JP2020518487A - 繊維プリフォームの形成のための繊維配置のための装置および方法 - Google Patents

Abstract

炭素繊維トウ（１０）から３Ｄプリフォームを構築するための製造装置であって、トウは、ＡＦＰヘッド（２４００）によって膜（２２０４）上に堆積され、これはダイアフラム形成のための形成セル（１１４）に搬送される。能動的な張力の制御は、アキュムレータ（１０６）および補正器（１０８）と組み合わせた巻きほどき装置（１０２）によって実現される。本発明は、製造方法も提供する。

Description

本発明は、複合材の製造において繊維プリフォームを形成するための繊維配置のための装置および方法に関する。より具体的には、本発明は、自動繊維配置（ＡＦＰ）を使用して複合部品製造用の繊維プリフォームを作成するための装置に関する。

繊維強化複合材料は、金属に対する軽量で強力な代替品を提供するためにますます使用されている。そのような材料は、航空宇宙分野で一般的であり、自動車分野での使用も増えている。炭素複合材料は、鋼の代替品の理想的な候補であり、３分の１の重量で同等の強度と剛性を実現することが可能である。そのような材料を製造する１つの方法は、レジントランスファー成形（ＲＴＭ）である。これは、大量の車両の製造に最適な技術でもある。欧州をリードするＴＥＣＡＢＳグループ（炭素繊維強化モジュール式自動車構造のための技術）は、炭素複合材強化車両を製造するためにＲＴＭ、またはウェットプレスなどの他の注入方法を使用することで、従来の鋼のボディインホワイト構造に比べて５０％の軽量化の可能性を挙げている。潜在的な燃料節約および環境上の利点は重要である。

モータスポーツおよびニッチ市場では炭素複合材の使用はかなり一般的であったが、大量生産での繊維強化複合材の採用は時間がかかっていた。ＲＴＭによる繊維強化複合材の製造は、費用がかかり、労働集約型であり、長時間のプロセスになる可能性がある。

既知の方法は典型的には、炭素トウの巻き取りから始まる。トウは連続したフィラメントの束であり、トウはねじられていても、そうでなくてもよい（しばしば「フラット」と呼ばれる）。トウは、連続した織布または不織布の繊維シートの製造に使用される。不織布シートを構成している個々の層は典型的には、それらを一緒に保持するために縫い合わされる。結合剤がシートに塗布されてもよい。これらのシートは典型的には、幅が一定で連続しているため、前方に輸送するために大きなロールに丸めることができる。

巻き上げられたシートは、目的の形状に切断され、これらの形状はシートの単一層のみで構成されるため、２Ｄ形状または２Ｄ形態と呼ばれる。このプロセスの間、２Ｄ形状は典型的には、シートの表面全体を埋めるわけではないため、かなりの無駄が生じる。２Ｄ形態がシートから切り取られると、それらは複数の層のプリフォームを形成するために互いの上に置かれ、このプリフォームはそのため３Ｄプリフォームと呼ばれる。その後、３Ｄプリフォームをその三次元形態に保持するために、結合剤が（加熱などにより）活性化される。３Ｄパターンを取り出すことができる。

次に、三次元プリフォームをレジントランスファーモールディング（ＲＴＭ）用の金型工具に装填する。プリフォームに液体ポリマー母材を浸透させ、熱と圧力で硬化させて完成部品を形成する。

欧州特許第１４７３１３２号明細書は、一方向繊維の交互の層で作られた多軸繊維が加工されるプリフォームの製造プロセスを開示している。開示されるプロセスは、下流の切断および形成プロセスのために材料の連続シートまたはロールを生成するように構成されている。したがって、それは上記で考察した問題を呈する。

米国特許出願公開第２００９／０１２０５６２号明細書は、複合材製造のための連続する多軸繊維材料を形成するためのプロセスを開示している。材料は、形状に合わせて切断し、積層する必要があり、それにより上記の問題を呈する。

一般に、このような既知の方法にはいくつかの問題がある。

まず、炭素繊維材料のシートを準備し、２Ｄ形状を切り取るステップが無駄な炭素繊維材料を生み出す。炭素繊維は非常に高価であり、リサイクルが難しいため、これは問題である。これにより、プロセスはとりわけ、廃棄物によるコスト増加の影響を受けやすくなる。廃棄物の炭素繊維はまた、例えば金属よりもリサイクルがしにくい。

第２に、このプロセスは、２Ｄプリフォームを３Ｄパターンに積層する作業に依存している。これにより、プロセスにコストを加え、さらに誤差が生じる可能性がある。

必要なのは、上記の問題に対処する繊維強化複合部品を形成する装置およびプロセスである。

様々な分野で自動繊維配置（「ＡＦＰ」）が提案されている。

米国特許出願公開第２０１６／０００１４６４号明細書は、繊維テープを平坦な表面（この場合はコンベア）に堆積させることによってプリフォームを構築する方法を開示している。堆積後、プリフォームは、次の成形プロセスのためにロボットアームによってコンベアから持ち上げられる。このプロセスの欠点は、プリフォームが成形前に優れた完全性を有する必要があることであり、そうしないと、運搬プロセスがそれを変形させ破壊しがちになり、これは望ましくない。したがって、かなりの量の結合剤を使用する必要があり、それは完成品の機械的特性に悪影響を及ぼす可能性がある。

単繊維巻き取りツールは、ＡＦＰの別の例であるが、それらは閉鎖された断面を有する部品には適しているが、例えば自動車産業で使用するための複雑なパネルを製造することはできない。

調整式の繊維配置（ＴＦＰ）として知られる代替の方法も提案されている。この方法では、繊維はステッチのパターンによって基材に取り付けられる。繊維は３Ｄ形状に配置され、これによりプリフォームを直接作成する。トウのすべての層にステッチが必要であり、新しい各層に関連付けられたステッチが前の層のトウを貫通するため、機械的特性が低下することになるという理由で、この方法には問題がある。また、基材が理由で、部品は高い寄生重量を担う必要があり、このことは、最初の場所で繊維強化複合材を使用する主な動機に反するように作用する。

本発明の目的は、上記の問題を軽減または克服する繊維強化複合部品を製造するための装置および方法を提供すること、および／または全体的に改善を提供することである。

欧州特許第１４７３１３２号明細書 米国特許出願公開第２００９／０１２０５６２号明細書 米国特許出願公開第２０１６／０００１４６４号明細書

本発明によると、添付の特許請求の範囲のいずれかで定義される方法、装置およびプリフォームが提供される。

一般的な概念
本発明の第１の態様では、
第１の形状の変形可能な表面を設けるステップと、
繊維を可撓性の膜の上に堆積させて、第１の形状のプリフォームを形成するステップと、
変形可能な表面を変形させ、それによりプリフォームを第１の形状とは異なる第２の形状に変形させるステップとを含む、複合材成形製造作業用のプリフォームの製造方法が提供される。

有利には、繊維を（可撓性の）膜などの変形可能な表面上に直接堆積させると、成形前にそれが堆積する表面からプリフォームを分離する必要がなくなる。これにより、損傷のリスクが軽減され、また、さらなる変形／成形の前に構造的に自立したプリフォームを提供する必要がなくなる。

好ましくは、この方法は、繊維配置ヘッドを設けるステップと、繊維配置ヘッドおよび変形可能な表面の少なくとも一方を互いに対して移動させながら、繊維をヘッドから変形可能な表面に堆積させて第１の形状のプリフォームを形成するステップとを含む。好ましくは、ヘッドは少なくとも２つの軸で直線状に移動可能である。変形可能な表面は、変形可能な表面と交差する軸の周りで互いに対して回転式に可動であってもよい。ヘッドのデカルト（ＸＹ）移動と表面の回転の組み合わせは、堅牢なガントリシステムを使用してヘッドを移動させることが可能になるため有利である。

好ましくは、方法は、変形可能な表面に２つ以上の繊維層を堆積させるステップを含む。この方法において、多層プリフォームを構築することができる。表面の回転により、異なる方向の層の組み合わせを使用することが可能になる。各層を堆積するステップの間で、膜は、繊維の第１層において、繊維が繊維の第２の隣接する層の繊維に対してゼロ以外の角度になるように回転される。

好ましくは、この方法は、繊維材料の隣接する層を結合するように構成された材料を提供するステップと、この材料を繊維に塗布するステップとを含む。材料は、表面への繊維の堆積の前または後に塗布されてもよい。例えば、それは、例えば粉末結合剤の形態で、堆積の前に連続して繊維に塗布されてもよい。堆積後に塗布される場合、粉末形態または好ましくはシートの形態をとる場合があり、例えば、プリフォームを結合するだけでなく、後続のレジントランスファーの間の浸透を助けるスクリムなどでもよい。材料は、繊維の各層の前または後に塗布されてもよい。

材料は熱応答性であってもよく、その場合、方法は、繊維を変形させてプリフォームを第２の形状に形成するステップの前またはその最中に材料の温度を上昇させ、それにより隣接する繊維を結合するステップを含む。

好ましくは、この方法は、膜アセンブリを設けるステップを含み、膜アセンブリは、フレームによって支持された表面を画定する膜を備える。フレームは、膜が広がる開口部を取り囲む無限ループを画定することが好ましい。好ましくは、膜は予め張力がかけられている。これにより、輸送中のたるみを回避／低減する。

好ましくは、この方法は、変形不能な表面を有する膜ベッドを設けるステップと、繊維を堆積させるステップの間、ベッドの表面上で膜を支持するステップとを含む。「変形不能」とは、膜よりも著しく硬く、繊維堆積の作業に対して反応面を提供するのに十分に硬いことを意味する。

好ましくは、ベッドの表面は、膜アセンブリをベッドの上に下げて、膜とベッドの表面との間を接触させることができるようにフレームの内側に収まる。これにより、膜に張力がかかり、繊維堆積のための滑らかで連続した表面を提供する。

好ましくは、この方法は、別の変形可能な表面を設けるステップと、繊維を堆積するステップの後、変形可能な表面および別の変形可能な表面を変形させることによって繊維を変形させて３Ｄプリフォームを形成する前に、堆積された繊維を変形可能な表面と別の変形可能な表面との間に封入して繊維空洞を形成するステップとを含む。それにより、繊維プリフォームは、好ましくは協働する膜の上に画定される表面の間に「挟まれる」。

好ましくは、繊維を変形させるステップの前に、繊維空洞内の圧力を下げる。好ましくは、それは、表面が両方ともその確実な表面積にわたって繊維プリフォームと接触する圧力まで下げられる。

好ましくは、この方法は
繊維を堆積させるステップが行われる繊維堆積セルを設けるステップと、
変形ステップが行われる別個の形成セルを設けるステップと、
繊維堆積セルと形成セルとの間で変形可能な表面を搬送するステップとを含む。

本発明の第２の態様によって、複合材成形作業用の繊維プリフォームを製造するための装置が提供され、この装置は、
繊維配置ヘッドと、
変形可能な型と、
三次元の成形形状とを備え、
変形可能な表面上に繊維を堆積させて第１の形状のプリフォームを形成するために、繊維配置ヘッドおよび変形可能な表面の少なくとも一方が互いに対して可動であり、
変形可能な表面上の第１の形状のプリフォームが、第１の形状とは異なる第２の形状に変形されるように、変形可能な表面および三次元成形型の少なくとも一方は、他方に対して可動である。

第２の態様は、第１の態様と同じ利点を示す。

好ましくは、繊維配置ヘッドは、少なくとも２つの軸で直線状に移動可能である。好ましくは、変形可能な表面は一般に平面であり、それ自体の平面内で回転式に可動である。

好ましくは、堆積された繊維に繊維の隣接する層を結合するように構成された材料を塗布するための塗布サブアセンブリが設けられる。結合剤材料は、堆積の前または後に繊維に塗布されてもよい。後者の場合、結合剤材料は、例えば結合剤スクリムのロールから提供されてよい。

結合剤材料は、フィルムまたはシートまたは層の形態であってもよい。結合剤材料は樹脂を含んでもよい。結合剤材料は、室温で粘着性がある。

あるいは、材料は粉末形態であってもよい。

好ましくは、繊維の変形前または変形中に、繊維の隣接する層を結合するように構成された材料の温度を上昇させるように構成されたエネルギー源が設けられる。言い換えれば、材料は熱可塑性結合剤などの熱応答性材料である。

好ましくは、膜は変形可能な表面を画定し、膜はフレームによって支持される。好ましくは、膜はフレーム内で予め張力がかけられている。

好ましくは、装置は、繊維堆積中に変形可能な表面を支持するための変形不能な表面を有するベッドを備える。好ましくはベッドの変形不能な表面は、膜アセンブリがベッドの上に下げられて膜とベッドの表面とを接触させ、それにより膜に張力をかけることができるようにフレームの内側に収まる。

好ましくは、プリフォームの変形中に、それと変形可能な表面との間に堆積された繊維を封入するために、別の変形可能な表面が提供され、配置される。好ましくは、減圧システム（真空ポンプなど）は、繊維を変形させる前に、変形可能な表面と別の変形可能な表面との間の圧力を下げるように構成される。

好ましくは、装置は、
繊維配置ヘッドを含む繊維堆積セルと、
三次元成形型を備える別個の形成セルと、
繊維堆積セルと形成セルとの間で変形可能な表面を搬送するためのコンベアとを備える。

繊維張力の制御
本発明の第３の態様によって、複合材製造作業において繊維張力を維持する方法が提供され、この方法は
繊維供給源を設けるステップと、
繊維配置ヘッドを設けるステップと、
繊維供給源に対して繊維配置ヘッドを移動させるステップと、
繊維配置ヘッドの動きに基づいて、繊維供給源と繊維配置ヘッドとの間の繊維緩衝材の長さを能動的に変えることにより、繊維供給源と繊維配置ヘッドとの間の繊維の張力を維持するステップとを含む。

有利には、これにより、固定した供給源から可動ヘッドへの繊維の供給において繊維の張力を維持することが可能になる。

好ましくは、この方法は、繊維緩衝材の一部を画定する可動の繊維ガイドを設けるステップと、繊維緩衝材の長さを変えるために可動の繊維ガイドを移動させるステップとを含む。

好ましくは、この方法は、繊維張力が低下したとき、繊維に対する補正力を高め、繊維張力が上昇したとき、繊維に対する補正力を低下させることによって繊維の張力を維持するステップを含む。好ましくは、弾性式の補正力が、好ましくは弾性的に付勢された繊維ガイドを介して繊維に加えられる。

好ましくは、補正力は、繊維緩衝材の下流で、かつ静止位置で（すなわち「ヘッドから離されて」）加えられる。これにより、繊維配置ヘッドの質量が減少し、このことは動作の速度と精度にとって有利である。

好ましくは、補正力は受動的に加えられる。したがって、このシステムは、ヘッドの動きによる繊維張力の大きな低周波変化に対応する能動的なアキュムレータサブシステムと、張力の高周波変化に対応する受動的な補正器サブシステム要素とを備える。両方のシステムが連携して、繊維の一定の制御された張力を維持する。「能動的」とは、コントローラによって制御されることを意味し、「受動的」とは、例えばばねまたは他の弾性部材または負荷質量によって能動的に制御されないことを意味する。

好ましくは、
繊維供給源を設けるステップは、複数の繊維の給送を提供するステップを含み、
繊維緩衝材の長さを変えるステップは、同時に供給される複数の繊維給送の繊維緩衝材の長さを変えることを含み、
繊維に対する補正力を変化させるステップは、複数の繊維給送のそれぞれに個別に独立した補正力を加えるステップを含む。

ヘッドは複数の繊維を同時に堆積させるため、低周波数の能動的に制御されたサブシステムがすべての繊維トウにわたって同時に作用することができるようにすることによって、システムをより効率的にすることができる。張力のより小さな、高頻度の変化が各繊維給送またはトウで個別に発生する可能性があり、そのため、個々の繊維給送の補正をすることが有利である。受動的な補正器サブシステムは、能動的なアキュムレータサブシステムほど複雑ではなく、費用もかからないため、より簡単かつ安価に再現できることに留意されたい。

本発明の第４の態様によって、
繊維入力部と、
繊維を繊維配置ヘッドに送るように構成された繊維出力部と、
繊維の入力部と出力部の間の繊維緩衝材とを備え、
この場合、繊維緩衝材は、繊維の所定の張力を維持するために、出力部から供給される繊維配置ヘッドの動きに応じて能動的に変化するように構成されている、複合材製造作業用の繊維張力装置が提供される。

好ましくは、可動繊維ガイドは、繊維緩衝材の一部を画定する。より好ましくは、可動繊維ガイドは、２つの固定された繊維ガイドの間に配置され、「Ｕ」字型の繊維緩衝材を作成する。「Ｕ」の高さは、「Ｕ」の下部にある可動ガイドの動きによって変えることができる（その空間の向きに関係なく、明確にするために高さが使用される）。

好ましくは、繊維の所定の張力を維持するために繊維に補正力を加えるように構成された補正器を備えることが行われる。好ましくは、補正器は、補正力を加えるために弾性式に付勢された繊維ガイドを含む。

好ましくは、補正器は繊維緩衝材の下流にある。好ましくは、補正器は固定式である（すなわちヘッドから離されている）。

補正器は受動的である、すなわち、使用中に能動的な入力がないことが好ましい。

好ましくは、装置は、繊維配置ヘッドの動きに応じて繊維緩衝材の長さを能動的に変化させるように構成されたコントローラを有する。好ましくは、コントローラは、繊維配置ヘッドの動きを制御し、したがって、そのような動きを予測し、繊維張力を維持するためにヘッドと同時にアキュムレータを制御することができる。

切断および張力の制御
第５の態様によって、
繊維供給源を設けるステップと、
繊維の堆積のための表面を設けるステップと、
張力の下で、繊維を第１の方向で表面に堆積させるステップと、
繊維を切断するステップと、
切断の上流で繊維を把持することによって、切断のステップの後、繊維の張力を維持するステップとを含む、複合材製造作業において繊維張力を維持する方法が提供される。

有利には、本発明は、繊維を切断する間、張力を維持することを可能にする。これにより、繊維のたるみやバンチングを防ぐ。

好ましくは、切断の上流で繊維を把持することにより切断ステップの後、繊維の張力を維持するステップは、繊維を把持しながら、第１の方向とは反対の第２の方向に送ることを可能にするステップを含む。繊維を逆方向に送ることを可能にすることで、繊維が切断される、および／または堆積される繊維配置ヘッドの領域から繊維を遠ざけた状態で維持する。これは、ヘッドを新しい位置に移動させる際に有利である。

好ましくは、繊維は、一対の転動体の少なくとも一方の回転を制御するステップを含み、このステップが行われる一対の転動体の間に把持される。

好ましくは、ヘッドが、堆積を再開する準備ができると、繊維を第１の方向に送るステップが行われる。好ましくは、転動体を使用して繊維を表面に送るステップが行われる。

本発明の第６の態様によって、
繊維入力部と、
繊維出力部と、
入力部と出力部との間の繊維カッターと、
入力部と繊維カッターとの間の繊維把持構成とを備え、
装置は、張力の下で、表面に堆積される出力部からの繊維を第１の方向に送るように構成されており、
繊維カッターは、繊維を切断するように構成されており、
繊維把持構成は、切断後に繊維を把持することによって繊維の張力を維持するように構成されている、複合材製造作業用の繊維張力装置が提供される。

好ましくは、繊維把持構成は、切断後に第１の方向とは反対の第２の方向に繊維を送るように構成される。

好ましくは、繊維把持構成は、一対の転動体を備え、そこでは一対の転動体の少なくとも一方の回転が制御される。好ましくは、一対の転動体の少なくとも一方はモータによって駆動される。好ましくは、モータは、繊維の堆積を再開するために繊維を第１の方向に送るように構成される。

好ましくは、モータは出力軸を備え、一対の転動体の少なくとも一方はクラッチによってモータ軸に接続され、クラッチは、
繊維が第１の方向に移動するとき、一対の転動体の少なくとも一方が出力軸に対して回転できるようにし、
繊維が第２の方向に移動するとき、一対の転動体の少なくとも一方が出力軸に対して回転しないようにするように構成される。

有利なことに、これによりモータ軸を「引っ張る」必要なしに、繊維を自由に堆積させることができる。クラッチは「スプラグ」タイプのクラッチであってもよい。モータの速度をヘッドの堆積速度に正確に同期させることで、クラッチの代わりをすることができる。

加熱される繊維
本発明の第７の態様によって、
繊維供給源を設けるステップと、
その上に熱応答性材料を有する表面を設けるステップと、
繊維の温度を上げるステップと、
温度が上昇した繊維を熱応答性材料上に堆積させて、繊維プリフォームを形成するステップとを含む、複合材製造作業用の繊維プリフォームの製造方法が提供される。

有利なことに、これにより、例えばスクリムに直接堆積させることができる乾燥した繊維トウの使用が可能になる。これにより、寄生重量が減少し（従来の粉末トウと比較して）、構造的に健全なプリフォームが作成される。

好ましくは、繊維の温度を上げるステップは、ヒータを設けるステップと、ヒータによって繊維を加熱するステップとを含む。ヒータは、例えば抵抗性であり、通過する繊維と接触してもよい。例えば、代替形態において赤外線が使用される場合もある。重要なことは、何らかの形でエネルギーが繊維に与えられ、堆積前に繊維の温度が上昇することである。

好ましくは、繊維の温度を上げるステップおよび温度が上昇した繊維を堆積させるステップは、可動繊維配置ヘッドにおいて実行される。

好ましくは、熱応答性材料を有する表面を設けるステップは、熱応答性材料のシートまたは粒子状の熱応答性材料で表面を少なくとも部分的に覆うステップを含む。「熱応答性」とは、熱可塑性物質など、熱を加えると軟化および／または融解する材料を意味する。

「表面」は繊維の層であってもよく、すなわち、繊維は、プリフォームを一緒に保持するために各層の間の熱可塑性材料によって層状に堆積されてもよい。

本発明の第８の態様によって、
繊維を表面に堆積させるように構成された繊維配置ヘッドと、
繊維配置ヘッドからの堆積の前に繊維の温度を上げるように構成された繊維加熱装置とを備える、複合材製造作業用の繊維プリフォームの堆積装置が提供される。

好ましくは、繊維加熱装置は、繊維チャネルに隣接する加熱部材を含む。好ましくは、加熱部材は、繊維と接触するように配置される。

好ましくは、繊維加熱装置は、繊維配置ヘッド上に配置され、繊維配置ヘッドは可動である。

本発明はまた、
第８の態様による装置と、
繊維の堆積のための表面であって、熱応答性材料をその上に有する表面とを備える繊維配置システムを提供する。

ここで本発明による例示的な装置および方法を、添付の図面を参照して説明する。

本発明による装置の概略平面図である。 図１の装置のアキュムレータの概略側面図である。 図１の装置のアキュムレータの概略側面図である。 図１の装置の補正器の概略側面図である。 は、図１の装置の自動繊維配置セルの概略側面図である。 は、図１の装置の自動繊維配置セルの概略側面図である。 図５および図６の自動繊維配置セルの概略平面図である。 図１のＡＦＰヘッドの動作のいくつかの段階の概略図である。 図１の装置のダイアフラム形成セルの概略側面図である。 図９のセルの動作ステップの概略側面図である。 図９のセルの動作ステップの概略側面図である。 図９のセルの動作ステップの概略側面図である。 は、異なる動作状態にある図９のダイアフラム形成セルの概略側面図である。 図１の装置の制御システムの概略図である。 図１の装置を使用する本発明による製造方法のフロー図である。

図１を参照すると、製造装置１００が示されている。装置１００は、繊維トウのボビンを受け取り、トウをレジントランスファー成形（ＲＴＭ）に適した三次元プリフォームに形成するように構成される。プロセスフローの順序（以下で説明されるような）で、装置はプロセスにおける以下のサブアセンブリおよびステーション、すなわち
・繊維巻きほどき装置１０２、
・ガイドフレーム１０４、
・アキュムレータ１０６、
・補正器１０８、
・自動繊維配置（ＡＦＰ）ヘッド２４００を有する自動繊維配置セル１１０、
・コンベア１１２、
・ダイアフラム形成セル１１４および
・コントローラ１１６を備える。

各サブアセンブリは他のサブアセンブリと相乗的に作用して所望の結果を達成するが、必要に応じて独立したモジュールとして動作することもできることが理解されるであろう。各サブアセンブリについては、以下で詳しく説明する。

繊維巻きほどき装置１０２
一般に、繊維巻きほどきシステムは当技術分野で知られていることが理解されよう。装置１００に組み込まれた繊維巻きほどき装置１０２は、複数の（この実施形態では８本）の個々のシャフトが、個々のモータ１０２４によって駆動される平行軸の周りで回転するように取り付けられたフレームを備える。ボビンが各シャフトに取り付けられる。各ボビンは、ある長さの巻き付けられた炭素繊維トウ１０を有する。トウは、平行な繊維から形成された炭素材料の平らなストリップを有する。この実施形態では、各ボビン１０２８は、おおよそ１２ｋｇの巻き付けられた炭素繊維トウを含む。本実施形態で使用されるトウは「乾燥」しており、すなわち、粉末結合剤などの熱応答性コーティングのない状態で提供される。

各シャフトの回転は、シャフトを制動する能力を持つモータの影響を受け、それにより繊維トウの張力に影響に与える。巻きほどき装置のモータは、コントローラ１１６によって制御される。

フレームの片側には、トウをボビンからガイドフレーム１０４に向かって巻き取るように案内する出口送り装置が設けられる。

ガイドフレーム１０４
ガイドフレーム１０４は、巻きほどき装置の下流に位置決めされ、そこからトウを受け取る。それはまた、アキュムレータ１０６（以下で説明される）の上流でもある。アキュムレータに送る前に、個々のトウは整列され、同一平面上にあり、所定の距離だけ離れていることが望ましい。ガイドフレームの主な目的は、巻きほどき装置（様々な位置でガイドフレーム１０４に送り込む）からトウを受け取り、それをアキュムレータ用に準備することである。

したがって、ガイドフレーム１０４は、トウをアキュムレータに案内するためのローラおよび索導器のいくつかのセットを含む。

アキュムレータ１０６
図２および図３を参照すると、アキュムレータ１０６は、ほぼ垂直な部材１０６２を有するフレーム１０６０を備えている。フレーム１０６０は、足１０６１によって床に支持されている。部材１０６２は図では垂直位置に示されているが、この部材１０６２は水平であっても、その間の任意の他の位置にあってもよい。

水平軸Ｓ１を有する入口シャフト１０６４が、第１の垂直位置でフレーム１０６０に取り付けられている。入口シャフト１０６４は、垂直方向に固定されている。複数の綱車１０６６が、低摩擦の転がり軸受（見ることができない）を介して入口シャフト１０６４上で自由に回転するように取り付けられている。この実施形態では、８つの綱車１０６６が存在しており、シャフト部分上でトウ１０のそれぞれのストリップを保持するために、それぞれがシャフト部分と、対向する端部フランジとを有する。

水平軸Ｓ２を有する第１の固定シャフト１０６８は、第２の垂直位置でフレーム１０６０に取り付けられている。第１の固定シャフト１０６８は、垂直方向に固定されている。複数の綱車１０７０が、低摩擦の転がり軸受（見ることができない）を介して第１の固定シャフト１０６８上で自由に回転するように取り付けられている。この実施形態では、８つの綱車１０７０が存在しており、シャフト部分上でそれぞれのトウのストリップを保持するために、それぞれがシャフト部分と、対向する端部フランジとを有する。

水平軸Ｓ３を有する変位可能なシャフト１０７２は、垂直移動のためにフレーム１０６０に取り付けられている。変位可能なシャフト１０７２は、リニアアクチュエータ１０７６を介して垂直方向に変位可能な往復台１０７４上に支持されている。複数の綱車１０７８が、低摩擦の転がり軸受（見ることができない）を介して変位可能なシャフト１０７２上で自由に回転するように取り付けられている。この実施形態では、８つの綱車１０７８が存在しており、シャフト部分上にそれぞれのトウストリップを保持するために、それぞれがシャフト部分と、対向する端部フランジとを有する。

水平軸Ｓ４を有する第２の固定シャフト１０８０は、第１の固定シャフト１０６８と同じ垂直位置でフレーム１０６０に取り付けられている。第２の固定シャフト１０８０は、垂直方向に固定されている。複数の綱車１０８２が、低摩擦の転がり軸受（見ることができない）を介して第２の固定シャフト１０８０上で自由に回転するように取り付けられている。この実施形態では、８つの綱車１０８２が存在しており、シャフト部分上でトウのそれぞれのストリップを保持するために、それぞれがシャフト部分と、対向する端部フランジとを有する。

綱車の列１０６６、１０７０、１０７８、１０８２は、軸方向に整列されている。ガイドフレーム１０４からの各トウストリップ１０は、方向−Ｘに進入する。それは、入口シャフト１０６４上の綱車１０６６の上に送られ、９０度で下方向に、すなわち−Ｚに進む。次に、各トウは、第１の固定シャフト１０６８の綱車の下に送られ、方向Ｚに１８０度向きを変えてから、変位可能なシャフト１０７２の綱車の上を−Ｚ方向に１８０度通過して第２の固定シャフト１０８０の綱車へと送られる。トウは、さらに１８０度向きを変えて補正器１０８に向かって＋Ｚに戻るように進む。

したがって、トウは、第１の固定シャフト１０６８、変位可能なシャフト１０７２および第２の固定シャフト１０８０の間を通るＸＺ面において逆向きの「Ｕ」字形状を形成する。

アキュムレータの役割は、ＡＦＰヘッド２４００が移動するときに（以下でより詳細に説明される）トウの張力を実質的に一定に保つことである。本明細書の目的のために、トウ１０には常に、負ではない（＞０ニュートン）張力が保持されるべきであることが理解されるであろう。ＡＦＰヘッドは移動するため（ヘッドからのトウの堆積にかかわらず）、さもなければ張力は大幅に変化することになる。例えば、ＡＦＰヘッドが、トウが送られる方向に向かって移動する際、張力は急速に低下し、おそらくゼロを下回ることになる（つまり、トウをたるませる）。同様に、ＡＦＰヘッドがトウの給送方向から離れるように移動する際、張力は急速に、おそらく過度に高まることになる。

変位可能なシャフト１０７２の垂直のＺ方向の動きは、第１および第２の固定シャフト１０６８、１０８０間のトウの長さを変える。

このようにして、リニアアクチュエータ１０７６の制御を使用して、ＡＦＰヘッド２４００の動きを考慮することができる。ＡＦＰヘッドが距離Ａだけトウの送り方向から離れるように移動すると、リニアアクチュエータを固定シャフト１０６８、１０８０に向かってＡ／２だけ移動させて給送源内の追加のトウを巻き取ることができる。この動きは、図２と図３を比較することで実証される。

言い換えれば、アキュムレータはシステムにおけるたるみを蓄積する、または巻き取る。同様に、ＡＦＰヘッドがトウの送り方向から距離Ｂだけ移動すると、リニアアクチュエータはＢ／２だけ固定シャフト１０６８、１０８０に向かって移動し、給送源に追加のトウを提供することができる。リニアアクチュエータ１０７６は、以下で説明するように、コントローラ１１６によって制御される。

補正器１０８
図４を参照すると、補正器１０８が示されている。

補正器１０８は、アキュムレータ１０６の下流かつＡＦＰセル１１０の上流にある。アキュムレータは
・同時に起こるすべてのトウにわたる
・トウの張力／変位の大きな変動
を考慮するように構成されているのに対して、
補正器は
・各々の個々のトウに関する
・張力／変位のより小さい変動
を吸収するように構成されている。

補正器１０８はフレーム１０８０を備える。フレーム１０８０は、第１（上部）の端部１０８２と、第２（下部）の端部１０８４とを有する。複数の８つの空気ばね１０８６がフレームの上端に取り付けられ、各ばね１０８６は、シリンダ１０８８と、Ｚ軸内で直線状に移動可能なピストン１０９０とを備える。図４では、端部でばねを見ることができるが、８つ設けられていることに留意されたい。各ピストン１０９０は、中立位置Ｎを有するように構成される。休止位置からＺ軸に沿ったいずれかの方向への移動は、中立位置に向かってそれを付勢する、ピストンに対する弾性力を与える。ローラ１０９２が各ピストンの下端に取り付けられている。部材１０６２と同様に、補正器１０８も水平位置または垂直と水平の間の任意の位置にある場合がある。

複数の８つの綱車１０９４が、フレーム１０８０の第２の端部１０８４の近くで回転するために単一のシャフトに取り付けられている。ここでもまた、端部綱車１０９４のみを見ることができる。

使用中、トウ１０は、アキュムレータからローラ１０９２の上を上向き（＋Ｚ方向）に通過する。そこから、トウ１０は綱車１０９４に通され、そこでおよそ９０度向きを変えて−Ｘ方向にＡＦＰセル１１０に向かって移動する。

８つのばね１０８６は独立しているため、各ピストン１０９０は他のピストンとは独立して動くことができる。その結果、いずれかの個々のトウ１０においていくらか張力が高まることは、ピストン１０９０をシリンダ１０８８から引っ張るように作用することになる。したがって、トウの間で発生する張力のこのような小さな変動は吸収され、ほぼ一定の正の張力を実現する（すべてのトウに共通する大きな変動はアキュムレータによって処理されることに留意されたい）。同様に、トウの間で発生する張力のいかなる低下も、ピストンが上方に移動することで吸収され、ほぼ一定の正の張力を維持する。

自動繊維配置（ＡＦＰ）セル１１０
ＡＦＰセル１１０の側面図が図５から図７に示されている。

ＡＦＰセルは、
・ガントリ２０００、
・ベッド２１００、
・膜アセンブリ２２００、
・ゲート２３００、
・ＡＦＰヘッド２４００および
・スクリムフィーダー２５００を備える。

ガントリ２０００は、ガントリフレーム２００２を備える。この実施形態では、ガントリは平面でおよそ２．０ｍ×２．０ｍである。ガントリ２０００は、一対のモータ２０１６、２０１８をそれぞれ使用して、ＡＦＰヘッド２４００をＸ、Ｙ方向に動かすように構成されている。この面は水平位置で示されているが、それは任意の所望される平面（垂直、水平またはその他の角度）で実装することができる。

ベッド２１００はガントリ２０００に取り付けられ、Ｚに平行な軸Ｂを中心に回転するように構成されている。

膜アセンブリ２２００は、フレーム２２０２と、膜２２０４とを備える。膜は、変形可能な弾性材料（この実施形態ではシリコーン）のシートから構築される。フレーム２２０２は、張力の下で膜２２０４を保持する。ＡＦＰセルは、膜アセンブリ２２００をベッド２１００上へと下げる複数のアクチュエータ（見ることができない）を備える。膜が下げられると、ベッド２１００はフレーム２２０２内に収まり、膜２２０４に接触する（図６）。したがって、膜アセンブリがベッド２１００によってガントリ内に支持されているとき、膜２２０４はベッド２１００上に載り、ＡＦＰヘッド２４００による繊維の堆積のための平らな反応面を提供する。ベッド２１００は、電気モータ（図示せず）を介して軸Ｂの周りで膜アセンブリ２２００を回転させることもできる。ゲートは、補正器１０８からトウ１０を受け取り、それをＡＦＰヘッド２４００に直接送る。簡単にするために、図７には３つのトウのストリップのみが示されている。

図５に示されるように、スクリムフィーダー２５００の形態の結合剤フィーダーが提供される。スクリムフィーダー２５００は、ガントリ２０００の外側であるがそれに隣接するシャフト２５０４を備える。シャフト２５０４は、ガントリ２０００の側面に平行であり、シートの熱可塑性のネット状スクリム材料２５０８のロール２５０６を保持している。スクリム材料２５０８の形態の結合剤材料は、膜２２０４の上面にわたってそれを覆うためにロールから（手動で、または自動で）引っ張り出すことができる。次いで、ＡＦＰヘッド２４００は、スクリム２５０８上に直接堆積させる。スクリム材料２５０８の使用については以下でさらに説明する。

ＡＦＰヘッド２４００は、ゲート２３００からトウ１０の８つのストリップを受け取り、それらを膜２２０４上に（具体的には前の繊維層を覆うスクリム２５０８の層の上に）堆積させるように構成される。トウは、ゲート２３００から−Ｘ方向に送られ、ヘッド２４００に進入する。トウ１０は、進入方向に平行に（すなわち、−Ｘ）、膜２２０４においてＡＦＰヘッド２４００を出て行く。

図８は、ＡＦＰヘッド２４００内の動作段階を模式的に示す。ＡＦＰヘッドは、一対の対向するニップローラ２４０２ａ、２４０２ｂ、カッター２４０４、ヒータチャネル２４０５および堆積ローラ２４０６を備える。ニップローラ２４０２ａは、スプラグクラッチによってローラ２４０２ａに接続されたモータ２４０８によって駆動される。ヒータチャネル２４０５は、伝導によりそこを通過するトウ１０を加熱するように配置されたヒータ２４０５ａ、２４０５ｂを備える。この実施形態では、ヒータ２４０５ａ、２４０５ｂは抵抗性である。

図６ｃのステップＩは、給送状態を示している。モータ２４０８は、トウ１０をヘッド２４００内に引き込み、堆積ローラ２４０６に向けてそれを案内するために方向Ｍに駆動される。モータが方向Ｍに駆動されてローラ２４０２ａを同一方向に駆動させるとき、スプラグクラッチが係合する。

ステップＩＩに移ると、トウは堆積ローラによって（すなわち、堆積ローラと膜２２０４との間で）「捕らえられ」、これは実質的にトウを送るためのマスタードライブとなる。堆積ローラは直接駆動されるのではなく、代わりにそれは、トウと接触している堆積ローラ２４０６と共にヘッドが膜を横切るように移動され、堆積ローラが膜、スクリムまたはトウのこれより前の層と接触する際、摩擦を受けて回転する。ここでトウが引っ張られると、ニップローラ２４０２ａはモータ２４０８に対して方向Ｍに惰性で動くことができる。モータ２４０８は、スプラグクラッチが惰性で動くことができるように、堆積ローラ２４０６よりも遅い速度で駆動される。トウが膜２２０４に接触する前、および堆積ローラ２４０６の上流で、それはヒータチャネル２４０５を通過するときに加熱される。ヒータ２４０５ａ、２４０５ｂに送達される電力は、堆積されるトウの温度がスクリム２５０８をわずかに溶融させる（すなわち粘着性にする）のに十分であるように選択される。ＡＦＰヘッドが膜２２０４を横切って移動する際、粘着性のスクリムはトウを「捕らえる」。トウは、堆積される際、張力Ｔの下にある。この方法は、スクリムに適用される「乾燥した」トウに非常に適していることに留意されたい。

ステップＩＩＩに移ると、トウ１０のストリップが堆積された後、カッター２４０４が作動されてトウ１０を切断する。下流のトウ１０は、切断が行われている間、カッターはトウと同じ速度で移動しなければならないため、ローラ２４０６によって継続して堆積される。切断が行われ、カッターがその開始位置に戻った後、トウ１０を継続して送ることは、それがカッター２４０４の後ろに集まるため望ましくない。張力Ｔの下での上流側のトウ１０（巻きほどき装置、アキュムレータ、補正器などによってそれまでに反応した）がニップローラ２４０２ａ、２４０２ｂを通して引き戻されると、スプラグクラッチが係合する。そのため、ニップローラ２４０２ａ、２４０２ｂを通って戻るトウ１０の進行は、モータ２４０８によって制御することができる。モータ２４０８は、切断されたトウの給送１０をカッター２４０４から離れるように制御可能に進めるために、方向−Ｍに作動される。このようにして、張力を維持することができる（モータ２４０８は張力をかけられたトウに対するブレーキとして効果的に役割を果たす）。

トウ１０’が堆積され、カッター２４０４の係合が解かれると、モータ２４０８を使用してトウ１０を堆積ローラ２４０６に戻るように送ることができる。これはステップＩＶに示されている。その後、新しいストリップに対してこのサイクルを繰り返すことができる。

文脈におけるＡＦＰヘッド２４００の動作は、アセンブリ１００の動作の一部として以下に説明される。

コンベア１１２
図１および図７を参照すると、コンベア１１２は、Ｙ方向に延び、Ｘ方向に間隔を空けた２つの平行なレール１１２０、１１２２を備える。レール１１２０、１１２２は、膜アセンブリフレーム２２０２の下側で転動体を支持し、膜アセンブルフレームをＡＦＰセル１１０からダイアフラム形成セル１１４へと方向−Ｙに移動させることを可能にする。

ダイアフラム形成セル１１４
ダイアフラム形成セル１１４は、ＡＦＰセル１１０とは別個であり、その下流にある。図９に横から示されるダイアフラム形成セル１１４は、ＡＦＰセル１１０とほぼ同一形状で同一サイズであるフレーム１１４０を含む（膜アセンブリ２２００も受け入れる）。

ダイアフラム形成セル１１４は、別の膜アセンブリ２６００を備える。別の膜アセンブリ２６００は、膜アセンブリ２２００と形態が類似している。それは、フレーム２６０２と、膜２６０４とを備える。フレーム２６０２は、出入り口２６０５を介して膜２６０４の下側と連通する流体チャネル２６０３（図１０）を画定する。チャネル２６０３は、真空ポンプ（図示せず）に接続されている。

ダイアフラム形成セル１１４は、膜２２０４の下に配置された雄の成形型１１４８を含む。

ダイアフラム形成セル１１４は、上から膜２２０４、２６０４に放射熱を向けるように構成されたヒータ２７００を備える。

膜アセンブリ２２００および別の膜アセンブリ２６００の両方は、使用中に±Ｚ方向に移動させることができる。図１０〜図１２は、セル１１４が形成のために堆積された繊維をどのように圧締めすることができるかを示している。

図１０では、膜２６０４が真上にある状態で、堆積された繊維１０が膜２２０４上に載っているのが示されている。別の膜アセンブリ２６００は、それぞれのフレーム２２０２、２６０２の間にシールが作成される（図１１）まで下げられる。この時点で、堆積された繊維１０を含む閉じた空洞２６０４が作成される。

図１２では、空洞２６０４から空気を排出するために（または少なくともその中の圧力を少なくとも著しく低下させるために）チャネル２６０３を通して真空が引き込まれる。膜２２０４、２６０４が堆積された繊維１０を圧締めするまで、空洞はサイズが小さくなる。

図１３を参照すると、フレーム２２０２、２６０２は、ヒータ２７００まで持ち上げられて、スクリムを加熱し、それにより軟化させる。温度を上げることは、スクリム２５０８を粘着性にし、膜２２０４、２６０４の間でトウ１０の層を一緒に保持するように作用する。

次いで、フレーム２２０２、２６０２を雄の成形型１１４８の上に下げて、膜２２０４、２６０４および繊維とその間に保持された粘着性スクリムを所望の３Ｄ形状に変形させる。

コントローラ１１６
コントローラ１１６は、図１４に概略的に示されている。それは、入力／出力モジュール（Ｉ／Ｏ）１１６０、プロセッサ１１６２、メモリ１１６４およびヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ）１１６６を備える。コントローラは、プロセッサ１１６２を使用してメモリ１１６４に格納されたプログラムを処理するように構成される。ＨＭＩ１１６６上で命令を受信し、情報を表示し、Ｉ／Ｏモジュール１１６０を介して装置１００内の様々なサブアセンブリにデータを送受信することができる。

特に、Ｉ／Ｏモジュールは
・巻きほどき装置のモータ１０２４、
・アキュムレータのリニアアクチュエータ１０７６、
・ＡＦＰヘッドの位置を制御するＸ−Ｙモータ２０１６、２０１８、
・ＡＦＰヘッド２４００自体、
・ベッド２１００の回転を制御するモータ、
・ＡＦＰセル内の膜アセンブリ２２００のＺ位置を制御するアクチュエータ、
・コンベア１１２のアクチュエータ、および
・ダイアフラム形成セル、具体的には、
・ヒータ２７００、
・膜アセンブリ２２００および別の膜アセンブリ２６００の動きを制御するアクチュエータ、ならびに
・真空ポンプへの双方向データリンクを有する。

プロセスの説明
形成プロセスに関して、装置は図１５を参照して次のように機能する。

ステップ３０００で、所望の３Ｄプリフォームから２Ｄ形状が生成されるプロセスが開始される。このプロセスはここでは詳細に説明されないが、そのような技術は当技術分野で知られていることが理解されよう。

ステップ３００２で、２Ｄ形状は、形状を作るのに必要なトウの線を表す「ストリップ」に分割される。通常、複数の層はまた、最終部品の要件に応じて異なる方向のストリップで生成される（例えば、４つの層、０度／９０度／０度／９０度が存在する場合がある）。

ステップ３００４で、装置１００が開始される。この状態で、膜２２０４はベッド２１００の上に下げられる。

ステップ３００６で、ＡＦＰヘッド２４００は、ガントリモータ２０１６、２０１８を使用して、トウ１０の第１層の開始位置に移動される。そうするとき、ゲート２３００を通るその結果としての給送はアキュムレータによって取り込まれる。コントローラ１１６は、ヘッド２４００のＸ−Ｙ運動に必要な蓄積レベルを生成するように構成されており、アキュムレータアクチュエータ１０７６は、この蓄積を提供するように調整される。例えば、ヘッド２４００がゲート２３００に向かって移動する場合、アクチュエータ１０７６はシャフト１０７２を上向きに移動させる。ヘッド２４００がゲート２３００から離れる場合、アクチュエータ１０７６はシャフト１０７２を下方に移動させる。シャフト１０７２の位置は、巻きほどき装置に関する限りヘッド２４００が移動しないように、ヘッド２４００のＸＹ位置に完全に依存することに留意されたい。

ステップ３００８で、ＡＦＰヘッドが係合され、トウ１０が、ストリップで、ベッド２１００によって支持された膜２２０４上に堆積される。巻きほどき装置１０２は、トウ１０をボビン１０２８から巻き取ることを可能にするが、コントローラは、モータ１０２４を使用して、これが起きる際にトウ１０の張力を保持する。したがって、コントローラ１１６は、巻きほどき装置１１２とアキュムレータ１０６を同時に制御してトウ１０の張力を保持する。

ステップ３０１０で、トウ１０が切断される（ストリップが完成する）。

ステップ３０１２で、ヘッド２４００は次のストリップの開始位置に移動し、ステップ３００８が繰り返される。

第１層のすべてのストリップが堆積されると、ステップ３０１４で、スクリムの層２５０８がトウの第１層を横切るように引っ張られる。

ステップ３０１６で、トウの次の層の堆積のために、ベッド２１００がコントローラ１１６によって９０度回転される。ヘッド２４００は、トウを一方向にしか堆積させることができないため、ベッド２１００のそのような回転は、異なる向きを有する層に必要であることに留意されたい。

ステップ３０１８で、ガントリモータ２０１６、２０１８を使用して、ＡＦＰヘッド２４００をトウ１０の第２層の開始位置に移動させる。そうするとき、ゲート２３００を通るその結果としての給送はアキュムレータによって取り込まれる。

ステップ３０２０で、ＡＦＰヘッドが係合され、トウ１０が、ストリップで、ベッド２１００によって支持されたスクリム２０１８上に堆積される。巻きほどき装置１０２は、トウ１０をボビン１０２８から巻き取ることを可能にするが、コントローラは、モータ１０２４を使用して、これが起きる際にトウ１０の張力を保持する。したがって、コントローラ１１６は、巻きほどき装置１１２とアキュムレータ１０６を同時に制御してトウ１０の張力を保持する。

ステップ３０２２で、トウ１０が切断される（ストリップが完成する）。

ステップ３０２４で、ヘッド２４００は次のストリップの開始位置に移動され、ステップ３０２０が繰り返される。

第１層内のすべてのストリップが堆積されると、ステップ３０２６で、スクリムの別の層２５０８が、トウの第１層を横切るように引っ張られ、すべての層が堆積されるまで続けられる。

その結果、単方向繊維の交互の層から構築される２Ｄ多軸繊維プリフォームとなる。

このプロセスを通して、補正器１０８は個々のトウの張力の高周波変動を「取り除く」ことに留意されたい。

ステップ３０２８で、膜アセンブリ２２００がベッド２１００から持ち上げられ、コンベア１１２によって形成セル１１４まで移動される。

形成セルに入ると、ステップ３０３０で、別の膜アセンブリ２６００が膜アセンブリ２２００上に下げられ、真空が発生して膜２２０４、２６０４を併せて引っ張り、堆積されたトウおよびスクリムを間に挟む。

膜は、ステップ３０３２で（上記のように）上昇させられ、加熱され、ステップ３０３４で−Ｚ方向に下げられて、膜を変形させ、それにより堆積したトウ１０を変形させる。

ステップ３０３６で、真空が解放されてプレフォームを露出させ、スクリムにより、さらなるレジントランスファー成形作業のためにその形状が保持される。スクリムは、樹脂含浸のためのプリフォームの透過性も促進する。

変形形態
上記の実施形態に関する以下の変形形態は、特許請求の範囲内に含まれる。

アキュムレータおよび／または補正器の機能は、巻きほどき装置のサブアセンブリによって実現でされてもよい。大きなトルクと速い応答時間を備えた適切なサイズのモータが設けられた場合、コントローラの修正が必要にはなるが、別個のアキュムレータおよび／または補正器の必要性をなくすことができる。

膜は、最初の堆積時に２Ｄである必要はない。ＡＦＰヘッドを二次元のみで制御する方が簡単ではあるが、ＡＦＰセルにおいて繊維を最初の３Ｄ形状で膜の上に堆積させ、ダイアフラム形成セルにおいてその次の３Ｄ形状に変形することは本発明の範囲内である。

粉末の堆積手段をガイドフレーム１４０内に設けて、例えばスクリムの機能を補う、またはスクリムに置き換わることができる結合剤の粉末を繊維トウに与えることもできる。粉末の堆積手段は、トウ堆積の直後の粉末堆積のためにＡＦＰヘッドと一緒に組み立てられてもよい。

あるいは、トウ堆積と成形の間に中間の粉末堆積段階があってもよい。この実施形態では、トウの最上層上に粉末トウの層を堆積させることができる。あるいは、堆積後に各層を粉末化することもできる。

レジントランスファープロセスは、形成セルにおいて実行されてもよい。

こうして、前述の方法および装置によって製造された任意のプリフォームを含むプリフォームを製造するための方法および装置が提供される。

Claims (93)

1. 複合材成形作業用のプリフォームの製造方法であって、
   第１の形状の変形可能な表面を設けるステップと、
   繊維配置ヘッドを設けるステップと、
   繊維を可撓性の膜であり得る前記変形可能な表面上に堆積させて、前記第１の形状のプリフォームを形成するステップと、
   前記繊維配置ヘッドおよび前記変形可能な表面の少なくとも一方を互いに対して移動させながら、前記繊維を前記ヘッドから前記変形可能な表面に堆積させて前記第１の形状の前記プリフォームを形成するステップと、
   前記変形可能な表面を変形させ、それにより前記プリフォームを前記第１の形状とは異なる第２の形状に変形させるステップと
   を含む、複合材成形作業用のプリフォームの製造方法。
2. 前記ヘッドは、少なくとも２つの軸で直線状に移動可能である、請求項１に記載の方法。
3. 前記変形可能な表面が、前記ヘッドに対して前記変形可能な表面と交差する軸の周りで回転式に可動である、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記変形可能な表面に２つ以上の繊維層を堆積させるステップ
   を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 各層を堆積する前記ステップの間で、前記膜は、繊維の第１層において、前記繊維が繊維の第２の隣接する層の繊維に対してゼロ以外の角度になるように前記ヘッドに対して回転される、請求項４および請求項３に記載の方法。
6. 繊維材料の隣接する層を結合するように構成された材料を提供するステップと、
   前記材料を前記繊維に塗布するステップと
   を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記結合剤材料が樹脂である、請求項６に記載の方法。
8. 前記結合剤材料が樹脂フィルムまたは樹脂層の形態であり、前記繊維は樹脂の粘着性によって結合されている、請求項７に記載の方法。
9. 前記繊維が前記可撓性の表面上に堆積される前に、前記材料が前記繊維に塗布される、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記繊維が前記可撓性の表面に向かって送られるとき、前記材料が前記繊維に連続的に塗布される、請求項９に記載の方法。
11. 前記材料が粉末結合剤の形態である、請求項６から１０のいずれか一項に記載の方法。
12. 前記繊維が前記可撓性の表面上に堆積された後、前記繊維に前記結合剤材料が塗布される、請求項６から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 繊維の２つ以上の層の少なくとも２つの間に前記材料を塗布するステップ
    を含む、請求項６から１２のいずれか一項に記載の方法。
14. 前記結合剤材料がシートの形態である、請求項６から１３に記載の方法。
15. 前記結合剤材料の温度を調節することにより、前記結合剤材料の粘着性を制御するステップ
    を含む、請求項６から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記繊維を変形させて前記プリフォームを第２の形状で形成するステップの前またはその最中に前記材料の温度を上昇させ、それにより隣接する繊維を結合させるステップ
    を含む、請求項６から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 前記変形可能な表面が可撓性の膜（として定義される）である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. フレームによって支持された前記膜を備える膜アセンブリを設けるステップ
    を含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記フレーム内の前記膜に予め張力をかけるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 表面を有する膜ベッドを設けるステップと、
    前記繊維を堆積させる前記ステップの間、前記ベッドの前記表面で前記膜を支持するステップと
    を含む、請求項１８または１９に記載の方法。
21. 前記膜と前記ベッドの前記表面とが接触するように前記膜アセンブリを前記ベッドの上に下げることができるように、前記ベッドの前記表面が前記フレームの内側に収まる、請求項２０に記載の方法。
22. 別の変形可能な表面を設けるステップと、
    前記繊維を堆積する前記ステップの後、前記堆積された繊維を前記変形可能な表面と前記別の変形可能な表面との間に封入して繊維空洞を形成するステップと、
    前記変形可能な表面および前記別の変形可能な表面を変形させることによって前記繊維を変形させて３Ｄプリフォームを形成するステップと
    を含む、請求項１から２１のいずれか一項に記載の方法。
23. 前記繊維を変形させる前記ステップの前に、前記繊維空洞内の圧力を下げるステップ
    を含む、請求項２２に記載の方法。
24. 圧力が、収束する変形可能な表面および別の変形可能な表面によって、前記堆積された繊維に圧縮力が加えられるレベルまで下げられる、請求項２３に記載の方法。
25. 前記繊維を堆積させる前記ステップが行われる繊維堆積セルを設けるステップと、
    前記変形ステップが行われる別個の形成セルを設けるステップと、
    前記繊維堆積セルと前記形成セルとの間で前記変形可能な表面を搬送するステップと
    を含む、請求項１から２４のいずれか一項に記載の方法。
26. 複合材成形作業用の繊維プリフォームを製造するための装置であって、前記装置が、
    繊維配置ヘッドと、
    変形可能な型と、
    三次元の成形形状と
    を備え、
    変形可能な表面上に繊維を堆積させて、第１の形状のプリフォームを形成するために、前記繊維配置ヘッドおよび前記変形可能な表面の少なくとも一方が互いに対して可動であり、
    前記変形可能な表面上の前記第１の形状の前記プリフォームが、前記第１の形状とは異なる第２の形状に変形されるように、前記変形可能な表面および三次元成形型の少なくとも一方は、他方に対して可動である、複合材成形作業用の繊維プリフォームを製造するための装置。
27. 前記繊維配置ヘッドは、繊維の加熱および／または冷却のための手段を含む、請求項２６に記載の装置。
28. 前記繊維配置ヘッドは、少なくとも２つの軸で直線状に移動可能である、請求項２６または２７に記載の装置。
29. 前記変形可能な表面はほぼ平面であり、それ自体の平面内で回転式に可動である、請求項２６、２７または２８に記載の装置。
30. 前記堆積された繊維に繊維の隣接する層を結合するように構成された材料を塗布するための塗布サブアセンブリ
    を含む、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の装置。
31. 前記塗布サブアセンブリは、前記材料が前記可撓性の表面上に堆積される前に前記材料を前記繊維に塗布するように構成される、請求項３０に記載の装置。
32. 前記塗布サブアセンブリは、前記繊維が前記可撓性の表面に向かって送られるときに、前記繊維に前記材料を連続的に塗布するように構成される、請求項２６から３１のいずれか一項に記載の装置。
33. 前記材料は粉末形態である、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の装置。
34. 前記材料はシートの形態である、請求項２６から３２に記載の装置。
35. 前記材料が室温で粘着性を有する樹脂の形態である、請求項２６から３４のいずれか一項に記載の装置。
36. 前記塗布サブアセンブリは、結合剤材料のロールからの給送を含む、請求項２６から３５に記載の装置。
37. 前記繊維の変形前または変形中に繊維の隣接する層を結合するように構成された前記材料の温度を低下させる、または上昇させるように構成されたエネルギー源を備える、請求項２６から３６のいずれか一項に記載の装置。
38. 前記エネルギー源は、熱を増大させるためのヒータまたは熱を減少させるための冷却器である、請求項３７に記載の装置。
39. 膜アセンブリを備え、前記膜アセンブリは、前記変形可能な表面を画定する前記膜を備え、前記膜がフレームによって支持される、請求項２６から３８のいずれか一項に記載の装置。
40. 前記膜は前記フレーム内で予め張力がかけられている、請求項３９に記載の装置。
41. 繊維堆積中に前記変形可能な表面を支持するための変形不能な表面を有するベッドを備える、請求項２６から４０のいずれか一項に記載の装置。
42. 前記ベッドの前記変形不能な表面は、前記膜アセンブリが前記ベッド上に下げられて前記膜と前記ベッドの前記表面とを接触させ、それにより前記膜に張力をかけることができるように前記フレームの内側に収まる、請求項３９または４０に従属する請求項４１に記載の装置。
43. 前記プリフォームの変形中に、それと前記変形可能な表面との間に前記堆積された繊維を封入するように配置された別の変形可能な表面を備える、請求項２６〜４２のいずれか一項に記載の装置。
44. 前記繊維を変形させる前に、前記変形可能な表面と前記別の変形可能な表面との間の圧力を低下させるように構成された減圧システムを備える、請求項４３に記載の装置。
45. 前記繊維配置ヘッドを備える繊維堆積セルと、
    前記三次元成形型を備える別個の形成セルと、
    前記繊維堆積セルと前記形成セルとの間で前記変形可能な表面を搬送するためのコンベアと
    を備える、請求項２６から４４のいずれか一項に記載の装置。
46. 複合材製造作業において繊維張力を維持する方法であって、前記方法が、
    繊維供給源を設けるステップと、
    繊維配置ヘッドを設けるステップと、
    前記繊維供給源に対して前記繊維配置ヘッドを移動させるステップと、
    前記繊維配置ヘッドの動きに基づいて、前記繊維供給源と前記繊維配置ヘッドとの間の繊維緩衝材の長さを能動的に変えることにより、前記繊維供給源と前記繊維配置ヘッドとの間の前記繊維の張力を維持するステップと
    を含む方法。
47. 前記繊維緩衝材の一部を画定する前記可動繊維ガイドを設けるステップと、
    前記可動繊維ガイドを移動させて前記繊維緩衝材の長さを変えるステップと
    を含む、請求項４６に記載の繊維張力を維持する方法。
48. 繊維張力が低下したとき、前記繊維に対する補正力を高め、繊維張力が上昇したとき、前記繊維に対する前記補正力を低下させることによって前記繊維の張力を維持するステップ
    を含む、請求項４６または４７に記載の繊維張力を維持する方法。
49. 前記繊維に弾性補正力を加えることにより、前記繊維の張力を維持するステップ
    を含む、請求項４８に記載の繊維張力を維持する方法。
50. 弾性式に付勢された繊維ガイドを介して前記弾性補正力を加えるステップ
    を含む、請求項４９に記載の繊維張力を維持する方法。
51. 前記補正力は前記繊維緩衝材の下流に加えられる、請求項４６から５０に記載の繊維張力を維持する方法。
52. 前記補正力は静止位置で加えられる、請求項４６から５１に記載の繊維張力を維持する方法。
53. 前記補正力は受動的に加えられる、請求項４６から５２に記載の繊維張力を維持する方法。
54. 繊維供給源を設ける前記ステップは、複数の繊維の給送を提供する前記ステップを含み、
    前記繊維緩衝材の長さを変える前記ステップは、同時に供給される前記複数の繊維給送の前記繊維緩衝材の長さを変えることを含み、
    前記繊維に対する前記補正力を変化させる前記ステップは、前記複数の繊維給送のそれぞれに個別に独立した補正力を加える前記ステップを含む、請求項４６から５３のいずれか一項に記載の繊維張力を維持する方法。
55. 複合材製造作業用の繊維張力装置であって、
    繊維入力部と、
    繊維を繊維配置ヘッドに送るように構成された繊維出力部と、
    前記繊維入力部と出力部との間の繊維緩衝材と
    を備え、
    前記繊維緩衝材は、前記繊維の所定の張力を維持するために、前記出力部から送られる繊維配置ヘッドの動きに応じて能動的に変化するように構成されている、複合材製造作業用の繊維張力装置。
56. 前記繊維緩衝材の一部を画定する可動繊維ガイドを備える、請求項５５に記載の繊維張力装置。
57. 前記可動繊維ガイドは２つの固定された繊維ガイドの間に配置されて、「Ｕ」字型の繊維緩衝材を形成する、請求項５６に記載の繊維張力装置。
58. 繊維の所定の張力を維持するために前記繊維に補正力を加えるように構成された補正器を備える、請求項５５から５７のいずれか一項に記載の繊維張力装置。
59. 前記補正器は、前記補正力を加えるために弾性的に付勢された繊維ガイドを含む、請求項５８に記載の繊維張力装置。
60. 前記補正器は、前記繊維緩衝材の下流にある、請求項５８または５９に記載の繊維張力装置。
61. 前記補正器は前記繊維配置ヘッドに対して静止している、請求項５８から６０のいずれか一項に記載の繊維張力装置。
62. 前記補正器は受動的である、請求項５８から６１のいずれか一項に記載の繊維張力装置。
63. 前記繊維配置ヘッドの動きに応じて前記繊維緩衝材の長さを能動的に変化させるように構成されたコントローラを備える、請求項５５から６２のいずれか一項に記載の繊維張力装置。
64. 前記コントローラは、前記繊維配置ヘッドの動きを制御する、請求項６３に記載の繊維張力装置。
65. 複合材製造作業において繊維張力を維持する方法であって、
    繊維の供給源を設けるステップと、
    前記繊維の堆積のための表面を設けるステップと、
    張力の下で、前記繊維を第１の方向で前記表面に堆積させるステップと、
    前記繊維を切断するステップと、
    前記切断の上流で前記繊維を把持することによって、切断の前記ステップの後、前記繊維の張力を維持するステップと
    を含む、複合材製造作業において繊維張力を維持する方法。
66. 前記切断の上流で前記繊維を把持することにより切断の前記ステップの後、前記繊維の張力を維持する前記ステップは、前記繊維を把持しながら、前記第１の方向と反対の第２の方向に送ることを可能にするステップを含む、請求項６５に記載の繊維張力を維持する方法。
67. 繊維が一対の転動体の間に把持され、前記一対の転動体の少なくとも一方の回転を制御するステップを含む、請求項６６に記載の繊維張力を維持する方法。
68. 前記繊維の堆積を再開するために前記繊維を前記第１の方向に送るステップ
    を含む、請求項６７に記載の繊維張力を維持する方法。
69. 前記転動体を使用して前記繊維を前記表面に向けて送るステップ
    を含む、請求項６７または６８に記載の繊維張力を維持する方法。
70. 複合材製造作業用の繊維張力装置であって、
    繊維入力部と、
    繊維出力部と、
    前記入力部と前記出力部の間の繊維カッターと、
    前記入力部と前記繊維カッターとの間の繊維把持構成と
    を備え、
    前記装置は、張力の下で、前記表面に堆積される前記出力部からの繊維を第１の方向に送るように構成されており、
    前記繊維カッターは、前記繊維を切断するように構成されており、
    前記繊維把持構成は、切断後に前記繊維を把持することによって前記繊維の張力を維持するように構成されている、複合材製造作業用の繊維張力装置。
71. 繊維把持構成は、切断後に前記第１の方向とは反対の第２の方向に前記繊維を送るように構成されている、請求項７０に記載の繊維張力装置。
72. 前記繊維把持構成は、一対の転動体を備え、前記一対の転動体の少なくとも一方の回転が制御される、請求項７１に記載の繊維張力装置。
73. 前記一対の転動体の前記少なくとも一方がモータによって駆動される、請求項７２に記載の繊維張力装置。
74. 前記モータは、前記繊維の堆積を再開するために前記繊維を前記第１の方向に送るように構成される、請求項７３に記載の繊維張力装置。
75. 前記モータは出力軸を備え、
    前記一対の転動体の前記少なくとも一方はクラッチによって前記モータ軸に接続され、前記クラッチは、
    前記繊維が前記第１の方向に移動するとき、前記一対の転動体の前記少なくとも一方が前記出力軸に対して回転できるようにし、
    前記繊維が前記第２の方向に移動するとき、前記一対の転動体の前記少なくとも一方が前記出力軸に対して回転しないようにするように構成される、
    請求項７３または７４に記載の繊維張力装置。
76. 繊維堆積ヘッドは、表面上に繊維を堆積させるために移動可能に取り付けられる、請求項７０〜７５のいずれか一項に記載の繊維張力装置を備える繊維堆積ヘッド。
77. 複合材製造作業用の繊維プリフォームの製造方法であって、
    繊維供給源を設けるステップと、
    その上に熱応答性材料を有する表面を設けるステップと、
    前記繊維の温度を制御する、または上げるステップと、
    前記温度が上昇した繊維を前記熱応答性材料上に堆積させて、繊維プリフォームを形成するステップと
    を含む、複合材製造作業用の繊維プリフォームの製造方法。
78. 前記繊維の温度を制御する、または上昇させる前記ステップは、
    ヒータを設けるステップと、
    前記ヒータで前記繊維を加熱するステップと
    を含む、請求項７７に記載の繊維プリフォームの製造方法。
79. 前記繊維の前記温度を上昇させる前記ステップおよび前記温度が上昇した繊維を堆積させるステップは、可動の繊維配置ヘッド上で実行される、請求項７７または７８に記載の繊維プリフォームの製造方法。
80. 前記繊維の前記温度を制御して前記繊維の前記温度を低下させる前記ステップ、および前記温度が低下した繊維を堆積させる前記ステップは、可動の繊維配置ヘッド上で実行される、請求項７７に記載の繊維プリフォームの製造方法。
81. その上に熱応答性材料を有する表面を設ける前記ステップは、
    熱応答性材料のシートで前記表面を少なくとも部分的に覆うステップを含む、請求項７７から８０のいずれか一項に記載の繊維プリフォームの製造方法。
82. その上に熱応答性材料を有する表面を設ける前記ステップは、
    粒子状の熱応答性材料で前記表面を少なくとも部分的に覆うステップを含む、請求項７７から８１のいずれか一項に記載の繊維プリフォームの製造方法。
83. 前記熱応答性材料は熱可塑性材料である、請求項７７から８２のいずれか一項に記載の繊維プリフォームの製造方法。
84. 前記表面は繊維の層である、請求項７７から８３のいずれか一項に記載の繊維プリフォームの製造方法。
85. 複合材製造作業のための繊維プリフォームの堆積のための装置であって、
    繊維を表面に堆積させるように構成された繊維配置ヘッドと、
    前記繊維配置ヘッドからの堆積の前に前記繊維の温度を上げるように構成された繊維加熱装置と
    を備える、複合材製造作業のための繊維プリフォームの堆積のための装置。
86. 前記繊維加熱装置は、繊維チャネルに隣接する加熱部材を含む、請求項８５に記載の装置。
87. 加熱された部材が繊維と接触するように配置されている、請求項８６に記載の装置。
88. 前記繊維加熱装置は、前記繊維配置ヘッド上に配置され、前記繊維配置ヘッドは移動可能である、請求項８５から８７のいずれか一項に記載の装置。
89. 請求項８５から８８のいずれか一項に記載の装置と、
    繊維の堆積のための表面であって、その上に熱応答性材料を有する表面とを備える繊維配置システム。
90. 前記表面は、熱応答性材料のシートで少なくとも部分的に覆われている、請求項８９に記載の繊維配置システム。
91. 前記表面は、粒子状熱応答性材料で少なくとも部分的に覆われている、請求項９０に記載の繊維配置システム。
92. 前記熱応答性材料は熱可塑性材料である、請求項８９から９１のいずれか一項に記載の繊維配置システム。
93. 前記表面は繊維の層である、請求項８９から９２のいずれか一項に記載の繊維配置システム。

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