(57)【要約】所定の広がりを有する平面または曲面領域内で折り曲げ予定曲線と、この折り曲げ予定曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を並列して配置した範囲（ａ）である外周側部分と、なおかつ前記強化繊維と角度を持って交差する複数の強化繊維を領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分（ｂ）よりなる内周側部分とを有する繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体。および、前記折り曲げ予定曲線に沿って折り曲げられた部分と、前記外周側部分よりなる鍔部と、前記内周側部分を折り曲げて形成した半筒状部とを有する繊維強化複合材料用プリフォーム。
2004016844.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の広がりを有する平面または曲面領域内で曲線に沿って折り曲げられる部分を有する繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体であって、
前記折り曲げられる曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置したことを特徴とする、前記後者の強化繊維のみにて構成される部分を折り曲げて所望の形状にすることを目的とした繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体。
【請求項２】
所定の広がりを有する平面または曲面領域内で曲線に沿って折り曲げられた部分を有する繊維強化複合材料用プリフォームであって、
前記折り曲げられた曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を折り曲げて所望の形状にしたことを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項３】
所定の広がりを有する平面または曲面領域内で、繊維の使用量および／または繊維径を変化させることによって部分的または連続的に厚みが変化していることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項４】
所定の広がりを有する円筒面または円錐面領域内において、軸に直交または略直交する曲線に沿って折り曲げられる部分を有し、軸方向のある部分に、軸に直交または略直交する複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置してなる円筒形状または円錐形状の全体またはその一部を含む形状において、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記曲線に沿って所望の形状に折り曲げたことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項５】
所定の広がりを有する円盤面または楕円面領域内において円形または楕円形状に沿って折り曲げられた部分を有し、放射方向のある部分に複数の強化繊維を前記折り曲げられた曲線に沿って組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置してなり、後者の強化繊錐のみにて構成される部分を、前記円形または楕円形状の曲線に沿ってある方向に折り曲げたことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項６】
所定の三次元形状と強化繊維の配向を持つ繊維強化複合材料用プリフォームを得るための基材として、請求項２から請求項５に記載の繊維強化複合材料用プリフォームから選択された繊維強化複合材料用プリフォームを適宜に複数組み合わせて用いたことを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項７】
ミシンによるステッチまたはニッティング、ニードルパンチ、繊維状の可塑性樹脂を強化繊維に含ませたものを使用した場合の熱圧着によって一体化されたことを特徴とする、請求項２に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項８】
ミシンによるステッチまたはニッティング、ニードルパンチ、繊維状の可塑性樹脂を強化繊維に含ませたものを使用した場合の熱圧着によって一体化されたことを特徴とする、請求項３に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項９】
ミシンによるステッチまたはニッティング、ニードルパンチ、繊維状の可塑性樹脂を強化繊維に含ませたものを使用した場合の熱圧着によって一体化されたことを特徴とする、請求項４に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項１０】
ミシンによるステッチまたはニッティング、ニードルパンチ、繊維状の可塑性樹脂を強化繊維に含ませたものを使用した場合の熱圧着によって一体化されたことを特徴とする、請求項５に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項１１】
ミシンによるステッチまたはニッティング、ニードルパンチ、繊維状の可塑性樹脂を強化繊維に含ませたものを使用した場合の熱圧着によって一体化されたことを特徴とする、請求項６に記載の繊維強化複合材料用プリフォーム。
【請求項１２】
所定の広がりを有する円筒面または円錐面形状の全体またはそれらの一部を含む領域内において、軸に直交または略直交する曲線に沿って折り曲げられる部分を有し、軸方向のある部分に、軸に直交または略直交して複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記曲線に沿って所望の形状に折り曲げることを特徴とする請求項４に記載の繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法。
【請求項１３】
所定の広がりを有する円盤面または楕円面形状の全体またはその一部を含む領域内において円形または楕円形状に沿って折り曲げられる部分を有し、放射方向のある部分に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記円形または楕円形状の曲線に沿ってある方向に折り曲げることを特徴とする、請求項５に記載の繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法。
【請求項１４】
所定の三次元形状と強化繊維の配向を持つ繊維強化複合材料用プリフォームを得るための基材として、請求項１２または請求項１３に記載の方法で得られた繊維強化複合材料用プリフォームを適宜に複数組み合わせて用いることを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】  本発明は、航空機や自動車、船舶、建造物などの構造部においての、中でも航空機の翼部、胴体部などに代表される円孔部や曲線部分で強度を必要とする構造部材などに用いられる、強化繊維で形成された繊維強化複合材料用のプリフォーム前駆体、繊維強化複合材料用のプリフォームおよびその製造方法に関する。
【背景技術】  従来、航空機の翼、胴体部分の構造材や窓枠や給油口などの円孔部の部材などとしては、その部位や応力特性に応じた強度特性を持った機械的強度が大きい特殊なアルミニウム合金やチタニウム合金、およびステンレス鋼などの金属材料が多く用いられてきた。しかし、機体が必要強度を得るためには膨大な重量、部品数の金属材料構造部材を使用しなければならないため、機体の重量は重くなる傾向があった。そのため設計上の自由を奪われていたし、実際に飛行する際の燃料消費についても莫大なものとなり、航空機材料の軽量化は航空機の製造、運用、安全性などにおいて、重要なファクターとなっていた。
最近の航空機用構造材料においては、例えばガラス繊維やアラミド繊維、炭素繊維などの強化繊維にエポキシ樹脂などの高分子マトリックスを含浸した比強度の高い繊維強化複合材料による航空機構造材料の製造が研究され、実際に適用されている部分も多く出てきた。複合材料は金属材料に比べ、比強度、比剛性において優れていることは公知であり、また、強化繊維による異方性という特徴のため、構造設計においての自由度が高いということもよく知られている。また、大型の構造部材の一体成形が可能であるため、部品点数を大幅に減らせ、コスト低減が可能となる。
発明が解決しようとする技術的課題
ところが、環状、湾曲形状などの曲線部を一部または全体に持つ所定形状を得ようとする場合には、例えば特開平０７−０８１５６６号公報のようなやり方であらかじめ強化繊維に樹脂を含浸したプリプレグシートを裁断し、これら多数のプリプレグを、所望の形伏に貼り付けていくハンドレイアップ法が行われているが、ほとんど人手による手作業で、製造工程数が多く、自動生産が困難であり、廃材料も多く出るため、生産性が低いという問題があった。またそうした場合は環状、湾曲状の強化繊維が寸断されている状態であって、強化繊維による十分な強度が得られなかった。
また、プリプレグを使用した、ＡＴＬ（オート・テープ・レイアップ）（またはファイバー・プレイスメントなどと呼ばれる）という技術が知られていて（例えば、米国特許第６０９６１６４号に記載の形態のようなもの）、曲面形状の部材などについて適用されているが、Ｉ、Ｌ、Ｔ、ハット型などの異形断面を持つ複雑な形状は製造できないという問題点があった。
また強化繊維の織物による製造方法も従来から知られている。例えば、円盤状やらせん状などの所望の形態に織物を構成したものなどもあるが、いずれも繊維を織物にする工程を含むためコストが高くなり、織物をカットしたり、積み重ねたりなどという工数が多く、割高となっていた（特開昭５７−１３３２４２号公報、特開平３−２４９２３４号公報、特開平０４−１０８１３８号公報、特開平０６−２６４３２７号公報、特開平０７−１３３５４８号公報、特開２００２−３２８０号公報）。
また、Ｉ、Ｈ、Ｔ型などの異形断面を有する強化繊維による織物（特開昭５７−１３３２４１号公報）も知られているが、織機による織物であるため、０°、９０°などの方向以外の強化繊維は配向できないし、湾曲させることについての発明ではない。
また、織物の繊維組織を変化せることによって、湾曲した構造物を製造可能な特開昭６３−１２０１５３号公報や特開平０２−１９１７４２号公報なども知られているが、やはり織物であるために繊維がクリンプしていることは否めず、強度において弱点があるし、工数も多いために大量生産には不向きであり、単体での使用のため、実現できる形状は限られている。
また、特開平１０−２９０８５１号公報のように、強化繊維の組物からなるブレード基材による複合材料の製作方法もあるが、織物・組物・編物は繊維がクリンプした状態で構成されているため、強度が小さいという強度面においての課題があったし、織物を使用する場合と同じく高コストとなっていた。一方、必要とされる方向の強度を得るために、本来必要とされない方向の強化繊維の量も一緒に増やしてしまうと、重量や寸法も増えてしまい、コストも上がってしまう、また、時には設計に応じた強度を得られない、などという新たな課題が生じた。これらが原因で民間航空機への複合材料の適用は遅れがちとなっているのが現状である（特開２０００−３２８３９２号公報）。以上のような課題がある。
本発明は、前記の問題を解消し、立体形状に賦形する際の自由度が高く、製造時間や工数が少なく、廃材料も少ない、従来に比べて安価で繊維のクリンプが無く高密度で強度の高い繊維強化複合材料用プリフォームおよびその製造方法を提供することにある。
【発明の開示】
前記課題を解決するため本発明の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体は、所定の広がりを有する平面または曲面領域内で曲線に沿って折り曲げられる部分を有する繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体であって、前記折り曲げられる曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置したことを特徴とする、後者の強化繊維のみにて構成される部分を折り曲げて所望の形状にすることを目的とした繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体とした（請求項１）。
ここで、上記の「組織することなく」の用語は、織物や組物、編物のように、強化繊維が互いに織成または編組されていない状態をいう。
折り曲げる曲線に沿って強化繊維が組織することなく並列して配置してある部分は、強化繊維が折り曲げを阻止するという特性を持つ。これは、折り曲げ曲線に沿って並列して配置されている強化繊維の繊維長と折り曲げ後の強化繊維の繊維長とが一致しないためである。一方、折り曲げられる曲線に沿って並列して配置してある強化繊維に対して角度を持って交差する複数の強化繊維だけで構成される部分については、曲線に沿った形態を有しながら繊維どうしの間隔が変化することによって、シワを作ることなく容易に曲げることが可能である。これは、折り曲げる際にその折り曲げを阻止する方向の繊維を含まないためである。この性質に着目することによって必要とされる曲線状の異型断面を比較的容易に得ることができる繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体を提供できる。
前記課題を解決するため本発明の繊維強化複合材料用プリフォームは、所定の広がりを有する平面または曲面領域内で曲線に沿って折り曲げられた部分を有する繊維強化複合材料用プリフォームであって、前記折り曲げられた曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を折り曲げて所望の形状にしたことを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォームとした（請求項２）。
請求項１に記載してあるように構成されている繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体は、折り曲げる目的で構成されている部分を所望の形状に折り曲げることによって異型断面を有し、繊維強化複合材料用プリフォームとなる。本発明で得られる繊維強化複合材料用プリフォームは、従来の技術では複雑な工程を経てしか得られなかったような、例えばＩ、Ｔ、Ｌ、Πなどの各種異型断面を持つ湾曲した繊維強化複合材料用プリフォームを少ない工数で製造できる。
また、所定の広がりを有する平面または曲面領域内で、繊維の使用量および／または繊維径を変化させることによって部分的または連続的に厚みが変化していることを特徴とする請求項２に記載の繊維強化複合材料用プリフォームとした（請求項３）。
様々な強度特性が一つの構造材の中で分散して設定されているような場合においては、必要とされる強度に応じた強化繊維の配置が必要となり、厚みや幅などを部分的に増減させたりすることによって対応できる。同様のことを、使用する強化繊維の繊維径を部分的に変化させることによっても可能とした。
また、所定の広がりを有する円筒面または円錐面領域内において、軸に直交または略直交する曲線に沿って折り曲げられる部分を有し、軸方向のある部分に、軸に直交または略直交する複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置してなる円筒形状または円錐形状の全体またはその一部を含む形状において、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記曲線に沿って所望の形状に折り曲げたことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の繊維強化複合材料用プリフォームとした（請求項４）。
円筒面に連続して円盤形状を有する形態のプリフォームを製造しようとする場合に、円筒状の前駆体の一部を折り曲げることによって、従来のような複雑な工程を経ずに所望の形態が得られる。この場合、プリフォーム前駆体から折り曲げた部分が、円筒における円周の内側に向かっていても良いし、外側でも良い。円筒の軸に直交するラインに沿って折り曲げるタイプのものは、円筒に円盤状の鍔が付属したような形態が可能であるし、円筒の軸に略直交するようなラインに沿って折り曲げるタイプのものでは、円筒形状に円盤状の鍔が略直交線に沿って付属した形態のものとなる。
また、所定の広がりを有する円盤面または楕円面領域内において円形または楕円形状に沿って折り曲げられた部分を有し、放射方向のある部分に複数の強化繊維を前記折り曲げられる曲線に沿って組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置してなり、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記円形または楕円形状の曲線に沿ってある方向に折り曲げたことを特徴とする、請求項２または請求項３に記載の繊維強化複合材料用プリフォームとした（請求項５）。
例えば、孔の開いた円盤面において、内周部分に連続した円筒面がある程度の幅を持って付随しているような形態のプリフォームを得ようとする場合は、付随した円筒面の繊維量を併せ持った円盤面であるプリフォーム前駆体を製作する。本請求項にあるように、折り曲げた後にも円盤面を維持している部分に関してのみ、円周方法の繊維が組織せずに並行して配置されている状態のものである。前記のようなプリフォーム前駆体を製作した後に、円周方向の繊維が並行して配置されていない部分を、円盤面上より折り曲げて円筒面を形成させる。
また、所定の三次元形状と強化繊維の配向を持つ繊維強化複合材料用プリフォームを得るための基材として、請求項２から請求項５に記載の繊維強化複合材料用プリフォームから選択された繊維強化複合材料用プリフォームを適宜に複数組み合わせて用いたことを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォームとした（請求項６）。
強化繊維の配置のしかたによって、複合材料としての強度の異方性は変化させることができる。例えば、異型断面がＬ、Ｉ、Ｔ、Π型などの形状を有する湾曲した複合材料において、その全面において湾曲方向の強度を必要とされる時には湾曲方向の強化繊維を持った複合材料用のプリフォームが必要となる。そうした場合には、強化繊維の配置をそれぞれ設定してある請求項２から請求項５のいずれかの繊維強化複合材料用プリフォームを前記のような強度配分にて複数組み合わせることを行なう。そうすることにより、複数の面に、折り曲げられた曲線に沿って並列に配置される強化繊維を含めることができる。
また、ミシンによるステッチまたはニッティング、ニードルパンチ、繊維状の可塑性樹脂を強化繊維に含ませたものを使用した場合の熱圧着によって一体化されたことを特徴とする、請求項２から請求項６のいずれかに記載の繊維強化複合材料用プリフォーム（請求項７から請求項１１）。
本発明におけるプリフォームにおいて、プリフォーム前駆体を折り曲げる前にステッチやニッティングが必要な場合は、アパレル分野で良く知られているジグザグ状ステッチや、鋸歯状ステッチなどの伸縮素材に対する方法を採用すれば良い。もしくは伸縮する縫製糸によっても同様で、それらは必要に応じて適宜使用される。またプリフォーム前駆体を折り曲げ作業を行なった後に、必要な部分にステッチやニッティングを施すこともできる。使用され得る縫製糸としては、ごく一般的な縫製用のポリエステルやその他の化学繊維や有機繊維はもとより、厚み方向の強度が必要とされる場合は、特に弾性の高い炭素繊維やセラミック繊維、もしくはアラミド繊維などの繊維を用いることができる。
また、ニードルパンチによって一体化されたことを特徴とする、請求項２から６のいずれかに記載の繊維強化複合材料用プリフォームとした。
繊維強化複合材料用プリフォームの形状によっては、前述のステッチやニッティングを施すことができない場合がある。そのような場合は、本発明における繊維強化複合材料用プリフォームにおいての形態保持のための強化繊維の接合手段として、ニードルパンチを施す。ニードルパンチを施すのは、プリフォーム前駆体を折り曲げる前でも、折り曲げた後でも良い。
また、繊維状の熱可塑性樹脂を強化繊維と共に使用し、熱圧着されたことを特徴とする、請求項２から６のいずれかに記載の繊維強化複合材料用プリフォームとした。
ステッチやニッティング、またはニードルパンチを必要としない場合や形態的にそれらの作業が困難な場合は、繊維状の熱可塑性繊維を強化繊維と共に使用し、熱圧着して一体化することができる。また、別途、繊維配列後に、接着用の樹脂を付与することもできる。
また、厚み方向の、例えばステッチ糸による強度が必要とされる場合は、強化繊維と共に繊維状の熱可塑性樹脂を使用してプリフォーム前駆体を構成し、それに対してステッチを適宜に加えて、その後に折り曲げ可能な部位を折り曲げさせて、熱圧着させ、所望する形態の強化繊維複合材料用プリフォームを得れば良い。この事例は、ニッティングについても同様のことが言える。これらステッチ、ニッティング、ニードルパンチなどによる厚み方向の接合は、厚み方向に基材を穿孔することとなり、複合材料化のマトリックス含浸工程で樹脂の流動化を促すことに寄与し、含浸効率を向上させる。
前記課題を解決するため本発明の繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法は、所定の広がりを有する円筒面または円錐面形状の全体またはそれらの一部を含む領域内において、軸に直交または略直交する曲線に沿って折り曲げられる部分を有し、軸方向のある部分に、軸に直交または略直交して複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記曲線に沿って所望の形状に折り曲げることを特徴とする請求項４に記載の繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法とした（請求項１２）。
上記の方法によれば、曲線に沿って折り曲げられる部分には、曲線に沿った強化繊維が配置されていないので、曲線に沿って折り曲げる際の内外径の変化が可能なため、曲線に沿って容易に折り曲げることができ、所望の三次元形状を有する繊維強化複合材料用プリフォームを製造することができる。
また、所定の広がりを有する円盤面または楕円面形状の全体またはその一部を含む領域内において円形または楕円形状に沿って折り曲げられる部分を有し、放射方向のある部分に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記円形または楕円形状の曲線に沿ってある方向に折り曲げることを特徴とする、請求項５に記載の繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法とした（請求項１３）。
上記の製造方法によれば、円盤面または楕円面形状またはその一部を有する領域内において、円形または楕円形状の曲線に沿ってある方向に折り曲げられる部分に、円形または楕円形状の曲線に沿って並列された強化繊維を有しないので、この部分を折り曲げる際に繊維の間隔が変化することによって内外径の変化が可能なため、円形または楕円形状の曲線に沿って容易に折り曲げることができ、所望の円形または楕円形状またはそれらの一部の三次元形状を有する繊維強化複合材料用プリフォームを製造することができる。
また、所定の三次元形状と強化繊維の配向を持つ繊維強化複合材料用プリフォームを得るための基材として、請求項１２または請求項１３に記載の方法で得られた繊維強化複合材料用プリフォームを適宜に複数組み合わせて用いることを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法とした（請求項１４）。
複雑な三次元形状と強化繊維の配向を持つ繊維強化複合材料用プリフォームを単一の繊維強化複合材料用プリフォームによって得ることが困難な場合、複数の繊維強化複合材料用プリフォームを複数組み合わせることによって、所定の三次元形状と強化繊維の配向を持つ繊維強化複合材料用プリフォームを得ることができる。
【図面の簡単な説明】  図１は、本発明の一実施形態に係る繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体の斜視図である。
図２は、図１の前駆体を用いて製造した本発明の一実施形態に係る繊維強化複合材料用プリフォームの斜視図である。
図３は、本発明の異なる実施形態に係る繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体の斜視図である。
図４は、図３の前駆体を用いて製造した本発明の異なる実施形態に係る繊維強化複合材料用プリフォームの斜視図である。
図５は、図２および図４の繊維強化複合材料用プリフォームを組み合せて製造した複合型繊維強化複合材料用プリフォームの斜視図である。
図６（Ａ）から図６（Ｊ）は本発明による異型断面形状を有する繊維強化複合材料用プリフォームの異なる実施形態の正面図である。
発明の実施をするための最良の形態
以下、本発明の実施をするための最良の形態を、添付図面を参照して説明する。図１は本発明の一実施形態に係る典型的なＬ型異型断面の湾曲した繊維強化複合材料用プリフォームを形成することを目的とした、平面内で湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体１０の斜視図である。この湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体１０は、折り曲げ予定曲線１２によって区分された外周側部分１４と、内周側部分１６とを有する。外周側部分１４は、折り曲げ予定曲線１２に沿って複数の強化繊維を組織することなく並列して配置してなる範囲ａである。内周側部分１６は、外周側部分１４を含めた全体にわたって前記強化繊維と角度を持って交差する複数の強化繊維を配置してなる範囲のうち、後者の強化繊維のみにて構成される部分ｂである。前記角度を持って交差する複数の強化繊維とは、図１に示すように、周方向を０°とした場合、この０°方向に対して、例えば＋４５°の方向、−４５°の方向および９０°の方向のいずれか一つ以上の方向に並列して配置したもの、あるいはそれらを複数層積層したものを意味する。なお、図１では、この角度を持って交差する強化繊維は、範囲ａと部分ｂとで共通であるため、図面の簡略化のために図示を省略し、範囲ａと部分ｂとで異なる範囲ａの折り曲げ予定曲線１２に沿って並列して配置した強化繊維のみを示している。
以上のように配置された強化繊維群に対して、０°方向のミシンによるステッチまたはニッティング縫製工程を、一定間隔を持った破線状の形態で加える。このときに、０°方向の強化繊維が９０°方向に移動することを防ぐために、０°方向の強化繊維を跨ぐような形態でのジグザグ状または鋸歯状の縫製を加えてやってもよい。
図２は、前記図１の湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体１０における内周側部分１６を、繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体１０を基準面として、折り曲げ予定曲線１２に沿って９０°の方向に起立させて形成した、典型的なＬ型異型断面の湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム２０の斜視図を示す。図２において、２２は図１の折り曲げ予定曲線１２に対応している折り曲げ部である。２４は図１の外周側部分１４に対応する鍔部で、強化繊維が前述のように、０°方向、＋４５°方向、−４５度方向および９０°方向に配置された範囲ａ部分に対応している。２６は図１の内周側部分１６に対応する半筒状部で、前述のように、０°方向を除いた＋４５°方向、−４５度方向および９０°方向に配置されている部分ｂに対応している。前記内周側部分１６を折り曲げる際に、この内周側部分１６には、０°方向の強化繊維が配置されていないので、内周側部分１６の折り曲げ時に各繊維の間隔が、折り曲げ位置から離れるに従って内周側の径寸法を円滑に増大させて、半筒状部２６を円滑に形成することができる。
また、縫製工程の種類によってはこの起立させる作業状においてその内外径比のステッチ糸がついていけず、起立させる作業を困難にする場合が予想される場合は、伸縮するステッチ糸や伸縮するステッチ方法をあらかじめ選ぶようにするとよい。
従来、図２に示すような異型断面の繊維強化複合材料用プリフォーム２０を製造する方法としては、複雑な多工程によって製造される三次元織物や、クロス材やブレード材、ニット材をカットして重ね合わせたもの、また繊維にあらかじめ半硬化状態の高分子樹脂を含浸させたものを所定の形態にカットして張り合わせていく、などといった製造方法があったが、いずれも複雑な多工程を要し、高コストとなっていたが、本発明は製造方法を工夫して簡略な工程とし、なおかつ必要とされる強度を得ることができ、低コスト化を実現した。
図３は本発明の別の実施形態に係るＬ型異型断面の湾曲した繊維強化複合材料用プリフォームを形成することを目的とした半円筒状に湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体３０の斜視図である。この半円筒状に湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体３０は、折り曲げ予定曲線３２によって下方側部分３４と、上方側部分３６とを有する。上方側部分３６は、折り曲げ予定曲線３２に沿って０°方向に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置してなる範囲ｃである。下方側部分３４は、上方側部分３６を含めた全体にわたって前記強化繊維と角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく配置してなる範囲のうち、後者の強化繊維のみにて構成される部分ｄである。前記角度を持って交差する複数の強化繊維とは、折り曲げ予定曲線３２に沿う方向を０°とした場合、この０°方向に対して、例えば＋４５°の方向、−４５°の方向および９０°の方向のいずれか一つ以上の方向に並列して配置されたもの、あるいはそれらを複数層積層したものを意味する。なお、図３では、この角度を持って交差する強化繊維は、範囲ｃと部分ｄとで共通であるため、図面の簡略化のために図示を省略し、範囲ｃと部分ｄとで異なる範囲ｃの折り曲げ予定曲線３２に沿って並列して配置した強化繊維のみを示している。
図４は、前記図３の半円筒状に湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体３０における下方側部分３４を、繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体３０を基準面として、折り曲げ予定曲線３２に沿って９０°の外方向に起立させて形成した、典型的なＬ型異型断面の湾曲した繊維強化複合材料用プリフォーム４０の斜視図を示す。図４において、４２は図３の折り曲げ予定曲線３２に対応している折り曲げ部である。４４は図３の下方側部分３４に対応する鍔部で、強化繊維が前述のように、０°方向を除く、例えば＋４５°方向、−４５度方向および９０°方向に配置されている部分ｄに対応している。４６は図３の上方側部分３６に対応する半筒状部で、前述のように、強化繊維が例えば０°方向、＋４５°方向、−４５度方向および９０°方向に配置されている範囲ｃに対応している。前記下方側部分３４を外方向に折り曲げる際に、この下方側部分３４には、前述のように、０°方向の強化繊維が配置されていないので、下方側部分３４の折り曲げ時に、各繊維の間隔が変化し、折り曲げ位置から離れるに従ってその径寸法を円滑に順次増大させて、鍔部４４を形成することができる。
また、上記の各実施形態において、縫製工程の種類によっては、０°方向の強化繊維が配置されていない部分ｂ，ｄを起立させる作業時に、その内外径比のステッチ糸がついていけず、起立させる作業を困難にする場合が予想される場合は、伸縮するステッチ糸や伸縮するステッチ方法をあらかじめ選ぶようにするとよい。
以上のようして得られた繊維強化複合材料用プリフォーム２０、４０は、単体で用が足りるならば、そのまま高分子樹脂を含浸させて成形して使用してもよいし、必要とあらばこれらの繊維強化複合材料用プリフォーム２０、４０を図５のように重ね合わせた状態で、含浸、成形して使用してもよい。
すなわち、図５は、上記の繊維強化複合材料用プリフォーム２０の鍔部２４および半筒状部２６を、繊維強化複合材料用プリフォーム４０の鍔部４４および半筒状部４６に重ね合わせて、一体とした複合型の繊維強化複合材料用プリフォーム５０の斜視図を示す。この複合型の繊維強化複合材料用プリフォーム５０においては、重ね合わされた鍔部５４（２４，４４）は、繊維強化複合材料用プリフォーム２０の鍔部２４によって０°方向に強化繊維が配置されているし、重ね合わされた半筒状部５６（２６，４６）は、繊維強化複合材料用プリフォーム４０の半筒状部４６によって０°方向に強化繊維が配置されている。したがって、単に、２つの繊維強化複合材料用プリフォーム２０、４０が組み合わされて比強度が大きくなるたけではなく、その組合せによって鍔部５４および半筒状部５６の両方が０°方向に配置された強化繊維によって強化されている。
上記の折り曲げ前の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体１０、２０それぞれの一体化、あるいは折り曲げ後の繊維強化複合材料用プリフォーム３０、４０それぞれの一体化、さらには、２つの繊維強化複合材料用プリフォーム３０、４０を組み合わせた複合型の繊維強化複合材料用プリフォーム５０の一体化は、ミシンによるステッチまたはニッティングによって行なうことができる。あるいは、ニードルパンチによって行なうことができる。
上記のような単体または複合体の繊維強化複合材料用プリフォーム２０、４０、５０の含浸、成形方法に関しては、ＲＴＭ法（レジン・トランスファー・モールディング）やＶａＲＴＭ法（バキューム・アシスト・レジン・トランスファー・モールディング）またはＲＦＩ法（レジン・フィルム・インフュージョン）、オートクレーブ法などが用いられる。前記実施形態における強化繊維の配置作業は従来の三次元織物やクロス、ニット材、ブレード材、プリプレグ材などの製造工程に比べて、強化繊維を直接にあらゆる方向に、また選択的に配置することが自由にでき、なおかつロボットによる工程の機械化が比較的容易に行えるため、低コスト、大量生産体制に対応できる。また、使用繊維についても、炭素繊維やガラス繊維、セラミックス繊維などの無機繊維アラミド繊維やその他のあらゆる有機繊維も使用できるため、繊維強化複合材料が適用される部位に対して広く対応できる。また、繊維が組織することなく配置されるために、繊維の強度が低下することなく、また、高密度化することができるため、軽量化が促進される。
以上は、本発明の典型的なＬ型断面形状の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体および繊維強化複合材料用プリフォームついて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、各種の形状の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体およびに繊維強化複合材料用プリフォームに適用できる。
例えば、上記実施形態はＬ型断面形状が完結した環状になっていない繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体や、単一または複合型の繊維強化複合材料用プリフォームについて説明したが、図１の２点鎖線で示すように、完結した環状の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体を形成することも可能であり、このように完結した環状の前駆体を用いれば、図２の２点鎖線で示すように、完結した環状の繊維強化複合材料用プリフォームを製造することができる。また、図３に示す半筒状の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体に代えて、完結し筒状の繊維強化複合材料用プリフォーム前躯体を用いれば、完結した環状の繊維強化複合材料用プリフォームを製造することができる。このように完結した環状の繊維強化複合材料用プリフォームは、真円形状でも、楕円形状でも、長円形状でも、任意に形成できる。
また以上は、本発明の典型的なＬ型断面形状の繊維強化複合材料用プリフォームについて説明したが、本発明はこのＬ型断面形状に限定されるものではなく、各種の断面形状の繊維強化複合材料用プリフォームに適用できる。図６は、本発明によって形成される繊維強化複合材料用プリフォームの異型断面形状についてのほんの一例を示す。
すなわち、図６（Ａ）はＩ型断面形状、図６（Ｂ）はＴ型断面形状、図６（Ｃ）はπ型断面形状、図６（Ｄ）は凸型断面形状、図６（Ｅ）はＵ型断面形状、図６（Ｆ）は□型断面形状、図６（Ｇ）は梯子型断面形状、図６（Ｈ）はトラス型断面形状、図６（Ｉ）はＪ字型断面形状である。これらの断面形状において、その長さ方向に沿って湾曲している三次元的な繊維強化複合材料用プリフォームが、上記と同様に、製造できる。
また、本発明は、上記各実施形態の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体や、単一または複合型の繊維強化複合材料用プリフォームにおいて、各部分の幅寸法や高さ寸法などが長さ方向に沿って同一の寸法であることは必ずしも必要ではなく、連続的または階段状に変化してもよい。その場合の強化繊維の配置は、幅方向や高さ方向に等間隔でなく、それぞれの形状に応じて、微小角度を以って並列して配置してもよい。
また、各実施形態の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体や、単一または複合型の繊維強化複合材料用プリフォームにおいて、連続的または段階的に厚さ寸法が異なるようにしてもよい。その場合、厚さ寸法が小さい部分には径小の強化繊維を配置し、厚さ寸法が大きい部分には径大の強化繊維を配置する構成としてもよいし、同一の径寸法の強化繊維を、厚さ寸法が小さい部分には少ない層数で重ね合わせて配置し、厚さ寸法が大きい部分には多い層数で重ね合わせて配置する構成としてもよい。
また、厚さ寸法を連続的に変化させた場合は、径寸法が大きい強化繊維から径寸法が順次小さくなる強化繊維を連続的に配置する構成としてもよいし、同一の径寸法の強化繊維を重ねる層数を連続的に変化させるようにしてもよい。
【発明の効果】
本発明の繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体は、所定の広がりを有する平面または曲面領域内で曲線に沿って折り曲げられる部分を有する繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体であって、前記折り曲げられる曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置したことを特徴とする、後者の強化繊維のみにて構成される部分を折り曲げて所望の形状にすることを目的とした繊維強化複合材料用プリフォーム前駆体であるので、曲線部分で強度を必要とする異型断面の複合材料構造部材のプリフォームを製造でき、また最終形状で必要とされる強化繊維と同じ繊維を配置して構成されるため、廃材量がゼロに近く、また、生産効率が良く、低コスト・大量生産が可能である。また曲線部分を補った強化繊維の配置についても直線的な配置ばかりではなく、曲線でなおかつ強化繊維のクリンプが無く、連続的な配置が可能である。従来用いられていたクロス材、ブレード材、ニット材に付いては強化繊維のクリンプがあり強度が上がらなかったし、またその基材の構成や複層化するためにカットして重ねて用いる場合においては、曲線部分においての強化繊維の連続性が失われていた。
本発明の繊維強化複合材料用プリフォームは、所定の広がりを有する平面または曲面領域内で曲線に沿って折り曲げられた部分を有する繊維強化複合材料用プリフォームであって、前記折り曲げられた曲線に沿って部分的に複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を折り曲げて所望の形状にしたことを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォームであるから、曲線部分で強度を必要とする異型断面の複合材料構造部材のプリフォームとして使用でき、また最終形状で必要とされる強化繊維と同じ繊維を配置して構成されるため、廃材量がゼロに近く、また、生産効率が良く、低コスト・大量生産が可能である。また曲線部分を補った強化繊維の配置についても直線的な配置ばかりではなく、曲線でなおかつ強化繊維のクリンプが無く、連続的な配置が可能である。
本発明の繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法は、所定の広がりを有する円筒面または円錐面形状の全体またはそれらの一部を含む領域内において、軸に直交または略直交する曲線に沿って折り曲げられる部分を有し、軸方向のある部分に、軸に直交または略直交して複数の強化繊維を組織することなく並列して配置し、なおかつそれと角度を持って交差する複数の強化繊維を組織することなく領域全体にわたって配置し、後者の強化繊維のみにて構成される部分を、前記曲線に沿って所望の形状に折り曲げることを特徴とする繊維強化複合材料用プリフォームの製造方法であるから、従来製造できなかった湾曲した繊維強化複合材料用プリフォームを、少ない工程で、しかも、大きな比強度を持たせ製造することができる。
【図１】
2004016844.tif 000003
【図２】
2004016844.tif 000004
【図３】
2004016844.tif 000005
【図４】
2004016844.tif 000006
【図５】
2004016844.tif 000007
【図６】
2004016844.tif 000008
【国際調査報告】
2004016844.tif 000009
2004016844.tif 000010
2004016844.tif 000011
2004016844.tif 000012