(57)【要約】      （修正有）【課題】強化マトリクス複合材部品を形成するための型ツールを提供する。【解決手段】型ツール１００は、本体１０５と、この本体１０５に取り付けられた第１のエンドプレート１０１及び第２のエンドプレート１０３（本体表面に垂直に配置された実質的に平面の表面を有する）とを有する。プレート１０７の第１及び第２のセット１１９，１２１が、本体に隣接する第１，１０１及び第２のエンドプレートに取り付けられ、該エンドプレートが、プレートの第１及び第２のセット並びに第１及び第２のエンドプレートによって境界が定められた第１及び第２のキャビティ２０３を含む幾何形状を有する。第２のキャビティは、複合材プリフォーム３０１の一部分を収容でき、真空供給源１１７と流体連通している第１のキャビティと流体連通する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスタービンエンジン用の強化マトリクス複合材部品を形成するための型ツール（１００）であって、この型ツールは、
第１の端部と、第２の端部と、複合材プリフォーム（３０１）の第１の部分を収容できる本体表面とを備える本体（１０５）と、
前記本体（１０５）の第１の端部に解除可能に固定され、前記本体表面に垂直に配置された実質的に平面の表面を有する第１のエンドプレート（１０１）と、
前記本体（１０５）の第２の端部に取り付けられ、前記本体表面に垂直な実質的に平面の表面を有する第２のエンドプレート（１０３）と、
前記第１のエンドプレート（１０１）の第１の表面に取り付けられ、前記本体表面に隣接して配置される少なくとも１つの第１のプレート（１０７、１１９）を備えるプレート（１０７）の第１のセット（１１９）と、
前記第２のエンドプレート（１０３）の第１の表面に取り付けられ、前記本体（１０５）表面に隣接して配置される少なくとも１つの第２のプレート（１０７、１２１）を備えるプレートの第２のセット（１０７、１２１）とを具備し、
前記第１のプレート（１０７、１２１）及び前記第２のプレート（１０７、１２１）は解除可能に固定されていると共に、実質的に平面の第１のプレート（１０７、１１９）表面と実質的に平面の第２のプレート（１０７、１１９）表面とを備えており、
前記第１のプレート（１０７、１１９）及び前記第１のエンドプレート（１０１）は、前記第１のプレート（１０７、１１９）及び前記第１のエンドプレート（１０１）によって境界が定められた第１のキャビティ（２０３）を含む幾何形状を有し、
前記第２のプレート（１０７、１２１）及び前記第２のエンドプレート（１０３）は、前記第２のプレート（１０７、１２１）及び第２のエンドプレート（１０３）によって境界が定められた第２のキャビティ（２０３）を含む幾何形状を有し、
前記第１及び第２のキャビティ（２０３）が、複合材プリフォーム（３０１）の第２の部分を収容するのに十分な容積を有し、
前記第２のキャビティ（２０３）が、前記第１のキャビティ（２０３）に流体接続しており、
前記型ツールが更に、前記第１のキャビティと流体連通している真空供給源（１１７）を具備することを特徴とする型ツール（１００）。
【請求項２】
前記本体（１０５）が、第１の軸に沿って延びる表面と、第２の軸に沿って延びる前記第１のキャビティ（２０３）と、第３の軸に沿って延びる前記第２のキャビティ（２０３）とを有し、前記第１の軸が前記第２及び第３の軸に実質的に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の型ツール（１００）。
【請求項３】
前記本体表面の前記幾何形状が、実質的に円筒型であることを特徴とする請求項１に記載の型ツール（１００）。
【請求項４】
前記実質的に円筒型の本体表面が、前記第２のエンドプレートに隣接する断面直径よりも大きな前記第１のエンドプレートに隣接する断面直径を含むことを特徴とする請求項３に記載の型ツール（１００）。
【請求項５】
前記実質的に円筒型の本体（１０５）表面の幾何形状が、前記第１（１０１）及び第２（１０３）のエンドプレートの間の中間点での断面直径よりも大きい、前記第１（１０１）及び第２（１０３）のエンドプレートに隣接する断面直径を含むことを特徴とする請求項３に記載の型ツール（１００）。
【請求項６】
前記第１（１０１）及び第２（１０３）のエンドプレートが前記本体（１０５）表面の円筒部分に取り付けられてスプール形状を形成し、前記プレート（１０７）の第１（１１９）及び第２（１２１）のセットが、前記第１（１０１）及び第２（１０３）のエンドプレートに隣接する前記本体表面の周りに円周方向で配列されていることを特徴とする請求項３に記載の型ツール（１００）。
【請求項７】
前記第１のキャビティ（２０３）及び第２のキャビティ（２０３）が実質的にリングの形状であることを特徴とする請求項３に記載の型ツール（１００）。
【請求項８】
前記プレート（１０７）の第１のセット（１１９）のうちの第１のプレート間の接合部（１０８）においてチャンネル（２０１、４０３、５０３）を介して前記第１のキャビティ（２０３）と、前記プレート（１０７）の前記第２のセット（１２１）のうちの第２のプレートの間の接合部（１０８）内のチャンネル（２０１、４０３、５０３）を介して前記第２のキャビティ（２０３）とに流体接続された少なくとも１つの管体（１１３）である、前記第１及び第２のキャビティ（２０３）の間の少なくとも１つの流体接続部を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の型ツール（１００）。
【請求項９】
前記第１のエンドプレート（１０１）の第２の表面上に位置付けられ、前記第１のキャビティ（２０３）と流体連通するマトリクス材料リザーバ（１０９）を更に含むことを特徴とする請求項１に記載の型ツール（１０１）。
【請求項１０】
前記マトリクス材料リザーバ（１０９）及び前記第２のキャビティ（２０３）と流体連通する管体（１１３）を更に含み、前記第１及び第２のキャビティ（２０３）間の流体連通が前記マトリクス材料リザーバ（１０９）を通過していることを特徴とする請求項９に記載の型ツール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材料を作製する装置に関する。特に、本発明は、強化マトリクス複合材料を作製する装置を含む。
【背景技術】
【０００２】
航空機の燃料効率及び推進能力を増大させるために、航空エンジン設計では、更に軽量の材料を有する航空機エンジンの構成要素を絶えず求めている。これまでは航空機構成要素はスチールで作られていた。しかしながら、スチールは比較的重いので、アルミニウム又はチタンなどの軽量の高強度材料に置き換えられてきた。軽量部品の製造が更に進展して、ポリイミド樹脂内に埋め込まれたグラファイト繊維を含む複合材のような非金属材料の出現を生じることとなった。複合材料は、マトリクス材料の内部に埋め込まれた繊維を含む材料である。繊維は、マトリクス材料に強化をもたらす。一般に、マトリクス内に埋め込まれる前の繊維構造体は、プリフォーム（予備成形物）と呼ばれる。ポリイミド樹脂内部に埋め込まれたグラファイト繊維には、材料を部品に成形するのが困難であること、スペース率が高いこと、微小亀裂発生、層間剥離、及び設備及び工程が高価であることを含む欠陥がある。
【０００３】
ガスタービンエンジンで用いる複合材ファンダクトは、高強度フランジを有し、且つ皺及び起伏が実質的にない複合材料を備えることが必要である。
【０００４】
グラファイト・エポキシ複合材のファンダクトは、Ｐｒａｔｔに付与された米国特許第５，１４５，６２１号（６２１号特許）に開示されたクロスオーバーツールを用いて製造されており、該特許は全体が引用により本明細書に組み込まれる。６２１号特許において、織ったグラファイト繊維プリフォームが大型のスプールに取り付けられ、グラファイト・エポキシ複合材ファンダクトが形成される。繊維はスプールの片側端部でフランジを提供するように位置する。スプールの形状は、完成した複合材の最終形状を実質的に定める。クロスオーバーツールは、スプール上のグラファイトの繊維を引っ張り、張力を与える。該ツールは、繊維のフランジ部分を囲み、３つの独立した真空エンベロープと組み合わされたときに圧力を与える複合スパイダーツールの使用によって繊維を引っ張る。クロスオーバーツール及び６２１号特許で開示された方法の欠点には、工程が複雑であること及び使用が困難な高価なツールであることが含まれる。
【０００５】
グラファイト・エポキシ複合材ファンケースはまた、製造中に強化材料のプライに力を与えるのを助けるエラストマー材料を用いた成形システムを使用して製造されており、このことは、全体が引用によって本明細書に組み込まれる、Ｄｅｓａｕｔｅｌｓ他に付与された米国特許第５，５９７，４３５号（４３５号特許）で開示されている。複合マトリクスを生成するために、未硬化の繊維強化されたプレプレッグ型プライ（いわゆるプライ）が型に取り付けられる。プレプレッグ・プライは、型に取り付けられる前に、未硬化マトリクス材料が含浸されるプライである。フォーシング部材及び拘束部材が、プライの上に置かれ、該プライが定位置に保持される。フォーシング部材は、拘束部材と型上のプライとの間に置かれる。型、プライ、拘束部材、及びフォーシング部材は、炉内に置かれて加熱される。組立体が加熱されると、フォーシング部材が均一に膨張し、均一な圧力がプライに印加される。その結果、温度が上昇するにつれてプライが圧密されることになる。４３５号特許のプロセスには、材料を縮小させるのみであり、完成した複合材に高強度及び均一性をもたらす繊維配向を与えるために繊維を引き締めることがないといった欠点がある。
【０００６】
強化繊維プリフォーム内にマトリクス材料を含浸させるための最近の方法は、プリフォームの全て又は大部分を覆うように強化繊維プリフォームの層の上又はその内部にマトリクス材料フィルムの１つ又は複数の層を配置することを含む。全体のプリフォームは、加熱樹脂注入フェーズの間に、マトリクス材料が溶融してプリフォームの厚みを通って流れ、該プリフォームを含浸するように被覆される。この含浸は、樹脂フィルムの単層又は多層を用いて行われる。樹脂フィルムは、強化繊維プリフォームの全体の表面上に塗布される。或いは、マトリクス材料をプリフォームの層の間に差し込み、強化繊維プリフォームの層の全てを覆うことができる。プリフォーム上の樹脂層の完全被覆は、空気、マトリクス材料からの揮発性材料、及び空隙（すなわちスペース）を形成する可能性のある他のガスを取り込み、該空隙は、硬化部品の本体内に好ましくない多孔質を形成する恐れがある。多孔質は、部品特徴部又はその近傍にある複雑な部品においてとりわけ好ましくない。特徴部は、部品の平面区域から延びる複合材料の一部を含む。特徴部の実施例には、ガスタービンエンジン部品での補強材の区域又は挿入部がある。硬化した強化マトリクス複合材におけるスペースから生じる多孔質は、部品の機械的特性を低下させる可能性があり、且つピッチングのような許容できない表面特徴を生成する可能性がある。強化繊維プリフォームの完全な被覆は、樹脂がプリフォームの表面積全体上に塗布されなければならないので、該方法は実施が困難であり且つ施工に有意な時間を必要とするといった追加の欠点がある。
【特許文献１】米国特許第５，１４５，６２１号公報
【特許文献２】米国特許第５，５９７，４３５号公報
【特許文献３】米国特許第６，２８０，５５０Ｂ１号公報
【特許文献４】米国特許第６，３１５，５２０Ｂ１号公報
【特許文献５】米国特許第６，３８３，９６０Ｂ１号公報
【特許文献６】米国特許第６，４０９，８７５Ｂ１号公報
【特許文献７】米国特許第６，５３７，４７０Ｂ１号公報
【特許文献８】米国特許第６，５６２，２６９Ｂ２号公報
【特許文献９】米国特許第６，５６５，７９２Ｂ２号公報
【特許文献１０】米国特許第６，６２０，３６９Ｂ１号公報
【特許文献１１】米国特許第６，６２７，０１９Ｂ２号公報
【特許文献１２】米国特許第６，６３８，８８３Ｂ２号公報
【特許文献１３】米国特許第６，６６０，２０８Ｂ２号公報
【特許文献１４】米国特許第６，６９９，４１９Ｂ１号公報
【特許文献１５】米国特許第６，７５２，９６１Ｂ２号公報
【特許文献１６】米国特許第６，７５６，１１２Ｂ１号公報
【特許文献１７】米国特許第６，７８０，４６２Ｂ２号公報
【特許文献１８】米国特許第６，８０２，９３１Ｂ２号公報
【特許文献１９】米国特許第６，８０３，０９０Ｂ２号公報
【特許文献２０】米国特許第Ｈ１７７９号公報
【特許文献２１】米国特許公開第２００４／０１４０５８７Ａ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、従来技術の欠点の無い繊維強化マトリクス複合材を形成する方法及びツールを提供することによって、従来技術の問題点を解決する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、本体を含む、ガスタービンエンジンの強化マトリクス複合材部品を形成するための型ツールである。本体は、第１の端部と、第２の端部と、複合材プリフォームの第１の部分を収容できる本体表面とを備える。第１のエンドプレートが、本体の第１の端部に取り出し可能に固定され、本体表面に垂直に配置された実質的に平面の表面を有する。第２のエンドプレートが、本体の第２の端部に取り付けられ、本体表面に垂直な実質的に平面の表面を有する。プレートの第１のセットが、第１のエンドプレートの第１の表面に取り付けられる。プレートの第１のセットは、本体表面に隣接して配置された少なくとも１つの第１のプレートを備える。プレートの第２のセットが、第２のエンドプレートの第１の表面に取り付けられる。プレートの第２のセットは、本体表面に隣接する少なくとも１つの第２のプレートを備える。第１のプレート及び第２のプレートは、取り出し可能に固定され、実質的に平面の第１のプレート表面及び実質的に平面の第２のプレート表面を備える。第１のプレート及び第１のエンドプレートは、第１のプレート及び第１のエンドプレートによって境界が定められた第１のキャビティを含む幾何形状を有する。第２のプレート及び第２のエンドプレートは、第１のプレート及び第２のエンドプレートによって境界が定められる第２のキャビティを含む幾何形状を有する。
第１及び第２のキャビティは、複合材プリフォームの第２の部分を受けるに十分な容積を有する。この第２のキャビティは第１のキャビティに連通しており、第１のキャビティは真空源に連通している。
【０００９】
本発明の方法及びツールは、ファンケーシングのような複合材格納ダクトとして使用するのに適切な軽量強化マトリクス複合材料を形成し、該複合材料は高い強度及び均一性を有する。
【００１０】
本発明の方法は、ガスタービンエンジン用のエーロフォイル構成要素の作製に特に好適である。詳細には、本発明の方法は、ファンケーシングのような複合材格納ダクトの作製に好適である。本発明の利点は、本発明によって運転中のガスタービンエンジンから離脱したファンブレードを収容できる複合材格納ダクトの作製が可能となることである。
【００１１】
本発明の方法及びツールは、直径約１０フィートの部品を含む、直径が約５フィートより大きい円筒型部品を含む大型複合材部品の作製に特に適切である。本発明の利点は、その方法及びツールが、大型の複合材ファンケーシングのような大型部品を作製できることであり、格納特性、軽量性、高強度、及び部品全体にわたる実質的な均一性が維持される。
【００１２】
本発明の方法及びツールは、取り付け前に最終仕上げを行う必要が殆ど又は全くない完成製品の形状を有する繊維強化マトリクス複合材を製造する方法を提供する。本発明の利点は、そのツール及び方法が、取り付け及び使用の前の付加段階が殆どないか全く必要としない部品を作製することである。付加段階の削減又は排除は、作製のコストを低減し、時間を短縮する。
【００１３】
本発明の方法及びツールは、高度に均一な組成を有し、多孔質又は皺などの欠陥の少ない繊維強化マトリクス複合材を製造する方法を提供する。均一な組成及び欠陥が少ないことにより、廃棄及び／又は補修部品を少なくすることができる。廃棄及び／又は補修部品が少ないことにより、大型の複合材部品を含む複合材部品の作製を低コストで行うことが可能となる。
【００１４】
本発明の方法及びツールは、簡素で安価な設備を用いて繊維強化マトリクス複合材を製造する方法を提供する。加えて、ツールからの部品の取り出しは、ツールの更に分解することを殆ど又は全く必要としない。本発明の利点は、装置が安価であり、部品の作製中に高コストの組立及び分解を必要としないので、繊維強化複合材格納ダクトを作製するのに要する設備費及び人件費が削減されることである。
【００１５】
本発明の方法及びツールは、工程が単一の真空エンベロープを必要とするだけの、繊維強化マトリクス複合材を製造する方法を提供する。本発明の利点は、このツール及び方法が、複数の真空エンベロープを用いるのではなく、必要な格納と繊維強化複合材格納ダクトを作製するのに要する力とを単一の真空エンベロープが提供できる点である。単一エンベロープの使用は、複数エンベロープよりも実質的により均一な真空印加を可能にし、且つ必要な組立及び分解が少ない。
【００１６】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の原理を例証として示す添付図面を参照して、好ましい実施形態の以下のより詳細な説明から理解されることになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
図１は、本発明による複合材ダクト形成用ツール１００を示す。ツール１００は、実質的に円筒型の本体１０５を含む。第１のエンドプレート１０１及び第２のエンドプレート１０３は、本体１０５の対向する平面端部に隣接して位置付けられる。本体１０５並びに第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３は、ツール１００によって保持されるワークピースよりも大きな熱膨張係数を有する材料で作製される。本体１０５並びに第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３用の材料には、限定ではないが、金属又は合金が含まれる。本体１０５用の適切な材料は、アルミニウム及びスチールを含む。第１のエンドプレート１０１は、応力緩和ファスナ１１１を用いて本体１０５に固定される。本体１０５に隣接する第２のエンドプレート１０１は、本体１０５に取り付けられる。本体１０５は、実質的に円筒型の幾何形状を有する。実質的に円筒型の本体１０５は、第１のエンドプレート１０１に隣接する小さな直径から第２のエンドプレート１０３の大きな直径まで先細とされるのが好ましい。図１には円筒型本体１００が示されているが、本体は円筒型の形状には限定されない。本体の別の幾何形状には、限定ではないが、矩形、楕円、及び三角形の幾何形状が含まれる。代替の実施形態において、本体１０５は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３の間の中間点で小さい直径であり、本体１０５の端部の各々で大きな直径を備えた、実質的に円筒型の幾何形状を有する。本体１０５は、完成した強化マトリクス複合材部品の取り出しを容易にするために、複数の取り出し可能な部片の状態で作製することができる。
【００１８】
図１は、第２のエンドプレート１０３に最も近接した第１のエンドプレート１０１の表面上で、本体１０５の周りを円周方向で第１のエンドプレート１０１に隣接して位置付けられたフランジシューの第１のセット１１９を示す。フランジシューの第２のセット１０７は、第１のエンドプレート１０１に最も近接した第２のエンドプレート１０３の表面上で本体１０５の周りに円周方向で第２のエンドプレート１０３に隣接して位置付けられる。フランジシューの第１及び第２のセット１１９及び１２１の各々のフランジシュー１０７は、フランジシュー接合部１０８で互いに接触する。フランジシュー１０７は、ツールによって保持されるワークピースよりも大きな熱膨張係数を有する材料で作製されたプレートである。フランジシュー１０７用の材料には、限定ではないが、金属又は合金が含まれる。フランジシュー１０７用の材料は、アルミニウム及びスチールを含む。フランジシュー１０７は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に応力緩和ファスナ１１１を用いて固定される。第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３の固定に加え、応力緩和ファスナ１１１もまた、第１のエンドプレート１０１を本体１０５に固定する。図１に示されるように、フランジシュー１０７を固定する応力緩和ファスナ１１１は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３を通り、更にフランジシュー１０７を通って延びる。第１のエンドプレート１０１を本体１０５に固定する応力緩和ファスナ１１１は、第１のエンドプレート１０１を通って本体１０５内に延びる。本発明に従えば、応力緩和ファスナ１１１は、第１のエンドプレート１０１と第１及び第２のフランジシューセット１１９及び１２１のフランジシュー１０７とを、ワークピースが装荷される際に位置決めすることができる何らかのファスナであるが、熱膨張に基づく圧力又は他の力に降伏する。応力緩和は、フランジシュー１０７を保持するファスナが適切な半径方向応力のもとで降伏し、エンドフランジプレートを保持するファスナが降伏して軸方向応力を軽減するときに生じる。応力緩和ファスナ１１１用の適切な材料には、限定ではないがナイロンがある。１つ又はそれ以上のリザーバ１０９が、第１のエンドプレート１０１の表面上に設置される。リザーバ１０９は、真空ライン１１５を介して真空供給源に流体連通する。リザーバ１０９は、別個の構成要素として示されているが、第１のエンドプレート１０１と一体的に製造してもよい。
【００１９】
図２は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３が図面上で水平方向に向いた状態に配向されたツール１００の１つの実施形態を示す。図２に示された配向は、第１のエンドプレート１０１が第２のエンドプレート１０３の上方で実質的に水平方向に向き、本体１０５の中心軸が実質的に垂直方向に向いた状態で、ツール１００がオートクレーブ内に装荷される、本発明の実施形態を示す。この実施形態はオートクレーブに言及しているが、ツールを加熱し且つ圧力を供給する能力を有するどのようなチャンバも本発明で使用するのに好適である。図２は、本体１０５の周りに円周方向で配列されたフランジシュー１０７を示す。フランジシューの第１のセット１１９は、第２のエンドプレート１０３に最も近接した表面上で第１のエンドプレート１０１に固定される。フランジシューの第２のセット１２１は、第１のエンドプレート１０１に最も近接した表面上で第２のエンドプレート１０３に固定される。
【００２０】
チャンネル２０１が、第２のエンドプレート１０３に隣接した表面に沿った個々のフランジシュー１０７間のフランジシュー接合部１０８で機械加工されて、本体１０５に隣接する内側表面２０５からフランジシュー接合部１０８の外周まで流体接続が形成される。フランジシュー接合部１０８の外周にサイホン管１１３が取り付けられ、第２のエンドプレート１０３に隣接したチャンネル２０１と流体接続で配置される。サイホン管１１３は、第１のエンドプレート１０１に隣接したリザーバ１０９と流体接続する。各リザーバ１０９は、真空下でマトリクス材料を収容できる中空チャンバである。各リザーバ１０９は、フランジシュー１０７、第１のエンドプレート１０１の下方表面、及び本体１０５の内側表面２０５によって定められるキャビティ２０３と流体接続する。キャビティ２０３は、ワークピースの一部分（図３−図５に繊維布地３０１として示される）が十分挿入できる容積のものである。ワークピースは、好ましくは、強化繊維布地の一部分である。リザーバ１０９はまた、真空ライン１１５を介して真空供給源１１７に流体接続する。真空供給源１１７は、リザーバ１０９に真空を供給し、リザーバ１０９内の材料を真空引きする。
【００２１】
図３は、図２の矢視３−３を表す断面図を示す。図３に示す断面は、第１のエンドプレート１０１の一部の拡大図を提供し、第１のエンドプレート１０１は図面における垂直方向に配向されている。第１のエンドプレート１０１及び本体１０５には、繊維布地プリフォーム３０１が装荷される。繊維布地プリフォーム３０１は、本体１０５から第１のエンドプレート１０１に沿って延びるフランジ部分３０５を含む。フランジシュー１０７は、応力緩和ファスナ１１１を用いて第１のエンドプレート１０１に固定される。同様に、第１のエンドプレート１０１は、応力緩和ファスナ１１１を用いて本体１０５に固定される。
【００２２】
図３は、フランジシュー１０７と第１のエンドプレート１０１と本体１０５の内側表面２０５とによって定められるキャビティ２０３内で本体１０５に沿って位置付けられ、且つ約９０゜の角度にされてフランジ形状を形成する繊維布地プリフォーム３０１を示す。フランジシュー１０７と第１のエンドプレート１０１と本体１０５とによって定められるキャビティ２０３は、マトリクス材料分配チャンネル３０３を介してリザーバ１０９と流体連通する。リザーバ１０９は、少なくとも１つの真空ライン１１５及び少なくとも１つのサイホン管１１３と流体連通する。
【００２３】
図４は、図２の矢視３−３を表す断面図を示す。該断面図は、図３と同様の本体１０５、フランジシュー１０７、繊維布地プリフォーム３０１、及び第１のエンドプレート１０１の構成を有する、複合材ダクト形成ツール１００の一部分を示す。しかしながら、図４に示された実施形態は、フランジシュー１０７のサイホン管凹部４０１内に挿入されたサイホン管１１３を有する。サイホン管１１３は、マトリクス材料分配チャンネル４０３と流体連通する。マトリクス材料分配チャンネル４０３は、サイホン管１１３からフランジシュー１０７と第１のエンドプレート１０１と本体１０５の内側表面２０５とによって定められるキャビティ２０３まで延びる。フランジシュー１０７と第１のエンドプレート１０１と本体１０５の内側表面２０５とによって定められるキャビティ２０３は、リザーバチャンネル４０５を介してリザーバ１０９と流体連通する。リザーバ１０９は、真空ライン１１５を介して真空供給源１１７と流体連通する。
【００２４】
図５は、図２の矢視５−５を表す断面図を示す。図５に示された断面は、図面では垂直方向に配向され、繊維布地プリフォーム３０１のワークピースが装荷された第２のエンドプレート１０３の一部の拡大図を提供する。図５はまた、応力緩和ファスナ１１１を用いて第２のエンドプレート１０３に固定されたフランジシュー１０７を示す。第２のエンドプレート１０３は、第２のエンドプレートファスナ５０５によって本体１０５に固定される。第２のエンドプレートファスナ５０５は、圧力下で応力緩和ファスナ１１１のようには降伏しないファスナである。第２のエンドプレートファスナ５０５は、ツール１００によって発生する応力下で降伏しないどのようなファスナであってもよい。代替の実施形態において、第２のエンドプレート１０３と本体１０５は、恒久的に取り付けることができ、或いは機械加工による一体部品であってもよい。この実施形態においては、第２のエンドプレート１０３は、本体１０５と一体化され、該第２のエンドプレート１０３から延びる本体１０５を有する一体部品として機械加工又は鋳造することができる。或いは、本体１０５及び第２のエンドプレート１０３は、一緒に溶接することができる。
【００２５】
図５に示された実施形態は、フランジシュー１０７のサイホン管凹部５０１内に挿入されたサイホン管１１３を有する。サイホン管１１３は、マトリクス材料排出チャンネル５０３と流体連通する。マトリクス材料分配チャンネル５０３は、サイホン管から、フランジシュー１０７と第２のエンドプレート１０３と本体１０５の内側表面２０５とによって定められるキャビティ２０３まで延びる。
【００２６】
図６−図９は、複合材に形成されることになるワークピース３０１及びマトリクス材料６０１が装荷された、本発明による複合材ダクト形成ツール１００を示す。図６−図９には、マトリクス材料の浸透及び硬化工程における種々のステージが示される。図６は、オートクレーブ（図示せず）内に装荷される前のツール１００を示す。図７及び図８は、加熱中のツール１００を示す。図９は、オートクレーブの圧力下でのツール１００を示す。図６−図９は、図１及び図２に示されたツール１００の本体１０５の円筒部分の中心軸から半径方向で見たときの断面を示す。図６−図９には、図１及び図２に示すように配置された本体１０５、第１のエンドプレート１０１、第２のエンドプレート１０３、及びフランジシュー１０７を有するツール１００が示される。説明の目的で、図６−図９には、応力緩和ファスナ１１１及び５０５、サイホン管１１３、リザーバ１０９、真空ライン１１５、マトリクス材料排出チャンネル５０３もしくはマトリクス材料分配及び真空チャンネル３０３、４０３及び４０５は示されていない。上述の要素の各々は、オートクレーブ内に装荷されるツール１００内、並びにツール１００を囲む真空メンブラン又はバッグ６０５内に存在する点に留意されたい。
【００２７】
図６は、オートクレーブ内に装荷される前のツール１００を示す。ツール１００には、繊維布地プリフォーム３０１が最初に装荷される。繊維布地プリフォーム３０１では、その表面上にマトリクス材料６０１の層が被覆される。マトリクス材料６０１は、好ましくは、個別部分に計り分けたバルク樹脂である。バルク樹脂は、最終形状（例えばシート又はプライ）に加工されていない未硬化樹脂であり、個別部分に分離することができる。室温では、バルク樹脂は柔軟な固体であるのが好ましい。バルク樹脂は、実質的に矩形の部分に分離され、繊維布地プリフォーム３０１の表面上に置かれる。繊維布地プリフォーム３０１の表面に樹脂を与えるどのような形状の部分も本発明での使用に好適である点に留意されたい。該部分が繊維布地プリフォーム３０１上に置かれた後、矩形部分が表面形状に一致するようにされる。矩形部分は、室温で柔軟であることが好ましい。バルク樹脂の矩形区分は、樹脂の柔軟性を高めるために任意選択的に予熱を加え、矩形部分を表面形状に一致させるのを助けることができる。適切な樹脂としては、限定ではないが、エポキシ又はポリアミド樹脂を含むことができる。マトリクス材料６０１は、より多くの量のマトリクス材料６０１（すなわち単位表面積当りでより多くの量のマトリクス材料）が、繊維布地プリフォーム３０１の中央部６０７（すなわち第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３の間の中間点）に被覆され、より少ない量（すなわち単位表面積当たりでより少ない量のマトリクス材料）が繊維布地プリフォーム３０１の縁部６０９（すなわち第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に隣接した区域）に被覆されるように、繊維布地プリフォーム３０１の表面に被覆される。この実施形態はバルク樹脂に言及しているが、強化マトリクス複合材を形成できるどのようなマトリクス材料を本発明に使用してもよい。
【００２８】
ツール１００にマトリクス材料６０１が装荷された後、エラストマー・カウル６０３が、マトリクス材料６０１で被覆された繊維布地プリフォーム３０１上に置かれる。カウル６０３は、マトリクス材料６０１の経路に対する障壁となる材料で形成される。カウル６０３用の適切な材料には、限定ではないが、シリコーンが含まれる。マトリクス材料と結合せずに、熱及び圧力に耐えることのできる可撓性のどのような材料もカウル６０３用の材料として使用することができる。カウル６０３は、マトリクス材料６０１が第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に隣接する区域内に繊維布地プリフォーム３０１に沿ってのみ移動できるように配置され、この場合マトリクス材料６０１は、図１から５に示すように、マトリクス材料排出チャンネル５０３又はマトリクス材料分配及び真空チャンネル３０３、４０３及び４０５、サイホン管１１３、又はリザーバ１０９に入ることができる。ツール１００が装荷されると、該装荷されたツール１００は、真空バッグ６０５内部に置かれる。本発明のツール１００は、単一の真空バッグ６０５だけを必要とする工程で繊維強化マトリクス複合材を製造する方法を提供する。
【００２９】
図７には、ツール１００と、硬化サイクルの加熱及び保持段階中、熱に曝されたときのマトリクス材料６０１の移動が示される。マトリクス材料６０１は、加熱されると液化又は流体化して、繊維布地プリフォーム３０１への浸透を開始し、部分的な含浸繊維布地プリフォーム７０１を生成する。マトリクス材料６０１が液化又は流体化すると、該材料は、繊維布地プリフォーム３０１の中央部６０７（すなわち第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３の間の中間点）から矢印７０３の方向に流動する。液体樹脂となったマトリクス材料６０１が、繊維布地プリフォーム３０１の中央部６０７から外側縁部６０９に移動すると、スペースを生じる可能性のある空気、マトリクス材料６０１から分離した揮発性ガス、及び繊維布地プリフォーム３０１内に取り込まれた不純物又はガスなどの他の物質は、バルクマトリクス材料６０１が第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に隣接する布地の外側縁部６０９に向かって流動することによって押し出される。過剰なマトリクス材料６０１、空気、バルクマトリクス材料６０１からの揮発性ガス、及びスペースを生じる可能性のある他の物質は、サイホン管１１３内に流動し、図１−図５に示されるように、リザーバ１０９内、或いはフランジシュー１０７と第２のエンドプレート１０１と本体１０５の内側表面２０５とによって定められるキャビティ２０３内にマトリクス材料分配チャンネル４０３を介して吸引される。
【００３０】
図８には、ツール１００と、硬化サイクルの加熱及び保持段階中、熱に曝されたときの部分含浸繊維布地プリフォーム７０１とが示される。第１のエンドプレート１０１、第２のエンドプレート１０３、本体１０５、及びフランジシュー１０７は、部分含浸繊維布地プリフォーム７０１よりも大きな熱膨張係数を有する材料から作製される。結果として加熱中は、図８に示されるように、第１のエンドプレート１０１、第２のエンドプレート１０３、本体１０５、及びフランジシュー１０７の各々が、矢印８０１によって示される全ての方向で膨張する。部分含浸繊維布地プリフォーム７０１は、本体１０５と比べて極めて僅かに膨張する。部分含浸繊維布地プリフォーム７０１に対するツール１００の熱膨張量の差は、矢印８０３によって示される張力を生じ、該張力は部分含浸繊維布地プリフォーム７０１を引き締めるように作用する。マトリクス材料を硬化させる前に引き締められる繊維布地プリフォーム７０１は、起伏及び皺が実質的にない高強度の材料を提供する。
【００３１】
図９には、硬化サイクルの加熱及び保持段階中に圧力が加わったときのツール１００が示されている。フランジシュー１０７は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に平行な平面内で大きな表面積９０３を備えて作製される。硬化サイクル中にオートクレーブ内の圧力が上昇すると、真空バッグ６０５及びフランジシュー１０７表面上の矢印９０１によって示されるオートクレーブ雰囲気の圧力の力は、フランジシュー１０７の表面積９０３だけ増倍される。フランジシュー１０７の表面は、フランジ状形状を形成する繊維布地プリフォーム７０１よりも表面積９０３が大きく、オートクレーブ圧力から大きな位置保持力が加わるようになる。本体１０５が膨張して繊維布地プリフォーム３０１を引き締めている間、該圧力により繊維布地プリフォーム７０１が所定位置に保持される。
【００３２】
図１０には、繊維強化マトリクス複合材（図示せず）を作製するための本発明によるマトリクス材料分配システム１０００が示される。繊維布地プリフォーム１００５にマトリクス材料１００１が装荷され、繊維布地プリフォーム１００５の中央部１０１９には、縁部１０２１よりも多くの量のマトリクス材料１００１が配置される。
【００３３】
本発明に従って繊維強化マトリクス複合材（図示せず）を形成するために、マトリクス材料１００１で被覆された繊維布地プリフォーム１０００が垂直に取り付けられ、システム１０００が真空ライン１００７によって真空にされ、且つマトリクス材料１００１を粘性にするのに十分な熱が加えられる。繊維布地プリフォーム１００５内のマトリクス材料１００１の移動は、図１０の矢印１０１５及び１０１６として示される。最初に、粘性のマトリクス材料１００１が、矢印１０１５及び１０１６によって示される２つの方向に移動する。マトリクス材料１００１が多い部分（矢印１０１５として示される）は重力（矢印１００９）の方向に移動し、少い部分（矢印１０１０として示される）は真空ライン１００７の方向に吸引される。真空ライン１００７は、真空供給源１０２３に流体接続する。
【００３４】
重力（矢印１００９として示される）の方向に移動するマトリクス材料１００１は、収集ウェル１０１１に集まる。収集ウェル１０１１は、サイホン管１００３を介して分配ウェル１０１３と流体連通する。分配ウェル１０１３は、真空ライン１００７及び繊維布地プリフォーム１００５の上縁部に隣接するチャンバである。マトリクス材料１００１は、矢印１０１７によって示されるように、真空ライン１００７からの吸引力によって収集ウェル１０１１から分配ウェル１０１３に吸引される。該システムは、自己調節性であり、繊維布地プリフォーム１００５材料全体にわたるマトリクス材料１００１が、繊維布地プリフォーム１００５全体にわたって実質的に均一に分布されるまで継続する。該システムは、マトリクス材料１００１が含浸された繊維布地プリフォーム１００５の両端の圧力差が、サイホン管１００３の両端の圧力差よりも大きい間は、サイホン管１００３が収集ウェル１０１１から分配ウェル１０１３までマトリクス材料１００１を継続して吸引する点において自己調節性である。サイホン管１００３の両端の圧力が、含浸繊維布地プリフォーム１００５の両端の圧力に等しくなると、マトリクス材料１００１は、もはや収集ウェル１００１から分配ウェル１０１３まで吸引されない。結果として得られたマトリクス含浸繊維布地プリフォーム１００５は、実質的に均一な分布のマトリクス材料１００１を含有する。含浸繊維布地プリフォーム１００５は更に加熱されて、硬化サイクルを完了し、繊維強化マトリクス複合材が生成される。
【００３５】
図１１は、本発明による複合材格納ダクト１１００を示している。複合材格納ダクト１１００は、ツール１００（図１−図２を見よ）によって作られた製品である。複合材格納ダクト１１００は、ダクト本体１１０３及び一体化高強度フランジ１１０１を有する一体部品である。加えて、フランジ１１０１内に穴１１０５が機械加工され、ファスナが複合材格納ダクト１１００を他の本体に取り付けることができるようにする。フランジ１１０１は、複合材格納ダクト１１００が別の本体に取り付けることができる表面を提供する。別の本体は、第２の複合材格納ダクト１１００を含むことができる。２つの格納ダクトの取り付けは、長さが付加される利点、及び収束ダクト区域と発散ダクト区域とを有するダクトを生成することができる利点を有する。この実施形態において、複合材格納ダクト１１００は、一方のフランジのダクト直径が他方のフランジのダクト直径よりも大きい先細のダクト本体１１０３を有する。幾つかの格納ダクト用途においては、収束部及び発散部の両方を有する格納ダクトが望ましい。ある部分では収束し、別の部分では発散する格納ダクト１１００を形成するために、先細格納ダクト１１００が、小さい方のダクト直径を有する格納ダクトの端部にあるフランジによって第２の実質的に同一の先細格納ダクト１１００に取り付けられる。小さい方のダクト直径のフランジの取り付けは、結合された格納ダクトの一方の端部から中央部に発散して、結合された格納ダクトの中央部から該結合された格納ダクトの第２の端部に発散するダクトを可能にする。該フランジはまた、ガスタービンエンジンの一部分（図示せず）に固定してもよい。１つの実施形態において、ガスタービンエンジンのファンブレード（図示せず）が、ファンブレード先端の経路の外周に実質的に沿ったダクト本体１１０３の内部１１０７に位置付けられてファンブレードの格納を可能にするように、フランジをガスタービンエンジンに固定することができる。
【００３６】
本発明の１つの実施形態は、所要の複合材の形状の表面を有するツール１００の提供を含む。本発明の１つの実施形態において、本体１０５は、実質的に円筒型格納ダクトの形状である。この実施形態において、円筒型ダクトは、好ましくは本体１０５の中心軸に向かって内側に先細となる。完成した強化マトリクス複合材の形状は実質的な円筒形状に限定されない。フランジ付き外側縁部を有するどのような形状も本発明の方法により作製することができる。適切な形状には、実質的に円筒型のダクトに加え、複雑な断面幾何形状（例えば矩形ダクト、三角ダクト又は楕円ダクト）、フラットパネル、及び壁構造体を有する他の複雑な形状が含まれるが、これに限定されない。更に、本発明のツール１００及び方法を用いて特徴部を有する壁構造体を形成することができる。同様に、本発明のツール１００は、完成複合材と実質的に同じ形状の本体１０５を有する。
【００３７】
ツール１００は、熱膨張係数が繊維布地プリフォーム３０１よりも大きい材料で作製される。ツール材料の選択の１つの判定基準は、繊維布地プリフォーム３０１に要求される張力の量である。要求される張力が大きい程、より大きなツール材料の熱膨張係数が必要となる。要求される張力が小さい程、より小さなツール材料の熱膨張係数が必要となる。好ましくは、ツール１００は金属材料で作製される。繊維布地プリフォーム３０１を構成する繊維は、金属材料と比較すると相対的に低い熱膨張係数を有する。従って、ツール１００が熱に曝されると、ツール材料は、繊維布地プリフォーム３０１の膨張速度よりもはるかに速い速度で膨張する。繊維布地プリフォーム３０１の膨張に対するツール１００の膨張により生成された張力は、繊維布地プリフォーム３０１を引き締めるように作用して、繊維を実質的に整列させ、起伏及び皺が実質的にない高強度の均一な複合材を生成する。繊維に対するツール１００の熱膨張が大きい程、生成される張力が大きくなる。ツール１００を作製するための適切な材料には、限定ではないが、アルミニウム及びスチールが含まれる。
【００３８】
複合材マトリクス用の強化材料は、好ましくは織られた繊維布地である。該繊維布地は、強化マトリクス複合材を形成できるプリフォームである。様々な繊維が複合材マトリクス材料で用いるのに好適である。繊維は、互いに織られ又はより合わされて複合材プリフォームを形成することができる。本発明の１つの実施形態において、繊維布地プリフォーム３０１は、ストランド・バンドルの３軸織布である。３軸織布は、軸方向に延びる１つのストランド・バンドルを有し、別のストランド・バンドルが軸方向のバンドルから約＋６０゜に配向され、第３のストランド・バンドルが軸方向のバンドルから約−６０゜に配向される。繊維布地プリフォーム３０１を形成するのに好適な繊維には、限定ではないが、カーボン、グラファイト、ガラス及びポリアミドの繊維が含まれる。繊維布地プリフォーム３０１は好ましくはドライである。ドライとは、繊維布地プリフォーム３０１がツール１００上に装荷される前に、繊維布地内にマトリクス材料が含浸されていないことを意味する。
【００３９】
本発明の強化マトリクス複合材に用いるマトリクス材料６０１は、強化繊維で強化されると高強度マトリクス複合材を形成する硬化性材料である。本発明の強化複合材料に用いる適切なマトリクス材料６０１には、限定ではないが、エポキシ及びポリイミドが含まれる。
【００４０】
本発明のプロセスは、強化マトリクス複合材を形成する材料をツール１００に装荷する段階を含む。最初に、ツール１００には、完成複合材料内のマトリクス強化用の材料が装荷される。強化材料は、好ましくは繊維布地プリフォーム３０１である。繊維の布地は、好ましくは織構造を有する布地である。好ましくは、該織構造は、互いに角度６０゜の配向を有するように織られた、３つの独立した繊維のバンドルを有する。繊維は、好ましくはグラファイト繊維である。布地は、限定ではないが、３軸グラファイト繊維を含むことができる。好ましい繊維布地プリフォーム３０１には、軸方向の２４ｋ（すなわち２４，０００ストランド）バンドル・トウ、及び軸方向のトウから＋６０゜の方向の２つの１２ｋ（すなわち１２，０００ストランド）バンドル、及び軸方向のトウから−６０゜方向の２つの１２ｋ（すなわち１２，０００ストランド）バンドルを有する３軸グラファイト繊維が含まれる。
【００４１】
本発明の１つの実施形態において、ツール１００は、好ましくは予め選ばれた幾何形状のスプールを有する。スプール形状には、２つのエンドプレート１０１及び１０３に付加された実質的に円筒型の本体１０５が含まれる。２つのエンドプレート１０１及び１０３のうちの少なくとも１つは、本体に固定され且つ取り出し可能である。本発明のこの実施形態において、ツール１００に強化繊維材料を装荷するため、ツール１００は、垂直方向に配向された平面を有して配置されたエンドプレート１０１及び１０３で配向される。グラファイト繊維布地プリフォーム３０１は、スプールの本体１０５の周りに配置される。プリフォームのフランジ部分３０５は、エンドプレート１０１及び１０３の各々の長さに沿って配置される。第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に沿って延びる布地のフランジ部分３０５は、フランジ様形状を形成する。
【００４２】
繊維布地プリフォーム３０１がツール上に装荷されると、複数のプレート（すなわちフランジシュー１０７）が、エンドプレート１０１及び１０３に沿ったツール１００の周囲に沿って互いに当接して配列される。プレートの第１のセットは、第１のエンドプレート１０１に隣接する。プレートの第２のセットは、第２のエンドプレート１０３に隣接する。プレートは好ましくは金属性であり、エンドプレート１０１及び１０３の長さに沿って延びる材料の全長の表面積よりも大きな表面積９０３を有する少なくとも１つの表面を有する。プレートは、エンドプレート１０１及び１０３に沿って延び、フランジ部分３０５を形成する繊維材料の支持部を与えるように配置され、応力緩和ファスナ１１１を用いてエンドプレートに固定される。各応力緩和ファスナ１１１は、硬化サイクルの前に室温でフランジシューを位置付けるファスナであり、硬化サイクルの温度上昇部分の間に第１及び第２エンドプレート１０１及び１０３からフランジシュー１０７を脱離させる。ツールが軸方向に膨張するので、応力緩和ファスナは、ツールの移動を阻止するのではなく、降伏させるように設計されている。従って、該ファスナはフランジシュー１０７をフランジに対して所定位置に保持するが、ツールが軸方向に膨張できるように降伏する。
【００４３】
本発明の１つの実施形態において、プレートのうちの１つ又はそれ以上には、チャンネル２０１、３０３、４０３、４０５、５０３が備えられ、過剰な樹脂の循環を容易にする。チャンネル２０１、３０３、４０３、４０５、５０３により、マトリクス被覆繊維を担持するツールの領域からマトリクス被覆繊維を担持するツールの領域外へマトリクス材料６０１を通過させることが可能となる。チャンネル２０１、３０３、４０３、４０５、５０３は、繊維布地プリフォーム３０１を保持するツール１００の領域に過剰なマトリクス材料６０１を入出させる。装荷中、オートクレーブに対して水平方向に整列した第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３を有するようにツール１００が配置されると、底部にある第２のエンドプレート１０３は１つ又はそれ以上の開口部を含み、該開口部は、好ましくは頂部の第１のエンドプレート１０１上又はその近傍にある真空を与えるツールの区域と流体連通している。ツール１００は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３が水平に整列したときに第１のエンドプレート１０１の上面に配置されるリザーバ１０９を含む。この実施形態において、真空はリザーバ１０９並びにフランジシュー１０７内の開口部との流体連絡部と流体連通する。流体連絡部は、サイホンとして機能し、重力により貯留する過剰なマトリクス材料６０１を吸引のあるツール区域に移動させ、これによって第１のエンドプレート１０１又はその近傍の区域を含む、マトリクス材料６０１をより少なく有する繊維区域に該マトリクス材料６０１を供給する。サイホン管１１３は、繊維布地プリフォーム３０１全体でのマトリクス材料６０１の均一な分布を可能にする。
【００４４】
次いで、ツール１００は、好ましくはバルク形態のマトリクス材料６０１で覆われる。繊維布地プリフォーム３０１の表面上に直接マトリクス材料６０１を被覆することにより、マトリクス材料６０１が繊維布地プリフォーム３０１上に装荷される。強化繊維布地プリフォーム３０１上へのマトリクス材料６０１の配置は、繊維布地プリフォーム３０１の表面上にマトリクス材料６０１の予め選択された量を置く段階を含む。マトリクス６０１の予め選択された量は、プリフォームを含浸するのに十分な量である。マトリクス材料６０１は、別個の部分の表面上に積重ねられ、又は積み上げられる。マトリクス材料６０１が繊維布地プリフォーム上に置かれると、バリアカウル６０３がマトリクス材料６０１を覆って配置され、ツールがオートクレーブ内に装荷されるまでマトリクス材料６０１を所定位置に保持する。加熱フェーズの間に、積重ね又は積み上げられたマトリクス材料層（すなわちレイアップ）は、溶融して繊維布地プリフォーム３０１内に浸透することになる。カウル６０３上のオートクレーブの圧力によってマトリクス材料６０１に印加される力は、マトリクス材料６０１が繊維布地プリフォーム３０１に含浸し繊維布地プリフォーム３０１全体にわたって外側に広がるのを助けることになる。溶融マトリクス材料の塊は、繊維布地プリフォーム３０１にわたり流動するときに波面を形成し、該波面は、樹脂が固化及び硬化を開始する前に、プリフォームからガス状ポケットを強制的に排出させる。詳細には、該波面は、空気と、溶媒蒸気などのバルクマトリクス材料６０１からの揮発性物質と、マトリクス材料内又は繊維布地プリフォーム３０１内に残留する不純物ガスポケットなどのスペースを形成する可能性のある他のガスとを押し出す。マトリクス材料６０１の配置はまた、複雑な形状を有するプリフォームの含浸を可能とする。複雑な形状は、フランジ付円筒体よりも複雑な幾何形状の特徴部を有するプリフォームを含む。特徴部は、硬化前のマトリクス材料の流動のための１つより多い流路を有してプリフォーム内に存在することができる。例えば、強化マトリクス複合材部品は、補強材又は挿入特徴部が取り付けられた平面壁部分を含むことができる。
【００４５】
本発明の１つの実施形態において、マトリクス材料６０１は、矩形のブロックセクションに分けられ、繊維布地プリフォームの表面上に配置され、且つ該表面に一致する樹脂である。適切な樹脂は、限定ではないが、エポキシ及び／又はポリイミドを含むことができる。マトリクス材料６０１は、より多くの量のマトリクス材料６０１が、繊維布地プリフォーム３０１の中央部６０７（すなわち、図６に示される、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３の間の中間点６０７）上に被覆され、より少ない量が、繊維布地プリフォーム３０１の縁部６０９（すなわち、図６に示される、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３に隣接した区域）上に被覆されるように、繊維布地プリフォーム３０１の表面に被覆される。
【００４６】
繊維布地プリフォーム３０１がマトリクス材料６０１で被覆されると、マトリクス材料が被覆された繊維布地プリフォーム３０１は、エラストマー材シート（すなわち、カウル６０３）で被覆される。カウル６０３は、繊維布地プリフォーム３０１内へのマトリクス材料の流動を離隔し制御するための障壁として機能する。カウル６０３が配置された後、カウル６０３は、ツール１００に対して封止されて障壁が形成され、カウル６０３を通過するマトリクスの流れが阻止されるが、繊維布地プリフォーム３０１に沿った流れは可能である。
【００４７】
カウル６０３が、繊維−マトリクス材料の周りに置かれて封止されると、カウル６０３とマトリクス材料６０１が被覆された繊維布地プリフォーム３０１とを含むツール１００は、真空エンベロープ又はバッグ６０５の内部に置かれる。真空供給源１１７が、真空バッグ６０５及びツール１００に接続されて、減圧（すなわち真空）が供給される。真空供給源６０５は、好ましくは水銀柱約２８インチまで、より好ましくは水銀柱約３０インチまでの真空に引く。該真空は、工程の加熱及び硬化フェーズの間にマトリクス材料６０１を分配するための推進力を与える。真空バッグ６０５を介してツール１００が真空に引かれる。次いで、装荷されたツール１００が加熱される。ツール１００が加熱されている間、真空バッグ６０５の外側のガスの正圧が供給される。該正圧は、好ましくは窒素などの不活性ガスで供給される。加熱及び保持サイクルの間、該正圧は、好ましくは最大約２００ｌｂ／ｉｎ２又はそれ以上、より好ましくは最大約２２０ｌｂ／ｉｎ２又はそれ以上に高められる。オートクレーブ内に装荷されると、ツール１００は、好ましくは、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３の平面がオートクレーブに対して水平に整列した状態で配向される。
【００４８】
複合材を形成するために、マトリクス材料６０１が装荷された、カウル被覆の繊維布地プリフォーム３０１が加熱される。マトリクス材料６０１は、より高温で粘性となり、繊維布地プリフォーム３０１内に流れる（すなわち含浸する）。同時に、繊維布地プリフォーム３０１が装荷されたツール１００は、熱膨張に起因して膨張する。繊維布地プリフォーム３０１は、殆ど又は全く熱膨張を生じないので、該繊維布地プリフォーム３０１は引き締められ、繊維布地プリフォーム３０１における少なくとも幾らかの張力と繊維の整列が与えられる。次いで、ツール１００とマトリクス被覆繊維布地プリフォーム３０１とは、マトリクス材料が繊維布地プリフォーム３０１を完全に含浸できる温度にまで加熱される。繊維布地プリフォーム３０１が実質的に含浸された後、ツール１００及び繊維布地プリフォーム３０１は硬化温度にまで加熱され、繊維強化マトリクス複合材が硬化されるまで硬化温度に保持される。該方法は、少なくとも以下の段階：第１の加熱段階、第１の保持段階、第２の加熱段階、第２の保持段階、及び冷却段階を含む。温度は第１の保持温度に向けて徐々に高められる。適切な温度上昇速度の範囲は、限定ではないが、約１／２゜Ｆ／分から約１゜Ｆ／分までが含まれる。第１の保持段階の温度及び時間は、マトリクス材料が強化繊維に十分浸透できる程度とされる。第１の保持段階の適切な温度の範囲は、限定ではないが、約３００゜Ｆから約３２５゜Ｆを含む。第１の保持段階の適切な温度は、限定ではないが、約３１０゜Ｆである。第２の保持段階の温度及び時間は、マトリクス材料が十分硬化するものとされる。第２の保持段階の適切な温度の範囲は、限定ではないが、約３５０゜Ｆから約３７５゜Ｆを含む。第１の保持段階の適切な温度は、限定ではないが、約３６０゜Ｆを含む。硬化すると、強化マトリクス複合材は室温にまで徐々に冷却される。
【００４９】
加熱段階の間、オートクレーブの加熱ガスはツール１００全体にわたって分布され、マトリクス含浸繊維布地の均一な加熱を可能にする。好ましくは、本体１０５は中空であり、及び／又は内部表面を有し、該表面は繊維布地プリフォーム３０１が配置される表面の反対側にある。この実施形態において、内側表面は加熱雰囲気に曝され、本体１０５を介して繊維布地プリフォーム３０１及びマトリクス材料６０１が加熱される。図１に示される好ましい実施形態において、ツール本体は中空であり、実質的に円筒型の形状である。円筒体の外部（すなわち、その上に繊維布地プリフォーム３０１が配置される表面）及び内部は、真空バッグ６０５により加熱雰囲気に曝される。円筒の中空部分への入口は、加熱雰囲気を均一に分布させるためのディフューザを含むことができる。加熱雰囲気は、マトリクス含浸繊維布地７０１全体にわたって均一に熱を分布させ、強化複合材マトリクスを均一に硬化させる。
【００５０】
加熱及び真空サイクルの間、カウル６０５は、マトリクス材料６０１が真空に向かう方向又は重力方向の何れかの移動を可能とする。真空の方向におけるよりも重力の方向に多くのマトリクス材料６０１が移動する。フランジシュー１０７内の開口部は、過剰なマトリクス材料が、繊維を保持するツール１００の部分から流出できるようにする。ツール１００が、水平に整列した第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３を備えて配置されると、底部にあるエンドプレート（すなわち、第２のエンドプレート１０３）は、リザーバ１０９で又はその近傍で真空を供給するツール１００の区域に流体接続された１つ又はそれ以上の開口部２０１を含む。真空を供給するツール１００の区域は、好ましくはツール１００の上部のエンドプレート（すなわち第１のエンドプレート１０１）或いはその近傍にある。１つの実施形態において、ツール１００は、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３が水平に整列するときに第１のエンドプレート１０１の上部に配置されるリザーバ１０９を含む。この実施形態において、真空供給源１１７がリザーバ１０９、並びに、フランジシュー１０７内の開口部との流体接続部に接続される。該流体接続部はサイホンとして機能し、重力により貯留する過剰なマトリクス材料を吸引のあるツール区域に移動させ、これによってマトリクス材料６０１を第１のエンドプレート１０１の又はその近傍の区域を含む、マトリクス材料６０１をより少なく有する繊維区域に供給する。
【００５１】
ツール１００が加熱されると、該ツールは熱的に膨張する。ツール１００は、繊維布地プリフォーム３０１及びマトリクス材料６０１の膨張速度を上回る速度で膨張する材料で作製される。従って、ツール１００が膨張すると、繊維布地プリフォーム３０１は有意に低い速度で膨張し、膨張するツール１００によって引き締められ、プレストレスト繊維強化材を生成する。マトリクス材料６０１が、大きなツール表面積９０３で実質的に分布されて硬化すると、ツール１００は、周囲温度まで冷却することが許可される。ツール１００の材料は、温度降下に伴って熱的に収縮する。しかしながら、マトリクス材料で圧密された繊維は、高温でツール１００表面寸法に引き締められて硬化され、有意に低い速度で熱的に収縮する。ツール１００の材料が冷却されると、マトリクス材料６０１で圧密された繊維が第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３のうちの少なくとも１つに力を作用させ、これは、低温で硬化された強化マトリクス材料６０１の表面が、低温のツール表面よりも大きいことに起因する。少なくとも１つの第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３は移動が許容されており、エンドプレートのうちの少なくとも１つ（すなわち第１のエンドプレート１０１）を保持するファスナが降伏して、ツール１００の本体が膨張するときにエンドプレートが移動できるようになる。従って、ファスナ１１１の降伏によって、フランジアセンブリはツール１００の本体を拘束できないようになる。サイクルが完了し、プレストレスト強化繊維を有する強化バルクマトリクス６０１が硬化して冷却されると、強化バルクマトリクス材料６０１はツール１００から取り出され、必要に応じて最終仕上げが行われる。同様に、完成部品の幾何形状に応じて必要であれば、本体１０５を分解して硬化した強化マトリクス複合材部品の取り出しを容易にすることができる。ファスナ１１１は使い捨て型であり、再使用されない。
【００５２】
マトリクス材料６０１と接触するツール１００の種々の表面には、任意選択的にポリテトラフルオロエチレンなどの離型フィルムを被覆することができる。離型材はツール構成要素に固着せず、完成部品の取り出しを容易にする。例えば、本体１０５、第１及び第２のエンドプレート１０１及び１０３、フランジシュー１０７、及び／又はカウル６０５には、ポリテトラフルオロエチレンを被覆することができる。
【００５３】
本発明の代替の実施形態において、予含浸繊維布地プリフォーム３０１が本発明のツール１００上に装荷される。予含浸繊維布地プリフォーム３０１は、本発明のツール１００上に装荷される前に未硬化マトリクス材料６０１で装荷される布地である。フランジシュー１０７が、ツール１００上に予含浸繊維布地プリフォーム３０１と隣接して配置される。予含浸繊維布地プリフォーム３０１に使用するフランジシュー１０７は、オートクレーブ圧力が印加されたときのフランジシュー１０７の変位を誘導するためのレール、ガイド、又は同様の機構を更に有する。マトリクス材料６０１で予含浸されていない繊維布地プリフォーム３０１を有する実施形態の場合と同様に、フランジシュー１０７は、フランジ部分３０５内の繊維布地プリフォーム３０１よりも表面積が大きく、オートクレーブ圧力からの大幅な位置保持力を付加する。ツール１００が硬化サイクルの加熱中に膨張すると、該ツールは、フランジシュー１０７の範囲にわたって繊維布地プリフォーム３０１の繊維を引き締める。レール、ガイド、又は類似の機構は、予含浸繊維布地内のマトリクス材料６０１を粘性にするのに十分な加熱に相当する程度までツール１００が膨張するときに、フランジシュー１０７が繊維に加わる力だけを許容できるように位置付けられる。マトリクス材料６０１が粘性になると、フランジシュー１０７は、繊維布地プリフォーム３０１に力を加えて繊維布地を引き締めることができる。ドライ繊維布地を用いる実施形態の場合と同様に、繊維布地を引き締める段階は、プレストレスト繊維強化マトリクス複合材を生成する。ツール１００及び完成製品は冷却され、ツール１００が熱収縮するが、完成した強化マトリクス複合材は、これと同程度までは収縮しない。フランジシュー１０７及び第１のエンドプレート１０１は、応力緩和ファスナ１１１を用いて固定される。フランジシュー１０７を保持する応力緩和ファスナ１１１が適切な半径方向応力を下回る力を与えるときに緩和が生じ、第１のエンドプレート１０１を保持する応力緩和ファスナ１１１は軸方向応力を緩和する。
【００５４】
本発明の１つの実施形態は、２．５％以下のスペースを有する複合材格納ダクト１１００を含む。複合材格納ダクト１１００は、好ましくは２．０％未満のスペース、最も好ましくは１．０％未満のスペースを有する。
【００５５】
本発明による複合材格納ダクト１１００は、改善された格納特性を有する。本発明の１つの実施形態は、グラファイト繊維−エポキシマトリクス複合材格納ダクト１１００である。本発明のグラファイト繊維−エポキシマトリクス複合材は、高強度を有し、強いフランジを含み、軽量であり、且つブレードアウト試験に良好に合格する特性を有する。ブレードアウト試験は、ガスタービンエンジンがフルセットのファンブレードとブレード経路の外周を取り巻く格納ダクトとを備えて取り付けられる試験である。ファンブレードは、航空機離陸中に到達するのと同じ回転速度を受ける。１つ又はそれ以上のブレードが取り付け部から放出され、格納ダクトへの衝突が許容される。合格したブレードアウト試験では、ブレードは格納ダクト内部に保持される。本発明の方法は、ガスタービンエンジン用のタービンエーロフォイル構成要素の作製造に特に好適である。詳細には、本発明の方法は、ブレードアウト試験に耐えるファンケーシングなどの格納ダクトの作製に好適である。
【００５６】
本発明の方法及びツール１００は、大型の部品を作製できる。部品の寸法は、ツール１００の表面の寸法よりも僅かに小さい。本発明のツール１００及び方法は、大型の壁構造体を有する部品の作製に特に好適であり、該部品には、直径が約１０フィートの円筒型部品を含む、約５フィート以上の直径を有する円筒型部品が含まれる。１つの実施形態において、本発明のツールは、実質的に均一なマトリクス分布と低いスペース率を維持し、約１０フィート以上の直径を有する円筒型部品を生成することができる。
【００５７】
本発明の格納ダクト１１００のフランジ１１０１は高強度を有する。高強度のための１つの寄与因子は、フランジ１１０１が格納ダクト１１００の一体化部品として形成されることである。加えて、フランジ１１０１内部の繊維が引き締められ、実質的な整列及び強度強化がもたらされる。加えて、格納ダクト内部のマトリクス分布は、ダクト本体１１０３全体にわたり且つフランジ１１０１全体にわたって実質的に均一である。フランジ１１０１内部のこの実質的に均一な分布は、フランジ１１０１の高強度に寄与する。壁の部分と同様に、フランジ１１０１は、プレストレスト強化繊維及び均一なマトリクス分布を有する。
【００５８】
本発明の方法及びツール１００は、繊維布地プリフォーム３０１の含浸及び硬化後にニアネットシェイプの複合材を提供する。ツール１００は、マトリクス材料６０１で含浸する間に、繊維布地プリフォーム３０１に所要の製品の形状をもたらす。硬化すると、マトリクス材料６０１が含浸された繊維布地プリフォーム３０１はニアネットシェイプのものであり、最終仕上げを行う必要が殆ど又は全くない。本発明に従って繊維強化マトリクス複合材を製造する方法は、完成した製品の形状を実質的に有し、取り付け前に最終仕上げを行う必要が殆ど又は全くない複合材部品を提供する。
【００５９】
本発明のツール１００からの完成部品の取り出しは、比較的簡単であって安価である。任意選択の離型フィルムに加え、第１のエンドプレート１０１が本体から離れ、本体１０５からの部品の取り出しが可能になる。ツール１００は、硬化サイクルの間に離されるツール１００の構成要素以上に分解することは必要ではない。従って、完成部品の取り出しは極めて僅かな労力しか要せず、安価である。
【００６０】
本発明を好ましい実施形態を参照しながら説明してきたが、本発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更を行うことができ、且つ均等物で本発明の要素と置き換えることができる点は当業者には理解されるであろう。加えて、本発明の基本的範囲を逸脱することなく、特定の状況又は材料を本発明の教示に適合させるために多くの修正を行うことができる。従って、本発明は、本発明を実施するために企図される最良モードとして開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ本発明は、添付の請求項の範囲内に入る全ての実施形態を含むことになる点が意図される。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明によるツールの斜視図。
【図２】本発明によるツールの側面図。
【図３】本発明によるツールの第１の部分の代替の実施形態の断面図。
【図４】本発明によるツールの第１の部分の代替の実施形態の断面図。
【図５】本発明によるツールの第２の部分の断面図。
【図６】本発明によるツールを用いた複合材形成方法の各段階を示す図。
【図７】本発明によるツールを用いた複合材形成方法の各段階を示す図。
【図８】本発明によるツールを用いた複合材形成方法の各段階を示す図。
【図９】本発明によるツールを用いた複合材形成方法の各段階を示す図。
【図１０】本発明によるマトリクス材料分配システムの概略図。
【図１１】本発明による複合材格納ダクトの斜視図。
【符号の説明】
【００６２】
１００  ツール
１０１  エンドプレート
１０３  エンドプレート
１０５  円筒型本体
１０７  フランジシューの第２のセット
１１７  真空供給源
１１９  フランジシューの第１のセット
１２１  フランジシューの第２のセット
２０３  キャビティ
３０１  繊維布地プリフォーム
【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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