JP5409648B2 - 統合された側壁を有する下地を織るための方法 - Google Patents

Description

［参照による統合］
この出願は、２００４年１２月８日に出願された米国特許出願番号１１／００７，６００号に関連があり、それは、本願明細書において参照により組み込まれている。
本願明細書において言及される全ての特許、特許出願、文書及び／又は参考文献は、参照により組み込まれており、また、本発明の実施において使用されることがある。

本発明は、平坦に織られ、かつ、それらの最終的な３次元形状に折り込まれることのできる強化複合材料構造のための、一体的に織られたプレフォームに関する。

構造部材を生成するための強化複合材料の使用は、特に、軽量で、強固で、堅牢で、耐熱性があり、自立可能であるために望ましいそれらの特性、並びに形成され、形作られるためのそれらの適応性が求められる適用において、現在広く普及している。この種の構成部品は、レース用ボートや無数の他の応用のような娯楽的使用と同様に、例えば、航空、航空宇宙、及び衛星産業において用いられる。概して、構成部品は、マトリックス材に埋め込まれた補強材から成っている。その補強部品は、ガラス、カーボン、セラミック、アラミド、ポリエチレンのような材料、及び／又は、所望の物理的、熱的、化学的、及び／又は他の特性を呈する他の材料から製造されることがあり、そして、それの中で最も重要なのはストレス不全に対する大きな強さである。最終的に完了した構成部品の構成要素になるこの種の補強材の使用を通じて、非常な高強度といった補強材の望ましい特徴は、完成した複合材料部品に与えられる。構成補強財は、概して、補強プレフォームにとって望ましい構成及び形状に織られるか、編まれるか、さもなければ方向付けられることができる。通常、これらの構成補強財が選択されてきた理由である特性の、最適利用を確実にするために特別な注意が払われる。一般に、この種の補強プレフォームは、所望の完成構成部品を形成するため、或いは完成構成部品の最終生産量に対する通常在庫を生み出すために、マトリックス材と結合される。

所望の補強プレフォームが構成された後、マトリックス材は、導かれてプレフォームと結合されることができ、その結果、補強プレフォームの構成要素間の隙間領域をマトリクス材が満たすように、補強プレフォームはマトリクス材の中に閉じ込められた状態となる。マトリックス材は、これもまた所望の物理的、熱的、化学的及び／又は他の特性を呈するエポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミック、カーボン及び／又はその他の材料のような多種多様な材料の何れであってもよい。マトリックスとして用いるために選択される材料は、補強プレフォームのそれと同じであっても同じでなくてもよく、また、相当する物理的、化学的、熱的、或いは他の特性を有していても、有していなくてもよい。しかしながら、第１の場所で複合材料を用いる際に探求される通常の目的は、１つの組成部品材料を単独で用いることによっては達成できない特徴の組合せを最終製品において達成することであるから、それらは概して、補強プレフォームと同じ材料とはならず、また、相当する物理的、化学的、熱的、或いは他の特性を有しない。結合されるときに、補強プレフォームとマトリックス材は、それから、熱硬化又は他の周知の方法により同じ動作において硬化させ、また、安定化させることができ、次いで、所望の構成要素を生産することに向けられた他の動作の対象とすることができる。そのように硬化させられた後、次いで凝固したマトリックス材の塊は、通常、補強する材料（例えば、補強プレフォーム）に非常に強く接着する点に注意することが重要である。その結果、完成構成部品上の応力は、特に、繊維間の接着剤として作用している、それのマトリックス材を経由して、補強している補強プレフォームの構成材料により効果的に伝達され、かつ担われる。

しばしば、プレート、シート、矩形、或いは正方形の固体などの単純な幾何学的形状以外の外形を持つ構成要素を生産することが望まれる。２方向に統合された側壁を有する平坦な下地からなる外形は特に興味の対象となる。その統合された側壁は強化表皮への適用において従来の補強材として用いられることができ、そこでは上記下地が表皮として機能する。これらの適用の各々においては、構成要素間、すなわち、補強材と、基礎プラットフォーム或いはパネル部分との間の各接合部を可能な限り強くすることが重要である。補強プレフォーム構成物質それ自身の非常に高い所望強度が与えられた場合、脆弱な接合部は、効率的に、構造的「チェーン」における「脆弱リンク」となる。

補強複合構造、或いは補強された表皮パネルを生産するために複合構成部品又は補強プレフォームを接合するためには、従来、様々な方法が用いられてきた。側壁を伴う下地の構造を形成するために、粘着し易くされたファブリックやプリプレグの個別の層を用いることが提案されている。粘着し易くされたファブリックが用いられる場合、結果として生じる積層プレフォームは、その後、樹脂トランスファー成形されることができ、最終形状を形成するためにプリプレグが用いる場合、結果として生じるプレフォームは、バキューム・バッグ工法に用い、かつ硬化されることができる。しかしながら、及び硬化利益を生む（融資・投資などが）は袋に入れられて、治る真空でありえる。しかしながら、積層されたプレフォームに対する負荷、特に厚みを通した負荷の適用は、プレフォームの層間剥離や平坦な下地からの側壁の分離を生じさせ得る。

この種の構成要素のインタフェースにおける金属のボルト又はリベットの使用は、使用はされていたが、この種の追加が、複合材構造自体の完全性を少なくとも部分的には破壊しかつ弱め、重量を加え、更に、この種の要素と周囲の材料との間の熱膨張係数に違いを導くため、容認することはできない。

この課題を解決する他のアプローチは、構成要素の一つを他方に縫い付けるといった方法の使用により高強度の繊維を結合領域に渡って導入し、縫い合わせの糸に頼ってこの種の強化繊維を結合領域内に渡って導入するという概念に基づいてきた。この種アプローチの一つは米国特許番号４，３３１，４９５号及びその方法の分割対応である米国特許番号４，２５６，７９０に示されている。これらの特許は、接着接合された繊維層で作られた第１及び第２の複合パネルの間に作られていた接続部分を開示する。第１のパネルは、先行技術の方法における２つの分岐した同一平面にあるパネル接触面を形成するために一端において分岐しており、それは、双方のパネルを通る未硬化で柔軟な複合糸の縫い合わせによって第２のパネルに結合されていた。パネルと糸は、次いで「共同硬化される」、すなわち、同時に硬化される。しかしながら、このプロセスは、プレフォームが複数の工程で作られることを要求すると共に、第３の編み糸或いは繊維をプレフォームに導入することを要求する。

交わりのある構成の一例は、米国特許番号６、１０３，３３７号に記載されており、その開示は、参照により本願明細書に引用したものとする。この参照は、３次元補強プレフォームを形成するために補強プレフォームをプレフォームパネルに結合させる手段を開示している。２つの個々のプレフォームは、糸又は編み糸の形状の補強繊維によって、接合部分において、互いに結合される。２つのプレフォームが一端結合され又は縫い合わされると、マトリックス材がプレフォームに導入される。しかしながら、このプロセスは、複数のプレフォームが個々に織られ、或いは作られ、次いで別個の工程で縫い合わされることを要求する。それらのプレフォームは連続的にも一体的にも織り合わされない。更にまた、プレフォームを接続するために追加の編み糸や繊維が必要とされる。

接合部分の強度を改善するための他の方法は、米国特許番号５，４２９，８５３号に記載されている。しかしながら、この方法は、第３の編み糸又は繊維による２つの間の縫い合わせによって別個に作られた異なる要素を結合させるものであるから、先に述べた方法と類似している。

先行技術が、補強された複合材の構造的完全性の改善を求めるものであり、また、或る程度の成功を収めている一方、それらを改善し、かつ、別個のパネルと補強要素の接着又は機械的結合の使用とは異なるアプローチにより上記課題に対処したいという要求が存在する。この点に関しては、１つのアプローチは、専用機械上で３次元織物構造を制作することによる。３次元ファブリックは、一般に、他の繊維に対して垂直な方向に沿って延びる複数繊維からなり、それは、Ｘ，Ｙ，Ｚ軸方向に沿っている。しかしながら、関係する出費はかなりであり、また、単一の構造型を作ることに向けられた織機を持つことは望ましいことではない。

他のアプローチは、２次元の構造物を織り、パネルが一体的に補強されるように、すなわち、平坦なベース又はパネル部分と補強材との間を編み糸が連続的に混交されるような形状に、それを折り畳むことである。しかしながら、これは概して、プレフォームを折る際に、プレフォームの歪曲させる結果となる。上記の歪曲は、織られた際の繊維の長さが、プレフォームが織られた際にそれらがあるべき長さと異なっていることにより生ずる。これは、織られた繊維の長さが短すぎる領域では窪みや波紋を生じさせ、繊維長が長すぎる領域ではゆがみ（よじれ）を生じさせる。これらの歪曲は、望ましくない表層異常を生じさせ、また、構成要素の強度及び剛性を低下させる。これは、カッティングやダーティングによって軽減することができる一方、この種の処理は、それらが労働集約的であるため、或いはプレフォームの完全性を傷つける可能性があるため望ましいものではない。

参照によりその開示を本願明細書に引用したものとする米国特許番号６，４４６，６７５号は、幾らかの領域では幾らかの繊維が短すぎ、他の領域では他が長すぎるように織り加工の間に繊維の長さを調整することで２次元の織式プレフォームを折る際に生ずる歪曲に伴う課題を解決している。プレフォームが折られることにより、繊維の長さが等しくなり、折り目において滑らかな変遷が提供される。しかしながら、この織式プレフォームは、縦糸繊維方向に平行な一方向において補強又は強化を提供することができるに過ぎない。

補強パネルを作るための他のアプローチは、縦糸及び充填方向の双方に補強用強化材を伴う補強パネルを作るための方法を開示する米国特許番号６，０１ ９、１３８に記載されている。開示されているように、この方法は、過度の織りにより、或いはプレフォームのパネル部分にハイスポットを単に織ることにより、２つの方向において補強を達成する。この方法を使用すると、達成され得る補強材の高さが制限される。更に、この方法はプレフォームが第３の編み糸を用いて編まれることを要求する。補強材をプレフォームのパネル部分に結合する第３の編み糸は他の２つの編み糸の間で周期的に織られるだけである。従って、補強材は、パネル部分に完全に一体化して織られるのではなく、その結果、得られる結合部は完全に一体的に織られる結合部より弱いものとなる。

従って、如何なる特別な変形も伴わずに従来の織機を用いて一つのプロセスで織ることができ、２つ以上の方向において側壁を提供する一体的に織られたプレフォームに対する需要が存在する。
この出願において引用又は識別される如何なる文書も、その種の文書が本願発明にt愛する先行技術として提供可能であることを認めるものではない。

本発明によれば、少なくとも一の方向において複数の側壁或いは少なくとも一つの側壁を伴う一体的に織られた３次元プレフォームが提供される。そのプレフォームは、少なくとも２層の織られたファブリックを備え、それら各層は、横糸及び縦糸方向の繊維を備えている。一の層の繊維は、混交領域を形勢するために、他の層の繊維と互い違いに織られることができる。

側壁は、最上層の一部をカットし、次いで、プレフォームに対してそれが垂直或いは直角になり、それにより壁が生成されるようにその一部を折ることにより形成される。最上層が他の層と互い違いに織られている混交領域において上記に折りが生ずると、側壁は、プレフォームの下層、すなわち、側壁に織り込まれている下層の繊維と統合されていることから、統合化された側壁として考慮される。複数の層が互い違いに織られている領域で上記の折りが生じない場合は、「非統合的」側壁はプレフォームと一体化されず、必要に応じて他の場所に移動することができる。側壁は、ファブリックの一つ以上の層を備えることができる。

一方向における繊維、例えば横糸は、他方向における繊維、例えば縦糸より、異なる層との間で互い違いに編まれることができる。例えば、３層のプレフォームにおいては、第１層の横糸方向の繊維は、第３層の縦糸方向の繊維と互い違いに編まれ、一方、第２層の縦糸方向の繊維は第三層の横糸方向の繊維と互い違いに編まれることができる。これにより、互いに垂直な統合化された側壁を形成することが可能となる。１つの実施形態では、一の方向、例えば縦糸において統合化された側壁は連続的となり、一方、垂直な方向、例えば横糸における側壁は非連続的となる。

側壁は、セルと称されるプレフォームの小領域を囲み、或いは区分するように方向付けられることができる。これらのセルは、形や大きさにおいて変化することができ、それらは、プレフォームの統合化された側壁が形成される場所、及び／又は非統合的な側壁が方向付けられる場所によって決定される。セルの形の例としては、正方形、長方形、六角形などのような多角形が挙げられる。更に、単一のプレフォームにおける複数のセルは、正方形と長方形の組合せのように、１つのセル型より多くてもよい。

好ましい実施形態において、プレフォームは、形状において長方形であるセルを備えることができる。このタイプのプレフォームは少なくとも３層の織られたファブリックを備えることができ、各層には、横糸及び縦糸方向の繊維が備えられている。横糸方向において、第１層の繊維は第３層の繊維と互い違いに織られることができ、一方、縦糸方向では、第２シートの繊維が、選ばれた場所で第３層の繊維と互い違いに織られることができる。或いは、縦糸及び横糸繊維のための層間での交互織りは入れ替えることができ、そこでは、縦糸方向の繊維は第１及び第３層の間で互い違いに織られ、横糸方向の繊維は第２及び第３層の間で互い違いに織られる。互い違いに織られた領域は、統合的な側壁を形成するために層が織られることのある箇所にマークを付す。第１及び第３層、並びに第２及び第３層は、１つの交互織り領域より多い箇所で、すなわち、プレフォームの縦糸又は横糸方向に沿った一つの領域より多くの箇所で、互い違いに織られることができる。第１及び第３層によって形成される統合化された側壁、並びに第２及び第３層によって形成される側壁は、互いに垂直であることが好ましい。特定の実施形態において、一の方向、例えば横糸における統合化された側壁は連続的であり、一方、他方向、例えば縦糸における統合化された側壁は非連続的である。

他の実施形態において、プレフォームは、形状において六角形である細胞を備えることができる。このタイプのプレフォームは少なくとも２層の織られたファブリックを備えることができ、各層は横糸及び縦糸方向の繊維で構成されている。横糸方向において、第１層の繊維は、選択された区域に互い違いに織られた領域を形成するために第２層の繊維と織られることができ、一方、縦糸方向においては、第１層と第２層の繊維は互い違いに織られることはない。横糸及び縦糸繊維の層間での交互織り、及びその欠落は、入れ替えることが可能であり、その場合、縦糸方向における繊維は第１及び第２層間で互い違いに織られ、横糸方向における繊維は層間で互い違いに織られることはない。互い違いに織られた領域において、統合化された側壁は縦糸方向に形成されており、かつ、六角形のセルを形成する対向する側壁の一対となる。第１層からは非統合の側壁も形成され、それは、ある角度、好ましくは６０°で、統合化された側壁に付属する。複数層を交互織りするための選択された区画は、統合化された側壁を形成するためにシートが折り畳まれることができる箇所をマークする。加えて、非統合の側壁は第１層から形成することができ、これは、横糸又は縦糸方向には延在しない。

本発明の別の態様は、側壁を伴う織られた３次元プレフォームの形成方法である。この方法は、２層以上の織られたファブリックを提供することを含み、そこでは、ファブリックの１つの層からの複数の繊維がファブリックの他の層からの複数の繊維と互い違いに織られる。交互織りは、横糸及び縦糸方向の双方における繊維について、また、複数層の複数の対の間で発生することができる。複数層が一端形成されると、側壁を形成するために情報に折られることのできる分離部分を形成するために最上層がカットされる。任意的には、今や最上のものと考えられる第２層が、更なる側壁を形成するために次いでカットされる。所望の数及び方向の側壁が形成されるまで、この処理が繰り返される。ある特定の実施形態では、本発明は、１以上の統合された側壁を伴う３次元プレフォームの形成方法であり、そこでは、側壁が、形状において長方形のセルを形成する。他の実施形態では、本発明は、側壁を伴う３次元プレフォームの形成方法であり、そこでは、側壁が、形状において六角形であるセルを形成する。

本発明を特徴づける様々な新規の特徴は、本開示に付加され、その一部を形成する請求項において特に指摘される。本発明、その動作による効果、及びその使用によって達成される特別な目的をより良好に理解するために、添付の図面中に本発明の好ましい実施形態が描かれている添付の記述的事項が参照され、そこにおいては、対応する要素が同じ参照符号によって特定参照は、本発明の好ましい実施例が対応する構成要素が同一参照番号によって確認される添付図面において例示される付随する図形事項になされる。

従って、本発明の目的は、如何なる先行公知の製品、プロセス、又は方法についても、出願人が権利を留保し、かつ、ここで権利放棄を開示するように、如何なる先行公知の製品、その製品の製造プロセス、又はその製品の使用方法をも本発明の範囲に取り込まないことである。更に、本発明は、如何なる先行公知の製品、その製品の製造プロセス、又はその製品の使用方法についても、出願人が権利を留保し、かつ、ここで権利放棄を開示するように、米国特許庁（合衆国法典３５巻第１１２条、第１パラグラフ）及び欧州特許庁（欧州特許条約第８３条）の記載説明及び実施可能の要件に合致しない如何なる製品、プロセス、又はその製品の製造或いはその製品の使用方法も、本発明の技術的範囲に包含しないことを意図するものである点に留意されたい。

尚、この開示、特に請求項及び／又はパラグラフにおいて、「備える」、「備えた」、「備えている」などの用語は、米国特許法におけるそれによる意味、つまり、「含む」、「含んだ」、「含んでいる」などの意味を持つことができ、また、「から基本的に成っている」、「から基本的に成る」のような用語は、米国特許法におけるそれらによる意味を有し、つまり、それらは、明確に挙げられていない要素を許容するが、従来技術に見られる、或いは本発明の基本又は新規な特徴に影響を与える要素を除外する。

これら及びその他の実施形態は、以下の詳細な説明に開示され、又はそこから明らかであり、かつ、それにより包含されている。

例を通じて与えられるが、本発明を記述された特別な実施形態にのみ限定することを意図するものではない以下の詳細な説明は、添付の図面と併せることで最も理解することができる。
図１Ａ〜図１Ｃはプレフォームの異なる織柄を表す。図１Ａは厚さ方向の角度連結（angle interlock）構造を示す。 図１Ｂは厚さ方向の直交構造を示す。 図１Ｃは層対層連結（ply-to-ply interlock）構造を示す。 図２Ａ〜図２Ｂは統合された側壁を有する基本的なプレフォームを示す。図２Ａは、本発明の一実施形態に係り、長方形のセルを形成するために、連続した長手方向の統合された側壁及び不連続な幅方向の統合された側壁を有する基本的なプレフォームを示す。 図２Ｂは、本発明の別の実施形態に係り、長方形のセルを形成するために、連続した長手方向の統合された側壁及び不連続な幅方向の統合された側壁を有する基本的なプレフォームを示す。 図３は、本発明の一実施形態に係り、六角形のセルを形成するために用いられる不連続な長手方向の統合された側壁及び不連続な統合されていない側壁を有する基本的なプレフォームを示す。 図４Ａ〜図４Ｄは統合された側壁の形成を表す。図４Ａは、４層の織られたファブリックを備える基本的なプレフォームの側面図を示す。 図４Ｂは、互い違いに織られた領域を形成するために、最上層の繊維がどのようにして第３層の繊維と互い違いに織られるかを示す。 図４Ｃは、最上層の分離部分が生成されるようにカットが最上層にどのように施されるかを示す。 図４Ｄは、統合された側壁を形成するために、互い違いに織られた領域において最上層の分離部分がどのようにして折られることができるのかを示す。 図５Ａ〜図５Ｃは統合されていない側壁の形成を表す。図５Ａは、４層の織られたファブリックを備える基本的なプレフォームの側面図を示す。 図５Ｂは、最上層の分離部分が生成されるようにカットが最上層にどのように施されるかを示す。 図５Ｃは、統合されていない側壁を形成するために最上層の分離部分がどのようにして折られることができるのかを示す。 図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の一実施形態に係り、長方形のセルを形成するために、連続した長手方向の統合された側壁及び不連続な幅方向の統合された側壁を有する基本的なプレフォームの形成を示す。図６Ａは、縦糸及び横糸方向における繊維間に交互に織られた領域を有する基本的なプレフォームの上面図、及び分離領域を形成するために最上層がどのようにカットされるかを示す。 図６Ｂは、長手方向の統合された側壁を形成するために分離部分がどのように折られるか、及び分離領域を形成するために第２層がどのようにカットされるのかを示す。 図６Ｃは、横方向の統一された側壁を形成するために最上層の分離部分がどのように折られることができるかを示す。 図７Ａ〜図７Ｃは、本発明の別の実施形態に係り、長方形のセルを形成するために、連続した長手方向の統合された側壁及び不連続な幅方向の統合された側壁を有する基本的なプレフォームの形成を示す。図７Ａは、縦糸及び横糸方向における繊維間に交互に織られた領域を有する基本的なプレフォームの上面図、及び分離領域を形成するために最上層がどのようにカットされるかを示す。 図７Ｂは、長手方向の統合された側壁を形成するために分離部分がどのように折られるか、及び分離領域を形成するために第２層がどのようにカットされるのかを示す。 図７Ｃは、横方向の統一された側壁を形成するために最上層の分離部分がどのように折られることができるかを示す。 図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の一実施形態に係り、六角形のセルを形成するために用いられる不連続な長手方向の統合された側壁及び不連続な統合されていない側壁を有する基本的なプレフォームの形成を示す。図８Ａは、縦糸方向における繊維間に交互に織られた領域を有する基本的なプレフォームの上面図、及び分離領域を形成するために最上層がどのようにカットされるかを示す。 図８Ｂは、横方向の統合された及び統合されていない側壁を形成するために分離部分がどのように折られるかを示す。 図８Ｃは、六角形のセルを形成するために、統合されていない側壁がどのように動かされて統合されている側壁と結合されるのかを示す。

以下の説明において、同様の参照記号は図の全体に亘って同様又は対応する部分を指す。加えて、以下の説明において、「正面」「後部」「左」「右」「横」「縦」など語句は便宜上のものであり、限定的な用語として解釈されるものではない。更にまた、「繊維」及び「編み糸」は、全体を通して互換可能に用いられており、かつ等価な意味を有する。同様に、「横」及び「垂直」は全体を通して互換可能に用いられており、かつ等価な意味を有する。

本発明は、少なくとも一つの方向に設けられた、複数の側壁、或いは少なくとも一つの側壁を有する三次元プレフォームに関する。プレフォームの基部又は下地と側壁との間で、それらの要素を一緒にロックするために繊維が互い違いに織られるように、側壁はプレフォームの一体的部分であることができる。要素間に弱い固定ラインがもはや存在しないため、これは、従来の方法より著しく強度の高い結合を都合よく作り出し、剥離の可能性を排除し、かつ、ダメージ耐性を改善する。プレフォームは材料の一片から造られ、積層された皮膜及び側壁のための層の切断に関連する全ての時間を排除する。更に、粘着付与剤の必要がなく、これによりまた時間とコストが節約され、かつ、第１樹脂の互換問題の可能性が排除される。プレフォームは、先ず、平坦なプレフォームとして基礎ファブリックの形に織られる。基礎ファブリックは、次に、少なくとも一の方向、例えば横又は長手方向に、或いは、一より多い方向、例えば横及び長手方向に、側壁を有する下地部分を伴う３次元のプレフォームに折り込まれる。結果として生じる織られたプレフォームは、樹脂トランスファー成形又は化学蒸気浸透法といった従来技術を用いるマトリックス材の導入を伴う複合構成部品に処理されることができる。

プレフォームは、軽量で、強固で、タフで、熱耐性があり、自立することができ、かつ、形成されること及び形作られることに対する適応性を持つ材料を要求する構造的構成要素のような公知の様々な応用において用いられることができる。同様に、プレフォームは応用で使われることができ、かつ、側壁は、皮膚として機能する下地部分と共に、強化皮膚応用において従来の強化材として使われることができる。

プレフォームは、ジャガード織機、又はハーネス織機及び捕獲シャトルを用いて、縦糸繊維又は編み糸と、横糸又はフィル繊維又は編み糸とで織ってもよいが、プレフォームを織るためには、如何なる公知の織り技術を用いてもよい。プレフォームは、機械織りが可能であり、カーボン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、綿、ガラス、セラミック、アラミド及びポリエチレンのような合成又は自然材料の何れでもよい如何なる繊維を備えることもできる。繊維は、層に織り込まれることができ、ここにおいてプレフォームの各層は、平織り、綾織り、サテン、また層間プライ・トゥ・プライ（ply-to-ply）、垂直、又は角度インターロックのような如何なる織り柄も有することができる。例えば、図１Ａに示すような厚さ方向の角度インターロック構造では、縦糸繊維１は、横糸繊維２のピック又は間隔取りによって決まる角度でプレフォームの全厚を通過する。図１Ｂに示す厚さ方向の直交構造では、縦糸繊維１が、横糸繊維２の隣接するピック又は列の間でプレフォームの全厚を通過し、そのため、厚さ方向の要素はファブリックの面に対して概ね直交している。このタイプの構造は、通常、織られることなくピックの２層間を単純に通過する縦糸「挿入物」を含んでいる。図１Ｃに示すプライ・トゥ・プライインターロック構造では、縦糸繊維１は、２以上の層を一つに束ねつつ、プレフォームの全厚さを通過する。縦糸は、通常、角度インターロック構造と同様にインターロック角度を有しているが、直交することも可能である。例えば、プレフォームの層１は層２に、層２は層３に、というように係止されることができる。

本発明の一実施形態によれば、本発明は、長手方向及び幅方向に一つ以上の統合された側壁を有する３次元プレフォームを備えており、そこにおいて側壁は、図２Ａに示すように長方形のセルを形成する。このプレフォームは、当初、織られたファブリックの６層で構成されており、最上層が、長手（縦糸）方向に２列の連続した統合側壁１２を形成し、第２層が、幅（横糸）方向に４列の非連続な統合側壁１３を形成し、このようにして、プレフォーム１１は、図示されるように、連続した統合側壁１２と、非連続な統合側壁１３と、残りの４層を備える下地とを備えるものとなる。

図２Ｂに示す別の実施形態において、プレフォームは、当初、織られたファブリックの６層で構成されており、最上層が、長手（縦糸）方向に３列の連続した統合側壁１６を形成し、第２層が、幅（横糸）方向に５列の非連続な統合側壁１３を形成する。その結果、プレフォーム１５は、図示されるように、連続した統合側壁１６と、非連続な統合側壁１７と、残りの４層を備える下地とを備える。

それ故、図２Ａ及び図２Ｂに表された実施形態の変形例は、下記を含むことができる。
・好ましくは３以上であるプレフォームを形成する層の数
・連続或いは不連続な側壁の数
・連続及び不連続な側壁の方向、すなわち長手又は幅
・互い違いに織られる層
・連続する統合されていない側壁の存在
・不連続な統合されていない側壁の存在
・連続する及び不連続な統合されていない側壁の存在
・長手及び幅側壁の位置

他の実施形態によれば、本発明は、長手方向における統合された側壁と、斜め方向における統合されていない側壁とを伴う３次元プレフォームを備え、それらの側壁は図３に示すように六角形のセルを形成する。このプレフォーム２１は、当初、２層の織られたファブリックで構成されており、最上層が、長手（縦糸）方向に５列の不連続な統合側壁２２を、長手及び幅方向の間で斜め方向に４列の非連続な不統合側壁２３を形成する。従って、プレフォーム２１の下地は１層のファブリックを備えている。斜めの側壁は、六角形セルをつくるため、動かされて長手の側壁に固定される。側壁は、０°、＋６０°、及び−６０°の方向に延びており、これは側壁が補強材として用いられる適用において有利である。この設計は、印加される力の方向に関わらず面強度が均等になるため、準等方性の構成であると考えられる。

図３に表された実施形態の変形例は、下記を含むことができる。
・好ましくは２以上であるプレフォームを形成する層の数
・如何なる多角形形状をも含むことができるセルの形状
・不連続な統合された側壁の数
・不連続な統合された側壁の方向、すなわち縦糸方向又は横糸方向
・連続する統合された側壁の存在
・不連続な統合されていない側壁の存在
・連続する統合されていない側壁の存在
・統合されていない側壁の方向

勿論、本発明は、図１Ａ−図１Ｃ、図２Ａ−図２Ｂ及び図３に表されたプレフォームの組み合わせを備えることができ、例えば、連続した及び不連続な統合側壁を備え、サイズの異なる長方形や正方形及び六角形といった様々な形を形成するための統合されていない側壁と組み合わされることもできる。

上述の通り、折り目は、互い違いに織られた領域を形成するために編み糸が複数層の間で互い違いに織られている区画に位置する。横糸方向の側壁は、層間で縦糸方向に互い違いに織られている繊維から形成され、その一方、縦糸方向の側壁は、横糸方向の繊維から形成されている。例えば、図４Ａは、４層のファブリック（３２、３３、３４、及び３５）を備えるプレフォーム３１の断面図を示す。円形は縦糸方向（観察者に向かう）繊維３６を表して織り、一方、線条のあるラインは横糸方向の繊維３７を表している。図４Ｂは、最上層の横糸繊維が第３層の繊維と互い違いに織られていることを示す。互い違いに織られている区画は、統合された側壁を形成するために最上層が折られることとなる場所を印し付けている混交領域３８を形成する。図４Ｃは、側壁を形成するために上方へ折られることのできる層の分離部分４０お形成するため、最上層がカット３９されなければならないことを示す。図４Ｄは、最上層の分離部分の折り曲げ、及び統合された側壁４１の形成を示す。側壁は、プレフォームの他の層の少なくとも一つ、すなわち、第３層と統合されている。

側壁は、プレフォームと統合されていないものとしても形成されることができる。図５Ａは、４層のファブリック（５２、５３、５４、及び５５）を備えるプレフォーム５１の断面を表す。円形は縦糸方向の（観察者に向かう）繊維を表し、その一方、線条のあるラインは横糸方向の繊維５７を表す。図５Ｂに示すように、上方に折られることのできる層の分離部分５９を形成するために、最上層にカット５８が施される。図５Ｃは、最上層の分離部分の折り曲げと、プレフォームに結合されておらず、そのために移動することのできる側壁６０の形成とを示す。

各種の実施形態において、プレフォームは、下地と統合して織られる材料の２片を備えた統合側壁から成ることができる。側壁の厚さを増すために、或いは織りのプロセスによって提供されるものではない方向における補強を含むために、追加の材料が２つの織られた片の間に配置され得る。例えば、ファブリックは、バイアスに沿ってカットされることができ、（統合して織られた部分から）０°及び９０°の補強、及び（バイアス布から）±４５°の補強を有する側壁を生成するために、側壁の織られた部分の間に配置されることができる。バイアス層ファブリックは、縦糸及び横糸或いは編み糸を用いて織られることができ、又は不織布、編まれた物或いは繊維又は編み糸の不織配列であることができる。配列中の編み糸は互いに平行である。配列は、側壁の方向と比較して、０°から９０°まで方向付けられることができる。プレフォームと同様に、バイアス布は、機械織りが可能な如何なる繊維も備えることができ、また、カーボン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、綿、ガラス、セラミック、アラミド及びポリエチレンのような合成或いは天然の材料であることができる。ファブリックの繊維は、平織り、綾織り、サテン、また層間プライ・トゥ・プライ、垂直、又は角度インターロックのような如何なる織り柄にも従うことができる。

側壁の積層を一体に維持するためには公知の技術を用いることができる。この種の技術は、スティッチング、Ｔフォーミング（例えば、参照により本願明細書に引用される米国特許第６，１０３，３３７参照）などを含む。

本発明は、側壁を伴う織られた３次元プレフォームの形成方法にも関する。この方法は、２以上の織られたファブリックの層の提供を含み、そこでは、ファブリックの一つの層からの複数の繊維が、ファブリックの他の層からの複数の繊維と互い違いに織られる。そこには互い違いに織られた層の複数の対が存在する。側壁は、次いで、最上層から始めてプレフォームの層の部分をカットし、次いで折り曲げることにより形成される。カットと折り曲げは、それから、追加の層のために繰り返されることができる。

側壁は、ファブリックの一つ以上の層から成ることができる。ファブリックの１層からなる側壁は、最上層の部分をカットして上方に折り曲げることにより形成することができる（例えば、図７Ｂ及び図７Ｃ参照）。折り目が混交された領域で発生する場合、結果として生じる１層の側壁は統合された側壁であり、さもなければ、側壁は統合されていない。ファブリックの２層からなる側壁は、最上層の２つの隣接する部分を一緒にカットして折り曲げることにより形成することができる。再び、折り目が混交された領域で発生する場合、結果として生じる２重の層の側壁はプレフォームの下地と統合され、仮にそうでないとすれば、側壁は下地に統合されない。２層以上の側壁は、統合されていない側壁を一緒に動かすことにより形成することができる。

下地は、多層構造であるのが通常である。或いは、プレフォームは、ハイブリッド構造であり、ガラスとカーボンの編み糸側壁の混合のように一つ以上の材料を備えていてもよい。

例として、図６Ａ〜図６Ｃは、図２Ａに示す実施形態のために、プレフォームがどのようにして互い違いに織られるか、及び側壁がどくようにして形成されるのかを示す。図６Ａは、側壁が形成される前の織られたプレフォームの上面図を示す。繊維は、混交領域７１で横糸方向において第１層と第３層との間で互い違いに織られており（「x」により示す）、混交領域７２では第２層と第３層の間で縦糸方向において互い違いに織られている（「＋」で印す）。プレフォーム１１を形成するために、持ち上げて折り曲げることのできる分離部分７４を形成する目的で最上層に長手方向のカット７３が施される（破線で示す）。図６Ｂは、長手方向のカットによって、長手方向側壁１２が形成されるよう層の分離部分を折り曲げることが可能になることを示している。層が互い違いに織られる領域と同じ混交領域において折り曲げが生ずるため、これらの側壁は、プレフォームと統合される。横方向のカット７５は、分離部分７６を形成するために、現時点での最上層に対して行われ、それによりこの層は、持ち上げられて折り曲げられ得るものとなる。図６Ｃは、横方向のカットにより、横方向の側壁１３が形成されるように最上層の分離部分を折り曲げることが可能になることを示している。結果として生じるプレフォーム１１は、図２Ａに示す実施形態と同じものとなる。重要なことに、図６Ａ〜図６Ｃに表されたプレフォームは、大きなプレフォームの小さな部分のみを備えることができ、層間の混交及び側壁の形成のパターンは縦糸及び横糸方向において繰り返される。

図７Ａ〜図７Ｃは、図２Ｂに示す実施形態のために、どのようにしてプレフォームが互い違いに織られるのか、及びどのようにして側壁が形成されるのかを示す。図７Ａは側壁が形成されるまえのプレフォーム１５の上面図である。繊維は、混交領域８１で横糸方向において第１層と第３層との間で互い違いに織られており（「x」で印す）、混交領域８２では第２層と第３層の間で縦糸方向において互い違いに織られている（「＋」で印す）。折り曲げることのできる分離部分８４を形成するために最上層に長手方向のカット８３が施される。図７Ｂは、プレフォームと統合される長手方向側壁１６を形成するための最上層の分離部分が折り曲げられることを示している。持ち上げられて折り曲げられる分離部分７６を形成するために、現時点での最上層に対して横方向のカット８５が施される。図７Ｃは、横方向のカットにより、横方向の側壁１７が形成され得るように最上層の分離部分を折り曲げることが可能になることを示している。結果として生じるプレフォーム１５は、図２Ｂに示す実施形態と同じものとなる。ところで、図７Ａ〜図７Ｃに表されたプレフォームは、大きなプレフォームの小さな部分のみを備えることができ、層間の混交及び側壁の形成のパターンは縦糸及び横糸方向において繰り返される。

更なる例として、図８Ａ〜図８Ｃは、図３に示す実施形態のために、どのようにしてプレフォームが互い違いに織られるのかを示す。図８Ａは側壁が形成されるまえのプレフォーム２１の上面図である。繊維は、区画９１で第１層と第２層の間で縦糸方向において互い違いに織られる（「＋」で印す）。図８Ａに示す区画において分離部分９４を形成するため、最上層に、破線で印される長手方向９２及び幅方向のカット８３が施される。図８Ｂは、幅方向の側壁を形成するための最上層が折り曲げられることを示している。最上層及び第２層が互い違いに織られている区画に形成された側壁は統合された側壁２２を形成することになり（これもまた太線で印す）、その一方、複数の層が互い違いに織られることのない区画に形成された側壁は、統合されていない側壁２３を形成することになる。図８Ａ〜図８Ｃがプレフォーム全体の小領域のみを表しており、複数層が互い違いに織られるパターンが縦糸及び横糸方向において繰り返されることに留意することが重要である。従って、図８Ｂは、角部における側壁が統合されていることを示している。図８Ｃは、統合されていない側壁が、どのようにして統合されている側壁と結合して六角形のセルを形成するかを表している。統合されていない側壁は、Ｔフォーミング、タフティング、及びスティッチングといった公知の方法により統合されている側壁と結合されることができる。

ベースファブリックが、側壁を有する統合的に織られた３次元プレフォームに折り畳まれた後、樹脂トランスファモールドや化学蒸気浸透法などの従来技術を用いて、これらもまた所望の物理的、熱的、化学的及び／又は他の特性を呈するエポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミック、カーボン及び／又はその他の材料などのようなマトリックス材の導入を伴って、今や複合補強パネル又は構成要素が形成されることができる。

従って、ベースファブリックが、少なくとも一つの方向の統合された側壁を有する三次元の織られたプレフォームに設計され、また成形されることができることが、示されてきた。

本発明の好ましい実施形態及びその変更例が本願明細書中に詳細に説明されてきたが、本発明がこの正確な実施形態及び変更例に限定されるものでないこと、及びその他の変形例やバリエーションが、添付の請求の範囲によって定義された本発明の精神及び技術的範囲から逸脱することなく、当業者によって遂行され得ることが理解されるべきである。

Claims (35)

1. 織られたベースファブリックから構成された、少なくとも２つの方向に少なくとも２つの側壁を有する統合的に織られた３次元プレフォームであり、前記ベースファブリックは３以上の層を備え、
   前記層は、第１方向の繊維と、前記第１方向に対して垂直な第２方向の繊維とを備え、
   前記第１方向の第２層の繊維と互い違いに織られている前記第１方向の第１層の繊維を備える少なくとも１つの混交領域が存在し、
   少なくとも１つの第１の統合された側壁が、前記第２方向に存在し、かつ、第１混交領域に形成されており、前記第１の統合された側壁は、第１混交領域の第１サイド上の露出した第１層の第１部分を折り曲げることにより形成され、かつ、前記第１の統合された側壁は前記第１層及び前記第２層からの繊維を備え、かつ、
   第２混交領域に形成された前記第１方向における少なくとも１つの第２の統合された側壁を備え、前記第２の統合された側壁は前記第１の統合された側壁に対して垂直であり、前記第２混交領域は、第３層の前記第２方向における繊維と交互に織られる、前記第２層の前記第２方向における繊維を備え、かつ、前記第２の統合された側壁は前記第２層の一部を前記第３層から離して折り曲げたものにより形成される３次元プレフォーム。
2. 前記第１の統合された側壁を形成するために、第１混交領域上の露出した第１層の前記第１部分と一緒に、前記第１混交領域の第２サイド上の露出した第１層の第２部分も折り曲げられる請求項１に記載のプレフォーム。
3. 複数の混交領域に形成された、前記第１及び／又は第２方向における、複数の統合された側壁を備える請求項１に記載のプレフォーム。
4. 前記統合された側壁は、プレフォームの全体において連続、或いは不連続である請求項３に記載のプレフォーム。
5. 前記プレフォームは、連続及び不連続な統合された側壁の組み合わせを備えている請求項３に記載のプレフォーム。
6. 複数の不連続な統合された側壁が配列配置又はずらして配置される請求項４又は５に記載のプレフォーム。
7. 前記側壁は少なくとも１つのセルを形成する請求項３に記載のプレフォーム。
8. 前記少なくとも１つのセルは長方形である請求項７に記載のプレフォーム。
9. 前記セルはサイズ及び形が異なる請求項７に記載のプレフォーム。
10. 合成又は天然素材の繊維を備える請求項１に記載のプレフォーム。
11. 前記繊維は、カーボン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、綿、セラミック、アラミド及びポリエチレンから成る群から選択される請求項１０に記載のプレフォーム。
12. 前記層は、平織り、綾織り、サテン、及び層間プライ・トゥ・プライ、垂直、又は角度インターロックから成る群から選択される織り柄を有するファブリックを備える請求項１に記載のプレフォーム。
13. 前記側壁を備える複数の前記部分の間に材料が配置された請求項１に記載のプレフォーム。
14. 前記材料は、バイアスの上でカットされたファブリックである請求項１３に記載のプレフォーム。
15. バイアスファブリックは合成又は天然材料を備える請求項１４に記載のプレフォーム。
16. 前記材料は、カーボン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、綿、セラミック、アラミド及びポリエチレンから成る群から選択される請求項１５に記載のプレフォーム。
17. 前記バイアスファブリックの繊維は、平織り、綾織り、サテン、及び層間プライ・トゥ・プライ、垂直、又は角度インターロックから成る群から選択される織り柄に従うことができる請求項１５に記載のプレフォーム。
18. 前記側壁を備える部分は、スティッチング、Ｔフォーミング、及びタフティングから成る群から選択された技術によって一緒に保持される請求項１に記載のプレフォーム。
19. 前記側壁を備える部分及び前記部分の間に配置された前記材料は、スティッチング、Ｔフォーミング、及びタフティングから成る群から選択された技術によって一緒に保持される請求項１３に記載のプレフォーム。
20. （i）２以上の層を備えるベースファブリックを準備し、前記層は、第１方向の繊維と、前記第１方向に対して垂直な第２方向の繊維とを備え、前記第１方向の第１層の繊維は第１混交領域で前記第１方向の第２層の繊維と互い違いに織られている工程と、
    （ii）前記第１混交領域の第１サイド上の前記第１層の第１部分が前記プレフォームに折り曲げられ、かつ、前記第１混交領域の第２サイド上の前記第１層の第２部分が前記プレフォームに折り曲げられるように、第２方向において前記第１層をカットする工程と、
    （iii）前記統合された側壁を形成するために、前記第１及び第２部分を、当該部分が前記ベースファブリックに対して垂直になるように折り曲げる工程と、
    を備える請求項１に記載のプレフォームを形成する方法。
21. 織られたベースファブリックから構成された、少なくとも２つの方向に少なくとも２つの側壁を有する統合的に織られた３次元プレフォームであり、前記ベースファブリックは３以上の層を備え、
    前記層は、第１方向の繊維と、前記第１方向に対して垂直な第２方向の繊維とを備え、
    前記第１方向の第２層の繊維と互い違いに織られている前記第１方向の第１層の繊維を備える少なくとも２つの混交領域が存在し、
    少なくとも２つの統合された側壁が、前記第２方向に存在し、かつ、第１混交領域に形成されており、前記統合された側壁は、前記第１混交領域の第２サイド上の前記第１層の第２部分と一緒に、前記第１混交領域の第１サイド上の第１層の第１部分をカットし、かつ、前記ベースファブリックに対して垂直に折り曲げることにより形成され、かつ、
    前記少なくとも２つの混交領域の間に形成された少なくとも２つの不連続で統合されていない側壁が、当該不連続で統合されていない側壁がカットされかつ前記統合された側壁に関して折り曲げられるように、存在しており、更に、隣接する不連続で統合されていない側壁が、１つ以上の多角形セルを形成するために結合されている３次元プレフォーム。
22. 前記統合されていない側壁は混交領域に形成されておらず、また、前記統合されていない側壁は連続又は不連続である請求項２１に記載のプレフォーム。
23. 前記統合されていない側壁は、露出した層の隣接部分を折り曲げることにより形成される請求項２２に記載のプレフォーム。
24. 連続した統合されていない側壁と不連続な統合されていない側壁との組み合わせを備える請求項２２に記載のプレフォーム。
25. 前記統合されていない側壁は、スティッチング、Ｔフォーミング、及びタフティングから成る群から選択された技術によって、統合された側壁に取り付けられる請求項２２に記載のプレフォーム。
26. 前記統合されていない側壁は、統合された側壁に対して又は他の統合されていない側壁に対して角度を有しているか、又は両者の組み合わせである請求項２５に記載のプレフォーム。
27. 前記多角形セルは六角形である請求項２１に記載のプレフォーム。
28. 前記プレフォームは合成又は天然素材の繊維を備える請求項２１に記載のプレフォーム。
29. 前記繊維は、カーボン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、綿、セラミック、アラミド及びポリエチレンから成る群から選択される請求項２８に記載のプレフォーム。
30. 前記層は、平織り、綾織り、サテン、及び層間プライ・トゥ・プライ、垂直、又は角度インターロックから成る群から選択される織り柄を有するファブリックを備える請求項２１に記載のプレフォーム。
31. 前記側壁を備える複数の前記部分の間に材料が配置された請求項２１に記載のプレフォーム。
32. 前記材料は、バイアスの上でカットされたファブリックである請求項３１に記載のプレフォーム。
    
33. バイアスファブリックは合成又は天然材料を備える請求項３２に記載のプレフォーム。
34. 前記材料は、カーボン、ナイロン、レーヨン、ポリエステル、ガラス繊維、綿、セラミック、アラミド及びポリエチレンから成る群から選択される請求項３３に記載のプレフォーム。
35. 前記バイアスファブリックの繊維は、平織り、綾織り、サテン、及び層間プライ・トゥ・プライ、垂直、又は角度インターロックから成る群から選択される織り柄に従うことができる請求項３３に記載のプレフォーム。

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