JP2011516743A - パイ−プリフォームのための改良繊維構造 - Google Patents

Abstract

【課題】平らに織ったものを折って所定の形にする、強化コンポジット材料のための織りプリフォームの提供。
【解決手段】
プリフォーム（１００）は、三次元の織り構造物であり、フィル繊維（１１４）が縦糸（１１６）の層を層同士インターロックし、それと同時に各層内の繊維あるいは糸をインターロックする。ベース（１２０）から少なくとも２つの脚（１２５，１３５）が伸び、ベース（１２０）および脚（１２５，１３５）のそれぞれが少なくとも２つの縦糸の層をもつ。脚（１２５，１３５）は、支柱の交差部を対称性あるいは非対称性をもって連結することができる。その場合、縦糸による偶数あるいは奇数の数の支柱を脚間に位置させる。縦糸の層を階段状に終わらせることにより、ベースおよび／または脚の外側の端にテーパをもたせることが好ましい。
【選択図】図６

Description

この発明は、一般的には、織りプリフォームに関し、特には、強化コンポジット材料に用いる織りプリフォームに関し、プリフォーム中に好ましくないループを生じることなく、平坦に織り、最終形状に折ることができるようにする技術に関する。

引用による組み入れ

ここで引用するすべての特許、特許出願、文書、文献、製造者の使用説明書、解説、製品仕様書、およびここで述べる製品についての製品説明書を引用によってここに組み入れ、しかもまた、この発明を実施する上で使用する。

構造的な構成要素あるいは部品を製造するために、強化コンポジット材料を用いることは、今や一般的である。特に、重さが軽いこと、強固、丈夫、耐熱性、自らを支える能力、および形作る上で適合するという、好ましい特性が求められるところでは広く普及している。そのような構成要素あるいは部品は、たとえば、航空、航空宇宙産業、人工衛星、レクレーション分野（レース艇やレーシングカーなど）、およびその他の分野で用いられる。

そのような構成要素あるいは部品は、典型的に、マトリックス材料の中に埋め込んだ強化素材から構成される。強化の構成部分は、ガラス、炭素、セラミックス、アラミド、ポリエチレン、および／または、物理的、熱的、化学的および／またはその他の好ましい特性、第１には応力に対する大きな耐久性を示すその他の材料から構成される。そのような強化材料、それらは結局は完成品の構成要素になるのであるが、それらを使用するとき、たとえば非常に大きな強度のようなそれら強化素材の望ましい特性が、完成したコンポジット部品に授けられることになる。構成要素である強化材料は、典型的には、織られたり編まれたり、あるいはその他のやり方で強化プリフォームのための好ましい形状および形に形成される。通常、選択理由である強化材料の特性が最大限に活用されるように注意が図られる。また、そのような強化プリフォームについては、マトリックス材料と組み合わせることにより必要な完成品を得たり、あるいは、完成品の最終生産のために役立つ在庫品を得る。

必要な強化プリフォームを構成した後、マトリックス材料をプリフォームへと導く。それにより、強化プリフォームは、マトリックス材料で包まれ、マトリックス材料は強化プリフォームの構成要素の間のすき間部分を埋める。マトリックス材料としては、たとえば、エポキシ、ポリエステル、ビニル−エステル、セラミックス、炭素および／またはその他の材料で、必要とする物理的、熱的、化学的および／または他の特性を示すものなど、いろいろな材料を広く適用することができる。マトリックスとして用いる材料としては、強化プリフォームの材料と同じものでも良いし、異なるものでも良く、また、物理的、化学的、熱的あるいは他の特性が類似したものでも良いし、類似しないものでも良い。しかし、通常、それらは強化プリフォームと同じ材料ではなく、また、物理的、化学的、熱的あるいは他の特性が類似しない。なぜなら、第１にコンポジットを用いる通常の目的は、ただ一つの構成材料だけでは得ることができない組合せ特性を完成品で得ることにあるからである。強化プリフォームおよびマトリックス材料は、そのように組み合わされた後、熱硬化処理あるいは他の公知の方法で同じ作業工程において硬化および安定化され、さらに、目的とする構成部品を製造するための他の作業工程に入る。ここで、そのように硬化した時点において、マトリックス材料の固体化したものが、通常、強化材料（たとえば、強化プリフォーム）に非常に強く付着していることに気付くことが大事である。結局、完成品上の応力が、繊維間の接着剤として機能するそのマトリックス材料を特に通して、補強された強化プリフォームの構成材料に有効に移され保持される。

構成要素あるいは部品にしばしば求められることは、たとえば平板、薄板、長方形あるいは正方形の立体などの幾何学的に単純な形状以外の形状のものを製造することである。これに応えるための一つの方法は、そのような基本的な幾何学形状を組み合わせることにより、求められる複雑な形態にすることである。そのような典型的な組合せの一つは、上で述べたようにして作った強化プリフォームを互いに角度をもって（典型的には、直角）接合することにより作ったものである。そのような角度をもって強化プリフォームを接合し配列する普通の目的は、１または２以上の端壁やたとえば「Ｔ」交差を含む強化プリフォームを形作る狙いとする形を作り出すこと、あるいは、強化プリフォームの組合せで得たものおよびコンポジット構造について、圧力や張力などの外力を受けた場合でもたわみや破損に耐えられるように強化することである。とにかく、関連する動機は、構成する構成要素間の各連結をできるだけ強固にすることである。強化プリフォームの構成要素それ自体に求められる非常に大きな強度が与えれれるとき、構造上の「チェーン」における「弱いリンク」となるのが、実際上、連結における弱さである。

交差する構成の一例について、ＵＳＰ第６，１０３，３３７号が示している。その文献に示す内容は、参照によってこのこの中に含ませる。その文献においては、２つの強化板（補強プレート）をＴ型に結合する有効な方法を示している。

今まで、そのような結合を作るための他のいろいろな方法が提案されている。パネル構成要素と、角度をもって置く強化のための構成要素とを互いに別々に作り硬化することが提案されている。後者の構成要素は、単一のパネル接触面をもつか、あるいは、一端が二股に分かれて分岐した同一平面上の２つのパネル接触面をもっている。そして、２つの構成要素は、熱硬化接着剤あるいは他の接着材料を用いて、強化のための構成要素のパネル接触面を他の構成要素の接触面に接着によって結合する。しかし、硬化したパネルに対しあるいは複合構造の外皮に対し張力がかかると、結合の有効な強度が接着剤のそれではなく、マトリックス材料のそれであることから、受け入れることができないような小さな値の負荷が「はがし（ピ−ル）」力となり、それが強化のための構成要素をパネルとの界面でパネルから分離してしまう。

そのような両構成要素の界面に金属ボルトやリベットを用いることはできない。なぜなら、そのような付加をすれば、複合構造自体の完全な形の少なくとも一部を破壊し弱めてしまうし、重さを増すことになるし、そのような構成要素と周囲の材料との熱膨張係数に違いを生じてしまうからである。

この問題を解決する他の方法では、結合領域の全域に高い強度の繊維を加えるという考え方を基礎にしている。すなわち、２つの構成要素の一方を他方に縫い、縫い糸によってそのような強化繊維が結合に加わるようにしている。ＵＳＰ第４，３３１，４９５号がそのような方法の一つを示し、また、ＵＳＰ第４，２５６，７９０号がそれを分割したものである。これらの特許は、繊維層を接着によって結合した第１および第２の複合パネル間の接合について示している。第１のパネルは、一端で二股に分かれ、従来技術のように同一平面上の２つのパネル接触面をもつ。その第１のパネルと第２のパネルとを結合するため、両パネルを通して未硬化のフレキシブルな複合糸を縫い込んでいる。その後、両パネルおよび縫い込んだ糸は、「共に硬化」、つまり同時に硬化される。また、ＵＳＰ第５，４２９，８５３号が、結合強度を改良する他の方法を示している。

今までも強化のための複合物を構造的に一体化しようとする改良がなされ成功しているが、特にＵＳＰ第６，１０３，３３７号のものでは、接着剤あるいは機械的な結合部材を用いる場合とは異なる方法における問題に取り組みそれを改良するという要求がある。この点から、特殊化した専用の機械によって、三次元（「３Ｄ」）の織り構造を作り出す方法が考えられる。しかし、それにはかなりの費用がかかるし、しかも、織機で単純な構造を作り出すという要求が強く求められるところである。この事実にもかかわらず、繊維強化コンポジットの構成要素に加工することができる３Ｄプリフォームは、魅力的である。なぜなら、それらの構成要素は、今までの二次元の積層コンポジットよりも大きな強度を提供するからである。それらのプリフォームは、面外荷重を支えるコンポジットを必要とする用途に特に有用である。しかし、上に述べた今までのプリフォームでは、大きな面外荷重に耐える上、自動織機で織る上で、およびプリフォームに厚さの異なる部分を得る上で能力的な制限がある。プリフォーム織りの織り構造および自動化は、未発達であり、今までの積層、繊維巻きあるいは編組のコンポジットを越えるような利点は小さく、プリフォームについての用途には制限があった。

他の方法として、二次元（「２Ｄ」）の構造に織り、それを所定の３Ｄ形に折り込むことが考えられる。しかし、その方法では、プリフォ−ムを折り込むときに、一般にところどころゆがめてひずみを生じてしまうことになる。ひずみが生じる原因は、織られた繊維の長さがプリフォ−ムを折り込むときの長さと異なるからである。これによって、織られた繊維の長さが短すぎる領域には、くぼみや波状を生じ、また、織られた繊維の長さが長すぎる領域には、曲げを生じる。３Ｄプリフォーム織り構造物の一例、そのものでは、プリフォームを折ったとき領域に波状あるいはループを生じるだろうが、ＵＳＰ第６，８７４，５４３号がその一例を示す。そのすべての内容を参照によってここに組み込む。この’５４３特許が示す織り構造物は、いわゆる「ハーフピック（half-picks）」を用いるため、織りが難しい。ハーフピックは、プリフォーム幅の半分よりも短く走る横（フィル）繊維あるいは糸である。このピックをシャットルで挿入するとき、プリフォームの半分よりも長い長さの繊維が、ボビンを引っ張り続ける。この余分な繊維は、このピックではプリフォームに織られず、次のピック（それもハーフピックである）を挿入するとき、余分な繊維が多すぎることになり、パイ（Π）の２つの脚の間にループが作られる。図２が模式的にその作用を示す。

プリフォーム１０は、ベース２０、２つの端５，１５およびベース２０から広がる２つの脚２５，３５を備え、脚２５，３５のそれぞれが内側表面２２と外側表面１０２とをもつ。この構造物の各フィル繊維１４は、ベース２０の第１の端５から始まり、それからベース２０の第２の端１５に伸び、その後、ベース２０の中央部分に向かって戻るように伸び、それからベース２０の層から出て、一方の脚２５の層内に伸びた後、他方の脚３５の層内に伸びる。図から分かるように、シャットルがプリフォーム１０を横切るとき、ボビンから繊維１４を余分に引っ張り、ハーフピックを用いるプリフォーム２０のこのサイドに横糸は縫うように進むことがない。したがって、シャットルがプリフォーム１０を横切って戻るとき、ループ３０が残る。脚２５，３５の層から出たフィル繊維１４は、ベース２０の第１の端５に戻るために、ベースの層内に戻るように伸びる。図３は、このようなハーフピックの使用について詳しく示す。その図により、ピックのシーケンスを完了するためには、シャットルが５回（すなわち、４回のハーフピックと１回のフルピック）動くことが分かるであろう。このタイプのシャットルの動きは、織機の生産性を低下させるだけでなく、上に述べたように、織られた繊維の長さが長すぎる領域にループや波状を引き起こす。これらの歪みは、有害な表面異常を生じ、構成要素の強度およびこわさを減じる。

したがって、構造物にループや波状を引き起こすことがない技術であって、３Ｄプリフォーム製造のための、および／または強化コンポジット構造物のための、既存のものに代わる方法および／または改良方法を提供する３Ｄプリフォーム技術が求められる。

そこで、この発明の第１の目的は、改良された特性をもち、構造物にループや波状を引き起こすことがない３Ｄプリフォームを提供することにある。

また、この発明は、既存のものに代これらおよび他の目的および利点を得るため、この発明では、樹脂を注入するに先立ち、平坦に織った後で所定の形に折るようにした３Ｄ織りプリフォ−ムを提供することにより、繊維に好ましくないひずみを生じることがないようにする。これを達成するため、織りをする間に繊維の長さを調節することにより、あるものはある領域で短めにし、他のものについては長めにする。そのような繊維は、その後プリフォ−ムをなめらかな折り目をもつ形に折り込むことによって、一様になる。この技術は、Ｔ型の織りプリフォ−ムに特に適っているが、いろいろな形のものに利用することができる。また、織りプリフォ−ムに言及しているが、当業者にとってみれば、それが不織のもの、たとえば編んであるいは綴じて結合するものにも適用することができることが分かるであろう。
わる、および／または、現存のプリフォームを改良する、および／または、今までの強化コンポジット構造物に適用可能な３Ｄプリフォームを提供することを他の目的とする。

この発明のもう一つの目的は、改良された特性をもつ３Ｄプリフォームを製造する新規な方法を提供することであり、ループの形成をなくし、シャットルの５回の動きを３回にすることにより織り時間を減らし、それによって、少ない時間でより良いプリフォームを提供することである。

この発明のさらに他の目的は、そのような３Ｄプリフォームに対し、プリフォームを構成する繊維に歪みを生じることなく、所定の形に折ることができるようにすることである。

さらに、この発明の他の目的は、特に、パイ（Π）形状の強化コンポジットを形作る上で有用な３Ｄプリフォームを提供することである。

これらおよび他の目的および利点を得るため、この発明では、樹脂を注入するに先立ち、平坦に織った後で所定の形に折るようにした３Ｄ織りプリフォ−ムを提供することにより、繊維に好ましくないひずみを生じることがないようにする。これを達成するため、織りをする間に繊維の長さを調節し、プリフォ−ムをなめらかな折り目をもつ形に折り込むとき、繊維の長さが一様になるようにする。この技術は、パイ（Π）形状の織りプリフォ−ムに特に適っているが、いろいろな形のものに利用することができる。また、織りプリフォ−ムに言及しているが、当業者にとってみれば、それが不織のもの、たとえば編んであるいは綴じて結合するものにも適用することができることが分かるであろう。

よって、この発明の第１の実施例は、三次元の織り構造をもつ機械的あるいは構造上のジョイント用プリフォームであり、フィル繊維の織りによって、各層内の繊維を組み合わせる（インターロックする）だけでなく、縦糸繊維の層について層と層とを組み合わせるようにしている。その織りプリフォームは、規制された繊維によって面外荷重を伝達し、層間の張力（応力）を最小にする。そのプリフォームは、ベースと、そのベースから広がる少なくとも２つの脚とを備え、ベースおよび脚は、それぞれ縦糸繊維による少なくとも２つの層を含む。

フィル繊維の織りシーケンスといえば、次のとおりである。フィル繊維は、ベースの一部分を通った後で脚に入り、最後にベースの向かい側の部分を通る。複数の脚は、脚間に位置する縦糸繊維の奇数番号のコラムによって、対称的に分布したコラムの交差部分で結びつけることができる。しかし、プリフォームは、脚長さを等しくするか等しくない形態で、非対称的な構造にすることができる。プリフォームは、また、脚間の縦糸繊維による偶数番号のコラムをもつことができるし、脚をベースに対して垂直にすることもできるし、非垂直あるいは斜めにすることもできる。ベースおよび／または脚の外側の端については、縦糸繊維の層が段のあるパターンで終わるテーパをもたせることが好ましい。

この発明の第２の実施例は、強化コンポジット材料に用いるプリフォームの形成方法である。プリフォームは、三次元の織り構造をもち、フィル繊維の織りによって、各層内の繊維を組み合わせる（インターロックする）だけでなく、縦糸繊維の層について層と層とを組み合わせるようにしている。その織りプリフォームは、規制された繊維によって面外荷重を伝達し、層間の張力（応力）を最小にする。そのプリフォームは、ベースと、そのベースから広がる少なくとも２つの脚とを備え、ベースおよび脚は、それぞれ縦糸繊維による少なくとも２つの層を含む。フィル繊維の織りシーケンスは、次のとおりである。フィル繊維は、ベースの一部分を通った後で脚に入り、最後にベースの向かい側の部分を通る。複数の脚は、脚間に位置する縦糸繊維の偶数あるいは奇数の番号のコラムによって、対称的あるいは非対称的に分布したコラムの交差部分で結びつけることができる。脚をベースに対して垂直にすることもできるし、非垂直あるいは斜めにすることもできる。

この発明、ならびに、それを使用することによって得る作用効果および特定の目的について良く理解するため、詳細な説明を参照されたい。そこには、この発明の好ましい実施形態（これに限定されない）が図面に示されている。

この中で用いる用語「備えている（comprising）」および「備える（comprises）」は、「含んでいる（including）」および「含む（includes）」という意味になるし、あるいは米国特許法におけるそれらの意味にもなる。また、「本質的に有している（consisting essentially of）」および「本質的に有する（consists essentially of）」の用語は、クレームで用いるときには、米国特許法におけるそれらの意味である。この発明の他の考え方（形態）については、以下の説明に記載されているか、その記載から自明である。

この発明の一実施例のパイ（Π）形状のプリフォームの断面図であり、プリフォームは、直立状態の脚と両側のフランジを備える。 今までのパイ（Π）形状のプリフォームの模式的な側面図であり、ハーフピックに起因するループの発生を示す。 今までのパイ（Π）形状のプリフォームの模式的な側面図であり、ハーフピックおよび繊維構造を示す。 この発明の一実施例のパイ（Π）形状のプリフォームの模式的な側面図であり、フルピックおよび繊維構造を示す。 この発明によるプリフォームを示す写真である。 今までのプリフォームを示すの写真である。 この発明の一実施例のパイ（Π）形状のプリフォームの模式的な側面図であり、繊維構造を示す。

詳細な説明

図１、４、５ａおよび６は、三次元のプリフォーム１００の好ましい実施例を示す。プリフォーム１００は、面に垂直に伸びる多数の縦糸１１６によるパターンの中に１または２以上のフィル繊維を織ることによって形作る。図４および６には、パイ（Π）形状のプリフォーム１００を形作るための完全なパターンを示し、そこには、フィル繊維１１４を紙面に沿う方向に示し、また、縦糸１１６を紙面に垂直な方向に示す。模式的な図には繊維あるいは糸１１４，１１６を間隔を置いて示すが、完全なプリフォーム１００を実際に織るときには、繊維あるいは糸１１４，１１６は、ぎっしり詰まっている。

さて、図４を参照すると、プリフォーム１００の縦糸１１６のすべてが、一般的に互いに平行であり、各糸１１６は長さ方向に沿って少しうねっており、縦の（垂直な）支柱の中に配列されている。プリフォーム１００は、代表的なコンポジット構造物に用いる材料、たとえば、ガラス繊維や炭素繊維から織るのが好ましい。織ることにより、ベース１２０、およびベース１２０から伸びる少なくと２つの脚１２５，１３５をもつようにし、パイ（Π）形状の外形にする。脚１２５，１３５については、ベース１２０に対して垂直にすることもできるし、非垂直で角度をもたせるようにすることもできる。ベース１２０と脚１２５，１３５とは、それぞれ少なくとも２層の縦糸１１６を含み、図には任意の端が先細となったものを示す。脚１２５，１３５は、使用時には直立させ、たとえば図１に示すようなクレビスを形作るが、織りを容易にするため、脚１２５，１３５をベース１２０上に横にするようにプリフォーム１００を織る。図には、ベース１２０が８層の縦糸１１６を含み、脚１２５，１３５が４層の縦糸１１６を含む例を示す。

選択可能なことであるが、図に示すように、ベース１２０の縦糸１１６を、脚１２５，１３５の縦糸１１６よりも断面積が小さなものにすることができる。脚１２５，１３５ではなく、ベース１２０の縦糸１１６についてのみ細い縦糸１１６を用いることにより、縦糸１１６でたくさんのインターロックを行い、プリフォーム１００のベース１２０強度を高めたとしても、織機で織るのに必要な時間増を最小限にすることができる。

図４を再び参照すると、プリフォーム１００は、ベース１２０の一端１０５、それは図のベース１２０の左側であるが、その一端から始まる織りパターンを備える。織りシーケンスの代表的な部分において、フィル繊維１１４は、右に向かって通るとき、一つの層の縦糸１１６の上と下とを交互に通り、その層の糸１１６をインターロックする。また、織りシーケンスの代表的な部分において、フィル繊維１１４は、左に向かって通るとき、２つの隣接する層の縦糸１１６の上と下とを交互に通り、隣接した層を互いにインターロックする。図に示し、しかも、次に説明するように、脚１２５，１３５の内部、プリフォーム１００の端および外側面を含む各部分の織りシーケンスは、それら一般的な説明とは異なる。

図４に示すように、一般的な織りシーケンスの始点はフィル繊維１１４の位置Ａであり、そこからベース１２０の中央に向かって伸び、それから位置Ｂ１で脚の一つ１３５の外側１１２に入っていく。フィル繊維１１４は、その後、脚１３５の右のはるか右の位置Ｃに伸びる。位置Ｃから、フィル繊維１１４は、同じラインに沿って織り戻り、ベース１２０の中央に向かい、その位置からフィル繊維１１４はベース１２０の中を下方に伸び、脚１２５のほとんど左端の位置Ｄに向かって他方の脚１２５の外側１１２の中に戻る。フィル繊維１１４は、その後、
同じラインに沿って織り戻り、ベース１２０の中央に向かい、位置Ｂ２でベース１２０の中に戻るように伸び、脚１２５，１３５の間に位置する、縦糸１１６による中央支柱を通過する。そして、フィル繊維１１４は、位置Ｅでベース１２０に戻り、ベース１２０の他方の端１１５の位置Ｆに到達する。これが、フィル繊維１１４の完全な織りシーケンスを構成し、図４に示すように、そのシーケンスは、基本的に、４つのハーフピックを一緒に結合し、しかもまた、３つのフルピックを形作る。段のあるパターンで縦糸１１６の層を終えると、たとえば、ベース１２０の左側端のテーパ１２４および脚１２５上のテーパ１２６のように、ベース１２０および脚１２５，１３５上に先細の端を形作る。

一つのユニットセル、あるいは垂直部分を完結するため、縦糸１１６の隣接する層に対して、プリフォーム１００を横切ってフィル繊維１１４を通すことを繰り返し、すべての層をインターロックする。フィルパターンを繰り返し行い、隣接する垂直部分を形作り、連続した長さをもつプリフォームを作り出す。

図６は、特に、パイ（Π）形状のプリフォーム１００における脚１２５，１３５およびベース１２０を形作るために用いる織りパターンを示す。ベース１２０には、縦糸１１６の８つの層を伴い、また、脚１２５，１３５には、縦糸１１６の４つの層を伴う。勿論、このパターンについては、ベース１２０および脚１２５，１３５における縦糸の層をより多くあるいはより少なくすることができる。言い換えると、ベース１２０は、脚１２５，１３５のそれぞれよりも多くの層をもつようにすることができるし、その逆にすることもできる。この織りパターンによって、一層の中の縦糸１１６をインターロック、および、縦糸の層間のインターロックを行う。隣接する層は、第１の支柱の第１の層では、フィル繊維１１４の一部が縦糸１１６上を走ることにより、また、隣接する第２の支柱の第２の層では、縦糸の下を走ることにより、インターロックされる。ここで、第２の層は第１の層の下に位置する。パターンを織るとき、脚１２５，１３５は、図に示すように、横になった水平位置で織る。取付けの際には、脚１２５，１３５のそれぞれを垂直な立ち位置に動かす。直立した各脚１２５，１３５の幅は、４つの層を含む。

プリフォーム１００は、今までの織りプリフォームを改良し、ベース１２０を伴う脚１２５，１３５の交差について高い対称的な分布を生み出す。ベース１２０は、縦糸による３つの中央支柱、および縦糸による２つの分離支柱を備える。分離支柱は、中央支柱の両方の側面に隣接する支柱である。奇数の数の中央支柱を用いることによって、中央支柱を二分する対称面の両側面にほぼミラーイメージ（鏡像）を形作るように織り、ベース１２０内部の荷重分布の対称性を高めることができる。中央支柱が３つのものを示しているが、プリフォーム１００の好ましい実施例において、中央支柱が他の奇数の数をもつようにすることができる。中央支柱の数は、脚１２５，１３５を直立させたときに形作られるクレビスの名目上の幅で決まる。脚１２５，１３５は、ベース１２０に対して垂直にすることができるし、非垂直の角度をもたせるようにすることもできる。

脚１２５，１３５からの荷重、たとえば、直立した脚１２５，１３５の間に結合した部材（図示しない）からの荷重をベース１２０に対称的に伝えるために、脚１２５，１３５を連結するフィル繊維１１４の部分は、等しいか実質的に等しい数の繊維部分のグループに分割する。各グループは、分離支柱の一つと中央支柱との間、あるいは、分離支柱の一つとその分離支柱に隣接する残りの右か左の側面の支柱との間で交差する。たとえば、図６に示すように、グループ２９は、脚１２５の層２および４とベース１２０との間に伸び、ベース１２０との交差は支柱ｃとｄとの間である。同様に、グループ３１とベース１２０との交差は支柱ｄとeとの間、グループ３３とベース１２０との交差は支柱ｇとｈとの間、そして、グループ３７とベース１２０との交差は支柱ｈとiとの間である。図には対称的な幾何学的配列を示すが、この発明の方法は、対称でない形態で製造することにも利用することができることに留意されたい。

プリフォーム１００のほぼ中央部の好ましい配置を示すが、中央支柱２７は、プリフォーム１００の中央から横あるいは側部に位置する縦糸１１６で構成することができる。たとえば、支柱ｂ、ｃおよびｄを中央支柱とし、支柱aおよびeを分離支柱とすることができる。これによって、脚１２５，１３５は中心から外れてベース１２０の外側の端の方に位置する。それでも、支柱ｂ、ｃおよびｄについてのベース１２０の織りには対称性があるし、脚１２５，１３５からベース１２０への荷重の分布にも対称性がある。たとえば、ベース１２０の左側端のテーパ１２４および脚１２５上のテーパ１２６のようなテーパは、縦糸による連続的な層の長さを前のものよりも短く終えることによって、プリフォームの外側の端に形作る。たとえば、図６において、層６が支柱ｔで終わっているのに対し、層５は支柱ｓで終わり、層５は層６よりも縦糸１１６一つ分だけ短い。同様に、層６は層７よりも短く、このパターンが隣接する下の層ごとに繰り返し生じる。ベースあるいは直立した脚のいずれか一方にテーパをもつプリフォームは、縦糸の層がすべて同じ長さで終えるプリフォームに比べて、剥離荷重に対して耐性が高い。それに加えて、縦糸に対して細い径の繊維を用いることによって、プリフォームからそれに結合するコンポジット積層への移り変わりをよりスムーズに、かつ、よりゆるやかにすることができる。図６の織りパターンは、ベース１２０の縦糸１１６が８層である。

図１には、織りを完成したパイ（Π）形状のプリフォーム１００を示し、それは、直立した脚１２５，１３５を含み、それらの脚１２５，１３５間にクレビスを形作っている。しかし、脚１２５，１３５は、ベース１２０に対して垂直にすることもできるし、非垂直で角度をもたせるようにすることもできる。プリフォーム１００を織るとき、プリフォーム１００の長さ方向に沿う隣接する垂直部分を形作る完全な織りシーケンスを繰り返し行う。その織りを進行させることによって、連続した長さをもつプリフォーム１００を生み出し、その後、取付けに必要な長さに切断する。図５（ａ）および図５（ｂ）は、この発明によって形成したプリフォームの一例と、直立した脚の間にループを伴う先行プリフォームとを比較して示す。

一般に、プリフォームを織るときには、縦糸およびフィル繊維に対して一つのタイプの繊維、たとえば、炭素（グラファイト）繊維を用いる。しかし、プリフォームは、また、たとえば炭素とガラス繊維のような多様な材料で形作るハイブリッド織りパターンにすることができる。そのような織りパターンにすれば、大きな強度、コスト低減、そして、最適化した熱膨張特性を得ることができる。織りパターンは、すべての縦糸をあるタイプで、しかも、すべてのフィル繊維を別のタイプで構成することができるし、あるいはまた、たとえば、層の全体にわたって「チエッカー盤（市松模様）」のように、縦糸および／またはフィル繊維に対し、二種のものを交互に配列することができる。

この発明による効果には、大きな強度の織りを得ることができること、および構成部分を構造物に組み付けることが容易なプリフォームであることを含む。改良された織りにより、各層の縦糸をインターロックし、しかも、各層を互いにインターロックし、と同時に、プリフォームの荷重を高い対称性をもって分布させる。プリフォームの脚間のベース中の縦糸支柱が奇数であることによって、織りパターンが中央面に対称なミラーイメージ（鏡像）を形作る。しかし、このことは、この発明を実施する上で必ずしも必要ではない。プリフォームについて、脚の長さが等しい形態あるいは等しくない形態、または、脚間のベース中の縦糸支柱が偶数である形態で、対称でない構成をもたせることもできる。

この発明は、また、新しくしかもユニークなシャトルの動きを取り入れてプリフォームを製造する。それにより、織り機の生産性が増進するだけでなく、プリフォームを折る領域にループや波状ができるのを避けることができ、それがまたプリフォームの強度および剛性を高める。

したがって、この発明は、既存のものに代わるべき３Ｄプリフォーム技術、および／あるいは３Ｄプリフォームの改良方法、ならびに／または構造物の中にループや波状を形成することのない強化コンポジット構造物を提供する。

以上のように、この発明によれば、その目的および利点を実現することができる。この発明の好ましい実施例について詳しく述べたが、この発明は、それらに限定されるわけではない。この発明の考え方の範囲は、特許請求の範囲の記載によって定まる。

１００ プリフォーム
１０５ 一端
１１２ 外側
１１４ フィル繊維
１１５ 他方の端
１１６ 縦糸
１２０ ベース
１２４ ベースのテーパ
１２５，１３５ 脚
１２６ 脚のテーパ

Claims (23)

1. 織りプリフォームを形成する方法であり、次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）および（ｄ）の工程および技術的事項を備える、織りフォームの形成方法。
   （ａ）各層が複数の縦糸を含み、それらの縦糸が互いに大体平行で、かつ、大体直立した支柱を形作る、隣接する複数の層を支給する工程。
   （ｂ）前記の縦糸による層に複数のフィル繊維を織り、ベースおよびそのベースから伸びる２つの脚を形作る工程であり、前記ベースおよび各脚が縦糸の少なくとも２つの層から形作られ、前記ベースは第１の端と第２の端とをもち、各脚は内側の端と外側の端とをもつ。
   （ｃ）各フィル繊維を織るとき、フィル繊維の始点はベースの第１の端であり、そこからベースの中央部分に向かって伸び、それからベースの層から出て一方の脚の層の中に伸び、その後、ベースの中央部分に戻り、そして、他方の脚の層の中に伸びてから、脚の層から出てベースの中央部分の層に戻ってベースの第２の端に伸びるようにする。
   （ｄ）フィル繊維は、各脚の内側の端で各脚に入って各脚の外側の端に伸び、その後、各脚の内側の端に戻り、それらフィル繊維は、ベースの層をインターロックし、しかも、各脚の層をインターロックし、さらにまた、それらフィル繊維は、各層内の縦糸をインターロックする。
2. 前記縦糸による支柱は、一方の脚をベースに連結するフィル繊維と他方の脚をベースに連結するフィル繊維との間に位置する、縦糸による中央支柱を含み、その中央支柱は、奇数の数の支柱を備え、織りの中央面に対称なほぼミラーイメージを形作る、請求項１の方法。
3. 前記縦糸による支柱は、一方の脚をベースに連結するフィル繊維と他方の脚をベースに連結するフィル繊維との間に位置する、縦糸による中央支柱を含み、その中央支柱は、偶数の数の支柱を備え、織りの中央面に非対称な織りパターンを形作る、請求項１の方法。
4. 縦糸による支柱は、前記中央支柱の両方の側面に隣接する、縦糸による分離支柱を含み、各分離支柱はフィル繊維の部分を２つのグループに分け、一つのグループは支柱の中央の組と隣接する分離支柱との間からベースと脚との間に伸び、他のグループは分離支柱とその分離支柱の横方向外側の支柱との間から伸びる、請求項２あるいは３の方法。
5. 前記ベースは、各脚よりも多くの層をもつか、あるいはその逆である、請求項１の方法。
6. 前記ベースの端および／または脚がテーパになっている、請求項１の方法。
7. 前記脚は、前記ベースに対して垂直であるか、非垂直の角度をもつ、請求項１の方法。
8. 三次元のプリフォームの織り構造で、次の各構成および条件を備えるプリフォーム構造。
   ・各層が複数の縦糸を含み、それらの縦糸が互いに大体平行で、かつ、大体直立した支柱を形作る、隣接する複数の層。
   ・前記の縦糸による層に織った複数のフィル繊維であり、ベースおよびそのベースから伸びる２つの脚を形作り、前記ベースおよび各脚が縦糸の少なくとも２つの層から形作られ、前記ベースは第１の端と第２の端とをもち、各脚は内側の端と外側の端とをもつフィル繊維。
   ・各フィル繊維の織りを見るとき、各フィル繊維の始点はベースの第１の端であり、そこからベースの中央部分に向かって伸び、それからベースの層から出て一方の脚の層の中に伸び、その後、ベースの中央部分に戻り、そして、他方の脚の層の中に伸びてから、脚の層から出てベースの中央部分の層に戻ってベースの第２の端に伸びている。
   ・フィル繊維は、各脚の内側の端で各脚に入って各脚の外側の端に伸び、その後、各脚の内側の端に戻り、それらフィル繊維は、ベースの層をインターロックし、しかも、各脚の層をインターロックし、さらにまた、それらフィル繊維は、各層内の縦糸をインターロックする。
9. 前記縦糸による支柱は、一方の脚をベースに連結するフィル繊維と他方の脚をベースに連結するフィル繊維との間に位置する、縦糸による中央支柱を含み、その中央支柱は、奇数の数の支柱を備え、織りの中央面に対称なほぼミラーイメージを形作る、請求項９のプリフォーム構造。
10. 前記縦糸による支柱は、一方の脚をベースに連結するフィル繊維と他方の脚をベースに連結するフィル繊維との間に位置する、縦糸による中央支柱を含み、その中央支柱は、偶数の数の支柱を備え、織りの中央面に非対称な織りパターンを形作る、請求項８のプリフォーム構造。
11. 縦糸による支柱は、前記中央支柱の両方の側面に隣接する、縦糸による分離支柱を含み、各分離支柱はフィル繊維の部分を２つのグループに分け、一つのグループは支柱の中央の組と隣接する分離支柱との間からベースと脚との間に伸び、他のグループは分離支柱とその分離支柱の横方向外側の支柱との間から伸びる、請求項９あるいは１０のプリフォーム構造。
12. 前記ベースは、各脚よりも多くの層をもつか、あるいはその逆である、請求項８のプリフォーム構造。
13. 前記ベースの端および／または脚がテーパになっている、請求項８のプリフォーム構造。
14. 前記脚は、前記ベースに対して垂直であるか、非垂直の角度をもつ、請求項８のプリフォーム構造。
15. 織りプリフォームを形成する方法であり、次の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｃ１）、（ｄ）および（ｅ）の工程および技術的事項を備える、織りフォームの形成方法。
    （ａ）ベースを形作るために、縦糸による少なくとも一対の隣接するベース層を支給する工程であり、それらの縦糸は互いに大体平行で、かつ、支柱に大体配列される。
    （ｂ）一対の脚を形作るために、縦糸による少なくとも２つの層からなる隣接する脚層を支給する工程であり、それらの縦糸は互いに大体平行で、かつ、支柱に大体配列される。
    （ｃ）ベース層および脚層の中に少なくとも一つのフィル繊維を織り、各ベース層の縦糸を互いにインターロックし、しかも、脚層の縦糸を互いにインターロックする工程であり、前記一対の脚は、各脚とベースとの間に伸びるフィル繊維部分で交差してベースに連結され、２つのグループのフィル繊維部分が各脚をベースに連結する。
    （ｃ１）各フィル繊維を織るとき、フィル繊維の始点はベースの第１の端であり、そこからベースの中央部分に向かって伸び、それからベースの層から出て一方の脚の層の中に伸び、その後、ベースの中央部分に戻り、そして、他方の脚の層の中に伸びてから、脚の層から出てベースの中央部分の層に戻ってベースの第２の端に伸びるようにする。
    （ｄ）縦糸による偶数あるいは奇数の数の中央支柱を、ベース中、脚およびベースの交差の間に織る。
    （ｅ）分離支柱を中央支柱に隣接するよう配置する工程であり、各脚に対するフィル繊維部分のグループの一方は、対応する分離支柱の一方の側に隣接してベースに交差し、各脚に対するフィル繊維部分のグループの他方は、対応する分離支柱の反対側でベースに交差する。
16. 前記ベースは、各脚よりも縦糸の層をより多くもつか、あるいはその逆である、請求項１５の方法。
17. 前記脚は、前記ベースに対して垂直であるか、非垂直の角度をもつ、請求項１５の方法。
18. 織りプリフォームであり、構成および条件を備える、織りフォーム。
    ・中央部分および２つの横方向の端をもつベース。
    ・前記ベースの一面から伸びる少なくとも２つの脚。
    ・前記プリフォームは三次元の織りパターンで織られ、前記ベースおよび各脚を、縦糸による少なくとも２つの層で形作り、それらの縦糸は支柱に大体配列し、しかもまた、それらの縦糸の中に少なくとも一つのフィル繊維を織り、前記ベースの縦糸を互いにインターロックし、しかも、前記脚の縦糸を互いにインターロックし、前記少なくとも２つの脚は、各脚とベースとの間に伸びるフィル繊維部分で交差してベースに連結され、２つのグループのフィル繊維部分が各脚をベースに連結する。
    ・縦糸による偶数あるいは奇数の数の中央支柱を、ベース中、脚およびベースの交差の間に位置させる。
    ・分離支柱を中央支柱に隣接するよう配置し、各脚に対するフィル繊維部分のグループの一方は、対応する分離支柱の一方の側に隣接してベースに交差し、各脚に対するフィル繊維部分のグループの他方は、対応する分離支柱の反対側でベースに交差する。
    ・各フィル繊維の始点はベースの第１の端であり、そこからベースの中央部分に向かって伸び、それからベースの層から出て一方の脚の層の中に伸び、その後、ベースの中央部分に戻り、そして、他方の脚の層の中に伸びてから、脚の層から出てベースの中央部分の層に戻ってベースの第２の端に伸びるようにする。
19. 前記ベースは、各脚よりも縦糸の層をより多くもつか、あるいはその逆である、請求項１８の織りプリフォーム。
20. 前記脚は、前記ベースに対して垂直であるか、非垂直の角度をもつ、請求項１８の織りプリフォーム。
21. 前記脚は、長さが等しいか、あるいは等しくない、請求項１あるいは１５の方法。
22. 前記脚は、長さが等しいか、あるいは等しくない、請求項８のプリフォーム構造。
23. 少なくとも２つの脚は、長さが等しいか、あるいは等しくない、請求項１８の織りプリフォーム。

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