(57)【要約】強化繊維ポリマー構造体は、実質的に一方向繊維の複数の第一および第二の束状構造体を含み、第一の束状構造体は、第二の束状構造体と角度をもって重なり節を形成し、各束状構造体の繊維体積分率（ＦＶＦ）は、前記節を通過する際に略一定に保たれている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
実質的に一方向繊維の複数の第一および第二の束状構造体を含み、
第一の束状構造体は、第二の束状構造体と角度をもって重なり節を形成し、
各束状構造体の繊維体積分率（ＦＶＦ）は、前記節を通過する際に略一定に保たれている、強化繊維ポリマー構造体。
【請求項２】
繊維体積分率が、約４０％〜約６０％であり、好ましくは約５０％〜約６０％である、請求項１に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項３】
第一および第二の束状構造体のＦＶＦ値が略同一である、請求項１または２に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項４】
第一の束状構造体のＦＶＦ値が、第二の束状構造体のＦＶＦ値と異なり、節の総ＦＶＦは部品（components）の平均値である、請求項１または２に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項５】
総ＦＶＦが、節内のすべての束状構造体にわたって略一定に保たれている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項６】
第一の束状構造体と第二の束状構造体との間の角度が９０°である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項７】
各束状構造体の高さが節において減少し、水平方向における寸法は反比例に増加する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項８】
隣接する束状構造体間の角変位増分（incremental angular displacement）は１°未満である、繊維強化ポリマー構造体。
【請求項９】
第一の束状構造体と第二の束状構造体とが重なる領域は、平面視で長方形または正方形であり、各束状構造体からの繊維が、隣接する束状構造体の繊維に対して垂直方向に間隔をあけて、平行に延びている、請求項１〜８のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１０】
前記繊維は平行に配置され且つしわがない状態であり、各束状構造体のＦＶＦが略一定で、且つ前記束状構造体の隣接する繊維に対する繊維の方向の変化が１°未満である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１１】
ＦＶＦの変動幅が、±１０％、好ましくは±５％、更に好ましくは±２％である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１２】
節が、熱溶融性繊維の配列を更に含む、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１３】
熱溶融性繊維の配列が、第一の束状構造体と一体化し、且つウェブまたは縦糸または横糸または平行な溶融性繊維を含む、請求項１２に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１４】
溶融性繊維が、各束状構造体の粗糸と交互に配置される、請求項１２または１３に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１５】
溶融性繊維が、前記束状構造体の水平方向に延びている、請求項１４に記載の繊維強化構造体。
【請求項１６】
溶融性繊維が、溶融温度が６０℃〜１６０℃の範囲にある溶融性材料からなる、請求項１２〜１５のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１７】
溶融性繊維が、ポリエステル、コポリエステル、ポリアミドもしくはコポリアミドポリマーまたはそれらの混合物からなる請求項１２〜１６のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１８】
繊維が、Ｓ−ガラス、Ｅ−ガラス、アラミド、炭素、繊維、およびそれらの混合物からなる、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の繊維強化ポリマー構造体を含むエンジニアリング部品。
【請求項２０】
構造用部材、耐力パネル、根太、梁または支持体を含む、請求項１９に記載のエンジニアリング部品。
【請求項２１】
自動車シャーシ部材、自動車構造用部品、航空宇宙産業用部品または土木工学用部品を含む、請求項１９または２０に記載のエンジニアリング部品。
【請求項２２】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の繊維強化構造体を含むエンジニアリング部品用の繊維プリフォームであって、前記複数の束状構造体が接合されている、繊維プリフォーム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複合材が、マトリックスポリマー系内に組み込まれた構造用繊維（structural fibres）から構成されている複合材構造体に関する。本発明は、構造体の製造方法および製造装置にも関する。本発明を使用することにより、節を形成することにより複数のウェブが交差した一方向繊維を用いるウェブ型の構造体の製造が可能になる。また本発明は、ウェブ構造体を様々な異なる製品に統合する方法および上記方法の使用により得られる製品にも関する。
【背景技術】
【０００２】
ウェブ型の構造体は、例えば、鋼、鋳鉄、多くの合金およびプラスチック等製の構造体において、構造的剛性を与えるために従来使用されてきた。ウェブ型の構造体を組み込んだ典型的な部品（components）には、ギアボックス、マンホールカバー、キャビネットドアおよび開口メッシュ格子が含まれる。成形、固体材料の機械加工および鋳造等の加工によりウェブ構造体を効率的に製造できるが、鋼や他の材料を断面を一定にして長さ方向に供給する場合、ウェブをつなげる方法を要する。これにより、更なる複雑さ、作業およびコストが必要となる。
【０００３】
ガラス繊維または炭素繊維等の構造用繊維からなる複合材は、引抜成形プロセスにより効率的に製造することができる。作製される部分は、典型的には、断面形状が一定である。しかし、それらを、それらの構造的性質を効果的に使用する完成品に仕上げることは困難である。梯子は、引抜成形されたガラス繊維複合材部分から作られる典型的な製品であるが、梯子の完成のためには、ドリルでの穴開け、接合および機械的固定方法という更なる作業を要する。
【０００４】
複合材製品内に典型的に見られる繊維の構成は、以下の３つの主な分類に分けることができる：
１．チョップドまたはチョップドストランドマット構成のランダム繊維。
２．織られた粗糸（roving）または織り目が接合した織物。
３．すべての繊維が同一方向に配置された一方向繊維。
【０００５】
繊維の構成および量は、製品の引張強度に大きく影響する。実際には、各繊維がマトリックス樹脂で被覆され且つ繊維を一緒に束にしなくてはいけないため、繊維体積分率は限定される。束の密度は繊維構成に影響され、ランダム繊維の束の密度が最も小さくなる。
【０００６】
航空産業に典型的に見られる高強度の複合材の製造プロセスには、側面（profiles）が所定の形状に切り出された、織られた積層板を導入することが含まれる。その後、積層板を型表面に直接貼るか、またはプリフォームに組み立てられ更に型に入れられる。積層板はマトリックス樹脂を予備注入された後に熱硬化されるか、または繊維のみを含みマトリックス樹脂が注入され得る。積層板は、典型的に、２または３方向に繊維を含み、所定の繊維配向となるように配置される。このタイプの積層板は、両方向積層板と呼ばれ、高い引張強度値を有し得る。典型例として、ガラス繊維の積層板では３００Ｍｐａ、炭素繊維の積層板では４４０Ｍｐａである。
【０００７】
特許文献１は、３００〜３８０ＭＰａの範囲の引張強度を達成する構造体を開示している。
【０００８】
一方向繊維製の複合構造体は、両方向繊維に比べ引張強度の値がかなり高く、典型例として、ガラス繊維で８００Ｍｐａ、炭素繊維で１０００Ｍｐａである。一方向繊維製の従来の製品は、ゴルフクラブのシャフト、釣り竿および低温ユニットを支持するはしご段等に限定されていた。構造体の要素が交差することが求められる、より複雑な構造体を製造する技術は、これまでなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】ＥＰ１９１７４０１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記技術により容易にすることができるタイプの構造体を製造するには、複雑な繊維構造の繊維プリフォームを作製することを要する。本発明の目的は、取り扱うことができ、型に入れることができ、またはより複雑なプリフォームの一部になることができる繊維のプリフォームに、一方向繊維を自動で組立てるための方法を提供することにある。
【００１１】
本発明の第一の態様は、
実質的に一方向繊維の複数の第一および第二の束状構造体を含み、
第一の束状構造体は、第二の束状構造体と角度をもって重なり節を形成し、
各束状構造体の繊維体積分率（ＦＶＦ）は、前記節を通過する際に略一定に保たれている、強化繊維ポリマー構造体、
に関する。
【００１２】
構造体は、それ自体で使用可能であるが、通常は、樹脂注入品または部品の製造用のプリフォームとなる。
【００１３】
本発明は、２つのウェブが交差する接合部（junction）を含む繊維強化ポリマー構造体を提供する。各ウェブの引張強度特性は維持され得る。
【００１４】
繊維体積分率（ＦＶＦ）は、繊維の体積として、全複合材体積の割合として、または断面積の比率として、定義することができる。ＦＶＦは、化学的マトリックスの蒸解（digestion）、顕微鏡撮影または計算により決定される。 
【００１５】
本発明にかかる複合材は、ＦＶＦが約４０％〜約６０％、好ましくは約５０％〜約６０％であることができる。
【００１６】
本発明の複数の態様において、第一および第二の束状構造体のＦＶＦ値は、略同じである。この場合、節のＦＶＦは、各束状構造体のＦＶＦと略同じであることができる。これにより、不要な層間せん断問題が回避される。
【００１７】
または、第一束状構造体のＦＶＦは、第二の束状構造体のＦＶＦと異なってもよい。ここで、節の総ＦＶＦは、部品（components）の平均値または中間値であってもよい。
【００１８】
簡略化のために、複合構造体を、水平方向に延在し鉛直方向に重ねられた束状構造体として記載する。ただし、例えば、構造体が、ローラーまたは他の円柱状表面上で組み立てられた場合には、重なり合う束状構造体は、鉛直方向に延在することもあり、または曲線 方向に延在することもある。束状構造体は、円錐または球状の表面上で組み立てられてもよい。
【００１９】
各束状構造体のＦＶＦが略一定に保たれる一方で、ＦＶＦが、節にわたって鉛直方向で変化してもよい。好ましくは、総ＦＶＦは、節内のすべての束状構造体にわたって略一定に保たれる。
【００２０】
実質的に一定または略一定という用語を使用することは、ＦＶＦが、許容誤差または変動幅が±１０％、好ましくは ±５％、より好ましくは±２％であることを意図するものである。
【００２１】
第一の束状構造体と第二束状構造体との間の角度は、 好ましくは、９０°である。または、３０°、４０°、６０°もしくは他の適切な角度を使用することができる。
【００２２】
隣接する束状構造体間の角度は、好ましくは、節の上部から下部までの鉛直方向で一定である。ただし、第二の束状構造体は、第一の束状構造体の方向に対して、例えば、３０°および６０°の２つ以上の異なる角度で重なり合うことができる。
【００２３】
ＦＶＦを一定に維持するために、各束状構造体の高さが節において減少してもよく、ここで水平方向の寸法または幅が、高さの変化と反比例に増加してもよい。２つの類似する束状構造体が９０°で重なり合う第一の態様において、ＦＶＦを一定に維持するために、幅が１００％増加する一方、各束状構造体の高さは節において５０％減少する。好ましくは、断面積は各束状構造体において一定に維持される。
【００２４】
各束状構造体の繊維は、繊維が節に近づくにつれて、斜めに伸びてもよく、水平方向に移動してもよい。繊維の各束状構造体は、メジアン（median）、縦軸を有してもよく、軸からの距離に比例して各繊維が移動してもよい。繊維、特にガラス繊維は、捩れや歪みなく、最大で３０°、典型的には２０°の角度で移動させることができる。
【００２５】
隣接する繊維間の角変位増分（incremental angular displacement）を小さくすることで層間せん断力を最小化することができる。好ましくは、角変位は５°未満で、典型的には１°以下である。角変位増分が小さいと、層間せん断力が減少し、ゼロに近い値に達する。
【００２６】
ウェブが通過する接合部で所望の繊維構造を実現するためには、繊維の互いに対する角度を変化させることが必要である。これらの角度は、個々の繊維間の変化を小さくすることで、強度特性を損なうことなく変化させることができる。例えば、繊維層が幅５ｍｍで且つ繊維構造の要件として片側の外層の繊維が反対側の繊維から２０°ずれるならば、角度変化を評価できる。繊維径を１７ミクロンとすると、繊維層の幅方向での繊維本数は２９４本となる。隣接する繊維に対する各繊維の角度変化は、２０／２９４に等しい。各繊維間では０．０６８度の角度変化が生じ、これは微小な角度変化とみなせる値である。
【００２７】
特に好ましい態様では、以下の要件が満たされる；
１．繊維は互いに平行に配置される；
２．繊維にはしわがない；
３．各束状構造体の繊維体積分率は、略一定である；且つ
４．束状構造体の隣接する繊維に対する繊維の方向の変化が、１°未満でなけれなならない。
【００２８】
特に好ましい態様では、節が、第一の束状構造体の繊維のすべてが第二の束状構造体の繊維すべてを通過する領域として特徴づけられ、各束状構造体の繊維すべてが平行で、しわがなく、且つ繊維体積分率（ＦＶＦ）が一定で、束状構造体において隣接する繊維に対する各繊維の 方向に変化がない。
【００２９】
束状構造体の隣接する繊維に対する繊維の方向の変化が、０．５°未満、特に０．０１°未満であれば、特に有利である。
【００３０】
第一の束状構造体の繊維の軸からの距離は、第二の束状構造体の繊維に（節として規定される）領域が重なり合うまで、節に向かう方向に増加し得る。重なる領域または節は、隣接する束状構造体の繊維に対して垂直方向に間隔をあけて、平行に延びる各束状構造体の繊維を持つ垂直方向の束状構造体を平面視して、長方形または正方形であり得る。束状構造体が同一の大きさである場合、重なる領域は、正方形となる。
【００３１】
非垂直配置のための水平方向の繊維または直線的配置のための垂直方向の繊維の存在は、束状構造体内の繊維が張力を受けたときに近づく傾向を減らす復元力を与えることにより、節を強くする。層間歪みが緩和され、節内のＦＶＦが 一定に保たれる。
【００３２】
アラミド、炭素繊維、Ｓ−ガラスおよびＥ−ガラス等の様々なタイプの繊維を使用することができる。マトリックスポリマー樹脂は、熱硬化性ポリマー、もしくは熱可塑性ポリマーまたは分解温度以下の高温でポリマーを成形することを可能にするに足る溶融流を有する混合物であることができる。熱硬化性ポリマーは、ポリエステル、アクリル、ポリウレタンおよびハイブリッド樹脂の組み合わせから選択することがえきる。例えば、登録商標ＶＩＣＴＲＥＸで販売されている、ポリエーテル、ポリエーテルケトンおよびポリエーテルエーテルケトン等を使用することができる。本発明の更なる利点は、ウェブを２つ以上のタイプの繊維から形成することができ、特定の特性および経済基準を実現できることにある。
【００３３】
繊維は、繊維の単層を含むテープとして、または少数、例えば１〜５本または１〜１０本の繊維の厚みを有するテープとして供給することができる。これらのテープを交互に配置することで、例えば、繊維の各列が異なる方向に延在する繊維の隣接する列である、密に結合した（closely integrated）節の構造をもたらすことができる。
【００３４】
ＤＹＮＥＥＭＡ（デュポン社登録商標）等の共押出成形繊維を使用することができる。そのような繊維は、成形ツール内で熱硬化することができる。
【００３５】
特に好ましい態様では、節は、第一の束状構造体と第二の束状構造体との間に位置する熱溶融性繊維の配列を更に含む。溶融性繊維は、マイクロ接合等により、束状構造体を接合するために配置することができる。
【００３６】
溶融性繊維は、第一の束状構造体と第二の束状構造体との間に、配列として、例えば、節の組立中に、骨格、ウェブ、縦糸または横糸として、配置することができる。
【００３７】
または、束状構造体は、例えば、束状構造体の外面上に位置し、構造体の組立中に隣接する束状構造体に接するよう配置される、ある割合の溶融性繊維を含むことができる。
【００３８】
溶融性繊維は、溶融温度が６０℃〜１６０℃の範囲にある溶融性材料からなることができる。ポリエステル、コポリエステルまたはポリアラミド等の様々なポリマーまたは混合物を使用することができる。または、低融点のポリアラミド等の溶融性コーティングで被覆された高引張強さ（tenacity）のキャリア織り糸を含む、糸の組合せを使用することができる。適切な繊維は、登録商標ＧＲＩＬＯＮとしてＥＭＳ−Ｃｈｅｍｉｅ ＡＧにより製造されている。
【００３９】
機能的な装置が、１つ以上の束状構造体に含まれ得る。例えば、センサーまたは識別装置が含まれることにより、構造体、例えばアクセスチャンバー用のカバーの安全性または位置をリモートチェックすることができる。
【００４０】
節の寸法構成は、ウェブが節で交差し節に近づくにつれウェブの幅の変化をもたらす際に、ウェブにおいて束状構造体の繊維体積分率を維持する必要があるため、非常に正確なことがある。ウェブの厚さが異なるならば、節の形状をそれにしたがって変えることができる。ウェブが９０°未満の角度で互いに近づく場合、節の形状を変更することにより、繊維体積分率を一定値に維持することができる。
【００４１】
本発明の好ましい態様において、ウェブの繊維体積分率は、ウェブが節を通過する際に維持される。ただし、いくつかのウェブが同一の構造的要件を有さず、それらが通過するウェブと比較して、異なる繊維体積分率を使用し得ることが、個々の設計的要件により規定されることもある。そのような場合、節の設計を適用することができる。 
【００４２】
本発明の更なる態様では、一方向に大きなウェブおよび別の方向に小さなウェブを含むことが有利なこともあり、小さなウェブが大きなウェブを通過する場所が節のみであることが要求される。
【００４３】
両方のウェブの繊維が通過する節を使用することは、繊維体積分率が変化しないため、ウェブの構造的性質を維持することに役立つ。両方のウェブからの繊維が交差する節内で、繊維が接合部に近づくにつれて、繊維の直線性が逸脱する場合がある。ウェブの引張試験により、ウェブの強度に低下は見られず、節の強度が各ウェブからの繊維の相互作用から利益を受けることが示された。
【００４４】
本発明の第二の態様によれば、エンジニアリング部品は、本発明の第一の態様にかかる繊維強化ポリマー構造体を含む。
【００４５】
本発明の第三の態様によれば、エンジニアリング部品用の繊維のプリフォームは、本発明の第一の態様にかかる繊維強化構造体を含み、複数の束状構造体が、例えばマイクロ接合により、接合されている。
【００４６】
エンジニアリング部品は、構造用部材または耐力パネル（load bearing panel）、根太（joist）、梁（beam）もしくは支持体を含むことができる。耐力ワーク（work）表面またはカバーは、適切な表面層を有する構造体を含むことができる。
【００４７】
本発明にかかるエンジニアリング部品は、自動車シャーシ部材および構造用部品、航空宇宙産業用部品および土木工学用部品の製造用途に使用される。海洋または他の耐水性部品が提供され得る。
【００４８】
エンジニアリング部品は、第一および第二の束状構造体の配列を含むことができ、各々を間隔をあけて平行に配置することで、例えば、格子を形成することができる。
【００４９】
上記部品は、隣接する束状構造体間に開口を有する格子を含むことができる。そのような格子は、アクセスチャンバーのカバーに使用することができる。
【００５０】
本発明の第四の態様によれば、本発明の第一または第二の態様にかかる構造体は、以下の方法により製造することができる。
繊維強化ポリマー構造体の形成方法であって、
配列され且つ第一の繊維体積分率（ＦＶＦ）を有する繊維の第一の束状構造体を供給する工程；
前記束状構造体に節領域を形成する工程、ここで第一の束状構造体の水平方向の寸法を増加させ且つ該束状構造体の第二の垂直方向の寸法を減少させることにより第一のＦＶＦは略一定値に維持され；
配列され且つ第二のＦＶＦを有する、第一の束状構造体に対して角度をもって延在している繊維の第二の束状構造体を供給する工程；
第二の束状構造体に節領域を形成する工程、ここで第二の束状構造体の水平方向の寸法を増加させ且つ第二の束状構造体の垂直方向の寸法を減少させることにより第二のＦＶＦは略一定値に維持され；第二の束状構造体の節領域が第一の束状構造体の節領域上に重なり合って組立品が形成され；
前記組立品にポリマー樹脂を注入する工程；および
前記樹脂を硬化させて前記構造体を形成する工程、
を含む、繊維強化ポリマー構造体の形成方法。
【００５１】
好ましくは、第一および第二の束状構造体を重ね合わせる工程を繰り返して、多層の節を形成する。
【００５２】
各束状構造体の水平方向の寸法を、好ましくは、前記束状構造体の節間体（internodal body）の水平方向の寸法または幅から、水平方向の寸法または幅が増加する中間部分を設けることにより、水平方向の節の寸法または幅まで増加させ；
垂直方向の寸法または高さは、垂直方向の寸法または高さが徐々に減少する（decreasing transitional perpendicular dimension or height）中間部分を設けることで、節間の束状構造体の垂直方向の寸法または高さから、垂直方向の節の寸法または高さまで減少する。
【００５３】
特に好ましい態様では、上記方法は、
繊維体積分率（ＦＶＦ）が一定の各束状構造体の繊維を平行に、かつしわがない状態に配置する工程、
を含み、
前記束状構造体の隣接する繊維に対する繊維の方向の変化が１°未満である。
【００５４】
有利な方法は、第一の節領域の形成中、熱溶融性繊維の配列を供給する工程を含む。
【００５５】
溶融性繊維は、溶融性繊維上に第二の束状構造体を配置する前に、第一の束状構造体上に層状に（in a layer）配置することができる。これにより、溶融性繊維は隣接する束状構造体の間に挟まれる。
【００５６】
または、溶融性繊維を、好ましくは、各束状構造体の粗糸（rovings）と交互に配置することができ、好ましくは、溶融性繊維は、束状構造体の水平方向に延びることができる。例えば、溶融性繊維を横糸の繊維として配置することができる。織って配置することにより、節領域で複数の束状構造体を接合させるという利点が生まれる。
【００５７】
または、個々の溶融性繊維または溶融性繊維の束状構造体を、束状構造体と平行に配置することができ、または隣接する束状構造体間での用途のために、骨格もしくは薄いシートに形成することができる。
【００５８】
溶融性繊維は、マイクロ接合（microbonding）により束状構造体を一緒に固定してプリフォームを形成するために使用することができる。
【００５９】
溶融性繊維の配列は、平行または一方向繊維のウェブとして、または縦糸もしくは横糸として、第一の束状構造体上に配置することができる。または、溶融性繊維は、完成した構造体の構成を有する骨格として形成することができる。さらに別の態様では、溶融性シートが、第一の束状構造体と第二の束状構造体との間に配置される。
【００６０】
上記方法は、組立品を加熱および加圧することにより、接合した節プリフォームを形成する工程を更に含むことができる。
【００６１】
組立品は、加熱されたニップを、例えば加熱されたローラー間を、または加熱されたローラーと支持体表面との間を、通過し得る。または、加熱プレスを使用することができる。
【００６２】
好ましくは、溶融性繊維を急速に固化するために、冷却手段が設けられる。エア噴出口または他のガス冷却手段を使用することができる。または、構造体を冷却されたローラー間に通過させることができる。組立品が、節の配列、例えば、格子を含む態様では、冷却ガスを節の間の開口に通すことで溶融性繊維の急速な固化を促進することができる。
【００６３】
本発明の第五の態様によれば、本発明の第一、第二または第三の態様にかかる構造体は、以下の繊維強化ポリマー構造体製造装置を用いて製造することができる。
繊維強化ポリマー構造体製造装置であって、
第一の方向に繊維の第一の束状構造体を供給する第一のフィーダーと；
第二の方向に繊維の第二の束状構造体を供給する第二のフィーダーと；
を含み、
第一および第二の方向は、角度をもって配置され；
且つ第一および第二の束状構造体が、節領域において重なり合うように配置され；
前記装置は、第一および第二の金型（dies）を更に含み、各々は水平方向（lateral）および垂直方向の寸法が可変であり、第一および第二の束状構造体が、束状構造の水平方向の寸法および垂直方向の寸法を制御するために、節領域において、または節領域に隣接する位置で、各金型を通過するように配置され、
節領域を重ね合わせて未硬化組立品を形成し；且つ繊維強化構造体を形成するために、組立品を接合するために加熱および加圧する加熱手段が配置されている、繊維強化ポリマー構造体製造装置。
【００６４】
上記構造体は、エンジニアリング部品（engineering component）用のプリフォームを含むことができる。本発明の装置により、高度な構造ならびに寸法精度および堅さを有するプリフォームを製造することができる。
【００６５】
有利には、金型はチャネルを含むことができ、このチャネルは節領域におけるチャネルの水平方向の寸法および垂直方向の寸法を調整する手段を有することができる。
【００６６】
特に好ましい態様では、金型は、水平方向の寸法および垂直方向の寸法が可変な周辺（circumferential）チャネルを有する回転可能なカム、好ましくは湾曲した（curved）回転可能なカムを含む。チャネルの幅および深さが可変であることは、都合が良い。
【００６７】
好ましくは、回転可能なカムは円柱状である。または、カムは、断面が卵形、楕円形または放射線状であることができる。ただしカムの高さを調整する手段を要することがある。
【００６８】
ステッパモーターまたは他の可逆制御可能な駆動手段を、繊維供給の方向に対して順方向および逆方向の両方にカムを回転させるために配置することで、寸法が可変なチャネルを、節領域に達する際に束状構造体に近づける（a channel with variable dimensions is presented to the bundle as it reaches the node region）ことができる。
【００６９】
好ましい方法において、各金型が、束状構造体の移動方向に向かって、または該方向とは逆に回転されることにより、束状構造体が通過するチャネルの寸法を変えることができる。各節が形成され先行する束状構造体上に配置された後、金型は開始点に戻される。チャネルの鉛直方向の（vertical）寸法または深さは、束状構造体とその下にある束状構造体との接合が良好になるように選択することができる。
【００７０】
または、調整可能な穴を有する金型を使用することができる。
【００７１】
格子または格子構造体の製造装置は、角度をもって配置され且つ多層の節構造を連続的に形成するために配列または束状構造体を配置するフィーダーの２つ以上の配列を有することができる。
【００７２】
本発明は、節領域において第一および第二の繊維の各束状構造上に溶融性繊維の配列を置くために配置された溶融性繊維フィーダーを更に含むことができる。
【００７３】
例示の製造プロセスは、乾燥繊維の配列を交互の層に配置し、ウェブを作ることから始まる。 繊維は、節に入るにつれて、各節を通過するために必要な適切な形状に広げられる。配置後、形状は、繊維同士をマイクロ接合または縫合することで維持される。このようにして、繊維のプリフォームが形成される。プリフォームは、その後、型に入れられるか、またはより複雑なプリフォームに組み込んだ後に型に入れることもできる。型を密閉した後、触媒を添加した樹脂が注入される。硬化段階が完了すると、型は開放され部品が取り出される。この段階では、部品からバリ（flash）を取り除くだけでよいが、必要があれば付属品（ancillary components）を加える。
【００７４】
本発明は、節を形成することにより複合材のウェブ同士を交差させることができる工法を提供する。ここで、ウェブを形成し且つ典型的には一方向繊維を含む構造用繊維の束状構造体の断面形状を変えることにより、両ウェブにおいて、各ウェブが節を通過する際のそれらの断面積およびそれ故それらの繊維体積分率を一定に維持することができる。こうして、繊維体積分率を、所望の値に維持することができる。
【００７５】
更に、本発明を添付図面を参照して記載するが、例示であって、本発明を何ら限定するものではなく。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】重なり合う繊維の束状構造体の先行技術の配列の斜視図である。
【図２】ガラス繊維の３つの別々な配置について、引張強度対重量基準のガラス含有率および繊維体積分率を示すグラフである。
【図３】本発明の構造用繊維配列の第一の態様の斜視図である。
【図４】本発明の構造用繊維の第二の態様の斜視図である。
【図５】図４に示す第二の態様の端面図である。
【図６】コーナー部が取り除かれた、図４の斜視図である。
【図７】厚さが同一な２つのウェブの典型的な節の平面図である。
【図８】厚さが異なる２つのウェブの典型的な節の平面図である。
【図９】炭素繊維およびガラス繊維のウェブの等角端面図である。
【図１０】異なるサイズのウェブの構造体の等角図である。
【図１１】典型的な構造用梁の等角図である。
【図１２】箱形梁構造体に統合されたウェブの構造体の等角図である。
【図１３】節の平面図である。
【図１４】節および１１０°の角度で配置された束状構造体の平面図である。
【図１５】繊維の束状構造体の等角図である。
【図１６】耐力パネルの等角図である。
【図１７】本発明にかかる装置の平面図である。
【図１８】本発明にかかるフィーダーの端面図である。
【図１９】図１８に示すフィーダーの側面図である。
【図２０】フィーダー装置の模式図である。
【図２１】溶融性繊維の骨格を示す。
【図２２】プリフォームの断面図である。
【図２３】装置の側面図である。
【図２４】ホットシューおよびコールドシューの組立品を示す。
【図２５】組立品の側面図である。
【図２６】コールドシューの断面図である。
【００７７】
図１は、繊維の束状構造体（１、２）が、一方の束状構造体がウェブ（３）の接点で他方の束状構造体の上に位置するように交互に配置される従来の配置を示す。束状構造体の間には、樹脂リッチ空間（resin rich space）（４）が存在する。
【００７８】
図２は、ポリエステルマトリックス樹脂内のガラス繊維強化用の引張強度の値を示すグラフである。ハイブリッド樹脂系では、かなり高い引張強度の値が得られる。炭素等の他の強化繊維は、強度の値が更に高いだけではなく、弾性率（modulus）の値も更に高い。使用され得るガラス繊維の原材料費は、典型的には、１キログラムあたり１．１０英ポンドで、繊維体積分率が５０％の構造体は、密度が１．８ｋｇ／リットルである。グラフの縦軸はＭＮ／ｍ２表示の引張強度を示し、横軸はガラス含有率（重量％）および繊維体積分率（ＦＶＦ）（％）の２つを示す。プロット１は、チョップドストランドマット等のランダムガラス繊維の、引張強度とガラス含有率との関係を示す。プロット３は、織られた粗糸のガラス繊維の引張強度とガラス含有率との関係を示し、プロット２は本発明によって製造された一方向ガラス繊維について引張強度とガラス含有率との関係を示す。
【００７９】
図３〜６は、 本発明の複合材構造体の２つの態様を示す。本発明の各態様において、複合構造体は、複数の繊維層を含む。第一の形態において、複合構造体は２つの繊維層（５、６）を含み；第一の繊維層（５）は０°方向に延在し、第二の繊維層（６）は第一の繊維層（５）に対して垂直な方向に延在している。表示を簡略化するため、繊維層を直線による構成（rectilinear format）で示している。もちろん、繊維層が円柱状を含むいかなる形状であってもよいことが理解される。第二の態様は、４つの繊維層（７、８、９、１０）を有する複合構造体（６）であり、第一の繊維層（７）および第三の繊維層（９）が０°方向に延在し、第二繊維層（８）および第四の繊維層（１０）が第一および第三の層に対して垂直な方向に延在している。 
【００８０】
各態様において、０°方向に延在する複合構造体の繊維層は、節点（１１）において９０°で延在する繊維層と重なり合う。各態様において、繊維層（７、８、９、１０）の形状が節点（１１）で変更されることにより、繊維体積分率を変えることなく、各層を互いに重なり合わせることができる。図６において、繊維層の形状は、第二および第四の繊維層（８、１０）に関して記述されているが、これはすべての繊維層に当てはまる。第二および第四の繊維層（８、１０）はそれぞれ、複合構造体において、特定の高さ１２、幅１３を有する。繊維層（８、１２）が節点（１１）に向かって延びるにつれて、繊維層（８、１２）は徐々に平らになり、互いに対して、繊維層の高さ（１２）は減少され、幅（１３）は増加され、節点（１１）において、繊維層の形状が異なるけれども、繊維層により占められるスペースの体積は同一のままである。この特別な態様において、繊維層（８）の有効高さ（１２）が半分となり、有効幅（１３）は２倍になった。このように、繊維により占められる断面積は、複合構造体の繊維体積分率と同様に、一定に保たれる。繊維層が節点（１１）で重なり合う場合、それらは、各繊維層（７、８、９、１０）の繊維体積分率の合計と等しい。繊維層（７、８、９、１０）は、 節（１１）を越えて延びるにつれて、徐々に元の形状に戻る。 
【００８１】
繊維層（７、８、９、１０）が節（１１）に近づくにつれて形状が徐々に変化すると、小さな樹脂リッチ領域（１４）が構造体内にもたらされる。これらの樹脂リッチ領域の大きさを最小に保つために、各繊維層（７、８、９、１０）の厚さ（１２）は典型的に０．５ｍｍと小さく保たれ、したがって節（１１）で、樹脂リッチ領域（１４）の高さは０．２５ｍｍとなり得る。各層の繊維体積分率は、節に近づき形状が変化しても、一定に保たれることが判明した。 
【００８２】
図７は、２つのウェブ（１５、１６）が直角に交差する典型的な節を示す。図８に示す更なる典型的な節は、直角に交差する異なる厚さの２つのウェブ（１７、１８）を有する。
【００８３】
図９は、炭素繊維の層（２３）およびガラス繊維の層（２４）の両方の層が使用されているウェブ（２２）の等角端面図（isometric end view）である。炭素繊維（２３）がガラス繊維（２４）よりも最大２５倍コストがかかるため、この構成により、有用な組み合わせがもたらされる。ウェブ（２４）の両端に炭素繊維（２３）を配置することで、炭素繊維によりもたらされる性能の増加が最適化される。そのような繊維の配合は、本発明を用いることにより、非常に効果的にもたらされ得る。
【００８４】
図１０に示された構造体は、異なるサイズのウェブ（２５、２６）を有する。この構成は、たわみ運動が一方向に大きい長方形構造体に典型的である。ウェブ（２５）の場合、ウェブ（２６）の上部（２８）を通過する部分（２７）は、直線で、したがって最も必要とされる最大の構造的性能をもたらす、一方向繊維からすべて構成されることができるという、追加の利点を有する。
【００８５】
図１１において、構造体は、直角の節（３１）によって接合された２つの細長い平行な部材（２９、３０）を含む。この構造体は、構造用梁として、例えば、リブや水平材のような航空機内の構造体の一部または建物内の床または屋根の一部として、典型的に使用される。
【００８６】
図１２に示された構造体は、ＷＯ２００７／０２０６１８に開示された技術により製造される箱形梁（３２）に統合される、本発明により製造されるウェブ（３３）を示す。ＷＯ２００７／０２０６１８は、すべての目的のために、本明細書に開示として援用される。これは、ＷＯ２００７／０２０６１８に開示の技術がどのように本発明を補完するために使用され得るか示している。このタイプの複合構造体は、自動車のシャーシ要素用に、およびカバーの外縁が水シールを収容するために必要なマンホールカバーにおいて、使用され得る。
【００８７】
図１３ は、直角を成す（perpendicular）節の平面を示す。束状構造体は、節（３５）に近づく粗糸（３４）の平行な繊維の単一の層を含む。節点（３５）に近づくにつれて、束状構造体の水平方向の寸法は、節間の束状構造体（３４）の水平方向の寸法から、水平方向の寸法が増加する中間部分（３６）を経て、節領域（３７）に示すように水平方向の節の寸法まで増加する。繊維は、節領域（３７）を横切って第二の中間領域（３８）まで平行に延び、領域（３９）で節間の水平方向の寸法に戻る。束状構造体（３４）の繊維に加えて、ある割合の溶融性繊維（４０）が、束状構造体（３４）の表面上に配置されている。
【００８８】
第二の束状構造体（４１）は、第一の束状構造体（３４）に重なり合う。第二の束状構造体（４１）は、中間領域（４２、４３）および節領域（３５）を有する。節領域において、第二の繊維の束状構造体は、第一の繊維の束状構造体に垂直に、平行に延び、正方形の重なり合う節を形成する。溶融性繊維（４０）は、溶融可能に接合され（fusibly engaged）、例えば、（４５、４６）において、節領域における第二の束状構造体の溶融性繊維（４４）と固定される。プリフォームが、完成したエンジニアリング部品または他の製品に成形されるとき、繊維層はさらに固定され得る。したがって、ある束状構造体の繊維は、隣接する束状構造体の繊維を垂直方向で支持し、構造体が張力を受けているとき、繊維を互いに動かし得る力を緩和する。
【００８９】
記載した態様において、第一および第二の束状構造体は、同一の寸法を有し、節（３５）は平面視で正方形となる。平行な節間の繊維（３５）と中間領域（３８）における繊維との間の角度（４７）は、２０°〜３０°であり得る。好ましくは、この角度は、最小値に維持され、層間の（interlaminar）歪みを減少させる。ただし、隣接する繊維の節の接合（４５）により、比較的大きな角度（４７）の使用が可能となる。
【００９０】
図１４は、複数の束状構造体が平行ではなく、例えば１１０°の角度で配置された節の構成を示す。この場合、中間領域は、片側（１９）で長さが短く、反対側（２０）で長い。節（２１）は、平行四辺形または偏菱形の構成を有する。
【００９１】
図１５は、繊維層（５１）を含む束状構造体を示す。この層は、多くのダイレクトロービング（４８）からなる。ダイレクトロービングのＴｅｘおよびダイレクトロービング（４８）の合計数（resultant number）は、層（５１）の断面寸法（４９）および（５０）、ならびに、ウェブ１および２が節を通過する際に、寸法（４９、５０）の値を変えるために要する数により決定される。例えばウェブ１および２の繊維体積分率が５０％である場合、各ウェブが節を通過するにつれて、寸法（４９）は（０．５×４９）になり、寸法５０ は（２×５０”）になる。寸法は変化するが、繊維層（５１）の断面積およびそれ故繊維体積分率は一定に保たれ、 繊維は節を介して連続的に延びる。
【００９２】
本発明の装置は、所望の構成を実現するために、繊維の束状構造体または層の多くが、各節において水平方向の寸法および垂直方向の寸法を変化させて配置されることを可能にし得る。各繊維層を配置するとき、それは、完全な繊維のプリフォームを形成するために、先行して配置された層に対し形状を保持するためにマイクロ接合され得る（microbonded）。
【００９３】
図１６は、格子の一部を形成するために、第一の束状構造体（５５）を３つの第二の束構造体（５６，５７，５８）と交差させることで、３つの節（５２、５３、５４）が形成された構造体の等角図である。
【００９４】
図１７は、本発明にかかる装置の模式図である。プラテン（platen）（６０） は、Ｘ、ＹおよびＺ方向で直線的な運動をし、必要があればＺ軸では回転するために支持体上に取り付けられる。トレイ（６１）は、プラテン（６０）上に設置される。プリフォーム（６２）は、トレイ（６１）上に配置される。プリフォーム（６２）は、必要があれば、トレイ（６１）から取り外して成形プロセスの完了前に保管することができる。
【００９５】
繊維の束状構造体を配置するヘッド（６３、６４）の２つの配列は、ＸおよびＹ方向においてプラテンの縁に沿って(along edges)配置される。繊維の束状構造体は、ヘッドからテープ状に供給され得る。束状構造体を配置するプロセスは、Ｘ方向ヘッド（６４）の列の下に、プラテン（６０）の位置を合わせて引き上げることで行われる。プラテン（６０）がＹ方向で適切な距離動かされ、一連の平行な束状構造体（６６）をトレイ（６１）上に配置して、プリフォームのＹ軸ウェブが製造される。束状構造体は、その後切断装置（図示せず）により切断される。プラテン（６０）は、その後Ｚ方向に下降され、トレイはＹヘッド下に位置合わせされる。繊維の束状構造を配置するプロセスがその後に同様に行われることにより、プリフォーム（６５）のＸ軸ウェブが製造される。上記プロセスは、必要な回数繰り返すことができ、これにより適切な厚さおよび構成のプリフォームの層が形成される。
【００９６】
別の態様では、テープヘッドの配列を１つ用いて、交互に行われる束状構造体配置段階の間に、プラテンを９０°回転させる。
【００９７】
図１８および図１９に、束状構造またはテープを配置するヘッドが示されている。ガイドホイール（６７）が横軸（６８）上に設置され、いずれかの（“Ａ”）方向に回転され得る。ガイドホイール（６７）の外周面には、主チャネル（６９）が備えられている。チャネル（６９）の幅および深さは、ホイールの外周周りで変えることができる。チャネルの軸方向に延びる内表面は、一連の小さい溝または突起（７０）を有する。溝または突起の軸方向の空間は、チャネル（６９）の幅に比例して変化する。溝または突起は、水平方向の寸法が、ホイールの回転の後に、節の中間部分で変化する際に、構造用繊維の案内を助ける機能を果たす。
【００９８】
図２０に、繊維をガイドホイール（６７）に供給する方法が示されている。構造用繊維（７１、７２）は、フィーダーのクリール（creels）（７３、７４）から供給され、ガイドプレート（７５）によりガイドホイール（６７）のチャネル（６９）に送られる。溶融性繊維（７６）の骨格が、フィーダークリール（７７）から供給される。
【００９９】
ダイレクトロービングまたは繊維は、クリールの製造中に生じたしわを取り除くためにコンディショニングを要することがある。これは、ローラーに粗糸を通すことにより行うことができる。
【０１００】
プリフォーム組立品 （７８）は、ガイドホイール（６７）から下流に（図２０に示すように左側に）通過する。 
【０１０１】
溶融性繊維の骨格（１７）の構造が、図２１に示されている。平行に縦方向に延びる部分（７９）が相隔たる水平方向の部材（８０）により結合されることにより、図２２に示されているように、交互に配置された束状構造体（７１、７２）の間に配置された無端のはしご構成が形成される。構造用繊維（７１、７２）および溶融性繊維の骨格（７９、８０） は、水平方向の溶融性繊維（８０）が延びるにつれ束状繊維を横切るように配置され、これにより、図２２に示されているように、上記骨格は、束状構造体の両側に配置される。
【０１０２】
上記骨格が熱処理されると、束状構造体（７８）の構造用繊維が正しい位置に固定される。組立品の束状構造体の連続した複数の層が共に接合されることにより、半剛体のプリフォームが形成される。
【０１０３】
ガイドホイール（６７）の回転は、プラテン（６０）およびトレイ（６１）の直線的な運動と同期する。これにより、正確に制御された所定の方法で繊維構造を構成することが可能になり、マイクロ接合されたプリフォームを形成することができる。
【０１０４】
図２３は、束状構造体を配置するヘッドを更に詳細に示し、且つ繊維（７１、７２）のテープを配置し１つ以上の節を有する束状構造体（７８）を形成する方法を示す。構造用繊維（７１、７２）は、 トレイ（６１）の表面または先行して配置された束状構造の上面（図示せず）に到達する点で、ガイドホイール（６７）のチャネル（６９）に押しつけられる（restrained）。束状構造（７８）は、その後、加熱されたシュー（shoe）（８１）の下を通過する。上記シューは、トレイ（６１）に向かって下方に面し且つ束状構造体（７８）の上面と接合するように配置された表面を有する。上記シュー（８１）は、束状構造体（７８）を適切な位置に固定するため軽い圧力をかけて、骨格（７９、８０）の溶融性繊維を活性化するために加熱する。繊維および骨格がガイドホイール（６７）内のチャネル（６９）内に設置されるとき、束状構造体の水平方向の寸法および垂直方向の寸法は固定され、且つガイドホイール（６７）の特定のラジアル方向でチャネルの寸法に対応する。
【０１０５】
束状構造体（７８）の構造用繊維がプラテンの直線的な運動（図２３の矢印Ｃの向き）により継続して配置されるとき、溶融性繊維を含む加熱された束状構造体は、コールドシュー（８２）の下を通過する。コールドシュー（８２）は、束状構造体を冷却し、骨格（７９、８０）の溶融性繊維を固化する。ホットシュー（８１）は、絶縁材料（８３）の層によりコールドシュー（８２）と隔てられている。
【０１０６】
図２４、図２５および図２６に、ホットシュー（８１）およびコールドシュー（８２）がより詳細に示されている。コールドシュー（８２）は、圧縮空気用の入口（８４）を有し、圧縮空気は、水平方向の穴（８５）を介して、下面に開口部を有する出口穴（８６）の配列に供給される。開口部は、繊維の束状構造体（７８）に接する。圧縮空気は、束状構造体（７８）の中を通り、ホットシュー（８１）による加熱を急速に取り除くことで溶融性繊維が固化し、これによりガイドホイール（６７）のチャネル（６９）により決定される寸法で束状構造体の繊維を固定した剛性の骨格が形成される。
【０１０７】
ホットシュー（８１）は、高温制御を維持するために、発熱素子（８７）を含む。または、もしくはこれに加えて、より急速且つ制御可能な熱反応力を供給するために、穴の配列を設けることで束状構造体（７８）を介して加熱された空気を循環させることができる。
【０１０８】
適切な長さの束状構造体（７８）は、配置されるときに長さ方向に切断される。その後、上記プロセスを必要に応じてＸおよびＹ軸で繰り返すことにより、共にマイクロ接合された複数の層の所望の束状構造を重ね合わせ、各方向に配置する。
【０１０９】
プラテン（６０）のＸ、ＹおよびＺ運動は、ステッピングモーター（図示せず）により行われる。この手段により、すべての３つの軸にプラテン（６０）を慎重に配置することが知られていて、これを、製造プロセス中、マイクロプロセッサー制御ユニットにより制御することができる。ガイドホイール（１２）の角度配向も、ステッピングモーターにより制御される。４つの運動を制御ユニットにより関連付けることで、各束状構造の断面寸法を、プリフォーム（７９、８０）内の任意の特定の位置において制御することが可能となる。
【０１１０】
マイクロプロセッサー用の特別なプログラムならびにガイドホイールの数および位置は、様々な複合構造体の製造を容易にするために変更することができる。
【０１１１】
本発明により製造される典型的な溝の格子（gully grating）は、４５０×４５０ ｍｍの明らかな開口部をもたらすことができ、欧州基準Ｅ１２４：１９９４で規定されるように、４００ｋＮの荷重を支えるために適している。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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