(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を具備するコアと繊維材が樹脂により一体化複合している一体化複合構造体：
コア周側面（１６）と樹脂を給送する溝からなる給送チャンネル（１４）とを有するコア（１２）であって、前記給送チャンネル（１４）は前記コア周側面（１６）の少なくとも一部を横断するように形成されている前記コア（１２）；
前記コア周側面上でネットワーク状をなし前記給送チャンネルからの樹脂を繊維材（２０）へ分配する細い溝からなる樹脂分配ネットワーク（１８；６４）；
前記コア周側面（１６）において前記コア（１２）、前記給送チャンネル（１４）および前記樹脂分配ネットワーク（１８；６４）に接触してこれらを被覆する繊維材（２０）；及び
前記繊維材（２０）、前記給送チャンネル（１４）及び前記樹脂分配ネットワーク（１８；６４）を含浸して硬化してなる樹脂、
以上を具備してなり、ここで、前記樹脂分配ネットワーク（１８；６４）は、前記コア周側面（１６）と前記給送チャンネル（１４）に接し、そして前記繊維材（２０）は樹脂分配ネットワーク（１８；６４）に接し、
また、前記樹脂分配ネットワーク（１８；６４）は、前記給送チャンネル（１４）に連通する前記コア（１２）前記面に形成される溝のネットワークからなり、該溝のネットワークは前記給送チャンネル（１４）の溝の断面積よりも断面積が小さいものであることを特徴とする前記一体化複合構造体。
【請求項２】
前記樹脂分配ネットワーク（１８；６４）の溝は、前記給送チャンネル（１４）に対し直交するようになっている請求項１の構造体。
【請求項３】
前記樹脂分配ネットワーク（１８；６４）の溝の少なくとも一部が前記コア（１２）の周囲をループ状に形成され、該ループは前記給送チャンネルから始まり前記給送チャンネルで終わるループである請求項１または２の構造体。
【請求項４】
さらに前記コアを複数具備し、各コアが周側面と、前記コアの全長にわたって延びている前記面に形成された給送チャンネルとを有し、前記コアを互いに近接させて配置する請求項１の構造体。
【請求項５】
前記コアを互いに近接して配置し、配列された前記給送チャンネルの各々を備えている請求項４の構造体。
【請求項６】
前記コアは、発泡体からなる請求項１の構造体。
【請求項７】
前記コアは、バルサ材からなる請求項１の構造体。
【請求項８】
前記コアは、コンクリートからなる請求項１の構造体。
【請求項９】
前記コアは、断面形状が概ね矩形であるブロックからなる請求項１の構造体。
【請求項１０】
前記コアは、断面形状が概ね三角形であるブロックからなる請求項１の構造体。
【請求項１１】
前記コアは、アーチ形の面を有するブロックからなる請求項１の構造体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の詳細な説明
発明の技術分野
この発明は、繊維強化樹脂複合構造体の製造、特に、大形複合構造体のヴァキュウム（真空減圧）補助による樹脂トランスファー成形方法に関するものである。
【０００２】
発明の背景
真空補助の樹脂トランスファー成形（ＶＡ−ＲＴＭ）は、発泡体コア及びバルサ材コアのような構造材を組み入れたボートハル（船体）のような、いくつもの大形で繊維強化複合構造体の製造に使用されている。該コアは、繊維強化樹脂でカバーされている。ＶＡ−ＲＴＭプロセスにおいては、織物またはマットのような補強繊維は、所望の完成部分品の形状にしたがって、所望のコア材と共に乾燥状態で単一のモールドに配置される。ついで、この組み合わせたものを真空バッグ内に封入し、真空作用で樹脂を含浸させる。その後樹脂は、硬化するものである。
【０００３】
樹脂を補強繊維内に導入し、樹脂の分配をよりよくさせるために、種々の方法が利用されている。これらの方法には、繊維の外側層にわたり，使い捨ての分配媒体を配置し、コアを貫く孔及び／又はスロットを採用して補強繊維の外側層から内側層へ樹脂が流れるようにすることが例示される。例えば、米国特許第5,316,462及び4,560,523号を参照されたい。発泡体コアにおける供給溝は、樹脂の流れを円滑にするために金型を閉じて樹脂を射出するプロセスにおいても使用されている。例えば、米国特許第５，０９６，８５１号を参照のこと。
【０００４】
発明の概要
本発明は、真空補助の樹脂トランスファー成形法（ＶＡ−ＲＴＭ）を用いて大形複合構造体を製造する間、樹脂を分配する方法及びこの方法により作られた複合構造体に関するものである。複合構造体は、繊維で強化された樹脂で囲まれた内部コアから形成される。発明の一つの実施例においては、内部コアの外面に形成された複数の細い微細溝のネットワークに接続しているメインの給送溝に樹脂を直接供給する。該給送溝と微細溝とからの給送される樹脂は、溝と繊維との接点を介して前記コアから外方へ流れて補強繊維へと浸透してゆく。発明の第２の実施例においては、分離している分配媒体が内部コアと補強繊維との間に介在する。前記コアの面にある一つ又は複数のメインの給送溝へ樹脂が直接供給され、前記分配媒体を経て補強繊維へ樹脂が浸透する。また、メインの給送溝は、前記コアをぐるりとめぐって樹脂を供給する供給ループを形成し、コアの横断方向に構造部材への含浸を行う。
【０００５】
さらなる実施例においては、金属の織地状肌になったシートから真空バッグとモールド（型）とが一体化されたものが形成される。この織地状肌は、前記シートに一方の面に密に接近した隆起部、これらは該シートの他方の面では凹陥部になるものにより形成される。密に接近した隆起部は、それらの間に狭間を作り、これらが樹脂分配ネットワークを形成する。織地状肌のシートは、別のツールを作るモールドとして使用することもできる。
【０００６】
この方法により、多数のコアを必要とする大形複合構造体を、代表的なビニルエステル樹脂又はポリエステル樹脂がゲル化する前に素早く成形することができ、樹脂の使用量を節減できる。真空バッグを使用して給送溝へ直接に供給することにより、この供給は、部分品のエッジ部分やツールの入り口にのみ限られるものではない。近接するコアには、単一の樹脂入り口を介して供給できる。メインの分配ネットワークは、完成した部分品に残しておくことができ、分配材料を廃棄せずにすむ。この場合、微細溝は、硬化した後の樹脂で埋められるもので、これによって、層間剪断強度及び層間剥離強度が向上する。シャータイ、圧縮ウエブ又はビームのような構造的特徴部分を成形プロセスの間に複合部分品にじかに組み込むことができる。
【０００７】
図面の説明
発明は、添付の図面に関連させての以下の詳細な記述から、より完全に理解されるもので、図面において：
図１は、本発明の第１の実施例による複合構造体のためのコアの斜視図であり；
図２は、本発明の第１の実施例により形成された複合構造体の断面略図であり；
図３は、本発明により形成された別の複合構造体の斜視略図であり；
図４は、本発明により形成された別の複合構造体の斜視図であり；
図５は、本発明による複合構造体の別のコアの斜視図であり；
図６は、本発明の第２の実施例による複合構造体のコアの斜視図であり；
図７は、本発明の第２の実施例により形成された複合構造体の断面略図であり；
図８は、一体化したモールドとヴァキュウム構造体とを使用して形成した複合構造体の断面略図であり；
図９は、複合構造体を形成するための剛直なモールドと柔軟な蓋の断面略図であり；
図１０は、多数のメインの給送溝を有する、複合構造体のためのコアの斜視図であり；
図１１は、本発明のさらなる実施例により複合構造体を成形する一体化されたモールドと真空バッグの断面略図であり；
図１２は、図１１の一体化されたモールドと真空バッグを形成する材料の織地肌のシートの一方の面の斜視図であり；
そして図１３は、図１２の織地肌のシートの他方の面の斜視図である。
【０００８】
発明の詳細な記述
本発明により作られた大形複合部分品（パーツ）は、図１に示されたように、コア１２を含む。このコアは、減圧圧力に耐えることができる材料から作られている。これら材料の代表的なものには、ポリウレタン又はポリ塩化ビニルのような発泡体又はバルサ材が含まれる。前記コアは、中実の成形品またはブロー成形のポリエチレンからなる中空成形品とすることができる。コンクリートも使用できる。前記コアは、矩形の形状として図示されているが、以下に述べるように別の形状も構わない。
【０００９】
前記コアの表面１６には、一つ又はそれ以上の給送溝であるチャンネル１４が設けられている。メインたる給送溝は、コア全体をぐるりと囲み、ループを形成している。断面積がメインの給送溝よりも小さなチャンネルからなる樹脂を配分するネットワークが前記コアの表面に接触して設けられ、該ネットワークは前記メインの給送溝と流体連通するようになっている。
【００１０】
本発明の第１の実施例においては、樹脂配分ネットワークが、図１に示すようにコア１２の表面１６に研削してなる多数の微細溝１８の形で設けられている。微細溝１８は、メインの給送溝１４に対し直交するように概ね配列されている。前記微細溝の中には、メインの給送溝１４から始まり、この溝で終わる樹脂流れループを作るようにコア全体をぐるりと囲むようになっているものがある。
【００１１】
メインの給送溝に対する微細溝の実際の関係は、以下に述べるように、コアの輪郭形状及び樹脂含浸を最も効果的に行わせる点で決定される。
【００１２】
前記溝のネットワークをもつコアは、図２に略図的に示されるように単層又は複数層の繊維材２０で被覆される。該繊維材は、ガラス繊維、炭素繊維または他の適切な材料から形成された織物またはマットでよい。所望の最終部分品（パーツ）の構造上の要求に応じて、前記コアを繊維材で完全に囲んでしまったり、又は、コアの一面又は複数の面を繊維材なしとしてもよい。前記繊維材は、これをシートとしてコアのまわりを包むようにしたり、または、繊維材の個々をコアの所望の面に取り付けるようにしてもよい。前記繊維は、また、前記コアを挿入するチューブ形状にして供給してもよい。
【００１３】
複数の繊維材で包まれたコアを配列して、所望の最終部分品を形成する。図２には、二つのコアが示されているが、コアの実施の数と配列は、所望の最終部分品により決定される。図２で略図的に示すように、複数のコアを単層又は複数層の繊維材で包み、外側層２２を形成することができる。
【００１４】
繊維材の層の特定の数、タイプ及び配置は、所望の最終部分品により決定されることができるもので、これらは、当業者によって容易に決定できる。排液層がタブ２３の形で設けられており、該タブは、繊維の外側層から真空出口２５へ伸びている。従来技術の真空成形法に通常要求されている剥離層は、本発明のプロセスには概ね必要ではない。
【００１５】
前記複数のコアを囲み、間にある繊維材２４は、シヤータイ、コンプレッションウエブおよび桁のような構造部材を形作る。例えば、図４に示すように、複数の三角形のコア４０を用いてデッキを形成する。近接する三角形のコアの間の繊維材は、圧縮力と剪断力との両者を担う対角構造の構造部材４１を形成する。
【００１６】
繊維材のレイアップ（積み重ね）作業の間、プラスチックのＴ状部材又は銅のＴ状部材のような適当な取り付け部品２６をメインの給送溝１４内に位置させて、樹脂供給チューブ２８を後から挿入しやすくする。各給送溝には、一つ又は複数の取り付け部品を位置させ、所望の樹脂の流れの便宜をはかる。レイアップした繊維材をモールド２９に対して配置し、ついで真空バッグ３０を、図２に略図的に示すように、プラスチック取り付け部品を含めてレイアップしたものに被せ、技術的に知られている態様で前記モールドをシールする。次いで真空バッグを突き刺し、樹脂の供給チューブ２８を真空バッグを介してそれぞれの取り付け部品２８に直接插し込む。前記バッグに前記供給チューブをシールして、真空の維持を保全する。このような態様においては、メインの給送溝に直接挿入された樹脂供給チューブが外側の真空バッグを貫通するので、樹脂も貫通することになり、メインの給送溝に樹脂が直接に供給される。
【００１７】
図８を参照すると、真空バッグとモールドとは、一体にされて単一構造体８０にもなるもので、該構造体は、型として、その形状を保つのに十分な堅牢さをもちながら、真空に引かれると、大気圧で潰れて、それにより前記部分品を被覆するに十分な程度に柔軟なものである。例えば、一体化された構造体８０は、例えば０．６３５ｃｍ（０．２５インチ）又はこれ以下の薄さの薄いゲージのスチールシートからなるものである。上記したようなコア８２と繊維材８４，８６とが前記スチールシート内に包み込まれる。該シートにホールを穿孔し、前記取り付け部品にアクセスする。樹脂含浸が上記のように行われる。一体化の構造体は、ゴムやシリコン又はプラスチックを積層した金属のような別の適当な材料で形成することができる。
【００１８】
図９は、硬いモールド９０が、例えば、スチール又はプラスチックから作られた柔軟な蓋９２でシールされている別のモールドの実施例を示す。上記したような複数のコアと繊維材からなる部分品（パーツ）を、硬いモールドにより区画された凹所９４内に置くものである。該蓋の内にある真空溝９６が該部分品を囲む。蓋又はモールドに孔が貫通し、上記したように樹脂含浸のための取り付け部品に接続する。真空に引いた状態で樹脂を含浸させる間、前記蓋は、前記真空溝のエッジで撓曲し、前記部分品を圧密する。
【００１９】
ポリエステル、ビニルエステル、エポキシ、フェノール、アクリル又はビスマレイミドのような樹脂は、メインの給送溝１４を比較的早く流れて微細溝１８に達する。該微細溝から樹脂が繊維材２０，２２に浸透する。樹脂がコアの面１６から溢れて、部分品の外側へと外方へ移動することで含浸が終わる。隣接したコアの面にある繊維材は、図３、図４に示すように、隣接するコアの一方にあるメインの給送溝を経て含浸される。
【００２０】
メインの給送溝の断面領域及び微細溝の断面領域と間隔とを最適なものにして、硬化（キュアリング）をさせる前に、含浸されない領域を残ることなく繊維材のすべてに樹脂が含浸されるように適切な時間を設定する。代表的なメインの給送溝は、断面積が１．６１ｃｍ2（０．２５平方インチ）のものにおいては、深さが１．２７ｃｍ（０．５インチ）で、幅が１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。代表的な微細溝は、断面積が約０．１０３ｃｍ2（約０．０１６平方インチ）のものにおいては、深さが０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）で、幅が０．３１８ｃｍ（０．１２５インチ）である。微細溝は、センターで２．５４ｃｍ（１．０インチ）のスペースで離れている。これらの寸法は、異なるタイプ及び／又は細さをもつ補強繊維マテリアルに適応するようにモディファイされるものである。また、部分品が特に大形で、該部分品のすべてのセクションへ樹脂をより早く分配する場合には、メインの給送溝の断面積を増やすことができる。同様に、図１０に示すように、複数のメインの給送溝１４をコア１２に増設することができる。
【００２１】
さらに、メインの給送溝又は微細溝の断面領域を減少して、特定領域における樹脂滞留時間を延ばすように流れに制限をつけることができる。樹脂滞留時間は、また、樹脂ヒューズを給送溝内に配置して、一時的に樹脂流れを阻むことができる。前記樹脂ヒューズは、ヒューズの長さで設定できる或る所定の時間経過後樹脂に触れれば溶解するものである。例えば、ビニルエステル樹脂では、スタイロフォーム（発泡ポリスチレン）がうまく使用できる。前記給送溝は、また、終結して樹脂の流れの向きを変えさせることもできる。
【００２２】
含浸の後、樹脂は、充分な時間をおいて硬化させる。一旦硬化すれば、微細溝１８は、硬い樹脂で埋められる。この樹脂が繊維補強複合体とコアとの間の接着の層間剪断強度を改善する側面ロッキングメカニズムを付与する。前記溝のネットワークにとどまる樹脂は、また、繊維強化の面のスキン層をコアから層間剥離させるに必要な力を増強する。
コアの実際の配置、形状及び数は、所望の最終部分品のより定まる。
【００２３】
例えば、図３に三角形のコア４０が示されている。これら三角形のコアは、少なくとも二つの面にメインの給送溝４２を有している。中央の三角形のコア４４は、三つの面にメインの給送溝を有している。複数の三角形のコアが、例えば、列になってデッキを形成するようになっている。この例では、チューブ４６を介して供給された樹脂は、中央のコアから始まって含浸され出し、順次含浸されて、図４において陰影領域４８により示されるように、エッジ部分へ含浸される。
【００２４】
アーチ形のコア５０が図５に示されている。アーチ形コア５０は、一つの面におけるメインの給送溝５２及び該給送溝から放射状に伸びて該コアをぐるりと囲む微細溝５４のネットワークを有している。アーチ形コアは、ボートハルまたはアーチのようなカーブした構造体を形成するのに用いられる。
【００２５】
図６と図７に示された本発明の他の実施例においては、コア６０に、上記したようなメインの給送溝６２が設けられている。ついで、分配媒体６４がコアの面に近接して設けられる。該媒体は、ネットワーク状になった開放された通路からなり、該通路は、真空に引く間、開放状態に該通路を維持することができる構造体により形成されるものである。例えば、該媒体は、交差する繊維であって、該繊維の交差する位置にあるポスト状の部材により前記コアの面から離されて保持される交差する繊維、整列された格子状の構造体又はオープンの織った繊維織物からなるものである。適当な分配媒体は、例えば、ここに参考文献として組み入れる米国特許第４，９０２，２１５；５，０５２，９０６号から知られている。ついで繊維材６６で上記したように分配媒体を包む。複数のコアを配列して、所望の最終部分品を形成し、真空バッグ６８を上記したようにコアと繊維材とに被せる。樹脂供給源からつながっている樹脂供給チューブ７０をバッグ６８と繊維材６６に貫通させてメインの給送溝６２にある取り付け部品７２に装着する。供給チューブ７０を、技術的に知られている態様で真空バッグにシールする。樹脂は、供給チューブを経てメインの給送溝へ送られる。樹脂は、メインの給送溝を比較的早く通って分配媒体へ達する。その後、樹脂は分配媒体を経て繊維材に浸透する。適当な時間をおけば樹脂は硬化する。樹脂の分配媒体により、樹脂は、微細溝によるよりも一層均一に前へ流れる。この理由により、樹脂分配媒体は、より一層複雑な部分品に概ね好ましいものであり、これに対し、微細溝は、微細溝を流れる樹脂の流量が少ないことで樹脂節約に向いている。
【００２６】
図１１から図１３に示す、さらなる実施例においては、真空バッグとモールドとが薄いゲージのスチールシートのような金属の織地状になったシート１０４とモールド１１２として一体化されている。該シートは、モールドとしての形状を保つに充分な剛性を有するが、以下に述べるように、樹脂含浸プロセスの間、引かれた真空作用のもとで、部分品に対し押し潰されるか又は引っ張られるようになるのに充分なフレキシブルなものである。シートの厚みは０．６４ｃｍ（０．２５インチ）又はこれ以下のものであることが適切であると分かっている。織地状のシートとして形成されたプラスチック又は金属とプラスチックとを積層したもののような複合材料も使用できる。
【００２７】
前記織物は、シート１０４の一方の面に密な間隔をおいて形成された隆起部１０８、これらは、該シートの他方の面における凹陥部１０６に対応するものにより形成されていることが好ましい。密に立て混んだ隆起部１０８により、それらの間に狭間１１０が区画され、これらが樹脂分配のネットワークを形成する。例えば、隆起部は、概ね六辺形の形状を有し、最も長い寸法で０．９５ｃｍ（３／８インチ）から１．１１ｃｍ（７／１６インチ）のものになっている。前記狭間の深さは、０．０７６２ｃｍ（１インチの1000分の30）が適当であることが分かっている。このような織地状のシートは、簡単に発泡できるもので、ニュージャーシーのArdmore Textured Metal of Edisonから商業的に入手できる。また別に、織地状の面は、必要に応じて、シートの片面に設けることができ、この場合、隆起部は、他方の面に対応する凹陥部を作らない。
【００２８】
前記シートは、モールドキャビティ１１８を有する所望のフォームのモールド１１２内に形作られ、前記シートの前記隆起した部分が前記キャビティの内壁を形成し、含浸すべき部分品に対面する。メインの給送溝１１４を上記したようにコアに設けずに、シート１０４の所望の箇所に直接に設ける。該メインの給送溝の寸法は、上記したようなものである。真空排出チャンネル１１６が前記ツールの周辺に設けられる。
【００２９】
部分品を形成するために、繊維レイアップを前記ツールの織地になった面に近接させてキャビティ１１８内に配置し、前記ツールを粘着テープ又は他の技術的に知られたシールで密封する。前記織地面を前記部分品に止めておくべきでないときは、剥離層が使用できる。さもなければ、前記織地面を前記部分品に止めておくべきであるときは、剥離層は、これを省くてよい。前記部分品に織地面を作ることにより、前記部分品の強度を増し、審美的な面でも望ましい。繊維レイアップは、上記したように、繊維マテリアルで包まれたコアを含む。取り付け部品を、上記したように前記シートに作った孔からメインの給送溝へ挿し込み、前記ツールの内部を真空に引き、織地状マテリアルのシートを繊維レイアップに近づくように引っ張ると、前記隆起部のトップが繊維レイアップに接触するが、前記狭間は、オープンのままになって、樹脂が流れることができる細くて、相互につながっている通路を構成する。減圧作用の下、樹脂は、まず最初にメインの給送溝へ引かれ、ついで、前記狭間へと引かれる。樹脂は、前記狭間から前記繊維マテリアルへ完全に含浸され、最後には、前記周辺を囲むヴァキュウウム出口チャンネルへ流れる。充分な時間をおいて、樹脂は、硬化する。硬化後、前記部分品を前記ツールから取り出す。
【００３０】
別の実施例においては、織地状のシートは、通常のモールドに関しての蓋として使用できる。繊維レイアップをモールドの面におく。織地状のシートを前記繊維レイアップの上に被せ、適当な態様で前記モールドにシールする。コンベンショナルのモールドの面に近接させて、樹脂分配媒体を付け加えて使用する必要がある。樹脂の含浸は、上記した通りに行われる。
【００３１】
織地状のシートは、また、セラミックスのような他の材料からツールを作るために使用される母型としても使用できる。ツールは、ついで樹脂含浸プロセスにおけるモールドとして使用される。この場合、前記シートは、ツールのネガになる；即ち、インデント部分を有する前記シートの面がツールを形成する。このようになったツールは、隙間で分かれた隆起部形状を有し、該隆起部が上記したように樹脂の分配媒体を形成することになる。セラミックのモールドは、大まかに言えば、撓曲せず、真空に引いても部分品に対し押し潰されるようにはならない。この場合、技術的に知られているように、モールドについては別の真空バッグを用いる。
【００３２】
この発明は、添付の請求の範囲に示されたものを除き、特に図示され、記載されたものに限定されるべきものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明の第１の実施例による複合構造体のためのコアの斜視図であり；
【図２】本発明の第１の実施例により形成された複合構造体の断面略図であり；
【図３】本発明により形成された別の複合構造体の斜視略図であり；
【図４】本発明により形成された別の複合構造体の斜視図であり；
【図５】本発明による複合構造体の別のコアの斜視図であり；
【図６】本発明の第２の実施例による複合構造体のコアの斜視図であり；
【図７】本発明の第２の実施例により形成された複合構造体の断面略図であり；
【図８】一体化したモールドと真空構造体とを使用して形成した複合構造体の断面略図であり；
【図９】複合構造体を形成するための剛直な型と柔軟蓋の断面略図であり；
【図１０】多数のメインの給送溝を有する、複合構造体のためのコアの斜視図であり；
【図１１】本発明のさらなる実施例により複合構造体を成形する一体化された型と真空バッグの断面略図であり；
【図１２】図１１の一体化された型と真空バッグを形成する材料である織地肌のシートの一方の面の斜視図であり；
【図１３】図１２の織地肌のシートの他方の面の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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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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