JP6286022B2 - 複合材プリフォームの三次元製織方法及び漸変断面トポロジーを備えた製品 - Google Patents

Description

本発明は、繊維強化複合材料の分野、特に複雑な三次元形状を備えた繊維プリフォーム及び完成複合製品を製造する方法及び装置に関する。本明細書において複合材という繊維強化複合材料は、マトリックス材料中に埋め込まれた繊維で構成される材料である。典型的な繊維としては、ガラス繊維、炭素繊維（例えば、カーボン（黒鉛）繊維及び／又はよりエキゾチックな形態の炭素、例えばカーボンナノチューブ、セラミック繊維、及び合成ポリマー繊維、例えばアラミド及び超高分子量ポリエチレン繊維が挙げられるが、これらには限定されない。代表的なマトリックス材料としては、ポリマー、例えばエポキシ、ビニルエステル、ポリエステル熱硬化性プラスチック、及びフェノールホルムアルデヒド樹脂、セメント及びコンクリート、金属、及びセラミックスが挙げられるが、これらには限定されない。

複合材料は、高い強度と比較的軽い重量を組み合わせたものである場合が多い。典型的な複合製品では、繊維は、１つ又は２つ以上の方向に高い引張強度をもたらし、マトリックス材料は、繊維を特定の形状に保持する。大雑把に言って最終製品の形をした１組の繊維を繊維プリフォームという。典型的な先行技術の繊維プリフォームは、切断されて所望の形状に配列された繊維の層（１枚の又はシート状の織物又はファブリックの状態に製織され又は集束される場合が多い）で構成されている。繊維及び繊維で作られた織物は、特定の方向に高い強度をもたらすに過ぎないので、繊維布の多数の層が最終製品の意図した使用法にとって最適化された強度及び腰を提供するよう互いに異なる向きに積み重ねられる場合が多い。

大抵の先行技術の複合材製造技術では、所望のプリフォームの形をしたモールド、マンドレル、プラグ、又は他の剛性構造体の製造が必要である。次に、何枚かの繊維織物を切断してこの剛性構造体上に配置する。マトリックス材料、例えば未硬化ポリマー樹脂を繊維織物中に埋め込み又は織物レイアッププロセス中又はプロセス後に織物に塗布する場合がある。次に、マトリックス材料を多くの場合、高い温度及び／又は圧力差のもとで硬化させ又は固め、それによりマトリックス材料の均等な分布を保証すると共に気孔、気泡又は他の内部欠陥が生じるのを阻止する。圧力及び／又は温度を圧縮成形、減圧バッグ、オートクレーブ、インフレート可能な袋、及び／又は硬化炉を含む（これらには限定されない）技術を用いて硬化中、複合材部品に加える場合がある。

残念ながら、特に複雑な部品形状向きの繊維プリフォーム及び完成複合材部品を製造する先行技術は、時間がかかり、しかも自動化するのが困難である。例えば、プリフォームを支持するためのモールド、マンドレル、又は他の剛性構造体を形成することは、特に特注の部品又は多数の部品についてツーリング費用及び時間を償却することができない少量生産操業にとってコスト高であり且つ時間がかかる。加うるに、織物を切断すると共に／或いは織物をモールド又は他の剛性構造体内に配置することは、皺又は他の表面欠陥なしで織物を複雑な雄型状に予張りする際の難しさに起因して手で実施される場合が多い。その結果、複合製品は、従来材料を用いて作られる同等の製品よりも極めて高価である。

本発明の実施例は、繊維及びオプションとしての他の中間層補強材が三次元織り目により互いに連結された複合材プリフォームを作るシステム及び方法を含む。本発明の実施形態は、二次元繊維織物の層を積み重ね、次に織物の２つ又は３つ以上の層を中間層と連結することによって複合材プリフォームを作る。織物の各層は、他の層とは異なる形状及び非凸状及び／又は互いに別個独立した形状を潜在的に含む任意の恣意的なトポロジーを有することができる。

本発明の実施形態は、第１の層間隔だけ互いに離隔された第１の材料層と第２の材料層を整列させる。次に、この実施形態は、第１の中間層補強材を第１と第２の材料層中に挿入し、そして少なくとも、第３の材料層を少なくとも、第１及び第２の材料層と整列させる。次に、この実施形態は、第２の中間層補強材を少なくとも、第２及び第３の材料層中に挿入する。この実施形態では、第１の材料層と第２の材料層との第１の層間隔により、挿入中、第２の中間層補強材を操作することができる。少なくとも、第２の中間層補強材の挿入に続き、この実施形態は、第１の層間隔を閉じて第１の材料層と第２の材料層を接触させる。

層及び中間層補強材を追加するこの技術を任意の恣意的な数の追加の層及び中間層補強材で繰り返し実施することができ、それにより複雑な三次元製織複合材プリフォームが形成される。

図面を参照して本発明について説明する。

本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムのステージの例示の配置状態を示す図である。 本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムのステージの例示の配置状態を示す図である。 本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムのステージを通る層の例示の進捗状況を示す図である。 本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織方法を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を互いに連結する中間層繊維の例示の織り目を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織の２つ又は３つ以上の層を圧密化する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織の２つ又は３つ以上の層を圧密化する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元織物組織の２つ又は３つ以上の層を圧密化する例示の機構体の動作原理を示す図である。 本発明の実施形態に従って中間層繊維の例示の互い違いの配列状態を示す図である。 本発明の実施形態に従って中間層繊維の例示の互い違いの配列状態を示す図である。 本発明の実施形態に用いられるのに適した例示の織物の荒い織り目を示す図である。 本発明の実施形態に用いられるのに適した例示の織物の荒い織り目を示す図である。 本発明の実施形態に用いられるのに適した例示の織物の荒い織り目を示す図である。 本発明の実施形態に従って非凸状層の圧密化中における過剰の中間層繊維の例示の除去の仕方を示す図である。 本発明の実施形態に従って非凸状層の圧密化中における過剰の中間層繊維の例示の除去の仕方を示す図である。 本発明の実施形態に従って非凸状層の圧密化中における過剰の中間層繊維の例示の除去の仕方を示す図である。 本発明の実施形態に従って非凸状層の圧密化中における過剰の中間層繊維の例示の除去の仕方を示す図である。 本発明の実施形態に従って非凸状層の圧密化中における過剰の中間層繊維の例示の除去の仕方を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元製織中における織物の層を支持すると共に動かすための例示の機構体を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元製織中における織物の層を支持すると共に動かすための例示の機構体を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元製織中における織物の層を支持すると共に動かすための例示の機構体を示す図である。 本発明の実施形態に従って三次元製織中における織物の層を支持すると共に動かすための例示の機構体を示す図である。 本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムを制御するのに適したコンピュータシステムを示す図である。

本発明の実施例は、繊維及びオプションとしての他の中間層補強材が三次元織り目により互いに連結された複合材プリフォームを作るシステム及び方法を含む。本発明の実施形態は、二次元繊維織物の層を積み重ね、次に織物の２つ又は３つ以上の層を中間層と連結することによって複合材プリフォームを作る。織物の各層は、他の層とは異なる形状及び非凸状及び／又は互いに別個独立した形状を潜在的に含む任意の恣意的なトポロジーを有することができる。さらに、本発明の実施形態は、任意の恣意的な数の相互連結層で結合された複合材プリフォームを作ることができる。本発明の別の実施形態は、複合材プリフォームを硬化させて完成した複合材部品を作ることができる。

図１Ａ及び図１Ｂは、本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムのステージの例示の配置状態を示す図である。図１Ａは、１つ又は２つ以上の層切断ステージ、例えば層切断ステージ１０５Ａ，１０５Ｂ、層搬送ステージ１１０、層組み立てステージ１１５、及び完成層貯蔵及び／又は硬化ステージ１２０を含むシステム１００を示している。

システム１００についての概要を説明すると、１つ又は２つ以上の層切断ステージは、バルク織物及びオプションとして他の材料を所望のファイバプリフォームの断面の付形物に切断する。層搬送ステージ１１０は、切断された断面付形物を層切断ステージの各々から集めてこれら断面付形物を層組み立てステージ１１５に搬送する。層組み立てステージ１１５は、切断断面付形物を正しい順序で積み重ね、次に、以下に詳細に説明するように中間層製織を用いて断面付形物の２つ又は３つ以上の層を接合する。中間層製織プロセスが断面付形物の所与のサブセットについて完了した後、断面付形物は、繊維プリフォームの完成した断面を形成する織編された織物層のスタックの一部となり、完成層貯蔵ステージ１２０内に貯蔵される。

レーザ切断ステージ１０５Ａは、バルク織物を例えば１巻き分の織物又は織物のロール１０６Ａから切断領域１０７Ａ上に送り出す機構体を含む。バルク織物は、複合材料と併用される当該技術分野において知られている任意タイプの繊維を含むことができる。バルク織物は、織布であっても良く不織布であっても良く、かかるバルク織物は、互いに異なるタイプの繊維、例えば１軸線に平行に配列された炭素繊維及び別の軸線に平行に配列されたアラミド又は他の繊維を含むのが良い。以下に詳細に説明するように、バルク織物の実施形態は、中間層繊維の通過を可能にするよう繊維相互間に隙間又は穴がある状態で織成され又は違ったやり方で集成される。各断面付形物は、「層（レイヤ）」と呼ばれているが、潜在的に互いに結合された繊維の２つ又は３つ以上の物理的層で構成されるのが良く、これら繊維の物理的層は、ユニットとして、例えば多層織物又はサブラミネートとして切断されると共に操作される。

切断ヘッド１０８Ａが切断領域１０７Ａ上を動いてバルク織物から１つ又は２つ以上の断面付形物１０９Ａを切断する。切断ヘッド１０８Ａは、当該技術分野において知られていてバルク織物に含まれる繊維を切断するのに好適な任意タイプの切断機構体を用いることができ、かかる切断機構体としては、１つ又は２つ以上の静止又は可動ブレード、切断レーザ、及びウォータジェットカッターが挙げられる。

断面付形物１０９Ａの各々は、所望のファイバプリフォームの断面の全て又は一部分の形状に対応している。上述したように、断面付形物は、任意の恣意的なトポロジーを有することができ、非凸状及び／又は互いに別個独立した形状を含むことができる。さらに、互いに異なる層と関連した断面付形物は、バルク織物の繊維の向きに対して互いに異なるアライメントを有するのが良く、その結果、断面付形物の互いに異なる層を積み重ねているとき、断面付形物は、互いに異なる方向に繊維の向きを有することができるようになっている。

一実施形態としてのシステム１００は、単一層切断ステージ１０５Ａしか含まなくても良い。本発明の別の実施形態は、類似したコンポーネントを含む１つ又は２つ以上の追加の層切断ステージ、例えば層切断ステージ１０５Ｂを含む。オプションとしての追加の層切断ステージの各々は、類似のコンポーネントを含み、かかるコンポーネントとしては、バルク織物１０６Ｂ、切断領域１０７Ｂ、及び１つ又は２つ以上の断面付形物１０９Ｂを切断するための切断ヘッド１０８Ｂが挙げられる。本発明の実施形態は、システム１００の全体的速度を増大させるよう並列動作する任意の恣意的な数量の層切断ステージを含んでも良い。

さらに別の実施形態では、システム１００は、互いに異なる材料から切断された断面付形物を利用することができる。一具体化例では、１組の層切断ステージは、２つ又は３つ以上のサブセットに区分されるのが良く、層切断ステージの各サブセットは、切断すべき別のタイプのバルク織物材料を有する。別の具体化例では、層切断ステージの全て又は一部分は、異なるバルク織物材料の２つ又は３つ以上のロール及び切断すべき材料のうちの１つを選択する機構体を含むのが良い。例えば、レーザ切断ステージ１０５Ｂは、材料ロール１０６Ｂ及びオプションとしてのロール１０６Ｂ′を含むのが良い。

さらに別の実施形態では、製作中にファイバ層を支持するため又は機能的特徴を最終複合材部品に加えるために繊維のない材料も又、ファイバプリフォームへの切断及び組み込みが可能であるように組まれるのが良い。例えば、プラスチックフィルム、例えば水溶性ポリビニルアルコールフィルムが層を支持層の頂部上に追加するための支持構造体としてファイバプリフォームの１つ又は２つ以上の層中に含まれるのが良い。繊維プリフォームを硬化させた後、水又は水蒸気を用いてこれら支持層を除去するのが良い。切断及び最終的な層中への混入のための他の非繊維材料としては、導電性及び／又は絶縁性材料、金属箔、磁性材料、熱、溶剤又は酸により除去されるようになった材料、及び軟質材料が挙げられる。

層のための１つ又は２つ以上の断面付形物を切断ステージのうちの１つによってバルク織物から切断した後、層搬送ステージ１１０は、かかる断面付形物を層組み立てステージ１１５中の初期位置まで動かす。一実施形態では、層搬送ステージ１１０は、断面付形物を搬送するコンベヤシステムを含む。別の実施形態では、１つ又は２つ以上の自由度を備えた機械的アーム又はガントリを用いて断面付形物を搬送するのが良い。

一実施形態では、層搬送ステージは、断面付形物を１つ又は２つ以上の層切断ステージからピックアップしてこれら付形物を層組み立てステージ１１５まで動かす可動真空テーブルプラットホームを含む。

断面付形物が内部気孔又は開口部を全く有していない場合、切断後に過剰の織物の残りがあれば、これは、バルク織物のロールにくっついたままであろう。これにより、断面付形物を切断ステージから容易に取り出すことができる。内部気孔を備えた断面付形物を有するより複雑な繊維プリフォームの場合、層搬送ステージ１１０の実施形態は、選択可能な領域を備えた真空テーブル又はグリッパを含むのが良く、従って、断面付形物に対応した切断織物をピックアップすることができるようになっている。この具体化例では、内部気孔に対応した切断織物片は、切断領域の後ろに残され、かかる切断織物片を振り払うことができる。

さらに別の実施形態では、静電荷を備えた可動プレート又はドラムを用いて断面付形物をピックアップすることができる。さらに別の実施形態では、光導電プレート又はドラムに実質的に一様な静電荷を与えることができ、次に、この光導電プレート又はドラムを断面付形物の反転（ネガ）の形状に対応した光のパターンに露光させるのが良い。この光のパターンにより、断面付形物に対応したプレート又はドラムの外側領域の静電荷が消失する。次に、選択的に荷電されたプレート又はドラムを用いて断面付形物をピックアップするのが良く、他方、不必要な切断織物片、例えば内部気孔に対応した片が後に残る。

図１Ｂは、層組み立てステージ１１５及び完成層貯蔵及び／又は硬化ステージ１２０の詳細図１５０である。詳細図１５０に示されているように、層組み立てステージ１１５は、新層（新たな層）ステージ１５３及び中間層ステージ１５５を含む。新層ステージ１５３は、新たな断面付形物１５４を図１Ａに示されている層搬送ステージ１１０から受け取る。中間層ステージ１５５は、少なくとも１つ、オプションとして２つ以上の層を保持する。層組み立てステージ１１５は、中間層繊維を用いて新層ステージ１５３内の新たな断面付形物１５４を中間層ステージ１５５内の先に受け取った断面付形物の１つ又は２つ以上の層に連結するように三次元製織技術を利用する。以下に詳細に説明するように、新層ステージ１５３内の新たな断面付形物１５４を中間層ステージ内の断面付形物に連結した後、新たな断面付形物１５４を新層ステージ１５３から中間層ステージ１５５の頂部に移送する。加うるに、中間層ステージ１５５内の断面付形物１６０の最も下に位置する層を完成層貯蔵ステージ１２０に移送する。

新層ステージ１５３内の断面付形物１５４を中間層ステージ１５５内の断面付形物に連結するため、層組み立てステージ１１５の一実施形態は、１つ又は２つ以上の対をなす中間層織成アーム、例えば上側中間層織成アーム１５７Ａ及び下側中間層織成アーム１５７Ｂで構成された中間層織成アーム対１５７を含む。上側中間層織成アーム１５７Ａは、方向１５８Ａ，１５９Ａで新層ステージ１５３内の新たな層の頂部上を動くようになっている。同様に、下側中間層織成アーム１５７Ｂは、中間層ステージ１５５内の断面付形物のスタックの下を通って方向１５８Ｂ，１５９Ｂで完成層貯蔵ステージ１２０上を動く。中間層製織プロセス中、上側及び下側中間層織成アーム１５７Ａ，１５７Ｂは、全体として同時に動いて中間層繊維を新層ステージ１５３及び中間層ステージ１５５の断面付形物中に挿入する。

一実施形態では、繊維プリフォームの完成部分を完成層貯蔵ステージ１２０内に貯蔵する。別の実施形態では、樹脂又は他のマトリックス材料を層切断ステージ１０５、層搬送ステージ１１０及び／又は層組み立てステージ１１５の際にバルク織物中に混入し又は断面付形物の層に塗布するのが良い。一実施形態では、完成層貯蔵ステージ１２０は、オプションとして、プリフォーム中の樹脂が時期尚早に冷えるのを阻止するために冷凍又は他形式の冷却システムを含む冷却領域１６３を含むのが良い。

さらに別の実施形態では、プリフォーム中に含まれたマトリックス材料をオプションとして硬化させ又は違ったやり方で処理すると、完成層貯蔵ステージ１２０内で最終製品を作ることができる。この実施形態の一具体化例では、完成層貯蔵ステージの全て又は一部分は、マトリックス硬化プロセスを促進するために加熱される。別の具体化例では、完成層貯蔵ステージ１２０は、硬化領域１６５を含み、硬化領域１６５は、繊維プリフォームがこの領域を通って動いているときに繊維プリフォームの幾つかの部分を選択的に硬化させる。硬化領域１６５は、１つ又は２つ以上の高温ゾーンを備えた連続オーブン又は当該技術分野において知られている任意他の形式の硬化システムを含むのが良い。この実施形態では、層切断及び組み立て速度は、新たな層が完成層貯蔵ステージ１２０に追加されているときに繊維プリフォームの完成部分がマトリックス材料を硬化するのに適当な速度で硬化領域１６５を通って動くように較正される。

上述したように、断面付形物に切断された繊維布の層は、層組み立てステージを通って進み、この層組み立てステージで、これら繊維布層は、中間層繊維を用いて互いに連結される。図２は、本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムのステージを通る層の例示の進捗状況の実施例２００を示す図である。

実施例２００は、段階２０５で始まる。段階２０５では、新たな層、即ち層１‐２０６を新層ステージ２０１に追加する。中間ステージ２０２及び完成層貯蔵ステージ２０３は、段階２０５では空である。層１‐２０６の下には中間層繊維により織成するための層が存在しないので、段階２０７は、層１‐２０６を中間層ステージ２０２まで動かす。

段階２０９は、層２‐２１０を新層ステージ２０１に追加する。上述したように、各層は、１つ又は２つ以上の繊維織物から切断された１つ又は２つ以上の断面付形物で構成されるのが良い。さらに、層の断面付形物は、他の層の場合とは異なる形状、異なる形状トポロジー、及び異なる繊維の向きを有しても良い。

段階２１１は、中間層２１２Ａを層２‐２１０と層１‐２０６との間で織成する。以下に詳細に説明するように、上側中間層織成アームは、層２‐２１０の上を通り、下側中間層織成アームは、層１‐２０６の下を通り、それによりこれら２つの層を中間層繊維で互いに織成する。２つの中間層織成アームは、個々の繊維又は繊維の加撚されていない束（トウ（tow ）と呼ばれる場合がある）を層２０６，２１０中に通す。一実施形態では、断面付形物を作るために用いられるバルク織物は、中間層繊維の通過を可能にするための隙間又は穴が繊維相互間に設けられた状態で織成され又は違ったやり方で集成される。別の実施形態では、断面付形物を切断して層組み立てステージ内に配置し、隣り合う織物層中の隙間が互いに整列するようにする。

二次元製織先行技術では、製織プロセス中に挿入された繊維（よこ繊維と呼ばれる場合がある）を通常、ぴんと張った状態に引いて他の繊維（たて繊維と呼ばれる場合がある）を互いに束ねる。これとは対照的に、実施例２００によって示されている実施形態では、中間層繊維２１２Ａをこの段階ではぴんと張った状態に引くことはなく、その結果、下側中間層織成アームが後の段階で層相互間を通るのに十分なスペースが存在する。

段階２１１での中間層繊維２１２Ａの織成に続き、段階２１３は、層２‐２１０を中間層ステージ２０２に移送すると共に層１‐２０６を完成層貯蔵ステージ２０３に移送する。一実施形態では、段階２１３は、これらの層を同時に移送して中間層繊維２１２Ａの長さ及び張力を維持する。

段階２１５は、段階２０５，２０９と同様な仕方で層３‐２１６を新層ステージ２０１に追加する。段階２１７は、段階２１１と同様な仕方で中間層繊維２１８Ａを層３‐２１６と層２‐２１０との間に織成する。上側中間層織成アームが層３‐２１６の上を通り、下側中間層織成アームが層２‐２１０の下を通り、それによりこれら２つの層を中間層繊維で互いに織成する。初期の中間層織成段階２１１では層１‐２０６，２‐２１０相互間に間隔が残されているので、下側中間層織成アームが層１‐２０６，２‐２１０相互間を通って層３‐２１６，２‐２１０相互間に中間層繊維２１８Ａを織成するのに十分なスペースが存在する。

段階２１７での中間層繊維２１８Ａの織成に続き、段階２１９は、層３‐２１６を中間層ステージ２０２に移送すると共に層２‐２１０を完成層貯蔵ステージ２０３に移送する。一実施形態では、段階２１９は、これらの層を同時に移送して中間層繊維２１８Ａの長さ及び張力を維持することができる。加うるに、完成層貯蔵ステージ２０３には既に層１‐２０６が入っているので、段階２１９は、今や、中間層繊維２１２Ａを引き締めて又はぴんと張って引き締め状態の中間層繊維２１２Ｂを形成する。中間層繊維２１２Ａを引き締めるこのプロセスは、層１‐２０６，２‐２１０を互いに接触させ、下側中間層織成アームのためにこれらの層相互間に先に残されていたスペースをなくす。１組の中間層繊維を２つの層相互間で引き締めてこれらの層を互いに接触させるこのプロセスは、層圧密化と呼ばれる。注目されるべきこととして、中間層繊維２１８Ａは、中間層繊維２１２Ａの引き締めの影響を実質的に受けず、層２‐２１０，３‐２１６相互間には下側中間層織成アーム通過を可能にするのに十分なスペースが依然として存在する。

段階２２１は、段階２０５，２０９，２１５と同様な仕方で層４‐２２２を新層ステージ２０１に追加する。段階２２３は、段階２１１，２１７と同様な仕方で中間層繊維２２４Ａを層４‐２２２と層３‐２１６との間に織成する。初期の中間層織成段階２１７では層２‐２１０，３‐２１６相互間に間隔が残されているので、下側中間層織成アームが層２‐２１０，３‐２１６相互間を通って層４‐２２２，３‐２１６相互間に中間層繊維２２４Ａを織成するのに十分なスペースが存在する。

段階２２３での中間層繊維２２４Ａの織成に続き、段階２２５は、層４‐２２２を中間層ステージ２０２に移送すると共に層３‐２１６を完成層貯蔵ステージ２０３に移送する。段階２２５も又、中間層繊維２１８Ａを引き締め又はぴんと張って引き締め状態の中間層繊維２１８Ｂを形成し、そして層３‐２１６，２‐２１０を圧密化する。これにより、層３‐２１６，２‐２１０が互いに接触し、他方、層３‐２１６，４‐２２２相互間には追加の層を織成するための下側中間層織成アームを通過させることができるのに十分なスペースが残される。

段階２０５〜２２５、特に段階２２１〜２２５で概要説明したプロセスを別の層について繰り返し実施するのが良く、それにより繊維プリフォームを任意の数の繊維層から作ることができる。

分かりやすくするために、実施例２００は、一度に単一の層を保持する中間層ステージ２０２を示している。この実施例では、中間層繊維だけが新たな層及び単一の中間層を通過するに過ぎない。しかしながら、本発明の別の実施形態は、中間層ステージ２０２内に多数の層を同時に保持することができる。これらの実施形態では、中間層繊維は、新たな層と中間層ステージ内の層の全てとの間で織成される。図７Ｂは、多数の中間層を通る中間層繊維の例示の配列状態を示している。一般に、中間層ステージ２０２は、Ｋ個の層を同時に保持することができる場合（この場合、Ｋは、任意の恣意的な正の整数である）、中間層織成を繰り返すたびに、中間層織成物が中間層ステージ内のＫ個の層及びその時点における新たな層中を通ることになる。この例外としては、プリフォームの最初の及び最後のＫ個の層が挙げられ、この場合、中間層ステージは、Ｋ個未満の層を保持するのが良い。

図３は、本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織方法３００を示す図である。方法３００は、プリフォームのディジタル表示の次の断面を発生させ又は取り出すステップ３０５で始まる。プリフォームのディジタル表示は、表面データの形態をした三次元コンピュータグラフィックスモデルデータ、例えば多角形若しくは三角形メッシュ、高次表面、例えばＮＵＲＢＳ若しくは細分表面、若しくは暗黙的な表面、又は体積モデル、例えばボクセル、８分木、若しくは立体幾何学的モデルで構成されるのが良い。別の実施形態では、プリフォームのディジタル表示は、プリフォームモデルの種々の場所のところの繊維の向きの仕様を含む。これら繊維の向きは、部品の用途の工学的解析に基づいて指定されるのが良い。

一実施形態では、プリフォームのディジタル表示は、既に１組の層仕様に分割されている。各層仕様は、この場所でのプリフォーム断面を含む１つ又は複数の形状の仕様を含む。各層仕様は、オプションとして、この層に関する繊維の向きの仕様及び／又はこの層について用いられるべき１種類又は複数種類の材料のタイプ（システムが取り付けられる材料の多数のタイプを有する場合）を含む場合がある。ステップ３０５では、このデータをメモリ、データ記憶装置、又は別のコンピュータシステムから検索して取り出す。

別の実施形態では、ステップ３０５では、当該技術分野において知られている任意の幾何学的解析法を用いてプリフォーム自体の断面形状をプリフォームの三次元モデルから直接生成する。例えば、ブールＣＳＧ（コンストラクティブソリッドジオミトリ）演算を用いると、体積モデルから断面付形物を生成することができ、空間分割、例えば、ＢＳＰ（バイナリスペースパーティショニング）ツリーを用いると、表面モデルから断面形状を生成することができる。特定の層又はプリフォーム全体の繊維の向きが特定されない場合、ステップ３０５では、工学的シミュレーションを用いてヒューリスティックス（heuristics）、デフォルトパターン、又は最適化アルゴリズムに基づいて繊維の向きを特定することができる。

加うるに、プリフォームが互いに別個独立した部分を含み又は大きな無支持の張出しを備えた部分を有している場合、ステップ３０５の実施形態は、例えば溶融可能、溶解可能又は違ったやり方で容易に除去できる材料を用いて支持材料について仕様を検索して取り出し又は生成することができる。

ステップ３１０では、ステップ３０５で特定された断面形状及び繊維の向きに従って新たな層Ｎを切断する。例示の方法３００のこの説明では、各層を連続した整数Ｎを用いて言及する。幾つかの実施形態では、切断領域に対するバルク繊維材料の繊維の向きを変更することができない。これを補償するため、断面形状の仕様を回転させ、その後に切断し、その結果、断面形状に対する所望の繊維の向きが達成されるようになる。加うるに、バルク繊維が中間層繊維の挿入を許容する隙間又は穴を有する場合、ステップ３１０では又、断面形状を並進させるのが良く、その結果、この層中の穴は、既に層組み立てステージ内にある先に切断された層の穴と整列するであろう。

ステップ３１５では、１種類又は２種類以上の材料の切断断面形状を層組み立てステージ内の新たな層ステージに搬送する。一実施形態では、ステップ３１５では、この層の切断断面形状を回転させると共に並進させてこれら切断断面形状が層組み立てステージの中間層ステージ内の任意の先に切断された層に対して整列するようにする。

ステップ３２０では、中間層繊維の組Ｑを中間層ステージ内の層Ｎと１つからＫ個までの層との間に織成し、Ｋは、中間層ステージ内に保持できる層の最大数であり、Ｑは、一般に、Ｎ−１に等しい。一実施形態では、中間層繊維をプリフォームの幾つかの部分内にのみ挿入し、ここで、新たな層Ｎは、中間層ステージ内の層Ｎ−１〜Ｎ−Ｋの全てと垂直方向に重なり合う。

図２に示されているように、システムは、中間層ステージが空になっている状態で初期化される。これらの形式の状況では、ステップ３２０をスキップするのが良い。少なくとも１つの層を中間層ステージにいったん追加すると、ステップ３２０では、中間層繊維を中間層ステージ内の新たな層Ｎと１つ又は２つ以上の層との間に織成する。Ｋ個の層の初期の一続きのＫ個の層をいったん作ると、中間層ステージは、Ｋ個の層を含むことになり、ステップ３２０では、中間層繊維を中間層ステージ内の新たな層ＮとＫ個の層との間に織成し、これら層は、層Ｎ−１〜層Ｎ−Ｋである。新たな中間層繊維組Ｑをこの時点ではぴんと引っ張ることなく、次の中間層織成ステップにおける下側中間層織成アームの通過を可能にするよう層相互間にスペースが残される。一実施形態では、中間層繊維の端部を将来の接近及び引き締めのために一時的に固定する。

ステップ３２５では、新たな層Ｎを中間層ステージの頂部の又は第１の位置に動かし、層Ｎ−Ｋを中間層ステージの底部又は最後の位置から完成層貯蔵ステージまで動かし、そして中間層ステージ内の他の層Ｎ−１〜Ｎ−Ｋ＋１の各々を中間層ステージ内の次の隣の位置まで動かす。

ステップ３３０では、先に織成された中間層繊維組Ｑ−Ｋが存在する場合、先に織成された中間層繊維組Ｑ−Ｋを引き締め、層Ｎ−Ｋ及びＮ−Ｋ−１を圧密化する。層圧密化は、１組の中間層繊維を２つの層相互間で引き締めてこれらの層を互いに接触させてこれらの繊維層相互間のスペースを減少させ又は実質的になくすプロセスである。加うるに、ステップ３３０の実施形態は、繊維組Ｑ−Ｋを引き締めた後に残されている過剰の中間層繊維をトリムして除去するのが良い。

ステップ３３５では、完成層貯蔵ステージ内の１組の層を下へ又は中間層ステージから遠ざけて動かして次の層の追加を可能にする。一実施形態では、完成層貯蔵ステージは、１組の織成されて完成された層を支持する可動プラットホームを含む。繊維プリフォームの構成が進んでいるとき、可動プラットホームは、中間層ステージから遠ざかって最も新しく完成された層と中間層ステージとの距離がほぼ一定のままであるようにする。

ステップ３４０では、プリフォームの層の全てが切断されて層組み立てステージに追加されたかどうかを判定する。もしそうでなければ、方法３００は、ステップ３０５に戻って中間層織成物を加工し、切断し、そしてこれを織物の別の層に追加する。層の全てが切断されて層組み立てステージに追加された場合、ステップ３４５において、中間層ステージ内に加工されるべき層が残っているかどうかを判定する。もしそうであれば、方法３００は、ステップ３２５に戻って中間層ステージ内の追加の層を加工する。ステップ３４５により中間層ステージ内に層が存在していないことが判定された場合、方法３００は、終了する。

方法３００のステップが分かりやすくするために順次行われるものとして示されているが、本発明の実施形態は、これらステップのうちの幾つか又は全てを並行して実施することができる。例えば、層Ｎ＋１についてステップ３０５，３１０の繰り返しをステップ３１５〜３３５における層Ｎの中間層織成プロセスと並行して実施することができる。別の実施形態では、多数の層の切断ステージＭは、ステップ３０５，３１０を多数の層を同時に切断するよう並行して実施することができる。切断層を組み立て順序でこれらのそれぞれの切断ステージから層組み立てステージに搬送する。

別の実施形態では、ステップ３１０では、これ又、繊維プリフォームへの混入のために他の特性を備えた非繊維材料、例えば１種類又は複数種類の除去可能な支持材料の層を切断するのが良い。支持材料を用いると、プリフォームのこの部分の下に位置する層に対して大きな張出しを持つ繊維プリフォームの部分を支持することができる。追加の実施形態では、繊維プリフォームは、２つ又は３つ以上の互いに別個独立した部分がオプションとして、除去可能な（例えば、溶融可能又は溶解可能な）支持材料の１つ又は２つ以上の層を通って定位置に保持された状態で構成されても良い。互いに別個独立した部分の各々は、中間層繊維に連結されたそれ自体の層を有するが、互いに別個独立した部分を互いに連結する中間層繊維が存在しない。

本発明の実施形態は、隣り合っていない層相互間に中間層繊維の交差オープンスペースを備えないで繊維プリフォーム内に非繊維材料、例えば支持材料の層を含む。これを用いると、部分内に張出しを作ると共にプリフォーム内に別々の非連結状態の部分を作ることができる。

これを達成するため、例えば段階２１１，２１７，２２３及びステップ３２０に示された中間層織成プロセスは、支持層及び／又は１つ又は２つ以上の互いに別個独立した部分が支持層及び／又は第２の部分の層の前の最後の繊維層が中間層ステージの頂部又は第１の位置に入った後に作られるようになっている層組み立て領域の１つ又は複数の部分上で一時中断される。（中間層織成プロセスは、第２の部分又は支持層が追加されるようにはなっていない層組み立てステージの領域内では続くことができる。）次に、１つ又は２つ以上の支持層、プリフォームの張出し部分、及び／又は第２の部分を含む断面付形物の層を新層ステージ２０１に順次追加し、そして中間層織成をなんら行うことなく中間層ステージ２０２の１つ又は２つ以上の層位置を通って下方に動かし、ついには、第２の部分の第１の層又はプリフォームの張出し部分の繊維層が中間層ステージの底部に達するようにする。この時点において、中間層織成を層組み立てステージ２０２のこの部分で再開し、その結果、第２の部分の層及び／又はプリフォームの張出し部分が中間層繊維と連結を開始する。

本発明の実施形態は、Ｋ個の位置を備えた中間層ステージを含むのが良く、この場合Ｋは、１よりも大きい任意の整数である。一般に、Ｋの値が大きいと、中間層繊維の各組は、多数の繊維層をまたぐことができ、それによりこの軸線に沿う強度が増す。しかしながら、Ｋの値が大きいと、これによっても中間層ステージのサイズが増大し、しかも繊維プリフォームの任意の部分の最終厚さがＫ個の層に制限される。別の実施形態では、繊維プリフォームの最終厚さに関するこの制限を克服するには、中間層ステージが繊維層の変数を１からＫ個の層に保持することができるようにするのが良い。繊維プリフォームの薄い部分に関し、中間層ステージ内の繊維層の数をＫ′まで減少させ、この場合、Ｋ′は、繊維プリフォームの一部分の厚さ以下である。繊維プリフォームの厚さが増大すると、Ｋ′をＫの最大値まで増大させることができ、それによりプリフォームの強度を増大させることができる。

上述したように、中間層繊維は、繊維プリフォームの断面形状に合わせて切断された織物の層を互いに連結するために用いられる。これら中間層繊維は、後で追加される層相互間への中間層繊維の追加の組の挿入を可能にするよう最初に引き締められることはない。図４は、本発明の実施形態に従って三次元組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を互いに連結するための中間層繊維の織り目の一例４００を示している。

実施例４００では、新たな層４０５が中間層ステージ内に位置決めされた１つ又は２つ以上の先に追加された層４１０に連結されることになる。中間層繊維４１５が層４０５，４１０を互いに連結するために用いられる。実施例４００に示されているように、中間層繊維は、新たな層４０５の頂面から中間層ステージの底部又は最後の位置に存在する層４１０の底面まで織成される。分かりやすくするため、層４０５の頂面の上を通ると共に層４１０の底面の下を通る中間層織成アームはこの図から省かれている。

空間層繊維４１５を織成した後、端部４２０Ａ，４２０Ｂを固定するが、引き締めないようにする。これにより、層４０５，４１０相互間にはスペース４３５が残され、このスペースは、層４０５が中間層ステージの底部位置に存在しているときに下側中間層垂直アームの通過を許容するために後で用いられることになる。この次の中間層繊維組の挿入後、中間層繊維４１５の端部４２０Ａ，４２０Ｂは、中間層繊維４１５を引き締めて層４０５，４１０相互間のスペース４３５をなくすために用いられることになる。

一実施形態では、中間層繊維、例えば中間層繊維４１５が規則的に間隔を置いて位置したロウ（横の並び）又はコラム（縦の並び）をなして挿入される。中間層繊維を新たな層が中間層ステージ内の層の全てと垂直方向にオーバーラップするプリフォームの部分内にのみ挿入する。加うるに、各中間層織成ステージは、中間層繊維を利用可能なロウ又はコラムのうちの幾つか中にのみ挿入する。例えば、織成段階では、中間層繊維４１５及び追加の中間層繊維を交互のロウ４２５Ａ〜４２５Ｃの状態で挿入し、ロウ４３０Ａ〜４３０Ｄをスキップする。省かれたロウは、後の織成段階中に挿入される中間層繊維のために用いられることになる。以下に説明する図７Ｂは、各中間層織成段階中にロウの一部分をスキップすることによって作られた中間層繊維の例示の互い違いの配列状態を示している。

図５Ａ〜図５Ｇは、本発明の実施形態に従って三次元織物組織を形成するよう繊維の２つ又は３つ以上の二次元層を中間層繊維に連結する例示の機構体の動作原理を示す図である。図５Ａは、１対の織物層５０３，５０５を示している。一実施形態では、層５０３は、層組み立てステージに追加された新たな層であり、層５０５は、中間層ステージの底部位置に存在する。図５Ａ〜図５Ｇは、分かりやすくするために１対の層しか示していないが、オプションとして、中間層ステージが２つ以上の層を保持する場合、層５０３，５０５相互間に追加の層を設けることができる。

１対の中間層織成アーム５０７，５０９は、方向５１３に進み、ついには、これら織成アームは、繊維層中の第１の開口部５１１，５２３に達するようになる。一実施形態では、層５０３，５０５は、切断されて層組み立てステージ内に位置決めされ、その結果、これらの隙間が互いに整列するようになる。種々の技術を用いて中間層織成アーム５０７，５０９を開口部５１１，５２３に対して正確に位置決めすることができる。一実施形態では、層は、繊維の開口部が所定の位置に存在するように中間層ステージ内に位置決めされる。開ループ制御システム、例えばデッドレコニング（dead-reckoning：分野によっては「推測航法」と呼ばれる）によって制御されるステップモータを用いて中間層織成アームを開口部５１１，５２３の所定の位置に動かすのが良い。

別の実施形態では、閉ループ制御システムを用いて中間層織成アームを所定の又は動的に決定された開口部位置まで動かすのが良い。閉ループシステムは、当該技術分野において知られている任意形式の位置センサを含むのが良く、かかる位置センサとしては、直線位置センサと回転位置センサの両方及び／又は距離センサが挙げられる。閉ループ制御システムの別の実施形態は、織物層中の開口部を検出するセンサを含むのが良い。センサの例としては、中間層織成アームに対向して設けられていて、織物中の開口部を検出するカメラ及びコンピュータ観察システム及び／又はレーザ及び検出器が挙げられる。本発明の更に別の実施形態では、織物それ自体上に印刷され又は織物それ自体内に組み込まれていて、センサが織物の層を整列させると共に織物層中の開口部の場所を突き止めるのを助ける印又は他の標識が設けられるのが良い。さらに別の実施形態では、導電性及び磁気繊維が繊維開口部に対して既知の位置で織物層中に含まれていて容量型、誘導型及び／又は磁気検出技術を用いて検出されるのが良い。

図５Ｂのこの実施形態を引き続き参照すると、中間層織成アームを開口部５１１，５２３に整列させた後、１対のレピア又は中空ニードル５１５，５１７をこれらのそれぞれの織成アームから開口部５１１，５２３を通って伸長させる。レピア５１５，５１７は、層５０３，５０５相互間の場所５２１で互いに接触し又は密接する。レピア５１５は、繊維又は１組の繊維（例えば、繊維の扁平なリボン又はトウ）５１９をスプール又はボビンから層５０３の頂面上に引き、そして開口部５１１を通って場所５２１に至らせる。場所５２１では、レピア５１７は、繊維５１９を掴み、レピア５１５は、繊維５１９を放す。真空ツール、機械的グリッパ又は当該技術分野において知られている任意他の形式の繊維取り扱い機構体を用いて繊維を掴んで放すのが良い。別の実施形態では、繊維５１９の端部は、レピア５１５，５１７が電磁石を用いて繊維を取り付けたり取り外したりすることができるよう磁気覆いを有する。

図５Ｃのこの実施例を引き続き参照すると、開口部５１１，５２３を通ってそれぞれレピア５１５，５１７を引っ込める。この引っ込み中、レピア５１７は、開口部５２３を通って繊維５１９を引き、その結果、繊維５１９が層５０５の底面の下に位置するようにする。スプールからの追加の繊維が繊維５１９の運動を許容するよう放たれる。

図５Ｄのこの実施形態を引き続き参照すると、中間層織成アーム５０７，５０９は、方向５１３において層５０３の頂面及び層５０５の底面に沿ってそれぞれ繊維層５２５，５２７の次の開口部まで動く。この運動により、繊維５１９は、層５０５の底面に沿って開口部５２７まで引かれる。

図５Ｅのこの実施形態を引き続き参照すると、中間層織成アームを開口部５２５，５２７に整列させた後、再び、レピアアーム５１５，５１７を、これらのそれぞれの織成アームから開口部５２５，５２７を通って場所５２９まで伸長させる。これにより、繊維５１９が開口部５２７を通って場所５２９まで引かれる。場所５２９では、レピア５１５が繊維５１９を掴み、レピア５１７が繊維５１９を放す。

図５Ｆのこの実施形態を引き続き参照すると、開口部５２５，５２７を通ってそれぞれレピア５１５，５１７を引っ込める。この引っ込み中、レピア５１７は、開口部５２５を通って繊維５１９を引き、その結果、繊維５１９が層５０３の頂面の上に位置するようにする。スプールからの追加の繊維が繊維５１９の運動を許容するよう放たれる。

図５Ａ〜図５Ｆに示されているプロセスを織物層５０３，５０７のこれらのロウ中の残りの開口部について繰り返し実施し、この場合、新たな層５０３は、中間層ステージ内の層５０５及びもしあれば他の層の全てと垂直方向にオーバーラップする。図５Ｇは、中間層織成物の完成したロウの一例を示している。繊維５１９は、織物層５０３，５０５のロウ中の１組の開口部を通っている。しかしながら、織物５０３，５０５相互間には次の織成段階において下側中間層織成アームの通過を可能にするスペース５３５が残されている。繊維５１９の端部をグリッパ５３７，５３９で固定し、その結果、繊維５１９を後でぴんと張った状態に引いて層５０３，５０５を接触させてスペース５３５をなくすことができるようになっている。

上述の実施例は、２つの（又は潜在的に３つ以上の）層相互間に繊維を織成する１対の中間層織成アームを示している。このロウの織成の完了後、１対の中間層織成アームを引っ込めて織物開口部の別のロウまで動かして別の繊維を織成するのが良い。このプロセスをロウの一部分について繰り返し実施するのが良く、開口部の幾つかのロウは、代表的には、追加の層相互間における次の織成段階の際に中間層繊維の織成のために開かれたままにされる。別の実施形態では、システムは、開口部の多数のロウ上で中間層織成を実施するのに必要な時間を短縮するよう並行動作する多数の対をなす織成アームを含むのが良い。

図６Ａ〜図６Ｃは、本発明の実施形態に従って三次元織物組織の２つ又は３つ以上の層を圧密化する例示の機構体の動作原理を示す図である。層圧密化は、２つの層相互間の１組の中間層繊維を引き締めてこれら層を互いに接触させてこれら繊維層相互間のスペースを減少させ又は実質的になくすプロセスである。

図６Ａは、中間層繊維６０７に連結された１対の層６０３，６０５を示している。中間層繊維６０７（並びに層６０３，６０５の他のロウ中の同様な中間層繊維）をグリッパ６１１，６１３で固定する。層６０３の開口部の異なるロウを用いて層６０３と層６０３の上方の１つ又は２つ以上の層と織成する際、層６０３，６０５相互間には下側中間層織成アームの通過を可能にするスペース６０９が残されている。層６０３とその上方の１つ又は２つ以上の層の織成をいったん完了させると、層６０３，６０５を圧密化してスペース６０９をなくすのが良い。

図６Ｂは、層圧密化プロセスの一例を示している。一実施形態では、グリッパ６１１，６１３を側方に引いて張力を中間層繊維６０７に加える。この張力は、層６０３，６０５相互間の弛みスペースを減じて、これら２つの層を互いに接触させ、そしてこれらの間に存在したスペース６０９を実質的になくす。別の実施形態では、中間層繊維及び／又は層織物は、この引き締めが動かなくなるということなしに起こることができるよう被膜又は潤滑剤を有するのが良い。

層６０３，６０５を互いに結合した後、本発明の別の実施形態は、過剰の中間層６１５，６１７を切断して除去し、その結果、図６Ｃに示されているような層６０３，６０５及び中間層繊維６０７が得られる。

別の実施形態では、中間層織成アームは、他の織り目、例えば朱子織り及び斜文織りを用いて中間層繊維を挿入するのが良い。さらに別の実施形態では、繊維結合部の変形形態、例えば縫製（例えば、本縫い、環縫い、又はかがり縫いを用いる）を用いて層を中間層繊維に結合することができる。本発明の実施形態は、連結部を層相互間のスペースを作ることができるよう開いた状態に保持でき、後でこれを引き締めてこのスペースを減少させ又はなくすことができることを条件として、任意形式の繊維接続部に使用できる。

上述したように、本発明の実施形態は、中間層繊維を層相互間に織成する際に開口部のロウをスキップする。図７Ａ及び図７Ｂは、本発明の実施形態に従って中間層繊維の例示の互い違いの配列状態を示す図である。図７Ａは、本発明の実施形態による互い違いの中間層繊維の実施例７００を示している。実施例７００は、完成層貯蔵ステージ７０７内の１対の圧密化層７０３，７０５、中間層ステージ７１１内の少なくとも１つの層７０９、及び新層ステージ７１２内の新たな層７１０を含む。

圧密化層７０３，７０５を中間層繊維７１３に連結し、中間層繊維７１３は、これら層相互間の間隔を除くよう引き締められている。加うるに、中間層繊維７１５は、層７０５，７０９を互いに連結する。中間層繊維７１５は、まだ引き締められておらず、層７０５，７０９相互間には広いスペース７１７が残されている。スペース７１７は、下側中間層織成アーム７１９が層７０５，７０９相互間を通ることができるようにするのに十分である。中間層織成アーム７１９を用いて中間層繊維７２１を層７０９，７１０相互間並びに任意の中間層相互間に織成する。中層７０９，７１０相互間への間層繊維７２１及び他の繊維の織成が完了した後、層７０９を完成層貯蔵ステージまで動かして中間層繊維７１５を引き締めることによって層７０５と共に圧密化するのが良い。

実施例７００に示されているように、各織成段階は、中間層繊維を層織物の開口部の利用可能なロウの一部分のみ中に挿入するのが良く、それにより中間層繊維を用いて各層をその上下に位置する層に連結することができる。例えば、中間層ステージが単一の層を保持しているに過ぎない場合、図４に示されているように中間層繊維を開口部の交互に位置するロウ中に織成することが各層をその上下に位置する層に連結する上で好適であると言える。図７Ａでは、各織成段階が開口部の利用可能なロウの１／３を用いる場合、中間層ステージは、最高２つまでの層を保持するのが良い。この実施例７００では、各層をその下に位置する２つの層に連結する。

図７Ｂは、互い違いの中間層繊維配列状態の別の実施例７５０を示している。実施例７５０では、新層ステージ７５３は、層７５９を含む。中間層ステージ７５５は、４つの層、即ち、層７６１Ａ〜７６１Ｄを含む。完成層貯蔵ステージ７５７は、任意の数の層を含むことができ、かかる層としては、この実施例では、層７６３が挙げられる。

実施例７５０では、中間層ステージ７５５内には４つの層が存在しているので、中間層繊維を開口部の５つめごとのロウのところで新たな各層中に織成する。この実施形態の一般的な具体化例では、中間層ステージ内にＫ個の層が存在する場合、中間層繊維を開口部のＫ＋１番目のロウごとに新たな各層に追加する。この目的のため、中間層繊維７６５Ａ，７６５Ｂを新たな層７５９と層７６１Ｄとの間に織成し、層７６１Ａ〜７６１Ｃの未使用の開口部も又通過する。

新たな層７５９が中間層ステージ７５５を通って進んでいるときに、開口部のその未使用のロウは、次の層に結合する中間層繊維で次第に満たされることになる。例えば、中間層ステージ７５５の第１の位置にある層７６１Ａは、中間層繊維、例えば中間層繊維７６５Ａ，７６７，７６９を開口部の５番目ごとの隣り合うロウのうちの２つの中に有する。中間層ステージ７５５の第２の位置にある層７６１Ｂは、中間層繊維を開口部の５番目ごとの隣り合うロウのうちの３つの中に有する。中間層ステージ７５５の第３の位置にある層７６１Ｃは、中間層繊維、例えば中間層繊維７６５Ａ，７６７，７６９，７７１を開口部の５番目ごとの隣り合うロウのうちの４つの中に有する。中間層ステージ７５５の第４の位置にある層７６１Ｄは、中間層繊維、例えば中間層繊維７６５Ａ，７６７，７６９，７７３を開口部の５番目ごとの隣り合うロウのうちの５つ全ての中に有する。

中間層繊維７６５Ａ，７６５Ｂの追加に続き、層７６１Ｄの開口部のロウの全ては、今や、中間層繊維で占められている（少なくとも、この層の上に位置する層と垂直方向にオーバーラップする開口部に関し）。かくして、層７６１Ｄは、層７６３と共に圧密化可能な状態にあり、中間層繊維、例えば中間層繊維７７３を引き締めてこれら２つの層相互間のスペースをなくすことができる。

この実施例７５０に示されているように、中間層ステージがＫ個の層を有する場合、新たな層のＫ＋１番目のロウ中の中間層繊維を互いに織成することによって、各層の開口部のロウの全ては、この新たな層が中間層ステージを通って進む時点までに中間層繊維で占められる。追加される各新たな層に関し、中間層繊維パターンの相対的段階又はオフセットが変更されるが、追加された中間層繊維のロウ相互間のＫ＋１間隔は、不変のままである。この具体化例では、中間層繊維は各々、代表的には、Ｋ＋１個の層を互いに連結する。

実施例７５０によって示されている実施形態では、中間層繊維は、定期的なＫ＋１個の一定間隔で互いに織成される。しかしながら、別の実施形態では、中間層繊維を分布して配置する他のパターンを用いることができ、かかるパターンは、統計学的分布がＫ＋１ロウの平均間隔に対応した中間層繊維の確率的パターンを含む。

上述したように、２つ又は３つ以上の層の開口部を通って中間層繊維を互いに織成する。図８Ａ〜図８Ｃは、本発明の実施形態に用いられるのに適した例示の目の荒い織物目又は織り目を示している。図８Ａは、例示の目の荒い平織り目８００を示している。たて繊維とよこ繊維が互いに密な接触状態に配列されている典型的な平織りとは異なり、目の荒い平織り目８００は、中間層繊維の通過を可能にするのに適した多くの開口部、例えば開口部８０５Ａ〜８０５Ｉを有する。

図８Ｂは、目の荒い朱子織り目８２０を示している。朱子織りは、典型的には、たて繊維が目の全てのロウ内で折り曲げられず又はクリンプされないので、平織りよりも高い強度を有する。例示の目の荒い朱子織り目８２０は、４本糸朱子織りと呼ばれているが、本発明の実施形態は、目の荒い朱子織り目の任意の変形例に利用することができる。たて繊維とよこ繊維が互いに密な接触状態に配列される典型的な朱子織りとは異なり、目の荒い朱子織り目８２０は、中間層繊維の通過を可能にするのに適した多くの開口部、例えば開口部８２５Ａ〜８２５Ｌを有している。

図８Ｃは、目の荒いからみ織り目８４０を示している。大抵の目の荒い織り目により、たて繊維は、容易に変位することができ、それにより、ブルージング（bruising）と呼ばれる繊維の不均等な分布が得られる。からみ織り目は、１本又は２本以上のよこ繊維を挿入した後にたて繊維を撚ることによってこれを阻止する。撚られたたて繊維は、よこ繊維を定位置に保持する一方で、繊維相互間には広いスペース、例えばスペース８４１Ａ〜８４１Ｉが依然として残される。

目の荒いからみ織り目８４０は、太い一次繊維８４３Ａ〜８４３Ｄを含む。一次繊維は、これらの軸線に沿って高い引張強度を提供するようになっている。からみ織り目８４０は、一次繊維８４３を定位置に保持するようになった撚られた二次繊維８４５Ａ〜８４５Ｄを更に含む。二次繊維は、一次繊維と同種の材料で作られても良く、異なる材料、例えばより安価な材料で作られても良い。伝統的な製織プロセスを用いて製造されると、一次繊維８４３は、よこ繊維となる場合が多く、二次繊維８４５は、たて繊維となる。

図８Ｃは、基本的なからみ織り目８４０を示している。しかしながら、本発明の別の実施形態は、より複雑なからみ織り、例えば、たて繊維が多数本のよこ繊維を挿入した後にたて繊維だけを撚る平織り目を利用することができる。別の実施形態では、からみ織り（これは、レノ（leno）織り目の日本語による表現である）を用いると、一次繊維を多種多様な分布状態に配置すると共に保持することができる。通常、かかる織り目は、審美的目的に用いられるが、本発明の実施形態は、これらの織り目を用いて一次繊維相互間の間隔を増減することができる。

上述の織り目は、説明の目的のために示されており、本発明の実施形態は、これらの目の荒い織物組織及び／又は当該技術分野において知られている任意他の目の荒い織物組織、例えば、繊維又はトウが互いに織成されるのではなく結合される斜文織り、バスケット織り、一方向織り、ボンデッド方向織り、不織布を用いることができる。加うるに、二次繊維又は充填繊維が製織プロセス中に支持体となるよう織物中に含まれるのが良い。別の実施形態では、二次繊維は、硬化プロセス中に溶融し、熔解し又は焼尽するようになっているのが良い。

上述したように、２つ又は３つ以上の層の圧密化に続き、過剰の中間層繊維を切断して繊維プリフォームから除去するのが良い。図９Ａ〜図９Ｅは、本発明の実施形態に従って非凸状層の圧密化中における過剰中間層繊維の例示の除去の仕方を示している。図９Ａは、２つの層、即ち、下側層９０２及び２つの互いに別個独立した形状９０４，９０６で構成された上側層の例示の平面図９００である。層圧密化に先立って、中間層繊維９０８は、形状９０４，９０６相互間の空の領域９０５を含む上側層上を通る。

図９Ｂは、層圧密化に続く２つの層の例示の平面図９１０である。中間層繊維９０８は、これらがもはや隙間９０５を横切ることがないようトリムされている。

図９Ｃ〜図９Ｅは、層圧密化に続く過剰繊維のトリムする仕方を示す詳細側面図である。図９Ｃでは、層９１２，９１４は、中間層繊維９１６に連結されている。層９１２は、隙間９１８により隔てられた２つの互いに別個独立した部分を含む。層圧密化の前に、この隙間９１８は、中間層繊維９１６によって橋渡しされる。

図９Ｄでは、中間層繊維９１６は、層９１２，９１４を接触させるよう引き締められている。しかしながら、隙間９１８は、中間層繊維９１６によって依然として橋渡しされている。

図９Ｅでは、中間層繊維９１６は、小片９１６Ａ，９１６Ｂに切断されており、中間層繊維９１６の過剰部分は、隙間９１８から取り除かれている。別の実施形態では、小片９１６Ａ及び／又は９１６Ｂの端部のところの過剰繊維を層９１２の上に折り返し又は層９１２の下に折り返すのが良い。

上述したように、切断された織物断面形状の層を中間層織成中に層組み立てステージから動かす。この運動を達成する１つの仕組みは、組をなすピンによってであり、各組は、層を支持する棚を形成すると共に中間層繊維の通過を許容する開口部を有する。ピンの各対は、新たな層及び中間層ステージの幾つかの部分を通って下方に動く。層圧密化を行っているとき、ピンは、層が互いに接触することができるよう側に引っ込む。

図１０Ａ〜図１０Ｄは、本発明の実施形態に従って三次元製織中における織物の層を支持すると共に動かすための別の例示の機構体を示す図である。図１０Ａは、例示の機構体を初期形態１０００で示している。この例示の機構体は、端部品１００３，１００５を含む。端部品１００３，１００５の各々は、１組の垂直支持体、例えば支持体１００４，１００６をそれぞれ含む。端部品１００５は、滑りレール１００７Ａ，１００７Ｂに連結され、それにより、端部品１００５は、端部品１００３の反対側の側部まで動くことができる。垂直支持体１００４，１００６は、端部品１００３，１００６が互いに通り過ぎることができるよう互いにずらされている。例示の機構体は、高い強度の繊維、例えばナイロン繊維のスプール１００９を更に含み、このスプールは、層組み立てステージにおいて繊維層のための支持棚を形成するために用いられることになる。

図１０Ｂは、例示の機構体を第２の形態１０２０で示している。この形態では、端部品１００５は、滑りレール１００７Ａ，１００７Ｂに沿って端部品１００３の反対の側に動いている。この運動に続き、繊維アンカ１０１３が繊維１０１１を端部品１００３，１００５の幅全体にわたってスプール１００９から引き出す。繊維１０１１は、いずれか一方の側が垂直支持体１００４，１００６によって包囲される。

図１０Ｃは、例示の機構体を第３の形態１０４０で示している。この形態では、端部品１００５は、滑りレール１００７Ａ，１００７Ｂに沿って端部品１００３の反対の側まで動いている。このようにする際、端部品１００５の垂直支持体１００６は、繊維１０１１の追加の量をスプール１００９から引き出している。繊維１０１１は、スプール１００９及び／又は繊維アンカ１０１３に含まれている張力機構体を用いてぴんと張った状態に保持されて、そして繊維層を支持する棚１０４５を形成している。

端部品１００３，１００５は、層組み立てステージを通って垂直に動いて棚１０４５及びこの棚が支持している織物層をこのステージの互いに異なる位置に動かすことができる。層圧密化中、繊維１０１１をアンカ１０１３から放してこれをスプール１００９上に引き戻すのが良い。これにより、棚１０４５の姿がなくなり、先に支持されていた織物層がこの下に位置する層に接触する。

図１０Ｄは、本発明の実施形態に従って、図１０Ａ〜図１０Ｃに示されているような引っ込み可能な繊維支持棚を層組み立てステージを通って垂直に動かす例示の機構体１０６０を示している。この実施例１０６０では、垂直支持体の各組をそのそれぞれの端部品から取り外して連続ループ、例えば、コンベヤベルトループ１０６５をなしている垂直に動くチェーン又はコンベヤベルトに取り付けるのが良い。例えば、垂直支持体、例えば支持体１００４Ａ，１００４Ｂの組の各々をコンベヤベルトループ１０６５に取り付け、このコンベヤベルトループは、層組立てステージを通って垂直に動く。（支持体１００６Ａ，１００６Ｂのコンベヤベルトループは、分かりやすくするために図１０Ｂから省かれている。）フック、ラッチ、磁石及び／又は他の取り付け機構体を用いて支持体を端部品及びコンベヤベルトに取り付けたりこれらから取り外したりすることができる。コンベヤベルトループは、層組み立てステージを通って一斉に動き、棚１０４５Ａ，１０４５Ｂをこれらのそれぞれの支持体１００４Ａ，１００６Ａ及び支持体１００４Ｂ，１００６Ｂにより引く。層組み立てステージの底部のところでは、関連の繊維をそのアンカから放してこれをそのスプール上に引き戻すことによって棚の各々を引っ込めることができる。

図１１は、本発明の実施形態に従って漸変断面トポロジーを備えた複合材プリフォーム及び製品の三次元製織のためのシステムを制御するのに適したコンピュータシステム１１００を示す図である。コンピュータシステム１１００は、１つ又は２つ以上の汎用又は専用プロセッサ１１０５を含み、プロセッサ１１０５は、マイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、システムオンチップ（ＳｏＣ）デバイス、ディジタル信号プロセッサ、グラフィックス処理ユニット（ＧＰＵ）、ＡＳＩＣ、及び他の情報処理デバイスを含むのが良い。コンピュータシステム１１００は、読取り書込み記憶装置１１１０及び不揮発性記憶装置１１１５、例えば磁気又は光ディスクドライブ及び／又はフラッシュメモリデバイスを更に含む。

コンピュータシステム１１００は、オプションとして、１つ又は２つ以上の視覚的表示装置１１２０を含むのが良い。コンピュータシステム１１００は、オプションとして、スピーカ、マイクロフォン、又は他の音声入力及び出力１１３０を介して音を発生させたり音を受け取ったりするオーディオプロセッサ１１２５、及びオプションとしてのセンサ及び入力装置１１４０、例えばキーボード、スクロールホイール、ボタン、キーパッド、タッチパッド、タッチスクリーン、及び他のタッチセンサ、ジョイスティック及び方向パッド、動作センサ、例えば加速度計及びジャイロスコープ、全地球測位システム（ＧＰＳ）及び他の存在場所を突き止めるセンサ、温度センサ、例えば機械的、工学的、磁気的又は他の形式の位置検出器及び／又は上述のシステムの種々のコンポーネントの現在の位置を検出するリミットスイッチ、上述のシステムの種々のコンポーネントの電気的特性を測定するための電圧、電流、抵抗、キャパシタンス、インダクタンス、導通状態又は任意他の形式のセンサ、力、加速度、応力又はひずみ、及び／又は張力センサ、及び／又は当該技術分野において知られている任意他の形式の入力装置を更に含むのが良い。コンピュータシステム１１００は、オプションとして、静止画像及び／又は映像を捕捉する１つ若しくは２つ以上のカメラ又は他の光学測定装置１１３５を含むのが良い。

コンピュータシステム１１００は、ローカルエリアネットワーク１１５０を介してデータのやりとりをする１つ又は２つ以上のモデル及び／又はワイヤード又はワイヤレスネットワークインターフェース１１４５（例えば、ネットワーク規格の８０２．１１系統）、広域ネットワーク、例えばインターネット（Internet）、任意の世代又はプロトコルのＣＤＭＡ、ＧＳＭ（登録商標）お、又は他のセルラーデータネットワーク、インダストリアルネットワーク、又は任意他の標準又は所有権を主張できるネットワークを更に含むのが良い。コンピュータシステム１１００は、周辺装置間転送及び／又はデータ転送インターフェース、例えばワイヤード又はワイヤレスＵＳＢ、ＩＥＥＥ１３９４（ファイヤワイヤ（Firewire））、ブルートゥース（Bluetooth（登録商標））、又は他のワイヤード若しくはワイヤレスデータ転送インターフェースを更に含むのが良い。

コンピュータシステム１１００は、外部源から電力、例えば外部電源並びに１つ又は２つ以上の充電式又は１回使用電池、燃料電池又は任意他の電気エネルギー発生装置を介してコンピュータシステム１１００に合わせて設定されたＡＣライン電流又はＤＣ電力を得る電力システム１１５５を含むのが良い。加うるに、電力システム１１５５は、圧縮ガス、真空、及び／又は油圧システムの形態でエネルギーを提供して種々のアクチュエータ及び本発明の実施形態の種々のコンポーネントに電力供給することができる。

コンピュータシステム１１００は、多種多様なフォームファクタで具体化でき、かかるフォームファクタとしては、デスクトップ及びラップトップ形態並びに埋め込み型及びヘッドレス形態が挙げられる。

本発明の実施形態は、種々のモータ及びアクチュエータ、例えばブラシ付き又はブラシレスＤＣモータ、ＡＣ同期電動機及び誘導電動機、ステップモータ、サーボモータ、ソレノイド、及び／又は空気圧及び油圧アクチュエータを用いる。一実施形態では、コンピュータシステム１１００は、電力及び制御信号をこれらモータ及びアクチュエータに提供するモータ及びアクチュエータ制御部１０６０を含む。

当業者であれば別の実施形態を想到できる。他の実施形態では、上述の開示した本発明のコンビネーション又はサブコンビネーションを有利に構成できる。アーキテクチャのブロック図及びフローチャートは、理解を容易にするためにグループ化されている。しかしながら、理解されるべきこととして、ブロックの組み合わせ、新たなブロックの追加、ブロックの再配置等は、本発明の変形実施形態において計画される。

したがって、明細書及び図面は、本発明を制限するのではなく例示として解されるべきである。しかしながら、特許請求の範囲に記載された本発明の広い精神及び範囲から逸脱することなく、本発明について種々の改造及び変更を行うことができることは明らかであろう。

Claims (20)

1. 繊維複合材プリフォームを作る方法であって、
   第１の層間隔だけ互いに離隔された第１の材料層と第２の材料層を互いに整列させるステップを含み、
   第１の中間層補強材を前記第１及び前記第２の材料層中に挿入するステップを含み、
   少なくとも第３の材料層を少なくとも前記第１及び前記第２の材料層と整列させるステップを含み、
   第２の中間層補強材を少なくとも前記第２及び前記第３の材料層中に挿入するステップを含み、前記第１の層間隔により、前記第２の中間層補強材を挿入中、操作することができ、
   前記第１の層間隔を閉じて前記第１の材料層と前記第２の材料層を接触させるステップを含む、方法。
2. 前記材料層のうちの少なくとも１つは、織物を含む、請求項１記載の方法。
3. 前記織物は、織布を含む、請求項２記載の方法。
4. 前記織布は、目の荒い織物組織を含む、請求項３記載の方法。
5. 前記材料層のうちの少なくとも１つは、マトリックス材料を含む、請求項１記載の方法。
6. 前記第１及び前記第２の中間層補強材は、繊維補強材を含む、請求項１記載の方法。
7. 前記第１及び前記第２の中間層補強材のうちの少なくとも一方は、炭素繊維を含む、請求項６記載の方法。
8. 前記第１及び前記第２の中間層補強材のうちの少なくとも一方は、ガラス繊維を含む、請求項６記載の方法。
9. 前記第１の中間層補強材を挿入する前記ステップは、前記第１の中間層補強材を前記第１及び前記第２の材料層中に織成するステップを含む、請求項６記載の方法。
10. 前記第１の中間層補強材を挿入する前記ステップは、前記第１の中間層補強材を繊維張力調整システム内に固定するステップを含み、
    前記第１の層間隔を閉じる前記ステップは、前記繊維張力調整システムを用いて前記第１の中間層補強材を張力調整するステップを含む、請求項６記載の方法。
11. 前記材料層のうちの少なくとも１つは、前記第１及び前記第２の中間層補強材のうちの少なくとも一方の通過を可能にする開口部を有する、請求項１記載の方法。
12. 前記開口部は、前記第２の材料層に設けられた第１の開口部を含み、
    前記第１の中間層補強材を挿入する前記ステップは、前記第１の中間層補強材を前記第２の材料層の前記第１の開口部の第１の部分中に挿入するステップを含み、
    前記第２の中間層補強材を挿入する前記ステップは、前記第２の中間層補強材を前記第２の材料層の前記第１の開口部の第２の部分中に挿入するステップを含む、請求項１１記載の方法。
13. 前記開口部は、前記第３の材料層に設けられた第２の開口部を含み、
    前記第２の中間層補強材を挿入する前記ステップは、前記第２の中間層補強材を前記第３の材料層の前記第２の開口部の第１の部分中に挿入するステップを含む、請求項１２記載の方法。
14. 前記第２の中間層補強材は、前記第２の材料層と前記第３の材料層との間で少なくとも１つの追加の材料層中に挿入される、請求項１記載の方法。
15. 追加の中間層補強材が前記第２の材料層と前記第３の材料層との間で前記少なくとも１つの追加の材料層中に挿入され、前記第２の中間層補強材は、前記追加の中間層補強材に対して間隔を置いて挿入され、前記間隔は、前記追加の補強材の数に基づいている、請求項１４記載の方法。
16. 少なくとも前記第３の材料層を少なくとも前記第１及び前記第２の材料層と整列させる前記ステップは、前記第２の材料層と前記第３の材料層を第２の層間隔により離隔させるステップを含む、請求項１記載の方法。
17. 前記材料層は、三次元モデルの少なくとも一部分の断面を表し、前記材料層のうちの少なくとも２つは、互いに異なる断面形状を有する、請求項１記載の方法。
18. 前記材料層のうちの少なくとも１つは、少なくとも２つの互いに別個独立した断面を含む、請求項１７記載の方法。
19. 前記材料層のうちの少なくとも１つは、少なくとも２つの互いに異なる材料を含む、請求項１記載の方法。
20. 前記少なくとも２つの互いに異なる材料は、取り外し可能な支持材料を含む、請求項１９記載の方法。

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