JP4933584B2 - 樹脂含浸処理された複数の配向を有する複合材料の製造法 - Google Patents

Description

本発明は複合材料に関するものであり、特には、樹脂含侵処理された複数のフィラメントバンドを有する複合材料に関するものである。

フィラメント巻き線や複合材料は、製造業において、金属や他の材料の有望な代替物である。複合材料は、高強度、軽量、そして成形が容易という利点を有する。複合材料は、代表的にはカーボンのようなファイバで構成され、硬化性樹脂が含浸されている。複合材料は、通常布状で、まだ硬化していない複合材料を様々な形状に形成し得る。複合材料が所望の形状に形成されると、樹脂は硬化し、固化して剛構造になる。

複合材料には多くの利点があるにも関わらず、複合材料の全コストのために、まだ殆ど実用化されていない。様々な要素が複合材料のコストに影響を及ぼす。１つの要素は、複合構造を形成するために求められる製造工程の工数である。複合材料の製造、およびその複合材料を所望の形状に形成するには、多くの機械と膨大な手作業を必要とする。例えば、複合材料を生成する１つの方法は、ファイバを複合材料のシート内部へ織り込む方法である。カーボンファイバの大きなシートを織るには、高価な機械が必要になり、時間のかかる工程になり得る。

さらに、複合材料に樹脂を含浸するために、更なる工程が追加される。この追加の工程は、複合材料のシート全体を含浸する工程を伴い、樹脂を複合材料の大きなシートに均一に含浸させるという困難を伴う。さらにこれらの含浸工程は通常、異なる場所で異なる製造業者によって行われるので、それぞれの工程で製造や輸送の費用が発生する。その結果、消費者への複合材料の価格が高くなる。

複合材料の別の問題点は、複合構造を組み立てる際に、多くの手作業を必要とすることである。ある構造にするためには、複合材料の多層化が必要であり、複合材料の異なる配向性が必要である。現在の多くの工程において、複合材料の個々の層は、人間の手によって、型もしくは他の形状構造の上に積層され、配向される。複合材料の個々のシートを配向する工程は、すでに費用と時間のかかる製造工程に更なる費用と時間を加える。

近年の複合材料における別の問題は、樹脂含浸複合材料の取り扱いである。多くの製品において、樹脂は、材質の個々のファイバ間を流れるようにするため、低粘性にしてある。樹脂は大気温度では液体で存在する。低粘性の樹脂は複合材料への浸透を良くする一方で、低粘性の液体樹脂には、好ましくない取り扱い特性が生じる。更に、低粘性樹脂は、複合シートの保存を効果的に維持できない。従って、ファイバの取り扱いや、輸送の際、ファイバは分離したり、バラバラになってしまう。低粘性樹脂も硬化される間に、複合材料のある部分から流れ出てしまい、その結果、ある領域では樹脂が不足する。

従って、複合材料の製造工程に固有の費用を削減した、廉価な複合材料が、当該分野において必要とされている。大気温度で固体、もしくは半固体である樹脂を含浸させた複合材料を提供することは、当該分野において進歩である。多層構造で製造可能であって、複合繊維配向性を有する複合材料を提供することは、技術的な進歩である。

複合材料を製造する間に、複合構造の大部分を生成することにより、複合構造を形成す
る手作業の組立て工程を省くことは、技術的には別の進歩である。更に、樹脂が他の物体へ移動することを防ぎ、その目的物が複合材料に触れる、あるいは硬化されていない複合材料から流出することを防ぐ複合材料を提供することは、進歩である。複合材料を所望の形状に形成するために、望ましい粘着材、および繊維特性を備える複合材料を提供することは当業界にとって進歩である。

上述の器具および方法を、開示し、特許請求する。
本発明における器具および方法は、最新技術に対応すべく開発された。特に、現在入手し得るエアバッグシステムではまだ完全に解決されてはいない、技術的な問題とニーズに対応すべく開発された。成形可能で迅速製造可能な、廉価な複合材料を提供することが、本発明の総合的な目的である。

この複合材料は、複合シートを形成するために、複数のフィラメントバンド巻層で構成される。複合バンドは、カーボンファイバ等の、あらゆるファイバで作製され得る。フィラメントバンドは、大気温度で固体もしくは半固体である樹脂で含浸される。大気温度とは、製造設備の温度も含まれる。この固体もしくは半固体である樹脂は、フィラメントバンドに含浸させるために、粘性状態にまで加熱されていてもよい。

フィラメントバンドの層は、互いに殆ど平行な複数のフィラメントバンドを有する。フィラメントバンドの層は、互いに交差配向しているフィラメントバンドの層が相互に配置されていてもよい。近接したフィラメントバンド同士の交差配向性は、互いに直交していてもよい。フィラメントバンドの追加層を、複合材料のシート上に更にフィラメントバンドを形成すべく付加してもよい。

複合材料は、様々な形状を有するマンドレルの上に巻きつけられる。マンドレルは、ドラム型でもよく、もっと複雑に湾曲した形状でもよい。ある巻型においては、複合材料は、マンドレルにらせん状に巻きつけられる。巻きつけは、樹脂を調合した装置を含むフィラメント化部分を有するフィラメント巻きつけ機で行われる。

フィラメントバンドは、少なくとも約０．５インチ幅（１２．７ｍｍ）でもよい。他の実施例では、少なくとも約１インチ幅（２５．４ｍｍ）であるフィラメントバンドを含む場合も、０．５インチ幅（１２．７ｍｍ）以上である場合もある。このフィラメントバンド個々の幅および配向性は、材料のシート全体において、さまざまであってもよい。

一般に、複合材料を製造する工程は、フィラメント供給装置からマンドレルにフィラメントバンドを供給する工程からなる。フィラメントバンドはこのフィラメント供給装置から供給されて、大気温度で固体もしくは半固体である樹脂で含浸させる。次に、そのフィラメントバンドが、配向を選択し、層数を選択して、マンドレルに巻かれる。複合バンドは、半固体もしくは固体の樹脂が材料に接触する物体に移動しないようにするために、取外し可能な支持台の周りに巻きつけてもよい。複合材料が形成される時は、支持台は、除去されてもよい。

フィラメントバンドの多層および配向性は、選択された部位あるいは構成要素の要求を取り込むために、複合材料内にあってもよい。これが複合材料のプリフォームである。プリフォームは、複合材料の一部分であり、その一部分の特徴は、巻きつけ工程の間で生成される。その結果、複合材料のシートを多層にする必要がなくなる。同部分の異なる場所による別の特徴が、フィラメントバンド層の配向性および層数の違いによって発生し得る。

プレフォームは、複合材料の負荷要求を決定することによって製造されてもよい。負荷要求は、材料の設計および用途に基づく。次に、負荷要求を満たすために、必要とされる層数およびフィラメントバンドの配向性が確認される。次に、製造制御計画が立案される。最終的に、フィラメントバンドは、製造制御計画に則って巻きつけられ、組成物の負荷要求に合わせて配向性を有するフィラメントバンド、および層数が置かれる。

上記に説明した一連の特徴、および本発明における利点は、以下の説明および添付した請求の範囲によってより十分に明らかになり、以下に記載した本発明の実施によって理解されるであろう。

複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 複合材料の製造工程を示す平面図。 本発明の範囲で製造された複合シートを示す平面図。 図２における複合材料シートを示す断面図。 本発明の範囲内である複合材料シートを巻き取るフィラメント巻き取り機を示す平面図。 多層複合材料を示す断面斜視図。 プリフォームの製造工程を示すフローダイヤグラム。

本発明の利点および特徴が実施されるために、前記に要約した本発明のさらに詳細な説明を、添付図を参照することによって提供する。この添付図は本発明の選択された実施例にのみ適用されるので、本発明における特許請求範囲が制限されることはない。本発明を、以下の添付図を用いて具体的に説明する。

本発明の好ましい実施例を図１−６に示し、類似の参照番号は、同一あるいは機能的に類似の要素を表示する。図中で一般的に説明され、表示されている本発明は、広範囲の構成を有する。従って、以下に示す、本発明の装置および方法の実施例の更に詳細な説明は、請求の範囲として本発明の範囲を制限するものではなく、単に本発明の好ましい実施例を代表しているにすぎない。

本発明は、複合材料技術においていくつかの利点を備える複合材料からなる。本発明による複合材料は比較的廉価で、高度な制御が可能な製造法を有する。本複合材料は、硬化されていない複合材料を所望の形状にする工程を簡単にするための、望ましい繊維および粘着特性も有する。複合材料は、単一の製造工程で、複合材料の様々な材料特性を変え得る。

図１Ａ−Ｈは、複合材料シートの製造工程を示す。図１Ｈで完成する複合材料シート１００は、交互配向されたフィラメントバンド１１０を多層にすることによって製造される。１つの実施例において、フィラメントバンド１１０は、様々な繊維性材料の複数のストランド（ｓｔｒａｎｄｓ）で構成される。材料は、カーボンファイバ、グラスファイバ、ケブラ（ｋｅｖｌａｒ）、炭化ケイ素、または他の繊維性材料である。フィラメントバンド１１０は、大きなまたは幅広いフィラメントバンド１１０を生成するために、他のより
小さな繊維性材料バンドを結合してもよい。あるいは、様々な複合材料における複数のより小さなバンドを、複合繊維性材料で作られた大きなフィラメントバンド１１０を生成するために用いてもよい。この様な繊維性材料の組合せが、組合せた繊維性材料の材料特性を示すべく最適化された、フィラメントバンド１１０を作製する。

一般に、バンド１１０中のファイバの数を増やすと、フィラメントバンド１１０の幅および厚さは増加する。繊維ストランドの数を固定すると、フィラメントバンド１１０の幅および厚さは、一連の遊びロッド（ｉｄｌｅｒ ｒｏｄ）や張力制御装置を介してバンド１１０を処理することによって、制御され得る。遊びロッドや張力制御装置は、フィラメントバンドを広げて、広く薄いフィラメントバンド１１０を生成する。

フィラメントバンド１１０は、様々なフィラメントバンド１１０を作製する手順によって、複合材料１００中へ巻かれる。図１Ａ−Ｈは、フィラメント巻きつけや、作製工程による、複合材料１００を生成するための１つの工程を示す。

図１の複合材料１００は、互いに配置されたフィラメントバンド１１０の多層膜の構成である。個々の層は、平行な複数のフィラメントバンド１１０で構成されており、個々の多層フィラメントバンド１１０は、互いに離間している。図１Ａ−Ｈにおいて、個々の図は、フィラメントバンド１１０の層配置を表している。

図１Ａは、第１の配向において、２つのフィラメントバンド１１０ａが表面部１２０の上に配置された構成の層を表し、この表面部１２０は、マンドレル、ドラム、テーブル、もしくは他の表面でもよい。図１Ａにおいて、第１の配向は、図のように縦配向である。しかしながら、この配向は、図示するためだけに示したものである。第１の層の２つの平行なフィラメントバンド１１０ａは、水平方向に１１６の間隔で配置される。図１Ａに示す複合材料１００において、縦配向のフィラメントバンド１１０ａは水平方向の間隔１１６を有し、その間隔はフィラメントバンド１１０の３つ分の幅に相当する。この実施例においては、複合材料１００の完全なシートを形成するためには、３つのフィラメントバンド層が端から端まで配置される必要がある。

フィラメントバンド１１０ａの第１の層が表面部１２０に配置されると、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層が、第１のフィラメントバンド層１１０ａの上に配置される。この第２の層であるフィラメントバンド１１０ｂも互いに平行で、垂直方向の間隔１２４をもって配置される。フィラメントバンド１１０ｂの第２の層における垂直方向の間隔１２４は、フィラメントバンド１１０ａの第１の層における水平方向の間隔１１６に等しくても、異なっていてもよい。しかしながら、垂直方向の間隔１２４と水平方向の間隔１１６が等しい場合、各配向において、同数の層が複合材料１００の均一のシートを生成するために用いられ得る。

更に、フィラメントバンド１１０のあらゆる層の間隔は、同一の層の範囲内において変更してもよい。例えば、１つの層は、４つのフィラメントバンドからなり（図示せず）、３つの間隔が４つのフィラメントバンドを区分する構成であってもよい。この３つの間隔は、単一のフィラメントバンドの層内ならば、各々異なっていてもよい。このような実施例は、追加のフィラメントバンドが複合材料の一部分、あるいはプレフォーム化を導入する際に必要となる。これに関しては後述する。

フィラメントバンド１１０ａ、１１０ｂの間隔１１６、１２４とは独立に、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層は、第１のフィラメントバンド１１０ａ層の上に配置される。フィラメントバンド１１０ｂの第２の層は、フィラメントバンド１１０ａの第１の層の上に配置されるので、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層は、フィラメントバンド１
１０ａの第１の層と交差配向する。フィラメントバンド１１０ａの第１の層と、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層との交差配向の角度は、広範囲である。図１Ｂにおいて、第１の層のフィラメントバンド１１０ａと第２の層のフィラメントバンド１１０ｂとの相対角は、９０度である。しかしながら、フィラメントバンド１１０相互の層間における異なる相対角度も可能である。１つの実施例において、フィラメントバンド１１０層の相対角度は、第２の層の単一のフィラメントバンド１１０ｂか、複合材料１００のシート上で、第１の層のフィラメントバンド１１０ａの大部分と交差しても、重なってもよい。

例えば、図１Ｂは、単一のフィラメントバンド１１０ｂが第１の層の全てのフィラメントバンドと交差する相対角度を示す。しかしながら、フィラメントバンド１１０ａ層とフィラメントバンド１１０ｂとの、２つの層間の相対交差角が約１０度か、それ以下だった場合、第２の層の単一のフィラメントバンド１１０ｂは、第１の層の単一のフィラメントバンド１１０ａと交差するのみである。

図１Ｃは、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層の上に、フィラメントバンド１１０ｃの第３の層を配置した図である。フィラメントバンド１１０ｃの第３の層は、交差配向によって、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層の上に配置される。フィラメントバンド１１０ｃの第３の層の配向は、フィラメントバンド１１０ａの第１の層の配向と同一であってもよい。しかしながら、第３の層のフィラメントバンド１１０ｃは、図１Ｃに示すように、第１の層のフィラメントバンド１１０ａ近傍の表面部１２０に配置されてもよい。

同様に、フィラメントバンド１１０ｄの第４の層が、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層と同じように配向されて、フィラメントバンド１１０ｃの第３の層の上に積層されてもよい。後に続くフィラメントバンド１１０ｅ、１１０ｆ、１１０ｇ、１１０ｈによる層についても、図１Ｈに示すように、複合材料１００のシートを形成すべく相互に配向しながら配置されてもよい。

図１Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｇと図Ｂ、Ｄ、Ｆ、Ｈは、後に続く、類似の配向角度を有するフィラメントバンド１１０による層を示し、前の工程で積層されたフィラメントバンド１１０近傍に配置される。しかしながら、フィラメントバンド１１０の積層される以降の層は、必ずしも前の工程でフィラメントバンド１１０の積層された層の近傍でなくてもよい。以降のフィラメントバンド１１０は、前の工程で積層されたフィラメントバンド１１０に重なってもよい。もしくは、以降のフィラメントバンド１１０は、前の工程で積層されたフィラメントバンド１１０間で隙間があってもよい。

以降に積層されるフィラメントバンド１１０間の隙間が様々であっても、以降のフィラメントバンド１１０が、図１Ｃに示すように順次、積層されたフィラメントバンド１１０へ揃えるのが望ましい。本実施例は、開口部もしくはウインドウが複合材料１００のシート内に形成されるのを防ぐ。

さらに、図１Ａ−Ｈに示すようなアライメントが、フィラメントバンド１１０の均一化を可能にする。単一の層内や層間において均一な間隔を有するフィラメントバンド１１０を作製することによって、一定の厚さの複合材料１００が作製される。図１Ａ−Ｈに示す実施例において、複合材料１００の厚さは、フィラメントバンド１１０の２つ分の厚さに等しい。これは表面部１２０のあらゆる部分でも、異なる配向の、２つのフィラメントバンド１１０のみでカバーされているためである。

図１Ｂに示すような重ね配置１２２が最良の方法と理解される。その重ね配置１２２は、第１の層のフィラメントバンド１１０ａに重なる第２の層のフィラメントバンド１１０
ｂによって生成される。この重ね配置１２２は、重ね配置１２２を構成する２つのフィラメントバンド１１０ａ、１１０ｂの厚さと等しい。図１Ｃ−Ｈより、フィラメントバンド１１０ｃ−ｈを重ね配置１２２の上に更に配置できないことがわかる。この実施例において、同様のことが複合材料１００のあらゆる部分にあてはまり、複合材料１００の各部分は、異なるファイバ配向性の２つのフィラメントバンド１１０で構成される。

図１に示す方法以外で、複合材料１００における構造の複数の改変は達成できる。例えば、単一の層におけるフィラメントバンド１１０の配向性は、複合材料１００の長さに応じて変更してもよい。図１Ａは、第１の層の２つのフィラメントバンド１１０ａが互いに平行であることを示す。しかしながら、この第１の層の２つのフィラメントバンド１１０ａは、一方のフィラメントバンドが垂直であったり、第２のバンドが３０度のオフセットである等、互いに様々な角度の配向であってもよい。同様に、他の層におけるフィラメントバンド１１０も上述の様に変更されてもよい。

更に、図１Ａ−Ｈにおける垂直方向のフィラメントバンド１１０ａおよび水平方向のフィラメントバンド１１０ｂの図は、複合材料１００に可能なフィラメントバンド１１０の配向の一例である。フィラメントバンド１１０は、複合材料の所望の構造に依存する、複数の他の配向、厚さ、および層を有してもよい。

本発明による複合材料１００の別の特徴は、複合材料１００のシートが製造される前に、樹脂を含浸したフィラメントバンド１１０を使用することである。個々のフィラメントバンド１１０は、大気温度で固体もしくは半固体である樹脂によって予備含浸される。１つの実施例において、樹脂は最大、華氏約１２０度まで、固体の状態であってもよい。樹脂は、華氏約１６０度で液体になるフェノール、ビスフェノール等の、異なるエポキシ樹脂や硬化剤を含んでいてもよい。

しかしながら、大気温度で固体もしくは半固体である、現在入手し得る他の様々なエポキシ樹脂も、複合材料１００を作るのに適している。一般に、樹脂は、複合材料１００を処理し、組み立てる環境条件で、固体もしくは半固体の状態であるように選択しなければならない。温度範囲は、製造設備で一般的な温度を含み、この場合の大気温度は華氏約５０度から１１０度の間であって、華氏約７０度が望ましい。

さらに、複合材料１００が空気中の温度より高い、製造設備の部分に接触した場合、樹脂は固体もしくは半固体の状態であるように、選択されなければならない。例えば、工具、型、および組み立てられた表面部は、摩擦、放射熱等の要因によって温度が上がる可能性がある。

樹脂は、輸送中に固体もしくは半固体の状態でなければならない。通常、材料の搬送は温度制御装置のないトラック、あるいは搬送用コンテナで行われる。トラックおよび搬送用コンテナ内の温度は、華氏１００度以上になり得る。樹脂が輸送中に粘性液体になる場合、樹脂は材料から流れだし、いくつかの部分に樹脂が不足する。従って、樹脂は比較的に高温でも固体もしくは半固体の状態であるように、選択しなければならない。

広い温度幅においても固体もしくは半固体の状態である樹脂を提供することによって、ファイバ内の樹脂の含浸が均一に保たれる。樹脂の均一の含浸は、樹脂の不足によって複合材料１００内に弱い部分ができるのを防ぐ。

固体もしくは半固体樹脂によって、フィラメントバンド１１０が含浸するために、樹脂は、フィラメントバンド１１０へ容易に含浸され得る状態で配置されなければならない。１つの応用例において、大気温度で固体もしくは半固体の状態で提供される樹脂は、液体
あるいは粘性液体の状態になるまで加熱される。熱せられた粘性樹脂は次に、個々のフィラメントバンド１１０へ含浸される。液体樹脂がフィラメントバンド１１０へ含浸された後、樹脂を固体もしくは半固体の状態になるまで冷却される。

フィラメントバンド１１０は、一般に大きなフィラメントバンド１１０を生成すべく一緒に融合された、複数のより小さなフィラメントバンドで構成されてもよい。大きなフィラメントバンド１１０を作りだす、大きなフィラメントバンド１１０、またはより小さなフィラメントバンドが含浸される。これは、一度に含浸されるファイバの数を最小限にすることによって、利点がある。ファイバの数を最小限にすることによって、各ファイバはより容易に、均一に加熱した樹脂で含浸されることができる。

フィラメントバンド１１０が複合材料１００に形成される前に個々のフィラメントバンド１１０に樹脂を含浸させる方法は、様々な製造および設計上の利点を提供する。１つの利点は、複合材料１００の完全なシートに含浸する工程や、巻きつけた複合材料１００を樹脂でコーティングする工程を排除できることである。通常、複合材料のシート全体を含浸させるには、大きな液体樹脂の槽を必要とする。液体樹脂の槽に、使用しない大量の樹脂を入れる必要があり、汚染物質が入る可能性もある。複合材料のシートを液体樹脂の槽に含浸する工程では、複合材料１００へ含浸される樹脂の量を制御することが不可能である。

フィラメントバンド１１０が複合材料１００のシートへ巻きつけられる前にフィラメントバンド１１０を樹脂で含浸させる工程では、フィラメントバンド１１０の異なる層間に、十分な量の樹脂を提供することが可能になる。フィラメントバンド１１０の組立て工程において、個々のフィラメントバンド１１０の層は、図１Ａ−Ｈに示すように、通常、相互に積層される。

例えば、図１Ａおよび１Ｂにおいて、フィラメントバンド１１０ｂの第２の層は、フィラメントバンド１１０ａの第１の層の上に積層されている。２つの層、フィラメントバンド１１０ａおよび１１０ｂを相互に積層することによって、重ね配置１２２が生成される。フィラメントバンド１１０ａおよび１１０ｂが樹脂によって予備含浸されない場合、２つの層のフィラメントバンド１１０ａと１１０ｂとの間には、不十分で効果の得られない樹脂が存在することになる。しかしながら、樹脂で予備含浸されたフィラメントバンド１１０では、重ね配置１１２にも十分な量で、有効な樹脂が存在する。有効な樹脂の量は、複合材料１００全体に均一な樹脂の供給を可能にする量である。様々な層間に、有効で十分な量の樹脂を有することによって、より強固で均一な複合材料１００が形成される。

フィラメントバンド１１０を、大気温度で固体もしくは半固体である樹脂で予備含浸する方法の別の利点は、固体もしくは半固体樹脂の粘着特性である。樹脂の粘着特性は、個々のフィラメントバンドが相互にくっつくことを可能にする。図１Ａ−Ｈに示すように、複合材料１００のシートは、選択的に配置された複数の個々のフィラメントバンド１１０で構成される。フィラメントバンド１１０に含浸された樹脂の粘着性によって、フィラメントバンド１１０が共に接着することが可能になり、容易に処理できる複合材料１００のシートの形成を可能にする。

更に、個々のフィラメントバンド１１０は、さらに少量のファイバで構成される。粘着性のある樹脂の使用は、個々のフィラメントバンドが多くのファイバへ分離することを防ぐ。その結果、複合材料１００の大きなシートは、編込み工程、縫製工程の必要なしに形成され、あるいは複合材料１００のシートを固定する。

固体もしくは半固体の樹脂の粘性は、複合材料１１０を硬化させるために型の上に配置
される場合にも、利点を提供する。通常、複合材料１００は、形状を画定するために型の上に未硬化の複合材料１００のシートを配置することによって形成される。複合材料１００が硬化した場合、この複合材料１００は型の形状を維持する。その粘性によって、複合材料１００が複合材料１００を型へ保持するための、いかなる接着機構も必要とせずに、型へ接着することが可能になる。

さらに、固体もしくは半固体である樹脂によって生成された複合材料１００の粘性によって、複合材料１００が他の部分の複合材料１００へ容易に付着することが可能になる。通常、複合構造は、複数の複合材料１００を組み合わせて生成される。樹脂の粘性によって、複合材料１００の分離した断片部分が共に接着することが可能になるので、硬化中、適切な接着が保たれる。

複合材料１００の粘性は、使用する固体もしくは半固体樹脂の種類による。粘性は複合材料１００中の樹脂の温度の関数でもある。垂直方向あるいは反対側の面の複合材料のシート自身の重量を支えるために、複合材料１００のシート粘着性が十分であることが望ましい。

粘着性のある複合材料の搬送、および処理中に便利なように、図２に示すような、取外し可能な支持台１３０が複合材料１００へ付加されてもよい。取外し可能な支持台１３０は、プラスティック、あるいは粘着性樹脂と他の物体との間の緩衝材として作用する、他の類似の材料でもよい。粘着性樹脂が複合材料１００と接触する物体と接着するのを防ぐために、取外し可能な支持台１３０は、複合材料１００の両側に配置されてもよい。更に、取外し可能な支持台１３０は、樹脂が周囲の物体へ移動するのを防ぐ。

複合材料１００が型へ供給された場合、取外し可能な支持台１３０およびその粘性は、特性の有効な組み合わせを実現する。複合材料１００が型へ供給される時、取外し可能な支持台１３０の片側は、粘着性の複合材料１００を外気にさらすために取り外してもよい。複合材料１００は次に、取外し可能な支持台のついている側によって処理される。外気にさらされた粘着性の複合材料１００の、取外し可能な支持台１３０の反対側上を付けて、型へ接着されてもよい。複合材料１３０が配置されると、取外し可能な支持台１３０の第２の側が複合材料１００から剥がされる。

図３は、図２に示した複合材料１００のシートの断面図である。同図は、複合材料１００のシートを形成するフィラメントバンド１１０ａ―ｈによる複数の層を示す。複合材料１００は、均一な厚さのフィラメントバンド１１０の２つ分の厚さに等しい。一様な厚さは、上層２１２と下層２１６を有する複合材料１００をつくりだす。上層２１２、下層２１６双方とも複数の層からなるフィラメントバンド１１０で作られる。

フィラメントバンド１１０の複数の層の相対配置および長さは、重要な強度に関する利点を提供する。複合材料１００は、高い圧縮性と曲げ特性を有する樹脂を、高い抗張力を有するファイバに組み合わせることによって強度が得られる。樹脂が相当な張力に耐える間、ファイバが樹脂の代わりに張力を受けるのが望ましい。最適に設計された複合材料１１０は、ファイバが十分に張力に耐え、樹脂は圧縮とせん断力を受ける。従って、ファイバに樹脂が最適に取り込まれない複合材料１００の形態は回避されるべきである。

複合材料１００の回避すべき１つの特徴は、上層２１２と下層２１６との間のフィラメントバンド１１０ｇが移行する場所である。上層２１２から下層２１６へのフィラメントバンド１１０ｇの移行によって、皺部分２２０が現れる。

例として、第７の層のフィラメントバンド１１０ｇを図３に示す。右から左へ同図を見
ると、第７の層のフィラメントバンド１１０ｇが複合材料１００の最上層２１２の上に配置されているのがわかる。第７の層のフィラメントバンド１１０ｇは、他の層における３つのフィラメントバンド１１０ｂ、１１０ｄ、１１０ｆの最上部に配置される。第７の層のフィラメントバンド１１０ｇは次に、第８の層のフィラメントバンド１１０ｈの下で縮む。第８の層のフィラメントバンド１１０ｈの下で縮んだ後、第７の層のフィラメントバンド１１０ｇは最下層２１６から最上層２１２へ移行する。フィラメントバンド１１０ｇが最上層２１２から最下層２１６へ移行し、次に最上部２１２へ戻ってくる場所で、各移行場所で２つの皺部分２２０を生成する。

皺部分２２０によって、最上層２１２と最下層２１６との間のフィラメントバンド１１０の移行した複合材料１００に、空間部分２２４が生じる。フィラメントバンド１１０内に含浸された樹脂が、空間部分２２４を充填する。従って、フィラメントバンドが張力によって取り込まれた場合、一部の張力が空間部分２２４に充填した樹脂へ伝わる。フィラメントバンド１１０のファイバは、通常樹脂よりも強いので、空間部分２２４を充填した樹脂は、材料１００の強度を低下させる。

皺部分２２０が空間部分２２４を複合材料１００へ生じさせる一方で、選択可能な皺部分２２０の量が、複合材料１００に対していくつかの利点を提供する。皺部分２２０は、最上層２１２と最下層２１６のフィラメントバンドが絡み合うことを可能にする。複合材料１００が皺部分２２０のないフィラメントバンド１１０による２つの層によってのみで構成される場合、複合材料１００の強度は、２つの層を共に固定する樹脂の強度と等しくなるだけだろう。しかしながら、皺部分２２０の選択使用によって、最上層２１２と最下層２１６がフィラメントバンド１１０によって互いに接続され得る。

以上のように開示された複合材料１００は、最小限の数の皺部分２２０を備える。図３からわかるように、第７層のフィラメントバンド１１０ｇは、２つの小さな皺部分２２０を有する最上層２１２に実質的に配置されている。複合材料１００単一層上にあるフィラメントバンドの一般的に長い部分を備えることによって、フィラメントバンド１１０にかかる張力は、フィラメントバンド１１０の直線のファイバ上にくる。

図２に戻って、複合材料１００は、大多数のフィラメント１１０が皺部分のないファイバの直線部分にあり、直線部分は少なくともフィラメントバンド１１０の幅の３倍である。さらに、選択可能なフィラメントバンド１１０には、皺部分２２０がない。フィラメントバンド１１０の長さと幅の比率は、図示するためだけのものであるが、フィラメントバンド１１０の直線部分を最大限にすることによる複合材料１００の利点が示されておらず、未だ最小限の数の皺部分２２０を使用している。

複合材料１００を製造する方法は、フィラメント巻きつけ、および個々のフィラメントバンド１１０の積層からなる。図４に、フィラメント巻きつけ機を示す。フィラメント巻きつけ機は、フィラメントバンド１１０をマンドレル３１６あるいは類似の構造物へ供給すべく提供される。フィラメント巻きつけ機３１０は、マンドレル３１６、フィラメント供給装置３２０、および輸送システム３３０からなる。

フィラメント巻きつけ機３１０は、ファイバ３２６の糸巻きをマンドレル３１６へ複合材料１００のシートを形成すべく巻きつけるために設定される。フィラメント巻きつけ機３１０は、樹脂供給源３１８を含んでもよい。この樹脂供給源３１８は、フィラメント３２８がマンドレル３１６に巻きつけられる前に、フィラメントバンド３２８を樹脂で含浸するために、樹脂を供給する。既述のように、樹脂が加熱されて液体状態になり、フィラメントバンド３２８へ含浸されるために、樹脂供給源３１８が加熱装置３２２に接触してもよい。

フィラメントバンド３２８がマンドレル３１６に巻きつけられる。マンドレル３１６は、大きな回転式ドラム、あるいはそれに類似の装置であってもよく、このマンドレル３１６によって、樹脂で予備含浸されたフィラメントバンド３２８の供給が可能になる。１つの実施例において、マンドレル３１６は、軸３２４を中心に回転するように構成されるので、マンドレル３１６は、フィラメント供給装置３２０からフィラメントバンド３２８を取り出す。

フィラメント供給装置３２０は、フィラメントバンド３２８を生成するためのファイバの供給源を備えるために、フィラメント糸巻き３２６等の１つ以上のフィラメント供給源を備えてもよい。糸巻き３２６は、フィラメントバンド３２８を生成するためにフィラメントファイバの供給源を備えてもよいし、単一の大きなフィラメントバンド３２８へ融合される複数のより小さなフィラメントバンドを備えてもよい。

フィラメント供給装置３２０は、マンドレル３１６に関連して変形すべく設定されてもよい。その変形は、フィラメント供給装置３２０が輸送システム３３０に取り付けることによって達成される。１つの実施例において、輸送システム３３０は、フィラメント供給装置３２０が搭載されているトラック３３２でもよい。当業者は、複数の他の装置は、フィラメント供給装置３２０がマンドレル３１６に関連して変形することを可能にすることを理解するであろう。

糸巻き３２６は、フィラメント供給装置３２０に取り付けられているので、糸巻き３２６はフィラメント供給装置３２０と共に変形する。しかしながら、糸巻き３２６は固定装置でもよく、その場合糸巻き３２６が固定された場所から変形されたフィラメント供給装置３２０を供給する。糸巻き３２６をフィラメント供給装置３２０へ取り付けると、さらにシンプルな供給メカニズムになるが、糸巻き３２６上にあるファイバが、少量に制限される。従って、複合材料１００の大きなシートのフィラメント巻きつけ機の場合は、フィラメント供給装置３２０に取り付けられていない糸巻き３２６上に大量のファイバを供給できる利点がある。

マンドレル３１６に連動するフィラメント供給装置３２０の動作は、自動制御でも、マニュアル制御でもよい。動作制御システムは、フィラメント供給装置３２０の過渡的動作およびフィラメントバンド３２８がマンドレル３１６へ供給される角度を制御する。マニュアル制御、自動化制御、共に可能であるが、複合材料１００の大きなシート巻きつけるためには、自動化システムが最も実用的である。

フィラメント供給装置３２０は、フィラメントバンド３２８の特性を制御する複数の遊びロッドも含んでいてよい（図示せず）。例えば、遊びロッドは、フィラメントバンド３２８の幅を変えるために、フィラメントバンド３２８を引っ張り状態にしてもよい。単一のフィラメントバンド３２８は、マンドレル３１６へ供給する前に複数の遊びロッドを介して供給されてもよい。

フィラメントバンド３２８の幅の制御は、複合材料１００のシートを巻きつける際に、様々な利点をもたらす。フィラメントバンド３２８の幅を広げることによって、フィラメントバンド３２８の厚さが減少し、幅の狭いフィラメントバンド３２８を作製することによって、厚さが増加する。従って、フィラメントバンド３２８の厚さは、遊びロッドもしくは他の類似の装置を介してフィラメントバンド３２８を巻きつけることによって制御され得る。

一般に広いフィラメントバンド３２８の製造する別の利点は、複合材料１００のシート
を生成するのに必要な製造時間の減少である。複合材料１００のシートは、マンドレル３１６が殆ど覆われるまで、マンドレル３１６の周りにフィラメントバンド３２８を巻くことによって形成される。幅の広いフィラメントバンド３２８を用いることによって、マンドレル３１６を覆うために必要な回転の数を減らすことができる。１つの実施例において、フィラメントバンド３２８は、０．５から１．０インチ（１２．７−２５．４ｍｍ）の幅でもよい。しかしながら、他の実施例は０．５インチ（１２．７ｍｍ）未満あるいは１インチ（２５．４ｍｍ）以上の幅であるフィラメントバンドを使用する。

フィラメントバンド３２８の供給装置は、フィラメント巻きつけヘッド３３６によって制御されてもよい。フィラメント巻きつけヘッド３３６は、フィラメントバンド３２８がマンドレル３１６へ供給される角度を制御すべく構成されてもよい。フィラメントバンド３２８の単一の層を巻きつける間、フィラメント巻きつけヘッド３３６は、フィラメントバンド３２８の角度を変更することが可能である。フィラメント巻きつけヘッド３３６は、遊びロッドおよびフィラメントバンド３２８を樹脂で含浸するための樹脂供給装置を含んでもよい。

フィラメント巻きつけ機３１０の制御装置の変更は、複合材料１００のシートの特徴および特性を超えた広範囲な制御を可能にする。従って、単一のマシンで複合材料１００の複数の形態を生成すべく使用される。

巻きつけ工程は、終端３４０のような、マンドレル３１６の位置へフィラメントバンド３２８を取り付けることによって完遂する。フィラメントバンド３２８は、粘着テープ、あるいは予備含浸されたフィラメントバンド３２８の粘着性によって、マンドレル３１６へ取り付けられてもよい。フィラメントバンド３２８の終端のマンドレル３１６の終端３４０への取り付けは、巻きつけ工程の始点および終点を判定することにおいて、有用である。しかしながら、フィラメントバンド３２８の終端は、マンドレル３１６のあらゆる場所に取り付けてもよい。

複合材料１００が取外し可能な支持台１３０を使用することにおいて、取外し可能な支持台１３０は、第１にフィラメントバンド３２８がマンドレル３１６に取り付けられる前に、マンドレル３１６に搭載される。この実施例において、フィラメントバンド３２８の終端は、取外し可能な支持台１３０に取り付けられるであろう。フィラメントバンド３２８を取外し可能な支持台１３０へ巻きつけることによって、複合材料１００のシートは、取外し可能な支持台１３０に覆われた複合材料１００の少なくとも片側と共にマンドレル３１６から除去される。

フィラメントバンド３２８がマンドレル３１６へ取り付けられると、マンドレル３１６は、フィラメント供給装置３２０からフィラメントバンド３２８を取り出すために回転する。フィラメントバンド３２８がフィラメント供給装置から取り出された時、輸送システム３３０は、マンドレル３１６と連動して動く。マンドレル３１６の回転速度、および輸送システム３３０の動く速度の変化によって、フィラメントバンド３２８がマンドレル３１６へ供給される動作が制御される。

マンドレル３１６の回転制御、および輸送システム３３０の動く速度の制御は、隙間間隔、フィラメントバンド３２８の角度、フィラメントバンドの異なる層との交差角度、および様々な層の相対角度を決定し得る。複合材料１００のこれらの特徴は、複合材料１００の単一のシートを作る間中一定でも変化してもよい。

例えば、フィラメントバンド３２８は、マンドレル３１６への最初の巻きつけパスの間中、第１の角度あるいは配向で積層されてもよい。フィラメントバンド３２８の角度が次
に、マンドレル３１６の中央の巻きつけパスの間中第２の角度に変更される。次にフィラメントバンド３２８の角度は、マンドレル３１６へのフィラメントバンド３２８の最初の回転の際の角度に戻る。

マンドレル３１６の単一パス間に角度を変更するためのフィラメントバンド３２８の能力が、一部、複合材料１００の粘着材によって可能になる。樹脂の粘着材は、フィラメントバンド３２８がマンドレル３１６へ接着することを可能にし、マンドレル３１６に配置されたときの角度を維持する。更に、角度が突然変わった時に、フィラメントバンド３２８の粘着性は、以前に積層されたフィラメントバンド３２８が新しい角度のフィラメントバンド３２８と一致するのを阻止する。

同様に、フィラメントバンド３２８間の隙間も、フィラメントバンド３２８の角度と同様に複合材料１００の製造中に変更されてもよい。さらに、フィラメントバンド３２８の角度、および隙間は、層から層へ変更されてもよい。

図５は、多層複合材料４１０の一部分を示す。この多層複合材料４１０は、全長にわたって様々な数の層を有する。多層複合材料４１０は、異なる層において、手作業によって積層された複合材料に類似している。しかしながら、図２に示す複合材料１００は、単一の巻きつけ工程中に多層に巻きつけられ、全長にわたって様々な数の層を有する。

様々な数の層は、異なる場所において、配向を違えてフィラメントバンドの複数の層を供給することによって達成される。配向および層は、上述のようにマンドレル３１６のフィラメント巻きつけ工程において制御されてもよい。例えば、フィラメント巻きつけ機３１０は、図２に示すように、異なる配向によって積層されたフィラメントバンドの２つのグループからなる第１の層４１６を巻きつけてもよい。第１の層４１６が形成された後、第２の層４２０の部分が、図５に示すように、第１の層４１６の選択された部分の最上部に積層される。

１つの実施例において、第２の層４２０におけるフィラメントバンドのファイバの配向は、第１の層４１６のフィラメントバンドの配向とは違う配向である。この配向の違いは、第２の層４２０が、第１の層４１６におけるファイバの好ましい方向とは違う方向にするためには望ましい。次に、別の方向で取り込むために、第３の層が第２の層４２０の上に配置される。

さらに、最上層４３６が複合材料１００全体の上に配置されてもよい。最上層４３６は、単一の層部分と複合材料１００の多層部分との間の移行を促すべく機能してもよい。さらに、３つの層４１６、４２０および４３２におけるファイバとフィラメントバンドとの角度および配向は、同方向であってもよい。複合材料４１０における層数は、所望の使用目的に依存する。異なる配向のフィラメントバンドを有する複数の層を使用することによって、複合材料４１０が複合材料の複数の層を手作業で積層する必要のない構成の設計が可能になる。

複合材料４１０全体で異なる配向の多層複合材料４１０の使用目的の１つは、プレフォームの製造である。プレフォームは、複合構造もしくは、その一部分が、複合材料１００のシートの製造中に製造される。前以って硬化された材料の層および配向性を有する複合材料の断片を作り出すことによって、複合材料の複数のシートを手作業で敷設する工程が回避できる。

現在、殆どの複合材料は、その複合材料によって作られる最終製品を考慮せずに製造されている。通常、異なる厚さ、強度、およびファイバ配向性の原材料が製造される。複合
材料の原材料から、最終製品が、所望の形状および層を有する、製品の積層によって製造されている。複合材料の手作業による積層工程が、全体のコストを増やしている。

複合材料の手作業による積層を回避するために、複合材料が製造される時に、複合材料の複数の層を互いに作り出してもよい。これを実現するために、複合材料を製造する前に、材料もしくは部位の設計を知る必要がある。図６は、プレフォームを作り出す工程を図示したフローダイヤグラムである。

第１に、最終部位もしくは材料に取り込む要求が決定される（５１０）。その要求は、部位の上に配置するための、使用目的および負荷に依存する。大きな負荷を受けるためには厚い部分が必要であり、あるいは複合材料が製造されている状態の時には作りだされない他の材料を取り付けるための場所を必要とする。

負荷要求がわかると、部位５２０の設計に沿うために、フィラメントバンドの層および配向の数が決定される。これらの設計配慮は図５に示されている。多層複合材料４１０は、右側４２４の負荷要求が左側４２６の負荷要求より大きいプレフォームである。

図６は、層およびファイバ配向の数が決まると、プレフォームを製造する製造制御計画がなされる（５３０）。製造制御計画は、所望の層およびファイバ配向の数を生成するために、如何にフィラメント巻きつけ機３１０を動作させるかについて説明する。製造制御計画は、フィラメント供給装置３２０の位置および速度に対応したマンドレル３１６の回転速度を含んでもよい。この制御計画は、機械動作のためのテキストプラン、あるいは自動化された巻きつけ機３１０とインタフェイスするコンピュータプログラムであってもよい。

製造制御計画が確立されると、フィラメントバンドは複数の層とファイバ配向がプレフォーム５４０を作り出すマンドレル３１６に巻きつけられる。多層複合材料４１０は次に、形成および硬化が可能なように細かい形状にカットされる。

現存の装置において、プレフォームの設計を自動化する工程が確立できると考えられる。自動化工程は、有限要素法解析プログラム等の、負荷要求に関してディジタル媒体における材料あるいは部位の設計パラメータを受け取ることもできる。コンピュータプログラムは次に複合材料の種類、フィラメントバンドの幅、そして樹脂の種類を決定する。次に、複合材料の層数および層の配向数を各部位ごとに確立する。

コンピュータプログラムは次に、プレフォームを製造するフィラメント巻きつけ機とインタフェイスするための製造制御計画を決定する。自動化工程は次に、フィラメント巻きつけ機の動作パラメータを制御する。あらゆる工程が自手作業工程と置き換わると、自動化工程は通常より効率的でコスト効果があるだろう。

本装置で説明した複合材料は、様々な複合部位を製造するための複数の実施例がある。一般に、複合材料とは、大気温度で固体もしくは半固体の状態で予備含浸されたフィラメントバンドの複数の層が示される。フィラメントバンドの異なる層は、相互に交差配向を有する。樹脂は、複合材料が容易に型に接着でき、複数のフィラメントバンドと共に固定できる、粘着材の量を提供する。

本発明が、これまで広く述べてきたことや以降に示す特許請求の範囲として構造、方法、もしくはその他の必要な特性から乖離しない他の具体的方法でも有効に実施される。上述の実施例は全て説明にのみ使用されたものであり、限定するものではない。本発明の範囲は従って、前述の図示ではなく、添付の請求の範囲によって示されている。特許請求の
範囲と等価な全ての変更は、特許請求の範囲内である。

Claims (14)

1. 複合材料を製造する方法であって：
   大気温度で固体又は半固体である熱硬化性樹脂で第１のフィラメントバンドを予備含浸する工程と；
   第１の角度で前記第１のフィラメントバンドを巻きつける工程と；
   大気温度で固体又は半固体である熱硬化性樹脂で第２のフィラメントバンドを予備含浸する工程と；
   第２の角度で前記第２のフィラメントバンドを巻きつける工程と、からなり、
   第２の角度が第１の角度と交差配向を有することによって、前記第１のフィラメントバンドおよび前記第２のフィラメントバンドが複合材料を形成する；
   ことからなる複合材料を製造する方法。
2. 前記第１の角度および第２の角度による前記交差配向がほぼ垂直配向である請求項１に記載の方法。
3. 前記複合材料が回転するマンドレル上に巻きつけられる請求項１に記載の方法。
4. 前記フィラメントバンドの配向がフィラメント巻きつけ機のフィラメント供給装置によって制御される請求項１に記載の方法。
5. 前記供給装置が前記熱硬化性樹脂で前記フィラメントバンドを含浸する請求項４に記載の方法。
6. 前記第１のフィラメントバンドおよび前記第２のフィラメントバンドが複数の重ね配置を有する請求項１に記載の方法。
7. 有効な量の熱硬化性樹脂が前記重ね位置に存在する請求項６に記載の方法。
8. 前記第１のフィラメントバンドおよび第２のフィラメントバンドが同量の樹脂で含浸される請求項１に記載の方法。
9. 複合材料を製造する方法であって；
   材料の負荷要求を決定する工程と；
   前記材料の負荷要求を満たすために、フィラメントバンドの配向および層の数を特定する工程と；
   製造制御計画を作成する工程と；
   マンドレル上で複数のフィラメントバンドを巻きつける工程と、からなり、
   同複数のフィラメントバンドが大気温度で固体又は半固体である熱硬化性樹脂で予備含浸された後に、前記製造制御計画によって巻きつけられることによって、前記フィラメントバンドの配向および層の数が前記材料のプレフォームを作り出す；
   ことからなる複合材料を製造する方法。
10. 前記フィラメントバンドが、少なくとも３つの異なるフィラメントバンドの配向を有する複数の層へ巻きつけられる請求項９に記載の方法。
11. 複合材料から前記プレフォームを切断する工程から更になる請求項９に記載の方法。
12. 形状を決定するフォームの上に前記プレフォームを硬化する工程から更になる請求項１１に記載の方法。
13. 複数のプレフォームが同時に巻きつけられる請求項９に記載の方法。
14. 前記プレフォームが複合材料のシート内に巻きつけられる請求項９に記載の方法。

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