プリフォーム及び織られた繊維ノードの補強方法

本発明は繊維強化された構造に関する。特に、本発明は、構成材のうちの少なくとも1つの端に沿って交差している平面構成材を有する繊維強化プリフォームに関する。より特定的には、本発明は、繊維強化ノード又はジョイントを有する織式プリフォームの製造方法並びにこの種の方法で製作された構造に関する。上記の方法は、格子状構造の生産のためのプリフォームの製作において用いることができる。

繊維強化複合構造は、ジョイント又はノードを形成するために、要素のうちの少なくとも1つの端に沿って継合される2つ以上の要素をしばしば必要とする。例えば、構造は、要素のうちの少なくとも1つの端に沿って要素が交差するように適当な交差角で配置された繊維強化織式平面要素を有することができる。構造は、少なくとも1つの端に沿って交差する平らな不織要素、例えば金属のシート又はプレート、或いはセラミックのパネル又は他の複合物のパネルを含むことができる。

交差する要素の接合は、格子状の構造又は補強リブを備える複合パネル又はスキンの生産に役立ち得る。そのような場合、交差の線に沿って要素の間にジョイントを設けることが、望ましく、或いは必要となり得る。この種のジョイントを達成する1つの方法は、第一の要素に取り付けられる第二の要素を必要な長さより長く形成することである。第二の要素の余剰材料は、第二の要素の一部が、重なり部分で単一のラップジョイントを形成するために第一の要素の一部に重なるように、第一の要素に対して平行に折曲げられ、かつ隣接して位置付けられる。重なり部分は、ねじ部品又はリベットのような機械的手段、或いは接着剤又はこの分野で知られている樹脂のような化学的手段によって、各々に固着されることができる。多くの典型的な応用は、要素を一緒に固定するための接着剤又は樹脂に依存する。

場合によっては、第二の要素は、Lの一方の脚(垂直及び水平な脚の一方)を第一の要素に平行にかつ隣接して配置させ一般的なL形状を取る。格子状の構造を形成することにあたって、一連の交差している第一及び第二の要素は、所望の格子状の構造を形成するために上記の通りに形成されることができる。いくつかの格子状の構造において、第一の要素は、必要に応じて配置される第二の要素と交差しながら、平行な列に配置されることがある。隣接する第一の要素の間で、第二の要素は、ほぼ直線でかつ平行な上部及び底部セグメントと、その上部及び底部セグメントの間にあり、かつそれらと相互に垂直である中央セグメントとを有する一般的なC形状を取ることがある。互いに平行で、かつ、ほぼ直線の中央セグメントに対して垂直であるほぼ直線の上部及び底部セグメントを有する一般的なZ形状の第二の要素によっても、類似の結果を得ることができる。場合によっては、上記中央セグメントは、上部及び底部セグメントに対して垂直でなくてもよい。いずれの形においても、第二の要素の上部及び底部セグメントは、格子状の構造を形成する隣接第一の要素に固着されることができる。

周知の方法によれば、第一及び第二の要素の間のノード又はジョイントは、第一の要素と平行する単一のラップ剪断ジョイント(lap shear joint)により形成される。上記単一のラップ剪断ジョイントは、ノードの構造的完全性に、第一及び第二の要素を継合するために用いる手段に依存したノード強度を提供する。ノードを介して1つの要素から他方へ伝達される負荷は、必然的に要素間のジョイントを通過する。

単一のラップ剪断ジョイントにより形成されるノードと関連した欠点は、ジョイントの強度が重なった部分の間のラップジョイントの強度により決定されるということである。要素が構造的に別々のままであるので、交差部分に印加或いは伝播される応力は、接着剤のみによって、一般には伝えられる。従って、ジョイントの強度は接着剤の強度に依拠し、その強度はほとんどの場合繊維強化要素の強度より低いものである。強度の違いは重大であることがある。接着剤のみに依存したジョイントは、たいてい構造における弱点である。

ノードにおける貧弱な強度に加えて、格子状の構造を製作するこの方法は、型枠中に織式ファブリックの個々の部分を配置し、また、格子の開放セル部分を形成するためにファブリックで型枠の各部分を包む際に重要な手作業を必要とする。

本発明は、強化ノードを備えたプリフォーム、並びに特許請求されたプリフォームを使用して要素間に強化ジョイント又はノードを有する複合構造の製作方法を提供することにより、従来技術の弱点に対処する。本発明は、更に、従来の方法より労働集約的でなく、かつコストもかからない強化ノードを有する格子状構造の製作方法をも提供する。

本出願におけるいかなる文書の引用又は識別も、この種の文書が本発明に対する従来技術として用い得るという承認でない。

本発明の態様によれば、交差の共通ラインで混交される複数の脚を備え、その交差のラインが強化ノード又はジョイントを形成している織式プリフォームが提示される。(説明の便宜上、文脈が別途指示しない限り、「ノード」と「ジョイント」は取り換え可能に用いられているものとする。)上記の脚は、共通に編まれ、また、ノードの周辺にかつノードから外向きに実質的に放射状に配置されることができる。プリフォームは、樹脂トランスファー成形のような周知の技術を用いて他の乾燥プリフォームと結合されて複合構造に変換される乾燥繊維プリフォームを含むことができる。プリフォームは、他の単一又は複数のファブリックと結合され、かつ、複合構造を形成するために硬化されることのできる予備含浸ファブリックを含むこともできる。プリフォームは、複合構造を形成するために他の複合要素に結合されることができる硬化された複合要素を含むこともできる。

本発明の実施形態によれば、2つ以上の脚の間に混交されて、ノード又はジョイントを通して織られる一以上の繊維を含む強化ノードが形成される。プリフォームは、航空宇宙産業において使用されるガスタービンにおいて見受けられるように、とりわけ、例えばスラストリバーサ羽根又はカスケードとして用いられ得る格子状構造の製作に役立つことができる。プリフォームは、強化複合材パネル又はスキンの作成に役立たせることもできる。その他の応用は当業者にとって明らかである。

本発明の例示的実施形態によれば、強化ジョイント又はノードを形成している交差の共通ラインを通して混交される複数の脚を備える織式プリフォームが提供される。この非限定的な例による織式プリフォームは、強化ジョイント又はノードで格子状の構造を形成するために他の類似のプリフォームにつなぐことができる。第一のプリフォームからの1つ以上の脚の一部を、第二の類似のプリフォームからの脚と平行にかつ隣接して、また当接接触させて配置し、またそのパターンを反復することにより、ノードを通り抜けている強化性の繊維と、一緒に結合されている隣接プリフォームからの脚とで、格子状の構造を形成できる。

いくつかの実施形態では、脚のうちの少なくとも1つは、共通ノードから各脚の自由端まで引かれるその長さに沿って厚さが均一であってもよい。他の実施態様においては、少なくとも1つの脚の少なくとも1つの側は、共通ノードから脚の自由端又は先端部までその長さに沿ってテーパ状であってもよい。さらに他の実施形態では、少なくとも1つの脚の両側が、共通ノードから脚の自由端又は先端部までその長さに沿ってテーパ状であってもよい。

非限定的な例において、従来の織機は、長さに対して(即ち、軸線に沿って)垂直に見た場合に十字形の形状に配置されることとなる共通に織られた4つの要素又は脚を持つ第一の細長いプリフォームを生成するために用いることができる。同様の大きさ及び形状を有する第二のプリフォームは、別個に生成するか、或いは第一のプリフォームから切り出すことができる。 2つのプリフォームは、概して平行した長手方向軸を伴って、かつ、第一のプリフォームの1つの脚又は要素が第二のプリフォームの脚又は要素と平行であり、その平行した要素が少なくとも部分的に重複して当接するように方向を定められた状態で配置されることができる。この構成では、4つの要素が平行して概して共平面であるように2つの十字形のプリフォームが構成される。これらは、例えば、2つの十字形のプリフォームの水平方向要素として示されることができる。

各プリフォームのその他の2つの要素は、その共平面の要素に対して垂直で、互いに平行で、かつ間隔を空けて離れている。この例では、これらは4つの垂直要素により示される。

一緒に、2つの十字形のプリフォームは複合構造の第一のサブアセンブリを備えている。

同様の大きさ、形状、構成とされた第二のサブアセンブリは、第二のサブアセンブリの垂直要素のうちの2つが少なくとも部分的に第一のサブアセンブリの2つの垂直要素と重なって当接するように位置決めされることができる。このようにして一緒に配置されることにより、4つの十字形のプリフォームは、3×3格子の1つの完成(中心)セルを形成する。この例において、上記の格子は三目並べの格子に類似できる。角のセルは適当な位置に2つの側面を有し、また4つの内部セルは適当な位置に3つの側面を有する状態であり、外辺部の格子セルは不完全に閉じた状態となる。この基本的な構成から、必要に応じて格子のサイズを増加させるために、少なくとも部分的に形成されたセルのいくつかを囲むために付加的な十字形のプリフォームを添加できる。

プリフォーム格子はその後、プリフォームの組成に基づく周知の方法により複合構造に加工できる。例えばプリフォームが乾燥繊維を含む場合は、樹脂トランスファー成形のようなプロセスを用いることができ、樹脂がプリフォームに導入されて複合構造を形成するための硬化がなされる。予備含浸構成材を備えるプリフォームは、複合構造を形成するためにプリフォームを結合するために、適当な条件の下で共同硬化されてもよい。完全に硬化された複合材の構成材で組み立てられた格子は、適当なボンディング材を要素の重なり合った部分に提供して、そのボンディング材を硬化させることにより複合構造に形成できる。複合構造を構築する他の周知の方法が、プリフォームの組成、複合構造の要求、又は他の懸念に応じて用いることができる。

例えば他の非限定的な例によれば、4を下回る要素、例えば3つの要素、或いは4を上回る要素、例えば5つの要素を有する第一の細長いプリフォームが形成されることがある。いくつかの例では、プリフォームのための織式ファブリックを生成するために従来の織機を用いることができる。いくつかの実施形態では、プリフォームは、長さに対して垂直な断面図において、見られた際にそこから要素の各々が放射状に伸びることとなる中央に位置する共通のノードを有することがある。

プリフォームは、長さの次元において、直線であってもよく、また曲線であってもよい。直線プリフォームは直線ノードをもたらし、その一方で、曲線のプリフォームは、交差に沿って見られた際に1つ以上の方向に湾曲を有することとなるノードをもたらす。いずれの形状のプリフォームも、類似のプロセスを用いて、格子状構造を形成するために組み立てられることができる。

本発明の他の例示的実施形態は、強化ノードを形成する交差した共通に織られた補強である共通ラインを有する隣接脚の対の状態で配置された混交脚を含む強化プリフォームに向けられる。強化繊維が1つ以上の更なる脚又は脚対の間におけるのと同様に1つの対における個々の脚の間でも織られるように、複数の脚対は織られることが可能である。ノードは、交差の共通ラインで混交された脚対の間に形成され、かつ複数の脚の間に混交される強化繊維を含む。

脚対は、実質的に平面かつ平行であり、互いに離れて間隔を空けて空隙を形成し、その脚の間に形成される空隙内に平面要素を受け入れるように構成されてもよい。この開示について、「要素」は、複合構造、又は金属のシート又はプレート、又はセラミックパネルのようなパネル、又は他の材料のパネルのような不織構造を形成するために、周知のプロセスによって、他の織式ファブリック構成材、要素又はプリフォームと結合される織式ファブリック又は織式ファブリックの構造であり得る。織られたものである場合、「要素」は、乾燥繊維ファブリック又はプリフォーム、硬化された複合要素、或いは製造プロセスにおける特定の使用及び工程に応じた他の周知の組成物であり得る。

例えば、隣接する脚の3つの対に配置される6本の脚を有するプリフォームは、各脚対間に1つとして3つの平面要素を受け入れることができる。この非限定的な例において、プリフォームは、ジョイント又はノードで交差した3つの平面要素にノードを介して繊維強化を提供する。同様に、脚の4つの対に配置される8本の脚は、4つの要素を受け入れることができる。脚対は、必要に応じて、ノードの周辺に等距離の間隔で置かれることができ、又は不規則な間隔で置かれることもできる。

同様に、脚対は、局所的に平行した対向面を伴う実質的な非平面であり、互いに離れて間隔を置いて配置されて空隙を形成し、脚の間に形成される空隙内に同様の形状の非平面要素を受け入れるように構成されることとしてもよい。少なくとも、対をなす2つの脚の内側対向面は、概して調和した(しかし反対の)輪郭を有している。すなわち、第一脚の内側対向面が特定の位置で凹面である場合、第二脚の内側対向面の対応する部位は、その点において、程度において同様であるが感覚において反対の湾曲、即ち凸面を有することになる。このようにして、平行性又は近似の平行性は、対をなす脚の内側対向面の間で、あらゆる点において、実質的に維持される。

非限定的な例として、その主要面は、(エッジ面と対向して)2つの平行主要面を有する織式ファブリック要素において、単純な、様々な、或いは複合の湾曲を有することができ、ファブリックの片面の曲率は、要素表面の局在的な平行性を維持しつつ他の側と逆のものである。すなわち、1つの表面が特定の位置で凹面の曲率を有する場合、ファブリックの反対側に対応する位置は必然的に凸曲率を有する。上記の要素は、ファブリックの表面上に常に変化する湾曲を有することができる。

非平面の要素の一部を受け容れるために構成された脚対は、収容されるべき要素の該当部分と実質的に同様の輪郭及び構成を有する。この種の曲線のプリフォームが組み立てられるときに、一以上の方向の湾曲については、プリフォーム構造のカーブした交差の線を有することになる。

要素及び脚対が平坦であることに関係なく、1つ以上のプリフォーム脚対及び1つ以上の要素を含んでいるプリフォーム構造は、上述したものと類似の方法を用いて複合構造に加工できる。複合構造を生成するために、脚対及び付随する要素は、硬化され、共同硬化され、或いは、結合できる。プリフォーム及び要素間のインターフェイスは、単一又は二重のラップ剪断ジョイントを含むことができる。

本発明の方法の実施形態によれば、以前から知られているものに比してより経済的なプロセスで格子状の構造を強化ノードで製作し得るプロセスが開示される。その方法は上記のように成形されたプリフォームと共に用いるのに適しており、すなわち、上記のプリフォームは、その長さに沿って見た場合に十字形の形状を有してもよく、また、その長さは直線でもカーブでもよい。そのプロセスは、完成品の所望の形状と一致するために成形され、かつ構成される型枠又は形(一般に「ツール」又は「ツーリング」と呼ばれる)を含むことができる。

本発明によるプリフォームは、硬化されることのできるコーティングを有する繊維から製造できる。或いは、格子状構造の製作前に、適切なコーティングをプリフォームに加えることとしてもよい。硬化され得るプリフォームの非限定的な例は、織りの前にのり付け又は粘着付与剤で被覆された繊維から織られたプリフォーム、織りの後にプリフォームに印加される粘着付与剤、及び樹脂材が事前に注入されたプリフォームを含む。

プリフォームは、適切な大きさ及び形状に設定された型枠内への挿入物として用いることができる。使用される挿入物は型枠への挿入前にニアネットシェイプに裁断されてもよく、或いは型枠内で形が整えられてもよい。その型枠において、挿入物は、互いに重なり合って当接する隣接プリフォームの各部と共に、上記ツール又は型枠の内部に提供される適切に成形されたキャビティ内に置くこととしてもよい。

必要に応じて型枠の内部には付加的な材料を配置することもできる。型枠、プリフォーム及びいかなる追加的な挿入材料も、型枠の内部で予熱できる。樹脂又はマトリクス材料は、格子状構造を凝結させるために、圧力及び温度を含む条件が適正である下で射出されることができる。適当な処理の後、格子状構造は、型枠から除去され、また必要に応じて最終的なサイズに整えられることが可能である。

本発明の実施形態によれば、端と端を接して継合されて共通ノードから放射状に延びている複数の共通に織られたファブリック要素を備え、複数の要素の各々からの少なくとも1つの強化性の繊維がノードを通って複数の要素の少なくとも1つの他のものの中に織り込まれる補強されたプリフォームが提供される。いくつかの実施形態では、ファブリック要素のうちの少なくとも1つは、概ね平行な複数の主要面を備えている。他の実施形態では、主要面のうちの少なくとも1つは要素の端部に向けてノードから先細りする。いくつかの実施形態において、ファブリック要素は隣接する複数の要素の対の中に配置され、その要素の向かい合った対向隣接主要面がある距離を空けて離れて配置され、かつ、それらの間に空隙が形成される。

本発明のいくつかの実施形態では、ノードを通って織られ複数の要素のうちの他の少なくとも1つの中に織り込まれる複数の要素の各々からの少なくとも1つの強化繊維を有し、各々が端と端を接して継合され、かつ、共通ノードから放射状に延びている複数の共通に織られたファブリック要素を備える複数のプリフォームを備える複合構造、或いは一般的に構造が提供される。複数のプリフォームの各々は長手方向軸を含み、また、プリフォームは、その軸が格子状のパターンにおいて、概ね平行に整列配置されるように配置される。織式ファブリック要素の第一の端部は、少なくとも、第一の織式ファブリック要素と重複しかつ当接する。

本発明の構造についての実施形態では、主要面を備える要素が提供され、その主要面においては、少なくとも複数のプリフォームの中の第一のものが、向かい合った対向隣接主要面がある距離を空けて配置され、かつそれらの間に空隙を形成するように複数の対の中に配置された隣接要素を備えている。少なくとも部分的に上記空隙の中に収容され、上記向かい合った対向隣接主要面の1つの少なくとも一部と重なり、かつ当接する要素が提供される。いくつかの実施形態において、上記複数のプリフォームのうち第二のプリフォームは、向かい合った対向隣接主要面がある距離を空けて離れて配置され、かつそれらの間に空隙を形成するように、複数の対の中に配置された隣接する要素を備えている。上記要素の第二の端部は、第二のプリフォーム中に形成された空隙の中に少なくとも部分的に収容され、第二のプリフォームの向かい合った対向隣接主要面のうちの少なくとも1つと重なり合って当接する。

補強された複合構造を形成する方法の実施形態は、端と端を接して継合されて共通ノードから放射状に延びる複数の共通に織られたファブリック要素を備えており複数の要素の各々からの少なくとも1つの強化繊維がノードを通って複数の要素のうちの少なくとも1つの他のものに織り込まれている第一の補強されたプリフォームを製造すること、少なくとも1つの要素を含む第一のもののような第二の補強されたプリフォームを製造すること、プリフォーム組立体を形成するために、少なくとも上記要素の一部を、第一の織式プリフォームと隣接させて配置すること、複合構造を形成するために上記プリフォーム組立体を加工すること、を含む。

本発明の方法のいくつかの実施形態において、第一の織式プリフォームのファブリック要素は主要面を備えている。他の実施形態において、第二の強化プリフォームは、端と端を接して共通ノードから放射状に延びる主要面を備え、複数の要素の各々からの少なくとも1つの強化繊維がノードを通して複数の要素のうちの少なくとも1つの他のものに織り込まれる複数の共通に織られたファブリック要素を更に備えている。実施形態において、第一及び第二の強化プリフォームは、長手方向軸を有し、かつそれらの長手方向軸が概ね平行な状態で配置される。第一及び第二のプリフォームは、第一の織式プリフォームの主要面のうちの少なくとも1つの1部が、第二の織式プリフォームの主要面の少なくとも1つの1部分と少なくとも部分的に重なり合い、かつ当接するように組み立てられる。

本発明の方法のいくつかの実施形態は、向かい合った対向隣接主要面がある距離を空けて離れて配置されそれらの間に空隙を形成するように第一のプリフォームのファブリック要素の少なくともいくつかを隣接要素の対に配置すること、及び、第二のプリフォームの要素の少なくとも1部分を、第一の強化プリフォーム内に形成された空隙のうちの1つの中に配置して、それらの向かい合った対向隣接主要面の1つの少なくとも1部分と重なり合わせ、かつ当接させること、を含む。

他の実施形態は、向かい合った対向隣接主要面がある距離を空けて離れて配置されそれらの間に空隙を形成するように、少なくともファブリック要素のいくつかを隣接要素の対の状態で配置すること、織られた要素の第一の端部を、それが少なくとも部分的に、第一の強化プリフォーム内に形成された空隙の中に収容されるように配置すること、及び、要素の第二の端部を、それが少なくとも部分的に、第二の強化プリフォーム内に形成された空隙のうちの1つに収容されるように配置し、その向かい合った対向隣接主要面の1つの少なくとも1部分と重なり合わせ、かつ当接させること、を含む。

なお、この開示において、また特に請求項において、「備える」「備えられている」「備えている」などのような用語は、米国特許法におけるそれに帰する意味を有することができ、例えばそれらは、「含む」「含まれている」「含んでいる」などを意味できる。

これら及び他の実施形態は、以下の詳細な説明により開示されており、又は明らかでありかつ包含されている。

例示の方法で与えられており本発明を開示された詳細に制限することを目的としない以下の詳細な説明は、添付の図面と関連して製作されており、そこでは、同類の参照符は、同類又は類似の要素及び部品を意味する。

格子状構造の斜視図である。

補強されたパネル又はスキンの斜視図である。

図3a−図3cは、図1の格子状構造又は図2の補強されたパネルにおいて用いることができる要素の軸方向の図である。

本発明の実施形態による織られた強化プリフォームの軸方向の図である。

本発明の実施形態による織られた強化プリフォームの軸方向の図である。

本発明の実施形態による織られた強化プリフォームの軸方向の図である。

本発明の実施形態による織られた強化プリフォームの軸方向の図である。

本発明の実施形態による織られた強化プリフォームの斜視図である。

本発明の実施形態による補強された織式プリフォーム構造の平面図である。

本発明の実施形態による補強された織式プリフォーム構造の平面図である。

本発明の実施形態による補強されたプリフォーム構造の平面図である。

本発明の実施形態による製造される格子状構造の斜視図である。

複合構造の形成前に補強された織式プリフォームを保持し、かつ成形する型枠要素の斜視図である。

図13の型枠要素及びプリフォームにより生成される複合構造の斜視図である。

本発明の実施形態による補強構造の図である。

本発明の実施形態による補強された織式プリフォームの軸方向の図である。

図16の織式強化プリフォームを備える補強された織られたプリフォーム構造の平面図である。

以下、織られた強化プリフォームの実施形態とそれから生成される複合構造を表した図面を参照して本発明の実施形態について説明する。しかしながら、本発明の応用が他の強化プリフォームを包含し、図示されたそれらに限定されるものでないことは理解されるべきである。また、本発明は、限定でなく例示を目的として提供されている表示の実施形態及びその詳細に限定されるものではない。

複合構造は、しばしば、複数の要素がそれらの端に沿って接続されることを必要とする細目を含んでいる。図1は、織られた第二の要素12と交わって接続されている織られた第一の要素10を含む開いた格子状複合構造1を例示する。交差14のラインで、要素のうちの1つ(例えば12)は、それが1つの要素(この例では10)と交差することにより、その長さに沿って中断されている。交差14のラインは、ノード又はジョイントと称される。第一の要素10及び第二の要素12の隣接する対の間にはセル11が形成されている。図示されているように、セル11は実質的に矩形であるが、意図される使用又は他の要求に応じて異なる形状としてもよい。

図2は、スキン又はパネル16を備える複合構造2を例示しており、そのスキン又はパネル16は、パネル16の少なくとも一面に隣接して配置され、かつノード又はジョイント14の交差に配置された要素10、12によって、補強或いは剛性化されている。

図1及び図2に例示されているような複合構造は、所望の構造の大きさ(この例ではW)にわたる充分な長さを有する、例えば、多数の織られた第一の要素10から一般には製作される。数多くの織られた第二の要素12が、隣接する第一の要素10の間に適合するような幾何学的形状に製造される。第二の要素12は、それぞれ図3a−図3cに示すように、概して直線の水平及び垂直区分18a及び18bを有するL、C、又はZ形状に製造されてもよい。概して水平な区分18aは、一般に、単一の第一の要素又は複数の第一の要素10に固定される。要素10、12の交差のラインにはノード又はジョイント14が形成される。要素10、12は、周知のプロセスを用いて複合アセンブリに加工される。

要素10、12が構造的に別々の要素であるので、ノード14をわたる両方の要素に共通な繊維は存在しない。構造的に、ノード14はしばしば構造の弱点になる。複合構造1、2又は要素10、12に印加される負荷は、要素に沿ってノード14に伝播されることがある。ノードの負荷担持容量は、一般に使用される接着方法に依り、通常は接着方法において、用いられる接着システムにより制限される。ノードの負荷担持能力を上回る負荷は、構造1、2の故障原因となり得て、しばしば破局的な故障を引き起こす。

周知のノード構築技術より大きな負荷を伝播することのできるノードを交差要素10、12の間に提供することがしばしば望まれる。本発明は、その内部を通過する少なくとも1つの繊維を含むノードを提供する。ノードを通り抜けている単一又は複数繊維は、複数要素間にアタッチメントの負荷担持強度を付加することによりノードの負荷担持容量を増加させる。

本発明の実施形態によれば、織られた強化プリフォーム20は、図4に例示するように、端と端を接して共通に接合されたシートとして一緒に織られ、補強されたノード29で交差している複数のファブリック脚22−26を供える。脚22−26は、図示されるように、ファブリックの一部としてノード29を形成する交差の線で一緒に織られており、また、周知の技術を用いて織ることができる。プリフォーム20は周知の織物技術を用いて実質的にいかなる長さにも織ることができ、その長さは図4の紙面に対して垂直である。

強化された織式プリフォーム20を織る際に、各脚が少なくとも他の1つの脚と織られた強化繊維を共有するように、複数の脚のそれぞれの間に少なくとも1つの強化繊維が織られる。例えば脚22は、脚24と織られる少なくとも1つの共通繊維を有することができる。脚24は脚26と、少なくとも1つの共通繊維を有することができ、また、脚26は脚22と、少なくとも1つの共有繊維を有することができる。

図示されるように、脚22−26は、平行ではなく、ノード24から外に向けて幅を狭めるようにその長さに沿って実質的に一様に先細りとなる主要面22a、22b、24a、24b、26aを備えている。別の実施形態では、脚の表面は、それらの長さに沿って厚さが均一な脚を形成するように実質的に平行であってもよく、或いは、一方の面だけが先細りとされていても良い。脚22−26は、例示の容易さのみを目的として、ノード29の周辺に均等に間隔を空けているように例示されている。望まれることがあれば、その複数の脚は、ノード29の周辺のいかなる角度位置にでも位置させることができる。

別の実施形態は、ノードの周辺に間隔を空けて放射状に配置された3より多くの脚を有することができる。図5は、別のプリフォームについての非限定的な例示の実施形態を示しており、ここでは、織式プリフォーム30が、端と端を接して接合され、かつ、ノード39周辺に放射状に間隔を空けて配置された4つの脚32−38を備えている。上記の脚32−38は、主要面32a、32b、34a、34b、36a、36b、38a及び38bを備えることができる。脚は、図5に示すように、一方又は両方の側面が先細りであってもよく、或いは、上述した通りそれらの長さに沿って厚みにおいて、均一であってもよい。

本発明に係る補強された織式プリフォームの実施形態は、ノードの周辺に放射状に配置された複数の対の状態に配置され、上述したものと類似する複数の脚を含むことができる。1つの対の中の個々の脚は各々異なっていてもよく、例えば、それらは、図6に示すように、厚みT、ノードの方向における長さ、又はノード49からの放射状の幅Wのような大きさの異なるものであってもよい。

脚の対を有するプリフォームの非限定的な例として、図6は、端と端を接して接続されて、ノード49の周辺で放射状に配置される脚の3対として配置される6つの脚42、43、44、45、46、47を備えるプリフォーム40を例示する。脚の各対は、互いに実質的に平行に配置され、空隙を形成する距離dだけ間を空けて置かれた2つの隣接する脚を備えている。脚対(42,43)(44,45)(46,47)の間を織る際に、補強繊維は隣接する脚の間を織ることができ、すなわち、ある繊維は例えば脚43から脚44へ織ることができる。或いは、強化繊維は、1つの脚から織り進んで1つ以上の脚を迂回して次の脚に織り入ってもよい。強化繊維は、ある対の1つの脚から他の対の他の脚に織り進んでもよい。例えば、強化繊維は、ある対の脚、例えば脚42(又は43)の間を織り進むことができ、脚45(又は46)で織り進むことができ、このようにして隣接する脚44をスキップする。強化繊維は、複数の脚の間で編まれる際にノード49を通過する。

類似の実施形態が図7に例示されており、ここでは、強化プリフォーム50が、脚の間に空隙を形成する距離dだけ間を空けて配置された4対の脚を備え、端と端を接して接続された8つの脚を備えており、上記の脚の対はノード59の周辺に放射状に配置されている。上記の通り、繊維はある対の1つの脚から織り進み、その強化繊維がノード59内を通過する状態を伴って、他の対の脚に織り入ることができる。

図6及び図7には、距離dだけ間を空けて配置され、向かい合った対向隣接主脚面の間に空隙又は空間を形成している脚対(42,43)、(44,45)、(46,47)が例示されている。図示されているようにその空間が脚面に直角に取り付けられた平底を備えているのは、例示の容易化のみを目的としたものである。ある対の脚の間に形成される空間の底部は平坦ではなく、また、その底部と側面が切り立った角度で接続することもないことが予想される。典型的な複合材の慣例に合わせて、大部分の内部及び外側の角は、切り立ったもの又は四角いものとなることはなく、丸まったものとなる。図における角は例示の容易化だけを目的として切り立ったものとして描かれている。

例示的な脚主要面42a、42b(図6)及び51a、51b(図7)は、例示の容易化だけを目的として平坦でかつ実質的に平行であるように描かれている。図示した実施形態において、脚42−47(図6)及び脚51−58(図7)は、厚みにおいて、実質的に均一である。本発明の他の実施形態におけるように、図6及び図7に例示された実施形態の脚は、平行でない表面、従って、それらの長さに沿って先細りになる脚を備えても良い。

プリフォームは、プリフォームの長さに沿って直線のノードを有することができる。すなわち、ノードは、プリフォームの長さに沿って真直ぐな、或いは実質的に真直ぐな線を形成できる。例えば、図4−図7の端面図に示されるプリフォーム20、30、40及び50は、プリフォームの長さに沿って紙面と直角に伸びて直線的なプリフォームをもたらすことができる。

代替物として、この開示によるプリフォームは、曲線の構成を有する1つ又は複数の部分を有してもよく、或いはその全長にわたって完全に曲線形であってもよい。すなわち、図8において、プリフォーム30aにより示されるように、プリフォームは、所望の曲線の構成に形成されてもよく、又はそれを前提としてもよい。横断面において、プリフォーム30aは、4つの要素32a−38aが端と端を接して接続され、かつノード39a周辺で放射状に間隔空けて置かれており、図5に示されるプリフォーム30と類似している。相違は、図8における要素32a—38aがある程度の面内又は面外湾曲を適合するために編まれてもよいことである。図示するように、要素34a及び38aは、実質的に同一平面上にあり、その平面の中で湾曲している。要素32a及び36aは、実質的に同一線形上にあり、かつ、実質的に同じ湾曲面上にあり、そして、それらの要素はプリフォームの長手に沿って面外湾曲を示している。

本発明の実施形態による強化プリフォームは、強化ノードを含む格子状構造を形成するために、さまざまな方法で組み立てられることが可能である。いくつかの実施形態において、強化プリフォームは、例えば要素の交差箇所に複合構造における強化ノードを提供するために組み立てられることが可能である。図9は、本発明の一実施形態に係る補強された織られたプリフォーム構造60の非限定的な例を例示しており、そこでは、各々3つの織式ファブリックの脚を備える数多くのプリフォーム70−75が、格子状の複合構造を形成するために例示的な組合せで組み立てられている。類似の構造を形成するために類似のプリフォームを結合する異なる方法は、当該技術分野における当業者にとって明らかである。

図9は、紙の平面と直角をなして伸びているプリフォーム70−75を伴う本発明に係る織式プリフォーム構造60の平面図である。

図9の非限定的な例によれば、本発明に係る織られたプリフォーム構造60は、以下の通り各々3つの脚又は要素を備えている強化プリフォーム70−75から組み立てられることが可能である。第一のプリフォーム70は、図示されるように、1つの脚70aが垂直を指向し、かつ上方へ向けられ、第二の脚70cが、例えば上記の垂直な脚の右側において下方を指向し、また、3つ揃いの第三の脚70bが左側の下方を指向するように配設される。第二のプリフォーム71は、70aと70cの間(織られたプリフォーム構造60の「外側」)で、脚71bが、70cの側面において脚70cと当接しかつ実質的に重なるように配設される。脚71aは、上方かつノードの右側へ伸張し、脚71cは、ノードから垂直にかつ概ね脚70に対して平行に、下方を指向する。プリフォーム72は、実質的に垂直を指向する脚72bが、脚71bと71cの間(構造60の「内部」)で71cの側面に対して脚71cと接触しかつ実質的に重なる状態に配置される。

プリフォーム73は、脚70aと実質的に同一平面を指向する脚73aが垂直下方を指向する状態に配設される。脚73cは、右に向けて上方を指向し、構造の内部を形成する72cの側面に当接しかつ実質的に重なっている。脚73bは、左に向けて上方を指向する。プリフォーム74は、プリフォーム72から左にシフトして、プリフォーム72と同様に配設される。脚74aは垂直に上方を指向し、脚74cは右に向けて下方を指向し、構造の内部において、脚73bと当接しかつ実質的に重なっている。脚74bは、左に向けて下方を指向する。プリフォーム75は、プリフォーム71から左にシフトして、プリフォーム71と同様の手法で配設される。脚75bは、垂直に下方を指向し、構造の外側で脚74aに当接しかつ実質的に重なっている。脚75cは、右に向けて上方を指向し、脚70bに当接しかつ実質的に重なっている。脚75aは、左に向けて上方を指向する。

このように配設されることにより、プリフォーム70−75は、実質的に六角形のセル13を備える織式プリフォーム構造60を形成する。追加の六角形セルを形成しながら同様の手法でプリフォームの脚を重ね合せて当接させることにより図示されたプリフォーム構造に70−75と同様の追加のプリフォームを結合させることで、図9に例示されている単一のセル13を格子状構造に拡大できることは当該技術分野における当業者にとって明らかである。上記のように、その構造は、周知の方法のいずれかを用いて、複合構造を形成するために更なる処理に付することができる。

図9において、織式ファブリックの脚70a−75cは、例示の容易化のみを目的として線分として示されている。この種の構造において、各々の織式プリフォームの脚は必然的に厚みを有している。織式ファブリックの脚70a−75cが少なくとも幾つかの脚について長さに沿って様々な厚みを有してもよいことが予期される。例えば、図9における織式プリフォームの脚70a−75cは、図4に例示されているものと同様の一様に変化する脚厚を有してもよい。或いは、図9における構造60を備えるプリフォームの脚部は均一な厚みを有するものであってもよい。

重なり合った脚(例えば脚70cと71b)は、構造60が複合構造に硬化されると、単一の重なり剪断ジョイントを形成できる。変動する厚みを有する脚は、重ね合わされると、その長さに沿って均一な又は実質的に均一な厚みを有する脚を形成できる。図9に示すように、本発明の一実施形態によれば、織式プリフォーム70−75の脚70a−75cは、重なり合った脚が実質的に同じの広がりを持つことができるように実質的に同じ長さである。いくつかの実施形態では、重なり合う脚は同じ長さでなくてもよい。加えて、脚70a−75cは、図9の面に対して垂直に捕らえられた場合、深さ方向において、異なっていてもよい。

図10において、補強されたプリフォーム80、81、82及び83は、本発明の他の実施形態に係る織式プリフォーム構造62を形成するために組み立てられることが可能である。プリフォーム80−83は、織式ファブリックの脚80a−83dを備えている。図9の実施形態と同様に、図10のプリフォーム構造62の脚80a−83dは、例示の容易化のみを目的として線分を用いて示されている。この種の構造において、個々の織式プリフォームの脚は、必然的に厚みを有している。織式ファブリックの脚80a−83dが、少なくとも幾つかの脚で長さに沿って変動する厚みを有してもよいことは予期される。例えば、図10の織式プリフォームの脚80a−83dは、図5に例示されたものと同様の均一に変化する脚厚を有することができる。

図10に示す非限定的な例によれば、本発明に係る織式プリフォーム構造62は、以下のように、それぞれが4つの脚を備える強化プリフォーム80−83で組み立てられてもよい。第一のプリフォーム80は、垂直かつ同一平面上に配設された一対の脚80a及び80cを伴い、互いに同一平面上にあって80a、80cに垂直な脚80b及び80dを備えて配設されている。すなわち、80b及び80dは、80bが80aと80cの右に位置するように水平を指向している。プリフォーム81は、81aと81cが互いに平行でありかつ80a及び80bから右側にシフトするように、脚81aと81cが同一平面上で垂直を指向するように配置されてもよい。同一平面上の脚81b及び81dは、脚81bが、脚80aの反対側のサイドで(織式プリフォーム構造62の「内部」で)脚80dに当接し、かつ実質的に重なるように水平を指向する。プリフォーム83及び82は、それぞれ83及び82が80及び81の下方に位置するように、プリフォーム80及び81と同様に配設される。垂直脚82a及び82cは、その構造の内部で脚82aが脚81cに当接し、かつ実質的に重なるように、同一面上で指向されている。垂直脚83a及び83cは、その構造の外部で脚83aが脚80cに当接し、かつ実質的に重なるように、同一面上で指向されている。水平脚82b及び82dは、同一平面上にあり、かつ脚80b、80d、81b、81dと平行である。水平脚83b及び83dは、脚83bが、その構造の内部で脚82dに当接し、かつ実質的に重なるように、同一平面上にあって脚80b、80d、81b、81dと平行な状態にある。

重なり合った脚、例えば脚80b及び81dは、その構造62が複合構造に造形されると、単一の重なり合った剪断ジョイントを形成できる。変化する厚みを有する脚は、重ね合わされると、その長さに沿って均一な、又は実質的に均一な厚みを有する単一の脚を形成できる。図10に示すように、本発明の一実施形態によれば、織式プリフォーム80−83の脚80a−83dは、重なり合った脚が実質的に同一の広がりをもつことができるように実質的に同じ長さである。いくつかの実施形態では、重なり合った脚は同じ長さではなくてもよい。加えて、脚80a−83dは、図9の面に対して垂直に捕らえられた場合に、深さ方向に異なっていてもよい。

このようにして図10の通りに配設されると、プリフォーム80−83は、実質的に矩形のセル11を備える織式プリフォーム構造62を形成する。図10に示す単一のセル11が、同様の手法で脚を重ね合せて当接させることにより、図示されたプリフォーム構造に80−83に類似した追加のプリフォームを結合することで、格子状の構造に拡大できることは、当該技術分野における当業者にとって明らかである。上記の通り、プリフォーム構造62は、複合構想を形成するために周知の方法のいずれかを用いて更に処理することと、してもよい。

曲線形のプリフォームは、図10に示すように類似の構造を形成するために同様に組み立てることができる。曲線形のプリフォームは、例えば、図11に示すように組み立てることができ、そこでは、複合構造に形成される前に、図8のプリフォーム30aに類似した2つのプリフォーム30b及び30cが例示的な構造に組み立てられる。要素又は脚34b及び38cが(これらは同一の広がりを持っていても持っていなくてもよいのだが)、重なり合い、かつそれらの全長に渡って実質的に平行で当接した状態を維持するように、プリフォーム30b及び30cは、同じ又は実質的に同じ湾曲を有している。プリフォーム30b及び30cは、プリフォームの長さが所望のカーブ方向において、位置決め可能で、かつ複合構造に造形される前に位置決め手段を必要とすることなくそのように構成された状態を維持するように織られることが可能である。

より大きな格子状構造を形成するために、30b及び30cと類似した追加のプリフォームを結合することは当該技術分野における当業者にとって明らかである。この種の構造100の1つの非限定的な例を図13に示す。構造100の典型的な使い道は、航空機タービンエンジン周辺で空気の流れを指向させるために一般的に用いられるスラストリバーサ又はカスケードとしての用途を含むことができる。同様の手法で作成される他の構造及び/又は例示的構造100の他の用途は当業者にとって明らかである。

他の実施形態において、プリフォームは、容易に作成される形状に、例えば直線のプリフォームとして織られて、所望の最終形状にプリフォームを保持するために適切に形づくられた型枠内に配置されることとしてもよい。プリフォームを所望の形状に保持するために構成された型枠の1つの非限定的な例を図13に示す。図示されるように、十字形プリフォーム32dは4つの型枠要素102−108の間に形成されるキャビティ内に配置される。型枠要素は、従来の形成手段を用いて、最終的な複合構造の所望のネット形状又は大凡のネット形状に構成される。型枠装置内の適当な処理条件の下で、プリフォーム32dは、所望の形状を有する複合構造に処理されることができる。

図14は、適当な処理条件にさらされる図13に示す型枠構成により生成される形成後の複合構造101の例を示す。

各プリフォームの少なくとも1つの脚部が、複合構造を形成するために隣接するプリフォームの少なくとも1つの脚部と重なり合い、かつ当接した関係に保持されるように、図13のプリフォーム及び型枠要素に隣接して複数のプリフォームと複数セットの型枠要素102−108とを配置することにより、より大きな構造を形成できる。

或いは、複数の構造101は、より大きい構造を形成するために周知の技術を使用している重複している要素により形成されることができて、組み立てられることが可能である。

本発明による強化された織られたプリフォーム構造は、交差している要素の間に強化されたノードを製造するうえで有用であり得る。本発明に係る更なる実施形態において、図7に例示されたものに類似する強化された織式プリフォーム90は、図15に示すように、プリフォーム構造64を形成するために二次要素92、94、96及び98と共に組み立てることができる。図示されている通り、二次要素92−98の第一の端部は、実質的に平行な脚対(51、52)、(53、54)、(55、56)、(57、58)の間の空間に少なくとも部分的に挿入されてもよく、そこでは、1つの対をなす対向脚面(例えば図7の51b及び52b)は距離dだけ間隔を空けて配置される。空間dは、そこに嵌入される要素が密接に係合されるように構成されてもよい。いくつかの実施形態において、その空間dは、要素と対向脚面との間に、例えば接着剤を受け入れるために、ある程度のクリアランスを提供してもよい。

織式プリフォーム90は、剛性化されたパネル又はスキンの要素が交差する所に強化されたノードを形成するために使用できる。図2に示されるように、交差する要素10及び12は、交差のラインにノード14を形成する。織式プリフォーム90は、脚対(51、52)及び(55、56)が割込要素12の端部を受け入れ、かつ、脚対(53、54)及び(57、58)が割込要素10の端部を受け入れた状態で、ノード14の箇所に配置されてもよい。

織式プリフォーム構造64は、上述した方法を用いて強化複合構造に変換され得る。

織式プリフォーム構造64は、例示の容易化のみを目的として4つの要素を連結させる単一のノードとして図15に例示されている。要素92−98は、それらをプリフォームの他の要素から区別するために二次要素と識別される。プリフォーム構造64が、図10に示されるものと同様の実質的に矩形のセル11を備える格子状構造を形成するために、付加的な要素(図示せず)と一緒に、二次要素92−98の第二の端部で追加の織式プリフォーム90を用いることで繰り返し得ることは、当該技術分野における当業者にとって明らかである。

当該技術分野における当業者は、他の形状のセルを備える格子状構造が、異なる構成を有する織式プリフォームから達成され得ることを認識するはずである。例えば、要素を接続するために上記通りの同様な手法で用いられる図6の織式プリフォーム40は、図9のセル13と同様の実質的に六角形のセルを備える織式プリフォーム構造を生成できる。

或いは、少なくとも幾つかの要素が対で配置され、他が単独で配置される、「ハイブリッド」織式プリフォームを形成することとしてもよい。非限定的な例として、本発明に係る一実施形態を図16に示す。織式プリフォーム110は、2組の対(111、112)、(113、114)として配置される4つの連続的な要素と、単独で配置される2つの要素(115及び116)を有している。図の簡略化のため、ノード119は網掛けした円として、また、6つの要素111−116は、上述した要素、即ち平行又は非平行な主面を有する要素、の構成を表す線分として示されている。

図17は、図16のハイブリッドプリフォーム110を備えて成る複合構造の1つの非限定的な例を表す。図示するように、複合構造120は、4つのハイブリッドプリフォームを備えて成り、各単一の要素115及び116が、要素の対(111、112)及び(113,114)の間に形成される空隙の中に受け入れられるように組み立てられている。このパターンは、例示されている3×3の格子より大きな構造を形成するために続けられ得る。2以上のグループに配置される要素を有するハイブリッドプリフォームがそうであるように、単独の要素と要素の対につき他の配列を有するハイブリッドプリフォームが予測される。例えば、いくつかのハイブリッドプリフォームは、単一の要素を伴って或いは伴わずに、2つ、3つ又はより多くの要素のグループを備えても良い。図16に示される一般的な十字形の構成に加えて、ハイブリッドプリフォームは、単一の要素を伴って或いは伴わずに、図4及び図6に示す3つ組の構成のような他の構成に製造されることとしてもよい。

本発明に係る方法の非限定的な例示的実施形態では、強化ノードを有する格子状構造及び強化パネル又はスキンを、従来から知られているものよりも一層経済的なプロセスで製造できる。本発明の方法は、真直ぐな及び成形されたプリフォームと共に、即ち、長手方向の長さが直線又は曲線であり得る上記実施形態において説明された通りのプリフォームと共に用いるのに適している。本プロセスは、型枠又はフォーム、一般には、完成品の所望の形状と一致するために成形され、かつ構成されたツーリングを含むことができる。

格子状構造又は強化パネルを生成する非限定的な例示的方法によるプリフォームは、一般に、以下の通りに製造される。提示の方法は十字形に成形されたプリフォームのためのものであるが、より少ない或いはより多くの要素を有する他の形状が類似の方法において、用い得ることを認識されたい。十字形の格子状構造は、図10の例示的な強化織式プリフォーム構造62によって表すこととしてもよい。3つの要素を有するプリフォームにより製作されるプリフォーム構造は、図9の例示的な強化織式プリフォーム構造60によって、表すこととしてもよい。

例示的な第一ステップとして、十字形のプリフォーム(30又は80)は、コーティングを有する、又は熱固定が可能なコンポーネントを備える繊維で織られる。或いは、そのプリフォームは、適切なコーティングで織り後ステップにおいて、被覆され又は処理されてもよい。熱固定に適した適当なコーティングの非限定的な例は、のり付け又は粘着性付与剤を含む。択一的に、プリフォームは、織りの後でマトリックス又は樹脂の材料によって、予め含浸させることとしてもよい。

所望の最終形状に対応する形状、輪郭及び寸法を有する型枠キャビティ又は複数のキャビティを備えるツーリングが製作される。その型枠は、一般に、格子状構造の所望のサイズ及び形状に対応する形状の繰り返しパターンを備えている。プリフォームは、少なくとも隣接するプリフォームのいくつかの脚部が互いに当接し、かつ、少なくともいくらかの量で重なり合うというような方法で、型枠の内部に収容されることができる。図10は、隣接するプリフォームの脚部が基本的に完全に重複するように配置された十字形のプリフォームを例示している。他の実施形態は、要求に応じて、異なる重なり合いの程度を提供できる。型枠は、適当なプリフォームの挿入を許容するために開くことができ、かつ当該技術分野において、周知であるようにキャビティ内にプリフォームを封止するために閉じることができる。

プリフォームは正しい長さに予めカットして型枠内に配置してもよく、又は、過大なプリフォームを型枠内に配置して型枠内でサイズを整えることとしても良い。各型枠キャビティがプリフォーム挿入物と複合体格子状構造に含まれるべき他の全ての材料とを受け容れた後、その型枠が閉じて、キャビティが封止され、プリフォームは複合構造に処理されるためにその中で位置付けされる。

型枠要素、挿入されたプリフォーム、及び型枠の中に配置されている全ての付加材料は、更なる処理に先立って型枠の中で予熱されてもよい。適当な条件の下で、樹脂又はマトリクス材料が適切な圧力及び温度の下で型枠を満たすように注入されて、格子状構造が形成される。適当な処理の後、格子状構造は、必要又は要求に応じた型枠後処理のために型枠から取り除かれることができる。

このようにして詳細に記載されている本発明の各種実施形態を有することから、上記のパラグラフにより定義される本発明は、上記に表される特別な詳細に限定されるものではなく、本発明の精神及び技術的範囲から逸脱することなく数多くの明白な変形例が可能であることが理解されるべきである。