JP2020517501A - 局所的な強化材を備えたプリフォーム - Google Patents

Abstract

本発明は、強化布から複数のプリフォームを切断する前に、第１の繊維層を配置し、第１の層の上に第２の繊維層を部分的に配置することにより、強化布からプリフォームを製造する方法を提供する。【選択図】図３

Description

本発明は、複合プリフォームの製造方法に関し、特に、負荷経路を向いたプライブックを有するプリフォームの製造方法に関するものである。

「プリフォーム」とは、複数の層を有する繊維プライの二次元または三次元配列を意味し、配列は硬化前の状態にある。プリフォームは、成形される形状に形成されるか、または切断される。

複合材料は周知であり、多くの工学分野で使用されている。複合材料は、物理的および／または化学的に異なる材料から構成された少なくとも２つの相、強化材とマトリックスを含む。繊維強化複合材料では、繊維は通常、引張強度は高いが剛性が低い材料である。マトリックスは通常、強度は低いが、剛性は比較的高い。繊維がマトリックス内に配置（充填）されると、高強度、高剛性、および比較的低密度の複合材料が提供される（両方の相は、例えば、鋼に比べて比較的低密度である）。

これらの特性のため、および耐食性および低熱膨張などの他の有益な特性のために、繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）材料の使用が増加している。特性の組み合わせにより、これらの材料は、航空宇宙および自動車分野などの多くの用途で、従来の材料（金属など）と比較して有利になる。

ＦＲＰ材料の１つの特徴は、（通常、層（レイヤー）またはプライで提供される）繊維の異方性が大きいことである。繊維軸方向の強度は、他のどの方向よりも大幅に高い。したがって、連続繊維または長繊維の形態では、いくつかのプライが層で提供されることが一般的であり、各プライまたは層は、隣接する１つまたは複数のプライに対して異なる方向に配向された繊維を有する。このようにして、材料の方向特性を用途に合わせて調整できる。

図１は、３つの層１２、１４、１６がそれぞれ軸Ｘに対して±４５度（層１２）、９０度（層１６）および０度（層１４）に配向した繊維を備える典型的な炭素繊維強化ポリマープライプリフォーム１０を示している。複数の層またはプライのこの組み合わせは、しばしば「プライブック」と呼ばれる。各層は、配置した炭素繊維トウのストリップから製造された繊維シートから形成される。トウは、各層に予め決められた向きで配置される。この例では、プライはノンクリンプ（非捲縮）布（ＮＣＦ）から構成されている。ノンクリンプ布（ＮＣＦ）は、トウを縫合または接着剤で結合する前に、繊維トウをベッド上に配置させることによって製造される。これは、例えば織られる代わりに、繊維トウが、繊維の捲縮を避けるためにシート状に保持されることを意味する。ＮＣＦは一般的に、捲縮／織布の対応物よりも良好な機械的特性を有する。層状布は、所望の形状に切断され、例えば、当該技術分野で知られている樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）または「ウェットプレス」操作を介して形成され含浸される。

ＦＲＰ材料の１つの欠点は、それらのコストである。複合材料の２つの相のうち、材料のコストの大部分は通常、強化材／繊維相にある。炭素繊維は、高性能工学用途で一般的な強化材料である。炭素の問題は、必要な繊維形態に加工するのに費用が掛かることである。炭素繊維は、エネルギーを大量に消費するプロセスで繊維化および炭化する必要がある前駆体材料から作製される。そのため、ＦＲＰ部品の製造用原料として購入するのは高価である。

したがって、ＦＲＰ部品に使用される繊維強化材料の量を減らすことが望ましい。

ほとんどの場合、ＦＲＰ部品は、それらの環境に応じて特定の負荷を受ける。図１のプリフォーム１０の場合、これらの負荷は、部品全体にわたって延在する３つの層を提供することにより管理される。

一部の領域では、強化相に大きな負荷が掛かっていないため、事実上不要であることが理解される。図１のプリフォーム１０を例にとると、特定の負荷環境では、繊維のかなりの割合が不要になる可能性がある。これは潜在的に無駄であり、部品のコストを不必要に増加させる。また、部品を必要以上に重くする可能性がある（炭素繊維はポリマーマトリックスよりもはるかに密度が高いため、寄生重量が増加する）。

本発明は、上述の問題を未然に防ぐか、または少なくとも軽減すること、および／または広い意味で改善を行うことを目的とする。

本発明によれば、添付の請求項のいずれかで定義される方法およびプリフォームが提供される。

本発明の一実施形態では、プリフォームを製造する方法が提供される。この方法は、
強化布を形成するステップであって、
第１の繊維層を配置するステップと、
第２の繊維層を配置するステップであって、第２の繊維層は、第１の繊維層によって画定される領域の上に部分的に延在するステップ
とによる強化布を形成するステップと、
強化布を形成するステップの後、強化布から複数のプリフォームを切断するステップとを含む。

ＦＲＰ部品に使用される強化材料の量を減らすために、繊維材料は、このように部品の負荷環境およびデューティーサイクルによって必要とされる領域にのみ配置される。換言すれば、プリフォーム内のプライブックは、「負荷配向」されるように形成される。

したがって、本発明は、プリフォームを切断することのできる連続ＮＣＦ強化繊維として、負荷配向性プライブックを提供することができる。

これは、自動テープレイアップ（ＡＴＰ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｔａｐｅ Ｌａｙｕｐ）プロセスまたは自動繊維配置（ＡＦＰ：Ａｕｔｏｍａｔｅｄ Ｆｉｂｒｅ Ｐｌａｃｅｍｅｎｔ）プロセスのいずれかを使用することに対する代替概念である。両方の場合において、繊維トウ形成層は、プリフォームを形成するために直接配置される。このアプローチの問題は、ＡＴＰとＡＦＰの両方が実施するのにかなりの資本コストを伴うことである。それらはまた、プリフォームの生産に時間の掛かる工程を導入する。

プリフォームに切断する前に、必要なパターン／形状にプライを直接配置することにより、ＡＴＰまたはＡＦＰを実施する必要はない。したがって、本発明は、高価で時間のかかるＡＴＰおよびＡＦＰ製造工程を必要とせずに、負荷配向性プライブックの利点を提供する。

本発明の一実施形態では、第２の繊維層は、第１の繊維層の外縁部まで部分的にのみ延在している。好ましくは、第１の繊維層は、第１の繊維層の結合された外縁部によって画定された周囲を有し、第２の繊維層は、周囲の一定割合まで延在し、その割合は、第１の繊維層の完全な周囲よりも小さい。

その割合は、０．２、０．４、０．６、０．８、０．１〜０．４、０．２〜０．９、０．３〜０．８、０．４〜０．７、０．５〜０．９、０．６〜０．９５、０．７〜０．９、および／または前述の値および／または範囲のいずれかの組み合わせを含むことができる。

好ましくは、この方法は、他の繊維層を配置するステップを含み、他の層は、第１の層によって画定される領域の上に部分的に延在する。他の層は、第２の層によって画定される領域の上に部分的に延在してもよい。他の層は、第１の層によって画定される領域の一部の上に延在してもよく、その領域は第２の層によって覆われない。

好ましくは、この方法は、例えば、層を互いに接着および／または縫合することにより、層を結合させるステップを含む。

好ましくは、第２の層および／または他の層は、プリフォームから製造される部品の負荷経路に関連して配置される。

別の一実施形態では、少なくとも１つの追加の層が、第１の層、第２の層、または他の層のいずれかに関連して配置される。

好ましくは、層は、一方向に延びる一方向繊維トウを含む。他の一実施形態では、層は、第１の層と第２の層のトウの方向が異なるように、互いに対して配置される。

好ましくは、第２の層は、少なくとも１つの細長いストリップ内に配置され、その中で第２の層の繊維は、ストリップと整列される。換言すれば、繊維はストリップの長軸に沿って配向される。

好ましくは、本方法は、
ノンクリンプ布製造機械を提供するステップと、
ノンクリンプ布製造機械により強化布を形成するステップとを含む。

強化布は、ＮＣＦマシンにより第１の方向（「供給方向」）に連続的に形成されることが好ましい。

第２の層は、第１の方向に対して傾斜した（すなわち、供給方向に対して傾斜した）第２の方向に強化布の幅に延びる少なくとも１つのストリップを含むことができる。他の層は、第１の方向に、または第１の方向に対して異なる角度で延在する少なくとも１つのストリップを含むことができる（すなわち、供給方向に、または第１の方向に角度を付けて延在し、ストリップは第２の層のストリップと交差してもよい）。第１の層と第２の層および１つまたは複数の他の層との角度は、第１の層に対して０度〜±９０度の範囲とすることができ、±２０度〜±８０度、±３０度〜±６０度の任意の角度、特に±３０度、±４５度、および±６０度を含むことができる。

複数のプリフォームがそれぞれ、第１および第２の層の一部を含むことが好ましい。

本発明によれば、上記の請求項のいずれかの方法により得られたプリフォームが提供される。

ここで、本発明の実施形態が、例としてのみ、添付の図面を参照して説明される。

従来技術のプリフォームの分解斜視図である。 本発明に係るプリフォームの斜視概略図である。 本発明に係る方法を実行する装置の平面図である。 図３の方法の流れ図である。

図２を参照すると、負荷配向性プライブックを備えたプリフォーム１２０が示されている。第１の層１１２は、図１の第１の層１２と同一であるが、第２および第３の層１１４、１１６は、プリフォーム１２０を部分的にのみ覆うように設けられている。第２および第３の層１１４、１１６は、第１の層１２によって画定された領域の一部のみを覆う。したがって、０度および９０度の繊維は、それらが必要とされる領域にのみ提供される。明らかに、そのような部分は、図１に示すようにプリフォーム１０から形成されたものよりも安価で軽量になるだろう。

図３を参照すると、製造セル１００は、ベッド１０４を有するＮＣＦマシン１０２を含む。セルは、プリフォーム１２０を製造するように構成される。ＮＣＦマシン１０２は、炭素繊維トウを配置して、連続する長さの負荷配向性ノンクリンプ布を方向Ｘに生成するように構成される。マシン１０２は、連続幅Ｙ１を有する±４５度のノンクリンプ布１０１の第１の層１１２を生成するように構成される。マシンはさらに、９０度の布地の第２の層１１４を生成するように構成される。第２の層は、第１の層の表面全体を覆う代わりに、方向Ｘに離間して幅Ｘ１の複数のストリップに配置される。マシンは、０度の布地の他の層１１６を生成するようにさらに構成される。他の層はＸ方向に走るが、Ｙ方向に幅Ｙ１の複数の離間したストリップに配置される。

この配置は、予め定義された負荷配向性プライブックを提供する。図３の上部に破線で示されるように、個々のプリフォーム１２０は、布地から切断することができる。プリフォーム１２０は、明確にするために離間して示されているが、実際には隣接していることが理解される。プリフォーム１２０は、第２または第３の層１１４、１１６を配置するためにＡＴＰまたはＡＦＰの使用を必要としないことに留意されたい。

図４を参照すると、製造シーケンスがより詳細に示されている。

ステップ２００で、第１の層１１２は、ＮＣＦマシン１０２により連続する長さに配置される。ステップ２０２で、第２の層１１４は、第１の層１１２の一部を覆うように、本実施形態ではＸ方向に離間してＹ方向のストリップに配置される。第２の層１１４の繊維は、ストリップの方向に（すなわち、Ｙ方向に、またはＸ軸に対して９０度で）配向される。ステップ２０３で、他の層１１６が、第１および第２の層１１２、１１４の上に配置される。本実施形態では、他の層はＸ方向のストリップであり、Ｙ方向に離間している。他の層１１６の繊維は、ストリップの方向（すなわち、Ｚ方向、または０度）に配向される。ステップ２０４で、種々の層１１２、１１４、１１６の繊維が縫合される。

ステップ２０６で、層が配置され、互いに接続されて負荷配向性布地１０１が形成されると、プリフォーム１２０が切断される。

プリフォーム１２０は、ステップ２０８で（例えば、型内でレイアップすることにより）成形され、ステップ２１０で含浸され、ステップ２１２で硬化されて、負荷配向性プライブックを有する部品を形成する。

変形例も本発明の範囲に含まれる。

上記の実施形態では、プライは縫合されるが、接着剤などの他の手段によってそれらを付けてもよい。熱可塑性ポリマーバインダーを使用してもよく、これは例えば、粉末形態で提供され、層間に塗布されてもよい。

第１のプライ、第２のプライ、および複数の他のプライを含む複数の繊維プライが提供されてもよい。重要なステップは、プリフォームが布地から切断される前に、プライが負荷配向性に配置されることである。

各プライ内の繊維配向は、必要な用途に基づいて選択することができる。繊維の方向が、プライを形成する各「ストリップ」に平行であることは必須ではない。

プライを０度および９０度でストリップに配置することは、ほとんどの既存のＮＣＦマシンによく適しているが、これは必須ではない。ストリップは、第１の層の他の層に対する繊維トウの方向間の最小角度として測定されるとき、０度〜９０度、好ましくは１０度〜８０度、より好ましくは４５度を含む３０度〜６０度の範囲の種々の角度で提供することができる。好ましい一実施形態では、少なくとも２つの層のトウの方向は対称的であるが、第１の層の繊維トウの方向に対して反対の角度（例えば、±４５度、±６０度）である。

本出願は、炭素繊維の使用に限定されず、ガラス繊維、玄武岩、ポリアミドベースの繊維、ポリオレフィンベースの繊維、およびアラミド繊維を含む他の繊維トウで実施されてもよい。

本発明は、任意の種類のＮＣＦ構成（０°、９０°、＋４５°、−４５°方向のＢｉＡｘ、ＴｒｉＡｘ、ＱｕａｄＡｘ、およびその間の任意の他の繊維方向（すべて））で使用することができる。

Claims (34)

1. プリフォームを製造する方法であって、該方法は、
   強化布を形成するステップであって、
   第１の繊維層を配置するステップ、および
   第２の繊維層を配置するステップであって、前記第２の繊維層は、前記第１の繊維層によって画定される領域上に部分的に延在する、前記第２の繊維層を配置するステップ
   により強化布を形成するステップと、
   前記強化布を形成するステップの後、前記強化布から複数のプリフォームを切断するステップと
   を含む、方法。
2. 他の繊維層を配置するステップを含み、前記他の繊維層は、前記第１の繊維層によって画定される領域上に部分的に延在する、請求項１に記載の方法。
3. 前記他の繊維層は、前記第２の繊維層によって画定される領域上に部分的に延在する、請求項２に記載の方法。
4. 前記他の繊維層は、前記第１の繊維層によって画定される領域の一部の上に延在し、その領域は前記第２の層によって覆われていない、請求項３に記載の方法。
5. （なし）
6. 少なくとも１つの追加の繊維層が、前記第１、第２、または他の繊維層のいずれかに関連して配置される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１の繊維層と第２の繊維層とが接触している、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法。
8. 前記繊維層どうしを結合させるステップを含む、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の方法。
9. 前記繊維層どうしを接着するステップを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記層どうしを縫合するステップを含む、請求項８または請求項９に記載の方法。
11. 各繊維層の１つ以上は、前記プリフォームから製造される部品の負荷経路に関連して配置される、請求項１から請求項１０までのいずれか一項に記載の方法。
12. 繊維層が、一方向に延びる一方向繊維トウを含む、請求項１から請求項１１までのいずれか一項に記載の方法。
13. 少なくとも前記第１および第２の繊維層内の前記一方向繊維トウの方向が異なる、請求項１２に記載の方法。
14. ノンクリンプ布製造機械を提供するステップと、
    前記ノンクリンプ布製造機械により前記強化布を形成するステップとを含む、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
15. 前記強化布は、第１の方向に連続的に形成される、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２の繊維層は、第２の繊維トウ方向に前記強化布の幅に延びる少なくとも１つのストリップを含み、前記第２の繊維トウ方向は前記第１のトウ方向に対して１０〜９０度の範囲の角度を有する、請求項１５に記載の方法。
17. 前記他の繊維層は、前記第１の方向に延在し、前記第２の繊維層の前記少なくとも１つのストリップと交差する少なくとも１つのストリップを含む、請求項１６に記載の方法。
18. 前記複数のプリフォームはそれぞれ、前記第１および第２の繊維層の一部を含む、請求項１から請求項１７までのいずれか一項に記載の方法。
19. 前記第１の繊維層は、前記第１の繊維層の前記結合された外縁部によって画定される周囲を有し、前記第２の繊維層は、前記第１の繊維層の前記周囲の所定の割合まで延在するように配置され、前記割合は、前記第１の繊維層の完全な周囲よりも小さい、請求項１から請求項１８までのいずれか一項に記載の方法。
20. 前記割合は、０．１〜０．４、０．２〜０．９、０．３〜０．８、０．４〜０．７、０．５〜０．９、０．６〜０．９５、０．７〜０．９、および／またはこれらの範囲のいずれかの組み合わせを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 第１の繊維層および第２の繊維層を含み、各繊維層が平行に配置された一方向繊維トウを含み、各層のトウの方向は、他の繊維層のトウの方向とは異なり、前記第２の繊維層の前記トウは、前記第１の繊維層の上に部分的に延在する強化布。
22. 互いに平行に配置された一方向繊維トウを含む他の繊維層を含み、前記他の繊維層は、前記第１の繊維層によって画定される領域の上に部分的に延在する、請求項２１に記載の強化布。
23. 前記他の繊維層は、前記第２の繊維層によって画定される領域の上に部分的に延在する、請求項２２に記載の強化布。
24. 前記他の繊維層は、前記第１の繊維層によって画定される領域の一部の上に延在し、その領域は、前記第２の繊維層によって覆われない、請求項２３に記載の強化布。
25. 前記繊維層は互いに結合されている、請求項２１から請求項２４までのいずれか一項に記載の強化布。
26. 前記繊維層が互いに接着されている、請求項２５に記載の強化布。
27. 前記繊維層は互いに縫合されている、請求項２５または請求項２６に記載の強化布。
28. 前記布は樹脂を含まない、請求項２１から請求項２７までのいずれか一項に記載の強化布。
29. 前記繊維層は、ノンクリンプ布から構成される、請求項２１から請求項２８までのいずれか一項に記載の強化布。
30. 前記第１の繊維層は、前記第１の繊維層の前記結合された外縁部によって画定される周囲を有し、前記第２の繊維層は、前記第１の繊維層の前記周囲の所定の割合まで延びるように配置され、前記割合は、前記第１の繊維層の完全な周囲より小さい、請求項２１から請求項２９までのいずれか一項に記載の強化布。
31. 前記割合は、０．１〜０．４、０．２〜０．９、０．３〜０．８、０．４〜０．７、０．５〜０．９、０．６〜０．９５、０．７〜０．９、および／または前述の範囲のいずれかの組み合わせを含む、請求項３０に記載の強化布。
32. 第１の繊維層と、前記第１の繊維層に接続された第２の繊維層とを含む強化布を含み、前記第２の繊維層は前記第１の繊維層によって画定される領域の上に部分的に延在するプリフォーム。
33. 請求項２２から請求項３１までのいずれか一項に記載の強化布から形成される、請求項３２に記載のプリフォーム。
34. 前記各繊維層のうちの１つ以上が、前記プリフォームから製造される部品の負荷経路に関連して配置される、請求項３３に記載のプリフォーム。

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