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特表2022-542870連続繊維強化複合部品を製造するための製造方法及びシステム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-10-07
(54)【発明の名称】連続繊維強化複合部品を製造するための製造方法及びシステム
(51)【国際特許分類】
B29C 69/02 20060101AFI20220930BHJP
B64C 1/00 20060101ALI20220930BHJP
B29C 70/06 20060101ALI20220930BHJP
B29C 64/118 20170101ALI20220930BHJP
B29C 64/40 20170101ALI20220930BHJP
B29C 64/386 20170101ALI20220930BHJP
【ＦＩ】
B29C69/02
B64C1/00 B
B29C70/06
B29C64/118
B29C64/40
B29C64/386
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022504236
(86)(22)【出願日】2020-07-23
(85)【翻訳文提出日】2022-01-21
(86)【国際出願番号】 EP2020070815
(87)【国際公開番号】W WO2021013935
(87)【国際公開日】2021-01-28
(31)【優先権主張番号】19380014.1
(32)【優先日】2019-07-25
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】503195311
【氏名又は名称】エアバス・ディフェンス・アンド・スペース・ゲーエムベーハー
(71)【出願人】
【識別番号】517203822
【氏名又は名称】フンダシオ エウレカト
(74)【代理人】
【識別番号】100121382
【弁理士】
【氏名又は名称】山下 託嗣
(72)【発明者】
【氏名】メツナー，クリスティアン
(72)【発明者】
【氏名】マフオンツェ，ヴォルフガング
(72)【発明者】
【氏名】クレシエンティ，マルク
【テーマコード（参考）】
4F205
4F213
【Ｆターム（参考）】
4F205AC05
4F205AD16
4F205AG03
4F205HA14
4F205HA17
4F205HA35
4F205HB01
4F205HF24
4F205HT26
4F213AC05
4F213AD16
4F213AG03
4F213AH28
4F213AH31
4F213WA16
4F213WA25
4F213WA43
4F213WB01
4F213WL02
4F213WL24
4F213WL62
4F213WL85
4F213WL96
(57)【要約】
工具とプロセスのコストを低く抑えながら、完全に荷重に適合した３Ｄ繊維強化を備えた複合材料部品を実現するために、本発明は、連続繊維補強材（１４）を備えた複合材料（１２）で作られた部品（１０）を製造するための製造方法であって、下記ａ）～ｃ）のステップを含む方法を提供する：
ａ）第１のポリマー材料（２２）から作られた少なくとも１つの第１の部分と、第２のポリマー材料（２６）から作られた少なくとも１つの第２の部分（２４）とを有する、管状キャビティ（１８）付きのボディ（１６）を提供する。
ｂ）樹脂と連続繊維（２８）を管状キャビティ（１８）に導入する。
ｃ）第２のポリマー材料（２６）の少なくとも一部を除去する。
ａ）第１のポリマー材料（２２）から作られた少なくとも１つの第１の部分と、第２のポリマー材料（２６）から作られた少なくとも１つの第２の部分（２４）とを有する、管状キャビティ（１８）付きのボディ（１６）を提供する。
ｂ）樹脂と連続繊維（２８）を管状キャビティ（１８）に導入する。
ｃ）第２のポリマー材料（２６）の少なくとも一部を除去する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
連続繊維強化材（１４）を備えた複合材料（１２）で作られた部品（１０）を製造するための、下記ａ）～ｃ）のステップを含む製造方法。ａ） 管状キャビティ（１８）を有するボディ（１６）であって、第１のポリマー材料（２２）から作られた少なくとも１つの第１の部分と、第２のポリマー材料（２６）から作られた少なくとも１つの第２の部分（２４）とを有するものを提供する。
ｂ） 樹脂と連続繊維（２８）を管状キャビティ（１８）に導入する。
ｃ） 第２のポリマー材料（２６）を少なくとも部分的に除去する。
ここで、ステップａ）は下記ａ１）を含む。
ａ１） 溶媒に可溶な材料から第２のポリマー材料（２６）を選択し、溶媒に不溶のポリマー材料から第１のポリマー材料（２２）を選択する。
ここで、ステップｃ）は、下記ｃ１）を含む。
ｃ１） 第２のポリマー材料を溶媒に溶解する。
【請求項2】
ステップａ）は下記のステップａ２）～ａ１１）の少なくとも１つまたは複数のものを含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。ａ２） ボディ（１６）の付加層製造。
ａ３） 管状キャビティ（１８）の開放端（３２）を画する第１の部分（２０）を備えたボディ（１６）を設計する。
ａ４） 管状キャビティ（１８）の湾曲部を画する第１の部分（２０）を備えたボディ（１６）を設計する。
ａ５） 連続繊維補強材（１４）の接合領域（４０）を画する第１の部分（２０）を備えたボディ（１６）を設計する。
ａ６） 管状キャビティ（１８）の中間セクションを画する少なくとも１つの第２の部分（２４）を備えたボディ（１６）を設計する。
ａ７） 管状キャビティ（１８）の直線セクションを画する少なくとも１つの第２の部分（２４）を備えたボディ（１６）を設計する。
ａ８） より多くの量の第２の材料と、より少ない量の第１の材料とを備えたボディ（１６）を設計する。
ａ９） 複数の第１の部分（２０）が、互いに間隔を置いて配置され、少なくとも１つの第２の部分（２４）によって接続されているボディ（１６）を設計する。
ａ１０） 少なくとも１つの管状キャビティ（１８）が、順次、少なくとも１つの第１の部分（２０）と、少なくとも１つの第２の部分（２４）とを通り抜けるようにボディ（１６）を設計する。
ａ１１） 金属部材（４４）が、管状キャビティ（１８）の開放端（３０、３２）と整列する開口部（４６）を有するように、金属部材（４４）をボディ（１６）に追加および／または接続する。
【請求項3】
ステップｂ）は下記ステップｂ１）～ｂ９）の少なくとも１つまたは複数のものを含むことを特徴とする請求項１または２に記載の製造方法。ｂ１） 液体状態の樹脂と連続繊維束（３６）とを同時に導入する。
ｂ２） 前記少なくとも１つの管状キャビティ（１８）内に連続繊維束（３６）を導入する。この管状キャビティ（１８）は、連続繊維（２８）に、圧力差を加える加圧流体または樹脂によって粘性抗力を加える。
ｂ３） 前記少なくとも１つの管状キャビティ（１８）内に連続繊維束（３６）を導入する。この管状キャビティ（１８）は、連続繊維（２８）の束に機械的押し付け力を及ぼす。
ｂ４） 樹脂と連続繊維（２８）とを順次導入する。特に、最初に連続繊維（２８）を導入し、続いて液体状態の樹脂を導入する。
ｂ５） 強化繊維、特に炭素繊維および／または炭素繊維束（３６）を導入する。
ｂ６） 機能性繊維、特にガラス繊維および／またはセラミック繊維を導入する。
ｂ７） 少なくとも１つの、熱ゲージおよび／またはひずみゲージを形成するためのガラス繊維を導入する。
ｂ８） 少なくとも１つのアクチュエータを形成するためのセラミックファイバーを導入する。
ｂ９） 樹脂と連続繊維（２８）とを管状キャビティ（１８）に導入した後に、樹脂を硬化させる。
【請求項4】
ステップｃ）は下記ステップｃ２）～ｃ４）の少なくとも１つまたは複数のものを含むことを特徴とする請求項１～３のいずれかに記載の製造方法。ｃ２） 少なくとも第１の部分（２４）を除去する。
ｃ３） ボディ（１６）から第２の材料（２６）をすべて除去する。
ｃ４） 第１の部分（２０）が互いに離れるように、第１の部分（２０）の少なくとも２つを接続しているボディの１つまたは複数の接続セクションを除去する。
【請求項5】
請求項１～４のいずれかに記載の製造方法によって取得可能な複合材料部品。
【請求項6】
補強繊維トラス構造として形成された、請求項５に記載の複合材料部品。
【請求項7】
複合材料（１２）と連続繊維強化材（１４）で作られた部品（１０）を製造するための製造システムであって、第１の材料からの少なくとも第１の部分（２０）、及び、第２の材料からの第２の部分（２４）を有し、ここで、第２の材料は溶媒に可溶で、第１の材料は前記溶媒に不溶であり、第１および第２の部分（２０、２４）を通過する少なくとも１つの管状キャビティ（１８）を有するボディを付加製造するための付加製造デバイスと、
樹脂及び連続繊維（２８）を少なくとも１つの管状キャビティ（１８）に導入するための樹脂及び繊維の導入デバイスと、
第２の材料を前記溶媒に溶解するための溶解デバイスとを備える製造システム。
【請求項8】
請求項１から４のいずれかに記載の方法によって得られた部品、および／または、請求項７に記載の製造システムおよび／または複合材料を使用して得られた部品、および／または、請求項５または６に記載の複合材料部品を含む、輸送機または輸送船、特に有人または無人の航空機または宇宙船。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、連続繊維強化材を備えた複合材料で作られた部品を製造するための製造方法に関する。さらに、本発明は、連続繊維強化材を備えた複合材料で作られた部品を製造するための製造システムに関する。
【背景技術】
【0002】
３Ｄ強化複合構造は、都市型航空交通の機体(urban air vehicles)、衛星、ＨＡＰＳ(High Altitude Pseudo Satellite)、ＮＧＷＳ(Next Generation Weapon System)／ＦＣＡＳ(Future Combat Air System)、ドローンまたは他の輸送体(carrier)といった機体・船体(vehicles)および航空機における将来のすべての構造的用途にますます関連するようになっている。特に、荷重に適応した３Ｄ強化複合構造は、荷重がかかる軽量構造の一般的な実現手段である。
【0003】
３Ｄ強化複合構造を実現するための１つの可能な形態は、特に小規模生産に使用可能な、強化複合部品をまるごと複合３Ｄ印刷(composite 3D printing；複合３Ｄプリント)することである。より大規模な量産のためには、熱曲げおよびオーバーモールドによる製造が、製造ツールへのより大きな投資を行うことで使用できる。
【0004】
EP3 231 592 A1は、ボディおよびその内部に１つまたは複数の連続繊維束を有する複合材料から作製された部品を製造するための方法であって、下記のステップを含むことを特徴とするものに関する。
ａ）１つまたは複数の管状キャビティ（空洞）を内部に含むボディを得る。この管状キャビティは、ボディの外面に配置されて入口オリフィスを含む第１の端部と、第１の端部の反対側にある第２の端部との間に延びる。
ｂ）液体状態の樹脂と連続繊維束を、少なくとも１つの管状キャビティの内部へと、その入口オリフィスから導入する。
ｃ）樹脂が固化してボディに接着するまで硬化させて、連続繊維束を固定する。
EP 3 231 592 A1は、複合材料で作られた部品を製造するためのシステムと、得られた複合材料で作られた部品にも関連している。
ａ）１つまたは複数の管状キャビティ（空洞）を内部に含むボディを得る。この管状キャビティは、ボディの外面に配置されて入口オリフィスを含む第１の端部と、第１の端部の反対側にある第２の端部との間に延びる。
ｂ）液体状態の樹脂と連続繊維束を、少なくとも１つの管状キャビティの内部へと、その入口オリフィスから導入する。
ｃ）樹脂が固化してボディに接着するまで硬化させて、連続繊維束を固定する。
EP 3 231 592 A1は、複合材料で作られた部品を製造するためのシステムと、得られた複合材料で作られた部品にも関連している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的は、より低い製造ツールコストおよび製造工程コストでもって、より軽量の荷重に適合した３Ｄ強化複合材料部品を製造することを可能にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
この目的を達成するために、本発明は、独立請求項にしたがう製造方法、製造システム、およびそれによって得られる複合材料部品を提供する。有利な実施形態は、従属請求項の主題をなす。
【0007】
一態様によれば、本発明は、連続繊維強化を備えた複合材料で作られた部品を製造するための製造方法であって、下記のステップを含むものを提供する。
ａ） 管状キャビティを有するボディであって、第１のポリマー材料から作られた少なくとも１つの第１の部分と、第２のポリマー材料から作られた少なくとも１つの第２の部分とを有するものを提供する。
ｂ） 樹脂と連続繊維を管状キャビティに導入する。
ｃ） 第２のポリマー材料を少なくとも部分的に除去する。
ａ） 管状キャビティを有するボディであって、第１のポリマー材料から作られた少なくとも１つの第１の部分と、第２のポリマー材料から作られた少なくとも１つの第２の部分とを有するものを提供する。
ｂ） 樹脂と連続繊維を管状キャビティに導入する。
ｃ） 第２のポリマー材料を少なくとも部分的に除去する。
【0008】
ステップａ）は下記ａ１）を含む。
ａ１） 溶媒に可溶な材料から第２のポリマー材料を選択し、前記溶媒に不溶性のポリマー材料から第１のポリマー材料を選択する。
ａ１） 溶媒に可溶な材料から第２のポリマー材料を選択し、前記溶媒に不溶性のポリマー材料から第１のポリマー材料を選択する。
【0009】
ステップｃ）は下記を含む。
ｃ１） 第２の材料を溶媒に溶解する。
ｃ１） 第２の材料を溶媒に溶解する。
【0010】
好ましくは、ステップｃ）は、下記を含む。
ｃ２） 少なくとも第２の部分を除去する。
ｃ２） 少なくとも第２の部分を除去する。
【0011】
好ましくは、ステップｃ）は、下記を含む。
ｃ３） ボディから第２の材料をすべて除去する。
ｃ３） ボディから第２の材料をすべて除去する。
【0012】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ２） ボディの付加層の製造。
ａ２） ボディの付加層の製造。
【0013】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ３） キャビティの開口部を画する（取り囲んで範囲・輪郭を決める）第１の部分を備えたボディを設計する。
ａ３） キャビティの開口部を画する（取り囲んで範囲・輪郭を決める）第１の部分を備えたボディを設計する。
【0014】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ４） キャビティの湾曲部（曲率を有する部分）を画する第１の部分を備えたボディを設計する。
ａ４） キャビティの湾曲部（曲率を有する部分）を画する第１の部分を備えたボディを設計する。
【0015】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ５） 連続繊維補強材の接合領域を画する第１の部分を備えたボディを設計する。
ａ５） 連続繊維補強材の接合領域を画する第１の部分を備えたボディを設計する。
【0016】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ６） 管状キャビティの中間セクションを画する少なくとも１つの第２の部分を備えたボディを設計する。
ａ６） 管状キャビティの中間セクションを画する少なくとも１つの第２の部分を備えたボディを設計する。
【0017】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ７） 管状キャビティの直線セクションを画する少なくとも１つの第２の部分を備えたボディを設計する。
ａ７） 管状キャビティの直線セクションを画する少なくとも１つの第２の部分を備えたボディを設計する。
【0018】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ８） 第２材料の量が多く、第１材料の量が少ないボディを設計する。
ａ８） 第２材料の量が多く、第１材料の量が少ないボディを設計する。
【0019】
好ましくは、ボディの少なくとも６０重量％、特に７０重量％～９５重量％は、第２の材料から作られる。
【0020】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ９） いくつかの第１の部分が互いに間隔を置いて配置され、少なくとも１つの第２の部分によって接続されているボディを設計する。
ａ９） いくつかの第１の部分が互いに間隔を置いて配置され、少なくとも１つの第２の部分によって接続されているボディを設計する。
【0021】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ１０） 少なくとも１つの管状キャビティが、順次、少なくとも１つの第１の部分と、少なくとも１つの第２の部分とを通り抜けるようにボディを設計する。
ａ１０） 少なくとも１つの管状キャビティが、順次、少なくとも１つの第１の部分と、少なくとも１つの第２の部分とを通り抜けるようにボディを設計する。
【0022】
好ましくは、ステップａ）は、下記を含む。
ａ１１） 金属部材が管状キャビティの開放端と整列する開口部を有するように、金属部材をボディに追加および／または接続する。
ａ１１） 金属部材が管状キャビティの開放端と整列する開口部を有するように、金属部材をボディに追加および／または接続する。
【0023】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ１） 液体状態の樹脂と連続繊維束とを同時に導入する。
ｂ１） 液体状態の樹脂と連続繊維束とを同時に導入する。
【0024】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ２） 前記少なくとも１つの管状キャビティ内に連続繊維束を導入する。管状キャビティは、圧力差を加える、加圧流体または樹脂によって連続繊維に粘性抗力を及ぼす。
ｂ２） 前記少なくとも１つの管状キャビティ内に連続繊維束を導入する。管状キャビティは、圧力差を加える、加圧流体または樹脂によって連続繊維に粘性抗力を及ぼす。
【0025】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ３） 連続繊維の束に機械的押し付け力を及ぼす前記少なくとも１つの管状キャビティ内に連続繊維束を導入する。
ｂ３） 連続繊維の束に機械的押し付け力を及ぼす前記少なくとも１つの管状キャビティ内に連続繊維束を導入する。
【0026】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ４） 樹脂と連続繊維とを順次導入する。特には、最初に連続繊維を導入し、続いて液体状態の樹脂を導入する。
ｂ４） 樹脂と連続繊維とを順次導入する。特には、最初に連続繊維を導入し、続いて液体状態の樹脂を導入する。
【0027】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ５） 強化繊維、特に炭素繊維および／または炭素繊維束を導入する。
ｂ５） 強化繊維、特に炭素繊維および／または炭素繊維束を導入する。
【0028】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ６） 機能性繊維を導入する。特には、ガラス繊維および／またはセラミック繊維を導入する。
ｂ６） 機能性繊維を導入する。特には、ガラス繊維および／またはセラミック繊維を導入する。
【0029】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ７） 少なくとも１つの熱ゲージおよび／またはひずみゲージを形成するためのガラス繊維を導入する。
ｂ７） 少なくとも１つの熱ゲージおよび／またはひずみゲージを形成するためのガラス繊維を導入する。
【0030】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ８） 少なくとも１つのアクチュエータを形成するためのセラミックファイバーを導入する。特には、圧電特性を有する繊維構造を形成するためのセラミック束を導入することにより、１つまたは複数の圧電アクチュエータを繊維構造内に形成することができる。
ｂ８） 少なくとも１つのアクチュエータを形成するためのセラミックファイバーを導入する。特には、圧電特性を有する繊維構造を形成するためのセラミック束を導入することにより、１つまたは複数の圧電アクチュエータを繊維構造内に形成することができる。
【0031】
好ましくは、ステップｂ）は、下記を含む。
ｂ９）樹脂と連続繊維を管状キャビティに導入した後、樹脂を硬化させる。
ｂ９）樹脂と連続繊維を管状キャビティに導入した後、樹脂を硬化させる。
【0032】
さらなる態様によれば、本発明は、先行する実施形態のいずれかによる製造方法によって得られる複合材料部品を提供する。
【0033】
好ましくは、複合材料部分は、補強繊維トラス構造として形成される。
【0034】
別の態様によれば、本発明は、連続繊維強化を備えた複合材料で作られた部品を製造するための製造システムであって、
溶媒に不溶性である第１の材料からの少なくとも第１の部分、及び、溶媒に可溶である第２の材料からの第２の部分を有し、少なくとも１つの管状キャビティが第１及び第２の部分を通り抜けるボディを付加製造するための付加製造デバイスと、
樹脂と連続繊維とを少なくとも１つの管状キャビティに導入するための樹脂および繊維導入デバイスと、
第２の材料を溶媒に溶解するための溶解デバイスと、を備えるものを提供する。
溶媒に不溶性である第１の材料からの少なくとも第１の部分、及び、溶媒に可溶である第２の材料からの第２の部分を有し、少なくとも１つの管状キャビティが第１及び第２の部分を通り抜けるボディを付加製造するための付加製造デバイスと、
樹脂と連続繊維とを少なくとも１つの管状キャビティに導入するための樹脂および繊維導入デバイスと、
第２の材料を溶媒に溶解するための溶解デバイスと、を備えるものを提供する。
【0035】
別の態様によれば、本発明は、前述の実施形態のいずれかによる方法によって得られた、及び／または、本発明のさらなる態様の製造システムおよび／または上記の複合材料部品を用いて得られた部品を含む、輸送機(transport carriers)または輸送船・乗物(vehicles)、特には有人または無人の航空機または人工衛星を提供する。
【0036】
本発明は、材料科学の分野、特に３Ｄ強化複合構造の製造に関する。本発明の実施形態によって得られるそのような構造の好ましい使用は、輸送機(transport carriers)および輸送船(vehicles)および航空機、例えば都市型航空交通の機体(urban air vehicles)、人人工衛星、ＨＡＰＳ(High Altitude Pseudo Satellite)、ＮＧＷＳ(Next Generation Weapon System)／ＦＣＡＳ(Future Combat Air System)、ドローンにおける構造的用途である。より一般的には、本発明によって取得可能な部品は、搭載される軽量構造のベースとして使用される。
【0037】
本発明の実施形態は、特に、引用により本明細書に組み込まれるEP3 231 592 A1に開示および記載されているような連続繊維注入プロセスを使用する。本発明の実施形態は、軽量部品の欠落した構造単位であって従来は製造可能でなかったフル３Ｄの（完全に３次元的な）繊維強化材を提供する。
【0038】
本発明の実施形態は、３Ｄ印刷された可溶性製造ツールによってフル３Ｄの繊維強化ポリマー複合材料を製造するための方法に関する。
【0039】
連続繊維注入プロセスは、３Ｄ負荷に適合した強化複合部品を、製造ツールへの少ない投資でもって低い製造コストで製造できるという利点を有する。繊維がポリマーボディの管状キャビティに高圧で注入されるため、ボディには、これらの圧力に耐えることができるポリマー構造が必要である。本発明により、そのような連続繊維注入プロセスによって得られる部品の重量を減らすことが可能である。
【0040】
本発明の好ましい実施形態は、下記の利点の少なくとも１つ、いくつか、またはすべてを有する：
・クリープ、温度／媒体、疲労などに対する最高の耐性を含む高性能ポリマーと比較して、最大約５０倍高い比強度／弾性率の炭素繊維ＵＤ（一方向）補強材を提供することが可能である。
・構造物の荷重はフル３Ｄに配向される（フル３Ｄ繊維配向機能を備えた技術が必要である）。
・耐荷重補強材のほかに、機能性繊維を組み込んで統合することができる（熱／ひずみゲージとしてのガラス繊維、アクチュエータとしてのセラミック繊維など）。
・本発明の好ましい実施形態は、低いポリマー比（ポリマーの割合：質量基準）を有するが、実現可能な最小の製造ツールおよび加工コストを伴う理想的なフル３Ｄ配向強化繊維を有する複合構造を提供する。
・本製造方法は、ポリマー比が低いか、または中程度であるシリーズにとって理想的である。
・クリープ、温度／媒体、疲労などに対する最高の耐性を含む高性能ポリマーと比較して、最大約５０倍高い比強度／弾性率の炭素繊維ＵＤ（一方向）補強材を提供することが可能である。
・構造物の荷重はフル３Ｄに配向される（フル３Ｄ繊維配向機能を備えた技術が必要である）。
・耐荷重補強材のほかに、機能性繊維を組み込んで統合することができる（熱／ひずみゲージとしてのガラス繊維、アクチュエータとしてのセラミック繊維など）。
・本発明の好ましい実施形態は、低いポリマー比（ポリマーの割合：質量基準）を有するが、実現可能な最小の製造ツールおよび加工コストを伴う理想的なフル３Ｄ配向強化繊維を有する複合構造を提供する。
・本製造方法は、ポリマー比が低いか、または中程度であるシリーズにとって理想的である。
【0041】
製造システムの好ましい実施形態は、特には、フル３Ｄ複合構造を製造するための技術的手段を含む。
【0042】
好ましい実施形態によれば、繊維強化材、ポリマー部品材料、及び、可溶性補助／支持材料の幾何学的設計・構成が提供される。
【0043】
幾何学的設計・構成は、例えば、スライサーソフトウェアを介して、プロセスパス（Ｇコード）に転送される。
【0044】
第１の材料は、特にはポリマー部品材料（例えばＰＥＥＫ）である。第２の材料は、特には、溶解可能なサポート材料（例えば3dGence ESM-10）である。
【0045】
好ましくは、液体樹脂および強化／機能性繊維が提供される。
【0046】
好ましくは、少なくとも１つの部分のポリマー材料および１つの可溶性材料を処理することができるＡＬＭ（Additive Layer Manufacturing；付加層製造、積層造形）マシンが使用される。このようなＡＬＭの例としては、ＦＬＭ（Filament Layer Manufacturing(Fused filament fabrication; FFF)；溶融フィラメント製造）プリンター（市販）、改良型ＨＳＳマシン（HSS＝High Speed Sintering；高速焼結、たとえば、適合インクによるIR活性化を伴うバインダー噴射）、または、マルチ材料リコータを備えた適合SLS（SLS＝Selective Laser Sintering；選択的レーザー焼結、特に２種類の材料で実現可能、例としてはAerosint社から入手可能なAerosintリコータ）マシンがある。
【0047】
製造システムの実施形態は、繊維差込機（Fibre injection machine; ＣＦＩＰ）を含み、結局は、熱硬化性樹脂の場合に、オーブンをさらに含む。ＣＦＩＰマシンの例は、引用により本明細書に組み込まれるEP3 231 592 A1に示され、説明されている。
【0048】
製造システムの実施形態は、支持材料を溶解するための溶媒をさらに提供する。
【0049】
製造方法の好ましい実施形態は、下記のステップを含む：
１）繊維強化材、ポリマー部品材料（第１の材料の例）、および、周囲の補助／支持材料（第２の材料の例）を幾何学的に設計・構成する。
２）従来のスライサーソフトウェア（例えば、Simpli-fy3d、Cura、Slic3r、…）を用いてプロセスパスを生成する。
３）オープンキャビティとして、特には管状キャビティとして、一体に組み込まれた繊維経路を備える、第１および第２の材料を１つのステップで印刷する。
４）必要ならば、サブトラクティブプロセス（溶剤、サンドブラスト加工、ドリリングなど）でもって表面洗浄を行う。
５）CFIPのプロセスおよびデバイスに従って、乾燥繊維及び液体樹脂を注入する。例えば、EP 3 231 592A1に記載され示されているとおりに注入する。
６）必要ならば、オーブン中にて、繊維強化材中の熱硬化性樹脂を硬化させる。
７）サブトラクティブ技術および／または溶媒（酸、水など）でもって第２の材料を溶解させる。
８）必要ならば、ファイバーの端を切断する、および／または、サンドブラスト加工、フライス盤、研削、溶剤などで表面を洗浄する、といった仕上げプロセスを行う。
１）繊維強化材、ポリマー部品材料（第１の材料の例）、および、周囲の補助／支持材料（第２の材料の例）を幾何学的に設計・構成する。
２）従来のスライサーソフトウェア（例えば、Simpli-fy3d、Cura、Slic3r、…）を用いてプロセスパスを生成する。
３）オープンキャビティとして、特には管状キャビティとして、一体に組み込まれた繊維経路を備える、第１および第２の材料を１つのステップで印刷する。
４）必要ならば、サブトラクティブプロセス（溶剤、サンドブラスト加工、ドリリングなど）でもって表面洗浄を行う。
５）CFIPのプロセスおよびデバイスに従って、乾燥繊維及び液体樹脂を注入する。例えば、EP 3 231 592A1に記載され示されているとおりに注入する。
６）必要ならば、オーブン中にて、繊維強化材中の熱硬化性樹脂を硬化させる。
７）サブトラクティブ技術および／または溶媒（酸、水など）でもって第２の材料を溶解させる。
８）必要ならば、ファイバーの端を切断する、および／または、サンドブラスト加工、フライス盤、研削、溶剤などで表面を洗浄する、といった仕上げプロセスを行う。
【0050】
好ましい実施形態によれば、局所ポリマーと、荷重配向された「裸」（むき出し）の繊維強化材とを備えたフル３Ｄ強化部品が実現される。
【0051】
本発明の好ましい実施形態は、添付の図面を参照して、より詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【0052】
【図1】連続繊維強化材を使用した複合材料で作られた部品を製造するための方法のフローチャート。
【発明を実施するための形態】
【0053】
図１は、連続繊維強化材１４を備えた複合材料１２からなる部品１０を製造するための製造方法のフローチャートである。このような方法によって得られた、または得られうる、そのような部品１０の例は、図１１～１３に示されている。
【0054】
この方法は、第１のステップＳ１を含む。
Ｓ１ ボディ１６（図２～４を参照）を提供する。ボディ１６は、管状キャビティ１８と、第１のポリマー材料２２から作られた少なくとも１つの第１の部分２０、及び、第２のポリマー材料２６から作られた少なくとも１つの第２の部分２４とを備えるものである。
Ｓ１ ボディ１６（図２～４を参照）を提供する。ボディ１６は、管状キャビティ１８と、第１のポリマー材料２２から作られた少なくとも１つの第１の部分２０、及び、第２のポリマー材料２６から作られた少なくとも１つの第２の部分２４とを備えるものである。
【0055】
【0056】
さらに、図１の製造方法は、第３のステップＳ３を含む。
Ｓ３ 少なくとも１つの第２の部分２４を除去する。
Ｓ３ 少なくとも１つの第２の部分２４を除去する。
【0057】
好ましい実施形態にて、第１のステップＳ１は、内部に管状キャビティ１８を含む１つまたはいくつかのツール部品を製造することを含む。好ましくは、第２のポリマー材料２６は、特定の溶媒に可溶である可溶性ポリマーであり、一方、第１のポリマー材料２２は、特定の溶媒に可溶ではない不溶性ポリマーである。最も好ましくは、ボディ１６は、不溶性および可溶性ポリマー２２、２６を用いた付加層製造（積層造形）によって作製される。
【0058】
ボディ１６の製造のために、ステップＳ１は、第１のサブステップＳ１ａを含む：
Ｓ１ａ 繊維強化材１４の幾何学的設計を行う。すなわち、製造される部品に存在することとなる第1のポリマー材料２２と、専ら、部品１０の製造のための周囲の補助材料または支持材料として使用されてステップＳ３で除去される第２のポリマー材料２６の幾何学的設計とについての幾何学的設計を行う。
Ｓ１ａ 繊維強化材１４の幾何学的設計を行う。すなわち、製造される部品に存在することとなる第1のポリマー材料２２と、専ら、部品１０の製造のための周囲の補助材料または支持材料として使用されてステップＳ３で除去される第２のポリマー材料２６の幾何学的設計とについての幾何学的設計を行う。
【0059】
例えば、設計は、ＣＡＤソフトウェアでもって行われる。
【0060】
第１のサブステップＳ１ａにて、ボディ１６は、好ましくは、次のように設計される。すなわち、各管状キャビティ１８が、第１の開放端３０から第２の開放端３２まで、ボディ１６を貫くように設計される。
【0061】
好ましい実施形態において、第１の部分２０は、次のように設計される。すなわち、繊維束３６の形態で第２のステップＳ２にて注入される連続繊維２８が、湾曲（曲率）を形成する領域、および／または、部品１０の接合領域４０に、第１の部分２０が存在するように設計される。接合領域４０にて、異なる繊維束３６が互いに近接している。示されている実施形態において、部品１０は、連続繊維束３６によって形成されたトラスストラットと、接合領域によって形成されたトラスノードとを備えた複合トラス構造４２である。
【0062】
少なくとも１つの第２の部分２４は、ボディ１６の他のすべての領域に存在する。特に、少なくとも１つの第２の部分２４は、その中間セクションおよび／またはその直線セクションにて管状キャビティ１８の壁を形成する。
【0063】
最も好ましくは、管状キャビティ１８は、続いて、第１の部分２０および第２の部分２４を通過する。好ましい実施形態において、管状キャビティ１８の第１および第２の開放端３０、３２の少なくとも１つは、第１の部分２０によって形成される。
【0064】
図１に戻ると、製造方法の第１のステップＳ１は、さらに第２のサブステップＳ１ｂを含む。
Ｓ１ｂ 付加層製造機（ＡＬＭマシン-図示せず）を使用して、ボディ１６を製造する。
Ｓ１ｂ 付加層製造機（ＡＬＭマシン-図示せず）を使用して、ボディ１６を製造する。
【0065】
特に、第２のサブステップＳ１ｂは、Simplify3d Cura、Slic3r、・・といった従来のスライサーソフトウェアを用いたプロセスパス(process path)の生成を含む。特に、第１のサブステップＳ１ａによって得られた設計は、付加層製造機（ＡＬＭマシン）で読み取りおよび処理ができる、機械読み取り可能な形に変換される。
【0066】
ＡＬＭマシンとして、第１および第２のポリマー材料２２、２６を加工することができる任意のＡＬＭマシン（３Ｄプリンターとも呼ばれる）を使用することができる。第１および第２のポリマー材料２２、２６は、必要に応じて選択することができる。好ましい実施形態において、これらの材料２２、２６は、第１のポリマー材料２２が溶媒に溶解せず、第２の材料２６が溶媒に溶解するように選択される。例えば、第２のポリマー材料２６は、印刷中に３Ｄ構造を支持するための可溶性補助材料として、市場で入手可能であって、後で除去することができる材料である。一例は3dGenceESM-10である。第１のポリマー材料２２は、印刷することができ、第２のポリマー材料２６を除去するために使用される溶媒に溶解しないポリマー材料である。一例は、ＰＥＥＫである。さらなる例としては、ＰＥ、ＰＰ、ＡＢＳ、ＰＥＴＧ、…がある。
【0067】
ＡＬＭマシンの例は、ＦＬＭ(Fused Layer Manufacturing)プリンター（市場で入手可能）、ＨＳマシンまたはＳＬＳ(Selective Laser Sintering)マシンである。
【0068】
第２のサブステップＳ１ｂの結果の一例を、図２から４に示す。この例に示すボディ１６は、第１の開放端３０および第２の開放端３２を有する管状キャビティ１８と、これら開放端３０、３２の間の複雑な経路とを有する。ここで、第１のポリマー材料２２で作られた第１の部分２０は、第２の開放端３２、接合点または接合領域４０、および／または、管状キャビティ１８の湾曲セクションを形成するために存在する。示されていない実施形態では、追加の第１の部分２０も、第１の開放端３０を形成することができる。図２から４に示す実施形態において、第１の開放端３０は、第２の部分２４内に備えられる。すなわち、互いに離間して配置された数個の第１の部分２０を取り囲んで接続する第２の部分２４内に備えられる。
【0069】
ボディの設計の１つの目的は、強化繊維に対するポリマーの比率が非常に低い部品を実現することである。したがって、第３のステップで除去される、補助材料としてのみ使用される第２の材料２６は、好ましくは、ボディ１６内の主要な（優勢な）材料である。例えば、ボディの重量あたりに、６０重量％から、特には７０重量％から、９５重量％が第２の材料２６から作られ、残りだけが第１の材料から作られる。したがって、部品１０は、ボディ１６のポリマー材料の５～４０％のみを含むであろう。
【0070】
ボディ１６は、図１１～１３に示される部品１０を製造するためのツールとして使用される。第２の部分２４は、連続繊維２８を注入するための管状キャビティ１８をなす型枠として機能する。
【0071】
示される実施形態では、第３の材料を、例えば金属材料を、さらに加えることが可能である。金属部材４４の例を図５および６に示す。金属部材４４は、一方の側で、ボディ１６の一端に相補的であり、特に第２の部分２４の一端に相補的である形態を有する。金属部材４４は、第１の開放端３０と整列されうる開口部を有する。金属部材４４は、管状キャビティ１８の第１の開放端３０を有する、ボディ１６の端部に取り付けることができる。
【0072】
一例によれば、金属部材４４は、次のような開口４６を画する突出部分４８を有する。すなわち、この開口４６は、管状キャビティ１８の第１の開放端３０を画している、第２の部分２４の凹部５０と噛み合わされうる。
【0073】
したがって、図１に戻って参照すると、第１のステップＳ１は、任意選択で、追加のサブステップを有することができる。
Ｓ１ｃ 金属部材４４を製造する、および
Ｓ１ｄ ボディ１６と金属部材４４とを、事前に相互に組み付ける。
Ｓ１ｃ 金属部材４４を製造する、および
Ｓ１ｄ ボディ１６と金属部材４４とを、事前に相互に組み付ける。
【0074】
第３のサブステップＳ１ｃにおいて、金属部材１６は、例えば、機械加工または他の製造技術によって製造されうる。
【0075】
第４のサブステップＳ１ｄの１つの好ましい実施形態において、事前の組み付けは、一致する管状キャビティ１８との間で行われる。すなわち、開口部４６は、管状キャビティ１８の第１の開放端部３０と整列している。組み立ては、異なる技術によって行うことができる。例えば、金属部材４４とボディ１６とは、突出部分４８と凹部５０との間の積極的な噛み合わせによって互いに取り付けることができる。製造工具５２の異なる部分同士、例えば、ボディ１６と金属部材４４とは、例えば接着または接合によって、互いに接続されるのでもありうる。
【0076】
好ましくは、製造ツール５２は、図７～８に示されるように、ボディ１６と、金属部材４４といった、さらなる部材との取り合わせによって形成される。
【0077】
第１のステップＳ１における第４のサブステップＳ１ｄの後、第２のステップＳ２が実施される。第２のステップＳ２では、これが、連続繊維注入プロセス（ＣＦＩＰ）が、例えば、これについてEP3 231 592 A1に記載されているように実施される。好ましくは、繊維束３６は、液体樹脂と一緒に管状キャビティ１８に注入される。このプロセスは、EP 3231 592 A1から一般に知られており、本明細書でさらに説明されない。特に、炭素繊維は熱硬化性樹脂とともに注入される。次に、繊維束３６は、管状キャビティ１８の経路によって形成される。すなわち、繊維束３６は、管状キャビティ１８の複雑な経路の形態をとる。次に、繊維束３６と一緒に注入される樹脂は、繊維束３６の形態が樹脂によって固定されるように硬化される。
【0078】
したがって、製造ツール５２は、繊維強化構造を形成するための型枠として使用される。
【0079】
複合トラス構造４２内の荷重が、必要に応じて配向されるように、型枠・形状を選択することができる。
【0080】
好ましい実施形態によれば、耐荷重補強は、炭素繊維束を組み込みうることでの炭素繊維の使用による耐荷重補強するだけでなく、機能性繊維も組み込むことができる。したがって、管状キャビティ１８の少なくとも１つに、熱ゲージおよび／またはひずみゲージを形成するために使用できるガラス繊維、または、アクチュエータを形成するために使用できるセラミック繊維などの機能性繊維が導入される。
【0081】
第２のステップＳ２は、樹脂の硬化をも含みうる。硬化を実現するために、導入された繊維束３６並びに樹脂を備えた製造ツール５２を、熱硬化性樹脂を硬化させるためのオーブン（図示せず）に入れることができる。第２のステップＳ２の後、図９および１０に示される構造が得られる。
【0082】
図９および１０は、導入された繊維束３６を含む製造ツール５２を示す。次に、この製造ツール５２は、第２のポリマー材料２６を、溶解することによって除去するために、溶媒を備えた浴（図示せず）に入れられる。このような浴は、第２の材料２６を溶解するための溶解装置の例である。
【0083】
したがって、特定の溶媒を使用する、第２のポリマー材料２６の溶解は、第３のステップＳ３の１つの好ましい実施形態である。第３のステップＳ３は、サブトラクティブ技術などの、第２の材料を除去するための他の技術をも含み得る。特に、第２のポリマー材料２６は、半導体部品の製造で知られているような犠牲材料と同様に取り扱われうる。
【0084】
第２の材料２６を除去した後、図１１～１３に示すように、部品１０が実現される。この特定の実施形態において、部品１０は、第１のポリマー材料２２が接合領域４０および／または湾曲（曲率）領域を形成する複合トラス構造４２として形成される。ここで、繊維束３６が、樹脂によって固定され、トラス支柱として機能する。
【0085】
図１１～１３から分かるように、金属部材４４は、複合トラス構造４２を他の構成要素に固定するための固定手段として使用することができる。
【0086】
特に、図１の製造方法で実現された部品１０は、航空機または宇宙船の軽量構造部品に、例えば有人または無人の、航空機または衛星またはその他の機体・船体の軽量構造部品に使用することができる。
【0087】
工具およびプロセスのコストが低く、フルに荷重に適合した３Ｄ繊維強化材を備えた複合材料部品（１０）を実現するために、本発明は、連続繊維強化材（１４）を用いて、複合材料（１２）からなる部品（１０）を製造するための製造方法であって、下記のステップを含むものを提供する。
ａ）管状キャビティ（１８）を有するボディ（１６）であって、第１のポリマー材料（２２）から作られた少なくとも１つの第１の部分（２０）と、第２のポリマー材料（２６）から作られた少なくとも１つの第２の部分（２４）とを有するものを提供する。
ｂ）樹脂と連続繊維（２８）を管状キャビティ（１８）に導入する。
ｃ）第２のポリマー材料（２６）の少なくとも一部を除去する。
ａ）管状キャビティ（１８）を有するボディ（１６）であって、第１のポリマー材料（２２）から作られた少なくとも１つの第１の部分（２０）と、第２のポリマー材料（２６）から作られた少なくとも１つの第２の部分（２４）とを有するものを提供する。
ｂ）樹脂と連続繊維（２８）を管状キャビティ（１８）に導入する。
ｃ）第２のポリマー材料（２６）の少なくとも一部を除去する。
【符号の説明】
【0088】
１０ 部品
１２ 複合材料
１４ 連続繊維強化
１６ ボディ
１８ 管状キャビティ
２０ 第１の部分
２２ 第１のポリマー材料
２４ 第２の部分
２６ 第２のポリマー材料
２８ 連続繊維
３０ 第１の開口端
３２ 第２の開口端
３６ 繊維束
４０ 接合領域
４２ 複合トラス構造
４４ 金属部材
４６ 開口
４８ 突出部分
５０ 凹部
５２ 製造ツール（例：ボディ１６および金属部材４４）
Ｓ１ 第１及び第２の材料からそれぞれ作られた、第１及び第２の部分を有するボディを提供する。
Ｓ１ａ 繊維強化材と第１及び第２の部分とについての幾何学的設計を行う。
Ｓ１ｂ 付加製造による積層(additive layer manufacturing)を用いてボディを製造する。
Ｓ１ｃ 金属部材を製造する。
Ｓ１ｄ ボディの異なる部分同士、またはボディと別の部材とを相互に事前に組みける。
Ｓ２ 樹脂及び連続繊維をボディの管状キャビティに導入する。
Ｓ３ 少なくとも第２の部分を除去する。
１２ 複合材料
１４ 連続繊維強化
１６ ボディ
１８ 管状キャビティ
２０ 第１の部分
２２ 第１のポリマー材料
２４ 第２の部分
２６ 第２のポリマー材料
２８ 連続繊維
３０ 第１の開口端
３２ 第２の開口端
３６ 繊維束
４０ 接合領域
４２ 複合トラス構造
４４ 金属部材
４６ 開口
４８ 突出部分
５０ 凹部
５２ 製造ツール（例：ボディ１６および金属部材４４）
Ｓ１ 第１及び第２の材料からそれぞれ作られた、第１及び第２の部分を有するボディを提供する。
Ｓ１ａ 繊維強化材と第１及び第２の部分とについての幾何学的設計を行う。
Ｓ１ｂ 付加製造による積層(additive layer manufacturing)を用いてボディを製造する。
Ｓ１ｃ 金属部材を製造する。
Ｓ１ｄ ボディの異なる部分同士、またはボディと別の部材とを相互に事前に組みける。
Ｓ２ 樹脂及び連続繊維をボディの管状キャビティに導入する。
Ｓ３ 少なくとも第２の部分を除去する。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】