(57)【要約】【課題】高い荷重容量を有し複雑な形状を有する航空機エンジンの複合材構成要素を製造すること。【解決手段】モノリシック複合体を備えたエンジン構成要素であって、該複合体は、連続繊維部分と、チョップド繊維部分と、連続繊維部分及びチョップド繊維部分の両方に含まれ且つこれらの間にある熱可塑性ポリマーと、を有する。前記繊維は、炭素繊維、ガラス繊維、及び炭素繊維とガラス繊維の混合物のうちの１つとすることができる。前記連続繊維は、編組、織り繊維、及び一方向性テープのうちの１つとすることができる。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
モノリシック複合体を備えた航空機エンジン構成要素であって、前記複合体が、
連続繊維部分と、
チョップド繊維部分と、
前記連続繊維部分及び前記チョップド繊維部分の両方に含まれ且つこれらの間にある熱可塑性ポリマーと、
を有する、航空機エンジン構成要素。
【請求項２】
前記熱可塑性ポリマーが、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＥＫＫ、及びＰＥＩのうちの１つである、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項３】
前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、及び炭素繊維とガラス繊維の混合物のうちの１つである、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項４】
前記連続繊維が、編組、織り繊維、及び一方向性テープのうちの１つである、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項５】
前記チョップド繊維の構成要素が、予備含浸テープから形成される、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項６】
前記チョップド繊維の長さが１インチ未満である、請求項５に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項７】
１又はそれ以上の共成形金属特徴要素を更に含む、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項８】
前記共成形金属特徴要素が、フランジ、ブッシュ及びネジ付きインサートのうちの１つである、請求項７に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項９】
前記複合体の連続繊維がフープ荷重を担持する、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１０】
前記連続繊維が、炭素、ガラス及び熱可塑性物質の繊維のうちの少なくとも１つを含有する編組プリフォームである、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１１】
前記繊維のうちの少なくとも１つが、乾燥炭素繊維及び熱可塑性繊維である、請求項１０に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１２】
前記繊維のうちの少なくとも１つが、乾燥炭素繊維、ガラス繊維、及び熱可塑性繊維である、請求項１０に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１３】
前記チョップド繊維部分が、構造的荷重を担持できない、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１４】
前記チョップド繊維部分が、エンジン空気流路に隣接している、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１５】
前記チョップド繊維部分の最外面上に浸食保護層を更に備える、請求項１４に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１６】
前記航空機エンジン構成要素が回転部品である、請求項１に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１７】
前記回転部品が、スピナノーズコーンである、請求項１６に記載の航空機エンジン構成要素。
【請求項１８】
前記回転部品が、スピナ支持リングである、請求項１６に記載の航空機エンジン構成要素。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示される実施形態は、全体的に、航空機エンジン部品に関する。より具体的には、限定ではないが、本発明の実施形態は、より複雑な幾何形状を形成するためにハイブリッド複合材料で作られた航空機エンジン部品に関する。
【背景技術】
【０００２】
典型的なガスタービンエンジンは、一般に、前端と後端とを有し、これらの間に複数のコア又は推進構成要素が軸方向に位置付けられる。空気入口又は吸気口はエンジンの前端に位置する。吸気口の後に、後端に向かって順番に、圧縮機、燃焼室、タービン、及びエンジン後端に位置するノズルが続く。また、例えば、低圧及び高圧圧縮機並びに高圧及び低圧タービンなど、追加の構成要素をエンジンに含めることができる点は、当業者には容易に理解されるであろう。エンジンはまた、典型的には、エンジンの中心長手方向軸線を通って軸方向に配置された内部シャフトを有する。内部シャフトは、タービン及び空気圧縮機の両方に接続され、タービンが空気圧縮機に回転入力を提供して圧縮機ブレードを駆動するようにする。
【０００３】
作動時には、空気は、圧縮機において加圧され、燃焼器で燃料と混合されて高温の燃焼ガスを発生し、タービン段を通って下流側に流れる。これらのタービン段は、燃焼ガスからエネルギーを抽出する。最初に、高圧タービンが燃焼器から高温の燃焼ガスを受け取り、高圧タービンはステータノズル組立体を含み、該ステータノズル組立体が、支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる高圧タービンロータブレードの列を通って燃焼ガスを下流側に配向する。２段タービンにおいて、第２段タービンステータノズル組立体は、第１段ブレードの下流側に位置付けられ、その後に第２の支持ロータディスクから半径方向外向きに延びる第２段ロータブレードの列が続く。タービンは、燃焼ガスエネルギーを機械エネルギーに変換する。
【０００４】
航空機産業において利用されるガスタービンエンジンの重量を低減することは常に望ましい。このような重量の低減は、より高いエンジン効率をもたらし、事業者のコストを低減する。この目標を達成しようとして、設計者らは、製造部品において材料の代替に取りかかっている。温度が低い区域では、エンジン設計者らは、ポリマー複合材料から形成された部品の利用を試みている。これは、克服すべき少なくとも２つの課題をもたらす。
【０００５】
第１に、設計者らは、高速の航空機エンジン運転の厳しさに耐えることができる部品又は構成要素を生成することを求めている。第２に、設計者らは、これらの部品の強度及び性能要件に関連して、生成される部品の形状及び幾何学的寸法に制限を受ける。複雑な幾何学的外形は、高強度用途において要求される連続繊維強化材を有する複合材料から生成することが困難である。すなわち、高荷重容量及び複雑な形状を有する航空機エンジンの複合材構成要素を製造することは困難である。
【０００６】
上記のことから分かるように、ガスタービンエンジン構成要素に関するこれら及び他の欠点を克服することが望ましいことになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許公開第２０１０１２４４９４号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明の態様によれば、複雑な二次特徴を有する高性能モノリシック構造部品の設計及び製造を可能にするハイブリッド複合材料構造が開示される。これらの非限定的な実施例は、スピナコーン及び後方支持リングが挙げられるが、他の種々の部品を形成することもできることに留意されたい。
【０００９】
本開示の他の別の態様によれば、航空機用途での使用に好適な機械的、化学的、及び熱的特性（強度、耐疲労性、最大温度容量及び耐化学／流体性）を示すエンジン構成要素を製造することができる。
【００１０】
本開示の他の別の態様によれば、ポリマー複合材料航空機部品は、連続繊維強化材から形成される第１の部分と、チョップド繊維から形成される第２の部分とから構成される。
【００１１】
少なくとも一部の実施形態によれば、モノリシック複合体を備えたエンジン構成要素であって、該複合体は、連続繊維部分と、チョップド繊維部分と、連続繊維部分及びチョップド繊維部分の両方に含まれ且つこれらの間にある熱可塑性ポリマーと、を有する。上記航空機エンジン構成要素では、熱可塑性ポリマーが、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＥＫＫ、及びＰＥＩのうちの１つである。上記航空機エンジン構成要素では、繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、及び炭素繊維とガラス繊維の混合物のうちの１つである。上記航空機エンジン構成要素では、連続繊維が、編組、織り繊維、及び一方向性テープのうちの１つである。上記航空機エンジン構成要素では、チョップド繊維の構成要素が、予備含浸テープから形成される。上記航空機エンジン構成要素では、チョップド繊維の長さが１インチ未満である。上記航空機エンジン構成要素では、１又はそれ以上の共成形金属特徴要素を更に含む。上記航空機エンジン構成要素では、共成形金属特徴要素が、フランジ、ブッシュ及びネジ付きインサートのうちの１つである。上記航空機エンジン構成要素では、複合体の連続繊維がフープ荷重を担持する。上記航空機エンジン構成要素では、連続繊維が、炭素、ガラス及び熱可塑性物質の繊維のうちの少なくとも１つを含有する編組プリフォームである。上記航空機エンジン構成要素では、繊維のうちの少なくとも１つが、乾燥炭素繊維及び熱可塑性繊維である。上記航空機エンジン構成要素では、繊維のうちの少なくとも１つが、乾燥炭素繊維、ガラス繊維、及び熱可塑性繊維である。上記航空機エンジン構成要素では、チョップド繊維部分が、構造的荷重を担持できない。上記航空機エンジン構成要素では、チョップド繊維部分が、エンジン空気流路に隣接している。上記航空機エンジン構成要素では、チョップド繊維部分の最外面上に浸食保護層を更に備える。上記航空機エンジン構成要素では、航空機エンジン構成要素が回転部品である。上記航空機エンジン構成要素では、回転部品がスピナノーズコーンである。上記航空機エンジン構成要素では、回転部品がスピナ支持リングである。
【００１２】
上記で概説された特徴要素の全ては、単なる例証として理解すべきであり、本発明の多くの特徴及び対象物は、本明細書の開示事項から得ることができる。従って、この発明の概要の非限定的な解釈は、本明細書全体、請求項、及びこれらと共に含まれる図面をより詳細に読むこと無く理解されるはずである。
【００１３】
以下の図において本発明の実施形態が示されている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】ガスタービンエンジンの側断面図。
【図２】例示的な複合材構成要素の等角図。
【図３】第２の例示的な複合材構成要素の等角図。
【図４】図３の構成要素を含む例示的な実施形態の側面図。
【図５】図４の構成要素の空力的特徴要素の断面図。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、その１つ又はそれ以上の実施例が図面に示されている提示された実施形態について詳細に説明する。各実施例は、例証として提供され、本開示の実施形態を限定するものではない。実際に、本発明の範囲又は技術的思想から逸脱することなく、種々の修正形態及び変形形態を本発明において実施できることは、当業者であれば理解されるであろう。例えば、１つの実施形態の一部として例示され又は説明される特徴は、別の実施形態と共に使用して更に別の実施形態を得ることができる。従って、本発明は、そのような修正及び変形を特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内に属するものとして保護することを意図している。
【００１６】
図１〜５を参照すると、ポリマーマトリクス複合材（ＰＭＣ）材料及びプロセスから構成された構造体の種々の実施形態が教示される。より具体的には、航空機エンジン用途のハイブリッド連続繊維−チョップド繊維ポリマー複合構造体が、例えば、航空機エンジン構成要素及びより詳細にはガスタービンエンジンのファンエリア及びバイパス部分などの幅広い範囲の用途で使用できるように図示され説明されている。ハイブリッドポリマー複合構造体は、様々な場所で使用するのに好適であり、非限定的な実施例によれば、複合構造体を用いて温度及び荷重要件に適合できる領域において利用される。ハイブリッドポリマー複合構造体は、モノリシックであり、連続繊維及びチョップド繊維の両方で形成することができ、ここで連続繊維は、より簡単な幾何学的形態の形状にすることができ、より複雑な幾何学的外形は、連続繊維複合材料では容易には形成できず、チョップド繊維複合材料を用いて形成される。用語「モノリシック」は、連続繊維強化セクションとチョップド繊維強化セクションとで同じポリマーが使用されることを意味するのに利用される。結果として、２つの繊維タイプは、両方の繊維タイプに共通するポリマー（例えば、熱可塑性樹脂）によって接合される。
【００１７】
本明細書で使用される用語「軸方向」又は「軸方向に」は、エンジンの長手方向軸線に沿った寸法を指す。「軸方向」又は「軸方向に」と共に使用される用語「前方」は、エンジン入口に向かう方向の移動を指し、又は構成要素が別の構成要素と比べてエンジン入口に相対的に近接していることを意味する。「軸方向」又は「軸方向に」と共に使用される用語「後方」は、エンジンノズルに向かう方向の移動を指し、又は構成要素が別の構成要素と比べてエンジンノズルに相対的に近接していることを意味する。
【００１８】
本明細書で使用される用語「半径方向」又は「半径方向に」とは、エンジンの中心長手方向軸線とエンジン外周との間に延びる寸法を指す。単独で又は用語「半径方向」もしくは「半径方向に」と併せて使用される用語「近位」又は「近位方向」は、中心長手方向軸線に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較して中心長手方向軸線に相対的に近接していることを意味する。単独で又は用語「半径方向に」もしくは「半径方向に」と併せて使用される「遠位」又は「遠位方向に」とは、エンジン外周に向かう方向に移動していること、又はある構成要素が別の構成要素と比較してエンジン外周に近接していることを意味する。
【００１９】
本明細書で使用される用語「横方向」又は「横方向に」とは、軸方向及び半径方向寸法の両方に垂直な寸法を意味する。
【００２０】
最初に図１を参照すると、エンジン入口端部１２を有するガスタービンエンジン１０の概略側断面図が示され、ここで、圧縮機１４、燃焼器１６、及び多段高圧タービン２０によって全体的に定義されるプロパルサー１３に空気が流入する。全体として、プロパルサー１３は、運転中に推力又は出力を提供する。ガスタービン１０は、航空機、発電、産業、船舶、又は同様のものに用いることができる。
【００２１】
作動時には、空気がエンジン１０の空気入口端部１２を通って流入し、少なくとも１つの圧縮段を通って移動して、ここで空気圧が増大して燃焼器１６に送られる。圧縮空気が燃料と混合して燃焼し高温の燃焼ガスをもたらし、燃焼器１６から高圧タービン２０に向けて流出する。高圧タービン２０において、高温燃焼ガスからエネルギーが抽出されてタービンブレードの回転を生じさせ、その結果、シャフト２４の回転が生じる。シャフト２４は、エンジンの前方に向けて通過して、タービン設計に応じて、引き続き１又はそれ以上の圧縮機段１４、ターボファン１８又は入口ファンブレードを回転させる。ターボファン１８は、シャフト２８により低圧タービン２１に接続され、タービンエンジン１０に対して推力をもたらす。また、低圧タービン２１を利用して、更にエネルギーを抽出し、別の圧縮機段に動力を供給することができる。低圧空気を利用して、更にエンジンの構成要素の冷却を助けることができる。
【００２２】
ガスタービン１０は、エンジン軸線２６又はシャフト２４の周りに軸対称であり、よって種々のエンジン構成要素がその周りを回転するようになる。軸対称シャフト２４は、タービンエンジン前端を通って後端に延び、シャフト構造の長さに沿って軸受によりジャーナル接続される。シャフトは、エンジン１０の中心線２６の周りを回転する。シャフト２４は、シャフト２４の回転とは独立した内部にある低圧タービンシャフト２８の回転を可能にするよう中空とすることができる。シャフト２８はまた、エンジンの中心軸線２６の周りを回転することができる。作動中、シャフト２８は、タービンのロータ組立体のような、シャフトに接続された他の構造体と共に回転し、発電及び産業又は航空機の使用分野において使用されるタービンの種々のタイプの出力又は推力を生成するようにする。
【００２３】
ターボファンブレード１８の前方のエンジン１０の前端１２には、スピナ３０とも呼ばれるノーズコーンがある。スピナ３０は、一般に、限定ではないが、複数の円周方向に離間したボルトを含む様々な方法でファンハブに取り付けられる。スピナ３０は、ファン１８のコア又は半径方向内側部分への空気の円滑な流れを提供するのに利用される。空気流の円滑化は、エンジン１０の効率を向上させ、従って、ファン１８だけでなく下流側構成要素の性能も改善する。例えば、スピナ３０の形状は、抗力を低減し、コア内への速度プロフィールを修正し、コアへの乱流を低減し、更に、氷剥離手段を提供し、及び／又はエンジン構成要素に損傷を及ぼす可能性がある異物のコア通過を可能にせずにファン／バイパスダクトに向けて異物を逸らすようにすることができる。本開示のスピナ３０及び後方支持リング５０などの部品又は構成要素は、ハイブリッドポリマーマトリクス複合材料から形成され、第１の部分が第１の繊維タイプから形成され、第２の部分が第２の繊維タイプから形成される。第１の繊維タイプ及び第２の繊維タイプの一方は、高荷重を有するあまり複雑ではない形状を形成するのに使用され、第１の繊維タイプ及び第２の繊維タイプの他方は、低荷重を有する複雑な形状を形成するのに使用される。２つの繊維タイプではあるが、形成される航空機構成要素は、モノリシックである。
【００２４】
複合材料は、一般に、ポリマー又はセラミック材料のようなマトリクス材料内に埋め込まれた繊維強化材料を含む。強化材料は、複合材料の耐荷重成分としての役割を果たし、複合材料のマトリクスは、繊維を結合する役割を果たし、また、外部から加わる応力が繊維に伝達されて分散される媒体として機能する。多くのポリマーマトリクス複合材（ＰＭＣ）材料は、織物であるプリプレグを用いるか、又は樹脂を含浸させた一方向性テープを用いて作製される。プリプレグの複数の層は、部品の適切な厚さ及び向きに積み重ねられ、次いで、樹脂が硬化及び固化して、繊維強化複合材料部品になる。ＰＭＣのマトリクス材料の樹脂は、一般に、熱硬化性又は熱可塑性物質に分類することができる。熱可塑性樹脂は、一般に、化学変化ではなく物理的変化に起因して、加熱時に繰り返し軟化して流動し、十分に冷却されたときに硬化することができるポリマーとして分類される。熱可塑性樹脂の例示的な分類には、ナイロン、熱可塑性ポリエステル、ポリアリールエーテルケトン、及びポリカーボネート樹脂が挙げられる点に留意されたい。航空宇宙用途で使用するよう企図されている高性能熱可塑性樹脂の具体的な実施例としては、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、及びポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）が挙げられる。対照的に、熱硬化性樹脂は、完全に硬化して高剛性の固体になると、加熱時に僅かしか軟化しないが、十分に加熱すると熱分解する。熱硬化性樹脂の実施例には、エポキシ、ビスマレイド（ＢＭＩ）、及びポリイミド樹脂が挙げられる点に留意されたい。
【００２５】
ＰＭＣでは、例えば、炭素（例えば、ＡＳ４）、ガラス（例えば、Ｓ２）、ポリマー（例えば、Ｋｅｖｌａｒ（登録商標））、セラミック（例えば、Ｎｅｘｔｅｌ（登録商標））及び金属繊維など、様々な繊維強化材料が使用されている。繊維強化材料は、比較的短いチョップド繊維（一般に長さが２インチ未満、より好ましくは１インチ未満）、又は長い連続繊維の形態で用いることができ、後者の連続繊維は、織物又は一方向性テープを製造するのに使用されることが多い。ＰＭＣ材料は、乾燥繊維を成形型内に分散させ、次いで強化繊維の周りにマトリクス材料を流し込むことにより、或いは上述のようにプリプレグを用いることにより製造することができる。
【００２６】
ＰＣＭ材料が所与の用途に好適であるかどうかは、そのマトリクス及び強化材料、その特定の用途の必要条件、及び所要の幾何学的外形を有するＰＭＣ物品を作製する実現可能性によって決まる。相当な軽量化の可能性があることに起因して、航空機ガスタービンエンジンにおいて種々の用途でＰＣＭを検討している。しかしながら、許容可能な特性を有するが、コスト効果の高いＰＣＭ製品が得られる製造方法により製造できる材料系を特定することが課題としてある。詳細には、航空機エンジン用途では、例えば、強度及び疲労特性（エンジン環境における振動により必要とされる）などの高性能な機械的要件、並びに高温特性、耐化学／流体性、その他が必要とされることは周知である。エンジン部品をＰＭＣ材料で製造することにより相当な軽量化を実現できるが、このような構成要素の性能要件並びにサイズ及び複雑さによって、これらの材料から構成要素を製造する能力が困難なものとなっている。
【００２７】
別の複雑な問題は、航空機エンジン用途においてＰＭＣ材料によって要求される強化系のタイプである。一般に、航空機エンジン用途に必要とされる機械的特性を達成するために、部品には連続繊維強化ＰＭＣ材料を使用して、航空機エンジン用途によって決定付けられる高性能な機械的要件（特に強度及び疲労特性）を得ることが必要となる。しかしながら、連続繊維強化複合材部品の作製に伴う製造プロセスは更に、複雑な形状を有する構造体を製造する能力が困難なものになる。他方、チョップド繊維強化系は、熱可塑性であるか熱硬化性であるかどうかに関係なく、機械的性能が低いことに起因して高荷重部品にとって理想的な解決策ではない。しかしながら、ネットシェイプ成形法を用いてチョップド繊維材料液剤で複雑な形状の部品を作製することは可能であり、従って、これらの材料系は、軽荷重の二次構造体及び非構造的エンジン構成要素に用いることができる。
【００２８】
エンジン性能は継続的に限界にまで追い込まれているので、このような性能を支援又は改善するために高荷重にすることができる複雑な幾何学的外形の部品を有することが望ましい。往々にして、これらの複雑な幾何学的外形は、例えば空気力学性能に役立つ非構造的特徴要素である。従って、ハイブリッド手法を選択すると、モノリシック部品は、構造的荷重を達成するだけでなく、複雑な形状（軽荷重の）特徴要素（例えば、空気力学的特徴要素）を提供するハイブリッド繊維強化を備えている。
【００２９】
ここで図２を参照すると、エンジン１０のファン端部に向けて使用される部品が図示されている。エンジンのファン端部の構成要素が図示され説明されるが、他のエンジン部品は、図示され本明細書で説明される設計を用いて形成してもよく、例示の部品を限定とみなすべきではない。スピナ３０は、一般に円錐形状で形成され、該円錐形状は、ほぼ連続した側壁３２から形成される。円錐形の側壁３２は、第１の端部３６からより大きな第２の端部３８にテーパが付けられている。側壁３２は、コーンの大きな端部から小さな端部まで直線的とすることができる。或いは、側壁３２は、図示のように曲線とすることができる。スピナ３０は、破線で示される軸線３４に関して対称である。スピナ３０は、重量軽減のためほぼ中空であり、ボルト、締結具又はファンハブ（図示せず）の他の構成要素を受けることができる。
【００３０】
エンジン１０（図１）の前端１２ではエンジン温度が低く、これによりスピナ３０にＰＭＣ材料を使用することが可能になる。スピナ３０は、相当な荷重要件が要求される。設計特性には、例えば、空力荷重、高速度回転疲労及び異物衝突が挙げられる。従って、スピナ３０は、ポリマーマトリクス複合材料から形成され、より具体的には、連続繊維のポリマー複合材料から形成することができる。連続繊維ポリマー複合材は、スピナ３０に望ましい円錐又は放物円錐形を提供することができる。この設計によれば、スピナ重量は、エンジンタイプに応じて、例えば金属設計に優る５〜２０ポンドの有意な重量軽減を示すことができる。例えば、コーンスピナ３０の形状は、コーンの前端３６から後端３８に向けて急激な変化がなくほぼ一貫している。従って、スピナ３０の大部分は、織物、一方向性テープ、又は編組構造の連続繊維部分をレイアップすることにより形成することができる。連続繊維部分の各々は、層毎に予め選択された角度に回転され、部品に必要とされる強度を得ることができる。
【００３１】
スピナ３０の後端３８には、複数の円周方向に離間した空力特徴要素又は第２の特徴要素４０がある。これらの第２の特徴要素４０は、スピナ３０の表面３２から延び、連続繊維複合材製造法によって形成するのに複雑である幾何学的外形を提供する。例えば、空力特徴要素４０は、種々の角度で表面３２から延びて、異なる厚さのものとすることができ、連続繊維複合材、並びにこのような連続繊維複合材を用いた公知の製造法の使用が困難になる。従って、図示のスピナ３０のようなモノリシック部品を形成するために、空力特徴要素４０は、短繊維長にチョップされた熱可塑性ポリマーの一方向性テープから形成される。チョップド繊維一方向性テープで使用される熱可塑性ポリマーは、例えばスピナ３０などの部品の連続繊維部分において使用されるのと同じ熱可塑性ポリマーである。このことは、第１の繊維、第２の繊維及びポリマーを図示のモノリシック部品として作製することを可能にする。コーン側壁又は本体３２は、非限定的な実施例として、熱可塑性ポリマーのフィラメント又は繊維を有する、一方向性プリプレグ、織物プリプレグ、編組プリプレグ、又は乾燥強化繊維から形成することができる。例えば、連続繊維材料は、マトリクス材料と並列（一方向で）配列された個々の繊維又は繊維トウ、又はマトリクス材料内で複数の異なる配向を有するように配列された個々の繊維又は繊維トウ（例えば、一方向性繊維又は繊維トウの複数の層が二軸又は三軸構造を形成する）、或いは、マトリクス材料内でメッシュ又は織物を形成する個々の繊維又は繊維トウの織物からなる連続繊維とすることができる。繊維、トウ、編組、メッシュ、又は織物は、ＰＭＣ内で単一のプライ又は幾つかの好適なプライを定めるよう配列することができる。特に好適な熱可塑性マトリクス材料には、ＰＥＥＫ、ＰＥＫＫ、ＰＥＩ、及びＰＰＳが挙げられ、特に好適な連続繊維強化材料には、炭素、ガラスポリマー、セラミック、及び金属繊維が挙げられる。好適な繊維含有量は、少なくとも３５容量％で７５容量％よりも多くなく、好ましい範囲は、約５０〜約６５容量％と考えられる。
【００３２】
１つの実施形態によれば、ＰＭＣ材料は、一つにはプリプレグにより定められ、該プリプレグは、マトリクス材料（マトリクス材料として望ましい熱可塑性樹脂など）で含浸された強化材料である。熱可塑性プリプレグの製造処理の非限定的な実施例には、繊維強化材料が樹脂の溶融浴を通じて引き出されるホットメルトプリプレグ処理、及び樹脂を繊維強化材料上に堆積（例えば、電気化学的に）させて、繊維に接着（例えば、オーブン又は加熱ローラによって）させる粉体プリプレグ処理が含まれる。プリプレグは、一方向性テープ又は織物の形態とすることができ、これらは次に、互いに積み重ねられて当該部品に望ましい数の積層パイルを生成する。代替の選択肢によれば、プリプレグを使用せずに熱可塑性ポリマーを使用して、例えば、熱可塑性ポリマー繊維又はフィラメントと共に織成された炭素繊維を含む織物を有することもできる。非プリプレグ編組構造も同様の方式で行うことができる。この手法では、共に織成又は編組される熱可塑性繊維及び強化繊維の相対濃度を指示することにより、部品の繊維容積を調整することができる。加えて、異なるタイプの強化繊維を種々の濃度で共に編組又は織成して、部品の特性を調整することができる。例えば、ガラス繊維、炭素繊維、及び熱可塑性繊維を全て種々の濃度で共に編組又は織成して、部品の特性を調整することができる。炭素繊維はこの系の強度を提供し、ガラスは、エンジンの入口付近に配置された部品の設計特性である衝撃特性を向上させるために組み込むことができ、熱可塑性繊維は、強化繊維を結合するよう流動するマトリクスである。
【００３３】
積層プライは次に圧密化工程を受け、ここでは積層プライに熱及び圧力を加えて樹脂を流し込み、積層プライを圧密化して部品にする。プリプレグを用いて部品を生成することに加えて、代替の手法は、好適な形状にされた成形キャビティ内で乾燥織物をレイアップし、次いで乾燥織物に溶融樹脂を注入するものである。
【００３４】
本開示の実施形態によれば、その形状に起因して、スピナコーン３０の連続繊維プリフォーム構造は圧縮成形型に装填される。この成形型内には、特徴要素４０の形状に対応するキャビティがあり、チョップド繊維一方向テープのプリプレグフレークが成形キャビティ内に装填されて空力特徴要素４０を形成する。次いで、連続繊維及びチョップド繊維の組み合わせが成形されて、連続繊維及びチョップド繊維セクションを含む最終部品（例えば、モノリシックスピナコーン３０）になる。
【００３５】
加えて、部品３０は、必要に応じて、従来の機械加工、ウォータージェット切断、及びレーザ切断法などにより機械加工することができる。例えば、部品３０は、構成要素又は組立構造体などを従来の機械的ファスナー及び／又は取付機構を用いてガスタービンエンジンに装着することができるスロット、孔又は他の特徴要素を含めるように形成することができる。加えて、より堅牢な機械的締結を可能にするよう、金属特徴要素を部品３０と共成形することができる。非限定的な実施例には、共成形金属ブッシュ、共成形金属取付リング、及び共成形金属ネジ付きインサートが挙げられる。熱可塑性複合材料の別の利点は、限定ではないが、赤外線（ＩＲ）溶着、抵抗インプラント溶着、超音波溶着及び振動溶着を含む、様々な接合プロセスを受けることができる点である。
【００３６】
このような構成の結果として、軽量化の恩恵を受けると共に、航空機エンジンに伴う機械的及び環境条件に耐える能力及び特性が必要とされた耐荷重部品が形成される。加えて、高荷重に耐えると共に複雑な二次特徴要素を含むことができるモノリシックハイブリッド複合構造体を作製することができる。
【００３７】
ここで図３を参照すると、連続繊維から形成された第１の部分とチョップド繊維部分から形成されたより複雑な幾何学的外形の第２の部分とから形成できる本明細書で記載の実施形態による第２の部品又は構成要素の等角図が描かれている。本開示の実施形態によれば、部品５０は後方支持リングである。後方支持リング５０は、一般に断面が円形であり、前方フランジ５４から後方に延びる本体又は第１の面５２を含む。フランジ５４は、複数の締結アパーチャ５６を含み、該アパーチャを通って後方支持リング５０をスピナ３０の後端３８に接続することができる。アーム５２は、複数の流路スカラップ５８を含み、該スカラップは、スピナ３０から離れ、後方支持リング５０にわたってリング５０の前端から後端に向けて移動する空気の空力的流れの改善を助ける。
【００３８】
ここで図４を参照すると、後方支持リング５０の断面図が組立状態で描かれている。後方支持リング５０の前端には、アパーチャ５６を通ってフランジ５４に締結されるスピナ３０の一部がある。後方支持リング５０は、フランジ５４、湾曲アーム６０、本体又はアーム６２、ラグ６４、及び流路スカラップ５８を含む。ラグ６４及びスカラップ５８は、連続繊維強化セクションがチョップド繊維強化セクションに移行する境界部を定める。
【００３９】
製造時には、フランジ５４、湾曲アーム６０、本体６２及びラグ６４は、部品が受ける高荷重を担うために連続繊維強化材から形成することができる。フランジ５４、湾曲アーム６０、本体６２及びラグ６４の予形成構造は、予形成構造体に編組される乾燥炭素繊維及び熱可塑性ポリマー繊維から形成することができる。更に、例えば、衝撃特性を改善するために、ガラス繊維をプリフォームに加えることができる。流路スカラップ５８は、チョップド繊維一方向性テーププリプレグフレークを用いてラグ６４及び本体６２上に形成される。このような連続繊維プリフォームは、圧縮成形型内に装填され、チョップド繊維一方向性テーププリプレグフレークは、流路スカラップ５８の形状を定めるモールド内の流路スカラップキャビティ内に装填される。圧縮成形型は非限定的な実施例であり、他の方法を利用してもよい。例えば、オートクレーブは代替の方法とすることができる。チョップド繊維一方向性テーププリプレグフレークは、サイズが１インチ×１インチ未満、例えば、１／２インチ×１／２インチとすることができるが、別の形状及びサイズを利用してもよい。連続繊維プリフォーム構造とチョップド繊維一方向性テープとの組み合わせを圧縮成形して、部品の最終形状にされ、連続繊維及びチョップド繊維セクション両方を有するモノリシック部品になる。圧縮成形プロセス中、連続繊維強化セクション及びチョップド繊維強化セクションの熱可塑性ポリマーが共に流動し、２つの繊維タイプを有しながら１つのポリマータイプで作られたモノリシック部品を生成する。
【００４０】
図５に示すように、後方支持リング５０の概略断面図が示される。スカラップ５８は、面５２から頂部５９まで湾曲している。スカラップ５８は、ラグ６４の上に配置される。ラグ６４とスカラップ５８の境界部にて示されるように、異なるクロスハッチ部は、ラグ６４の連続繊維６６とチョップド繊維６８との境界又は接合領域を描いている。繊維６６、６８の間は、熱可塑性樹脂７０が流動して連続繊維６６をチョップド繊維６８に結合する場所である。また、熱可塑性物質７０は、同じ繊維タイプ間を流れてモノリシック部品を提供する。
【００４１】
本発明のハイブリッド連続繊維−チョップド繊維ポリマー複合材料は、種々の利点を提供する。連続繊維及びチョップド繊維は同じ樹脂又はポリマーを利用しており、これにより連続繊維強化セクションからチョップド繊維強化セクションに移行する際の適合性の課題が排除される。構成要素は、空力的特徴要素を別個に形成して、例えば、接着結合又は機械的締結によるなど、構成要素の２つの部分を結合する後続の接合プロセス工程の必要性を排除する。部品又は構造体は、単一のモノリシック構造体として形成することができるので、特定の状況では、これにより、部品点数の削減を可能にし、別の設計では２つの構成要素を接合する必要がある表面処理が除外されることになる。更に、ハイブリッドモノリシックポリマー複合材料は、別の設計において使用される２つの異なる材料間を結合する接着剤の強度よりも熱可塑性ポリマーの強度の方が強いので、複雑な二次特徴要素位置において耐衝撃性を向上させるよう形成することができる。加えて、ポリマー複合材料は、炭素及び／又はガラス繊維の混合物を連続繊維プリフォームに組み込むことにより、所望の衝撃特性に調整することができる。更にまた、浸食保護層を、記載した例示的な部品の何れかの最外表面上に堆積することができる。
【００４２】
上述の部品低減に関連して、ハイブリッドポリマー複合材料により、金属特徴要素の共成形並びに熱可塑性溶着が可能となり、これら種々の利点及び応用は、限定ではないが、本明細書で記載されるスピナ３０及び後方支持リング５０を含む多くの部品で利用することができる。例えば、金属インサートを利用して、強度を向上させ、例えば、スピナ３０及び後方支持リング５０の境界部にて複合材料部品上への直接的な機械的締結を排除する利点を提供することができる。
【００４３】
構造及び方法に関する上述の記載は、説明の目的で提示されている。この説明は、本発明の構造及び方法を網羅すること、又は開示された厳密な形態及び／又はステップに限定することを意図したものではなく、上述の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が実施可能であることは明らかである。本明細書で記載される特徴要素は、どのようにも組み合わせることができる。本明細書で記載される方法のステップは、物理的に実施可能なあらゆる順序で実施することができる。複合構造体の特定の形態を例示し説明してきたが、これに限定されるのではなく、本明細書に添付される請求項によってのみ限定されることになる点は理解される。
【００４４】
本発明の複数の実施形態を本明細書で説明し例示してきたが、当業者であれば、本明細書で記載される機能を実施し及び／又は本明細書で記載される結果及び／又は利点のうちの１又はそれ以上を得るために他の様々な手段及び／又は構造が想定され、このような変形及び／又は修正形態の各々は、本明細書で記載される実施形態の範囲内にあるとみなされる。より一般的には、本明細書で記載される全てのパラメータ、寸法、材料、及び構成は例証を意味しており、実際のパラメータ、寸法、材料、及び構成は、本発明の教示が利用される１又は複数の特定の用途によって決まることになることは当業者には容易に理解されるであろう。当業者であれば、単に通常の実験を利用して本明細書に記載される本発明の特定の実施形態に対する多くの均等物を認識又は確認することができるであろう。従って、上記の実施形態は単に例証として提示されており、本発明の実施形態は、添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内で、具体的に記載され特許請求されたものとは別の方法で実施できることを理解すべきである。本開示の発明の実施形態は、本明細書に記載される個々の特徴、システム、製品、材料、キット及び／又は方法に向けられている。これに加えて、このような特徴、システム、製品、材料、キット及び／又は方法が互いに矛盾していない場合、２つ以上のこのような特徴、システム、製品、材料、キット及び／又は方法の何れかの組み合わせは、本開示の発明の範囲内に含まれる。
【００４５】
最良の形態を含む実施例を用いて実施形態を開示し、更に、あらゆる当業者があらゆるデバイス又はシステムを実施及び利用すること及びあらゆる包含の方法を実施することを含む、本発明の装置及び／又は方法を実施することを可能にする。これらの実施例は、網羅的なものではなく、或いは、開示された厳密なステップ及び／又は形態に本開示を限定することを意図するものではなく、上述の教示に照らして多くの修正形態及び変形形態が実施可能である。本明細書で記載される特徴要素は、どのようにも組み合わせることができる。本明細書で記載される方法のステップは、物理的に実施可能なあらゆる順序で実施することができる。
【００４６】
本明細書で定義され使用される全ての定義は、辞書の定義、引用により組み込まれる文献における定義、及び／又は定義される用語の通常の意味に対して規定していると理解すべきである。本明細書及び特許請求の範囲において使用される不定冠詞「ａ」及び「ａｎ」は、明示的にそうでないことを示していない限り、「少なくとも１つ」を意味するものと理解されたい。本明細書及び特許請求の範囲において使用される表現「及び／又は」は、そのように結合された要素の「何れか又は両方」、すなわちある場合では結合的に存在し、他の場合では選言的に存在する要素を意味するものと理解すべきである。
【００４７】
また、そうでないと明確に示されていない限り、１つよりも多いステップ又は行為を含む請求項に記載される何れの方法においても、本方法のステップ又は行為の順番は、方法のステップ又は行為が記載される順番に必ずしも限定されない点を理解されたい。
【００４８】
請求項並びに上述の明細書において、「備える」、「含む」、「担持する」、「有する」、「包含する」、「伴う」、「保持する」、「〜から構成される」などの全ての移行句は、オープンエンドであり、すなわちこれらを含むが限定されないことを意味するものと理解すべきである。
【符号の説明】
【００４９】
３０  スピナコーン
３２  側壁
３４  軸線
３６  第１の端部
３８  後端
４０  空力特徴要素
【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】
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