JP2019531930A

JP2019531930A - 成型方法

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Publication number: JP2019531930A
Application number: JP2019514802A
Authority: JP
Inventors: ケヴィン・ダニエル・ゴーディン; ウェンディー・ウェン−リン・リン; シャティル・シンハ; クリシュナン・バラジ・タッタイ・パーササラシー
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2016-09-16
Filing date: 2017-09-15
Publication date: 2019-11-07
Also published as: WO2018053245A1; CN109715360B; CN109715360A; US20180079111A1; US10183421B2; EP3493964A1

Abstract

連続的な繊維を中に含む複合構造の成型を行う方法が開示される。当該方法は、第一複合材料をモールド中で圧縮するステップと；第一複合材料中にキャビティを形成するステップと；連続的な繊維の動き及び歪みを最小化するために、連続的な繊維を中に含む第二複合材料を、第一複合材料中に形成されたキャビティ中に配置するステップと；第一複合材料の圧縮により第一複合材料が第二複合材料の縁部へ流れるように、第一複合材料を圧縮するステップと；成型用温度及び成型用圧力の下で第一複合材料が第二複合材料に結合できるようにすることにより、複合構造を形成するステップと、を含む。

Description

本発明は、一般に成型プロセスに関し、より具体的には、補強繊維を有するワークピースの成型を行う装置及び方法に関する。

成型（ｍｏｌｄｉｎｇ）は、融解した材料又は他の形で流動可能な材料がモールドキャビティに導入されて固化又は硬化できるようにされて完成部品を形成するという製造プロセスである。

成型プロセスは、マトリックス中に埋め込まれた補強繊維を備える複合材料から部品を生産するために使用され得る。用いられる補強繊維は連続的なものも不連続なものも知られている。

強化を行うためには、実際のワークピース中の連続的な繊維の位置及び配向が可能な限り設計者の設計意図に近いものであることが重要である。既存の成型プロセスの一つの課題は、予期できない熱効果及び圧力効果によって、連続的な繊維が想定された位置及び／又は配向からずれることがあるというものである。

これらの課題のうち少なくとも一つは、不連続な繊維及び連続的な繊維が別々の成型ステップに導入される成型方法によって対処される。

本明細書に記載される技術の一態様によると、連続的な繊維を有する複合構造の成型を行う方法は、第一複合材料をモールド中で圧縮するステップと；第一複合材料中にキャビティを形成するステップと；連続的な繊維の動き及び歪みを最小化するために、連続的な繊維を中に含む第二複合材料を、第一複合材料中に形成されたキャビティ中に配置するステップと；第一複合材料の圧縮により第一複合材料が第二複合材料の縁部（ｅｄｇｅｓ）へ流れるように、第一複合材料を圧縮するステップと；成型用温度及び成型用圧力の下で第一複合材料が第二複合材料に結合できるようにすることにより、複合構造を形成するステップと、を含む。

本明細書に記載される技術の一態様によると、連続的な繊維を中に含む複合構造の成型を行う方法は、第一複合材料をモールド中で圧縮するステップと；前記第一複合材料中にキャビティを形成するステップと；連続的な繊維を中に含む第二複合材料を、前記第一複合材料中に形成されたキャビティ中に配置するステップであって、前記第二複合材料は、固体状態であるか又は前記第一複合材料の粘度より大きな粘度を有している、ステップと；前記第一複合材料の圧縮により前記第一複合材料が前記第二複合材料の縁部へ流れるように、当該第一複合材料を圧縮するステップと；成型用温度及び成型用圧力の下で前記第一複合材料が前記第二複合材料に結合できるようにすることにより、前記複合構造を形成するステップと、を含む。

本発明は、添付の図面と併せて以下の説明を参照することによって最も理解され得る。

複合構造の模式的な平面図である。図１の複合材の端面図である。図１の複合材を形成するために使用されるモールドを示す。不連続な繊維材料が図３のモールドのキャビティ中に位置づけられ、取外し可能なツールが当該不連続な繊維材料中に位置づけられる様子を示す。図３のモールドが不連続な繊維材料の加圧及び加熱を行っている様子を示す。取外し可能なツールを不連続な繊維材料から取り外すことができるように図３のモールドが開放される様子を示す。取外し可能なツールにより生成されたキャビティ中に連続的な繊維材料が配置される様子を示す。図３のモールドが、不連続な繊維材料を連続的な繊維材料に結合させるために、不連続な繊維材料の加圧及び加熱を行っている様子を示す。複合材を形成するために使用されるモールドを示す。不連続な繊維材料が図９のモールドのキャビティ中に位置づけられる様子を示す。図９のモールドが不連続な繊維材料の加圧及び加熱を行っている様子を示す。不連続な繊維材料の一部を取り除くことによりキャビティを形成することができるように、図９のモールドが開放される様子を示す。連続的な繊維材料がキャビティ中に位置づけられる様子を示す。図９のモールドが、不連続な繊維材料を連続的な繊維材料に結合させるために、不連続な繊維材料の加圧及び加熱を行っている様子を示す。図９〜図１４の方法により形成された複合材の端面図である。図１の複合材を形成するために使用されるモールドを示す。不連続な繊維材料が図１６のモールドのキャビティ中に位置づけられ、取外し可能なツールが当該不連続な繊維材料中に位置づけられる様子を示す。図１６のモールドが不連続な繊維材料の加圧及び加熱を行っている様子を示す。取外し可能なツールを不連続な繊維材料から取り外すことができるように図１６のモールドが開放される様子を示す。追加の不連続な繊維材料が不連続な繊維材料に適用され、連続的な繊維材料が取外し可能なツールにより生成されたキャビティ中に位置づけられる様子を示す。追加の不連続な繊維材料を不連続な繊維材料とともに固化させるとともに不連続な繊維材料を連続的な繊維材料に結合させるために、図１６のモールドが不連続な繊維材料の加圧及び加熱を行っている様子を示す。

図面を参照すると、同一の参照番号は様々な視点を通して同じ要素を示しており、図１及び図２は、以下で説明する方法を使用して複合構造１０を形成するようにともに成型された第一セクション１２及び第二セクション１４を有する複合構造１０を模式的に描画したものである。

当該方法は、その間の材料を加圧及び加熱するように構成された上方セクション２２及び下方セクション２４を有するモールド２０を使用する（図３）。描画されるように、下方セクション２４は、成型される材料を受容するために、所定の形状を有するキャビティ２６を含む。上方セクション２２は、材料の上部の成型を行うために所定の外形を有してもよいことを理解すべきである。セクション２２及び２４の一方又は両方には、内部電気抵抗ヒーターなどの加熱手段（図示せず）が設けられ得る。図４に示すように、第一複合材料２８がキャビティ２６へ配置され、取外し可能なツール３０が、第一複合材料２８中にキャビティ３２を形成するために第一複合材料２８中に位置づけられる。ツール３０は、成型プロセスの熱及び圧力の下でその形状及び大きさを保持するとともに第一複合材料２８と結合しない、任意の材料で形成され得る。本明細書で使用される場合、「複合（ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ）」との語は一般に、ポリマーベースの樹脂（例えば熱可塑性樹脂）やセラミックなどのバインダー又はマトリックス材料中に担持された繊維や粒子（例えばカーボンやセラミック繊維）などの補強材を含む材料を指す。例示的な一実施形態では、第一複合材料２８は、不連続な繊維を含み得る。本明細書で使用される場合、「不連続な繊維（ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉｂｅｒ）」との語は、概して刻まれた構成又はもつれた塊状の構成の短繊維を指す。一般に、不連続な繊維は、長さが約５０．８ｍｍ（２インチ）以下であってよい。第一複合材料２８の一例は、熱可塑性マトリックス中に長さが約１．２７ｃｍ（０．５インチ）以上の補強繊維を含む。当該繊維は、第一複合材料２８に対して体積が約４０％以上である。

モールド２０の上方セクション２２及び下方セクション２４は、複合構造１０の第一セクション１２の最終体積に実質的に等しい（図４〜図６）か又はこれより大きい（図１１及び図１２）体積を有する形状となるように第一複合材料２８の成型を行う（図５）ように、ともに加熱及び加圧される。上方セクション２２及び下方セクション２４が分離され（図６）、第一複合材料２８中に形成されたキャビティ３２を露出させるために、取外し可能なツール３０が第一複合材料２８から取り外される。キャビティ３２は、第二複合材料３４を受容するように形成される。第二複合材料３４は、第一複合材料２８に対して熱結合可能なものである限り、第一複合材料２８と同じ組成でもよく、異なる組成でもよい。第二複合材料３４は、内部に埋め込まれた補強繊維を有し、当該補強繊維は、連続的な繊維であってよい。本明細書で使用される場合、「連続的な繊維（ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｆｉｂｅｒ）」との語は、約５０．８ｍｍ（２インチ）を上回る長さでおよそ無配向な構成の長繊維を指す。第二複合材料３４中の連続的な繊維は、第一複合材料２８中の不連続な繊維とおよそ同程度の直径を有することが理解されよう。従って、当該連続的な繊維の全長は、一般に不連続な繊維よりも遥かに大きくなる。当該繊維は、第二複合材料３４に対して体積が約４０％以上である。

第二複合材料３４は、最終成型及び複合構造１０の結合中に第二複合材料３４中に含まれた連続的な繊維の動き及び歪みを最小化するために、第一複合材料２８の温度よりも低温若しくはその他の固体状態にある温度で、又は第一複合材料２８よりも高い粘度で、キャビティ３２へ配置され得る（図７）。例えば、第二複合材料３４は、分離プロセスで調製されるとともに室温条件で提供され得る。

図７及び図８で描画されるように、上方セクション２２は、上方セクション２３で置き換えられる。上方セクション２３は、上方セクション２３の底３８から延在する突出部３６を含む。図示するように、突出部３６は、キャビティ２６へさらに延在することにより第一複合材料２８に対してさらなる圧縮を行い、これにより、キャビティ２６の体積が減少するとともに、第一複合材料２８が第二複合材料３４の周りのギャップ４０を埋める。加熱と加圧とを組み合わせることにより、第一複合材料２８は、成型用温度及び成型用圧力の下で第二複合材料３４へ流れて第二複合材料３４と結合する。本質的には、当該方法は、第二複合材料３４の周りの境界条件を作成するものであり、これにより、第二複合材料３４中に含まれる連続的な繊維を損なう（ｃｏｍｐｒｏｍｉｓｉｎｇ）ことなく第二複合材料３４の位置づけ及び位置合わせを行うことを可能にするものである。その結果、当該方法は、成型プロセス中の第一複合材料２８の動きを最小化することにより、損傷をもたらす剪断力が第二複合材料３４中に含まれた連続的な繊維を歪ませることを抑制する。当該方法は、第一複合材料２８が第二複合材料３４の上に流れることを抑制するとともに、第二複合材料３４の動きを抑制するとともに第一複合材料及び第二複合材料の共成型を効果的に行うように、成型中に第二複合材料３４の全側面の周りに均等な圧力をもたらす。

冷却後、得られた複合構造１０は、モールド２０から取り外され得る。

あるいは、図９〜図１５に描画されるように、取外し可能なツール３０を使用する代わりに、複合構造１０は、キャビティ３２を形成するように所定量の第一複合材料２８を取り除き且つ／又は切り取ることにより形成されてもよい。図示するように、第一複合材料２８が第一複合材料２８の中心から完全に取り除かれるが、取り除く量及び／又は切り取る量並びに取り除く位置は、複合構造１０において必要な第二複合材料３４の量及び位置に基づくことを理解すべきである。例えば、取り除く量は、図１２又は図６に図示されるものであり得る。

図９〜図１５に示す方法は、図３〜図８に示す方法と非常に類似している。より具体的には、第一複合材料２８が、モールド２０の下方セクション２４のキャビティ２６へ配置される（図１０）。上方セクション２２及び下方セクション２４は、第一複合材料２８の成型を行う（図１１）ように、ともに加熱及び加圧される。第一複合材料２８の一部が、キャビティ３２を形成するために取り除かれ且つ／又は切り取られる（図１２）。上方セクション２２が上方セクション２３で置き換えられ、第二複合材料３４がキャビティ３２中に配置される（図１３）。上方セクション２３及び下方セクション２４がともに加熱及び加圧されることで、突出部３６がキャビティ２６へ延在し、これにより、キャビティ２６の体積が減少するとともに、第一複合材料２８が第二複合材料３４の周りのギャップ４０を埋める（図１４）。加熱と加圧とを組み合わせることにより、第一複合材料２８は、複合構造１０を形成するように、第二複合材料３４へ流れて第二複合材料３４と結合する（図１５）。

図１６〜図２１を参照すると、方法は、上方セクション２３及び下方セクション２４を有するモールド２０から始まる。第一複合材料２８が、下方セクション２４のキャビティ２６へ配置され、取外し可能なツール３０が、第一複合材料２８中に配置される（図１７）。上方セクション２３及び下方セクション２４は、複合構造１０に含まれる第一複合材料２８の最終体積より僅かに小さな体積を有する第一複合材料２８の成型を行うように、ともに加熱及び加圧される。

上方セクション２３及び下方セクション２４が分離され、キャビティ３２を形成するために、取外し可能なツール３０が第一複合材料２８から取り外される（図１９）。第二複合材料３４がキャビティ３２へ配置され、第一複合材料２８の体積を僅かに増加させてギャップ４０を埋めることができるように、少量の追加の第一複合材料２８が加えられる（図２０）。上方セクション２３及び下方セクション２４がともに加熱及び加圧されることで、追加の第一複合材料２８が当初の第一複合材料２８に組み込まれることにより第一複合材料２８の体積が最終体積に等しい体積まで増加するとともに、第一複合材料２８がギャップ４０を埋めるとともに第二複合材料３４と結合することが可能となり、複合構造１０が形成される。

本明細書に記載されるプロセスは、先行技術に対していくつかの利点を有する。特に、成型プロセス中における連続的な繊維材料の繊維歪みを抑制することができる。これにより、連続的な繊維の補強材料と不連続な繊維の補強材料との共成型を効果的に低コストで行うことが可能となる。

上述の説明は、成型プロセスについてのものである。本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）において開示された全特徴、及び／又は同様に開示された方法又はプロセスの全ステップは、こうした特徴及び／又はステップの少なくとも一部が相互に排他的である組合せを除き、任意の組合せで組み合され得る。

本明細書（添付の特許請求の範囲、要約書、及び図面を含む）において開示された各特徴は、別段の明示がない限り、同一の、均等な、又は類似の目的を達成する代替的な特徴によって置き換えられ得る。従って、別段の明示がない限り、開示された各特徴は、包括的な一連の均等又は類似の特徴のうちの一例に過ぎない。

本発明は、上記の実施形態の詳細な記載に限定されない。本発明は、本明細書（添付の新規性のあるポテンシャルポイント、要約書、及び図面を含む）において開示された各特徴のうち新規な任意のもの若しくは新規な任意の組合せ、又は同様に開示された任意の方法又はプロセスの各ステップのうちに新規な任意のもの若しくは新規の任意な組合せに及ぶ。

１０複合構造
１２第一セクション
１４第二セクション
２０モールド
２２上方セクション
２３上方セクション
２４下方セクション
２６キャビティ
２８第一複合材料
３０ツール
３２キャビティ
３４第二複合材料
３６突出部
３８底
４０ギャップ

Claims

連続的な繊維を中に含む複合構造の成型を行う方法であって、
第一複合材料をモールド中で圧縮するステップと；
前記第一複合材料中にキャビティを形成するステップと；
連続的な繊維を中に含む第二複合材料を、前記第一複合材料中に形成されたキャビティ中に配置するステップと；
前記第一複合材料が前記第二複合材料の縁部へ流れるように、前記第一複合材料を圧縮するステップと；
成型用温度及び成型用圧力の下で前記第一複合材料が前記第二複合材料に結合できるようにすることにより、前記複合構造を形成するステップと、を含む、方法。
前記第一複合材料は、不連続な繊維を中に含む、請求項１に記載の方法。
前記第二複合材料を前記キャビティ中に配置する前に、前記複合構造が冷却固化できるようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記第一複合材料を加熱することにより、前記第一複合材料が流れて前記第二複合材料に結合できるようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記キャビティを形成するステップは、
前記第一複合材料を前記モールド中で圧縮する前に、取外し可能なツールを前記第一複合材料へ挿入する工程と；
圧縮された前記第一複合材料から前記取外し可能なツールを取り外す工程と、を含む、請求項１に記載の方法。
前記キャビティを形成するステップは、前記第一複合材料の一部を取り除く工程を含む、請求項１に記載の方法。
圧縮前に前記モールドのキャビティ中に配置される前記第一複合材料の体積は、前記複合構造に含まれる前記第一複合材料の体積に等しい、請求項１に記載の方法。
圧縮前に前記モールドのキャビティ中に配置される前記第一複合材料の体積は、前記複合構造に含まれる前記第一複合材料の体積より小さい、請求項１に記載の方法。
圧縮された前記第一複合材料に追加の前記第一複合材料を加えることにより、前記第一複合材料が前記第二複合材料の縁部へ流れて当該第二複合材料に結合できるようにするステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
前記不連続な繊維の長さは、約２インチ以下である、請求項２に記載の方法。
前記連続的な繊維の長さは、約２インチより大きい、請求項１に記載の方法。
連続的な繊維を中に含む複合構造の成型を行う方法であって、
第一複合材料をモールド中で圧縮するステップと；
前記第一複合材料中にキャビティを形成するステップと；
連続的な繊維を中に含む第二複合材料を、前記第一複合材料中に形成されたキャビティ中に配置するステップであって、前記第二複合材料は、固体状態であるか又は前記第一複合材料の粘度より大きな粘度を有している、ステップと；
前記第一複合材料が前記第二複合材料の縁部へ流れるように、前記第一複合材料を圧縮するステップと；
成型用温度及び成型用圧力の下で前記第一複合材料が前記第二複合材料に結合できるようにすることにより、前記複合構造を形成するステップと、を含む、方法。
圧縮された前記第一複合材料を露出させるとともに前記キャビティの形成を可能にするように、前記モールドを開放するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記複合構造が冷却できるようにするとともに前記モールドから前記複合構造を取り外すステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
前記第一複合材料は、不連続な繊維を中に含むマトリックス材料を含む、請求項１２に記載の方法。
前記不連続な繊維は、前記第一複合材料に対して体積が約４０％以上である、請求項１５に記載の方法。
前記第二複合材料が前記キャビティ中に配置される際、前記第二複合材料は、前記第一複合材料よりも低温である、請求項１２に記載の方法。
前記連続的な繊維は、前記第二複合材料に対して体積が約４０％以上である、請求項１７に記載の方法。
前記第一複合材料は、不連続な繊維を中に含むポリマーベースの樹脂マトリックスを含み、前記不連続な繊維は、長さが約２インチ以下であり、前記第一複合材料の約体積の４０％以上を占める、請求項１２に記載の方法。
前記第二複合材料は、連続的な繊維を中に含むポリマーベースの樹脂マトリックスを含み、前記連続的な繊維は、長さが約２インチより大きく、前記第二複合材料の体積の約４０％以上を占める、請求項１２に記載の方法。