(57)【要約】      （修正有）【課題】複合積層構造体を自動レイアップする際に、下地上の広角遷移領域にプリプレグ・トウを配置する方法の提供。【解決手段】プリプレグ・トウ３２が、下地上に配置され、当該下地は、下地の遷移領域２８にわたって延びる、ある曲率の曲げ部３５を有し、トウ３２は、遷移領域２８内において、少なくとも第１部分４２、４４と第２部分４６とに分けて、下地上に誘導及び敷設され、第１部分４２、４４及び第２部分４６のそれぞれは、曲げ部３５の曲率θよりも小さい角φ配向を有していることによって、トウ３２のギャザリングが低減される方法。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下地上にプリプレグ・トウを配置する方法であって、前記下地は、前記下地の遷移領域にわたって延びる、ある曲率の曲げ部を有しており、当該方法は、
前記遷移領域内において、少なくとも第１部分と第２部分とに、前記トウを配置することを含み、前記第１部分および第２部分のそれぞれは、前記曲げ部の前記曲率よりも小さい角配向を有する、方法。
【請求項２】
前記トウの前記第１部分および前記第２部分は、少なくとも部分的に前記遷移領域に及んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記曲げ部は、曲げ角を有しており、前記トウの前記第１部分および前記第２部分のそれぞれは、湾曲し、前記曲げ角より小さい湾曲角を有している、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記トウは、前記遷移領域における前記曲げ部の形状に近似した形状を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記トウの前記第１部分および前記第２部分のうちの少なくとも一方は、実質的に真っ直ぐあり、前記トウの前記第１部分および前記第２部分のうちの他方は、湾曲している、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
数値制御装置をプログラミングすること、および、
前記制御装置を使用することによって、先進繊維配置装置を制御すること、
をさらに含み、前記トウを敷設することは、前記先進繊維配置装置によって行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記トウを配置することは、
前記第１部分に沿う始点から前記第１部分に沿う終点まで、第１の方向に前記トウを誘導すること、
前記第１部分の前記終点において、前記トウの誘導方向を変更すること、
前記第１部分の前記終点から前記第２部分の終点まで、第２の方向に前記トウを誘導すること、を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１部分および前記第２部分のそれぞれは、実質的に真っ直ぐな部分である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記トウのそれぞれを、前記下地上に、複数の部分に分けて配置すること、をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記部分は、少なくとも２つの湾曲部分、および、前記２つの湾曲部分をつなぐ実質的に真っ直ぐな部分、を含む、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して複合積層構造体の製造に関し、より詳しくは、構造体における広角遷移領域（high angle transition regions）に対するプリプレグ・トウの自動配置を扱う。
【背景技術】
【０００２】
大寸で複雑な形状の複合積層構造体をレイアップするために、数値コンピュータ制御の先進繊維配置（advanced fiber placement:ＡＦＰ）装置が用いられることがある。たとえば航空機産業においては、ＡＦＰ装置は、翼桁やストリンガーといった複合材機体部品をレイアップするために用いられることがある。このようなＡＦＰ装置は、典型的には、１つまたは複数の材料配置ヘッドを有し、この材料配置ヘッドは、多数のプリプレグ・トウをマンドレルまたはこれに類する工具上に供給し、かつ圧力を加えるように操作される。それぞれのトウは、成形されたトウ・プリプレグ、あるいは、樹脂が予備含浸された繊維束を含む一方向性テープからカットされた細幅の長片を含む。構造体における非線形の部分や細部を形成するために、この材料配置ヘッドは、一定の曲率半径の経路をたどるようにプログラムされることがある。
【０００３】
上記したような複合構造体の自動レイアップは、構造体が大きく起伏していたり、鋭角形状を有する場合には、困難な場合がある。たとえば、装置のプログラミングおよび／または材料配置ヘッドの動きに限界があることによって、比較的鋭角のコーナー部や大きく傾斜した曲がり部（以下、「広角遷移領域」または「遷移領域」という。）に材料をレイアップできない場合がある。例えば、限定するものではないが、材料幅、粘着度および繊維剛性などの材料特性によっても、広角遷移領域における材料配置が制限されることがある。トウを広角遷移領域に配置する際に起こりうる別の問題として、トウの皺、座屈および／または歪みの発生がある。トウをこのような遷移領域において急激な一定の曲率半径の経路に沿って誘導することにより、配置されるトウの内側アール部に圧縮が生じる。このような内側アール部の圧縮は、トウの繊維を無理にギャザリングさせることがあり、これが座屈および／または繊維歪みを生じさせ、構造体の機械的性能に悪影響を与えることがある。
【０００４】
広角遷移領域におけるトウのギャザリングは、より細幅のトウを使用することによりある程度減少させることができるが、より細幅のトウを使用すると、材料の配置速度が遅くなり、その結果製造効率が低下するため、用途によっては実際的ではない場合がある。細幅のトウは、構造体のある種の機械的性能に望ましくない低下を引き起こす可能性があるため、細幅のトウを採用する際には、層を追加するといった補償用の補強が必要となることがある。このような補償用の補強は、構造体に望ましくない重量を付加するとともに、製造コストを増大させる可能性がある。
【０００５】
広幅のトウを使用する場合の材料ギャザリングの問題、および／または、材料配置ヘッドの動きの限界による問題を解決するため、広角遷移領域を有する複合積層構造体は、現在のところ、多段階プロセスによって製造されている。この多段階プロセスでは、広角遷移領域を含む接合部が別途作成され、その後この接合部が構造体における湾曲していない部分に連結される。この問題解決策は時間がかかり、多くの労働力を必要とするとともに、多くの複雑で高価な工具を必要とする。さらには、別途作成された接合部を使用すると、構造上の性能要件を満たすために追加の補強が必要となる場合がある。
【０００６】
したがって、構造体における複雑な形状の部分または細部の形成を可能にし、材料の皺、座屈および／または繊維の歪みの発生を低減もしくは無くすとともに、単一部材として構造体を製造することを可能にする、広角遷移領域における複合材料の配置方法が求められている。ＡＦＰ装置のプログラミング能力および／またはＡＦＰ装置の材料配置ヘッドの動作に制限されない、広角領域および鋭角のコーナー部または大きく傾斜した曲がり部におけるプリプレグ・トウの自動配置方法もまた、求められている。さらに、別途製造する接合部や多数の工具を必要としない、広角遷移領域を有する複合積層構造体の製造方法が求められている。
【発明の概要】
【０００７】
本開示に係る実施形態は、複合積層構造体を自動レイアップする際に、下地上の広角遷移領域にプリプレグ・トウをに配置する方法を提供する。当該方法は、広角遷移領域におけるトウの皺、座屈および／または繊維の歪みの発生を実質的に低減もしくは解消する。トウの皺を低減する、もしくは無くすことによって、積層体における局所的な応力が低減しもしくは解消され、このことは構造体の性能の改善につながる。構造体における、複雑および／または形成困難な幾何学的特異部分、例えば、急激な曲げ部、をレイアップすることができる。このようなレイアップは、当該方法でなければ、ＡＦＰ装置のプログラミングの限界および／または材料配置ヘッドの動作の限界、および／または材料特性が原因で、不可能な場合もあり得るものである。当該方法によれば、材料配置速度を上げるためにより広幅のトウを使用することができ、これによって製造効率を高めることができる。広角遷移領域を有する複合積層構造体は、多くの組立工具を必要とする複数の部材としてではなく、単一の部材として製造することができる。
【０００８】
開示された一の実施形態によれば、下地上にプリプレグ・トウを配置する方法が提供され、当該下地は、下地の遷移領域にわたって延びる、ある曲率の曲げ部を有している。トウは、遷移領域内において、少なくとも第１部分と第２部分とに分けて、敷設される。第１部分および第２部分のそれぞれは、曲げ部の曲率よりも小さい角配向（angular orientation）を有する。トウの第１部分および第２部分は、少なくとも部分的に、遷移領域に及ぶ。曲げ部は、曲げ角を有しており、トウの第１部分および第２部分のそれぞれは、湾曲しており、曲げ角よりも小さな湾曲角を有していてもよい。トウの形状は、遷移領域内において、曲げ部の理想的な形状に近似している。一変形例において、トウの第１部分および第２部分のそれぞれは、実質的に直線状の部分である。当該方法は、さらに、数値制御装置をプログラミングすることと、当該制御装置を使用することによって、先進繊維配置装置を制御することとを含む。トウを敷設することは、先進繊維配置装置によって行われ、第１部分に沿う始点から第１部分に沿う終点まで、第１の方向にトウを誘導すること、第１部分の終端においてトウの誘導方向を変更すること、および、第１部分の終点から第２部分の終点まで、第２の方向にトウを誘導すること、を含む。この方法は、航空機の翼桁のような複合積層構造体の形成に採用することができる。
【０００９】
開示された他の実施形態によれば、遷移領域に延びる曲げ角を有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法が提供される。前記トウのそれぞれは、複数の部分に分けて下地上に配置され、それぞれのトウの前記部分の少なくともいくつかは、曲げ角よりも小さい角配向を有する。前記部分の少なくとも１つは、実質的に真っ直ぐな部分であり、前記トウを配置することは、部分の始点から終点まで、当該部分に沿う方向にトウを誘導することと、終点のそれぞれにおいて誘導方向を変更することとを含む。１つの変形例において、前記部分は、少なくとも２つの湾曲部分と、これら２つの湾曲部分をつなぐ実質的に真っ直ぐな部分とを含む。別の変形例において、前記部分のそれぞれは湾曲しており、さらに別の変形例において、前記部分のそれぞれは実質的に真っ直ぐである。
【００１０】
開示された別の実施形態によれば、遷移領域にわたる曲げ角θを有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法が提供される。当該方法は、曲げ角θをｎ個の個別部分に分割することを含み、これらの部分のそれぞれは、略θ／ｎの曲げ角を有しており、下地上にトウを配置することは、これらの部分のそれぞれに沿ってトウを誘導することを含む。
【００１１】
開示されたさらに別の実施形態によれば、曲げ角を含む少なくとも１つの遷移領域を有する一体型複合構造体の製造方法が提供される。当該方法は、下地上にプリプレグ・トウをレイアップすることにって複合積層レイアップを形成することを含み、この形成は、曲げ角を複数の部分に分割することと、プリプレグ・トウをこれらの部分のそれぞれに沿って誘導すること、とを含む。プリプレグ・トウを前記部分のそれぞれに沿って誘導することは、前記曲げ角よりも小さい角度でトウを誘導することを含む。前記誘導することは、数値制御式の先進繊維配置装置を用いて行うことができる。当該方法はまた、数値制御式の先進繊維配置装置を自動制御するための数値制御装置をプログラミングすることを含んでもよく、このプログラミングは、曲げ角の前記部分のそれぞれにおいてプリプレグ・トウを誘導し、かつ、レイアップを硬化することができるように、数値制御装置をプログラミングすることを含む。当該方法は、複合積層物の航空機機体部材の製造に採用することができる。
【００１２】
要約すると、本発明の一側面によれば、下地上にプリプレグ・トウを配置する方法が提供される。下地は、下地の遷移領域にわたって延びる、ある曲率の曲げ部を有しており、当該方法は、遷移領域内に、少なくとも第１部分と第２部分とに分けて、トウを配置することを含み、第１部分および第２部分のそれぞれは、曲げ部の前記曲率よりも小さい角配向を有する。
【００１３】
好適には、当該方法において、トウの第１部分および第２部分は、少なくとも部分的に遷移領域に及んでいる。
【００１４】
好適には、当該方法において、曲げ部は、曲げ角を有しており、トウの記第１部分および第２部分のそれぞれは、湾曲し、前記曲げ角より小さい湾曲角を有している。
【００１５】
好適には、当該方法において、トウは、遷移領域における曲げ部の形状に近似した形状を有する。
【００１６】
好適には、当該方法において、トウの第１部分および第２部分のうちの少なくとも一方は、実質的に真っ直ぐあり、トウの第１部分および第２部分のうちの他方は、湾曲している。
【００１７】
好適には、当該方法は、数値制御装置をプログラミングすること、および、当該制御装置を使用することによって、先進繊維配置装置を制御すること、をさらに含み、トウを敷設することは、当該先進繊維配置装置によって行われる。
【００１８】
好適には、当該方法において、前記トウを敷設することは、第１部分に沿う始点から第１部分に沿う終点まで、第１の方向にトウを誘導すること、第１部分の終点において、トウの誘導方向を変更すること、第１部分の終点から第２部分の終点まで、第２の方向にトウを誘導すること、を含む。
【００１９】
好適には、当該方法において、第１部分および第２部分のそれぞれは、実質的に真っ直ぐな部分である。
【００２０】
本発明の別の側面によれば、前記方法にしたがって配置されるプリプレグ・トウによって形成された複合積層構造体が提供される。
【００２１】
本発明の別の側面によれば、前記方法に従ってプリプレグ・トウを配置することにより製造される複合積層体航空機翼桁が提供される。
【００２２】
本発明のさらに他の側面によれば、遷移領域にわたって延びる曲げ角を有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法が提供される。当該方法は、前記トウのそれぞれを、複数の部分に分けて下地上に配置することを含み、前記トウのそれぞれにおける前記部分の少なくともいくつかは、前記曲げ角よりも小さい角配向を有する。
【００２３】
好適には、当該方法において、前記部分の少なくとも１つは、実質的に真っ直ぐな部分である。
【００２４】
好適には、当該方法において、前記トウのそれぞれを下地上に配置することは、部分の始点から終点まで、当該部分に沿う方向にトウを誘導することと、終点のそれぞれにおいて誘導方向を変更することとを含む。
【００２５】
好適には、当該方法において、前記部分は、少なくとも２つの湾曲部分と、前記２つの湾曲部分をつなげる実質的に真っ直ぐな部分とを含む。
【００２６】
好適には、当該方法において、前記部分のそれぞれは湾曲している。
【００２７】
好適には、当該方法において、前記部分のそれぞれは実質的に真っ直ぐである。
【００２８】
本発明のさらなる側面によれば、遷移領域にわたって延びる曲げ角θを有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法が提供され、当該方法は、前記曲げ角θをｎ個の個別部分に分割することを含み、前記部分のそれぞれは略θ／ｎの湾曲角を有し、トウを下地上に配置することは、前記部分のそれぞれに沿ってトウを誘導することを含む。
【００２９】
本発明のさらに別の側面によれば、曲げ角を含む少なくとも１つの遷移領域を有する一体型複合構造体の製造方法が提供され、当該方法は、プリプレグ・トウを下地上にレイアップすることにより複合積層レイアップを形成することを含み、この形成は、曲げ角を複数の部分に分割することと、プリプレグ・トウを前記部分のそれぞれに沿って誘導することとを含む。
【００３０】
好適には、当該方法において、前記部分のそれぞれに沿ってプリプレグ・トウを誘導することは、前記曲げ角よりも小さい角度に沿ってトウを誘導することを含む。
【００３１】
好適には、当該方法において、前記プリプレグ・トウを誘導することは、数値制御式の先進繊維配置装置を用いて行われる。
【００３２】
好適には、当該方法は、数値制御式の先進繊維配置装置を自動制御するための数値制御装置をプログラミングすることをさらに含み、前記プログラミングすることは、曲げ角の前記部分のそれぞれにおいてプリプレグ・トウを誘導することができるように数値制御装置をプログラミングすることを含む。
【００３３】
本発明のさらに別の側面によれば、上記方法によって製造される複合積層物の航空機機体部材が提供される。
【００３４】
特徴、機能および利点は、本開示の種々の実施形態において個々に達成でき、または、さらに他の実施形態と組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は、以下の説明および図面を参照することによって明らかになるであろう。
【００３５】
例示の実施形態に特有のものであると考えられる新規な特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。ただし、例示の実施形態、並びに、好ましい使用の形態、および、そのさらなる目的および利点は、本開示にかかる例示の実施形態についての以下の詳細な説明を、添付の図面とともに参照することによって、最も理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本開示に係る方法によって製造された、曲げ部を有する複合材積層翼桁の斜視図である。
【図２】図１に示された複合材積層翼桁の側面図であり、広角遷移領域を有するトウを示している。
【図３】図１の３−３線に沿う断面図である。
【図４】広角遷移領域を有する複合積層構造体を製造するためのシステムのブロック図である。
【図５】図２において、「図５」として示された領域の図である。
【図６】図５において、「図６」として示された領域の図である。
【図７】一の開示された実施形態に係るトウの配置方法にしたがって広角遷移領域に配置された単一のトウを示す図である。
【図８】別の開示された実施形態に係るトウの配置方法にしたがって広角遷移領域に配置された単一のトウを示す図である。
【図９】さらに別の開示された実施形態に係るトウの配置方法にしたがって広角遷移領域に配置された単一のトウを示すダイアグラム図である。
【図１０】さらに別の開示された実施形態に係るトウの配置方法にしたがって広角遷移領域に配置された単一のトウを示す図である。
【図１１】広角遷移領域を有する一体型複合構造体を作製する方法のフロー図である。
【図１２】下地における遷移領域にわたって延びる、ある曲率の曲げ部を有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法のフロー図である。
【図１３】図１２に示された方法においてトウがどのように誘導されるかを示すフロー図である。
【図１４】遷移領域にわたって延びる曲げ角を有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法を示すフロー図である。
【図１５】遷移領域にわたって延びる曲げ角を有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法を示すフロー図である。
【図１６】曲げ角を含む少なくとも一つの遷移領域を有する一体型複合構造体を製造する方法を示すフロー図である。
【図１７】航空機の製造およびサービス方法を示すフロー図である。
【図１８】航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本開示に係る実施形態は、複合材積層航空機翼桁のような、広角遷移領域を有する複合積層構造体を、プリプレグ・トウの自動配置を用いて製造する方法を含む。以下に説明するように、本開示に係る方法によれば、トウがギャザリング（gathering）したり皺（wrinkling）が発生したりすること、および／または構造体における応力の集中を軽減もしくは無くすことができる。
【００３８】
図１、２、３および５は、本開示に係る方法にしたがって製造される典型的な一体型複合積層構造体２０を示す。この複合積層構造体２０は、長手状をしており、ウェブ２４が一体に形成された一対のフランジ２２を含む。これらのフランジ２２は、高さＨを有し、一体に設けられたアール状コーナー部２６に沿って、ウェブ２４に繋がっている。複合積層構造体２０は、湾曲遷移領域２８によって連結された２つの略直線状の長状部分３０を含んでおり、この遷移領域を以下においてしばしば「広角遷移領域」２８、または「遷移領域」２８という。本明細書において、「広角遷移領域」および「遷移領域」とは、複合積層構造体における、１または複数の湾曲、凹凸、角度変化、あるいはその他の幾何学的特徴部分または細部を有する領域であって、１または複数のトウ３２を誘導（steer）および配置することが困難な領域、あるいは、トウ３２がギャザリング、皺の発生、座屈、および／または、繊維歪みを受けやすい領域のことをいう。図示の複合構造体２０は、例えば、機体の一部を形成する翼桁またはストリンガーであるが、これに限定されるものではなく、図示の複合構造体は、本開示に係る方法によって製造することができる、１または複数の遷移領域２８を有する広範囲の一体型複合積層構造体の単なる例示にすぎない。
【００３９】
図４を参照して説明すると、複合積層構造体２０は、レイアップマンドレル（layup mandrel）３１のような下地上にレイアップすることができ、このレイアップは、数値制御式の先進繊維配置（ＡＦＰ）装置２５を用いて行われ、当該装置は、プログラム指示（図示略）を含む１または複数の制御プログラム２９を有する制御装置３３によって操作されるものである。ＡＦＰ装置２５は、材料配置ヘッド２７を含み、当該材料配置ヘッドは、所定幅のプリプレグ・トウ３２を、レイアップマンドレル３１上、あるいは、トウ３２で形成された下層によって規定された下地上で、誘導、配置、および圧縮する。プリプレグ・トウを配置する際のトウの誘導は、制御装置３３によって、用途に適した制御プログラム２９を用いて制御される。
【００４０】
図５および６は、遷移領域２８内において曲げ部３５に誘導され、かつフランジ２２の一つに配置された一つの例示的なトウ３２にとって望ましい理想的な幾何学形状を表している。曲げ部３５は、トウ３２の直線部分３０に接続され、かつこれに連続している。直線部分３０は、互いに対して曲げ角（bend angle）θを形成している。図示の態様において、曲げ部３５は実質的に一定の曲率半径Ｒを有しているが、他の態様において、曲げ部３５の曲率半径Ｒは一定であっても、一定でなくともよい。換言すると、曲げ部３５は、一定の曲率を有していても、有していなくともよい。図５に示した例におけるように、曲げ部３５が一定の曲率半径Ｒを有している場合、遷移領域２８は、曲げ部３５の円弧の長さ、または、曲げ角θの範囲で延びるトウ３２の長さ、によって形成されていると考えることができる。
【００４１】
特に図６を参照して説明すると、曲げ部３５の湾曲に起因して、トウ３２の内側アール部３６は圧縮状態３７にある一方、トウ３２の外側アール部３４は引っ張り状態３９にある。以下に述べる本開示に係る方法によれば、遷移領域２８内で起こりうるトウ３２のギャザリング、皺の発生、座屈および／または歪みが軽減または解消するまで内側アール部の圧縮状態３７を低減するような方法で、トウ３２を誘導および配置することができる。
【００４２】
図７を参照して説明すると、一の実施形態において、本開示に係る方法は、遷移領域２８における曲げ部３５周りの複数の部分、例えば部分４２、４４、４６にトウ３２を配置することをおおむね含む。部分４２、４４、４６のそれぞれは、曲げ角θより小さい角配向（angular orientation）を有する。部分４２、４４、４６は、遷移領域２８の少なくとも一部に及ぶ場合もあるし、全体に及ぶ場合もある。図７に示した実施形態では、部分４２、４４は湾曲しており、かつ、曲げ部３５の曲率よりも小さい角配向または湾曲角φを有する一方、部分４６は曲げ角θよりも小さい角配向を有する直線部分である。要するに、曲げ角θは、複数の部分、例えば部分４２、４４、４６（図７）、に分割されており、それらが合わさって所望の曲げ部３５を近似している。より詳しくは、曲げ角θは、ｎ個の個別部分に分割されており、これらの個別部分は直線状または湾曲状のいずれであってもよく、ここで、ｎは２またはそれ以上の数である。ｎ個の部分は、１または複数の直線部分４６によって連結されていても連結されていなくともよく、また、１または複数の直線部分４６を含んでいても含んでいなくともよく、これらｎ個の部分が合わさって遷移領域２８の全体に及んでいてもよい。
【００４３】
別の実施形態において、当該方法は、遷移領域２８内において、少なくとも第１部分と第２部分とに、トウ３２を配置することを含み、第１部分および第２部分のそれぞれは、曲げ部３５の曲率より小さい角配向を有する。後述する一つの変形例では、第１および第２部分のそれぞれは、湾曲部分５８（図９）であり、曲げ角θより小さい湾曲角φを有する。後述する別の実施形態では、第１および第２部分のそれぞれは、曲げ角θより小さい角配向を有する実質的に直線状の部分５０（図１０）である。さらに別の実施形態では、トウ３２は、遷移領域内に、それぞれが曲げ角θより小さい角配向を有する直線部分５０と湾曲部分５８との任意の組合せとして敷設してもよい。後により詳細に述べるように、曲げ角θを、比較的短い、緩やかに湾曲する多数の曲線状部分に分割する場合、１または複数の直線部分４６を用いる必要がないこともありうる。一の実施形態では、曲げ角θは、ｎ個の個別部分４２、４４に分割され、部分４２、４４のそれぞれは、略θ／ｎの湾曲角φを有する。ｎ個の個別部分として配置されるものの、トウ３２のそれぞれは、曲げ部３５全体にわたって連続している。
【００４４】
例えば、図７は、トウ３２の２つの実質的に直線状の部分３０の間に位置する遷移領域２８内に配置された、連続するトウ３２における曲げ部３５を示している。トウ３２における曲げ部３５は、２つの湾曲部分４２、４４と、これらの湾曲部分４２、４４の間に延びる実質的に直線状の部分４６とに沿う方向に、プリプレグ・トウ３２を誘導することによって形成される。２つの湾曲部分４２、４４のそれぞれは、一定の曲率半径Ｒ1を有していてもいなくともよく、かつ、それぞれが、曲げ角θより小さい湾曲角φを有する。２つの湾曲部分４２、４４の曲率半径Ｒ1および湾曲角φは、実質的に同じであってもよく、または、互いに異なっていてもよい。
【００４５】
図７に示すように、連続するトウ３２における部分４２、４４、４６は、それぞれ長さＬ1、Ｌ2、Ｌ3を有し、これらの長さは曲げ部の態様および幾何学形状に応じて変化しうる。連続するトウ３２を広角遷移領域２８内に配置するとき、トウ３２は、一方の直線部分３０の端部に位置する始点４５から一方の湾曲部分４２に沿って終点４７までは、湾曲した経路で誘導され、次いで、終点４７から直線状部分４６に沿って第２の湾曲部分４４の始点４９までは、実質的に直線状の経路で誘導される。トウ３２は次いで、始点４９から湾曲部分４４の終点５５まで、湾曲した経路で誘導される。トウ３２がＡＦＰ装置２５（図４）によって配置される一の実施形態において、例えば４５、４７、４９、５５といった始点および終点は、材料配置ヘッド２７の方向の変更点を表す。
【００４６】
図７に示した例において、トウ３２における遷移領域２８内の曲げ部３５は、遷移領域２８を３つの部分４２、４４、４６に分割して形成しているが、トウ３２の２つ以下の部分、例えば単一の湾曲部分４２と単一の直線部分４６として曲げ部３５を形成することも可能である。曲げ角θより小さい湾曲角φを有する湾曲部分４２を用いることによって、遷移領域内のトウ３２の内側アール部３６の圧縮３７（図６）の量が低減され、これにより、発生しうるトウのギャザリングおよびこれに関連する皺の発生および／または繊維歪みが少なくなる。同様に、遷移領域内において１または複数の湾曲部分を１または複数の直線部分４６と組み合わせて使用することによっても、起こりうる皺の発生および／または繊維歪みが少なくなる。これは、直線部分４６のそれぞれが、湾曲部分４２、４４に沿って誘導されたことによってトウ３２に蓄積する圧縮力を低減するため、トウ３２に「緩和」の機会が与えられるからである。
【００４７】
図８は、広角遷移領域２８内の曲げ部３５を示しており、この例においては、トウ３２は、複数の湾曲部分５８とこれらの湾曲部分５８の間の複数の直線部分５０との間で交互に誘導されている。トウの誘導が、真っ直ぐな経路（すなわち、直線部分５０）と湾曲した経路（すなわち、湾曲部分５８）との間で変更される点は、符号６２で示されている。直線部分５０の長さＬ1と湾曲部分５８の長さＬ2は、曲げ角θを含む具体的な態様に依存する。長さＬ1のいくつか、または全ては、互いに等しくてもよいし、等しくなくてもよい。同様に長さＬ2のいくつか、または全ては、互いに等しくてもよいし、等しくなくてもよい。上述した例のように、各湾曲部分５８は、曲げ角θより小さい湾曲角φを有する。
【００４８】
図９を参照して説明すると、それぞれが曲げ角θより小さい角φを有する複数の連続する湾曲部分５８に沿ってトウ３２を誘導することにより、トウ３２を広角遷移領域２８内で曲げ部３５周りに配置することが可能である。湾曲部分５８の湾曲角φ、並びに湾曲部分５８の長さＬ2は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
【００４９】
図１０は、トウの皺および／または歪みを低減または解消するために、複数の部分５０において、遷移領域２８内における曲げ部３５周りに誘導されたトウ３２のさらなる例を示す。この実施形態では、部分５０のそれぞれは、直線部分５０であり、長さＬ1を有する。直線部分５０の長さＬ1は、同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。直線部分５０のそれぞれは、参照軸６５に対して、曲げ角θより小さい角配向φを有する。部分５０の数は態様に応じて変わるが、一般的には、部分５０の数が大きいほど、曲げ部３５を形成するためのトウ３２の所望の曲率に、より近似したものとなる。
【００５０】
次に図１１に注目すると、同図は、プリプレグ・トウ３２の自動配置によって、広角遷移領域に曲げ部３５を有する一体型複合構造体２０を製造する方法の全体的な工程を概括的に示す。この方法では、まず、工程６４において、数値制御装置３３をプログラミングすることによって、遷移領域２８内の異なる部分４２、４４、４６に各トウを配置することにより一体型複合構造体２０における曲げ部３５を形成できるようにする。ここで、部分４２、４４、４６は、曲げ部の角θより小さい湾曲角φを有する。トウ３２のそれぞれは、異なる部分４２、４４、４６に配置されるが、遷移領域２８全体にわたって連続している。数値制御装置３３をプログラミングすることは、曲げ角θを形成している上記部分のそれぞれ内で、連続するプリプレグ・トウを誘導できるように、数値制御装置３３をプログラミングすることを含む。工程６６において、制御装置３３によって操作される数値制御式先進繊維配置装置２５を用いることによって、複合構造体２０をレイアップする。工程６６は、制御装置３３を使用して、遷移領域２８内のｎ個の異なる部分に各トウ３２を配置することによって、曲げ部３５を形成することを含む。工程６８において、一体型複合材積層レイアップ２０は硬化され、工程７０において、硬化された一体型複合構造体２０は、所望に応じて、トリミングされ、仕上げられる。
【００５１】
図１２は、下地上にプリプレグ・トウを配置する方法を示し、当該下地は、この下地の遷移領域にわたって延びる、ある曲率の曲げ部を有する。工程７４において、遷移領域内の第１部分にトウを敷設する。ここで、第１部分は、トウにおける曲げ部の曲率よりも小さい角配向を有する。工程７６において、遷移領域における第２部分にトウを敷設する。ここで、第２部分は、トウにおける曲げ部の曲率よりも小さい角配向を有する。工程７８において、数値制御装置がプログラムされ、工程８０において、当該数値制御装置を用いることによって、第１部分および第２部分にトウを敷設するために採用された先進繊維配置装置を制御する。図１３は、トウを各部分に敷設する工程７４、７６を実行する方法を示す。工程８２に示すように、トウは、第１部分に沿う始点から第１部分に沿う終点まで、第１の方向に誘導される。いくつかの実施形態において、第１部分は湾曲していてもよい。工程８４において、トウを誘導する方向が、第１部分の終点において変更される。工程８６において、トウは、第１部分の終点から第２部分の終点まで、第２の方向に誘導される。いくつかの実施形態おいて、第２部分は真っ直ぐであってもよい。
【００５２】
次に図１４に注目すると、同図は、遷移領域にわたって延びる曲げ角をもつ下地上にプリプレグ・トウを配置する方法を示す。工程８８に示すように、この方法は、トウのそれぞれを下地上に複数の部分に配置することを含み、ここで、各トウの上記部分の少なくともいくつかは、曲げ角より小さい湾曲角を有する。
【００５３】
図１５は、遷移領域にわたって延びる曲げ角θを有する下地上にプリプレグ・トウを配置する方法を示す。工程９０において、曲げ角θは、ｎ個の個別部分に分割され、ここで、これらの部分のそれぞれは、略θ／ｎの湾曲角を有する。工程９２において、トウが、下地上に配置され、これらの部分のそれぞれに沿って誘導される。
【００５４】
次に、図１６に注目すると、同図は、曲げ角を含む少なくとも１つの遷移領域を有する一体型複合構造体の製造方法の各工程を示す。この方法は、工程９４において、プリプレグ・トウを下地上に敷設することにより複合材積層レイアップを形成することを含んでおり、これは、曲げ角を複数の部分に分割し、プリプレグ・トウをこれらの部分のそれぞれに沿って誘導することを含む。工程９６において、数値制御装置をプログラミングすることによって数値制御式先進繊維配置装置を自動制御し、これによって、曲げ角の各部分内でプリプレグ・トウを誘導する。
【００５５】
本開示に係る実施形態は、さまざまな潜在用途に用いることができ、特に、翼桁、ストリンガー、およびその他の類似の補強材のような、一体型の、湾曲あるいは起伏形状の複合構造部材を用いうる用途、例えば航空宇宙産業、海運産業、自動車産業を含む運輸産業、および、その他の用途において、用いることができる。これらの構造体部材は、１または複数の広角遷移領域を有することがある。したがって、図１７および１８を参照して説明すると、本開示に係る実施形態は、図１７に示すように航空機製造および運用方法という局面において、および、図１８に示すように航空機１００の局面において、用いることができる。本開示に係る実施形態の航空機への適用は、例えば、これに限定されないが、広角遷移領域２８を有する翼桁８７およびストリンガー８９のような様々な機体１１６（図１８）の要素を含む。生産開始前の過程において、例示的な方法は、航空機１００の仕様決定および設計１０２、および材料調達１０４を含む。製造過程において、部品および小組立品の製造１０６、およびシステムインテグレーション１０８が行われる。その後、航空機１００は、就航１１２に入るための認証および納品１１０を終える。顧客における運用において、航空機１００は定期的な整備と保守１１４が予定され、これには改造、再構成、改修などが含まれる。一体型の湾曲あるいは起伏形状の複合積層構造体は、前記定期的な整備、保守１１４の間に交換部品として用いてもよい。
【００５６】
方法９８の各プロセスは、システムインテグレーター、第３者、および／またはオペレータ（例えば、顧客）によって実行もしくは遂行することができる。本明細書の目的のためには、システムインテグレーターは、これに限定されないが任意の数の航空機メーカーおよび主要なシステム下請け業者を含むことができ、第３者は、これに限定されないが任意の数の売り主、下請け業者および供給業者を含むことができ、かつ、オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体（military entity）、サービス組織（service organization）などであってもよい。
【００５７】
図１８に示されるように、例示的な方法９８によって製造される航空機１００は、複数の上級システム１１８および内装１２０を有する機体１１６を含む。先に述べたように、機体１１６は、上述した本開示に係る方法にしたがって製作された翼桁８７、ストリンガー８９、または、その他多種の輪郭形成された一体型構造体部材を含みうる。１または複数の翼桁８７および／またはストリンガーは、１または複数の広角遷移領域を有しうる。上級システム１１８の例には、１または複数の駆動系１２２、電気系１２４、油圧系１２６および環境系が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれることもある。航空宇宙産業の例が示されているが、本開示の原理は、海運産業、自動車産業などの他の産業に適用することができる。
【００５８】
ここに具体化されたシステムおよび方法は、製造およびサービス方法９８のどの１つまたは複数の段階においても採用することができる。例えば、製造工程１０６に応じた部品または小組立部品は、航空機１００の就航中に製造される部品または小組立部品と同様にして製作または製造することができる。また、１または複数の装置の実施形態、方法の実施形態またはそれらの組合せは、例えば、航空機１００の組立を実質的に促進し、あるいは航空機１００のコストを低減することにより、製造工程１０６または１０８において利用することができる。同様に、１またはそれ以上の装置の具体例、方法の具体例またはそれらの組合せは、航空機の整備サービス８８において、広角遷移領域２８を有する一体型の起伏形状の複合構造体の製作に利用することができる。
【００５９】
本明細書において、用語「少なくとも１つの」は、アイテムのリストとともに用いられる場合、列挙された１または複数のアイテムの様々な組合せを用いることができること、および、リスト中の各アイテムの１つのみを必要とする場合もあること、を意味する。例えば、「アイテムＡ、アイテムＢおよびアイテムＣの少なくとも１つ」は、限定するものではないが、アイテムＡ、アイテムＡおよびアイテムＢ、または、アイテムＢ、を含みうる。この例はまた、アイテムＡ、アイテムＢおよびアイテムＣ、または、アイテムＢおよびＣ、を含む。前記アイテムは、特定の対象、物またはカテゴリーであることもある。換言すると、「少なくとも１つの」は、リストからあらゆる組合せのアイテムおよびあらゆる数のアイテムを用いることができ、リスト中のすべてのアイテムを必ずしも必要とするわけではないことを意味する。
【００６０】
様々な例示的な実施形態についての説明は、図示および説明の目的で示されており、すべてを網羅すること、あるいは、開示された形態での実施に限定されることを意図するものではない。多くの修正および変更が、当業者にとって明らかであろう。さらに、様々な例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる利点をもたらしうる。選択した実施形態は、実施形態の原理および実際の態様を最も適切に説明するために、そして、当業者が本開示を理解し、想定した具体的用途に適した種々の変形を加えた様々な実施形態を思いつくことができるように、選択し説明したものである。
【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９】
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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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【外国語明細書】
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