動、真空テーブル１０４の軸２１０に沿った並進運動、テープ断片のガイドアセンブリ１７０内での並進運動、および真空テーブル１０４の中心軸を中心にした回転運動はテープ断片の真空テーブル１０４上での所望の位置決めおよび配向を可能にする。
【００８６】
図４６ｃに示すように、把持部材１９０は、第１位置２２０から第２位置２２２に移動することができる。第１位置２２０と第２位置２２２はテープ断片ガイド１７０および／または溶接アセンブリ１６０に対して位置を区別することができる。第２位置２２２は把持部材１９０と切刃２０４との距離がテープ断片２５０の所望の長さに一致するよう選択する。図４６ｄに見られるように、把持部材１９０が第２位置２２２に移動したら、切刃２０４が（矢印２９９で示すように）テープを切断し、所望のテープ断片２５０を形成する。この時点で、テープ断片２５０は、テープ断片ガイド１７０に沿って第１位置２２０に配置される第１端部２７１と第２位置２２２に配置される第２端部２７２とを有するテープの長さを含む。一部の例では、係合した駆動ローラーアセンブリからテープ材料が後退するのを防ぐために、テープ断片が切断される直前、同時、または直後に、ピンチローラーが自動テープローディングシステム１９９から供給されるテープ材料を即座に締め付けてもよい。
【００８７】
図４６ｅに示すように、テープをテープ断片に切断した後、テープ断片２５０を真空テーブル１０４の所望の位置上方に位置合わせするために、把持部材１９０は第２位置２２２から第３位置２２４へ移動してもよい。したがって、この段階で、第１端部２７１が第４位置２２３にある一方で（把持部材１９０に保持された）第２端部２７２が第３位置２２４にあるように、テープ断片は把持部材１９０によってテープ断片ガイド１７０を介して引っ張られる。さらに、把持部材１９０を第３位置２２４に移動した際、矢印２９８で示すように、同時にテープ断片ガイド１７０を真空テーブル１０４まで降下させ、テープ断片の溶接に備えてもよい。
【００８８】
次に、図４６ｆに見られるように、テープ断片２５０を真空テーブル１０４または下位のテープ断片に仮付けまたは溶接する。詳細には、第１溶接チップ２４１と第２溶接チップ２４２がテープ断片２５０に接触し、テープ断片２５０を真空テーブル１０４に仮付けさせるために、第１溶接ユニット２３１と第２溶接ユニット２３２を降下させる。その一方、残りの隣接する溶接ユニット群（つまり、図４７ａに示す第３溶接ユニット２３３、第４溶接ユニット２３４および第５溶接ユニット２３５）は静止したままで、テープ断片２５０と係合しない。テープ断片２５０は真空テーブル１０４に直接接触する場合もあれば、先に載置されたテープ断片に接触する場合もある。溶接機チップの真下のテープ断片が直接加工面上にある場合、テープ断片のその部分が例えば真空でテーブルに固定されるため、その溶接機は通電しない。一部の例では、把持部材１９０は溶接ユニット２０５がテープ断片と係合している間または係合する直前にテープを解放することができる。これにより、テープ断片の溶接に際し、把持部材１９０による干渉を回避する。
【００８９】
図４６ｇはガイドアセンブリ１７０と溶接ユニット２０５が真空テーブル１０４から遠ざかるように上昇した後の、真空テーブル１０４に仮付けされたテープ断片の具体例としての実施形態を示す。テープ断片２５０をガイドアセンブリ１７０内に懸架する手段に応じて、テープ断片をガイドアセンブリ１７０から解放する種々の方法を使用することができる。例えば、図２０に示す実施形態を参照して開示したように、テープ断片が下位のテープ断片に溶接されたら、押さえまたは溶接チップはテープを押圧したままでガイドレール２５を上昇させる。その結果、テープの縁部がガイドレール２５の溝から引き抜かれ、テープ断片をガイドレール２５から解放する。テープ断片がガイドレールから解放されると、溶接ユニットの押さえは後退してもよい。ガイドシステムの幅を自動的に調整できる実施形態では、テープ断片はガイド支持部間の幅を広げることで解放し、その後、ガイド支持部を加工面から引き上げることができる。
【００９０】
図４７ａは、把持部材１９０が位置２６０に移動してテープ断片２８０の所定の長さを作る別の構成を示す。図４７ｂに見られるように、テープ断片は把持部材１９０が位置２６２に移動する際に位置を変えることができる。また、図４７ｂに示すプロセスの時点で、テープ断片ガイド１７０は真空テーブル１０４まで降下して（矢印２９７によって表現する）、いくつかの溶接ユニット２０５が下げられている。詳細には、第１溶接ユニット２３１および第５溶接ユニット２３５が上昇位置に留まる一方、第２溶接ユニット２３２、第３溶接ユニット２３３、および第４溶接ユニット２３４は、テープ断片を仮付けまたは溶接するために下げられている。テープ断片の長さと位置に合わせるこの溶接ユニットの選択的操作は、より迅速かつ効率的な製造を提供してもよい。
【００９１】
その他の実施形態では、溶接ユニットの動きは垂直移動および溶接アセンブリの長さ方向に沿った移動に制限されない。別の実施形態では、例えば、溶接ユニットは、テープ断片ガイドに連動した長手方向に直交する方向に移動するよう構成することができる。したがって、一部の例では、１以上の溶接ユニットが直交方向に移動して、テープ断片ガイドと垂直方向に整列させたり、ずらしたりしてもよい。そのような実施形態は溶接アセンブリの真下で並列した２以上の異なるテープ断片ガイドに対して一組の溶接ユニットを操作する際に役に立つ。
【００９２】
図４７ａおよび図４７ｂに加えて図４６ａ〜図４６ｇも参照して分かるように、本明細書に記載のシステムは構成要素とサブシステムとの多種多様な相対運動に備えている。よって、例えば、溶接ユニット、溶接アセンブリ１６０、テープ断片ガイド１７０、把持部材１９０、真空テーブル１０４、切断システム１５０だけでなく実施形態に記載のその他の構成要素およびシステムの動きを調和させ、所望の製造プロセスや結果として製造される部品を実現することができる。一例として、把持部材１９０が、真空テーブル１０４の動きと略同時に溶接アセンブリ１６０の長さ方向に沿って移動し、それによりテープ断片ガイド１７０にあるテープ断片が真空テーブル１０４に先に存在するテープ断片に対して適切な位置に位置合わせされる。別の例として、溶接ユニットの動きは把持部材１９０の動きに合わせ、溶接ユニットが、テープ断片をテープ断片ガイド１７０を介して引っ張る把持部材１９０の経路を妨害しないことを確実にしてもよい。さらにその他の実施形態では、溶接アセンブリ１６０、真空テーブル１０４、およびテープ断片ガイド１７０内のテープ断片間の一連の相対運動が可能である。
【００９３】
真空テーブル１０４は、部品が積層される加工面としての機能を果たしてもよい。真空テーブル１０４は、テープ配置ヘッド１０３の長さ方向にほぼ直交する軸に沿った並進運動を介すだけでなく回転運動も利用して真空テーブル１０４を正確にテープ配置ヘッド１０３の下方に位置決めする台１０５に取り付けられていてもよい。正確に位置合わせしやすくするために、台１０５の並進軸に直交する軸に沿って溶接ユニット１６４も並進させることができる。オフラインプログラムからの命令によって、テープの長さおよび、テーブル上でのテープの位置と配向が決定されてもよい。
【００９４】
把持部材と溶接ユニットを移動させる機能は、テープ断片が形成された後にテープと溶接機を位置合わせすることができるため、さらなる配置精度をもたらす。この配置は、コースの長さを長くし易く、２．８２メートルまで或いはさらに長い長さも可能である。加えて、この構成は、レールを介して押されるための剛性といったテープの固有特性に依存するテープ速度ではなく、把持部材に依存してテープの供給およびテープ断片の移動速度を制御することで、処理速度を増大させるのに役立つ。加工面を２つの直交方向と対向する１つの直線方向にのみ並進させることはまたコスト削減にもなる。さらに、全体の装置設置面積は、加工面の２直線運動軸と回転を取り入れた同様のデザインと比して縮小させることができる。
【００９５】
また、本構成は、複数のヘッドがテープを同一の層に同時に積層することを可能にする。別の実施形態では、例えば、テープ配置ヘッド１０３の第１側面１４７（図示の実施形態に使用される構成）とテープ配置ヘッド１０３の第２側面１４９の両方に（テープ配置ヘッド１０３の第１側面１４７と第２側面１４９は図２７に示されている）材料ディスペンサ（スプールおよびローディングシステム）を設けることで、テープ配置ヘッド１０３のどちらの側からもテープを供給し、速度を増大させることができる。詳細には、図示の実施形態でテープを第１側面１４７に供給するために使用したスプールおよびローディングシステムと略同様の構成を、テープ配置ヘッド１０３の第２側面１４９にテープを供給するために設けることができる。さらに、テープ配置ヘッド１０３は、追加の切刃と把持システムの他に、テープ配置ヘッド１０３の第２側面１４９に供給されるテープおよびテープ断片を操作するための他の装備になりうるものを用いて構成することができる。しかも、本構成は、システムの、供給エラーなしにより多種多様なテープを扱うことができる機能を向上させることで装置のロバスト性を向上させることが可能である。
【００９６】
テープがテープ断片ガイド１７０に供給されてロールから断片に切断され、把持部材１９０がテープ断片ガイド１７０に沿った正確な位置にテープを位置決めし、真空テーブル１０４と溶接ユニット１６４が所望の位置に位置決めされたら、第１ガイド支持部１６７および第２ガイド支持部１６８は、先に敷かれた層または加工面にテープ断片がほぼ触れるまで降下する。その後、整列した１以上の溶接ユニット１６４が溶接アセンブリ１６０から降下し、テープの断片を加工面に押しつける。
【００９７】
溶接／仮付け工程が完了したら、溶接ユニット１６４はテープと接触したままで、第１ガイド支持部１６７と第２ガイド支持部１６８は初期荷重位置まで上昇してもよい。一部の例では、ガイドは、溶接／仮付けが完了する前に上昇させることができる。テープの中心が加工面に固定され、溶接ユニットにピンで留められたままであるため、テープの縁部がテープ断片ガイド１７０から引き抜かれる。テープ縁部がテープ断片ガイド１７０から解放されると、溶接ユニットは後退し、テープ断片を真空テーブル加工面の所定位置に残す。
【００９８】
この手順が、ブランクを構成する材料の各断片に対して繰り返されてもよい。最後のテープ断片が配置されたら、テーブルの真空を停止し、部品がテーブルから容易に取り外せるようにする。
【００９９】
前述したように、テープ断片ガイド１７０は、テープ断片の可変幅に対応するために第１ガイド支持部１６７と第２ガイド支持部１６８との間隔を自動的に調整するよう構成することができる。その結果、例えば、第１スピンドル１１８および第２スピンドル１１９に異なる幅のテープロールを装着させることで、少なくとも２種類の幅を有するテープ断片を用いてプリフォームを作ることができる。その後、異なるスピンドルからのテープ断片がテープ配置ヘッド１０３に供給されると、テープ断片ガイド１７０は異なるテープ断片の幅に対応するよう自動的に適合することができる。
【０１００】
一実施形態では、加工面およびガイド支持部のどちらか一方または両方が移動して、互いに対して相対変位する。そのような移動は、水平、垂直、またはこれらの組み合わせなど、任意の方向に可能であり、並進、回転、または枢軸移動といった移動が含まれる。
【０１０１】
一部の実施形態は、テープ断片同士を溶接するという側面を強化またはそうでなければ微調整するための装備を含むことができる。一部の実施形態は、完成した複合材料に対して望まれない構造上の特徴を招き得る、複数層間の溶接箇所の直線的な重なり合いを防ぐための装備を含むことができる。一部の例では、プログラムを使用して、複合材料の異なる層の溶接箇所が真空テーブルの平面上で互い違いになり、垂直方向に重なって真っ直ぐに配置されないように溶接箇所の位置を自動的に調整してもよい。さらに別の実施形態は、２つの層の間に連続した溶接箇所を作るための装備を含むことができる。例えば、一実施形態では、連続して接触しテープ断片の様々な部分に溶接を施す連続回転溶接機を使用することができる。一実施形態では、回転溶接機は把持部材に取り付けられた車輪からなる。把持部材がテープ断片をガイドシステム内で真空テーブルの所望の位置に位置決めしたら、回転溶接機がテープ断片の一部または全長を移動し、ほぼ連続した溶接を施すことができる。
【０１０２】
一部の実施形態は、テープ供給が停止する時間または溶接後に把持部材の位置を変えるために必要な時間を削減することにより処理時間を短縮するための装備を含むことができる。例えば、一部の実施形態は、テープ材料がシステムを通じて供給され続けている間、テープ材料をテープ断片に切断するための装備を含むことができる。一部の例では、例えば、テープ供給を停止することなく切断が行われ、結果としてシステムの処理速度が増大することになる。
【０１０３】
一部の実施形態は、１以上の溶接ユニットが真空テーブルに向かって伸ばされる間に把持部材をテープ配置ヘッド全体にわたって移動可能にする装備を含むことができる。例えば、一実施形態は、ヒンジのような取り付け台を使用して走路に取り付けられる把持部材を使用することができ、その結果、溶接が施されている際に把持部材が上方にガイド支持部とテープ断片の平面から離れて揺動する。把持部材は溶接ユニットの後ろにある位置まで揺動することができる。その結果、溶接が施されている際に、把持部材は溶接ユニットの後に切断システムに向かって移動できる。
【０１０４】
一実施形態では、例えば、ヒンジ結合（図示せず）は、把持部材１９０の部分１９７（図４４参照）に設けることができる。一部の例では、部分１９７は拡張装置１９５の内側縁部である。そのような実施形態では、把持部材１９０がもはや溶接ユニットの経路に当たらないように拡張装置１９５、把持支持部１９２および把持先端部１９４が上方に揺動してもよい。これにより、降下させたどの溶接ユニット１６４にも干渉せず、把持部材１９０を走路部材１８２に沿った任意の位置に移動させることができる。本明細書に記載したヒンジの提案位置は例示のみを意図したものであることは理解されよう。別の例では、ヒンジまたはヒンジ結合は把持部材１９５の任意の部分に配置することができる。
【０１０５】
この配置によれば、溶接ユニットが上昇したら直ちに把持部材がテープの新しい断片を把持し引っ張るため、処理時間を短縮することができる。これは、溶接ユニットが上昇するまで把持部材がデフォルト位置に戻らない本実施形態とは対照的である。
【０１０６】
実現可能な別の実施形態として、把持部材は、ガイド支持部の外側領域だけでなくガイド支持部間の領域に沿って移動する走路に取り付けることができる。その結果、把持部材がテープ断片をガイド支持部間の所定の位置に移動させ、テープ断片が少なくとも１つの溶接ユニットによって係合したら、テープ断片を解放し、走路に沿って移動し続け、溶接が完了する前にカッターに近い位置までガイド支持部の周辺を輪を描いて動く。実現可能な一つの実施形態では、走路を溶接ユニットの後ろに位置する領域まで延長し、把持部材が溶接ユニットに干渉することなく、テープ配置ヘッドに沿って移動できるようにする。
【０１０７】
当業者であればわかるように、ガイド支持部を含め、本明細書に記載のガイドシステムは、テープが供給され切断されたら、テープを加工面の上方に懸架して配置するために使用できる数ある手段のうちの１つに過ぎない。真空を利用してテープを加工面の上方に懸架する他の方法、ガイドレール間の距離を広げてテープを解放するトレイ、格納式トレイ、またはその他の機構を採用してもよい。
【０１０８】
上記システムおよび方法は、異なる材料からなる材料を単一のブランクに載置する機能を可能にする。例えば、１つのスピンドルには第１材料からなるテープを装着し、第２のスピンドルには第２材料からなるテープを装着する。両材料はテープ断片を形成し、種々のテープ断片を溶接し合うためのガイドシステムに供給される。
【０１０９】
上記実施形態の開示は、例示および説明のために提示している。全てを網羅しているわけではなく、その他の実施形態を、開示したそのままの形態に限定するものでもない。本明細書に記載した実施形態の多数の変形および変更は、上記開示に鑑みれば当業者には明らかであろう。実施形態の範囲は本明細書に添付の請求の範囲およびその均等物によってのみ定義されるべきである。
【０１１０】
さらに、本実施形態の代表的な実施形態を記載するにあたり、本明細書は、特定の順序のステップとして本実施形態の方法および／またはプロセスを提示している。しかしながら、方法またはプロセスは本明細書に記載した特定の順序のステップに依拠しない限り、方法またはプロセスは記載した特定の順序のステップに限定されるべきではない。当業者であれば分かるように、他の順序のステップも可能である。したがって、本明細書に記載した特定の順序のステップは請求の範囲を限定するものとして解釈すべきではない。さらに、本実施形態の方法および／またはプロセスを対象とする請求の範囲は、記載された順序でこれらのステップを実行することに限定されるべきではなく、順序は変更することができ、依然として本実施形態の主旨および範囲に含まれる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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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【図４２】
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【図４３】
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【図４４】
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【図４５】
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【図４６ａ】
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【図４６ｂ】
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【図４６ｃ】
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【図４６ｄ】
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【図４６ｅ】
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【図４６ｆ】
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【図４６ｇ】
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【図４７ａ】
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【図４７ｂ】
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【図４８】
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【図４９】
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