(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法であって、前記方法が、
前記繊維強化高分子複合加工物の繊維強化高分子複合材料がその最終コンポーネントプロファイルを越えて延びる未完成状態で前記繊維強化高分子複合加工物を提供することと、
少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力で固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドを介してピュアウォータジェットを発生することと、
前記繊維強化高分子複合加工物を通過するように前記ピュアウォータジェットを向けることと、
前記ピュアウォータジェットが、層間剥離のない前記最終コンポーネントプロファイルまで前記繊維強化高分子複合材料をトリミングするように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの前記動作圧力を維持しながら、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さ及び前記動作圧力の大きさの少なくとも一部に基づいた切断速度で所定の経路に沿って前記切断ヘッド及び前記繊維強化高分子複合加工物の少なくとも一方を他方に対して移動させることと、
任意の動作圧力で前記最終コンポーネントプロファイル内の一領域で前記繊維強化高分子複合加工物に穴を開け、層間剥離の局所領域によって取り囲まれたアパーチャを作成することと、
前記ピュアウォータジェットが前記繊維強化高分子複合材料内の内部フィーチャを切断し、前記層間剥離の局所領域を除去するように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、曲線であって前記アパーチャの外部プロファイルにほぼ接するように前記外部プロファイルに近づく第２の所定の経路に沿って前記切断ヘッド及び前記繊維強化高分子複合加工物の一方を他方に対して移動させることと、を含む、方法。
【請求項２】
前記繊維強化高分子複合加工物が炭素繊維で強化され、前記トリミング方法の少なくとも一部分について、前記切断速度が、
前記動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約１．００ｍｍ±０．５０ｍｍである時に、前記切断速度が約３，０００ｍｍ／分〜約６，０００ｍｍ／分であることと、
前記動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約２．５０ｍｍ±１．００ｍｍである時に、前記切断速度が約５００ｍｍ／分〜約１，０００ｍｍ／分であることと、
前記動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約５．５ｍｍ±２．００ｍｍである時に、前記切断速度が約１００ｍｍ／分〜約２５０ｍｍ／分であることと、
前記動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約１０．０ｍｍ±２．５０ｍｍである時に、前記切断速度が約２０ｍｍ／分〜約４０ｍｍ／分であることと、
のいずれかを満足するように、数ある要因の中で、前記炭素繊維強化高分子複合加工物の前記厚さ及び前記動作圧力に対して選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記繊維強化高分子複合加工物が炭素繊維で強化され、前記トリミング方法の少なくとも一部分について、前記切断速度が、
前記動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約１．００ｍｍ±０．５０ｍｍである時に、前記切断速度が約８，０００ｍｍ／分〜約１２，０００ｍｍ／分であることと、
前記動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約２．５０ｍｍ±１．００ｍｍである時に、前記切断速度が約１，２００ｍｍ／分〜約２，０００ｍｍ／分であることと、
前記動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約５．５ｍｍ±２．００ｍｍである時に、前記切断速度が約３００ｍｍ／分〜約５００ｍｍ／分であることと、
前記動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さが約１０．０ｍｍ±２．５０ｍｍである時に、前記切断速度が約７５ｍｍ／分〜約１２０ｍｍ／分であることと、
のいずれかを満足するように、数ある要因の中で、前記炭素繊維強化高分子複合加工物の前記厚さ及び前記動作圧力に対して選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記切断速度が、繊維のタイプ、母材のタイプ、及び／又は前記繊維強化高分子複合加工物の製作方式のタイプの少なくとも一部に基づく、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記繊維強化高分子複合加工物が、炭素繊維、ガラス繊維、ホウ素繊維、又はポリアミド繊維を含み、前記繊維強化高分子複合加工物が前記母材を充填させた繊維、テープ、又は布地の層から構築される、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記切断速度が、前記ピュアウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材のオリフィスサイズの少なくとも一部に基づき、約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）〜約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）の範囲内のオリフィスサイズについて前記オリフィスサイズの増加につれて前記切断速度が増加する、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
固体粒子を混入していない液相で前記切断ヘッドを介して前記ピュアウォータジェットを発生することが、約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）未満の直径を有するオリフィス部材を介して前記ピュアウォータジェットを発生することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
固体粒子を混入していない液相で前記切断ヘッドを介して前記ピュアウォータジェットを発生することが、約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）の直径を有するオリフィス部材を介して前記ピュアウォータジェットを発生することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記所定の経路の少なくとも一部分に沿って前記切断ヘッドと前記繊維強化高分子複合加工物とを互いに対して移動させながら、同時に、前記ピュアウォータジェットは別として、実質的に流体又は粒子状物質が全くない切断環境を切断位置で維持するために、前記ピュアウォータジェットの前記切断位置で又はそれに隣接して前記繊維強化高分子複合加工物の暴露面上にガス流を向けることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記繊維強化高分子複合加工物を通過してそれに穴を開けるように前記ピュアウォータジェットを向けながら、しきい距離を超える距離で前記繊維強化高分子複合加工物から離して前記切断ヘッドの終端部を維持することと、
その後、前記最終コンポーネントプロファイルまで前記繊維強化高分子複合材料をトリミングしながら、前記繊維強化高分子複合加工物に対して比較的より接近して前記切断ヘッドの前記終端部を移動させて維持することと、を更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記繊維強化高分子複合加工物に穴を開けるか又はそれをトリミングする時などの前記トリミング方法の少なくとも一部分の間、前記ピュアウォータジェットのコヒーレンスを変更するために前記ピュアウォータジェットの経路内にガス流を導入することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記所定の経路に沿って前記切断ヘッドと前記繊維強化高分子複合加工物との一方をもう一方に対して移動させることが、前記繊維強化高分子複合加工物が静止したままである間に多軸マニピュレータで前記切断ヘッドを移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記所定の経路に沿って前記切断ヘッドと前記繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることが、前記切断ヘッドが静止したままである間に多軸マニピュレータで前記繊維強化高分子複合加工物を移動させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のなく前記最終コンポーネントプロファイルに沿って前記繊維強化高分子複合加工物を切断するのに十分なしきい線形パワー密度より高く前記ピュアウォータジェットの線形パワー密度を維持することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記繊維強化高分子複合加工物の厚さ、前記繊維強化高分子複合加工物のタイプ、動作圧力、及び前記ピュアウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材のオリフィスサイズを含む、複数の動作パラメータに基づいて前記切断速度を制御することを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
前記複数の動作パラメータが、前記繊維強化高分子複合加工物に要求される許容差レベルを更に含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記ピュアウォータジェットが、層間剥離がなく前記最終コンポーネントプロファイルまで前記繊維強化高分子複合材料をトリミングするように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの前記動作圧力を維持しながら、前記所定の経路に沿って前記切断ヘッド又は前記繊維強化高分子複合加工物をもう一方に対して移動させることが、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない前記最終コンポーネントプロファイルまで前記繊維強化高分子複合加工物をトリミングすることを更に含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記繊維強化高分子複合加工物が、炭素繊維で強化され、前記炭素繊維強化高分子複合加工物が自動車用途に適している、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法であって、前記方法が、
前記繊維強化高分子複合加工物の繊維強化高分子複合材料がその最終コンポーネントプロファイルを越えて延びる未完成状態で前記繊維強化高分子複合加工物を提供することであって、前記繊維強化高分子複合加工物が薄いシェル構造を有することと、
少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力で固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドを介してピュアウォータジェットを発生することであって、前記切断ヘッドが多軸マニピュレータによって支持されることと、
前記繊維強化高分子複合加工物を通過するように前記ピュアウォータジェットを向け、前記ピュアウォータジェットが明らかな層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない前記最終コンポーネントプロファイルまで前記繊維強化高分子複合材料をトリミングするように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの前記動作圧力を維持し、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さ、前記繊維強化高分子複合加工物のタイプ、動作圧力、スタンドオフ距離、及び前記ピュアウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材のオリフィスサイズを含む、複数の動作パラメータに基づいて切断速度を制御しながら、所定の経路に沿って前記繊維強化高分子複合加工物に対して前記多軸マニピュレータを介して前記切断ヘッドを移動させることと、
任意の動作圧力で前記最終コンポーネントプロファイル内の一領域で前記繊維強化高分子複合加工物に穴を開け、層間剥離の局所領域によって取り囲まれたアパーチャを作成することと、
前記ピュアウォータジェットが前記繊維強化高分子複合材料内の内部フィーチャを切断し、前記層間剥離の局所領域を除去するように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、曲線であって前記アパーチャの外部プロファイルにほぼ接するように前記外部プロファイルに近づく第２の所定の経路に沿って前記切断ヘッド及び前記繊維強化高分子複合加工物の一方を他方に対して移動させることと、を含む、方法。
【請求項２０】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法であって、前記方法が、
前記繊維強化高分子複合加工物の繊維強化高分子複合材料がその最終コンポーネントプロファイルを越えて延びる未完成状態で前記繊維強化高分子複合加工物を提供することであって、前記繊維強化高分子複合加工物が薄いシェル構造を有することと、
少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力で固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドを介してピュアウォータジェットを発生することであって、前記切断ヘッドがベース基準系に対して固定されることと、
前記繊維強化高分子複合加工物を通過するように前記ピュアウォータジェットを向け、前記ピュアウォータジェットが目に見えるほどの層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない前記最終コンポーネントプロファイルまで前記繊維強化高分子複合材料をトリミングするように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの前記動作圧力を維持し、前記繊維強化高分子複合加工物の厚さ、前記繊維強化高分子複合加工物のタイプ、動作圧力、スタンドオフ距離、及び前記ピュアウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材のオリフィスサイズを含む、複数の動作パラメータに基づいて切断速度を制御しながら、所定の経路に沿って前記切断ヘッドに対して多軸マニピュレータを介して前記繊維強化高分子複合加工物を移動させることと、
任意の動作圧力で前記最終コンポーネントプロファイル内の一領域で前記繊維強化高分子複合加工物に穴を開け、層間剥離の局所領域によって取り囲まれたアパーチャを作成することと、
前記ピュアウォータジェットが前記繊維強化高分子複合材料内の内部フィーチャを切断し、前記層間剥離の局所領域を除去するように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、曲線であって前記アパーチャの外部プロファイルにほぼ接するように前記外部プロファイルに近づく第２の所定の経路に沿って前記切断ヘッド及び前記繊維強化高分子複合加工物の一方を他方に対して移動させることと、を含む、方法。
【請求項２１】
前記切断速度は、約２２±５ミクロンのＲａ値及び約１２８±２０ミクロンのＲｚ値の少なくとも１つを有する既定の表面粗さを有するように前記繊維強化高分子複合加工物のエッジを形成するように選択される、請求項１、１９又は２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高圧ウォータジェット切断システム及び関連の方法に関し、詳細には、ピュアウォータジェット（ｐｕｒｅ  ｗａｔｅｒｊｅｔ）で繊維強化高分子複合加工物（ｆｉｂｅｒ  ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ  ｐｏｌｙｍｅｒ  ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  ｗｏｒｋｐｉｅｃｅ）を切断する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ウォータジェット又はアブレイシブウォータジェット（ａｂｒａｓｉｖｅ  ｗａｔｅｒｊｅｔ）切断システムは、石、ガラス、セラミック、及び金属を含む、多種多様な材料を切断するために使用される。典型的なウォータジェット切断システムでは、切断ジェットを加工物上に向けるノズルを有する切断ヘッドを通って高圧水が流れる。このシステムは、高圧ウォータジェット内に研磨媒体を引き込むか又は供給して、高圧アブレイシブウォータジェットを形成することができる。その場合、所望通りに加工物を切断するために加工物の端から端まで切断ヘッドを制御可能に移動させる場合もあれば、ウォータジェット又はアブレイシブウォータジェットの下で加工物を制御可能に移動させる場合もある。現在、高圧ウォータジェットを発生するためのシステムは、例えば、本出願の譲受人であるＦｌｏｗ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されたＭａｃｈ４（商標）５軸ウォータジェット切断システムなどが利用可能である。ウォータジェット切断システムのその他の例は、Ｆｌｏｗ社の米国特許第５６４３０５８号に示され記載されている。
【０００３】
アブレイシブウォータジェット切断システムは、厳しい基準を満たすために、例えば、高強度鋼及び繊維強化高分子複合材料などの特に固い材料で作られた加工物を切断する時に有利に使用されるが、研磨剤の使用は複雑さをもたらし、アブレイシブウォータジェット切断システムは、使用済み研磨剤を封じ込めて管理する必要性を含む、その他の欠点を有する可能性がある。
【０００４】
繊維強化高分子複合材料を切断するためのその他の既知の選択肢としては、超硬及びダイヤモンドコーティングの超硬切断工具（例えば、ドリルビット、ルータ）でこのような材料を機械加工（例えば、穿孔、ルータ加工）することを含む。しかしながら、このような切断工具による機械加工力は、層間剥離、ほつれ、ささくれ、繊維引き抜き、繊維断裂、及び／又はマトリックススミアリングなどの加工物障害を促進する可能性がある。また、これらのタイプの切断工具は、早期摩耗を被りやすい可能性もあり、受け入れられる仕上がりを保証するために繊維強化高分子複合加工物を切断する時に頻繁に交換しなければならず、それにより運転コストが増加する。その上、超硬切断工具で繊維強化高分子複合材製の部品を機械加工すると、環境危険を引き起こし、機械加工性能に悪影響を及ぼす可能性のあるダストを発生する。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書に記載されている諸実施形態は、固体粒子を混入していない（ｕｎｌａｄｅｎｅｄ）液体形式の高圧ピュアウォータジェットで繊維強化高分子複合加工物を切断する方法を提供するものであり、これは、自動車産業の品質規格など、一般に受け入れられている業界品質規格を満たす最終コンポーネントプロファイル（ｆｉｎａｌ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ  ｐｒｏｆｉｌｅ）を含むように薄いシェル付き繊維強化高分子複合材製の部品をトリミングするために特に十分に適合させたものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
諸実施形態は、層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない最終コンポーネントプロファイルを提供するために、少なくとも６０，０００ｐｓｉのしきい動作圧力以上で、その他の切断パラメータと組み合わせて、固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドから放出されたピュアウォータジェットで繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法を含む。有利なことに、ガーネットなどの研磨媒体の使用を回避することができ、それにより切断プロセスを単純にし、より清浄な作業環境を提供することができる。加えて、ピュアウォータジェットは加工物の下にある支持構造物に対して破壊的ではないので、ピュアウォータジェットでトリミング又はその他の切断を行う時に固定を単純にすることができる。
【０００７】
一実施形態では、繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、加工物の繊維強化高分子複合材料がその最終コンポーネントプロファイルを越えて延びる未完成状態で繊維強化高分子複合加工物を提供することと、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力で固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドを介してピュアウォータジェットを発生することと、繊維強化高分子複合加工物を通過するようにピュアウォータジェットを向けることと、ピュアウォータジェットが層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない最終コンポーネントプロファイルまで繊維強化高分子複合材料をトリミングするように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させること、とを含むものとして要約することができる。
【０００８】
所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物を互いに対して移動させることは、繊維強化高分子複合加工物の厚さ及び動作圧力の大きさの少なくとも一部に基づく切断速度で移動させることを含んでもよい。また、切断速度は、繊維のタイプ、母材のタイプ、及び／又は繊維強化高分子複合加工物の製造方式のタイプの少なくとも一部にも基づくことができる。繊維強化高分子複合加工物は炭素繊維、ガラス繊維、ホウ素繊維、又はポリアミド繊維を含むことができ、繊維強化高分子複合加工物は母材を充填させた繊維、テープ、又は布地の層から構築することができる。また、切断速度は、ピュアウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材のオリフィスサイズの少なくとも一部にも基づくことができる。
【０００９】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、任意の動作圧力（６０，０００ｐｓｉ未満を含む）で最終コンポーネントプロファイル内の一領域で繊維強化高分子複合加工物に穴を開け、層間剥離の局所領域によって取り囲まれたアパーチャを生成することと、ピュアウォータジェットが繊維強化高分子複合材料内の内部フィーチャを切断し、層間剥離の局所領域を除去するように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、他の所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることとを更に含むことができる。
【００１０】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、所定の経路の少なくとも一部分に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物を互いに対して移動させながら、同時に、ピュアウォータジェットは別として、実質的に流体又は粒子状物質が全くない切断環境を切断位置で維持するために、ピュアウォータジェットの切断位置で又はそれに隣接して繊維強化高分子複合加工物の暴露面上にガス流を向けることを更に含むことができる。
【００１１】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、繊維強化高分子複合加工物を通過してそれに穴を開けるようにピュアウォータジェットを向けながら、しきい距離を超える距離で繊維強化高分子複合加工物から離して切断ヘッドの終端部を維持することと、その後、最終コンポーネントプロファイルまで繊維強化高分子複合材料をトリミングしながら、繊維強化高分子複合加工物に対して比較的より接近して切断ヘッドの終端部を移動させて維持することとを更に含むことができる。
【００１２】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、トリミング方法の少なくとも一部分の間、ピュアウォータジェットのコヒーレンスを変更するためにピュアウォータジェットの経路内にガス流を導入することを更に含むことができる。
【００１３】
所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることは、繊維強化高分子複合加工物が静止したままである間に多軸マニピュレータで切断ヘッドを移動させることを含むことができる。その他の事例では、所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることは、切断ヘッドが静止したままである間に多軸マニピュレータで繊維強化高分子複合加工物を移動させることを含むことができる。
【００１４】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない最終コンポーネントプロファイルに沿って繊維強化高分子複合加工物を切断するのに十分なしきい線形パワー密度より高くピュアウォータジェットの線形パワー密度を維持することを更に含むことができる。
【００１５】
繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法は、材料厚、材料タイプ、動作圧力、及びオリフィスサイズを含む、複数の動作パラメータに基づいて切断速度を制御することを更に含むことができる。複数の動作パラメータは許容差レベルを更に含むことができる。
【００１６】
層間剥離の小さい局所領域からなる裏面線形欠陥をしきい許容欠陥レベル未満に維持するために複数の動作パラメータに基づいて切断速度を制御することを含む、繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法も提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】繊維強化高分子複合加工物をトリミングするためにその作業端部で切断ヘッドアセンブリを支持する多軸マニピュレータ（例えば、ガントリモーションシステム）を含む、一実施形態による高圧ウォータジェット切断システムの一例の図である。
【図２】繊維強化高分子複合加工物をトリミングするためにその作業端部で切断ヘッドアセンブリを支持する多軸マニピュレータ（例えば、多軸ロボットアーム）を含む、他の実施形態による高圧ウォータジェット切断システムの一例の図である。
【図３】トリミング目的のために切断ヘッドアセンブリの下で繊維強化高分子複合加工物を操作するための多軸マニピュレータ（例えば、多軸ロボットアーム）を含む、更に他の実施形態による高圧ウォータジェット切断システムの一例の図である。
【図４】本明細書に記載されている方法及びシステムを介してトリミングすることができる繊維強化高分子複合加工物の一例の図である。
【図５】図４の加工物の例などの繊維強化高分子複合加工物を切断するために図１〜図３に示されている高圧ウォータジェット切断システムの例とともに使用することができる、一実施形態による切断ヘッドアセンブリの一部分の斜め等角図である。
【図６】図５の切断ヘッドアセンブリの一部分の断面側面図である。
【図７】他の観点からの切断ヘッドアセンブリを示す、図５の切断ヘッドアセンブリの一部分の斜め等角図である。
【図８】その複数の内部通路のうちのいくつかを示す、ある観点から図５に示されている切断ヘッドアセンブリのノズルコンポーネントの斜め等角図である。
【図９】他の内部通路を示す、同じ観点からの図８のノズルコンポーネントの斜め等角図である。
【図１０】他の内部通路を示す、異なる観点からの図８のノズルコンポーネントの斜め等角図である。
【図１１Ａ】本明細書に開示されているトリミング方法によりピュアウォータジェットで切断された繊維強化高分子複合加工物のエッジの顕微鏡画像である。
【図１１Ｂ】本明細書に開示されているトリミング方法によりピュアウォータジェットで切断された繊維強化高分子複合加工物のエッジの顕微鏡画像である。
【図１１Ｃ】本明細書に開示されているトリミング方法によりピュアウォータジェットで切断された繊維強化高分子複合加工物のエッジの顕微鏡画像である。
【図１２】許容切断速度に対する圧力及びオリフィスサイズの影響を示すグラフである。
【図１３】動作圧力及びオリフィスサイズに対する最大切断速度の変動を示すグラフである。
【図１４】２通りの動作圧力のそれぞれに関する材料厚に対する許容切断速度の変動を示すグラフである。
【図１５】異なる動作パラメータに基づいて切断速度に対する層間剥離の小さい局所領域からなる裏面線形欠陥の割合を図化するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下の説明では、開示されている様々な実施形態を完全に理解するために、特定の具体的な詳細が明記されている。しかしながら、当業者であれば、これらの具体的な詳細のうちの１つ以上がなくても諸実施形態を実践できることを認識するであろう。その他の事例では、諸実施形態の説明を不必要に曖昧にするのを回避するために、ウォータジェット切断システムに関連する周知の構造及びウォータジェット切断システムを操作する方法については詳細に示されないか又は記載されない可能性がある。例えば、処理すべき加工物又は加工表面に対するウォータジェット切断ヘッドアセンブリの移動を容易にするために、周知の制御システム及び駆動コンポーネントをウォータジェット切断システムに統合することができる。これらのシステムは、ウォータジェット切断システムの多軸マニピュレータで一般的であるように、複数の回転軸及び並進軸の周りで切断ヘッドを操作するために駆動コンポーネントを含むことができる。ウォータジェット切断システムの例では、加工物に対して切断ヘッドを移動させるために、図１に示されているようなガントリタイプモーションシステム、図２に示されているようなロボットアームモーションシステム、又はその他のモーションシステムに結合されたウォータジェット切断ヘッドアセンブリを含むことができる。その他の事例では、ロボットアームモーションシステム又はその他のモーションシステムは、図３に示されているように切断ヘッドに対して加工物を操作することができる。
【００１９】
文脈がその他の要求をしない限り、本明細書及び以下に続く特許請求の範囲の全体を通して、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ（備える、含む）」という単語並びに「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ（備える、含む）」及び「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備える、含む）」などのその変形は、制限がなくすべてを含む意味で、即ち、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ，  ｂｕｔ  ｎｏｔ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｔｏ（含むが、それに限定されない）」として解釈すべきである。
【００２０】
本明細書の全体を通して「ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態）」又は「ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態）」について言及する場合、その実施形態に関して記載されている特定の特徴、構造、又は特性が少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。従って、本明細書の全体を通して様々な箇所で「ｉｎ  ｏｎｅ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態では）」又は「ｉｎ  ａｎ  ｅｍｂｏｄｉｍｅｎｔ（一実施形態では）」という語句が現れる場合、必ずしもすべてが同じ実施形態に言及しているわけではない。更に、この特定の特徴、構造、又は特性は１つ以上の実施形態において任意の適切なやり方で組み合わせることができる。
【００２１】
本明細書及び付属の特許請求の範囲で使用される「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ（その、当該）」という単数形は、内容が明瞭に他の規定を示さない限り、複数の指示対象を含む。また、内容が明瞭に他の規定を示さない限り、「ｏｒ（又は）」という用語は一般に「ａｎｄ／ｏｒ（及び／又は）」を含む意味で使用されることも留意されたい。
【００２２】
本明細書に記載されている諸実施形態は、層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない最終コンポーネントプロファイルを提供するために、少なくとも６０，０００ｐｓｉのしきい動作圧力以上で、その他の切断パラメータと組み合わせて、固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドから放出されたピュアウォータジェットで繊維強化高分子複合加工物をトリミングする方法を提供する。
【００２３】
本明細書で使用される切断ヘッド又は切断ヘッドアセンブリという用語は、一般にウォータジェット加工機又はウォータジェットシステムの作業端部の複数コンポーネントのアセンブリを指すことができ、例えば、高圧ウォータジェットを発生するために動作中に流体が通過するジュエルオリフィスなどのオリフィス部材、高圧ウォータジェットを放出するためのノズルコンポーネント（例えば、ノズルナット）、並びにそれとともに一斉に移動するように直接又は間接的にそれに結合された周囲の構造物及びデバイスを含むことができる。また、切断ヘッドはエンドエフェクタ又はノズルアセンブリと呼ぶこともできる。
【００２４】
ウォータジェット切断システムは、このシステムによって処理すべき加工物を支持するように構成された支持構造物の付近で動作することができる。支持構造物は、切断、トリミング、又はその他の処理を行うべき位置で１つ以上の加工物（例えば、繊維強化高分子複合材製の自動車部品）を支持するのに適した剛性構造物又は再構成可能構造物にすることができる。
【００２５】
図１は、ウォータジェット切断システム１０の実施形態の一例を示している。ウォータジェット切断システム１０は、当該システム１０によって処理すべき加工物１４を支持するように構成された加工物支持表面１３（例えば、複数スラットが配置されたもの）を有するキャッチャータンクアセンブリ１１を含む。ウォータジェット切断システム１０は、１対のベースレール１６に沿って移動可能で、キャッチャータンクアセンブリ１１をまたぐブリッジアセンブリ１５を更に含む。動作時に、ブリッジアセンブリ１５は、加工物１４の処理にあたって、当該システム１０の切断ヘッドアセンブリ１２を位置決めするために、並進軸Ｘに対してベースレール１６に沿って前後に移動することができる。ツールキャリッジ（ｔｏｏｌ  ｃａｒｒｉａｇｅ）１７は、前述の並進軸Ｘに対して垂直に位置合わせされた他の並進軸Ｙに沿って前後に並進するようにブリッジアセンブリ１５に可動式に結合することができる。ツールキャリッジ１７は、切断ヘッドアセンブリ１２を加工物１４に向かったり、離れたりするように移動させるために、更に他の並進軸Ｚに沿って切断ヘッドアセンブリ１２を上下させるように構成することができる。追加の機能性を提供するために、切断ヘッドアセンブリ１２とツールキャリッジ１７の中間に１つ以上の操作可能なリンク又は部材を設けることもできる。
【００２６】
一例として、ウォータジェット切断システム１０は、回転軸の周りで切断ヘッドアセンブリ１２を回転させるためにツールキャリッジ１７に回転可能に結合された前腕１８と、前述の回転軸に対して非平行の他の回転軸の周りで切断ヘッドアセンブリ１２を回転させるように前腕１８に回転可能に結合された手首１９とを含むことができる。組み合わせると、前腕１８及び手首１９の回転軸により、例えば、複雑なプロファイルの切断を容易にするために、加工物１４に対して広範囲の向きで切断ヘッドアセンブリ１２を操作することができる。これらの回転軸は、いくつかの実施形態では切断ヘッドアセンブリ１２のノズルコンポーネント（例えば、図８〜図１０のノズルコンポーネント１２０）の端部又は先端からオフセットされた焦点に収束してもよい。切断ヘッドアセンブリ１２のノズルコンポーネントの端部又は先端は好ましくは処理すべき加工物１４又は加工表面から所望のスタンドオフ距離に位置決めされる。スタンドオフ距離は、ウォータジェットの切断性能を最適化するように選択するか又は所望の距離に維持することができる。例えば、いくつかの実施形態においては、スタンドオフ距離は、約０．２０インチ（５．１ｍｍ）以下に、又はいくつかの実施形態では約０．１０インチ（２．５ｍｍ）以下に維持してもよい。その他の実施形態では、スタンドオフ距離は、トリミング動作の進行中に、又は、例えば加工物に穴を開ける時などの切断手順の間に変化してもよい。いくつかの事例では、ウォータジェット切断ヘッドのノズルコンポーネントは、最小スタンドオフ距離で加工物に対するノズルコンポーネントの傾斜（例えば、約０．５インチ（１２．７ｍｍ）以下のスタンドオフ距離で３０度の傾斜）を可能にするために、とりわけ、特に細いか又は細長いものにすることができる。
【００２７】
動作中に、並進軸及び１つ以上の回転軸のそれぞれに対する切断ヘッドアセンブリ１２の移動は、様々な従来の駆動コンポーネント及び適切な制御システム２０（図１）によって達成することができる。当該制御システムは、一般に、プロセッサ、マイクロプロセッサ、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）などの１つ以上のコンピューティングデバイスを無制限に含むことができる。情報を記憶するために、当該制御システムは、揮発性メモリ、不揮発性メモリ、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などの１つ以上の記憶装置も含むことができる。記憶装置は１つ以上のバスによってコンピューティングデバイスに結合することができる。当該制御システムは、１つ以上の入力装置（例えば、ディスプレイ、キーボード、タッチパッド、コントローラモジュール、又はユーザ入力のための任意のその他の周辺装置）及び出力装置（例えば、表示画面、表示灯など）を更に含むことができる。当該制御システムは、様々な切断ヘッド移動命令に応じて任意の数の異なる加工物を処理するために１つ以上のプログラムを記憶することができる。また、制御システムは、例えば、本明細書に記載されているピュアウォータジェット切断ヘッドアセンブリ及びコンポーネントに結合された二次流体源、真空装置、及び／又は加圧ガス源などのその他のコンポーネントの動作も制御することができる。一実施形態による制御システムは、汎用コンピュータシステムの形で提供することができる。当該コンピュータシステムは、ＣＰＵ、様々な入出力コンポーネント、記憶装置、及びメモリなどのコンポーネントを含むことができる。当該入出力コンポーネントは、ディスプレイ、ネットワーク接続、コンピュータ可読メディアドライブ、及びその他の入出力装置（キーボード、マウス、スピーカなど）を含むことができる。制御システムマネージャプログラムは、ＣＰＵの制御下などのメモリ内で実行することができ、とりわけ、本明細書に記載されているウォータジェット切断システムを通って高圧水を経路指定すること、放出される流体ジェットのコヒーレンスを調整又は修正するために二次流体の流れを提供すること、及び／又は繊維強化高分子複合加工物の妨げにならないピュアウォータジェット切断を提供するために加圧ガス流を提供することに関連する機能性を含むことができる。
【００２８】
ウォータジェット切断システムに関する制御方法及びシステムの更なる例は、例えば、ＣＮＣ機能を含み、本明細書に記載されているウォータジェット切断システムに適用可能であり、全体として参照により本明細書に取り入れられるＦｌｏｗ社の米国特許第６７６６２１６号に記載されている。一般に、コンピュータ援用設計を使用して生成された加工物の二次元又は三次元モデル（即ち、ＣＡＤモデル）を使用して機械を駆動するためのコードを生成できるようにすることなどにより、指定の経路に沿ってウォータジェット切断ヘッドを効率的に駆動又は制御するために、コンピュータ支援製造（ＣＡＭ）プロセスを使用することができる。例えば、いくつかの事例では、様々な並進軸及び／又は回転軸の周りで切断ヘッドを操作して、ＣＡＤモデルに反映されているように加工物を切断又は処理するように、ウォータジェット切断システムの適切な制御部及びモータを駆動するための命令を生成するためにＣＡＤモデルを使用することができる。しかしながら、諸実施形態の説明を不必要に曖昧にするのを回避するために、ウォータジェット切断システムに関連する制御システム、従来の駆動コンポーネント、及びその他の周知のシステムの詳細については詳細に示されないか又は記載されない。ウォータジェット切断システムに関連するその他の既知のシステムとしては、例えば、切断ヘッドに高圧流体を供給するための高圧流体源（例えば、約６０，０００ｐｓｉ〜１１０，０００ｐｓｉ以上の範囲の圧力定格を備えたダイレクトドライブポンプ及びインテンシファイアポンプ）を含む。
【００２９】
いくつかの実施形態により、ウォータジェット切断システム１０は、少なくとも６０，０００ｐｓｉ、約６０，０００ｐｓｉ〜約１１０，０００ｐｓｉの間、又はそれ以上の動作圧力で高圧水の発生源を選択的に提供するために、例えば、ダイレクトドライブポンプ又はインテンシファイアポンプ（図示せず）などのポンプを含む。ウォータジェット切断システム１０の切断ヘッドアセンブリ１２は、ポンプによって供給された高圧水を受け入れ、特に繊維強化高分子複合加工物を含む加工物を処理するための高圧ピュアウォータジェットを発生するように構成される。ポンプから切断ヘッドアセンブリ１２に高圧水を経路指定するのを支援するために、ポンプ及び切断ヘッドアセンブリ１２と流体連通している流体分配システム（図示せず）が設けられる。
【００３０】
図２は、実施形態の他の例のウォータジェット切断システム１０’を示している。この実施形態の例により、ウォータジェット切断システム１０’は、多軸ロボットアーム２１の形の多軸マニピュレータの端部に支持された切断ヘッドアセンブリ１２’を含む。このように、多軸ロボットアーム２１は、分離した加工物支持構造物又は固定具（図示せず）によって支持された加工物を処理するための空間内で切断ヘッドアセンブリ１２’を操作することができる。
【００３１】
図３は、更に他の実施形態のウォータジェット切断システム１０’’を示している。この実施形態の例により、ウォータジェット切断システム１０’’は、剛性支持構造物２６を介してジェット受け入れ容器（ｊｅｔ  ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ  ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）２３の反対側に支持された切断ヘッドアセンブリ１２’’を含む。図３に示されているように、ジェット受け入れ容器２３は、切断ヘッドアセンブリ１２’’とジェット受け入れレセプタクル２３の入口開口２４との間のクリアランスギャップ距離Ｄを調整できるようなやり方で支持構造物２６又はその他の基礎構造物に結合することができる。例えば、いくつかの実施形態では、矢印３２によって表されるように、ジェット受け入れ容器２３を切断ヘッドアセンブリ１２’’に向かって制御可能に移動させ、切断ヘッドアセンブリ１２’’から制御可能に離せるように、支持構造物２６とジェット受け入れ容器２３との間の中間にリニアポジショナー（ｌｉｎｅａｒ  ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ）３０を設けることができる。リニアポジショナー３０の例としては、ペンシルベニア州アーウィンに位置するＰａｒｋｅｒ  Ｈａｎｎｉｆｉｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎの電気機械自動化部門から入手可能なＨＤシリーズのリニアポジショナーを含む。リニアポジショナー３０はクランプ又はその他の締付具によって支持構造物２６に結合することができ、ジェット受け入れ容器２３は支持アーム又はその他の構造部材によってリニアポジショナー３０に結合することができる。
【００３２】
リニアポジショナー３０は、加工物処理動作前、加工物処理動作中、及び／又は加工物処理動作後に、リニアポジショナー３０の被制御移動及びクリアランスギャップ距離Ｄの調整を可能にするための制御システムと連携しているモータ３６を含むことができる。このように、ジェット受け入れ容器２３の入口開口２４は、処理すべき加工物１４’’の放出側に極めて接近して維持することができる。クリアランスギャップ距離Ｄは、種々の厚さ又は変動する厚さの加工物１４’’に合わせて調整することができる。いくつかの実施形態では、クリアランスギャップ距離Ｄは、ロボットアーム２２の形の多軸マニピュレータが切断ヘッドアセンブリ１２’’の下で加工物１４’’を移動させている間、加工物１４’’の後部放出面とジェット受け入れ容器２３の入口開口２４との間のギャップを低減するか又は最小化するように、加工物１４’’（又はその一部分）の処理中に調整することができる。
【００３３】
図３の実施形態の例は、静止している切断ヘッドアセンブリ１２’’に対して移動するものとしてジェット受け入れ容器２３を示しているが、ジェット受け入れ容器２３が支持構造物２６に対して固定され、ロボットアーム２２が切断ヘッドアセンブリ１２’’の下で加工物１４’’を移動させる間、切断ヘッドアセンブリ１２’’をジェット受け入れ容器２３に向かって制御可能に移動させ、ジェット受け入れ容器２３から制御可能に離せるように、支持構造物２６と切断ヘッドアセンブリ１２’’との間にリニアポジショナー３０が設けられる、前述の流体ジェットシステム１０’’の変形例を提供できることは認識されている。更にその他の事例では、切断ヘッドアセンブリ１２’’とジェット受け入れ容器２３の両方がトリミング動作の全体を通して静止したままになる場合もある。
【００３４】
本明細書に記載されているウォータジェット切断システム１０、１０’、１０’’及びその変形例は、特に、図４に示されている加工物５０の例などの繊維強化高分子複合加工物をトリミングするために使用することができる。この加工物５０の例は、自動車用途に適切な積層の薄いシェル付き炭素繊維強化高分子複合加工物を含む。この加工物５０の例は、加工物５０の繊維強化高分子複合材料がその最終コンポーネントプロファイル５２を越えて延びている未完成状態で示されている。外部プロファイル５６を有するアパーチャ５４の形の内部フィーチャは、最終コンポーネントプロファイル５２の範囲内に示されており、この加工物５０の例を最終コンポーネントプロファイル５２までトリミングするために本明細書に記載されているものと同様の技法を使用して切断することができる。この加工物５０の例は、加工物５０を最終コンポーネントプロファイル５２までトリミングし、任意の内部フィーチャを切断することなどの加工物のその後の処理のためにウォータジェット切断システム１０、１０’、１０’’の座標系に対して加工物５０を位置合わせし、固定するために、マーキング５８内に示されている１つ以上のインデクシングフィーチャ６０（例えば、ノッチ、アパーチャ、又はその他のインデクシングフィーチャ）を更に含む。いくつかの事例では、加工物５０は、加工物５０の位置及び向きを探って査定するための適切なフィーチャを含むことができる。このような事例では、加工物５０の位置及び向きを探って査定することによって得られたデータに基づいて機械加工経路を生成するか又はその他の調整を行うことができるので、インデクシングフィーチャ６０を含むか又はその他の方法で加工物５０の位置及び向きを精密に制御することは不要である可能性がある。図４に示されている加工物５０の例は、加工物５０内に存在する可能性のある表面トポグラフィの多数の変形例のうちの一例を示すために、複数の隆起した補強リブ６６を更に含む。
【００３５】
図５〜図７は、とりわけ、固体粒子を混入していない液体形式のピュアウォータジェットで、炭素繊維強化高分子複合材料などの繊維強化高分子複合材料で作られた加工物を切断するのに特に適切な切断ヘッドアセンブリ１１２の一部分の一例を示している。切断ヘッドアセンブリ１１２は、図１〜図３に示されている高圧ウォータジェット切断システム１０、１０’、１０’’の例とともに使用することができるか又は図４に示されている炭素繊維強化高分子複合加工物の例などの加工物を処理するためにその他の多軸マニピュレータを含むその他のモーションシステムに結合することができる。
【００３６】
図６に示されている断面図に関しては、切断ヘッドアセンブリ１１２は、高圧ウォータジェットを発生するために動作中に切断流体（即ち、水）が通過するオリフィスユニット１１４を含む。切断ヘッドアセンブリ１１２は、切断流体（即ち、高圧水）をオリフィスユニット１１４に向かって経路指定するためにそれを通って延びる流体送出通路１１８を有するノズルボディ１１６を更に含む。ノズルコンポーネント１２０は、その間に位置決めされたか又は挟まれているオリフィスユニット１１４によりノズルボディ１１６に結合される。ノズルコンポーネント１２０は、例えば、ねじ付き接続部１２２又はその他の結合配置によって、取り外し可能にノズルボディ１１６に結合することができる。ノズルコンポーネント１２０をノズルボディ１１６に結合すると、オリフィスユニット１１４とノズルボディ１１６との係合を促進し、例えば、金属同士のシールなどのシールをそれらの間に作成することができる。
【００３７】
ノズルコンポーネント１２０は、一体構造を有することができ、全部又は一部は１つ以上の金属（例えば、鋼、高強度金属など）、金属合金などで作ることができる。ノズルコンポーネント１２０は、切断ヘッドアセンブリ１１２のその他のコンポーネントに結合するために、ねじ又はその他の結合フィーチャを含むことができる。
【００３８】
高圧流体（例えば、水）はオリフィス部材１３２内の開口部１３４（即ち、オリフィス）を通過するので、オリフィスユニット１１４は、オリフィスマウント１３０と、高圧流体ジェットを発生するためにそれによって支持されたオリフィス部材１３２（例えば、ジュエルオリフィス）とを含むことができる。流体ジェット通路１３６は、動作中にジェットが通過するオリフィス部材１３２の下流のオリフィスマウント１３０内に設けることができる。オリフィスマウント１３０は、ノズルコンポーネント１２０に対して固定され、オリフィス部材１３２を受け入れて保持するように寸法が定められた凹所を含む。オリフィス部材１３２は、いくつかの実施形態では、結果として生ずる流体ジェットの所望の流れ特性を達成するために使用されるジュエルオリフィス或いはその他の流体ジェット又は切断流発生装置である。オリフィス部材１３２の開口部は、約０．００１インチ（０．０２５ｍｍ）〜約０．０２０インチ（０．５０８ｍｍ）の範囲内の直径を有することができる。いくつかの実施形態では、オリフィス部材１３２は、約０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）〜約０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）の範囲内の直径を有する。
【００３９】
図６に示されているように、ノズルボディ１１６は、例えば、高圧水の発生源（例えば、ダイレクトドライブポンプ又はインテンシファイアポンプ）などの高圧切断流体源１４０に結合することができる。動作中に、切断流体源１４０からの高圧水は、ノズルボディ１１６の流体送出通路１１８内に制御可能に供給され、オリフィスユニット１１４に向かって経路指定されてジェット（図示せず）を発生することができ、そのジェットは最終的に、その縦軸Ａに沿ってノズルコンポーネント１２０を通って延びるウォータジェット通路１４４の終端部にある出口１４２を通って切断ヘッドアセンブリ１１２から放出される。
【００４０】
ウォータジェット通路１４４を含むノズルコンポーネント１２０の内部通路の更なる詳細については、図８〜図１０に関して示し説明する。
【００４１】
図８に関しては、ウォータジェット通路１４４は、縦軸Ａに沿ってノズルコンポーネント１２０のボディ１２１を通って延びて示されている。ウォータジェット通路１４４は、その上流端１４８にある入口１４６と、その下流端１４９にある出口１４２とを含む。
【００４２】
ノズルコンポーネント１２０の出口１４２から放出されるジェットの調整、修正、又はその他の変更を行うために、少なくとも１つのジェット変更通路（ｊｅｔ  ａｌｔｅｒａｔｉｏｎ  ｐａｓｓａｇｅ）１５０をノズルコンポーネント１２０内に設けることができる。ジェット変更通路１５０は、ノズルコンポーネント１２０のボディ１２１を通って延び、その入口１４６と出口１４２との間のウォータジェット通路１４４と交差して、動作中にウォータジェットのこのような変更を可能にすることができる。詳細には、ジェット変更通路１５０は、ノズルコンポーネント１２０のボディ１２１を通って延び、動作中にジェット変更通路１５０を通過した二次流体（例えば、水、空気、又はその他のガス）がそれを通って移動する流体ジェットに影響を及ぼすように向けられるように、ウォータジェット通路１４４と交差する１つ以上の下流部分１５２を含むことができる。一例として、ジェット変更通路１５０は、そこから放出されるそれぞれの二次流体流がウォータジェット通路１４４を通って移動する流体ジェットに影響を及ぼすように配置された複数の別個の下流部分１５２を含むことができる。図８に示されている実施形態の例は、このように配置された３つの別個の下流部分１５２を含むが、２つ、４つ、又はそれより多い下流通路部分１５２をこのように配置できることは認識されている。
【００４３】
通路１５０の下流部分１５２のうちの２つ以上は上流接合部１５４で合流することができる。上流接合部１５４は、例えば、図８に示されているように、下流通路部分１５２のそれぞれの上流端と流体連通しているほぼ環状の通路部分とすることができる。ジェット変更通路１５０の下流部分１５２は、ほぼ環状の通路部分とウォータジェット通路１４４との間に延びるブリッジ通路にすることができる。当該ブリッジ通路は、規則正しいパターンでウォータジェット通路１４４の周りに円周状に間隔を開けて配置することができる。例えば、図８に示されている下流部分１５２は、１２０度の間隔でウォータジェット通路１４４の周りに間隔を開けて配置された３つの別個のブリッジ通路を含む。その他の事例では、ブリッジ通路は、不規則なパターンでウォータジェット通路１４４の周りに円周状に間隔を開けて配置することができる。その上、ブリッジ通路のそれぞれは、ウォータジェット通路１４４の出口１４２に向かって傾斜する角度でウォータジェット通路１４４内に二次流体を放出するように構成された下流端を含むことができる。このように、ジェット変更通路１５０を通って導入される二次流体は、斜めの軌道でウォータジェット通路１４４を通過するジェットに影響を及ぼすことができる。
【００４４】
ジェット変更通路１５０の下流部分１５２は、動作中にウォータジェット通路１４４を通過するウォータジェットの経路内に二次流体源１５８（図５〜図７）からの二次流体を同時に放出するように構成された副通路にすることができる。副通路の下流出口１５３は、当該出口が、ウォータジェット通路１４４と交差する出口１５３の対応する高さによって画成される高さを有するウォータジェット通路１４４の円周セクションの少なくとも大部分を共同で画成するように、ウォータジェット通路１４４と交差することができる。いくつかの事例では、副通路の下流出口１５３は、当該出口１５３がウォータジェット通路１４４の円周セクションの少なくとも７５％を共同で画成するように、ウォータジェット通路１４４と交差することができる。その上で、いくつかの事例において、出口１５３は、ウォータジェット通路１４４との交差点で互いに重なり合うか又はほぼ重なり合ってもよい。
【００４５】
ジェット変更通路１５０の上流接合部１５４は、直接又は中間部分１５５を介してポート１５６と流体連通してもよい。ポート１５６は、ノズルコンポーネント１２０のジェット変更通路１５０を二次流体源１５８（図５〜図７）に結合するために設けることができる。図５又は図７に関しては、ポート１５６は、供給コンジット１５９を介してジェット変更通路１５０を二次流体源１５８に結合するための取付具、アダプタ、又はその他のコネクタ１５７を受け入れるように、ねじ付きにするか又はその他の構成にすることができる。ジェット変更通路１５０への及び最終的にウォータジェット通路１４４を通過するウォータジェット内への二次流体（例えば、水、空気、又はその他のガス）の送出を制御するのを支援するために、中間バルブ（図示せず）又はその他の流体制御装置を設けることができる。その他の事例では、ポート１５６は、ウォータジェット通路１４４を通過するウォータジェットの流れ特性を変更するのに十分な真空をジェット変更通路１５０内に発生するためにジェット変更通路１５０を真空源（図示せず）に結合するために設けることができる。ジェット変更通路１５０は、ジェットコヒーレンス又はその他のジェット特性を調整するために切断動作の一部分の間に断続的に又は連続的に使用することができる。例えば、いくつかの事例では、穴開け又は穿孔動作中に例えば水又は空気などの二次流体を、ジェット変更通路１５０を介してウォータジェット内に導入することができる。
【００４６】
図９に関しては、切断動作中に、ウォータジェットが加工物に穴を開けるか又は加工物を切断する箇所（即ち、ウォータジェット衝突位置）で又はそれに隣接して加工物の暴露面に衝突するよう加圧ガス流を放出するために、ノズルコンポーネント１２０内に環境制御通路１６０を設けることができる。環境制御通路１６０は、ノズルコンポーネント１２０のボディ１２１を通って延び、動作中に環境制御通路１６０を通過した空気又はその他のガスがウォータジェット衝突位置で又はそれに隣接して加工物に衝突するように向けられるようにウォータジェット通路１４４（図６、図８、及び図１０）に対して位置合わせされた１つ以上の下流部分１６２を含むことができる。一例として、環境制御通路１６０は、その出口１６３から放出されたそれぞれのガス流がウォータジェット衝突位置で又はその付近で下流方向に収束するように配置された複数の別個の下流部分１６２を含むことができる。
【００４７】
図７に関しては、下流部分１６２の出口１６３から放出されたガス流は、放出ジェットの軌道１２３と交差するそれぞれの軌道１６１を辿ることができる。ガス流の軌道１６１は、例えば、ウォータジェット切断システム１０、１０’、１０’’の焦点又はスタンドオフ距離にあるか又はその付近にある交差位置１２４で放出ジェットの軌道１２３と交差することができる。いくつかの事例においては、交差位置１２４は焦点又はスタンドオフ距離にわずかに達しない可能性がある。その他の事例では、交差位置１２４は、それぞれのガス流軌道１６１がウォータジェット衝突位置に達する前に加工物の暴露面と交差し、次に方向を変更してウォータジェット衝突位置を横切って流れるように加工物の表面によって向けられるように、焦点又はスタンドオフ距離をわずかに超える可能性がある。
【００４８】
図９に示されている環境制御通路１６０の例は、下流方向に収束する３つの別個の下流部分１６２を示しているが、２つ、４つ、又はそれより多い下流通路部分１６２をこのように配置できることは認識されている。その他の事例では、単一の下流通路部分１６２を設けることができる。加えて、いくつかの実施形態では、ジェットの周りにシュラウドを形成するために、１つ以上のガス流を放出ジェットとほぼ同一線上に向けることができる。
【００４９】
引き続き図９に関しては、通路１６０の下流部分１６２のうちの２つ以上は上流接合部１６４で合流することができる。上流接合部１６４は、例えば、図９に示されているように、下流通路部分１６２のそれぞれの上流端と流体連通しているほぼ環状の通路にすることができる。環境制御通路１６０の下流通路部分１６２は、ほぼ環状の通路部分とノズルコンポーネント１２０の外部環境との間に延びる別個の副通路にすることができる。環境制御通路１６０の下流通路部分１６２は、規則正しいパターンでウォータジェット通路１４４の周りに円周状に間隔を開けて配置することができる。例えば、図９に示されている下流通路部分１６２は、１２０度の間隔でウォータジェット通路１４４の周りに間隔を開けて配置された３つの別個の副通路を含む。その他の事例では、下流通路部分１６２は、不規則なパターンでウォータジェット通路１４４の周りに円周状に間隔を開けて配置することができる。
【００５０】
いくつかの事例では、下流通路部分１６２は、ウォータジェット衝突位置で又はそれに隣接して加工物に衝突するように、一般的な加圧ガス源１６８（図５及び図７）から空気又はその他のガスを同時に放出するように構成することができる。このように、環境制御通路１６０を通って導入された加圧空気又はその他のガスは、加工物の暴露面に衝突するか又は衝撃を与え、それから任意の障害物（例えば、停滞水の小滴又は粒子状物質）を取り除くことができるので、ウォータジェットは特に精密に加工物を切断することができる。この場合も、その他の実施形態では、停滞水の小滴又は粒子状物質などの障害物がないように切断位置の周りの環境を維持するためにジェットの周りにシュラウドを形成するために、１つ以上のガス流を放出ジェットとほぼ同一線上に向けることができる。
【００５１】
上流接合部１６４は、直接又は中間部分１６５を介してポート１６６と流体連通している可能性がある。ポート１６６は、ノズルコンポーネント１２０の環境制御通路１６０を加圧ガス源１６８（図５及び図７）に結合するために設けることができる。図５又は図７に関しては、ポート１６６は、供給コンジット１６９を介して環境制御通路１６０を加圧ガス源１６８に結合するための取付具、アダプタ、又はその他のコネクタ１６７を受け入れるように、ねじ付きにするか又はその他の構成にすることができる。環境制御通路１６０への及び最終的に処理すべき加工物の暴露面への加圧ガスの送出を制御するのを支援するために、中間バルブ（図示せず）又はその他の流体制御装置を設けることができる。
【００５２】
図１０に関しては、ウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材１３２（図６）の条件の検出を可能にするために、ノズルコンポーネント１２０内に条件検出通路１７０を設けることができる。条件検出通路１７０は、ノズルコンポーネント１２０のボディ１２１を通って延び、オリフィス部材１３２の条件を示す真空レベルを感知できるようにその上流端でウォータジェット通路１４４と交差する１つ以上の下流部分１７２を含むことができる。一例として、条件検出通路１７０は、オリフィスマウント１３０の流体ジェット通路１３６の出口付近及びその下流でウォータジェット通路１４４と交差する曲線通路１７５を含むことができる。条件検出通路１７０は、例えば、図５及び図７に示されているように、ノズルコンポーネント１２０の条件検出通路１７０を真空センサ１７８に結合するために設けることができるポート１７６と流体連通していてもよい。図５又は図７に関しては、ポート１７６は、供給コンジット１７９を介して条件検出通路１７０を真空センサ１７８に結合するための取付具、アダプタ、又はその他のコネクタ１７７を受け入れるように、ねじ付きにするか又はその他の構成にすることができる。
【００５３】
図６に関しては、ノズルコンポーネント１２０は、ノズルボディ１１６の下流端を受け入れるためのノズルボディキャビティ１８０と、組み立てられた時にオリフィスユニット１１４のオリフィスマウント１３０を受け入れるためのオリフィスマウント受け入れキャビティ又は凹所１８２とを更に含むことができる。オリフィスマウント受け入れキャビティ又は凹所１８２は、ウォータジェット通路１４４の軸Ａに沿ってオリフィスユニット１１４を位置合わせするのを支援するようなサイズにすることができる。例えば、オリフィスマウント受け入れキャビティ又は凹所１８２は、オリフィスユニット１１４のオリフィスマウント１３０を挿入可能に受け入れるようなサイズになっている、ほぼ円筒形の凹所を含むことができる。オリフィス受け入れキャビティ又は凹所１８２はノズルボディキャビティ１８０の下流端内に形成することができる。
【００５４】
図１０に関しては、ノズルコンポーネント１２０は、ノズルボディキャビティ１８０と、ガス抜き出口１９０にあるノズルコンポーネント１２０の外部環境との間に延びるガス抜き通路１９２を更に含むことができる。ガス抜き通路１９２及びガス抜き出口１９０は、図６に最もよく示されているように、ノズルボディ１１６とノズルコンポーネント１２０との間のオリフィスユニット１１４の周りに形成された内部キャビティ内でその他の点で増大する可能性のある圧力を緩和する働きをすることができる。
【００５５】
図５〜図１０に示されている実施形態により、ノズルコンポーネント１２０は、高圧ウォータジェット用途に適した材料性質特性（例えば、強度）を備えた材料を使用する付加的な製造又は鋳造プロセスから形成できる単体又は一体型のボディ１２１を有する。例えば、いくつかの実施形態では、ノズルコンポーネント１２０は、１５−５ステンレス鋼又はその他の鋼材を使用する直接金属レーザ焼結プロセスによって形成することができる。その他の事例では、ノズルコンポーネント１２０は、例えば、サブトラクティブ機械加工プロセス（例えば、穿孔、フライス削り、研削など）などのその他の機械加工又は製造プロセスによって形成された単体又は一体型のボディを含むことができる。ノズルコンポーネント１２０は、例えば、ノズルコンポーネント１２０の硬さの増加など、ノズルコンポーネント１２０の物理的性質を変更するために熱処理又はその他の製造プロセスを経ることができる。このノズルコンポーネント１２０の例は、その側面から突出したポート１５６、１６６、１７６のアレイを備えたほぼ円筒形のボディを有するものとして示されているが、その他の実施形態では、ノズルコンポーネント１２０は異なる形を呈することができ、異なる向きで異なる位置に位置するポート１５６、１６６、１７６を有することができることは認識されている。
【００５６】
上記を考慮して、高圧ウォータジェット切断システム１０、１０’、１０’’用のノズルコンポーネント１２０は本明細書に記載されている様々な態様により提供することができ、当該ノズルコンポーネントは、研磨粒子又はその他の固体粒子を混入していない高圧ピュアウォータジェットを受け入れ、任意選択で二次流体の流れ及び／又は加圧ガスの流れを受け入れて、繊維強化高分子複合加工物をトリミングするためにその暴露面に向かってピュアウォータジェットを放出しながらジェットコヒーレンス調整及び／又は切断環境の制御を可能にするために特に十分に適合させたものであることが認識されるであろう。ノズルコンポーネント１２０は、特に効率的かつ信頼できる形状因子で流体又はその他の物質を経路指定するために適切な複合通路（例えば、曲線軌道及び／又は可変断面形状及び／又はサイズを備えた通路）を含むことができる。このようなノズルコンポーネント１２０の諸実施形態の利点としては、強化された流れ特性を提供する能力及び／又は内部通路内の乱れを低減する能力を含む。これは、空間制約により好適な流れ特性を発生するのに十分な空間を他の方法で提供できない可能性のある時に、特に有利であり得る。例えば、限られた空間内で加工物を切断する時には低プロファイルのノズルコンポーネント１２０が望ましい可能性がある。本明細書に記載されているように内部通路を備えたノズルコンポーネント１２０を含めると、このような空間制約にもかかわらず、このような低プロファイルのノズルコンポーネント１２０が所望のジェット特性を備えた流体ジェットを発生できるようにすることができる。加えて、このようなノズルコンポーネント１２０の疲労寿命は、鋭い曲がり角、急激な遷移、及びその他の応力集中フィーチャを除去することにより延長することができる。上記その他の利点は、本明細書に記載されているノズルコンポーネント１２０の様々な態様によって提供することができる。
【００５７】
本明細書に記載されている様々なウォータジェット切断システム１０、１０’、１０’’、切断ヘッドアセンブリ１２、１２’、１２’’、及びノズルコンポーネント１２０により、繊維強化高分子複合加工物をトリミングするために特に十分に適合させた方法が提供される。この方法の一例は、加工物の繊維強化高分子複合材料がその最終コンポーネントプロファイルを越えて延びる未完成状態で繊維強化高分子複合加工物を提供することと、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力で固体粒子を混入していない液相で切断ヘッドを介してピュアウォータジェットを発生することと、繊維強化高分子複合加工物を通過するようにピュアウォータジェットを向けることと、ピュアウォータジェットが層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない最終コンポーネントプロファイルまで繊維強化高分子複合材料をトリミングするように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることとを含む。層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない最終コンポーネントプロファイルまで加工物をトリミングすることは、例えば、代表的な図１１Ａ〜図１１Ｃに示されているように、層間剥離、ささくれ、及びほつれがなく、顕微鏡評価により、繊維損傷又は引き抜きがない明瞭な切り口を備えた繊維を示す、エッジ及び隣接表面によって証明することができる。いくつかの実施形態により、トリミングされた加工物のエッジは、約２２±５ミクロンのＲａ値又は約１２８±２０ミクロンのＲｚ値を有する表面粗さを有することができる。
【００５８】
いくつかの実施形態により、所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物を互いに対して移動させることは、繊維強化高分子複合加工物の厚さ及び動作圧力の大きさの少なくとも一部に基づく切断速度で移動させることを含むことができる。
【００５９】
一般に、加工物の厚さ（ｔ）及びスタンドオフ距離（Ｓｏｄ）などのその他の変数を一定に保持すると、６０，０００ｐｓｉ以上に動作圧力（ｐ）を増加することによって切断速度を増加することができる。この関係を例証するために、２つの異なるオリフィスサイズ（ｄｎ）、即ち、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）及び０．００７インチ（０．１７８ｍｍ）のそれぞれについて約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）及び約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）の動作圧力で同様の条件下で固体粒子を混入していないピュアウォータジェットにより、炭素繊維強化高分子加工物に対して切断例を実行して、許容切断速度を査定した。結果は図１２のグラフに示されている。テストした条件では、動作圧力を約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）から約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）に増加した時に著しくより高い許容切断速度が可能になった。加えて、オリフィスサイズを０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）から０．００７インチ（０．１７８ｍｍ）に増加した時により高い許容切断速度が可能になったが、その著しさの程度は動作圧力を変更した影響と比較して小さかった。許容切断速度は、明らかな層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない加工物エッジ品質を生産した切断速度を識別して決定された。
【００６０】
許容切断速度又は最大切断速度とオリフィスサイズ（ｄｎ）との関係を更に例証するために、３つの異なるオリフィスサイズ（ｄｎ）、即ち、０．００５インチ（０．１２７ｍｍ）、０．００７インチ（０．１７８ｍｍ）、及び０．０１０インチ（０．２５４ｍｍ）のそれぞれについて約６０，０００ｐｓｉ（４１４ＭＰａ）、約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）、及び約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）の動作圧力で同様の条件下で固体粒子を混入していないピュアウォータジェットにより、約０．１２５インチ（３．２ｍｍ）の材料厚（ｔ）を有する炭素繊維強化高分子加工物に対して切断例を実行した。結果は図１３のグラフに示されている。テストした条件では、約０．００５インチ〜約０．０１０インチの範囲内のオリフィスについてオリフィスサイズを増加することによってより高い切断速度が可能になった。従って、トリミング方法の少なくとも一部分については、ピュアウォータジェットを発生するために使用されるオリフィス部材のオリフィスサイズの少なくとも一部に基づいて切断速度を選択することができ、約０．００５インチ〜約０．０１０インチの範囲内のオリフィスサイズについてオリフィスサイズの増加につれて切断速度が増加する。
【００６１】
一般に、オリフィスサイズ（ｄｎ）及びスタンドオフ距離（Ｓｏｄ）などのその他の変数を一定に保持すると、６０，０００ｐｓｉ以上に動作圧力（ｐ）を増加し、材料厚（ｔ）を低減することによって許容切断速度を増加することができる。これらの関係を例証するために、様々な材料厚（ｔ）について約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）及び約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）の動作圧力で同様の条件下で固体粒子を混入していないピュアウォータジェットにより、炭素繊維強化高分子加工物に対して切断例を実行して、許容切断速度を査定した。結果は図１４のグラフに示されている。テストした条件では、この場合も動作圧力を約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）から約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）に増加した時に著しくより高い許容切断速度が可能になった。加えて、材料厚を低減した時により高い許容切断速度が可能になった。この場合も、許容切断速度は、明らかな層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂のない加工物エッジ品質を生産した切断速度を識別して決定された。
【００６２】
許容切断速度又は最大切断速度と動作圧力（ｐ）との関係を更に例証するために、約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）及び約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）の動作圧力で同様の条件下で固体粒子を混入していないピュアウォータジェットにより、約０．１２０インチ（３．０５ｍｍ）の材料厚（ｔ）を有する炭素繊維強化高分子加工物に対して切断例を実行し、５通りの線形切断速度で２シリーズのテストのそれぞれについて層間剥離の小さい局所領域からなる裏面線形欠陥の割合を記録した。結果は図１５のグラフに示されている。テストした条件では、約８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）の動作圧力（ｐ）で炭素繊維強化高分子加工物を切断すると、約７０，０００ｐｓｉ（４８３ＭＰａ）の動作圧力（ｐ）の場合より線形欠陥の割合が著しく小さくなる一方で、かなり高い許容切断速度が可能になった。従って、いくつかの実施形態では、裏面線形欠陥を最小化するか又は除去するために動作圧力を８７，０００ｐｓｉ（６００ＭＰａ）以上に維持しながら、トリミング方法を有利に実行することができる。
【００６３】
上記を考慮して、トリミング方法の少なくとも一部分について、切断速度は、中間強度の炭素繊維強化高分子複合加工物又は同様の材料特性を備えた繊維強化高分子複合材で作られた加工物を切断する時に、動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、材料厚が約１．００ｍｍ±０．５０ｍｍである時に、切断速度が約３，０００ｍｍ／分〜約６，０００ｍｍ／分であることと、動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、材料厚が約２．５０ｍｍ±１．００ｍｍである時に、切断速度が約５００ｍｍ／分〜約１，０００ｍｍ／分であることと、動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、材料厚が約５．５ｍｍ±２．００ｍｍである時に、切断速度が約１００ｍｍ／分〜約２５０ｍｍ／分であることと、動作圧力が約６０，０００ｐｓｉ〜約７５，０００ｐｓｉであり、材料厚が約１０．０ｍｍ±２．５０ｍｍである時に、切断速度が約２０ｍｍ／分〜約４０ｍｍ／分であることという複数組の条件のうちの少なくとも１組を満足するように、数ある要因の中で、材料厚及び動作圧力に対して、選択することができる。その他の事例では、トリミング方法の少なくとも一部分について、切断速度は、中間強度の炭素繊維強化高分子複合加工物又は同様の材料特性を備えた繊維強化高分子複合材で作られた加工物を切断する時に、動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、材料厚が約１．００ｍｍ±０．５０ｍｍである時に、切断速度が約８，０００ｍｍ／分〜約１２，０００ｍｍ／分であることと、動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、材料厚が約２．５０ｍｍ±１．００ｍｍである時に、切断速度が約１，２００ｍｍ／分〜約２，０００ｍｍ／分であることと、動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、材料厚が約５．５ｍｍ±２．００ｍｍである時に、切断速度が約３００ｍｍ／分〜約５００ｍｍ／分であることと、動作圧力が約７５，０００ｐｓｉ〜約９０，０００ｐｓｉであり、材料厚が約１０．０ｍｍ±２．５０ｍｍである時に、切断速度が約７５ｍｍ／分〜約１２０ｍｍ／分であることという複数組の条件のうちの少なくとも１組を満足するように、数ある要因の中で、材料厚及び動作圧力に対して、選択することができる。
【００６４】
また、許容切断速度又は最大切断速度は、繊維のタイプ、母材のタイプ、及び／又は繊維強化高分子複合加工物の製作方式のタイプの少なくとも一部にも基づくことができる。例えば、繊維強化高分子複合加工物は、炭素繊維、ガラス繊維、ホウ素繊維、ポリアミド繊維、又はその他のタイプの繊維を含むことができ、異なるタイプの高分子母材を含むことができ、母材を充填させた繊維、テープ、又は布地の層から構築することができ、それにより強度又は硬さなど、異なる材料特性を有する強化高分子複合加工物が得られる。切断速度は、このような材料特性の少なくとも一部に基づいて選択することができる。例えば、低強度のポリアミド繊維高分子複合材と比較した高強度の炭素繊維高分子複合材など、より硬い複合材料について比較的遅い切断速度を選択することができる。
【００６５】
いくつかの実施形態により、このトリミング方法は、層間剥離、ささくれ、ほつれ、又は容認できない繊維引き抜き若しくは繊維断裂なく最終コンポーネントプロファイルに沿って繊維強化高分子複合加工物を切断するのに十分なしきい線形パワー密度より高く、ピュアウォータジェットの線形パワー密度（ジェットパワーをジェット径で割ったもの）を維持することを含むことができる。しきい線形パワー密度は材料タイプ及び材料厚を含む様々な要因に依存する可能性があり、ピュアウォータジェットの実際の線形パワー密度は主に動作圧力及びオリフィスサイズによって決定することができる。
【００６６】
いくつかの実施形態により、このトリミング方法は、材料厚、材料タイプ、動作圧力、及びオリフィスサイズを含む、複数の動作パラメータに基づいて切断速度を制御することを含むことができる。例えば、より薄い加工物、より柔らかい複合材、より高い動作圧力、又はより大きいオリフィスサイズを使用する場合に、切断速度を比較的高く設定することができる。その他のパラメータとしてはスタンドオフ距離及び許容差レベルを含むことができる。例えば、いくつかの加工物はより厳しい許容差制御を要求する可能性があり、それに応じて切断速度を調整することができる（即ち、より厳しい許容差にはより低い切断速度で、より緩やかな許容差にはより高い切断速度）。より厳しい許容差制御は、本明細書に記載されているトリミング方法の所与の適用例について要望されるか又は許容される表面粗さの量に反映することができる。更にその他のパラメータとしては、切断中にジェットが切り抜ける弧又は曲がり角の程度など、切断経路の複雑さを含むことができる。例えば、層間剥離を防止するのを支援するために、より厳しい曲がり角及びより小さい半径の弧に接近し切り抜ける場合、比較的遅い切断速度を使用することができ、より直線か又は直線の切断時に比較的速い切断速度を使用することができる。
【００６７】
いくつかの実施形態により、トリミング方法は、すべての層間剥離を防止するのではなく、層間剥離の小さい局所領域からなる裏面線形欠陥を、例えば、１０％未満の裏面線形欠陥又は５％未満の裏面線形欠陥などのしきい許容欠陥レベル未満に維持するように線形切断速度を制御することを含むことができる。
【００６８】
いくつかの実施形態により、このトリミング方法は、任意の動作圧力（６０，０００ｐｓｉ未満を含む）で最終コンポーネントプロファイル内の一領域で（例えば、図４のアパーチャ５４の位置で）繊維強化高分子複合加工物に穴を開け、許容サイズの層間剥離の局所領域によって取り囲まれたアパーチャを作成することと、その後、ピュアウォータジェットが繊維強化高分子複合材料内の内部フィーチャを切断し、層間剥離の局所領域を除去するように、少なくとも６０，０００ｐｓｉの動作圧力を維持しながら、他の所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることとを更に含むことができる。例えば、図４の炭素繊維強化高分子複合加工物５０の例のアパーチャ５４に関しては、アパーチャ５４の中心で穴開け動作を行って層間剥離の局所領域を引き起こすことができ、次に螺旋又はその他の曲線経路を辿って、それに対してほぼ接するように外部プロファイル５６に近づくことができ、次に外部プロファイル５６と一致する経路に沿って切断を続行し、アパーチャ５４を形成し、層間剥離の局所領域を除去することができる。このように、周囲の領域がその後除去されない場合に加工物の完全性を損なう可能性のある、より高速の穴開け技法を使用しながら、許容エッジ品質を備えた内部フィーチャを生産することができる。
【００６９】
いくつかの実施形態により、このトリミング方法は、繊維強化高分子複合加工物を通過してそれに穴を開けるようにピュアウォータジェットを向けながら、しきい距離を超える距離で繊維強化高分子複合加工物から離して切断ヘッドの終端部を維持することと、その後、最終コンポーネントプロファイルまで繊維強化高分子複合材料をトリミングしながら、繊維強化高分子複合加工物に対して比較的より接近して切断ヘッドの終端部を移動させて維持することとを更に含むことができる。このように、第１のスタンドオフ距離にある切断ヘッドのノズルコンポーネントにより繊維強化材料に穴を開けることができ、その後の切断は第１のスタンドオフ距離より小さい第２のスタンドオフ距離にあるノズルコンポーネントで始めることができる。このように進行すると、ピュアウォータジェットで加工物に穴を開ける時に、さもないと発生する可能性のある層間剥離又はほつれを最小化するか又は除去することができる。
【００７０】
いくつかの実施形態により、このトリミング方法は、所定の経路の少なくとも一部分に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物を互いに対して移動させながら、同時に、ピュアウォータジェットは別として、実質的に流体又は粒子状物質が全くない切断環境を切断位置で維持するために、ピュアウォータジェットの切断位置で又はそれに隣接して（例えば、その前に）繊維強化高分子複合加工物の暴露面上にガス流を向けることを更に含むことができる。このように、切断の経路は、さもないと切断の品質を損なう可能性のある任意の停滞水又は粒子状物質を取り除くことができる。いくつかの事例では、前述のガス流に加えて又はその代わりに、ピュアウォータジェットの周りにエアシュラウドを形成することができる。
【００７１】
いくつかの実施形態により、このトリミング方法は、トリミング方法の少なくとも一部分の間、ピュアウォータジェットのコヒーレンスを変更するためにピュアウォータジェットの経路内にガス流を導入することを更に含むことができる。このように、放出ジェットのコヒーレンス又はその他の性質或いは特性は選択的に変更することができる。いくつかの事例では、例えば、加工物に衝突する前にウォータジェットのエネルギを低減することが有益である可能性がある穿孔、穴開け、又はその他の手順の間にジェットを変更することができる。これは、炭素繊維強化高分子複合材料などの繊維強化高分子複合材料を切断する時に層間剥離及びその他の欠陥を低減することができる。
【００７２】
いくつかの実施形態により、所定の経路に沿って切断ヘッドと繊維強化高分子複合加工物の一方をもう一方に対して移動させることは、繊維強化高分子複合加工物が静止したままである間に多軸マニピュレータで切断ヘッドを移動させることを含むことができる。代替的に、切断ヘッドが静止したままである間に多軸マニピュレータで繊維強化高分子複合加工物を移動させることもできる。
【００７３】
本明細書に記載されているピュアウォータジェットトリミング方法の諸実施形態により、ピュアウォータジェットは加工物の下にある支持構造物に対してあまり破壊的ではないので、ピュアウォータジェットを使用する時に固定を単純にすることができる。従って、いくつかの実施形態は、支持構造物で加工物を支持することと、トリミング手順の少なくとも一部分の間、ピュアウォータジェットが支持構造物に当たるか又は衝突できるようにすることとを含むことができる。その上、本明細書に記載されている方法を使用し、放出されるピュアウォータジェットの線形パワー密度を、繊維強化高分子複合加工物を切断するのに必要なしきいレベルより上に維持すると、切断位置に直ぐ側に隣接する領域で処理すべき加工物の裏面を支持する必要性を解消することができ、それにより固定が更に単純になる。
【００７４】
本明細書に記載されている方法を増強又は補足する可能性のある追加の特徴及びその他の態様は、本発明を詳細に検討することにより認識されるであろう。その上、上記の様々な実施形態の態様及び特徴を組み合わせて更なる実施形態を提供することができる。上記の詳細な説明に照らして、諸実施形態に対して上記その他の変更を行うことができる。一般に、以下の特許請求の範囲では、使用される用語は本明細書及び特許請求の範囲に開示されている特定の実施形態に特許請求の範囲を限定するものと解釈してはならないが、このような特許請求の範囲が権利を与えられている同等物の全範囲とともにすべての可能な実施形態を含むものと解釈しなければならない。
【００７５】
２０１５年７月１３日に出願された米国特許出願第１４／７９８２２２号を含み、本明細書で参照されるか及び／又はアプリケーションデータシートに列挙されている米国特許、米国特許出願公報、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、及び非特許文献はいずれも、全体として参照により本明細書に取り入れられる。
【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１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１１Ｃ】
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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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