(57)【要約】  ポリマー樹脂を含浸させた連続一方向繊維を備える一方向（ＵＤ）テープから物品を形成する方法が開示されている。本方法は、冷ＵＤテープの連続した部分を巻回して複数の積み重ねられた層を備える閉ループ状予備成形品（３８）を形成しながら、加熱し圧力を加えることにより巻回予備成形品を別個に溶接し圧密化することを含む。
2015504790.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ポリマー樹脂を含浸させた連続一方向繊維を備える一方向（ＵＤ）テープから物品を形成する方法であって、
冷ＵＤテープの連続部分を巻回して、前記冷ＵＤテープの前記連続部分の複数の積み重ねられた層を含む閉ループ巻回ＵＤテープ予備成形品を形成するステップと、
巻回中、少なくとも２つの隣接する積み重ねられた層を、前記巻回の終端または終端近くで、かつ任意選択的に前記複数の積み重ねられた層の１つまたは複数の他のレベルで、少なくとも１つの別個の位置で合わせて直接固定するステップと、
前記巻回ＵＤテープ予備成形品を圧密化するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
合わせて直接固定する前記ステップが、超音波手段または誘導手段による溶接を含む、接着接合または溶接を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記巻回ＵＤテープ予備成形品を圧密化する前記ステップが、圧縮金型を加熱しかつそこに圧力を加えることにより、前記複数の積み重ねられたテープ層を圧密化する工程、または前記巻回ＵＤテープ予備成形品を加熱しオーバーモールドする工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記巻回ステップ中、ＵＤテープの隣接する積み重ねられた層のうちの少なくとも２つを、前記巻回の始端または始端近くで合わせて別個に固定するステップを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項５】
巻回中、前記巻回の始端と終端との間の前記巻回の中間部分において、ＵＤテープのさらなる複数の隣接する積み重ねられた層を別個に固定するステップを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
巻回中、ＵＤテープの前記隣接する積み重ねられた層のうちの大部分またはすべてを互いに別個に固定するステップを含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
巻回中、前記閉ループに沿った異なる位置でＵＤテープの隣接する積み重ねられた層を別個に固定するステップを含む、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
前記ＵＤテープが、前記テープを案内するチャネルを備える治具の周囲に巻回される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
前記テープが治具の周囲に巻回され、前記治具が、巻回後に、前記ＵＤテープ予備成形品を前記治具から取り除くことができるように構成された少なくとも２つの別々の部品を備える、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１０】
前記テープが治具の周囲に巻回され、前記治具が、前記治具に対して前記テープを押し下げる頂部能動位置決めピンを備える、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記テープが治具の周囲に巻回され、前記治具が、前記テープを前記テープの平面に対して本質的に平行な方向において横方向に押圧する側部能動位置決めピンを備える、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
前記テープが、テープの下にある部分に対してテープのいくつかの部分を横方向にずらすように巻回される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記テープが、ロール状に保管され、巻回プロセス中に前記ロールから送られ、前記テープが、ポリマー樹脂を含浸させた一方向繊維のシートから作製され、前記シートの厚みが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであり、前記シートは、前記繊維の方向に０．５ｃｍ〜５ｃｍのテープ幅に切断されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記巻回が、３層〜１００層の範囲で複数の積み重ねられた層を形成する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記圧密化するステップが、前記ＵＤテープ予備成形品を加熱ステーションにおいて圧密化を可能にする樹脂軟化温度まで加熱する工程と、その後、前記加熱されたＵＤテープ予備成形品を圧縮モールド金型まで搬送して圧力を加える工程とを含む、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１６】
前記圧縮モールド金型が、内部に前記ＵＤテープ予備成形品を受け入れる金型キャビティを備える下金型を備え、前記下金型が、層の積重ね方向に対して本質的に平行な方向に前記ＵＤテープ予備成形品を圧縮するように構成された横方向能動コアを備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記圧縮モールド金型が、内部に前記ＵＤテープ予備成形品を受け入れる金型キャビティを備える下金型と、能動コアを備える上金型とを備え、前記上金型が、前記層の前記積重ね方向に対して本質的に直交する方向に前記ＵＤテープ予備成形品を圧縮するように構成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
圧密化の後、前記圧密化ＵＤテープ予備成形品の少なくとも一部をオーバーモールドするステップをさらに含む、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法によって形成された、閉ループ状圧密化巻回ＵＤテープ予備成形品を具備する物品。
【請求項２０】
前記繊維が、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、金属繊維、セラミック繊維、天然繊維またはそれらの混合物からなる群から選択され、前記ポリマー樹脂が、ポリプロピレン、ポリアミド、；ポリブタジエンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートを含む熱可塑性ポリエステル、熱可塑性エラストマー、ポリフェニレンサルファイドおよびポリエーテルイミドからなる群から選択される、請求項２３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方向繊維強化テープから複合物品を形成する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一方向テープは、一般に、ポリマー樹脂を含浸させた連続一方向繊維（たとえば、ガラス繊維、カーボン繊維または他の既知の強化繊維）の薄いストリップまたはバンドであることが理解されている。テープは、通常、幅がおよそ１ｃｍ〜１５ｃｍの桁の広さ、場合によりそれより広く、厚さが１ｍｍ未満である場合があり、それによりテープをリールで提供することができる。
【０００３】
従来のプロセスでは、成形要素の周囲に一方向繊維強化テープを巻回することにより、ループ状繊維強化材を用いて複合物品を形成することが知られており、テープは、巻回される際に加熱されてポリマー樹脂を軟化させ、それにより、テープの層は互いに結合し成形要素の輪郭に従う。加熱および後続する冷却プロセスは時間がかかり、テープ巻回および形成機械を占有し、したがって製造プロセスのコストがかかることになる。
【０００４】
米国特許第５，３９４，７７３号明細書に記載されているように、シートから複数片のテープおよび２次元形状ブランクを切断し、それらを冷間状態で積み重ねることにより、シートまたは巻回テープで提供される繊維強化ポリマー樹脂を用いて物品を形成することも知られている。そして、積み重ねられたシートは、金型の中に配置され、その後、熱および圧力に晒されて積み重ねられたシートおよび層のポリマー樹脂を軟化させて合わせて結合する。後者のプロセスの欠点のうちの１つは、組み立てられた層を、特にその組立体を１つの製造ステーションから別の製造ステーションに搬送する時に、適切に保持し位置決めすることが困難であるということである。また、高い引張（牽引）力または曲げ力を支持するように意図される物品の場合、従来の冷間ＵＤテープ積層プロセスおよび成形プロセスは、上述した熱間成形プロセスと比較して、最適な引張抵抗特性を有する複雑な形状を形成するように十分に適合されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の目的は、大量生産に対して経済的でありかつ高い荷重に耐えることができる物品の製造を可能にする、一方向テープからまたは一方向テープを用いて物品を形成する方法を提供することである。
【０００６】
いくつかの用途では、高い荷重、特に物品に加えられる牽引力、曲げ力またはねじれ力に耐えるように高い引張強度を有する一方向テープから、またはそうした一方向テープを用いて物品を形成する方法を提供することが有利である。
【０００７】
強度対重量比が高い複合物品を形成する方法を提供することが有利である。
【０００８】
経済的であるが形状が複雑であるかまたは応力分布が複雑である物品の形成を可能にする一方向テープからまたはそうした一方向テープで物品を形成する方法を提供することが有利である。
【０００９】
正確であり、信頼性が高く、製造公差のばらつきが低く再現可能な一方向繊維強化テープを用いて物品を形成する方法を提供することが有利である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の目的は、請求項１による物品を形成する方法を提供することによって達成された。
【００１１】
本明細書には、ポリマー樹脂を含浸させた連続一方向繊維を備える一方向（ＵＤ）テープから物品を形成する方法であって、
冷ＵＤテープの連続部分を巻回して、前記冷ＵＤテープの前記連続部分の複数の積み重ねられた層を含む閉ループ状巻回ＵＤテープ予備成形品を形成するステップと、
巻回中、少なくとも２つの隣接する積み重ねられた層を、巻回の終端または終端近くで、かつ任意選択的に複数の積み重ねられた層の１つまたは複数の他のレベルにおいて、少なくとも１つの別個の（局所的な）位置で合わせて直接固定するステップと、
巻回ＵＤテープ予備成形品を圧密化するステップと、
を含む方法が開示されている。
【００１２】
好ましい実施形態では、少なくとも２つの隣接する層を合わせる前記固定は、少なくとも２つの隣接する層を合わせて溶接することからなる。変形形態では、固定は、隣接する層を合わせて接着結合するかまたは機械的にステープルで固定することを含むことができる。
【００１３】
ＵＤテープ予備成形品の圧密化を、複数の積み重ねられたテープ層を圧縮金型において圧密化するように加熱し圧力を加えることによって行うことができる。変形形態では、圧密化を、ＵＤテープ予備成形品を予熱して、その後、予熱されたＵＤテープ予備成形品を射出成形金型において直接オーバーモールドすることによって行うことができる。
【００１４】
巻回中、有利には、ＵＤテープの積み重ねられた層のうちの少なくとも２つを合わせて、巻回の始端でまたはその近くで、かつＵＤテープの積み重ねられた層のさらなる位置で別個に溶接することができる。有利な変形形態では、プロセスは、ＵＤテープの積み重ねられた層の大部分またはすべてを別個に溶接することを含む。別個の溶接は、閉ループに沿った異なる位置であり得る。別個の溶接は、有利には、超音波手段または誘導手段による溶接を含むことができる。
【００１５】
テープを、有利には、テープを案内するガイドを備える治具の周囲に巻回することができる。治具は、ＵＤテープ予備成形品を巻回後に治具から取り除くのを可能にするように構成された少なくとも２つの別個の部品を備えることができる。治具は、治具に対してテープを押し下げる頂部能動位置決めピン、および／またはテープの平面に対して本質的に平行な方向において横方向にテープを変位させる側部能動位置決めピンを備えることができる。変形形態では、テープを、テープの下にある部分に対してテープのいくつかの部分を横方向にずらすように巻回することができる。
【００１６】
有利な実施形態では、テープは、厚さが０．１ｍｍ〜０．５ｍｍであるポリマー樹脂が含浸し、０．５ｃｍ〜１５ｃｍ幅のテープの幅まで繊維の方向に切断された、一方向繊維のシートから作製され。テープを、ロールで保管し、巻回プロセス中にロールから送ることができる。有利な実施形態では、巻回は、複数の積み重ねられた層を３層〜１００層の範囲で形成することができる。
【００１７】
巻回後、圧密化は、有利には、ＵＤテープ予備成形品を加熱ステーションにおいて、圧密化を可能にする樹脂溶融温度まで加熱することと、その後、加熱されたＵＤテープ予備成形品を圧縮モールド金型まで搬送して圧力を加えることとを含むことができる。圧縮モールド金型は、内部にＵＤテープ予備成形品を受け入れる金型キャビティを備える下金型と、圧縮中に金型を閉じる上金型とを備えている。第１の実施形態では、下金型は、層の積重ね方向に対して本質的に平行な方向にＵＤテープ予備成形品を圧縮するように構成された横方向能動コアを備えている。別の実施形態では、圧縮モールド金型は、内部にＵＤテープ予備成形品を受け入れる金型キャビティを備える下金型と、能動コアを備える上金型とを備え、上金型は、層の積重ね方向に対して本質的に直交する方向にＵＤテープ予備成形品を圧縮するように構成されている。金型に関する「下」および「上」という用語の使用は、一方の型を他方の相補的な型に対して識別する以外にいかなる特定の空間的配置を表すようには意図されていない。重力の方向に関して、金型を、水平に、垂直に、それらの間のいかなる角度でも配置することができ、上述したような「下」金型および「上」金型の機能を反転させることができる。
【００１８】
本発明による複合物品を形成する方法は、圧密化の後に圧密化ＵＤテープ予備成形品の少なくとも一部をオーバーモールドすることをさらに含むことができる。
【００１９】
テープ巻回プロセスは、複合物品に組み込まれる挿入物の周囲に少なくとも部分的にＵＤテープを巻回することを含むことができる。
【００２０】
本明細書にはまた、本明細書に記載する方法によって形成される閉ループ状圧密化巻回ＵＤテープ予備成形品を備える複合物品も開示されている。
【００２１】
繊維として、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、金属繊維、セラミック繊維、天然繊維またはそれらの混合物を挙げることができ、より好ましくは、繊維材料は、ガラス繊維、カーボン繊維、アラミド繊維、天然繊維またはそれらの混合物から作製され、さらにより好ましくは、繊維材料は、ガラス繊維、カーボン繊維およびアラミド繊維またはそれらの混合物から作製される。２種以上の繊維材料を使用することができる。繊維材料を、任意選択的に牽切することができる。たとえば、ガラス繊維または天然繊維から作製された１つまたは複数の中心層とカーボン繊維またはガラス繊維から作製された１つまたは複数の表面層とを備えるＵＤテープ構造等、異なる繊維から作製された繊維材料の組合せを使用することができる。
【００２２】
ＵＤテープ材料を、熱可塑性材料および上述した繊維材料の混合物とすることができ、たとえば、繊維材料は、熱可塑性材料から作製された粉末を含浸させた混合（ｃｏｍｍｉｎｇｌｅｄ）糸もしくは同時織（ｃｏ−ｗｏｖｅｎ）糸または繊維材料、任意選択的に金型を使用して熱可塑性材料を繊維材料内に溶融含浸させることによって作製されたテープ、あるいはＵＤテープ形態にする後続する処理に適する熱可塑性材料になるように反応することができるモノマーまたは部分重合モノマー、または一方向材料として使用される繊維材料および熱可塑性材料のあらゆる混合物の形態であり得る。
【００２３】
好ましくは、繊維材料とポリマー材料、すなわち熱可塑性材料との間の比は、少なくとも１５％、より好ましくは４０％〜７０％であり、パーセンテージは、複合構造の総体積に基づく体積百分率である。
【００２４】
熱可塑性材料は、限定されないが、ポリプロピレン、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートを含む熱可塑性ポリエステル、熱可塑性エラストマーおよびポリフェニレンサルファイドを含む、１種または複数種の熱可塑性材料を含む。
【００２５】
好ましくは、熱可塑性材料は、１種または複数種のポリアミド類を含む。ポリアミド類は、１種あるいは複数種のジカルボン酸類および１種あるいは複数種のジアミン類および／または１種あるいは複数種のアミノカルボン酸類および／または１種あるいは複数種の環状ラクタム類の開環重合物の縮合物である。１種または複数種のポリアミド類は、全脂肪ポリアミド樹脂、半芳香族ポリアミド樹脂およびそれらの混合物から独立して選択される。
【００２６】
本発明のさらなる目的および有利な態様は、特許請求の範囲から、かつ以下の詳細な説明および添付の図から明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１ａ】本発明の実施形態による複合物品を形成する、冷一方向繊維強化テープ（以下、「ＵＤテープ」とも呼ぶ）を巻回するプロセスにおける、テープ巻回ロボットの一部の概略図である。
【図１ｂ】冷ＵＤテープが巻回されている図１ａのロボットの治具の概略図である。
【図１ｃ】図１ｂの治具の一部の詳細な概略図である。
【図２ａ】ＵＤテープ強化材を備える複雑な複合物品用の治具の例の概略図である。
【図２ｂ】図２ａの治具のガイドチャネルの一部の概略図である。
【図２ｃ】複雑な複合部品の形成を示す、図１ａに類似するテープ巻回ロボットの一部の概略図である。
【図３ａ】巻回の後であるが熱および圧力による圧密化の前の、本発明の例示的な実施形態による、挿入物を含む巻回ＵＤテープ予備成形品の概略図である。
【図３ｂ】線ＩＩＩｂ−ＩＩＩｂを通る断面図である。
【図３ｃ】巻回ＵＤテープ予備成形品を他の製造ステーションに搬送する搬送機構を概略的にさらに示す、図３ｂに類似する図である。
【図３ｄ】図３ａの部分的に形成された物品の概略斜視図である。
【図４ａ】本発明の実施形態による物品の別の例の、挿入物を含む巻回ＵＤテープ予備成形品の概略平面図である。
【図４ｂ】本発明の実施形態による物品の別の例の巻回ＵＤテープ予備成形品の斜視図である。
【図５】本発明の実施形態によるいくつかのプロセスステップを示す概略図である。
【図６ａ】巻回ＵＤテープ予備成形品の圧密化用の金型工具の簡略化した概略図である。
【図６ｂ】金型の閉じを示す、図６ａに類似する図である。
【図６ｃ】物品または物品の繊維強化部を形成する一方向テープの後続する完全圧縮ステップ示す、図６ｂに類似する図である。
【図６ｄ】金型の開きを示す、後続するステップの図６ｃに類似する図である。
【図７ａ】テープの層に対して直交する方向における巻回ＵＤテープ予備成形品の圧縮に対する、図６ａに相当するが金型の別の例示的な実施形態の概略図である。
【図７ｂ】上方から見た図７ａの金型工具の底部金型部品の図である。
【図７ｃ】巻回ＵＤテープ予備成形品の圧密化に対する金型移動における後続するステップの図７ａに類似する概略図である。
【図７ｄ】巻回ＵＤテープ予備成形品の圧密化に対する金型動作における後続するステップの図７ａに類似する概略図である。
【図７ｅ】巻回ＵＤテープ予備成形品の圧密化に対する金型動作における後続するステップの図７ａに類似する概略図である。
【図８ａ】本発明の実施形態による複合物品の例の斜視図である。
【図８ｂ】図８ａの複合物品の２つの直交する平面のうちの１つを通る断面図である。
【図８ｃ】図８ａの複合物品の２つの直交する平面のうちの１つを通る断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
図８ａ〜図８ｃを参照すると、複合物品４の例が示されており、物品は、この例では、車両用のサスペンションアームまたはコントロールロッドを表している。物品は、閉ループを形成する圧密化繊維強化部３７と、オーバーモールド部４２と、任意選択的に１つまたは複数の挿入物４０とを備えている。圧密化繊維強化部３７は、後にさらに説明する本発明の実施形態によるプロセスを使用して作製される巻回一方向テープ予備成形品３８から作製される。本発明による複合物品を、一方向テープから、または挿入物、オーバーモールド部、および巻回ＵＤテープ予備成形品にまたはその周囲に取り付けられた他の要素と結合して一方向テープから、一意に形成することができる。図８ａ〜図８ｃの図示する例では、オーバーモールド部４２を、たとえば注入されたポリマーとすることができ、１つまたは複数の挿入物を、さまざまな材料から作製することができ、たとえば、達成されるべき用途および機能に応じて、挿入物を金属、複合材料またはセラミックから作製することができる。物品の閉ループ状繊維強化材３７は、物品に対して、特に引張力Ｆtあるいはビーム曲げ応力、または物品によって支持されるべき力ならびに物品の幾何学的形状および空間的向きに応じて他の応力成分に抗する構造的強度を提供する。本発明では、一方向繊維は、閉ループの周囲を複数回、連続して実質的に途切れないように延在し、ループ内に作用する引張力に抗する非常に高い強度を提供する。
【００２９】
ここで主に図１ａを参照すると、一方向繊維強化テープ６の多層連続閉ループを巻回するテープ巻回ロボット８の概略図が示されている。一方向繊維強化テープは、ポリマー樹脂、たとえばポリプロピレン、ポリアミド、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートを含む熱可塑性ポリエステル、熱可塑性エラストマー、ポリフェニレンサルファイドおよびポリエーテルイミドに埋め込まれる、一方向繊維、たとえばガラス繊維、カーボン繊維、または本質的に本技術分野において既知である他の強化繊維を含む。テープは、幅が、数ミリメートルから数センチメートルまたはさらには数１０センチメートルの桁であり、厚さが、１／１０メートルから１ミリメートルの桁であり得る。一方向テープの厚さが薄いことにより、冷テープを、巻回プロセス中にテープの破断なしに、製造される物品において適応されるのに十分小さい曲率半径で曲げることができる。たとえば、０．２ｍｍ厚さのテープの場合、最小曲率半径はおよそ１センチメートルであり得る。本明細書で使用する「冷」という用語は、層が接合するかまたは圧密化するのを可能にしない、ＵＤテープのポリマー樹脂の溶融または融解温度未満の温度である。
【００３０】
一方向テープを、物品用に閉ループ状に巻回されるテープの長さより実質的に大きい総巻回長さで、テープリール２６に提供することができ、それにより、単一リールからの一方向テープを使用して多数の物品を製造することができる。
【００３１】
テープ巻回ロボット８は、周囲にＵＤテープ６が巻回される治具１６を備え、それにより治具は、圧密化の前に多層巻回ＵＤテープ３８の予備成形品を画定し、治具１６は、テープリール２６とローラシュー１８を支持するロボットアーム５２とに対して軸Ｒを中心に回転可能である。図１ａの実施形態では、たとえば図３ｄに示すようなテープの幅の広い部分６ｂまたは幅の狭い部分６ａを作製するように、後続する層が下にある層に完全にオーバラップしない（すなわち、下にある層に対してずれている）ように、巻回されているテープを治具の上に横方向に配置するために、治具１６を、回転軸Ｒに対して平行な方向に移動可能とすることができる。任意選択的に、たとえば図２ｃに示すように、テープを複雑な形状に対する治具の上に位置決めするのを可能にするために、テープリール２６およびロボットアーム５２に対してさらなる軸Ｘ、Ｙ、Ｚに沿って並進してかつ／または回転してＲ’移動可能とすることができる。
【００３２】
治具上のテープの位置決めを、テープガイドチャネル４８、４８’によって画定しまたは補助することができ、それにより、治具を、巻回プロセスの完了後にテープ巻回予備成形品３８から分離するために、２つ以上の部品１６ａ、１６ｂから作製することができる。テープガイドチャネル４８、４８’は、巻回ＵＤテープ予備成形品３８の形状を確定するように治具を包囲するかまたは治具の表面にある湾曲した３次元経路を採用することができる。治具は、図８ａおよび図２ａに見ることができるように、挿入物４０を収容し、テープが挿入物の周囲に巻回されるのを可能にするように、たとえば挿入物保持部５０（図１ｃ参照）の形態で、あらゆる必要な空隙または位置決め手段をさらに備えることができる。
【００３３】
テープ巻回ロボットは、治具１６に対して相対的に移動可能なロボットアーム５２に搭載されたローラシュー１８をさらに備え、ローラシューは、巻回されているテープの積み重ねられた層に沿って回転してそれらを治具に対して押圧するように構成されている。テープに対してローラシュー１８が加える力を、本質的に一定の回転圧を規定するばね圧または空気圧または液圧によって規定することができる。この圧力は、治具１６上でテープを案内するために提供され、ＵＤ材料のいかなる圧密化も提供するようには意図されていないが、別個の溶接を行う位置に近接して層を圧縮するために使用することが可能である。テープ巻回ロボット８は、巻回動作が完了するとテープの端部を切断する可動かつ作動可能な（ａｃｔｉｏｎａｂｌｅ）カッタ２０をさらに備えることができる。典型的な用途では、テープを、切断することなく連続的に巻回して、３〜１００またはそれより多い積み重ねられた層のテープの巻回体を形成することができる。本発明の範囲内で、各々が複数のテープ層を含む複数の巻回体を提供することができ、巻回体は、切断により互いから分離される。これは、巻回ＵＤテープ部分が異なる材料であるかまたは空間的にずれている実施形態で有用であり得る。２つ以上のテープを同じガイドチャネルにおいてあるいは別個のチャネルにおいて同時に上下に重ねて、または製造される部品の構成に応じてある部分の上で二股に分かれるチャネルで、巻回することも可能である。これには、１つまたは複数のローラ１８、カッタ２０、ＵＤテープリール２６および溶接ヘッド２２の使用が含まれ得る。
【００３４】
図８ａの図では、治具１６は、単純な細長い閉ループ予備成形品を形成するように構成されているが、治具は、さまざまな形状、たとえば図４ａの閉ループ予備成形品を生成するように先細り形状、または図４ｂに示す予備成形品を形成するように中心部分が狭くなっている形状、および破断なしにテープの曲げに対して許容可能な最小曲率半径が考慮される限り他の多くの形状をとることができる。
【００３５】
治具１６に能動位置決め装置２４、２５を設けることができ、能動位置決め装置２４、２５は、治具が能動位置決め装置２４、２５の位置でローラシュー１８を通過する際、邪魔にならないように移動するように、移動可能なピンまたはローラの形態であり得る。治具１６の周囲に、治具に搭載されかつ治具に対して相対的に移動可能かつ作動可能な複数の能動位置決め装置２４、２５を設けることができる。頂部能動位置決め装置２４を、治具に対して巻回テープの積み重ねられた層を押圧するように構成することができ、側部能動位置決め装置を、テープ層を横方向に位置決めするように構成することができる。（たとえば図３ｄに示すように予備成形品の部分６ｂを他方の部分６ｂに対して幅広くするために）選択された、いくつかの連続した層の横方向のずれが得られるように、テープ層の横方向位置決めを任意選択的に層によって変化させることができる。
【００３６】
本発明の実施形態によるテープ巻回ロボットは、有利には、有利な実施形態では溶接ヘッド２２を含む少なくとも１つのテープ固定ヘッド２２を、治具とは別個のロボットアームに、または治具１６に固定された変位装置に備えている。溶接ヘッドは、テープの外層に対して押圧し下方の層にテープの外層を局所的に溶接し、任意選択的に溶接機の下方の複数の層を合わせて溶接するように、別個の所定のテープ巻回位置において作用可能であるように構成されている。溶接ヘッドは、超音波溶接あるいは誘導溶接によって、電磁放射（たとえばマイクロ波）によって、または伝導加熱によって別個の溶接動作を行うことができる。
【００３７】
変形形態では、テープ固定ヘッドは、後続する層を堆積層に接合するために接着剤をテープに堆積させる接着剤堆積インジェクタを備えることができる。接着剤を、スナップ硬化接着剤、任意選択的にＵＶ（紫外線）または熱活性化型接着剤とすることができ、それにより、テープ固定ヘッドはＵＶまたは熱活性化ユニットを備える。
【００３８】
さらに別の変形形態では、テープ固定ヘッドは、ステープル、たとえば金属ステープルによってＵＤテープの積み重ねられた層を合わせて固定する機械的ステープラを備えることができる。
【００３９】
テープ固定手段はまた、上記固定手段の組合せも備えることができる。
【００４０】
有利な変形形態では、新たな巻回層の各々が配置された後の別個の瞬間にテープは溶接され、それにより、層は、テープ層の本質的に積層体全体を通して１つまたは複数の別個の位置で互いに固定される。別個の溶接動作を、非常に局所的でありしたがって急速な加熱および冷却のために高速で行うことができ、冷テープの高速な巻回を可能にすることができる。
【００４１】
テープ巻回ロボット８に、単一の溶接ヘッド、または治具の周囲の異なる位置に２つ以上の溶接ヘッドを設けることができ、溶接ヘッドは、テープの積み重ねられた層に対して異なる位置で同時にまたは異なる時点で別個の位置の溶接を行うように構成されている。単一の溶接ヘッドを用いる有利な変形形態では、治具がロボットアーム５２およびローラシュー８に対して回転する際に、前記溶接ヘッドを、治具の周囲の所定の位置で別個の溶接部をもたらすように構成することができる。湾曲の屈曲点あるいはその近くおよび／または予備成形品の湾曲部分の底部あるいは頂部に溶接部を配置することは、テープ層のそれらの間の相対的なずれを防止することにより予備成形品の形状を安定化し維持するのに有利に役立つことができる。巻回動作が完了した後のテープの端部を、図３ａに示すように、巻回ＵＤテープ予備成形品３８の分岐の周囲に、追加の圧着あるいは締付リングまたは他の機械的固定要素４６によって溶接しかつ／または締め付けることができる。本発明の範囲内で、最低２つの別個の溶接部のみ、すなわち溶接プロセスの開始時に第１の溶接部、巻回プロセスの終了時にまたは終了に向かって第２の溶接部を溶接することができる。溶接部を、巻回の数個の層ごとに、たとえば３層または４層毎に別個にもたらすことも可能であり、その場合、溶接プロセス（たとえば超音波溶接）を、複数の層を通して、または単一層のみを通して貫通するように構成することができる。
【００４２】
有利な実施形態では、積層体のすべての層を合わせて結合することにより予備成形品を堅くするために、各層、または略すべての層に対して溶接が行われる。
【００４３】
変形形態では、複合物品は、位置決め要素を備えた成形支持構造を含む挿入物を備えることができ、位置決め要素は、少なくとも部分的に治具の上に位置決めされた巻回テープを成形するように機能するが、治具から取り除かれた後の物品に組み込まれたままである。こうした成形支持構造を、治具および能動位置決め装置の複雑性を低減するため、かつ／または複雑な予備成形品形状を巻回するのを可能にするために、ポリマーから、または打抜き・成形板状金属あるいは複合材料または物品内に永久的に組み込まれる他の低コスト構成要素から作製することができる。
【００４４】
図５を参照すると、巻回ＵＤテープ予備成形品３８が形成されると、それを、治具１６から取り除き、加熱ステーション１０に、グリッパ２８を備える搬送システム１２によって搬送し、別法として治具１６自体によって搬送することができ、加熱ステーション１０は、ポリマー樹脂が軟化し溶融するように（ただしポリマーの劣化なしに）ＵＤテープを加熱するように構成されており、それによりＵＤテープを圧密化することができる。ＵＤテープ予備成形品を、強制熱風対流炉、赤外炉、マイクロ波炉、誘導加熱および接触加熱、これらの組合せまたは他の加熱手段を含む加熱手段によって加熱することができる。そして、加熱された巻回ＵＤテープ予備成形品３８は、成形プレスに搬送され、成形プレス１４は、熱軟化ＵＤテープに圧力を加えることによりテープ層を圧密化し層の間のいかなる空気または空間も実質的に除去する圧縮工具を備えている。
【００４５】
変形形態では、ＵＤテープ予備成形品３８を、任意選択的に、予備成形品をＵＤテープポリマー溶融温度に近いがそれより低い温度まで加熱する加温緩衝器を介して、射出成形機内に直接配置することができる。オーバーモールド材料のさらなる安定化と組み合わせて、別個の局部溶接により、異なるＵＤテープ層の間のせん断力が与えられ、そのせん断力は、荷重下のＵＤテープ層のほぐれを防止し、かつ使用時に部品が対処しなければならない牽引力または圧縮力またはねじれ力より大きく、それにより、オーバーモールドの前にＵＤテープ層を合わせて完全に圧密化する必要はなく、製造中のコストが節約される。
【００４６】
別の変形形態では、ＵＤテープ予備成形品３８を、予備成形品をＵＤテープポリマー溶融温度以上で加熱する加温緩衝器を介して、射出成形内に直接配置することができる。オーバーモールドポリマーの圧力が、ＵＤテープ層を圧密化し、それらを溶融により互いに実質的に結合し、その結果、ＵＤテープに略均質な特性がもたらされる。圧密化により、荷重下でのＵＤテープ層のほぐれが防止され、異なるＵＤテープ層の間に、使用時に部品が対処しなければならない牽引力または圧縮力またはねじれ力より大きいせん断力抵抗がもたらされる。圧密化はまた、クリープおよび疲労荷重の間に性能を発揮する。
【００４７】
図６ａ〜図６ｄに示す第１実施形態では、下金型３０ｂは、巻回ＵＤテープ予備成形品３８を受け入れるように構成された金型キャビティ３２ｂを備え、上金型は、相対移動可能な能動コア３４と、金型キャビティ３２ｂ内に挿入されかつ巻回ＵＤテープ予備成形品３８を本質的にテープ積層方向に対して直交する方向に圧縮するように構成された圧縮金型面３２ａとを備えている。能動コア３４は、下金型の中心部分に対して押圧して、ポリマー樹脂が圧密化中に金型キャビティ３２ｂから漏れ出るのを防止する。結果としての圧密化繊維強化部３７を、幾分かの冷却の後に金型から取り除き、オーバーモールドするように射出成形モールド内に組み込むか、または他の成形作業あるいは部品形成作業および組立作業を行うために他の加工ステーションに搬送することができる。
【００４８】
図７ａ〜図７ｃに示す別の実施形態では、下金型３０ｂは、内部に巻回ＵＤテープ予備成形品３８を受け入れる金型キャビティ３２ｂを備え、下金型は、層の積重ねの方向にテープ層を合わせて押圧するように構成された横方向能動コア３６を有している。この場合、下金型３０ａを、能動コアなしに提供することができ、下金型３０ａは、横方向能動コア３６によってもたらされる圧縮中に下金型キャビティ３２を閉じるように機能する。モールド圧縮プロセス中に温度を調節するために、かつ任意選択的に金型から取り除く前の物品を冷却するために、金型に、内部の流体冷却または加熱回路等の温度調節回路を設けることができる。
【００４９】
本明細書に記載する、ＵＤテープ複合構造およびオーバーモールドＵＤテープ複合構造を、たとえば自動車、トラック、民間航空機、航空宇宙、鉄道、家電製品、コンピュータハードウェア、携帯端末、レクリエーションおよびスポーツ用の部品、機械用の構造部品、建造物用の構造部品、太陽光発電あるいは風力エネルギー機器用の構造部品、または機械装置用の構造部品等、多種多様の用途で使用することができる。
【００５０】
自動車用途の例としては、限定なしに、スペアタイヤウェル、フロアパンまたはフロアパン部分、圧縮天然ガスタンク、液体プロパンガスタンクまたは水素タンク用の組込み構造カバーおよび支持ブラケット、座席部品および座席フレーム、エンジンカバーブラケット、エンジンクレードル、サスペンションアームおよびクレードル、シャーシ強化材、フロントエンドモジュール、ステアリングコラムフレーム、インストルメントパネル、ドアシステム、ボディパネル（水平ボディパネルおよびドアパネル等）、テールゲート、ハードトップフレーム構造、コンバーチブルトップフレーム構造、屋根構造、エンジンカバー、トランスミッションおよび動力伝達部品用のハウジング、オイルパン、エアバッグハウジングキャニスタ、自動車内部衝撃構造、エンジンサポートブラケット、クロスカービーム、バンパービーム、歩行者用安全ビーム、防火壁、リヤパーセルシェルフ、車両用クロスバルクヘッド（ｃｒｏｓｓ  ｖｅｈｉｃｌｅ  ｂｕｌｋｈｅａｄ）、冷却剤ボトルおよび消火器およびトラック圧縮空気ブレーキシステム容器等の圧力容器、ハイブリッド内燃機関／電気または電気自動車バッテリトレイ、自動車サスペンションウィッシュボーンおよびコントロールアーム、サスペンションスタビライザリンク、板ばね、車輪、レクリエーションビークルおよびオートバイ用スイングアーム、フェンダ、屋根フレームおよびタンクフラップが挙げられる。
【００５１】
家電製品の例としては、限定なしに、洗濯機、乾燥機、冷蔵庫、冷暖房および暖房が挙げられる。レクリエーションおよびスポーツの例としては、限定なしに、インラインスケート部品、野球バット、ホッケー用スティック、スキーおよびスノーボード締め具、リュックサックバックおよびフレーム、ならびに自転車フレームが挙げられる。機械用構造部品の例としては、たとえば携帯電子機器、コンピュータ用のハウジング等、電気／電子部品が挙げられる。
【符号の説明】
【００５２】
２  製造機器
８  テープ巻回ロボット
１６  治具
１６ａ、１６ｂ  治具部品
４８  テープガイドチャネル
５０  挿入物保持部
１８  ローラシュー
５２  アーム
２０  カッタ
２２  溶接機
２４  頂部能動位置決め装置−位置特定ローラ
２５  側部能動位置決め装置−位置特定ローラ
２６  テープリール
１０  加熱ステーション
１２  搬送システム
２８  グリッパ
１４  モールドプレス
３０  圧縮モールド金型
３０ａ  上金型
３２ａ  金型キャビティ相手側部品
３４  能動コア
３０ｂ  下金型
３２ｂ  金型キャビティ
３６  側部能動コア
４  物品
３７  圧密化繊維強化部
３８  巻回ＵＤテープ予備成形品
４４  別個の溶接部
４６  固定要素−留め金
４０  挿入物
４２  オーバーモールド部
６  一方向テープ
６ａ  狭い（位置合せされた）積層部分
６ｂ  広い（ずれた）積層部分
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図１ｃ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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【図３ｄ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図５】
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【図６ａ】
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【図６ｂ】
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【図６ｃ】
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【図６ｄ】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図８ｃ】
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【国際調査報告】
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