(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-01-10
(45)【発行日】2024-01-18
(54)【発明の名称】圧縮成形された繊維複合部品および製造方法
(51)【国際特許分類】
B29C 70/42 20060101AFI20240111BHJP
B29C 70/20 20060101ALI20240111BHJP
【ＦＩ】
B29C70/42
B29C70/20
【請求項の数】
11
(21)【出願番号】P 2021530960
(86)(22)【出願日】2019-11-26
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-26
(86)【国際出願番号】 US2019063285
(87)【国際公開番号】W WO2020123145
(87)【国際公開日】2020-06-18
【審査請求日】2022-10-28
(31)【優先権主張番号】62/773,871
(32)【優先日】2018-11-30
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/695,955
(32)【優先日】2019-11-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】521016379
【氏名又は名称】アリス・コンポジッツ・インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(74)【代理人】
【識別番号】100133400
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 達彦
(72)【発明者】
【氏名】イーサン・エスコウィッツ
(72)【発明者】
【氏名】エリック・デヴィッドソン
【審査官】田代 吉成
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１５－１４３００７（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ２９Ｃ ７０／４２
Ｂ２９Ｃ ７０／２０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
圧縮成形によって繊維複合部品を製造するための方法であって、型キャビティ内での配置の前に、第１の繊維束ベースプリフォームおよび第２の繊維束ベースプリフォームを連結することによってプリフォームチャージを形成するステップであって、
（ａ）前記第１のプリフォームが、第１のマトリックス材料を含浸させた連続的な共配向繊維の単一の束であり、前記第１のプリフォームは実質的に円形または実質的に卵形の断面と、第１の形状を有する外部アーキテクチャとを有し、
（ｂ）前記第２のプリフォームが、第２のマトリックス材料を含浸させた連続的な共配向繊維の単一の束であり、前記第２のプリフォームは実質的に円形または実質的に卵形の断面と、第２の形状を有する外部アーキテクチャとを有する、ステップと、
前記プリフォームチャージを前記型キャビティ内に配置するステップと、
前記プリフォームチャージを圧縮成形し、それにより前記第１のプリフォームおよび前記第２のプリフォームを前記型キャビティにおいて熱および圧力を加えることによって統合するステップと、
前記型キャビティにおいて、統合された前記プリフォームチャージを冷却することによって繊維複合部品を得るステップと、を備える方法。
【請求項2】
前記第１の形状および前記第２の形状は、個別に選択され、非直線状、平面状、非平面状、開形、および閉形からなる群からの特性によって定義される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記第１の形状は、第１の屈曲部と第２の屈曲部とを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記第１の屈曲部と前記第２の屈曲部は、互いに対して面外であり、したがって、前記形状を有する前記第１のプリフォームは非平面状と特徴付けられる、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記第１の屈曲部と前記第２の屈曲部は互いに直交する、請求項４に記載の方法。
【請求項6】
前記第１のプリフォームおよび前記第２のプリフォームは、繊維タイプ、繊維体積分率、及び繊維分布からなる群から選択された少なくとも１つの特性が互いに異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記第１の形状は前記第２の形状とは異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記繊維複合部品は、
（ａ）第１の部分を有する第１の区間であって、前記第１の区間の前記第１の部分は第１の繊維束ベースプリフォームから得られた繊維を備える第１の区間と、
（ｂ）第２の部分を有する第２の区間であって、前記第２の区間の前記第２の部分は第２の繊維束ベースプリフォームから得られた繊維を備える第２の区間と、
を含み、
（ｃ）前記第１の区間と前記第２の区間は連続しており、
前記プリフォームチャージを形成するステップは、それからの繊維が前記第１の体積領域を占有するように前記第１のプリフォームを配置するステップと、それからの繊維が前記第２の体積領域を占有するように前記第２のプリフォームを配置するステップとをさらに含み、
前記配置は、前記繊維複合部品に前記第１の区間で生じる応力および前記第２の区間で生じる応力にそれぞれ耐える能力を与えるように選択され、前記応力は方向および大きさの少なくとも一方が互いに異なる、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記第１の繊維束ベースプリフォーム及び前記第２の繊維束ベースプリフォームは、それぞれ、繊維タイプ、繊維体積分率、繊維分布、及びポリマー樹脂組成によって特徴づけられ、前記第１の繊維束ベースプリフォーム及び前記第２の繊維束ベースプリフォームは、複数の前記特徴、前記少なくとも１つの異なる特徴、及び／又は前記プリフォームチャージに配置された前記第１の繊維束ベースプリフォーム及び前記第２の繊維束ベースプリフォームの繊維配向、の少なくとも１つに関して異なり、前記第１の区間と前記第２の区間との間で、前記繊維複合部品に異なる特性もしくは特性の異なる量を浸透させるために選択される、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記特性は、応力に耐える能力、剛性、導電性、及び熱伝導性からなる群から選択される、請求項９に記載の方法。
【請求項11】
圧縮成形によって繊維複合部品を製造するための方法であって、
レイアップを形成するステップであって、前記レイアップが、第１の繊維束ベースプリフォームと第２の繊維束ベースプリフォームとを含み、
（ａ）前記第１のプリフォームが剛性を有し、前記第１のプリフォームは実質的に円形または実質的に卵形の断面と、第１の形状によって特徴づけられる外部アーキテクチャとを有し、前記第１の形状は非平面状であり、互いに対して面外である２つの屈曲部を有し、前記第１のプリフォームは熱可塑性樹脂マトリックスを含浸させた第１の複数の連続繊維を備え、
（ｂ）前記第２のプリフォームが剛性を有し、前記第２のプリフォームは実質的に円形または実質的に卵形の断面と、第２の形状によって特徴づけられる外部アーキテクチャとを有し、熱可塑性樹脂マトリックスを含浸させた第２の複数の連続繊維を備え、
（ｃ）前記第１のプリフォームおよび前記第２のプリフォームのいずれもテープ、シート、または積層体の形状ではない、ステップと、
前記レイアップを型キャビティ内で圧縮成形し、それにより前記第１のプリフォームと前記第２のプリフォームとを熱および圧力を加えることによって統合するステップと、
前記型キャビティ内で前記統合された第１のプリフォームと第２のプリフォームとを冷却し、それによって繊維複合部品を得るステップと、を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連事例の記載
本事例は、２０１８年１１月３０日に出願された米国特許出願第６２／７７３，８７１号、２０１７年６月２日に出願された米国特許出願第１５／６１２，７２０号、および２０１７年１２月１２日に出願された米国特許出願第１５／８４０，８２６号の優先権を主張し、これらの出願はすべて、参照により本明細書に組み込まれている。本明細書と参照により本明細書に組み込まれている事例のうちの１つまたは複数との間に文言の矛盾または不一致がある場合、本明細書の文言が優先され、本明細書の特許請求の範囲の解釈において優先される。
本事例は、２０１８年１１月３０日に出願された米国特許出願第６２／７７３，８７１号、２０１７年６月２日に出願された米国特許出願第１５／６１２，７２０号、および２０１７年１２月１２日に出願された米国特許出願第１５／８４０，８２６号の優先権を主張し、これらの出願はすべて、参照により本明細書に組み込まれている。本明細書と参照により本明細書に組み込まれている事例のうちの１つまたは複数との間に文言の矛盾または不一致がある場合、本明細書の文言が優先され、本明細書の特許請求の範囲の解釈において優先される。
【0002】
本発明は、繊維複合部品に関する。
【背景技術】
【0003】
繊維強化複合部品を製造するために様々な製造方法が開発されている。現行の方法は時間がかかり、特定の材料の使用に限定され、ならびに／または部品の形状によって制約を受ける場合がある。そのような製造方法は、繊維強化複合部品を大量に効率的に製造するのには適していない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【文献】米国特許出願第１６／６００，１３１号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明は、繊維強化複合部品（「繊維複合体」）と、従来技術のコストおよび欠点のうちのいくつかを解消する、繊維強化複合部品を製造する方法とを提供する。
【0006】
例示的な実施形態によれば、繊維複合体は、比較的剛性の高い繊維束ベースプリフォームから形成される。そのようなプリフォームはトウプレグから形成され、すなわち、プリフォームはトウプレグの切り取られた部分または切り取られ形作られた部分である。トウプレグ、したがってプリフォームは、ポリマー樹脂などのマトリックス材料を含浸させた数千本の繊維を含む。
【0007】
最も基本的な実施形態では、プリフォームは単純な直線状形状（すなわち、ロッド）を有する。いくつかの代替実施形態では、プリフォームは、限定はしないが、特定の型および型から製造される部品に適切な、非直線状形状、閉形形状、平面状形状、非平面状（３Ｄ）形状、および多層形状を含む様々な比較的複雑な形状のうちの任意の１つの形状を有してもよい。
【0008】
いくつかの実施形態によれば、プリフォームは、雌型半部の型キャビティにおいて特定の配置および姿勢（レイアップ）に構成される。次いで、型が閉じられ、圧縮成形技法（すなわち、圧力および熱を加える）を介して部品が製造される。
【0009】
いくつかの実施形態では、プリフォームは、圧縮成形プロセスの間型キャビティにおいてプリフォームの形状および位置を実質的な程度維持する。したがって、任意の所与のプリフォームにおける繊維およびマトリックスを製造中の部品の所望の体積領域に送ることができる。本教示によれば、各プリフォームを、限定はしないが、マトリックス材料（たとえば、それぞれに異なる熱可塑性樹脂、それぞれに異なる充填剤など）、繊維タイプ（たとえば、炭素繊維対ガラスなど）、および繊維分布を含む様々な特性のうちの任意の１つまたは複数の特性において異ならせることができる。さらに、本明細書で開示された繊維束ベースプリフォームは、リボンまたはシートでは不可能な状態に曲げることができる。これらの特徴を考慮して、繊維束ベースプリフォームをレイアップの構成要素として使用すると、部品内の任意の体積位置における繊維配向を制御する前例のない能力が実現される。したがって、本発明は、局部応力問題への対処、部品のそれぞれに異なる領域へのそれぞれに異なる程度の剛性の付与、または部品の各領域への導電性および／もしくは熱伝導性または電気絶縁性および／もしくは断熱性の選択的な付与など、部品の任意の領域の特徴／属性／特性をこれまで不可能だった程度に制御するのを可能にする。
【0010】
いくつかの実施形態では、本発明は、繊維複合部品を製造するための方法であって、
レイアップを形成するステップであって、レイアップが、第１の繊維束ベースプリフォームと第２の繊維束ベースプリフォームとを含み、
（ａ）第１のプリフォームが、剛性を有し、第１の形状を有し、第１のマトリックス材料を含浸させた第１の複数の連続的な共配向繊維を備え、
（ｂ）第２のプリフォームが、剛性を有し、第２の形状を有し、第２のマトリックス材料を含浸させた第２の複数の連続的な共配向繊維を備える、ステップと、
第１のプリフォームと第２のプリフォームを型キャビティにおいて熱および圧力を加えることによって統合するステップと、
統合された第１のプリフォームと第２のプリフォームを冷却し、それによって繊維複合部品を得るステップとを含む方法を提供する。
レイアップを形成するステップであって、レイアップが、第１の繊維束ベースプリフォームと第２の繊維束ベースプリフォームとを含み、
（ａ）第１のプリフォームが、剛性を有し、第１の形状を有し、第１のマトリックス材料を含浸させた第１の複数の連続的な共配向繊維を備え、
（ｂ）第２のプリフォームが、剛性を有し、第２の形状を有し、第２のマトリックス材料を含浸させた第２の複数の連続的な共配向繊維を備える、ステップと、
第１のプリフォームと第２のプリフォームを型キャビティにおいて熱および圧力を加えることによって統合するステップと、
統合された第１のプリフォームと第２のプリフォームを冷却し、それによって繊維複合部品を得るステップとを含む方法を提供する。
【0011】
いくつかの実施形態では、本発明は、繊維複合部品を製造するための方法であって、
レイアップを形成するステップであって、レイアップが、第１の繊維束ベースプリフォームと第２の繊維束ベースプリフォームとを含み、
（ａ）第１のプリフォームが、剛性を有し、非平面状である第１の形状を有し、第１の形状が、互いに対して面外である２つの屈曲部を含み、第１のプリフォームが、熱可塑性樹脂マトリックスを含浸させた第１の複数の連続繊維を備え、
（ｂ）第２のプリフォームが、剛性を有し、第２の形状を有し、熱可塑性樹脂マトリックスを含浸させた第２の複数の連続繊維を備える、ステップと、
第１のプリフォームと第２のプリフォームを型キャビティにおいて熱および圧力を加えることによって統合するステップと、
統合された第１のプリフォームと第２のプリフォームを冷却し、それによって繊維複合部品を得るステップとを含む方法を提供する。
レイアップを形成するステップであって、レイアップが、第１の繊維束ベースプリフォームと第２の繊維束ベースプリフォームとを含み、
（ａ）第１のプリフォームが、剛性を有し、非平面状である第１の形状を有し、第１の形状が、互いに対して面外である２つの屈曲部を含み、第１のプリフォームが、熱可塑性樹脂マトリックスを含浸させた第１の複数の連続繊維を備え、
（ｂ）第２のプリフォームが、剛性を有し、第２の形状を有し、熱可塑性樹脂マトリックスを含浸させた第２の複数の連続繊維を備える、ステップと、
第１のプリフォームと第２のプリフォームを型キャビティにおいて熱および圧力を加えることによって統合するステップと、
統合された第１のプリフォームと第２のプリフォームを冷却し、それによって繊維複合部品を得るステップとを含む方法を提供する。
【0012】
いくつかの実施形態では、本発明は、繊維複合部品であって、
繊維複合部品の第１の体積領域における第１の区間であって、
（ａ）第１の複数の共配向繊維を備える第１の部分、
（ｂ）第２の複数の共配向繊維を備える第２の部分を有する第１の区間と、
繊維複合部品の第２の体積領域における第２の区間であって、第１の区間と第２の区間が互いに連続しており、第２の区間が、
（ａ）第１の複数の共配向繊維を備える第１の部分、
（ｂ）第３の複数の共配向繊維を備える第２の部分を有し、第２の複数の共配向繊維と第３の複数の共配向繊維が、繊維タイプ、繊維体積分率、および繊維分布からなる群から選択された特性において互いに異なる、第２の区間とを備える繊維複合部品を提供する。
繊維複合部品の第１の体積領域における第１の区間であって、
（ａ）第１の複数の共配向繊維を備える第１の部分、
（ｂ）第２の複数の共配向繊維を備える第２の部分を有する第１の区間と、
繊維複合部品の第２の体積領域における第２の区間であって、第１の区間と第２の区間が互いに連続しており、第２の区間が、
（ａ）第１の複数の共配向繊維を備える第１の部分、
（ｂ）第３の複数の共配向繊維を備える第２の部分を有し、第２の複数の共配向繊維と第３の複数の共配向繊維が、繊維タイプ、繊維体積分率、および繊維分布からなる群から選択された特性において互いに異なる、第２の区間とを備える繊維複合部品を提供する。
【図面の簡単な説明】
【0013】
【図1A】本発明の実施形態に関連して使用されるトウプレグを示す図である。
【図4】本発明による開形平面状非直線状プリフォームの実施形態を示す図である。
【図5】本発明による閉形平面状非直線状プリフォームの第１の実施形態を示す図である。
【図6】本発明による閉形平面状非直線状プリフォームの第２の実施形態を示す図である。
【図7】本発明による閉形平面状非直線状プリフォームの第３の実施形態を示す図である。
【図8】本発明による開形非平面状非直線状プリフォームの実施形態を示す図である。
【図9A】本教示によるプリフォームのレイアップの第１の実施形態を示す図である。
【図9B】本教示によるプリフォームのレイアップの第２の実施形態を示す図である。
【図11A】本教示に従って製造することができる、複雑なオープンフレームワーク部品の実施形態を示す図である。
【図11B】本教示に従って製造することができる、複雑なオープンフレームワーク部品の実施形態を示す図である。
【図11C】本教示に従って製造することができる、複雑なオープンフレームワーク部品の実施形態を示す図である。
【図11D】本教示に従って製造することができる、複雑なオープンフレームワーク部品の実施形態を示す図である。
【図11E】本教示に従って製造することができる、複雑なオープンフレームワーク部品の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0014】
以下の用語について、本開示および添付の特許請求の範囲において使用する場合の定義を以下に示す。
－ 「繊維複合体」は、２つの一次構成要素、マトリックス材料および繊維材料を含む材料である。繊維材料（繊維）は一般に、それが付与する任意の他の特性に加えて複合体の強度をもたらす。マトリックスは、一般にポリマー樹脂から形成され、繊維を囲み支持してその相対位置を維持し、繊維の摩擦および環境攻撃を防止する。繊維と樹脂の組合せは相乗的であり、得られる特性は、特定の繊維、樹脂、および繊維体積分率に応じて異なる。
－ 「繊維」は、繊維材料の個々の糸を意味する。繊維は、長さがその直径よりもずっと大きい。
－ 「マトリックス材料」は、ポリマー樹脂、一般に熱可塑性またはＢステージ（すなわち、部分的に硬化された）熱硬化性樹脂である。マトリックス材料はセラミックとすることもできる。
－ 「共配向繊維」は、同じ方向に配向された複数の繊維を指す。
－ 「トウ」は、「繊維の束」を意味し、それらの用語は、本明細書では、他に特に規定がなければ置き換え可能に使用される。トウは一般に、千単位で数えられる繊維に利用可能であり、１Ｋトウ、３Ｋトウ、６Ｋトウなどと言う。本明細書では、「フィラメント」という用語も「トウ」と同義に使用され得る。
－ 「プリプレグ」は、樹脂を含浸させた繊維を意味する。
－ 「トウプレグ」または「プリプレグトウ」は、樹脂を含浸させた繊維束（すなわち、トウ）を意味する。
－ 「プリフォーム」または「フィラメントサブユニット」は、トウ／トウプレグの切り取られた部分または切り取られ形作られた部分を意味し、繊維束の断面は、アスペクト比（幅：厚さ）が約０．２５から約６の間である。本明細書では、プリフォームおよびフィラメントサブユニットという用語は、切り取られ／形作られた「テープ」を明示的に除外し、このような「テープ」はアスペクト比（上記のような断面）が約１０から約３０の間である。プリフォームおよびフィラメントサブユニットという用語はまた、繊維のシートおよび積層体を明示的に除外する。
－ 「連続繊維」は、プリフォーム／フィラメントサブユニットの一方の端部から他方の端部まで延びる繊維を指す。いくつかの文脈（すなわち、出願人の他の特許出願のうちのいくつか）では、連続繊維／連続プリフォームは、繊維／束が配置された型の主要要素の長さにほぼ等しい長さを有する繊維／プリフォームを指す。連続繊維は、一般に当技術分野で使用されるときの「チョップドファイバ」または「カットファイバ」とは異なる。チョップドファイバまたはカットファイバは、型および最終部品における無作為の配向を有し、型／部品のどの要素の長さとも所定の関係を有さない。本教示による繊維束ベースプリフォームは、チョップドファイバまたはカットファイバを含まない。
－ 「連続マトリックス」は、（たとえば、プリフォーム、部品、部品の指定された領域の）断面全体にわたって均質なマトリックスを指す。
－ 「ラティス」は、空隙と交差し空隙を囲む直線状または湾曲したセグメントからなるフレームワークを指す。
－ 「約」または「実質的に」は、記載された値または公称値に対して±２０％を意味する。
明細書では文脈において追加の定義が与えられる。
－ 「繊維複合体」は、２つの一次構成要素、マトリックス材料および繊維材料を含む材料である。繊維材料（繊維）は一般に、それが付与する任意の他の特性に加えて複合体の強度をもたらす。マトリックスは、一般にポリマー樹脂から形成され、繊維を囲み支持してその相対位置を維持し、繊維の摩擦および環境攻撃を防止する。繊維と樹脂の組合せは相乗的であり、得られる特性は、特定の繊維、樹脂、および繊維体積分率に応じて異なる。
－ 「繊維」は、繊維材料の個々の糸を意味する。繊維は、長さがその直径よりもずっと大きい。
－ 「マトリックス材料」は、ポリマー樹脂、一般に熱可塑性またはＢステージ（すなわち、部分的に硬化された）熱硬化性樹脂である。マトリックス材料はセラミックとすることもできる。
－ 「共配向繊維」は、同じ方向に配向された複数の繊維を指す。
－ 「トウ」は、「繊維の束」を意味し、それらの用語は、本明細書では、他に特に規定がなければ置き換え可能に使用される。トウは一般に、千単位で数えられる繊維に利用可能であり、１Ｋトウ、３Ｋトウ、６Ｋトウなどと言う。本明細書では、「フィラメント」という用語も「トウ」と同義に使用され得る。
－ 「プリプレグ」は、樹脂を含浸させた繊維を意味する。
－ 「トウプレグ」または「プリプレグトウ」は、樹脂を含浸させた繊維束（すなわち、トウ）を意味する。
－ 「プリフォーム」または「フィラメントサブユニット」は、トウ／トウプレグの切り取られた部分または切り取られ形作られた部分を意味し、繊維束の断面は、アスペクト比（幅：厚さ）が約０．２５から約６の間である。本明細書では、プリフォームおよびフィラメントサブユニットという用語は、切り取られ／形作られた「テープ」を明示的に除外し、このような「テープ」はアスペクト比（上記のような断面）が約１０から約３０の間である。プリフォームおよびフィラメントサブユニットという用語はまた、繊維のシートおよび積層体を明示的に除外する。
－ 「連続繊維」は、プリフォーム／フィラメントサブユニットの一方の端部から他方の端部まで延びる繊維を指す。いくつかの文脈（すなわち、出願人の他の特許出願のうちのいくつか）では、連続繊維／連続プリフォームは、繊維／束が配置された型の主要要素の長さにほぼ等しい長さを有する繊維／プリフォームを指す。連続繊維は、一般に当技術分野で使用されるときの「チョップドファイバ」または「カットファイバ」とは異なる。チョップドファイバまたはカットファイバは、型および最終部品における無作為の配向を有し、型／部品のどの要素の長さとも所定の関係を有さない。本教示による繊維束ベースプリフォームは、チョップドファイバまたはカットファイバを含まない。
－ 「連続マトリックス」は、（たとえば、プリフォーム、部品、部品の指定された領域の）断面全体にわたって均質なマトリックスを指す。
－ 「ラティス」は、空隙と交差し空隙を囲む直線状または湾曲したセグメントからなるフレームワークを指す。
－ 「約」または「実質的に」は、記載された値または公称値に対して±２０％を意味する。
明細書では文脈において追加の定義が与えられる。
【0015】
例以外で、または別段に指示がない限り、明細書および特許請求の範囲において使用される原料の数量を表すすべての数は、すべての例において「約」という用語によって修正されると理解すべきである。したがって、特段の指示がない限り、以下の明細書および添付の特許請求の範囲に記載された数値パラメータは、当業者によって理解されるように取得すべき所望の特性に応じて異なる場合がある近似値であると理解される。一般に、このことは変動量が少なくとも±２０％であることを意味する。
【0016】
さらに、本明細書に記載された任意の数値範囲がそれに包含されるすべての小範囲を含むことが意図されることを理解されたい。たとえば、「１から１０」の範囲は、約１の上記の最小値から約１０の上記の最大値の間（最小値および最大値を含む）のすべての小範囲を含み、すなわち、最小値が約１以上であり、最大値が約１０以下であることが意図される。
【0017】
図１Ａはトウプレグ１００を示す。トウプレグは、一般に千単位で設けられ（たとえば、１ｋ、１０ｋ、２４ｋなど）、ポリマー樹脂マトリックスを含浸させた多数の個々の繊維を含む。トウプレグは、たとえば、円形、卵形、三葉形、多角形などを含む様々な断面形状のうちのいずれかを有することができる。
【0018】
トウプレグは、テキサス州アービングのＣｅｌａｎｅｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎなどのトウプレグの供給業者から購入することができ、または引き抜き成形、押し出し、もしくは共押し出しなどの公知のプロセスを介して現場で形成することができる。引き抜き成形プロセスでは、繊維「トウ」の形をした複数の繊維がダイから引き抜かれ、圧力および温度を加えた状態でポリマー（一般に熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂）樹脂を含浸させる。このプロセスは、上記で指摘したように、連続マトリックス材料内に埋め込まれた複数の繊維を形成する。
【0019】
次に、図１Ｂを参照するとわかるように、トウプレグ１００のセグメントを取り除くことによって繊維束ベースプリフォーム１０２が形成される。図１Ｂでは、プリフォーム１０２は短い直線状セグメントであり、これは、本発明の実施形態が対象とするプリフォームの最も基本的な実施形態である。本明細書でさらに詳細に後述するように、他の実施形態において、プリフォームは、製造中の部品について適宜、非直線状形状、閉形形状、３Ｄ形状、および多層形状を含む、より複雑な形状を有してもよい。そのようなプリフォームは、実際は、本教示による繊維強化部品を製造するための「ビルディングブロック」である。
【0020】
プリフォームは、長さが一般にその幅よりも実質的に大きく、その厚さよりも実質的に大きい（なお、図１Ｂは正確な縮尺ではない）。プリフォームの長さは、製造中の部品の属性に基づいて決定される。プリフォームの長さに最も影響を与えるのは部品のサイズである。一般に、より長いプリフォームはより長い連続長さの繊維を含むことができるので、任意の所与の用途でできるだけ長いプリフォームを使用することが望ましい。所与の部品について、一般により長い連続繊維はより長さが短い繊維よりも部品の強度が高くなる。したがって、非常に小さい部品では、プリフォームは長さが約５ミリメートルである場合があり、一方、大きい部品（たとえば、航空機の翼、車両のボディパネルなど）については、プリフォームは長さが数メートルに及ぶことがある。簡単に言えば、プリフォームの長さは用途に特有の長さである。
【0021】
プリフォームは、製造中の部品について適宜任意の適切な断面寸法（すなわち、幅および高さ／厚さ）を有することができる。いくつかの実施形態では、プリフォームの幅および高さ（厚さ）はほぼ等しい（たとえば、円形断面、方形断面など）。プリフォームの断面形状は、本発明の実施形態では、上述のトウプレグの断面形状によって決定される。プリフォームの形状、高さ、および幅はその長さに沿って実質的に一定とすることができ、または異ならせることができる。
【0022】
型キャビティにおけるロボットによる配置などについてプリフォームは容易に操作されることが望ましい。したがって、プリフォームを形成する材料は、使用温度（一般には約２０℃～３０℃）で容易に取り扱うことができる状態（たとえば、中実である、剛性が高い、など）であるべきである。代替的に、プリフォームの温度は、取り扱いを容易にするように必要に応じて変更することができる。
【0023】
プリフォーム組成
プリフォームの組成／内部構造は、プリフォームの製造材料であるトウプレグの組成／内部構造と同一であることを理解されたい。
プリフォームの組成／内部構造は、プリフォームの製造材料であるトウプレグの組成／内部構造と同一であることを理解されたい。
【0024】
繊維に関しては、トウプレグ１００内の個々の繊維は任意の直径を有することができ、この直径は、必ずしもそうであるとは限らないが、一般に、約１ミクロンから約１００ミクロンの範囲である。個々の繊維は、限定はしないが、加工、バインダの接着を容易にし、繊維の自己付着を最小限に抑え、または特定の特性（たとえば、導電性など）を付与するためにサイジングなどの外部コーティングを含むことができる。
【0025】
各々の個々の繊維は中実または中空のコアとすることができる。各々の個々の繊維は、単一の材料または複数の材料（以下に列挙される材料から選択される材料など）で形成することができ、または繊維自体を複合体とすることができる。たとえば、個々の繊維は、導電性材料、絶縁性材料、熱伝導性材料、または断熱性材料などの第２の材料で被覆された（第１の材料の）コアを備えることができる。
【0026】
組成に関しては、各々の個々の繊維は、限定はしないが、たとえば、カーボン、ガラス、天然繊維、アラミド、ホウ素、金属、セラミック、ポリマーフィラメントなどとすることができる。金属繊維の非限定的な例には、鋼、チタン、タングステン、アルミニウム、金、銀、前述の金属のうちのいずれかの合金、および形状記憶合金が含まれる。「セラミック」は、すべての無機および非金属材料を指す。セラミック繊維の非限定的な例には、ガラス（たとえば、Ｓガラス、Ｅガラス、ＡＲガラスなど）、石英、金属酸化物（たとえば、アルミナ）、アルミノシリケート、ケイ酸カルシウム、ロックウール、窒化ホウ素、炭化ケイ素、および前記のセラミック繊維のうちのいずれかの組合せが含まれる。さらに、カーボンナノチューブを使用することができる。個々のプリフォーム内で、すべての繊維は一般に、同じ組成を有する。
【0027】
マトリックス材料に関して、熱および／または圧力を加えると樹脂自体に接合することができる任意のポリマー樹脂（熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂）を使用することができる。本発明の実施形態に関連して有用な例示的な熱可塑性樹脂には、限定はしないが、アクリロニトリルブタジエンスチレン（ＡＢＳ）、ナイロン、ポリアリルエーテルケトン（ＰＡＥＫ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、およびポリカーボネートＡＢＳ（ＰＣ－ＡＢＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリエーテルスルフォン（ＰＥＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、硫化ポリフェニレン（ＰＰＳ）、ポリフェニルスルフォン（ＰＰＳＵ）、ポリリン酸（ＰＰＡ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスルフォン（ＰＳＵ）、ポリウレタン（ＰＵ）、塩化ポリビニル（ＰＶＣ）が含まれる。例示的な熱硬化性樹脂はエポキシである。いくつかの実施形態では、セラミックをマトリックス材料として使用することができる。
【0028】
任意の特定のポリマー樹脂の使用が適切であるかどうかは、製造中の部品の要件に少なくとも部分的に依存する。そのような要件は、部品の望ましい属性／特徴／特性（たとえば、見た目、密度、耐腐食性、熱特性など）を含んでもよい。
【0029】
マトリックス材料は、ポリマー樹脂に加えて、限定はしないが、たとえば、充填材、接着促進剤、レオロジー制御剤、着色剤、および前記の成分のうちのいずれかの組合せなどの他の成分を含むことができる。
【0030】
充填材の種類および量は、引張強度、伸び、熱安定性、低温柔軟性、耐薬品性、低密度、導電性、熱伝導性、ＥＭＩ／ＲＦＩ遮蔽、静電気散逸性、または前記の特性のいずれかの組合せなどの特定の所望の特性を実現するように選択することができる。適切な充填材の非限定的な例には、シリカおよび炭化カルシウムなどの無機充填材、熱可塑性ビードなどの有機充填材、金属、黒鉛、およびグラフェンなどの導電性充填材、熱膨張マイクロカプセルなどの低密度充填材が含まれる。充填材は、ビード、粒子、粉末、プレートレット、シート、またはフレークなどの任意の適切な形態を有することができる。
【0031】
いくつかの実施形態では、充填材には、プリフォームの端部間で完全には延びない非配向繊維および／または不連続繊維が含まれる。そのような非配向繊維にはチョップドファイバ、ミルドファイバ、またはそれらの組合せを含むことができる。非配向繊維には、たとえば、繊維織り、より繊維などを含む複数の非配向連続繊維を含めることができる。
【0032】
プリフォーム内部構造
プリフォームは一様または非一様な内部構造を有することができる。図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａ／図１Ｂのトウプレグ１００の第１実施形態のプリフォーム１０２Ａを示す。図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態では、プリフォーム１０２Ａは、一様な内部構造を有する（プリフォームの製造材料であるトウプレグが一様な内部構造を有することに起因する）。
プリフォームは一様または非一様な内部構造を有することができる。図２Ａおよび図２Ｂは、図１Ａ／図１Ｂのトウプレグ１００の第１実施形態のプリフォーム１０２Ａを示す。図２Ａおよび図２Ｂに示す実施形態では、プリフォーム１０２Ａは、一様な内部構造を有する（プリフォームの製造材料であるトウプレグが一様な内部構造を有することに起因する）。
【0033】
図２Ａはプリフォーム１０２Ａの長手方向断面を示す。プリフォーム１０２Ａは、直線状であり、これは繊維束ベースプリフォームの最も基本的な実装形態である。プリフォーム１０２Ａは複数の繊維２０８を含む。これらの繊維は、プリフォーム１０２Ａの第１の端部２０４Ａから第２の端部２０６Ａまで延びるので「連続的」である。さらに、繊維２０８は、すべて同じ方向に配向されるので「共配向される」。プリフォーム１０２Ａはまたポリマー樹脂マトリックス２１０を含み、ポリマー樹脂マトリックス２１０は繊維２０８を囲み濡らす。
【0034】
図２Ｂは、プリフォーム１０２Ａの横断面を示す。この実施形態では、複数の共配向繊維２０８が、プリフォーム１０２Ａの横断面に沿って（すなわち、半径方向に）実質的に一様に分散される。
【0035】
図３Ａおよび図３Ｂは、図１Ａ／図１Ｂのトウプレグ１００の第２の実施形態のプリフォーム１０２Ｂを示す。図３Ａおよび図３Ｂに示す実施形態では、プリフォーム１０２Ｂは、非一様内部構造を有する（プリフォーム１０２Ｂの製造材料であるトウプレグが非一様内部構造を有することに起因する）。
【0036】
図３Ａは、プリフォーム１０２Ｂの長手方向断面を示す。プリフォーム１０２Ａと同様に、プリフォーム１０２Ｂは、複数の繊維２０８を含み、繊維２０８は、プリフォーム１０２Ｂの端部２０４Ｂと２０６Ｂの間を完全に延びるので連続的である。プリフォーム１０２Ｂ内の繊維も、プリフォーム１０２Ａと同様に共配向される。
【0037】
次に図３Ｂを参照し、引き続き図３Ａを参照するとわかるように、繊維２０８はプリフォーム１０２Ｂにおいて半径方向に一様に分散されないことがわかる。すなわち、繊維２０８は、プリフォーム１０２Ｂのマトリックス２１０が埋め込まれたバンドとして配置される。言い換えれば、プリフォーム１０２Ｂは、半径方向において非一様な組成を有する。いくつかの他の実施形態では、プリフォームは、繊維の他の非一様な分布を有することができる。
【0038】
【0039】
図４は、プリフォーム４０２を示し、プリフォーム４０２は、本発明による開形、平面状、非直線状プリフォームである。プリフォーム４０２は、１つまたは複数の屈曲部４２０を含むので非直線状である。プリフォーム４０２は、各屈曲部が同じ平面内にあるので平面状である。各屈曲部４２０は、０°＜屈曲角４２０＜１８０°の範囲内の角度から独立に選択された角度を有することができる。
【0040】
プリフォーム４０２などの非直線状プリフォームは、トウプレグの一部を内部のマトリックス材料の軟化点を超える温度に加熱し、次いで自動屈曲器具などを介してトウプレグを屈曲させることによって形成することができる。適切な数の屈曲部が作られた後、トウプレグが切り取られ／切断され、それによってプリフォームが形成される。プリフォームを製造する方法は、参照により本明細書に組み込まれている米国特許出願第１５／６１２，７２０号および米国特許出願第１６／６００，１３１号で開示されている。
【0041】
図５は、プリフォーム５０２を示し、プリフォーム５０２は、本発明による閉形、平面状、非直線状プリフォームである。閉形プリフォームは一般に、２つの端部が互いに近接して位置し、密閉領域を画定するように屈曲された切り取られた単一の長さのトウプレグを備える。いくつかの実施形態では、２つの端部が接着剤または熱接合などを介して互いに連結される。（プリフォーム４０２は、２つの端部が互いに近接しておらず、密閉領域を画定しないので「開形」である。）プリフォーム５０２は、４つの（すなわち、１つまたは複数の）屈曲部５２０を含むので非直線状である。プリフォーム５０２は、各屈曲部が同じ平面内にあるので平面状である。
【0042】
図６は、プリフォーム６０２を示し、プリフォーム６０２は、プリフォーム４０２とプリフォーム５０２の組合せである。プリフォーム６０２は平面状および非直線状であり、開形要素と閉形要素の両方を含む。プリフォーム６０２は、プリフォーム４０２および５０２を形成し互いに連結させることによって製造することができる。
【0043】
プリフォーム５０２、６０２、および７０２などの「閉形」として特徴付けられたプリフォームは必ずしもそうではないが、一般に、「オープンフレームワーク」または「開体積」プリフォームとしてさらにまたは代替的に特徴付けられる。いくつかの実施形態では、そのようなオープンフレームワークプリフォームは、本開示で図１１Ａ～図１１Ｅに関連して後述する「オープンフレームワーク」部品を製造するために使用される。
【0044】
図７は、プリフォーム７０２を示し、プリフォーム７０２は閉形であり、平面状であり、非直線状である。プリフォーム７０２は、積層要素７３０を含むが、それにもかかわらず、すべての屈曲部が同じ平面内にあるかまたは互いに平行な平面内にあるので平面状と見なされる。プリフォーム７０２は、要素７３０の２つの例を含み、各例は、外側方形要素７３２と内側方形要素７３４とを備える。
【0045】
図８は、プリフォーム８０２を示し、プリフォーム８０２は、開形、非平面状、非直線状プリフォームである。プリフォーム８０２は、少なくとも１つの屈曲部が別の屈曲部に対して面外であるので非平面状と見なされる。具体的には、セグメント８４０とセグメント８４４との間の屈曲部８４２が、ｙ－ｘ平面内に位置し（すなわち、屈曲部がｙ－ｘ平面における２つのセグメントを形成し）、セグメント８４４とセグメント８４８との間の屈曲部８４６が、ｘ－ｚ平面内に位置する。そのような平面は、本明細書では互いに対して「面外である」と定義される。上記でプリフォーム７０２に関して暗黙的に示し、ここで明示的に示すように、「面外」という特性は、「屈曲部」を含む階層要素または積層要素を除外し、そのような積層要素は互いに実質的に（互いに平行な平面において）平行である。
【0046】
プリフォーム８０２では、各屈曲部は互いに直交する平面内に位置する。しかし、いくつかの他の実施形態では、屈曲部は、互いに対して面外であるが、互いに直交しない平面内に位置する。図４のプリフォーム４０２に関して開示されたように、各屈曲部の屈曲角度は個別に選択されてもよい。したがって、屈曲部８４６は、０°よりも大きく１８０°よりも小さい任意の角度を有することができる。
【0047】
図４～図８に示すプリフォームは１つの非ゼロベクトル成分（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、またはｚ軸に沿った、ｘ－ｙ平面、ｚ－ｘ平面、またはｙ－ｚ平面内の成分）によって定められる任意の所与の屈曲部を示すが、いくつかの他の実施形態では、屈曲部は、非ゼロｘ、ｙ、またはｚベクトル成分の任意の組合せによって画定することができる。
【0048】
いくつかの他の実施形態では、プリフォームは非平面状、非直線状、および閉形である。さらに、非平面状、非直線状プリフォームは非平面状、非直線状要素および平面状、非直線状要素を備えることができる。そのようなプリフォームの例は、たとえば、図５のプリフォーム５０２と図８のプリフォーム８０２を組み合わせたプリフォームである。
【0049】
本方法による圧縮成形
前述のように、本教示によれば、繊維束ベースプリフォームを使用して、圧縮成形などを介して部品が製造される。より詳細には、本教示によれば、２つ以上のそのようなプリフォームを型キャビティ内に配置し、型キャビティを閉じ、それによって型キャビティに圧力を加え、型キャビティの内容物の温度を上げてマトリックス材料を流動する、「すなわち、溶融流動する」程度に軟化させることによって部品が製造される。そのように圧力および温度を加えることによって、２つ以上のプリフォームが統合され、冷却後に完成した部品が得られる。
前述のように、本教示によれば、繊維束ベースプリフォームを使用して、圧縮成形などを介して部品が製造される。より詳細には、本教示によれば、２つ以上のそのようなプリフォームを型キャビティ内に配置し、型キャビティを閉じ、それによって型キャビティに圧力を加え、型キャビティの内容物の温度を上げてマトリックス材料を流動する、「すなわち、溶融流動する」程度に軟化させることによって部品が製造される。そのように圧力および温度を加えることによって、２つ以上のプリフォームが統合され、冷却後に完成した部品が得られる。
【0050】
公知のように、圧縮成形は一般に、少なくとも約１００ｐｓｉの圧力で行われる。このプロセスの温度要件は使用されるマトリックス材料の関数である。たとえば、熱可塑性樹脂を含むマトリックスでは、温度は樹脂のガラス遷移温度と一致するかまたはガラス遷移温度を超えなければならず、それによって樹脂は流動することができるが、その劣化温度よりも低くなければならない。Ｂステージ熱硬化性樹脂またはＢステージセラミックを含むマトリックスでは、マトリックス材料が流動するように十分に加熱しなければならず、また、共反応物の反応温度に一致するかまたは反応温度を超えなければならない。
【0051】
上記で指摘したように、本教示によれば、２つ以上の繊維束ベースプリフォームが特定の配置および／または配向（レイアップ）で型キャビティ内に配置される。配置／配向の指定は、少なくとも部分的に所望の全体的な部品特性（たとえば、機械的特性、見た目など）または部品の特定の領域の特性に基づいて行われる。このレイアップで配置する間、プリフォームはその製造時の形状を保持し、この特性は、繊維を特定のプリフォームから部品の特定の体積領域に送るのを容易にする。
【0052】
図９Ａおよび図９Ｂは、型キャビティ９５２を有する雌型半部９５０、ならびに圧縮成形を介して繊維複合部品９７２（図９Ｃ）を製造する際に使用される２つの例示的な繊維束ベースプリフォームレイアップ９５８および９７０を示す。
【0053】
図９Ａに示すレイアップ９５８は、（ｉ）多角形（方形）横断面を有し、各層が３つのプリフォームの２つの層に配置された６つの直線状プリフォーム９５４と、（ｉｉ）円形横断面を有し、各層が３つのプリフォームの２つの層に配置された６つの直線状プリフォーム９５６とを含む。プリフォームのこの２つのグループは互いに直交するように配向され、各プリフォーム９５６の一方の端部が積層されたプリフォーム９５４のうちの２つのプリフォーム９５４の側面に当接する。
【0054】
図９Ｂに示すレイアップ９７０は、レイアップ９５８よりも複雑な構成であり、（ｉ）２つの積層「Ｌ」字形（非直線状）プリフォーム９６０と、（ｉｉ）各層が２つのプリフォームの２つの層として構成された４つの直線状プリフォーム９６２と、（ｉｉｉ）１つの直線状プリフォーム９６４と、（ｉｖ）各層が２つのプリフォームの２つの層として構成された４つの直線状プリフォーム９６６と、（ｖ）各層が２つのプリフォームの２つの層として構成された２つの直線状プリフォーム９６８とを含む。プリフォーム９６６および９６８は、プリフォーム９６４の長さの約２分の１である。そのようなそれぞれに異なるレイアップは、部品が使用時に受ける力の結果として部品の所与の体積領域において生じる応力の関数として使用されてもよい。
【0055】
図示の２つの実施形態の各々において、プリフォームは「Ｌ」字形に配置され、型キャビティ９５２の形状に一致するレイアップ９５８または９７０を形成する。いくつかの実施形態では、レイアップは、プリフォームを１つずつキャビティ９５２に追加することによって形成され、それによってレイアップがキャビティ内に形成される。いくつかの他の実施形態では、プリフォームのうちのいくつかまたはすべてが連結され、キャビティ９５２内に配置される前に「プリフォームチャージ」が形成される。すべてのプリフォームがプリフォームチャージとして組み立てられる実施形態では、レイアップ（その場合、レイアップはプリフォームチャージと同義である）が組み立てられ、次いで単一のユニットとして型キャビティ内に配置される。
【0056】
型に配置される各プリフォームの組成、内部構造、および外部アーキテクチャは、一般に製造中の部品の所望の属性を実現するように適宜個別に選択可能である。たとえば、レイアップに複数のプリフォームが与えられた場合、少なくとも１つのプリフォームを以下の非限定的な方法で他のプリフォームと異ならせることができる。
－ 異なるマトリックス材料（たとえば、２つの異なる熱可塑性樹脂、それぞれに異なる充填材など）、
－ 異なる繊維タイプ（たとえば、カーボン繊維対ガラスなど）
－ 異なる繊維体積分率
－ 繊維の一様な分布対非一様な分布
－ 直線状対非直線状
－ 平面状対非平面状
マトリックス材料がレイアップにおけるあるプリフォームと次のプリフォームと異なる範囲で、そのような異なるマトリックス材料は互いに適合しなければならない。本文脈では、「適合する」は、それぞれに異なるマトリックス材料が互いに接合することを意味する。
－ 異なるマトリックス材料（たとえば、２つの異なる熱可塑性樹脂、それぞれに異なる充填材など）、
－ 異なる繊維タイプ（たとえば、カーボン繊維対ガラスなど）
－ 異なる繊維体積分率
－ 繊維の一様な分布対非一様な分布
－ 直線状対非直線状
－ 平面状対非平面状
マトリックス材料がレイアップにおけるあるプリフォームと次のプリフォームと異なる範囲で、そのような異なるマトリックス材料は互いに適合しなければならない。本文脈では、「適合する」は、それぞれに異なるマトリックス材料が互いに接合することを意味する。
【0057】
部品内部構造
本発明の実施形態による、上述のように互いに異なることができる繊維束ベースプリフォームを選択的に配置することによって、部品のそれぞれに異なる領域においてそれぞれに異なる材料特性を有する部品を製造する能力が得られる。他のどの考慮事項の中でも、部品に対する使用時負荷は部品のそれぞれに異なる領域において異なることが多く、各領域でそれぞれに異なる応力ベクトルにおいて生じるのでこのことはかなり有利である。また、部品の特定の領域において特定の剛性または所望の電気的特性を得るための設計が上記のことによって容易になる。
本発明の実施形態による、上述のように互いに異なることができる繊維束ベースプリフォームを選択的に配置することによって、部品のそれぞれに異なる領域においてそれぞれに異なる材料特性を有する部品を製造する能力が得られる。他のどの考慮事項の中でも、部品に対する使用時負荷は部品のそれぞれに異なる領域において異なることが多く、各領域でそれぞれに異なる応力ベクトルにおいて生じるのでこのことはかなり有利である。また、部品の特定の領域において特定の剛性または所望の電気的特性を得るための設計が上記のことによって容易になる。
【0058】
本教示に従って形成される部品は、２つ以上の「区間」を備えると見なされる。図１０Ｂは、図９Ｃの部品９７２のアーム９７４のセグメントにおける長手方向断面を示す。このセグメントは、２つのそのような区間、区間１０８１および区間１０８４を有する。部品の様々な区間は互いに隣接して部品を形成するが、そのような区間は、部品の外部または内部を調べたときに互いに別々であるとして判別可能とは限らない。すなわち、互いに隣接する区間は、ある区間を隣接する区間から分離する明確な界面がない場合があるという意味で連続することがある。区間が連続するのは、たとえば、互いに隣接する区間におけるマトリックス材料が同じであり、互いに隣接する区間における繊維が同じであるときである。界面が容易に判別可能であるか否かにかかわらず、「区間」の概念は本発明を解説するうえで有用であり、本明細書では、一様な組成を有する（部品の）体積を指すために使用される。すなわち、所与の区間の長さに沿った任意の場所の横断面は、実質的に同じ繊維およびマトリックス組成／分布／配向を示す。
【0059】
本教示によれば、各区間は少なくとも１つの「部分」を含む。再び図１０Ｂを参照するとわかるように、区間１０８１は、部分１０８２Ａ、１０８２Ｂ、および１０８２Ｃで構成され、区間１０８４は、部分１０８６Ａ、１０８６Ｂ、および１０８６Ｃで構成される。「部分」は、特定のプリフォームから得られる部品の体積を指す。すなわち、プリフォームから、所与の部分用の繊維およびマトリックス材料が得られる。したがって、たとえば、ある区間が２つのプリフォームから得られる場合、その区間は２つの部分を含むと見なされる。同様に、ある区間が３つのプリフォームから得られる場合、その区間は３つの部分を含むと見なされ、他の場合についても同様である。したがって、そのような実施形態では、区間の各部分の組成は、区間が得られるプリフォームの組成によって決定される。
【0060】
図１０Ａと図１０Ｂを比較することによって理解されるように、各プリフォームと各部分との間に必ずしも１対１の対応関係があるとは限らない。図１０Ａは、図９Ｂのレイアップ９７０のセグメントを示す。セグメント内のプリフォームから、部品９７２のアーム９７４を形成する繊維およびマトリックス材料の一部が得られる。レイアップのこのセグメントは、プリフォーム９６４と、２つの積層プリフォーム９６８と、２つの積層プリフォーム９６６とを含む。プリフォーム９６４は、プリフォーム９６６および９６８上に配設される。プリフォーム９６４および９６８は、第１の繊維タイプ１０７８を備え、プリフォーム９６６は第２の繊維タイプ１０８２を備える。この例では、すべてのプリフォームが同じマトリックス材料１０８０を含むと仮定される。いくつかの他の実施形態では、それぞれに異なるプリフォームにおける、それぞれに異なる部分のマトリックス材料は、互いに適合する限り異なってもよい。図１０Ｂのスケール（特に厚さ）が図１０Ａと比べて拡大されていることに留意されたい。
【0061】
プリフォーム９６４における共配向繊維１０７８は、区間１０８１の部分１０８２Ａと区間１０８４の部分１０８６Ａの両方に現れる。依然として区間１０８１を参照するとわかるように、「上部」プリフォーム９６８における共配向繊維１０７８は部分１０８２Ｂに現れ、「下部」プリフォーム９６８における共配向繊維１０７８は部分１０８２Ｃに現れる。
【0062】
区間１０８４では、「上部」プリフォーム９６６における共配向繊維１０８２は部分１０８６Ｂに現れ、「下部」プリフォーム９６６における共配向繊維１０８２は、部分１０８６Ｃに現れる。マトリックスは区間１０８１および１０８４全体にわたって連続する。
【0063】
図１０Ａおよび図１０Ｂから明らかなように、区間の各部分の長さは必ずしもその区間に繊維を与えるプリフォームの長さに対応するとは限らない（区間１０８１の部分１０８２Ａの長さをプリフォーム９６４の長さと比較する）。さらに、プリフォームの厚さも幅も必ずしも部分の厚さまたは幅に対応するとは限らない。しかし、部分の形状はプリフォームの形状の影響を受ける。「区間」についての状況と同様に、互いに隣接する「部分」間の界面は判別可能である場合も判別可能でない場合もある。
【0064】
区間は、隣接する区間と同じ組成を有することも、または異なる組成を有することもできる。後者の状況に関しては、組成は、区間ごとに、マトリックス材料組成、繊維組成、含有量、および／または繊維分布、ならびに任意の他の組成変数の点で異なってもよい。さらに、互いに隣接する区間は同じ繊維配向を有することも、または異なる繊維配向を有することもできる。
【0065】
区間１０８１の組成は区間１０８４の組成とは異なる。詳細には、区間１０８１の部分１０８２Ｂおよび１０８２Ｃは繊維１０７８を含むが、区間１０８４の部分１０８６Ｂおよび１０８６Ｃは繊維１０８２を含む。このことは、図１０Ｃおよび図１０Ｄからさらに明らかであり、図１０Ｃおよび図１０Ｄは、図１０Ｂの軸Ａ－Ａおよび軸Ｂ－Ｂに沿った横断面をそれぞれ示す。区間１０８１内の任意の場所における横断面は図１０Ｃに示すように見える。同様に、区間１０８４内の任意の場所における横断面は図１０Ｄに示すように見える。しかし、区間１０８１と区間１０８４の間の界面領域の横断面は、図１０Ｃまたは図１０Ｄに現れる横断面とはいくらか異なるように見え得る。
【0066】
区間は、図１０Ｂに示すように「垂直」方向および「長手」方向に延びることに加えて、「横」方向に延びることもできることを理解されたい。図１０Ｂの文脈では、これはたとえば、部分１０８２Ａ、１０８２Ｂ、１０８２Ｃに隣接し、「ページ内に」延びる追加の部分を含む。このことは図１０Ｅにより詳細に示されている。
【0067】
図１０Ｅは、部品９７２の断面「分解」図を示す。区間の指定は、ある程度任意であり、上記の定義に従う。しかし、「区間」および「部分」の記述子としての使用は、本発明の実施形態についての説明および定義に関連して有用な解説のための手段を構成し、本教示に従って作られた部品と従来技術における部品との違いを強調する働きをする。
【0068】
図１０Ｅに示す実施形態では、５つの「区間」１０８１、１０８４、１０８８、１０９２、および１０９８が部品１０７２について定義される。区間１０８１および１０８４について、図９Ｂおよび図１０Ａ～図１０Ｄに関連して説明した。図１０Ｅはさらに、区間１０８１が部分１０８２Ｄおよび１０８２Ｅを含み、区間１０８４が部分１０８６Ｄおよび１０８６Ｅを含むことを示し、部分１０８６Ｄおよび１０８６Ｅは、図１０Ｂではそれぞれの区間に含まれるように示されていなかった。図９Ｂを参照するとわかるように、少なくとも追加の部分１０８６Ｄおよび１０８６Ｅに関与するプリフォームを容易に見ることができる。
【0069】
部品１０７２はまた、区間１０８８を含み、区間１０８８は、部分１０９０Ａ～１０９０Ｄを含む。４つのプリフォーム９６２は、図９Ｂに示されており、プリフォーム９６２からこれらの部分の材料が得られる。
【0070】
区間１０９２および１０９６は積層Ｌ字形プリフォーム９６０（図９Ｂ）から得られる。プリフォーム９６０内の繊維は連続的で共線的であると仮定されるが、これらの繊維は、これらのプリフォームから得られアーム９７４およびアーム９７６に存在する繊維が互いに対して直交するように配向されるので１つではなく２つの区間を生じさせる。区間１０９２は、部分１０９４Ａおよび１０９４Ｂを含み、区間１０９６は、部分１０９８Ａおよび１０９８Ｂを含む。
【0071】
上記に開示されたように、部品の様々な区間／部分用の材料が得られる繊維束ベースプリフォームは、本教示に従って、
（ｉ）個別に実質的に任意の所望の形状および／またはサイズで形成することができ、
（ｉｉ）個別に繊維および／またはマトリックス材料組成、ならびに添加剤を変えることができ、
（ｉｉｉ）レイアップに配置されたときにプリフォームの形状および繊維配向を維持することができ、
（ｉｖ）材料に関する制限（テープおよびシートなど）なしに自由にレイアップに配置することができる。
機能（ｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）に起因して、本発明の実施形態は、任意の所与のプリフォームにおける繊維およびマトリックス材料を製造中の部品の任意の体積領域に送るほぼ抑制されない能力を実現する。機能（ｉｉ）に起因して、本発明の実施形態は、部品の属性／特性を調整する前例のない能力を実現する。これらの機能を組み合わせると、製造業者は、部品の任意の体積位置に所望の属性／特性を有する繊維複合部品を製造することが可能である。このことは図１０Ｅから容易に明らかになるはずである。
（ｉ）個別に実質的に任意の所望の形状および／またはサイズで形成することができ、
（ｉｉ）個別に繊維および／またはマトリックス材料組成、ならびに添加剤を変えることができ、
（ｉｉｉ）レイアップに配置されたときにプリフォームの形状および繊維配向を維持することができ、
（ｉｖ）材料に関する制限（テープおよびシートなど）なしに自由にレイアップに配置することができる。
機能（ｉ）、（ｉｉｉ）、および（ｉｖ）に起因して、本発明の実施形態は、任意の所与のプリフォームにおける繊維およびマトリックス材料を製造中の部品の任意の体積領域に送るほぼ抑制されない能力を実現する。機能（ｉｉ）に起因して、本発明の実施形態は、部品の属性／特性を調整する前例のない能力を実現する。これらの機能を組み合わせると、製造業者は、部品の任意の体積位置に所望の属性／特性を有する繊維複合部品を製造することが可能である。このことは図１０Ｅから容易に明らかになるはずである。
【0072】
上記のことに鑑み、本明細書で説明する方法を使用して、（ｉ）部品のそれぞれに異なる区間、（ｉｉ）部品の所与の区間のそれぞれに異なる長手方向部分、および／または（ｉｉｉ）部品の所与の区間のそれぞれに異なる半径方向／深さ位置においてそれぞれに異なる材料特性を有する部品を製造できることが諒解されよう。
【0073】
たとえば、図１０Ｂ～図１０Ｅを参照するとわかるように、区間１０８１の少なくともいくつかの特性と区間１０８４のそのような特性が異なることを、２つの区間におけるそれぞれに異なる種類の繊維が存在することに起因して予期することができる。区間１０８１の部分１０８２Ｂ～１０８２Ｅの少なくともいくつかの特性と区間１０８４の部分１０８６Ｂ～１０８６Ｅのそのような特性が異なることは、それらの部分におけるそれぞれに異なる種類の繊維に起因して予期される。たとえば、繊維１０７８がカーボン繊維であり、繊維１０８２がファイバグラスである場合、部品は部分１０８２Ａ～１０８２Ｅおよび１０８６Ａよりも部分１０８６Ｂ～１０８６Ｅが弱いと予期することができる。さらに、区間１０９２と区間１０９６の間で繊維が連続しているので、プリフォーム９６０の形状の結果として、部品９７２の２つのアーム９７４および９７６が交差する領域は、部品の内側角部よりも「外側」角部近傍の方が強度が高くなることが予期される（繊維が区間１０８８と区間１０８１の間で連続しないことに起因する）。
【0074】
たとえば、繊維、充填材材料などの選択などによって部品の１つまたは複数の区間に導電性を付与することなどによって、特性の違いを機能的なものにすることができる。あるいは、たとえば、繊維（たとえば、カーボン繊維など）を適切に選択し、ならびに／またはそのような区間におけるすべての繊維を共配向し、ならびに／または繊維体積分率を大きくすることによって部品の区間に高い機械的強度を加えることなどにより、違いを機械的な違いにすることができる。
【0075】
プリフォーム外部アーキテクチャおよび内部構造の説明を想起し、繊維束ベースプリフォームが本教示による部品のビルディングブロックであることに鑑みて、部品の互いに隣接する区間を共線的または非共線的、共平面的または非共平面的とすることができ、互いに隣接する区間における繊維を共配向または非共配向し、一様にまたは非一様に分散させることができる。
【0076】
本明細書で開示された方法は、繊維束ベースプリフォームを使用することによって、部品の中実区間間および／または中実区間内の開体積を特徴とする部品を含む複雑な部品の製造に特に適している。図１１Ａ～図１１Ｅは、オープンフレームワーク部品（すなわち、開体積を有する部品）の非限定例を示す。
【0077】
図１１Ａは、開中央領域１１０２を有するフレーム１１００を示す。図１１Ｂは開体積１１１２を含むラティス１１１０を示す。図１１Ｃは、開体積１１２２を含むラティス１１２０を示す。図１１Ｄは、開体積１１３２を有するトラス１１３０を示す。図１１Ｅは、開体積１１４２を含むハニカム１１４０を示す。
【0078】
本開示がいくつかの実施形態について説明しており、当業者によって本開示を読んだ後本発明の多数の変形例を容易に考案することができ、本発明の範囲は以下の特許請求の範囲によって決定されることを理解されたい。
【符号の説明】
【0079】
１００ トウプレグ
１０２ プリフォーム
１０２Ａ プリフォーム
１０２Ｂ プリフォーム
２０４Ａ 第１の端部
２０４Ｂ 端部
２０６Ａ 第２の端部
２０６Ｂ 端部
２０８ 繊維
２１０ マトリックス
４０２ プリフォーム
４２０ 屈曲部
５０２ プリフォーム
５２０ 屈曲部
６０２ プリフォーム
７０２ プリフォーム
７３０ 積層要素
７３２ 外側方形要素
７３４ 内側方形要素
８０２ プリフォーム
８４０ セグメント
８４２ 屈曲部
８４４ セグメント
８４６ 屈曲部
８４８ セグメント
９５０ 雌型半部
９５２ 型キャビティ
９５４ プリフォーム
９５６ プリフォーム
９５８ レイアップ
９６０ プリフォーム
９６２ プリフォーム
９６４ プリフォーム
９６６ プリフォーム
９６８ プリフォーム
９７０ レイアップ
９７２ 部品
９７４ アーム
９７６ アーム
１０７８ 共配向繊維
１０８０ マトリックス材料
１０８１ 区間
１０８２Ａ、１０８２Ｂ、１０８２Ｃ、１０８２Ｄ、１０８２Ｅ 部分
１０８４ 区間
１０８６Ａ、１０８６Ｂ、１０８６Ｃ、１０８６Ｄ、１０８６Ｅ 部分
１０８８、１０９２ 区間
１０９０Ａ～１０９０Ｄ 部分
１０９２ 区間
１０９４Ａ、１０９４Ｂ 部分
１０９６ 区間
１０９８Ａ、１０９８Ｂ 部分
１１００ フレーム
１１０２ 開中央領域
１１１０ ラティス
１１１２ 開体積
１１２０ ラティス
１１２２ 開体積
１１３０ トラス
１１３２ 開体積
１１４０ ハニカム
１１４２ 開体積
１０２ プリフォーム
１０２Ａ プリフォーム
１０２Ｂ プリフォーム
２０４Ａ 第１の端部
２０４Ｂ 端部
２０６Ａ 第２の端部
２０６Ｂ 端部
２０８ 繊維
２１０ マトリックス
４０２ プリフォーム
４２０ 屈曲部
５０２ プリフォーム
５２０ 屈曲部
６０２ プリフォーム
７０２ プリフォーム
７３０ 積層要素
７３２ 外側方形要素
７３４ 内側方形要素
８０２ プリフォーム
８４０ セグメント
８４２ 屈曲部
８４４ セグメント
８４６ 屈曲部
８４８ セグメント
９５０ 雌型半部
９５２ 型キャビティ
９５４ プリフォーム
９５６ プリフォーム
９５８ レイアップ
９６０ プリフォーム
９６２ プリフォーム
９６４ プリフォーム
９６６ プリフォーム
９６８ プリフォーム
９７０ レイアップ
９７２ 部品
９７４ アーム
９７６ アーム
１０７８ 共配向繊維
１０８０ マトリックス材料
１０８１ 区間
１０８２Ａ、１０８２Ｂ、１０８２Ｃ、１０８２Ｄ、１０８２Ｅ 部分
１０８４ 区間
１０８６Ａ、１０８６Ｂ、１０８６Ｃ、１０８６Ｄ、１０８６Ｅ 部分
１０８８、１０９２ 区間
１０９０Ａ～１０９０Ｄ 部分
１０９２ 区間
１０９４Ａ、１０９４Ｂ 部分
１０９６ 区間
１０９８Ａ、１０９８Ｂ 部分
１１００ フレーム
１１０２ 開中央領域
１１１０ ラティス
１１１２ 開体積
１１２０ ラティス
１１２２ 開体積
１１３０ トラス
１１３２ 開体積
１１４０ ハニカム
１１４２ 開体積
【図1A】
【図1B】
【図2A】
【図2B】
【図3A】
【図3B】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9A】
【図9B】
【図9C】
【図10A】
【図10B】
【図10C】
【図10D】
【図10E】
【図11A】
【図11B】
【図11C】
【図11D】
【図11E】