(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第1成形型と、独立作動し得る複数の加圧アクチュエータを有する第2成形型とを含むプレスにおいて成形部品を製造する方法であって、
厚みを有する予成形品を上記第1成形型内に位置決めする段階と、
所定量の樹脂を上記予成形品に隣接させて載置して樹脂溜り部を生成する段階と、
上記複数の加圧アクチュエータの内の一個以上の加圧アクチュエータを選択的に起動して上記樹脂溜り部に圧力を加えることにより、上記樹脂溜り部の少なくとも一部を上記予成形品の上記厚み方向を通り上記予成形品内に注入する段階と、
上記樹脂注入済予成形品を硬化する段階と、
上記硬化済樹脂注入予成形品を上記プレスから取り出す段階と、
を備える製造方法。
【請求項２】
前記選択的に起動する段階は、
前記複数の加圧アクチュエータの一個以上のアクチュエータを選択的に起動することにより、厚み方向を通り樹脂により注入されつつある前記予成形品の部分に隣接する予成形品に圧力を加える段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記選択的に起動する段階は、
前記複数の加圧アクチュエータの一個以上のアクチュエータを選択的に起動することにより、樹脂注入済予成形品の圧力を増減する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項４】
前記予成形品は第1および第2予成形品を含む、請求項１記載の方法。
【請求項５】
前記樹脂溜り部は第1および第2樹脂溜り部を含む、請求項１記載の方法。
【請求項６】
前記位置決め段階の後、前記予成形品上には頂部カバーが載置される、請求項１記載の方法。
【請求項７】
前記頂部カバーは前記各加圧アクチュエータの一個以上により前記第1成形型にシールされる、請求項６記載の方法。
【請求項８】
前記樹脂溜り部は前記頂部カバーおよび前記予成形品の間に形成される、請求項６記載の方法。
【請求項９】
前記プレスは制御器を含み、且つ、
前記選択的に起動する段階は、前記各加圧アクチュエータを制御する信号を上記制御器により生成する段階を含む、請求項１記載の方法。
【請求項１０】
前記制御器は少なくとも部分的に第1センサに応じて前記各加圧アクチュエータを制御する、請求項９記載の方法。
【請求項１１】
前記第1センサは圧力センサである、請求項１０記載の方法。
【請求項１２】
前記第1センサは前記複数の加圧アクチュエータの内の１個の加圧アクチュエータ上に配置される、請求項１０記載の方法。
【請求項１３】
前記第1センサは前記第1成形型に連結される、請求項１０記載の方法。
【請求項１４】
第1および第2表面を有する部品を原料から成形する機械装置であって、
上記成形部品の上記第1表面を画成する表面を有する第1成形型と、
圧盤と該圧盤から延在する複数の加圧アクチュエータとを有する第2成形型であって、上記複数の加圧アクチュエータの各々は上記原料に圧力を加え得ると共に上記成形部品の上記第2表面を画成し得る、第2成形型と、を備え、
前記複数の加圧アクチュエータの少なくとも一個は他の加圧アクチュエータから実質的に独立して起動され得る、
ことを特徴とする機械装置。
【請求項１５】
前記複数の加圧アクチュエータの少なくとも一個は伝達プレートを含む、請求項１４記載の機械装置。
【請求項１６】
前記複数の加圧アクチュエータの少なくとも一個はパッドを含む、請求項１４記載の機械装置。
【請求項１７】
前記第2成形型は頂部カバーを含む、請求項１４記載の機械装置。
【請求項１８】
前記頂部カバーは前記複数の加圧アクチュエータの少なくとも一個に連結される、請求項１７記載の機械装置。
【請求項１９】
前記複数の加圧アクチュエータの各々を制御器が制御する、請求項１４記載の機械装置。
【請求項２０】
前記第1成形型は第1成形型センサを含み且つ前記制御器は上記第1成形型センサから信号を受信する、請求項１９記載の機械装置。
【請求項２１】
前記第1成形型センサは温度センサである、請求項２０記載の機械装置。
【請求項２２】
前記第2成形型は第2成形型センサを含み且つ前記制御器は上記第2成形型センサから信号を受信する、請求項１９記載の機械装置。
【請求項２３】
前記第2成形型センサは圧力センサである、請求項２２記載の機械装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
＜発明の背景＞
発明の分野
本発明は液体式成形(liquid molding)に関する。特に本発明は、成形型充填および硬化の間における液体式成形プロセスおよびプレスの能動的制御に関する。
【０００２】
関連技術の説明
本発明のプロセスの利点を例証する上では、現在において液体式に成形される複合体の製造を支配する技術を概観することが有用であろう。本発明に対して機能的に最も類似する従来のプロセスは：シート成形コンパウンド(“SMC”)の圧縮成形、レジン・トランスファ成形(“RTM”)および構造的反応射出成形(“SRIM”)である。
【０００３】
SMCプロセスは典型的に、種々の増粘剤により充填され且つ寸断ガラスにより補強された不飽和ポリエステル樹脂の薄寸体で開始する。上記薄寸体は切断され、且つ、加熱された金型(tool)内に載置され、140〜200℃(280〜390°F)の温度、および、新たな低圧調製に対する7〜14MPa(1,000〜2,000psi)から1.4MPa(200psi)もの低圧に亙る圧力にて圧縮される。上記薄寸体が加熱されて圧縮されるにつれ、粘度は低下して材料は成形型の輪郭に沿って流れ、典型的には約2分間で硬化する。上記SMCプロセスは樹脂および繊維が別個の操作で予備混合されるという点で、液体式成形技術とは異なる。SMCプロセスの主な利点は、予成形品(preform)を構築する必要がないことである。また、SMCプロセスの主な不都合は、成形時間(cycle time)が比較的に長く、結果的な部品の強度／重量比が低いことである。
【０００４】
一方、典型的なRTMプロセスにおいては、ファイバ予成形品(fiber preform)が合致金型(matched tooling)内に載置されて圧縮され、且つ、静的に混合された低粘度の反応物質が単一もしくは複数のポートを介し、真空から1.4MPa(200psi)へと駆動された圧力にて上記キャビティ内へと射出される。樹脂の前部が前進するにつれ、捕捉された一切の空気は上記合致金型に載置された一個以上の開孔を介して押し出される。上記樹脂が上記各開孔を流出し始めた後に各開孔は閉成されると共に、部品のサイズ、部品の幾何学形状、ポートの載置数および特定の樹脂系(resin system)に依存して典型的には4〜30分間に亙り部品の硬化が許容される。RTMプロセスの概略図は、以下の図１で明らかとなる。概略的に、RTMプロセスの金型およびエネルギのコストは低いが、その成形時間が長いので製造量は少ない。大量生産技術としてのRTMプロセスの主な欠点は、その充填時間である。
【０００５】
図２はSRIMプロセスがRTMプロセスと類似していることを示しているが、主な違いは、樹脂は極めて高い圧力100MPa(1,000bar)で衝突混合(impingement mix)されてから、加熱された金型内に0.5〜1.7MPa(70〜200psi)の圧力で射出されることである。SRIMプロセスで使用される樹脂系は極めて迅速に反応すると共に、わずか45秒間で硬化し得る。樹脂がゲル化する前に成形型の充填を許容すべく、上記予成形品は通常は30％の体積割合を超えない。SRIMプロセスは概略的に、RTMプロセスで得られるよりも良好な品質の成形型、射出機器およびプロセス制御により採用されて来た。これらの要因は上記２つのプロセスの区別に繋がる：RTMプロセスは極めて強固な部品を生成する低速で安価な技術であり、SRIMプロセスは非構造的な構成要素を極めて迅速に生成するという更に洗練された高価な方法である。しかし実際には、これらのプロセス間の差は僅かである。すなわちSRIMプロセスは、典型的には高品質で加熱された成形型において反応射出成形を使用するというRTMプロセスである。
【０００６】
図３は、RTMおよびSRIMプロセスにおいて部品を注入成形するときの樹脂前部(resin front)の進展を概略的に示している。例えば40％の繊維体積割合による予成形品内への射出に対する典型的な時間が記されている。もし樹脂が部品内に過剰に迅速に押し込まれると、空気が捕捉されたり予成形品の繊維が変位され、部品の特性が劣化することもある。代替的に、例えば部品の中心から縁部へと樹脂を注入することで流路を変更することは困難であり且つ非均一な特性に帰着することもある。概略的に樹脂流路は、これらの技術の成形時間を短縮する上での制限要因である。
【０００７】
1995年に発行された雑誌“Journal of Composite Material (複合材料)”、第25巻、第16号で公表された“圧縮移送成形(CTM)”においてYoungおよびChiuは、CTMの目的は“厚み方向を通る(through the thickness direction)含浸”であると記述している。YoungおよびChiuの試験装置においてYoungおよびChiuは成形型の各半体を僅かに開くと共に、種々の圧力でキャビティ内に樹脂を射出して充填時間を記録した。もし成形型が十分に開かれなければ、ファイバ予成形品は単に幾分か除圧されるだけであり、樹脂の流れを依然として阻害する。適切な開き距離が決定されたなら、同一の射出圧力にてRTMと比較して37〜46％も成形型充填時間が低下した。これに対して提案された機構は、予成形品と成形型との間のチャネル流であった。成形型は次に閉成され、繊維の最小限の阻害により極めて迅速に厚み方向への注入が完了された。完成部品の強度および引張応力(modulus)は、RTM部品と同一であることが示された。CTMの限界は、予成形品が射出の間に所定位置に堅固に保持されず且つ樹脂が流れるための真の開放チャネルが生成されないことから、射出が生じ得る最大速度が制限されることである。故に、特に車体パネルなどの極めて大寸で平坦な部品を注入成形するときは、流動抵抗が低いRTMプロセスが依然として極めて有用である。同様に、もし極めて高い繊維体積割合が求められるなら、成形型内に射出されるべき樹脂の量は成形型の全体に亙り分布するには十分でないので、圧縮時間を長くして幾分かの樹脂が平面内方向(in-plane direction)を通して流れる時間を許容せねばならない。Dodge Viperは、構成要素の多くに対して射出圧縮システム(ICS)と称されるCTMの一形態を使用したが、年間製造量は少なく、成形時間は15分もの長さとなった。部品の仕上げは完全ではなかったが、これは樹脂系、離型剤などの、プロセスの他の見地による問題かも知れない。
【０００８】
基本的に厚み方向を通しての注入を試行する別の革新的なプロセスは、特許されたSeemann複合樹脂注入成形プロセス(“SCRIMP”)である。これは可撓金型下の真空補助を備えたRTMの変形であることから、単一個の硬質成形型表面のみを必要とする。樹脂は、金型表面と予成形品との間に載置された高浸透性の“分配用媒体(distribution medium)”を通してチャネル移送される。予成形品に対して真空が引かれ、樹脂は上記媒体内に導入されて迅速に該媒体を通して分配される。次に樹脂は厚み方向を通して注入されて部品を成形し、極めて均一で高体積割合の部品を生成する。上記分配用媒体と予成形品との間には孔性剥離層が載置されることから、それは除去されて廃棄され得る。上記プロセスは、ボート船体および鉄道貨車などの巨大で平坦な部品を注入成形する上で極めて好適なことが立証された。SCRIMPは良好に機能するが、真空駆動プロセスとしては低速すぎて大量生産では考慮すべき多くの作業屑も生成してしまう。Seemannは、SCRIMPで使用される厚み方向を通す手法の変形例であって、可撓的に成形された外側金型表面における物理的チャネルを採用した変形例を詳述した別の特許(米国特許第5,601,852号)も有している。真空バッグ式分配用媒体とは異なり、上記金型は迅速に浄化されて再使用され得るが、大量生産に必要な成形時間もしくは作業屑レベルは依然として提供し得ない。
【０００９】
Northrop CorporationのJames等に開発された別の興味あるRTM類似システムは、米国特許出願第5,204,042号に詳述されている。このプロセスはRTMの最大繊維体積制限の回避を試行するものであり、各成形型表面間にDow Silastic(登録商標)Eシリコン・ラバー製の弾性パッドを挟持することにより(おそらくはガラスに関して)“50〜60重量％”と称されている。上記パッドは加熱されたときに膨張し、“75〜80重量％”へと繊維を圧縮する。部品は低い圧縮度で注入成形されてから、硬化のために加熱されるときに相当に圧縮する。これは注入成形を加速する一方、極めて高品質な部品を提供する。SCRIMPと同様に単一個のみの成形用金型が必要とされるが、極めて堅固な上側の成形型部分が必要とされる。
【００１０】
RTM類似プロセスの傾向は、厚み方向を通した注入成形(through-thickness infusion)に向いている。CTM、SCRIMPおよび他の変形例は、改変された従来の液体式成形に対して優れた結果を達成する。しかし夫々は、利益に対して何かを犠牲にしている。CTMは成形型の充填時間を短縮するが、予成形品の体積割合に対して依然として敏感である。SCRIMPは高体積割合でも良好に機能するが、注入を駆動する真空圧を使用することで速度が制限される。Northropのプロセスは優れた成形型充填および極めて高い体積割合を提供するが、依然として平面内注入経路により制限される。
【００１１】
最近の多くの処理機械における重要な要因は、プロセス全体に亙り行われ得る制御の量である。最近のコンピュータ技術の出現によれば、１本の回線を介して通信すると共に極めて洗練されたプログラミングおよび診断ツールを有する遠隔入力／出力システムの開発が可能とされる。これらのシステムは工業用途において益々利用され、やがては現在の全てのPLC式制御器に置き換わると共に、これまでに無い洗練されたコンピュータ制御をもたらすであろう。市場においては多くの異なるプロトコルが存在するが、工業制御市場およびパーソナルコンピュータ市場は協働して幾つかのソフトウェアおよび通信規格を確立して来た。現在においてさえも、基本的なモータのON/OFF制御から操業プラント全体に亙る広範囲なハードウェアおよびソフトウェアのソルーションが在る。
【００１２】
公知の各プロセスは、複合材料設計態様の最大可能性を活用する構造を生成すべく各プロセスが使用されるのを阻む制限を有する。SMCプロセスは極めて短い成形時間を有するが、短寸の繊維長による比較的に低い繊維体積割合に制限され、部品の固有強度を減少する。RTMプロセスは高い繊維体積割合の予成形品で作動し得るが、樹脂は典型的には予成形品の平面を通して流れねばならず、繊維体積割合が高くなると、浸透性が低くなり且つ樹脂流れ段階は更に困難で時間を取るものとなる。RTMプロセスの変形例は複数の段階的射出ポートを使用することで樹脂流の問題の解決を試行したが、プロセス制御は極めて困難であり且つ各成形型は精巧に最適化されねばならない。SRIMプロセスにおいて流速は、ポリウレタンなどの更に高速に硬化する衝突混合樹脂の使用を許容するほどに高い。しかし必要とされた更に高速な流速により、最大繊維体積割合は、部品の特性を最適化するレベルよりも相当に低くなる。これらの公知の各方法は製造−準備サイクル時間(production-ready cycle times)を達成したが、そのトレードオフとして繊維体積割合が低くなり、不要な重量およびコストの付加に繋がる余分な樹脂を有する部品に帰着する。
【００１３】
理想的な液体式成形プロセスとは、(1)極めて高い繊維体積割合の予成形品を容易に注入成形することにより結果的部品の物理的特性を最大化し且つ樹脂のコストを最少化でき、(2)極めて短い成形時間を提供することにより可及的に安価に大製造量を可能とし、(3)安価な金型およびプロセス機器を使用でき、且つ、(4)迅速、容易かつコスト効率的に少製造量操業に対処し得る、プロセスである。
【００１４】
＜発明のいくつかの態様の概要＞
本発明の利点および目的は、部分的には以下の記述において示され且つ部分的には以下の記述から明らかとなり、又は、本発明を実施することで習得されよう。
【００１５】
本明細書中において具現され且つ広範囲に記述された如く本発明の利点を達成すべく且つ本発明の目的に従えば、第1の見地において領域化加圧成形プレス(zoned pressure molding press)およびプロセスは、第1成形型および第2成形型を含むプレスにおける成形構造を製造する方法を包含する。上記第2成形型は複数の加圧アクチュエータを有し、各加圧アクチュエータは独立動作を行い得る。上記方法は、所定厚みを有する予成形品を上記第1成形型内に位置決めする段階と、選択量の樹脂を上記第1成形型内に載置して樹脂溜り部(resin reservoir)を生成する段階と、次に、上記加圧アクチュエータの一個以上を選択的に起動することにより上記樹脂溜り部の少なくとも一部を上記予成形品の厚み方向を通り注入する段階と、を含む。上記方法はまた、上記樹脂注入済予成形品を硬化する段階と、次に上記硬化済樹脂注入予成形品を上記第1成形型から取り出す段階とを含む。上記位置決め段階の後、上記予成形品上には頂部カバーが載置され得る。上記頂部カバーは上記加圧アクチュエータの一個以上により上記第1成形型にシールされ得る。代替的に、上記頂部カバーは機械的締着デバイスにより上記第1成形型にシールされ得る。上記樹脂溜り部は、上記頂部カバーと上記予成形品との間に形成され得る。上記加圧アクチュエータの一個以上を選択的に起動する上記段階は、上記各加圧アクチュエータを制御するコンピュータを含み得る。更に上記コンピュータは、少なくとも部分的に第1センサに応じて上記各加圧アクチュエータを制御し得る。上記第1センサは圧力センサもしくは温度センサとされ得る。
【００１６】
第2の態様において本発明は、第1成形型および第2成形型を含むプレスにおいて成形構造を製造する方法を包含する。上記第2成形型は複数の加圧アクチュエータを含み、各加圧アクチュエータは独立動作を行い得る。上記方法は、上記第1成形型内に選択量の原料を載置して原料溜り部を生成する段階と、上記加圧アクチュエータの一個以上を選択的に起動することにより上記原料溜り部の少なくとも一部を上記第1成形型に合致させる段階と、を含む。上記方法はまた、上記原料を硬化する段階と、硬化済部品を上記第1成形型から取り出す段階とを含む。上記載置段階の前に、上記第1成形型内には所定厚みを有する予成形品が位置決めされ、且つ、上記選択的に起動する段階は上記原料を上記予成形品の厚み方向を通り注入せしめる。
【００１７】
第3の態様において本発明は、成形かつ硬化された原料から形成される成形部品を製造する機械装置を包含する。上記機械装置は第1成形型および第2成形型を含む。上記第1成形型は、上記原料が成形かつ硬化される間に該原料を保持すると共に、上記成形部品の第1表面を画成するためのものである。上記第2成形型は、上記成形部品の第2表面を画成するためのものである。上記第2成形型は複数の加圧アクチュエータを有し、各加圧アクチュエータは、上記原料が成形される間において該原料に対し実質的に独立的に作用し得る。また、各加圧アクチュエータは、上記原料が硬化される間において該原料に対し実質的に独立的に作用し得る。付加的に、上記複数の加圧アクチュエータを制御器が能動制御し得る。更に、上記第1成形型には一個以上の第1成形型センサが取り入れられることにより、上記制御器はこれらの第1成形型センサの一個以上からフィードバックを受信する。更に、上記複数の加圧アクチュエータの一個以上に対しては一個以上の加圧アクチュエータ・センサが取り入れられる得ることから、上記制御器はこれらの加圧アクチュエータ・センサの一個以上からフィードバックを受信する。上記制御器はコンピュータを含み得る。
【００１８】
第4の態様において本発明は、部品を成形する機械装置において使用される頂部カバーを原料から成形する方法を包含し得る。上記機械装置は上側成形型および下側成形型を有し、上記上側成形型は複数の加圧アクチュエータを有し、各加圧アクチュエータは独立動作を行い得る。上記方法は、頂部表面を有する見本部品を上記下側成形型内に位置決めする段階と、上記見本部品の上記頂部表面上に原料を載置する段階と、上記複数の加圧アクチュエータの少なくとも一個を起動して上記原料に接触させる段階と、上記原料を硬化する段階と、を含む。付加的に、上記起動段階は少なくとも一個の加圧アクチュエータにより所定圧力を上記原料に加え得る。代替的に、上記起動段階は少なくとも一個の加圧アクチュエータを所定距離だけ変位し得る。更に、上記載置段階に先立ち、上記複数の加圧アクチュエータの各々は下降されて上記見本部品の上記頂部表面と接触され得ると共に、上記複数の加圧アクチュエータは各加圧アクチュエータが他の各加圧アクチュエータに対して一定位置を維持する如く上昇され得る。そして更に、上記起動段階は、各加圧アクチュエータが他の各加圧アクチュエータに対して一定位置を維持する如く、上記複数の加圧アクチュエータを下降する段階を含み得る。尚、上述の概略記述および以下の詳細な説明は例示的かつ説明的なものに過ぎず、本発明を限定するものでないことは理解すべきである。
【００１９】
＜好適な実施形態の詳細な説明＞
本明細書に取り入れられて本明細書の一部を構成する添付図面は本発明の幾つかの実施形態を例示すると共に詳細な説明と協働して本発明の原理を説明する役割を果たす。
以下においては、添付図面に示された本発明の現在における好適実施形態を詳述する。可能な限り、各図面を通して同一の参照番号は同一もしくは同様の部材を参照すべく使用される。
【００２０】
本発明は特に、成形型充填時間を所定程度まで短縮すると共に相当に高いレベルでプロセス制御を行うことにより、液体式成形技術の状況を改善する。
【００２１】
プロセスの概略
本発明は、ファイバ予成形品への注入に対して異なる試みを行うことにより、他の液体式成形プロセスの短所を回避する。RTMおよびSRIMプロセスにおける如く平面内方向を通して樹脂を射出するのでは無く、本発明のプロセスおよびプレス10は能動的制御下で部品の表面に亙り樹脂を分配してから該樹脂を厚み方向に押し込む。これにより、繊維配向を阻害せずに充填時間は大幅に短縮されることから、同一プロセスにおいて高体積割合予成形品(60％+)と熱硬化性樹脂などの高速硬化樹脂系との両者を使用できる。本発明の領域化加圧成形技術は、樹脂の流れの全体に亙る完全な制御を提供する。
【００２２】
図５ａ乃至図９に示された如く本発明の領域化加圧成形プロセスは、成形される原料22が載置される下側成形型20を利用する。典型的に原料22はファイバ予成形品24および樹脂34を含むが、原料22は樹脂34のみを含み得る。更に、樹脂34は単一成分である必要は無く、種々の材料の任意の充填剤および／または結合剤を含み得る。原料22の表面に圧力を加えるべく、上側成形型アセンブリ26が配備される。上側成形型アセンブリ26は、加圧アクチュエータ28の配列を含む。これらの加圧アクチュエータ28の各々は、下側成形型20における原料22の特定の部分もしく領域30に圧力を加え得る。原料22上には頂部カバー32が載置され得る。領域30の各々に対して個々の加圧アクチュエータ28により加えられる圧力を制御することにより、成形型充填プロセスの間および硬化の間の両者において原料22に関する圧力分布の完全制御が達成され得る。
【００２３】
図５ａ乃至図９は、本発明の領域化加圧成形プロセスの典型的な進展を示している。図５ａにおいて、予成形品24は成形型20内に装填され、頂部カバー32はシールされ、且つ、部品上には真空が引かれる。次に、各加圧アクチュエータ28が起動され、予成形品24上に付加的圧力を生成する。図５ｂにおいては、一個以上の中央領域30aが加圧アクチュエータ28により非圧縮のままとされ、所定量の樹脂34、好適には慎重に計量された樹脂量が頂部カバー32を介してこれらの各非圧縮領域内に射出される。その場合において予成形品24と頂部カバー32との間に形成される樹脂34の球状体は、予成形品24を注入する溜り部(reservoir)36として使用される。各中央領域30aに対する圧力は漸進的に上昇され、この領域において樹脂34を予成形品24の厚みを通して押し込む。各中央領域30aに対する圧力は典型的には、各隣接領域30bに対する圧力を比較的高レベルに維持し乍ら上昇される。これにより樹脂34は各中央領域30aにおける予成形品24の厚み方向を通り進行すべく押し込まれるが、各隣接領域30b内への樹脂34の進行は阻止される。中央領域30aが厚み方向を通り注入されたとき、各隣接領域30bの圧力は減少されて各中央領域30aの圧力は最大まで上昇されることから、図６に示された如く溜り部36は各隣接領域30bへと流される。この結果、樹脂34はひとつの領域から別の領域へと比較的迅速に流れる。また、従来において公知の液体式成形プロセスと比較すると、樹脂34が予成形品24内に流れるときに樹脂34は非常に広い領域に亙り且つ基本的に厚み方向を通して流れる。上記サイクルは、樹脂34が頂部カバー32の周縁部に到達するまで反復される(図７)。予成形品24が完全に注入されたなら(図８)、部品38の硬化が許容され且つ完成部品38が成形型20から取り出される(図９)。この様にして本発明のプロセスは、少なくとも所定程度まで成形型充填時間を理論的に短縮し得る。
【００２４】
本発明の領域化加圧成形プロセスおよびプレス10はまた、部品品質を制御する上で有用な幾つかの付加的特徴も提供する。注入の間において樹脂34の流れ前部(flow front)が一点に集中すると、部品内に溶接線が引き起こされもしくは空隙が生成される。しかし本発明のプロセスは、各加圧アクチュエータ28を反復循環(cycle)することにより、すなわち、各領域30に加えられる圧力を変更すべく個々の加圧アクチュエータもしくは加圧アクチュエータ群を制御することにより、これらの溶接線および空隙を排除もしくは減少し得る。各加圧アクチュエータ28を反復循環することにより、これらの領域における樹脂34は完全に混合される。故に、樹脂34の最初の注入の後、各加圧アクチュエータ28は予成形品24の全体に亙る樹脂34の微少流を生成する混練サイクルを設定して繊維の完全な湿潤を確実にし得る。また、樹脂前部の不整形状を問題とせずに、例えば多様な厚みおよび／または多孔率の予成形品が注入成形され得る。更に、一切の必要なもしくは好適な流れ様式に対処すべく、所定の任意の特定部品に対する加圧アクチュエータ制御アルゴリズムが開発され得る。
【００２５】
頂部カバー
上側成形型表面40を提供し得る頂部カバー32は、各加圧アクチュエータ28により加えられた力を、下側成形型20内に設定された予成形品24へと伝達する。頂部カバー32は典型的に、各加圧アクチュエータ28の領域化作用(zoned action)に適合すべく十分な可撓性と、各領域30間の遷移領域に適合する十分な強度とを必要とする。頂部カバー32の下側表面42は好適には、予成形品24の形状へと成形される。作動時において頂部カバー32は予成形品24上に載置され、且つ、好適には下側成形型20に対してシールされる。頂部カバー32は可撓であることから、各加圧アクチュエータ28が解除されもしくは部分的に解除されたときに、頂部カバー32は予成形品24を貫通してでは無く予成形品24上を流れる樹脂34に適合すべく変形し得る。
【００２６】
頂部カバー32は、頂部カバー32の上側表面44が段階付けされ、すなわち、上側表面44が複数の加圧アクチュエータ接触領域もしくは段部46を備え、各段部が各加圧アクチュエータ28の起動軸心に対して直交する如く作成され得る(図１０参照)。頂部カバー32の下側表面42は上側成形型表面40を形成することから、頂部カバー32の上記下側表面は典型的には所望の完成部品38の形状へと輪郭形成される。下側表面42の形状に関わらずに頂部カバー32の上側表面44の各段部46のひとつへと力を加えるべく、各加圧アクチュエータ28は実質的に平坦な底部のパッド48を備え得る。頂部カバー32の構築に対するこの手法、すなわち、頂部カバー32に対して準汎用的に段階付けられた上側表面44の配備によれば、成形されるべき部品の形状から本質的に独立してプレス10の設計もしくは設定が可能となり、同一のプレスを介して異なる成形型を順次に進行するという融通性が提供される。
【００２７】
斯かる頂部カバー32を実際に製造するひとつの可能的な状況展開は、下側成形型20内へと見本部品50を挿入して開始し、頂部カバー32の下側表面42の画成を許容することである。次に各加圧アクチュエータ28が見本の上側表面に向けて下降され、所定位置に固定され、且つ、各加圧アクチュエータ28が固定された上側圧盤60が上昇されて見本部品50と各加圧アクチュエータ28との間に間隙を生成し得る。次に、選択された頂部カバー材料が下側成形型20内の見本部品50上へと直接的もしくは間接的に注入、射出、布置もしくは載置される。次に、各加圧アクチュエータ28を依然として所定位置に固定した上側圧盤60はその元の位置から所望の頂部カバー厚みを減算したのに等しい位置へと下降され、頂部カバー材料の硬化が許容される。
【００２８】
段階付けされた頂部カバー32を製造する別の可能性は、成形型設計レベルで開始する。例えば、成形型自体を設計すべく使用され得るCAD/CAMソフトウェアなどのソフトウェアは、成形型が加工もしくは設定される準備ができたときに選択されて頂部カバー32の上側表面44に対する適切な加圧アクチュエータ段部断面を備えた別体ブロックを自動的に設計する特徴を有し得る。この断面は次に安価な加工材料から加工されると共に、頂部カバー32の上側表面44に対する成形型として使用され得る。
【００２９】
代替的に種々の理由により、段階付けされた上側表面を有さない頂部カバー32を使用することが好適なこともある。例えば各段部46の厚みの変動は頂部カバー32の局部的強度を不当に大きな程度で変化させることもある。斯かる強度変動によれば頂部カバー32の均一な撓曲が阻害され、通常的には溜り部36が領域間で動いてしまう。この場合、各加圧アクチュエータ28の各パッド48は完成部品38の所望形状に略々合致すべく設計され得る。頂部カバー32の製造もしくは形成は上記したのと同様であるが、頂部カバー32の上側表面44を成形する上で各加圧アクチュエータ28が所定位置に固定されたり加圧アクチュエータの段部断面ブロックを使用する必要はない。代わりに、各加圧アクチュエータ28の各パッド48は部品38の頂部表面に殆ど合致し、頂部カバー32は実質的に一定厚みであり、且つ、頂部カバー材料は所望厚みにて見本部品上へと布置されることのみが必要である。実際、一定の用途において頂部カバー32は成形型のシールを助力すべく薄寸平坦板材であることのみが必要とされ、斯かる場合には頂部カバー32を形成すべく薄寸平坦の弾性板材などの材料が使用され得る。そして更に、斯かる弾性材料は部分的硬化状態で供給されてから、最終硬化のために予成形品24に合致し得る。逆に、上記の如く成形型が頂部カバー32の上側表面の形成を助力することが望まれるなら、それはCAD/CAMソフトウェアから直接的に設計／加工され得る。
【００３０】
上述の如く、各加圧アクチュエータ28の各パッド48は完成部品38の頂部表面に合致もしくは略々合致すべく製造され得る。これは、見本部品上へとパッド材料を流し込んで硬化し、次に、パッド材料を適切な個数の断片へと切断することで達成され得る。
そして更に別の可能的構成において、各加圧アクチュエータ28の各パッド48と頂部カバー32とは、一体的ユニットとして形成され得る。この配置構成は、完成部品38の曲率に急な変化が無く、樹脂注入段階の間において各加圧アクチュエータ28の移動が小さく、且つ、各加圧アクチュエータ28に対する各パッド48の取付けが一定度合の傾斜もしくは遊びを許容するならば、特に適用可能である。上記の合致パッドの製造と同様に、各パッド48／頂部カバー32は成形型内の見本部品上へと流し込まれ、その場で硬化され得る。各加圧アクチュエータ28に取付けられた一体的な各パッド48／頂部カバー32によれば、各加圧アクチュエータ28の相対移動は極めて小さく制限される。
【００３１】
頂部カバー材料を選択する上での主な着眼点は、十分な樹脂溜り部36を提供するに十分な可撓性を確実にする一方、隣接する各領域30間の連続的な圧力特性を許容するに十分な強度を有することである。強度はまた、成形された部品の曲率が大きいときに頂部カバー32の不都合な変形もしくは擦過(smear)を防止するに十分なほど大きくされるべきである。更に、製造に必要な多数のサイクルによれば、耐疲労性および耐摩耗性である頂部カバー材料が必要とされる。付加的に、液体式成形プロセスの性質の故に、高い最高温度および反復的温度サイクルに対処する機能が必要とされる。頂部カバー材料を選択する場合には、液体式成形プロセスで使用される多くの異なる樹脂系との親和性も考慮されるべきである。最後に、薄寸体形態においてのみ利用可能な候補材料は、高曲率の領域に合致すると共に上記の如き一切の挿入物の回りで適切に変形し得るべく十分に可撓とすべきである。上側成形型表面40を形成する可撓頂部カバー32は、繊維強化弾性材もしくはゴム改質ビニルエステルにより構築され得る。
【００３２】
殆どの状況において、頂部カバー32を下側成形型表面62にシールすることが望ましい。斯かるシールを提供する２つの代替的方法が在る。第1の選択肢は、成形型の縁部の回りにおいて下側成形型20に対して頂部カバー32を所定機構により押圧することである。斯かる機構はたとえば、各加圧アクチュエータと同様に空圧式で起動され得る。他の選択肢は、単純な機械的締着であろう。ひとつの見地において頂部カバー32は上側圧盤60に堅固に接続され、圧盤60が所定位置に下降されるときに上側成形型アセンブリ26を下側成形型20へとシールし得る。実際のシール要素64は、頂部カバー材料自体から、又は、別のプレート、ガスケット、O-リング、ナビン(nubbin)などから形成され得る。更に、下側成形型20に対して頂部カバー32をシールすべく使用された方法はまた、正味形状の部品成形、すなわち、トリミングの必要でない完成部品38の成形も許容する。
【００３３】
多くの場合において頂部カバー32はまた、(限定的なものとしてでなく)射出ノズル、真空および他のインサート、センサ、部品離型インサートおよび当て板などの種々の付属物66を含みもしくは斯かる付属物とインタフェースすることも必要とされる。
【００３４】
最後に、頂部カバー32には温度制御を含めることが望ましいこともある。温度制御は、他の手法の中でも特に、材料の選択により達成され得る。たとえば上記頂部カバー材料は、寸断繊維などの添加物を含み得る。代替的に頂部カバー32は、たとえば可能的な金属層を含む一種類以上の材料から成る複数の層から構成され得る。温度制御はまた、実質的に熱的にトランスペアレントな(すなわち薄寸の)頂部カバー32とすることで達成され得る。更に、頂部カバー32には能動温度制御が取り入れられ得る。一定の場合においては、頂部カバー32の電気的加熱が最適な選択肢なこともある。
【００３５】
加圧アクチュエータ
予成形品24もしくは成形されつつある部品の特定部分もしくは各領域30へと圧力を選択的に加えるべく、各加圧アクチュエータ28の配列が配備される。これらの加圧アクチュエータ28は、空圧式、油圧式、電気式、もしくは、電磁的に起動されるシステムから成り得るものであり、斯かる各システムは、典型的には圧力伝達プレート70を介して予成形品24の特定部分もしくは領域30へと圧力を加える。好適には、加圧アクチュエータ28の配列はコンピュータ制御される。
【００３６】
加圧アクチュエータ28の配列は典型的には圧盤60に取付けられ、圧盤60を上昇もしくは下降すると加圧アクチュエータ28の配列が上昇もしくは下降される。故に例えば、個々の加圧アクチュエータ28の一切の移動を固定してから圧盤60を単に下降することで、予成形品24に圧力が加えられる。代替的に、圧盤60の一切の移動を固定してから個々の加圧アクチュエータ28の一個以上を起動することで予成形品24に対して圧力が加えられ得る。
【００３７】
各加圧アクチュエータ28の下端には典型的に、伝達プレート70が配備される。伝達プレート70は加圧アクチュエータ28に堅固に取付られ、又は、取付けはひとつ以上の自由度を提供し得る。例えば一定の用途においては、球面継手を介して伝達プレート70を各加圧アクチュエータ28に取付けることが望ましいこともある。更に、取付けにおいてひとつ以上の自由度が提供されれば、許容されたひとつ以上の移動に対する抵抗が望ましいこともある。例えば、各球面継手が予備荷重付加され得る。
【００３８】
各伝達プレート70のサイズ、形状および材料は、とりわけ、部品38の上側表面の幾何学形状、例えば相互係合縁部などの隣接各プレート70の縁部の相補整列に対する可能的な必要性、熱移動もしくは熱膨張の考察、および、予成形品24に加えられるべき所要圧力により支配される。もし上述の如くに頂部カバー32が段階付けされたなら、各加圧アクチュエータ28の各伝達プレート70は可能的にはアルミニウムもしくは鋼鉄から加工された単純なブロックであることのみが必要である。但し頂部カバー32が段階付けられなければ、各伝達プレート70は好適には頂部カバー32の上側表面44に合致もしくは略々合致する。
【００３９】
代替的に、もし頂部カバーが不要ならば、頂部カバー32の上側表面44又は予成形品24の頂部表面のいずれかに略々合致する各パッド48が本質的に平坦な各伝達プレート70に取付けられ得る。例えば各パッド48は、各伝達プレート70に対して接着もしくは締着される弾性パッドとされ得る。段階付けされたパッド薄寸体は、段階付けされた頂部カバー32に対して上記された製造方法と同様の様式で成形され得る。この加圧アクチュエータ用の段階付けパッド薄寸体は次に、個々の加圧アクチュエータ用パッド48へと切断され、各々が平坦な伝達プレート70へと接着され得る。
【００４０】
上記パッド材料の強度は、予成形品24もしくは成形部品38に対する圧力の付与の間におけるパッド48の変形が領域間干渉に帰着しない如きものとすべきである。通常通り、疲労性、摩耗および熱移動の特性は、材料選択過程における検討事項である。更に、もし圧力サイクルの間において各加圧アクチュエータ28が上昇もしくは下降されるときに各パッド48が相互に擦過するなら、各パッド間の摺動摩擦が最小化されねばならない。最後に、各領域30間の必要な許容誤差もしくは許容差は、プロセス要件ならびに頂部カバーの強度考察により影響され得る。例えば高温プロセスは、各パッド48の熱膨張を考慮して付加的な間隙を必要とし得る。
【００４１】
一定の用途においては、各加圧アクチュエータ28間に機械的固定インタフェースを配備することが望ましいこともある。この固定インタフェースは、各加圧アクチュエータ28を適切に離間かつ整列して保持し、更に、とりわけ以下で論じられる如く成形曲率により引き起こされる側面荷重と各加圧アクチュエータの予備付加荷重とを各加圧アクチュエータが分担するのを許容する。
【００４２】
一定の用途においては、各伝達プレート70および各パッド48の可能的な温度制御などを含め各加圧アクチュエータ28の温度制御を行うことが望ましいこともある。各伝達プレートおよび各パッドの斯かる能動的もしくは受動的な温度制御は、頂部カバー32に対して提供される任意の温度制御に加え、又はその代わりに、提供され得る。各加圧アクチュエータ28の温度制御は領域化温度制御(zoned temperature control)を許容するが、これは注入および硬化プロセスに亙り提供される相当程度の制御に対して望ましいものである。これに加え、温度制御機構を物理的に取り入れることは、頂部カバー32へ取り入れる場合よりも各加圧アクチュエータ28の方が相当に容易であり得る。熱的にトランスペアレントな頂部カバー32は、各加圧アクチュエータ28に適用される一切の温度制御の寄与を強化する。
【００４３】
多様なセンサ72、最も詳細には注入および硬化プロセスの制御および監視を助力する圧力および温度センサの任意のものが、加圧アクチュエータ用伝達プレート70に対して取付けられ、又は、可能的には更に容易に加圧アクチュエータ用パッド48内に成形され得る。
【００４４】
各加圧アクチュエータ28は十分な行程を有することにより、頂部カバー32が樹脂溜り部36の充填を行うに十分なほど撓曲するのを許容せねばならない。必要な行程の量はとりわけ、頂部カバー32の強度、予成形品24に加えられる圧力、加圧アクチュエータ28のサイズおよび形状、および、部品のサイズおよび幾何学形状に依存する。例えば頂部カバー32が更に強靱であれば、必要とされる加圧アクチュエータ28の行程は、更に可撓な頂部カバー32に対する場合よりも、少ない。大寸部品に関しては樹脂34を移動する上で大寸の溜り部36が望ましいことから、更に可撓な頂部カバー32および更に大きなアクチュエータの行程が必要とされ得る。更に、加圧アクチュエータ28は予成形品24を最終的な所望繊維体積割合へと適切に圧縮すべく、十分な行程を有すべきである。
【００４５】
各加圧アクチュエータ28は典型的には、上側圧盤60に取付けられる。上側成形型アセンブリ26全体(上側圧盤、各加圧アクチュエータ、各伝達プレート、各パッド、および、もし在れば頂部カバーなどを含む)は、各硬化サイクルの終了時に上方移動されて部品38の取り出しを許容せねばならない。上側成形型アセンブリ26のこの上昇および下降は、電気起動されるボール螺子もしくは同様の機構により行われ得る。
【００４６】
本発明のプロセスを取り入れた製造ラインは、プレス10の外側で準備され且つ装填されると共に注入および硬化のためにプレス10内へと回転されてから部品取り出しのために回転される数個の下側成形型20を備える。この場合、一切の加熱／冷却ラインの自動接続、ならびに、上側成形型アセンブリ26に対する下側成形型20および予成形品24のアセンブリの自動整列を含め、下側成形型20および予成形品24のアセンブリを移動すべく搬送システムの作成が必要とされる。
【００４７】
大製造量状況においては、各加圧アクチュエータ28から一切の制御ライン、加熱／冷却ライン、回線もしくは他のラインを接続解除することにより上側圧盤60からの各加圧アクチュエータ28の解除を促進するという迅速解除システム74により各加圧アクチュエータ28の修理および保守が容易とされ得る。更に、多様な成形型と共に使用されるべきプレス10に対し、各加圧アクチュエータ28を迅速かつ容易に交換することで上記システムの行程および／または負荷容量を調節する機能は、極めて魅力的である。代替的に、その場で個々に調節され得る各加圧アクチュエータ28を配備するのも望ましい。例えば、鋼鉄の鋳塊を搬送するトングに対する作用が類似した摩擦および／または溝式システムは、個々の加圧アクチュエータ28の高さを調節する上で効率的に作動し得る。上記調節は、圧盤60に対する加圧アクチュエータ28の取付け箇所で、又は、上記加圧アクチュエータの円筒状と伝達プレート70との間の接続ロッドにおいて、行われ得る。
【００４８】
大製造量プレスに対し、各伝達プレート70は典型的に各加圧アクチュエータ28に堅固に取付けられ、頂部カバー32は典型的に段階付けされる。種々の成形型および頂部カバー32により作動すべく設計された低製造量プレスに対し、各伝達プレート70は各加圧アクチュエータ28に対して枢動的に取付けられ得る。斯かる枢動取付は、付勢要素を含み得る。一定の場合、各加圧アクチュエータ28に対して各伝達プレート70を連結する迅速解除取付機構が望ましいこともある。
【００４９】
本発明のプロセスの利点は、予成形品24を通る樹脂34の注入を支援すべく相当に大寸の各領域30が使用される場合でも実現され得る。これは特に、更に大寸の部品38、極めて穏やかな曲率を有する部品38、又は、極めて繊維体積割合が低い部品38に対して当てはまる。これらの場合には領域群が定義され、各領域群は、複数の領域30、連続的な頂部カバー部分、および、離間された複数の加圧アクチュエータ28から成る。各領域群内において、加圧アクチュエータ28の直近における領域は局部的に強靱であるが、各加圧アクチュエータ28の直近に無い領域は幾分か更に可撓である。任意のひとつの領域群に亙り数個のアクチュエータとすると、その領域群の全てのアクチュエータが同時に下降され得るか、又は、成形されつつある部品38の表面に亙り“ロール”ダウンすべく各加圧アクチュエータ28が順次に起動され得る。ひとつの領域群内の加圧アクチュエータ28は離間され得ることから、この技術によれば必要なアクチュエータの個数を減少し乍らも依然としてひとつ以上の軸心に沿った樹脂34の動的制御を与える。この技術は更に、各加圧アクチュエータ28が頂部カバー32に対して直接的に取付けられ得るという点で一段階進歩し得る。上述の如く頂部カバー32は典型的に、頂部カバー32と予成形品24との間における樹脂溜り部の移動を許容するに十分なほど可撓であるが、高繊維体積割合の予成形品を介して樹脂34を注入するに必要な圧力を伝達するに十分なほど強靱である。
【００５０】
作動の間において、各加圧アクチュエータ28は予成形品24を最終繊維体積割合へと加圧成形するに十分だが、予成形品24を損傷するほどには高く無い、という圧力を提供すべきである。領域のサイズ(面積)および傾斜により、任意の所定加圧アクチュエータ28の軸心方向出力荷重が決定される。所定の軸心方向出力荷重に対し、傾斜した各領域30、すなわち加圧アクチュエータ28の中央軸心に対して所定角度の表面に対して法線を有する各領域は、平坦である各領域30よりも低い圧力を受ける。故に、平坦な各領域に対し、傾斜した各領域は、所望の最終繊維体積割合に到達すべく加圧アクチュエータからの更に大きな軸心方向出力荷重を必要とする。故に、完成部品38の全体に亙り均一な繊維体積割合を達成するためには、異なる出力荷重容量を有する各アクチュエータが必要となり得る。代替的に、可変の繊維体積割合を有する完成部品が特に設計されると共に、本発明のプロセスを使用して容易に製造され得る。
【００５１】
更に、傾斜した各領域30に圧力を加えると各加圧アクチュエータ28における側面荷重が発生する。これらの側面荷重の大きさは概略的に、加えられた軸心荷重と、頂部カバー32の上側表面44の又は予成形品24の又は成形部品38の傾斜と、各加圧アクチュエータ28を圧盤60に対して且つ各加圧アクチュエータ28の底部を頂部カバー32に対してもしくは相互に対して連結すべく使用される機構と、の関数である。各加圧アクチュエータ28は、これらの側面荷重を適切に担持すべきサイズおよび設計とされねばならない。
【００５２】
部品38に対して圧力を加えるべく、種々の機構が使用され得る。これまでに概説された方法は主に、予成形品24に対して直接的にもしくは頂部カバー32を介して圧力を加えるという各加圧アクチュエータ28を扱って来た。但し本発明の範囲内においては、他の任意の適切な機構も使用され得る。例えば、適切なサイズおよび形状とされ且つ膨張時に圧力を加えるという膨張可能な袋体を使用しても圧力を加え得る。
【００５３】
本発明のプロセスは起動された上側成形型表面の多くの形態により使用され得るが、好適な起動システムは空圧式のソルーションを取り入れる。従来のプロセスと比較すると、本発明のプロセスは低圧成形動作である。一般的に空圧式デバイスは安価なのが通常であり、油圧式デバイスよりも清潔である。空圧式の使用による主な欠点は、必要な注入および成形プレスに各加圧アクチュエータを作動すべく十分な空気圧を生成することから、システムにおける大きな圧力過渡を受け入れ、且つ、大きな圧力および流速の両者を処理し得るバルブの大幅なコスト上昇を招くことである。例えば、加圧アクチュエータの伝達プレートを介して予成形品に加えられる400psiの圧力という典型的な設計上の条件を達成するためには、起動シリンダにおいて相当に大きな空気圧が必要とされる。斯かる高空気圧に適合し得る2方向3ポート方向性ソレノイド・バルブもしくは比例サーボ・バルブなどのバルブは、高価である。
【００５４】
斯かる高空気圧を使用することの代替案は、シリンダの共通シャフトに数個のピストンが取付けられることにより、大きな出力に対して大きなシリンダ高さを犠牲にしたというマルチ・シリンダ式空圧式シリンダ設計態様である。例えば、150psiの空気で作動する４個のピストンを有する１個のシリンダは、550psiの空気で作動する１個のシリンダの出力を有し得る。ひとつの欠点は、製造用プレス内にマルチ・シリンダ式空圧式シリンダ設計態様をパッケージ化することが困難なことである、と言うのも、背高のシリンダはスペースを取りすぎてプレス10自体への曲げ荷重が大きくなるからである。空圧式アクチュエータの別の欠点は、頂部カバーもしくは予成形品に接触して所望の圧力を加える前にアクチュエータが一定距離を進行すべきとき、接触を行うべく充填されねばならないシリンダの体積は作業を行わない高圧空気により充填されることである。この非効率さは、プロセスの空気消費を相当に大きくする。
【００５５】
全てが空圧式のソルーションを実施することに対する代替案は、油圧式の使用へと変更することである。油圧式によれば、利用可能な圧力が増大したということは、力の増倍が不要であり且つアクチュエータのパッケージ化が簡素化されることを意味する。一実施形態は、当接表面および油圧シリンダをアクチュエータ内に一体化する段階を含み得る。内側シリンダの外径は移動するアクチュエータ表面に取付けられた基礎シリンダの内側を摺動する滑り軸受として機能する。この実施形態は相当の量の軸受領域および最小の曲げモーメントに帰着し、極めて背高で大きな力の空圧式アクチュエータを使用した場合の主な問題のひとつを解決する。
【００５６】
全てが油圧式のソルーションによる問題は、アクチュエータの進行範囲に亙り該アクチュエータの圧力の制御が必要なことである。これは空圧式により容易に達成される、と言うのも、空気は圧縮可能な媒体であり且つ行程が僅かに変化すると圧力の変化も僅かだからである。しかし油圧シリンダによると、ピストンの位置の小さな変化によりシリンダ内の圧力がゼロに低下し得る(と言うのも、油圧流体は膨張しないからである)ことから、所望のアクチュエータ圧力が供給圧力と異なるとしてもストローク全体に亙り制御圧力を維持することは極めて困難である。この問題は通常は、油圧流体リザーバに作用する単純な空気圧源から成る油圧アキュムレータを使用して対処される。
【００５７】
図１１に示された如く、正しい圧力にて効果的な油圧動力を提供すべく、空圧／油圧ハイブリッド・システム80が設計された。加圧アクチュエータ28の起動シリンダ82に供給される油圧流体の大部分はアクチュエータ用伝達プレート70を移動して頂部カバー32もしくは予成形品24に接触させる役割を果たすのみであることから、デュアル圧力システムが使用され得る。アクチュエータ用プレート70を移動して頂部カバー32もしくは予成形品24と接触させるべく、低圧ポンプ84が使用され得る。これが行われるとき、システム80は高圧供給へと切換わる。(2,000psiまでの)高圧流体は、空圧式ブースタ機構から到来し得る。２個のシリンダが相互に連結可能であり、第1の空圧式シリンダ86は第2の油圧シリンダ88に作用する。故に例えば面積比が20:1であれば、ブースト用の100psiの作動空気は2,000psiの油圧力に帰着し得る。結果的なシステムは、空圧式の正確な圧力制御による油圧の適切な起動を提供する。２段階式の油圧システムはまた大きな効率も提供する、と言うのも、各アクチュエータを移動して頂部カバー32もしくは予成形品24に接触させる上で高圧流体が浪費されないからである。
【００５８】
下側成形型
本発明のプロセスで使用される下側成形型20の設計態様および作製に関する事項は、SMCプロセスで使用される成形型に対する事項と同様である。成形型の強度は、成形型の幾何学形状および材料の選択の両者に影響する主要問題である。成形型材料の硬度は、大製造量の設計を行うときの別な重要事項である。成形型表面を通る熱移動容量は重要である、と言うのも、下側成形型20は概略的にプロセスの熱制御に対して使用されるからである。樹脂系に対する成形型材料の親和性も問題であり、典型的な鋼鉄製成形型は殆どの樹脂と親和するが、他の成形型材料は問題を引き起こし得る。最後に全ての成形型と同様に、コスト、製造し易さ、材料の入手性もまた重要な検討事項である。
【００５９】
典型的に、従来の成形型にはまさに温度制御システムが設計されて製造されるが本発明の下側成形型20も例外では無い、と言うのも、上記下側成形型は注入および／または硬化プロセスの間において最も熱が付加および／または除去され易い経路だからである。下側成形型20に対する温度制御を提供する為に、種々の技術が使用され得る。例えば、鋼鉄、金属もしくは他の加工可能な成形型に対して内部加工冷却ラインが配備され得る。代替的に、ハニカム裏打ち材料を交差穿孔することにより温度制御が提供され得る。典型的にはアルミニウム・ハニカムである締着構造は同一重量の中実プレートに対して強度を付加すると共に、交差穿孔された通路を介して冷却もしくは加熱空気が通過されて熱移動を助力する。当業者に知られた他の温度制御方式もまた適切であり得る。
【００６０】
成形型の曲率は、プレス10の他の多くの特徴に影響する。一般的には、傾斜もしくは曲率が少ない成形型が望ましい。曲率が増大すると領域30の有効面積が増大することから、加圧アクチュエータ28内の所定力により予成形品24に加えられる圧力は減少する。付加的に、更に急峻な傾斜は、アクチュエータならびに周囲領域に対する大きな側面荷重を生成する。曲率が大きくても、上記で論じられた如く各加圧アクチュエータ28による頂部カバー32に対する滑りもしくは頂部カバー32の擦過の可能性が増大する。
【００６１】
上記の頂部カバー32におけるのと同様に、下側成形型20に対しても多様なセンサが配備され得る。注入および硬化プロセスを監視して制御すべく、温度、圧力、湿度および他のセンサが使用され得る。斯かる多くのセンサは、下側成形型20の表面上の加工領域内に取付けられ得る。他のセンサもまた頂部カバー32内に、又は、個々の加圧アクチュエータ28上にさえも成形され得る。代替的に、各センサは単に複合成形型の表面上に成形され得る。
【００６２】
予成形品
本発明のプロセスは元々、液体式複合成形(liquid composite molding)において繊維質予成形品を注入成形することに伴う問題に対処することを意図していた。しかし本発明は、全ての液体式成形操作において等しく有益であり、その迅速な樹脂分布機能を利用する上で予成形品24を使用することは必要でない。予成形品は典型的に、複合部品に対する繊維補強材と、取り扱いの間において繊維が形状および配向を維持するのを助力する結合剤もしくは他の物質から成る。予成形品はまた、完成部品において必要とされる表面ベール(veil)、インサート、コア、リブもしくは他の任意のアイテムも含み得る。
【００６３】
本発明のプロセスは、予成形品24の材料もしくは組立てプロセスに関して何らの仮定も行わない。すなわち予成形品とは多孔質固体から真空までに亙り得るものであり、液体の注入を必要とする一切のものである。
【００６４】
樹脂系の射出
予成形品24と頂部カバー32との間に形成された溜り部36内への樹脂34の射出は好適には、比率変更機能(variable ratio capability)を有する射出機により達成され得る。比率変更機能によれば射出機は、多くの異なる樹脂系を射出する融通性が与えられる。典型的には、斯かる機械装置に関する唯一の制限は、他の殆どの樹脂とは異なる設定を必要とするポリウレタンを射出する機能である。但し、製造環境でポリウレタンを使用する可能性は低く、射出機に関する制限は本発明の実施に関する制限では無い。
【００６５】
概略的に樹脂34の射出は、樹脂系の要件に依存して反応射出成形もしくはレジン・トランスファ成形の変更例のいずれかとされ得る。特定の樹脂系の選択は概略的に、処理パラメータ、最終用途特性、コストおよび入手性に基づく。本発明のプロセスは公知の樹脂系の殆ど全てに対処し得る：高速および低速硬化樹脂系、高粘度および低粘度樹脂系、吸熱および発熱硬化樹脂系、ならびに、それらの中間の全ての樹脂系。
【００６６】
一定の場合において、特定樹脂系の硬化の間における熱的特性は成形型の必要な温度機能を支配し得る。
【００６７】
更に、本発明のプロセスは樹脂系に含まれる添加物もしくは充填剤に関して本質的に何らの制限も課さないが、好適には上記プロセスは適切な離型特性を有する樹脂系により実施される。一定の樹脂系は本来的に優れた離型特性を有するが、他の樹脂系は離型特性を改善すべく添加物を必要とする。充填剤は樹脂のコストを削減し得ると共に、他の添加物は表面仕上げを大幅に改善し得る。
【００６８】
好適には、成形型キャビティを排気すべく真空ポンプが配備される。真空ポートの位置および個数は、当業者が決定し得る設計変数である。真空ポンプを使用すると、成形型キャビティをシールする必要がある。上記で論じられた如く、頂部カバー32を下側成形型20に対してシールする為に幾つかの選択肢が存在する。
【００６９】
同様に、頂部カバー32は各加圧アクチュエータ28間のシールを提供する。但し、本発明のプロセスの一定の実施方式は頂部カバー32を使用しないことから、樹脂34が漏出するのを防止すべく個々の加圧アクチュエータ28間には頂部カバー32とは別個の独立したシールが必要なこともある。
【００７０】
引抜成形
本発明のプロセスは引抜成形(pultrusion)プロセスに容易に適合され得る。本発明のプロセスの斯かる引抜成形方式においては、引抜成形ダイが数個の領域群へと分割され、各領域群は個々のアクチュエータにより制御される領域へとセグメント化される。第１実施形態の上記プロセスにおける如く予成形品24上において溜り部36を移動するのではなく、引抜成形において予成形品24は溜り部36を通過して引張られる。各領域群における各加圧アクチュエータ28は第１実施形態に関して記述されたプロセスと同様の作用を提供する：樹脂流を防止するための予成形品の締着、注入、溜り部移動、および、最終繊維体積割合への加圧成形。
【００７１】
引抜成形プロセスに適用された本発明のプロセスは、ダイにおける挟持荷重を減少するか部品と共に各領域を移動することにより、ダイから完成部品を引張る為に必要な荷重を減少し得る。引張力が低いので、更に大きな断面が可能となり、更に大きな表面積が引抜成形される。
引張荷重は従来の引抜成形では一定でない。補強材料のロールが尽きるとき、次のロールが先のロールの端部に接合されねばならない。完成部品における連続性および強度を確実にすべく、２個のロールの各端部は重複されねばならない。重複による厚みの一時的な増大により、固定幅の引抜成形ダイを介しての抗力負荷(drag load)が増大する。引抜成形プロセスに適用された本発明のプロセスは、体積制御されるのでは無く圧力制御され、部品に対する一定の挟持荷重および抗力負荷を維持する。抗力負荷が安定すると、部品は更に均一に、一貫して予測可能に引張られ得る。
【００７２】
重要なプロセス変数
競合する製造プロセスとの比較における本発明のプロセスの利点は、更に稠密で更に複雑な補強材により更に複雑な形状の更に均一な部品を更に迅速に製造する機能である。これを達成する為に、樹脂34および予成形品24の両者に対する能動的制御が行われる。この制御の特定根源は、予成形品24の異なる区画に対して異なる圧力を加える機能である。
【００７３】
予成形品24に対して異なる圧力を加えることは、樹脂34の流れを制御するための要点である。流れを能動制御することは、複雑な成形型および予成形品の迅速な充填を保証するための唯一の手法である。更に、能動制御は充填プロセスにおける均一性を確実にする。最後に、能動制御は充填プロセスのシミュレーションと協働してプロセスの最適化を可能にする、と言うのも、当業者であれば能動制御により樹脂34を容易に予期可能な手法でのみ流動させ得るからである。
【００７４】
ダルシーの法則(Darcy's law)に依れば、樹脂流の方向および速度を決定する要因は、樹脂における圧力勾配、樹脂が流れつつある媒体の浸透性、および、樹脂の粘度である。予成形品24の頂部に加えられた圧力に対して能動制御を行うと、これらのパラメータの最初の２つに対する相当の量の制御と、第3のパラメータに対する低度の制御とが許容される。
【００７５】
領域30が完全には注入されておらず上方から樹脂34が注入されているときに該領域30に加えられる圧力を増大すると、予成形品24の厚み方向を通り樹脂34を迅速に駆動する圧力勾配が生成される。完全に注入された２つの隣接領域30に対して異なる圧力を加えると、各領域間において樹脂34は予成形品24の平面方向を通り流れ；上記で論じられた如く、平面内圧力勾配の方向を迅速に反復循環させると領域境界において樹脂34が混合されると共に、斯かる反復循環は溶接線および他の欠陥を防止すべく行われる。尚、樹脂34と真空との間の本来の圧力勾配も在る。
【００７６】
予成形品24の所定区画の浸透性もまた、その区画に加えられた圧力により操作され得る。これにより、樹脂流に対して予成形品24が呈する抵抗の領域毎制御が許容されることから、樹脂が行き来する場所および時点を制御する等しく重要な別の機構が提供される。高圧により領域30を下方締着することで、乾燥領域内への樹脂34の移動は防止され得る。
【００７７】
予成形品24の厚み方向を通り樹脂34を迅速に駆動すべく圧力勾配を使用し、且つ、流路を制御すべく乾燥予成形品を締着する、というこれらの２つの機構により、本発明のプロセスは複雑な部品に対してさえも短い成形時間および品質制御の両者を達成できる。本発明のプロセスは極めて高い繊維体積割合で部品を注入成形し得ることから、より良い構造特性が得られる。また、各領域30は予成形品24の厚み方向を通り注入され、且つ、高圧下で無いので高浸透性を有する領域から注入が開始するので、各領域30は迅速に注入される。更に、領域30は注入されている間に極めて高体積割合へと圧縮され得る。
【００７８】
考慮すべき幾つかの圧力関連問題が在る。樹脂34を予成形品24内に迅速に注入すべく、圧力は十分に高くすべきである。乾燥予成形品領域30に対する保持圧力は、予成形品を損傷せずに該領域を比較的に浸透不能とするに十分とされるべきである。各領域に加えられる圧力は、結果的な最終注入予成形品の厚みが大きく変化しない様に、それほど相違してはならない。各領域間の圧力の変化は、領域の投影面積(加圧アクチュエータ28が力を加える面積)が実際の面積と異なることがある、という事実から帰着し得る。
【００７９】
流れシミュレーションに対して物理的特性データを供給する為には、樹脂系の粘度を知ることが重要である。粘度は、温度、剪断速度(これは樹脂が如何に高速に流れるかの関数であり、各アクチュエータにより導入される圧力勾配により影響される)、および、硬化状態に依存する。
【００８０】
プロセス変数範囲
本発明のプロセスは、成形プロセスの間における広範囲な条件をサポートし得る。以下に示すのは、各変数と、上記プロセスが作動し得る典型的な動作範囲の表である。この表は、本発明のプロセスが作動し得る各変数の範囲を制限するのではなく、典型的な動作範囲の理解を提供するのみであると解釈される。
【００８１】
0004643015.tif 000002
【００８２】
もし頂部カバーが各加圧アクチュエータ間のシールと交換されるなら、プロセスの高温形態が可能である。例えば、セラミック成形型およびセラミック加圧アクチュエータに依れば、2,600°Fまでの温度にて溶湯が処理され得る。
【００８３】
特定用途に対しては更なる高圧が可能であるが、約450psi以上では本発明のプロセスの低コストの利点が低下し始める、と言うのも、起動システム、成形型およびプレスの複雑さおよびサイズが増大するからである。
【００８４】
制御システムのハードウェア
本発明のプロセスに対しては、加圧アクチュエータの配列における各加圧アクチュエータ28を個々に制御し得る任意のシステムで十分である。
【００８５】
一実施形態においては、本発明の領域化加圧成形プレス10に関してPC式制御バスが実施された。実施された如く、該PC式制御バスはドイツのPhoenix Contact社のInterbus(登録商標)システムに基づくものである。制御ソフトウェアは任意の点において制御ハードウェアが容易に変更され得る程度まで要約されたが、Interbus(登録商標)システムは現時点において本発明の領域化加圧成形とおそらく最も互換性のある工業的制御ネットワークである。Interbus(登録商標)はまた、本発明の適用に対する将来的な任意の改変を行い得る多様な工業的I/Oモジュール、PLCインタフェース、モータ・スタータなどの実施を更に容易とする。図１２に示された如く、領域化加圧成形プロセス制御システム用ハードウェアは、各圧力選択弁94および各領域on/off弁96などの各弁に接続されて各弁を制御する制御器カード90および入出力モジュール92を備える。一方、上記各弁は各加圧アクチュエータ28を制御する。
【００８６】
現在において実施された如く、上記制御システム用ハードウェアは単に、16個のデジタル出力を備えたモジュール(IB STME 24 DO 16/3)に対する接続用ケーブルを有するInterbus(登録商標)制御器カード(IBS PC ISA SC/I-T)を備えた標準的なWINTEL(登録商標)PCから成る。このモジュールは基本的に、上記制御器カードのコマンドを励起する24V DCを備えたステーションである。領域起動は、各ソレノイド・バルブが上記出力モジュールに結線されたときに達成される。この特定用途においては、SMCにより製造された24V DCの各ソレノイド・バルブが使用された。
【００８７】
部品品質に影響する各パラメータを適切に特定すべく、複数の圧力付与が必要とされた。NVS 3114の平衡スプール(balanced spool)により、各圧力供給ポート98および各排出ポート100の両者が加圧されて２通りの予設定圧力の一方を選択すべく使用され得る。２通りの圧力は各圧力レギュレータ、すなわち低圧レギュレータ102および高圧レギュレータ104により設定され、マニフォルド106により各選択弁94へと分配される。上記選択弁は次に加圧空気をNVS 3115弁へと転送すると、該弁はプレスの夫々の領域弁をON/OFFし、負荷を各アクチュエータへと供給する。全て協働して、この空圧式システムによれば、領域化加圧成形アクチュエータの３つの状態(low、highもしくはoff)に亙るコンピュータ制御が許容される。実施された如く、各アクチュエータが加えるべき最大設計圧力は500psiである。上記プレスに対する全ての空圧式システム構成要素は150psiに調節されることから、ひとつの領域に対して500psiを加えるべく一対の3インチボア／1インチ・ストロークBimbaシリンダが連結された。
【００８８】
上記Interbus(登録商標)はまた、領域起動の他の機能も実施すると期待される。たとえば実施された如く、下側成形型20のポート110を介して予成形品24に対して真空を供給する真空遮断弁108もまた、プレス10の出力モジュール92に結線され得る。もし、更に自動化された領域化加圧成形プレス10が所望されもしくは必要とされるとしても、上記Interbus(登録商標)システムは特に、上記真空ポンプ、プレス圧盤移動、成形型の装填および降荷、並びに、ロボット的な予成形品の装填および部品降荷ステーションとの通信も完全に制御し得る。
【００８９】
図１２は、上記バルブ・システムに接続されて２つの調整済圧力間でのコンピュータ制御式切換えを許容する上記Interbus(登録商標)制御器カードおよび出力モジュールを示している。図１３は、上記領域化加圧成形の試験用プレスにおける現在の実施方式を示している。
【００９０】
該Interbus(登録商標)システムは各２元空気圧弁(binary pneumatic valve)を使用しており、この故に、多数のデジタル出力に対して利用可能なシステムの内でInterbus(登録商標)システムがおそらくは最速のシステムとなるのである。上記Interbus(登録商標)システムが考慮されたのは、該システムが任意の弁製造業者と互換性を有するが故に他の幾つかのフィールド・バス・システム(fieldbus system)の如く弁の選択範囲を狭めないからである。Interbus(登録商標)および他の任意のフィールド・バス・システムに関して知られた主な欠点は、アナログ／デジタル変換がバス外で生じてから共通通信ラインを介して中央プロセッサへと伝達されることである。これが意味する処は、アナログ信号は低いサンプリング速度に制限されて一定のフィードバック・システムの応答を制限し得るということである。この欠点を克服すべく、データ獲得システムを取り入れることでアナログ信号は専用信号ラインを介して伝達される。
【００９１】
本発明のプロセスを実施し得るプレス10はたとえば：成形型内もしくは起動システム内の圧力；温度；樹脂流の前部位置；および硬化；を測定するセンサなどの種々のセンサをサポートする。各センサは、診断目的に対し、且つ、成形および硬化操作の間における能動的フィードバックに対して使用され得る。
【００９２】
制御ソフトウェア
本発明のプロセスを実施する製造用プレスを制御する機能制御プログラム・ソフトウェアは、以下の論理的構成要素を含み得る：
第1に、バス制御モジュール、すなわち、通信バスを介してのプレス用ハードウェアに対する通信の詳細を取り扱うモジュール、が在る。たとえば、INTERBUSバスを制御するモジュールが上記プレス制御プログラム内に配備され得る。
第2に、更に論理的な動作の背後において一切の特定のプレス用ハードウェアを制御する為に必要な特定のバス動作を隠蔽するモジュールが在り得る。たとえば上記プレス制御プログラムにおいては各弁に対する論理的構造が存在し得るが、斯かる論理的構造は、各弁をON/OFFすべくバス上を送信されるべき厳密なコマンドに関し、又は、どのバス・システムが使用中であるかさえも認識せずに各弁をON/OFFすべく使用され得る。
第3に、所望の領域作用を実施するに必要な基礎ハードウェア動作からプレス領域の論理動作を更に除去すべく、同様のモジュールが在り得る。
第4に、各センサからの各アナログ信号をデジタル・データへと変換する詳細を取り扱うモジュールが存在し得る。たとえば上記プレス制御プログラムにおいては、データ獲得ボードを制御するモジュールが配備され得る。
第5に、基礎DAQシステムに関わらず、種々のセンサを表す更なる抽象化のレイヤが存在し得る。
第6に、生成される各部品に対する起動シーケンスおよびセンサ・データのログ記録(logging)を取り扱うモジュールが存在し得る。
第7に、センサ入力を使用することにより、プレスが作動順序にあるのかプレスが作動の間に故障したかを決定するモジュールが存在し得る。
第8に、時間に関して領域状態および各センサを制御するリッチ(rich)言語が存在し得る。斯かる言語によれば、個々の領域に関する制御が可能となり、且つ、マルチ領域範囲を充填する高レベルのコマンドも使用できる。上記言語は、センサ入力に基づく分岐、ならびに、作用シーケンスの反復を取り入れ得る。
最後に、注入および／または硬化シミュレーションとインタフェースしたり、起動プログラムを生成するために開発された他のソフトウェアが存在し得る。
【００９３】
現在において実施された如く、実験室スケールでの領域化加圧成形プレスに対するプレス制御ソフトウェアによればユーザは：
・手動操作によりもしくはスクリプトにより、各領域化加圧アクチュエータが部品に加える圧力を制御し；
・手動操作によりもしくはスクリプトにより、真空ポートもしくは真空ポンプをトグル(toggle)し；
・手動操作でもしくは記述された制御により達成されたか否かに関し、全ての領域移動をログ記録し；且つ、
・緊急事態においては全てのプレス領域をoff状態に設定する；
ことができる。
【００９４】
また、現在において実施された如く上記プレス制御ソフトウェアは、オブジェクト指向機能を有するコンピュータ・プログラミング言語であるMicrosoftのVisual Basic(登録商標)により記述される。それは、次の目的を満足するいくつかのクラスを含む：
・バス抽象化；
・プレス構成要素抽象化；
・スクリプトの解読(interpret)および実行；
・領域のログ記録；および、
・ユーザ・インタフェース。
【００９５】
付加的に、上記実験室スケールの領域化加圧成形プレス上で現在において実施された如く、上記ソフトウェアは、上記プレス用ハードウェアが取付けられるInterbus(登録商標)制御器およびInterbus(登録商標)デバイスを抽象的に表すクラスを含む。バス制御クラスは、Interbus(登録商標)制御器カードに対してInterbus(登録商標)ドライバを使用して各コマンドを送信することにより、上記バス・システムとの全ての通信を取り扱う。各クラスは適切な呼び出しを行うことにより、接続された各Interbus(登録商標)デバイスに対するコンフィギュレーション・フレームをスタート時に構築する。それらはまた、プレス作動の間においてプロセス・データを各デバイスに書き込むと、プレス用ハードウェアが応答する。上記実験室スケールの領域化加圧成形プレスは２つのInterbus(登録商標)デバイスを使用するが、それはInterbus(登録商標)試験ドライブキット制御器／デジタル出力モジュールと、習用のInterbus(登録商標)デジタル出力モジュールである。プレスを制御するInterbus(登録商標)コンフィギュレーションに対する追加・削除、および、ソフトウェアにおける斯かる変更を反映することは容易である。Visual Basic(登録商標)で実現されたバス・クラスは、種々の言語で容易に実施され得る。
【００９６】
同様に、上記実験室スケールの領域化加圧成形プレスで現在において実施された如く、上記ソフトウェアは物理的プレス構成要素を抽象的に表すクラスを含む：弁、領域化加圧アクチュエータ、真空制御用のトグル・スィッチ、および、プレス自体、である。弁の配列を表すクラスは、バス制御クラスを直接的に使用する。領域化加圧アクチュエータの配列を表すクラスは弁配列クラスを使用する、と言うのも、各領域化加圧アクチュエータは２個の弁を個々に制御することで制御されるからである。プレスを表すクラスは、領域化加圧アクチュエータ配列クラスおよびトグル・スィッチ・クラスを使用する。斯かる抽象化が必要なのは、それにより将来的な制御ソフトウェアの拡張性が確実となるからである。
更に、各コマンドは幾つかのレイヤを通ることから、プログラム全体に影響せずに種々のレベルにおいてソフトウェアが機能する様式を変更し得る。また、領域化加圧成形プレスに対してセンサなどの新たなハードウェアを付加し、且つ、それをソフトウェアにおいて容易に反映することも可能である。バス制御クラスと同様に、プレス構成要素クラスもまた種々の開発環境で容易に実施され得る。図１４は、バス・クラスとプレス構成要素クラスにより形成された別個のレイヤと各クラス間の使用関係との概略図である。
【００９７】
同様に、上記実験室スケールの領域化加圧成形プレスで現在において実施された如く、上記ソフトウェアは領域化加圧成形言語(Zoned Pressure Molding Language)(ZPML)スクリプトを解読して実行するクラスを含む。上記スクリプト解読クラス(script interpreter class)はZPMLスクリプトを含むファイルを読み取り、そのテキストを解析する。その結果はZPML機械コードであり、これはプレスに送信されるべき各コマンドを表す整数の配列である。別のクラスがZPML機械コードを実行し、ZPMプレスを表すクラスに対して適切なコマンドを発行する。
【００９８】
ZPMLスクリプトのフォーマットは次の如きものである：
SCRIPT
[ステートメント]
END
ステートメントは、ACTIONもしくはWAITのいずれかである。WAITステートメントに対するフォーマットは：
WAIT n
であり、nは次のステートメントを実行する前に待機するミリ秒数である。ACTIONステートメントに対するフォーマットは：
ACTION{ZONES|VACUUM}
ステートメント本体
END
である。ACTION ZONESステートメントに対するステートメント本体は、１行以上の以下のフォーマットを使用して特定の領域化加圧アクチュエータに圧力を割当てる：
ZONE行  列{OFF|LOW|HIGH}
上記において、行および列は、２次元の領域化加圧アクチュエータ配列における領域化加圧アクチュエータを特定する。領域化加圧アクチュエータ配列に対する行および列インデックスは、ゼロで始まる。ACTION VACUUMステートメントのステートメント本体は、以下のフォーマットのラインを使用して、ポート・スィッチもしくはポンプ・スィッチのいずれの真空要素がトグルされるかを特定する：
{PORT|PUMP}  TOGGLE
スクリプト内における空白およびインデントはパーサにより無視されるが、読みやすさの為に含まれている。
【００９９】
たとえばここに、真空ポートをトグルし、２秒待機してから、領域化加圧アクチュエータ配列の第1行における第2および第3アクチュエータを高圧に設定するというスクリプトの例が在る。ZPMLは２次元の領域配列をサポートするが、上記実験室スケールの領域化加圧成形プレスは５個の領域からなる１個の行のみを有することを銘記されたい。ZPMLスクリプトおよびZPML機械コードは両者ともに、将来的なプレス制御要件に対して拡張可能となるべく設計される。
SCRIPT
ACTION VACUUM
PORT TOGGLE
END
WAIT 2000
ACTION ZONES
ZONE 01 HIGH
ZONE 02 HIGH
END
END
【０１００】
実施された如く、上記ソフトウェアは各領域が圧力を変更することが命令されたときにログ記録し得る各クラスを含む。ユーザはログをON/OFFし、ログをファイルにセーブし得る。
【０１０１】
最後に、実施された如く、上記領域化加圧成形プレスはユーザ・インタフェースを含む。上記ユーザ・インタフェースは、上記５個の実験室スケールの領域化加圧成形プレス領域の手動起動と真空ポートおよび真空ポンプのトグルに対する制御キー(control)を含む。ユーザは適切なコマンド・ボタンをクリックすることで、領域を“off”、“低圧”もしくは“高圧”の状態へと設定し、又は、真空ポートおよび真空ポンプをトグルし得る。図１５は、現在において実施された如きユーザ・インタフェースからのプレス制御パネルを示している。上記ユーザ・インタフェースはまた、ユーザが上記プレス制御パネルを使用してスクリプトをロード、実行、又は停止するのを許容する制御キーも含む。
【０１０２】
実施方式
本発明の領域化加圧成形プロセスは、2インチ×10インチの試験クーポン(test coupon)を準備して小規模に例証された。(図１３に示された)試験用プレスは、2インチ×2インチのサイズの５個のアクチュエータから成る。各アクチュエータはモジュールであり、種々の領域化加圧アクチュエータが取付けられる。最初のクーポン生成に対しては、可撓頂部カバーに圧力を加えるべくマホガニの加工済ブロックが使用された。頂部カバーは、0.30インチの厚寸シリコーン・ラバーから作成されると共に、シールを形成すべく単に成形型に締着された。成形型は2インチ×10インチのチャネルが切削されたアルミニウムのプレートであり、成形型の下側半体を形成する1インチ厚みのガラス・プレートにシリコーンで接着されていた。ガラスとすることで、流れ前部をビデオ・カメラで監視し得る。
【０１０３】
最初の試験に使用された予成形品は、PPG 3オンス・ランダム・ストランド・マットの5層から作成された。この材料は高体積割合へと処理するのが困難であると共に、過剰圧力による損傷に敏感である。これは、大量生産に対して本発明の領域化加圧成形プロセスを使用した場合に期待される予成形品と極めて類似している。クーポン試験は、この材料に対する限界を見い出すべく使用された。
【０１０４】
上記クーポン試験で使用された樹脂は、Interplastic Resin社からの相当に促進(promote)された室温硬化ポリエステル系である。上記系は、流れ分析および極めて高速な硬化に対して非加熱のガラス底部成形型の使用を許容すべく室温硬化の為に選択された。適切な触媒割合により上記系は30秒〜8分のゲル化時間を有することから、特定の流れ様式により更に低速で更に入念な実験を許容し乍ら、大量生産用途で使用される極めて高速な成形時間の樹脂のシミュレーションを可能とする。
【０１０５】
クーポンに対する典型的な製造工程は、次の段階から成る：
・highおよびlowの空圧式バス圧力が選択されて手動で調節され；
・マットのロールから2インチ×10インチの各細片を切断してそれらを積層することで予成形品が調製され；
・成形型が蝋塗付(wax)されて部品の離型を許容し；
・適切な樹脂混合物が調製されたが、触媒作用は未だ行われず；
・インジェクタ、頂部カバーおよびカバー・プレートが取付けられ；
・真空ポンプが始動され；
・成形型の真空ポートを介して予成形品内に真空が生成され；
・成形型が上記プレス内に配置され；
・制御ソフトウェア内に起動シーケンス／レコーダがロードされ；
・樹脂に対して触媒作用が行われ且つ混合され；
・注入器に対して混合樹脂が充填されて該注入器が上記インジェクタに接続され；
・ビデオ・カメラが始動され；
・頂部カバーを介して樹脂が射出され；
・インジェクタが閉成してロックされ；
・コンピュータ化された起動シーケンスが開始され；
・真空弁が閉成され；
・部品が硬化し；
・各アクチュエータが解除され；且つ、
・頂部カバーが締着解除されて部品が取り出される。
部品取り出しの後、更なるクーポンを処理する為に必要な調製は、成形型ガラスおよび頂部カバーを浄化することのみである。好首尾な処理によれば、通常的には除去すべき残渣は最小限であるか又は全く無い。
【０１０６】
典型的なクーポン試験に対しては、以下の各パラメータが使用される：
・予成形品：５層のPPG 3オンス・ランダム・ストランド・マット；
・樹脂：InterplasticのCoRezyn COR 40-B2-8099；
・触媒：Norox MEKPを1.75重量％；
・射出される樹脂の体積：27cc；
・高バス圧力：50psi(アクチュエータでは175psiに帰着する)；
・低バス圧力：30psi(アクチュエータでは105psiに帰着する)；
・成形型温度：72°F；
・樹脂温度：72°F；
・樹脂粘度：約200センチポアズ；および
・ゲル化時間：2:30(分：秒)。
【０１０７】
次の起動プログラムは、各試験クーポンの注入成形を制御すべく使用される。ZPMLスクリプトは未だ注入されていない各領域を高圧に保持する一方、他の領域では注入が行われる。樹脂溜り部をひとつの領域から別の領域へと移動する場合、このスクリプトは隣接する領域および溜り部の圧力を解除してから、溜り部に対して圧力を再び加えて、領域間における更なる制御移動を提供し且つ空圧式システムにおける圧力スパイクを最小化する。各領域において溜り部の圧力が保持される時間は、樹脂の一切の架橋に依る粘度の増加を考慮して変更される。
【０１０８】
SCRIPT
ACTION ZONES
ZONE 0 0 LOW
ZONE 0 1 HIGH
ZONE 0 2 HIGH
ZONE 0 3 HIGH
ZONE 0 4 HIGH
END
WAIT 2000
ACTION ZONES
ZONE 0 0 OFF
END
WAIT 100
ACTION ZONES
ZONE 0 1 OFF
END
WAIT 500
ACTION ZONES
ZONE 0 0 LOW
END
WAIT 8000
ACTION ZONES
ZONE 0 1 LOW
END
WAIT 2000
ACTION ZONES
ZONE 0 1 OFF
END
WAIT 100
ACTION ZONES
ZONE 0 2 OFF
END
WAIT 500
ACTION ZONES
ZONE 0 1 LOW
END
WAIT 10000
ACTION ZONES
ZONE 0 2 LOW
END
WAIT 3000
ACTION ZONES
ZONE 0 2 OFF
END
WAIT 100
ACTION ZONES
ZONE 0 3 OFF
END
WAIT 500
ACTION ZONES
ZONE 0 2 LOW
END
WAIT 12000
ACTION ZONES
ZONE 0 3 LOW
END
WAIT 4000
ACTION ZONES
ZONE 0 3 OFF
END
WAIT 100
ACTION ZONES
ZONE 0 4 OFF
END
WAIT 500
ACTION ZONES
ZONE 0 3 LOW
END
WAIT 16000
ACTION ZONES
ZONE 0 4 LOW
END
WAIT 2600
ACTION VACUUM
PORT TOGGLE
END
END
結果は、40〜50ksiの引張強度および2.5〜3.2Msiの引張応力を有する58〜64％の体積割合に硬化された部品である。また、ランダム・ストランド・マットおよびポリエステル樹脂に対しては全て極めて良好な値となった。
【０１０９】
プロセスに影響する要因
本発明のプロセスの利点のひとつは、それが複合液体式成形プロセス(composite liquid modling process)であることから、プレス・ハードウェアに関しては、他の殆ど全ての非液体式成形プレス動作と比較してプレス負荷が相当に減少されることである。圧盤サイズが減少し且つ加圧アクチュエータのコストが低いことから、ハードウェアのコストが減少する。但し本発明のプロセスによれば、極めて小寸の独立した多数のアクチュエータは必要である。故に、ハードウェアのコストが低下する代わりにプロセスの複雑さは増加する。上記注入プロセスは既に単純なon/off動作では無く、今やおそらくは所定プロセス・サイクルの間において各アクチュエータにより加えられる荷重の多くの変更による特定の加圧アクチュエータ・シーケンスを包含するものである。
【０１１０】
一方、この様に増大した制御の複雑さは、プロセス制御の増加に繋がり得る。プロセスの間において所定の箇所に対する所定圧力の付与は、多くの異なる要因に依存し得る。各要因は４つの基本グループに分けられるが、全てのグループは一定程度まで、予成形品に注入される特定樹脂により支配される。
【０１１１】
第1の要因グループは基本的に、繊維体積割合制御に関する。溜り部の移動の容易さは、ゼロでは無くとも極めて小さな圧力により促進され得るが、注入および最終保持圧力は容易に気圏オートクレーブ圧力(aerospace autoclave pressure)に到達し得る。特定領域においては、誘起されたRTM型流れ、すなわち予成形品の平面方向を通る流れ、に依る溜り部損失を考慮して溜り部に関する一定圧力が維持され得る。隣接する各領域は低圧を維持することにより、多孔率を増大してこれらのRTM領域への注入時間を短縮し得る。一定の圧力境界条件もまた、部品収縮の間において適切な負荷を保持するのを支援し得る。
【０１１２】
第2の要因グループは基本的に、プロセス速度と予成形品損傷との間のトレードオフに関する。樹脂溜り部が所望される単一もしくは複数の領域において可能的にはゼロへと圧力を解除する一方で、樹脂溜り部が望まれない各領域に対しては圧力を維持しもしくは圧力を供給することで、樹脂溜り部は予成形品上を容易に移動され得る。樹脂溜り部を含む各領域に対して加えられる圧力を増大すれば、厚み方向を通る注入の存続時間は減少され得る。好適には、各溜り部領域に隣接する各領域は予成形品を所定位置に保持すべく一定圧力を維持し、これらの隣接領域の多孔率を減少し且つRTMタイプの流れを阻止することにより、樹脂溜り部がその現在領域から離間移動するのが阻止される。隣接する“乾燥(dry)”領域に対するこの負荷は、たとえば個別の繊維もしくは予成形品構造であるかに関わらず、予成形品が損傷しない様な制限が必要なこともある。溜り部領域において予成形品は高圧下に在るが、それは油圧的に負荷されていることから“乾燥”予成形品の様に容易には損傷されない。同様に、予成形品を損傷しない様に注入の後では最終保持圧力の制限が必要なこともある。いずれの場合でも、予成形品と対応する最終的な部品損傷とによる制限の下で、一定領域およびプロセスの一定段階における圧力付与を増大すれば成形時間は減少され得る。
【０１１３】
加えられた圧力パラメータの第3グループは、予成形品のタイプに関連する。本発明のプロセスにおいては、ガラスもしくは炭素繊維、浸透不能コア、種々の形状などが全て受け入れられ得る。本発明のプロセスの特定用途により、起動体系が決定される。乾燥予成形品の保持圧力は、予成形品の強度に依存して異なり得る。更に、未溶着(unfused)樹脂の粘度は、厚み方向を通る注入に対し且つRTMタイプの流れを誘起すべく大きな溜り部圧力を要することもある。RTMタイプの流れはまた、浸透不能コア、インサートおよび他の特殊な含有物の下方まで注入する為にも使用され得る。予成形品の特性の多様さおよび対応する広範囲の所望の付与圧力もまた、独立して制御可能な各アクチュエータの配列の故に本発明のプロセスを使用して対処され得る。予成形品の大きな変動が必ずしもコスト効率的な製造には繋がらないが、本発明のプロセスはそれらにさえも対処し得る。
【０１１４】
第4の圧力パラメータ・グループは、所定成形型に特有なパラメータである。このグループは、成形型の曲率の故に、加圧アクチュエータにおいて適用される表面積の増加、および、所定軸心荷重に対する付与圧力の対応減少、などの要因を含む。成形型の輪郭もまた、隣接する各加圧アクチュエータ間のサイド・スラスト荷重(side thrust load)を生成することにより各アクチュエータ間の摩擦荷重を増大すると共に、可能的には、各加圧アクチュエータの軸受を焼き付けたり又は加圧アクチュエータの伝達プレートの大幅な誤整列さえも引き起こす。
【０１１５】
プレスのレイアウト
本発明を実施するプレスのレイアウトは基本的に、製造設定におけるプレスの特定実施方式により決定される。変化し得る特徴の幾つかは、アクチュエータ設計態様、成形型、ロボット的な装填および降荷、温度調節および樹脂射出機器、および可能的には圧盤移動機器であり得る。各アクチュエータは単に、頂部カバーに対して又は溜り部に対して直接的に荷重を加える機構を含む。各アクチュエータは、溜り部および予成形品に対して正しい荷重を加え得る油圧式、空圧式、ソレノイド、又は他の任意の機構とされ得る。予成形品の装填および部品の降荷に対してはロボットが使用され得る。実際の方式は、成形型がプレスの内外に移動するか否かに依存し得る。これはまた、プレス内に成形型が装填された後で該成形型に連結されるべき成形型温度調節機器を複雑にし得る。同様に、成形型をプレスの内外に移動すると、射出機器も複雑にする。いずれの場合にも上側および／または下側の圧盤は、ロボットが成形型にアクセスし又は成形型が内外移動するに十分な間隙を有する如く、物理的に離間される必要があるかも知れない。
【０１１６】
また、特定用途に依存して所望され得る幾つかの付加的事項が在る。どのアクチュエータ・タイプが選択されるかに依存し、軸受を収容する中間圧盤が望まれることもある。斯かる軸受は、成形型の輪郭に作用する各加圧アクチュエータにより生成されるサイド・スラスト荷重に反発することが望まれ得る。中間圧盤はまた、空圧式もしくは油圧式シリンダ、各弁、および／または、各加圧アクチュエータの配管を保持するためにも望まれ得る。
【０１１７】
もし成形型がプレスの永続的固定物であれば、頂部カバーが下降されて成形型上の所定位置に保持され得る。これはたとえば、固定デバイスを備えた別体のアクチュエータを必要とし得る。
【０１１８】
当業者であれば、本明細書と本明細書中に開示された本発明の実施形態とを考慮して本発明の他の実施形態さえも明らかであろう。明細書および実施形態は例示的なものに過ぎず、発明の真の範囲および精神は請求の範囲により示されることが企図される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  RTMプロセスの概略図である。
【図２】  SRIMプロセスの概略図である。
【図３】  RTMおよびSRIMプロセスにおいて部品を注入成形するときの樹脂前部の進展を示す概略図である。
【図４ａ】  本発明の実施形態の分解図である。
【図４ｂ】  加圧アクチュエータの一例を示す図である。
【図５ａ】  本発明のプロセスの典型的な進行を示す図である。
【図５ｂ】  本発明のプロセスの典型的な進行を示す図である。
【図６】  本発明のプロセスの典型的な進行を示す図である。
【図７】  本発明のプロセスの典型的な進行を示す図である。
【図８】  本発明のプロセスの典型的な進行を示す図である。
【図９】  本発明のプロセスの典型的な進行を示す図である。
【図１０】  原位置における段付頂部カバーを示している。
【図１１】  空圧／油圧ハイブリッド・アクチュエータシステムの概要を示す図である。
【図１２】  ２つの調節圧力間のコンピュータ制御器による切換えを許容すべくバルブ・システムに対してInterbus(登録商標)制御器カードおよび出力モジュールが如何に接続されるかを示す図である。
【図１３】  領域化加圧成形用プレス機構の概要である。
【図１４】  バス・クラスおよびプレス構成要素クラスにより形成された別個のレイヤと各クラス間の使用関係との概略図である。
【図１５】  ユーザ・インタフェースからのプレス制御パネルの一例である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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