JP5173824B2 - 樹脂トランスファ成形方法のためのツール - Google Patents

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Description

本願は、2005年11月10日出願のドイツ特許出願第10 2005 053 691.3号の優先権を主張し、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。
本発明は、RTM法のためのツール、RTM法のためのツールを備えるシステム、及びRTM法に関し、特に内蔵樹脂トラップを備えるツールに関する。
RTM法とは、繊維複合構成材を製造する方法である。RTMは、「樹脂トランスファ成形」を表わし、動作方法について述べている。かかる方法は、工業規模では、特に低表面積対体積率を備えた構成材の製造に適している。その方法は、高い繊維体積含有率と、良好な再現性と、少量の気孔率とを備えた高品質の構成材の製造に適している。
本発明の目的は、最近の要求を満たす、RTM法のためのツール、RTM法、及びRTM法のためのツールを含むシステムを提供することである。
本発明の典型的実施形態によれば、上記の目的は、樹脂トランスファ成形方法のためのツールによって達成され、そのツールはキャビティ、樹脂トラップ、及び移行領域を備え、キャビティは、構成材がそれに収容できるように、構成される。更に、樹脂トラップは、ツールに内蔵され、移行領域は、キャビティと、樹脂トラップとの間の接続が確立できるように構成される。
典型的実施形態によると、樹脂トランスファ成形方法のためのシステムは、本発明の典型的実施形態に従ったツール、ポンプ、及び貯蔵容器を備える。ポンプは、樹脂トラップの出力接続に接続され、貯蔵容器は、キャビティの入力接続に接続される。
典型的実施形態によると、樹脂トランスファ成形方法は、ツールのキャビティ内に構成材を配置する工程、ツールのキャビティへ樹脂を流し込む工程、及びツールに内蔵されると共にキャビティに連通している樹脂トラップを加圧する工程から、構成される。その圧力は、過力であることが望ましい。
本発明の基本的な考えは、ツールに内蔵された、樹脂トランスファ成形方法(RTM法)のためのツールの樹脂トラップ、と定義されてもよい。言い換えれば、樹脂トラップはツール自体の中に配置される。従って、樹脂トラップは、先行技術で周知であるような、外部樹脂トラップではなく、内部樹脂トラップである。
本発明によるツールを利用すると、ツールのキャビティを樹脂トラップに接続させるために、先行技術では必要であった外部樹脂接続を省略できる。このように、汚れたシールに起因するシーリング不具合の発生が、減少できる可能性がある。外部樹脂トラップを備える必要がないので、例えばホースやホースクランプといった、他の接続器具なしでも、作動できる。これらの構成材を備える必要のないことが、材料の節減につながる可能性があるように、これらは消耗部品あるいは使い捨て部品として頻繁に製造される。更に、その洗浄が手動であろうと自動的に実行されるのであろうと、例えばホース又はクランプ、及び他の外部部品といった接続部品の洗浄なしに、動作することが可能である。同様に、従来技術によるRTM法によれば、例えば入口管を充填するために必要とされる樹脂量の追加なしに動作できるため、樹脂の消費が低減できる。以上に述べた簡略化の結果、RTM法は、全体的により高い、費用効果、効率、自動化の可能性、及びエラー傾向の低下が望め、信頼性向上につながる。
本発明に基づくツールによって、先行技術に関連した不具合を、回避できる。特に、困難な樹脂ラインの接続が避けられるが、このような接続は、例えば樹脂ラインの樹脂の詰まりによるシーリング不具合をしばしば生じ、この結果、従来技術に基づくツールにおいて信頼性低下が起きる。更に、本発明に基づくツールでは、いくつかの外部部品無しで作動でき、通常、外部部品には、洗浄のための追加費用が発生する。
本発明の更なる目的、実施形態と、及び利点は、第二の独立請求項及び従属請求項に示す。
以下、RTM法のツールの典型的実施形態を、更に詳細に説明する。RTM法のためのツールに関連して記載される構成は、RTM法のためのツールを含むシステム、及びRTM法にも、同様に適用する。
他の典型的実施形態では、ツールは更に型と型カバーとを備える。ここで、型と型カバーは、型と型カバーとが結合されるとき、キャビティ、及び/又は樹脂トラップ、及び/又は移行領域が形成されるように、構成される。
型及び型カバーの実施形態におけるツールの構成は、構成材が容易に配置できるキャビティを形成するために特に効率の良い実施形態である。この構成では、構成材を容易にキャビティに配置でき、RTM法が完了した後、容易にキャビティから取り出すことができる。同様に、ツールの二点構成によって、その後の洗浄は、簡略化される。
更なる典型的実施形態では、移行領域は、分離要素を備える。ここで分離要素はキャビティと樹脂トラップとの間に配置され、キャビティと樹脂トラップとの間の接続部が、少なくとも部分的に閉じられるように、少なくとも部分的にキャビティと樹脂トラップとの間の接続部に係合するように構成される。分離要素はサイフォン形状の移行領域を形成するように構成されることが好ましい。
サイフォン状移行領域を提供することによって、例えば、先行技術基づき使用される開閉栓のような方法構成材なしで動作できる可能性がある。方法構成材を省略することによって、構成材、接続、及び開閉栓の洗浄の、コストを節約することができる。更に、このような方法で起こり得るエラー原因の数もまた、減らすことができる
ほかの典型的実施形態では、分離要素は、型カバー及び/又は型に内蔵される。言い換えると、分離要素は、型カバーのみに、型(型の下部)のみに、又は部分的に型カバーに、かつ部分的に型に、内蔵されてよい。
分離要素を、型カバー(ツールの上部)及び/又は型(すなわち、型の下部、又は言い換えるとツールの下部)に、収容すること、又は内蔵することは、少なくとも部分的に樹脂トラップからキャビティを分離する、特に効果的な方法である。
更に他の典型的実施形態では、分離要素は開閉栓である。
分離要素を開閉栓として構成することは、空洞又はキャビティと、樹脂トラップとの間の接続を遮断するのに特に効率の良い方法である。
他の典型的実施形態によると、ツールは、分離要素が制御ラインに制御されるように構成される制御ラインを、更に備える。
この実施形態は、分離要素が開閉栓として構成された場合に、特に好都合である。この場合、制御ラインの提供によって、所定の方法で開閉栓を効率的に制御できる。
本発明の更に他の典型的実施形態によれば、制御ラインは、電気式、及び/又は空気圧式ラインが接続できるように、構成される。更に、分離要素は、電気式、及び/又は空気圧式に制御できるように構成される。
更に典型的実施形態では、樹脂トラップは出力接続を備え、その出力接続は、ポンプに接続できるように、構成されることが好ましい。
樹脂トラップをポンプに接続することは、ツールのキャビティに樹脂を吸入する、特に効率的な方法である。続いて、キャビティに、及びキャビティに配置された構成材の上又は内に、樹脂があれば、ポンプは樹脂トラップを加圧するために使用できる。ポンプは、負圧(真空)と正圧とのどちらも生成できるポンプであることが好ましい。
更に典型的実施形態によれば、キャビティは、入力接続を備える。この入力接続によって、例えば負圧及び/又は正圧によって、樹脂をキャビティに流し込むことができる。
以下、RTM法のためのツールを備えるシステムの実施形態を説明する。システムに関して説明される実施形態は、RTM法のためのツール及びRTM法にも適用される。
他の典型的実施形態では、システムは更に、樹脂トラップの中の圧力を制御するように構成される、制御装置を備える。
樹脂トラップの中の圧力を制御する制御装置を提供することによって、例えば樹脂トラップが負圧にされる場合に、単純な方法によって、樹脂をツールのキャビティに流し込むことができる。キャビティが樹脂で充填された後、制御装置は、樹脂トラップを加圧するように作動する。このような圧力のために先行技術で必要であった開閉栓を、不必要にできる。このために、制御装置は、樹脂トラップが、キャビティから樹脂トラップに更に侵入する樹脂を阻止する逆圧になるように制御できる。
さらなる典型的実施形態では、制御装置は、保圧段階(Nachdruckphase)において、樹脂トラップの樹脂レベルを一定に保つように構成される。好ましくは、制御装置は、硬化段階で樹脂トラップの圧力を維持するように、更に調整される。
他の典型的実施形態によると、システムは更に制御要素を備え、制御要素は、分離要素を制御するように構成される。好ましくは、この配置では、分離要素は開閉栓であり、例えば空気圧式、及び/又は電気式に、制御要素によって制御できる。
以下、RTM法の典型的実施形態を説明する。RTM法に関して説明される実施形態は、RTM法のためのツール、及びRTM法のためのツールを備えるシステムにも適用される。
他の典型的実施形態では、RTM法は、更に樹脂トラップの圧力を上昇させることを伴い、その上昇は樹脂トラップの樹脂レベルを一定に保つ。
樹脂トラップの圧力の上昇は、キャビティから樹脂トラップに更に入り込む樹脂を阻止する効率的な方法であり、その結果、本発明の典型的実施形態に従って、開閉栓なしで、又は先行技術で必要であるようなほかの遮断構造なしで、動作することが可能である。
更にほかの典型的実施形態では、RTM法は更に硬化段階で樹脂トラップの圧力を維持することを必要とする。
本発明の典型的実施形態によるツール、及び/又はシステムは、例えば航空機のための構成材の製造に利用できる。
上記の典型的実施形態のひとつ、又は上記の側面のひとつに関連する特徴又は工程は、上記の他の典型的実施形態、又は側面の特徴又は工程と組み合わせて使用できる。
本発明の一つの特徴は、樹脂トラップを内蔵するツールで構成される。このような、樹脂トラップの統合配置の結果、接続及び接続線を避けることが可能であり、その結果、RTM法のためのツール及び/又はシステムの構成が、全面的に単純化できる。キャビティと内蔵された樹脂トラップとの間に、開閉栓又は遮断弁の形状に構成される、分離要素が存在する。適当な幾何学的形状を使用することによって、例えばツール又はキャビティの容量に対する大きな表面によって、樹脂の硬化中に特定の状況下で発生する可能性のある、発熱反応を防ぐこと、又は、このような発熱反応の影響を少なくとも減少させることが可能である他の方法として、分離要素は、樹脂トラップの圧力が、移行領域を経て余分な追加樹脂が樹脂トラップに入り込めないように制御される、遮断構造として使用できるサイフォン形状の移行領域も形成する。これは、例えば、過圧することによってできる。
以下、図面を参照しつつ、典型的実施形態によって、本発明を更に詳細に説明する。
同一の又は類似した要素は、同一の又は類似した引用符号を付す。
図1は、型カバー102と、型103とを備えたツール101を構成する、樹脂トランスファ成形方法(RTM法)を実行するためのシステム100の模式図である。図1は、ツール101に配置され、樹脂を使用して強化される、構成材104も模式的に示す。ツール101は、加熱ホース106が接続される入力接続105を備える。それは更に、搬送容器108からのあらかじめ熱せられた樹脂で満たすことができる圧力カートリッジ107に接続される。更に、システム100は圧力カートリッジ107に配置できる圧力ピストン109を含み、圧力カートリッジ107に充填される樹脂が、加熱ホース106を経由してツール101に押し出されるように加圧できる。
更に、ツール101は閉じねじ110を備え、それによって、ツール101を閉じることができる。すなわち、型カバー102と型103とを堅く相互に連結できる。更に、ツールは、樹脂ホース112を接続できる出力接続111を備える。樹脂ホース112は樹脂トラップ113に接続され、更に樹脂ホース112を閉じるために使用される開閉栓114を備える。更に、樹脂トラップ113は空気ホース115経由で真空ポンプ116に接続される。
図1に示すシステム100によって実行できるRTM法は、以下の工程を含む。
構成材104、例えば適切な寸法に切断された強化繊維は、ツール101に配置される。続いて、ツール101は、閉じねじ110によって閉じられ、密閉される。続く工程では、樹脂用入口管106と真空用空気ホース115を接続する。真空の印加によって、樹脂は、現時点で大気に連通している外部貯蔵容器(すなわち、圧力カートリッジ107)から、ツール101内の構成材104へと運ばれる。ツール101から出される樹脂による真空ポンプ116のつまりは、真空ポンプ116の上流で配置された外部樹脂トラップ113によって回避される。
必須ではない保圧段階では、続く樹脂の加圧は、構成材の細孔サイズを縮小する。このために、ツール101と樹脂トラップ113との間に位置する開閉栓114が閉じられ、圧力カートリッジ107の中の樹脂の残量は、ピストン109又は圧縮空気によって加圧される。硬化、すなわち樹脂の架橋は、熱の供給によって起こり、それを、図1の矢印117によって示す。硬化の完了後、構成材104は、除去される。ツール101が洗浄された後、新しい構成材がそこに配置される。
以下に、図2を参照して本発明の第一の典型的実施形態について説明する。
ツール200は、型201又は型要素(型の下部)及び型カバー202(型の上部)を備え、それは第一のキャビティ又は空洞203と、移行領域204と、樹脂トラップとして機能する第二のキャビティ205とを形成するように構成される。型カバー202に内蔵されるのは、移行領域204に、キャビティ203と樹脂トラップ205との間のサイフォン形状の接続部を形成するように構成された、分離要素206である。このサイフォン形状又はU字形状の接続部を構成するために、型201は、分離要素206が部分的にかみ合うくぼみを備える。この配置では、分離要素206は、サイフォン210を形成するために、くぼみに達している。
更に、ツール200は、第一のキャビティ203に接続される入力接続207を備え、入力接続207によって、樹脂が第一のキャビティ203に供給される。更に、ツール200は、樹脂トラップ205に接続されると共に、ポンプに接続できるように構成される、出力接続208を備える。更に、図2は、RTM法を利用して製造できる構成材209を模式的に示している。
分離要素206は、樹脂トラップ205と構成材209との間の唯一の接続経路となるように、ツールの下部201の要素としても構成できる。分離要素206は、部分的にツールの上部202の要素であり、かつ部分的にツールの下部201の要素であるようにも、構成できる。
以下、図3を参照しつつ、RTM法のためのツールを備えたシステムについて説明する。
システム300は、図2に示したツール200を備えるが、システムは入力接続207に接続される注入管311を更に含む点で、本質的に異なる更に、入口管311は、樹脂313を模式的に示している貯蔵容器312に接続される。貯蔵容器312は、表示されている方法で、例えば、加圧器314によって、加圧できる。例えば、圧力は、ポンプによっても生成できる。
更に、システム300は、出力接続208に接続される出口管315を備える。更に、出口管315は、出口管315を経由して樹脂トラップ205を加圧できるように構成される、ポンプ316に接続される。一方、この圧力は負圧(真空)でもよく、この負圧の結果、樹脂313を、貯蔵容器312から入口管311を経由してキャビティ203へ引き込むことができる。他方、この圧力は過圧状態、又は逆圧状態でもよく、樹脂トラップが部分的に充填されているとき、余計な追加樹脂が、確実に樹脂トラップへ入らないようにされ、その結果、キャビティ203と樹脂トラップ205との間の遮断要素の配置を不必要にできる。
更に、システム300は、制御装置317を備え、それは、第一の通信ライン318を経由して樹脂トラップ205に接続され、第二の通信ライン319を経由してポンプ316に接続される。制御装置317は、樹脂トラップ205に作用する圧力を制御、及び/又は調整するように構成される。このために、樹脂トラップ205の圧力が測定され、測定された圧力及び望ましい圧力に応じて制御装置317は、ポンプ316を制御する制御信号を提供する。
以下に、図3を参照しつつ、RTM法で使用されるシステムにつき説明する。
構成材209、例えば適切な寸法に切断された強化繊維は、ツール200のキャビティ203に配置される。この後、ツール200は閉じられ、密閉される。続く工程で、樹脂のための入口管311は入力接続207に接続され、更に出口管315、例えば空気ホースは、出力接続208に接続される。空気ホース315を経由して印加される真空によって、又は入口管311のひとつに加えられる過圧によって、樹脂313は、外部貯蔵容器312からキャビティ203へ、吸い込まれるか、吸い上げられるか、押し込まれる。内部樹脂トラップ205に樹脂が入るとすぐに、前記樹脂トラップ205は、ポンプ316によって逆圧により加圧される。その結果、樹脂トラップ205への樹脂の更なる進入は、縮小されるか阻止されると共に、ポンプ316は、樹脂の進入から保護される。その後、選択的に、いわゆる保圧段階が実行され、その段階で、キャビティ内の樹脂が加圧される。その結果、構成材209の細孔サイズは、縮小される。そのような保圧段階が実行される場合、樹脂トラップが加圧される逆圧は調節され、例えば樹脂トラップ205の樹脂レベルが一定になるように増加される。このために、樹脂トラップ205の範囲にセンサを設けることが好ましく、そのセンサは、第一の通信ライン318によって制御装置317に接続され、制御装置に測定信号を送信する。その測定信号から、制御装置317は、第二の通信ライン319によってポンプ316に伝えられると共にポンプ316の出力を制御する、制御信号を生成する。
続いて、キャビティ203の樹脂は硬化する。このような硬化は、熱の供給によって起こる。硬化の完了後、構成材209は除去され、型201が洗浄され、新しい構成材がそこに配置される。
以下、図4を参照しつつ、本発明の第二の典型的実施形態について説明する。
ツール400は、型401又は型要素及び型カバー402を備え、それは第一のキャビティ403と、移行領域404と、樹脂トラップである第二のキャビティ405を形成するように構成される。型カバー402に内蔵されるのは、分離要素406であり、それは、移行領域404において、樹脂トラップ405とキャビティ403の間を部分的に分離するように構成される。その結果、接続部420が樹脂トラップ405とキャビティ403との間に確立できる。この接続部420には、開閉栓又は遮断弁418が配置され、それは接続部420を遮断できる。このように、キャビティ403及び樹脂トラップ405は、互いに完全に分離できる。すなわち、キャビティ403から樹脂トラップ405へ樹脂を流すことは不可能であり、その逆もまた同様である。開閉栓418を制御するために、ツール400は、更に制御信号を開閉栓418に送ることができる、制御ライン419を備える。この制御信号は、例えば、空気圧式、及び/又は電気式であり、制御要素によって供給される。
更に、ツール400は、入力接続407を備え、それは第一のキャビティ403に接続し、入力接続407によって、樹脂を第一のキャビティ403に供給できる。ツール400は、更に出力接続408を備え、それは樹脂トラップ405に接続し、ポンプに接続できるように構成される。図4はまた、RTM法で製造できる構成材409を示す。
第二の典型的実施形態に基づくツール400は、図3に模式的に示されたシステムにおいても作動できる。図4の典型的実施形態によれば、圧縮空気ライン、及び/又は開閉栓の制御ラインのみが、必要とされる。その結果、汚れたシールによるシーリング不具合は、起きない。すなわち、樹脂が、汚れたシールに起因して、ツールから出てくる可能性がなくなる。
以上のように、本発明の典型的特徴は、樹脂トランスファ成形方法のためのツールの構築から成り、そのツールはツールに内蔵される内部樹脂トラップを備える。言い換えると、樹脂トラップは、ツールの中に内蔵できるように構成される。すなわち、樹脂トラップは、ツールの不可欠な部分を形成するように構成される。本発明の特に典型的特徴は、RTM法のためのツール及びシステムを構築することである。そのツール及びシステムは、ツールのキャビティを樹脂トラップから分離する、遮断要素又は開閉栓の必要性を取り除く。
加えて、「備える」はほかの要素又は工程を除外するものではなく、「一つの」は複数を除外するものではない。更に、上記実施形態の一つを参照して説明された特徴又は工程は、その他の上記実施形態の他の特徴又は工程と組み合わせて用いることもできる。特許請求の範囲に記載される参照符号は限定と解釈されるべきものではない。
RTM法を実行するためのシステムの模式図である。 本発明の第一の典型的実施形態によるツールの模式図である。 RTM法を実行するためのシステムの模式図である。 本発明の第二の典型的実施形態によるツールの模式図である。

Claims (12)

  1. 樹脂トランスファ成形方法のためのツール(200)であって、
    型(201)と、
    型カバー(202)と、
    キャビティ(203)と、
    樹脂トラップ(205)と、
    移行領域(204)と、
    圧力手段に接続される圧力手段接続部(208)と、
    樹脂が導入される樹脂導入接続部(207)と、を備え、
    前記キャビティ(203)は、構成材(209)を収容できるように構成され、
    前記樹脂トラップ(205)は、前記ツール(200)に内蔵され、
    前記移行領域(204)は、それによって前記キャビティ(203)と前記樹脂トラップ(205)との間に移行接続部ができるように構成され、
    前記移行領域(204)は分離要素(206)を備え、
    前記樹脂トラップ(205)は、前記キャビティ(203)と連通しており、
    前記樹脂トラップ(205)に、前記圧力手段接続部(208)が接続され、
    前記分離要素(206)は、前記キャビティ(203)と前記樹脂トラップ(205)との間に配置され、前記キャビティ(203)と前記樹脂トラップ(205)との間に、サイフォン形状の前記移行接続部(210)を形成するように構成され、
    前記サイフォン形状の移行接続部(210)は、前記キャビティ(203)の底部よりも下側に位置するように、下向きに凸に湾曲している、ツール。
  2. 前記型(201)と前記型カバー(202)とが接合されるとき、前記キャビティ(203)及び/又は前記樹脂トラップ(205)及び/又は前記移行領域(204)が形成されるように、前記型(201)と前記型カバー(202)とが構成される、請求項1に記載のツール(200)。
  3. 前記キャビティ(203)に、前記樹脂導入接続部(207)が接続される、請求項1又は2に記載のツール(200)。
  4. 樹脂トランファ成形方法のためのシステム(300)であって、
    請求項1からのいずれか1項に記載のツール(200)と、
    前記圧力手段としてのポンプ(316)と、
    樹脂を貯蔵する貯蔵容器(312)と、を備え、
    前記ポンプ(316)は、前記圧力手段接続部(208)を介して、前記樹脂トラップ(205)に接続され、
    前記貯蔵容器(312)が、前記樹脂導入接続部(207)を介して、前記キャビティ(203)に接続される、システム。
  5. 制御装置(317)を、更に備え、
    前記制御装置(317)は、前記樹脂トラップ(205)の圧力を制御するように構成される、請求項に記載のシステム(300)。
  6. 前記制御装置(317)は、保圧段階で前記樹脂トラップ(205)の樹脂レベルを一定に保つように構成される、請求項に記載のシステム(300)。
  7. 前記制御装置(317)は、硬化段階で前記樹脂トラップ(205)の圧力を維持するように構成される、請求項又はに記載のシステム(300)。
  8. 樹脂トランファ成形方法のためのシステム(300)であって、
    請求項からのいずれか1項に記載のツール(400)と、
    前記圧力手段としてのポンプ(316)と、
    樹脂を貯蔵する貯蔵容器(312)と、を備え、
    前記ポンプ(316)は、前記圧力手段接続部(208)を介して、前記樹脂トラップ(405)に接続され、
    前記貯蔵容器(312)が、前記樹脂導入接続部(207)を介して、前記キャビティ(403)に接続され、
    制御要素を、更に備え、
    前記制御要素は、前記分離要素を制御するように構成される、システム(300)。
  9. 請求項1に記載のツール(200)のキャビティ(203)の内に構成材(209)を配置する工程と、
    前記ツール(200)の前記キャビティ(203)に樹脂を流し込む工程と、
    分離要素(206)を備える移行領域(204)によって、前記ツール(200)に内蔵され且つ前記キャビティ(203)に連通する樹脂トラップ(205)に樹脂を導入させるが前記樹脂トラップ(205)への樹脂の更なる進入が縮小されるか阻止されるように前記樹脂トラップ(205)内の圧力を調整する工程と、を含む樹脂トランスファ成形方法。
  10. 前記樹脂トラップ(205)内の圧力を調整する工程は、前記樹脂トラップ(205)の樹脂レベルを一定に保つように、前記樹脂トラップ(205)の圧力を増加させる工程である、請求項に記載の樹脂トランスファ成形方法。
  11. 硬化段階で前記樹脂トラップ(205)の圧力を維持する工程を、更に含む、請求項又は10に記載の樹脂トランスファ成形方法。
  12. 航空機工学において使用される構成材の製造のための、請求項1からのいずれか1項に記載のツールの使用。
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