(57)【要約】【課題】半製品のマトリックス内に、強化繊維が予め定められた位置に正確に配置される、低コストな半製品の製造方法を提供する。【解決手段】本発明は、金属片、金属シート、またはその類似物の形態の繊維強化半製品（１０）を、相互に間隔を置いて平行に配置された複数の強化繊維（１４）を含む繊維の層、および金属から製造する方法に関する。ＰＶＤ処理（物理蒸着）によって強化繊維（１４）に付された金属ジャケット（１６）は、金属として機能する。金属および強化繊維（１４）の少なくともある部位が、溶接処理を経て、その際、結合が金属を平面溶融することによって行われ、強化繊維（１４）を囲包するマトリックス（１２）が形成される。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属片、金属シート、またはその類似物の形態の繊維強化半製品を、相互に間隔を置いて平行に配置された複数の長い強化繊維を含む繊維の層、および該強化繊維を少なくともある部位で囲包する金属から製造する方法であって、該方法は、該金属のある部位が該強化繊維と共に溶接処理を経て、その結合が該金属を平面溶融することによって行われて、該強化繊維を囲包するマトリックスを形成することを特徴とする、繊維強化半製品の製造方法。
【請求項２】
１つの強化繊維の前記金属は、さらなる強化繊維の前記金属、または既に相互に結合された強化繊維の前記マトリックスに溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項３】
順番に平行に配置された複数の強化繊維の前記金属は、一の処理工程で溶接されることを特徴とする、請求項１に記載の製造方法。
【請求項４】
レーザー溶接処理または電子ビーム溶接処理などのエネルギービーム溶接処理が、前記溶接処理として用いられることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項５】
前記溶接処理は、電子ビーム溶接の場合には真空、レーザービーム溶接の場合には不活性ガス雰囲気などの、反応性ガスのない雰囲気で行われることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項６】
前記強化繊維は、前記溶接処理の前に、ＰＶＤ処理（物理蒸着）によって金属ジャケットを提供され、該金属ジャケットは、該溶接処理の後に、マトリックスの金属を形成することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項７】
金属ジャケットを有する前記強化繊維は、前記溶接処理の前に、二つの金属フォイルの間に配置され、該溶接処理の後に、該強化繊維の該金属ジャケット、および該金属フォイルは、前記マトリックスの金属を形成することを特徴とする、請求項１、３〜６のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項８】
前記金属フォイルの金属は、前記金属ジャケットの金属と一致することを特徴とする、請求項７に記載の製造方法。
【請求項９】
前記強化繊維は、前記溶接処理の前に、二つの金属フォイルの間に配置され、金属ワイヤは、それぞれ、該強化繊維の間に導入され、該溶接処理の後に、該金属フォイルおよび該金属ワイヤは、前記マトリックスの金属を形成することを特徴とする、請求項１、３〜５のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１０】
前記金属フォイルの前記金属は、前記金属ワイヤの前記金属に一致することを特徴とする、請求項９に記載の製造方法。
【請求項１１】
前記マトリックスを形成する前記金属は、全て溶接可能な金属、特にチタン（Ｔｉ６４）を含むことを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１２】
前記強化繊維は、ケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、酸素（Ｏ）、アルミニウム（Ａｌ）、または窒素（Ｎ）の元素を含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１３】
前記半製品の圧密化は、溶接後に行われることを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の製造方法。
【請求項１４】
前記圧密化は、熱間静水圧プレス処理によって行われることを特徴とする、請求項１３に記載の製造方法。
【請求項１５】
前記圧密化は、一軸熱間プレスによって行われることを特徴とする、請求項１３あるいは１４に記載の製造方法。
【請求項１６】
台は、前記強化繊維の前記金属を溶接する手段、および該強化繊維を溶接部位中へ、またはそこから案内する手段を有することを特徴とする、請求項１、２、４〜６のいずれか一項に記載の製造方法の装置。
【請求項１７】
前記強化繊維を溶接する前記手段、および該強化繊維を案内する前記手段は、構造単位を形成することを特徴とする、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記台および前記構造単位の間で、相対運動を可能にする駆動力が提供されることを特徴とする、請求項１６および１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記強化繊維を溶接する手段は、ビーム銃、および反応性ガスを除去するためのチャンバーを含むことを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか一項に記載の装置。
【請求項２０】
前記台は、回転対称体として形成されることを特徴とする、請求項１６〜１９のいずれか一項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、請求項１の前段に特定されるタイプの金属片および金属シート、またはその類似物の形態の繊維強化半製品の製造方法、および請求項１６の特徴を有する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
金属マトリックスを有する繊維強化フォイル、シートまたは細片を製造するこのタイプの方法は、特許文献１および特許文献２に記載されている。この場合、金属マトリックスは、特許文献３に開示される装置によって、繊維間および繊維上にホットプレスされる。炭化ケイ素繊維、ケイ素被覆炭化ケイ素繊維、炭化ケイ素被覆ホウ素繊維、または炭化ホウ素被覆ホウ素繊維が、繊維として用いられる。マトリックス金属として通常入手可能であるものは、チタン基合金である。
【０００３】
繊維強化フォイル、シートまたは細片から最終的に製造される部品は、また、金属マトリックス部品（ＭＭＣ）と呼ばれる。
【０００４】
【特許文献１】
米国特許第４，７３３，８１６号
【０００５】
【特許文献２】
米国特許第４，４９９，１５６号
【０００６】
【特許文献３】
米国特許第３，８４１，９４２号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
繊維強化フォイル、シートまたは細片を製造するための公知の方法は、それが繊維／フォイル構造を作りあげるのに多数の工程を要することから、比較的に複雑になるという欠点をもつ。さらに、達成される繊維の容量含有量、および得られる機械的特性は、繊維の最密配置の達成が困難であることから限定される。その上、繊維間の距離は、一定に保持されず、また繊維が接触し、また破断する可能性は、除外できない。必要な方向への繊維の意図的な配列は、同様に、限られた程度でのみ可能である。とりわけこれは、繊維強化フォイル／シートから製造されるＭＭＣの疲労割れ、より低い破断抵抗、および、より短い使用寿命をもたらす。
【０００８】
本発明は、請求項１の前段で特定されるタイプの金属片、金属シート、またはその類似物の形態の繊維強化半製品を製造する方法、および装置、を開発する目的に基づき、強化繊維が半製品のマトリックス内に予め定められて正確に配置される低コストな方法を、前述の欠点を回避しながら提供する。
【０００９】
この目的は、該方法に対しては、請求項１の前段に記載の特徴に関連して請求項１の特徴によって、および装置に対しては、請求項１６の特徴によって達成される。
【００１０】
従属項は、本発明の有利な展開を構成する。
【００１１】
本発明は、強化繊維、および半製品の後のマトリックスを形成する金属が、溶接処理によって、簡単に、予め決められた永久配置におかれるとの知見に基づく。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
したがって、本発明によれば、金属の少なくともある部位、および強化繊維は、溶接処理を経て、その際、結合が、金属を平面溶融することによって行われ、強化繊維を囲包するマトリックスが形成される。
【００１３】
本発明の実施形態によれば、強化繊維の溶接が行われ、一つの強化繊維の金属が、さらなる強化繊維の金属、または既に相互に結合された強化繊維のマトリックスに溶接される。
【００１４】
本発明の他の実施形態によれば、順番に平行に配置された多数の強化繊維の金属は、一つの処理工程で同時に相互に溶接される。
【００１５】
この場合には、溶接は連続してある部位またはある点の両方で行われるであろう。
【００１６】
レーザー溶接処理または電子ビーム溶接処理などのエネルギー溶接処理が、溶接処理として用いられる。これらは標準的な溶接処理であり、製造コストをかなり低減する。
【００１７】
マトリックスにおいて、特に酸素（Ｏ２）、窒素（Ｎ２）およびその類似物との反応を防止するために、少なくとも、溶接処理は、反応性ガスのない雰囲気で行われる。例えば、電子ビーム溶接の場合は真空で、レーザービーム溶接の場合は不活性ガス雰囲気で行われる。
【００１８】
溶接処理の前に、強化繊維には、好ましくは、例えばＰＶＤ処理によって、金属ジャケットが提供される。溶接操作の後に、少なくともこの一部分がマトリックスの金属を形成する。
【００１９】
半製品に適切なマトリックス物質を提供するために、本発明のさらなる実施形態によれば、溶接処理の前に、金属ジャケットを有する多数の強化繊維は、二つの金属フォイルの間に順番に平行に配置される。強化繊維の金属ジャケット、および金属フォイルを均一に溶接することは、好ましくは、金属ジャケットおよび金属フォイルに、同じ金属を用いることによって確定される。
【００２０】
これとは別に、溶接処理の前に、多数の強化繊維が、二つの金属フォイルの間に平行に配置され、さらなる金属ワイヤが、また、個々の強化繊維の間にそれぞれ導入される。この配置は、金属ジャケットを強化繊維の上に予め適用する手間を省くことが可能であるという利点を有する。金属フォイルおよび金属ワイヤを均一に溶接することは、金属フォイルおよび金属ワイヤに、同じ金属を用いることによって確実となる。
【００２１】
溶接操作の後、半製品の圧密化が行われ、均質なマトリックスが確保されることが好ましい。
【００２２】
圧密化は、例えば熱間静水圧プレスおよび一軸熱間プレスによって行われる。
【００２３】
原則として、全ての溶接可能な金属／金属合金は、金属として扱われる。特に、チタンおよびチタン基合金である。
【００２４】
公知の繊維の全てのタイプは、強化繊維として用いられる。この場合には、強化繊維にはケイ素（Ｓｉ）、炭素（Ｃ）、ホウ素（Ｂ）、酸素（Ｏ）、アルミニウム（Ａｌ）および／または窒素（Ｎ）の元素が含まれる。
【００２５】
さらなる利点および特徴は、本発明のいくつかの実施形態を、図面と関連して示すことによって明らかにされる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
図１に、金属のマトリックス１２に結合された強化繊維１４の単層の形態の半製品１０の製造を概略図で示す。強化繊維１４は、公知のＰＶＤ処理（ＰＶＤ＝物理蒸着）によって、金属ジャケット１６を提供される。これは、後のマトリックス１２の物質を形成する。金属ジャケット１６は、実質的に、断面が等しい厚みを有する。
【００２７】
金属ジャケット１６を有する多数の強化繊維１４は、次いで、部位１８において、相互に密に並んでまとめられる。その際、金属ジャケット１６およびマトリックス１２の金属は、反応性ガスのない雰囲気に曝される。概観するために、三つの強化繊維のみを図１に示す。
【００２８】
この部位１８には、強化繊維１４を互いに結合するビーム銃２０が作動している。強化繊維１４は、エネルギービーム溶接処理による溶接部位２４が金属ジャケット１６に沿って、前進方向２２に移動される。溶接部位２４においては、強化繊維１４を囲包する金属は、溶解され、そのためにマトリックス１２が形成される。この例証的な実施形態においては、強化繊維１４は、実質的には、マトリックス１２によってその全長に沿って相互に結合され、マトリックス１２内に、定間隔で、互いに平行な予め決められた配置で配列される。
【００２９】
エネルギービーム溶接処理、レーザー溶接処理、または電子ビーム溶接処理が、溶接方法として用いられる。電子ビーム溶接の場合には真空雰囲気であるか、またはレーザービーム溶接の場合には不活性ガス雰囲気である。
【００３０】
マトリックス１２の酸化および汚損は、この雰囲気によって防止される。
【００３１】
図２に、金属ジャケット１６を有する強化繊維１４の溶接部位２４中への送り出しが示される。
【００３２】
金属ジャケット１６を有する強化繊維１４は、ローラー２６から引離され、案内装置２８（溶接部位２４も、また配置される）に送られる。溶接処理の後、製造された半製品１０は、保管および輸送のために、さらなるローラー３０に巻き上げられる。
【００３３】
この場合、反応性ガスのない雰囲気の領域１８には、案内装置２８が、溶接部位２４と共に含まれるか、さもなければ金属ジャケット１６を有する強化繊維１４をローラー２６から解いてから、案内装置２８を経て半製品１０をローラー３０上に巻き上げるまでの全工程が、含まれる。
【００３４】
図３に、案内装置２８が詳細に示される。案内装置２８は、案内バー３２を有し、それによって、金属ジャケット１６を有する強化繊維１４は、慎重に方向付けられて、溶接部位２４中に案内される。案内装置２８は、必要な限り冷却されて、強化繊維１４ができる限り加熱されないようにする。
【００３５】
図４に、本発明のさらなる実施形態が示される。ここでは、半製品１０は、平行に配置され、金属ジャケット１６を有する多数の強化繊維１４、および二つの金属フォイル３４から製造される。この場合、金属ジャケット１６の金属は、金属フォイル３４の金属と一致する。全配置は、次いで、案内装置３６に送られ、そこで金属フォイル３４、および強化繊維１４の金属ジャケット１６が相互に溶接される。金属フォイル３４、および強化繊維の金属ジャケット１６の溶融された金属は、半製品のマトリックス１２を形成する。半製品１０の均一なマトリックス１２を得るために、圧密化がさらなる作業工程として、例えば熱間静水圧プレスによって行われる。
【００３６】
さらなる実施形態は、図５に示される。前記の例証的な実施形態と対照すると、強化繊維１４および金属ワイヤ３８が、二つの金属フォイル３４の間に交互に導入される。全配置（すなわち、金属フォイル３４、強化繊維１４および金属ワイヤ３８）は、次いで、案内装置３６に送られ、続いて溶接され、マトリックス１２が、強化繊維１４の間に導入された金属ワイヤ３８および金属フォイル３４が融解することによって形成される。強化繊維を金属ジャケット１６で事前に被覆することは、もはや必要でない。
【００３７】
図６の主題は、強化繊維１４を溶着する装置である。この場合、装置には台４０、強化繊維１４を案内する手段４２、枠部４４に固定されたビーム銃２０、およびさらなる手段（明確には示されない）が含まれ、繊維の補給が確定される。この場合、ビーム銃２０の枠部４４、および強化繊維１４を案内する手段４２は、構造単位４６を形成する。これは、台４０に関して可動である。台４０に関して構造単位４６が相対的に移動することが可能であることは、図６の矢印４８によって示される。この場合には、強化繊維１４の金属ジャケット１６との溶接は、既に台４０上に置かれ、またマトリックス１２によって結合されたさらなる強化繊維１４の空間的に直ぐ隣で行われる。台４０および構造単位４６の間で、駆動力によって相対的に移動することが可能であることから、その際には、種々の複雑な溶着構造を２Ｄおよび３Ｄで実現することが可能である。これにより、繊維強化半製品１０が製造され、台４０からはずされ、さらに処理される。
【００３８】
半製品１０を溶着するさらなる例証的な可能性は、図７に示される。さらなる強化繊維１４の金属ジャケット１６との溶接は、次いで、既にマトリックス１２によって相互に結合された強化繊維１４の空間的に直ぐ隣で行われる。この場合には、半製品１０を置く台４０は、回転対称体５０によって形成される。これは、矢印５２のように回転する。その結果、半製品１０の回転体５０上への巻取りが行われる。この場合には、半製品１０は単層および多層の両方で置かれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】金属ジャケットを有する多数の強化繊維から半製品を基本製造する概略図を示す。
【図２】図１の製造方法を示す全体像を示す。
【図３】図２の詳細図を示す。
【図４】金属ジャケットを有する多数の強化繊維、および金属フォイルから半製品を製造する第二の実施形態を示す。
【図５】多数の強化繊維、金属ワイヤおよび金属フォイルから半製品を製造する第三の実施形態を示す。
【図６】金属ジャケットを有する個々の強化繊維を、マトリックスにより既に結合されたさらなる強化繊維の隣に溶着する装置を示す。
【図７】図６にしたがって製造された半製品を堆積するさらなる可能性を示す。
【符号の説明】
１０　繊維強化半製品
１２　マトリックス
１４　強化繊維
１６　金属ジャケット
１８　チャンバー
２０　ビーム銃
２２　前進方向
２４　溶接部位
２６　ローラー
２８　案内装置
３０　ローラー
３２　案内バー
３４　金属フォイル
３６　案内装置
３８　金属ワイヤ
４０　台
４２　案内手段
４４　枠部
４６　構造単位
４８　相対運動
５０　回転対称体
【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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