JP2022539113A - 繊維強化複合材管状シャフトおよびその製造 - Google Patents
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Abstract
Description
Bn=f(xn B,yn B)、ここで、
Bは直交座標系に対する内縁部の位置であり、
n=巻き付けられたプリフォーム層の回転数であり、
xn B=f(ci,e)、ここで、ci=Bnにおける巻き付けられたプリフォーム層の円周、およびe=プリフォーム層の厚さであり、
Bn=f(xn B,yn B)、ここで、
Bは直交座標系に対する内縁部の位置であり、
n=巻き付けられたプリフォーム層の回転数であり、
Claims (45)
- 繊維強化樹脂マトリックス複合材料で構成された長尺管状シャフトを製造する方法であって、前記方法は、
a)長尺のマンドレルを提供するステップであって、前記マンドレルは、縦軸と、前記縦軸に沿って互いに離間した対向する第1および第2の末端と、前記縦軸に沿って延在する前記マンドレルの長さの少なくとも一部に沿って非円筒形である外周面とを有する、ステップと、
b)繊維強化材を備えるプリフォーム層を提供するステップであって、前記プリフォーム層は、互いに離間している第1および第2の末端部分と、互いに離間している内縁部および外縁部とを有し、前記内縁部および外縁部は、前記第1の末端部分から前記第2の末端部分まで延在し、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、少なくとも前記内縁部は非線形であり、前記内縁部および外縁部の間の間隔は、前記第1および第2の末端部分の間に延在する前記プリフォーム層の長さに沿って変化する、ステップと、
c)前記内縁部が前記マンドレルに向かって配向され、前記外縁部が前記マンドレルから離れる方に配向される開始構成で、前記マンドレルの前記第1の末端に隣接して前記プリフォーム層の前記第1の末端部分を配置するステップと、
d)前記マンドレルの前記外周面が、長尺チューブを形成するために巻き付けられた前記プリフォーム層によって徐々に覆われるように、前記マンドレルの周りに前記プリフォーム層を巻き付けるステップであって、これにより、前記長尺チューブ内で、前記内縁部が前記マンドレルの前記外周面に接触し、前記外縁部が前記長尺チューブの前記外周面に配置され、前記巻きステップの間、前記マンドレルおよび前記プリフォーム層は、前記マンドレルの前記縦軸に沿った回転軸の周りで相対的に回転され、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層の前記第1の末端部分から前記第2の末端部分まで、前記マンドレルの前記縦軸に垂直な供給路に沿って前記マンドレル上に継続的に供給される、ステップと、
e)前記プリフォーム層から形成された繊維強化樹脂マトリックス複合材料で構成された長尺管状シャフトを形成するために、前記マンドレル上に前記長尺チューブを成形するステップと
を備え、
ステップe)の前または最中に、前記プリフォーム層の前記繊維強化材と接触して樹脂材料が提供され、ステップe)の最中に、前記樹脂材料は前記繊維強化材を組み込む樹脂マトリックスを形成し、
ステップb)において、前記プリフォーム層の前記内縁部は、ステップd)において、前記内縁部が前記マンドレルの前記外周面と継続的に一致し、前記長尺チューブが前記縦軸の周りに螺旋を形成する複数の巻き付け層を備えるように、成形および寸法決めされ、各巻き付け層は、前記縦軸と平行である、方法。 - 各巻き付け層にはしわがなく、前記巻き付け層の各領域は、前記縦軸と一貫して整合している、請求項1に記載の方法。
- ステップd)において、前記長尺チューブの前記長さの少なくとも一部に沿って、前記内縁部の少なくとも一部と非円筒形の前記マンドレルの前記外周面の領域との間の接触は、前記マンドレルの前記外周面と一致する、複数の前記巻き付け層に沿って延在する連続内側螺旋線を形成する、請求項1または請求項2に記載の方法。
- 前記連続内側螺旋線は、前記巻き付け層の連続する螺旋回転の間に均一なピッチを有する、請求項3に記載の方法。
- 前記連続内側螺旋線は、前記巻き付けられたプリフォーム層の少なくとも2つの巻き付け層に沿って延在する、請求項3または請求項4に記載の方法。
- ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、前記内縁部の少なくとも一部が湾曲するように成形および寸法決めされる、請求項1から5のいずれか一項に記載の方法。
- ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、前記内縁部の前記部分が凸状に湾曲するように成形および寸法決めされる、請求項6に記載の方法。
- ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォームが平面構成であるとき、前記内縁部の少なくとも一部が、x軸およびy軸を有する直交座標系を使用して、以下の関係によって定義されるように成形および寸法決めされ、前記x軸は、前記第1および第2の末端部分の間の間隔と平行であり、前記回転軸と平行であり、前記y軸は、前記内縁部および外縁部の間の間隔と平行であり、
Bn=f(xn B,yn B)、ここで、
Bは前記直交座標系に対する前記内縁部の位置であり、
n=前記巻き付けられたプリフォーム層の回転数であり、
xn B=f(c,e)、ここでc=Bnにおける巻き付けられたプリフォーム層の円周、e=前記プリフォーム層の厚さであり、
請求項1から7のいずれか一項に記載の方法。 - 非円筒形である前記外周面は円錐台形である、請求項1から8のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外周面は、前記円錐台表面の少なくとも1つの末端で前記円錐台表面に隣接した円筒面をさらに備え、ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、ステップd)で前記円筒面に接触する前記内縁部の第2の部分が、ステップc)およびd)において線形であり、前記縦軸と平行になるように、成形および寸法決めされる、請求項9に記載の方法。
- 前記外周面は、前記円錐台表面と反対の方向に傾斜した第2の円錐台表面をさらに備え、前記第2の円錐台表面は、前記円錐台本の末端に隣接するかまたは離間しており、ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、ステップd)で前記第2の円錐台表面に接触する前記内縁部の第3の部分が、ステップc)およびd)において、前記内縁部に切り込まれて前記縦軸に対して傾斜した凹状開口の一部となるように、成形および寸法決めされる、請求項9または請求項10に記載の方法。
- 前記円錐台表面は、前記マンドレルの前記縦軸に対して角度αで傾斜しており、ステップ(b)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォームが平面構成であるとき、前記内縁部の前記湾曲部分が、x軸およびy軸を有する直交座標系を使用して、以下の関係によって定義されるように成形および寸法決めされ、前記x軸は、前記第1および第2の末端部分の間の間隔と平行であり、前記回転軸と平行であり、前記y軸は、前記内縁部および外縁部の間の間隔と平行であり、
Bn=f(xn B,yn B)、ここで、
Bは前記直交座標系に対する前記内縁部の位置であり、
n=前記巻き付けられたプリフォーム層の回転数であり、
請求項9から11のいずれか一項に記載の方法。 - ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、前記内縁部の反対の、前記外縁部の少なくとも一部が湾曲するように成形および寸法決めされ、ステップd)において、前記長尺チューブの前記長さの少なくとも一部に沿って、前記外縁部の前記湾曲部分が連続外側螺旋線を形成する、請求項1から12のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外縁部の前記部分が凹状に湾曲している、および/または凸状に湾曲している、請求項13に記載の方法。
- 前記連続外側螺旋線は、前記長尺チューブがその前記部分に沿って一定の厚さを有するように、前記複数の巻き付け層に沿って前記連続内側螺旋線から等距離にある、請求項3またはこれに従属する任意の請求項に付随するときの、請求項13または請求項14に記載の方法。
- ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、前記外縁部の少なくとも一部が線形となるように成形および寸法決めされ、ステップc)およびd)において、前記外縁部の前記線形部分がステップc)およびd)における前記縦軸と平行であり、前記線形部分によって形成された前記長尺チューブの前記外面が円筒形である、請求項1から15のいずれか一項に記載の方法。
- 前記外周面は、前記円錐台表面の少なくとも1つの末端で前記円錐台表面に隣接した円筒面をさらに備え、ステップb)において、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、ステップd)で前記円筒面に接触する前記内縁部の第2の部分が、ステップc)およびd)において線形であり、前記縦軸と平行になるように、成形および寸法決めされる、請求項16に記載の方法。
- 前記外周面は、前記円錐台表面と反対の方向に傾斜した第2の円錐台表面をさらに備え、前記第2の円錐台表面は、前記円錐台本の末端に隣接するかまたは離間しており、前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層が平面構成であるとき、ステップd)で前記第2の円錐台表面に接触する前記内縁部の第3の部分が、ステップc)およびd)において、前記内縁部に切り込まれて前記縦軸に対して傾斜した凹状開口の一部となるように、成形および寸法決めされる、請求項16または請求項17に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は、一定の厚さまたは可変の厚さを有する、請求項1から18のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は、前記繊維強化材が前記樹脂によって少なくとも部分的に含浸されているプリプレグを備える、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は、乾燥繊維強化材層と、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂で構成された樹脂層とを備え、前記プリフォーム層および前記樹脂層は、互いに積み重ねられる、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリフォーム層の樹脂は、ステップd)の前に部分的または全体的に予備硬化される、請求項20または請求項21に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は乾燥繊維強化材を含み、ステップd)とe)との間に、前記樹脂が、液体樹脂として前記乾燥繊維強化材に注入される、請求項1から19のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層または前記繊維強化材の表面上に、コア材料および/または接着材料をさらに備える、請求項1から23のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は、前記繊維強化材の複数のプライのスタックを備える、請求項1から24のいずれか一項に記載の方法。
- 前記繊維強化材は、ステップc)の間に前記縦軸と平行に整合され、ステップd)の間に前記縦軸の周りの円筒座標系に対して一定に配向されたまま維持される構造繊維を備える、請求項1から25のいずれか一項に記載の方法。
- 前記構造繊維は一方向(UD)繊維プライに含まれる、請求項26に記載の方法。
- ステップd)の間、(i)前記マンドレルが、前記マンドレルの周りに前記プリフォーム層を巻き付けるために前記回転軸の周りで回転されるか、または(ii)前記マンドレルは回転的に静止しており、前記プリフォーム層が、前記マンドレルの周りに前記プリフォーム層を巻き付けるために前記回転軸の周りで回転される、請求項1から27のいずれか一項に記載の方法。
- 前記プリフォーム層は、前記プリフォーム層の厚さを通って延在する1つ以上の穴を備え、前記各穴は、前記第1および第2の末端部分ならびに前記内縁部および外縁部の内側に位置している、請求項1から28のいずれか一項に記載の方法。
- 繊維強化樹脂マトリックス複合材料で構成された長尺管状シャフトであって、前記シャフトは、巻き付け層のスタックを備える長尺管状体を備え、各巻き付け層は、樹脂マトリックスの繊維強化材を備え、前記長尺管状体は、前記長尺管状体の長さの少なくとも一部に沿って非円筒形の幾何学的形状を有する第1の表面部分を有する長尺内周面と、長尺外周面とを有し、繊維強化材の前記巻き付け層のスタックは繊維層を備え、前記繊維層は、繊維強化材の少なくとも1つのプライを備え、前記繊維層は、前記巻き付け層のスタックを形成するために、前記長尺管状体の縦軸の周りに螺旋状に巻き付けられ、各巻き付け層は前記縦軸と平行であり、前記第1の表面部分を周方向に囲む前記巻き付け層のスタックの一部において、前記繊維層は、前記部分内の前記長尺内周面の半径の変化と共に非線形に変化する一定でない幅を有し、前記繊維強化材は、前記長尺管状体の前記長さに沿って、前記長尺管状体の前記縦軸の周りの円筒座標系に対して一定に配向された繊維を備え、任意の前記部分の前記繊維配向は、その部分の前記長尺内周面および長尺外周面の前記幾何学的形状とは無関係である、長尺管状シャフト。
- 前記第1の表面部分に沿って、前記繊維層の内縁部は、前記内周面と一致しており、複数の前記巻き付け層に沿って延在する連続内側螺旋線を形成する、請求項30に記載の長尺管状シャフト。
- 前記連続内側螺旋線は、前記巻き付け層の連続する螺旋回転の間に均一または不均一なピッチを有する、請求項31に記載の長尺管状シャフト。
- 前記連続内側螺旋線は、前記巻き付け層のうちの少なくとも10個に沿って延在する、請求項31または請求項32に記載の長尺管状シャフト。
- 前記内縁部の少なくとも一部は、前記縦軸に直交して延びる横断面に対して湾曲している、請求項31から33のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記内縁部の前記湾曲部分は、前記繊維層に対して凸状に湾曲している、請求項34に記載の長尺管状シャフト。
- 前記第1の表面部分は円錐台形である、請求項30から35のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記長尺内周面は、前記第1の表面部分の少なくとも1つの末端で前記第1の表面部分に隣接している円筒面をさらに備え、前記繊維層は、前記円筒面を画定する末端部分を有し、線形であって前記縦軸と平行な縁部を有する、請求項30から36のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記長尺内周面は、非円筒形の幾何学的形状を有し、前記第1の表面部分と反対の方向に傾斜している第2の表面部分をさらに備え、前記第2の表面部分は、前記第1の表面部分の末端に隣接するかまたは離間している、請求項30から37のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記長尺外周面は非円筒形の幾何学的形状を有する、請求項30から38のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記長尺外周面は円筒形の幾何学的形状を有する、請求項30から38のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記長尺管状体は、その前記長さの少なくとも一部に沿って一定でない厚さを有する、請求項30から40のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記長尺管状体は、その前記長さの少なくとも一部に沿って一定な厚さを有する、請求項30から40のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記繊維強化材は、前記チューブの前記縦軸の周りの円筒座標系に対して一定に配向された構造繊維を備える、請求項30から42のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
- 前記構造繊維は一方向(UD)繊維プライに含まれる、請求項43に記載の長尺管状シャフト。
- 繊維強化材の対向する層の間に挟まれたコア材料をさらに備える、請求項30から44のいずれか一項に記載の長尺管状シャフト。
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