JP7588905B2 - 繊維強化物品を製造するための方法および装置 - Google Patents
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Description
本発明は、繊維強化物品を製造するための装置および繊維強化物品を製造するための方法に関する。本発明は、より詳細には、調整(又は調節)された複数の方向性を有する(又は多方向又はマルチディレクション)の繊維オリエンテーション(又は繊維配向又は繊維の向き又は繊維の方向)(又はテーラード・マルチディレクション・ファイバー・オリエンテーション)を有する繊維強化物品に関する。
コンポジット材料(又は複合材料又は複合材又はコンポジット・マテリアル)は、コンポジット(又は複合材)とも呼ばれるものであり、2以上の材料を組み合わせたものであり(又はコンビネーション)、2以上の材料が肉眼で見えるレベルで混合または結合されているものである。コンポジット材料は、工学への応用において使用されている。工学への応用において、純粋な材料は、要求される具体的な特性(又はプロパティ)のセット(又は組み合わせ)を提供することができない。コンポジット材料は、別の材料を添加することによって性能が高められた単一の材料(又はシングル・マテリアル)と考えることができる。
従って、本発明の目的は、所望の繊維オリエンテーション(又は繊維配向又は繊維の向き又は繊維の方向)を有する物品の製造に関する上記問題を解決するための方法を提供することである。所望の繊維オリエンテーション(又は繊維配向又は繊維の向き又は繊維の方向)は、最終製品(又はエンド・プロダクト)の要求に応じて、単に単純(又はシンプル)な一軸性(又はユニアキシャル)のオリエンテーション(又は配向又は向き又は方向)であっても、複雑な多層の複数の方向性を有するオリエンテーション(又は配向又は向き又は方向)(又は多方向(又はマルチディレクション)のオリエンテーション(又は配向又は向き又は方向))であってもよい。本発明の目的は、独立請求項に記載される事項によって特徴付けられる方法および装置によって達成される。本発明の好ましい実施形態を従属請求項に記載する。
本発明は、繊維強化熱可塑性ポリマーコンポジットにフォーカスしている(又は焦点が当てられている)。これらは、骨のスクリュー(又はネジ)およびファスナ(又は固定具)などの医療器具(又は医療デバイス又はメディカル・デバイス)として特に使用することができるものである。このような医療器具は、通常、ステンレス鋼またはチタン合金から作製されている。しかし、このような材料は、骨組織の力学的特性との力学的な不一致(又はメカニカル・ミスマッチ)や、応力遮蔽(又はストレス・シールディング)などのさらなる問題を引き起こす可能性があるなど、ある種の課題(又はチャレンジ)を抱えている傾向がある。また、金属製のインプラントは、MRIなどの画像診断(又はイメージング)に支障をきたす場合がある。そのため、技術者(又はエンジニア)たちは、望ましい効果や特性(又はプロパティ)を満たすことができる代替の材料を探している。
(1)
冷たいモールド・キャビティに連続したプリフォーム(又は連続プリフォーム)をロード(又はローディング又は充填又は装填)することによってプロセスを開始(又はスタート)する工程
(2)
モールド(又は型)を加熱して、閉じて(又はクロージング)、プリフォームをラジアル・モールディング(又はラジアル成形又は半径方向の成形)に付して、最終の形状(又はファイナル・シェイプ)を得る工程
(3)
モールド(又は型)を冷却する工程
(4)
モールド(又は型)を解放(又はオープニング)する工程
(5)
共通の長手軸の方向において、モールド・キャビティの長さ以下の長さで連続したプリフォーム(又は連続プリフォーム)を運動(又は移動)させる工程
(6)
モールド(又は型)を加熱して、閉じて(又はクロージング)、プリフォームをラジアル・モールディング(又はラジアル成形又は半径方向の成形)に付して、最終の形状(又はファイナル・シェイプ)を得る工程
(7)
モールド(又は型)を冷却する工程
(8)
モールド(又は型)を解放(又はオープニング)する工程
(9)
上記の工程5~8を必要な回数に応じて繰り返して(又はリピートして)、プリフォームの全長にわたって圧縮する工程
図5aは、ダイ・セグメント2を示し、ダイ・セグメント2は、イニシャル・ポジション(又は初期位置又は最初の位置)にある。この図では、モールド・キャビティ3は、イニシャル・ボリューム(又は初期容量又は初期容積又は初期体積)を有している。この例において、モールド・キャビティ3は、ネジ山が形成されたスクリュー(又はネジ)の形状(又はシェイプ)を有している。モールド・キャビティ3の上方および下方は、ピストンが通過するためのパス(又は通路)である。
本明細書の開示内容は、以下の態様を含み得る。
(態様1)
繊維強化物品を形成するための方法であって、以下の工程101~105:
工程101 熱可塑性のポリマーマトリクスおよび強化繊維から構成されるコンポジット・プリフォーム(1)を提供する工程であって、前記コンポジット・プリフォーム(1)が、イニシャル・ボリュームと、イニシャル繊維オリエンテーションとを含む、工程、
工程102 少なくとも3つの隣接するダイ・セグメント(2)から構成されるラジアル・モールディング装置の内部に前記コンポジット・プリフォーム(1)をロードする工程であって、前記ダイ・セグメント(2)は、イニシャル・ボリュームを有するイニシャル・ポジションにおいて、互いに隣り合って、モールド・キャビティ(3)を形成する、工程、
工程103 前記ダイ・セグメント(2)を運動させることによって、前記コンポジット・プリフォーム(1)を成形する工程であって、前記ダイ・セグメント(2)は、前記イニシャル・ポジションと運動と圧縮ポジションとの間において、互いに直接的に接触しており、前記ダイ・セグメント(2)は、前記コンポジット・プリフォーム(1)の共通の長手軸(A)に対して垂直方向にあり、前記モールド・キャビティ(3)のイニシャル・ボリュームが減少し、前記ダイ・セグメント(2)は、前記圧縮ポジションにおいて、前記モールド・キャビティ(3)によって規定される形態まで前記コンポジット・プリフォーム(1)を圧縮し、前記圧縮ポジションでは、ファイナル・ボリュームが前記コンポジット・プリフォーム(1)のイニシャル・ボリューム以下である、工程、
工程104 前記モールド・キャビティ(3)を解放する工程、および
工程105 得られる繊維強化物品(6)を前記モールド・キャビティ(3)から除去する工程であって、繊維強化物品(6)は、調整された繊維オリエンテーションを含み、連続強化繊維を前記繊維強化物品(6)の表面コンタに追従させる、工程
を含むことを特徴とする、繊維強化物品を形成するための方法。
(態様2)
前記成形する工程が、ラジアル・コンプレッション・モールディングを含む、態様1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様3)
前記成形する工程の前または前記成形する工程の間あるいは前記ラジアル・モールディング装置の内部で前記コンポジット・プリフォーム(1)をロードする前に前記ラジアル・モールディング装置の内部でマトリクス・ポリマーのガラス転移温度(Tg)または融解温度(Tm)を超える温度まで前記コンポジット・プリフォーム(1)を加熱し、前記成形する工程の間または前記成形する工程の後に前記コンポジット・プリフォーム(1)を冷却する、態様2に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様4)
前記成形する工程が、インジェクション・モールディングを含み、前記インジェクション・モールディングにおいて、得られる繊維強化物品(6)は、ファイバーインサートであり、前記ファイバーインサートは、オーバーモールディング・プロセスにおけるインサートとして使用される、態様1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様5)
前記コンポジット・プリフォーム(1)と、得られる繊維強化物品(6)とが互いに分離することなく、前記共通の長手軸(A)の方向において、前記モールド・キャビティ(3)の長さ以下の長さで前記コンポジット・プリフォーム(1)を運動させるように、前記コンポジット・プリフォーム(1)をロードすること、圧縮すること、前記ダイ・セグメント(2)を戻すこと、そして、得られる繊維強化物品(6)を除去することによって、連続的なマナーで前記コンポジット・プリフォーム(1)を提供する、態様1~3のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様6)
前記成形する工程の前または前記成形する工程の後において、少なくとも1つのピストン(4,5)を前記コンポジット・プリフォーム(1)の共通の長手軸(A)に沿って、前記モールド・キャビティ(3)の内部にスライドさせて、少なくとも一方の端部から前記モールド・キャビティ(3)をシールすることによって、前記コンポジット・プリフォーム(1)の圧縮をさらに促進させる、態様1~4のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様7)
前記ピストン(4)の遠位の端部がモールドを含み、前記モールドは、インバース・デザインを有し、得られる繊維強化物品(6)のエンド・ポーション(6a)において前記インバース・デザインが再現される、態様6に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様8)
前記圧縮の間にインサートあるいは金属もしくはセラミックのティップを前記コンポジット・プリフォーム(1)に取り付けるように前記ピストン(5)を配置する、態様6または7に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様9)
前記ピストン(4,5)が、前記モールド・キャビティ(3)のインターフェースにおいて、シーリング・フィーチャ(7)をさらに含み、前記シーリング・フィーチャ(7)は、前記圧縮ポジションにおいて、および/または前記成形する工程の間、前記モールド・キャビティ(3)をシールするように配置されている、態様6~8のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様10)
前記コンポジット・プリフォーム(1)のイニシャル・ボリュームは、前記イニシャル・ポジションにおける前記モールド・キャビティ(3)のボリュームよりも小さく、前記イニシャル・ポジションにおける前記コンポジット・プリフォーム(1)の横方向の寸法は、前記圧縮ポジションにおいて得られる繊維強化物品(6)の横方向の寸法よりも大きい、態様1~9のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様11)
前記圧縮する工程の間において、前記ダイ・セグメント(2)は、隣接するダイ・セグメント(2)に沿う同一の直線または湾曲した変位の長さに沿って運動し、前記運動は、少なくとも1つのアクチュエータによって同調されており、前記ダイ・セグメント(2)は、互いに直接的に接触している、態様1~10のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様12)
前記コンポジット・プリフォーム(1)の繊維オリエンテーションは、予め調節することができ、前記コンポジット・プリフォーム(1)は、ファイバーインサート(11)と、複数の周囲ファイバーレイヤー(12)とを含んで成り、前記ファイバーインサート(11)は、一軸性の繊維オリエンテーションを有し、前記複数の周囲ファイバーレイヤー(12)は、所望の繊維の角度を伴う螺旋状のオリエンテーションを有する、態様1~11のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様13)
前記コンポジット・プリフォーム(1)は、インターミングルまたはインターロックの層構造を含む、態様1~12のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様14)
前記繊維強化物品が医療器具である、態様1~13のいずれか1項に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
(態様15)
ラジアル・コンプレッション・モールディング装置であって、当該ラジアル・コンプレッション・モールディング装置は、少なくとも3つの隣接するダイ・セグメント(2)を含み、前記ダイ・セグメント(2)は、互いに隣り合って、プリフォーム(1)のためのモールド・キャビティ(3)を形成し、前記ダイ・セグメント(2)は、圧縮の間において、隣接するダイ・セグメント(2)に沿う同一の直線または湾曲した変位の長さに沿って運動し、前記運動は、少なくとも1つのアクチュエータによって同調されていることを特徴とし、さらに、当該ラジアル・コンプレッション・モールディング装置は、少なくとも1つのピストン(4,5)をさらに含み、前記ピストン(4,5)は、前記モールド・キャビティ(3)の端部に配置されていて、圧縮の前または圧縮の後において、前記プリフォーム(1)の共通の長手軸(A)に沿って、前記モールド・キャビティ(3)の内部で前記プリフォーム(1)に向けてスライドするように配置されていることを特徴とする、ラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
(態様16)
前記ピストン(4)の遠位の端部がモールドを含み、前記モールドが、インバース・デザインを有する、態様15に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
(態様17)
前記ピストン(5)は、金属またはセラミックのティップをさらに含み、前記ティップが前記圧縮の間に前記プリフォーム(1)の端部に取り付けられる、態様15または16に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
(態様18)
前記ピストン(4,5)は、前記モールド・キャビティ(3)のインターフェースにシーリング・フィーチャ(7)をさらに含み、前記シーリング・フィーチャ(7)は、圧縮ポジションにおいて、前記モールド・キャビティ(3)をシールするために配置されている、態様15~17のいずれか1項に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
(態様19)
前記シーリング・フィーチャ(7)は、前記ピストン(4,5)の幾何学的な特徴であり、前記ピストン(4,5)と一体化しているか、前記ピストン(4,5)にシームレスに結合している、態様18に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
Claims (16)
- 繊維強化物品を形成するための方法であって、以下の工程101~105:
工程101 熱可塑性のポリマーマトリクスおよび強化繊維から構成されるコンポジット・プリフォーム(1)を提供する工程であって、前記コンポジット・プリフォーム(1)が、イニシャル・ボリュームと、イニシャル繊維オリエンテーションとを含む、工程、
工程102 少なくとも3つの隣接するダイ・セグメント(2)から構成されるラジアル・モールディング装置の内部に前記コンポジット・プリフォーム(1)をロードする工程であって、前記ダイ・セグメント(2)は、イニシャル・ボリュームを有するイニシャル・ポジションにおいて、互いに隣り合って、モールド・キャビティ(3)を形成する、工程、
工程103 前記ダイ・セグメント(2)を運動させることによって、前記コンポジット・プリフォーム(1)を成形する工程であって、前記ダイ・セグメント(2)は、前記イニシャル・ポジションと運動と圧縮ポジションとの間において、互いに直接的に接触しており、前記ダイ・セグメント(2)は、前記コンポジット・プリフォーム(1)の共通の長手軸(A)に対して垂直方向にあり、前記モールド・キャビティ(3)のイニシャル・ボリュームが減少し、前記ダイ・セグメント(2)は、前記圧縮ポジションにおいて、前記モールド・キャビティ(3)によって規定される形態まで前記コンポジット・プリフォーム(1)を圧縮し、前記圧縮ポジションでは、ファイナル・ボリュームが前記コンポジット・プリフォーム(1)のイニシャル・ボリューム以下であり、
前記成形する工程の前または前記成形する工程の後において、前記コンポジット・プリフォーム(1)の共通の長手軸(A)に沿って、少なくとも1つのピストン(4,5)を前記モールド・キャビティ(3)の内部で前記コンポジット・プリフォーム(1)に向けてスライドさせて、少なくとも一方の端部から前記モールド・キャビティ(3)をシールすることによって、前記コンポジット・プリフォーム(1)の圧縮をさらに促進させる、工程、
工程104 前記モールド・キャビティ(3)を解放する工程、および
工程105 得られる繊維強化物品(6)を前記モールド・キャビティ(3)から除去する工程であって、繊維強化物品(6)は、調整された繊維オリエンテーションを含み、連続強化繊維を前記繊維強化物品(6)の表面コンタに追従させる、工程
を含むことを特徴とする、繊維強化物品を形成するための方法。 - 前記成形する工程が、ラジアル・コンプレッション・モールディングを含む、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記成形する工程の前または前記成形する工程の間あるいは前記ラジアル・モールディング装置の内部で前記コンポジット・プリフォーム(1)をロードする前に前記ラジアル・モールディング装置の内部でマトリクス・ポリマーのガラス転移温度(Tg)または融解温度(Tm)を超える温度まで前記コンポジット・プリフォーム(1)を加熱し、前記成形する工程の間または前記成形する工程の後に前記コンポジット・プリフォーム(1)を冷却する、請求項2に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記成形する工程が、インジェクション・モールディングを含み、前記インジェクション・モールディングにおいて、得られる繊維強化物品(6)は、ファイバーインサートであり、前記ファイバーインサートは、オーバーモールディング・プロセスにおけるインサートとして使用される、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記ピストン(4)の遠位の端部がモールドを含み、前記モールドは、インバース・デザインを有し、得られる繊維強化物品(6)のエンド・ポーション(6a)において前記インバース・デザインが再現される、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記ピストン(4,5)が、前記モールド・キャビティ(3)のインターフェースにおいて、シーリング・フィーチャ(7)をさらに含み、前記シーリング・フィーチャ(7)は、前記圧縮ポジションにおいて、および/または前記成形する工程の間、前記モールド・キャビティ(3)をシールするように配置されている、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記コンポジット・プリフォーム(1)のイニシャル・ボリュームは、前記イニシャル・ポジションにおける前記モールド・キャビティ(3)のボリュームよりも小さく、前記イニシャル・ポジションにおける前記コンポジット・プリフォーム(1)の横方向の寸法は、前記圧縮ポジションにおいて得られる繊維強化物品(6)の横方向の寸法よりも大きい、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記圧縮する工程の間において、前記ダイ・セグメント(2)は、隣接するダイ・セグメント(2)に沿う同一の直線または湾曲した変位の長さに沿って運動し、前記運動は、少なくとも1つのアクチュエータによって同調されており、前記ダイ・セグメント(2)は、互いに直接的に接触している、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記コンポジット・プリフォーム(1)の繊維オリエンテーションは、予め調節することができ、前記コンポジット・プリフォーム(1)は、ファイバーインサート(11)と、複数の周囲ファイバーレイヤー(12)とを含んで成り、前記ファイバーインサート(11)は、一軸性の繊維オリエンテーションを有し、前記複数の周囲ファイバーレイヤー(12)は、所望の繊維の角度を伴う螺旋状のオリエンテーションを有する、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記コンポジット・プリフォーム(1)は、インターミングルまたはインターロックの層構造を含む、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 前記繊維強化物品が医療器具である、請求項1に記載の繊維強化物品を形成するための方法。
- 熱可塑性のポリマーマトリクスおよび強化繊維を含む繊維強化物品を形成するためのラジアル・コンプレッション・モールディング装置であって、当該ラジアル・コンプレッション・モールディング装置は、少なくとも3つの隣接するダイ・セグメント(2)を含み、前記ダイ・セグメント(2)は、互いに隣り合って、プリフォーム(1)のためのモールド・キャビティ(3)を形成し、前記ダイ・セグメント(2)は、圧縮の間において、隣接するダイ・セグメント(2)に沿う同一の直線または湾曲した変位の長さに沿って運動し、前記ダイ・セグメント(2)は、イニシャル・ポジションと運動と圧縮ポジションとの間において、互いに直接的に接触するように配置されており、前記運動は、少なくとも1つのアクチュエータによって同調されていることを特徴とし、さらに、当該ラジアル・コンプレッション・モールディング装置は、少なくとも1つのピストン(4,5)をさらに含み、前記ピストン(4,5)は、前記モールド・キャビティ(3)の端部に配置されていて、圧縮の前または圧縮の後において、前記プリフォーム(1)の共通の長手軸(A)に沿って、前記モールド・キャビティ(3)の内部で前記プリフォーム(1)に向けてスライドするように配置されていることを特徴とする、ラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
- 前記ピストン(4)の遠位の端部がモールドを含み、前記モールドが、インバース・デザインを有する、請求項12に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
- 前記ピストン(5)は、金属またはセラミックのティップをさらに含み、前記ティップが前記圧縮の間に前記プリフォーム(1)の端部に取り付けられる、請求項12に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
- 前記ピストン(4,5)は、前記モールド・キャビティ(3)のインターフェースにシーリング・フィーチャ(7)をさらに含み、前記シーリング・フィーチャ(7)は、圧縮ポジションにおいて、前記モールド・キャビティ(3)をシールするために配置されている、請求項12に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
- 前記シーリング・フィーチャ(7)は、前記ピストン(4,5)の幾何学的な特徴であり、前記ピストン(4,5)と一体化しているか、前記ピストン(4,5)にシームレスに結合している、請求項15に記載のラジアル・コンプレッション・モールディング装置。
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