不均一な密度の複合構造体とそれに関連する方法
複合構造体は、繊維挿入密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置された複数の繊維挿入物を備える。関連する製造方法も開示する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い強度対重量比の複合材に関し、より具体的にはこれら複合材から成る高い強度対重量比のパネル及び他の構造体、及びこれら構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合構造体は、通常、マトリクス中に補強剤を含む。マトリクスが補強材同士を結びつけるように働くのに対して、補強剤は当該構造体の主要な機械的強度を提供する。
【０００３】
《関連する出願への相互参照》
本出願は、２００４年１２月３日付で出願した米国仮特許出願第６０／６３３，０１８号及び“Composite Structure with Non-Uniform Density and Associated Method”と題され２００５年１１月２９日付で出願した米国特許出願第１１／２８９，６７７に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願の全体を本明細書に援用する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一つの態様によれば、高い強度対重量比の複合構造体は、複数の繊維挿入物を含む。それらの繊維挿入物は、複合構造体内において密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置される。より高い繊維挿入密度の領域は、その領域の硬さ及び負荷に耐える能力を向上させる。この複合構造体の製造方法が開示される。
【０００５】
図示のように、複合構造体は、例えばサンドイッチパネル、又は一つ以上の硬い積層シートとして実現されてもよい。パネルの場合、該パネルは、複合第１皮膜及び複合第２皮膜と、該第１及び第２皮膜の間に挟まれたコアと、該第１皮膜と該コアと該第２皮膜とを少なくとも部分的に通って延びる複数の繊維挿入物とを備える。該複数の繊維挿入物は、パネル内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている。各皮膜または（一つ以上の硬い積層シートの場合）各シートは、互いに垂直なｘ軸とｙ軸にほぼ沿って延びる複数の繊維層を含んでよい。それらの繊維層を通って、該繊維挿入物群はｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸に沿って延びる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の思想は、様々な改良と別の形態が可能であるが、特定の幾つかの実施形態を図面に例として示し、以下に詳細に説明する。しかし、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図したものでなく、本発明は、本発明の思想と範囲内に入る全ての改良物、等価物、及び別の形態を含むよう意図されていることは理解されるべきである。
【０００７】
本発明は、複合材及びこの複合材を構造上の支持体として含む合成パネルに関する。一つの実施形態では、該合成パネルは、例えば、コアと、該コアの両側に固定された二つの皮膜（例えば二つの積層された皮膜）とを有するサンドイッチパネルとして構成される。このような合成パネルは、連続的に製造することができる。一つの実施形態では、該複合材は不均一な又は一様でない密度を有するように形成されてよい。即ち、該複合材は一つ以上の低密度領域と、より大きな負荷に対して使用するための一つ以上の高密度領域とを有してよい。
【０００８】
好例となる一つのタイプの合成パネルは、繊維補強パネル（ＦＲＰパネル）である。ＦＲＰパネルは、補強材とポリマー樹脂とを含むポリマーマトリクス複合材から形成される。ＦＲＰパネルは、任意のタイプのＦＲＰ構造体として実現されてよい。このような構造体の例は、硬い積層体と、引き抜き成形又は真空成形されたサンドイッチパネル（例えば、間にコアが挟まれた上部皮膜と下部皮膜とを有するパネル）とを含むが、これらに限定されない。前記ＦＲＰパネルがサンドイッチパネルとして実現される場合、そのコアの種類には木材、発泡体、及び様々なタイプのハニカム等が含まれるが、これらに限定されない。
【０００９】
該マトリクスは、熱硬化性樹脂を含んでもよい。熱硬化性樹脂の例は、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ポリウレタン、エポキシ類、フェノール類、及びこれらの混合物等を含む。該マトリクスが熱可塑性樹脂を含むことは本開示の範囲内である。
【００１０】
前記補強材は、Ｅガラス繊維を含んでもよい。或いは他の補強材、例えばＳガラス、炭素、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）、金属（例えば金属ナノ繊維）、高弾性率有機繊維（例えば芳香族ポリアミド、ポリベンズアミダゾール、及び芳香族ポリイミド）、及び他の有機繊維（例えばポリエチレン及びナイロン）を使用してもよい。このような材料の混合物又は混成物を補強材として使用してもよい。ホウ素、珪酸アルミニウム、玄武岩等の繊維とウィスカーとを含む他の適当な複合材群を補強材として使用してもよい。
【００１１】
前記ＦＲＰパネルは米国特許第５，７９４，４０２号、第６，０２３，８０６号、第６，０４４，６０７号、第６，０７０，３７８号、第６，０８１，９５５号、第６，１０８，９９８号、第６，４６７，１１８号、第６，６４５，３３３号、及び第６，６７６，７８５号に開示された構造体のうちのどれであってもよい。これらの出願を本明細書に援用する。
【００１２】
図１を参照すると、複合構造体１０が複数の繊維挿入物１２、皮膜１４、１６、及びコア１８を含むサンドイッチ体として構成されている。各皮膜１４、１６は少なくとも一つの２次元織布繊維層を備える。コア１８は該一対の皮膜１４、１６の間に挟まれている。パネル製造プロセスにおいて、繊維挿入物１２が、皮膜１４、１６及びその間のコア１８内に挿入され「ドライ・サンドイッチ」（dry sandwich;乾式のサンドウィッチ状複合材）を構成する。次に、樹脂がそのドライ・サンドイッチの表面に塗布され、真空圧により該ドライ・サンドイッチ中に浸透する。後述するように、各繊維挿入物１２は周知のように繊維エレメントの束であってもよい。
【００１３】
一つ以上のカバー２０が、複合構造体１０の皮膜１４、１６に固定されてもよい。カバー２０は、金属シート、及び／又は様々なゲル又は他の被覆材のうち任意の一つ以上を含み、例えば風化防止または摩擦面を提供する様々な材料から作られてよい。また、皮膜１４、１６を覆うために様々な種類のカバーを使用してもよい。例えば、外装カバー２０は、マークの表示を容易にするために外側が所定の望ましい色に仕上げられてよい。同様に、内装カバー２０は所望の外装カバーの色と異なる所定の色に仕上げられてよい。カバー２０、皮膜１４、１６、及びコア１８は互いに結合するよう一緒に硬化されてよい。
【００１４】
複合構造体１０は、低い繊維密度となるように繊維挿入物１２が互いに対して配置された一つ以上の低繊維密度の領域２２を含む。各領域２２の繊維挿入物１２は、スペース２４だけ互いに離間されている。一つの実施形態では、スペース２４は均一である。例えば、スペース２４は各領域２２が１平方インチ当り１６個の繊維挿入物を有する大きさである。
【００１５】
また、複合構造体１０は、前記低繊維密度より高い繊維密度となるように繊維挿入物１２が互いに対して配置された一つ以上の高繊維密度の領域２６を含む。各領域２６の繊維挿入物１２は、スペース２８だけ互いに離間されている。高繊維密度の領域２６は、低繊維密度の領域２２内の繊維挿入物１２の数より大きな数の繊維挿入物１２を含みうる。
【００１６】
別の実施形態では、各領域２６のスペース２８は不均一であってもよい。即ち、各領域２６内の繊維挿入物１２は不均一に又は非一様に互いに離間されてもよい。
【００１７】
更に別の実施形態では、各領域２６のスペース２８は均一であってもよい。即ち、領域２６内の繊維挿入物１２は均一に互いに離間されてもよい。
【００１８】
更に別の実施形態では、一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２間のスペースは、他の一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２間のスペースと異なってもよい。即ち、一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２は、不均一に又は非一様に他の一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２に対して離間されてもよい。
【００１９】
図２を参照すると、複合構造体１０は合成パネル３０として構成されてもよい。このような構成において、合成パネル３０は繊維挿入物１２、皮膜１４、１６及びその間に挟まれたコア１８を含むサンドイッチパネルである。合成パネル３０は、スペース２４（この図では均一）を有し低繊維密度の前記一つ以上の領域２２を更に含む。また、合成パネル３０はスペース２８を有し前記低繊維密度より高い繊維密度の前記一つ以上の領域２６を含む。また、高繊維密度の領域２６群は、パネル３０内で互いに対して均一に又は不均一に配置されてよい。
【００２０】
高繊維密度の領域２６は増加した応力を受ける領域に設けられてよい。このような増加した応力は様々な位置で、また様々な理由で発生する。例えば、領域２６は留具３４又は他の接続具の近傍に使用されてよい。別の例では、一つ以上の高繊維密度の領域２６がパネル３０の一つ以上の縁に沿って設けられてよい。結果としてのその縁の硬さは、その硬い縁を他の構造体に取付けるのを助ける。
【００２１】
合成パネル３０は、例えば、パネル３０を貫通する空洞３２の形をした複数の孔を備えてもよい。これらの空洞３２は複数の高繊維密度の領域２６と関連して配置されてよい。後述するように、空洞３２はパネル３０の増加した応力又は負荷領域と関係する。一つの実施形態では、個々の空洞３２はそれぞれの領域２６の中央に配置されてよい。
【００２２】
空洞３２は、様々な方法で形成されてよい。パネル３０に空洞３２を形成する一つの方法は、ドリルを用いて空洞３２を開けることである。空洞３２は連続したパネル製造プロセスの一部として形成されてもよい。空洞３２は型をコア１８内に挿入することで形成されてもよい。その型は、管、正方形、又は他の幾何学形状、又は不整形であってよい。
【００２３】
図３、図４を参照すると、ボルト等の留具３４が各空洞３２内に挿嵌される。従って、空洞３２は留具３４をパネル３０に通すよう構成されている。留具３４はパネル３０を構造体（不図示）に取付けるために使用される。
【００２４】
図５を参照すると、パネル３０は均一な負荷又は不均一な負荷等の負荷を支えるために使用されてもよい。パネル３０は構造体３６、４０と接触するよう配置されてもよい。留具３４はパネル３０を構造体３６、４０に接続する。高繊維密度の領域２６は留具３４を受容し、留具３４を通してパネル３０に加えられた負荷（例えば引き裂き負荷とせん断負荷）に応答する硬さを提供する。即ち、領域２６は留具３４の力に抗してパネル３０を硬くする。従って、領域２６は留具３４が引き起こしうる損傷、摩耗、及び／又は侵食を低減する。
【００２５】
構造体３６、４０に接する領域２６を、留具３４に代えて又は追加して接着材（不図示）を用いて構造体３６、４０に取付けてもよい。この場合、領域２６の増加した硬さは、領域２６と構造体４０の間の接着接続を助ける。
【００２６】
図６を参照すると、複合構造体１０から成るパネル３０を製造する方法が示されている。パネル３０を設計する際に、増加した負荷領域の位置が決定される。増加した負荷領域は、ボルト等の留具３４が挿嵌されたパネル３０上の位置である場合がある。増加した負荷領域の位置が決定された後、例えば図６に示すようにパネル３０に加えられた負荷点と対応して要求される繊維密度をまとめて決定するために繊維密度分析４２が行われる。負荷と対応する繊維密度データを計算するとともに、例えば、密度データ信号の形でコマンドを関連する繊維埋込装置に発行するコンピュータ・モデリングプログラムを繊維密度分析４２を行うために使用してもよい。図６の繊維密度分析４２に示すように、繊維挿入物１２の密度は、加えられた負荷を表す中央領域４４まで増加する。繊維密度分析４２に基づいて、低繊維密度の領域２２と高繊維密度の領域との位置、寸法、及び／又は構成が、パネル３０内での適切な位置決めのために決定される。
【００２７】
図７を参照すると、密度分析４２の完了後、密度データが、例えば、一つ以上の密度データ信号により繊維埋込装置に送信される。好例の繊維埋込装置が米国特許第６，６４５，３３３号に開示されている。この繊維埋込装置の一つのモジュールが繊維挿入物１２の柱４６を複合構造体１０の皮膜１４、１６、及びコア１８に挿入し低繊維密度の領域２２の形成を開始する。領域２２において、この柱４６は一定の数（例えば、１０本）の繊維挿入物１２を含んでよい。該モジュールが繊維挿入物１２の１本の柱４６を埋め込んだ後、複合構造体１０は、該モジュールに対して所定の距離４８だけ直線移動する。次に、該モジュールは繊維挿入物１２の別の柱４６を埋込み、低繊維密度の領域２２の形成を続ける。該モジュールが複合構造体１０内の高繊維密度の領域２６への埋込みを開始するまで、繊維埋込プロセスを繰り返し均一密度の領域２２の形成を続ける。
【００２８】
一つの実施形態では、高繊維密度の領域２６を形成するために、複合構造体１０は、距離４８より短くてもよい所定の距離５０だけ直線移動する。複合構造体１０の移動後、該モジュールは繊維挿入物１２の１本の柱５２を埋め込む。領域２６において、柱５２は一定の数の繊維挿入物１２を含んでよい。又は柱５２の繊維挿入物１２の数は、直前の柱５２の繊維挿入物１２の数より多くても少なくてもよい。繊維埋込プロセスは複合構造体１０を移動させ、繊維挿入物１２を所望のように埋込み、領域２６を形成する。
【００２９】
繊維埋込装置は繊維挿入物１２の追加の柱５４群を所定の間隔５６で埋め込んでよい。一つの実施形態では、柱５４の繊維挿入物１２の数は、別の柱５４の繊維挿入物１２の数より多くても少なくてもよい。繊維埋込シーケンスは、繊維埋込装置により繊維挿入物１２の所望のパターンが完成するまで繊維挿入物１２の埋込みを続ける。
【００３０】
密度分析４２に基づいて、繊維埋込装置は、柱５２、５４内の繊維挿入物１２の埋込みを変えることにより高繊維密度の領域２６群を均一又は不均一に配置することができる。本開示は柱４６、５２、５４に限定されることなく、密度分析４２からの要求に従って、追加の繊維挿入物１２の柱を含んでよい。計算された低繊維密度の領域２２及び高繊維密度の領域２６の埋込み後、繊維埋込装置は複合構造体１０を所望の形に加工しパネル３０を形成する。
【００３１】
一つの実施形態では、該繊維埋込装置は、複合構造体１０に繊維挿入物１２を埋込むためのモジュールの複数の列を備えている。この実施形態では、異なるモジュールが繊維挿入物１２の異なる柱を埋込むために使用される。更にこの実施形態では、複数のモジュールの動作を調和させるタイミング機能を有するシーケンスプログラムが、複合構造体１０の進行と各モジュールにより埋込まれる繊維柱間の距離とを制御するために使用されてもよい。
【００３２】
図８を参照すると、符号６０で示された繊維埋込装置は例示した引き抜き成形プロセス６２に含まれてよい。このような場合、例えば織られたロービングの形態の繊維層が繊維ロール６４から供給され、パネルの場合の皮膜１４、１６の層、又は硬い積層体の場合の積層シートを形成する。これらの繊維層は、樹脂タンク６６を通過し樹脂で湿潤される。パネルの場合、コア１８は皮膜１４、１６間にタンク６６の前又は後のどちらで導入されてもよい。いずれの場合も、湿潤されたユニットはデバルキングブッシュ６８を通り、余分な樹脂が除去されてもよい。次に、繊維埋込装置６０は繊維挿入物１２を挿入し、該ユニットは加熱された金型７０において硬化される。構造体１０は、例えば一対のグリッパー又はローラーからなる引き抜き具７２によって通過線に沿って引っ張られる。別の例では、繊維挿入物１２は樹脂タンク６６の上流において挿入されてもよい。
【００３３】
繊維埋込装置６０は、モジュールの四つの列１、２、３、４を備えていてもよい。モジュール列１、２、３、４は関連するロール７４から繊維挿入材を受取る。四つのモジュール列１、２、３、４は、四つの柱に繊維挿入物１２を挿入する。複合構造体１０は移動され、モジュール列群は別の四つの柱の繊維挿入物１２を挿入する。このシーケンスは所望の繊維パターンが完成するまで続く。モジュール列群は、次の柱の組に進む前に、それぞれ対応する柱の繊維挿入物１２を同時に挿入するようにしてもよい。一つの例では、モジュール列１、２、３、４は、それぞれ柱１、２、３、４の繊維挿入物１２を挿入する。複合構造体１０は４ステップ（各ステップは一つの柱に関連する）進み、次にモジュール列１、２、３、４はそれぞれ柱５、６、７、８を挿入する。このシーケンスは繊維パターンの完成まで繰返される。別の例では、モジュール列１、２、３、４は近接していない柱群、例えば１、１４、２７及び３０の繊維挿入物１２を挿入する。
【００３４】
一つの実施形態では、一つのモジュール列（例えば、列１）がマスター列とされる。その他の列はスレーブと呼ばれる。マスター列とは異なり、スレーブ列は複数の柱を横切ることができるガントリー上に配置される。例えば、これら列群は互いに四つの柱分だけ間隔をおいて配置されてよく、スレーブ列は±３柱分だけ横に移動できることとしてもよい。このような場合、マスター列１は柱１を、スレーブ列２、３、４は柱５、９、１３を挿入してもよい。複合構造体１０は、３ステップ移動するまで一度に１ステップずつ移動してもよい。その次に、複合構造体１０は１２ステップ移動してもよい。
【００３５】
マスター列としては、これら列群が同時に動作する際、例えばもっとも長い挿入時間の列が選ばれる。挿入時間は、例えば、（各挿入の時間＋移動時間）×（一つの柱あたりの挿入数）で与えられる。繊維埋込装置はマスター列によって一つの柱が完成した時に、そのマスター列に対して複合構造体１０を移動させるようプログラムされてよい。このような手順を使用することで繊維埋込装置のソフトウェアのプログラミングが簡単化されうる。
【００３６】
各スレーブ列の位置は、「絶対距離」又は「相対距離」等の様々な方法で測定されてもよい。「絶対距離」の場合、各スレーブ列はマスター列からの距離が測定される。「相対距離」の場合、マスター列から固定の距離離れた基準点が選択され、各スレーブ列からその基準点までの距離が測定される。
【００３７】
全ての列（マスター列とスレーブ列）の位置が、別の技法で測定されてもよい。特に、各列の位置は、挿入された繊維物上のマークに基づいて各列を動作させることで測定されてもよい。各マークからの距離を測定することで、各列が所望のパターンを描くようにできる。
【００３８】
非一様な密度パターンを作製する別の方法によれば、各列は選択された色の繊維を挿入するか又は挿入を休止する。例えば、列１、２、３はそれぞれ赤色繊維挿入物、青色繊維挿入物、黒色繊維挿入物を挿入し、その間、列４は休止する。
【００３９】
二つ以上の繊維挿入物１２を同じ場所に挿入する方法が少なくとも三つ存在する。第１の方法は、二つ以上の繊維挿入物１２が同じ場所に挿入されてもよい。第２の方法は、前の繊維挿入物との干渉を避けるために二つ以上の繊維挿入物１２を互いから少し離して挿入してもよい。第３の方法は、ただ一つの列（例えば、マスター列）が繊維挿入を行うために使用されてもよい。
【００４０】
別の実施形態では、マスター列が挿入を行っている間、各スレーブ列が先行し、それが横移動できる範囲内の多数の位置に繊維挿入物１２を挿入する。パネル３０の進行を許すためにマスター列が停止したときに、スレーブ列は停止する。
【００４１】
図９ａ〜図９ｄを参照すると、複合構造体１０の製造において、皮膜１４、１６をコア１８に被着する前に、織物挿入物５８がコア１８と接触するよう挿入されてもよい。織物挿入物５８はパネル３０に強度補強を提供する。
【００４２】
複数のコア１８が図９ａの斜視図に示されている。一つの実施形態においては、織物挿入物５８がコア１８の長さ全体に沿って延在してもい。別の実施形態では、織物挿入物５８は部分的にコア１８の長さに沿って延びる。更に別の実施形態では、織物挿入物５８は一つ以上のコア１８と接触してよい。また、別の実施形態では、織物挿入物５８はコア１８全体を包んでもよい。
【００４３】
図８ａの部分断面図を示す図９ｂに、二つの織物挿入物５８が互いに隣接する二つのコア１８にＩ字形を成すように取付けられているのが示されている。この構成において、各織物挿入物５８は特定のコア１８に接触する。繊維挿入物１２は織物挿入物５８を通りコア１８に挿入されてもよい。
【００４４】
図８ａの部分断面図を示す図９ｃに、織物挿入物５８が互いに隣接する二つのコア１８にＺ字形を成すように取付けられているのが示されている。この構成において、織物挿入物５８は両方のコア１８に接触する。図示のように、織物挿入物５８は一方のコア１８の上面に沿って延び、他方のコア１８の底面に沿って延びてもよい。
【００４５】
図９ｄに示すように、繊維挿入物１２はコア１８及び織物挿入物５８に斜めに挿入されてもよい。
【００４６】
そのコア１８が上述のように一様でない繊維密度を有するように、繊維挿入物１２群を各コア１８に挿入してもよい。
【００４７】
複合構造体１０の製造中に、織物挿入物５８が取付けられたコア１８が、複合構造体１０内に直線的に又は交差する方向に配置され、複合構造体１０全体に増加した硬さを提供するようにしてもよい。コア１８と織物挿入物５８が複合構造体１０内に配置された後、繊維埋込装置は繊維挿入物１２を織物挿入物５８とコア１８内に埋込んでもよい。
【００４８】
図１０Ａを参照すると、複合積層皮膜１４、１６と、皮膜１４、１６に挟まれたコア１８と、複数の繊維挿入物１２とを有するパネル３０が示されている。皮膜１４、１６はほぼｘ軸とｙ軸に沿って延び２次元の補強を提供する繊維層７４を有する。ｘ軸は図１０Ａの紙面上で水平であり、ｙ軸は図１０Ａの紙面の奥に向かって延び、ｚ軸は図１０Ａの紙面上で垂直である。各繊維挿入物１２はほぼｚ軸に沿い少なくとも部分的に皮膜１４、１６とコア１８とを通って延びている。より具体的には、各繊維挿入物１２は繊維層７４内を横切って延びており、パネル３０に１次元の補強を提供する。即ち、パネル３０は３次元に補強されている。繊維挿入物１２群は、それらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている。例えば、領域２２内の繊維挿入物１２の密度は領域２６内の繊維挿入物１２の密度より低い。
【００４９】
単一のシート７５に関する図１０Ｂと二つのシート７５に関する図１０Ｃとに示すように、繊維挿入物１２群は、ポリマーマトリクス中に存在する繊維層７４群を有する少なくとも一つの硬い積層複合シート７５内に挿入されてよい。各繊維層７４はほぼｘ軸とｙ軸に沿って延び、２次元の補強を提供する。繊維挿入物１２はほぼｚ軸に沿い繊維層７４を横切ってシート７５内に延在し、１次元の補強を提供する。即ち、シート７５は３次元に補強される。繊維挿入物１２群は、シート７５内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置される。
【００５０】
本発明は、様々な改良と別の形態が可能であるが、特定の幾つかの実施形態を図面に例として示し、詳細に説明した。しかし、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図したものでなく、本発明は、本発明の思想と範囲内に入る全ての改良物、均等物、及び別の形態を含むよう意図されていることは理解されるべきである。
【００５１】
本発明には、本明細書に記載された装置、システム、及び方法の様々な特徴から生じる複数の利点が存在する。本開示の装置、システム、及び方法の他の実施形態は、記載された特徴の全てを含んでいない場合があるが、それでもこれらの特徴の利点のうち少なくとも幾つかの利点を有する。当業者は、本発明の特徴の一つ以上を備え、本発明の思想及び範囲内に入る装置、システム、及び方法の別の実施形態を容易に想到しうる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】高い強度対重量比の複合構造体の一部の部分断面斜視図であり、この複合構造体は上部皮膜と下部皮膜の間に、低繊維密度領域と高繊維密度領域とを形成するよう互いに対して配置された複数の繊維挿入物を含む。
【図２】複数の高繊維密度領域を有するパネルとして構成された図１の構造体の斜視図である。
【図３】各高繊維密度領域を通って延びる留具を示す合成パネルの斜視図である。
【図４】高繊維密度領域の一つを通って延びる留具を示す図３の線４−４に沿った断面図である。
【図５】台として使用するために配置された合成パネルを示す側立面図である。
【図６】合成パネルの高繊維密度領域の一例の密度分析のグラフである。
【図７】合成パネルの製造中における高繊維密度領域と低繊維密度領域とのグラフ表示である。
【図８】合成パネルを製造する装置の概略図である。
【図９ａ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図９ｂ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図９ｃ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図９ｄ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図１０ａ】サンドイッチパネル内の繊維挿入物の密度の変化を示す立面図である。
【図１０ｂ】単一積層シート内の繊維挿入物の密度の変化を示す立面図である。
【図１０ｃ】互いに固定された複数の積層シート内の繊維挿入物の密度の変化を示す立面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は高い強度対重量比の複合材に関し、より具体的にはこれら複合材から成る高い強度対重量比のパネル及び他の構造体、及びこれら構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
複合構造体は、通常、マトリクス中に補強剤を含む。マトリクスが補強材同士を結びつけるように働くのに対して、補強剤は当該構造体の主要な機械的強度を提供する。
【０００３】
《関連する出願への相互参照》
本出願は、２００４年１２月３日付で出願した米国仮特許出願第６０／６３３，０１８号及び“Composite Structure with Non-Uniform Density and Associated Method”と題され２００５年１１月２９日付で出願した米国特許出願第１１／２８９，６７７に基づく優先権を主張するものであり、これらの出願の全体を本明細書に援用する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の一つの態様によれば、高い強度対重量比の複合構造体は、複数の繊維挿入物を含む。それらの繊維挿入物は、複合構造体内において密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置される。より高い繊維挿入密度の領域は、その領域の硬さ及び負荷に耐える能力を向上させる。この複合構造体の製造方法が開示される。
【０００５】
図示のように、複合構造体は、例えばサンドイッチパネル、又は一つ以上の硬い積層シートとして実現されてもよい。パネルの場合、該パネルは、複合第１皮膜及び複合第２皮膜と、該第１及び第２皮膜の間に挟まれたコアと、該第１皮膜と該コアと該第２皮膜とを少なくとも部分的に通って延びる複数の繊維挿入物とを備える。該複数の繊維挿入物は、パネル内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている。各皮膜または（一つ以上の硬い積層シートの場合）各シートは、互いに垂直なｘ軸とｙ軸にほぼ沿って延びる複数の繊維層を含んでよい。それらの繊維層を通って、該繊維挿入物群はｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸に沿って延びる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
本発明の思想は、様々な改良と別の形態が可能であるが、特定の幾つかの実施形態を図面に例として示し、以下に詳細に説明する。しかし、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図したものでなく、本発明は、本発明の思想と範囲内に入る全ての改良物、等価物、及び別の形態を含むよう意図されていることは理解されるべきである。
【０００７】
本発明は、複合材及びこの複合材を構造上の支持体として含む合成パネルに関する。一つの実施形態では、該合成パネルは、例えば、コアと、該コアの両側に固定された二つの皮膜（例えば二つの積層された皮膜）とを有するサンドイッチパネルとして構成される。このような合成パネルは、連続的に製造することができる。一つの実施形態では、該複合材は不均一な又は一様でない密度を有するように形成されてよい。即ち、該複合材は一つ以上の低密度領域と、より大きな負荷に対して使用するための一つ以上の高密度領域とを有してよい。
【０００８】
好例となる一つのタイプの合成パネルは、繊維補強パネル（ＦＲＰパネル）である。ＦＲＰパネルは、補強材とポリマー樹脂とを含むポリマーマトリクス複合材から形成される。ＦＲＰパネルは、任意のタイプのＦＲＰ構造体として実現されてよい。このような構造体の例は、硬い積層体と、引き抜き成形又は真空成形されたサンドイッチパネル（例えば、間にコアが挟まれた上部皮膜と下部皮膜とを有するパネル）とを含むが、これらに限定されない。前記ＦＲＰパネルがサンドイッチパネルとして実現される場合、そのコアの種類には木材、発泡体、及び様々なタイプのハニカム等が含まれるが、これらに限定されない。
【０００９】
該マトリクスは、熱硬化性樹脂を含んでもよい。熱硬化性樹脂の例は、不飽和ポリエステル、ビニルエステル、ポリウレタン、エポキシ類、フェノール類、及びこれらの混合物等を含む。該マトリクスが熱可塑性樹脂を含むことは本開示の範囲内である。
【００１０】
前記補強材は、Ｅガラス繊維を含んでもよい。或いは他の補強材、例えばＳガラス、炭素、ＫＥＶＬＡＲ（登録商標）、金属（例えば金属ナノ繊維）、高弾性率有機繊維（例えば芳香族ポリアミド、ポリベンズアミダゾール、及び芳香族ポリイミド）、及び他の有機繊維（例えばポリエチレン及びナイロン）を使用してもよい。このような材料の混合物又は混成物を補強材として使用してもよい。ホウ素、珪酸アルミニウム、玄武岩等の繊維とウィスカーとを含む他の適当な複合材群を補強材として使用してもよい。
【００１１】
前記ＦＲＰパネルは米国特許第５，７９４，４０２号、第６，０２３，８０６号、第６，０４４，６０７号、第６，０７０，３７８号、第６，０８１，９５５号、第６，１０８，９９８号、第６，４６７，１１８号、第６，６４５，３３３号、及び第６，６７６，７８５号に開示された構造体のうちのどれであってもよい。これらの出願を本明細書に援用する。
【００１２】
図１を参照すると、複合構造体１０が複数の繊維挿入物１２、皮膜１４、１６、及びコア１８を含むサンドイッチ体として構成されている。各皮膜１４、１６は少なくとも一つの２次元織布繊維層を備える。コア１８は該一対の皮膜１４、１６の間に挟まれている。パネル製造プロセスにおいて、繊維挿入物１２が、皮膜１４、１６及びその間のコア１８内に挿入され「ドライ・サンドイッチ」（dry sandwich;乾式のサンドウィッチ状複合材）を構成する。次に、樹脂がそのドライ・サンドイッチの表面に塗布され、真空圧により該ドライ・サンドイッチ中に浸透する。後述するように、各繊維挿入物１２は周知のように繊維エレメントの束であってもよい。
【００１３】
一つ以上のカバー２０が、複合構造体１０の皮膜１４、１６に固定されてもよい。カバー２０は、金属シート、及び／又は様々なゲル又は他の被覆材のうち任意の一つ以上を含み、例えば風化防止または摩擦面を提供する様々な材料から作られてよい。また、皮膜１４、１６を覆うために様々な種類のカバーを使用してもよい。例えば、外装カバー２０は、マークの表示を容易にするために外側が所定の望ましい色に仕上げられてよい。同様に、内装カバー２０は所望の外装カバーの色と異なる所定の色に仕上げられてよい。カバー２０、皮膜１４、１６、及びコア１８は互いに結合するよう一緒に硬化されてよい。
【００１４】
複合構造体１０は、低い繊維密度となるように繊維挿入物１２が互いに対して配置された一つ以上の低繊維密度の領域２２を含む。各領域２２の繊維挿入物１２は、スペース２４だけ互いに離間されている。一つの実施形態では、スペース２４は均一である。例えば、スペース２４は各領域２２が１平方インチ当り１６個の繊維挿入物を有する大きさである。
【００１５】
また、複合構造体１０は、前記低繊維密度より高い繊維密度となるように繊維挿入物１２が互いに対して配置された一つ以上の高繊維密度の領域２６を含む。各領域２６の繊維挿入物１２は、スペース２８だけ互いに離間されている。高繊維密度の領域２６は、低繊維密度の領域２２内の繊維挿入物１２の数より大きな数の繊維挿入物１２を含みうる。
【００１６】
別の実施形態では、各領域２６のスペース２８は不均一であってもよい。即ち、各領域２６内の繊維挿入物１２は不均一に又は非一様に互いに離間されてもよい。
【００１７】
更に別の実施形態では、各領域２６のスペース２８は均一であってもよい。即ち、領域２６内の繊維挿入物１２は均一に互いに離間されてもよい。
【００１８】
更に別の実施形態では、一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２間のスペースは、他の一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２間のスペースと異なってもよい。即ち、一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２は、不均一に又は非一様に他の一つ以上の領域２６内の繊維挿入物１２に対して離間されてもよい。
【００１９】
図２を参照すると、複合構造体１０は合成パネル３０として構成されてもよい。このような構成において、合成パネル３０は繊維挿入物１２、皮膜１４、１６及びその間に挟まれたコア１８を含むサンドイッチパネルである。合成パネル３０は、スペース２４（この図では均一）を有し低繊維密度の前記一つ以上の領域２２を更に含む。また、合成パネル３０はスペース２８を有し前記低繊維密度より高い繊維密度の前記一つ以上の領域２６を含む。また、高繊維密度の領域２６群は、パネル３０内で互いに対して均一に又は不均一に配置されてよい。
【００２０】
高繊維密度の領域２６は増加した応力を受ける領域に設けられてよい。このような増加した応力は様々な位置で、また様々な理由で発生する。例えば、領域２６は留具３４又は他の接続具の近傍に使用されてよい。別の例では、一つ以上の高繊維密度の領域２６がパネル３０の一つ以上の縁に沿って設けられてよい。結果としてのその縁の硬さは、その硬い縁を他の構造体に取付けるのを助ける。
【００２１】
合成パネル３０は、例えば、パネル３０を貫通する空洞３２の形をした複数の孔を備えてもよい。これらの空洞３２は複数の高繊維密度の領域２６と関連して配置されてよい。後述するように、空洞３２はパネル３０の増加した応力又は負荷領域と関係する。一つの実施形態では、個々の空洞３２はそれぞれの領域２６の中央に配置されてよい。
【００２２】
空洞３２は、様々な方法で形成されてよい。パネル３０に空洞３２を形成する一つの方法は、ドリルを用いて空洞３２を開けることである。空洞３２は連続したパネル製造プロセスの一部として形成されてもよい。空洞３２は型をコア１８内に挿入することで形成されてもよい。その型は、管、正方形、又は他の幾何学形状、又は不整形であってよい。
【００２３】
図３、図４を参照すると、ボルト等の留具３４が各空洞３２内に挿嵌される。従って、空洞３２は留具３４をパネル３０に通すよう構成されている。留具３４はパネル３０を構造体（不図示）に取付けるために使用される。
【００２４】
図５を参照すると、パネル３０は均一な負荷又は不均一な負荷等の負荷を支えるために使用されてもよい。パネル３０は構造体３６、４０と接触するよう配置されてもよい。留具３４はパネル３０を構造体３６、４０に接続する。高繊維密度の領域２６は留具３４を受容し、留具３４を通してパネル３０に加えられた負荷（例えば引き裂き負荷とせん断負荷）に応答する硬さを提供する。即ち、領域２６は留具３４の力に抗してパネル３０を硬くする。従って、領域２６は留具３４が引き起こしうる損傷、摩耗、及び／又は侵食を低減する。
【００２５】
構造体３６、４０に接する領域２６を、留具３４に代えて又は追加して接着材（不図示）を用いて構造体３６、４０に取付けてもよい。この場合、領域２６の増加した硬さは、領域２６と構造体４０の間の接着接続を助ける。
【００２６】
図６を参照すると、複合構造体１０から成るパネル３０を製造する方法が示されている。パネル３０を設計する際に、増加した負荷領域の位置が決定される。増加した負荷領域は、ボルト等の留具３４が挿嵌されたパネル３０上の位置である場合がある。増加した負荷領域の位置が決定された後、例えば図６に示すようにパネル３０に加えられた負荷点と対応して要求される繊維密度をまとめて決定するために繊維密度分析４２が行われる。負荷と対応する繊維密度データを計算するとともに、例えば、密度データ信号の形でコマンドを関連する繊維埋込装置に発行するコンピュータ・モデリングプログラムを繊維密度分析４２を行うために使用してもよい。図６の繊維密度分析４２に示すように、繊維挿入物１２の密度は、加えられた負荷を表す中央領域４４まで増加する。繊維密度分析４２に基づいて、低繊維密度の領域２２と高繊維密度の領域との位置、寸法、及び／又は構成が、パネル３０内での適切な位置決めのために決定される。
【００２７】
図７を参照すると、密度分析４２の完了後、密度データが、例えば、一つ以上の密度データ信号により繊維埋込装置に送信される。好例の繊維埋込装置が米国特許第６，６４５，３３３号に開示されている。この繊維埋込装置の一つのモジュールが繊維挿入物１２の柱４６を複合構造体１０の皮膜１４、１６、及びコア１８に挿入し低繊維密度の領域２２の形成を開始する。領域２２において、この柱４６は一定の数（例えば、１０本）の繊維挿入物１２を含んでよい。該モジュールが繊維挿入物１２の１本の柱４６を埋め込んだ後、複合構造体１０は、該モジュールに対して所定の距離４８だけ直線移動する。次に、該モジュールは繊維挿入物１２の別の柱４６を埋込み、低繊維密度の領域２２の形成を続ける。該モジュールが複合構造体１０内の高繊維密度の領域２６への埋込みを開始するまで、繊維埋込プロセスを繰り返し均一密度の領域２２の形成を続ける。
【００２８】
一つの実施形態では、高繊維密度の領域２６を形成するために、複合構造体１０は、距離４８より短くてもよい所定の距離５０だけ直線移動する。複合構造体１０の移動後、該モジュールは繊維挿入物１２の１本の柱５２を埋め込む。領域２６において、柱５２は一定の数の繊維挿入物１２を含んでよい。又は柱５２の繊維挿入物１２の数は、直前の柱５２の繊維挿入物１２の数より多くても少なくてもよい。繊維埋込プロセスは複合構造体１０を移動させ、繊維挿入物１２を所望のように埋込み、領域２６を形成する。
【００２９】
繊維埋込装置は繊維挿入物１２の追加の柱５４群を所定の間隔５６で埋め込んでよい。一つの実施形態では、柱５４の繊維挿入物１２の数は、別の柱５４の繊維挿入物１２の数より多くても少なくてもよい。繊維埋込シーケンスは、繊維埋込装置により繊維挿入物１２の所望のパターンが完成するまで繊維挿入物１２の埋込みを続ける。
【００３０】
密度分析４２に基づいて、繊維埋込装置は、柱５２、５４内の繊維挿入物１２の埋込みを変えることにより高繊維密度の領域２６群を均一又は不均一に配置することができる。本開示は柱４６、５２、５４に限定されることなく、密度分析４２からの要求に従って、追加の繊維挿入物１２の柱を含んでよい。計算された低繊維密度の領域２２及び高繊維密度の領域２６の埋込み後、繊維埋込装置は複合構造体１０を所望の形に加工しパネル３０を形成する。
【００３１】
一つの実施形態では、該繊維埋込装置は、複合構造体１０に繊維挿入物１２を埋込むためのモジュールの複数の列を備えている。この実施形態では、異なるモジュールが繊維挿入物１２の異なる柱を埋込むために使用される。更にこの実施形態では、複数のモジュールの動作を調和させるタイミング機能を有するシーケンスプログラムが、複合構造体１０の進行と各モジュールにより埋込まれる繊維柱間の距離とを制御するために使用されてもよい。
【００３２】
図８を参照すると、符号６０で示された繊維埋込装置は例示した引き抜き成形プロセス６２に含まれてよい。このような場合、例えば織られたロービングの形態の繊維層が繊維ロール６４から供給され、パネルの場合の皮膜１４、１６の層、又は硬い積層体の場合の積層シートを形成する。これらの繊維層は、樹脂タンク６６を通過し樹脂で湿潤される。パネルの場合、コア１８は皮膜１４、１６間にタンク６６の前又は後のどちらで導入されてもよい。いずれの場合も、湿潤されたユニットはデバルキングブッシュ６８を通り、余分な樹脂が除去されてもよい。次に、繊維埋込装置６０は繊維挿入物１２を挿入し、該ユニットは加熱された金型７０において硬化される。構造体１０は、例えば一対のグリッパー又はローラーからなる引き抜き具７２によって通過線に沿って引っ張られる。別の例では、繊維挿入物１２は樹脂タンク６６の上流において挿入されてもよい。
【００３３】
繊維埋込装置６０は、モジュールの四つの列１、２、３、４を備えていてもよい。モジュール列１、２、３、４は関連するロール７４から繊維挿入材を受取る。四つのモジュール列１、２、３、４は、四つの柱に繊維挿入物１２を挿入する。複合構造体１０は移動され、モジュール列群は別の四つの柱の繊維挿入物１２を挿入する。このシーケンスは所望の繊維パターンが完成するまで続く。モジュール列群は、次の柱の組に進む前に、それぞれ対応する柱の繊維挿入物１２を同時に挿入するようにしてもよい。一つの例では、モジュール列１、２、３、４は、それぞれ柱１、２、３、４の繊維挿入物１２を挿入する。複合構造体１０は４ステップ（各ステップは一つの柱に関連する）進み、次にモジュール列１、２、３、４はそれぞれ柱５、６、７、８を挿入する。このシーケンスは繊維パターンの完成まで繰返される。別の例では、モジュール列１、２、３、４は近接していない柱群、例えば１、１４、２７及び３０の繊維挿入物１２を挿入する。
【００３４】
一つの実施形態では、一つのモジュール列（例えば、列１）がマスター列とされる。その他の列はスレーブと呼ばれる。マスター列とは異なり、スレーブ列は複数の柱を横切ることができるガントリー上に配置される。例えば、これら列群は互いに四つの柱分だけ間隔をおいて配置されてよく、スレーブ列は±３柱分だけ横に移動できることとしてもよい。このような場合、マスター列１は柱１を、スレーブ列２、３、４は柱５、９、１３を挿入してもよい。複合構造体１０は、３ステップ移動するまで一度に１ステップずつ移動してもよい。その次に、複合構造体１０は１２ステップ移動してもよい。
【００３５】
マスター列としては、これら列群が同時に動作する際、例えばもっとも長い挿入時間の列が選ばれる。挿入時間は、例えば、（各挿入の時間＋移動時間）×（一つの柱あたりの挿入数）で与えられる。繊維埋込装置はマスター列によって一つの柱が完成した時に、そのマスター列に対して複合構造体１０を移動させるようプログラムされてよい。このような手順を使用することで繊維埋込装置のソフトウェアのプログラミングが簡単化されうる。
【００３６】
各スレーブ列の位置は、「絶対距離」又は「相対距離」等の様々な方法で測定されてもよい。「絶対距離」の場合、各スレーブ列はマスター列からの距離が測定される。「相対距離」の場合、マスター列から固定の距離離れた基準点が選択され、各スレーブ列からその基準点までの距離が測定される。
【００３７】
全ての列（マスター列とスレーブ列）の位置が、別の技法で測定されてもよい。特に、各列の位置は、挿入された繊維物上のマークに基づいて各列を動作させることで測定されてもよい。各マークからの距離を測定することで、各列が所望のパターンを描くようにできる。
【００３８】
非一様な密度パターンを作製する別の方法によれば、各列は選択された色の繊維を挿入するか又は挿入を休止する。例えば、列１、２、３はそれぞれ赤色繊維挿入物、青色繊維挿入物、黒色繊維挿入物を挿入し、その間、列４は休止する。
【００３９】
二つ以上の繊維挿入物１２を同じ場所に挿入する方法が少なくとも三つ存在する。第１の方法は、二つ以上の繊維挿入物１２が同じ場所に挿入されてもよい。第２の方法は、前の繊維挿入物との干渉を避けるために二つ以上の繊維挿入物１２を互いから少し離して挿入してもよい。第３の方法は、ただ一つの列（例えば、マスター列）が繊維挿入を行うために使用されてもよい。
【００４０】
別の実施形態では、マスター列が挿入を行っている間、各スレーブ列が先行し、それが横移動できる範囲内の多数の位置に繊維挿入物１２を挿入する。パネル３０の進行を許すためにマスター列が停止したときに、スレーブ列は停止する。
【００４１】
図９ａ〜図９ｄを参照すると、複合構造体１０の製造において、皮膜１４、１６をコア１８に被着する前に、織物挿入物５８がコア１８と接触するよう挿入されてもよい。織物挿入物５８はパネル３０に強度補強を提供する。
【００４２】
複数のコア１８が図９ａの斜視図に示されている。一つの実施形態においては、織物挿入物５８がコア１８の長さ全体に沿って延在してもい。別の実施形態では、織物挿入物５８は部分的にコア１８の長さに沿って延びる。更に別の実施形態では、織物挿入物５８は一つ以上のコア１８と接触してよい。また、別の実施形態では、織物挿入物５８はコア１８全体を包んでもよい。
【００４３】
図８ａの部分断面図を示す図９ｂに、二つの織物挿入物５８が互いに隣接する二つのコア１８にＩ字形を成すように取付けられているのが示されている。この構成において、各織物挿入物５８は特定のコア１８に接触する。繊維挿入物１２は織物挿入物５８を通りコア１８に挿入されてもよい。
【００４４】
図８ａの部分断面図を示す図９ｃに、織物挿入物５８が互いに隣接する二つのコア１８にＺ字形を成すように取付けられているのが示されている。この構成において、織物挿入物５８は両方のコア１８に接触する。図示のように、織物挿入物５８は一方のコア１８の上面に沿って延び、他方のコア１８の底面に沿って延びてもよい。
【００４５】
図９ｄに示すように、繊維挿入物１２はコア１８及び織物挿入物５８に斜めに挿入されてもよい。
【００４６】
そのコア１８が上述のように一様でない繊維密度を有するように、繊維挿入物１２群を各コア１８に挿入してもよい。
【００４７】
複合構造体１０の製造中に、織物挿入物５８が取付けられたコア１８が、複合構造体１０内に直線的に又は交差する方向に配置され、複合構造体１０全体に増加した硬さを提供するようにしてもよい。コア１８と織物挿入物５８が複合構造体１０内に配置された後、繊維埋込装置は繊維挿入物１２を織物挿入物５８とコア１８内に埋込んでもよい。
【００４８】
図１０Ａを参照すると、複合積層皮膜１４、１６と、皮膜１４、１６に挟まれたコア１８と、複数の繊維挿入物１２とを有するパネル３０が示されている。皮膜１４、１６はほぼｘ軸とｙ軸に沿って延び２次元の補強を提供する繊維層７４を有する。ｘ軸は図１０Ａの紙面上で水平であり、ｙ軸は図１０Ａの紙面の奥に向かって延び、ｚ軸は図１０Ａの紙面上で垂直である。各繊維挿入物１２はほぼｚ軸に沿い少なくとも部分的に皮膜１４、１６とコア１８とを通って延びている。より具体的には、各繊維挿入物１２は繊維層７４内を横切って延びており、パネル３０に１次元の補強を提供する。即ち、パネル３０は３次元に補強されている。繊維挿入物１２群は、それらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている。例えば、領域２２内の繊維挿入物１２の密度は領域２６内の繊維挿入物１２の密度より低い。
【００４９】
単一のシート７５に関する図１０Ｂと二つのシート７５に関する図１０Ｃとに示すように、繊維挿入物１２群は、ポリマーマトリクス中に存在する繊維層７４群を有する少なくとも一つの硬い積層複合シート７５内に挿入されてよい。各繊維層７４はほぼｘ軸とｙ軸に沿って延び、２次元の補強を提供する。繊維挿入物１２はほぼｚ軸に沿い繊維層７４を横切ってシート７５内に延在し、１次元の補強を提供する。即ち、シート７５は３次元に補強される。繊維挿入物１２群は、シート７５内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置される。
【００５０】
本発明は、様々な改良と別の形態が可能であるが、特定の幾つかの実施形態を図面に例として示し、詳細に説明した。しかし、本発明を開示された特定の形態に限定することを意図したものでなく、本発明は、本発明の思想と範囲内に入る全ての改良物、均等物、及び別の形態を含むよう意図されていることは理解されるべきである。
【００５１】
本発明には、本明細書に記載された装置、システム、及び方法の様々な特徴から生じる複数の利点が存在する。本開示の装置、システム、及び方法の他の実施形態は、記載された特徴の全てを含んでいない場合があるが、それでもこれらの特徴の利点のうち少なくとも幾つかの利点を有する。当業者は、本発明の特徴の一つ以上を備え、本発明の思想及び範囲内に入る装置、システム、及び方法の別の実施形態を容易に想到しうる。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】高い強度対重量比の複合構造体の一部の部分断面斜視図であり、この複合構造体は上部皮膜と下部皮膜の間に、低繊維密度領域と高繊維密度領域とを形成するよう互いに対して配置された複数の繊維挿入物を含む。
【図２】複数の高繊維密度領域を有するパネルとして構成された図１の構造体の斜視図である。
【図３】各高繊維密度領域を通って延びる留具を示す合成パネルの斜視図である。
【図４】高繊維密度領域の一つを通って延びる留具を示す図３の線４−４に沿った断面図である。
【図５】台として使用するために配置された合成パネルを示す側立面図である。
【図６】合成パネルの高繊維密度領域の一例の密度分析のグラフである。
【図７】合成パネルの製造中における高繊維密度領域と低繊維密度領域とのグラフ表示である。
【図８】合成パネルを製造する装置の概略図である。
【図９ａ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図９ｂ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図９ｃ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図９ｄ】複合材を補強する挿入物を示す図である。
【図１０ａ】サンドイッチパネル内の繊維挿入物の密度の変化を示す立面図である。
【図１０ｂ】単一積層シート内の繊維挿入物の密度の変化を示す立面図である。
【図１０ｃ】互いに固定された複数の積層シート内の繊維挿入物の密度の変化を示す立面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合第１皮膜及び複合第２皮膜と、
該第１及び第２皮膜の間に挟まれたコアと、
該第１皮膜と該コアと該第２皮膜とを少なくとも部分的に通って延びる複数の繊維挿入物とを備え、
該複数の繊維挿入物は、それらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている合成パネル。
【請求項２】
該合成パネルは、（i）複数の前記繊維挿入物が第１のスペースだけ互いに間隔をおいて配置され、それら繊維挿入物の密度が均一な第１密度を有する第１領域と、（ii）複数の前記繊維挿入物が第２のスペースだけ互いに間隔をおいて配置され、それら繊維挿入物の密度が均一な第２密度を有する第２領域とを備え、
該第１のスペースは該第２のスペースより小さく、該第１密度は該第２密度より高い請求項１に記載の合成パネル。
【請求項３】
前記第１領域を通って延びる留具を更に備える請求項２に記載の合成パネル。
【請求項４】
前記第１領域を通って延びる孔を更に備える請求項２に記載の合成パネル。
【請求項５】
前記第１領域の前記繊維挿入物群は環状パターンを成す請求項２に記載の合成パネル。
【請求項６】
前記繊維挿入物群の密度は、該合成パネルの低応力領域よりも高応力領域において高い請求項１に記載の合成パネル。
【請求項７】
前記繊維挿入物群の密度は、該合成パネルの留具のない領域よりも、該合成パネルを通って延びる留具の周りの領域において高い請求項１に記載の合成パネル。
【請求項８】
前記各皮膜は、ポリマーマトリクスと該ポリマーマトリクス中に存在する少なくとも一つの繊維層とを備え、
複数の前記繊維挿入物は、互いに不均一なスペースを隔てて該少なくとも一つの繊維層を通って延びる請求項１に記載の合成パネル。
【請求項９】
複数の前記繊維挿入物は、互いに不均一なスペースを隔てて前記コアを通って延びる請求項１に記載の合成パネル。
【請求項１０】
互いに垂直なｘ軸とｙ軸にほぼ沿って延びる少なくとも一つの繊維層を含む複合シートと、
該ｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸にほぼ沿って該複合シートを通って延び、該少なくとも一つの繊維層を横切る複数の繊維挿入物とを備え、
該複数の繊維挿入物が、該複合シート内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている複合構造体。
【請求項１１】
前記複数の繊維挿入物が互いに間隔をおいて配置されることで、それら繊維挿入物の密度が均一な第１密度を有する第１領域と、それら繊維挿入物の密度が該第１密度と異なる均一な第２密度を有する第２領域とが設けられる請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１２】
前記構造体は留具を備え、前記第１密度は前記第２密度より高く、該留具は前記第１領域を通って延びる請求項１１に記載の複合構造体。
【請求項１３】
第１の数の前記繊維挿入物が第１の柱内に配列され、該第１の数と異なる第２の数の前記繊維挿入物が第２の柱内に配列される請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１４】
前記ｘ軸とｙ軸にほぼ沿って延びる少なくとも一つの繊維層を含む複合第２シートを更に備え、
前記複数の繊維挿入物は、該複合第２シートを通り前記ｚ軸にほぼ沿って延び、該第２シートの該少なくとも一つの繊維層を横切り、
該複数の繊維挿入物が、該複合第２シート内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１５】
互いに垂直でｚ軸に垂直なｘ軸とｙ軸とにほぼ沿って延びる少なくとも一つの繊維層を含む複合構造体の製造方法であって、
複数の繊維挿入物を、該ｚ軸にほぼ沿うように、且つ、該少なくとも一つの繊維層の第１領域を横切るように挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第１領域において密度が第１密度となるように互いに間隔をおいて配置されるステップと、
複数の繊維挿入物を、該ｚ軸にほぼ沿うように、且つ、該少なくとも一つの繊維層の第２領域を横切るように挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第２領域において密度が該第１密度と異なる第２密度となるように互いに間隔をおいて配置されるステップと
を備える製造方法。
【請求項１６】
前記二つの挿入ステップを引き抜き成形プロセスにおいて実行することを含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記第１の挿入ステップは、第１の柱として第１の数の繊維挿入物を挿入することを含み、
前記第２の挿入ステップは、第２の柱として該第１の数と異なる第２の数の繊維挿入物を挿入することを含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記第１の数の繊維挿入物を挿入する前記ステップは、第１繊維挿入モジュールを操作することを含み、
前記第２の数の繊維挿入物を挿入する前記ステップは、第２繊維挿入モジュールを操作することを含む請求項１７に記載の製造方法。
【請求項１９】
（i）前記複合構造体に対して繊維挿入密度分析を実行することと、
（ii）該分析の結果を表す密度データ信号を生成することと、
（iii）該密度データ信号に応答して繊維埋込装置を操作することと
を含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記少なくとも一つの繊維層は、複合積層第１及び第２皮膜と該第１及び第２皮膜の間に挟まれたコアとを含む繊維補強ポリマーパネルの該第１皮膜の一部であり、
前記第１の挿入ステップは、該パネルの第１領域において複数の繊維挿入物を該第１及び第２皮膜及び該コア内に挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第１領域において密度が前記第１密度となるように互いに間隔をおいて配置されることを含み、
前記第２の挿入ステップは、該パネルの第２領域において複数の繊維挿入物を該第１及び第２皮膜及び該コア内に挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第２領域において密度が前記第２密度となるように互いに間隔をおいて配置されることを含む
請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１】
複合第１皮膜及び複合第２皮膜と、
該第１及び第２皮膜の間に挟まれたコアと、
該第１皮膜と該コアと該第２皮膜とを少なくとも部分的に通って延びる複数の繊維挿入物とを備え、
該複数の繊維挿入物は、それらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている合成パネル。
【請求項２】
該合成パネルは、（i）複数の前記繊維挿入物が第１のスペースだけ互いに間隔をおいて配置され、それら繊維挿入物の密度が均一な第１密度を有する第１領域と、（ii）複数の前記繊維挿入物が第２のスペースだけ互いに間隔をおいて配置され、それら繊維挿入物の密度が均一な第２密度を有する第２領域とを備え、
該第１のスペースは該第２のスペースより小さく、該第１密度は該第２密度より高い請求項１に記載の合成パネル。
【請求項３】
前記第１領域を通って延びる留具を更に備える請求項２に記載の合成パネル。
【請求項４】
前記第１領域を通って延びる孔を更に備える請求項２に記載の合成パネル。
【請求項５】
前記第１領域の前記繊維挿入物群は環状パターンを成す請求項２に記載の合成パネル。
【請求項６】
前記繊維挿入物群の密度は、該合成パネルの低応力領域よりも高応力領域において高い請求項１に記載の合成パネル。
【請求項７】
前記繊維挿入物群の密度は、該合成パネルの留具のない領域よりも、該合成パネルを通って延びる留具の周りの領域において高い請求項１に記載の合成パネル。
【請求項８】
前記各皮膜は、ポリマーマトリクスと該ポリマーマトリクス中に存在する少なくとも一つの繊維層とを備え、
複数の前記繊維挿入物は、互いに不均一なスペースを隔てて該少なくとも一つの繊維層を通って延びる請求項１に記載の合成パネル。
【請求項９】
複数の前記繊維挿入物は、互いに不均一なスペースを隔てて前記コアを通って延びる請求項１に記載の合成パネル。
【請求項１０】
互いに垂直なｘ軸とｙ軸にほぼ沿って延びる少なくとも一つの繊維層を含む複合シートと、
該ｘ軸及びｙ軸に垂直なｚ軸にほぼ沿って該複合シートを通って延び、該少なくとも一つの繊維層を横切る複数の繊維挿入物とを備え、
該複数の繊維挿入物が、該複合シート内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている複合構造体。
【請求項１１】
前記複数の繊維挿入物が互いに間隔をおいて配置されることで、それら繊維挿入物の密度が均一な第１密度を有する第１領域と、それら繊維挿入物の密度が該第１密度と異なる均一な第２密度を有する第２領域とが設けられる請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１２】
前記構造体は留具を備え、前記第１密度は前記第２密度より高く、該留具は前記第１領域を通って延びる請求項１１に記載の複合構造体。
【請求項１３】
第１の数の前記繊維挿入物が第１の柱内に配列され、該第１の数と異なる第２の数の前記繊維挿入物が第２の柱内に配列される請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１４】
前記ｘ軸とｙ軸にほぼ沿って延びる少なくとも一つの繊維層を含む複合第２シートを更に備え、
前記複数の繊維挿入物は、該複合第２シートを通り前記ｚ軸にほぼ沿って延び、該第２シートの該少なくとも一つの繊維層を横切り、
該複数の繊維挿入物が、該複合第２シート内においてそれらの密度が不均一となるように互いに間隔をおいて配置されている請求項１０に記載の複合構造体。
【請求項１５】
互いに垂直でｚ軸に垂直なｘ軸とｙ軸とにほぼ沿って延びる少なくとも一つの繊維層を含む複合構造体の製造方法であって、
複数の繊維挿入物を、該ｚ軸にほぼ沿うように、且つ、該少なくとも一つの繊維層の第１領域を横切るように挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第１領域において密度が第１密度となるように互いに間隔をおいて配置されるステップと、
複数の繊維挿入物を、該ｚ軸にほぼ沿うように、且つ、該少なくとも一つの繊維層の第２領域を横切るように挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第２領域において密度が該第１密度と異なる第２密度となるように互いに間隔をおいて配置されるステップと
を備える製造方法。
【請求項１６】
前記二つの挿入ステップを引き抜き成形プロセスにおいて実行することを含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１７】
前記第１の挿入ステップは、第１の柱として第１の数の繊維挿入物を挿入することを含み、
前記第２の挿入ステップは、第２の柱として該第１の数と異なる第２の数の繊維挿入物を挿入することを含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項１８】
前記第１の数の繊維挿入物を挿入する前記ステップは、第１繊維挿入モジュールを操作することを含み、
前記第２の数の繊維挿入物を挿入する前記ステップは、第２繊維挿入モジュールを操作することを含む請求項１７に記載の製造方法。
【請求項１９】
（i）前記複合構造体に対して繊維挿入密度分析を実行することと、
（ii）該分析の結果を表す密度データ信号を生成することと、
（iii）該密度データ信号に応答して繊維埋込装置を操作することと
を含む請求項１５に記載の製造方法。
【請求項２０】
前記少なくとも一つの繊維層は、複合積層第１及び第２皮膜と該第１及び第２皮膜の間に挟まれたコアとを含む繊維補強ポリマーパネルの該第１皮膜の一部であり、
前記第１の挿入ステップは、該パネルの第１領域において複数の繊維挿入物を該第１及び第２皮膜及び該コア内に挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第１領域において密度が前記第１密度となるように互いに間隔をおいて配置されることを含み、
前記第２の挿入ステップは、該パネルの第２領域において複数の繊維挿入物を該第１及び第２皮膜及び該コア内に挿入し、それによりそれら繊維挿入物が該第２領域において密度が前記第２密度となるように互いに間隔をおいて配置されることを含む
請求項１５に記載の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９Ａ】
【図９Ｂ】
【図９Ｃ】
【図９Ｄ】
【図１０Ａ】
【図１０Ｂ】
【図１０Ｃ】
【公表番号】特表２００８−５２１６５７（Ｐ２００８−５２１６５７Ａ）
【公表日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−５４４４３６（Ｐ２００７−５４４４３６）
【出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４３１５３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６０４０４
【国際公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【出願人】（５０７１８１７５２）マーティン マリエッタ マテリアルズ，インコーポレイテッド (3)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＲＴＩＮ ＭＡＲＩＥＴＴＡ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】２７１０ Ｗｙｃｌｉｆｆ Ｒｏａｄ，Ｒａｌｅｉｇｈ，ＮＣ ２７６０７，Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２０年６月２６日（２００８．６．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１１月３０日（２００５．１１．３０）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００５／０４３１５３
【国際公開番号】ＷＯ２００６／０６０４０４
【国際公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【出願人】（５０７１８１７５２）マーティン マリエッタ マテリアルズ，インコーポレイテッド (3)
【氏名又は名称原語表記】ＭＡＲＴＩＮ ＭＡＲＩＥＴＴＡ ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ，ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】２７１０ Ｗｙｃｌｉｆｆ Ｒｏａｄ，Ｒａｌｅｉｇｈ，ＮＣ ２７６０７，Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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