(57)【要約】      （修正有）【課題】短繊維複合材の製造のためのシステム及び方法の提供。【解決手段】短繊維複合材を形成する方法である。当該方法は、ランダムに配向された乾燥繊維（１２４）の層（２１２）を、ベース（２１０）上に形成することと、圧力に応じて前記層（２１２）内に樹脂（１２２）を引き込むことにより、熱硬化性樹脂（１２２）が含浸された、ランダムに配向された繊維（１２４）の混合物を形成することと、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を攪拌するとともに、前記混合物を脱気することと、前記混合物を押し出してプリフォームを形成することと、を含む。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ランダムに配向された乾燥繊維の層を、ベース上に形成することと、
圧力に応じて前記層内に樹脂を引き込むことにより、熱硬化性樹脂が含浸された、ランダムに配向された繊維の混合物を形成することと、
前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を攪拌するとともに、前記混合物を脱気することと、
前記混合物を押し出してプリフォームを形成することと、を含む、方法。
【請求項２】
前記混合物を押し出して前記プリフォームを形成することによって、３つの空間軸すべての方向においてランダムに配向された、前記樹脂と混合された繊維を含むプリフォームが形成される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記層を真空バッグで覆うことと、
前記真空バッグを前記ベースに封止することと、
前記真空バッグを介して前記層に負圧を付与することと、をさらに含み、
前記層に硬化性樹脂を引き込むことは、前記負圧が付与された際に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記層の上に樹脂を配置することと、
前記層の上方から前記樹脂に正圧を付与することと、をさらに含み、
前記層に硬化性樹脂を引き込むことは、前記正圧が付与された際に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記乾燥繊維は、前記層を形成する前に乾燥ガラス繊維と混合された乾燥炭素繊維を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記混合物は、少なくとも２０重量パーセントのガラス繊維と、少なくとも３０重量パーセントの炭素繊維と、少なくとも４０重量パーセントの樹脂とを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
前記混合物を第１オーガー内で攪拌した後、前記混合物を、前記第１オーガーよりも圧縮比の高い第２オーガー内で攪拌する、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記繊維は、３つの空間軸すべての方向において、ランダムに配向されている、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記押出しを行う押出し成形機内に、前記混合物を投入することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
多孔度が１体積パーセント未満である複合部品を含む材料であって、前記複合部品は、
其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向された繊維のマトリックスと、
前記繊維全体に分散した熱硬化樹脂と、を含む、材料。
【請求項１１】
前記繊維は、３つの空間軸すべての方向において、ランダムに配向されている、請求項１０に記載の材料。
【請求項１２】
前記繊維は、其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向されたガラス繊維と、其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向された炭素繊維とを含み、
前記材料は、少なくとも２０重量パーセントのガラス繊維と、少なくとも３０重量パーセントの炭素繊維と、少なくとも４０重量パーセントの樹脂とを含む、請求項１０に記載の材料。
【請求項１３】
樹脂含浸機と押出し成形機とを含むシステムであって、
前記樹脂含浸機は、
ベースと、
前記ベースにおいて、含浸された繊維の混合物を形成するために、前記ベースにおけるランダムに配向された乾燥繊維の層に、熱硬化性樹脂を送り込む圧力源と、
前記繊維層の空気が前記樹脂含浸機から出るための出口通路と、を含み、
前記押出し成形機は、
前記混合物が入れられるように寸法設定されたポートと、
前記ポートによって材料供給されて、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力で攪拌するとともに、前記混合物を第２セクションに向かって移動させる第１オーガー、を含む第１セクションと、を含み、
前記第１セクションは、当該第１セクションから気体を除去する真空ポートをさらに含み、
前記第２セクションは、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力よりも高い第２圧縮圧力で攪拌し、さらに前記混合物を押出し成形機ダイノズルに向かって移動させる第２オーガーを含み、
前記第２セクションは、前記第２オーガーを囲む加熱シェルをさらに含み、、
前記押出し成形機ダイノズルは、前記混合物が前記押出し成形機を出るための開口を有しており、前記第２セクションに取り付けられている、システム。
【請求項１４】
前記圧力源は、
前記層を前記ベースに封止する真空バッグと、
前記真空バッグに連結された真空ポートと、
前記真空ポートを介して前記真空バッグに負圧を付与することによって前記層から空気を引き出す真空ポンプと、を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
ポートを介して前記真空バッグに連結された樹脂リザーバーをさらに含む、請求項１４に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、繊維強化複合材の分野に関し、特に、短繊維強化複合材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
所望のレベルの構造的性能を実現しつつ重量を減らすために、炭素、ガラス、ケブラー（Kevlar）などの多くの繊維材料が、様々な目的に使用されている。例えば、連続繊維複合材部品は、層状に配向された炭素繊維の個別のストランドを用いている。各層内の炭素繊維のストランドは、平行であり、所望の方向に数フィート又は数百フィートも延びている。各層内の繊維は、得られる複合部品の強度を、特定の方向の負荷に対して、向上させる。繊維配向の異なる層を組み合わせることによって、様々な方向に構造的強度を呈する複合部品を作製することができる。
【０００３】
連続繊維複合部品は非常に望ましいものの、ある種の用途においては、経済的でない、あるいは技術的に実現可能でない場合がある。例えば、複数の方向において強度を呈する、特に幅の狭いあるいは小さい連続繊維複合部品を作製することは、経済的でない場合がある。従って、そのような複合部品には、短繊維複合材料が使用される場合がある。短繊維複合材料は、連続繊維材料よりも実質的に短い長さを用いるという点で、連続繊維材料とは区別される。短繊維の長さは、１／４インチから１／８インチにわたる。短繊維材料と連続繊維材料とのさらなる相違点は、短繊維材料内の個々の繊維が、ランダムな配向を示し、従って、層単位で平行ではないことである。これらの物理的特性によって、短繊維材料は、実質的に等方性となっている。また、これらの特性によって、短繊維材料は、残念ながら、連続繊維複合材よりも強度が低い。
【０００４】
従って、短繊維複合部品の設計者は、強度を高めるような短繊維複合材料に対する改良を模索し続けている。
【発明の概要】
【０００５】
本明細書に記載の実施形態は、高圧押出しと組み合わせた加圧樹脂含浸を用いた短繊維複合材料を提供する。この手法は、ランダムに配向された短繊維の乾燥繊維層への樹脂含浸量を実質的に増大させる。樹脂含浸量を増やすことによって、得られる混合物の多孔度を低下させることができ、これによって、当該混合物を硬化して得られる短繊維複合部品の構造的性能を向上させることができる。
【０００６】
一実施形態は、短繊維複合材料を形成する方法である。当該方法は、ランダムに配向された乾燥繊維の層を、ベース上に形成することと、圧力に応じて前記層内に樹脂を引き込むことにより、熱硬化性樹脂が含浸された、ランダムに配向された繊維の混合物を形成することと、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を攪拌するとともに、前記混合物を脱気することと、前記混合物を押し出してプリフォームを形成することと、を含む。
【０００７】
別の実施形態は、材料である。当該材料は、多孔度が１体積パーセント未満である複合部品を含む。前記複合部品は、其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向された繊維のマトリックスと、前記繊維全体に分散した熱硬化樹脂と、を含む。
【０００８】
別の実施形態は、樹脂含浸機を含むシステムである。樹脂含浸機は、ベースと、前記ベースにおいて、含浸された繊維の混合物を形成するために、前記ベースにおけるランダムに配向された乾燥繊維の層に、熱硬化性樹脂を送り込む圧力源と、前記繊維層の空気が装置から出るための出口通路とを含む。前記装置は、押出し成形機をさらに含む。前記押出し成形機は、前記混合物が入れられるように寸法設定されたポートと、前記ポートによって材料供給されて、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を攪拌し、前記混合物を第２セクションに向かって移動させる第１オーガーを含む第１セクションとを含み、前記第１セクションは、前記第１セクションから気体を除去する真空ポートをさらに含む。前記押出し成形機は、第２セクションをさらに含み、これは、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力よりも大きい第２圧縮圧力で攪拌する第２オーガーを含む。前記第２オーガーは、前記混合物を押出し成形機ダイノズルに向かって移動させる。前記第２セクションは、前記第２オーガーを囲む加熱シェルをさらに含む。前記押出し成形機は、前記押出し成形機ダイノズルをさらに含み、これは、前記混合物が前記押出し成形機を出るための開口を有しており、前記第２セクションに取り付けられている。
【０００９】
別の実施形態は、押出し成形機を含む装置である。前記押出し成形機は、熱硬化性樹脂が含浸された繊維の混合物が入れられるように寸法設定されたポートと、前記ポートによって材料供給されて、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を攪拌するとともに、前記混合物を第２セクションに向かって移動させる第１オーガー、を含む第１セクションとを含む。前記第１セクションは、前記第１セクションから気体を除去する真空ポートをさらに含む。前記押出し成形機は、前記第２セクションも含む。前記第２セクションは、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力よりも高いい第２圧縮圧力で攪拌する第２オーガーを含み、前記第２オーガーは、さらに、前記混合物を押出し成形機ダイノズルに向かって移動させる。前記第２セクションは、前記第２オーガーを囲む加熱シェルをさらに含む。前記押出し成形機は、前記押出し成形機ダイノズルをさらに含み、これは、前記混合物が前記押出し成形機を出るための開口を有しており、前記第２セクションに取り付けられている。
【００１０】
他の例示的な実施形態（例えば、前述の実施形態に関連する方法及びコンピュータ可読媒体）が、以下において説明されうる。上述した特徴、機能、利点は、様々な実施形態によって個別に達成することができ、あるいは、さらに他の実施形態と組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照することによって明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
次に、本開示のいくつかの実施形態を、単に例示として、添付図面を参照しつつ説明する。全ての図面において、同じ参照数字は、同じ要素又は同じ種類の要素を示している。
【００１２】
【図１】例示的な実施形態における、改善された短繊維混合物の図である。
【図２】例示的な実施形態における樹脂含浸機を示す図である。
【図３】例示的な実施形態におけるさらなる樹脂含浸機を示す図である。
【図４】例示的な実施形態における押出し成形機を示す図である。
【図５】例示的な実施形態におけるダイノズルを示す図である。
【図６】例示的な実施形態における、改善された短繊維複合材料を製造する方法を示すフローチャートである。
【図７】例示的な実施形態における短繊維複合材料の製造装置のブロック図である。
【図８】例示的な実施形態における航空機の製造及び保守方法のフローチャートである。
【図９】例示的な実施形態における航空機のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図面及び以下の記載は、本開示の特定の例示的な実施形態を説明するものである。なお、当業者であれば、本明細書に明確に記載あるいは図示していないものの、本開示の原理を具体化するとともに本開示の範囲内に含まれる様々な変形を、創出することができるであろう。また、本明細書で説明されているいずれの実施例も、本開示の原理に対する理解を助けることを意図するものであり、これらの具体的に説明された実施例又は条件に限定されるものではない。従って、本開示は、以下に説明する特定の実施形態又は実施例に限定されるものではなく、請求の範囲及びその均等範囲のみによって限定される。
【００１４】
図１は、例示的な実施形態における、改善された短繊維混合物１２０の図である。具体的には、混合物１２０は、低減された多孔度を呈するように改善されている。混合物１２０は、短炭素繊維１２４を含んでいる。繊維１２４は、ＸＹ平面に沿う配向が様々である。繊維１２４は、さらに、図示の３つの空間軸に沿う方向のうちのいずれか又はすべてにおいて、ランダムな配向を呈していてもよい。繊維１２４は、複数の点で、連続繊維とは区別される。第１の相違点は、繊維１２４は（例えば３次元の方向のすべてにおいて）ランダムに配向されているが、連続繊維はすべて平行であるという点である。繊維１２４は、さらに、らせん状になっている場合もあれば、繊維内のよじれ又は折れに応じて、軸長（Ｌ）に沿って配向が変化している場合もある。第２の相違点は、各繊維１２４が、１／８インチと１／２インチとの間の軸長を有するという点である。この長さは、混合物１２０が硬化後に構造的応力に耐える能力を、繊維１２４によって高めるのに十分な長さである。また、この長さは、任意の適当な形状に成形することができる、実質的に異方性の材料として、混合物１２０が機能するのに十分な短さである。繊維１２４は、樹脂１２２内に封入されている。樹脂１２２は、硬化して繊維１２４のマトリックスを支持するポリマーとなる熱硬化性モノマーを含みうる。
【００１５】
短繊維複合材料の作用及び製造に関与する装置のさらなる詳細を、図２〜図６を参照して説明する。図２は、例示的な実施形態における樹脂含浸機２００を示す図である。樹脂含浸機２００は、特に、短繊維の層（bed）２１２に樹脂を含浸するように設計されている。樹脂含浸機２００は、ベース２１０を含む。ベース２１０には、ランダムに配向された短繊維１２４の層２１２が入っている。短繊維は、乾燥状態である。すなわち、繊維１２４は、まだ樹脂１２２によって湿潤されていない。
【００１６】
樹脂含浸機２００は、真空バッグ２２０も含んでいる。真空バッグ２２０は、ベース２１０に封止されており、層２１２を覆っている。ポート（ports）２３０及びポート２６０が真空バッグ２２０を貫通していることにより、層２１２から外部への空気の通過及び層２１２内への樹脂１２２の通過が可能になっている。真空バッグ２２０は、真空ポンプ２５０が層２１２から空気を除去するにつれて、マニホールド２３２及びライン２４０を介してポート２３０に負圧が付与される際に、層２１２上に圧縮される。ライン２４０は、このように、空気が層２１２を出るための出口通路として作用する。さらなる実施形態において、ポート、マニホールド及びラインを、所望に応じて任意の数だけ設けることができる。
【００１７】
真空バッグ２２０は、真空ポンプ２５０及びポート２３０と組み合わさって、ライン２４０を介して空気２９０を排気することにより層２１２の圧力を大気圧以下に下げる圧力源として作用する。この負圧は、樹脂リザーバー２８０から樹脂１２２を引き出す。樹脂１２２は、供給ライン２７０を通ってポート２６０から層２１２内へと進む。樹脂１２２は、層２１２の個々の繊維１２４間に分散される。
【００１８】
図３は、例示的な実施形態におけるさらなる樹脂含浸機３００を示す図である。樹脂含浸機３００が、樹脂含浸機２００と異なる点は、短炭素繊維の層３２０に含浸させるために、樹脂含浸機３００は、負圧ではなく正圧を用いるという点である。樹脂含浸機３００は、圧力容器３１０のベース３１２の上に配置された、ランダムに配向された乾燥状態の短繊維の層３２０を含んでいる。樹脂含浸機３００は、粘性のある液相の樹脂３３０をさらに含んでいる。樹脂３３０は、方向Ｄに移動するキャップ３４０によって圧力が付与されるにつれて、層３２０に浸透する。キャップ３４０は、シャフト３５０を介して付与される力によって、方向Ｄに移動させられる。従って、キャップ３４０及びシャフト３５０は、樹脂３３０を下方に層３２０内へと流動させる、樹脂３３０の圧力源として作用する。ベース３１２に設けられた出口ノズル３６０は、樹脂３３０が層３２０に浸透する際の空気の出口通路を形成している。余分な樹脂が層３２０に残らないように、樹脂３３０も、出口ノズル３６０を通って流出しうる。層３２０に樹脂３３０を含浸させることによって、図１の混合物１２０が得られる。
【００１９】
図２〜図３はどちらも、短繊維混合物を形成するために、圧力差を付与することによって、乾燥繊維の層に樹脂を送り込むシステムを示している。これらのシステムは、短繊維の層の含浸のために圧力を利用することによって、繊維内への樹脂の浸透が実質的に高まるという点で、実質的な利点を有する。このことは、個々の繊維１２４が、樹脂１２２によって十分に湿潤及び／又は含浸させられるため、得られる混合物１２０の多孔度が低下することを意味する。しかしながら、混合物１２０内において多孔度をさらに低下させること、及び、樹脂１２２が繊維１２４全体に均一に混合されるようにすることは、有益であろう。
【００２０】
図４〜図５は、混合物１２０を混合する押出し成形機４００の詳細を示している。押出し成形機４００は、有利な点として、混合物１２０内の個々の繊維１２４を損傷することなく、混合物の成分を攪拌／混合する。これは、具体的には、繊維１２４が、攪拌プロセス中に、切断されたり、長さが短くなったりしないことを意味する。繊維１２４の長さを維持することによって、混合物１２０は、攪拌の完了後も、所望の構造的特性を保持することができる。
【００２１】
図４は、例示的な実施形態における押出し成形機４００を示す図である。押出し成形機４００は、断面図で示されている。図４に示すように、押出し成形機４００は、混合物１２０が入れられるように寸法設定されたポート４６０を含む。混合物１２０は、ポート４６０に入れられる際には、未硬化の半固体／ペースト状態のままである。混合物１２０はさらに、押出し成形機４００の予定押出し速度に対応する体積速度で、供給されうる。
【００２２】
押出し成形機４００は、第１セクション／チャンバー４６２も含む。シャフト４４０が、セクション４６２内でスピンする。シャフト４４０のスピンによって、アーム４５０がシャフト４４０の周りで回転し、これによって混合物１２０が混合される。シャフト４４０は、モータ４１０によって駆動される。シャフト４４０の回転速度は、アーム４５０が繊維１２４を切断することが無いように、選択することができる。従って、シャフト４４０の例示的な速度は、一秒あたり５回転未満でありうる。樹脂に対する繊維の割合は、粘度に影響しうる。混合物の温度も、粘度に影響しうるが、樹脂が硬化して固体ポリマーとなる硬化温度（例えば２９０°Ｆ）より低い温度が理想的であろう。シェル（shell）４７０は、セクション４６２を構造的に支持するものであり、混合物１２０がセクション４６２から漏出しないようにしている。第１セクション４９８は、真空ポート４６４も含んでおり、当該真空ポートが、第１チャンバーセクション４６２から気体を引き出す。
【００２３】
第１オーガー４５２は、セクション４６２内で混合済み混合物１２０を引き寄せ、混合物１２０を第１圧縮圧力で圧縮する。第１圧縮圧力は、約２０ポンド／平方インチ（ＰＳＩ）でありうる。第２オーガー４９４は、位置４８０において、第１オーガー４５２から第２セクション／チャンバー４９６内へと混合物１２０を引き寄せる。混合物１２０は、第１オーガー４５２の回転動作によって、第２チャンバー４９６へと引き寄せられる。移行ゾーン４６６は、セクション４９８からの出口及びセクション４９６への入り口としての役割を果たす。第２オーガー４９４は、当該オーガー４９４が第１オーガー４５２よりも高い圧力を付与できるような、より高い圧縮圧力／圧縮率で動作する。このことは、セクション４９６が、第１圧縮圧力よりも高い第２圧縮圧力となることを意味する。このより高いレベルの圧力は、３００〜４０００ＰＳＩの範囲でありうる。オーガー４９４によって付与される圧力上昇によって、混合物１２０から空気ポケットが強制除去される。このことは、混合物１２０の多孔度をさらに低下させ、ひいては構造的強度が高まるという有利な影響を及ぼす。これによって、混合物１２０の多孔度を１パーセント未満に低下させることができる。
【００２４】
オーガー４９４は、シェル４７０と比べて構造的強度の高いシェル４９２を使用しうる。これによって、オーガー４９４によって付与されるより高い圧力下で、シェル４９２が破損しないようにすることができる。シェル４９２は、オーガー４９４を囲んでいる。混合プロセスを促進するため、シェル４９２を加熱してもよい。混合物１２０は、押出し成形機ダイノズル４９９を通って、押出し成形機４００を出る。混合物１２０が押出し成形機４００で攪拌されている際に、真空ポート４６４を介してインライン脱気を行ってもよい。例えば、混合物１２０内に、閉じ込められた空気ポケット／気泡が形成されないように、攪拌作業中に、セクション４６２に真空を付与してもよい。このようにして、段階的な圧縮と脱気との組み合わせによって、混合物１２０から空気ポケット／気泡を取り除くことができる。
【００２５】
図５は、例示的な実施形態における押出し成形機４００の押出し成形機ダイノズル４９９のさらなる詳細を示す図である。具体的には、図５は、図４の矢印５方向視に対応している。図５が示すように、押出し成形機ダイノズル４９９は、押出し開口５２０を含んでいる。押出し開口５２０には、所望の形状の混合物１２０を押し出すための、任意の適当な形状を選択することができる。押出し成形機ダイノズル４９９は、押出し成形機ダイノズル４９９を押出し成形機４００に取り付けるための固定部５３０も含んでいる。押出し成形機ダイノズル４９９の穴５４０も、図示されている。穴５４０を用いて、押出し成形機ダイノズル４９９を押出し成形機４００にさらに固定することができる。
【００２６】
樹脂含浸機２００及び押出し成形機４００の動作の例示的な詳細を、図６に関連させて説明する。ユーザーが、１／４インチから１／８インチまでの繊維長さを有する一回分の乾燥短炭素繊維を得ているものと仮定する。また、ユーザーが、当該繊維に樹脂を含浸させて、繊維と樹脂との混合物を形成することを望んでいると仮定する。
【００２７】
図６は、例示的な実施形態における、短繊維複合材料の製造方法６００を示すフローチャートである。方法６００の工程を、図２の樹脂含浸機２００を参照して説明する。当業者であればわかるように、方法６００は、図３の樹脂含浸機３００のような、他のシステムにおいても実行することができる。ここで説明するフローチャートの工程が、必ずしもすべて含まれるとは限らず、また、図示しない他の工程も含まれ得る。また、ここで説明する工程は、別の順序で行うことともできる。
【００２８】
方法６００は、長さ１／２インチ未満の、ランダムに配向された乾燥繊維１２４（例えば炭素繊維又はガラス繊維）一回分を得ること（工程６０２）を含む。これらは、短繊維と称される。方法６００は、短繊維１２４から、ベース２１０上に層２１２を形成すること（工程６０４）をさらに含む。方法６００は、圧力に応じて、熱硬化性（すなわち硬化可能）樹脂１２２を層２１２内に引き込むこと（工程６０６）も含む。圧力は、層２１２又は樹脂１２２に付与される正圧又は負圧である。圧力は、２０〜９０ＰＳＩの範囲でありうる。樹脂１２２を、繊維１２４の層２１２内に引き込むことによって、混合物１２０が形成される。混合物１２０は、樹脂注入プロセスによって（すなわち、繊維１２４に樹脂１２２を加圧下で浸透させることによって）、多孔度が低減される。方法６００のさらなる工程によって（例えば混合物１２０から気体を除去することによって）、混合物１２０の多孔度を、さらに、１体積パーセント未満まで低下させることができる。混合物１２０は、この段階では、未硬化のままである。このことは、混合物１２０が、この時点では、空隙の無い、実質的に粘性の半固体であることを意味する。
【００２９】
混合物１２０は、当該混合物１２０が半固体状態のままで、押出し成形機４００のセクション４９８のチャンバー４６２内に投入される（工程６０８）。混合物１２０は、セクション４９８のチャンバー４６２内で、アーム４５０によって混合される（工程６１０）。アーム４５０は、繊維長さを維持しつつ、混合物１２０を攪拌する。これは、繊維１２４が、アーム４５０によって、損傷又は切断されないことを意味する。このことは、押出し成形機４００の内部移動部品によって繊維１２４が切断される閾値レベルよりも、小さい力あるいは１秒あたりの回転数で、シャフト４４０が回転することを含みうる。セクション４９８において、混合物１２０は、第１圧縮圧力（例えば２０〜３０ＰＳＩ）で攪拌される。第１セクション４９８のオーガー４５２は、混合物１２０を、第２セクション４９６に向かって移動させる。オーガー４５２には、ポート４６０から材料供給される。混合／攪拌が進行するにつれて、混合物１２０は、オーガー４５２を通ってオーガー４９４へと進む。オーガー４９４は、第２セクション４９６の一部であり、第１圧縮圧力よりも高い第２圧縮圧力（例えば数百ＰＳＩ）で、混合物１２０を攪拌する。オーガー４９４は、混合物１２０を、ダイノズル４９９に向かって移動させる。オーガー４５２と同様に、オーガー４９４も、繊維長さを維持する（すなわち繊維を破壊又は切断しない）。混合物１２０は、少なくとも３００ＰＳＩの圧力で押し出されうる（工程６１２）。当該圧力は、実施形態によって、３００〜４００ＰＳＩの範囲で変化しうる。攪拌及び押し出し中には、すなわち、混合物１２０を圧縮している間に、インライン脱気も用いられる。セクション４６２は、動作中は真空下にあるので、閉じ込められた空気ポケット又は気泡が混合物１２０内に形成されることはない。押出し後は、混合物１２０は、硬化の準備が整った繊維及び樹脂のプリフォームとなる。
【００３０】
混合物１２０は、押出し後に、複合部品に成形される。このプロセスは、混合物１２０を硬化させて、固形の硬化複合部品にすることによって、行うことができる（工程６１４）。硬化は、樹脂１２２が硬化してポリマーになる所望の硬化温度まで、混合物１２０を加熱することによって、行うことができる。例えば、当該所望の温度は、２５０°Ｆ又は３５０°Ｆである。
【００３１】
混合物１２０のさらなる実施形態は、短繊維炭素繊維と共に、短繊維ガラス繊維を含みうる。これは、複数の利点をもたらす。第一に、短繊維ガラス繊維は、バランスのとれた材料特性をもたらす。ガラス繊維は、炭素繊維よりも、強度及び弾性率は低いが、伸び特性が高いため、ガラス繊維は、最終的に硬化された材料のブレイク点における伸びを改善する。第二に、ガラス繊維は、製造中の押出しの容易性を高める。ガラス繊維は、システムにおいて潤滑剤のように作用し、押出し中の「シャークスキン・フラクチャリング（shark skin fracturing）」現象を防止する。従って、ガラス繊維と炭素材料とを組み合わせることで、システム中の炭素の量を５０（重量）パーセント以上にすることができる。
【００３２】
このような実施形態においては、短繊維ガラス繊維を短繊維炭素繊維と混合し、この炭素繊維とガラス繊維とを合わせたものを、樹脂含浸の前に、層２１２に加えればよい。短繊維ガラス繊維の長さは、炭素繊維の長さに匹敵するか、同等であってよい。従って、さらなる実施形態では、少なくとも２０重量パーセントのガラス繊維と、少なくとも３０重量パーセント炭素繊維とを含む混合物を用いることができる。これらの実施形態は、少なくとも４０重量パーセントの樹脂も含みうる。
〔実施例〕
【００３３】
以下の実施例においては、多孔度の低い短繊維混合物の製造システムに関連させて、追加のプロセス、システム、及び方法を説明する。
【００３４】
図７は、例示的な実施形態における製造システム７００のブロック図である。製造システム７００は、短炭素繊維７０２及び短ガラス繊維７０４を受け取る。繊維７０２と７０４とは事前に混合され、共に樹脂含浸機７１０の層７１４を形成する。層７１４は、ベース７１２の上に配置される。層７１４はまた、バッグ７１６によりベース７１２に封止されている。真空ポンプ７２８は、負圧を付与することによって、ポート７２０及びライン７２４を介して、層７１４から空気ポケットを引き出し除去する。樹脂リザーバー７２６は、樹脂７０６で満たされている。樹脂７０６は、圧力差によって、供給ライン７２２及びポート７１８を通って、層７１４内に引き込まれる。これによって、層７１４に樹脂７０６が含浸される。層７１４に樹脂７０６を含浸させることによって、多孔度の低減された混合物７３０が得られる。
【００３５】
混合物７３０は、押出し成形機７４０のポート７４２内に配置される。混合物７３０は、ポート７４２からチャンバー７４４内に進む。混合物７３０は、チャンバー７４４内で、アーム７４８によって混合される。アーム７４８は、シャフト７５０及びモータ７５２によって駆動される。また、チャンバー７４４は、シェル７４６によって囲まれている。混合物７３０は、チャンバー７４４から第１オーガー７５４に進む。チャンバー７４４、第１オーガー７５４、モータ７５２、シャフト７５０、シェル７４６及びアーム７４８は、第１セクション７９２の部分を構成している。第１セクション７９２内において、脱気が行われうる。攪拌は、第２オーガー７５６においても続く。第２オーガー７５６は、数百又は数千ＰＳＩの圧力に耐えることができる補強シェル７５８によって囲まれている。従来の短繊維混合物よりも低減された所望の多孔度を有する混合物７３０が、押出し成形機ダイノズル７６０から押し出される。このことは、混合物７３０が、１体積パーセント未満の多孔度を呈することもあることを意味する。第２セクション７９４は、第２オーガー７５６及びシェル７５８を含む。
【００３６】
混合物７３０は、さらに、所望の断面形状を呈するように、開口７６２から押し出されうる。これは、混合物７３０を、航空機のストリンガー用のギャップフィラー（gap filler）に成形することを含みうる。これらのギャップフィラーは、長さが数十フィートにわたるとともに、１平方インチ未満の断面積を有しうる。これらのギャップフィラーは、ヌードル（noodles）と称される。
【００３７】
より具体的に図面を参照すると、本開示の実施形態は、図８に示した航空機の製造及び保守方法８００に関連させて、また、図９に示した航空機８０２に関連させて、説明することができる。生産開始前において、例示的な方法８００は、航空機８０２の仕様決定及び設計８０４ならびに材料調達８０６を含む。生産中には、航空機８０２の部品及び小組立品の製造８０８ならびにシステムインテグレーション８１０が行われる。その後、航空機８０２は、認可及び納品８１２の工程を経て、使用８１４に入る。顧客による使用中は、航空機８０２は、定例の整備及び保守８１６（これは、改良、再構成、改修なども含みうる）に組み込まれる。本明細書で具体化したシステム及び方法は、製造及び保守方法８００における１つ又は複数の任意の適当な段階（例えば仕様決定及び設計８０４、材料調達８０６、部品及び小組立品の製造８０８、システムインテグレーション８１０、認可及び納品８１２、使用８１４、整備及び保守８１６）、及び／又は、航空機８０２の任意の適当なコンポーネント（例えば機体８１８、システム８２０、内装８２２、推進系８２４、電気系８２６、油圧系８２８、環境系８３０）において、採用することができる。
【００３８】
方法８００の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実行または実施することができる。なお、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム下請業者をいくつ含んでいてもよく、その数は特に限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよい。オペレーターは、例えば、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス組織等である。
【００３９】
図９に示すように、例示的な方法８００によって製造される航空機８０２は、例えば、複数のシステム８２０と内装８２２とを備えた機体８１８を含みうる。高水準システム８２０の例としては、推進系８２４、電気系８２６、油圧系８２８、環境系８３０のうちの１つ又は複数が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでもよい。また、航空宇宙産業に用いた場合を例として説明したが、本発明の原理は、例えば自動車産業などの他の産業に適用してもよい。
【００４０】
上述したように、本明細書で具体化したシステム及び方法は、製造及び保守方法８００における１つ又は複数の任意の段階において採用することができる。例えば、製造段階８０８において作製される部品又は小部品は、航空機８０２の使用中に作製される部品又は小部品と同様に作製することができる。また、１つ又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又は、それらの組み合わせを、製造段階８０８及び８１０で用いることによって、例えば、航空機８０２の組み立て速度を大幅に速めたり、コストを削減したりすることができる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、又は、それらの組み合わせのうちの１つ又は複数を、航空機８０２の使用中、例えば、限定するものではないが、整備及び保守８１６に用いてもよい。例えば、本明細書に記載の技術及びシステムを、工程８０６、８０８、８１０、８１４及び／又は８１６に用いてもよいし、これに加えて又はこれに代えて、機体８１８及び／又は内装８２２に用いてもよい。これらの技術及びシステムを、例えば推進系８２４、電気系８２６、油圧計８２８、及び／又は環境系８３０を含むシステム８２０に用いることもできる。
【００４１】
一実施形態において、混合物１２０は、機体８１８の一部を含む、部品及び小組立品の製造８０８中に製造される複合部品に硬化される。当該複合部品は、次に、システムインテグレーション８１０において航空機に組み込まれ、次に、摩耗によって当該複合部品が使用不可能になるまで、使用段階８１４において用いられる。次に、整備及び保守段階８１６において、複合部品は、廃棄され、新たに製造された部品と交換される。本明細書に記載の様々な樹脂含浸機及び押出し成形機は、次に、新たな複合部品の製造に用いられうる。
【００４２】
図示あるいは本明細書に記載した様々な制御要素（例えば電気又は電子部品）は、いずれも、ハードウェア、ソフトウェアを実現するプロセッサ、ファームウェアを実現するプロセッサ、又はこれらの何らかの組み合わせとして、実現することができる。例えば、ある要素を、専用ハードウェアとして実現することができる。専用ハードウェア要素は、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は、他の同様の用語で称されうる。プロセッサによって実現される場合、機能は、単一の専用プロセッサ、単一の共有プロセッサ、又は、いくつかを共有可能な複数の個別プロセッサによって、実現することができる。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアを実行可能なハードウェアのみを指すと解釈されるべきではなく、限定することなく、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）若しくは他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェア保存用の読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性記憶装置、論理回路、又は、他の物理的なハードウェア部品若しくはモジュールを暗黙的に含みうる。
【００４３】
また、制御要素は、当該要素の機能を実行するための、プロセッサ又はコンピュータによって実行可能な命令として、実現することができる。命令の例をいくつか挙げると、ソフトウェア、プログラムコード、及び、ファームウェアがある。命令は、プロセッサにより実行されると稼働して、当該プロセッサに対して要素の機能を果たすように指示する。命令は、プロセッサによる読み取りが可能な記憶装置に保存することができる。記憶装置の例としては、デジタル若しくはソリッドステートメモリ、磁気ディスクや磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、又は、光学的に読み取り可能なデジタルデータ記憶媒体などが挙げられる。
【００４４】
本発明は、以下の付記においても言及されるが、これらの付記は請求の範囲と混同されるべきではない。
【００４５】
Ａ１．  ランダムに配向された乾燥繊維の層を、ベース（６０４）上に形成することと、
圧力に応じて前記層内に樹脂を引き込むことにより、熱硬化性樹脂（６０６）が含浸された、ランダムに配向された繊維の混合物を形成することと、
前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を攪拌するとともに、前記混合物（６１０）を脱気することと、
前記混合物を押し出してプリフォーム（６１２）を形成することと、を含む、方法。
【００４６】
Ａ２．  前記混合物を押し出して前記プリフォームを形成することによって、３つの空間軸すべての方向においてランダムに配向された、前記樹脂と混合された繊維を含むプリフォームが形成される、付記Ａ１に記載の方法。
【００４７】
Ａ３．  前記混合物を押し出すことによって、多孔度が１体積パーセント未満の混合物が得られる、付記Ａ１に記載の方法。
【００４８】
Ａ４．  前記層を真空バッグで覆うことと、
前記真空バッグを前記ベースに封止することと、
前記真空バッグを介して前記層に負圧を付与することと、をさらに含み、
前記層に硬化性樹脂を引き込むことは、前記負圧が付与された際に行われる、付記Ａ１に記載の方法。
【００４９】
Ａ５．  前記層の上に樹脂を配置することと、
前記層の上方から前記樹脂に正圧を付与することと、をさらに含み、
前記層に硬化性樹脂を引き込むことは、前記正圧が付与された際に行われる、付記Ａ１に記載の方法。
【００５０】
Ａ６．  前記乾燥繊維は、前記層を形成する前に乾燥ガラス繊維と混合された乾燥炭素繊維を含む、付記Ａ１に記載の方法。
【００５１】
Ａ７．  前記混合物は、少なくとも２０重量パーセントのガラス繊維と、少なくとも３０重量パーセントの炭素繊維と、少なくとも４０重量パーセントの樹脂とを含む、付記Ａ５に記載の方法。
【００５２】
Ａ８．  前記混合物を第１オーガー内で攪拌した後、前記混合物を、前記第１オーガーよりも圧縮比の高い第２オーガー内で攪拌する、付記Ａ１に記載の方法。
【００５３】
Ａ９．  前記繊維は、３つの空間軸すべての方向において、ランダムに配向されている、付記Ａ１に記載の方法。
【００５４】
Ａ１０．  前記押出しを行う押出し成形機内に、前記混合物を投入することをさらに含む、付記Ａ１に記載の方法。
【００５５】
Ａ１１．  前記混合物を押し出した後に、前記混合物を複合部品に硬化することをさらに含む、付記Ａ１に記載の方法。
【００５６】
Ａ１２．  前記混合物は、少なくとも３００ポンド／平方インチの圧力で押し出される、付記Ａ１に記載の方法。
【００５７】
Ｂ１．  多孔度が１体積パーセント未満である複合部品（１２０）を含む材料であって、前記複合部品は、
其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向された繊維（１２４）のマトリックスと、
前記繊維全体に分散した熱硬化樹脂（１２２）と、を含む、材料。
【００５８】
Ｂ２．  前記繊維は、３つの空間軸すべての方向において、ランダムに配向されている、付記Ｂ１に記載の材料。
【００５９】
Ｂ３．  前記繊維は、其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向されたガラス繊維と、其々が長さ１／２インチ未満のランダムに配向された炭素繊維とを含み、
前記材料は、少なくとも２０重量パーセントのガラス繊維と、少なくとも３０重量パーセントの炭素繊維と、少なくとも４０重量パーセントの樹脂とを含む、付記Ｂ１に記載の材料。
【００６０】
Ｃ１．  樹脂含浸機と押出し成形機とを含むシステムであって、
前記樹脂含浸機は、
ベース（２１０）と、
前記ベースにおいて、含浸された繊維の混合物（１２０）を形成するために、前記ベースにおけるランダムに配向された乾燥繊維（１２４）の層に、熱硬化性樹脂（１２２）を送り込む圧力源（２５０）と、
前記繊維層の空気が前記樹脂含浸機から出るための出口通路（２４０）と、を含み、
前記押出し成形機（４００）は、
前記混合物が入れられるように寸法設定されたポート（４６０）と、
前記ポートによって材料供給されて、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力で攪拌するとともに、前記混合物を第２セクション（４９６）に向かって移動させる第１オーガー（４５２）、を含む第１セクション（４６２）と、を含み、
前記第１セクションは、当該第１セクションから気体を除去する真空ポート（４６４）をさらに含み、
前記第２セクションは、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力よりも高い第２圧縮圧力で攪拌し、さらに前記混合物を押出し成形機ダイノズル（４９９）に向かって移動させる第２オーガー（４９４）を含み、
前記第２セクションは、前記第２オーガーを囲む加熱シェル（４９２）をさらに含み、
前記押出し成形機ダイノズルは、前記混合物が前記押出し成形機を出るための開口を有しており、前記第２セクションに取り付けられている、システム。
【００６１】
Ｃ２．  前記圧力源は、
前記層を前記ベースに封止する真空バッグ（２２０）と、
前記真空バッグに連結された真空ポート（２３０）と、
前記真空ポートを介して前記真空バッグに負圧を付与することによって前記層から空気を引き出す真空ポンプ（２５０）と、を含む、付記Ｃ１に記載のシステム。
【００６２】
Ｃ３．  ポート（２６０）を介して前記真空バッグに連結された樹脂リザーバー（２８０）をさらに含む、付記Ｃ２に記載のシステム。
【００６３】
Ｃ４．  前記開口は、前記混合物を、航空機用のギャップフィラーの断面形状に成形する、付記Ｃ１に記載のシステム。
【００６４】
Ｃ５．  前記圧力源は、前記層の上にある樹脂を、層内へと下方に押し込むキャップ（３４０）を含む、付記Ｃ１に記載のシステム。
【００６５】
Ｃ６．  前記空気の出口通路は、前記ベースに設けられたノズル（３６０）を含む、付記Ｃ５に記載のシステム。
【００６６】
Ｃ７．  前記ベースは、ランダムに配向された乾燥繊維の層が入れられるように寸法設定されており、前記乾燥繊維は、其々が長さ１／２インチ未満である、付記Ｃ１に記載のシステム。
【００６７】
Ｄ１．  前記混合物が入れられるように寸法設定されたポート（４６０）と、
前記ポートによって材料供給されて、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力で攪拌するとともに、前記混合物を第２セクション（４９６）に向かって移動させる第１オーガー（４５２）を含む第１セクション（４６２）と、を含み、
前記第１セクションは、当該第１セクションから気体を除去する真空ポート（４６４）をさらに含み、
前記第２セクションは、前記混合物における繊維長さを維持しつつ前記混合物を第１圧縮圧力よりも高い第２圧縮圧力で攪拌し、さらに前記混合物を押出し成形機ダイノズル（４９９）に向かって移動させる第２オーガー（４９４）を含み、
前記第２セクションは、前記第２オーガーを囲む加熱シェル（４９２）をさらに含み、
前記押出し成形機ダイノズルは、前記混合物が前記押出し成形機を出るための開口を有しており、前記第２セクションに取り付けられている、押出し成形機（４００）を含む装置。
【００６８】
本明細書において特定の実施形態を説明したが、本開示の範囲はこれらの特定の実施形態に限定されない。本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲及びその均等範囲によって規定される。
【図１】
2018123302.tif 000003
【図２】
2018123302.tif 000004
【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】
2018123302.tif 000010
【図９】
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【外国語明細書】
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