JP5597134B2 - 被成形材の成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合部品の製造における被成形材を成形する方法に関する。

複合部品は、硬化の間に厚みが小さくなることがよく知られている。この過程は「デバルキング（圧縮化、減容化）」として知られており、抱き込んだ空気の放出がほぼ全ての原因である。一般的に、あらかじめ含浸させた積層材(通常「プリプレグ」で知られている)の厚みの減少はほぼ１０〜１５％程度であるが、乾燥した繊維複合材においては、この減少がより大きくなる。これは以下のいずれかの場合に重大な問題となり得る。
ａ）その部品が大きな厚みを有し（一般的に＞１０ｍｍ）、少なくとも部分的に平坦でない、または
ｂ）その部品が周囲の部材よりも十分に厚いパッドアップ(盛り上がり)領域を包含している。
複合材料の層から物品を形成する方法は、米国特許出願公開第２００２／００１２５９１号に記載されている。ツールと膜との相互間に不完全な真空を発生させている間、膜は成形ツールを超えて広げられている。膜はシリコーンゴムのようなエラストマー材から作られている。広げられた膜は、積層体を結合するように作用し、そして空気を取り除く。

米国特許出願公開第２００２／００１２５９１号明細書

この発明の第１の態様は、複合部品の製造における被成形材を成形する製造方法において、
雄型の上に、雄型の頂部の上に位置する第１の部位及び雄型の片側に突き出す第２の部位を有する被成形材と隔壁とを載置する工程と、
隔壁の全域に亘って圧力差を与え、圧力差を与える際に雄型を超えて隔壁を広げることにより、雄型の側部に被成形材の第２の部位を接触させて次第に変形させる工程と、を含み、
前記隔壁は、該隔壁の平面内で５ＭＰａ超の引張係数を有することを特徴とする方法を提供する。

好ましくは、隔壁の平面内における引張係数が、１００％、２００％、及び／又は３００％伸張において５ＭＰａ超である。

隔壁は、隔壁の平面内における引張係数が、６、７又は８ＭＰａ超である。好ましくは、引張係数は、１００％、２００％、及び／又は３００％伸張において６、７又は８ＭＰａ超である。

この発明の第２の態様は、複合部品の製造における被成形材を成形する製造方法において、
雄型の上に、雄型の頂部の上に位置する第１の部位及び雄型の片側に突き出す第２の部位を有する被成形材と、支持膜と、隔壁とを載置する工程であって、支持膜と隔壁は、被成形材の対向する側部に配置される工程と、
被成形材の第２の部位の重さを支持膜で支持する工程と、
隔壁の全域に亘って圧力差を与え、圧力差を与える際に雄型を超えて隔壁を広げることにより、雄型の側部に支持膜と被成形材の第２の部位を接触させて次第に変形させる工程と、を含み、
隔壁は、隔壁の平面内で、支持膜の平面内での剛性よりも大きい剛性を有することを特徴とする方法を提供する。

隔壁を、隔壁の平面内において比較的硬質とすると、圧力は雄型の曲率の大きい領域に集中するが、それは圧縮化の観点からは望ましいということが分かった。また、より優れた成形結果、すなわちしわをより少なくすることは、このような比較的硬質の隔壁を用いることによって得られるということも分かった。

この発明の第１の態様は、絶対的な意味での隔壁の剛性を定義しており、つまり材料の示強性（またバルク特性とも呼ばれる）、すなわち引張係数を定義している。この発明の第２の態様は、相対的な意味での隔壁の剛性を定義しており、つまり材料の示量性であって、これは
ｋ＝Ｐ／δ
によって定義される剛性ｋである。
ここでδは、引張力Ｐが与えられている状態でのたわみ距離である。

隔壁は、多層の隔壁または単層の隔壁を有する。多層の場合において、層の１つは比較的高い引張係数を有しており、そして他の層は比較的低い引張係数を有している。好ましくは少なくとも隔壁の一つが硬質である、すなわち隔壁の平面内における引張係数が、５、６、７又は８ＭＰａ超である。或いは、隔壁層の引張係数の合計が５、６、７又は８ＭＰａ超であってもよい。

通常、この方法は、さらに雄型から変形した被成形材を取りのぞき、そして雌型の上で被成形材を硬化することを含む。

通常、雄型の頂部と側部とは比較的大きな曲率、すなわち雄型の頂部又は側部よりも大きな曲率の凸状の角部でつながる。

通常、被成形材は、複合材料を含んでおり、これは層を積み重ねた形であってもよい。例えば、被成形材は、一軸の炭素繊維（各層が、実質上互いに引き揃えられた繊維の集まりを含んでいる）または交織された炭素繊維のいずれかで補強された樹脂で作られたプリプレグ材を含んでいても良い。しかしながら別の実施形態として、被成形材は、マトリックスを含浸して、成形工程の最中又は後で複合部品を形成する非複合構造であってもよい。例えば、被成形材は、成形の前に、表面にバインダーを適用して、減容化した乾燥繊維の予備成形体の製造を可能とした多軸の乾燥繊維を有する、型付けされていない繊維を含んでいても良い。その後、この乾燥繊維の予備成形体に、複合部品の製造に用いられるＲＩＦＴ（真空注入）又はＲＴＭ（射出）のような技術を使用して、液体樹脂を真空注入又は射出する。この真空注入／射出の工程は、被成形材を硬化温度に上昇させつつ、または別個の高温／低温サイクルにて、硬化ツール上で行ってもよい。もう一つの方法として、結合されていない乾燥繊維層を、樹脂フィルムの層と交互に配置し、樹脂フィルム注入（ＲＦＩ）積層体を形成する。被成形材がフォーミングの最中に加熱されると、樹脂フィルムは繊維層に流入し、そして浸透する。この種の材料は、いくつかの用途において好ましい。なぜならよりすばやく敷設されるからである。（通常プリプレグにおける１層あたり０．２ｍｍの厚さと比較して、１層あたり０．７５ｍｍの厚さである）ＲＦＩ複合部品の機械的特性は、プリプレグと比較すると機械的性能が劣るが、ＲＴＭのような液体樹脂技術と比較すると機械的性能が改善する。通常バルク係数は、プリプレグのものより高くなる。

下記に示す好ましい実施形態において、被成形材は飛行機の翼のスパー（桁部材）を形作るのに使われる。しかしながらこの発明は、他の様々な飛行機の部品（縦通材のようなもの）や、例えば船や自動車等に用いられる他の複合構造体の部品を形成することにも使うことができる。

雄型と一対のエッジバーの平面図である。 図１における線Ａ−Ａに沿う断面図である。 図２の部分拡大図である。 被成形材が形成された後の雄型を貫く断面図である。 雌型を貫く断面図である。 他のフォーミング組立体の断面図である。 さらに他のフォーミング組立体の断面図である。

以下にこの発明の具体例を、添付図を参照しながら説明する。
図１は、飛行機の断面Ｃ字状のスパーを形成するのに使用される、雄型の成形減容化ツール２と、一対のエッジバー３である。図２は、図１の線Ａ−Ａに沿う断面図である。図２に示すように、ツール２とエッジバー３はテーブル１に取り付けられている。

最初の工程として、複合プリプレグの平坦なシートが、テープ敷設装置または他の自動機によって平坦なテーブル（図示しない）上に形成される。その後、所望の形状の平坦なプリプレグ被成形材１２が、平坦なシートから切取られる。プリプレグ被成形材１２は、種々の適合する複合材料から形成されることは理解されよう。好ましい実施形態として、被成形材は一軸の炭素繊維、例えばＨｅｘｃｅｌ社（ｗｗｗ．ｈｅｘｃｅｌ．ｃｏｍ）によって供給されるＴ７００／Ｍ２１によって強化されたエポキシ樹脂によって形成される。

図３を参照して、Ｖａｃｆｉｌｍ４３０からなる可撓性支持膜８が、ツール２とエッジバー３を覆っており、細長いテープ７によりエッジバー３に固定されている。Ｖａｃｆｉｌｍ４３０は、高伸縮性のエラストマー系の袋状のフィルムであり、Ａｅｒｏｖａｃ Ｓｙｓｔｅｍ社（ｗｗｗ．ａｅｒｏｖａｃ．ｃｏｍ）から入手できる。このフィルムは、１００％伸張にて比較的低い引張係数となる７００ｐｓｉ（４．８ＭＰａ）を有している。これはフィルムの平面内において、このフィルムが引張力を受ける場合に、引張ひずみに引張応力の対する比で定義されるものであり、１００％伸張する場合の比である。

被成形材１２は、フッ化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）剥離フィルムである２つのレイヤー（層）９、１０で包まれており、図２、３に示すように載置されている。被成形材は、雄型の頂部の上に載置される中央部材１２ａと、雄型において互いに反対方向に突き出した横部材１２ｂ、１３ｂとを備えている。

当て板１１は被成形材の上部に載置されており、２つの隔壁層４、６は組立体を覆っている。当て板１１は任意に用いられるものであって、省略してもよいことに留意されたい。隔壁の第１の層は、組立体を覆うとともに帯状のテープ５によりテーブル１に固定されるＷｒｉｇｈｔｌｏｎ（登録商標）ＷＬ７４００のレイヤー（層）６である。Ｗｒｉｇｈｔｌｏｎ（登録商標）ＷＬ７４００のフィルムは、米国カリフォルニア州ハンティントンビーチのＡｉｒｔｅｃｈ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｇｒｏｕｐから入手できる。隔壁層６は、支持膜８よりも高い引張係数を有している。さらに、隔壁層６の平面内におけるこの隔壁層６の引張剛性（引張係数に関係する）は、支持膜８の平面内におけるこの支持膜８の引張剛性よりも高くなっている。隔壁の第２の層は、組立体を覆うとともに丈夫な鉄製のフレームによってテーブル１に固定される、低い剛性のレイヤー（層）４である。第２の隔壁層４は、種々の適合する複合材料から形成することができる。好ましい実施形態として、隔壁層４はＭｏｓｉｔｅ１４５３Ｄ（高い強度を有するシリコーンゴムであって、テキサス州フォートワースのＭｏｓｉｔｅ Ｒｕｂｂｅｒ社で製造される）から作られる。このシリコーンゴムは、３００％伸張にて６００ｐｓｉ（４．１ＭＰａ）の引張係数を有している。

隔壁層６は、１層の材料からなるものとして説明したが、代わりにＷＬ７４００のフィルムの多数の層を含んでもよいことに留意されたい。

圧力は、テーブル１に設けた図示しない小さな孔の配列を経由する真空吸引によって組立体に与えられる。これらの孔は、テーブルの全体にわたり分布しており、組立体全体が吸引される。言い換えると、支持膜８とテーブル１の間の空洞が吸引され、支持膜８と２つのレイヤー（層）の隔壁４、６の間の空洞が吸引され、隔壁層４と６の間の空洞が吸引される。

図４に示すように、雄型１２とエッジバー１３の間の溝１７、１８を橋渡すことによって、隔壁は雄型を越えて広げられ、それにより圧力差が隔壁を溝に引き込む。隔壁は溝１７、１８の中に引き込まれるので、図４に示すように、溝は被成形材の横部材１２ｂ、１２ｃを雄型の両側部に接触させて次第に変形させる。成形は８５℃〜９５℃（好ましくは９０℃）の高温Ｔ１、または４５℃の低温で行われる。目的を明確にするために、図４には低い剛性の隔壁層４、取り外しフィルム９、１０、当て板１１、フィルム８を示していないことに留意されたい。

熱は、オーブン（炉）、赤外線発熱体、または他の別の手段によって与えられる。任意に追加的な減容化圧力を、オートクレーブ（高温高圧密閉容器）の中に組立体を載置し、隔壁の外側に１ｂａｒよりも高い圧力を与えることによって供給してもよい。

支持膜８は、成形及び減容温度Ｔ１に近づくにつれて、被成形材の側部１２ｂ、１２ｃの重さを支えるので、加工しわとなり得る自己成形の傾向が回避されるまた支持膜８は、スパーのフランジが単にカテナリー（懸垂線）を形成することを確保する。そうでなければしわとなる原因となる。

硬質の隔壁層６と支持膜８は張力を付与した状態で被成形材１２に載置されるので、雄型の傾斜または他の複雑な形状が被成形材に容易に形成される。隔壁層４、６は、真空が適用される前の垂れ下がりが最小となるように、張力を付与したままであることに留意されたい。

隔壁の全域に亘る圧力差が、被成形材１２の全ての部分に均一な静水圧を与える。成形ツールとエッジバー３の間の溝を越える隔壁の橋渡しが、この隔壁を引き伸ばし、雄型の凸状の角に係合する際に、被成形材に対応する隔壁の平面内に、引張力を与える。したがって、被成形材に加わる圧力は、この被成形材の表面にわたり、ツール２の頂部と側部における凸部が少なくほぼ平坦な表面領域に係合する場合の純粋な静水圧（最大で大気圧まで、またはオートクレーブが使われる場合は大気圧を超えて）と、高曲率の凸状の角における静水圧を加えた引張圧力からなる増大圧との間で変化する。

被成形材の減容化は、圧力と温度上昇によって引き起こされる。また減容化は、被成形材の横部材１２ｂ、１２ｃを次第に下方へ移動させる隔壁の動きに補助され、そして被成形材の外部へ余分な空気を搾り出す。

図４は、実線で圧縮化する前の輪郭を示しており、破線で減容化後の輪郭を示している。減容化工程は、減容化前の厚み７０から減容化後の厚み７１に変化して厚みを減少させる。厚みは、被成形材の非平坦及び平坦な領域の両方とも同じような量で減っていることに留意されたい。一例として厚み７０は約３４ｍｍであり、厚み７１は約３０ｍｍである。

減容化の後、変形した被成形材１２を、図５に示す雌型の硬化ツール８０に移動し、関係する消耗品を被成形材１２のＩＭＬに塗布する。その後、ツール８０は、被成形材１２の硬化のためにほぼ１８０℃の硬化温度Ｔ２に加熱するとともに、７〜１２ｂａｒの圧力をかけたオートクレーブ内に載置される。

雌型の硬化ツール８０上の被成形材は、最終的な厚みとなっており、これは被成形材のＩＭＬ表面は硬化に移す必要がないことを意味している。それゆえ、非成形材がツール８０の出っ張った角の表面８１、８２と係合する非平坦領域において、被成形材の厚みは変わらないままである。

別の工程において、図５に示す雌型８０上の被成形材を硬化する代わりに、被成形材は形を形成し減容化するのに用いられる雄型２上で硬化してもよい。この場合、幾何学的に許容範囲に収める機械加工のために、被成形材の外形線（ＯＭＬ）に犠牲層を加えても良い。熱減容化工程は、雄型で硬化されるスパーの厚みを調整し、そしてそれゆえに部材のばらつきを抑制し、必要とされる犠牲層の厚み（または層数）が最小化される。

図６に、別のフォーミング及び減容化組立体を示す。これは図１〜３の組立体と似ており、類似する機能部には、同じ参照番号が与えられている。しかしながら低い剛性の隔壁層４と当て板１１が省略されており、硬い隔壁層６の下に通気レイヤー（層）２０が設けられていることに留意されたい。また図１〜３に示す三角形のエッジバー３に代えて長方形のスイーパーブロック３ａが設けられていることにも留意されたい。

図７に、さらに別の成形及び減容化組立体を示す。これは図６の組立体と似ており、類似する機能部には、同じ参照番号が与えられている。図７と対比して、当て板１１を含むことに留意されたい。

図１を参照して、ツール２は、大きな曲率半径（１００ｍ程度の）となる曲線端部を備える。プリプレグの各層は、一方向に延びる炭素繊維の配列を含んでいる。いくつかのプリプレグは、スパーの根元１５と先端１６の間の翼幅方向にのびる繊維を敷設している。これらは翼幅方向に０°で整列しているので、従来どおり「ゼロファイバー」と呼ばれる。他は、翼幅方向と直角をなす翼弦方向に延びる繊維を敷設している。他は、翼幅方向と＋／−４５°の角度で敷設している。従来の組立体において、しわは図１に示す線１４に沿って形成される傾向がある。この形成は、ゼロファイバーの原因であると考えられている。

驚くべきことに、比較的硬質の隔壁層６の使用によって、このしわが形成されにくいことが見出されている。また隔壁６の剛性を変化させて試験が行われており、剛性が高いほど、雄型２の凸状の角に適合する圧力が高いことが見出されている。凸状の角における力の集中は、成形と減容化の両方にとって望ましい。

低い剛性の隔壁層４は、繰り返しの周期に対しても回復するので、多くの形成周期に再使用可能である。対照的に、高い剛性の隔壁６は、積層をより強化するため、頻繁に取り替える必要がある。

本発明を一つまたはそれ以上の好適な実施形態につき上記に説明したが、当然のことながら、添付の特許請求の範囲に定義した本発明の範囲を逸脱することなく様々な改変および変更を加えることができる。

Claims (11)

1. 複合部品の製造における被成形材を成形する製造方法において、
   雄型の上に、前記雄型の頂部の上に位置する第１の部位及び該雄型の片側に突き出す第２の部位とを有する被成形材と、支持膜と、隔壁とを載置する工程であって、前記支持膜と隔壁は、前記被成形材の対向する側部に配置される工程と、
   前記被成形材の第２の部位の重さを前記支持膜で支持する工程と、
   前記隔壁の全域に亘って圧力差を与え、前記圧力差を与える際に前記雄型を超えて前記隔壁を広げることにより、前記雄型の側部に前記支持膜と前記被成形材の第２の部位を接触させて次第に変形させる工程と、を含み、
   前記隔壁は、該隔壁の平面内で、前記支持膜の平面内での剛性よりも大きい剛性を有することを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、前記被成形材は、複合材料の積層を有する、方法。
3. 請求項２に記載の方法において、各々の層は、実質上互いに引き揃えられた繊維の集まりを有する、方法。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の方法において、前記隔壁は、前記雄型に隣接する溝を橋渡すことによって前記雄型を超えて広げられ、前記圧力差は、溝に隔壁を引き込む、方法。
5. 請求項１〜４の何れかに記載の方法において、さらに前記雄型から前記変形した被成形材を取りのぞき、そして雌型の上で前記被成形材を硬化すること、
   を含む、方法。
6. 請求項１〜５の何れかに記載の方法において、前記雄型の頂部は、該頂部よりも大きな曲率の凸状の角で前記雄型の側部と合わさる、方法。
7. 請求項１〜６の何れかに記載の方法において、前記複合部品は、飛行機の部品である、方法。
8. 請求項１〜７の何れかに記載の方法において、前記隔壁は、該隔壁の平面内で６ＭＰａ超の引張係数を有する、方法。
9. 請求項１〜８の何れかに記載の方法において、前記隔壁は、該隔壁の平面内で７ＭＰａ超の引張係数を有する、方法。
10. 請求項１〜９の何れかに記載の方法において、前記隔壁は、該隔壁の平面内で８ＭＰａ超の引張係数を有する、方法。
11. 請求項１〜１０の何れかに記載の方法において、前記隔壁は、多層の隔壁である、方法。

Images