(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
成形用本体と中実なマンドレルとを有する成形用構造体であって、
前記成形用本体は、繊維強化材と未硬化の熱硬化性樹脂とを含み、該未硬化の熱硬化性樹脂は硬化温度を有し、該硬化温度で、前記未硬化の熱硬化性樹脂は成形用樹脂から硬化温度よりも高いガラス転移温度を有する固体樹脂に変換され、前記成形用本体は、中央部分と中実な端部分とを備え、前記中央部分が、第１の配向の繊維を含み、前記中実な端部分が、前記第１の繊維配向と異なる第２の配向の繊維を含み、前記成形用本体は、前記中央部分内に配置されたチャンバを画定する内表面を備え、
前記中実なマンドレルは、前記チャンバ内に配置されて、前記内表面と接触して前記内表面に形状を与え、前記中実なマンドレル用の材料が溶融して液体材料を形成する融点を有し、前記融点が、前記硬化温度よりも高く前記ガラス転移温度よりも低い、成形用構造体。
【請求項２】
前記未硬化の熱硬化性樹脂の前記硬化温度が１７０℃〜２２５℃である、請求項１に記載された成形用構造体。
【請求項３】
前記第１の配向の繊維が一方向繊維を構成する、請求項１または請求項２に記載された成形用構造体。
【請求項４】
前記第２の配向の繊維が、一方向繊維テープのランダム配向を構成する、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載された成形用構造体。
【請求項５】
繊維強化材と硬化した熱硬化性樹脂とを含み、中央部分と少なくとも１つの端部分とを備える成形体であって、前記繊維強化材が、前記中央部分に配置された第１の繊維配向の繊維と、前記端部分に配置された第２の繊維配向の繊維とを含み、前記第１の配向の繊維又は前記第２の配向の繊維が、一方向繊維テープのランダム配向部分を構成する成形体を備え、
前記端部分が中実であり、前記中央部分が、前記中央部分内に配置されたチャンバを画定する内表面を備える、複合部品。
【請求項６】
前記第１の繊維配向の繊維が、一方向繊維を構成する、請求項５に記載された複合部品。
【請求項７】
ジェットエンジン用の出口ガイドベーンである、請求項６に記載された複合部品。
【請求項８】
出口ガイドベーンの中央部分が、保護金属層を接着した外表面を備える、請求項７に記載された複合部品。
【請求項９】
複合部品を成形する方法において、
成形用本体を準備するステップであって、該成形用本体が繊維強化材と未硬化の熱硬化性樹脂とを含み、前記未硬化の熱硬化性樹脂が硬化温度を有し、該硬化温度で、前記未硬化の熱硬化性樹脂が成形用樹脂から硬化温度より高いガラス転移温度を有する固体樹脂に変換され、前記成形用本体が、中央部分と中実な端部分とを備え、前記中央部分が、第１の配向の繊維を含み、前記中実な端部分が、前記第１の繊維配向と異なる第２の配向の繊維を含み、前記成形用本体は、前記中央部分内に配置されたチャンバであって、中実なマンドレル材料が配置されたチャンバを画定する内表面を備え、前記中実なマンドレル材料が、前記内表面と接触して前記内表面に形状を与え、前記中実なマンドレル材料が溶融して液体材料を形成する溶融温度を有し、前記溶融温度が、前記硬化温度以上で前記ガラス転移温度よりも低い、前記成形用本体を準備するステップと、
前記未硬化の熱硬化性樹脂を硬化させるために、高圧下で、前記硬化温度で前記成形用本体を加熱して、前記ガラス転移温度を有する前記固体樹脂を含む成形体を形成するステップと、
前記中実なマンドレル材料を溶融させるために、前記中実なマンドレル材料の前記溶融温度よりも高くて前記固体樹脂のガラス転移温度よりも低い温度で、前記成形体を加熱して、前記液体材料を形成するステップと、
前記チャンバから前記液体材料を取り出すステップと、
前記成形体を冷却して、複合部品を得るステップと
を含む、複合部品を成形する方法。
【請求項１０】
前記成形用本体が成形される前記高圧が３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）〜１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）である、請求項９に記載された複合部品を成形する方法。
【請求項１１】
前記成形用本体を加熱する前記硬化温度が１７０℃〜２２５℃である、請求項１０に記載された複合部品を成形する方法。
【請求項１２】
前記第１の配向の繊維が、一方向繊維を構成し、前記第２の配向の繊維が、一方向繊維テープのランダム配向部分を構成する、請求項９から請求項１１までのいずれか１項に記載された複合部品を成形する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、広く言うと、予備成形された繊維強化樹脂コンポーネントを、複数の繊維配向及び／又は１つ若しくは複数の内部チャンバを有する複合部品に成形することに関するものである。より詳細には、本発明は、高圧下でのこのようなプリフォームの成形を対象としている。
【背景技術】
【０００２】
複合材料は、典型的には、２つの主要な構成要素として繊維及び樹脂マトリックスを含む。複合材料は、通常は、かなり大きな比強度を有する。そのため、複合材料は、複合部品の強度が大きく重量が比較的小さいことが特に重要となる航空宇宙分野等の厳しい環境下で使用されている。
【０００３】
高強度の金属及び合金は、これまで、高い応力負荷を受ける航空機の部品及び構造体を形成するために使用されてきた。金属を使用する利点は、極めて頑丈なことに加えて、かみ合わせ部品同士の幾何形状が厳格に合致でき、厳密な寸法公差が満足できるように正確に機械加工できる点である。穴も、高公差の止め金具及び位置決めピンを受容するように金属構造体に正確に機械加工することができる。
【０００４】
航空機の推進に広く使用されるターボファンエンジンは、極度の応力を受けることに加えて正確な寸法公差を満たさなければならない多数の部品を含む。このような部品の一例が、出口ガイドベーン（ＯＧＶ）である。出口ガイドベーンは翼形状の部品であり、ターボファンエンジンのバイパス領域内に配置される。出口ガイドベーンは、前方のファン組立品からの輻気流を、ターボファンコンプレッサーに進んでいく軸気流へ方向変換する。各エンジンは、１００枚以上もの数の出口ガイドベーンを収容できる。この厳しい環境下で適切に機能するために、出口ガイドベーンは、慣例的に中実の金属又は合金から製造されてきた。幾つかの出口ガイドベーンは、より軽いコア材料を高強度金属によって取り囲むことにより製造されてきた。最近では、出口ガイドベーンは、複合表皮が取り付けられた金属フレームを備えるようになった。例えば、公開されている米国特許出願第２０１０／０２０９２３５Ａ１号を参照されたい。金属を主体としたこれらの出口ガイドベーンはすべて比較的重い傾向がある。したがって、完全に複合材料から製造され、金属を主体とした出口ガイドベーンと同じ構造的特性及び機械加工特性を有する、より軽い重量の出口ガイドベーンを提供することは望ましい。
【０００５】
複合材料から出口ガイドベーンを製造することには、幾つかの顕著な難点がある。仕上げた部品に隙間又は他の欠陥が確実に存在しないようにするために、一般には、成形プロセス中に複合材料に圧力を印加する成形法を使用することが必要である。しかしながら、成形金属部品の機械加工により得られる公差と同じくらい厳密な公差を有する成形複合部品を製造することは、非常に困難である。構造的損傷を生じさせないで複合部品を機械加工することも困難である。繊維は分離しやすいものであり、部品強度を大きく低下させる層間剥離が起きる可能性がある。一方向（ＵＤ）繊維を有する複合部品は、ＵＤ繊維の配向がもたらす独特な構造特性及び強度特性のため、数多くの構造部品に一般的に使用されている。ＵＤ繊維がもたらす高い指向性の強度のために、この配向は、出口ガイドベーン製造への使用にとって特に魅力的になる。しかしながら、ＵＤ繊維を含有する複合部品は、部品の強度に悪影響しないで機械加工することは特に困難である。
【０００６】
別の顕著な難点は、出口ガイドベーンの中央翼及びこの中央翼をエンジンに連結する取り付けフランジ又はプラットフォームが、独特で相異なる設計要件を有することである。例えば、中央翼は、気流による大きな荷重に耐えるために構造的に頑丈である必要がある。フランジは、中央翼を所定位置に保持するのに十分頑丈でなければならず、エンジンへの安全で正確な取り付けを実現するために厳格な寸法公差も満たさなければならない。
【０００７】
厳格な寸法公差に精密に機械加工できる複合材料が開発されてきた。この複合材料は、熱硬化性樹脂を含漬させた一方向テープのランダム配向部分から構成されている。この種類の準等方性繊維材料は、高圧金型及び種々の航空宇宙用構成部品を製造するために使用されてきた。この材料は、ＨｅｘＭＣ（登録商標）の商品名でＨｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｄｕｂｌｉｎ、ＣＡ）から調達できる。ＨｅｘＭＣ（登録商標）を用いて製造されてきた部品の種類に関する例は、米国特許第７，５１０，３９０号、米国特許第７，９６０，６７４号及び米国特許出願第１２／８５６，２１０号に記述されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１０／０２０９２３５号明細書
【特許文献２】米国特許第７，５１０，３９０号明細書
【特許文献３】米国特許第７，９６０，６７４号明細書
【特許文献４】米国特許出願第１２／８５６，２１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来は金属から製造されてきた出口ガイドベーン及び他の高性能部品の代わりに使用できる複合部品を製造するための新たなプロセス及び手法を開発することが必要とされ続けている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、全体が複合材料から製造された出口ガイドベーンが提供される。出口ガイドベーンは、繊維強化材及び硬化樹脂から成る成形体を含む。成形体は、中央翼部分と、成形体の端部分を形成している２つの中実な取り付けフランジ又はプラットフォームとを備える。本発明の特徴として、中央翼部分内に配置された繊維は一方向であり、端部分内に配置された繊維は、一方向繊維テープのランダム配向部分である。これら２つの相異なる繊維配向を組み合わせて、樹脂マトリックスに高圧で共成形すると、中央翼部分と取り付けフランジの両方に関する構造強度及び寸法要件を満たす複合体製出口ガイドベーンを提供できることが発見された。一方向繊維及び一方向テープのランダム配向を共成形して、局所的な特性を変化させた複合部品を提供し得るというこの発見は、出口ガイドベーンに限定されない。それどころか、この発見は、一方向繊維により提供される構造的強度及び剛性を部品の一部分が必要とし、且つ、典型的には部品の機械加工を必要とする厳格な寸法公差を部品の別の部分が満たさなければならない、広範な部品に応用可能である。
【００１１】
本発明の別の特徴として、中央翼部分の内部に中空なチャンバを形成することによりベーンの重量が低減された複合体製出口ガイドベーンが提供される。中空な出口ガイドベーンは、出口ガイドベーンの形状に厳格に合致する形状を有するプリフォームの成形により製造される。プリフォーム又は成形用本体は、繊維強化材及び未硬化の熱硬化性樹脂から構成される。未硬化の熱硬化性樹脂は、この樹脂が、成形用樹脂から硬化温度よりも十分に高いガラス転移温度（Ｔｇ）を有する固体樹脂に変換される硬化温度を有する。中実なマンドレルは、中央翼部分の内部にチャンバを形成するように、プリフォーム内に配置されている。中実なマンドレルは、熱硬化性樹脂の硬化温度よりも高いが硬化した固体樹脂のガラス転移温度よりも低い溶融温度で液体を形成するように溶融する材料から成る。適切な複合部品を提供するために必要とされる高圧におけるマンドレル材料の歪み及び液体マンドレル材料の漏出を阻止するように組み合わせられる複合体の高圧成形のためには、硬化温度超で溶融する中実なマンドレルが必要とされることが発見された。マンドレル材料はまた、硬化した部品のガラス転移温度未満で溶融しなければならない。さもなければ、マンドレル材料は溶融できず、部品の樹脂マトリックスを損傷させないで翼チャンバから取り出すことができない。
【００１２】
中空なチャンバを形成するための複合材料の高圧成形に可融性マンドレルを使用できるという発見もやはり、出口ガイドベーンに限定されない。それどころか、この発見は、重量を制限するため又は他の幾つかの設計要件を満たすために１つ又は複数の内部チャンバが所望される広範な部品に応用可能である。
【００１３】
本発明は、複合体製出口ガイドベーン、並びに、上述した本発明の特徴を用いた他の複合部品を包含する。本発明はまた、最終的な複合部品を形成するように成形されるプリフォーム又は成形用本体を包含する。更に、本発明は、最終的な部品を形成するように成形用本体を高圧で成形するための方法を包含する。
【００１４】
本発明に関する上述した特徴及び数多くの他の特徴、並びに附随する利点は、添付の図面と関連して解される下記の詳細な説明を参照することで、より深く理解されることになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】出口ガイドベーンがジェットエンジン内に配置されている場所を示す、ジェットエンジンの簡略図。
【図２】樹脂含漬した一方向繊維から製造された中空な中央翼部分と、ランダム配向された一方向テープの樹脂含漬部分から製造された２つの中実なフランジ端部分とを備える、例示用の出口ガイドベーンの斜視図。
【図３】単一のチャンバがある場合の本発明による中空な中央翼部分の断面図。
【図４】中央の翼桁により分離された２つのチャンバがある場合の本発明による中空な中央翼部分の断面図。
【図５】出口ガイドベーンを形成するように成形するために２つの半金型の間に配置されたときの、出口ガイドベーンプリフォームの図。
【図６】出口ガイドベーンの成形中に保護金属層が中央翼部分の前縁部に接着された場合の本発明による中実な出口ガイドベーンの断面図。
【図７】出口ガイドベーン翼にチャンバを形成する際に使用するための可融性マンドレルの図。マンドレルは、スズ−亜鉛共晶合金から製造されている。
【図８】図７に示した可融性マンドレルに形成された、出口ガイドベーンプリフォームの図。このプリフォームは、中央翼部分の中の一方向繊維と、一方向繊維テープのランダム配向部分と、１９６℃で硬化する熱硬化性樹脂との組合せから構成されている。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の高圧成形プロセスは、単一の部品内で一方向繊維と一方向テープのランダム配向領域とを組み合わせて、様々な寸法公差をも同時に満たしながら様々な構造的要件を満たすことが望ましい多種多様な複合部品の製作のために用いることができる。本プロセスは、複合部品内に１つ又は複数のチャンバを配置するためにも用いることができる。本発明は、未硬化の熱硬化性樹脂及び繊維状強化材から成るプリフォームの高圧成形を対象としている。高圧成形は、金型内で、３．４５ＭＰａ（５００ｐｓｉ）〜１３．７９ＭＰａ（２０００ｐｓｉ）の圧力を用いる。
【００１７】
本発明の成形プロセスを用いて製造できる複合部品の例には、航空宇宙用構造に関する、ジェットエンジン用の出口ガイドベーン、逆推力装置用カスケード、様々なエンジン翼、点検口、ブラケット、フランジ及び補強材が挙げられる。下記の詳細な説明は、樹脂含漬したプリフォームから出口ガイドベーンを成形するためのプロセス及び手法を対象としている。しかしながら、本明細書で記述したプロセス及び手法は、他の同様の中実な複合部品及びチャンバ付き複合部品を製造するために使用できることは理解されよう。
【００１８】
簡略化したターボファンジェットエンジンが、図１に１０により示されている。ターボファンジェットエンジン１０は、ターボファンジェットエンジンコア１４の前方に配置されたファン組立品１２を備える。ファン組立品１２から排出された気流は、コア１４内のコンプレッサーまで流路を介して送られ、コンプレッサーで更に圧縮される。圧縮空気は、燃焼器まで流路を介して送られ、燃焼器で燃料と混合され、高温の燃焼ガスを形成するように点火される。燃焼ガスはタービンまで流路を介して送られ、そこでガスからエネルギーが抽出されてコンプレッサーに動力が供給され、航空機を推進するための動力が生成される。出口ガイドベーン１６は、ファン組立品１２から排出された輻射状空気を、ターボファンジェットエンジン１０のバイパス領域の軸気流内に方向変換するように、ターボファンジェットエンジン１０内に置かれている。出口ガイドベーン１６は、取り付けフランジの間に配置された中央翼部分を備える。これらのフランジは、出口ガイドベーン１６をターボファンジェットエンジンにしっかりと連結するために使用される。
【００１９】
例示用の全複合体製の出口ガイドベーンが、図２の２０に示されている。出口ガイドベーン２０は、中空の中央翼部分２２、並びに、タービンエンジンに翼２２を取り付けるための２つの中実なフランジ２４及び２６を備える。図３に示されているように、翼部分２２は、成形プロセス中に形成されたチャンバ２８を備える。代替的な例示用の全複合体製の出口ガイドベーン３０が、図４に示されている。出口ガイドベーン３０は２つのチャンバ３２及び３４を備え、翼部分の全長にわたり中央に配置された翼桁３６により分離されている。第３の例示用の出口ガイドベーンが、図６の６０に示されている。出口ガイドベーン６０は、中実な中央翼６２及び中実なフランジ（図示無し）を有する。出口ガイドベーン６０はまた、出口ガイドベーンの前縁部に接合された保護金属シールド６４を備える。
【００２０】
本発明によれば、出口ガイドベーンは、未硬化樹脂及び繊維強化材から構成された複合材料である複合プリフォーム又は成形用本体を高圧成形することにより製造される。図８では、出口ガイドベーンを形成するように成形できる例示用のプリフォーム４０が示されている。プリフォーム４０は、酷似した最終的な出口ガイドベーンに成形される。出口ガイドベーンの一例は、長さ２０ｃｍ、幅５ｃｍであり、翼部分の厚さは０．１ｃｍ〜０．５ｃｍである。このような出口ガイドベーンの場合、プリフォームは、厚さを除いたすべての寸法を０．２ｃｍ〜１．５ｃｍ小さくすべきである。プリフォーム４０は中央翼部分４２を有し、中央翼部分４２は、翼を中空にすることを所望するか否かに応じて可融性金属マンドレルを備えていてもよいし又は備えていなくてもよい。プリフォームはまた、中実な端部分又はフランジ４４及び４６も備える。
【００２１】
プリフォーム４０に使用される未硬化樹脂は、通常は構造用に使用される熱硬化性樹脂又は熱可塑性樹脂のいずれから成っていてもよい。未硬化樹脂マトリックスの量は、プリフォームの全重量の２５重量％〜４５重量％になることが好ましい。未硬化樹脂マトリックスは、構造用複合材料に使用されるエポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、シアン酸エステル樹脂、フェノール樹脂又は熱可塑性樹脂のいずれであってもよい。熱可塑性樹脂の例としては、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミド−イミド（ＰＡＩ）が挙げられる。ＰＥＳ、ＰＥＩ及び／又はＰＡＩ等の熱可塑性物質によって強靱化されるエポキシ樹脂は、好ましい樹脂マトリックスである。航空宇宙産業で使用される種類のＵＤテープ中に典型的に存在する樹脂は好ましい。樹脂マトリックスとしての使用に適した例示用の熱可塑性強靱化樹脂は、米国特許第７，７５４，３２２号、米国特許第７，９６８，１７９号および米国特許出願第１２／７６４，６３６号に記述されている。
【００２２】
本発明による可融性マンドレルを用いて部品内にチャンバを形成する場合には、熱可塑性樹脂は使用できない。熱可塑性樹脂は、硬化温度よりも十分に高いガラス転移温度を有する固体樹脂を形成するようには硬化しないので、熱可塑性部品を損傷させないで可融性マンドレルを溶融及び除去させることができない。したがって、複合部品中に１つ又は複数のチャンバを形成するときには、熱硬化性樹脂を使用しなければならない。熱可塑性物質によって強靱化される熱硬化性樹脂は、チャンバ付き部品を形成するために使用することができる。熱可塑性物質によって強靱化されるエポキシ樹脂が好ましい。
【００２３】
未硬化樹脂及び繊維強化材は、別々にプリフォームに加えることができる。しかしながら、繊維は、プリフォームを製造するために使用される前に樹脂を予備含漬されることが好ましい。このような予備含漬された繊維は、一般的には「プリプレグ」と呼ばれる。プリフォームは、プリプレグの小片を成形して所望のプリフォーム形状にすることにより調製される。可融性マンドレルが使用される場合は、様々なプリプレグの小片をマンドレルの周囲に均一に置く。
【００２４】
樹脂を含漬された一方向テープのランダム配向片は、一般的に準等方性細断プリプレグと呼ばれる。準等方性細断プリプレグはランダムな不連続繊維複合体（ＤＦＣ）の形態をしており、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｄｕｂｌｉｎ、ＣＡ）からＨｅｘＭＣ（登録商標）の商品名で市販されている。前述したように、ＨｅｘＭＣ（登録商標）は、航空宇宙用物品及び高強度金型を含めた種々の目的のために使用されてきた。
【００２５】
準等方性（Ｑ−Ｉ）プリプレグは、一方向繊維テープの部分又は「チップ」、及び樹脂マトリックスから構成される。通常は、Ｑ−Ｉプリプレグは、細断された一方向テーププリプレグのランダム配向チップから構成されたマットとして供給される。これらのチップのサイズは、プリフォームのサイズ及び形状、並びにもしあれば寸法公差を満たすためにどのくらい正確にプリフォームを機械加工しなければならないかに応じて、繊維の種類と同様に変化できる。このチップは、幅０．８５ｃｍ（１／３インチ）、長さ５．０８ｃｍ（２インチ）、厚さ０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）であることが好ましい。このチップは、炭素、ガラス、アラミド、ポリエチレン、又は航空宇宙産業で一般的に使用される任意の繊維種類であり得る一方向繊維を含む。炭素繊維が好ましい。このチップは、マット内でランダム配向されており、比較的平坦になっている。これにより、マットには、横方向に等方的な特性がもたらされる。
【００２６】
このチップ又は部分を形成するように細断されたるＵＤテーププリプレグは、航空宇宙用プリプレグ中に一般的に使用される先述した樹脂のいずれであってもよい樹脂マトリックスを含む。熱可塑性によって強靱化される熱硬化性エポキシ樹脂は、破断又は層間分離に対してより抵抗性を有する傾向があるため、最終的な複合部品の機械加工が必要とされるならば好ましい。チップの樹脂含量はまた、合計プリプレグ重量の２５重量％〜４５重量％とできる。３５重量％〜４０重量％の樹脂含量を有するチップが好ましい。準等方性細断プリプレグを形成するとき、通常、更に樹脂はプリプレグチップに加えられない。初期のＵＤテーププリプレグに存在する樹脂は、チップを互いに接合してマットを形成するのに十分である。
【００２７】
準等方性（Ｑ−Ｉ）細断プリプレグは、所望の幅の一方向プリプレグテープ又はトウの購入又は作製により製造することができる。次いでテープ又はトウを所望の長さのチップに細断して、数層にチップをランダムに敷設して、プリフォームの中実部分を形成するか、又は、チャンバとされるプリフォームの中実部分のマンドレルの周囲の均一な層としてランダムに敷設する。ランダムに置かれたＵＤプリプレグチップを一緒にプレスして、プリフォームを形成する。マンドレルがプリフォーム内に存在する場合、プリフォームは全体がＱ−Ｉプリプレグチップから構成できる。そうでない場合、ランダム配向されたＵＤプリプレグチップが、ＵＤプリプレグ及び／又は他の繊維配向部から構成される他の部分を有するプリフォームの一部分のみを形成するために使用される。一緒にプレスされる際に、ランダム配向された個々のＵＤプリプレグチップは、プリプレグ樹脂の存在のため、本質的に互いに接合される。しかしながら、好ましい方法としては、材料のシートとして供給され後にプリフォームの中実な部分及び／又はプリフォームのチャンバ付き部分を形成するために使用するＨｅｘＭＣ（登録商標）又は同等の市販の準等方性細断プリプレグを購入することである。
【００２８】
例示用の好ましい準等方性細断プリプレグ材料は、ＨｅｘＭＣ（登録商標）８５５２／ＡＳ４である。この準等方性細断プリプレグ材料は、幅４６ｃｍで厚さ０．２０ｃｍのマットの連続状ロールとして供給される。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２／ＡＳ４一方向繊維プリプレグは、準等方性マット中にランダム配向されたチップを製造するために使用される。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２／ＡＳ４プリプレグは、厚さ０．０１６ｃｍで約１４５グラム／平方メートルの繊維目付量を有する炭素繊維／エポキシ一方向テープである。このテープの樹脂含量は３８重量％であり、この樹脂（８５５２）は、熱可塑性物質強靱化エポキシである。このテープは、０．８５ｃｍのストリップを提供するためにスリット加工され、長さ５ｃｍのチップを提供するために細断される。チップ密度は、約１．５２グラム／立方センチメートルである。他の例示用の準等方性細断プリプレグは、ＥＭＣ１１６／ＡＳ４（エポキシ／炭素繊維）、８５５２ＩＭ７（熱可塑性物質強靱化エポキシ／炭素繊維）、３５０１−６／Ｔ６５０（エポキシ／炭素繊維）及びＭ２１／ＩＭ７（熱可塑性物質強靱化エポキシ／炭素繊維）等、他のＨｅｘＰｌｙ（登録商標）一方向プリプレグテープを用いて製造することができる。ＨｅｘＭＣ（登録商標）８５５２／ＡＳ４及びＭ２１／ＩＭ７は、本発明によるプリフォームを形成するための、単独での使用又は他の繊維配向部と組み合わせての使用に関する好ましい準等方性細断プリプレグである。
【００２９】
繊維織物及び他の繊維配向部を、ランダム配向されたＵＤプリプレグチップと組み合わせて用いて、プリフォームを製造できる。しかしながら、一方向繊維を使用することが好ましい。ＵＤ繊維は、数百本の単繊維から１２０００本以上の単繊維までを含有できる。ＵＤ繊維は、典型的には、一方向配向部中の連続繊維から構成されたテープとして供給される。ＵＤテープは、繊維状構造を形成するために使用される、好ましい種類のプリプレグである。一方向テープは、販売元から調達することができるが、公知のプリプレグ形成プロセスを用いて製作することもできる。ＵＤテープの寸法は、製造する特定の複合部品に応じて幅広く変化できる。例えば、ＵＤテープの幅（ＵＤ繊維に垂直な寸法）は、１．２７ｃｍ（０．５インチ）〜３０．４８ｃｍ（１フィート）以上までの範囲とできる。このテープは、典型的には、０．０１ｃｍ〜０．０３ｃｍ（０．００４インチ〜０．０１２インチ）の厚さになり、ＵＤテープの長さ（ＵＤ繊維に平行な寸法）は、プリフォームのサイズ及び形状並びにプリフォーム内でのＵＤテープの各小片の特定の配向に応じて、１．３ｃｍ（０．５インチ）〜１ｍ（数フィート）以上までできる。
【００３０】
好ましい例示用の市販の一方向プリプレグは、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｄｕｂｌｉｎ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から調達できるＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２である。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２は、３４重量％〜３８重量％の範囲の量のアミン硬化式強靱化エポキシ樹脂マトリックスと、３０００本〜１２，０００本の単繊維を有する炭素ＵＤ繊維又はガラスＵＤ繊維とを含有する種々の一方向テープ構成にして利用することができる。これらの繊維は、典型的には、ＵＤテープの６０体積％を占める。好ましいＵＤ繊維は炭素繊維である。
【００３１】
図６の６０に示した種類の中実な出口ガイドベーンを製造する場合、ＵＤテーププリプレグは長手方向に敷設されて、翼の両端の取り付けフランジ間にＵＤ繊維が延在するように中実な翼部分を形成する。プリフォームフランジは、ランダム配向されたＵＤプリプレグチップを用いて形成される。２つの繊維配向部は、強固な結合を実現するように重なり合うべきである。例えば、ランダム配向されたＵＤプリプレグチップは、これらのチップが翼部分の中まで延在して翼部分の端部でＵＤテーププリプレグと重なり合うように置くことができる。重なり合いの度合いは、翼中のＵＤ繊維と、フランジを構成するランダム配向されたＵＤプリプレグチップとの結合のところでの裂開につながる可能性のあるいかなる隙間又は樹脂に富んだ領域をも無くすのに十分なものとすべきである。ＵＤ繊維は、必要とされる重なり合いを実現するように、フランジ部分内まで延在することがより好ましい。いずれの場合でも、２つの相異なる繊維配向部が合流して重なり合う継ぎ目のところで最大強度を実現するように、ＵＤプリプレグ及びＵＤプリプレグチップの様々な層が、互い違いの層に差し挟まれることが好ましい。
【００３２】
図５に示されているように、中実なプリフォームを、金型の２つの半体５２及び５４の間に置き、樹脂の硬化温度まで加熱し、高圧で溶融させて出口ガイドベーン６０を形成する。エポキシ樹脂に関する典型的な高圧硬化温度は１７０℃〜２２５℃である。好ましい硬化温度は１９０℃〜２０５℃である。金型内の内圧は、硬化温度において、５００ｐｓｉよりも高くて２０００ｐｓｉよりも低いことが好ましい。プリフォームが完全に硬化したら（通常は、硬化温度において１０分から１時間まで）すぐに、部品を金型から取り出し、冷却して最終的な部品を形成する。必要ならば、フランジ又はプラットフォームは、最終的なフランジ形状を形成し必要とされる任意の正確な寸法を実現するように機械加工することができる。
【００３３】
プリフォームは、樹脂の粘度を増大させてプリフォーム形状の維持を助け、後続の高圧成形中にマンドレルを所定位置に保持するために、金型に入れられる前に「ステージング」されることが好ましい。ステージングは、周囲圧力において、樹脂の粘度を実質的に増大させるのに過不足ない時間をかけて、１６５℃〜１８０℃の温度にプリフォームを加熱することを含む。ステージング温度で約５分〜１５分のステージング時間が好ましい。ステージングされたプリフォームは、最終的な硬化のために金型に入れられる前に室温まで冷却されることが好ましい。更に、プリフォームの樹脂の粘度は、プリフォームが硬化温度まで加熱されるにつれて低下し、その後、樹脂が硬化するにつれて急速に増大する傾向がある。金型は、樹脂が最低粘度に到達するまでは加圧されないことが好ましい。実際には、ステージングされたプリフォームは、硬化温度まであらかじめ加熱しておいた金型に入れられる。金型の加圧は、最低粘度相を通って樹脂が移動するための時間を樹脂に与えるために、数秒から１分以上まで遅延される。加圧におけるこうした遅延は、圧力が印加されたときのマンドレルの移動を制限するために内部チャンバを形成する可融性マンドレルを備えるプリフォームに関しては特に好ましい。
【００３４】
中空な内部チャンバを有する出口ガイドベーンを形成する方法は、基本的には、上述した中実な出口ガイドベーンを製造する方法と同じである。その差異は、図７の５０に示した可融性マンドレルが、プリフォームの翼部分の中央に置かれることである。可融性マンドレルは、未硬化樹脂の硬化温度よりも高いが硬化樹脂のガラス転移温度よりも低い融点を有する材料にすべきである。「ロストワックス」金属成形法において用いられてきた種類の高温ワックスを使用することができる。しかしながら、好ましい可融性マンドレルは、比較的狭い範囲（１℃〜５℃）で溶融し、且つ、樹脂を硬化させるために用いられる温度よりも少なくとも１℃高く、樹脂を硬化させるために用いられる温度より好ましくは少なくとも５℃高い融点を有する、共晶合金から製造される。可融性材料の融点範囲の上端は、硬化樹脂のガラス転移温度より少なくとも１℃低くすべきであり、好ましくは、硬化樹脂のガラス転移温度より少なくとも５℃低くすべきである。
【００３５】
可融性マンドレルを形成するために使用できる例示用の共晶合金には、上述した溶融特性を有するスズと亜鉛及び／又はビスマスとの共晶混合物が挙げられる。可融性マンドレルとしての使用のための好ましい共晶合金は、９１重量％のスズ及び９重量％の亜鉛を含有する。このスズ／亜鉛合金は１９９℃の融点を有する。他の共晶合金は、これらの合金が上記の融点要件を満たすことを条件にして使用できる。共晶合金は、母材から製造することもできるし、又は、Ｋａｐｐ  Ａｌｌｏｙ＆Ｗｉｒｅ，Ｉｎｃ．（Ｏｉｌ  Ｃｉｔｙ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）等の販売業者から購入することもできる。
【００３６】
プリフォームは、先述した種類のプリプレグを用いて、可融性マンドレルの周囲に成形される。プリフォームは、全体がＵＤテープのランダム配向部分から構成できるが、プリフォームは、中実な出口ガイドベーンに対して上述したように、翼部分にＵＤテーププリプレグ、フランジにＵＤテープのランダム配向部分を備えることが好ましい。可融性マンドレルは、プリフォーム内に配置され、均等な厚さのプリプレグ材料により取り囲まれるようにすべきである。均等量のプリプレグによってマンドレルが取り囲まれていない場合は、成形プロセスで用いられる高圧により、マンドレルのずれが生じ得ることが見出された。
【００３７】
マンドレルを収容するプリフォームは、硬化後、可融性材料を溶融するのに十分な温度まで更に加熱され、その結果、可融性材料は、部品内に穴開けされた穴を通って部品外に流出することができる。部品は、溶融した可融性材料が流出して翼部分に中空なチャンバを備える出口ガイドベーンが形成された後に冷却される。可融性マンドレル５０は、図３に示されているような単一の中空なチャンバ２８を有するように成形される。所望ならば、複数の可融性マンドレルをプリフォーム内部に配置して、図４の３２及び３４に示した種類の複数の中空なチャンバを設けることができる。複数のチャンバの形成は、図４の翼桁３６又は他の種類のリブ構造の形態の翼部分に更なる構造上の強度を与えることが望ましい場合に好ましい。複数のマンドレルも、高圧硬化中に望ましくないマンドレルのずれを阻止するために、プリフォーム内で均等量のプリプレグ材料によって取り囲まれるべきである。更に、溶融したマンドレル材料が、部品の成形中に形成されたチャンバから流出できるようにするために、各マンドレルには流出口が必要となる。
【００３８】
先述したように、浸食保護材を、図６に示した保護金属の薄いシート６４の形態で、出口ガイドベーンの前縁部に追加することができる。金属シートは、厚さ０．００２５４ｃｍ（０．００１インチ）〜０．０２５４ｃｍ（０．０１０インチ）にすべきであり、適切な頑丈さを有し耐摩耗性のある金属又は合金から製造すべきである。ステンレス鋼、チタン及び他の同様の高強度合金が適している。本発明の一特徴として、保護金属シートが、プリフォームの成形前に、プリフォームの所定位置に置かれる。保護シートは、比較的低い軟化温度を有する熱可塑性接着剤を用いて、プリフォームに接着される。およそ１１０℃〜１３０℃の軟化温度が好ましい。成形部品の冷却中、金属保護シートが、複合体翼部分から剥離する傾向を有することが発見された。この問題は、チャンバ付き部品を製造している場合ならば、部品がマンドレルの硬化温度又は溶融温度から実質的に冷却されるまで固化しない接着剤を使用することにより回避される。冷却中に可能な限り接着剤を非固体状態に保持することにより、複合体翼から保護金属が剥離する傾向が実質的に減少されることが発見された。
【００３９】
出口ガイドベーンに前縁部保護シートを接合するために使用できる例示用の接着剤には、約１２３℃の軟化点を有するポリオレフィン接着剤及び約１１６℃の軟化点を有するポリアミド接着剤が挙げられる。適切なポリオレフィン接着剤は、ＢＥＭＩＳ（Ｓｈｉｒｌｅｙ、ＭＡ）からＢＥＭＩＳ６３４３の商品名で調達できる。適切なポリアミド接着剤も同様に、ＢＥＭＩＳ（Ｓｈｉｒｌｅｙ、ＭＡ）からＢＥＭＩＳ４２２０の商品名で調達できる。
【００４０】
実施例は、下記の通りである。
【００４１】
「実施例１」
図８の４０に示した種類のプリフォームを、図２及び図３の２０に示した種類の出口ガイドベーンを製造するために作製した。出口ガイドベーンは、高さが２２．８６ｃｍ（９インチ）、幅が５．０８ｃｍ（２インチ）〜１０．１６ｃｍ（４インチ）の範囲の翼部分を有していた。翼の厚さは、０．１０１６ｃｍ（０．０４０インチ）〜０．６３５ｃｍ（０．２５０インチ）であった。フランジはそれぞれ、幅約１２．７ｃｍ（５インチ）、長さ約５．０８ｃｍ（２インチ）、厚さ約０．５８４２ｃｍ（０．２３０インチ）であった。図７の５０に示した種類のマンドレルを、９１重量％のスズ及び９重量％の亜鉛（融点１９９℃）から成る共晶合金から作製した。３８重量パーセントの樹脂含量を有するＡＳ４／８５５２ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）の一方向テーププリプレグによってマンドレルを覆うことにより、プリフォームの翼部分を作製した。ＵＤテープは、このテープがフランジ又はプラットフォーム間で長手方向に延在し且つフランジに約３．８１ｃｍ（１．５インチ）重なり合うように敷設した。プリフォームのフランジ部分を、３８重％の樹脂含量を有するＡＳ４／８５５２ＨｅｘＭＣ（登録商標）から製造した。ＵＤテープの重なり合っている部分を、ＨｅｘＭＣ（登録商標）の層に差し挟んだ。プリフォームを、翼部分の厚さを除いたすべての寸法を０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）減寸させて酷似した出口ガイドベーンに形成した。プリフォーム中の樹脂及び繊維を合わせた質量は、硬化プロセス中の樹脂のバリ発生（ｒｅｓｉｎ  ｆｌａｓｈｉｎｇ）による重量低下を考慮して、所望の出口ガイドベーン重量の１０３重量パーセントとした。プリフォームの質量は、所望の出口ガイドベーン重量の１０１重量パーセント〜１１０重量パーセントであることが好ましい。
【００４２】
プリフォームは最初に、樹脂のステージング中にプリフォームの形状を維持するために、硬化金型に酷似した薄手の有孔シート状の金属工具に入れた。工具で支持したプリフォームを、大気圧下で１７７℃のオーブンに９分間入れておき、樹脂をステージングして最低粘度を増大させた。ステージングされたプリフォームを室温に冷却し、シート状金属工具を除去した。次いで、ステージングされたプリフォームを、図５の５２及び５４に示した種類の圧縮金型に入れた。この金型は、１９６℃の温度に予備加熱しておいた。この金型に入れる際、プリフォームが溶融状態になって、約９０秒以内で最低粘度を超えた。最初の９０秒後、金型を１５００ｐｓｉに加圧した。金型をこの圧力及び温度に２０分間保持した後、部品を取り出した。次いで、部品を通って、マンドレルにより形成されたチャンバにまで穴開けした。次いで部品を２０４℃に加熱し、共融金属合金が溶融してチャンバから流出するまでそこに保持した。次いで部品を冷却し、圧縮試験を含めた種々の試験を行った。出口ガイドベーンの予測モーダル解析は、モーダル試験の結果と非常に厳格に合致することが見出された。更に、出口ガイドベーンのレイアップ及び構成は、特定のエンジン特性に基づいた出口ガイドベーンの望ましくない固有振動数応答を回避するように適合できる。複合体製出口ガイドベーンは、自由状態条件下での圧縮強度、耐座屈性、耐疲労性及び固有振動数において、出口ガイドベーンの通常の構造的要件を満たすことが見出された。必要ならば、フランジ又はプラットフォームは、設計要件及び／又は寸法公差要件を満たすように機械加工してフランジ材料を取り除くことができる。翼部分の機械加工は、翼を構成するＵＤ繊維に許容できない損傷を生じさせかねないため不可能である。
【００４３】
「実施例２」
３８重量％の樹脂含量を有するＡＳ４／８５５２ＨｅｘＭＣ（登録商標）からプリフォーム全体が製造されることを除いて、実施例１と同じ方式により出口ガイドベーンを作製する。実施例１と同じ様式によりプリフォームをステージングし硬化させる。実施例１のように共晶金属マンドレルを溶融して除去し、部品を冷却して、全複合体製チャンバ付き出口ガイドベーンを提供する。この全複合部品は、すべての領域で設計公差及び寸法公差を満たすように機械加工することができる。部品はまた、自由状態条件下での圧縮強度、耐座屈性、耐疲労性及び固有振動数において、比較用の金属出口ガイドベーンに等しいと予想される。
【００４４】
「実施例３」
マンドレルを無くし、且つ、全体が一方向繊維から成る中実な翼部分を提供するためにＡＳ４／８５５２ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）一方向テーププリプレグを代わりに使用したことを除いて、実例１と同じ方式により図６の６０に示した種類の中実な出口ガイドベーンを製造した。更に、プリフォームの前縁部を、厚さ０．０１０１６ｃｍ（０．００４インチ）の３１６ステンレス鋼製の保護シートによって覆った。ＢＥＭＩＳ４２２０ポリアミド接着剤の薄層を、保護シートと複合プリフォームの前縁部との間に配置した。可融性マンドレルを除去するための余分な加熱ステップが必要とされないことを除いて、実施例１と同じ方式によりプリフォームを成形した。得られた中実な出口ガイドベーンもやはり、比較用の金属出口ガイドベーンよりも圧縮強度及び耐座屈性が良好なことが見出された。中空な出口ガイドベーン及び中実な出口ガイドベーンは同じ幾何形状を有するが、これらのガイドベーンは、エンジン内でのこれらのガイドベーンの場所に応じて必要とされる異なる構造的要件を満たすように使用することができる。中実な出口ガイドベーンは、全体としてはより頑丈であるが、中空な出口ガイドベーンよりも重量がある。中実な出口ガイドベーンの翼部分の重量は、中空な出口ガイドベーンの重量の２倍にもなる。保護用ステンレス鋼シートは、最終的な出口ガイドベーンの前縁部にしっかりと接合したままだった。
【００４５】
「比較例１」
５０重量パーセントのスズ及び５０重量パーセントのビスマスから成る共晶合金からマンドレルが製造されたことを除いて、実施例１と同じ方式によりプリフォームを調製した。この共晶合金は、１３８℃の融点を有していた。金型温度が２００℃だったことを除いて、実施例１と同じ方式によりプリフォームを成形した。金型硬化温度が共晶合金の融点よりも高かったため、マンドレルが成形ステップ中に溶融した。この金型を１０．３４ＭＰａ（１５００ｐｓｉ）に加圧したとき、液体共晶合金が、樹脂及び繊維を通って金型の半体同士の間から搾り出された。結果として、プリフォーム内の内部チャンバが崩壊した。
【００４６】
「比較例２」
マンドレルの片面にもう一方の面より多くのＵＤプリプレグテープを置いたことを除いて、実施例１と同じ方式によりプリフォームを作成した。次いで不均衡なプリフォームを、実施例１と同じ方式により成形した。成形ステップ中、金型内の高圧により、マンドレルの片面にある余分なプリプレグが、プリプレグが欠乏していたマンドレルの面に対して過度の力を及ぼした。金型内のこうした不均衡な力により、マンドレルにずれ及び歪みが生じた。したがって、先述したように、プリフォーム中のプリプレグ材料の量は、出口ガイドベーン等の高性能部品を適切に形成するために必要とされる高圧でのマンドレルのずれ及び歪みを阻止するために、マンドレルの周囲では均衡していることが好ましい。
【００４７】
このように本発明の例示用の実施例を記述してきたが、開示内容は例示用のものにすぎず、様々な他の代替法、改造及び修正が本発明の範囲内でなされ得ることを、当業者は留意すべきである。例えば、本発明は、強度、機械加工性及び軽い重量の組合せが必要とされる、種々の中実な高性能部品及びチャンバ付き高性能部品を製造するために使用することができる。更に、可融性マンドレルが溶融して部品から除去されたときに形成される中空なチャンバは、固有振動数の減衰及び音響の減衰等の所望の特性を部品に提供する発泡体又は他の充填材を注入式充填することができる。したがって、本発明は、上述した実施例により限定されるのではなく、下記の請求項によってのみ限定される。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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