(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構成部品を形成する方法であって、前記構成部品が共に複合スタックを形成するサブレイヤ連続体を含み、各サブレイヤが複数のプライを含み、
前記方法が、
プライの第1のサブレイヤを積層するための開始位置を選択するステップと、
前記位置から複数のプライを積層して第1のサブレイヤを形成するステップと、
各々が直前のサブレイヤの上層に積層されている、複合プライの複数の後続のサブレイヤを積層するステップと、
を含み、
各々の後続のサブレイヤを積層するための前記開始位置が前記直前のサブレイヤの前記開始位置に対して横変位されるように選択され、
前記第1のサブレイヤの前記積層開始位置は、前記複合スタックの前記第1のサブレイヤから最後のサブレイヤまで延在している基準線を画定し、各々の後続のサブレイヤの前記積層開始位置が前記基準線の各側同士を交互配置させるように変位される方法。
【請求項２】
各プライは細長いテープの形態であり、各プライは前記テープの長さに沿って延在している第1の軸と前記テープの幅を横切る第2の軸とを有しており、前記横変位が直前のサブレイヤ内の対応するプライの前記第1および／または前記第2の軸に対する横変位である、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
各々の後続のサブレイヤの各積層開始位置の前記変位は、各サブレイヤの前記開始位置が前記直前の層の全てに対して横変位されるように選択される、請求項1または2に記載の方法。
【請求項４】
各サブレイヤは複数のプライの層から形成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
各サブレイヤを形成する前記プライは複数の方向に延在するように配置され、複数のプライは各方向に積層される、請求項4に記載の方法。
【請求項６】
同一方向に積層されたプライは、隣接するプライから、前記プライの幅に等しい距離だけ離間される、請求項5に記載の方法。
【請求項７】
複数のプライが第1の方向に積層され、その後、複数のプライが第2の方向およびこれに続く方向に積層され、プライが前記方向の各方向に積層された時、プライは前記方向の各方向に隣接するプライ間で画定された空間内に積層される、請求項6に記載の方法。
【請求項８】
所定の変位距離aは、前記プライの幅を1サブレイヤ当たりのプライ数によって除算することによって求められ、各々の後続のサブレイヤの前記積層開始位置が以下のシーケンス位置：
0，＋a，−a，＋2a，−2a，−a，＋a，0
に基づいて前記基準線に対して変位され、前記所定の距離aは前記プライの前記第1の軸および／または第2の軸に沿って測定される、請求項1〜7のいずれかに記載の方法。
【請求項９】
前記プライはエポキシ樹脂を予備含浸した細長いテープである、請求項1〜8のいずれかに記載の方法。
【請求項１０】
前記構成部品が平らである、請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
【請求項１１】
前記構成部品が円筒形状であり、少なくともいくつかのプライが前記構成部品周りにらせん状に配置される、請求項1〜9のいずれかに記載の方法。
【請求項１２】
前記プライが円筒形マンドレルへ積層される、請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
前記積層開始位置は、隣接するプライおよび／またはサブレイヤ間の突合せ接合部を画定する、請求項1〜12のいずれかに記載の方法。
【請求項１４】
前記積層された複合スタックが硬化されて、各プライおよびサブレイヤ内の前記樹脂を固める、請求項1-13のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、改良された構造特性および衝撃特性を有するモノリシックな複合構成部品を形成する方法に関する。より詳細には、本発明は、以下に限定しないが、ガスタービンエンジンなどのための改良されたファン格納容器に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、長年にわたって、航空宇宙産業に用いられている。用語「複合材料」（一般に「複合材」としても知られている）は、カーボン、ガラス等の繊維やエポキシ樹脂（または同類のもの）を含む材料を表現するために用いられる。複合材料は、軽量化、耐疲労性／損傷抵抗、耐腐食性や極少の熱膨張などの航空宇宙用途に向けて重要な利点を提供する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
これらの材料の使用は、航空機を構成する構成部品の全体の総重量を削減することによって航空機の全寿命にわたって達成され得る燃費の節約が可能なことから、主に航空宇宙産業業界の全体において増加している。空気力学部品ならびに構造部品は炭素繊維材料で形成されている。
【０００４】
しかしながら、本発明者らは、起こり得る衝撃や接触損傷を受けやすい構成部品に用いられる（炭素繊維などの）複合材料の使用に制限を設けた。具体的には、従来の製造方法では、航空宇宙用途において発生し得る様々な種類の衝撃に耐え得る構成部品が提供されないことが分かった。
【０００５】
航空宇宙産業におけるこのような1つの用途は、ガスタービンエンジンのファン格納容器（ファンケースともいう）に用いられる。ファンケースは、例えば、エンジンに吸い込まれた鳥による破損や損傷が生じた場合、ブレードの全部または一部の衝撃を吸収するように設計されている。ファンケースがなければ、ブレードの全体または一部が胴体および／または燃料タンクに影響を与えて壊滅的なダメージを起こす可能性がある。
【０００６】
本発明は、改良された衝撃特性を有する複合構成部品、より詳細には、ファン格納容器への使用に適した構成部品を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本明細書中に記載の本発明の第1の態様によれば、複合構成部品を形成する方法であって、複合構成部品が共に複合スタックを形成するサブレイヤ連続体を含み、各サブレイヤが複数のプライを含み、この方法が、プライの第1のサブレイヤを積層するための開始位置を選択するステップと、この位置から複数のプライを積層して第1のサブレイヤを形成するステップと、各々が直前のサブレイヤの上層に積層されている、複合プライの複数の後続サブレイヤを積層するステップと、を含み、各々の後続サブレイヤを積層するための開始位置が直前のサブレイヤの開始位置に対して横に変位されるように選択される方法が提供される。
【０００８】
したがって、本発明によれば、サブグループがスタック内の他のサブレイヤに対して変位されるサブレイヤ連続体またはプライのグループを有する複合スタックが提供されている。これにより、有利には、サブレイヤ内のプライの各々が隣接するサブレイヤにおいて同一方向に延在する同じプライに対して変位されることになる。
【０００９】
要するに、プライの縁部を画定する境界線は、他のプライ境界線に、（スタックから見て）垂直に整列しない。本発明者らは、複合材料のスタックにおける同一方向のプライの整列によって、堆積性の突起や「バルジ」が複合スタックの外部表面に形成されることを立証した。これはプライの境界線や突き合わせ接合部の整列の繰り返しによって生じる。本発明によれば、共通方向のプライがこの整列が発生しないようにするために変位される。
【００１０】
本発明の特徴は少なくとも2つの利点をもたらす。
【００１１】
第1に、プライ境界線の無整列または不整列は、複合部の表面仕上げが大幅に改良されて形成されることを可能にする。即ち、構成部品の内部表面および外部表面を画定するプライの表面仕上げが従来の技術を用いた場合より実質的により均一化される。これは外見上および技術的に構成部品に対して大きな利点をもたらす。例えば、航空宇宙用途の場合、平滑かつ均一な表面はその部分の空気力学的特性に大きな利点をもたらす。
【００１２】
第2に、プライ境界線の無整列や不整列は、構成部品の構造的性能を大幅に向上させる。特に不整列は、隣接するプライの境界線に沿って発生し移行してから構成部品に波及する構成部品への亀裂や破線の伝播を防止する。境界線の不整列は伝播の発生を防止し、構成部品の構造的強度を改良する。特に、構成部品の衝撃性能が大幅に改良されることが分かった。
【００１３】
構成部品は、各サブレイヤ内のプライにおいて共通の方向に延在しているプライが少なくとも隣接するプライに対して横変位されるように配置されることを前提とした場合、所望の用途に対応する任意の適切な形状を持つことができる。全てのプライがこのように変位される必要はないことが考えられるが、変位量を増すことでその部分の構造的強度を高めることができることが分かった。有利には、プライは、全てのプライが互いに整列されることがないように積層される。
【００１４】
構成部品は、例えば、略平らであってよく、この場合、スタックを形成するサイブレイヤは互いに対して垂直に整列され、横変位は、x軸とy軸が構成部品の長さと幅（深さではない）に対応するx方向とy方向において測定される。
【００１５】
用語「横変位」は、プライの幅またはプライの長さに対応している方向（即ち、プライの深さまたは厚さ方向ではない）で測定されるサブグループの第1のプライの開始位置の変位を指すように意図されている。言い換えれば、図1Bを参照すると、プライの幅および長さがx座標とy座標に沿って測定され、深さがz座標に沿って測定される場合、横変位はx方向とy方向のみへの変位を指す。
【００１６】
スタックにおけるプライ境界線または縁部の不整列の有利となる特徴をもたらすのは、同一方向に隣接して配設されるプライや他のプライに対する横変位である。
【００１７】
横変位が軸の1つに沿って行われること、即ち、プライの長手軸（図1Bに示すy軸）に沿った方向に変位されることが更に理解されよう。或いは、横変位は、プライの幅方向の軸に沿った方向（図1Bに示すx軸）に変位される。後者の配置では、変位可能な距離がプライの長手軸に沿って変位可能な距離より短いと考えられる。有利には、この変位はx方向とy方向の両方において行われる。
【００１８】
構成部品自体は、例えば、ガスタービンファンケースの所望される寸法に対応する寸法を有する円筒形の構成部品であってよい。このような配置において、プライは（強度を最大化するために）構成部品周りにらせん状に配置され、このような場合、用語「横に」は、当該プライの幅軸および／または長手軸に沿った変位、即ち、マンドレルに対して周方向または軸方向の変位を指すように意図されていると考えられる。
【００１９】
プライ自体は所定の用途に対して任意の好適な形状を持つことができる。しかしながら、実質的に幅よりも長さが長いプライの使用は、円筒形状などのより複雑な構成部品を有利に製造できるようにする。例えば、プライは細長いテープ状であってよく、これにより格納および適用が容易になる。
【００２０】
複合構成部品を作成するための複合プライの積層プロセスは、それ自体は当業者に周知である。しかし、同一方向のプライを意図的に不整列にすることはあまり知られていない。
【００２１】
積層プロセスは、有利には、所望される構成部品の外形に対応している好適なマンドレルへテープを積層することが可能な好適にプログラミングされた自動積層機（自動繊維配置機など）で実行することができる。
【００２２】
上述したように、変位は1つまたは2つの方向に配置される。即ち、次のサブレイヤの積層の開始位置はx方向とy方向の両方（例えば、図1Bにおけるテープの長手方向と幅方向に対応するxとy）に変位される。したがって、共通方向のプライは2方向で変位されるかまたはオフセットされることで、長手方向の境界線（y方向の境界線）の整列のみならず幅方向の境界線（x方向の境界線）の整列も回避することができる。有利には、これが強度を一層高める。
【００２３】
この変位は、例えば、境界線が、所与の共通方向において、現在のプライと直前のプライに対してのみオフセットされるように配置される。有利には、サブレイヤおよびこれらのサブレイヤを形成するプライは、共通方向の全てのプライが同一方向にあるが異なるサブレイヤ内の他のプライに対してオフセットされるようにオフセットされる。
【００２４】
変位の概念はサブレイヤに適用される。即ち、サブレイヤが、横方向に変位され得る。これに加えてまたはこれに代えて、サブレイヤを形成するプライは、（一方が他に対して互いに積層される、同一方向に延在している複数のプライがある場合において、）同様に横方向に変位することができる。
【００２５】
用語「方向」は、複合構成部品の設計に携わる当業者には知られている。有利には、構成部品は、複数の方向にプライを含むサブレイヤを設けている。例えば、プライは、3方向、−60度、0度、＋60度に配置することができる。このようなプライ積層の数学的表記は［−60、0、＋60］となる。角度値は、構成部品の予め選択された基準線から測定されるが、全てのサブレイヤと全てのプライに共通である。
【００２６】
本発明によれば、プライは、第1のサブグループの開始位置から始まるサブレイヤまたはサブグループ内に積層される。第1の層は、マンドレル上へ積層され、各サブレイヤを形成する後続のプライは、完全なスタックが形成されるまで、直前のサブレイヤの上層に積層される。本発明によれば、積層の開始位置（例えば、自動積層機の開始位置）はx方向とy方向における所望の変位によって移動され、次のサブレイヤは所定のプライ方向のパターンに応じて積層される。
【００２７】
前述の方向の各方向における構成部品の構造的強度要件に基づいて、様々な適切な方向が各サブレイヤにおいて用いられることが理解されよう。
【００２８】
これらのサブレイヤを形成する複数のプライは、互いに対して直接隣接するように積層される。即ち、複数のプライは、例えば、平らな構成部品に対して略真っ直ぐにまたは円筒形の構成部品に対してはらせん状で同一方向に積層される。有利には、プライは、構成部品の均一性を向上させるために全てが略平行である。このようにプライを整列させることによって、次の方向の次層のプライが第1の層の上層に積層される前に、第1の方向に沿って連続のプライ層を提供する。このプロセスは、完全なサブレイヤが積層されるまで、反復される。
【００２９】
しかしながら、有利には、本発明者らは、サブレイヤの幾何学的品質と更にはサブレイヤの構造的性能を一層高めるために、改良された積層シーケンスを用いることができることを立証した。
【００３０】
具体的に、プライの積層シーケンスは、共通方向でサブレイヤを形成するプライがプライの幅にほぼ等しい距離を置いて、隣接するプライから離間されるように積層される。要するに、平行なプライ連続体は、各々がプライの幅に等しい幅だけ、離間されて積層される（例えば、テープ）。その後、複数のプライは、全てが同じ間隔を置いて離間配置される第2の方向とその後に続く方向に沿って積層される。平行に延在しかつ離間配置されたプライがこれらの方向の各方向に積層された時、プライは前述した方向の各方向で隣接するプライ間で画定された空間において積層される。要するに、全ての空間はプライによって「埋め込まれる」。
【００３１】
平行なプライは、プライの幅にほぼ等しい空間を置いて積層されるかまたはプライの幅の倍数だけ交互に離間して積層される。
【００３２】
この積層パターンは各方向のプライの間で相互接続を作り出す。要するに、プライは互いに複雑に重なり合う。その部分が一旦硬化されると、樹脂がプライを結束することで構成部品を固めて、繊維を複雑な相互接続された3次元配置に形成する。したがって、サブレイヤはすべてが硬化された樹脂内で結束される繊維の複雑な相互作用によって形成される。
【００３３】
有利には、この積層シーケンスは、構成部品に、亀裂の伝播の可能性を制限して強度を最適化する複雑な繊維構造を付与するように、各サブレイヤ積層の開始位置の変位に連結され得る。
【００３４】
本発明者らは、これらのサブレイヤの（他のサブレイヤに対する）特定の変位外形やパターンが構成部品の特性をまた更に高めることができることを更に立証した。
【００３５】
具体的に、第1のサブレイヤの積層開始位置は複合スタックの第1のサブレイヤから最後のサブレイヤまで延在する基準線を画定することができる。上述したように、第1の層はマンドレルや工具上へ積層される。
【００３６】
有利には、各々の後続のサブレイヤの積層開始位置は、前述の基準線の各側同士を交互配置させるように変位され得る。スタックにおいて延在する任意の基準線のいずれかの側同士間の積層開始位置を交互配置させることは、プライ境界線が互いに重なり合わないようにするだけでなく、有利には、これらの境界線は増加した距離だけ互いに離間されることを意味する。互いに離間する距離を増やすことは、有利には、スタックへの亀裂の伝播および／またはプライ／サブレイヤの剥離を更に防止することによって構造的強度を高める。これは以下に詳細に記載される図9を参照して説明される。
【００３７】
更にまた、交互変位自体を最適化できることが分かった。
【００３８】
具体的には、本発明者らは、所定の単位距離を構成部品の性能を最適化するために使用することができることを立証した。よって、テーププライの幅を1サブレイヤ当たりのプライ数で除算した値に対応する変位距離aが予め求められる。
【００３９】
距離a＝プライ幅／プライの数
（第1のサブレイヤの開始位置を画定する）第1のプライの開始位置が積層され、これが次のサブレイヤ開始位置の起点または基準線を設定する。各々の後続のサブレイヤの積層開始位置は以下のシーケンス：
0，−a，＋a，−2a，＋2a，−a，＋a，0
に従って基準線に対して変位される。
【００４０】
所定の距離aは、プライの第1およびまたは第2の軸のいずれかまたは両方に沿って、即ち、（図1Bに示すように）プライの長手y方向および／またはプライの幅方向xのいずれかに沿って測定される。
【００４１】
上記の例示的なシーケンスにおいて、8層からなるサブレイヤ複合スタックは図9に示すように作成され、更に以下に説明される。値ゼロは、第1と最後のサブレイヤ位置を表している。即ち、最後のサブレイヤは第1のサブレイヤの開始位置に直接積層される。
【００４２】
この配置は、構成部品の厚さ方向から見た時のプライ間の突き合わせ接合部の「ダイヤモンド形状」を作成する。このようなパターンは、隣接するサブレイヤ上の（プライの境界線または縁部である）大部分の突き合わせ接合部が相当な間隔を置いて離間しているので、構造的性能に対して最適であることが立証された。
【００４３】
完成したスタックが一旦積層されると、このスタックは適切な技術を用いて硬化される。ある配置において、スタックはオートクレーブに移され、硬化されて、高温高圧で樹脂を固める。或いは、スタックは、環境や近環境条件において真空バッグ技術を用いる、オートクレーブ法以外の方法にて硬化され得る。様々な硬化方法が当業者にとって公知である。
【００４４】
例えば、ファンケースにシリンダを形成するために、構成部品が円筒形マンドレルの周りに積層される配置において、複合スタックは、マンドレルを加熱することによって、および、適当な真空バッグによってスタックを取り囲むことによって硬化されて、この硬化中に揮発性のガスを取り除くことができる。ここでも、この硬化技術は当業者に知られている。
【００４５】
いずれかの硬化方法において、樹脂が流れてその部分を固化することによって硬化された複合構成部品が得られる。
【００４６】
プライ自体は全て同じ材料であってよい。或いは、例えば、特定領域が衝撃ゾーンとして識別される構成部品のある部分の強度を高めるために、別の材料が使用される。例えば、Kevlarは衝撃が発生し易い場所における構成部品（例えば、ファンケース）の特定の部分において積層される。これにより、構成部品の強度が更に改良されるとともに重量と材料の使用量が最小限に抑えられる。
【００４７】
構成部品自体がより大きな構成部品のサブパーツになることもある。例えば、本発明に係る方法は、ケースの先端部が従来のプライ配置を使用して積層されるファンケースのサブパーツ上に用いられる。このような状況において、本発明に基づいて積層された構成部品の境界線は、ランプ法などを用いて、隣接する積層された部分と相互接続される。
【００４８】
他の態様によれば、複合構成部品を作成する方法であって、構成部品がプライの個別サブグループへグループ分けされた複合プライのスタックを含み、各サブグループは直前のサブグループの上層に直接位置決めされており、各サブグループが、サブグループ内で第1の方向に延在しているプライの縁部を画定する線が、スタックのサブグループの他の1つのサブグループ内の同一方向に延在しているプライの縁部を画定する線に直接重なり合わないように積層される方法が提供されている。
【００４９】
さらに他の態様によれば、プライの個別サブグループへグループ分けされた複合プライのスタックを含む複合構成部品であって、各サブグループが直前のサブグループの上層に直接位置決めされており、各サブグループが、第1の方向に延在しているプライの縁部を画定する線がスタックのサブグループの他のサブグループの1つの同一方向に延在しているプライの縁部を画定する線に直接重なり合わないように配置される複合構成部品が提供されている。
【００５０】
また他の態様によれば、自動繊維配置機を操作して複合構成部品を形成する方法であって、複合構成部品が共に複合スタックを形成するサブレイヤ連続体を含み、各サブレイヤが複数のプライを含み、この方法が、プライの第1のサブレイヤを積層するための開始位置を選択するステップと、この位置から複数のプライを積層して第1のサブレイヤを形成するステップと、各々が直前のサブレイヤの上層に積層されている、複合プライの複数の後続のサブレイヤを積層するステップと、を含み、各々の後続のサブレイヤを積層するための開始位置が直前のサブレイヤの開始位置に対して横変位されるように選択される方法が提供されている。
【００５１】
更に他の態様によれば、複合構成部品を形成する方法であって、この構成部品が共に複合スタックを形成するサブレイヤ連続体を含み、各サブレイヤが複数のプライを含み、この方法が、複数のプライを積層して各サブレイヤを形成するステップであって、各サブレイヤを形成するプライが複数の方向に延在するように配置され、同一方向に積層されたプライがプライの幅にほぼ等しい距離だけ、隣接するプライから離間されるステップを含む方法が提供されている。
【００５２】
この方法は、任意には、同一方向に隣接して配設されるプライ間で画定された経路に沿って予め積層されたプライ上へプライを積層するステップを含む。
【００５３】
本発明の態様は、ガスタービンエンジン用ファンケースに係り、より詳細には、本発明に基づいて製造される航空機構成部品および本発明に基づいて製造される風力タービン構成部品に関する。
【００５４】
当然ながら、本出願の教示の利点によって、この方法が、構造的強度および／または表面仕上げを重要とする数多くの用途に適用可能であることが理解されよう。また、本発明による細長い予備含浸されたテープが繊維糸または個々の繊維束（当技術においてトウとして知られている）とは区別されることが理解されよう。
【００５５】
上述したように、本発明は、改良された内部構造（交織プライ）を有する複合構成部品を製造する方法を提供するだけでなく、プライの突き合わせ／境界線のオフセットにより大幅に改良された表面仕上げを施す。
【００５６】
構成部品の厚さ方向の接合部の不整列は、不均一な構成部品の表面仕上げを生じる「キルティング効果」を防ぐ。
【００５７】
本発明の一実施形態または態様に関して本明細書中に記載されている特徴は本明細書中で定義されるあらゆる他の態様や実施形態に好適かつ有利に組み合わされてよい。
【００５８】
本発明の実施形態は以下の添付図面を参照して例示するためだけに記載される。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１Ａ】ガスタービンエンジンに沿った断面図を示す図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態によるプライの軸を示す図である。
【図２】自動化された積層配置を示す図である。
【図３】本発明による平らな複合構成部品スタックを示す図である。
【図４】本発明による湾曲した複合構成部品スタックの一部を示す図である。
【図５】図3に示す構造の拡大断面図を示す図である。
【図６Ａ】サブレイヤの積層シーケンスを示す図である。
【図６Ｂ】サブレイヤの積層シーケンスを示す図である。
【図６Ｃ】サブレイヤの積層シーケンスを示す図である。
【図７】完成したサブレイヤを示す図である。
【図８Ａ】プライの特定の積層シーケンスを示す図である。
【図８Ｂ】プライの特定の積層シーケンスを示す図である。
【図８Ｃ】プライの特定の積層シーケンスを示す図である。
【図８Ｄ】プライの特定の積層シーケンスを示す図である。
【図９】複合スタックを形成するサブレイヤの積層シーケンスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
本発明は様々な変更および他の形態が可能であるが、具体的な実施形態が図面に例示され、本明細書中に詳細に記載されている。しかしながら、本発明に添付されている図面とその詳細な説明は開示されている特定の形態に限定されることを意図するものではなく、むしろ、本発明は、本発明の請求の範囲を逸脱しない限りにおいて、あらゆる変更物、等価物、および代替物を網羅することを理解されたい。
【００６１】
図1は、ガスタービンエンジンを示す断面図である。具体的には、この断面図は本発明の1つの用途および実施形態によるファン格納容器の位置を示している。
【００６２】
図1に示すように、ガスタービンエンジン1は空気をエンジンへ取り込むための吸気口2を含む。この簡略化された図は回転可能な中心軸4に配置されたファンブレード3を示している。1つのブレードの全体的または部分的な故障がその部分をエンジンの外側径方向に移動させないように、ある形態の防護壁をタービンブレードの周囲の適所に置くことはエンジン製造の必要条件である。これが大惨事を発生させる可能性が考えられる。
【００６３】
このような大惨事の発生を防止しブレードをエンジン内に保持するために、ファンケース5がブレードの周りに配置される。複合材料からこの構成部品を製造することで、エンジンの重量を大幅に削減でき、これにより、エンジンひいては航空機自体の燃料効率を実質的に高めることができることが分かった。したがって、この適用は実際的な環境上の利点を有している。
【００６４】
正確な幾何学的形状は航空機にもよるが、ファンケース5はほぼ円筒形状を成す。ファンケースは、例えば、「膨出」した胴体と細い先端を有する樽形である。
【００６５】
図2は、本発明による構成部品が円筒形を成すように配置された自動積層機を示す基本的な図である。
【００６６】
本発明は、円筒形に限定されるものではなく、湾曲形や平面形または他の所望される構成部品の形状に等しく適用可能であることが理解されよう。
【００６７】
図2において、長手軸7の周りを回転可能なマンドレル6が示されている。マンドレルの軸に沿ってのみならずマンドレル表面に対して内外の径方向に移動することができる可動テープ積層ヘッド8が示されている。テープ積層ヘッド8は予備含浸されたテープの連続ロールを備える。
【００６８】
積層装置、即ち、マンドレルおよび積層ヘッドはコンピュータによって数値制御され、所定のパターンに基づいてプライを積層するようにプログラムされる。
【００６９】
一例において、75mmの幅を有する炭素エポキシ含浸樹脂が用いられる。150mm幅のテープなどの他の様々の幅が使用される。テープの幅は、特定の構成部品および構成部品の幾何学的形状に依存することが理解されよう。材料は手動で積層することができるが、好ましくは、MTorres社製の機械などの市販されている機械を使用して積層される。
【００７０】
本発明は、特定の樹脂／繊維のいかなる組合せにも限定されない。実際には、本発明は、任意のテープベースの積層プロセスまたはシステムに有利に適用することができる。
【００７１】
使用時に、マンドレル6は軸7を中心に回転すると同時に、テープヘッド8は移動してテープのライン（プライという）をマンドレルへ積層させる。マンドレルは、第1の剥離型プライ層を有することで、表面仕上げを向上させ、マンドレルからの構成部品の除去を補助する。この点において、一旦その部分が硬化されると、マンドレル自体が内方へ折り畳まれ、構成部品を安全に取り除くことができる。
【００７２】
図2に示すように、プライ連続体P1、P2、P3はマンドレルの周りに略らせん形に積層されている。これは、図2に示すように等しく平行なプライ連続体を形成する複数または単一のらせん状のプライである。これらのプライは任意の基準線の軸線に対して第1の角度で積層される。
【００７３】
また、図2は、第2の方向に積層された第2のプライ連続体P4、P5、P6を示している。図2は2方向に積層されたプライを示しているが、プライは所望の用途によっては様々な方向に積層されてよいことが認識される。図2において、プライP1、P2、P3が積層され、次に、プライP4、P5、P6が第1のグループの上層に直接積層される。図示するように、空間PSは隣接するプライの間に置かれる。空間PSの幅はプライの幅にほぼ等しい。
【００７４】
図3は、平らな面に用いられた本発明を示す他の図を示す。なお、本明細書中に記載された方法は、平面状および円筒状の両構成部品に等しく適用されることが認識される。ここで、平面形状について説明する。
【００７５】
図3に示すように、構成部品は複合材料の予備硬化されたスタック9から形成される。スタック9は複数のサブグループまたは層へ更に分割される。各サブレイヤは複数のプライを含む。図3には、3つのサブレイヤ10、11、12のみが示されているが、サブレイヤはいくつでも使用することができる。
【００７６】
図4は、構成部品の他の外形、即ち、複数のサブレイヤ13を有する湾曲したスタック9の断面図を示している。このような外形は本発明により製造されたファン格納容器の断面の一部に対応している。
【００７７】
図5は、図3に示すスタック9の断面の一部を示す拡大図である。図示するように、各サブレイヤは複数の個々のプライ10.1、10.2、10.3などから形成される。各サブレイヤ10、11、12を構成するために適切な数のプライを使用することができる。
【００７８】
図3〜図5に示すように、各サブレイヤは直前のサブレイヤの上層に配置されて複合スタックを形成する。
【００７９】
ここで、1つのサブレイヤをより詳細に説明する。
【００８０】
サブレイヤの各々は異なる方向に延在しているプライ連続体を含む。プライの互いに対する実際の角度は、構成部品の特定の用途に応じて予め定められ、一般に構成部品に印加される力に基づいて決定される。
【００８１】
図6A〜図6Cは、1つのサブレイヤの積層プロセスを示す図である。ここでは、3方向、−45度、0度、＋45度［−45、0、＋45］が用いられる。自動積層機は、互いに隣接しかつプライの幅にほぼ等しい所定の距離だけ互いから離間された平行なプライの各々を積層するように構成されている。したがって、平行なプライ連続体は、同一方向に更なるプライを収容するのに十分な間隔を置いて作成される。
【００８２】
図6Aを参照すると、4つの平行なプライはそれぞれ、0度の軸、即ち、P1（0）、P2（0）、P3（0）、およびP4（0）に沿って積層される。
【００８３】
その後、積層機はマンドレルに対して再び位置決めされ、第2の平行なプライ連続体は第1のプライ連続体の上層に積層される。第2のプライ連続体Pl（45）、P2（45）、P3（45）およびP4（45）は、ここでも、プライの幅にほぼ等しい距離だけ離間されて、サブレイヤの第1のプライ連続体の上層に直接積層される。
【００８４】
図6Cに示すように、第3の平行なプライ連続体P1（−45）、P2（−45）、P3（−45）、およびP4（−45）も同様に積層される。
【００８５】
実際に、図6A〜図6Cに相対位置は示されていないが、図6Bのプライは図6Aのプライ上へ積層され、図6Cのプライは図6Bのプライ上へ積層される。
【００８６】
サブレイヤの形成の次の段階において、3方向の各々（発生し得る何方向であってもよい）において隣接するプライ間にプライを積層する。よって、更なる平行なプライ連続体は、図6A〜図6Cに示す隣接するプライ間の空間に沿って積層される。
【００８７】
これは、矢印A、BおよびCによって図6A〜図6Cに示されている。これらの更なるプライは、上述の積層ステップによって形成されたプライへ積層される。プライは、同じシーケンス、即ち、0度、＋45度、−45度で積層することができるが、他の順序で積層することもできる。いかなる順序が選択されても、同一方向に隣接して配設されるプライ間で画定される全ての空間が「埋め込まれる」。
【００８８】
したがって、得られるサブレイヤは、実際に、プライが他の方向の他のプライ内で織成される複数の方向において複数の平行なプライを含む。サブレイヤのプライの交織配置はサブレイヤの構造的強度を実質的に向上させる。例えば、このように積層されたサブレイヤにおいて亀裂が広がる傾向は、亀裂が通過する明確な経路が存在しないので、実質的に低下する。要するに、構成部品の故障につながる通常の経路は、サブレイヤの異なる個々の層に対してプライが相互作用することによって中断される。
【００８９】
得られたサブレイヤは、各方向におけるプライの一部を視認できる図7に示すことができる。この各サブレイヤの積層方法は湾曲状または円筒状の配置に適用できることが理解されよう。
【００９０】
図8A〜図8Dはプライの1つの有利な積層シーケンスを示している。図8A〜図8Dに示すシーケンスは2方向4プライを含む単一サブレイヤを示している。
【００９１】
図8Aに関して、一連の矢印によって示すように、第1の平行なプライ連続体が積層される。各プライはプライの幅に等しい距離（S1によって示される）だけ離間して配置される。図8Bは、また矢印によって示される、第2の平行なプライ連続体が積層されるシーケンスの次のステップを示している。ここで、平行なプライは空間S2だけ離間される。
【００９２】
図8Cは、図8Aにおいて積層されたプライ間で画定された空間内で、即ち、空間S1によって画定された経路に沿って、平行なプライ連続体が積層される、第3のステップを示している。最後に、図8Dを参照すると、平行なプライ連続体が図8Bの空間S2によって画定された経路に沿って積層される。
【００９３】
図8A〜図8Dは、2方向4プライの積層シーケンスを示しているが、任意の数のプライが様々な方向でサブレイヤを形成することができることが理解されよう。有利な特徴は、プライの離間、および、隣接するプライ間で画定された空間へのプライの積層である。これによってテープ繊維の複合交織が得られる。一旦硬化されると、複雑な相互作用は、強度および衝撃抵抗において大幅な改良をもたらす。
【００９４】
上述したように、これは連続するサブレイヤ内のプライの変位と組み合わされて有利に使用され、これにより、（a）複合混織繊維と（b）オフセットテープ境界線の両方を含む複合構成部品を形成することで、亀裂伝播または剥離を防止する。
【００９５】
図8A〜図8Dに示す例は単一のサブレイヤを製造する方法である。スタックは複数のこれらのサブレイヤを含み、各サブレイヤは、別の隣接するサブレイヤ上に積層され、例えば、図1Bおよび図9に示すように、xおよび／またはy方向の直前のサブレイヤから、任意に変位される。
【００９６】
連続的なサブレイヤの互いの層に対する整列について以下に説明する。
【００９７】
図9は、各サブレイヤの別のサブレイヤに対するオフセットまたは「不整列」を示す図である。
【００９８】
上述したように、各サブレイヤは、直前のサブレイヤに対して所定の距離だけオフセットされる。これは各々のサブレイヤの積層を開始する時に積層機の開始位置をオフセットすることによって測定することができる。開始位置をオフセットすることによって、境界線、即ち、プライの縁部の各々が、同一方向に延在しているが直前のサブレイヤの一部となっているプライに対してオフセットされる。
【００９９】
オフセット距離は、任意の適切な距離であってよいが、有利には、プライの幅をスタックを形成するサブレイヤの数で除算することによって求めることができる。これにより、定数aを予め求めることができる。
【０１００】
したがって、オフセット距離a＝プライの幅／1サブレイヤ当たりのプライの数となる。
【０１０１】
積層機は、その後、第1のサブレイヤの第1のプライの積層開始位置として好適に設定することができる所定の基準線に対して、開始位置をオフセットするようにプログラムされる。図6Aを参照すると、これは例えば点である。
【０１０２】
基準線を画定する点Aは、図9においても、第1のサブレイヤに対する開始位置として示されている。図9は、上述したように各サブレイヤが形成される8層からなるサブレイヤを示している。
【０１０３】
オフセット距離aもまた、図9に示されている。第1のサブレイヤがオフセットされないことから、点9に対応する位置ゼロ（0）で開始される。その後、サブレイヤを形成するプライは、上述したように積層され、プライを複数の方向に積層して、その後、プライ間に画定された空間は更なるプライで埋め込まれる。
【０１０４】
これに続く変位に基づいて、次のサブレイヤとそれ以降のサブレイヤが積層される。これらの変位またはオフセットは、図9に示されるように、点Aからスタックを介して延在する基準線12から測定される。
【０１０５】
これらの変位は、以下のように、基準線のいずれかの側同士を交互配置させる。
【０１０６】
0，−a，＋a，−2a，＋2a，−a，＋a，および0
したがって、各サブレイヤを積層するための開始位置は、様々なサブレイヤにおいてプライの境界線の全てを不整列にする直前のサブレイヤに対してオフセットされる。
【０１０７】
別の変位パターンが使用され得るが、このパターンがプライの離間を最適化し、これにより、構造的性能を最適化することが分かった。
【０１０８】
図9に示す例は、単一の方向における変位である。例えば、変位距離「a」は図6Aに示された軸xに沿って測定することができる。これはプライの幅を横切って延在する端部の境界線や突き合わせ接合部をオフセットすることが理解されよう。このオフセットはy方向に等しく適用することができ、よって、長手方向、即ち、プライを形成するテープの長形縁部や突き合わせ接合部に延在するプライの境界線をオフセットする。
【０１０９】
有利には、オフセットはxおよびy方向の両方に同時に用いることができる。よって、プライを形成するテープの幅と長さの両方を画定する突合せ接合部は、同じ方向においてそして異なるサブレイヤのプライからオフセットされ得る。これにより、両方向で不整列になるので、構成部品の強度が最適化される。
【０１１０】
積層プロセスは完全に自動化することができることが理解されよう。積層プロセスは、サブレイヤを形成する各々の連続プライを積層するように実行され、その後、第2のサブレイヤの第1の層およびこれに続くサブレイヤを中断することなく積層する。これにより、構成部品が単一の自動化プロセスにおいて製造できるようにする。
【０１１１】
最終的に、積層されたスタックは、オートクレーブによって、または、スタックが積層されたマンドレルやツール上にその場でスタックを硬化することによって、硬化される。硬化技術は、当業者によって理解されており、したがって、本明細書では説明をしていない。
【０１１２】
詳細な説明において記載されている構成部品は平面状かまたはほぼ円筒形状であるが、任意の形状または組み合わせを使用することができることがわかる。例えば、航空機や風力タービンに用いられるブレードはこの方法を用いることができる。
【０１１３】
本発明の態様は、方法に基づいて形成される構成部品、および上述したように後続の層内のプライがオフセットされる複数の層を含む構成部品に係る。本発明は、構成部品が衝撃を吸収しかつ／または平滑な表面仕上げを施すことが必要とされる場合に特に有利である。
【０１１４】
本明細書には以下が記載されている。
【０１１５】
複合構成部品を形成する方法であって、この構成部品が共に複合スタックを形成するサブレイヤ連続体を含み、各サブレイヤが複数のプライを含み、この方法が、プライの第1のサブレイヤを積層するための開始位置を選択するステップと、この位置から複数のプライを積層して第1のサブレイヤを形成するステップと、各々が直前のサブレイヤの上層に積層されている、複合プライの複数の後続のサブレイヤを積層するステップと、を含み、各々の後続のサブレイヤを積層するための開始位置が直前のサブレイヤの開始位置に対して横変位されるように選択される方法。
【０１１６】
第1のサブレイヤの積層開始位置が複合スタックの第1のサブレイヤから最後のサブレイヤまで延在している基準線を画定し、各々の後続のサブレイヤの積層開始位置が基準線の各側を交互配置させるように変位される、先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【０１１７】
複合構成部品を作成する方法であって、構成部品がプライの個別サブグループへグループ分けされた複合プライのスタックを含み、各サブグループは直前のサブグループの上層に直接位置決めされており、各サブグループが、サブグループ内で第1の方向に延在しているプライの縁部を画定する線が、スタックのサブグループの他の1つのサブグループ内の同一方向に延在しているプライの縁部を画定する線に直接重なり合わないように、積層される方法が提供されている。
【０１１８】
プライの個別サブグループへグループ分けされた複合プライのスタックを含む複合構成部品であって、各サブグループが直前のサブグループの上層に直接位置決めされており、各サブグループが、第1の方向に延在しているプライの縁部を画定する線、スタックのサブグループの他のサブグループの1つの同一方向に延在しているプライの縁部を画定する線に直接重なり合わないように配置される複合構成部品が提供されている。
【０１１９】
複合構成部品を形成する方法であって、この構成部品が共に複合スタックを形成するサブレイヤ連続体を含み、各サブレイヤが複数のプライを含み、この方法が、複数のプライを積層して各サブレイヤを形成するステップであって、各サブレイヤを形成するプライが複数の方向に延在するように配置され、同一方向に積層されたプライがプライの幅にほぼ等しい距離だけ、隣接するプライから離間されるステップを含む方法が提供されている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図９】
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