(57)【要約】      （修正有）【課題】新規なセル構造を有する、連続的な厚み方向補強材により強化された複合材構造体、及びこれを製造する方法の提供。【解決手段】複合材製品（３００）は、ファイバトウ（３０２）と、当該ファイバトウ（３０２）間で引出される材料を含むネットワーク（３０４）とを備える。ネットワーク（３０４）は、複合材製品（３００）における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成することにより、樹脂注入複合材料を強化して、ファイバの破断を生じさせない連続的な厚み方向補強材により、構造体を形成することができる。【選択図】図３Ａ
2019206172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のファイバトウ（３０２）と、
複数のピラー（３０８）によって接続された複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）を含むネットワーク（３０４）と、を含み、
前記複数のピラー（３０８）の各々は、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引出されて、前記複数のファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる１つの空隙（３１０）を通り、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）と、前記複数のレイヤのうちの他の１つ（３０６ｂ）とを接続し、
前記ネットワーク（３０４）は、前記複合材製品（３００）における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成する、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項２】
複数のプライ（３１２）を含み、
前記複数のプライ（３１２）の各々は、前記複数のファイバトウ（３０２）と、複数の異なる前記空隙（３１０）とを含み、
前記複数のプライ（３１２）のうちの少なくとも１つは、前記複数のピラー（３０８）によって接続された前記複数のレイヤのうちの２つ（３０６ａ，３０６ｂ）の間にあり、
前記複数のレイヤのうちの前記１つのレイヤ（３０６ａ）から引出された前記複数のピラー（３０８）は、前記２つのレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の間の前記少なくとも１つのプライ（３１２）における複数の異なる空隙（３１０）を通る、請求項１に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項３】
前記複数のファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）は、複数のプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）、又は、レイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）に設けられており、前記複数の空隙（３１０）は、前記複数のレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）、又は、プライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）を貫通しており、前記複数の空隙（３４２）は、複数の異なるレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）、又は、プライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）におけるファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）によって境界付けされている、請求項１又は２に記載の複合材製品（３００ｂ）。
【請求項４】
前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、又は、前記複数のピラー（３０８）、又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）及び前記複数のピラー（３０８）は、付加製造に用いられる材料（３１４）を含む、請求項１〜３のいずれか１つに記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項５】
前記複数のファイバトウ（３０２）の各々は、少なくとも２ｍｍの直径を有するとともに、少なくとも１０００本のファイバを含み、
前記複数のプライ（３１２）の各々は、２〜１０ｍｍの範囲の厚み（Ｔ３）を有し、
前記複数のピラー（３０８）は、平均直径（Ｄaverage）を有し、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の各々は、２〜５ｍｍの範囲の厚みを有し、
前記複数のピラー（３０８）の各々は、１〜３ｍｍの範囲の長さ（Ｌ）を有し、
前記複合材製品（３００）は、１ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の総厚み（Ｔ）を有する、請求項２に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項６】
前記複数のプライ（３１２）に含まれる前記複数のファイバトウ（３０２）は、編組布、織布、ノンクリンプ布、又は、一方向テープを形成するように配置されている、請求項２に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項７】
前記複数のプライ（３１２）間の隙間を埋めるとともに、前記複数のピラー（３０８）、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）及び前記複数のピラー（３０８）に接合されている樹脂をさらに含む、請求項２に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項８】
前記複数のレイヤ、前記複数のピラー（３０８）、又は、前記複数のピラー（３０８）及び前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）は、樹脂との機械的結合を促進する凹凸面を有する、請求項７に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項９】
前記複数のピラー（３０８）は、基部（３１８）においてより太く、当該基部において、前記ピラーが、前記複数のレイヤのうちの前記１つ（３０６ａ）から引出されており、
前記複数のピラー（３０８）は、前記複数のレイヤのうちの前記１つ（３０６ａ）から前記複数のレイヤのうちの前記他の１つ（３０６ｂ）まで傾斜している、請求項１〜８のいずれか１つに記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１つに記載の前記複合材製品（３００）を含むジョイント（１００２）。
【請求項１１】
（ａ）最初にｘ−ｙ面（４１２）にて移動し、その後ｚ方向（４１４）に移動するように、供給口（４５０）とベースレイヤ（４０８）とを相対移動させながら、前記供給口から前記ベースレイヤ（４０８）に対して材料（３１４）を付着させて、前記ベースレイヤ（４０８）にアンカー（３１６）を形成し、
（ｂ）前記供給口（４５０）から前記材料（３１４）を供給することなく、前記供給口と前記ベースレイヤ（４０８）とを相対移動させることによって、前記アンカー（３１６）の一部を引いてピラー（３０８）を形成し、
（ｃ）前記供給口（４５０）が前記ベースレイヤ（４０８）における次の位置（７０２）の上方に配置されるように前記供給口（４５０）と前記ベースレイヤ（４０８）とを相対移動させ、
（ｄ）ステップ（ａ）〜（ｃ）を繰り返して、前記ベースレイヤ（４０８）に複数のピラー（３０８）を形成し、
（ｅ）複数のファイバトウ（３０２）を含むプライ（３１２）を供給して、前記複数のピラー（３０８）の各々が、前記複数のファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる空隙（３１０）を通過するようにし、
（ｆ）前記複数のピラー（３０８）にレイヤ（３０６ａ）を接続するにあたり、前記複数のピラー（３０８）が、前記レイヤ（３０６ａ）に接続する前に、前記ファイバトウ（３０２）間を通過するようにし、
これにより、前記複数のピラー（３０８）と、前記レイヤと、前記プライ（３１２）とを含む複合材製品（３００）が製造される、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）の製造方法。
【請求項１２】
さらに、ステップ（ａ）〜（ｆ）を繰り返すことを含み、その際の次のステップ（ａ）において、前記レイヤ（３０６ａ）を前記ベースレイヤ（４０８）として用いることを含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記ベースレイヤ（４０８）は、３次元プリンティングを用いて付着された前記材料（３１４）のマット（８００）を含む、請求項１１又は１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記複数のピラー（３０８）は、３次元プリンティングを用いて製造され、前記複数のファイバトウ（３０２）及び前記レイヤ（３０６ａ）は、前記３次元プリンティングとは異なる１つ以上の方法を用いて製造される、請求項１１〜１３のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１５】
マットを構成する前記複数のピラー（３０８）及び前記レイヤ（３０６ａ）は、溶融付着法を用いて製造される、請求項１１〜１４のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１６】
前記供給に際して、前記複数のピラー（３０８）を形成した後に前記プライ（３１２）を配置する、請求項１１〜１５のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１７】
前記供給に際して、前記複数のピラー（３０８）を形成する前に前記プライ（３１２）を配置することにより、前記複数のアンカー（３１６）の各々の一部が、前記複数のファイバトウ（３０２）間で引出されて、前記複数のピラー（３０８）を形成するようにする、請求項１１〜１６のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のファイバトウ（３０２）間で前記複数のアンカー（３１６）の各々の一部を引くのに伴って、前記複数のピラー（３０８）の各々を、前記複数のファイバトウ（３０２）のうちの少なくとも１つに接合する、請求項１１〜１７のいずれか１つに記載の方法。
【請求項１９】
さらに、処理後ステップを実行することを含み、当該ステップにおいて、前記複数のファイバトウ（３０２）及び前記複数のピラー（３０８）を付着した後、前記複数のピラー（３０８）の各々を、前記複数のファイバトウ（３０２）のうちの少なくとも１つに接合する、請求項１１〜１８のいずれか１つに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示の説明は、新規の複合材構造体、及び、これを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、軽量で比較的強度が高く、且つ、複雑な形状に成形可能であるため、構造材料として金属の代わりに用いられている。しかしながら、従来の複合材構造体は、応力を受けると亀裂（特にレイヤ間剥離）が生じうる。中間レイヤ（例えば、熱可塑性のベールや粒子など）を用いる従来の複合材強化技術は、高い応力が集中する領域で破壊を抑制するのにあまり有効ではない。多くの場合、所望の厚み方向靭性特性（through thickness toughness properties）を得るために強化フィルム接着剤が必要となる。さらに、許容可能な設計のためのデフォルト条件として機械的ファスナが必要であろう。これは、構造体の厚み全体に亘って、接合アール状部分（joint radius）（図１を参照）などの高応力領域（１００）が生じる一体型の航空機構造体においては特に懸念される問題である。したがって、接合アール状部分で生じる亀裂（１０２）が非強化レイヤに進行すると、それだけで脆性破壊（brittle failure）を引き起こす可能性がある。このような亀裂は、厚み方向強化技術を用いて軽減することができる。しかしながら、従来の厚み方向関連方法（例えば、フィルム接着剤など）は、液体成形構造体には採用されていない。これは、樹脂の注入に際し当該樹脂の流入経路が中断されて、ボイド、孔隙箇所、及び、ドライスポットなどの欠陥が生じるためである。このような欠陥は、複合材積層構造体の面内特性を著しく低下させる。
【０００３】
厚み方向技術とその制約の例を以下に列挙する。
・Ｚピン：積層補強材に使用されるが、挿入過程において微細構造に深刻な欠陥が生じるため（また、これにより、複合材料の面内特性が低下するため）現在は使用されていない。
・ステッチ：乾燥ファイバプリフォームの強化に使用されるが、挿入過程において微細構造に深刻な欠陥が生じるため（また、これにより、複合材料の面内特性が低下するため）現在は使用されていない。
・典型的には液体成形法において使用される三次元（３Ｄ）織／３Ｄ編／３Ｄ編組プリフォーム：しかしながら、製造過程において３Ｄプリフォーム内にファイバの不整合が生じるため、これらのプリフォームは特定の幾何形状に限定されており、一体型航空機の接合部分に適用するのは困難である。
【０００４】
図２は、従来のベール（veil）、ステッチ、及び、ｚピンで強化された複合材料の特性を示すＡｓｈｂｙプロット（Ashby plot）であり、面内特性が、モードＩレイヤ間破壊靭性（Mode I Interlaminar Fracture Toughness (Gic)）に対する有孔圧縮強度（Open Hole Compression (OHC) strength）として測定されたギャップを強調表示している。図２に示すように、厚み方向関連方法は、ベールと比較した場合、モードＩ破壊靭性を大幅に向上させることができ、ｚピンを用いると、１４００％までの向上が可能である。しかしながら、厚み方向の補強材を用いると、製造過程において誘発される微細構造欠陥により、ＯＨＣ強度に関する損傷許容度（damage tolerance）や他の面内特性が低下する。これに対して、中間レイヤとして用いられるベールは、ＯＨＣの低減が少なく、ファイバプリフォームにベールを用いる際にファイバの破壊が少ない。しかしながら、Ｇｉｃの改善効果は乏しい。したがって、従来において達成されていない性能の不足を埋めるには、連続した厚み方向補強材を用いて、損傷許容度及び面内特性を低下させることなく高いモードＩ破壊靭性を得ることである。
【０００５】
ここで求められている技術は、複合材料の全体に亘って連続的であり、且つ、面内特性を低下させない厚み方向技術である。本発明は、この要望を満たすものである。
【発明の概要】
【０００６】
本開示においては、複数のファイバトウ（３０２）と、前記複数のファイバトウ（３０２）と組み合わされる材料（３１４）のネットワーク（３０４）と、を含む複合材製品（３００）について説明を行う。前記ネットワーク（３０４）は、複数のピラー（３０８）によって接続された複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）を含む。前記複数のピラー（３０８）の各々は、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引出されて、前記複数のファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる１つの空隙（３１０）を通り、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）と、前記複数のレイヤのうちの他の１つ（３０６ｂ）とを接続する。前記ネットワーク（３０４）は、前記複合材製品（３００）における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成する。
【０００７】
複合材製品は、多くの方法で具現化することができる。いくつかの例としては、限定するものではないが、以下に示す例のうちの１つ又は任意の組み合わせが挙げられる。
【０００８】
１．複数のプライ（３１２）を含む複合材製品であって、前記複数のプライ（３１２）の各々は、前記複数のファイバトウ（３０２）と、前記複数の異なる空隙（３１０）とを含み、前記複数のプライ（３１２）のうちの少なくとも１つは、前記複数のピラー（３０８）によって接続された前記複数のレイヤのうちの２つ（３０６ａ，３０６ｂ）の間にあり、前記複数のレイヤのうちの前記１つのレイヤ（３０６ａ）から引出された前記複数のピラー（３０８）は、前記２つのレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の間の前記少なくとも１つのプライ（３１２）における複数の異なる空隙（３１０）を通る、複合材製品。
【０００９】
２．前記複数のピラー（３０８）、及び／又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）は、付加製造に用いられる材料（３１４）を含む、複合材製品（３００）。
【００１０】
３．前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、及び／又は、前記複数のピラーは、熱可塑性材料、又は、当該熱可塑性材料ハイブリッドを含む、複合材製品（３００）。
【００１１】
４．前記複数のピラー（３０８）、及び／又は、前記複数のレイヤは、熱可塑性材料を含み、当該熱可塑性材料は、ポリアミド、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、又は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）を含む、複合材製品（３００）。
【００１２】
５．前記複数のファイバトウ（３０２）は、ガラス繊維、ケブラー、熱可塑性材料、及び、炭素から選択された少なくとも１つの材料（３１４）を含む、複合材製品（３００）。
【００１３】
６．前記複数のピラー（３０８）、及び／又は、前記複数のレイヤは、熱可塑性材料ハイブリッドを含み、当該ハイブリッドは、界面活性剤、安定剤、粉末、ファイバ、及び、微粒子から選択される少なくとも１つの添加剤又は含有物を含む、複合材製品（３００）。
【００１４】
７．前記複数のファイバトウ（３０２）の各々は、少なくとも２ｍｍの直径を有するとともに、少なくとも１０００本のファイバを含み、及び／又は、前記複数のプライ（３１２）の各々は、２〜１０ｍｍの範囲の厚みを有し、及び／又は、前記複数のピラー（３０８）及び前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の各々は、２〜５ｍｍの範囲の厚みを有し、及び／又は、前記複数のピラー（３０８）の各々は、１〜３ｍｍの範囲の長さを有し、及び／又は、前記複合材製品（３００）は、１．０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の総厚を有する、複合材製品（３００）。
【００１５】
８．前記複数のプライ（３１２）に含まれる前記複数のファイバトウ（３０２）は、編組布、織布、ノンクリンプ布、又は、一方向テープを形成している、複合材製品（３００）。
【００１６】
９．さらに、前記複数のプライ（３１２）間の隙間を埋めるとともに、前記複数のピラー（３０８）、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）及び前記複数のピラー（３０８）に接合されている樹脂を含む、複合材製品（３００）。
【００１７】
１０．前記複数のレイヤ、及び／又は、前記複数のピラー（３０８）は、樹脂との機械的結合を促進する粗面を有する、複合材製品（３００）。
【００１８】
１１．前記複数のピラー（３０８）は、基部（３１８）においてより太く、当該基部において、前記ピラーが、前記複数のレイヤのうちの前記１つ（３０６ａ）から引出されている、複合材製品（３００）。
【００１９】
１２．前記複数のピラー（３０８）は、前記複数のレイヤのうちの前記１つ（３０６ａ）から前記複数のレイヤのうちの前記他の１つ（３０６ｂ）まで傾斜している、複合材製品（３００）。
【００２０】
１３．前記複合材製品（３００）を含むジョイント（１００２）。
【００２１】
本開示では、さらに、一体型航空機構造体（１０００）について説明している。前記構造体は、スキン（１００４）と、補強材（１００６）と、前記スキン（１００４）及び前記補強材（１００６）の間の界面領域（１００８）とを含み、前記界面領域（１００８）は、複数のファイバトウ（３０２）を含む複合材製品（３００）と、材料（３１４）を含むネットワーク（３０４）とを含み、前記材料は、前記複数のファイバトウ（３０２）間で引出されて、前記複合材製品における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成している。前記界面領域（１００８）は、前記スキン（１００４）の一部、前記補強材（１００６）の一部、及び／又は、前記スキン（１００４）と前記補強材（１００６）との間のレイヤを含む。
【００２２】
本開示では、さらに、複合材製品（３００）を製造する方法を説明している。前記方法は、（ａ）最初にｘ−ｙ面（４１２）に移動し、その後ｚ方向（４１４）に移動するように、供給口（４５０）とベースレイヤ（４０８）とを相対移動させながら、当該供給口（４５０）から当該ベースレイヤ（４０８）に材料（３１４）を付着させて、前記ベースレイヤ（４０８）にアンカー（３１６）を形成し；（ｂ）前記供給口（４５０）から前記材料（３１４）を供給することなく、前記供給口（４５０）と前記ベースレイヤ（４０８）とを相対移動させることにより、アンカー（３１６）の一部を引いてピラー（３０８）を形成し、（ｃ）前記供給口（４５０）が前記ベースレイヤ（４０８）における次の位置（７０２）の上方に配置されるように前記供給口（４５０）と前記ベースレイヤ（４０８）とを相対移動させ；（ｄ）前記ベースレイヤ（４０８）上に複数のピラー（３０８）を形成するために（ａ）〜（ｃ）のステップを繰り返し；（ｅ）複数のファイバトウ（３０２）を含むプライ（３１２）を供給して、前記複数のピラー（３０８）の各々が、前記複数のファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる空隙（３１０）を通過するようにし；（ｆ）前記複数のピラー（３０８）にレイヤ（３０６ｂ）と接続するにあたり、前記複数のピラー（３０８）が、レイヤ（３０６ａ）に接続する前に、前記複数のファイバトウ（３０２）間を通過するようにし；これにより、前記複数のピラー（３０８）と、前記レイヤと、前記プライ（３１２）とを含む複合材製品（３００）を製造する。
【００２３】
１つ以上の例においては、前記ベースレイヤ（４０８）は、３次元プリンティングを用いて付着された前記材料（３１４）のマット（８００）を含む。これに代えて、前記複数のピラー（３０８）は、３次元プリンティング（例えば、溶融付着法（fused deposition modeling））を用いて製造されてもよいし、前記複数のファイバトウ（３０２）及び前記レイヤ（３０６ａ）は、３次元プリンティングとは異なる１つ以上の方法を用いて製造されてもよい。
【００２４】
前記方法は、さらに、ステップ（ａ）〜（ｆ）を繰り返すことを含み、その際の次のステップ（ａ）において、前記レイヤ（３０６ａ）を前記ベースレイヤ（４０８）として用いる。
【００２５】
１つ以上の例においては、前記複数のピラー（３０８）を形成した後に、前記プライ（３１２）を配置する。
【００２６】
１つ以上のさらなる例においては、前記複数のピラー（３０８）を形成する前に前記プライ（３１２）を配置することにより、前記複数のアンカー（３１６）の各々の一部が、前記複数のファイバトウ（３０２）の間で引出されて、前記複数のピラー（３０８）を形成するようにする。
【００２７】
１つ以上の例においては、前記複数のファイバトウ（３０２）間で前記複数のアンカー（３１６）の各々の一部を引くのに伴って、前記複数のピラー（３０８）の各々を、前記複数のファイバトウ（３０２）のうちの少なくとも１つに接合する。さらなる例においては、処理後ステップを実行し、当該ステップにおいて、前記複数のファイバトウ（３０２）及び前記複数のピラー（３０８）を付着した後、前記複数のピラー（３０８）の各々を、前記複数のファイバトウ（３０２）のうちの少なくとも１つに接合する。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
以下では図面を参照するが、これらの図面全体を通して、同様の参照符号は、対応する部品を示している。
【００２９】
【図１】Ｔジョイントにおける高応力集中領域を示す図である。
【図２】従来の構造では達成できない（破壊靭性の達成、及び、面内特性の維持に関する）性能を表すギャップを示す図である。
【図３Ａ】本明細書で説明する１つ以上の実施形態による、ファイバトウと組み合わされるセルネットワークを示す図である。
【図３Ｂ】セルネットワーク状に付着された材料が、アンカーと、ピラー又は突出部と、ピラー基部又は押出基部とを含むことを示す図である。
【図３Ｃ】それぞれの異なるレイヤにおけるファイバトウによって空隙が画定される実施形態を示す図である。
【図３Ｄ】図３Ｃの上面図である。
【図３Ｅ】樹脂が複合材料と組み合わされる実施形態を示す図である。
【図４】本明細書で説明される複合材製品の製造に使用可能な例示的な３次元（３Ｄ）プリンタを示す。
【図５】１つ以上の実施形態による、複合材製品の製造方法を示すフローチャートである。
【図６】１つ以上の実施形態による、セルネットワークを形成する際の、プリントヘッドの例示的な軌道を示す図である。
【図７Ａ】フィラメント供給速度Ｒ＝０．５回転／分であって、且つ、ノズル速度Ｆ＝５００ｍｍ／分のプリンティング条件を用いてアンカーから引出されたピラーが、直径１５０マイクロメートル、長さ２．９ｍｍ、及び、面密度６ｇ／ｍ2を有することを示す図である。
【図７Ｂ】炭素繊維マットが積層されたときに、ピラーの少なくとも一部がトウの間の空隙又は孔を通過するように、多孔質平織ファイバマットにプリンティングされたピラーを示す図である。
【図７Ｃ−７Ｄ】ピラーを含むセルネットワークの付着を示す図であり、図７Ｄは図７Ｃにおけるセルネットワークを示す拡大図である。
【図８Ａ−８Ｄ】真空成形を含む、複合材製品を製造するための処理フローを示す図である。
【図９】圧力及び熱を加える熱間圧延アイロンを使用して、セルネットワークにおける熱可塑性材料がファイバレイヤを通過するのを促進する様子を示す図である。
【図１０】本明細書で説明するような複合材製品を組み込んだ例示的なＴジョイントを示す図である。
【図１１】本明細書で説明する実施形態による、３Ｄプリンタを制御するための処理環境を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３０】
以下の説明においては、添付図面を参照するが、これらの図面は、本明細書の一部を形成し、且つ、いくつかの実施形態を例示的に示すものである。なお、本開示の範囲から逸脱することなく、他の実施形態を使用したり、構造的な変更を加えたりすることが可能である。
＜技術説明＞
＜例示的な構造＞
【００３１】
樹脂が注入された複合材料製品を強化するための現在の解決策は、熱可塑性ベールを使用することである。厚み方向関連方法は、製造上の制約、及び／又は、製造過程において誘発される微細構造欠陥のため、通常は使用されない。
【００３２】
これに対して、本明細書で提示される強化方法及び構造は、複合材料で利用可能な新規の３Ｄアーキテクチャを形成している。当該アーキテクチャにおいては、亀裂がセル壁に到達すると当該亀裂の方向を変化させることにより靭性を高めている。いくつかの実施形態においては、強化構造は、木材、骨、角、及び、蹄などのバイオ複合材料に見られる構造を含む。
【００３３】
図３Ａは、例示的な複合材製品（３００）を示す。当該複合材製品は、ネットワーク（３０４）と結合又は組み合わされた複数のファイバトウ（３０２）を含み、当該ネットワークは、ピラー（pillars）（３０８）を含む引出材（drawn material）（３０８ｂ）によって接続された複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）を含む。複数のピラー（３０８）の各々は、複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引出されて、ファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる１つの空隙（３１０）を通り、複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）と、複数のレイヤのうちの他の１つ（３０６ｂ）とを接続する。
【００３４】
引出材（３０８ｂ）は、ピラー（３０８）に限定されない。他の実施形態においては、引出材（３０８ｂ）は、壁（３０８ｃ）を含む。この実施形態についても同様に図３Ａに示しているが、当該壁は、複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引出されて、ファイバトウ（３０２）間の複数の異なる空隙（３１０）の各々を通り、複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）と、複数のレイヤのうちの他の１つ（３０６ｂ）とを接続するために、適切な形状及び形態を有する。１つ以上の例においては、レイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）は、さらに、壁（３０６ｃ，３０６ｄ）を含有又は形成しうる。
【００３５】
引出材（３０８ｂ）とレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）とを含むネットワーク（３０４）は、複合材製品（３００）における亀裂（レイヤとレイヤとの間、レイヤの内部、及び／又は、レイヤを横断する亀裂）の伝播を低減する物理的バリアを形成する。様々な例においては、引出材（３０８ｂ）は、レイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）間で傾斜した不均一な形状を有しており、これにより、引出材（３０８ｂ）の表面積を増やして、亀裂に対してより蛇行した経路を形成している。
【００３６】
１つ以上の例においては、空隙（３１０）によって分離されたファイバトウ（３０２）は、複数のプライ（３１２）に設けられている。複数のプライ（３１２）の各々は、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）によって接続された複数のレイヤのうちの２つのレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）間にあり、これによって、複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引出された複数のピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）が、複数のレイヤのうちの２つのレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）間のプライにおける複数の異なる空隙（３１０）を通るようにしている。
【００３７】
典型的な実施形態においては、ネットワーク（３０４）の引出材（３０８ｂ）及びレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）は、３Ｄプリンタを用いて作製されたセル壁である。ただし、レイヤ毎にピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）を形成するわけではないので、従来の意味において、この処理は、３Ｄプリンティングとはいえない。代わりに、３Ｄプリンタは、ｘ−ｙ平面におけるファイバ部分（プライ（３１２））に対して調整された量の材料（３１４）を付着させるためのツールとして用いられており、このツールは、材料（３１４）の可塑性を利用して垂直方向に当該材料（３１４）を引く。
【００３８】
図３Ｂは、ツールが、材料（３１４）の可塑性を利用して垂直方向に当該材料（３１４）を引いて、細い起立ストランド（strands）又はピラー（３０８）を形成する例を示す。同図において、付着された材料（３１４）は、アンカー（３１６）から引かれて、基部（３１８）（例えば、押出基部）及び起立部（３２０）（例えば、突出部）を含むピラー（３０８）を形成しており、当該起立部（３２０）は、起立部（３２０）又は突出部に沿って平均直径Ｄaverageを有するとともに、垂直方向（３２２）に対して角度θを有する。一例においては、材料（３１４）は、ピラー（３０８）を形成するための引出作業中にも供給される。様々な形状の材料（３１４）を得るために、材料（３１４）の付着作業中又は引出作業中の処理条件を調節することができる。１つ以上の例においては、アンカー（３１６）における基部（３１８）は、ピラー（３０８）の起立部（３２０）よりも太い。
【００３９】
図３Ｃ及び３Ｄは、複合材製品（３００ｅ）におけるプライ（３１２）が、複数のプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）、又は、複数のレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）、又は、これらのうちいずれか一方の積層体（３６０）を含む例を示す。これらのプライ又はレイヤの各々は、（例えば、一方向の）ファイバトウ（３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ、３４０ｄ）のそれぞれ異なる１つの配向（３７０）を有する。この場合、複数のレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）又はプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）を貫通するように空隙（３４２）又は孔（３４４）が形成され、これらの空隙（３４２）又は孔（３４４）は、それぞれ異なるプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）又はレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）において、ファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）によって境界付け、画定、又は、隔壁されている。
【００４０】
複数の異なる平面（３４６）に設けられた複数のプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）は、孔（３４４）又は空隙（３４２）を画定するために互いに異なる角度で整列又は配向されたファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）を含む。一例においては、プライ（３１２）は、マット（６００）（例えば、図６Ｂに示す）を含み、隣り合うプライ（３１２）の対の各々におけるファイバトウ（３０２）は互いに９０度になるように織られている。しかしながら、他の例においては、ファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）を、互いに任意の角度（例えば、４５度）で配向することもできる。１つ以上の例においては、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）の高さＨは、いくつのレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）又はプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）が、孔（３４４）又は空隙（３４２）の壁を形成しているかについての関数である。１つ以上の例においては、ファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）間の空隙（３４２）は、ファイバトウ（３４０ａ，３４０ｃ）間の中間層（３３８ｂ）にある。
【００４１】
図３Ｅは、プライ（３１２）及び引出材（３０８ｂ）と組み合わされる樹脂（３８０）を含む複合材製品（３００ｆ）を示す。
【００４２】
引出材（３０８ｂ）及びレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の形成に用いられる材料（３１４）の例には、限定するものではないが、付加製造に用いられる材料（例えば、ポリマー）が含まれる。ポリマーは、ポリアミド、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）ポリフェニルスルホンなどの熱可塑性材料、或いは、これらの熱可塑性材料と、カーボンナノチューブ、グラフェン、粘土改質剤、不連続ファイバ、界面活性剤、安定剤、粉末や微粒子などの改質剤、及び／又は、含有物とを組み合わせたハイブリッド材料を含みうる。
【００４３】
例示的な実施形態においては、ファイバトウ（３０２）は、ファイバの束を含む。様々な例においては、ファイバは、ガラス繊維、ケブラー、炭素、及び、熱可塑性材料の中から選択される少なくとも１つの材料を含む。
【００４４】
１つ以上の例においては、ファイバトウ（３０２）は、編組布、織布、若しくは、ノンクリンプ（non-crimp）布、又は、繊維質部分の形態に織られるか、或いは、そのような形態に形成される。他の実施形態においては、ファイバトウ（３０２）は、スリット又は間隙を有する一方向テープ（互いの間に間隙を有する複数の平行トウ）、編組ブレイド（braids）、又は、複数軸の補強材の形態で設けられる。
【００４５】
１つ以上の例においては、ピラー（３０８）は、中間レイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）間を連結して、分散されたファイバトウ（３０２）の周りで接続ネットワークを形成する。ファイバトウは、編組ブレイド、織布、ノンクリンプ布、及び、一方向の形態などの補強材の形態で設けられた、ファイバ又はフィラメントを含みうる。フィラメントは、主に、炭素、ガラス、及び／又は、アラミドから構成される。上述したものと組み合わせて、他のフィラメントは、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリイミド、フェノキシ、及び、ポリフェニルスルホンも含みうる。複数の補強レイヤは、編組ブレイド、織布、ノンクリンプ布、及び、一方向の形態で形成することができる。中間レイヤに接続されたこれら複数の補強レイヤにおけるファイバトウ間の孔空隙にピラー（３０８）を設けることにより、（ｘ、ｙ、及びｚ軸方向に）ネットワーク（例えば、熱可塑性ネットワーク）を形成することができる。
＜例示的な製造方法＞
＜ａ．ネットワーク形成＞
【００４６】
図４は、例示的な３Ｄプリンタ４００を示す。当該３Ｄプリンタは、押出ノズル（４０２）と、供給部（４０４）と、溶融部（４０６）とを含み、これらは、プライ（３１２）又はベースレイヤ（４０８）に材料（３１４）を供給するとともに、プライ（３１２）におけるファイバトウ（３０２）間の孔又は空隙（３１０）に当該材料を供給するために設けられている。当該３Ｄプリンタは、さらに、材料（３１４）がプライ（３１２）と組み合わされている間、プライ（３１２）又はベースレイヤ（４０８）を支持するためのプラットフォーム（４１０）（例えば、プリントベッド又は基部）を含む。例示的なプリンタ４００は、限定するものではないが、デスクトップ型の溶融付着式（Fused Deposition Modeling: FDM）３Ｄプリンタを含む。１つ以上の例においては、３Ｄプリンタは、コンピュータプログラムを実行するソフトウェアによって制御される。プラットフォーム（４１０）及び／又はノズル（４０２）は、ノズル（４０２）と、プライ（３１２）又はベースレイヤ（４０８）とが、ｘ−ｙ面（４１２）で相対移動できるように動かされ、且つ、ｚ方向（４１４）において上下に垂直移動できるように動かされる。
【００４７】
図３Ｂに示すように、付着される材料（３１４）の形態を管理するために３Ｄプリンタを用いることにより、付着される材料（３１４）の主な要素が、アンカー（３１６）、基部（３１８）、及び、突出部又は起立部（３２０）を含むようにすることができる。１つ以上の例においては、ネットワーク（３０４）とプライ（３１２）とを組み合わせる処理は、図５に示すように行われる。
【００４８】
ブロック５００は、最初にｘ−ｙ面（４１２）にて移動させ、その後ｚ方向（４１４）に移動させるように、供給口（４５０）とベースレイヤ（４０８）とを相対移動させながら、ベースレイヤ（４０８）に対して当該供給口から材料（３１４）を付着させて、プライ（３１２）の第１位置（７００）（図７Ａ及び７Ｂを参照）にアンカー（３１６）を形成することを示す。
【００４９】
一例においては、上記ステップは、以下を含む。
（１）アンカー（３１６）をベースレイヤ（４０８）に形成するために、最初に、ノズル（４０２）が、第１所定距離（例えば、３ｍｍ）だけｘ−ｙ面（４１２）を移動している間、ノズル（４０２）からベースレイヤ（４０８）に材料を付着させる。一つ以上の例においては、アンカー（３１６）は、ピラー（３０８）のための基板、土台、及び／又は、起点であって、ピラー（３０８）の材料（３１４）を供給するためのもの、及び／又は、ピラー（３０８）が形成された後にピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）を接合させる部分を供給するためのものである。
（２）ノズル（４０２）は、アンカー（３１６）に対して、第２所定距離（例えば、０．５ｍｍ）だけｚ方向（４１４）にプリンティングを行う。ｚ方向におけるノズル（４０２）のプリンティングの距離が短いのは、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）が崩れ落ちることにより太い基部（３１８）が形成されるのを防止又は抑制するためである。
【００５０】
ブロック５０２は、供給口（４５０）からの材料（３１４）の供給の有無にかかわらず、供給口とベースレイヤ（４０８）とを相対移動させることによって、アンカー（３１６）の一部を引いてピラー（３０８）、又は、壁（３０８ｃ）を形成することを示す。一例においては、上記ステップ（２）の後、ステップ（３）において、材料の供給、又は、供給速度をオフにした状態（ノズル（４０２）からの材料（３１４）の供給がない状態）で、ノズル（４０２）を第３所定距離（例えば、５ｍｍ）だけｚ方向（４１４）に引くか、或いは、持ち上げる。このとき、アンカー（３１６）の材料（３１４）の曳糸性（stringiness）を利用して、ｚ方向にピラー（３０８）を形成する起立部（３２０）を作製する。図７Ａは、アンカー（３１６）の一部を上方に引いてピラー（３０８）を形成する様子を示す。
【００５１】
ブロック５０４は、供給口（４５０）及びベースレイヤ（４０８）を相対移動させて、供給口（４５０）をベースレイヤ（４０８）における次の位置７０２に配置する様子を示す。
【００５２】
１つ以上の例においては、上記ステップは、供給口（４５０）を動かす前に当該供給口（４５０）（例えば、ノズル（４０２））からピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）を解放することを含む。例えば、上記ステップ（３）の後、以下のステップが実行される。（４）ノズル（４０２）からの材料（３１４）の供給速度がオンの状態、又は、依然としてオフが維持された状態であって、且つ、ノズル（４０２）が、ベースレイヤ（４０８）又はプリントヘッドの上方に第３所定距離（例えば、１０ｍｍ）だけ離れている状態において、ノズル（４０２）は、ベースレイヤ（４０８）の次の位置（７０２）の上方まで第４所定距離（例えば、３ｍｍ）だけ移動する。（５）プリンタ（４００）からの材料（３１４）の供給速度がオンの状態、又は、依然としてオフの状態で、ノズル（４０２）のヘッドを降下させる。
【００５３】
ブロック５０６は、ブロック５００〜５０４（すなわち、ステップ（１）〜（５））を繰り返して、ベースレイヤ（４０８）に複数のピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）を形成することを示す。
【００５４】
図６は、１つ以上の実施形態による、ピラーを形成するためのプリントヘッドの例示的な軌道（trajectory）を示しており、ノズルがｘ−ｙ面を移動しながら押し出しを行う期間と、ノズルの押し出しは行わないが、プリントヘッドがｚ方向に移動することにより構造体（例えば、ピラー３０８）が形成される期間と、ノズルの押し出しが行われず、（例えば、ピラー３０８間に）構造体が形成されない期間と、を示す。１つ以上の例においては、ピラー（３０８）を形成するためにノズルを押し引きする期間中に、当該ノズルから材料（３１４）を供給、付着、又は、吐出してもよい。
【００５５】
１つ以上の例においては、図７Ｂに示すように、ベースレイヤ（４０８）は、複数のファイバトウ（３０２）を含むプライ（３１２）であり、ファイバトウ（３０２）の間から各アンカー（３１６）の一部が引出されて、ファイバトウ（３０２）の間のそれぞれ異なる１つの空隙（３１０）を通過することにより、複数のピラー（３０８）が形成されている。図７Ｂには、さらに、プライ（３１２）がマット（７５０）を含む例が示されている。マット（７５０）は、織り合わされた直交（例えば、炭素）ファイバトウ（７５２，７５４）を含む。ファイバトウ（７５２，７５４）の境界（７５６）は、空隙（３１０）を画定している。各ピラー（３０８）の基部（３１８）及びアンカー（３１６）は、ファイバトウ（７５２，７５４）の境界（７５６）に固定又は取り付けられており、これによって、ピラー（３０８）が空隙（３１０）を通過することができる。
【００５６】
図７Ｃは、ベースレイヤ（４０８）が、材料（３１４）を含むマット（７０６）であるか、或いは、セルネットワーク（cellular network）（７０４）を含む材料（３１４）のレイヤ（３０６ａ）である、他の例を示す。ピラー（３０８）は、上記マットから引出される。この場合、又は、プライ（３１２）とは異なるベースレイヤ（４０８）にピラーが予め形成されている場合、ピラー（３０８）の形成後にプライ（３１２）を配置して、当該ピラーに、ファイバトウ（３０２）間の空隙（３１０）を通過させるようにする。
【００５７】
一つ以上のさらなる例においては、各アンカーの一部が、ファイバトウ（３０２）間で引出されるのに伴って、複数のピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）の各々が、ファイバトウ（３０２）のうちの少なくとも１つに接合される。
【００５８】
１つ以上の例においては、ブロック５０６のステップの間、材料（３１４）がアンカー（３１６）から次の位置（７０２）に引出される（すなわち、あるピラー（３０８）から、形成される次のピラーに引出される）か、或いは、ピラー（３０８）間に材料（３１４）が付着されて、この材料（３１４）が、ベースレイヤ（４０８）、及び、ピラー（３０８）を接続するレイヤ（３０６ａ）において複数のピラー（３０８）を形成するようにする。
【００５９】
ブロック５０８は、任意で、（レイヤ（３０６ａ）が予め形成されていない場合）、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）にレイヤ（３０６ａ）を接続することによって、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）が、レイヤ（３０６ａ）と接続する前にファイバトウ（３０２）間を通過することができるようにすることを示す。このステップは、ノズルからの材料（３１４）を、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）に付着させて、ファイバトウ（３０２）の上方に延在するピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）の頂部に接続されるレイヤ（３０６ａ）を形成することを含む。様々な例においては、レイヤ（３０６）は、フィラメントを含むネットワーク又はウェブを含む。他の例においては、上記ステップは、異なる（例えば、プリンティング以外の）方法によって形成されたレイヤ（３０６）を配置することを含む。
【００６０】
ブロック５１０は、任意で、ブロック５００〜５０８のステップを繰り返して、複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）又は壁（３０６ｃ，３０８ｂ）及びプライ（３１２）を含む複合材製品（３００）を形成することを示す。例えば、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）と接続させるために、３Ｄプリンタ（４００）を用いて、プライ（３３６ｄ）の頂面に対して材料（３１４）のレイヤ（３０６ａ）を付着又は配置した後（ブロック５０８）、その上に次のプライ（３３６ｃ）を配置して、ブロック５００〜５０８の処理を繰り返すことにより、積層体（３６０）を形成する（図３Ｃに示す例を参照）。したがって、次のブロック５００のステップにおいては、レイヤ（３０６ａ）（例えば、材料（３１４）のマット）をベースレイヤ（４０８）として用いて、ブロック５００〜５０８のステップを繰り返すことができる。
【００６１】
ベースレイヤは、３次元プリンティングを用いて付着された、材料（３１４）のマット、又は、ファイバトウ（３０２）を含むプライ（３１２）を含みうるが、他の実施形態においては、ファイバトウ（３０２）とレイヤ（３０６ａ）、及び／又は、材料（３１４）のマットは、３次元プリンティングとは異なる１つ以上の方法を用いて作製される。
【００６２】
いくつかの実施形態においては、空隙（例えば、孔）を通過しないピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）は、積層されるプライ（３１２）によって押し潰される。
【００６３】
ブロック５１２は、任意の後処理ステップを示す。任意ではあるが、ピラー（３０８）／壁（３０８ｃ）、及び、プライ（３１２）が形成又は付着された後に当該プライ（３１２）に材料（３１４）が接合されるように、複合材製品（３００）を加熱してもよい。１つ以上の例においては、ネットワーク（３０４）（例えば、セルネットワーク（７０４））における材料（３１４）は、ファイバトウ（３０２）のファイバに対して様々な強度で接合され、当該ファイバトウは、付着された材料（３１４）の表面張力、及び、材料（３１４）の溶融温度の影響を受ける。図８Ａ〜８Ｄ、及び、図９にそれぞれ示すように、ファイバトウ（３０２）のファイバとセルネットワーク（７０４）とを３次元で加熱接合するために、真空成形やローラを使った他の後処理技術を用いることもできる。
【００６４】
ブロック５１４は、任意で、プライ（３１２）及びネットワーク（３０４）と、樹脂（３８０）とを組み合わせることを示している。樹脂（３８０）により、補強レイヤ（例えば、プライ３１２）とセルネットワーク（７０４）との間の隙間を埋めることができる。上記樹脂は、セルネットワーク（７０４）とプライ（３１２）とを接合して、一体化した製品（consolidated article）を形成することができる。
【００６５】
ブロック５１６は、最終結果、すなわち、ピラー（３０８）又は壁（３０８ｃ）と、レイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）と、１つ以上のプライ（３１２）とを含む複合材製品（３００）を示す。
【００６６】
複合材製品は、多くの方法で具現化することができる。いくつかの例としては、限定するものではないが、以下に示す例のうちの１つ又は任意の組み合わせが挙げられる。
【００６７】
１．複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）は、複数のファイバトウ（３０２）と、前記複数のファイバトウ（３０２）と組み合わされる材料（３１４）のネットワーク（３０４）と、を含む。前記ネットワーク（３０４）は、複数のピラー（３０８）によって接続された複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）を含む。前記複数のピラー（３０８）の各々は、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引かれて、前記複数のファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる１つの空隙（３１０）を通り、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）と、前記複数のレイヤのうちの他の１つ（３０６ｂ）とを接続する。前記ネットワーク（３０４）は、前記複合材製品（３００）における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成する。
【００６８】
２．複数のプライ（３１２）を含む複合材製品（３００，３００ｂ）であって、前記複数のプライ（３１２）の各々は、前記複数のファイバトウ（３０２）と、前記複数の異なる空隙（３１０）とを含み、前記複数のプライ（３１２）のうちの少なくとも１つは、前記複数のピラー（３０８）によって接続された前記複数のレイヤのうちの２つ（３０６ａ，３０６ｂ）の間にあり、前記複数のレイヤのうちの前記１つのレイヤ（３０６ａ）から引かれた前記複数のピラー（３０８）は、前記２つのレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の間の前記少なくとも１つのプライ（３１２）における複数の異なる空隙（３１０）を通る、複合材製品。
【００６９】
３．前記複数のファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）は、複数のプライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）、又は、レイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）に設けられており、前記複数の空隙（３４２）は、前記複数のレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）、又は、プライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）を貫通しており、前記複数の空隙（３４２）は、複数の異なるレイヤ（３３８ａ，３３８ｂ，３３８ｃ，３３８ｄ）、又は、プライ（３３６ａ，３３６ｂ，３３６ｃ，３３６ｄ）におけるファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）によって境界付けされている、複合材製品（３００ｂ）。前記複数のファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）のそれぞれ異なる配向（３７０）により、前記複数のファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）間に前記空隙（３１０）が形成される。
【００７０】
４．前記複数のピラー（３０８）、及び／又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）は、付加製造に用いられる材料（３１４）を含む、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７１】
５．前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、及び／又は、前記複数のピラーは、熱可塑性材料、又は、当該熱可塑性材料ハイブリッドを含む、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７２】
６．前記複数のピラー（３０８）、及び／又は、前記複数のレイヤは、熱可塑性材料を含み、当該熱可塑性材料は、ポリアミド、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリイミド（ＰＩ）、又は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）を含む、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７３】
７．前記複数のファイバトウ（３０２）は、ガラス繊維、ケブラー、熱可塑性材料、及び、炭素から選択された少なくとも１つの材料（３１４）を含む、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７４】
８．前記複数のピラー（３０８）、及び／又は、前記複数のレイヤは、熱可塑性材料ハイブリッドを含み、当該ハイブリッドは、界面活性剤、安定剤、粉末、ファイバ、及び、微粒子から選択される少なくとも１つの添加剤又は含有物を含む、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７５】
９．前記複数のファイバトウ（３０２）の各々は、少なくとも２ｍｍの直径Ｄを有するとともに、少なくとも１０００本のファイバを含む（図３、７Ａ、９を参照）、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７６】
１０．前記複数のプライ（３１２）の各々は、２〜１０ｍｍの範囲の厚みＴ３を有する（図３、７Ａ、９を参照）、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７７】
１１．前記複数のピラー（３０８）及び前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）の各々は、独立して、２〜５ｍｍの範囲の厚みＴ２を有する、（図３、７Ａ、９を参照）、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７８】
１２．前記複数のピラー（３０８）の各々は、１〜３ｍｍの範囲の長さＬを有する（図３、７Ａ、９を参照）、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００７９】
１３．１．０ｍｍ〜５０ｍｍの範囲の総厚Ｔを有する（図３、７Ａ、９を参照）、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８０】
１４．前記複数のプライ（３１２）に含まれる前記複数のファイバトウ（３０２）は、編組布、織布、ノンクリンプ布、又は、一方向テープを形成している、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８１】
１５．前記複数のファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）は、複数の糸を含んで編組状に配置されており、前記複数のピラー（３０８）は、前記複数の糸の間、又は、前記複数のファイバトウ（３４０ａ，３４０ｂ，３４０ｃ，３４０ｄ）の間の複数の空隙（３１０）を通過している、複合材製品（３００ｂ）。
【００８２】
１６．前記複数のファイバトウ（３０２）は、複数の糸を含んで編組状に配置されており、前記複数のピラー（３０８）は、前記複数の糸の間、又は、前記複数のファイバトウ（３０２）の間の複数の空隙（３１０）を通過しており、前記複数の糸は、前記プライ（３１２）における前記複数の空隙（３１０）の間を通過している、複合材製品（３００，３００ａ，３００ｂ）。
【００８３】
１７．前記複数のファイバトウ（３０２）の間の前記空隙（３１０）は、前記複数のファイバトウ（３０２）の間の中間層にあり、熱可塑性材料が充填されている、複合材製品（３００，３００ａ，３００ｂ）。
【００８４】
１８．前記複数のプライ（３１２）間の隙間を埋めるとともに、前記複数のピラー（３０８）、又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）及び前記複数のピラー（３０８）に接合されている樹脂をさらに含む、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８５】
１９．前記複数のレイヤ、及び／又は、前記複数のピラー（３０８）は、樹脂との機械的結合を促進する粗面を有する、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８６】
２０．前記複数のピラー（３０８）は、基部（３１８）においてより太く、当該基部において、前記ピラーが、前記複数のレイヤのうちの前記１つ（３０６ａ）から引出されている、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８７】
２１．前記複数のピラー（３０８）は、前記複数のレイヤのうちの前記１つ（３０６ａ）から前記複数のレイヤのうちの前記他の１つ（３０６ｂ）まで傾斜している、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８８】
２２．前記複数の突出部ピラー（３０８）は、一様に分布している、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【００８９】
２３．前記複数の突出部ピラー（３０８）は、例えば剥離強度（pull off strength）の増加ニーズの関数として、非一様に分布している、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。１つ以上の例においては、前記セルネットワーク（７０４）は、３つのモードの改善のために、前記複合材料の外周付近に集中している。
【００９０】
２４．前記複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）を含むジョイント（１００２）であって、前記ジョイントは、スキン（１００４）と、補強材（１００６）と、前記スキン（１００４）及び前記補強材（１００６）の間の界面領域（１００８）とを含み、前記界面領域（１００８）は、複合材製品（３００，３００ｂ）を含み、当該複合材製品は、複数のファイバトウ（３０２）と、前記複数のファイバトウ（３０２）間で引かれる材料（３１４）を含むネットワーク（３０４）とを含み、前記ネットワークは、前記複合材製品における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成する、ジョイント。前記界面領域（１００８）は、前記スキン（１００４）の一部、前記補強材（１００６）の一部、及び／又は、前記スキン（１００４）と前記補強材（１００６）との間のレイヤを含む。
【００９１】
２５．１つ以上の変形例においては、前記複数のピラー（３０８）は、前記プライ（例えば、布）を通過する支柱（struts）、壁、突出部、又は、支持体を含むか、或いは、これらによって代替される。
＜ｂ．ピラーの形態＞
【００９２】
付着される材料（３１４）の形態は、３Ｄプリンタ４００を用いて調整することができる。本明細書で説明する例示的な実施形態においては、付着材料（３１４）の主な要素には、図３Ｂで示すように、アンカー（３１６）と、ピラー基部又は押出基部（３１８）と、起立部（３２０）又は突出部と、が含まれる。
【表１】
2019206172.tif 000003
【００９３】
注：寸法範囲は、主に、ノズル（４０２）の直径、プリント設定、及び、ユーザ入力（ソフトウェア／プログラミング言語）に基づいて決定される。本明細書で説明した実施例のいずれにおいても、ピラー（３０８）は、起立部（３２０）、又は、突出部のみを含む（基部（３１８）を含まない）ものとして定義する場合がある。他の例においては、ピラー（３０８）は、押出基部（３１８）と、当該押出基部（３１８）上の起立部（３２０）とを含むものとして定義する場合がある。高さＨ、及び、平均直径Ｄaverageは、例えば、基部（３１８）と起立部（３２０）とを合計した高さを指す場合もあるし、起立部（３２０）の高さを指す場合もある。
【００９４】
１つ以上の例においては、レイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、及び／又は、ピラー（３０８）は、樹脂との機械的結合を促進する粗面、又は、凹凸面を有する。
【００９５】
１つ以上の例においては、ピラー（３０８）は、基部（３１８）においてより太く、当該基部から当該ピラー（３０８）が引かれる。
＜Ｃ．予備成形及び後処理の技術＞
【００９６】
図８Ａ〜８Ｄは、真空成形及び樹脂注入により複合材製品を形成する方法を示す。
【００９７】
図８Ａは、マット（８００）を含む複数のプライ（３１２）の各々に対して３Ｄプリンティングを行うことにより、（例えば、本明細書で説明するピラー（３０８）を含む）プリントアーキテクチャを有する１つ以上のマット（８００）を形成する第１ステップを示す。１つ以上の例においては、マット（８００）は、炭素繊維マットを含む。なお、図８Ａは、プライがマット（８００）を含む場合について説明しているが、図８Ａ〜８Ｄに示す方法は、（本明細書で説明する例示的なプライのうちの任意のものを含む）いずれのプライを用いても実施することができる。
【００９８】
図８Ｂは、プリントアーキテクチャを有するマット（８００）を積層することにより、マット（８００）の積層体（８０２）を形成する第２ステップを示す。複数のファイバトウ（３０２）を含む複数のマット（８００）は、複数のピラー（３０８）の各々が、ファイバトウ（３０２）の間の空隙を通過するように配置される。１つ以上の例においては、孔又は空隙（３１０）を通過する突出部、又は、ピラー（３０８）は、上に重なるプリントマット（８００）にプリントされた材料（３１４）と結合することができる。
【００９９】
図８Ｃは、材料の融点に近い温度（材料（３１４）が熱可塑性材料である場合、熱可塑性材料の融点に近い温度）、例えば、ナイロン１２の場合１７０℃で、真空（８０４）下に積層体（８０２）を配置して真空成形を行う第３ステップを示す。１つ以上の例においては、マット（８００）の積層体（８０２）は、密閉空間（８０６）にマット（８００）及び真空バッグ（８０８）を配置して、当該真空バッグを、材料（３１４）の融点温度を僅かに超える温度の真空（８０４）にすることにより、予備成形される。１つ以上の例においては、さらに、真空成形により、マット（８００）とネットワーク（３０４）（例えば、セルネットワーク７０４）との間の結合をより強くすることができる。
【０１００】
図８Ｄは、樹脂注入方法を用いて、積層及び真空成形したマット（８００）に注入を行う様子を示す。１つ以上の例においては、マット（８００）は、液体成形処理において樹脂注入される。樹脂は、マット（８００）間の隙間を埋めるとともに、ピラー（３０８）、及び／又は、レイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）に接合される。
【０１０１】
図９は、真空バッグの予備成形の代替例を示す。この代替例においては、熱間圧延アイロン９００を使用して、図示の方向（９０２）に沿って、積層されたプライ（３１２）又はマット（８００）に対して圧力及び熱を加えることにより、材料（３１４）（例えば、熱可塑性材料）が、プライ（３１２）におけるファイバレイヤ（すなわち、ファイバトウ３０２の間）を通過するのを促すことができる。アイロン（９００）は、単一のプライ（３１２）をレイアップした後で使用してもよいし、所定数のプライ（３１２）をレイアップした後で使用してもよい。
＜適用例＞
【０１０２】
１つ以上の実施形態においては、本明細書で説明しているセルネットワークは、航空機で使用される複合材料を強化するために用いられ、特に、モードＩ又はモードIIの負荷がかかる高応力集中領域、例えば、一体型航空機構造体（Integrated Aircraft Structure: IAS）で使用される。現在、一体型航空機構造体は、ファスナによって接合されているが、このようなファスナは、構造体に冗長性を与えることにより、エポキシの脆弱性のために破壊靭性が低い複合材料における破壊を予測可能なものにすることができる。しかしながら、ファスナの使用に関する第１の問題は、ファスナ孔からの高い応力集中に対応するために必要以上に部品の厚みを大きくする場合が多く、これによって重量が増大してしまう点にある。さらに、ボルト及びファスナに起因する複合材料の破壊は、最初は局所的に孔に生じるが、その後、厚み方向に伝播する傾向がある。破壊靭性を高めて、破壊を予測し易くする手段を提供するために、本明細書で説明する複合材料製品を用いて、より効果的にＩＡＳを接合することができる。より具体的には、本発明の実施形態は、モードＩ及びモードIIの破壊靭性を向上させて、目的とする安定的な複合材料の破壊のための手段を提供することにより、複合材部品を接続するためのファスナの数を減らすか、或いは、機械的接合の際の部品の厚みに適用される安全率を最小限にすることである。
【０１０３】
図１０は、スキン（１００４）と、補強材（１００６）と、当該スキン（１００４）と当該補強材（１００６）との間の界面領域（１００８）とを含む一体型航空機構造体（１０００）（Ｔジョイント１００２）を示す。界面領域（１００８）は、本明細書で説明する複合材製品（３００）を含み、当該複合材製品は、ファイバトウ（３０２）と、材料（３１４）を含むネットワーク（３０４）とを含む。当該材料は、ファイバトウ（３０２）間で引出されて、複合材製品（３００）における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成する。界面領域（１００８）は、スキン（１００４）の一部、補強材（１００６）の一部、及び／又は、スキン（１００４）と補強材（１００６）との間のレイヤを含みうる。
【０１０４】
本発明の実施形態による複合材製品（３００）は、一体型航空機構造体における使用に限定されない。本明細書で説明した複合材製品は、複合体の損傷許容度の改善が必要ないずれの用途にも用いることができる。
＜利点及び改善点＞
【０１０５】
本開示の説明は、連続的な厚み方向関連方法についてのものである。当該方法は、面内特性を低下させることなく、且つ、航空機に適用する場合に大幅な軽量化を可能としつつ（これによって、航空運賃を抑えて）、破壊靭性及び損傷許容度の両方を向上させるという驚くべき予想外の効果を提供することができる。
【０１０６】
現在、本明細書に記載の複合材製品及び複合材技術に類似する公知の複合材強化技術や複合材強化構造は存在しない。本明細書で説明する実施形態によるプライと組み合わされる熱可塑性ネットワークは、複合材の厚み全体に亘って３Ｄであるため、従来のベールとは異なっている。さらに、例示的な熱可塑性ネットワークは、ファイバトウにおけるファイバにおける微細構造の欠陥を排除、又は、比較的抑制することができる点で、従来の厚み方向技術とは異なる。さらに、従来の厚み方向技術においては、熱可塑性材料が、セルネットワークを形成するために炭素トウの周囲で結合することができない。しかしながら、本明細書で説明した例示的な複合材製品は、ベールの一般的な特性を有することに加えて、第１のベール状構造体が、織布の孔を貫通して他のベールに接続しているという特徴を有する。
＜処理環境＞
【０１０７】
図１１は、本明細書に記載の３Ｄプリンタ（４００）を制御するのに必要な処理要素を実施するために使用される例示的なシステム１１００を示す。
【０１０８】
コンピュータ１１０２は、プロセッサ１１０４（汎用プロセッサ１１０４Ａ及び専用プロセッサ１１０４Ｂ）と、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）などのメモリ１１０６とを含む。一般に、コンピュータ１１０２は、メモリ１１０６に記憶されたオペレーティングシステム１１０８の制御下で動作し、ユーザや他のコンピュータと対話して入力及びコマンド（例えば、アナログ信号やデジタル信号）を受け取り、入出力（Ｉ／Ｏ）モジュール１１１０を介して結果を提示する。コンピュータプログラムアプリケーション１１１２は、コンピュータ１１０２のメモリ１１０６に記憶されたデータに対するアクセス及び処理を行う。オペレーティングシステム１１０８及びコンピュータプログラム１１１２は、コンピュータ１１０２によって読み取られて実行されると、本明細書で説明する動作を当該コンピュータ１１０２に実行させる命令群からなる。一実施形態においては、オペレーティングシステム１１０８及びコンピュータプログラム１１１２を実施する命令群は、メモリ１１０６において有形に具現化され、これによって、１つ以上のコンピュータプログラム商品又は製品が、本明細書で説明する（例えば、図５で説明するような）印刷方法を実行することができる。したがって、本明細書で用いられる「製品」、「プログラム記憶装置」、及び、「コンピュータプログラム商品」なる用語は、任意のコンピュータ可読装置又は媒体からアクセス可能なコンピュータプログラムを包含することを意図している。
＜付記＞
【０１０９】
付記１．複数のファイバトウ（３０２）と、
複数のピラー（３０８）によって接続された複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）を含むネットワーク（３０４）と、を含み、
前記複数のピラー（３０８）の各々は、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）から引出されて、前記複数のファイバトウ（３０２）間のそれぞれ異なる１つの空隙（３１０）を通り、前記複数のレイヤのうちの１つ（３０６ａ）と、前記複数のレイヤのうちの他の１つ（３０６ｂ）とを接続し、
前記ネットワーク（３０４）は、前記複合材製品（３００）における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成する、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【０１１０】
付記２．前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）、又は、前記複数のピラー、又は、前記複数のレイヤ（３０６ａ，３０６ｂ）及び前記複数のピラー（３０８）は、熱可塑性材料、又は、当該熱可塑性材料ハイブリッドを含み、
前記熱可塑性は、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルケトン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトンケトン、ポリイミド、又は、ポリフェニルスルホンを含み、
前記複数のファイバトウ（３０２）は、ガラス繊維、ケブラー、及び、炭素から選択された少なくとも１つの材料（３１４）を含む、付記１に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【０１１１】
付記３．前記熱可塑性材料の前記混成体は、界面活性剤、安定剤、粉末、ファイバ、及び、微粒子から選択される少なくとも１つの添加剤又は含有物を含む、付記１に記載の複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）。
【０１１２】
付記４．スキン（１００４）と、補強材（１００６）と、前記スキン（１００４）と前記補強材（１００６）との間の界面領域（１００８）とを含む一体型航空機構造体（１０００）であって、
前記界面領域（１００８）は、複合材製品（３００，３００ｂ，３００ｃ）を含み、前記複合材製品は、
複数のファイバトウ（３０２）と、
前記複数のファイバトウ（３０２）間で引出される材料（３１４）を含むネットワーク（３０４）とを含み、前記ネットワークは、前記複合材製品における亀裂の伝播を低減する物理的バリアを形成しており、
前記界面領域（１００８）は、前記スキン（１００４）の一部、前記補強材（１００６）の一部、及び／又は、前記スキン（１００４）と前記補強材（１００６）との間のレイヤを含む、一体型航空機構造体。
【０１１３】
当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、この構成に対して多くの改変が可能であることが分かるであろう。例えば、当業者であれば、上記コンポーネントの任意の組み合わせ、或いは、任意の数の異なるコンポーネント、周辺機器、及び、他の装置を使用可能であることが分かるであろう。
＜結語＞
【０１１４】
これで本開示の好ましい実施形態の説明を終了する。好ましい実施形態についての上記記載は、例示及び説明を目的として提示されたものである。したがって、上記記載は、全てを網羅することや、本開示を、開示された形態に厳密に限定することを意図するものではない。上記開示内容を踏まえた多くの改変及び変形が可能である。権利範囲は、この詳細な説明によって限定されるものではなく、本明細書に添付の請求の範囲によって限定されるものである。
【図１】
2019206172.tif 000004
【図２】
2019206172.tif 000005
【図３Ａ】
2019206172.tif 000006
【図３Ｂ】
2019206172.tif 000007
【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
2019206172.tif 000009
【図３Ｅ】
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【図４】
2019206172.tif 000011
【図５】
2019206172.tif 000012
【図６】
2019206172.tif 000013
【図７Ａ】
2019206172.tif 000014
【図７Ｂ】
2019206172.tif 000015
【図７Ｃ−７Ｄ】
2019206172.tif 000016
【図８Ａ−８Ｄ】
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【図９】
2019206172.tif 000018
【図１０】
2019206172.tif 000019
【図１１】
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【外国語明細書】
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2019206172000002.pdf
2019206172000003.pdf
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