JP2014517779A - 複合材料製の部品の射出成形方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、プリフォームをモールド内に配置するステップと、モールドへと樹脂を注入してプリフォームを含浸させるステップと、樹脂の硬化後に部品（１）をモールドから取り出すステップとからなる複合材料製の部品（１）の射出成形方法であって、例えば加圧された気体を複数の点（２、４、５、６）を介してモールドへと注入することによって樹脂の硬化の際にモールドの内部において樹脂およびプリフォームに圧力を加えるステップをさらに含むことを特徴とする方法に関する。

Description

本発明は、とくには航空の分野における複合材料製の部品の射出成形方法に関する。

そのような方法は、一般に、例えば糸を三次元的に織ることによって作られたプリフォームをモールド内に配置し、樹脂をモールドへと注入してプリフォームに含浸させ、次いで樹脂の硬化後に部品をモールドから取り出すことからなる。そのような方法は、樹脂トランスファ成形（ＲＴＭ）として知られている。

本出願の出願人の名義による仏国特許出願公開第２９５０２８６号が、複合材料製の翼を製造するためのＲＴＭ方式の方法を開示しており、この方法は、
・根元部および翼部をロータディスクの取り付け溝において根元の支持面を形成する斜めの側面によってつなぎ合わせて備えているプリフォームを、糸を三次元的に織ることによって製作するステップと、
・プリフォームの上述の側面に対応する第１の斜めの側面と、プリフォームの根元部に当接する第２の斜めの面とを含んでおり、第２の斜めの面が第１の斜めの側面とは反対の方向に傾斜している凹所を有するモールドに、プリフォームを圧密成形するステップと、
・モールドへと真空のもとで樹脂を注入し、樹脂を重合させるステップとからなる。

このようにして、繊維製のプリフォームが、堅固な樹脂製のマトリックスへと埋め込まれ、プリフォームの繊維が機械的な補強の機能を有し、樹脂製のマトリックスが部品を一体に保持する役割を果たす。

注入のパラメータおよび使用される樹脂の種類に応じて、成形後の部品の芯および／または表面に気孔が現れる可能性がある。これらの気孔は、部品をきわめて弱くし、したがって部品を廃棄しなければならない。

研究により、これらの気孔が、樹脂の硬化の際に生じ、モールド内部の温度および圧力の条件下で気体の形態で存在する化合物に起因することが示されている。

気体が気泡を生じさせ、これらの気泡がプリフォーム中および樹脂中に捕らえられたままとなり、硬化における固化時に気孔をもたらす。

仏国特許出願公開第２９５０２８６号明細書

本発明の特段の目的は、この問題に対する簡単、効果的、かつ高価でない解決策を提供することにある。

この目的のため、本発明は、プリフォームをモールド内に配置するステップと、モールドへと樹脂を注入してプリフォームを含浸させるステップと、樹脂の硬化後に部品をモールドから取り出すステップとからなる複合材料製の部品の射出成形方法であって、樹脂の硬化の際にモールドの内部において樹脂およびプリフォームに圧力を加えるステップをさらに含むことを特徴とする方法を提供する。

硬化の際のモールドの内部への圧力の印加が、樹脂中における気体の気泡の出現を回避するように機能し、射出成形後の部品に気孔が含まれることがないようにする。

本発明の一特徴によれば、圧力が、樹脂の硬化の程度が２０％から３０％の範囲に位置する臨界値と称される値を超える前に、モールド内の部品へと加えられる。

結果として、圧力が、好都合なことに、部品の内部に気体の気泡が生じるよりも前に部品へと加えられる。さらに、樹脂が、この時点においては、気泡の形成を防止するために充分に高い圧力をモールドの内部の空間全体に一様に加えるために依然として充分に流動的である。

好都合には、モールド内の部品へと加えられる圧力が、樹脂の硬化の最中に発生する気体の蒸気圧よりも高い。

これは、樹脂の硬化の際に気体のいかなる気泡も形成されないことを、保証できるようにする。

例えば、部品へと加えられる圧力が、相対値、すなわち大気圧に対して２ｂａｒ以上高い。

例えば、樹脂は、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、あるいは揮発性の不純物および／または溶媒を含む任意の樹脂であってよい。

本発明の一実施の形態においては、圧力が、モールドへと加圧下の流体を注入することによって部品へと加えられ、例えば空気またはチッ素などの気体あるいは樹脂と混和しない液体を注入することによって部品へと加えられる。

好ましくは、加圧下の流体が、複数の別個の点を介してモールドへと注入されることで、圧力がモールドの内部において充分に一様であることを保証できるようにする。多点の注入は、注入時間の短縮も可能にする。

部品の体積が大きく、大量の材料が必要である場合、樹脂の注入に要する時間が長くなる。樹脂が完全に注入されたとき、樹脂の硬化がすでに進みすぎている可能性があり、すなわち圧力の一様な分布を可能にし、気孔の形成を防止するためには、すでに樹脂の粘性が高すぎ、あるいはすでに樹脂が固くなりすぎている可能性がある。

したがって、そのような状況のもとでは、注入時間を短縮するために多点の注入を行うことが好ましい。樹脂の注入の回路は、圧力の印加のための回路と違っても、同一でもよい。

部品のすべての点に、気体の気泡の形成を防止するために必要な圧力が加えられることが重要である。

本発明の別の実施の形態においては、プリフォームおよび樹脂が、少なくとも１つのアクチュエータによってモールドにおいて圧縮される。

一変種においては、膨張に適した要素が、モールドに挿入され、樹脂の硬化の際に上述の要素によって樹脂およびプリフォームへと圧力が加えられるように、部品の射出成形の際に温度上昇がモールドへと加えられる。

例えば、この要素は、シリコーン、銅、またはアルミニウムのスペーサであってよい。

好都合には、モールドが、樹脂の注入のために排気されることで、注入時間の短縮および仕上がった部品の品質の向上が可能になる。

添付の図面を参照しつつ、あくまでも本発明を限定するものではない例として行われる以下の説明を検討することによって、本発明をよりよく理解することができ、本発明の他の詳細、特徴、および利点が明らかになるであろう。

複合材料で作られたタービンエンジンの翼の斜視図であり、材料および加圧流体の注入のための点が標記されている。 プリフォームおよび樹脂がアクチュエータによってモールド内で圧縮される本発明の一変種の実施の形態に関する一部分の断面図である。 プリフォームおよび樹脂が成形時の膨張に適した要素によってモールド内で圧縮される本発明の別の変種の実施の形態に関する一部分の断面図である。

複合材料で作られるタービンエンジンの翼の射出成形方法の第１の実施例を、図１を参照して以下で説明する。

この方法は、最初に翼のプリフォームをモールド内に配置することを含む。プリフォームを、糸を二次元または三次元に織ることによって製作することができる。

次いで、樹脂が、プリフォームを含浸させるような方式で、図１に図式的に示されている少なくとも１つの点２を介してモールド内に注入され、この注入が行われているとき、好ましくはモールドは排気される。そのような方法は、真空補助樹脂トランスファ成形（ＶＡＲＴＭ）として知られている。例として、使用される樹脂は、例えばＰＲ５２０Ｎという呼称で知られる種類のエポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、あるいは溶媒および／または揮発性の不純物を含んでいるあらゆる樹脂である。

例として、注入の際の樹脂の圧力は、１ｂａｒから２ｂａｒ程度であり、温度は、１５０℃から２００℃程度である。注入の継続時間は、例えば最大で３０分など、数分程度である。

モールド内部での樹脂の硬化の際に、気体の形態の化合物が樹脂の内部で形成される可能性があり、あるいはそもそも存在する可能性がある。

部品における気体の気泡の形成を回避するために、ひとたびモールドが樹脂で満たされると、加圧下の気体が、図１において矢印３によって図式的に示されている１つ以上の別個の点を介して、モールドへと注入される。気体は、好ましくは、大気圧よりも高い圧力で注入される。例えば、加圧下の気体は、３ｂａｒから５ｂａｒの範囲にある圧力の空気またはチッ素である。加圧下の流体は、例えば油など、樹脂と混和しない液体であってもよい。

この加圧下の流体の注入は、好ましくは、樹脂の硬化の程度が２０％から３０％の範囲にあるいわゆる「臨界」値を超えるよりも前にモールド内部の部品へと圧力が加えられるように保証するために、樹脂の注入後にできるだけ早く実行される。この臨界値は、樹脂および繊維の性質に応じて変化しうる。

このしきい値よりも下であれば、樹脂が、確実に樹脂およびプリフォームに圧力が一様に加わることで、部品の内部のいかなる点にも気孔が存在しないことが保証されるように、充分に流動的である。

温度および気体の圧力が、樹脂の硬化が完了して、気孔を有さず、繊維製のプリフォームを堅固な樹脂製のマトリックスに埋め込んで備えている複合材料製の翼が形成されるまで、維持される。次いで、部品をモールドから取り出すことができる。

射出成形モールド（図１では見て取ることができない）は、一般に、少なくとも１つの樹脂注入穴２および１つの通気穴４を備えている。これらの穴３、４を、加圧下の気体を注入するために使用することができる。例えば翼１の前縁７および後縁８などに、加圧下の気体を注入するための他の点５、６を設けることも可能である。

また、すべての気体注入の点３を、樹脂の注入点２および通気穴４とは別にすることも可能である。この方式で、製造ラインにおいて樹脂注入の作業場所を過度に長時間にわたって占めることがないように、最初に或る作業場所で樹脂を注入し、次いで別の作業場所で加圧下の気体の注入を続けることが可能である。これは、加圧下のガスを注入するための点３が、注入点２において樹脂がゲル化することによって生じる栓によって妨げられることも防止する。

この方法は、とくには大きな部品を成形する場合に、モールドへの樹脂の注入と樹脂およびモールドの加圧との連続的な段階を、複数含んでもよい。

図２が、翼の成形方法が、プリフォーム９をモールド１０に配置するステップと、樹脂をモールドへと注入してプリフォーム９を含浸させるステップと、モールド内のプリフォームおよび樹脂をアクチュエータ１１によって圧縮するステップと、樹脂の硬化後に翼をモールドから取り出すステップとからなる本発明の一変種を示している。

図３が、膨張に適した要素１２がプリフォーム９と一緒にモールド１０に配置されている別の変種の実施の形態を示している。モールド１０へと樹脂を注入した後で、樹脂、プリフォーム、および要素１２が加熱され、要素１２が膨張して樹脂およびプリフォーム９に圧力を作用させる。樹脂の硬化後に、部品がモールドから取り出される。

例として、要素１２は、シリコーン、銅、またはアルミニウムで製作されたスペーサである。

図２および図３において、原理は、樹脂の硬化の際に樹脂およびプリフォームが気体の気泡の形成を回避するための充分な圧力に曝される点で、図１に関して説明した原理と同様である。

Claims (11)

1. プリフォーム（９）をモールド（１０）内に配置するステップと、モールド（１０）へと樹脂を注入してプリフォーム（９）を含浸させるステップと、樹脂の硬化後に部品（１）をモールドから取り出すステップとからなる複合材料製の部品（１）の射出成形方法であって、
   樹脂の硬化の際にモールド（１０）の内部において樹脂およびプリフォーム（９）に圧力を加えるステップ
   をさらに含むことを特徴とする、成形方法。
2. 圧力が、樹脂の硬化の程度が２０％から３０％の範囲に位置する値を超える前に、モールド（１０）内の部品（１）へと加えられることを特徴とする、請求項１に記載の成形方法。
3. モールド（１０）内の部品（１）へと加えられる圧力が、樹脂の硬化の最中に発生する気体の蒸気圧よりも高いことを特徴とする、請求項１または２に記載の成形方法。
4. 部品（１）へと加えられる圧力が、大気圧と比べて２ｂａｒ以上高いことを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の成形方法。
5. 樹脂が、エポキシ樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリイミド樹脂、あるいは揮発性の不純物および／または溶媒を含む任意の樹脂であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の成形方法。
6. 圧力が、例えば空気またはチッ素などの気体あるいは樹脂と混和しない液体を注入するなど、モールドへと加圧下の流体を注入することによって部品（１）へと加えられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の成形方法。
7. 加圧下の流体が、複数の別個の点（３）を介してモールドへと注入されることを特徴とする、請求項６に記載の成形方法。
8. プリフォーム（９）および樹脂が、少なくとも１つのアクチュエータ（１１）によってモールド（１０）において圧縮されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の成形方法。
9. 膨張に適した要素が、モールドに挿入され、樹脂の硬化の際に要素によって樹脂およびプリフォームへと圧力が加えられるように、部品の射出成形の際に温度上昇がモールドへと加えられることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の成形方法。
10. モールド（１０）が、樹脂の注入のために排気されることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の成形方法。
11. モールドへの樹脂の注入と樹脂およびモールドの加圧との連続する段階を複数回含むことを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載の成形方法。

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