(57)【要約】【課題】CRP試料、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも1つの特性パラメータを測定するための改善方法を提供する。【解決手段】本発明は、CRP試料（3、4）、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも１つの特性パラメータを測定する方法に関し、試料（3、4）を準備する工程と、予め定められた周波数帯の電磁波を試料（3、4）に照射する工程と、試料（3、4）と電磁波との間の相互作用をデータ(20)として記録する工程と、記録されたデータ(20)から少なくとも１つの特性パラメータを測定する工程とから構成される。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
CRP試料（3、4）、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも１つの特性パラメータの測定方法であって、
前記試料（3、4）を準備する工程と、
前記試料（3、4）に予め定められた周波数帯の電磁波を照射する工程と、
前記試料（3、4）と前記電磁波との間の相互作用をデータ(20)として記録する工程と、
記録された前記データ(20)から少なくとも１つの前記特性パラメータを測定する工程とから構成される測定方法において、
前記試料（3、4）の個々の表面領域毎に、相互作用した前記電磁波の強度（Ｉ１、Ｉ２、...ＩＮ）を前記データ(20)として記録し、
前記試料（3、4）の空気含有量、前記試料（3、4）の樹脂含有量、前記試料（3、4）の表面仕上、前記試料（3、4）の凹凸面の深さ、前記試料（3、4）の空気分布及び／または前記試料（3、4）の樹脂分布が前記特性パラメータによって表され、
所定の強度範囲に一致するそれぞれの前記強度（Ｉ１、Ｉ２、...ＩＮ）が合算され、前記試料（3、4）の前記空気分布及び／または前記樹脂分布が測定されることを特徴とするCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項２】
CRP試料（3、4）、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも１つの特性パラメータの測定方法であって、
前記試料（3、4）を準備する工程と、
前記試料（3、4）に予め定められた周波数帯の電磁波を照射する工程と、
前記試料（3、4）と前記電磁波との間の相互作用をデータ(20)として記録する工程と、
記録された前記データ(20)から少なくとも１つの前記特性パラメータを測定する工程とから構成される測定方法において、
前記試料（3、4）の個々の表面領域毎に、相互作用した前記電磁波の強度（Ｉ１、Ｉ２、...ＩＮ）を前記データ(20)として記録し、
前記試料（3、4）の空気含有量、前記試料（3、4）の樹脂含有量、前記試料（3、4）の表面仕上、前記試料（3、4）の凹凸面の深さ、前記試料（3、4）の空気分布及び／または前記試料（3、4）の樹脂分布が前記特性パラメータによって表され、
所定の強度範囲に一致するそれぞれの前記強度（Ｉ１、Ｉ２、...ＩＮ）が個々の前記表面領域についての分布の均一性に関して分析され、前記試料（3、4）の前記樹脂分布及び／または前記空気分布が判定されることを特徴とするCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項３】
前記試料（3、4）と相互に作用した前記電磁波は、前記データ(20)として記録する前に、顕微鏡(15)を通過することを特徴とする請求項１または２に記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項４】
前記電磁波の周波数帯は、可視光の範囲で選択されることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項５】
前記データ(20)は、CCDカメラ(17)を用いて記録され、記憶装置に保存されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項６】
記録された前記データ(20)は、１つ以上の基準データと比較され、
少なくとも１つの前記特性パラメータは、前記データ(20)に実質的に一致する前記基準データに応じた所定値と等しくされることを特徴とする請求項１乃至５の何れかに記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項７】
前記基準データは、前記試料（3、4）の前記空気含有量、前記試料（3、4）の前記樹脂含有量、前記試料（3、4）の前記表面仕上、前記試料（3、4）の前記樹脂分布及び／または前記空気分布、及び／または前記試料（3、4）の前記凹凸面の前記深さの尺度として使用されることを特徴とする請求項６に記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項８】
少なくとも１つの前記特性パラメータは、使用される前記尺度に応じて個別に重み付けされることを特徴とする請求項７に記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項９】
複数の前記特性パラメータが測定され、重み付けされて合算され、その合計値は前記試料（3、4）の品質の尺度として使用されることを特徴とする請求項８に記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【請求項１０】
前記試料（3、4）の側面(11)には、前記電磁波が照射され、CRP繊維は、前記側面(11)と実質的に垂直に配設されていることを特徴とする請求項１乃至９の何れかに記載のCRP試料の特性パラメータの測定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、CRP試料、特に航空宇宙用プリプレグ材料試料が有する少なくとも１つの特性パラメータの測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本発明は、あらゆる所望の炭素繊維強化プラスチック(CRP、Carbon Reinforced Plastics)試料に適用され得るが、本発明及び本発明が対象とする問題は、一方向性（UD、Uni-Directrical）プリプレグ材試料に関して以下に詳細に説明される。
特に航空宇宙の分野では、低質量であると同時に高強度であるが故に、UDプリプレグ材料から形成される大きなサイズのCRP部品が多用されつつある。UDプリプレグ材料は、未硬化の熱硬化性ポリマーマトリックスとから成る半仕上げの製品であり、連続繊維はx、y両方向に延設されていても良く、一方向性の材料と織物状の材料の両方何れでも良い。使用されるUDプリプレグ材料の品質は、例えば空気含有量、表面仕上、または樹脂分布のパラメータによって表すことが可能であり、生産しようとする大きなサイズのCRP部品の信頼性、特に強度の決め手となる。この点で、UDプリプレグ材料を加工する前に、その品質を検査することが必要である。
【０００３】
UDプリプレグ材料の防水性、即ち含浸の度合いを測定するための吸水試験が広く知られている。この目的のために、まず、UDプリプレグ材料試料の重量を計測し、試料が１５ｍｍ幅ではみ出すように２枚のプレートの間に固定する。このように構成したものを繊維の方向に水槽内に５分間吊り下げる。そして、各プレートを取り外した後に、試料の重量を再び計測し、質量の違いが含浸度の測定値として使用される。吸水量が少ないほど防水性、即ち含浸度が高い。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
吸水試験には、例えば、UDプリプレグ材料内の樹脂分布またはUDプリプレグ材料の表面仕上に関していかなる結論も得ることができないという問題があることが判明した。吸水試験は、単に全体的な効果に関する情報を提供するだけであり、個々の関連する変数または特性パラメータを識別することはできない。
このような背景に対し、本発明は、CRP試料、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも1つの特性パラメータを測定するための改善方法を提供するという目的に基づいてなされた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明によれば、この目的は、請求項１の特徴を備える方法によって達成される。
従って、CRP試料、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも１つの特性パラメータを測定するための方法が提供され、この方法は、試料を準備する工程と、試料に予め定められた周波数帯の電磁波を照射する工程と、試料と電磁波との間の相互作用をデータとして記録する工程と、記録されたデータから特性パラメータを測定する工程とから構成される。
【０００６】
従って、本発明は、この方法によって試料が有する少なくとも１つの特性パラメータを測定できるという、始めに述べた手法に優る利点を有する。このため、本発明による方法によれば、測定されるのは試料の全体的な効果に関する情報ではなく、試料の特定の特性が直接的に測定される。このような特性パラメータを知ることによって、例えばCRPから形成される部品に見込まれる強度に関して更に正確な調査結果を得ることができる。更に、本発明による方法によって、例えばCRP内の空気含有量が過剰となるといった欠陥の要因を簡単に測定できることから、CRP材料メーカーは欠陥を簡単になくすことができる。
【０００７】
更にまた、本発明の有効な改良及び変更は従属請求項によって知ることができる。
本特許出願では、データは種々の画像であっても良い。
本発明の好ましい展開によれば、試料と相互に作用した電磁波は、データを記録する前に、顕微鏡を通過する。これにより、データの解像度を顕微鏡によって効果的に増大させることができ、これによって測定すべき特性パラメータの精度が増大する。
【０００８】
本発明の更に好ましい具体的な実施の形態によれば、電磁波の周波数帯は、可視光の範囲で選択される。これにより、上記方法を極めて単純にすることができる。但し、これに代えて、例えば紫外線またはＸ線等の他のあらゆるタイプの電磁波を用いることにより、試料の成分、即ち、例えば空気含有量及び／または樹脂含有量のより適正な記録を可能とし、或いは成分の相違の識別を改善する様にしても良い。
【０００９】
本発明の更に好ましい展開によれば、データは、CCDカメラを用いて記録され、記憶装置に保存される。これにより、極めて容易なデータを可能とし、データを評価するための記憶装置の下流に設けられた評価装置に向けてデータを容易に供給することができる。
本発明の更に好ましい具体的な実施の形態によれば、試料の様々な表面領域に対応し、これらの表面領域と相互に作用した電磁波の強度は、データとして記録される。試料は、１つ以上の表面領域を有し、各領域は構成、即ち、例えば領域毎の空気含有量、或いは領域毎の表面仕上が相違していることにより、試料に当たった電磁波は様々な強度で反射する。少なくとも１つの特性パラメータは、この様な電磁波の様々な強度に基づき測定することが可能である。
【００１０】
これに代えて、試料に相互作用した電磁波の波長を分析して、少なくとも１つの特性パラメータを確認することもできる。
発明の更に好ましい展開によれば、特性パラメータは、試料の空気含有量、試料の樹脂含有量、試料の表面仕上、試料内の凹凸面（roving interfaces）の深さ、試料内の空気分布及び／または試料内の樹脂分布を表す。ここで記載した特性は、構成要素の試料に関連した製品の信頼性、特に強度に対して極めて重要である。
【００１１】
好ましくは、それぞれの強度のうち、予め定められた強度の範囲と一致する強度は、試料の空気含有量及び／または樹脂含有量を測定するために合算される。これにより、非常に単純な方法で、調査中である試料の表面の単位面積あたりの空気含有量を測定することができる。単位面積あたりの空気含有量または樹脂含有量に基づいて、体積及び／または質量あたりの空気含有量、或いは、体積及び／または質量による樹脂含有量を非常に簡単な方法で確認することができる。
【００１２】
発明の更に好ましい具体的な実施の形態によれば、それぞれの強度のうち、予め定められた強度の範囲と一致する強度が様々な表面領域に対する樹脂分布及び／または空気分布の均一性に関して分析され、試料の樹脂分布及び／または空気分布が測定される。この目的のために、調査しようとする試料の表面が例えば複数の別々の表面領域に分割され、表面領域毎に樹脂含有量及び／または空気含有量が測定される。次に、樹脂含有量及び／または空気含有量の分散が計算されることにより、樹脂及び／または空気の均一な／不均一な分布を確認することが可能となる。
【００１３】
発明の更に好ましい展開によれば、記録されたデータが、１つ以上の基準データと比較され、記録されたデータと実質的に一致する基準データに応じた所定量が特性パラメータとされる。この方法により、記録されたデータを非常に簡単に分類することができる。記録されたデータに割り当てられる特性パラメータには、例えば、数値１、２、または３が付与され、１は不十分な表面仕上に相当し、２は十分な表面仕上に相当し、３は優れた表面仕上に相当する。
【００１４】
好ましくは、基準データは、試料の空気含有量、樹脂含有量、表面仕上、樹脂分布及び／または空気分布、及び／または凹凸面の深さの測定値として使用される。例えば、試料における１、５、または７％の空気含有量に相当する基準データを記録されたデータと比較することにより、特性パラメータには数値１、５または７を割り当てることができる。
発明の更に好ましい具体的な実施の形態では、少なくとも１つの特性パラメータは、使用される尺度に応じて個別に重み付けされる。例えば、ともに試料の特性パラメータの候補である試料の樹脂含有量と表面仕上とは、調査される試料の品質に与える影響が大きい場合と小さい場合とがある。重み付けは、この事実を考慮した簡単な手法である。
【００１５】
好ましくは、複数の特性パラメータが測定され、重み付けされて合算され、その合計値は試料の品質の目安として使用される。このように判定される品質は、試料が関連する材料に見込まれる強度について非常に有益な情報とすることができる。
発明の更に好ましい展開によれば、試料は吸水試験で検査されている別の試料と同じ部分から採取され、少なくとも１つの特性パラメータが吸水試験から得られた結果に割り当てられる。これにより、吸水試験を有する本発明の方法による結果を吸水試験と効果的に相関させることができる。このことは、各試験によって得られる品質または効果を標準化する上で有利である。
【００１６】
発明の更に好ましい展開によれば、試料の横断面に電磁波が照射される。横断面は、試料の内部構成を明らかにする上で有効である。好ましくは、横断面は繊維の方向に直角に設けられる。このような横断面は、個々の繊維の間の表面領域を明確に示しており、生産しようとする部品の品質に大きな影響を及ぼす。
一般に、ここで述べる例えば測定または比較のような評価作業は、何れも評価装置、特にコンピュータ装置によって実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、試料を採取する状態を示す。
【図２】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、試料ホルダに試料を載置した状態を示す。
【図３Ａ】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、試料が有する少なくとも１つの特性パラメータを測定する際の状態を示す。
【図３Ｂ】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、試料の特性パラメータを測定する際の更にもう一つの状態を示す。
【図４】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、基準試料の空気分布、及び／または、空気含有量を表す２つの基準データを示す。
【図５】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、基準試料の樹脂分布、及び／または、樹脂含有量を表す２つの更なる基準データを示す。
【図６】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、基準試料の表面仕上を表す２つの更なる基準データを示す。
【図７】本発明の具体的な実施形態に係る方法において、凹凸面の深さを表す２つの更なる基準データを示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、添付の図を参照し、具体的な実施形態に基づいて以下に詳細に説明される。
全ての図において、同一又は機能的に同一の要素には、別のものが示されていない限り、同一の符号が付されている。
図１は、本発明の具体的な実施形態による方法において試料を採取する第１の状態を一例として示している。
【００１９】
UDプリプレグ材料からなるシート状の部材１が第１工程において準備される。部材１の繊維は、好ましくは方向２に延び、複数の試料が部材１から採取される。
試料３〜８は、適切な型によって部材１から切り取られる。試料３，４は、略長方形状をなし、これらの長手方向が繊維方向２に対して直角になっている。これに対し、略長方形の試料５〜８の長手方向は繊維方向２になっている。
【００２０】
図２に示されるように、試料３は試料ホルダ１０に平坦に載置される。試料３の一方の側面１１の繊維は、この場合Ｚ方向、即ち側面１１に垂直に延びている。ここで、試料ホルダ１０は屈曲状態に形成され、試料３はその屈曲体の１辺１２に接して平坦に載置される。
次に、本実施形態では、図３Ａに示されるように、試料３が載置された試料ホルダ１０は、移動テーブル１３に配置される。移動テーブル１３をxy平面で移動させるように設計されたコントローラ１６によって、試料はリングライト１４、顕微鏡１５及び電荷結合素子（CCD）カメラ１７から成る構造物の下に位置付けられる。この位置決めは自動的に実行されるのが好ましい。
【００２１】
冷光源２１は、リングライト１４に電磁波、例えば白色光を供給する。リングライト１４で放たれる電磁波は、試料３の側面１１に衝突し、反射して顕微鏡１５に入り、顕微鏡に接続されたCCDカメラ１７によって記録される。CCDカメラは、記録される電磁波に応じて電子データ２０を生成する。電子データ２０はコンピュータ装置１９にケーブル１８によって供給される。供給されたデータ２０は、記憶装置に保存され、その後コンピュータ装置１９の評価ユニットによって評価される。
【００２２】
図３Ｂは、データ２０の一例を示している。側面１１に割り当てられるデータ２０は、グリッド２２の形をなしている。グリッド２２によって側面１１の同じ大きさの表面領域に割り当てられるデータ位置Ｏ１、Ｏ２、・・・、ＯＮが定められている。表面領域によって反射され、CCDカメラによって記録された光の強度Ｉ１、Ｉ２、・・・、ＩＮは、それぞれデータ位置Ｏ１、Ｏ２、・・・、ＯＮに保存される。従って、記録されたデータ２０を例えば白から黒までのグレーの様々な色合いで示すことができる。
【００２３】
そして、予め定められた強度の範囲と一致する強度は、例えば、側面１１内の空気含有量を測定するために合算される。その代わりに、または、加えて、一致する強度を有した各データ位置Ｏ１、Ｏ２、・・・、ＯＮの数をカウントしても良い。例えば、側面１１中の空気に対応するような灰色の領域の予め定められた強度の範囲を定めるため、基準試料に基づく校正を前もって実行しても良い。
【００２４】
樹脂含有量には、電磁波の異なる強度Ｉ１、Ｉ２、・・・ＩＮを割り当てることができるので、樹脂含有量を空気含有量と簡単に区別することができる。樹脂含有量の測定は、予め定められた強度範囲の違いだけが空気含有量の測定と異なる。
試料の樹脂分布及び／または空気分布を測定するために、例えば、それぞれ等しい数のデータ位置Ｏ１、Ｏ２、・・・、ＯＮを有する領域Ｂ１、Ｂ２、・・・ＢＮが定められる。各々の領域Ｂ１、Ｂ２、・・・ＢＮ内の樹脂含有量及び／または空気含有量は、上述の方法で測定される。領域Ｂ１、Ｂ２、・・・ＢＮにおける空気含有量の相違は、試料内の樹脂及び／または空気の分布の均一／不均一に対応する。
【００２５】
或いは、図４〜７に示されるように、記録されたデータ２０を各基準データと比較しても良い。
図４は、基準データの一例、即ち基準試料の画像４１、４２、４３を示す。これらはそれぞれ約１６％の過度の空気含有量、約６％の許容できる空気含有量、約１％の好ましい空気含有量を有する。記録されたデータ２０は、コンピュータ装置の比較装置で、基準データ４１、４２、４３と比較される。記録されたデータ２０が最も一致する基準データ４１、４２、４３に応じて、試料の空気含有量を表す特性パラメータには、例えばそれぞれ数値１、２、３が割り当てられる。
【００２６】
図５は、更に基準データ５４、５５の一例を示す。基準データ５４は、基準試料における非常に不均一な樹脂分布に相当し、基準データ５５は、基準試料における許容できる均一な樹脂分布に相当する。試料の樹脂分布を表す特性パラメータには、図４に示される方法と同様の手法で数値が割り当てられる。
図６は、更に表面仕上の特性パラメータを表す３つの基準データ６１、６２、６３の一例を示す。基準データ６１、６２、６３は、それぞれ基準試料の許容できない表面仕上、許容できる表面仕上、好ましい表面仕上を表している。この場合の表面仕上に関する特性パラメータの測定は、図４に関して説明した方法に類似する方法で行われる。
【００２７】
図７は、基準データ７１、７２の一例を示す。基準データ７１は、許容できない凹凸面を有した試料に相当し、基準データ７２は、許容できる凹凸面を有した試料に相当する。凹凸面は、一般的にプリプレグ材料の生産中に発生する。凹凸面の深さＴを表す特性パラメータは図４に関して説明した方法に類似する方法で測定される。
次に、各特性パラメータには、試料の品質、例えば生産される部品の強度に関する品質の重要性に従って、異なる重み付けを行っても良い。次に、重み付けされた特性パラメータは合算され、その合計値は試料の品質の測定値として使用される。試料のできるだけ有益な品質値を測定するために、他の演算が考えられることは言うまでもない。品質に関して測定される数値は、例えば、メーカーにプリプレグ材料を返品するための、または、プリプレグ材料をより低価格の部材に加工するための測定基準として使用することができる。
【００２８】
試料５、６、７、８は、吸水試験によって検査しても良い。この試験の結果は、試料３及び４の品質に関して測定された値に割り当てられる。例えば、吸水試験によって測定された５の含浸度合いが本発明による方法で測定された２０〜３０の範囲における品質に対応している。この結果、たとえ本発明による方法がより大幅に精度が良かったとしても、別の試験の間での特定の関連付けを行うことが可能となる。
【００２９】
本発明は、CRP試料、特に航空宇宙用プリプレグ材料の試料が有する少なくとも1つの特性パラメータの測定に関して、図に示された特定の方法に限定されるものではない。
個々の工程からなる本発明による一連の方法は、種々変更することが可能である。個々の工程の形態もまた変更することが可能である。
例えば、本発明による方法で分析される試料の側面を繊維の方向に対して斜めに設けても良い。
【００３０】
本発明による方法、即ち、例えばCCDカメラの下への試料の位置決めプロセスの他に試料の取得などの完全自動化は、手動による手法よりも好ましい。
本発明は、例えばCRP試料のように別々の方向に延びる繊維を有する試料に適用することもできることは言うまでもない。
更にまた、本発明による方法によって、別の材料、特にグレア（GLARE）のような繊維補強材料の試料の分析が可能である。
【符号の説明】
【００３１】
１  部材
２  繊維の方向
３  試料
４  試料
５  試料
６  試料
７  試料
８  試料
１０  試料ホルダ
１１  側面
１２  辺
１３  移動テーブル
１４  リングライト
１５  顕微鏡
１６  コントローラ
１７  CCDカメラ
１８  ケーブル
１９  コンピュータ装置
２０  データ
２１  冷光源
２２  グリッド
４１・・・７２  基準データ
Ｔ    凹凸面の深さ
Ｏ１、Ｏ２、・・・、ＯＮ  データ位置
Ｉ１、Ｉ２、・・・ＩＮ  強度
Ｂ１、Ｂ２、・・・ＢＮ  領域
【図１】
2009544935.tif 000003
【図２】
2009544935.tif 000004
【図３Ａ】
2009544935.tif 000005
【図３Ｂ】
2009544935.tif 000006
【図４】
2009544935.tif 000007
【図５】
2009544935.tif 000008
【図６】
2009544935.tif 000009
【図７】
2009544935.tif 000010
【国際調査報告】
2009544935.tif 000011
2009544935.tif 000012
2009544935.tif 000013