JP2022554268A - 細長い構造プロファイル用の熱可塑性複合編組プリフォームおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

連続繊維熱可塑性複合構造プロファイル用の熱可塑性複合プリフォーム、および炭素繊維などの高強度繊維と混合され、自動プレス成形に適した複雑なプリフォームに編まれた熱可塑性フィラメントを利用する構造プロファイル用のシステムおよび製造方法が開示される。従来の剛性熱可塑性プリプレグ材料形態の代わりに可撓性プリフォームを利用することで、自動化されたプロセスによる直線形状と曲線形状との両方を含む複雑な形状の製造が可能になる。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、その開示全体が参照により本明細書に組み込まれる同時係属中の２０１９年１１月６日に出願された米国仮特許出願第６２／９３１，６４２号の３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づく優先権を主張する。

本発明は、概して、構造プロファイル用の熱可塑性複合編組プリフォーム、ならびに熱可塑性複合構造プロファイルを製造するためのシステムおよび方法に関する。

航空機やその他の軽量車両構造のストリンガ、スキン補強材、および接合要素として、Ｉビーム、チャネル、帽子型部分、角、Ｔ字型部分、パイまたはπ字型部分などの構造プロファイルが一般的に使用される。従来の金属製の機体および車両構造では、これらのプロファイルは通常、アルミニウムから押し出され、構造に合うように真っ直ぐに使用されるか、成形されて使用される。

炭素繊維やエポキシなどの軽量複合材料は、航空宇宙、飛行、およびその他の乗り物用途での補強材および接合要素の強度を高め、重量を低減する。熱可塑性マトリックス複合材料は、迅速な非オートクレーブ加工の可能性と材料の固有の靭性のためにも魅力的である。ただし、複合材料の現在の最先端技術は、熱硬化性プリプレグ材料の層を工具にラミネートし、固化のために真空バッグを使用し、オーブンまたはオートクレーブで硬化させることである。

航空宇宙グレードの熱可塑性複合材料は、材料が硬く、複雑な構造形状のレイアップ中に鋭い角の周りで曲げるために局所的に加熱する必要があるため、複雑で小さな断面の細長い構造プロファイルを作製するための固有の製造およびコストの課題がある。

一方向テープや織布などの熱可塑性材料は硬く、粘着性がないため、複雑なプリフォームにすることも困難である。例えば、材料が互いに約９０度の角度にある＋／－４５度の層が、Ｔ字型部分の角の周りに形成される場合、マトリックス樹脂を溶融し、構造形状の角の周りに材料を形成するために、硬い従来の材料を加熱する必要がある。

従来の熱可塑性プリプレグ材料を使用した長くて複雑な断面構造プロファイルの製造も、時間がかかり、困難であり、そしてコストがかかる。従来のプリプレグ熱可塑性一方向テープも、軸方向の補強材として使用する場合、湾曲した形状に曲げることができない。一方向テープは、狭い幅に切断またはカットした場合でも、剛性が高すぎて、繊維を座屈させずに横方向に湾曲した部品を作製できない。また、従来の熱可塑性プリプレグテープの層がある場合、湾曲した形状を形成する前に、層が互いにスリップする必要があり、そうしないと、座屈する。

したがって、本発明および開示は、構造プロファイル用の可撓性熱可塑性複合編組プリフォームを提供するとともに、従来の剛性熱可塑性プリプレグ材料形態の代わりに可撓性プリフォームチューブを利用して熱可塑性複合構造プロファイルを製造するための改善された方法を提供する。

本発明を要約する目的で、本発明の特定の態様、利点、および新規の特徴が本明細書に記載されている。本発明の任意の１つの特定の実施形態に従って、必ずしもすべてのそのような利点が達成され得るとは限らないことが理解されるべきである。したがって、本発明は、本明細書で教示または示唆され得る他の利点を必ずしも達成することなく、本明細書で教示される１つの利点または一群の利点を達成または最適化する方法で具体化または実行され得る。

本発明および開示は、構造プロファイルを製造するための熱可塑性複合編組プリフォームチューブ、および従来の剛性熱可塑性プリプレグ材料形態の代わりに可撓性編組プリフォームチューブを利用して熱可塑性複合構造プロファイルを製造するための改善された方法を提供する。

編組プリフォームチューブは、熱可塑性ポリマーフィラメントと混合された炭素繊維から作られ、管形状に編組される。これにより、自動プロセスによって直線または湾曲した細長い熱可塑性複合構造プロファイル形状を作製することができる。編組プリフォームチューブは可撓性があるため、長い長さで製造し、スプールに巻き上げることができる。これにより、構造プロファイルの自動ステップ成形が容易になる。

編組プリフォームチューブは、平坦ビーム、Ｉビーム、チャネル、帽子型部分、角、Ｔ字型部分、パイ字型部分などの完成した構造プロファイル形状を製造するためのプリフォームとして後に使用される。編組円周の変化と編組プロセスでの一方向混合トウの組み込みとにより、最適化された繊維構造で細長い構造プロファイル形状を作製するのに適した編組プリフォームチューブを作成することができる。

１つまたは複数の編組プリフォームチューブを単一の編組管に挿入して、より厚いプロファイルを作製することもできるが、これは短い長さの編組に対してのみ行うことができ、連続的な自動ステップ形成には適さない。ただし、１つまたは複数の編組プリフォームチューブを重ねて材料の厚さを増やすことができ、このアプローチは連続自動ステップ成形において利用することができる。

所望の構造プロファイル形状は、熱可塑性フィラメントが溶融するまでセグメント化された工具を加熱し、適切な形状のセグメント化された工具で編組プリフォームチューブを形成および圧縮することによって生成される。熱可塑性フィラメントは溶融し、流動し、炭素フィラメントを取り囲むポリマーマトリックスを形成する。次に、セグメント化された工具が、熱可塑性プラスチックの融点よりも低い温度に冷却され、その時点で、構造プロファイルがセグメント化された工具から除去される。

代替の実施形態では、編組プリフォームチューブ自体を、熱可塑性フィラメントの融点より上まで加熱し、次に、セグメント化された工具に機械的に引き込んでもよい。次に、セグメント化された工具を閉じて、熱可塑性フィラメントの融点よりも低い温度で、セグメント化された工具を使用して構造プロファイルを形成および固める。この実施形態では、セグメント化された工具を大幅に加熱する必要はなく、セグメント化された工具は、構造プロファイルを冷却するためのヒートシンクとして機能し得る。

構造プロファイルのエッジのトリミングには時間がかかり、環境と健康の両方に危険を及ぼすほこりや破片が発生し、誤って行うと部品のスクラップにつながり得る。エッジトリムを必要としない形状に部品ネットを成形することが望ましいであろう。したがって、本発明および開示の別の実施形態は、エッジトリムが必要とされないような方法で、混合された編組プリフォームチューブを使用して構造プロファイルを成形することである。

本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用することができる代替の実施形態では、編組プリフォームチューブの全周または編組プリフォームチューブの選択された部分のいずれかに対して、編組プロセスに軸方向の０度混合炭素および熱可塑性フィラメントトウを導入することも可能である。

本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用することができるさらなる代替の実施形態として、編組プリフォームチューブに１つまたは複数の引抜成形されたロッドを組み込んで、構造プロファイルのフランジを補強することにより、過度の重量を伴わない追加の構造強度が構造プロファイルに組み込まれる。一実施形態では、引抜成形されたロッドは、構造プロファイルのフランジ上の「ビード」として混合された熱可塑性マトリックスを有する一方向炭素繊維であり得る。

本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用することができるさらなる代替の実施形態として、適切な点で編組プリフォームチューブに少量の軸方向トウを組み込んで、引きひもとして使用し、セグメント化された工具内で編組プリフォームチューブを配置し、セグメント化された工具が閉じている間、所定の位置に保持するのに役立てることができる。

本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用することができるさらなる代替の実施形態では、可撓性の編組プリフォームチューブを作成することにより、ステップ成形機を使用するステップ成形プロセスによる自動加工が可能になる。

したがって、本発明の１つまたは複数の実施形態は、既知の先行技術の１つまたは複数の欠点を克服する。

例えば、一実施形態では、構造プロファイルの製造方法は、複数の混合構造繊維を提供するステップと、複数の混合構造繊維を編組プリフォームチューブに編組するステップと、編組プリフォームチューブをセグメント化された工具に挿入するステップと、セグメント化された工具を加熱して、編組プリフォームチューブを溶融するステップと、セグメント化された工具に圧力を加えて、編組プリフォームチューブを構造プロファイルに形成し、固めるステップと、構造プロファイルを冷却するステップと、セグメント化された工具から構造プロファイルを除去するステップと、を含む。

この実施形態では、この方法は、複数の混合構造繊維が、複数の炭素繊維および複数の熱可塑性ポリマーフィラメントを含むこと、事前に引抜成形されたロッドを編組プリフォームチューブに挿入するステップ、少なくとも１つの引きひもを使用して、セグメント化された工具に編組プリフォームチューブを固定するステップ、編組プリフォームチューブに０度の軸方向トウを挿入するステップ、セグメント化された工具が構造プロファイルを帽子型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをＩ字型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをパイ字型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをＴ字型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをチャネル形状に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルを管形状に形成すること、またはセグメント化された工具が構造プロファイルを湾曲した形状に形成すること、をさらに含み得る。

別の例示的な実施形態では、構造プロファイルの製造方法は、複数の混合構造繊維を提供するステップと、複数の混合構造繊維を編組プリフォームチューブに編組するステップと、編組プリフォームチューブに熱を加えて編組プリフォームチューブを溶融するステップと、編組プリフォームチューブをセグメント化された工具に機械的に引き込むステップと、セグメント化された工具に圧力を加えて、編組プリフォームチューブを構造プロファイルに形成し、固めるステップと、セグメント化された工具から構造プロファイルを除去するステップと、を含む。

この実施形態では、この方法は、複数の混合構造繊維が、複数の炭素繊維および複数の熱可塑性ポリマーフィラメントを含むこと、事前に引抜成形されたロッドを編組プリフォームチューブに挿入するステップ、少なくとも１つの引きひもを使用して、セグメント化された工具に編組プリフォームチューブを固定するステップ、編組プリフォームチューブに０度の軸方向トウを挿入するステップ、編組プリフォームチューブに熱を加えるためにステップ成形機を利用するステップ、セグメント化された工具が構造プロファイルを帽子型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをＩ字型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをパイ字型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをＴ字型に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルをチャネル形状に形成すること、セグメント化された工具が構造プロファイルを管形状に形成すること、またはセグメント化された工具が構造プロファイルを湾曲した形状に形成すること、をさらに含み得る。

別の例示的な実施形態では、構造プロファイルは熱可塑性複合プリフォームを含み、この熱可塑性複合プリフォームは、複数の炭素繊維と、複数の熱可塑性ポリマーフィラメントと、を含み、複数の炭素繊維および複数の熱可塑性ポリマーフィラメントは編組プリフォームチューブを形成するように編組される。そして、この編組プリフォームチューブが、セグメント化された工具によって加熱および固められると、熱可塑性複合構造プロファイルを形成する。

この実施形態では、構造プロファイルは、編組プリフォームチューブが引抜成形されたロッドをさらに含むこと、編組プリフォームチューブが０度の軸方向トウをさらに含むこと、構造プロファイルが帽子型であること、構造プロファイルがＩ字型であること、構造プロファイルがパイ字型であること、構造プロファイルがＴ字型であること、構造プロファイルがチャネル形状であること、構造プロファイルが管状であること、または構造プロファイルが湾曲していること、をさらに含み得る。

本発明の他の目的、特徴、および利点は、以下の詳細な説明および添付の図面を考慮すると明らかになるであろう。

熱可塑性ポリマーフィラメントと混合された炭素繊維を含む混合されたトウの例示的な実施形態の側面立面図である。 混合トウを利用する編組プリフォームチューブの例示的な実施形態の側面立面図である。 編組プリフォームチューブから形成された平坦ストリップ形状の構造プロファイルの断面図である。 編組プリフォームチューブから形成された帽子型部分形状の構造プロファイルの断面図である。 編組プリフォームチューブから形成された帽子型部分形状の構造プロファイルの例の側面立面図である。 編組プリフォームチューブから形成されたＴ字型部分形状の構造プロファイルの断面図である。 編組プリフォームチューブから形成されたＩ字型部分形状の構造プロファイルの断面図である。 編組プリフォームチューブから形成されたパイ字型部分形状の構造プロファイルの断面図である。 編組プリフォームチューブから形成された管状部分形状の構造プロファイルの断面図である。 編組プリフォームチューブに組み込まれた０度の軸方向トウを示す図である。 帽子型部分形状の構造プロファイルのキャップに組み込まれた０度の軸方向トウの断面図である。 管状部分形状の構造プロファイルを組み込んだ０度の軸方向トウの断面図である。 帽子型部分形状の構造プロファイルに組み込まれた成形エッジの断面図である。 さまざまな構造プロファイル形状の例に組み込まれた、引抜成形されたロッドとビード補強材の断面図である。 さまざまな構造プロファイル形状の例に組み込まれた引きひもの断面図である。 一方向のみのプレス作用で２つの対向する方向に圧密圧力を提供するように構成されたＴ字型部分成形ダイの断面図である。 本発明の構造プロファイルの加熱および成形プロセスのフロー図の例を示す図である。 本発明の構造プロファイルの代替の加熱および成形プロセスのフロー図の例を示す図である。 本発明の構造プロファイルの加熱および成形で使用するための自動ステップ成形機の斜視図である。

以下は、本発明の原理を説明するための実施形態の詳細な説明である。実施形態は、本発明の態様を説明するために提供されているが、本発明は、任意の実施形態に限定されない。本発明の範囲は、多数の代替案、修正、および同等物を包含する。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ制限される。

本発明の完全な理解を提供するために多数の特定の詳細が以下の説明に記載されているが、本発明は、これらの特定の詳細の一部または全部がなくても、特許請求の範囲に従って実施することができる。

添付の図面を参照して、さまざまな実施形態を詳細に説明する。可能な限り、同じまたは類似の部品を参照するために、図面全体で同じ参照番号が使用されている。特定の例および実装への言及は、例示を目的としたものであり、特許請求の範囲を限定することを意図するものではない。

熱可塑性複合編組プリフォーム
図１および図２に示されるように、本発明の一実施形態では、混合プリフォーム１００は、熱可塑性ポリマーフィラメント１２０と混合された炭素繊維トウ１１０を含む。混合プリフォーム１００は、図２に示すように、編組プリフォームチューブ２００を作製するために使用される。図３に示すように、編組プリフォームチューブ２００は、樹脂マトリックスを組み込むための従来のプリプレグ加工を必要とせずに、直線または曲線のいずれかである細長い熱可塑性複合材料である構造プロファイル１５０の形成に使用される。

一実施形態では、混合プリフォーム１００は、熱可塑性複合構造の混合トウである。炭素繊維トウ１１０は、１Ｋ、３Ｋ、１２Ｋ、２４Ｋ、またはそれ以上の繊維フィラメント数にすることができる。熱可塑性ポリマーフィラメント１２０は、ＰＰＳ（ｐｏｌｙｐｈｅｎｙｌｅｎｅ ｓｕｌｆｉｄｅ：ポリフェニレンサルファイド）、ＰＥＥＫ（ｐｏｌｙｅｔｈｅｒｅｔｈｅｒｋｅｔｏｎｅ：ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＩ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｉｍｉｎｅ：ポリエチレンイミン）または他の適切なポリマーなどのエンジニアリング熱可塑性フィラメントであり得る。次に、熱可塑性ポリマーフィラメント１２０は、所望の繊維対樹脂比で炭素繊維トウ１１０と混合される。

一実施形態では、炭素繊維トウ１１０は、繊維対マトリックスフィラメントの体積比が６０パーセントから４０パーセント（６０／４０）のＰＰＳ熱可塑性フィラメントである熱可塑性ポリマーフィラメント１２０と組み合わされた１２Ｋ炭素繊維トウである。ただし、他の実施形態では、他の繊維サイズおよび樹脂比を使用して、最終製品の要件を満たし得る。

図２および図３に示されるように、混合プリフォーム１００は、ある長さの円筒形の編組プリフォームチューブ２００を編組するために使用される。編組プリフォームチューブ２００は、構造プロファイル１５０を形成するために使用される。セグメント化された工具３１０などの湾曲したプレス成形工具内で容易に整列する編組プリフォームチューブ２００の可撓性は、軸方向の補強材が構造プロファイル１５０に導入されるときに特に重要である本発明の１つの重要な利点である。編組プリフォームチューブ２００の編組円周２５０の変化、および編組プロセスにおける一方向混合トウである炭素繊維トウ１１０の組み込みは、最適化された繊維構造を有する細長い構造形状を有する構造プロファイル１５０を作製するのに適した編組プリフォームチューブ２００を作成することができる。

構造プロファイル
編組プリフォームチューブ２００は、構造プロファイル１５０を形成するために使用され、図３に示される一例の実施形態では、平坦ストリップ３００を含み得る。編組プリフォームチューブ２００の編組円周２５０は、構造プロファイル１５０と一致するように構成されなければならない。例えば、一実施形態では、４インチ幅の平坦ストリップ断面を有する平坦ストリップ３００が、セグメント化された工具３１０を使用して作製される構造プロファイル１５０であって、上部部分３２０および下部部分３３０を含むプレス成形ダイとして機能する構造プロファイル１５０である場合、ＰＰＳトウを含む熱可塑性ポリマーフィラメント１２０と混合された１２Ｋ炭素繊維を含む炭素繊維トウ１１０などの混合プリフォーム１００は、約８インチの編組円周２５０で編組されるであろう。したがって、編組プリフォームチューブ２００が平坦化されると、編組プリフォームチューブ２００は、２層を有する４インチ幅の材料のストリップを備えた平坦ストリップ３００を形成する。この例で得られる繊維配向は、構造プロファイル１５０の縦軸に対して±４５度である。

代替の実施形態として、図４および図５は、平坦化されたときに、形成された上部部分４２０および形成された下部部分４３０を含むセグメント化された工具４１０を使用して、帽子型部分４００形状を含む構造プロファイル１５０を作製するのに十分な幅を有するような編組プリフォームチューブ２００を示す。

別の代替の実施形態として、図６は、編組プリフォームチューブ２００が、セグメント化された工具６１０を使用して複数の方向から圧縮されて、Ｔ字型部分６００形状を含む構造プロファイル１５０を形成する例示的な実施形態を示す。セグメント化された工具６１０は、上部部分６２０、第１の側面部分６３０、および第２の側面部分６４０を含む。上部部分６２０によって上から、ならびに第１の側面部分６３０および第２の側面部分６４０によって下および側面から、力が編組プリフォームチューブ２００に加えられて、Ｔ字型部分６００を形成する。

別の代替の実施形態として、図７は、編組プリフォームチューブ２００が、セグメント化された工具７１０を使用して複数の方向から圧縮されて、Ｉ字型部分７００形状を含む構造プロファイル１５０を形成する例示的な実施形態を示す。セグメント化された工具７１０は、上部部分７２０、第１の側面部分７３０、第２の側面部分７４０、および下部部分７５０を含む。上部部分７２０によって上から、下部部分７５０によって下から、ならびに第１の側面部分７３０および第２の側面部分７４０によって側面から、編組プリフォームチューブ２００に力が加えられて、Ｉ字型部分７００を形成する。

別の代替の実施形態として、図８は、編組プリフォームチューブ２００が、セグメント化された工具８１０を使用して複数の方向から圧縮されて、パイ字型部分またはπ字型部分８００形状を含む構造プロファイル１５０を形成する例示的な実施形態を示す。セグメント化された工具８１０は、上部部分８２０、第１の下部部分８３０、第２の下部部分８４０、および第３の下部部分８５０を含む。上部部分８２０によって上から、下部部分８４０によって下から、ならびに第１の下部部分８３０および第３の下部部分８５０によって側面および下から、力が編組プリフォームチューブ２００に加えられて、パイ字型部分８００を形成する。

管状プロファイル部分
図９に示されるように、そしてさらなる例示的な実施形態として、構造プロファイル１５０として管状部分９００を形成するために、編組プリフォームチューブ２００は、マンドレル９７０上で引っ張られ、しっかりと引っ張られて、マンドレル９７０上でぴったりと収縮することができる。さまざまな実施形態において、マンドレル９７０は、円形、長方形、六角形、または他の同様の形状のいずれかであり得る。

次に、セグメント化された工具９１０を使用して、編組プリフォームチューブ２００をマンドレル９７０に対して圧縮することができ、一方、セグメント化された工具９１０は、熱可塑性プラスチックを溶融するのに十分に加熱される。セグメント化された工具９１０は、必要に応じてセグメント化されて、管状部分９００の所望の形状を形成し、均一な圧力を加え、挟み込みを回避することができる。

マンドレル９７０が冷えると、マンドレル９７０が管状部分９００よりも収縮し、マンドレル９７０を管状部分９００から除去することができる。一実施形態では、マンドレル９７０は、比較的高い熱膨張係数を有し、収縮の差を最大化し、マンドレル９７０を除去しやすくするアルミニウムから作られている。しかしながら、アルミニウムはまた比較的低い融点を有するので、マンドレル９７０は熱可塑性ポリマーフィラメント１２０で調整されなければならない。例えば、ＰＥＥＫの加工温度が高い場合は、金属製のマンドレルまたは鋼などの工具材料が溶融しないようにする必要がある。

マンドレル９７０が硬い場合、管状部分９００は、マンドレル９７０を除去するため真っ直ぐにのみ作製され得る。しかしながら、代替の実施形態では、湾曲している管状部分９００について、「ウォッシュアウト」マンドレルと呼ばれることもある溶解可能なマンドレル９７０が使用され得るが、選択されるマンドレル９７０の材料は、ラミネートを固める圧力に耐え、必要な熱に耐える必要がある。例えば、他の適切な材料も使用することができるが、Ｓｏｌｔｅｃ Ｓｏｌｃｏｒｅ ＨＴ Ｔｍなどの熱的に安定したウォッシュアウト工具材料を使用してもよく、複雑な形状に鋳造でき、華氏４００～１３００度の加工温度に耐えることができる。

軸方向トウを使用した補強
図１０に示されるように、編組プリフォームチューブ２００は、±４５°の繊維配向を有する。ただし、代替の実施形態では、編組プリフォームチューブ２００の全周または編組プリフォームチューブ２００の選択された部分のいずれかに対して、編組プロセスに０度の軸方向トウ１０００を導入することも可能である。一実施形態では、０度の軸方向トウ１０００は、混合炭素および熱可塑性フィラメントトウまたは同様の材料を使用して作製することができる。

図１１に示されるように、そしてさらなる実施形態として、帽子型部分４００の場合、帽子型部分キャップ１１２０の領域の編組プリフォームチューブ２００に軸方向トウ１０００を組み込むことができ、重量効率が高く、構造的に強く、より剛性のある帽子型部分４００を作成する。帽子型部分の２つの足領域１１３０に軸方向トウ１０００を組み込むことも可能である。図１１では帽子型部分４００について示されているが、軸方向トウ１０００は、Ｔ字型部分６００、Ｉ字型部分７００、パイ字型部分８００、または他の構造プロファイル１５０の形状に組み込まれ、それらを強化および補強することができる。

図１２に示されるように、およびさらなる代替の実施形態として、軸方向トウ１０００を使用して、管状部分９００のキャップ１２１０を強化および補強することもでき、これにより、曲げ性能が向上する。

エッジトリムの排除
図１３に示すように、セグメント化された工具４１０は、上部段差部分１３２０を含み得る上部部分４２０と、圧縮が編組プリフォームチューブ２００を構造プロファイル１５０に圧密し始める前に、編組プリフォームチューブ２００と係合して密封するための下部段差部分１３３０を含み得る下部部分４３０と、を含む。これにより、編組プリフォームチューブ２００には切断またはギザギザの炭素繊維がないので、エッジトリムを必要とせずに、構造プロファイル１５０用の成形エッジ１３５０が提供され、これにより、粗いエッジがなく、すなわち面一に成形され得る構造プロファイル１５０用のクリーンな成形エッジ１３５０が作製される。

図１３の帽子型部分４００について示されているが、この機能は、セグメント化された工具３１０を使用する平坦部分３００、セグメント化された工具６１０を使用するＴ字型部分６００、セグメント化された工具７１０を使用するＩ字型部分７００、セグメント化された工具８１０を使用するパイ字型部分８００、および他の同様の構造プロファイル１５０形状、のさまざまな実施形態でも使用され得る。

ビード補強要素
図１４に目を向けると、本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用することができるさらなる代替の実施形態として、１つまたは複数の引抜成形されたロッド１４００を編組プリフォームチューブ２００に組み込んで、Ｔ字型部分６００のフランジ６５５などの構造プロファイル１５０のフランジ１５５を補強することにより、過度の重量を伴わない追加の構造強度が構造プロファイル１５０に組み込まれる。一実施形態では、引抜成形されたロッド１４００は、構造プロファイル１５０のフランジ１５５上の「ビード」として混合された熱可塑性マトリックスを有する一方向炭素繊維であり得る。

代替の実施形態では、引抜成形されたロッド１４００は、炭素繊維とＰＰＳトウを混合することができ、これは、編組プリフォームチューブ２００に組み込まれるか、または編組プリフォームチューブ２００に別個の材料インサートとして入れることができる。

さらなる実施形態では、引抜成形されたロッド１４００は、混合炭素／ＰＰＳまたは他の適切な熱可塑性樹脂フィラメントを使用して最初に引抜成形される一方向複合ロッドである。一旦引抜成形されると、引抜成形されたロッド１４００は、今や固められて硬いので、編組プリフォームチューブ２００に容易に挿入される。引抜成形されたロッド１４００は、編組プリフォームチューブ２００に確実に挿入されるのに十分な剛性を備えているが、曲げにおいても、Ｔ字型部分６００などの湾曲した構造プロファイル１５０を作製するのに十分な可撓性がある。

図１４のＴ字型部分６００用に示されているが、引抜成形されたロッド１４００はまた、Ｉ字型部分７００、パイ字型部分８００、帽子型部分４００、または他の構造プロファイル１５０形状のフランジ１５５に、強度と剛性を追加するために、さまざまな実施形態において組み込まれ得る。あるいは、引抜成形されたロッド１４００は、編組プリフォームチューブ２００の編組プロセスに組み込まれ得る。

引きひも
図１５を参照すると、編組プリフォームチューブ２００をセグメント化された工具４１０内に配置し、セグメント化された工具４１０が閉じている間、編組プリフォームチューブ２００を所定の位置に保持するのを助けるために、そして本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用され得るさらなる代替の実施形態として、引きひも１５００として使用するために、適切な点で編組プリフォームチューブ２００に少量の軸方向トウが組み込まれ得る。セグメント化された工具５１０に編組プリフォームチューブ２００が配置され、セグメント化された工具４１０が閉じられると、引きひも１５００がきつく引っ張られる。引きひも１５００の典型的な位置は、Ｔ字型部分６００、パイ字型部分８００、Ｉ字型部分７００、および帽子型部分４００などの構造プロファイル１５０形状のフランジ１５５の先端である。引きひも１５００は、フランジ１５５が、セグメント化された工具３１０においてそれらのために提供された空間内に完全に延在することを確実にする。

双方向の圧密圧力
図１６を参照すると、Ｔ字型部分６００のような構造プロファイル１５０の形状の場合、圧密圧力を２方向に提供する必要がある。これは、上部部分６２０、第１の側面部分６３０、および第２の側面部分６４０からなるセグメント化された工具６１０構成要素にくさび作用を組み込むことにより、セグメント化された工具６１０の設計で達成でき、プレスの閉鎖方向に対して９０度反対の圧力を生み出す。セグメント化された工具６１０を垂直軸（ｙ軸）で閉じると、水平軸（ｘ軸）に圧力が生じ、それにより、構造プロファイル１５０の垂直フランジ１５５が固められる。同様のくさび工具の原理を、パイ字型部分８００、Ｉ字型部分７００、帽子型部分４００などの構造プロファイル１５０の形状に適用できる。

構造プロファイルの加熱および成形方法
図１７を参照すると、編組プリフォームチューブ２００から構造プロファイル１５０を形成するために使用される加熱および成形プロセス１７００が示されている。ステップ１７１０において、上部部分３２０および下部部分３３０を含むセグメント化された工具３１０の間に編組プリフォームチューブ２００が配置される。次に、ステップ１７２０において、セグメント化された工具３１０は、編組プリフォームチューブ２００を溶融するのに十分に加熱される。次に、ステップ１７３０において、セグメント化された工具３１０の上部部分３２０および下部部分３３０に圧力による力が加えられて、編組プリフォームチューブ２００を形成し、平坦なストリップ３００からなる構造プロファイル１５０に固める。次に、ステップ１７４０において、構造プロファイル１５０が冷却され、セグメント化された工具３１０から除去される。

この同じ加熱および成形プロセス１７００は、セグメント化された工具４１０を使用する帽子型部分４００、セグメント化された工具６１０を使用するＴ字型部分６００、セグメント化された工具７１０を使用するＩ字型部分７００、セグメント化された工具８１０を使用するパイ字型部分８００、および他の同様の構造プロファイル１５０の形状にも使用され得る。

一実施形態では、編組プリフォームチューブ２００を構造プロファイル１５０に固めるために約２８０ｐｓｉが必要である。編組プリフォームチューブ２００を溶融して流動させるのに必要な加工温度は、熱可塑性ポリマーフィラメント１２０に依存する。例えば、ＰＰＳ（ポリフェニレンサルファイド）の場合の一実施形態では、溶融温度は約３１５．５５６°Ｃ（約６００°Ｆ）である。他の実施形態では、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）などの熱可塑性ポリマーフィラメント１２０は、熱可塑性ポリマーフィラメント１２０を溶融および流動させるためにより高い温度を必要とする。機体構造の典型的な要件を満たす熱可塑性ポリマーフィラメント１２０には、ＰＥＥＫ、ＰＰＳ、ＰＥＫＫ、およびＰＥＩが含まれる。

構造プロファイル１５０をプレスおよび形成するために使用されるセグメント化された工具３１０は、加工条件に耐えることができなければならず、一実施形態では鋼が好ましい選択である。この実施形態では、セグメント化された工具３１０の上部部分３２０および下部部分３３０を室温の編組プリフォームチューブ２００上で直接閉じ、次に編組プリフォームチューブ２００を加熱、固結、続いて冷却し、構造プロファイル１５０を形成することが可能である。

代替の実施形態では、代替の加熱および成形プロセス１８００について図１８に示されるように、改善された生産速度は、ステップ１８１０において、ＩＲ（ｉｎｆｒａｒｅｄ：赤外線）または誘導加熱を使用して編組プリフォームチューブ２００をその融点まで予熱することによって達成され得る。ステップ１８２０において、加熱された編組プリフォームチューブ２００は、セグメント化された工具３１０に機械的に引き込まれ、セグメント化された工具３１０の上部部分３２０および下部部分３３０が閉じられる。ステップ１８３０において、セグメント化された工具３１０に圧力による力が加えられて、編組プリフォームチューブ２００を形成し、構造プロファイル１５０に固める。ステップ１８４０において、セグメント化された工具３１０が開かれ、構造プロファイル１５０がセグメント化された工具３１０から除去される。

このアプローチにより、セグメント化された工具３１０を約９３．３３３°Ｃ（約２００°Ｆ）に維持することができ、セグメント化された工具３１０は、熱間編組プリフォームチューブ２００上で閉じられたときにヒートシンクのように機能する。このアプローチを使用すると、セグメント化された工具３１０を加熱し（例えば、ＰＰＳの場合、約３１５．５５６°Ｃ（約６００°Ｆ）に）、次に、構造プロファイル１５０を除去するのに十分に冷却される点まで冷却する必要はない。

この同じ代替の加熱および成形プロセス１８００は、セグメント化された工具４１０を使用する帽子型部分４００、セグメント化された工具６１０を使用するＴ字型部分６００、セグメント化された工具７１０を使用するＩ字型部分７００、セグメント化された工具８１０を使用するパイ字型部分８００、および他の同様の構造プロファイル１５０の形状にも使用され得る。

自動製造
本明細書の他の実施形態と組み合わせて使用することができるさらなる代替の実施形態では、構造プロファイル１５０に対して所望の繊維配向を有する編組プリフォームチューブ２００を作成することにより、図１９に例として示すような自動加工が可能になる。編組プリフォームチューブ２００をセグメント化された工具３１０に送る前に予熱するステップは、ステップ成形機１９００を用いたステップ成形プロセスとして自動化され得る。ステップ成形では、構造プロファイル１５０はプロセスの後半まで長さに切断されず、したがって、セグメント化された工具３１０からの構造プロファイル１５０のロボットによる除去により、成形される構造プロファイル１５０と少なくとも同じ大きさでなければならない予熱領域から新しい予熱された編組プリフォームチューブ２００材料が引き込まれる。

図１９に示されるように、材料供給ロール１９１０からステップ成形機１９００に編組プリフォームチューブ２００が導入される。編組プリフォームチューブ２００は、加熱ユニット１９２０によって混合された熱可塑性フィラメントの融点に予熱され、次いで、プレス成形ステーション１９３０に引き込まれる。一実施形態では、セグメント化された工具４１０などの２ピースプレス成形工具１９４０は、編組プリフォームチューブ２００を使用可能な帽子型部分４００または他の構造プロファイル１５０に成形および固める熱間編組プリフォームチューブ２００上に閉じられる。構造プロファイル１５０は、プレス成形工具１７４０およびプレス成形ステーション１９３０の制限内で直線状であってもよいし湾曲していてもよい。

ロボットアーム１９５０は、構造プロファイル１５０を長さに切断するためのチョップ・ソー１９６０、および構造プロファイル１５０を冷却することを可能にするための冷却テーブル１９７０への移動を含む、構造プロファイル１５０の移動を容易にする。構造プロファイル１５０のこの移動は、編組プリフォームチューブ２００の新しい部分を材料供給ロール１９１０から加熱ユニット１９２０に引き込む。仕上げ作業にはＣＮＣ（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ｎｕｍｅｒｉｃａｌ ｃｏｎｔｒｏｌ：コンピュータ数値制御）トリミング機１９８０も使用され得る。

本発明は、そのいくらかの特定の実施形態に関連して具体的に説明されてきたが、これは例示のためであり、限定ではないことを理解されたい。本発明の精神から逸脱することなく、前述の開示および図面の範囲内で合理的な変更および修正が可能である。

Claims (35)

1. 複数の混合構造繊維を提供するステップと、
   前記複数の混合構造繊維を編組プリフォームチューブに編組するステップと、
   前記編組プリフォームチューブをセグメント化された工具に挿入するステップと、
   前記セグメント化された工具を加熱して、前記編組プリフォームチューブを溶融するステップと、
   前記セグメント化された工具に圧力を加えて、前記編組プリフォームチューブを構造プロファイルに形成し、固めるステップと、
   前記構造プロファイルを冷却するステップと、
   前記セグメント化された工具から前記構造プロファイルを除去するステップと、
   を含む、構造プロファイルの製造方法。
2. 前記複数の混合構造繊維が、複数の炭素繊維および複数の熱可塑性ポリマーフィラメントを含む、請求項１に記載の方法。
3. 事前に引抜成形されたロッドを前記編組プリフォームチューブに挿入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 少なくとも１つの引きひもを使用して、前記セグメント化された工具に前記編組プリフォームチューブを固定するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記編組プリフォームチューブに０度の軸方向トウを挿入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルを帽子型に形成する、請求項１に記載の方法。
7. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをＩ字型に形成する、請求項１に記載の方法。
8. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをパイ字型に形成する、請求項１に記載の方法。
9. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをＴ字型に形成する、請求項１に記載の方法。
10. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをチャネル形状に形成する、請求項１に記載の方法。
11. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルを管形状に形成する、請求項１に記載の方法。
12. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルを湾曲した形状に形成する、請求項１に記載の方法。
13. 複数の混合構造繊維を提供するステップと、
    前記複数の混合構造繊維を編組プリフォームチューブに編組するステップと、
    前記編組プリフォームチューブに熱を加えて前記編組プリフォームチューブを溶融するステップと、
    前記編組プリフォームチューブをセグメント化された工具に機械的に引き込むステップと、
    前記セグメント化された工具に圧力を加えて、前記編組プリフォームチューブを構造プロファイルに形成し、固めるステップと、
    前記セグメント化された工具から前記構造プロファイルを除去するステップと、
    を含む、構造プロファイルの製造方法。
14. 前記複数の混合構造繊維が、複数の炭素繊維および複数の熱可塑性ポリマーフィラメントを含む、請求項１３に記載の方法。
15. 事前に引抜成形されたロッドを前記編組プリフォームチューブに挿入するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
16. 少なくとも１つの引きひもを使用して、前記セグメント化された工具に前記編組プリフォームチューブを固定するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
17. 前記編組プリフォームチューブに０度の軸方向トウを挿入するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
18. 前記編組プリフォームチューブに熱を加えるためにステップ成形機を利用するステップをさらに含む、請求項１３に記載の方法。
19. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルを帽子型に形成する、請求項１３に記載の方法。
20. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをＩ字型に形成する、請求項１３に記載の方法。
21. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをパイ字型に形成する、請求項１３に記載の方法。
22. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをＴ字型に形成する、請求項１３に記載の方法。
23. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルをチャネル形状に形成する、請求項１３に記載の方法。
24. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルを管形状に形成する、請求項１３に記載の方法。
25. 前記セグメント化された工具が前記構造プロファイルを湾曲した形状に形成する、請求項１３に記載の方法。
26. 熱可塑性複合プリフォームを含む構造プロファイルであって、
    前記熱可塑性複合プリフォームは、
    複数の炭素繊維と、
    複数の熱可塑性ポリマーフィラメントと、
    を含み、
    前記複数の炭素繊維および前記複数の熱可塑性ポリマーフィラメントは、編組プリフォームチューブを形成するように編組され、
    前記編組プリフォームチューブが、セグメント化された工具によって加熱および固められると、前記熱可塑性複合構造プロファイルを形成する、
    構造プロファイル。
27. 前記編組プリフォームチューブが引抜成形されたロッドをさらに含む、請求項２６に記載の構造プロファイル。
28. 前記編組プリフォームチューブが０度の軸方向トウをさらに含む、請求項２６に記載の構造プロファイル。
29. 前記構造プロファイルが帽子型である、請求項２６に記載の構造プロファイル。
30. 前記構造プロファイルがＩ字型である、請求項２６に記載の構造プロファイル。
31. 前記構造プロファイルがパイ字型である、請求項２６に記載の構造プロファイル。
32. 前記構造プロファイルがＴ字型である、請求項２６に記載の構造プロファイル。
33. 前記構造プロファイルがチャネル形状である、請求項２６に記載の構造プロファイル。
34. 前記構造プロファイルが管状である、請求項２６に記載の構造プロファイル。
35. 前記構造プロファイルが湾曲している、請求項２６に記載の構造プロファイル。
    
    

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