JP7621761B2 - 航空機の複合材窓フレームを製造するための方法およびツール - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本特許出願は、２０１９年９月２７日に出願されたイタリア特許出願第１０２０１９００００１７４２０号の優先権を主張し、イタリア特許出願第１０２０１９００００１７４２０号の全開示が、本明細書に援用される。

［技術分野］
本発明は、航空機の複合材窓フレームを製造するための方法に関する。

さらに、本発明は、航空機の複合材窓フレームを製造するためのツールに関する。

例えば胴体およびその部品など、航空分野で使用される複合材料で製作された構造部品が知られている。この材料は、航空機の総重量を減らし、航空構造物の腐食の問題を解消または最小化する必要性ゆえに使用されている。

技術水準によれば、例えば窓フレームまたはサイドウインドウなど、軽合金、したがって金属材料で製造された航空構造要素が存在し、これらを後に胴体へと適用しなければならない。

これらの金属要素およびそれらの組立体を複合構造に接触させて使用すると、電気接触の問題が生じ、これには、関連する金属腐食のリスク、および検査のレベルを高める必要性が伴う。これは、これらの部品の生産者、したがって航空会社にとって、総コストの増加につながる。

したがって、これらの構造要素も複合材料で製作する必要が生じる。

この点で、
－例えば、通常は炭素繊維などの繊維材料の層である２つ以上の材料層を積層することによって、乾燥複合材プリフォームを製作するステップと、
－フレームに所望の形状を与えるように、プリフォームを適切な形状の射出成形金型に配置するステップと、
－流動性の樹脂を圧力の下で金型へと注入し、プリフォームに樹脂自体を注入して、繊維を含浸するステップと、
－金型内で、高温高圧で、１つ以上の硬化サイクルを実行するステップと
を基本的に含む「樹脂トランスファ成形」（ＲＴＭ）と呼ばれる技術が、この分野において知られている。

上述のプロセスの終わりにおいて、このようにして得られた部品（すなわち、樹脂を含浸させて硬化させた繊維のプリフォーム）が、金型から外され、または取り出される（「離型」ステップ）。

上述のプロセスに従って製作された窓フレームは、多数の利点（例えば、欠陥が少ない、物理的－機械的性能の再現性が高い）を有しているが、以下でいくつか説明されるように、欠点が存在しないわけではない。

第１に、圧力の下で樹脂を注入した後も乾燥プリフォームの繊維の元の方向を保証することが、きわめて複雑である。結果として、形成後の処理時間がきわめて長くなる可能性がある。

さらに、乾燥プリフォームの厚さは常に公称厚さよりも大きいため、樹脂の注入の前に乾燥プリフォームの事前圧縮ステップが常に必要であり、このステップは、長時間を要する可能性があり、専門の担当者の経験に大きく依存する。

加えて、乾燥プリフォームの使用は、プロセスの最中に厚さが減少することを意味し、これが欠陥の形成につながり、結果として廃棄物が増える可能性がある。

したがって、複合材料で作られた航空機の窓フレームの製造プロセスを改善することが、この分野において必要とされている。

本発明の目的は、航空機の複合材窓フレームを製造するための方法であって、信頼性が高く、コストが抑えられ、航空機の複合材窓フレームを製造するための既知の方法に関連する上述の欠点のうちの少なくとも１つを克服可能にする方法を、提供することである。

本発明によれば、この目的は、請求項１に記載の航空機の複合材窓フレームを製造するための方法によって達成される。

本発明のさらなる目的は、航空機の複合材窓フレームを製造するためのツールであって、信頼性が高く、コストが抑えられ、航空機の窓フレームを製造するための既知のツールに関連する上述の欠点のうちの少なくとも１つを取り除くことができるツールを、実現することである。

本発明によれば、この目的は、請求項７に記載の航空機の複合材窓フレームを製造するためのツールによって達成される。

本発明をよりよく理解するために、好ましい実施形態（ただし、これに限られるわけではない）を、純粋に例として、添付の図面の助けを借りて、以下で説明する。
プリフォームから出発して航空機の窓フレームを製造するための本発明によるツールの分解斜視図であり、わかりやすくするためにいくつかの部品は取り除かれている。 組み立てられた状態の図１のツールの部分断面拡大斜視図であり、わかりやすくするためにいくつかの部品は取り除かれている。 ２つの異なる動作状態における図２のツールの詳細の拡大断面図であり、わかりやすくするためにいくつかの部品は取り除かれている。 ２つの異なる動作状態における図２のツールの詳細の拡大断面図であり、わかりやすくするためにいくつかの部品は取り除かれている。 図１のツールの２つの異なる構成部品の下方からの拡大斜視図であり、わかりやすくするためにいくつかの部品は取り除かれている。 図１のツールの２つの異なる構成部品の上方からの拡大斜視図であり、わかりやすくするためにいくつかの部品は取り除かれている。

図１および図２を参照すると、符号１が、例えば飛行機などの航空機の窓またはサイドウインドウのための複合材フレームを製造するためのツールを全体として示している。

ツール１は、金型３を備える。

以下で使用される「上側」、「下側」、などの用語は、垂直方向が重力の方向によって定義される基準系に関するが、これによって一般性が失われるわけではないことに注意すべきである。

金型は、第１の部品、とくには上側部品３ａと、第２の部品、とくには下側部品３ｂと、第３の部品、とくには使用時に下側部品３ｂと上側部品３ａとの間に挟まれる中間部品３ｃとを少なくとも備える。

部品３ａ、３ｂ、および３ｃは、使用時に、繊維を所定の向きにて熱硬化性樹脂マトリクスに分散させて含んでいる事前含浸材料で製作されたプリフォーム４の周りに閉じられるように構成される。

この好ましい実施形態によれば、プリフォーム４は、実質的に環状の形状を有し、ひとたび本発明による製造方法が適用されると窓フレームが得られるベース部品を定めている。

「環状」という用語が、本明細書および特許請求の範囲において、曲線の輪郭（例えば、円形、長円形、楕円形など）、厳密な意味での多角形、または広い意味での多角形、すなわち頂点が丸みを帯びた多角形の任意の閉じたフレーム要素を指して使用されることに、注意すべきである。

好ましくは、熱硬化性樹脂は、例えばＳｏｌｖａｙ９７７ＨＭなどの強化エポキシ樹脂、または、とくには経年劣化への高い耐性などの物理的特性を授けるためのナノフィラーが追加された樹脂など、革新的な特性を有する樹脂である。

下側部品３ｂは、プリフォーム４を受け入れて支持するように構成された周辺環状コンパートメント５を定めるように形作られた部分を備える。

図示の例において、プリフォーム４は、「Ｓ」字形の断面を有し、したがってコンパートメント５は、このプリフォーム４を受け入れて収容することができるように好都合に形作られる。

詳しくは説明しないが、既知のプロセスによれば、プリフォーム４は、例えば炭素繊維などの繊維を所定の配向にて含んでいる上述の材料の２つ以上の層（図示せず）を積層するステップと、真空を加えることによる上述の層の１つ以上の連続する圧密ステップ（「減量ステップ」）とによって得られる。

このようにして得られた「プリプレグ」として知られる種類のプリフォーム４が、金型３内に配置され、とくには下側部品３ａに設けられたコンパートメント５に置かれて収容される。

とくには、このようにして得られたプリプレグは、１５０～２５０ｇ／ｍ^２の間、好ましくは１９０ｇ／ｍ^２である重量（単位は、グラム）を有し、熱硬化性樹脂マトリクスによって３５％～４５％の間の値、好ましくは４０％である重量パーセントで含浸される。

最終的なプリフォーム４の公称厚さは、２．４０～２．７０ｍｍの間、好ましくは２．５８ｍｍである。

図示の場合、プリフォーム４は、実質的に一定の厚さを有する。

図示されていないが、考えられる代案によれば、プリフォーム４は、厚さが変化していてもよく、おそらくは、この変化する厚さは、局所的な補強によってもたらされ得る。

図２に示されるように、ひとたびプリフォーム４がコンパートメント５内に配置されると、金型３が閉じられ、結果として、使用時に、プリフォーム４の上面７と上面７に面する上側部品３ａの内面８との間にギャップ６が定められる（図３ａ）。

より正確には、上側部品３ａは、金型３が閉じられ、すなわち部品３ａ、３ｂ、および３ｃが互いに締め付けられて接合すると、プリフォーム４およびコンパートメント５の「Ｓ」字形を再現して、プリフォーム４およびコンパートメント５の「Ｓ」字形にならうように形作られた浮き彫りの部分１５を有する。

とくに、ギャップ６は、図示の事例においては０．３５～０．４５ｍｍの間、好ましくは０．４２ｍｍに等しい実質的に一定の厚さを有し、プリフォーム４およびコンパートメント５の「Ｓ」字形を再現して、プリフォーム４およびコンパートメント５の「Ｓ」字形にならう形状を有する。

結果として、ギャップ６は、プリフォーム４、したがってコンパートメント５の上方を環状に延びる。

金型３のさまざまな部品３ａ、３ｂ、および３ｃを位置決めし、閉じ、締め付けるために、例えばねじまたはボルト（図示せず）などの従来からの手段が用意される。

金型３は、上側部品３ａ、とくには上側部品３ａの周辺部分に配置され、すなわち設けられ、閉じた金型３の内部への流体の通過を可能にするように構成された少なくとも１つの入口チャネル１０を備える。

より詳細には、入口チャネル１０は、ギャップ６を埋め、プリフォーム４の上面７に完全に重なるように、閉じた金型３の内部に熱硬化性樹脂を注入できるように構成される。

これに関して、図１、図２、図３ａ、および図３ｂに示されるように、入口チャネル１０は、使用時に樹脂が入口チャネル１０自体へと流れ込み、次いで通路１２を通ってギャップ６へと流れ込む入口開口部１１を備える。

実際には、使用時に、樹脂は、適切なタンク（図示せず）から金型３の内部に向かって入口チャネル１０を通って流れ、入口チャネル１０から、樹脂は、通路１２へと流れ、最後に通路１２からギャップ６に流れ込む。

図示されていない代案の実施形態によれば、金型３は、２つ以上の入口チャネル１０を備えることができ、入口チャネル１０の数および位置は、処理対象の部品の形状に依存する。

図２に見られるように、金型３は、上側部品３ａ、とくには上側部品３ａの中央部分に配置され、すなわち設けられ、金型３の内部から金型３自体の外部へと向かう流体の通過を可能にするように構成された出口チャネル１３をさらに備える。

より正確には、出口チャネル１３は、すでに注入された樹脂を金型３の外部へと出すことができるように構成される。

詳細には、樹脂は、使用時にギャップ６の全体を満たすとすぐに、出口チャネル１３へともたらされ、出口チャネル１３自体の出口開口部１４（図４ａ）を通って金型３の外部へと流れる。

上述の例において、樹脂の注入は、金型３自体の内部に真空を適用することによって金型３の内部に樹脂を吸い込むことによって行われる。

とくには、ツール１は、使用時に出口チャネル１３に連通し、適切に密封された金型３の内部に真空を印加することで、樹脂を入口チャネル１０を通って吸い込む吸引を生じさせるように構成された真空源（それ自体は既知であり、図示されていない）を備える。

真空の印加は、金型３の内部かつ出口チャネル１３へと向かう経路における樹脂の流れを促進するのに役に立つ。

あるいは、樹脂の注入は、タンクから入口チャネル１０へと向かう樹脂の流れを強制する正の押し込み圧力を印加することによって行われる。

図示されていない代案の実施形態によれば、金型３は、２つ以上の出口チャネル１３を備えることができ、出口チャネル１３の数および位置は、処理対象の部品の形状に依存する。

図１および図４ｂに見られるように、金型は、下側部品３ｂに設けられ、流れに関して入口チャネル１０と出口チャネル１３との間に介在し、ギャップ６から過剰な樹脂を受け入れ、そのような樹脂を出口チャネル１３へともたらすように構成されたいくつかの中間チャネル１６をさらに備える。

詳細には、中間チャネル１６は、樹脂をギャップ６から出口チャネル１３の上流かつ上側部品３ａの上述の中央部分に配置された収集部分１７に運ぶように配置される。

より詳細には、収集部分１７は、出口チャネル１３の下方に配置され、出口チャネル１３に面する。

この好ましい実施形態（ただし、これに限られるわけではない）によれば、金型３は、収集部分１７に対して対称的に配置された（すなわち、分配された）４つの中間チャネル１６を備える。

より正確には、中間チャネル１６は、互いに垂直かつ収集部分１７において互いに交わるアームによる十字を形成するように、下側部品３ｂに設けられる。

図示されていない代案の実施形態によれば、中間チャネルを、アームが互いに横切るが直交ではなく、収集部分１７関して対称に配置され、収集部分１７において互いに交わるＸ字を形成するように、配置することができる。

図示されていないさらなる代案の実施形態によれば、金型３は、アスタリスクを形成し、収集部分１７において互いに交わるように、収集部分１７に関して対称に配置された５つ以上の中間チャネル１６を備えることができる。

中間チャネル１６の対称的な配置は、金型３からの樹脂の均一な排出を可能にし、したがってギャップ６から出口チャネル１３へと流れる樹脂の流れの均一な分布に有利である。

好ましくは、金型３は、とくには例えば上側部品３ａ、もしくは下側部品３ｂ、または両方において金型３の本体内に好都合に含まれ、電流によって作動してジュール効果によって金型３を加熱するように構成された少なくとも１つの電気抵抗など、加熱手段をさらに備える。

この加熱は、使用時に、プリフォーム４が後述の方法に従って固められた後に、プリフォーム４の硬化または共硬化サイクルを実行するために利用される。

あるいは、抵抗は、中間部品３ｃに含まれていても、金型３の部品３ａ、３ｂ、および３ｃの任意の組み合わせに含まれていてもよい。

図示されていないが、他の考えられる代案によれば、金型３を、金型３自体に設けられた適切なダクトの内部を循環する高温油もしくは他の高温流体で加熱することができ、または金型３を図示されていない独立した高温要素に接触させることによる受動加熱によって加熱することができる。

本発明によるツール１によって窓フレームを製造するためのプロセスを、とりわけプリフォーム４がコンパートメント５内に配置され、金型３が（上述の方法に従って）閉じられ、出口チャネル１３、したがって出口開口部１４が開いている初期状態に関連して、以下で説明する。

この状態において、ギャップ６は、プリフォーム４の表面７および上側部品３ａの表面８によって明確に定められ、境界付けられている。したがって、樹脂は、ギャップ６を埋め、中間チャネル１６および出口チャネル１３を通って流れるように、金型３の内部へと注入される。注入された樹脂によってギャップ６が完全に埋められたことの確認は、樹脂が出口開口部１４から出て来ることによってもたらされる。

この時点で、出口チャネル１３、したがって出口開口部１４は、流体を漏らさない様相で密封される。同時に、金型３への樹脂の注入が続けられる。

このステップにより、金型３の内部の圧力、とくにはギャップ６の内部の圧力が上昇し、結果として、プリフォーム４の上面７に樹脂による（より正確には、樹脂の連続的な注入による）均一な静水圧が加わる。例えば５ｂａｒなどの所定の静水圧の圧密圧力に達すると、樹脂の注入は停止される。この状態で、樹脂はプリフォーム４をさらに含浸させるのではなく、単にプリフォーム４の上面７にかぶさり、上述の静水圧を加える。

実際には、静水圧を加えるステップは、例えば上述のシステムによって熱が加えられるときに同時に密封される出口１４を開くことによって実行される。

したがって、金型３内でのプリフォーム４の硬化または共硬化サイクルは、最終的な窓フレームを構成する材料の圧密化を達成するために、金型３自体の内部に存在する注入された樹脂と共に実行される。

常に圧密化の静水圧を維持することによって実行される前記硬化または共硬化サイクルおよび適切な冷却サイクルの完了後に、金型３は開かれ、すなわち上側部品３ａが下側部品３ｂから分離され、プリフォーム４が金型３自体から取り出される。

プロセスの終わりに、ギャップ６を埋め、上面７に接触して配置された熱硬化性樹脂の層２０が、プリフォーム４自体を取り出した後でも、依然としてプリフォーム４に接触したままであり、プリフォーム４の一体の一部分となり、しかしながらプリフォーム４を含浸してはいないことに、注意すべきである。

このようにして、事前に含浸された繊維材料で作られたプリフォーム４によって形成され、静水圧によって固められた、表面７上に注入されて固められた樹脂の層２０を備える窓フレームが得られる。

本発明に従って製作される航空機の窓フレームを製造するための方法およびツール１の特徴の検討から、これによって得ることが可能になる利点は明らかである。

とくに、本発明による方法およびツールによって得られた窓フレームは、上述したように、金型３への樹脂の注入時に制御されない様相で含浸されることがないプリフォーム４の繊維の配向を維持する。これにより、プリフォーム４の繊維の向きを保証することができる。

さらに、上述の方法によれば、表面の多孔性が低く、きわめて美しい仕上がりのフレームを得ることが可能になる。

加えて、このようにして得られた窓フレームは、さらなる処理を必要としない。

本明細書において説明および図示した方法およびツール１について、特許請求の範囲によって定められる保護の範囲から逸脱することなく、修正および変更を加えることができることは明らかである。

Claims (9)

1. 航空機の複合材窓フレームを製造するための方法であって、
   ａ）繊維を所定の向きにて熱硬化性樹脂マトリクスに分散させて含んでいる事前含浸材料で製作されたプリフォーム（４）を、金型（３）内に配置するステップと、
   ｂ）前記プリフォーム（４）の少なくとも１つの表面（７）と前記金型（３）の一部分（１５）との間にギャップ（６）を定めるように前記金型（３）を閉じるステップと、
   ｃ）前記ギャップ（６）を埋め、前記プリフォーム（４）の前記表面（７）に完全にかぶさるように、前記閉じられた金型（３）へ前記金型（３）自体の入口開口部（１１）を通って熱硬化性樹脂を注入するステップと、
   ｄ）前記熱硬化性樹脂の注入によって前記表面（７）に均一な静水圧を印加するステップと
   を含む方法。
2. 前記ステップｄ）は、
   ｅ）前記入口開口部（１１）を除き、前記金型（３）を流体を漏らさない様相で密封するステップと、
   ｆ）前記入口開口部（１１）を通る前記熱硬化性樹脂の注入を続けるステップと
   を含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記金型（３）は、使用時に前記熱硬化性樹脂を前記金型（３）自体から出すための出口開口部（１４）を備え、前記ステップｃ）は、前記出口開口部（１４）を開いた状態で実行され、前記ステップｄ）は、前記出口開口部（１４）を封じた状態で実行される、請求項２に記載の方法。
4. 前記ステップｃ）およびｄ）において、前記熱硬化性樹脂は、前記プリフォーム（４）を含浸することなく前記表面（７）上へと注入される、請求項１～３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記ステップｃ）において、前記熱硬化性樹脂は、真空を印加することによって前記金型（３）の内部に吸引される、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
6. 少なくとも前記プリフォーム（４）の硬化または共硬化サイクルを実行するために前記ステップｄ）において前記金型（３）内に存在する材料へと熱を供給するステップをさらに含む、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
7. 航空機の複合材窓フレームを、繊維を所定の向きにて熱硬化性樹脂マトリクスに分散させて含んでいる事前含浸材料で製作されたプリフォーム（４）から出発して製造するためのツール（１）であって、
   前記プリフォーム（４）を収容するための金型（３）を備えており、前記金型（３）は、使用時に前記プリフォーム（４）の表面（７）と前記金型（３）の内面（８）との間にギャップ（６）が定められるように、前記プリフォーム（４）の周囲に閉じられるように構成され、
   前記金型（３）は、前記プリフォーム（４）の前記表面（７）に完全にかぶさり、前記ギャップ（６）を埋め、前記プリフォーム（４）の前記表面（７）に均一な静水圧を印加するように、前記閉じられた金型（３）へと熱硬化性樹脂を注入することを可能にするように構成された少なくとも１つの入口チャネル（１０）と、前記熱硬化性樹脂を前記金型（３）から出すことができるように構成された少なくとも１つの出口チャネル（１３）とを備え、
   前記金型（３）は、流れに関して前記入口チャネル（１０）と前記出口チャネル（１３）との間に介在し、前記ギャップ（６）から過剰な前記熱硬化性樹脂を受け取り、該熱硬化性樹脂を前記出口チャネル（１３）へともたらすように構成された中間チャネル（１６）をさらに備え、
   前記中間チャネル（１６）は、前記入口チャネル（１０）から前記出口チャネル（１３）への前記熱硬化性樹脂の流れの方向に関して前記出口チャネル（１３）の上流に配置された収集部分（１７）へと前記熱硬化性樹脂を運ぶように配置され、
   前記中間チャネル（１６）は、前記収集部分（１７）に関して対称に配置されている、ツール（１）。
8. 前記中間チャネル（１６）は、前記収集部分（１７）において互いに交わる十字またはアスタリスクを形成するように配置されている、請求項７に記載のツール。
9. 前記金型（３）に対応して配置され、電流によって作動してジュール効果によって前記金型（３）を加熱するように構成された少なくとも１つの電気抵抗をさらに備える、請求項７または８に記載のツール。

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