(57)【要約】  支持体又は支持構造物に接続するための荷重支持複合材構造物。荷重支持構造物は、連続した補強繊維及び樹脂マトリックスから成る荷重支持要素を含む。荷重支持要素は、支持体に接続するための取り付け部分を有する。荷重支持複合材構造物は、不連続繊維及び樹脂マトリックスから成る成形材料を使用して形成される接続要素をさらに含む。成形材料は、荷重支持要素の取り付け部分の表面を覆って成形される。
2015523922.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体に接続するための複合材構造物であって、
連続補強繊維及び樹脂マトリックスを備える荷重支持要素であって、前記荷重支持要素が、前記支持体への接続のための取り付け部分を有し、前記取り付け部分が、所定の表面積を有する表面を備える、荷重支持要素と、
樹脂マトリックス内に不連続繊維を備える接続要素であって、前記接続要素が、前記荷重支持要素の前記取り付け部分の前記表面を覆って成形される第１の部分、及び、前記支持体への接続のための第２の部分を備える、接続要素と
を備える、複合材構造物。
【請求項２】
前記連続補強繊維が一方向性である、請求項１に記載の複合材構造物。
【請求項３】
前記接続補強物が、一方向繊維を備える複数のチップを備える、請求項１に記載の複合材構造物。
【請求項４】
前記荷重支持要素の前記取り付け部分が、前記取り付け部分の前記表面積を増加させる少なくとも１つの結合強化表面を備える、請求項１に記載の複合材構造物。
【請求項５】
前記結合強化表面が、前記取り付け部分を貫通する穴を画定し、前記穴が、前記不連続繊維及び前記不連続繊維のための前記樹脂マトリックスで実質的に充填される、請求項１に記載の複合材構造物。
【請求項６】
前記接続要素の前記第２の部分が、前記複合材構造物を前記支持体に接続するための表面を提供するように機械加工若しくは成形された１つ又は複数の表面を備える、請求項１に記載の複合材構造物。
【請求項７】
前記接続要素の前記第２の部分が、前記接続補強物の中に機械加工された穴を備える、請求項６に記載の複合材構造物。
【請求項８】
前記接続要素の前記第２の部分が、前記支持体上の対応する合わせ面との係合のための合わせ面を提供するように機械加工されている、請求項６に記載の複合材構造物。
【請求項９】
請求項１に記載の複合材構造物及び前記接続要素が接続される支持体を備える組立体。
【請求項１０】
前記支持体が、航空宇宙用の乗り物の一部である、請求項９に記載の組立体。
【請求項１１】
支持体への接続のための複合材構造物を作製するための方法であって、
連続補強繊維及び樹脂マトリックスを備える荷重支持要素を提供するステップであって、前記荷重支持要素が、前記支持体への接続のための取り付け部分を有し、前記取り付け部分が、所定の表面積を有する表面を備える、ステップと、
樹脂マトリックス内に不連続繊維を備える接続要素を形成するステップであって、前記接続要素が、前記荷重支持要素の前記取り付け部分の前記表面を覆って成形される第１の部分、及び、前記支持体への接続のための第２の部分を備える、ステップと
を備える、方法。
【請求項１２】
前記連続補強繊維が一方向性である、請求項１１に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１３】
前記接続補強物が、一方向繊維を備える複数のチップを備える、請求項１３に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１４】
前記荷重支持要素の前記取り付け部分が、前記取り付け部分の前記表面積を増加させる少なくとも１つの結合強化表面を備える、請求項１１に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１５】
前記結合強化表面が、前記取り付け部分を貫通する穴を画定し、前記穴が、前記不連続繊維及び前記不連続繊維のための前記樹脂マトリックスで実質的に充填される、請求項１１に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１６】
前記複合材構造物を前記支持体に接続するための１つ又は複数の表面を提供するように、前記接続要素の前記第２の部分を成形又は機械加工する追加のステップを含む、請求項１１に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１７】
前記接続要素の前記第２の部分が、前記接続補強物の中に機械加工された穴を備える、請求項１６に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１８】
前記接続要素の前記第２の部分が、前記支持体上の対応する合わせ面との係合のための合わせ面を提供するように機械加工又は成形されている、請求項１６に記載の複合材構造物を作製するための方法。
【請求項１９】
請求項１に記載の複合材構造物を提供するステップと、
前記複合材構造物の前記接続要素を支持体に接続するステップと
を備える、組立体を作製するための方法。
【請求項２０】
前記支持体が、航空宇宙用の乗り物の一部である、請求項１９に記載の組立体を作製するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、荷重支持の用途に使用される複合材構造物に関する。より具体的には、本発明は、荷重の担持に同じく関与する本体又は下位構造物に接続される荷重支持複合材構造物の部分を補強することを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、一般に、繊維及び樹脂マトリックスを２つの主要な構成要素として含む。複合材料は、一般に、かなり高い強度重量比を有する。結果として、複合材料は、複合材部品が高い強度を有し且つ比較的軽量であることが特に重要である航空宇宙産業の分野などの厳しい環境の中で使用されている。
【０００３】
多くの荷重支持複合材構造物又は荷重支持複合材要素において用いられる繊維は、一方向性で且つ連続している。そのような一方向繊維は、荷重支持構造物が構造物の幅及び厚さに対して比較的長いときに特に有用である。翼桁、支柱、リンク、フレーム、インターコスタル、梁、外板、パネル、ジェットエンジンのブレード及びベーンは、比較的長くなる可能性があり且つ相当な荷重を担持するように設計される航空機構造物の様々な例である。
【０００４】
設計上の大きな考慮事項には、荷重支持構造物又は荷重支持要素をどのように航空機機体又は他の支持構造物に取り付けるかを決定することが含まれる。一般に、荷重支持構造物は、荷重支持構造物に沿った１つ又は複数の箇所において航空機機体にボルト止めされるか、或いはその他の方法でしっかりと取り付けられる。構造的な接合部にとって必要とされる正確な嵌合には、多くの場合、連接される部品の接触表面の機械加工が要求される。このことは一方向複合材料から作られている荷重支持構造物に関して問題を提示するが、その理由は、そのような材料は結果として疲労破壊をもたらす可能性のある（ＵＤ（一方向）プライの）層間の間隙を生じさせることなく機械加工することが困難であるからである。別の課題は、構造上効果的であるために、荷重支持構造物は多くの場合、荷重支持構造物によって担持される全体荷重の大部分に基づいて繊維の大部分が一方向に配向された状態で、直交異方性である必要があるということである。しかし、ボルト止めされた接合部から結果的に生じる支持応力は、擬似等方性の積層体など、多方向性の繊維配向によってより好適に対処される。支持応力に対処するために荷重支持構造物を多方向性のプライで局所的に補強することは、設計上の難問であり、またひとたび製造に入ると、時間及び費用がかかる。
【０００５】
機械加工によって強度が低下する荷重支持構造物によって提示される問題を解決するための手法の１つは、接続位置において一方向繊維の多方向性のプライを構造物全体に対して単純により多く追加することである。しかし、局所的な支持強度を上げるために追加しなければならない一方向繊維材料の量は、荷重支持構造物の重量及び大きさを大きく増加させる可能性がある。
【０００６】
金属製のブラケット及びスリーブのような他の補強システムが、機械加工された接続部又は取り付け箇所において荷重支持構造物の強度を増加させるために使用されてきた。しかし、これらの種類の補強物は嵩張り、重く且つ高価である傾向がある。さらに、金属製のブラケット及びスリーブの使用は、接合部の長期的な強度にマイナスの影響を与え得る局所的な応力点を接続部位において生じさせる可能性がある。
【０００７】
一方向繊維の荷重支持要素と航空機支持構造物との間の接続箇所を強くするために現在使用されている補強システムは十分なものであるが、可能な限り軽量で小型でありながらそれでも接続部位において十分な構造強度を提供する改良された接続補強物を開発する必要性は、依然として継続的に存在している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７，５１０，３９０号
【特許文献２】米国特許第７，９６０，６７４号
【特許文献３】米国特許出願第１２／８５６，２１０号
【特許文献４】米国特許第７，７５４，３２２号
【特許文献５】米国特許第７，９６８，１７９号
【特許文献６】米国特許出願第１２／７６４，６３６号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明によれば、一方向繊維の荷重支持構造物上の接続部位を補強するための特に効果的な方法は、接続部位を不連続繊維及び樹脂マトリックスを備える構造的な成形部材でオーバーモールドすることであることが発見された。結果として得られる一方向繊維要素から成る複合材構造物及びオーバーモールドされた接続要素は、荷重支持構造物と航空機機体との間の非常に強い接続を提供することが発見された。接続要素は圧縮成形によって形成され、したがってその表面はすべてこの工程のために使用される閉じられたモールドによって制御されるが、このことは連接される構造物との緊密な接続を確実にするために非常に望ましい。さらに、不連続繊維成形材料は一方向繊維複合材と異なり機械加工による層間剥離の影響を受けにくいため、オーバーモールドされた接続要素を、接続要素の構造強度を犠牲にすることなく、様々な接続の配向及びより一層小さい製造誤差を提供するように機械加工することができる。
【００１０】
本発明によれば、複合材構造物は、支持体又は構造物への接続のために提供される。複合材構造物は、連続した補強繊維と樹脂マトリックスとから成る荷重支持要素を含む。荷重支持要素は、支持体への接続のための取り付け部分を有する。複合材構造物は、不連続繊維と樹脂マトリックスとから成る成形材料を使用して形成される接続要素をさらに含む。成形材料は、荷重支持要素の取り付け部分の表面を覆って成形される。
【００１１】
本発明の特徴として、荷重支持要素の取り付け部分の表面積は、接続要素が成形される表面積を効果的に増加させる穴又は切り欠きを含む。成形材料の不連続繊維及び樹脂マトリックスが成形中に穴又は切り欠きの中に流れ込み、特に効果的な荷重支持要素と接続要素との間のインターロックを提供することが発見された。
【００１２】
本発明のさらなる特徴として、接続要素の強度を大きく減少させることなく、且つ荷重支持要素に侵入することなく、穴及び他の装着表面を含むように接続要素を機械加工することができる。接続要素を機械加工する能力は、荷重支持要素で使用される連続繊維と対照的な、不連続繊維のランダムな配向に起因する。
【００１３】
また、本発明は、オーバーモールドされた複合材構造物を作製するための方法及び複合材構造物を、航空機機体又は他の航空宇宙用の乗り物などの支持体に接続するための方法を包含する。さらに、本発明は、組み立てられた複合材構造物及び支持体を包含する。特に、中に取り付けられた複合材構造物を含む航空機及び他の航空宇宙用の乗り物は、本発明に包含される。
【００１４】
本発明の上記の及び他の多くの特徴並びに付随する利点は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することでよりよく理解されるようになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】支持体又は構造物に接続するための本発明による例示的な複合材構造物を表す図である。
【図２】荷重支持要素の端部の詳細を示す図である。接続要素は仮想線で示されている。
【図３】荷重支持要素に対する接続要素の成形中に不連続繊維及び樹脂で充填された荷重支持要素の端部を貫通する穴の詳細を示す、図２の断面図である。
【図４】成形工程中に不連続繊維及び樹脂で充填された荷重支持要素の端部における溝の詳細を示す、図２の断面図である。
【図５】複合材構造物を支持体又は支持体上のブラケット若しくは他のコネクタに接続するための、接続要素の第２の部分を通って延在する装着穴の詳細を示す図１の断面図である。
【図６】支持体又は支持体用のコネクタが中に挿入される開口部を提供するように接続要素が機械加工又は成形されている、例示的な複合材構造物を示す図である。
【図７】支持体又は支持体用のコネクタにある切り欠きの中に接続要素が装着される例示的な組立体を示す図である。
【図８】荷重支持要素にある切り欠きを使用して所定位置に保持されている状態で示される、例示的な簡略化されたモールドを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明による例示的な複合材構造物が、図１に全体的に１０で示される。複合材構造物１０は、荷重支持要素１２及び接続要素１４を含む。１４の接続要素は、荷重支持要素１２を覆って成形される第１の部分１６を含む。接続要素１４は、複合材構造物１０を航空機の支持構造物又は機体に接続するための穴２０を含む第２の部分１８も含む。例示的な荷重支持要素は、翼桁、プロペラブレード、支柱、床梁、ブロッカードアリンクを含む様々なリンク、フレーム、インターコスタル、梁、外板、パネル、外側ガイドベーン及びファンブレードを含むジェットエンジンのブレード及びベーンを含む。
【００１７】
図２に示すように、荷重支持要素１２は、取り付け部分２２を含み、取り付け部分２２を覆うように接続要素（仮想線で示される）が成形される。接続要素１４への結合のために利用可能な表面積を増加させるために、さらに、接続要素を荷重支持要素にロックするために、結合強化表面が取り付け部分２２に追加される。例えば、穴２６及び２８が取り付け部分２２に設けられる。穴２６及び２８は、接続要素１４と取り付け部分２２との間の結合のために利用可能な表面積を増加させるだけではなく、接続要素１４を取り付け部分２２にロックするための効果的な方法の提供も行う。
【００１８】
図３は、図２の断面図であり、接続要素を形成するために使用される成形材料の不連続繊維及び樹脂が、荷重支持要素と接続要素との間の確実なロック機構を提供するために穴又は開口部２８を通って完全に流れることを示す。
【００１９】
別の例示的な種類の結合強化表面は、図２に示すような溝３０である。溝３０は、穴２６及び２８と同じ様式で機能して接続要素１４と取り付け部分２２との間の結合のために利用可能な表面積を増加させるだけではなく、溝は荷重支持要素を接続要素にロックするための別の効果的な方法も提供する。図４は、図２の断面図であり、接続要素を形成するために使用される成形材料の不連続繊維及び樹脂が、２つの要素間の結合のための追加の表面積を提供すると共に荷重支持要素と接続要素との間の確実なロック機構を提供するために、溝３０内に完全に流れることを示す。
【００２０】
結合強化表面を提供するために取り付け部分に配置される穴及び溝の数は、特定の荷重支持要素及び接合部で担持されることが意図される荷重に応じて変更可能である。穴及び／又は溝は、荷重支持要素の両側に位置付けられた成形材料が穴又は溝を通して１つに接続されるように、成形材料が穴及び／又は溝を通って完全に流れるのを可能にするのに十分な大きさであるべきである。図２に示す穴２６、２８及び溝３０は、円筒形の形状である。しかし、設計要件に応じて他の広範な表面形状が可能である。穴及び溝は、正方形又は長方形の断面、三角形の断面、或いは他の多角形の断面の形状、並びに楕円形及びランダムに形成された断面を有してもよい。穴又は溝の断面形状及び最小の大きさは、成形材料が成形工程中に開口部を完全に充填する能力、並びに構造設計上の考慮事項によって制限される。
【００２１】
成形材料は、樹脂マトリックスの中の不連続繊維から成る。この種類の成形材料は、一般にランダムな不連続繊維複合材（ＤＦＣ）と呼ばれる。好ましい成形材料は、ランダムに配向された、樹脂を含浸させた一方向テープのセグメントから成る。この種類の不連続繊維／樹脂成形材料は、一般に擬似等方性チョップドプリプレグと呼ばれる。擬似等方性チョップドプリプレグは、ランダムな不連続繊維複合材の一形態であり、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｄｕｂｌｉｎ、ＣＡ）からＨｅｘＭＣ（登録商標）の商品名で市販されている。ＨｅｘＭＣ（登録商標）の成形材料は、航空宇宙製品及び高強度モールドを含む様々な目的のために使用されてきた。例えば、米国特許第７，５１０，３９０号、米国特許第７，９６０，６７４号、及び米国特許出願第１２／８５６，２１０号を参照されたい。
【００２２】
擬似等方性（Ｑ−Ｉ）チョップドプリプレグは、一方向繊維テープのセグメント又は「チップ」及び樹脂マトリックスから成る。Ｑ−Ｉチョップドプリプレグは、通常、切断された一方向テーププリプレグのランダムに配向されたチップから成るマットとして供給される。チップ又はセグメントを形成するように切断されるＵＤテープのプリプレグは、航空宇宙用のプリプレグにおいて一般に使用される任意の樹脂であり得る樹脂マトリックスを含む。熱可塑性材料で強化された熱硬化性エポキシ樹脂が好ましいが、その理由は、それが、接続要素が図１及び図５に示すような取り付け穴２０などの取り付け表面を提供するために成形後に機械加工されたときに、破断や層間剥離に対してより耐性を示す傾向にあるからである。穴２０は接続要素を支持構造物又は支持体に接続するための例示的な取り付け表面として示されているが、接続要素の成形又は機械加工によって形成可能な複数の他の取り付け表面が存在する。例えば、本発明の利点は、支持構造物の合わせ面への接続要素のロック係合を提供するために、接続要素の表面内に溝及び他の種類の窪みを機械加工又は成形してもよいということである。この特徴は、ボルト又は他の固定具による取り付け構成を使用する代わりに、インターロック接続によって、荷重支持要素をそのそれぞれの支持構造物に接続するために有用である。
【００２３】
さらに、取り付け穴２０又は他の接続構成は、荷重支持要素１２から離間されている接続要素１４の部分に位置付けられる必要がないことに留意すべきである。例えば、取り付け穴２０は、荷重支持要素１２及び接続要素１４の両方を貫通するように位置付けることができる。この構成では、接続要素１４の第２の部分１８は、荷重支持要素１２の上方の同じ位置で、第１の部分１６と１つに融合する。したがって、図５に示すような取り付け穴２０は、荷重支持要素１２を通って延在するボルト穴を有さないことが望ましい状況を例示するものに過ぎないことが理解されるであろう。さらに、第１の部分１６及び第２の部分１８は、特にボルト又は他の種類の固定具が荷重支持要素１２に直接接続されることが望ましい状況において、荷重支持要素１２の上方の同じ物理的位置を占めることができる。
【００２４】
成形材料の樹脂マトリックスは、構造用途で通常使用される任意の熱硬化性又は熱可塑性樹脂から成るものであってよい。好ましくは、硬化していない樹脂マトリックスの量は、成形材料の全体重量の２５〜４５重量パーセントになることとなる。樹脂マトリックスは、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、シアネートエステル樹脂、フェノール樹脂、又は、構造複合材料において使用される熱可塑性樹脂のうちのいずれか１つであってよい。例示的な熱可塑性樹脂は、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）を含む。ＰＥＳ、ＰＥＩ及び／又はＰＡＩなどの熱可塑性材料で強化されたエポキシ樹脂は、好ましい樹脂マトリックスである。航空宇宙産業において使用される種類のＵＤテープ中に典型的に存在する樹脂が好ましい。樹脂マトリックスとして使用するのに適した、例示的な熱可塑性強化樹脂は、米国特許第７，７５４，３２２号、米国特許第７，９６８，１７９号、及び米国特許出願第１２／７６４，６３６号に記載されている。
【００２５】
成形材料を作製するために使用されるＵＤチップの樹脂含有量は、合計プリプレグ重量の２５〜４５重量パーセントの間で変更されてもよい。３５〜４０重量パーセントの樹脂含有量を有するチップが好ましい。擬似等方性チョップドプリプレグを形成するとき、通常はプリプレグチップにさらなる樹脂は追加されない。最初のＵＤテーププリプレグに存在する樹脂は、成形材料を形成するようにチップを１つに結合するのに十分である。
【００２６】
擬似等方性（Ｑ−Ｉ）チョップドプリプレグは、所望の幅の一方向プリプレグテープ若しくはトウを購入又は作製することによって作製可能である。次いで、テープ又はトウは、切断されて所望の長さのチップとなり、チップは、ランダムに層状に置かれ１つにプレスされて成形材料を形成する。１つにプレスされるとき、ランダムに配向された個々のＵＤプリプレグチップは、プリプレグ樹脂の存在に起因して本来的に１つに結合する。しかし、成形材料を得るための好ましい方法は、ＨｅｘＭＣ（登録商標）又は市販されている同等の擬似等方性チョップドプリプレグを購入することであり、次いで、それは、所望の接続要素を形成するための成形材料として使用される材料のシートとして供給され、接続要素は、荷重支持要素を覆って成形される。
【００２７】
荷重支持要素を支持構造物に接続するための必要強度要件及び機械加工性要件を満たすのであれば、他の種類の不連続繊維成形材料を、接続要素を形成するために使用してもよい。そのような成形材料は、通常、ランダムに配向された、樹脂で含浸された切断された繊維を含む。しかし、成形材料が十分な強度を有すると共に成形可能且つ機械加工可能であることを確実にするために、切断された一方向繊維又はテープが使用されることが好ましい。ＵＤ繊維は、数百本のフィラメントから１２，０００本又はそれ以上のフィラメントのいずれの程度を含有してもよい。ＵＤ繊維は、通常、一方向の配向の連続繊維から成るテープとして供給される。
【００２８】
ＵＤテープは、成形材料を形成するために使用される好ましい種類のプリプレグである。一方向テープは、販売元から入手可能であるか、又は既知のプリプレグ形成工程を使用して製作することができる。ＵＤテープの寸法は、なされる特定の接続に応じて広い範囲で変更されてもよい。例えば、ＵＤテープの幅（ＵＤ繊維に直交する寸法）は、０．２ｃｍから２．５ｃｍ又はそれ以上の範囲であってよい。テープは、一般に、厚さ０．０１ｃｍから０．０３ｃｍ（０．００４インチから０．０１２インチ）であり、ＵＤテープの長さ（ＵＤ繊維に平行な寸法）は、任意の結合強化表面の大きさ及び形状、並びに接合部に関する構造荷重要件に加え、荷重支持要素及び所望の接続要素の大きさ並びに形状に応じて、１．３ｃｍ（０．５インチ）から５．１ｃｍ（２インチ）又はそれ以上まで変動し得る。チップは、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、ポリエチレン繊維、又は、航空宇宙産業において一般に使用されるいずれかの種類の繊維であり得る、一方向繊維を含む。炭素繊維が好ましい。チップは、マット状にランダムに配向され、比較的平面状に広がる。このことにより、マットは、横断方向に等方性を有する特性を備える。
【００２９】
例示的な好ましい擬似等方性チョップドプリプレグ材料は、ＨｅｘＭＣ（登録商標）８５５２／ＡＳ４である。この擬似等方性チョップドプリプレグ材料は、幅４６ｃｍ、厚さ０．２０ｃｍのマットの連続したロールとして提供される。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２／ＡＳ４の一方向繊維プリプレグは、擬似等方性マット内にランダムに配向されたチップを作製するために使用される。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２／ＡＳ４のプリプレグは、厚さ０．０１６ｃｍであり繊維の単位面積あたり重量が約１４５グラム／平方メートルである、炭素繊維／エポキシの一方向テープである。テープの樹脂含有量は３８重量パーセントであり、樹脂（８５５２）は熱可塑性強化エポキシである。テープは、長手方向に切断されて０．８５ｃｍのストリップとなり、切断されて長さ５ｃｍのチップとなる。チップの密度は、約１．５２グラム／立方センチメートルである。この種類の成形材料を使用するとき、高圧成形中に穴が成形材料で完全に充填されることを確実にするため、穴２６及び２８の直径は、少なくとも直径０．３２ｃｍ（１／８インチ）であるべきである。
【００３０】
他の例示的な擬似等方性チョップドプリプレグは、ＥＭＣ  １１６／ＡＳ４（エポキシ／炭素繊維）、８５５２／ＩＭ７（熱可塑性強化エポキシ／炭素繊維）、３５０１−６／Ｔ６５０（エポキシ／炭素繊維）、及びＭ２１／ＩＭ７（熱可塑性強化エポキシ／炭素繊維）などの他のＨｅｘＰｌｙ（登録商標）の一方向プリプレグテープを使用して作製することができる。Ｍ２１／ＩＭ７は、好ましい一方向プリプレグテープであり、それは、本発明による接続要素を形成する際に使用するための不連続繊維成形材料を形成するために切断し使用することができる。
【００３１】
荷重支持要素１２は、好ましくは、作製される荷重支持要素の特定の種類に応じて大きさ及び種類が変動することとなる一方向繊維から作製される。一方向繊維は、プリプレグトウ又はテープの形態であってもよく、或いは荷重支持要素の形成中に樹脂で含浸されるドライなＵＤ繊維であってもよい。成形材料を形成するために使用される同じ種類の繊維及び樹脂が、荷重支持要素の形成の際に使用されてもよい。荷重支持要素における一方向繊維が、一方向性の様式で連続して且つ均一に配向されているという違いがある。
【００３２】
荷重支持要素は、取り付け部分を成形材料でオーバーモールドする前に、完全に形成され硬化されることが好ましい。しかし、所望であれば、完全に硬化していない荷重支持要素をオーバーモールドすることも可能である。荷重支持要素を一方向繊維及び樹脂マトリックスから形成するための手順及び工程は既知である。必須ではないが、荷重支持要素を形成するために使用されるものと同じ樹脂が、成形材料及び荷重支持要素が共に硬化されるときに、成形材料における樹脂としても使用されることが好ましい。結合強化表面を形成するために使用される穴及び溝は、好ましくは、完全に硬化した荷重支持要素の中に機械加工される。しかし、所望であれば、結合強化表面は、レイアップ及び硬化／成形の間に荷重支持要素に形成されてもよい。
【００３３】
接続要素は、好ましくは、従来の高圧成形手順を使用して硬化した荷重支持要素を覆って成形される。成形材料において使用されるエポキシ樹脂に対する典型的な高圧硬化温度は、１７０℃から２２５℃までの範囲である。好ましい硬化温度は、１９０℃から２０５℃までの範囲である。モールド内の内圧は、好ましくは、硬化温度において約３，４４７ｋＰａ（５００ｐｓｉ）を超え、約１３，７８９ｋＰａ（２０００ｐｓｉ）未満である。好ましい実施例では、接続要素は、まず最終的な接続要素に近似する形状を有する「プリフォーム」として形作られる。プリフォームは、荷重支持要素の取り付け端部を覆って所定位置に製作されるか、又は荷重支持要素の取り付け部分を覆って所定位置に位置付けられる前に形成され得る。プリフォームが完全に硬化すると（典型的には硬化温度で５分から１時間）、オーバーモールドされる荷重支持要素は、モールドから取り外され冷却される。必要であれば、次いで、接続要素は、支持構造物への取り付けのための穴又は他の表面を提供するように機械加工される。
【００３４】
好ましくは、プリフォームは、プリフォームの形状を維持し且つプリフォームを続く高圧成形中に所定位置に保つように樹脂の粘度を増加させるために、モールド内に配置される前に「ステージ化」される。ステージ化は、樹脂の粘度を大きく増加させるのにちょうど十分な時間だけ、周囲圧力で１６５℃から１８０℃の温度までプリフォームを加熱することを含む。ステージ化温度において、５分から１５分程度のステージ化時間が好ましい。ステージ化されたプリフォームは、好ましくは、最終の硬化のためにモールド内に配置される前に室温まで冷却される。さらに、プリフォーム内の樹脂の粘度は、プリフォームが硬化温度に加熱されるにつれて低下する傾向にあり、その後、樹脂が硬化するにつれて急速に増加する。粘度の低下をモールドの加圧と組み合わせることで、樹脂及び不連続繊維が結合強化表面を形成する穴及び溝の中に均一に流れることが確実になる。
【００３５】
モールドがオーバーモールドの作業工程中に所定位置にしっかりと保持されることが重要である。このことは高圧が用いられるときに特に問題であるが、その理由は、モールドが所定位置にしっかりと保持されていないとモールドが荷重支持構造物の端部から吹き飛ばされる傾向があるからである。本発明によれば、ロック表面又はロック構造物は、荷重支持構造物をモールド内で固定するために、荷重支持構造物上に設けられることが好ましい。例えば、溝５０は、成形中に荷重支持構造物を固定するための表面を提供するために、荷重支持構造物の側部に位置付けられる。図８を参照すると、簡略化されたモールド５２が、荷重支持要素１２上の所定位置に示されている。モールドは、上半部５４及び下半部５６を含み、それらは、挟持表面６０及び６２を使用して一端部上で一緒に挟持される。
【００３６】
モールド半部５４及び５６は、ロックタブ６４及び６６を含み、それらは、荷重支持要素１２の溝５０との係合のためにロックピン６８及び７０が挿入される穴を含む。この特定のロック構成は、構造物１２の荷重支持能力に過度に影響を与えることなく、荷重支持要素への非常に確実なモールドのロックを提供することが見出された。図１に示す溝５０の大きさが荷重支持要素の大きさに対して比較的大きいのは、単に説明の目的のためである。一般的には、溝５０は、荷重支持構造物の全体の大きさに対して比較的小さいであろう。ロック溝の特定の大きさは、荷重支持構造物の大きさ、使用される成形圧力、及び、オーバーモールドされる接続要素の大きさに応じて変動することとなる。いずれの場合も、溝の大きさは、荷重支持要素の全体的な構造特性が依然として設計基準を満たすように選択される。
【００３７】
成形材料の性質は、比較的少量の樹脂のみがモールドの合わせ目及びモールドが荷重支持構造物に接する箇所に沿ってモールドから漏れ出すようなものであることが見出された。モールドからの樹脂の漏れ出しを最小限に保つために、モールド半部間の隙間及びモールドと荷重支持構造物との間の隙間が約０．０２５センチメートル（０．０１０インチ）程度以下、又は、より好ましくは約０．０１３センチメートル（０．００５インチ）以下であることが好ましい。
【００３８】
モールドを荷重支持構造物に固定するために、複数の他のロック要素構成が使用されてよい。例えば、モールドのロックタブに形成された対応する凹んだ表面とインターロックする隆起した部分が、荷重支持構造物上に形成されてもよい。さらに、溝を溝５０のように側部に位置付ける代わりに、モールドとの係合のために溝が荷重支持要素の頂部及び／又は底部を横断して配置されてもよい。荷重支持構造物上に又は荷重支持構造物内に形成されるロック構造物が、モールド及び荷重支持要素が高圧成形中に分離させられることを防止するために、その二者の間の確実な接続を提供するのに十分な強度を有するということが単に重要である。
【００３９】
図６を参照すると、本発明による簡略化された複合材構造物が示されており、それは、簡略化された支持体又は構造物（３１で仮想線で示されている）に接続されている。荷重支持要素３２は、接続要素３４でオーバーモールドされている。この特定の実施例では、接続要素３４は、支持構造物３１を受けるために接続要素３４の中に機械加工又は成形された開口部３６を含む。さらに、開口部３８が、接続要素３４の中に機械加工又は成形され、ボルト又はピン（４０で仮想線で示されている）を利用して、接続要素３４への支持構造物３１の接合を提供する。
【００４０】
接続要素４４を受けるように支持体若しくは構造物４２が機械加工又は成形されている代替の例示的な種類の接合部が図７に示されている。接続要素４４は、荷重支持要素４６の取り付け部を覆って成形されている。取り付け開口部４８は、接続要素４４の支持構造物４２へのボルト止めを提供するために、接続要素４４の中に機械加工又は成形されている。多種多様な支持構造物と接続要素との間の多種多様な可能な接続部が考えられる。図６及び図７に示す簡略化された実施例は例示に過ぎない。実際の支持構造物は、一般には、支持構造物を形成するために使用される材料の種類に応じて、成形又は鋳造及び機械加工の組み合わせを使用して形成されるかなり複雑な形状であろう。そのような高圧状況で使用される典型的な材料には、様々な鋼、アルミニウム、及び複合材料が含まれる。
【００４１】
典型的なオーバーモールドされた接続要素は、また、図６及び図７に示す簡略化された表示よりも複雑な形状及び構造になることとなる。本発明による成形材料を用いた荷重支持要素のオーバーモールドは、荷重支持要素を強くすると同時に荷重支持要素と支持構造物との間の確実で強い接続を提供するという２つの利益を提供する。さらに、成形される接続要素は、支持構造物への接続のために要求される複雑な形状を形成するために、成形と機械加工の両方を行われてもよい。
【００４２】
本発明の例示的な実施例を以上のように説明してきたが、説明の中の開示は単に例示的なものであり、本発明の範囲内で様々な代替例、適合例及び変形例を作製し得ることに当業者は留意すべきである。したがって、本発明は、上記の実施例によって限定されず、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【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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【国際調査報告】
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