JP4266990B2 - Ｚ軸繊維の頂部端部および底部端部を、複合積層体の頂部表面および底部表面それぞれに締め付ける方法 - Google Patents

Description

（関連出願の参照）
本願は、２００１年４月６日に出願された、仮特許出願６０／２８１８３８および２００１年５月２９日に出願された、仮特許出願６０／２９３９３９の優先権を主張する。本願はまた、２００１年８月２日に出願された米国特許出願番号０９／９２２，０５３の優先権も主張する。

（技術分野）
本発明は、ポリマーマトリクス複合体の外表皮および発泡体、エンドグレインバルサ材、またはハニカムのいずれかである内部コアで形成されるサンドイッチ構造として公知である、複合積層構造体の分野における改良に関し、より具体的には、複合積層体を通してポリマーマトリクス複合表皮の平面に垂直な何らかのタイプのＺ軸繊維強化をさらに有する、これらのサンドイッチ構造の分野に関する。

（背景技術）
複合積層構造体の移送産業においては、その複合積層体の軽量かつ魅力的な性能に依存して、広範な用途が存在する。これらの産業としては、航空宇宙産業、海産、鉄道産業、および基地所属の運搬具が挙げられる。この複合積層構造体は、ポリマーマトリクス繊維複合体の表皮から主として作製され、ここで、このマトリクスは、熱硬化性樹脂または熱可塑性樹脂のいずれかであり、そして繊維は、ガラス、カーボン、アラミドなどの繊維フィラメントのグループから形成される。コアは、エンドグレインバルサ材、金属箔もしくはアラミド紙のハニカムなど、または広範な種々のウレタン、ＰＮＣ、もしくはフェノール発泡体のハニカムから形成される。

積層構造体における典型的な破損は、圧縮力下または剪断におけるコア破損、最も一般的にはコアと複合体表皮（化粧シートとしても知られている）との間の結合能力もしくは接着能力の破損から生じ得る。負荷に依存する他の破損としては、片側もしくは両側の表皮の圧着、積層構造体の曲がり破損、または積層構造体に特定の負荷が移動される端部接着手段の破損が挙げられ得る。

特定の特許は、表皮の面に垂直であるかまた垂直（垂線）方向の角度で強化を導入する技術に付与されている。これは、時には「Ｚ」方向と呼ばれる。なぜなら、積層体表皮の座標がＸ座標およびＹ座標を含む面にあるということは、通常のことであるからである。従って、このＸ座標およびＹ座標は、２次元複合体または２−Ｄ複合体と時に呼ばれる。このことは、特に、表皮が、多くの場合、縫われているかまたは織られている繊維ファブリックからなり、互いの頂部にあるそれぞれのファブリックは、２−Ｄ様式で複合体の層（ｐｌｙ）または層（ｌａｙｅｒ）を形成する場合に適切である。一旦硬化されると、これらの２−Ｄ層は、２−Ｄ積層体となり、そしてこの硬化複合体に破損が生じると、この層は破損し、この破損は、典型的には層間破損として知られている。

Ｘ平面およびＹ平面に垂直、すなわち一般的にはＺ方向に強化を導入する特許が付与されており、これは、第３次元への強化の導入または３−Ｄ強化と呼ばれている。３−Ｄ強化の目的は、これらの存在によってサンドイッチ構造の物理学的性能を向上させることであり、一般的には、前に概説した、そしていくつかは大きいマージンによる破損機構の全てを改善することである。例えば、本発明者らは、ガラス硬化表皮およびビニルエステル
硬化表皮を有する、発泡体をコアとする積層構造体の圧縮強度が、３０ｐｓｉほどの低さであり得ることを示している。１平方インチあたり１６個の３−Ｄ強化を加えることによって、この圧縮強度は、２５００ｐｓｉを超えることが可能である。これは、８３倍もの向上である。

米国特許第５，９３５，６８０号においてＣｈｉｌｄｒｅｓｓ、米国特許第５，７４１，５７４号においてＢｏｙｃｅら、ならびに米国特許第５，６２４，６２２号においてＢｏｙｃｅらは、最初のプロセスによって発泡体中に堆積され、次いで２番目に繊維ファブリックの層間に配置され、熱および圧力を介してこの発泡体は破砕されるかまたは部分的に破砕して表皮中に強化を通す、Ｚ方向強化を記載する。実際、これらの強化は、ピンまたは棒であり、そして表皮または化粧層に通すためにある程度の剛性を必要とする。Ｂｏｙｃｅらは、Ｚ方向強化として「トウ部材」を記載しているが、実際には、これらは、剛性を有する硬化されたトウ部材であるかまたは部分的に硬化されたトウ部材である。Ｂｏｙｃｅらが米国特許第５，６２４，６２２号に記載するように、発泡体コアを圧縮する工程は、トウ部材を化粧シートに「駆動」する。このことは、Ｚ方向または３−Ｄの強化が硬化複合体または金属ピンであっても不可能である。

Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ製の標準的な繊維ガラスロービングのロールは、典型的には種々の収率（ｙｉｅｌｄ）（ヤード／重量ポンド）で提供され、１１３の収率は、１つのロールまたはドフト（ｄｏｆｔ）に４０ｌｂの１１３収率のロービングを含む。非硬化状態において、これらのロービングは、ガラス繊維の複数フィラメントであり、それぞれ０．０００５インチ未満の直径を有する。このロービングは、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇから届けられる際には硬化されておらず、時には「トウ」と呼ばれ、数百の非常に小さい直径のフィラメントを含む。これらの数百のフィラメントは、「繊維フィラメントのグループ」と呼ばれる。これらの繊維フィラメントのグループは、当業者によってトウと呼ばれることもある。化粧シートを通して、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇのようなガラス製造業者から出荷される未使用のガラス繊維トウまたは繊維フィラメントのグループを駆動することは不可能である。この繊維フィラメントのグループは、そしてＢｏｙｃｅらによって記載されるように、曲がり、そしてねじれ、発泡体キャリアから表皮または化粧シート内に駆動されない。従って、Ｂｏｙｃｅらによって記載される「トウ」は、記載されるようにプロセスが働くためには剛性ピンまたは棒でなければならない。本発明は、これらの繊維フィラメントのグループの堆積を容易に可能にし、この繊維フィラメントのグループは、表皮−コア−表皮積層構造体を完全に通る、３−Ｄ強化積層構造体の分野における新しい改良であることが示される。

この問題は、それ以前のＢｏｙｃｅらの特許（米国特許第４，８０８，４６１号）によってさらに立証され、この特許において、以下の記載がなされる：「強化エレメントの材料は、好ましくは、座屈なしに複合構造体を貫通するために十分な剛性を有し、かつアルミニウム、ホウ素、グラファイト、チタンまたはタングステンのような元素材料であり得る。」。この特定の引用特許は、「熱分解可能な材料」であるコアに依存する。本明細書中で参考として挙げられる他の米国特許は、以下である：Ｂｏｙｃｅら、米国特許第５，１８６，７７６号；Ｂｏｙｃｅら米国特許第５，６６７，８５９号；Ｃａｍｐｂｅｌｌら、米国特許第５，８２７，３８３号；Ｃａｍｐｂｅｌｌら、米国特許第５，７８９，０６１号；Ｆｕｓｃｏら、米国特許第５，５８９，０５１号。

これらの参照される特許はどれも参照されるプロセスが自動でありかつ引抜成形と同期し得ることを示さず、このプロセスは、引抜成形と同期しかつインラインであり得ることも述べない。Ｄａｙは、米国特許第５，５８９，２４３号および同第５，８３４，０８２号において、より遅く型作られる発泡体と非硬化ガラスファブリックコアの組み合わせを作製するためのプロセスを記載する。このコア中のガラス繊維は、積層体の表皮を決して
貫通せず、かわりに充填剤が内部の繊維ファブリックと表皮との界面で、より大きい樹脂充填物を作製することが示唆される。これは、コアを表皮に結びつける試みあまりよくない方法である。なぜなら、この充填物は、内部繊維が表皮を貫通する場合よりも有意に弱いからである。Ｄａｙは、Ｂｏｙｃｅらが有する前述された問題と同じ問題を有する。すなわち、Ｄａｙの特許における内部の非硬化ファブリックは、柔軟であって、剛性ではない表皮または化粧シートに「駆動」され得ない。従って、発泡体中に前もって挿入された強化をもって、次いで圧力下で化粧シートにこれらをおしつけ、さらに表皮内に内部繊維をいれる方法のみが、剛性ピンまたは棒、あるいはＤａｙの場合におけるようなの剛性シートような強固な強化を有する。

Ｂｏｙｃｅらは、米国特許第５，１８６，７７６号において、サンドイッチ構造ではない固体積層体を通して繊維を挿入するために、超音波に依存する。このことは、既に硬化した熱可塑性複合材料を用いてのみ可能であり、そして特定の弱さが、最初の凝固の後の熱可塑性マトリックスの再融解から発生する。超音波は、本発明の要件ではない。なぜなら、繊維フィラメントのグループを堆積させるための新たな改善された手段が、開示されるからである。米国特許第５，８６９，１６５号は、引き抜きの防止を補助するための、「棘付き」３−Ｄ強化材を記載する。本発明は、繊維フィラメントの３−Ｄのグループが複合積層体の両側の表皮を越えて延び、その結果、フィラメントの端部が引き出しダイに入り、そして「飛行中に」硬化する場合に、フィラメントの端部のリベット留め（すなわち、締め付け）が起こる点で、優れた性能を有する。この締め付けは、シート材料における金属リベットと同じ様式で、改善された引き抜き性能を提供し、これは、端部で締め付けられるかまたは曲げられて、ピンまたはシート金属中に結合されたピンに対するリベットの「引き抜き」を改善する。このことは、現在の技術水準とは異なる。コアを通る繊維は、表皮で終結して、表皮を貫通し得ないか、または単なる棒が、表皮の一部または全てを貫通するかのいずれかであるが、リベット留めも締め付けもされない。参照される技術の多くは、発泡体のように破砕されないコアを用いると作用しない。例えば、本発明はまた、バルサ材（これは、破砕せず、従って、硬化した棒またはピンを表皮または化粧シート内に「駆動」し得ない）のようなコアを用いると、作用しない。さらに、複合積層構造体から縁部への困難な移行が、本発明を用いて容易に適応され得る。後に示されるように、複合積層構造体は、繊維フィラメントの締め付けられた３−Ｄのグループと共に引抜成形され得、そして同時に、引抜成形された複合積層体の縁部は、表皮−中心複合材料−表皮の界面を貫通する繊維フィラメントの３−Ｄグループの同じ型および品質を有する、固体複合体から構成され得る。示されるように、表皮は連続的なままであり得、そして内側の発泡体は、引抜成形プロセスに介入することなく、固体複合積層体に移行し得る。

本発明の目的は、現在のアプローチの、低費用の代替物を提供し、それによって、複合積層構造体が、費用の影響を受けやすい多くの移送適用にたどり着き得るようにすることである。参照される全ての先行技術のプロセスには、ある程度の手動労力が関与し、そして現在まで、航空宇宙産業がこの手動の労力のために費用を支払う意図がある場合にのみ、うまくいっている。本発明は、完全に自動であり、従って、極度に低い販売額を有する。例えば、以前には、特定の数のグループの繊維フィラメントを、発泡体コア複合積層体に添加することによって、圧縮強度が３０ｐｓｉから２５００ｐｓｉを超えるまで改善されることが言及された。このことは、１平方フィートあたりほんの０．３０ドルの費用で達成され得る。参照される既存の処理技術はいずれも、この成果対費用の比に匹敵し得ない。これは、複合積層構造体を形成する自動化された方法に起因して、達成され得る。他の差異および改善は、本発明のさらなる説明が与えられるにつれて、明らかになる。

本発明によって以下が提供される：
（項目１） Ｚ軸を強化する繊維の頂部端部および底部端部を、複合積層体のそれぞれの頂部表面および底部表面に締め付ける方法であって、該方法は、以下：
少なくとも２つのスプール上に少なくとも２つの複合繊維材料のロールを提供する工程であって、該スプールの各々の上にある該複合繊維材料のロールは、前方縁部を有する、工程；
該複合繊維材料のロールを、頂部表面を有する頂部表皮、底部表面を有する底部表皮、Ｘ軸およびＹ軸を有する複合積層体プレフォームに組み立てる工程；
該複合積層体プレフォームをＺ軸繊維堆積機に供給し、それによってＺ軸繊維束が、該Ｘ軸および該Ｙ軸に沿った所定の位置で該複合積層体プレフォームに堆積される工程であって、該Ｚ軸繊維束は、それぞれ該頂部表皮の頂部表面上に所定の高さＨ１伸長する、頂部端部、および該底部表皮の底部表面より下に所定のＨ２伸長する、底部端部を有し、該複合積層体プレフォームは、改変された複合積層体プレフォームとして該Ｚ軸堆積機から出る、工程；および
該改変された複合積層体プレフォームを締め付け手段に供給する工程であって、ここで、該Ｚ軸繊維束の該頂部縁部および底部縁部は、該改変された複合積層体プレフォームの該頂部表皮の頂部表面および該底部表皮の底部表面に締め付けられる工程であって、該改変された複合積層体プレフォームは、組み立てられた複合積層体パネルとして該締め付け手段から出る、工程、
を包含する、方法。
（項目２） 前記複合繊維材料のロールの前記前方縁部を、該複合繊維材料のロールを前記複合積層体プレフォームに組み立てる前に、樹脂タンクに供給する工程をさらに包含し、該複合繊維材料びロールが、該樹脂タンクにおいて樹脂でコーティングされる、項目１に記載の方法。
（項目３） 前記複合積層体プレフォームを、前記樹脂タンクから出る前に脱バルクする工程をさらに包含する、項目２に記載の方法。
（項目４） 前記複合積層体プレフォームを、前記改変された複合積層体プレフォームが前記Ｚ軸繊維堆積機から出た後に樹脂タンクに供給する工程をさらに包含し、該改変された複合繊維材料のロールが、該樹脂タンクにおいて樹脂でコーティングされる、項目１に記載の方法。
（項目５） 少なくとも1つの前記複合繊維材料のロールが、連続的なストランドマットのロービン
グロール形態である、項目４に記載の方法。
（項目６） 少なくとも1つの前記複合繊維材料のロールが、Ｘ−Ｙ軸に縫われたファブリックの形
態である、項目４に記載の方法。
（項目７） 少なくとも1つの前記複合繊維材料のロールが、織られたロービングファブリックの形
態である、項目４に記載の方法。
（項目８） 少なくとも２つの前記複合繊維材料のロール間に、コア材料を、該ロールが前記複合積層体プレフォームに組み立てられる際に組み立てる工程をさらに包含する、項目４に記載の方法。
（項目９） 前記コア材料がウレタンである、項目８に記載の方法。
（項目１０） 前記コア材料がＰＶＣ発泡体である、項目８に記載の方法。
（項目１１） 前記コア材料が２ポンド／立方フィート〜１２ポンド／立方フィートの範囲の密度を有する発泡体である、項目８に記載の方法。
（項目１２） 前記コア材料がバルサ材である、項目８に記載の方法。
（項目１３） 前記バルサ材が４ｌｂ／立方フィート〜１６ｌｂ／立方フィートの範囲の密度を有する、項目１２に記載の方法。
（項目１４） 前記締め付け手段が、引抜成形ダイを備える、項目４に記載の方法であって、該引抜成形ダイは、前記組み立てられた複合積層体パネルを形成する操作の間、前記Ｚ軸繊維束の頂部端部を、前記頂部表皮の前記頂部表面に押し付け、また該Ｚ軸繊維束の前記底部縁部を前記底部表皮の前記底部表面に押し付ける、方法。
（項目１５） 前記引出成形ダイが、前記改変された複合積層体プレフォームが組み立てられた複合積層体パネルになるように、該改変された複合積層体プレフォームの触媒を引き起こすのに十分な温度まで該改変された複合積層体を加熱するための手段を有する、項目１４に記載の方法。
（項目１６） 前記締め付け手段の下流に配置されるフライス削り手段をさらに備え、該フライス削り手段は、ボルト穴の形成、端部のルータ加工、フライス削りおよび切断をし得る、項目４に記載の方法。
（項目１７） 前記組み立てられた複合積層体パネルを、前記締め付け手段から前記フライス削り手段に移動させるためのグリッパー手段をさらに備える、項目１６に記載の方法。
（項目１８） 前記フライス削り手段が、多軸ＣＮＣフライス削りマシンである、項目１７に記載の方法。
（項目１９） 前記複合繊維材料のロールを、前記複合積層体プレフォームに組みたてることで始まり、そして該組み立てられた複合積層体パネルが、フライス削り手段から出続ける操作全体が、完全に自動化される、項目１７に記載の方法。
（項目２０） Ｚ軸を強化する繊維の頂部端部および底部端部を、複合積層体のそれぞれの頂部表面および底部表面に締め付ける方法であって、該方法は、以下：
少なくとも２つのスプール上に少なくとも２つの複合繊維材料のロールを提供する工程であって、該スプールの各々の上にある該複合繊維材料のロールは、前方縁部を有する、工程；
該少なくとも２つの複合繊維材料のロールの間にコア材料を提供する、工程；
該複合繊維材料のロールおよびコア材料を、複合積層体プレフォームに組み立てる工程であって、該複合積層体プレフォームは、前方縁部、頂部表面を有する頂部表皮、中心コア、底部表面を有する底部表皮、Ｘ軸およびＹ軸を有する、工程；
該複合積層体プレフォームの前方縁部を機械に供給し、それによってＺ軸繊維束が、該Ｘ軸および該Ｙ軸に沿った所定の位置で該複合積層体プレフォームに堆積される工程であって、該Ｚ軸繊維束は、それぞれ該頂部表皮の頂部表面上に所定の高さＨ１伸長する、頂部端部および該底部表皮の底部表面より下に所定のＨ２伸長する、底部端部を有し、該複合積層体プレフォームは、前方縁部を有する改変された複合積層体プレフォームとして該Ｚ軸繊維堆積機から出る、工程；
必要な場合、該Ｚ軸繊維束の堆積後、該プレフォームに樹脂を添加する工程；
グリッピング手段によって該改変された複合積層体の該前方縁部をグリッピングし、該改変された複合積層体プレフォームを締め付け手段に供給する工程であって、該締め付け手段において、該Ｚ軸繊維束の頂部端部および底部端部それぞれは、該改変された複合積層体プレフォームの該頂部表皮の頂部表面および該底部表皮の底部表面それぞれに締め付けられ、該改変された複合積層体プレフォームは、組み立てられた積層体パネルとして該締め付け手段から出る、工程；
該改変されたプレフォームを、該改変された複合積層体プレフォームが組み立てられた複合積層体パネルになるように、該改変された複合積層体プレフォームの触媒を引き起こすのに十分な温度まで加熱する工程；
該グリッパー手段によって該組み立てられた複合積層体パネルを、ボルト穴形成、端部ルーティング、フライス削りおよび切断をし得るフライス削り手段に下流へと移動させる工程；
多軸ＣＮＣフライス削りマシンを用いて、該組み立てられた複合積層体パネルに所定の構造をフライス削りする工程；および
自動化を提供する工程であって、それによって該複合繊維材料のロールおよび該コア材料を該複合積層体プレフォームに組み立てる工程で始まり、該組み立てられた複合積層体パネルが該フライス削り手段から出続ける操作全体が完全に自動化される、工程、
を包含する、方法。
（項目２１） 項目１７に記載の方法によって製造される、複合積層体。
（項目２２） 軍用機のための一時的な滑走路マットとして使用される滑走路パネルの形態を有する、項目２１に記載の複合積層体。
（発明の要旨）
改善された引出成形され締め付けられたＺ軸繊維で強化された複合構造体の形成のための方法および装置は、原料繊維を供給する複数の上スプールおよび下スプールで開始し、これらの原料繊維は、それぞれ上表皮および下表皮に形成され、これらの表皮は、樹脂タンク内の一次ウェットアウトステーションに供給される。コア材料が、それぞれの上表皮と下表皮との間で、一次ウェットアウトステーションに供給され複合積層プレフォームを形成する。上表皮および下表皮ならびにコアは、ツーリングを通して自動的に引かれ、ここで、表皮材料が樹脂でウェットアウトされ、そして複合積層体全体が、ほぼその最終の厚さで予備形成される。この複合積層プレフォームは、自動三次元Ｚ軸繊維堆積機に引き込まれ続け、この繊維堆積機は、「繊維フィラメントのグループ」を、複数の位置で、対向する積層構造体の面に対して垂直に堆積させ、そして個々のグループを切断し、その結果、各「繊維フィラメントのグループ」の延長部は、上表皮の上および下表皮の下に残る。

次いで、予備形成された複合積層体は、二次ウェットアウトステーションに引き込まれ続ける。次に、予備形成された複合積層体が、引抜成形ダイを通して引かれ、このダイにおいて、「繊維フィラメントのグループ」は全て、引抜成形ダイの後部セクションにおいて、複合積層体が引かれ、触媒され、そして硬化され続けるにつれて、上表皮の上および下表皮の下で折れ曲がって、締め付けられたＺ軸繊維での優れた強化を生じる。この複合積層体は、グリッパーによって引かれ続け、次いで、ガントリーＣＮＣマシンに供給され、このマシンは、グリッパーの引く速度に同期し、そして機械加工がコンピュータ化される場合、穿孔および切断の操作が起こる。プロセス全体は、人の操作を必要とせずに、自動的に達成される。

本発明の目的は、構造体の一部としてリベット留めされたかまたは締め付けられた３−Ｄの繊維フィラメントのグループを有し、表皮の剥離またはコア構造体に対する表皮の剥離に対する、改善された抵抗性を提供する、新規な改善された複合積層構造体を提供することである。

本発明の目的はまた、複合積層構造体を形成する新規方法を提供することであり、ここで、自動同調引抜成形プロセスが利用され、原料（例えば、ガラスファブリック（例えば、織られたロービングまたは縫われたガラス））が、樹脂およびコア材料と一緒に、引抜成形ラインの全部に引き込まれ、次いで、自動堆積ステーションが、繊維フィラメントの３−ＤのＺ軸グループを、ほぼ網の形状のサンドイッチプレフォームに通して配置し、そしてサンドイッチ構造体の厚さより長いグループを過剰に出現させて、故意に残す。次いで、先のウェットアウトステーションを補足する（ｃｏｍｐｌｉｍｅｎｔ）さらなるウェットアウトステーションが続く。次いで、このプレフォームは、引抜成形ダイに引き込まれ、そして飛行中に硬化され、そして繊維フィラメントの３−ＤＺ軸グループが、ダイ中でリベット留めされるか、または締め付けられて、先行技術より優れた強化を提供する。次いで、硬化した複合積層構造体は、移動ＣＮＣワークセンターに供給され、ここで、最終製造機械加工操作、破砕、穿孔、および切断が起こる。この操作全体は、人の介在なしで達成される。

本発明の別の目的は、先行技術の方法が必要とするような溶解も破砕も必要としない、コア材料を利用することである。

本発明のさらなる目的は、長さが一定であり、１００フィート以上の連続した長さおよび１２フィート以上に大きい幅が可能である、新規の予備形成されたパネルを提供することである。

本発明のさらなる目的は、３−ＤのＺ軸が強化された複合積層構造体を提供することで
あり、ここで、縁部は、頑丈な３−Ｄ複合物であり、付着形態の形成または接続の機械加工を可能にする。

本発明の別の目的は、軍用機のための一時的な滑走路、誘導路、または傾斜路の好ましい実施形態を提供することである。この複合積層構造体は、より重い現在のアルミニウム構造体（マットとして公知）の代わりになり、そして容易に展開され得、そして組み立てられ得る。３−ＤのＺ軸強化は、このパネルが航空機のタイヤの負荷の全重量に耐え得、なお容易な取り扱いのために軽量であり得ることを確実にする。

（好ましい実施形態の説明）
図１は、引抜成形され、そして締め付けられた、３−Ｄ Ｚ軸繊維強化複合積層構造体を形成するための、方法および装置を示す。引抜成形の方向は、矢印によって示されるように、図１の左から右である。この装置の主要な構成要素は、以下の説明によって明らかになる。

グリッパー３４および３５が、図１に示される。これらは、代表的に、水力始動式デバイスであり、完全に硬化した複合積層パネル３２が引抜成形ダイ２６から出ると、このパネルをつかみ得る。これらのグリッパーは、手渡し（ｈａｎｄ−ｏｖｅｒ−ｈａｎｄ）の方法で作動する。グリッパー３４がパネル３２を挟む場合、このグリッパーは、プログラムされた速度で引抜成形の方向に移動し、ダイ２６からの硬化したパネル３２を挟む。グリッパー３５は、グリッパー３４がその全行程を完了するまで待ち、次いで引き継ぐ。

これらのグリッパーの上流で、原料は、以下の様式で、ダイに引き込まれる。原料の全ては、図１のはるか左側における種々の製造業者から到達したままの、未使用の材料であることが理解されるべきである。繊維２０は、連続的なストランドマットを有するロービングロールにあるか、またはｘ−ｙ方向に縫われた布もしくは織られたロービングのようなファブリックであり得るかのいずれかの、ガラス繊維であり得る。ガラスに加えて、炭素またはアラミドあるいは他の強化繊維であり得る。コア材料２２は、サンドイッチプレフォームの最初の形成に供給される。サンドイッチの表皮は、繊維２０の層から、サンドイッチプレフォーム３０の上下両方に形成される。コア２２は、サンドイッチの中心部分である。コアは、１立方フィートあたり２ｌｂ〜１立方フィートあたり１２ｌｂに達するより高密度までの密度の、ウレタンまたはＰＶＣ発泡体、あるいは他の類似の発泡体から作製され得る。あるいは、コア２２は、１立方フィートあたり６ｌｂ〜１立方フィートあたり１６ｌｂまでの密度である特性を有する、エンドグレインバルサ材から作製され得る。

原料は、自動的に、ガイダンスシステムのプロセスにおいて指向され、ここで、市販の供給源２１からの樹脂は、樹脂タンク２３内の一次ウェットアウトステーションに指向される。ウェットアウトプレフォーム３０は、樹脂タンクおよび脱バルク（ｄｅｂｕｌｋｅｄ）条件でその脱バルキングステーションから出、その結果、パネルセクション３０の厚さは、最終の複合積層体の最終的な厚さに非常に近い。これらのパネルは、０．２５インチ〜４インチ、またはそれより大きい、任意の厚さであり得る。パネルは、４インチ幅〜１４４インチ幅、またはそれより大きい、任意の幅であり得る。次いで、プレフォーム３０は、Ｚ軸繊維堆積マシン２４に指向され、このマシンは、繊維フィラメントの３−Ｄ Ｚ軸グループの堆積を提供する。Ｚ軸フィルター堆積マシン２４がどのように機能するかについての詳細は、２００１年８月２日に出願された、参照される仮特許出願６０／２９３，９３９および米国特許出願０９／９２２，０５３（本願に参考として援用される）の主題である。このシステムは、コンピュータで制御され、その結果、広範な種々の挿入物が作製され得る。マシン２４は、静止状態で作動し得るか、またはグリッパー３４の速度と同期して移動し得る。繊維フィラメントのグループは、このマシンによってプレフォー
ム３１に自動的に導入され、次いで、このプレフォームは、Ｚ軸繊維堆積マシン２４から引かれる。プレフォーム３１は、繊維フィラメントの３−Ｄ Ｚ軸グループの堆積のみが、プレフォーム３０と異なり、これらのフィラメントのすべては、製造業者（例えば、Ｏｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇ）から到達したままの、未使用フィラメントである。

図１の改変されたプレフォーム３１は、ここで自動的に、二次ウェットアウトステーション３９に入る。ステーション３９は、代替の方法として、一次ウェットアウト排除ステーション２３であり得る。このステーションは、複合積層構造体（繊維フィラメントの３−Ｄ Ｚ軸グループを含む）の完全な樹脂ウェットアウトの完了を補助する。次いで、プレフォーム３１は、先に言及された引抜成形ダイ２６に入り、そして加熱によって、プレフォーム３１は、複合積層パネルの触媒を引き起こすために十分な温度にされる。最終的な硬化したパネルセクション３２がダイ２６を出、このセクションはここで、グリッパー３４および３５によってつかまれるために十分に、構造的に強い。

次いで、図１のサンドイッチ構造体は、取り扱いおよび輸送の要件によって使用可能な任意の長さにされ得る。グリッパー３４および３５の下流で、プレフォーム３２は、実際に、下流のフライス盤システム３６および３７に「押し込まれる」。ここで、多軸ＣＮＣマシン（コンピュータ数値制御）が、グリッパーの引く速度と同期してガントリー上を移動し、そして飛行中の複合積層構造体／パネルに細部を機械加工し得る。これらは、ボルト孔、縁部のルータ加工、フライス削り、または切り取りであり得る。マシン３６は、コンピュータ３７によって制御される多軸ヘッドである。切り取り後、部分３３は、組み立てまたはパレット化および移送のために、取り出される。

図２は、１つの好ましい実施形態の垂直断面図を示す。これは、１．５インチの厚さおよび４８インチの幅のパネル４０の断面であり、そして軍用機のための一時的な滑走路／誘導路／または傾斜路として使用される。遠隔の位置で、飛行場は、迅速に架設されなければならず、そして飛行機での輸送および取り扱いのために、軽量でなければならない。図２のパネル４０は、これらの目的を達成する。繊維フィラメントのＺ軸のグループで強化されているので、このパネルは、航空機のタイヤおよび重い機械の重量に耐え得る。パネル４０は軽量（１平方フィートあたり約３ｌｂ）であるので、輸送および取り扱いの観点で、軍事の目的を達成する。４０は、図１に示されるプロセスによって、自動的に引抜成形されるので、軍隊が入手可能な価格で製造され得る。また、縁部の接続部４１および４２が、図２に示される。これらは、同一であるが反転している。これらは、滑走路パネル４０（マットとしてもまた公知）が、適所で接続およびロックされることを可能にする。明らかに、この１つの実施形態の他に、これらの複合構造体の他の適用が存在する。

図３は、図２の線３−３に沿った拡大図である。図３は、上表皮５１ａおよび下表皮５１ｂを備える複合積層構造体の断面を示す。コア５２（これは、発泡体として示されている）は、明らかに、他のコア材料（例えば、エンドグレインバルサ材）であり得る。繊維フィラメントのいくつかの３−Ｄ Ｚ軸グループ５３もまた示され、この実施形態において、これらは、０．２５インチずつ離れており、そして直径が約０．０８０インチである。繊維フィラメントのグループ５３は、締め付けられているか、または表皮５１ａおよび５１ｂの外側にリベット留めされていることが、図３から見られ得る。図４は、図３の線４−４に沿った拡大図である。図４は、コア材料５２ならびに上表皮セクション５１ａおよび下表皮セクション５１ｂを示す。これらの表皮セクションは、この実施形態において、厚さが約０．１２５インチであり、そして１平方ヤードあたり２４ｏｚの重さでＸ−Ｙ方向に縫われた６層のガラス材料からなる。繊維フィラメントのＺ軸グループ５３は、図４において明らかに見られ得る。これらのフィラメントの締め付けまたはリベット留め（これは、表皮およびコアを一緒にロックする）は、明らかに見られ得る。

図２、３、および４は、図１の方法および装置において製造される場合の、滑走路マット材料を示す。図２の概略断面４０は、引抜成形ダイ２６を離れる場合に、完全に硬化する。引抜成形ダイ２６に入る直前に見られるような、滑走路マット材料のプレフォームについての、これらの同じセクションの類似の図は、図５、６、および７によって示される。図５、６、および７は、図１のプレフォーム３１に対応する。図２、３、および４は、図１のプレフォーム３２および部分３３に対応する。

図５は、プレフォームとしてのマットパネル６１の全体を概略的に示す。パネル６２の端部は、明瞭にするために、図２の細部４２を示さない。線６−６は、図６に示される拡大部分を示す。

図６は、表皮７１ａおよび７２ｂ、コア７２ならびにＺ軸繊維フィラメントの３−Ｄグループ７３を示す。表皮７１ａおよび７１ｂの上下にそれぞれ距離Ｈ１およびＨ２での、繊維フィラメントの出現が見られ得る。線７−７は、図７に示されるさらなる拡大を示す。

図７は、コア７２ならびに上表皮材料７１ａおよびＺ軸繊維フィラメントの単一のグループ７３を有するプレフォームを示す。繊維フィラメントの出現する位置に注目のこと。これらは、引抜成形ダイに入った後に、折れ曲がって複合表皮にリベット留めされるかまたは締め付けられる。表皮７１ａおよび７１ｂは、Ｘ−Ｙ材料から作製され、そして繊維フィラメントのグループは、Ｘ−Ｙに対して垂直方向（すなわち、Ｚ方向）にあるので、繊維フィラメントの３−Ｄグループの領域における複合表皮は、三次元複合物であるといえる。

図８は、図２の線８−８に沿った拡大図であり、そしてコア材料８７、表皮材料８８ａおよび８８ｂ、ならびに新たな内部複合材料８９を概略的に示す。言及されたように、この材料８９は、表皮材料８８ａおよび８８ｂと同じであるが幅が狭い（すなわち、このマットの実施形態においては２〜３インチの幅）Ｘ−Ｙ繊維材料からなる。Ｚ軸繊維フィラメントの３−Ｄグループ８４は、新たに開発され、そして材料の密度に依存せずに作動される、図１のＺ軸堆積マシン２４によって堆積される。繊維のＺ軸フィラメントの３−Ｄグループはコア材料８７またはより高密度のＸ−Ｙ材料８９のいずれかを通して、容易に堆積され得る。噛み合う接続ジョイント８５は、図８の８５の形状に機械加工され得るか、または引抜成形ダイによって引抜成形および形成され得るかの、いずれかであり得る。図８において、ジョイント８５は、機械加工される。引抜成形された場合、８５におけるＺ軸繊維フィラメントの３−Ｄグループは、リベット留めされたかまたは締め付けられた端部を示す。明らかに、他の噛み合いジョイントまたは重なりが、マットパネルを接続するために使用され得る。

図１は、本発明の３−Ｄ Ｚ軸強化複合積層構造体を、連続的かつ自動的に形成するための方法および装置の概略図である。 図２は、締め付けられた３−Ｄ Ｚ軸繊維が、飛行中に硬化されている、好ましい実施形態において引抜成形された複合積層パネルの概略垂直断面図であり、側面の詳細を示す。このパネルは、一時的な軍用機滑走路の用途のために、新規な軽量マット表面として使用される。 図３は、図２の線３−３に沿った拡大図である。 図４は、図３の線４−４に沿った拡大図である。 図５は、引抜成形ダイに入る直前の、好ましい実施形態の引抜成形されたサンドイッチパネルの概略垂直断面図であり、ここで、繊維フィラメントの３Ｄ−Ｚ軸グループが堆積されており、そしてこれらのグループは、ダイにおいて締め付け、そしてリベット留めされるために調製される。 図６は、図５の線６−６に沿った拡大図である。 図７は、図６の線７−７に沿った拡大図である。 図８は、図２の線８−８に沿った拡大図である。

Claims (20)

1. 複合積層構造体であって、
   第１の表皮；
   内部コア；
   該第１の表皮から該内部コアの反対側の第２の表皮；および
   該第１の表皮から該第２の表皮へと延びるＺ軸方向繊維の複数の別個の束であって、該第１の表皮および該第２の表皮を貫通する、Ｚ軸方向繊維の複数の別個の束を備え、
   ここで、該Ｚ軸方向繊維の束は、対向した末端部を備え、該末端部は、該第１の表皮および該第２の表皮を超えて延び、該第１の表皮および該第２の表皮にリベット留めされて、該第１の表皮と、該内部コアと該第２の表皮とを一緒に固定する、複合積層構造体。
2. 前記Ｚ軸方向繊維の束が、前記第１の表皮および前記第２の表皮に垂直である、請求項１に記載の複合積層構造体。
3. 前記複合積層構造体が、２５００ｐｓｉを超える圧縮強度を備える、請求項１に記載の複合積層構造体。
4. 前記第１の表皮および前記第２の表皮が、Ｘ−Ｙ方向の材料を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
5. 前記コア材料が、Ｘ−Ｙ方向の材料を含む、請求項４に記載の複合積層構造体。
6. 前記内部コアが、バルサ材を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
7. 前記内部コアが、ウレタン発泡体を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
8. 前記内部コアが、ＰＶＣ発泡体またはフェノール発泡体を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
9. 前記内部コアが、１立方フィート当たり２〜１６ポンド（ｌｂｓ．）（３２ｋｇ／ｍ ^３ 〜２５６ｋｇ／ｍ ^３ ）の範囲の密度を有する、請求項１に記載の複合積層構造体。
10. 前記第１の表皮および前記第２の表皮が、ガラス繊維を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
11. 前記第１の表皮および前記第２の表皮が、Ｘ−Ｙ方向に縫われたファブリックを含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
12. 前記第１の表皮と前記第２の表皮が、織られたロービングを含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
13. 前記第１の表皮または前記第２の表皮が、炭素繊維またはアラミド繊維から選択される強化繊維を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
14. 前記第１の表皮と前記第２の表皮が、炭素繊維またはアラミド繊維から選択される強化繊維を含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
15. ボルト孔、縁部のルータ加工、フライス削り、または切り取りから選択される機械加工された細部をさらに備える、請求項１に記載の複合積層構造体。
16. 前記構造体の少なくとも１つの縁に位置する縁の接続部をさらに備える、請求項１に記載の複合積層構造体。
17. 前記縁の接続部が、複数の複合積層構造体を互いに接続することを可能にする、請求項１６に記載の複合積層構造体。
18. 前記Ｚ軸方向繊維の複数の束が、互いに等間隔に配置されている、請求項１に記載の複合積層構造体。
19. 前記コア材料が、Ｘ−Ｙ方向の繊維材料および他のコア材料の組合せをさらに含む、請求項１に記載の複合積層構造体。
20. Ｘ−Ｙ方向の繊維の前記コア材料が、他のコア材料と比較して高い密度を有している、請求項１９に記載の複合積層構造体。

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