(57)【要約】  三次元織り複合材料で作られた部品を設計する方法であって、設計方法はコンピュータによって実行され、  部品の外表面を表す形状データ（ＳＨＡＰＥ）を取得するステップ（Ｆ１）と、  外表面の点のセットの各点（ＰＴ）について、前記点と対象表面への前記点の投影との間の距離（ｄ）を決定するステップであって、投影は所定の投影方向に沿っている、ステップ（Ｆ５、Ｆ６）と、  決定された距離（ｄ）に応じて三次元織りプリフォームの構造を決定するステップ（Ｆ８）と、を含み、  部品の外表面上の点の位置に応じて投影方向を指定する投影データ（Ｆ）を取得するステップ（Ｆ２）であって、点のセットの点（ＰＴ）のうちの少なくともいくつかに使用される投影方向が、前記投影（Ｆ）に応じて、および前記点の位置に応じて、距離を決定するステップ（Ｆ５）の間に決定される、ステップをさらに含むことを特徴とする、設計方法。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三次元織り複合材料で作られた部品（１）を設計する方法であって、設計方法はコンピュータ（１０）によって実行され、
部品（１）の外表面を表す形状データ（ＳＨＡＰＥ）を取得するステップ（Ｆ１）と、
外表面の点のセットの各点（ＰＴ）について、前記点と対象表面（４）への前記点の投影（ＰＴ’、ＰＴ’’）との間の距離（ｄ）を決定するステップであって、投影は所定の投影方向（３、５）に沿っている、ステップ（Ｆ５、Ｆ６）と、
決定された距離（ｄ）に応じて三次元織りプリフォームの構造を決定するステップ（Ｆ８）と、を含み、
部品（１）の外表面上の点の位置に応じて投影方向を指定する投影データ（Ｆ）を取得するステップ（Ｆ２）であって、点のセットの点（ＰＴ）のうちの少なくともいくつかに使用される投影方向（３）が、前記投影（Ｆ）に応じて、および前記点の位置に応じて、距離を決定するステップ（Ｆ５）の間に決定される、ステップをさらに含むことを特徴とする、設計方法。
【請求項２】
投影データ（Ｆ）が、部品の高さ軸（ｈ）に沿った前記点の位置に応じて投影方向を指定する、請求項１に記載の設計方法。
【請求項３】
投影データ（Ｆ）が、部品の高さ軸（ｈ）に沿った前記点の位置に応じて、ならびに部品の幅軸に沿った位置にしたがって、投影方向を指定する、請求項１に記載の設計方法。
【請求項４】
対象表面（４）が部品の平均プロファイルである、請求項１から３のいずれか一項に記載の設計方法。
【請求項５】
部品の外表面が第一面および第一面の反対側の第二面を有し、前記点のセットは第一面の点のセットであり、対象表面は第二面である、請求項１から３のいずれか一項に記載の設計方法。
【請求項６】
点のセットの点（ＰＴ）のうちの少なくともいくつかについて、距離を決定するステップ（Ｆ６）の間、使用される投影方向（５）は対象表面（４）に対して垂直な方向である、請求項１から５のいずれか一項に記載の設計方法。
【請求項７】
三次元織りプリフォームの構造を決定する前記ステップ（Ｆ８）が、
平らに広げられた対象表面を計算するステップと、
計算された平坦表面に応じて、決定された距離（ｄ）に応じて、および目標織りパラメータに応じて、層の数および層の出口位置を決定するステップとを含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の設計方法。
【請求項８】
三次元織り複合材料から部品を製造する方法であって、
請求項１から７のいずれか一項に記載の設計方法を用いて三次元織りプリフォームの構造を決定するステップ（Ｅ５）と、
決定された構造に応じて部品を製造するステップ（Ｅ６）と、を含む製造方法。
【請求項９】
決定された構造に応じて部品を製造するステップ（Ｅ６）が、
決定された構造に応じてプリフォームを織るステップと、
プリフォームを金型内に挿入するステップと、
樹脂を金型内に注入するステップと、を含む、請求項８に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記部品（１）のプロトタイプを製造するステップ（Ｅ３）と、
前記プロトタイプにおいて観察される変形に応じて前記投影データを保存するステップ（Ｅ４）と、を含む、請求項８または９に記載の製造方法。
【請求項１１】
コンピュータによってプログラムが実行されたときに請求項１から７のいずれか一項に記載の設計方法を実行するための命令を含む、コンピュータプログラム。
【請求項１２】
三次元織り複合材料から作られる部品（１）を設計する装置（１０）であって、
部品（１）の外表面を表す形状データ（ＳＨＡＰＥ）を取得する手段（１４）と、
外表面上の点のセットの各点（ＰＴ）について、前記点と対象表面（４）上への前記点の投影（ＰＴ’、ＰＴ’’）との間の距離（ｄ）を決定するための距離決定手段（１１、１２、１３）であって、投影は所定の投影方向（３、５）に沿っており，
決定された距離（ｄ）に応じて三次元織りプリフォームの表面を決定する構造決定手段（１１、１２、１３）と、を含み、
装置は、部品（１）の外表面上の点の位置に応じて投影方向を指定する投影データ（Ｆ）を取得する手段（１４）をさらに含み、距離決定手段（１１、１２、１３）は、点のセットの点（ＰＴ）のうちの少なくともいくつかの投影方向（３）として、前記投影データ（Ｆ）に応じて、および前記点の位置に応じて決定される方向を使用するように構成されていることを特徴とする、装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は三次元織り複合材料から作られる部品の分野に関する。本発明は具体的には、部品を設計するときにこのような部品に付与される厚みの見積もりに関する。
【背景技術】
【０００２】
フランス特許第２８９２３３９号明細書は、三次元織り複合材料を使用することによって複合材タービンエンジンブレードを製造することを記載している。主な製造ステップは、以下の通りである：
・製造されるブレードの外表面に対応する内表面を有する金型を製造するステップと、
・次に三次元織りプリフォームを金型に挿入するステップと、
・最後に樹脂を金型に注入してから樹脂を硬化するステップ。
【０００３】
コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）の先行ステップの間、プリフォーム内の層の数および金型内に挿入されるプリフォーム内の層出口の形状が、具体的には金型の形状に応じて、決定される。このような計算を実行するために、アルゴリズムが存在する。これら周知のアルゴリズムは入力データとして、部品の厚みを表す厚みフィールドと関連して、製造される部品の形状を表す、スケルトンプロファイルとも称される平均プロファイルを使用する。したがって、金型の形状に基づいて、部品の平均プロファイルおよび対応する厚みフィールドを決定する必要がある。
【０００４】
この目的のため、二次元織り複合材料で作られた部品の製造を背景として、欧州特許第２３２７５３８号明細書は、ブレードの根元と平行な平面上にその外表面の点を、上記平面とブレードの平均プロファイルとの交点によって定義される曲線に直交する方向に投影することによって、ブレードの厚みを決定することを提案している。
【０００５】
とは言うものの、三次元織り複合材料の挙動は二次元織り材料の積層とは異なっており、このようにして厚みを見積もることは適切ではなく、繊維含量のばらつき、ひいてはあまり均質ではない部品を生じる可能性があることが、見出されている。
【０００６】
フランス特許第２９１６５２９号明細書は、部品の外形を測定する光学的方法を記載している。この文献は、三次元織り複合材料で作られた部品の設計には全く関係ない。この文献の内容は、部品の外形を決定することを記載しているが、しかし三次元織りプリフォームへの言及はなく、層の数またはこのような層の出口位置への言及も全くない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】仏国特許発明第２８９２３３９号明細書
【特許文献２】欧州特許第２３２７５３８号明細書
【特許文献３】仏国特許発明第２９１６５２９号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、三次元織り複合材料で作られた部品を設計する方法を提案し、設計方法はコンピュータによって実行され、
・部品の外表面を表す形状データを取得するステップと、
・外表面の点のセットの各点について、前記点と対象表面上への前記点の投影との間の距離を決定するステップであって、投影は所定の投影方向に沿っている、ステップと、
・決定された距離に応じて三次元織りプリフォームの構造を決定するステップと、を含む。
【０００９】
この設計方法は、部品の外表面上の点の位置に応じて投影方向を指定する投影データを取得するステップであって、点のセットの少なくともいくつかの点に使用される投影方向が、前記投影に応じて、および前記点の位置に応じて、距離を決定するステップの間に決定される、ステップをさらに含む点において際立っている。
【００１０】
対象表面に応じて、決定された距離は、部品の厚みまたは部品の半厚に対応してもよい。たとえば既定ファイル内の投影データによって指定された投影方向を使用することによって、決定された厚みは、プリフォームが金型内で成形された後に経糸列によって実際に見られる厚みとなってもよい。このため、決定されたプリフォームの構造は、金型内で成形されたときにプリフォームが受ける変形を、考慮に入れてもよい。これにより、より均質な繊維含量をもたらす。
【００１１】
投影データは、部品の高さ軸に沿った前記点の位置に応じて、投影方向を指定してもよい。変形例において、投影データは、部品の高さ軸に沿った前記点の位置に応じて、および部品の幅軸に沿った位置にしたがって、投影方向を指定してもよい。
【００１２】
対象表面は、部品の平均プロファイルであってもよい。
【００１３】
別の実施形態において、部品の外表面は、第一面および第一面の反対の第二面を有し、前記点のセットは第一面の点のセットであり、対象表面は第二面である。
【００１４】
別の実施形態において、点のセットの少なくともいくつかの点について、距離を決定するステップの間、使用される投影方向は、対象表面に対して垂直な方向である。
【００１５】
三次元織りプリフォームの構造を決定するステップは、
・平らに広げられた対象表面を計算するステップと、
・計算された平坦表面に応じて、決定された距離に応じて、および目標織りパラメータに応じて、層の数および層の出口位置を決定するステップと、を含んでもよい。
【００１６】
一例として、目標織りパラメータは、目標繊維含量、目標経糸／緯糸比、所定の織り、目標経糸間隔、目標緯糸間隔、目標位置合わせ、および所定の繊維サイズである。
【００１７】
本発明はまた、三次元織り複合材料から部品を製造する方法も提供し、方法は、
・本発明による設計方法を用いて三次元織りプリフォームの構造を決定するステップと、
・決定された構造に応じて部品を製造するステップと、を含む。
【００１８】
製造方法は、
・前記部品のプロトタイプを製造するステップと、
・前記プロトタイプに見られる変形に応じて前記投影データを保存するステップと、を含んでもよい。
【００１９】
本発明はまた、コンピュータによってプログラムが実行されたときに本発明による設計方法を実行するための命令を含む、コンピュータプログラムも提供する。
【００２０】
最後に、本発明はまた、三次元織り複合材料から作られる部品を設計する装置も提供し、装置は、
・部品の外表面を表す形状データを取得する手段と、
・外表面上の点のセットの各点について、前記点と対象表面上への前記点の投影との間の距離を決定するための距離決定手段であって、投影は所定の投影方向に沿っている、手段と、
・決定された距離に応じて三次元織りプリフォームの表面を決定する構造決定手段と、を含み、
装置は、部品の外表面上の点の位置に応じて投影方向を指定する投影データを取得する手段をさらに含み、距離決定手段は、点のセットの少なくともいくつかの点の投影方向として、前記投影データに応じて、および前記点の位置に応じて決定される方向を使用するように構成されていることを、特徴とする。
【００２１】
本発明のその他の特徴および利点は、限定的特徴を有していない実施形態を示す添付図面を参照してなされる以下の説明から、明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の実施形態における、三次元織り複合材料で作られた部品を製造する方法の、主要なステップを示す図である。
【図２】図１のプリフォームを決定するステップの主要なステップを示す図である。
【図３】高さに依存する投影方向に沿って投影している点を示す、ブレードの斜視図である。
【図４】高さに依存する投影方向に沿って、または法線方向に沿って投影している点を示す、図３のブレードの断面図である。
【図５】図２のステップが実行され得るようにする、コンピュータのハードウェアアーキテクチャを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、三次元織り複合材料から作られた部品を製造する方法の主要なステップを示す。以下の説明において、部品はタービンエンジンのファンブレードである。当然ながら、本発明は、三次元織り複合材料で作られたその他いずれの部品にも適用される。
【００２４】
方法は、ブレードの形状が決定されるステップＥ１から始まる。通常、部品の設計者がＣＡＤソフトウェアを用いてブレードの外表面の形状を描画する。ブレードの外表面の形状はその後、ＳＨＡＰＥと呼ばれるファイルに保存される。
【００２５】
その後、ステップＥ２において、ステップＥ１の形状に対応する三次元織りプリフォームの構造が決定される。当業者はこのようなプリフォームの構造を決定するのに適した方法およびソフトウェアを知っているので、このステップは詳細に記載されない。一実施形態において、ステップＥ２は、具体的には部品の平均プロファイルおよび対応する厚みフィールドを決定すること、ならびに平均プロファイルに応じて、および決定された厚みフィールドに応じて、プリフォームからの層出口を決定することを含む。導入部で言及された欧州特許第２３２７５３８号明細書は、このステップで使用可能な厚みフィールドの決定の例を示している。
【００２６】
一例として、層からの出口の位置は、以下のように決定される：
・平均プロファイルから始めて、平坦化計算が実行される。平均プロファイルは部品の三次元形状に由来するため、および織りは平坦な、すなわち二次元のプリフォーム上で実行されるため、三次元形状に対応する平坦形状を決定する必要があり；
・その後、決定された厚みフィールドが扁平形状に伝えられて；
・層の数および層出口の位置が、扁平形状の厚みフィールドに応じて、目標繊維含量に応じて、ならびに目標経糸／緯糸比に応じて、決定される。繊維含量は、層の数、織り、経糸間隔、緯糸間隔、位置合わせ、繊維サイズに応じる。その他のパラメータは固定されているので、所望の繊維含量を得るために引き続き層の数を調整する。
【００２７】
その後ステップＥ２で決定されたプリフォーム構造を用いて、プロトタイプブレードがステップＥ３において製造される。通常、ステップＥ３は、ステップＥ１の形状に対応する金型を作成すること、ステップＥ２で決定された通りにプリフォームを三次元織りすること、プリフォームを金型に挿入すること、金型に樹脂を注入すること、および樹脂を硬化することを含む。その他の製造方法が使用されてもよい。
【００２８】
その後、ステップＥ４において、ステップＥ３のプロトタイプブレードの織り繊維の変形が観察される。一例として、プロトタイプは切断される可能性があり、または繊維の変形が断層撮影法によって観察されるかも知れない。
【００２９】
本発明者らは、成形中の織物の変形がブレード内の高さに応じて異なることを、見出した。このため、プロトタイプでは、経糸列によって見られる厚みは、このように異なる変形量に起因する方向で見られる厚みに対応しており、ステップＥ２のプリフォーム決定時に検討された厚みと必ずしも等しくない。このため繊維含量は一定ではなく、したがってブレードは均質ではなく、これは望ましくない。
【００３０】
このため、ステップＥ４において、観察された変形方向に応じて、ブレードの異なる高さのために異なる投影方向が選択される。選択された投影方向は、ファイルＦに保存される。
【００３１】
その後、ステップＥ５において、ステップＥ１の形状に応じて、およびステップＥ４で選択された投影方向に応じて、プリフォームの構造が三次元織り複合材料のために決定される。ステップＥ５は、本発明の意味において部品の設計方法に対応し、これは図２を参照して後に詳細に記載される。
【００３２】
最後に、ステップＥ５で決定されたプリフォーム構造を用いて、ステップＥ６でブレード（または一連のブレード）が製造される。ステップＥ３と同様に、ステップＥ６は通常、ステップＥ５で決定された通りにプリフォームを三次元織りすること、プリフォームを金型に挿入すること、金型に樹脂を注入すること、および樹脂を硬化することを含む。その他の製造方法が使用されてもよい。
【００３３】
図２を参照して、ステップＥ５の実施のさらに詳細な説明が続く。
【００３４】
ステップＦ１において、ステップＥ２を参照して上述されたファイルＳＨＡＰＥが取得される。ステップＦ２において、ステップＥ４を参照して上述されたファイルＦが取得される。
【００３５】
その後、ステップＦ３において、ブレードの表面上の点のセット、たとえば一定ピッチで分布する点が、選択される。
【００３６】
ステップＦ５において、ステップＦ３の点ＰＴと、その点の対象表面上への所定方向の投影との間の距離ｄが決定される。
【００３７】
一実施形態において、対象表面は、スケルトンプロファイルとも称される、ブレードの平均プロファイルである。平均プロファイルはたとえば、ブレードの体積内に内接する円の中心によって、または所定方向のブレードの２つの対向面の間で中間の点によって画定される表面として、定義されてもよい。
【００３８】
別の実施形態において、ステップＦ３の点は、ブレードの片面、たとえば圧力側で選択され、対象表面は反対側の面、たとえばその吸引側である。
【００３９】
点ＰＴは、ファイルＦによって指定される投影方向に、ステップＦ５で投影させられる。これは図３および図４に、より詳細に示される。
【００４０】
図３はブレード１の斜視図を示し、また表面２も示している。表面２は、ファイルＦの内容を描画した図である。このため表面２は、ブレード１の高さ軸ｈと平行に延在する、捻れた矩形ストリップとして見られる。各高さｈについて、表面２に垂直な方向３は、当該高さに対応する投影方向を表す。
【００４１】
このため、高さｈ０に位置する点ＰＴはステップＦ５において、表面２によって指定された対応する投影方向３に沿って投影される。
【００４２】
図４は、ブレード１の平均プロファイル４を示す、ブレード１の断面図である。ブレード１の圧力側に位置する高さｈ０の点ＰＴは、表面２によって指定された投影方向３に沿って平均プロファイル４上に投影されている。この方向への点ＰＴの投影は、ＰＴ’で記される。
【００４３】
点ＰＴとＰＴ’との間の距離ｄは、方向３のブレード１の半厚を表している。
【００４４】
一実施形態において、ステップＦ３で選択された点の全てが、上記で説明されたように投影される。
【００４５】
図２に点線で示されるステップに対応する別の実施形態において、いくつかの点は上記で説明されたように投影されるが、その他の点は対象表面に対して垂直な方向（図４の例の平均プロファイル４）に投影される。
【００４６】
このため、この実施形態において、ステップＦ３の後およびステップＦ５の前に、点ＰＴが、法線方向に沿って投影すべきタイプの点か、またはファイルＦで指定された方向に沿って投影すべきタイプの点かが、ステップＦ４において決定される。一例として、点ＰＴのタイプは、ファイルＦに含まれるデータに応じて決定される。たとえば、ファイルＦは、表面２の定義のみならず、高さ範囲のリスト、そして各範囲について点のタイプの指定も含む。
【００４７】
ステップＦ４で決定された点のタイプにしたがって、点ＰＴはステップＦ５で上記に記載されたような投影を、もしくはステップＦ６の通常投影を受ける。
【００４８】
ステップＦ６の通常投影は図４に示される。点ＰＴは、平均プロファイル４に対して垂直な方向５で、平均プロファイル４上に投影される。方向５への点ＰＴの投影は、ＰＴ’’で記される。
【００４９】
点ＰＴとＰＴ’’との間の距離ｄは、方向５に沿ったブレード１の半厚を表している。
【００５０】
ステップＦ５（または一連のステップＦ４、Ｆ５、Ｆ６）は、ステップＦ３の全ての点について繰り返される。ステップＦ７においてステップＦ５（または一連のステップＦ４、Ｆ５、Ｆ６）がステップＦ３の全ての点について実行されたと判断された場合には、方法はステップＦ８に進む。
【００５１】
最後に、ステップＦ８において、三次元織り複合材料向けのプリフォームの、ファイルＳＨＡＰＥの形状に対応する構造が、決定された距離ｄによって表される厚みフィールドを考慮に入れながら決定される。
【００５２】
図２のステップは、コンピュータによって実行されるブレード１の設計方法に対応する。このような状況において、図２のステップは、コンピュータプログラムの実行に対応する。図５は、図２のステップが実行されることを可能にする、コンピュータ１０のハードウェアアーキテクチャを示す。
【００５３】
コンピュータ１０は、プロセッサ１１、不揮発性メモリ１２、揮発性メモリ１３、およびユーザインターフェース１４を含む。プロセッサ１０は、揮発性メモリ１３を使用しながら不揮発性メモリ１２に保存されたプログラムを実行するのに役立つ。ユーザインターフェース１４は、ユーザがコンピュータ１０にデータを、具体的には上述のファイルＳＨＡＰＥおよびファイルＦのデータを、入力できるようにする。ステップＦ１からＦ８を実行する命令を含むコンピュータプログラムは、不揮発性メモリ１２に保存されている。
【００５４】
上述の実施形態において、ファイルＦは、部品の表面上の点の高さｈに応じて投影方向を指定する。変形例において、投影方向はまた、部品の点の幅位置に応じて異なってもよい。このため、一般論として、ファイルＦは、点の位置に応じて投影方向を指定する。
【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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【国際調査報告】
2015506007.tif 000008
2015506007.tif 000009
2015506007.tif 000010
2015506007.tif 000011