JP5634408B2 - 樹脂トランスファー成形のための定圧注入法 - Google Patents

Description

本開示の態様は、樹脂注入法、そしてとりわけ真空圧加工を使用する繊維強化複合体の加工のための樹脂注入法に関する。

関連技術の説明
繊維強化ポリマーマトリックスの複合体（ＰＭＣ）は、攻撃的な環境に対する抵抗、高い強度および／または低い重量を要求する適用物に一般に使用される、高性能の構造材料である。このような適用物の例は、航空機の構成部品（例えば、尾翼、主翼、胴体、プロペラ）、船体および自転車のフレームを含む。ＰＭＣはポリマー樹脂のようなマトリックス材料と一緒に接着された繊維の層を含んでなる。繊維はマトリックスを強化し、複合体により支えられる大部分の荷重を担持し、他方マトリックスは、複合体により支えられる荷重の僅かな部分を担持し、更に破断された繊維からの荷重を正常な繊維に移す。この方法で、ＰＭＣは、マトリックスまたは繊維のいずれかが単独で支えることができるよりも大きな荷重を支えることができる。更に、複合体は、強化繊維を特定の幾何学構造または配向に適合させることにより、重量および体積を効率的に最少にするようにさせることができる。

ＰＭＣの製造のために多数の方法が開発されてきた。例は湿式レイアップ法、プレプレグ法および液体注入法を含むことができる。湿式レイアップ法においては、強化繊維をマトリックス材料で湿らせ、型穴中に入れ、そして固めるまたは硬化させる。この方法は、乾燥繊維のロールを受け、それらに樹脂の浸漬浴を通過させ、そして金型中に湿った繊維を入れる、チョッパーガンまたは機械によるように自動化方式で実施することができる。あるいはまた、樹脂はブラシを使用して手動で適用することができる。

プレプレグ法においては、複合体の部品を前以て含浸された織り布またはプレプレグで加工する。強化繊維を、制御された方法でマトリックス樹脂で含浸し、樹脂の重合を防止するために凍結する。次に凍結したプレプレグを発送し、必要になるまで凍結状態で保存する。プレプレグから複合体の部品を製造する時は、プレプレグを室温に融解し、サイズに切断し、そして型穴に入れる。一旦所定位置に置かれると、プレプレグを真空バッグに封入し、圧力下で硬化させて、最少のボイドをもつ必要な繊維体積分率を達成する。

液体注入加工法においては、強化繊維を乾燥状態で型穴または網状工具のための他の機構内に入れ、マトリックス樹脂で湿らせ、そして硬化させる。液体注入加工法は、高圧および低圧樹脂トランスファー成形（ＲＴＭ）、樹脂フィルム注入（ＲＦＩ）、真空補助樹脂トランスファー成形（ＶＡＲＴＭ）、引き抜き成形、ハイパーＶＡＲＴＭ、Ｓｅｅｍａｎ複合体樹脂注入成形法（ＳＣＲＩＭＰ^（Ｒ））、反応射出成形（ＲＩＭ）または同一品質樹脂トランスファー成形（ＳＱＵＩＲＴＭ）を含む様々な方法により達成することができる。

しかし、これらの方法はそれぞれ問題をもつ可能性がある。湿式レイアップ加工法は比較的安価ではあるが、典型的には、低い繊維体積分率および高い多孔度を有する複合体を生成し、それが、そのように製造された複合体の全体的強度および品質を低下させる。それに対して、プレプレグ法による複合体の加工は、より高い繊維体積分率および減少したボイド含量を達成することができるが、プレプレグを加工する経費はずっと高い。更に、凍結プレプレグの棚寿命は凍結状態においても継続した重合のために制約され、かつ取り扱いは注意深く制御しなければならない。注入法および、ＲＴＭのような他の閉じた成形
法による複合体の加工もまた、必要な工具および液体射出システムを得て、維持するための高い経費のために、高価である。

当該技術分野には、材料を製造するための経費を低下させながら、製造される複合体の強度および品質を高めると思われる、高い繊維体積分率および低い多孔度を有すると思われる複合体並びにこれらの材料を加工するための方法および装置の需要が存在する。

図１Ａは、樹脂注入前の、樹脂注入法期間中の繊維プレフォーム内の圧力のスキーム図である。 図１Ｂは、圧力勾配が形成された後の、樹脂注入法期間中の繊維プレフォーム内の圧力のスキーム図である。 図１Ｃは、樹脂が繊維のプレフォームの排気（ｅｖａｃｕａｔｅｄ）領域中に引き入れられる時の樹脂注入法期間中の繊維プレフォーム内の圧力のスキーム図である。 図１Ｄは、樹脂が繊維プレフォームの排気領域の少なくとも一部を充填した後の、繊維プレフォーム内の圧力のスキーム図である。 図２Ａは、本開示の樹脂注入システムの一つの態様のスキーム図である。 図２Ｂは、複数の樹脂レザボアを有する本開示の樹脂注入システムの他の態様のスキーム図である。 図２Ｃは、支持補剛材を含んでなる本開示の樹脂注入システムの他の態様のスキーム図である。 図２Ｄは、外部弁を含んでなる本開示の樹脂注入システムの他の態様のスキーム図である。

詳細な説明
本発明の一つの態様、本明細書で考察される定圧注入法（ＣＰＩ ＶａＲＴＭ）は、堅牢で、反復可能で、予測可能で、そして制御された複合体の製法を提供する、内部圧の勾配により起る可能性があるポリマーマトリックス複合体の特性の偏差を実質的に減少させることができる。一つ態様において、マトリックスの注入または硬化期間中に繊維プレフォーム上に形成するまたは存在する圧力勾配の見込みを妨げることができる。これは、常に、マトリックス注入法の期間中の排気容積の可能な変化を防止することができる最高の達成可能なプレフォームの圧縮をもたらす。この方法により、伝統的なプレプレグから製造され、オートクレーブ内で硬化されたものを達成するまたはそれを超える複合ラミネートが定常的に得られる。更に、ＣＰＩ ＶＡＲＴＭ法の態様は、樹脂レザボアおよび連絡する供給ライン／バッグ封入スキーム中への流れしぼり装置（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｏｒ）を含むこと以外の、どんな更なる装置をも必要としない。

更に、本発明の態様はまた、著しく簡略化された注入法を可能にする。これは部品のバッグ封入材内の樹脂供給源の位置により達成され、外部の配管または樹脂供給源を使用する必要を減少するか、または実質的に排除する。これは、オーブン中につぎ込まれて形成
される部品における最適な充填を可能にし、それが、一つのオーブン運転からより多くの部品を生成させることができるので、複合体生産の経費を著しく低下させる。

本明細書で使用されるような用語「およそ」、「約」および「実質的に」は、所望される機能をまだ実施する、または所望される結果を達成する、記載量に近似の量を表す。例えば、用語「およそ」、「約」および「実質的に」は、記載量の１０％未満内、５％未満内、１％未満内、０．１％未満内そして０．０１％未満内の量を表すことができる。

本明細書に使用されるような用語「プレプレグ」は前記のような当業者に知られているその通常の意味をもつ。プレプレグはそれらの体積の少なくとも一部をマトリックス材料で含浸された繊維のシートまたはラミナを含むことができる。マトリックスは部分的に硬化された状態で存在することができる。一つの態様において、プレプレグはプレプレグの総体積に基づいて約０．１〜約１．５容量％間の多孔度を有する。

本明細書で使用される用語「硬化させる（ｃｕｒｅ）」および「硬化（ｃｕｒｉｎｇ）」は当業者に知られているその通常の意味をもち、そして重合および／または架橋過程を含むことができる。硬化は、それらに限定はされないが、加熱、紫外線に対する曝露および放射線に対する曝露を含む方法により実施することができる。特定の態様において、硬化はマトリックス内で起ることができる。マトリックスは更に、硬化の前に、およそ室温において液体、半固体、結晶質固体である一種または複数の化合物、およびそれらの組み合わせ物を含んでなることができる。特定の態様において、注入および硬化を一工程で実施することができる。

本明細書で使用される用語「マトリックス」、「樹脂」および「マトリックス樹脂」は当業者に知られたそれらの通常の意味をもち、そして熱硬化性および／または熱可塑性材料を含んでなる一種または複数の化合物を含むことができる。例は、それらに限定はされないが、エポキシ化合物、エポキシ硬化剤、フェノール化合物、フェノール、シアネート、イミド（例えば、ポリイミド、ビスマレイミド（ＢＭＩ）、ポリエーテルイミド）、ポリエステル、ベンゾキサジン、ポリベンズイミダゾール、ポリベンゾチアゾール、ポリアミド、ポリアミドイミド、ポリスルホン、ポリエーテル・スルホン、ポリカーボネート、ポリエチレン・テレフタレート、およびポリエーテルケトン（例えば、ポリエーテルケトン（ＰＥＫ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリエーテルケトンケトン（ＰＥＫＫ）等）、それらの組み合わせ物およびそれらの前駆体を含むことができる。一つの態様において、樹脂は単品のエポキシ樹脂系である。他の態様において、樹脂は低粘度の単品のエポキシ樹脂である。他の態様において、樹脂は室温で非常に高い粘度をもつが、高温では低い粘度および長いポット寿命をもつ。この場合、樹脂の高粘度が、室温におけるプレフォーム中への樹脂の流入を妨げることができる。従って、工程の期間中、樹脂は、低粘度に樹脂を溶融し、樹脂をプレフォーム中に流入させると考えられる温度に加熱することができる。高粘度の樹脂は外界温度で約３０００ｃｐ〜約２００００ｃｐの粘度をもち、高粘度の樹脂は３０〜１２５℃で約５０ｃｐ〜約５００ｃｐの粘度をもつことができる。他の態様において、樹脂は室温で低粘度をもつ。低粘度の樹脂は外界温度で約５０ｃｐ〜約７００ｃｐの粘度をもつことができる。一つの態様において、複合体のマトリックス含量は複合体の体積に基づいて約３０〜７０容量％である。

本明細書で使用される用語「注入（ｉｎｆｕｓｉｎｇ）」は当業者に知られたその通常の意味をもち、そしてプレフォーム中への樹脂の導入を含むことができる。一つの態様において、樹脂を注入する工程は、真空圧によりプレフォーム中に樹脂を機械的に押し込む工程を含むことができる。他の態様において、注入する工程は、樹脂レザボアに熱および外圧の一種または複数を適用する工程により起ることができる。熱または圧力の適用は、レザボアからプレフォームへの樹脂の通過を促進する。一つの態様において、注入は約４
０〜約１２０℃間で起る。他の態様において、注入はほぼ外界温度で起る。

本明細書で使用される用語「レザボア」は当業者に知られたその通常の意味をもち、そして折りたためる（ｃｏｌｌａｐｓｉｂｌｅ）レザボア（例えば、折りたためる膜または他の柔軟なレザボア）、あるいはピストン駆動レザボアを含むことができる。他の態様において、レザボアは、樹脂ブリードシステムをもつ、折りたためる標準注入バッグ封入組織の一部である。本明細書で考察される方法および装置は一種または複数の樹脂レザボアを含むことができる。複数の樹脂レザボアは、適当な樹脂を送達し、そしてプレフォームに完全に注入するために、直列または並列のように一種または複数のプレフォームと連結するか、あるいはまたは一緒にデイジーチェーン連結することができる。

本発明の一つの態様において、樹脂供給システムは、注入されるプレフォームと同じ真空状態に維持される、折りたためる樹脂バッグまたはレザボアよりなる。更に、樹脂のレザボアは典型的には、注入されるプレフォームと同一バッグ内に入れられる。該方法は、プレフォームが先行技術により網羅される、多数の以前に記載の方法により充填される点で、従来の方法に従う。本発明の一つの態様は、制御された、または制御されない外部の樹脂供給源を利用せず、その代わりに樹脂レザボアが真空バッグ下でレザボア上に適用される大気圧に抵抗することができない事実に頼る内部供給源を利用する。このシステムは全過程を通してプレフォームを完全に圧縮させ、一気圧下に維持させる。一つの態様において、樹脂供給レザボアもまた同様な一気圧下に維持されるが、真空が適用されたとき樹脂が排気空間を充填することはできない。

樹脂の流れは幾つかの方法により停止することができる。例えば一つ態様では、使用される樹脂は室温では高粘度で流動が妨げられ、注入工程中に加熱されると溶融するか低粘度となる。他の態様では樹脂レザボアとプリフォームの間の流れしぼり装置を使用することもでき、これは熱もしくは外的影響のいずれかで活性化される。流れしぼり装置は、例えば外部弁として、樹脂レザボアとプリフォームの間の供給ラインに設置することもでき、閉じたときに樹脂がプリフォームに流れるのを止めることができる。

他の態様において、樹脂は真空の適用直後にプレフォーム中への注入を開始するが、他の態様においては、樹脂の流れは、プレフォームが完成し、圧縮され、注入の準備ができた後に開始する。

本明細書で使用される用語「流体連絡」は当業者に知られたその通常の意味を持ち、そしてレザボアからプレフォームの供給ラインに連結された供給ラインのような構造物に関連することができる。一つの態様において、レザボアからプレフォームに通過する樹脂の速度は１０ｍｌ／分〜１０００ｍｌ／分の間である。

本明細書で使用される用語「プレフォーム」または「繊維プレフォーム」は当業者に知られたその通常の意味を持ち、そして樹脂を受け入れる準備ができている、単方向性繊維および織り布のような繊維のアセンブリを含むことができる。本明細書で考察される方法および装置は一種または複数のプレフォームを含むことができる。

本明細書で使用される用語「真空」または「真空圧」は当業者に知られたその通常の意味を持ち、そして１気圧以下の真空圧を含むことができる。注入段階中は、注入段階の長さにわたり、実質的に同一真空圧を適用することができる。一つの態様において、真空の量は約０〜１ａｔｍである。他の態様において、加圧セル、例えばオートクレーブによるような、二次的手段により、更なる圧力を付加することができる。１ａｔｍ、０．９ａｔｍ、０．８ａｔｍ、０．７ａｔｍ、０．６ａｔｍ、０．５ａｔｍ、０．４ａｔｍ、０．３ａｔｍ、０．２ａｔｍ、０．１ａｔｍの真空圧も想定される。一つの態様において、注入
段階中、プレフォーム中に実質的に何の圧力勾配も形成されない。一つの態様においては、該方法は、それらに限定はされないが、繊維強化複合体を製造するための真空のみの樹脂注入法に関する。一つの態様においては、真空圧は全注入および硬化サイクルにわたり、全乾燥繊維プレフォームに対して完全に維持される。

本明細書で使用される用語「閉鎖容器（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）」または「真空バッグ」は当業者に知られたその通常の意味を持ち、そして注入または硬化段階中、レザボアおよびプレフォームの実質的に同一の真空圧を維持することができるあらゆる密閉容器または真空バッグを含むことができる。一つの態様において、密閉容器または真空バッグはプレフォームを圧縮する。例えば、一つの態様において、密閉容器の少なくとも一部は、真空圧を受けると、プレフォームの形状に実質的に適合する。他の態様において、密閉容器または真空バッグはプラスチックバッグのような、ポリエチレン、ポリウレタン、ラテックス、シリコーンおよびビニルの少なくとも一つを含んでなる。他の態様において、密閉容器または真空バッグは真空の膜を確立するためにプレフォームのすべてまたは一部を覆う半硬質材を含んでなる。

一つの態様において、プレフォームおよび樹脂のレザボアは同一密閉容器または真空バッグ内にある。本明細書で考察される方法および装置は一個または複数の密閉容器または真空バッグを含むことができる。他の態様においては、プレフォームおよび樹脂のレザボアは別の密閉容器または真空バッグ内にある。

一つの態様において、レザボアが枯渇して、プレフォームが充填され、そして次に構成部品の一部が硬化されて完成することができる。部品を硬化後、それは超音波法で非破壊的に検査され、厚さ、繊維体積およびボイド含量の少なくとも一つを測定することができる。一つの態様において、部品はその中に取り入れられた一個または複数の補剛部材を含んでなる。部品は硬化法中、補剛材を支持するために浮き板（ｆｌｏａｔｉｎｇ ｃａｕｌ）で固定することができる。構成部品は好ましくは、最少の偏差を伴って、航空機の条件を充たす。

本明細書で使用される用語「複合体」はそれぞれ、前記のような、当業者に知られたその通常の意味を持ち、そしてラミネートおよびポリマーマトリックスの複合体を含む。一つの態様において、複合体は、少なくとも５５％の繊維含量、そして他の態様においては、複合体の総体積に基づいて、６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上または８０％以上の繊維含量を有する。一つの態様において、複合体は複合体の総体積に基づいて約０．１〜１．５容量％の間の多孔度を有する。該方法はオートクレーブ中で製造される従来の複合体を充たすまたはそれを超える高い繊維体積および低いボイド含量を有する複合体をもたらすことができる。得られる複合体は、それらに限定はされないが、航空機の適用物を含む適用物に使用することができる。

本明細書で使用される用語「繊維体積分率」は、当業者に知られたその通常の意味を持ち、そして総複合体体積の繊維体積の百分率に基づいた、複合体中の繊維の量を含む。幾つかの態様において、複合体の繊維の体積分率は、同一成分を含むが、レザボアおよびプレフォームが注入段階中、実質的に同一真空圧下には維持されない方法により生成された複合体の繊維体積分率より大きい。複合体中に使用される繊維または織物の種類は繊維体積分率の計算に影響を与え、従って、幾つかの態様において、本明細書に開示される方法により製造される複合体の繊維体積分率と、従来の方法により製造される複合体の繊維体積分率との比較には、同一の繊維または織物が使用される。他の態様において、本明細書に記載の方法は、従来のＶＡＲＴＭ法、例えば、レザボアおよびプレフォームが注入段階中に実質的に同一の真空圧下では維持されない方法を使用して達成される繊維体積分率より、１％以上、例えば２％以上、３％以上、４％以上、５％以上、６％以上、７％以上、
８％以上、９％以上または１０％以上、例えば約３〜５％以上である、複合体の繊維体積分率を達成する。更なる態様において、繊維体積分率は、５８容量％以上、５９容量％以上、６０容量％以上、６１容量％以上、６２容量％以上、６３容量％以上、６４容量％以上または６５容量％以上を含む５８容量％以上である。

本明細書で使用される用語「厚さ」は、当業者に知られたその通常の意味を持ち、そして複合体を含んでなる一枚または複数のプライそれぞれの厚さを含む。幾つかの態様において、一枚または複数のプライは実質的に均一な厚さをもち、例えばその厚さは各プライの全面積にわたり実質的に変動しない。幾つかの態様において、各プライの面積上に約３％以下、２．５％以下、２％以下、１．５％以下、１％以下または０．５％以下の偏差がある。プライはブランケットと呼ぶことができる厚いプライを含むことができる。

本明細書に記載される方法は、更なる段階を含むことができる。例えば、注入段階の前またはその期間中でも、プレフォームを圧縮および嵩の縮小にかけることができる。一つの態様において、圧縮圧は注入段階の期間を通して実質的に一定である。一般に、注入段階中の圧縮圧は従来の方法より大きい、すなわち、そこでは樹脂のレザボアおよびプレフォームは実質的に同一の真空圧下にはない。

本明細書に記載の方法は更に、注入段階の前に、樹脂の少なくとも一部を加熱する工程を含んでなることができる。一つの態様においては、プレフォーム中に樹脂レザボアを含む全アセンブリをオーブン中に入れ、樹脂を低粘度に融解し、樹脂をプレフォーム中に流入させる温度に加熱することができる。

本明細書で使用される用語「少なくとも一部」は、全体を含むことができる、全体の量を含んでなる全体の量を表す。例えば、用語「少なくとも一部」は全体の０．０１％を超える、０．１％を超える、１％を超える、１０％を超える、２０％を超える、３０％を超える、４０％を超える、５０％を超える、６０％を超える、７０％を超える、８０％を超える、９０％を超える、９５％を超える、９９％を超える量、そして１００％の量を表すことができる。

本明細書で使用されるような用語「室温」または「外界温度」は当業者に知られているその通常の意味をもち、そして約１６℃（６０°Ｆ）〜３２℃（９０°Ｆ）の範囲内の温度を含むことができる。本明細書で使用されるような用語「繊維」は当業者に知られているその通常の意味をもち、そして複合物の強化のために適合された一種または複数の繊維材料を含むことができる。繊維は粒子、薄片、ウィスカー、短繊維、連続繊維、シート、プライ（ｐｌｉｅｓ）およびそれらの組み合わせ物のいずれかの形状を採ることができる。連続繊維は更に、単方向性、多ディメンションをもつ（例えば、二次元または三次元の）、不織物、織物、編み物、ステッチ物、巻き付け物および組みひも構造物、並びに渦巻きマット、フェルトマットおよび細断マット構造物のいずれかを採ることができる。織物繊維構造物は約１０００本未満、３０００本未満、約６０００本未満、約１２０００本未満、約２４０００本未満、約４８０００本未満、約５６０００本未満、そして約１２５０００本未満及び１２５０００本以上のフィラメントをもつ複数の、織物の単線（ｔｏｗ）を含むことができる。更なる態様においては、単線は交差ステッチ、横糸挿入編みステッチまたは、サイジングのような少量の樹脂により所定位置に保持することができる。

繊維の組成は必要に応じて様々であることができる。繊維組成物の態様は、それらに限定はされないが、ガラス、炭素、アラミド、石英、ポリエチレン、ポリエステル、ポリ−ｐ−フェニレン−ベンゾビスオキサゾール（ＰＢＯ）、ホウ素、ケイ素カーバイド、ポリアミド、炭素、および黒鉛、並びにそれらの組み合わせ物を含むことができる。一つの態様においては、繊維は炭素、ガラス繊維、アラミドまたは他の熱可塑性材料である。強化
繊維は有機または無機であることができる。更に、繊維は連続的または非連続的いずれかの形状のものを含む織物構造物を含むことができる。

本明細書で使用される用語「レイアップ」は当業者に知られているその通常の意味をもち、そして相互に隣接して配置される一種または複数のプレプレグを含むことができる。特定の態様においては、レイアップ内のプレプレグは相互に対して特定の配向で配置することができる。更なる態様においては、プレプレグは、場合により、特定の配向からのそれらの相対的移動を防止するために、縫い糸材料で一緒に縫い合わせることができる。更なる態様においては、「レイアップ」は完全含浸プレプレグ、一部含浸プレプレグおよび本明細書で考察された穴明きプレプレグのあらゆる組み合わせ物を含んでなることができる。レイアップは、それらに限定はされないが、手動レイアップ、自動化テープレイアップ（ＡＴＬ）、早期（ａｄｖａｎｃｅｄ）繊維配置（ＡＦＰ）およびフィラメント巻き付けを含むことができる方法により製造することができる。

本明細書で使用される用語「強固化（ｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎ）」は当業者に知られているその通常の意味をもち、そして従って、その中に、樹脂またはマトリックス材料がその内部および繊維に隣接した空隙を除くように流入する過程を含む。例えば、「強固化」は、それらに限定はされないが、繊維およびプレプレグの間およびそれらの内部の空隙中、または穴等へのマトリックスの流入を含むことができる。「強固化」は更に、熱、真空および適用圧力の一種または複数の作用下で起ることができる。

本明細書で使用される用語「液体注入処理」は当業者に知られているその通常の意味をもち、そして従来の液体注入処理を含むことができる。液体注入法は、それにより強化繊維が、最初に乾燥状態で、型穴、ダイヘッドまたはネット形態の工具のいずれかの他の手段中に入れられ、次に樹脂様マトリックスで湿らされ、次に硬化されるあらゆる方法を含むことができる。この方法はＲＴＭ、ＲＦＩ、ＶＡＲＴＭ、ＲＴＭ Ｌｉｇｈｔ、引き抜き成形、Ｈｙｐｅｒ ＶＡＲＴＭ、ＳＣＲＩＭＰ、ＲＩＭ、ＳＱＵＩＲＴＭおよび、液体注入法のバリエーションである一群の他の方法を含む、多数の異なる処理法により達成することができる。これらの従来の方法はそれぞれ、利点および欠点を有する。大部分の方法間の主要な相異は工具の精度および価格に関する。

従来のＲＴＭおよび閉じた成形法については、工具の獲得および維持が高価であるが、工具はその方法の最も中心的な部分である。その機構が、部品の最終的形状および表面制御を決定し、更に樹脂がいかに充填しそしてその中に封入された乾燥繊維を湿らせるかを決定する際に積極的な役割を果たす。従来は、工具が管理不可能になるために、これらの閉じた成形法により製造される部品のサイズおよび形状には制約がある。工具に加えて、プレスおよび圧入機のような、温度および高圧で樹脂を圧入するために必要な従来の装置はまた、購入および維持するのに非常に高価である可能性がある。より安価な工具を利用し、樹脂圧入システムを排除する閉じた成形法内に幾らかのバリエーションがあるが、それらは一般に、他の液体注入法より高価である。しかし、これらの方法は一般に、航空機等級のラミネートに必要な高い繊維体積および最少のボイドをもたらす。

液体注入法はまた、閉じた成形法のバリエーションである片側液体注入法を含む。この方法には両側工具の代わりに、反対側に使用される柔軟なバッグとともに片側工具が使用される。この方法は、それが片側成形型のみを要し、過程を支えるために最少の更なる器具を必要とし、そして非常に少ない制約を有するために、閉じた成形法の安価なバージョンである。この方法は、乾燥繊維を湿らせる樹脂を供給し、充填するために真空（大気圧）のみを利用する。低粘度の樹脂状材料および、ラミネート上に真空圧力を維持する適切な注入法を使用することにより、航空機等級のラミネートを製造することができる。

樹脂供給システムが典型的にバッグ封入プレフォームに対して外部にあり、樹脂の供給ラインが通常、部品毎にモニターされるために、この従来の方法による厄介な問題の一つが起る。このシステムは多数の入り口管と出口管を有する結果となり、これらは工程の間監視し制御しなければならず、液漏れや誤作動の機会をもたらす。この更なる厄介な問題が、一度に注入することができる部品の数を制約し、そしてその結果、オーブン内の空間の非効率的な使用により、増加された経費を招く。前記に考察されたように、オートクレーブ内で製造されるプレプレグのラミネートは典型的に、一度に最大数の部品を硬化させるように配列される。

もう一つの従来の液体注入法は、他の液体注入法に比較すると、非常に制約される引き抜き注入法である。引き抜き注入法は特定の横断面をもつダイ中に乾燥繊維を導入し、次に適所に配備後、樹脂を導入し、次に硬化させる工程を含んでなる。この方法は典型的には、典型的な／一定の交差部分をもつ、長い、連続的な部品を加工するために使用される。

乾燥繊維を供給し、湿らせるために真空（例えば、大気圧）のみに依存する、前記の、従来の片側の液体注入法は更に詳細に以下に説明される。プレフォームの乾燥繊維を供給し、湿らせる際の主要な力として真空（大気圧）を使用する、乾燥繊維の従来の液体注入法は当該産業内で周知である。最初に１９４０年代および５０年代に使用されたＭａｒｃｏの方法（米国特許第２，４９５，６４０号）およびＳｍｉｔｈ（米国特許第２，９１３，０３６号）から出発して、Ｐａｌｍｅｒ（米国特許第４，９４２，０１３号）およびＳｅｅｍａｎ（米国特許第４，９０２，２１５号）からの、より最近の特許まで、本方法に関して付与された多数の特許が存在する。更に、樹脂を乾燥繊維中に導入し、分配する方法を説明する技術的発表および機関紙中に詳述された方法に、多数のバリエーションが存在する。

乾燥繊維（プレフォーム）を注入または含浸するための大気圧の使用は、大気と真空間に存在する天然の圧力差を利用するかなり率直な方法である。典型的な従来の注入法において、樹脂の容器または液体樹脂供給システムは大気状態に置かれており、プレフォームは真空状態のバッグ下にある。プレフォームはバッグ材に対して大気により圧縮され、その結果、図１Ａに示されるように、バッグ材上に等しい反作用の力を形成する。

正味の効果は、オープンスペースである残りの容積を伴う、プレフォームの繊維により、ある割合だけ充填された排気スペースの正味の容積である。排気スペースの容積は、プレフォームを圧縮する大気圧の量および圧縮されているプレフォームのレジリエンス（ｒｅｓｉｌｉｅｎｃｙ）を決定するそのスペース内の真空の量を含む幾つかの変数に左右される。このレジリエンスは一般にプレフォームの「嵩張り係数」と呼ばれる。航空機品質のラミネートを達成するためには、その体積中の繊維の割合は典型的には５５％より大きいことが必要である。繊維の割合は織物の構成、繊維／単線のサイズおよび繊維の配列のような、プレフォーム構成時に存在する多数の変数の関数である。

プレフォームを５５％以上の繊維体積の状態に圧縮する幾つかの方法が存在する。これはＷｏｏｄｓ（米国特許出願公開第２００５／００７３０７６号）に記載された多数の嵩減量サイクルを含むことができる。圧縮はまた、プレフォームを一緒に結合させる補助をするために嵩減量サイクルとともに熱をかける工程を伴うことができる。更にもう一つの方法は、堅くネスティングする織物をデザインする工程を伴う。技術文献に記載された多数の他の方法が存在するが、これらのすべての方法の目的はその排気容積内の繊維の割合を増加することである。繊維の割合を増加することにより、主要荷重担持部材（繊維）の密度の増加により、ラミネートの機械的特性を改善することができる。

プレフォームの圧縮の当然の短所（ｄｅｔｒａｃｔｏｒ）は、真空の減少および、プレフォームを圧縮している大気圧の結果的ロスである。真空が減少されるに従って、プレフォームのレジリエンスはバッグ材に対して作用し、それが繊維の体積を有効に増加し、繊維の密度を減少させる。この当然の短所は、これが樹脂を供給し、樹脂でプレフォームを充たす主要な力であるため、典型的な注入法における主要な関心事である。

典型的な注入法において、図１Ａに示した定常状態が開いたシステムになり、樹脂の供給が開かれ、そして大気圧が図１Ｂに示すように圧縮プレフォーム中に樹脂を押し込む圧力勾配を形成する時に、注入が開始する。

図１Ａ〜１Ｂは特に、従来の注入法に伴う問題を表す。図１Ａは真空バッグに封入され、注入の準備ができた定常状態にある従来の注入法のスキームである。一例において、真空がオンであり、樹脂の供給ラインが閉じられて、プレフォームを横切る圧力勾配は存在しない。大気圧（Ｐ_Ａ）は１気圧の正味の効果のバッグ圧力を伴ってあらゆる場所に存在する。プレフォームは機械的抵抗力Ｆ_Ｐで工具およびバッグに対して反作用している。

図１Ｂは、樹脂供給ラインが開かれ、圧力勾配が形成する時の、最初の開いた状態における注入法のスキームである。圧力勾配は、樹脂圧力、Ｐ_Ｒ＝Ｐ_Ａ＋（頭部圧）の圧力で真空流出口Ｐ_Ａから樹脂の入り口に向かい、プレフォームを横切って形成される。これが樹脂を高圧区域から低圧区域に流動させる。頭部圧は、プレフォームに流入前の供給チューブ内の樹脂のカラムの高さによる、あらゆる＋／−圧力である。バケットが供給点より上である場合、供給点で１気圧より大きい樹脂圧力を誘発する正の頭部圧がある。バケットが供給点より下にある場合は、負の頭部圧があり、樹脂は大気圧より低い圧力にあるであろう。粘性効果は一般に、透過性喪失およびダーシーの法則により、幾らかの（−）頭部圧を誘発することが認められる。粘性の喪失または（−）頭部圧が真空に誘発された圧力勾配に達するかまたはそれを超える場合は、注入は停止するであろう。更に、浸透期間中、プレフォームの反作用の力（Ｆ_Ｐ）が継続し、真空圧力が減少する（Ｐ_Ａに復帰する）場合は、Ｆ_Ｐは圧縮されない物理的状態に効果的に減少することが認められる。

プレフォームを横切って生成される圧力勾配は、排気容積中に樹脂を駆動するのみならずまた、プレフォームを圧縮している真空圧を減少する。この真空の喪失は、プレフォームの弾力性をバッグに対して作用させて、真空が減少された容積を増大させる。図１Ｃおよび１Ｄに示すように、注入が継続するに従って、より大量の樹脂が排気容積中に引き込まれるために、減少された真空領域が増加する。

図１Ｃおよび１Ｄに示すように、プレフォーム内の圧力勾配並びにプレフォームの厚さおよび繊維の体積の結果的変化が注入法期間中に変動し、制御することが困難である。その変動は、部品のサイズ、厚さ、透過性、流動媒質の材料、バッグ封入スキーム、樹脂の流入口および流出口の位置並びに、プレフォーム中に樹脂が導入され、供給される方法に影響を与える多数の他の因子、を含む多数のインプットに左右される。この制御されない変動は、それが不均一な厚さまたは低い繊維体積をもたらすために、航空機の部品中に注入法を採用することに対する主要な障害であった。

図１Ｃは、更に特に、樹脂が排気容積中に引き入れられて、開いた空間を充たし、そしてその領域の真空圧力を減少する時の、開いた状態の注入法のスキーム図である。プレフォームを横切る圧力勾配はプレフォーム中に樹脂の流れを誘発して、粘性のロスを蓄積する。樹脂の圧力Ｐ_Ｒは粘性ロスによる圧力勾配に従う。注入期間中時間が増加するにつれて、プレフォームの反作用の力Ｆ_Ｐは真空地点から出発して供給地点に次第に減少する。粘性ロスは樹脂の流動前線から樹脂の供給地点への長さの関数であることが認められる。長さが増加するにつれて、ロスが蓄積して、プレフォーム中に減少した流れを誘発する。
長さが長すぎると、樹脂のロスが圧力勾配を超えて、流動前線を停止させる。プレフォームのこの前進的充填が典型的には、以下：１）適量の樹脂が供給され、樹脂供給ラインが閉じられる、２）プレフォームが完全に注入され、樹脂が真空出口を排出する、３）樹脂の流動前線がデッドゾーンに到達し、樹脂供給ラインが遮断される、の一つが起るまで継続する。

図１Ｄは、樹脂が排気容積を充たし、プレフォームを充たした後の注入法のスキーム図である。スキームは注入法を終結する種々のオプションに対する圧力勾配を示す。

・ オプション１：（閉じた樹脂供給ライン、デッドゾーンを伴うまたは伴わず、ブリードを伴う）過剰な樹脂が真空源により除去されるので、やがて、硬くないバッグが折りたたまれる（体積のロス）。バッグが再度プレフォームを囲むと、プレフォームは、Ｐ_Ａがプレフォーム上に確立されるまで、バッグ上に反力Ｆ_Ｒをかける。体積が拘束され、システムが今や硬い容器であるので、樹脂圧Ｐ_Ｒは真空圧−Ｐ_Ａに復帰する。

・ オプション２：（閉じた樹脂供給ライン、デッドゾーンを伴うまたは伴わず、閉じた真空）やがて、樹脂圧Ｐ_Ｒが真空圧より大きい、プレフォームを横切る平衡に到達する。

・ オプション３：（開いた樹脂供給ライン、デッドゾーンを伴うまたは伴わず、ブリードを伴う）やがて、樹脂の圧Ｐ_Ｒが、より高い透過性による最少の抵抗の経路により流動媒質中で平衡勾配（［Ｐ_Ａ＋頭部圧］から−Ｐ_Ａに）に到達し、樹脂は硬化期間中、連続的に供給され、ブリードされなければならない。

・ オプション４：（開いた樹脂供給ライン、デッドゾーンを伴うまたは伴わず、閉じた真空）やがて、樹脂がプレフォームを横切って平衡（Ｐ_Ａ＋頭部圧）に到達する。

オプション１および２は、正確な量の樹脂が注入され、次に樹脂の供給ラインが閉じられる正味の樹脂注入法を使用して実施することができる。オプション１は、注入が完了した後に、真空状態が達成されると、過剰な樹脂をブリード（排液）させるかまたは揮発物を発生させることができる。

工程中に形成される内部圧力の勾配に対して限定された制御を与えるか、または全く制御を与えない、従来の、前記の注入法は、限定された成功を収めてきた。これらの方法は航空機の部品に適したラミネートの特性をもたらすことはできるが、その方法は堅牢でなく、再現性または予測可能ではない。この不確実性が、この方法が航空機産業内で広い使用を獲得することを妨げ続けている。

樹脂の流れを改善し、方法の予測性／再現性を増加させる努力において、樹脂の流れおよび樹脂が採る経路の制御において多数の進展があった。この方法は、バッグ封入スキーム内の流動媒質のネットワークおよびバッグ材自体により、流れおよび圧力勾配を誘発するための方法に関する、Ｓｅｅｍａｎ（米国特許第４，９０２，２１５号）に記載されている。Ｗｏｏｄｓ（米国特許出願公開第２００５／００７３０７６ Ａ１号）はこの問題を詳細に説明し、プレフォームに適用される大気圧を制御するために、樹脂供給ポット上への部分的真空の使用を提唱している。この方法はＣＡＰＲＩ［Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｒｅｓｉｎ Ｉｎｆｕｓｉｏｎ（制御された大気圧による樹脂注入）］法として知られ、注入されるラミネート内の偏差を減少させることを意図される。これらの従来の方法に加えて、更に、供給物の圧力を制御するために使用されてきた、多数の常識的方法が存在する。これらは、供給ライン上に流量調節器を使用する方法、または正または負の頭部圧を形成するためにプレフォームに対する樹脂
供給ポットの高度を変更する方法を含む。

バッグ封入スキーム、流入および流出口の設計、またはそれを制御／調節することによる供給ポットに対する圧力に拘わらず、すべての知られた先行技術における主要な駆動力は、あるタイプの圧力勾配である。過程内のこの勾配は常に、注入および硬化過程期間中、一気圧が常に全プレフォーム上に維持されたかどうかの疑問が提起されるであろう。

本明細書に記載された、改善された方法は前記の液体注入法に関する。本発明の一つの態様は、方法内のすべてのバリエーションに適することができ、一つの好ましい方法に限定はされない。

航空機品質のラミネートを加工するために、本明細書に記載されたＣＰＩ ＶＡＲＴＭ法の態様を使用して、多数の試験が実施された。これらの実施例は具体的説明の目的のために考察され、開示された態様の範囲を限定すると解釈してはならない。

室温で非常に高い粘度を示すが、高温では低い粘度および長いポット寿命を有する、単品のエポキシ樹脂系（Ｃｙｔｅｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ＣＹＣＯＭ９７７−２０）を使用した。最初にこの樹脂を２５０グラム〜１０００グラムの範囲の量でポリプロピレンのプラスチックバッグに充填した。これらのバッグを、片方の端に一旦切断されたチューブの挿入を許すくびれ（ｃｏｎｓｔｒｉｃｔｉｏｎ）があるような方法でヒートシールした。ポリプロピレンはＣＹＣＯＭ ９７７−２０の所望硬化サイクルでの使用に許容され得る材料である。次にこの前以て充填されたコラプシブルの樹脂レザボアを、工具上のプレフォームに隣接して配置し、供給ラインをレザボアからプレフォームの供給ラインに接続した。プレフォームを、樹脂ブリードシステムを取り入れている典型的な注入スキームによりバッグに充填し、そして真空バッグを図２Ａに示すようにプレフォームおよび樹脂のレザボア上に置いた。プレフォームを減量させ、圧縮し、次に漏洩を検査し、硬化の準備をした。樹脂の高い粘度が、この方法の期間中、プレフォーム中への樹脂の流入を妨げた。

用意ができた後に、全アセンブリをオーブン中に入れ、樹脂を低粘度に熔融し、樹脂をプレフォーム中に流入させると考えられる温度に加熱した。レザボアが枯渇し、プレフォームが充填された後に、次にその部分を硬化して完了した。硬化後に、部品を超音波法で非破壊的に検査し、厚さ、繊維体積およびボイド含量を測定した。検査および測定の結果は、ラミネート全体が、測定された特性の最少の偏差を伴って、航空機の条件を充たしたことを示した。ラミネートは１％未満の偏差を伴い５８％を超える繊維体積分率およびパネル上で２％未満の偏差を伴い０．０１８インチの硬化プライの厚さ測定値を示した。

実施例１におけるものと同様な単品のエポキシ樹脂および樹脂のバッグを使用して、ずっと大型の部品を注入した。樹脂ブリードシステムによる標準注入バッグ封入スキームを取り入れた図２Ｂに従って、部品を固定し、バッグに封入した。この部品を注入するために、適当な樹脂を送達し、プレフォームを完全に注入するために連結されたまたはデイジーチェーン連結された多数の樹脂レザボアを使用した。該方法は最少の偏差を伴って航空機品質のラミネートを生成した。

幾つかの剛化部材を取り入れた、より複雑な部品を製造するために、実施例１〜２に使用されたものと同様な単品のエポキシ樹脂を使用した。図２Ｃに従って、部品を浮き板で
固定して補剛材を支え、バッグに封入した。示されるように、所望の位置に樹脂を供給するために、樹脂レザボアを浮き板の隣に配置した。該方法は再度、最少の偏差を伴って航空機品質のラミネートを生成した。

その中で樹脂が室温で低粘度にある、低粘度の単品エポキシ樹脂および樹脂バッグを使用した。それは、図２Ｄに従って部品を据え付け、閉鎖中に樹脂がプレフォーム中に流入することを妨げる外部弁の取り入れを詳細に述べている。全プレフォームおよび樹脂レザボアをバッグに封入し、注入の準備をした。準備ができた後に、弁を開け、プレフォームを注入した。このバリエーションは最少の偏差を伴う航空機品質のラミネートを生成した。

当業者は、本発明および好ましい態様に記載された実施例に対して、変更を実施することができることを認める、ことが知られている。説明された方法、装置および本文献に提供された実施例は、これらの方法に本発明を限定せず、基本的概念はすべての可能な修正物に適用される。本発明はどんな方法の群にも限定されず、すべての液体注入法に適用可能である。

Claims (12)

1. 繊維プレフォームを真空バッグ中に密閉し、
   真空バッグ中に、少なくとも１の折りたためる樹脂充填バッグを設置して、樹脂充填バッグと繊維プレフォームとを供給ラインを介して流体で連絡し、
   樹脂充填バッグから繊維プレフォームへ樹脂が流れるのを可能として繊維プレフォームに樹脂を注入し
   樹脂充填バッグおよび繊維プレフォームを実質的に同一真空下に維持し、ここで、注入樹脂が繊維プレフォーム中に実質的に何の圧力勾配も形成せず、
   そして
   樹脂注入繊維プレフォームを硬化させる工程：
   を含んでなる、複合体を製造する方法。
2. 注入段階の前に繊維プレフォームの嵩を減量する（ｄｅｂｕｌｋｉｎｇ）工程、を更に含んでなる、請求項１の方法。
3. 樹脂充填バッグが外界温度で３０００〜２００００ｃｐの高粘度を有する樹脂を含み、当該粘度の故に室温における繊維プレフォーム中への樹脂の流入が妨げられ、そして
   注入段階の前に樹脂を更に加熱して粘度を下げ、注入段階中に繊維プレフォームへ樹脂が流れるのを可能とする
   請求項１〜２のいずれかの方法。
4. 更に１以上の追加の折りたためる樹脂充填バッグが真空バッグ中に設置され、それらが直列に連結しているか、または、各樹脂充填バッグと繊維プレフォームが別個の供給ラインを介して流体で連絡している請求項１の方法。
5. 供給ラインが更に弁を含み、注入段階前に弁が閉じられ、注入段階中に弁が開けられて樹脂が繊維プレフォームへ樹脂が流れるのを可能とする請求項１の方法。
6. 樹脂充填バッグが外界温度で５０〜７００ｃｐの粘度を有する樹脂を含む請求項１または５の方法。
7. 注入段階が更に樹脂を繊維プレフォーム中に機械的に押し流す工程を含んでなる、請求項１の方法。
8. 真空圧が１気圧以下である、請求項１〜７のいずれかの方法。
9. 複合体が硬化後の複合体の総体積に基づき０．１〜１．５容量％間の多孔度を有する、請求項１〜８のいずれかの方法。
10. 定圧下での真空補助樹脂トランスファー成形のための装置であって、
    １の真空バッグ内に密閉された繊維プレフォーム、
    前記真空バッグ内に密閉された折りたためる樹脂充填レザボア、ここで、樹脂充填レザボアが繊維プレフォームと供給ラインを介して流体で連絡している、および
    樹脂充填バッグおよび繊維プレフォームを実質的に同一真空下に維持する手段、ここで、注入樹脂が繊維プレフォーム中に実質的に何の圧力勾配も形成しない
    を含む装置。
11. 折りたためる樹脂充填レザボアが折りたためる樹脂充填バッグである請求項１０の装置
12. 樹脂充填レザボアがピストンに駆動されるレザボアである、請求項１０の装置。

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