(57)【要約】高分子複合材料を成形するためのモールドの製造方法は、少なくとも１層の繊維強化ポリマー３０と複数の加熱要素２４とを広げることができるセラミック材料２８内に埋め込むことを含む。セラミック材料の硬化温度は、ポリマーの融点よりも低い。セラミック材料は、ポリマーの融点よりも低い温度で硬化されて固体セラミック体をもたらし、セラミック体は、次いで、モールドを強化するために後で繊維と融着されるようにポリマーの融点よりも高い温度で加熱される。モールドは、高分子複合材料の製造に用いるのに適している。モールドを用いて高分子複合材料を成形するためのプロセスも説明される。【選択図】なし
2012505089.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子複合材料を成形するためのモールドの製造方法であって、複数の加熱要素と少なくとも１層の繊維強化ポリマーを、硬化温度が前記ポリマーの融点よりも低い、広げることができるセラミック材料内に埋め込むことと、セラミック材料をポリマーの融点よりも低い温度で硬化させて固体セラミック体をもたらすことと、セラミック体をポリマーの融点よりも高い温度で加熱することを含む、方法。
【請求項２】
前記埋め込むステップが、
（ａ）広げることができるセラミック材料の第１層をモールド・パターンに塗布することと、
（ｂ）第１層に繊維強化ポリマー層を塗布することと、
（ｃ）セラミック材料の第２層を繊維強化ポリマーに塗布し、中に入り込ませることと、
（ｄ）随意的にステップ（ａ）から（ｃ）までを１回又は複数回繰り返すことと、
（ｅ）加熱要素の層をセラミック材料の露出面に塗布することと、
（ｆ）加熱要素の層をセラミック材料のさらなる層で覆うことと、
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記ステップ（ｆ）が、前記ステップ（ａ）から（ｃ）までの少なくとも１回の繰返しを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記繊維強化ポリマー層が、ポリマーの繊維と共に織られた、炭素、ガラス、金属、又は玄武岩繊維、或いはその混合物を含む、請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記繊維強化ポリマー層が、ポリマーの繊維と共に織られた炭素繊維を含む、請求項１、請求項２、又は請求項３に記載の方法。
【請求項６】
前記繊維強化ポリマー層が、前記ポリマーがその上に堆積されている、炭素、ガラス、金属、又は玄武岩繊維を含む、請求項１、請求項２、又は請求項３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項７】
前記ポリマーが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、及びポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）からなる群から選択される、請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項８】
セラミック材料を乾燥させるのに十分な時間期間にわたって２５〜１００℃の範囲の温度までモールドを加熱するステップをさらに含む、請求項１から請求項７までのいずれか一項に記載の方法。
【請求項９】
高分子複合材料を成形するためのモールドであって、複数の加熱要素と少なくとも１層の繊維強化ポリマーとが中に埋め込まれたセラミック体を備える、モールド。
【請求項１０】
前記繊維強化ポリマー層が、ポリマーの繊維と共に織られた炭素繊維を含む、請求項９に記載のモールド。
【請求項１１】
前記繊維強化ポリマー層が、ポリマーの繊維と共に織られた、炭素、ガラス、金属、又は玄武岩繊維、或いはその混合物を含む、請求項９に記載のモールド。
【請求項１２】
前記繊維強化ポリマー層が、前記ポリマーがその上に堆積されている、炭素、ガラス、金属、又は玄武岩繊維を含む、請求項９に記載のモールド。
【請求項１３】
前記ポリマーが、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、及びポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）からなる群から選択される、請求項９から請求項１２までのいずれか一項に記載のモールド。
【請求項１４】
前記プロセスが、（ｉ）物品の所望のレイアップを堆積させるのに十分な量の１つ又は複数の繊維性プリプレグ材料層をツール（モールド）上に提供するステップと、（ｉｉ）前記材料に熱と真空を適用するステップと、（ｉｉｉ）前記ツール（モールド）において複合材料物品を形成するのに十分な時間期間にわたって十分な熱と真空を維持するステップとを含み、前記レイアップがステップ（ｉｉ）の前に犠牲バッグの中に封入されることを特徴とする、複合材料物品の製造のためのプロセスにおける請求項９から請求項１３までのいずれか一項に記載のモールドの使用。
【請求項１５】
前記プロセスが、
（ａ）プリプレグ材料を含む１つ又は複数のレイアップを提供するステップと、
（ｂ）各レイアップを犠牲バッグの中に封入し、真空を適用するステップと、
（ｃ）犠牲バッグが各レイアップのプリプレグ材料を定位置に保ち、且つ熱の適用で溶融するように、前記ステップ（ｉｉ）の前にレイアップを互いに配置するステップと、
をさらに含む、請求項１４に記載の使用。
【請求項１６】
前記プリプレグ材料が、熱硬化性又は熱可塑性プリプレグ材料を含む、請求項１５に記載の使用。
【請求項１７】
前記プリプレグ材料が、環状ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＣＢＴ）とガラス繊維マット、エポキシとガラス繊維又は炭素繊維、ガラス繊維強化ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、又はポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）からなる群から選択される、請求項１６に記載の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱可塑性及び熱硬化性の複合材料構成要素のような高分子複合材料の高温成形に適したモールドに関する。モールドは、風力タービン・ブレードのような複合材料物品の製造に用いることができる。例えば、より小さい風力タービン・ブレードよりも製造するのが一般に難しいと考えられる、より大きい構造要素又は製造物品の製造のためのプロセスが説明される。こうした構成要素の例は、風力タービン・ブレード、航空機の胴体区域、船の船体のような海洋構造物、並びに、大きい自動車及び輸送パネル、筐体、又はコンテナを含む。
【背景技術】
【０００２】
複合材料及びプラスチック材料は、種々の成形技術及び装置を用いて製品を製作するのに用いられる。複合材料及びプラスチック材料を製作するプロセスは、普通は、結果として該材料がモールド面の形態をとることになるような熱が、製品材料に供給されることを要求する。加熱はまた、材料の化学硬化、又は重合、或いは幾つかの他の所望の化学又は形態学的変化を活性化することがある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
加熱は、例えば、オートクレーブ及びプラテン法によって提供されてもよい。これらの方法は、製作される部品に対して要求される温度プロフィールを達成するためにしばしば長々としたサイクルタイムをもたらし、したがって、熱処理サイクルは、普通は、処理される材料に対して最適なサイクルではなく、モールドと機器の制限によって定められる。処理される複合材料構成要素のサイズが特定の限度を超えると、オートクレーブとプロセスの費用が法外に高いものとなる場合がある。
【０００４】
例えば風力タービン・ブレードのような非常に大きい複合材料物品の製造は、多くの技術的な難しさに関係する。これらの問題は、ブレードの長さによって増幅される。
【０００５】
そのうえ、当該技術分野で一般に用いられる複合材料モールドは、安全に取り扱われるのに十分なだけの強度がなく、複合材料物品の生産に用いられる繰り返される高温プロセスに耐えることができない。金属モールドは、モールドとその中で処理される複合材料との間の熱膨張係数の不一致のために、それらは使用可能ではないので、高い温度での非常に大きい複合材料物品の製造には適さない。そのうえ、公知のセラミック・モールドは、一般に、取り扱いに耐えるのに十分なだけの強度がない。例えば、大きいセラミック・モールドは、例えば複合材料を処理するための真空圧力がそれに適用されると、崩壊しがちである。
【０００６】
したがって、大きい複合材料物品又はその部品を処理するのに用いられる内部加熱を伴う改善されたモールドに対しての必要性がある。
【０００７】
本発明の目的は、高い強度と効率の良い加熱配置を有する、大きい複合材料構成要素を処理するのに適したモールドを提供することである。
【０００８】
近代では、再生可能エネルギーの領域において、かなりの研究開発がなされている。特に、多くの研究は、風エネルギーとその発生のためのプロセスに焦点があてられている。本発明で特に関心が持たれるのは、一般に、タービンを駆動するために自然風エネルギーを十分な回転エネルギーに変換するのに使用されるタイプのものである、風力と共に用いるのに適したブレードである。こうしたブレードは、自然風エネルギーを捕らえて、自然風エネルギーから回転移動を発生させるように形状設定される。回転運動は、発電機を駆動するのに用いられ、それが電気を発生させる。ブレードは、一般に、風の運動エネルギーを機械的エネルギーに変えるフォイルである。こうしたブレードは、しばしば風力タービン・ブレードと呼ばれる。
【０００９】
風力タービン・ブレードのような複合材料物品の製造のためのプロセスは、当該技術分野では周知のものである。大きい風力タービン・ブレードのような大きい複合材料物品は、一般に、３つのプロセス、すなわち、ハンドレイアップと、事前含浸テープと、乾燥繊維及びコア予備成形物への或る形式の液体樹脂注入法とのうちの１つから形成されている。一般に、タービン・ブレードは、２つの凹形シェル半分部の中で形成され、凹形面は、互いに対面しており、２つの嵌め合わされた半分部の間のキャビティ内にスパー・ボックス又はスパーのような構造支持体を備える。ブレードがハブに接続される区域（一般に根元部区域と呼ばれる）は、円筒形のモノリシック複合材料ラミネートであり、一般に別個に製造される。組立体全体が、次いで、複雑で時間のかかるものとなり得るプロセスである余分の作業において、接着剤結合される。
【００１０】
大きい複合材料構造体を生産する最も基本的な方法は、ガラス繊維とエポキシ及びポリエステルのような硬化されていない熱硬化性樹脂とのハンドレイアップを用いることである。これは、エアポケットを除去し、樹脂が強化材に溶浸したことを保証するために、レイアップに手で幾らかの圧力をかけるのに用いられるブラシ及びローラにより、ガラス繊維と樹脂との交互の層を手で塗布することに関係する。このプロセスの主な利点は、洗練された機器が必要とされないため、高価ではないことである。ブレード工作機械器具は、非加熱とすることができ、又は、ことによると、硬化反応を開始するために、例えば８０℃まで加熱することができる。ハンドレイアップ法の主な欠点は、汚れるものであることと、ラミネート品質を制御するのが難しいことである。作業場での硬化されていない樹脂の使用に関連する甚大な健康及び安全性問題がある。一般に、大きい複合材料構造体のためのこのタイプのプロセスは、液体樹脂注入法又は事前含浸テープの使用に徐々に代替されている。
【００１１】
事前含浸テープの使用は、ハンドレイアップよりも進歩した製造法である。風力タービン・ブレードにおいて、テープは、普通はガラス繊維強化エポキシで形成されるが、炭素繊維強化エポキシもまた、特にスパーに用いられてもよい。テープは、ブレードのシェルの一方の半分部区域の形状を有するツール上に、手でレイアップされるか又は自動的にレイアップされる。レイアップの全体が、次いで、真空バッグの中に封入され、空気が抜かれる。ツールは、次いで樹脂を硬化するために、ブレードのサイズに応じて、普通は、４時間から８時間までの間とすることができる数時間にわたって、１００℃を上回る温度まで加熱される。同じ動作は、別個のツール上のブレードのシェルの他方の半分部区域でも行われる。スパーと根元部区域は、ブレードのシェルの半分部区域とは別個の、第３及び第４のツール上にそれぞれ形成される。
【００１２】
総じて、部品製造と接着剤結合を含むプロセス全体は、その別個の部品（すなわち、シェルの半分部区域、スパー、及び根元部区域）から、大きい、例えば＞４０ｍの長い風力タービン・ブレードを十分に生産するのに２４時間から３６時間までの間の時間がかかる場合がある。風力タービン・ブレードのこの長々とした製造サイクルを実質的に減らすために、最も有望な技術は、ブレード全体が１操作で生産される、或る形態のワンショット法を開発することである。ワンショット法の使用は、半分部とスパーとを接着剤結合し、及び組み立てる必要性を回避する。接着剤と空隙充填材料は必要とされないので、ワンショット法は、ブレードの重量減少につながる。除去される製造及び組立ステップの数により、プロセスのサイクルタイムもまた減少される。風力タービン・ブレードのワンショット処理はまた、ブレードの後縁部のより良好な成形後輪郭を達成することができ、タービンの作動からのより良好な空気力学及び非常に低いノイズを与えるという点で有利である。
【００１３】
Ｓｉｅｍｅｎｓ  ＡＧの欧州特許第１，３１０，３５１号Ｂ１及び対応する米国特許第２００３／０１１６２６２号Ａ１（譲受人Ｂｏｎｕｓ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ａ／Ｓ）は、液体樹脂注入プロセスを用いて単一成形として熱硬化性複合材料の風力タービン・ブレードを生産するための方法を記載している。このプロセスにおいて、サンドイッチ構造体をもたらすためにコア材料と共に用いられる強化繊維材料が、閉鎖されたモールドの中に配置される。その後、真空の適用を通じて繊維材料の中に液体樹脂が注入される。欧州特許第１，３１０，３５１号に記載されたプロセスの一実施形態において、熱硬化性プリプレグ材料は、これらのプリプレグ材料が提供する高い繊維体積含有率の利点を取り入れるために、ブレードの高耐力区域に配置される。ブレードのより大きい部品を構成する残りの乾燥繊維材料に、真空の適用の下で液体樹脂が注入される。可撓性外部部品を有する特別に構成されたモールド・コアと堅い又は使用可能な内部は、溶浸及び硬化の間はモールドの中に残り、その後、除去される。記載された樹脂溶浸プロセスは、溶浸の間は真空圧力の減少を必要とするので、コアは、処理の間は定位置に残らなければならない。真空圧力は、処理の間、複合材料レイアップを支持するように働く唯一の外力であるため、コアは、材料の重量に起因する組立体の崩壊を止めるために、定位置に残らなければならない。
【００１４】
しかしながら、大きい熱硬化性複合材料の風力タービン・ブレードに、液体をシングルショットで注入することは、簡単なプロセスではない。欧州特許第１，３１０，３５１号Ｂ１及び米国特許第２００３／０１１６２６２号Ａ１は、ラミネートのサンドイッチ・コアを通して多数トンの樹脂を分散させるのに用いられる樹脂供給管の複雑なシステムを記載している。一定の繊維体積含有率を維持することに伴う難しさは、ブレードの厚い断面の固体ラミネート領域、例えばスパー・キャップ及びハブ区域の溶浸に伴って生じる。欧州特許第１，３１０，３５１号Ｂ１及び米国特許第２００３／０１１６２６２号Ａ１は、熱硬化性プリプレグをこれらの領域の中に予め配置し、次いで、樹脂注入法によって十分に溶浸させる方法を開示する。しかしながら、構造体の全体にわたる規定された繊維体積含有率の達成は、風力タービン・ブレードのような耐力構造体の設計要件を満たすのに重要であり、これは、液体樹脂注入を用いて達成するのが難しい場合がある。
【００１５】
このように、複合材料物品の製造のための公知のプロセスに関連する難しさを当業者は理解するであろう。特に、乾燥材料のレイアップの使用に関係したプロセスの場合、処理の前のツール（モールド）上のレイアップの正確な位置づけに関連する難しさがある。
【００１６】
したがって、従来技術にもかかわらず、例えば風力タービン・ブレードのような複合材料物品の製造のための改善されたプロセスに対しての必要性がある。特に、風力タービン・ブレードのような、十分に溶浸され、重合され、所望の繊維体積含有率を有する複合材料物品を確実に生産することができる、改善されたワンショット法に対しての要件がある。
【００１７】
したがって、本発明の目的は、複合材料構造体をワンショット法で製造することができる、複合材料物品、特に風力タービン・ブレードの製造のための改善されたプロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
したがって１つの態様において、本発明は、高分子複合材料を成形するためのモールドを形成する方法であって、複数の加熱要素と少なくとも１層の繊維強化ポリマーを、硬化温度が該ポリマーの融点よりも低い、広げることができるセラミック材料内に埋め込むことと、セラミック材料をポリマーの融点よりも低い温度で硬化させて固体セラミック体をもたらすことと、セラミック体をポリマーの融点よりも高い温度で加熱することとを含む方法を提供する。
【００１９】
本明細書に記載の実施形態は、セラミック材料が含浸される繊維強化ポリマー層内に埋め込まれた、電気加熱要素を組み入れている。硬化温度は、６０℃よりも上、７０℃よりも上、８０℃よりも上、又はさらには９０℃よりも上とすることができる。こうした硬化温度は、その中で熱風の流れが発生するトンネルのような基本的な加熱方法で得ることができる。
【００２０】
埋め込むステップは、
（ａ）広げることができるセラミック材料の第１層をモールド・パターンに塗布することと、
（ｂ）第１層に繊維強化ポリマー層を塗布することと、
（ｃ）セラミック材料の第２層を繊維強化ポリマーに塗布し、中に入り込ませることと、
（ｄ）随意的にステップ（ａ）から（ｃ）までを１回又は複数回繰り返すことと、
（ｅ）加熱要素の層をセラミック材料の露出面に塗布することと、
（ｆ）加熱要素の層をセラミック材料のさらなる層で覆うことと、
を含む。
【００２１】
本明細書で用いられる場合の「中に入り込ませる」という用語は、セラミック材料がポリマー材料に含浸し、あらゆる混入空気の大部分が除去されるように、繊維強化ポリマーに塗布されるセラミック材料層に圧力をかけることを意味する。圧力は、例えばローラの使用によって適用されてもよい。代替的に、圧力は、例えば真空バッグにわたって適用される真空圧力の使用によって、又は例えば真空バッグにわたって正圧をかけるためにオートクレーブの使用によって適用されてもよい。セラミック・ペーストが繊維強化ポリマーに含浸することを保証するために、任意の他の適切な圧力をかける手段が用いられてもよいことを当業者は理解するであろう。
【００２２】
好ましくは、ステップ（ｆ）は、ステップ（ａ）から（ｃ）までの少なくとも１回の繰返しを含む。
【００２３】
適切に、この方法は、セラミック材料を乾燥させるのに十分な時間期間にわたって２５〜１００℃の範囲の温度までモールドを加熱するステップをさらに含む。このステップは、セラミック材料が乾燥される水分除去ステップを含み、セラミック材料はその後モールド・パターンから除去される。これは、最初にセラミックが乾ききるのに必要な時間期間にわたって、加熱ワイヤを通じて低いレベルの電力を導入することによって実行される。水分除去ステップを実行することによって、加熱ワイヤのあらゆる電気的短絡の可能性が回避される。水分除去ステップは、ポリマーの融点を上回る温度までセラミック体を加熱する前に実行されることが好ましい。水分除去は、モールドの加熱要素上で切換えることによって有利に実行される。それにより、大きいオートクレーブ又は炉の使用を回避することができる。
【００２４】
繊維強化ポリマー層は、ポリマーの繊維と共に織られた炭素繊維を適切に含む。繊維強化ポリマー層は、代替的に、ポリマーの繊維と共に織られた、ガラス、金属、又は玄武岩繊維、或いはその混合物を含んでもよい。
【００２５】
代替的に、繊維強化ポリマー層は、その上にポリマーが堆積されている、炭素、ガラス、金属、又は玄武岩繊維を含んでもよい。ポリマーは、例えば、粉末、顆粒、又はペレットのような固体形態であってもよい。
【００２６】
本明細書で説明される実施形態において、繊維強化ポリマー層は、乾燥炭素繊維束とポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）の繊維又はストランドとの混繊織りからなる。ＰＥＥＫは、高いガラス転移温度（Ｔｇ＝１４３℃）と溶融温度（３４３℃）を有し、２２０℃までの使用温度で優れた機械的特性を与え、２２０℃から３００℃までの間で中程度の機械的特性を与えるので、本発明に従って用いるのに特に好ましい。ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）ポリマーを用いることの特定の利点は、溶融され、強化繊維とセラミック材料との両方に融着された後で、結果として得られる３成分複合材料が、１７０〜２２０℃の成形温度範囲で優れた機械的特性を有し、２２０℃から３００℃までの間で中程度の機械的特性を依然として保有することである。ＰＥＥＫの添加は、ガラス又は炭素繊維のいずれかでセラミック・ツールを単純に強化することでは得られないであろう実質的な衝撃靭性及び破壊靭性をセラミック・ツールに付与する。
【００２７】
こうしたプロセスによってモールドの機械的特性が強く改善されるので、これらのモールドは、それらの耐用年数の間、非常に単純な加熱プロフィールを経験する場合がある。
【００２８】
ポリマーは、代替的に、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、又はポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）を含んでもよい。
【００２９】
ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）又はポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）ポリマーの場合、溶融され、強化繊維とセラミック材料との両方に融着された後で、結果として得られる３成分複合材料は、１７０〜２２０℃の成形温度範囲で優れた機械的特性を有し、依然として２２０℃から３００℃までの間で中程度の機械的特性を保有する。ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）ポリマーの場合、３成分複合材料の機械的特性は、１７０〜２２０℃の成形温度範囲で中程度の機械的特性を有するが、２５０℃を上回る温度で用いるのに適したものではないであろう。ＰＥＫＫ又はＰＰＳのいずれかの使用はまた、ＰＥＫＫ及びＰＥＥＫが最高の強靭化効果を与える、ツールの破砕及び衝撃靭性を付加するであろう。
【００３０】
強化繊維をポリマー繊維に融着させて構造的複合材料を形成することは、ポリマーが繊維束に含浸してその周りを流れることを可能にするために、材料をポリマーの溶融温度よりも上にもっていくことを要求する。ＰＥＥＫの場合、この温度は、３６０℃から３９０℃までの間である。
【００３１】
ポリマー繊維の溶融の後で、モールド・ヒータがオフに切り換えられ、モールドが例えば室温まで自然に冷却される。この冷却プロセスの間に、ポリマーが固化し、その本来の半結晶性の形態学的構造体に逆戻りする。モールドの製造において、この高い温度要件は、普通は、モールド・パターンの構成に用いられる材料によって満たすことができない。この難しさを克服するために、モールドの構成中に、ペーストの形態のセラミック材料が、炭素及びＰＥＥＫ布の混繊層の間に導入される。このセラミック材料、この実施形態においては、アルミノケイ酸アルカリセラミック又はメタケイ酸カルシウムは、モールド・パターンによって容易に許容され得る例えば６０℃の比較的低い温度で硬化することができる。こうした低い温度で硬化することができるセラミック材料の使用は、こうした温度を許容することができるあまり高価でないモールド・パターンを用いることができるため、特に有利である。
【００３２】
本発明に係るモールドの製造に用いられる好ましいセラミック材料は、合成アルミノケイ酸塩材料のクラスに属する「ジオポリマ」と呼ぶことができる。本発明に係るモールドの製造に他の適切なセラミック材料を用いることもできることを当業者は理解するであろう。
【００３３】
セラミック材料の硬化とその後の固化によって提供される機能は、繊維とポリマーの融着の前にモールドに構造強度と剛性が付与されることである。このモールド内の剛性の度合いは、その一体性と形態安定性を保持しながら、パターンからのモールドの除去を容易にする。モールドがパターンから除去された後で、モールドをポリマーの溶融温度を上回る温度にもっていくために一体加熱が用いられる。これがなされるときに、ポリマーが溶融し、繊維束の中に及び周りに流れ、増加した強度と剛性をモールド構造体に付与する。ポリマーはまた、例えばセラミック・マトリクス内のガラス繊維によって経験される場合があるような、セラミックによる侵食から繊維を保護する。したがって、強化繊維とポリマーとセラミックとの複合材料から構成されたモールドは、２３０℃までの作業温度を有し、且つ高い構造強度を有する。この構造強度は、セラミック材料単独で達成可能なときの３．５倍のオーダーである。モールドの作業温度は、繊維強化ポリマー層に用いられるポリマーに依存することが理解されるであろう。モールドの作業温度は、したがって、用いられるポリマーに応じて２３０℃よりも高くてもよい。
【００３４】
本発明の第２の態様によれば、高分子複合材料を成形するためのモールドであって、複数の加熱要素と少なくとも１層の繊維強化ポリマーとがその中に埋め込まれたセラミック体を備えるモールドが提供される。
【００３５】
本明細書で用いられる場合の「モールド」及び「ツール」という用語は、交換可能に用いられ、同じ意味をもつ。本明細書に記載のモールドは、高分子複合材料の高温成形に用いるのに適している。モールドは、風力タービン・ブレード又はその区域、航空機胴体、並びに大きい自動車及び輸送パネル、船の船体のような海洋構造物、筐体、又はコンテナのような大きい複合材料物品を成形するのに特に適している。
【００３６】
したがって、さらなる態様において、本発明は、（ｉ）物品の所望のレイアップを堆積させるのに十分な量の１つ又は複数の繊維性プリプレグ材料層をツール上に提供するステップと、（ｉｉ）前記材料に熱と真空を適用するステップと、（ｉｉｉ）前記ツールにおいて複合材料物品を形成するのに十分な時間期間にわたって十分な熱と真空を維持するステップとを含み、前記レイアップがステップ（ｉｉ）の前に犠牲バッグの中に封入されることを特徴とする、複合材料物品の製造のためのプロセスを提供する。
【００３７】
複数の加熱要素と少なくとも１層の繊維強化ポリマーとが中に埋め込まれたセラミック体を備える、本明細書に記載のモールド（ツール）は、上述の複合材料物品の製造のためのプロセスに用いるのに適している。説明された強化されたモールドは、崩壊することなく取り扱うことができるので、本明細書に記載のプロセスに用いるのに特に適している。強化されたモールドの別の利点は、犠牲バッグを溶融するのに必要な温度まで加熱することができることである。
【００３８】
したがって、本発明はまた、
（ｉ）物品の所望のレイアップを堆積させるのに十分な量の１つ又は複数の繊維性プリプレグ材料層をツール（モールド）上に提供するステップと、
（ｉｉ）前記材料に熱と真空を適用するステップと、
（ｉｉｉ）前記ツール（モールド）において複合材料物品を形成するのに十分な時間期間にわたって十分な熱と真空を維持するステップとを含み、前記レイアップがステップ（ｉｉ）の前に犠牲バッグの中に封入されることを特徴とする、複合材料物品の製造のためのプロセスにおける本明細書に記載のモールドの使用を提供する。
【００３９】
このプロセスは、
（ａ）プリプレグ材料を含む１つ又は複数のレイアップを提供するステップと、
（ｂ）各レイアップを犠牲バッグの中に封入し、真空を適用するステップと、
（ｃ）犠牲バッグが各レイアップのプリプレグ材料を定位置に保ち、且つ熱の適用で溶融するように、ステップ（ｉｉ）の前にレイアップを互いに配置するステップと、
をさらに含んでもよい。
【００４０】
犠牲バッグは熱の適用で溶融する。犠牲バッグは、複合材料物品の機械的特性に如何なる悪影響をも及ぼすことなく、プリプレグ材料の樹脂と混合することができる。
【００４１】
本発明は、熱硬化性又は熱可塑性プリプレグ材料からの複合材料物品の製造のためのワンショット法を提供する。プリプレグ材料の使用は、ブレードの構造体全体にわたって正しい繊維体積含有率が得られることを可能にする。これは、当該技術分野では公知のワンショット液体成形プロセスを上回る大きな利点であり、大きい構造体内の局所繊維体積含有率は、充填及び圧密プロセスの間の、樹脂温度及び粘度、予備成形アーキテクチャ、昇温速度、最高温度、最高温度における時間、及び真空圧力のような多数の重要なパラメータの制御に依存する。
【００４２】
複合材料プリプレグ材料を処理するときに乾燥繊維材料のレイアップを制御するのは難しい場合があることを当業者は理解するであろう。犠牲バッグの使用は、本発明に係るプロセスによれば、それらが処理されるまでモールド（ツール）上に材料を正確に配置する手段を提供する。犠牲バッグの使用は、繊維と樹脂との両方がレイアップされる層の中に含められるタイプのプリプレグ材料と共にのみ用いることができる。
【００４３】
犠牲バッグは、真空を適用することによって少なくとも１つの繊維性プリプレグ材料層を定位置に維持するのに用いられる。それにより、材料の位置づけに対する悪影響なしにツールを取り扱うことができる。
【００４４】
本明細書で用いられる場合の「犠牲バッグ」という用語はまた、熱の適用で溶融するバッグ又は層を指すことを意図される。犠牲バッグは、不活性プラスチック材料で作製されることが好ましい。犠牲バッグは、複合材料レイアップの成分と混合されることが好ましい。犠牲バッグは、複合材料の機械的特性に対する悪影響が小さいか又は悪影響をもたないことが好ましい。犠牲バッグは、さらに複合材料の機械的特性を改善することができる。
【００４５】
本発明に従って用いられるバッグは、風力タービン・ブレード及び又はその一部分を含む、大きい複合材料物品と小さい複合材料物品との両方の製造のためのプロセスに用いるのに適している。バッグはまた、レイアップするのが難しい乾燥プリプレグ材料から小さい風力タービン・ブレード又は自動車構成要素のようなより小さい複雑な部品の処理を容易にするために、本発明に係るプロセスに従って用いることができることが理解されるであろう。
【００４６】
犠牲バッグは、複合材料プリプレグの処理温度よりも低い融点を有する任意の適切なプラスチック材料を含んでもよく、材料が溶融され、プリプレグ材料と混合されるとき、プリプレグの機械的特性への如何なる悪影響をも引き起こさず、又は、プリプレグの機械的特性に対する悪影響が小さいか又は悪影響をもたない。
【００４７】
適切に、犠牲バッグは、１５０℃を下回る溶融温度をもつ半結晶性熱可塑性ポリマーを含む。
【００４８】
犠牲バッグは、代替的に、１２５℃を下回るガラス転移温度をもつアモルファス熱可塑性ポリマーを含んでもよい。
【００４９】
犠牲バッグは、低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ）、ポリプロピレン、エチレン酢酸ビニル（ＥＶＡ）材料、及びそのコポリマーからなる群から選択された材料を適切に含む。犠牲バッグは、他の適切なポリマー材料を含んでもよいことを当業者は理解するであろう。バッグは、ブレードの硬度又は靭性を改善することができる適切な材料を含んでもよい。
【００５０】
ツールは、１７０〜４００℃の範囲の温度まで加熱されてもよい。
【００５１】
適切に、ツールは、１７０〜２１０℃の範囲の温度まで加熱される。
【００５２】
適切に、犠牲バッグは、プリプレグの処理温度よりも低い融点を有する。
【００５３】
本発明に係るプロセスは、１８０℃又はこの温度以上での処理を要求する複合材料プリプレグ材料と共に用いるのに特に適している。
【００５４】
好ましい実施形態において、本発明は、
（ｉ）物品の第１及び第２部分を形成するためのツールを提供するステップと、
（ｉｉ）前記物品の第１部分の所望のレイアップを堆積させるために、ツール上に１つ又は複数の繊維性プリプレグ材料層を提供するステップと、
（ｉｉｉ）前記レイアップをツールにシールするために前記レイアップ上に犠牲バッグを配置し、真空を適用し、前記物品の第２部分の所望のレイアップを形成するためにステップ（ｉｉ）及び（ｉｉｉ）を繰り返すステップと、
（ｉｖ）前記物品の第２部分のレイアップに隣接して前記物品の第１部分のレイアップを配置するステップと、
（ｖ）前記ツールに熱と真空を適用するステップと、
（ｖｉ）前記ツールにおいて複合材料物品を形成するのに十分な時間期間にわたって十分な熱と真空を維持するステップと、
を含む、風力タービン・ブレードのような複合材料物品の製造のためのプロセスを提供する。
【００５５】
好ましくは、ツールは、複数の加熱要素と少なくとも１層の繊維強化ポリマーとが中に埋め込まれたセラミック体を備える。
【００５６】
本発明に係るプロセスはまた、風力タービン・ブレード以外の複合材料物品の製造のために用いることができることが当該技術分野の当業者には理解されるであろう。
【００５７】
犠牲バッグは、複合材料物品の異なる部分のレイアップを助けるのに用いることができる。例えば、本発明に係るプロセスは、例えばブレードの上半分部が、開放されたモールド（ツール）上にレイアップされ、犠牲バッグの中に封入され、それをシールするためにバッグとモールドとの間に真空が適用されることを可能にする。このモールドの半分部は、次いで、レイアップを乱すことなく回転させて他方の半分部の上部に配置することができる。犠牲バッグのおかげで、ブレードをワンショット法で生産することができる。犠牲バッグの使用は、２つのブレード半分部の接合部における樹脂前面の形成を妨げない。こうしたワンショット法は、任意のコアを両方の半分部の間の定位置に残すことを要求しない。したがって、プロセスの終了時にコアを取り出す必要はない。それにより、プロセスの費用は大きく下がる。プロセスの間のモールドの総重量もまた減少される。こうしたワンショット法は、如何なる樹脂注入をも要求しない。モールドの総重量はまた、注入工作機械器具の抑制によっても大きく減少する。モールド重量の減少のおかげで、より長いブレードを生産することができる。
【００５８】
好ましい実施形態において、本発明に係るプロセスは、（ａ）１つ又は複数のプリプレグ材料層を提供すること、（ｂ）レイアップを形成するために交互の形式で提供される１つ又は複数の発泡体材料層、及び（ｃ）前記レイアップを犠牲バッグの中に封入し、真空を適用することによって、少なくとも１つの複合材料支持手段を準備するステップをさらに含む。複合材料支持手段の全体を、次いで、レイアップを乱すことなく一体化してモールド（ツール）に移動させることができる。
【００５９】
複合材料支持手段は、スパーを適切に含む。プロセスは、ツール上の物品の第１部分のレイアップ上にスパーを配置するステップと、スパーと第１部分のレイアップの上に犠牲バッグを配置するステップと、ステップ（ｉｖ）の前に真空を適用するステップとをさらに含んでもよい。
【００６０】
したがって、プロセスは、物品の第１部分（例えばブレード）がスパー及び他の構成要素と共に定位置にレイアップされ、モールドの閉鎖の間にレイアップと構成要素の動きを防止する犠牲バッグの中に真空の下で封入されることを可能にする。
【００６１】
プロセスは、ステップ（ｉｖ）の前にスパーの各側に隣接して真空バッグを配置するステップをさらに含んでもよい。真空バッグは、ナイロンバッグを適切に含み、処理の間、物品に強度と支持を与える。
【００６２】
非犠牲バッグ又は真空バッグは、該バッグとツール（モールド）との間に部品レイアップを収容する体積を生じさせるのに用いられる。この体積からの空気の排出は、処理段階の間に、良好な品質の複合材料構造体をもたらすのに必要な１バールまでの圧密圧力をレイアップ上に生じさせる。真空の適用はまた、レイアップが処理の間にツール表面との接触を維持することを保証し、そうすることで、最終部品がツールの形状と適合することを保証する。
【００６３】
本明細書で用いられる場合の「プリプレグ」という用語は、例えば、モールドにレイアップする前に、その場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で重合可能な熱可塑性材料、若しくは熱硬化性又は熱可塑性の重合された又はプレポリマー材料のような樹脂材料が事前含浸された、炭素繊維、ガラス繊維、玄武岩繊維、金属繊維、又は他の繊維材料のような繊維材料を意味する。樹脂は、一般に繊維の間でその場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）である。事前堆積されたという用語は、例えば、モールドにレイアップする前に、その上に樹脂材料が堆積されている繊維材料を意味する。この場合の樹脂は、繊維の上部上に又は片側上にのみであってもよい。「事前含浸材料」という用語は、事前堆積された材料も含むようにとられるべきであり、これらのタイプの材料は、プリプレグと呼ばれることもある。
【００６４】
犠牲バッグは、熱硬化性プリプレグと共に用いるのに特に適している。代わりに、犠牲バッグは、揮発性有機成分を環境から分離した状態に保つ。熱硬化性樹脂は、特定の空気浄化を要求することなく、粉末、ペレット、又は顆粒形態で、オペレータが繊維の上に分散させることができる。
【００６５】
プリプレグ材料は、任意の適切な熱硬化性又は熱可塑性プリプレグ材料を含んでもよい。したがって、好ましい実施形態において、本発明は、熱硬化性又は熱可塑性プリプレグ材料からの風力タービン・ブレードの製造のためのワンショット法の使用を提供する。熱硬化性又は熱可塑性プリプレグ材料は、重合された形態又はプレポリマーの形態のいずれかとすることができる。適切な熱可塑性材料は、欧州特許出願第０６０７６４４３．８に記載されたものを含む。
【００６６】
適切な熱硬化性材料は、例えば、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ビニルエステル樹脂、熱硬化性ポリウレタン樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、及びシリコーン樹脂を含む。
【００６７】
本発明に従って用いるのに適切な樹脂材料は、環状ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＣＢＴ）、高温エポキシ、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、及びポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）を含む。
【００６８】
プリプレグ材料は、環状ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＣＢＴ）とガラス繊維マット、エポキシとガラス繊維又は炭素繊維、及びガラス繊維強化ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリアミド（ＰＡ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、又はポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）からなる群から選択されてもよい。
【００６９】
好ましくは、プリプレグは、ＣＢＴとガラス繊維マットを含む。環状ポリ（１，４−ブチレンテレフタレート）（ＣＢＴ）は、米国特許第６，３６９，１５７号を含むＣｙｃｌｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによる多くの特許において説明されたような、重合されたときにＰＢＴポリマーを形成する活性化された大環状ポリエステルオリゴマーである。一部（ｏｎｅ−ｐａｒｔ）ＣＢＴシステムは、一般に、重合触媒を伴うＣＢＴのブレンドを含む。これは、望ましくは一部固体形態である。この一部システムの利点は、触媒の添加のための別個の混合ステップを実行する必要がないことである。
【００７０】
代替的に、プリプレグは、ＩＱ  Ｔｅｃ  Ｇｅｒｍａｎｙ  ＧｍｂＨによって商標名ＰｒｅＴｅｃ  ＥＰの下で販売されているもののような反応性の熱硬化可能な熱硬化性樹脂が含浸された繊維強化シートを含んでもよい。これらのプリプレグは、Ｆｒｅｉｌａｃｋｅから入手可能なＦＲＥＯＰＯＸ樹脂及びＡＫＺＯ  ＮＯＢＥＬから入手可能なＲＥＳＩＣＯＡＴ樹脂のような熱硬化性樹脂を含んでもよい。これらのプリプレグは、本明細書に記載の強化されたモールドをこれらのプリプレグの処理温度を上回る温度まで加熱することができるので、本発明に従って用いるのに特に適している。これらのプリプレグに用いられる樹脂は、典型的に１８０℃を上回る温度で熱の適用によって活性化され、本明細書に記載のモールド（ツール）の利点は、このモールドが、これらのプリプレグを処理するために１８０℃を上回る温度で十分に耐久性があることである。従来の熱硬化性プリプレグ材料を用いて構成されたモールド（ツール）は、これらのプリプレグを処理するための耐熱性をもたないであろう。本発明のさらなる利点は、これらの反応性の熱硬化可能な熱硬化性樹脂が、硬化の間に発熱反応を呈さないことであり、したがって、それらを、例えば大きい風力タービン・ブレードのハブ端部で又はスパー・キャップにおいて見られるような厚い断面の複合材料の迅速な硬化に特に適したものにする。これらの熱硬化性樹脂はまた、加熱されたときに非常に低い粘度を呈し、これは、注入プロセスを要求することなく非常に良好な樹脂分布を約束する。そのうえ、複合材料の繊維体積含有率を増加させるために樹脂量を細かく適合させることができる。
【００７１】
プリプレグ材料は、準備してツール上にレイアップするか又はオフラインで準備することができる。適切に、プリプレグは、粉末がガラス又は炭素繊維上に散布され、例えば、加熱され、粉末を繊維の中に押し込むためにローラを通過させられる粉末堆積プロセスの使用によって準備される。プリプレグは、次いで、ツール上に配置し、必要に応じて物品の各部分のレイアップを形成するのに用いることができる。
【００７２】
本発明は、本発明に係るプロセスによって得ることができる複合材料物品をさらに提供する。
【００７３】
本発明において、複合材料物品に適用される場合の「大きい」又は「より大きい」という用語は、従来技術が部品又は区域に通常構成するサイズの物品又は要素に関するものである。例えば、或るサイズを上回る物品の区域は、一般に、別々に構成されて後で互いに接合され、物品の一体性は、普通は区域の間の各接合部に沿って損われる。一般に、複合材料は、組み合わされて任意の個々の構成要素には存在しない構造的又は機能的特性をもたらす構成要素で構成される。多くの用途では、それを使用するのに魅力的な材料にするのは複合材料の強度である。強度を損うことは、複合材料をその意図された最終用途にあまり適切でないものにする。典型的に、こうした大きい又はより大きい複合材料物品は、５メートル以上、例えば１０メートル以上、１５メートル以上のような少なくとも１つのディメンション（しばしば時間の長さ）を有する。本発明では、これらの大きい複合材料物品は、如何なる別個の接合もなしに形成することができる。本発明では、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、又は８５メートル以上の少なくとも１つのディメンション（しばしば時間の長さ）の物品を生じさせることが可能である。
【００７４】
より大きい構造要素又は物体に特に関心がもたれるが、本発明は、これらに限定されず、より小さい物体に対して用いることができる。構造要素、複合材料物品などの用語は、したがって、複合材料で構成されるすべての物品を含む。複合材料から形成された物品は、建築要素、自動車パネル及び構造体のような車両要素、船の船体のような海洋構造物、翼及び操縦翼面のような航空機要素を含む。これらのすべての物品は、本発明の複合材料を用いて本発明のプロセスによって製造することができる。
【００７５】
本発明を、付属の図面を参照しながら単なる例として以下でより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の実施形態に係るモールドの斜視図である。
【図２】図１に示されたモールドの一部の断面図である。
【図３】加熱テープのレイアウトを例証する、部分的に製作されたモールドの区域を示す図である。
【図４】犠牲バッグの中に封入されるスパーのレイアップを示す図である。
【図５】ツールの上半分部及び下半分部におけるブレードの各半分部のレイアップを示す図である。
【図６】犠牲バッグの中に封入されたブレードの一方の半分部とスパーのレイアップを示す図である。
【図７】ブレードの上半分部及び下半分部とスパーを備えた閉鎖されたツールの断面を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００７７】
本発明は、したがって、高分子複合材料の高温成形に適した強化されたモールド（ツール）、強化されたモールドの製造のためのプロセス、及び強化されたモールドを用いる複合材料物品の製造のためのプロセスを提供する。
【００７８】
図１は、風力タービン・ブレード、航空機胴体区域、大きい自動車及び輸送パネルのような比較的大きい複合材料及び／又はプラスチック構成要素、又は金属モールドとオートクレーブ又は炉との組合せを用いて成形するには一般に不適切であろう他の大きい構成要素を成形するのに用いられるモールド１０を示す。
【００７９】
こうした構成要素は、一般に少なくとも２メートルの長さとなり、又は少なくとも５ｍ２の表面積を有するであろう。モールド１０は、２つのモールド区域１４、１６を備える。各区域１４、１６は、区域１４、１６が互いに対してしっかりと正確に位置付けられることを可能にするために周辺フランジ１８を含む。フランジ１８はまた、成形での使用の間に区域１４、１６を支持するためのフレーム（図示せず）を固定する地点として働いてもよい。各区域１４、１６はまた、端と端をクランプされた２対以上のより短い区域１４、１６から特に長いモールド１０が形成されることを可能にするために、一方又は両方の端部上にフランジ２０を含んでもよい。各区域１４、１６は、その中に炭素繊維強化ポリマー層３０が埋め込まれたセラミック材料体２８（図２）である。
【００８０】
モールド１０は、真空の下で固めることができる材料、例えば、熱可塑性及び熱硬化性複合材料の処理に特に適している。図１において、モールド１０、特にその内側の作業面２２は、例えば風力タービン・ブレードの根元部又は航空機胴体区域を成形する場合と同様に、実質的に円筒形の断面を有するものとして示される。しかしながら、作業面２２は、成形されるべきアイテムの形状に従って任意の所望の形状とすることができる。例えば、風力タービン・ブレードの主な長さを成形する場合と同様に、図３に示すように実質的に楕円形の又は翼の断面とすることができる。
【００８１】
モールド１０の比較的大きいサイズのために、モールド１０内で形成される材料を硬化するのにそれをオートクレーブ又は炉などの中で加熱することは、こうしたオートクレーブ又は炉のサイズ、したがって費用と複雑さが法外なものとなるので実際的ではない。したがって、モールド１０は、その中に埋め込まれた図２及び図３の加熱要素のアレイ又はワイヤ２４によって一体的に加熱される。図２は、モールド１０の一部の断面図であり、これと同じ断面が、作業面２２を取り囲み且つ画定するモールド１０のすべての部分に、そして好ましくは、存在する場合は周辺フランジ１８及び端部フランジ２０にもあてはめられることが理解される。図３は、部分的に製作された状態（製作プロセスは、以下に与えられる）の上側区域１４を示す。加熱ワイヤ２４は、高温可撓性金属加熱要素、特に、例えば、商標名ＡＭＰＴＥＫ  ＡＷＯ標準断熱加熱テープの下で供給されるような加熱テープを含むことが好ましい。
【００８２】
加熱ワイヤ２４は、モールド１０の使用の間に作業面２２、したがって成形されるべき材料を加熱するために、モールド１０の作業面２２に隣接して位置付けられる。加熱ワイヤ２４は、所望の構成要素を作製するために、好ましくは真空の下で作業面２２の形状に合致することができる十分に軟らかい状態にもっていくように、モールド面２２、したがって材料を加熱する。加熱ワイヤ２４のアレイの間隔及び向きは、作業面２２にわたる所望の熱分布を達成するために、特に作業面２２の異なる領域が異なる温度まで同時に加熱されることを可能にするために特に重要である。このようにして、モールド１０は、作業面２２上の特定の場所での熱出力をモールド１０によってもたらされる構成要素の局所厚さとマッチングさせることができる。
【００８３】
モールド１０は、以下のように製作される。
ステップ１：成形されるべき構成要素の形状の適切なブランク又はパターン３４（図２及び図３）がもたらされる。パターン３４、又は少なくともその表面は、モールド１０を形成するのに用いられる材料との適合性のある材料である。パターン３４は、例えば作業台（図示せず）上に支持される。
【００８４】
ステップ２：パターン３４の上側露出面を、最初にモールド離型剤（図示せず）で、次いでゲルコート層２６で覆う。ゲルコート層２６の前に塗布されたモールド離型剤は、上側区域１４が適切に硬化された後で、上側区域１４（最初にモールドの上側区域１４が製作され、その後に下側区域１６が製作される）に損傷を与えずに上側区域１４をパターン３４から分離させることができることを保証する。ゲルコートのための好ましい材料は、３０グラム毎平方メートルの組織のような適切な軽量ガラス表面組織と組み合わされた、セラミックアルカリアルミノケイ酸塩又はメタケイ酸カルシウムを含む。個々に又は組合せのいずれかで用いられてもよいさらなるセラミック材料が存在することが理解されるであろう。
【００８５】
ステップ３：セラミック・ペースト層２８Ａ上に繊維強化ポリマー布層３０を配置する。布３０は、乾燥炭素繊維束とポリマーＰＥＥＫの繊維又はストランドとの混繊織りを含む。好ましい材料は、Ｓｃｈａｐｐｅ  Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ  ＳＡからの炭素／ＰＥＥＫ  ＴＰＦＬ（商標）材料である。この材料は、６５０グラム毎平方メートルの面積重量をもつ、４繻子織の、交絡された２Ｄ織布６０／４０％（Ｖｆ５３％）である。ＰＥＥＫは、３４３℃の温度で溶融する。
【００８６】
ステップ４：セラミック・ペーストのさらなる層２８Ｂを塗布し、布にセラミック・ペーストを十分に含浸させ且つ混入した空気を除去するために、ローラで布３０の中に入り込ませる。仕上がった層の厚さは、典型的には、１層につき１．５ｍｍ付近である。
【００８７】
ステップ５：繊維層３０が埋め込まれたセラミック・ペースト２８の厚い層を堆積させるために、ステップ３からステップ５までを２回繰り返す。
【００８８】
ステップ６：セラミック・ペースト２８の露出面に加熱要素２４を層として塗布する。加熱要素は、米国のＡｍｐｔｅｋによって供給されるタイプのいわゆる加熱テープの中に組み込まれたワイヤであってもよい。所定の長さのテープ２４を前もって準備する。テープは、端部が準備され抵抗が確認されたロールから切断される。所定の長さのテープ２４をセラミック・ペースト２８上に正確にレイアップし、それらがそれらの位置を維持することを保証するためにペーストの中に押し入れる。この段階で、モールド区域の詳細な見取り図と加熱テープのレイアウトが準備される。
【００８９】
ステップ７：繊維層３０が埋め込まれた或る厚さのセラミック・ペースト２８を堆積させるために、且つ加熱テープ２４を構造体に埋め込むために、ステップ３からステップ５までをさらに２回繰り返す。全厚さは１０〜２０ｍｍの範囲内である。
【００９０】
ステップ８：この後で、モールド区域を６０℃で夜通し硬化させ、この段階でモールドから取り外される（パターン３４から除去される）。モールドから取り外すステップは、熱風の流れが発生するトンネルの中で実行することができる。このステップはまた、ツールの中に残っていることがある如何なる水分をも除去する助けとなることの利点を有する。１００℃以上までのさらなる加熱は、残っている如何なる残留水分をも完全に除去する。
【００９１】
ステップ９：成形後に、先に準備された見取り図に従って加熱テープ２４のすべての端部を位置付け、ラベル付けする。すべての終端が正しいことを保証するために各加熱テープの抵抗を確認する。加熱テープは、次いで、適切な外部制御回路に接続される。この段階で、モールド区域は、埋め込まれた加熱システムを用いて加熱するための準備ができた状態となる。
【００９２】
ステップ１０：ポリマー繊維を溶融して炭素繊維とポリマーとの間の結合を生じさせるために、モールド区域の温度を約３９０℃までもっていく。この結合は、モールドの構造強度を大きく増加させ、これは典型的には、セラミックのみを用いて達成可能な強度の３．５倍である。
【００９３】
これで上側区域１４の製作が完了する。以前のパターンの下部側がここで最も上になるように、ここでパターン３４をひっくり返し、下側区域１６を形成するためにプロセス全体を繰返す。
【００９４】
モールド１０は、ここで、所望の構成要素、例えば１２メートル以上の長いものであり得る風力タービン・ブレードをもたらすために使用の準備ができた状態になる。こうしたディメンションの構成要素は、こうした風力タービン・ブレードがそれから慣習的に製造される高分子複合材料の処理と圧密を容易にするためにモールドがオートクレーブ又は炉などの中で加熱されることを要求する従来の成形技術による製造には適切ではない。
【００９５】
加熱ワイヤ２４は、作業面２２で１００℃から５００℃までの温度を発生させるように適合されることが好ましい。正確な温度は、モールド１０で処理されるべき材料の性質に依存するであろう。例えば、ポリプロピレン、及びポリアミド６、ポリアミド１２、ポリアミド１１、並びにポリブチレンテレフタレートのような熱可塑性マトリクス材料は、１８０℃から２４０℃までの間の温度で処理されてもよい。ポリエステル及びエポキシのような熱硬化性マトリクス材料は、２００℃以下で処理されてもよい。ポリエチレンテレフタレートのような他の熱可塑性材料は、２５０℃から３００℃までの間で処理されてもよい。ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、及びポリエーテルケトンケトンのような他の熱可塑性ポリマーは、３００℃から４００℃までの間で処理することができる。
【００９６】
加熱手段２４の電力定格は、典型的には作業面２２の５ｋＷ／ｍ２〜３０ｋＷ／ｍ２の範囲内となるが、もちろん要求される特定の生産速度、そしてまた処理されるべき材料の厚さ又は局所厚さに合わせるために変化させることができる。モールド１０内の局所的に処理されるべき材料の厚さ及びタイプの局所変化に合わせるために、ワット密度もまた局所的に変化させることができる。これは、熱出力を成形される構成要素の仕様に正確にマッチするようにカスタマイズするために、熱出力を個々に変化させる又は予め定められたグループで変化させることができる、加熱ワイヤ２４のアレイを用いることの主な恩恵のうちの１つである。この目的のために、個々の各加熱ワイヤ２４又は代替的に加熱ワイヤ２４のグループは、したがって作業面２２のこの区別を付けた加熱を可能にする専用端子（図示せず）と共に提供することができる。
【００９７】
本発明はまた、風力タービン・ブレードのような複合材料物品の製造のための単一硬化サイクル（ワンショット）プロセスを提供する。本明細書に記載の強化されたモールドは、説明されたワンショット法に特に適している。本発明のこの態様は、大きい風力タービン・ブレードの製造を参照しながら説明されるが、本発明は、形成してもよい複合材料で構成される風力タービン・ブレード及び他の物品に限定されないことが理解されるであろう。
【００９８】
以下の実施例は、本発明の態様に係る風力タービン・ブレードの製造のためのプロセスを示す。本発明に係る強化されたモールドは、複合材料物品を形成するのに用いることができる。
【００９９】
実施例
この例において、ＣＢＴ熱可塑性風力タービン・ブレードは、ＣＢＴ及びガラス繊維マットから形成されたプリプレグを用いて、本発明のプロセスに従って製造された。種々のサイズのブレード又はブレード区域を本発明に係るプロセスを用いて製造することができることを当業者は理解するであろう。
【０１００】
この例において、プリプレグを製造するのに用いられるプロセスは、ＣＢＴ又はエポキシ粉末が繊維マットの上部上に散布され、加熱され、粉末を繊維の中に押し込むためにローラを通過させられる粉末堆積であった。適切な樹脂材料を含む市販のプリプレグが用いられてもよいことが理解されるであろう。
【０１０１】
以下の段階は、ブレードの生産に関係したものである。
・材料の準備
・ツールの準備
・レイアップ支持体
・材料レイアップ
・加熱サイクル
【０１０２】
材料の準備：
説明された実施形態において、ブレード区域は、以下の原材料で構成される。
Ｃｙｃｌｉｃｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって供給されるＣＢＴ１６０粉末。
Ａｈｌｓｔｒｏｍ  Ｇｌａｓｓｆｉｂｒｅによって供給される、１１５２ｇ／ｍ２の面積重量をもつ０°／９０°ガラス繊維。
Ａｈｌｓｔｒｏｍ  Ｇｌａｓｓｆｉｂｒｅによって供給される、６００ｇ／ｍ２の面積重量をもつ＋／−４５°ガラス繊維。
Ｆａｇｅｒｄａｌａ  Ｈｉｃｏｒｅからの、密度１１０ｋｇ／ｍ３のＰＥＴ発泡体。
【０１０３】
表１は、１２．６ｍのブレードに用いられる材料レイアップの詳細を提供するものである。
【表１】
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【０１０４】
単なる例として本明細書に記載の実施形態において、ブレード区域の根元端でのスキンを準備するのにおよそ１４層の＋／−４５°プリプレグが必要とされた。ブレード区域の先端に向けてプリプレグのおよそ７つの層が要求された。ブレードの下半分部に対しては、スキンは、オーバーラップを可能にするために各側部上でおよそ１００ｍｍ延長された。スパー・キャップは、根元端では１１層のプリプレグ、先端に向けては１０層を要した。両方のウェブ（スパー）のために及びスキンのためにＰＥＴ発泡体を切断した。レイアップがブレードのスキンを形成する。
【０１０５】
レイアップ支持体：
本発明に係るプロセスは、ブレード区域がシングルショットで処理されることを可能にする。ガラス繊維ＣＢＴ樹脂プリプレグと発泡体の層を含むレイアップを準備した。
【０１０６】
ブレードのレイアップを構成することに関係する第１ステップは、ガラス繊維ＣＢＴプリプレグをツール（モールド）の下半分部の中に配置することであった。使用されるガラス繊維の量が、レイアップの厚さを決める。
【０１０７】
次のステップは、スパー１の準備に関係する。図４に示すように、これらは、プリプレグ２とＰＥＴ発泡体３の層を用いて構成されたものである。複合材料レイアップを犠牲バッグ４の中に封じ込めて、真空を適用した。真空は、真空管路５の使用によって適用された。図５は、レイアップ６、７の各々の上に犠牲バッグ４が適用された、ツール１０の上半分部１４及び下半分部１６におけるブレードの各半分部のレイアップ６、７を示す。図６を参照すると、スパー１のレイアップを、次いで、ツール１０の下半分部におけるプリプレグ６の上部上に配置し、別の犠牲バッグ９をスパー１とプリプレグ６の上に配置した。バッグ９をモールド（ツール）縁部３５にシールし、真空を適用した。レイアップのすべての要素を、次いで、真空によって定位置にロックした。
【０１０８】
ツールの上半分部を準備するために同じ手順を実行した。
【０１０９】
図７を参照すると、ツールを閉鎖する前にツール１０の下半分部１６上のスパー１の両側にナイロン真空バッグ１１を設置した。ツール１０の上半分部１４を、次いで、回転させ、ツールの下半分部１６の上部上に設置した。ナイロン真空バッグ１１を、端部で互いに接合し、ツール１０にシールした。真空を適用した。漏れがないことを保証するためにシステムを確認した。レイアップは、ここで処理のための準備ができた状態となった。
【０１１０】
モールド（ツール）１０が閉鎖され、高温ナイロン真空バッグ１１が内部に入れられたときに、モールド１０と真空バッグとの間に真空が適用され、これが次に、すべての構成要素部品を処理のための定位置にロックする。犠牲バッグはもはや要求されず、温度の上昇に伴って溶融し、スパー１とスキン１２のような異なる部品が互いに融着して１つの部品になる。真空バッグ（単数又は複数）の使用は、バッグ（単数又は複数）とツール（モールド）との間に部品レイアップを収容する体積が生じることを可能にする。この体積からの空気の排出は、処理段階の間にレイアップ上に１バールまでの圧密圧力を生じさせる。圧力は、良好な品質の複合材料構造体をもたらすのに不可欠である。真空の適用はまた、レイアップが処理の間にツール表面との接触を維持することを保証し、そうすることで、最終部品がツールの形状と適合することを保証する。加えて、図７を参照すると、スパー１によって占領されるスペースはまた、２つの真空バッグ１１の間の真空圧力を受ける。この真空圧力は、スパーに対して圧密を与えるように働く。
【０１１１】
加熱サイクル：
レイアップの全体を適切な温度まで加熱するために、ツールの加熱と内部空気の加熱の組合せを用いた。好ましい温度は、１７０℃〜２１０℃の範囲内である。レイアップが加熱される際に、犠牲バッグが溶融し、ＣＢＴの中に組み込まれていき、したがってスパー１とスキン１２との間のあらゆる障壁が除去されて、上部及び下部スキンが互いに融着する。材料が十分に重合されたとき、構造体は、構造的一体性が保証されるような適切な速度で冷却された。
【０１１２】
「備える／備えている」という言葉、「有している／含んでいる」という言葉は、本発明を言及しながら本明細書で用いられるとき、述べられた機能部、完全体、ステップ、又は構成要素の存在を明示するのに用いられるが、１つ又は複数の他の機能部、完全体、ステップ、構成要素、又はそのグループの存在又は追加を除外しない。
【０１１３】
本発明は、本発明の範囲から逸脱することなく修正され又は変化され得る本明細書に記載の実施形態に限定されない。明確にするために、別個の実施形態との関連で説明された、本発明の或る機能部はまた、単一の実施形態と組み合わせて提供されてもよいことが理解される。逆に、略して、単一の実施形態との関連で説明された、本発明の種々の機能部はまた、別々に又は任意の適切な副次的組合せで提供されてもよい。
【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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【国際調査報告】
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