(57)【要約】      （修正有）【課題】プリプレグテープをレイアップする必要性を低減し、且つ、フィラーを必要とする構造体において継手を排除する複合構造体の製造方法を提供する。【解決手段】ハイブリッド複合構造体２０は、一体溶接された成形熱可塑性複合部品２２及び積層熱可塑性複合部品３６を含む。成形部品２２は不連続繊維で強化されており、積層部品３６は連続繊維で強化されている一体溶接された複合構造体２０。【選択図】図１
2015143007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合構造体を製造する方法であって、
不連続繊維で強化された第１熱可塑性樹脂部品を成形し、
略連続繊維で強化された第２熱可塑性樹脂部品をレイアップし、
前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品を一体溶接する、ことを含む方法。
【請求項２】
前記第１熱可塑性樹脂部品の成形は、熱可塑性樹脂と不連続ランダム配向繊維との流動性混合物を圧縮成形することにより行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記圧縮成形は、
モールド内に熱可塑性プリプレグフレークの充填材料を配置し、
前記プリプレグフレークにおける熱可塑性樹脂を溶融することにより、樹脂と繊維との流動性混合物を形成し、
前記モールド内において前記流動性混合物を圧縮する、ことを含む請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記圧縮成形は、前記第１熱可塑性樹脂部品を成形した後に当該部品を冷やすことを含み、
前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品の一体溶接は、当該第１及び第２熱可塑性樹脂部品における熱可塑性樹脂の溶融温度になるまで当該第１及び第２熱可塑性樹脂部品を加熱する、請求項３の方法。
【請求項５】
前記一体溶接は、
前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品のそれぞれの接合面に沿って、当該第１及び第２熱可塑性樹脂部品を相互に組み立て、
前記接合面を溶融することにより行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記接合面の溶融は、組み立てられた前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品を、炉の内部に配置することにより行われる、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記一体溶接の前に前記第２熱可塑性樹脂部品を一体化することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第２熱可塑性樹脂部品のレイアップは、前記第１熱可塑性樹脂部品の一表面に複数の層をレイアップすることにより行われ、
前記一体溶接は、前記第１熱可塑性樹脂部品の前記一表面上に対して前記第２熱可塑性樹脂部品のレイアップがなされている間に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記一体溶接は、前記第１熱可塑性樹脂部品の前記一表面上に対して前記第２熱可塑性樹脂部品のレイアップがなされている間に、前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品のそれぞれの前記接合面を局所的に溶融することで行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
請求項１に記載の方法で製造された複合構造体。
【請求項１１】
ハイブリッド複合構造体であって、
不連続繊維で強化された第１熱可塑性樹脂部品と、
連続繊維で強化され、前記１熱可塑性樹脂部品と接合された第２熱可塑性樹脂部品とを備える、構造体。
【請求項１２】
前記第１熱可塑性樹脂部品は、ウェブ、及び当該ウェブと一体的な少なくとも一つのフランジを含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合構造体。
【請求項１３】
前記第２熱可塑性樹脂部品は、前記フランジと一体溶接されたキャップを含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合構造体。
【請求項１４】
前記第１熱可塑性樹脂部品は、前記ウェブ及び前記フランジのうち少なくとも一つと一体的に形成された少なくとも一つのフィッティングを含む、請求項１２に記載のハイブリッド複合構造体。
【請求項１５】
前記第２熱可塑性樹脂部品は、連続繊維で強化された複数の熱可塑性樹脂層を含む、請求項１１に記載のハイブリッド複合構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、ハイブリッド積層体及び成形複合構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
航空機及び他の産業において、ビーム及び補強材等の複合構造体は、熱硬化性プリプレグテープレイアップ技術及びオートクレーブ硬化を用いて製造される。プリプレグテープ又はトウの帯を並べてレイアップして、真空バッグ成形及びオートクレーブ硬化された多層積層体を形成する。負荷入力される箇所に接続部が必要な構造体の場合、カスタム金属フィッティングを別途機械加工した後、これを積層構造体に取り付ける。ビーム等の積層構造体は二以上の複合積層部品を組み立てることにより形成される。各部品の構成によっては、これらの部品の間の接続部に、間隙又はキャビティが生じる場合がある。これらの接続部を強化するためには、しばしば「ヌードル（noodles）」と呼ばれるフィラーを接続部に設けなければならない。
【０００３】
上述したような複合積層体製造プロセスは、時間がかかり、多くの労力を必要とする上、自動繊維配置マシン等の高価な資本設備を必要とする。場合によっては、これらの複合積層構造体は、部品の特定領域に対して層強化材が必要な場合、所望の重量よりも重くなることがある。更に、フィラーの必要性により、製造コストが増加し、いくつかの用途においては接続部を十分に強化できない場合がある。
【０００４】
従って、プリプレグテープをレイアップする必要性を低減し、且つ、フィラーを必要とする構造体において継手を排除する複合構造体の製造方法が求められている。また、要求される強度を維持しながら、フィッティング又は他の特異部の一体化が可能で、より容易に且つ経済的に製造可能な複合構造体が求められている。
【０００５】
本出願は、本願と同じく２０１３年１２月３日に出願された米国特許出願第１４／０９５５３１号（代理人整理番号１２−１６６０−ＵＳ−ＮＰ）、及び、本願と同じく２０１３年１２月３日に出願された米国特許出願第１４／０９５７１１号（代理人整理番号１３−０７６３−ＵＳ−ＮＰ）に関連する。
【発明の概要】
【０００６】
開示する実施形態は、個々の層をレイアップする必要性を低減し、迅速且つ容易にハイブリッド複合構造体を製造する方法を提供する。ハイブリッド複合構造体は、一体溶接された第１及び第２熱可塑性部品を含む。第１熱可塑性部品は、ランダムに配向された不連続繊維で強化されており、圧縮成形により製造することができる。第１部品の圧縮成形により、一以上の一体型フィッティングの一体化、及び複雑又は特別な構造的特異部の形成が可能となる。また、圧縮成形を用いることにより、フィラーを必要とする可能性のある構造体において接続部を排除することも可能となる。第２熱可塑性部品は、用途に必要な全体的な強度と剛性を有する構造体を提供するために連続繊維で強化されている積層体である。
【０００７】
開示される一実施形態によると、複合構造体を製造する方法が提供される。不連続繊維で強化された第１熱可塑性樹脂部品が成形される。略連続繊維で強化された第２熱可塑性樹脂部品がレイアップされる。第１及び第２部品は一体的に溶接される。
【０００８】
開示される別の実施形態によると、複合構造体を製造する方法が提供される。ウェブ及び当該ウェブと一体的な少なくとも一つのフランジを有し、繊維で強化された熱可塑性部品が成形される。繊維で強化された熱可塑性キャップがレイアップされ、フランジ上に載置される。熱可塑性キャップはフランジと接合される。
【０００９】
更に別の実施形態によると、複合ビームを製造する方法が提供される。熱可塑性プリプレグフレークを用いてビームが成形され、熱可塑性プリプレグテープを用いて少なくとも一つのキャップが製造される。キャップとビームとは一体的に溶接される。
【００１０】
更に別の実施形態によると、ハイブリッド複合構造体は、第１及び第２熱可塑性樹脂部品を備える。第１熱可塑性樹脂部品は不連続繊維で強化され、第２熱可塑性樹脂部品は連続ファイバで強化され、第１熱可塑性樹脂部品に接合されている。
【００１１】
別の実施形態によると、複合構造体は、ランダム配向の不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂で形成された複合ビームを備えている。ビームはウェブ及び当該ウェブと一体的な一対のフランジを含む。複合構造体は、一対のフランジのうちの一つと接合された少なくとも一つの複合キャップを、更に含んでいる。この複合構造体は、連続繊維で強化された熱可塑性樹脂で形成されている。
【００１２】
特徴、機能、及び利点は、本開示の様々な実施形態において個別に達成可能であり、又、他の実施形態との組み合わせも可能である。詳細については、以下の記載と図面から分かるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
例示的な実施形態を特徴付けると考えられる新規の特徴は、添付した請求項に記載されている。しかしながら、例示的な実施形態、並びに好ましい使用形態、更にその目的及び利点は、以下に示す添付の図面と共に本開示の例示的な実施形態の詳細な説明を参照することにより最もよく理解されるであろう。
【図１】開示された方法に従って製造された一体型フィッティングを有するハイブリッド複合構造体を示す斜視図である。
【図２】図１のハイブリッド構造体を示す分解斜視図である。
【図３】図１における３−３線に沿う断面図である。
【図４】図３において図４として指定している領域を示す図である。
【図５】熱可塑性プリプレグフレークを示す平面図である。
【図６】成形複合フランジ上にキャップをレイアップするための自動繊維配置マシンを示す斜視図である。
【図７】連続圧縮成形装置を示す側面図である。
【図８】開示された方法に従って製造された、起伏を有するハイブリッド複合ハット型ストリンガを示す斜視図である。
【図９】開示された方法に従って製造された、起伏を有するハイブリッド複合フレーム部材を示す斜視図である。
【図１０】ハイブリッド複合構造体を製造する方法を示すフロー図である。
【図１１】開示された方法の更なる詳細を示すフロー図である。
【図１２】航空機製造及びサービス方法を示すフロー図である。
【図１３】航空機を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
まず、図１及び２を参照すると、ハイブリッド複合構造体２０は、概して、成形複合材の第１部品２２と、当該第１部品２２を強化及び補強するための積層体の第２部品３６とを含む。この例では、第１部品２２は、成形された熱可塑性複合（ＴＰＣ）材料で形成された単一ビーム２２で構成される。しかしながら、後述するように、第１部品２２は、その長さに沿って一以上の曲部や起伏を有する形状等、特定の用途での負荷の伝達に適した様々な形状及び構成をとることができる。第２部品３６は、ビーム２２と接合したＴＰＣキャップ３６で構成される。
【００１５】
ビーム２２は、中央ウェブ２４によって接続された一対のフランジ２６を含んでおり、I型断面を形成している。ウェブ２４は、ビーム２２の重量を軽減するために一以上の軽目穴３４を含んでいてもよい。ビーム２２は、両端に一対のフィッティング３０を更に含む。図示例では、フィッティング３０は、ウェブ２４及びフランジ２６と一体的に形成されたＴＰＣ突起部３２を備えている。しかしながら、図示している突起部３２は、後述する成形技術を用いて、ビーム２２と一体的に形成される様々なフィッティング及び特異部の一例にすぎない。さらに、フィッティング３０は、ＴＰＣウェブ２４及びＴＰＣフランジ２６と共に成形される金属フィッティングを備えていてもよい。ＴＰＣキャップ３６は、各フランジ２６を覆い、当該フランジと一体的に溶接される積層体である。ＴＰＣ積層体キャップ３６は、成形ＴＰＣビーム２２を補強及び強化する機能を有する。
【００１６】
ここで、図３も参照すると、一体ビーム２２の各フランジ２６は、ウェブ２４及び突起部３２と一体的に形成されている。フランジ２６及びウェブ２４は、連続するＴ型の断面を形成しており、当該断面には、フィラーを必要とする可能性があるキャビティ又は間隙がない。図４に示すように、ビーム２２は、成形熱可塑性樹脂４２で形成されており、当該樹脂は分散され、ランダムに配向された不連続繊維４４で強化されている。ＴＰＣ積層キャップ３６は、熱可塑性樹脂４２で構成される複数の層で形成されており、当該熱可塑性樹脂は、所定の積層設計（不図示）に従って所望の単一の配向又は組合せ配向を有する連続繊維４０で強化されている。第１及び第２部品２２、３６（ビーム２２及びキャップ３６）は、対向する接合面２８、３８に沿って一体的に溶接(co-welded)されている。一体溶接は、以下でより詳細に説明するいずれかの技術を用いて実行される。
【００１７】
図４及び５を参照すると、ビーム２２は圧縮成形等の任意の適切な成形技術によって製造され、当該技術によって熱可塑性プリプレグ繊維フレーク(thermoplastic prepreg fiber flakes)２５が充填材料（不図示）としてビーム２２の形状をしたモールドのキャビティ（不図示）に導入される。この充填材料は、熱可塑性樹脂の溶融温度まで加熱され、フレーク２５における樹脂が溶融して流動性を有することにより、熱可塑性樹脂と不連続ランダム配向繊維との流動性混合物を形成する。この流動性混合物は圧縮されてモールドのキャビティを満たし、その後、モールドから取り出され急速に冷却される。本明細書で用いられている「フレーク」、「ＴＰＣフレーク」及び「繊維フレーク」は、ビーム２２の強化に適した繊維を含む熱可塑性樹脂の個々の小片、断片、薄片、層又は塊を意味している。
【００１８】
図５に示す実施形態において、各繊維フレーク２５は長さＬ及び幅Ｗを有する略矩形の細長い形状であり、この内部における強化繊維４４は略同じ長さを有している。しかしながら、他の実施形態では、各繊維フレーク２５は上記以外の形状であってもよく、強化繊維４４の長さＬが異なっていてもよい。異なる長さを有する繊維４４の存在により、等方的力学特性を向上させる及び／又はビーム２２を強化する一方で、ビーム２２内の繊維フレーク２５のより均一な分布が可能となる。いくつかの実施形態では、モールドへの充填材料は、サイズ及び／又は形状が異なるＴＰＣフレーク２５の混合物を含んでいてもよい。繊維フレーク２５は、バルク状のプリプレグテープを所望のサイズ及び形状に切断して製造される「フレッシュ」フレークであってもよい。また、繊維フレーク２５は、スクラップとなったプリプレグＴＰＣ材料を所望のサイズ及び形状に切断して製造される「リサイクル」フレークであってもよい。
【００１９】
フレーク２５の一部を形成する熱可塑性樹脂は、比較的高い粘度を有する熱可塑性樹脂であってもよく、そのような樹脂としては、例えばＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルファイド）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）、及びＰＥＫＫ-ＦＣ（ポリエーテルケトンケトン−fcグレード）等があるが、これらに限定されない。フレーク２５内の強化繊維４４は、様々な高強度繊維のうちのいずれかであってもよく、そのような繊維として例えば、炭素繊維、金属繊維、セラミック繊維及び／又はガラス繊維等があるが、これらに限定されない。
【００２０】
ＴＰＣ積層キャップ３６は、様々な技術のうちのいずれかを用いて製造することができる。例えば、キャップ３６は、所定の積層設計に従って所望の配向を有する繊維プリプレグの層を積層することにより、手作業にてレイアップしてもよい。一実施形態では、積層体を一体化後に所望の寸法にトリミングしてからフランジ２６に配置し、その後にキャップ３６をフランジ２６と一体的に溶接してもよい。一体化された積層体のフランジ２６上への設置は、手作業で行われてもよいし、掴み配置装置(pick-and-place machine)（不図示）を用いて行ってもよい。別の実施形態では、積層体はフランジ２６上に直接形成した後、一体化してもよく、当該一体化は、モールド内に構造体２０を設置して、フランジ２６及びキャップ３６に圧縮力をかけた状態にて積層体を樹脂の溶融温度まで加熱することにより行われる。必要となる加熱は、自己加熱したモールドを用いるか、炉の内部にモールドを設置することにより行ってもよい。積層体及びフランジ２６の両方を同時に加熱すると、接合面２８、３８（図４）が溶融し、キャップ３６及びフランジ２６が一体溶接される。なお、他の様々な技術のうちいずれかを用いて熱可塑性樹脂を接合面２８、３８で溶融してもよく、これにより、キャップ３６及びフランジ２６を一体溶接してもよい。一体溶接の例としては、レーザー溶接、超音波溶接、誘導溶接及び抵抗溶接があるが、これらに限定されるものではない。
【００２１】
また、自動繊維配置（ＡＦＰ:automatic fiber placement）機器を用いて、レイアップ器具（不図示）上又は直接的にフランジ２６上にキャップ３６の積層体（複合層）を形成することにより、その場で（in situ）キャップ３６のレイアップを行ってもよい。キャップ３６のレイアップに適した一般的なＡＦＰマシン６８を図６に示す。図示例では、ＡＦＰマシン６８は、フランジ２６上に直接キャップ３６の積層体をレイアップするための、マニピュレータ（不図示）上のエンドエフェクタとして用いられてもよい。
【００２２】
ＡＦＰマシン６８は、数値制御されるコンピュータであり、コーム(combs)８０を含む。当該コームは、入ってくる複数のプリプレグトウ(prepreg tows)７８（又はテープストリップ）をリボン化部８２へと誘導し、当該リボン化部は、これらのトウ７８を並置して、プリプレグ繊維材料のリボン８６を形成する。トウカッター８４は、リボン８６を所望の長さに切断する。リボン８６は倣いローラ(compliant roller)８８の下を通過し、当該ローラは、フランジ２６に対して又はフランジ２６上に既に配されている下位層に対して、リボン８６を押付及び圧縮する。リボン８６は、熱可塑性プリプレグテープ又はプリプレグトウ７８の平行な帯条(courses)７６として敷設され、キャップ３６の個々の層又は膜を形成する。帯条７６は、所定の積層設計に従って、基準方向に対して所定の角度の繊維配向で敷設される。図示例では、形成される層の帯条７６は、０°の繊維配向を有している。任意的に、フランジ２６及びキャップ３６の接合面２８、３８（図４）を加熱及び溶融するために、レーザー９０又は同様の加熱源、例えば高温ガストーチ、超音波トーチ、又は赤外線源等を、ＡＦＰマシン６８に装着してもよい。レーザー９０は、ビーム９２を出射し、当該ビームは、リボン８６がフランジ２６に敷設される領域９４において、フランジ２６とトウ７８で形成されたリボン８６との両方に入射する。ビーム９２は、トウ７８とフランジ２６の下位層との両方における樹脂を溶融することにより、「現場で(on-the-fly)」キャップ３６及びフランジ２６を一体溶接する。
【００２３】
別の実施形態では、連続繊維強化材を含むＴＰＣ積層キャップ７０は、図７に示す連続圧縮成形（ＣＣＭ）マシンを用いて製造してもよい。ＣＣＭマシン９６は広義には予備形成ゾーン１０２及び一体化ゾーン１０８を含む。予備形成ゾーン１０２において、繊維強化熱可塑性材料の複数の層９８は、正しい配向で取り込まれて積層体となり、ツール１００と組み合わされる。
【００２４】
層９８の積層体は、ツール１００と共に予備形成ゾーン１０２に送られ、当該ゾーンにて、高温でキャップ３６の大まかな形に整えられる。予備形成されたキャップ３６は、予備形成ゾーン１０２を出て一体化ゾーン１０８に入り、ここで一体化され、単一の一体的なＴＰＣ積層キャップ３６となる。キャップ３６を予備形成するために用いられる温度は、層９８を軟化するために十分に高い温度に設定されている。これは、予備形成工程の際に、必要に応じて層９８を屈曲可能とするためである。
【００２５】
予備形成されたキャップ３６は、一体化ゾーン１０８内の独立した又は接続された一体化用構造体(consolidating structure)１０４に投入される。一体化用構造体１０４は複数の標準化された加工用ダイス(standardized tooling dies)を含み、これらは概して１１４で示され、それぞれツール１００と嵌合している。一体化構造体１０４は、脈動構造体(pulsating structure)１１６を有し、当該構造体は、予備形成されたキャップ３６を一体化ゾーン１０８内で徐々に前方に移動させ、予備形成ゾーン１０２から離れさせる。キャップ３６が前方に移動すると、キャップ３６はまず加熱ゾーン１０６に入り、当該ゾーンにおいてキャップ３６は、層９８のマトリックス樹脂の高分子成分の自由流動が可能な温度にまで加熱される。
【００２６】
次に、キャップ３６は、前方に移動してプレスゾーン１１０に入り、当該ゾーンにて、各標準化ダイス１１４は、所定の力（圧力）で集合的に又は個別に下降する。ここで、所定の力とは、層９８を所望の形状及び厚みに一体化する（すなわち、マトリクス樹脂の自由流動を可能にする）ために十分な力を指す。各ダイス１１４は絶縁体を用いて複数の異なる温度ゾーンを有するように構成してもよい。ダイス１１４が開放されると、キャップ３６は、一体化用構造体１０４内を前進し、予備形成ゾーン１０２から離れる。その後、ダイス１１４は再び閉じられ、異なる温度ゾーンにおいて、予備形成されたキャップ３６の一部が圧縮される。この工程は、予備形成されたキャップ３６が徐々に冷却ゾーン１１２へ前進する間に、ダイス１１４の各温度ゾーンで繰り返される。
【００２７】
冷却ゾーン１１２において、形成及び成形されたキャップ３６の温度は、層９８のマトリックス樹脂の自由流動温度よりも低く下げられ、これにより、溶融又は一体化されたキャップ３６を最終的な圧縮形状まで硬化させる。完全に形成及び一体化されたキャップ３６は、一体化用構造体１０４を出るが、ツール１００は１１８で回収されてもよい。
【００２８】
上述したＣＣＭマシン９６は、キャップ３６、又は長さ方向に沿って一以上の曲部若しくは起伏を有する同様の部品の製造に特に適している。しかしながら、他の技術を用いて連続繊維強化材を有するＴＰＣ積層キャップ３６を製造してもよく、そのような技術として、例えば、引き抜き成形又はロール成形があるが、これらに限定されるものではない。
【００２９】
上述したように、開示された方法に従って製造されたハイブリッド複合構造体２０は、一以上の曲部又は起伏を含んでいてもよい。例えば、図８を参照すると、複合構造体２０はハット型ストリンガ２０ａであってもよい。ハット型ストリンガ２０ａは、不連続ランダム配向繊維で強化され、熱可塑性樹脂で形成された第１部品２２ａと、連続繊維で強化され、熱可塑性樹脂で形成された第２部品３６ａとを備えている。第１部品は、ハット形状部４８及び外側延出フランジ５２を含んでいる。第２部品３６ａの断面は、ハット形状である。ハット形状の第２部品３６ａは、ハット形状部４８を覆い当該形状部と一体溶接されている。第１及び第２部品２２ａ、３６ａは、どちらも半径Ｒに沿って湾曲した共通縦軸５６を有する。
【００３０】
図９は、開示された方法に従って製造されたハイブリッド複合構造体２０ｂのさらに別の例を示す。この例では、複合構造体２０ｂは、成形ＴＰＣ第１部品２２ｂ及びＴＰＣ積層第２部品３６ｂを備え、これらの部品はそれぞれ半径Ｒに沿って湾曲している。第１部品２２ｂは、Ｔ形状の断面を有しており、ランダム配向の不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂で形成され、中央ウェブ６４と一体形成されたフランジ６２を備える。複合構造体２０ｂの第２部品３６ｂは、所望の配向を有する連続ファイバで強化された熱可塑性樹脂で形成される積層体であり、フランジ６２と一体溶接されたキャップ６６を備える。
【００３１】
図１０は、上述したタイプのハイブリッド複合構造体２０を製造する方法の全体的なステップを概略的に示す。ステップ９５において、不連続強化繊維を有するＴＰＣ部品２２を成形する。ステップ９７において、連続強化繊維を有するＴＰＣ第２部品３６をレイアップする。ステップ９９において、ＴＰＣ第１及び第２部品２２、３６を一体溶接する。当該溶接は、それぞれの接合面２８、３８に沿ってこれら二つの部品２２、３６を溶融することによりなされる。
【００３２】
図１１は、例えば、図１及び２に示す複合ビーム等のハイブリッド複合構造体２０を製造する方法の全体的なステップを概略的に示す。まず１０２において、バルクロールのＴＰＣテープを切断するなどして、熱可塑性繊維プリプレグフレーク２５を作製する。１０４において、任意的に、ＴＰＣ繊維フレーク２５を加熱及び圧縮することにより当該繊維フレークを予備一体化してもよい。１０６において、モールドにＴＰＣ繊維フレーク２５の充填材料を導入する。１０８において、ＴＰＣ繊維充填材料をフレーク２５における熱可塑性樹脂の溶融温度まで加熱することにより、樹脂を流動させてモールドに充填する。１１０において、モールド充填材料を圧縮成形し、ＴＰＣ第１部品２２を形成する。１１２において、連続繊維で強化されたＴＰＣ第２部品３６を、上述したいずれかの技術を用いてレイアップする。１１４において、ＴＰＣ第１及び第２部品２２、３６を、それぞれの接合面３８、２８に沿って互いに接触させる。１１６において、ＴＰＣ第１及び第２部品２２、３６を、それぞれの接合面３８、２８に沿って一体溶接する。
【００３３】
本開示の実施形態は、様々な潜在的用途において用いることができ、特に、航空宇宙、船舶、自動車、及びその他の用途を含む運輸業であって、ビーム、ストリンガ、及び補強材等の複合構造部材を用いる可能性のある用途に用いることができる。従って、図１２及び１３に示すように、本開示の実施形態は、図１２に示す航空機製造及びサービス方法１１８、並びに図１３に示す航空機１２０に関連して用いられてもよい。開示された実施形態の航空機に関する用途には、例えば、床梁、翼桁、リブ、フレーム部、補強材及びその他の複合構造部材等があるが、これらに限定されるものではない。生産開始前の工程として、例示的方法１１８は、航空機１２０の仕様決定及び設計１２２、並びに材料調達１２４とを含んでもよい。生産中の工程として、部品及び小組立品の製造１２６、並びに航空機１２０のシステムインテグレーション１２８が行われる。その後、航空機１２０は、例えば認証及び納品１３０の工程を経て、就航１３２に入る。顧客による運航中は、航空機１２０は、定例のメンテナンス及びサービス１３２のスケジュールに組み込まれ、これは調整、変更、改装なども含む場合もある。
【００３４】
方法１１８の各処理は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレータ（例えば顧客）によって実行または実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等であってもよい。
【００３５】
図１３に示すように、例示的方法１１８によって製造される航空機１２０は、複数のシステム１３８及び内装１４０を具備した機体１３６を含んでもよい。高水準システム１３８の例としては、推進系１４２、電気系１４４、油圧系１４６、及び環境系１４８のうちの一以上を含む。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば船舶及び自動車産業等の他の産業に適用してもよい。
【００３６】
本明細書において具現化されているシステム及び方法は、製造及びサービス方法１１８における一以上のどの段階において採用してもよい。例えば、製造工程１２６に対応する部品又は小組立品は、航空機１２０が運航中に製造される部品又は小部品と同様に組み立て又は製造することができる。また、一以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、実質的に航空機１２０の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、製造工程１２６及び１２８で用いてもよい。同様に、一以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１２０の運航中に、例えば、限定するものではないが、メンテナンス及びサービス１３４に用いてもよい。
【００３７】
様々な例示的な実施形態の説明は、例示および説明のために提示したものであり、全てを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの変形または変更が当業者には明らかであろう。また、例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる効果をもたらす場合がある。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の変形を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。更に、本開示は、以下の付記に係る実施形態も含むものとする。
【００３８】
付記１  複合構造体を製造する方法であって、
不連続繊維で強化された第１熱可塑性樹脂部品を成形し、
略連続繊維で強化された第２熱可塑性樹脂部品をレイアップし、
前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品を一体溶接する、ことを含む方法。
【００３９】
付記２  前記第１熱可塑性樹脂部品の成形は、熱可塑性樹脂と不連続ランダム配向繊維との流動性混合物を圧縮成形することにより行われる、付記１に記載の方法。
【００４０】
付記３  前記圧縮成形は、
モールド内に熱可塑性プリプレグフレークの充填材料を配置し、
前記プリプレグフレークにおける熱可塑性樹脂を溶融することにより、樹脂と繊維との流動性混合物を形成し、
前記モールド内において前記流動性混合物を圧縮する、ことを含む付記２に記載の方法。
【００４１】
付記４  前記圧縮成形は、前記第１熱可塑性樹脂部品を成形した後に当該部品を冷やすことを含み、
前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品の一体溶接は、当該第１及び第２熱可塑性樹脂部品における熱可塑性樹脂の溶融温度になるまで当該第１及び第２熱可塑性樹脂部品を加熱する、付記３の方法。
【００４２】
付記５  前記一体溶接は、
前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品のそれぞれの接合面に沿って、当該第１及び第２熱可塑性樹脂部品を相互に組み立て、
前記接合面を溶融することにより行われる、付記１に記載の方法。
【００４３】
付記６  前記接合面の溶融は、組み立てられた前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品を、炉の内部に配置することにより行われる、付記５に記載の方法。
【００４４】
付記７  前記一体溶接の前に前記第２熱可塑性樹脂部品を一体化することを更に含む、付記１に記載の方法。
【００４５】
付記８  前記第２熱可塑性樹脂部品のレイアップは、前記第１熱可塑性樹脂部品の表面に複数の層をレイアップすることにより行われ、
前記一体溶接は、前記第１熱可塑性樹脂部品の前記表面上に対して前記第２熱可塑性樹脂部品のレイアップがなされている間に行われる、付記１に記載の方法。
【００４６】
付記９  前記一体溶接は、前記第１熱可塑性樹脂部品の前記一表面上に対して前記第２熱可塑性樹脂部品のレイアップがなされている間に、前記第１及び第２熱可塑性樹脂部品のそれぞれの前記接合面を局所的に溶融することで行われる、付記８に記載の方法。
【００４７】
付記１０  付記１に記載の方法で製造された複合構造体。
【００４８】
付記１１  複合構造体を製造する方法であって、
ウェブ及び当該ウェブと一体的な少なくとも一つのフランジを有する繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形し、
繊維強化熱可塑性キャップをレイアップし、
前記フランジ上に前記熱可塑性キャップを設置し、
前記熱可塑性キャップと前記フランジを接合する、ことを含む方法。
【００４９】
付記１２  前記圧縮成形は、
前記ウェブ及び前記フランジの形状に対応したキャビティを有するモールド内に熱可塑性プリプレグフレークの充填材料を導入し、
前記熱可塑性プリプレグフレークにおける樹脂が溶融して流動性を有するまで前記モールドを加熱し、
前記モールド内において前記流動性樹脂を圧縮する、ことを含む付記１１に記載の方法。
【００５０】
付記１３  前記繊維強化熱可塑性キャップのレイアップは、前記フランジ上に熱可塑性プリプレグテープの帯条をレイアップすることにより行われる、付記１１に記載の方法。
【００５１】
付記１４  前記熱可塑性キャップと前記フランジとの接合は、前記帯条のレイアップがなされている間に、前記プリプレグテープ及び前記フランジのそれぞれの接合面を局部的に溶融することで行われる、付記１３に記載の方法。
【００５２】
付記１５  前記繊維で強化された熱可塑性キャップのレイアップは、自動繊維配置マシンを用いて複数の複合層をレイアップすることにより行われる、付記１１に記載の方法。
【００５３】
付記１６  前記熱可塑性キャップと前記フランジとの接合は、前記熱可塑性キャップと前記フランジとの一体溶接により行われる、付記１１に記載の方法。
【００５４】
付記１７  複合ビームを製造する方法であって、
熱可塑性プリプレグフレークを用いてビームを成形し、
熱可塑性プリプレグテープを用いて少なくとも一つのキャップを作製し、
前記キャップと前記ビームとを一体溶接する、方法。
【００５５】
付記１８  ハイブリッド複合構造体であって、
不連続繊維で強化された第１熱可塑性樹脂部品と、
連続繊維で強化され、前記１熱可塑性樹脂部品と接合された第２熱可塑性樹脂部品とを備える、構造体。
【００５６】
付記１９  前記第１熱可塑性樹脂部品は、ウェブ、及び当該ウェブと一体的な少なくとも一つのフランジを含む、付記１８に記載のハイブリッド複合構造体。
【００５７】
付記２０  前記第２熱可塑性樹脂部品は、前記フランジと一体溶接されたキャップを含む、付記１９に記載のハイブリッド複合構造体。
【００５８】
付記２１  前記第１熱可塑性樹脂部品は、前記ウェブ及び前記フランジのうち少なくとも一つと一体的に形成された少なくとも一つのフィッティングを含む、付記１９に記載のハイブリッド複合構造体。
【００５９】
付記２２  前記第２熱可塑性樹脂部品は、連続繊維で強化された複数の熱可塑性樹脂層を含む、付記１８に記載のハイブリッド複合構造体。
【００６０】
付記２３  複合構造体であって、
ランダム配向の不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂で形成され、ウェブ及び当該ウェブと一体的な一対のフランジを含む複合ビームと、
前記一対のフランジのうちの一つと接合しており、連続繊維で強化された熱可塑性樹脂で形成されている複合キャップとを備える、複合構造体。
【００６１】
付記２４  前記複合ビーム及び前記複合キャップは、それぞれ、その長さ方向に沿って少なくとも一つの起伏を有する、付記２３に記載の複合構造体。
【００６２】
付記２５  前記少なくとも一つの複合キャップ及び前記少なくとも一つのフランジはそれぞれ接合面を有しており、
前記少なくとも一つの複合キャップ及び前記少なくとも一つのフランジは前記接合面に沿って一体溶接されている、付記２３に記載の複合構造体。
【図１】
2015143007.tif 000003
【図２】
2015143007.tif 000004
【図３】
2015143007.tif 000005
【図４】
2015143007.tif 000006
【図５】
2015143007.tif 000007
【図６】
2015143007.tif 000008
【図７】
2015143007.tif 000009
【図８】
2015143007.tif 000010
【図９】
2015143007.tif 000011
【図１０】
2015143007.tif 000012
【図１１】
2015143007.tif 000013
【図１２】
2015143007.tif 000014
【図１３】
2015143007.tif 000015
【外国語明細書】
2015143007000001.pdf
2015143007000002.pdf
2015143007000003.pdf
2015143007000004.pdf