耐衝撃用の3次元製織複合材車両構成要素

本出願は、積層複合材または高強度金属などの従来の材料で製造されたものに置換できる3D製織複合材部品のより軽量での製造を可能にする、従来の2D積層複合材を有意に上回る高いエネルギ吸収特性(specific energy absorption, SEA)を有する3次元(3D)製織複合材に関する。

厚み貫通補強の存在に起因して、3D製織複合材は、積層複合材に比べてより優れた破壊靭性、疲労寿命および損傷許容性を有する。その上、3D製織複合材は、積層複合材の典型的な突発故障挙動よりもさらに安全な進行性損傷挙動を示す。これらの特性により、積層複合材または高強度金属などの従来の材料で製造されたものに置換できる3D製織複合材部品をより軽量で製造することのできる高いエネルギ吸収特性(SEA)(試料または部品の破壊重量により吸収されるエネルギの業界で認められた一般的尺度)が導かれる。

本開示は、従来の2D積層複合材を有意に上回る性能を示す複合材を形成するためにマトリクス材料を含浸させることのできる3D製織プリフォームを提供する。ここで開示される技術は、車両(陸、海または空)の耐衝撃性を改善するための寄生性のまたは耐荷重性の構造的構成要素を製造するために使用可能である。「寄生性(parasitic)」とは、複合材において一般的に使用される用語である。この文脈での「寄生性」なる用語は、エネルギ吸収の目的でのみ使用される構成要素を意味する。ここで開示される技術の利用分野は、犠牲的クラッシュチューブから多目的構造用構成要素に至る範囲に及ぶことが考えられる。

開示された3Dプライ・トゥ・プライ製織プリフォームにおいて、各々の経糸繊維はその下方または上方で緯糸層を繋ぐ。こうして、3D製織複合材(マトリクス材料が含浸されたプリフォーム)は、積層複合材中には存在しない厚み貫通補強を提供することができ、かつ補強ヤーン(経糸または緯糸)が横断しない平面は複合材中に全く存在しないことから複合材の1つの不具合様式としての層間剥離を削減することもできる。このような平面の欠如は、構造を通る亀裂の伝播を停止させ、したがって、3D複合材を圧壊するために必要とされる力およびエネルギの量を増大させるように作用する。

一実施形態において、3次元(3D)複合品は、3D製織プリフォームを含む。プリフォームは、複数の経糸ヤーンおよび複数の緯糸ヤーンを有する。経糸ヤーンは緯糸ヤーンと製織されて3D製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成する。3D製織複合品は、複合品を形成するために各プリフォームにマトリクス材料を含浸させた場合に、実質的に同重量の2D製織積層プリフォームよりも高いエネルギ吸収特性(SEA)を有する。

いくつかの実装において、3D製織複合品は、実質的に同重量の2D製織積層プリフォームよりも少なくとも10%高いエネルギ吸収特性(SEA)を有する。

他の実装において、3D複合品は、実質的に同重量の2D製織積層プリフォームよりも少なくとも20%高いエネルギ吸収特性(SEA)を有する。

同様に開示されているのは、3次元(3D)製織プリフォームである。このプリフォームは、複数の経糸ヤーンと複数の緯糸ヤーンとを有する。経糸ヤーンは、緯糸ヤーンと製織されて3D製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成する。特定の層内の複数の経糸ヤーンから選択された1つ以上の経糸ヤーンは、特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第1のバインダヤーンであり、特定の層内の複数の緯糸ヤーンから選択された1つ以上の緯糸ヤーンは、特定の層内の経糸ヤーンを別の層内の経糸ヤーンに結合させる第2のバインダヤーンである。

同様に開示されているのは、3D製織プリフォームを形成することにより3次元(3D)製織複合品を形成する方法である。プリフォームは、3D製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成するために複数の経糸ヤーンを複数の緯糸ヤーンと製織することによって形成される。3D製織複合材は、複合品を形成するために各プリフォームにマトリクス材料を含浸させた場合に、実質的に同重量の2D製織積層プリフォームよりも高いエネルギ吸収特性(SEA)を有する。

3次元(3D)製織複合品を形成する方法は、同様に、第1のバインダヤーンを用いて特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させるステップであって、第1のバインダヤーンが特定の層内の複数の経糸ヤーンから選択された1つ以上の経糸ヤーンである、ステップと、および第2のバインダヤーンを用いて特定の層内の経糸ヤーンを別の層内の経糸ヤーンに結合させるステップであって、第2のバインダヤーンが特定の層内の複数の緯糸ヤーンから選択された1つ以上の緯糸ヤーンである、ステップをも含むことができる。

いくつかの実装において、プリフォームは、実質的に同重量の2D製織積層プリフォームよりも少なくとも10%高いエネルギ吸収特性(SEA)を有する。他の実装において、プリフォームは、実質的に同重量の2D製織積層プリフォームよりも少なくとも20%高いエネルギ吸収特性(SEA)を有する。

さらに、3次元(3D)製織プリフォームを形成する方法は、複数の経糸ヤーンを複数の緯糸ヤーンと製織して3D製織プリフォームの複数の層を有する構造を形成するステップを含む。特定の層内の複数の経糸ヤーンから選択された1つ以上の経糸ヤーンは、特定の層内の緯糸ヤーンを別の層内の緯糸ヤーンに結合させる第1のバインダヤーンであり、特定の層内の複数の緯糸ヤーンから選択された1つ以上の緯糸ヤーンは、特定の層内の経糸ヤーンを別の層内の経糸ヤーンに結合させる第2のバインダヤーンである。

本開示中、詳細にはクレームおよび/または段落中において、「comprise(含む)」、「comprised(含まれる)」、「comprising(含む)」などの用語は、米国特許法に帰属する意味を有することができ、例えば、これらは、「includes(含む)」、「included(含まれる)」「including(含む)」を意味することができる。

本開示中に明記されたさまざまな実施形態の上述のおよび他の目的、特徴および利点は、添付図面と併せて、実施形態の以下の詳細な説明を考慮することにより、さらに明らかになるものである。

本開示の3D製織プリフォームプライ・トゥ・プライアーキテクチャ3D−P1−50の一実施例を示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Aを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Bを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Cを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Dを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Eを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Fを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Gを示す。

図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Hを示す。

3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−70の単一の経糸縦列を示す。

3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P2−50の単一の経糸縦列を示す。

3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−O50の単一の経糸縦列を示す。

3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−O70の単一の経糸縦列を示す。

試験前、中および後の波形複合材試験試料を示す。

3D製織複合材および2D積層複合材を用いて試験された8つの構成全ての準静的SEA比較を示す。

4つの構成について速度依存性SEA値を比較するグラフを示す。

3D製織複合材長手方向構成要素の開発のための考えられる自動車利用分野の4つの別形を示す。

以下の説明において、「threads(スレッド(糸))」、「fibers(繊維)」および「yarns(ヤーン(糸))」は、互換的に使用される。本明細書中で使用される「threads(スレッド(糸))」、「fibers(繊維)」および「yarns(ヤーン(糸))」は、モノフィラメント、マルチフィラメント糸、撚糸、マルチフィラメントロープ、加工糸、編組ロープ、被覆糸、バイコンポーネントモノフィラメント糸ならびに延伸破断繊維または他の任意のこのような材料を意味することができる。

図1Aおよび2〜5は、厚み貫通補強の量および経糸および緯糸方向における繊維の数の平衡(経糸/緯糸比としても知られる)が異なる5つの3D製織構造断面平面の実施例を示している。構造中の各層は、経糸および緯糸繊維を製織することによって形成される。経糸/緯糸比はここでは、全繊維中の経糸の体積百分率を表わす。経糸/緯糸比は、経糸および緯糸方向における糸の百分率を定量化するために用いられ、性能上の理由(すなわち剛性および強度)により調整されてよい。それぞれ3D−P1−50、3D−P1−70および3D−P2−50である図1A、2および3中の3D製織プリフォームは、3D−Pにより表示されるプライ・トゥ・プライアーキテクチャの3つの変形形態である。それぞれ3D−O50および3D−O70である図4および5中の3D製織プリフォームは、より高い厚み貫通補強を伴う直交織りの2つの変形形態である。50または70は、経糸/緯糸比、すなわち全繊維中の経糸の体積百分率を意味する。

図1Aは、本開示の3D製織プリフォームのプライ・トゥ・プライアーキテクチャ3D−P1−50の一実施例を示す。3D製織プリフォーム3D−P1−50は、50/50%の経糸/緯糸比を有するプライ・トゥ・プライ標準クリンプ3D織りである。図1Bは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Aを示す。断面平面Aは、経糸スレッド110、111、112、113...117および118を含む。図1Bに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第1層内の第1の経糸スレッド110が、第1層内の緯糸スレッド150の上に製織され、その後緯糸スレッド160の下、次に緯糸スレッド171の下そして最後に緯糸スレッド180の下に製織される。したがって、緯糸スレッド150、160、170および180を含む第1の緯糸横列、および緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列は断面平面A内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、第2層内の第2の経糸スレッド111が第2層内の緯糸スレッド151の上、その後緯糸スレッド161の下、次に緯糸スレッド172の下、そして最後に緯糸スレッド181の下に製織される。したがって、緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列、および緯糸スレッド152、162、172および182を含む第3の緯糸横列は、断面平面A内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の経糸スレッド、すなわち112、113...117および118は全て、経糸スレッド110および111に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面A内で互いに繋がれる。

図1Cは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Bを示す。断面平面Bは、経糸スレッド120、121、122...128を含む。図1Cに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第1層内の経糸スレッド120は、緯糸スレッド150の下に製織され、その後第1層内の緯糸スレッド160の上、次に緯糸スレッド170の下そして最後に緯糸スレッド181の下に製織される。したがって、緯糸スレッド150、160、170および180を含む第1の緯糸横列、および緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列は断面平面B内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド121が緯糸スレッド151の下、その後緯糸スレッド161の上、次に緯糸スレッド171の下、そして最後に緯糸スレッド182の下に製織される。したがって、緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列、および緯糸スレッド152、162、172および182を含む第3の緯糸横列は、断面平面B内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の経糸スレッド、すなわち122、123...128は全て、経糸スレッド120および121に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面B内で互いに繋がれる。

図1Dは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Cを示す。断面平面Cは、経糸スレッド130、131、132...138を含む。図1Dに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第1層内の経糸スレッド130は、第2層内の緯糸スレッド151の下に製織され、その後緯糸スレッド160の下、次に緯糸スレッド170の上そして最後に緯糸スレッド180の下に製織される。したがって、緯糸スレッド150、160、170および180を含む第1の緯糸横列、および緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列は断面平面C内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド131は緯糸スレッド152の下、その後緯糸スレッド161の下、次に緯糸スレッド171の上、そして最後に緯糸スレッド181の下に製織される。したがって、緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列、および緯糸スレッド152、162、172および182を含む第3の緯糸横列は、断面平面C内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の経糸スレッド、すなわち132...138は全て、経糸スレッド130および131に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面C内で互いに繋がれる。

図1Eは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の経糸スレッドに沿った断面平面Dを示す。断面平面Dは、経糸スレッド140、141、142...148を含む。図1Eに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第1層内の経糸スレッド140は、第1層内の緯糸スレッド150の下に製織され、その後緯糸スレッド161の下、次に緯糸スレッド170の下そして最後に緯糸スレッド180の上に製織される。したがって、緯糸スレッド150、160、170および180を含む第1の緯糸横列、および緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列は断面平面D内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド141は、緯糸スレッド151の下、その後緯糸スレッド162の下、次に緯糸スレッド171の下、そして最後に緯糸スレッド181の上に製織される。したがって、緯糸スレッド151、161、171および181を含む第2の緯糸横列、および緯糸スレッド152、162、172および182を含む第3の緯糸横列は、断面平面D内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の経糸スレッド、すなわち142...148は全て、経糸スレッド140および141に類似するパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面D内で互いに繋がれる。

これらの実施例1B〜1Eにおいて、特定の層または横列の緯糸繊維は、説明されている特定の経糸層に隣接する次の層である「後続する緯糸層」の緯糸繊維に繋がれる。しかしながら、「後続する緯糸層」なる用語は、図の説明を容易にするためだけに使用されており、より広義に解釈されるよう意図される。詳細には、本明細書中で使用されている「後続する緯糸層」は「別の緯糸層」を意味する。そしてこのような後続する緯糸横列または層は、説明されている特定の経糸横列または層から見て上方または下方にある、隣接する次の緯糸横列または層または離隔した多数の緯糸横列または層であり得る。

図1Fは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Eを示す。断面平面Eは、緯糸スレッド150、151、152...159を含む。図1Fに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第2層内の緯糸スレッド151は、第2層内の経糸スレッド141の上に製織され、その後経糸スレッド130の上、次に経糸スレッド121の上そして最後に経糸スレッド111の下に製織される。したがって、経糸スレッド140、130、120および110を含む第1の経糸横列、および経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列は断面平面E内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド152は経糸スレッド142の上、その後経糸スレッド131の上、次に経糸スレッド122の上、そして最後に経糸スレッド112の下に製織される。したがって、経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列、および経糸スレッド142、132、122および112を含む第3の経糸横列は、断面平面E内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の緯糸スレッド、すなわち153...159は全て、緯糸スレッド150および151に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面E内で互いに繋がれる。

図1Gは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Fを示す。断面平面Pは、緯糸スレッド160、161、162...169を含む。図1Gに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第2層内の緯糸スレッド161は、第1層内の経糸スレッド140の上に製織され、その後経糸スレッド131の上、次に経糸スレッド121の下そして最後に経糸スレッド111の上に製織される。したがって、経糸スレッド140、130、120および110を含む第1の経糸横列、および経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列は断面平面F内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド162は経糸スレッド141の上、その後経糸スレッド132の上、次に経糸スレッド122の下、そして最後に経糸スレッド112の上に製織される。したがって、経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列、および経糸スレッド142、132、122および112を含む第3の経糸横列は、断面平面F内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の緯糸スレッド、すなわち163...169は全て、緯糸スレッド160および161に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面F内で互いに繋がれる。

図1Hは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Gを示す。断面平面Gは、緯糸スレッド170、171、172...179を含む。図1Hに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第2層内の緯糸スレッド171は、第2層内の経糸スレッド141の上に製織され、その後経糸スレッド131の上、次に経糸スレッド121の上そして最後に経糸スレッド110の下に製織される。したがって、経糸スレッド140、130、120および110を含む第1の経糸横列、および経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列は断面平面G内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド172は経糸スレッド142の上、その後経糸スレッド132の下、次に経糸スレッド122の上、そして最後に経糸スレッド111の上に製織される。したがって、経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列、および経糸スレッド142、132、122および112を含む第3の経糸横列は、断面平面F内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の緯糸スレッド、すなわち173...179は全て、緯糸スレッド170および171に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面G内で互いに繋がれる。

図1Iは、図1Aに示されている3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50の緯糸スレッドに沿った断面平面Hを示す。断面平面Hは、緯糸スレッド180、181、182...189を含む。図1Iに示されているように、3D製織プリフォームの製織中、第2層内の緯糸スレッド181は、第2層内の経糸スレッド141の下に製織され、その後経糸スレッド131の上、次に経糸スレッド120の上そして最後に経糸スレッド111の上に製織される。したがって、経糸スレッド140、130、120および110を含む第1の経糸横列、および経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列は断面平面G内で互いに繋がれる。同様にして、次の経糸横列では、緯糸スレッド182は経糸スレッド142の下、その後経糸スレッド132の上、次に経糸スレッド121の上、そして最後に経糸スレッド112の上に製織される。したがって、経糸スレッド141、131、121および111を含む第2の経糸横列、および経糸スレッド142、132、122および112を含む第3の経糸横列は、断面平面F内で互いに繋がれる。断面平面A内の他の緯糸スレッド、すなわち183...189は全て、緯糸スレッド180および181に類似するパターンで製織される。したがって、各々の経糸横列および後続する経糸横列は、断面平面H内で互いに繋がれる。

これらの実施例1F〜1Iにおいて、特定の層または横列の経糸繊維は、説明されている特定の緯糸層に隣接する次の層である「後続する経糸層」の経糸繊維に繋がれる。しかしながら、「後続する経糸層」なる用語は、図の説明を容易にするためだけに使用されており、より広義に解釈されるよう意図される。詳細には、本明細書中で使用されている「後続する経糸層」は「別の経糸層」を意味する。そしてこのような後続する経糸横列または層は、説明されている特定の緯糸横列または層から見て上方または下方にある、隣接する次の経糸横列または層または離隔した多数の経糸横列または層であり得る。

図2は、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−70の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。3D製織プリフォーム3D−P1−70は、70/30%の経糸/緯糸比を有するプライ・トゥ・プライ標準クリンプ3D織りである。図1Aに示されている3D−P1−50と比べて、3D−P1−70プリフォームにおいては、第1層内に2つの経糸スレッド210および211、および最終層内の2つの経糸スレッド215および216が存在し、緯糸ヤーン縦列間の距離は、3D−P1−50プリフォーム内の距離より大きい。これらの組合された差異により、3D−P1−50プリフォーム内と同じ目標合計繊維体積分率を維持しながら70%の経糸百分率が達成される。

図1A中に示された3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50と同様に、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−70においては、1緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面(図示せず)が存在する。

図2に示されているように、断面平面は、経糸スレッド210、211、212、213...218を含む。図2に示されているように、3D製織プリフォームの製織中、経糸スレッド210および211は、緯糸スレッド250の上に製織され、その後緯糸スレッド260の下、次に緯糸スレッド271の下そして最後に緯糸スレッド280の下に製織される。したがって、緯糸スレッド250、260、270および280を含む第1の緯糸横列、および緯糸スレッド251、261、271および281を含む第2の緯糸横列は断面平面内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド212は、緯糸スレッド251の上、その後緯糸スレッド261の下、次に緯糸スレッド272の下、そして最後に緯糸スレッド281の下に製織される。したがって、緯糸スレッド251、261、271および281を含む第2の緯糸横列、および緯糸スレッド252、262、272および282を含む第3の緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。経糸スレッド213、214および215は、経糸スレッド212と類似のパターンで製織され、経糸スレッド216および217は、経糸スレッド210および211と類似のパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。

図3は、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P2−50の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。3D製織プリフォーム3D−P2−50は、50/50%の経糸/緯糸比を有するプライ・トゥ・プライ低クリンプ3D織りである。3D製織プリフォーム3D−P2−50プリフォームにおいて、より低いクリンプは、各緯糸縦列内の緯糸ヤーン総数を交番させることを通して達成される。図1A中に示された3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50と同様に、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P2−50においては、1緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面(図示せず)が存在する。

図3に示されているように、断面平面は、経糸スレッド310、311...314および315を含む。図3に示されているように、3D製織プリフォームの製織中、経糸スレッド310は、緯糸スレッド320の上に製織され、その後緯糸スレッド330の上、次に緯糸スレッド340の下、次に緯糸スレッド350の下、次に緯糸スレッド361の下、次に緯糸スレッド370の下、次に緯糸スレッド380の下、そして最後に緯糸スレッド390の上に製織される。したがって、緯糸スレッド320、330...380および390を含む第1の緯糸横列、および緯糸スレッド321、331...381および391を含む第2の緯糸横列は断面平面内で互いに繋がれる。同様にして、次の緯糸横列では、経糸スレッド311は、緯糸スレッド321の上、その後緯糸スレッド331の上、次に緯糸スレッド341の下、次に緯糸スレッド351の下、次に緯糸スレッド362の下、次に緯糸スレッド371の下、次に緯糸スレッド381の下、そして最後に緯糸スレッド391の上に製織される。したがって、緯糸スレッド321、331...381および391を含む第2の緯糸横列、および緯糸スレッド322、332...392を含む第3の緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。他の経糸スレッド312、313、314および315は、経糸スレッド310および311と類似のパターンで製織される。したがって、各々の緯糸横列および後続する緯糸横列は、断面平面内で互いに繋がれる。

図4は、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−O50の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。3D製織プリフォーム3D−O50は、50/50%の経糸/緯糸比を有する直交3D織りである。3D−O50プリフォームは、極めて低クリンプのスタッファヤーン(緯糸)および厚み貫通緯糸バインダヤーンを有する。製織業界においてこの織りは、特により小さい厚み貫通バインダヤーンが使用される場合の比較的真直ぐなスタッファヤーンおよび緯糸ヤーンに由来して、3Dノンクリンプ織物と呼ばれることがある。図1A中に示された3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50と同様に、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−O50においては、1緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面(図示せず)が存在する。

図4に示されているように、断面平面は、経糸スレッド410、411...414および415を含む。図4に示されているように、3D製織プリフォームの製織中、経糸スレッド410は、緯糸スレッド450の上に製織され、その後緯糸スレッド460の上、次に緯糸スレッド475の下そして最後に緯糸スレッド485の下に製織される。経糸スレッド411は、緯糸スレッド450、460、470および480の下に製織される。他の経糸スレッド412、413、414および415は、経糸スレッド411と類似のパターンで製織される。したがって、断面平面内の6つの緯糸横列は全て、互いに繋がれる。

図5は、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−O70の経糸スレッドに沿った単一の経糸縦列、すなわち単一の断面平面を示す。3D製織プリフォーム3D−O70は、70/30%の経糸/緯糸比を有する直交3D織りである。3D−O70プリフォームは、極めて低クリンプの緯糸スタッファヤーンおよび厚み貫通バインダヤーンを有する。図1A中に示された3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−P1−50と同様に、3D製織プリフォームアーキテクチャ3D−O70においては、1緯糸縦列毎のパターンのシフトだけが異なるより多くの断面平面(図示せず)が存在する。

図5に示されているように、断面平面は、経糸スレッド510、511...516および517を含む。図5に示されているように、3D製織プリフォームの製織中、経糸スレッド510は、緯糸スレッド550の上に製織され、その後緯糸スレッド560の上、次に緯糸スレッド575の下、そして最後に緯糸スレッド585の下に製織される。経糸スレッド511および512は、緯糸スレッド550、560、570および580の下に製織される。経糸スレッド511および512は、緯糸スレッド550、560、570および580の下に製織される。経糸スレッド513は、緯糸スレッド551、561、571および581の下に製織される。経糸スレッド514および515は、経糸スレッド513と類似のパターンで製織され、経糸スレッド516および517は経糸スレッド511および512と類似のパターンで製織される。したがって、断面平面内の6つの緯糸横列が互いに繋がれる。

所望の3D製織プリフォーム構造が形成された後、この構造にマトリクス材料を含浸させて複合材を形成することができる。構造は、マトリクス材料内に包埋された状態になり、マトリクス材料は、構造を構成する要素の隙間部域を充填する。マトリクス材料は、所望の物理的、熱的、化学的および/または他の特性を同様に示すエポキシ、ポリエステル、ビニルエステル、セラミック、炭素および/または他の材料などの多様な材料のいずれかであってよい。マトリクスとして使用するために選択される材料は、構造の材料と同じであってもなくてもよく、匹敵する物理的、化学的、熱的または他の特性を有していてもいなくてもよい。しかしながら典型的には、複合材を使用する上で求められる共通の目的は、1つの構成材料単独の使用を通しては到達できない完成品における特性の組合せを達成することにあることから、これらは同じ材料でできていないかまたは匹敵する物理的、化学的、熱的または他の特性を有していないことがある。このように組合されたこの構造およびマトリクス材料は、このとき熱硬化または他の公知の方法により同じ作業において硬化され安定化され得、次に所望の構成要素の生産に向けて他の作業に付されてよい。このように硬化された後、マトリクス材料のこのとき固化した質量は構造に接着させられる。その結果、特に繊維間の接着剤として作用するそのマトリクス材料を介した完成製品に対する応力が、構造の構成材料に対して有効に伝達され、構造の構成材料により担持される。

該構造のエネルギ吸収特性(SEA)の比較試験結果 3D製織プリフォーム3D−P1−50、3D−P1−70、3D−P2−50、3D−O50および3D−O70は、より軽量で、積層複合材または高強度金属などの従来の材料で製造されたものを置換することができる3D製織複合材部品の製造を可能にする高いエネルギ吸収特性に導くことのできる改善された特性を有している。これを実証する目的で、さまざまな2D積層複合材および3D製織炭素−エポキシ複合材のSEAを測定し比較する実験研究が実施された。3つの異なるエネルギ吸収モードを引き起こすために、2D積層複合材については、3つの異なるレイアップ(積層編成、layups)が検討された。3D製織複合材については、合計5つの異なる構成のために2つの一次アーキテクチャの変形形態が検討された。

図6は、試験前(A)、中(B)および後(C)の波形複合材試料を示す。SEAは、材料および構造の組合せた特性であることから、公開された研究作業に基づいて、波形の幾何形状を有する試験試料を選択した。全ての試料を、図6に示されているように、準静的および動的条件下で平坦なプラテンの間で圧砕した。全ての2Dおよび3D複合材試料を製造するために、同じ市販グレードで標準弾性率の炭素繊維および自動車グレードのエポキシ樹脂を使用した。8つの構成全てについての繊維体積分率は、製造許容差範囲内でおおよそ60%であった。試験中に測定した力−変位曲線および試料の重量を用いてSEA値を計算した。

図7は、A−Eとして示された3D製織複合材およびF−Hとして示された2D積層複合材を用いて試験した8つの構成全ての準静的SEA比較を示す。準静的試験の結果は、1つを除く全ての3D製織複合材が全ての2D積層複合材よりも性能が優れていることを示した。1つの3Dアーキテクチャファミリーについての2D−Sに比べた改善は、3D−P50−3v2について20%、3D−O50について50%であった。車両中の実際の衝突状況をより良く表わす動的負荷の下で、3D製織複合材は2Dに比べ優れた性能を示した。

図8は、4つの構成について速度依存性SEA値を比較するグラフを示す。中速(1.7m/秒)(A)および高速(6.4m/s)(B)の動的試験結果は、準静的動的値(C)に比べて2D−Sについてはおおよそ33%、3D−O50については26%のSEAの降下を伴って、同じ傾向を示した。

図9は、3D製織複合材製長手方向構成要素の開発のための考えられる自動車利用分野の4つの別形を示す。図9中では、異なるレベルの構造的支持および統合を提供する自動車用クラッシュチューブの応用、例えば(1)寄生性かつ前方衝撃のみ、(2)寄生性かつ前方および側方衝撃、(3)駆動負荷と衝突−構造負荷の組合せ、(4)部品の総数およびコストを削減するための車両内の他の周囲構造との統合、が示されている。

経糸および緯糸方向におけるスレッドが異なる材料および/またはサイズのものであり得ることを認識すべきである。スレッド、ヤーンまたは繊維の材料は限定されていない。炭素繊維が記載されているものの本発明のスレッド、ヤーンまたは繊維は、他の事実上全ての繊維タイプ、例えばガラス、セラミック、アラミド、ポリエチレン、ポリプロピレン、延伸破断繊維、例えば延伸破断炭素繊維(SBCF)または延伸破断され得る他の材料、またはその材料の組合せ、または任意の好適な材料に適用可能である。

図1A〜5は、実施例としていくつかの製織パターンを描写しているが、本発明は、描写された製織パターンに限定されないということを認識すべきである。他の実施形態が、以下のクレームの範囲内に入る。