JP2020523230A - 複合材料製の部品を製造する方法、及びこのようにして得られた複合材料部品 - Google Patents

Abstract

複合材料製の部品を製造する方法は、枠の突起部等の周りにフィラメントを巻き付けて作製された、強化繊維格子（Ｆ）の格子を構成する予備成形品（１０）の周囲に、熱可塑性または熱硬化性の基材（Ｍ）を添加することを有する。この方法は、さらに、繊維（Ｆ）を、基材（Ｍ）の内部にある１つ以上の巻き枠（４）に巻き付けることを有し、繊維の格子（１０）に立体的な形状が備わるように、突起部等の軸と１つ以上の巻き枠（４）の軸は向きが異なっている。

Description

発明の詳細な説明

本発明は、繊維で強化された熱可塑性または熱硬化性の基材を含む複合材料製の部品であって、例えば、限定するためではないが、取り付け具等の部品の分野に関する。

「繊維」という語は、強化繊維が存在しうる全ての形態を指すこと、具体的には強化繊維の撚線、リボン、またはコード等を指しているが、これらに限定するものではないことに留意すべきである。

このような複合材料製の部品は、例えば、ＤＥ２９４５４６９、ＦＲ３０３２１４４、ＤＥ１０２０１００２５９４０、およびＷＯ２０１５／０６６４０７に記載されているように、樹脂を含浸させた繊維をピンが突き出ている枠に巻き付けることによって得られた、格子構造を有している。これらのピンは、繊維の向きを好ましくは応力方向にするために、ピン同士の間に繊維を渡して張ることができるようにされている。

スピンドルの配置から、ＷＯ２０１５／０６６４０７の場合のように、繊維は、互いにほぼ平行な、または完全に平行な平面内にそれぞれ延在しており、その結果、このようにして得られた格子構造は、これらの面に平行な方向以外の方向にかけられた応力に最適に対処することができない。

耐性と軽量とを両方備えた機械的構造を生み出す可能性において、強化繊維は有効であると証明されていることが知られている。この有効性は、格子を構成している棒材が引張り応力または圧縮応力を受けているからであり、これらの応力は、棒材の直線部分において均等な応力を発生させることに特に適している。

複合材料では、繊維の圧縮強度は繊維の引張り強度ほど強くはないことがよく知られている。このことは特に、圧縮された状態の繊維が折れ曲がる、繊維が全体的に、または局所的に折れ曲がるという問題に起因している。

このことは、中間の結び目の位置で繊維同士が交差しているときに、その繊維の接合点を不可避的に緩めてしまう圧縮応力からより明白である。

ＦＲ３０３２１４４では、繊維は格子として第１予備成形品内に配置されており、第１予備成形品は、成形可能な第２予備成形品を形成するために圧縮されている。この圧縮段階は、格子を形成する棒材が真直ではなくなることを誘発する。さらに、これらの棒材がその端部で押し潰されて、寄生応力を棒材に発生させることもあり得る複雑な形状を生み出す。

さらに、その押し潰される段階の最中、繊維は、末端の部分にかなりの内部応力がかかる引っ張り過剰になるか、またはひだが発生する引っ張り不足となる。

圧縮状態にある薄い繊維に応力をかけることができるためには、以下の３つの条件、すなわち、繊維は完全に直線状でなければならない、繊維の主方向に交差する方向に変形または変位が生じた際に繊維が固定されなければならない、いかなる寄生応力も発生させることなく、機械的な動きを繊維に加わるようにしなければならないという、３つの条件を満たさなければならない。

繊維を織り合わせることによって形成した格子構造の場合、繊維の網状構造により、引っ張る力がしっかり吸収される。その理由は、この応力が繊維同士の交差で形成された結び目を固くするからである。

一方、繊維を圧縮すると結び目は緩みやすくなる。繊維同士の交差に起因して繊維の形状が曲がると、圧縮状態で押された繊維が局所的に曲がってきて、ひいては、繊維が全体的に折れ曲がるように進展していく。

本発明の目的は、複合材料製の部品を製造する方法、より詳細には、複合材料製の部品の格子構造を、上記で規定した３つの条件を満たしながら製造する方法、及びこのようにして得られた部品であって、圧縮性の機械的強度を有している部品を提供することによって、様々な上述の欠点に対処することである。

本発明にかかる複合材料製の部品を製造する方法は、枠の突起部等の周りにフィラメントを巻き付けて作製された、強化繊維格子で構成された予備成形品の周囲に、熱可塑性または熱硬化性の基材を添加することを有し、この方法は、さらに、繊維を、基材の内部にある１つまたは複数の巻き枠に巻き付けることを有し、繊維格子に立体的な形状が備わるように、突起部等の軸と１つまたは複数の巻き枠の軸は向きが異なっている、ことを特徴としている。

本発明にかかる方法のさらなる特徴によれば、格子構造を形成する棒材を形成するために、巻き付けは内部の巻き枠の各対の間で行われる。

本発明にかかる方法の別のさらなる特徴によれば、１対の巻き枠のうちの２つの巻き枠の間での巻き付けは、２つの巻き枠を接続する棒材内部に、少なくとも１つの繊維の交差を生じさせるように、一方の巻き枠の一側部または他側部及び／または他方の巻き枠の一側部または他側部に渡すことによって行われる。

本発明にかかる方法の別のさらなる特徴によれば、１つの巻き枠から他の巻き枠へと繊維を巻き付けて棒材を作製することを始める前に、巻き枠の周囲への１回または複数回の完全な巻き付けを行う。

本発明にかかる方法の別のさらなる特徴によれば、棒材を作製するための巻き付けを行っている最中及び／または行った後に、棒材を形成する繊維の間にある巻き枠の周囲への１回または複数回の完全な強固巻き付けが行われる。

本発明にかかる方法の別のさらなる特徴によれば、予備成形品の周囲への熱可塑性または熱硬化性の基材の添加は、浸漬、または噴霧、またはオーバーモールド成形のいずれかによって行われる。

有利には、巻き枠はまた、末端部分の境界面の形態を成していてもよい。

１つまたは複数の内部巻き枠により、中間の結び目を作ることができ、中間の結び目により、平面の向きを平行ではない別の平面に変えることができ、ひいては、複雑かつ全体的に立体的な形状を作成することができる。

巻き付ける工程は適切に自動化が可能であり、これらの繊維の真直性が保証される張力を維持しながら繊維を積層することができる。

この局所的な巻き付けは、耐性と最小限の剛性とを有する結び目を得るのに役立つ、巻き枠の周囲への最初の巻き付けによって結び目の形状を事前に作製する段階、そして、棒材を作製する巻き付けの最中またはその後に行う強固巻き付けによって、強固な棒材を作製する巻き付けに分けることができる。

繊維を含浸する熱可塑性樹脂を用いる場合、巻き付けは、繊維を加熱し、その後、全体的な結合を得るために、予備成形品全体を冷却することによって行われる。

繊維を含浸する熱硬化性樹脂を用いる場合、巻き付けは、繊維を十分に加熱し、その後、必要ならば架橋温度への転移のある全体的な結合をもたらすために、予備成形品全体を冷却することによって行われる。

このようにして形成された予備成形品を、次に、好ましくは繊維を含浸するのに用いたものと同じ材料でできた基材であり、これに限定されない基材で覆うのであるが、繊維格子を被覆するのに十分な流動性を有するために推奨される温度の基材を構成する材料浴内に浸漬すること、あるいは、先に型内に配置されていた格子に加えて、射出される部品の充填量を噴霧または型内で成形すること、のいずれかによって覆う。

繊維の優れた真直性を得ることを可能にする本発明にかかる方法に加えて、この方法は、結果として、使用する強化繊維を少なくすることができる。

さらに、本発明にかかる方法は、より軽量であり、ひいては、より低コストの部品を作製できる。

本発明にかかる方法及びそれにより実現可能な部品の利点及び特徴は、限定を目的としない、いくつかの実施形態を示す、添付の図面を参照する以下の説明からより明確になるであろう。

本発明にかかる方法により製造中の平面状連接棒の概略図を示す。 本発明にかかる方法により製造中の平面状連接棒の概略図を示す。 同じ連接棒の変形例の概略図を示す。 同じ連接棒の一部の部分略断面図を示す。 本方法に従って製造された複合材料製の部品の略斜視図を示す。 本方法に従って製造された複合材料製の部品の略斜視図を示す。 本方法に従って製造された複合材料製の部品の略斜視図を示す。 本方法に従って製造された複合材料製の部品の略斜視図を示す。

図１及び図２を参照すると、本発明にかかる方法を実施することにより製造された、複合材料製の平面状連接棒１を理解できる。

より詳細には、図１は、フィラメントを巻き付けて作製された、強化繊維Ｆの格子構造１０を製造する最初の工程を示している。

繊維Ｆは、強化繊維の撚線、リボン、またはコードからなってもよいがこれらに限定されず、連接棒１の２つの接眼レンズを形成するための２つの滑車２，３の間に巻き付けられている。２つの滑車２，３は、図示されていない枠によって担持されている。

本発明によれば、枠はまた、滑車２，３の間に配置された巻き枠４、すなわち中間滑車を担持しており、巻き枠４にも繊維Ｆが巻き付けられている。

これらの巻き枠４または中間滑車は、巻き枠４の各対の間に、格子構造１０を形成する棒材５を形成することができる。

図２では本方法の次の工程が理解でき、この工程は、格子構造１０に熱硬化性または熱可塑性の基材Ｍを成形することを有し、場合によっては、巻き枠４と棒材５とがこの基材Ｍ内に埋め込まれていてもよい。

次に図３を参照すると、本発明にかかる方法は、特に巻き枠４が所定の直径を有している場合に、格子構造１０を作成する複数の可能性を実現することが理解できる。

これにより、巻き枠４に巻き付ける方向を変更する際に、巻き枠４の片側またはもう片側に渡して、繊維Ｆを棒材５に対して斜めに伸ばすことができる。

巻き枠４は、繊維による格子を最適化できるように、巻き枠４が直行していたり交差していたり、また１つであったり複数であったりと変更が可能である。

留意すべきことは、基材Ｍの成形が図示されていない型内で行われることであり、この場合は成形前に、各々が格子構造１０で構成されている複数の予備成形品が配置されていてもよいということである。

また留意すべきことは、図１，２及び３において、本発明によれば、平面図ではわからないが、巻き枠４は同一平面内になくてもよく、その結果、棒材５はそれぞれ、巻き枠４の軸に直交していない平面内で傾斜しているということである。

図４を参照すると、巻き枠４または中間滑車を理解できる。この巻き枠４は、この非限定的実施形態では、シャフト４０と２つの側面フランジ４１とを備えている。

このような巻き枠４であれば、繊維Ｆがそれぞれ、シャフト４０の軸に直交していない平面に延在することが可能になることは理解されよう。

本発明によれば、繊維Ｆをこのような巻き枠４の位置で巻き付けることは、いくつかの段階に分けられる。最初の工程において、最初の巻き付け４２は、耐性と最小限の剛性とを備えて形成される結び目を得るために、フランジ４１同士の間にあるシャフト４０の周囲で行われる。次に、別の巻き枠４に対して巻き付けが行われて、棒材５が形成され、最後に、棒材５を形成する巻き付けを行っている間、及び／または巻き付けを行った後、シャフト４０の周囲で棒材５を形成する繊維Ｆの間において巻き付け４３が行われる。

これらの巻き付けの目的は、巻き付けられた領域が圧縮状態にある際の変形を阻止することであるが、必要に応じて、折れ曲がりやすい棒材５の長さを削減することでもある。

図５，６，７及び８を参照すると、本発明にかかる方法を実施することによってそれぞれが製造された複合材部品６，７，８，９を理解できる。

繊維の巻き付けは、互いに平行ではない軸を有する２つの巻き枠４の間で行われ得ることを確認できる。このようにして得られた巻き付けは、棒材５を形成する繊維のビーム５０の真直性を満たしながら、全体的にねじれている。

巻き枠４の直径の選定と関連するこのねじれによって、場合によっては面外耐性を有する立体的な繊維形成を行うことができる。

留意すべきは、これらの部品６，７，８，９のいくつかの巻き枠４が境界面の形態を成すことである。

格子１０を形成する棒材５の圧縮段階中における機械的強度を有する嵩のある部品の、繊維形成を最適化するのに適した、立体的な繊維格子を作り出すことは可能である。

Claims (7)

1. 複合材料製の部品を製造する方法であって、枠の突起部等の周りにフィラメントを巻き付けて作製された、強化繊維格子（Ｆ）からなる予備成形品（１０）の周囲に、熱可塑性または熱硬化性の基材（Ｍ）を添加することを有し、前記方法は、さらに、前記繊維（Ｆ）を、前記基材（Ｍ）の内部にある１つ以上の巻き枠（４）に巻き付けることを有し、繊維の前記格子（１０）に立体的な形状が備わるように、前記突起部等の軸と前記１つ以上の巻き枠（４）の軸は向きが異なっている、方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   前記格子構造（１０）を形成する棒材（５）を形成するために、巻き付けは、内部の巻き枠（４）の対の間で行われる、方法。
3. 請求項２に記載の方法であって、
   １対の巻き枠（４）の２つの巻き枠（４）の間での巻き付けは、前記２つの巻き枠（４）を接続する前記棒材（５）内部に、少なくとも１つの繊維（Ｆ）の交差を生じさせるように、一方の巻き枠（４）の一側部または他側部、及び／または、他方の巻き枠（４）の一側部または他側部に渡すことによって行われる、方法。
4. 請求項２または請求項３に記載の方法であって、
   １つの巻き枠（４）から他の巻き枠（４）へと前記繊維（Ｆ）を巻き付けて棒材（５）を作製することを始める前に、前記巻き枠（４）の周囲への１回以上の完全な巻き付けを行う、方法。
5. 請求項２〜４のうちのいずれか１項に記載の方法であって、
   前記棒材（５）を作製するための巻き付けを行っている最中及び／または行った後に、前記棒材（５）を形成する前記繊維（Ｆ）の間にある前記巻き枠（４）の周囲への１回または複数回の完全な強固巻き付けが行われる、方法。
6. 請求項１〜５のうちのいずれか１項に記載の方法であって、
   前記予備成形品（１０）の周囲への熱可塑性または熱硬化性の基材（Ｍ）の添加は、浸漬、または噴霧、またはオーバーモールド成形のいずれかによって行われる、方法。
7. 枠の突起部等の周りにフィラメントを巻き付けて作製された強化繊維格子（Ｆ）で構成されていて、熱可塑性または熱硬化性の基材（Ｍ）が添加されている、予備成形品（１０）で構成されている、複合材料（１；６；７；８；９）製の部品であって、請求項１〜６のうちのいずれか１項に記載の方法によって得られる、部品。

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