JP6242348B2 - バイアス繊維を伴うパイ形プリフォーム - Google Patents

Description

この発明は、一般的には、織りプリフォームに関し、特には、強化コンポジット材料に用いる織りプリフォームに関し、平坦に織り、最終形状に折ることができる技術に関する。

引用による組み入れ

ここで引用するすべての特許、特許出願、文書、文献、製造者の使用説明書、解説、製品仕様書、およびここで述べる製品についての製品説明書を引用によってここに組み入れ、しかもまた、この発明を実施する上で使用する。

構造的な構成要素あるいは部品を製造するために、強化コンポジット材料を用いることは、今や一般的である。特に、重さが軽いこと、強固、丈夫、耐熱性、自らを支える能力、および形作る上で適合するという、好ましい特性が求められるところでは広く普及している。そのような構成要素あるいは部品は、たとえば、航空、航空宇宙産業、人工衛星、レクレーション分野（レース艇やレーシングカーなど）、およびその他の分野で用いられる。

そのような構成要素あるいは部品は、典型的に、マトリックス材料の中に埋め込んだ強化素材から構成される。強化の構成部分は、ガラス、炭素、セラミックス、アラミド、ポリエチレン、および／または、物理的、熱的、化学的および／またはその他の好ましい特性、第１には応力に対する大きな耐久性を示すその他の材料から構成される。そのような強化材料、それらは結局は完成品の構成要素になるのであるが、それらを使用するとき、たとえば非常に大きな強度のようなそれら強化素材の望ましい特性が、完成したコンポジット部品に授けられることになる。構成要素である強化材料は、典型的には、織られたり編まれたり、あるいはその他のやり方で強化プリフォームのための好ましい形状および形に形成される。通常、選択理由である強化材料の特性が最大限に活用されるように注意が図られる。また、そのような強化プリフォームについては、マトリックス材料と組み合わせることにより必要な完成品を得、あるいは、完成品の最終生産のために役立つ在庫品を得る。

必要な強化プリフォームを構成した後、マトリックス材料中にプリフォームを含浸する。それにより、強化プリフォームは、マトリックス材料で包まれ、マトリックス材料は強化プリフォームの構成要素の間のすき間部分を埋める。マトリックス材料としては、たとえば、エポキシ、ポリエステル、ビニル−エステル、セラミックス、炭素および／またはその他の材料で、必要とする物理的、熱的、化学的および／または他の特性を示すものなど、いろいろな材料を広く適用することができる。マトリックスとして用いる材料としては、強化プリフォームの材料と同じものでも良いし、異なるものでも良く、また、物理的、化学的、熱的あるいは他の特性が類似したものでも良いし、類似しないものでも良い。しかし、通常、それらは強化プリフォームと同じ材料ではなく、また、物理的、化学的、熱的あるいは他の特性が類似しない。なぜなら、第１にコンポジットを用いる通常の目的は、ただ一つの構成材料だけでは得ることができない組合せ特性を完成品で得ることにあるからである。強化プリフォームおよびマトリックス材料は、そのように組み合わされた後、熱硬化処理あるいは他の公知の方法で同じ作業工程において硬化および安定化され、さらに、目的とする構成部品を製造するための他の作業工程に入る。ここで、そのように硬化した時点において、マトリックス材料の固体化したものが、通常、強化材料（たとえば、強化プリフォーム）に非常に強く付着していることに気付くことが大事である。結局、完成品上の応力が、繊維間の接着剤として機能するそのマトリックス材料を特に通して、補強された強化プリフォームの構成材料に有効に移され保持される。

構成要素あるいは部品にしばしば求められることは、たとえば平板、薄板、長方形あるいは正方形の立体などの幾何学的に単純な形状以外の形状のものを製造することである。これに応えるための一つの方法は、そのような基本的な幾何学形状を組み合わせることにより、求められる複雑な形態にすることである。そのような典型的な組合せの一つは、上で述べたようにして作った強化プリフォームを互いに角度をもって（典型的には、直角）接合することにより作ったものである。そのような角度をもって強化プリフォームを接合し配列する普通の目的は、１または２以上の端壁やたとえば「Ｔ」交差を含む強化プリフォームを形作る狙いとする形を作り出すこと、あるいは、強化プリフォームの組合せで得たものおよびコンポジット構造について、圧力や張力などの外力を受けた場合でもたわみや破損に耐えられるように強化することである。とにかく、関連する動機は、構成する構成要素間の各連結をできるだけ強固にすることである。強化プリフォームの構成要素それ自体に求められる非常に大きな強度が与えられるとき、構造上の「チェーン」における「弱いリンク」となるのが、実際上、連結における弱さである。

交差する構成の一例について、ＵＳＰ第６，１０３，３３７号が示している。その文献に示す内容は、参照によってこの中に含ませる。その文献においては、２つの強化板（補強プレート）をＴ型に結合する有効な方法を示している。

今まで、そのような結合を作るために他のいろいろな方法が提案されている。パネル構成要素と、角度をもって置く強化のための構成要素とを互いに別々に作り硬化することが提案されている。後者の構成要素は、単一のパネル接触面をもつか、あるいは、一端が二股に分かれて分岐した同一平面上の２つのパネル接触面をもっている。そして、２つの構成要素は、熱硬化接着剤あるいは他の接着材料を用いて、強化のための構成要素のパネル接触面を他の構成要素の接触面に接着によって結合する。しかし、硬化したパネルに対しあるいは複合構造の外皮に対し張力がかかると、結合の有効な強度が接着剤のそれであり、マトリックス材料のそれでないことから、受け入れることができないような小さな値の負荷が「はがし（ピ−ル）」力となり、それが強化のための構成要素をパネルとの界面でパネルから分離してしまう。

そのような両構成要素の界面に金属ボルトやリベットを用いることはできない。なぜなら、そのような付加をすれば、複合構造自体の完全な形の少なくとも一部を破壊し弱めてしまうし、重さを増すことになるし、そのような構成要素と周囲の材料との熱膨張係数に違いを生じてしまうからである。

この問題を解決する他の方法では、結合領域の全域に高い強度の繊維を加えるという考え方を基礎にしている。すなわち、２つの構成要素の一方を他方に縫い、縫い糸によってそのような強化繊維が結合に加わるようにしている。そのような方法の一つについて、ＵＳＰ第４，３３１，４９５号、およびそれを分割したＵＳＰ第４，２５６，７９０号が示している。これらの特許は、繊維層を接着によって結合した第１および第２の複合パネル間の接合について示している。第１のパネルは、一端で二股に分かれ、従来技術のように同一平面上の２つのパネル接触面をもつ。その第１のパネルと第２のパネルとを結合するため、両パネルを通して未硬化のフレキシブルな複合糸を縫い込んでいる。その後、両パネルおよび縫い込んだ糸は、「共に硬化」、つまり同時に硬化される。また、ＵＳＰ第５，４２９，８５３号が、結合強度を改良する他の方法を示している。

今までも強化のための複合物を構造的に一体化しようとする改良がなされ成功しているが、特にＵＳＰ第６，１０３，３３７号のものでは、接着剤あるいは機械的な結合部材を用いる場合とは異なる方法における問題に取り組みそれを改良するという要求がある。この点から、特殊化した専用の機械によって、三次元（「３Ｄ」）の織り構造を作り出す方法が考えられる。しかし、それにはかなりの費用がかかるし、しかも、織機で単純な構造を作り出すという要求が強く求められるところである。この事実にもかかわらず、繊維強化コンポジットの構成要素に加工することができる３Ｄプリフォームは、魅力的である。なぜなら、それらの構成要素は、今までの二次元の積層コンポジットよりも大きな強度を提供するからである。それらのプリフォームは、面外荷重を支えるコンポジットを必要とする用途に特に有用である。しかし、上に述べた今までのプリフォームでは、大きな面外荷重に耐える上、自動織機で織る上で、およびプリフォームに厚さの異なる部分を得る上で能力的な制限がある。

他の方法として、二次元（「２Ｄ」）の構造に織り、それを所定の３Ｄ形に折り込むことが考えられる。たとえば、「Ｔ」、「Ｉ」、「Ｈ」あるいは「パイ」断面のような特定の構造による形を伴う繊維プリフォームは、今までの有ひ織機で織ることができる。存続するいくつかの特許（たとえば、ＵＳＰ第６，４４６，６７５号やＵＳＰ第６，７１２，０９９号）がそのような構造を織る方法を示す。

多くのコンポジット構造は、パイ形プリフォームを利用し、２あるいはそれ以上の直角のコンポジットパネルを連結する。代表的なパイ形プリフォーム１００の断面の見え方を、たとえば、図１に示す。プリフォームは、典型的に、水平面に鉛直に直立した２つの脚１２５，１３５を備え、それらの脚１２５，１３５間にクレビス１１６を形作っている。しかし、脚１２５，１３５は、ベース１２０に対して直角、または非直角あるいは斜めにもなる。プリフォーム１００は、完全な織りシーケンスを繰り返すことによって織り、プリフォーム１００の縦の長さに沿った、隣接する垂直の部分を形成する。織りプロセスでは、プリフォーム１００の連続した長さを作り出し、その後に切断し、取付けに必要な長さにする。

航空機の構造において、パイ形プリフォームを使用することによって、荷重あるいは負荷を、ある構成材（たとえばフレームあるいはけたのウェブ）から別の構成材（たとえば胴体あるいは翼外板）に移すために有効であることが判明している。これについては、パイ形プリフォームに軸方向の張力／圧縮、引き剥がし、および／あるいは側曲げの荷重がかかる構造に対して、特に当てはまる。

多くの適用において、パイ形プリフォームは、たとえば図２に示すせん断荷重のように、２つの構成部材間のせん断荷重を移さなければならない。図２は、Ｔ−せん断荷重を受ける配置であり、パイ形プリフォーム１００は、たとえば、垂直なパネル３０，４０を連結するために用いている。そして、せん断荷重５０は、肉太の矢印で示す反対の方向に加わっている。しかし、そのような配置において、在来のパイ形プリフォームは、この種の荷重に対して、他の荷重の場合と同様に有効とは言えない。在来のパイ形プリフォームは、プリフォームの長さに沿い（軸方向に）、しかも、横方向（ベースの幅方向に沿い、しかも、直立する脚の高さに沿う）の補強材を備える。構造におけるこの種の繊維配列は、一般に、０、＋／−９０°配列という。この種の配列は、軸方向、引き剥がし、および側曲げの場合の主要な荷重方向に平行な繊維を与える。しかし、その配列は、図２に示したせん断荷重を支える上で重要な軸外方向の繊維を何ら与えない。

したがって、この発明の目的は、２あるいはそれ以上の直角に連結した構成部材間にせん断荷重を一様に移すことができる織りプリフォームを提供することである。

他の目的は、軸外方向あるいはバイアス方向（非０／９０°方向であるが、一般に＋／−４５°方向に限られることではない）の繊維補強をもつ織りパイ形プリフォームを提供することである。いくつかのコンポジット構造において、軸外方向あるいはバイアス方向の繊維補強は、せん断荷重を支える上で重要である。

さらに他の目的は、在来のプリフォームおよび／または今まで利用できた補強コンポジット構造に代わるもの、および／または改良の設計である、織りプリフォームを提供することである。

そこで、この発明の一実施例は、たとえばパイ形プリフォーム（つまり、パイプリフォーム）などの織りプリフォームを形成する方法である。その形成方法は、縦糸繊維の第１層を装備する工程と、その縦糸繊維の第１層に平行な、縦糸繊維の第２層を装備する工程と、横糸繊維の１もしくは２以上の層を装備する工程を備える。そして、前記横糸繊維は、前記第１層および第２層における縦糸繊維に鉛直であり、その横糸繊維を第１層および第２層における縦糸繊維に織り込み、多層のプリフォームを形作る。第１層の縦糸繊維は、第２層の縦糸繊維と位置を取り換えることにより、所定幅のクレビスを形作る。それら縦糸繊維および横糸繊維は、そのプリフォームのクレビスに関してバイアス（非０／９０°）角をもつ。

この発明の他の実施例は、補強コンポジット構造に用いる織りプリフォームである。そのプリフォームは、縦糸繊維からなる第１層と、その縦糸繊維の第１層に平行であり、縦糸繊維からなる第２層と、横糸繊維からなる１もしくは２以上の層とを備える。そして、前記横糸繊維は、前記第１層および第２層における縦糸繊維に鉛直であり、その横糸繊維を第１層および第２層における縦糸繊維に織り込み、多層のプリフォームを形作る。第１層の縦糸繊維は、第２層の縦糸繊維と位置を取り換えることにより、所定幅のクレビスを形作る。それら縦糸繊維および横糸繊維は、そのプリフォームのクレビスに関してバイアス（非０／９０°）角をもつ。そのプリフォームは、ベースおよび２つの直立脚をもつパイ形プリフォームにすることができる。そのとき、ベースおよび直立脚を全体的に織り、プリフォームは、バイアス（非０／９０°）角方向における軸外方向の補強をもつ。

ここでの説明ではパイ形プリフォームを詳しく述べているが、この発明の方法は、また、他の断面の形、たとえば「Ｔ」形、または「Ｔ」の上部に垂直に走る「Ｔ」のブレードをもつ「Ｔ」スチフナ、さらにまた、３あるいはそれ以上の脚をもつプリフォームなどの他の形や、「Ｈ」あるいは「Ｉ」形状のようなプリフォームを作るためにも用いることができる。

この発明の方法は、可変性の厚さあるいは可変性の長さ、または互いに平行あるいは斜めになった高さのある脚を伴うプリフォームを織るために用いることができる。プリフォームの脚は、プリフォームの長さに沿って、直線あるいは非直線にすることができる。たとえば、プリフォームの脚を、サイン曲線、ジグザグ形、段のある形、あるいは波状の形状にすることができる。プリフォームの脚は、同一幅のクレビスあるいは可変性の幅のクレビスで分離することができる。プリフォームは、縦糸繊維に対する今までのパターン、すなわち、プライ対プライ、厚さ方向アングルインターロック、直交その他のパターンを用いて織ることができる。炭素繊維が好ましいが、この発明は、他のタイプの繊維、たとえば、ガラス、セラミックス、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレンなど、あるいはそれらの組合せにも実際上適用することができる。

この発明によるプリフォームは、３次元の織り構造をもつ、機械的あるいは構成的なジョイントであり、織り構造が各層内の繊維をインターロックするだけでなく、縦糸繊維の層について層と層とをインターロックするように織る横糸繊維を備える。ここで述べる典型的な実施例は、層と層とのインターロックを備えるが、そのことは、この発明を実施する上で必ずしも必要としない。プリフォームのいくつかの層は、層と層とのインターロックをなくとも良い。織りプリフォームは、面外荷重を有向繊維を通して伝達し、層間の張力（応力）を最小にする。プリフォームは、ベースとベースから伸びる１もしくは２以上の脚を備え、そのベースとベースから伸びる１もしくは２以上の脚のそれぞれが、少なくとも１層の縦糸繊維を備える。２もしくは３以上の縦糸繊維の層を伴うプリフォームの場合、ベースおよび／または脚の外側端部には、たとえば、段のあるパターンの縦糸繊維の終わりの層で先細の端部を形成することができる。

この発明、ならびに、それを使用することによって得る作用効果および特定の目的について良く理解するため、詳細な説明を参照されたい。そこには、この発明の好ましい実施形態（これに限定されない）が図面に示されている。

この中で用いる用語「備えている（comprising）」および「備える（comprises）」は、「含んでいる（including）」および「含む（includes）」という意味になるし、あるいは米国特許法におけるそれらの意味にもなる。また、「本質的に有している（consisting essentially of）」および「本質的に有する（consists essentially of）」の用語は、クレームで用いるときには、米国特許法におけるそれらの意味である。この発明の他の考え方（形態）については、以下の説明に記載されているか、その記載から自明である。

今までのパイ形プリフォームの図式的な側面図である。 典型的なコンポジット構造におけるＴ−せん断荷重の相対的配置を示す図である。 型ツール中に配置した際に、繊維が順応しなければならない曲げ半径を示す図である。 この発明の一実施態様によって、織りプリフォームを形成する方法の中の一工程を示す図である。 この発明の一実施態様によるパイ形プリフォームで、図４における線５（ａ）−５（ａ）に沿うものの断面図である。 この発明の一実施態様によるパイ形プリフォームの断面図である。 この発明の一実施態様による織りパイ形プリフォームの図式的な外形図であり、直立状態で軸外補強のあるものを示す。 この発明の一実施態様による織りパイ形プリフォームについての縦糸および横糸の径路を示す図である。 この発明の一実施態様による織りパイ形プリフォームについての縦糸および横糸の径路を示す図である。 この発明の一実施態様による織りパイ形プリフォームについての縦糸および横糸の径路を示す図である。

「繊維（fibers）」と「糸（yarns）」の用語は、次の説明中、互換性をもって用いる。しかし、ここで用いる「繊維（fibers）」と「糸（yarns）」は、ストレッチブロークン繊維のほか、モノフィラメント、マルチフィラメント糸、より糸、マルチフィラメントトウ、フィラメント加工糸、ブレードトウ、被覆糸、複合（コンジュゲート）モノフィラメント糸を指すことができる。

さて、図４を見ると、この発明によるパイ形プリフォーム３００は、今までの織り機２１５で織ることができる。たとえば、図４は織り機２１５の上面図であり、織物を織り機から外す前に、まだ機械上に「織ったまま」の状態のプリフォーム３００を伴う。織物（プリフォーム）３００の垂直線は、縦糸繊維あるいは糸３１２を表し、水平線は横糸繊維あるいは糸３１４を表す。炭素繊維が好ましいが、縦糸および／または横糸繊維について、この発明は、他のタイプの繊維、たとえば、ガラス、セラミックス、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレンなど、あるいはそれらの組合せをも実際上適用することができる。

プリフォーム３００は、縦糸繊維３１２の少なくとも２層と、横糸繊維３１４の少なくとも１層を伴って織る。この発明を実施するとき、平織りが通例であるが、プリフォームの脚に関して、繊維をバイアス（非０／９０°）角をもって配列する限り、当業者が知る他の織りパターンをも用いることができる。織り技術自体については、ＵＳＰ第６，４４６，６７５号、ＵＳＰ第６，７１２，０９９号、ＵＳＰ第６，８７４，５４３号、ＵＳＰ第７，７１２，４８８号、およびＵＳＰ第８，０７９，３８７号に示すいずれかを用いることができる。それらの内容を参照によってこの中に組み入れる。

プリフォーム３００の縦糸繊維３１２は、各繊維の縦の長さに沿って少しうねりつつ、互いに一般に平行である。それらは、一般に垂直の支柱（コラム）中に配列されている。横糸繊維３１４は、縦糸繊維３１２の両方の層を織り込み、図４に示すプリフォームを形成する。プリフォーム３００を横切る濃い対角線は、交差する連結線３０４を表し、たとえば、図７（ａ）に示すように、そこで織物（ファブリック）の上層３１８からの縦糸繊維３１２および横糸繊維３１４と、下層３２２からの縦糸繊維３１２および横糸繊維３１４とが位置を交換する。織りのとき、進行する縦糸繊維３１２に対して進行する横糸繊維３１４に交換位置を設けることによって、ここでいうところの「バイアス」パイ形プリフォームを結果として生じる。その「バイアス」パイ形プリフォームは、連結線３０４に関するバイアス角における補強がある。図４は、プリフォーム３００を横切る単一の対角線を示すが、最終的なパイ形プリフォームの必要な大きさに応じて、プリフォームを横切るいくつかの数の連結線を形成することができる。同様に、図４はたて糸および横糸に関して＋／−４５°の交差を示すが、この発明はそれに限定されるわけではない。すなわち、今までの０、＋／−９０°の向きと異なる交差にすることができる。たとえば、交差を＋３５／−５５°あるいはその逆の角度にすることができる。補強の配置角については、最終的なパイ形プリフォームが受ける荷重の方向に応じるようにすることができる。

プリフォーム３００を織った後、織った織物を織り機から取り外し、たとえば、図４の点線を用いて示すように、プリフォームの長さおよび幅のバイアスに沿った細長い片（ストリップ）に切り込む。点線で示すものは単なる一例であり、切断すべきプリフォームの実際の大きさや形状は、その構成物の最終的な用途に応じて変わることになる。端部を切断した後、パイ形プリフォームは在来の形であるが、バイアスに沿って補強がある。必要な大きさの細長い片（ストリップ）に切断した後、プリフォームは、図５（ａ）に示すように、在来の織り状態のパイ形プリフォームと同様、まだ平らである。クレビス３１６（直立した脚間の空所）の各側の上層縦糸繊維３１２を符号３１５および３２０で示す。それらは、今や直立した脚に対する素材を形成する。そして、織りプリフォームの下層縦糸繊維がバイアスパイ形プリフォームのベースを形成するが、それを符号３１０で示す。織りプリフォーム３００から素材の細長い片（ストリップ）を切り離した後、たとえば、図５（ｂ）に示すように、クレビス３１６の各側の素材を持ち上げることによって、バイアスパイ形プリフォーム３００の脚３１５，３２０を形成することができる。それらの脚３１５，３２０は、ベース３１０に対して垂直あるいは非垂直に角度をもたせることができる。ベース３１０および脚３１５，３２０は、それぞれ、縦糸繊維３１２の少なくとも１層を備え、また、縦糸繊維の層が２あるいは３以上ある場合には、端をテーパーにするよう選択することができる。図７（ａ）および（ｂ）、ならびに上述の実施例におけるベースおよび脚は、単一の層構造を示しているが、この発明はそれに限定されるわけではなく、ベースおよび脚を複数のいくつかの層で構成することもできる。たとえば、より厚いベースが必要な場合、ベースに２あるいは３以上の縦糸繊維の層を備えることができるし、また、脚に厚さが必要であるなら、各脚に２あるいは３以上の縦糸繊維の層を含むことができる。

この発明のバイアスパイ形プリフォーム３００では、直立する脚およびベースの交差接続部を、織りプリフォームの縦糸方向に関して非ゼロ（非０）°の角度になるように作る。この交差接続部は、図７（ｃ）のパイ形プリフォームの最終的な用途に応じて、単一の縦糸の糸よりも広くすることができ、数本の糸の広さにすることができる。この発明によるバイアスパイ形プリフォームは、たとえば、図６に示すもののように、プリフォームのクレビス方向に関してバイアスの（斜めの）補強を備える。それによって、プリフォームは、せん断荷重の方向の補強成分を装備する。さらに、たとえば、図３から分かるように、繊維補強の有効な半径は、ベースおよび直立脚の交差接続部でより大きい。成形ツール中において繊維を端に拘束するとき、繊維が順応する径が、パイ形プリフォームの繊維ダメージおよび残留強度の大きさに影響する。端に対して直角に曲げる繊維は、端に対してバイアスする繊維２０よりも、小さな半径で曲げられる。この発明のバイアスパイ形プリフォームについては、半径が２倍に大きくなる。大きな半径によって繊維が切断しにくく、それによって、繊維の特性をより有効に利用することができる。

すべての縦糸繊維の直径を同じ大きさで描いているが、この発明は、それに限定されないことに留意されたい。たとえば、ベースの縦糸繊維を、脚の縦糸繊維よりも断面積を小さくすることができる。

プリフォームの外の端上に先細の端を形成するが、連続する層を終結することによって、たとえば、前の層よりも短い長さで縦糸および横糸の繊維を斜めに切断することによって形成することができる。たとえば、脚３１５，３２０の端および／またはベース３１０の端を、先細の端にすることができる。ベースあるいは直立脚のいずれか一方が先細の端をもつバイアスパイ形プリフォームは、縦糸繊維の層がすべて同じ長さで終わるプリフォームよりも、剥離荷重に対してより良い抵抗を示す。さらに、縦糸の先細り繊維として、大きさが小さい繊維を用いることにより、プリフォームから結合すべき構成部分への遷移（変化）をスムーズに、しかもゆるやかにすることができる。

この発明の典型的な一つの実施例は、多数の脚３１５，３２０を伴うプリフォームの織り方法であり、それらの脚をバイアス（非０／９０°）方向に必ずしも直線にしない方法である。一つの実施例において、脚をバイアス（非０／９０°）方向にサイン曲線、ジグザグ形、対角線、曲線状あるいは非直線風、またはそれらの組合せにすることができる。また、クレビス３１６の幅を、使用に応じて、その大きさを変えることができる。ある場合には、プリフォームにおけるクレビスの幅をゼロ（０）にすることができる。すなわち、プリフォームを形成する複数の層を、位置を入れ替える個所で互いに交わるようにすることができる。この実施例により、脚の位置をシフトする場合、直立脚３１５，３２０を形成するプリフォームの部分からいくつかの縦糸および／横糸繊維を選択的にドロップし（外し）、と同時に別の区域で縦糸および／横糸繊維を加える。そのような場合、横糸繊維の代わりに、縦糸繊維を用いて層と層とのインターロックを行うことができる。プリフォームのいくつかの層は、層と層とのインターロックを行わないようにすることができる。

この発明によるプリフォームを織るとき、平織りが好ましいパターンであるが、パイ形プリフォームの脚に関して、繊維をバイアス（非０／９０°）角をもって配列する限り、当業者が知る他の織りパターンをも用いることができる。織り技術自体については、ＵＳＰ第６，４４６，６７５号、ＵＳＰ第６，７１２，０９９号、ＵＳＰ第６，８７４，５４３号、ＵＳＰ第７，７１２，４８８号、およびＵＳＰ第８，０７９，３８７号に示すいずれかを用いることができる。それらの内容を参照によってこの中に組み入れる。

図７は、ここで述べるバイアスパイ形プリフォームの一実施例であり、層３１８と３２２との間で横糸繊維３１４を交換する例を示すが、この発明は、また、層と層の間で横糸および縦糸繊維の両方を取り換えることは勿論のこと、層３１８と３２２との間で縦糸繊維３１２を取り換えるように適用することもできる。

このようなプリフォームは、コンポジット構造に用いることにより、接合個所を補強し、そして、航空機のけたや小骨（リブ）のような複雑な構造に対してプリフォームを組み立てることができる。この発明によるパイ形プリフォームは、２もしくは３以上の垂直結合構造材の間にせん断荷重を均一に移すことができる。プリフォームは、軸外方向あるいはバイアス方向（非０／９０°方向）の繊維補強をもつ。そのことは、いくつかのコンポジット構造においてせん断荷重に耐える上で非常に重要である。

この発明の方法は、また、他の断面の形、たとえば「Ｔ」形、または「Ｔ」の上部に対してサイン曲線を描くように走る「Ｔ」のブレードをもつ「Ｔ」スチフナ、さらにまた、３あるいはそれ以上の脚をもつプリフォームなどの他の形や、「Ｉ」あるいは「Ｈ」形状のようなプリフォームを作るためにも用いることができる。この発明の方法は、可変性の厚さあるいは可変性の長さ、または互いに平行あるいは斜めになった長さ／高さのある脚を伴うプリフォームを織るために用いることができる。プリフォームは、今までの織りパターン、すなわち、プライ対プライ、厚さ方向アングルインターロック、直交その他のパターンを用いて織ることができる。炭素繊維が好ましいが、この発明は、他のタイプの繊維、たとえば、ガラス、セラミックス、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、ストレッチブロークンカーボン（ＳＢＣ）のようなストレッチブロークン繊維、あるいはそれらの組合せにも実際上適用することができる。

ここで述べる典型的な実施例は、層と層との間のインターロックを含むが、そのことは、この発明を実施する上で必ずしも必要ではない。プリフォームのいくつかの層について、層と層との間のインターロックをしないようにすることができる。プリフォームは、縦糸繊維に対して今までのパターン、すなわち、プライ対プライ、厚さ方向アングルインターロック、直交その他のパターンを用いて織ることができる。この発明によるプリフォームは、３次元の織り構造をもつ、機械的あるいは構成的なジョイントであり、織り構造が各層内の繊維をインターロックするだけでなく、縦糸繊維の層について層と層との間をインターロックするように織る横糸繊維を備える。ここで述べる典型的な実施例は、層と層との間のインターロックを備えるが、そのことは、この発明を実施する上で必ずしも必要としない。プリフォームのいくつかの層は、層と層との間のインターロックがなくとも良い。織りプリフォームは、面外荷重を有向繊維を通して伝達し、層間の張力（応力）を最小にする。プリフォームは、ベースとベースから伸びる１もしくは２以上の脚を備え、そのベースとベースから伸びる１もしくは２以上の脚のそれぞれが、少なくとも１層の縦糸繊維を備える。ベースおよび／または脚の外側端部には、たとえば、斜めに切断することによって、段のあるパターンの縦糸繊維の終わりの層で先細の端部を形成することができる。

一般に、プリフォームは、縦糸および横糸の両繊維について、たとえば炭素繊維など一つのタイプの繊維を用いて織る。しかしながら、プリフォームは、また、たとえば炭素とガラスの繊維など多数の材料からなる繊維／糸を用いる織りパターンにすることもできる。そのような構造によって、プリフォームは、より頑強で、低コスト、そして最適な熱膨張特性をもつことができる。織りパターンについては、たとえば厚さ方向の層のどのパターンについても、縦糸繊維のすべてを一つのタイプの材料とし、横糸繊維のすべてを別のタイプの材料で構成したり、あるいはまた、縦糸および／または横糸の繊維に対して交互に材料のタイプを変えるようにすることができる。

以上のように、この発明によれば、その目的および利点を実現することができる。この発明の好ましい実施例について詳しく述べたが、この発明は、それらに限定されるわけではない。この発明の考え方の範囲は、特許請求の範囲の記載によって定まる。

３００ プリフォーム
３１０ ベース
３１２ 縦糸繊維
３１４ 横糸繊維
３１５，３２０ 脚
３１６ クレビス
３１８ 上層
３２２ 下層

Claims (26)

1. 補強コンポジット構造に用いる織りプリフォームであって、次の構成および条件を備える、織りプリフォーム。
   ・縦糸繊維からなる第１層。
   ・その縦糸繊維からなる第１層に平行する、縦糸繊維からなる第２層。
   ・横糸繊維からなる、１もしくは２以上の層。
   ・前記横糸繊維は、前記第１層および第２層の前記縦糸繊維に垂直であること。
   ・前記横糸繊維を、前記第１層および第２層の前記縦糸繊維に織り込むことによって、ベースをもつ多層のプリフォームが形成されていること。
   ・前記第１層の前記縦糸繊維の位置を、前記第２層の縦糸繊維と取り換えることにより、所定幅のクレビスが形成されていること。
   ・前記縦糸繊維および前記横糸繊維は、前記プリフォームの前記クレビスおよび前記ベースの端に対して軸外れあるいはバイアス（非０／９０°）の角度をもつこと。
2. 前記プリフォームは、２あるいは３以上の脚をさらに備える、請求項１のプリフォーム。
3. 前記２あるいは３以上の脚は、前記ベースに対して折られ、それによって、直立した脚を形成する構成である、請求項２のプリフォーム。
4. 前記２あるいは３以上の脚は、ゼロあるいは非ゼロの幅のクレビスで分離されている、請求項３のプリフォーム。
5. 前記ベースは、前記脚のそれぞれと比べて同じか、またはより多くの層を備えるか、あるいはその逆である、請求項２のプリフォーム。
6. 前記ベースおよび／または脚の端が先細になっている、請求項２のプリフォーム。
7. 前記脚は、ベースに対して垂直あるいは非垂直に角度をもっている、請求項２のプリフォーム。
8. 前記縦糸および横糸の繊維は、ガラス、炭素、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはそれらの組合せのいずれかによって構成される、請求項１のプリフォーム。
9. 前記脚同士は、長さおよび／または高さが等しいか、あるいは異なる、請求項２のプリフォーム。
10. 前記脚は、可変性の幅のクレビスで分離されている、請求項２のプリフォーム。
11. 前記脚は、プリフォームの長さに沿って、直線あるいは非直線である、請求項２のプリフォーム。
12. 前記プリフォームは、パイ形、「Ｔ」、あるいは「Ｈ」の形である、請求項１のプリフォーム。
13. 前記軸外れあるいはバイアスの角度は、＋／−４５°である、請求項１のプリフォーム。
14. 織りプリフォームを形成する方法であって、次の工程を備える、織りプリフォームの形成方法。
    ・縦糸繊維からなる第１層を装備する工程。
    ・その縦糸繊維からなる第１層に平行する、縦糸繊維からなる第２層を装備する工程。
    ・前記第１層および第２層の前記縦糸繊維に垂直である横糸繊維からなる、１もしくは２以上の層を装備する工程。
    ・前記横糸繊維を、前記第１層および第２層の前記縦糸繊維に織り込むことによって、ベースをもつ多層のプリフォームを形成する工程。
    ・前記第１層の前記縦糸繊維の位置を、前記第２層の縦糸繊維と取り換えることにより、所定幅のクレビスを形成する工程。
    ・前記縦糸繊維および前記横糸繊維を、前記プリフォームの前記クレビスおよび前記ベースの端に対して軸外れあるいはバイアス（非０／９０°）の角度をもつようにする工程。
15. 前記織りプリフォームを、所定の長さおよび幅に切断する工程をさらに備える、請求項１４の方法。
16. 前記クレビスのいずれかの側の前記織りプリフォームの一部分を折ることにより、２あるいは３以上の直立した脚を形成する工程をさらに備える、請求項１５の方法。
17. 前記ベースは、前記脚のそれぞれと比べて同じか、またはより多くの層を備えるか、あるいはその逆である、請求項１６の方法。
18. 前記ベースおよび／または脚の端が先細になっている、請求項１６の方法。
19. 前記脚は、ベースに対して垂直あるいは非垂直に角度をもっている、請求項１６の方法。
20. 前記縦糸および横糸の繊維は、ガラス、炭素、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、あるいはそれらの組合せのいずれかによって構成される、請求項１４の方法。
21. 前記脚同士は、長さおよび／または高さが等しいか、あるいは異なる、請求項１６の方法。
22. 前記２あるいは３以上の脚は、ゼロあるいは非ゼロの幅のクレビスで分離されている、請求項１６の方法。
23. 前記脚は、可変性の幅のクレビスで分離されている、請求項１６の方法。
24. 前記脚は、プリフォームの長さに沿って、直線あるいは非直線である、請求項１６の方法。
25. 前記プリフォームは、パイ形、「Ｔ」、あるいは「Ｈ」の形である、請求項１４の方法。
26. 前記軸外れあるいはバイアスの角度は、＋／−４５°である、請求項１４の方法。
    

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