JP5679753B2

JP5679753B2 - 樹脂塗工・注入システム

Info

Publication number: JP5679753B2
Application number: JP2010220117A
Authority: JP
Inventors: マーク・アーネスト・ヴァーミリヤ; ピーター・マイケル・フィニガン; ドンミン・ドミニク・ガオ; バウデン・カークパトリック; アレクサンダー・ジョセフ・ヴァリー，ジュニア; ステファン・グイド・ファン・ノイヴェンホーフェ; ヨサン・ユーン
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 2009-10-08
Filing date: 2010-09-30
Publication date: 2015-03-04
Anticipated expiration: 2030-09-30
Also published as: US20110083605A1; US8037843B2; CA2715933C; CA2715933A1; EP2314435B1; EP2314435A3; EP2314435A2; JP2011079310A

Description

本発明は、一般に複合材料用に樹脂を塗工・注入するためのシステムに関し、より具体的には個々の繊維トウに樹脂を制御可能に塗工・注入するためのシステムに関する。

樹脂を注入した繊維の複合材料は、部分的にはその軽量及び高強度特性のために自動車、航空機、及び風力エネルギーのような種々多様な産業でますます多く使用されている。複雑な複合部材及び／又は繊維パターンを形成することが望ましいであろう。しかし、現在の製造法では通例繊維プリフォームとその後の樹脂注入、又は「プリプレグ」といわれる予め含浸した繊維トウを使用する。これらの方法にはいずれも欠点がある。

現在、ローラー内の孔を通ってボアから外面に向かって樹脂が流れるローラーを含むシステムを用いて繊維トウのアレイに注入する試みがなされている。しかし、これらのシステムでは個々のトウの注入の制御ができない。

米国特許第７４１３６９４号明細書

従って、個々のトウの樹脂注入の制御が可能な改良されたシステムを提供することが望ましいであろう。加えて、そのシステムで、複雑な複合部材の形成のための乾燥繊維トウのアレイに対するリアルタイムのインライン注入が容易になれば望ましいであろう。

簡単にいうと、本発明の１つの態様は、１以上の繊維トウに樹脂を塗工し、それらの繊維トウに樹脂を注入するための塗工・注入システムに関する。これらの繊維トウは各々がそれぞれの繊維スピードで移動する。この塗工・注入システムは、それぞれ１つの繊維トウに樹脂を堆積させるように構成された１以上のノズルを含む堆積・注入システムを有する。塗工・注入システムはさらに、各々のノズルを通る樹脂の流速をそれぞれ１つの繊維トウの繊維スピードに関連して制御するように構成されたコントローラーを含んでいる。

本発明の別の態様は、多数の繊維トウに樹脂を塗工し、それらの繊維トウに樹脂を注入するための塗工・注入システムに関する。これらの繊維トウは各々がそれぞれの繊維供給速度で移動する。この塗工・注入システムは複数のノズルを含む堆積・注入システムを有しており、各々のノズルは少なくとも１つの繊維トウに樹脂を堆積させるように構成されている。塗工・注入システムはさらに、それぞれ１つの繊維トウに対する樹脂の幅及び樹脂の厚さの少なくとも１つの測定データに基づくフィードバックを使用して、各々のノズルを通る樹脂の流速をそれぞれ１つの繊維トウの繊維スピードに関連して制御するように構成されたコントローラーを含んでいる。

本発明の上記及びその他の特徴、態様、及び利点は、添付の図面を参照して以下の詳細な説明を読めばより良く理解されるであろう。全図面を通じて類似の数字は類似の部分を表す。

図１は、繊維配置システムに組み込まれた樹脂塗工・注入システムを側面図で概略的に示す。図２は、図１に示した繊維配置システムのための繊維トウのアレイの一例を平面図で概略的に示す。図３は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用するノズルのアレイの一例を概略的に示す。図４は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用する堆積・注入システムのためのノズル構成の一例を図解する。図５は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用する堆積・注入システムのための別の構成例を図解する。図６は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用する堆積・注入システムのためのもう１つ別の構成例を図解する。図７は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用する注入エンハンサーのための１つの構成例を図解する。図８は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用する注入エンハンサーのための別の構成例を図解する。図９は、図１の樹脂塗工・注入システムに使用する注入エンハンサーのためのもう１つ別の構成例を図解する。

図１を参照して、１以上の繊維トウ２に樹脂４を塗工し、これらの繊維トウに樹脂を注入するためのシステム１０を一般に説明する。本発明が特定の樹脂又は繊維の種類に限定されることはない。しかし、１つの非限定例において、樹脂はエポキシ樹脂であり、トウは炭素繊維からなる。配列の一例を図１に示した樹脂塗工・注入システム１０は繊維配置システム３０に組み込んで複合材製造機１００を形成することができる。この配列により、部分に特定の要件に基づいて各々のトウに対する樹脂塗工（従って注入）速度を制御しつつ乾燥繊維トウのアレイのリアルタイムのインライン注入が可能になる。その結果得られる機械１００は、非限定例として軽量高強度の航空機及び自動車部品が挙げられる複合構造体を製作するのに使用することができる。

樹脂塗工・注入システム１０を詳細に記載する前に、背景状況を提供するために一例の繊維配置システム３０の態様について説明する。図１に示した配列例の場合、繊維配置システム３０は多数の繊維トウ２を供給する分配手段３２を含んでおり、各々繊維トウはそれぞれの繊維スピードで移動する。より具体的には、分配手段３２は、各々のトウ２を別々に供給して、そのトウ２が異なる速度で供給され得るように構成されている。例えば、繊維スピードは、ある場合には１以上の繊維トウがゼロであり得、一方他のトウは移動する。１つの非限定例において、分配手段３２は多数のスプール３２からなる。図を簡略化するために、１つのスプール３２のみが図１に示されている。トウのアレイ内の各々のトウ２は当初それぞれ１つのスプール３２に巻かれている。図１の配列例の場合、各々のトウ２はそれぞれのアイレット３４を通過する。図を簡略化するために、１つのアイレット３４のみが図１に示されている。しかし、通例、１つのアイレット３４にはアレイ内の各々のトウ２が提供される。次に、トウ２は幅調節ローラー３６を通って進む。図２は、ローラー３６上に配置された繊維トウ２のアレイの一例を平面図として概略的に示す。ローラー３６は通例、それぞれ１つの繊維トウ２を受領して案内する多数のノッチ（図には示してない）を含んでおり、これらはローラーから出て行くトウ幅を調節するような形状をしている。かかる調節は、その幅にわたるトウ全体の適正な注入、並びに繊維配置ヘッドにおけるトウ取扱い装置のための適正なトウサイズを確保する助けになる。図２のアレイの一例は８つのトウからなるが、本発明が特定のアレイサイズ又はトウの数に限定されることはなく、特定の用途の場合は８未満のトウを含んでいてもよいし、他の用途では８より多くのトウを含んでいてもよい。

繊維トウ２は幅ローラー３６から塗工・注入システム１０に移動する。図１に示されているように、塗工・注入システム１０は、それぞれ１つの繊維トウ２に樹脂４を堆積させるように構成された１以上のノズル１２を含む堆積システム１１を有している。ノズル１２のアレイの一例を図３に示す。図３の配列の場合、各々の繊維トウ２に対して１つのノズルが設けられている。本発明が特定の配列のノズルに限定されることはない。堆積・注入システム１１の別の態様については、図４−６を参照して以下に述べる。

図１に示されているように、塗工・注入システム１０はさらに、各々のノズル１２を通る樹脂の流速を制御して、それぞれ１つの繊維トウ２の繊維スピードに基づいて所望の樹脂含量が得られるように構成されたコントローラー１４を含んでいる。コントローラー１４は図１に示されているように繊維配置システム３０と情報を交換して、いかなる配列に対しても注入を最適化することができる。塗工・注入システム１０及び繊維配置システム３０に別個のコントローラーを使用してもよいが、この制御の一体化は必要である。幾つかの実施形態において、コントローラー１４は１以上のプロセッサーを含み得る。本発明は、本発明のプロセッシングタスクを実行する特定のプロセッサーに限定されるものではないことに留意されたい。用語「プロセッサー」は、本明細書で使用される場合、本発明のタスクを実行し、本発明における機械及び電気装置を制御するのに必要な演算、又は計算を実行することができるあらゆる機械を指して意味する。用語「プロセッサー」は、当業者には理解されるように、構造化された入力を受け入れ、及び／又は所定の規則に従って入力を処理して出力を生成することができるあらゆる機械を意味している。

図１に示されているように、塗工・注入システム１０はさらに、樹脂４による繊維トウ２の注入を増強する注入エンハンサー１９を含み得る。堆積・注入システム１１の別の態様については図７−９を参照して後述する。

特定の実施形態の場合、コントローラー１４はさらに、それぞれ１つの繊維トウ２に対する樹脂幅及び／又は樹脂厚さの測定データに基づくフィードバックを使用して各々のノズル１２を通る樹脂の流速を制御するように構成されている。図３に示されている構成例の場合、塗工・注入システム１０はさらに、樹脂幅と樹脂厚さの少なくとも１つをモニターするための１以上のセンサー１６を含んでいる。図３では図を簡略化するために１つのセンサー１６のみが示されているが多数のセンサー１６を使用してもよく、１つの非限定例においては各々の繊維トウ２に対して１つのセンサー１６が設けられる。センサーの例としては光学又は接触センサーがある。

図３に示した構成例の場合、堆積システム１１はさらに１以上のコンピューター制御されたポンプ１８を含んでいる。図解した実施形態の場合、各々のポンプ１８はそれぞれ１つのノズル１２に樹脂４を供給するように構成されている。より具体的には、図解した例の場合各々のノズル１２に対して別個のポンプ１８が設けられている。指摘したように、各々のポンプ１８はコントローラー１４によって制御される。他の構成においては、少なくとも１つのポンプ１８が多数のバルブ（図には示してない）をを備えて、ポンプ１８から多数のノズル１２への樹脂の流れを制御してもよい。例えば、各々ポンプ１８を使用して多数のノズル１２に樹脂を送ることができる。１つの非限定例において、ポンプ１８は容量型ポンプである。特定の例においては、漏れの殆どない容量型ポンプを使用する。ポンプ（複数でもよい）１８はチューブ又はパイプ（図には示してない）によりノズル１２に接続することができる。

特定の実施形態の場合、コントローラー１４はさらに、それぞれの繊維トウ２に対する繊維供給速度信号を受け取り、少なくとも部分的にそのそれぞれ１つの繊維トウの繊維供給速度信号に基づいてポンプ１８を制御するように構成されている。特定の実施形態の場合、繊維トウは異なる繊維供給速度を有しており、その結果コントローラー１４はそれぞれのポンプ１８に異なる制御信号を塗工する。繊維スピードはある場合には１以上の繊維トウでゼロであってもよい。１つの非限定例において、繊維供給速度信号は計量ローラー（図には示してない）から読み取られる。計量ローラーは図１のスプール３２に隣接して、又はトウ経路に沿った他のところにあることができる。

堆積・注入システム１１の具体的な構成は用途によって変化し得る。しかし、図４−６は堆積・注入システム１１の３つの構成例を示している。図４に示した配置の場合、ノズル１２は繊維トウ２の片面１，３のみに樹脂を堆積させるように構成されている。より具体的には、図解した配置の場合、ノズル１２は繊維トウ２の上面１のみに樹脂４を堆積させるように構成されている。図４に示されているように、堆積・注入システム１１の例はさらに、繊維トウ２の供給経路に対して実質的に横断する方向で互いに平行に配向された多数のロッド１７を含んでいる。示されているように、ノズル１２はロッド１７の間に配置されており、ロッド１７は繊維トウ２をノズル１２に押し付けるように構成されている。ロッド１４の材料の例には硬質のコーティングを有する硬化鋼その他の金属があり、ロッドは抗力(drag)及びその結果の繊維の張力並びに摩耗を制限するために平滑でなければならない。ロッドに対するノズルの位置は、繊維の張力を所望の値に制限しつつ注入を達成するのに必要とされる圧力と滞留時間が得られるように最適化することができる。

図５及び６に示した構成の場合、ノズル１２は繊維トウ２の上面と下面１，３の両方に樹脂を堆積させるように構成されている。図５に示した構成の場合、堆積・注入システム１１はさらに繊維トウ２の供給経路に対して実質的に横断する方向に配向されたロッド１７を含んでいる。示されているように、ノズル１２は二列に配置され、ロッド１７はその二列のノズル１２の後ろに配置されている。図解した配列の場合、第１の列のノズル１２は繊維トウ４の下面３に樹脂４を堆積させるように構成され、第２の列のノズル１２は繊維トウの上面１に樹脂を堆積させるように構成されている。他の構成においては、第１の列のノズルがトウの上面に樹脂を堆積させることができ、第２の列のノズルがトウの下面に樹脂を堆積させることができる。示されているように、ロッド１７は繊維トウ２をノズル１２に押し付けるように構成されている。これらの配列の場合、トウの各面からの注入深さは片面注入のときのおおよそ半分であることができる。

図６に示した構成の場合、堆積・注入システム１１はさらに繊維トウ２の供給経路に対して実質的に横断する方向で互いに平行に配向された多数のロッド１７を含んでいる。より具体的には、図解した配列は２つのロッド１７を含んでいる。示されているように、ノズル１２はその２つのロッド１７の間に二列で配置されている。図解した配列の場合、第１の列のノズル１２は繊維トウの下面３に樹脂４を堆積させるように構成され、第２の列のノズル１２は繊維トウ２の上面１に樹脂を堆積させるように構成されている。他の構成においては、第１の列のノズルがトウの上面に樹脂を堆積させることができ、第２の列のノズルがトウの下面に樹脂を堆積させることができる。示されているように、ロッド１７は繊維トウ２をノズル１２に押し付けるように構成されている。この構成により、図５の配列と比較して、上流のノズルの円弧に沿って追加の接触長さが得られる。この追加の接触長さは改良された注入を促進することになる。

図７−９は注入エンハンサーの３つの構成例を図解する。しかし、注入エンハンサー１９の具体的な構成は用途に基づいて変化し得る。図７に示した配列の場合、注入エンハンサー１９は一対のプラテン２２を含んでいる。示されているように、繊維トウ２はプラテン２２の間に延びている。プラテン２２は樹脂を繊維トウ２中に押し込むことによりトウ中への樹脂の注入を増強するのが有利である。

図８に示した構成の場合、注入エンハンサー１９は繊維トウ２の供給経路に対して実質的に横断する方向で互いに平行に配向された複数のロッド２４を含んでいる。ロッド２４は硬質のコーティングを有する硬化鋼その他の金属で形成することができ、ロッドは抗力及びその結果の繊維の張力並びに摩耗を制限するために平滑でなければならない。ロッドに対するノズルの位置は、繊維の張力を所望の値に制限しつつ注入を達成するのに必要とされる圧力と滞留時間が得られるように最適化することができる。示されているように、繊維トウ２は第１のロッドの下、ロッドの間、そして第２のロッドの上を延びていて、これらのロッドが樹脂を少なくとも部分的に繊維トウ中に押し込むようになっている。また、ロッド２４は図９に示されているように構成してもよい。図９の配列は図８と類似しているが、繊維トウは第１のロッドの上、ロッドの間、そして第２のロッドの下を延びていて、これらのロッドが樹脂を少なくとも部分的に繊維トウ中に押し込むようになっている。図７−９に示した配列により、増強されるトウの長さと結果として得られる抗力との間の様々なトレードオフが提供される。

図１に図解した配列例の場合、塗工・注入システム１０はさらに樹脂を堆積させる前に繊維トウ２を加熱するように構成された熱源２６を含んでいる。１つの非限定例において、堆積・注入システム１１は、トウに対する樹脂の濡れを増強するために加熱マニホルド２８内に配置される。加熱マニホルド２８は、例えば図４に示されており、他の実施形態の堆積・注入システム１１でも含むことができる。熱源２６は接触により繊維トウを加熱してもよいし、或いはトウが通過する周囲を加熱することにより間接的にトウを加熱してもよい。輻射熱も使用できる。熱源２６の非限定例としては石英灯、小さいチャンネルの強制熱気、又は加熱ローラーがある。

注入エンハンサー１９を通過した後、この樹脂を注入した繊維トウ２は、図１に図解した繊維配置システム３０の場合冷却モジュール３８に供給される。冷却モジュール３８の非限定例として、空気冷却器及びＯｈｉｏ州Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉに営業所を有するＩＴＷＡｉｒＭａｎａｇｅｍｅｎｔによりＶｏｒｔｅｘＣｏｏｌｅｒｓという商標名で販売されている冷却器がある。特定の実施形態の場合、冷却モジュールは樹脂が注入されたトウを約４０Ｆ〜約７０Ｆの範囲の温度に冷却する。図１に示した構成の場合、冷却された、樹脂が注入された繊維トウ２は次に、樹脂を注入した繊維構造体（図には示してない）を形成するべく予め含浸した繊維として使用するために、マンドレル４０に巻き取られる。

有利なことに、樹脂塗工・注入システム１０を繊維配置システム３０に組み込むことにより、トウの開始点(start)、停止点(stop)、添加点(add)及び落下点(drop)を必要とする複雑な形状を有するにもかかわらず最新型の複合構造体を製作することができる。結果として得られる、本発明のインラインの樹脂塗工・注入システムを利用する繊維配置システムでは、従来の繊維配置システムより改良された制御を伴ってより低いコストでこれらの複雑な複合構造体を製作することができる。

本発明の幾つかの特徴のみを本明細書で例示し説明して来たが、当業者には多くの修正と変更が明らかであろう。従って、特許請求の範囲は本発明の真の思想の範囲内に入るかかる修正と変更を全て包含するものと了解されたい。

１繊維トウの上面
２繊維トウ
３繊維トウの下面
４樹脂
１０樹脂塗工・注入システム
１１堆積・注入システム
１２ノズル
１４コントローラー
１６センサー
１７ロッド
１８コンピューター制御されたポンプ
１９注入エンハンサー
２２プラテン
２４ロッド
２６熱源
２８加熱マニホルド
３０繊維配置システム
３２分配手段
３４アイレット
３６幅調節ローラー
３８冷却モジュール
４０マンドレル
１００複合材製造機

Claims

１以上の繊維トウ（２）に樹脂（４）を塗工し、それらの繊維トウに樹脂を注入するための塗工・注入システム（１０）であって、各々の繊維トウはそれぞれの繊維スピードで移動し、
それぞれ１つの繊維トウに樹脂を堆積させるように構成された１以上のノズル（１２）を含む堆積・注入システム（１１）と、
前記繊維トウに圧力をかけて該繊維トウに樹脂を注入する、該繊維トウに接触する注入エンハンサー（１９）と、
繊維トウ（２）の供給経路に対して横断する方向で互いに平行に配向された複数のロッド（１７）と
を含み、
１以上のノズル（１２）が前記複数のロッドの間に配置されており、ロッドが繊維トウをノズルに押し付けるように構成されており、
前記塗工・注入システム（１０）が、さらに、各々のノズルを通る樹脂の流速をそれぞれ１つの繊維トウの繊維スピードに関連して制御するように構成されたコントローラー（１４）を含む
ことを特徴とする、塗工・注入システム。
コントローラーがさらに、それぞれ１つの繊維トウに対する樹脂の幅及び樹脂の厚さの少なくとも１つの測定データに基づくフィードバックを使用して各々のノズルを通る樹脂の流速を制御するように構成されており、塗工・注入システムがさらに、樹脂の幅及び樹脂の厚さの少なくとも１つをモニターするための１以上のセンサー（１６）を含んでいる、請求項１記載の塗工・注入システム（１０）。
堆積・注入システム（１１）がさらに１以上のコンピューター制御されたポンプ（１８）を含んでおり、各々のポンプがそれぞれ１つのノズルに樹脂を供給するように構成されており、各々のポンプがコントローラーにより制御される、請求項１又は請求項２記載の塗工・注入システム（１０）。
ノズルが繊維トウ（２）の一面（１，３）のみに樹脂を堆積させるように構成されており、１以上のノズル（１２）が前記複数のロッドの間に配置されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の塗工・注入システム（１０）。
ノズルが繊維トウ（２）の上面及び下面（１，３）の両方に樹脂を堆積させるように構成されており、ノズルが二列に配置され、前記複数のロッドの１つがその二列のノズルの後ろに配置されており、第１の列のノズルが繊維トウの１つの面（１，３）に樹脂（４）を堆積させるように構成されており、第２の列のノズルが繊維トウの他の面に樹脂を堆積させるように構成されており、前記複数のロッドの１つが繊維トウをノズルに押し付けるように構成されている、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の塗工・注入システム（１０）。
ノズルが２つのロッドの間に二列で配置されており、第１の列のノズルが繊維トウの１つの面（１，３）に樹脂（４）を堆積させるように構成されており、第２の列のノズルが繊維トウの他の面に樹脂を堆積させるように構成されており、ロッドが繊維トウをノズルに押し付けるように構成されている、請求項５記載の塗工・注入システム（１０）。
前記注入エンハンサー（１９）が一対のプラテン（２２）を含んでおり、繊維トウ（２）がこれらのプラテンの間を通って延びる、請求項１乃至請求項６のいずれか１項記載の塗工・注入システム（１０）。
繊維トウが第１のロッドの下、ロッドの間、及び第２のロッドの上を通って延びており、ロッドが樹脂を少なくとも部分的に繊維トウ中に押し込む、請求項１乃至請求項７のいずれか１項記載の塗工・注入システム（１０）。
複数の繊維トウ（２）に樹脂（４）を塗工し、それらの繊維トウに樹脂を注入するための塗工・注入システム（１０）であって、各々の繊維トウはそれぞれの繊維供給速度で移動し、
複数のノズル（１２）を含み、各々のノズルが少なくとも１つの繊維トウに樹脂を堆積させるように構成されている堆積・注入システム（１１）と、
前記繊維トウに圧力をかけて該繊維トウに樹脂を注入する、該繊維トウに接触する注入エンハンサー（１９）と、
繊維トウ（２）の供給経路に対して横断する方向で互いに平行に配向された複数のロッド（１７）と
を含み、
１以上のノズル（１２）が前記複数のロッドの間に配置されており、ロッドが繊維トウをノズルに押し付けるように構成されており、
前記塗工・注入システム（１０）が、さらに、それぞれ１つの繊維トウに対する樹脂の幅及び樹脂の厚さの少なくとも１つの複数の測定データに基づくフィードバックを使用してそれぞれ１つの繊維トウの繊維スピードに関連して各々のノズルを通る樹脂の流速を制御するように構成されているコントローラー（１４）を含む
ことを特徴とする、塗工・注入システム。
コントローラー（１４）がさらに、繊維トウ（２）に対する複数の繊維供給速度信号を受け取り、少なくとも部分的にそれぞれ１つの繊維トウに対する繊維供給速度信号に基づいてポンプ（１８）を制御するように構成されており、２以上の繊維トウが異なる繊維供給速度を有していて、コントローラーは異なる制御信号をそれぞれのポンプ（１８）に塗工するようになっており、少なくとも１つのポンプが複数のバルブを備えていて、ポンプからそれぞれの複数のノズルへの樹脂の流れを制御し、塗工・注入システムがさらに繊維トウに樹脂を注入するための注入器（１９）を含んでいる、請求項９記載の塗工・注入システム（１０）。