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JP7623138B2 - 少なくとも２つの０°の層を有する多軸製品 - Google Patents

少なくとも２つの０°の層を有する多軸製品 Download PDF

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Description

発明の詳細な説明：
本発明は、少なくとも３つの糸層を含む多軸製品に関する。
多軸製品は、長い間知られてきた。
例えば、欧州特許第２５４７８１６号明細書または欧州特許第２５４７５１０号明細書には、多軸製品内に互いに異なる角度を有する複数の層を有する多軸製品が記載されている。
しかしながら、既知の多軸製品の欠点は、多軸製品の機械的特性をわずかな程度でしか調整できないことである。例えば、多軸製品の０°の方向の圧力適用は、０°の方向の糸層の表面重量に強く依存している。表面重量の増加は、機械的特性の改善をもたらすであろう。しかしながら、表面重量を、問題なく増加させることはできない。高い表面重量は、しばしば、層内の繊維のずれまたは繊維の凝縮(いわゆる、うねり)を発生させ、その結果、糸層またはその隣接層はしわを含む。このしわは、次に糸層の機械的特性を低下させる。
欧州特許第３０２３２４１号明細書から、テープ材料から構成することができ、その異なる層を互いに角度を付けて堆積させることができる繊維強化材料が知られている。この文献によれば、テープは、互いに離間して配置される（それらは分離したチャネルを形成する）。したがって、糸のない領域が生じるため、材料の機械的特性が影響を受ける。
したがって、本発明の課題は、機械的特性により良く適合させることができる多軸製品を提供することである。
この課題は、少なくとも３つの糸層を有する多軸製品であって、糸層の各々は、互いに平行で、互いに隣接するように、糸層内に配置されたマルチフィラメント補強糸によって形成され、少なくとも２つの糸層は、多軸製品内で０°の方向を規定するように多軸製品内に配置され、少なくとも１つのさらなる糸層は、多軸製品内の０°の方向に対して±１０°を上回る角度で配置され、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、多軸製品内の少なくとも３つの糸層の相対的配置に基づいて、その間にマルチフィラメント補強糸のさらなる層を介在させることなく、すぐ後に順々に続いている、多軸製品によって解決される。
多軸製品内で（その間に糸層としてのマルチフィラメント補強糸のさらなる層を介さずに）すぐ後に順々に続いている０°の方向の少なくとも２つの糸層を使用することによって、多軸製品の機械的特性に、有利に影響を与えることができる。例えば、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、異なるマルチフィラメント補強糸から構成することができ、その際、異なる糸の種類は、それらが１つの層内に存在しないので、互いに悪影響を及ぼすことができないか、またはわずかな程度しかできない。
多軸製品内の０°の方向に対して±１０°を上回る角度の少なくとも１つのさらなる糸層は、好ましくは、多軸製品内の０°の方向に対して±３０°、±４５°、±６０°および／または９０°の角度を有する。しかしながら、０°の方向に対して±１０°を上回る角度の少なくとも１つのさらなる糸層は、実際には０°の方向に堆積されると想定された糸層ではなく、また、不正確さのためだけに０°の方向からわずかにずれた角度で堆積された糸層でもない。０°の方向に対して±１０°を上回る角度の少なくとも１つのさらなる糸層については、以下では同様に少なくとも１つのさらなる糸層としてのみ説明されることになる。
明確にするために：多軸製品は、マルチフィラメント補強糸で作られた多数の糸層を含み得る。しかしながら、本発明によれば、０°の層を形成する少なくとも２つの糸層の間には、０°の層に対して少なくとも±１０°の角度を有するマルチフィラメント補強糸で作られた層は存在しない（すなわち、さらなる糸層は存在しない）。その結果、０°の方向の糸層の間には、例えば不織布層などの、いわゆる中間層のみが存在することができる。この点に関して、２０００ＭＰａ未満の強度を有する繊維および／または層内に主として平行でない繊維配列（例えば、不織布層、ランダムに配向した繊維層）を有する各層は、中間層とみなすべきである。
糸層は、好ましくは、テープとしても記載することができる拡げられたマルチフィラメント補強糸からなる。テープは、好ましくは８０～８００ｍｍの幅を有し、特に好ましくは２５０～３６０ｍｍの幅を有し、最も特に好ましくは６００～７００ｍｍの幅を有する。糸層を製造するために、拡げられたマルチフィラメント補強糸は、糸層内に実質的に孔(糸のない領域)がないように堆積される。マルチフィラメント補強糸は、結果として、互いに孔のないように存在している。さらに好ましい実施形態では、少なくとも３つの糸層は、それぞれ、１つの一方向織物からなる。一方向織物では、マルチフィラメント補強糸は、また、拡げられ、互いに平行で、互いに隣接するように配置されているが、層の安定性を高めるために補助糸と織り合わされている。補助糸として、例えば、２００ｄｔｅｘの力価を有する二成分ホットメルト接着剤糸が使用され得る。
好ましくは、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、多軸製品において互いに直接接触している。「直接接触」とは、本明細書では、多軸製品における０°の方向の少なくとも２つの糸層が、０°の方向の少なくとも２つの糸層の間にさらなる中間層を介在させずに（不織布層も介在させずに）互いに置かれていることを意味するものとする。
好ましくは、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、それぞれ、少なくとも１００ｇ／ｍ２、より好ましくは少なくとも１５０ｇ／ｍ２、特に好ましくは少なくとも１８０ｇ／ｍ２の表面重量を有する。好ましい実施形態では、０°の方向のすべての糸層は、同じ表面重量を有する。しかしながら、０°の方向の少なくとも２つの糸層が異なる表面重量を有することも考えられるだろう。０°の方向の少なくとも２つの糸層が多軸製品に使用されているので、有利には、高い表面重量を０°の方向で達成することができ、例えば、０°の方向の圧縮強度が増加する。しかしながら、高い表面重量を有する１つの単一層を使用することと比較して、例えば、糸のうねりが、０°の方向の個々の糸層またはそれらの隣接する層において発生しないか、またはわずかにしか発生しないという利点が得られる。
好ましくは、少なくとも１つのさらなる糸層は、少なくとも１００ｇ／ｍ２、特に好ましくは少なくとも１２０ｇ／ｍ２の表面重量を有する。複数のこのようなさらなる糸層を使用する場合、すべての糸層は、それぞれ、同じ表面重量を有し得るか、または異なる表面重量を有し得る。
好ましくは、少なくとも３つの糸層は、マルチフィラメント補強糸として、炭素繊維、ガラス繊維、アラミド糸および／または高延伸ＵＨＭＷ－ポリエチレン糸または上記の糸の組み合わせを有する。特に好ましくは、少なくとも３つの糸層は、上述の繊維もしくは糸または上述の繊維もしくは糸の組み合わせの少なくとも９０％までを構成する。
好ましい実施形態では、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、少なくとも１つのさらなる糸層と同じ繊維タイプまたは糸タイプを有する。異なる糸層は、使用される糸力価に関して同一であっても異なっていてもよい。
好ましくは、マルチフィラメント補強糸は、ＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも５０００ＭＰａの強度、およびＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも２６０ＧＰａの引張弾性率を有する炭素繊維糸である。この使用される炭素繊維糸に関しては、出願番号が特開２０１７－２３１７４９号である、まだ公開されていない日本出願が参照される。さらに好ましくは、マルチフィラメント補強糸は、ＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも４５００ＭＰａの強度、およびＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも２４０ＧＰａの引張弾性率を有する炭素繊維糸である。
好ましくは、多軸製品は、少なくとも１つの不織布層を有する。好ましくは、少なくとも１つの不織布は、少なくとも３つの糸層の上、下および／または間に配置されている。特に好ましくは、不織布は、各糸層の間に配置されており、かつ／または多軸製品は、それぞれ、上側および／または下側にさらなる不織布を有する。この点に関して、不織布を、少なくとも３つの糸層の相対的配置に基づいて、（０°の方向の糸層が互いに直接接触している実施形態の例を除いて）、（多軸製品内で）すぐ後に順々に続いている、０°の方向の２つの糸層の間にも配置することができることが明らかになるはずである。さらに好ましくは、多軸製品は、粉末バインダーを有する。例えば、不織布は、粉末バインダーを有し得る。好ましくは、少なくとも１つの不織布は、３～２５ｇ／ｍ２の表面重量を有する。２つ以上の不織布を用いる実施形態では、使用されるすべての不織布層は、同じ表面重量または異なる表面重量を有し得る。多軸製品の特に好ましい構造は、以下のようになる：
・ 少なくとも１つのさらなる糸層
・ 不織布
・ 少なくとも１つのさらなる糸層
・ 不織布
・ ０°の方向の糸層
・ 不織布
・ ０°の方向の糸層
・ 粉末バインダーを有する不織布
一実施形態では、多軸製品は、金属メッシュを有する。好ましくは、金属メッシュは、少なくとも３つの糸層の上および／または下に配置される。好ましくは、金属メッシュは、多軸製品の最外層を形成する。特に好ましくは、金属メッシュは、５０～２５０ｇ／ｍ２、特に好ましくは７０～１７５ｇ／ｍ２、最も特に好ましくは９０～１３９ｇ／ｍ２の表面重量を有する。金属メッシュは、好ましくは、例えばステッチによって、または多軸製品を一緒に保持する編糸システムによって、１つまたは複数の糸層と連結される。金属メッシュによって、多軸製品の伝導性を有利に改善することができ、このことは、航空および宇宙旅行の分野における用途に特に有利である。好ましくは、金属メッシュは、銅メッシュである。
好ましくは、少なくとも１つの不織布は、少なくとも１つの第１の熱可塑性ポリマー成分および１つの第２の熱可塑性ポリマー成分からなり、第１および第２のポリマー成分は、異なる融点を有する。
好ましくは、より低い融点を有するポリマー成分は、８０～１３５℃の範囲の融点を有し、かつ／またはより高い融点を有するポリマー成分は、１４０～２５０℃の範囲の融点を有する。
好ましくは、第１のポリマー成分は、エポキシ、シアン酸エステルまたはベンゾキサジンマトリックス樹脂中に、またはこれらのマトリックス樹脂の混合物中に可溶性であり、第２のポリマー成分は、エポキシ、シアン酸エステルまたはベンゾキサジンマトリックス樹脂中に、またはこれらのマトリックス樹脂の混合物中に不溶性である。
一実施形態では、第１のポリマー成分は、ポリアミドであり、かつ／または不織布は、エポキシドを有する。特に好ましくは、エポキシドは、不織布上にばらまかれ、かつ不織布と熱的に連結された粉末バインダーの形態で存在する。
結合材料が、いくつかの実施形態において、粒状形態で使用される限り、好ましい粒径は、５０～１６０μｍ、特に好ましくは８０～１４０μｍの範囲である。
不織布を用いるすべての実施形態において、２つ以上の不織布層が使用される場合、それぞれ、異なる不織布または同じ不織布を多軸製品に使用することができる。異なる不織布層を使用する場合、不織布層は、それらの表面重量、それらの材料および／またはそれらの構造に関して異なっていてもよい。
従来知られている多軸製品と比較して、提案された多軸製品には、うねりの危険性が低減されるため、均一な糸パターンと同時に高い繊維体積比率を有するという利点がある。これにより、特に多軸製品の圧縮強度を高めることができる。加えて、提案された多軸製品は、同等の表面重量を有するが、より少ない糸層を有する多軸製品と比較して、ならびに予め固定された０°の層（例えば、横糸、粉末バインダーまたは熱可塑性メッシュによって固定されたＵＤテープ）を使用することによって、より容易にドレープすることができる。
本発明のさらなる主題は、上述したような多軸製品を製造する方法に関する。
多軸製品を製造するために、少なくとも３つの糸層が堆積され、糸層の各々は、互いに平行で互いに隣接するように糸層内に配置されたマルチフィラメント補強糸によって形成され、多軸製品の製造において、少なくとも２つの糸層が０°の方向で堆積され、この０°の方向の少なくとも２つの糸層のすべての上および／または下に、少なくとも１つのさらなる糸層が、多軸製品内の０°の方向に対して±１０°を上回る角度で堆積される。
多軸製品を製造するための少なくとも３つの糸層は、最初に多軸製品の製造中に形成され得るか（オンライン）、製造プロセスで仕上げ層として多軸製品を製造するための予め作製された製品（例えば、テープ）として前もって堆積され得る（オフライン）。
０°の方向の少なくとも２つの糸層は、その間にさらなる糸層を介在させずに（０°の方向に対して±１０°を上回る角度で配列されたマルチフィラメント補強糸を用いて）互いに堆積される。その結果、少なくとも１つのさらなる糸層が、０°の方向の少なくとも２つの糸層の上または下に配置され得る。２つ以上のさらなる糸層が使用される場合、さらなる糸層は、０°の方向の糸層の上および／または下に位置するが、その間には決して位置しない。２つ以上のさらなる糸層を使用する場合、このようにして製造された多軸製品は、０°の方向の少なくとも２つの糸層について対称構造を有し得る。０°の方向についての対称構造は、例えば、次の構造を有する多軸製品の場合に存在する：
＋４５°／０°／０°／－４５°
好ましくは、多軸製品を製造する場合、少なくとも１つの不織布層が、糸層のうちの１つの間に堆積される。好ましくは、不織布層は、すべての糸層の間におよび／または最後の層として、外側の糸層の片側または両側に堆積される。不織布層として使用される不織布に関しては、多軸製品の不織布に関する前述の実施形態が参照されるべきである。
一実施形態の例では、さらに、金属メッシュを多軸製品の外側に堆積させることができる。金属メッシュの設計では、多軸製品の金属メッシュに関しては、既に記述されているものが参照される。
好ましい実施形態では、０°の方向に堆積された少なくとも２つの糸層の各々は、それぞれ、１つの堆積装置によって堆積される。予め作製された糸層を使用する場合、結果として、巻き上げられた糸層を有する１つの堆積装置が、０°の方向の各糸層に使用される。
別の実施形態では、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、多軸製品を製造する際に、オンラインフィードが供給される場合、それぞれ、１つの立ち糸クリールによって生成される。
さらなる実施形態では、多軸製品を製造する場合、０°の方向の少なくとも２つの糸層は、いわゆる一方向織物として堆積される。製造中、各一方向織物は、次に、好ましくは製造プロセス中のそれ自身の堆積装置によって０°の方向の糸層として敷設される。
本発明のさらなる主題は、上述したものに従った多軸製品を少なくとも１つ含む繊維強化複合材料に関する。好ましくは、複合材料は、マルチフィラメント補強糸の多数の糸層と、それらの間の不織布層とを有する。特に好ましくは、複合材料は、糸層および不織布層が含浸される、さらなるまたは追加のマトリックス材料を有する。
したがって、本発明のさらなる主題は、追加のマトリックス材料によって複合材料を製造する方法でもある。好ましくは、この目的のために、最初に言及した種類の多数の多軸製品を互いに積層し、熱および圧力と追加のマトリックス材料とによって固化して、構成要素（複合材料）を形成する。この種の複合材料は、例えば、航空および宇宙旅行の分野において、または自動車分野において構成要素として使用され得る。

Claims (18)

  1. 少なくとも３つの糸層を有する多軸製品であって、前記糸層の各々は、互いに平行で、互いに隣接するように、前記糸層内に配置されたマルチフィラメント補強糸によって形成され、前記糸層は、拡げられたマルチフィラメント補強糸からなり、マトリックス材料を有さず、少なくとも２つの糸層は、前記多軸製品内で０°の方向を規定するように前記多軸製品内に配置され、少なくとも１つのさらなる糸層は、前記多軸製品内の０°の方向に対して±１０°を上回る角度で配置され、０°の方向の前記少なくとも２つの糸層は、前記多軸製品内の前記少なくとも３つの糸層の相対的配置に基づいて、その間にマルチフィラメント補強糸のさらなる層を介在させることなく、すぐ後に順々に続いており、前記マルチフィラメント補強糸は、ホットメルト接着剤糸と織り合わされている、多軸製品。
  2. 前記０°の方向の前記少なくとも２つの糸層が、それぞれ、少なくとも１５０ｇ／ｍ２の表面重量を有する、請求項１記載の多軸製品。
  3. 前記多軸製品内の０°の方向に対して±１０°を上回る角度で配置された前記少なくとも１つのさらなる糸層が、それぞれ、少なくとも１００ｇ／ｍ２の表面重量を有する、請求項１または２記載の多軸製品。
  4. 前記マルチフィラメント補強糸が、炭素繊維、ガラス繊維、またはアラミド糸、または高延伸ＵＨＭＷ－ポリエチレン糸である、請求項１から３までのいずれか１項記載の多軸製品。
  5. 前記マルチフィラメント補強糸が、ＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも５０００ＭＰａの強度、およびＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも２６０ＧＰａの引張弾性率を有する炭素繊維糸である、請求項１から４までのいずれか１項記載の多軸製品。
  6. 前記マルチフィラメント補強糸が、ＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも４５００ＭＰａの強度、およびＪＩＳ－Ｒ－７６０８に従って測定される、少なくとも２４０ＧＰａの引張弾性率を有する炭素繊維糸である、請求項１から４までのいずれか１項記載の多軸製品。
  7. 少なくとも１つの不織布が、前記少なくとも３つの糸層の上、下および／または間に配置されているかつ／または少なくとも１つの金属メッシュが、前記少なくとも３つの糸層の上および／または下に配置されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の多軸製品。
  8. 前記少なくとも１つの不織布が、３～２５ｇ／ｍ２の範囲の表面重量を有し、かつ／または前記金属メッシュが、６０～２００ｇ／ｍ２の表面重量を有する、請求項７記載の多軸製品。
  9. 前記少なくとも１つの不織布が、少なくとも１つの第１の熱可塑性ポリマー成分および１つの第２の熱可塑性ポリマー成分からなり、前記第１および第２のポリマー成分が、異なる融点を有する、請求項７または８記載の多軸製品。
  10. より低い融点を有するポリマー成分が、８０～１３５℃の範囲の融点を有し、かつ／またはより高い融点を有するポリマー成分が、１４０～２５０℃の範囲の融点を有する、請求項９記載の多軸製品。
  11. 前記第１のポリマー成分が、ポリアミドであり、かつ／または前記不織布が、エポキシドを有する、請求項９または１０記載の多軸製品。
  12. 前記第１のポリマー成分が、エポキシ、シアン酸エステルまたはベンゾキサジンマトリックス樹脂中に、またはこれらのマトリックス樹脂の混合物中に可溶性であり、前記第２のポリマー成分が、エポキシ、シアン酸エステルまたはベンゾキサジンマトリックス樹脂中に、またはこれらのマトリックス樹脂の混合物中に不溶性である、請求項１０記載の多軸製品。
  13. 前記少なくとも１つの不織布が、粒状形態で結合材料を有し、前記結合材料の粒径が、５０～１６０μｍである、請求項１から１２までのいずれか１項記載の多軸製品。
  14. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の多軸製品を少なくとも１つ有する、繊維強化複合材料。
  15. 少なくとも３つの糸層からの請求項１記載の多軸製品の製造方法であって、前記糸層の各々は、互いに平行で、互いに隣接するように、前記糸層内に配置されたマルチフィラメント補強糸によって形成され、前記多軸製品の製造中に少なくとも２つの糸層が０°の方向で堆積され、０°の方向の前記少なくとも２つの糸層のすべての上または下に、少なくとも１つのさらなる糸層が、前記多軸製品内の０°の方向に対して±１０°を上回る角度で堆積される、方法。
  16. 少なくとも１つの不織布が、前記少なくとも３つの糸層の上、下および／または間に堆積される、請求項１５記載の方法。
  17. ０°の方向に堆積された前記少なくとも２つの糸層の各々が、それぞれ、１つの堆積装置によって堆積される、請求項１５または１６記載の方法。
  18. 請求項１から１３までのいずれか１項記載の少なくとも１つの多軸製品および追加のマトリックス材料が使用される、請求項１５記載の複合材料の製造方法。
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