多層サンドイッチ型ラミネートにおける高慣性モーメントを有する３Ｄ繊維要素
本発明によるせん断耐力の高いＺ軸繊維強化複合ラミネート構造は、コア材料と、上部ラミネートと、下部ラミネートと、該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間において該コア材料内に配置されて、該コア材料内に高慣性モーメントの固体複合構造要素を形成する、複数の連続した硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルとを備える。また、該高慣性モーメントの複合構造要素は、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向とのうちの少なくとも１つの方向を向き前記コア材料内にある固体複合構造パネルを含み得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には複合ラミネート構造に関し、具体的には、高せん断弾性率を有する複合ラミネート構造における複合ラミネート構造およびＺ軸繊維要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，６４５，３３３号および同第６，６７６，７８５号は、改善されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造を形成する方法および装置に関する。図９は、上記特許に記載されたプロセスによって作成された５．６５８インチ２かつ１．０インチ厚みのＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造において実施されたせん断テストの結果を示すグラフである。このＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造は引き抜かれ（ｐｕｌｔｒｕｄｅｄ）、その構造には、側面列のスキンおよびコアを介して堆積された１平方インチあたり１６個のＺ軸繊維バンドルが含まれる。参照した特許に教示されるように、ラミネートは濡らされてから引き抜きダイにおいて硬化される。せん断テストに対するＡＳＴＭ Ｃ２７３（「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｈｅａｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓａｎｄｗｉｃｈ Ｃｏｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」）に対して、サンプルはテストされた。このサンプルの詳細は以下の通りである
全厚：１．０インチ
コアの厚み：０．７インチ
スキンの厚み（上部／下部）：各々０．１５インチ
コア材料：ポリイソシアヌレート（２ｌｂ．／ｃｕ．ｆｔ．）
Ｚ軸繊維バンドルの密度：１平方インチあたり１６
樹脂：ビニルエステル樹脂
長さ＝２．９２１インチ
面積＝５．６５８インチ２
幅＝１．９３７インチ。
【０００３】
ＡＳＴＭ Ｃ２７３より、せん断弾性率ＧＣは、次式として図９から算出され得る。
【０００４】
【数１】
テストデータから、せん断弾性率は以下のとおりであることが分かる。
【０００５】
【数２】
図９の曲線は、１１００ｌｂｓ．の負荷において未固定のスキンが０．０４０インチ動くことを示す。サンプルの面積が５．６５８ｉｎ．２で、１平方インチあたり１６の密度でＺ軸繊維バンドルがあったので、サンプルには、９０．５（５．６５８×１６＝９０．５）個のＺ軸繊維バンドルがあった。従って、それぞれのＺ軸繊維バンドルは、０．０４０インチ歪められると、１２．１５（１１００／９０．５＝１２．１５）ｌｂｓ．の負荷を耐える。
【０００６】
図１０は、せん断における複合ラミネート構造サンプル１０８のＺ軸繊維バンドル１１０の略断面図である。Ｚ軸繊維バンドル１１０はコア１１２を介して延び、スキン１３０における端部１２０近くで「固定」される。繊維バンドル１１０のボディは歪んだ構成を取る。図１１０の破線は、Ｚ軸繊維バンドル１１０の歪みの傾きを示す。カンチレバー型シリンダの歪みの式を用いて、次式が得られる。
【０００７】
【数３】
上記負荷は、Ｚ軸繊維バンドル１１０（．３５インチ）の長さの半分に、および、歪みの半分に適用され得る。
【０００８】
せん断弾性率を推定するこの方法を用いて、（１）式の結果、０．０２インチの歪みになる。
【０００９】
【数４】
注：Ｐ＝１２．１５ｌｂ．
Ｌ＝．３５インチ
Ｅ＝硬化済みＺ軸繊維バンドルの慣性モーメント
Ｉ＝直径が０．０８のバンドルの慣性モーメント。
【００１０】
０．０２インチの歪み値は、歪みの半分のみであるので、Ｚ軸繊維バンドル１１０の総歪みはこの量の倍、つまり０．０４インチである。このように、０．０４インチの総歪みを示す実際のせん断テストデータは、０．０４インチの総歪みを示す理論上のせん断計算と関連する。
【００１１】
テストされたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造に対するこのせん断弾性率値は低い。なぜなら、コア１１２は、せん断弾性率が３００ｐｓｉより小さな低密度フォームからなるからであり（つまり、フォームはせん断に抵抗しない）、Ｚ軸繊維バンドル１１０のみがせん断に抵抗する。テストされたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造はパネルとして強靭性および全体の密度が非常に優れているが、このＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造において提供されるよりも大きなせん断抵抗を要するアプリケーションが数多くある。たとえば、屈曲用途において、Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造は、高い曲げ強度と高いせん断強度の両方を有さなければならない。このように、特にコアにおける、Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造のせん断強度を高める必要がある。
【００１２】
Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造においてせん断強度を高めるニーズは、曲げ剛性およびだせん断剛性を必要とするより大きなサンドウィッチ厚みのアプリケーションに対して大きい。より厚いＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造が、米国特許第６，６４５，３３３号および第６，６７６，７８５号に記載されるプロセスを用いて作成される場合、Ｚ軸繊維バンドル１１０が必然的により長くなる。それゆえ、（１）式におけるＺ軸繊維バンドルの長さ（Ｌ項）はより大きくなり、歪みは長さの３乗に正比例するので、歪みはより大きくなる。また、サンドウィッチ厚みが増大するにつれ、せん断弾性率は減少し、せん断歪みが過剰になり、繊維複合構造は、曲げ強度およびせん断強度を必要とするより大きなサンドウィッチ厚み用途には不適切になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の概要）
本発明は、Ｚ−ＹおよびＺ−Ｘ方向における連続し硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる高い慣性モーメントの固体複合構造内部パネルを作成することによって、特にコアにおいて、３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造におけるせん断弾性率を増大させる。
【００１４】
従って、本発明の一局面は、コア材料を含むせん断耐力の高いＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造と、上部ラミネートと、下部ラミネートと、コア材料に高い慣性モーメント固体複合構造要素を形成するために、上部ラミネートと下部ラミネートの間においてコア材料に配置された複数の連続し硬化された樹脂Ｚ軸繊維バンドルとを含む。
【００１５】
本発明の別の局面は、せん断耐力の高いＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造を作成する方法を含む。この方法は、コア材料を提供することと、上部ラミネートを提供することと、下部ラミネートを提供することと、上部ラミネートと下部ラミネートの間に、コア材料内にある複数の連続したＺ軸繊維バンドルを挿入することと、複数の連続したＺ軸繊維バンドルを樹脂で濡らすことと、上部ラミネートと下部ラミネートとの間においてコア材料に配置された複数の連続し硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる、コア材料における高い慣性モーメント固体複合構造要素を形成するために樹脂を硬化することとを含む。
【００１６】
以下に示される図面および好ましい実施形態の詳細を見ると、さらなる目的および利点が当業者に明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
広く図１〜１２を参照して、高い慣性モーメントの硬化された樹脂のＺ軸繊維構造要素１４２を有するＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造１４０を記載する。Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造１４０および高い慣性モーメントの硬化された樹脂のＺ軸繊維構造要素１４２を記載する前に、引き抜かれて固定された３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造を形成する方法およびアプリケーションについて記載する。
【００１８】
図１は、引き抜かれて固定された３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造を形成する方法およびアプリケーションを図示する。引き抜き方向は、図１において矢印で示されるように左から右である。この装置の主要成分は以下の記載を通して明らかとなるであろう。
【００１９】
図１に示されるのはグリッパ３４および３５である。これらは典型的に油圧式に作動される装置であり、引き抜かれたダイ２６を出ると、完全に硬化された複合ラミネートパネル３２を掴み得る。これらのグリッパ３４および３５は手繰り寄せる方法で作動する。グリッパ３４がパネル３２にクランプされる場合、引き抜き方向にプログラムされた速度で動かし、硬化されたパネル３２をダイ２６から引き寄せる。グリッパ３５は、グリッパ３４がフルストロークを完了するまで待機し、それから引き継ぐ。
【００２０】
これらのグリッパの上流において、原料は以下の方法でダイに引き寄せられる。すべての原料は図１のずっと左においてさまざまな製造器から到達するので、未使用材料であることが認められるべきである。繊維２０はガラス繊維であり得、連続のストランドマットを有するロービングロール状か、もしくはｘ−ｙに縫われた繊維またはロービング織物のような繊維のどちらかであり得る。ガラスのほかに、炭素またはアラミドまたは他の強化繊維であり得る。コア２２はサンドウィッチ プリフォームの初期の形成へと注がれる。サンドウィッチのスキンは、繊維２０の層から、サンドウィッチ プリフォーム３０の上下両方に形成される。コア２２はサンドウィッチの中心部分である。コアは、ウレタンまたはＰＶＣフォーム、または１立方フィートあたり２ｌｂｓ．から１立方フィートあたり１２ｌｂｓ．に近い高い密度までの密度の他の類似のフォームで作られ得る。あるいは、コア２２は、１立方フィートあたり６ｌｂ．の密度から１立方フィートあたり１６ｌｂ．の特性を有する繊維組織の端が露出したバルサ材から作られ得る。
【００２１】
原料は自動的にプロセスにおいて誘導システムに方向づけられ、このシステムにおいて、工業用供給源２１からの樹脂は樹脂タンク２３内の主要なウエットアウト ステーションに方向づけられる。濡らされたプレフォーム３０は、樹脂タンクおよびデバルク（ｄｅｂｕｌｋ）状態のデバルクステーションから抜け出て、パネル部分３０の厚みは最終的な複合ラミネートの最終的な厚みに極めて近くなるようになる。これらのパネルは０．２５インチから４インチまでまたはそれ以上の任意の厚みであり得る。パネルは４インチ幅から１４４インチ幅またはそれ以上の任意の幅であり得る。プリフォーム３０はそれから、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングの堆積を提供するＺ軸繊維堆積機械２４に方向づけられる。いかにしてＺ軸フィルタ堆積機械２４が機能するかに関しての詳細は、参照された米国特許第６，６４５，３３号の主題である。このシステムはコンピュータ制御され、様々な挿入がなされ得る。機械２４は静止している間に作動し得るか、またはグリッパ３４の速度と同期して動き得る。繊維フィラメントのグルーピングは、この機械によってプリフォーム３１に自動的にインストールされ、そのプリフォームはそれからＺ軸繊維堆積機械２４から引き抜かれる。プリフォーム３１は、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングの堆積によってのみプリフォーム３０から変化した。繊維フィラメントはＯｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇのような製造業者から届けられたので、全て未使用フィラメントである。
【００２２】
図１の変更されたプリフォーム３１は第２のウエットアウト ステーション３９に自動的に入る。ステーション３９は主要なウエットアウトであり得て、代替方法としてステーション２３を取り除く。このステーションによって、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングを含む複合ラミネート構造の完全樹脂のウェットアウトの完成を促す。プリフォーム３１はそれから前述の引き抜きダイ２６に入り、熱プリフォーム３１を介して、複合ラミネートパネルの触媒を引き起こすのに十分な温度で持ち出される。抜け出るダイ２６は最終的な硬化されたパネル部分３２であり、これはグリッパ３４および３５に掴まれるのに十分な強さの構成である。
【００２３】
図１のサンドウィッチ構成はそれから、処理および出荷に実用的な任意の長さに作られ得る。グリッパ３４および３５の下流において、プリフォーム３２は実際、下流ミリング機械システム３６および３７に「押し出され」る。ここで複数軸のＣＮＣ機械（コンピュータ数値制御）はグリッパの引き寄せ速度と同期してガントリ上を動き、進行中に複合ラミネート構造／パネルに細部を機械加工し得る。これらはボルト孔、またはエッジルーティング、またはミリング、またはカットオフであり得る。機械３６は複数軸のヘッドで、コンピュータ３７によって制御される。カットオフの後、部分３３は、組み立てまたはパレタイジングおよび出荷のために取り除かれる。
【００２４】
図２は一つの好ましい実施形態の垂直方向の断面図を図示する。厚み１．５インチ、幅４８インチのパネル４０の断面図であり、一時的な軍用機用の滑走路、誘導路、傾斜路として用いられる。離れた場所では、飛行場は素早く組み立てられなければならず、空輸による運搬および取り扱いのために軽量でなければならない。図２のパネル４０はこれらの目的を達成する。繊維フィラメントのＺ軸グルーピングを用いて強化されたので、パネルは航空機のタイヤならびに重い機械に耐え得る。パネル４０は１平方フィートあたり約３ｌｂｓ．と軽量なので、運搬および取り扱いの点において、軍事用の目的を達成する。４０は、図１に示されるプロセスによって自動的に引き抜かれるので、軍事用としてリーズナブルな価格で製造され得る。また、図２に示されているのはエッジ接続４１および４２である。これらは同一であるが逆性である。これらによって、マットとしてもまた周知である滑走路パネル４０は連結され、適切な場所に固定される。明らかなことに、これらの複合構造のための他のアプリケーションは、この一実施形態の粋を超えて存在する。
【００２５】
図３は図２の線３−３に沿って取られた拡大図である。図３は複合ラミネート構造の断面を示し、上部スキン５１ａおよび下部スキン５１ｂを含む。フォームとして示されるコア５２は、明らかに、繊維組織の端が露出のバルサ材のような他のコア材料であり得る。他に示されるのは繊維フィラメント５３の数個の３Ｄ Ｚ軸グルーピングで、本実施形態において０．２５インチずつ間隔が空けられ、直径約０．０８０インチである。図３から、繊維フィラメント５３のグルーピングは固定され、スキン５１ａおよび５１ｂ外側にリベットで留められているのが見て取れる。図４は図３の線４−４に沿って取られた拡大図である。図４は、コア材料５２および上部スキン部分５１ａおよび下部スキン部分５１ｂを示す。これらのスキン部分はこの実施形態において約０．１２５インチの厚みで、１平方ヤード重量あたり２４ｏｚ．で、Ｘ−Ｙに縫い合わされたガラス材料の６つの層で構成されている。繊維フィラメント５３のＺ軸グルーピングが図４に明白に見られる。これらのフィラメントの固定またはリベット留めが、スキンおよびコアを一つに組み合わせるのが、明白に見られる。
【００２６】
図２、３および４は、滑走路マット材料を示しているが、それは滑走路マット材料が図１の方法および装置において製造されるためである。図２における概略部分４０は、引き抜きダイ２６を離れるので、完全に硬化されている。これらの同一部分の同類図が、滑走路マット材料のプリフォームに対して示されており、プリフォームは、図５、６および７によって引き抜きダイ２６に入る前のように見える。図５、６および７は、図１のプリフォーム３１と関連している。図２、３および４は、図１のプリフォーム３２および部分３３と関連している。
【００２７】
図５は、全体のマットパネル６１をプリフォームとして概略的に示す。パネル６２の端は、図を明瞭にするために図２の４２の詳細を示していない。線６−６は、図６に示される拡大部分を示す。
【００２８】
図６は、スキン７１ａおよび７１ｂ、コア７２、Ｚ軸繊維フィラメント７３の３Ｄグルーピングを示す。繊維フィラメントがスキン７１ａおよび７１ｂの上と下に、それぞれ距離Ｈ１およびＨ２の分、出ているのが見える。線７−７は、図７に示されるさらなる拡大を示す。
【００２９】
図７は、コア７２、上部スキン材料７１ａ、Ｚ軸繊維フィラメント７３の単一グループを備えるプリフォームを示す。繊維フィラメントの出た部分に注目すると、入った後に、引き抜きダイは屈曲され、複合スキンにリベット留め、つまり固定される。スキン７１ａおよび７１ｂはＸ−Ｙ材料からなり、繊維フィラメントのグルーピングはＸ−Ｙ方向に垂直な方向すなわちＺ軸方向なので、繊維フィラメントの３Ｄグルーピングの領域における複合スキンは３次元複合であると言われる。
【００３０】
図８は、図２中の線８−８に沿って切り取られた拡大図であり、コア材料８７、スキン材料８８ａおよび８８ｂ、並びに新たな内側の複合材料８９を模式的に示している。ここで示されるように、この材料８９は、スキン材料８８ａおよび８８ｂと類似しているが幅は狭い（例えば、このマットの実施形態では２〜３インチ幅）Ｘ−Ｙ繊維材料からなり得る。図１中におけるＺ軸堆積機械２４によって、Ｚ軸繊維フィラメント８４の３Ｄグルーピングが堆積され、これらは材料密度に独立して操作される。このＺ軸繊維フィラメントの３Ｄグルーピングは、コア材料８７か高密度のＸ−Ｙ材料８９かのどちらか一方を介して容易に堆積され得る。インターロック接合部８５は、機械加工されて図８中の８５の形状となるか、または引抜ダイによって引抜形成されるかのいずれかであり得る。図８中では、接合部８５は機械加工されている。接合部８５が引抜かれた場合には、８５中のＺ軸繊維フィラメントの３Ｄグルーピングは、リベット端部（ｒｉｖｅｔｅｄ ｅｎｄｓ）またはクリンチ端部（ｃｌｉｎｃｈｅｄ ｅｎｄｓ）を示すであろう。明らかであるが、他のインターロック接合またはオーバーラップがマットパネルを連結するために使用され得る。
【００３１】
図１１を参照し、高慣性モーメントのＺ軸硬化樹脂繊維構造要素１４２を有する３ＤのＺ軸繊維強化複合ラミネート構造１４０を説明する。高慣性モーメントのＺ軸硬化樹脂繊維構造要素１４２は、今まで使用されてきたＺ軸繊維バンドルの配置と比べてサンドイッチ複合体のコア１１２中のせん断弾性率を増加させる。
【００３２】
各Ｚ軸繊維バンドル１１０（直径０．０８８インチ）は、低い慣性モーメントＩ＝２８９×１０−６（インチ４）を有する。Ｙ方向のみにおいてＺ軸繊維バンドル１１０の密度をわずかに増加（例えば、１６から３２への増加）させることによっては、慣性モーメントは有意には改善されない。しかし、図１１に示されるように、Ｚ軸繊維バンドル１１０が、特にＸ方向とＹ方向の両方向において他のＺ軸繊維バンドル１１０と連続して堆積され、樹脂で濡れている場合には、慣性モーメントが劇的に増加する。
【００３３】
Ｚ繊維堆積機械２４（図１）は、このラミネートを濡らして触媒作用を及ぼす前において、無限アレイ状のパターンにＺ軸繊維バンドル１１０を堆積し得る。Ｚ繊維堆積機械２４は、Ｘ方向およびＹ方向に正確に制御される複合挿入メカニズムを有し得、Ｚ軸密度パターンを形成する。この密度パターンは、ガラスの１１３降伏ロービングの平方インチあたり０ファイバーから９０ファイバーの範囲に及び得る。例えば、０．１２５インチの間隔で並行して、Ｘ方向およびＹ方向（Ｙ方向では３／４インチ間隔、Ｘ方向には１．０インチ間隔）に０．１２５インチの繊維バンドル１１０をそれぞれ挿入すると、Ｚ軸繊維バンドル１１０の密度がラミネートの１平方インチあたり３０となる。
【００３４】
図１１に示されるように、構造要素１４２は、十字の形状となるようにＸ方向およびＹ方向に互いに連続して挿入されたＺ軸繊維バンドル１１０を含む。樹脂を注入するか、または樹脂を濡らすときにおいて、互いに隣接して堆積されたＺ軸繊維バンドル１１０が、樹脂で満たされる。この樹脂は、バンドル１１０中のボイドを満たし、いったんこれが硬化すると、このバンドルに付着して、十字状のＺ−ＹまたはＺ−Ｘの構造要素１４２を形成する。
【００３５】
Ｚ−ＹまたはＺ−Ｘの構造要素１４２は、Ｚ軸繊維複合ラミネート構造１４０のせん断抵抗を劇的に改善する。以下に示すシリンダに対する慣性モーメントの計算式（（２）式）および矩形の慣性モーメントの計算式（（３）式）より、（３）式では特に、項ｈ（図１１に記載の構造要素１４２の構造パネルの長さ（ｘ方向またはｙ方向））が非常に強いファクターとなっていることに注目したい。従って、ｄを超える値までｈを増加させるとＩが大いに改善され、これによってせん断抵抗が改善される。
【００３６】
【数５】
例えば、構造要素１４２の構造パネルの長さが０．５インチである場合、慣性モーメントは、３６０倍の増加である約１．０×１０−３まで増加する。ここで、ｈ＝０．５インチで、樹脂が十分な幅が概して０．１インチであると仮定する（注：十字１４２は、縦の長さも幅も増加し得るが、サンドイッチ型コアを横切る任意の態様ではふらつき得る。これにより、Ｚ軸繊維バンドル１１０の効率的な堆積パターンが供給される。）
図１２は、構造要素／パネル１５２を有するＺ軸繊維強化複合ラミネート構造１５０の代替実施形態を示しており、この構造要素／パネルは図１１に示された十字パターンを延ばしたものである。図１２では、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、互いに隣接して、実質的に複合ラミネート構造１５０の全幅および全縦長にわたって堆積される。いったん樹脂によって濡らされ硬化されると、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、縦方向と横方向に構造要素／パネル１５２の高慣性モーメントのグリッドを形成する。このことから、コア１１２においてはせん断弾性率が非常に高くなる。図１２の構造要素１５２の厚みと間隔に依存して、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造５０のせん断弾性率は、４５０００ｐｓｉより大きくなり得る。
【００３７】
図１１および図１２は、Ｘ軸方向では縦列状の構成で、かつＹ軸方向では横列状の構成で連続して堆積したＺ軸繊維バンドル１１０を示すが、本明細書中において「Ｘ方向とＹ方向との両方向に延びる」とは、連続したＺ軸繊維バンドル１１０が、Ｘ軸では縦方向に、かつＹ軸では横方向に堆積されることを意味するか、またはＸ方向成分とＹ方向成分の両成分を含む方向に（例えば、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造とある角度をもって）堆積されることを意味する。
【００３８】
本明細書中に示され、上述されたもの以外にも高慣性モーメントの形状を有する構造要素は多数存在し、これは、米国特許第６，６４５，３３３号および米国特許第６，６７６，７８５号に記載される工程によって形成され得、高い慣性モーメント構造要素を形成する。これら他の高い慣性モーメントをもつ形状は、図３および図４に示される形状よりも低いかまたは高いせん断弾性率を含み得る。制限するものではないが、例えば、構造要素は、Ｉ型梁、中空シリンダ、楕円チューブ、正方形チューブ、その他３ＤのＺ軸繊維複合ラミネート構造のせん断抵抗を制御するための任意の形状であり得る。１つ以上の代替実施形態では、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、２倍の幅をもつ繊維バンドル、３倍の幅をもつ繊維バンドル、またはそれ以上の幅をもつ繊維バンドルであり得る。さらにまたはあるいは、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、０．１２５インチの直径の繊維ファンドル以外の代替的な直径（それより大きい直径または小さい直径）の繊維バンドルを有し得る。繊維バンドルの幅が広いほどおよび／または繊維バンドルの直径が大きいほど、大きな繊維バンドル質量を得るために必要な挿入物が少ない。
【００３９】
サンドイッチの深さが深すぎると、これらの構造要素はせん断に関して不安定となり得る。このことは、サンドイッチのコアの中心にある１層以上のＸ−Ｙ材料層を追加して構造要素のＺ方向の有効高さを減らすことによって克服され得る。これらは、コア材料のシート間において繊維材料のＸ−Ｙ層としてプロセスに与えられ得る。
【００４０】
連続した硬化樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる構造要素は、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造のせん断抵抗を有意に改善するＺ−ＹおよびＺ−Ｘ構造パネルを形成する。Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造のスキン１３０にＺ軸繊維バンドル１１０をクリンチおよび一体化することによってもまた、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造のせん断抵抗が改善される。
【００４１】
添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されている実際のコンセプトにおいてさらなる変更および修正が容易になされ得ることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】対象の３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造を連続的かつ自動的に形成する方法および装置の概略図である。
【図２】好ましい実施形態における引き抜かれた複合ラミネート構造の概略的な垂直方向の断面図であり、固定された３Ｄ Ｚ軸繊維は進行中に硬化され、側面の詳細を示している。このパネルは、一時的な軍用機滑走路使用に、新しい軽量のマット面として用いられ得る。
【図３】図２の線３−３に沿って取られた拡大図である。
【図４】図３の線４−４に沿って取られた拡大図である。
【図５】引き抜きダイに入る直前の、好ましい実施形態の引き抜かれたサンドウィッチ型パネルの概略的な垂直方向の断面図であり、ここで、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングが配置され、ダイにおける固定およびリベットに備えられている。
【図６】図５の線６−６に沿って取られた拡大図である。
【図７】図６の線７−７に沿って取られた拡大図である。
【図８】図２の線８−８に沿って取られた拡大図である。
【図９】Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造の試験体におけるせん断のテストランに対する、力 対 位置のせん断グラフである。
【図１０】せん断において示されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造の一部の簡略化された断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に従って構成されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造の部分透視図である。
【図１２】本発明の別の実施形態に従って構成されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造の部分透視図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には複合ラミネート構造に関し、具体的には、高せん断弾性率を有する複合ラミネート構造における複合ラミネート構造およびＺ軸繊維要素に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第６，６４５，３３３号および同第６，６７６，７８５号は、改善されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造を形成する方法および装置に関する。図９は、上記特許に記載されたプロセスによって作成された５．６５８インチ２かつ１．０インチ厚みのＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造において実施されたせん断テストの結果を示すグラフである。このＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造は引き抜かれ（ｐｕｌｔｒｕｄｅｄ）、その構造には、側面列のスキンおよびコアを介して堆積された１平方インチあたり１６個のＺ軸繊維バンドルが含まれる。参照した特許に教示されるように、ラミネートは濡らされてから引き抜きダイにおいて硬化される。せん断テストに対するＡＳＴＭ Ｃ２７３（「Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｔｅｓｔ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｓｈｅａｒ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｓａｎｄｗｉｃｈ Ｃｏｒｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ」）に対して、サンプルはテストされた。このサンプルの詳細は以下の通りである
全厚：１．０インチ
コアの厚み：０．７インチ
スキンの厚み（上部／下部）：各々０．１５インチ
コア材料：ポリイソシアヌレート（２ｌｂ．／ｃｕ．ｆｔ．）
Ｚ軸繊維バンドルの密度：１平方インチあたり１６
樹脂：ビニルエステル樹脂
長さ＝２．９２１インチ
面積＝５．６５８インチ２
幅＝１．９３７インチ。
【０００３】
ＡＳＴＭ Ｃ２７３より、せん断弾性率ＧＣは、次式として図９から算出され得る。
【０００４】
【数１】
テストデータから、せん断弾性率は以下のとおりであることが分かる。
【０００５】
【数２】
図９の曲線は、１１００ｌｂｓ．の負荷において未固定のスキンが０．０４０インチ動くことを示す。サンプルの面積が５．６５８ｉｎ．２で、１平方インチあたり１６の密度でＺ軸繊維バンドルがあったので、サンプルには、９０．５（５．６５８×１６＝９０．５）個のＺ軸繊維バンドルがあった。従って、それぞれのＺ軸繊維バンドルは、０．０４０インチ歪められると、１２．１５（１１００／９０．５＝１２．１５）ｌｂｓ．の負荷を耐える。
【０００６】
図１０は、せん断における複合ラミネート構造サンプル１０８のＺ軸繊維バンドル１１０の略断面図である。Ｚ軸繊維バンドル１１０はコア１１２を介して延び、スキン１３０における端部１２０近くで「固定」される。繊維バンドル１１０のボディは歪んだ構成を取る。図１１０の破線は、Ｚ軸繊維バンドル１１０の歪みの傾きを示す。カンチレバー型シリンダの歪みの式を用いて、次式が得られる。
【０００７】
【数３】
上記負荷は、Ｚ軸繊維バンドル１１０（．３５インチ）の長さの半分に、および、歪みの半分に適用され得る。
【０００８】
せん断弾性率を推定するこの方法を用いて、（１）式の結果、０．０２インチの歪みになる。
【０００９】
【数４】
注：Ｐ＝１２．１５ｌｂ．
Ｌ＝．３５インチ
Ｅ＝硬化済みＺ軸繊維バンドルの慣性モーメント
Ｉ＝直径が０．０８のバンドルの慣性モーメント。
【００１０】
０．０２インチの歪み値は、歪みの半分のみであるので、Ｚ軸繊維バンドル１１０の総歪みはこの量の倍、つまり０．０４インチである。このように、０．０４インチの総歪みを示す実際のせん断テストデータは、０．０４インチの総歪みを示す理論上のせん断計算と関連する。
【００１１】
テストされたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造に対するこのせん断弾性率値は低い。なぜなら、コア１１２は、せん断弾性率が３００ｐｓｉより小さな低密度フォームからなるからであり（つまり、フォームはせん断に抵抗しない）、Ｚ軸繊維バンドル１１０のみがせん断に抵抗する。テストされたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造はパネルとして強靭性および全体の密度が非常に優れているが、このＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造において提供されるよりも大きなせん断抵抗を要するアプリケーションが数多くある。たとえば、屈曲用途において、Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造は、高い曲げ強度と高いせん断強度の両方を有さなければならない。このように、特にコアにおける、Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造のせん断強度を高める必要がある。
【００１２】
Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造においてせん断強度を高めるニーズは、曲げ剛性およびだせん断剛性を必要とするより大きなサンドウィッチ厚みのアプリケーションに対して大きい。より厚いＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造が、米国特許第６，６４５，３３３号および第６，６７６，７８５号に記載されるプロセスを用いて作成される場合、Ｚ軸繊維バンドル１１０が必然的により長くなる。それゆえ、（１）式におけるＺ軸繊維バンドルの長さ（Ｌ項）はより大きくなり、歪みは長さの３乗に正比例するので、歪みはより大きくなる。また、サンドウィッチ厚みが増大するにつれ、せん断弾性率は減少し、せん断歪みが過剰になり、繊維複合構造は、曲げ強度およびせん断強度を必要とするより大きなサンドウィッチ厚み用途には不適切になる。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１３】
（発明の概要）
本発明は、Ｚ−ＹおよびＺ−Ｘ方向における連続し硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる高い慣性モーメントの固体複合構造内部パネルを作成することによって、特にコアにおいて、３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造におけるせん断弾性率を増大させる。
【００１４】
従って、本発明の一局面は、コア材料を含むせん断耐力の高いＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造と、上部ラミネートと、下部ラミネートと、コア材料に高い慣性モーメント固体複合構造要素を形成するために、上部ラミネートと下部ラミネートの間においてコア材料に配置された複数の連続し硬化された樹脂Ｚ軸繊維バンドルとを含む。
【００１５】
本発明の別の局面は、せん断耐力の高いＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造を作成する方法を含む。この方法は、コア材料を提供することと、上部ラミネートを提供することと、下部ラミネートを提供することと、上部ラミネートと下部ラミネートの間に、コア材料内にある複数の連続したＺ軸繊維バンドルを挿入することと、複数の連続したＺ軸繊維バンドルを樹脂で濡らすことと、上部ラミネートと下部ラミネートとの間においてコア材料に配置された複数の連続し硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる、コア材料における高い慣性モーメント固体複合構造要素を形成するために樹脂を硬化することとを含む。
【００１６】
以下に示される図面および好ましい実施形態の詳細を見ると、さらなる目的および利点が当業者に明らかとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
広く図１〜１２を参照して、高い慣性モーメントの硬化された樹脂のＺ軸繊維構造要素１４２を有するＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造１４０を記載する。Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造１４０および高い慣性モーメントの硬化された樹脂のＺ軸繊維構造要素１４２を記載する前に、引き抜かれて固定された３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造を形成する方法およびアプリケーションについて記載する。
【００１８】
図１は、引き抜かれて固定された３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造を形成する方法およびアプリケーションを図示する。引き抜き方向は、図１において矢印で示されるように左から右である。この装置の主要成分は以下の記載を通して明らかとなるであろう。
【００１９】
図１に示されるのはグリッパ３４および３５である。これらは典型的に油圧式に作動される装置であり、引き抜かれたダイ２６を出ると、完全に硬化された複合ラミネートパネル３２を掴み得る。これらのグリッパ３４および３５は手繰り寄せる方法で作動する。グリッパ３４がパネル３２にクランプされる場合、引き抜き方向にプログラムされた速度で動かし、硬化されたパネル３２をダイ２６から引き寄せる。グリッパ３５は、グリッパ３４がフルストロークを完了するまで待機し、それから引き継ぐ。
【００２０】
これらのグリッパの上流において、原料は以下の方法でダイに引き寄せられる。すべての原料は図１のずっと左においてさまざまな製造器から到達するので、未使用材料であることが認められるべきである。繊維２０はガラス繊維であり得、連続のストランドマットを有するロービングロール状か、もしくはｘ−ｙに縫われた繊維またはロービング織物のような繊維のどちらかであり得る。ガラスのほかに、炭素またはアラミドまたは他の強化繊維であり得る。コア２２はサンドウィッチ プリフォームの初期の形成へと注がれる。サンドウィッチのスキンは、繊維２０の層から、サンドウィッチ プリフォーム３０の上下両方に形成される。コア２２はサンドウィッチの中心部分である。コアは、ウレタンまたはＰＶＣフォーム、または１立方フィートあたり２ｌｂｓ．から１立方フィートあたり１２ｌｂｓ．に近い高い密度までの密度の他の類似のフォームで作られ得る。あるいは、コア２２は、１立方フィートあたり６ｌｂ．の密度から１立方フィートあたり１６ｌｂ．の特性を有する繊維組織の端が露出したバルサ材から作られ得る。
【００２１】
原料は自動的にプロセスにおいて誘導システムに方向づけられ、このシステムにおいて、工業用供給源２１からの樹脂は樹脂タンク２３内の主要なウエットアウト ステーションに方向づけられる。濡らされたプレフォーム３０は、樹脂タンクおよびデバルク（ｄｅｂｕｌｋ）状態のデバルクステーションから抜け出て、パネル部分３０の厚みは最終的な複合ラミネートの最終的な厚みに極めて近くなるようになる。これらのパネルは０．２５インチから４インチまでまたはそれ以上の任意の厚みであり得る。パネルは４インチ幅から１４４インチ幅またはそれ以上の任意の幅であり得る。プリフォーム３０はそれから、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングの堆積を提供するＺ軸繊維堆積機械２４に方向づけられる。いかにしてＺ軸フィルタ堆積機械２４が機能するかに関しての詳細は、参照された米国特許第６，６４５，３３号の主題である。このシステムはコンピュータ制御され、様々な挿入がなされ得る。機械２４は静止している間に作動し得るか、またはグリッパ３４の速度と同期して動き得る。繊維フィラメントのグルーピングは、この機械によってプリフォーム３１に自動的にインストールされ、そのプリフォームはそれからＺ軸繊維堆積機械２４から引き抜かれる。プリフォーム３１は、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングの堆積によってのみプリフォーム３０から変化した。繊維フィラメントはＯｗｅｎｓ Ｃｏｒｎｉｎｇのような製造業者から届けられたので、全て未使用フィラメントである。
【００２２】
図１の変更されたプリフォーム３１は第２のウエットアウト ステーション３９に自動的に入る。ステーション３９は主要なウエットアウトであり得て、代替方法としてステーション２３を取り除く。このステーションによって、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングを含む複合ラミネート構造の完全樹脂のウェットアウトの完成を促す。プリフォーム３１はそれから前述の引き抜きダイ２６に入り、熱プリフォーム３１を介して、複合ラミネートパネルの触媒を引き起こすのに十分な温度で持ち出される。抜け出るダイ２６は最終的な硬化されたパネル部分３２であり、これはグリッパ３４および３５に掴まれるのに十分な強さの構成である。
【００２３】
図１のサンドウィッチ構成はそれから、処理および出荷に実用的な任意の長さに作られ得る。グリッパ３４および３５の下流において、プリフォーム３２は実際、下流ミリング機械システム３６および３７に「押し出され」る。ここで複数軸のＣＮＣ機械（コンピュータ数値制御）はグリッパの引き寄せ速度と同期してガントリ上を動き、進行中に複合ラミネート構造／パネルに細部を機械加工し得る。これらはボルト孔、またはエッジルーティング、またはミリング、またはカットオフであり得る。機械３６は複数軸のヘッドで、コンピュータ３７によって制御される。カットオフの後、部分３３は、組み立てまたはパレタイジングおよび出荷のために取り除かれる。
【００２４】
図２は一つの好ましい実施形態の垂直方向の断面図を図示する。厚み１．５インチ、幅４８インチのパネル４０の断面図であり、一時的な軍用機用の滑走路、誘導路、傾斜路として用いられる。離れた場所では、飛行場は素早く組み立てられなければならず、空輸による運搬および取り扱いのために軽量でなければならない。図２のパネル４０はこれらの目的を達成する。繊維フィラメントのＺ軸グルーピングを用いて強化されたので、パネルは航空機のタイヤならびに重い機械に耐え得る。パネル４０は１平方フィートあたり約３ｌｂｓ．と軽量なので、運搬および取り扱いの点において、軍事用の目的を達成する。４０は、図１に示されるプロセスによって自動的に引き抜かれるので、軍事用としてリーズナブルな価格で製造され得る。また、図２に示されているのはエッジ接続４１および４２である。これらは同一であるが逆性である。これらによって、マットとしてもまた周知である滑走路パネル４０は連結され、適切な場所に固定される。明らかなことに、これらの複合構造のための他のアプリケーションは、この一実施形態の粋を超えて存在する。
【００２５】
図３は図２の線３−３に沿って取られた拡大図である。図３は複合ラミネート構造の断面を示し、上部スキン５１ａおよび下部スキン５１ｂを含む。フォームとして示されるコア５２は、明らかに、繊維組織の端が露出のバルサ材のような他のコア材料であり得る。他に示されるのは繊維フィラメント５３の数個の３Ｄ Ｚ軸グルーピングで、本実施形態において０．２５インチずつ間隔が空けられ、直径約０．０８０インチである。図３から、繊維フィラメント５３のグルーピングは固定され、スキン５１ａおよび５１ｂ外側にリベットで留められているのが見て取れる。図４は図３の線４−４に沿って取られた拡大図である。図４は、コア材料５２および上部スキン部分５１ａおよび下部スキン部分５１ｂを示す。これらのスキン部分はこの実施形態において約０．１２５インチの厚みで、１平方ヤード重量あたり２４ｏｚ．で、Ｘ−Ｙに縫い合わされたガラス材料の６つの層で構成されている。繊維フィラメント５３のＺ軸グルーピングが図４に明白に見られる。これらのフィラメントの固定またはリベット留めが、スキンおよびコアを一つに組み合わせるのが、明白に見られる。
【００２６】
図２、３および４は、滑走路マット材料を示しているが、それは滑走路マット材料が図１の方法および装置において製造されるためである。図２における概略部分４０は、引き抜きダイ２６を離れるので、完全に硬化されている。これらの同一部分の同類図が、滑走路マット材料のプリフォームに対して示されており、プリフォームは、図５、６および７によって引き抜きダイ２６に入る前のように見える。図５、６および７は、図１のプリフォーム３１と関連している。図２、３および４は、図１のプリフォーム３２および部分３３と関連している。
【００２７】
図５は、全体のマットパネル６１をプリフォームとして概略的に示す。パネル６２の端は、図を明瞭にするために図２の４２の詳細を示していない。線６−６は、図６に示される拡大部分を示す。
【００２８】
図６は、スキン７１ａおよび７１ｂ、コア７２、Ｚ軸繊維フィラメント７３の３Ｄグルーピングを示す。繊維フィラメントがスキン７１ａおよび７１ｂの上と下に、それぞれ距離Ｈ１およびＨ２の分、出ているのが見える。線７−７は、図７に示されるさらなる拡大を示す。
【００２９】
図７は、コア７２、上部スキン材料７１ａ、Ｚ軸繊維フィラメント７３の単一グループを備えるプリフォームを示す。繊維フィラメントの出た部分に注目すると、入った後に、引き抜きダイは屈曲され、複合スキンにリベット留め、つまり固定される。スキン７１ａおよび７１ｂはＸ−Ｙ材料からなり、繊維フィラメントのグルーピングはＸ−Ｙ方向に垂直な方向すなわちＺ軸方向なので、繊維フィラメントの３Ｄグルーピングの領域における複合スキンは３次元複合であると言われる。
【００３０】
図８は、図２中の線８−８に沿って切り取られた拡大図であり、コア材料８７、スキン材料８８ａおよび８８ｂ、並びに新たな内側の複合材料８９を模式的に示している。ここで示されるように、この材料８９は、スキン材料８８ａおよび８８ｂと類似しているが幅は狭い（例えば、このマットの実施形態では２〜３インチ幅）Ｘ−Ｙ繊維材料からなり得る。図１中におけるＺ軸堆積機械２４によって、Ｚ軸繊維フィラメント８４の３Ｄグルーピングが堆積され、これらは材料密度に独立して操作される。このＺ軸繊維フィラメントの３Ｄグルーピングは、コア材料８７か高密度のＸ−Ｙ材料８９かのどちらか一方を介して容易に堆積され得る。インターロック接合部８５は、機械加工されて図８中の８５の形状となるか、または引抜ダイによって引抜形成されるかのいずれかであり得る。図８中では、接合部８５は機械加工されている。接合部８５が引抜かれた場合には、８５中のＺ軸繊維フィラメントの３Ｄグルーピングは、リベット端部（ｒｉｖｅｔｅｄ ｅｎｄｓ）またはクリンチ端部（ｃｌｉｎｃｈｅｄ ｅｎｄｓ）を示すであろう。明らかであるが、他のインターロック接合またはオーバーラップがマットパネルを連結するために使用され得る。
【００３１】
図１１を参照し、高慣性モーメントのＺ軸硬化樹脂繊維構造要素１４２を有する３ＤのＺ軸繊維強化複合ラミネート構造１４０を説明する。高慣性モーメントのＺ軸硬化樹脂繊維構造要素１４２は、今まで使用されてきたＺ軸繊維バンドルの配置と比べてサンドイッチ複合体のコア１１２中のせん断弾性率を増加させる。
【００３２】
各Ｚ軸繊維バンドル１１０（直径０．０８８インチ）は、低い慣性モーメントＩ＝２８９×１０−６（インチ４）を有する。Ｙ方向のみにおいてＺ軸繊維バンドル１１０の密度をわずかに増加（例えば、１６から３２への増加）させることによっては、慣性モーメントは有意には改善されない。しかし、図１１に示されるように、Ｚ軸繊維バンドル１１０が、特にＸ方向とＹ方向の両方向において他のＺ軸繊維バンドル１１０と連続して堆積され、樹脂で濡れている場合には、慣性モーメントが劇的に増加する。
【００３３】
Ｚ繊維堆積機械２４（図１）は、このラミネートを濡らして触媒作用を及ぼす前において、無限アレイ状のパターンにＺ軸繊維バンドル１１０を堆積し得る。Ｚ繊維堆積機械２４は、Ｘ方向およびＹ方向に正確に制御される複合挿入メカニズムを有し得、Ｚ軸密度パターンを形成する。この密度パターンは、ガラスの１１３降伏ロービングの平方インチあたり０ファイバーから９０ファイバーの範囲に及び得る。例えば、０．１２５インチの間隔で並行して、Ｘ方向およびＹ方向（Ｙ方向では３／４インチ間隔、Ｘ方向には１．０インチ間隔）に０．１２５インチの繊維バンドル１１０をそれぞれ挿入すると、Ｚ軸繊維バンドル１１０の密度がラミネートの１平方インチあたり３０となる。
【００３４】
図１１に示されるように、構造要素１４２は、十字の形状となるようにＸ方向およびＹ方向に互いに連続して挿入されたＺ軸繊維バンドル１１０を含む。樹脂を注入するか、または樹脂を濡らすときにおいて、互いに隣接して堆積されたＺ軸繊維バンドル１１０が、樹脂で満たされる。この樹脂は、バンドル１１０中のボイドを満たし、いったんこれが硬化すると、このバンドルに付着して、十字状のＺ−ＹまたはＺ−Ｘの構造要素１４２を形成する。
【００３５】
Ｚ−ＹまたはＺ−Ｘの構造要素１４２は、Ｚ軸繊維複合ラミネート構造１４０のせん断抵抗を劇的に改善する。以下に示すシリンダに対する慣性モーメントの計算式（（２）式）および矩形の慣性モーメントの計算式（（３）式）より、（３）式では特に、項ｈ（図１１に記載の構造要素１４２の構造パネルの長さ（ｘ方向またはｙ方向））が非常に強いファクターとなっていることに注目したい。従って、ｄを超える値までｈを増加させるとＩが大いに改善され、これによってせん断抵抗が改善される。
【００３６】
【数５】
例えば、構造要素１４２の構造パネルの長さが０．５インチである場合、慣性モーメントは、３６０倍の増加である約１．０×１０−３まで増加する。ここで、ｈ＝０．５インチで、樹脂が十分な幅が概して０．１インチであると仮定する（注：十字１４２は、縦の長さも幅も増加し得るが、サンドイッチ型コアを横切る任意の態様ではふらつき得る。これにより、Ｚ軸繊維バンドル１１０の効率的な堆積パターンが供給される。）
図１２は、構造要素／パネル１５２を有するＺ軸繊維強化複合ラミネート構造１５０の代替実施形態を示しており、この構造要素／パネルは図１１に示された十字パターンを延ばしたものである。図１２では、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、互いに隣接して、実質的に複合ラミネート構造１５０の全幅および全縦長にわたって堆積される。いったん樹脂によって濡らされ硬化されると、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、縦方向と横方向に構造要素／パネル１５２の高慣性モーメントのグリッドを形成する。このことから、コア１１２においてはせん断弾性率が非常に高くなる。図１２の構造要素１５２の厚みと間隔に依存して、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造５０のせん断弾性率は、４５０００ｐｓｉより大きくなり得る。
【００３７】
図１１および図１２は、Ｘ軸方向では縦列状の構成で、かつＹ軸方向では横列状の構成で連続して堆積したＺ軸繊維バンドル１１０を示すが、本明細書中において「Ｘ方向とＹ方向との両方向に延びる」とは、連続したＺ軸繊維バンドル１１０が、Ｘ軸では縦方向に、かつＹ軸では横方向に堆積されることを意味するか、またはＸ方向成分とＹ方向成分の両成分を含む方向に（例えば、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造とある角度をもって）堆積されることを意味する。
【００３８】
本明細書中に示され、上述されたもの以外にも高慣性モーメントの形状を有する構造要素は多数存在し、これは、米国特許第６，６４５，３３３号および米国特許第６，６７６，７８５号に記載される工程によって形成され得、高い慣性モーメント構造要素を形成する。これら他の高い慣性モーメントをもつ形状は、図３および図４に示される形状よりも低いかまたは高いせん断弾性率を含み得る。制限するものではないが、例えば、構造要素は、Ｉ型梁、中空シリンダ、楕円チューブ、正方形チューブ、その他３ＤのＺ軸繊維複合ラミネート構造のせん断抵抗を制御するための任意の形状であり得る。１つ以上の代替実施形態では、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、２倍の幅をもつ繊維バンドル、３倍の幅をもつ繊維バンドル、またはそれ以上の幅をもつ繊維バンドルであり得る。さらにまたはあるいは、Ｚ軸繊維バンドル１１０は、０．１２５インチの直径の繊維ファンドル以外の代替的な直径（それより大きい直径または小さい直径）の繊維バンドルを有し得る。繊維バンドルの幅が広いほどおよび／または繊維バンドルの直径が大きいほど、大きな繊維バンドル質量を得るために必要な挿入物が少ない。
【００３９】
サンドイッチの深さが深すぎると、これらの構造要素はせん断に関して不安定となり得る。このことは、サンドイッチのコアの中心にある１層以上のＸ−Ｙ材料層を追加して構造要素のＺ方向の有効高さを減らすことによって克服され得る。これらは、コア材料のシート間において繊維材料のＸ−Ｙ層としてプロセスに与えられ得る。
【００４０】
連続した硬化樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる構造要素は、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造のせん断抵抗を有意に改善するＺ−ＹおよびＺ−Ｘ構造パネルを形成する。Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造のスキン１３０にＺ軸繊維バンドル１１０をクリンチおよび一体化することによってもまた、Ｚ軸繊維強化複合ラミネート構造のせん断抵抗が改善される。
【００４１】
添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の精神および範囲から逸脱することなく、本明細書に記載されている実際のコンセプトにおいてさらなる変更および修正が容易になされ得ることは当業者にとって明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】対象の３Ｄ Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造を連続的かつ自動的に形成する方法および装置の概略図である。
【図２】好ましい実施形態における引き抜かれた複合ラミネート構造の概略的な垂直方向の断面図であり、固定された３Ｄ Ｚ軸繊維は進行中に硬化され、側面の詳細を示している。このパネルは、一時的な軍用機滑走路使用に、新しい軽量のマット面として用いられ得る。
【図３】図２の線３−３に沿って取られた拡大図である。
【図４】図３の線４−４に沿って取られた拡大図である。
【図５】引き抜きダイに入る直前の、好ましい実施形態の引き抜かれたサンドウィッチ型パネルの概略的な垂直方向の断面図であり、ここで、繊維フィラメントの３Ｄ Ｚ軸グルーピングが配置され、ダイにおける固定およびリベットに備えられている。
【図６】図５の線６−６に沿って取られた拡大図である。
【図７】図６の線７−７に沿って取られた拡大図である。
【図８】図２の線８−８に沿って取られた拡大図である。
【図９】Ｚ軸繊維強化の複合ラミネート構造の試験体におけるせん断のテストランに対する、力 対 位置のせん断グラフである。
【図１０】せん断において示されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造の一部の簡略化された断面図である。
【図１１】本発明の一実施形態に従って構成されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造の部分透視図である。
【図１２】本発明の別の実施形態に従って構成されたＺ軸繊維強化の複合ラミネート構造の部分透視図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
せん断耐力の高いＺ軸繊維強化複合ラミネート構造であって、
コア材料と、
上部ラミネートと、
下部ラミネートと、
該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間において該コア材料内に配置されて、該コア材料内に高慣性モーメントの固体複合構造要素を形成する、複数の連続した硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルと
を備える、複合ラミネート構造。
【請求項２】
前記高慣性モーメントの複合構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向とのうちの少なくとも１つの方向を向き前記コア材料内にある固体複合構造パネルを含む、請求項１に記載の複合ラミネート構造。
【請求項３】
前記Ｚ軸繊維バンドルが、前記上部ラミネートと前記下部ラミネートとに固定され、該上部ラミネートと該下部ラミネートと一体化された端部を含む、請求項１または２に記載の複合ラミネート構造。
【請求項４】
前記高慣性モーメントの構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び前記コア材料内にある複数の別個の高慣性モーメントの構造要素を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合ラミネート構造。
【請求項５】
前記高慣性モーメントの構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び前記コア材料内にある高慣性モーメントの構造要素の連結されたグリッドを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合ラミネート構造。
【請求項６】
前記複合ラミネート構造が、その内部に配置された前記高慣性モーメントの構造要素を有するコア材料を１層よりも多く含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合ラミネート構造。
【請求項７】
せん断耐力の高いＺ軸繊維強化複合ラミネート構造を作成する方法であって、
コア材料を提供することと、
上部ラミネートを提供することと、
下部ラミネートを提供することと、
該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間に、該コア材料内にある複数の連続したＺ軸繊維バンドルを挿入することと、
該複数の連続したＺ軸繊維バンドルを樹脂で濡らすことと、
該樹脂を硬化させることによって、該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間において該コア材料内に配置された該複数の連続した硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる高慣性モーメントの固体複合構造要素を該コア材料内に形成することと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記高慣性モーメントの複合構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向とのうちの少なくとも１つの方向を向き前記コア材料内にある固体複合構造パネルを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
堆積することが、前記上部ラミネートと前記下部ラミネートとの間において前記コア材料内にある前記複数の連続したＺ軸繊維バンドルを堆積することによって、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び該コア材料内にある複数の別個の高慣性モーメントの構造要素を形成することを包含する、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
堆積することが、前記上部ラミネートと前記下部ラミネートとの間において前記コア材料内にある前記複数の連続したＺ軸繊維バンドルを堆積することによって、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び該コア材料内にある高慣性モーメントの構造要素の連結されたグリッドを形成することを包含する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記複合ラミネート構造が、その内部に配置された前記高慣性モーメントの構造要素を有するコア材料を１層よりも多く含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１】
せん断耐力の高いＺ軸繊維強化複合ラミネート構造であって、
コア材料と、
上部ラミネートと、
下部ラミネートと、
該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間において該コア材料内に配置されて、該コア材料内に高慣性モーメントの固体複合構造要素を形成する、複数の連続した硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルと
を備える、複合ラミネート構造。
【請求項２】
前記高慣性モーメントの複合構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向とのうちの少なくとも１つの方向を向き前記コア材料内にある固体複合構造パネルを含む、請求項１に記載の複合ラミネート構造。
【請求項３】
前記Ｚ軸繊維バンドルが、前記上部ラミネートと前記下部ラミネートとに固定され、該上部ラミネートと該下部ラミネートと一体化された端部を含む、請求項１または２に記載の複合ラミネート構造。
【請求項４】
前記高慣性モーメントの構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び前記コア材料内にある複数の別個の高慣性モーメントの構造要素を含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載の複合ラミネート構造。
【請求項５】
前記高慣性モーメントの構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び前記コア材料内にある高慣性モーメントの構造要素の連結されたグリッドを含む、請求項１〜４のいずれか一項に記載の複合ラミネート構造。
【請求項６】
前記複合ラミネート構造が、その内部に配置された前記高慣性モーメントの構造要素を有するコア材料を１層よりも多く含む、請求項１〜５のいずれか一項に記載の複合ラミネート構造。
【請求項７】
せん断耐力の高いＺ軸繊維強化複合ラミネート構造を作成する方法であって、
コア材料を提供することと、
上部ラミネートを提供することと、
下部ラミネートを提供することと、
該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間に、該コア材料内にある複数の連続したＺ軸繊維バンドルを挿入することと、
該複数の連続したＺ軸繊維バンドルを樹脂で濡らすことと、
該樹脂を硬化させることによって、該上部ラミネートと該下部ラミネートとの間において該コア材料内に配置された該複数の連続した硬化された樹脂のＺ軸繊維バンドルからなる高慣性モーメントの固体複合構造要素を該コア材料内に形成することと
を包含する、方法。
【請求項８】
前記高慣性モーメントの複合構造要素が、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向とのうちの少なくとも１つの方向を向き前記コア材料内にある固体複合構造パネルを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
堆積することが、前記上部ラミネートと前記下部ラミネートとの間において前記コア材料内にある前記複数の連続したＺ軸繊維バンドルを堆積することによって、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び該コア材料内にある複数の別個の高慣性モーメントの構造要素を形成することを包含する、請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
堆積することが、前記上部ラミネートと前記下部ラミネートとの間において前記コア材料内にある前記複数の連続したＺ軸繊維バンドルを堆積することによって、Ｚ−Ｘ方向とＺ−Ｙ方向との両方向に延び該コア材料内にある高慣性モーメントの構造要素の連結されたグリッドを形成することを包含する、請求項７〜９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
前記複合ラミネート構造が、その内部に配置された前記高慣性モーメントの構造要素を有するコア材料を１層よりも多く含む、請求項７〜１０のいずれか一項に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公表番号】特表２００７−５０２２３１（Ｐ２００７−５０２２３１Ａ）
【公表日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５３３６８５（Ｐ２００６−５３３６８５）
【出願日】平成１６年６月９日（２００４．６．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１８４６６
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１３０６３
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【出願人】（５０４０３３１７５）エバート コンポジッツ コーポレイション (4)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年２月８日（２００７．２．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年６月９日（２００４．６．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００４／０１８４６６
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１１３０６３
【国際公開日】平成１６年１２月２９日（２００４．１２．２９）
【出願人】（５０４０３３１７５）エバート コンポジッツ コーポレイション (4)
【Ｆターム（参考）】
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