(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１マトリックス材料を含浸させてなる第１群の繊維を第１角度で送り出してコンベアベルトに関連付けるステップと、
第２マトリックス材料を含浸させてなる第２群の繊維を前記第１角度とは異なる第２角度で送り出して前記コンベアベルトに関連付けるステップと、を含む複合部品の製造方法。
【請求項２】
前記コンベアベルトが第１方向に移動し、かつ常に移動している、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１群の繊維が断続的に送り出される請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第２群の繊維が断続的に送り出される、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第１群の繊維が前記複合部品内に断続的に送り出される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記第２群の繊維が前記複合部品内に断続的に送り出される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記第１群の繊維が前記第１角度とは異なる角度に配向することができる、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１方向とは異なる方向に移動することのできるヘッドにより前記第１群の繊維が送り出される、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
前記第１群の繊維が単一の層を構成し、前記第１群の繊維が不連続である、請求項３に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１群の繊維が始動および停止機構を有する配置ヘッドによって供給される、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１群の繊維が該第２群の繊維とは異なる種類である、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１群の繊維が前記第２群の繊維とは異なる材料から作成される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１マトリックス材料が前記第２マトリックス材料と同一である、請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の技術分野】
本発明は、再現性があり、監視可能で、用途が広く、生産しやすい手法及び工程を使用する先進的な複合自動車構造体の経済的な製造方法に関する。
【０００２】
【背景技術】
本発明の焦点は、先進的複合材(advanced composites)の使用にあり、ここに先進的複合材とは、熱硬化又は熱可塑性樹脂からなる適切なポリマーマトリックス内において高度に整列された(highly aligned)炭素、ガラス、又はアラミド繊維の強化材を含むものと定義される。整列された強化材を使用する目的は次の認識に基づく。すなわち、鋼のモジュラスは３０，０００，０００ｌｂｓ／ｉｎ2であるが、アルミニウムのモジュラスは１０，０００，０００ｌｂｓ／ｉｎ2である。典型的な高品質ガラスエポキシプリプレグのモジュラスは４，０００，０００ｌｂｓ／ｉｎ2である。材料の剛性は構成部品の形状によりある程度補償して構造安定性を増強することができるが、現在自動車業界で使用されているランダムに強化された複合材料はいっそう低い剛性を持ち、従って構造性能の劇的に改善することはできない。
【０００３】
複合材を自動車の設計に利用するためには、それらの内在的な利点を実現できる方法で、それらの独特な特性を車両の設計及び生産シナリオの両方に組み込まなければならない。
【０００４】
【発明の概要】
本発明の追加の特徴及び利点は以下に説明にするが、その内容については、当該説明のみならず、本発明を実施することによっても明らかとなろう。本発明の目的及び他の利点は、以下の記載、請求の範囲、及び添付図面で特定される構造体によって実現され、達成される。
【０００５】
これまでの一般的説明及び以下の詳細な説明の両方とも例示的なものであり、請求の範囲に記載された発明をさらに説明するものである。
【０００６】
別の側面では、本発明は、再現性のある経済的な態様で、先進的複合材料に由来する高性能を有する嵩高な自動車構造体の生産することができる方法及び技術を提供する。本発明は、予備成形シート又は予め一体化されたシートをその後のインフュージョン成形(infusion molding)又はスタンピング工程それぞれに利用可能とするような仕方で、整列複合材料の連続誂え積層成形(tailered lamination of aligned composite material)のための方法を提供する。インフュージョン工程は、樹脂トランスファ成形（ＲＴＭ）又は真空アシスト樹脂トランスファ成形（ＶＡＲＴＭ）など、すでに幅広く使用されているものと異ならない。スタンピング工程は、鋼自動車構造体を型打ちするために現在使用されているものと異ならない。液体インフュージョン又は固体スタンピングのいずれの手法でも、構成部品の設計は性能及びコストの目標を達成するために工程ごとに調整しなければならない。発明思想は、繊維又はテープ配置、牽切及び混織繊維糸、バインダ含有予備成形、加熱一体化、ＮＣ切断及びキット化を含め、幾つかの利用可能な技術を統合するものである。本発明の要旨たる方法では、本発明の各工程ステップに内在する様々な選択肢を操作することによって、熱可塑性又は熱硬化性マトリックス樹脂のどちらも使用することができる。
【０００７】
本発明の利点は、基本要素を扱っている点にあり、そのような基本要素を扱うことは経済的な高性能及び大体積の先進的複合自動車構造体の躍進を実現しようとする場合に必要となる。本発明が成功裏に扱っている問題として、数ある利点の中でとりわけ、１）部品設計から近完成部品に至るまでの最小限の手作業(touch labor)の必要性、２）再現性が高く、調整可能であり、用途が広く、制御可能な工程、３）製作中のスクラップ材料の最小化、４）インライン工程監視及び制御（事後検査及びスクラップ完成部品の最小化）、５）整列した「連続」状繊維強化材による「先進的複合」性能の供与、６）ある範囲のモデル変形等の生産平準化を容易に管理し均衡させるためにレイアップ間(between lay-ups)で同一機器及びスイッチを使用して多くの積層構造体のレイアップを処理する能力、ならびに７）音及び振動の減衰、無塗装着色及び仕上げ、一体的トリム面など、他の材料及び付加価値機能性を適用するインライン手法(in-line approach)ある。
【０００８】
従って、本発明は先進的複合構造体を製造するための方法及び装置に向けられる。
【０００９】
本発明の目的は、容易に組み立てられる大きい整列炭素強化構成部品を製造することである。
【００１０】
本発明の別の目的は、毎年の生産の速度及び効率を改善することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、品質、性能、質量、仕上げ、及び機能の点で再現性のある一貫した方法を生み出すことである。
【００１２】
本発明の別の目的は、従来の塗装を排除することである。
【００１３】
本発明の別の目的は、資本投資と生産の速度及び量とを均衡させることである。
【００１４】
本発明の別の目的は、資材運搬及び在庫管理の論理的手法を持つことである。
【００１５】
本発明の別の目的は、スクラップを最小にする解決策を探ることである。
【００１６】
本発明の別の目的は、できるだけ原料の形に近い材料から出発することである。
【００１７】
本発明の別の目的は、できるだけ自動化することである。
【００１８】
本発明の別の目的は、安全、クリーン、かつ管理可能な生産環境を維持することである。
【００１９】
本発明の別の目的は、整列炭素強化材を組み込むことである。
【００２０】
本発明の別の目的は、積層構造体を制御することである。
【００２１】
本発明の別の目的は、考慮する製造工程の独自の態様に合わせて構成部品の設計を調整することである。
【００２２】
本発明の別の目的は、どこでも同一のラミネート、厚さ、及び材料を使用する極端な状態を考慮することである。
【００２３】
本発明の別の目的は、リスク、出発材料、及び達成される品質に関して柔軟性を利用することである。
【００２４】
【好適な実施形態の詳細な説明】
本発明のさらなる理解を提供するための添付図面は、本明細書に組み込まれてその一部を構成するものであり、本発明の実施形態を示し、記述と合わせて、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【００２５】
以下、添付図面に例示された本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００２６】
図１は、本発明に従って作成されるボディ構造体１００の等角図を示す。
【００２７】
図２に示すように、ボディ構造体は多数の部品に分割されることが好ましい。これらの部品の境界は、製造が容易化されるように選択することが好ましい。部品の製造を容易化する１つの方法は、それらの総体的形状ができるだけ平坦となるように、「全体的に平面的」であると呼ぶことができる部品を作成することである。複雑な総体的形状は、図２に示すように、幾何学的により単純な部品を組み合わせることによって達成される。そのような部品は、ブランクを所望の部品形状に適合させるために変形する程度が少なくてすむので、ここに記載する方法に適している。全体的に平面的な部品は、工具による加工もより簡単である。
【００２８】
図２に示す部品は全て、本発明に従って作成することができる。しかし、分かりやすくするために、１つの部品２０２の製造のみに的を絞るが、図２に示した全ての部品及び他の適切な部品が本発明に従って作成できるものである。
【００２９】
前記方法は、複合部品の製造に使用するように意図された材料の選択から始めることが好ましい。出発材料は、不連続整列炭素繊維トウ(discontinuous aligned carbon fiber tow)とハンドリング結合剤(handling binder)を含む。これは一般に、送出しのためにクリール(creel)又はスプール(spool)で供給される。他の繊維の種類（ガラス又はアラミドなど）及び形式（連続など）も使用することができる。液体インフュージョン加工工程(liquid infusion fabrication process)の場合、発明の要旨である方法は、意図するマトリックス樹脂(matrix resin)と相溶性のある(compatible)結合剤と共に、連続トウ強化材又は不連続トウ強化材を利用する。固体加工工程(solid state fabrication process)の場合、発明の主題である方法は、意図するマトリックス樹脂を事前含浸した連続トウ強化材もしくは不連続トウ強化材、又は連続もしくは不連続トウ強化材、又は意図するマトリックス樹脂から成る事前含浸テープ(pre-impregnated tape)を利用する。材料の選択は、意図する最終構成部品の設計及び複雑さ、いっそう微妙な幾何学形状の要求事項、不連続トウ強化材に全面的に相互依存する。いずれの場合も含浸は、熱硬化性又は熱可塑性マトリックスではホットメルト、溶剤の形態とすることができ、熱可塑性マトリックス樹脂では混織とすることができる。
【００３０】
強化材料の形態として、選択肢は不連続予備含浸炭素テープ(discontiunous preimpregnated carbon tape)、熱可塑性プラスチックの不連続予備含浸炭素トウ(discontinuous preimpregnated carbon tow)、バインダ含有不連続炭素繊維トウ(binderized dicontiuous carbon fiber tow)、不連続炭素繊維トウから成るバインダ含有繊維ストリップ、及び連続炭素繊維トウを含む。
【００３１】
マトリックス材として、選択肢は環境安定性（温度、湿度、腐食性等）、コスト、表面品質、靭性、及びリサイクル性など、自動車の要求事項を満たす大部分の熱可塑性プラスチック及び一部の熱硬化性プラスチックを含む。
【００３２】
出発材料又は原料材料(stock material)が選択された後、該材料は、本発明に係る方法の好適な実施形態で使用する好適なステップを示す図３〜図５に模式的に示すように、相互に関連付けられて一体化される。プロセスは、完全に自動化することが好ましく、その際のプログラムは、意図する完成構成部品に合わせて設計され、自動車及び航空宇宙産業で一般的に使用されるような三次元部品設計ソフトウェア及びデータベースに直接リンクされる。以下に個々のステップを説明するが、その際に本発明の多様性を示すプロセスの変形の可能性についても平行して述べることにする。
【００３３】
図３は、プロセスの初期ステップである材料配置ステップ３０２を示す。図３に示す通り、プロセスは少なくとも１つの材料配置ステーション３０６を含むことが好ましく、２つ以上の材料配置ステーションを使用することがさらに好ましい。本発明の例示的実施形態では、６つの材料配置ステーション３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、及び３１６を使用する。
【００３４】
図６を参照すると、各材料配置ステーションは、コンベア３０４の移動６０４の方向とは異なる方向６０２に移動することができる。分かりやすくするために、図６は１つの配置ステーション３０６しか示さない。他の配置ステーション３０８、３１０、３１２、３１４及び３１６も、配置ステーション３０６と同様に移動することができるものである。本発明の例示的実施形態では、配置ステーションは、コンベア３０４の移動６０４に対し直角の方向６０２に移動する。
【００３５】
材料配置ステーション３０６は複数のヘッド６０６を含むことが好ましい。これらヘッド６０６は、移動の方向６０２と同様の方向に並べられることが好ましい。
【００３６】
図７を参照すると、各々のヘッド６０６は回転部７０２を含む。これにより、ヘッド６０６は、当該ヘッド６０６に対して様々な方向に材料７０４を送り出すことが可能になる。図８は、ヘッド６０６及び回転部７０２の底面図を示しており、回転部７０２に対する材料７０４の相対的配向を認識することができる。
【００３７】
以上の構成を前提にすると、材料配置ステップ３０６は複数の材料７０４を送り出すことができる。複数の材料は、配置ステーション３０６によって配置されたときにシートの形態を取る。ヘッド６０６を選択的に回転し、配置ステーション３０６を移動させることにより、材料を様々な配向で様々な方向に送り出すことができる。また、本発明では、異なる配置ステーション、例えばステーション３０６及び３０８（図３参照）が相互に異なる方向に材料を送り出すことも意図されている。
【００３８】
さらに、ヘッド６０６は、材料を不連続に給送することができる。言い換えると、ヘッド６０６によって送り出される材料は、希望するときに入切することができる。
【００３９】
図３に戻り、様々な配置ステーション３０６、３０８、３１０、３１２、３１４、及び３１６が材料を送り出すので、異なる配向の繊維又は材料を有する異なるプライ(ply：層)を構成することができる。
【００４０】
上記生産工程を念頭に置いて構成部品を設計した後、所望の最終構成部品の積層構造及び平面レイアウト（ブランクの展開構造）を前処理ソフトウェアプログラム(pre-processing software program)に送ることができる。このプログラムにより、本発明の主題の一部である誂えブランク作成機(tailored blank machine)を動作させるためのＮＣマシンプログラム(NC machine program)が生成される。
【００４１】
移動台と一連のヘッド（積層内の各プライに複数個が必要になるかもしれない）の組合せの結果は、１）固体スタンピング加工手法の場合、ほぼ完全に一体化された積層シートを生産するために慎重に制御された加圧ならびに一連のローラ及びヒートゾーンによりホットローラで一体化されるか、あるいは２）液体インフュージョン加工工程の場合、乾燥バインダ含有積層シートのいずれかとすることのできる、シートの特定の流れのためにプログラムされた特定の積層構造による積層シートの連続生産である。配置ヘッドは、ドア及び窓などの切欠き部を考慮して材料の始動及び停止を可能にすることができ、それによりコスト発生源になり得る材料のスクラップを低減するであろう。さらなるコスト上の利益を提供することのできるテープ敷設ヘッドの潜在的変形例では、「チョッパーガン」を使用して、移動台上に非常によく整列したプライを配置するものであり、各ガンが配置ヘッドと同様に個々の傾斜プライを積み重ねる。このガンは潜在的に、本明細書の本節で考察する全ての形態の材料を敷設することができる。
【００４２】
材料配置ステップは、幾つかの選択肢及び変形例が可能である。プライレベルでは、配置選択肢に含まれるのは次の通りである。１）配置ヘッドがヘッドに装着されたロールからテープをたぐり出し、そのテープがヘッドを通過するとき、及びさらに敷設の時点で被加熱配置ローラを介してそれを加熱し、移動ベルト上のＮＣプログラムで決まる位置にそれを配置する。２）配置ヘッドが敷設時の直前に多数の事前含浸トウを整列させて「テープ」を作成し、移動ベルト上のＮＣプログラムで決まる位置にそれを配置する。３）配置ヘッドが多数のバインダ含有トウを含浸させ、敷設時の直前にそれらを整列させてテープを形成し、移動ベルト上のＮＣプログラムで決まる位置にそれを配置する。４）配置ヘッドがロールから織布ストリップをたぐり出し、ヘッド内及びさらに敷設時に被加熱配置ローラを介してそれを加熱し、移動ベルト上のＮＣプログラムで決まる位置にそれを配置する。５）配置ヘッドが多数のバインダ含有トウを整列させ、敷設時の直前にそれらを加熱してバインダ含有テープを作成し、移動ベルト上のＮＣプログラムで決まる位置にそれを配置する。６）配置ヘッドが炭素繊維トウをその場でチョップし、移動台上に不連続繊維を整列状態に配置する。選択肢６）では、結合剤が、プライに対して直接に、又はプライが完全に敷設された後のいずれかに、均一に供給される。
【００４３】
積層体レベルでは、各々が同一ヘッド技術を使用する複数の配置ステーションが必要である。必要なステップの数は、所望の生産速度、プライ数、角度、特別な仕様、及び選択された出発材料の形態によって決定される。各ヘッドはＮＣプログラムに従って材料を配置して所定の角度で単一プライを敷設する。ベルト上の所定箇所が起動された全ての配置ステーションを通過すると、充填材(pad-ups)及び他の特殊強化材を含め、プライの個数及び角度についての所望の組合せのラミネートが得られる。作業全体がＮＣ制御され、製品の後工程引取(product pull system)の要件に応じて異なる車両変形例に切り換えることが可能である。
【００４４】
一体化ステージ４０２は、積層体を所望のレベルの一体化及び厚さに圧縮する一連の被加熱一体化ローラを含む。本工程の変形例では、バインダ含有トウを所定の角度で非常によく整列した１束の乾燥繊維になるように配置し、バインダ含有粉末（意図するマトリックス樹脂と化学的に相溶性の樹脂粉末）は、必要に応じて、パイル間にも堆積することができる。最終プライを敷設した後、その後の加工ステップの前に、熱的圧密化ステップ(thermal compaction step)を適用して、繊維をそれらの適切な位置に保持することができる。その結果得られるシートは、液体インフュージョン加工工程を予定する場合、次いで切断し、キット化することができる。材料をスタンピング作業に使用する場合、切断及びキット化の前に、引抜き(pultrusion)又は押出し(extrusion)工程とよく似た液体インフュージョン及び一体化の追加ステップを適用して、ラミネートを完全に含浸させ、一体化することができる。次いで、このキットを固体スタンピング加工工程で使用することができる。必要な場合、一体化は積層作業の最後に一連の被加熱及び被冷却ローラを用いて実行される。本ステップは、前段落で短く論じた通り、意図された最終加工工程に合わせて調整される。
【００４５】
本ステップで利用可能な他の選択肢として次のものが含まれる。
１）積層体を増加する圧力下で一連の被加熱ローラに通して、積層体を完全に一体化させる。
２）被加熱ゾーン及び厚さ全体に均等な温度を加えるだけの弱圧密ローラを含む「安定化」ゾーンに積層体を通して、全てのプライを一つにキット化して、キット化された積層体のその後の取扱いを可能にする。この積層体は、乾燥成形作業（より複雑な幾何学形状のために必要ならば）を行なうために充分に安定しており、しかも完成構成部品を生み出すその後の液体インフュージョン加工ステップで適切な樹脂の流動を可能にするために充分な成形性(lofty)を持ち続けなければならない。
【００４６】
切断及びキット化ステージ４０４及び４０６は、移動ベルトから各誂えブランクを切断して該ブランクを加工セル又は中間準備領域のいずれかに送ることのできるＮＣ制御超音波切断機（又は同様の技術）を含む。本ステージは、航空宇宙産業で幅広く使用されているＮＣ超音波切断ステーションに類似している。
【００４７】
液体インフュージョン成形、固体スタンピング、又はその他などの最終用途に関係なく、積層体は、最終加工セルへ送り出すために予め定められた形状体(bins)へと切断されてキット化される。最終加工セルへ送り出す前に、接着シート、着色デカル、又は取付具など、最終構成部品の追加要素を上記形状体に追加することができる。
【００４８】
インクジェット識別技術は、本発明の要旨の一部として記載した工程と完全に両立する。それらは、誂えブランク作成機の長さに沿う任意の箇所で、かつ方法全体の切断及びキット化部分で、材料及び部品ＩＤのみならず、最終構成部品を作成するために使用される最終生産工程の加工指示をも提供するために使用することができる。
【００４９】
本発明方法は、超音波ＮＣ制御切断及びキット化を使用することができる。各「誂えブランク」は移動ベルトから切断し、完全なボディセットに必要な他の積層体とキット化し、次いで最終構成部品にするために加工セルへ送ることができる。他の切断技術も適用することができる。
【００５０】
構成部品加工ステップ（図示した固体加工プロセスの場合）は、前処理及び成形ステーションを含む。積層体を所望の温度まで加熱し、次いで積層体をスタンピングプレスのツール間で高速で往復させるために予熱シャトル５０２が利用される。第２ステーションは単段被加熱スタンピング金型５０４であり、積層シートの周囲を固締して構成部品を型打ちする。型打ち後、スタンピングツールは２２０℃からガラス転移温度未満まで急激に冷却され、次いで型抜きされる。
【００５１】
インクジェット及び／又はバーコード追跡技術を用いて適切に識別されたキット化された平坦な誂えブランクから出発し、最終加工工程で構成部品の形状を与え、最終硬化及び／又は一体化を行なう。加工セルは図示するように配設される。各セルは、コスト及びタイミングに影響する主要セルパラメータと共に、シーケンスにおける次のセルに進むために必要な工程ステップを識別する。加工ステップは、固体スタピング又は液体インフュージョンのいずれかのための最良の生産技術を含み、加工パラメータは本発明を最良に利用するために調整する。
【００５２】
前処理選択肢に含まれるものは次の通りである。１）予熱シャトルを利用して積層体を所望の温度まで加熱し、次いで積層体をスタンピング金型間で高速で往復させる。２）インフュージョン作業の前にバインダ含有積層体をほぼ正味形状に形成することのできる、プレスと同様の（ただし正確さでは遠く及ばず、かつ最小限の加圧である）単純な被加熱成形ツールを利用する予備成形作業。加えて、一部の構成部品は埋込み硬質箇所(embedded hard points)又は他の事前配置詳細加工部(pre-placed details)を必要とすることがある。
【００５３】
加工選択肢は固体及び液体インフュージョン法を含む。固体の場合、単段被加熱スタンピングダイが積層シートの周囲を固締し、次いで構成部品を型打ちする。液体インフュージョンの場合、バインダ含有ラミネートはまっすぐに被加熱インフュージョンツールに進み、該ツールが閉じられ、積層体を閉じたキャビティの形状にし、マトリックス樹脂が注入される。
【００５４】
固化／硬化のため、熱硬化プラスチックの場合、ツールは構成要素が硬化するまで温度を維持する。熱可塑性プラスチックの場合、ツールはＴｇ未満まで急速に冷却され、次いで型抜きされる。
【００５５】
最終ステップは、従来の低馬力の高速ルータ(high speed router)を使用するロボットトリムステーション(robotic trim station)である。ドリルは高速であり、背面貫通(backs side breakout)を低減するために送り量は低い。ドリル及びルータはどちらも繊維管理及び冷却のために水に浸漬(flooded with water)される。速度及び再現性を維持するために、ロボットによる掴み配置設備５０８(robotic pick and place technology)を真空ジグ及び取付具と共に使用する。
【００５６】
最終トリム作業５０６は、高性能先進複合構造体のための最良の業界慣行による真空チャックジグにおける高速ルーティング(high speed routing)を含む。ロボットトリムステーションは従来の低馬力の高速ルータを使用する。ドリルは高速であり、背面貫通を低減するために送り量は低い。ドリル及びルータはどちらも繊維管理及び冷却のために湛水される。
【００５７】
本発明の実施形態についての上記開示は、例示及び説明のために提示したものである。上記開示は、全てを網羅するものではなく、また本発明を開示した厳密な形態に制限するものでもない。上記開示に照らして、ここに開示した実施形態の多くの変形及び変更が当業者には明白であろう。本発明の範囲は、請求の範囲及びその均等物によってのみ定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って作成された構造体の好適な実施形態の等角図である。
【図２】  本発明に従って作成された構造体の部品の組立分解等角図である。
【図３】  本発明に係る材料配置ステップの好適な実施形態の概略図である。
【図４】  本発明に係る方法における他のステップの好適な実施形態の概略図である。
【図５】  本発明に係る方法における他のステップの好適な実施形態の概略図である。
【図６】  本発明に係る材料配置ステーションの好適な実施形態の概略図である。
【図７】  本発明に係るヘッドの拡大略等角図である。
【図８】  本発明に係るヘッドの好適な実施形態の底面図である。
【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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【図８】
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