JP2022525279A - 繊維プリフォームの予備成形ツールおよび繊維プリフォームの予備成形方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、繊維プリフォームを予備成形するためのツールであって、－繊維プリフォームを受け入れるように意図された膨張可能な第１の膜（１１）と、第２の膜（１８）であって、第１の膜と第２の膜との間に液密の内部空洞（１９）を形成するように、固定システム（２０）を介して第１の膜（１１）に取り付けるように意図された第２の膜（１８）と、第１の膜（１１）と第２の膜（１８）との間の内部空洞内に真空を形成するための排気装置（２５）と、を備える、ツールに関する。

Description

本発明は、航空機用の複合材料製ターボ機械部品の分野に関する。特に、本発明は、これらの複合部品の設計および／または製造ならびに対応するツールを包含する。

ターボ機械は、複雑な形状を有し、且つ少なくとも部分的に複合材料製の部品をますます備えるようになっている。これらの複合材料は、一方では質量を低減し、且つこれらの部品の熱機械抵抗を改善し、他方ではターボ機械の性能を改善するように、マトリックスに埋め込まれた繊維補強材を具備する。複合材料の例は、文献米国特許出願公開第２０１４／１７５７０９号明細書、米国特許第８４１９８７５号明細書および米国特許出願公開第２０１３／０９９４２７号明細書に記載されている。

一般に、乾燥繊維から構成される繊維補強材は、剛性金型内に堆積され、次いで、先に閉じられた金型内にマトリックスが低圧で射出される。最もよく知られている方法は、非常に高品質で良好な再現性のある部品を製造することを可能にする樹脂トランスファ成型を表すＲＴＭ技術である。しかしながら、この方法は、例えば、圧縮機の流量を調整するために圧縮機を通って循環する一次流れから二次流れに空気の一部を排出するように意図された可変排出弁導管によって提示されることができる、非常に複雑な形状には適していない。

可変排出弁導管は、出口管、エルボ、継手などを備える、複合材料の単一の部品である。このタイプの部品の困難さは、繊維補強材を構成する繊維折目または繊維構造の配置である。繊維折目は、撚糸または糸（撚糸は数千本のフィラメントから構成されている）の織りに起因する一定の剛性を有している。一般に、排出弁導管の繊維プリフォームを形成する繊維補強材は、外部支持体上に予備成形され、射出成型金型内への配置およびその後の射出成型金型内へのマトリックスの射出を容易にするために補強される。この例では、繊維補強材は、剛性射出成型金型内で成型される。

この目的のために、異なる折目を一時的に互いに結合させ、折目を金型内に保持し、マトリックスの射出を可能にするために、粘着付与剤または脱イオン水が異なる折目に適用される。水は、負に帯電した鎖間の電気的引力の破壊、ならびに折目が湿っている場合の水素結合およびペプチド結合の破壊を可能にする。これらの結合は、乾燥プロセス中に活性化される。粘着付与剤としては、弱接着性接着剤の一種がある。

これらの製品のいずれかの使用は、最終部品の製造時間に影響を与える、かなり長い乾燥時間、ならびに折目の一部の剥離および損失を意味する、折目を一体に保持するためのかなり低い機械的強度をもたらす。手作業によるドレープ時間および部品のサイズは、繊維が全体として正しく保持されることを可能にしない。また、繊維がマトリックスの射出中に移動するか、または配置が悪い場合、最終部品は、予想される機械的特性を有しない。特に粘着付与剤の場合、マトリックスの射出中、マトリックスは、粘着付与剤に結合するが、粘着付与剤は、射出されたときにマトリックスによって押されると考えられ、これはこのマトリックスの機械的特性を低下させる。部品が作られると、粘着付与剤は、特に樹脂によって押されない場合、多孔性または層間剥離などの部品の欠陥を引き起こす。

繊維補強材を金型内に配置するこの問題に加えて、特に複雑な形状を有し、且ついかなる抜き勾配も有していない排出弁導管について、その成型支持体からのプリフォームの離型の問題もある。予備成形されて補強されたプリフォームは、支持体が剛性であり、１つの部品である場合、離型することが不可能である。プリフォームの製造時間ならびに離型の困難さは、繊維の特定の部分からの乾燥繊維の剥離に起因して、かなりの時間の損失ならびに特定の数の不合格品をもたらす。

米国特許出願公開第２０１４／１７５７０９号明細書 米国特許第８４１９８７５号明細書 米国特許出願公開第２０１３／０９９４２７号明細書

本発明は、特に、その緻密化のためにマトリックスの射出を最適化するように、複雑な形状の複合材料部品用の繊維プリフォームの成形を単純化および促進することを目的とする。

これは、本発明によれば、繊維プリフォームを予備成形するためのツールであって、
－繊維補強材を有する繊維プリフォームを受けるように意図された膨張可能な第１の膜と、
－取付システムを介して第１の膜に取り付けられる第２の膜であって、第１の膜と第２の膜との間に液密の内部空洞を形成するように意図された第２の膜と、
－第１の膜と第２の膜との間の内部空洞を排気するための装置と、
を備える、ツールによって達成される。

したがって、この解決策は、上述した目的を達成することを可能にする。特に、ツールは、真空を利用して第１の膜（雄膜と呼ばれる）と第２の膜（雌膜と呼ばれる）との間にプリフォームを圧縮するために、第１の膜上に繊維プリフォームを形成するように意図された折目を配置することを容易にし、真空が切断されると第２の雌膜を除去し、且つ第１の雄膜が収縮された後に第１の雄膜を抽出することによって、予備成形されたプリフォームの離型を容易にすることを可能にする。特に、ツールはまた、マトリックスの射出前の予備成形された繊維プリフォームの剥離および変形の危険性なしに、繊維プリフォームを形成する折目の乾燥およびその離型も可能にするため、ツールは、時間を節約することを可能にする。

本発明において、「予備成形」という用語は、マトリックスがその繊維を含浸する前のプリフォームの形状の成形および保持を意味するために使用される。次いで、予備成形されたプリフォームは、最終部品が有するべき形状を有するかまたはそれに近付く。

ツールはまた、単独でまたは組み合わせて、以下の特徴のうちの１つ以上を備える。
－第１の膜は、チャンバを形成するように閉じられた壁を備える。
－少なくとも第１の膜は、弾性材料製である。
－弾性材料は、シリコーンを含む。
－第１の膜および第２の膜は、互いに分離可能に取り付けられている。
－取付システムは、封止要素を備える。
－排気装置は、真空ポンプまたはベンチュリ効果システムまたは圧縮機を備える。

本発明はまた、繊維プリフォームを予備成形するための方法であって、
－膨張可能な第１の膜と、第２の膜であって、第１の膜と第２の膜との間に液密の内部空洞を形成するように第１の膜に取り付けられた第２の膜とを備える予備成形ツールを提供するステップと、
－第１の膜を膨張させるステップと、
－第１の膜上に繊維プリフォームを形成するように意図された繊維折目を配置するステップと、
－繊維プリフォーム上および第１の膜上に第２の膜を被せるステップと、
－第１の膜と第２の膜との間の内部空洞を排気するステップと、
－予備成形されて乾燥した繊維プリフォームを離型するステップと、
を備える、方法に関する。

繊維プリフォームを予備成形するための方法はまた、単独でまたは組み合わせて得られる以下の特徴のうちの１つ以上を備える。
－折目を配置するステップは、加湿された繊維プリフォームを形成する各折目の加湿を備える。
－繊維プリフォームの繊維は、加湿前に樹脂によって含浸されていない。
－排気ステップは、加湿された繊維プリフォームの乾燥および圧縮を備える。
－加湿は、脱イオン化されて濾過された水を用いて行われる。
－排気ステップは、所定時間行われる。
－予備成形されたプリフォームを離型するステップは、第２の膜を除去するステップと、第１の膜を収縮させるステップとを含む。

本発明は、さらに、ターボ機械部品を製造するための方法であって、
－繊維プリフォームを製造するステップと、
－上述した特徴のいずれかを有する方法にしたがって繊維プリフォームを予備成形するステップと、
－予備成形されたプリフォームを射出成型金型内に配置するステップと、
－予備成形されたプリフォームにマトリックスを射出するステップと、
を備える、方法に関する。

本発明は、添付の概略図を参照して、純粋に例示的且つ非限定的な例として与えられる本発明の実施形態の以下の詳細な説明を読むことにより、よりよく理解され、その他の目的、詳細、特徴および利点がより明確になるであろう。

図１は、本発明にかかるターボ機械の可変排出弁導管の例の側面図である。 図２は、本発明にかかる排出弁導管の例の平面図である。 図３は、本発明にかかる繊維プリフォームを予備成形するためのツールの例を概略的に示している。

図１は、複合材料の単一部品から作られた航空機ターボ機械部品を示している。

図１および図２は、デュアルフローターボ機械に装備するように意図された可変排出弁導管１を正確に示している。この可変排出弁導管１は、デュアルフローターボ機械の一次ダクトの一部が二次ダクトの一部に接続することを可能にする主管２を備える。導管１は、二次ダクトに開口する主管２の開口部３に設置された可変排出弁（図示せず）を備える。導管１はまた、ターボ機械の低圧タービンの高温部品を冷却することを可能にする管に開口する第１の端部５と、主管２に開口する第２の端部６とを有する二次管４を備える。この導管１は、実質的にＳ字形であり、図１および図２に示すように多数の曲線部分を有する。もちろん、本発明は、複合材料製で且つターボ機械に装備するように意図された複雑な形状の全ての部品に適用されることができる。

複合材料製ターボ機械部品（ここでは導管１）は、繊維補強材（図示せず）と、繊維補強材が埋め込まれたマトリックスとによって作られる。繊維補強材は、互いに結合された繊維の複数の折目、ラップ、層または構造を備える。これらの折目は、それぞれがいくつかのフィラメントまたは一方向から構成される糸または撚糸の３次元（３Ｄ織）、２次元（２Ｄ織）とすることができる。繊維補強材は、得られる部品の一般的な形状を有する繊維プリフォームを形成するように意図されている。

糸または撚糸は、様々なタイプのものとすることができる。例示的な実施形態では、糸の材料は、炭素、ガラス、ポリアミド、ケブラー（商標）、セラミック、またはこれらの材料の混合物を含むことができる。

図３は、製造される最終部品の形状に可能な限り近くなり、とりわけ特定のマトリックスによる含浸中にそれを保持するように、繊維プリフォームの形状を成形、または、さらには凍結するように意図された予備成形ツール１０を概略的に示している。

予備成形ツール１０は、繊維プリフォームを受けるように意図された第１の膜１１（雄と呼ばれる）を備える。第１の膜１１は、一方では繊維プリフォームの配置を容易にし、他方ではプリフォームを損傷する危険性なしにプリフォームのその後の離型を容易にするように膨張可能（および収縮可能）である。第１の膜１１は、膨張および収縮することができるように弾性材料製である。「膨張可能」とは、膜の体積が流体によって増加することを意味する。流体が排気されると、膜は、収縮して元の体積に戻る。

有利には、限定されないが、弾性材料は、シリコーンなどのエラストマを含む。シリコーンは、繊維プリフォームを収容するために所定の寸法に成形されて硬化される。特に、この例では、第１の膜１１は、第１の膜が膨張したときに、それに適用される繊維プリフォームに対応する形状を与えるように意図された形状を有する壁を備える。壁は、任意の形状とすることができる。

第１の膜の壁は、好ましくは圧力下で空気を受け入れるチャンバ１２を形成するように閉じられている。第１の膜１１の壁は、チャンバ１２に空気を供給するための入口オリフィス１３を備える。

ツール１０は、一方では圧縮空気の供給源に、他方では第１の膜１１の入口オリフィス１３に結合されるように意図されたノズル１５に接続された膨張システム１４（概略的に示されている）を備える。圧縮空気源は、第１の膜１１を膨張させるのに必要な空気を供給する。

第１の膜１１の壁はまた、出口オリフィス１６を備える。後者は、出口オリフィスが閉じている第１の位置および出口オリフィスが開いている第２の位置を占めるように、可動壁部を備えている。言うまでもなく、第１の位置では、チャンバは、その膨張（空気によって充填）中または膨張後に空気を保持し、第２の位置では、チャンバは、出口オリフィス１６を介してその空気を空にして第１の膜１１を収縮させる。

ツール１０はまた、第１の膜１１に液密に取り付けられた第２の（雌と呼ばれる）膜１８を備える。第２の膜１８は、第１の膜と協働して、第１の膜と第２の膜との間に液密の内部空洞１９を形成する。この目的のために、ツール１０は、第１および第２の膜１１、１８の周縁部２１、２２の高さに設置される取付システム２０を備える。

しかしながら、第１および第２の膜１１、１８は、取付システム２０を介して互いに取り外し可能に取り付けられ、予備成形されたプリフォームの取り外しを容易にする。

本実施例では、取付システム２０は、第１の膜１１上および／または第２の膜１８上に少なくとも部分的に配置される。取付システムは、液密ジッパーを備えてもよい。

有利には、限定されないが、取付システム２０は、変形可能な材料の封止を具備する封止要素を備える。封止は、製造方法および雄膜および雌膜の配置中に取り付けられる。この変形可能な材料は、ｐｌａｓｔｉｌｉｎｅ（Ｒ）ストリップとすることができる。封止要素は、膜間の空間を保持することを可能にし、したがって内部空洞の形成を容易にする。

あるいは、取付システム２０は、第１の膜と第２の膜との間にクリップオン要素を備える。この場合、第１および第２の膜の一方は、例えば溝を備え、第１および第２の膜の他方は、例えばオメガのような形状のブラケットを備える。ブラケットおよび溝は、互いに嵌合して封止を形成する。

第２の膜１８もまた、弾性材料製である。第１の膜と同様に、弾性材料は、シリコーンとすることができる。

ツール１０は、第１の膜と第２の膜との間の内部空洞を排気するための装置２５を備える。排気装置は、ここでは管２７によって第２の膜１８の壁に形成された吸引オリフィス２６に接続された真空ポンプまたは圧縮機を備える。

あるいは、排気装置は、吸引オリフィスに接続された管を横切る断面差を提供して圧力差を形成するベンチュリ効果システムを備える。ベンチュリ効果システムは、維持が容易で経済的である。

ここで、繊維プリフォームを予備成形するための方法について説明する。予備成形方法は、上述した予備成形ツールを用いて行われる。この方法は、第１の膜１１を膨張させるステップを含む。空気は、膨張システムを介して第１の膜のチャンバ１２に吹き込まれる。

次いで、この方法は、その後に膨張される第１の膜１１上に繊維補強材を有する繊維プリフォームを配置することを備える。この目的のために、様々な繊維折目が、繊維補強材の厚さを形成するように第１の外壁に１つずつ配置される。これらの折目はまた、全ての繊維折目が第１の膜１１上に配置されるまで繊維が一体に保持されることを可能にするように加湿される。我々は、繊維補強材の繊維が非含浸であることを理解している。繊維補強材は、予め樹脂によって含浸されていない。

有利には、限定されないが、様々な折目を加湿するために水が使用される。水は、好ましくは濾過されて脱イオン化される。

次いで、第２の膜１８は、得られた湿潤または加湿された繊維プリフォームおよび第１の膜の上に被せられる。したがって、繊維プリフォームは、第１の膜と第２の膜との間に、特にツールの内部の液密空洞１９に配置される。

内部空洞１９内で排気が行われる。これは、上述した排気装置によって行われる。排気は、繊維をともに圧縮し、加湿された繊維プリフォームを形成する繊維折目の繊維を乾燥させる。水は、その沸点を下げることによって排出される。このステップの終わりに、全ての折目が互いにしっかりと接合される。排気は、所定の時間、例えば数秒間だけ行われる。排気はまた、０．００５～０．１００バールの間の圧力で行われる。

次いで、プリフォームが離型される。この目的のために、第２の膜１８が第１の膜１１およびプリフォーム自体から取り外され、次いで第１の膜１１が収縮される。予備成形され、乾燥され、圧縮された予備成形物を得る。

予備成形されたプリフォームが離型されると、このプリフォームは、視覚的に、また非破壊試験（例えば、スキャンまたはトモグラフィ装置を介して）によって検査されることができる。折目が誤って配置された場合、問題の折目の変位を容易にするためにプリフォームが再び加湿されることができる。

プリフォームの形状が取り付けられる（予備成形される）と、乾燥したプリフォームは、例えば、ＲＴＭ（樹脂トランスファ成型）技術を使用することによって射出成型金型内に配置される。その変位は、その予備成形のおかげで容易にされる。繊維が一体に滑る危険性はない。

マトリックスは、繊維プリフォームの繊維の含浸および緻密化を行い、したがって複合材料部品、この場合は導管を得るために、金型に射出される。金型は、予備成形されたプリフォームをここでは乾燥状態で受けるように意図された第１の凹部を備える。第２の凹部を有する相手方金型は、第１の凹部とともにマトリックスの射出空間を形成するように意図されている。マトリックスは、所望の用途にしたがって選択される。マトリックスは、エポキシ系熱硬化性樹脂またはポリビスマレイミド（ＢＭＩ）などのフェノール樹脂とすることができる。マトリックス射出の前に、射出成型金型は、相手方金型によって閉じられる。射出、ＲＴＭ光またはＰｏｌｙｆｌｅｘなどの他の方法ももちろん可能である。

Claims (14)

1. 繊維プリフォームを予備成形するためのツール（１０）であって、
   －繊維プリフォームを受けるように意図された膨張可能な第１の膜（１１）と、
   －取付システム（２０）を介して第１の膜（１１）に取り付けられる第２の膜であって、第１の膜と第２の膜との間に液密の内部空洞（１９）を形成するように意図された第２の膜（１８）と、
   －第１の膜（１１）と第２の膜（１８）との間の内部空洞を排気するための装置（２５）と、
   を備えることを特徴とする、ツール（１０）。
2. 第１の膜（１１）は、チャンバ（１２）を形成するように閉じられた壁を備えることを特徴とする、請求項１に記載のツール（１０）。
3. 少なくとも第１の膜（１１）が弾性材料製であることを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のツール（１０）。
4. 弾性材料がシリコーンを含むことを特徴とする、請求項１～３のいずれか一項に記載のツール（１０）。
5. 第１の膜（１１）および第２の膜（１８）は、互いに分離可能に取り付けられることを特徴とする、請求項１～４のいずれか一項に記載のツール（１０）。
6. 液密取付システム（２０）は、封止要素を備えることを特徴とする、請求項１～５のいずれか一項に記載のツール（１０）。
7. 排気装置（２５）は、真空ポンプまたはベンチュリ効果システムまたは圧縮機を備えることを特徴とする、請求項１～６のいずれか一項に記載のツール（１０）。
8. 繊維プリフォームを予備成形するための方法であって、
   －膨張可能な第１の膜（１１）と、第２の膜（１８）であって、第１の膜と第２の膜との間に液密の内部空洞（１９）を形成するように第１の膜（１１）に取り付けられた第２の膜（１８）とを備える予備成形ツール（１０）を提供するステップと、
   －第１の膜（１１）を膨張させるステップと、
   －第１の膜（１１）上に繊維プリフォームを形成するように意図された繊維折目を配置するステップと、
   －繊維プリフォーム上および第１の膜（１１）上に第２の膜（１８）を被せるステップと、
   －第１の膜と第２の膜との間の内部空洞（１９）を排気するステップと、
   －予備成形されて乾燥した繊維プリフォームを離型するステップと、
   を備えることを特徴とする、方法。
9. 折目を配置するステップは、加湿された繊維プリフォームを形成する各繊維折目の加湿を含むことを特徴とする、請求項８に記載の予備成形方法。
10. 繊維プリフォームの繊維は、加湿の前に樹脂によって含浸されないことを特徴とする、請求項８または９のいずれか一項に記載の予備成形方法。
11. 排気ステップは、加湿された繊維プリフォームの乾燥および圧縮を含むことを特徴とする、請求項９または１０に記載の予備成形方法。
12. 加湿は、脱イオン化されて濾過された水を用いて行われることを特徴とする、請求項８～１１のいずれか一項に記載の予備成形方法。
13. 予備成形された繊維プリフォームを離型するためのステップは、第２の膜（１８）の除去および第１の膜（１１）の収縮を含むことを特徴とする、請求項８～１２のいずれか一項に記載の予備成形方法。
14. 複合材料から作られたターボ機械部品の製造方法であって、
    －繊維プリフォームを製造するステップと、
    －請求項８～１３のいずれか一項に記載の方法にしたがって繊維プリフォームを予備成形するステップと、
    －乾燥したプリフォームを射出成型金型内に配置するステップと、
    －繊維プリフォームにマトリックスを射出するステップと、
    を備える、方法。

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