(57)【要約】  圧縮成形を介して繊維強化複合体部品を形成するための方法であって、特に、軸外、面外、または複雑な小さな特徴を備える部品を形成するのに有用な方法が提供される。この方法により、非流動性連続繊維束および流動性連続繊維束は、金型内に入れられ、流動性連続繊維束は、小さな特徴内の近位に配設される。非流動性束は、金型の大きな特徴の長さとほぼ等しい長さを有する。流動性束は、小さな特徴の長さよりも幾分長い長さを有する。熱および圧力を印加すると、樹脂が軟化し、流動性連続繊維束からの繊維が小さな特徴内に流れ込む。
2021524406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雌型を利用する、圧縮成形方法であって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
少なくとも１つの非流動性連続繊維束を前記雌型内に配設するステップであって、前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、第１の長さを有し、前記長軸に合わせて整列する、ステップと、
少なくとも１つの流動性連続繊維束を前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内に配設するステップであって、前記少なくとも１つの流動性連続繊維束は、前記第１の長さの５０パーセント未満である第２の長さを有する、ステップと、
を含む圧縮成形方法。
【請求項２】
前記非流動性連続繊維束および前記流動性連続繊維束のうちの少なくとも１つは、繊維プリプレグを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
少なくとも１つの流動性連続繊維束を前記雌型内に配設するステップは、前記流動性連続繊維束からの流動性連続繊維と前記非流動性連続繊維束からの非流動性連続繊維との間の、加工されるべき繊維複合体部品内の、所望の量の繊維重なりを決定するステップをさらに含む請求項１または２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項４】
前記所望の量の重なりは、前記少なくとも１つの小さい特徴部の前記長さの少なくとも１０パーセントである請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記所望の量の重なりは、前記少なくとも１つの小さい特徴部の前記長さの少なくとも２０パーセントである請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記雌型内に配設されている前記少なくとも１つの流動性連続繊維束の体積は、前記少なくとも１つの小さな特徴部の体積を少なくとも１０パーセント超える請求項３〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの大きな特徴部は、ビームおよび平坦な平面状領域からなる群から選択される請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの小さな特徴部は、リングおよびＵ字形を有する部材からなる群から選択される請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの大きな特徴部は、Ｘ字形形状に配置構成されている２本のビームを備え、前記少なくとも１つの小さな特徴部は、ビームの主平面に直交する方向に延在する湾曲した部材である請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記雌型内に配設されている前記非流動性連続繊維束の体積は、前記雌型内に配設されている前記流動性連続繊維束の体積よりも大きい請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの小さな特徴部内にプリフォームを配設するステップをさらに含み、前記プリフォームは、前記プリフォームがない場合のそのフープ強度に関して小さな特徴部のフープ強度を高めるように物理的に適合される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記小さな特徴部は第１の形状を有し、前記プリフォームは前記第１の形状を有する請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
樹脂は、熱可塑性プラスチックを含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記非流動性連続繊維束内の繊維および前記流動性連続繊維束内の繊維は、炭素繊維である請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束および前記少なくとも１つの流動性連続繊維束の幅対厚さのアスペクト比は、約０．２５から約６の範囲内にある請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
雄型および前記雌型を互いに接触させるステップであって、そのような接触において、非流動性連続繊維束および流動性連続繊維束は圧縮され加熱される、ステップと、
非流動性連続繊維束および流動性連続繊維束と併せて使用される樹脂によって規定される期間の経過後、前記雄型および雌型を分離し、前記方法によって形成される繊維複合体部品を取り出すステップと、
をさらに含む請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１７】
雌型を利用する、圧縮成形方法であって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
少なくとも１つの非流動性連続繊維束を前記雌型内に配設するステップであって、前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、前記長軸に合わせて整列する、ステップと、
少なくとも１つの流動性連続繊維束を前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内に配設するステップであって、前記少なくとも１つの流動性連続繊維束は、前記大きな特徴部の前記長軸に合わせて整列する、ステップと、
を含む圧縮成形方法。
【請求項１８】
前記流動性連続繊維束からの繊維および樹脂を前記少なくとも１つの小さな特徴部に流入させるステップをさらに含み、前記小さな特徴部内に流入する前記繊維の少なくともいくつかの一部は前記小さな特徴部を越えて延在し、前記大きな特徴部内に残る前記非流動性連続繊維束からの繊維と混じり合う請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
繊維および樹脂を流すステップは、熱および圧力を印加するステップをさらに含む請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記小さな特徴部内を流れる前記繊維は、前記大きな特徴部に関して面外に流れる請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記非流動性連続繊維束内の前記繊維および樹脂の一方または両方は、前記流動性連続繊維束の前記繊維および樹脂とは異なる請求項１７〜２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも１つの小さな特徴部内にプリフォームを配設するステップをさらに含み、前記プリフォームは、前記小さな特徴部が応力に耐える能力を、前記プリフォームがない場合の前記小さな特徴部が応力に耐える能力と比較して高める請求項１７〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記小さな特徴部を越えて延在する前記繊維の前記部分は、前記長軸に合わせて実質的に整列される請求項１７〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
雌型を利用する、圧縮成形方法であって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
第１の繊維の束を前記雌型の前記大きな特徴部内に配設するステップであって、前記第１の繊維は、その前記長軸に沿って前記１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、ステップと、
第２の繊維の束を前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内に配設するステップであって、前記第２の繊維は、前記少なくとも１つの小さな特徴部の長さよりも少なくとも１０パーセント大きい長さを有する、ステップと、
を含む圧縮成形方法。
【請求項２５】
前記第２の繊維を前記少なくとも１つの小さな特徴部内に流すステップをさらに含む請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
雌型を利用する、圧縮成形方法であって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
第１の繊維の束を前記雌型の前記大きな特徴部内に配設するステップであって、前記第１の繊維は、その前記長軸に沿って前記１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、ステップと、
第２の繊維の束を前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内に配設するステップであって、第２の繊維の前記束は、前記少なくとも１つの小さな特徴部内に樹脂が流入する予期される方向に整列される、ステップと、
を含む圧縮成形方法。
【請求項２７】
前記第２の繊維を前記少なくとも１つの小さな特徴部内に流すステップをさらに含む請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
雌型内に配設される、圧縮成形を介して繊維複合体部品を形成するためのレイアップであって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
前記雌型内の少なくとも１つの非流動性連続繊維束であって、前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、第１の長さを有し、前記長軸に合わせて整列する、少なくとも１つの非流動性連続繊維束と、
前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内の少なくとも１つの流動性連続繊維束であって、前記少なくとも１つの流動性連続繊維束は、前記第１の長さの５０パーセント未満である第２の長さを有する、少なくとも１つの流動性連続繊維束と、
を含むレイアップ。
【請求項２９】
雌型内に配設される、圧縮成形を介して繊維複合体部品を形成するためのレイアップであって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
前記雌型内の少なくとも１つの非流動性連続繊維束であって、前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、前記長軸に合わせて整列する、少なくとも１つの非流動性連続繊維束と、
前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内の少なくとも１つの流動性連続繊維束であって、前記少なくとも１つの流動性連続繊維束は、前記大きな特徴部の前記長軸に合わせて整列する、少なくとも１つの流動性連続繊維束と、
を含むレイアップ。
【請求項３０】
雌型内に配設される、圧縮成形を介して繊維複合体部品を形成するためのレイアップであって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、前記レイアップは
前記雌型の前記大きな特徴部内の第１の繊維の束であって、前記第１の繊維は、その前記長軸に沿って前記１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、第１の繊維の束を含み、
第２の繊維の束を、前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位にあり、前記大きな特徴部の前記長軸に沿って整列されている雌型内に配設し、前記第２の繊維は、前記少なくとも１つの小さな特徴部の長さよりも少なくとも１０パーセント大きい長さを有するレイアップ。
【請求項３１】
雌型内に配設される、圧縮成形を介して繊維複合体部品を形成するためのレイアップであって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、前記レイアップは
前記雌型の前記大きな特徴部内の第１の繊維の束であって、前記第１の繊維は、その前記長軸に沿って前記１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、第１の繊維の束を含み、
第２の繊維の束を前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位の前記雌型内に配設し、第２の繊維の前記束は、前記少なくとも１つの小さな特徴部内に樹脂が流入する予期される方向に整列されるレイアップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連件の陳述
本開示は、参照により本明細書に組み込まれている、２０１８年７月１２日に出願した米国特許出願第ＳＮ  ６２／６９７，０７０号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、圧縮成形に関係する。
【背景技術】
【０００３】
繊維強化プラスチックなどの複合材料を使用して部品を加工するための様々な方法がある。そのような方法の１つは、圧縮成形である。圧縮成形では、原材料が金型の中に入れられ、次いで加熱されて圧縮される。
【０００４】
繊維強化複合材料の場合、繊維および樹脂（または繊維プリプレグ）が金型に入れられる。形成される部品の幾何学的形状、および使用中に受ける応力に応じて、金型に予め形成されたチョップドファイバー、ランダム配向繊維、または連続繊維のいずれかが使用され得る。金型は、一定期間閉じられたままであり、使用される樹脂に基づいて加熱および冷却サイクルに通される。これは、樹脂が金型内を貫流する時間があり、したがってあらゆる空隙を充填することを確保する。このときに、樹脂は、硬化して一体成形プラスチック部品を形成する。
【０００５】
圧縮成形における繊維強化複合材料の使用には、いくつかの問題がある。たとえば、空隙の存在は、部品の強度を損なう。空隙は、たとえば、樹脂が硬化を開始する前に許容可能な低さの粘度に達しない場合に発生し得る。さらに、非常に小さな特徴部、または部品の嵩に関して面外の特徴部を有する金型の部分に樹脂を流すことは問題になり得る。それに加えて、樹脂基体は部品の完全性に関して重要な役割を果たすけれども、強度が高いのはもっぱら繊維が存在することによる。その結果、完成部品が含む空隙が最小であるとしても、繊維が適切に分布していなければ、部品の強度は損なわれ得る。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、先行技術の欠点のいくつかを回避する圧縮成形において使用するための方法および組成物を提供する。本発明の教示による方法および組成物は、「非流動性連続（non-flowing continuous）」繊維および「流動性連続（flowing continuous）」繊維を利用する。いくつかの実施形態においては、繊維束を「レイアップする」ための方法が提供される。いくつかの他の実施形態において、繊維束を含むレイアップ（layup）が提供される。いくつかの実施形態において、方法および組成物は、圧縮成形を介して改善された繊維強化複合部品を提供するために使用される。本明細書において開示されている方法および組成物は、軸外、面外、または複雑な小さな特徴部を備える部品を形成するために特に有用である。
【０００７】
本発明者らは、比較的（ビームと比較して）小さいキャビティをいずれかの端部に有するビームを成形する過程で、ビームとほぼ同じ長さである繊維束はキャビティ内に流れ込まないが、樹脂は流れ込むことを発見した。実際、これらの比較的長い連続繊維束は、全く流れない傾向を有する。しかしながら、本発明者らは、比較的短い長さの繊維束がより長い繊維束と一緒に金型に加えられたときに、比較的短い繊維は優先的にキャビティ内に流れ込みキャビティを充填することを見出した。これらのより短い繊維束は、大きな特徴部（major feature）であるビームに関しては「非連続的」であるが、小さな特徴部（minor feature）であるキャビティに関しては「連続的」であった。すなわち、より短い繊維束はキャビティよりもわずかに長かった。
【０００８】
金型の１つまたは複数の小さな特徴部に関して連続している（が、金型の大きな特徴部に関しては連続していない）これらのより短い繊維／繊維束は、本明細書および付属の請求項では、前述の理由から、「流動性連続」繊維または繊維束と称される。金型の大きな特徴部の長さを延長し、圧縮成形プロセスにおいて「流動し」ないであろう比較的長い繊維束は、本明細書および付属の請求項では、「非流動性連続」繊維または繊維束と称される。その用語が本明細書において使用されているように、流動性連続繊維は、「チョップドファイバー」と同じではないことは注目すべきであり、重要である。典型的には、必ずしもそうではないけれども、チョップドファイバーは、小さな特徴部のサイズの関数に応じて、流動性連続繊維よりも長さが短い。さらに、チョップドファイバーは、金型内（および成形品内）でランダム配向を想定しているが、本発明の実施形態では、流動性繊維は、最大の強度および剛性に関して特に整列される。
【０００９】
流動性連続繊維が、これらの繊維が充填されているキャビティの境界を越えて延在するのに十分な長さを有する限り、そのような流動性繊維は、重なりを介して、そしてもちろん樹脂基体それ自体を介して、非流動性連続繊維と絡み合うことが判明した。流動性連続繊維は、樹脂の流れの方向に整列する傾向があり、これにより、小さな特徴部の強度および剛性が増大する。
【００１０】
本発明者らは、「ベント」を典型的には小さな特徴部の遠隔端に戦略的に配置することで、小さな特徴部への繊維の流入が促進されることを理解した。より具体的には、ベントは、大きな特徴部に関して小さな特徴部内に比較的低い圧力の領域を確立し、維持するのに役立つ。この圧力差は、樹脂、およびそれとともに適切な長さの繊維（すなわち、流動性連続繊維）の流れを促進する。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
いくつかの実施形態において、本発明の教示による方法は、
少なくとも１つの非流動性連続繊維束を雌型内に配設するステップであって、少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、第１の長さを有し、長軸に合わせて整列する、ステップと、
少なくとも１つの流動性連続繊維束を少なくとも１つの小さな特徴部の近位の雌型内に配設するステップであって、少なくとも１つの流動性連続繊維束は、第１の長さの５０パーセント未満である第２の長さを有する、配設するステップと、を含む。
【００１２】
いくつかの他の実施形態において、本発明の教示による方法は、
少なくとも１つの非流動性連続繊維束を雌型内に配設するステップであって、少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、長軸に合わせて整列する、ステップと、
少なくとも１つの流動性連続繊維束を少なくとも１つの小さな特徴部の近位の雌型内に配設するステップであって、少なくとも１つの流動性連続繊維束は、大きな特徴部の長軸に合わせて整列する、ステップと、を含む。
【００１３】
さらにいくつかの追加の実施形態において、本発明の教示による方法は、
第１の繊維の束を雌型の大きな特徴部内に配設するステップであって、第１の繊維は、その長軸に沿って１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、ステップと、
第２の繊維の束を、少なくとも１つの小さな特徴部の近位にあり、大きな特徴部の長軸に沿って整列されている雌型内に配設するステップであって、第２の繊維は、少なくとも１つの小さな特徴部の長さよりも少なくとも１０パーセント大きい長さを有する、ステップと、を含む。
【００１４】
なおもさらなる実施形態において、本発明の教示による方法は、
第１の繊維の束を雌型の大きな特徴部内に配設するステップであって、第１の繊維は、その長軸に沿って１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、ステップと、
第２の繊維の束を少なくとも１つの小さな特徴部の近位の雌型内に配設するステップであって、第２の繊維の束は、少なくとも１つの小さな特徴部内に樹脂が流入する予期される方向に整列される、ステップと、を含む。
【００１５】
いくつかのさらなる実施形態において、これらの方法において説明されている圧縮成形のためのレイアップを含む組成物が提供される。具体的には、いくつかの実施形態において、雌型を利用する圧縮成形のためのレイアップが提供され、雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部とを含み、レイアップは
雌型内の少なくとも１つの非流動性連続繊維束であって、少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、第１の長さを有し、長軸に合わせて整列する、少なくとも１つの非流動性連続繊維束と、
少なくとも１つの小さな特徴部の近位の雌型内の少なくとも１つの流動性連続繊維束であって、少なくとも１つの流動性連続繊維束は、第１の長さの５０パーセント未満である第２の長さを有する、少なくとも１つの流動性連続繊維束と、を含む。
【００１６】
いくつかの他の実施形態において、雌型を利用する圧縮成形のためのレイアップが提供され、雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部とを含み、レイアップは
雌型内の少なくとも１つの非流動性連続繊維束であって、少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、長軸に合わせて整列する、少なくとも１つの非流動性連続繊維束と、
少なくとも１つの小さな特徴部の近位の雌型内の少なくとも１つの流動性連続繊維束であって、少なくとも１つの流動性連続繊維束は、大きな特徴部の長軸に合わせて整列する、少なくとも１つの流動性連続繊維束と、を含む。
【００１７】
さらにいくつかの追加の実施形態において、雌型を利用する圧縮成形のためのレイアップが提供され、雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部とを含み、レイアップは
雌型の大きな特徴部内の第１の繊維の束であって、第１の繊維は、その長軸に沿って１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、第１の繊維の束を含み、
第２の繊維の束を、少なくとも１つの小さな特徴部の近位にあり、大きな特徴部の長軸に沿って整列されている雌型内に配設し、第２の繊維は、少なくとも１つの小さな特徴部の長さよりも少なくとも１０パーセント大きい長さを有する。
【００１８】
なおもさらなる実施形態において、雌型を利用する圧縮成形のためのレイアップが提供され、雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部とを含み、レイアップは
雌型の大きな特徴部内の第１の繊維の束であって、第１の繊維は、その長軸に沿って１つの大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する、第１の繊維の束を含み、
第２の繊維の束を少なくとも１つの小さな特徴部の近位の雌型内に配設し、第２の繊維の束は、少なくとも１つの小さな特徴部内に樹脂が流入する予期される方向に整列される。
【００１９】
そしてさらにいくつかのさらなる実施形態において、これらの方法および組成物は、圧縮成形プロセスを介して繊維複合部品を形成するために使用される。
【００２０】
要約すると、本発明は、図示され、説明されているように、圧縮成形のための方法および組成物において、非流動性の連続繊維束および流動性連続繊維束を使用することを含む。本発明の様々な実施形態は、本明細書に開示されている他の特徴部のうち、任意の（矛盾しない）組合せで、次の特徴部のうちの少なくとも１つをさらに含み得る。
・  流動性連続繊維／束は、非流動性連続繊維／束の長さの半分未満である。
・  レイアップでは、流動性連続繊維束は、金型の大きな特徴部の長軸に合わせて整列される。
・  レイアップでは、流動性連続繊維束は、充填することを意図されている小さな特徴部の近位に置かれる。
・  非流動性連続繊維／束は、金型の大きな特徴部の長さに実質的に等しい長さを有する。
・  流動性連続繊維／束は、充填することを意図されている小さな特徴部の長さより少なくとも１０パーセント大きい長さを有する。
・  レイアップでは、流動性連続繊維束は、充填することを意図されている小さな特徴部内に樹脂が流入する予期される方向に合わせて整列される。
・  レイアップでは、プリフォームは１つまたは複数の小さな特徴部内に、その特徴部が予想される応力に耐える能力を改善するように置かれる。
・  小さな特徴部内を流れる流動性連続繊維は、金型の大きな特徴部に関して面外に流れ出る。
・  非流動性連続繊維束の繊維および樹脂の一方または両方は、流動性連続繊維束内の繊維および樹脂と異なるが、樹脂は互いに相溶性を有していなければならない。
・  本発明の方法から形成される部品において、小さな特徴部を越えて延在する繊維の部分は、大きな特徴部の長軸と実質的に整列する。
・  流動性連続繊維束および非流動性連続繊維束は、約０．２５から約６の範囲である幅対厚さ（断面）のアスペクト比を有する。
・  流動性連続繊維束は、小さい特徴部内に流入する。
・  チョップドファイバーは、レイアップでは使用されない。
・  テープは、レイアップでは使用されない。
・  金型の小さな特徴部は、そこにある繊維の流れを促進するために通気される。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１Ａ】第１の成形部品を示す図である。
【図１Ｂ】図１Ａの第１の成形部品を示し、その第１の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図１Ｃ】図１Ｂに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図２Ａ】第２の成形部品を示す図である。
【図２Ｂ】図２Ａの第２の成形部品を示し、その第１の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図２Ｃ】図２Ｂに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図３Ａ】第３の成形部品を示す図である。
【図３Ｂ】図３Ａの第３の成形部品を示し、その第１の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図３Ｃ】図３Ｂに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図３Ｄ】図３Ａの第３の成形部品を示し、その第２の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図３Ｅ】図３Ｄに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図４Ａ】第４の成形部品を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａの第４の成形部品を示し、その第１の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図４Ｃ】図４Ｂに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図５Ａ】第５の成形部品を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａの第５の成形部品を示し、その第１の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図５Ｃ】図５Ｂに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図５Ｄ】図５Ａの第５の成形部品を示し、その第２の実施形態に対して、完成部品内の繊維の最終配置構成を例示する図である。
【図５Ｅ】図５Ｄに示されている繊維の最終配置構成を達成するための繊維束のレイアップを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による第１の方法のブロック流れ図である。
【図７】本発明の一実施形態による第２の方法のブロック流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
圧縮成形は、当技術分野でよく知られており、雌型と雄型を利用し、熱と圧力を加えて成形部品を形成する。従来技術に関して、本明細書において説明されている方法は、繊維複合材料を含む圧縮成形された部品の改良を提供する。
【００２３】
次に図６を参照すると、本発明による方法６００では、タスクＳ６０１において、流動性連続繊維束の体積および長さが決定される。流動性連続繊維束の長さは、大きな特徴部に依存する典型的には比較的小さいキャビティ／特徴部（以下、「小さい特徴部」という）の長さに加えて、流動性繊維および非流動性繊維との間で望まれている重なりの量に基づく。言い換えれば、「重なり」とは、流動性繊維が小さな特徴部を越えてどこまで延在するかを示す尺度である。所望の重なりは、最終繊維複合体部品が受ける応力の種類／配置に少なくとも一部は基づく。実用上最低限、流動性連続繊維は、流動性繊維の長さの少なくとも１０パーセントだけ非流動性連続繊維と重なるべきである。したがって、たとえば、流動性連続繊維が７ミリメートルの長さを有する場合、流動性連続繊維は非流動性連続繊維と少なくとも０．７ミリメートルだけ重なるべきである。より好ましくは、流動性繊維は、流動性繊維の長さの２０パーセント以上だけ非流動性繊維と重なるべきである。最大の重なりに関して、流動性連続繊維の長さが長くなるにつれ、流動性連続繊維が流れない長さに到達する、すなわち非流動性連続繊維となる。その長さ、および対応する重なりの量は、簡単な実験によって決定される。
【００２４】
前述のことから暗示されるように、流動性連続繊維束の体積は、流動性連続繊維が形成する特徴部を越えて延在するので、それらが形成することを意図されている特徴部の体積よりも大きくなる。
【００２５】
動作６０２において、非流動性連続繊維束の体積および長さが決定される。これは、いくつかの方法で行うことができ、そのうちの１つは、（ｉ）加工されるべき部品の１つまたは複数の大きな特徴部の体積を決定すること、および（ｉｉ）大きな特徴部の体積から、小さな特徴部を超えて延在する流動性連続繊維の体積である「重なり」体積を減算することである。この決定を実行する別の方法は、部品の総体積から流動性繊維の体積を差し引くことである。
【００２６】
大きな特徴部とは、最大の特徴部、またはほぼ同じサイズであり、金型の他の特徴部よりサイズに関して優位に立つ複数の特徴部のうちの１つである。大きな特徴部は、典型的には、最大寸法を有し、これは本明細書ではそれの長さと称され、その大きな特徴部に対する非流動性連続繊維束の長さを決定する。すなわち、非流動性連続繊維束の長さは、大きな特徴部の最大寸法に実質的に等しい。複数の大きな特徴部があり、大きな特徴部が異なる長さを有する場合、異なる大きな特徴部に関連付けられている非流動性連続繊維束は、異なる長さを有する。大きな特徴部の体積は、通常の仕方で決定される（たとえば、長方形の形状の特徴部に対しては長さ×幅×高さ、円筒形／半円筒形の特徴部に対しては断面積×長さなど）。
【００２７】
大きな特徴部の体積が決定された後、そこから重なりの体積が差し引かれ、非流動性連続繊維束に樹脂（または非流動性連続繊維プリプレグ）を加えた最小必要体積をもたらす。
【００２８】
大きな特徴部は、しばしば、金型の小さな特徴部よりも著しく大きい。その結果、金型内の流動性連続繊維束は、典型的には、非流動性連続繊維束よりも短くなる。部品の大部分について、流動性連続繊維／束の長さは、非流動性連続繊維／束の長さの５０パーセント未満となる。
【００２９】
動作Ｓ６０３に従って、繊維束は雌型内に置かれる。好ましくは、流動性連続繊維束は、小さな特徴部の近位に置かれる。
【００３０】
方法６００によって提供されるレイアップに基づき、方法７００（図７）に従って繊維複合体部品が形成され得る。動作Ｓ７０１により、雄型は、方法６００によって提供されるように、本発明によるレイアップを含む、雌型と接触させられる。次いで、動作Ｓ７０２において、成形材料（すなわち、繊維および樹脂または繊維プリプレグ）は、高い温度および圧力下に置かれる。樹脂がその溶融温度に達すると、圧力が流動性繊維束をより低い圧力の領域の方へ移動させる。そのようなより低い圧力の領域は、小さな特徴部、すなわち、開いたキャビティ、ベント付きのキャビティ、または隣接する金型セクションよりも成形材料の体積割合が小さい金型セクションである。このプロセスは、一定期間続けられ、使用されている樹脂に基づき加熱および冷却サイクルを受ける。動作Ｓ７０３において、金型は２分割され、エジェクタピンまたは他の知られている技術などを介して、最終部品が取り出される。
【００３１】
これらの３つの要因（すなわち、圧力、熱、および時間）の相互作用、成形材料の整列（キャビティなどに関して）、ベントの位置およびサイズ、ならびに流動性連続繊維束の使用は、繊維の流れおよび整列を制御して加工された部品の機能的要件を達成するために使用することができる主要な変数である。
【００３２】
本発明の教示により、レイアップにおいて、非流動性連続繊維束は、それらが占有することを意図されている大きな特徴部の長軸に合わせて整列される。いくつかの実施形態において、流動性連続繊維束は、また、大きな特徴部の長軸に合わせて整列され、繊維が占有することを意図されている小さい特徴部の近位に置かれる。しかしながら、いくつかの実施形態において、流動性連続繊維束は、大きな特徴部の長軸とは異なる程度で、（樹脂の）小さな特徴部への流入の予期される方向に整列される。流れの予期される方向は、ＣＦＤ（計算流体力学）によって決定することができる。
【００３３】
本明細書において使用するのに適している繊維は、典型的には、樹脂含浸束（「プリプレグ」）の形態であり、これは、「トウプレグ」の形態で、典型的には、数千本の個別繊維を含む。本明細書において使用されているように、「繊維束」という用語は、５から約８０，０００本の範囲の繊維の量を意味する。繊維束は、典型的には、多かれ少なかれ円筒形の配置構成（すなわち、円筒形のトウ）である。しかしながら、いくつかの代替的実施形態において、長方形、卵形、平坦なトウ、またはテープが使用され得る。繊維束は、厚さ対幅（すなわち、断面）のアスペクト比に基づきテープから区別される。テープは、典型的には、１００から１０００の範囲の幅対厚さの比を有するが、本発明のいくつかの実施形態と併せて使用される繊維束は、０．２５から６の範囲の幅対厚さの比を有する。繊維束は、典型的には、円形であるが、卵形のフォームファクターは特殊というわけではない。
【００３４】
本発明に関連して使用するのに適している繊維は、圧縮成形プロセスの動作温度に耐えることができる任意のタイプの繊維を含む（樹脂の選択に応じて）。たとえば、限定することなく、好適な繊維は、他にもあるがとりわけ、炭素繊維、ガラス繊維（Ａ、Ｃ、Ｅ、Ｓ、Ｄタイプ）、アラミド繊維、セラミック繊維、天然繊維、金属繊維、セルロースを含む。トウプレグ内の繊維は、任意の直径を有することができ、これは、典型的には、１から１００ミクロンの範囲内にあるが、必ずというわけではない。繊維の断面形状は、円形、卵形、三葉形、多角形などであってよい。繊維は、中実芯または中空芯を有し得る。繊維は、単一の材料、複数の材料から形成されてよく、またそれ自体複合材料であってもよい。繊維は、加工を円滑にするために、限定はしないが、サイジングなどの外装コーティングを含むことができる。いくつかの実施形態では、複数のタイプの繊維が、単一の部品を製造するために使用され得る。
【００３５】
前に述べたように、いくつかの実施形態において、樹脂を予め含浸させた繊維であるプリプレグは、本発明に関連して使用される。しかしながら、いくつかの他の実施形態において、繊維および樹脂は、別々に金型に送られるか、または混合糸として送られる。熱および圧力に曝されたときに流れる任意の樹脂系は、本発明の実施形態と併せて使用するのに適している。より好ましくは、本発明の実施形態は、限定はしないが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ナイロン、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、およびポリカーボネート−ＡＢＳ（ＰＣ−ＡＢＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリフェニルスルホン（ＰＰＳＵ）、ポリリン酸（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスルホン（ＰＳＵ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などの熱可塑性樹脂を使用する。
【００３６】
本発明の方法を使用して形成された小さな特徴部は、非常に小さいものであってよい。０．１ミリメートルと薄く、４０：１を超える長さ対厚さの比を有する壁厚さが実証されている。小さな特徴部は、任意の形状をとり得る。いくつかの実施形態において、小さな特徴部は、流される繊維が９０度を超えて曲がることを要求する。
【００３７】
図１Ａは、本発明の方法により成形された部品１００を示している。部分１００は、ビーム１０２および脚部１０４を備える。ビームは「大きな特徴部」であり、各脚は「小さな特徴部」である。図１Ｂは、部分１００内の繊維の配向を示している。非流動性連続繊維１０６は、ビーム１０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維１０８は、脚部１０４の中に完全に貫入し、ある程度の距離だけ外に出てビーム１０２内に入る。繊維１０６および１０８の両方が部品１００の表面上にあるように見えるけれども、この図に描かれている繊維、および描かれていないさらに多くの繊維が、ビーム１０２および脚部１０４の厚さを貫通して分布していることは、当業者には理解されるであろう。
【００３８】
非流動性連続繊維１０６と混ざり合う流動性連続繊維１０８の端部は、流れの方向に整列する（すなわち、ビームの長軸に整列される）。繊維１０８は、わかりやすくするため、脚部の一方から省かれている。
【００３９】
図１Ｃは、繊維束のレイアップを示している。もちろん、繊維束は雌型内に置かれるが、教育上の目的のために、完成部品に重ね合わされている（図２Ｃのように）。繊維束は、曲げにおける強度および剛性のために、非流動性連続一方向繊維の８本の繊維束１０５と、流動性連続繊維の８本の繊維束１０７とを含む。可能な範囲で、繊維束１０７は、それらが充填することを意図されている特徴部の近位に置かれる。
【００４０】
図２Ａは、「ｘ」の形状を有する部品２００を示している。部品２００は、２つの長いビーム２０２、および２つのビームの各端部のところの４つのカップ状受け部２０４からなる。長いビーム２０２は「大きな特徴部」であり、カップ状受け部２０４は「小さな特徴部」である。図２Ｂは、部品２００における繊維の配向を示している（わかりやすくするために、繊維は受け部のうちの２つから省かれている）。非流動性連続繊維２０６は、ビーム２０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維２０８は、受け部２０４の中に完全に貫入し、ある程度の距離だけ外に出て関連するビーム内に入る。
【００４１】
したがって、流動性連続繊維２０８は、各ベースビーム２０２に沿って軸方向に流れ、各受け部２０４の拡大する幾何学的形状を充填するように外側に扇状に広がる。繊維は、雌型に形状適合するときに上向きに９０度を超えて流れる。受け部２０４の厚さは、厚いものから薄いものへと変化し、次いで、厚いものへと戻ることに注目すべきである。受け部２０４内の流動性繊維は、ビームの軸方向に実質的に整列され、湾曲した受け部２０４に曲げ強度を付与する。
【００４２】
図２Ｃは、繊維束のレイアップを示している。繊維束は、非流動性連続一方向繊維の２つの長い繊維束２０５を含む。例示的な実施形態において、繊維束２０５の一方が他方に重なっている。いくつかの他の実施形態（図示せず）では、繊維束２０５は曲げられることもあり得る。そのような曲げられた繊維束の一端は、いずれかのビームの端部の近くに配設され、「ｘ」の中心の周りに曲げられ、任意の他のビームの端部で終端する可能性もある。それに加えて、部品２００は、流動性連続繊維の８本の繊維束２０７を使用して作られる。ここでもう一度、繊維束２０７は、充填することを意図されている特徴部の近位にある。
【００４３】
図３Ａは、ビーム３０２およびボス３０４を含む部品３００を示しており、前者は大きな特徴部であり、後者は小さな特徴部である。図３Ｂは、部品３００の第１の実施形態３００Ａを示している。非流動性連続繊維３０６は、ビーム３０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維３０８Ａは、ボス３０４の中に完全に貫入し、ある程度の距離だけ外に出てビーム３０２内に入る。
【００４４】
図３Ｃは、図３Ｂに示されている実施形態に対する繊維束のレイアップを示している。繊維束は、曲げにおける強度および剛性のために、非流動性連続一方向繊維の繊維束３０５と、流動性連続繊維の２本の繊維束３０７Ａとを含む。繊維束３０７Ａは、ボス３０４を形成するキャビティ３０３の近くに置かれる。図３Ｂに示されているように、この実施形態については、繊維束３０７Ａ内の繊維は、キャビティに「ヘッドファーストで」入り、部品３００の実施形態３００Ａを形成する。
【００４５】
図３Ｄは、部品３００の第２の実施形態３００Ｂを示している。非流動性連続繊維３０６は、ビーム３０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維３０８Ｂは、ボス３０４の中に完全に貫入し、ある程度の距離だけ外に出てビーム３０２内に入る。しかしながら、実施形態３００Ａとは異なり、各流動性繊維３０８Ｂは、繊維の中心からキャビティ３０３内に流れる。この繊維配置構成は、実施形態３００Ｂに、実施形態３００Ａの繊維配置構成に比べて、ボス３０４への圧縮応力または軸方向衝撃応力に耐える高い能力を付与する。図３Ｅは、図３Ｄに示されている実施形態に対する繊維束のレイアップを示している。流動性繊維の２つの束３０７Ａは、単一のより長い繊維束３０７Ｂで置き換えられる。
【００４６】
図４Ａは、目の形をしたヘッドまたはリング４０４および一体になっているシャンク４０２を有するロッド端部４００を示している。「小さな特徴部」であるヘッド４０４は、円形の開口部４１０を備える。図４Ｂは、部分４００内の繊維の配向を示している。非流動性連続繊維４０６は、シャンク４０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維４０８は、完全に延びてヘッド４０４内で混じり合い、ある程度の距離だけシャンク４０２内の繊維内に突き出る。この特定の実施形態において、（非流動性の）螺旋状プリフォーム繊維束４１２が開口部４１０の周りに位置決めされる。これは、ロッド端部４００に高いフープ強度を付与する。前の実施形態と同様に、非流動性連続繊維４０８と混じり合う流動性連続繊維４０８の一部分は、シャンク４０２に沿った流れ方向に整列する。
【００４７】
図４Ｃは、図３Ｂに示されている実施形態を生産するための繊維束のレイアップを示している。繊維束は、曲げにおける強度および剛性のために、非流動性連続一方向繊維の繊維束４０５と、流動性連続繊維の繊維束４０７と、螺旋状プリフォーム４１２とを含む。例示的な方法により、繊維束４０７は、ヘッド４０４を形成するキャビティ４０３の近位に置かれる。
【００４８】
図５Ａは、ハンドル（「大きな特徴部」）５０２および歯（「小さな特徴部」）５０４を備えるフォーク５００を示している。図５Ｂは、部品５００の第１の実施形態５００Ａを示している。この実施形態では、いつものように、非流動性連続繊維５０６はハンドル５０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維５０８は、歯５０４の中に完全に貫入し、ある程度の距離だけハンドル５０２内の繊維５０６内に突き出る。
【００４９】
図５Ｃは、図５Ｂに示されている実施形態を生産するための繊維束のレイアップを示している。繊維束は、曲げにおける強度および剛性のために、非流動性連続一方向繊維の繊維束５０５と、流動性連続繊維の２本の繊維束５０７とを含む。例示的な方法により、繊維束５０７は、歯５０４を形成するキャビティ５０３の近くに置かれる。
【００５０】
図５Ｄは、フォーク５００の第２の実施形態５００Ｂを示している。ここでももう一度、非流動性連続繊維５０６は、ビーム５０２の長さいっぱいにわたる。流動性連続繊維５０８は、歯５０４の中に完全に貫入し、ある程度の距離だけ外に出てハンドル５０２内の非流動性繊維５０６内に入る。図５Ｅを見ると最もよくわかるように、実施形態５００Ｂは、非流動性連続繊維束５０５および流動性連続繊維束５０７に加えて、Ｕ字形繊維プリフォーム５１２を含む。実施形態５００Ａと比較して、フォーク５００の実施形態５００Ｂは、繊維プリフォーム５１２により、歯５０６を引き離す応力によく耐えることができるであろう。
【００５１】
前に述べたように、金型内のベントの戦略的留置および使用は、小さな特徴部内への流動性連続繊維の流入を促進する。部品１００（図１Ａ〜図１Ｃ）に対する金型は、小さな特徴部を形成するキャビティが脚部の端部で遮断される最後の瞬間まで開いているので、自然通気される。部品２００（図２Ａ〜図２Ｃ）に対する金型についても同様である。金型の両方について、小さな特徴部（すなわち、脚部１０４およびカップ状受け部２０４）の端面全体が、最後の最後まで通気されている。
【００５２】
部品３００（図３Ａ〜図３Ｅ）に対する金型では、ベント３０９は、小さな特徴部（すなわち、ボス３０４）の端部に置かれる。部品４００（図４Ａ〜図４Ｃ）に対する金型は、ベント４０９Ａを介して、リング４０４の「頂部」で通気される。望み通りに、束４０７からの流動性連続繊維４０８が互いに絡み合う領域は、ベントがリング上のどこに現れるかに基づき制御され得る。ベント４０９Ｂなどの、ベントの配置をオフセットすることで、リングの周りに繊維の不均一な流れが生じる。これは、２つの束４０７からの繊維が互いに絡み合う一次配置に影響を及ぼす。リングの周りの他の配置に関して、絡み合い点は幾分弱くなる。したがって、リングの頂部などの、特定の領域において引張強度の増強が必要とされる場合、絡み合い点は、有利には、その配置から離れる方向にずらされる。部品５００（図５Ａ〜図５Ｅ）に対する金型では、各歯５０４の端部に、ベント（ベント５０９Ａおよび５０９Ｂ）が置かれる。
【００５３】
金型の半分同士の間の小さな間隙によって一定量の自然通気がもたらされる。しかしながら、小さな特徴部が樹脂および繊維で充填されることを確実にするために、本発明の教示により、ベントが、典型的には使用される。ベントは、典型的には、約０．０５ｍｍから約０．５ｍｍの範囲などの、小さな穴である。過剰な材料損失を防ぎ、繊維がベントに入り込むのを防ぐために、ベントは比較的小さく保たれる。いくつかの実施形態において、複数のベントが使用される。ベントは、それらの中の樹脂が再溶融してベントから流れるので各サイクルで自動的にきれいになる。
【００５４】
本開示を鑑みて、当業者であれば、流動性連続繊維および非流動性連続繊維を重ね合わせ、それに加えて、いくつかの実施形態において、特定の幾何学的形状を有するプリフォームを使用することによって、部品がその特定の領域において応力に耐えられる能力をどのように高められるかを理解するであろう。方向的に関して、流動性連続繊維と非流動性連続繊維との間の重なりを増やすことで、部品が応力に耐える能力を高める。
【００５５】
例：部品１００
部品１００（図１Ａに示されている）は、圧縮成形を介して、成形され、荷重試験が行われた。部品１００のいくつかのサンプルが本発明により形成され（サンプル１〜３）、部品のいくつかのサンプルが従来技術により形成された。これらの結果は以下の表１で報告されている。
【００５６】
例（すなわち、サンプル１〜３）について、部品は、サイジング塗布トウプレグ（予含浸繊維の束）から形成された。そのようなサイジング塗布された束は、「プリフォーム」と称される。各プリフォームは、ＰＡ（ポリアミド）６を含浸させた２４，０００本の炭素繊維（Ｐｌａｓｉｔｃｏｍｐ，Ｉｎｃ．）を含んでいた。比較例（すなわち、サンプル４〜６）について、部品は、同じタイプの繊維および樹脂を含有するチョップドトウプレグから形成された。
【００５７】
チョップドプリプレグは、流動性連続繊維のプリフォームよりも著しく短くはなかった。違いは、材料が金型内にレイアップされる仕方にある。チョップドプリプレグは、金型全体でランダムに配向されるが、非流動性連続繊維をもたらすプリフォームおよび流動性連続繊維をもたらすプリフォームは、すでに説明されているように特定の方式で配置され、配向される。
【００５８】
条件（すなわち、温度および圧力サイクリング）は、主に、使用される樹脂に応じて変わる。各サンプルは、１０  ｐｓｉの圧力下で周囲温度から３５０°Ｆまでの温度に加熱された。３５０°Ｆになった後、各試料に加えられる圧力は１００  ｐｓｉまで高められた。１００  ｐｓｉの圧力を保持しながら、温度は、４６０°Ｆに高められ、５分間保持された。この保持時間の後、圧力が維持されたまま熱が取り除かれ、固体状態に戻るまでサンプルを冷却した。
【００５９】
部品を形成するために必要なプリフォームの量およびサイズが決定されなければならない。これは、（ｉ）部品の特定の領域の体積を決定することと、（ｉｉ）どのような「タイプ」のプリフォーム（すなわち、非流動性連続または流動性連続）がそのような特定の領域毎に必要であるかを決定することと、（ｉｉｉ）各タイプのプリフォームの必要量を計算することとによって達成される。
【００６０】
図１Ａを再び参照すると、部品１００は、５つの異なる領域、すなわち、ビーム１０２および４つの脚部１０４を備える。前に述べたように、ビーム１０２は、非流動性連続繊維から形成されるが、より小さくい軸外の脚部１０４は、流動性連続繊維から形成される。
【００６１】
部品体積。
ミリメートル単位のすべての寸法（ｍｍまたはｍｍ３）
ビーム１０２の寸法
長さ：  ２５．５
幅：  ６．２５
厚さ：  １．７５
ビーム１０２の体積（Ｖｂ）：Ｌ×Ｗ×Ｔ＝２７８．９０６ｍｍ３
脚部１０４の寸法
直径：  ２．５
高さ：  ６．３５
脚部１０４の体積（ＶＬ）：Ｈ×［ｐｉ・（Ｄ／２）２／２］＝１５．５８５ｍｍ３
部品１００の体積（ＶＰ）：Ｖｂ＋（４×ＶＬ）＝３４１．２４７ｍｍ３
【００６２】
繊維：
ミリメートル単位のすべての寸法（ｍｍまたはｍｍ２）
プリフォームの直径：  １．４００
プリフォームのＸ方向断面積（Ｐｘｓ）：  １．５３９
非流動性連続繊維の長さ（ＬＮＦＣＦ）：  ２５．５
流動性連続繊維の長さ（ＬＦＣＦ）：  １０．０
チョップドファイバーの長さ（ＬＣＨＦ）：  ５．００
非流動性連続繊維の品質（ＮＦＣＦ）プリフォーム：Ｖｂ／［ＬＮＦＣＦ・Ｐｘｓ］＝８
流動性連続繊維の品質（ＦＣＦ）プリフォーム：ＶＬ／［ＬＦＣＦ・Ｐｘｓ］＝２（脚部毎）
チョップドファイバーの品質（ＣｈＦ）プリフォーム：ＶＰ／［ＬＣｈＦ・Ｐｘｓ］＝４５
流動性連続繊維の長さ（１０ｍｍ）によってもたらされる比較的著しい重なり（１０．０−６．３５＝３．６５）は、部品の予想される機能および部品が受ける応力に対して望ましいものであった。
繊維の計算された量は、次の整数に切り上げられる。金型のこの見かけの過充填は、フラッシュする材料（樹脂）のある程度の損失があるので、望ましくないものではない。典型的には、金型の全体積の約３から約７％の金型の過充填は、完成部品の十分な品質をもたらす。
【００６３】
比較試験
【００６４】
【表１】
2021524406.tif 000003
【００６５】
表１は、荷重試験の結果を示している。本発明の教示に従って加工されたときの部品１００の荷重負担能力は、チョップドファイバーを使用して形成されたときの荷重負担能力と比較して平均で２６６％改善された。最大荷重は、圧縮プラテン（すなわち、下方に向けられた力の印加に対する）で設置された、Ｉｎｓｔｒｏｎ社製の万能試験機によって決定された。サンプルは、底部プラテンの中央に置かれ、ビームは上に、脚部は下に配置され、それにより、底部プラテンに４つの接触点を形成した。サンプルを三点曲げで載荷するために頂部プラテンに載荷装置が固定され、２つの支持点が脚部で形成され、第３の載荷点が頂部プラテン上の載荷装置によっても形成された。載荷装置は、頂部ビーム表面の短軸に力を印加した。流される試料はビーム中心において失敗したが、チョップドファイバー試料は脚部−ビーム接合部で失敗した。
【００６６】
定義
・  「流動性連続」繊維または繊維束は、典型的には金型の小さな特徴部の長さよりもわずかに長く、金型内に置かれたときに、典型的には金型の大きな特徴部の長軸に合わせて整列される、長さを有する繊維／束を意味する。
・  「非流動性連続」繊維または繊維束は、金型の大きな特徴部の長さとほぼ等しい長さを有し、圧縮成形プロセス時に流れない繊維／束を意味する。
・  「チョップド」ファイバーまたは繊維束は、金型の大きな特徴部の長さよりも小さく、金型（および最終部品）内でランダム配向を有する繊維／束を意味する。
・  「プリフォーム」は、繊維のトウプレッグ／束の、サイジング塗布され整形された部分を意味する。
・  「約」または「ほぼ」とは、記載されている数字または公称値に関して±２０％を意味する。
・  「実質的に整列されている」は、公称整列からの任意の方向での２０％の偏差を意味する。
・  「実質的に等しい」は、記載されている数字または公称値より最大でも２０％上（ただしそれより低くない）ことを意味する。
【００６７】
本開示はいくつかの実施形態を説明すること、および本発明の多くの変更形態は本開示を読んだ後であれば当業者によって容易に考案され得ること、および本発明の範囲は次の請求項によって決定されるべきであることは理解されるべきである。
【符号の説明】
【００６８】
１００  部品
１０２  ビーム
１０４  脚部
１０５、１０７  繊維束
１０６、１０８  非流動性連続繊維
２００  部品
２０２  長いビーム
２０４  カップ状受け部
２０５  長い繊維束
２０６  非流動性連続繊維
２０７  繊維束
２０８  流動性連続繊維
３００  部品
３００Ａ  第１の実施形態
３００Ｂ  実施形態
３０２  ビーム
３０３  キャビティ
３０４  ボス
３０５  繊維束
３０６  非流動性連続繊維
３０７Ａ  繊維束
３０８Ａ  流動性連続繊維
３０７Ｂ  繊維束
３０８Ｂ  流動性連続繊維
３０９  ベント
４００  ロッド端部
４０２  一体になっているシャンク
４０３  キャビティ
４０４  目の形をしたヘッドまたはリング
４０５  繊維束
４０７  繊維束
４０８  流動性連続繊維
４０９Ａ  ベント
４０９Ｂ  ベント
４１０  円形の開口部
４１２  （非流動性の）螺旋状プリフォーム繊維束
５００  フォーク
５００Ａ  第１の実施形態
５００Ｂ  第２の実施形態
５０２  ハンドル（「大きな特徴部」）
５０３  キャビティ
５０４  歯（「小さな特徴部」）
５０５  繊維束
５０６  非流動性連続繊維
５０７  繊維束
５０８  流動性連続繊維
５１２  Ｕ字形繊維プリフォーム
【図１Ａ】
2021524406.tif 000004
【図１Ｂ】
2021524406.tif 000005
【図１Ｃ】
2021524406.tif 000006
【図２Ａ】
2021524406.tif 000007
【図２Ｂ】
2021524406.tif 000008
【図２Ｃ】
2021524406.tif 000009
【図３Ａ】
2021524406.tif 000010
【図３Ｂ】
2021524406.tif 000011
【図３Ｃ】
2021524406.tif 000012
【図３Ｄ】
2021524406.tif 000013
【図３Ｅ】
2021524406.tif 000014
【図４Ａ】
2021524406.tif 000015
【図４Ｂ】
2021524406.tif 000016
【図４Ｃ】
2021524406.tif 000017
【図５Ａ】
2021524406.tif 000018
【図５Ｂ】
2021524406.tif 000019
【図５Ｃ】
2021524406.tif 000020
【図５Ｄ】
2021524406.tif 000021
【図５Ｅ】
2021524406.tif 000022
【図６】
2021524406.tif 000023
【図７】
2021524406.tif 000024
【手続補正書】
【提出日】令和3年3月9日(2021.3.9)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
雌型を利用する、圧縮成形方法であって、前記雌型は長軸を有する少なくとも１つの大きな特徴部と、少なくとも１つの小さな特徴部と、を含み、
前記雌型内に、第１の繊維および第１の樹脂を含む少なくとも１つの非流動性連続繊維束を配設するステップであって、前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束は、第１の長さを有し、前記長軸に合わせて整列する、ステップと、
前記雌型内に、少なくとも１つの流動性連続繊維束を前記少なくとも１つの小さな特徴部の近位にある第１の配置に配設するステップであって、前記少なくとも１つの流動性連続繊維束は、第２の繊維および第２の樹脂を含み、前記第１の長さの５０パーセント未満である第２の長さを有する、ステップと、
前記少なくとも１つの小さな特徴部内に少なくとも部分的にある前記第１の配置から第２の配置まで、前記第２の繊維および前記第２の樹脂を前記１つの小さな特徴部を充填するのに十分な量だけ流すステップであって、前記１つの小さな特徴部内の前記第２の繊維は、互いに実質的に平行である、ステップと、
を含む圧縮成形方法。
【請求項２】
前記非流動性連続繊維束および前記流動性連続繊維束のうちの少なくとも１つは、トウプレグを含む請求項１に記載の圧縮成形方法。
【請求項３】
少なくとも１つの流動性連続繊維束を前記雌型内に配設するステップは、前記第２の配置に流れた前記第２の繊維と前記非流動性連続繊維束からの前記第１の繊維との間の、加工されるべき繊維複合体部品内の、繊維重なりの所望の量を決定するステップをさらに含む請求項１または２のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項４】
前記所望の量の重なりは、前記少なくとも１つの小さな特徴部の長さの少なくとも１０パーセントである請求項３に記載の圧縮成形方法。
【請求項５】
前記所望の量の重なりは、前記少なくとも１つの小さな特徴部の長さの少なくとも２０パーセントである請求項３に記載の圧縮成形方法。
【請求項６】
前記雌型内に配設されている前記少なくとも１つの流動性連続繊維束の体積は、前記少なくとも１つの小さな特徴部の体積を少なくとも１０パーセント超える請求項３〜５のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項７】
前記少なくとも１つの大きな特徴部は、ビームおよび平坦な平面状領域からなる群から選択される請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項８】
前記少なくとも１つの小さな特徴部は、リングおよびＵ字形を有する部材からなる群から選択される請求項１〜７のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項９】
前記少なくとも１つの大きな特徴部は、Ｘ字形形状に配置構成されている２本のビームを備え、前記少なくとも１つの小さな特徴部は、ビームの主平面に直交する方向に延在する湾曲した部材である請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１０】
前記雌型内に配設されている前記非流動性連続繊維束の体積は、前記雌型内に配設されている前記流動性連続繊維束の体積よりも大きい請求項１〜９のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１１】
雄型および前記雌型を互いに接触させる前に前記少なくとも１つの小さな特徴部内にプリフォームを配設するステップであって、前記プリフォームは、前記プリフォームがない場合のそのフープ強度に関して前記小さな特徴部のフープ強度を高めるように物理的に適合される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１２】
前記小さな特徴部は第１の形状を有し、前記プリフォームは前記第１の形状を有する請求項１１に記載の圧縮成形方法。
【請求項１３】
樹脂は、熱可塑性プラスチックを含む請求項１〜１２のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１４】
前記非流動性連続繊維束内の繊維および前記流動性連続繊維束内の繊維は、炭素繊維である請求項１に記載の圧縮成形方法。
【請求項１５】
前記少なくとも１つの非流動性連続繊維束および前記少なくとも１つの流動性連続繊維束の幅対厚さのアスペクト比は、約０．２５から約６の範囲内にある請求項１〜１４のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１６】
雄型および前記雌型を互いに接触させるステップであって、そのような接触において、非流動性連続繊維束および流動性連続繊維束は圧縮され加熱される、ステップと、
非流動性連続繊維束および流動性連続繊維束と併せて使用される樹脂によって規定される期間の経過後、前記雄型および雌型を分離し、前記圧縮成形方法によって形成される繊維複合体部品を取り出すステップと、
をさらに含む請求項１〜１５のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１７】
前記第２の繊維および第２の樹脂を流すステップは、熱および圧力を印加するステップをさらに含む請求項１〜１６のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１８】
前記非流動性連続繊維束内の前記第１の繊維および第１の樹脂の一方または両方は、前記流動性連続繊維束内の前記第２の繊維および第２の樹脂とは異なる請求項１〜１７のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【請求項１９】
前記少なくとも１つの小さな特徴部内にプリフォームを配設するステップをさらに含み、前記プリフォームは、前記小さな特徴部が応力に耐える能力を、前記プリフォームがない場合の前記小さな特徴部が応力に耐える能力と比較して高める請求項１〜１０および１２〜１８のいずれか一項に記載の圧縮成形方法。
【国際調査報告】
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