JP7428651B2 - 衝撃力を吸収するための構成部材 - Google Patents
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- F16F2236/04—Compression
Description
- 少なくとも第1の端部および第2の端部と、
- 両端部の間に延びる長手方向であって、本質的に衝撃の方向に配置され得る長手方向と、
- 第1の表面および第2の表面ならびに第1の表面および第2の表面との間に延びる壁厚を有する壁と
を有し、
- ここで、壁は、炭素繊維の束で少なくとも大部分が構成されており、束内には炭素繊維を構成する炭素繊維フィラメントが互いに平行に配置されており、
- ここで、束および当該束を構成する炭素繊維は、主に1種または複数の架橋ポリマーを含むポリマーマトリックスに埋め込まれており、
- ここで、束は、壁厚にわたって実質的に均一に分布しており、第1の表面および/または第2の表面に垂直な方向に見たときに実質的に等方性に配向されており、かつ第1の表面および/または第2の表面(8,9)に平行に見たときに、束は、第1の表面および/または第2の表面(8,9)の一部と交差角を形成し、ここで、束は、構成部材内で、交差角の大部分が0°~90°の間で実質的に分布した範囲から、そこに存在する大部分の交差角が1°よりも大きい範囲まであるように、第1の表面および/または第2の表面(8,9)に平行に分布しており、
- ここで、壁内の炭素繊維の繊維体積割合は35体積%~70体積%の範囲にあり、
- ここで、炭素繊維の束の長さは3mm~100mmの範囲にあり、
- ここで、構成部材は、炭素繊維の束からの繊維プリフォームの製造を含む方法、ならびに任意選択的に、続いてマトリックス系を、射出、注入、浸透またはプレスすることによって繊維プリフォームに導入することによって得ることができる。
- バインダーを備えた強化繊維の少なくとも1つの連続した帯形状のストランドをテンプレートから配置ヘッドに送り、ここで、少なくとも1本のストランドは、少なくとも5mmのストランド幅、および帯形状のストランドの重量に基づいて2重量%~20重量%、あるいは15重量%~75重量%の範囲のバインダーの濃度を有する、ステップ、
- 配置ヘッドに配置された展開ユニットで少なくとも1本の連続した帯形状のストランドを展開し、配置ヘッドに配置された第1の搬送装置によって、配置ヘッドに配置された長手方向の分離装置に向けて少なくとも1本のストランドを搬送方向で搬送し、それによって、搬送方向を横切る方向に少なくとも1本のストランドを安定させる、ステップ、
- 少なくとも1本のストランドを、少なくとも1つの分離要素によって、その長手方向延在部に沿って長手方向の分離装置で2本以上の部分ストランドに切断するステップ、
- 部分ストランドを、配置ヘッドに配置された第2の搬送装置によって搬送方向で、配置ヘッドに配置された切断ユニットに搬送するステップ、
- 切断ユニットを使用して、部分ストランドを定義された長さの強化繊維束へと切断するステップ、
- 強化繊維束を表面上および/または表面上に堆積された強化繊維束に堆積させ、強化繊維束を表面上および/または表面上に堆積された強化繊維束上に固定して繊維プリフォームを形成し、ここで、配置ヘッドと表面との間の相対的な動きは、表面上に強化繊維束が荷重に応じて適切に配置されるように設定する、ステップ。
例1では、本発明の例示的な実施形態によるボディを、図2aに示されるような衝突構成部材として製造した。試験結果として、構成部材を動的衝撃試験で試験した。このために、プリフォームを初めに製造した。このステップでは、(国際公開第2005/095080号、国際公開第2013/017434号の文献に従って)障害物がある炭素繊維糸(Tenax HTS40 X030 12k 800テックス)を横方向および縦方向で繊維束に切断した。長さ50mmおよび幅1mm~5mmの繊維束を得た。これらの繊維束を、最終輪郭に近いプリフォームに形成した。このために、繊維束をプリフォームツールに適用し、プリフォームツールはすでに最終的な構成部材の形状をほぼ示す。適用方法(手動または制御された移動ユニット、たとえばロボットによる)は、束の均一な適用が生じる限り、あまり重要ではない。この例では、構成部材の繊維体積含有量50体積%を最大偏差±5体積%でもたらす繊維適用を設定している。それぞれの適用位置で繊維束を固定するために、プリフォームツールは、吸引流を受ける多数の小さな穴を備えているように設計されていてもよい。このようにして、繊維束はそれぞれの箇所で吸引され、固定される。次のステップでは、この構造が加熱され、バインダーがその接着効果を発揮する。状況次第では、それぞれの表面に垂直な追加の力によって構造を圧縮してもよい。バインダーを再び冷却した後、プリフォーム全体だけでなく、個々の繊維束もそれらの局部的な位置に固定する。プリフォームは、樹脂注入プロセス(樹脂トランスファー成形、RTM)を使用して鋼ツールで作製し、長手方向に2mmの一定の壁厚および部分的に半円形の横断面を有する2つの半シェル形状のプロファイル構成部材(部分ボディ)を形成した。部分ボディの繊維体積割合は50%であった。エポキシ樹脂系(Huntsman Araldite LY 1564/Aradur AD 22962)を、樹脂注入用のマトリックス系として使用した。プロファイル構成部材または部分ボディの脱型後、それらをアニールした。部分ボディをダイヤモンドの丸鋸で切り落とした。これらのハーフシェル形状の部分ボディの2つを接着クランプで一緒に結合し、2成分構造の接着剤(3M DP490)で平坦な長手方向フランジに接着した。続けて、円周45°の面取りの形の力導入構造(いわゆるトリガー)を構成部材の片側に導入した。
例1に記載しているように、構成部材を、長さ25mmおよび幅1mm~5mmの繊維束を含むプリフォームから製造した。例1とは対照的に、50mmの代わりに25mmの繊維長を使用した。構成部材の壁厚は、例1に対応していた。構成部材は、例1に示すように破壊した。この結果、図3に示されるのと同様の力曲線が得られ、(55+/-5)kNで力がプラトーになった。構成材料の質量あたりの吸収エネルギーは72J/gであった。力-変位曲線の経路および比エネルギー密度は、切断長さが50mmの例1の場合と大幅に異ならなかった。したがって、例2の個別の図は作成しなかった。
例1に記載しているように、構成部材を、長さ50mmおよび幅1mm~5mmの繊維束を含むプリフォームから製造した。しかしながら、例1とは対照的に、3mmまたは4mmの壁厚を有する2つの構成部材を製造した。例1に示すように構成部材を破壊し、例1に示すように結果を処理した。この結果、壁厚が3mmの構成部材の場合は図4のような、そして4mmの構成部材の場合は図5のような力曲線が得られ、3mmの壁厚の場合は(70+/-5)kNで、4mmの壁厚の場合は(90+/-7)kNで力がプラトーになった。構成材料の質量あたりの吸収エネルギーは、3mmの壁厚の場合は70J/gであり、4mmの壁厚の場合は73J/gであった。これは、破損力が構成部材の壁厚によって調節可能であり、壁の横断面積にほぼ線形に比例することを示し、それによって、散逸エネルギー密度はほぼ一定のままであった。したがって、調整可能な力曲線が、有利には構成部材の変形中に可能である。
例1に記載しているように、構成部材を、長さ50mmおよび幅1mm~5mmおよび壁厚2mmの繊維束を含むプリフォームから製造した。例1に示すように構成部材を破壊し、データを例1に示すように処理した。しかしながら、例1とは異なり、構成部材を試験前に-30℃、70℃および110℃に最大30秒で温度調節した。この結果、衝突試験では構成部材の温度が-30℃、50℃および90℃になった。ここに示されている力曲線から、図6(-30℃)、図7(50℃)および図8(90℃)の曲線が得られ、-30℃の構成部材温度の場合は(40+/-5)kNで、50℃の構成部材温度の場合は(45+/-5)kNで、そして90℃の構成部材温度の場合は(45+/-5)kNで力がプラトーになった。構成材料の質量あたりの吸収エネルギーは、-30℃の構成部材温度の場合は54J/g、50℃の構成部材温度の場合は60J/g、そして90℃の構成部材温度の場合は60J/gであった。破損力および散逸エネルギー密度の温度依存性があまり顕著でないことが有利であると判明した。これは、先行技術で見られ、かつ比較例1、図11で調査されたように、熱可塑性樹脂を有する炭素繊維複合材料と比較して特に明白であった。
例1に記載しているように、構成部材を、長さ50mmおよび幅1mm~5mmおよび壁厚2mmの繊維束を有するプリフォームから製造した。しかしながら、例5による構成部材の繊維体積割合は、ある時は40%であり、ある時は45%であった。構成部材は、例1に示すように破壊し、データは例1に示すように準備した。この結果、40%の繊維体積割合の場合は図9に示される曲線の力曲線が、45%の繊維体積割合の場合は図10に示される曲線の力曲線が得られ、40%の繊維体積割合の場合は(45+/-10)kNで力がプラトーになり、45%の繊維体積割合の場合は(45+/-5)kNで力がプラトーになった。構成材料の質量あたりの吸収エネルギーは、繊維体積割合が40%の場合は64J/gで、繊維体積割合が45%の場合は61J/gであった。力-変位曲線のプラトー領域での変動は、40%の繊維体積割合ではまだ比較的大きく、45%の繊維体積割合では比較的平坦なプラトーがすでに形成されていた。つまり、この場合に材料の有利な破損が起こった。45%の繊維体積割合での値との比較および40%の繊維体積割合での値との比較における、例1からの繊維体積含有率が50%である試験のプラトー値のそれぞれより高い値は、繊維体積割合が小さいほど破損特性(力と散逸エネルギー密度)を低下させることを示した。なぜなら、構成部材の体積あたりの繊維とマトリックス材料との間の剥離プロセスがより少なかったからである。
B 熱可塑性樹脂を有する構成部材炭素繊維の曲線
C 本発明の実施形態による構成部材の曲線
D 熱可塑性樹脂を有する比較例の構成部材の曲線
E 熱可塑性樹脂を有する比較例の構成部材の曲線
F 熱可塑性樹脂を有する比較例の構成部材の曲線
G 熱可塑性樹脂を有する比較例の構成部材の曲線
1 構成部材(衝撃要素、衝突構造)
2 リブ
3 凹部/穴
4 波形プロファイル
5 カバー/フラップ
6 フランジ
7 半円形プロファイル
8 第1の表面
9 第2の表面
10、10’ 壁厚
11 外側横断面
11’ 内側横断面
E1 第1の端部
E2 第2の端部
L 長手方向
S 表面8、9に垂直
W 表面8、9に平行
Claims (16)
- 第1の衝撃要素と第2の衝撃要素との間に配置するための、かつ前記第1の衝撃要素と前記第2の衝撃要素との間に作用する衝撃方向を有する衝撃荷重の結果としての衝撃エネルギーを吸収するための、炭素繊維に基づく繊維複合材料からボディとして形成された三次元の構成部材(1)であって、ここで、前記構成部材は、
- 少なくとも第1の端部(E1)および第2の端部(E2)と、
- 前記両端部の間に延びる長手方向(L)であって、衝撃の方向に配置され得る長手方向(L)と、
- 第1の表面(8)および第2の表面(9)ならびに前記第1の表面と前記第2の表面との間に延びる壁厚(10、10’)を有する壁と
を有し、
- 前記壁は、炭素繊維の複数の束を有し、前記束内には前記炭素繊維を形成する炭素繊維フィラメントが互いに平行に配置されており、
- ここで、前記束および当該束を構成する前記炭素繊維は、主に1種または複数の架橋ポリマーを含むポリマーマトリックスに埋め込まれており、
- ここで、前記束は、前記壁厚(10、10’)にわたって均一に分布しており、前記第1の表面および/または前記第2の表面(8、9)に垂直(S)な方向に見たときに等方性に配向されており、かつ前記第1の表面および/または前記第2の表面(8、9)に平行に見たときに、前記束は、前記第1の表面および/または前記第2の表面(8、9)の一部と交差角を形成し、ここで、前記第1の表面および/または前記第2の表面(8、9)に平行に見た前記束は、前記構成部材内で、前記交差角の少なくとも一部が0°~90°の間で均一に分布した範囲から、そこに存在する少なくとも一部の前記交差角が1°よりも大きい範囲まであるように分布しており、
- ここで、前記壁内の前記炭素繊維の繊維体積割合は35体積%~70体積%の範囲にあり、
- ここで、前記炭素繊維の束の長さは3mm~100mmの範囲にあり、
- ここで、前記構成部材(1)は、前記炭素繊維の束からの繊維プリフォームの製造を含む方法、および任意選択的に、続いてマトリックス系を、射出、注入、浸透またはプレスし、架橋することによって前記繊維プリフォームに導入することによって得ることができ、ここで、前記マトリックス系は、1種または複数の架橋ポリマーから少なくとも一部がなり、
前記構成部材(1)が、前記第1の端部と前記第2の端部(E1、E2)との間に延びる内側空間を有する、閉じたまたは開いた中空プロファイルをボディとして有し、ここで、前記第1の端部(E1)および前記第2の端部(E2)は、前記第1の衝撃要素および前記第2の衝撃要素に接続可能であり、かつ前記ボディは外側および内側の横断面(11、11’)を有し、前記第1の表面(8)は前記内側空間とは逆を向き、前記第2の表面(9)は前記内側空間の方を向く、
ことを特徴とする、構成部材(1)。 - 前記炭素繊維を構成する炭素繊維フィラメントが、前記第1の表面および/または前記第2の表面(8,9)に垂直(S)に見たときに壁内で互いに平行に配置されていることを特徴とする、請求項1記載の構成部材(1)。
- 前記ポリマーマトリックスが、ISO13586に従って測定された温度が20℃から100℃に変化したときに最大100%増加する破壊靭性を有することを特徴とする、請求項1または2記載の構成部材(1)。
- 前記ボディの内側および/または外側の横断面(11、11’)が、波形形状、ジグザグ形状、角張った形状、曲線または前述の形状の組合せであることを特徴とする、請求項1から3までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記内側および/または前記外側の横断面(11、11’)が、円形、楕円形、正方形または長方形の輪郭または多角形の輪郭を有することを特徴とする、請求項1から4までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記内側および/または前記外側の横断面(11、11’)が、前記長手方向(L)の延在部に沿って一定であることを特徴とする、請求項1記載の構成部材(1)。
- 前記内側および/または前記外側の横断面(11、11’)が、前記第1の端部と前記第2の端部(E1、E2)との間の領域で、前記複合材料構成部材(1)の前記第1の端部から前記第2の端部(E1、E2)に向けて増加することを特徴とする、請求項1記載の構成部材(1)。
- 前記壁厚(10、10’)が、前記第1の端部と前記第2の端部(E1、E2)との間の領域で、前記構成部材(1)の前記第1の端部から前記第2の端部(E1、E2)に向けて増加することを特徴とする、請求項1から7までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記束を構成する炭素繊維および/または前記マトリックス系を包埋する前記ポリマーマトリックスが熱硬化性樹脂であることを特徴とする、請求項1から8までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記構成部材(1)が、その第1の端部(E1)に前記衝撃エネルギーを導入するための領域を有することを特徴とする、請求項1から9までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記構成部材(1)が、前記長手方向(L)において互いに連結されて前記構成部材(1)を形成する2つの部分ボディから構成されていることを特徴とする、請求項1から10までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記部分ボディが、前記長手方向延在部において横方向にフランジ(6)を有し、それによって前記部分ボディが互いに接続されていることを特徴とする、請求項11記載の構成部材(1)。
- 前記第1の表面および/または第2の表面(8、9)上の壁が、前記構成部材(1)の前記長手方向(L)の方向に延びる補強要素(2)を有することを特徴とする、請求項1から12までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記壁が、一方向に配向された長繊維の少なくとも1つの層をさらに含み、ここで、前記少なくとも1つの層が、前記表面(8、9)の少なくとも1つまたは前記壁の内側にあり、かつ前記構成部材(1)の前記第1の端部と前記第2の端部(E1、E2)との間に延びていることを特徴とする、請求項1から13までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記壁内の炭素繊維の繊維体積割合が、45体積%~65体積%の範囲にあることを特徴とする、請求項1から14までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
- 前記炭素繊維が5mm~70mmの範囲の長さを有することを特徴とする、請求項1から15までのいずれか1項記載の構成部材(1)。
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