(57)【要約】  繊維予備成形物をツール表面（１２）上に製造するための自動方法。このような繊維予備成形物は、樹脂注入によって液体樹脂を受容するように構成される。少量の放射線吸収材料を含有する使い捨て層（１５）が、乾燥繊維材料（１１）の第１のプライの自動配置の前にツール表面上に配置される。ポリマーまたは樹脂結合剤（１６）の粒子が、使い捨て層（１５）の露出表面に適用され、第１のプライの付着性を高める。乾燥繊維材料（１１）は、自動配置方法によってツール表面上に堆積され得る細長い、幅が狭い繊維テープまたはより幅が広い布の形態であってもよい。使い捨て層（１５）は、可撓性ポリマーフィルム、剥離フィルム、剥離プライまたはポリマー被覆ガラス布の形態であってもよい。【選択図】  なし
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維予備成形物をツール表面上に製造するための方法であって、
（ａ）使い捨て層を前記ツール表面上に付着させる工程であって、前記使い捨て層が、前記ツール表面と接触していない露出表面上のポリマーまたは樹脂結合剤の層および粒子中に分散された微粒子形態の放射線吸収材料を含む工程と、
（ｂ）自動化によって繊維材料の第１のプライを使い捨てフィルム上に配置する工程と、
（ｃ）放射線エネルギー源を使用して、前記第１のプライが前記使い捨て層と接触する前に前記使い捨てフィルムに向かって放射線を放射し、前記使い捨て層を加熱する工程と、
（ｄ）締固めデバイスを使用して前記第１のプライを前記使い捨て層に対して加圧する工程と、
（ｅ）自動化によって繊維材料の１つ以上の付加的なプライを前記第１のプライ上に連続的に配置し、前記締固めデバイスを使用して各々の後続のプライを先行した敷設されたプライに対して加圧する工程とを含み、
前記繊維材料が、強化繊維５０重量％超を含み且つ多孔性である、方法。
【請求項２】
前記使い捨て層が、前記フィルム全体にわたって分散された放射線吸収材料の粒子を含む可撓性ポリマーフィルムである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記可撓性ポリマーフィルムが、ポリアミド、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、およびポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアリールエーテルケトン、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（例えばカプトン）、ポリウレタン、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、シリコーン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、およびエチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）から選択されるポリマー成分を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記可撓性ポリマーフィルムが、前記ポリマーフィルムの５０重量％超を占める主成分としてポリアミドを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記可撓性ポリマーフィルムの厚さが０．２０ｍｍまでであり、０．０１ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲を含む、請求項２〜４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項６】
前記使い捨て層が、
エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、クロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、およびポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフルオロポリマー、ポリエチレン（ＰＥ）、ＨＤＰＥおよびＬＤＰＥなどのポリオレフィン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、ポリイミド（ＰＩ）、それらのコポリマーおよびそれらの組合せから選択されるポリマー成分と、
前記剥離フィルム全体にわたって分散された放射線吸収材料の粒子とを含む非孔質剥離フィルムである、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記使い捨て層が、前記ポリマーフィルムの５０重量％超を占める主成分としてフルオロポリマーを含む非孔質剥離フィルムである、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記使い捨て層が、放射線吸収材料の粒子がその中に分散されたポリマーコーティングを含むポリマー被覆ガラス布である、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記使い捨て層が、織ポリマー繊維のシートを含む剥離プライであり、前記放射線吸収材料の粒子が前記ポリマー繊維内に混入される、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記使い捨て層が、織繊維のシートを含む剥離プライであり、前記放射線吸収材料の粒子が前記織繊維上に適用される、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記剥離プライ内の前記織繊維が、ポリエステル、ポリアミド、ガラス、ポリプロピレン、およびポリエチレンから選択される材料から形成される繊維を含む、請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記放射線吸収材料がカーボンブラックである、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１３】
前記放射線吸収材料が、インドリノシアミン、トリフェニルメタン、ナフタロシアニン、およびインドナフトール金属錯体から選択される、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１４】
前記使い捨て層上の前記結合剤が周囲温度（２０℃〜２５℃）で固体材料であり、それは（ｃ）において前記放射線エネルギー源によって加熱する間に軟化または溶融する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１５】
前記使い捨て層上の前記結合剤が、熱硬化性樹脂、熱可塑性ポリマー、およびそれらの組合せから選択される主成分を含み、前記主成分が前記結合剤の少なくとも５０重量％を占める、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記使い捨て層上の前記結合剤が、少なくとも１つのエポキシ樹脂と熱可塑性ポリマーとのブレンドを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記熱可塑性ポリマーが、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルスルホン（ＰＥＥＳ）、およびＰＥＳとＰＥＥＳとのコポリマーから選択される、請求項１５または１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記後続のプライが前記先行した敷設されたプライと接触する前に前記放射線エネルギー源が繊維材料の前記先行した敷設されたプライに向かって放射線を放射する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１９】
繊維材料の前記プライの自動配置が、前記放射線エネルギー源と前記締固めデバイスとが上に設置されるロボット繊維配置ヘッドによって行われ、前記ロボット繊維配置ヘッドが制御されて、前記ツール表面に対して様々な方向において移動する、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法
【請求項２０】
前記放射線エネルギー源がレーザーである、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２１】
前記レーザーが赤外線レーザーである、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記ツール表面が、繊維材料の前記プライが合致する三次元形態を含む、請求項１〜２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２３】
前記繊維材料が、炭素繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、およびアラミド繊維から選択される強化繊維を含む、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２４】
繊維材料の各々のプライが、並列に配置された複数の細長い繊維テープからなり、各々の細長い繊維テープがその幅より大きい長さ方向の長さを有し、各々の細長い繊維テープが一方向繊維の層の少なくとも１つの面に積層される不織または多孔性ベールを含み、
（ｂ）においての繊維材料の前記第１のプライの配置が、複数の細長い繊維テープを並列に前記使い捨て層上に自動化によって堆積させる工程を含み、
（ｅ）においての１つ以上の付加的なプライの配置が、複数の後続の細長い繊維テープを並列に前記先行した敷設繊維テープ上に自動化によって堆積させる工程と、前記締固めデバイスを使用して後続の繊維テープを前記先行した敷設繊維テープに対して加圧する工程とを含む、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２５】
前記後続の繊維テープが前記先行した敷設テープと接触する前に前記放射線エネルギー源が、前記先行した敷設繊維テープに向かって放射線を放射する、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
各々の細長い繊維テープが、一方向炭素繊維の層の少なくとも１つの面に積層された不織布ベールを含み、前記不織布ベールが、熱可塑性繊維、炭素繊維、およびそれらの組合せから選択される不規則に配列された繊維を含む、請求項２４または２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記繊維テープの幅が、１５２ｍｍ〜３０５ｍｍまたは３．１７ｍｍ〜３８．１ｍｍの範囲である、請求項２４〜２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２８】
各々の繊維テープが、その構造物中に混入されたポリマーまたは樹脂結合剤を含む、請求項２４〜２７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項２９】
繊維材料の各々のプライが布または数枚の布の単一プライである、請求項１〜２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項３０】
布の各々の単一プライまたは単一枚が５．０ｍまでの幅または最も短い線寸法を有する、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【図面の簡単な説明】
【０００１】
【図１】繊維テープの第１のプライをツール表面上に敷設するための典型的な自動方法を説明する。
【図２】図１の方法において使用されてもよい可撓性フィルムを説明する。
【発明を実施するための形態】
【０００２】
三次元複合部品は、繊維強化ポリマー母材から形成することができる。これらの部品は異なった方法を使用して製造することができ、その１つは液体樹脂注入である。樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）およびＶＡＲＴＭは、液体樹脂を繊維予備成形物中に射出するまたは注入する工程を必要とする製造方法の例である。繊維予備成形物は、樹脂注入作業の間に樹脂がそれを完全に満たすか含浸することを可能にするために十分に多孔性である。このような方法の典型的な適用には、航空機の翼表皮および胴体が含まれる。
【０００３】
ＲＴＭプロセスの間、予備成形物を密閉された型キャビティ内に置き、加圧下で樹脂をキャビティ内に射出する。予備成形物を有する型はしばしば真空下に置かれ、真空が予備成形物内の全ての空気を除去し、ＲＴＭプロセスを速めるようにする。液体樹脂が型キャビティを充填すると、樹脂が硬化されて複合部品が形成される。片面ツールが通常、真空バギングと共に使用され、真空が液体樹脂を予備成形物中に引き込むこと以外はＶＡＲＴＭはＲＴＭに似ている。これらの技術は、非常に複雑な形状を有する構造部品の製造によく適している。
【０００４】
従来より、液体成形によって複合部品を形成するための乾燥繊維予備成形物は手作業のレイアップ作業によって作製され、そこで乾燥繊維材料の重ねられた層は、複合部品の形状を実質的に画定するツール上にレイアップされる。繊維材料の層は、不織布または織布、例えば、非クリンプ布（ＮＣＦ）の形態であってもよく、それは樹脂で予備含浸されていない。層をツール上にレイアップする間、しわまたはブリッジを引き起こさずにそれらにツールの形状をとらせるように作業者は注意深くなければならない。このような手作業は面倒で時間がかかる。
【０００５】
複合部品を形成するための別の製造方法はプレプレグレイアップ方法であり、それによって樹脂含浸複合材料の層は、複合部品の形状を再現することができるツール表面上に積み重ね配置で相重なってレイアップされる。次に、複合層のレイアップを固めて硬化して、固化した複合部品を製造する。自動強化敷設（ＡＴＬ）および自動繊維配置（ＡＦＰ）などの自動配置方法を使用して、硬化性プレプレグ部品を層ごとに形成した。ＡＴＬまたはＡＦＰ方法は、複合材料の複数の狭い幅の平らなストリップを並列にツール表面上に自動的に分配して、「プライ」と称される、大きな寸法の層を作る工程を必要とする。付加的なプライを前に配置されたプライ上に順次に積み重ねて、所望の厚さを有するレイアップを製造する。「プレプレグテープ」とも呼ばれる、複合材料の各々のストリップは、樹脂またはポリマー材料で含浸された強化繊維から構成される。強化繊維は、硬化したときに固化する熱硬化性樹脂で含浸されるかまたは熱を使用して所望の形状に成形され得る熱可塑性母材内に埋め込まれる一方向炭素繊維であってもよい。用語「一方向」は、１つの方向における整列を意味する。このような予備含浸繊維は通常、室温で触ってみると粘着性であるか（またはべとつく）または樹脂またはポリマーの軟化温度または融解温度までまたはそれ以上に加熱されるときにそうなるかどちらかである。この自動配置方法は高速で行われ、典型的に、最終複合部品の形状を再現する選択されたツール表面の表面に相応する様々な形態でプレプレグテープを敷設することができる。
【０００６】
ＡＴＬまたはＡＦＰ装置は一般的に、繊維配置ヘッドと、ツール表面全体にわたって異なった方向に繊維配置ヘッドを移動させるためのロボットシステムと、プレプレグテープの連続したストリップが巻き取られる保存用クリールと、テープをクリールから繊維配置ヘッド上に誘導するための機構とを備える。繊維配置ヘッドは、回転可能な締固めローラーと、テープをクリールから締固めローラーに搬送するための搬送手段とを備える。締固めローラーは、テープをツール表面またはテープの先行配置されたプライに対して適用するためにツール表面と接触するように構成される。装置は、切断手段、例えば、連続強化材の長さを供給クリールから切断するための刃をさらに備える。配置ヘッドは、一回の通過の間に複数のテープを同時に堆積するように構成されてもよい。
【０００７】
配置ヘッドは、その動きを制御するロボットシステムに接合される。ロボットシステムは、繊維配置ヘッドの必要とされる全ての横および縦の動きを誘導するようにソフトウェアでプログラムされる。ロボットシステムは、繊維配置ヘッドが固定されるエンド・リスト・ジョイントを有する、地面に取り付けられるかまたはリニア軸上に取り付けられる、標準６軸ロボット多関節アームを備えるか、または配置ヘッドを保持するエンド・リスト・ジョイントを備えた直角座標ロボットによるものであってもよい。「直角座標ロボット」は、互いに直角の３つのリニア主制御軸を有するロボットを意味する。すなわち、ロボットは回転するのではなく直線に動く。３つの直進ジョイントは、リストの上下、内外、および前後の動きに相応する。
【０００８】
Ｃｏｒｉｏｌｉｓ  Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ，ＭＴｏｒｒｅｓ  ａｎｄ  Ａｕｔｏｍａｔｅｄ  Ｄｙｎａｍｉｃｓ製のロボット繊維配置ヘッドを有する市販のＡＴＬ／ＡＦＰ装置は、上に考察したＡＴＬ／ＡＦＰ装置の例である。
【０００９】
典型的なＡＴＬ／ＡＦＰ作業において、配置ヘッドは、ツール表面の上で繰り返し通過して、所望の寸法の第１のプライが形成されるまで複数のテープを画定されたパターンにおいて並列に敷設する。各々の通過の間に、繊維配置ヘッドは、配置ヘッドがツール表面に対して移動する間に供給クリールからの１つ以上の連続したテープをツール表面上に適用する（または堆積する）。連続強化材の長さが各々の通過終了時に切断される。第１のプライを形成する間、締固めローラーがツール表面に対してテープを加圧して、テープの付着性を促進する。テープの複数のプライは、先行した敷設されたプライの上で配置ヘッドを継続的に通過させることによって層ごとに積み重ねられる。締固めローラーは、後に敷設されたテープを前に敷設されたテープに対して加圧して、重ねられたテープを固めて、すなわち、圧密する。締固めローラーは、圧縮によって弾性的に変形しうる可撓性材料から製造される円筒体を含んでもよい。例えば、円筒体は、シリコーン、ポリシロキサンまたはポリウレタンなどの非発泡エラストマー材料から構成されてもよい。
【００１０】
前述の自動配置方法を使用して、複合部品が液体樹脂注入によってそれから形成される繊維予備成形物を形成することができる。自動配置方法は、繊維予備成形物を製造するために使用された従来の手作業と比較して加工速度を増加させ、コストを低減する。プレプレグテープの代わりに、幅が狭い繊維テープまたはより幅が広い布の形態の乾燥繊維材料が自動配置方法において使用される。乾燥繊維材料は、室温で指触乾燥状態（すなわち非粘着性）であり樹脂で十分に含浸されることも樹脂母材中に埋め込まれることもないので、「乾燥」していると考えられる。それは主に強化繊維を含有する（５０重量％超）。それ故、乾燥繊維材料は、多孔性のままであり、液体に対して、特に、ＲＴＭおよびＶＡＲＴＭのために使用される液体樹脂に対して透過性である。
【００１１】
ＡＴＬおよびＡＦＰなどの自動配置方法においてツール表面上への乾燥繊維材料の第１の層の配置に関連する問題を克服するための解決策がここで提供される。そのために、少量の放射線吸収材料を含有する使い捨て層は、繊維材料の第１の層の配置前にツール表面上に配置される。使い捨て層は、予備成形物が製造された後に除去されて複合物品の製造プロセスの間に他の機能を果たさない可撓性ポリマーフィルムの形態であってもよい。代わりに、使い捨て層は、製造プロセスにおいて後で機能を果たす材料であってもよい。例として、使い捨て層は、剥離プライ、剥離フィルムまたはポリマー被覆ガラス布であってもよい。本明細書中で用いられるとき用語「使い捨て層」は、複合物品の製造において使用され、次いで、最終複合物品が製造された後に廃棄される層を意味する。
【００１２】
使い捨て層内の放射線吸収材料は、自動配置装置の繊維配置ヘッドに設置された放射線エネルギー源と同じ周波数または周波数範囲のエネルギーを吸収するように選択される。自動配置の間に使い捨て層への第１の繊維材料の層の付着性をさらに強化するために、少量のポリマーまたは樹脂結合剤を使い捨て層の上部表面上に予備適用してもよい。このような実施形態において、第１の繊維材料の層が使い捨て層の上に配置される前に使い捨て層上の結合剤を加熱することが必要である。結合剤も或る形態の接合補助も用いずに第１の層がツール表面に接合しなければならない場合、接合プロセスはおそらく破綻する。
【００１３】
本開示の一実施形態に従って、繊維予備成形物は、
（ａ）使い捨て層をツール表面に付着させる工程であって、使い捨て層が、層内に分散された微粒子形態の放射線吸収材料を含む工程と、
（ｂ）自動化された方法で繊維材料の第１のプライを使い捨て層上に配置する工程と、
（ｃ）放射線エネルギー源を使用して、第１のプライが使い捨て層と接触する前に放射線を使い捨て層に向かって放射し、使い捨て層を加熱する工程と、
（ｄ）締固めデバイス、例えば締固めローラーを使用して第１のプライを使い捨て層に対して加圧する工程と、
（ｅ）自動化された方法で繊維材料の１つ以上の付加的なプライを第１のプライ上に連続的に配置し、締固めデバイスを使用して各々の後続のプライを先行した敷設されたプライに対して加圧する工程とを含む自動化された方法によって製造される。
【００１４】
所望の厚さの予備成形物が製造されるまでの数のプライがレイアップされる。繊維材料の各プライは多孔性であり且つ液体樹脂に対して透過性であり、したがって、得られた予備成形物は、ＲＴＭおよびＶａＲＴＭなどの後続の樹脂注入プロセスによって液体樹脂を受容できる状態にある。樹脂注入後に、樹脂注入予備成形物を硬化して、固化した複合構造物をもたらす。
【００１５】
一実施形態において、繊維材料は、細長いまたは連続した、幅が狭い繊維テープの形態である。各々の繊維テープは、その幅よりもずっと大きい、例えば、その幅の１００倍の長さ方向の長さを有する。この実施形態において、工程（ｂ）の第１のプライは、自動化された方法で複数の繊維テープを並列に使い捨て層上に配置することによって形成される。各々の繊維テープが使い捨て層と接触する前にロボット繊維配置ヘッド上の放射線エネルギー源は放射線を使い捨て層に向かって放射し、各々の繊維テープが使い捨て層上に配置された後に締固めデバイスが繊維テープを使い捨て層に対して加圧する。その後、並列の繊維テープの連続プライを同じ方法で第１のプライ上に敷設する。後続の繊維テープが先行した敷設テープと接触する前に放射線エネルギー源は放射線を先行した敷設繊維テープに向かって放射する。
【００１６】
代替実施形態によれば、繊維テープの代わりに自動化によって堆積され得るより幅が広い布プライを使用して同じ自動配置方法が実施される。布プライは５ｍ（すなわち１９７インチ）までの幅（または最も短い線寸法）を有してもよく、１５０ｍ（すなわち４９２フィート）までの長さ（または最も長い線寸法）を有してもよいが、寸法は、製造される予備成形物のサイズおよび形状に応じて変化し得る。より幅が広い布プライを使用して予備成形物を作るとき、各々予め決められた寸法を有する個々の布プライは、所望の厚さが達せられるまで積み重ね配置において互いに重なって敷設されて重ねられた布プライのレイアップをもたらしてもよい。レイアップにおける各々の層は、数枚の布または単一枚の布からなってもよい。
【００１７】
繊維材料の自動配置は、放射線エネルギー源と締固めデバイスとが上に設置される、ロボット繊維配置ヘッドを備えた、前に考察されたＡＴＬ／ＡＦＰ装置で行われてもよい。ロボット繊維配置ヘッドが制御されて、ツール表面に対して様々な方向において移動する。
【００１８】
いくつかの実施形態において、放射線エネルギー源は、１０ｎｍ〜１ｃｍの波長範囲の放射線を放射することができる。適した放射線エネルギー源は、ダイオードレーザー、Ｎｄ：ＹＡＧ、ＣＯ２および繊維レーザーなどのレーザーである。いくつかの実施形態において、レーザーは、７５０ｎｍ〜１５００ｎｍ、特に、８００ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲において動作する赤外線レーザーである。代替の放射線エネルギー源には、フラッシュランプ、赤外線ランプ、白熱フィラメント、およびアークランプが含まれる。
【００１９】
放射線吸収材料（本明細書において「放射線吸収剤」とも称される）は、放射線エネルギー源から放射される放射線を吸収することができると共に放射線エネルギーを熱エネルギーに変換することができる任意の材料であってもよい。それ故、放射線吸収剤をその中に含有する使い捨て層は、放射線エネルギー源が放射線をその上に放射するときにより高温になる。適した放射線吸収剤には、カーボンブラック、無機酸化物および染料が含まれる。「微粒子形態」には、粒子、フレーク、ナノチューブおよび任意の形状のその他の離散的構造物が含まれる。カーボンブラックは、炭素粒子もしくはフレーク、またはカーボンナノチューブの形態であってもよい。適した放射線吸収染料の例には、インドリノシアミン、トリフェニルメタン、ナフタロシアニン、およびインドナフトール金属錯体染料が含まれる。放射線量吸収剤は、使い捨て層の全重量に基づいて０．５重量％〜３０重量％の範囲であってもよい。
【００２０】
使い捨て層
使い捨て層は、放射線吸収剤がフィルム全体に存在しているように放射線吸収剤がその中に混入された可撓性ポリマーフィルムであってもよい。例として、可撓性ポリマーフィルムは、ポリアミド（例えばナイロン）、ポリエチレン（ＰＥ）、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、およびポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアリールエーテルケトン、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリイミド（例えばＫａｐｔｏｎ）、ポリウレタン、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、シリコーン、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、およびそれらの組合せから選択される材料から形成されてもよい。可撓性フィルムの厚さは０．２０ｍｍまでであってもよく、いくつかの実施形態において、それは０．０１ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲である。
【００２１】
ポリマーフィルムは、１つ以上の溶融ポリマーを微粒子形態の放射線吸収剤とブレンドする工程と、ブレンドをフィルムとして押し出す工程とによって形成されてもよい。
【００２２】
接合を強化するために、このポリマーフィルムは、少量のポリマーまたは樹脂結合剤を使用して上部表面（ツールと接触していない表面）上に予備適用されてもよい。結合剤は、ポリマーフィルムの表面上に散乱された固体粒子または粉末の形態であってもよい。
【００２３】
代わりに、使い捨て層は、繊維自体の中に分散されるかまたは繊維上にコートされる、微粒子として放射線吸収材料を含有する、繊維を含む剥離プライであってもよい。一実施形態において、剥離プライは、織布、例えばバスケット織を有する布のシートである。それは、その硬化後に、テクスチャー化されており、多孔性であり且つ樹脂注入予備成形物に永久的に付着性ではない（すなわち、それから可剥性である）。硬化後に、剥離プライを硬化した複合構造物から除去して、別の構造物に接合され得る接合可能な表面または塗装の準備ができている表面をもたらす。剥離プライ繊維は、ポリエステル、ポリアミド、ガラス、ポリプロピレン、およびポリエチレンから形成されてもよい。剥離プライ繊維がポリマー繊維である場合、放射線吸収剤、例えば炭素粒子は、繊維を製造する間にポリマー繊維中に混入されてもよい。例えば、放射線吸収材料の粒子は、溶融ポリマーを押し出して繊維を形成する前に溶融ポリマー中に混入されてもよい。
【００２４】
代わりに、使い捨て層は、放射線吸収剤を含有するポリマー被覆ガラス布、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）被覆ガラス布であってもよい。微粒子として放射線吸収剤は、ガラス布上に適用する前にポリマーコーティング中に混入される。ポリマー被覆ガラス布の厚さは０．０５ｍｍ〜０．３０ｍｍの範囲であってもよい。このポリマー被覆ガラス布は、硬化後の樹脂注入予備成形物、すなわち、固化した複合構造物から剥離することができる剥離層として機能する。いくつかの場合、剥離プライは、ポリマー被覆ガラス布と組み合せて使用される。このような場合、これらの材料の１つだけが放射線吸収剤を含有することが必要とされる−繊維材料の第１のプライに隣接した材料。
【００２５】
代わりに、使い捨て層は、エチレン−テトラフルオロエチレンコポリマー（ＥＴＦＥ）、フッ素化エチレンプロピレンコポリマー（ＦＥＰ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、クロロトリフルオロエチレン（ＣＴＦＥ）、エチレンクロロトリフルオロエチレン（ＥＣＴＦＥ）、ポリクロロトリフルオロエチレン（ＰＣＴＦＥ）、およびポリフッ化ビニル（ＰＶＦ）などのフルオロポリマー、ポリエチレン（ＰＥ）、ＨＤＰＥおよびＬＤＰＥなどのポリオレフィン、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）、ポリウレタン（ＰＵ）、ポリビニルアルコール（ＰＶＯＨ）、ポリイミド（ＰＩ）、それらのコポリマーおよびそれらの組合せなどの非付着性ポリマーから製造される非孔質剥離フィルムであってもよい。このような剥離フィルムは、剥離フィルムを硬化した構造物から剥離することができるようにその硬化後に樹脂注入予備成形物との付着に耐性である表面を提供する。剥離フィルムの厚さは、０．０１ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲であってもよい。
【００２６】
上に考察された使い捨て層は、ツール表面上に手作業でまたは前に開示された自動配置システムによって配置されてもよい。
【００２７】
繊維材料の第１のプライとの付着性を強化するために、少量のポリマーまたは樹脂結合剤が使い捨て層の上部表面に適用される。結合剤の量は０．１ｇｓｍ（ｇ／ｍ２）〜５０ｇｓｍの範囲であってもよい。いくつかの実施形態において、結合剤は、加熱時に軟化および／または粘着性になるポリマーまたは樹脂粒子の形態である。それ故、放射線の放射に暴露される間に使い捨て層に第１のプライが敷設されるとき、軟化された／粘着性結合剤粒子の存在によって第１のプライは使い捨て層に付着される。
【００２８】
典型的な実施形態
図１は、繊維テープの第１のプライをツール表面上に敷設するための典型的な自動方法を説明する。図１を参照して、ＡＦＰシステムの繊維配置ヘッド１０は、ロボット移動システム（図示せず）によって制御され、狭い幅の繊維テープ１１を並列にツール１２の上部表面上に敷設する。繊維テープは主に繊維を含有し、繊維を一緒に保持するために十分な少量のポリマーまたは樹脂結合剤（例えば、１５重量％未満）を別にすれば実質的に樹脂を含有しない。赤外線レーザー１３が繊維配置ヘッド１０内に設置され、強化敷設の作業の間にツール表面に向かって放射線を放射する。また、繊維配置ヘッド１０は、締固めローラー１４を備える。乾燥繊維テープの第１のプライがツール表面上に敷設される前に、放射線吸収剤を含有する可撓性フィルム１５がツール表面上に配置される。また、可撓性フィルム１５は、第１のプライを堆積する前に、図２によって説明されるように、少量のポリマーまたは樹脂結合剤１６がその上部表面上に適用されている。一実施形態において、結合剤は、熱可塑性ポリマーと熱硬化性樹脂との混合物から構成される粒子の形態である。結合剤粒子は周囲温度（２０℃〜２５℃）で固体であり、前記周囲温度を超える高温で軟化する。予め決められた温度に加熱されるとき、固体結合剤粒子は溶融および／または粘着性状態に移行する。それ故、繊維テープの第１のプライが敷設されるとき、繊維テープは、加熱された溶融／粘着性結合剤粒子の補助によって可撓性フィルムに付着される。
【００２９】
可撓性フィルム１５の厚さは０．２０ｍｍまでであってもよく、いくつかの実施形態において、それは０．０１ｍｍ〜０．１０ｍｍの範囲である。
【００３０】
一実施形態において、放射線源は赤外線レーザーであり、可撓性フィルムは、少量のカーボンブラック、例えば、フィルムの全重量に基づいて０．５重量％を含有するポリアミド（すなわち、ナイロン）フィルムであり、そこでカーボンブラックは、フィルム全体にわたって微粒子形態で存在している。
【００３１】
可撓性フィルムは、真空装置で処理することによってツール表面に付着されてもよい。例えば、ツール表面は、真空供給源に接続される複数の孔が設けられてもよい。代わりに、可撓性フィルムは、クランプなどの従来の機械的付着手段を使用することによってツール表面に付着されてもよい。例えば、可撓性フィルムは、ツールの端縁を覆って、ツール表面の上で延伸されてもよく、クランプを使用して、延伸フィルムをツールの端縁に付着させる。
【００３２】
第１のプライを適用する間、テープが可撓性フィルム上に敷設される直前にレーザー放射線が可撓性フィルム上に放射され、可撓性フィルム内の放射線吸収剤がレーザーからの放射線エネルギーを吸収し、可撓性フィルム上の結合剤が軟化し、および／または粘着性になる。繊維配置ヘッドの締固めローラーは、繊維テープを可撓性フィルムおよび下にあるツール表面に対して加圧する。次に、レーザーからの放射線を吸収することによって発生した熱を可撓性フィルムからテープに移動させ、テープ上の結合剤をより高温にさせる。可撓性フィルム上の高温溶融／粘着性結合剤の存在は、可撓性フィルムへのテープの第１のプライの付着性を促進する。
【００３３】
後続の重ねられたプライを形成する間、後続テープが適用される直前にレーザーは放射線エネルギーを先行した敷設テープ上に放射し、先行した敷設テープの結合剤を軟化させ、および／または粘着性にならせる。締固めローラーが、前に敷設された繊維テープに対して繊維テープを加圧して、堆積されたテープの互いの間の付着性が促進されるようにする。重ね合わされたプライを堆積して所望の厚さおよび形状を有する繊維予備成形物を形成した後、得られた予備成形物に液体樹脂を射出または注入する。硬化性または熱硬化性樹脂による樹脂注入の場合、樹脂注入予備成形物をその後、例えば、炉またはオートクレーブ内で硬化させて、固化した複合構造物を製造する。
【００３４】
可撓性フィルムの表面上に適用される結合剤の軟化温度または融解温度および繊維テープの寸法によって、レーザーの出力およびレーザービームの広がりを調節することができる。
【００３５】
結合剤
使い捨て層上に適用するための適した結合剤には、主成分として（すなわち、結合剤の少なくとも５０重量％を構成する）熱可塑性ポリマーもしくは熱硬化性樹脂、またはそれらの組合せを含む組成物が含まれる。例として、適した熱硬化性樹脂には、エポキシ樹脂および改質エポキシ樹脂が含まれる。適した熱可塑性ポリマーには、限定されないが、ポリウレタンおよび改質ポリウレタン、ポリヒドロキシエーテル（またはフェノキシ）、ポリアリールエーテル、ポリアリールスルホン、それらの組合せおよびそれらのコポリマーが含まれる。
【００３６】
いくつかの実施形態において、結合剤は、５０℃までの温度で固体であり、（示差走査熱量計（ＤＳＣ）によって測定されるとき５０℃を超える温度、例えば、６５℃〜１２５℃の範囲の軟化点を有し、エポキシ樹脂と熱可塑性ポリマーとのブレンドを含む。いくつかの実施形態において、結合剤は、６５℃を超えて活性である触媒または架橋剤を全く有さない。結合剤中の熱可塑性ポリマーは、エーテル連結繰り返し単位と任意選択によりチオエーテル連結繰り返し単位とを含むポリ芳香族ポリマーであってもよく、単位は、
−（Ｐｈ−Ａ−Ｐｈ）ｎ−
任意選択的に、
−（Ｐｈ）ａ−
［式中、ＡがＣＯまたはＳＯ２であり、Ｐｈがフェニレンであり、ｎ＝１〜２であり分数でもよく、ａ＝１〜４であり分数でもよく、但し、ａが１を超えるとき、フェニレンは単一の化学結合または−ＣＯ−もしくは−ＳＯ２−以外の二価の基によって直線的に連結されるか、または直接にもしくは酸アルキル基、（ヘテロ）芳香族、環状ケトン、環状アミド、イミド、環状イミンおよびそれらの組合せからなる群から選択される環状部分によって一緒に縮合する］から選択される。いくつかの実施形態において、ポリ芳香族ポリマーは、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルエーテルスルホン（ＰＥＥＳ）、およびＰＥＳ−ＰＥＥＳコポリマーから選択されるポリアリールスルホンである。この固体結合剤を製造するための方法は、米国特許第８，９２７，６６２号明細書に見出すことができる。好適な結合剤は、米国特許第８，９２７，６６２号明細書に開示されている熱可塑性エポキシ結合剤である。このような結合剤は、噴霧またはドライバーコーティングなどの従来のコーティング技術によって可撓性フィルムに粉末形態で適用されてもよく、それによって乾燥粉末は、ロールオーバーロールまたはナイフオーバーロールコーターを使用して剥離紙上にコートされ、次に、粉末はフィルム上に移される。
【００３７】
いくつかの実施形態において、使い捨て層の表面上の結合剤は、上に考察された放射線吸収材料を含有してもよい。結合剤中に放射線吸収剤を混入する利点には、以下が含まれる。
・より安価な大量生産フィルムを使用することができる。
・いくつかのレーザーは、結合剤中のモノマー／ポリマーが吸収することができる周波数において放射し、フィルム中の付加的な特定の吸収剤を必要としない。
・付加的な機械的強度を結合剤に提供する。
・結合剤にカーボンブラックまたはカーボンナノチューブを配合することによって、複合表面の電気導電率を改良し、電磁干渉（ＥＭＩ）シールドおよび落雷保護を改良してもよい。
・カーボンブラックなどの吸収剤は、安価な充填剤として機能することができ、それによって、材料費を低減することができる。
【００３８】
乾燥繊維テープおよび布
上に記載された自動配置方法において使用するための繊維テープは、１／８インチ〜１．５インチ（すなわち３．１７ｍｍ〜３８．１ｍｍ）、特に、１／４インチ〜１／２インチ（すなわち６．３５ｍｍ〜１２．７７ｍｍ）の非常に狭い幅を有してもよく、それはＡＦＰのために典型的である。繊維テープは、より広い幅、例えば、６インチ〜１２インチ（すなわち１５２ｍｍ〜３０５ｍｍ）を有してもよく、それはＡＴＬのために典型的である。上に記載されたより幅が広い布プライは、５．０ｍ（すなわち１９７インチ）までの幅を有してもよい。
【００３９】
繊維テープおよび布プライは可撓性であり、曲面および複雑な三次元形態を有する表面を含む、ツール表面の外形に適合することができる。また、繊維テープおよび布プライは多孔性であり、液体、特に、ＲＴＭおよびＶＡＲＴＭなどの液体樹脂注入方法のために使用される液体樹脂に対して透過性である。従来の予備含浸テープ（またはプレプレグ）と異なり、予備成形物を形成するための繊維テープまたは布プライは、繊維を一緒に保持するために十分である少量の結合剤を除いては樹脂を実質的に含有しない。繊維テープまたは布プライ内の結合剤の全含有量は、繊維テープまたは布プライの全重量に基づいて約１５重量％以下、例えば、０．１〜１５重量％の間であってもよい。繊維は、繊維テープまたは布プライの主成分を構成し、例えば、繊維テープまたは布プライの全重量に基づいて８０重量％超を占める。
【００４０】
一実施形態において、繊維テープは、不織布ベールに少なくとも片面に積層される一方向繊維の層から構成される。「一方向」繊維は、同じ方向に互いに平行に整列する繊維を意味する。一方向繊維は、例えば炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、およびアラミド繊維などの高強度強化繊維である。不織布ベールは、熱可塑性繊維、炭素繊維、またはそれらの組合せを含んでもよい。ベールの繊維は不規則に配向されてもよく、またはベールの製造プロセス条件に依存していない。いくつかの実施形態において、不織布ベールの面積重量は１０ｇｓｍ以下である。代わりに、不織布ベールは、熱可塑性グリッドまたはアパーチャーの制御されたパターンを有する多孔性、熱可塑性膜の形態であってもよい。不織布ベール（不規則繊維、グリッドまたは多孔性膜の形態であるかに関わらない）の多孔性は、樹脂注入プロセスの間の空気の除去および樹脂流れを容易にするために重要である。熱可塑性ベールが使用されるとき、それはまた、一方向繊維を所定の位置に保持するための結合剤として機能し、本明細書に開示される自動配置方法の間に加熱することによって軟化する。
【００４１】
一実施形態において、繊維テープは、一方向炭素繊維の層の片面に積層される不織布炭素ベールから構成され、ベールと一方向繊維とを所定の位置に保持するために十分な量において結合剤組成物を含有する。
【００４２】
不織布炭素ベールが一方向繊維に積層される実施形態については、繊維テープを製造する間に結合剤、特に液体結合剤を適用して強化構造物の凝集性を高めることができる。さらに、繊維テープを製造する間に、結合剤を適用して一方向繊維へのベールの接合を強化することができる。繊維テープ内の結合剤は、使い捨て層上に適用される結合剤のための上に考察された結合剤材料から選択されてもよい。不織布ベールがシートまたは不規則に配列された繊維である場合、このようなベールは、ベールを製造する間に添加された少量の結合剤を含有する。ベール内に存在していてもよい結合剤の例には、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、ポリエステル、架橋されたポリエステル、ポリスチレン、アクリル樹脂、ポリフェノール、多価フェノール、ポリウレタン、およびそれらのコポリマーおよびそれらの組合せが含まれる。
【００４３】
製造中に使用される結合剤のタイプを含めて、一方向繊維に積層される不織布ベールを含む繊維テープの製造についてのさらに別の詳細は、２０１５年１２月３１日の公開日の米国特許出願公開第２０１５／３７５４６１号明細書に見出すことができる。
【００４４】
予備成形物を形成するための布プライは、多孔性であり且つ樹脂注入のために適した液体樹脂に対して透過性である任意の繊維材料であってもよい。布プライは、繊維強化複合構造物を製造するために適している強化繊維を提供する。このような強化繊維には、炭素繊維、黒鉛繊維、ガラス繊維、セラミック繊維、およびアラミド繊維が含まれてもよい。適した布の例には、限定されないが、全ての織布、ニット布、編組布が含まれる。全ての多軸布、それらの例には、限定されないが、多軸たて編布、および非クリンプ布（ＮＣＦ）が含まれる。ＮＣＦは、連続した一方向繊維の１つ以上の層を積み重ねる工程と、次に、層を一緒に縫い合わせる工程とによって製造することができる布を意味する。各々の層内の一方向繊維は、隣接した層の繊維に対して異なった方向で配向されてもよい。ステッチ糸が一方向繊維の層を一緒に保持し、布の取扱を可能にする。連続した一方向繊維に（例えば、接合によって）付着された不織マットまたは多孔性ベールを含有する多層布もまた適している。
【００４５】
各々の布プライは、繊維を一緒に固めるための少量の結合剤および／または布プライを安定化させるための多孔性熱可塑性ベールを含有してもよい。安定化は、布プライにおいて繊維の単一層または複数の層の凝集性を維持して、ほつれたり、ほどけたり、ばらばらにしたり、曲がったり、しわが寄ったり、あるいは他の方法で布の結合性を損なうことなく布プライを典型的な方法で移動、切断、輸送、樹脂注入、または取り扱うことができるようにすることを意味する。このような結合剤および／または熱可塑性ベールは、存在しているとき、本明細書に開示される自動配置プロセスの間に放射線エネルギー源によって加熱され、それによって布プライの互いのおよび使い捨て層への付着性を高める。
【図１】
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【図２】
2019535562.tif 000004
【国際調査報告】
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