(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法であって、前記方法は少なくとも以下のステップを含み、即ち、
ａ）繊維複合材料から形成され、中空体に構成されるモールド成形体（５）を提供し、前記モールド成形体が除去可能な強化繊維と可溶性のプラスチックマトリックスを有し、前記プラスチックマトリックスが溶剤による可溶性のマトリックス材料からなり、
前記モールド成形体（５）を提供することは、
可溶性のマトリックス材料により浸漬されたシートを据え付け、前記シートが織物、または一方向の屈曲なしの織物からなり、
或いは、
浸漬されていない織物または浸漬されていない、一方向の屈曲なしの織物を据え付けるとともに、可溶性のマトリックス材料により、層ごとに浸漬することを含み、
ｂ）少なくとも一つの複数のフィルム状の層を有する真空構造（６）または圧力ホースを前記モールド成形体（５）の外面に配置し、
ｃ）中空梁プリフォーム（３）を形成するように、前記中空梁の強化繊維（７）を、前記モールド成形体（５）の外面に設けられる前記真空構造（６）の外面または圧力ホースの外面に据え付け
ｄ）前記中空梁プリフォーム（３）を外部金型（４）に配置し、
ｅ）マトリックス材料により、前記中空梁の強化繊維（７）を浸透させ、
ｆ）真空構造（６）と前記外部金型（４）の内面との間に負圧を発生させ、または前記モールド成形体（５）の外面と圧力ホースとの間に過圧を発生させ、
ｇ）前記中空梁（１）における前記外部金型（４）の内面に成形される外面を構成することで、前記中空梁（１）における強化繊維（７）とマトリックス材料とからなる繊維複合体を補強し、
ｈ）前記外部金型（４）から、補強された前記中空梁（１）を取り出し、
ｉ）溶剤による溶解を介して、前記モールド成形体（５）の可溶性の前記プラスチックマトリックスを除去し、
ｊ）前記中空梁（１）の端側（２）の一つを介して、前記モールド成形体（５）の前記除去可能な強化繊維を除去することを特徴とする繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項２】
ステップａ）において前記モールド成形体（５）を提供することは、
繊維複合材料からなる前記モールド成形体（５）の外面を、ツーピース型またはマルチピース型の外部金型の内面に成形させ、
或いは、
繊維複合材料からなる前記モールド成形体（５）の内面を、内部金型としての芯の外面に成形させることを含むことを特徴とする請求項１に記載の繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項３】
前記モールド成形体（５）のマトリックス材料は水溶性であることを特徴とする請求項１または２に記載の繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項４】
前記モールド成形体（５）のマトリックス材料はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）であることを特徴とする請求項３に記載の繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項５】
前記真空構造（６）は真空フィルムからなる少なくとも一つの層を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれかの一項に記載の繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項６】
前記真空構造（６）は半透膜からなる少なくとも一つの層を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれかの一項に記載の繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項７】
ステップｃ）において、編むように前記中空梁の強化繊維（７）の据え付けを行うことを特徴とする請求項１〜６のいずれかの一項に記載の繊維複合材料から中空梁（１）を製造するための方法。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれかの一項に記載の方法により繊維複合材料から製造された中空梁（１）の、鉄道車両の台車のフレームのための長手方向梁または横梁としての使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は繊維複合材料から中空梁を製造するための方法、中空体に構成される芯及びその応用、繊維複合材料から形成される中空梁の応用に関わる。
【背景技術】
【０００２】
繊維複合材料（繊維プラスチック複合材料、ＦＫＶ材料とも呼ばれる）から中空部材を製造する場合に、一部が非常に複雑な幾何学的構成を有する芯形態での、繊維据付のためのモールド成形体を利用する。
【０００３】
原則として、以下の可能性があり、即ち、永久芯を利用し、前記永久芯は、例えば抜きテーパまたは熱収縮により、部材から取り出されることができる。底凹部及び/または湾曲部を有する複雑な幾何学的構成において、芯は容易に取り出されることができないため、このような場合に、一般的にはロストコアを利用する。芯は十分なサイズの精度を有しなければならなくて、自動化の方法における応用の可能性を提供するとともに、複雑な幾何学的構成の製造を実現することができる。
【０００４】
また、繊維据付のための芯は非常に安定していなければならなくて、なぜならば、例えば機械により編み付けまたは巻く際に、大きい引張力及び/または圧力が芯に作用するからだ。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来技術から、例えばＤＥ１０２０１１０８５０２９Ａ１から、発泡プラスチックからなる芯の応用が既知になり、前記芯は繊維据付が行われた後に、部材に残される。不利なのは、発泡プラスチックは制限される機械安定性のみを有する。また、芯が部材に残されるのは、いろんな応用にとって不都合である。
【０００６】
ＥＰ１１９７３０９Ｂ１はワックスから形成されるロストコアの利用を記載し、前記コアは部材が製造された後に溶融され、形成される部材に存在しない。不利なのは、前記方法は非常に時間がかかり、なぜならば、例えば相応的にワックスが完全に凝固するまでに待たなければならないからだ。また、ワックスを芯材料とするのは、制限されるように抗張及び耐圧のみである。
【０００７】
同じように、制限される安定性のため、水溶性の材料からなる洗い流される可能な芯、例えば「水芯（Ａｑｕａｃｏｒｅ）」は、大きい引張力及び/または圧力を発生させる応用にとって適当ではない。
【０００８】
ＤＥ１０２００８０１６６１６Ａ１は中空の繊維複合部材を製造するための方法を記載し、繊維からなるパリソンは直接的に芯に巻かれまたは編み付けられ、或いは編まれるとともに、その直後、パリソンと芯が注型のチャンバに挿入され、芯として、プラスチックから製造された中空体を利用する。これは特にブロー金型に関わる。
【０００９】
ＤＥ１０２０１００５６２９３Ａ１は、中空の繊維複合部材を製造するための方法を説明して、破棄される初期金型、特にブロー金型は強化繊維からなる少なくとも一つの層により囲まれ、その後、再利用可能な、ホース状のモールド成形体を構成するように、前記層が弾性シール剤により、分離不可になるように被覆され、強化繊維と弾性シール剤は、強化繊維がモールド成形体の内面と外面との間に交互されるように配置される。その後、モールド成形体を膨張させるとともに、繊維複合部材の強化繊維により占められる。不利なのは、前記方法は非常に時間がかかり、且つ主に薄肉の繊維複合部材の製造に適する。
【００１０】
本発明は、従来技術の前記欠陥を克服するとともに、特に肉厚の繊維複合部材を製造することに適するように、中空梁形態を呈する複雑な繊維複合部材を製造するための方法及び所属する芯を提出することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的は請求項１に記載の特徴を有する、本発明による方法により実現される。前記目的はさらに請求項９の特徴を有する芯により実現される。本発明の好適な改良方案は従属請求項のテーマである。
【００１２】
繊維複合材料から中空梁を製造するための、本発明による方法は少なくとも以下のステップを含み、即ち、
ａ）繊維複合材料から形成され、中空体に構成されるモールド成形体を提供し、前記モールド成形体は強化繊維と可溶性のプラスチックマトリックスを有し、前記プラスチックマトリックスが溶剤による可溶性のマトリックス材料からなり、
ｂ）少なくとも一つ、好ましくは複数のフィルム状の層を有する真空構造または圧力ホースを、モールド成形体の外面に配置し、
ｃ）中空梁プリフォームを形成するように、中空梁の強化繊維を、モールド成形体の外面に設けられる真空構造または圧力ホースの外面に据え付け、
ｄ）中空梁プリフォームを外部金型に配置し、
ｅ）マトリックス材料により、中空梁の強化繊維を浸透させ、
ｆ）真空構造と外部金型の内面との間に負圧を発生させ、またモールド成形体の外面と圧力ホースとの間に過圧を発生させ、
ｇ）中空梁における外部金型の内面に成形される外面を構成することで、中空梁における強化繊維とマトリックス材料とからなる繊維複合体を補強し、
ｈ）外部金型から補強された中空梁を取り出し、
ｉ）溶剤による溶解を介して、モールド成形体の可溶性のプラスチックマトリックスを除去し、
ｊ）中空梁の少なくとも一つの端側を介して、モールド成形体または真空構造の強化繊維を除去する。
【００１３】
本発明による方法を介して、相対的に簡単な処理方式で、特に繊維複合材料からなる肉厚の中空梁及び/または高い繊維体積含有量を有する中空梁を製造する。本発明による方法は、湾曲部、アンダーカットと断面変形が含まれる複雑な幾何学的構成の中空梁を許可する。中空で自己安定のモールド成形体は、本発明による方法のステップのなるべく自動化の可能性を有利的に展開させる。本発明による方法により製造される中空梁は、均一且つ蛇腹なしの外部輪郭を備える。
【００１４】
繊維として、適当なタイプの全ての強化繊維を利用してもよく、例えば自然繊維または人造繊維、ガラス繊維または炭素繊維またはアラミド繊維、或いは異なる繊維タイプの混合物であってもよく、好ましくは炭素繊維を利用する。
【００１５】
中空梁のマトリックス材料として、原則として、適当な全ての樹脂類を利用してもよく、特にエポキシ樹脂、ビニルエステルまたはポリエステル樹脂を利用する。
【００１６】
特に、ステップｅ）はステップｆ）の後に実行され、またはステップｆ）と組み合わせるように実行されてもよい。
【００１７】
本発明による方法の一実施形態において、ステップａにおいて繊維複合材料から形成され、中空体に構成されるモールド成形体を提供することは、モールド成形体の外面をツーピース型またはマルチピース型の外部金型の内面に成形させ、またはモールド成形体の内面を、内部金型としての芯の外面に成形させることを含む。
【００１８】
本発明による方法の他の実施形態において、ステップａ）が繊維複合材料から形成され、中空体に構成されるモールド成形体を提供することは、可溶性のマトリックス材料により浸漬されるプレインストールプレートを据え付け、前記プレインストールプレートが強化繊維織物または、好ましくは一方向の強化繊維の屈曲なしの織物からなり、或いは浸漬されていない強化繊維織物または浸漬されていない、好ましくは一方向の強化繊維の屈曲なしの織物を据え付けるとともに、可溶性のマトリックス材料により、層ごとに各々織物層または屈曲なしの織物層を浸漬させることを含む。
【００１９】
好ましくは、強化繊維織物または強化繊維の屈曲なしの織物からなるプレインストールプレートを据え付け、或いは、浸漬されていない強化繊維織物または強化繊維の屈曲なしの織物を据え付けるとともに、ツーピース型またはマルチピース型の外部金型において、層ごとに浸漬し、その後、適当なペアリング金型、例えば固定されたペアリング金型または圧力ホースにより、モールド成形体部件の繊維複合材料の補強を行って、金型からモールド成形体部件を取り出す。
【００２０】
または、好ましくは、強化繊維織物または強化繊維の屈曲なしの織物からなるプレインストールプレートを据え付け、或いは芯に強化繊維を巻くとともに、その後、マトリックス材料により浸漬し、内部金型として、前記芯は特に軽量金属、例えばアルミからなる芯であり、その後、適当なペアリング金型、例えば固定されたペアリング金型または圧力ホースにより、モールド成形体の繊維複合材料の補強を行う。内部金型の取り出しは、モールド成形体を分解することで行われる。
【００２１】
好ましくは、モールド成形体部件をモールド成形体に接合することは以下の方式で行われ、即ち、モールド成形体と同じタイプの繊維複合材料のプレインストールプレートが分離部位に設けられるとともに、モールド成形体の表面に接続される。
【００２２】
本発明による方法の他の実施形態において、モールド成形体のマトリックス材料は水溶性である。有利なのは、これによって、製造対象になる中空梁から簡単にモールド成形体を取り出す。
【００２３】
好ましくは、モールド成形体のマトリックス材料はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）である。有利なのは、ＰＶＡマトリックスを有するモールド成形体は特に安定で、且つ高荷重に耐えて、これによって、大きい引張力と圧力をよく吸収することができる。
【００２４】
本発明による方法のステップｂ）は、モールド成形体の外面には少なくとも一つ、好ましくは複数のフィルム状の層を有する真空構造が設けられることを含む。好ましくは、真空構造はホースになるように、モールド成形体をカバーする。特に好ましくは、真空構造は従来技術から既知になるＶＡＰ構造である（ＶＡＰ=ＶａｃｕｕｍＡｓｓｉｓｔｅｄ  Ｐｒｏｃｅｓｓ真空補助プロセス）。有利なのは、真空構造と特にＶＡＰ構造を利用することで、特に肉厚的の中空梁を製造する際の浸透品質を向上させる。
【００２５】
本発明による方法の他の実施形態において、真空構造は非通気の真空フィルムからなる少なくとも一つの層を有する。
【００２６】
本発明による方法の他方の実施形態において、真空構造は半透膜からなる少なくとも一つの層を有する。前記半透膜は通気で、中空梁のマトリックス材料にとって、不透過になるように構成される。
【００２７】
好ましくは、本発明による方法は、例えば特に荷重を受ける部位または孔の周囲に中空梁の繊維複合材料の厚肉化された壁の厚さという形態を呈する局所補強部を導入するための他方のステップを含む。そのため、ステップｂ）の後、例えば強化繊維の半製品または特にプレインストールされた強化繊維板を、中空梁の相応的な厚肉化されたい部位において、モールド成形体の外面に置いて、前記外面には真空構造または圧力ホースが設けられる。有利なのは、前記特に好適な実施形態は、本発明による方法により製造される中空梁の、パワーフローに合う設計方案を実現することができる。
【００２８】
本発明による方法の他の実施形態において、ステップｃ）において、編むように中空梁の強化繊維の据え付けを行う。中空のモールド成形体の質量が小さいから、有利的に編成ロボットを利用することができる。
【００２９】
また、本発明のテーマは、繊維複合材料から中空梁を製造するための、中空体に構成される芯にあり、前記芯はポリビニルアルコール（ＰＶＡ）からなるプラスチックマトリックスを備える。有利なのは、本発明による芯は水溶性であり、軽くて、高荷重に耐える。
【００３０】
本発明の他のテーマは、本発明による芯の、繊維複合材料から中空梁を製造するように繊維据付するための応用にある。
【００３１】
同じように、本発明の他のテーマは、本発明による方法により繊維複合材料から製造された中空梁の、鉄道車両の台車のフレームのための長手方向梁または横梁としての応用にある。有利なのは、このような長手方向梁または横梁は、特に小さい質量であることを特徴として、これは鉄道車両における省エネルギー化を実現する。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
図１は本発明による方法により、繊維複合材料から製造され、複雑な幾何学的構成を有する中空梁１を示す。中空梁１は鉄道車両の台車の長手方向梁として適用される。中空梁１は多重曲げられた外部輪郭と梁の長手方向に沿って変化される横断面を有する。中空梁１を製造するための芯（図示せず）の外部輪郭の形状は中空梁１の形状に対応する。中空梁１の強化繊維のＶＡＰ構造（図示せず）における据え付けは、少なくとも一部的に一つまたは複数の編みホイールによる編まれるように行われて、前記ＶＡＰ構造が芯（図示せず）に設けられる。強化繊維は炭素繊維であり、マトリックス材料として、エポキシ樹脂を利用する。中空梁内部から、芯のための水溶性のＰＶＡマトリックスを溶解し及び洗い流した後に、残された芯の残渣、例えば芯の強化繊維（同じように、炭素繊維である）及びＶＡＰ構造が中空梁１の開放された端側２を介して、中空梁内部から除去される。
【００３３】
図２が図解するように、中空梁プリフォーム３の外部金型４における配置形態を説明する。中空梁プリフォーム３（内から外へ）には中空梁の芯５、ＶＡＰ構造６及び強化繊維７が含まれる。芯５は水溶性のプラスチックマトリックス、特にＰＶＡマトリックスを有する繊維複合材料からなる中空体である。
【００３４】
芯５を被覆するＶＡＰ構造６は多層になるように構成されてもよく、通気でマトリックス材料にとって不透過の層以外、例えばさらに流動補助層、保護布と真空フィルム層を含む。真空フィルム層が芯に設けられる。中空梁の炭素強化繊維７はＶＡＰ構造６に据え付けられる。
【００３５】
中空梁プリフォーム３を外部金型４に実装した後に、中空梁の強化繊維７とＶＡＰ構造６との間の負圧チャンバ８における空気をポンプアウトすることで、負圧を発生させる。これによって、ＶＡＰ構造は中空梁の強化繊維７に加われるとともに、前記強化繊維を外部金型４の内面に向いて圧着させる。負圧チャンバ８における空気をポンプアウトしている期間において、中空梁のマトリックス材料を浸透させる時に、前記マトリックス材料は均一に強化繊維７を湿潤させ、高い浸透品質を実現する。
【００３６】
閉鎖な、芯に設けられる真空フィルム層を有する多層のＶＡＰ構造が、単一の真空フィルム層または圧力ホース（図示せず）により置換されると、薄肉の部材は、十分な浸透品質を実現することができる。圧力ホースを利用する場合に、負圧チャンバ８における負圧の代わりに、中間チャンバ９において過圧（overpressure）を発生させ、前記過圧により、圧力ホースを強化繊維７に押し付ける。
【００３７】
記載されたステップの後に、中空梁の繊維複合物の、向上された温度における補強が続いて実行される。
【符号の説明】
【００３８】
１  ・・・中空梁
２  ・・・端側
３  ・・・中空梁プリフォーム
４  ・・・外部金型
５  ・・・芯
６  ・・・ＶＡＰ構造
７  ・・・強化繊維
８  ・・・負圧チャンバ
９  ・・・中間チャンバ
【図１】
0006931069.tif 000002
【図２】
0006931069.tif 000003