JP5840779B2 - 巻層を有する繊維複合材料からなる部材 - Google Patents

Description

本発明は、少なくとも３つの、重なり合って配置されている、繊維材料からなる巻層有する繊維複合材料からなる部材、例えば金属の融解のための坩堝、およびそのような部材の製造方法に関する。

繊維複合材料からなる巻かれた部材は、様々な技術分野、例えば、坩堝および圧力容器の製造において用いられる。このような部材の製造のために、通常、場合によって接合剤を染みこませた繊維ストランドが巻き芯の周りに巻きつけられ、その巻き芯の上で取り外される。ここで、ロービングとも称されている、上記繊維ストランドは、炭素、ガラス、セラミックスまたはアラミドからなる様々な単繊維からなり得る。当該単繊維は、接合剤で形成された、ポリマまたはセラミックスからなるマトリックス内に埋め込まれていてもよく、当該ポリマーマトリックスが、後に炭化により炭素マトリックスに変えられ得る。それゆえ、巻層から形成されている部材は、場合によって巻き芯の取り外し後および接合剤の適切な硬化および、場合によって、炭化後に、カーボンファイバ強化合成樹脂（ＣＦＫ）、カーボンファイバ強化炭素（ＣＦＣ）、カーボンファイバ強化セラミックスまたはセラミックファイバ強化セラミックス（ＣＭＣ）からなり得る。

通常、そのような部材の各巻き層は、複数の巻線からなり、その巻線は、同じ方向に、すなわち、少なくとも基本的に平行に伸びて、互いに隣接して、または互いに重なって配置され、それゆえ、各巻層により巻き芯の少なくとも一部分が繊維材料に完全に‐すなわち、巻線の間に穴あるいは隙間が発生することなく‐覆われる。その場合、単独の巻線は、次々に巻き芯の周りに巻きつけられ、ここで、各巻き層の中の単独の巻線が、説明されたように、少なくとも基本的に互いに平行に伸びる。それぞれの巻層の巻線の巻き角は同じであっても、または異なっていてもよい。いわゆる交差巻き法では、隣接する巻層の巻線は、総計が同じであるが、同じ基準軸に対して符号が異なっている。

当該種類の部材、または、複数積み重ねて配置されてそれぞれ完全に覆われるように形成された巻層からなる総合巻きつけ体は、例えばＥＰ０３３３０１３Ｂ１により知られている。

この知られている部材の欠点は、それぞれの巻層の間に機械的結合がなく、それぞれの巻層の間に化学的および／または物理的結合力である多くとも比較的弱い相互作用があることである。当該相互作用は、例えば、それぞれの巻層を互いに貼付する接合剤である。そのために、上述した種類の知られている部材の安定性、特に機械的強度、例えば、耐打撃性または層間せん断強度は、改良が必要である。

それゆえ、本発明の課題は、巻かれた繊維複合部材の安定性および機械的強度を向上させることである。

本発明によれば、その課題は、請求項１に係る特徴を有する部材により解決される。

本発明によれば、繊維複合材料からなる部材は、重なり合って配置された、繊維材料からなる少なくとも３つの巻層を有し、各巻層は、１つまたは複数の巻線を有し、
−１つより多い巻線を有する各巻層においては、その巻層のすべての巻線が、少なくとも一部分で同一の巻き角を有して互いに分離されて巻線間に隙間が形成され、
−少なくとも２つの巻層のすべての巻線が、同一の第１巻き角を有し、
−同一の第１巻き角を有する巻線を有する少なくとも２つの巻層の間に配置された少なくとも１つの巻層の１つまたは複数のすべての巻線が、第２巻き角を有し、上記第２巻き角の値が、上記第１巻き角の値と異なっており、上記第２巻き角を有する巻線のうちの少なくとも１つが、上記第１巻き角を有する巻線のうちの少なくとも１つと交差する。

巻層という概念は、本発明の意図において、１つまたは複数の巻線と理解され、その巻線は、巻層が複数の巻線からなる場合に、少なくとも基本的に互いに平行に伸び、したがって、互いに交差しない。したがって、一番単純な場合、巻層は１つの巻線からなり、ここで、当該巻層に隣接する巻層の巻線は、必ず異なっている巻き角を有し、すなわち、上記巻層の巻線と少なくとも基本的に平行に伸びない。代替的に、本発明の意図において、１つの巻層は、複数の少なくとも基本的に互いに平行に伸びる巻線、すなわち、それぞれ同じ巻き角を有する巻線からなってもよく、ここで、本発明によれば、１つの巻層のそれぞれの巻線の間に少なくとも一部分において隙間があり、すなわち、１つの巻層の、隣接して配置されている繊維ストランド部分は‐部材の上から見て‐特定の、好ましくは、一定の間隔に隔てられている。１つの巻層のすべての巻線が同じ巻き角を有するため、１つの巻層の中の巻線は交差しない。好ましくは、巻層の中の巻線は、巻きつけ時に巻き芯が巡らされている１つの中央点を除いて、重ならない。上述した中央点には、置かれた巻線を必然的に重ならせることができる。

巻線とは、巻き芯の外周面または部材の外周面を一回で完全に回って囲む、巻層の一部分を示す。言い換えれば、１個の巻線とは、巻きつけ機が１つの往復運動で亘る、繊維材料の一部分と一致する。

巻き角は、それぞれの巻きが、原則的に任意の基準軸に関して、巻き芯の上に載置されている時に取っている角と理解される。言い換えれば、巻線の位置が、基準軸に関して、繊維ストランドの場合によって起こり得るずれにより、載置後にわずかに変化しうるが、巻き角とは、巻線の長手軸が巻き芯の上の載置時に基準軸に関して占める角である。巻き芯が円筒対称的に形成されていれば繊維ストランドのずれが起こらないため、その場合、巻き角とは、載置された巻線の長軸が基準軸に関して取る角である。

これは、完成された部材に関し、以下のことを意味する：少なくとも１つの円筒対称的一部分を有し、その１つまたは複数の円筒対称的一部分が部材の全表面の少なくとも２０％を占めるような部材について、巻き角は、本発明の意図において、部材のうちの円筒対称的一部分とは異なる様々な一部分での巻線の向きとは関係なく、載置された巻線の長手軸が基準軸に関して取る角である。それ以外の各部材に関して、巻き角という概念は、本発明の意図において、巻線と測地線とが取る角を示し、その測地線は、巻き芯の外周面あるいは部材の外周面を、回転対称的巻き芯または回転対称的部材の場合には巻き芯または部材の回転軸と平行に、非回転対称的巻き芯または非回転対称的部材の場合には巻き芯または部材の長手軸と平行に、完全に回って囲む。その結果、巻き角の上述した定義を考慮して、すべての巻線は、基本的に一直線に伸び、そのため、本発明の意図において、巻線の各一部分における巻き角の標準偏差値を、すべてのそれに対応する巻き角の平均値で割ると、０．５より小さいと解される。理想的な一直線の形成に対するこの許容しうる標準偏差は、特に湾曲領域、例えば巻き芯または部材の周囲の円筒形領域と円錐形領域との間の移行領域において、規定の角で載置することによって、巻線のずれを最小化でき、それによって確実に巻線内の巻き角の変化をわずかなものにすることができるという事実を考慮したものである。上述した標準偏差に加えて、本発明によれば、各巻線の最大巻き角と最小巻き角との差は１°より小さく、好ましくは最大で０．８°、特に好ましくは０．５°、とりわけ好ましくは最大で０．２°である。

上述したように、１つの巻層のすべての巻線の巻き角は互いに同じである。それに対して、載置後、それぞれの巻線の一部分の起こり得るずれを考慮すれば、本発明の意図において、１つの巻層内のそれぞれの巻線の巻き角が、巻き芯の外周面または部材の外周面を、回転対称的巻き芯または回転対称的部材の場合には巻き芯または部材の回転軸と平行に、非回転対称的巻き芯または非回転対称的部材の場合には巻き芯または部材の長手軸と平行に、完全に回って囲む基準測地線に関して、１°より小さく、好ましくは最大で０．８°、特に好ましくは最大で０．５°、とりわけ好ましくは最大で０．２°だけ互いに異なる場合も、同一の巻き角と解される。

本発明の部材では、同じ第１巻き角を有する少なくとも２つの巻層の間に、第２巻き角を有する巻層がある。本発明によれば、１つの巻層の各巻線間に設けられている隙間のため、異なっている巻き角により形成された、その巻き層の巻き模様が交差して重なる。第１巻き角と第２巻き角の値が異なるため、対応する巻層間の変わり目において、単に公知の交差巻きにあるような符号の反転が起こるだけでは決してない。本発明によれば、交差巻きの場合のような、巻き込まれた領域において均一に分配された巻線の交差はない；むしろ、本発明の部材では、不均一に分配された、各巻層の交差がある。それゆえ、部材のより好適な負荷分散および、したがってより高い機械的強度などが達成される。この高められた機械的強度は、巻線によって完全に覆われた構造が一つあるだけのような場合であっても得られる。

それぞれの巻層の、本発明による構造の種類のため、従来技術により知られている巻きつけ体にある、個別の巻層の厳密な分離が廃され、これにより、巻層のそれぞれの繊維は、１つまたは複数の、上方および／または下方に配置されている巻層の隙間に咬合できる。これにより、ある意味で混合された層または結合層が発生し、ここで、結果として１つの連続的な総合巻きつけ体が達成される。したがって、織物に似ている構成が結果として生じ、その構成には、層間の結合が、相当する、従来技術により知られている構成に比べて、向上する。

従来技術による、巻かれた繊維複合部材、つまり、明白に互いから分離されている、よくても化学的および／または物理学的相互作用で互いに結合されている、巻層があるものと違って、本発明の部材では、それぞれの巻層の間に機械的絡み合いまたは交差があり、その機械的絡み合いまたは交差により、部材のはるかにより高い安定性および機械的強度、特に、向上した耐打撃性および損傷許容性が達成される。したがって、本発明の部材は、最も高い負荷に対する要求がある使用、例えば、防弾プレートに用いられ得る。

それぞれの巻線の間の隙間の大きさ、すなわち、巻層の正面から見て１つの巻層のそれぞれの繊維ストランドの間隔と、各巻層の間のそれぞれの巻き角または巻き模様の順番とは、原則として、使用の要求に応じて幅広い範囲に変化され得る。

好ましくは、重なり合って配置されているすべての巻層から形成されている総合巻きつけ体は、上から見て隙間がない。言い換えれば、重なり合って配置されている巻層は、巻き芯の巻き込まれている一部分、または、部材の巻き込まれている外周面を完全に覆う。このようにして、巻層は隙間のない部材壁部、例えば、坩堝のための容器壁部を形成する。したがって、１つの巻層の巻線の間の隙間は、穴が開けてある壁部を有する部材を製造するために用いるのではなく、他の巻層の巻線を交差して収容するために用いられる。

本発明の一形態によれば、１つより多い巻線を有する各巻層において、巻層の中で巻線の間にある隙間の面積の合計の比が、巻層の総面積に対して０．０５０００から０．９９９９９まで、好ましくは０．９００００から０．９９９９９までで、特に好ましくは０．９９０００から０．９９９９９まで、とりわけ好ましくは０．９９９９０から０．９９９９９までである。このような表面の比率は、部材の安定さおよび機械的強度に関して特に有利であることを証明した。

本発明によれば、１つの巻層の中の各巻線の巻き角は、１°より小さい角度、好ましくは最大で０．８°、特に好ましくは最大で０．５°、とりわけ好ましくは最大で０．２°の角度だけ、互いに異なる。このことは、部材の一定の機械的強度に有利に働く。

それに対して、第２巻き角の値は、第１巻き角の値と少なくとも１°、好ましくは少なくとも２°、特に好ましくは少なくとも３°、とりわけ好ましくは少なくとも４°、極めて好ましくは少なくとも５°だけ異なる。すなわち、際立った交差を巻層の間に達成するために、極端に似ている巻き模様を有する巻層からなる構造を避けることが有利である。

好ましくは、少なくとも１つの巻層の少なくとも１つの巻線は、少なくとも一部分において、その巻層の上方および／または下方に配置されている巻層の少なくとも１つの隙間に咬合する。したがって、当該巻層の巻線は、厳密に積み重ならず、１つの巻層の巻線は、それぞれ他の巻層の中に突き出、これにより、固定した機械的結合が巻層の間に生じる。

本発明の特に好ましい一実施形態によれば、第１巻き角を有する巻線を有する少なくとも１つの巻層の各巻線は、第２巻き角を有する少なくとも１つの巻線を有する巻層内の隙間に、および／または、第１巻き角を有する巻線を有するさらなる巻層内の隙間に、咬合する。そのために、好ましくは、第１巻き角を有する、それぞれの巻層の巻線は、互いに対してずれて配置され、これにより、第１巻き角を有する巻線を有する巻層の巻線は、第１巻き角を有する他の巻線を有する巻層の隙間の上に配置される。その結果、巻き芯または部材の外周面に関して巻線の一定の咬合および、したがって部材の特に高い硬さが達成される。

各巻層は、１個から２０００個まで、好ましくは１個から２５０個まで、特に好ましくは１個から１５０個まで、とりわけ好ましくは１個から１０個までの巻線を有し得る。巻線の数は、個々にそれぞれの使用の要求に従う。

さらに、上記部材は、少なくとも１０個、好ましくは２００個から１００００個まで、特に好ましくは５００個から１００００個まで、とりわけ好ましくは２，０００個から５０００個までの、重なり合って配置されている巻層からなる。重なり合って配置されている巻層の数を合わせることにより、繊維ストランドのあらかじめ定められた太さの場合、壁部の望まれている厚さ、または、部材の望まれている強度が達成され得る。

本発明のさらなる好ましい一実施形態によれば、第１巻き角を有する巻線を有する各巻層と、第２巻き角を有する巻線を有する巻層とは、交互に重なり合って配置され、しかも特に好ましくは直接重なり合って配置されている。この実施形態では、結果として生じる巻き模様が交差巻きに似ているが、交差巻きと違って、値の異なる巻き角により、望まれる交差現象が達成され得る。

さらに、第１巻き角を有する巻線を有する少なくとも２つの巻層の間に、第２巻き角を有する巻線を有する巻層とは別に、少なくとも１つの追加の巻層が配置されていてもよい。このような"中間層"を備えることにより、部材の機械的特性は、望まれるような影響を及ぼすことが可能である。その際、少なくとも１つの上記追加の巻層は、１つまたは複数の巻線を有し得、そのすべての巻線は、第３巻き角を有してもよく、その巻き角の値が、第１巻き角の値および第２巻き角の値と異なる。このようにして、巻層の間の交差効果および、したがって部材の強度をこのようにさらに高めるために、３つ以上の異なる巻き角が組み合わせられ得る。

好ましくは、第２巻き角を有するすべての巻線は、第１巻き角を有する少なくとも１つの巻線と交差する。したがって、第２巻き角を有する巻線は、巻き芯上で、第１巻き角を有する巻線に対して空間的に隔てた配置とはなっていない：むしろ、巻線は、巻き芯または部材のまったく同じ一部分において、異なっている巻き角で重なり合い、ここで、異なっている巻き角により必然的結果として交差が生じ、その交差が最終的に巻層間の結合を向上させる。

好ましくは、繊維は、カーボンファイバ、セラミックファイバ、ガラスファイバ、ポリマーファイバ、および２つ以上の上述した材料の混合物からなる群の中から選択され、上記ポリマーファイバは、好ましくはポリアミドファイバ、特に、アラミドファイバ、ポリエステルファイバ、ポリプロピレンファイバ、ポリアクリロニトリルファイバ、酸化されたポリアクリロニトリルからなるファイバ、２つ以上の上述した材料の共重合体からなるファイバ、および２つ以上の上述した材料の混合物からなるファイバである。このような繊維材料は、高い機械的強度を有する巻いた部材を作るのに適合する。ここで、繊維の平均直径は、例えば、平均で、３μｍから２０μｍまでであってもよい。繊維束も用いられていてもよく、その場合、載置された繊維束毎の繊維の平均的個数が、５００個から４０００００個までの間、好ましくは１０００個から５００００個までの間、特に好ましくは３０００個と５００００個との間であり得る。

本発明の部材は、特に、カーボンファイバ強化炭素（ＣＦＣ）、カーボンファイバ強化合成樹脂（ＣＦＫ）、カーボンファイバ強化セラミックスまたはセラミックファイバ強化セラミックス（ＣＭＣ）からなっていてもよい。このような複合材料は、高い機械的および熱的安定性、高い耐薬品性、および高い化学的純度を特徴とする。

重なり合って配置されている巻層は、好ましくは、支持体のない巻きつけ体を形成する。すなわち、繊維材料の巻きつけに用いられている巻き芯は、巻層に包まれている空洞が層から形成されているように、部材の製造の完成後、取り外される。このようにして、上記部材は、中空体または容器として用いられ得る。

さらなる具体的一形態によれば、部材は、金属および／または半金属の融解および結晶のための坩堝として形成されている。

本発明は、繊維複合材料からなる部材の製造方法にも関し、その製造方法では、繊維材料からなる少なくとも３つの巻層が巻き芯に巻きつけられており、
‐上記少なくとも３つの各巻層には、１つまたは複数の巻線が巻かれ、１つより多い巻線を有する巻層のすべての巻線が、少なくとも一部分で同一の巻き角を有して互いに分離されて巻線間に隙間が形成されるように、上記巻き芯に巻きつけられ、
‐少なくとも２つの巻層の巻線が、同一の第１巻き角で上記巻き芯に巻きつけられ、
‐第１巻き角の値と異なる値を有する第２巻き角を有する、少なくとも１つの巻層の１つ以上のすべての巻線が、当該巻層が、第１巻き角を有する巻線を有する少なくとも２つの巻層の間に配置され、第２巻き角を有する巻線の少なくとも１つが、第１巻き角を有する巻線の少なくとも１つと交差するように、上記巻き芯に巻きつけられている。

異なっている巻き模様の重なりは、巻層内に残した隙間と共に、それぞれの巻層の咬み合い、したがってある程度の交差効果または絡み合い効果を可能にし、その交差効果または絡み合い効果は、部材の機械的安定性を高める。

好ましくは、上記少なくとも３つの巻層の巻線は、上記巻き芯の少なくとも一部分を完全に覆うように、その巻き芯に巻きつけられている。巻き芯の当該一部分は、完成された部材において継続的で穴のない壁部を形成する。

各巻層において、巻層の中で巻線の間にある隙間の面積の合計の比が、巻層の総面積に対して０．０５０００から０．９９９９９まで、好ましくは０．９００００から０．９９９９９まで、特に好ましくは０．９９０００から０．９９９９９まで、とりわけ好ましくは０．９９９９０から０．９９９９９までであるように、繊維材料からなる巻線のそれぞれが、少なくとも一部分で互いに分離されて巻線間に隙間が形成される。このような面積比率は、部材の安定性に関してとりわけ有利であることを証明した。

本発明の製造方法は、さらなるステップとして、
‐巻きつけの前、間、または後に繊維材料の接合剤による含浸、および、
‐含浸および繊維材料の巻きつけの後の、上記接合剤の硬化、
のステップを含む。

好ましくは、繊維材料の含浸は巻きつけの間に行われる。しかしながら、これと代替的に、巻きつけは、予備含浸されたおよび／または安定化された繊維材料（プレプレグ）で行われてもよい。基本的に、当該分野の専門家に公知のすべての接合剤を用いることができ、ここで、マトリックス材料は、以下の材料からなる群から選択されていれば、とりわけ有利な結果が得られる。その材料の群は、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ビニルエステル樹脂、ポリエステル樹脂、ポリウレタン樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、ノボラック、シアン酸エステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ビスオキサゾリン、ポリオレフィン、例えばポリプロピレン、機械的熱可塑物質、例えばポリアミド、および、上述した材料の２つ以上からなる任意の混合物からなる。さらに、上記接合剤は、ふさわしい詰め物、例えば、炭素粒子またはグラファイト粒子、または、挽かれたまたは短く切られた繊維、を含み得る。そのうえ、接合剤にふさわしい添加剤、例えば、硬化剤、促進剤、乳化剤、内部離型剤、または類似の添加剤が加えられてもよい。

上記硬化は、接合剤の種類に応じて、熱的におよび／または化学的に行われ得る。

硬化後は、上記マトリックス材料を炭素に変換するために、炭化および／またはグラファイト化が行われてもよい。このようにして、カーボンファイバ強化炭素複合材料は製造され得る。その方法では、炭化は、好ましくは４００℃から１２００℃まで、特に好ましくは６００℃から１０００℃までの温度で行われるが、グラファイト化は、好ましくは１４００℃から３０００℃まで、特に好ましくは１６００℃から２４００℃までの温度で行われる。

マトリックスの炭素含有量をさらに高めるために、あるいは、繊維複合材料の密度をさらに高めるために、炭化後あるいはグラファイト化後に、適合する樹脂および／またはピッチを用いてさらに１つまたは複数の液圧縮ステップが行われてもよい。このような各ステップの後、炭化および／またはグラファイト化が行われる。マトリックス内の炭素含有量をさらに高めるために、ＣＶＩ法（化学蒸気浸透すなわち"Chemical Vapor Infiltration"）による処理が用いられてもよい。

本発明の具体的一形態によれば、巻きつけのためにカーボンファイバ含有エンドレス繊維ストランドが上記巻き芯の上に置かれている。

巻層を上記巻き芯に巻きつける前に、特に、巻きつけ処理に関する、自動巻きつけ機のための制御コマンドを含み、巻線の巻きつけが上記制御コマンドの実行により行われるプログラムが作成され、および／または、設定されてもよい。このようにすれば、巻きつけ過程自体を全自動で行うことができる。

以下に、本発明は、本発明を説明するが限定しない例により、添付図面との関連付けのもとに、さらに説明される。

繊維材料からなる第１巻層が第１実施例に従って載置されている巻き芯の側面図である。 第１巻層の上に巻きつけられている追加の第２巻層を有する、図１による巻き芯を示す。 第２巻層の上に巻きつけられている追加の第３巻層を有する、図１による巻き芯を示す。 第３巻層の上に巻きつけられている追加の第４巻層を有する、図１による巻き芯を示す。 繊維材料からなる２つの重なり合って配置されている巻層が第２実施例に従って巻きつけられている巻き芯の側面図である。 図５による巻き芯の斜視図である。 図５による巻き芯のさらなる斜視図である。 巻き模様がさらなる一実施例に従って載置されている巻き芯の一部分の側面図である。 図９ａから図９ｂは、繊維材料からなる２つの巻層（図９ａ）、繊維材料からなる４つの巻層（図９ｂ）、繊維材料からなる６つの巻層（図９ｃ）、および繊維材料からなる８つの巻層（９ｄ）が、他の一実施例に従って巻きつけられている巻き芯の一部分の側面図を示す。

図１から４に示されている本発明の第１実施例により、金属の融解のための坩堝は、繊維材料からなる複数の巻層が巻き芯または巻きつけスピンドル１１に巻きつけられていることにより、繊維複合材料から製造されている。部分的のみに示されている巻き芯１１は、円筒形の外装部分１３およびドーム形のカバー部分１５を有する、金属の中空体である。上記巻き芯１１は、示されていない支持台の上に、回転軸Ｒの周りに回転可能に軸支され、ここで、巻きつけ機の、同様に示されていない可動な供給ヘッドは、接合剤で含浸されたカーボンファイバから構成されているエンドレス繊維ストランド１７が巻き芯１１の上に載置され得るように、配置されている。このようにして、巻き芯１１を１回に完全に回る巻線２３が生じる。載置中、上記エンドレス繊維ストランド１７は、ポリマをベースとした硬化可能な接合剤で含浸されている。

上記供給ヘッドを移動すること、および、上記巻き芯１１を上記回転軸Ｒの周りに回すことにより、含浸された上記エンドレス繊維ストランド１７を載置する時、巻線２３と、回転軸Ｒと平行に巻き芯１１の外周面を完全に回って囲む測地線との間に、特定の巻き角βがセットされる。

このようにして、各巻線２３の巻き角が４５°である第１巻層２０ａが巻きつけられる。上記エンドレス繊維ストランド１７は、それぞれの巻線２３の間に隙間２５が存在するように、互いに隔てて載置されている。

巻層の比較的低い滑り摩擦のために巻き芯または先行の巻層の上で実現できなかった、予め定められた巻き角を実現するために、さらに加えて、ピンまたはピンリングが巻き芯の上に備えられていてもよく、そのピンまたはピンリングが、巻層を、巻き芯に関してふさわしい位置において支え、あるいは、固定できる。比較的低い滑り摩擦のため、巻き芯または先行の巻層の上に安定して支えることが不可能となるほどにいずれかの巻層から次の巻層にかけて巻き角の変化が大きい場合にも、ピンの使用は特に有利である。

次に、図２により、第２巻層２０ｂが第１巻層２０ａの上で巻き芯１１に巻きつけられ、ここで、その第２巻層２０ｂの巻線２３の巻き角は０°である。

次に、図３により、第２巻層２０ｂの上で、第３巻層２０ｃが巻き芯１１に巻きつけられている。第３巻層２０ｃの巻線２３は、第１巻層２０ａの巻線２３と同じように、巻き角が４５°であるが、第１巻層２０ａの隙間２５の上に付くように、第１巻層２０ａの巻線２３に対してずれている。この場合、第２巻層２０ｂの巻線２３は、ある程度まで上記隙間２５内に押し込まれる。

さらに、図４により、第４巻層２０ｄが第３巻層２０ｃの上で巻き芯１１に巻きつけられている。第４巻層の巻線２３は、第２巻層２０ｂの巻線２３と同じように、巻き角が０°であるが、第２巻層２０ｂの隙間２５の上に付くように、第２巻層２０ｂの巻線２３に対してずれている。これにより、第３巻層２０ｃの巻線２３は、対応する、その下にある隙間２５内に再度押し込まれる。

上記２つの異なっている巻き角のため、第１巻層２０ａの巻線は、第２巻層２０ｂおよび第４巻層２０ｄの巻線２３と交差する。同様に、第３巻層２０ｃの巻線２３は、第２巻層２０ｂおよび第４巻層２０ｄの巻線２３と交差する。

０°および４５°である上記２つの、交互の巻き角は、単なる一例にすぎないものとして選択されている。本発明の代替的な一実施例では、上記第１、第２、第３、および第４の巻層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの巻線２３は、０．３°、２°、５°、および６°の巻き角を有する。

次に、さらなる巻層は、すべての重なり合って配置されている巻層が巻き芯１１の外装部分１３およびカバー部分１５を完全に覆うまで、既存の巻層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの上に巻きつけられる。

最後に、含浸されたエンドレス繊維ストランド１７の接合剤が、熱的または化学的に硬化され、巻き芯１１が取り外される。巻き芯１１の取り外しは、例えば、カバー部分１５に向き合っている、生じた巻きつけ体の一部分が切り取られ、巻き芯１１が巻きつけ体から抜き取られることにより行われる。このことにより、重なり合って配置されている巻層からなる、坩堝となる中空体が生じる。巻き芯１１の取り外し前、または、後に、上記接合剤をアモルファス炭素またはグラファイトに変換するために、さらに炭化および／またはグラファイト化が行われてもよい。

図５から７は、接合剤で含浸されたエンドレス繊維ストランド１７が載置されている、さらなる巻き芯１１を示し、ここで、巻線が正面側の開口部３３を超えていることが示されている。上記開口部３３を通って、回転軸Ｒを定義する回転可能シャフト２９が伸びている。そのうえ、図６により明らかなように、図１から４に示されている実施例と違って、各巻線２３が、回転軸Ｒが巻き芯１１のカバー部分１５を貫通する中央点３１において交差している。

巻きつけの自動実行のために、巻線２３を巻き芯１１に巻きつける前に、上記回転可能シャフト２９と供給ヘッドとのための、巻きつけに関する制御コマンドを含むコンピュータプログラムが作成され、および／または、設定される。このようにすれば、上述の巻線２３の巻きつけは、上記制御コマンドの実行により全自動で行われる。

図８には、巻き模様がさらなる一実施例に従って載置されている巻き芯の一部分の側面図が示されている。この図により、それぞれ値の異なる巻き角を有する、それぞれの巻層２０ａ、２０ｂがどのように交差するかが明らかであり、ここで、その交差は、不均衡に分配されており、それによって、本発明において望まれている交差効果が達成され、その交差効果のため、部材の機械的安定性および機械的強度、特に、耐打撃性および損傷許容性が向上する。

図９ａから９ｄには、巻き芯の一部分の側面図が示され、ここで、図９ａに示されている巻き芯の一部分の上には２つの巻層２０ａ、２０ｂが載置され、図９ｂに示されている巻き芯の一部分の上には４つの巻層２０ａ、２０Ｂ、２０ｃ、２０ｄが載置され、図９ｃに示されている巻き芯の一部分の上には６つの巻層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆが載置され、および、図９ｄに示されている巻き芯の一部分の上には８つの巻層２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ、２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈが載置されている。それらのそれぞれ２つの巻層２０ａおよび２０ｂ、または、２０ｃおよび２０ｄ、または、２０ｅおよび２０ｆ、または、２０ｇおよび２０ｈは、値は同じであるが符号が異なっている巻き角を有し、それに対し、他の各巻層は、これとは値の異なる巻き角を有する。この交差巻層は、本発明の意図において、それぞれ２つの個別の巻層である。この巻き模様においても、不均衡に分配された交差が生じ、それによって、本発明において望まれている交差効果が達成され、その交差効果のため、部材の機械的安定性および機械的強度、特に、耐打撃性および損傷許容性が向上する。

１１ 巻き芯
１３ 外装部分
１５ カバー部分
１７ エンドレス繊維ストランド
２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ 巻層
２０ｅ、２０ｆ、２０ｇ、２０ｈ 巻層
２３ 巻線
２５ 隙間
２７ 交差点
２９ 回転可能シャフト
３１ 中央点
３３ 正面側の開口部

Ｒ 回転軸
β、γ、δ 巻き角

Claims (23)

1. 重なり合って配置された、繊維材料からなる少なくとも３つの巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）を有する、繊維複合材料からなる部材であって、
   −巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）は、１つまたは複数の巻線（２３）を有し、１つより多い巻線（２３）を有する各巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）においては、その巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）のすべての巻線（２３）が、少なくとも一部分で同一の巻き角を有して互いに分離されて巻線間に隙間（２５）が形成され、
   −少なくとも２つの巻層（２０ａ、２０ｃ）のすべての巻線が、同一の第１巻き角（β）を有し、
   −同一の第１巻き角（β）を有する巻線（２３）を有する少なくとも２つの巻層（２０ａ、２０ｃ）の間に配置された少なくとも１つの巻層（２０ｂ）の１つまたは複数のすべての巻線（２３）が、第２巻き角（γ）を有し、上記第２巻き角（γ）の値が、上記第１巻き角（β）の値と異なっており、上記第２巻き角（γ）を有する巻線（２３）のうちの少なくとも１つが、上記第１巻き角（β）を有する巻線（２３）のうちの少なくとも１つと交差し、少なくとも１つの巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の少なくとも１つの巻線（２３）は、少なくとも一部分において、その巻層の上方および／または下方に配置されている巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の少なくとも１つの隙間（２５）に咬合することを特徴とする、部材。
2. 重なり合って配置されているすべての巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）から形成されている総合巻きつけ体が、上から見て隙間がないことを特徴とする、請求項１に記載の部材。
3. １つより多い巻線（２３）を有する各巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）において、巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の中で巻線（２３）の間にある隙間（２５）の面積の合計の比が、巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の総面積に対して０．０５０００から０．９９９９９までであることを特徴とする、請求項１または２に記載の部材。
4. １つの巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の中の各巻線（２３）の巻き角（β）は、１°より小さい角度だけ、互いに異なることを特徴とする、請求項１ないし３の少なくとも１項に記載の部材。
5. 第２巻き角（γ）の値が第１巻き角（β）の値と少なくとも１°だけ異なることを特徴とする、請求項１ないし４の少なくとも１項に記載の部材。
6. 第１巻き角（β）を有する巻線を有する少なくとも１つの巻層（２０ａ）の各巻線（２３）は、第２巻き角（γ）を有する少なくとも１つの巻線（２３）を有する巻層（２０ｂ）内の隙間に、および／または、第１巻き角（β）を有する巻線（２３）を有するさらなる巻層（２０ｃ）内の隙間に、咬合することを特徴とする、請求項１ないし５の少なくとも１項に記載の部材。
7. 各巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）は、１個から２０００個までの巻線（２３）を有することを特徴とする、請求項１ないし６の少なくとも１項に記載の部材。
8. 部材は、少なくとも１０個までの、重なり合って配置されている巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）を有することを特徴とする、請求項１ないし７の少なくとも１項に記載の部材。
9. 第１巻き角（β）を有する巻線（２３）を有する各巻層（２０ａ、２０ｃ）と、第２巻き角（γ）を有する巻線（２３）を有する巻層（２０ｃ、２０ｄ）とは、交互に直接重なり合って配置されていることを特徴とする、請求項１ないし８の少なくとも１項に記載の部材。
10. 第１巻き角（β）を有する巻線（２３）を有する少なくとも２つの巻層（２０ａ、２０ｃ）の間に、第２巻き角（γ）を有する巻線（２３）を有する巻層（２０ｂ）とは別に、少なくとも１つの追加の巻層が配置されていることを特徴とする、請求項１ないし８の少なくとも１項に記載の部材。
11. 上記少なくとも１つの追加の巻層は、１つまたは複数の巻線（２３）を有し、そのすべての巻線が、第３巻き角（δ）を有し、その第３巻き角（δ）の値は、第１巻き角（β）の値および第２巻き角（γ）の値と異なっていることを特徴とする、請求項１０に記載の部材。
12. 第２巻き角（γ）を有するすべての巻線（２３）は、第１巻き角（β）を有する少なくとも１つの巻線（２３）と交差することを特徴とする、請求項１ないし１１の少なくとも１項に記載の部材。
13. 繊維は、カーボンファイバ、セラミックファイバ、ガラスファイバ、ポリマーファイバ、および２つ以上の上述した材料の混合物からなる群の中から選択され、上記ポリマーファイバは、ポリアミドファイバ、アラミドファイバ、ポリエステルファイバ、ポリプロピレンファイバ、ポリアクリロニトリルファイバ、酸化されたポリアクリロニトリルからなるファイバ、２つ以上の上述した材料の共重合体からなるファイバ、および２つ以上の上述した材料の混合物からなるファイバであることを特徴とする、請求項１ないし１２の少なくとも１項に記載の部材。
14. 繊維複合材料は、カーボンファイバ強化炭素（ＣＦＣ）、カーボンファイバ強化合成樹脂（ＣＦＫ）、カーボンファイバ強化セラミックスまたはセラミックファイバ強化セラミックス（ＣＭＣ）であることを特徴とする、請求項１ないし１３の少なくとも１項に記載の部材。
15. 重なり合って配置されている巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）は、支持体のない巻きつけ体を形成することを特徴とする、請求項１ないし１４の少なくとも１項に記載の部材。
16. 部材は、金属および／または半金属の融解および結晶のための坩堝として形成されていることを特徴とする、請求項１ないし１５の少なくとも１項に記載の部材。
17. 繊維複合材料からなる部材の製造方法であって、当該製造方法では、繊維材料からなる少なくとも３つの巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）が巻き芯（１１）に巻きつけられており、
    −上記少なくとも３つの各巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）には、１つまたは複数の巻線（２３）が巻かれ、１つより多い巻線（２３）を有する巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）のすべての巻線（２３）が、少なくとも一部分で同一の巻き角（β）を有して互いに分離されて巻線（２３）間に隙間（２５）が形成されるように、上記巻き芯（１１）に巻きつけられ、
    −少なくとも２つの巻層（２０ａ、２０ｃ）の巻線（２３）が、同一の第１巻き角（β）で上記巻き芯（１１）に巻きつけられ、
    −第１巻き角（β）の値と異なる値を有する第２巻き角（γ）を有する、少なくとも１つの巻層（２０ｂ）の１つ以上のすべての巻線（２３）が、当該巻層（２０ｂ）が、第１巻き角（β）を有する巻線（２３）を有する少なくとも２つの巻層（２０ａ、２０ｃ）の間に配置され、第２巻き角（γ）を有する巻線（２３）の少なくとも１つが、第１巻き角（β）を有する巻線（２３）の少なくとも１つと交差するように、上記巻き芯（１１）に巻きつけられており、この場合に、少なくとも１つの巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の少なくとも１つの巻線（２３）は、少なくとも一部分において、その巻層の上方および／または下方に配置されている巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の少なくとも１つの隙間（２５）に咬合するように、巻きつけられることを特徴とする、部材の製造方法。
18. 上記少なくとも３つの巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の巻線（２３）は、上記巻き芯（１１）の少なくとも一部分を完全に覆うように、その巻き芯（１１）に巻きつけられていることを特徴とする、請求項１７に記載の部材の製造方法。
19. 各巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）において、巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の中で巻線（２３）の間にある隙間の面積の合計の比が、巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）の総面積に対して０．０５０００から０．９９９９９までであるように、繊維材料の少なくとも２つの巻線（２３）のそれぞれが、少なくとも一部分で互いに分離されて巻線（２３）間に隙間（２５）が形成されるように、上記巻き芯（１１）に巻きつけられることを特徴とする、請求項１７または１８に記載の部材の製造方法。
20. 巻きつけ処理の前、間、または後に繊維材料に接合剤を染み込ませる処理ステップ、および、
    染み込ませる処理および繊維材料の巻きつけ処理の後に、上記接合剤を硬化させる処理ステップをさらに有することを特徴とする、請求項１７ないし１９の少なくとも１項に記載の部材の製造方法。
21. 上記硬化が熱的におよび／または化学的に行われることを特徴とする、請求項２０に記載の部材の製造方法。
22. 巻きつけ処理のために、カーボンファイバ含有エンドレス繊維ストランド（１７）が上記巻き芯（１１）の上に置かれることを特徴とする、請求項１７ないし２１の少なくとも１項に記載の部材の製造方法。
23. 巻層（２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ）を上記巻き芯（１１）に巻きつける前に、巻きつけ処理に関する、自動巻きつけ機のための制御コマンドを含み、巻線（２３）の巻きつけが上記制御コマンドの実行により行われるプログラムが作成され、または、設定されることを特徴とする、請求項１７ないし２２の少なくとも１項に記載の部材の製造方法。

Images