(57)【要約】  一方向不連続繊維複合（ＵＤ−ＤＦＣ）成形配合物の圧縮成形の間の、ＵＤ−ＤＦＣチップの広域的及び局所的動きの両方の追跡。追跡能力は、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物中にトレーサーチップを含ませることに得られる。トレーサーチップには、樹脂マトリクスと、複数の炭素フィラメントから構成される少なくとも１つの一方向炭素トウが含まれる。トレーサーチップには、Ｘ線又は他の放射線系走査技術により検出可能な複数の一方向フィラメントから構成される一方向トレーサーヤーンが更に含まれる。
2017519069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方向不連続繊維複合成形配合物の圧縮成形にて使用するためのトレーサーチップであって、前記トレーサーチップが：
複数の一方向炭素フィラメントを含む一方向炭素トウ；
複数の一方向検出可能フィラメントを含む一方向トレーサーヤーンであって、前記一方向炭素トウが、前記一方向トレーサーヤーンに近接して且つ平行して位置する上記一方向トレーサーヤーン；及び
樹脂マトリクス、
を含む、上記トレーサーチップ。
【請求項２】
前記一方向トレーサーヤーンが、複数のガラスフィラメントを含む、請求項１に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物の圧縮成形にて使用するためのトレーサーチップ。
【請求項３】
１つの一方向トレーサーヤーンのみが、前記トレーサーチップ中に位置する、請求項１に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物の圧縮成形にて使用するためのトレーサーチップ。
【請求項４】
１つから５つの一方向炭素トウが、前記トレーサーチップ中に位置する、請求項１に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物の圧縮成形にて使用するためのトレーサーチップ。
【請求項５】
前記トレーサーチップが、矩形チップの形状である、請求項１に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物の圧縮成形にて使用するためのトレーサーチップ。
【請求項６】
前記一方向検出可能フィラメントが、Ｘ線撮像により検出可能である、請求項１に記載の一方向不連続繊維（複合）成形配合物の圧縮成形にて使用するためのトレーサーチップ。
【請求項７】
一方向不連続繊維複合成形配合物であって、
前記一方向不連続繊維複合成形配合物が、前記トレーサーチップを含むトレーサー層の形態であるように、前記トレーサーチップが同一平面配置をとる、請求項１に記載の複数のトレーサーチップを含む、一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項８】
前記トレーサー層が、複数の炭素繊維を含む一方向炭素トウを含む複数の炭素繊維チップを更に含む、請求項７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項９】
前記一方向トレーサーヤーンが、複数のガラスフィラメントを含む、請求項７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項１０】
１つの一方向トレーサーヤーンのみが、前記トレーサーチップ中に位置する、請求項７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項１１】
１つから５つの一方向炭素トウが、前記トレーサーチップ中に位置する、請求項７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項１２】
前記トレーサーチップが、矩形チップの形状である、請求項７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項１３】
前記一方向検出可能フィラメントが、Ｘ線撮像により検出可能である、請求項７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項１４】
複数の層の炭素繊維チップと請求項７に記載の少なくとも１つのトレーサー層を含む、一方向不連続繊維複合成形配合物。
【請求項１５】
一方向不連続繊維複合成形配合物中の成形接合部を撮像する方法であって、前記方法が：
第１表面を含む一方向不連続繊維複合成形配合物の第１部分を提供する段階であって、一方向不連続繊維複合成形配合物の前記第１部分が、前記第１表面に沿って位置する請求項１に記載の複数のトレーサーチップを含む上記段階；
第２表面を含む一方向不連続繊維複合成形配合物の第２部分を提供する段階；
前記第２部分の前記第２表面に対して前記第１部分の前記第１表面を配置して、前記第１部分と前記第２部分の間に成形可能な接合部を形成する段階；
前記第１部分を前記第２部分に前記成形可能な接合部にて成形して、前記第１部分と第２部分の間に成形接合部を形成する段階；及び
前記成形段階の前及び／又は後に、前記第１部分中の前記一方向トレーサーヤーンを撮像する段階、
を含む上記方法。
【請求項１６】
一方向不連続繊維複合成形配合物の前記第２部分が、請求項１に記載のいずれのトレーサーチップも含有しない、請求項１５に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物の２つの部分の間の成形接合部を撮像する方法。
【請求項１７】
一方向不連続繊維複合成形配合物を、それを成形する間に、撮像する方法であって、前記方法が、
請求項１に記載の複数のトレーサーチップを含む一方向不連続繊維複合成形配合物を提供する段階；
前記一方向不連続繊維複合成形配合物を成形して、成形部品を形成する段階；及び
前記成形段階の前及び／又は後に、前記一方向繊維複合成形配合物中の前記一方向トレーサーヤーンを撮像する段階、
を含む上記方法。
【請求項１８】
前記撮像段階が、Ｘ線撮像を使用して達成される、請求項１５に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物を撮像する方法。
【請求項１９】
前記撮像段階が、Ｘ線撮像を使用して達成される、請求項１７に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物を撮像する方法。
【請求項２０】
硬化されている、請求項１４に記載の一方向不連続繊維複合成形配合物を含む複合部品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、不連続繊維複合（ＤＦＣ）材料の圧縮成形に関する。より具体的には、本発明は、高い成形圧における複雑な物体の圧縮形成の間に生じる一方向不連続繊維複合（ＵＤ−ＤＦＣ）成形配合物（ｍｏｌｄｉｎｇ  ｃｏｍｐｏｕｎｄ）中の繊維チップの動きを追跡する（ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｏｒ  ｔｒａｃｉｎｇ）ことを目的とする。
【背景技術】
【０００２】
繊維強化複合構造体は，典型的に、２種の主な構成成分として、樹脂マトリクスと繊維を含む。これらの構造体は、航空宇宙産業の分野等の要求レベルの高い環境で使用するのによく適している。
【０００３】
予備含浸複合材料（プリプレグ）は、複合部品及び複合構造体の製造に広く使用される。プリプレグは、最終的な複合部品に成形且つ硬化するのが容易な未硬化樹脂マトリクスと繊維強化材の結合体である。繊維強化材を樹脂に予備含浸することにより、製造者は、繊維ネットワーク中に含浸される樹脂の量と位置を注意深く制御し、且つ所望するように樹脂をネットワークに確実に分配させることができる。プリプレグは、耐荷重構造部品及び特に翼、胴体、隔壁及び操舵面で使用される耐荷重航空機部品を製造する際に使用するための好ましい材料である。これらの部品には、十分な強度、損傷許容性及びこのような部品に日常的に確立されている他の要件が備わっていることが重要である。
【０００４】
一方向（ＵＤ）テープが、プリプレグの通常の形態である。一方向テープ中の繊維は、互いに平行に延びる連続した繊維である。繊維は、典型的に、「トウ」（“ｔｏｗ”）と称される多数の個々の繊維又はフィラメントの束の形態をしている。一方向繊維は、注意深く制御された量の未硬化樹脂に含浸される。ＵＤプリプレグは、典型的に、保護層の間に配置されて、ＵＤの最終的なテープを形成し、貯蔵又は製造施設への輸送のために巻き取られる。ＵＤテープの幅は、典型的に１インチ未満から１フィート以上の範囲である。
【０００５】
一方向テープは、圧縮成形技術を使用して複雑な三次元構造体を形成するための成形配合物として使用するには余り適していない。ＵＤテープにおける繊維の平行な配向及び連続的な性質により、ＵＤテープが複雑な部品の形状に適合するように付勢される場合、繊維の束化又は橋架けが生じる。結果として、ＵＤテープを使用する複雑な三次元部品の製造は、ＵＤテープの個々のプライを三次元のモールドに直接適用し、引き続きオートクレーブ又は他の成形装置にて加工処理する困難なプロセスに限定されてきた。ＵＤテープを使用するこのレイアップ手順は、時間のかかる且つコストの高いプロセスとなる傾向がある。
【０００６】
成形配合物は、不連続繊維複合（ＤＦＣ）成形配合物と総称されるが、これは、複雑な部品を圧縮成形するのに適していることが見出された。ある種のＤＦＣ成形配合物は、樹脂マトリクスと結合する個々の繊維のランダムセグメントから構成される。ランダムに配向した細断された繊維は、部品の形状に、より容易に適合する。しかし、高圧成形の間のランダム短繊維の動きは、１つの成形部品と別の成形部品とでは、予測不能に変化する場合があり、そして、与えられた部品のうちでも異なる形状の間では異なる場合がある。
【０００７】
別の種のＤＦＣ成形配合物は、本明細書では一方向不連続繊維複合（ＵＤ−ＤＦＣ）と称されるが、これは、ＵＤテープとランダムに配向した短繊維の特性を単一の成形配合物中で結合させるものであり、正確に成形及び加工して、多種多様な種類の比較的複雑な構造体を形成することができる。ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物は、熱硬化性樹脂に含浸された一方向テープのランダム配向セグメント又はチップから構成される。この種の準等方性（ｑｕａｓｉ−ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ）一方向不連続繊維成形配合物は、成形体及び種々の航空宇宙機の構成成分を作成するのに使用されてきた。ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物は、Ｈｅｘｃｅｌ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（カリフォルニア州、ダブリン）からＨｅｘＭＣ（いずれかの国における登録商標）の商品名で入手可能である。ＨｅｘＭＣ（いずれかの国における登録商標）を使用して作成された部品の種類の例は、米国特許第７，５１０，３９０号及び第７，９６０，６７４号に記載されており、更に、米国特許出願第２０１２−００４０１６９−Ａ１に公開されており、これらの内容を参照により本明細書に援用する。
【０００８】
ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物は、典型的に、マルチフィラメントのトウ（ヤーン）を好適な裏張り上に互いに平行に置き、そして当該平行なトウを樹脂に含浸することにより作成して、ＵＤプリプレグを形成する。その後、ＵＤプリプレグは、細断されて、ＵＤチップを形成するが、これは、一般的に、幅が５ｍｍから２５ｍｍであり、且つ長さが２５ｍｍから１２５ｍｍである。その後、準等方性配向ＵＤチップの層を形成する。準等方性配向ＵＤチップの多数の層を一緒に結合して、成形材料様のプライを形成するが、これは、本明細書では、一方向不連続繊維複合（ＵＤ−ＤＦＣ）成形配合物又は材料と称される。
【０００９】
ランダムに配向したチップは、ＵＤ−ＤＦＣの成形の間、特により高い成形圧にて、広域的に幾らか動いた。個々のチップを構成する平行なトウは、各チップ内で局所的に歪むこともあり、その結果、トウの最初の平行な配向は乱れることがある。加えて、トウを構成するフィラメントも、各トウ内で局所的に歪むことがある。
【００１０】
ＵＤ−ＤＦＣチップの広域的又は局所的歪み又は変形は、得られる成形部品の機械的特性に大きな影響をもたらすことがある。構造的な用途の場合、部品の設計者は、成形の間にこのような歪みが有する影響を理解し且つ考慮しなければならない。材料及びプロセスのエンジニアには、ＵＤ−ＤＦＣチップの広域的且つ局所的歪みを減少させる試みが課されている。いずれの場合でも、成形プロセスの間のＵＤ−ＤＦＣチップ、トウ及びフィラメントの広域的且つ局所的動きの両方を追跡する方法を提供することが望ましい。
【発明の概要】
【００１１】
本発明に従って、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の成形の間、ＵＤ−ＤＦＣチップの広域的且つ局所的動きの両方を追跡する方法を提供する。この追跡能力は、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物中にトレーサーチップを含むことにより得られる。トレーサーチップには、樹脂マトリクスと、複数の炭素フィラメントから構成される少なくとも１種の一方向炭素トウが含まれる。更に、トレーサーチップには、Ｘ線又は他の放射線系走査技術と関連する画像システムによって検出可能な複数の一方向フィラメントから構成される一方向トレーサーヤーン又はトウが含まれる。
【００１２】
１つのＵＤ−ＤＦＣチップ当たり、１つの炭素トウの適所に非炭素フィラメントから構成されるトレーサーヤーンを代わりに置くことにより、成形の間、ＵＤ−ＤＦＣチップの広域的且つ局所的動きの両方を追跡する効果的な方法を提供する。少量の、追跡するのに必要なトレーサーヤーンでは、成形部品の機械的特性に悪影響を及ぼすには不十分である。
【００１３】
本発明は、トレーサーチップのみならず、トレーサーチップを含むＵＤ−ＤＦＣ成形配合物も目的とする。トレーサーチップは、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物全体に均一に分散させることができ、又はトレーサーチップは、チップの動きを領域に特異的な追跡をするように別々の領域に局在化させることができる。
【００１４】
トレーサーチップは、成形の間、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の２ピースの間の接合部におけるＵＤ−ＤＦＣチップの広域的且つ局所的動きを追跡するのに特に有用である。本発明は、潜在的に弱い接合部を明らかにするのに特によく適しており、それは通常「ニットライン」と称される。ニットラインは、２つのピースの成形材料が高圧成形の間、十分に混合することなく、互いに接合される場合に起こる。接合部にトレーサーチップを位置させることにより、接合部におけるチップの動きの広域的且つ局所的追跡がなされる。このような追跡は、望ましくないニットラインが接合部に形成されたかどうかを判断するために、チップの動き及び繊維の混合を監視するのに重要である。本発明の特徴として、ＵＤ−ＤＦＣの２つのピースの成形は、ピースのうち一方のみにトレーサーチップを位置させて先ず行われる。その後、第２の成形操作が、ＵＤ−ＤＦＣの他方のピースにトレーサーチップを位置させて行われる。その後、２つの成形体のＸ線画像を重ねて、接合部の結合画像を得るが、これは、ニットラインの存在を検出する際に特に有用である。両方のＵＤ−ＤＦＣピースが接合部にてトレーサーチップを含有する１つの成形走査を行うことによっては、単一のＸ線画像が得られ、これはニットラインを明らかにする際に効果的ではないことが分かった。
【００１５】
更に、本発明は、高圧成形の間のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の動きを監視する方法を目的とする。本方法には、プリフォームの構造と部品のサイズに依存するＵＤ−ＤＦＣ成形配合物中に多種多様な配向で位置する可能性のあるトレーサーチップの動きを監視することが含まれる。監視は、典型的に、成形前及び／又は後の両方のトレーサーチップの位置を測定することによって達成される。本方法は、ＵＤ−ＤＦＣから作成された部品中の接合部とニットラインを監視するのに利用可能である。更に、本方法は、広域的且つ局所的チップの動き、及び重なったプライ又はドロップオフにおける変形、並びに成形体中の断面形状の変化及び曲がり及び他の複雑な形状を監視するのに使用することができる。更に、本方法は、ＵＤ−ＤＦＣチップの所望の位置及び配向を確実に達成するために、プリフォームが形成された後及び／又は部品が成形された後に、トレーサーチップを測定又は観察する品質管理ツールとして使用することもできる。
【００１６】
本発明の上記した及び多くの他の特徴並びに付随する利点は、添付の図面と共に考慮して以下の詳細な説明を参照することにより、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、本発明に従う例示的なトレーサーチップの簡略上面図である。
【００１８】
【図２】図２は、図１に示したトレーサーチップの簡略側面図である。
【００１９】
【図３】図３は、本発明に従うトレーサーチップを含む１シートのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の簡略図である。
【００２０】
【図４】図４は、図３に示した８シートのＵＤ−ＤＦＣ材料から構成されたＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の簡略側面図である。
【００２１】
【図５】図５は、成形用プリフォームに形成される前のトレーサーチップ含有ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の例示的なシートを示す。
【００２２】
【図６】図６は、図５に示したシートのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物から形成されるＤＦＣプリフォームを示す。
【００２３】
【図７】図７は、図６に示したＵＤ−ＤＦＣプリフォームの圧縮成形から得られる成形部品を示す。
【００２４】
【図８】図８は、ガラス繊維トレーサートウの観察された位置及び配向を示す図７に示した成形部品のＸ線画像である。
【００２５】
【図９】図９は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の４層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップはドロップオフ層であるトップ層に位置する。
【００２６】
【図１０】図１０は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップは積層体の中間層にあるドロップオフ層に位置する。
【００２７】
【図１１】図１１は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の４層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップは積層体のドロップオフ層の下に位置する全層に位置する。
【００２８】
【図１２】図１２は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップは積層体の頂部層である全層に位置する。
【００２９】
【図１３】図１３は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップは積層体の中間に位置する全層に位置する。
【００３０】
【図１４】図１４は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップは別の部分層の頂部に位置して、積層体の頂部で５ｃｍの重なりを形成する部分層に位置する。
【００３１】
【図１５】図１５は、成形前（Ａ）と成形後（Ｂ）の６層のＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像であり、トレーサーチップは、積層体の中間の別の部分層の頂部に位置して、積層体の中間部で５ｃｍの重なりを形成する部分層に位置する。
【００３２】
【図１６】図１６は、成形配合物の２つのピースを一緒に圧縮成形することにより作成された複合部品の側面Ｘ線画像であり、画像（Ａ）は頂部ピースの成形配合物のみがトレーサーチップを含有する場合のＸ線画像を示し、そして画像（Ｂ）は底部ピースの成形配合物のみがトレーサーチップを含有する場合のＸ線画像を示す。
【００３３】
【図１７】図１７は、複合部品が成形配合物の２つの異なるピースを一緒に圧縮成形することにより作成されたことを除き、図１６に示された複合部品と同じ複合部品の側面Ｘ線画像であり、画像（Ａ）は頂部ピースの成形配合物のみがトレーサーチップを含有する場合のＸ線画像を示し、そして画像（Ｂ）は底部ピースの成形配合物のみがトレーサーチップを含有する場合のＸ線画像を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
本発明に従う例示的なトレーサーチップを、図１及び２に１０で示す。トレーサーチップ１０には、一方向（ＵＤ）トウ１２、１４及び１６が含まれる。各トウは、１８、２０及び２２で表される複数の一方向フィラメントから構成される。他の種類のフィラメントを使用してもよいが、ＵＤトウは、炭素フィラメントから構成される炭素繊維トウであると好ましい。
【００３５】
炭素繊維トウは、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物において広く使用される。炭素繊維トウは、一般的に、１，０００から５０，０００の個々の炭素フィラメントを含有する。市販の炭素トウには、例えば、約３０００フィラメント（３Ｋ）、６０００フィラメント（６Ｋ）、１２０００（１２Ｋ）フィラメント又は２４０００（２４Ｋ）フィラメントが含有される。単一の炭素フィラメントは、一般的に、１メートル当たり０．０２から０．５ミリグラムの範囲の線重量（ｌｉｎｅａｒ  ｗｅｉｇｈｔ）を有する。
【００３６】
更に、トレーサーチップ１０には、一方向トレーサーヤーン２４が含まれる。トレーサーヤーン２４は、Ｘ線又は他の走査／撮像放射線により検出可能な複数の一方向フィラメント２６から構成される。トレーサーヤーン２４は、好ましくは、複数の一方向ガラスフィラメントを含むガラス繊維ヤーンである。トレーサーヤーン中のガラスフィラメントの数は、１からまで変えることができるが、所望のＸ線画像を達成するためには、多くのフィラメントが必要である。トレーサーチップ１０中のガラスフィラメントの重量含量は、トレーサーチップの機械的且つ歪み特性を保持するのに十分な低さに維持すべきである。好ましくは、トレーサーチップ中のガラスフィラメントの重量含量は、トレーサーチップの全重量の５％から１５％の範囲とすべきである。
【００３７】
ガラストレーサーヤーン２４の横断面のサイズは、ＵＤ炭素トウ１２、１４及び１６の横断面のサイズに等しいか又は好ましくはそれよりも大きくすべきである。炭素フィラメントより大きい横断面のサイズを有するガラスヤーンを使用することにより、２種類の繊維のＸ線画像間のコントラストがより良好になる。炭素フィラメントは、Ｘ線又は他の関連撮像システムによって検出できないので、炭素フィラメントの横断面のサイズは余り重要ではない。しかし、ガラスフィラメントは、Ｘ線又は他の関連撮像システムによって検出できる。
【００３８】
各トレーサーチップ中のトレーサーヤーンの全数は、変えることができる。しかし、各トレーサーチップには、Ｘ線画像からの過剰な且つ余分な情報を回避するためには、たった１つのトレーサーヤーンが含まれるのが好ましい。
【００３９】
更に、トレーサーチップ１０には、マトリクス樹脂が含まれる。樹脂マトリクスは、ＵＤ−ＤＦＣ材料において典型的に使用される樹脂のいずれであってもよい。マトリクス樹脂は、トレーサーチップの全重量の２５から４５重量％の範囲の量で存在する。例には、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、シアナートエステル樹脂、フェノール樹脂又は構造用複合材料において使用される熱可塑性樹脂が含まれる。例示的な熱可塑性樹脂には、ポリフェニレンスルフィド（ＰＰＳ）、ポリスルホン（ＰＳ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアミド−イミド（ＰＡＩ）が含まれる。ＰＥＳ、ＰＥＩ及び／又はＰＡＩ等の熱可塑性樹脂で靭化されたエポキシ樹脂が、好ましい樹脂マトリクスである。航空宇宙産業において使用される種類のＵＤテープ中に典型的に存在する樹脂が好ましい。樹脂マトリクスとしての使用に好適な例示的な熱可塑性靭化樹脂は、米国特許第７，７５４，３２２号、第７，９６８，１７９号及び第８，４７０，９２３号に記載されており、その内容を参照により本明細書に援用する。
【００４０】
トレーサーチップは、従来のＵＤ−ＤＦＣチップと同じ方法で作成されるが、唯一の相違は、Ｘ線で検出可能なフィラメントから構成されるヤーンが、各チップ中で炭素トウのうち１つと置き換わるか又は炭素トウに追加されるかのいずれかであることである。単一の検出可能なトウと１以上の平行な炭素トウから構成される樹脂含浸ＵＤテープを作成することにより、トレーサーチップを作成することが可能である。その後、この比較的狭い（例えば、幅が２ｍｍから１２ｍｍ）ＵＤテープを細断して、トレーサーチップを形成することができる。しかし、好ましい方法は、より広いテープをヤーンに平行な方向で切断して、各々が検出可能なヤーンを含有する個々のテープ（例えば、幅が８ｍｍから１２ｍｍ）を形成することができるように、検出可能なヤーンが離間している（例えば、検出可能なヤーンは各８ｍｍから１２ｍｍである）比較的広い樹脂含浸ＵＤテープ（幅２５０ｍｍから５００ｍｍ）を作成することである。その後、多数の個々のテープを切断して、単一の検出可能なヤーンを含むトレーサーチップを形成する。
【００４１】
検出可能なヤーン中のフィラメントの数並びに検出可能なフィラメントの横断面のサイズ及び形状をトレーサーチップ中の炭素繊維トウの種類及びトレーサーチップの全幅に基づいて選択する。例えば、ガラス繊維トウと炭素トウの以下の組合せはトレーサーチップに好適である。
【００４２】
トレーサーチップのサイズは、ＵＤ−ＤＦＣ材料の残部中の他のチップのサイズと一致すべきである。しかし、ある用途では、ＵＤ−ＤＦＣ材料中の非トレーサーチップより小さいか又は大きいトレーサーチップを作成することが望ましい場合がある。典型的に、トレーサーチップのサイズは幅が５ｍｍから２５ｍｍ、長さが２５ｍｍから１２５ｍｍとなる。
【００４３】
図３は、１層のＵＤ−ＤＦＣ材料３０を表し、単一層の同一平面の準等方的配向トレーサーチップを３２で示す。トレーサーチップを、ＵＤ−ＤＦＣ材料に、トレーサーチップ３２と通常のＵＤ−ＤＦＣチップの組合せが含まれるように、同一平面の準等方的配向ＵＤ−ＤＦＣチップ（図示せず）と混合する。ＵＤ−ＤＦＣ層３０を構成するトレーサーチップの量は、層３０について意図する用途に応じて、ＵＤ−ＤＦＣ層中のチップの全数の１００％から下へチップの全数の１％の範囲にすることができる。
【００４４】
通常のＵＤ−ＤＦＣチップと結合した単一の同一平面の層のトレーサーチップ３２を含む１層のＵＤ−ＤＦＣ材料３０は、典型的に他の単一の層の同一平面のトレーサー及び／又は通常のチップと結合して、例えばチップの３から６の同一平面の層を含有する１つの多層トレーサーシートのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物を形成する。その後、その多層トレーサーシートを、トレーサーシート（ＵＤ−ＤＦＣ材料３０）を含有しても、含有しなくてもよい他の多層ＵＤ−ＤＦＣシートと積み重ねて、図４に示すＵＤ−ＤＦＣ成形配合物５６を形成する。ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物５６は、少なくとも１つのトレーサーシート３０を含有する単一の多層トレーサーシート４６と、通常の（非トレーサー）ＵＤ−ＤＦＣチップを含有する７つの多層ＵＤ−ＤＦＣシート４０、４２、４４、４８、５０及び５２から構成される。成形配合物５６は、典型的に単独で、又は他のシートの成形配合物と組合せて使用されて、多種多様のプリフォームを形成し、それは、圧縮成形されて、複合部品を形成することができる。
【００４５】
１つの多層トレーサーシートである成形配合物５６を、ＵＤ−ＤＦＣシートのうちの１層（４６）のみと共に示す。多くの状況で、特にプリフォームが、成形配合物が重なるセクションを含む場合、そのセクション中に存在するトレーサーチップが多すぎるので、有用なＸ線画像を得ることができない場合がある。本発明に従って、プリフォーム及び成形部品の特定のセクションにて終わるトレーサーチップの数は、１）最初の層３０の同一平面のチップ中のトレーサーチップ３２の数を変えること、２）多層ＵＤ−ＤＦＣシート中の最初の層３０の数を変えること、及び３）成形配合物５６中にあるトレーサーチップ含有多層ＵＤ−ＤＦＣシートの数を変えることによって制御される。
【００４６】
殆どの成形用途では、５０％から１００％のトレーサーチップを含有する最初の単一層３０から開始するのが好ましい。その後、トレーサーチップ層３０は、単一の同一平面の通常のＵＤ−ＤＦＣチップの３層と結合して、１つの多層トレーサーシートを形成する。その後、成形配合物を、その多層トレーサーシートと７つの多層シートを結合することにより形成するが、各々は、各々単一のチップの厚さである４層の通常のＵＤ−ＤＦＣチップを含有する。成形の前と後の両方でＸ線画像を撮って、好適な画像が得られたかどうかを判断する。必要な場合、トレーサーチップ層３０中のトレーサーチップの数を増やすか又は減らして、好適なＸ線画像を得ることができる。加えて、好適なＸ線画像を得るために、多層のトレーサーシート中のトレーサーチップ層の数を、増やすか減らすことができ、及び／又は成形配合物中の多層のトレーサーシートの数を増やすか減らすことができる。
【００４７】
成形配合物５６を、任意の好適なプリフォーム形状に形成して、その後それを、圧縮成形して複合部品を形成することができる。図５に示すように、成形配合物５６を予備的なプリフォーム又は切り出し６０に切断した。予備的なプリフォーム６０には、成形配合物に切断されたスロット６２、折れ線６４及び６６が含まれる。予備的なプリフォーム６０は、タブセクション６８及び６９が重なって、プリフォーム７０が形成されるように、折れ線６４及び６６に沿って折られ、それを図６に示す。１より多いシートの成形配合物５６を使用して、多層の成形配合物を含む予備的なプリフォームを形成してもよい。
【００４８】
プリフォーム７０を、既知の圧縮成形手順を使用して硬化して、図７に示すように、最終的な部品８０を製造する。成形部品８０は、航空機の２つの一次構造体を一緒に留めるために設計されたクリップである。２つの一次構造航空機部品８２及び８４は想像線で示す。クリップ８０は、本発明に従って、トレーサーチップを使用して作成し且つ監視することができる複雑なＵＤ−ＤＦＣ航空機部品の種類の例である。
【００４９】
プリフォーム７０の成形は、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物用の既知の成形手順に従って行う。プリフォーム７０は、典型的に２つのモールドの半分の部分から構成されるモールド中に置かれ、そして所望の形状に形成される。モールド内にセットした後、樹脂の硬化温度に予備加熱され、プリフォームを高圧で成形して、クリップ８０を形成する。エポキシ樹脂の典型的な高圧硬化温度は、１２０℃から２２５℃の範囲である。好ましい硬化温度は、１７０℃から２０５℃の範囲である。モールド内の内圧は、好ましくは、硬化温度で５００ｐｓｉより高く且つ２０００ｐｓｉより低い。プリフォーム７０を完全に硬化した後（典型的には、硬化温度で３分から１時間）、部品をモールドから取り出し、そして冷却して複合クリップ８０を形成する。
【００５０】
本発明に従って、トレーサーチップ３２は、プリフォーム７０を形成するのに使用される成形配合物５６の層４６内に位置するが、それは、コンピューター化したトモグラフィー（ＣＴ）走査等のＸ線撮像又は他の放射線系走査又は撮像技術により観察又は撮像される。既知の航空宇宙の非破壊試験手順に従うＸ線撮像が好ましい。画像は、デジタル化されて、成形プロセスの間、成形配合物の動きをモデル化且つ監視する際に役立つ。
【００５１】
成形の間、ＵＤ−ＤＦＣチップの動きを監視するために、プリフォーム７０は、Ｘ線撮像されて、トレーサーチップ３２の最初の広域的位置付け及びガラスヤーン及びフィラメントの局所的位置付けを確認するのが好ましい。形成クリップ８０はＸ線撮像して、トレーサーチップとガラスフィラメントのポスト成形位置付けを判断する。２つのＸ線画像は、成形プロセスの間、トレーサーチップの広域的動きと局所的歪みの程度を判断するために比較することができる。
【００５２】
予備成形Ｘ線画像を後成形Ｘ線画像と比較する、先行する監視プロセスは、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の特定の種類を使用して特定の部品のための圧縮成形プロセスの初期設計及び最適化に特に有用である。更に、プリフォーム７０は、トレーサーチップが、期待される広域的且つ局所的位置付けの要件に確実に一致させるために、製造中、日常的にＸ線撮像することができる。トレーサーチップの動きが設計の期待に従って起こったことを確実にするために、成形クリップ８０の日常的なＸ線撮像についても同じことが言える。
【００５３】
本発明に従うトレーサーチップ３２を含むクリップ８０のＸ線画像を、図８中で９０にて示す。種々のトレーサーチップ３２中に位置するガラストウ２４は、白線９２として目視できる。ガラスヤーンを示すＸ線画像から、トレーサーチップの広域的位置の測定、及びトレーサーチップ内に位置する各ガラストウの局所的な歪み又は曲がりの画像が得られる。
【００５４】
本発明は、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物のピース又は層の間の接合部におけるＵＤ−ＤＦＣチップの動きと混合を監視するのに特に有用である。例えば、成形前の４層ＵＤ−ＤＦＣ積層体のＸ線画像を、図９Ａに示す。積層体構造は、図９の右上手隅に位置するボックス内に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な３層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物、とトレーサーチップを含有する部分的な１層のトップ層（Ｔ）が含まれる。トレーサーチップ中のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍの長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。部分的なトレーサー層Ｔは、積層体構造の頂部にドロップオフを形成し、トレーサー層は積層体の頂部を横切って単に途中で終っている。図９Ｂは、高圧成形後の４層積層体のＸ線画像である。見てわかるように、ガラストレーサーヤーンの幾つかは、成形の間、ドロップオフラインを広域的に横切って動き、そしてヤーンはそれらの最初の直線形状から歪んでいる。ドロップオフ接合部におけるトレーサーチップの広域的な動きと局所的な歪みを監視する能力は、本発明のトレーサーチップの構造によって得られる特別な利点である。
【００５５】
図１０Ａは、成形前の５層ＵＤ−ＤＦＣ積層体の例示的なＸ線画像である。積層体構造は、図１０の右上手隅に位置するボックス内に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な４層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物とトレーサーチップを含有する部分的な中間層（Ｔ）が含まれる。トレーサーチップ内のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍ長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。トレーサー層Ｔは、積層体構造の中間部にドロップオフを形成し、トレーサー層は積層体の中間部を横切って単に途中で終わっている。図１０Ｂは、高圧成形後の４層積層体のＸ線画像である。見てわかるように、ガラストレーサーヤーンの幾つかは、成形の間、ドロップオフラインを広域的に横切って動き、そしてヤーンは、それらの最初の直線形状から歪んでいる。
【００５６】
図１１Ａは、成形前の４層ＵＤ−ＤＦＣ積層体の例示的なＸ線画像である。積層体構造を、図１１の右上手隅に位置するボックス中に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な２層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物とトレーサーチップを含有する完全な１層（Ｔ）が含まれ、それはＵＤ−ＤＦＣ成形配合物層の頂部に位置する。部分的な１層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物は、トレーサー層Ｔの頂部に位置する。トレーサーチップ内のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍの長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。図１１Ｂは、高圧成形後の４層積層体のＸ線画像である。
【００５７】
図１２Ａは、成形前の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体の例示的なＸ線画像である。積層体構造を、図１２の右上手隅に位置するボックス内に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な４層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物とトレーサーチップを含有する完全な１層（Ｔ）が含まれ、それは、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物層の頂部に位置する。トレーサーチップ中のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍの長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。図１２Ｂは、高圧成形後の５層の積層体のＸ線画像である。
【００５８】
図１３Ａは、成形前の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体の例示的なＸ線画像である。積層体構造を、図１３の右上手隅に位置するボックス内に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な４層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物とトレーサーチップを含有する完全な１層（Ｔ）が含まれ、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物層の中間部に位置する。トレーサーチップ中のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍの長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。図１３Ｂは、高圧成形後の５層の積層体のＸ線画像である。
【００５９】
図１４Ａは、成形前の５層のＵＤ−ＤＦＣ積層体の例示的なＸ線画像である。積層体構造を、図１４の右上手隅に位置するボックス中に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な３層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物とその完全な３層の頂部に位置する部分的な１層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物が含まれる。トレーサーチップを含有する部分的な１層（Ｔ）は、部分的な通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物層に５ｃｍ重なるように、積層体の頂部に位置する。トレーサーチップ中のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍの長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。図１４Ｂは、高圧成形後の５層積層体のＸ線画像である。この場合に見ることができるように、ガラストレーサーヤーンの幾つかは、成形の間、重なりラインを広域的に横切ってほんのわずか動き、そしてヤーンは、それらの最初の直線形状から歪んでいる。
【００６０】
図１５Ａは、成形前の６層のＵＤ−ＤＦＣ積層体の例示的なＸ線画像である。積層体構造を、図１４の右上手隅に位置するボックス内に模式的に示す。ＵＤ−ＤＦＣ積層体には、完全な４層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物とトレーサーチップを含有する部分的な１層（Ｔ）の頂部の積層体の中間部に位置する部分的な１層の通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物が含まれる。部分的なトレーサー層と通常の層は、互いに５ｃｍ重なるよに位置する。トレーサーチップ中のガラスヤーンは、Ｘ線画像中で、各々５０ｍｍの長さの白い比較的真っ直ぐなセグメントとして見ることができる。図１５Ｂは、高圧成形後の６層の積層体のＸ線画像である。見てわかるように、重なりが表面上にある図１４とは対照的に、ガラストレーサーヤーンの幾つかは、成形の間、重なりラインを広域的に横切って動き、そしてヤーンは、最初の直線形状から歪んでいる。
【００６１】
図１６Ａと図１６Ｂに、頂部ピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物と底部ピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物を含むプリフォームから成形した複合部品のＸ線画像を示す。図１６Ａでは、頂部ピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物にのみトレーサーチップが含まれる。図１６Ｂでは、底部ピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物にのみトレーサーチップが含まれる。トレーサーチップ中のガラストレーサーヤーンは、Ｘ線画像中で、黒い曲線セグメントとして示される。Ｘ線画像は、ピース間の接合部にてトレーサーの動きを観察可能とするために、ピースのうち１つのみにトレーサーチップを含有させてＸ線画像を得るのが好ましい。両ピースがトレーサーチップを含有する場合、ピース間の接合部に沿ってトレーサーの動きを判断するのは困難である。２つのＸ線画像１６Ａと１６Ｂを比較し、及び／又は互いの上に重ねることにより、２ピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物間の接合部を横切るチップの動き並びにチップの最終的な位置及び配向の正確な表示を得ることができる。図１６の２つの画像を一緒に見ると、頂部と底部のピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物が良好に動き且つ混合していることがわかる。
【００６２】
図１７Ａと図１７Ｂは、異なる頂部と底部のピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物を使用した点を除いて、図１６に示したのと同じ複合部品のＸ線画像である。図１７の２つの画像を一緒に見ると、頂部と底部のピースのＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の動きと混合が乏しいことがわかる。
【００６３】
更に、トレーサーチップは、図５のクリップの予備的プリフォーム６０における折れ線６４と６６等の折れ線に沿ったＵＤ−ＤＦＣチップの位置と動きを監視する際、特に有用である。例えば、平坦な予備的プリフォーム６０中の折れ線６４と６６に沿って位置するトレーサーチップを、Ｘ線撮像する。また、プリフォーム７０と成形クリップ８０中の折れ線６４と６６により形成された曲線も、Ｘ線撮像する。Ｘ線画像の比較により、予備的プリフォーム６０を成形クリップ８０に形成する間のトレーサーチップの広域的な動きとチップの局所的な歪みを監視し且つ測定することができる。加えて、折れ線におけるＸ線撮像は、トレーサーチップの位置と歪みを簡単に測定するために、クリップを製造する間の３つのステージのいずれか１つにて行うことができる。この測定プロセスには、トレーサーチップの動きを監視する段階を必ずしも含まない。
【００６４】
また、トレーサーチップは、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の重なり部分があるプリフォームの部分におけるＵＤ−ＤＦＣチップの位置と動きを監視する際にも有用である。例えば、予備的プリフォーム６０を折って、プリフォーム７０を形成する場合、予備的プリフォーム６０のスロット６２の両側に位置するＵＤ−ＤＦＣ成形配合物のタブは重なる。重なったＵＤ−ＤＦＣ成形配合物を含有するプリフォーム７０のセクションには、他の重ならない部分の２倍のトレーサーチップが含まれることになる。従って、Ｘ線画像の密集（ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ）を回避するために、重なった部分のトレーサーチップの数を減少されることが必要となる場合がある。
【００６５】
上記のように、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物中のトレーサーチップの量は、トレーサーチップ中の単一の層中のトレーサーチップの数を変えることにより、及びＵＤ−ＤＦＣ成形配合物中に含まれるトレーサーチップ層の数を変えることにより、簡単に且つ正確に変更且つ制御することができる。ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物中のトレーサーチップの濃度を正確に制御し且つ変更するこの能力は、プリフォームを形成する際に、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物の重なり部分ができる状況で特に有用である。
【００６６】
ＨｅｘＰｌｙ（いずれかの国における登録商標）ＡＳ４／８５５２ＵＤ繊維プリプレグは、市販のＵＤプリプレグ（ＨｅｘｃｅｌＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ、カリフォルニア州ダブリン）であり、これを、ランダムに配向したチップを作成するために使用して、単一の同一平面層の準等方性チップを形成した。ＨｅｘＰｌｙ（いずれかの国における登録商標）ＡＳ４／８５５２プリプレグは、幅が４０ｃｍ、厚さが０．０１６ｃｍであり、約１４５グラム／平方メートルの繊維目付けを有する炭素繊維（ＡＳ４）／エポキシ（８５５２）一方向テープである。このＵＤテープを作成するのに使用する炭素トウは、３Ｋ、６Ｋ、１２Ｋ又は２４Ｋフィラメントを有するＡＳ４炭素繊維である。テープの樹脂含量は、３８重量％であり、樹脂（８５５２）は熱可塑性靭化エポキシである。テープを細長く切って、８ｍｍのストリップを得、そして細かく切って長さが５０ｍｍのＡＳ４−通常のチップを得る。チップ密度は、約１．５２グラム／立法センチメートルである。
【００６７】
例示的なＡＳ４−トレーサーチップは、ＨｅｘＰｌｙ（いずれかの国における登録商標）ＡＳ４／８５５２ＵＤテープを作成する際に、適合した横断面サイズを有するガラス繊維フィラメントのトウを、ＡＳ４炭素トウに代えて各々８ｍｍにて置くことを除いて、上記のＡＳ４−通常のチップと同じ方法で作成するのが好ましい。各々８ｍｍのガラス−トウ改変ＵＤテープのスリット化及び５０ｍｍ間隔でのチョップ化により、各々が単一のガラス繊維トウを含むトレーサーチップを製造する。他の例示的なトレーサーチップは、ＨｅｘＰｌｙ（いずれかの国における登録商標）ＵＤタッププリプレグＡＳ４／ＩＭ７（エポキシ／炭素繊維）、ＩＭ７／８５５２（熱可塑性−靭化エポキシ／炭素繊維）、３５０１−６／Ｔ６５０（エポキシ／炭素繊維）及びＩＭ７／Ｍ２１（熱可塑性−靭化エポキシ／炭素繊維）等の他の炭素繊維ＵＤプリプレグに、ガラス繊維トウを代わりに置くことによって、同じ方法で作成することができる。
【００６８】
図３に示す例示的な層のＵＤ−ＤＦＣトレーサー材料は、単一層の同一平面のチップで構成され、層が４００ｇｓｍと４０００ｇｓｍの間の目付けを有するように、十分な数のＡＳ４−トレーサーチップと通常のＡＳ４チップを剥離紙又は他の支持シートの表面に塗布することにより形成される。ＡＳ４トレーサーチップの数は、ＡＳ４−トレーサー及びＡＳ４−通常のチップの合計全数の５０％から１００％とすべきである。
【００６９】
４つの例示的な層のＵＤ−ＤＦＣトレーサー材料を結合して、４プライの多層ＵＤ−ＤＦＣトレーサーシートを形成する。その後、ＵＤ−ＤＦＣ成形配合物（図４の５６）を、４プライの多層ＵＤ−ＤＦＣトレーサーシートをＡＳ４−通常のチップのみを含有する４プライの多層ＵＤ−ＤＦＣシートと結合することにより形成する。その後、得られるトレーサーＵＤ−ＤＦＣ成形配合物を、通常のＵＤ−ＤＦＣ成形配合物と同じ方法で使用する。
【００７０】
トレーサーＵＤ−ＤＦＣ配合物のＸ線撮像は、航空宇宙産業において、日常的に使用されるＸ線装置とシステムを使用して、圧縮成形の前及び／又は後の両方で達成される。
【００７１】
このように説明してきた本発明の例示的な実施態様から、当業者は、開示範囲内のことは、単なる例示であり、且つ種々の他の代替、適合及び改変が本発明の範囲内で可能であることに留意すべきである。従って、本発明は上記の実施態様に限定されず、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。
【図１】
2017519069.tif 000003
【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】
2017519069.tif 000009
【図８】
2017519069.tif 000010
【図９Ａ】
2017519069.tif 000011
【図９Ｂ】
2017519069.tif 000012
【図１０Ａ】
2017519069.tif 000013
【図１０Ｂ】
2017519069.tif 000014
【図１１Ａ】
2017519069.tif 000015
【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
2017519069.tif 000019
【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
2017519069.tif 000023
【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１７Ａ】
2017519069.tif 000027
【図１７Ｂ】
2017519069.tif 000028
【国際調査報告】
2017519069.tif 000029
2017519069.tif 000030
2017519069.tif 000031