(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の繊維強化ポリマー表面シートと；
前記第１及び第２の表面シートの間にあり、
（ｉ）トラスを形成している複数の群に配置され、各々が、前記第１及び第２の表面シートの間に伸びている中間部と、前記第１及び第２の表面シートに対し略平行に延びているとともに前記第１及び第２の表面シートに接合されている末端部と、を含んでおり、各群内において前記第１及び第２の表面シートの一方に隣接するノードにおいて交差する複数のピンと、
（ｉｉ）前記複数のピンを取り囲む発泡体のキャリヤと、
を含む補強コアと；
を備え、各群は３以上のピンを含む、複合サンドイッチ体。
【請求項２】
前記複数のピンの各々は炭素繊維強化樹脂を含んでいて、そして、
前記第１及び第２の表面シートの各々は炭素繊維強化樹脂の積層された複数の層を含む、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項３】
前記複数の群の各々における前記複数のピンの末端部が、組となった前記複数のピンによって形成されているノードから外側に放射状に広がっている、請求項２の複合サンドイッチ体。
【請求項４】
複数の前記ノードは互いに実質的に等距離離間している、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項５】
各群に含まれる前記３以上のピンの各々は、前記３以上のピンのうちの１以上の第１の他のピンに重なり、かつ前記３以上のピンのうちの１以上の第２の他のピンに重なられる、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項６】
前記キャリヤが硬質発泡体を含んでいる、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項７】
前記複数の群の各々における前記複数のピンは、組となった前記複数のピンによって形成されているノードの周りに互いに実質的に等距離に放射状に離間している、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項８】
前記複数の群の各々における前記複数のピンは、組となった前記複数のピンによって形成されているノードの周りに放射状に離間している、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項９】
前記ピンの末端部は前記第１及び第２の表面シートを貫通しておらず、前記ピンの末端部は前記第１及び第２の表面シートの各々の前記コアの方を向いた内面に接合されている、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項１０】
前記コアは前記第１及び第２の表面シートの熱膨張率と略一致している熱膨張率を有している、請求項１の複合サンドイッチ体。
【請求項１１】
（Ａ）．（ｉ）発泡体の層を形成し、そして、（ｉｉ）前記発泡体の層内に、交差している複数の構造ピンの複数の群を形成する、ことによってコアを製造する工程と；
（Ｂ）．前記複数のピンの端部を折り曲げる工程と；そして、
（Ｃ）．前記複数のピンの折り曲げられた端部を１対の繊維強化表面シートに接合することによって、前記コアを前記１対の表面シートに接合する工程と；
を備え、各群は３以上のピンを含む、強化複合サンドイッチ体を製造する方法。
【請求項１２】
前記複数の群の各々における前記複数のピンは、組となった前記複数のピンによって形成されているノードの周りに放射状に離間している、請求項１１の方法。
【請求項１３】
前記工程（Ａ）の（ｉｉ）は、前記複数のピンを交差する軌道に沿って前記発泡体の層内に挿入することを含んでいる、請求項１１の方法。
【請求項１４】
（Ｄ）．ある長さのグラファイトエポキシ複合材料をポリマー押出しする工程と；
（Ｅ）．前記ある長さのグラファイトエポキシ材料を部分的に硬化させる工程と；そして、
（Ｆ）．前記ある長さのグラファイトエポキシ材料を切断することによって前記複数のピンを形成する工程と；
をさらに備えている、請求項１１の方法。
【請求項１５】
前記工程（Ａ）の（ｉｉ）は、前記複数のピンを前記発泡体の層に挿入することと、前記複数のピンの端部を解すこと、を含む、請求項１１の方法。
【請求項１６】
前記工程（Ａ）が完了した後に、前記複数の構造ピンを硬化させる工程（Ｄ）をさらに備える、請求項１１の方法。
【請求項１７】
前記工程（Ｃ）が完了した後に、前記表面シート及び前記コアを圧縮し硬化させる工程（Ｄ）をさらに備える、請求項１１の方法。
【請求項１８】
請求項１１の方法によって製造された航空機サブアセンブリ。
【請求項１９】
請求項１１の方法を使用した、航空機のメンテナンス及び修理の実行。
【請求項２０】
請求項１１の方法によって製造された強化複合サンドイッチ体を使用した車両の組立て。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は大略的には複合構造に関係しており、そしてより詳細には、補強されたコアを有している複合サンドイッチ体、そして複合サンドイッチ体を製造する方法に関係している。
【背景技術】
【０００２】
複合サンドイッチ構造は、２つの表面シート間に接合されているコアの内部に構造的な補強を設けることによって強固にされえる。コア補強は、表面シート間で圧縮，引張，そしてせん断荷重を伝達する為の荷重経路を規定する構造要素を含むことができる。上記複合サンドイッチの性能は、コア補強の形式と、上記コアと上記表面シートとの間の接合の品質とに、ある程度依存している。上記コアにおいて使用されている一般的な材料は、硬質（rigid）プラスチック発泡体及びハニカム（honeycomb）を含む。ハニカムコアは良好な構造的効率を発揮する一方で、それらは、例えば、コアと周囲環境との間に差圧が生じる可能性のある、長期間の宇宙飛行のような、いくつかの用途においては、より高いコア対表面シート間荷重にさらされる可能性がある。
【０００３】
補強されていない独立気泡硬質発泡体コアは、水分やより高い温度、あるいは宇宙空間における極低温にさらされた時に、低い構造的効率を発揮する可能性がある。
【０００４】
上述したサンドイッチ構造に関連している問題は、四辺形トラスネットワーク（truss network）に配置された複数の小径のポリマー押出し（poltruded）炭素繊維／エポキシピンで補強された軽量の独立気泡ポリメタクリルイミド（ＰＭＩ：polymethacrylimide）発泡体を備えている、いわゆるＸ−ＣＯＲ構造コアの導入によって部分的に解決されている。上記Ｘ−ＣＯＲピンは、上記発泡体を越えて延びていて、上記表面シート内に埋め込まれている。Ｘ−ＣＯＲコアの変種が、２００１年９月１８日に発行された米国特許第６，２９１，０４９号（特許文献１）中に開示されており、ここにおいて上記ピンの端部が折り曲げられていてコアが接合される表面シートに対して平坦に横たわっている。
【０００５】
炭素繊維／エポキシピンを採用している上述したトラスネットワークは、幾つかの航空宇宙用途においては十分な性能を提供しない可能性がある。従って、表面シートとコアとの間に優れた接合強度が要求されている航空宇宙用途に適している、補強されたコアを有している複合構造が必要とされている。
【特許文献１】米国特許第６，２９１，０４９号
【発明の開示】
【０００６】
開示の種々この実施形態は、コアの構造的な一体性が維持されていることを確実にしている間に向上された表面シート対コアの接合強度が達成されている、複合サンドイッチ構造を提供する。このサンドイッチ構造において使用されている構造及び材料の選択は、コアと周囲の環境との間に差圧が生じることがある長期間の宇宙飛行を含む、航空宇宙用途の為に適したものである。開示されている実施形態により提供された向上された接合強度は、幅の広い範囲の温度及び水蒸気の状況において維持されえる。
【０００７】
一実施形態に従えば、複合サンドイッチ体は：第１及び第２の繊維強化ポリマー表面シートと；そして、上記第１及び第２の表面シートとの間の補強コアと、を備えている。上記コアは、トラスを形成している複数の群に配置された複数のピンと、そして、上記複数のピンを取り囲んでいるキャリヤと、を含む。上記複数のピンの各々は、上記表面シートの間に伸びている中間部と、上記表面シートに対し略平行に延びているとともに上記表面シートに対し接合されている末端部と、を含む。各群内における上記複数のピンは、上記表面シートの一方に隣接するノードにおいて交差する。
【０００８】
上記複数のピン及び表面シートは、炭素繊維で強化されたエポキシの如き樹脂を備えることができ、その結果、上記コアのトラスの熱膨張率は、上記表面シートの熱膨張率と実質的に等しい。上記複数の群の各々における上記複数のピンの末端部は、ノードから外側に放射状に広がり、そして上記複数のノードは互いに実質的に等距離離間することができる。上記ピンの複数の群は、上記表面シートの平面に対し傾斜している少なくとも３つのピンを含む。上記キャリヤは、上記表面シートの熱膨張率と略一致している熱膨張率を有している、ポリメタクリルイミド（polymethacrylimide）の如き硬質で低密度な独立気泡発泡体を含むことができる。上記キャリヤ発泡体及びグラファイト／エポキシポリマー押出しロッド格子構造（graphite/epoxy poltruded rod lattice structure）を備えている補強コアは、約６．９と約１２ポンド／立方フィート（pounds per cubic foot）との間の密度を有することができ、上記コアは、０．５と１インチとの間の厚さを有することができ、ここにおいて上記ノードは０．１６８と０．１９１インチとの間で互いに離間している。
【０００９】
もうひとつの実施形態に従えば、強化ポリマー複合構造は：１対の繊維強化ポリマー表面シートと、そして、これら表面シート間の補強コアと、を備えている。上記補強コアは、その中で複数の群に配置されている複数の構造ピンを含むことができ、そこにおいて上記複数の群の各々における上記複数のピンは、互いに交差して接触していて、上記表面シートに対して略直角に延びている中心軸の周りに離間している。上記複数の群の各々における上記複数のピンは、上記中心軸の周りに対称的に配置されることができ、そして上記表面シートに対し実質的に平行に延びているとともに上記表面シートに接合されている末端部を含むことができる。
【００１０】
方法の実施形態に従えば、強化複合サンドイッチ体は：発泡体の層を形成し、そして上記発泡体の層内に、交差している複数の構造ピンの複数の群を形成することによってコアを製造する工程と；上記複数のピンの端部を折り曲げる工程と；そして、上記複数のピンの折り曲げられた端部を１対の繊維強化表面シートに接合する工程と、を備えていることにより製造されえる。前記複数のピンの前記複数の群は、前記複数のピンを略交差する軌道に沿って上記発泡体の層内に挿入することによって形成することができる。上記方法はさらに：ある長さのグラファイトエポキシ複合材料をポリマー押出しする（poltruding）工程と；上記ある長さのグラファイトエポキシ材料を部分的に硬化させる工程と；そして、上記ある長さのグラファイトエポキシ材料を切断することによって上記複数のピンを形成する工程と、をさらに含むことができる。
【００１１】
複合サンドイッチ体は：
第１及び第２の繊維強化ポリマー表面シートと；そして、
上記第１の及び第２の表面シートの間の補強コアと、を備えていて、
この補強コアは、
（ｉ）トラスを形成している複数の群に配置され、各々が、上記第１及び第２の表面シートとの間に延びている中間部と、上記第１及び第２の表面シートと略平行に延びているとともに上記第１及び第２の表面シートに接合されている末端部と、を含んでおり、各群内において上記第１及び第２の表面シートの一方に隣接するノードにおいて交差する複数のピンと、そして、
（ｉｉ）上記複数のピンを取り囲んでいるキャリヤと、
を含んでいる。
【００１２】
上記複合サンドイッチ体では、上記複数の群の各々における上記複数のピンが、上記表面シートの平面に対して約３０度傾斜されている。
【００１３】
上記複合サンドイッチ体では、上記硬質発泡体がポリメタクリルイミド（polymethacrylimide）を含む。
【００１４】
上記複合サンドイッチ体では、上記キャリヤが独立気泡発泡体であり、上記コアが約６．９と１２ポンド／立方フィート（pounds per cubic foot）との間の密度を有する。
【００１５】
上記複合サンドイッチ体では、上記コアが約１／２と１インチとの間の厚さを有する。
【００１６】
上記複合サンドイッチ体では、複数の上記ノードが約０．１６８と０．１９１インチとの間で互いに離間されている。
【００１７】
航空機構造が上記複合サンドイッチ体を組み込んでいる。
【００１８】
強化ポリマー複合構造は：
１対の繊維強化ポリマー表面シートと；そして、
上記表面シート間の補強コアと、
を備えており、
上記補強コアは、その中で複数の群に配置されている複数の構造ピンを含んでいて、上記複数の群の各々における複数のピンは、実質的に互いに交差しているとともに上記表面シートに対して略直角に延びている中心軸の周りに離間している。
【００１９】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数の群の各々における上記複数のピンが、上記中心軸の周りに対称的に配列されている。
【００２０】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数のピンの各々が、上記表面シートに対して実質的に平行に延びているとともに上記表面シートに接合されている末端部を含む。
【００２１】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数のピンの各々の群が、少なくとも３本のピンを含む。
【００２２】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数のピン及び上記表面シートが、エポキシバインダ（epoxy binder）中に保持されているグラファイトファイバ（graphite fiber）で形成されている。
【００２３】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記コアが、上記表面シートの各々の熱膨張率に略一致している熱膨張率を有している。
【００２４】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数のピンの各々が、上記表面シートの平面に対して約３０度の角度で傾斜している。
【００２５】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記第１及び第２の表面シートの各々が、炭素繊維強化樹脂の積層された複数の層を含み、そして、上記複数のピンが、上記表面シートに対して実質的に平行に延びているとともに上記複数の層間に接合されている。
【００２６】
上記強化ポリマー複合構造においては：
上記複数のピンの夫々が、上記表面シートに対し略横断して延びている中間部と、そして、上記表面シートに対して略平行に延びている末端部とを含んでおり；そして、
上記複数の群の各々における上記複数のピンが、大略的に上記複数のピンの中間部と末端部との間の合流点（junction）において互いに交差する。
【００２７】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数の群の各々における上記複数のピンが、上記中心軸の周りに対称に配置されているとともに上記中心軸から放射状に広がっている末端部を含む。
【００２８】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記コアが、略６．９と１２ポンド／立方フィート（pounds per cubic foot）との間の密度を有する。
【００２９】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記コアの厚さが、略１／２と１インチとの間である。
【００３０】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数のピンの各々がグラファイトファイバ強化エポキシを含み、そして約０．０２０と０．０２８インチとの間の直径を有する。
【００３１】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記複数のピンの隣接する複数の群の複数の中心軸が、約０．１６９と０．１９１インチとの間で互いに離間している。
【００３２】
上記強化ポリマー複合構造においては、上記コアが、上記複数のピンを取り囲んでいるポリメタクリルイミド（polymethacrylimide）発泡体を含む。
【００３３】
航空機サブアセンブリが上記強化ポリマー複合構造を組み込んでいる。
【００３４】
開示されている種々の実施形態の他の特徴、効果、そして利点は、添付の図面及び添付の特許請求の範囲を考慮したときの、種々の実施形態の以下の記載から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
最初に図１〜図９を参照すると、参照数字３０によって指摘されている複合サンドイッチ体は、１対の外側表面シート３４，３６間に挟まれ、そしてこれら外側表面シート３４，３６に接合されている補強コア３２を備えている。表面シート３４，３６の各々は、エポキシバインダ（binder）中に保持されている、クロス（cloth）または他の形態のグラファイトファイバ（graphite fibers）の如き、繊維強化ポリマー樹脂の複数の層３８を備えることができる。
【００３６】
補強コア３２は、発泡体の軽量で低密度の層４６を備えることができるキャリヤ（carrier）内に保持された補強トラス３３を備えることができる。発泡体の層４６は、限定するものではないが、商標名ロハセル（ROHACELL）（登録商標）により知られているポリメタクリルイミド（ＰＭＩ：polymethacrylimide）硬質独立気泡発泡体を備えることができる。ロハセル（ROHACELL）（登録商標）は異なる密度及び厚さで商業的に入手可能であり、比較的低い線状の熱膨張率を有する。発泡体の層４６は、コア３２の製造中にトラス３３を定位置に保持するように機能し、また、ある程度の構造的強度をコア３２に付加することができる。
【００３７】
補強トラス３３は、図３中において最も良く見られるように、予め選定されたピッチ“ｘ”及び“ｙ”を用いて互いに規則的に離間されることができる複数の群４２に配置されている複数の構造ピン４０の配列（array）を備えることができる。１つの実施形態において、“ｘ”及び“ｙ”ピッチは等しく、複数の群４２を対角線軸４４に沿って整列させる正方ピッチになっている。
【００３８】
図５〜図８中において最も良く見られるように、ピン４０は、各群４２において中心軸５０の周りに対称的に配置されており、互いに実質的に等間隔で周方向に離間されている。複数のピン４０の各々は、表面シート３４，３６の平面に対して傾斜している中間部４０ａと、表面シート３４，３６に対し実質的に平行に延びている末端部４０ｂ，４０ｃと、を含んでいる。ピン４０の中間部４０ａは、一実施形態において約３０度とすることができ他の角度も可能である角度φ（図４）で垂直方向から傾斜されている。各群４２における複数のピン４０は、中間部４０ａが互いに交差し、かつ中心軸５０と位置合わせされているノード５２の周りに鳥の巣状に配置されるよう、配置されている。４本のピン４０が採用されることができるが、図９中に示されている別の実施形態４２ａは、ノード５２の周りに等距離に周方向に離間している３本の構造ピン４０を採用している。
【００３９】
図４中において最もよく見られるように、１つの実施形態において、末端部４０ｂ，４０ｃは、それぞれ、表面シート３４，３６の内側面に対し平行に延びており、かつ上記内側面に接合されている。図１０中に示されているように、末端部４０ｂ，４０ｃの長さ“Ｌ”は具体的な用途に依存するが、１つの実施形態においては長さ“Ｌ”は、ピン４０の直径の約４〜６倍とすることができる。後により詳細に述べるように、長さ“Ｌ”はコア３２を製造する為に用いられる製造工程によって決めることができる。
【００４０】
１つの実施形態において、ピン４０は、エポキシバインダ（epoxy binder）中に保持されたポリマー押出しグラファイト(poltruded graphite)により形成することができる。表面シート３４，３６がコア３２に接合された時、ピン４０の末端部４０ｂ，４０ｃにおけるエポキシバインダは、隣接する表面シートの層３４ａから移動（migrates）したエポキシバインダ４８と融合し（図１０）、その結果、ピン４０の端部は表面シート３４，３６の一部に接合されて上記表面シートの一部を形成する。或いは、末端部４０ｂ，４０ｃ（例えば、図１１の４０ｃを参照）は、表面シート３４，３６の隣接した層３４ａ，３４ｂの間に接合されてもよく、それによって、ピン４０の端部を表面シート３４，３６内に固定する。表面シート３４，３６との末端部４０ｂ，４０ｃの接合を向上するために、コア３２と表面シート３４，３６との間にドライフィルム接着剤（dray film adhesive）が載置される。ピン４０におけるエポキシバインダ，ドライフィルム接着剤，そして表面シート３４，３６は、硬化工程中に同じ硬化温度でそれらが融合するという、これらの調和性のために選択されるべきである。上記ドライフィルムの量及び種類は、完成した構造の強度に著しく影響を及ぼす可能性がある。
【００４１】
以下に論じるように、トラス３３を含んでいるコア３２を特徴づけている特定のパラメータの値の選択は、様々な用途の要件に合致するように容易に調整することのできる特定の耐久性及び信頼性のあるサンドイッチ構造３０を提供する。サンドイッチ構造３０を構成するにあたり特に重要なパラメータは、キャリヤ（carrier）の発泡体４６の種類，ピン４０の直径，ピン４０の(垂直方向からの)配向角φ，複数のピン４０の相互間の間隔，ピン４０の露呈高さ（reveal height）（“Ｌ”），各ピン群４２における複数のピン４０の個数，そして複数のピン４０を製造するのに用いられた材料の具体的な種類を含む。
【００４２】
図１２は、補強されていないコアを採用しているサンドイッチ構造と比較した２つの実施形態の優れた構造特性を図示している。曲線６０及び６４は、それぞれ、１２及び６．９ポンド／立方フィートの発泡体密度を使用している開示された実施形態に従っている補強コアを採用しているサンドイッチ構造３０の為の温度の関数としてのせん断強度を示している。対照的に、６２及び６６により指摘されている曲線は、それぞれ、１２及び６．９ポンド／立方フィートの補強されていないロハセル（ROHACELL）（登録商標）発泡体を使用している１／２インチコアの為のせん断強度を示す。図１２中に示されている試験結果から明らかなように、補強コア３２を採用している開示されている実施形態は、同じ密度の補強されていないコアと比較して優れたせん断強度を発揮する。
【００４３】
図１３及び図１４を参照すると、適切な接合強度を確保しそしてコア３２の割れやコア３２の他の劣化を避けるとともに、サンドイッチ構造３０の為の実質的に向上された構造特性を提供するのに用いることができるサンドイッチ構造３０のパラメータを特定するのに使用された一連の試験が実行されている。図１３中の試験結果の曲線を解析するためのキー（key）が図１４中に示されている（図１４中では：pcfは、ポンド/立方フィートであり；″はインチであり；diaは、直径であり；deg angleは、角度であり；densityは、密度であり；そして、rev highは、露呈高さである）。例えば、サンドイッチ構造は、図１３中の曲線“Ａ”によって表された試験結果をもたらした様々なパラメータの値を用いて製造されている。曲線“Ａ”によって表されている特定の実施形態は、１２．０８ポンド／立方フィート（pounds per cubic foot）の密度で１／２インチの厚さを有しているコア３２と、０．０２０インチの直径を有し垂直に対して３５度傾斜し０．０８０インチの露呈高さ（reveal height）（“Ｌ”）及び８．８のピン密度を有している複数のピン４０と、を含んでいた。図１３中に示されている試験結果を用いると、図１５中に示されているように、様々な用途のためのパラメータ群の値が明らかになった。これらのパラメータは、コア密度６８，コア厚さ７０，ピン径７２，垂直からのピン角度７４，ピン間隔（ピッチ）７６，ピン露呈長さ（pin reveal length）７８，ノード当たりのピンの数８０，そして発泡体のキャリヤ８２の種類を含む。所望の発泡体密度は、６．９と１２ポンド／立方フィートとの間にわたる。コア厚さは１／２から１インチにわたり、その間のピン径は０．０２と０．０２８インチとの間である。好適なピン角度は約３０度であり、複数のノード５２の間の正方ピッチ間隔（square pitch spacing）は０．１６８から０．１９１インチにわたる。露呈高さ（reveal height）（“Ｌ”）は、約０．０５５インチである。１ノード当たり４本のピンが採用されていて、キャリヤ発泡体は５１ＷＦ  ロハセル（ROHACELL）（登録商標）の如きＰＭＩである。
【００４４】
図１５中に示されているパラメータの値を用いて、複数のサンドイッチのサンプルに対し一連の試験が行なわれ、それらの結果が図１６〜図２３中に示されている。図１６は、ＡＳＴＭ  Ｃ−３９３に従った３点曲げせん断強度試験（three point bend shear strength test）を用いて、１／２インチのコア３２を有している様々なサンドイッチ構造３０に対して実行された複数の試験の結果を示している。ＡＳＴＭ  Ｃ−３９３は、加えられたモーメントがサンドイッチの対面している平面（sandwich facing planes）の湾曲を生じさせるような撓みにさらされた平坦なサンドイッチ構造のコアせん断特性（core shear properties）を決定するのに用いられる標準化されている試験である。グラフ（graph）８６は、６．９ポンド／立方フィートの密度を有しているトラス補強コア３２の３つの実施形態の試験結果を表しており、グラフ８４は、ロハセル（ROHACELL）（登録商標）発泡体を備えている補強されていないコアを用いた試験結果を表している。これらの試験結果は、温度の関数としてのポンド／平方インチによる平均せん断強度(average shear strength)に関して提供されている。
【００４５】
図１６中に示されている試験結果によって表されているサンプルは、ＡＳＴＭ  Ｃ３６５に従った平面方向（flat-wise）圧縮強度試験も受けており、図１７中に示されている試験結果となっている。図１７中の試験結果は、温度の関数としてのポンド／平方インチ（pounds per square inch）による圧縮強度に関して提供されている。図１８及び図１９は図１６及び図１７と同様の試験結果を示しているが、１２ポンド／立方フィートの密度を採用している試験サンプルの場合である。
【００４６】
図２０及び図２１は、３／４インチ厚のコア３２及び６．９ポンド／立方フィートの密度を有しているサンプルの比較試験結果を提供している。同様に、図２２及び図２３は、３／４インチ厚のコア及び１２ポンド／立方フィートの密度を有しているサンプルの試験結果を提供している。
【００４７】
図１６〜図２３中に示されているグラフによって表されている試験結果から明らかなように、図１５中に列挙されている範囲内のパラメータの値を採用している複数の試験サンプルは、補強されていないコアを伴っているサンドイッチ構造と比較して実質的に優れたせん断強度及び圧縮強度を呈する。
【００４８】
今度は同時に図２４〜図２６を参照すると、複合サンドイッチ体３０を製造する方法は、グラファイトファブリック（graphite fabric）またはエポキシの如きポリマー樹脂が染み込まされているグラファイトファイバ（graphite fiber）の他の形態を備えることができるプリプレグ（prepreg）を使用している表面シート３４，３６を積層することを伴う工程８８で始まる。他の実施形態においては、表面シート３４，３６は、ドライファブリック（dry fabric）または仮縫いされたファブリック(tacked fabric)のプリフォーム（preform）中に樹脂を注入する（infusing）ことによって製造することができる。次いで、工程９０において、表面シート３４，３６の畝がなくされる（debauked）。そして、工程９２において、ドライフィルム接着剤が表面シート３４，３６に適用され、上記積層体が再び畝をなくされる（debauked）。
【００４９】
これとは別に、以下の工程９６〜１１２によりコア３２が準備される。工程９６で始まって、金型及び樹脂浴（resin bath）を介して微細炭素繊維を引っ張ることを備えている、グラファイト／エポキシのポリマー押出し（poltruding）によってピン材料が作成される。上記ピン材料は、工程９８において、部分的に硬化され、そしてスプール上に巻き取られる。工程１００において、グラファイト／エポキシのピン４０は、３次元格子パターンでＰＭＩの発泡体４６の層内に挿入される。このピン挿入工程は、限定するものではないが、プログラムされているコンピュータによって操作される自動化されたツールヘッド（tool head）を含む市販化されている装置（図示しない）を使用して実行することができる。上記挿入ヘッドは、垂直からのいかなる所望の角度から上記ピン材料を挿入し、そして、この挿入に続いて、一定の長さが自動的に切断され、所望の露呈高さ（reveal height）“Ｌ”が発泡体の層４６の上面及び底面において露出されるように挿入深さが調節される。複数のピン４０が、中心軸５０の周りに割り振られている複数の軌道に沿って挿入される。図２４は、発泡体の層４６中に挿入された直後の複数のピン４０の１つを示していて、末端部４０ｃが露呈高さ（reveal height）“Ｌ”に応じて発泡体の層４６の上面の上方に伸びている。
【００５０】
次に、工程１０２において、末端部４０ｂ，４０ｃが図２５中に示されている工程で解され（flayed）、そして折り曲げられ、ここにおいては、ホットプレスプラテン（hot press platen）４７が下方へ移動して末端部４０ｃに接触し、複数のファイバを折り曲げ、そしてエポキシバインダを部分的に溶融させ、その結果として上記複数のファイバを分離し発泡体の層４６の外表面に対し平行に広げる。ピン４０は、多数の微細ファイバとポリマー押出しされた樹脂（poltruded resin）とを備えているので、上記ホットプレスプラテンによってピン４０の上記末端部に圧力が加えられた時、上記末端部における複数のファイバは、１つのまとまりとして折り曲げられる代わりに、扇の如く開かれる。工程１０８は発泡体の層４６内でのトラス３３の形成の完了を表している。
【００５１】
発泡体の層４６は、工程１０４に示されている如く購入品として調達することができるし、あるいは製造されることが出来、それに続いて発泡体の層４６は工程１０６において熱処理される。発泡体の層４６の熱処理は、発泡体が大気中の水分を吸収する傾向を有しているいくつかの場合において追加的に要求できる。発泡体の層４６の熱処理は、水分を除去するとともに、発泡体の層４６がピン４０をより良く支持し、かつコア３２の為にある程度の構造的強度を与えるように発泡体の層４６の機械的強度を向上させることができる。
【００５２】
工程１０８においてトラス３３が発泡体の層４６内に形成された状態で、コア３２は次に、トラス３３を硬化させるために、工程１１０において熱処理される。工程１１０における熱処理は、部分的に硬化されている構造ピン４０の完全な硬化という結果になる。予備成形されているコア３２は次に工程１１２において乾燥される。工程１１２における乾燥は、最終的な乾燥および積層前乾燥サイクルが後に続く最初の乾燥工程を含むことができる。この２段階乾燥サイクルの目的は、予備成形されているコア３２中のいかなる残留水分をも除去することと、補強トラス３３が完全に硬化されることを確実にすることである。最初の乾燥工程は、予め定められたスケジュールに従って時間とともに温度を連続的に上昇させることを備えていてもよいが、正確なスケジュールは用途による。最終的な乾燥工程は、コア３２を一定時間一定の温度に、例えば、１つの実施形態においては、８〜２４時間華氏２５０度の温度に、さらすことを含む。
【００５３】
工程９４では、完全に形成され、かつ硬化されたコア３２が表面シート３４上に置かれ、次にドライフィルム接着剤の層がコア３２の残りの露出されている表面に適用される。ドライフィルム接着剤は、例えば、サイテック（Cytec）から入手可能なＦＭ３００フィルム接着剤として市場で知られている華氏３５０度硬化エポキシフィルム接着剤を備えることができる。工程１１４における畝の除去（debaulking）に引き続き、工程１１６中に示されているように、第２の表面シート３６がコア３２の露出されている残りの表面に適用される。最後に、工程１１８において、サンドイッチ構造３０が圧縮され、そして硬化される。
【００５４】
開示された実施形態は、種々の潜在的な用途、特に、例えば、航空宇宙用途及び自動車用途を含む輸送業界、において使用を見出すことができる。従って、今度は図２７及び図２８を参照すると、開示されている実施形態は、図２７中に示されているような航空機製造及びサービス方法１２０および図２８中に示されているような航空機１３６の関連で用いることができる。開示されている実施形態の航空機用途は、例えば、限定するものではないが、胴体外皮（fuselage skins），翼外皮（wing skins），操縦翼面（control surfaces），ハッチ（hatch），床パネル，ドアパネル，アクセスパネル（access panel），そして尾翼（empennage）からその他多数の複合補強部材までを含んでもよい。試作段階において、例示的な方法１２０は、航空機１３６の仕様及び設計１２２と材料の調達１２４とを含んでもよい。製造中には、構成部材（component）及びサブアセンブリの製造１２６と、航空機１３６のシステム統合（system integration）１２８とが行われる。その後、航空機１３６は、就航（in service）１３２させるために、認証（certification）及び搬送(delivery)１３０が行われる。顧客による使用中、航空機１３６は定期的な維持管理(maintenance)及び点検修理(service)１３４の予定が組まれる（この予定には、改造（modification），再構成（reconfiguration），再磨き（refurbishment），そしてその他も含んでよい）。
【００５５】
本発明の好適な方法は、航空機の胴体の支持フレーム構造における熱可塑性複合補強部材を形成するのに良く適している。熱可塑性複合補強部材の潜在的な例は、限定するものではないが、胴体外皮，翼部外皮，操縦翼面，ドアパネル，そしてアクセスパネルを含む。補強部材は、限定するものではないが、キールビーム（keel beam），床ビーム（floor beam），そしてデッキビーム（deck beam）を含む。単に例示することを目的として、本発明は、当初は、民間用航空機胴体において使用される熱可塑性複合床ビーム２０を形成することに関して説明される。しかしながら、Ｉ字状断面が示されているが、Ｚ字状断面，Ｕ字状断面，Ｔ字状断面，その他の如き補強部材幾何形状も、それらの長さに沿う湾曲を有しているものも含め、後述する。
【００５６】
方法１２０の複数の工程の各々は、システム統合者（system integrator），第３者（third party），及び／又は運用者（operator）（例えば、顧客）によって実行または実施されることができる。この説明の目的のために：システム統合者は、限定するものではないが、どのような数の航空機製造会社及び主なシステム下請け業者（subcontractor）を含むことができ；第３者は、限定するものではないが、どのような数の販売業者（vender），下請け業者（subcontractor），そして供給業者（supplier）を含むことができ；そして、運用者は、航空会社（airline），リース会社（leasing company），軍隊（military entity），サービス組織(service organization)などであることができる。
【００５７】
図２８中に示されているように、例示的な方法１２０によって製造された航空機１３６は、複数のシステム（system）１４２及びインテリア(interior)１４０を伴っている機体１３８を含むことができる。高水準システム１４２の例は、推進システム１４８，電気系統（electrical system）１４４，油圧系統（hydraulic system）１５０，そして環境システム（environmental system）１４６のうちの１つ又はそれ以上を含む。どのような数の他のシステムも含ませることができる。航空宇宙の例が示されたが、本発明の原理は、自動車産業の如き他の産業にも適用されることができる。
【００５８】
ここにおいて具体化されている装置は、製造及びサービス方法１２０の１つ又はそれ以上のいかなる段階においても採用されることができる。例えば、製造工程１２６に対応している構成部材（component）又はサブアセンブリは、航空機１３６が就航中に行なわれる構成部材（component）又はサブアセンブリと同様に組み立て又は製造されることができる。また、１つ又はそれ以上の装置の実施形態は、例えば航空機１３６の組立てを実質的に早めることにより、または、航空機１２６のコストを実質的に低減することにより、製造段階１２６及び１２８の間に利用することができる。同様に、航空機１３６が稼働中に、例えば、限定するものではないが、維持管理（maintenance）及び点検修理（service）１３４の間に、１つ又はそれ以上の装置の実施形態を利用することができる。
【００５９】
開示された複数の実施形態は、いくつかの例示的な実施形態に関して説明されていたが、当業者には他の変形例が思い浮かぶように、具体的な実施形態は例示目的であり限定のためではないことを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】１つの実施形態に従っている、補強コアを有している複合サンドイッチ体の断面図である。
【図２】図１中に示されているコアの補強トラス形成部分の等角斜視図である。
【図３】図２中に示されている方向３−３で見たトラスの平面図である。
【図４】図１中に示されている複合サンドイッチ体の拡大された断面図である。
【図５】図２中に示されているコアにおいて使用されている複数のピンの１つの群の等角斜視図である。
【図６】図５中に示されている方向６−６における図である。
【図７】図６中に示されている方向７−７における図である。
【図８】図６中に示されている方向８−８における図である。
【図９】３本のピンを採用している１つのピン群の別の構造を示している図６と同様な図である。
【図１０】図１中に示されているサンドイッチ構造において表面シートに接合されているピンの末端部を示している断面図である。
【図１１】表面シートの隣接する複数の層の間に接合されているピンの末端部を示している図１０と同様な図である。
【図１２】補強されていない発泡体コアと比較した、補強コアを採用しているサンドイッチ構造のせん断強度における改善を図示しているグラフである。
【図１３】開示されている実施形態を含んでいる、サンドイッチ構造のせん断強度を決定するのに使用された３点曲げ試験の結果を示しているグラフである。
【図１４】図１３中に示されているグラフを解析するのに使用されるキー（key）である。
【図１５】開示されている実施形態を特徴付けているキーパラメータの値を示している表である。
【図１６】補強されていない発泡体コアを採用しているサンドイッチ構造と比較した、サンドイッチ構造の種々の実施形態において為された試験の１つ結果を示すグラフである。
【図１７】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図１８】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図１９】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図２０】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図２１】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図２２】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図２３】補強されていない発泡体コアを採用している複合サンドイッチ体と比較した、この発明の様々な実施形態に従った複合サンドイッチ体に対して実行した種々の試験の１つ結果を示すグラフである。
【図２４】複数のピンが発泡体コア中に挿入されピンの末端部が補強コアから突出していてピンが解される前である、製造方法における中間工程を示している断面図である。
【図２５】加熱されたプラテンがピンの末端部を折り曲げ、そして解す、前記製造方法におけるもう１つの工程を示している。
【図２６】前記複合サンドイッチ体を製造する方法を図示している流れ図である。
【図２７】航空機製造及びサービス手順の流れ図である。
【図２８】航空機のブロック図である。
【符号の説明】
【００６１】
３０…複合サンドイッチ体、３２…補強コア、３３…補強トラス、３４…外側表面シート、３４ａ，３４ｂ…層、３６…外側表面シート、３８…複数の層、４０…構造ピン、４０ａ…中間部、４０ｂ，４０ｃ…末端部、４２…群、４２ａ…別の実施の形態、４４…対角軸、４６…発泡体の層、４７…ホットプレスプラテン、４８…エポキシバインダ、５０…中心軸、５２…ノード、６０，６２，６４，６６…曲線、６８…コア密度、７０…コア厚さ、７２…ピン径、７４…垂直方向からのピン角度、７６…ピン間隔（ピッチ），７８…ピン露呈長さ、８０…ノード当たりのピンの数、８２…発泡体のキャリヤ、８４，８６…グラフ、１２０…航空機製造及びサービス方法、１２２…仕様及び設計、１２４…材料の調達、１２６…構成部材及びサブアセンブリの製造、１２８…システム統合、１３０…認証及び搬送、１３２…就航、１３４…維持管理及び点検修理、１３６…航空機、１３８…機体、１４０…インテリア、１４２…システム、１４４…電気系統、１４６…環境システム、１４８…推進システム、１５０…油圧系統。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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