(57)【要約】構造部材用の予備成形された構成要素、すなわち「プレフォーム」は、底部から平行に延びている２つの長手方向脚部を備える平らな底部を有する。チャネルが、構造部材のウェブを形成する平らなパネルの挿入のために脚部の間に画定されている。プラットフォームは、編まれた、または撚られたファイバの連続したフィラメントを有する複合材料である。プレフォームは、構造部材のフランジのウェブを接着する熱硬化性樹脂を含浸されている。プレフォームは、フランジのウェブが、金属と複合材料などの異種の材料から形成されている場合でさえも、優れた構造支持を提供する。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するようにして方向付けられたファイバで構造的に強化されている。
2004507629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びている１対の長手方向縁部を有する、金属材料と複合材料のうちの一方で形成された、ウェブと、
金属および複合材料のうちの他方で形成されたフランジと、
そこから延びて間にチャネルを画定している１対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有する、複合材料で形成されたプレフォームとを備える構造部材であって、
前記プレフォームが底部および脚部を通って延びるフィラメントで形成されており、
前記ウェブの長手方向縁部の１つがプレフォームのチャネル内に接着され、前記フランジがプレフォームの底部の表面に接着されている構造部材。
【請求項２】
軸方向フィラメントが、ウェブとフランジの熱膨張係数の差を最小化する、請求項１に記載の構造部材。
【請求項３】
プレフォームが、パイ字形の断面を有する、請求項１に記載の構造部材。
【請求項４】
軸方向フィラメントが、プレフォームの軸方向の、連続した長さと平行に方向付けられている、請求項１に記載の構造部材。
【請求項５】
プレフォームのフランジおよび底部が、ウェブに対して直交しない角度で傾斜している、請求項１に記載の構造部材。
【請求項６】
プレフォームが、ウェブとフランジを互いに接着する接着剤として作用する熱硬化性樹脂を含浸されている、請求項１に記載の構造部材。
【請求項７】
樹脂が、ウェブとフランジの間の結合強度を提供するためにファイバによって構造的に強化されている、請求項６に記載の構造部材。
【請求項８】
プレフォームが、底部に第１のタイプの軸方向フィラメントを有し、脚部に第２のタイプの軸方向フィラメントを有する、請求項１に記載の構造部材。
【請求項９】
第１および第２のタイプの軸方向フィラメントが、脚部が底部と交差する領域内で混合されている、請求項８に記載の構造部材。
【請求項１０】
第１のタイプの軸方向フィラメントが、フランジの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有し、第２のタイプの軸方向フィラメントが、ウェブの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有する、請求項８に記載の構造部材。
【請求項１１】
軸方向に延びている１対の長手方向縁部を有する金属材料と複合材料のうちの一方で形成されたウェブと、
金属および複合材料のうちの他方で形成されたフランジと、
そこから延びて間にチャネルを画定している１対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有する、複合材料から形成されたほぼパイ字形状のプレフォームとを備える構造部材であって、
前記軸方向フィラメントが、プレフォームの軸方向の、連続した長さと平行に方向付けられており、ウェブとフランジの熱膨張係数の差を最小化し、また、
前記ウェブの長手方向縁部の１つがプレフォームのチャネル内に接着され、前記フランジがプレフォームの底部の表面に接着されている構造部材。
【請求項１２】
プレフォームのフランジおよび底部が、ウェブに対して直交しない角度で傾斜している、請求項１１に記載の構造部材
【請求項１３】
プレフォームが、ウェブとフランジを互いに接着する接着剤として作用する熱硬化性樹脂を含浸されている、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１４】
樹脂が、ウェブとフランジの間の結合強度を提供するためにファイバによって構造的に強化されている、請求項１３に記載の構造部材。
【請求項１５】
プレフォームが、底部に第１のタイプの軸方向フィラメントを有し、脚部に第２のタイプの軸方向フィラメントを有し、また第１および第２のタイプの軸方向フィラメントが、脚部が底部と交差する領域内で混合されている、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１６】
第１のタイプの軸方向フィラメントが、フランジの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有し、第２のタイプの軸方向フィラメントが、ウェブの軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有する、請求項１５に記載の構造部材。
【請求項１７】
（ａ）軸方向に延びている１対の長手方向縁部を有する、金属材料と複合材料のうちの一方で形成されたウェブと、金属および複合材料のうちの他方で形成されたフランジとを提供するステップと、
（ｂ）そこから延びて間にチャネルを画定している１対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有し、底部および脚部を通って延びるフィラメントを有する、プレフォームを、複合材料から形成するステップと、
（ｃ）プレフォーム、ウェブ、およびフランジ上に境界ツーリングを配置し、構造部材を加熱するステップと、
（ｄ）プレフォームの脚部がウェブをしっかりと受けるように、ウェブの長手方向縁部をプレフォームのチャネル内に接着するステップと、
（ｅ）プレフォームの底部をフランジに接着して、構造部材を形成するステップとを含む、構造部材を製造するための方法。
【請求項１８】
ステップ（ｄ）および（ｅ）が、ウェブ、フランジおよびプレフォームを加熱して、それらの間に構造的接着を作成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
プレフォームに熱硬化性樹脂を含浸させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
ステップ（ｂ）のプレフォームが含浸されない方法であって、含浸されていないプレフォームに樹脂を注入または射出するステップをさらに含む請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
プレフォームの圧密化を提供するためにオートクレーブ圧力を加えるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
複合材料から形成されたウェブとフランジのうちの前記一方を硬化させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ｃ）が、バキュームバッグの内部にプレフォームを覆う密封された圧力増強部を配置することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
プレフォームのフランジおよび底部に対して直交しない角度で、プレフォームのウェブを傾斜させるステップをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願発明人Ｅｌｅｂｅｒｔ　Ｌ．ＭｃＫａｇｕｅ，Ｊｒによる以下の米国特許出願が、同時提出中であり、参照によって本明細書に組み込まれる。「Ａｐｐａｒａｔｕｓ　Ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｆｏｒ　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ　Ｄａｍａｇｅ　Ｏｆ　Ｃｏｎｆｏｒｍａｂｌｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」という題名の米国特許出願、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｐａｎｅｌ　ｗｉｔｈ　Ｕｎｄｕｌａｔｅｄ　Ｂｏｄｙ」という題名の米国特許出願、および本願発明人と、発明人Ｒｏｎａｌｄ　Ｐ．Ｓｃｈｍｉｄｔおよび　Ｄａｖｉｄ　Ｔ．Ｕｈｌによる、「Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　Ｍａｔｅｒｉａｌ　Ｓｕｐｐｏｒｔ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　Ｗｉｔｈ　Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ　Ｗｅｂｓ　Ａｎｄ　Ｍｅｔｈｏｄ　Ｏｆ　Ｆａｂｒｉｃａｔｉｎｇ　Ｓａｍｅ」という題名の米国特許出願。
【０００２】
（発明の背景）
１．技術分野
本発明は、一般に、異種の材料を接合することによって作製された改良型の構造部材、より具体的には改良型の構造梁に関する。さらに具体的には、本発明は、構造のウェブを異種の材料で形成されたフランジと接合するための構造用の複合材料プレフォームに関する。
【０００３】
２．従来技術の説明
構造支持桁またはＩ型梁は、通常、ウェブの両端にクロスバーまたはフランジを備えるウェブを有する、「Ｉ字」形状または「Ｈ字」形状の断面を有する。ウェブおよびフランジは、梁の長さ方向に一体に延びているが、形状、厚さ、材料などは様々である。たとえば、あるタイプの梁は、第１の材料（金属など）から形成されたウェブと、第２の異種の材料（複合材料など）で形成されたフランジとを有する。このタイプの梁は、これらの構造が優れた剛性と強度対重量性能を提供する可能性を与えるため、様々な設計および製造手法を通じて求められてきた。
【０００４】
金属と複合材料など、異種の材料を接合する従来の手法は、２つの要素が角度をなす場合、一般に機械的な固定に依存している。図２に示すように、フランジ１５を備える逆Ｔ字形の金属パネル１３を有する桁１１が、機械的固定具１９によって、金属パネル１３と複合材料プレート１７が互いに垂直であるように平らな複合材料プレート１７に接合される。このような構成では、金属パネル１３は、複合材料プレート１７との固定を可能にするためのフランジ１５を有さなければならない。また、金属パネル１３上にフランジ１５を有する必要性は、フランジ１５が、購入して機械加工で取り除かなければならない金属の量をかなり増加させるため、その製造にかなりのコストを追加する。また、機械的な固定は、穿孔、孔の皿もみ、固定具の設置、および、いくつかの場合では、所望の表面平滑度を達成するように固定具頭部を処理することを含む。これらのステップは、費用が高く、桁アセンブリの全体コストに２５％から６０％追加することがある。したがって、異種の材料を角度を付けて接合することによって構造支持部材を形成するための改良型の装置および方法が必要とされる。
【０００５】
（発明の概要）
構造支持梁用の、予備成形された構成要素すなわち「プレフォーム」は、２つの長手方向脚部がそこから平行に延びている平らな底部を有する。チャネルが、プレフォームの脚部の間に画定されており、構造支持梁のウェブを形成する平らなパネルがチャネル内に挿入されている。プレフォームは、編まれた、または撚られたファイバの連続したフィラメントを有する複合材料である。プレフォームは、構造支持梁のウェブをフランジに接合および接着する熱硬化性樹脂を含浸されている。プレフォームは、ウェブおよびフランジが金属と複合材料など異種の材料から形成されている場合でさえも、優れた構造支持を提供する。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するように方向付けられたファイバによって構造的に強化されている。
【０００６】
単独のフィラメントがプレフォーム用に選択された場合、その特性は、金属ウェブと複合材料フランジの熱膨張係数の差を最小にするように選択される。しかし、プレフォームは、異なる特性を有する２つ以上のタイプのフィラメントを有してもよい。プレフォームの底部のフィラメントは、その軸方向の熱膨張係数が複合材料フランジのものと一致するように選択される。プレフォームの脚部のフィラメントは、その軸方向の熱膨張係数が金属ウェブのものと一致するように選択される。これらのフィラメントは、プレフォームの脚部と平行に方向付けられた最良な構造ファイバを有することによって、およびプレフォームの底部内に織り込まれることによって、接合された金属ウェブと複合材料フランジの間の結合強度を提供するように組み合わせて使用される。
【０００７】
本発明の上記およびその他の目的および利点は、頭記の特許請求の範囲および添付図面と組み合わせて、本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明を見れば当業者ならば明らかであろう。
【０００８】
本明細書の一部を形成している添付の図面に図示されたその実施形態を参照にすると、本発明の特徴、利点および目的、ならびに明らかになるその他のものが得られ、上記で簡単に説明された本発明のより具体的な説明が、より詳細に得られ、理解されるであろう。しかし、図面は本発明の好ましい実施形態のみを図示しているに過ぎず、したがって本発明は他の同様に効果的な実施形態にも適用することができるため、その範囲を限定するものと考えてはならないことに留意されたい。
【０００９】
図２および３を参照すると、構造支持梁用の好ましい構成部品すなわち「プレフォーム」１１が、示されている。端部から見た、または断面で見たとき、プレフォーム１１は、２つの長手方向脚部１５、１７がそこから延びている長手方向のクロスバーまたは底部１３を有する、ギリシャ文字のΠすなわち「パイ」に類似している。溝またはチャネル１９が、脚部１５、１７の間に画定されている。プレフォーム１１は、構造ファイバ２１（図２）の連続した束または短線を編む、または撚ることによって形成された複合材料である。ファイバ２１の短線は、底部１３および脚部１５、１７を含むプレフォーム１１の各セグメント全体にわたって連続して延びるように方向付けられている。ファイバ・プレフォームは、選択された荷重担持能力を賦与し、いかなる所望のウェブ・パネル厚さにも対応するために必要な任意の所望のファイバ構造を提供するように形成されてもよい。プレフォーム１１は、２つの異種の材料を接着するための接着材として作用する適切な熱硬化性樹脂を含浸されてもよい。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するようにして、ｘ、ｙおよびｚ方向に向けられたフィラメントおよび／またはファイバで構造的に強化されている。
【００１０】
別法として、プレフォーム１１は、含浸されず、樹脂が全体製造プロセスの後のステップで注入されてもよい。後者の実施形態では、プレフォーム１１は、プロセスが抑止されないようにしてフィラメントを編むまたは撚ることによって構成される。硬化した後、プレフォーム１１は、所望の縁部の真直度、平滑度および寸法の制御を提供するために、適切な方法によって必要に応じて機械加工されてもよい。プレフォーム１１の別の説明は、弁理士整理番号ＴＡ−００３９０を有する、米国特許出願第　　　　　　号に含まれており、参照によって本明細書に組み込まれる。
【００１１】
いま図４を参照すると、プレフォーム１１は、平らな金属パネル３１を平らな複合材料プレート３３に角度を付けて接合するために使用される。金属パネル３１は、プレフォーム１１を接着するように準備された領域３２を有する。準備は、化学エッチングなどの、選択された金属合金に適したいかなる適切な確立された方法であってよい。複合材料もまた、剥離層の除去などの適切な方法によって、プレフォームと対合する領域内で、準備されてもよい。図示された実施形態では、金属パネル３１が構造支持部材のウェブを形成し、複合材料プレート３３がそのフランジを形成しており、角度は垂直である。しかし、複合材料プレート３３が、金属パネル３１を桁のフランジとして備える桁のウェブを形成してもよい。また、部材間の角度は鋭角であってもよい（図８参照）。ファイバのプレフォーム１１は、樹脂の硬化前は可撓性であるため、部材は、互いに対して他の角度で接合することができる。図８では、梁７１は、ウェブまたは金属パネル７７に対して直交しない角度で傾斜している上部および下部の複合材料フランジ７３、７５を有する。プレフォーム８１の底部７９は、ほぼ平らであり、フランジ７３、７５に対して平行であるが、プレフォーム８１の脚部８３は、底部７９に対して直交しない角度で傾斜している。これらの概念は、Ｉ型梁タイプの構造支持部材に限定されず、用途に応じてＵ字形、Ｃ字形、Ｌ字形またはＺ字形などの他の形状を有する梁での使用に容易に適合することができる。
【００１２】
アセンブリ中、金属パネル３１の長手方向縁部の１つは、図５に示されているように底に届く（ｂｏｔｔｏｍ　ｏｕｔ）、またはほぼ底に届くまで、プレフォーム１１のチャネル１９内に完全に挿入される。２つの脚部１５、１７は、パネル３１の厚さをぴったりと受けて、それをまたぐ。パネル３１の鉛直方向側部または縁部は、プレフォーム１１に付着しない。次に、適切な厚さ、ファイバ方向性、および幾何形状の複合材料プレート３３が、パネル３１に対向するプレフォーム１１の底部１３に接するように配置されて、構造支持部材用のクロスバーまたはフランジを作成する。複合材料プレート３３は、硬化されても硬化されなくてもよいが、本発明の好ましい実施形態では、必要とされるアセンブリツーリングを簡単にするために、所望の形状および寸法公差を提供するようにすでに硬化されている。
【００１３】
金属および複合材料の要素の固定具なしでのアセンブリは、以下のステップを介して達成することができる。（１）硬化されていない、樹脂を含浸されたプレフォーム１１の底部１３が、適切に清浄、または接合準備をされた後、底部プレートまたはパネル（通常複合材料プレート３３）上の所望の接合位置に配置される。（２）適切な固定具を用いて、金属パネル３１が、複合材料プレート３３に対して所望の角度で、硬化されていないプレフォーム１１のチャネル１９内に配置される。（３）従来型の成形された形状のシリコンゴムまたはその他の適切な圧力増強部／伝達部３５（図５）などの、適切な境界ツーリングが、プレフォーム１１の両側に接して配置される。（４）バキュームバギング材料３９が、結果として得られたアセンブリの周囲に配置され、シーラントビード３７で密封され、真空がバッグ下で吸引される。プレフォームが事前に含浸されていない場合、選択された樹脂がその中に注入される。（５）全体構造が、プレフォーム１１が含浸された熱可塑性樹脂の硬化に適した熱プロファイルに従って加熱され、それによって、形成中の構造が、その一体結合プレフォーム１１を金属パネル３１に接着し、所望の構造を作成する。望ましい場合、または必要な場合、プレフォーム１１の圧密化を提供するために、樹脂の硬化中、オートクレーブ圧力を同時に作用させてもよい。樹脂および最大硬化温度は、硬化されたガラス転移温度が、アセンブリの意図された使用温度よりも高いように選択される。別法として、フリーラジカル重合などの適切な化学作用を有する樹脂を使用して、それによって電子のエネルギ・ビームが硬化を開始、完了することができる（電子ビーム硬化としてこの産業で公知のプロセス）。（６）要求された硬化サイクルの完了に続いて、バギング材料および位置決め固定具が除去され、完成されたアセンブリとなる。
【００１４】
別法として、すべての硬化性の材料を、金属パネル３１、プレフォーム１１および複合材料３３のアセンブリ時に硬化させなくてもよいことは当業者にはすでに明らかであろう。それぞれの構成要素がアセンブリされ、適切なツーリング内に配置された後、プレフォーム１１内の樹脂を、樹脂トランスファ成形タイプのプロセスで射出することができる、または、プレフォームを覆う厚い樹脂層を配置することによって、バキュームバギングを加えることによって、注入されることができる。このことは、必要とされる硬化サイクル数を減少させるが、アセンブリの硬化ツーリングの要求をかなり複雑にし、それによってコストとリスクを両方増大させる。さらに別の手段によって、プレフォーム１１と硬化されていない複合材料プレート３３との共接着を達成することができる。パネル３１の一端のみについてプロセスを説明したが、この一連のステップを、パネル３１の両端で同時に行って、最終製品の桁または梁４１を形成してもよい（図７）。
【００１５】
アセンブリの実際の使用温度、および選択された樹脂の化学組成に応じて、アセンブリを、１７７℃（３５０°Ｆ）の高さの樹脂硬化温度に曝すことが必要であることがある。このような温度では、プレートまたはパネル３１、３３のそれぞれの寸法的な成長は、それぞれの熱膨張係数によって支配される。約２１．６×１０−６ｃｍ／ｃｍ／℃（１２マイクロインチ／インチ／°Ｆ）の熱膨張係数を有するアルミニウム・パネルでは、３．３×１０−６ｃｍ／ｃｍ（約３３００マイクロインチ／インチ）の長さだけ膨張することになる。対照的に、エポキシ樹脂を含浸されたカーボンファイバから形成された複合材料プレート３３は、無視できる膨張性を有する。この膨張性の違いは、接合されたパネルおよびプレート３１、３３上にかなりのひずみを与え、それによって、アセンブリの機械的性能を劣化させ、熱的不整合によって誘発された反りのため、アセンブリの所望の寸法制御の達成を困難にする。プレフォーム１１の脚部１５、１７では、アルミニウム・パネル３１の熱膨張係数により近い熱膨張係数を有する軸方向ファイバが、アセンブリ内に作成されたひずみの量を減少させることになる。
【００１６】
図６では、代替となる実施形態が、異なる特性を有する２つ（または２つ以上）のタイプのフィラメントおよび／またはファイバを有するプレフォーム５１を示している。底部のフィラメント５３は、プレフォームの長さに対して平行に方向付けられ、その軸方向の熱膨張係数が複合材料プレート３３の熱膨張係数とできる限り厳密に適合するように選択される。脚部フィラメント５５は、これもプレフォームの長さに対して平行に方向付けられ、その軸方向の熱膨張係数が、接着領域３２を有する金属パネル３１の熱膨張係数とできる限り厳密に適合するように選択される。フィラメント５３、５５は、プレフォーム５１の脚部５７、５９と平行に（矢印６１の方向に）方向付けられることによって、およびプレフォーム５１の底部６３内に織り込まれることによって、接合された金属パネル３１および複合材料プレート３３に結合強度を提供するために組み合わせて使用される。結合強度を提供するために選択されたファイバまたはフィラメント５３は、熱膨張特性のために選択されたファイバおよび／またはフィラメント５５に直交するように方向付けられる。これらの直交するファイバ群５３は、プレフォーム５１の幅を横切って、横糸ファイバ、すなわち、プレフォームの長さ方向に対して垂直であるファイバを編むことから得られるように往復してその形状を追従する。
【００１７】
脚部５７、５９が底部６３と交差する領域内で２つの軸方向ファイバ５３、５５を混合するための大きさおよびパターンは、存在する場合は、解析および／または経験による方法を通じて、特定用途ベースで決定される。プレフォーム５１用に単体のフィラメントが選択されたとき（図４）、その特性は、金属パネル３１と複合材料プレート３３でのその熱膨張係数の差を最小化するように選択される。しかし、すべての場合で、フィラメントは、プレフォームの軸および連続する長さに平行に方向付けられる。
【００１８】
フィラメントまたはファイバの選択の例は、プレフォーム１１の軸方向にＥガラス（登録商標）またはＳガラス（登録商標）ファイバ、結合強度方向（脚部１５、１７の鉛直方向に平行）に、ＨｅｘｅｌＡＳ４（登録商標）またはＴｏｒａｙＴ３００（登録商標）であろう。グラスファイバは、１０．８×１０−６ｃｍ／ｃｍ／℃（６マイクロインチ／インチ／°Ｆ）の熱膨張係数を提供するが、一方、カーボンファイバは、ゼロに近い熱膨張係数を有する。したがって、グラスファイバは、カーボンファイバよりも良いアルミニウムとの熱ひずみ整合である。別法として、軸方向の金属製フィラメントが、プレフォーム１１の脚部１５、１７と金属パネル３１の間の熱ひずみに、より小さい差を与える。ＨｅｘｃｅｌＩＭ７（登録商標）またはＡｍｏｃｏＴ６００Ｍ（登録商標）などの高分子カーボンファイバが、ひずみの差が乗算される全体距離が極めて小さい結合強度方向用に使用されてもよい。
【００１９】
樹脂の硬化中、実用されているような低い温度で、樹脂がゲル化するように温度が制御される。このステップに続いて、硬化された樹脂の必要なガラス転移温度を達成するのに必要なレベルまでゆっくりと温度が上昇される。より低い温度で樹脂をゲル化させることは、必要とされるガラス転移温度を達成するのに必要な温度点よりも低い、応力のない温度点の確立を目的としている。ゲル化後の温度上昇は、樹脂の架橋密度が、熱で誘導されたひずみの増加するレベルが弱い接着を破壊しないような速度で増加するように、極めて低速でなければならない。最大温度の滞留（ｄｗｅｌｌ）が完了した後、好ましくは、ゲル化温度よりも少なくとも１０℃（５０°Ｆ）低い温度に到達するまで、実際に低い速度で冷却が行われる。このゆっくりとした冷却によって、ポリマー内でいくらかの緩和が生じることが可能になり、考えられる最低の、応力のない温度を維持することができる。応力のない温度と周囲温度の差に、金属パネル３１の熱膨張係数とプレフォーム１１内の軸方向ファイバの熱膨張係数の差を乗じたものは、結果として得られるアセンブリ内の熱で誘導されるひずみの量を決定する。
【００２０】
本発明は、いくつかの利点を有する。編まれた、または撚られたパイ字形のプレフォームは、金属および複合材料のプレートまたはパネルを、機械的な固定具なしで互いに対して角度を付けて接合する。プレフォームは、従来型の接着剤接着技術よりもはるかに大きな強度を提供する一方、製造コストを単純化し、減少させる。本発明は、穿孔、皿もみ、固定具の設置、または固定具の熱処理を必要としない。機械的固定は、接合長さに沿って進行する追加作業を含むが、本発明は、１つのステップで全体接合部を処理する。このことによって、アセンブリの全体コストでの２０％から５５％の極めて大きな減少が可能になる。また、本発明はまた、樹脂を含浸されたプレフォームは、等しい強度の接合を提供するために必要であるいくつかの固定具よりも小さい重さであるため、従来技術の解決法よりも重量が軽い。さらに、金属の部材は、フランジのない平らなプレートまたはパネルにすることもでき、それによって、航空機用に使用されるような多くの複雑な、高性能な構造のための金属細部の製造コストがかなり減少される。
【００２１】
本発明を、その形態のうちのいくつかのみを図示し、説明してきたが、本発明はそれに限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱しない様々な変更がされることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】異種の材料から形成された、従来型の、従来技術の桁の等角図である。
【図２】本発明によって製造された構造プレフォームの等角図である。
【図３】図２の構造プレフォームの端部断面図である。
【図４】図２の構造プレフォーム、複合材料フランジおよび金属ウェブの等角分解図である。
【図５】製造中の図４のプレフォーム、フランジおよびウェブの端面概略図である。
【図６】図４の構造の代替バージョン、複合材料フランジおよび金属ウェブの等角分解図である。
【図７】本発明による図４の構成要素から製造された梁の端面図である。
【図８】本発明に従って製造された梁の代替となる実施形態の端面図である。
【国際公開パンフレット】
2004507629.tif 000003
2004507629.tif 000004
2004507629.tif 000005
2004507629.tif 000006
2004507629.tif 000007
2004507629.tif 000008
2004507629.tif 000009
2004507629.tif 000010
2004507629.tif 000011
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2004507629.tif 000013
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2004507629.tif 000019
2004507629.tif 000020
2004507629.tif 000021
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004507629.tif 000022
【手続補正書】
【提出日】平成14年4月3日(2002.4.3)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
軸方向に延びている１対の長手方向縁部を有する、金属材料と複合材料のうちの一方で形成された、第１の部材と、
金属および複合材料のうちの他方で形成された第２の部材と、
そこから延びて間にチャネルを画定している１対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有する、複合材料で形成されたプレフォームとを備える構造部材であって、
前記プレフォームが底部および脚部を通って延びるフィラメントで形成されており、
前記ウェブの長手方向縁部がプレフォームのチャネル内に接着され、前記第２の部材がプレフォームの底部の表面に接着されている構造部材。
【請求項２】
プレフォームのフィラメントが、第１の部材と第２の部材の熱膨張係数の差を最小化するように選択された、軸方向に方向付けられたフィラメントを備える、請求項１に記載の構造部材。
【請求項３】
プレフォームが、パイ字形の断面を有する、請求項１に記載の構造部材。
【請求項４】
軸方向フィラメントが、プレフォームの軸方向の、連続した長さと平行に方向付けられている、請求項１に記載の構造部材。
【請求項５】
プレフォームの第２の部材および底部が、第１の部材に対して直交しない角度で傾斜している、請求項１に記載の構造部材。
【請求項６】
プレフォームが、ウェブとフランジを互いに接着する接着剤として作用する熱硬化性樹脂を含浸されている、請求項１に記載の構造部材。
【請求項７】
プレフォームのフィラメントが、プレフォームの軸方向に連続した長さと平行に方向付けられた軸方向フィラメントと、軸方向フィラメントに垂直である直交フィラメントとを備える、請求項１に記載の構造部材。
【請求項８】
プレフォームが、底部に第１のタイプの軸方向フィラメントを有し、脚部に第２のタイプの軸方向フィラメントを有する，請求項１に記載の構造部材。
【請求項９】
第１および第２のタイプの軸方向フィラメントが、脚部が底部と交差する領域内で混合されている、請求項８に記載の構造部材。
【請求項１０】
第１のタイプの軸方向フィラメントが、第２の部材の軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有し、第２のタイプの軸方向フィラメントが、第１の部材の軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有する、請求項８に記載の構造部材。
【請求項１１】
軸方向に延びている１対の長手方向縁部を有する金属材料と複合材料のうちの一方で形成された第１の部材と、
金属および複合材料のうちの他方で形成された第２の部材と、
そこから延びて間にチャネルを画定している１対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有する、複合材料で形成されたほぼパイ字形状のプレフォームとを備える構造部材であって、
前記軸方向フィラメントが、プレフォームの軸方向の、連続した長さと平行に方向付けられており、第１の部材と第２の部材の熱膨張係数の差を最小化し、また、
前記第１の部材の長手方向縁部の１つがプレフォームのチャネル内に接着され、前記第２の部材がプレフォームの底部の表面に接着されている構造部材。
【請求項１２】
プレフォームの第２の部材および底部が、第１の部材に対して直交しない角度で傾斜している、請求項１１に記載の構造部材
【請求項１３】
プレフォームが、第１の部材と第２の部材を互いに接着する接着剤として作用する熱硬化性樹脂を含浸されている、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１４】
軸方向フィラメントに垂直な底部および脚部を通って延びる直交フィラメントをさらに備える、請求項１３に記載の構造部材。
【請求項１５】
プレフォームが、底部に第１のタイプの軸方向フィラメントを有し、脚部に第２のタイプの軸方向フィラメントを有し、また第１および第２のタイプの軸方向フィラメントが、脚部が底部と交差する領域内で混合されている、請求項１１に記載の構造部材。
【請求項１６】
第１のタイプの軸方向フィラメントが、第２の部材の軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有し、第２のタイプの軸方向フィラメントが、第１の部材の軸方向熱膨張係数とほぼ適合する軸方向熱膨張係数を有する、請求項１５に記載の構造部材。
【請求項１７】
（ａ）軸方向に延びている１対の長手方向縁部を有する、金属材料と複合材料のうちの一方で形成された第１の部材と、金属および複合材料のうちの他方で形成された第２の部材とを提供するステップと、
（ｂ）そこから延びて間にチャネルを画定している１対の軸方向の細長い脚部を備える底部を有し、底部および脚部を通って延びるフィラメントを有する、プレフォームを、複合材料から形成するステップと、
（ｃ）プレフォーム、第１の部材、および第２の部材上に境界ツーリングを配置し、構造部材を加熱するステップと、
（ｄ）プレフォームの脚部がウェブをしっかりと受けるように、第１の部材の長手方向縁部をプレフォームのチャネル内に接着するステップと、
（ｅ）プレフォームの底部を第２の部材に接着して、構造部材を形成するステップとを含む、構造部材を製造するための方法。
【請求項１８】
ステップ（ｄ）および（ｅ）が、第１の部材、第２の部材およびプレフォームを加熱して、それらの間に構造的接着を作成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
プレフォームに熱硬化性樹脂を含浸させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
ステップ（ｂ）のプレフォームが含浸されない、請求項１７に記載の方法であって、含浸されていないプレフォームに樹脂を注入または射出するステップをさらに含む方法。
【請求項２１】
プレフォームの圧密化を提供するためにオートクレーブ圧力を加えるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
複合材料で形成された第１の部材と第２の部材のうちの前記一方を硬化させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
ステップ（ｃ）が、バキュームバッグの内部にプレフォームを覆う密封された圧力増強部を配置することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２４】
プレフォームの第２の部材および底部に対して直交しない角度で、プレフォームの第１の部材を傾斜させるステップをさらに備える、請求項１７に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００３】
２．従来技術の説明
構造支持桁または梁は、互いに接合された異種の材料をを有することができる。たとえば、あるタイプの梁は、第２の異種の材料（複合材料など）で形成されたパネルに固定された第１の材料（金属など）で形成されたウェブを有する。このタイプの梁は、これらの構造が優れた剛性と強度対重量性能を提供する可能性を与えるため、様々な設計および製造手法を通じて求められてきた。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
金属と複合材料など、異種の材料を接合する従来の手法は、２つの要素が角度をなす場合、一般に機械的な固定に依存している。図１に示すように、フランジ５を備える逆Ｔ字形の金属パネル３を有する桁１が、機械的固定具９によって、金属パネル３と複合材料プレート７が互いに垂直であるように平らな複合材料プレート７に接合される。このような構成では、金属パネル３は、複合材料プレート７との固定を可能にするためのフランジ５を有さなければならない。また、金属パネル３上にフランジ５を有する必要性は、フランジ５が、購入して機械加工で取り除かなければならない金属の量をかなり増加させるため、その製造にかなりのコストを追加する。また、機械的な固定は、穿孔、孔の皿もみ、固定具の設置、および、いくつかの場合では、所望の表面平滑度を達成するように固定具頭部を処理することを含む。これらのステップは、費用が高く、桁アセンブリの全体コストに２５％から６０％追加することがある。したがって、異種の材料を角度を付けて接合することによって構造支持部材を形成するための改良型の装置および方法が必要とされる。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００９】
図２および３を参照すると、構造支持梁用の好ましい構成部品すなわち「プレフォーム」１１が、示されている。端部から見た、または断面で見たとき、プレフォーム１１は、２つの長手方向脚部１５、１７がそこから延びている長手方向のクロスバーまたは底部１３を有する、ギリシャ文字のΠすなわち「パイ」に類似している。溝またはチャネル１９が、脚部１５、１７の間に画定されている。プレフォーム１１は、構造ファイバ２１（図３）の連続した束または短線を編む、または撚ることによって形成された複合材料である。ファイバ２１の短線は、底部１３および脚部１５、１７を含むプレフォーム１１の各セグメント全体にわたって連続して延びるように方向付けられている。ファイバ・プレフォームは、選択された荷重担持能力を賦与し、いかなる所望のウェブ・パネル厚さにも対応するために必要な任意の所望のファイバ構造を提供するように形成されてもよい。プレフォーム１１は、２つの異種の材料を接着するための接着材として作用する適切な熱硬化性樹脂を含浸されてもよい。樹脂は、接合された部材間の結合強度を提供するようにして、ｘ、ｙおよびｚ方向に向けられたフィラメントおよび／またはファイバで構造的に強化されている。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
別法として、プレフォーム１１は、含浸されず、樹脂が全体製造プロセスの後のステップで注入されてもよい。後者の実施形態では、プレフォーム１１は、プロセスが抑止されないようにしてフィラメントを編むまたは撚ることによって構成される。硬化した後、プレフォーム１１は、所望の縁部の真直度、平滑度および寸法の制御を提供するために、適切な方法によって必要に応じて機械加工されてもよい。


【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１１】
いま図４を参照すると、プレフォーム１１は、平らな金属パネルまたはプレートなどの第１の材料３１を平らな複合材料プレートまたはパネル３３に角度を付けて接合するために使用される。金属プレート３１は、プレフォーム１１を接着するように準備された領域３２を有する。準備は、化学エッチングなどの、選択された金属合金に適したいかなる適切な確立された方法であってよい。複合材料もまた、剥離層の除去などの適切な方法によって、プレフォームと対合する領域内で、準備されてもよい。図示された実施形態では、金属パネル３１が構造支持部材のウェブを形成し、複合材料プレート３３が垂直である。しかし、複合材料プレート３３が、金属パネル３１を桁のフランジとして備える桁のウェブを形成してもよい。また、部材間の角度は鋭角であってもよい（図８参照）。ファイバのプレフォーム１１は、樹脂の硬化前は可撓性であるため、部材は、互いに対して他の角度で接合することができる。図８では、梁７１は、上部および下部のパネル７３、７５の間に直交しない角度で固定された金属プレート７７を有する。プレフォーム８１の底部７９は、ほぼ平らであり、パネル７３、７５に対して平行であるが、プレフォーム８１の脚部８３は、底部７９に対して直交しない角度で傾斜している。これらの概念は、Ｉ型梁タイプの構造支持部材に限定されず、用途に応じてＵ字形、Ｃ字形、Ｌ字形またはＺ字形などの他の形状を有する梁での使用に容易に適合することができる。


【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１２】
アセンブリ中、金属パネル３１の長手方向縁部の１つは、図５に示されているように底に届く（ｂｏｔｔｏｍ　ｏｕｔ）、またはほぼ底に届くまで、プレフォーム１１のチャネル１９内に完全に挿入される。２つの脚部１５、１７は、パネル３１の厚さをぴったりと受けて、それをまたぐ。パネル３１の鉛直方向側部または縁部は、プレフォーム１１に付着しない。次に、適切な厚さ、ファイバ方向性、および幾何形状の複合材料プレート３３が、パネル３１に対向するプレフォーム１１の底部１３に接するように配置する。複合材料プレート３３は、硬化されても硬化されなくてもよいが、本発明の好ましい実施形態では、必要とされるアセンブリツーリングを簡単にするために、所望の形状および寸法公差を提供するようにすでに硬化されている。




【国際調査報告】
2004507629.tif 000023
2004507629.tif 000024
2004507629.tif 000025
2004507629.tif 000026