JP2016520460A - 複合積層板への樹脂注入方法 - Google Patents

Abstract

金型と真空バッグの間にプレフォームを載置する複合積層板形成のためのプレフォームへの樹脂の注入方法である。オフセット工具が真空バッグの外側に載置されて、制御された量だけ真空バッグをプレフォームの表面から持ち上げることができる。充填樹脂は、真空バッグとプレフォームの間に注入されて、真空バッグをプレフォームの表面から持ち上げて、真空バッグをオフセット工具に向かって移動させ、樹脂が真空バッグとプレフォームの表面の間の空間を満たす。大気圧以上の圧力を真空バッグの外表面に加えて、樹脂を真空バッグとプレフォームの表面の間の空間からプレフォーム内の空間に移動させることで、プレフォームに樹脂を注入する。プレフォーム内の樹脂は硬化されて、複合積層板を形成する。

Description

本発明は、複合積層板の形成方法に関し、特に、樹脂トランスファー成形時のプリフォーム生地（fabric）への樹脂材料の注入の改良に関するものである。

大きな積層板部品は、しばしば真空アシスト樹脂トランスファー成形（VARTM）と称されるプロセスを用いて製造される。従来は、乾燥生地又は繊維の複数層が金型又は工具表面に張られて、所望の形状と厚さのプレフォーム（preform）又はレイアップ（lay up）が形成された。金型上に形成されたプレフォームの上に、次にフレキシブルでガス不浸透性のバッグ（即ち、シート又はフィルム）が載置され、金型とバッグの間が真空で引かれる。プレフォームが圧縮されるように、プレフォームに対してバックを真空引きする。次に、活性化樹脂又は触媒添加樹脂（catalysed resin）が注入ポートを通ってバッグと金型の間のプレフォームの空間に供給される。プリフォームが樹脂で十分に満たされるように、真空が（十分に緻密ではなく繊維質の）プレフォームを通して樹脂をゆっくり引き出す。次に樹脂は時間及び／又は熱によって硬化し、最終複合部品を形成する。

上述のVARTMプロセスは、一般的に非常に時間がかかる。樹脂がプレフォームを完全に通り抜けるのに長時間を要するので、特に樹脂注入ステップはゆっくりである。以下の事実で、この問題は一層深刻になる。最初に樹脂の粘度を低減して流動性を向上させるために、樹脂は加熱される。しかし、プレフォームへの樹脂注入時間が長くなると、加熱の結果としての注入期間中に樹脂が硬化し始めるので、樹脂はより粘度が高くなる。このように、樹脂注入期間が増加し、時間経過と共に移動に対する粘性抵抗が増加するので、樹脂を移動させ、プレフォームに樹脂を注入することが次第により困難になる。

現状のVARTMプロセスがゆっくりである別の理由は、真空の生成する圧力勾配が１気圧以下だからである。毛細管現象や表面湿潤は別として、この圧力勾配が樹脂を注入ライン、流体（flow media）（以下で詳細に説明する）及びプレフォームの層を通って移動させる唯一の駆動力である。これは、樹脂の前線がプレフォームの空間をゆっくり進むので、一般的な注入プロセスが長時間を要することを意味する。

この部分の空間にわたる移送を改善し、注入時間を短縮する試みのために、流体がプレフォームと真空バッグの間のプレフォームの上面に載置されることがある。この流体は、樹脂が小さな抵抗で移動できる領域を提供し、効果的に表面ランナー（surface runner）として作用し、この部分全体にわたって樹脂の流通を向上させる。しかし、流体の使用は高価で、最終積層板の一部を構成しない追加の樹脂を消費する。

樹脂の流通を向上させる別の方法として、この部分の長さに沿って長い距離にわたって徐々に追加の注入ポイントを設定し、時間と温度によって増加する粘度の問題を克服する試みがある。

それでも、樹脂注入プロセスの間に、一定の真空度が維持されないと、ほとんどの従来のプレフォームは浮き上がろう（loft）とする傾向がある。即ち、生地の層が緊密に束ねられた状態を維持するために真空バッグを介して層に一定の力が加えられないと、生地の層は移動したり、緩んだりする傾向がある。プレフォームが浮き上がると、樹脂に対する繊維の比率及びプレフォームの厚さが減少するので、これは問題である。従って、高い繊維密度の複合積層板を形成する場合、プレフォームの表面から真空バッグを持ち上げることは従来賢明ではなかった。

ここに開示されたものは、樹脂のプレフォームへの注入効率を大きく向上させたVARTMプロセスの改善である。この改善されたプロセスは、高い労働コストや設定の複雑さ無しに、１つ以上の流体と複数の注入ポイントを備えた従来の方法と比較して、注入のサイクルタイムを２桁低減している。

本発明の１つの態様によれば、金型と真空バッグの間にプレフォームを載置する複合積層板形成のためのプレフォームへの樹脂の注入方法が開示されている。オフセット工具が真空バッグの外側に載置されて、制御された量だけ前記真空バッグをプレフォームの表面から持ち上げる。充填樹脂が、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入されて、前記真空バッグを前記プレフォームの表面から持ち上げて、前記真空バッグを前記オフセット工具に向かって移動させ、前記樹脂が前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間を満たす。大気圧以上の圧力を前記真空バッグの外表面に加えて、前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間から前記プレフォーム内の空間に移動させることで、前記プレフォームに前記樹脂を注入する。前記プレフォーム内の前記樹脂を硬化して、複合積層板を形成する。

充填樹脂が真空バッグとプレフォームの間に注入される間に、通常非常に大きな抵抗が発生するので、実質的に樹脂はプレフォーム内に注入されない。代わりに、樹脂はプレフォーム本体に隣接しているが外側の空間に収容される。ひとたび注入された樹脂が所定の位置に来ると、プレフォームに注入するステップは初めに樹脂を真空バッグから金型に向かってプレフォームの厚さ方向に移動させることを伴う。これは、樹脂がプレフォームを貫通する（注入に抵抗力を発生させる）距離が、この部分の厚さのみであり、従来の樹脂注入経路である入口ポートから出口又は流出ポートの間のプレフォーム本体を通る距離に比べて短いことを意味する。また、このように、本方法は流体の使用を含まない又は避けることができる。

大気圧以上の圧力を真空バッグの外側表面に加えるステップでは、１気圧以上の圧力を加える。最初に、第一の大気圧以上の圧力を前記真空バッグに加えて、前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間から前記プレフォーム内の空間に移動させる。次に続けて、前記第一の大気圧以上の圧力より大きな第二の大気圧以上の圧力を前記真空バッグの外側から加えて、（前記樹脂が注入された）前記プレフォームを、最小の厚さに押圧する。この最小の厚さは、樹脂を加える前の生地の状態だったプレフォームの初期表面と真空バックの間の空間に実質的に樹脂が存在しない複合積層板の厚さに対応している。

前記充填樹脂を真空バッグとプレフォームの間に注入後、前記大気圧以上の圧力が最初に真空バッグに加えられる間、前記真空バッグと前記金型の間の空間に繋がるすべてのポートを閉じる。前記樹脂がプレフォームに注入された後、前記樹脂を前記真空バックと前記金型の間の空間から排出できるように、前記真空バッグと前記金型の間の空間に繋がる少なくとも１つのポートを開放する。

高繊維密度コンポーネントの確保を支援するために、大気圧以上の圧力はプレフォーム内で樹脂を硬化するステップを通して維持される。媒体を大気圧以上の圧力を加えるために利用することができて、その媒体はオフセット工具と真空バックの間に収容される１つ以上のガス又は流体を含むことができる。この媒体は、プレフォーム内で樹脂を硬化するステップを支援するために加熱される。

いくつかの形態では、金型とオフセット工具は実質的に剛体で構成される。他の形態では、オフセット工具はフレキシブルで膨張可能で、所定の固定形状を形成する。例えば、オフセット工具はベルトとすることができる。いずれにせよ、オフセット工具は樹脂の真空バッグとプレフォームの間への注入の間、充填樹脂が制御可能に収容される真空バックの外側空間の形成を支援する。次に、プレフォームへの樹脂注入の間、オフセット工具は大気圧以上の圧力を生成するチャンバの一部の形成を支援する。幾つかの形態では、オフセット工具は直接大気圧以上の圧力を加えるように制約され又は操作されると考えられる。

作成すべき複合積層板の品質に応じて、充填樹脂が、完全にプレフォームに注入するための樹脂量を超える超過量の樹脂を含んでいる。本方法の幾つかの形態では、プレフォームへの樹脂注入中に、過剰な量の樹脂がプレフォーム内に残り、この位置で硬化する。金型の空洞内の過剰な樹脂量を制御することによって、複合積層板の繊維密度は少なくともある程度まで制御できる。複合積層板内に過剰量の樹脂を保持することによって、この部分の繊維体積密度は減少する。本方法の幾つかの形態では、前記プレフォームに前記樹脂を注入するステップの間、前記超過量の樹脂が前記金型の出口ポートを通って前記プレフォームから押し出され、（少なくとも部分的に前記大気圧以上の圧力に援助されて）前記複合積層板から除去される。本方法のこの形態によれば、最終部品に残る樹脂量を削減することによって、最大可能量までプレフォームの繊維密度は増加できる。

前記充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入するステップが、供給源から注入ポートを介して強制的に前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間に注入するステップを含んでいる。

前記充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入するステップと、前記プレフォームに前記樹脂を注入するステップと、の少なくとも１つのステップの間に、前記真空バッグと前記金型の間を真空引きする。

生地を前記金型に載置して前記プレフォームを形成するステップの後で、前記プレフォームの表面上に前記真空バッグを載置するステップの前に、離型材を前記プレフォームの表面に塗布する。この離型材は、前記真空バッグを前記プレフォームの表面から容易に切り離すことを可能にし、それによって前記注入の間に前記離型材を通って前記プレフォームに移動されることになる樹脂を収容する。

本方法の幾つかの形態と本方法で形成された関連製品では、複合積層板は送風ケース（fan case）又は他の全体的に円筒形／筒状をしている。このような実例では、前記オフセット工具を載置するステップの前に、生地をマンドレルの周りに巻き付けて、全体的に筒状のプレフォームを形成する。次に、前記オフセット工具が全体的に筒状のスリーブで、前記オフセット工具と同軸のマンドレルを収容する。このような配置では、（以下の発明の詳細な説明で記載され参照の為に組み込まれる巻き付け方法を用いて）生地を堅く巻き付けた結果として、また、前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間に充填樹脂を注入するステップの間に、前記プレフォームが堅く巻き付けられている結果として、前記真空バッグが前記プレフォームから持ち上がっても、前記プレフォームは容易には又は実質的に浮き上がらない。従って、プレフォームは特に良好な繊維／体積密度を有することができる。ここに記載のプロセスで形成された複合積層板は、最大７％又はそれ以上の繊維密度を有し、従来のプロセスを用いることで可能な繊維密度を超えることができる。

本方法の別の態様によれば、金型と真空バッグの間にプレフォームを載置する複合積層板形成のためのプレフォームへの樹脂の注入方法が開示される。オフセット工具を真空バッグの外側に載置して、制御された量だけ前記真空バッグをプレフォームから持ち上げる。充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入して、前記真空バッグを前記プレフォームの表面から持ち上げて、前記真空バッグを前記オフセット工具に向かって移動させ、前記樹脂が前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間を満たす。前記真空バッグと前記プレフォームの間の空間にある前記樹脂内で大気圧以上の圧力を生成し、前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間から前記プレフォーム内の空間に移動させることで、前記プレフォームに前記樹脂を注入する。次に、前記プレフォーム内の前記樹脂を硬化して、それによって複合積層板を形成する。

前記大気圧以上の圧力が前記真空バッグの外表面に作用する圧力で生成される。例えば、樹脂の金型とオフセット工具の間の空間への注入圧力によっても、大気圧以上の圧力は形成することができる。前記大気圧以上の圧力が加えられている間の少なくとも部分的に、少なくとも１つの樹脂流出ポートが前記プレフォームの下流に開いている。樹脂へ大気圧以上の圧力を加える前に、流入ポートは閉じられる。

本方法の幾つかの形態では、大気圧以下の圧力が、前記プレフォームと前記真空バックの間の空間と反対側のプレフォーム側に加えられる。例えば、真空引きされる。

複合積層板の生産の実行可能な様々な変更に従って、上述の発明の様々な要素が単独又は他との組み合わせで用いることができることは、当業者には容易に理解できる。

本発明の別の態様によれば、複合積層板は上述の方法のいずれか又はそれらの変形に従って作成される。とりわけ、上述の方法で形成された複合積層板のプレフォームは、もし真空バッグがプレフォームの表面から持ち上がっても、プレフォームが浮き上がりにくいように、堅く巻き付けられている。真空バッグがプレフォームの表面から持ち上がっても、本方法によって形成されたプレフォームは実質的に浮き上がらないので、このようなプレフォームはここに記載の方法を用いてプレフォームを浮き上がらせることなく樹脂を注入できるので、最終複合積層板の繊維密度を低減できる。従って、最終複合積層板は、最大７％又はそれ以上の繊維密度を有することができて、これは今までのVARTMプロセスを用いたすべての従来の炭素繊維複合織物の繊維密度より大きいと思われる。

複合積層板の一形態では、生地は３軸炭素繊維（生地の牽引方向が軸方向又は２つのバイアス方向の１つであるという意味で３軸）であり、樹脂はエポキシ樹脂又は例えばビスマレイミドやポリイミドのような耐熱樹脂である。一般的に、プレフォームは生地の複数層を備えている。この複数層は、型の周りに繊維の一本を巻き付けることによって、例えば一本が繰り返し織られて形成されるか、又は独立した切断層を互いに重ね合わせてプリフォームを形成することができる。複雑な幾何学形状は、巻き付けと独立した追加の層を重ねることの両方によって形成される。

本発明の上記及び他の長所は、発明の詳細な説明と図面から明らかになる。以下の記載は、本発明の幾つかの好ましい実施例の記述である。本発明の全範囲を評価するためには、請求項を参照すべきであり、これら好ましい実施例は、本発明の範囲内において唯一の実施例であることを意図したものではない。

図１はマンドレルの周囲に巻き付いたプレフォームを示す図である。 図２はマンドレル上に挿入されたオフセット工具を示す図である。 図３は本発明の一態様に係る方法の一ステップを示す図である。 図４は本発明の一態様に係る方法の一ステップを示す図である。 図５は本発明の一態様に係る方法の一ステップを示す図である。 図６は本発明の一態様に係る方法の一ステップを示す図である。 図７は本発明の一態様に係る方法の一ステップを示す図である。 図８は本発明の一態様に係る最終複合積層板を示す図である。

本発明の1つの態様に係る例示的な方法の様々なステップについて、詳細に説明する。記載された方法は具体例であるが、本発明の方法は開示された特定の実施例のみに制限又は限定されるべきでないことを当業者は容易に理解できる。多くの変形及び変更が、本発明の範囲内に収まる本方法の記載において明示的に記載されているが、他の変形及び変更も、本発明の精神と全範囲内である。

最初に図１を参照して、生地１０がプレフォーム１４を形成するために金型１２に載せられ又は貼り付けられている。プレフォーム１４が形成されている図示した特定の形態は、飛行機の為の送風機格納ケースを示し、金型１２は全体的に円筒状のマンドレルの形状をしており、生地１０のシートはこのマンドレルの周りに巻き付けられて、全体的に筒状のプレフォーム１４を形成している。生地１０の細片（strip）はマンドレルの周りに何度も巻き付けられて、厚さ方向（マンドレルの径方向に対応）では、プレフォーム１４は生地１０の多数積層を有している。

巻き付けプロセスの詳細は、「巻き付け中にプレフォーム生地に圧縮圧力を加えるための方法及び装置」という表題の米国特許出願公開第２０１３−０１６０２５７号（USSN13/333,663、2011年12月21日出願）明細書に開示されており、参照することにより本書に組み込まれる。金型への生地の巻き付け、積み重ね、又は載置はこの米国特許出願公開に記載されたプロセスに限定されるものではないが、当然のことながら、個々の生地の牽引の制御により、又は巻き付け中の連続的な真空の付加により、本方法は高い繊維体積密度の非常に堅く巻き付けられたプレフォームの形成を可能にし、粘着付与剤、結束、又は他の手段を用いて固定することで、樹脂成型プロセスの準備中及び樹脂成型プロセス中に浮き上がることを防ぐ。このような方法の利用は、特に以下に記載の方法の事情において有利である。

幾つかの特定の形態では、上述の参照のために組み込まれた特許出願に記載の内容を含めて、生地１０は軸方向の牽引（axial tows）のセットを有する３軸炭素繊維材料であって、マンドレル又は金型１２に巻き付けられる際に、牽引は全体的に周方向（hoop direction）を向いており、又は２軸方向の牽引のセットを有している。このような高強度繊維材料は、高強度軽量の航空宇宙用複合積層板の形成に用いられる。

他の形態では、生地１０は他の方法で金型１２の上に重ねられ、又は載置される。一例では、様々なパターンに切り出された生地１０が金型１２の上に積み重ねられ、貼り付けられ、又は重ねられてプレフォーム１４を形成する。幾つかの例では、互いに適所に重ねられた様々な層を保持するために粘着付与剤が用いられる。また、全体的に筒状の複合積層板を形成するための全体的に筒状のプレフォームが図示されているが、複合積層板の幾何学形状は必ずしも筒状に限定されない。

続くステップにおいて樹脂が導入され、プレフォーム１４に注入されることを考慮すると、当然のことながら生地１０は乾燥生地で、初めに乾燥したプレフォームが形成される。これに関連して、乾燥とは空気の存在する空間が繊維と生地１０の間に存在することを意味する。

図３ないし７は、本方法の各ステップの断面図であって、本方法と各コンポーネントの概略的な表現をしている。これらは、必ずしも寸法や形状がコンポーネント要素の詳細を示すものではない。

次に図３を参照して、ひとたびプレフォーム１４が形成されると、離型材１６がプレフォーム１４の表面１８に付加され、真空バッグ２０が離型材１６とプレフォーム１４の表面１８の上に収容され又は載置される。

離型材１６は多孔質の層又はシートである。離型材１６は真空バッグ２０がプレフォーム１４の表面１８から離れて移動する、分離する、又は浮き上がることを許容する。これが起こると、離型材１６はプレフォーム１４の表面１８上に留まって、樹脂が通過してプレフォーム１４内に入るのを許容する。プロセスの最後にひとたび樹脂が硬化すると、この離型材１６は真空バッグ２０が複合積層板の対応する表面に結合することを防ぎ、真空バッグ２０がより容易に複合積層板の表面から除去される。

真空バッグ２０はガス不浸透性の層で構成され、金型１２の周囲でシール２２、２４で封止されている。従って、プレフォーム１４が収容されている真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６は気密チャンバを形成している。図示のように、樹脂を真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６に注入可能な樹脂注入ポート２８があり、それはさらに陽圧下で樹脂を供給可能な樹脂供給源３０と接続されている。そして、樹脂が空間２６から排出される出口ポート又は流出ポート３２がある。また、空間２６を真空引きし、真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６を大気圧以下にすることのできる真空源３６と連通した真空ポート３４がある。

樹脂注入ポート２８、流出ポート３２、及び真空ポート３４は、全て金型１２内に形成されているように図示されているが、これらのポート２８、３２、３４のうち一つ以上は、真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６を形成する他の位置に設けられてもよい。例えば、ポート２８、３２、３４のうち一つ以上は、真空バッグ２０と金型１２の間のシール２２又は２４に形成することができ、さらに可能性としては、真空バッグ２０の開口部に設けることもできる。さらにまた、もしシール２２及び２４が図示よりも複雑な構造であって、例えばもし金型１２と真空バッグ２０が個別に封止されるような別構造であれば、ポート２８、３２、３４のうち一つ以上は、この構造上に形成することができる。また、各ポート２８、３２、３４がそれぞれ単一種類で存在するものが図示されているが、当然ながら、各ポート２８、３２、３４は一つ以上の種類で存在できる。各種類で１つ以上の各ポート２８，３２，３４が存在した場合、各機能かより良く発揮できるように、そのようなポートは空間２６の異なる領域に分離することができる。例えば、もし金型１２がマンドレルであれば、複数注入ポートを金型１２の円周上に配置して、注入中のプレフォーム１４への樹脂の分配をより良くできる。

離型材１６と真空バッグ２０が所定位置に設けられた後、図４に概略的に示すように、オフセット工具３８が真空バッグ２０の外側に設けられる。オフセット工具３８は、図示のように実質的に剛体で構成することもできるし、フレキシブルで膨張可能で、所定の固定形状を形成してもよい（例えば、ベルト、又はホースクランプやバンドで端部が封止可能な筒状非伸張性バッグなど）。オフセット工具３８は、真空バッグ２０が制御された所定量だけプレフォーム１４の表面１８から離昇する（lift off）ことが可能な位置に設けられる。真空バッグ２０の移動可能距離は、真空バッグ２０がプレフォーム１４の表面１８の位置まで引き下ろされた真空バッグ２０の初期位置からオフセット工具３８が間隔を開けた距離である。オフセット工具３８が実質的に剛直である場合、これは真空バッグ２０とオフセット工具３８の間の空間４０を形成するようにオフセット工具３８が初めに位置付けられることを意味する。もしオフセット工具３８がフレキシブル又は折り畳める場合、この空間４０は直ちに確立される訳ではない。

図示の実施例では、気密シール４２、４４が設けられて、真空バッグ２０とオフセット工具３８の間の空間４０は圧力チャンバを形成している。当然のことながら、これらのシール４２、４４は多数の位置に設けることができる。例えば、１つの実施例では、シール４２，４４の１つ以上がオフセット工具３８と真空バッグ２０との間に設けられる。別の実施例では、シール４２，４４の１つ以上がオフセット工具３８と金型１２の間に設けられる。シール４２、４４の特定の位置にかかわらず、空間４０の圧力は圧力ポート４６を介して制御される。図示のように、このポート４６はオフセット工具３８内に形成され、圧力チャンバ又は空間４０を例えばポンプのような圧力源４８と直接連通させる。圧力源４８は選択的に媒体（例えばガス又は液体）を空間４０に移送して、空間４０内の圧力を変化させる。このように、大気圧以上の圧力が制御可能に均一に真空バッグ２０の外側表面（即ち、プレフォーム１４と対向していない真空バッグ２０の面）に加えることが、後続の方法ステップで行われる。

幾つかの実施例では、空間４０自身を気密圧力チャンバとして用いるのではなく、オフセット工具３８と真空バッグ２０の間の空間４０に全体的に空間４０に対応した形状の膨張式空気袋（inflatable bladder）を収容させることができる。次に、この膨張式空気袋が、圧力源と連通する。

当然のことながら、オフセット工具３８と真空バッグ２０の間の空間４０にある圧力媒体を制御すること以外にも、オフセット工具３８により大気圧以上の圧力を加える方法がある。例えば、別の実施例では、真空バッグ２０の外側に陽圧を供給するために、オフセット工具３８自身を物理的に置き換えることが考えられる。例えば、もしオフセット工具３８がベルトであれば、ホースクランプの周囲を機械的に調節する場合にホースクランプを操作するのと同様の方法でベルトを締め付けることができる。

次に、図２を再び参照して、プレフォーム１４を有するマンドレル又は金型１２の上にオフセット工具３８を挿入する特定の形態を説明する。この形態では、筒状のオフセット工具３８が伸縮自在にマンドレル１２上に収容される。図示の形態では、オフセット工具３８の少なくとも軸方向一端部５０がマンドレル１２のフランジ５２に対して封止される。軸方向他端部は、金型／マンドレルとオフセット工具３８の間を封止する必要が無いように閉じられている。代替的に、もしオフセット工具３８が全体的に筒状で軸方向両端が開放されていれば、オフセット工具３８の第一軸方向端部がプレフォーム１４の一端のマンドレル１２のフランジに対して封止され、オフセット工具３８の第二軸方向端部がプレフォーム１４の他端側のマンドレルの軸方向端部と接触する半径方向内向きに対向したフランジを有することによって、両軸方向端部がマンドレル１２に対して封止するようにオフセット工具３８が形成されていると考えられる。筒状又は円筒状の幾何学的形状のために、このような工具構成は、オフセット工具３８がマンドレルの周囲で組み立てられる複数部品に分割される必要がない。しかし、複合積層板の幾何学的形状及びアセンブリの実用性に応じて、形成された圧力チャンバが以下に記載する大気圧以上の圧力付加に関する条件を満たすことができるように、複数部品から成るオフセット工具も用いることができると考えられる。

オフセット工具３８を所定の位置に取り付けると、プレフォーム１４への樹脂の注入を開始することができる。最初に、まだ実行されていなかった場合、真空ポート３４と真空源３６とを用いて、真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６を真空又は大気圧以下の圧力にして、真空バッグ２０をプレフォーム１４の表面１８に押し付けて、プレフォーム１４に圧縮圧力を加える。

図５を参照して、本方法の次のステップでは、充填樹脂５４を樹脂注入ポート２８を介して樹脂供給源３０から真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６に強制的に注入する。充填樹脂５４が真空バッグ２０をプレフォーム１４の表面１８から持ち上げて充填樹脂５４が実質的にプレフォーム１４の表面１８と真空バッグ２０の間の空間５６へ流れるような圧力下で、充填樹脂５４が注入される。樹脂５４を、プレフォーム１４を通して逃がすことは比較的より困難なので、この樹脂５４の流れるパターン（プレフォーム１４の大半を通るよりはプレフォーム１４の表面１８の上を流れる）は、システム条件下での最小抵抗経路を表している。このステップの間に、幾らかの量の樹脂５４は初期的にプレフォーム１４の生地層の中に入っているが、少なくともこの段階では、樹脂５４はプレフォーム１４の層の中に実質的には注入されていない。

真空バッグ２０がオフセット工具３８のところまで膨らむことで、真空バッグ２０がプレフォーム１４の表面１８から離れることのできる量がオフセット工具３８によって制限されることを観察するべきである。このように、充填樹脂５４がプレフォーム１４の表面１８にわたって分配される態様をオフセット工具３８が効果的に制御し、樹脂５４が真空バッグ２０を樹脂注入点近傍でマッシュルーム状に膨らませることをオフセット工具３８が回避する。

詳細は以下で説明するが、充填樹脂５４は、所定の量になるように計量されている。充填量は、続くステップでプレフォーム１４内に注入される樹脂の量におおむね合致している。同様に、追加量の樹脂（最小限プレフォーム１４内に注入される量を超えた量）も充填量に含まれている。幾つかの形態では、この追加量の樹脂は最終複合積層板の一部となり、繊維体積密度を一定値まで減少させるために選択されるか、又は複合積層板の生地層の上に樹脂表面層として提供される。他の形態では、この追加量の樹脂は抜き取られ、プレフォーム１４内に注入する十分な量の樹脂があることを保証するために最初に供給される。

ひとたび計量された充填樹脂５４が完全に空間５６に注入されると、次に樹脂注入ステップは停止する。この時点で、すべてのポートは閉じられ、注入又は充填ステップは完了する。

次に、図６を参照して、充填樹脂５４のプレフォーム１４内への注入が開始される。図示の実施例では、この注入は第一の大気圧以上の圧力をオフセット工具３８と真空バッグ２０の間の空間４０に加えることによって始まる。１つの形態では、この第一の大気圧以上の圧力は、窒素ガスによって形成される。しかし、他の媒体を使うこともできる。この第一の大気圧以上の圧力を真空バッグ２０の外表面に加えることで、樹脂５４内に大気圧以上の圧力が発生し、樹脂５４がプレフォーム１４内にプレフォーム１４の厚さ方向を通って注入される。この厚さ方向は、全体的に筒状の複合積層板に対して全体的に径方向に対応する。

厚さ方向は、一般的に複合積層板の最薄寸法である。従って、上記方法で樹脂５４を注入することによって、プレフォーム１４を通る注入距離は最小化され、この距離は樹脂５４を、プレフォーム１４を通して押し引きする為に必要な力によってプロセスの最も抵抗を受ける部分を示している。

第一の大気圧以上の圧力の連続的付加の下で、樹脂５４はプレフォーム１４内に注入される。しかし、この注入中の幾つかの時点で、流出ポート３２が開かれて、真空バッグ２０が下降することによる幾らかの過剰な量の樹脂が真空バッグ２０と金型１２の間の空間２６から抜き取られ、又は排出される。

次に図７を参照して、第二の大気圧以上の圧力がオフセット工具３８と真空バッグ２０の間の空間４０に生成される。この第二の大気圧以上の圧力は、第一の大気圧以上の圧力より大きい。このより高い圧力値は、全ての過剰な樹脂を追い出して、複合積層板の厚さを最小化し、ガスを圧縮した状態又は溶液内に保つことを意図している。正確な圧力値は、少なくとも部分的に、オフセット工具３８と真空バッグ２０の第二の大気圧以上の圧力を維持する性能（即ち、工具等が圧力容器として機能する範囲）に依存しており、注入されたプレフォームの圧縮量に関する収穫逓減（diminishing returns）が、より高い圧力で近づくことも考慮される。

この第二の大気圧以上の圧力の適用は、作成する複合積層板の所望量に応じて最適化される。もし所望の最終複合積層板が繊維体積密度を最大化し重量を最小化したものであるなら、第一の大気圧以上の圧力は過剰の樹脂を流出ポート３２を通して又はオプションでポート３６を通して又はオプションでポート３０を通して又はこれらの組み合わせのポートを通して流出させるのに十分な大きさであって、真空バッグ２０をプレフォーム１４の表面１８に戻すように駆動するのに十分な大きさであって、最小厚さを得る（離型材１６は真空バッグ２０とプレフォーム１４の間の適所にまだ存在している）か、この第二の大気圧以上の圧力をこの機能を発揮するように加える。

もし複合積層板に幾らかの量の過剰な樹脂を含ませるなら、真空バッグ２０に加える圧力は複合積層板内の所望量の過剰な樹脂を除去するように制御するべきであることに留意する。

樹脂５４に大気圧以上の圧力を加えることによって、揮発性ガスは樹脂５４の溶液内に溶け込む。これは、ガス状封入物（inclusions）が複合積層板内に形成され、硬化後も中間生成物として留まる可能性を低減する。このような封入物は構造的脆弱性を有する点やひび割れの開始点を形成する可能性がある。

この２段階注入プロセスと対照的に、従来の一般的な注入プロセスは大気圧以上の圧力を加えるステップを含まず、プレフォームを通って樹脂をゆっくり引き出すための真空の使用にのみ依存している。真空の使用は、真空バッグがプレフォームの表面に接触して圧縮力をプレフォームに加えるために必要であると従来考えられてきた。もし真空バッグがプレフォームの表面から分離すると、プレフォームは浮き上がりがちになり、複合積層板の繊維体積密度は妥協したものになる（即ち、繊維体積密度は減少する）。結果的に、たとえ高価な流体を高速流路として働くようにプレフォームの表面に添加しても、樹脂は依然として非厚さ方向にプレフォームを通して幾らかの実質的に抵抗を受ける距離を移動する必要があるので、注入プロセスは非常にゆっくりとなる。しかし、本発明で開示された方法で用いられるプレフォームは、例えば本発明の発明者の以前の仕事（米国特許出願公開第２０１３−０１６０２５７号明細書に記載）に記載の方法を用いて、著しく堅く巻き付けられることができる。プレフォームが浮き上がらなくなるこれらの方法と他の技術を用いて、真空バッグがプレフォームの表面から持ち上がることのできる、この新しい２段階注入プロセスが使用できるようになる。

また、従来の方法によれば、真空のみが樹脂を駆動する力であったため、樹脂のための駆動力はおよそ１気圧の気圧差に限定されていた。それでもなお、真空の適用は封入体を形成するために溶液からガスを引き出すのにより適切であるとされていた。

それと比較して、本発明で開示したプロセスは、注入中の抵抗の低減と注入中の大気圧以上の圧力のアシストにより、桁違いに早い。注入プロセスの間、樹脂は流動性を向上させるためにしばしば加熱されるので、プロセス時間の短縮は特に価値がある。本発明で開示した方法の幾つかの形態では、樹脂は流動性を向上させるために依然として加熱され、この熱は少なくとも部分的に大気圧以上の圧力を真空バッグに加えるために用いられる媒体によって供給される。しかし、熱を加えることは樹脂が硬化し始めることにも繋がり、それによって樹脂はより粘度が高くなりプレフォームを通して移動させにくくなる。このことが、注入を非常に時間に敏感なプロセスにし、注入がより長くなれば、樹脂を完全に注入することがより困難になる。また、本発明で開示したプロセスでは、流体は必ずしも利用する必要がなく、流体は高価でプロセスに導入するのに時間を要する。

同様に当然のことながら、樹脂５４の注入中、真空ポート３４は樹脂５４と金型１２の間の空間が真空又は大気圧以下の状態を維持するように操作されて、樹脂５４がプレフォーム１４を通して金型１２に引かれるようにする。大気圧以上の圧力が注入のための主要な駆動力を提供すると考えられるが、この真空は樹脂５４のプレフォーム１４への注入をアシストする。

次にプロセスの説明に戻って、ひとたび所望量の樹脂５４がプレフォーム１４内に注入されると、流出又は出口ポート３２が閉じて、樹脂５４はプレフォーム１４内で硬化して複合積層板を形成する。この硬化は、オフセット工具３８と真空バッグ２０の間が大気圧以上の圧力を維持する一方で行われ、硬化率を向上するための時間の経過と加熱が硬化プロセスに含まれる。

ひとたび硬化が完了すると、複合積層板６８が形成され、工具と真空バッグ２０は取り外される。典型的な複合積層板を図８に示す。この方法で形成された複合積層板が、例外的な繊維対樹脂比率を有することができることを観察するべきである。例えば、繊維体積密度は６０％、６５％、又は７０％以上にできる。

当然のことながら、好ましい実施例に対する様々な他の変形や変更が本発明の精神と範囲内で可能である。従って、本発明はここに記載の実施例に限定するべきではない。本発明の全範囲を確認するためには、以下の請求項を参照すべきである。

Claims (24)

1. 金型と真空バッグの間にプレフォームを載置する複合積層板形成のためのプレフォームへの樹脂の注入方法であって、
   オフセット工具を真空バッグの外側に載置して、制御された量だけ前記真空バッグをプレフォームの表面から持ち上げるステップと、
   充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入して、前記真空バッグを前記プレフォームの表面から持ち上げて、前記真空バッグを前記オフセット工具に向かって移動させ、前記樹脂が前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間を満たすステップと、
   大気圧以上の圧力を前記真空バッグの外表面に加えて、前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間から前記プレフォーム内の空間に移動させることで、前記プレフォームに前記樹脂を注入するステップと、
   前記プレフォーム内の前記樹脂を硬化して、複合積層板を形成するステップと、を備える注入方法。
2. 前記プレフォームに注入するステップが、最初に前記樹脂を前記プレフォームの厚さ方向に前記真空バックから前記金型に向かって移動させるステップであることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
3. 前記充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入するステップの間、実質的に前記樹脂が前記プレフォーム内に注入されないことを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
4. 前記大気圧以上の圧力を前記真空バッグの外表面に加えるステップが、
   最初に第一の大気圧以上の圧力を前記真空バッグに加えて、前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間から前記プレフォーム内の空間に移動させるステップと、
   続けて前記第一の大気圧以上の圧力より大きな第二の大気圧以上の圧力を前記真空バッグの外側から加えて、前記樹脂が注入された前記プレフォームを、最小の厚さに押圧するステップと、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
5. 前記プレフォーム内の前記樹脂を硬化するステップを通して、前記大気圧以上の圧力が維持されていることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
6. 前記大気圧以上の圧力を加えるために用いる媒体が、前記オフセット工具と前記真空バッグの間に収容されたガス又は流体の少なくとも１つであり、前記媒体が加熱されて前記プレフォーム内の前記樹脂を硬化させるステップをアシストすることを特徴とする請求項５に記載の注入方法。
7. 前記充填樹脂を真空バッグとプレフォームの間に注入後、前記大気圧以上の圧力が最初に真空バッグに加えられる間、前記真空バッグと前記金型の間の空間に繋がるすべてのポートを閉じ、そして
   前記樹脂がプレフォームに注入された後、前記真空バッグと前記金型の間の空間に繋がる少なくとも１つのポートを開放することを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
8. 前記金型と前記オフセット工具とが、実質的に剛体で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
9. 前記オフセット工具がフレキシブルで膨張可能で、所定の固定形状を形成できることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
10. 前記充填樹脂が、完全にプレフォームに注入するための樹脂量を超える超過量の樹脂を含んでいることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
11. 前記プレフォームに前記樹脂を注入するステップの間、前記超過量の樹脂が前記金型の出口ポートを通って前記プレフォームから押し出され、少なくとも部分的に前記大気圧以上の圧力に援助されて前記複合積層板から除去されることを特徴とする請求項１０に記載の注入方法。
12. 前記充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入するステップが、供給源から注入ポートを介して強制的に前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間に注入するステップを含んでいることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
13. 前記充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入するステップと、前記プレフォームに前記樹脂を注入するステップと、の少なくとも１つのステップの間に、前記真空バッグと前記金型の間を真空引きするステップをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
14. 生地を前記金型に載置して前記プレフォームを形成するステップの後で、前記プレフォームの表面上に前記真空バッグを載置するステップの前に、前記真空バッグを前記プレフォームの表面から容易に切り離すことを可能にし、前記注入の間に離型材を通って前記プレフォームに移動されることになる樹脂を収容する前記離型材を前記プレフォームの表面に塗布するステップをさらに備えていることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
15. 前記オフセット工具を載置するステップの前に、生地をマンドレルの周りに巻き付けて、全体的に筒状のプレフォームを形成するステップをさらに備え、
    前記オフセット工具が全体的に筒状のスリーブで、前記オフセット工具と同軸のマンドレルを収容することを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
16. 前記真空バッグが前記プレフォームから持ち上げられる期間であって、前記充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間に注入するステップの間に、前記プレフォームが堅く巻き付けられている結果として、前記プレフォームが実質的に浮き上がらないことを特徴とする請求項１５に記載の注入方法。
17. 前記複合積層板が、７０％の繊維体積密度を有していることを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
18. 流体の使用を含めないことを特徴とする請求項１に記載の注入方法。
19. 請求項１の方法を用いて作られた複合積層板。
20. 金型と真空バッグの間にプレフォームを載置する複合積層板形成のためのプレフォームへの樹脂の注入方法であって、
    オフセット工具を真空バッグの外側に載置して、制御された量だけ前記真空バッグをプレフォームから持ち上げるステップと、
    充填樹脂を、前記真空バッグと前記プレフォームの間に注入して、前記真空バッグを前記プレフォームの表面から持ち上げて、前記真空バッグを前記オフセット工具に向かって移動させ、前記樹脂が前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間を満たすステップと、
    前記真空バッグと前記プレフォームの間の空間にある前記樹脂内で大気圧以上の圧力を生成し、前記樹脂を前記真空バッグと前記プレフォームの表面の間の空間から前記プレフォーム内の空間に移動させることで、前記プレフォームに前記樹脂を注入するステップと、
    前記プレフォーム内の前記樹脂を硬化して、複合積層板を形成するステップと、を備える注入方法。
21. 前記大気圧以上の圧力が前記真空バッグの外表面に作用する圧力で生成されることを特徴とする請求項２０に記載の注入方法。
22. 大気圧以下の圧力が、前記プレフォームと前記真空バックの間の空間と反対側のプレフォーム側に加えられることを特徴とする請求項２０に記載の注入方法。
23. 前記大気圧以上の圧力が加えられている間の少なくとも部分的に、少なくとも１つの樹脂流出ポートが前記プレフォームの下流に開いていることを特徴とする請求項２０に記載の注入方法。
24. 大気圧以上の圧力を加える前に、全ての樹脂注入ポートが閉じられていることを特徴とする請求項２０に記載の注入方法。

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