(57)【要約】  本発明は、ファイバーストランド（３）を支持層にほぼ任意の曲線状をなすように配置してこれに固定するコンポジット部品のためのＴＦＰ法においてファイバープリフォームを製造する装置の案内システム（１）に関し、案内システム（１）は、ファイバーストランド（３）を案内するために主として使用される。案内システム（１）は、ファイバーストランド（３）が中を通過可能であり、かつＴＦＰ法を行うために使用される装置の縫製ヘッドの領域に用いることができる、断面形状が可変な貫通口（２）を備える。貫通口（２）の断面形状が可変であることにより、配置及び固定可能なファイバーストランド（３）の幅を、例えば小さな曲率半径を有する軌道曲線部分において大きくし、当該軌道曲線部分において望ましくない局所的な肉厚部分が形成されることを回避することができる。制御及び調節システムは、好ましくは、ＴＦＰ法で使用される装置の縫製ヘッドの軌道を制御するために、かつ案内システム（１）の断面形状の変化を制御するために使用される。案内システム（１）は、ＴＦＰ法でコンポジット部品用ファイバープリフォームを製造するための前記装置の修理を簡単な方法で行うことを可能にする。
2009502700.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ファイバーストランド（３）をほぼ任意の所望の軌道曲線を描くようにバッキング層上に配置してこれに取り付けることにより、ＴＦＰプロセスを用いてコンポジット部品用のファイバープリフォームを製造する装置のための案内装置（１）であって、ファイバーストランド（３）を案内するように実質的に機能する該案内装置（１）において、該案内装置は、ファイバーストランド（３）に内部を通過させるための、断面形状が可変な貫通口（２）を有し、前記案内装置（１）は、ＴＦＰプロセスを行う装置の縫製ヘッドの領域に取り付け可能であることを特徴とする案内装置（１）。
【請求項２】
前記貫通口（２）は、少なくとも特定の部分において、楕円、長円、又は円形をなすように曲線状をなすことを特徴とする、請求項１に記載の案内装置（１）。
【請求項３】
前記貫通口（２）は、ほぼ四角形をなすように形成されることを特徴とする、請求項１に記載の案内装置（１）。
【請求項４】
前記貫通口（２）の幅（８、１４）及び高さ（９、１５）のうち少なくとも一方が可変であることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【請求項５】
小さな曲率半径を有する軌道曲線の一部においては、該一部においてファイバープリフォームが望ましくない肉厚部を形成しないようにするために、前記貫通口（２）の幅（８、１４）を増大させることができ、かつ／又は、前記貫通口（２）の高さ（９、１５）を減少させることができることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【請求項６】
大きな曲率半径を有する軌道曲線の一部においては、該一部においてより迅速にファイバープリフォームが特定の材料厚さを有するようにするために、前記貫通口（２）の幅（８、１４）を減少させることができ、かつ／又は、前記貫通口（２）の高さ（９、１５）を増大させることができることを特徴とする、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【請求項７】
前記貫通口（２）の断面形状、特に前記貫通口（２）の高さ（９、１５）及び／又は幅（８、１４）を調節手段によって変化させることができることを特徴とする、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【請求項８】
前記調節手段は、任意の時点における軌道曲線の前記一部の曲率半径に特に基づき、開ループ及び閉ループ制御装置によって制御可能であることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【請求項９】
前記ファイバーストランド（３）を前記バッキング層に取り付けるための縫製ヘッドは、前記開ループ及び閉ループ制御装置によって、少なくとも二次元の位置調節が可能であることを特徴とする、請求項１乃至８のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【請求項１０】
前記貫通口（２）の断面積は、その幅及び／又は高さに関係なく、ほぼ一定であることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の案内装置（１）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンポジット部品のための、ほぼ任意の所望される軌道曲線にてファイバーストランドをバッキング層上に配置してこれに取り付けるＴＦＰプロセス（「個別条件に合わせたファイバー配置(Tailored Fiber Placement)」）によってファイバープリフォームを製造する装置のための案内装置に関し、該案内装置は、ファイバーストランドを案内するように実質的に機能する。
【背景技術】
【０００２】
軽量の構造物、特に航空機構造物及び航空宇宙構造物においては、高強度かつ低質量であるために非常に軽量化が見込まれるファイバー強化コンポジット部品が、耐荷重構造部品において益々用いられている。
【０００３】
完成品であるコンポジット部品における強化用ファイバーの配置は、達成可能な剛性及び強度に決定的な影響を与える。強化用ファイバーは、可能な限り、荷重の方向に従っているべきであり、波状であるべきではなく、均一な荷重を受けるべきである。
【０００４】
従来の半完成品、例えば織製された又は撚製された繊維織布においては、強化用ファイバーは常に特定の配向で固定されるため、すべての考えられ得るファイバー配向が実現できるわけではない。したがって、従来の半完成品の一部においては、例えば、０°〜３６０°の間の強化用ファイバーのすべての配向はそれぞれ、ほぼ同じ確率である場合がある。この場合、全ての空間方向において（すなわち準等方的に）同じ機械的荷重を実質的に受けるコンポジット部品のみが、ファイバーで効果的に強化され得る。
【０００５】
しかしながら、ねじり荷重を受ける円板の場合には、力によって辿られる軌道は特定のインボリュート曲線を辿り、そのインボリュート曲線が結果としてファイバーのための最適な軌道を示す。この場合、例えば、領域を覆うように、かつ交互に＋４５°と−４５°をなすように強化用ファイバーを配置することが求められる。この場合、内端における部品厚は、その部分において最も荷重が大きくなるため、外端における部品厚よりも厚くするべきである。このため、これらのファイバー配向は、強化用ファイバーからなる従来のマット又は織布で形成することができない。
【０００６】
荷重に基づくファイバー層に関する要件を満たす一つの方法は、いわゆるＴＦＰプロセス（「個別条件に合わせたファイバー配置」）である。ＴＦＰプロセスには、少なくとも１本のファイバーストランドを所望の軌道曲線に沿って配置し、それを取付糸によってバッキング層に固定することを含む。これにより、このように形成されるファイバープリフォームにおける個々の強化用ファイバーの位置及び配向を、後に完成するコンポジット部品で生じる力に、ほぼ理想的に合わせることができる。配置されるファイバーストランド（ロービング）は、互いに平行に延びる個々の強化用ファイバー（フィラメント）が集まって形成される。個々の強化用ファイバーは、例えば、グラスファイバー、カーボンファイバー、アラミドファイバー等によって形成することができる。
【０００７】
ファイバーストランドは、ファイバープリフォームの梱包密度を高めるために、可能な限り平坦に配置される。配置されるべき層厚の最小値は、ファイバーストランドの厚さの制約を受ける。ファイバープリフォーム又は完成部品の厚さは、ファイバーストランドを有する配置された層の数によって決定される。積層されるべき層の最大数は、ＴＦＰプロセスで使用されるニードルの長さによって実質的に制限される。ファイバーストランドの供給は、軌道曲線及びバッキング層の接線方向に延びる案内装置（レバー）によって行われる。バッキング層上には、ファイバーストランドを複数層重ねてファイバープリフォームが製造される。
【０００８】
ＴＦＰプロセスにおいてファイバーストランドからファイバープリフォームを製造するにあたり、公知の装置、より詳細には、現代のコンピュータ制御された自動縫製及び刺繍機が用いられる。ＴＦＰプロセスを行うこのタイプの装置は、通常、縫製ヘッドを有しており、縫製ヘッドは、コンピュータ制御下で二次元において自由に位置決めすることができる。さらには、配置されるべきファイバーストランドの案内装置は、縫製ヘッドの領域に配置される。ファイバーストランドの必要とされる層がすべて配置された後、完成したファイバープリフォームは、バッキング層から切り離されて、硬化性ポリマー材料を含浸して、例えば公知のＲＴＭプロセス（「樹脂トランスファー成形」）を用いて硬化させる。これにより、完成品であるコンポジット部品が形成される。硬化性ポリマー材料としては、例えば、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂等が用いられる。
【０００９】
ＴＦＰプロセスを行うための公知の装置について不利な点は、ファイバーストランドをバッキング層上に配置するための案内装置が、不変の断面形状を有する貫通口を有することである。これにより、断面形状がほぼ矩形をなすファイバーストランドは、同じ断面形状となるようにしかすなわち、一定の幅又は高さを有するようにしか配置できない。このことから、ある状況下においては、ファイバープリフォームの材料厚に望ましくない局所的な偏りが生じるため、部品の厚さは、ファイバープリフォームの全表面積にわたってあまり均一であるとはいえない。例えば、部品のこのような肉厚部分は、ファイバーストランドが比較的小さな半径で配置される領域において生じる可能性がある。これは、小さな半径で配置されると、ファイバーストランドの高さが高くなるためである。
【００１０】
特許文献１は、ファイバーを整合させて、すなわち力に合わせて、三次元ＴＦＰプリフォームを製造する方法を開示している。特許文献１に記載される公知の方法においては、複数のループをなすように配置された強化用ファイバー、又は強化用ファイバーストランド（ロービング）は、縫糸により、発泡材料のブロックの表面上に縫い付け（取り付け）られて、ＴＦＰプリフォームが形成される。ＴＦＰプリフォームを結合剤で固定した後、ＴＦＰプリフォームを発泡材料ブロックから離脱させ、完成品のコンポジット部品を製造するために、硬化性ポリマー材料を含浸する。この方法における不利な点は、強化用ファイバーストランドが常に同じ幅で配置されるため、望ましくない厚さのばらつきを生じさせることになることである。これは特に、配置半径が小さい場合に起こる。
【００１１】
特許文献２は、強化用ファイバーストランドの様々に断面形状を変更するための装置を開示しており、強化用ファイバーストランドは、予め硬化性ポリマー材料を含浸してある（いわゆる「プリプレグ」材料）。強化用ファイバーストランドの断面形状を変化させるために、強化用ファイバーストランドは、四角形の断面形状を有する案内フレーム内を通される。案内フレームの内側の壁面はそれぞれ、循環コンベヤベルトによって形成される。コンベヤベルトにより、前含浸された強化用ファイバーストランドが案内フレーム内で付着することが防止される。４つのコンベヤベルトのうち少なくとも３つは、強化用ファイバーストランドの長手方向軸線を横切る方向に移動可能であるように形成される。これにより、強化用ファイバーストランドの断面形状を変化させることができる。案内フレームの上流側には、強化用ファイバーストランドを案内するために、高さ調整手段及び幅調整手段が設けられる。この改良における不利な点は、ファイバー強化ストランドを案内してこの断面形状を変化させる複数のコンベヤベルトを有し、かつその移動するベルトが、強化用ファイバーストランドの長手方向軸線に対して直交するように移動するように構成されるという複雑な構造にある。このため、特許文献２に記載の公知の装置は、ＴＦＰプロセスで使用される縫製ヘッドに直接設けることを難しくしている。
【特許文献１】独国特許出願公開第１０１２３０６４号明細書
【特許文献２】特開平６−２１０７５１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明の目的は、ＴＦＰプロセスを行う装置のための公知の案内装置における上述した問題点を解決すること、及び強化用ファイバーストランドの断面形状の変化を許容し、さらには簡素な構造にすることにより、ＴＦＰプロセスで使用される縫製ヘッドの領域に配置するために適した案内装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は、請求項１に記載される特徴を備えた案内装置によって達せられる。
案内装置は、ファイバーストランドに内部を通らせる、断面形状が可変な貫通口を有し、該案内装置が、ＴＦＰプロセスを行う装置の縫製ヘッドの領域に取り付け可能であり、例えば配置されるべきファイバーストランドの幅を、任意の時点における軌道曲線の曲率半径に従って変化させることができる。
【００１４】
本発明の案内装置におけるさらなる利点は、貫通口が、少なくとも特定の部分において曲線を描くように、より詳細には、楕円、長円、又は円を描くように形成されていることである。これにより、このように形成されたスリーブ様貫通口内におけるファイバーストランドの詰まりが概ね防止される。
【００１５】
本発明の案内装置の有用な改良によれば、貫通口は、ほぼ四角形をなすように形成される。この結果、貫通口の断面形状の変更を比較的容易に構造上実現することができる。
本発明の案内装置のさらなる有用な改良により、貫通口の幅及び／又は高さを変化させることができる。この改良により、例えば単に貫通口の幅を変更して、貫通口の断面形状を変化させることができる。
【００１６】
本発明の案内装置の有用な実施形態によれば、曲率半径の小さな軌道曲線の一部においては、該一部においてファイバープリフォームの望ましくない肉厚部分が形成されることを回避するために、貫通口の幅を増大させることができ、かつ／又は、貫通口の高さを減少させることができる。これは結果として、ファイバープリフォームの材料厚の分布をより均一にすることになり、この均一な分布は、軌道曲線のほぼすべての領域における材料厚の設定値にほぼ対応する。
【００１７】
本発明の構成のさらなる有用な改良については、その他の請求項に記載される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１は、本発明の案内装置１の第１実施形態を示す概略図であり、ＴＦＰプロセスを行うための図示しない装置の一部を示すものである。
ＴＦＰプロセスを行う装置は縫製ヘッドを有し、該縫製ヘッドは、開ループ及び閉ループ制御装置によって好ましくは二次元において自由に配置可能である。バッキング層上に配置されるべきファイバーストランドを案内するための本発明の案内装置１は、縫製ヘッドの領域に配置するか、あるいは縫製ヘッドに直接配置することが好ましい。開ループ及び閉ループ制御装置の制御下において、ファイバーストランドは、ほぼ任意の所望の軌道曲線にてバッキング層上に配置することができ、縫製ヘッドを用いて固定糸によって取り付けられる。これにより、力にほぼ合わせた強化用ファイバーの配向を有するファイバープリフォームを形成することができる。ファイバーストランドの空間的位置は、固定ファイバーでバッキング層に取り付けることによって固定される。これにより、ファイバープリフォームは、ＴＦＰプロセスを行う装置から取り出すことができ、例えば閉鎖可能な型内に配置することにより、次いで硬化性ポリマー材料を含浸するか浸透させて、完成品のコンポジット部品を形成すべく、硬化させることができる。含浸、及びこれに続く硬化性ポリマー材料又は架橋により硬化可能な樹脂系（具体的には、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ＢＭＩ樹脂等）を用いた硬化は、例えば公知のＲＴＭプロセス（樹脂トランスファー成形）によって行うことができる。
【００１９】
案内装置１は、ファイバーストランド３を案内し、これに内部を通過させる貫通口２を有する。貫通口２は、長手方向側面４乃至７によって形成される。ファイバーストランド３は、個々の強化用ファイバー（図面を見易くするために符号は付していないが、円により示される）の集合により形成される。個々の強化用ファイバーの長手方向軸線は、図面の紙面に直交するように延びる。強化用ファイバーは、例えばカーボンファイバー、グラスファイバー、アラミドファイバー等によって形成することができる。案内装置１が実線で示される姿勢にあるときには、長手方向側面４乃至７は、正方形の断面形状を有する貫通口２を形成する。このため、この状態における案内装置１の幅８及び高さ９はほぼ同じである。
【００２０】
ファイバーストランド３の強化用ファイバーは、貫通口２をほぼ完全に充填し、長手方向側面４乃至７によって案内される。ファイバーストランド３は、案内装置１内での詰まりを回避するために、長手方向側面４乃至７に対してきつく押し付けられるべきではない。
【００２１】
この第１の姿勢においては、ファイバーストランド３は、とり得るもっとも厚い厚さで、すなわち高さ９と同じぐらいの厚さでバッキング層上に配置される。例えば小さな曲率半径を有する軌道曲線の一部において縫製ヘッドが移動する場合、この領域において望ましくない肉厚部が形成されることを防止するために、ファイバーストランド３の配置されるべき高さ９を減少させるか、あるいは幅を増大させることが望ましい。さらには、影響を及ぼす他の要因も考えられる。例えば、周囲温度、ファイバーストランド３の通過速度等である。これらについては、案内装置１の高さ９、そして結果としてファイバーストランドの厚さを減少させることが望ましい。
【００２２】
この目的のために、長手方向側面４乃至７は、特に詳しくは図示しない調節手段によって、鎖線で示される第２の姿勢をとるように矢印１０乃至１３の方向に移動される。その結果、幅８は増大して幅１４となり、高さ９は減少して高さ１５となる。しかしながら、常にほぼ同じ数の強化用ファイバーが案内装置１内を通ることができるように、長手方向側面４乃至７によって形成される矩形の面積は、ほぼ変わらないことが好ましい。実線及び鎖線で示される案内装置の第１及び第２の姿勢は、単に最終姿勢を示すものである。第１の姿勢及び第２の姿勢の間に位置する多数の中間姿勢をとり得る。なお、案内装置１の幅８及び高さ９は、必ずしも同時に変化させなくてもよい。また、幅８の矢印１１、１３の方向への調節のみ、あるいは案内装置１の高さの矢印１０、１２の方向への調節のみが可能であってもよい。
【００２３】
また、図１から明らかなように、案内装置１が実線で示される第１の姿勢（正方形の貫通口）にあるときの円の数は、案内装置１が鎖線で示される第２の姿勢（長方形の貫通口）にあるときと同じであるため、貫通口２の断面積はほぼ一定である。
【００２４】
さらには、ファイバーストランド３の強化用ファイバーは、必ずしも全面において長手方向側面４乃至７によって包囲されていなくてもよい。むしろ、ファイバーストランド３と長手方向側面４との間に空間が設けられていてもよい。この構成は、ファイバーストランド３又はファイバーストランド３を形成する個々の強化用ファイバー（フィラメント）が案内装置１の貫通口２内、特に長手方向側面４乃至７によって形成される四角形の角領域において詰まる可能性を減じる。
【００２５】
調節手段は、機械的に、電気的に、空気圧により、液体圧により、熱により、又はその他の方法により作動させることができる。調節手段の矢印方向１０乃至１３への移動は、図示しない開ループ及び閉ループ制御装置によって制御される。例えば公知のＣＮＣコントローラの形態をとる開ループ及び閉ループ制御装置は、好ましくは、少なくとも二次元すなわちＸＹ平面における縫製ヘッドの位置も同時に調節する。この改良は、軌道曲線の小さな曲率半径が、任意の時点における縫製ヘッドの軌道曲線の軌道座標に基づき、遅滞なく開ループ及び閉ループ制御装置によって決定され得るという利点を有する。このため、貫通口２の断面形状の調整が、これに対応して長手方向側面４乃至７が調節手段によって移動されることによりなされる。
【００２６】
調節手段は、例えば電動ギアスピンドル等として形成することができ、その移動軌道は、開ループ及び閉ループ制御装置によって制御可能である。案内装置１は、標準的な連結要素によって、縫製ヘッドの領域において、又はＴＦＰプロセスを行う装置の縫製ヘッドに直接、容易に取付け、あるいは交換することができる。
【００２７】
図示しない案内装置の第２の実施形態においては、貫通口は、少なくとも特定の部分において曲線状をなしていてもよい。この場合、貫通口は、例えば、円、楕円、又は全体的な断面形状を有する。この改良により、中を通るファイバーストランド３が第１の実施形態（図１参照）による角のある貫通口の角領域において詰まらないという利点を有する。曲線状貫通口又はこのタイプの案内スリーブを設けるために、例えば、弾性材料からなる長尺片の端部同士を連結し、基本状態において案内装置又は案内スリーブの断面形状がほぼ環状をなすようにしてもよい。例えば金属長尺片、プラスチック長尺片等を、弾性材料からなる長尺片として使用することができる。あるいは、弾性を有する円形材料も使用可能である。
【００２８】
材料長尺片の外面領域に対して、例えば４つの調節手段を作用させることができる。調節手段はそれぞれ、９０°ずつずらして配置され、開ループ及び閉ループ制御装置によって制御される調節手段を移動させることにより、このように形成される貫通口の断面形状（基本状態、すなわち弛緩状態においてほぼ円形をなす）を変化させることができる。例えば上側調節手段及び下側調節手段がともに弾性材料からなる長尺片を押圧し、左側調節装置及び右側調節装置が同時に材料からなる長尺片を引っ張った場合、貫通口の断面形状を例えば楕円形、すなわち幅が高さよりも大きい形状とすることが可能である。
【００２９】
あるいは、外側の調節手段に代えて、材料からなる長尺片自体が、少なくとも特定の領域において作動してもよい。例えば、圧電アクチュエータ、「形状記憶合金」を備えるアクチュエータ等を、材料からなる長尺片の外面領域に対して用いてもよい。例えば材料からなる長尺片が金属長尺片から形成される場合、形状記憶合金をその金属長尺片に直接組み込んでアクチュエータを形成してもよい。すなわち、金属長尺片自体が、少なくとも特定の部分においては「形状記憶合金」で形成される。この改良は、非常に小型の構造形態を提供するのみならず、非常に迅速かつ概ね遅れることなく、貫通口の断面形状を変化させることができるという利点を有する。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】案内装置を示す図。
【符号の説明】
【００３１】
１…案内装置、２…貫通口、３…ファイバーストランド、４…長手方向側面、５…長手方向側面、６…長手方向側面、７…長手方向側面、８…幅、９…高さ、１０…矢印、１１…矢印、１２…矢印、１３…矢印、１４…幅、１５…高さ。
【図１】
2009502700.tif 000003
【国際調査報告】
2009502700.tif 000004
2009502700.tif 000005
2009502700.tif 000006
2009502700.tif 000007