JP2012511452A - 複合積層構造体 - Google Patents

Abstract

複合積層構造体は、第１の表皮と、第２の表皮と、前記第１の表皮と前記第２の表皮との間のコアであって、前記コアは隣接するコアセクションと、前記隣接するコアセクションを分離するＺ−Ｙ分割を含む、コアと、前記隣接するコアセクションおよび前記隣接するコアセクションを分離する前記Ｚ−Ｙ分割を貫通して前記第１の表皮から前記第２の表皮まで延びるＺ軸繊維の複数の別個のグループと、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポリマーマトリクス複合体の外表皮および発泡体、エンドグレインバルサ材、またはハニカムのいずれかである内部コアで形成されるサンドイッチ構造として公知である、複合積層構造体の分野の改良に関し、より具体的には、複合積層体を貫通し、かつポリマーマトリクス複合表皮の平面に垂直ないくつかのタイプのＺ軸繊維強化をさらに有する、これらのサンドイッチ構造の分野に関する。

特許文献１は、ポリマーマトリクス複合体の外表皮、内部コア、および複合積層体を貫通し、かつポリマーマトリクス複合表皮の平面に垂直なＺ軸繊維強化を含む複合積層サンドイッチ構造体を開示している。特許文献１に開示されている複合積層サンドイッチ構造体は、多くの用途に対して優れている。

米国特許第７，２１７，４５３号

特許文献１の発明者と一部同じである、本発明者らは、より高い剪断係数、より強度な剛性、より小さな偏向、およびより高い積荷能力を必要とされる用途に理想的である新規の複合積層サンドイッチ構造体を開発した。

従って、本発明の態様は、特許文献１に開示されている複合積層サンドイッチ構造体より高い剪断係数、より強度な剛性、より小さな偏向、およびより高い積荷能力を有する３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体を連続かつ自動的に形成するための方法および装置を含む。３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体は、高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネルを備える。

本発明の別の態様において、複合積層構造体は、第１の表皮と、第２の表皮と、前記第１の表皮と前記第２の表皮との間のコアであって、前記コアは隣接するコアセクションと、前記隣接するコアセクションを分離するＺ−Ｙ分割を含む、コアと、前記隣接するコアセクションおよび前記隣接するコアセクションを分離する前記Ｚ−Ｙ分割を貫通して前記第１の表皮から前記第２の表皮まで延びるＺ軸繊維の複数の別個のグループと、を備える。

本発明の他およびさらなる目的、特徴、態様、および利点は、添付の図面の以下の詳細な説明から十分に理解されるだろう。

図１は、本発明の３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体を連続かつ自動的に形成するための方法および装置の概略図である。 図２は、締め付けられた３−Ｄ Ｚ軸繊維が、飛行中に硬化されている、好ましい実施形態において引抜成形された複合積層パネルの概略垂直断面図であり、側面の詳細を示す。このパネルは、一時的な軍用機滑走路の用途のために、新規な軽量マット表面として使用される。 図３は、図２の線３−３に沿った拡大図である。 図４は、図３の線４−４に沿った拡大図である。 図５は、引抜成形ダイに入る直前の、好ましい実施形態の引抜成形されたサンドイッチパネルの概略垂直断面図であり、ここで、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グループが堆積されており、そしてこれらのグループは、ダイにおいて締め付け、リベット留めされるように準備される。 図６は、図５の線６−６に沿った拡大図である。 図７は、図６の線７−７に沿った拡大図である。 図８は、図２の線８−８に沿った拡大図である。 図９は、高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネルを含む３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の実施形態を連続かつ自動的に形成するための方法および装置の概略図である。 図１０は、高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネルを含む３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の実施形態の垂直断面図である。 図１１は、図１０の３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の台形の発泡体部材の実施形態の垂直断面図である。 図１２は、図１０の３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の半分の台形の発泡体部材の実施形態の垂直断面図である。 図１３は、図１０の３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体のＺ−Ｙ分割の実施形態の垂直断面図である。 図１４は、図１０の３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体のＺ−Ｙ分割の別の実施形態の垂直断面図である。

高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネルを含む３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の実施形態を連続かつ自動的に形成するための方法および装置の実施形態を記載する前に、引抜成形され、締め付けられた３−Ｄ Ｚ軸繊維強化複合積層構造体を形成するための方法および装置を最初に記載する。

図１は、引抜成形され、そして締め付けられた、３−Ｄ Ｚ軸繊維強化複合積層構造体を形成するための、方法および装置を示す。引抜成形の方向は、矢印によって示されるように、図１の左から右である。この装置の主要な構成要素は、以下の説明によって明らかになる。

グリッパー３４および３５が、図１に示される。これらは、代表的に、水力始動式デバイスであり、完全に硬化した複合積層パネル３２が引抜成形ダイ２６から出ると、このパネルをつかみ得る。これらのグリッパーは、手渡し（ｈａｎｄ−ｏｖｅｒ−ｈａｎｄ）の方法で作動する。グリッパー３４がパネル３２を挟む場合、このグリッパーは、プログラムされた速度で引抜成形の方向に移動し、ダイ２６からの硬化したパネル３２を挟む。グリッパー３５は、グリッパー３４がその全行程を完了するまで待ち、次いで引き継ぐ。

これらのグリッパーの上流で、原料は、以下の様式で、ダイに引き込まれる。原料の全ては、図１のはるか左側における種々の製造業者から到達したままの、未使用の材料であることが理解されるべきである。繊維２０は、連続的なストランドマットを有するロービングロールにあるか、またはｘ−ｙ方向に縫われた布もしくは織られたロービングのような繊維であり得るかのいずれかの、ガラス繊維であり得る。ガラスに加えて、炭素またはアラミドあるいは他の強化繊維であり得る。コア材料２２は、サンドイッチプレフォームの最初の形成に供給される。サンドイッチの表皮は、繊維２０の層から、サンドイッチプレフォーム３０の上下両方に形成される。コア２２は、サンドイッチの中心部分である。コアは、１立方フィートあたり２ｌｂ〜１立方フィートあたり１２ｌｂ（３２ｋｇ／ｍ^３〜１９２ｋｇ／ｍ^３）に達するより高密度までの密度の、ウレタンまたはＰＶＣ発泡体、あるいは他の類似の発泡体から作製され得る。あるいは、コア２２は、１立方フィートあたり６ｌｂ〜１立方フィートあたり１６ｌｂ（９６ｋｇ／ｍ^３〜２５６ｋｇ／ｍ^３）までの密度である特性を有する、エンドグレインバルサ材から作製され得る。

原料は、自動的に、ガイダンスシステムのプロセスにおいて指向され、ここで、市販の供給源２１からの樹脂は、樹脂タンク２３内の一次ウェットアウトステーションに指向される。ウェットアウトプレフォーム３０は、樹脂タンクおよび脱バルク（ｄｅｂｕｌｋｅｄ）条件でその脱バルキングステーションから出、その結果、パネルセクション３０の厚さは、最終の複合積層体の最終的な厚さに非常に近い。これらのパネルは、０．２５インチ〜４インチ（０．６３５ｃｍ〜１０．１６ｃｍ）、またはそれより大きい、任意の厚さであり得る。パネルは、４インチ幅〜１４４インチ幅（１０．１６ｃｍ幅〜３６５．７６ｃｍ幅）、またはそれより大きい、任意の幅であり得る。次いで、プレフォーム３０は、Ｚ軸繊維堆積マシン２４に指向され、このマシンは、繊維フィラメントの３−Ｄ Ｚ軸グループの堆積を提供する。Ｚ軸フィルター堆積マシン２４がどのように機能するかについての詳細は、米国特許第６，６４５，３３３号（本明細書全体にわたって参考として組み込まれる）の主題である。このシステムは、コンピュータで制御され、その結果、広範な種々の挿入物が作製され得る。マシン２４は、静止状態で作動し得るか、またはグリッパー３４の速度と同期して移動し得る。繊維フィラメントのグループは、このマシンによってプレフォーム３１に自動的に導入され、次いで、このプレフォームは、Ｚ軸繊維堆積マシン２４から引かれる。プレフォーム３１は、繊維フィラメントの３−Ｄ Ｚ軸グループの堆積のみが、プレフォーム３０と異なり、これらのフィラメントのすべては、製造業者（例えば、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ）から到達したままの、未使用フィラメントである。

図１の改変されたプレフォーム３１は、ここで自動的に、二次ウェットアウトステーション３９に入る。ステーション３９は、代替の方法として、一次ウェットアウト排除ステーション２３であり得る。このステーションは、複合積層構造体（繊維フィラメントの３−Ｄ Ｚ軸グループを含む）の完全な樹脂ウェットアウトの完了を補助する。次いで、プレフォーム３１は、先に言及された引抜成形ダイ２６に入り、そして加熱によって、プレフォーム３１は、複合積層パネルの触媒を引き起こすために十分な温度にされる。最終的な硬化したパネルセクション３２がダイ２６を出、このセクションはここで、グリッパー３４および３５によってつかまれるために十分に、構造的に強い。

次いで、図１のサンドイッチ構造体は、取り扱いおよび輸送の要件によって使用可能な任意の長さにされ得る。グリッパー３４および３５の下流で、プレフォーム３２は、実際に、下流のフライス盤システム３６および３７に「押し込まれる」。ここで、多軸ＣＮＣマシン（コンピュータ数値制御）が、グリッパーの引く速度と同期してガントリー上を移動し、そして飛行中の複合積層構造体／パネルに細部を機械加工し得る。これらは、ボルト孔、縁部のルータ加工、フライス削り、または切り取りであり得る。マシン３６は、コンピュータ３７によって制御される多軸ヘッドである。切り取り後、部分３３は、組み立てまたはパレット化および移送のために、取り出される。

図２は、１つの好ましい実施形態の垂直断面図を示す。これは、１．５インチ（３．８１ｃｍ）の厚さおよび４８インチ（１２１．９２ｃｍ）の幅のパネル４０の断面であり、そして軍用機のための一時的な滑走路／誘導路／または傾斜路として使用される。遠隔の位置で、飛行場は、迅速に架設されなければならず、そして飛行機での輸送および取り扱いのために、軽量でなければならない。図２のパネル４０は、これらの目的を達成する。繊維フィラメントのＺ軸のグループで強化されているので、このパネルは、航空機のタイヤおよび重い機械の重量に耐え得る。パネル４０は軽量（１平方フィートあたり約３ｌｂ（約１４．６４ｋｇ／ｍ^３））であるので、輸送および取り扱いの観点で、軍事の目的を達成する。４０は、図１に示されるプロセスによって、自動的に引抜成形されるので、軍隊が入手可能な価格で製造され得る。また、縁部の接続部４１および４２が、図２に示される。これらは、同一であるが反転している。これらは、滑走路パネル４０（マットとしてもまた公知）が、適所で接続およびロックされることを可能にする。明らかに、この１つの実施形態の他に、これらの複合構造体の他の適用が存在する。

図３は、図２の線３−３に沿った拡大図である。図３は、上表皮５１ａおよび下表皮５１ｂを備える複合積層構造体の断面を示す。コア５２（これは、発泡体として示されている）は、明らかに、他のコア材料（例えば、エンドグレインバルサ材）であり得る。繊維フィラメントのいくつかの３−Ｄ Ｚ軸グループ５３もまた示され、この実施形態において、これらは、０．２５インチ（０．６３５ｃｍ）ずつ離れており、そして直径が約０．０８０インチ（約０．２０３２ｃｍ）である。繊維フィラメントのグループ５３は、締め付けられているか、または表皮５１ａおよび５１ｂの外側にリベット留めされていることが、図３から見られ得る。図４は、図３の線４−４に沿った拡大図である。図４は、コア材料５２ならびに上表皮セクション５１ａおよび下表皮セクション５１ｂを示す。これらの表皮セクションは、この実施形態において、厚さが約０．１２５インチ（０．３１７５ｃｍ）であり、そして１平方ヤードあたり２４ｏｚ（０．８１３６ｋｇ／ｍ^２）の重さでＸ−Ｙ方向に縫われた６層のガラス材料からなる。繊維フィラメントのＺ軸グループ５３は、図４において明らかに見られ得る。これらのフィラメントの締め付けまたはリベット留め（これは、表皮およびコアを一緒に固定する）は、明らかに見られ得る。

図２、３、および４は、図１の方法および装置において製造される場合の、滑走路マット材料を示す。図２の概略断面４０は、引抜成形ダイ２６を離れる場合に、完全に硬化する。引抜成形ダイ２６に入る直前に見られるような、滑走路マット材料のプレフォームについての、これらの同じセクションの類似の図は、図５、６、および７によって示される。図５、６、および７は、図１のプレフォーム３１に対応する。図２、３、および４は、図１のプレフォーム３２および部分３３に対応する。

図５は、プレフォームとしてのマットパネル６１の全体を概略的に示す。パネル６２の端部は、明瞭にするために、図２の細部４２を示さない。線６−６は、図６に示される拡大部分を示す。

図６は、表皮７１ａおよび７２ｂ、コア７２ならびにＺ軸繊維フィラメントの３−Ｄグループ７３を示す。表皮７１ａおよび７１ｂの上下にそれぞれ距離Ｈ１およびＨ２での、繊維フィラメントの出現が見られ得る。線７−７は、図７に示されるさらなる拡大を示す。

図７は、コア７２ならびに上表皮材料７１ａおよびＺ軸繊維フィラメントの単一のグループ７３を有するプレフォームを示す。繊維フィラメントの出現する位置に注目のこと。これらは、引抜成形ダイに入った後に、折れ曲がって複合表皮にリベット留めされるかまたは締め付けられる。表皮７１ａおよび７１ｂは、Ｘ−Ｙ材料から作製され、そして繊維フィラメントのグループは、Ｘ−Ｙに対して垂直方向（すなわち、Ｚ方向）にあるので、繊維フィラメントの３−Ｄグループの領域における複合表皮は、三次元複合物であるといえる。

図８は、図２の線８−８に沿った拡大図であり、そしてコア材料８７、表皮材料８８ａおよび８８ｂ、ならびに新たな内部複合材料８９を概略的に示す。言及されたように、この材料８９は、表皮材料８８ａおよび８８ｂと同じであるが幅が狭い（すなわち、このマットの実施形態においては２〜３インチ（５．０８ｃｍ〜７．６２ｃｍ）の幅）Ｘ−Ｙ繊維材料からなる。Ｚ軸繊維フィラメントの３−Ｄグループ８４は、新たに開発され、そして材料の密度に依存せずに作動される、図１のＺ軸堆積マシン２４によって堆積される。繊維のＺ軸フィラメントの３−Ｄグループはコア材料８７またはより高密度のＸ−Ｙ材料８９のいずれかを通して、容易に堆積され得る。噛み合う接続ジョイント８５は、図８の８５の形状に機械加工され得るか、または引抜成形ダイによって引抜成形および形成され得るかの、いずれかであり得る。図８において、ジョイント８５は、機械加工される。引抜成形された場合、８５におけるＺ軸繊維フィラメントの３−Ｄグループは、リベット留めされたかまたは締め付けられた端部を示す。明らかに、他の噛み合いジョイントまたは重なりが、マットパネルを接続するために使用され得る。

図９は、高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネルを含む３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の実施形態を連続かつ自動的に形成するための方法および装置の実施形態を示す。引抜成形の方向は、矢印によって示されるように、図９の左から右（ラインの前端からラインの後端）である。この装置の主要な構成要素は、以下の説明によって明らかになる。ここで、同様の要素は同様の参照番号で示しているが、「ｂ」の接尾語を付している。

Ｚ−Ｙ分割材料繊維８ｂのロール６ｂを装置の一端（例えば装置／ラインの左／前端）に示す。Ｚ−Ｙ分割材料繊維８ｂは、巻かれていない平らな繊維６ｂとしてロール６ｂから広げられることを示す。繊維８ｂは自動引抜成形プロセスによって広げられ、そのプロセスは、装置の反対側端部（例えば装置／ラインの右／後端）付近のグリッパー２２ｂにおいて硬化したパネル３２ｂを引抜く工程を含む。グリッパー２２ｂは、硬化したパネル３２ｂを連続して締め付け、硬化ダイ２６ｂからパネル３２ｂを引き抜く、手渡し（ｈａｎｄ−ｏｖｅｒ−ｈａｎｄ）のグリッパー２２ｂである。上流の原材料は硬化したパネル３２ｂと同じ速度で引抜かれる。

Ｚ−Ｙ分割繊維８ｂは形成ステーション３７ｂに入る。形成ステーション３７ｂは、Ｚ−Ｙ分割繊維８ｂをほぼＺ−Ｙ方向（純粋なＺ方向および純粋なＹ方向に対して、およびその間で約４５°；例えば、図１３の要素６０ｂ、図１４の要素７０ｂを参照のこと）に指向する手段を備える。Ｚ−Ｙ分割繊維８ｂは、示した矢印の方向の引抜成形方向に一貫して進行する。角のある発泡体セクション１５ｂが挿入され、形成ステーション３７ｂから出て行く形成されたＺ−Ｙ分割２０ｂの上または下のいずれかでＺ−Ｙ分割の両側に配置される。これらの発泡体１５ｂのセクションは、４フィート（１２１．９２ｃｍ）の長さ、または８フィート（２４３．８４ｃｍ）の長さであってもよく、例えば、図１１に示す発泡体の台形セクション５３ｂのような台形断面を有してもよい。図１１の発泡体の台形セクション５３ｂは、（＋Ｚ方向において）Ｚ−Ｙ分割２０ｂより上にある発泡体セクション１５ｂとなるように正確に指向される。発泡体の台形セクション５３ｂは、サンドイッチの上表皮５５ｂの直下にその最も長い端部を有する。発泡体の台形セクション５３ｂは、そのＸ軸に沿って１８０°回転し、図１０の発泡体の台形セクション５４ｂになり、従ってそれは図９の下側の発泡体セクション１５ｂである。このように、発泡体セクション１５ｂはＺ−Ｙ分割繊維８ｂの上下の内部空間を満たすように挿入され、その結果、発泡体１５ｂとＺ−Ｙ分割繊維８ｂの全体は、サンドイッチパネル３２ｂのほぼ矩形の内部空間を形成する（例えば、図１０を参照のこと）。上表皮および下表皮は、引抜プロセスによりロール１０ｂから広げられる繊維材料１２ｂによって形成される。原材料（上表皮１２ｂ、発泡体セクション１５と合わせたＺ−Ｙ分割２０ｂ、および下表皮１２ｂ）の全混合物は、形成手段／トレイ３８ｂに入れられ、乾燥プレフォーム材料２９ｂとして出て行く。

次いで、乾燥プレフォーム材料２９ｂは、３Ｄ挿入プロセス／アセンブリ９ｂに入り、ここで、別個の束の３Ｄ繊維が、乾燥プレフォーム材料２９ｂを通して挿入される。別個の束の３Ｄ繊維は、上表皮５５ｂを通して堆積され（図１０）、一回の移動で発泡体／Ｚ−Ｙ分割６０ｂおよび７０ｂと、下表皮５６と合わされ、その束が切断され、その結果として別個の束の堆積を生じる。３Ｄ挿入プロセス／アセンブリ９ｂは、グリッパー２２ｂの引抜速度と同期される。３Ｄ挿入アセンブリ９ｂは、好ましくは、同期ガントリー上にあり、その結果、乾燥プレフォーム２９ｂと３Ｄ挿入アセンブリ９ｂとの間で相対運動をしないが、代替の実施形態において、３Ｄ挿入アセンブリ９ｂと乾燥プレフォーム２９ｂとの間の相対運動を許容する。３Ｄ挿入プロセス／アセンブリ９ｂとして使用される３Ｄ挿入プロセス／アセンブリの例は、米国特許第７，１０５，０７１号に示され、記載されており、その文献は本明細書全体に参照として組み込まれる。

３Ｄ挿入アセンブリ９ｂから出てくるのは挿入後のパッケージ３０ｂであり、次いでそれは樹脂注入手段２３ｂに入る。プレフォームのパッケージは、樹脂注入手段２３ｂ内で完全にウェットアウトし、ウェットアウトしたパッケージ３１ｂとして出てくる。樹脂注入手段２３ｂ内のウェットアウト性能の鍵は、別個の束の３Ｄ繊維がストロー、またはウィッキング機構として作用し、樹脂を内部Ｚ−Ｙ分割材料および内部３Ｄ繊維束に引き寄せるという事実による。次いで、完全にウェットアウトしたパッケージ３１ｂは引抜ダイ２６に入り、ここで、サンドイッチパネルが、出て行く硬化したパネル３２ｂに硬化される。グリッパー２２ｂ（２つのグリッパー２２ｂを示すが、代替の実施形態において、４個まで、またはそれ以上の複数のグリッパー２２ｂが存在し、同期するように全てプログラムされているか、または場合によっては荷重分担している）から出て行った後、好ましくはまた、同期する切断機構が、硬化したパネル３２ｂを所定の長さに切断し、その結果、仕上げられたパネル３３ｂが積み重ねられ、輸送のためにパレットに載せられる。

図１０〜１４を参照すると、高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネル４０ｂ（例えば、仕上げられたパネル３３ｂ、図９）を含む３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の実施形態が記載されている。

図１０はサンドイッチパネル４０ｂの実施形態を示し、その例示的な適用において、厚さは約３インチ（７．６２ｃｍ）、幅は４８インチ（１２１．９２ｃｍ）である。円１２、１３および１１、１４は、パネル断面の２つの特徴を示す。円１１、１４に示されるのは発泡体の台形セクション５３ｂおよび５４ｂである。発泡体の台形セクション５３ｂをまた、図１１に示す。発泡体の台形セクション５３ｂおよび発泡体の台形セクション５４ｂは、同一の発泡体の台形セクションであり、発泡体の台形セクション５４ｂは、発泡体の台形セクション５３ｂに対して反転されていることに留意すべきである。円１２、１３に示されるのは半分の発泡体の台形セクション８３ｂであり、それを図１２にも示す。また、Ｚ−Ｙ分割６０ｂを円１２、１３に示し、それを図１３にも示す。発泡体の台形セクション５３ｂ、５４ｂおよび８３ｂは、長手方向に細長い発泡体部材である。台形セクションを示すが、代替の実施形態において、１つ以上の多角形、直線形、および／または曲線形のセクションがサンドイッチパネル４０ｂに使用される。例えば、限定の目的ではなく、米国特許第４，２２３，０５３号に示され、記載されているものなどの三角形の断面（例えば中実の発泡体、中空）が使用されてもよい。

図１０はまた、サンドイッチパネル４０ｂの外面を形成する上表皮５５ｂおよび下表皮５６ｂを示す。さらに、３Ｄ繊維束／挿入５８ｂを、全ての材料（表皮、発泡体セクション、およびＺ−Ｙ分割）を結合して示す。３Ｄ繊維束／挿入５８ｂとして使用される例示的な３Ｄ繊維束／挿入は、米国特許第７，１０５，０７１号に示され、記載され、その文献は本明細書全体を通して参照により組み込まれる。

図１１は、台形の発泡体セクション５３ｂの実施形態の垂直断面図であり、例として４８インチ（１２１．９２ｃｍ）の長さ、または９６インチ（２４３．８４ｃｍ）の長さであるが、各々の場合、図１１に示す断面を有する。

図１２は、半分の台形の発泡体部材８３ｂの実施形態の垂直断面図であり、その名称が示すように、正確に半分に切断したセクション５３ｂである。

図１３は、水平に対して実質的に４５°で＋Ｚ方向および−Ｙ方向に指向されるＺ−Ｙ分割６０ｂの実施形態の垂直断面図である。本明細書において、水平に対して実質的に４５°でＺ方向およびＹ方向に指向されるＺ−Ｙ分割を示し、記載するが、代替の実施形態において、Ｚ−Ｙ分割は、水平に対して０°〜９０°の間の角度でＺ方向およびＹ方向に指向される。上結合部６１ｂは上表皮５５ｂの内面と結合するＺ−Ｙ分割の部分である。同様に、下結合部６２ｂは下表皮５６ｂの内面と結合するＺ−Ｙ分割の部分である。

図１４は、Ｚ−Ｙ分割７０ｂの別の実施形態の垂直断面図である。図１４において、Ｚ−Ｙ分割６０ｂを再度繰り返し、さらにＺ−Ｙ分割７０ｂを示し、このＺ−Ｙ分割７０ｂは、水平に対して実質的に４５°で＋Ｚ方向および＋Ｙ方向に指向される。上結合部７１ｂは上表皮５５ｂの内面と結合するＺ−Ｙ分割の部分である。同様に、下結合部７２ｂは下表皮５６ｂの内面と結合するＺ−Ｙ分割の部分である。

Ｚ−Ｙ分割７０ｂの端部７１ｂ、７２ｂと、Ｚ−Ｙ分割６０ｂの端部６１ｂ、６２ｂとの間のわずかな隙間を明確にするために図１４に示す。実際には、２つのＺ−Ｙ分割７０ｂおよび６０ｂの端部７１ｂ、７２ｂおよび６１ｂ、６０ｂは、突合せ接続、重ね合わせ、または接続／結合されて、表皮５５ｂ、５６ｂおよび３Ｄ繊維挿入５８ｂに対して適切な接続を形成する。図１０において、突合せ継手８０ｂとして突合せ接続の構造を示す。代替の実施形態において、２つのＺ−Ｙ分割７０ｂおよび６０ｂの端部７１ｂ、７２ｂおよび６１ｂ、６０ｂは、第１／上表皮５５ｂおよび第２／下表皮５６に隣接して重なり、局部的に厚い表皮を形成する。この局部的に厚い表皮は、負荷下のパネルの応力集中により、第１の方法のもののＺ−Ｙ分割および表皮の接続、または結合点が機能しなくなり得る場合にプラスの構造的作用を有し得る。これらの分割を重ね合わせることによって、断面領域の局部的増加が与えられ、従って、上述の応力集中の作用を最小化する。さらに、この位置におけるＺ軸繊維の挿入、または結合点は、局部的な領域全体を一緒に結合するのに役立ち、さらに負荷下の分離を妨げる。

従って、サンドイッチパネル４０ｂは、３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体を形成するために一連のＺ−Ｙ分割と３Ｄ繊維堆積プロセスとを合わせる。表皮材料および内部発泡体と共に、Ｚ−Ｙ分割は、特有の分配手段の使用を介して引抜成形ラインの前端に連続して供給される。次いで、これらのプレフォームは、別個の束の３Ｄ繊維のコンピュータ制御された堆積を受け、上表皮を通して堆積される束は、一回の移動で発泡体／Ｚ−Ｙ分割、および下表皮と合わされ、その束が切断され、その結果として別個の束の堆積を生じる。

次いで、新しいプレフォームが、樹脂含浸を受け（代替の実施形態において、樹脂は、既に繊維束に「結合」または「プリプレグ」されていてもよい）、次いでダイシステムにおいて硬化される。全プロセスは自動化され、操作者が機械を監視することをほとんど必要としない。

Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入の両方が、他方の存在に起因して構造的特性を高めるという点で、３Ｄ繊維挿入はＺ−Ｙ分割に有意な効果を与える。引抜成形の従来技術には、発泡体またはマンドレル（中空の内面が生じる。そうでなければ発泡体が位置する）のいずれかで引抜かれるＺ−Ｙ分割の形態の例が含まれる。負荷に供されても、これらの引抜パネルの全ては、上表皮または下表皮に対するそれらの交点において厚さ方向に圧縮、Ｚ−Ｙ分割の分離のいずれもしないか、またはＺ−Ｙ分割自体の圧縮座屈をしない。３Ｄ繊維堆積は、それらの破壊点を妨げ、遅延し、または取り除く。まず、厚さ方向の圧縮において、各３Ｄ繊維束は、座屈する前に１６０ｌｂｓ（７２．５７ｋｇ）の圧縮力抵抗を示し得る。４つの束／平方インチ（６．４５１６×１０^−４ｍ^２）（または５７６／平方フィート（９．２９０３０４×１０^−２ｍ^２））において、これは、パネルの９２１６０ポンド（４１８０３．０７２８１９２ｋｇ）／平方フィート（９．２９０３０４×１０^−２ｍ^２）の座屈抵抗を表し、ここで、Ｚ−Ｙ分割および発泡体は、厚さ方向座屈に抵抗する唯一の内部要素でなくてもよい。第２に、機能停止、つまりＺ−Ｙ分割および表皮の結合点の分離が実質的に除かれる。層間剥離を取り除く際の大きな効果である、３Ｄ束接続は、ここで、Ｚ−Ｙ分割と表皮との接続点の間の層間剥離抵抗を提供する。第３に、特定の曲げ適用の間、Ｚ−Ｙ分割は、オイラーの座屈方程式に記載されるように「長柱座屈」現象に起因して座屈する傾向があり得る。セクションの臨界座屈は長さ^２に反比例し、この長さは、安定化する３Ｄ繊維束との接続に起因して多くの位置で効果的に減少する。

Ｚ−Ｙ分割は３Ｄ繊維によって高められるだけでなく、３Ｄ繊維もＺ−Ｙ分割によって高められる。第１に、（発泡体によって従来的に安定化されるが）３Ｄ繊維の長柱座屈は、３Ｄ繊維の効果的な長さがＺ−Ｙ分割との接続に起因して短いため、改良される。第２に、発泡体と表皮とを合わせた３Ｄ繊維束のコア剪断係数は従来的に低い。多くの適用は、パネルを有意に堅くすること（曲げおよび偏向に対して十分な抵抗性）を必要とし、Ｚ−Ｙ分割の付加はパネルを有意に向上させる。例えば、出願された本出願と同じ譲受人である、Ｅｂｅｒｔ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって開発された従来の３Ｄ繊維パネルは、Ｔｒａｎｓｏｎｉｔｅ（登録商標）として公知であり、商標登録されており、３Ｄ挿入パターンおよび密度に依存して２０００ｐｓｉ（１３．７９ＭＰａ）〜８０００ｐｓｉ（５５．１６ＭＰａ）の間の剪断係数を有する。Ｚ−Ｙ分割を付加することによって、パネルの剪断係数は、Ｚ−Ｙ分割自体の厚さおよび層計画に依存して３５，０００ｐｓｉ（２４１．３２５ＭＰａ）〜５０，０００ｐｓｉ（３４４．７５ＭＰａ）まで増加する。

高剪断Ｚ−Ｙ分割と３Ｄ繊維挿入とを合わせたサンドイッチパネルを含む本発明の３Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体の利点としては、限定されないが、ほとんど偏向せず、より高い負荷保有能力を有する、より高い剪断係数および堅いパネルが挙げられる。これは、サンドイッチパネルが他の高剛性材料（非常に重い）（鋼およびコンクリートなど）と置き換えられて使用される場合、重要である。サンドイッチパネルの用途としては、限定されないが、船橋甲板（歩行者用および乗り物用）、マッドマット（ｍｕｄ ｍａｔ）（フィールド内の一時的な着地マット、一時的な航空機の滑走路、不安定な地域（ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ ａｒｅａ）、例えばツンドラなどにわたって輸送するオイルおよびガス採掘装置のための一時的な道路）、偏向をほとんどしないことが要求される壁、およびトラック／トレーラーなどの床、サンドイッチパネルがコアまたは高剪断ハニカムとしてバルサを使用する場合の代替物、航空機パレット、およびコンテナが挙げられる。

サンドイッチパネルの別の利点は、Ｚ−Ｙ分割の使用が、従来のパネルの質量にも、自動化された製造能力にも有意に加わらないことである（引抜成形プロセスの複雑性または速度のいずれにも）。サンドイッチパネルはまた、従来のパネルより長い疲労寿命を有する。

サンドイッチパネルのさらなる利点は、上記で説明したように、サンドイッチパネル自体の性能より高い、Ｚ−Ｙ分割および３Ｄ繊維挿入の両方についての増強である。

サンドイッチパネルのなおさらなる利点は、Ｚ−Ｙ分割の層計画によって適合され得る剪断である。代替の実施形態において、各々のＺ−Ｙ分割は、１つより多い層（ｌａｙｅｒ）／層（ｐｌｙ）（例えば２層、３層）を有する。Ｚ−Ｙ分割は、クアドラキシアル（ｑｕａｄｒａｘｉａｌ）繊維織物から製造され、繊維材料が水平面に平らに置かれる場合、０°／９０°および４５°方向において繊維の方向を有する。同じ材料が開示されるＺ−Ｙ方向に配置される場合、Ｘ方向、Ｚ−Ｙ方向、およびＺ−Ｙ−Ｘ方向に繊維要素が存在する。このクアドラキシアル繊維織物の量および方向を変化させることによって、剪断値および他の性能特性が、無限の多様性／群の値に適合され得る。

上記の図面は本発明の例示的な構成を示すことができ、それらは、本発明に含まれ得る特徴および機能を理解するのに役立つ。本発明は、例示した構造または構成に限定されず、種々の代替の構造および構成を使用して実施されてもよい。さらに、本発明は、種々の例示的な実施形態および実施に関して上に記載されているが、個別の実施形態のうちの１つ以上において説明される様々な特徴、および機能性は、それらが説明される特定の実施形態に対するそれらの適用性において制限されないが、代わりに、そのような実施形態が説明されるか否か、およびそのような特徴が説明される実施形態の一部として提示されるか否かに関係なく、単独または様々な組み合わせで、本発明の他の実施形態のうちの１つ以上に適用することができることを理解されたい。したがって、本発明、特に添付の特許請求の範囲の幅および範囲は、上述される実施形態のいずれによっても制限されるものではない。

本文書で使用される用語およびフレーズ、ならびにそれらの変型例は、特に明記されない限り、限定とは対象的に、無制限と見なされるものである。前述の例として、「含む」という用語は、「制限なく含む」等の意味として読み取られるべきであり、「例」という用語を使用して、議論されているアイテムの選択される例、包括的または限定的でないそのリストを提供し、「従来の」、「伝統的な」、「標準の」、「既知の」等の形容詞、および同様の意味の用語は、説明されるアイテムを所定の期間または所定の時間に使用可能なアイテムに限定するものと見なされるべきではないが、代わりに、現在または未来の任意の時点で、使用可能であり得るか、または知られ得る、従来の、伝統的な、通常の、または標準の技術を包含するように読み取られるものである。同様に、接続詞「および」で連結される一群のアイテムは、それらのアイテムのそれぞれおよびすべてが当該グループに存在することを求めるものとして読み取られるべきではなく、特に明記しない限り、むしろ「および／または」として読み取られるべきである。同様に、接続詞「または」で連結される一群のアイテムは、当該グループ内の相互排他性を求めるものとして読み取られるべきではなく、特に明記しない限り、むしろ「および／または」としても読み取られるべきである。さらに、開示されるアイテム、要素、または構成要素は、単数形で説明または請求され得るが、単数に限定することが明記されない限り、複数もその範囲内となることが意図される。一部の例における「１つ以上の」、「少なくとも」、「に限定されない」または他の同様のフレーズ等の拡大する語およびフレーズの存在は、そのような拡大するフレーズが不在であり得る場合に、狭義のケースが意図されるか、または必要とされることを意味すると読み取られるものではない。

Claims (17)

1. 第１の表皮と、
   第２の表皮と、
   前記第１の表皮と前記第２の表皮との間のコアであって、前記コアは隣接するコアセクションと、前記隣接するコアセクションを分離するＺ−Ｙ分割を含む、コアと、
   前記隣接するコアセクションおよび前記隣接するコアセクションを分離する前記Ｚ−Ｙ分割を貫通して前記第１の表皮から前記第２の表皮まで延びるＺ軸繊維の複数の別個のグループと、
   を備える、複合積層構造体。
2. 前記Ｚ軸繊維のグループは、前記第１の表皮および前記第２の表皮に対してほぼ垂直である、請求項１に記載の複合積層構造体。
3. 前記Ｚ軸繊維の端部が、前記第１の表皮および前記第２の表皮まで延びる、請求項１に記載の複合積層構造体。
4. 前記第１の表皮および前記第２の表皮は、Ｘ−Ｙ材料を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
5. 前記隣接するコアセクションは、発泡体から作製される、請求項１に記載の複合積層構造体。
6. 前記Ｚ−Ｙ分割は、水平に対して実質的に４５°で延びる、請求項１に記載の複合積層構造体。
7. 前記隣接するコアセクションは、互いに対して垂直に配置され、かつ前記Ｚ−Ｙ分割によって分離される、各々の部分を含み、前記Ｚ軸繊維の複数の別個のグループは、各々の垂直に配置された前記セクションおよび垂直に配置された前記セクションを分離する前記Ｚ−Ｙ分割を貫通して前記第１の表皮から前記第２の表皮まで延びる、請求項１に記載の複合積層構造体。
8. 前記第１の表皮および前記第２の表皮は、ガラス繊維を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
9. 前記Ｚ−Ｙ分割は、ガラス繊維を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
10. 前記コアセクションは、長手方向に細長く、多角形の断面を有する、請求項１に記載の複合積層構造体。
11. 前記コアセクションは、実質的に平面のコアを形成するために合わせられる多角形および半分の多角形のコアセクションの組み合せを含む、請求項１０に記載の複合積層構造体。
12. 前記複合積層構造体は、少なくとも３５，０００ｐｓｉ（２４１，２９０ｋＰａ）の剪断係数を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
13. 前記複合積層構造体は、各々の隣接するコアセクションの間に複数の各々の別個のＺ−Ｙ分割を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
14. 前記Ｚ−Ｙ分割は、＋Ｚ方向および＋Ｙ方向に延びる、請求項１に記載の複合積層構造体。
15. 前記Ｚ−Ｙ分割は、＋Ｚ方向および−Ｙ方向に延びる、請求項１に記載の複合積層構造体。
16. 前記複合積層構造体が液状樹脂に供される場合、前記Ｚ軸繊維は液状樹脂を運び、前記複合積層構造体全体の硬化した完全性を促進する、請求項１に記載の複合積層構造体。
17. 前記Ｚ−Ｙ分割は、１つ以上のＺ−Ｙ分割を含み、前記１つ以上のＺ−Ｙ分割は、局部的により厚い表皮を形成するために前記第１の表皮および前記第２の表皮に隣接して重なる端部を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。

Images