JP2020117689A - 複合オーバーラップツールのための熱可塑性複合in−situ溶融処理法 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、2019年1月4日に出願された米国非仮出願第16/240,333号の利益を主張し、その全体は参照によって本出願に組み込まれる。
1.発明の技術分野
本発明は、繊維トウの個々のフィラメントを適切な位置に最適に配置することを可能にする、繊維樹脂複合材料をツール上にオーバーラップする方法、例えば繊維マトリックス薄層をツールにオーバーラップする方法に関する。より詳細には、本発明は、より効率的に個々のフィラメントを使用して構造の性能を最適化する様式で、繊維と樹脂とを結合させて、1回の連続操作で溶融した繊維樹脂結合物をツール上に適用する、in−situ溶融プロセス(乾燥繊維から溶融薄層の適用まで)に関する。特に、本発明は、1.繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセスであって、
−繊維トウを選択するステップと、
−前記選択した繊維トウに適合する熱可塑性樹脂を選択するステップと、
−前記選択した熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップと、
−前記繊維トウに含浸させるために前記熱可塑性樹脂を調製するステップと、
−前記熱可塑性樹脂の融点まで前記熱可塑性樹脂を加熱することにより、前記熱可塑性樹脂の粘度を低下させるステップと、
−フィラメント巻き付けヘッドに近接した位置で、前記調製した溶融熱可塑性樹脂を前記調製した繊維トウに含浸させ、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを作成するステップと、
−ワークピースの選択した部分を前記熱可塑性樹脂の前記融点まで加熱するステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの第1の層を前記ワークピースの前記加熱表面に適用(塗布)することにより、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの溶融状態をラップ処理中に維持し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグがワークピースの加熱表面により効率的に接着するステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの適用層を有する前記ワークピースの選択した部分を加熱し、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの前記適用層が、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を適用する前に再溶融されるステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を繊維樹脂複合材料トウプレグの前記溶融した適用層に適用し、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを前記ワークピースに以前に適用した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの所定の領域に適用することにより、連続した溶融繊維樹脂複合材料の層を互いに接着させ、その結果、層間せん断強度が向上し、さらに前記溶融トウプレグ内の個々のフィラメントが相互にスライドすることが可能になり、それによって前記繊維樹脂複合オーバーラップ内のカテナリー、しわ、およびひだが効果的に除去されるステップと、
加圧下で前記溶融繊維トウプレグ層を互いに圧縮および圧密化(統合)することにより、閉じ込められた空気を除去するステップとを含む、in−situ溶融プロセスに関する。
炭素繊維と樹脂との複合材料の分野では、鋼に対する炭素繊維の強度および重量比が高いため、コンクリート杭、航空機の翼および胴体、自動車用途、スポーツ用品などの多くのツールならびに構造部品において、ますます鋼に代えて炭素繊維と樹脂との複合材料が用いられている。このような複合材料の重要な特徴は、多くの重要な機械的および熱的特性(例えば、引張弾性率および強度、線熱膨張係数)が強化繊維の方向に依存するという事実であり、この現象は異方性として知られている。複合材料の一般的な形態の1つは、強化繊維に熱硬化性または熱可塑性樹脂を含浸させ同じ方向に整列させた、一方向の予備含浸シートまたはテープである。材料の異方性により、一方向の予備含浸シートまたはテープは、強化繊維の方向に引っ張ると非常に硬く、強化繊維方向に対して垂直には比較的柔軟になる。
一方向の予備含浸シートまたはテープから作製された繊維樹脂複合部品の異方性は、一方向の予備含浸シートまたはテープの複数の層で部品を作製することによって制御することができる。レイアップスケジュールとも呼ばれる、各層の強化繊維の相対角度の指定によって、当業者は、特定の方向に特定の機械的および熱的特性を有するように繊維樹脂複合部品を設計することができる。理想的には、稼働中に繊維樹脂複合材料が受けると予想される機械的および熱的負荷に対して、レイアップスケジュールを最適化する。繊維樹脂複合部品の最適な性能は、多くの場合、単層の繊維樹脂複合材料では達成することができない。さらに、一方向の予備含浸シートおよびテープを例として使用したが、繊維樹脂複合材料の異方性は生来的なものであり、パイプおよび圧力容器の湿式巻きオーバーラップ、航空宇宙用途で使用される織物マット、フィラメントの代わりにチョップド繊維で強化された複合材料部品を含む他の既知の形態にまで及ぶ。
複合オーバーラップ圧力容器(「COPV」)は、炭素繊維複合技術を利用する構造の1つである。また、今日の市場には多くのCOPV設計があることが知られている。これに関して、タイプIIの圧力容器は、通常は鋼製である金属製ライナー上に繊維をフープ状に巻く。タイプIIIの圧力容器は、通常はアルミニウムである金属製ライナー上に繊維をフープ状およびヘリカル状に巻く。タイプIVの圧力容器は、プラスチック製ライナー上にフープ状およびヘリカル状に巻く。また、タイプVの圧力容器は、ガスの透過を防ぐためにバリアフィルムを組み込んでいてもよいライナーのないツールにフープ状およびヘリカル状に巻く。本明細書に記載されるように、本発明は、これらのタイプの圧力容器内で有用性があるが、複合オーバーラップを利用する他のタイプのツールでも有用性がある。これらの設計の大多数は、炭素繊維と熱硬化性樹脂とを用いた従来の湿式巻きプロセスを使用している。また、今日のタンクの製造に使用されている現行の材料およびプロセスには、費用および労力がかかることはよく知られている。
繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセスが、US H1261Hから知られており、これは以下の方法ステップを備える。
−繊維トウを選択するステップ、
−選択した繊維トウに適合する熱可塑性樹脂を選択するステップ、
−繊維トウに含浸させる熱可塑性樹脂を調製するステップ、
−フィラメント巻き付けヘッドに近接した位置で、熱可塑性樹脂を調製した繊維トウに含浸させ、それによって溶融繊維トウプレグを作成するステップ、
−ワークピースの加熱表面にトウプレグを適用することにより、ラップ処理中に溶融繊維トウプレグの溶融状態を維持するステップ、
−加圧下で溶融繊維トウプレグ層を互いに圧縮および圧密化し、それによって閉じ込められた空気を除去するステップ。
そのようなプロセスは、国際公開第2017/079103号にも記載されている。しかしながら、国際公開第2017/079103号によるプロセスは、単にワークピースを加熱することにより、前記ワークピース上の複合オーバーラップの溶融状態を維持する。これにより、オーバーラップの厚みによって大きな温度勾配が生じる可能性がある。オーバーラップの最も外側の表面が熱可塑性樹脂の融解温度に近づくようにするには、オーバーラップの最も内側の表面(すなわち、オーバーラップの最初の層とツールの表面との界面)をさらに高温にする必要がある。この温度勾配により、複合オーバーラップの厚みによる粘度勾配が生じ、最初のオーバーラップ層とツール表面との界面で粘度が最も低く、オーバーラップの最も外側の表面で粘度が最も高くなる。熱可塑性樹脂の粘度が低下するだけで、最も外側の表面の下の層の強化繊維は、最も外側の表面に圧密圧力を加えることにより不整列になり、オーバーラップの性能を低下させる可能性がある。本発明のぷ色セスは、オーバーラップの最も外側の表面に直接熱を加えることでワークピースの加熱を補うことにより、この問題を回避する。ワークスペースの加熱を補うことは、図6および図7による本発明で明示的に実行され、図5Cに示すように明示的なステップである。本発明によれば、補助的な外層加熱は、以前に適用した層を再溶融する。オーバーラップの最も外側の表面に直接熱を加えることは、ワークピース表面を熱可塑性樹脂の融解温度に近い温度に維持することができることを意味し、オーバーラップに圧密圧力が加えられたときに強化繊維が不整列となる機会を減らす。
米国特許出願公開第2014/011063号は、in−situ熱可塑性繊維強化複合材料の自動テープ敷設用のツールについて説明している。このプロセスは、固体熱可塑性テープの層間の接着力を高めるだけなので、うねりやカテナリーなどの固体予備含浸テープの加工に関連する問題は解決されない。
溶融熱可塑性樹脂で加工することにより、本発明のプロセスは繊維がスライドすることができ、うねり、カテナリー、およびしわを排除することができる。
米国特許出願公開第2015/0102037号は、リビング重合により調製された壁を含むポリマー圧力容器を示している。さらに、圧縮流体を輸送するためのタイプI、II、III、IVおよびVの圧力容器が公開されている。米国特許出願公開第2015/0102037号に開示されているプロセスは、層間接着の問題を排除することができるが、熱可塑性材料の品質は、加工条件によって強く影響を受ける。当業者は、所望通りに化学反応を進行させるために、熱硬化性樹脂の硬化環境内の硬化サイクルおよび硬化条件を注意深く制御する必要があることを理解している。これは、硬化の概念を熱可塑性樹脂に応用する米国特許出願公開第2015/0102037号に記載されているプロセスに非常に似ている。環境条件の影響を受けやすいということは、製造バッチ間の性能の大きなばらつきが懸念されることを意味する。
本発明のプロセスは、容易に入手可能な形態の熱可塑性樹脂、特にペレット、テープおよび繊維を使用することにより、バッチ間のばらつきを低減する。
米国特許第6,893,604号は、1つ以上の連続繊維のラップによって薄壁中空熱可塑性貯蔵容器を強化する方法を示している。このプロセスは、複合オーバーラップの樹脂含有量の制御によって制限される。乾燥強化繊維を容器に敷く場合、含浸は強化繊維トウにかかる圧力によって制御される。圧力が大きすぎると、容器が変形するが、圧力が小さすぎると、強化繊維トウの含浸が不十分になる。さらに、加圧下の時間が短すぎると、強化繊維トウの含浸が不十分になる。この方法では、予備含浸テープを使用することができるが、樹脂含有量はテープの含有量に制限される。
対照的に、本発明のプロセスは、含浸ダイを使用することができる熱可塑性ペレットおよびテープの使用を可能にする。適切に設計されたダイにより、強化繊維トウは完全に含浸され、さまざまな処理速度で確かに含浸されるように設計することができる。これにより、溶融熱可塑性樹脂と乾燥強化繊維トウとの相対供給速度を変更することにより、含浸強化繊維トウの樹脂含有量と強化繊維トウ含浸の品質とを制御することができる。
米国特許出願公開第2008/020193号は、複数の連続フィラメントと、連続フィラメント間の隙間空間に埋め込まれたナノスケールフィルターとを含むハイブリッド繊維トウを開示している。この方法は、静電的に帯電した粉末熱可塑性樹脂の流動床によって、または乾燥強化繊維トウを溶融熱可塑性樹脂のバスに通すことによって、強化繊維トウの高い熱可塑性樹脂含浸を達成する方法を提供する。流動床を介した含浸は、粉末含浸強化繊維トウが処理される速度を制限するであろう。樹脂浴法は、溶融熱可塑性樹脂の高い粘度によって制限され、周囲圧力で処理する場合、乾燥強化繊維の完全な含浸が困難になるであろう。
本発明のプロセスは含浸ダイを使用することができるので、周囲圧力を超える圧力を使用して含浸を改善することができる。
本発明は、複合オーバーラップを使用する多くの種類の用途に有用であるが、主な用途は、本明細書で複合オーバーラップ圧力容器、すなわちCOPVと呼ばれるタイプII、タイプIII、タイプIVおよびタイプVの圧力容器の製造である。タイプIIIのCOPVはモジュラス訴求用途の傾向がある一方、タイプIVのCOPVは強度訴求用途の傾向がある。当業者は、強度訴求用途では、モジュラス訴求用途向けに選択される繊維とは異なる特性を有する繊維が必要であることを認識している。さまざまな繊維のさまざまな物理的属性は、本発明の範囲および本質の範囲内にある。炭素繊維または他の種類の繊維を、適合する熱可塑性樹脂系と結合する。カーボン、ガラス、アラミド、天然繊維、ナノ繊維、または他の既知の繊維のいずれであろうと、選択した繊維を熱可塑性樹脂を含浸させるために調製する。ペレット、テープ、またはスレッド形状のいずれであろうと、選択した熱可塑性樹脂を加工用に調製する。
熱可塑性ペレットおよびテープを供給材料として使用する別の利点は、熱可塑性繊維と強化繊維との相対流量を変更することにより、含浸トウの樹脂含有量を制御することができることである。US H1261Hに記載のプロセスにおける樹脂含有量は、混合トウの樹脂含有量、または乾燥強化繊維の前に敷設された非強化熱可塑性樹脂の量に制限される。米国特許第6,893,604号に記載のプロセスにおける樹脂含有量は、強化繊維トウ含浸の品質または予備含浸複合テープの樹脂含有量のいずれかに制限されている。予備含浸テープまたは混合繊維を使用する場合、樹脂含有量は供給材料の樹脂含有量に制限される。米国特許第6,893,604号の場合、樹脂含有量は、ツール表面に敷設された乾燥強化繊維に加えられる圧力によっていくらか制御することができる。しかしながら、圧力が不十分な場合、強化繊維の含浸が不十分になり、圧力が高すぎると容器が変形する可能性があり、いずれも性能が低下する。対照的に、本発明のプロセスは、溶融熱可塑性材料と乾燥強化繊維トウの相対供給速度を変更することにより、含浸強化繊維トウの樹脂含有量を変更することができる。適切な含浸ダイは、相対供給速度の範囲にわたって強化繊維トウを完全に含浸させるように設計されるであろう。
さらに、US H1261Hは、樹脂含浸の2つの方法を説明している。1つ目は、樹脂と強化繊維とを単純に混合(「混和」)することである。この場合、樹脂および強化繊維の分布はほとんど制御することができないであろう。US H1261Hの「フィラメント拡幅圧力」は、樹脂と強化繊維との混合トウを平らにするだけであろう。しかし、樹脂と強化繊維とが均等に分布していることを保証するものではないであろう。不均一な分布により、溶融複合トウに樹脂豊富、強化材豊富なポケットをもたらし、その結果、複合材料はより弱くなるであろう。
US H1261Hは、樹脂含浸の2つ目の方法は、最初に溶融熱可塑性材料の層をマンドレルに適用し、次に溶融熱可塑性材料層の周りに強化繊維を巻き付けることであると開示している。この場合、プレスローラーを介して圧力を加えると、本質的に繊維は溶融熱可塑性樹脂に押圧されるが、加えられた圧力は、強化繊維を溶融熱可塑性樹脂中に均一に分布させるには十分ではない。これは、溶融熱可塑性樹脂が強化繊維トウを通る代わりに容器の表面を優先的に流れ、強化繊維が溶融熱可塑性樹脂層中に短い距離だけ入り込むという事実によるものである。これにより、複合材料内に樹脂豊富、強化繊維豊富な領域が生じ、この場合も、複合材料の性能が低下する。
熱可塑性樹脂の供給材料の選択肢を広げてペレットとテープを含めることにより、より多様な含浸技術を使用することができる。この目的で圧縮ダイを使用する場合、熱可塑性ペレットは押出機に供給され、押出機は熱可塑性樹脂を溶融し、ダイへの強化繊維の供給速度とは無関係に、ダイへの供給速度を制御する。強化繊維トウは張力によってダイ内を移動させられ、張力の大きさによって、溶融熱可塑性材料とは無関係に、強化繊維のダイへの供給速度が決まる。複合材料内の樹脂含有量および分布を制御するために使用することができるため、供給速度の独立性が重要である。さらに、ダイの内部チャンネルは、溶融熱可塑性樹脂が強化繊維に均一に含浸することが確実になるように設計することができる。この方法は、従来技術で開示されているような原料として繊維状の熱可塑性樹脂を用いる方法では実現不可能である。熱可塑性ペレットおよびテープを使用することで、強化繊維の含浸の質をはるかによく制御することができる含浸技術の使用が可能になり、米国発明登録第H1261号で提案された含浸方法よりも複合材料の性能が向上する。
好ましい実施形態では、本発明のプロセスにおける特定の強化繊維の使用が含まれる。
本発明のプロセスにおける熱可塑性樹脂として、ナイロン、ポリプロピレン、ポリエチレン、およびポリエーテルエーテルケトン(すなわちPEEK)の使用が特に好ましい。US H1261Hは、PEEKを熱可塑性原料として明示的に除外している。US H1261Hとは対照的に、PEEKは本発明のプロセスで使用することができる。これは、圧力容器よりも高性能な用途向けに部品を作製することができるため、大きな利点である。
本発明の特別な実施形態は、プロセス原料として熱可塑性ペレットを使用することを含む。先行技術に関連する文書はいずれも、ペレットをプロセス原料として使用することについて言及していない。US H1261Hは、熱可塑性繊維またはプリプレグテープを使用している。米国特許出願公開第2015/102037号は、化学反応により熱可塑性材料を作成する。米国特許第6,893,604号明細書は、乾燥強化繊維、予備含浸トウ、または混合トウを使用している。米国特許出願公開第2008/0201939号は、粉末または溶融熱可塑性材料を使用している。ペレットは、熱可塑性材料の既知の容易に入手可能な形態であるが、押出ダイおよび含浸ダイを利用することができる。
さらなる実施形態では、プロセス原料として熱可塑性テープを使用することが含まれる。このテープは、押出の必要なしに含浸ダイの使用を可能にし、含浸ダイの使用は、US H1261Hによるプロセスがもたらすものよりも優れた繊維分散をもたらすはずである。
好ましい実施形態では、含浸のための乾燥繊維トウの調製が含まれる。この実施形態によれば、乾燥強化繊維は事前加熱および乾燥され、どちらもUS H1261Hに明示的に記載されていない。
さらにより好ましい実施形態では、強化繊維トウに適用される前処理が権利請求されている。強化繊維トウ内に閉じ込められた水分は、プロセス温度で蒸発する。トウが含浸前に乾燥するのに十分な時間を与えられない場合、これらのガスはマトリックス内に閉じ込められ、複合材料内に空の小さなポケットが残される。
当業者は、炭素繊維樹脂複合材料の主原料には樹脂10および炭素繊維20が含まれることを容易に認識するであろう。以下の説明では、これらの構成要素をより詳細に取り上げ、それらの相互関係を、各処理ステップにおける選択肢のマトリックスを示す図4A〜図4Eと、本発明のステップのフローチャートを示す図5A、図5Bおよび図5Cとの両方で示す。
図4Aおよび繊維を選択するステップ20を参照すると、複合オーバーラップ用途で使用される多くの市販の繊維が存在することが認識されるであろう。これに関して、炭素繊維22は、典型的には、その強度のために、圧縮天然ガス(「CNG」)とともに通常使用されるタイプIVのCOPV用に選択される。CNGとともに使用されるタイプIVのCOPVは、プラスチック製ライナーが疲労しないため、複合オーバーラップのための強度訴求用途である。他の用途では、ガラス繊維21、天然繊維、ナノ繊維、またはアラミド繊維23の使用が必要になる場合がある。また、当業者は、熱可塑性樹脂系に適合する他の既知の種類の繊維24があることを認識するであろう。CNGに使用されるタイプIIIのCOPVは、アルミニウム製ライナーが疲労しやすいことが知られているため、モジュラス訴求用途である。当業者は、強度訴求用途では、モジュラス訴求用途向けに選択される繊維とは異なる特性を有する繊維が必要であることを認識している。さまざまな繊維のさまざまな物理的属性は、本発明の範囲および本質の範囲内にある。
図4Aおよび樹脂を選択するステップ10を参照すると、本発明によれば、エポキシ樹脂とは対照的に、熱可塑性樹脂が好ましい。ナイロン樹脂12、ポリプロピレン樹脂13、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン(「PEEK」)樹脂系を含む、多くの市販の熱可塑性樹脂11がある。当業者は、本発明のin−situプロセスに容易に適合させることができる他の商業的に知られている熱可塑性樹脂系14があることを認識するであろう。タイプIVの圧力容器の場合、プラスチック製ライナーが使用されているため、低温熱可塑性樹脂の使用が必要である。例示的な実施形態では、プラスチック製ライナーのタイプIVの圧力容器とともにポリプロピレン樹脂を利用する。さらなる例示的な実施形態では、タイプIIIの圧力容器の場合、ナイロン樹脂系などの高温樹脂系が選択される。
図4Cを参照すると、熱可塑性樹脂を乾燥させた後、樹脂材料の粘度を大幅に低減させる必要がある70。樹脂の最小粘度は、選択された温度で選択された時間にわたる加圧下で低減される。これに関して、時間、温度、および圧力は、樹脂を最小粘度まで低減させるプロセスの相互依存変数である。例示的な実施形態では、摩擦、圧力、および時間を増加させることにより樹脂の粘度を低下させるために、せん断アーバー(arbors)74を使用する。熱可塑性樹脂の粘度を下げるために、伝導加熱装置71、誘導加熱装置72、赤外線加熱装置73、または他の現在知られている、またはその後発見される熱可塑性樹脂を加熱する方法75を使用して、熱を加える。所望の温度は、まず、選択した樹脂の化学的性質に依存することが理解されよう。粘度が所望のレベルに低下すると、溶融樹脂を繊維トウに完全に浸透させるために、溶融樹脂は、加圧下で、以下に説明するようにさらに調製された繊維と結合される。
上記のように、繊維トウが調製され、すなわち乾燥され、所望の束幅に広げられ、加熱され、樹脂がその最小粘度になった後、例示的な実施形態では、繊維トウは、加圧下で、選択、決定された量101の溶融樹脂で含浸され、すなわち結合および圧密化される100。正圧または負圧の加圧下での含浸は、圧縮プレス102、圧縮ローラー103、圧縮ダイ104、圧力含浸105、または他の方法106によって達成することができる。例示的な実施形態では、このステップは、圧力容器などのワークピースの加熱領域に溶融複合材料を適用する直前に実施される。これに関して、本発明のin−situプロセスでは、繊維トウは、フィラメント巻き付けヘッド上で、またはフィラメント巻き付けヘッドに非常に近接した位置で、溶融樹脂で含浸される。
繊維と樹脂とが加圧下で結合されて溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを形成すると、溶融繊維樹脂複合材料トウプレグは一定の束幅、張力、および温度に維持される110。上述のように、張力は制御されており、上流側張力は下流側張力から分離されている81。束幅および温度は上述のように制御される。溶融繊維樹脂複合材料トウプレグが敷設される場所111は、以前にラップされた別の層に所定の層を接着させるために、熱可塑性樹脂系の融点とほぼ同じ温度に昇温され、その温度に保たれる。限定ではなく例として、赤外線源、誘導コイル、伝導ローラー、炎、赤外線加熱装置などの熱源112を利用して、局所的な加熱を達成する。これにより、個々のフィラメントが相互にスライドして、溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの適用中に個々のフィラメントが比較的同じ張力を受けることが可能になる。さらに、層を敷設するときに(113)溶融状態を維持することにより、閉じ込められた空気を逃がすことができる。限定ではなく例として、赤外線源、誘導コイル、伝導ローラー、炎、赤外線加熱装置などの熱源114を利用して、オーバーラップされる圧力容器または他のツールを加熱する。外部の圧縮力115を利用して、オーバーラップされる圧力容器または他のツールに適用する溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを圧縮し圧密化する。この圧縮プロセスは、閉じ込められた空気116を除去し、オーバーラップされた繊維樹脂複合材料のさまざまな層を圧密化する。この圧縮プロセスには、圧縮ローラー、ニップローラー117、または同様の装置118が利用される。
本発明は、以下の文章に開示される態様を含む。これらの文章は、本明細書の一部をなすが、Boards of AppealのJ15/88に従った特許請求の範囲を構成するものではない。
1.繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセスであって、
−繊維トウを選択するステップと、
−前記選択した繊維トウに適合する熱可塑性樹脂を選択するステップと、
−前記選択した熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップと、
−前記繊維トウに含浸させるために前記熱可塑性樹脂を調製するステップと、
−前記熱可塑性樹脂の融点まで前記熱可塑性樹脂を加熱することにより、前記熱可塑性樹脂の粘度を低下させるステップと、
−フィラメント巻き付けヘッドに近接した位置で、前記調製した溶融熱可塑性樹脂を前記調製した繊維トウに含浸させ、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを作成するステップと、
−ワークピースの選択した部分を前記熱可塑性樹脂の前記融点まで加熱するステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの第1の層を前記ワークピースの前記加熱表面に適用することにより、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの溶融状態をラップ処理中に維持し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグがワークピースの加熱表面により効率的に接着するステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの適用層を有する前記ワークピースの選択した部分を加熱し、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの前記適用層が、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を適用する前に再溶融されるステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を繊維樹脂複合材料トウプレグの前記溶融した適用層に適用し、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを前記ワークピースに以前に適用した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの所定の領域に適用することにより、連続した溶融繊維樹脂複合材料の層を互いに接着させ、その結果、層間せん断強度が向上し、さらに前記溶融トウプレグ内の個々のフィラメントが相互にスライドすることが可能になり、それによって前記繊維樹脂複合オーバーラップ内のカテナリー、しわ、およびひだが効果的に排除されるステップと、
加圧下で前記溶融繊維トウプレグ層を互いに圧縮および圧密化することにより、閉じ込められた空気を除去するステップとを含む、in−situ溶融プロセス。
2.前記ワークピースがタイプIIの圧力容器である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
3.前記ワークピースがタイプIIIの圧力容器である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
4.前記ワークピースがタイプIVの圧力容器である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
5.前記ワークピースがタイプVの圧力容器である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
6.前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、天然繊維、ナノ繊維、およびアラミド繊維からなる群から選択される、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
7.前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる群から選択される、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
8.前記熱可塑性樹脂がペレット形態である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
9.前記熱可塑性樹脂がテープ形態である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
10.前記熱可塑性樹脂がスレッド状である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
11.前記熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップが、前記繊維トウを乾燥させるステップと、前記繊維トウを選択した束幅に広げるステップと、前記繊維トウを選択した温度に加熱するステップとを含み、前記選択した温度が前記選択した熱可塑性樹脂のほぼ融点である、上記文章1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
12.繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセスであって、
−繊維トウを選択するステップと、
−前記選択した繊維トウに適合する熱可塑性樹脂を選択するステップと、
−前記選択した熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップであって、前記熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップが、前記繊維トウを乾燥させるステップと、前記繊維トウを選択した束幅に広げるステップと、前記繊維トウを選択した温度に加熱するステップとを含み、前記選択した温度が前記選択した熱可塑性樹脂のほぼ融点である、調製するステップと、
−前記繊維トウに含浸させるために前記熱可塑性樹脂を調製するステップと、
−前記熱可塑性樹脂の融点まで前記熱可塑性樹脂を加熱することにより、前記熱可塑性樹脂の粘度を低下させるステップと、
−フィラメント巻き付けヘッドに近接した位置で、前記調製した溶融熱可塑性樹脂を前記調製した繊維トウに含浸させ、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを作成するステップと、
−ワークピースの選択した部分を前記熱可塑性樹脂の前記融点まで加熱するステップと、
−前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの第1の層を前記ワークピースの前記加熱表面に適用することにより、前記溶融繊維トウプレグの溶融状態をラップ処理中に維持し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグが前記ワークピースの前記加熱表面により効率的に接着するステップと、
−前記繊維樹脂複合材料トウプレグの適用層を有する前記ワークピースの選択した部分を加熱し、前記繊維樹脂複合材料トウプレグの前記適用層が、溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を適用する前に溶融されるステップと、
−溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を繊維樹脂複合材料トウプレグの前記溶融した適用層に適用し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを前記ワークピースに以前に適用した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの所定の領域に適用することにより、連続した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの層を互いに接着させ、さらに前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグ内の個々のフィラメントが相互にスライドすることが可能になり、それによって前記繊維樹脂複合オーバーラップ内のカテナリー、しわ、およびひだが効果的に排除されるステップと、
−加圧下で前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグ層を互いに圧縮および圧密化することにより、閉じ込められた空気を除去するステップとを含む、in−situ溶融プロセス。
13.前記ワークピースが、タイプIIの圧力容器、タイプIIIの圧力容器、タイプIVの圧力容器、およびタイプVの圧力容器からなる群から選択される、上記文章12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
14.前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、天然繊維、ナノ繊維、およびアラミド繊維からなる群から選択される、上記文章12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
15.前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる群から選択される、上記文章12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
16.前記熱可塑性樹脂がペレット形態である、上記文章12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
17.前記熱可塑性樹脂がテープ形態である、上記文章12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
18.前記熱可塑性樹脂がスレッド状である、上記文章12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
Claims (21)
- 繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセスであって、
繊維トウを選択するステップと、
前記選択した繊維トウに適合する熱可塑性樹脂を選択するステップと、
前記選択した熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップと、
前記繊維トウに含浸させるために前記熱可塑性樹脂を調製するステップと、
前記熱可塑性樹脂の融点まで前記熱可塑性樹脂を加熱することにより、前記熱可塑性樹脂の粘度を低下させるステップと、
フィラメント巻き付けヘッドに近接した位置で、前記調製した溶融熱可塑性樹脂を前記調製した繊維トウに含浸させ、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを作成するステップと、
ワークピースの選択した部分を前記熱可塑性樹脂の前記融点まで加熱するステップと、
前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの第1の層を前記ワークピースの前記加熱表面に適用することにより、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの溶融状態をラップ処理中に維持し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグが前記ワークピースの前記加熱表面により効率的に接着するステップと、
前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの以前に適用した層の選択した部分を加熱し、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの前記以前に適用した層が、前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を適用する前に再溶融されるステップと、
前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を繊維樹脂複合材料トウプレグの前記溶融した以前に適用した層に適用し、それによって溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを前記ワークピースに以前に適用した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの所定の領域に適用することにより、連続した溶融繊維樹脂複合材料の層を互いに接着させ、その結果、層間せん断強度が向上し、さらに前記溶融トウプレグ内の個々のフィラメントが相互にスライドすることが可能になり、それによって前記繊維樹脂複合オーバーラップ内のカテナリー、しわ、およびひだが効果的に除去されるステップと、
加圧下で前記溶融繊維トウプレグ層を互いに圧縮および圧密化することにより、閉じ込められた空気を除去するステップとを含む、in−situ溶融プロセス。 - 前記ワークピースが、タイプIIの圧力容器、タイプIIIの圧力容器、タイプIVの圧力容器、またはタイプVの圧力容器である、請求項1に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、天然繊維、ナノ繊維、およびアラミド繊維からなる群から選択される、請求項1〜2の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる群から選択される、請求項1〜3の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂がペレット形態である、請求項1〜4の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂がテープ形態である、請求項1〜5の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂がスレッド状である、請求項1〜6の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップが、前記繊維トウを乾燥させるステップと、前記繊維トウを選択した束幅に広げるステップと、前記繊維トウを選択した温度に加熱するステップとを含み、前記選択した温度が前記選択した熱可塑性樹脂のほぼ融点である、請求項1〜7の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記繊維トウがサイジングとしてポリプロピレンまたはナイロン樹脂を有する、請求項1〜8の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記繊維トウがオーブン乾燥機または赤外線乾燥機で乾燥される、請求項1〜9の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂が、ホッパー乾燥機、伝導ローラー、または赤外線乾燥機によって乾燥される、請求項1〜10の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセスであって、
繊維トウを選択するステップと、
前記選択した繊維トウに適合する熱可塑性樹脂を選択するステップと、
前記選択した熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップであって、前記熱可塑性樹脂を含浸させるための前記繊維トウを調製するステップが、前記繊維トウを乾燥させるステップと、前記繊維トウを選択した束幅に広げるステップと、前記繊維トウを選択した温度に加熱するステップとを含み、前記選択した温度が前記選択した熱可塑性樹脂のほぼ融点である、調製するステップと、
前記繊維トウに含浸させるために前記熱可塑性樹脂を調製するステップと、
前記熱可塑性樹脂の融点まで前記熱可塑性樹脂を加熱することにより、前記熱可塑性樹脂の粘度を低下させるステップと、
フィラメント巻き付けヘッドに近接した位置で、前記調製した溶融熱可塑性樹脂を前記調製した繊維トウに含浸させて、溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを作成するステップと、
ワークピースの選択した部分を前記熱可塑性樹脂の前記融点まで加熱するステップと、
前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの第1の層を前記ワークピースの前記加熱表面に適用することにより、前記溶融繊維トウプレグの溶融状態をラップ処理中に維持し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグが前記ワークピースの前記加熱表面により効率的に接着するステップと、
前記繊維樹脂複合材料トウプレグの以前に適用した層の選択した部分を加熱し、前記繊維樹脂複合材料トウプレグの前記以前に適用した層が、溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を適用する前に溶融されるステップと、
溶融繊維樹脂複合材料トウプレグのさらなる層を繊維樹脂複合材料トウプレグの前記溶融した以前に適用した層に適用し、それによって前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグを前記ワークピースに以前に適用した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの所定の領域に適用することにより、連続した溶融繊維樹脂複合材料トウプレグの層を互いに接着させ、さらに前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグ内の個々のフィラメントが相互にスライドすることが可能になり、それによって前記繊維樹脂複合オーバーラップ内のカテナリー、しわ、およびひだが効果的に排除されるステップと、
加圧下で前記溶融繊維樹脂複合材料トウプレグ層を互いに圧縮および圧密化することにより、閉じ込められた空気を除去するステップとを含む、in−situ溶融プロセス。 - 前記ワークピースが、タイプIIの圧力容器、タイプIIIの圧力容器、タイプIVの圧力容器、およびタイプVの圧力容器からなる群から選択される、請求項12に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記繊維が、炭素繊維、ガラス繊維、天然繊維、ナノ繊維、およびアラミド繊維からなる群から選択される、請求項12または13に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂が、ナイロン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、およびポリエーテルエーテルケトン樹脂からなる群から選択される、請求項12〜14の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂がペレット形態である、請求項12〜15の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂がテープ形態である、請求項12〜16の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂がスレッド状である、請求項12〜17の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記繊維トウがサイジングとしてポリプロピレンまたはナイロン樹脂を有する、請求項12〜18の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記繊維トウがオーブン乾燥機または赤外線乾燥機で乾燥される、請求項12〜19の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
- 前記熱可塑性樹脂が、ホッパー乾燥機、伝導ローラー、または赤外線乾燥機によって乾燥される、請求項12〜20の少なくとも1項に記載の繊維樹脂複合オーバーラップを作成するためのin−situ溶融プロセス。
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