(57)【要約】本発明は、高次元安定性を備えた航空機用部品を形成するため複数の補強要素により強化されるシェル、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルを製造するための方法に関する。補強要素及びシェル外板は、少なくとも部分的に硬化した炭素繊維強化半完成部品からエポキシ樹脂により製造され、その方法は、以下のステップ、即ち−シェル外板上に補強要素を配置するステップと、−シェル外板及び補強要素に対して結合要素を突合せるステップと、−シェルを形成すべく結合要素を硬化するステップとを備える。また、本発明は、本発明の方法により製造されたシェル、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルに関する。
2008542119.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高次元安定性を備える航空機用の構成部品を形成するため複数の補強要素（３，１０，２５）により強化されたシェル（１，８，２３)、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルを製造するための方法であって、前記補強要素（３，１０，２５）及びシェル外板（２，９，２４）が少なくとも部分的に硬化した炭素繊維強化半完成部品からエポキシ樹脂により製造され、その方法は、
−前記シェル外板（２，９，２４）上に前記補強要素（３，１０，２５）を配置するステップと、
−前記シェル外板（２，９，２４）及び前記補強要素（３，１０，２５）に対して結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）を突合わせるステップと、
−前記シェル（１，８，２３）を形成すべく前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）を硬化するステップと
を備える方法。
【請求項２】
接着剤は、硬化前に、前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）に適用されることを特徴とする請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）は、好ましくは、前記シェル外板（２，９，２４)及び前記補強要素（３，１０，２５）と共にオートクレーブ内の真空バック内において硬化し、特に、前記補強要素（３，１０，２５）は、好ましくは、前記真空バックの外側に位置する保持装置を用いて前記シェル外板（２，９，２４）に対して配置及び固定されることを特徴とする請求項１又は２記載の方法。
【請求項４】
前記シェル外板（２，９，２４）は、硬化中、支持装置によって支持されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の方法。
【請求項５】
前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）は、アングル部品、特に、断面Ｌ型のアングル部品からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）又は結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）は、半完成部品から製造されることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記半完成部品は、繊維強化硬化性合成材、特に、炭素繊維強化エポキシ樹脂から製造されることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の方法。
【請求項８】
請求項１〜７のうちの一項により製造される高次元安定性を備えた航空機用部品を形成するシェル(１，８，２３)、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルであって、
前記シェルは、シェル外板（２，９，２４）に適用された複数の補強要素（３，１０，２５）を備え、前記補強要素（３，１０，２５）及び前記シェル外板（２，９，２４）が少なくとも部分的に硬化した炭素繊維強化半完成部品からエポキシ樹脂により製造され、前記補強要素（３，１０，２５）は、後に硬化する結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）により前記シェル外板（２，９，２４）に対し結合されることを特徴とするシェル（１，８，２３）。
【請求項９】
接着剤は、前記結合要素のうちの少なくとも一部の領域に適用されることを特徴とする請求項８記載のシェル(１，８，２３)。
【請求項１０】
前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）は、アングル部品、特に、断面Ｌ字型のアングル部品からなることを特徴とする請求項８又は９記載のシェル（１，８，２３）。
【請求項１１】
前記結合要素（４，５，１１，１２，２６，２７）は、半完成部品から製造されることを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載のシェル（１，８，２３）。
【請求項１２】
前記半完成部品は、繊維強化硬化性合成材、特に、炭素繊維強化エポキシ樹脂から製造されることを特徴とする請求項８〜１１の何れか一項に記載のシェル（１，８，２３）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高次元安定性を備えた航空機用部品を形成するために複数の補強要素により強化されたシェル、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルを製造する方法に係り、詳しくは、補強要素及びシェル外板が少なくとも部分的に硬化した炭素繊維強化半完成部品からエポキシ樹脂により製造されるものに関する。
【０００２】
更に、本発明は、高次元安定性を備えた航空機用部品を形成するためシェル外板に適用される複数の補強要素を備え、本発明の方法により製造されるシェル、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルに係り、補強要素及びシェル外板が少なくとも部分的に硬化した炭素繊維強化半完成部品からエポキシ樹脂により製造されるものに関する。
【背景技術】
【０００３】
炭素繊維強化エポキシ樹脂は、低重量及び高い機械強度のため、胴体セル、翼型主翼、水平尾翼及び垂直尾翼などの航空機用の耐力部品のシェルを製造するために益々用いられている。このような航空機用部品は、通常、共に接合される少なくとも二つのシェルから製造されている。例えば、垂直尾翼は、鏡像対称性の（半）シェルから製造されている。シェルは、各縦エッジにおいて共に接合されている。
【０００４】
シェルは、「プリプレグ」を用いて幾つかの異なる方法により作製することができる。「プリプレグ」とは、硬化性炭素繊維強化エポキシ樹脂から製造される半完成部品を意味する。このようなプリプレグは、通常、円盤状又は帯状であるが、例えば、Ｌ字型の断面を有する部品や外形でもあってもよい。
【０００５】
硬化前のプリプレグは弾力性があるため、実質的に任意の所望の形状にすることができる。硬化が完了した後にのみ、これらのプリプレグにより作製された航空機用部品を形成するシェルは、非常に低重量であることと併せて、機械強度が極めて高いといった特徴的な機械特性を有している。部品を形成するためこれらのプリプレグから製造されたシェルの硬化は、通常、１２０℃〜１８０℃の範囲の温度で、かつ１０．２０ｋｇｆ／ｃｍ２（１０ｂａｒ）以下の圧力でオートクレーブ内において行われる。プリプレグの保管寿命は、連続して生じる架橋結合プロセスにより制限され、通常、室温では１０〜３０日間に過ぎない。この説明の残りの部分において、「半完成部品」は「プリプレグ」代えて用いることにする。
【０００６】
シェルは、主としてシェル外板と、複数の補強要素と、その上に配置される強化用の結合アングル部品とから形成されている。通常、一つの補強要素の全長に亘って延びる二つの結合アングル部品は、各補強要素の両側でシェル外板と結合するように配置される。シェル外板、結合アングル部品及び補強要素はいずれも半完成部品から製造される。
【０００７】
このようなシェルを半完成部品から製造する幾つかの製造工程が最新技術から公知である。
所謂「共硬化」工程において、特に、シェル外板、補強要素、及び結合アングル部品を含むシェル全体は、単一の真空バックによって密閉される。次に、この真空バックがオートクレーブ内に配置され、それによってシェルの全体を硬化する。従って、「共硬化」工程において、硬化工程は単一の工程で行われる。
【０００８】
この工程の主な欠点として、硬化工程中、シェル外板に対して補強要素を配置及び固定するために非常に複雑な装置を必要とするため、特に、例えば翼型主翼などの複雑な構成要素を形成する大型のシェルの場合に分不相応にコストが高くなることがある。
【０００９】
所謂「共結合」工程において、まず、補強構成要素が第一のステップで硬化する。続いて、未硬化シェル外板が補強要素上に設置される。シェル外板の最終硬化工程の間、補強要素が同時にシェル外板に接合される。また、逆の方法、即ち最初にシェル外板を硬化し、その後、未硬化補強要素をシェル外板と共に硬化し、それによってそれらを接合することも、「共結合」工程の変形例において可能である。いずれにせよ、硬化はオートクレーブ内に設置された真空バックにおいて実行される。これらの二つの処理方法に従って、シェルの硬化工程は二段階で行われる。
【００１０】
この工程の変形例の主な欠点として、各未硬化要素、即ち、補強要素又はシェル外板が、例えば、無視できない品質の変動を受け易いことがある。これらの品質の変動は、特に、樹脂マトリックス不都合な繊維分布、歪み、細孔及び封入空気をもたらす虞がある。これは、主として、硬化工程中の硬化要素の硬化性移動に起因する。
【００１１】
所謂「二次結合」技術によれば、シェル外板及び補強要素は予め二つの別のステップにおいて硬化し、その後、接着により共に接合される。
この方法の欠点として、特に補強要素、結合アングル部品及びシェル外板を処理するステップが増えること、並びに、取付け精度が要求されること等が挙げられる。これらは比較的大型のシェルでは通常確保することができない。
【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、上記のような公知の工程の欠点を回避し、かつシェル外板及び補強要素を備えたシェルを簡単に製造することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この目的は請求項１の特徴を備える方法によって解決される。
本発明の第一の態様によれば、高次元安定性を備えた航空機用部品を形成するため複数の補強要素により強化されたシェル、特に、胴体シェル、主翼シェル、水平尾翼シェル又は垂直尾翼シェルを製造する方法であって、補強要素及びシェル外板が少なくとも部分的に硬化した炭素繊維強化半完成部品からエポキシ樹脂により製造される製造方法は、以下のステップ：
−シェル外板上に補強要素を配置するステップと、
−シェル外板及び補強要素に対して結合要素を突合せるステップと、
−シェルを形成すべく結合要素を硬化するステップと
を備える。
【００１４】
この方法の好ましい実施形態によれば、硬化前に接着剤が結合要素に適用される。これによって、シェル外板と補強要素との間に、より優れた耐性補償が生じる。しかも、補強要素とシェル外板及び結合要素との間により強固な機械的結合を得ることができる。本発明の方法と併せて、結合要素上への接着剤の適用は任意である。通常、補強要素とシェル外板との十分に強固な結合は、部分的に硬化していることで順応性があり、かつ接着が可能な結合要素によって得ることができる。
【００１５】
本発明の目的は、請求項８によるシェルによっても解決される。
以降に硬化する結合要素によってシェル外板に補強要素が結合されることから、本発明のシェルは容易に製造することができる。補強要素及びシェル外板が少なくとも部分的に硬化し、かつ結合要素のみが完全に硬化する必要があることから、シェル外板上に結合要素を配置する手段を簡素化することができる。少なくとも部分的に硬化したシェル外板及び少なくとも部分的に硬化した補強要素の高い固有安定性により、必要な配置手段又は配置装置も真空バックの外側に配置することができる。既に硬化したシェル外板及び配置要素にもかかわらず、耐性補償は未硬化結合要素を用いることによって可能である。更に、本発明のシェルに関し、依然として弾性的な結合要素は、シェル外板の領域に肉厚部分などを備える補強要素の配置を可能にする。この場合、補強要素に凹部を提供すべきである。
【００１６】
本発明の方法と本発明のシェルの好ましい実施形態は独立請求項に特定されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の方法及び本発明のシェルを図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の第一実施形態により付着された補強要素を備えるシェルの部分斜視図を示す。
【００１８】
シェル１は、シェル外板２、補強要素３、及び結合要素４，５を備えている。図１に示すように、補強要素３は、略長方形の断面を備えている。しかしながら、補強要素３は、同様に他の形状の断面を有していてもよい。結合要素４，５は、断面略Ｌ字型の結合アングル部品からなる。シェル外板２、補強要素３、及び結合要素４，５は、硬化性プリプレグの形態で複数の半完成部品から製造される。プリプレグは、硬化性エポキシ樹脂に浸漬又は含浸した炭素繊維強化シート状部材からなる。それらの非硬化状態において、プリプレグは、任意の形状にすることができる。従って、半完成部品としてプリプレグを用いることによって、例えば、二つの空間方向に湾曲した断面Ｌ字型のシェル外板又は補強要素を形成することができる。
【００１９】
本発明の方法によれば、シェル１を製造するため、第一のステップにおいて、シェル外板２及び補強要素３を完全に硬化することが好ましい。それとは別に、シェル外板及び補強要素３を部分的にのみ硬化することもでき、その結果、かなりの耐性補償が可能である。更に、予め製作されて硬化したシェル外板２と、予め製作されて切断された補強要素３とを用いることができる。この場合、第一のステップは代用なしで削除することができる。
【００２０】
第二のステップにおいて、補強要素３がシェル外板２上に設置され、その後直ちに、第三のステップにおいて、本発明によれば、部分的にのみ硬化した結合要素４，５を補強要素３の両側面に突合せることが好ましい。本発明によれば、少なくとも完全には硬化していない結合要素４，５によって、シェル外板２と補強要素３との間の耐性補償を行うことができる。必要に応じて、補強要素３を、図示しない補助手段によって、真空バック内に設置する前に固定することができる。その後、硬化用のオートクレーブ内の真空バック内に全ての構成が設置される。
【００２１】
この工程の変形例によれば、真空バック内に全ての構成を設置する必要はない。むしろ、容量の小さい個別の真空バックが各補強要素３に提供されるため、漏洩の危険性が低減し、かつ欠陥商品の全体的な可能性が最小限に抑えられる。更に、オートクレーブを用いずに構成を硬化することもでき、これによって、製造コストの低減を図ることができる。例えば、そうした硬化を簡素な炉内に設置された真空バック内において行うことができる。更に、６０℃〜１８０℃の温度で、外部から加熱することによって硬化することもできる。
【００２２】
本発明の方法の第四のステップにおいて、結合要素４，５はオートクレーブ内において完全に硬化する。オートクレーブ内で結合要素４，５を完全に硬化した後、シェル１が本発明の方法に従って完成する。本明細書において、真空バックはシェル外板２、補強要素３、及び結合要素４，５を完全に密閉する。真空バック内の負圧により、オートクレーブ内の雰囲気圧や高い正圧によって、結合要素４，５は補強要素３とシェル外板２とに対し確実に押圧される。オートクレーブ中での硬化は１２０℃〜１８０℃の温度と１０．２０ｋｇｆ／ｃｍ２（１０バール）以下の圧力で実行される。結合要素４，５の硬化と同時に、分解不可能な結合、即ち補強要素３と、結合要素４，５と、シェル外板２とがそれらの間で架橋結合される。硬化工程中、シェル外板２及び補強要素３は、図示しない保持装置又は締め付け装置によって互いに所定の位置に保持される。
【００２３】
通常、図示しない保持装置又は締め付け装置は、シェル外板２上に補強要素３を配置及び固定するために必要である。本技術分野の公知の製造方法と比較して、シェル外板２及び補強要素３が既に硬化しているため、それらをその相対位置に保持するだけでよく、硬化工程中にこれらの要素を所定の形状を保持しなくてもよいとの理由から、構造的により簡素化され、かつ軽量化される。更に、硬化工程の開始時に完全に硬化していない結合要素は、既に硬化した補強要素３によって支持されている。そのため、シェル外板２及び補強要素３を密閉する真空バック内に保持装置を設ける必要はない。本発明の方法によれば、通常必要とされる保持装置が軽量であるため、オートクレーブ内で加熱される質量は減少し、それによって、時間とエネルギーとが更に節約される。
【００２４】
それでもなお、結合要素４，５がまだ完全に硬化していないため、本発明の方法により、硬化補強要素３をシェル外板２に接着する「二次結合」だけでは得ることのできない高次元安定性を備えたシェル１を形成するために、補強要素３とシェル外板２との間に十分な耐性補償を与えることができる。真空バックの外側に保持装置が配置されることにより、工程はより単純に、より短くなるため、特に、主翼シェルなどの大きなシェルの場合、プリプレグ又は半完成部品の制限された保管寿命に関して非常に有利である。
【００２５】
保持装置は、例えば、棒状の要素であってもよく、その棒状の要素は、真空バックにより密閉された補強要素３を収容するための凹部を備えている。補強要素３と共に真空バック内のシェル２上に保持装置を設置することによって、オートクレーブ内での結合要素４，５の硬化工程中に補強要素３がシェル外板２に対して傾斜しないようにしている。本明細書において結合要素４，５は、強固な架橋及び結合を得るため、真空バックによって補強要素３及びシェル外板上に押し付けられる。シェル外板２は既に硬化しているため、シェル外板２を支持する軽い支持装置のみを提供する必要がある。この支持装置は、好ましくは、シェル外板２の形状に構成され、それゆえに、二つ以下の空間方向に湾曲していてもよい。保持装置及び支持装置のうちの少なくとも一つの別の実施形態も可能であり、本発明の基本原理によって構成される。
【００２６】
補強要素３が既に完全に硬化していることが好ましいことから、一般に、補強要素３の最初の部分と末端部分とにのみ保持装置を提供するだけでよい。硬化のため、次に、補強要素３の保持装置は、ねじクランプなどの締め付け要素によりシェル外板２の支持装置に固定される。保持装置又は支持装置を真空バックの外側に設置できることから、真空バックをより簡単な方式で考案することができ、それによって漏洩の可能性が低減する。
【００２７】
シェル外板２がより多くの補強要素３を含む場合、互いに適切な間隔で設置される補強要素を受け入れる複数の凹部を、保持装置の棒状要素に提供すべきである。更に、例えば、二つの空間方向に湾曲するシェル外板２の表面形状に、棒状要素の輪郭を適合させることができる。それによって、棒状要素はシェル外板２上に位置する。更に、補強要素に対する突合せ部分を増大させる突合せアングル部品を、凹部の両側に提供することができる。また、保持装置を、例えばステーやウェブなどによって互いに結合することができる。
【００２８】
図１に示す平面形状と異なり、シェル外板２は、少なくとも部分的に一又は二の空間方向に湾曲させることもできる。更に、シェル外板２上に、複数の補強要素３を、実質的に任意の形状配置及び／又は異なる長さで配置することができる。
【００２９】
より強固な架橋結合、それゆえに補強要素３と結合要素４，５との間、又は結合要素４，５とシェル外板２との間に一層強固な機械的接合を得るため、突合せ部分６，７又は結合要素４，５のうちの少なくとも二つの部分に更に接着剤を適用することが必要かもしれない。この場合の接着剤として、半完成部品やプリプレグの浸漬又は含浸に用いられるものと同種の硬化性エポキシ樹脂を使用することが好ましい。しかしながら、一般に、浸漬により半完成部品やプリプレグ上に常に存在する過剰のエポキシ樹脂は、補強要素３とシェル外板２との間に十分な機械的強度の接合部を形成することができる。
【００３０】
図２は、第一実施形態による補強要素を備えたシェルの部分断面図を示す。
シェル８は、シェル外板９、補強要素１０、及び結合要素１１，１２から製造される。補強要素１０は、略長方形の断面を有する。補強要素１０は、異なる形状の断面を有することもできる。結合要素１１，１２は、略Ｌ字状の断面を有し、結合要素１１，１２の脚部の長さは、実質的に同じである。結合要素１１，１２は、炭素繊維１３，１４により強化される。炭素繊維１３，１４は、補強要素１０の表面又はシェル外板９の表面とほぼ平行である。末端領域１５〜１８における結合要素４，５の剥離を防止するため、炭素繊維１３，１４は末端領域１５〜１８において補強要素１０の表面やシェル外板９の表面とは平行でないものの、終端では、それらの表面に対して５°〜９０°の角度をなしている。図示の炭素繊維１３，１４は、紙面とほぼ平行な複数の炭素繊維の一つにすぎず、複数の炭素繊維は、紙面と平行でない他の炭素繊維と共に、結合要素１１，１２を形成する半完成部品又はプリプレグの炭素繊維強化材を構成している。
【００３１】
ガセット２１，２２は、結合要素１１，１２の捻り部分１９，２０に設けられている。ガセット２１，２２の部分では、結合要素１１，１２とシェル外板９又は補強要素１０とが結合されていない。ガセット２１，２２での腐食及び凝結のうちの少なくとも一つを回避するため、ガセットに適切な合成材を充填し、本発明の方法が完了した後、更に繊維を提供するようにしてもよい。ガセット２１，２２は力を伝達するようには機能しないため、この合成材は特定の機械的特性を備えていなくてもよい。
【００３２】
それとは別に、ガセットは、硬化性合成材、特に、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂などにより形成することができ、また、ガスケット２１，２２により機械的な力が許容されるように（少なくともある程度に)、アーマチャ用の強化繊維（「粗紡」）が埋め込まれている。
【００３３】
幾つかの領域において、シェル外板９に、強化用の肉厚部分を設けてもよい。この場合、補強要素１０がシェル外板９の上面にその全体に亘り連続して設けられるように、補強要素１０の対応する部位に凹部を提供すべきである。結合要素１１，１２に関して、結合要素１１，１２の硬化前はまだ十分な弾力性を備えているため、肉厚部分の領域に補強要素を適用している間に特別な措置を講じる必要がある。それによって、肉厚部分の領域にシェル外板９の上側との連続的なほぼ全面に亘る接触が確保される。
【００３４】
図３は第二実施形態により補強要素が設置されるシェルの部分断面図を示す。
シェル２３は、シェル外板２４を備えている。シェル外板２４上において、本発明の方法により両側に配置された結合要素２６，２７には、少なくとも一つの補強要素２５が付着されている。補強要素１０とは対照的に、補強要素２５は長方形の断面を有していない。下方領域２８において、補強要素２５は長方形を有するものの、上方領域２９に拡大部分３０が設けられている。拡大部分３０は、補強要素２５の曲げ剛性をより高くすることができる。上方領域２９に配置される拡大部分３０によっては、結合要素２６，２９の脚部３３，３４よりも脚部３１，３２を短くする必要がある。図３の他の詳細については図２に示すものに対応しているため、それらの更なる説明を省略する。
【００３５】
本発明の方法の第一の態様によれば、既に硬化した補強要素を同様に硬化したシェル上に設置、配置及び固定することによって、少なくともまだ完全に硬化していない結合要素を用いて結合要素の最終硬化手段により補強要素をシェル外板に結合することによって、航空機用部品を形成するシェルを製造することができる。
【００３６】
本発明の方法によれば、本技術分野において公知の製造工程よりもかなり低いコストで、非常に大型のシェルを製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の方法の第一実施形態に従って付着された補強要素を備えるシェルの部分斜視図。
【図２】補強要素の第一実施形態に従うシェルの部分断面図。
【図３】補強要素の第二実施形態に従うシェルの部分断面図。
【符号の説明】
【００３８】
１…シェル、２…シェル外板、３…補強要素、４…結合要素、５…結合要素、６…突合せ面、７…突合せ面、８…シェル、９…シェル外板、１０…補強要素、１１…結合要素、１２…結合要素、１３…炭素繊維、１４…炭素繊維、１５…末端領域、１６…末端領域、１７…末端領域、１８…末端領域、１９…捻り領域、２０…捻り領域、２１…ガセット、２２…ガセット、２３…シェル、２４…シェル外板、２５…補強要素、２６…結合要素、２７…結合要素、２８…下方領域、２９…上方領域、３０…拡大部分、３１…脚部、３２…脚部、３３…脚部、３４…脚部。
【図１】
2008542119.tif 000003
【図２】
2008542119.tif 000004
【図３】
2008542119.tif 000005
【国際調査報告】
2008542119.tif 000006
2008542119.tif 000007