JP2016528345A - 熱可塑性繊維複合材を製造するプロセス及びそれによって形成されるファンブレード - Google Patents

Abstract

熱可塑性繊維複合材を製造するプロセスは、熱可塑性樹脂を液体状態に加熱する段階と、繊維を一方向に配向する段階と、繊維に液体状態の熱可塑性樹脂を含浸させて複合材層状体を生成する段階と、マシンレイアッププロセスを行って、複数の複合材層状体で構成された複合材積層体を生成する段階とを含む。プロセスは、前記補強材をデカプリング剤でコーティングして複合材損傷許容性を改善する段階をさらに含んでもよい。前記マシンレイアッププロセスは、現場で複合材積層体を成形する圧密化プロセスを含んでもよい。【選択図】 図１

Description

本発明は、複合材料に関し、より具体的には、ポリマー樹脂を浸透させた強化ファブリックを含む複合材料を製造するプロセスに関する。

高バイパスガスタービンエンジンの主要な構成要素は、ファンセクション及びそのブレードである。ファンブレードは、前方から（後方を）見た場合、エンジンの独特の特徴部であり、吸入空気に接触するエンジンの最初の構成要素である。従って、ファンブレードは、高バイパス航空機エンジンが要求する速度、高度、及び入口温度で機能する能力があることが必要である。加えて、ファンブレードは、高速での鳥衝突及び他の異物損傷（ＦＯＤ）に耐えて動作しながら、様々な環境の悪影響を軽減する能力があることが必要である。結果的に、ファンブレードの動作要求は、高い耐衝撃性である。

航空機エンジンの付加的な要求により、ファンブレードは、比較的軽量で耐久性がありかつ強靱であることも好ましい。小さな回転質量、大きな損傷許容性、高い振動減衰性、及び高い空気力学的効率を有することでエンジン性能を高めるように、ブレード作動及び構造を改善するための相当の研究開発が行われてきた。ブレード強靱性を改善する場合、一般に、目標は、破壊及び衝撃損傷に対する全体的な耐性を維持又は改善しながらブレードの厚さを低減できるように、ブレードの耐久性及び衝撃強度を改善することである。軽量ブレードは、高い空気力学的効率をもたらし、全体としてエンジンの重量、コストを低減して効率を改善する。

近年、エンジンファンブレードを含む航空機構成要素に複合材料を融合及び適用することが進んでいる。ポリマーマトリクス複合材（ＰＭＣ）材料で作られたファンブレードは、２つの主要な構成要素を含み、これはポリマー樹脂材料と、樹脂が含浸されて複合材に強度及び構造を与える繊維強化材料である。また、カーボン（グラファイト）繊維又はファブリックで補強されたエポキシ積層体等の熱硬化性エポキシＰＭＣ材料も検討されており、これは空気力学的基準を満たしかつ重量を低減する能力を含む利点を提示し、このことはエンジン効率を高めて燃料消費率（ＳＦＣ）を改善する。

複合材製造は、含浸だけでなくレイアッププロセスを含む。レイアッププロセス時、樹脂含浸補強材で構成されるプリプレグは、プライ又はシート材に切断及び延伸される。次に、プライは、切断、縫合、又は層状にプレスされて樹脂含浸積層複合材構造体を製造するようになっており、これは複合材の実施及び目的に応じて成形することができる。

熱硬化性エポキシＰＭＣで製造したファンブレードは、耐衝撃特性をもたらしかつ薄いブレードの製作を可能にするが、継続的なエンジン性能向上のために改善が必要である。

米国特許第６５５８１４６号明細書

本発明は、特に、非限定的な例として高バイパスガスタービンエンジンのファンブレードを有する航空機エンジンファンブレード翼形部を含む、熱可塑性樹脂／繊維複合材を製造するのに適したプロセスを提供する。

本発明の第１の態様は、熱可塑性繊維複合材を製造するプロセスであり、このプロセスは、熱可塑性樹脂を液体状態に加熱する段階と、繊維を一方向に配向する段階と、随意的に繊維をコーティングして複合材損傷許容性を改善する段階と、繊維に液体状態の熱可塑性樹脂を含浸させて複合材層状体を生成する段階と、マシンレイアッププロセスを行って、複数の複合材層状体で構成された複合材積層体を生成する段階とを含む。

本発明の他の態様は、前述の段階を含むプロセスで生成されたファンブレード翼形部を含む。

本発明の他の態様及び利点は、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

ポリマーマトリクス複合材料を用いて製造することができるタイプのファンブレードの図。

本発明は、高バイパスガスタービンエンジンのファンブレードを含む、航空機エンジンファンブレード翼形部に用いる熱可塑性樹脂／繊維複合材の製造のためのプロセスに関する。

熱硬化性樹脂と熱可塑性樹脂との間の違いは、熱硬化性樹脂が室温で液体であるのに対して、熱可塑性樹脂は室温で固体である点にある。熱可塑性樹脂は、同等の熱硬化性複合材に対して高い耐衝撃性を有しかつ再形成可能であり同等の熱硬化性樹脂よりも容易に再使用又は補修できるという、熱硬化性樹脂に優る２つの明白な利点を提供する。この高い耐衝撃性は、熱可塑性樹脂をファンブレード製造に用いるのを望ましいものにする。しかしながら、熱可塑性樹脂を強化複合材製造に用いるには複雑な問題がある。熱可塑性樹脂は室温では固体なので、製造に向けて形成可能にするために再加熱が必要である。典型的に、このプロセスは、同等の熱硬化性樹脂を伴う類似の含浸プロセスよりも時間がかかり場合によっては桁違いなコストがかかる。

簡潔には、当該プロセスの実施形態は、補強材のプリプレグを一方向に配向して熱可塑性樹脂を用いて複合材プライを生成することを含む。非限定的な例は、熱可塑性樹脂が含浸された一方向性補強材としてのカーボン（グラファイト）繊維であり、熱可塑性樹脂は、例えばポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であるが、他の熱可塑性樹脂を使用することができ、非限定的な例としては、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）、ポリフェニレンスルファイド（ＰＰＳ）、ポリアミドイミド（ＰＡＩ）、及びポリエーテルイミド（ＰＥＩ）を挙げることができる。デカプリング剤をコーティングとして補強材上に施工することができ、結果として得られたファンブレードの複合材損傷許容性をさらに改善することができる。このプロセスの他のステップは、複合材プライをバルクから切り取って除去するマシンレイアップである。このマシンプロセスは、ハンドレイアップ法の改善である。次に、圧密化プロセス又はオートクレーブ硬化ステップを行い、複合材プライを成形して固化する。

一方向性プリプレグプロセスは、熱可塑性樹脂及び補強材から複合材料を製造する。熱可塑性樹脂を加熱して液体状態にして、次に、補強材に樹脂を含浸させて強化ポリマーマトリクスを形成する。前述のように、補強材は、一方向性（繊維）、より好ましくは具体的には連続カーボン（グラファイト）繊維及びガラス繊維で構成される。本明細書で用いる場合、「連続した」とは、十分に長く、複合材のマトリクス材料内で典型的には不規則に分散する短繊維で構成される不連続繊維補強材とは対照的に、複合材のマトリクス材料内で、例えば（限定するものではないが）、複合材の荷重方向に平行な特定の方向を有するように配向することができる（一方向性）、繊維又は繊維束（トウ）で構成されている補強（繊維）材料を指す。本発明において、繊維は、一方向の含浸に適しているので、全ての含浸繊維は互いに実質的に平行に配向され、その状態のままである。このプロセスは、所望の構造的及び機械的特性を提示する複合材料をもたらす。

本発明で具現化されるデカプリングプロセスは、一方向性補強繊維へのコーティングの施工を含む。コーティングは、プリプレグプロセスの前に施工することができ、好ましくは、繊維が補強材として熱可塑性マトリクスと上手く接合することを可能にする。このコーティングの結果、複合材マトリクス内の損傷メカニズムが分散され、衝撃損傷時の複合材の強靱性がさらに高くなる。

本発明で具現化されるマシンレイアッププロセスは、複合材料を切断及び延伸してプライにして層状体に成形し、次に、この層状体は積み重ねて成形して積層体を生成する。本明細書で用いる場合、「層状体（ｌａｍｉｎａｅ）」は、完全なプライ、プライセグメント、及び所定形状及びストリップのプライの一部である。また、このプロセスは、超音波補助式縫合プロセスを含みことができ、補強繊維は、複数のプライ層の間に挿入することができ、全体として積層体の品質が向上する。プライを切断して層状体を製造して成形するために器用さ及び人手を利用する従来のレイアッププロセスと対照をなして考えた場合、このマシンレイアッププロセスは人件費を抑える。

最後に、このプロセスは、現場で圧密プロセス又はオートクレーブ硬化を利用して、積層体を成形及び冷却して複合材物品をもたらす。圧密プロセスは、好ましくは、積層体及びそのプライ／層状体を所望の形状に圧縮する圧密力を利用し、このプロセスは、概してレイアッププロセスの一部である。オートクレーブ硬化は、積層体を高圧装置に位置付けて最終複合材を成形するようになっている。適切なオートクレーブ温度は、華氏約６００度から約８４０度、好ましくは華氏約６８０度から約７６０度であり、これは典型的な熱硬化性オートクレーブ温度よりも高い。１つの例示的な複合材物品は、図１に示すファンブレード１０とすることができる。

種々の特定の実施形態について本発明を説明してきたが、当業者であれば他の形態を適合させることができる点が理解される。例えば、ファンブレード以外の複合材構成要素を生成することができ、処理パラメータを変更することでき、さらに適切な材料を記載のものと置き換えることができる。従って、本発明は、特定の開示された実施形態に限定されないことを理解されたい。また、前述の用語及び専門用語は本発明を開示するためのものであり、必ずしも本発明の範囲を限定するものではないことを理解されたい。最後に、特許請求の範囲は、本発明に関連すると考えられる特定の態様を列挙するが、必ずしも本発明の範囲を限定するものではない。

１０ ファンブレード

Claims (11)

1. 熱可塑性繊維複合材を製造するプロセスであって、
   熱可塑性樹脂を液体状態に加熱する段階と、
   補強材を一方向に配向させる段階と、
   補強材に前記液体状態の前記熱可塑性樹脂を含浸させて、複合材層状体を生成する段階と、
   マシンレイアッププロセスを行って、前記複合材層状体の複数のものから構成される複合材積層体を生成する段階と、
   を含む、プロセス。
2. 前記補強材をデカプリング剤でコーティングして複合材損傷許容性を改善する段階をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記マシンレイアッププロセスは、現場で複合材積層体を成形する圧密化プロセスを含む、請求項１に記載のプロセス。
4. オートクレーブ硬化プロセスを用いて前記複合材積層体を成形する段階をさらに含む、請求項１に記載のプロセス。
5. 前記熱可塑性樹脂は、ポリエーテルエーテルケトンを含む、請求項１に記載のプロセス。
6. 前記補強材は、繊維を含む、請求項１に記載のプロセス。
7. 前記補強材は、連続ガラス繊維を含む、請求項１に記載のプロセス。
8. 前記補強材は、連続カーボン繊維を含む、請求項１に記載のプロセス。
9. 前記マシンレイアッププロセスは、超音波補助式縫合段階を含み、複合材積層体を強化するために追加の補強材が複数の複合材層状体の間にもたらされる、請求項１に記載のプロセス。
10. 熱可塑性樹脂を液体状態に加熱する段階と、
    補強材を一方向に配向させる段階と、
    補強材に前記液体状態の前記熱可塑性樹脂を含浸させて、複合材層状体を生成する段階と、
    マシンレイアッププロセスを行って、前記複合材層状体の複数のものから構成される複合材積層体を生成する段階と、
    を含むプロセスで形成された、熱可塑性樹脂が含浸され、一方向に配向された補強材を備えるガスタービンエンジン熱可塑性繊維複合材ファンブレード（１０）。
11. 熱可塑性樹脂を液体状態に加熱する段階と、
    補強材を一方向に配向させる段階と、
    前記補強材をデカプリング剤でコーティングして複合体損傷許容性を改善する段階と、
    補強材に前記液体状態の前記熱可塑性樹脂を含浸させて、複合材層状体を生成する段階と、
    マシンレイアッププロセスを行って、前記複合材層状体の複数のものから構成される複合材積層体を生成する段階と、
    を含むプロセスで形成された、デカプリング剤でコーティングされかつ熱可塑性樹脂が含浸され、一方向に配向された補強材を備えるガスタービンエンジン熱可塑性繊維複合材ファンブレード（１０）。