(57)【要約】      （修正有）【課題】機械的性質を保持したまま熱可塑性樹脂複合材料を接合する方法の提供。【解決手段】熱可塑性樹脂マトリックス中に強化繊維が所定の配向で分散した第１の複合部材１１２を用意し、熱可塑性樹脂マトリックス中に強化繊維が所定の配向で分散した第２の複合部材１１４を用意し、接合経路内の強化繊維の平均体積分率が接合前の複合部材中の強化繊維の平均体積分率と実質的に等しくなるように第１の複合部材と第２の複合部材とを所定の接合経路に沿った摩擦攪拌接合によって接合することを含む繊維強化部品の製造方法。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
繊維強化部品（１０）の製造方法であって、熱可塑性樹脂マトリックス（１８）中に強化繊維（２０）が所定の配向で分散した第１の複合部材（１２）を用意し、熱可塑性樹脂マトリックス（１８）中に強化繊維（２０）が所定の配向で分散した第２の複合部材（１４）を用意し、所定の接合経路（１６）内の強化繊維（２０）の平均体積分率が接合前の複合部材中の強化繊維の平均体積分率と実質的に等しくなるように第１の複合部材（１２）と第２の複合部材（１４）を接合経路（１６）に沿った摩擦攪拌接合によって接合することを含んでなる方法。
【請求項２】
強化繊維（２０）が摩擦攪拌接合後の接合経路（１６）内で前記所定の配向に保持される、請求項１記載の方法。
【請求項３】
強化繊維（２０）が第１の複合部材（１２）及び第２の複合部材（１２）中でランダムに配向している、請求項１記載の方法。
【請求項４】
強化繊維（２０）が摩擦攪拌接合後の接合経路（１６）内でランダムに配向している、請求項３記載の方法。
【請求項５】
強化繊維（２０）が接合経路（１６）内で新たな所定の配向に配向している、請求項４記載の方法。
【請求項６】
複数の強化繊維（２０）が摩擦攪拌接合後に接合経路（１６）を横断して延在する、請求項１記載の方法。
【請求項７】
繊維強化部品（１０）であって、
熱可塑性樹脂マトリックス（１８）中に強化繊維（２０）が所定の配向で分散した第１の複合部材（１２）と、
熱可塑性樹脂マトリックス（１８）中に強化繊維（２０）が所定の配向で分散した第２の複合部材（１４）と
を含んでおり、所定の接合経路（１６）内の強化繊維（２０）の平均体積分率が部材の残部における強化繊維の平均体積分率と実質的に等しくなるように第１の複合部材（１２）と第２の複合部材（１４）とが接合経路（１６）に沿った固相接合によって接合している、部品（１０）。
【請求項８】
強化繊維（２０）が摩擦攪拌接合後の接合経路（１６）内で前記所定の配向に保持される、請求項７記載の部品。
【請求項９】
強化繊維（２０）が第１の複合部材（１２）及び第２の複合部材（１４）中でランダムに配向している、請求項７記載の部品。
【請求項１０】
強化繊維（２０）が摩擦攪拌接合後の接合経路（１６）内でランダムに配向している、請求項９記載の部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義には熱可塑性樹脂部品に関するものであり、特に摩擦攪拌接合による部品の接合に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性ポリマーマトリックスを強化繊維と共に用いて複合材料（以下、「熱可塑性樹脂複合材料」という）を構築することは従来技術において公知である。こうした材料は、軽量で良好な強度を有する。通例、強化繊維は長さが比較的短く、部品が等方性をもつようにランダムに配向される。強化プラスチックから構築できるタービンエンジン部品の例としては、ファン動翼、出口案内翼、逆噴射装置用（リバーサ）カスケード、その他様々な他の静止構造が挙げられる。
【０００３】
熱可塑性樹脂複合材料は所望の形状に成形することができ、熱融着のような手段で接合することができる。残念ながら、融着プロセスの際に起こる流体流動は所期の配向を乱し、接合部に沿って部品に加わる荷重をマトリックスのみで支える領域が生じる。
【特許文献１】米国特許第５２７２８０９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
そこで、機械的性質を保持したまま熱可塑性樹脂複合材料を接合する方法が必要とされている。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上述のニーズは本発明によって満足され、本発明の一つの態様では、熱可塑性樹脂マトリックス中に強化繊維が所定の配向で分散した第１の複合部材を用意し、熱可塑性樹脂マトリックス中に強化繊維が所定の配向で分散した第２の複合部材を用意し、所定の接合経路内の強化繊維の平均体積分率が接合前の複合部材中の強化繊維の平均体積分率と実質的に等しくなるように接合経路に沿った摩擦攪拌接合によって第１の複合部材と第２の複合部材を接合することを含む繊維強化部品の製造方法を提供する。
【０００６】
本発明の別の態様では、繊維強化部品は、熱可塑性樹脂マトリックス中に強化繊維が所定の配向で分散した第１の複合部材と、熱可塑性樹脂マトリックス中に強化繊維が所定の配向で分散した第２の複合部材とを含んでおり、第１の複合部材と第２の複合部材とは、接合経路内の強化繊維の平均体積分率が部材の残部における強化繊維の平均体積分率と実質的に等しくなるように所定の接合経路に沿った固相接合によって接合している。
【０００７】
添付の図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって本発明の理解を深めることができよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照するが、図面全体を通して、同様の構成要素には類似の符号を付した。図１は、接合経路１６に沿って接合した第１の部材１２と第２の部材１４とを有する例示的な従来技術の強化熱可塑性樹脂部品１０を示す。部材１２及び部材１４は共に熱可塑性樹脂マトリックス１８中に強化繊維２０が分散した複合材料からなる。図示した例では、強化繊維２０は、部材１２及び部材１４に等方性を与えるため三次元にランダムに配向している。なお、繊維２０は例示のため非常に誇張された縮尺で記載されていることに留意されたい。部材１２と部材１４は熱融着のような従来法を用いて接合されており、各部材１２及び部材１４のマトリックス１８は接合部に沿って固相線温度を超える温度に加熱され、溶融して共に流動する。部材１２及び部材１４は次いで冷却されて一体部品を形成する。残念ながら、熱融着プロセスは熱影響部２２を生じ、この部分には強化繊維２０は存在しないか、或いはそれらの分布密度又は配向に乱れを生じる。こうした状況下では、接合経路１６周辺の領域は、強化繊維２０の使用に伴って期待される十分な強度に欠ける。
【０００９】
図２〜図４は、摩擦攪拌接合を用いた突合せ接合での強化熱可塑性樹脂部品の接合法を示す。この例では、第１の部材１１２と第２の部材１１４は接合経路１１６に沿って接合され、完成部品１１０を形成する。例示した部材１１２及び部材１１４は、一定の厚さの単純な板状部品である。ただし、これらは代表例にすぎず、本明細書で説明する方法は、摩擦攪拌接合を行うことのできるあらゆるタイプの部品の接合に使用できる。強化プラスチックから製造できるタービンエンジン部品の例としては、ファン動翼、出口案内翼、逆噴射装置用カスケード、その他様々な静止構造物が挙げられる。さらに、本発明は、上述の突合せ接合以外の接合法にも適応できる。
【００１０】
第１の部材１１２と第２の部材１１４は、熱可塑性樹脂マトリックス１１８中に強化繊維１２０を分散したものからなる。図示した例では、強化繊維１２０は部材１１２及び部材１１４に等方性を付与するため三次元にランダムに配向しているが、所望の特性を達成するため他の配向を用いることもできる。強化繊維１２０は、部材１１２及び部材１１４の各々の容積全体に実質的に均一に分布する。この分布は、マトリックス１１８の単位体積当たりの繊維の平均体積分率として表すことができ、０．０の値はマトリックス１１８中に強化繊維１２０が全く存在しないことを表し、１．０の値は強化繊維１２０の中実塊を表す。
【００１１】
熱可塑性樹脂マトリックス１１８は、特定の用途の要件に応じて左右される。構造部品に適した公知の熱可塑性樹脂材料の非限定的な例としては、アセタール、アクリル樹脂、酢酸セルロース、ナイロン、ポリエチレン、ポリスチレン、ビニル、ポリエステル及びこれらの混合物が挙げられる。
【００１２】
強化繊維１２０も特定の用途に応じて左右される。繊維は、マトリックス１１８と構造上相乗的な組合せを形成するため、マトリックス１１８よりも大きい引張強さを有するのが好ましい。強化繊維１２０として有用な材料の非限定的な例としては、ガラス、炭素繊維及び金属が挙げられる。図示した例では、強化繊維１２０は直径約１μｍ（４０マイクロインチ）〜約２５μｍ（９８０マイクロインチ）、アスペクト比約１００〜約１５０００、及び長さ１ｍｍ（０．００４インチ）〜約３８ｃｍ（１４．７インチ）である。
【００１３】
部材１１２は、摩擦攪拌接合法を用いて部材１１４と接合される。この接合法は、公知の摩擦攪拌接合装置及び固定治具（図示せず）を使用して実施される。図２に示すように、チップ「Ｒ」を有する円筒形のショルダ付耐摩耗性ピン「Ｐ」を接合経路１１６に回転しながら押し込む。ピンＰと部材１１２及び１１４との摩擦によって、材料が溶融せずに軟化・流動する。従って、摩擦攪拌接合は固相接合法の一形態である。図示した例では、ピンＰは約１０．７ｍｍ（０．４２０インチ）のショルダ径「Ｄ」を有しており、チップＲはショルダから遠位端までの長さ「ｌ」が約２．８ｍｍ（０．１１０インチ）で直径「ｄ」が約６．４ｍｍ（０．２５０インチ）であり、チップ部に左ねじが形成されている。以下の例示的なパラメーターで妥当な摩擦攪拌接合接合が得られることが判明した：ピン速度約７００〜約９００ｒｐｍ、移動速度約１０ｃｍ／分（４インチ／分）〜約１５．２ｃｍ／分（６インチ／分）、ピンＰの力約４９９ｋｇ（１１００ポンド）〜約６３５ｋｇ（１４００ポンド）。ピンＰは、部材１１２と部材１１４をまたがる接合経路１１６に沿って移動し、移動後には接合した部材１１２と部材１１４が残る。
【００１４】
接合ラインに沿ってピンＰを移動させると、発生した熱がピンＰから部材１１２及び１１４の表面へ伝わって、漸減温度勾配を生じる。この勾配に沿って、部材１１２及び部材１１４への影響に応じて様々な部分を識別することができる。攪拌部「Ｓ」が生じるが、この部分は幅がチップＲの幅よりわずかに大きく、例えばチップＲの両端から例えば約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）だけ大きい。熱機械的改質部「Ｔ」は、攪拌部「Ｓ」の端から外側に、例えば両側で約０．２５ｍｍ（０．０１０インチ）延在する。熱影響部「Ｈ」は、熱機械的改質部「Ｔ」の端から、例えば両側で約０．７６ｍｍ（０．０３０インチ）延在する。これらの部分の幅は、部材１１２及び１１４の熱的性質並びにそれらの形状及び寸法によって影響される。
【００１５】
攪拌部Ｓ内で、マトリックス１１８のらせん状円形渦流がチップＲの周囲に生ずる。マトリックス１１８は流動状態であるので、強化繊維１２０はこの流れと共に自由に移動する。繊維はチップＲの周縁に運ばれる（図３参照）。今回、強化繊維１２０は、それらの長手軸が材料内の剪断勾配と平行に整列する傾向があることが判明した。従って、強化繊維１２０が渦流の周囲で運ばれる際に渦流の接線方向にとどまる傾向がある。熱機械的改質部Ｔでは、強化繊維１２０の移動は減少するが、移動する剪断面と平行かつ接合経路１１６と垂直に自然配向する傾向がある。従来の熱接合法に比して、強化繊維１２０は接合経路１１６の近傍に残る傾向がある。
【００１６】
プローブＰが接合ラインを移動すると、攪拌部Ｓは冷却・固化して部材１１２と部材１１４とが合体する。個々の繊維１２０は、マトリックス１１８が固化する際に繊維を「閉じ込め」た位置及び配向のまま留まる。摩擦攪拌接合パラメーターは、強化繊維１２０の最終的配向に影響を与えるように変更することができる。例えば、移動速度を、ピン速度に対して増減させてもよい。移動速度が相対的に遅いと、接合経路１１６を横切る強化繊維１２０の移動は減少する傾向があり、横断速度が相対的に速いと、接合経路１１６を横切る強化繊維１２０の移動は増加する。さらに、ピン速度又は圧力が高いと、攪拌部Ｓ及び熱機械的改質部Ｔが増大して、移動の量が増す傾向がある。図４は、強化繊維１２０が接合経路１１６に沿って実質的にランダムに配向するプロセスで接合した部品１１０を示す。図５は、接合経路１１６’に沿って接合した２つの部材１１２’及び１１４’からなる同様の部品１１０’を示す。この例では、強化繊維１２０’は、接合経路１１６’に対して横断方向に配向する傾向がある。かかる配向は、移動速度を相対的に遅くすることにより得られる。
【００１７】
得られる接合部は接合経路に沿って滑らかな表面仕上げを有しており、許容できる完成品を得るのに最低限の処理しか必要としない。従来技術の接合法とは対照的に、強化繊維１２０は接合経路１１６の内部及び接合経路１１６を横切って顕著に分布し、接合前の平均繊維体積分率とほぼ等しい。そのため、部材１１２及び１１４の構造特性は実質的に保持され、部品は接合経路１１６沿いに弱い部分を有していない。
【００１８】
以上、摩擦攪拌接合を用いた繊維強化熱可塑性樹脂複合材料の接合法について説明してきた。本発明の特定の実施形態を参照してきたが、本発明の技術的思想及び技術的範囲内で様々な変更がなし得ることは当業者には明らかであろう。従って、本発明の好ましい実施形態及び実施のための最良の形態に関する以上の記載は、例示を目的としたものにすぎず、特許請求の範囲で定義される本発明を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】２つの部材を熱接合した従来技術の部品の平面図。
【図２】摩擦攪拌接合法を用いて接合しようとする２つの部材の側面図。
【図３】摩擦攪拌接合法で接合しようとする２つの部材の平面図。
【図４】摩擦攪拌接合後の図３の部材の平面図。
【図５】代替的な摩擦攪拌接合法で接合した後の図３の部材の平面図。
【符号の説明】
【００２０】
１０，１１０，１１０’  熱可塑性樹脂部品
１２，１１２，１１２’  第１の部材
１４，１１４，１１４’  第２の部材
１６，１１６，１１６’  接合経路
１８，１１８，１１８’  熱可塑性樹脂マトリックス
２０，１２０，１２０’  強化繊維
Ｄ  直径
ｌ  長さ
Ｐ  ピン
Ｒ  チップ
Ｓ  攪拌部
Ｔ  熱機械的改質部
Ｈ  熱影響部
【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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