JP7329852B2 - プリフォームの配向縫合による複合材料部品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ポリマーマトリックス複合材料とも呼ばれる、連続した一方向繊維とポリマーマトリックスとを含む有機マトリックス複合材料で作られた部品の製造方法に関する。

最初の乾燥プリフォームを製造する工程と、例えば射出および／または注入によって、乾燥プリフォームに含浸ポリマーを含浸させて複合材料部品を形成する工程とを含む、ポリマーマトリックス複合材料の部品を製造する公知の方法がある。

乾燥プリフォームは、従来、連続した一方向乾燥繊維を織ることによって形成された布地から、または縫合によって一緒に保持された、連続した一方向繊維の複数の重ね合わされた層を含む多軸布地またはＮＣＦ（ノンクリンプ織物）布地から、手作業で作られる。これらのプリフォームは、高い製造コストを有し、そのような既製の布から部品を製造する間の消耗率は大きい。

操作を自動化し、消耗率を制限するために、連続する一方向繊維の自動敷設によって乾燥プリフォームを製造することが提案されており、得られるプリフォームは、連続する一方向繊維の複数の重ね合わされた層を含む。繊維は、例えば、接触塗布、ローラ、繊維載置処理に適用することができ、各層は、１つ以上の接合された帯を型上に積層することによって形成され、各帯は、多数の炭素糸またはフィラメントからなる炭素繊維などの１つ以上の平坦な繊維リボン類、リボンタイプで形成される。乾燥プリフォームは、プリフォームの凝集を維持するために、一般に５％未満の少量のバインダーを含む。しかし、重ね合わされた層の積み重ねによって得られるこのタイプのプリフォームは、特に高圧および高温でのＲＴＭ（Resin Transfer Molding）射出による含浸の場合に、迅速かつ十分な含浸を可能にするのに、繊維間における浸透性および凝集性が不十分となることがある。

さらに、２０１６年９月２７日に出願されたフランス特許出願第１６／７０５５６号において、不織のフィラメントを乾燥プリフォームの第１の主面上に合わせる工程と、各々が少なくとも１つの切欠きを備える複数の針を備える縫合装置を用いて、フィラメントを針によって送り出し、乾燥プリフォームの連続繊維に対して実質的に垂直に配置されるように前記フィラメントを縫う工程とを含む、複合材料の部品の製造方法が提案された。本処理は、その後の処理のための優れた凝集性および優れた浸透性を有する新規な乾燥プリフォームの提示を可能としている。最終的な部品のポリマーマトリックスを構成する１つまたは複数のポリマーを備えたプリフォームの縫合を含む同様の方法が、出願人により２０１７年４月３日に出願されたフランス特許出願第１７／７０３３１号にも提案されている。

しかしながら、使用される繊維の種類に応じて、縫合中に繊維の破断が生じることがあり、プリフォームを劣化させ、得られる部品の機械的特性を低下させ、また、オペレータおよび装置に悪影響を及ぼす小繊維を生成する。繊維の破断を低減するために、２０１７年４月３日に出願人が出願したフランス特許出願第１７／７０３３２号において、潤滑剤存在下での縫合工程を実施することが提案された。

本発明の目的は、縫合中の繊維の破断を低減させ、あるいは生じさせないための代替的および／または相補的な解決を提供することである。

この目的のために、本発明の主題は、連続繊維とポリマーマトリックスとを含む複合材料部品を製造する処理であって、以下を含むことを特徴とする；
少なくとも１つの繊維配向に沿って配向された連続一方向繊維から形成されたプリフォームを製造する工程と、
プリフォームの少なくとも第１の主面上に不織のフィラメントを適用する工程と、
複数の針を含む縫合装置の手段によって前記フィラメントを縫合する工程と、を含み、各針は針の主縦軸に垂直な切り欠き軸に沿って延びる切り欠き、または針の主縦軸に垂直な切り欠き軸に沿って各々延びる複数の切り欠きを備え、前記切り欠き軸は互いに平行であり、フィラメントは針によって駆動され、プリフォームの連続繊維に実質的に垂直な方向に配置され、前記針およびプリフォームは縫合中に、切り欠き軸が繊維の配向と非ゼロ角度を形成するように配置される。

針は、縫合装置の駆動システムによって前後に駆動されて、好ましくは一方の側から他方の側へプリフォームを横断する。プリフォームの方向への針の移動中、これらのフィラメントの少なくとも一部は、針の切り欠き内に位置し、プリフォームを通って針によって駆動される。プリフォームの厚さ方向において、Ｚ方向に位置するこれらの縫合されたフィラメントは、乾燥プリフォームを安定化させ、プリフォームの後続の処理工程（複数可）のためのプリフォームの凝集力を増大させることを可能にし、特に、後続の含浸工程または形成工程中のプリフォームの繊維の層間剥離または望ましくない変位を回避することを可能にする。

縫合中、針の切り欠きには、フィラメントが充填され、切り欠き軸は、繊維配向または層の配向に対してゼロでない角度を形成する。本発明によれば、プリフォームの方向付けられる縫合は、プリフォームの繊維の配向に対する針の方向を規定することによって実行され、その結果、連続繊維は針によって駆動されないか、またはわずかのみ駆動されるか、または損傷され、従って、プリフォームの劣化の危険性を低減し、プリフォームで得られる最終部品の最適な機械的特性を保証する。

従って、高いフィラメント移動速度を、低減された縫合密度で得ることができ、これにより、縫合工程を実施するのに必要な時間を低減することができ、従って、縫合されたプリフォームの生産速度を増大させることができる。

繊維配置によって好ましく適用される連続繊維は、好ましくは連続一方向繊維であり、例えば炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維などの合成繊維、および／または、例えば亜麻繊維などの天然繊維、である。

本発明による方法は、特に、前述のフランス特許出願第１６／７０５５６号に記載されているような乾燥プリフォームに使用することができ、この方法は、次いで、縫合後にプリフォームの含浸工程を含み、および／または前述のフランス特許出願第１７／７０３３１号に記載されているような部品の最終マトリックスを構成するポリマーまたは複数のポリマーを備えたプリフォームに使用することができる。

本発明による方法は、特に自動車または航空分野において、複合材料部品の製造に有利に使用することができる。

プリフォームは単一の繊維配向を有していてよく、切り欠き軸は、好ましくは前記繊維配向に対して垂直に、±１０°以内、好ましくは±５°以内、より好ましくは±２．５°以内に配置される。

一実施形態によれば、プリフォームは、複数の重ね合わされた層から形成され、各層は、１つの繊維配向に配向された連続した一方向繊維から形成され、前記プリフォームは、少なくとも２つの異なる繊維配向を有する層を含み、前記針およびプリフォームは、切り欠き軸が縫合中に２つの繊維配向の各々と非ゼロ角度を形成するように配置される。

一実施形態によれば、前記プリフォームは異なった繊維配向の層を含み、切り欠き軸は、縫合の間、各々の繊維配向に対して非ゼロ角度を形成する。

一実施形態によれば、切り欠き軸は、２つの隣接する繊維配向間の二等分線に沿って±１０°以内、好ましくは±５°以内、より好ましくは±２．５°以内で配置され、２つの繊維配向は、前記プリフォームが２つの前記繊維配向の間に配置された第３の繊維配向を含まない場合に隣接する。切り欠き軸は、好ましくは前記二等分線に沿って配置される。

一実施形態によれば、繊維配向と切り欠き軸の配向は、基準軸の周りに＋９０°と－９０°の間で定義され、この基準軸は、部品の主要な軸、例えば、製品の主な荷重軸線に対応することが望ましく、切り欠き軸は、基準軸から最も遠い方位、すなわち、±１０°以内、好ましくは±５°以内、より好ましくは±２．５°以内に向かう方位に配向するプリフォームが少なくとも２つの異なる繊維配向を含む場合、切り欠き軸は、次いで、切り欠き軸が基準軸に最も近い配向から最も遠くに配置されるように、基準軸と最大角度を形成する二等分線に沿って±１０°以内、好ましくは±５°以内、より好ましくは±２．５°以内に配向される。

一実施形態によれば、切り欠き軸は、それぞれの繊維配向に対して少なくとも１５°、好ましくは少なくとも２２．５°の角度を形成する。

一実施形態によれば、縫合は、その遠位端に少なくとも１つの切り欠き、好ましくは単一の切り欠き、を有する分岐針を用いて実施される。縫合は、好ましくは１～１０ｍｍ、好ましくは２～６ｍｍの針侵入深さを有する分岐針を使用して実施される。分岐針の使用は、プリフォームの繊維の劣化無しに、フィラメントの効率的な縫合を得ることを可能にする。

別の実施形態によれば、プリフォームは、
－基準軸に対して０°および９０°の繊維配向を有し、切り欠き軸が＋４５°および／または－４５°、好ましくは＋４５°または－４５°で配置されている層、あるいは、
－基準軸に対して＋３０°および－３０°の繊維配向を有し、切り欠き軸が０°および／または０°または９０°、好ましくは＋９０°で配置されている層、あるいは、
－基準軸に対して０°、９０°、＋４５°および－４５°の繊維配向を有し、切り欠き軸が＋２２．５°、－２２．５°、＋６７．５°および／または－６７．５°、好ましくは＋６７．５°および／または－６７．５°、より好ましくは＋６７．５°または－６７．５°で配置されている層、あるいは、
－基準軸に対して＋６０°および－６０°の繊維配向を有し、切り欠き軸が９０°、＋３０°または－３０°または９０°、好ましくは９０°で配置されている層、あるいは、
－基準軸に対して０°、＋３０°および－３０°の繊維配向を有し、切り欠き軸が９０°配置されている層、から形成される。

上述のように定義された切り欠き軸の向きは、±１０°以内、好ましくは±５°以内、より好ましくは±２．５°以内である。

プリフォームは、異なる層のオーバーラップを有する領域を有することができ、従って、１つの領域から別の領域への異なる繊維配向の組み合わせを有することができる。そのような場合、切り欠き軸の配向は、繊維配向の組み合わせに従って、プリフォームの１つの領域から別の領域へと変化し得る。

一実施形態によれば、前記プリフォームは、縫合中に、針とプリフォームの繊維との間の摩擦を低減し、その結果、摩擦によるプリフォームの繊維の破断を低減するために、潤滑油とも呼ばれる潤滑剤を含む。針は、プリフォームをより良く貫通し、プリフォームを通るフィラメントの移動は、このようにして改善される。さらに、繊維破裂の場合、潤滑剤は、潤滑剤がプリフォーム中において単純な毛管現象によって小繊維を捕集することで、および／または小繊維が潤滑剤によって減らされることで、生成する小繊維の分散を制限し、無くしさえする。

別の実施形態によれば、
－潤滑剤は、水、場合によっては脱塩された、または蒸留された水、または石鹸水を含み、
－プリフォームは、縫合工程の前に加湿され、プリフォームは、少なくとも２重量％の水、好ましくは少なくとも５重量％の水、好ましくは５～４０重量％の水、より好ましくは１０～４０重量％の水を含み、
－潤滑剤は、例えば噴霧によって、縫合作業動作の前に、プリフォームおよび／または不織のフィラメントに塗布され、
－本方法は、縫合後に、例えば、可能であれば吸引と組み合わされたプレスによる、および／または炉を通すことによる、および／または赤外による、高周波による、またはマイクロ波による乾燥による機械的乾燥によって、プリフォームを乾燥させる工程を含む。

前記乾燥繊維は、プリフォームの種々の層の結合を確実にするのに十分な、バインダーと呼ばれる少量の第１のポリマーを備えることができ、前記乾燥プリフォームは、その後、前記含浸ポリマーを添加して最終的な複合部品のマトリクスを形成する作業動作を受ける。

繊維は、複合部品の最終マトリックスを形成するのに十分な量の第１のポリマーを提供することができ、第１のポリマーは、熱硬化性または熱可塑性ポリマーとすることができ、例えば、粉末の形態であってよく、１つ以上のベールおよび／または糸であってもよい。

代替実施形態によれば、連続繊維は、第２のポリマーを備えて、第１のポリマーと共にマトリックスまたはバインダーを構成し、粘着性を持たせるために第２のポリマーに加熱をかけて積み上げ、第１のポリマーはほとんどまたは全く粘着性を有さないままである。

他の実施形態によれば、潤滑剤は、プリフォームを製造するために使用される繊維および／またはポリマー中に存在する。一実施形態によれば、プリフォームを構成する繊維および／またはポリマーは、水で飽和され、この水は潤滑剤を構成するプリフォームの製造時に繊維および／またはポリマー中に存在する。

一実施形態によれば、潤滑剤は、第１のポリマー中に存在し、ポリマーの処理に使用される内部潤滑剤型および／または離型剤の補助剤である。

好ましくは、この方法は、各々が連続した一方向繊維から形成された、複数の重ね合わされた層から形成された不織布プリフォームの製造を含む。一実施形態によれば、本方法は、複数の重ね合わされた層を含む最初の乾燥プリフォームの製造を含み、前記層は、第１のポリマーを含む結合剤を備えた、連続した一方向乾燥繊維から形成され、前記方法は、縫合工程の後に、第４のポリマーと呼ばれる含浸ポリマーで乾燥プリフォームを含浸する工程を含み、ポリマーマトリックスを形成し、例えば射出および／または注入によって複合材部品を形成する。

前記含浸工程は、好ましくはガラス転移温度よりも高い温度で、好ましくはバインダーを形成する第１のポリマーの溶融温度よりも低い温度で実施される。乾燥プリフォームは、バインダーを備えた乾燥繊維を適用することによって、および／またはバインダー無しの乾燥繊維を適用することによって、および／またはバインダーを適用することによって、例えば液状バインダーおよび／または粉末の形態のバインダーを適用する表面上に、および／または予め置かれた乾燥繊維上に噴霧することによって得られる。乾燥プリフォームは、１０重量％未満のバインダー、好ましくは５重量％未満のバインダーを含む。

このような乾燥プリフォームの場合、プリフォームの厚さ方向においてＺ方向に位置する縫合されたフィラメントは、乾燥プリフォームを安定化させ、後続の含浸工程のために乾燥プリフォームの凝集を増加させることを可能にし、よって、特に含浸ポリマーの注入の場合に、含浸中のプリフォームの層間剥離を回避することを可能にする。加えて、Ｚ方向に位置する針および縫合されたフィラメントによって形成された穿孔は、プリフォームの厚さにおいて、乾燥プリフォームのＺ方向における透過性を増大させる。

従って、含浸は促進され、乾燥領域無しに、およびプリフォームの劣化無しに、高速で実施することができる。含浸工程の終点において、複合材料部品は、少なくとも３０重量％の含浸ポリマーを含み、含浸ポリマーは、複合材料部品のマトリックスを構成する。含浸工程は、射出成形型内に配置された乾燥プリフォームの射出工程からなり得る。

含浸工程は、例えば、湿式含浸処理、減圧注入処理、ＬＣＭ処理、ＲＴＭ、ＨＰ－ＲＴＭ、Ｇａｐ－ＲＴＭまたはＶＡＲＴＭ処理に従って実施されてもよい。一実施形態によれば、含浸工程は、射出成形金型内に配置された乾燥プリフォームを射出する工程からなり、射出は、少なくとも１０バール、例えば５０バールのオーダーの加圧で実施される。

別の実施形態によれば、繊維には、最終マトリックスを形成するのに十分な量の第１の重合体が供給される。重ね合わせの間、第１のポリマーは、種々の層の結合を確実にするために加熱される。縫合の後、プリフォームは、形成作業動作と組み合わせることができる加熱作業動作にさらされ、第１のポリマーの全体が加熱され、マトリクスが生成する。

別の実施形態によれば、繊維は、第１のポリマーと共にマトリクスを形成するか、またはバインダーを構成する第２のポリマーを備える。

第２のポリマーがマトリックスを形成する場合では、マトリックスは、第１のポリマーの大部分から形成され、第２のポリマーは、例えば２０質量％までのマトリックスを形成する。第２のポリマーは、粉末、ベールおよび／または糸の形態であってもよく、プリフォームが製造される前に繊維上に第１のポリマーと共に存在してもよい。

バインダーを構成する第２のポリマーのケースでは、プリフォームは、第１のポリマーおよびバインダーを備えた繊維を合わせることによって、および／または第１のポリマーのみを備えた繊維を合わせ、およびバインダーを、例えば液状バインダーおよび／または粉末の形態のバインダーを、塗布表面および／または先に重ね合わせた繊維上に噴霧することで塗布することによって得られる。プリフォームは、１０重量％未満のバインダー、好ましくは５重量％未満のバインダーを含む。

一実施形態によれば、合わせる工程中において合わせられる不織のフィラメントは、少なくとも第３のポリマーから形成され、そして、前記含浸工程は、溶融温度未満、好ましくは前記第３のポリマーのガラス転移温度よりも高い温度で実施され、その結果、フィラメントは含浸工程中のプリフォームの繊維の良好な保持、特に剥離に対するその機械的耐性を保証する。

バインダーを構成する第１のポリマー、潜在的な第２のポリマー、および潜在的な第３のポリマーは、異なっていても、同一であっても、または同じファミリーのものであってもよい。

一実施形態によれば、バインダーを形成する第３のポリマーおよび／またはフィラメントを形成する第２のポリマーは、熱可塑性ポリマーであり、好ましくは、ポリアミド、特に芳香族ポリアミド（アラミド）、ポリエステル、例えばポリエチレンテレフタレート、ポリエーテルスルホン、ポリエーテルエーテルケトン、フェニレンポリスルフィド、ポリウレタン、エポキシド、ポリオレフィン、ポリ乳酸、ポリアクリル、およびそれらの混合物からなる群から選択される。

熱硬化性ポリマーの場合では、バインダーを構成する第１のポリマー、潜在的な第２のポリマー、および第３のポリマーは、例えば、エポキシド、ポリエステル、ビニルエステル、フェノール、ポリイミド、ビスマレイミド、およびそれらの混合物からなる群から選択される。

第４の含浸ポリマーは、バインダーを構成する第１の高分子、潜在的な第２の高分子、および潜在的な第３の高分子とは異なり、好ましくは、前述の高分子群から選択される。

第１のポリマーは、それがマトリックスを形成する場合では、それらが存在する場合では潜在的な第２のポリマーおよび第３のポリマーとは異なり、好ましくは、前述のポリマー群から選択される。

他の実施形態によれば、プリフォームに適用される不織のフィラメントは鉱物繊維、特に、ガラス繊維、炭素繊維、または金属繊維などのセラミックス繊維であり、フィラメントは、厚さにおいて、最終部品と同様にプリフォームを強化することができる。

一実施形態によれば、プリフォームは、それ自体公知の繊維配置方法によって得られる。一実施形態によれば、プリフォームの製造は、当接ローラを用いる接触塗布による、連続繊維（好ましくは重ね合わせ工具上の一方向である）の重ね合わせ層の製造を含み、各層は、重ね合わせ工具上または先行する層の帯上に、一方向に１つまたは複数の帯を重ね合わせることによって製造され、各帯は１つまたは複数の連続繊維から形成される。

繊維の配置は、１つ以上の連続した平坦な繊維で形成された帯を合わせるためにツールに当接するように意図された圧縮ローラと、異なる軌道に沿った重ね合わせ面に対する合わせヘッドの相対運動によって、前記ローラ上の１つ以上の繊維を案内するための案内システムと、を含むそれ自体公知の繊維配置ヘッドを用いることによって有利に自動化される。プリフォームは、例えば２～１００の重ね合わされた層を含む。

前記連続一方向繊維は、好ましくは、通常トウと呼ばれる偏平な連続一方向繊維の形態において、多数のフィラメントを含む。繊維の幅は、例えば、１／８インチ、１／４インチまたは１／２インチ（１／８”、１／４”または１／２”）である。本明細書で使用される「繊維」という用語は、従来は配置技術において帯と呼ばれる、１／２インチより大きい幅の繊維も指す。

あるいは、繊維は、軌道の開始時および終了時にのみ、例えば機械的にまたは接着によって型に固定することができ、ローラは、好ましくは、軌道の開始時および終了時に、場合によっては軌道の残りの部分の表面から離れて当接していることが好ましい。

他の実施形態によれば、本発明に係る縫合は、多軸布ＮＣＦの製造時に実行される縫製作業動作の交換として使用され、そしてプリフォームは、バインダーを有さない、複数の重ね合わされた層から構成され、プリフォームに適用されるフィラメントの縫合は、例えば、プリフォームの層の繊維を機械的に保持すること、例えば繊維の周囲を通るピンシステム、により達成される。そして、得られた縫合されたプリフォームは、含浸作業に供されて製造された複合材部品を形成する。

一実施形態によれば、該方法は、好ましくはプレスの雄型と雌型との間で縫合工程後に得られた強化プリフォームを熱成形して三次元プリフォームを得る工程を含む。あるいは、成形は、プリフォームを成形工具上に配置した後、真空カバーを用いて行われる。

第３のポリマーで作られたフィラメントの場合では、第３のポリマーの溶融温度よりも低く、好ましくは第３のポリマーのガラス転移温度よりも高い熱成形温度で熱成形が行われる。

第１のポリマーから形成されたバインダーを有する乾燥プリフォームの場合では、熱成形により得られた三次元プリフォームは、含浸工程に供される。

成形は、マトリックスを形成する第１のポリマーの、バインダーを形成する第１のポリマーの、あるいは第２のポリマーの溶融温度よりも低く、かつ、好ましくは、前記第１または第２のポリマーのガラス転移温度よりも高い成形温度で、好ましくは行われる。成形は、熱を用いて行われ、初期プリフォームは、プリフォームの成形性を高めるために成形前および／または成形中に成形温度まで加熱される。最初のプリフォームは、成形前に、炉またはトンネルを通過させることによって予熱されてもよく、および／または、プリフォームは、成形中、例えば雄型成形工具および／または雌型成形工具を加熱することによって加熱されてもよい。好ましくは、プリフォームは、オーブンまたはトンネル内における通過によってのみ予熱され、プレスの器具は加熱されず、従って、プレスの器具が簡略化される。

縫合が無い場合、形成中のプリフォームの変形は、ファイバ毎に起こる。本発明によるプリフォームの形成操作の前の縫合操作は、縫合されたフィラメントのスライドに起因して、プリフォームの均一な変形を得ることを可能にする。

さらに、プリフォームの各主面上に存在するフェルトのフィラメントは、プリフォームが粘着することなくプレス内で摺動することを可能にする。外側のフィラメントは、プリフォームの局所的な変形を制限することによって、さらには排除することによって、プリフォームの外側表面を安定化させ、よって、プリフォームの繊維の均一な変形を確実にする。従って、本発明に係る方法は、成形工具とプリフォームとの間の摺動の仕組みを促進し、よって、プリフォームと前の成形処理における成形工具との間の摩擦に起因するプリフォームにおける外側の層の繊維欠陥を制限し、さらには排除することができる。

最初のプリフォームは、工具の平坦面上に重ねることによって得られる二次元的であってもよく、または三次元的であってもよく、成形は、次いで、重ね合わせ、特に繊維の配置によっては得られない複合体形態の三次元的な部品を得るために実施されてもよい。

縫合密度は、特に、必要とされる透過性および安定性、ならびに使用される針のタイプに応じて規定される。一実施形態によると、縫合工程での縫合密度は、１５０～３５０パンチ／ｃｍ^２である。分岐針を備えた縫合装置の場合、縫合密度は、好ましくは１５０～３５０パンチ／ｃｍ^２、より好ましくは２００～３００パンチ／ｃｍ^２である。それぞれが複数の切り欠きを含む髭針を備えた縫合装置の場合、縫合密度は、好ましくは１０～１００パンチ／ｃｍ^２、より好ましくは４０～６０パンチ／ｃｍ^２である。

針の作業部分は、好ましくは０．３０～０．６０ｍｍ、好ましくは０．４０～０．５０ｍｍ（ゲージ３８～４２）の直径を有する。

切り欠きの幅および／または深さ、好ましくは切り欠きの幅および深さは、０．０３～０．１ｍｍであり、好ましくは０．０４～０．０６ｍｍである。

フィラメントの長さは、好ましくは縫合されるフィラメントがプリフォームを通過するように、プリフォームの厚さに従って規定される。さらに、縫合されたフィラメントは、好ましくはプリフォームの第１の面上で絡み合ったままであり、従って、プリフォームのより良好な安定性を確実にするのに十分な長さであるべきである。

一実施形態によれば、プリフォーム上に合わせられるフィラメントは、１０～１００ｍｍ、好ましくは４０～６０ｍｍの長さを有し、５～５０μｍ、好ましくは１０～３５μｍの直径を有する。

一実施形態によれば、縫合は、針によって移送されたフィラメントが合わせられる第１の主面とは反対側のプリフォームの第２の主面から、１～１０ｍｍ、好ましくは２～６ｍｍの長さにわたって突出するように実施され、これらのフィラメントの複数は、プリフォームの第２の面から突出するループを形成することができる。

一実施形態によれば、フィラメントを合わせる前記工程は、前記フィラメントから形成された不織ベールまたはフェルトを合わせることを含む。使用されるフェルトは、等方性であってもよく、フィラメントがランダムに配向されていてもよく、またはフィラメントが優越方位を有する配向フェルトであってもよい。配向フェルトの場合、針、より具体的にはそれらの切り欠き軸は、針によるフィラメントの取り込み速度を最適化するように、フィラメントに応じて配置され、切り欠き軸は、フェルトのフィラメントの優越方位と好ましくはゼロ角度を形成する。一実施形態によれば、フェルトは５～１００ｇ／ｍ^２の表面積を有し、および／またはフィラメントを備えたプリフォームは、１～１０重量％、好ましくは２～５重量％のフィラメントを含む。

フェルトのフィラメントの一部は、プリフォームを通って移送され、第１の主面上に存在する移送されないフィラメントは、フェルトを剥離することによって除去されてもよいし、除去されなくてもよい。

一実施形態によれば、フェルトの残りは、含浸ステップのためにプリフォーム上に保持され、フェルトの不織布構造は、プリフォームの透過性を増加させ、従って、射出および／または注入を促進することを可能にし、フェルトは、より具体的には注入の場合に、排出効果を与える。フェルトは、プリフォームの衝撃強度をさらに高め、および／またはプリフォームの表面外観を改善することができる。

本発明の主題は、１つ以上の強化された縫合プリフォームから前述の方法に従って得られるような複合材料部品だけでなく、前述の方法における縫合工程の終わりに得られるような強化された縫合プリフォームもである。

本発明は、よりよく理解され、他の目的、詳細、特徴、および利点は、添付の概略図を参照して、本発明の現在の好ましい実施形態の以下の詳細な説明において、より明確に明らかになるのであろう。

図１は、本発明の方法に従って製造された三次元複合材料部品の一実施例の概略の断面図である。 図２は、最初の乾燥プリフォームの重ね合わせ作業動作を示す概略の側面図である。 図３は、最初の４つの層を重ね合わせた後に得られたプリフォームの、層の配向を示すために層を部分的に示す概略の上面図である。 図４は、プリフォームに合わせられる不織繊維のフェルトの縫合作業動作を示す概略の側面図である。 図５は、縫合装置に使用することができる分岐針の模式図である。 図６Ａは、図５の部分拡大図である。 図６Ｂは、図６Ａの平面ＶＩＢ－ＶＩＢに沿った図である。 図７は、縫合後のプリフォームの概略の部分断面図である。 図８は、プリフォームの層の０°、＋４５°、－４５°、および９０°における繊維の方位に対する針の切り欠きの方位を示す模式図である。 図９は、縫合後に得られるプリフォームの成形作業を示すプレスの断面図である。 図１０は、縫合後に得られるプリフォームの成形作業を示すプレスの断面図である。 図１１は、熱成形後に得られるプリフォームの射出動作を示す射出成形型の概略の断面図である。 図１２は、縫合装置に使用することができる髭針を示す、図６Ａのものと同様の図である。 図１３は、別のプリフォームの＋３０°および－３０°における繊維の配向に対する針の切り欠きの配向を示す図８と同様の図である。 図１４は、別のプリフォームの０°、＋６０°および－６０°における繊維の配向に対する針の切り欠きの配向を示す、図８と同様の図である。

図１は、平坦な乾燥プリフォームを形成するための連続繊維の重ね合わせと、プリフォームへの不織繊維のフェルトの合わせと、前記フェルトの縫合と、プリフォームの形成とその後の含浸とを含む三次元複合材料部品１の一例を示す。ここに示される部品は、環状リム１２を有する球形キャップ１１の形状を有する。

図２に示されるような第１のステップでは、一方向連続繊維の層が異なる配向で重ね合わせ工具２上に平坦に重ね合わされ、２つの主な対向面１０１ａ、１０１ｂ（図４）を呈する最初の２次元的な乾燥パネルまたはプリフォーム１０１を形成する。

重ね合わせは、それ自体公知の繊維重ね合わせヘッド３０を含む重ね合わせ装置３を用いて実行され、１つ以上の繊維で形成された帯の自動的な接触重ね合わせを可能にする。繊維Ｆは、２層の繊維の形態でヘッド３に入り、ヘッドは、繊維を、繊維が並んで、例えば実質的には縁部同士で配置される繊維の帯の形態で圧縮ローラ３２に案内するための案内システム３１を備える。ヘッドは、案内システムの両側に、案内システムを通過する各繊維を個別に切断するための切断手段３３と、切断されたばかりの各繊維をブロックするためのブロック手段３４と、任意の時点で繊維の適用を停止および再開することができるように、ならびに帯の幅を選択するために、各繊維を個別に供給する供給手段３５とを備える。帯の重ね合わせは、重ね合わせの平坦な重ね合わせ表面に対するヘッドの相対運動によって達成される。ヘッドは、例えば、案内システムが取り付けられ、ヘッドを互いに垂直な少なくとも２つの方向に移動させるように適合された移動システムにヘッドを組み立てることができる支持構造（図示せず）を含む。ヘッドは、例えば、８本の繊維を受け入れるように設計されており、６．３５ｍｍ（１／４インチ）幅の１～８本の繊維の帯の重ね合わせを可能にする。

ヘッドは、ここではバインダーを備えた乾燥繊維から乾燥プリフォームを製造するために使用され、重ね合わせ中に繊維に粘着性を与え、プリフォームの凝集を確実にする。ポリマーからなるバインダーは、重ね合わせの前に、例えばベールおよび／または粉末の形態における繊維に塗布することができ、バインダーを予め備えた繊維のボビンが、繊維配置装置に装着される。バインダーは、２０１６年３月７日に出願されたフランス特許出願第１６／７００８８号「乾燥繊維上にバインダーを塗布したプリフォームを製造するための処理、および対応する装置」に記載されているように、フィラメントの形態での実施例のために、繊維の重ね合わせ中に、例えば積み重ねられる、例えばフィラメントの形態における繊維上に直接、オンラインで塗布されてもよい。

バインダーを予め備えた繊維の具体的な場合では、ヘッド３は、好ましくは、繊維の合わせ中にバインダーを加熱するための、例えば赤外線光ランプまたはレーザータイプの加熱装置（図示せず）を備えており、従って、異なった層の繊維の接着を少なくとも可能にする。加熱システムは、繊維が合わせ面に合わせられる前に、ヘッドの進行方向に対してローラの上流側で、繊維のみならず、合わせ面または重ね合わせ前の繊維、を加熱する。

繊維は、例えば、トウタイプの連続した偏平な炭素繊維であり、多数の糸または炭素フィラメントを含み、約２重量％の量の熱可塑性のバインダーを有する。

プリフォームは、異なる繊維配向を有する層から形成され、配向は、従来、基準軸Ｘに対して規定され、従来、製造される部品の主軸に対応し、場合によっては部品の主負荷軸線に対応する。

αおよび（α±１８０°）における繊維配向は、同等である。従来、繊維配向は、Ｘ軸に対して＋９０°～－９０°の間で定義され、＋９０°および－９０°における繊維配向は同等である。

例えば、プリフォームは、以下の積層順序＋４５°／－４５°／０°／９０°／９０°／０°／－４５°／＋４５°に従って、８層の繊維から形成される。

図３は、敷設された最初の４つの層の繊維配向を概略的に示す：
－ ＋４５°の第１の方位を有する第１の層１１１；
－ －４５°の第２の繊維配向を有する第２の層１１２；
－ ０°の第３の繊維配向を有する第３の層１１３、および、
－ ９０°の第３の繊維配向を有する第４の層１１４。

プリフォームを製造した後、不織のフィラメントのフェルト４または繊維４０は、乾燥プリフォームの第１の主面１０１ａに合わされ、このようにフェルトを備えたプリフォームは、縫合装置またはニードラー５を通過させることによって、図４に概略的に示すような縫合作業動作にかけられる。

繊維マットを固めるためのそれ自体公知の縫合装置５は、支持体５２またはニードルボード上に取り付けられた複数の針８を備え、該針は適切な手段５３によって、針と平行に前後に動かすことができる。縫合装置は、針に面して配置され、プリフォームを支持するように意図された穿孔された支持テーブル５４と、支持テーブルと針との間に配置され、針の通過のための貫通孔を備えたストリッパープレートまたはストリッパー装置５５とを含む。支持テーブルはまた、針がプリフォームを通過した後に針の通過を可能にする１組の穴を含む。

縫合装置は、ここでは図５、６Ａおよび６Ｂに示されるような長手方向軸Ａの前記分岐した８本の針を備え、各針は、針が貫通段階の間のみ、図４の上から下にフィラメントを駆動するように、その遠位部分または作業部分８１の端部に、切り欠き８２を備える。切り欠き８２は、底壁８３と２つの側壁８４ａ、８４ｂとの間に画定され、切り欠き軸と呼ばれる軸Ｂを有し、切り欠き軸は前記壁８３、８４ａ、８４ｂに平行に配置され、針の長手方向軸Ａに垂直である。

縫合中、プリフォームは矢印Ｆ１の方向に積極的に駆動され、針は前後に駆動される。針を下方に移動させるとき、フェルトの繊維は針の切り欠き５１ｂ内に配置され、プリフォームの厚さ全体にわたって駆動され、フィラメントは図７に概略的に示されるように、第２の主面１０１ｂ上に現れ、縫合密度は、針の前後移動の頻度、針の数、および縫合装置内のプリフォームの前進速度に従って定義される。

本発明によれば、縫合は、切り欠き軸が層の繊維の配向とゼロでない角度をなすように行われる。

図８を参照すると、切り欠き軸Ｂは、好ましくは２つの隣接する方位の間の角度の二等分線に沿って配置される。すなわち、
－ ０°および＋４５°の繊維配向の間の角度の二等分線Ｃ１に沿って、Ｘ軸から２２．５°に配置；
－ ０℃および－４５℃の繊維配向の間の二等分線Ｃ２の角度に沿って、Ｘ軸から－２２．５℃に配置；
－ ＋４５°および９０°の繊維配向の間の角度の二等分線Ｃ３に沿って、Ｘ軸から６７．５°に配置；および／または、
－ －４５°および－９０°の繊維配向の間の角度の二等分線Ｃ３に沿って、Ｘ軸から－６７．５°に配置。

一実施形態によれば、すべての針は同一であり、ニードルボード上に同じ方法で取り付けられ、針の切り欠き軸は、すべて同じ方位を有する。

部品の主負荷軸線Ｘに対応する主たる繊維配向が０°の場合では、切り欠き軸は、切り欠き軸と０°で配向された繊維との間の最大角度を得るために、＋６７．５°または－６７．５°、例えば図８に示されるように６７．５°で配向され、従って、０°で配向されたこれらの繊維の破損の危険性をできるだけ制限される。

プリフォームの繊維配向に対する切り欠き軸の配向は、例えば、位置が固定された縫合装置に入るプリフォームを適切に配向することによって得られる。

好ましくは、縫合作業動作の前に、潤滑剤とも呼ばれる潤滑油が乾燥プリフォームに塗布される。潤滑剤は、水を含み、プリフォーム上に噴霧システムによって塗布される。

縫合中、潤滑剤としてプリフォーム中に存在する水は、針間の摩擦を減少させ、従ってプリフォームの加熱を減少させ、プリフォームを通るフェルトフィラメントの効率的な移動を保証し、これは繊維の破壊を制限し、繊維の破壊から生じるあらゆるあり得るべき小繊維をプリフォーム中に捕捉することを可能にする。縫合後、プリフォームは、プリフォームの含水量を減少させるために、またはプリフォーム中の微量の水を除去するために、乾燥作業動作にかけられることが有利である。この乾燥作業動作は、例えばプリフォームを炉内に置くことによって実施される。

縫合後、縫合されていない第１の面上に存在するフィラメントによって形成されたフェルトの残りは、プリフォーム上に保持され得るか、または除去され得る。一実施形態によれば、針の端部とプリフォームの第２の主面との間の距離に等しい針の縫合密度および貫通深度さは、プリフォームがその面の各々において、好ましくは類似した量のフィラメントを有するように規定され、これらのフィラメントは、プリフォームの浸透性を増大させ、さらに成形作業動作を容易にする。

代替の実施形態によれば、フィラメントは、フェルトの形態で適用されず、プリフォームの第１の面上にランダムに提供される。

強化プリフォーム２０１と呼ばれる、縫合されたフィラメントを備えたプリフォームは、次いでスタンピング操作とも呼ばれる成形操作のためにプレスに移される。図９に示すように、プレス６は、製造されるプリフォームの球形キャップ１２の形状に対応する形状の凹部を有する雌成形工具６１またはマトリックスと、相補的な形状のボスを備える雄成形工具６２またはパンチとを備える。成形は、図９に示すプレスの開放位置から図１０に示すプレスの閉鎖位置に向かって、雄成形工具と雌成形工具とを互いに近づけることによって行われる。

成形は、加熱によって行われ、プリフォームは、ガラス転移温度とバインダーを構成するポリマーの溶融温度との間、およびガラス転移温度とフェルトのフィラメントを形成するポリマーの溶融温度との間の成形温度である。このプリフォームの成形温度は、プレス内に位置する前にプリフォームを予熱することによって、および／または、２つの工具６１、６２を加熱することによって得られる。この予熱は、例えば炉または予熱トンネルの赤外ランプの上側のランプと下側のランプとの間に最初のプリフォームを通すことによって行われる。好ましくは、成形中、プリフォームは、符号６３の下に、概略的に示すような例えばブランクホルダタイプのために、張力装置によって張力下に保たれる。工具６１、６２は、次いで、開放位置で互いに離間させて、強化された三次元プリフォーム３０１をプレスから離型する。

得られた三次元強化プリフォーム３０１は、次いで、射出および／または注入処理によって、熱硬化性または熱可塑性含浸ポリマーを添加または含浸する作業動作にかけられる。図１１を参照すると、三次元強化プリフォームは、例えば射出成形型７内に配置され、符号Ｆ２で概略的に示されるように、前記成形型の雄型部分と雌型部分との間で、ＲＴＭ（樹脂転写成形）方法またはＧａｐ－ＲＴＭ方法に従って、含浸ポリマーが加圧されてプリフォーム内に射出される。この含浸工程の終わりに得られる複合部品１は、トリミング操作にかけてもよい。

あるいは、縫合装置は、その端部に複数の切り欠きを備える分岐針を備える。別の実施形態によれば、縫合装置は、図１２に示されるような、針の端部の方向に配向する１つ以上の切り欠き、例えば長手軸の両側に対称的に配置され、その切り欠き軸が並列に配置されている２つの切り欠き１８２ａ、１８２ｂを、その遠位部分または作業部分１８１に沿って備える髭針１０８を備える。

例えば、部品は以下の処理に従って製造される：
－重ね合わせ：一列に塗布されたバインダーを備え、約１３０℃の融点および約１５℃のガラス転移温度を有する熱可塑性コポリエステルから形成された炭素繊維を配置することによってプリフォームを重ね合わせ、プリフォームは、続く積層順序：＋４５°／－４５°／０°／９０°／９０°／０°／－４５°／＋４５°に従って、異なる配向において繊維の８つの層を重ね合わせることによって製造される。

－加湿：プリフォーム上に水を適用し、得られたプリフォームは、３０重量％の水を含む。

－合わせ：直径１４μｍ、長さ４０～６０ｍｍ、融点約２００℃のフィラメントまたはポリエステル繊維から作られた、等方性配向の、表面質量５０ｇ／ｍ^２を有する不織のフェルトの合わせ。

－ゲージ４２の作動部分（０．４０ｍｍ）を有し、端部に切り欠きまたはフォークを有し、深さ０．０５ｍｍ、幅０．０５ｍｍ、縫合密度２００パンチ／ｃｍ^２、侵入深さ５ｍｍであって、切り欠き軸がＸ軸から６７．５°に配向する分岐針を用いる縫合。

－乾燥：１００℃を超えるオーブンに通すことによるプリフォームの乾燥。

－成形：成形温度１２０℃での成形。

－射出：圧縮および１２０℃への約２分間の加温の第１段階、ならびに真空下に約１分間置かれる５０バールでの第２の射出および重合段階、を伴う３分間の周期における熱硬化性エポキシポリマーのタイプｇａｐ－ＲＴＭの射出。

図１３は、＋３０°および－３０°の繊維配向を有する層から形成されたプリフォームの場合の縫合中の切り欠き軸Ｂの配向を示す。本発明によれば、切り欠き軸Ｂは、２つの隣接する配向の二等分線に沿って配置される。すなわち、
－Ｘ軸から０°に配置された、３０°および＋３０°の繊維配向の間の第１の二等分線Ｃ１に沿って；
－Ｘ軸から９０°に配置された、３０°および＋３０°の繊維配向の間の第２の二等分線Ｃ２に沿って。

図１３に示すように、切り欠き軸Ｂは、好ましくは基準軸との角度が最大となるように、すなわち第２の二等分線に沿って９０°になるように配置される。

図１４は、０°、＋６０°および－６０°の繊維配向を有する層で形成されたプリフォームの切り欠き軸Ｂの配向を示す。そして、切り欠き軸Ｂは、２つの隣接する配向の二等分線に沿って配置される。すなわち、
－Ｘ軸から３０°の、０°および６０°の繊維配向の間の二等分線Ｃ１に沿って；
－Ｘ軸から－３０°の、０°および－６０°の繊維配向の間の二等分線Ｃ２に沿って；および／または、
－Ｘ軸から９０°の、－６０°および＋６０°の繊維配向の間の二等分線Ｃ３に沿って。

図１４に示すように、切り欠き軸Ｂは、好ましくは基準軸との角度が最大となるように、すなわち二等分線Ｃ３に沿って９０°になるように配置される。

本発明を様々な特定の実施形態に関連して説明したが、それに限定されるものではなく、本発明の範囲内にある場合には説明した手段の技術的均等物のすべて、ならびにそれらの組み合わせを含むことは明らかである。

Claims (14)

1. 連続繊維とポリマーマトリックスとを含む複合材料部品（１）の製造方法であって、
   少なくとも１つの繊維配向に沿って配向される連続した一方向繊維で形成されているプリフォーム（１０１）を製造する工程、
   前記プリフォームの少なくとも第１の主面（１０１ａ）に不織のフィラメント（４０）を合わせる工程、および、
   針の主たる長手軸（Ａ）に直交する切り欠き軸（Ｂ）に沿って延在している１つの切り欠き（８２）、または、それぞれが前記針の前記主たる長手軸に直交する、互いに平行な前記切り欠き軸に沿って延在している複数の切り欠き（１８２ａ、１８２ｂ）をそれぞれが備える複数の前記針（８、１０８）を有する縫合装置（５）を用いて、フィラメントが前記針によって送り出され、前記プリフォームの前記連続繊維に実質的に直交する方向に配置するように前記フィラメントを縫合する工程であって、前記切り欠き軸が前記繊維の方向とはゼロではない角度を形成するように前記針および前記プリフォームが配置されている工程、
   を含み、
   前記プリフォームは、縫合中に、前記針と前記プリフォームの繊維との間の摩擦を低減するための潤滑剤を含み、前記潤滑剤は水を含み、前記プリフォームは、少なくとも２重量％の水を含み、
   前記プリフォームの製造は、重ね合わせ工具（２）上に連続繊維の、当接ローラ（３２）を用いた当接による、積み重ねられた層の製造を含み、各層は、１つまたは複数の帯を前記重ね合わせ工具上の配向に沿って、または先行する層の帯上に合わせることにより製造され、各帯は、１つまたは複数の連続繊維から形成されている、ことを特徴とする、方法。
2. 前記プリフォーム（１０１）は、複数の重ね合わされた層（１１１～１１４）から形成され、各層は、一繊維配向に沿って配向する連続した一方向繊維から形成され、前記プリフォームは、少なくとも２つの異なる繊維配向を有する層を含み、前記針および前記プリフォームは、切り欠き軸が縫合中に２つの繊維配向の各々とゼロではない角度を形成するように配置されている、ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記プリフォーム（１０１）は、異なる繊維配向の層を含み、前記切り欠き軸（Ｂ）は、縫合中に、各繊維方位に対してゼロではない角度を形成する、ことを特徴とする請求項２に記載の方法。
4. 前記切り欠き軸（Ｂ）は、２つの隣接する繊維配向の二等分線（Ｃｌ－Ｃ４）に実質的に沿って、±１０°以内に配置されている、ことを特徴とする請求項２または３に記載の方法。
5. 前記繊維配向は、基準軸（Ｘ）の周りで＋９０°と－９０°との間で規定され、前記切り欠き軸は、前記基準軸から最も遠い方位に配向している、ことを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記切り欠き軸（Ｂ）は、前記繊維の各方位に対して少なくとも１５°の角度を形成している、ことを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の方法。
7. 前記縫合は、その遠位端に少なくとも１つの切り込み（８２）をそれぞれ有する分岐針（８）を用いて実施される、ことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の方法。
8. 前記プリフォームは、
   ＋４５°および／または－４５°で前記切り欠き軸が配置され、基準軸（Ｘ）に対して０°および９０°の繊維配向を有する層、または、
   ０°または９０°で前記切り欠き軸が配置され、基準軸（Ｘ）に対して＋３０°および－３０°の繊維配向を有する層、または、
   ＋２２．５°、－２２．５°、＋６７．５°および／または－６７．５°で前記切り欠き軸が配置され、基準軸（Ｘ）に対して０°、９０°、＋４５°および－４５°の繊維配向を有する層、または、
   ９０°、＋３０°または－３０°で前記切り欠き軸が配置され、基準軸（Ｘ）に対して０°、＋６０°および－６０°の繊維配向を有する層、または、
   ９０°で前記切り欠き軸が配置され、基準軸（Ｘ）に対して０°、＋３０°、または－３０°の繊維配向を有する層、
   から形成される、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記プリフォームは、少なくとも５重量％の水を含む、ことを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の方法。
10. 前記プリフォームは、５～４０重量％の水を含む、ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. 前記プリフォームは、１０～４０重量％の水を含む、ことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 縫合後にプリフォームを乾燥させる工程を含む、ことを特徴とする請求項１～１１のいずれか１項に記載の方法。
13. 複数の重ね合わされた層を含む乾燥プリフォームの製造を含み、前記層は、バインダーを備えた連続する乾燥した繊維から形成されており、
    前記バインダーは、第１のポリマーを含み、前記方法は、前記縫合工程の後に、前記乾燥プリフォームを、ポリマーマトリックスを形成する含浸ポリマーで含浸する工程を含む、ことを特徴とする、請求項１～１２のいずれか１項に記載の方法。
14. フィラメント（４０）を合わせる前記工程は、前記フィラメントから形成された不織のフェルト（４）の適用を含む、ことを特徴とする請求項１～１３のいずれか１項に記載の方法。

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