(57)【要約】  複合ホイール（１００）のフェース部分（１０４）用の成形プリフォーム構成要素（２００）であって、成形プリフォーム（２００）は、中心軸（Ｙ）の周りを延在するハブ（２０６）を有し、成形プリフォーム構成要素（２００）は、５０ｂａｒの静水圧および６０〜２００℃の温度の成型条件下で、圧縮性が体積で＜２％の硬化複合繊維材料から形成されている。
2020531343.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合ホイールのフェース部分用の成形プリフォーム構成要素であって、前記成形プリフォームは、中心軸の周りを延在するハブを有し、前記成形プリフォーム構成要素は、５０ｂａｒの静水圧および６０〜２００℃の温度の成型条件下で体積が＜２％の圧縮性を有する硬化複合繊維材料から形成される、成形プリフォーム構成要素。
【請求項２】
前記中心軸の周りに環状に離間し、前記中心軸から遠ざかるように前記ハブの周囲から径方向外向きに延びる複数のフィンガーをさらに備える、請求項１に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項３】
前記成形プリフォームの圧縮性は、５０ｂａｒの静水圧の成型条件下で、体積基準で＜１％である、請求項１または２に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項４】
前記成形プリフォームは、６００ｋｇ／ｍ３と１３００ｋｇ／ｍ３の間、好ましくは８００〜１２００ｋｇ／ｍ３の密度を有する、請求項１、２または３に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項５】
前記成形プリフォームは、
・２０ＭＰａと８０ＭＰａとの間、好ましくは２０〜６０ＭＰａの引張強度、または
・１．５〜３０ＧＰａ、好ましくは１０〜２５ＧＰａの剛性、の少なくとも１つを有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項６】
前記成形プリフォームの表面は、少なくともＲａ＝０．２μｍの粗さを有する粗面を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項７】
前記粗面は、化学的にエッチングされた表面または機械的に摩耗された表面を含む、請求項６に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項８】
前記成形プリフォームは、連続繊維配置（ＴＦＰ）プライもしくはプリフォーム；単繊維方向プライからなる少なくとも１つの層；多方向繊維プライからなる少なくとも１つの層；もしくはファイバーパッチ配置（ＦＰＰ）プリフォーム；不織、等方性もしくは異方性繊維からなる少なくとも１つの層；等方性繊維配列；等方性繊維配列；フィラー；ガラス微小球；疎水性ヒュームドシリカ；エポキシ樹脂／硬化剤；細断された炭素繊維、粉砕された炭素繊維、またはそれらの組み合わせから形成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項９】
前記成形プリフォームは、
（ｉ）樹脂と、粉砕された炭素繊維と、中空ガラス微小球との混合物、
（ｉｉ）樹脂と粉砕された炭素繊維との混合物、
（ｉｉｉ）樹脂と細断された炭素繊維との混合物、または
（ｉｖ）実質的に樹脂のみ、から形成される、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１０】
前記成形プリフォームは、１〜５重量％、好ましくは１〜２重量％の疎水性ヒュームドシリカをさらに含む、請求項９に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１１】
前記粉砕された炭素繊維は、
２０ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍと１５ｍｍとの間、より好ましくは約１２ｍｍ、または、
５００ミクロン未満の長さ、好ましくは１００ミクロン未満、より好ましくは５０ミクロンと２００ミクロンとの間、のうちの少なくとも１つの長さを有する、請求項８、９または１０に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１２】
前記成形プリフォームの構成要素を包む硬化性マトリックス材料をさらに含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１３】
前記マトリックス材料は、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルエステル、エポキシ、熱可塑性プラスチック、またはそれらの組み合わせに基づく樹脂を含む、請求項１２に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１４】
前記成形プリフォームが中に含まれるように構成される複合ホイールのフェース部分の複合材料全体の熱特性と実質的に一致するように設計された熱特性を有する、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１５】
前記成形プリフォームは不完全な、または充分に硬化されていないプリフォームを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１６】
前記ハブは、前記中心軸の周りの形状が概ね円形である、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１７】
前記ハブは少なくとも１つの開口部を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１８】
前記ハブは、前記中心軸の周りに離間した少なくとも３つの開口部、好ましくは前記中心軸の周りに離間した少なくとも４つの開口部、好ましくは少なくとも５つの開口部を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項１９】
前記ハブは中央開口部を含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２０】
前記中央開口部は、前記開口部の一端にリムまたはフランジを形成する段差を含む、請求項１９に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２１】
前記ハブは、ほぼ平面の表面を有する第１の側と、前記第１の側の反対側にあり、概ね凹面または窪んだ面を有する第２の側とを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２２】
前記フィンガーは、前記ハブの前記平面の表面の周囲から各フィンガーの遠位端に向かって下向きに傾斜する表面を含む、請求項２１に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２３】
前記フィンガーの数は、前記複合ホイールの前記フェース部分に形成されるスポークの数に対応する、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２４】
前記フィンガーは、前記中心軸の周りに均等に離間している、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２５】
繊維プライ保持構成、
プライの縁部が位置するべき場所を視覚的に示すガイドライン、または
前記成形プリフォームの取り扱いを最適化するための保持／操作構成、の特徴のうちの少なくとも１つを含む、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２６】
前記成形プリフォームは、前記複合ホイールと一体的に形成されている、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォーム構成要素。
【請求項２７】
複合繊維ホイールのフェース部分を形成する方法であって、
複合繊維のフェース部分の繊維レイアップのハブ部分に、先行する請求項のいずれか１項に記載の成形プリフォームを配置するステップと、
前記成形プリフォームの周りに複合繊維要素をレイアップし、それによって複合繊維ホイールのフェース部分の成型前構造を形成するステップとを含む、方法。
【請求項２８】
前記フェース部分の成型前構造と接触する状態でマトリックス材料を与えるステップと、
前記フェース部分を硬化させるステップとをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記ホイールの各リム部分および前記フェース部分と接触してマトリックス材料を同時に与えるステップと、
前記ホイールの前記リム部分と前記フェース部分とを同時硬化するステップとをさらに含む、請求項２７または２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記複合ホイールの前記フェース部分の繊維レイアップの繊維要素は炭素繊維を含む、請求項２７〜２９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３１】
前記繊維要素は、プリプレグ、セミプレグ、織布もしくは不織布、マット、プリフォーム、プリコンソリデートプリフォーム、個々の繊維もしくは繊維の群、トウ、またはトウプレグの少なくとも１つとして与えられる、請求項２７〜３０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３２】
前記繊維要素は、少なくとも１枚のファブリックシート、好ましくは多軸ファブリックとして提供される、請求項２７〜３１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３３】
請求項１〜２６のいずれか１項に記載の成形プリフォームを含む複合ホイール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
相互参照
本出願は、２０１７年８月１８日に提出されたオーストラリア仮特許出願第２０１７９０３３２４号から優先権を主張し、その内容はこの参照により本明細書に組み込まれると理解されるべきである。
【０００２】
技術分野
本発明は、一般に、複合ホイールのフェース部分の製造に使用するための成形プリフォームに関する。本発明は、車両および／または飛行機用の複合炭素繊維ホイールに特に適用可能であり、以下においてはその例示的な用途に関連して本発明を開示することが便利であろう。しかしながら、本発明はその用途に限定されるものではなく、多種多様な複合型ホイールの製造補助として使用できることを理解されたい。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
本発明の背景の以下の議論は、本発明の理解を容易にすることを意図している。ただし、以下の議論は、言及された任意の資料が、出願の優先日におけるように公開され、公知であり、または一般的な一般知識の一部であった、という確認または承認ではないことを理解されたい。
【０００４】
複合ホイールは一般に、リム部分とフェース部分との２つの主要セクションを含む。リム部分は、タイヤを受け入れ、それが座するように構成された環構造を含む。フェース部分は、ホイールを車両に固定するために使用されるハブと、ハブとリムとの間を延在してハブとリムとを相互接続する一連のスポークまたはディスクなどの接続構造とを含む。横荷重、縦荷重、およびねじれ荷重がタイヤを介してホイールのリム部分に伝達され、それは次いで接続構造に曲げ応力およびねじれ応力を発生させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
出願人は、例えば国際特許公開ＷＯ２０１０／０２４４９５Ａ１に記載されている一体型複合ホイールを製造している。一体型複合ホイールの作成は、一般に、別個のリム部分金型および関連する補強、ならびにフェース部分金型および関連する補強の使用を必要とする。次いで、別個のリム金型部分およびフェース金型部分は、最終成型プロセスで相互接続され、複合ホイール全体が一体的に形成されることを可能にする。剛性、強度、寸法安定性のあるフェース部分、特にハブ部分およびそのスポークとの相互接続は、剛性と強度とを備えた機械的に効率的な構造を提供し、タイヤと道路との間で発生した荷重をリムを通してスポークに、および車両の車軸まで効率的に伝達することが望まれる。
【０００６】
複合ホイールのフェース部分のハブ部分は、選択された切断および成形繊維シートもしくはプリペグのレイアップを使用して、または鋳造、機械加工もしくは手動成形フォーム（ポリウレタンもしくは他の高密度独立気泡フォーム）インサートを使用して前もって形成されている。いずれの方法も、一旦部品が成型および硬化された後、体積的に安定した本体を形成することは確認されていない。繊維層間に積層されると、現在のフォームインサートは、その後の成型中および使用中の荷重中に上部繊維層および下部繊維層の動きを支持および／または制約しない。さらに、乾燥繊維層レイアップスタックは、表面仕上げ欠陥および内部亀裂につながる体積収縮に起因する製造欠陥を生じさせることがわかっている。
【０００７】
したがって、複合ホイールのフェース部分を形成する際に利用できる、改善された、または代替の成形プリフォーム／インサートを提供することが望ましいであろう。
【０００８】
発明の概要
本発明は、複合ホイール、好ましくは炭素繊維ホイールのフェース部分の繊維レイアップへの適合のためのレイアップ支援を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、第１の局面において、複合ホイールのフェース部分用の成形プリフォーム構成要素を提供し、成形プリフォームは、中心軸の周りを延在するハブを有し、成形プリフォームは、５０ｂａｒの静水圧および６０〜２００℃の温度（プロセス温度）の成型条件下で体積が＜２％の圧縮性を有する硬化複合繊維材料から形成される。
【００１０】
本明細書における「複合」という用語は、構造が積層されているか否かに関係なく、硬化または未硬化の繊維を含む任意のタイプの複合材料を意味することを理解されたい。さらに、硬化または未硬化のプリフォームおよびプリコンソリデートプリフォームは、複合材料および本体の重要な下位群である。
【００１１】
また、「硬化複合繊維材料」における「硬化（cured）」という用語は、複合繊維材料が少なくとも部分的な硬化プロセスを経て、複合繊維材料における硬化性マトリックス材料を固めた（harden）、硬化させた（cure）または凝固させた（set）ことを示すことも理解されたい。
【００１２】
したがって、本発明は、最小の体積変化を有するように設計された複合ホイールのフェース部分を形成するためのレイアップおよび成型プロセスで使用できる成形プリフォームを提供する。本発明によるプリフォームの使用は、ホイール成型プロセス全体において重要な特別な考慮事項を与えることなく、フェース部分の必要な構成の形成を支援することを意図している。成形プリフォームは、複合ホイールのハブおよびフェース部分の複合繊維およびファブリックのレイアップ中におけるレイアップ支援を提供する。
【００１３】
硬化複合繊維材料は、構造的こわさおよび／または固体性をプリフォームに与え、これを利用して、そのプリフォームの設計された構成を複合ホイール全体の形状および形態に保持することができる。したがって、成形プリフォームの圧縮性は制限されており、複合ホイールのフェース部分のレイアップおよび成型中に適切な体積を与え、体積変化を最小限に抑えることができる。したがって、複合ホイールのフェース部分のレイアップにおける本発明の成形プリフォームの使用は、成型された複合ホイールの構造に損傷を与える可能性のある望ましくない寸法および体積変化を最小限に抑え、より好ましくは回避する。成形プリフォームの圧縮性は、樹脂トランスファー成型（ＲＴＭ）プロセスのような樹脂成型プロセス中において５０ｂａｒの静水圧（樹脂射出時など）および６０〜２００℃のプロセス温度範囲の成型条件下において％体積測定値であることを理解されたい。
【００１４】
成型条件中のプロセス温度は、好ましい射出温度および硬化温度によって異なり得る。好ましいプロセス温度は約１２０℃（典型的には１２０℃＋／−３℃）である。しかしながら、プロセス温度は、６０〜１８０℃、好ましくは６０〜１５０℃、より好ましくは６０〜１４０℃の範囲であり得る。実施形態において、プロセス温度は１００〜２００℃、好ましくは１００〜１５０℃、より好ましくは１００〜１３０℃である。実施形態では、プロセス温度は１１０〜１５０℃、好ましくは１１０〜１３０℃である。
【００１５】
さらに、（以下でさらに詳細に説明するように）硬化複合繊維材料の使用により、材料がホイールで使用される複合繊維材料と実質的に一致するため、プリフォームに、複合ホイールの周囲の複合レイアップ材料と同様の熱特性および膨張特性が与えられる。
【００１６】
本発明の成形プリフォームの機械的特性は、所望の用途に合わせて調整することができる。上記で概説したように、複合繊維体の圧縮性は、５０ｂａｒの静水圧の成型条件下で＜２％体積でなければならない。いくつかの実施形態では、成形プリフォームの圧縮性は、５０ｂａｒの静水圧の成型条件下で体積が＜１．５％、好ましくは＜１％である。成型条件のプロセス温度は、前に示したものと同じである。
【００１７】
対象の成形プリフォームの他の機械的特性は以下を含む：
・密度−好ましくは６００ｋｇ／ｍ３と１３００ｋｇ／ｍ３との間、より好ましくは８００ｋｇ／ｍ３〜１２００ｋｇ／ｍ３である。いくつかの実施形態では、成形プリフォームの密度は５００〜１５００ｋｇ／ｍ３である。いくつかの実施形態では、成形プリフォームの密度は６００〜１４００ｋｇ／ｍ３である。いくつかの実施形態において、成形プリフォームの密度は８００〜１５００ｋｇ／ｍ３である；
・引張強度−好ましくは２０ＭＰａと８０ＭＰａとの間、より好ましくは２０〜６０ＭＰａである。いくつかの実施形態では、引張強度は３０〜８０ＭＰａ、好ましくは３０〜６０ＭＰａである。いくつかの実施形態では、引張強度は２０〜７０ＭＰａ、好ましくは４０〜７０ＭＰａである；
・剛性−好ましくは１．５〜３０ＧＰａ、好ましくは５〜３０ＧＰａ、より好ましくは８〜３０ＧＰａ、さらにより好ましくは１０〜２５ＧＰａである。いくつかの実施形態では、剛性は１．５〜１０ＧＰａである。他の実施形態において、剛性は８〜２５ＧＰａである。いくつかの実施形態では、剛性は２〜３０ＧＰａ、好ましくは１０〜２５ＧＰａである。
【００１８】
いくつかの実施形態において、成形プリフォームは、約４ＧＰａの剛性および約５０ＭＰａの引張強度を有する。
【００１９】
成形プリフォームの表面は、少なくともＲａ＝０．２μｍの粗さを有する粗面を有することが好ましい。この表面粗さは、成形プリフォームが複合ホイールのハブ部分の繊維レイアップに配置されたときに、そのハブ部分の周囲の材料と接合するのを助ける。粗面は、任意の好適な手段によって形成され得る。いくつかの実施形態では、粗面は、化学的にエッチングされた表面、機械的に摩耗された表面、または特別にテクスチャード加工された表面を含む。
【００２０】
成形プリフォームの熱膨張特性は、成形プリフォームが中に含まれるように構成される複合ホイールのフェース部分の複合材料全体の熱膨張特性に好ましくは類似するように、好ましくは実質的に一致するように、設計される。成形プリフォームと周囲の材料（典型的にはラミネート）との類似または実質的に一致した熱膨張特性により、硬化後プロセス中の成形プリフォームの表面での剥離などの材料損傷が回避される。したがって、成形プリフォームの熱性能（および機械的特性）は、周囲のホイール構造と一致する。
【００２１】
成形プリフォームは、硬化複合繊維材料を形成する樹脂などの硬化性マトリックス材料を含むかまたはそれによって結合できる任意の数の異なる材料から形成することができる。
【００２２】
いくつかの実施形態において、成形プリフォームは、樹脂（純粋樹脂）から形成されるか、または実質的に樹脂のみから形成される。
【００２３】
いくつかの実施形態では、成形プリフォームは、連続繊維配置（ＴＦＰ）プライもしくはプリフォーム；単繊維方向プライからなる１つ以上の層（単方向）；多方向繊維プライからなる１つ以上の層（例：ステッチされたノンクリンプファブリック）；もしくはファイバーパッチ配置（ＦＰＰ）プリフォーム、たとえばＣＥＶＯＴＥＣＨ技術；不織、等方性もしくは異方性繊維層、たとえばＲＥＣＡＴＥＸリサイクル炭素繊維不織布；等方性繊維配列；等方性繊維配列；フィラー；ガラス微小球；疎水性ヒュームドシリカ；エポキシ樹脂／硬化剤；粉砕された炭素繊維、細断された（comminuted）炭素繊維（例えば、小さく切られた（chopped）もしくは切断された炭素繊維）またはそれらの組み合わせのうちの少なくとも１つから形成される。
【００２４】
例示的な実施形態では、成形プリフォーム構成要素は、
（ｉ）樹脂と、粉砕された炭素繊維と、中空ガラス微小球との混合物、
（ｉｉ）樹脂と粉砕された炭素繊維との混合物、
（ｉｉｉ）樹脂と、細断された炭素繊維、好ましくは小さく切られた炭素繊維との混合物、または
（ｉｖ）実質的に樹脂のみから形成される。
樹脂は、ある含有量の硬化剤も含むことを理解されたい。
【００２５】
いくつかの実施形態において、その組成物は、１〜５重量％、好ましくは１〜２重量％の疎水性ヒュームドシリカをさらに含む。
【００２６】
任意の好適な粉砕炭素繊維を使用できることを理解されたい。いくつかの実施形態では、粉砕炭素繊維は、＜５００ミクロンの長さ、好ましくは１００ミクロン未満、より好ましくは５０ミクロンと２００ミクロンとの間の長さを有する。たとえば、Carbiso（商標出願済み）MFなどの長さ１００ミクロンの粉砕炭素繊維を使用できる。しかしながら、任意のブランドの粉砕炭素繊維が好適である可能性があることを理解されたい。同様の長さの他の繊維タイプも使用することができる。
【００２７】
他の実施形態では、細断された炭素繊維、例えば、小さく切られた炭素繊維を使用することができる。この細断された炭素繊維は、２０ｍｍ未満、好ましくは１５ｍｍ未満、より好ましくは１〜１５ｍｍの長さを有することができる。たとえば、長さ約１２ｍｍの細断された炭素繊維を使用できる。同様の長さの他の繊維タイプも使用することができる。
【００２８】
好ましい材料（オプションＡ、Ｂ、またはＣ）は、混合樹脂および硬化剤と、中空ガラス微小球と、粉砕炭素繊維と、疎水性ヒュームドシリカとを以下の比率（質量部）で混合したものである。
【００２９】
【表１】
2020531343.tif 000003
【００３０】
例示的な実施形態では、成形プリフォーム構成要素は、３．７５：１：０．５６の比率（質量部）の混合樹脂：粉砕炭素繊維：中空ガラス微小球の混合物を含む材料から形成される。実施形態において、混合樹脂：粉砕炭素繊維の比（質量部）は、２．５：１から５：１、好ましくは３：１から４：１の間である。実施形態では、粉砕炭素繊維：中空ガラス微小球の比（質量部）は、１：０．４から１：０．７、好ましくは１：０．５から１：０．６の間である。
【００３１】
さまざまな好適な中空ガラス微小球を成形プリフォームの組成に使用することができる。中空ガラス微小球は、好ましくは、薄い壁を有する中空ガラス球を含む。中空ガラス微小球は、ソーダ石灰ホウケイ酸ガラスを含む（が、これに限定されない）さまざまなガラス材料から形成することができる。中空ガラス微小球の軟化温度は、好ましくは少なくとも５００℃、より好ましくは少なくとも６００℃、さらにより好ましくは約６００℃である。中空ガラス微小球は、好ましくは１０〜２００ミクロン、より好ましくは１８〜６５ミクロンのサイズを有する。さらに、中空ガラス微小球は、好ましくは２５０〜２８０００ｐｓｉ、より好ましくは２５０〜６０００ｐｓｉ、さらにより好ましくは２５０〜３０００ｐｓｉの目標粉砕強度（９０％残存）を有する。さらに、中空ガラス微小球は、好ましくは０．１２５〜０．６０ｇ／ｃｃ、好ましくは０．１２５〜０．４ｇ／ｃｃ、さらにより好ましくは０．１２５〜０．２８ｇ／ｃｃの真密度を有する。例示的な一実施形態では、中空ガラス微小球は、３０ミクロンの平均直径および３０００ｐｓｉの粉砕強度（体積で９０％残存）および０．２８ｇ／ｃｃの真密度を有する３Ｍ  Ｓ２８ＨＳグラスバブルズ（３Ｍ先進材料部門（3M Advanced Material Division）から入手可能）を含む。しかしながら、他の同様の微小球も使用できることを理解されたい。たとえば、２５０ＰＳＩの目標粉砕強度および０．１２５ｇ／ｃｃの真密度を有する３Ｍ  Ｋ１バブルなどの代替中空微小球、または２８０００ｓｉの粉砕強度および０．６０ｇ／ｃｃの真密度を有する３Ｍ  ＩＭ３０Ｋ（または同様のもの）使用することができる。
【００３２】
繊維ベースの材料を使用する場合、成形プリフォームは、繊維層、繊維プライ、プリプレグ、セミプレグ、織布もしくは不織布、マット、プリフォーム、プリコンソリデートプリフォーム、個々の繊維もしくは繊維の群、トウ、またはトウプレグの少なくとも１つから形成できる。
【００３３】
プリプレグとは、繊維、繊維トウ、織布または不織布などの実質的にまたは完全に含浸された集まりを指すことを理解されたい。同様に、セミプレグとは、繊維または繊維トウの部分的に含浸された集まりを指すことを理解されたい。部分的な含浸は、コンソリデーションおよび／または硬化中に乾燥繊維を通してまたは乾燥繊維に沿ってガスの除去を強化する。セミプレグの一例は、繊維からなる部分的に含浸された層である。
【００３４】
織布および不織布は、実質的に乾燥している、すなわち樹脂などのマトリックス材料によって含浸されていない、個々の繊維または繊維トウの集まりであることを理解されたい。繊維トウは、多数の個々の繊維、たとえば数千本、数万本または数十万本の繊維の束であることも理解されたい。トウプレグは、少なくとも部分的に含浸された繊維トウである。
【００３５】
本発明では、幅広いさまざまな繊維が用いられてもよく、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アクリル、ポリエステル、ＰＡＮ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰもしくはＰＢＯ繊維などの合成繊維、麻、ジュート、セルロース繊維などのバイオ繊維、ロックウールなどの鉱物繊維、鋼、アルミニウム、真鍮、銅などの金属繊維、ホウ素繊維、またはこれらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定はされない。好ましい実施形態では、繊維は炭素繊維を含む。繊維は、例えば一方向性、二軸性、もしくはランダム、またはこれらの組み合わせなど、遷移ゾーンにおいて任意の望ましい配向で提供されてもよい。しかしながら、繊維は、好ましくは、複合部材間の応力を低減するとともに、使用中により高い応力にさらされる最終構造の領域を強化するように、配向される。繊維の配向は、遷移ゾーン内の繊維を含むすべての層で同じでも異なっていてもよい。例えば、応力分析が多軸繊維配向を示唆する場合、繊維からなる１つ以上の層は他の層とは別の態様で配向されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、繊維は、繊維からなるすべての層において実質的に同じ態様で配向されてもよい。
【００３６】
成形プリフォーム構成要素は、複合ホイールのフェース部分を形成する際に使用されるときに最小の体積変化を保証する材料で形成されるべきであることを理解されたい。その材料が繊維配列（等方性繊維配列など）、繊維層、繊維プライ、プリプレグ、セミプレグ、織布もしくは不織布、マット、プリフォーム、プリコンソリデートプリフォーム、個々の繊維もしくは繊維の群、トウ、またはトウプレグを含む場合、その材料は、好ましくは、必要な圧縮性特性、およびしたがって後続の処理ステップにおいて最小の体積変化を与えるよう、処理される。
【００３７】
成形プリフォームの形成方法には、典型的には、次の一般的なステップが含まれる：
連携的に成形された型内で、選択された複合繊維材料を用いて、成形プリフォームの所望の形状をレイアップまたは他の態様で形成するステップ；
型内でレイアップされた材料と接触する状態でマトリックス材料を提供して、マトリックス材料導入体を形成するステップ；および
マトリックス導入体を硬化するステップ。
【００３８】
典型的には、レイアップされた材料には、マトリックス材料がインフュージョンされ、マトリックス材料はレイアップされた材料に浸透する。したがって、成形プリフォームは、典型的には、成形プリフォームの構成成分を包む硬化性マトリックス材料をさらに含む。成型されて成形プリフォームに形成されると、成形プリフォームは、繊維と他の構成材料を一緒に結合するマトリックス材料を含む。レイアップ（マトリックス材料のコンソリデーションおよび／または凝固（setting）、硬化（curing）などの前の時点までの準備）中、マトリックス材料は繊維を含む層（プリプレグまたはセミプレグなど）に、または繊維を含む層間に、含まれる必要はない。しかしながら、マトリックス材料は、凝固後には、連続したマトリックスを形成するべきである。好適なマトリックス材料は、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルエステル、エポキシ、熱可塑性プラスチック、またはそれらの組み合わせに基づく樹脂から選択することができる（が、これらに限定はされない）。
【００３９】
硬化ステップを制御して、剛性および圧縮性を含む所望の機械的特性を与えることができることを理解されたい。成形プリフォームの機械的特性は、特定の用途に合わせて設計できる。これらの特性は、成形プリフォームを形成する構成材料、マトリックス材料、そこに注入されるかまたは含まれるマトリックス材料の量、および硬化過程状況（硬化時間、温度、本体が完全に硬化しているかどうか）の選択により変更できる。場合によっては、複合ホイールのフェース部分のレイアップで使用されるときに後のレイアップ材料の付着を助ける表面特性を生じさせるために、成形プリフォームが完全に硬化する前に硬化プロセスを停止することが望ましい。
【００４０】
有利には、成形プリフォームの表面は、複合ホイールを形成するために使用される構造の残りの部分に付着するように設計されることが好ましい。実施形態では、成形プリフォームの表面は、炭素繊維または炭素繊維を上に含む材料の付着を助けるように構成される。上述のように、成形プリフォームの表面は、少なくともＲａ＝０．２μｍの粗さを有する粗面を有することが好ましい。粗面は、任意の好適な手段によって形成され得る。いくつかの実施形態では、粗面は、化学的にエッチングされた表面、機械的に摩耗された表面、または機械的に特徴づけられた表面を含む。
【００４１】
成形プリフォームの表面特性は、成形プリフォームの硬化特性および硬化過程状況を変更することで修正できる。いくつかの実施形態において、成形プリフォームは、不完全な、または充分に硬化されていないプリフォームを含む。しかしながら、繰り返すが、成形プリフォームは、後続の繊維レイアップおよび成型加工ステップで最小の体積変化を与える選択された圧縮性を与えるように、硬化されるかまたは他の態様で処理されることを理解しなければならない。
【００４２】
成形プリフォームは典型的には、必要な複合ホイールのフェース部分（ハブおよびスポーク）の形状（場合によっては複雑な形状）を形成するための基礎となる設計形状および外形で形成される。理解できるように、複合ホイールを車両のホイールマウントに取り付ける機能要件を満たし、ブランドまたは他の表示を含むために、フェース部分および特にハブの多くの特徴を含める必要がある。例えば、ハブは、少なくとも１つの開口部を含むことが好ましい。その開口部は、ホイールボルトまたはセンターロックボルトまたはブランドもしくは表示ボタン、インサートもしくはキャップを受け入れるためのものであるかもしれない。ハブには任意の数の開口部を含めることができる。実施形態では、ハブは、中心軸の周りに離間した少なくとも３つの開口部、好ましくは中心軸の周りに離間した少なくとも４つの開口部、好ましくは少なくとも５つの開口部を含む。いくつかの実施形態では、ハブは中央開口部を含む。その中央開口部は、滑らかな内壁を有することができ、またはいくつかの実施形態では、キャップまたはプラグなどの本体がそこに保持される場合、その開口部の一端にリムまたはフランジを形成する段差を含み得る。そのリムまたはフランジは、キャップまたはプラグが開口部を通過するのを防ぐ停止部を形成する。
【００４３】
ハブは、好適な構成を有し得る。実施形態では、ハブは、中心軸の周りの形状が概ね円形である。しかしながら、ハブは、任意の数の他の形状、特に正方形、五角形、六角形、八角形などを含む規則的な多角形形状を有することができることを理解されたい。いくつかの実施形態では、ハブは、ほぼ平面の表面を有する第１の側と、第１の側の反対側にあり、概ね凹面または窪んだ面を有する第２の側とを含む。
【００４４】
好ましい実施形態では、成形プリフォームは、中心軸の周りに環状に離間され、中心軸から遠ざかるようにハブの周囲から径方向外向きに延びる複数のフィンガーを含む。フィンガーの機能は、フェース部分のスポークをそのハブにリンクする接続部材を提供することである。したがって、フィンガーの数は、複合ホイールのフェース部分に形成されるスポークの数に対応することが好ましい。フィンガーも同様に任意の好適な構成をとることができる。いくつかの実施形態では、フィンガーは、ハブの周囲から外向きに延びる先細の突起を含む。各フィンガーは、好ましくは、中心軸の周りで互いに他のフィンガーから均等に離間される。各フィンガーは、好ましくは、各隣接するフィンガーの間に位置する湾曲部を有する。いくつかの実施形態では、フィンガーは、ハブの平面の表面の周囲から各フィンガーの遠位端に向かって下向きに傾斜する表面を含む。
【００４５】
成形プリフォームは、加えて、複合ホイールのフェース部分のその後の形成およびレイアップを支援するように設計されるいくつかの特徴を含むことができる。これらの機能は以下を含む（が、それらに限定はされない）。
繊維プライ保持構成；
プライの縁部が位置するべき場所を視覚的に示すガイドライン；または、
成形プリフォームの取り扱いを最適化するための保持／操作構成。
【００４６】
本発明は、第２の局面において、複合繊維ホイールのフェース部分を形成する方法であって、
複合繊維のフェース部分の繊維レイアップのハブ部分に、先行する請求項のいずれか一項に記載の成形プリフォームを配置するステップと、
成形プリフォームの周りに複合繊維要素をレイアップし、それによって複合繊維ホイールのフェース部分の成型前構造を形成するステップとを含む、方法を提供する。
【００４７】
フェース部分の繊維レイアップの成形プリフォーム、繊維、および繊維要素は、好ましくはマトリックス材料を注入および／または含浸され、次いで硬化（cure）、凝固（set）などが行われる。したがって、フェース部分は、繊維レイアップを包み、繊維および繊維要素を含むマトリックス材料をさらに含むことが好ましい。任意の好適なマトリックス材料を使用することができる。いくつかの実施形態では、樹脂が使用される。樹脂は、好ましくは、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルエステル、エポキシ、熱可塑性樹脂、類似の化合物またはそれらの組み合わせに基づく。好ましい実施形態では、樹脂はエポキシ系である。他の実施形態では、マトリックス材料は金属マトリックスを含み、凝固すると繊維と複合金属マトリックスを形成する。金属マトリックス材料は、好ましくは、アルミニウム、マグネシウム、チタン、鉄ならびにそれらの組み合わせ、合金および混合物から選択される。成型されて複合ホイールに形成されると、フェース部分は、樹脂、金属、繊維などのマトリックス材料で構成される。
【００４８】
フェース部分の繊維レイアップは、好ましくは、硬化性マトリックス材料を注入および／または含浸され、次いで硬化（cured）および／または凝固（set）される。したがって、この方法は、以下のステップをさらに含むことが好ましい。
【００４９】
フェース部分の成型前構造と接触する状態でマトリックス材料を与えるステップと；
フェース部分を硬化させるステップ。
【００５０】
成形プリフォームの表面は、好ましくは、マトリックス材料が注入／含浸されたときに周囲の材料と結合できるように活性化される。活性化は、典型的には表面マーキング手順であり、例えば、これはケミカルエッチング、機械的摩耗などによって達成できる。
【００５１】
成形プリフォームは、複合ホイールと一体的に形成されることが好ましい。さらに、複合ホイールは単一体として形成されることが好ましい。これは典型的には、マトリックス材料の同時注入および／または含浸と、その後の複合ホイールの各部分の硬化（curing）、凝固（setting）などを伴う。そのような実施形態では、リム部分およびフェース部分の各々は、接続が準備される時点で少なくとも部分的に硬化されていないことが好ましい。接続部は、複合ホイールと一体的に形成されることが好ましい。そのような実施形態では、方法はさらに以下のステップを含む。
ホイールの各リム部分およびフェース部分と接触してマトリックス材料を同時に与えるステップと、
ホイールのリム部分とフェース部分とを同時硬化するステップ。
【００５２】
マトリックス材料およびフェース部分、リム部分、単一複合ホイールなどの関連部品の硬化には、硬化（curing）、凝固（setting）、乾燥または類似のプロセスが含まれることを理解されたい。
【００５３】
マトリックス材料が樹脂を含む場合、さまざまな樹脂送達システムを第２の局面の方法とともに使用することができる。いくつかの実施形態では、樹脂の少なくとも一部は、樹脂インフュージョンおよび／または樹脂トランスファー成型および／または真空支援樹脂トランスファー成型によって提供される。
【００５４】
複合ホイールのフェース部分の繊維レイアップの繊維および繊維要素は、好ましくは炭素繊維繊維を含む。しかしながら、繰り返すが、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アクリル、ポリエステル、ＰＡＮ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰもしくはＰＢＯ繊維などの合成繊維、麻、ジュート、セルロース繊維などのバイオ繊維、ロックウールなどの鉱物繊維、鋼、アルミニウム、真鍮、銅などの金属繊維、ホウ素繊維、またはこれらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定はされない、多種多様な繊維を本発明で使用できることを理解されたい。好ましい実施形態では、繊維は炭素繊維を含む。繊維は、例えば一方向性、二軸性、もしくはランダム、またはこれらの組み合わせなど、遷移ゾーンにおいて任意の望ましい配向で提供されてもよい。しかしながら、繊維は、好ましくは、複合部材間の応力を低減するとともに、使用中により高い応力にさらされる最終構造の領域を強化するように、配向される。繊維の配向は、遷移ゾーン内の繊維を含むすべての層で同じでも異なっていてもよい。例えば、応力分析が多軸繊維配向を示唆する場合、繊維からなる１つ以上の層は他の層とは別の態様で配向されてもよい。しかしながら、他の実施形態では、繊維は、繊維からなるすべての層において実質的に同じ態様で配向されてもよい。
【００５５】
繊維要素は、プリプレグ、セミプレグ、織布もしくは不織布、マット、プリフォーム、プリコンソリデートプリフォーム、個々の繊維もしくは繊維の群、トウ、トウプレグなどを含む任意の好適な形態で提供されてもよい。実施形態では、繊維要素は、少なくとも1枚のファブリックシート、好ましくは多軸ファブリックとして提供される。接続のレイアップ（マトリックス材料のコンソリデーションおよび／または硬化（curing）、凝固（setting）などの前の時点までの準備）中、マトリックス材料は、繊維を含む層（例：プリプレグまたはセミプリグ）に、または繊維を含む層間に含まれる必要はない。しかしながら、マトリックス材料は、凝固後には連続したマトリックスを形成するべきである。
【００５６】
フェース部分は、本発明の成形プリフォームを含む所望の形状および繊維配向を有するテーラード繊維プリフォームから形成されることができる。テーラード繊維プリフォームは、所望の形状および繊維配向を有するように形成される。プリフォームは、繊維を含む複合材料であることを理解されたい。場合によっては、プリフォームは樹脂などの未硬化のマトリックス材料も含んでもよい。いくつかのプリフォームは、マトリックス材料のない乾燥繊維を実質的に含んでもよい。マトリックス材料が注入される前にプライをともに保持するのを助けるために、バインダが使用されてもよい。
【００５７】
本発明の第３の局面は、本発明の第１の局面による成形プリフォームを含む複合ホイールを提供する。いくつかの実施形態では、複合ホイールは中心ホイール軸の周りに形成される。
【００５８】
次に、本発明の特定の好ましい実施形態を示す添付図面の図を参照して、本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】本発明の一実施形態によるフェース部分とリム部分との間に接続部を含む複合ホイールの斜視図である。
【図２】図１に示す複合ホイールのリムとフェースとの接続領域の詳細図である。
【図２Ａ】センターロック複合ホイール構成の断面図を示す。
【図３】本発明の実施形態による成形プリフォームの等角上面図である。
【図４】図３に示された成形プリフォームの側面断面図である。
【図５】加えられた力から湾曲したビームをもたらす結果となる応力を示す概略図である。
【図６】中空コア本体の概略図である。
【図７】成形プリフォームを含む、充填されたコア本体の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
詳細な説明
最初に図１を参照すると、形成済みの、本発明の成形プリフォーム２００を一体的に含む複合ホイール１００の斜視図が示されている。図示された複合ホイール１００は、本出願人により、一体型本体として形成された複合ホイールとして開発された。複合ホイール１００の製造の一般的なプロセスは、国際特許公開ＷＯ２０１０／０２４４９５Ａ１に記載されており、その内容は、ここに引用により援用されると理解されるべきである。
【００６１】
図示された複合ホイール１００は、２つの主要なセクションを含む。すなわち、
Ａ）．リム部分１０２は、タイヤ（図示せず）が取り付けられる環状構造を含み、
Ｂ）．円形ハブ１０６と一連のスポーク１０８とを含むフェース部分１０４を含む。ハブ１０６は、ホイールを車両（図示せず）のホイールマウントに固定するために使用される締結ボルト（図示せず）を受けるように構成された５つの締結開口部１０７（図１および図２において締結ボルト１０７Ａが適所にある状態で示される）を含む。スポーク１０８は、一端でハブ１０６に接続され、他端でリム部分１０２に接続される細長いアームを含む。
【００６２】
他の複合ホイール構成、例えば、ホイールを車両（図示せず）のセンターロックホイールマウントに固定するようセンターロック締結ボルト（図示せず）を受けるように構成されたセンターロック開口部１０７Ａを有するハブ１０６Ａを含むフェース部分１０４Ａを有するセンターロック複合ホイール１００Ａが可能であることを理解されたい。
【００６３】
国際特許公開ＷＯ２０１０／０２４４９５Ａ１に記載されているように、このような一体型複合ホイール１００の作成は、別個のリム部分金型（図示せず）およびフェース部分金型（図示せず）の使用を必要とする。使用中、リム部分１０２は、リム部分金型に座する補強ファブリックで典型的には具現化される第１の繊維の組をレイアップすることにより形成され、フェース部分１０４は、典型的にはフェース部分金型に座する補強ファブリックで典型的に具現化される第２の繊維の組を別途レイアップすることにより形成される。リム部分金型は、内側バケット金型と外側円筒形金型とを含む。次いで、リム部分金型およびフェース部分金型からの補強ファブリックは、結合金型において集められ、別々の部分は接続点１１０で相互接続される。次に、樹脂などのマトリックス材料を全体的なホイール型の補強に注入および／またはインフュージョンさせて、成型された単一部品ホイール１００を製造する、最終成型プロセスが行われる。
【００６４】
フェース部分１０４、特にハブ１０６の形状および構成は、フェース部分金型におけるレイアップから形成することができる。しかしながら、本発明の場合、特徴部の形成は、レイアップにおいて、金型の所定の位置に配置することができる成形プリフォーム２００（図３および図４）を使用することにより支援することができ、レイアップをその周りに形成することができる。
【００６５】
図３および図４は、図１および図２に示すような複合ホイール１００のフェース部分１０４のレイアップおよび形成に使用するための成形プリフォームインサート２００の一例を示している。図示された成形プリフォーム２００は、そのフェース部分１０４のハブ１０６およびハブ１０６からスポーク１０８への接続の形状ならびに構成を提供するよう使用される。したがって、図示の形状プリフォームは、中心軸Ｙ‐Ｙの周りを延在する円形ハブセクション２０６と、中心軸Ｙ‐Ｙの周りに環状に離間して設けられ中心軸Ｙ‐Ｙから遠ざかるようにハブセクション２０６の周囲から径方向外側に延びる複数のフィンガー２０９を含むスポーク接続セクション２０８とを有する。図２Ａに示すセンターロックホイール１００Ａに必要な形状および構成を提供するように、成形プリフォームを代替的に構成できることを理解されたい。
【００６６】
ハブセクション２０６およびスポーク接続セクション２０８の正確な幾何学的構成は、複合ホイール２００の意図された構成に依存する。例えば、スポーク１０８の数は変化し得、スポーク接続セクション２０８の構成に影響を及ぼす。さらに、ホイールマウント取付具のタイプは、複合ホイール１００を車両のホイールマウントに取り付ける機能要件に応じて変化し得、ホイールの構成にブランドやその他の表示を含み得る。たとえば、センターロックホイールマウントは、ボルト固定ホイールマウントとは異なる構成になるであろう。ホイールボルトの数および構成も変動し得る。図示の実施形態では、ハブ部分２０６は、締結開口部１０７（図１および図２）を形成するために使用される中心軸Ｙ−Ｙの周りに離間された５つの開口部２０７、および中央開口部２１１を含む。その中央開口部２１１は、キャップまたはプラグを保持し、それが中央開口部２１１を通過するのを防止するために使用することができる停止部を与えるリムまたはフランジを形成する段差２１２を含む。ハブは、複合ホイール１００においてハブ１０６の後側を形成するほぼ平坦な表面を有する第１の側２２０と、複合ホイール１００においてハブ１０６の前側の特徴部を形成する第２の凹側または窪んだ側２２２とを含む。
【００６７】
スポーク接続セクション２０８は、１０個の環状に離間された配置されたフィンガー２０９を含む。フィンガー２０９の機能は、フェース部分のスポークをそのハブに連結する接続部材を提供することである。フィンガー２０９の数は、複合ホイール１００のフェース部分１０４に形成されるスポークの数に対応する。図示されるように、フィンガー２０９は、ハブセクション２０６の周囲から外向きに延びる先細の突起を含む。図３に示すように、第１の側２２０では、フィンガー２０９は、ハブセクション２０６の平面の周囲から各フィンガー２０９の遠位端に向かって下向きに傾斜している。同様の傾斜が、第２の側２２２において、ハブセクション２０６の窪んだ表面の周囲から遠ざかるように設けられている。各フィンガー２０９は、軸Ｙ−Ｙの周りのアーチ形の凹部によって分離されている。
【００６８】
図示されていないが、成形プリフォーム２０６は、複合ホイールのフェース部分の後続の形成およびレイアップを支援するように設計されたいくつかの追加の特徴を含むように成形／構成することができる。これらの特徴には次のものが含まれる（が、それらに限定されない）：
段差、窪み、スロットなどの繊維プライ保持構成；
プライの縁部が位置すべき場所を視覚的に示すガイドライン；
または、窪み、フランジ、開口部、リブ、フック、突起などの、成形プリフォームの取り扱いを最適化するための保持／操作構成。
【００６９】
成形プリフォーム２００は、６０〜２００℃、好ましくは６０〜１５０℃、より好ましくは６０〜１４０℃のプロセス温度で５０ｂａｒの静水圧の成型条件下で圧縮性が体積で２％未満、好ましくは１％未満の硬化複合繊維材料から形成される。硬化されることにより、硬化複合繊維材料は、その複合繊維材料中の樹脂などの硬化性マトリックス材料を固める（harden）または硬化させる（cure）ために少なくとも部分的な硬化プロセスを受けていることを理解されたい。硬化複合繊維材料は、プリフォームに構造的こわさおよび／または固体性を与え、圧縮性を制限して、複合ホイールのフェース部分のレイアップおよび成型中に適切な体積を与え、体積変化を最小限に抑えることができるようにする。
【００７０】
いずれの理論にも制限されることは望まないが、成形プリフォーム２００は、複合ホイール１００のレイアップおよび硬化プロセスで使用されてハブセクション２０６の構造における力のための代替荷重経路を与えることができるコア材料（図７参照）を提供するように設計される。成形プリフォームの機械的および材料特性は、複合ホイールを形成する際のレイアップ、硬化、および硬化後のプロセス中の材料の不適合性および体積変化に起因する構造上の荷重ならびに応力を最小限に抑えるようにも選択される。
【００７１】
ビーム、例えば図５のビーム３００は、ビーム３００の中立軸から遠いビーム３００の部材（フランジ３０５）における引張応力および反対の圧縮応力による曲げを支える。ビーム３００に湾曲領域がある場合、ビーム３００の軸に沿ったこれらの引張応力および圧縮応力は、次いで、図５に示すように、荷重方向（曲げモーメントＭ）に応じて引張または圧縮の厚さ方向応力を生じさせる。
【００７２】
中空もしくは柔軟なコア構成を有する本体またはビーム３５０は、ビーム３００と同様の挙動を有し、厚さ方向の引張応力が合わさって、外側フランジ３５５を本体３５０の残りの部分から分離する傾向がある力を生じさせる。これらの力は、図６に示すように、本体３５０の曲げ強度に対する制限因子となり得る、本体３５０のフランジ３５５と側壁３６０との間の接続部３６２における応力を生じさせ得る。この制限は、厚さ方向よりも軸方向の強度が著しく低くあり得る複合体で特に顕著である。制限の程度は、本体の断面の割合に大きく依存する。本体の高さと比較して本体の幅が大きいほど、フランジを側壁から分離する傾向の力が大きくなる。
【００７３】
本発明は、適切なコア３８２（すなわち、成形プリフォーム２００）を本体３８０の内側に追加することにより、この制限に対処しようとするものである。コア３８２の目的は、フランジ３８５を本体３８０の残りの部分から分離しようとする力に対する代替の荷重経路を与えることである。分離力の一部は、フランジ３８５と側壁３９０との間の接続部３９２を部分的に除荷する引張応力（たとえば、フランジとコアとの間の張力３９３）としてコアに直接伝達できる。図７に示すように、フランジと側壁との接続部３９２を部分的に除荷することにより、本体３８０の強度、したがって荷重容量が増加する。
【００７４】
成形プリフォーム２００の機械的特性は、最適な機械的性能および材料性能を得るように設計される。本体の厚さ方向の引張係数が不十分な成形プリフォーム２００は、フランジと側壁との接続部を除荷するのに効果的でなく、したがって構造的価値がほとんどないことになる。一方、本体の厚さ方向に過度の引張係数を有する成形プリフォーム２００は、フランジが成形プリフォーム２００から分離しようとする際にフランジに厚さ方向の過度の応力をもたらし、フランジ自体内またはフランジと成形プリフォーム２００と間の接続部で破損を引き起こす。適切に設計された成形プリフォーム２００は、フランジに過度の厚さ方向の応力を生じさせることなく、フランジと側壁との接続部を除荷することになる。
【００７５】
硬化複合繊維材料を形成するための樹脂などの硬化性マトリックス材料を含むかまたはそれによって結合され得る任意の数の異なる複合繊維材料を使用することができる。いくつかの実施形態において、成形プリフォームは、樹脂（純粋樹脂）から形成されるか、または実質的に樹脂のみから形成される。実施形態では、成形プリフォームは、連続繊維配置プライもしくはプリフォーム；単繊維方向プライからなる１つ以上の層（単方向）；多方向繊維プライからなる１つ以上の層（例：ステッチされたノンクリンプファブリック）；もしくはファイバーパッチ配置（ＦＰＰ）プリフォーム、たとえばＣＥＶＯＴＥＣＨ技術；不織、等方性もしくは異方性繊維層、たとえばＲＥＣＡＴＥＸリサイクル炭素繊維不織布；等方性繊維配列；フィラー；ガラス微小球；疎水性ヒュームドシリカ；エポキシ樹脂／硬化剤；粉砕された炭素繊維、またはそれらの組み合わせ、のうちの少なくとも１つから形成される。
【００７６】
好ましい形態では、成形プリフォーム構成要素は以下から形成される：
（ｉ）樹脂と粉砕された炭素繊維と中空ガラス微小球との混合物。
（ｉｉ）樹脂と粉砕された炭素繊維との混合物。
（ｉｉｉ）樹脂と細断された炭素繊維との混合物。
（ｉ）および（ｉｉ）の各々は、選択肢的に１〜５重量％、好ましくは１〜２重量％の疎水性ヒュームドシリカを含むことができる。上記の好ましい形態の樹脂は、ある含有量の硬化剤も含むことを理解されたい。
【００７７】
いくつかの実施形態では、粉砕された炭素繊維は、＜５００ミクロンの長さ、好ましくは１００ミクロン未満の長さを有する。例えば、Carbiso（商標出願済み）MFなどの長さ１００ミクロンの粉砕炭素繊維を使用できる。しかしながら、任意のブランドの粉砕炭素繊維が好適である可能性があることを理解されたい。同様の長さの他の繊維タイプも使用することができる。
【００７８】
実施形態では、細断された炭素繊維は、２０ｍｍ未満、好ましくは１５ｍｍ未満、例えば１〜１５ｍｍの長さを有する小さく切られた炭素繊維を含む。特定の実施形態では、約１２ｍｍの長さの細断された炭素繊維を使用することができる。
【００７９】
１つの好ましい材料は、以下の表１のオプションＡおよびオプションＢとして提供される（比率は質量部である）：
【００８０】
【表２】
2020531343.tif 000004
【００８１】
より詳細には、オプションＣは以下を含むことができる。
３．７５部のエポキシ樹脂；
１部の長さ１００ミクロンの粉砕炭素繊維；
および０．５６部の中空ガラス微小球。
【００８２】
より詳細には、オプションＤは以下を含むことができる。
３部のエポキシ樹脂および硬化剤；
ならびに１部の小さく切られた長さ１２ｍｍの炭素繊維。
【００８３】
微小球は、３Ｍ先進材料部門から入手可能な３Ｍ  Ｓ２８ＨＳグラスバブルズを含む。これらのグラスバブルズは、平均直径が３０ミクロン、粉砕強度（体積で９０％残存）が３０００  ｐｓｉ、および真密度が０．２８ｇ／ｃｃのソーダ石灰ホウケイ酸ガラスで形成された薄壁を有する中空球を含む。しかしながら、他の同様の微小球も使用できることを理解されたい。たとえば、２５０ＰＳＩの目標粉砕強度と０．１２５ｇ／ｃｃの真密度とを有する３Ｍ  Ｋ１バブルなどの代替中空微小球、または２８０００ｐｓｉの粉砕強度と０．６０ｇ／ｃｃの真密度とを有する３Ｍ  ＩＭ３０Ｋ（または同様のもの）を使用できる。使用できる可能性のある３Ｍ微小球の選択を表２に示す。
【００８４】
【表３】
2020531343.tif 000005
【００８５】
上記のオプションＡおよびオプションＢで提供されるものに対する代替の混合比も満足のいく組成を提供し得ることを理解されたい。
【００８６】
例示的な実施形態では、成形プリフォーム構成要素は、３．７５：１：０．５６の混合比（質量部）の混合された樹脂：粉砕炭素繊維：中空ガラス微小球から形成される。
【００８７】
図示の実施形態では、複合ホイール１００の硬化複合繊維材料中の繊維は、炭素繊維を含む。しかしながら、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド繊維、アクリル、ポリエステル、ＰＡＮ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＰもしくはＰＢＯ繊維などの合成繊維、麻、ジュート、セルロース繊維などのバイオ繊維、ロックウールなどの鉱物繊維、鋼、アルミニウム、真鍮、銅などの金属繊維、ホウ素繊維、またはこれらの任意の組み合わせを含むが、それらに限定はされない、多種多様な繊維を本発明で使用できることを理解されたい。
【００８８】
成形プリフォーム２００の熱膨張特性は、成形プリフォーム２００が中に含まれるように構成される複合ホイールのフェース部分の複合材料全体の熱特性に類似するように、好ましくは実質的に一致するように、設計されることが理解されるべきである。熱膨張特性を一致させることにより、部品（硬化後プロセスにおける成形プリフォームおよび周囲の積層材料）の剥離などの損傷が回避される。
【００８９】
成型プロセス中に成形プリフォームに隣接して形成される複合材料（典型的には炭素繊維ラミネート）は、成形プリフォームに付着しなければならない。成形プリフォームの材料タイプはこれを可能にしなければならず、たとえば、成形プリフォームはエポキシ樹脂を使用できるが、典型的にはポリプロピレンを使用するべきではない。成形プリフォームの成型後、成形プリフォームのレイアップの前に、成形プリフォーム表面を活性化して、それを後続の射出操作で接合できるようにする必要があり−これは、ケミカルエッチング、機械的摩耗などによって達成できる。
【００９０】
対象の成形プリフォーム２００の他の機械的特性には以下が含まれる。
・密度‐６００ｋｇ／ｍ３と１３００ｋｇ／ｍ３との間が好ましく、８００〜１２００ｋｇ／ｍ３がより好ましい；
・引張強度‐２０ＭＰａと８０ＭＰａとの間が好ましく、２０〜６０ＭＰａがより好ましい。
・剛性‐好ましくは１．５〜３０ＧＰａ、より好ましくは１０〜２５ＧＰａである。
いくつかの実施形態では、剛性は１．５〜１０ＧＰａである。他の実施形態において、剛性は８〜３０ＧＰａである。いくつかの実施形態において、成形プリフォームは、約４ＧＰａの剛性および約５０ＭＰａの引張強度を有する。しかしながら、これらは、特定の複合ホイールの材料、ホイール構成、および所望の特性に応じて異なる場合があることを理解されたい。
【００９１】
図示された成形プリフォーム２００は、標準的な複合成型プロセスにより形成される。このプロセスでは、上記の表１に記載されている好ましい材料組成を計量し、混合してから、閉じた加熱された金型に注入する。金型は１２０℃であり、一旦充填されると、金型は１２０℃で１０分間保持され、樹脂を硬化させる。その後、パックを金型から取り出し、表面処理ステップに移動する。連携的に成形された金型は、成形プリフォーム２００の所望の形状および構成を提供するように成形された金型キャビティを有する。好適なマトリックス材料が、不飽和ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルエステル、エポキシ、熱可塑性プラスチック、またはそれらの組み合わせに基づく樹脂から選択され得る（が、これらに限定はされない）。
【００９２】
硬化ステップを制御して、剛性、表面特性、圧縮性などの望ましい機械的特性を与えることができる。したがって、成形プリフォーム２００の機械的特性は、特定の用途に適合するように設計することができる。しかしながら、成形プリフォーム２００は、複合ホイール２００のフェース部分１０４を形成する後続の繊維レイアップおよび成型加工ステップで体積変化を最小にする選択された圧縮性を与えるよう硬化および他の方法で処理されることを理解しなければならない。
【００９３】
上述のように、硬化された成形プリフォーム２００は、複合ホイール１００のフェース部分１０４のレイアップにおけるレイアップ支援またはインサートとして使用される。このプロセスでは、成形プリフォーム２００は、フェース部分金型の繊維レイアップのハブ部分に位置し、フェース部分１０４の複合繊維要素は、成形プリフォーム２００の周りにレイアップされ、それにより、複合繊維ホイールのフェース部分の成型前構造を形成する。
【００９４】
繰り返しになるが、フェース部分レイアップの繊維要素は、プリプレグ、セミプレグ、織布もしくは不織布、マット、プリフォーム、プリコンソリデートプリフォーム、個々の繊維もしくは繊維の群、トウ、トウプレグなどを含む任意の好適な形態で提供されてもよい。レイアップ中、樹脂などのマトリックス材料は、繊維を含む層において、または繊維を含む層と層の間に、含まれる必要はない。しかしながら、マトリックス材料は、硬化後には連続したマトリックスを形成するべきである。
【００９５】
図示された複合ホイール１００（図１および図２）は、単一体として形成されることを意図している。これには、例示的な実施形態では樹脂であるマトリックス材料の、リム部分１０２およびフェース部分１０４を含むすべての部品への同時注入および／または含浸、ならびに次いで複合ホイール１００の各部分の硬化が含まれる。使用される樹脂は、好ましくはエポキシ系である。しかしながら、例えば不飽和ポリエステル、ポリウレタン、ポリビニルエステル、エポキシ、熱可塑性樹脂、類似の化合物またはそれらの組み合わせなど、任意の好適な樹脂が使用できることを理解されたい。樹脂インフュージョンおよび／または樹脂トランスファー成型および／または真空支援樹脂トランスファー成型を含むが、これらに限定されないさまざまな樹脂送達システムを使用することができる。
【００９６】
図１および図２に示されている複合ホイールの構築では、ホイールは３つの主要な金型面を含む。第１に、ホイールの回転軸Ｘ−Ｘに関して概ね径方向に向けられたフェース型。第２に、ホイール１４０の内側面を形成する内側バケット型面（図２）。内側バケット型面は、ホイールの回転軸Ｘ−Ｘに関して径方向に向けられたフェース部分の背面型壁を形成する前面と、ホイールの回転軸Ｘ−Ｘに軸方向に整列されるリム部分の背面型壁を形成する側壁とを含む。第３に、ホイールの回転軸Ｘ−Ｘに対して実質的に軸方向に整列されるリム型。
【００９７】
使用中、リム部分１０２およびフェース部分１０４は補強を伴ってレイアップされ、次いで、リム部分１０２とフェース部分１０４と間の接続が補強を伴ってレイアップされる。接続部を形成した後、ホイール１００のリム部分１０２、フェース部分１０４の各々の補強に樹脂が注入および／または含浸され、次いで硬化される。
【００９８】
当業者は、本明細書に記載された本発明が、具体的に記載されたもの以外の変形および修正の対象であることを理解するであろう。本発明は、本発明の精神および範囲内にあるそのようなすべての変形および修正を含むことが理解される。
【００９９】
「備える」または「含む」という用語が本明細書（特許請求の範囲を含む）で使用される場合、それらは、述べられた特徴、完全体（integers）、ステップまたは構成要素の存在を特定するものと解釈されるが、１つまたは複数の他の特徴、完全体、ステップ、構成要素、またはその群の存在を排除するものではない。
【図１】
2020531343.tif 000006
【図２】
2020531343.tif 000007
【図２Ａ】
2020531343.tif 000008
【図３】
2020531343.tif 000009
【図４】
2020531343.tif 000010
【図５】
2020531343.tif 000011
【図６】
2020531343.tif 000012
【図７】
2020531343.tif 000013
【国際調査報告】
2020531343.tif 000014
2020531343.tif 000015
2020531343.tif 000016
2020531343.tif 000017