JP7412426B2 - 繊維複合部品の設計および効率的な製造の方法 - Google Patents

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本件は、２０１８年１０月２６日に出願され、参照により本明細書に組み込まれる、米国特許第６２／７５１，０４０号の優先権を主張する。

本発明は、繊維複合材料およびそれから作られた部品に関し、さらに具体的には、そのような部品の設計および効率的な製作の方法に関する。

繊維強化ポリマー（ＦＲＰ）などの直交異方性材料で作られた部品を設計する場合、部品内部の繊維経路を最適化することが望ましい。すなわち、ＦＲＰ部品は、その中の繊維が、予想荷重条件に従って部品全体のいたるところで主応力の方向と整列した場合に、所与の部品外形について達成可能な最良の機械的特性を示す。これは、ＦＲＰ材料特性が繊維の方向において最も望ましくなるという事実の結果である。

製造中に繊維を最適に配置することは、先行技術の方法では、典型的には不可能であり、また間違いなく非実用的である。具体的には、そのような部品を作るのに典型的に使用されるテープまたは布地内部の繊維は、１方向（テープ）または２方向（布地）において固定されるので、任意のそのような方向「最適化」は通常、標準的なオフセット、例えば＋／－に３０°刻み、４５°刻みなどにより、テープ／布地の連続した層をオフセットすることに制限される。

しかし、繊維レイアウトを前述したように真に最適化し得た場合であっても、繊維の配置および整列には、極端に時間がかかる。ＦＲＰ部品の商業規模の生産では、製造効率は、考慮すべき重要な事柄である。したがって、繊維の方向最適化は、それが可能な場合であっても、少なくとも任意の既知の技術では、必然的に非実用的となるであろう。

本発明は、所望の使用事例のために「最適化された」設計を提供するように部品性能および製造効率が互いにトレードオフされ得る、ＦＲＰ部品を設計および製作する方法を提供する。

本教示によるいくつかの実施形態は、（１）理想化繊維マップを作成するステップであって、将来の部品全体にわたる繊維の向きが、その部品全体にわたる予想荷重条件に合致する、ステップと、（２）「プロセス補償プレフォームマップ」を作成するためにさまざまな製作上の制約によって理想化繊維マップを必要に応じて修正するステップと、を含む。

理想化繊維マップは、繊維の方向、および湾曲経路などを含むルーティングを特定する可能性があると考える。大部分の先行技術の製作プロセスに見られるような、テープまたは布地を取り扱う場合、そのような湾曲繊維経路を型全体にわたって再現することは不可能である。本発明者らは、テープまたは布地ではなく、「プレフォーム」またはプレフォームの集合体（「プレフォームチャージ」）が使用される、繊維複合部品を製作するためのプロセスを開示した。プレフォームは、型に適合するようにサイズ決めおよび成形され、将来の部品における応力の予想方向に沿って、かつてない能力で、整列され得る、繊維の樹脂含浸束である。プレフォームは、トウプレグ供給材料のセグメントのサイズ決め、（オプションとして）屈曲、および切断によって製作される。

プレフォームは、テープまたは布地と比べて、荷重条件と合致する、大幅に強化された能力を提供する。しかしながら、プレフォームを使用する場合であっても、部品内部の応力等高線を正確にたどるように滑らかな屈曲を作り出すのは、時間がかかり、極端に複雑な設備なしでは不可能と思われる。１つまたは２つの別個の／鋭い角度から形成された屈曲を選んで、このような滑らかな屈曲を排除すると（例えば、図１１Ａおよび図１１Ｂを比較）、製造性が増大し、製作時間が減少する。さらに、部品外形に応じて、多くの異なる曲げ半径が、理想化繊維マップに正確に一致するのに必要となり得る。独自の曲げ半径の数を減少させることによってプロセスの可変性を減少させることで、生産率も増大する。

したがって、前記で提起された問題ならびに他の製作の「現実」を巻き込む、プレフォームの製作および／または製造プロセス（例示的な実施形態では圧縮成形）に関する特定の制約を適用することによって、製造効率が増大され得る。よって、理想化繊維マップは、特定のサイズ、形状、および向きを有するプレフォームが理想化繊維マップの理想的な繊維方向に取って代わる、プロセス補償プレフォームマップを作成するために、必要に応じて変更される。プレフォームの向きおよび形状は、予測される応力等高線、したがって、最適な繊維経路から逸脱する可能性がある。理想的な繊維経路からの逸脱が大きくなるほど、部品特性（例えば、機械的強度など）に対する影響が大きくなる。

本明細書に記載される方法を使用して、製造業者は、部品性能および製造効率をトレードオフし／そのバランスを取ることができる。いくつかの場合、部品は、単に「十分良好」であればよく、すなわち、部品は単に、最小限の強度条件を満たせばよい。このような場合、「最適化された」設計は、一般的な製作上の制約が、荷重条件を満たす最も効率的な（最も速い）製作プロセスをもたらす設計となり得る。言い換えれば、部品特性は、必要とされるものと同等であるが、それを超えない。比較的少量で製造された部品などの、いくつかの他の場合には、重みづけは異なっていてよく、可能な最良の部品特性が特に重視され、製造効率の問題はそれほどではないかもしれない。

例えば部品性能を１つまたは複数の製作上の制約に関連付ける、プロットを構築することにより、潜在的に許容可能な部品設計の範囲が確立され得る。次に、設計は、性能と効率との相対的な重みづけの関数として、その範囲内から選択され得る。

処理システム（すなわち、コンピュータ、メモリ、Ｉ／Ｏ）は、本明細書に記載される方法の少なくともいくつかのステップを実施するのに必ず必要とされることが認識されるであろう。これは部品外形の結果である。特に、入り組んだ部品は、複雑な応力等高線を生成し、それに対し、理想的なプロセス補償繊維マップの分析的解明を現実的に導き出すことはできない。したがって、適切にプログラムされたプロセッサによって提供されるような、そのようなマップの数値解法が必要とされる。

本教示によると、製作されている部品の外形およびその予想荷重条件を十分に説明する入力が、処理システムに提供される。処理システムは、有限要素解析（ＦＥＡ）をその部品外形に対して実施し、荷重下での応力を計算する。これにより、構成要素の内部全体に広がる三次元の主応力等高線マップがもたらされる。目下の直交異方性材料特性を検討することにより、処理システムは次に、「低費用」ルーティングを決定する技術を使用することなどにより、主応力等高線マップから理想的なプレフォームマップを計算する。

構成要素が製造効率の問題点の影響を受けない場合（例えば、少量で生産される部品など）、処理システムは、理想化繊維マップをユーザに対して出力するか、または、別様にその結果を記憶する。そうでない場合、処理システムは、プレフォームに関係するもの、およびその部品の製造に使用されている製造プロセス、例えば圧縮成形、に関係するものなどの製作上の制約の入力をユーザに促す。

前述した制約は、理想化繊維マップに適用される。いくつかの実施形態では、これらの制約の適用は、大量生産には非実用的である、より理想に近い状態（形状など）から、より少ないプロセス動作を必要とする状態に、マップ内の繊維経路を変更する。これにより、必要とされる繊維束、すなわちプレフォームを生産するのに必要な時間が減少し、部品は依然として性能要件を満たす。この方法の適用に基づくと、さまざまな制約の重みづけを変更することにより、部品性能を犠牲にして製造効率を最大化する設計が構築され得るか、または、製造効率を犠牲にして部品性能を最大化する設計が構築され得る。または、これらの極端な状態の間のどこかにある設計が確立され得る。この意味で、本発明の実施形態は、特定の適用に最も適切となるように、最良の部品性能と最良の製造効率との間のトレードオフの「バランスをとる」ことができる。この意味で、本明細書に記載される方法は、繊維複合部品の「最適化された」設計を可能にする。

いくつかの実施形態では、本発明は、繊維複合部品を設計する方法を提供し、この方法は、
部品の外形、および部品が受ける力を定めるステップと、
外形および力に基づいて部品の応力等高線を決定するステップと、
応力等高線から理想化繊維マップを作成するステップであって、理想化繊維マップ内の繊維の方向が、部品の応力等高線と整列する、ステップと、
部品の製作に適用可能な複数の制約を定めるステップと、
制約によって理想化繊維マップを修正することにより第１のプロセス補償プレフォームマップを作成するステップであって、第１のプロセス補償プレフォームマップは、部品の製作に必要とされるプレフォームのサイズ、形状、向き、および数を提供する、ステップと、を含む。

いくつかの実施形態では、本発明は、繊維複合部品を設計する方法を提供し、この方法は、
部品の外形、および部品が受ける力を定めるステップと、
外形および力に基づいて部品の応力等高線を決定するステップと、
応力等高線から理想化繊維マップを作成するステップであって、理想化繊維マップ内の繊維の方向が、部品の応力等高線と整列する、ステップと、
定められた外形および力に一致する、部品の製作に必要とされるプレフォームのサイズ、形状、向き、および数を、理想化繊維マップから決定するステップと、を含む。

いくつかの実施形態では、本発明は、繊維複合部品を設計する方法を提供し、この方法は、
荷重条件に基づく、繊維複合部品内部の理想化繊維経路に、１つまたは複数の製作上の制約を適用することによって、プロセス補償プレフォームマップを作成するステップであって、第１のプロセス補償プレフォームマップは、繊維複合部品の製作に必要とされるプレフォームのサイズ、形状、向き、および数を提供する、ステップ、を含む。

本発明の追加の実施形態は、前記に開示した実施形態および以下の詳細な説明で列挙された特徴の任意の他の矛盾しない組み合わせを含む。

例示的な実施形態では、本教示による方法は、出願人自身の複合材製造プロセスに適用される。しかしながら、この方法は、繊維の整列が制御可能かつ重要である、他の複合材製造プロセスに適用され得る。本開示を踏まえると、当業者は、本教示をそのような他の複合材製造方法に採用する方法を理解するであろう。

本教示による方法を実施するためのシステムを示す。 本発明による方法の実施形態を示す。 図２の方法のステップＳ２０１を実施するための方法を示す。 図２の方法のステップＳ２０２を実施するための方法を示す。 図２の方法のステップＳ２０１を実施するための方法のさらなる詳細を示す。 図２の方法の実施に関連して使用される雌型を示す。 図６の雌型から作られた部品を示す。 部品における応力等高線を生成するための基盤として、図７の部品に力が加えられる方法を示す。 特定の荷重条件を受けた際の、図８の部品の各主応力方向の理想的な繊維ベクトルを示す。 図９の理想的な繊維ベクトルに基づいた理想化繊維マップを示す。 湾曲した理想的な繊維経路と一致するプレフォームを示す。 図１１Ａのプレフォームよりも製作するのが実用的な形状を有するプレフォームを示す。 製作上の制約によって修正された、図１０の理想化繊維マップに基づくプロセス補償プレフォームマップを示す。 型において使用される「十字形」構造を作り出すための２つのまっすぐなプレフォームの使用を示す。 型において使用される「十字形」構造を作り出すための４つの屈曲したプレフォームの使用を示す。 制約がまっすぐなプレフォームの使用の最大化を必要とする、プロセス補償プレフォームマップの一部を示す。 製作上の制約が理想的な経路からの逸脱の最小化と、まっすぐなプレフォームの使用の最大化との間の重みづけを要する場合における、図１４Ａに示すプロセス補償プレフォームマップの部分を示す。 部品における屈曲したプレフォームの質量と、その部品におけるプレフォームの全質量との比率の関数として、部品性能の改善を示すプロットを示す。 図２および図５などの方法の少なくとも一部を実施するのに使用される処理システムを示す。

定義。以下の用語、およびそれらの活用形は、本開示および添付の特許請求の範囲内で使用されるよう、以下のとおり定義される。
・「繊維」は、材料の個々のストランドを意味する。繊維は、その直径よりはるかに大きい長さを有する。本明細書での使用では、繊維は、（ｉ）連続したもの、または（ｉｉ）短いものとして分類される。連続繊維は、それらが入れられる型の大きいほうの特徴（ｍａｊｏｒ ｆｅａｔｕｒｅ）の長さにほぼ等しい長さを有する。そして、同じように、連続繊維は、それらが位置する部品の長さにほぼ等しい長さを有する。短繊維は、それらが入れられる型の大きいほうの特徴の長さより短く、典型的には、型の小さいほうの特徴（ｍｉｎｏｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ）の長さに、連続繊維などの他の繊維と「重なる」ことを可能にするいくらか追加の長さを足したものに匹敵する、長さを有する。用語「短繊維」は、本明細書で使用される場合、当技術分野で典型的に使用されている、「チョップド繊維」または「切断繊維」とは異なる。本開示の文脈では、短繊維は、プレフォーム内に存在し、したがって、プレフォーム、型、および最終部品内で定められた向きを有する。当技術分野で一般的に使用されるような、チョップド繊維または切断繊維は、型および最終部品内でランダムな向きを有する。さらに、「短繊維」の長さは、（長さが同等である）型のより小さな特徴の長さに基づくことができる。対照的に、チョップド繊維または切断繊維の長さは、典型的には型／部品の任意の特徴の長さとは所定の関係を持たない。
・「剛性」は、ヤング率によって測定される、屈曲耐性を意味する。
・「引っ張り強さ」は、材料が、「細くなる」かまたは別様に衰える（脆い材料の場合）前に引き伸ばされ／引っ張られている間に耐えることのできる、最大応力を意味する。
・「連続」繊維または繊維束は、繊維／束が入れられる型の大きいほうの特徴の長さにほぼ等しい長さを有する繊維／束を意味する。
・「トウ」は、繊維の束を意味し、これらの用語は、特別の定めのない限り本明細書中互換的に使用される。トウは、典型的には千単位での繊維のナンバリングで利用可能であり、１Ｋトウ、４Ｋトウ、８Ｋトウなどである。
・「プリプレグ」は、樹脂を含浸させた繊維を意味する。
・「トウプレグ」または「プリプレグトウ」は、樹脂を含浸させた繊維束（すなわち、トウ）を意味する。
・「プレフォーム」は、繊維束の断面が約０．２５～約６のアスペクト比（幅：厚さ）を有する、トウ／トウプレグのサイズ決めされた部分またはサイズ決めおよび成形された部分を意味する。プレフォームという用語は、サイズ決め／成形された（ｉ）テープ（典型的には、アスペクト比、すなわち前述したような断面が、約１０～約３０であるもの）、（ｉｉ）繊維シート、および（ｉｉｉ）積層物を明示的に排除する。
・「約」または「実質的に」は、提示された数値または公称値に対して＋／－２０％を意味する。

実施例以外、または別様に示される場合、例えば本明細書および特許請求の範囲内で使用される成分の量を表す、すべての数字は、すべての場合において用語「約」で修飾されるものと理解される。したがって、反対の指示がない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲内で示される数値パラメータは、当業者が理解するような方法で得られる所望の特性に応じて変動し得る、近似値と理解される。一般的に、これは、少なくとも＋／－２０％の変動を意味する。

さらに、本明細書に列挙される任意の数値範囲は、そこに含まれるすべての部分範囲を含むことが意図されていることが理解される。例えば、「１～１０」の範囲は、列挙された最小値約１と列挙された最大値約１０との間の（およびそれらを含む）、すなわち、約１以上である最小値と約１０以下の最大値とを有する、すべての部分範囲を含むことが意図されている。

例えば図３～図６に描かれたものであるが、これらに制限されない、フロー図は、コンピュータ可読媒体において実質的に表現され、そのため、処理システムが明示的に言及または図示されているかどうかに関わらず処理システムによって実行される、さまざまなプロセスを表すことが、当業者により認識されるであろう。

本明細書の特許請求の範囲では、特定の機能を実施するための手段として表される任意の要素は、その機能を実施する任意の手段を含むことが意図されており、これには、例えば、ａ）その機能を実施する回路要素の組み合わせ、またはｂ）ファームウェア、マイクロコードなどを含む任意の形態のソフトウェアを、機能を実施するためにそのソフトウェアを実行するための適切な回路と組み合わせたもの、が含まれる。このような特許請求の範囲により定められるような本発明は、さまざまな列挙される手段により提供される機能性が、特許請求の範囲が求めるような形で組み合わせられ、寄せ集められるという事実にある。よって、出願人は、それらの機能性を提供し得る任意の手段を、本明細書に示されるものと等価なものとしてみなす。最後に、本明細書で特に明示的に定めのない限り、図面は一定の尺度で描かれたものではない。

図１は、本発明による方法を実施するためのシステム９０を描く。システムは、処理システム１００と、プレフォーマー１０２と、型１０４と、試験器具１０６と、を含む。

処理システム１００は、本明細書に記載される方法に従って部品の設計の少なくともいくつかの部分を実施する。具体的には、いくつかの実施形態では、処理システム１００は、（例えば、プレフォーマー１０２を制御するシステムによって読み取り可能、人間オペレーターによって読み取り可能など）いくつかの異なるフォーマットのうちのいずれかで、最終部品における繊維のサイズおよび整列を最終的に左右するマップを作成する。いくつかの実施形態では、この方法は、さらなる処理なしで、理想化繊維マップを作成する。理想化繊維マップが有用である状況には、部品が（効率がそれほど問題とならないような）少量生産を意図されているもの、または、製造業者が単に部品設計の何らかの感覚を得たい場合などが含まれるが、これらに制限されない。いくつかの他の実施形態では、マップは、製作上の問題を考慮し、部品を製造するために直接実施され得る設計を提供する。そのような実施形態では、マップは、部品内におけるプレフォームの配置を提供し、マップ（いくつかの場合には、付随情報を有する）は、部品を作り出すために型に入れられる各プレフォームのサイズ、形状、レイアウト、および量を特定する。

図２～図１５に関連して以下でさらに詳細に説明するように、システム９０によって実施されるような、本方法を十分な回数繰り返した後、部品設計を完成させるのに使用され得る情報が得られ、いくつかの実施形態では、設計は、プレフォームの配置を提供し、これは、（ａ）予想荷重条件を含む部品要件を満たし、（ｂ）部品の製造効率の増大をもたらす、部品設計をもたらす。

処理システム１００からの出力は、プレフォーマー１０２によって作られるプレフォームの形状、サイズ、および数を特定するか、または、それらを決定するのに使用される。プレフォーマーによって製作されるプレフォームは、手動で、または自動的に（例えば、ピックアンドプレースロボットなど）、型１０４に入れられ、これは、例示的な実施形態では、圧縮成形を介して既知の方法で部品を製作するのに使用される。製作された部品は、試験器具１０６において試験される。試験の結果、および、以前に実行された繰り返しの回数に基づいて、１回または複数回、システム９０を追加で通過することが実施され得る。典型的には、方法が動作する１つもしくは複数のパラメータ、またはその重みづけは、変更され、それによって、新しいマップ、すなわち、プレフォームの異なる配置がもたらされる。

いくつかの実施形態では、方法は、部品設計に集中しており、これは、部品性能とプロセス効率との間の特定のトレードオフを伴う。いくつかの他の実施形態では、方法の繰り返しは、１つまたは複数の製作効率に関する制約の関数として、部品性能のプロットを提供する。設計は、このプロットを使用して選択され得、これにより、一方の極端な状態では、最小限の性能要件を満たしながら、可能な最良の製造効率を、または、他方の極端な状態では、製造効率を犠牲にしながら最良の部品性能を、提供することができる。これらの極端な状態間かつそれらを含むどこかの設計は、特定の適用に合うように選択され得る。

次に図１６を参照すると、処理システム１００は、プロセッサ１６６２と、メモリ１６６４と、記憶装置１６６６と、入力／出力構造体１６６８と、を含む。１つまたは複数のバス１６７０は、典型的には構成要素１６６２、１６６４、１６６６、および１６６８を相互接続する。

処理システム１００は、本明細書に記載される方法を、記憶されたプログラム制御命令として実施するのに適する。処理システム１００は、「デスクトップ」コンピュータ、「ラップトップ」コンピュータ、「タブレット」コンピュータ、スマートフォンなどとして実施され得る。処理システムは、別のシステム、例えば、プレフォーマー１０２、試験器具１０６などを制御するシステムに統合され得る。処理システムは、別個の要素、または１つもしくは複数の統合された構成要素を介して、実施され得る。処理システム１００は、例えば、いくつかのオペレーティングシステムのいずれかを実行する、コンピュータを含み得る。

プロセッサ１６６２は、汎用プロセッサである。プロセッサ１６６２は、図面のうちの１つまたは複数に記載される方法の１つまたは複数のステップを含むものなどの命令を実行する。さらに、プロセッサ１６６２は、メモリ１６６４および／または記憶装置１６６６内のデータを投入、更新、使用、および管理することができる。本発明のいくつかの代替的な実施形態では、プロセッサ１６６２は、専用プロセッサである。プロセッサ１６６２の製造および使用方法は、当業者には明らかであろう。

メモリ１６６４は、データを記憶し、コンピュータ可読媒体、例えば揮発性または不揮発性メモリである。記憶装置１６６６は、プロセッサ１６６２により実行される命令、ならびにそのような命令を実行した結果を含むがこれらに制限されない、処理システム１００への記憶を提供する。記憶装置１６６６は、不揮発性の非一時的メモリテクノロジー（例えば、ＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、ハードドライブ、フラッシュドライブ、磁気、光学、もしくは他の記録テクノロジーを採用するテープデバイス、または他のソリッドステートメモリテクノロジー、ＣＤ－ＲＯＭ、ＤＶＤなど）である。メモリ１６６４および記憶装置１６６６を製造および使用する方法は当業者には明らかであろう。

入力／出力構造体１６６８は、処理システム１００に入力／出力動作を提供し、任意の適切な媒体を介し、かつ任意の適切なプロトコルを介した通信のための、キーボード、および／またはディスプレイ、および／またはトランシーバー、または他の通信装置を含み得る。データおよび／または情報は、そのような入力／出力装置のうちの１つまたは複数を使用することで、受信および出力され得る。いくつかの実施形態では、処理システム１００は、入力／出力構造体１６６８を介して、試験器具１０６からデータを受信することができ、また、データをプレフォーマー１０２に送達することができる。

引き続き図１を参照して、プレフォーマー１０２は、樹脂含浸繊維束（すなわち、トウプレグ）をサイズ決めするか、またはサイズ決めおよび成形し、それによって、「プレフォーム」を作り出す、１つまたは複数の装置である。いくつかの実施形態では、プレフォーマー１０２は、サイズ決め／屈曲／切断機を含む。そのような実施形態では、プレフォーマーは、所望の長さのトウプレグを分離し、それを所望の形状に屈曲させ、その後、それを切断してトウプレグ供給原料から分離する。プレフォーマー１０２は、典型的には、プレフォームに与えることが意図された形状によって少なくとも一部が左右される、さまざまな方法のいずれかで実施され得る、機械要素の比較的単純な配置を含む。典型的には、必須ではないが、サイズ決め／屈曲／切断の動作は、単一の装置によって実施される。いくつかの実施形態では、プレフォーマー１０２は、プレフォームを後続の処理ステップに動かす、ロボットアームを含む。例えば、いくつかの実施形態では、ロボットアームは、プレフォームを、型１０６に入れる前に中間保持トレーの中に入れる。いくつかの他の実施形態では、ロボットアームは、本明細書では「プレフォームチャージ」と呼ばれるプレフォームの配置を作り出すのに適切な固定物の中にプレフォームを入れる。いくつかの追加の実施形態では、ロボットアームは、プレフォームを型１０６の中に直接入れる。本開示に関連して、当業者は、プレフォーマー１０２を製造および使用することができる。

プレフォーマー１０２に供給される繊維束は、数千の個々の繊維を、典型的には１０００の倍数単位で（例えば、１ｋ、１０ｋ、２４ｋなど）含む。そのような繊維束は、典型的には「トウ」と呼ばれる。いくつかの実施形態では、トウ内の繊維は、ポリマー樹脂を含侵され、そのような材料は、先に言及した「トウプレグ」である。トウプレグは、任意の適切な断面形状（例えば、円形、楕円形、三葉状、多角形など）を有し得る。

トウプレグ内の個々の繊維は、任意の直径を有し得、これは、典型的には１～１００ミクロンの範囲であるが、必須ではない。個々の繊維は、例えばサイジングであるがこれに制限されない、外部コーティングを含んで、処理、結合剤の付着を促進するか、繊維の自己付着を最小化するか、または、特定の特徴（例えば、導電性など）を与えることができる。

個々の繊維はそれぞれ、単一の材料もしくは複数の材料で（例えば以下に列挙する材料から）形成され得、またはそれ自体が複合材であってよい。例えば、個々の繊維は、（第１の材料の）コアを含み得、これは、第２の材料、例えば導電性材料、電気絶縁性材料、熱伝導性材料、または熱絶縁性材料でコーティングされる。

組成に関して、個々の繊維はそれぞれ、例えば、炭素、ガラス、天然繊維、アラミド、ホウ素、金属、セラミック、ポリマーフィラメント、および他のものであってよいが、これらに制限されない。金属繊維の非制限的な例には、鋼、チタン、タングステン、アルミニウム、金、銀、前述したもののいずれかの合金、および形状記憶合金が含まれる。「セラミック」は、すべての無機および非金属材料を指す。セラミック繊維の非制限的な例には、ガラス（例えば、Ｓ－ガラス、Ｅ－ガラス、ＡＲ－ガラスなど）、石英、金属酸化物（例えば、アルミナ）、アルミノシリケート、ケイ酸カルシウム、岩綿、窒化ホウ素、炭化ケイ素、および前述したものの任意の組み合わせが含まれる。さらに、炭素ナノチューブが使用され得る。

例示的な実施形態では、ポリマー樹脂は熱可塑性である。任意の熱可塑性物質が、本発明の実施形態に関連して使用され得る。本発明の実施形態に関連して有用な、例示的な熱可塑性樹脂は、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ナイロン、ポリアリールエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、およびポリカーボネートＡＢＳ（ＰＣ－ＡＢＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリリン酸（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）を含むが、これらに制限されない。

図１の議論に戻ると、部品を製作するため、プレフォームは、本明細書中後で説明する方法を実施する処理システム１００によって作成されたプレフォームマップに従って、型１０４に入れられる。図６は、型穴６１２を有する、型の雌部分６１０を描いている。部品の製作に備えて、プレフォームは、プレフォームマップによって記載される配置に従って、型穴６１２などの型穴に入れられる。

例示的な実施形態では、部品は、当技術分野で周知の圧縮成形を介して製作され、型内の材料は、部品を成形するために温度および圧力にさらされる。使用される樹脂と相関関係にある、温度は、樹脂を溶かすのに十分である。圧力が加えられると、（プレフォームからの）繊維、および今は溶かされた樹脂が、統合される。統合された材料は、次に、冷却されて、繊維複合部品を形成する。

方法の適用では、部品の機械的特性は、試験器具１０６を介して得られる。機械的特性は、典型的には、予想荷重条件（大きさおよび方向）に従って加えられた際に、部品が破損する時点まで耐え得る、力の量である。いくつかの実施形態では、試験器具１０６は、当技術分野で周知の万能試験機（「ＵＴＳ」）、例えば、マサチューセッツ州ノーウッドのインストロン（登録商標）から入手可能なものである。破損時に部品に加えられる力、および部品の偏向量を定量化することに加えて、当業者は、試験器具１０６を使用して、どこで、また場合によってはなぜ、部品が破損したのかを判断することができる。試験器具１０６から得られたデータ、および／またはその分析から得られる情報は、（１）本方法の後続の繰り返しのため、設計パラメータ（製作上の制約）もしくはその相対的な重みづけを変更する基盤として、および／または（２）「最適な」部品設計を決定する基盤として、使用される。本発明の実施形態の説明は、本教示による方法２００のフロー図を描く、図２に続く。

図２に描かれた方法２００は、部品の設計を「最適化する」のに使用され得る。「最適化する」（および「最小化する」または「最大化する」）などの用語は、本明細書で使用される場合、文字通りに受け取るべきはなく、すなわち、現実の世界のプロセスは、何かを「最適化する」かまたは「最小化する」可能性が低いことが認識されるであろう。この文脈では、例えば、最適化は、特定の使用事例に最も適するような、一方では部品の機械的特性と、また他方では製造効率との間のトレードオフをしばしば伴い得る。製造効率が考慮されない製作方法と比べて、本発明の実施形態は、（製造時間を減らすことなどによって）効率を増大させると共に、機械的要件を満たす部品を生産する。

本明細書に開示される方法は、
・ある程度の製造効率を「犠牲」にして優れた機械的特性を有する、
・最小限の性能要件を満たしつつ比較的高レベルの製造効率で、
・または、上記２つの極端な状態の間のどこかにおける、
部品を設計および製作する能力を提供する。

方法２００のステップＳ２０１に従って、プロセス補償プレフォームマップが作成される。この「マップ」（マップの実際の形態であってもそうでなくてもよい）は、部品を形成するのに使用されるプレフォームのサイズおよび形状、ならびに型内でのプレフォームの配置の向きを規定する。ステップＳ２０１の多くまたはすべては、処理システム１００を介して実施される。

図３は、ステップＳ２０１を実施するための方法を描く。この方法は、理想化繊維マップの作成を必要とする、ステップＳ３０１を含む。図５に関連してさらに説明するように、部品内の繊維のレイアウトを規定する、理想化繊維マップは、いかなる製作に関連する問題点も考慮せずに、単に、部品が受ける力に基づく。よって、これは、機械的特性の観点から最適な部品設計を提供する。

ステップＳ２０１を実施するための方法のステップＳ３０２に従って、理想化繊維マップは、プロセス補償プレフォームマップを作り出すために、製作に関連する問題点によって修正される。図５に関連してさらに説明するように、そのような修正は、製作に関連する制約を考慮する。そのような制約のうちのいくつかは、プレフォームに関し、他のものは、製造プロセス（例示的な実施形態では、圧縮成形）に関する。

プロセス補償プレフォームマップは、理想化繊維マップからある程度まで逸脱する可能性があり、それによって、プロセス補償プレフォームマップに従って製作される部品の機械的特性は、理想化繊維マップに基づく部品より、少なくともわずかに劣る。しかし、方法は、部品がそれでもなお性能要件を満たす設計を特定する。そして、プロセス補償プレフォームマップは、製作に関連する制約を考慮するので、部品は効率を改善して製作される。すなわち、製作時間は、そのような制約を考慮しないプロセスと比較して、減少する。

再び図２を参照すると、ステップＳ２０２では、部品は、プロセス補償プレフォームマップに従って成形される。例示的な実施形態によると、部品は、圧縮成形プロトコルに従って成形される。図４は、ステップＳ２０２を実施するための方法を描く。

この方法は、プロセス補償プレフォームマップに従ってプレフォームを製作することを必要とする、ステップＳ４０１を含む。ステップＳ２０１からの出力は、各プレフォームのサイズおよび形状、ならびに型内におけるその向きに加えて、各タイプのプレフォームの量を提供する。したがって、プレフォーマー１０２は、プロセス補償繊維マップおよび任意の付随する情報によって特定されるようなサイズ、形状、および数でプレフォームを製作するように動作する。

ステップＳ４０２に従って、プレフォームは、プロセス補償プレフォームマップによって特定されるような型に装填される。これは、手動で行われても、ロボットにより行われてもよい。そして、ステップＳ４０３では、部品が成形され、これは、例示的な実施形態に従って、圧縮成形を介して達成される。

図２を再び参照すると、部品が製作された後、部品の少なくとも１つの特性がステップＳ２０３において測定される。先に論じたように、これは、例えばＵＴＳであってよい、試験器具１０６を介して実施される。

ステップＳ２０４では、部品の荷重条件（ｌｏａｄｉｎｇ ｃａｓｅ）が満たされたかどうか問い合わせる。言い換えれば、部品が必要な機械的要件を満たしたか？そうでない場合、ステップＳ２０５において、少なくとも１つのプレフォームに関する制約（本明細書で後述される）が変更され（典型的には、他の制約と比べ、その相対的な重みづけが変更され）、新しいプロセス補償プレフォームマップが、それに基づいてステップＳ２０１において作成される。

部品の荷重条件が満たされている場合、ステップＳ２０１のさらなる繰り返しが、別のプロセス補償プレフォームマップを作成するためにプレフォーム制約の変更された重みづけに基づいて実施されるべきであるかどうかをステップＳ２０６において問い合わせる。この決定は、十分な繰り返しが、設計されている部品の許容可能な特性の範囲に境界を付けるために実施されているかどうかに基づくことができる。

具体的には、いくつかの実施形態では、独立した変数、例えばプレフォームに関連する制約は、ある範囲にわたって変更され、それによって、その範囲にわたって、部品の測定された特性（例えば、部品の破損時に与えられる力など）は、（ｉ）最大値を示し、（ｉｉ）許容可能な値を下回る。独立した変数の変動が製作効率の変動を生じると仮定すると、部品性能と製作効率との間のバランスが望ましい部品設計が、選択され得る。

例えば、まっすぐな（屈曲していない）プレフォームよりも、屈曲したプレフォームを作り出すほうが時間がかかる。しかし、いくらかの量の屈曲したプレフォームの存在は、部品外形および荷重の詳細に応じて、改善された部品特性をもたらし得る。図１５は、部品における屈曲したプレフォームの質量と、部品におけるプレフォームの全質量との比率の関数として、性能の改善を示す、プロットを描く。この例示では、「性能」は、部品の破損時に加えられる力であり、これは、点１５４０における基本的な性能からの改善率として表される。点１５４４において特定される部品性能の最大値は、屈曲したプレフォームの質量とプレフォームの全質量との比率が約０．７で生じる。教育上の目的で、部品性能は、１５４６において示すように、屈曲したプレフォームの質量とプレフォームの全質量との比率が０．５を下回る場合は、許容できないと考えられるものと前提する。

前述した性能および前提に基づいて、製造効率について「最適化された」設計は、屈曲したプレフォームの質量とプレフォームの全質量との比率が約０．５であり、それは、（ａ）これが、性能要件を満たすのに必要とされる屈曲したプレフォームの最小量を含み、（ｂ）部品に必要な屈曲したプレフォームの数が減少するにつれて製作時間が減少するためである。この比率は、性能要件を依然として満たしつつ可能な限り減少されるので、製造効率は、実用上の最大値となる。部品性能はまた、０．９以上の比率で許容できないレベルまで落ちるが、湾曲のこの部分は対象となる見込みはなく、それは、製造効率が、必要とされる大量の屈曲したプレフォームにより悪化するためであることは注目に値する。

部品性能の増大が望ましい場合、これは、屈曲したプレフォームの質量とプレフォームの全質量との比率を約０．７まで増大させることによって、いくらかの製作効率を犠牲にして提供され得る。

図２およびステップＳ２０６の議論に戻ると、例えば前述したような許容可能な性能の範囲に境界をつけるため、ステップＳ２０１のさらなる繰り返しが望まれる場合、少なくとも１つのプレフォーム制約（または他の制約と比べた、その重みづけ）が、ステップＳ２０５に従って変更され、別のプロセス補償プレフォームマップがステップＳ２０１において作成され、ステップＳ２０２～Ｓ２０４において記載された処理は反復される。

許容可能な動作の範囲の境界がつけられると、ステップＳ２０７において、部品の設計のプレフォームレイアウトは、例えば、先に論じたような、図１５に描かれたものと類似したプロットの使用に基づいて、完成する。最終的な設計の選択は、プロットを確認することによって手動で、または処理システム１００に入力されたガイドラインに基づいて自動的に、実施され得る。

図５は、ステップＳ２０１を実施するため、すなわち、プロセス補償プレフォームマップを作成するための方法の実施形態を描く。図５に描かれた方法のステップは、破線により強調されるように、２つのグループＡまたはＢのうちの１つに分類される。グループＡは、理想化繊維マップの作成に関するステップ（すなわち、ステップＳ５０１～Ｓ５０８）を含み、グループＢは、プロセス補償プレフォームマップの作成に関するステップ（すなわち、ステップＳ５０９～Ｓ５１５）を含む。

ステップＳ５０１では、部品外形および荷重条件（例えば、部品に対する力の大きさ、方向、および適用点）が、確立され、例えば処理システム１００の記憶装置１６６６に記憶される。ステップＳ５０２では、方法は、確実に荷重条件および部品外形が互いと一致することを確認する。例えば、力が「空間内に」、すなわち、部品の位置に対応しない場所において、加えられている場合は、矛盾となるであろう。荷重条件および部品外形が一致しない場合、ステップＳ５０３において、その矛盾が特定され、次に、ステップＳ５０４において部品外形／荷重条件を適切に変更することによって修正される。

荷重条件および部品外形が互いに一致する場合、ステップＳ５０５およびＳ５０６が（順に）実施され、理想化繊維マップを作成し、これは、図３に描かれた方法のステップＳ３０１である。

ステップＳ５０５では、部品全体にわたる主応力等高線が決定される。この決定は、部品外形および荷重条件に基づいて、例えば有限要素解析（「ＦＥＡ」）によって実施され得る。結果は部品の「マップ」であり、これは、ＦＥＡ処理に従って、部品の各「要素」における部品内の応力の大きさおよび方向を示す。理想的な繊維経路は、応力ベクトルと整列することが意図されているので、そのような各応力ベクトルは「繊維ベクトル」と考えられる。言い換えれば、任意の所与の要素における繊維ベクトルの方向は、そのような各要素における応力ベクトルの方向と考えられる。

図９は、部品、例えば図７の部品７１４の応力ベクトル、したがって、繊維ベクトルのマップ９１４を描く。応力ベクトルの詳細（大きさおよび方向）は、部品が荷重をかけられる方法（すなわち、力が加えられる部品上の場所）の結果である。マップ９１４は、図８に描かれるような、以下の荷重配置に基づく：部品が「Ｘ」の向きにある状態で、部品７１４のアームのうちの２つのアームの端部に等しい力Ｆを加える。部品が別様に荷重をかけられると、応力ベクトルは、必然的に異なり、これは、最終的には、部品の異なる繊維レイアウトに影響する。

この十字形状部品は、中央領域７２０と、４つのアーム７１６と、を含む。隣り合うアームが交差する領域７１８は、滑らかに湾曲するプロファイルを有する。図９に描かれるように、繊維ベクトル９２２は、アーム７１６内部ではまっすぐであるが、アーム間では湾曲して領域７１８のプロファイルに一致する（やはり、力が加えられる場所に起因する）。典型的には、任意のそのような要素における応力の方向は、隣の要素について計算された応力方向とは著しく異なり得ることに注目すべきである。多くの場合、これは、単に数学的なアーチファクトである。明確かつ単純にするため、図９Ａに描かれる応力ベクトル／繊維ベクトルは、一貫した方向性を有するように示されている。

ステップＳ５０６では、理想的な繊維ベクトルは、互いに「接続されて」、「全体的な」繊維経路（可能な程度まで、部品にわたる経路）を形成する。作り出される経路の数は、いくつかある事項の中でも特に、ＦＥＡ解析で使用される要素のサイズに左右される。要素が大きいほど、得られる繊維経路は少なくなる。個々の要素の繊維ベクトルからの連続繊維経路の構築は、従来の最適化方法を通じて達成される。具体的には、この変換は、費用最小化問題と言うことができる。発生する「費用」は、繊維経路の不連続性、大きさ当たりの繊維ベクトルの向きからの繊維経路の逸脱（すなわち、より大きな大きさのベクトルからの逸脱が、より高い費用を発生させる）、および繊維経路の長さの関数である。費用をこれらの特徴のそれぞれと関連付けることにより、最適化は、可能な最も安い手段でベクトルを接続する。そうすることで、各要素における繊維ベクトルの可能な最良の表示である、連続繊維のマップが得られる。本教示を踏まえると、費用最小化または他の技術を介してステップＳ５０６を実施することは、当業者の能力の範囲内である。

図１０は、全体的な理想的な繊維経路のマップ１０１４を描く。アーム７１６の外側エッジに最も近い繊維１０２４は、湾曲した領域７１８のプロファイルをしっかりと反映するプロファイルを有する屈曲を含む。これらの繊維は、隣接するアームの端部まで延びる。アーム７１６の内部に向かって位置する繊維１０２６は、まっすぐであり、対向するアームの端部まで延びる。中央領域７２０は、より多くの繊維経路を含み、いくつかは、明確にするために省略されている。これらの繊維経路におけるわずかな隆起に注意されたい。これは、整列された応力ベクトルのより薄い領域から、あまり均一でない応力分布を有する、より幅広い中央領域への、応力転移の結果である。

ステップＳ５０６において理想化繊維マップを作成した後、ステップＳ５０７において、設計されている部品が製造効率の問題点の影響下にあるかどうか、問い合わせる。例えば、少量生産が意図された部品は、いかなる効率の問題点にも関係ないかもしれない。または、方法が単に設計に関する何らかの予備情報を構築するのに使用されている場合、製造上の問題を考慮するのは時期尚早であるかもしれない。部品が製造効率の問題点の影響下にない場合は、ステップＳ５０８において、ステップＳ５０６で計算された理想化繊維マップが、出力、記憶などされる。処理はその後、この時点で停止し得る。

しかしながら、部品が製造効率の問題点の影響下にある場合は、処理は、プロセス補償プレフォームマップを作成するために、グループＢのステップに進む。

ステップＳ５０９では、理想化繊維マップを修正するために適用される、製作上の制約が確立され、必要に応じて、処理システム１００に入力される。制約は、プレフォームの使用に関するもの、ならびに、例示的な実施形態では圧縮成形である、使用されている成形方法に関するものを含む。

プレフォームに適用可能な例示的な制約は、以下を含むがこれらに制限されない：
・まっすぐなセクションの数を最大化する（または屈曲を最小化する）。まっすぐなセグメントは屈曲したセクションよりも速く生産されるためである。
・反復するプレフォームセグメントの数を最大化する。プロセスの可変性を低減することで、より速い生産が可能になるためである。
・独自の曲げ半径の数を最小化する。プロセスの可変性を低減することで、より速い生産が可能になるためである。
・独自のトウプロファイルの数を最小化する。プロセスの可変性を低減することで、より速い生産が可能になるためである。
・トウセグメントの長さを最大化する（または重なりを最小化する）。より長い連続繊維は、複数の、より短く、重なり合う繊維より強いためである。
・トウプロファイルの断面積を最大化する。より大きなトウを使用すると、必要とされる全体のセグメントが少なくなり、プロセス動作が減るためである。この点について、部品の所与のセクションでは、容積を満たすのに必要とされるトウの数は、そのセクションの断面積を、単一のトウの断面積で割ったものである。
・繊維の不連続性が必要である場合にトウの重なり距離を最大化する。連続してたどることができない繊維経路は、繊維経路全体を構成するトウセグメント内の割れ目間の重なり距離が長いほど強くなるためである。重なりが大きいほど、荷重分散領域が大きくなる。
・プレフォームの繊維経路と理想的な繊維経路との間の逸脱を最小化する。逸脱は、理想的な繊維経路を作成した主応力等高線からの逸脱を介して、機械的特性をいくらか失わせるためである。

圧縮成形に適用可能な例示的な制約は、以下を含むがこれらに制限されない：
・圧縮中の繊維の移動を最小化する。望ましくない移動は、部品製作中に最終的な繊維経路に悪影響を与え得るためである。
・プレフォームの断面積を型の形状と一致させる。型の形状に一致する形状を有するプレフォームを配置するほうが、そうでないものより容易で速いためである。
・フローキャビティに流れる繊維のセグメントをマッピングする。部品内部のいくらかの容積は、流れた繊維（流れ込むかまたは離れるように、それぞれ、あるエリアにオーバーフィルまたはアンダーフィルすることによって達成される）を必要とし得るためである。
・プレフォームの積み重ねの高さを最小化する。低い高さは、型の少ない質量を必要とし、よって、圧縮中の、より速い加熱および冷却をもたらすためである。
・非流動プレフォーム（製作されている部品の長さに匹敵する長さを有するプレフォーム）が圧縮方向に平行とならないことを確かめる。そのように向けられた繊維は、熱および圧力下で繊維の向きを維持しないためである。
・プレフォームの最終的な容積が最終的な部品の容積より大きくなることを確かめる。方法は、圧縮成形中にフラッシング（ｆｌａｓｈｉｎｇ）を考慮する必要があるためである。

２つのカテゴリーにおけるすべての制約を採用する必要はなく、特定の構成要素の製作に重要であるもののみとする。実際、前記に列挙した制約のうちの任意の１つまたは複数（プレフォームに関連するものもしくは圧縮成形に関連するもの）は、解析の基盤を形成し得る。例えば、圧縮成形を介して作るのが非常に単純である部品では、制約は、プレフォーミングのカテゴリーのみに関係する必要があり、または逆も同様である。

制約の優先順位付けも同様に選択される。理想化プレフォームマップに並行して適用されるか、連続して適用されるかに関わらず、各制約の重みは、ユーザ入力によって決定される。優先順位の高い制約を早い順序で適用するか、またはそれらに、より大きな重みを与えることにより、それらは、理想的なプレフォームマップへの変更に、より大きな影響を与えるであろう。この方法を繰り返し実行することにより、優先順位付けの感度の評価が可能となり、最終的には、最も実用的なマップが作成される。

各制約に適用される重みづけは、プロセス補償プレフォームマップを変更するように個別に変動し得る。例えば、まっすぐなセグメントの最大化および理想的な繊維経路の変動の最小化に関する制約に等しく重みづけするのではなく、まっすぐなプレフォームセグメントの最大化に、より大きな重みが適用され得る。これらの制約について等しい重みづけを有する設計に比べ、まっすぐなプレフォームセグメントの最大化に対して、相対的に大きな重みを課す設計は、（理想的な繊維経路からの起こり得る逸脱に基づいて）いくらか欠陥のある特性を示すが、製造効率の改善を示す可能性がある設計を生じる。この点について、以下を考慮されたい。

前記に論じたように、図７は、十字形状部品７１４を描き、これは、中央領域７２０と、４つのアーム７１６と、を含む。隣り合うアームが交差する領域７１８は、滑らかに湾曲するプロファイルを有する。部品７１４は、雌型６１０の型穴６１２（図６）にプレフォームを充填することによって形成される。本教示は、穴６１２を充填するためのプレフォームレイアウトを構築するために適用される。図１０は、この部品のための全体的な理想化繊維経路を提供すると考えられる。

図１３Ａは、２つのまっすぐなプレフォーム１１２６を使用して形成された「十字形」状の配置１３３０を描く。図１３Ｂも「十字形」状の配置を描くが、図１３Ｂの十字形状の配置１３３２は、４つの屈曲したプレフォーム１１２４を用いて形成されている。図１４Ａは、複数の配置１３３０を描き、これらは、型穴６１２を充填するのに使用される（明確にするためオフセットされる）。この設計は、例えば、十分な重みが、まっすぐなプレフォームを最大化する制約に適用され、最小限の重みが、理想的な繊維経路の逸脱を最小化する制約に適用される場合の、本方法の使用による結果である。この点について、配置１３３０における隣り合うアーム間の領域が滑らかに湾曲するプロファイルをどれほど有していないか、むしろ、アームが９０°で互いに交差することに注目されたい。この設計は、まっすぐなプレフォームの排他的使用の結果として効率的に（迅速に）作られ得る部品をもたらすが、その特性は、理想化繊維整列からの逸脱により、ある程度まで悪化することが予想される。

図１４Ｂは、複数の配置１３３２と、１つの配置１３３０と、を描く。この設計は、まっすぐなプレフォームの使用よりも、理想化繊維整列からの逸脱を最小化する制約に、より重い重みをかける、重みづけにより生じる。この点について、アーム１１２４間の領域は、理想的な繊維経路で見られるように滑らかな湾曲ではないが、それにもかかわらず配置１３３０のその領域よりもはるかに少ない程度までどれほど逸脱しているかに注目されたい。このプレフォームレイアップ（ｌａｙｕｐ）に基づく部品は、屈曲したプレフォームを製作するのにかかる時間により、図１４Ａのプレフォームレイアップに基づく部品よりも、製作するのにさらに時間がかかる（効率の低下）。しかしながら、理想的な繊維整列からの、配置１３３２における繊維の逸脱が減少するので、部品の特性は、図１４Ａに描かれたプレフォームレイアップに基づくものよりも優れることが予想される。

図５の方法の議論を続けると、ステップＳ５１０およびＳ５１１では、プロセス補償プレフォームマップが、制約の２つのグループを、理想化プレフォームマップに適用することにより作成される。これは、図３の方法のステップＳ３０２である。ステップＳ５０６のように、このステップも、費用最小化問題として実施され得る。発生する「費用」は、さまざまな制約およびそれらのそれぞれの重みづけの関数である。本教示を踏まえると、費用最小化または他の技術を介してステップＳ５１０およびＳ５１１を実施することは、当業者の能力の範囲内である。

そのような制約の適用は、例えば、滑らかな湾曲／屈曲を有する理想化繊維経路１０２４を描いた図１１Ａを、滑らかな湾曲をまっすぐな線および２つの屈曲と置き換えると共に、理想化形態から相対的にわずかな逸脱を発生させる、プレフォーム１１２４を描いた図１１Ｂと比較することにより、理解することができる。この置き換えは、プレフォーマーなどにより形成され得る曲げ半径のサイズに関する制約から生じ得る。

図１２は、プロセス補償プレフォームマップ１２１４を描き、これは、屈曲したプレフォーム１１２４と、まっすぐな連続プレフォーム１１２６と、まっすぐで短いプレフォーム１１２８と、を含む。前記で論じたように、屈曲したプレフォーム１１２４の包含は、プレフォーム経路と理想的な繊維経路との間の逸脱を最小化し、まっすぐなセグメントの使用を最大化することに関する制約に、非ゼロの重みづけを適用することにより生じる。

ＦＥＡシミュレーションの詳細および部品外形に基づいて、シミュレーションされた部品の各「要素」は、対応するサイズを有し、それによって、さまざまな全体的な理想的な繊維経路の長さおよび幅が決定され得る。プレフォームを作り出すのに使用されているトウプレグ供給材料の関数として、プレフォーム断面積が分かる。よって、理想的な繊維経路のサイズおよびプレフォームのサイズが分かると、理想的な繊維経路は、プレフォームの点で等価物；すなわち、プレフォームの長さ、形状、場所／向き、ならびにその必要な数を提供するマップ、に変換され得る。

ステップＳ５１２では、プロセス補償プレフォームマップがプレフォームおよび成形テクノロジーの要件を満たすかどうか問い合わせる。例えば、マップで使用されているプレフォームが、実際に製造され得るのを確実にすることが重要である（例えば、マップ内のプレフォームが過剰な数の屈曲を含む場合、問題となり得る）。そうでない場合、その問題は、ステップＳ５１３において特徴づけられ、（すなわち、処理システム１００によって、またはユーザによって）自動的に特徴づけられ得る。問題を特徴づけたら、すべての要件を満たす、新しいプロセス補償プレフォームマップが作成されることを期待して、適切な制約（または重みづけ）がステップＳ５１４において変更される。そして、いったんそのようなマップが作成されたら、それは、ステップＳ５１５において出力（例えば、印刷、表示など）されるか、または記憶される。

本開示はいくつかの実施形態を説明していること、本発明の多くの変形例は、本開示を読めば当業者によって容易に考案され得ること、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定されるものであることが、理解される。

９０ システム
１００ 処理システム
１０２ プレフォーマー
１０４ 型
１０６ 試験器具
６１０ 雌部分
６１２ 型穴
７１４ 部品
７１６ アーム
７１８ アームが交差する領域
７２０ 中央領域
９１４ マップ
９２２ 繊維ベクトル
１０１４ 理想的な繊維経路のマップ
１０２４ 繊維
１０２６ 繊維
１１２４ 屈曲したプレフォーム
１１２６ まっすぐなプレフォーム
１１２８ まっすぐで短いプレフォーム
１２１４ プロセス補償プレフォームマップ
１３３０ 配置
１３３２ 配置
１６６２ プロセッサ
１６６４ メモリ
１６６６ 記憶装置
１６６８ 入力／出力構造体
１６７０ バス

Claims (10)

1. 繊維複合部品を設計する方法であって、
   前記部品の外形、および前記部品が受ける力を定めるステップと、
   前記外形および前記力に基づいて前記部品の応力等高線を決定するステップと、
   前記応力等高線から理想化繊維マップを作成するステップであって、前記理想化繊維マップ内の繊維の方向が、前記部品の前記応力等高線と整列する、ステップと、
   前記部品の製作に適用可能な複数の制約を定めるステップと、
   前記制約によって前記理想化繊維マップを修正することにより第１のプロセス補償プレフォームマップを作成するステップであって、前記第１のプロセス補償プレフォームマップは、前記部品の製作に必要とされるプレフォームのサイズ、形状、向き、および数を提供する、ステップと、を含む、方法。
2. 第１のプロセス補償プレフォームマップにおける前記プレフォームの前記サイズおよび前記形状を有する、プレフォームを、型に入れるステップをさらに含み、前記プレフォームは、前記第１のプロセス補償プレフォームマップで特定された前記向きに従って前記型に入れられる、請求項１に記載の方法。
3. 圧縮成形プロトコルに従って、前記型内の前記プレフォームに熱および圧力を加えることによって、前記部品を成形するステップをさらに含む、請求項２に記載の方法。
4. 前記部品の少なくとも１つの性能指標を決定するために前記部品を試験するステップをさらに含む、請求項３に記載の方法。
5. 制約を定めるステップは、前記制約のうちの少なくともいくつかに重みづけを適用するステップをさらに含み、前記重みづけは、前記第１のプロセス補償プレフォームマップに現れる前記プレフォームの前記サイズ、前記形状、および前記向きのうちの少なくとも１つに影響を及ぼす、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記第１のプロセス補償プレフォームマップを作成した後で、前記方法は、
   前記複数の制約のうちの少なくとも１つの制約の前記重みづけを変更するステップと、
   第２のプロセス補償プレフォームマップを作成するステップと、をさらに含み、前記第２のプロセス補償プレフォームマップ内のプレフォームのサイズ、形状、向き、および数のうちの少なくとも１つは、変更された前記重みづけの結果として、前記第１のプロセス補償プレフォームマップ内の前記プレフォームとは異なる、請求項５に記載の方法。
7. 前記複数の制約のうちの少なくとも１つの制約を、ある範囲にわたって変動させるステップをさらに含み、前記制約の変動ごとに、部品が、作成されたプロセス補償プレフォームマップに基づいて製作され、前記部品は、性能指標を得るために試験され、前記制約は、前記範囲が、
   （ｉ）前記部品が前記性能指標の最大値を示す、前記制約の第１の値、および、
   （ｉｉ）前記部品の前記性能指標が許容可能な値を下回る、前記制約の第２の値、
   を包含するように、十分に変動する、請求項４に記載の方法。
8. 前記第１の値と前記第２の値との間に定められ、かつこれらを含む前記範囲内に入る前記制約の値に対応する、前記プロセス補償プレフォームマップを、前記複合部品の設計として選択するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
9. 前記制約の前記第１の値に対応する前記プロセス補償プレフォームマップを、前記複合部品の設計として選択するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。
10. 前記制約の前記第２の値に対応する前記プロセス補償プレフォームマップを、前記複合部品の設計として選択するステップをさらに含む、請求項７に記載の方法。

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