(57)【要約】  複合的な構成要素を製造するためのツール１０、６０であって、ツール１０、６０は、繊維強化プラスチックで構成され、複合的な構成要素のレイアップ表面１４を規定し、レイアップ表面１４から表皮１２の対向表面まで延びる複数の通路２０を備える表皮１２と、表皮１２との間にキャビティを規定し、前記表皮に固定されたバッキングと、キャビティ３２内に配置され、通路２０と流体連通する気体透過性材料２２を備える支持コア１６と、気体透過性材料２２と流体連通するようにバッキング１８を介して延在する導管３０と、を有する。
2020515435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合的な構成要素を製造するためのツールであって、
繊維強化プラスチックで構成され、複合的な構成要素のレイアップ表面を規定し、前記レイアップ表面から表皮の対向表面まで延びる複数の通路を備える前記表皮と、
前記表皮との間にキャビティを規定し、前記表皮に固定されたバッキングと、
キャビティ内に配置され、前記通路と流体連通する気体透過性材料を備える支持コアと、
前記気体透過性材料と流体連通するように前記バッキングを介して延在する導管と、を有するツール。
【請求項２】
前記支持コアが、前記気体透過性材料と前記バッキングとの間に配置されたバリア層を備える、請求項１に記載のツール。
【請求項３】
前記支持コアが、気体透過性膜と前記バッキングとの間の前記気体透過性膜と流体連通するポートを含み、前記ポートが前記導管と流体連通する、請求項１または２に記載のツール。
【請求項４】
前記導管に流体的に結合された、低圧装置または真空装置をさらに備える、請求項１〜３のいずれか一項に記載のツール。
【請求項５】
前記バッキングは、前記表皮と一体的に形成されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のツール。
【請求項６】
前記バッキングの少なくとも一部が、前記表皮に直接結合されている、請求項１〜５のいずれか一項に記載のツール。
【請求項７】
前記表皮と前記バッキングとの間に複数の前記キャビティがあり、複数の支持コアの各々が、それぞれの前記キャビティに配置されている、請求項１〜６のいずれか一項に記載のツール。
【請求項８】
複数の前記バッキングがあり、前記バッキングの各々が、前記キャビティのそれぞれに関連付けられる、請求項６または請求項７に記載のツール。
【請求項９】
それぞれの前記キャビティまたは前記キャビティのサブセットを低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するように構成されたコントローラを備える、請求項４に従属する請求項７または請求項８に記載のツール。
【請求項１０】
支持構造体と、
前記支持構造体に取り付けられた請求項１〜９のいずれか一項に記載の１つ以上のツールと、を備えるツールアセンブリ。
【請求項１１】
１つまたは複数のツールに対応するそれぞれのキャビティまたはサブセットをツールアセンブリの低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するように構成されたコントローラを備える請求項１０に記載のツールアセンブリ。
【請求項１２】
形態がマンドレルである、請求項１０または請求項１１に記載のツールアセンブリ。
【請求項１３】
複数の前記ツールが、前記マンドレルの周囲に実質的に連続したレイアップ表面を形成する、請求項１２に記載のツールアセンブリ。
【請求項１４】
複合的な構成要素のプリフォーム上に適用するための真空包装装置をさらに備える、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のツールまたはツールアセンブリ。
【請求項１５】
複合的な構成要素をレイアップするためのツールを製造する方法であって、
マスターに繊維強化材料を適用して前記ツールの表皮を形成し、
前記表皮の上に気体透過性材料の層を含む支持コアを適用し、
前記支持コア上に前記繊維強化材料を適用して前記ツールのバッキングを形成し、
前記表皮と前記バッキングとの間にキャビティを形成し、前記キャビティ内に前記支持コアが配置され、
少なくとも前記バッキングの前記繊維強化材料を圧縮下で硬化させ、前記キャビティが前記支持コアに適用することを含む、方法。
【請求項１６】
前記支持コアの適用が、前記気体透過性材料と前記バッキングとの間にバリア層が配置されるように、前記気体透過性材料上にバリア層を適用することを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記支持コアの適用が、前記気体透過性材料を通して気体を引き込むために前記気体透過性材料上にポートを適用することを含み、
前記ポートは、前記バッキングを通して延びる導管と流体連通するように構成される、請求項１５または請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記ポートが前記導管内に一体的に形成される、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記キャビティと前記表皮の反対側の表面との間の流体連通を提供するために、前記表皮を通る複数の通路を形成することをさらに含む、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２０】
前記バッキングの前記繊維強化材料を硬化する前に、および／または前記表皮上に前記支持コアを適用する前に、前記表皮を形成する前記繊維強化材料を硬化することをさらに含む、請求項１５〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記表皮を形成する前記繊維強化材料を硬化させた後、前記バッキングの前記繊維強化材料を硬化させる前、および／または前記表皮上に前記支持コアを適用する前に、前記表皮を通る通路を形成する、請求項１９または請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
ポートを低圧装置または真空装置に流体的に結合することをさらに含む、請求項１５〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
ツールアセンブリを形成するために前記ツールを支持構造体に取り付けることをさらに含む、請求項１５〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
前記バッキングの少なくとも一部が前記表皮に直接適用されるように、前記バッキングの前記繊維強化材料が適用される、請求項１５〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記繊維強化材料が、前記表皮と前記バッキングとの間に複数の前記キャビティを形成するために適用され、
複数の前記支持コアの各々が、前記キャビティに対応する前記表皮上に適用される、請求項１５〜２４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２６】
前記繊維強化材料が各支持コア上に適用され、複数のバッキングの各々を形成し、バッキングの各々が前記キャビティのそれぞれに関連付けられる、請求項２４および請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記ツールは、ツールアセンブリを形成するために支持構造に取り付けられる複数の前記ツールの１つである、請求項２３に従属する請求項１５〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
前記ツールアセンブリの形態がマンドレルである、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
それぞれのキャビティまたはキャビティのサブセットを、低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するコントローラを提供するステップをさらに含む、請求項２２に従属する請求項２５〜２８のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合的な構成要素を製造するためのツールおよびツールの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合的な構成要素は、高い剛性や軽さなどの望ましい材料特性を組み合わせることができるため、航空宇宙産業などの先進産業において益々使用されている。
【０００３】
複合的な構成要素は、通常、ツールまたはマンドレル上に繊維強化材料の層をレイアップして構成要素のプリフォームを提供し、温度および／または圧力を管理してプリフォームを形成および硬化して、構成要素を製造することによって形成される。
【０００４】
たとえば、硬化手順中に、プリフォームをツールで圧縮することが知られている。プリフォームは密閉された成形ツールで圧縮されるか、プリフォームに低圧装置または真空装置と結合した真空バッグを適用して、当該バッグを通してプリフォームに圧力を作用させる。
【０００５】
本発明は、複合的な構成要素を製造するための改善されたツールを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の第１の態様によれば、複合的な構成要素を製造するためのツールであって、繊維強化プラスチックで構成され、複合的な構成要素のレイアップ表面を規定し、レイアップ表面から表皮の対向表面まで延びる複数の通路を備える表皮と、表皮との間にキャビティを規定し、表皮に固定されたバッキングと、キャビティ内に配置され、通路と流体連通する気体透過性材料を含む支持コアと、気体透過性材料と流体連通するようにバッキングを介して延在する導管と、を有するツールが提供される。
【０００７】
支持コアは、気体透過性材料とバッキングとの間に配置されたバリア層を含んでもよい。バリア層は、基材がレイアップおよび／または硬化するときに基材から気体透過性膜に基材材料（例えば樹脂）が流れることを防ぐように構成されてもよい。バリア層は剥離ライナーを含んでもよい。バリア層は穿孔されていなくてもよい。
【０００８】
支持コアは、気体透過性膜とバッキングとの間の気体透過性膜と流体連通するポートを含んでもよく、ポートは導管と流体連通してもよい。
【０００９】
ツールは、導管に流体的に結合された低圧装置または真空装置をさらに備えてもよい。
【００１０】
バッキングは、表皮と一体的に形成されてもよい。バッキングは、それらが一緒に結合されるように、表皮上に少なくとも部分的に直接積層されることによって、表皮と一体的に形成されてもよい。バッキングは、表皮とバッキングを重ね合わせて一緒に硬化させることによって、表皮と一体的に形成されてもよい。あるいは、バッキングは、表皮に接着剤で結合されてもいてもよく、反対に固定されていてもよい。
【００１１】
バッキングの少なくとも一部は、表皮に直接結合されていてもよい。例えば、バッキングは、予備硬化された表皮のマージン部分にバッキングを直接重ねることによって、表皮に接着されてもいてもよい。あるいは、バッキングと表皮との間に接着剤が塗布されていてもよい。
【００１２】
表皮とバッキングとの間に複数のキャビティがあってもよく、複数の支持コアの各々は、それぞれのキャビティに配置されていてもよい。複数のバッキングがあってもよく、バッキングの各々が、キャビティのそれぞれに関連付けられていてもよい。
【００１３】
ツールは、それぞれのキャビティまたはキャビティのサブセットを低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するように構成されたコントローラをさらに備えてもよい。
【００１４】
本発明の第２の態様によれば、支持構造体と、支持構造体に取り付けられた前述した１つ以上のツールと、を備えるツールアセンブリが提供される。ツールアセンブリは、ツールのそれぞれのキャビティまたはキャビティのサブセットをツールアセンブリの低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するように構成されたコントローラを備えてもよい。ツールアセンブリは、低圧装置または真空装置をさらに備えてもよい。
【００１５】
ツールアセンブリの形態は、マンドレルであってもよい。アセンブリにおける複数のツールは、マンドレルの周囲に実質的に連続したレイアップ表面を形成してもよい。
【００１６】
本発明の第１の態様によるツール、または本発明の第２の態様によるツールアセンブリは、複合的な構成要素のプリフォーム上に適用するための真空包装装置をさらに備えてもよい。
【００１７】
本発明の第３の態様によれば、複合的な構成要素をレイアップするためのツールを製造する方法が提供される。該方法は、マスター上に繊維強化材料を適用してツールの表皮を形成すること、表皮の上に気体透過性材料の層を備える支持コアを適用すること、支持コア上に繊維強化材料を適用してツールのバッキングを形成すること、表皮とバッキングとの間にキャビティを形成し、キャビティ内に支持コアが配置されること、少なくともバッキングの繊維強化材料を圧縮下で硬化させ、キャビティが支持コアに適用すること、を含む。
【００１８】
表皮は、複合的な構成要素のレイアップ表面を有していてもよい。マスターはマスターツールとして知られている。繊維強化材料は、キャビティの形状が支持コアの形状に適用するように、圧縮下で硬化させられてもよい。バッキングおよび／または支持コアは、圧縮下での硬化中に変形する場合があり、表皮は圧縮下での硬化中に変形することがある。
【００１９】
繊維強化材料は、支持コアの対応するたわみや変形をなしにツールの表皮をたわませることができないような使用状態において、キャビティの壁（少なくとも表皮によって規定される壁）と支持コアとの間に実質的に連続した界面が存在するように、圧縮下で硬化してもよい。言い換えれば、支持コアは、ツールの表皮を支持し、表皮の崩れまたは変形を防ぐことができる。支持コアは、バッキングと表皮との間の耐荷重体として作用してもよく、支持コアとキャビティの壁との間に実質的に連続した耐荷重界面が存在してもよい。言い換えれば、少なくとも表皮と、支持コアによって規定されるキャビティの壁との間に隙間がない場合があり、バッキングと、支持コアによって規定されるキャビティの壁との間に隙間がない場合がある。
【００２０】
支持コアの適用は、気体透過性材料とバッキングとの間にバリア層が配置されるように、気体透過性材料上にバリア層を適用することを含んでもよい。支持コアの適用は、気体透過性材料を通して気体を引き込むために気体透過性材料上にポートを適用することを含んでもよく、ポートは、使用中にバッキングを通して延びる導管と流体連通するように構成される。ポートは、導管内に一体的に形成されてもよい。
【００２１】
バリア層が適用される場合、バリア層は、気体透過性材料の上、および少なくとも部分的にポートの上に適用されてもよい。バリア層は、導管の開口部を残すように適用されてもよい。あるいは、バリア層が適用された後に、導管の開口部が続いてバリア層に形成されてもよい。バッキングは、支持体上および導管の周囲に繊維強化材料を適用することによって形成されてもよい。
【００２２】
当該方法は、表皮を通る複数の通路を形成して、キャビティと表皮の反対側の表面との間に流体連通を提供することをさらに含み得る。表皮が複合的な構成要素をレイアップするためのレイアップ表面を規定する場合、キャビティに関して反対側の表面はレイアップ表面を含んでもよい。
【００２３】
当該方法は、背部の繊維強化材料を硬化する前、および／または表皮上に支持コアを適用する前に、表皮を形成する繊維強化材料を硬化することをさらに含んでもよい。表皮を通る通路は、表皮を形成する繊維強化材料を硬化させた後、バッキングの繊維強化材料を硬化させる前、および／または支持コアを表皮に適用する前に形成されてもよい。
【００２４】
当該方法は、ポートを低圧装置または真空装置に流体的に結合することをさらに含んでもよい。
【００２５】
バッキングの少なくとも一部が表皮に直接適用されるように、バッキングの繊維強化材料が適用されてもよい。
【００２６】
繊維強化材料が表皮とバッキングとの間に複数のキャビティを形成するために適用され、複数の支持コアの各々は、キャビティに対応する表皮上に適用されてもよい。繊維強化材料が各支持コア上に適用され、複数のバッキングの各々を形成し、バッキングの各々がキャビティのそれぞれに関連付けられていてもよい。
【００２７】
当該方法は、ツールを支持構造上に取り付けてツールアセンブリを形成することをさらに備えることができる。ツールは、ツールアセンブリを形成するために支持構造に取り付けられた複数のツールの１つであってもよい。ツールアセンブリは、マンドレルの形態であってもよい。
【００２８】
当該方法は、それぞれのキャビティまたはキャビティのサブセットを低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するコントローラを提供することをさらに含んでもよい。
【００２９】
本発明は、添付した図面を参照して、例によって説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】複合的な構成要素を製造するためのツールを概略的に示す断面図である。
【図２】図１に示すツールの使用状態を示す概略図である。
【図３】図１に示すツールの製造過程における表皮を示す概略図である。
【図４】図１に示すツールの製造過程を示す概略図である。
【図５】ツールアセンブリを模式的に示す断面図である。
【００３１】
図１は、表皮１２、支持コア１６、およびバッキング１８を備える複合的な構成要素のツール１０を示す。本実施形態では、ツール１０は、ガスタービンエンジン用の複合ファンブレードを形成するためのものである。
【００３２】
表皮１２は、複合的な構成要素を形成するために繊維強化材料をレイアップし、ツール１０の露出側にレイアップ表面１４を規定する。本実施形態では、レイアップ表面１４は実質的に平面であるが、他の実施形態では、レイアップ表面は、例えば凹面領域および凸面領域を有しており、構成要素を形成するための任意の適切な形状であり得る。
【００３３】
表皮１２には、レイアップ表面から支持コア１６に隣接する表皮の表側に表皮１２を通って延びる複数の吸引通路２０が穿孔されている。本実施形態では、通路は約１．５ｍｍの厚さである。この設定は、吸引を適用し、剥離シートを通路２０内に偏向させることなく、（後述する）レイアップ表面１４上に剥離シートを保持するためには十分である。通路２０は、２Ｄグリッドで約２５ｍｍのピッチでレイアップ表面１４上に間隔を空けて配置されている（すなわち、行方向と列方向に分布している）。
【００３４】
本実施形態では、表皮１２は約８ｍｍの厚さであり、レイアップ表面１４は約１，２５０ｍｍ×７５０ｍｍの寸法を有する（図示省略）。表皮１２は、繊維強化プラスチックで構成されており、以下において詳細に説明するように製造される。
【００３５】
支持コア１６は、支持コア１６が通路２０と流体連通するように、レイアップ表面１４の反対側で表皮１２の下に配置される。支持コア１６は、表皮１２とバッキング１８とによって規定されるキャビティに囲まれている。
【００３６】
本実施形態では、支持コア１６は、気体透過性層２２、バリア層２４、およびポート２６を備える。
【００３７】
気体透過性層２２は、メッシュまたはセル構造を有する耐破砕性材料を備える。適切な材料としては、樹脂注入に日常的に使用されるものが含まれる。樹脂は、繊維強化プリフォーム上のメッシュ状に注入され、プリフォームの表面上に均等に分布している。この特定の実施形態では、気体透過性層２２は、ダイヤモンドパターンメッシュに形成されたＬＤＰＥ（低密度ポリエチレン）などの不織プラスチック材料によって構成される。本実施形態では、気体透過性層２２は約３ｍｍの厚さであるが、他の実施形態では、１ｍｍまたは０．５ｍｍなど、より薄い厚さであってもよい。気体透過性層２２は、通路２０のそれぞれに対して配置され、表皮１２の下側（すなわち、レイアップ表面１４に対して表側）の周囲にマージンを残すことができるようなサイズに設定されている。言い換えれば、気体透過性層は、表皮１２よりも小さい平面範囲（すなわち、表皮（図示省略）の縦方向および横方向）を有し、表皮１２の下側の周囲にバッキング１８と結合するためのマージンが存在する。本実施形態では、気体透過性層は、縦方向および横方向の寸法がそれぞれ１２００ｍｍおよび７００ｍｍである。
【００３８】
気体透過性層２２の圧縮強度は、使用中に導管３０に低圧または真空が加えられて表皮１２およびバッキング１８を通して圧縮力が加えられる場合、バッキング１８の圧縮強度より大きくてもよく、気体透過性層２２は、バッキング１８および／または表皮１２のたわみによる圧縮に耐えることができる。さらに、バッキング１８は、表皮１２よりも薄く、表皮１２よりも柔軟であってもよい。その結果、万が一に過度の圧縮荷重が発生した場合、バッキング１８は表皮１２よりも優先してたわみ得るため、表皮１２のレイアップ表面のプロファイルはたわまない。気体透過性層２２の圧縮強度がバッキング１８をたわませるために必要な強度（すなわち、バッキング１８の圧縮強度）よりも大きい場合、バッキング１８の表皮１２へのあらゆるたわみは、孔２０が塞がれることを防ぐために、気体透過性層２２によって抵抗され得る。気体透過性層２２の圧縮強度は、１気圧の圧力差に対応する圧縮荷重のような低圧源または真空源が導管３０に結合される場合において、通常の作動圧縮荷重下でのたわみに抵抗するために十分であり得る。
【００３９】
ポート２６は、気体透過性層２２の下面側（すなわち、気体透過性層２２とバッキング１８との間）であって、支持コア１６内に設けられている。本実施形態では、ポートは、気体透過性層に隣接する広い口部と、（後述するように）バッキング１８を通って延びる導管３０と連通する後壁２９に設けられた、比較的狭域で対向する開口部２８と、を有する、低長であって実質的に円筒形のダクトである。本実施形態では、ポート２６は約４０ｍｍの外径を有するが、気体透過性層２２の複数の隙間（すなわち空間）との流体連通を確立するために十分な、任意の直径であればよい。気体透過性層２２と組み合わせたポート２６は、通路２０のそれぞれと導管３０との間の流体連通を可能にし、以下で詳細に説明するように、低圧装置または真空装置５４を導管３０に適用することによって、通路２０を通して気体を引き込むことができる。
【００４０】
バリア層２４は、気体透過性層とポート２６との間にバリア層２４が配置されないように、気体透過性層２２の下側（すなわち、表皮１２に面する側に対して気体透過性層２２の表側）およびポート２６の上に配置されている。また、バリア層２４は、気体透過性層２２とバッキング１８との間にバリアを形成するために、支持コア１６の側面の周囲に延びている。バリア層２４は、フルオロポリマーフィルムといったポリマーフィルムなどの非多孔質（例えば、非穿孔）のシート材料から形成される。剥離ライナーとして一般的に使用される材料は、バリア層としての使用に適している場合があり得る。
【００４１】
バッキング１８は、バッキング１８の縁部領域が表皮１２の下側のマージン領域（すなわち、支持コア１６がない領域）に接するように、支持コア１６上に形成された繊維強化プラスチックによって構成される。したがって、バッキング１８および表皮１２は、支持コア１６を覆う、支持コア１６のためのキャビティ３２を規定する。
【００４２】
表皮１２およびバッキング１８は、支持コア１６とキャビティ３２の壁との間に連続的な耐荷重界面が存在するように構成されている。したがって、表皮１２に加えられた荷重は、支持コア１６およびバッキング１８を通して伝達され抵抗される。気体透過性層２２の隙間およびポート２６の円筒状境界内の隙間は別として、キャビティの壁（すなわち、表皮１２およびバッキング１８の内壁）と支持コア１６との間には実質的に隙間がない。したがって、支持コア１６およびバッキング１８の対応する変形またはたわみなしに、表皮１２が変形またはたわむことは不可能である。特に、支持コア１６の圧縮強度は十分に高く、ツール１０全体の圧縮強度は、支持コア１６が取り外された場合よりも大きくなる。さらに、表皮１２と支持コア１６との間には実質的に隙間がないため、使用状態において、表皮１２は、支持コア１６によって支持されていないそのような隙間に対してたわむことができない。対照的に、表皮１２は、支持コア１６によって支持されており、圧縮荷重および対応するたわみに抵抗するように、バッキング１８と表皮１２との間に作用する。
【００４３】
導管３０は、ポート２６の裏側の開口部２８からバッキング１８を通って延びており、通路２０、気体透過性層２２、ポート２６および導管３０を通して気体を引き出すために、気体ポンプまたは真空ポンプなどの低圧装置または真空装置５４に結合することができる。
【００４４】
ツール１０は、結合された低圧装置または真空装置、および／またはポート２６と低圧装置または真空装置との間の流体連通を制御するためのコントローラに結合されていてもよく、または提供されてもよい。この特定の実施形態では、導管は、制御バルブ５２を介して真空装置５４に結合され、コントローラ５０は、導管３０（およびポート２６など）を真空装置５４と流体的に結合および分離するように動作する。
【００４５】
次に、図２を参照して、例えばツール１０を使用したレイアップ手順を説明する。ツール１０は、レイアップ処置のために提供され、この例では穿孔されていない表皮１２のレイアップ表面１４上に剥離シート３３を配置することによって準備される。コントローラ５０が制御バルブ５２を開いてポート２６を低圧装置または真空装置５４と流体連通させるとき、気体が通路２０、気体透過性層２２、ポート２６および導管３０を通して引き込まれるように、剥離シート３３はツール１０に対して保持される。通路２０は、剥離シート３３上の圧力差が剥離シート３３をツール１０に対してしっかりと保持することに対して十分であるように、適切なサイズに決定される。しかし、剥離シート３３が通路２０自身の内部に引き込まれないことによって、剥離シート３３の表面が変形する可能性がある。
【００４６】
続いて、構成要素のプリフォーム３４は、プリプレグ繊維強化材料を剥離シート３３に適用することによって、ツール１０上に配置される。このとき、任意の適切なレイアップ機器が使用できるが、例えば、自動繊維配置（ＡＦＰ）によってアプリケーターヘッド（図示省略）を駆動して繊維強化材料を配置する。
【００４７】
レイアップ後、シーラントテープ３６がプリフォーム３４の周囲のレイアップ表面１４に適用され、真空バッグ（または膜）３８がプリフォーム３４のおよびシーラントテープ３６上に適用され、ツール１０、真空バッグ３８およびプリフォーム３４の間でプリフォーム３４を囲む。他の実施形態では、ツール１０は、結合された真空包装装置を備えていてもよい。
【００４８】
続いて、コントローラは、例えば真空バッグ３８の１つまたはポートを通して、または剥離シート３３によって覆われていない開口部を有する表皮の補助通路（図示省略）を通して、プリフォームに低圧または真空を適用する。このような補助通路は、表皮を貫通して延び、低圧装置または真空装置に結合されてもよく、これは、導管３０に結合されるものと同様または異なる低圧装置または真空装置であってもよい。同様に、低圧装置または真空装置は、真空バッグ３８内に低圧または真空を適用するために、１つまたは複数のポートに結合されてもよく、これは、導管３０に結合されるものと同様または異なる低圧装置または真空装置であってもよい。これにより、周囲の圧力（例えば、大気圧）とプリフォーム３４に作用する低圧または真空圧との差に対応する圧力差が生じる。ツールは、直接的に（例えば、バッキング１８に結合された加熱要素によって）または間接的に（例えば、オーブンまたはオートクレーブ内で）加熱されてもよい。温度と圧力の組み合わせにより、プリフォーム３４は、繊維強化材料とマトリックス材料との間の小さな隙間が除去されるデバルキング操作を受ける。
【００４９】
デバルキングが完了すると、真空バッグ３８は取り外され、デバルキングされた構成要素がツール１０から取り外される。本実施形態では、デバルキングされた構成要素は他の手順によって硬化される。剥離シート３３は、剥離シート３３からデバルキングされた構成要素を容易に引き出すことを可能にし、構成要素からの樹脂がレイアップ表面１４と結合することを防ぐ非粘着特性を有する。したがって、構成要素は、取り外しツールを使用したり構成要素を変形させる可能性のある力を加えたりせずに取り外すことができる。
【００５０】
次に、図３を参照して、ツール１０を製造する方法を例として説明する。図３に示されるように、ツール１０を製造するためのマスターツール４０が提供される。本実施形態では、マスターツール４０はアルミニウムで構成され、表皮１２のレイアップ表面１４に対応するレイアップ表面を規定する。繊維強化材料がマスターツール４０に適用されると、表皮１２のプリフォームが形成される。続いて、真空バッグ４２およびシーラントテープ４４を備える真空包装装置をマスターツールに適用し、表皮１２を高温および任意の圧力にかけることによって、表皮１２をマスターツール４０上で硬化させる。本実施形態では、表皮１２を硬化させるための真空バッグには、低圧装置または真空装置（図示省略）に連結するためのポートが設けられているが、他の実施形態では、マスターツール４０に穿孔されたレイアップ表面を設けてもよく、真空装置または低圧装置を上記と同様の方法でマスターツールを通して結合してもよい。
【００５１】
一旦硬化すると、表皮１２はマスターから取り除かれ、２５ｍｍのピッチで１．５ｍｍの孔のマトリックスを形成するための穿孔によって表皮１２に通路２０が形成される。続いて、図４に示すように、表皮１２をツールマスターに戻し、支持コア１６を表皮１２の下側表面（すなわち、レイアップ表面１４に対して表側）に適用する。気体透過性層２２は、表皮１２の上に配置される。続いて、一体化された導管３０を備えたポート２６は、ポート２６の広い口部が気体透過性層２２に隣接するように、気体透過性層２２上に配置される。バリア層２４は、気体透過性層２２およびポート２６の下面上および導管３０の周囲に適用される。最後に、繊維強化材料が表皮１２およびバリア層２４の上（および導管３０の周囲）に適用されて、バッキング１８を形成する。支持コア１６は、バッキング１８の繊維強化材料が部分的に配置される表皮１２の下側表面のマージン部分を残すようにサイズが決定されている。これにより、バッキング１８と（一度硬化した）表皮１２との間の直接的な構造的接続が可能になる。
【００５２】
シールテープ４８および真空バッグ４６は、表皮１２のマージン部分およびバッキング１８の上に適用され、真空装置または低圧装置が当該バッグのポートに結合されて、ツール１０にマスターツール４０に対する圧縮力を加える。さらに、繊維強化材料１８は、（例えば、ツール１０上に配置された赤外線ヒーターなどの放射ヒーターを使用して）高温に加熱される。したがって、バッキング１８の繊維強化材料は、支持コア１６および表皮１２に対して圧縮および硬化される。
【００５３】
他の実施形態では、バッキング１８の繊維強化材料は、例えば、マスターツール４０の一体型ヒーターや、表皮１および支持コア１６を介した伝導により、直接加熱されてもよい。
【００５４】
繊維強化材料は、温度と圧縮力が高い硬化の最初の段階では比較的柔軟である。したがって、バッキング１８は変形し、支持コア１６の形状に適用する。さらに、支持コア１６は、表皮１２の形状に適用するように比較的柔軟であってもよい。したがって、支持コア１６と、表皮１２およびバッキング１８によって規定される壁との間の隙間は、圧縮硬化中に除去され、その結果、支持コア１６と、表皮１２およびバッキング１８との間に実質的に連続する耐荷重界面が存在する。その結果、バッキング１８が硬化すると、表皮１２およびバッキング１８によって規定される支持コア１６のためのキャビティは、支持コア１６の周囲に正確に適用する。したがって、当該キャビティは、可能な限り小さい。そのため、表皮１２は、支持コア１６によって支持され、支持コア１６および／またはバッキング１８の対応する変形またはたわみなしに、圧縮によってたわむまたは変形することはできない。バリア層２４は、気体透過性層および／または通路２０の隙間を塞ぐ可能性があるプリプレグ繊維強化材料からの樹脂が気体透過性層２２に移動することを防ぐ。
【００５５】
図５は、ツール６０の他の実施形態を示す。ツール６０は、複数の支持コア１６の各々を有し、支持コア１６上に配置されたバッキング１８がコアを互いに流体的に隔離するという点で、上述したツール１０とは異なる。図５に示すように、表皮１２の通路２０は、それぞれの支持コア１６と位置が合わせされており、表皮１２のマージン部分は、支持コア１６との間の空間に規定される。
【００５６】
対応する複数のバリア層２４、ポート２６、および導管３０も有している。この実施形態では、各導管３０はそれぞれの流体ライン６６に結合され、それぞれが制御バルブ（図示省略）の各々に結合される。そのため、コントローラ（図示省略）は、各流体ラインを低圧装置または真空装置に選択的に流体結合することができる。したがって、コントローラを使用して、レイアップ表面１４の複数の区域の各々のどれが、個々の下にある支持コア１６および関連する通路２０に対応して吸引されるかを選択することができる。これは、レイアップ手順の準備として剥離シート３３を適用する場合に特に有用であり得る。剥離シート３３は、低圧装置または真空装置に流体的に結合されるため、第１区域およびその後に連続する区域にわたって平滑にしたり、適用したりすることができる。これは、剥離シート３３にしわが付かないようにするのに役立ち得る。
【００５７】
ツール６０は、バッキング１８の下に配置され、バッキング１８、支持コア１６、および表皮１２を支持するように配置された支持構造６２をさらに備える。支持構造６２は、ベース支持体６４と、ベース支持体６４からバッキング１８まで延びる複数の支持アーム６６と、を備える。この実施形態では、支持アーム６６は、それぞれの支持コア１６との間の空間に対応する位置でバッキングに固定される。これにより、表皮１２およびバッキング１８のマージン部分を介して支持アーム６６に構造荷重を局所的に直接伝達することができる（すなわち、荷重がその領域に介在する支持コアを通過することはない）。この実施形態では、支持構造６２は、炭素繊維強化プラスチック（ＣＦＲＰ）のビーム（束）で構成されるが、他の実施形態では、ステンレス鋼または他の複合材料などの他の材料で構成されてもよい。
【００５８】
ツール６０は、図５において模式図として示されるように、任意の数の支持コアを備えることができる。
【００５９】
さらに、他の実施形態では、ツール６０は、ツール１０の個々のレイアップ表面１４が実質的に連続したレイアップ表面を規定するように、支持構造６２上に組み立てられたツール１０のアセンブリとして形成され得る。さらに、そのようなツールアセンブリは、マンドレルの形状に対応する内部キャビティを備えた単一体を形成するようにマンドレルの周囲において円周方向に延びる、プリフォームを受け入れるために適したマンドレルを規定するように組み立てられてもよい。
【００６０】
真空テーブルなどのツールの通路に対して低圧または真空を適用することは知られているが、そのような配置では通常、ツールの下にプレナムチャンバーまたは真空チャンバーが必要である。そのため、ツールは、通常扱いにくく、頑丈になってしまう。さらに、ツールの表面は、低圧装置または真空装置によって加えられる圧力に対応するために十分な強度を備えていなければならない。
【００６１】
複合的な構成要素を形成するためのツールは、多くの場合、固形体のレイアップまたは形成面を提供するために金属から製造される。そのため、ツールは、通常重く、操作が困難である。したがって、真空テーブルタイプのツールは特に重く、扱いにくい。
【００６２】
本発明は、主に複合材料（すなわち、繊維強化プラスチック）で製造された軽量ツールを提供する。さらに、本発明は、表皮の下に気体透過性層を設けることにより、真空チャンバーまたはプレナムチャンバーの必要性を除去する。気体透過性層が表皮とバッキングの間に配置されているため、これにより、バッキングと表皮との間に支持構造を定義することができ、使用状態においてツールに加えられる圧力負荷に対応しながら表皮を比較的薄く設定することができる。したがって、ツールは軽量であるとともに、複合的な構成要素の製造中において、例えば剥離シートを保持するためのレイアップ中、およびデバルキング操作中に対して、低圧または真空が適用されるための十分な強度を有することができる。
【００６３】
軽量のツールを使用する場合、多くの利点が得られる。特に、自動化された複合レイアップ手順では、ツールはしばしば操作（例えば、回転）される。重いツールは、必要な機器の強度またはツールを操作できる速度のいずれかの観点から、ツールを操作する際に課題を生じさせる可能性がある。さらに、ツールはワークショップまたは製造環境内でステーションからステーションに移動することが多く、時には手動によって移動させる。したがって、ツールは軽量であることが望ましい。
【００６４】
本発明の実施形態は、複合的な構成要素のプリフォームをレイアップするためのツールに関して説明されてきたが、他の実施形態では、ツールは、受け取り、デバルキングおよび／またはプリフォームの硬化のためにそれぞれ使用することでき、この場合、プリフォームをレイアップするために他のツールを使用することができる。
【００６５】
また、柔軟な真空バッグまたは膜が形成およびデバルキングのためにツール上のプリフォームに配置されるツールの使用例が説明されたが、他の実施形態では、再利用可能な真空バッグが使用され得る。特に、再利用可能な真空バッグが提供されてもよく、ツールに対してシールされ得る繊維強化プラスチック（すなわち複合材料）のフレームに結合されていてもよい。再利用可能な真空バッグは、製造される構成要素の所望のプロファイル（または形状）に対応するように事前に形成され、それにより、所望の形状の構成要素が確実に形成される。複合フレームが使用される場合、複合フレームには、ツールのレイアップ表面、またはツールの代替支持表面上に押し下げられたときに気体および真空気密シールを作成できるシリコンシールなどの、シールが提供されてもよい。真空バッグは、シリコンで構成されていてもよい。
【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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【手続補正書】
【提出日】令和1年12月9日(2019.12.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合的な構成要素を製造するためのツールであって、
繊維強化プラスチックで構成され、複合的な構成要素のレイアップ表面を規定し、前記レイアップ表面から表皮の対向表面まで延びる複数の通路を備える前記表皮と、
前記表皮との間にキャビティを規定し、前記表皮に固定されたバッキングと、
キャビティ内に配置され、前記通路と流体連通する気体透過性材料を備える支持コアと、
前記気体透過性材料と流体連通するように前記バッキングを介して延在する導管と、を有するツール。
【請求項２】
前記支持コアが、前記気体透過性材料と前記バッキングとの間に配置されたバリア層を備える、請求項１に記載のツール。
【請求項３】
前記支持コアが、気体透過性膜と前記バッキングとの間の前記気体透過性膜と流体連通するポートを含み、前記ポートが前記導管と流体連通する、請求項１または２に記載のツール。
【請求項４】
前記バッキングは、前記表皮と一体的に形成されている、請求項１〜３のいずれか一項に記載のツール。
【請求項５】
前記バッキングの少なくとも一部が、前記表皮に直接結合されている、請求項１〜４のいずれか一項に記載のツール。
【請求項６】
前記表皮と前記バッキングとの間に複数の前記キャビティがあり、複数の支持コアの各々が、それぞれの前記キャビティに配置され、
場合により、複数の前記バッキングがあり、前記バッキングの各々が、前記キャビティのそれぞれに関連付けられる、請求項１〜５のいずれか一項に記載のツール。
【請求項７】
それぞれの前記キャビティまたは前記キャビティのサブセットを低圧装置または真空装置に選択的に流体結合するように構成されたコントローラを備える、請求項６に記載のツール。
【請求項８】
支持構造体と、
前記支持構造体に取り付けられた請求項１〜７のいずれか一項に記載の１つ以上のツールと、を備えるツールアセンブリ。
【請求項９】
形態がマンドレルであり、
場合により、複数の前記ツールが、前記マンドレルの周囲に実質的に連続したレイアップ表面を形成する、請求項８に記載のツールアセンブリ。
【請求項１０】
複合的な構成要素をレイアップするためのツールを製造する方法であって、
マスターに繊維強化材料を適用して前記ツールの表皮を形成し、
前記表皮の上に気体透過性材料の層を含む支持コアを適用し、
前記支持コア上に前記繊維強化材料を適用して前記ツールのバッキングを形成し、
前記表皮と前記バッキングとの間にキャビティを形成し、前記キャビティ内に前記支持コアが配置され、
少なくとも前記バッキングの前記繊維強化材料を圧縮下で硬化させ、前記キャビティが前記支持コアに適用することを含む、方法。
【請求項１１】
請求項１〜７のいずれかに記載のツールを提供するための請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記支持コアの適用が、前記気体透過性材料を通して気体を引き込むために前記気体透過性材料上にポートを適用することを含み、
前記ポートは、前記バッキングを通して延びる導管と流体連通するように構成され、
前記ポートが前記導管内に一体的に形成される、請求項１０または１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記キャビティと前記表皮の反対側の表面との間の流体連通を提供するために、前記表皮を通る複数の通路を形成することをさらに含む、請求項１１または１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記バッキングの前記繊維強化材料を硬化する前に、および／または前記表皮上に前記支持コアを適用する前に、前記表皮を形成する前記繊維強化材料を硬化することをさらに含む、請求項１１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記表皮を形成する前記繊維強化材料を硬化させた後、前記バッキングの前記繊維強化材料を硬化させる前、および／または前記表皮上に前記支持コアを適用する前に、前記表皮を通る通路を形成する、請求項１１および１４に記載の方法。
【国際調査報告】
2020515435.tif 000008
2020515435.tif 000009