(57)【要約】  繊維質プリフォーム及びプリプレグプライを複雑な形状へと成形するための熱ドレープ成形法。繊維質プリフォームの成形のために、熱ドレープ成形法は、ａ）プリフォームの総数を、複数のサブプリフォーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）へと分割する工程；及びｂ）真空圧及び熱をかけることによって各サブプリフォーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）を連続して成形する工程であって、全てのサブプリフォーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の成形が、同じ成形面上で同じツールハウジング（１０）の中で行われる、工程；を含む。得られる成形されたプリフォーム（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）は、樹脂注入の準備が整う。該方法は、樹脂で含浸されたプリプレグプライを成形するために使用することもできる。【選択図】図２
2019511390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）その中に配置されたモールドを備えたツールハウジングを提供する工程であって、前記モールドが非平面状の成形面を有する、工程；
（ｂ）第１の成形可能なサブプリフォームを、成形面上に配置する工程；
（ｃ）第１のダイアフラムとツールハウジングとによって囲まれた密閉されたチャンバーを規定するために、並びに第１のサブプリフォーム及びモールドを前記密閉されたチャンバーの中に封入するために、第１の可撓性ダイアフラムをツールハウジングに取り付ける工程；
（ｄ）第２の成形可能なサブプリフォームを、第１のダイアフラムと、第１のダイアフラムの上に位置する第２の可撓性ダイアフラムとの間に封入する工程であって、第１及び第２のダイアフラムが気密シールポケットを規定する、工程；
（ｅ）サブプリフォームに熱をかける工程；
（ｆ）第１のダイアフラムとツールハウジングとによって囲まれた密閉されたチャンバーから、第１のダイアフラムが成形面の方へ引っ張られるように真空圧に到達するまで空気を排気することで、第１のサブプリフォームを成形面と一致させ、それにより第１の成形されたサブプリフォームを形成し、密閉されたチャンバーからの空気の排気と同時に、第２のダイアフラムが成形面の方へ同時に引っ張られるのを防止するために第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットを大気圧まで通気する工程；
（ｇ）第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、第２のダイアフラムがモールドの方へ引っ張られるように真空圧に到達するまで空気を排気することで第２のサブプリフォームを第１のサブプリフォームの外表面と一致させ、それにより第２の成形されたサブプリフォームを形成する工程；
（ｈ）成形されたサブプリフォームを冷却する工程；並びに
（ｉ）成形されたサブプリフォームを、液体樹脂で注入可能な最終的なプリフォームへと組み立てる工程；
を含む、三次元構造を有する繊維質プリフォーム製造のための形状成形方法であって、
各サブプリフォームが互いに結合している複数の繊維質層を含み、各サブプリフォームが液体樹脂に透過性である、方法。
【請求項２】
（ｄ）と（ｅ）との間に、第３の成形可能なサブプリフォームを、第２のダイアフラムと、第２のダイアフラムの上に位置する第３の可撓性ダイアフラムとの間に封入する工程であって、第２及び第３のダイアフラムが気密シールポケットを規定する、工程；
（ｇ）と同時に、第３のダイアフラムが第２のダイアフラムと同時に成形面の方へ同時に引っ張られるのを防止するために、第２と第３のダイアフラムの間の密閉されたポケットを大気圧まで通気する工程；
（ｇ）と（ｈ）との間に、第２と第３のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、第３のダイアフラムがモールドの方へ引っ張られるように真空圧に到達するまで空気を排気することで第３のサブプリフォームを第２の成形されたサブプリフォームの外表面と一致させ、それにより第３の成形されたサブプリフォームを形成する工程；
を更に含む、請求項１に記載の形状形成方法。
【請求項３】
（ｆ）で、第１のダイアフラム及びツールハウジングにより囲まれた密閉されたチャンバーから、約１〜約５０ｍｂａｒ／分の速度で空気が排気され、
（ｇ）で、第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、約１〜約５０ｍｂａｒ／分の速度で空気が排気される、
請求項１に記載の形状形成方法。
【請求項４】
（ｆ）で、第１のダイアフラム及びツールハウジングにより囲まれた密閉されたチャンバーから、約２５０〜約１０００ｍｂａｒの範囲内の真空圧に到達するまで空気が排気され、
（ｇ）で、第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、約２５０〜約１０００ｍｂａｒの範囲内の真空圧に到達するまで空気が排気される、
請求項１又は３に記載の形状形成方法。
【請求項５】
第２と第３のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、約１〜約５０ｍｂａｒ／分の速度で空気が排気される、請求項２に記載の形状形成方法。
【請求項６】
第２と第３のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、約２５０〜１０００ｍｂａｒの範囲内の真空圧に到達するまで空気が排気される、請求項２に記載の形状形成方法。
【請求項７】
（ｇ）の後かつ（ｈ）の前に、サブプリフォームの更なる圧縮を達成するために、第１のダイアフラムとツールハウジングとによって囲まれた密閉されたチャンバーから、及び第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、空気を排気する工程を更に含む、請求項１、３及び４のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項８】
（ｄ）と（ｅ）との間に、第２のサブプリフォームを適切な位置に保持するために、第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから部分的に空気を排気する工程を更に含む、請求項１、３、４及び７のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項９】
各サブプリフォームが、繊維質層を互いに結合させるためのバインダーを含み、サブプリフォーム中のバインダーを軟らかくするために（ｅ）で熱がかけられる、請求項１〜８のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項１０】
各繊維質層が、炭素、アラミド、ガラス、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエステル、ポリ−ｐ−フェニレン−ベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）、石英、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、及びこれらの組み合わせから選択される材料から形成された繊維を含む、請求項１〜９のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項１１】
可撓性ダイアフラムが、ポリアミドのシート又はゴム若しくはシリコーンの弾性的に変形可能なシートである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項１２】
各可撓性ダイアフラムが、約１００μｍ未満の厚さを有する、請求項１１に記載の形状形成方法。
【請求項１３】
各サブプリフォームが、一方向繊維の複数の層を含む、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項１４】
一方向繊維の各層が、隣接する層の中の繊維に対してある角度に配向している繊維を含む、請求項１３に記載の形状形成方法。
【請求項１５】
各サブプリフォーム中の繊維質層の数が２〜３０である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項１６】
各サブプリフォームが一方向繊維の複数の層を含み、各サブプリフォーム中の少なくとも１つの層が、サブプリフォームの長手方向軸に対して０°の方向（すなわち平行）に配向している繊維を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の形状形成方法。
【請求項１７】
サブプリフォーム中のバインダーがエポキシ樹脂と熱可塑性ポリマーとのブレンド物を含む、請求項９に記載の形状形成方法。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法により製造された最終的なプリフォームに硬化性液体樹脂を注入する工程；及び
樹脂が注入されたプリフォームを硬化させる工程；
を含む、繊維強化複合材部品の製造方法。
【請求項１９】
硬化性液体樹脂が１種以上の熱硬化性樹脂及び硬化剤を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
（ａ）その中に配置されたモールドを備えたツールハウジングを提供する工程であって、前記モールドが非平面状の成形面を有する、工程；
（ｂ）第１の成形可能なプリプレグレイアップを、成形面上に配置する工程；
（ｃ）第１のダイアフラムとツールハウジングとによって囲まれた密閉されたチャンバーを規定するために、並びに第１のプリプレグレイアップ及びモールドを前記密閉されたチャンバーの中に封入するために、第１の可撓性ダイアフラムをツールハウジングに取り付ける工程；
（ｄ）第２の成形可能なプリプレグレイアップを、第１のダイアフラムと、第１のダイアフラムの上に位置する第２の可撓性ダイアフラムとの間に封入する工程であって、第１及び第２のダイアフラムが気密シールポケットを規定する、工程；
（ｅ）プリプレグレイアップに熱をかける工程；
（ｆ）第１のダイアフラムとツールハウジングとによって囲まれた密閉されたチャンバーから、第１のダイアフラムが成形面の方へ引っ張られるような真空圧に到達するまで空気を排気することで第１のプリプレグレイアップを成形面と一致させ、それにより第１の成形されたプリプレグレイアップを形成し、密閉されたチャンバーからの空気の排気と同時に、第２のダイアフラムが成形面の方へ同時に引っ張られるのを防止するために第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットを大気圧まで通気する工程；
（ｇ）第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから、第２のダイアフラムがモールドの方へ引っ張られるような真空圧に到達するまで空気を排気することで第２のプリプレグレイアップを第１の成形されたプリプレグレイアップの外表面と一致させ、それにより第２の成形されたプリプレグレイアップを形成する工程；
（ｈ）成形されたプリプレグレイアップを冷却する工程；並びに
（ｉ）成形されたプリプレグレイアップを最終的なプリプレグレイアップへと組み立てる工程；
を含む、プリプレグプライの成形方法であって、
各プリプレグレイアップが複数のプリプレグプライを含み、各プリプレグプライが硬化樹脂で含浸された強化繊維を含む、プリプレグプライの成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して複合材構造体の製造に関する。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
【図１】完全な複合材レイアップを３つのサブプリフォームに分割し得る方法を示す。
【図２】本開示のある実施形態に従って３つのサブプリフォームの形状を成形するための装置の概略図である。
【図３】ツールハウジングにダイアフラムを取り付けるためのある実施形態である。
【図４】ツールハウジングにダイアフラムをクランプ留めするための機構の拡大図である。
【図５】図２に示されている装置に基づく熱ドレープ成形法の概略図である。
【図６】図２に示されている構成に基づく熱ドレープ成形法の概略図である。
【図７】図２に示されている構成に基づく熱ドレープ成形法の概略図である。
【図８】本開示のある実施形態にかかる熱ドレープ成形法のためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
近年、繊維強化複合材料の使用は、航空宇宙産業及び自動車産業においてより広く行われるようになってきている。これらの複合材料は、高い強度のみならず過酷な環境下での耐腐食特性も示す。更に、これらの軽量性は、金属から構成される同様の部品と比較した場合に特に有利である。
【０００４】
繊維強化複合材料は、従来、エポキシなどの硬化性マトリックス樹脂で含浸された連続繊維から形成されるプリプレグから製造されてきた。プリプレグ中の樹脂の含有率は比較的高く、典型的には２０重量％〜５０重量％である。プリプレグの複数のプライは積層するための大きさに切断され、その後引き続き組み立てられて成形型で成形され得る。プリプレグを成形型の形状に合わせることが簡単にはできない場合には、成形面の形状に徐々に変形させるためにプリプレグに熱がかけられる場合がある。
【０００５】
より最近では、繊維強化ポリマー複合材料は、樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）及び真空補助樹脂トランスファー成形（ＶＡＲＴＭ）を含む液体樹脂注入法を利用することによって製造されている。樹脂注入法によって複合材部品を形成するためには、強化繊維の層は、成形されたプリフォームを形成するために最初にモールドの上に積層され、その後にその場所でプリフォームの中に液体樹脂が直接注入される。繊維の層は、通常、実質的に樹脂を含まない織物のプライの形態である。樹脂注入後に、樹脂が注入されたプリフォームが硬化サイクルに従って硬化されることで、硬化した複合材構造体が製造される。ＲＴＭなどの樹脂の注入は、小さくて複雑な形状の部品だけでなく、翼全体などの航空機の大きい部品の製造にも使用される。
【０００６】
樹脂注入によって複合材部品を形成するためには、プリフォームの積層が製造工程における重要な要素である。プリフォームは、本質的に樹脂を待つ構造部品である。特定の航空機部品のためには、樹脂の注入前に、平らな２次元（２Ｄ）のプリフォームブランクが３次元（３Ｄ）形状へと成形される。プリフォームブランクは、積層構成で組み立てられた繊維質層のレイアップである。繊維質層は、典型的には連続的な一方向の炭素繊維のプライである。プライは、最終的な複合材部品に望まれる構造特性に応じて、互いに異なる角度を向いていてもよい。例えば、各プライ中の一方向繊維は、レイアップの長さ方向に対して０°、４５°、又は９０°などの選択された角度に配向していてもよい。航空機のＣ字形又はＵ字形の翼桁などの複雑な形状を形成するために多数のプライが成形される場合、プライの皺及び繊維の座屈が問題になることが分かっている。
【０００７】
皺の形成又は繊維の座屈なしに多数の繊維質層を積層することができる、複雑な形状の繊維質プリフォームを成形するための方法（本明細書では「熱ドレープ成形法」という）が開示される。通常、熱ドレープ成形法は：
ａ）繊維質プリフォームの総数を複数のサブプリフォームに分割する工程；
ｂ）連続して（すなわち順番に）、真空圧及び熱をかけることによって各サブプリフォームを成形する工程であって、全てのサブプリフォームの成形が、同じ成形面上で同じツールハウジングの中で行われる、工程；
を含む。
【０００８】
各サブプリフォームは、積層構成で積層された繊維の複数の層（又はプライ）からなる。サブプリフォームの数は２以上であり、例えば２〜５である。一体化されると、サブプリフォームは完全な構成要素レイアップ（これは樹脂が注入されることになる最終的なプリフォームである）のために必要とされる総数のプライを与える。図１は、完全な複合材レイアップを３つのサブプリフォームに分割し得る方法を示す。完全な構成要素レイアップとは、製造される構成部品の望ましい機械的性能を達成するために必要とされる数の繊維質プライを意味する。完全な構成要素レイアップのより小さいサブグループへの分割又はグループ化は、本明細書ではサブプリフォームと定義する。
【０００９】
サブプリフォームの繊維質プライは、繊維の配向を維持するため及び繊維質層を安定化するために、少量のバインダーによって適切な位置に保持（すなわち「安定化」）される。バインダーは、後続の樹脂注入工程（これは典型的にはプリフォームの中への液体樹脂の加圧注入を必要とする）の際に繊維を適切な位置に保持する。そのようなバインダーは、各繊維質プライ及び／又は隣接するプライ間に液体形態又は粉末形態で塗布される場合がある。
【００１０】
図２は、ある実施形態にかかる熱ドレープ成形法を行うための装置を示す。図２を参照すると、凸面形状の成形面を有するモールド１１を含むツールハウジング１０が用意される。最初の段階として、実質的に平らなサブプリフォームＳ１がモールド１１の成形面の上に配置される。次いで、最下部の可撓性ダイアフラム１２が、ツールハウジング１０の上に配置され、ツールハウジング１０の周囲に固定されることで気密シールを形成する。そのため、密閉されたチャンバーＣ１は、最下部のダイアフラム１２とツールハウジング１０とによって規定される。第２のサブプリフォームＳ２がダイアフラム１２の上に配置され、第２の可撓性ダイアフラム１３が最下部のダイアフラム１２の上に配置されることで第２のサブプリフォームＳ２が封入され、ダイアフラム１２と１３との間に気密シール空間（又は「ポケット」）Ｃ２が規定される。次に、第３のサブプリフォームＳ３がダイアフラム１３の上に配置され、第３の可撓性ダイアフラム１４がダイアフラム１３の上に配置されることで第３のサブプリフォームＳ３が封入され、ダイアフラム１３と１４との間に気密シールポケットＣ３が規定される。ダイアフラム１２、１３、及び１４は、従来のクランプ留め及び密閉機構を使用してツールハウジング１０に取り付けることができる。例として、ダイアフラム１２、１３、及び１４のそれぞれは、支持されている外周によって望ましいダイアフラム形状を維持するために、その外周部でフレームに取り付けられていてもよい。また、ダイアフラムのフレームは、気密シールされたチャンバーＣ１を形成するために、及び隣接するダイアフラム間に密閉されたポケットＣ２、Ｃ３を規定するために、機械的なクランプ留め機構によってツールハウジング１０に取り付けられる。ダイアフラムのフレームの形状は、外周にダイアフラムを固定し、密閉を生じさせるために特別に設計されている。例えば、図３は、ツールハウジングの外周にダイアフラム１２、１３、１４をしっかりと固定するために対応するフレーム３１、３２、３３が設けられ得ることを示している。図３を参照すると、ツールハウジングの側壁３４は、最も下のダイアフラム１２をツールハウジングに固定するために最も下のカウンターフレーム３３と嵌合するように構成される。カウンターフレーム３１、３２、３３は、クランプ３５によって、一緒に及びツールハウジングの側壁３４に機械的にクランプ留めされる。図４に示されているようなカウンターフレームの表面及び側壁３４の上面に例えばゴムシール４１を付加すると、クランプ留めの力を受けている場合に気密シールが生じるであろう。密閉されたチャンバーＣ１及びポケットＣ２、Ｃ３のそれぞれは、別個の真空源と接続される（図示せず）。図４を参照すると、チャンバーＣ２及びＣ３のための真空源は、中空のカウンターフレームの内壁の中の穴４２を介して運ばれてもよく、その際、真空源は、各中空のフレームの外表面の中の開口と真空ラインを介して接続され、これによりそこから空気を抜くためのシールポケットＣ２及びＣ３中の圧力の制御ができる。３つのサブプリフォームと３つのダイアフラムが図示されているものの、ダイアフラムの数を変更することによって、２つのみのサブプリフォームあるいは３つより多いサブプリフォームが収容されるように装置を修正し得ることに留意すべきである。
【００１１】
最初に、ダイアフラム（１２、１３、１４）の間の空気が部分的に除去されてサブプリフォームＳ２及びＳ３が所定の位置にしっかり保持される。次に、サブプリフォーム中のバインダーを軟らかくするため及びサブプリフォームの剛性を失わせることができるように加熱が行われる。加熱は、ツールハウジング１０の上部及び／又はツールハウジングの側壁に隣接する一連の赤外線ランプによって行うことができる。加熱は、オーブンの中にツールハウジングを入れることによって、あるいはダイヤフラムアセンブリの上面に直接置かれた加熱されたマットを付加することによっても行うことができる。
【００１２】
図５を参照すると、望みの温度に到達した後、ツールハウジング１０の密閉されたチャンバーＣ１から所定の速度で、例えば約１ｍｂａｒ／分以上、より詳しくは約１ｍｂａｒ／分〜約５０ｍｂａｒ／分の範囲で、空気が排気される。密閉されたチャンバーＣ１が排気されるのに伴って、最下部のダイアフラム１２がモールド１１の方に引っ張られ、それによりサブプリフォームＳ１がモールド表面の形状と一致する。密閉されたチャンバーＣ１の排気と同時に、ダイアフラム１３、１４がダイアフラム１２と同時に引っ張られるのを防止するために、密閉されたポケットＣ２（ダイアフラム１２と１３との間）からの空気が大気圧まで通気され、それによりサブプリフォームＳ２及びＳ３の早すぎる成形が防止される。
【００１３】
図６を参照すると、密閉されたチャンバーＣ１の真空レベルが少なくとも１０ｍｂａｒ絶対圧のレベルに到達した後、例えば約２５０〜約１０００ｍｂａｒの範囲内の真空圧に到達するまで、ダイアフラム１２と１３との間の空気（すなわち密閉されたポケットＣ２）が所定の速度で排気され、それによりサブプリフォームＳ２がその前に成形されたサブプリフォームＳ１の外側の形状と一致し、それと同時に、ダイアフラム１４がダイアフラム１３と同時に引っ張られるのを防止するために、ダイアフラム１３と１４との間の密閉されたポケットが大気圧まで通気され、それによりサブプリフォームＳ３の成形が防止される。ダイアフラム１２と１３との間の密閉されたポケットＣ２から、１ｍｂａｒ／分以上、より具体的には約１ｍｂａｒ／分〜約５０ｍｂａｒ／分の範囲の速度で空気が排気されてもよい。
【００１４】
図７を参照すると、ダイアフラム１２と１３との間の密閉されたポケットＣ２の中の圧力が１０ｍｂａｒ絶対圧より大きい圧力に到達すると、例えば約２５０〜約１０００ｍｂａｒの範囲内の真空圧に到達するまで、ダイアフラム１３と１４の間の空気（すなわち密閉されたポケットＣ３）が所定の速度で排気され、それによりサブプリフォームＳ３がその前に成形されたサブプリフォームＳ２の外側の形状と一致する。ダイアフラム１３と１４との間の密閉されたポケットＣ３から、１ｍｂａｒ／分以上、より具体的には約１ｍｂａｒ／分〜約５０ｍｂａｒ／分の範囲の速度で空気が排気されてもよい。
【００１５】
加熱は、全てのサブプリフォームの成形中に維持される。この方法では、サブプリフォームは単一の加熱サイクル内で行うことができる。
【００１６】
サブプリフォームの形状成形工程が完了した後、工作チャンバーと最下部のダイアフラムとの間、及び連続したダイアフラム間の圧力は、工程の冷却段階の前又は最中にサブプリフォームの圧縮を最適化するために調節することができる。そのような調節は、望ましいプリフォームの圧縮を達成するための望ましい圧力に到達するまで、ツールハウジングの密閉されたチャンバーから、及びダイアフラム間領域から、空気の排気を継続することによって行われる。サブプリフォームの圧縮は、最終的なプリフォームのかさ高さを制御するために調節することができ、これはひいては材料の浸透特性に影響を与え得る。樹脂注入のための具体的なモールドの中にプリフォームを適合させるためにかさ高さの調整を要する場合がある一方で、樹脂注入のための繊維質材料の特性を最適化するために浸透性の調整を要する場合がある。
【００１７】
形状成形工程が完了した後、サブプリフォームが冷却される。この時点で、サブプリフォーム中のバインダーは再び固化し、サブプリフォームはその新たに成形された形状を保持する。サブプリフォームの冷却後、ダイアフラム（１２、１３、１４）の間の真空及びダイアフラム１２とツールハウジング１０との間の真空は大気と通気することにより逐次的に開放され、成形されたサブプリフォームは逐次的に取り外される。最上部のダイアフラム１４が最初に持ち上げられ、その結果成形されたサブプリフォームＳ３を取り外すことができ、引き続きダイアフラム１３、サブプリフォームＳ２、ダイアフラム１２、及びその後にサブプリフォームＳ１の取り外しが行われる。次いで、空気がツールハウジング１０の中に再導入され、形状成形工程を繰り返す準備が整えられる。取り外されたサブプリフォームはその後、後続の樹脂注入のための最終的なプリフォームへと組み立てられる。
【００１８】
熱ドレープ成形法のための可撓性ダイアフラムは、約１００μｍ未満の厚さを有する、ポリアミド（例えばナイロン材料）の非弾性シート、又は弾性的に変形可能なゴム若しくはシリコーンのシートであってもよい。本明細書に開示の可撓性シートとは、ＡＳＴＭ  Ｄ８８２により決定される例えば１００％〜７５０％などの約１００％より大きい破断伸びを有する材料のシートを意味する。
【００１９】
図８は、図５〜７を参照して説明した熱ドレープ成形法についてのフローチャートである。３つのサブプリフォームが例示の目的で開示されているが、例えば２つのサブプリフォームあるいは３つより多いサブプリフォームなどの任意の数のサブプリフォームに、この方法が適用できることを理解すべきである。図８の１００では、第１の成形可能なサブプリフォームが、ツールハウジングの中に位置しているモールドの成形面の上に配置される。１０１では、第１の可撓性ダイアフラムがツールハウジングの上に配置され、ツールハウジングの外周に固定されることで気密シールが形成される。そのため、密閉されたチャンバーは、第１のダイアフラムとツールハウジングとによって規定される。１０２では、第２の成形可能なサブプリフォームが第１のダイアフラムの上に配置され、第２の可撓性ダイアフラムが第２のサブプリフォームの上に配置されることで第２のサブプリフォームが封入され、第１と第２のダイアフラムの間に気密シール空間（又は「ポケット」）が規定される。１０３では、第１と第２のダイアフラムの間の空気が部分的に除去されて第２のサブプリフォームが所定の位置にしっかり保持される。１０４では、第３の成形可能なサブプリフォームが第２のダイアフラムの上に配置され、第３の可撓性ダイアフラムが第３のサブプリフォームの上に配置されることで第３のサブプリフォームが封入され、第２と第３のダイアフラムの間に気密シール空間（又は「ポケット」）が規定される。１０５では、第２と第３のダイアフラムの間の空気が部分的に除去されて第３のサブプリフォームが所定の位置にしっかり保持される。１０６では、中のバインダーを軟らかくするためにサブプリフォームに対して加熱が行われる。
【００２０】
１０７では、ツールハウジングの密閉されたチャンバーから所定の速度で空気が排気され、第１のダイアフラムはモールド表面の方へ引っ張られ、それにより第１のサブプリフォームがモールド表面の形状と一致する。ツールハウジングの密閉されたチャンバーの排気と同時に、第２及び第３のダイアフラムが同時に引っ張られるのを防止するために第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットから空気が大気圧まで通気され、それにより第２及び第３のサブプリフォームの早すぎる成形が防止される。
【００２１】
１０８では、ツールハウジングの密閉されたチャンバーの真空レベルが少なくとも１０ｍｂａｒ（ＴＢＣ）絶対圧のレベルに到達した後、例えば、約２５０〜約１０００ｍｂａｒの範囲内の真空圧に到達するまで、第１と第２のダイアフラムの間の空気が所定の速度で排気され、第２のダイアフラムはその前に成形された第１のサブプリフォームの方へ引っ張られ、それにより第２のサブプリフォームが第１のサブプリフォームの外側の形状と一致し、それと同時に、第３のダイアフラムが同時に引っ張られるのを防止するために第２と第３のダイアフラムの間の密閉されたポケットが大気圧まで通気され、それにより第３のサブプリフォームの早すぎる成形が防止される。１０９では、第１と第２のダイアフラムの間の密閉されたポケットの真空レベルが１０ｍｂａｒ絶対圧より大きい水準に到達した後、第２と第３のダイアフラムの間の空気が所定の速度で排気され、第３のダイアフラムはその前に成形された第２のサブプリフォームの方へ引っ張られ、それにより第３のサブプリフォームが成形された第２のサブプリフォームの外側の形状と一致する。上で開示したように、空気は、各サブプリフォームの成形中に、約１ｍｂａｒ／分以上の速度で、より詳しくは約１ｍｂａｒ／分〜約５０ｍｂａｒ／分の範囲の速度で排気されてもよい。
【００２２】
１１０では、望みの圧力に到達し、望みのプリフォームの圧縮が達成されるまで、ツールハウジング及びダイアフラム間の領域からの空気の排気が継続される。１１１では、サブプリフォームはその剛性を保持するまで冷却される。
【００２３】
本開示の熱ドレープ成形法によって、多段階工程のルートの関連する時間的なペナルティ及びコストなしにサブプリフォームの組立が可能になる。本開示の熱ドレープ成形法は、より広い範囲の成形形状、積層体積層構成、及びプライ数に適用される形成技術も可能にし、それによりプリフォーム形成技術の著しい発展をもたらす。
【００２４】
プリフォーム材料
本発明に関してのサブプリフォーム及びプリフォームは、複合材料の強化成分を構成する乾燥繊維の組立体又は乾燥繊維の層であり、ＲＴＭなどの樹脂注入用途に好適な形態である。
【００２５】
成形されるサブプリフォームブランクは、繊維質材料の複数の層又はプライからなり、これらとしては、一方向繊維、不織マット、織物、編物、及びノンクリンプ織物を挙げることができる。サブプリフォームブランクは、実質的に平らであってもよい。「マット」は、その形態を維持するために塗布されたバインダーを有するチョップドファイバーフィラメント（チョップドストランドマットを製造するため）又は渦巻き状のフィラメント（連続ストランドマットを製造するため）などの、ランダムに配向している繊維からなる不織繊維織物である。好適な織物としては、メッシュ、トゥ、テープ、スクリム、紐などの形態の、方向性をもってあるいは無方向に並んだ繊維を有するものが挙げられる。繊維質層又は織物中の繊維は、有機繊維、無機繊維、又はこれらの混合物であってもよい。有機繊維は、アラミド（Ｋｅｖｌａｒ等）、高弾性ポリエチレン（ＰＥ）、ポリエステル、ポリ−ｐ−フェニレン−ベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）、及びこれらのハイブリッドの組み合わせなどの頑丈な又は堅いポリマーから選択される。無機繊維としては、炭素（グラファイト等）、ガラス（Ｅ−ガラス又はＳ−ガラス繊維等）、石英、アルミナ、ジルコニア、炭化ケイ素、及び他のセラミックからなる繊維が挙げられる。飛行機の主部などの高強度複合材構造体を製造するためには、繊維は好ましくは≧３５００ＭＰａ（又は≧５００ｋｓｉ）の引張強さを有する。
【００２６】
サブプリフォームブランクを形成するために、バインダー組成物が各繊維質層（例えば一方向繊維の層）に塗布されてもよく、その後、バインダーで処理された複数の繊維質層が積層により組み立てられる。バインダーは、繊維質層の積層の前または最中に繊維質層に塗布されてもよい。繊維質層の組立は、ハンドレイアップ法若しくは自動積層法（自動テープ積層（ＡＴＬ）及び自動繊維積層（ＡＦＰ）など）、又は幅広い良好なあるいは予め準備された形態での繊維若しくはプライを堆積する他の自動化方法によって行うことができる。繊維質層の積層体は、その後熱及び圧力をかけることにより互いに積層される。
【００２７】
いくつかの実施形態においては、サブプリフォームは、望ましい積層構成及び最終的なプリフォームのレイアップの中に０°（０度）の方向に配向するプライの数に従って分割される。２つ以上の可撓性ダイアフラムが、サブプリフォームを互いから分けるように配置され、各サブプリフォームのために、別個の密閉された閉空間を規定する。その後、隣接するダイアフラム間の圧力を制御することにより、同じ加熱サイクル中に別個にかつ連続的に個々のサブプリフォームを成形することができ、それにより望ましくない皺の生成が防止され、また成形されたプリフォームを製造するための従来の多段階工程プロセスと比較してプロセス効率が増加する。
【００２８】
いくつかの実施形態においては、各サブプリフォームは、連続した一方向繊維の複数のプライを含み、各プライは隣接するプライに対して異なる角度で配向している。各サブプリフォーム中のプライの数は２〜３０であってもよい。いくつかの実施形態においては、各サブプリフォームは、例えば１〜１０プライなどの、限られた数の０度（０°）のプライを含む。０°のプライとは、レイアップの長さ又は縦軸と平行に配向している一方向繊維を有するプライのことをいう。
【００２９】
バインダー
サブプリフォーム中の繊維質層を結合させるためのバインダーは、粉末、液体、ペースト、フィルム、繊維、及び不織布などの様々な形態であってもよい。バインダー材料は、熱可塑性ポリマー、熱硬化性樹脂、及びこれらの混合物から選択されてもよい。特定の実施形態においては、バインダーは、熱可塑性材料、又は熱硬化性材料、又は熱可塑性材料と熱硬化性材料とのブレンド物から形成された高分子繊維の形態をとっていてもよい。
【００３０】
ある実施形態においては、サブプリフォーム中のバインダーは、周囲温度（２０℃〜２５℃）で固体高分子材料である。加熱されると、バインダーは溶融状態へと転移し、サブプリフォームを軟らかくして成形することが可能になる。形状に成形する温度はバインダーの特性によって決定され、望ましくない繊維のねじれ又は皺が形成されないようにするために、形状成形工程中にこれらが互いにすり抜けるように隣接する繊維プライの間の摩擦を最小限にするために最適化することができる。特に好適なバインダーは、米国特許第８，９２７，６６２号明細書に記載されている熱可塑性エポキシバインダーである。このバインダーは、エポキシ樹脂と熱可塑性ポリマーとのブレンド物を含み、粉末形態で繊維質層に塗布することができる。
【００３１】
別の好適なバインダーは、米国特許出願公開第２０１４／０１７９１８７号明細書に記載の液体バインダー組成物であり、これは乾燥繊維質層の上に塗布（例えば噴霧により）することができ、その後に溶媒を除去するために乾燥される。
【００３２】
フィルム形態で設けられる場合、バインダー樹脂組成物は、フィルムを形成するために剥離紙の上に成膜（例えばキャスティングにより）され、これがその後に繊維質層に移動されてもよい。そのようなバインダーフィルムは、サブプリフォームの繊維質層の間に挿入される。
【００３３】
別の実施形態においては、バインダーは熱可塑性繊維（すなわち熱可塑性材料から形成された繊維）と熱硬化性繊維（すなわち熱硬化性材料から形成された繊維）との混合物である。そのような高分子繊維は、隣接している繊維層間に挿入するために、ランダムに配向している高分子繊維からなる不織布としてサブプリフォームの中に組み込まれてもよい。そのような不織布は、繊維質層間を接着するために加熱により軟らかくすることができる。例えば、米国特許第８，７０３，６３０号明細書に開示されている樹脂可溶性熱可塑性布が好適であろう。
【００３４】
バインダーの合計量は、バインダー処理されたサブプリフォームが多孔性のままであり且つ樹脂注入法において使用される液体樹脂を透過させるように十分に少ない。例えば、サブプリフォーム中のバインダー材料の合計量は、サブプリフォームの総重量基準で約２０重量％以下、例えば約０．１〜約１５重量％、いくつかの実施形態においては０．５重量％〜１０重量％であってもよい。
【００３５】
プリプレグレイアップ
本明細書に開示の熱ドレープ成形法は、あらかじめ硬化性樹脂で含浸されたものであるプリプレグプライの組立体に適用することもできる。各プリプレグプライは、硬化性樹脂の中に含浸されたあるいは埋め込まれた強化繊維の層からなる。強化繊維の層は、連続的な一方向繊維又は織物の形態であってもよい。プリプレグの全体の複合材レイアップはサブグループに分割することができ、各サブグループは、サブプリフォームの場合のように２つ以上のプリプレグプライからなる。プリプレグプライは、サブプリフォーム及びプリフォームのための上述したような異なる方向に配向している一方向繊維を含んでいてもよい。その後、サブグループは上述の通りに連続的に成形される。この場合、加熱はプリプレグプライ中の硬化性樹脂を軟らかくしてプリプレグプライの成形を可能にするのに十分な温度で行われるが、温度はマトリックス樹脂の完全な硬化を生じさせるのに十分なほどには高くない。
【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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【国際調査報告】
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