JP2007511391A - 複合積層体にｚ軸補強繊維を挿入する方法 - Google Patents

Abstract

複合積層体にｚ−ｘ／ｙ補強を提供するために、この複合積層体にｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を挿入する方法が開示される。この方法において、繊維（７）は、ｚ−ｘ／ｙ方向で、ｘ−ｙ複合材料（３０）内に配置され、ここで、繊維配置管１６および通路配置プローブ（３５）を含む繊維配置用具は、配置プロセスの間に、ある角度でずれている。１つの実施形態において、頂部プレートと底部プレートとの間の、ｘ−ｙ軸材料が送り込まれるチャンバに側部プレートが形成される。チャンバの側部プレートは、ｘ−ｙ軸材料の縁を制限する。

Description

本発明は、複合材料の製造方法に関し、より具体的には、ｘ−ｙ軸複合材料に、ｚ軸繊維補強材（ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ）を組み込むためのプロセスに関する。

従来の複合材料は、樹脂基材材料、および一定量の２次元繊維から構成され、これらは、ｘ−ｙ軸方向に連続しているが、層として積層されて、材料の厚さを生成している。ガラス繊維、炭素繊維、またはアラミド繊維のような繊維材料が、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂のような基材材料と合わされる、複合材料の構成は、従来の２次元構造の一例である。得られる構造は、２次元材料（層（ｐｌｙ）として公知）の「成層（ｌａｙｅｒｉｎｇ）」から生成される。基材は、（多くの場合、少なくとも１桁だけ）繊維よりも強度が弱いので、その最終的な強度に対してテストが負荷をかける場合、これらの複合体が破損する機構は、基材材料の亀裂、座屈または分離である。これが生じると、複合体は、層割れしたか、または、繊維材料の層が分離したものと理解される。

２次元複合材料の複数の層を、全ての層を一緒に結ぶｚ軸方向繊維を用いて一緒に織り込むか、または結ぶ試みがなされている。これによって、層割れが遅らされ得るか、または排除され得る。使用されているいくつかの技術としては、３Ｄ編み、３Ｄ織り、およびｚ軸ピニングが挙げられる。これらの方法の全ては、欠陥、欠点を有し、そして、費用がかさみ、徹底的な労力を要する。

Ｆｕｓｃｏらの特許文献１は、複合構造体に補強ピンを挿入するための方法およびシステムに関する。超音波エネルギーがピンに適用され、同時に、圧力が適用されて、ピンを複合構造体に挿入して、２つの積相体を接合するか、または、単一の複合構造体を補強する。

Ｃｈｉｌｄｒｅｓｓの特許文献２は、コアを通り、表面層の各々へと延びる複数のｚ軸ピンを利用する、織り交ぜられたｚ軸ピンサンドイッチ構造体に関する。これらのピンは、垂直からずれた織り交ぜられた配置で整列され、航空宇宙産業の用途において、この複合構造体を他の構造要素に接続するための締め具の周りに亀裂耐性を提供する。

Ｂｏｙｃｅらの特許文献３は、ｚ軸補強要素を利用する層貫通（ｔｒａｎｓｌａｍｉｎａｒ）補強構造体、および、この補強構造体が高温および分解に供されるときに、これらの補強要素を複合構造体に入れるための方法を開示する。

Ｃａｍｐｂｅｌｌらの特許文献４は、補剛材により補強されたアセンブリ、およびその製造方法を開示する。Ｂｏｙｃｅらの特許文献５はまた、接合されるべき２つの複合接着材の厚さを貫通する補強要素を備えることによって、接合用複合体部品の使用を開示する。Ｃａｍｐｂｅｌｌらの特許文献６はまた、補剛材による補強アセンブリ、およびその製造方法を開示する。

発泡体コアの中に被包され、対向する表面層の間に延びて、一体になった複合構造体を形成するトウ（ｔｏｗ）部材の使用を教示する他の特許文献は、Ｂｏｙｃｅらの特許文献７およびＢｏｙｃｅらの特許文献８である。Ｂｏｙｃｅらの特許文献９は、積層体貫通型補強のための技術を教示し、この方法は、超音波エネルギーにより複合積層体を加熱および軟化し、次いで、その中に補強繊維を挿入する工程を包含する。
米国特許第５，５８９，０１５号明細書 米国特許第５，９３５，６８０号明細書 米国特許第４，８０８，４６１号明細書 米国特許第５，７８９，０６１号明細書 米国特許第５，６６７，８５９号明細書 米国特許第５，８２７，３８３号明細書 米国特許第５，６２４，６２２号明細書 米国特許第５，７４１，５７４号明細書 米国特許第５，１８６，７７６号明細書

ｚ軸補強のために、複合積層体に固定性のない（ｕｎｓｔａｂｌｅ）補強繊維を挿入する新規方法を提供することが、本発明の目的の１つである。

複合積層体に固定性のないｚ軸補強繊維を挿入するための新規機械類を提供することもまた、本発明の目的の１つである。

実質的にｚ軸の繊維補強を有する新しい型の複合材料を提供することが、本発明の別の目的である。

連続した自動化様式で、３Ｄの棒材、シート、および複合サンドイッチ構造体の多量の層を製造するための新規方法を提供することが、本発明のさらなる目的である。

（発明の要旨）
積層体のｚ軸補強のために、複合積層体に固定性のない補強繊維を挿入する方法は、ｚ軸繊維の配置材料を必要とする。頂部プレートと底部プレートとの間の、ｘ−ｙ軸材料が送り込まれるチャンバに側部プレートが形成される。チャンバの側部プレートは、ｘ−ｙ軸材料の縁を制限する。複数のｚ軸繊維が、同時にｘ−ｙ軸材料内に配置され得るような、複数の側方に間隔を空けたｚ軸繊維配置機が存在する。この各々は、頂部プレートと底部プレートにそれぞれ独自の開口部を有し、そして、これらは、整列している。底部プレート内の各開口部の下には、テーパ付けされた前先端部を有する、細長の固体ロッドがある。このロッドは、「通路配置プローブ（ＰＤＰ）」として知られる。ＰＤＰは、モータにより回転され、次いで、底部プレート内の開口部、ｘ−ｙ軸材料、そして頂部プレート内の開口部を通って上向きに動かされる。頂部プレート内の開口部の各々の上には、可動性の中空管が設置され、この最初の位置では、その底端部が頂部プレート内の開口部内にわずかに挿入されている。ｚ軸繊維束が、静置されたロールに収容され、そして、この束は、このロールから連続的に自由に引き出される。ｚ軸繊維束の各々の前端部は、可動性の中空管の１つを通って下向きに、その底端部に隣接する位置まで通される。新しい長さが必要になると、可動性の中空管の各々に、規定の長さのｚ軸繊維束を再供給するための構造体が存在する。

ＰＤＰは、その最も上の位置まで上向きに動かされた後、次いで、その最初の位置まで下向きに引き戻され、そして同時に、可動性の中空管が、ｘ−ｙ軸材料内に作製された穴を通して下向きに移動する。これが起こっている間、ＰＤＰの先端部は、可動性の中空管の底端部内に挿入されたままであり、ＰＤＰにより作製されたｘ−ｙ軸材料内の開口部を通る、中空管の滑らかな進入を保証する。ｚ軸繊維配置ユニットの各々は、可動性の中空管が上向きに引き出されるときに、ｘ−ｙ軸材料からｚ軸繊維が引き出されることを防止するための機構を有する。一旦可動性の中空管がその上側の位置まで上昇すると、ｘ−ｙ軸材料に挿入されたｚ軸繊維の頂端部が、切断される。これにより、全サイクルが完了する。同時に、ハウジングの幅全体にわたって、他のｚ軸繊維配置ユニットの各々が、そのサイクルを完了する。続いて、ｘ−ｙ軸材料が、前向きに進められて、ｚ軸繊維が配置されるための新しい位置を提供する。あるいは、この方法は、ｘ−ｙ軸複合材料を前向きに進める代わりに、ハウジングを後向きに進めるための構造体を提供し得る。

ｘ−ｙ軸材料の内部にｚ軸繊維が配置された後、ｘ−ｙ軸材料は、引抜ダイに向かって順方向に移動する。ここで、加熱されたダイは、層の複合材料を硬化し、そして、この層の複合材料は、硬化した３Ｄ繊維複合材料として、ダイを出る。この材料は、動作制御液圧シリンダーに取り付けられた複数のグリッパーの互い違いの把持縁部によって、ダイから連続的に引き出される。

ｘ−ｙ材料は、３Ｄ繊維の挿入前に樹脂を含浸され得るか、３Ｄ繊維の挿入後に樹脂を含浸され得るか、または、ｘ−ｙ材料が作製される工場、および／もしくは３Ｄ繊維材料が作製される工場で、「プレプレグ（ｐｒｅ−ｐｒｅｇ）」樹脂に染み込まされ得ることに注意すべきである。後者の場合、３Ｄ繊維材料の挿入の前後のいずれにおいても、プロセスにおいて樹脂の含浸は必要とされない。

本発明の別の局面は、複合積層体のｚ軸補強のために、複合積層体にｚ軸補強繊維を挿入する方法を包含する。この方法は、以下の工程を包含する：ｚ軸補強繊維を少なくとも１層の材料に組み込む前に、ｘ軸繊維およびｙ軸繊維から構成される少なくとも１層の材料を提供する工程であって、この少なくとも１層は、頂部表面、底部表面、および規定の厚さを有する、工程；前先端部、シャンク部分、後端部、およびｚ軸を有する細長通路配置デバイスを提供し、この通路配置デバイスの前先端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面の一方の直ぐ側に位置決めする工程；前端部、後端部、内壁表面およびｚ軸を有する細長の可動性ｚ軸繊維挿入要素を提供する工程；可動性のｚ軸繊維挿入要素の前端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面のもう一方の直ぐ側に位置決めする工程；前端部を有するｚ軸補強繊維束を提供し、このｚ軸補強繊維束の前端部が、実質的に可動性のｚ軸繊維挿入要素の前端部まで移動するまで、このｚ軸補強繊維束の前端部を可動性のｚ軸繊維挿入要素の後端部内に挿入する工程；少なくとも１層内に、そして、この層を通して所定の距離だけ、通路配置デバイスを挿入する工程；ｚ軸補強繊維束が、ｚ軸繊維挿入要素と共に移動するように、ｚ軸補強繊維束を、ｚ軸繊維挿入要素の内壁に一時的に固定する工程；ｚ軸繊維挿入要素の前端部が通路配置デバイスの先端部と合うまで、ｚ軸繊維挿入要素をｚ軸方向に移動させる工程；ｚ軸繊維挿入要素およびこれに固定されたｚ軸補強繊維束を、少なくとも１層の材料から通路配置デバイスを引き抜くのと同時に、少なくとも１層の材料の全厚さを通して移動させる工程；ｚ軸補強繊維束をｚ軸繊維挿入要素の内壁から外し、次いで、ｚ軸繊維挿入要素を少なくとも１層の材料から引き抜き、それにより、ｚ軸補強繊維束を、ｚ軸繊維挿入要素が引き抜かれるときに、少なくとも１層の材料の内側に残す工程；ならびに、少なくとも１層の材料内にあるｚ軸補強繊維を、ｚ軸補強繊維束から切断する工程。

本発明の別の局面は、複合積層体のｚ軸補強のために、複合積層体にｚ軸補強繊維を提供する方法を包含する。この方法は、以下の工程を包含する：ｚ軸補強繊維を少なくとも１層の材料に組み込む前に、ｘ軸繊維およびｙ軸繊維から構成される少なくとも１層の材料を提供する工程であって、この少なくとも１層は、頂部表面、底部表面、および規定の厚さを有する、工程；前先端部、シャンク部分、後端部およびｚ軸を有する細長の通路配置デバイスを提供し、そして、この通路配置デバイスの前先端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面の一方の直ぐ側に提供する工程；前端部、後端部、内壁表面およびｚ軸を有する細長のｚ軸繊維挿入要素を提供し、そして、この可動性のｚ軸繊維挿入要素の前端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面のもう一方の直ぐ側に提供する工程；前端部を有するｚ軸補強繊維束を提供し、そして、このｚ軸補強繊維束の前端部が、実質的にｚ軸繊維挿入要素の前端部まで移動するまで、このｚ軸補強繊維束の前端部をｚ軸繊維挿入要素の後端部内に挿入する工程；少なくとも１層内に、そして、この層を通して、通路配置デバイスが提供されるように、少なくとも１層の材料を所定の距離だけ移動させる工程；ｚ軸繊維挿入要素の前端部と通路配置デバイスの先端部とが合うように、ｚ軸繊維挿入要素および通路配置デバイスの少なくとも１つをｚ軸方向に移動させる工程；ｚ軸補強繊維束およびｚ軸繊維挿入要素が、少なくとも１層の材料の全厚さを通って配置されるように、少なくとも１層の材料を移動させる工程；ｚ軸繊維挿入要素と、少なくとも１層の材料とを分離し、それによって、ｚ軸補強繊維束を、少なくとも１層の材料内に残す工程；ならびに、ｚ軸補強繊維束から、少なくとも１層の材料内にあるｚ軸補強繊維を切断する工程。

本発明のさらなる局面は、複合積層体のｚ軸補強のために、複合積層体にｚ軸補強繊維を挿入する方法を包含する。この方法は、以下の工程を包含する：ｚ軸補強繊維を少なくとも１層の材料に組み込む前に、少なくとも１層の複合積層体材料を提供する工程であって、この少なくとも１層は、頂部表面、底部表面、および規定の厚さを有する、工程；前先端部、本体部分、後端部、およびｚ軸を有する細長通路配置デバイスを提供し、そして、この通路配置デバイスの前先端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面の一方の直ぐ側に提供する工程；前端部、後端部およびｚ軸を有する細長の可動性のｚ軸繊維挿入要素を提供し、そして、可動性のｚ軸繊維挿入要素の前端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面のもう一方の直ぐ側に提供する工程；可動性のｚ軸繊維挿入要素に、ｚ軸補強繊維束を提供する工程；少なくとも１層内に、そして、この層を通して、通路配置デバイスを所定の距離だけ挿入する工程；ｚ軸繊維挿入要素の前端部が通路配置デバイスの先端部と合うまで、通路配置デバイスおよびｚ軸繊維挿入要素の少なくとも１つをｚ軸方向に移動させる工程；ｚ軸繊維挿入要素およびｚ軸補強繊維束を、少なくとも１層の材料から通路配置デバイスを引き抜くのと同時に、少なくとも１層の材料の全厚さを通して移動させる工程；ｚ軸繊維挿入要素を少なくとも１層の材料から引き抜き、それにより、ｚ軸補強繊維束を、ｚ軸繊維挿入要素が引き抜かれるときに、少なくとも１層の材料の内側に残す工程；ならびにｚ軸補強繊維束からｚ軸補強繊維を切断する工程。

本発明のさらなる局面は、本発明のさらなる局面は、ｚ−ｘ方向の補強繊維またはｚ−ｙ方向の補強繊維（本明細書中で以降ｚ−ｘ／ｙ）を、複合積層体のｚ−ｘ／ｙ方向の補強のために、複合積層体に挿入する方法を包含する。この方法は、以下の工程を包含する：ｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維を少なくとも１層の材料に組み込む前に、少なくとも１層の複合積層体材料を提供する工程であって、この少なくとも１層は、頂部表面、底部表面、および規定の厚さを有する、工程；ｚ−ｘ／ｙ方向に方向付けられ、かつ前先端部、本体部分、後端部およびｚ−ｘ／ｙ軸を有する細長の通路配置デバイスを提供し、この通路配置デバイスの前先端部を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面の一方の直ぐ側に提供する工程；ｚ−ｘ／ｙ方向に向けられ、かつ前端部、後端部およびｚ−ｘ／ｙ軸を有する細長の可動性ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素を提供し、この可動性ｚ−ｘ／ｙ軸繊維挿入要素を、少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面のもう一方の直ぐ側に提供する工程；可動性のｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素内に、ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を提供する工程；少なくとも１層の材料内に、そして、この１層の材料を通して、通路配置デバイスをｚ−ｘ／ｙ方向に所定の距離だけ挿入する工程；通路配置デバイスおよびｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素の少なくとも１つを、ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素の前端部が、通路配置デバイスの先端部と合うまで、ｚ−ｘ／ｙ方向に移動させる工程；ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素およびｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維束を、少なくとも１層の材料から通路配置デバイスを引き抜くのと同時に、少なくとも１層の材料の全厚さを通して移動させる工程；ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素を少なくとも１層の材料から引き抜き、それにより、ｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維束を、ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素が引き抜かれるときに、少なくとも１層の材料内でｚ−ｘ／ｙ方向に残す工程；ならびにｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維束からｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維を切断する工程。

（好ましい実施形態の説明）
ここで、図面の図１〜６を参照して、複合積層体にｚ軸補強繊維を挿入する方法が説明される。

図１は、新規のｚ軸繊維配置プロセス、および関連する機械の概略立面図を示す。たった１つのｚ軸繊維配置ユニットの主要な要素が、この図面に図示される。図１の描写に続いて、複数のｚ軸繊維配置複合体のより詳細な拡張された描写が議論される。

図１において、代表的なｘ−ｙ軸材料の断面が、数字３０により識別される。材料３０は、ｘ−ｙ軸材料の連続的に移動する積層体である。引き抜きの方向および連続的な処理が、ｘ軸方向に、そして、左から右に規定される。ｙ軸方向は、紙面を表から裏の方向である。ｚ軸方向は、３Ｄ材料３０を通って頂部から底部の方向である。ｘ−ｙ軸材料３０のほんの２〜３の層（ｌａｙｅｒ）、または「層（ｐｌｙ）」が示されるが、明らかに、さらなる層が示され得る。単一層の材料３０は、ｘ軸材料およびｙ軸材料から構成され、ｚ軸繊維配置プロセスに組み込まれる前に、他のプロセスにより製造される。このｘ−ｙ軸材料は、織ったガラス繊維、もしくは縫ったガラス繊維、またはこの各々の組み合わせであり得るか、あるいは、艶なし、または一方向性の織物（ｗｏｖｉｎｇ）であり得るか、あるいは、炭素もしくはアラミドのような他の繊維であり得る。材料３０はまた、粗紡であり得る。

材料３０は、頂部プレート２０および底部プレート２１によってのみ示されるハウジング内のチャンバにより、ｚ軸方向に収容される。示されないが、ハウジングの側部プレートは、材料３０の縁を制限する。ｙ軸に沿って複数のｚ軸配置点が存在し、そして、図１は、これらの点のうち１つのみを示すので、封じ込めハウジング内のチャンバの縁、およびｘ−ｙ軸材料の縁は示されない。プレート２０および２１は、層３０の非常にコンパクトなセットがハウジングを通して引き出され、ｚ軸繊維を受容するか、引抜ダイに入る前に、ｘ−ｙ軸材料３０をそのほぼ最終的なｚ軸方向の圧縮まで圧縮するように、予め間隔が空けられている。材料３０は、樹脂材料に含浸され得、そして、熱硬化性である場合、材料は、プレート２０よび２１により規定される収容封じ込めハウジング内のチャンバに入る前に減量され得る。

先に言及されたように、材料３０はまた、操作もプロセスも変更することなく、サンドイッチ構造であり得る。図１に示されるように、材料３０は、ｘ−ｙ軸繊維材料の層のスタックであり、この材料は、ｚ軸方向の繊維の配置後に、擬似等方性の棒材に加工される。材料３０が（例えば）１インチの厚さである場合、１インチの厚さを構成する、３６層のｘ−ｙ軸材料が存在し得る。ｘ−ｙ軸材料の中間層の代わりに、コア材料２８（例えば、発泡プラスチック、ポリイソシアヌレート発泡体、ハニカム材料、またはバルサ材）を使用することは、単純な構成上の事項である（図４〜６を参照のこと）。これらのコア材料は、低密度であり、そしてサンドイッチ構造の構築において使用される。この様式で、材料３０は、頂部の６層のｘ−ｙ軸材料、０．７５インチの厚さのコア材料、および底部の６層のｘ−ｙ軸材料を有し得る。本明細書中に記載される、ｚ軸繊維配置方法は、材料３０が１００％ｘ−ｙ軸繊維材料であっても、コア材料ならびに頂部「スキン」材料２７および底部「スキン」材料２９を有するサンドイッチ材料であっても、同じである。

ｚ軸繊維配置機構の主要な要素が、図１に示されているが、いずれの特定の機構が支持されるか、または作動されるかに関する詳細の全ては、示されていない。このプロセスの最初の工程は、材料３０が、上部表面２０および下部表面２１の間の収容ハウジング内のチャンバに引き込まれることを包含する。材料３０は、停止される。なぜなら、この機械は、引き抜き速度と同期して動くからである。このことにより、「通路配置プローブ」（ＰＤＰ）３５が、材料３０に通して挿入されることが可能になる。あるいは、この材料は、連続的に動き得、そしてこの配置プロセスは、ガントリー（ｇａｎｔｒｙ）であり得、そしてこの引き抜き速度と同期し得る。ＰＤＰ ３５は、細長い頑丈な棒であり、テーパ状の前先端部、シャンク部分、および後端部を有する。ＰＤＰ ３５は、最初に、モータ５０によって回転され、次いで、アクチュエータ６１によって、上方に起動される。

次いで、プロセスが開始し、このプロセスにおいて、繊維束（１本の線７によって示される）が、ｘ−ｙ軸材料３０のスタック内に配置される。この繊維束は、１本の線として示されているが、実際には、この繊維束は、何百または何千でさえもの連続した繊維フィラメントを含む、ガラス繊維束、炭素繊維束、または他の繊維束であり得る。このプロセスは、ｚ軸繊維配置プロセスと称される。ｚ軸繊維束７は、静止ロール５に含まれ、この繊維束は、ロール５から自由に連続的に引き出される。この繊維束は、案内ブシュ１０および２つの管を通して供給される。これらの管のうちの一方は、静止外側管１５であり、そして他方は、可動管１６である。静止外側管１５および可動内側管１６は、非常に厳密な許容差で同心状であり、そして両方が、繊維クランプ１２Ａおよび繊維クランプ１２Ｂを受容するために、２つの位置で穿孔されている。繊維クランプ１２Ａは、静止外側管１５を穿孔するので、定義上、静止している。繊維クランプ１２Ｂは、可動内側管１６のｚ軸方向での機構の動きと共に動かなければならないので、定義上、可動である。可動繊維クランプ１２Ｂは、管１６が動いている際に、延長しても延長しなくてもよい。クランプ１２Ｂの起動機構は、管１６のための起動機構とは独立しており、これらの機構の両方が、図１において、明白にするために示されている。繊維クランプ１２Ａおよび１２Ｂの目的は、異なる時点および異なる目的での、それぞれ管１５および１６の内部への繊維束の能動的なクランピングを提供することである。

一旦、ＰＤＰ ３５が回転され、ｚ軸方向に起動され、そしてｘ−ｙ軸繊維層３０に完全に貫入すると、ＰＤＰ ３５は、外側可動管１６にまだ連絡せず、材料３０を完全に通過している。この時点で、ＰＤＰ ３５は、回転を停止している。

先に言及されたように、ＰＤＰ ３５の回転は、最小の力、およびｘ−ｙ軸材料３０に対する最小の繊維損傷での、材料３０への貫入を補助する。このプロセスにおける次の工程は、以下のとおりである：繊維クランプ１２Ａのクランプが解除され、そして繊維クランプ１２Ｂがクランプされる。繊維クランプ１２Ｂを起動することによって、クランプされた位置において、繊維束７が、可動管１６の内壁に固定され、そして繊維束７が管１６と一緒に動くことを可能にする。代替の実施形態において、可動管１６が材料３０の内部に動く場合に、繊維束７は、可動管１６に固定されなくてもよい。例えば、限定としてではないが、ＰＤＰ ３５および管１６は、最初に、材料３０内に繊維束通路を作製し得る。一旦、この繊維束通路が作製されると、繊維束７は、この繊維束通路に、好ましくは、管１７が繊維束通路内にある間に、管１７を介して挿入され得る。次いで、管１７は、この繊維束通路から取り除かれ得、繊維束７を、材料３０内の繊維束通路内に残す。管１７が取り除かれるにつれて、繊維束７は、ＰＤＰ ３５または別の保持機構によって保持され、繊維束７が、それに従って、管１７が取り除かれると同時に繊維束通路から取り除かれることを防止し得る。

一旦、クランプ１２Ｂが繊維束７を可動内側管１６に固定すると、管１６の底端部がＰＤＰ ３５（これは、すでにｘ−ｙ軸材料３０に貫入している）の外側と連絡するまで、機構（図示せず）が、内側管１６を、ｚ軸方向下向きに動かすが、今回は、回転しない。あるいは、管１６とＰＤＰ ３５との連絡は、上記のように管１６とＰＤＰ ３５とが接触して管１６とＰＤＰ ３５との連絡が起こる代わりに、管１６とＰＤＰ ３５とが接触することなく起こり得る。

次に、内側管１６を動かす機構は、繊維束７およびＰＤＰ ３５を、ｘ−ｙ軸材料３０全体を通して動かす。ＰＤＰ ３５は、内側管１６が材料３０を通して挿入されるための通路を、作製している。ＰＤＰ ３５に対する、ある量の低い起動力は、内側管１６が、ＰＤＰ ３５に密接に接触したままであることを保証する。この技術は、管１６およびクランプされた繊維束７が、ｘ−ｙ軸材料３０を通って滑らかに入ることを保証する。繊維束７は、このプロセスによって、スプール５から引き出される。

次に、繊維クランプ１２Ｂは、クランプが解除された位置に解放され、そして繊維クランプ１２Ａは、クランプ位置に起動される。この様式で、繊維クランプ１２Ａは、繊維束７を、静止管１５の内部に対して固定する。このことは、繊維束７が静止を維持し、そしてｘ−ｙ軸材料３０の内壁に配置されたままになることを確実にする。これに続いて、可動内側管１６が、ｘ−ｙ軸材料３０から引き抜かれ、そしてｚ軸方向で上方に起動され、図１に示される最初の位置に戻る。この工程がなされるときに、繊維束７は、動かない。繊維束７は、ｚ軸方向で完全に配置された繊維束として残る。次に、繊維束７は、ｘ−ｙ軸材料３０の頂部において、せん断プレート２５および２６によって、せん断される。せん断プレートの静止部品２６は、全く動かない。可動部品２５は、アクチュエータ６０によって起動される。これにより、繊維束７を、鋏での切断と非常に類似して切断し、繊維束７が（スプール５によって運ばれる）が、ｚ軸繊維を配置された束から分離されることを可能にする（あるいは、このｚ軸繊維は、挿入後ではなく、挿入前に、繊維束７から切断され得る）。このことは、第二のｚ軸繊維の配置のための準備を可能にする。この準備は、繊維束７の端部を、せん断プレート２６の端部に対して調節する工程を包含する。図１に示されるように、繊維束７の端部は、管１６の底端部からわずかに内側に引き込まれる。このことは、繊維が内側管１６とＰＤＰ ３５との接点の間に捕捉されることなく、ＰＤＰ ３５の先端部の点が管１６に入ることを可能にするために、必要である。これは、以下のように達成される：
一旦、せん断プレート２５が、繊維束７から配置されたｚ軸繊維を切断すると、繊維束７の端部は、内側管１６の下方にわずかに伸ばされる。次に、繊維クランプ１２Ａが解放され、そして繊維クランプ１２Ｂが起動されて、クランプされる。内側管１６は、繊維束７の端部が図１に示される位置と同じ相対位置にくるまで、図１に示されるように、ｚ軸方向で上方にさらに起動される。次に、クランプ１２Ａが起動されてクランプされ、そしてクランプ１２Ｂが解放され、クランプを解除される。これに続いて、内側管１６が、図１に示される位置まで、ｚ軸方向で下方に動かされ、これによって、可動内側管１６の端部と繊維束７の端部との相対位置が、図１に示されるような位置になる。このサイクルは、ここで、繰り返されるように設定される。

先に記載された作動の全ては、迅速に行われ得る。図１に示されるようなデバイスの幾つかのユニットは、横に並べて設置される。図１のデバイスの全てを収容するハウジング全体の動きは、ｘ−ｙ軸材料３０ならびにプレート２５および２６が静止したままで起こる。この様式で、例えば、材料３０が停止している間に、過剰のｚ軸繊維が、第一のサイクルにおいて配置された２つのｚ軸繊維の間の位置に配置され得る。材料３０が静止している間に、１列に多数のｚ軸繊維束が、実際に、配置され得る。一旦、列（これは、ｙ方向で線状に配置されたｚ軸繊維として定義される）が完了すると、材料３０は、図１の機械に対して動かされ得、そしてｚ軸繊維の第二の列が、配置され得る。この新たな列は、必要に応じて、同じパターンまたは互い違いのパターンを有し得る。

図１における１つの他のデバイスは、言及を必要とする。ばね４０は、基部ＰＤＰ ３５およびＰＤＰとモータ５０との間に位置し、特殊な目的を有する。内側管１６がＰＤＰ ３５と接触し、引き続いて、ＰＤＰ ３５をｘ−ｙ軸材料３０の層を通して後方に押す場合、この管とＰＤＰとの間の相対的な力が特定の値を超えると、この管の端部の広がりが起こり得る。管１６の端部の広がりは、この機構の故障を引き起こす。ばね４０は、この過剰な差の力を防止し、これによって、管１６の端部において、広がりを生じさせない。

材料３０は、ｘ−ｙ面内にあり、そして管１６およびＰＤＰ ３５は、ｚ方向に動くと記載されてきたが、代替的に、この方法は、ｚ軸補強繊維を材料３０内に提供するために、管１６およびＰＤＰ ３５がｚ方向に動くことの代わりに、またはそれに加えて、ｚ方向に動く材料３０を包含し得る。例えば、この方法は、細長通路規定デバイス３５を、材料３０の頂部表面または底部表面のうちの一方に近く接近させて提供する工程；細長ｚ軸繊維挿入要素１６を、材料３０の頂部表面または底部表面のうちの他方に近く接近させて提供する工程；ｚ軸補強繊維束７を、ｚ軸繊維挿入要素１６の内部に提供する工程；通路配置デバイス３５が、材料３０の内部を通って所定の距離だけ提供されるように、材料３０を動かす工程；ｚ軸繊維挿入要素１６の前端部と通路配置デバイス３５の先端部とが連絡するように、ｚ軸繊維挿入要素１６および通路配置デバイス３５のうちの少なくとも一方を、ｚ軸方向に動かす工程；ｚ軸補強繊維束７およびｚ軸繊維挿入要素１６が材料３０の全厚さを通して配置されるように、材料３０を動かす工程；ｚ軸繊維挿入要素１６と材料３０とを分離し、これによって、ｚ軸補強繊維束７を材料３０の内部に残す工程；ならびに材料３０の内部にあるｚ軸補強繊維を、ｚ軸補強繊維束７から切断する工程を包含し得る。

図２は、引抜プロセスと機械的に統合された、ｚ軸繊維配置機械の概略側面立面図である。ｘ−ｙ軸材料３０の２Ｄの層が、ローラ７０に格納される。これらの層は、樹脂タンク３１を通して引かれ、このタンクにおいて、この２Ｄの材料は、この樹脂を含浸される。次いで、これらの層は、嵩減少（ｄｅｂｕｌｋｉｎｇ）ブシュ７２を通して引かれ、このブシュにおいて、連続的に、これらの層が積み重ねられ、そしてｘ−ｙ軸材料３０がｚ軸繊維配置機械７３の方へと進むにつれて、各連続するブシュ７２が、ｘ−ｙ軸材料３０のスタックから、もう少しの樹脂を次第に搾り出す。一旦、機械７３を通ると、（ｚ軸繊維が内部に配置されたので）３Ｄの繊維の複合材料（ここで、番号３１として識別される）は、引抜ダイ７４へと進む。ここで、加熱されたダイ７４は、この３Ｄの繊維の複合材料３１を、たなびかせながら硬化させ、そしてこの材料は、硬化した３Ｄの繊維の複合材料３２として、ダイ７４から出る。材料３２は、ダイ７４から、２つのグリッパー７５の交互に把持する作用によって、連続的に引かれる。これらのグリッパーは、運動制御液圧シリンダー７６に取り付けられている。シリンダー７６は、ＣＮＣ型のシリンダーであり、そしてｚ軸配置のために、材料３０を正確に位置決めし得、そしてタイミングを合わせ得る。

ｘ−ｙ材料３０は、３Ｄの繊維の挿入の前に、樹脂を含浸されると記載されたが、図７を参照すると、樹脂タンク７１は、ラインにおいて、ｚ軸繊維配置機械７３の下流に位置し得、その結果、３Ｄの複合繊維材料３１は、３Ｄの繊維の挿入後に、樹脂を含浸される。あるいは、ｘ−ｙ材料３０は、ｘ−ｙ材料３０が作製された工場、および／または３Ｄの繊維の材料が作製された工場において、「プリプレグ」樹脂を含浸され得る。この場合、樹脂の含浸は、このプロセスにおいて、３Ｄの繊維の材料の挿入の前にも後にも、必要とされない。

図１において先に記載され、そしてクランプ１２Ａおよび１２Ｂ、ならびに外側管１５および内側管１６によって図示された、供給機構に対する代替物は、図３に図示される供給機構で置き換えられ得る。この供給機構は、以下の記載において明らかになるように、図１のクランプシステムより洗練された運動制御を必要とする。

上に示された図３の構成要素であるキャリアプレート２０は、上に示された図１の構成要素であるキャリアプレート２０を置き換える。主要な新たな構成要素は、管１６、ウレタンリール１９、遊びベアリング１８、ばね１７、駆動ベルト２２、およびＣＮＣ型運動制御モータ２３である。これらの構成要素の全ては、フレーム（図示せず）に密接に接続され、このフレームは、キャリアプレート２０および２１を介して、ＣＮＣ型のモータおよびボールねじ（これも図示せず）によって、駆動される。この様式で、構成要素１６、１９、１８、１７、２２および２３の全ては、同期したユニットとして、一緒に動く。

図３に示される実施形態は、同じ繊維ロール５、繊維のトウまたは束７、および案内ブシュ１０を有する。遊びベアリング１８およびウレタンホイール１９は、繊維束７の積極的なクランプを提供する。ばね１７は、既知の量の横方向の力を保証し、そして繊維束７をクランプする。運動制御モータ２３が、ロックされた位置（回転しない）にある場合、繊維束７がクランプされ、そして動くことができない。モータ２３が回転する場合、繊維束７は、管１６に対して動く。なぜなら、管１６の位置は、常に、図３の他の構成要素１９、１８、１７、２２および２３と同じであるからである。この様式で、繊維束７は、管１６の内部で動くことができないようにクランプされ得るか、または運動制御モータ２３の回転によって、管１６の内部で動き得るかの、いずれかである。

図３に示される機構は、図１において識別される機構に対する置換であり得ることが、ここで明らかであるはずである。管１６が、繊維束７がクランプされた状態で、ＣＮＣモータ（図示せず）によって、ｘ−ｙ軸材料３０を通して動かされる場合、モータ２３は、回転しない。しかし、管１６がｘ−ｙ軸材料３０から引き出される場合、モータ２３は、ＰＤＰ ３５の引き抜きと全く同じ速度で回転する。このことは、現在洗練された運動制御ハードウェアおよびソフトウェアを用いて、達成され得る。このことを行う際に、繊維束７は、管１６が引き抜かれている場合でさえも、ｘ−ｙ軸材料３０に対して静止したままである。

図３における機構の利点は、図１の対応物と同じ機能を提供するが、クランプ１２Ａおよび１２Ｂの交互のクランプを排除することによって、プロセスの速度が改善され得ることである。それにもかかわらず、いずれかのセットの機構が、開示される発明のために利用可能である。

図８は、繊維配置ユニットの別の実施形態の概略側面立面図であり、ここで、繊維７は、ｚ−ｘ／ｙ方向で、ｘ−ｙ複合材料３０内に配置される。本明細書中において使用される場合、ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維、または繊維７をｚ−ｘ／ｙ方向に配置するとは、繊維７が、ｚ−ｘ方向、ｚ−ｙ方向、またはｚ−ｘ−ｙ方向でｘ−ｙ材料３０内に配置され得ることを意味する。図８に示される繊維配置ユニットは、図３に関して上に記載されたｚ軸繊維配置ユニットと類似であるが、ｘ−ｙ複合材料３０上に位置する繊維配置設備（例えば、管１６、ウレタンリール１９、遊びベアリング１８、ばね１７、駆動ベルト２２、ＣＮＣ型の運動制御モータ２３）が、全体として、ｘ−ｙ複合材料の下方に位置する繊維配置設備（例えば、ＰＤＰ ３５、ばね４０、モータ５０、アクチュエータ６１）に対して、ｘ方向（またはｙ方向、あるいはｘ方向とｙ方向との両方）に沿ってずれていることを除く。さらに、繊維配置ユニットの設備のうちのあるもの（例えば、繊維７を有する管１６、ＰＤＰ ３５）は、ｚ−ｘ／ｙ方向に、ある角度で配置される。ｘ−ｙ材料３０内での繊維７の配置は、図３に関して上に記載された様式と同じ様式で行われるが、繊維７が、ｘ−ｙ材料３０の内部で、ｚ−ｘ／ｙ方向のある角度で（すなわち、ｘ−ｙ材料の１つ以上の層を通るが、ｚ軸に対して垂直ではなく）配置されることを除く。繊維７を、ｚ−ｘ／ｙ方向のある角度で、ｘ−ｙ材料３０の内部で配向させることは、ｚ方向でこの複合材料の強度を補強するのみでなく、この複合材料のせん断強度、せん断モジュラス、慣性モーメントもまた増加させる。このことは、得られる複合材料を、曲げ堅さおよびせん断堅さを必要とする用途のために理想的にする。

図１は、ｚ軸繊維配置ユニットの概略側面立面図である。 図２は、引き抜きプロセスと一体になった、ｚ軸繊維配置ユニットの概略側面立面図である。 図３は、ｚ軸繊維配置ユニットの第１の代替的な実施形態の概略側面立面図である。 図４は、ｘ−ｙ軸繊維材料から形成されたそれぞれのスキンで頂部表面および底部表面上が覆われたコアを有するサンドイッチ構造体を図示する、概略部分断面図である。 図５は、図４の線５−５に沿って取った、概略拡大断面図である。 図６は、図５の線６−６に沿って取った、概略拡大断面図である。 図７は、引き抜きプロセスと一体になった、ｚ軸繊維配置ユニットの概略側面立面図であり、ここで、ｘ−ｙ材料は、３Ｄ繊維の挿入後に、樹脂を含浸される。 図８は、繊維配置ユニットの別の実施形態の概略側面立面図であり、ここでは、繊維は、ｘ−ｙ複合材料内にｚ−ｘ／ｙ方向で配置される。

Claims (19)

1. 複合積層体のｚ−ｘ／ｙ方向の補強のために、該複合積層体にｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維を挿入する方法であって、該方法は、以下：
   ｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維を少なくとも１層の複合積層材料に組み込む前の、該少なくとも１層の複合積層材料を提供する工程であって；該少なくとも１つの層は、頂部表面、底部表面、および所定の厚さを有する、工程；
   細長通路配置デバイスを提供する工程であって、該デバイスは、ｚ−ｘ／ｙ方向に配向しており、そして前先端部、本体部分、後端部およびｚ−ｘ／ｙ軸を有し、該通路配置デバイスの該前先端部を、該少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面のうちの一方に近く接近させて提供する、工程；
   細長い可動の、ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素を提供する工程であって、該要素は、ｚ−ｘ／ｙ方向に配向しており、そして前端部、後端部、およびｚ−ｘ／ｙ軸を有し、該可動ｚ−ｘ／ｙ軸繊維挿入要素の該前端部を、該少なくとも１層の材料の該頂部表面または底部表面のうちの他方に近く接近させて提供する、工程；
   ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維束を、該可動ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素の内部に提供する工程；
   該通路配置デバイスを、該少なくとも１層の材料に挿入し、そして該ｚ−ｘ／ｙ方向に所定の距離だけ通す工程；
   該ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素の該前端部が、該通路配置デバイスの該先端部と連絡するまで、該通路配置デバイスと該ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素とのうちの少なくとも一方を、ｚ−ｘ／ｙ方向に動かす工程；
   該ｚ−ｘ／ｙ方向挿入要素および該ｚ−ｘ／ｙ方向繊維束を、該少なくとも１層の材料の全厚さを通して動かし、同時に、該通路配置デバイスを、該少なくとも１層の材料から引き抜く工程；
   該ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素を、該少なくとも１層の材料から引き抜く工程であって、これによって、該ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素が引き抜かれる際に、該ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維束を、該少なくとも１層の材料の内部に、ｚ−ｘ／ｙ方向で保持する工程；
   該ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を、該ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維束から切断する工程、
   を包含する、方法。
2. 前記通路配置デバイスが、前記少なくとも１層の材料の内部に導入される間にスピンされる、請求項１に記載の方法。
3. さらなるｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を前記少なくとも１層の材料の内部に配置するために、先行する工程が繰り返され得るように、該少なくとも１層の材料を前方に進める工程をさらに包含する、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記少なくとも１層の材料が、最初に前方に動かされ、次いで、さらなるｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を該少なくとも１層の材料の内部に配置する目的で静止させられる、請求項３に記載の方法。
5. 前記少なくとも１層の材料を前方に進める工程、および前記さらなるｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を該少なくとも１層の材料の内部に配置する工程が、同時に行われる、請求項３に記載の方法。
6. ｚ−ｘ／ｙ方向の補強のために複合積層体にｚ−ｘ／ｙ方向の補強繊維を挿入する作動を実施する機械を、後方に進める工程をさらに包含し、前記少なくとも１層の材料は静止したままである、請求項１または２に記載の方法。
7. 新たに挿入されたｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維を有する、前記少なくとも１層の材料を、複合材料を硬化させるための引抜ダイに通す工程をさらに包含する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 互いに積み重なった複数の層の材料をさらに備え、該材料の内部に、ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維が挿入される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記材料の層のうちのいくつかが、材料のコア層によって、互いから垂直に間隔を空けている、請求項８に記載の方法。
10. 前記材料のコア層が、発泡プラスチックおよびポリイソシアヌレート発泡体のうちの少なくとも１つから作製されている、請求項９に記載の方法。
11. 前記材料のコア層が、バルサ材から作製されている、請求項９に記載の方法。
12. 前記材料のコア層が、ハニカム材料から作製されている、請求項９に記載の方法。
13. 前記ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維束が、ガラス繊維から作製されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
14. 前記ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維束が、炭素繊維から作製されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
15. 前記ｚ−ｘ／ｙ方向補強繊維束が、アラミド繊維から作製されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
16. 前記通路配置デバイスの前記後端部が、緩衝ばねを有し、前記ｚ−ｘ／ｙ方向繊維挿入要素の前記前端部が広がることを防止する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載の方法。
17. 前記少なくとも１層の材料が、ｘ軸繊維およびｙ軸繊維から作製されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 前記少なくとも１層の材料が、ロービングから作製されている、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
19. 複合積層体のｚ軸の補強のために、該複合積層体にｚ軸の補強繊維を提供する方法であって、該方法は、以下：
    ｚ方向の補強繊維を、ｘ軸繊維およびｙ軸繊維から作製された少なくとも１層の材料に組み込む前の、該少なくとも１層の材料を提供する工程であって；該少なくとも１つの層は、頂部表面、底部表面、および所定の厚さを有する、工程；
    細長通路配置デバイスを提供する工程であって、該デバイスは、前先端部、シャンク部分、後端部およびｚ軸を有し、該通路配置デバイスの該前先端部を、該少なくとも１層の材料の頂部表面または底部表面のうちの一方に近く接近させて提供する、工程；
    細長いｚ軸繊維挿入要素を提供する工程であって、該要素は、前端部、後端部、内壁表面およびｚ軸を有し、該可動ｚ軸繊維挿入要素の該前端部を、該少なくとも１層の材料の該頂部表面または底部表面のうちの他方に近く接近させて提供する、工程；
    前端部を有するｚ軸補強繊維束を提供し、そして該ｚ軸補強繊維束の該前端部を、該ｚ軸繊維挿入要素の後端部に、該ｚ軸繊維挿入要素の該前端部まで実質的に移動するまで挿入する工程；
    該通路配置デバイスが、該少なくとも１層の材料の内部を通して所定の距離だけ提供されるように、該少なくとも１層の材料を動かす工程；
    該ｚ軸繊維挿入要素の該前端部と、該通路配置デバイスの該先端部とが連絡するまで、該ｚ軸繊維挿入要素と該通路配置デバイスとのうちの少なくとも一方を、ｚ軸方向に動かす工程；
    該ｚ軸補強繊維束および該ｚ軸繊維挿入要素が、該少なくとも１層の材料の全厚さを通して配置されるように、該少なくとも１層の材料を動かす工程；
    該ｚ軸繊維挿入要素と該少なくとも１層の材料とを分離し、これによって、該ｚ軸補強繊維束を、該少なくとも１層の材料の内部に残す工程；
    該少なくとも１層の材料の内部にある該ｚ軸補強繊維を、該ｚ軸補強繊維束から切断する工程、
    を包含する、方法。

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