JP2019532847A - 繊維強化ポリマー製造 - Google Patents

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Abstract

繊維強化ポリマー材料を含む製品を製造する方法であって、当該方法は、熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維を提供するステップ（１０）と、前記炭素繊維の少なくとも一部を通って流れる電流によって、熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱するステップ（２０）と、熱硬化性樹脂を熱硬化性ポリマーに変換させるステップ（３０）とを含む。この発明はさらに、当該方法を行なうための装置、および、当該方法に従って製造される複合サンドイッチパネル構造に向けられる。

Description

ここに取上げられる発明は、繊維強化ポリマー材料を含む製品を製造する方法に関する。さらなる局面の下では、この発明は、当該方法を行なうための装置、および、当該方法に従って製造される複合サンドイッチパネル構造に関する。
繊維強化ポリマーとは、公知のクラスの複合材料である。繊維強化ポリマー（fiber reinforced polymer：ＦＲＰ）材料の成分は、母材を形成するポリマーと、強化材を形成する繊維とである。ポリマーは繊維を包囲し、それらの相対位置を安定化する。繊維は複合材料に、特性の中でもとりわけ、向上した剛性および引張強度を提供する。繊維強化ポリマー材料を含む製品のための公知の製造方法は、繊維を所望の幾何学的形状に配置すること、繊維に樹脂を浸すか含浸させること、および樹脂を硬化させることを伴う。硬化プロセスの終わりに、樹脂はポリマー母材に変換される。そのような製造プロセスで使用される典型的な樹脂は、エポキシ樹脂である。使用される樹脂に依存して、硬化プロセスを開始するためのいくつかの可能性があり得る。広く普及している硬化方法は、熱硬化、すなわち、重合が起こる温度まで樹脂を加熱することである。エポキシ樹脂の場合、この硬化温度は約１８０℃である。硬化プロセスは典型的には炉内で行なわれる。場合によっては、高圧または真空の印可が必要になるかもしれず、プロセスを加圧滅菌器内で行なう必要がある。成形具または金型は、ポリマーが硬化されるまで繊維および樹脂を所望の幾何学的形状に保持し、結果として生じる製品に安定性を与える。成形具または金型は、樹脂に浸された繊維とともに、炉に入れられる。そのような成形具または金型は典型的にはスチールまたはアルミニウムで作られる。なぜなら、それらは機械的安定性を提供すべきであり、樹脂の硬化温度前後の温度に耐えるべきであり、炉から樹脂へと流れる熱を妨げるべきでないためである。
この発明の目的は、繊維強化ポリマーを含む製品を製造する、改良された方法を提供することである。
この目的は、請求項１に記載の方法によって達成される。
本発明に従った方法は、繊維強化ポリマー材料を含む製品を製造する方法である。当該方法は、以下のステップを含む：
− 第１に、熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維が提供される；
− 第２に、炭素繊維の少なくとも一部を通って流れる電流によって、熱硬化性樹脂がその硬化温度まで加熱される；
− 第３に、熱硬化性樹脂が熱硬化性ポリマーに変換される。
発明者らは、強化要素として炭素繊維を適用することにより、炭素繊維に電流を印加することによって加工物を直接加熱することが可能になるということを認識した。炭素繊維は、それらに電流を流すことによって抵抗加熱を可能にするのに十分導電性である。結果として生じる製品は、炭素繊維強化ポリマー（carbon fiber reinforced polymer：ＣＦＲＰ）材料を含む。ガラス繊維などの電気絶縁繊維を含む他のタイプの繊維を、炭素繊維と組合せてもよい。熱硬化性樹脂が炭素繊維に接近しているため、炭素繊維で生じた熱は、それが樹脂からポリマーへの変換をもたらすために必要とされる場所に直接到達する。このため、この発明に従った方法は、炉内での従来の熱硬化プロセスよりも、必要とするパワーが少ない。
この発明に従った方法では、従来の意味での炉は全く必要ではない。これは、製造コストの著しい減少をもたらし得る。特に、大型製品、たとえば数メートルの寸法を有する製品を製造する場合、当該方法は、製造用の場所を選択する際の柔軟性を高める。なぜなら、適切なサイズの炉が利用可能である必要がないためである。この発明に従った方法では、熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維は所望の形状となることができ、次に、複合材料が現場で硬化され得る。このため、当該方法は、自己発熱ＣＦＲＰ加工物の製造方法として見られてもよい。
炭素繊維は低重量および優れた機械的特性を有するため、それらを加熱要素として加工物中に含むことは、軽量構成において特に望ましい他の特性に対して悪影響を及ぼさない。それらは、加熱部品の機能および構造要素の機能を果たすことができる。
当該方法の第１のステップで提供される炭素繊維がすべて、抵抗加熱に関与する必要があるとは限らない。たとえば、電流源に接続される製品の表面に延在する１層の炭素繊維を準備すれば十分かもしれない。
使用される熱硬化性樹脂および製品の寸法に依存して、予め定義された時系列における温度傾斜域および温度平坦域を伴う特定の硬化サイクルが適用されてもよい。温度状態を監視するために、または印可された加熱電流に作用する負帰還ループによって温度を制御するために、温度センサが樹脂またはその近傍に配置されてもよい。
加熱プロセスは、重合の完了まで、いくつかのサブ加熱プロセスに分割されてもよい。
この発明に従った方法のさらなる実施形態は、請求項２〜１８の特徴から生じる。
矛盾しない限り、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、当該方法は、製品の形状を規定する成形具の表面上にまたは金型内に炭素繊維を配置する、先行するステップをさらに含む。
熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱する間、典型的には何らかの中間温度で、樹脂は低い粘性を有し、それは、まだ硬化されていない複合材料の低い安定性をもたらす。成形具または金型が、製造プロセスのこの段階において必要な安定性を提供する。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱した後に、炭素繊維と部分的に硬化された樹脂とを含む構造が、成形具または金型から取外される。
この実施形態では、同じ成形具または金型をより頻繁に使用することができる。炭素繊維と部分的に硬化された樹脂との構造がそれ自体の何らかの安定性をいったん得ると、この発明に従った方法は、電流を炭素繊維に流すことにより、炉から独立して、および、成形具または金型から独立して加工物を加熱するという、これまで知られていなかった可能性を提供する。このため、熱硬化性樹脂の熱硬化性ポリマーへの残りの変換が、成形具または金型を必要とすることなく、当該方法の別のステップで完了され得る。成形具または金型から取外された後に、炭素繊維と部分的に硬化された樹脂とを含む構造は、当該構造が成形具または金型と接触中に成形具または金型の完全性を損ない得るため許可されないであろう温度まで加熱されてもよい。高温を印加するそのような硬化後ステップは、炭素繊維強化ポリマー最終製品により良好な高温特性を与えるのに有用であり得る。プロセスの後々の段階で、成形具または金型の代わりに、単純な支持構造、たとえば、相互接続点または面の位置を支持または規定する金属フレームが適用されてもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、炭素繊維は、それらを成形具の表面上にまたは金型内に配置する前に、熱硬化性樹脂によって予め含浸される。
プリプレグとして公知である、熱硬化性樹脂によって予め含浸された炭素繊維は、半製品として商業的に入手可能である。樹脂はすでに部分的に硬化されていてもよく、プリプレグに何らかの安定性を与えて、容易な取扱いを可能にする。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、金型内に炭素繊維を配置した後に、熱硬化性樹脂が金型に注入される。
炭素繊維が金型内に配置されて初めて、熱硬化性樹脂を添加することが可能であり、または、予め含浸された繊維が使用された場合、たとえば空所を満たすために追加の樹脂を添加することが可能である。金型を使用し、熱硬化性樹脂を注入することにより、正確に規定された幾何学的形状を達成することができる。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、当該方法は、断熱材料、特に木材、コルク、セラミック、ガラス、ミネラルウール、ポリマー発泡体を含む成形具または金型を提供し、ならびに／もしくは、成形具または金型を多層断熱材で覆うステップをさらに含む。
断熱材料を含む成形具または金型を使用することは、加工物において熱をより長い時間保つという利点を有する。この発明に従った方法では加工物はそれ自体を加熱するため、断熱材料を含む成形具または金型は、樹脂を硬化させるために必要とされる総エネルギーを減少させるのに役立つ。成形具または金型が断熱材料を含む場合、傾斜の勾配によって定義される予め定義された温度傾斜域を進むために必要とされるパワーはより低い。多層断熱材などの追加の断熱要素で成形具または金型を包囲することは、必要とされる電力および総エネルギー消費をさらに減少させる。
木材、たとえば合板で作られた成形具または金型は、安価であり、容易に加工可能であり、Ｃ０２使用量が小さいという追加の利点を有する。大型製品の場合、木材は、海外でも現地で大量に利用可能であることが多いというさらなる利点を有する。木材は、およそ１２０℃〜２００℃にある、典型的な樹脂の硬化温度に対応する温度に耐えることができる。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、当該方法は、炭素繊維の一部の遠方区分を電源の電極と導電接触させる、先行するステップをさらに含む。
炭素繊維の遠方区分は、電流加熱に関与する炭素繊維の両端であってもよい。これらの端は、それらを電極に接触させるために金型から導き出され、後で最終製品の表面で切断されてもよい。これに代えて、成形具上にまたは金型内に配置された炭素繊維との接触区域が、繊維に沿った中間区分で確立されてもよい。このため、電極と接触する区分間の繊維の部分のみが、抵抗加熱に使用される。
炭素繊維は、炭素繊維の部分における単一の炭素繊維が遠方区分において２つの電極の双方と導電接触するように、十分に長くてもよい。一方から他方の電極への電流経路も、互いに電気的接触を有し、一方の電極から他方の電極への直列接続を形成する複数の炭素繊維を介して、確立されてもよい。後者の場合、より短い炭素繊維、特に、電極間の距離よりも小さい長さを有する炭素繊維が使用されてもよい。炭素繊維間の電気的接触は、糸を形成するために炭素繊維の束をねじることによって、ならびに／もしくは、布地に対して長手方向および横断方向に炭素繊維を織ることによって強化されてもよい。
電源の電極は、たとえば、銅、真ちゅうなどの銅合金、またはグラファイトで作られてもよい。電極材料としては、あらゆる形の導電性または半導電性材料が、それが金属材料であれ、有機または無機材料であれ、考えられる。
電源はまた、直流（ＤＣ）よりはむしろ交流（ＡＣ）を提供するほうがよい。電源はコントローラを含んでいてもよく、もしくは、送られた電力の、または温度の開ループ制御または閉ループ制御を可能にする外部コントローラによって制御されてもよい。そのようなコントローラは、加工物上に配置された１つまたはいくつかの温度センサから入力信号を受信してもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、電極は炭素繊維にクランプされ、特に、前記電極は中実棒構成のものである。
クランプすることにより、低い接触抵抗を有する電極との電気的接続を確立することができる。たとえば炭素繊維を塗料用シンナーに浸すことによって炭素繊維との接触区域を前もって洗浄することが、炭素繊維から電気絶縁材料を除去するために必要かもしれない。予め含浸された材料が使用される場合、そのような洗浄ステップは必要かもしれないし、必要ではないかもしれない。電極は、たとえば、銅板の形を有していてもよい。中実棒構成の形を有する電極を用いて、高いクランプ力が印加されてもよく、よって、低い接触抵抗が達成される。このため、加熱ステップ中に必要とされる電圧を低く保つことができ、電極との接触面での局所的過熱を回避することができる。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、電極は、金属フィラメントの形を有する。当該フィラメントは、炭素繊維を含む布地になるように織られる。好ましくは、金属フィラメントは好ましくは、炭素繊維に対して直交する方向に配置される。
金属フィラメントは、たとえば、銅フィラメントであってもよい。それらは、長手方向に炭素繊維を含むプリプレグ布地の帯の幅にわたって織られていてもよい。このため、帯の幅全体にわたる、すなわち、帯の長手方向に位置するすべての炭素繊維との良好な電気的接触が達成される。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、炭素繊維は複数の層に配置され、層は電源に並列接続される。
炭素繊維のいくつかの層を電源に並列接続することにより、炭素繊維の有効断面を増加させることができ、それに応じて電極間の総抵抗率を減少させることができる。このため、総抵抗率は、予め定められた加熱電力に到達するために印加される必要がある電圧が電源にとって好適な範囲に位置するように、調節されてもよい。たとえば、抵抗率は、１１０Ｖまたは２３０Ｖといった送電網から利用可能な電圧が加熱電流を駆動するのに十分であるように、調節されてもよく、より低い電圧が印加されてもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、炭素繊維は、少なくとも長手方向に炭素繊維を含む帯形状の布地の形で提供される。
そのような布地または層は、炭素繊維の容易な取扱いおよび配置を可能にする。布地は、熱硬化性樹脂によって予め含浸されてもよい。布地の帯形状は、効果的なやり方で炭素繊維をマンドレル上に巻回すること、または、炭素繊維を成形具上に置くことを可能にする。帯を巻回または配置した後に、帯の両端で電気的接触が確立されてもよい。帯形状の布地は、帯形状に対して長手方向に、および、横断方向または対角線方向に、炭素繊維を含んでいてもよい。布地は完全に炭素繊維から作られてもよく、または、それは、ガラス繊維または金属フィラメントなどの異なる繊維も含んでいてもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、当該方法はラミネート構造を製造するために使用され、当該方法は、帯形状の布地または層をラミネート構造の表面と平行に配置し、表面を覆うステップを含む。
ラミネート構造とは、主としておそらくは湾曲した面に沿って延在し、この面に直交する方向にいくつかの層を有する構造である。ラミネート構造では、最終製品の高い機械的配向強度およびまたは剛性を達成するために、炭素繊維は、異なる方向の繊維を有する層に配置されてもよい。この実施形態では、帯は、表面と平行に平らに配置され、帯は、その経路に沿ってそれがラミネート構造の表面全体を覆うように配置される。このため、硬化ステップでラミネート構造全体の均一な加熱が達成されることが保証され得る。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、当該方法は、複合サンドイッチパネル構造を製造するための方法である。複合サンドイッチパネル構造は、第１の表面板と第２の表面板との間に芯を含み、第１の表面板および第２の表面板の少なくとも一方は、熱硬化性ポリマーに埋設された炭素繊維を含む。
当該方法の実施形態に従って製造される複合サンドイッチパネル構造は、２つの表面板とは異なる構造を有し、または異なる材料を含む芯を含む。表面板は各々１層から成ってもよく、または複数の層から成ってもよく、または多層材料で作られてもよい。第１および第２の表面板は、互いに鏡面対称である層積層体または層構造を有していてもよい。第１および第２の表面板は、材料、または寸法、たとえば層の厚さまたは数が互いに異なっていてもよい。表面板の異なる層は、異なる材料から成ってもよい。表面板のうちの少なくとも一方は炭素繊維を含み、炭素繊維は、当該方法の加熱ステップで電気的に加熱される。このため、少なくとも一方の表面板層は導電性である。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、第１の表面板および第２の表面板の少なくとも一方は、炭素繊維と芯との間に、および／または、炭素繊維と複合サンドイッチパネル構造の外部との間に、電気絶縁層を含む。
表面板のうちの一方における炭素繊維と芯との間の電気絶縁層は、導電性の芯との電気的接触を防止してもよい。表面板のうちの一方における炭素繊維と複合サンドイッチパネル構造の外部との間の電気絶縁層は、電圧下で誤って部品に遭遇することを防止してもよく、安全上の理由で必要かもしれない。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、複合サンドイッチパネル構造の芯は非導電性である。
この実施形態では、炭素繊維と芯との間のガラス繊維層または他の無機層などの電気絶縁層は、必要ではないかもしれない。非導電性の芯は、たとえば、誘電物質を含んでいてもよい。それは、発泡プラスチック、木材、コルクなどの有機材料を含んでいてもよく、または当該有機材料から成ってもよい。これらの材料は、軽量構成を可能にする。それは、セラミック材料または半導電性材料などの無機材料を含んでいてもよく、または当該無機材料から成ってもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、複合サンドイッチパネル構造はその表面に電気的接触要素を含み、電気的接触要素は炭素繊維と電気的に接触しており、中実棒構成として設計されている。
この実施形態では、高いクランプ力が電気的接触要素に印加されてもよく、ひいては、低い接触抵抗が達成され得る。このため、加熱ステップ中に必要とされる電圧を低く保つことができ、電極との接触面での局所的過熱を回避することができる。電源との接触を確立するために、電源に接続された取外し可能な電極が電気的接触要素にクランプされてもよい。双方の対向部品、すなわち、電気的接触要素と取外し可能な電極とは、中実棒構成として設計されてもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、複合サンドイッチパネル構造はその表面に電気的接触要素を含み、電気的接触要素は炭素繊維と電気的に接触しており、電気的接触要素は導電性繊維を含む。
導電性繊維は、銅フィラメントなどの金属繊維であってもよい。導電性繊維は、炭素繊維であってもよい。電気的接触要素は、構造界面に、たとえば構造界面リングに配置されてもよい。電気的接触要素は、最終集合体の一部であってもなくてもよい。それらは、炭素繊維に電流を印可するための電極アセンブリの一部を形成するために使用されてもよい。電気的接触要素は、熱硬化性樹脂の熱硬化性ポリマーへの変換後に除去されてもよい。
矛盾しない限り、予め取上げられた実施形態のうちのいずれか、および、さらに取上げられる実施形態のうちのいずれかと組合され得る、この発明に従った方法の一実施形態では、複合サンドイッチパネル構造は、ガラス繊維と導電性繊維とを含む一体構成として作られた縁強化材を含む。
この実施形態では、縁強化材は、導電面のクランプを容易にする。それは、電気的接続を縁強化材で直接確立する可能性とともに、臨界領域での高い機械的安定性を提供する。
さらに、この発明の範囲には、請求項１９に定義されるような、この発明に従った方法を行なうための装置が存在する。当該装置は、
− 断熱材料または電気絶縁材料を含む成形具または金型と、
− 炭素繊維を電源に接続するための電極とを含み、電極は成形具上にまたは金型内に配置される。
そのような装置は、繊維強化複合材料を含む製品の製造用の扱いやすいツールである。電極は、成形具または金型の表面上の予め定められた位置で炭素繊維との接触を確立するために、成形具または金型に組込まれてもよい。電極は、たとえば、銅、真ちゅうなどの銅合金、またはグラファイトで作られてもよい。電極材料としては、あらゆる形の導電性または半導電性材料が、それが金属材料であれ、有機または無機材料であれ、考えられる。
この発明はさらに、請求項２０に記載の複合サンドイッチパネル構造に向けられる。それは、この発明で説明された方法に従って製造される複合サンドイッチパネル構造である。
複合サンドイッチパネル構造の一実施形態では、当該構造は、内側表面板と、ハニカム構造と、外側表面板とを含み、それらはすべて、熱硬化性ポリマーを含み、炭素繊維が、内側および／または外側表面板を均一に覆う経路をたどるように配置される。
この発明に従った複合サンドイッチパネル構造は、サンドイッチ構造の表面板のうちの少なくとも一方を均一に覆う炭素繊維を含むため、これらの炭素繊維は、最終複合サンドイッチパネルにおいて熱硬化性樹脂を熱硬化性ポリマーに変換するために、加熱された炭素繊維を埋設する熱硬化性樹脂とハニカム構造および他方の表面板における熱硬化性樹脂とを硬化するために構造全体を均一に加熱するために使用され得る。このため、そのような複合サンドイッチパネル構造は、この発明に従った製造方法によって、省エネルギーなやり方で効率的に生成され得る。
そのような複合サンドイッチパネル構造は、平板の形状、または円筒面、円錐面、球面の形状、またはそれらの組合せを有していてもよい。それらは、航空宇宙用途で、たとえば、航空機の、または打上げ機のペイロードフェアリングの外部シェルとして使用されてもよい。
内側表面板は、すでに述べられた方法における第１の表面板または第２の表面板であってもよい。したがって、外側表面板は、第１の表面板および第２の表面板のうちの他方であってもよい。内側および外側表面板の役割は、当該構造の幾何学的形状または用途によって規定される。ハニカム構造を有し、２つの表面板間に埋設された芯は、高い機械的負荷を支持しなればならない軽量構成に特に適している。
この発明をこれから、図面の助けを借りてさらに例示するものとする。図面は以下を示す。
この発明に従った方法のフローチャートを示す図である。 方法の一実施形態のフローチャートを示す図である。 製造中の製品の概略斜視図である。 図３．ａ）に示すような、製造後に結果として生じる製品の斜視図である。 金型および加工物を通る断面図である。 複合サンドイッチパネル構造を通る概略断面図である。 複合サンドイッチパネル構造の切欠き図である。 製造中の製品の概略斜視図である。
図１は、この発明に従った方法のフローチャートを示す。製造方法の開始後、第１のステップ１０は、熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維を提供することにある。第２のステップ２０は、前記炭素繊維の少なくとも一部を通って流れる電流によって、熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱することにある。第３のステップ３０で、熱硬化性樹脂は熱硬化性ポリマーに変換される。重合が完了すると、手順の終わりに到達する。
図２は、追加の中間ステップを示す、方法の一実施形態のフローチャートを示す。熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維を提供するために、成形具上にまたは金型内に炭素繊維を配置するステップ１１が、熱硬化性樹脂を繊維に添加するステップ１３’、１３”から独立して行なわれ得る。時間的順序において、熱硬化性樹脂を添加することは、たとえばプリプレグ材を使用することによって、または巻回プロセス中に繊維を湿らせることによって、（参照符号１３’で示されるように）炭素繊維を配置することの前に起こり得る。追加の洗浄ステップを回避するために、（参照符号１３”で示されるように）電極を炭素繊維に接触させた後で熱硬化性樹脂を添加することが有利かもしれない。起こり得る別の順序を、連続する破線または一点鎖線の矢印で示す。先立って炭素繊維に接触した電極に電圧を印可すること（２１）によって、電流が炭素繊維を通って流れ始める。炭素繊維の抵抗加熱によって、樹脂をその硬化温度まで加熱すること（２２）が行なわれる。熱硬化性樹脂は、樹脂を熱硬化性ポリマーに変換させる（３０）のに、すなわち完全な重合を達成するのに十分長い時間、硬化温度以上で保たれる。完全に熱硬化性ポリマーに変換させるステップ３０の前に、この時点では炭素繊維と部分的に硬化された樹脂とを含む構造である加工物が、この発明に従った方法の一実施形態に従って成形具または金型から取外されてもよい。
図３．ａ）は、一実施形態に従った製造方法の最中の製品の概略斜視図を示す。熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維３０３が、最終製品の幾何学的形状を規定する成形具３２０上に配置される。絵筆３３０は、樹脂を含む表面を象徴的に示す。この表面に樹脂を塗ることは、熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維を提供するいくつかの可能性のうちの１つに過ぎない。スプレーノズルを通すなど、樹脂を乾いた布地に塗布する他の手段も、選択肢である。予め含浸された繊維、糸、布地などが代替的に使用されてもよい。炭素繊維を含む帯形状の布地の端３０１、３０２が製品の形状から突出し、電源３１０に接続された電極３１１、３１２にクランプされる。電流Ｉが、一方の電極から炭素繊維を通って他方の電極へ流れている。図示された実施形態では、帯形状の布地は、電流が帯に沿って流れることを保証するために、誘電材料の布地であり得る電気絶縁層によって包囲されてもよい。
このように製造される製品は、たとえば、打上げ機用のペイロードフェアリングの要素であってもよい。この図面の物体は縮尺通りではなく、特に、電源、電極、支持構造の部品、および絵筆は、成形具３２０のサイズと比較して大きすぎるかまたは小さすぎるかもしれない。打上げ機用のペイロードフェアリングの要素である場合、成形具３２０は、たとえば２０メートルの長さを有するかもしれない。この発明に従った方法は、船体、レーシングカーの車体、ロータ翼、スポーツ用品などといった、多種多様な寸法のさまざまな製品を製造するのに適している。
図３．ｂ）は、図３．ａ）に示すような構成において熱硬化性樹脂を硬化させた後の、および、炭素繊維を含む帯形状の布地の端を切り取った後の最終製品３００を示す。
図４は、熱硬化性樹脂を熱硬化性ポリマーに変換させている間の、この発明に従った方法の一実施形態における金型および加工物３０４を通る断面を示す。ベースプレート４０１上に木材の金型４０２が配置され、それは加工物３０４を支持する。金型を規定する形状の一部であり得る、および／または、熱保護材として作用し得るコルク要素４０３が、加工物の外面を包囲する。金型の木材部品およびコルク部品は、加工物中の炭素繊維を通って流れる電流によって生じた熱を保つのに役立つ断熱部品である。底部プレートに向かう放射熱損失をさらに減少させるために、コルクプレート４０４がベースプレート上に配置される。金型を覆うかまたは包囲する多層断熱材４０５が、対流熱損失および放射熱損失を減少させる。多層断熱材４０５は、空隙４１０によって金型のコルク要素から隔てられており、空隙は、対流を減少させるために狭くなるよう選択され得る。木材の金型４０２は中空であり、空気４１０で満たされている。図４に示す断熱要素を、図３．ａ）に示すような構成に追加してもよい。ここに示す加工物３０４は、内側表面板と、外側表面板と、間にあるハニカム構造とを含む複合サンドイッチパネル構造であってもよい。そのような構成では、複合サンドイッチパネル構造全体にわたって熱硬化性樹脂を重合させるために、たとえば内側表面板に配置された炭素繊維を通って流れる電流によって内側表面板を加熱すれば十分である。
図５は、この発明に従った方法の一実施形態に従って製造されるような複合サンドイッチパネル構造５００を通る概略断面を示す。第１の表面板５０１と第２の表面板５０２との中央に、芯５０３が埋設される。オプションで、第１の表面板と芯との間に、および／または、第２の表面板と芯との間に、電気絶縁層５１０が存在してもよい。第１および第２の表面板は、ここでは２つの表面板の各々において３つの層５２０として象徴的に表示された、数層の積層体として作られてもよい。一部またはすべての層５２０が炭素繊維を含んでいてもよく、炭素繊維は、製造プロセス中にサンドイッチ構成を加熱するために使用される。ここに示すサンドイッチ構成の表面板は、芯に対して対称である。
図６は、この発明に従った方法の一実施形態に従って製造されるような複合サンドイッチパネル構造６００の切欠き図を示す。ここに示す実施形態では、第１の表面板６０１は、この図面に示す最下層に対応する第２の表面６０２とは全く異なる層積層体を有する。第２の表面板６０２は、熱硬化性ポリマーに埋設された炭素繊維ウェビングの層を含むだけでもよい。第１および第２の表面板間に、複合サンドイッチパネル構造の芯６０３が配置される。この切欠き図では、図示された芯６０３の部分は、芯構造６０９を見ることができるように、層積層体における他の要素の図示された部分よりも若干大きい。芯構造は、網目模様として象徴的に表示されている。芯構造は、たとえば、表面板に対して垂直に配向されたハニカムを有するハニカム構造として実現されてもよい。芯構造は、別の例として、泡構造であってもよい。第１の表面板の一部であり、かつ芯に直接隣接する強化層６０４がある。強化層は、熱硬化性ポリマーに埋設された炭素繊維またはガラス繊維を含んでいてもよい。内側電気絶縁層６０５が、芯側に向かって層６２０の電気絶縁を提供する。炭素繊維を含む２つの層６２０は、電気的接触要素６０６と接触している。電源から炭素繊維への接続が端面から（この図面の右側から）、またはサンドイッチの層に直交する側から（この図面の上から）容易に確立され得るように、電気的接触要素６０６はサンドイッチ構成の縁に配置されてもよい。後者の場合、電気的接触要素への自由なアクセスを可能にするために、電気的接触要素より上の層は局所的に除去されてもよく、または適用されなくてもよい。炭素繊維を含む層６２０の上に、外側電気絶縁層６０７が配置される。外側電気絶縁層６０７は、複合サンドイッチパネル構造６００の外部に向かって電気絶縁を提供する。コーティング６０８が層積層体を仕上げる。この図面に示す層積層体における層の厚さは縮尺通りではなく、特に、コーティングの厚さは他の層の厚さよりもはるかに小さくてもよい。もっと大きい複合サンドイッチパネル構造の小さい切欠きのみが、ここに示される。複合サンドイッチパネル構造は湾曲面に沿って延在してもよく、その湾曲はこの切欠き図では見えない。
図７は、図３．ａ）と同様の状況での製造中の製品の概略斜視図を示す。数個の電極３１１、３１２、３１３、３１４、３１５が、熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維３０３にクランプされる。クランプ力に耐えるために、および、電流を伝導する際に電極自体の過剰加熱を回避するために、電極は大きい断面を有する。電極は各々、電源３１０との導電接続を有する。数個の矢印によって象徴的に表示されるように、電流Ｉが、炭素繊維の層の重複区分にわたって流れる。この図面の左側部分に示す製品のより複雑な部分で均一な加熱を達成するために、電極セグメント３１２、３１３、３１４を有する電極構成が、左側の縁に沿って接続される。同様に、電極セグメント３１１、３１５が、右側の円筒部分の縁近くで取付けられる。目に見えないさらなる電極セグメントが裏側に取付けられてもよい。個々の電極セグメントは、電源とのそれら自体の接続を有する。電流、電圧、またはデューティサイクルは、異なる電極セグメントにおいて個々に制御されてもよい。電圧は、時間的に順次、個々の電極セグメントに印加されてもよい。これは、プログラマブル電源３１０を使用することによって達成されてもよい。異なる区分における加熱電力は、対応する温度センサ（図示せず）によって各区分で測定された温度を考慮する負帰還ループで制御されてもよい。
製造方法のこの実施形態から生じる製品は、図３．ｂ）に示す製品のように見てもよい。このように製造される製品は、たとえば、打上げ機用のペイロードフェアリングの要素であってもよい。この図面の物体は縮尺通りではなく、特に、電源、電極、支持構造の部品、および絵筆は、成形具３２０のサイズと比較して大きすぎるかまたは小さすぎるかもしれない。打上げ機用のペイロードフェアリングの要素である場合、成形具３２０は、たとえば２０メートルの長さを有するかもしれない。この発明に従った方法は、船体、レーシングカーの車体、ロータ翼、スポーツ用品などといった、多種多様な寸法のさまざまな製品を製造するのに適している。
使用される電極構成に戻ると、電流注入および抽出を微調整するために、炭素繊維または他の導電性繊維を含む表面の周囲に配置された電極があってもよい。そのような電極配置は、方法または方法を行なうための装置の実施形態のうちのいずれかと組合されて使用されてもよい。
参照符号のリスト
１０ 熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維を提供するステップ
１１ 炭素繊維を配置するステップ
１２ 電極に接触するステップ
１３’、１３” 熱硬化性樹脂を添加するステップ
２０ 前記炭素繊維の少なくとも一部を通って流れる電流によって、熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱するステップ
２１ 電圧を電極に印加するステップ
２２ 樹脂をその硬化温度まで加熱するステップ
３０ 熱硬化性樹脂を熱硬化性ポリマーに変換させるステップ
３００ 繊維強化ポリマー材料を含む製品
３０１、３０２ 炭素繊維を含む帯形状の布地の端
３０３ 熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維
３０４ 加工物
３１０ 電源
３１１、３１２、３１３、３１４、３１５ 電極
３２０ 成形具
３３０ （樹脂を含む表面を示す）絵筆
４０１ ベースプレート
４０２ 木材の金型
４０３ コルク要素
４０４ コルクプレート
４０５ 多層断熱材
４１０ 空気
５００ 複合サンドイッチパネル構造
５０１ 第１の表面板
５０２ 第２の表面板
５０３ 芯
５１０ 電気絶縁層（オプション）
５２０ 層
６００ 複合サンドイッチパネル構造
６０１ 第１の表面板
６０２ 第２の表面板
６０３ 芯
６０４ 強化層
６０５ 内側電気絶縁層
６０６ 電気的接触要素
６０７ 外側電気絶縁層
６０８ コーティング
６０９ （上から見た）芯構造
６２０ 層
Ｉ 電流

Claims (21)

  1. 繊維強化ポリマー材料を含む製品（３００）を製造する方法であって、前記方法は、
    熱硬化性樹脂に埋設された炭素繊維を提供するステップ（１０）と、
    前記炭素繊維の少なくとも一部を通って流れる電流によって、前記熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱するステップ（２０）と、
    前記熱硬化性樹脂を熱硬化性ポリマーに変換させるステップ（３０）とを含む、方法。
  2. 前記製品の形状を規定する成形具の表面上にまたは金型内に前記炭素繊維を配置する、先行するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  3. 前記熱硬化性樹脂をその硬化温度まで加熱した後に、炭素繊維と部分的に硬化された樹脂とを含む構造が、前記成形具または前記金型から取外される、請求項２に記載の方法。
  4. 炭素繊維は、それらを前記成形具の表面上にまたは前記金型内に配置する前に、前記熱硬化性樹脂によって予め含浸される、請求項２または３に記載の方法。
  5. 前記金型内に前記炭素繊維を配置した後に、熱硬化性樹脂が前記金型に注入される、請求項２または３に記載の方法。
  6. 断熱材料、特に木材、コルク、セラミック、ガラス、ミネラルウール、ポリマー発泡体を含む前記成形具または前記金型を提供し、ならびに／もしくは、前記成形具または前記金型を多層断熱材で覆うステップをさらに含む、請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法。
  7. 炭素繊維の前記一部の遠方区分を電源の電極と導電接触させる、先行するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
  8. 前記電極は前記炭素繊維にクランプされ、特に、前記電極は中実棒構成のものである、請求項７に記載の方法。
  9. 前記電極は、前記炭素繊維を含む布地になるように織られた金属フィラメントの形を有し、前記金属フィラメントは好ましくは、前記炭素繊維に対して直交する方向に配置される、請求項７に記載の方法。
  10. 前記炭素繊維は複数の層に配置され、前記層は前記電源に並列接続される、請求項７〜９のいずれか１項に記載の方法。
  11. 前記炭素繊維は、少なくとも長手方向に炭素繊維を含む帯形状の布地の形で提供される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の方法。
  12. ラミネート構造を製造するための請求項１１に記載の方法であって、前記方法は、前記帯形状の布地を前記ラミネート構造の表面と平行に配置し、前記表面を覆うステップを含む、方法。
  13. 前記方法は、第１の表面板（５０１、６０１）と第２の表面板（５０２、６０２）との間に芯（５０３、６０３）を含む複合サンドイッチパネル構造（５００、６００）を製造するための方法であり、前記第１の表面板および前記第２の表面板の少なくとも一方は、熱硬化性ポリマーに埋設された炭素繊維を含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の方法。
  14. 前記第１の表面板および前記第２の表面板の前記少なくとも一方は、前記炭素繊維と前記芯との間に、および／または、前記炭素繊維と前記構造の外部との間に、電気絶縁層（５１０、６０５、６０７）を含む、請求項１３に記載の方法。
  15. 前記芯（５０３、６０３）は非導電性である、請求項１３に記載の方法。
  16. 前記構造はその表面に電気的接触要素（６０６）を含み、前記電気的接触要素は前記炭素繊維と電気的に接触しており、中実棒構成として設計されている、請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の方法。
  17. 前記構造はその表面に電気的接触要素（６０６）を含み、前記電気的接触要素は前記炭素繊維と電気的に接触しており、前記電気的接触要素は導電性繊維を含む、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
  18. 前記構造は、ガラス繊維と導電性繊維とを含む一体構成として作られた縁強化材を含む、請求項１３〜１６のいずれか１項に記載の方法。
  19. 請求項１〜１８のいずれか１項に記載の方法を行なうための装置であって、
    断熱材料または電気絶縁材料を含む成形具または金型と、
    炭素繊維を電源に接続するための電極とを含み、前記電極は前記成形具上にまたは前記金型内に配置される、装置。
  20. 請求項１３〜１８のいずれか１項に従って製造される、複合サンドイッチパネル構造（５００、６００）。
  21. 請求項２０に従って製造される、複合サンドイッチパネル構造であって、前記構造は、内側表面板と、ハニカム構造と、外側表面板とを含み、それらはすべて、熱硬化性ポリマーを含み、炭素繊維が、前記内側および／または前記外側表面板を均一に覆う経路をたどるように配置される、複合サンドイッチパネル構造。
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