(57)【要約】  頂部、基部１、及び側壁４、５、６、７によって画定された、硬化性樹脂を含浸させた繊維材料を保持するためのキャビティと、繊維材料に圧力をかけるために互いに独立して動くことができる分離壁を有する内部インサート２とを備える、物品を生産するための型。
2018525258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
頂部、基部、及びキャビティ側壁によって画定された、硬化性樹脂を含浸させた繊維材料を保持するためのキャビティと、内部インサートであって、前記繊維材料に圧力をかけるために前記インサートの寸法を増減させるように互いに独立して動くことができる分離壁を有する内部インサートとを備える、物品を生産するための型。
【請求項２】
前記分離壁の少なくとも２つが、１から９０度、好ましくは１から６０度、より好ましくは２０から４０度の角度で互いに対し傾斜している、請求項１に記載の型。
【請求項３】
前記分離壁の側部が、くさび形状を提供するようにテーパー状にされ、そのため、前記壁は、連続的な周辺成形面を提供するように、熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた前記繊維材料を、前記キャビティ側壁、前記頂部、及び前記基部に対して圧縮し成形するために動かされ得る、請求項１又は２に記載の型。
【請求項４】
前記インサートが、可撓性のエンベロプなどのエラストマー包囲体又はカバーを備える、請求項１から３までのいずれか一項に記載の型。
【請求項５】
前記包囲体又はカバーが、熱硬化性樹脂に対し自己解放型である、請求項５に記載の型。
【請求項６】
前記包囲体又はカバーが、前記内部インサートの中への樹脂の進入を防止する障壁として作用する、請求項５又６に記載の型。
【請求項７】
前記分離壁が、パンチとの接触により動くことができる、請求項１から６までのいずれか一項に記載の型。
【請求項８】
前記型が、前記樹脂を硬化させる手段を更に備える、請求項１から７までのいずれか一項に記載の型。
【請求項９】
熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた繊維材料を成形及び硬化させるためのプロセスであって、頂部と、基部と、キャビティ側壁とを備える型のキャビティ内にインサートを配置するステップであって、前記インサートが、前記インサートの寸法を増減させるように互いに独立して動くことができる分離壁を備える、ステップと、熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた繊維材料の層を、前記インサートと前記キャビティの前記外壁との間に提供するステップと、前記キャビティの上に前記頂部を配置し、前記インサートの前記分離側壁と前記キャビティ壁との間で前記繊維材料の層を圧縮するために、前記インサートの前記寸法を増加させるステップと、前記熱硬化性樹脂を、前記キャビティの前記壁と前記インサートとの間で圧縮されている間に加熱し、硬化させるステップとを備える、プロセス。
【請求項１０】
前記インサートの前記分離壁の少なくとも２つが、パンチと係合するために、１から９０度、好ましくは１から６０度、より好ましくは２０から４０度の角度で互いに対し傾斜している、請求項９に記載のプロセス。
【請求項１１】
前記繊維材料が、前記型内の前記インサートの周囲に層（１つ又は複数の層を備えてもよい）として提供される、請求項９又は１０に記載のプロセス。
【請求項１２】
前記繊維材料が、前記型の中への導入前にプリフォームに加工される、請求項９又は１０に記載のプロセス。
【請求項１３】
前記インサートが、前記プリフォーム内に提供され、そしてそれから、前記インサートを含む前記プリフォームが型の前記キャビティの中に挿入される、請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた前記繊維材料が、シート状成形複合材料、プリプレグ、又はセミプレグなどの成形複合材料である、請求項９から１３までのいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項１５】
前記成形複合材料が、樹脂を含浸させた、一方向テープのランダムに配向されたセグメントを備える、請求項１４に記載のプロセス。
【請求項１６】
前記成形複合材料が、一方向繊維テープのセグメントと、樹脂マトリックスとから構成される、擬似等方性（Ｑ−Ｉ）材料である、請求項１５に記載のプロセス。
【請求項１７】
前記樹脂が、ビスマレイミド樹脂、及び熱硬化性エポキシ樹脂から選択される、請求項１６に記載のプロセス。
【請求項１８】
前記擬似等方性（Ｑ−Ｉ）材料が、プリプレグ、セミプレグ、トウプレグ、テープ、又はそれらの組み合わせから少なくとも部分的に得られる、請求項１６又は１７に記載のプロセス。
【請求項１９】
前記擬似等方性（Ｑ−Ｉ）材料が、任意選択でテープの耳部を含むリサイクル材料から少なくとも部分的に得られる、請求項１６から１８までのいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２０】
繊維強化材が、ガラス繊維、炭素繊維、及びアラミド繊維から選択される、請求項９から１９までのいずれか一項に記載のプロセス。
【請求項２１】
請求項９から２０までのいずれか一項に記載のプロセスによって作製された航空宇宙部品又は他の複合部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形における改良又は成形に関連する改良、詳細には、物品の圧縮成形及びそこで使用するための型に関連する改良に関する。より詳細には、本発明は、物品、特にフレームなど鋭いコーナーを有する物品、及び／又は中空の物品を生産する圧縮成形及び樹脂含浸繊維材料の硬化に関する。
【背景技術】
【０００２】
中空の物品は、型内に配置された膨脹式ブラダーの表面に樹脂含浸繊維材料が提供される、ブラダー射出成形によって樹脂含浸繊維材料から生産される。その場合、ブラダーは膨脹されて、樹脂含浸繊維材料を型の表面に適合させる圧力を提供することができ、そこで、樹脂含浸繊維材料から物品を生産するために型が加熱され、樹脂を硬化させる。それからブラダーは、樹脂含浸繊維材料由来の中空の物品から離れるように収縮され、硬化された構造体の中から取り外され得る。
【０００３】
米国特許出願公開第２００２／０１９０４３９号では、このようなプロセスが、ゴルフクラブヘッドの製造に関連し記載されている。しかしながら、ブラダーの膨張では、型によって画定された鋭いコーナーの中に樹脂含浸繊維材料を導き、それから、硬化サイクル中に、コーナー内に十分な圧力下で材料を配置し保持することができないため、このようなプロセスは、フレームなどの鋭いコーナーを有する中空の物品の製造には適さない。加えて、ブラダーが、成形完了後に収縮され、成形品から取り外され得る手段を提供することが必要である。更に、航空宇宙部品の生産などの応用分野の一部は、成形中に高圧を必要とし、これらは膨脹式ブラダーを使用して達成することが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００２／０１９０４３９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
鋭いコーナーを画定するピースが別々に成形され、後に接合され得ることも提案されている。これは、しかしながら、時間のかかるプロセスであり、物品の全周囲にわたり均一な特性（張力など）を有する物品を生産しない。詳細には、物品は、コーナーで接合線を含むことになり、弱い箇所をもたらすことになり得、体裁も悪くなる恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、従って、これらの困難性を克服し、且つ／又は、一般的に改良をもたらす型及び成形プロセスを提供する。
【０００７】
本発明によれば、添付する特許請求の範囲のいずれか一項に定義されるような型、プロセス、及び構成部品が提供される。
【０００８】
本発明は、頂部、基部、及び側壁によって画定された、硬化性樹脂を含浸させた繊維材料を保持するためのキャビティと、内部インサートとを備える、物品を生産するための型を提供し、インサートの外壁は、インサートの寸法を変更し、それにより、繊維材料に圧力をかけるためにインサートに向かって、又、離れるように互いに独立して動くことができる分離体（ｓｅｃｔｉｏｎ）であり、型は、樹脂を硬化させる手段を更に備える。
【０００９】
インサートは、インサートの寸法変化に適合する可撓性のエンベロプなどのエラストマー包囲体（ｓｕｒｒｏｕｎｄ）又はカバーにより包囲されている。これにより、表面欠陥が防止され、成形された物品の内側に滑らかな表面を結果としてもたらす。好ましくは、包囲体又はカバーは、熱硬化性樹脂に対し自己解放型（ｓｅｌｆ  ｒｅｌｅａｓｉｎｇ）であり、且つ／又は、包囲体又はカバーは、内部インサートの中への樹脂の進入を防止する障壁として作用する。エラストマー包囲体又はカバーは、１から６４ショア以上の全てのショア度のシリコンゴム、合成ゴム（例えばＶＩＴＯＮ（登録商標））を含むことができる。インサートは、金属から作製され得るが、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）／ＰＴＦＥのような他の種類の材料が使用されてもよい。
【００１０】
インサートは、インサート分離壁（ｉｎｓｅｒｔ  ｓｅｃｔｉｏｎａｌ  ｗａｌｌ）と係合してそれらを動かすパンチによって作動される。インサートの分離壁は、円形及び／又は湾曲した連続的な形状とすることができる。
【００１１】
本発明は、熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた繊維材料を成形及び硬化させるためのプロセスであって、頂部と、基部と、互いに独立して動くことができる分離体である側壁とを有する型内にインサートを配置するステップと、熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた繊維材料の層を、インサートとキャビティの外壁との間に提供するステップと、型の頂部を所定の位置に配置し、側壁の各分離体とインサートとの間で繊維材料の層を圧縮するために、側壁の分離体を独立して動かすステップと、熱硬化性樹脂を、キャビティの側壁とインサートとの間で圧縮されている間に加熱し、硬化させるステップとを備える、プロセスを更に提供する。
【００１２】
本発明の型及びプロセスは、コーナーを有する、特に、成形品の隣接するセグメント間に１から９０度、好ましくは１から６０度、より好ましくは２０から４０度を有するような鋭いコーナーを有する成形品の生産に特に適する。更に、本発明は、中空の物品の生産にも特に適する。
【００１３】
好ましい実施例では、分離したインサート壁は、くさび形状を提供するようにテーパー状にされ、そのため、壁が、それらがパンチと係合すると、個々に又はそれらの複数のくさび形の分離体が、連続的な周辺成形面を提供するように、熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた繊維材料を、インサートに対し圧縮し成形するために内方へ動かされ得る。これは、熱硬化性樹脂に埋め込まれた繊維材料がインサートの周囲で連続的に圧縮され、樹脂については、この圧縮状態にあるときに硬化されることを可能にする。型の頂部は可動であり、インレット及び繊維材料の挿入を可能にし、下方に押され、成形中に垂直な下方の圧力をかけることができるプレスとしてとして作用する。
【００１４】
型の寸法及び形状は、生産される物品の形状に応じて選択されることになる。例えば、生産される物品が長方形のフレームの場合、インサートは長方形となり、型の側壁は、フレームの各側に１つずつ、４つのくさび形状部分を好ましくは備える。同様に、物品が三角形の場合、インサートは三角形の形状となり、型の側壁は、３つのくさび形状部分を備える。同様の設計が、多面の中空の成形品の生産に用いられ得る。型の様々な側面の長さは、同じであっても、異なっていてもよい。くさび形状は、パンチの表面と係合し、分離したインサート壁に圧力をかけ、それにより、インサートを拡張させる。
【００１５】
本発明の型は、典型的には、硬化鋼などの金属から作製され、樹脂の硬化サイクルを有効にする時限式加熱手段を備える。
【００１６】
本発明による好ましい成形技術では、型の頂部と基部との間の距離はロックされ、これにより、インサート側壁構成部品の内方への動きによってかけられた横方向の圧力が、成形材料に向けられることが確実となる。インサート壁は、そのとき、成形材料に８０から１２０バールの圧力をかけながら内方へ動かされる。圧力は、樹脂含浸繊維材料が、型の側壁間のコーナーの中を含め、型のキャビティ全体の中に確実に押し込まれるのに十分なものとする。所望の圧力、従って、必要な分配が達成されると、樹脂は、典型的には等温的に硬化される。耐熱性の航空宇宙部品を生産するとき、典型的な、しかし限定的ではない硬化温度は、１６０℃から２００℃、特に１７５℃から１８５℃である。この技術は、鋭いコーナーを有するものを含め、卓越した成形品を生産することが見出されている。
【００１７】
本発明は、硬化性樹脂に埋め込まれた繊維材料を含むあらゆる材料の成形に使用され得る。本発明は、シート状成形複合材料（ｍｏｕｌｄｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）などの成形複合材料から、又はプリプレグ若しくはセミプレグから物品を生産するのに特に有用である。材料は、型の中への導入前にプリフォームに加工され得、又は、それは、型内のインサートの周囲に層（１つ又は複数の層を含んでもよい）として提供され得る。成形複合材料が使用される場合、まず物品のプリフォームを生成し、それから、型の中に挿入されるのが好ましい。
【００１８】
本発明が、繊維強化樹脂材料を基にしたプリフォームの硬化で使用される場合、中空の物品のプリフォームは、未硬化又は部分的に硬化された樹脂のマトリックス内の繊維材料から準備され得る。その場合、インサートは、拡張可能なインサートと型のキャビティとの間でプリフォームが成形されることを可能にするような形状にされ、プリフォーム内に提供され得る。プリフォーム及びインサートは、本発明の型のキャビティの中に挿入され得、それにより、インサートの拡張は、パンチとインサートの可動分離要素との接触によって制御される。そして、樹脂を硬化させ、完成物品を生産するために、型は加熱され得るか、又は、型は、硬化温度に保たれる。そして、型の側壁がそれらの元の位置に戻され得、成形された物品が型から取り外されることが可能となる。そして、インサートは、次の成形品を生産するために再利用され得る。
【００１９】
本発明に従って成形され得る１つの成形複合材料は、樹脂を含浸させた、一方向テープ（ｕｎｉｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ  ｔａｐｅ）のランダムに配向されたセグメントを備える。これらは、擬似等方性細断材料又はプリプレグと呼ばれることもある。擬似等方性細断プリプレグは、ランダムな不連続繊維複合体（ＤＦＣ）の形態であり、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｄｕｂｌｉｎ、ＣＡ）からＨｅｘＭＣ（登録商標）及びＨｅｘＭＣ（登録商標）−ｉの商品名で市販されている。ＨｅｘＭＣ（登録商標）は、航空宇宙物品の生産に特に有用である。
【００２０】
擬似等方性（Ｑ−Ｉ）材料又はプリプレグは、テープなどの一方向繊維のセグメント又は「チップ」と、樹脂マトリックスとから構成される。Ｑ−Ｉ材料は、典型的には、細断された一方向テーププリプレグのランダムに配向されたチップから構成されたマットとして供給されるが、セミプレグ、トウプレグ、テープ、又はそれらの組み合わせから少なくとも部分的に得られてもよい。Ｑ−Ｉ材料は、テープの耳部などのリサイクル材料から少なくとも部分的に得られてもよい。チップのサイズは、プリフォームのサイズ及び形状、並びに、もしあれば寸法公差を満たすためにどのくらい正確にプリフォームを機械加工しなければならないかに応じて、繊維の種類と同様に変えてもよい。チップは、幅０．８５ｃｍ（１／３インチ）、長さ５．０８ｃｍ（２インチ）、厚さ０．０１５ｃｍ（０．００６インチ）であることが好ましい。チップは、炭素、ガラス、アラミド、ポリエチレン、又は航空宇宙産業で一般的に使用される任意の繊維種類であり得る一方向繊維を含む。炭素繊維が好ましい。チップは、マット内にランダムに配向されており、それらは、比較的平坦になっている。これにより、マットに、その横方向に等方的な特性が備わる。
【００２１】
チップ又はセグメントを形成するために細断された、一方向繊維を含有するテープは、一般的にプリプレグで使用される任意の樹脂であり得る樹脂マトリックスを含む。ビスマレイミド樹脂及び熱硬化性エポキシ樹脂は、好適な樹脂の実例である。ビスマレイミド樹脂は、高温に耐える必要がある航空宇宙部品の生産において特に有用である。最終の複合部品の機械加工が必要な場合、熱可塑性物質で強靱化されたエポキシ樹脂も、それらが、割れ又は剥離に対してより耐性がある傾向があるため好ましい。チップの樹脂含有量は、プリプレグの総重量の２５から４５重量％間で変えてもよい。樹脂含有量が３５から４０重量％であるチップが好ましい。擬似等方性細断プリプレグを形成するとき、典型的には、追加的な樹脂はプリプレグチップに加えられない。最初のＵＤテーププリプレグに存在する樹脂は、マットを形成するためにチップを互いに接合するのに十分である。本発明に従ってこれらの材料から成形品が作製されるとき、物品のプリフォームを最初に作製し、次いで、これが本発明に従って成形されるのが好ましい。
【００２２】
擬似等方性（Ｑ−Ｉ）細断材料又はプリプレグは、所望の幅の一方向プリプレグテープ又はトウから作製され得る。テープ又はトウは、所望の長さのチップに細断され、チップは、プリフォームの中実部分を形成するために数層にランダムに置かれるか、又は、マンドレルの周囲に均一な層でランダムに置かれる。ランダムに配置されたＵＤプリプレグチップは、プリフォームを形成するために一緒にプレスされる。プリフォームは、プリフォーム内にマンドレルが存在する場合、Ｑ−Ｉプリプレグチップから全体的に構成されてもよい。代替え的には、プリフォームの一部分のみを形成するためにランダムに配向されたＵＤプリプレグチップが使用され、他の部分はＵＤプリプレグ及び／又は他の繊維配向部から構成されてもよい。一緒にプレスされる際に、個々のランダムに配向されたＵＤプリプレグチップは、プリプレグ樹脂が存在するので、本質的に互いに接合される。
【００２３】
例示的な好ましい擬似等方性細断プリプレグ材料は、ＨｅｘＭＣ（登録商標）８５５２／ＡＳ４である。この擬似等方性細断プリプレグ材料は、幅４６ｃｍ、厚さ０．２０ｃｍのマットの連続状ロールとして供給される。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２／ＡＳ４一方向繊維プリプレグは、擬似等方性マットにランダムに配向されるチップを作製するために使用される。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２／ＡＳ４プリプレグは、厚さ０．０１６ｃｍで、約１４５グラム／平方メートルの繊維目付を有する炭素繊維／エポキシ一方向テープである。テープの樹脂含量は３８重量％であり、この樹脂（８５５２）は、熱可塑性強靱化エポキシである。テープは、０．８５ｃｍの細片を提供するためにスリット加工され、長さ５ｃｍのチップを提供するために細断される。チップ密度は、約１．５２グラム／立方センチメートルである。他の例示的な擬似等方性細断プリプレグは、ＥＭＣ１１６／ＡＳ４（エポキシ／炭素繊維）、８５５２／ＩＭ７（熱可塑性強靱化エポキシ／炭素繊維）、３５０１−６／Ｔ６５０（エポキシ／炭素繊維）、及びＭ２１／ＩＭ７（熱可塑性強靱化エポキシ／炭素繊維）などの他のＨｅｘＰｌｙ（登録商標）一方向プリプレグテープを用いて作製され得る。ＨｅｘＭＣ（登録商標）８５５２／ＡＳ４及びＭ２１／ＴＭ７は、本発明で使用されるプリフォームを形成するための、単独で、又は、他の繊維配向部と組み合わせて使用するのに好ましい擬似等方性細断プリプレグである。ＨｅｘＭＣ（登録商標）の形態の樹脂と繊維要素との他の組み合わせは、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎより供給されるようなＢＭＩ（ビスマレイミド樹脂）、Ｍ６５−２、及びＭ７７などの樹脂マトリックスを含むことができる。
【００２４】
本発明で使用されるプリフォームを製造するために、繊維織物及び他の繊維配向部が、ランダムに配向されたＵＤプリプレグチップと組み合わせて使用され得る。しかしながら、一方向繊維が使用されることが好ましい。ＵＤ繊維は、数百のフィラメントから１２，０００以上のフィラメントを含有することができ、ＵＤ繊維は、典型的には、一方向配向の連続繊維から構成されたテープとして供給され、ＵＤテープは、繊維構造体を形成するのに使用される好ましい種類のプリプレグである。一方向テープは、商業的供給源から入手することができるが、周知のプリプレグ形成プロセスを用いて製作されても良い。ＵＤテープの寸法は、作製される特定の物品に応じて様々に変えてもよい。例えば、ＵＤテープの幅（ＵＤ繊維に垂直な寸法）は、１．２７ｃｍ（０．５インチ）から３０．４８ｃｍ（１フィート）以上の範囲とすることができる。テープは、典型的には、０．０１から０．０３ｃｍ（０．００４から０．０１２インチ）の厚さであり、ＵＤテープの長さ（ＵＤ繊維に平行な寸法）は、プリフォームのサイズ及び形状、並びに、プリフォーム内でのＵＤテープの各ピースの特定の配向に応じて、１．３ｃｍ（０．５インチ）から１ｍ（数フィート）以上まで変えることができる。
【００２５】
好ましい例示的な市販の一方向プリプレグは、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｄｕｂｌｉｎ、Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）から入手できるＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２である。ＨｅｘＰｌｙ（登録商標）８５５２は、３４から３８重量％の範囲にある量のアミン硬化強靱化エポキシ樹脂マトリックスと、３，０００から１２，０００のフィラメントを有する炭素又はガラスＵＤ繊維とを含有する、様々な一方向テープ構成において入手可能である。繊維は、典型的には、ＵＤテープの６０体積パーセントを占める。好ましいＵＤ繊維は炭素繊維である。
【００２６】
代替え的には、本発明に従って成形される硬化性樹脂のマトリックス内の繊維材料は、プリプレグ及びセミプレグの層の積層体であるプリプレグ又はセミプレグとすることができる。
【００２７】
プリプレグ又はセミプレグという用語は、本明細書では、繊維材料に液体樹脂を所望の程度まで含浸させ、液状樹脂が実質的に未硬化か、又は部分的に硬化されている、成形材料又は構造体を説明するために使用される。
【００２８】
プリプレグ内の樹脂の含浸度は、給水試験（ｗａｔｅｒ  ｐｉｃｋ  ｕｐ  ｔｅｓｔ）によって測定され得る。給水試験は以下のように実施される。６つのプリプレグの細片を、１００（＋／−１から２）ｍｍ×１００（＋／−１から２）ｍｍのサイズに切断する。全ての裏当てシート材料を取り除く。サンプルを、０．００１ｇ近くに秤量する（Ｗ１）。次いで、細片を、ＰＴＦＥで裏当てされたアルミニウムプレート間に、１５ｍｍのプリプレグ細片がＰＴＦＥで裏当てされたプレートの組立体から一端で突出し、プリプレグの繊維配向が、細片の突出部に沿って延在するように配置する。クランプを細片の反対の端部に設置し、５ｍｍの突出部を、２３℃の温度、５０％＋／−３５％の相対空気湿度、及び２３℃の周囲温度の水に浸漬する。５分間浸漬した後、サンプルを水から取り出し、外側の水を吸取紙で全て取り除く。次いで、サンプルを再び量る（Ｗ２）。次いで、６つのサンプルの測定重量を以下のように平均することにより、吸水率ＷＰＵ（％）を計算する：ＷＰＵ（％）＝［（＜Ｗ２＞−＜Ｗ１＞）／＜Ｗ１＞）×１００。ＷＰＵ（％）は、樹脂含浸度（ＤＲＩ：Ｄｅｇｒｅｅ  ｏｆ  Ｒｅｓｉｎ  Ｉｍｐｒｅｇｎａｔｉｏｎ）を示す。
【００２９】
本発明で使用されるプリプレグ又はセミプレグは、材料又は構造体の２０から５０重量％、好ましくは３０から４０重量％、より好ましくは３２から３８重量％の範囲にある樹脂含浸濃度を有することができる。
【００３０】
給水に加え、本発明に従って成形される材料は、それらの全体的な樹脂含量及び／又はその繊維体積によって特徴付けられ得る。材料の樹脂及び繊維含量は、一方向炭素を含まない繊維材料を含有する成形材料又は構造体については、ＩＳＯ  １１６６７（方法Ａ）に従って決定される。一方向炭素繊維材料を含有する材料の樹脂及び繊維含量は、ＤＩＮ  ＥＮ２５５９Ａ（コードＡ）に従って決定される。炭素繊維材料を含有する成形材料の樹脂及び繊維含量は、ＤＩＮ  ＥＮ２５６４Ａに従って決定される。
【００３１】
成形材料の繊維及び樹脂体積％は、繊維及び樹脂の重量％から、重量％を樹脂及び繊維のそれぞれの密度で除算することによって決定され得る。
【００３２】
典型的には、本発明に従って成形され得る未硬化材料に関する重量による樹脂含量の値は、複合体の１５から７０重量％、複合体の１８から６８重量％、複合体の２０から６５重量％、複合体の２５から６０重量％、複合体の２５から５５重量％、複合体の２５から５０重量％、複合体の２５から４５重量％、複合体の２５から４０重量％、複合体の２５から３５重量％、複合体の２５から３０重量％、複合体の３０から５５重量％、複合体の３５から５０重量％の範囲、及び／又は前述の範囲の組合せである。
【００３３】
典型的には、本発明に従って成形され得る材料に関する体積による樹脂含量の値は、複合体の１５から７０体積％、複合体の１８から６８体積％、複合体の２０から６５体積％、複合体の２５から６０体積％、複合体の２５から５５体積％、複合体の２５から５０体積％、複合体の２５から４５体積％、複合体の２５から４０体積％、複合体の２５から３５体積％、複合体の２５から３０体積％、複合体の３０から５５体積％、複合体の３５から５０体積％の範囲、及び／又は前述の範囲の組合せである。
【００３４】
本発明に従って成形されるプリプレグ内の繊維材料としてトウが用いられる場合、それらは、複数の個々のフィラメントから構成され得る。単一のトウ内には、数千もの個々のフィラメントが存在し得る。トウ及びトウ内のフィラメントは、一般的には一方向であり、個々のフィラメントが実質的に平行に整列されている。好ましい実施例では、本発明の成形材料又は構造体内のトウは、実質的に互いに対し平行であり、構造体の加工について用いられる進行方向に沿って延在する。典型的には、トウ内のフィラメントの数は、２，５００から１０，０００〜５０，０００以上の範囲とすることができる。約２５，０００の炭素フィラメントのトウは、Ｔｏｒａｙから入手することができ、約５０，０００の炭素フィラメントのトウは、Ｚｏｌｔｅｋから入手することができる。代替え的には、炭素繊維は、Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉによって供給されるＧｒａｆｉｌ（商標）を含むことができる。
【００３５】
本発明に従って成形される材料は、複数層、場合によっては６０もの層、典型的には２から８層のプリプレグ又はセミプレグを備えることができる。トウの内部が少なくとも部分的に樹脂を含まない（ｒｅｓｉｎ  ｆｒｅｅ）ベールを層内で使用することで、空気通気路又は構造体を提供し、その結果、プリプレグのトウ内に存在し得る空気は、樹脂により構造体内に閉じ込められず、本発明の成形プロセス中に逃れることができる。空気は、トウの長さに沿って逃れることができる。更に、トウのフィラメント間に空間を設けることで、スタック形成中に閉じ込められた空気が、成形中に逃れることが可能となる。
【００３６】
本発明に従って成形される樹脂含浸繊維材料で使用される樹脂は、任意の硬化性樹脂である。樹脂の実例は、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、及びビスマレイミド樹脂である。好ましい樹脂は、硬化剤と、任意選択で促進剤とを含有し得る、通常入手することができるエポキシ樹脂である。ジシアンジアミドは、尿素系促進剤と共に使用され得る典型的な硬化剤である。使用されるべき硬化剤とエポキシ樹脂の相対量は、樹脂の反応性並びに材料内の繊維強化材の性質及び量による。エポキシ樹脂の重量を基にし、典型的には０．５から１０重量％の尿素系又は尿素由来硬化剤が使用される。
【００３７】
本発明で使用され得るプリプレグは、繊維材料に樹脂を含浸させることによって生産され得る。樹脂の粘度及び含浸に用いられる条件は、所望の含浸度を可能にするように選択される。含浸中に樹脂は、０．１Ｐａ．ｓから１００Ｐａ．ｓ、好ましくは６から１００Ｐａ．ｓ、より好ましくは１８から８０Ｐａ．ｓ、更により好ましくは２０から５０Ｐａ．ｓの粘度を有することが好ましい。含浸速度を上げるために、樹脂の粘度が低下されるように、高められた温度でプロセスが実行されてもよい。しかしながら、樹脂の早すぎる硬化が生じる程十分長い時間、熱過ぎてはならない。従って、含浸プロセスは、好ましくは、４０℃から１１０℃、より好ましくは６０℃から８０℃の範囲の温度で実行される。プリプレグの樹脂含量は、硬化後に構造体が、３０から４０重量％、好ましくは３１から３７重量％、より好ましくは３２から３５重量％の樹脂を含有するようなものであることが好ましい。樹脂と繊維強化材の相対量、含浸ラインスピード、樹脂の粘度、及び繊維強化材の密度は、繊維材料の所望の含浸度を達成するため、且つ、個々のフィラメント間に樹脂に占められていない空間を残すために相関すべきである。代替え的には、樹脂は、粉末状の固体として供給されてもよい。
【００３８】
成形複合材料、プリプレグ、又はセミプレグなどの本発明で使用される全ての成形材料で使用される樹脂は、好ましくはエポキシ樹脂であり、それらは、好ましくは１５０から１５００の範囲のエポキシ当量（ＥＥＷ）、好ましくは２００から５００の範囲のＥＥＷなどの高反応性を有し、樹脂組成物は、樹脂と、促進剤又は硬化剤とを含む。好適なエポキシ樹脂は、単官能性、二官能性、三官能性、及び／又は四官能性エポキシ樹脂から選択される２つ以上のエポキシ樹脂のブレンドを含むことができる。
【００３９】
好適な二官能性エポキシ樹脂は、例えば、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル（任意選択で臭素化されている）、フェノール及びクレゾールエポキシノボラック、フェノール−アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、脂肪族ジオールのグリシジルエーテル、ジグリシジルエーテル、ジエチレングリコールジグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族ポリグリシジルエーテル、エポキシ化オレフィン、臭素化樹脂、芳香族グリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジン及びアミド、グリシジルエーテル、フッ素化エポキシ樹脂、グリシジルエステル、又はそれらの任意の組み合わせに基づくものを含む。
【００４０】
二官能性エポキシ樹脂は、ビスフェノールＦのジグリシジルエーテル、ビスフェノールＡのジグリシジルエーテル、ジグリシジルジヒドロキシナフタレン、又はそれらの任意の組み合わせから選択され得る。
【００４１】
好適な三官能性エポキシ樹脂は、例えば、フェノール及びクレゾールエポキシノボラック、フェノール−アルデヒド付加物のグリシジルエーテル、芳香族エポキシ樹脂、脂肪族トリグリシジルエーテル、二脂肪族トリグリシジルエーテル、脂肪族ポリグリシジルアミン、複素環式グリシジルイミジン及びアミド、グリシジルエーテル、フッ素化エポキシ樹脂、又はそれらの任意の組み合わせに基づくものを含むことができる。好適な三官能性エポキシ樹脂は、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ（Ｍｏｎｔｈｅｙ、Ｓｗｉｔｚｅｒｌａｎｄ）から、商品名ＭＹ０５００及びＭＹ０５１０（トリグリシジルパラ−アミノフェノール）並びにＭＹ０６００及びＭＹ０６１０（トリグリシジルメタ−アミノフェノール）で入手することができる。トリグリシジルメタ−アミノフェノールは、Ｓｕｍｉｔｏｍｏ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏ．（Ｏｓａｋａ、Ｊａｐａｎ）から商品名ＥＬＭ−１２０でも入手することができる。
【００４２】
好適な四官能性エポキシ樹脂は、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラグリシジル−ｍ−キシレンジアミン（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ  Ｇａｓ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙから名称Ｔｅｔｒａｄ−Ｘで、及び、Ｅｒｉｓｙｓ  ＧＡ−２４０としてＣＶＣ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから市販されている）、及び、Ｎ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’−テトラグリシジルメチレンジアニリン（例えば、Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  ＭａｔｅｒｉａｌｓからＭＹ０７２０及びＭＹ０７２１）を含む。他の好適な多官能性エポキシ樹脂は、ＤＥＮ４３８（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ、Ｍｉｄｌａｎｄ、ＭＩから）、ＤＥＮ４３９（Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから）、Ａｒａｌｄｉｔｅ  ＥＣＮ  １２７３（Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓから）、及び、Ａｒａｌｄｉｔｅ  ＥＣＮ  １２９９（Ｈｕｎｔｓｍａｎ  Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓから）を含む。
【００４３】
使用されるエポキシ樹脂組成物は、好ましくは１つ又は複数の尿素系硬化剤も含み、エポキシ樹脂の重量を基にし、０．５から１０重量％、より好ましくは１から８重量％、より好ましくは２から８重量％の硬化剤を使用することが好ましい。好ましい尿素系材料は、商業上の名称Ｕｒｏｎｅ（登録商標）で入手することができる材料の範囲のものである。硬化剤に加えて、潜在性アミン系硬化剤などの好適な促進剤、ジシアノポリアミド（ＤＩＣＹ）などがある。
【００４４】
好ましくは、樹脂材料は、１×１０６Ｐａから１×１０７Ｐａ、より好ましくは２×１０６Ｐａから４×１０６Ｐａの貯蔵弾性率Ｇ′を有する。
【００４５】
好ましくは、樹脂材料は、５×１０６Ｐａから１×１０７Ｐａ、より好ましくは７×１０６Ｐａから９×１０６Ｐａの損失弾性率Ｇ″を有する。
【００４６】
好ましくは、樹脂材料は、５×１０５Ｐａ．ｓから１×１０７Ｐａ．ｓ、より好ましくは７．５×１０５Ｐａ．ｓから５×１０６Ｐａ．ｓ、より好ましくは１×１０６Ｐａ．ｓから２×１０６Ｐａ．ｓの複素粘度を有する。
【００４７】
好ましくは、樹脂材料は、８０℃にて５から３０Ｐａ．ｓ、より好ましくは１０から２５Ｐａ．ｓの粘度を有する。好ましくは、樹脂材料はエポキシ樹脂である。
【００４８】
更に、上述したように、成形材料内、特に表面仕上げ層の樹脂の粘度は、相対的に高い。これは、高められた温度、典型的な硬化温度が８０℃以上であるが、例えば７５℃よりも高い温度で典型的に実施される硬化段階前に、低い又は無視できる程の流動特性を樹脂が示し、成形品の表面仕上げを向上させることをもたらす。表面仕上げ層内の樹脂材料は、好ましくは８０℃で５から３０Ｐａ．ｓ、より好ましくは８０℃で１０から２５Ｐａ．ｓの粘度を有する。本明細書において、硬化サイクル中の樹脂の流動粘度は、使い捨ての直径２５ｍｍのアルミニウムプレートを有するＴＡ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ  ＡＲ２０００レオメータを使用し測定した。測定は、以下の設定で実施した：３．２５９Ｐａのせん断応力で、２℃／ｍｍで３０から１３０℃に温度を上昇させ、ギャップは１０００マイクロメートルである。
【００４９】
本発明に従って成形される材料に使用される繊維材料は、クラックの入った（即ち、延伸破断された）、選択的に不連続、又は連続のフィラメントを含み得るマルチフィラメントトウとすることができる。フィラメントは、炭素、玄武岩繊維、グラファイト、ガラス、金属化ポリマー、アラミド、及びそれらの組み合わせなどの広範囲の材料から作製され得る。ガラス及び炭素繊維のトウが好ましく、炭素繊維のトウは、航空宇宙部品、及び、５０から６０メートルなどの４０メートル超の長さの風力タービンシェルに好ましい。構造繊維は、多数の一方向の個々の繊維から構成された個々のトウである。典型的には、繊維は、円形又はほぼ円形の断面を有し、炭素のものについては直径が３から２０μｍ、好ましくは５から１２μｍの範囲である。ガラスを含む他の繊維については、直径は、３から６００μｍ、好ましくは１０から１００μｍの範囲とすることができる。異なるトウが、本発明に従って成形される材料の異なる層に使用され得、最終の硬化された物品に必要とされる特性に従って、異なる複合体が共に使用され得る。
【００５０】
例示的な繊維は、ガラス、炭素、グラファイト、ホウ素、セラミック、及びアラミドを含む。好ましい繊維は、炭素及びガラス繊維である。ハイブリッド又は混合繊維系も考えられ得る。クラックの入った（即ち、延伸破断された）又は選択的に不連続の繊維を使用することは、本発明による製品の積層を促進し、その成形性能を改良するのに有利となり得る。一方向繊維配列が好ましいが、他の形態も使用され得る。典型的な織物形態には、単純な織布、編布、綾織布、及び朱子織物、並びに非捲縮織物（ｎｏｎ−ｃｒｉｍｐ  ｆａｂｒｉｃ）が含まれる。不織又は非捲縮繊維層を使用することも考えられ得る。繊維強化材内の繊維の表面質量は、一般的には８０〜４０００ｇ／ｍ２、好ましくは１００〜２５００ｇ／ｍ２、特に好ましくは１５０〜２０００ｇ／ｍ２である。１トウ当たりの炭素フィラメントの数は、３０００から３２０，０００、更に好ましくは６，０００から１６０，０００、最も好ましくは１２，０００から４８，０００まで変えることができる。繊維ガラス強化材の場合、６００〜２４００テックスの繊維が特に適している。
【００５１】
一方向繊維トウの例示的な層は、ＨｅｘＴｏｗ（登録商標）炭素繊維及び／又はＡＳ４から作製され、それらはＨｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手することができる。一方向繊維トウを作製する際に使用するのに好適なＨｅｘＴｏｗ（登録商標）炭素繊維は、６，０００又は１２，０００のフィラメントを含有し、重さがそれぞれ０．２２３ｇ／ｍと０．４４６ｇ／ｍであるトウとして入手できるＩＭ７炭素繊維、１２，０００のフィラメントを含有し、重さが０．４４６ｇ／ｍから０．３２４ｇ／ｍであるトウとして入手できるＩＭ８〜ＩＭ１０炭素繊維、及び、１２，０００のフィラメントを含有し、重さが０．８００ｇ／ｍであるトウで入手できるＡＳ７炭素繊維を含み、８０，０００又は５０，０００（５０Ｋ）までのフィラメントを含有するトウは、Ｔｏｒａｙから入手できる約２５，０００のフィラメントを含有するもの、及び、Ｚｏｌｔｅｋから入手できる約５０，０００のフィラメントを含有するものなどが使用され得る。トウは、典型的には、３から７ｍｍの幅を有し、トウを保持し、それらを平行且つ一方向に維持する櫛を用いた装置上に、含浸のために供給される。
【００５２】
プリプレグ層のトウには、トウ間に樹脂が存在するように樹脂を含浸させる。含浸は、トウの層の第１の側面が樹脂で濡らされ、一方で、第２の側面は乾いたままであるように制御され得る。代替え的には、樹脂が、トウ内の個々のフィラメント間の全ての空間を満たさないのであれば、両側面が樹脂で濡らされてもよい。本発明で使用されるプリプレグは、主に、樹脂と、マルチフィラメントトウとから構成されることが好ましい。
【００５３】
エポキシ樹脂は、硬化すると脆くなる場合があり、耐久性を付与するために強靱化材料が樹脂と共に含められ得る。追加の強靭化材料がポリマーである場合、室温で、及び樹脂が硬化される高められた温度では、マトリックスエポキシ樹脂に不溶性であるべきである。熱可塑性ポリマーの融点に応じて、それは、高められた温度での樹脂の硬化中に様々な程度に溶融又は軟化され得、硬化された層が冷却されるにつれて、再度固化し得る。好適な熱可塑性物質は、樹脂に溶解すべきでなく、ポリアミド（ＰＡＳ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、及びポリエーテルイミド（ＰＥＩ）などの熱可塑性物質を含む。ナイロン６（ＰＡ６）及びナイロン１２（ＰＡ１２）などのポリアミド、並びにそれらの組み合わせが好ましい。
【００５４】
本発明は、様々な中空の構成部品の生産に適用可能である。それは、しかしながら、高温耐性が必要とされる逆推力装置などの航空機エンジン構成部品の生産に特に有用であり、この場合、Ｅｖｏｎｉｋにより供給されるものなどのビスマレイミド樹脂が好ましい。本発明は、１０から１２０バール、好ましくは４０から１２０バールで、１６０℃から２５０℃、好ましくは１６０℃から２００℃の温度での成形などの高圧成形を必要とする材料にも有用である。
【００５５】
添付の図面を参照し本発明を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明による長方形の型を示す図である。
【図２】図１の型の側壁を示す図である。
【図３】本発明に従って成形される樹脂マトリックス内の繊維材料を含有する、図２の型を示す図である。
【図４】本発明のプロセスの実施例によって逆推力装置要素を生産するための型を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００５７】
図１は、基板（１）と、インサート（２）と、基板に設けられた中央パンチ（３）とを備えるプロトタイプの型の一部を示し、頂板は図示されていない。インサートを包み込む拡張可能なエラストマー包囲体、又は膜、又はカバーも図示されていない。この包囲体は、拡張可能なインサートの表面に適合し、成形された物品の内側の滑らかな表面及び良好な解放性を保証する。
【００５８】
図２は、図１に示される型の一部上に設けられた、独立して動くことができる側壁（４）、（５）、（６）、及び（７）を示し、図３は、インサートと、硬化性セクション（８）のマトリックス内の繊維材料とを含有する、頂板を除いた完全な型を示す。
【００５９】
図３は、繊維材料及びインサートの挿入後、頂板が存在した場合にシステムがどのようであるかを示す。頂板は、基部から一定の距離でロックされ、それにより、図３に示されるように、側壁がそれらの成形位置（９）、（１０）、（１１）、及び（１２）まで動くと、成形材料がコーナーの中に押し込まれる。
【００６０】
使用時に、熱硬化性樹脂のマトリックスに埋め込まれた繊維材料の層が、インサートとキャビティの外壁との間に配置され、頂部がキャビティの上に配置され、インサート壁の分離体が、インサートの各分離側壁とキャビティの外壁との間で繊維材料の層を圧縮するように独立して動かされ、インサート及び組立体が加熱され、熱硬化性樹脂を、キャビティの壁とインサートとの間で圧縮されている間に硬化させる。
【００６１】
図１から３に示される型は、頂板と、頂蓋と、パンチとを含む。頂板及び頂蓋は、ばねシステムで連動する。順を追って、頂蓋が可動側壁の上を閉じ、ロックされた圧縮チャンバを生成する。ばねシステムは、パンチが、それがインサート側壁に達するまで下げられて動く間、蓋の上への圧力を維持する。側壁のテーパリングが、インサート側壁を同時に内方へ動かし、繊維材料へ圧力をかける。
【００６２】
図４は、カスケード逆推力装置で使用され得る多重インサートの製造を示す。薄い色の部分は、インサートの一部を形成しない追加の成形部分である。
【００６３】
図２に示される一連の事象と同様に、型の移動する側壁（４、５、６、及び７）が最終の位置に動かされ、続いて、インサート側壁が、それらの成形位置に動かされる。これにより包囲している材料に圧力をかけ、その結果、伸縮性の膜が、インサート側壁と材料との間に境界面を形成する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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