(57)【要約】【課題】  重量とコストの比を好適な状態に保ちつつ、密度および／または厚さの大きいコア材を補強する方法を提供する。【解決手段】  本発明は多孔質材（１）を補強する方法に関し、本方法は、多孔質材（１）の第１面から多孔質材（１）の第２面に延びる貫通孔（２）を多孔質材（１）に形成することと、貫通孔（２）を介して多孔質材（１）の第１面から多孔質材（１）の第２面に到達することと、多孔質材（１）の第２面において少なくとも１つの繊維束（３）を保持することと、多孔質材（１）の貫通孔（２）内に少なくとも１つの繊維束（３）を引き込むことと、からなり、貫通孔（２）を多孔質材（１）に形成することは、回転および振動の少なくともいずれか一方を行っている針（８）によって多孔質材（１）を穿孔することを含む。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
多孔質材（１）を補強する方法（Ｍ）であって、
前記多孔質材（１）の第１面から該多孔質材（１）の第２面に延びる貫通孔（２）を多孔質材（１）に形成すること（Ｍ１）と、
前記貫通孔（２）を介して前記多孔質材（１）の第１面から該多孔質材（１）の第２面に到達すること（Ｍ２）と、
前記多孔質材（１）の第２面において少なくとも１つの繊維束（３）を保持すること（Ｍ３）と、
前記多孔質材（１）の貫通孔（２）内に前記少なくとも１つの繊維束（３）を引き込むこと（Ｍ４）と、からなり、
前記貫通孔（２）を多孔質材（１）に形成すること（Ｍ１）が、回転および振動の少なくともいずれか一方を行っている針（８）によって前記多孔質材（１）を穿孔することを含む、方法（Ｍ）。
【請求項２】
前記針（８）は多孔質材（１）をドリル加工して前記貫通孔（２）を形成する、請求項１に記載の方法（Ｍ）。
【請求項３】
前記貫通孔（２）を多孔質材（１）に形成すること（Ｍ１）が、前記貫通孔（２）を予めドリル加工することを含む、請求項１または２に記載の方法（Ｍ）。
【請求項４】
前記針（８）に引っ掛けられることによって前記少なくとも１つの繊維束（３）が保持される、請求項１乃至３のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項５】
前記少なくとも１つの繊維束（３）が、前記針（８）と一体に形成されている溝（１３）に引っ掛けられる、請求項４に記載の方法（Ｍ）。
【請求項６】
前記貫通孔（２）を形成すること（Ｍ１）の前および間の少なくともいずれか一方において前記針（８）が加熱される、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項７】
前記貫通孔（２）内に少なくとも１つの繊維束（３）を引き込むこと（Ｍ４）が、前記針（８）に続いて前記少なくとも１つの繊維束（３）が貫通孔（２）内に引き込まれるように針（８）を貫通孔（２）内に引き込むことを含む、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項８】
前記繊維束（３）が貫通孔（２）を通って引かれる際に圧縮されるように、貫通孔（２）の断面が、該貫通孔（２）を通って引かれる繊維束（３）の太さの２倍よりも小さくなるように形成される、請求項１乃至７のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項９】
前記貫通孔（２）内に引き込まれた少なくとも１つの繊維束（３）を、前記第１面および第２面の少なくとも一方と面一に終端するように切断すること（Ｍ５）、または
前記貫通孔（２）内に引き込まれた少なくとも１つの繊維束（３）を、前記第１面および第２面の少なくとも一方に接触させて配置すること（Ｍ５’）、をさらに含む請求項１乃至８のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項１０】
前記第１面および第２面の少なくとも一方に被覆層（７）を形成すること（Ｍ６）をさらに含む、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの繊維束（３）を収容している前記貫通孔（２）をマトリクス材で埋めること（Ｍ７）をさらに含む、請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の方法（Ｍ）によって多孔質材（１）を補強するための針（８）であって、
円柱状シャフト（９）と、
前記円柱状シャフト（９）の先端の刃先（１０）と、
繊維束（３）を保持するために前記円柱状シャフト（９）と一体に形成されているフック（１１）と、を備えている針（８）。
【請求項１３】
前記円柱状シャフト（９）に少なくとも１つの螺旋状溝（１２）が形成されている、請求項１２に記載の針（８）。
【請求項１４】
前記フック（１１）が前記円柱状シャフト（９）内の溝（１３）として形成されている、請求項１２または１３に記載の針（８）。
【請求項１５】
前記溝（１３）が前記円柱状シャフト（９）の側面を少なくとも部分的に囲むように延びている、請求項１４に記載の針（８）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多孔質材を補強する方法およびこのような方法において用いられる針に関する。より詳細には、本発明は、サンドイッチ型部材のコアとしての多孔質材を補強することに関する。さらに詳細には、本発明は、航空機または宇宙機のサンドイッチ型部材のための補強された多孔質材に関する。
【０００２】
本発明および本発明の課題は、例えば輸送分野において陸上、航空または海上の輸送手段において用いられる様々な部材の製造および／または補強に適用可能であるが、以下の記載では、民間航空機において用いられる部材を参照して詳細を説明する。
【背景技術】
【０００３】
サンドイッチ構造は、密度に対する剛性もしくは強度の比が高いため、航空機の製造分野において広く用いられている。一般的に、サンドイッチ型部材は上側および下側の被覆層もしくは被覆面を有し、これらの被覆層の間には部材の剛性を高めるためにハニカム状のコア構造が配置されている。コア構造は上下方向に延びるセルから構成され、セルの断面は六角形である。コア構造が適宜構成されている場合、サンドイッチ構造が遮音特性や断熱特性等の他の特性を備えている場合もある。
【０００４】
ハニカム構造を有する設計以外の方法として、剛性の多孔質材も用いられている。多孔質材もしくは発泡材は、ハニカム構造に比べて断熱および遮音ならびに部材製造において有利である。多孔質材から形成された部材に繊維もしくは糸を組み込む縫製技術を用いることによって、同程度の密度のハニカム状コア構造を有するサンドイッチ構造よりも優れた機械特性を得ることができる。樹脂浸透工程を経て、繊維が貫通している領域によって多孔質材が機械的に補強される。別の方法においては、繊維および硬化されたマトリクス材からなる予め硬化されたピンが多孔質材に直接貫通される。
【０００５】
周知の縫製方法の多くにおいては、例えば特許文献１に記載されているように、針が最初に多孔質材に貫入するときに同時に多孔質材に糸が挿入される。多孔質材の貫通時には、糸はその全長にわたって針と略平行に延びる。したがって、貫通孔の孔径は針の径および糸の太さによって決まる。このため、多孔質材から針を抜いた後に残る孔が、挿入された糸の太さよりも大きい。これによって、繊維によって埋められていない孔の領域が、樹脂浸透後に樹脂によって埋められるため、機械特性は浸透された樹脂に概して左右される。
【０００６】
特許文献２には「結合発泡コア」と称される手法が記載されている。この手法においては、繊維または繊維束による多孔質材の補強が改良されており、多孔質材コアの機械特性の向上は、概して挿入された繊維のみによって担われている。このため、多孔質材に針を貫通させることによって、第１面から第２面まで延びる貫通孔が多孔質材にまず形成される。次に、第２面側において針がフックによって繊維束を保持した後に、繊維束が針と共に貫通孔内に引き込まれる。これによって、貫通孔の断面は繊維束によって基本的に完全に埋められている。
【０００７】
特定の構造的用途においては、重量性能および耐損傷性を向上させつつ曲げモーメントを高く維持するためにコア密度および／またはコア高さ（各サンドイッチ部材の厚み）を非常に大きくしなければならない場合がある。しかしながら、可能なコア厚さおよびコア密度は、使用する針の最大長さおよび／または安定性によって制限される場合が多い。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第６１８７４１１号明細書
【特許文献２】独国特許出願公開第１０２００５０２４４０８号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、重量とコストの比を好適な状態に保ちつつ、密度および／または厚さの大きいコア材を補強する方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の目的は、請求項１に記載の特徴を備えている方法および請求項１２に記載の特徴を備えている針によって達成される。
本発明の第１の態様において、多孔質材を補強する方法は、多孔質材の第１面から多孔質材の第２面に延びる貫通孔を多孔質材に形成することを含む。本方法は、貫通孔を介して多孔質材の第１面から多孔質材の第２面に到達することをさらに含む。本方法は、多孔質材の第２面において少なくとも１つの繊維束を保持することをさらに含む。本方法は、多孔質材の貫通孔内に少なくとも１つの繊維束を引き込むことをさらに含む。貫通孔を多孔質材に形成することは、回転および振動の少なくともいずれか一方を行っている針によって多孔質材を穿孔することを含む。
【００１１】
本発明の第２の態様において、本発明の第１の態様に記載の方法によって多孔質材を補強するための針は円柱状シャフトを備えている。この針は、円柱状シャフトの先端に刃先をさらに備えている。針は、繊維束を保持するために円柱状シャフトと一体に形成されているフックをさらに備えている。
【００１２】
本発明は、多孔質材コアの貫通に要する力が効果的に低減されるように針を用いることによって、結合発泡コア技術を向上させて、コストまたは重量を顕著に増加させることなくコアの密度および厚さの増加を可能とすることを意図している。
【００１３】
結合発泡コア技術は、多孔質材を補強するための繊維束の挿入を、孔の形成時に同時に行わないという着想に基づくものである。第１工程において最初に貫通孔が多孔質材に形成され、次いで、第２面の反対側に準備された繊維束が、第１面の方向に貫通孔内に引き込まれる。対象となる多孔質材は、互いに反対側の表面を備えた立体形状を有する場合もあり、表面が平行であるのは形状が単純である場合のみである。サンドイッチ構造は、立体的な湾曲や急激に変化する厚さを有している場合が多い。
【００１４】
本発明は、多孔質材の貫通を容易にするために振動／揺動および／または回転動作を行う針を用いる。このため、従来の針の代わりに、刃状／ドリル状の縁端および／または先端部を有するドリルビットとして本質的に機能する本発明の針が用いられる。しかしながら、本発明において、回転を伴わない振動／揺動を行う針を用いてもよい。振動の周波数は、それぞれの使用事例に応じて変更することが効果的である。例えば、針の振動は超音波型であってもよい。特定の用途に応じて他の振動周波数が好ましい場合があることは当業者に明らかである。さらに、本発明の針は、繊維束を受容するフックを有するように構成されている。このため、本発明の針においては、ドリルビットの特徴と従来の縫い針の特徴とが組み合わされている。振動および／または回転動作（つまりドリル加工）を行うために、貫通孔を形成するトルクおよび軸方向の力をもたらす機械的および／または電気的ドリル構造に針が接続されていてもよい。断面が過度に大きい貫通孔の形成を避けるために、針のシャフト径を可能な限り小さくしてもよい。特に、針シャフトの断面は、貫通孔を通って引かれる繊維束の太さよりも大きくしない（または、伸張された初期状態における繊維束の単一太さの２倍よりも大きくしない）ように構成してもよい。本発明の方法および針を用いることによって、コストまたは重量を顕著に増加させることなくコアの密度および厚さを大きくすることができ、例えば、１００ｍｍを超えるコア厚さおよび７０ｋｇ／ｍ３を超えるコア密度が達成可能である。本発明による針のシャフト太さは１ミリよりも小さくてもよい。しかしながら、特定の使用事例においては、１ミリまたは数ミリ（２、３または４ミリ）のシャフト太さが好ましい場合もある。
【００１５】
本発明において多孔質材という用語は、サンドイッチ構造内のコア材として好適に使用可能な任意のコア材を指す。多孔質材は実際の多孔質材から構成されていることが好ましいが、本発明においては、例えばフェルトや他の不織布等の布から構成してもよい。例えば、記載の方法において、他の側面における特性を向上するために、特にフェルトや不織布等の半完成状態の布を問題なく使用可能である。本発明において、繊維束という用語は、複数の個々の繊維またはモノフィラメントからなるロービング、個々の繊維、および個々の繊維または繊維束を撚り合わせて形成された糸を指す。本発明において、繊維束の太さという用語は、圧縮状態の個々の繊維が全て集まった集合を指す。
【００１６】
多孔質材は任意の多孔質材にて構成することができるが、航空分野においては高品質の剛性ＰＭＩ多孔質材の使用が有利である。しかし、当然ながら、例えばポリ塩化ビニルやポリウレタン等からなる他の多孔質材を用いてもよい。本発明による方法を多孔質材の補強に用いる代わりに、本発明において「多孔質材」という包括的用語に含まれるフェルトや他の不織布等の布の補強に本発明による方法を用いてもよい。
【００１７】
貫通孔は多孔質材内において任意の角度位置に形成できる。貫通孔の配向は、補強される多孔質材の各形状や、動作条件において予想される荷重状態等に合わせて個別に調節可能である。本発明の方法においては、特定の荷重および用途に合わせてサンドイッチ構造を構成できる。
【００１８】
上述したように、少なくとも１つの繊維束が多孔質材の第２面の反対側において準備される。繊維束の保持を容易に行うために、第２面の近傍において例えば直線状に伸張された状態の繊維束が貫通孔の領域において保持される。このため、フック等によって繊維束を確実に保持できる。このような直線状に伸張された繊維束を貫通孔を通って引くために保持する際には、繊維束を最初に二重にしてループを形成してもよい。この場合、最終的に貫通孔内を延びるフィラメント（モノフィラメント）の数は、初期状態の繊維束の個々の繊維の数の２倍になる。または、保持または把持されるループを事前に形成しておき、折り曲げ工程を省略できるようしてもよい。使用される繊維材料の例としては、アラミド繊維、炭素繊維、ナイロン繊維、ポリエステル繊維、金属繊維およびガラス繊維が挙げられるが、他の繊維材料も使用可能である。
【００１９】
本発明による方法は、様々な分野で用いられる多孔質材の特定の機械特性を向上できる。このような補強された多孔質材は、材料コストおよび重量を抑えつつも厳しい剛性要件を満たすことが重要である用途において主に使用される。航空分野および宇宙航空分野はこのような補強された多孔質材を用いる分野の代表的な例であるが、これは、これらの分野においては構造部材の剛性もしくは強度に関する要件ならびに最軽量化の要件を常に満たす必要があるためである。航空技術および宇宙航空技術においては、本発明の方法によって、例えばフラップ、方向舵、機体構造、パネル部品または内装部品を製造できる。さらに、自動車、建設または家具の産業分野や、重量を抑えつつも厳しい剛性要件を満たす材料が必要とされることの多い他の分野において本発明の方法を用いることができる。上記の剛性に加えて断熱および／または遮音特性が重要である全ての事例においても本発明の方法を用いることができる。これは、本発明において用いられる材料は容易に圧縮できるため、断熱および遮音特性を必然的に備えているためである。
【００２０】
上記の方法によって繊維束を用いて多孔質材を補強するためには、この方法を複数回繰り返して、複数の位置において多孔質材に繊維束を挿入する必要がある。したがって、少なくとも１つの繊維束が貫通孔を通って多孔質材内に引き込まれた後に、別の位置でこの方法が新たに開始される。後で繊維束を引き通すために上記の方法によって１つの孔を多孔質材の１つの位置のみに形成するのではなく、複数の位置において上記の方法を同時に行ってもよい。例えば、複数の針で多孔質材を同時に穿孔し、対応する数の繊維束を多孔質材の反対側に準備することによって、各繊維束が針によって保持もしくは把持されて、針によって形成された貫通孔を通って多孔質材内に引き込まれるようにしてもよい。また、繊維束を準備する工程を適宜構成することによって、複数の孔を接続する１つの繊維束を形成してもよい。
【００２１】
本発明の好適な実施形態および改良例は、従属請求項に記載されている。
方法の一実施形態においては、針は多孔質材をドリル加工して貫通孔を形成する。ドリル加工は針の回転動作によって達成されてもよく、針は、螺旋状溝および刃先を備えているドリルビットとして構成されてもよい。
【００２２】
針の一実施形態においては、円柱状シャフトに少なくとも１つの螺旋状溝が形成されている。より詳細には、円柱状シャフトに複数の螺旋状溝が形成されていてもよい。螺旋状溝は、ドリル工程において余分な材料を効率的に除去する上で特に好適である。
【００２３】
方法の一実施形態においては、針に引っ掛けられることによって少なくとも１つの繊維束が保持される。このため、針の先端部には、片側に開口を有するアイレットが形成されている。繊維束は、この側面開口を介して針先端領域のアイレットに挿入可能となっている。しかしながら、繊維束を引っ掛ける手段は、針の別の構成によってもたらされてもよい。
【００２４】
本発明の一実施形態においては、少なくとも１つの繊維束は、針と一体に形成されている溝に引っ掛けられる。これに合わせて、針の一実施形態においては、針の円柱状シャフト内の溝としてフックが形成されている。このように、繊維束を引っ掛けて保持するためのフック状溝が一体に形成されているドリルビットとして針を構成してもよい。ドリル加工は、針の回転によって達成されてもよい。別の工程において、繊維束を引っ掛けて貫通孔内に引き込むために針の溝内に繊維束を挿入してもよい。
【００２５】
針の一実施形態においては、溝が円柱状シャフトの側面を少なくとも部分的に囲むように延びている。この実施形態においては、針に対して中心的に荷重が加えられる。円柱状シャフトは、シャフトの構造を弱らせるおそれのある顕著な開口、刻み目または穴等が無いように堅固に形成される。このため、最適な強度および耐荷重性を有する針が提供される。
【００２６】
方法の一実施形態においては、貫通孔を形成する前および間の少なくともいずれか一方において針が加熱される。このようにして、貫通工程を容易にするために熱が加えられている。針は、多孔質材の穿孔の前に直接的に加熱してもよいし、さらに／または、多孔質材の貫通時に回転または振動によって摩擦熱が発生するように設計してもよい。
【００２７】
方法の一実施形態においては、多孔質材に貫通孔を形成することが、貫通孔を予めドリル加工することを含む。例えば、針を用いて多孔質材を穿孔して繊維束を引くために貫通孔を介して到達する工程の前に、ドリル工程を追加してもよい。このドリル工程は別のドリルを用いて行ってもよく、別のドリルは機械的、光学的（例えばレーザー）または音響的（例えば超音波）等であってもよい。または、他の周知のドリル方法を採用してもよい。このようにして、例えば多孔質材の密度が非常に高い場合でも、後続する針の貫通を容易に行うことができる。予めドリル加工された貫通孔は後で針によって拡張してもよい。
【００２８】
方法の一実施形態においては、貫通孔内に少なくとも１つの繊維束を引き込むことが、針に続いて少なくとも１つの繊維束が貫通孔内に引き込まれるように針を貫通孔内に引き込むことを含む。このため、貫通孔内に引き込まれるときに繊維束が針のシャフトに対して平行に延びるのではなく、針のシャフトの後に続いており、針の先端領域のみにおいて針と重なっている。針は先端領域において太さが最も小さくなっており、繊維束の太さに与える影響はわずかである。このため、針が引き戻される際に、形成される貫通孔が大きくなってしまうという問題が防止される。
【００２９】
方法の一実施形態において、繊維束が貫通孔を通って引かれる際に圧縮されるように、貫通孔を通って引かれる繊維束の太さの２倍よりも小さい断面を有するように貫通孔が形成される。多孔質材に形成された貫通孔の大部分が樹脂によって埋められることによるサンドイッチ型部材の重量の好ましくない増加および剛性の低下を防止するために、繊維束が貫通孔を通って引かれる際に圧縮され、場合によっては貫通孔が若干拡張されるように、貫通孔を通って引かれる繊維束の太さよりも貫通孔の断面を小さくしてもよい。これによって、サンドイッチ型部材の密度を低く維持できるだけでなく、圧縮工程において繊維束の個々の繊維が真っ直ぐ引かれるため、個々の繊維が貫通孔内において略直線状に延びている状態が確保される。
【００３０】
方法の一実施形態においては、貫通孔内に引き込まれた少なくとも１つの繊維束を、第１面および第２面の少なくとも一方と面一に終端するように切断することが含まれる。方法の別の実施形態においては、貫通孔内に引き込まれた少なくとも１つの繊維束を、第１面および第２面の少なくとも一方と接触させて配置することが含まれる。補強する多孔質材がサンドイッチ構造を有している場合、第１面および／または第２面はサンドイッチ構造の被覆面または被覆層として形成してもよい。この場合、先に形成された貫通孔は、多孔質材だけでなく、多孔質材を被覆している２つの被覆層も通って延びており、繊維束がこれらの３つの層を通って延びる。当然ながら、被覆されていない多孔質材に上記の方法によって繊維束を挿入し、次いで、両面にそれぞれ被覆層を配置してもよい。繊維束の突出している端部は、被覆層と多孔質材との間に置かれて接合もしくは積層させてもよい。
【００３１】
方法の一実施形態においては、第１面および第２面の少なくとも一方に被覆層を形成することがさらに含まれる。このため、この方法によってサンドイッチ型部材の製造および／または補強を行うことができる。サンドイッチ型部材は、少なくとも１つの貫通孔が形成された多孔質材のコアと、貫通孔内に配置された少なくとも１つの繊維束とを有している。多孔質材のコアは、第１面と第２面との間を延びる複数の貫通孔を有していてもよい。この場合、これらの貫通孔のそれぞれを通って繊維束が引かれる。そして、繊維束の個々の繊維は各貫通孔内を直線状に延びていてもよい。貫通孔の断面は、少なくとも１つの繊維束によって略完全に埋められていてもよい。繊維束が貫通孔に引き込まれる際に圧縮されるように、貫通孔を通って引かれる少なくとも１つの繊維束の太さの２倍よりも少なくとも１つの貫通孔の断面を小さくしてもよい。サンドイッチ型部材は、第１面および第２面の両方にそれぞれ１つずつ形成された被覆層をさらに有していてもよい。少なくとも１つの繊維束は、第１面および第２面の少なくとも一方と面一に終端してもよいし、または、第１面および第２面の少なくとも一方と接触して平らに配置されてもよい。
【００３２】
このようなサンドイッチ型部材は、高い強度または剛性を有し、軽量である。この剛性と重量との最適な比率は、貫通孔が略完全に繊維束によって埋められているため貫通孔内における樹脂の割合が低く維持されることに起因している。このような剛性を有しているサンドイッチ型部材は、重量を最小に抑えつつ高い剛性が重要視される全ての用途において用いることができる。本発明によるサンドイッチ型部材の重要な用途としては、軽量化が必然的に常に求められる航空分野および宇宙航空分野が挙げられる。航空分野および宇宙航空分野においては、本発明によるサンドイッチ型部材として例えばフラップ、方向舵、機体構造、パネル部品または内装部品を製造できる。他の適用分野としては、自動車、建設または家具の産業分野や、剛性と重量の比率が最適化されていることが重要である場合の多い他の分野が挙げられる。
【００３３】
サンドイッチ型部材は概して少なくとも３つの層（コアおよび２つの被覆層）を有しているため、複数の貫通孔が一方の被覆層から他方の被覆層へ直接的に延びていてもよい。つまり、サンドイッチ型部材の第１面および／または第２面は被覆層によって形成されていてもよい。したがって、繊維束は、被覆層を含んだサンドイッチ型部材全体を通って延びていてもよい。
【００３４】
方法の一実施形態においては、少なくとも１つの繊維束を収容している貫通孔をマトリクス材で埋めることがさらに含まれる。個々の繊維間および繊維と多孔質材との間の最終的な接合をもたらすために、後の工程において、少なくとも１つの繊維束を収容している貫通孔に樹脂を浸透させてもよい。この浸透は、例えば、多孔質材の片側に負圧をかけて反対側に位置する樹脂を貫通孔を介して吸引することによって達成される。または、他の周知の浸透方法を採用してもよい。
【００３５】
添付の図面に示される例示的実施形態を参照して、本発明の詳細を以下に説明する。
添付の図面は本発明の理解を助けるものであり、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成している。図面は本発明の実施形態を示し、詳細な説明とともに本発明の趣旨を説明するものである。本発明の他の実施形態および本発明の意図する利点は、以下の詳細な説明を参照して理解することにより容易に分かる。図面の要素は必ずしも互いに縮尺どおりではない。全図において、別途記載しない限り、類似または機能的に類似の部材には類似の符号が付されている。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の一実施形態による方法の初期状態を示す図。
【図２】本方法において図１の初期状態に続く複数の工程を示す図。
【図３】本方法において図２の工程に続く工程を示す図。
【図４】図２および３の工程後の、繊維束が挿入された多孔質材を示す図。
【図５】本発明の別の実施形態による方法によって補強されたサンドイッチ型部材を示す図。
【図６】本発明のさらに別の実施形態による方法によって補強されたサンドイッチ型部材を示す図。
【図７】本発明の別の実施形態による針を示す図。
【図８】図１〜４の方法の特定の工程を示す概略図。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本明細書においては特定の実施形態を図示および説明するが、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な代替的実施例および／または同等の実施例を図示および説明される特定の実施形態の代わりに実施できることは当業者に理解される。本出願は、本明細書に記載される特定の実施形態の適用例または変形例を対象として含むよう概して意図されている。
【００３８】
図１に、多孔質材１の穿孔前の状態の針８を示す。針８は先端にアイレット領域を有している。アイレット領域の片側は開口しており、繊維束３を保持するためのフック１１として機能する（図２および３参照）。多孔質材１は例えば剛性のＰＭＩ多孔質材またはより品質の低い多孔質材、例えばＰＶＣ多孔質材やポリウレタン多孔質材等からなる。多孔質材１は、例えばフェルトや他の不織布等の布材料から構成してもよい。図１に示すように、針８は上下方向線に対して角度αをなすように配置される。角度αは、繊維束を多孔質材１に任意の角度αにて挿入するために０〜９０度の範囲において変更可能である。このため、サンドイッチ構造内で多孔質材１に加えられる特定の荷重状態を特に考慮して、「カスタムされた」補強を行うことができる。図面が二次元であるため、角度αは二次元的に示されているが、当然ながら、角度αは、貫通孔と後で配置される繊維束とが多孔質材１内において任意の立体角に配置されるような立体角であってもよい。
【００３９】
一実施形態においては、針８はその先端にかけてテーパーしている円形シャフト９を有している。針８の先端領域にはアイレットが形成されており、アイレットの片側には針８のアイレット領域内に繊維束３を挿入するために開口が設けられている。針８のアイレット領域は、先端まで連続的に延びる第１突出部と、円形シャフト９の方向に戻るように延びる第２突出部とを有している。第２突出部はシャフトには到達しないように先端から（凸状に湾曲した形状にて）延びている。しかしながら、図７を参照して後述するように、針８は様々な異なる方法にて構成することができ、特に、縫い針の特徴とドリルビットの特徴とを組み合わせた「ドリル針」として形成してもよい。図１の矢印は針８の穿孔動作を示しているが、これについては図２を参照して後述する。詳細には、この動作は針８の回転および／または振動および／または揺動を含んでいる。
【００４０】
図２に、方法Ｍにおいて針８の先端部が多孔質材１を貫通した直後の状態を示す。この貫通によって、多孔質材１には、立体角αをなして多孔質材１を通って延びる貫通孔２が形成されている。多孔質材１の下側すぐ近くにおいてループ状に成形された繊維束３（２４Ｋロービング等）が、多孔質材１の針８の出口領域の下側に配置されている。このため、繊維束３のループを針８にて保持もしくは把持することができ、針８が引き戻されたときに繊維束３が多孔質材１内に引き込まれる。
【００４１】
図２の矢印に示すように、針８による多孔質材１の穿孔には、針８の回転および／または振動および／または揺動が含まれる。針８の回転動作および／または振動動作によって多孔質材１の貫通に要する力が効果的に低減され、コストまたは重量を顕著に増加させることなくコアの密度および厚さを大きくすることが可能となる。針８は図２に示すように構成することができる。もしくは、例えば図７に示すように針８をドリルのような形状にして、貫通孔２を「ドリル加工」することによって貫通性能を向上させてもよい。多孔質材１の貫通をさらに容易に行うために、方法Ｍに、針８を加熱する工程や、別のドリル等で貫通孔２を予めドリル加工する工程を加えてもよい。別のドリルは、機械的なドリルやレーザー等であってもよい。例えば、別のドリルを用いて貫通孔２を予めドリル加工し、次に第２のドリル工程および／または貫通工程において、ドリルビットのように形成された針８を用いて貫通孔２を拡大させてもよい。
【００４２】
図２においては、図示を明瞭にするために繊維束３をループ状に示しているが、実際には繊維束３は多孔質材１の下に配置され、多孔質材１に対して平行になるように直線状に伸張されている。このため、多孔質材１の下の伸張された繊維束３を針８を用いて保持できる。繊維束３は単一の厚さＳを有し、図２に示すループ状の繊維束部分は二重厚さ２Ｓをおおよそ有している。
【００４３】
図３においては、針８はすでに多孔質材１から再度引き戻されている。この引き戻しによって、針８によって保持もしくは把持された繊維束３が、多孔質材１の下側において貫通孔２内に引き込まれている。繊維束３は、貫通孔内に進入する際に圧縮されてもよい。圧縮は、引き込まれる繊維束の二重厚さ２Ｓよりも、針８の断面ひいては貫通孔２の断面が小さい場合に発生する。この圧縮および針８が繊維束に加える張力によって、繊維束３の個々の繊維は貫通孔２内において略直線状に整合されて互いにきつく押し合っている。このため、個々の繊維同士の間のスペースは非常に小さい。
【００４４】
図４においては、繊維束３の全体が角度αにて多孔質材１内に引き込まれており、針８はすでに繊維束３から離れている。例えば、図５に示すように後で貫通孔２に樹脂を浸透させるために、この段階で繊維束３を多孔質材１の各面と面一になるように切断してもよい。または、図４に示す繊維束３の端部を多孔質材１の各面に接触して配置してこれらの面に接合してもよい。この接合は、繊維束３の端部が多孔質材１の各面に密接して接合されるように多孔質材１の両面に被覆層７（図５には図示されていない）を積層すること等によって達成できる。
【００４５】
繊維束３を引き通すためにサンドイッチ型部材のコアに上記のように１つの貫通孔２を形成するだけではなく、後で繊維束３をサンドイッチ型部材５全体を通って引くために、図６に示すように被覆層７にも針８を貫通させてもよい。この場合においても、繊維束３の端部は、被覆層７上に平らに置かれて被覆層７に接合させてもよいし、図６に示すように被覆層７と面一になるように切断してもよい。サンドイッチ型部材５は、例えば航空機または宇宙機の客室内のライニング材であってもよい。または、サンドイッチ型部材５は、例えば航空機または宇宙機のフラップ、方向舵または全体的な機体構造の一部であってもよい。
【００４６】
図７に、本発明の別の実施形態による針８を示す。この針８は、図１〜４に示す方法Ｍにおいて代替的に用いてもよい。図２に示す針８と異なり、図７に示す針８は「ドリル針」として形成されている。針８は円柱状シャフト９を有し、円柱シャフト９には、円柱状シャフト９の側面を囲む螺旋状溝１２が形成されている。円柱状シャフト９の先端には刃先１０が形成されている。円柱状シャフト９の先端近くにおいて円柱状シャフト９にフック１１が一体に形成されており、繊維束３（ループ状繊維束）を保持できるようになっている。フック１１は円柱状シャフト９内の溝１３として形成されており、円柱状シャフト９の側面を少なくとも部分的に囲んでいる。溝１３は螺旋状溝１２と同様に形成されているが、螺旋状溝１２とは傾斜角度が異なっている。繊維束３を引っ掛けるために機能するフック１１は様々な実施形態において実施することができ、図示された構成は例示にすぎないことは当業者に理解される。
【００４７】
図８は、図１〜４の方法の特定の工程を示す概略図である。方法Ｍは、Ｍ１において、多孔質材１の第１面から多孔質材１の第２面に延びる貫通孔２を多孔質材１に形成することを含む。この工程は、回転および／または振動している針８で多孔質材１を穿孔することを含む。より詳細には、針８は多孔質材１をドリル加工することによって貫通孔２を形成してもよい。このため、針８と一体に形成された溝１３に引っ掛けられることによって少なくとも１つの繊維束３が保持される。必要に応じて、さらに針８を加熱してもよい。加熱は、多孔質材１の穿孔前および／または穿孔中に行うことができる。また、必要に応じて、針８で多孔質材１を穿孔する前に貫通孔２を予めドリル加工してもよい。
【００４８】
方法Ｍは、Ｍ２において、貫通孔２を介して多孔質材１の第１面から多孔質材１の第２面に到達することをさらに含む。方法Ｍは、Ｍ３において、多孔質材１の第２面において少なくとも１つの繊維束３を保持することをさらに含む。方法Ｍは、Ｍ４において、多孔質材１の貫通孔２内に少なくとも１つの繊維束３を引き込むことをさらに含む。
【００４９】
方法Ｍは、Ｍ５において、貫通孔２内に引き込まれた少なくとも１つの繊維束３を、第１面および第２面の少なくとも一方と面一に終端するように切断することをさらに含んでいてもよい。または、方法Ｍは、Ｍ５’において、貫通孔２内に引き込まれた少なくとも１つの繊維束３を第１面および第２面の少なくとも一方に接触させて配置することを含んでいてもよい。さらに、方法Ｍは、Ｍ６において、第１面および第２面の少なくとも一方の上に被覆層７を形成することを含んでいてもよい。さらに、方法Ｍは、Ｍ７において、少なくとも１つの繊維束を収容している貫通孔をマトリクス材で埋めることを含んでいてもよい。
【００５０】
上記の記載においては、効率的な開示を目的として様々な特徴が１つまたは複数の実施例においてまとめられている。上記の記載は例示であり、限定的でない。全ての代替例、変更例および均等例が対象の範囲となるように意図されている。他の多くの実施例が本明細書によって当業者に明らかとなる。
【００５１】
上記の実施形態は、本発明の趣旨およびその実際の適用を最も良く説明するものであり、検討される実際の使用に合わせて様々な変更例と共に本発明および様々な実施形態を当業者が適宜実施できるように記載されている。他の多くの実施例が本明細書によって当業者に明らかとなる。
【符号の説明】
【００５２】
１…補強された多孔質材、２…貫通孔、３…繊維束、４…穿孔角度α、５…サンドイッチ型部材、６…平らに接合された繊維端、７…被覆層、８…針、９…円柱状シャフト、１０…刃先、１１…フック、１２…螺旋状溝、１３…溝、１００…航空機、Ｍ…方法、Ｍ１…方法工程、Ｍ２…方法工程、Ｍ３…方法工程、Ｍ４…方法工程、Ｍ５…方法工程、Ｍ６…方法工程、Ｍ７…方法工程
【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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