5989114 複合材を積層するための方法及び装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】5989114

(24)【登録日】2016年8月19日

(45)【発行日】2016年9月7日

(54)【発明の名称】複合材を積層するための方法及び装置

(51)【国際特許分類】

   B29C 70/06 20060101AFI20160825BHJP

   B64C 1/00 20060101ALI20160825BHJP

   B64F 5/00 20060101ALI20160825BHJP

   B32B 37/00 20060101ALI20160825BHJP

   B29K 105/08 20060101ALN20160825BHJP

   B29L 9/00 20060101ALN20160825BHJP

   B29L 31/30 20060101ALN20160825BHJP

【ＦＩ】

   B29C67/14 G

   B64C1/00 B

   B64F5/00 D

   B32B37/00

   B29K105:08

   B29L9:00

   B29L31:30

【請求項の数】9

【全頁数】30

(21)【出願番号】特願2014-523939(P2014-523939)

(86)(22)【出願日】2012年7月3日

(65)【公表番号】特表2014-526984(P2014-526984A)

(43)【公表日】2014年10月9日

(86)【国際出願番号】US2012045369

(87)【国際公開番号】WO2013019356

(87)【国際公開日】20130207

【審査請求日】2015年5月25日

(31)【優先権主張番号】13/198,418

(32)【優先日】2011年8月4日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】500520743

【氏名又は名称】ザ・ボーイング・カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｂｏｅｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100109726

【弁理士】

【氏名又は名称】園田 吉隆

(74)【代理人】

【識別番号】100101199

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 義教

(72)【発明者】

【氏名】ハグマン， トーマス ジェー．

(72)【発明者】

【氏名】ブランチ， グレゴリー エル．

(72)【発明者】

【氏名】ドワイアー， ジェームズ ピー．

(72)【発明者】

【氏名】フッド， ブライアン イー．

(72)【発明者】

【氏名】ルンド， エリク

(72)【発明者】

【氏名】モーリス， ウェイド エム．

(72)【発明者】

【氏名】シュヴェトヘルム， ジョナサン アール．

(72)【発明者】

【氏名】ストーン， トーマス シー．

【審査官】 ▲高▼橋 理絵

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−０１７６２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１１−５１８０６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０４−１２２６１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０９１６３９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１８１６８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１７７９２７（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ２９Ｃ ７０／００−７０／８８

Ｂ２９Ｃ ６３／００−６３／４８

Ｂ２９Ｃ ４３／００−４３／５８

Ｂ２９Ｃ ３１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板（５４）上に複合材テープを積層するための装置（５０）であって、
第１の軸に沿って前記基板（５４）に対して移動可能な非ゼロ配向角積層機（５６）で、間隔を空けて配置された第１と第２の支持体（７２、７４）及び第２の軸に沿って前記基板（５４）を横断して延在するビーム（７６）を含む非ゼロ配向角積層機（５６）；
前記第１の軸に対して前記ビーム（７６）の角度配向の変更を可能にするため、前記ビーム（７６）と前記支持体（７２、７４）の各々との間の枢動結合；及び
前記基板（５４）上に複合材テープを積層するため前記ビーム（７６）の上の少なくとも１つのテープ積層ヘッド（７８）
を備える装置。

【請求項2】

前記非ゼロ配向角積層機（５６）は前記基板（５４）上に複合材テープを積層するため、複数の前記ビーム（７６）及び前記ビーム（７６）の各々の上の前記テープ積層ヘッド（７８）を含み、前記装置（５０）は、
前記第１の軸に対して前記ビーム（７６）の各々の角度配向の変更を可能にするため、前記ビーム（７６）の各々と前記支持体（７２、７４）との間の複数の枢動結合をさらに含む、請求項１に記載の装置（５０）。

【請求項3】

前記支持体（７２、７４）は前記第１の軸にほぼ平行な方向に互いに独立に移動可能である、請求項１又は２に記載の装置（５０）。

【請求項4】

前記ビーム（７６）と前記支持体（７２、７４）の１つとの間に摺動可能な接続をさらに備えて、前記ビーム（７６）が前記支持体の一つに対して摺動することを可能にする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置（５０）。

【請求項5】

前記テープ積層ヘッド（７８）は、
前記ビーム（７６）に沿ってほぼ平行に移動するように装着された複数のキャリッジ（１０８）；
前記基板（５４）に複合材テープの１本の細片（１３２）をレイダウンするための前記キャリッジ（１０８）の各々に載せられた少なくとも１つのテープ制御モジュール（８０）；及び
前記ビーム（７６）の角度配向が変更されたとき、前記テープ制御モジュール（８０）を互いに相対的に位置調整するための手段
を含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置（５０）。

【請求項6】

基板（５４）上に複合材テープを積層する方法であって、
軸に沿ってテープ積層機（５６）及び前記基板（５４）を相対的に移動すること；
前記積層機（５６）上のビーム（７６）に沿ってテープ制御モジュール（８０）を移動すること；
前記テープ制御モジュール（８０）を使用して、前記基板（５４）上に複合材テープの少なくとも１本の細片（１３２）を積層すること；及び
前記軸に対して前記ビーム（７６）の角度配向を変更すること
を含む方法。

【請求項7】

前記ビーム（７６）の前記角度配向を変更することは、前記ビーム（７６）を旋回することによって実施される、請求項６に記載の方法。

【請求項8】

前記ビーム（７６）の前記角度配向を変更することは、前記ビーム（７６）の端部（１０４）上で２つの支持体（７２、７４）をそれぞれ相対的に移動することによって実施される、請求項６又は７に記載の方法。

【請求項9】

前記軸に対する前記ビーム（７６）の前記角度配向を変更することは前記支持体（７２、７４）の１つに対する前記ビーム（７６）の直線的な摺動を含み、前記方法は、
前記ビーム（７６）の角度配向の変化に基づいて、前記テープ制御モジュール（８０）の位置の始動を変更することをさらに含む、請求項８に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、概して複合構造物の製造に関し、より具体的には自動化されたプライ積層を使用して構造物をレイアップするための方法及び装置を扱う。

【背景技術】

【0002】

自動車、船舶及び航空宇宙産業で使用される構造物などの複合構造物は、一般的に自動繊維配置（ＡＦＰ）機及び複合テープレイアップ機（ＣＴＬＭ）などと呼ばれる、複合材料自動貼付機を用いて製造されることがある。これらの機械は、例えば、エッジとエッジが接してツール上に単一幅の同じ形の帯幅を形成するように複数のテープ細片を連続的に配置して大規模な構造物を製造する、航空宇宙の応用で使用されてもよい。

【0003】

上述の機械は、隣接するテープ細片の一部又はすべてを他の部分とは独立に追加、削除又は切断する能力を含め、比較的高度な操作柔軟性を有する繊維配置ヘッドを使用する。しかしながら、これらの機械は、スパー及びストリンガーなどの比較的長く幅の狭い構造物のレイアップには十分に適していないことがあり、０度の繊維配向角を有する長いテープコース、及び非ゼロ繊維配向角を有する多数の短いテープコースを必要とする。例えば、限定しないが、上述の自動化された機械では、形成時にはしわになりにくいが長いゼロ配向角のテープコースのレイダウンは難しく、また、機械の迅速な始動・停止運動が何度も必要となる比較的短い非ゼロ配向角テープコースのレイダウンでは効率的でないことがある。

【0004】

したがって、比較的長く幅の狭い部品のレイアップに十分に適している複合材テープ自動積層のための方法及び装置が必要で、これはプライのしわを低減又は除去し、材料の無駄を減らして非ゼロ配向角テープコースのレイダウン速度を高める。

【発明の概要】

【0005】

開示されている実施形態は、一方向性の複合材テープから形成された種々の繊維配向の複数のプライを含むストリンガー及びスパーのように、比較的長く幅の狭い積層構造を積層するための方法及び装置を提供する。実施形態は幅の狭いテープを使用し、長く幅の狭い部品の幅の寸法によりよく適合して無駄を低減することができる。比較的長いゼロ配向角テープコースは、改良されたしわ軽減手段によって積層可能であり、また、非ゼロ配向角テープコースは積層速度を高めながら材料の無駄を減らす方法で効率的に積層及び切断可能である。装置は、無駄をなくすように切断するため、様々な切断角まで回転させることができる迅速なギロチン式テープカッターを特徴としている。きわめて短いテープコースは迅速に積層可能である。ギロチン式カッターは、迅速なカッター移動を実現するため、特別に設計されたボイスコイルアクチュエータを特徴とする。カッターブレードは、テープの張力の好ましくない突出を低減するため、テープの動きと共に枢動する。積層ヘッドは、隣接するテープ細片間の間隙を調節するため、横方向に調整可能な複数のテープ制御モジュールを含む。ゼロ配向角コースの積層に使用されるテープ制御モジュールは、プライのしわを減らす不連続なテープコースを形成するため、大きな間隙なしでテープセグメント間の切断を可能にする。積層ヘッドは、必要に応じて、テープ細片間の間隙が変えられるように、互いに相対的に正確に配置可能である。

【0006】

開示されている１つの実施形態によれば、装置は、第１の軸に沿って基板に対して移動可能な積層機を含む基板上での複合材テープの積層のために用意されている。積層機は第１及び第２の隔置された支持体、及び第２の軸に沿って基板を横断して延在するビームを含む。ビームと各支持体との間の枢動結合により、第１の軸に対するビームの相対的な角度配向を変更することができる。装置は、基板上に複合材テープを積層するため、ビーム上の少なくとも１つのテープ積層ヘッドをさらに含む。積層機は複数のビーム及び各ビーム上のテープ積層ヘッドを含んでもよい。装置は、第１の軸に対する各ビームの角度配向の変更を可能にするため、各ビームと支持体との間に複数の枢動結合をさらに含む。支持体は第１の軸にほぼ平行な方向に互いに独立に移動可能である。ビームと支持体の１つとの間の摺動可能な接続により、ビームの角度配向が変えられたときには、ビームは支持体に対して摺動することができる。テープ積層ヘッドは、ビームに沿ってほぼ平行に動くように装着された複数のキャリッジ、及び基板上に複合材テープの細片をレイダウンするための各キャリッジ上のテープ制御モジュールを含む。

【0007】

別の実施形態によれば、基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。方法は、軸に沿って積層機及び基板を相対的に移動すること、並びに積層機と基板が互いに相対的に移動するにつれて、ガントリ上のビームに沿ってテープ制御モジュールを移動することを含む。方法は、基板上に少なくとも１本の複合材テープの細片を積層するためテープ制御モジュールを使用すること、並びに軸に対してビームの角度配向を変えることをさらに含む。ビームの角度配向を変更することは、ビームを旋回することによって実施される。

【0008】

別の実施形態によれば、複合材テープ積層ヘッドは、複合材テープの供給及び基板上にテープを圧縮するため適用される圧縮ローラーを含む。ヘッドは、テープサプライから圧縮ローラーへテープを供給するためのテープフィードアセンブリ、並びに圧縮ローラーへ供給されたテープを切断するためのカッターブレードの往復運動を含むカッターアセンブリをさらに含む。カッターアセンブリは、複数の切断角のいずれかまでカッターブレードを回転するためのローターアセンブリを含む。ローターアセンブリは筐体及び筐体に回転可能に装着されたシリンダを含み、カッターアセンブリはカッターブレードに結合され、シリンダ内で往復運動可能に装着されたピストンを含む。

【0009】

別の実施形態によれば、基板のエッジに対して斜めの角度で基板を横断してテープ積層ヘッドを移動することを含む、基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。方法は、基板エッジに対してほぼ平行にテープを切断することを含め、積層ヘッドが基板上を移動するにつれて、テープをある長さに切断すること、及びそのテープを基板上に圧縮することを含む。

【0010】

別の実施形態によれば、複合材テープ積層ヘッドは、複合材テープの供給、基板上でのテープの圧縮に適用される圧縮ローラー、及びテープサプライから圧縮ローラーまでテープを供給するためのテープフィードアセンブリを備える。積層ヘッドは、テープが切断されるにつれてテープと共に移動可能なカッティングブレードを含む、テープ切断のためのテープカッティングアセンブリを備える。テープカッティングアセンブリは、ヘッド上にブレードを枢動可能に装着するためのトラニオンを含む。ブレードは、切断時に円弧に沿って枢動可能であり、テープカッティングアセンブリはブレードがテープを切断するときに押し当てられる金床を含み、当該の金床はブレードと共に円弧に沿って枢動可能である。

【0011】

さらに別の実施形態によれば、基板を横断してテープ積層ヘッドを移動すること、及び積層ヘッド上の圧縮ローラーに複合材テープを供給することを含む、基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。方法は、ブレードがテープを切断するにつれてテープと共にブレードを移動することなど、積層ヘッドが基板上を移動するにつれて複合材テープをある長さに切断するカッティングブレードを使用することを含む。方法はまた、テープを基板上に圧縮することを含む。テープに沿ってブレードを移動することは、ほぼ同一の速度で円弧に沿ってブレード及びテープを移動することを含む。

【0012】

さらなる実施形態によれば、複合材テープ積層ヘッドは、複合材テープの供給及び基板上にテープを圧縮するため適用される圧縮ローラーを含む。ヘッドは、テープサプライから圧縮ローラーへテープを供給するためのテープフィードアセンブリと、移動可能なカッティングブレードとブレードがテープを切断するときに押し当てられる移動可能な金床を含むテープ切断用テープカッティングアセンブリとをさらに含む。積層ヘッドは、ブレードと金床を互いに同期させて移動するための駆動システムをさらに含む。ブレードと金床はそれぞれ回転可能で、駆動システムはブレードと金床をほぼ同一の回転速度でそれぞれ回転するための一対のモーターを含む。

【0013】

さらに別の実施形態によれば、基板上にテープ積層ヘッドを移動すること及び積層ヘッド上の圧縮ローラーに複合材テープを供給することを含む、基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。方法は、テープを切断するためのカッティングブレードと金床を使用して、ほぼ同一の回転速度でカッティングブレードと金床を回転すること、及び基板上にテープを圧縮することをさらに含む。ブレードと金床を回転することは、ブレードと金床を回転するために別々のモーターを使用すること、及びモーターの速度を同期させることを含む。テープの切断は、回転するブレードと回転する金床との間のニップにテープを供給することを含む。

【0014】

さらなる実施形態によれば、装置は長さと幅を有する基板上に複合材テープを積層するために提供される。装置は少なくとも基板の長さに沿って移動可能な第１の積層機を備える。第１の積層機は一対の移動可能な支持体及び基板の幅を横断して延在し各支持体と結合されたビームを含む。装置はまた、基板の幅を横断して複合材テープを積層するため、ビームに沿って装着され移動可能な第１の積層ヘッドを備える。第１の積層ヘッドは、複合材テープの供給、基板上にテープを圧縮するための圧縮ローラー、テープサプライから圧縮ローラーへテープを供給するためのテープフィードアセンブリ、及び圧縮ローラーへ供給されたテープをある長さに切断するためのテープカッティングアセンブリを含む。テープカッティングアセンブリは、テープと共に移動するように装着され、複数の切断角位置のいずれかまで回転可能なカッティングブレードを含む。

【0015】

さら別の実施形態によれば、基板の長さに沿って第１の積層機及び基板を相対的に移動すること、及び基板の幅を横断してテープを積層する第１の積層機上で第１のテープ積層ヘッドを使用することを含む、長さと幅を有する基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。方法は、基板の長さに沿って第２の積層機及び基板を相対的に移動すること、及び基板の長さに沿ってテープを積層するため第２の積層機上の第２のテープ積層ヘッドを使用することをさらに含む。

【0016】

要約すると、本発明の一態様によれば、第１の軸に沿って基板に対して移動可能な積層機であって、間隔を空けて配置された第１と第２の支持体及び第２の軸に沿って基板を横断して延在するビームを含む積層機；第１の軸に対してビームの角度配向の変更を可能にするため、ビームと支持体の各々との間の枢動結合；及び基板上に複合材テープを積層するためビームの上の少なくとも１つのテープ積層ヘッドを含む積層機を含む、基板上に複合材テープを積層するための装置が提供される。

【0017】

有利には、積層機は基板上に複合材テープを積層するため、ビームの各々の上のテープ積層ヘッドを含む装置であって、第１の軸に対してビームの各々の角度配向の変更を可能にするため、各ビームと支持体との間の複数の枢動結合をさらに含む装置。

【0018】

有利には、支持体が第１の軸にほぼ平行な方向に互いに独立に移動可能である装置。

【0019】

有利には、ビームが１つの支持体に対して摺動することを可能にするため、ビームと支持体の１つとの間に摺動可能な接続をさらに含む装置。

【0020】

有利には、テープ積層ヘッドは、ビームに沿ってほぼ平行に移動するように装着された複数のキャリッジ；基板に複合材テープの１本の細片をレイダウンするため各キャリッジに搭載された少なくとも１つのテープ制御モジュール；及びビームの角度配向が変更されたとき、テープ制御モジュールを互いに相対的に位置調整するための手段を含む装置。

【0021】

本発明の別の態様によれば、軸に沿ってテープ積層機及び基板を相対的に移動すること；積層機上のビームに沿ってテープ制御モジュールを移動すること；テープ制御モジュールを使用して、基板上に複合材テープの少なくとも１本の細片を積層すること；及び軸に対してビームの角度配向を変更すること、を含む、基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。

【0022】

有利には、ビームの角度配向を変更することが、ビームを旋回することによって実施される装置。

【0023】

有利には、ビームの角度配向を変更することが、ビームの端部上で２つの支持体をそれぞれ相対的に動かすことによって実施される装置。

【0024】

有利には、軸に対するビームの角度配向を変更することは支持体の１つに対するビームの直線的な摺動を含み、方法はビームの角度配向の変化に基づいて、テープ制御モジュールの位置の始動を変更することを含む装置。

【0025】

本発明のさらなる態様によれば、複合材テープの供給；基板上でテープを圧縮するため適用される圧縮ローラー；テープサプライから圧縮ローラーまでテープを供給するためのテープフィードアセンブリ；圧縮ローラーに供給されたテープを切断するためのカッターブレードの往復運動を含むカッターアセンブリであって、複数の切断角のいずれかまでカッターブレードを回転するためのローテーターアセンブリをさらに含むカッティングアセンブリ、を含む、複合材テープ積層ヘッドが提供される。

【0026】

有利には、ローテーターアセンブリが、筐体、筐体に回転可能に装着されたシリンダ、及びカッターブレードに結合されたシリンダ内で往復運動可能なピストンを含む装置。

【0027】

有利には、ローテーターアセンブリが、複数の回転位置のいずれかまでシリンダを回転するためシリンダに結合されたアクチュエータを含む装置。

【0028】

有利には、カッティングアセンブリが、圧縮空気源に結合されるように適合されたバルブ、及びバルブを操作するための電気ボイスコイルをさらに含む装置。

【0029】

有利には、カッターアセンブリが、ブレードがテープを切断するときに押し当てられる金床であって、シリンダに結合されて回転可能である金床をさらに含む装置。

【0030】

本発明のなおさらなる態様によれば、基板のエッジに対して斜めの角度で基板を横断してテープ積層ヘッドを移動すること；基板エッジに対してほぼ平行にテープを切断することを含め、積層ヘッドが基板上を移動するにつれて、複合材テープをある長さに切断すること；及び当該テープを基板上に圧縮することを含む、基板上に複合材テープを積層する方法が提供される。

【0031】

有利には、積層ヘッド上の圧縮ローラーに複合材テープを供給することをさらに含み、テープを圧縮することは積層ヘッド上で圧縮ローラーによって実施される装置。

【0032】

有利には、テープをある長さに切断することを含む装置は、カッティングブレードを往復運動させること、及びブレードを基板のエッジに対してほぼ平行に配向することをさらに含む。

【0033】

有利には、ブレードを配向することを含む装置は、ブレードを回転することをさらに含む。

【0034】

有利には、テープをある長さに切断することを含む装置は、テープを切断するための金床上でブレードを使用すること、及びブレードの配向に基づいた位置に金床を配向することを含む。

【0035】

本発明のなおさらなる態様によれば、複合材テープの供給と；基板上でテープを圧縮するため適用される圧縮ローラーと；テープサプライから圧縮ローラーまでテープを供給するためのテープフィードアセンブリと；さらに、テープが切断されるにつれてテープと共に移動可能なカッティングブレードを含むテープ切断用テープカッティングアセンブリとを含む、複合材テープ積層ヘッドが提供される。

【0036】

有利には、テープカッティングアセンブリがヘッド上にブレードを枢動可能に装着するためのトラニオンを含む装置。

【0037】

有利には、ブレードは切断時に円弧に沿って枢動可能であり、テープカッティングアセンブリはブレードがテープを切断するときに押し当てられる金床を含み、当該の金床はブレードと共に円弧に沿って枢動可能である装置。

【0038】

有利には、フレームをさらに含み、テープカッティングアセンブリはフレーム上に枢動可能に装着される装置。

【0039】

有利には、テープカッティングアセンブリがヘッド上の複数の切断角のいずれかまで回転可能である装置。

【0040】

本発明の別の態様によれば、基板上にテープ積層ヘッドを移動することと；積層ヘッド上の圧縮ローラーに複合材テープを供給することと；ブレードがテープを切断するにつれてブレードをテープと共に移動することを含めて、積層ヘッドが基板上を移動するにつれて複合材テープをある長さに切断するためにカッティングブレードを使用することと；さらに、基板上にテープを圧縮することとを含む、複合材テープを基板上に積層する方法が提供される。

【0041】

有利には、テープと共にブレードを移動することは、円弧に沿ってブレード及びテープを移動することを含む装置。

【0042】

有利には、テープとほぼ同一の速度で円弧に沿ってブレードが移動される装置。

【0043】

有利には、テープをある長さに切断するためにカッティングブレードを使用することが、金床上でテープを切断すること及びブレードと共に金床を移動することを含む装置。

【0044】

有利には、テープと共にブレードを移動することが、テープが圧縮ローラーに供給されるにつれてブレードを旋回することを含む装置。

【0045】

本発明のなお別の態様によれば、複合材テープの供給と；基板上でテープを圧縮するため適用される圧縮ローラーと；テープサプライから圧縮ローラーまでテープを供給するためのテープフィードアセンブリと；移動可能なカッティングブレードとブレードがテープを切断するときに押し当てられる移動可能な金床を含むテープ切断用テープカッティングアセンブリと；さらにブレードと金床を互いに同期させて移動するための駆動システムとを含む、複合材テープ積層ヘッドが提供される。

【0046】

有利には、ブレードと金床は各々が回転可能である装置。

【0047】

有利には、駆動システムはブレードと金床をそれぞれ回転するため一対のモーターを含む装置。

【0048】

有利には、ブレードと金床をほぼ同一の回転速度でそれぞれ回転するようにモーターが同期されている装置。

【0049】

有利には、テープカッティングアセンブリが筐体と；回転のため筐体上に軸支され、それぞれ回転のために固定されたブレードと金床を有する第１及び第２のローターとを含む装置。

【0050】

本発明のさらに別の態様によれば、基板上にテープ積層ヘッドを移動することと；積層ヘッド上の圧縮ローラーに複合材テープを供給することと；カッティングブレードと金床をほぼ同一の回転速度で回転することと；テープを切断するためにカッティングブレードと金床を使用することと；さらに、基板上にテープを圧縮することとを含む、複合材テープを基板上に積層する方法が提供される。

【0051】

有利には、ブレードと金床を回転することは、ブレードと金床を回転するために別々のモーターを使用することと；モーターの速度を同期させることとを含む装置。

【0052】

有利には、テープの切断は、回転するブレードと回転する金床との間のニップにテープを供給することを含む装置。

【0053】

有利には、テープを切断し圧縮することは、テープセグメント間にほとんど間隙がないように隣接される一連のテープセグメントを切断し圧縮することによって基板上に不連続なテープコースを形成することを含む装置。

【0054】

本発明の別の態様によれば、少なくとも、基板の長さに沿って移動可能な第１の積層機であって、一対の移動可能な支持体と基板の幅を横断して延在し、支持体の各々に結合されるビームを含む第１の積層機と；基板上に複合材テープを積層するためビームに沿って装着され移動可能な第１の積層ヘッドであって、複合材テープの供給、基板上にテープを圧縮するため適用される圧縮ローラー、テープサプライから圧縮ローラーまでテープを供給するためのテープフィードアセンブリを含む第１の積層ヘッドと、さらに圧縮ローラーに供給されたテープをある長さに切断するためのテープカッティングアセンブリであって、テープと共に移動するように装着され、複数の切断角位置のいずれかまで回転可能なカッティングブレードを含むテープカッティングアセンブリとを含む、長さと幅を有する基板上に複合材テープを積層するための別の装置が提供される。

【0055】

有利には、ビームの角度配向の変更を可能にするビートと支持体との間の枢動結合をさらに含む装置。

【0056】

有利には、第１の積層ヘッドが基板の幅を横断して複合材テープを積層し、支持体は基板の長さに沿って互いに相対的に移動可能である装置。

【0057】

有利には、テープカッティングアセンブリは、テープ切断時にテープ及びブレードと共に円弧を通って移動可能な金床を含む装置。

【0058】

有利には、基板の長さに沿って移動可能な第２の積層機であって、基板の幅を横断して延在するビームを含む第２の積層機と；基板の長さに沿って基板上に複合材テープを積層するため第２の積層機のビーム上に装着された第２の積層ヘッドであって、複合材テープの供給、基板上にテープを圧縮するための圧縮ローラー、テープサプライから圧縮ローラーまでテープを供給するためのテープフィードアセンブリ、及び圧縮ローラーに供給されたテープをある長さに切断するためのテープカッティングアセンブリを含む第２の積層ヘッドとをさらに含む装置。

【0059】

有利には、第２の積層ヘッド上のテープカッティングアセンブリは、回転カッターブレード、回転金床、及びブレードと金床をほぼ同一の回転速度でそれぞれ回転するため互いに同期された一対のモーターを含む装置。

【0060】

本発明の別の態様によれば、基板の長さに沿って第１の積層機と基板を相対的に移動することと；基板の幅を横断してテープを積層するため第１の積層機上の第１のテープ積層ヘッドを使用することと；基板の長さに沿って第２の積層機と基板を相対的に移動することと；さらに基板の長さに沿ってテープを積層するため第２の積層機上の第２のテープ積層ヘッドを使用することとを含む、長さと幅を有する基板上に複合材部品レイアップを積層するためのさらに別の方法が提供される。

【0061】

有利には、テープを積層するため第１の積層機上で第１のテープ積層ヘッドを使用することは、基板のエッジに対してほぼ平行にテープの端部を切断することを含む装置。

【0062】

有利には、基板のエッジに対してほぼ平行にテープの端部を切断することは、基板のエッジに対してほぼ平行なブレード配向にカッティングブレードを回転することを含む装置。

【0063】

有利には、基板の幅を横断してテープを積層するため第１の積層機上で第１のテープ積層ヘッドを使用することは、金床に押し当ててテープをある長さに切断するためのカッティングブレードを使用すること、及びテープが切断されるにつれてテープと共にブレードと金床を移動することを含む装置。

【0064】

有利には、基板の長さに沿ってテープを積層するため第２の積層機上で第２のテープ積層ヘッドを使用することは、回転するカッティングブレードと回転する金床との間のニップにテープを通すことと；さらにテープが切断されるにつれてほぼ同一の回転速度でブレードと金床を回転することとを含む装置。

【0065】

有利には、基板の幅を横断してテープを積層するため第１のテープ積層ヘッドを使用することはビームに沿って第１の積層ヘッドを移動することを含み、且つ移動することは第１の積層ヘッドによってテープが基板上に積層される方向をビームの角度配向の変更によって変えることをさらに含む装置。

【0066】

有利には、レイアップ上でトリマーを動かすため第２の積層機を使用して、部品レイアップを最終形状にトリミングすることをさらに含む装置。

【0067】

新規の機能と考えられる有利な実施形態の特徴は、添付の特許請求の範囲に明記される。しかしながら、有利な実施形態と、好ましい使用モードと、さらにはその目的及び利点とは、添付図面を参照して本発明の有利な一実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより最もよく理解される。

【図面の簡単な説明】

【0068】

【図1】複合材料を積層するための装置の機能ブロック図の図解である。

【図2】複合材料を積層するための方法のフロー図の図解である。

【図3】図１に示した装置の一実施形態の平面図の図解である。

【図4】図３の中で「図４」と表示されている領域の平面図の図解である。

【図5】図３及び４に示した装置の一部を形成している、非ゼロ配向角プライのレイアップに使用される非ゼロ配向角積層機の等角図の図解である。

【図6】図４の中で「図６」と表示されている方向から見た端面図の図解である。

【図7】図５と同様の図解であるが、４５度のテープコースをレイダウンするように非ゼロ配向角で再配置された積層機を示す。

【図8】図７に示した積層機の平面図の図解である。

【図9】図５から８に示した非ゼロ配向角積層機の一部を形成するビーム群の１つの側面図の図解である。

【図10】図９に示したビーム群の斜視図の図解である。

【図11】テープ制御モジュールの１つ並びに図９及び１０に示したビーム群の一部を形成する付随のキャリッジガイドの斜視図の図解である。

【図12】テープ制御モジュール及び図１１に示した付随のキャリッジの斜視図の図解である。

【図13】４５度プライを形成するため、非ゼロ配向角積層機の連続パス（通過）によって配置されるテープコースを示す図解である。

【図14】図５から８に示した非ゼロ配向角積層機を使用して複合材を積層する方法のフロー図の図解である。

【図15】図１及び２に示された実質的にゼロ配向角のプライをレイアップするためのゼロ配向角積層機の等角図の図解である。

【図16】底面から見た図１５に示したゼロ配向角積層機の別の等角図の図解である。

【図17】図１５及び１６に示したゼロ配向角積層機によってレイアップされた１本のテープコースの図解である。

【図18】図１５及び１６に示したゼロ配向角積層機で採用されているテープ制御モジュールの一側面の図解である。

【図19】図１８に示したテープ制御モジュールの別の側面の図解である。

【図20】図１９と同様の図であるが、テープ制御モジュールのサブアセンブリを示すため分解されている。

【図21】図１８から２０に示したテープ制御モジュールの一部を形成するカッターローターと金床ローターの端面図である。

【図22】図１５及び１６に示したゼロ配向角積層機によってレイアップされた不連続なテープを有するプライの平面図の図解である。

【図23】図２２の中の「図２３」と示された領域の図解である。

【図24】図１５及び１６に示したゼロ配向角積層機を使用して複合材を積層する方法のフロー図の図解である。

【図25】図５から８に示した非ゼロ配向角積層機で使用されるテープ制御モジュールの１つの一部の等角図の図解である。

【図26】図２５に示した装置の一部を形成するカッターアセンブリの付加的な詳細を示す斜視図の図解である。

【図27】切断時のテープ及び金床と共に、図２５及び２６に示したカッターアセンブリのカッティングブレードの動きを示す略図の図解である。

【図28】図２５に示したテープ制御モジュールを使用してテープを積層する方法のフロー図の図解である。

【図29】基板に対して平行な角度で切断された１つの４５度配向角テープコースの図解で、斜め切断によって無駄な領域が回避されることを示している。

【図30】図２９に示したように基板エッジに平行なテープカットを使用して複合材料を積層する方法のフロー図の図解である。

【図31】図２５に示したテープ制御モジュールの一部を形成するテープカッターアセンブリの斜視図の図解である。

【図32】図３１の線３２−３２に沿って得られた断面図の図解である。

【図33】図３２と同様の断面図であるが、カッターアセンブリの付加的な詳細を示している。

【図34】図２６に示すテープ制御モジュールの上面図の図解で、第１の位置にあるブレードローテーターアクチュエータを示している。

【図35】図３４と同様の図であるが、ブレードローテーターアクチュエータが第２の位置まで作動されたことを示している。

【図36】異なる回転位置にある図３１に示したカッターアセンブリの図解である。

【図37】異なる回転位置にある図３２に示したカッターアセンブリの図解である。

【図38】異なる回転位置にある図３３に示したカッターアセンブリの図解である。

【図39】図１及び３に示した装置の電気式及び空気圧式コンポーネントのブロック図の図解である。

【図40】航空機の製造及び保守方法を示すフロー図の図解である。

【図41】航空機のブロック図の図解である。

【発明を実施するための形態】

【0069】

最初に図１を参照すると、テーブル５４又はツールを含みうる基板上に複合材部品５２をレイアップするための積層装置５０は、概して、ＰＣ、ＰＬＣ（プログラマブル論理制御装置）又は他の電子式コントローラを含みうる制御装置８６によって、それぞれ自動的に操作される第１の積層機５６及び第２の積層機５８を含む。テーブル又は基板５４及び積層機５６、５８は相対的に移動可能で、例示的な実施形態では、積層機５６、５８はテーブル５４に対して独立に移動可能であるが、他の実施形態では、この相対運動は、積層機５６、５８に対してテーブル５４を動かすことによって実施されてもよい。テーブル５４は、テーブル５４の昇降の制御、すなわち部品レイアップ５２と積層機５６、５８との間の垂直距離の制御のためのテーブル昇降制御５３を含んでもよい。部品レイアップ５２は積層された複合材テープの複数のプライ（図示せず）を含むことがあり、プライの各々は、テーブル５４の上又は部品レイアップ５２のこれまでに積層されたプライの上に一方向性テープを複数のコース積層することによって形成される。部品レイアップ５２のプライは所定のプライ計画に基づく繊維配向を有してもよい。以下でより詳細に説明されるように、積層装置５０は航空宇宙産業で使用されるストリンガー及びスパー（図示せず）などの比較的長く幅の狭い部品のレイアップに特に好適である。

【0070】

第２の積層機５８はこれ以降、ゼロ配向角積層機５８と呼ばれることがあり、概して０度の配向角で一方向性複合材テープの複数のコース（図１には図示せず）を同時に積層するように適用される。比較的長く、幅の狭い部品レイアップ５２の場合には、部品レイアップ５２の長さに沿って０度の配向角が延在する。積層機５８は、テーブル５４を横断して延在し、支持体６２、６４によって対向する両端部で指示されるクロスビーム６０を備えるガントリ５７を含む。一又は複数のテープ積層ヘッド６６は、ビーム６０に沿って運動するように装着される。積層ヘッド６６の各々は、部品レイアップ５２上で複合材テープ（図１には図示せず）をある長さに切断、追加及び圧縮するように機能する一又は複数の制御モジュール６８を含んでもよい。

【0071】

第１の積層機５６はこれ以降、非ゼロ配向角積層機５６と呼ばれることがあり、配向角が０度でない配向に沿って一方向性複合材テープを積層する。例えば、限定しないが、第１の積層機５６は、部品レイアップ５２の長手軸（図３のＸ軸）などの基準方向に対して４５度、９０度、又は１３５度に配向された一方向性複合材テープを積層することができる。積層方向は他の角度配向も可能である。非ゼロ配向角積層機５６は、一対の支持フレーム７２、７４によって支持されるほぼ平行なビーム群７６を備えるガントリ５９を含む。支持フレーム７２、７４は、テーブル５４の長さに沿って運動するようにテーブル５４上のレール１０７（図３及び６）に装着されている。ビーム７６の各々は、一又は複数の積層ヘッド７８を含む。積層ヘッド７８の各々は、積層ヘッド７８がビーム７６に沿って移動するにつれて、部品レイアップ５２上で一方向性複合材テープをある長さに切断、追加及び圧縮するように機能する一又は複数の制御モジュール８０を含む。第１のアクチュエータ８２の組はビーム７６間の間隔を調整するように提供され、且つ第２のアクチュエータ８４の組は積層ヘッド７８の各々の上のテープ制御モジュール８０の隣接するビーム間の間隔を調整するように提供されてもよい。

【0072】

図２は、図１に示した積層装置５０を使用して複合材部品を積層する方法を図解している。初めにステップ８８では、第１の非ゼロ配向角積層機５６及び基板５４は互いに相対的に移動される。既に述べたように、基板はテーブル５４、ツール、又はプライレイアップ５２の一部を形成する事前に配置されたプライを含んでもよい。ステップ９０では、基板５４の幅（図３のＹ軸９８）を横断して、基板５４の長さ（Ｘ軸９８）に対して所望の非ゼロ配向角で複合材テープを積層するため、非ゼロ配向角積層機５６上の一又は複数の積層ヘッド７８が使用される。ステップ９２では、ゼロ配向角積層機５８及び基板５４は、基板５２、５４の長さ（Ｘ軸９８）に沿って互いに相対的に軸方向へ移動される。ステップ９４では、基板５４の長さに沿って一方向性の複合テープを積層するため、ゼロ配向角積層機５８上の一又は複数の積層ヘッド６６が使用される。複数のコースの複合材テープを貼付して、複数のプライの部品レイアップ５２を形成するため、ステップ８８から９４は反復されることがある。例示的な実施例では、基板５４は固定されており、積層機５６、５８は基板５４に対して可動であるが、他の実施形態では、積層機５６、５８に対して基板５４を動かすことが可能であってもよい。

【0073】

図３及び４は、積層装置５０の１つの典型的な実施形態を図解している。積層装置５０は３次元のＸ、Ｙ、Ｚ座標系９８の中で動作し、Ｘ軸は部品レイアップ５２の長さに対応し、Ｙ軸９８は部品レイアップ５２の幅「Ｗ」に対応し、Ｚ軸９８はＸ−Ｙ平面にほぼ鉛直に延在する。積層機５６、５８は、テーブル表面５４ａ上に部品レイアップ５２のプライをレイアップするため、互いに整列され、テーブル５４の長さ（Ｘ軸９８）に沿ってテーブル５４のレール１０７上を独立に移動する。既に述べたように、部品レイアップ５２は幅「Ｗ」に対して比較的長いことがあり、航空宇宙又は他の応用で使用されるスパー又はストリンガーなどの複合材部品を含んでもよい。例示的な実施例では、テーブル表面５４ａはほぼ平坦であるが、他の実施形態では、表面５４ａはある程度の曲率又は起伏を有するツール（図示せず）であってもよい。

【0074】

テーブル表面５４ａは、部品レイアップ５２を加熱して積層速度を高めるために抵抗加熱エレメント（図示せず）を組み込んでもよい。テーブル５４は、機械の利用効率を高めるため完成した部品レイアップ５２を持ち運べるように、着脱可能及び／又は携帯可能であってもよい。テーブル５４は、制御装置８６によって動作されるモーター（図示せず）によって、Ｚ軸９８に沿って垂直に変位されてもよい。テーブル昇降制御５３（図１）を用いたＺ軸９８に沿ったテーブル位置の調整機能により、テーブル表面５４ａ（図１）／部品レイアップ５２と積層ヘッド６６、７８との間の距離を変えることができる。これにより、追加のプライが配置されるにつれて積層部品の厚みの増加を相殺することが可能で、圧縮ストロークを比較的短く保ち、テーブル上表面５４ａを迅速に交換することができる。

【0075】

ゼロ配向角積層機５８の一部を形成するガントリ５７は、Ｘ軸９８に対してほぼ平行に独立に移動可能な一対の支持体６２、６４に、対向する端部で枢動可能に接続され、横方向に延在するビーム６０を備える。支持体６２、６４は、Ｘ軸９８に沿って移動するようにテーブル５４のレール１０７上に装着されてもよい。一又は複数の積層ヘッド６６は、ビーム６０に沿って移動し、テーブル５４の幅を横断するように装着される。

【0076】

非ゼロ配向角積層機５６の一部を形成するガントリ５９はほぼ平行な複数のビーム７６を備え、各ビームは対向する端部で横方向に間隔が空けられたフレーム支持体７２、７４に枢動可能に結合される。フレーム支持体７２、７４は、テーブル５４の長さに沿ってガントリ５９を移動させるガントリ駆動モーター１０３によって、レール１０７（図３及び６を参照）に沿って駆動される。代替的に、ガントリ５９は、テーブル５４の長さに沿ってガントリ５９の動きをガイドするため、車輪（図示せず）又は他の構造物によって支持されてもよい。一対のカンチレバーアーム１００は、アクチュエータ８２、８４、テープ制御モジュール８０及び積層機５８の一部を形成する他の制御されたエレメントに制御装置８６（図１）を結合する柔軟な制御ケーブル１０２を支持する。

【0077】

図５及び６は、非ゼロ配向角積層機５６のさらなる詳細を示している。ガントリ５９のフレーム支持体７２、７４の各々は長方形で、ビーム７６の各々の一端部１０４が通過できる開放された側面７２ａ、７４ａを含む。ビーム７６の各々は、フレーム支持体７２、７４の一部を形成する水平なフレーム部材７２ｂ、７４ｂから吊り下げられる。アクチュエータ８２はビーム７６とフレーム部材７４ｂとの間に結合され、ピッチすなわちビーム７６の間の間隔「Ｄ」を調整するように機能する。図解されている実施形態では、ビーム７６の各々は３個のテープ制御モジュール群８０を備える積層ヘッド７８を含む。しかしながら、３個超又は３個未満のテープ制御モジュール８０が使用されてもよい。また、４本のビーム７６が図解されているが、４本超又は４本未満のビームが使用されてもよい。例示的な実施形態では、積層機５６は、基板５４の上に４個の積層ヘッド群７８が毎回通過することにより、最大１２本のテープコースを同時に積層可能である。

【0078】

積層ヘッド７８の各々は、ピッチすなわちビーム７６上の隣接するテープ制御モジュール８０の間の距離「Ｄ２」を制御するアクチュエータ８４を含む。図３から６では、ガントリ５９は、ビーム７６がＹ軸に対してほぼ平行に整列される９０度の配向で図解されており、テープ制御モジュール８０は、ほぼ９０度の繊維配向を有する一方向性テープをレイダウンするため、ビーム７６に沿って横断する。この構成では、フレーム支持体７２、７４は、Ｘ軸９８に沿って移動する方向に、互いにほぼ整列されている。

【0079】

フレーム支持体７２、７４に枢動可能に装着されるビーム７６の各々の角度配向を変更するため、フレーム支持体７２、７４は互いに相対的に、Ｘ軸９８に対して平行なまま独立に移動可能である。ビーム７６の一般的な角度配向は４５度、９０度及び１３５度であるが、他の角度配向も可能である。図７及び８は、ビーム７６をＸ軸９８に対して４５度の角度で配向するため、互いに相対的にＸ軸９８に沿ってシフトされているフレーム支持体７２、７４を図解している。ビーム７６の角度配向の変更、並びにビーム７６に沿った積層ヘッド７８の移動方向の変更は、駆動モーター１０３へ制御信号を送ることによって可能であり、駆動モーターによって支持フレーム７２、７４のうちの少なくとも一方は、支持フレーム７２、７４のうちの他方に対してＸ軸９８と平行になるように変位される。支持フレーム７２、７４は互いに相対的に変位されるため、ビーム７６はＺ軸９８に平行な軸のまわりに所望の角度配向まで枢動する。ビーム７６が所望の積層角度まで枢動されると、互いに相対的にテープ制御モジュール８０のＸ軸９８に沿った整列は、モジュール８０が基板５４のエッジでテープのレイダウンを同時に開始できるように調整されてもよい。図解されている実施例では、Ｘ軸９８に対して４５度で配向されているビーム７６により、積層ヘッド７８は４５度の角度配向を有する複数のテープコースを同時にレイダウンする。一連のテープコースがレイダウンされた後、ガントリ５９は、積層ヘッド７８によって次の一連の非ゼロ配向角テープコースがレイダウンされる次のインデックス位置まで、Ｘ軸９８に沿って漸次前進させられる。ビーム７６は所望の角度まで枢動可能であり、テープ制御モジュール８０を互いに相対的に再整列して、非ゼロ配向角のプライの積層を同時に開始することができるため、モジュール８０を移動しすぎることなく幅の広い帯状のテープコースをレイダウンすることが可能で、結果的に積層速度を高めることができる。既に述べたように、積層されたばかりのプライの厚みを相殺し、これによって圧縮ストロークを比較的短く保つため、テーブル５４は、制御装置８６によって動作されるモーター（図示せず）によって、Ｚ軸９８に沿って漸増的に変位されてもよい。

【0080】

図９及び１０はビーム７６の１つ及び関連する積層ヘッド７８の付加的な詳細を図解している。ビーム７６の各々は、ビームの１つの端部の上のピボット軸受１１８、及びピボット軸受１１８から間隔を空けて配置されるピボット滑り軸受１２０を含む。ビーム７６が角度配向を変える際の枢動運動及び直線摺動運動のために、ピボット軸受１１８はフレーム支持体７２の１つにビーム７６を枢動可能に結合し、ピボット滑り軸受１２０は他方のフレーム支持体７４にビーム７６を結合する。既に述べたように、積層ヘッド７８は３個のテープ制御モジュール群８０を備えるが、３個超又は３個未満のテープ制御モジュール８０が可能である。図解されている実施例では、積層ヘッド７８の各々は、基板５４上の３本のほぼ平行な一方向性複合材テープを積層する。ここで図１１及び１２を参照すると、テープ制御モジュール８０の各々が、支持体１０６の直線レール１１６に沿って摺動する直線レール移動ブロック１１０、１１２を有するキャリッジ１０８に固定されている。キャリッジ１０８は、キャリッジ１０８上に装着されているリニアサーボモーター１１５によって、レール１１６に沿って駆動される。支持体１０６の各々は、ビーム７６の１つの上にロックダウンアクチュエータ１１４によって装着されている。

【0081】

図１３は、非ゼロ配向角積層機５８を使用して、基板５２上に４５度の繊維配向角を有する比較的幅の狭いプライ１４７の積層を図解している。プライ１４７は、ビーム７６上の４個の積層ヘッド７８を基板５２上に複数回通すことによって形成される。積層ヘッド７８の第１のパス１２４では、矢印１４５で示したように、互いに間隔を空けた位置関係で、４本のビーム７６上の１２個のテープ制御モジュール８０によって、４５度テープ細片１３２が１２本レイダウンされる。第１のパス１２４の後、ガントリ５９はＸ軸９８に沿って増分距離だけ移動され、積層ヘッド７８は第２のパス１２６で第２の４５度テープ細片の組をレイダウンする。このレイダウン工程は、テープ細片１３２がほぼ連続的なプライ１４７を形成するまで、第３のパス１２８及び第４のパス１３０の間に反復される。各プライ１４７が形成された後、テーブル５４（図４）は、プライ１４７によって追加された付加的な積層厚を相殺するため、テーブル昇降制御５３によってＺ軸９８に沿って下向きに漸増的に変位されてもよい。

【0082】

図１４は、図５から８に示した積層機５６を使用して、基板５２又は５４の上に複合材テープを積層する方法のステップ全体を図解している。初めにステップ１３４では、積層機５６及び基板５２／５４は軸９８（例示的な実施例では、Ｘ軸９８となる）に沿って、互いに相対的に移動される。ステップ１３６では、一又は複数のテープ制御モジュール８０は積層機５６上でビーム７６に沿って移動され、ステップ１３８では、基板５２／５４上に少なくとも１本の細片を積層するため、テープ制御モジュール８０が使用される。ステップ１４０では、Ｘ軸９８に対してビーム７８の角度配向を変更することによって、すなわちＺ軸９８の周りにビーム７６を枢動することによって、積層方向が変更される。ステップ１３４から１４０で各プライが基板５２／５４の上に積層された後、テープ制御モジュール８０に対する基板５２／５４の高さ、従ってこれらの間の距離は、積層されたばかりのプライの厚みを相殺するため、Ｚ軸９８に沿って調整されてもよい。この調整は、図３及び４に示したテーブル５４の昇降調整によって実施されてもよい。

【0083】

ここで図１５及び１６に注目すると、図１、３及び４で示したゼロ配向角積層機５８の付加的な詳細が図解されている。積層機５６は、テーブル５４の対向する側面上にそれぞれ一対の支持体６２、６４を備えるガントリ５７、及びテーブル５４を横断して延在し、支持体６２、６４によって保持されるビーム６０を含む。ビーム６０は、図９及び１０に関連して既に説明したピボット軸受１１８、１２０に類似する、間隔が空けられたピボット軸受１５０、１５２によって、支持体６２、６４に結合されている。図面には示していないが、ピボット軸受１５２は図１０に示したピボット滑り軸受１２０で使用されるものに類似した摺動アセンブリを含んでもよく、これによりピボット軸受１５２は直線的に摺動することが可能になる。ピボット軸受１５０、１５２により、ビーム６０はＸ軸９８に対する角度配向を変更することができる。この角度配向の変更は、Ｘ軸９８に沿って、支持体６２、６４のうちの一方を、支持体６２、６４のうちの他方に対して移動することによって達成される。一対のテープ積層ヘッド６６は、ビーム６６の長さに沿って移動するようにレール１４８上に装着されている。積層ヘッド６６の各々は、以下でより詳細に説明される複数のテープ制御モジュール６８を含む。他の実施形態では、積層機５８は３個を超える積層ヘッド６６又は単一の積層ヘッド６６のみを含むことがある。

【0084】

テープ制御モジュール６８は、Ｘ軸９８の方向で部品レイアップ５２の長さに沿ってエッジからエッジまで関係付けて、複合材テープの連続または不連続コースをレイダウンしてもよい。しかしながら、図１７に示したようにビーム６０の角度配向が変えられることがあるため、Ｘ軸９８に対するテープコース１５５の角度配向は変化する可能性がある。幾つかの実施形態では、テープコース１５５の角度が約０度から５度の間となるような、比較的小さな値でビーム６０の角度配向が変更されることがある。しかしながら、他の実施形態では、特定の部品レイアップ５２に対して規定されるプライ計画によっては、ビーム６０はテープコース１５５の角度が５度よりも大きく、最大約４５度になるような角度配向まで回転されることがある。積層機５８によって、約５度から４５度までの配向角を有する部品レイアップ５２の長さに沿って積層されたテープコース１５５は、部品に付加的なクロスプライ剛性をもたらすことができ、非ゼロ配向角積層機５６による積層に要するクロスプライの数を低減すること及び／又は部品の性能を改善することが可能となる。積層機５６は、最終形状の部品になるまでレイアップをトリミングするための超音波トリミングヘッド１４２、及び積層されたテープの隣接するコース間の間隙を測定するための工程間間隙検査装置１４４をさらに含んでもよい。トリミングヘッド１４２を使用して最終形状まで部品レイアップをトリミングすることは有利であるが、これは部品レイアップが硬化した後に部品レイアップを機械加工する必要がなくなり、他の部品と共接着するのではなく、他の部品と共硬化することができるからである。図面には示していないが、テープコース１５５の角度配向は、Ｚ軸９８の周りに回転するため、ビーム６６上に積層ヘッド６６を装着することによって変更可能である。

【0085】

ここで図１８、１９及び２０に注目すると、図１５及び１６で示した積層機５６で使用されているテープ制御モジュール６８の１つの付加的な詳細が図解されている。テープサプライアセンブリ１６０は一方向性テープのリール１７２を備え、好適な能動的張力及びテープ供給のための停止機構（図示せず）を含んでもよい。テープフィードアセンブリ１６２はサプライアセンブリ１６０からテープを引出し、カッターアセンブリ１６６にテープを供給する。カッターアセンブリ１６６は、筐体１８８に装着された一対の同期サーボモーター１８２、１８４を備える同期されたカッター駆動システムを含む。サーボモーター１８２、１８４は、回転のため筐体１８８に軸支されるカッターローター１９０及び金床ローター１９２をそれぞれ駆動する。カッターローター１９０及び金床ローター１９２は共にニップ１９７（図１８及び２１）を形成し、テープはニップの中に供給され、カッターブレード２００と金床ローター１９２上の金床表面１９５との間で切断される。

【0086】

追加／圧縮アセンブリ１７９は、リール１７２から切断された長さのテープ１５６を基板５４（図１８）上に圧縮する圧縮ローラー１７８までテープをガイドするピンチローラー（図１８）１７６及び傾斜台１８６を含む。ピックアップアセンブリ１６８は、テープ１５６が圧縮ローラー１７８まで供給される前にテープ１５６から剥がされる裏当て紙（図示せず）を拾い上げ、巻き取りリール１８０に巻きつける。昇降アセンブリ１６４は、アセンブリ１６０、１６２、１７９、及び１８６を上昇及び下降させ、圧縮ローラー１７８によってテープ１５６に印加される圧縮力を制御する。

【0087】

図２１は、図１８から２０に示したテープ制御モジュール１６０で使用されるカッターローター１９０と金床ローター１９２の実施形態を図解している。カッターローター１９０は、ローター本体１９４に装着された細長いカッターブレード２００を含む。ローター本体１９４の対向する端部上の一対の軸受１９６は、図２０に示す筐体１８８上で回転するようにローター１９０を装着する。ローター本体１９４に結合されたシャフト１９８は、サーボモーター１８２に接続されている。カッターローター１９０と金床ローター１９２はテープ１５６が供給されるニップ１９７を形成するよう配置されている。金床ローター１９２は装着軸受１９１を備える金床本体１９３、及びブレード２００がテープ１５６を切断するときに押し当てられる金床外表面１９５を含む。図１９及び２０に示したサーボモーター１８２、１８４は、カッターローター１９０と金床ローター１９２をそれぞれほぼ同一の速度で駆動するように同期されている。

【0088】

図２２及び２３は、複数のほぼ平行なゼロ配向角テープコース２０８から形成される典型的な複合材プライ２０６を図解している。上で述べたカッターと金床の速度同期により、テープ１５６はカッターアセンブリ１６６（図２０）に入って連続的に短い細片セグメント２０８ａに切断され、端部と端部が隣接してほぼ隙間なく配置され、不連続なテープコース２０８を形成することが可能になる。数字２１０は、コース２０８の各々が不連続で、切断２１２によって分離された複数のセグメント２０８ａを含む、プライ２０６の領域２１０を含む。図２３で最もよくわかるように、各コース２０８の隣接するテープセグメント２０８ａは、互いの間隙はほとんど或いは全くなく、ほぼ連続している。テープコース２０８内で間隙がほとんど或いは全くないように複数の切断片を使用することは、形成時のプライ２０８のしわの低減又は除去に役立ちうる。プライ２０８のセクション２１０のみが複数の切断片２１２を有するように示されているが、複数の切断片２１２を有するテープコース２０８はプライ２０６の任意の領域に形成されてもよく、又はプライ２０６の一又は複数或いは全てのコース２０８全体に渡って延在してもよい。

【0089】

図２４は、図１８から２０に示したテープ制御装置１６０を使用して複合材テープを積層する方法を図解している。初めにステップ２１４では、テープ積層ヘッド６６は基板５４上に移動され、ステップ２１６では、テープは積層ヘッド６６の一部を形成する一又は複数のテープ制御モジュール１６０の圧縮ローラー１７８へ供給される。ステップ２１８では、カッティングブレード２００と金床１９２はほぼ同一の速度で回転され、ステップ２２０では、テープを不連続な細片又はセグメント２０８ａに切断するため、ブレード２００と金床１９２が使用される。ステップ２２２では、不連続なテープ細片又はセグメント２０８ａは基板５４上に圧縮される。最後に、ステップ２１４から２２２でプライが基板５４の上に積層された後、積層ヘッド６６に対する基板５４の高さ、従ってこれらの間の距離は、積層されたばかりのプライの厚みを相殺するため、Ｚ軸９８に沿って調整されてもよい。この調整は、図３及び４に示したテーブル５４の昇降調整によって実施されてもよい。

【0090】

ここで図２５及び２６に注目すると、積層ヘッド７８（図１、５から１２）で使用されているテープ制御モジュール８０の１つの一部が図解されている。テープ追加／カッターアセンブリ２２６は、積層ヘッド７８の移動方向（図示せず）に対して垂直に延在する軸２３４の周りで枢動運動するように、トラニオン２３２によってサブフレーム２３０上に装着されている。サブフレーム２３０は、摺動アセンブリ２２８によって直線的に昇降運動するように、メインフレーム２２４に装着されている。枢動アセンブリ２２６は、金床２５０上を通過するテープ（図示せず）を切断するアセンブリ２２６のほぼ中心に配置されている、往復運動するギロチン式カッターブレード２３８を含む。ローラー２４２は、テープ切断時に金床２５０に押し当てられる位置にあるブレード２３８を保持する。テープ／追加／カッターアセンブリ２２６は、テープの端部を一貫して正確に配置する。後でより詳細に説明されるように、カッターブレード２３８は、図１３に関連して既に説明されているような斜めのテープ切断を行うため、複数の切断位置のいずれかまで、アクチュエータ２４０によって回転されてもよい。

【0091】

とりわけ図２６を参照すると、テープ制御モジュール８０上のテープサプライ（図示せず）からの複合材テープは、ガイド２４４を通りローラー２４６を横断して、枢動テープ追加／カッターアセンブリ２２６まで供給され、ここで複合材テープはブレード２３８によって切断され、サブフレーム２３０上の圧縮ローラー２３６によって基板（図示せず）に圧縮される。テープ切断時には、枢動アセンブリ２２６は、ブレード２３８がテープを通過して金床２５０上でテープを切断するにつれて、軸２３４の周りに枢動する。

【0092】

図２８は、枢動アセンブリ２２６によって「進行中」に行われるテープ切断を図式的に説明している。切断中には、ブレード２３８と金床２５０は、２５６で示した位置から２５８で示した位置まで、円弧２５２を通って互いに移動する。２５６では、ブレード２３８は下方２５４に移動して最初にテープ１５６を嵌合する。ブレード２３８と金床２５０が引き続き円弧２５２に沿って移動し、２５８でテープが切断されるまで、ブレード２３８はテープ１５６を通過して金床２５０を越える。したがって、ブレード２３８は、切断中及び切断が完了するまで、金床２５０及びテープ１５６と共に移動する。切断の「進行中」における、ブレード２３８とテープ１５６の同時運動の結果として、テープ１５６の張力の突出は低減され、圧縮ローラー２３６へのテープの滑らかな供給が促進され、その後の圧縮でテープが基板から持ち上がる可能性は低下する。

【0093】

図２８は、図２５及び２６に示した枢動カッターアセンブリ２２６を採用するテープの積層ヘッド７８を使用して、基板５４上に複合材テープを積層する方法のステップを図解している。初めにステップ２７０では、テープ積層ヘッド７８は基板上に移動され、ステップ２７２ではテープは圧縮ローラー２３６へ供給される。ステップ２７４では、ブレード２３８はヘッド７８が移動を続ける間にテープをある長さに切断するのに使用される。ブレード２３８は切断時にテープと共に移動される。ステップ２７６では、切断されたテープは基板５４上に圧縮される。

【0094】

ここで図２９を参照すると、図１３に関連して既に説明したように、図２６及び２７に示した種類のテープ制御モジュール８０を採用する積層ヘッド７８は、基板５２のエッジ５２ａとほぼ平行にテープコース１３２の端部８５が斜めに切断される基板５４上に、非ゼロ配向角テープコース１３２を積層するために採用されてもよい。テープ１３２の縦方向エッジ１３５に対して垂直ではなく、基板エッジ５２ａにほぼ平行にテープ１３２の端部８５を切断することによって、斜線領域１３２ａによって示されるテープ領域の無駄が回避される。このような斜めのテープ切断は、基板エッジ５２ａに対してほぼ平行になるようにカッターブレード２３８を回転することによって実現される。

【0095】

図３０は、図２９に示した斜めのテープ切断を用いる基板５４上への非ゼロ配向角テープコースの積層方法を図解している。初めにステップ２８０では、積層ヘッド７８は基板５４のエッジ５２ａに対して斜めの角度１３７（図２９）で、基板５４上に移動される。ステップ２８２では、ヘッド７８が基板５４上に移動するにつれてテープ１３２はある長さに切断され、テープ１３２は基板エッジ５２ａに対してほぼ平行に切断される。ステップ２８４では、切断されたテープ１３２は基板５４上に圧縮される。

【0096】

図３１、３２及び３３は、図２５及び２６に関連して既に説明されている枢動追加／カッターアセンブリ２２６の付加的な詳細、並びに上述のように行われる斜めのテープ切断を可能にする機能を具体的に図解している。カッターアセンブリ２２６は、筐体２８８内部で回転可能な軸受３１４を有するシリンダ２４８を備えるローターアセンブリ２４５を含む。シリンダ２４８は、シリンダ２４８と共に回転するシリンダトップ２９０を含む。シリンダ２４８内部で往復運動するピストン３００は、ブレード２３８の上端部に固定されている。ブレード２３８は、切断時に樹脂がブレードに粘着するのを避けるため、窒化チタン又はＰＶＤ（物理蒸着）などの好適な非付着性被覆を有してもよい。テープ支持体２８６と共に金床２５０は、金床アーム３０５によってシリンダ２４８に接続されており、その結果、筐体２８８内部のシリンダ２４８と共に回転可能となっている。ブレードラッチ３０８はブレード２３８をピストン３００に固定し、さらにアセンブリ２２６の底部からブレードの取り外し及び交換を可能にするように解放される。フォームダンパー２９８は、ピストンが運動の上端に到達したときピストン３００の運動を緩衝するため、ピストン３００とシリンダトップ２９０との間に提供されてもよい。

【0097】

ピストン３００、及びブレード２３８の往復運動は、吸気ポート２９６を通ってカッターアセンブリ２２６に入る圧搾空気によって駆動される。図３３で最もよくわかるように、吸気ポート２９６に入る空気は、電気ボイスコイル２９４によって制御されるスプールバルブ３０８を通過する。切断サイクル時にバルブ３０８を通過できた圧搾空気は、バルブポート３１０とシリンダトップ２９０からシリンダ２４８に入る。シリンダ２４８及びブレード２３８の回転位置に応じて、バルブ３０８をシリンダ２４８にそれぞれ接続する複数対のバルブポート３１０が提供される。シリンダ２４８に入る圧搾空気はピストン３００を、したがってブレード２３８を下方に押し、テープを金床２５０に押し当ててある長さに切断する。ボイスコイル２９４は例外的に高速で動作し、スプールバルブ３０８を高速で作動及び後退させ、ブレード２３８による迅速な切断ストロークを促進する。

【0098】

図３４及び３５は、図２５及び２６に示された３点配置リニアアクチュエータ２４０とシリンダトップ２９０との間の機械的接続を図解している。例示的な実施例では、リニアアクチュエータは空気圧で動作される３点配置シリンダであるが、他の形態のアクチュエータも可能である。３点配置アクチュエータ２４０は、出力シャフト２４０ａを任意の３つの直線位置まで直線的に変位させる。出力シャフト２４０ａはシリンダトップ２９０に枢動可能に接続され、シリンダトップ２９０をシリンダ２４８、ブレード２３８、及び金床２５０と共に、所望の数の回転位置のいずれかまで、例示的な実施形態ではテープ制御モジュール８０の移動方向に対して４５度、９０度及び１３５度まで回転する。図３６、３７及び３８はそれぞれ、４５度、１３５度及び９０度の切断位置までのブレード２３８の回転を図解している。

【0099】

図３９は装置５０の制御コンポーネントを示す機能ブロック図である。既に示したように、制御装置８６はＰＣ、ＰＬＣ又は他の電気制御デバイスを備え、各積層機５６、５８上の一連の空気式及び電気式制御、及びテーブル昇降制御５３を制御するように機能する。制御装置８６によって制御される第１の積層機５６の要素は、カッタードライブ３２２、テープ制御モジュール機能３２４、テープ制御モジュールリニアモーター１１５、ビーム間隔調整アクチュエータ８２、テープ制御モジュールアクチュエータ８４、及びガントリ駆動モーター１０２を含む。制御装置８６はガントリフレームドライブ１０２を動作してガントリ５９を漸増的に前進させ、図１３に関連して説明したように、ビーム群７６を次の積層位置まで進ませる。フレーム支持体７２、７４を互いに対して相対的に変位させることによって、ガントリフレームドライブ１０２がビーム７６の積層角度を変えると、制御装置８６は、モジュール８０は基板５４の開始エッジ（例えば、図１３のエッジ５２ａ）に沿ってテープの配置を同時に開始できるように、ビーム７６に沿って互いに対して相対的にモジュール８０を再調整するテープ制御モジュールリニア駆動モーター１１５に制御信号を送る。

【0100】

積層機５８の場合には、制御装置８６は、ガントリ移動ドライブ３１８、ブレードローターモーター１８２、金床ローターモーター１８４、及び、例えば限定しないが、圧縮圧力のほかにテープ追加及び切断機能を含むテープモジュール制御機能３２０を制御する。制御装置８６はまた、部品レイアップ５２を最終形状まで切断するために使用しうる積層機５８上の一又は複数のトリミングヘッド５３の動作を制御することができる。サーボモーター１８２、１８４の速度は、既に説明したように、制御装置８６によって同期される。ガントリドライブ３１８は、例えば限定しないが、ガントリビーム６０を横断して積層ヘッド６６を駆動するモーター（図示せず）に加えて、テーブル５４の長さに沿ってガントリ５７（図１５及び１６）を駆動するホイールモーター（図示せず）を含んでもよい。

【0101】

本開示の実施形態は、特に、例えば航空宇宙、船舶、自動車の応用、及び自動化レイアップ装備が使用される他の応用を含む輸送産業の分野で、様々な潜在的な応用に用途を見出すことができる。したがって、図４０及び４１に示したように、本開示の実施形態は、図４０に示す航空機の製造及び保守方法３２６、及び図４１に示した航空機３２８に関して使用することが可能である。本開示の実施形態による航空機の用途は、例えば、限定しないが、スパー及びストリンガーなどのスティフナー部材のレイアップを含みうる。製造前の段階では、例示的な方法３２６は、航空機３２８の仕様及び設計３３０及び材料の調達３３２を含みうる。製造段階では、航空機３２８のコンポーネント及びサブアセンブリの製造３３４と、システムインテグレーション３３６とが行われる。したがって、航空機３２８は運航３４０に供するために、認可及び納品３８８が行われる。顧客により運航される間に、航空機３２８は定期的な整備及び保守３４２（改造、再構成、改修なども含みうる）を受ける。

【0102】

方法３２８の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実施又は実行されうる。本明細書の目的のために、システムインテグレーターは、限定しないが、任意の数の航空機メーカー、及び主要システムの下請業者を含むことができ、第三者は、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含むことができ、オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などでありうる。

【0103】

図４１に示すように、例示的な方法３２６によって製造された航空機３２８は、複数のシステム３４６及び内装３４８を有する機体３４４を含むことができる。高レベルのシステム３４６の例には、推進システム３５０、電気システム３５２、油圧システム３５４、及び環境システム３５６のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれていてもよい。航空宇宙産業の例を示したが、本開示の原理は、海運及び自動車産業などの他の産業にも適用しうる。

【0104】

ここで実施されるシステム及び方法は、製造及び保守方法３２６の一又は複数の任意の段階で用いられる。例えば、製造工程３３４に対応するコンポーネント又はサブアセンブリは、航空機３２８の運航中に製造されるコンポーネント又はサブアセンブリと同様の方法で作製又は製造することができる。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの組み合わせは、例えば、航空機３２８の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機３２８のコストを削減することにより、製造段階３３４及び３３６の間に利用することができる。同様に、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの組み合わせを、航空機１３８の運航中に、例えば限定しないが、整備及び保守３４２に利用することができる。

【0105】

種々の有利な実施形態の説明は、例示及び説明を目的として提示されているものであり、網羅的な説明であること、又は開示された形態に実施形態を限定することを意図していない。当業者には、多数の修正例及び変形例が明らかであろう。さらに、種々の有利な実施形態は、他の有利な実施形態に照らして異なる利点を提供することができる。選択された一又は複数の実施形態は、実施形態の原理、実際の応用を最もよく説明するため、及び他の当業者に対し、様々な実施形態の開示内容と、考慮される特定の用途に適した様々な修正との理解を促すために選択及び記述されている。
また、本願は以下に記載する態様を含む。
（態様１）
基板上に複合材テープを積層するための装置であって、
第１の軸に沿って前記基板に対して移動可能な積層機で、間隔を空けて配置された第１と第２の支持体及び第２の軸に沿って前記基板を横断して延在するビームを含む積層機；
前記第１の軸に対して前記ビームの角度配向の変更を可能にするため、前記ビームと前記支持体の各々との間の枢動結合；及び
前記基板上に複合材テープを積層するため前記ビームの上の少なくとも１つのテープ積層ヘッド
を備える装置。
（態様２）
前記積層機は前記基板上に複合材テープを積層するため、複数の前記ビーム及び前記ビームの各々の上のテープ積層ヘッドを含み、前記装置は、
前記第１の軸に対して前記ビームの各々の角度配向の変更を可能にするため、前記ビームの各々と前記支持体との間の複数の枢動結合をさらに含む、態様１に記載の装置。
（態様３）
前記支持体は前記第１の軸にほぼ平行な方向に互いに独立に移動可能である、態様１又は２に記載の装置。
（態様４）
前記ビームが前記１つの支持体に対して摺動することを可能にするため、前記ビームと前記支持体の１つとの間に摺動可能な接続をさら備える、態様１から３のいずれか一項に記載の装置。
（態様５）
前記テープ積層ヘッドは、
前記ビームに沿ってほぼ平行に移動するように装着された複数のキャリッジ；
前記基板に複合材テープの１本の細片をレイダウンするための前記キャリッジの各々に載せられた少なくとも１つのテープ制御モジュール；及び
前記ビームの角度配向が変更されたとき、前記テープ制御モジュールを互いに相対的に位置調整するための手段
を含む、態様１から４のいずれか一項に記載の装置。
（態様６）
基板上に複合材テープを積層する方法であって、
軸に沿ってテープ積層機及び前記基板を相対的に移動すること；
前記積層機上のビームに沿ってテープ制御モジュールを移動すること；
前記テープ制御モジュールを使用して、前記基板上に複合材テープの少なくとも１本の細片を積層すること；及び
前記軸に対して前記ビームの前記角度配向を変更すること
を含む方法。
（態様７）
前記ビームの前記角度配向を変更することは、前記ビームを旋回することによって実施される、態様６に記載の方法。
（態様８）
前記ビームの前記角度配向を変更することは、前記ビームの端部上で２つの支持体をそれぞれ相対的に移動することによって実施される、態様６又は７に記載の方法。
（態様９）
前記軸に対する前記ビームの前記角度配向を変更することは前記支持体の１つに対する前記ビームの直線的な摺動を含み、前記方法は、
前記ビームの角度配向の変化に基づいて、前記テープ制御モジュールの位置の始動を変更することをさらに含む、態様６から８のいずれか一項に記載の方法。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】

【図34】

【図35】

【図36】

【図37】

【図38】

【図39】

【図40】

【図41】