JP2009502562A - サンドイッチ構造のための芯材を補強するための製造方法ならびにサンドイッチ構造物 - Google Patents

Abstract

本発明は、補強装置を用いてサンドイッチ構造物を補強することに関する。サンドイッチ構造物の被覆層は、主として繊維プラスチック複合材料（ＦＫＶ）からなり、かつ芯材は、高分子硬質発泡材料からなる。補強は、グリッパにより、片側からサンドイッチ構造物へ、または芯材のみへと導入し（図面を参照：工程１）、このことにより通過孔が高分子硬質発泡材料中に生じる（図面を参照：工程２）。反対側で前記グリッパは、補強構造物（たとえば縫い糸、引き抜き成形された繊維プラスチック複合材料の棒状体）をつかみ（図１を参照：工程２）、補強構造物を後方移動の間にサンドイッチ構造物へと導入する（図１を参照：工程３）。この場合に、補強構造物によって通過孔はさらに拡大され、このことにより芯材の通過孔中で極めて高い繊維体積割合を達成することができる。従って通常の縫製技術と比較して、芯材中の通過孔の直径は、主として補強構造物により影響を与えることができる。この補強法により、サンドイッチ構造物を液体複合材料成形法で熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のマトリックス材料により含浸することができる。含浸された縫い糸は、芯材中で高剛性および高強度の一方向ＦＫＶ部材となり、これにより芯材および全サンドイッチ構造物が補強される。

Description

本発明は、サンドイッチ構造物を補強するための、請求項１記載の上位概念によるサンドイッチ構造の厚さ方向に貫通される補強部材の形状ならびに製造方法に関する。

本発明は、サンドイッチ構造物を補強するために適切である。サンドイッチ構造物は有利には、繊維の半製品からなる被覆層（図１の３および５、たとえば織布、不織布、マットなど）、芯材（図１の４、たとえば高分子発泡材料）および高分子マトリックス材料（熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂）を有する繊維プラスチック複合材料からなっていてよい。サンドイッチ構造は、層状に構成された構造物であり、これらは比較的薄い上側の被覆層（図１の３）と、下側の被覆層（図１の５）ならびに低い原料密度を有する比較的厚い芯材の層（図１、４）からなっている。

本発明によれば、サンドイッチ構造物の横方向の特性（たとえばｚ方向での圧縮強度もしくは引っ張り剛性および引っ張り強度、ｘｚ平面およびｙｚ平面での剪断剛性および剪断強度、被覆層と芯との間のはく離抵抗、フェールセーフ特性）および面内の機械的特性（たとえば平面方向での剛性および強度）を、厚さ方向に貫通する補強部材によって明らかに向上することができる。

従来技術
厚さ方向でサンドイッチ構造物を補強するための従来公知の全ての製造方法、たとえば２工程ステッチ、ブラインド・ステッチまたは２本針縫製技術ならびにタフティング法は、補強部材（たとえば縫い糸、ロービング）を針と一緒にサンドイッチ構造物に導入する点が共通している。従来のテキスタイル状の縫製品の場合、縫い糸を含む針が導入されること、および引き続き針を引き抜いて縫い糸を縫い穴に残すことは、テキスタイルの回復作用に基づいて問題ではなかった。しかし芯材として高分子硬質発泡材料を有するサンドイッチ構造物の場合、縫い糸を含む針が導入されることにより、気泡状の構造が破壊され、かつ塑性および弾性変形に基づいて高分子発泡材料は縫い針の直径の大きさに変形する。

縫い針を引き抜き、縫い糸を縫い穴の中に残した後で、気泡壁の弾性変形割合に基づいた通過孔の低減が生じ、このことにより芯の穴の直径は、再び縫い針の直径よりも小さくなる（図２を参照）。芯中に生じる通過孔の直径と、使用される縫い針の直径との間に、ほぼ線形の依存性が生じるが（図２）、つまり縫い針の直径が大きいほど、芯中に生じる通過孔も大きくなる。さらに縫い糸は芯の穴の直径をさらに拡大させる。この付加的な拡大は、ほぼ縫い糸の断面積に相応する（図２）。この場合にもまた、使用される縫い糸の断面積が大きいほど、付加的な拡大は大きくなることが該当する。

サンドイッチ構造物を液状のマトリックス材料により含浸し、引き続き硬化させた後に、芯の穴の直径ならびに芯の穴の中の縫い糸の繊維体積含有率を顕微鏡による検査により測定することができる。この場合、２工程ステッチ縫製技術を用い、かつ直径１．２ｍｍを有する縫い針および線質量６２ｇ／ｋｍを有するアラミド繊維を使用して縫製したサンドイッチ構造物の試験的な検査によれば、芯材中に生じる樹脂円柱体の直径（約１．７ｍｍ）は、１回のステッチで、含浸されていないサンドイッチ構造物の確認された芯の穴の直径（約１．１ｍｍ、図２および３を比較）よりも大きいことが判明した。この理由は、縫い針のステッチにより、隣接する気泡壁が、縫い針の直径の範囲で破壊されるからである。引き続き、平均直径約０．７ｍｍを有するこの開いた穴の中に、浸透法により樹脂を導入することができる（図４）。

２工程ステッチ縫製技術を使用する場合、常に１回のステッチあたり、２本の縫い糸がサンドイッチ構造物のｚ方向へ導入される（図４および５を参照）。通過孔内で、縫い糸体積含有率ひいては補強作用を高めるために、すでに縫製した箇所を再度、もしくは複数回、縫製することができる。しかしこの場合、すでに芯の穴中に存在する縫い糸は、縫い針の新たなステッチにより損傷されうる。顕微鏡による試験によれば、縫い糸体積含有率は、予測されるようにステッチの数に比例して増大することはできないことを確認することができる（図３、４および５）。このための理由は、芯の穴の直径は、ステッチおよび導入される縫い糸の数の増大と共に、一定に維持されないためであり、というのも、芯の穴の直径は、縫い糸の付加的な導入により、ほぼ糸の断面積の分だけ拡大されるからである（図３、破線による曲線）。しかし同様に、この理論の実際の曲線の推移（図３、実線による曲線）は、ステッチの極めて高い数の場合に初めて現れることがさらに確認される。これに対して、芯の穴の直径は、ステッチの数が少ない場合に、顕著に拡大される。この理由は、縫製装置の位置決めの正確さである。繰り返して縫製されるべき位置は、改めて開始される場合、縫い針はすでに存在する穴の正確に中央にではなく、位置決めの正確さの範囲内で、そのわずかに脇を縫い、このことにより芯の穴は比率以上に拡大される。この芯の穴において約８回のステッチ後に、穴はすでに著しく拡大されるので、縫い糸は気泡壁をそれ以上破壊することなしに、すでに存在する穴の中へ導入されることはない。更なるステッチにおいて、拡大は付加的に導入される縫い糸によって行われるのみである。図４および５には、芯の穴における縫い糸の数の増大による縫い糸体積含有率の可能な向上が示されている。図４の黒い曲線は、一定の芯の穴直径における縫い糸体積含有率の相対的な増大を記載しており、この黒い破線による曲線は上記の正確な位置決めの正確さの理論および付加的な芯の穴直径の拡大によれば、導入された縫い糸によるものであり、かつ点線による曲線は、縫い糸もしくはステッチの数の増大による縫い糸体積含有率の実際の推移を記載している。１回のステッチでは、単に約３．２％の繊維体積含有率が達成されうるのみであるが、これは１０回までのステッチにより約２０％まで上昇することができる（図４および５を参照のこと）。これに対して、個々の縫い糸の束の繊維体積含有率は、約５８％である（図５を参照のこと）。

これらの試験に基づいて、高分子芯材料中で生じる直径は、従来の製造法（たとえば２工程ステッチ縫製技術）を使用する場合、主として使用される縫い糸直径、縫い糸の断面積により、ならびに使用される高分子硬質発泡材料の孔直径により決定される。従来公知の全ての補強法では、縫い針および縫い糸が同時に、サンドイッチ構造物へ差し込まれるので、この場合、常に導入された補強部材の断面積の、芯の穴の直径の大きさに対する不所望な比が生じる。芯の穴の直径中で、被覆層の繊維体積含有率と同様の高い（＞５０％）繊維体積含有率は、通常の補強法では達成することができない。しかし機械的特性は主として、導入された高剛性および高強度の補強部材により影響を受けるので、芯の穴の直径中の補強のできる限り高い繊維体積含有率が達成されていなくてはならない。さらに、芯の穴の直径中の高い樹脂割合は、質量の増大をもたらし、これは特に航空機および宇宙船において認容されない。

課題
本発明は、サンドイッチ構造物の厚さ方向（ｚ方向）に補強部材を導入することにより該サンドイッチ構造物の機械的特性を改善し、その際に、芯の穴の直径中の補強の高い繊維体積含有率が達成されるという可能性が存在するという課題に基づいている。さらに補強部材をサンドイッチ構造物中に導入することにより、質量は極端に否定的な影響を受けるべきではない。この新規の縫製技術は同様に、サンドイッチ構造物の付加的な建造部材（たとえばストリンガー、リブなど）の予備成形のためにも、固定のためにも使用することができる。

解決手段
前記課題は、芯材料中の必要とされる通過孔の導入および補強構造物の導入を、時間的に相互に別々に行い、このことにより芯の穴直径中の補強の繊維体積含有率を、使用される縫い糸の断面積により調整することができることによって解決される。図１は、基礎となる発明および本発明により補強されたサンドイッチ構造物の形状を示している。グリッパ装置（２）は、サンドイッチ構造物の片側から芯材料（４）へと差し込まれ（工程１および２）、かつ場合により上側の繊維被覆層（３）および下側の繊維被覆層（５）を通過して差し込まれ（工程２）、かつグリッパ（１）により反対側で、装置（７）により供給される補強構造物（６）、たとえば縫い糸、引き抜き成形された繊維プラスチック強化された棒状体が引き取られ（工程２）、かつ該補強構造物が後方移動する間に、サンドイッチ構造物中に導入される（工程３）。その後のプロセス工程で、グリッパ装置（２）は、上方に移動し、かつ補強構造物を芯もしくはサンドイッチ構造物中へと引き込む（工程３）。

芯材（４）として、高分子硬質発泡材料（たとえばＰＭＩ、ＰＶＣ、ＰＥＩ、ＰＵ等）を適用することができる。芯材（４）は、厚さ１５０ｍｍまで、幅約１２５０ｍｍおよび長さ２５００ｍｍを有していてよい。上部（３）および下部（５）の繊維被覆層は、同一の構成であっても、異なった構成であってもよく、かつガラス、炭素、アラミドまたはその他の補強材料からなっていてよい。個々の繊維被覆層の層厚さは、同一であるか、または異なっていてよく、かつ０．１ｍｍ〜１．０ｍｍであってよい。高分子マトリックス材料として、熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂を使用することができる。

補強構造物（６）は、繊維補強構造物（たとえば縫い糸、ロービング）からなるか、または棒状の部材（たとえば一方向性繊維プラスチック複合材からなるピン、強化されていないプラスチックまたは金属など）からなっていてよい。補強構造物（６）の典型的な直径は、０．１ｍｍ〜２．０ｍｍであってよい。

その後のプロセス工程では、縫製品または補強ユニットを次のステッチ位置へとさらに搬送し、次いで補強工程をここで繰り返す。さらに供給された補強構造を長さ方向で切断することができるので、１のステッチから次のステッチへの結合は生じない。長さ方向の切断は全ての慣用の技術的手段により、たとえば切断することにより、または焼き切ることにより行うことができる。補強構造物の引き抜きにより、グリッパ装置のステッチによって生じる芯の穴の直径をさらに拡大させ、このことにより高い繊維体積含有率を実現することができる。補強部材は、サンドイッチ構造物中へ、もしくは芯材料のみの中へと引っ張ることによって導入され、このことによって極めて良好な配列が生じ、かつ補強構造の湾曲は生じない。この補強法により、導入された補強部材は同様に、純粋な横荷重で、ｚ軸に対して０°から逸脱する角度、たとえば±４５°を有する。

本発明による、厚さ方向で補強されたサンドイッチ構造物は、輸送分野、たとえば航空機および宇宙船、自動車および鉄道車両ならびに船舶においても、スポーツおよび医療の分野で、ならびに建造物において使用することができる。

この補強法により、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂マトリックス材料を用いる液体−複合材料成形法でサンドイッチ構造物を含浸することができる。

本発明による方法の工程を示す図 縫い針直径と芯の穴の直径との関係を示すグラフの図 ステッチ数と芯の穴の直径との関係を示すグラフの図 縫い糸の数と縫い糸の体積含有率の関係を示すグラフの図 ステッチもしくは縫い糸と芯の穴の中の糸体積含有率との関係を示すグラフの図

符号の説明

１ グリッパ、 ２ グリッパ装置、 ３、５ 被覆層、 ４ 芯材料、 ６ 補強構造物、 ７ 補強構造物を供給する装置

Claims (9)

1. サンドイッチ構造のための補強法において、構造物の片側から芯材（４）中へ、または被覆層が適用されている芯材（３、４）中へグリッパ装置（１、２）を差し込み、前記構造物の反対側で補強構造物（６）をつかみ、かつ後方移動により芯材（４）中へ、または被覆層が適用されている芯材（３、４）中へ導入することを特徴とする、サンドイッチ構造物の補強法。
2. 補強構造物（６）が、繊維状の補強構造物または棒状の部材からなることを特徴とする、請求項１記載のサンドイッチ構造のための補強法。
3. 被覆層（３）が、繊維の半製品からなり、芯材の層（４）が、天然の、または構造化された高分子芯材からなり、かつ被覆層、芯材の層および補強部材が、高分子マトリックス材料中に埋め込まれていることを特徴とする、請求項１または２記載のサンドイッチ構造のための補強法。
4. 補強構造物（６）を芯材（４）中へ、または被覆層が適用されている芯材（３、４）中へ導入した後に、長さ方向で切断しないことを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
5. 補強構造物（６）を芯材（４）中へ、または被覆層が適用されている芯材（３、４）中へ導入した後に、長さ方向で切断することを特徴とする、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の方法により得られるサンドイッチ構造。
7. 宇宙船、航空機、船舶および陸上車両および鉄道車両を製造するための請求項６記載のサンドイッチ構造の使用。
8. スポーツ器具を製造するための請求項６記載のサンドイッチ構造の使用。
9. 屋内建造物、見本市建造物および屋外建造物のための建造部材を製造するための請求項６記載のサンドイッチ構造の使用。

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