(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】
(24)【登録日】2023-12-06
(45)【発行日】2023-12-14
(54)【発明の名称】チューブ状編組索巻回体で作製された複合材構造体
(51)【国際特許分類】
B29C 70/32 20060101AFI20231207BHJP
B29C 70/06 20060101ALI20231207BHJP
B29C 43/02 20060101ALI20231207BHJP
【ＦＩ】
B29C70/32
B29C70/06
B29C43/02
【請求項の数】
15
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2019191628
(22)【出願日】2019-10-21
(65)【公開番号】P2020097224
(43)【公開日】2020-06-25
【審査請求日】2022-09-30
(31)【優先権主張番号】16/179,324
(32)【優先日】2018-11-02
(33)【優先権主張国・地域又は機関】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】100135389
【弁理士】
【氏名又は名称】臼井 尚
(74)【代理人】
【識別番号】100086380
【弁理士】
【氏名又は名称】吉田 稔
(74)【代理人】
【識別番号】100103078
【弁理士】
【氏名又は名称】田中 達也
(74)【代理人】
【識別番号】100130650
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 泰光
(74)【代理人】
【識別番号】100168099
【弁理士】
【氏名又は名称】鈴木 伸太郎
(74)【代理人】
【識別番号】100168044
【弁理士】
【氏名又は名称】小淵 景太
(74)【代理人】
【識別番号】100200609
【弁理士】
【氏名又は名称】齊藤 智和
(72)【発明者】
【氏名】アモール オーガル
【審査官】今井 拓也
(56)【参考文献】
【文献】特開２００５－１５３４２８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０１０２５７８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開平０５－１９３０３０（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－０１５３９９（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ７０／３２
Ｂ２９Ｃ ７０／０６
Ｂ２９Ｃ ４３／０２
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複合材構造体の製造方法であって、
前記複合材構造体は、チューブ状編組索の巻回成形体を含み、前記チューブ状編組索は、一方向性テープ及び一方向性トウからなる群から選択され、前記一方向性テープは、一方向性繊維を含み、前記製造方法は、
前記チューブ状編組索を、巻回ツールに巻き付けて、チューブ状編組索の重ね巻部を有するチューブ状編組索巻回体を形成すること、及び
前記チューブ状編組索の重ね巻部を一体化することにより、前記チューブ状編組索巻回体から前記複合材構造体を形成すること、を含む、製造方法。
【請求項2】
前記一方向性繊維は、樹脂で予備含浸されている、請求項１に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項3】
前記樹脂は、熱硬化性又は熱可塑性である、請求項２に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項4】
前記チューブ状編組索は、熱可塑性スリットテープ、室温で不粘着性である熱硬化性テープ、エポキシ又は熱可塑性バインダが塗布されたバインダ含浸ロービングプリプレグ、不粘着性の熱硬化性プリプレグ、又は、低粘着性の熱硬化性プリプレグからなる群から選択された材料で構成されている、請求項１～３のいずれかに記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項5】
前記チューブ状編組索は、成形中に、一体化及び加熱される、請求項１～４のいずれかに記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項6】
前記チューブ状編組索は、一体化の際、フラットに押し固められる、請求項５に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項7】
前記チューブ状編組索は、一体化により中実の断面を有する、請求項６に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項8】
前記中実の断面は、複数のプライで構成されている、請求項７に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項9】
前記巻回ツールは、矩形、円形、楕円形、及び卵形のいずれかの断面形状を有している、請求項８に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項10】
前記チューブ状編組索は、前記巻回ツールに巻き付いた螺旋状パターンに配置される、請求項９に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項11】
前記巻回ツールは、前記複合材構造体により画定された開口部に対応する外面を有する、請求項９又は１０に記載の複合材構造体の製造方法。
【請求項12】
チューブ状編組索を用いて、複数のプライを有する複合材積層構造体を製造する方法であって、前記チューブ状編組索は、
前記複数のプライの各々について、２軸編組索内で同じ方向に配向された一方向性繊維を含み、
前記一方向性繊維は、熱可塑性スリットテープ、室温で不粘着性である熱硬化性テープ、エポキシ又は熱可塑性バインダが塗布されたバインダ含浸ロービングプリプレグ、不粘着性の熱硬化性プリプレグ、又は、低粘着性の熱硬化性プリプレグからなる群から選択された材料で構成されており、
前記方法は、
前記チューブ状編組索を、巻回ツールに巻き付けて、チューブ状編組索の重ね巻部を有するチューブ状編組索巻回体を形成すること、及び
前記チューブ状編組索の重ね巻部を一体化することにより、前記チューブ状編組索巻回体から前記複合材構造体を形成すること、を含む、方法。
【請求項13】
チューブ状編組索を複数のプライへと積層すること、及び、
前記チューブ状編組索の複数のプライを圧縮及び加熱することにより、前記チューブ状編組索の複数のプライを複合材構造体へと一体化させること、を含む複合材構造体を形成するための方法であって、
前記チューブ状編組索を複数のプライへと積層するのに先立って、一方向性テープ及び一方向性トウからなる群から選択される材料で前記チューブ状編組索を作製することをさらに含み、前記一方向性テープは、一方向性繊維で作製される、方法。
【請求項14】
巻回ツールの外面に前記チューブ状編組索を巻き付けて、前記チューブ状編組索の複数のプライとなる重ね巻部を有するチューブ状編組索巻回体を作製することをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項15】
複合材構造体のためのチューブ状編組索巻回体であって、螺旋状に巻かれたチューブ状編組索を含み、前記チューブ状編組索は、一方向性テープの編組索で形成されている、チューブ状編組索巻回体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、複合材構造体に関する。より具体的には、本開示は、チューブ状編組索巻回体（wound tubular braiding）で作製された複合材構造体に関する。
【背景技術】
【0002】
航空機で使用される複合材料の数は益々増えてきている。複合材料は、典型的には、ポリマー樹脂マトリクスに結合した強化繊維を含む。このような繊維は、一方向性の繊維であってもよい。これに代えて、繊維は、織布又はファブリックの形態であってもよい。繊維及びポリマー樹脂を配置して硬化させることにより、複合材構造体を形成することができる。航空機で使用可能な複合材料としては、例えば、航空機の窓やドアフレームが挙げられる。
【0003】
従来の処理により複合材構造体を作製する場合、様々な課題が存在する。例えば、円形又は楕円形の複合材部品の場合、レイアップを形成するために特別なレイアップ方式を採用しなくてはならない。このようなレイアップ方式は、多くの場合、既存の処理の制限を受ける。これらの既存の処理の例には、繊維配置マシンやファブリック作製マシンが含まれる。ただし、繊維配置マシンやファブリック作製マシンは、典型的には、完成品の具体的な構成や最終構造に合わせて特別に調節される。自動化された繊維配置又は織布に基づく現在の処理は、費用と時間がかかり、半径が小さい部品には適していない場合がある。
【0004】
一部の複合材部品は、その構造に穴や開口部が形成されていなければならない。例えば、航空機の窓フレームは開口部を画定している。開口部を有する複合材部品のために強化繊維を配向する作業は特に困難且つ面倒であろう。また、開口部を有する複合材部品を作製するために従来の製造処理を利用すると、比較的大量の材料が廃棄される場合がある。
【0005】
したがって、複合材構造体を作製するための現在の方法及びシステムは、意図された目的を達成することはできるが、複合材構造体を作製するために改良された新しいシステム及び方法が必要とされている。
【発明の概要】
【0006】
いくつかの態様によれば、複合材構造体が開示される。複合材構造体は、チューブ状編組索の巻回成形体を含む。
【0007】
本開示の他の態様においては、巻回成形された２軸編組索を含む複合材構造体が開示される。
【0008】
いくつかの態様によれば、２軸に編み組まれたチューブ状編組索を含む複合材構造体が開示される。
【0009】
本開示の他の態様においては、複数のプライを含む複合材積層構造体が開示される。複合材構造体は、複数のプライの各々について、同じ方向に配向された２軸編組繊維を含む。
【0010】
本開示のさらに他の態様においては、編組マシンが開示される。当該編組マシンは、マンドレルと、各々が前記マンドレルに対して相対移動可能である複数のスプールを有する編組機構と、前記複数のスプールの各々に巻き付けられた一方向テープと、ガイドリングと、制御モジュールと、を含む。前記ガイドリングは、対応するスプールに巻き付けられた一方向性テープを前記マンドレルに誘導する。前記制御モジュールは、前記編組機構と電子通信する。前記制御モジュールは、前記マンドレルに前記一方向性テープを配置してチューブ状編組索を作製するために、前記複数のスプールの動作を誘導するための命令を実行する。
【0011】
本開示のさらに他の態様においては、チューブ状編組索巻回体からなる複合材構造体を作製するための装置が開示される。前記装置は、外面を有するツールと、前記ツールの外面に前記チューブ状編組索を巻き付けて複合材プリフォームを作製するためのデバイスと、前記複合材プリフォームを一体化するための成形デバイスと、制御モジュールと、を含む。前記制御モジュールは、前記デバイス及び前記成形デバイスと電子通信する。前記制御モジュールは、前記ツールの外面に前記チューブ状編組索を巻き付けるように前記デバイスを誘導するための命令、及び、前記複合材プリフォームを一体化するために前記成形デバイスを動作させるための命令を実行する。
【0012】
いくつかの態様によれば、複合材構造体を形成するための方法が開示される。前記方法は、チューブ状編組索巻回体を成形して前記複合材構造体を形成することを含む。
【0013】
本開示のさらに他の態様においては、複合材プリフォームを作製するための方法が開示される。前記方法は、一方向性繊維を折り曲げることなく互いにずらしながら、当該一方向性繊維のチューブ状編組索を巻回することを含む。
【0014】
本開示の他の態様においては、チューブ状編組索を形成するための方法が開示される。前記方法は、一方向性テープを編み組んで前記チューブ状編組索を形成することを含む。
【0015】
本開示の他の態様においては、複合材構造体のためのチューブ状編組索巻回体が開示される。前記チューブ状編組索巻回体は、螺旋状に巻かれたチューブ状編組索を含む。
【0016】
本開示は、さらに以下の付記を含む。
【0017】
付記１．チューブ状編組索（２２）の巻回成形体を含む、複合材構造体（２６）。
【0018】
付記２．前記チューブ状編組索（２２）は、一方向性テープ（３２）及び一方向性トウからなる群から選択される、付記１に記載の複合材構造体（２６）。
【0019】
付記３．前記一方向性テープ（３２）は、一方向性繊維（５４）を含む、付記２に記載の複合材構造体（２６）。
【0020】
付記４．前記一方向性繊維（５４）は、樹脂で予備含浸されている、付記３に記載の複合材構造体（２６）。
【0021】
付記５．前記樹脂は熱硬化性である、付記４に記載の複合材構造体（２６）。
【0022】
付記６．前記樹脂は熱可塑性である、付記４に記載の複合材構造体（２６）。
【0023】
付記７．前記チューブ状編組索（２２）は、熱可塑性スリットテープ、室温で実質的に不粘着性である熱硬化性テープ、エポキシ又は熱可塑性バインダが塗布されたバインダ含浸ロービングプリプレグ、実質的に不粘着性の熱硬化性プリプレグ、又は、低粘着性の熱硬化性プリプレグからなる群から選択された材料で構成されている、付記１～６のいずれかに記載の複合材構造体（２６）。
【0024】
付記８．前記チューブ状編組索（２２）は、成形中に、一体化及び加熱される、付記１～７のいずれかに記載の複合材構造体（２６）。
【0025】
付記９．前記チューブ状編組索は、一体化の際、フラットに押し固められる、付記８に記載の複合材構造体（２６）。
【0026】
付記１０．前記チューブ状編組索（２２）は、一体化により中実の断面を有する、付記９に記載の複合材構造体（２６）。
【0027】
付記１１．前記中実の断面は、複数のプライ（９９）で構成されている、付記１０に記載の複合材構造体（２６）。
【0028】
付記１２．前記チューブ状編組索（２２）は、一体化の前に巻回ツール（１８）に巻き付けられる、付記１１に記載の複合材構造体（２６）。
【0029】
付記１３．前記チューブ状編組索（２２）は、前記巻回ツール（１８）に巻き付いた螺旋状パターンに配置される、付記１２に記載の複合材構造体（２６）。
【0030】
付記１４．前記巻回ツール（１８）は、前記複合材構造体（２６）により画定された開口部（９６）に対応する外面（６２）を有する、付記１２又は１３に記載の複合材構造体（２６）。
【0031】
付記１５．前記チューブ状編組索（２２）は、２軸編組索（５６）である、付記１～１４のいずれかに記載の複合材構造体（２６）。
【0032】
付記１６．前記チューブ状編組索（２２）は、３軸編組索（５８）である、付記１～１４のいずれかに記載の複合材構造体（２６）。
【0033】
付記１７．前記チューブ状編組索（２２）は、ポリマーマトリクスに埋め込まれた一方向性繊維（５４）を含む、付記１～１６の何れかに記載の複合材構造体（２６）。
【0034】
付記１８．複数のプライ（９９）を有する複合材積層構造体（９８）であって、
前記複数のプライ（９９）の各々について、２軸編組索（５６）内で同じ方向に配向された一方向性繊維（５４）を含む、複合材積層構造体。
前記複数のプライ（９９）の各々について、２軸編組索（５６）内で同じ方向に配向された一方向性繊維（５４）を含む、複合材積層構造体。
【0035】
付記１９．３軸編組索（５８）内に一方向性繊維（５４）を含む、付記１８に記載の複合材積層構造体（９８）。
【0036】
付記２０．前記一方向性繊維（５４）は、チューブ状編組索（２４）の巻回体を構成している、付記１８又は１９に記載の複合材積層構造体（９８）。
【0037】
付記２１．前記複合材積層構造体（９８）は、一方向性テープ（３２）及び一方向性トウからなる群から選択される材料で作製される、付記１８～２０のいずれかに記載の複合材積層構造体（９８）。
【0038】
付記２２．前記一方向性繊維（５４）は、ポリマーマトリクス内に配置されている、付記２１に記載の複合材積層構造体（９８）。
【0039】
付記２３．前記一方向性繊維（５４）は、前記ポリマーマトリクスに埋め込まれている、付記２１又は２２に記載の複合材積層構造体（９８）。
【0040】
付記２４．前記複合材積層構造体（９８）は、所定の繊維対体積比を有する、付記２１～２３のいずれかに記載の複合材積層構造体（９８）。
【0041】
付記２５．前記ポリマーマトリクスは、熱硬化性樹脂である、付記２１～２４のいずれかに記載の複合材積層構造体（９８）。
【0042】
付記２６．前記ポリマーマトリクスは、熱可塑性樹脂である、付記２１～２４のいずれかに記載の複合材積層構造体（９８）。
【0043】
付記２７．前記一方向性繊維（５４）は、熱可塑性スリットテープ、室温で実質的に不粘着性である熱硬化性テープ、エポキシ又は熱可塑性バインダが塗布されたバインダ含浸ロービングプリプレグ、実質的に不粘着性の熱硬化性プリプレグ、又は、低粘着性の熱硬化性プリプレグからなる群から選択された材料で構成されている、付記１８～２６のいずれかに記載の複合材積層構造体（９８）。
【0044】
付記２８．複合材構造体（２６）を形成するための方法（３００）であって、
チューブ状編組索巻回体（２４）を成形して複合材構造体（２６）を形成することを含む、方法（３００）。
チューブ状編組索巻回体（２４）を成形して複合材構造体（２６）を形成することを含む、方法（３００）。
【0045】
付記２９．一方向性テープ（３２）及び一方向性トウからなる群から選択される材料でチューブ状編組索（２２）を作製することをさらに含む、付記２８に記載の方法（３００）。
【0046】
付記３０．前記一方向性テープ（３２）は、一方向性繊維（５４）で作製される、付記２９に記載の方法（３００）。
【0047】
付記３１．巻回ツール（１８）の外面（６２）に前記チューブ状編組索（２２）を巻き付けて、チューブ状編組索巻回体（２４）を作製することをさらに含む、付記２９～３０のいずれかに記載の方法（３００）。
【0048】
付記３２．前記巻回ツール（１８）に対して螺旋状に前記チューブ状編組索（２２）を巻き付けることをさらに含む、付記３１に記載の方法（３００）。
【0049】
付記３３．前記チューブ状編組索（２２）が前記巻回ツール（１８）に巻き付けられる際、前記一方向性テープ（３２）は、折れ曲がることなく互いに滑る、付記３１に記載の方法（３００）。
【0050】
付記３４．樹脂で前記チューブ状編組索巻回体（２４）を予備含浸することをさらに含む、付記３１に記載の方法（３００）。
【0051】
付記３５．前記チューブ状編組索巻回体（２４）を一体化して前記複合材構造体（２６）を形成することをさらに含む、付記３４に記載の方法（３００）。
【0052】
付記３６．前記チューブ状編組索巻回体（２４）を一体化する際、加熱を行うことをさらに含む、付記３５に記載の方法（３００）。
【0053】
付記３７．前記チューブ状編組索巻回体（２４）は、樹脂溶融温度まで加熱される、付記３６に記載の方法（３００）。
【0054】
付記３８．前記チューブ状編組索巻回体（２４）の一体化において、当該チューブ状編組索巻回体をフラットに押し固めることをさらに含む、付記３５～３７のいずれかに記載の方法（３００）。
【0055】
付記３９．前記チューブ状編組索巻回体（２４）が一体化される際、前記一方向性テープ（３２）は、折れ曲がることなく互いにせん断ずれする、付記３５～３８のいずれかに記載の方法（３００）。
【0056】
付記４０．前記複合材構造体（２６）は、一体化により中実の断面を有する、付記３５～３９のいずれかに記載の方法（３００）。
【0057】
付記４１．前記チューブ状編組索（２２）は、２軸編組索（５６）である、付記２８～４０のいずれかに記載の方法（３００）。
【0058】
付記４２．前記チューブ状編組索は、３軸編組索（５８）である、付記２８～４０のいずれかに記載の方法（３００）。
【0059】
付記４３．複合材構造体のためのチューブ状編組索巻回体（２４）であって、
螺旋状に巻かれたチューブ状編組索（２２）を含む、チューブ状編組索巻回体（２４）。
螺旋状に巻かれたチューブ状編組索（２２）を含む、チューブ状編組索巻回体（２４）。
【0060】
付記４４．前記チューブ状編組索（２２）は、第１自由端（２４Ｂ）と第２自由端（２４Ａ）とを有する、付記４３に記載のチューブ状編組索巻回体（２４）。
【0061】
付記４５．前記チューブ状編組索（２２）は、当該チューブ状編組索（２２）の長さに亘って延びる中心孔（２４Ｃ）を有する、付記４３又は４４に記載のチューブ状編組索巻回体（２４）。
【0062】
付記４６．螺旋状に巻かれた前記チューブ状編組索（２２）は、単一の長さのチューブ状編組索（２２）で形成されている、付記４３～４５のいずれかに記載のチューブ状編組索巻回体（２４）。
【0063】
付記４７．前記チューブ状編組索（２２）は、一方向性テープ（３２）の編組索（５６、５８）で形成されている、付記４３～４６のいずれかに記載のチューブ状編組索巻回体（２４）。
【0064】
付記４８．前記編組索は、螺旋状編組索（５６）である、付記４３～４７のいずれかに記載のチューブ状編組索巻回体（２４）。
【0065】
付記４９．前記編組索は、３軸編組索（５８）である、付記４３～４８のいずれかに記載のチューブ状編組索巻回体（２４）。
【0066】
上述した特徴、機能、利点は、本開示において達成することができ、その詳細は、以下の記載及び図面を参照することによって明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【0067】
本明細書で説明する図面は単に例示を目的としたものであり、本開示の範囲を何ら限定するものではない。
【0068】
【図1】本開示による複合材構造体を作製するためのシステムを示す概略図である。
【図2】本開示によるチューブ状編組索を作製するための編組マシンを示す概略図である。
【図7】本開示による、膨脹式マンドレルを用いてチューブ状編組索を形成するための方法を示す例示的な処理フロー図である。
【図8】本開示による、非膨脹式マンドレルを用いてチューブ状編組索を形成するための方法を示す例示的な処理フロー図である。
【図9】本開示による、巻回ツールを示す正面斜視図である。
【図10】本開示による、チューブ状編組索巻回体が配置された状態の巻回ツールを示す正面斜視図である。
【図11】本開示による、チューブ状編組索巻回体を示す正面斜視図である。
【図12】本開示による、開位置における成形マシンを示す正面斜視図である。
【図14】本開示による、開位置にある成形マシンにチューブ状編組索巻回体が配置された状態を示す正面斜視図である。
【図17】本開示による、複合材構造体を示す上面図である。
【図19】本開示による、複合材構造体を形成するための方法を示す例示的な処理フロー図である。
【図20】本開示による、チューブ状編組索を巻き付けるための方法を示す例示的な処理フロー図である。
【図21】航空機の製造及び保守方法を示すフロー図である。
【図22】航空機を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【0069】
チューブ状編組索の巻回成形体で作製された複合材構造体が開示される。前記チューブ状編組索は、一方向性繊維の一方向性テープ又は一方向性トウで作製される。また、前記チューブ状編組索を作製するための編組マシンが開示される。前記編組マシンは、編組機構と、マンドレルとを含む。前記編組機構には、複数のスプールが搭載されており、各スプールには一方向性テープ又は一方向性トウが巻き付けられている。前記編組機構は、前記チューブ状編組索を作製するために、前記スプールから前記マンドレルに前記一方向性テープ又は前記一方向性トウを配置することを制御する。前記チューブ状編組索は、２軸編組索又は３軸編組索であってよい。
【0070】
また、ツールに前記チューブ状編組索を巻き付けることによって前記複合材構造体を作製するための装置が開示される。最初に、前記編組索が前記マンドレルから取り外されて前記ツールの外面に巻き付けられることにより、チューブ状編組索巻回体が作製される。前記マンドレルは、前記チューブ状編組索巻回体と共に残り、その一部を形成していてもよい。前記チューブ状編組索から前記マンドレルを取り外すために、前記チューブ状編組索に切込みを入れてもよい。前記チューブ状編組索が前記ツールに巻き付けられる際、前記一方向性テープ又は前記一方向性トウは、折れ曲がることはない。すなわち、前記チューブ状編組索が前記ツールに巻き付けられる際、前記一方向性テープ又は前記一方向性トウは、互いに滑るか、或いはせん断ずれする。このように前記一方向性テープ又は前記一方向性トウが相対的に滑ったりせん断ずれすることにより、皺が生じないように、且つ、最終的な構造に対して好適に繊維を配向して、構造体を作製することができる。その後、前記チューブ状編組索巻回体は、前記ツールから取り外され、取り外されたチューブ状編組索巻回体は、成形マシンによって加熱されるとともにフラットに押し固められて前記複合材構造体が作製される。なお、前記チューブ状編組索がフラットに押し固められる場合においても、前記一方向性テープ又は前記一方向性トウは折れ曲がらず、互いに滑るか、或いはせん断ずれする。
【0071】
複合材プリフォームの巻回及び一体化において、一方向性繊維が互いに滑ったりせん断ずれすることにより、作製する積層体のプライ毎に、構造体に対してより多くの繊維が好適に配向された複合材構造体を得ることができる。さらに、このような複合材構造体においては、所望の強度を実現するために必要な積層体のプライの数を減らすことができる。これは、上述したように、積層体のプライ毎に、構造体に対してより多くの繊維が好適に配向されるからであり、構造体をより効率的にすることができる。この結果、部品を軽量化することができる。複合材構造体を作製するための本開示の処理は、従来のレイアップ処理よりも短時間で行うことができるため、生産速度を上げることができる。さらに、複合構造体を作製するための本開示の処理は、従来の処理と比較して、廃棄物の量を減らすことができ、また、手間のかかる後処理である機械加工の負担を減らすことができる。
【0072】
以下の説明は、単に例示的な性質のものであり、本開示やその適用例又は用途を限定することを意図するものではない。
【0073】
図１を参照すると、複合材構造体を作製するためのシステム１０の概略図が示されている。システム１０は、概して、ツール１２と、当該ツール１２で処理されるワーク（work product）１４とを含む。ツール１２は、編組マシン１６と、巻回ツール１８と、成形マシン２０とを含む。ワーク１４は、チューブ状編組索２２と、チューブ状編組索巻回体２４と、複合材構造体２６とを含む。チューブ状編組索巻回体２４は、チューブ状編組索の巻線とも呼ばれうる。チューブ状編組索２２は、編組マシン１６によって形成される。チューブ状編組索巻回体２４は、巻回ツール１８によって、チューブ状編組索２２で形成される。複合材構造体２６は、成形マシン２０によって、チューブ状編組索巻回体２４から成形される。複合材構造体２６は、開口部を囲んで支持する任意のフレームであって、設計要件を満たすための特定の繊維配向及びレイアップが求められる。例えば、複合材構造体２６は、航空機の窓フレームや航空機のドアフレーム等であってもよい。ツール１２は、本開示の範囲を逸脱することなく、成形マシン、後処理マシン、切断装置等の他の装置を含んでもよい。同様に、ワーク１４は、チューブ状編組索２２、チューブ状編組索巻回体２４、及び、複合材構造体２６の追加的な変形を含みうる。以下に説明するように、システム１０は、航空機の製造及び保守において使用することができる。例えば、システム１０は、機体及び内装を含む航空機の部品及びサブアセンブリの製造、航空機のシステムインテグレーション、及び、航空機の定例の整備及び保守に使用することができる。
【0074】
図２を参照すると、編組マシン１６の概略側面図が示されている。編組マシン１６は、編組機構２８と、マンドレル３０とを含む。以下に説明するように、編組機構２８は、マンドレル３０に対して一方向性テープ３２又は一方向性トウを編むように構成されている。マンドレル３０は、編組機構２８の中心軸「Ａ」に沿って、ホルダ３１により支持及び駆動される。
【0075】
図３を参照するとともに、引き続き図２を参照すると、図２の断面線３－３の方向に見た編組マシン１６が示されている。編組機構２８は、ベースプレート３６に支持されたキャリア３４を含む。キャリア３４は、リング形状をしており、開口部３４Ａを画定している。中心軸「Ａ」に沿った編み作業中、開口部３４Ａにマンドレル３０が通される。キャリア３４には複数のスプール３８が取り付けられている。スプール３８の各々は、マンドレル３０に対して、キャリア３４の中心軸の周りを環状に移動可能である。スプール３８の各々には、一方向性テープ３２が巻き付けられている。図２には５つのスプール３８が概略的に示されており、図３には多数のスプール３８が示されているが、スプール３８の数は、チューブ状編組索２２の所望の特性に応じて決定することができる。例えば、編組機構２８は、僅か４０個という少数のスプール３８を含んでもよいし、２００個もの多くのスプール３８を含んでいてもよい。スプール３８は、概して、縦糸スプール３８Ａと、横糸スプール３８Ｂとを含む。縦糸スプール３８Ａは、キャリア３４によって（図３に示す）時計回り方向Ｃに移動し、横糸スプール３８Ｂは、キャリア３４によって（図３に示す）反時計回り方向ＣＣに移動する。縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂは、同じ速さで移動することが好ましい。
【0076】
編組機構２８は、マンドレル３０の周囲に配置されたガイドリング４０をさらに含む。ガイドリング４０は、対応するスプール３８に巻き付けられた一方向性テープ３２をマンドレル３０に誘導する。具体的には、一方向性テープ３２は、対応するスプール３８から収束ゾーン４２を通ってマンドレル３０に誘導される。一方向性テープ３２が最初にマンドレル３０に接触する位置は、付着点（fell point）４４で示されている。
【0077】
マンドレル３０は、基板として機能し、当該基板上で、編組機構２８によって一方向性テープ３２が編み組まれ、チューブ状編組索２２が形成される。マンドレル３０の形状は様々であってもよいが、好ましくは、長状シリンダである。マンドレル３０の直径は、５．０８ｃｍ（２インチ）であってもよい。ただし、マンドレル３０の直径は、複合材構造体２６の設計要件によって上記直径とは異なっていてもよい。マンドレル３０の寸法又は体積は調節可能である。例えば、マンドレル３０は、シリコーン袋状体等の膨張可能なチューブである。しかしながら、マンドレル３０の寸法又は体積は固定されていてもよい。例えば、マンドレル３０は、限定するものではないが、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、ゴム、シリコーン、ネオプレン、又は天然ゴムなどの固体半剛性材料で構成される。マンドレル３０は、一方向性テープ３２の組成物と適合性のある薄膜ポリマーで構成することができる。
【0078】
マンドレル３０は、供給ライン５０によって膨張機構４８と接続している。膨張機構４８は、マンドレル３０に対して加圧した空気や別の気体、又は液体を供給する。膨張機構４８は、収縮状態と膨張状態との間でマンドレル３０を繰り返し切り替える。
【0079】
図４を手短に参照すると、図２の断面ビュー４－４で示される一方向性テープ３２の拡大図が示されている。一方向性テープ３２は、連続した帯状の複数の一方向性繊維５４を含んでおり、これらの繊維は、熱結合又は接着結合によって纏めて保持されている。一方向性繊維５４は、互いに平行である。一方向性繊維５４には、樹脂が予め含浸されていてもよい。樹脂は、例えば、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、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）等の熱可塑性樹脂であってもよいし、例えば、エポキシ、シアン酸エステル等の熱硬化性樹脂であってもよい。一方向性繊維５４は、比較的細い保持糸（図示略）によって纏めて保持することができる。保持糸は、一方向性繊維５４に織り込まれていない。その代わりに、保持糸は、一方向性テープ３２の上面及び下面に配置されている。一方向性テープ３２は、一方向性トウで構成することができる。一方向性トウは、いくつかのカーボントウに交差する縫糸により結合された一方向性繊維を含む。一方向性テープ３２は、熱可塑性スリットテープ、室温で実質的に不粘着性である熱硬化性テープ、エポキシ又は熱可塑性バインダが塗布されたバインダ含浸ロービングプリプレグ、実質的に不粘着性の熱硬化性プリプレグ、又は、低粘着性の熱硬化性プリプレグで構成することができる。
【0080】
図２及び３を再び参照すると、編組マシン１６の動作が制御モジュール５２（図２に示す）により制御されている。制御モジュール５２は、編組機構２８、ホルダ３１、及び、膨張機構４８と通信を行う。制御モジュール５２は、電子回路、組合わせ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コードを実行する（共有、専用、又は、グループの）プロセッサ、又は、例えばシステムオンチップのように、これら要素のうちのいくつか若しくは全ての組合せであるか、或いはその一部であってもよい。さらに、制御モジュール５２は、少なくとも１つのプロセッサ、メモリ（ＲＡＭ及び／又はＲＯＭ）、及び、関連する入出力バスを有するコンピュータ等の、マイクロプロセッサベースのモジュールであってもよい。プロセッサは、メモリにあるオペレーティングシステムの制御下で動作する。オペレーティングシステムは、コンピュータリソースを管理することができ、この管理によって、メモリに常駐するアプリケーション等の、１つ以上のコンピュータソフトウェアアプリケーションとして実現されるコンピュータプログラムコードが、プロセッサによって実行される命令を有することができる。プロセッサは、直接アプリケーションを実行してもよく、その場合には、オペレーティングシステムを省いてもよい。
【0081】
制御モジュール５２は、マンドレル３０に対して一方向性テープ３２を編んでチューブ状編組索２２を形成するために、ホルダ３１を介してマンドレル３０の動作を制御するとともに、スプール３８の動作を制御する。例えば、制御モジュール５２は、マンドレル３０に加圧空気を供給するコマンドを膨張機構４８に対して送信することにより、マンドレル３０を膨張状態まで膨張させるための命令を実行する。制御モジュール５２は、軸方向「Ａ」（図２に示す）においてキャリア３４を通過するマンドレル３０の動作を誘導するための命令を実行する。マンドレル３０がキャリア３４を通過すると、制御モジュール５２は、マンドレル３０の周囲において、時計回り方向Ｃに縦糸スプール３８Ａを移動させるとともに、反時計回り方向ＣＣに横糸スプール３８Ｂを移動させるための命令を実行する。一方向性テープ３２は、対応するスプール３８から引っ張られる。縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２が互いに織り合わされるか、或いは編み合わされることにより、マンドレル３０上にてチューブ状編組索２２が形成される。制御モジュール５２は、マンドレル３０に一方向性テープ３２が巻き付けられたことを知らせる通知を受信してもよい。具体的には、上記通知は、編組マシン１６が、マンドレル３０に対して一方向性テープ３２を配置してチューブ状編組索２２を形成し終えたことを意味する。例えば、上記通知は、ユーザの手入力であってもよい。これに代えて、編組マシン１６がチューブ状編組索２２の形成を完了したことを知らせる通知は、センサによって行われてもよい。制御モジュール５２は、通知を受け取ると、マンドレル３０を収縮させるために空気を放出させるよう膨張機構４８に指示する。
【0082】
マンドレル３０が膨張式でない場合、チューブ状編組索２２からマンドレル３０を取り外すために、当該チューブ状編組索に切込みを入れてもよい。例えば、切断マシン（図示略）又は作業者により、チューブ状編組索２２の全長に沿って切込みを入れることによりマンドレル３０を取り外すことができる。図２には、切込み５５の例が破線によって示されている。これに代えて、マンドレル３０が、一方向性テープ３２の組成物と適合性のある薄膜ポリマーで構成されている場合、マンドレル３０は、チューブ状編組索２２と共に残り、その一部を形成していてもよい。
【0083】
制御モジュール５２は、マンドレル３０を部分的に膨張させるために、膨張機構４８を介した空気の供給を指示する命令を実行してもよい。制御モジュール５２は、一方向性テープ３２がマンドレル３０に巻き付けられたことを知らせる通知を受け取る。制御モジュール５２は、当該通知を受け取ると、マンドレル３０をさらに膨張させるために、膨張機構４８による空気の供給を指示する命令を実行する。この結果、一方向性繊維５４に張力がかかった状態になる。これに代えて、マンドレル３０は、編み作業中、部分的に膨張した状態のままであってもよい。マンドレル３０を完全に膨張させると、繊維角度がほぼゼロのレイアップ（near-zero fiber angle lay-up）を行うことができるため、一方向性テープ３２がきつく編み組まれた状態でも、マンドレル３０が崩壊したり体積収縮するのを防止することができる。マンドレル３０が形状安定するまで当該マンドレルを部分的に膨張させる場合は、比較的柔軟に、或いは比較的緩く一方向性テープ３２を編むことができる。これにより、以下に説明するように、巻回及び形成の作業において、一方向性テープ３２を滑らせたりせん断ずれさせたりすることが可能となる。いずれの場合においても、マンドレル３０の寸法又は体積を調節することにより、マンドレル３０に対して編み組まれるチューブ状編組索２２の形状をカスタマイズすることができる。
【0084】
図５には、図２の矢印５－５の方向に見たチューブ状編組索２２の拡大部分が示されている。提示された例においては、チューブ状編組索２２は、２軸編組索５６である。２軸編組索５６においては、平行一方向性テープ３２Ａのマトリクスは、交差する平行一方向性テープ３２Ｂのマトリクスに織り込まれるか、或いは、編み込まれている。平行一方向性テープ３２Ａは、交差する平行一方向性テープ３２Ｂに対してバイアス角αで配置される。バイアス角αは、特定の用途に基づいて決定されるが、編組索の角度が急であればある程、柔軟性が高まる。ただし、以下に説明するように、角度αは、一方向性テープが巻回又は形成されるときに変化する場合がある。
【0085】
再び図２を参照すると、編組マシン１６は、３軸編組索を有するチューブ状編組索２２を形成するように構成されてもよい。３軸編組索でチューブ状編組索２２を形成するために、マンドレル３０の長さ「Ｌ」に沿って、複数の固定スプール３２Ｃ（これらのスプールのうち１つのみが図示されている）から一方向性テープ３２が挿入される。固定スプール３２Ｃは、フレーム３４に沿って回転しない。なお、使用する固定スプール３２Ｃの数はいくつであってもよい。
【0086】
図６には、図２の矢印６－６の方向に見た、３軸編組索５８によるチューブ状編組索２２の拡大部分が示されている。３軸編組索５８は、２軸編組索５６（図５）に類似している。ただし、中心軸「Ａ」（図２）に平行であって、且つ、チューブ状編組索２２の軸方向の長さに沿って延びる追加的な平行一方向性テープ３２Ｃのマトリクスが、平行一方向性テープ３２Ａ、及び、交差する平行一方向性テープ３２Ｂに織り込まれている。一方向性テープ３２Ｃは、固定スプール３２Ｃから供給される。この場合においても、以下に説明するように、バイアス角αは、一方向性テープが巻回又は形成されるときに変化する場合がある。３軸編組索５８は、チューブ状編組索２２の長手方向において構造的強度を高めることができる。
【0087】
図７を参照するとともに、引き続き図２～６を参照すると、マンドレル３０の寸法又は体積を調節しながらチューブ状編組索２２を形成するための方法１００を示すフロー図が示されている。方法１００は、ブロック１０２で開始する。ブロック１０２において、制御モジュール５２は、編み作業の前にマンドレル３０の寸法又は体積を調節する。一例においては、マンドレル３０は、膨張機構４８によって膨張可能である。したがって、制御モジュール５２は、マンドレル３０を膨張させるために空気を供給することを膨張機構４８に命令する。マンドレル３０は完全に膨張させることも部分的に膨張させることも可能である。次に、方法１００は、ブロック１０４に進む。
【0088】
ブロック１０４において、方法１００は、マンドレル３０の周囲に一方向性テープ３２を編み組んで、チューブ状編組索２２を形成することを含む。例えば、制御モジュール５２は、以下に説明するように、マンドレル３０に対して軸に沿って方向「Ａ」に移動することを命令する一方で、スプール３８に回転することを命令し、これによって、マンドレル３０に対して一方向性テープ３２の編組体を形成する。編組機構２８の構成に応じて、２軸編組索５６（図５）又は３軸編組索５８（図６）のうちの一方がマンドレル３０に対して形成され、その後、方法１００は、ブロック１０６又はブロック１０８に進む。
【0089】
ブロック１０６において、編組マシン１６は、２軸編組索５６（図５）によるチューブ状編組索２２を編む。ブロック１０８において、編組マシン１６は、３軸編組索５８（図６）によるチューブ状編組索２２を編む。いずれの場合においても、方法１００は、ブロック１１０に進む。
【0090】
ブロック１１０において、制御モジュール５２は、編み作業が完了した後、マンドレル３０の寸法又は体積を調節する。例えば、制御モジュール５２は、膨張機構４８に対して、マンドレル３０を収縮させることを命令することにより、マンドレル３０からチューブ状編組索２２を取り外し易くする。
【0091】
図８を参照するとともに、引き続き図２～６を参照すると、膨張式でないマンドレル３０を用いてチューブ状編組索２２を形成するための方法２００を示すフロー図が示されている。方法２００は、ブロック２０２で開始する。ブロック２０２において、方法２００は、マンドレル３０に一方向性テープ３２を配置することを含む。例えば、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂ、又は３２Ｃの組合せがマンドレル３０に配置される。次に、方法２００は、ブロック２０４に進む。
【0092】
ブロック２０４において、制御モジュール５２は、中心軸「Ａ」（図２）に沿って軸方向に移動するようにマンドレル３０に命令する。ブロック２０６において、制御モジュール５２は、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動するのに伴って、当該中心軸「Ａ」を中心として互いに逆回転するように縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂに指示する。編組索５６、５８（図５、６）のうちの何れのタイプを作製するかに応じて、方法２００は、ブロック２０８又はブロック２１０に進む。
【0093】
ブロック２０８において、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂが織り合わされて２軸編組索５６（図５）が形成される。例えば、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動すると、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが互いに逆回転する。マンドレル３０の移動により、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂに巻かれた一方向性テープ３２が引き出される。マンドレル３０が中心軸「Ａ」（図２）に沿って移動するのに伴って、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが相互に逆回転することにより、縦糸スプール３８Ａからの一方向性テープ３２Ａと、横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２Ｂとが織り合わされる。ブロック２１２において、２軸編組索５６（図５）を用いてチューブ状編組索２２が形成される。
【0094】
ブロック２１０において、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃが織り合わされて３軸編組索５８（図６）が形成される。例えば、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動すると、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが互いに逆回転する。マンドレル３０の移動により、縦糸スプール３８Ａに巻かれた一方向性テープ３２Ａ、横糸スプール３２Ｂに巻かれた一方向性テープ３２Ｂ、及び、固定スプール３８Ｃに巻かれた一方向性テープ３２Ｃが引き出される。マンドレル３０が中心軸「Ａ」（図２）に沿って移動するのに伴って、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが相互に逆回転することにより、縦糸スプール３８Ａからの一方向性テープ３２Ａと、横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２Ｂ及び固定スプール３８Ｃからの一方向性テープ３２Ｃとが織り合わされる。ブロック２１４において、３軸編組索５８（図６）を用いてチューブ状編組索２２が形成される。
【0095】
いずれの場合においても、方法２００は、チューブ状編組索２２が形成されると、終了する。マンドレル３０が取り外し可能である場合、方法２００は、チューブ状編組索２２の全長に沿って切込みを入れることにより、マンドレル３０を取り外し易くすることを、さらに含む。また、マンドレル３０が一方向性テープ３２の組成物と適合性のある薄膜ポリマーで構成されている場合、マンドレル３０は、チューブ状編組索２２と共に残り、その一部を形成する。
【0096】
次に、図９を参照しながら、巻回ツール１８について説明を行う。巻回ツール１８は、概して、垂直方向に延びるボディ部６０を含む。なお、ボディ部６０は、水平方向、又は、斜め方向に延びていてもよい。ボディ部６０は、外面６２を有する。外面６２は、概して、複合材構造体２６の形状に一致している。したがって、ボディ部６０の断面形状は、複合材構造体２６の最終形状によって異なる。提示された例においては、ボディ部６０の断面は、丸みを帯びたコーナー６４を有する矩形である。しかしながら、図９Ａに示すように、ボディ部６０の断面は、円形であってもよい。これに代えて、図９Ｂに示すように、ボディ部６０の断面は、楕円形又は卵形であってもよい。なお、ボディ部６０の断面は、本開示の範囲を逸脱することなく他の形状であってもよい。
【0097】
図１０を参照すると、チューブ状編組索巻回体２４を形成するために、チューブ状編組索２２が、巻回ツール１８の外面６２に巻き付けられている。チューブ状編組索２２は、手作業で巻回ツール１８に巻き付けられてもよいし、ロボットアームやマニピュレータ等のデバイス６５を用いて自動処理により当該巻回ツールに巻き付けられてもよい。チューブ状編組索巻回体２４は、チューブ状編組索２２の重ね巻部６６で構成されている。提示された例においては、５つの重ね巻部６６が示されているが、巻回ツール１８に対してチューブ状編組索２２を何回巻き付けてもよく、これによって、重ね巻部６６の数はいくつになってもよい。なお、重ね巻部６６の数は、複合材構造体２６で所望するプライの数、及び、複合材構造体２６の厚みに依存する。チューブ状編組索２２が３軸編組索５８を有する場合、巻回ツール１８にチューブ状編組索２２が巻き付けられた状態において、一方向性テープ３２Ｃ（図６）は、巻回ツール１８の外面６２と略平行に配向される。したがって、一方向性テープ３２Ｃ（図６）は、複合材構造体２６の開口部、及び／又は、外周と略平行に配置される。
【0098】
チューブ状編組索巻回体２４が形成されると、図１１に示すように、当該チューブ状編組索巻回体２４が、巻回ツール１８から分離される。チューブ状編組索巻回体２４は、手作業で巻回ツール１８から分離されてもよいし、ロボットアームやマニピュレータ（図示略）等を用いて自動処理で当該巻回ツールから分離されてもよい。チューブ状編組索巻回体２４は、第１自由端２４Ａと、第２自由端２４Ｂとを有する。図１１に示すように、チューブ状編組索巻回体２４は、螺旋形状又は渦巻形状であって、一本のチューブ状編組索２２で形成されている。チューブ状編組索巻回体２４は、中空であって、当該チューブ状編組索巻回体２４を貫通する中心孔２４Ｃを有する。巻回ツール１８から分離された状態において、チューブ状編組索巻回体２４は、当該巻回ツール１８により得られた全体形状を維持するのに十分な強度を有する。複合材構造体２６を形成するために、チューブ状編組索巻回体２４は、成形マシン２０に配置される。これについては、以下に説明する。
【0099】
図１２は、開位置における成形マシン２０を示す正面斜視図である。成形マシン２０は、上側ダイプレート７０と、下側ダイプレート７２とを含む。提示された例においては、電気モータ７５を介して、支持部材７４に沿って上側ダイプレート７０を下降させて、閉位置において下側ダイプレート７２と係合させることができる。これに代えて、上側ダイプレート７０及び下側ダイプレート７２を共にヒンジ結合することも可能である（図示略）。下側ダイプレート７２は、下側成形面７６と、当該下側成形面７６から延びる成形マンドレル７８とを含む。成形マンドレル７８の寸法は、巻回ツール１８の断面の寸法と実質的に同じである。下側ダイプレート７２には加熱素子８０が配置されている。加熱素子８０は、下側成形面７６を加熱するように構成されている。提示された例においては、加熱素子８０は、抵抗加熱により下側成形面７６を加熱する電気ワイヤを含む。これに代えて、加熱素子８０は、チューブ（図示略）、誘導ヒータ、外部ヒータ等を介してポンプ送給される熱油を含んでもよい。上側ダイプレート７０及び／又は成形マンドレル７８は、本開示の範囲を逸脱することなく加熱素子（図示略）を、さらに含んでもよい。
【0100】
図１３は、閉位置にある成形マシン２０の断面を示しており、上側ダイプレート７０が下側ダイプレート７２と係合した状態にある。上側ダイプレート７０は上側成形面８２を含む。上側成形面８２からは、外側成形面８３が下方に延在している。上側成形面８２には凹部８４が形成されている。閉位置において、下側ダイプレート７２の成形マンドレル７８が、上側ダイプレート７０の凹部８４と係合する。これに加えて、下側成形面７６、成形マンドレル７８、上側成形面８２、及び、外側成形面８３は、互いに連携して、上側ダイプレート７０と下側ダイプレート７２との間の成形キャビティ８６を画定する。成形キャビティ８６は、成形マンドレル７８を囲んでいる。
【0101】
成形マシン２０は、真空ポート９０と連通する真空源８８をさらに含みうる。真空ポート９０は、下側成形面７６に設けられるとともに、成形キャビティ８６と連通している。真空源８８は、成形中、チューブ状編組索巻回体２４から余分な空気、ガス、及び、空隙を除去するために、成形キャビティ８６において真空を生成する。これに代えて、或いは、これに加えて、真空ポート９０は、上側成形面８２に設けられてもよい。
【0102】
成形マシン２０は、コントローラ９２をさらに含み、当該コントローラは、電気モータ７５、加熱素子８０、及び、真空源８８と通信する。コントローラ９２はまた、巻回ツール１８（図１０を参照）にチューブ状編組索２２を巻き付けるために使用するデバイス６５と通信することも可能である。コントローラ９２は、電子回路、組合わせ論理回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、コードを実行する（共有、専用、又は、グループの）プロセッサ、又は、例えばシステムオンチップのように、これら要素のうちのいくつか若しくは全ての組合せであるか、或いはその一部であってもよい。さらに、コントローラ９２は、少なくとも１つのプロセッサ、メモリ（ＲＡＭ及び／又はＲＯＭ）、及び、関連する入出力バスを有するコンピュータ等の、マイクロプロセッサベースのモジュールであってもよい。プロセッサは、メモリにあるオペレーティングシステムの制御下で動作する。オペレーティングシステムは、コンピュータリソースを管理することができ、この管理によって、メモリに常駐するアプリケーション等の、１つ以上のコンピュータソフトウェアアプリケーションとして実現されるコンピュータプログラムコードが、プロセッサによって実行される命令を有することができる。プロセッサは、直接アプリケーションを実行してもよく、その場合には、オペレーティングシステムを省いてもよい。
【0103】
コントローラ９２は、電気モータ７５を介して、上側ダイプレート７０及び下側ダイプレート７２の動作を制御する。コントローラ９２はまた、加熱素子８０を介してチューブ状編組索巻回体２４を複合材構造体２６に成形する際、成形キャビティ８６に適用する温度を制御する。一例においては、コントローラ９２は、チューブ状編組索巻回体２４を構成する一方向性テープ３２（図４）に用いられる樹脂のタイプに基づいて、成形キャビティ８６における温度を制御する。熱可塑性樹脂の溶融温度の範囲は、約２０５℃から４００℃超である。また、熱硬化性樹脂の溶融温度は、約１７７℃である。本明細書において、「約」なる用語は、当業者によく知られている。また、「約」なる用語は＋／－１０℃を意味する。コントローラ９２はまた、成形キャビティ８６が冷却される速度を制御して、一方向性テープ３２における熱硬化性ポリマーの架橋（cross-linking）を確実に生じさせる。コントローラ９２はまた、真空源８８を介して成形キャビティ８６に印加される真空を制御する。上述したように、真空により、成形キャビティ８６におけるチューブ状編組索巻回体２４から余分な空気、ガス、揮発性物質、及び、空隙を除去することができる。コントローラ９２はまた、成形中、チューブ状編組索巻回体２４に対する樹脂注入（図示略）を制御することも可能である。樹脂の注入は、一方向性テープ３２に熱硬化性樹脂を使用する場合、及び、バインダで一方向性繊維５４を互いに接着することによりトウやテープを作製する場合に、好ましいであろう。このような接着により、テープのトウにおける非含浸繊維をまとめて保持するのに十分な結合を実現することができる。樹脂注入により、一方向性繊維５４に樹脂を含浸させることができる。
【0104】
図１４及び１５を参照すると、成形前にチューブ状編組索巻回体２４が内部に配置された成形マシン２０が示されている。チューブ状編組索巻回体２４は、下側成形面７６において成形マンドレル７８の周りに配置されている。したがって、チューブ状編組索巻回体２４は、成形マシン２０に配置された状態においても、螺旋状又は渦巻状に巻き付けられた状態を維持することができる。
【0105】
図１６は、チューブ状編組索巻回体２４が配置された状態で閉位置にある成形マシン２０を示している。複合材構造体２６の成形においては、成形キャビティ８６における上側ダイプレート７０及び下側ダイプレート７２によって、チューブ状編組索巻回体２４が一体化、すなわち押し固められる。例えば、コントローラ９２は、上側ダイプレート７０が下側ダイプレート７２に対して押し付けられるまで、電気モータ７５を介して上側ダイプレート７０及び下側ダイプレート７２を互いに近づけるために、命令を実行する。下側ダイプレート７２に対して上側ダイプレート７０を押し付けることにより、チューブ状編組索巻回体２４を一体化することができる。次に、コントローラ９２は、加熱素子８０を介してチューブ状編組索巻回体２４を加熱する。上述したように、設定温度、並びに、加熱時間及び冷却時間は、チューブ状編組索巻回体２４に用いられる樹脂材料に関する要因に基づいて決定される。一例においては、上記温度は約２０５℃から４００℃を超える温度であり、他の例においては、上記温度は、約１７７℃に設定される。加熱の前又は途中に、コントローラ９２は、真空源８８を介して成形キャビティ８６に真空を印加することにより、一体化及び／又は加熱の際にチューブ状編組索巻回体２４から余分な空気、ガス、揮発性物質、及び、間隙を除去する。一体化、加熱、及び、冷却が完了すると、コントローラ９２は、成形マシン２０を開くように電気モータ７５に命令し、その後、複合材構造体２６が取り外される。複合材構造体２６は、手作業で取り外してもよいし、ロボットアームやマニピュレータ（図示略）を使用して取り外してもよい。
【0106】
例えば、コネクタやリブ（図示略）等の追加的な構成要素を作製するために、複合材構造体２６をはみ出し成形（over-molded）することも可能である。また、複合材構造体２６をトリミングして最終形状にすることもできる。
【0107】
図１７は、上述した編組マシン１６、巻回ツール１８、及び、成形マシン２０を用いて形成された複合材構造体２６の例を示す。複合材構造体２６は、開口部９６を画定するフレーム部９４を含む。提示される例においては、複合材構造体２６は、航空機の窓フレームとして図示されている。しかしながら、複合材構造体２６は、開口部を画定する部品、特に、タイトな角部やアール部（radiuses）を有する部品であればどのようなものであってもよい。例えば、複合材構造体２６は、ドアフレームであってもよいし、他の任意のタイプのアクセスフレームであってもよい。再び図１６を参照すると、下側成形面７６、上側成形面８２、及び、成形マンドレル７８が連携してフレーム部９４の形状を画定している。具体的には、開口部９６の形状は、成形マンドレル７８の形状に対応しており、当該成形マンドレルの形状は、巻回ツール１８（図９）の形状に対応している。したがって、巻回ツール１８のボディ部６０の形状は、開口部９６の形状と略同じであり、チューブ状編組索巻回体２４（図１１）の外縁は、複合材構造体２６の外周を形成している。チューブ状編組索２２が３軸編組索５８である場合、一方向性テープ３２Ｃ（図６）は、開口部９６の外周に略平行に配置される。図１７を参照すると、成形マシン２０における成形中、チューブ状編組索巻回体２４のチューブ状編組索２２（図５及び６）は、一体化される際にフラットに押し固められる。言い換えれば、複合材構造体２６は、中実の断面を有する。
【0108】
図１８は、図１７の断面線１８－１８の方向に見た複合材構造体２６の拡大断面図である。複合材構造体２６は、複数のプライ９９を含む複合材積層構造体９８を有する。複数のプライ９９の各々は、チューブ状編組索巻回体２４の重ね巻部６６（図１０）に対応している。したがって、複数のプライ９９の各々は、フラットに成形された２軸編組索５６（図５）、又は、フラットに成形された３軸編組索５８（図６）を含む。一体化及び加熱の工程において、一方向性テープ３２（図５及び６）の樹脂がポリマーマトリクスを形成し、一方向性テープ３２を形成する一方向性繊維５４（図４）の配向により、複数のプライ９９が形成される。複数のプライ９９の各々について、２軸編組索５６又は３軸編組索５８は、所望の方向において大量の一方向性繊維５４を有するフープ型構成を形成するように配向されており、複合材構造体２６の効率を高めることができる。すなわち、所与の断面のいずれにおいても、複数のプライ９９の各々について、一方向性繊維５４（図４）が同じ方向に配向される。複合材積層構造体９８は、所定の繊維対体積比を有するが、これは、繊維体積比とも呼ばれうる。繊維体積比は、複合材積層構造体９８における一方向性繊維５４の割合を示す。例えば限定するものではないが、引張強度などの、複合材構造体の機械的特性は、繊維対体積比に依存する。したがって、複合材積層構造体９８の繊維対体積比は、特定の用途又は要件に基づいて決定される。
【0109】
なお、成形マシン２０は、チューブ状編組索巻回体２４を一体化してニアネットシェイプ（near net shape）にする。この結果、複合材構造体２６は、従来の処理と比較して最終形状にするために必要なトリミングを少なくすることができる。また、複合材構造体を作製するために通常必要とされる広範な後処理や機械加工を行う必要がなくなる。
【0110】
次に図１９を参照すると、同図には、図１～１８を参照して先に説明したシステム１０を用いて複合材構造体２６を作製するための方法３００の例示的な処理フローが示されている。方法３００は、ブロック３０２で開始する。ブロック３０２において、方法３００は、マンドレル３０に一方向性テープ３２を配置することを含む。例えば、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂ、又は、３２Ｃの組合せがマンドレル３０に配置される。次に、方法３００は、ブロック３０４に進む。
【0111】
ブロック３０４において、制御モジュール５２は、中心軸「Ａ」（図２）に沿って軸方向に移動するようにマンドレル３０に命令する。ブロック３０６において、制御モジュール５２は、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動するのに伴って、当該中心軸「Ａ」を中心として互いに逆回転するように縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂに指示する。編組索５６、５８（図５、６）のうちの何れのタイプを作製するかに応じて、方法３００は、ブロック３０８又はブロック３１０に進む。
【0112】
ブロック３０８において、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂが織り合わされて２軸編組索５６（図５）が形成される。例えば、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動すると、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが互いに逆回転する。マンドレル３０の移動により、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂに巻かれた一方向性テープ３２が引き出される。マンドレル３０が中心軸「Ａ」（図２）に沿って移動するのに伴って、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが相互に逆回転することにより、縦糸スプール３８Ａからの一方向性テープ３２Ａと、横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２Ｂとが織り合わされる。ブロック３１２において、２軸編組索５６（図５）を用いてチューブ状編組索２２が形成される。
【0113】
ブロック３１０において、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃが織り合わされて３軸編組索５８（図６）が形成される。例えば、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動すると、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが互いに逆回転する。マンドレル３０の移動により、縦糸スプール３８Ａに巻かれた一方向性テープ３２Ａ、横糸スプール３２Ｂに巻かれた一方向性テープ３２Ｂ、及び、固定スプール３８Ｃに巻かれた一方向性テープ３２Ｃが引き出される。マンドレル３０が中心軸「Ａ」（図２）に沿って移動するのに伴って、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが相互に逆回転することにより、縦糸スプール３８Ａからの一方向性テープ３２Ａと、横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２Ｂ及び固定スプール３８Ｃからの一方向性テープ３２Ｃとが織り合わされる。ブロック３１４において、３軸編組索５８（図６）を用いてチューブ状編組索２２が形成される。上述したように、マンドレル３０の構成に応じて、マンドレル３０をチューブ状編組索２２から分離してもよいし、チューブ状編組索２２に残したままでもよい。方法３００は、ブロック３１２又はブロック３１４から、ブロック３１６に進む。
【0114】
ブロック３１６は、巻回ツール１８にチューブ状編組索２２を巻き付けることを含む。チューブ状編組索２２を巻き付けることによって、チューブ状編組索巻回体２４（図１１）が形成される。上述したように、上記巻き付けは、手作業で行ってもよいし、デバイス６５を用いた自動処理で行ってもよい。次に、方法３００は、ブロック３１８に進む。
【0115】
ブロック３１８は、チューブ状編組索巻回体２４を成形して複合材構造体２６を形成することを含む。例えば、チューブ状編組索巻回体２４は、成形マシン２０（図１４～１５）に配置される。次に、コントローラ９２は、チューブ状編組索巻回体２４を一体化、すなわちフラットにして、複数のプライ９９（図１８）を形成する。次に、コントローラ９２は、チューブ状編組索巻回体２４を加熱して複合材構造体２６（図１６）を形成する。
【0116】
図２０を参照すると、図１～１１を用いて先に説明したシステム１０を用いて、チューブ状編組索２２の巻回体を形成するための方法４００の例示的な処理フロー図が示されている。方法４００は、ブロック４０２で開始する。ブロック４０２において、方法４００は、マンドレル３０に一方向性テープ３２を配置することを含む。例えば、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂ、又は、３２Ｃの組合せがマンドレル３０に配置される。次に、方法４００は、ブロック４０４に進む。
【0117】
ブロック４０４において、制御モジュール５２は、中心軸「Ａ」（図２）に沿って軸方向に移動するようにマンドレル３０に命令する。ブロック４０６において、制御モジュール５２は、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動するのに伴って、当該中心軸「Ａ」を中心として互いに逆回転するように縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂに指示する。編組索５６、５８（図５、６）のうちの何れのタイプを作製するかに応じて、方法４００は、ブロック４０８又はブロック４１０に進む。
【0118】
ブロック４０８において、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂが織り合わされて２軸編組索５６（図５）が形成される。例えば、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動すると、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが互いに逆回転する。マンドレル３０の移動により、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂに巻かれた一方向性テープ３２が引き出される。マンドレル３０が中心軸「Ａ」（図２）に沿って移動するのに伴って、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが相互に逆回転することにより、縦糸スプール３８Ａからの一方向性テープ３２Ａと、横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２Ｂとが織り合わされる。ブロック４１２において、２軸編組索５６（図５）を用いてチューブ状編組索２２が形成される。
【0119】
ブロック４１０において、一方向性テープ３２Ａ、３２Ｂ、及び３２Ｃが織り合わされて３軸編組索５８（図６）が形成される。例えば、マンドレル３０が中心軸「Ａ」に沿って移動すると、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが互いに逆回転する。マンドレル３０の移動により、縦糸スプール３８Ａに巻かれた一方向性テープ３２Ａ、横糸スプール３２Ｂに巻かれた一方向性テープ３２Ｂ、及び、固定スプール３８Ｃに巻かれた一方向性テープ３２Ｃが引き出される。マンドレル３０が中心軸「Ａ」（図２）に沿って移動するのに伴って、縦糸スプール３８Ａ及び横糸スプール３８Ｂが相互に逆回転することにより、縦糸スプール３８Ａからの一方向性テープ３２Ａと、横糸スプール３８Ｂからの一方向性テープ３２Ｂ及び固定スプール３８Ｃからの一方向性テープ３２Ｃとが織り合わされる。ブロック４１４において、３軸編組索５８（図６）を用いてチューブ状編組索２２が形成される。上述したように、マンドレル３０の構成に応じて、マンドレル３０をチューブ状編組索２２から分離してもよいし、チューブ状編組索２２に残したままでもよい。方法４００は、ブロック４１２又はブロック４１４から、ブロック４１６に進む。ブロック４１６は、巻回ツール１８にチューブ状編組索２２を巻き付けることを含む。チューブ状編組索２２を巻き付けることによって、チューブ状編組索巻回体２４（図１１）が形成される。上述したように、上記巻き付けは、手作業で行ってもよいし、デバイス６５を用いた自動処理で行ってもよい。次に、方法４００は、ブロック４１８に進む。
【0120】
ブロック４１８は、巻回ツール１８にチューブ状編組索２２を巻き付ける際、一方向性テープ３２（図５～６）を互いに滑らせるか、或いはせん断ずれさせることを含む。なお、チューブ状編組索２２が巻回ツール１８に巻き付けられる際、一方向性テープ３２は、折れ曲がることなく互いに滑るか、或いはせん断ずれする。これにより、チューブ状編組索巻回体２４において、複合材構造体２６の周縁と同じ方向に配向される一方向性テープ３２の数が増えるため、耐荷重力が向上する。複合材構造体２６を作製するための本開示の処理は、従来のレイアップ処理よりも短時間で行うことができるため、生産速度を上げることができる。最後に、本開示の処理は、従来の処理と比較して材料廃棄物の量が少ない。
【0121】
上述したシステム１０、並びに、方法１００、２００、３００、及び、４００は、図２１に示すように航空機の製造及び保守方法５００に関連させ、図２２に示すように航空機５０２に関連させて説明することができる。生産開始前の工程として、例示的な方法５００は、航空機５０２の仕様決定及び設計５０４と、材料調達５０６とを含みうる。生産中の工程としては、航空機５０２の部品及び小組立品の製造５０８、並びに、システムインテグレーション５１０が行われる。その後、航空機５０２は、認証及び納品５１２の工程を経て、就航５１４に入る。顧客による就航中、航空機５０２は、定例の整備及び保守５１６（これは、改良、再構成、改修等を含みうる）に組み込まれる。
【0122】
上記システム及び方法の各工程は、システムインテグレータ、第三者、及び／又は、オペレータ（例えば、顧客）によって実行又は実施することができる。なお、システムインテグレータは、限定するものではないが、航空機メーカ、及び、主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよい。第三者は、限定するものではないが、売主、下請業者、及び、供給業者をいくつ含んでいてもよい。オペレータは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等であってもよい。
【0123】
図２２に示すように、例示的な方法５００によって製造される航空機５０２は、複数の高水準システム５２０と内装５２２とを備えた機体５１８を含みうる。高水準システム５２０の例としては、推進系５２４、電気系５２６、油圧系５２８、及び、環境系５３０のうちの１つ又は複数が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本発明の原理は、例えば自動車産業等の他の産業に適用してもよい。
【0124】
上述したシステム及び方法は、製造及び保守方法５００における任意の１つ以上の段階で採用することができる。例えば、製造工程５０８に対応する部品又は小組立品は、航空機５０２の就航中に作製される部品又は小組立品と同様に作製又は製造することができる。また、上述した装置、方法、又は、これらの組合せを、例えば、製造工程である５０８及び５１０で使用することにより、航空機５０２の組立速度を実質的に速めたりコストを削減したりすることもできる。同様に、上述した装置、方法、又は、これらの組合せを、航空機５０２の就航中、例えば、限定するものではないが、整備及び保守５１６に使用してもよい。上述したシステム１０、並びに、方法１００、２００、３００、及び４００は、部品及び小組立品の製造５０８、システムインテグレーション５１０、定例の整備及び保守５１６、機体５１８、及び、内装５２２において採用することができる。
【0125】
本開示の説明は、単に例示的な性質のものであり、本開示の要旨から逸脱しない変形は本開示の範囲内であることが意図されている。そのような変形は、本開示の思想及び範囲から逸脱するものと見做されるべきではない。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図9A】
【図9B】
【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】