JP5940312B2 - 真空成形のレギュレータバッグ - Google Patents

Description

本開示は、概略的には、真空成形に関し、特に、真空成形プロセス中の部品の変形を制御することに関する。

繊維強化複合材料から製造される構成要素は、多くの場合、複合材料の表面層で覆われた軽量心材を用いる。この構造は航空宇宙用途で特に有利な高い強度重量比をもたらす。樹脂及び運用要求にもよるが、心材として一般に発泡材料（例えば、ポリスチレン、ポリウレタン、及びポリメタクリルイミドなど）が用いられる。発泡体（foams）には、圧縮強度に伴って変化する様々な密度のものがあり、材料に応じて、連続気泡（open-cell）又は独立気泡（closed-cell）とすることができる。

製造技術の中には、発泡心材を成形し、その後、複合材料をその心材に適用するものがある。発泡ブランクス（foam blanks）には、厚さが数ミリメートルから最大で１０センチメートル以上までのシート（sheet）及びブロック（block）など、様々な形状及び大きさのものがある。航空宇宙グレードの典型的な発泡体は、およそ華氏３５０度に加熱した後に成形可能であるＲＯＨＡＣＥＬＬ（登録商標）Ａ（Evonik Rohm GmbH, Performance Polymers, 64293 Darmstadt, Germanyから入手可能）である。

発泡体の熱成形の１つの欠点は、発泡体が加工温度にある間に材料を手作業で処理することが実質的にできない点である。金型（tool）の周囲で発泡ブランク（foam blank）を熱成形する既存の方法の１つに、金型の上に発泡ブランクを配置し、密封バッグ内に発泡ブランクと金型を封入し、金型と発泡ブランクを加工温度まで加熱し、その後バッグ内を真空にするものがある。外気圧は、金型の周囲で発泡体を成形する均一に分散した力を加える。

しかしながら、これは、ばらつきが大きくなりがちな不安定なプロセスであり、また、成形速度は真空レベルに敏感となる。発泡体の成形を急激に行った場合、成形プロセス中に発泡ブランクにひびが入る（crack）のはよくあることである。

発泡ブランクスを熱成形する標準化された、又は反復可能な方法を提供する必要性がある。本開示による装置及び方法は、反復可能かつ調節可能な、発泡ブランクの熱成形の制御方法を提供する。

レギュレータバッグ（regulator bag）が真空バッグ内部かつ発泡ブランク下に置かれる。最初に真空が印加されたとき、レギュレータバッグは発泡ブランクを支持する。レギュレータバッグは緩やかに収縮するように構成され、これにより、金型の周囲で発泡体が緩やかに成形されることが可能となる。

ある実施形態において、成形ブランク（forming blank）を変形させるための真空成形装置が開示される。本装置は、金型と、金型に隣接して配設された少なくとも１つのレギュレータバッグと、を含む。レギュレータバッグは、外部及び第１の体積を有する内部を備えた密封バッグと、レギュレータバッグの内部から外部へ規定される通路と、を含む。その通路はレギュレータバッグが１つの収縮速度を有するように構成され、これにより、密封バッグの外部が一定の減圧下にある間、密封バッグが一定時間を経て第１の体積から第２の体積へ収縮する。また、本装置は、金型に結合された真空膜（vacuum membrane）も含み、その膜は、成形ブランクと、少なくとも１つのレギュレータバッグと、を封入する真空空間を形成するために構成される。

ある実施形態において、成形プロセスの真空空間内で使用するためのレギュレータバッグが開示される。レギュレータバッグは、一定の第１の体積を有する内部を備えた密封バッグと、レギュレータバッグの内部から外部へ規定される通路と、を含む。その通路はレギュレータバッグが１つの収縮速度を有するように構成され、密封バッグの外部が一定の減圧下にある間、密封バッグが一定時間を経て第１の体積から第２の体積へ収縮する。

ある実施形態において、真空成形プロセス中に成形ブランクの変形を制限する（regulate）方法が開示される。本方法は、少なくとも１つのガス充填レギュレータバッグ（レギュレータバッグは第１の体積を有する内部から外部へ規定される通路を含んで構成される）を金型に隣接して配置する工程と、成形ブランクの少なくとも一部をレギュレータバッグに隣接して配置する工程と、成形ブランク、少なくとも１つのレギュレータバッグ、及び金型の少なくとも一部を真空膜で囲んで真空空間を形成する工程と、真空空間内の圧力を一定の第１の圧力まで減少させて、これにより、レギュレータバッグを収縮させる工程と、を含む。

添付の図面は、理解を深めるために包含され、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成するものであり、開示された実施形態を図示し、発明の詳細な説明とともに、開示された実施形態の原理を説明する働きをする。

（Ａ）成形された例示的な発泡心材の斜視図。（Ｂ）（Ａ）の成形された発泡心材を含む例示的な複合材料構造体の斜視図。 現行の熱成形プロセスに付随する問題の１つを図示する説明図。 本開示の一態様による真空成形装置を図示する説明図。 本開示の一態様による、成形ブランクの変形を制限する方法を図示す説明図。 本開示の一態様による例示的なレギュレータバッグを図示する説明図。

以下の説明は、金型の周囲で発泡ブランクを緩やかにかつ制御可能に成形するように構成される真空成形装置の実施形態を開示する。本装置は、真空バッグ内に配置され、発泡ブランクを支持するように位置する少なくとも１つのレギュレータバッグを含む。真空バッグ内を真空にした場合、レギュレータバッグは、その内部にある空気又は他のガス（例えば、窒素など）を真空バッグ内の真空空間へ緩やかに放出する。レギュレータバッグが収縮するにつれて、発泡ブランクは外気圧により金型の周囲で緩やかに成形される。バッグの収縮速度がレギュレータバッグの内部から外部へ規定される通路により制御されているので、収縮速度ひいては成形速度は十分に制御される。

以下の詳細な説明では、具体的詳細について数多く説明され、これにより本開示が十分理解される。しかし、具体的詳細がなくても本開示の実施形態を実施できることは当業者に明白であるだろう。他の例では、本開示を不明瞭にしないように、周知の構造及び技術は詳細に示されていない。

本明細書に開示された方法及び装置は、熱成形可能な発泡ブランクの半円筒状成形という面から示されている。これと同一の構成及び方法を様々な適用に役立て得ることは当業者に明らかであるだろう。この適用では異なる発泡体が用いられ、発泡体が加熱することなく成形され、非発泡の心材が成形され、そしてこの場合、発泡体は、最終構造体における形成（forming）又は追加（additional）要素とともに成形される。本開示のいかなるものも、特に言及がなければ、本明細書に開示されたあらゆる方法又は装置の適用が、成形された心材の特定形状、特定の材料、又は特定の熱成形プロセスに限定されるものと解釈すべきではない。

図１（Ａ）は、成形された例示的な発泡心材１０の斜視図である。この特定の発泡心材１０は直径Ｄの半円筒であり、厚さがＴである。

図１（Ｂ）は、図１（Ａ）の成形された発泡心材１０を含む複合材料構造体１４の斜視図である。強化繊維、及び繊維の周囲でマトリックスになる前駆材料を備えた繊維強化プラスチック（ＦＲＰ）（例えば、炭素繊維強化エポキシなど）の層１２が発泡心材１０の外面１０Ａ上に重ねられている。本実施例において、層１２は、相互に、及び円筒形状の発泡心材１０の中心軸に対して斜めに並べられた一方向連続炭素繊維強化エポキシの２つのプライ（ply）１２Ａ及び１２Ｂを含む。ある実施形態において、成形された発泡心材１０は、層１２が適用される前にＦＲＰ（図示省略）のインナーチューブ（inner tube）を覆って配置される。ある実施形態において、層１２のプライには、他の角度の追加的なプライ、他種繊維のプライ、又はカット繊維（cut fiber）補強材を有するプライが含まれてもよい。ある実施形態において、層１２が、強化繊維及びマトリックス前駆体を有する連続テープ（図示省略）で巻き付けられてもよい。

図２（Ａ）及び（Ｂ）は、現行の熱成形プロセスに付随する問題の１つを図示している。図２（Ａ）の現行の熱成形装置２０において、発泡ブランク１６は底板２３に取り付けられた金型２２の上に配置されている。ある実施形態では、金型２２及び底板２３は一体品である。真空バッグ２４は、発泡ブランク１６及び金型２２を覆って配置され、かつ、底板２３に気密に固着（封着（seal））されて、真空空間２６を形成している。本実施例において、真空バッグ２４は、底板２３の外周周辺において封止剤２５のビード（bead）により底板２３に封着されている。

図２（Ｂ）は、熱成形プロセスの開始後、図２（Ａ）の装置に起こりうる１つの形態を図示している。真空ポンプ２７は、真空ライン２８を介して真空空間２６に接続された。真空空間２６内の圧力を減少したとき、外部の大気により圧力が発泡ブランク１６に印加され（ここで、印加される力は、周囲圧力と真空空間２６における減少した圧力との差の関数であった）、発泡ブランク１６は金型２２を囲むように変形し始めた。参考までに、輪郭線１９は発泡ブランク１６の元の位置及び形状である。本実施例において、印加された力は、発泡ブランク１６が亀裂１８で破断するのに十分な応力を発泡ブランク１６に生成した。現行のプロセスでは、発泡ブランク１６における応力を破断応力以下に維持するよう努めて、このような破断を回避するために、プロセスの間、真空空間２６における減圧を手動で調整する。

図３は、本開示のある態様による真空成形装置４０を図示している。装置４０は、図２（Ａ）の装置２０と同一の金型２２及び底板２３を含む。ある実施形態において、金型２２には底板２３が含まれる。また、本実施例において、装置４０は金型２２の両側に配置された一対のレギュレータバッグ４２を含み、これにより、レギュレータバッグ４２が発泡ブランク１６を支持する。レギュレータバッグ４２は、これを大きくして発泡ブランク１６を支持するのに十分な圧力で膨らまされている。レギュレータバッグには、レギュレータバッグ４２内のガスが真空空間４８へ緩やかに流出するようにする制御漏出口（controlled leak）が含まれる。図３に関して、レギュレータバッグ４２をより詳細に説明する。不透過性真空膜（vacuum impermeable membrane）４６は、封止材４７を介して底板２３に結合されており、不透過性真空膜４６は、成形ブランク１６及びレギュレータバッグ４２を封入しつつ真空空間４８を形成するように構成される。本実施例において、可撓性支持材（例えば、軟アルミニウムの薄膜）４４は、発泡ブランク１６の下、かつ、レギュレータバッグ４２及び金型２２の上に配置されている。

図４（Ａ）〜（Ｃ）は、本開示のある態様による、成形ブランク１６の変形を制限する方法を図示している。図４（Ａ）は、真空空間４８内の圧力が真空ポンプ２７の使用により減少した後の図３の真空成形装置４０を図示している。レギュレータバッグ４２は、ある程度収縮しており、周囲圧力により発泡ブランク１６上に生成される圧力が、可撓性支持材４４及び発泡ブランク１６を一部、金型２２の周囲で変形するようにしている。レギュレータバッグ４２の利点は、発泡ブランク１６の変形速度が、レギュレータバッグ４２の収縮速度により直ちに制御され、真空空間４８内の減圧又は真空量に厳密な影響をあまり受けないということにある。これは、変形速度がもっぱら真空空間２６内の真空量に依存する図２（Ａ）及び（Ｂ）の装置とは対照的である。発泡ブランク１６の変形は、レギュレータバッグ４２による発泡ブランク１６の支持を安定させて金型２２の周囲における均一な変形を確実にする可撓性支持材４４の存在により、更に制御され向上する。

図４（Ｂ）は、さらに時間が経過して発泡ブランク１６の成形が完了した後における真空成形装置４０を図示している。レギュレータバッグ４２は十分に収縮される、すなわち、更に収縮させても発泡ブランク１６の成形に影響を及ぼさない程度まで収縮している。本実施例において、可撓性支持材４４は金型２２に適合する。装置４０は直ちに低温まで冷却されてよい。

図４（Ｃ）は、金型２２及び成形された発泡ブランク１６が取り扱い可能な程度に十分冷却された後の真空成形装置４０を図示している。図４（Ｃ）において、不透過性真空膜４６は除去され、成形された発泡ブランク１６が金型２２から取り外されている。レギュレータバッグ４２及び可撓性支持材４４は再利用あるいは廃棄されてもよい。

図５は、本開示のある態様による例示的なレギュレータバッグ５０を図示している。レギュレータバッグ５０は、体積を有する密封バッグを形成するために折り重ねられて封着されるガス不透過性膜（gas-impermeable membrane）５２から形成される。ある実施形態では、この封着は、ガス不透過性膜５２をそれ自体にヒート・シール（heat sealing）することにより達成される。ある実施形態では、接着剤（図示省略）が用いられ、これによりガス不透過性膜５２をそれ自体に封着する。ある実施形態では、ガス不透過性膜５２を追加の要素（図示省略）に封着して、これにより閉じた体積を形成する。図５の実施形態において、レギュレータバッグはガス不透過性膜５２に取り付けられる剛性要素５４を含み、剛性要素５４及びガス不透過性膜５２を貫通する複数の通路５６を有している。通路５６の数及び大きさは、減圧下でレギュレータバッグ５０の収縮速度を制御するために選択される。ある実施形態では、剛性要素５４が省略されて、通路５６がガス不透過性膜５２に直接形成される。ある実施形態では、通路５６の代わりにガス弁（図示省略）が含まれ、これにより収縮速度を制御することができる。ある実施形態において、ガス弁はレギュレータバッグ５０の収縮速度を制御するために調節可能である。ある実施形態において、レギュレータバッグ５０の一部はガス透過性材料（図示省略）から形成される。ある実施形態において、レギュレータバッグのガス透過部の透過性は、レギュレータバッグの収縮を可能にするガス流をもたらす。

特定の成形工程に適応させ、様々な材料を成形するために、レギュレータバッグを様々な形状及び大きさで形成してもよいことは当業者に明白であろう。さらに、真空下でレギュレータバッグの収縮速度を制御できる他の方法には、レギュレータバッグから一定減圧下の別室あるいは周囲圧力に排気口を設ける（venting）ことが含まれること明白であろう。

本明細書に開示された思想は、真空成形工程において、製品（例えば、発泡ブランクなど）を制御可能に変形するための装置及び方法を提供する。真空空間内における１以上のレギュレータバッグの使用により、変形速度が、真空空間内に生成された真空レベルへの感受性を低減しつつ制御可能になり、その結果、成形プロセスがより反復可能となり、真空成形中の成形部品に発生する損傷を低減できる。

先の説明は、当業者が本明細書で説明される様々な態様を実施できるように提供されている。前述では最良の実施形態及び／又は他の実施例であると考えられるものを説明したが、これら態様に対する様々な改良は当業者に明らかであり、そして、本明細書で明示される一般的原理を他の態様に適用し得ると解される。したがって、特許請求の範囲は本明細書に示された態様に限定されるものではなく、その言語の特許請求の範囲と十分一致する範囲で認められるべきものである。ここでは、単数の要素への言及は、特に記載がなければ「１つ及び１つのみ」を意味するものではなく、むしろ「１つ以上」を意味する。特に別段の記載がない限り、用語「１セット」及び「いくらかの」は１以上に言及している。男性代名詞（例えば、「彼の」）には、女性及び中性（例えば、「彼女の」及び「その」）を含まれ、逆もまた同様である。見出し及び小見出しは、もしあれば、利便性のためだけに用いられ、本発明を限定しない。

開示されたプロセスにおける特定の順序又は優先度は、典型的な方法の実例であると解される。設計嗜好に基づいて、本プロセスにおける工程の特定の順序又は序列は並べ替えられてもよいと考えられる。工程の中には同時に実施されるものもあり得る。付随する方法に係る請求項は実例の順序で様々な工程の要素を示し、示された特定の順序又は序列に限定されることを意図したものではない。

本開示で用いられるような、例えば、「頂部」、「底部」、「前方」、「後方」などの用語は、一般的な重力座標系よりも任意の座標系に言及するものとして理解されるべきである。したがって、上面、底面、前面、及び後面は、重力座標系において上方に、下方に、斜めに、又は水平に延び得る。

１つの「態様」という表現は、このような態様が対象技術にとって不可欠であること、又はこのような態様が対象技術の全ての構成に適合すること、を意味しない。１つの態様に関する開示が、全ての構成、又は１以上の構成に適合し得る。１つの態様という表現は、１以上の態様について言及し、逆もまた同様である。１つの「実施形態」という表現は、このような実施形態が対象技術に不可欠であること、又はこのような実施形態が対象技術の全ての構成に適合すること、を意味しない。１つの実施形態に関する開示が全ての実施形態、又は１以上の実施形態に適合し得る。１つの実施形態という表現は、１以上の実施形態について言及し、逆もまた同様である。

本明細書で用いられる用語「例示的」は、「１つの実施例又は実例としての機能を果たす」ことを意味する。本明細書で「例示的」として説明されるあらゆる態様又は様式は、必ずしも、他の態様又は様式以上に好ましく又は有利であるとして解釈されるべきではない。

当業者に知られている、又は後で知られるようになる本開示全体を通して説明される様々な態様の要素の全ての構造的及び機能的均等物は、参照により明示的に本明細書に組み込まれ、特許請求の範囲に包含されるよう意図される。また、本明細書に開示されたものは、このような開示が特許請求の範囲に明確に記載されているかどうかにかかわらず、公衆に奉仕することを目的としていない。特許請求の範囲の要素は、要素が「手段（means for）」を用いて明白に記載されている、あるいは、方法に係る請求項の場合には、要素が表現「工程（steps for）」を用いて記載されている場合を除いて、合衆国法典第３５巻第１１２条第６段落の規定に準拠するべきではない。さらに、「含む（include）」、「有する（have）」などの用語が、発明の詳細な説明又は特許請求の範囲において用いられている限りでは、このような用語は、用語「含んで構成される（comprise）」が特許請求の範囲における移行部（transitional word）として用いられる場合に解釈されるように、「含んで構成される」と同様、包括的となるように意図される。

Claims (20)

1. 成形ブランクを変形させるための真空成形装置であって、
   金型と、
   前記金型に結合され、前記成形ブランクを封入する真空空間を形成するように構成された真空膜と、
   前記真空空間内において前記金型に隣接して配設された少なくとも１つのレギュレータバッグと、
   を含んで構成され、
   前記レギュレータバッグは、第１の体積を有する内部、及び、前記レギュレータバッグの前記内部から外部の前記真空空間内へ向かう通路を備え、
   前記通路は、前記レギュレータバッグの前記外部が前記内部の圧力より低い一定圧力下にある間、前記レギュレータバッグが一定時間を経て前記第１の体積から第２の体積へ収縮する収縮速度を有するように構成され、
   前記レギュレータバッグは前記通路を除いて密封されている、
   装置。
2. 前記真空空間に結合され、前記真空空間内の圧力を一定の圧力へ選択可能に減少させるように構成された真空供給源を更に含んで構成された請求項１に記載の装置。
3. 前記成形ブランクの温度を一定の温度まで選択可能に上げるように構成された熱供給源を更に含んで構成された請求項１に記載の装置。
4. 前記成形ブランクと前記レギュレータバッグの間に配設された少なくとも１つの可撓性支持材を更に含んで構成された請求項１に記載の装置。
5. 前記金型は、水平な底板と、上向きの成形面と、を含んで構成され、
   前記レギュレータバッグは、前記成形面に隣接する前記底板上に配設され、
   前記可撓性支持材は、前記成形面の上、かつ、前記レギュレータバッグの上に配設され、そして、前記成形ブランクを支持するように構成され、
   前記真空膜は、（ａ）前記可撓性支持材、前記レギュレータバッグ、及び前記成形面により支持された前記成形ブランクの上に配置され、かつ、（ｂ）前記底板に封着されるように構成された請求項４に記載の装置。
6. 前記成形面は錐体の一部を含んで構成された請求項５に記載の装置。
7. 前記成形面は円筒の一部を含んで構成された請求項５に記載の装置。
8. 成形プロセスの真空空間内で使用するためのレギュレータバッグであって、
   一定の第１の体積を有する内部と、
   前記内部から外部の前記真空空間内へ向かう通路と、
   を含んで構成され、
   前記通路は、前記レギュレータバッグの前記外部が前記内部の圧力より低い一定圧力である間、前記レギュレータバッグが一定時間を経て前記第１の体積から第２の体積へ収縮する収縮速度を有するように構成され、
   前記レギュレータバッグは前記通路を除いて密封されている、
   レギュレータバッグ。
9. 前記内部と前記外部がいずれも周囲圧力である間、前記レギュレータバッグは前記第１の体積を有し、前記一定圧力は周囲圧力以下である請求項８に記載のレギュレータバッグ。
10. 前記レギュレータバッグの収縮速度を変更するために、前記成形プロセスの間、前記通路が変えられるように構成された請求項８に記載のレギュレータバッグ。
11. 真空成形プロセスの間、成形ブランクの変形を制限する方法であって、
    ガスを充填した少なくとも１つのレギュレータバッグを金型に隣接して配置する工程と、
    前記成形ブランクの少なくとも一部を前記レギュレータバッグに隣接して配置する工程と、
    前記成形ブランク、前記レギュレータバッグ、及び前記金型の少なくとも一部を真空膜で囲んで真空空間を形成する工程と、
    前記真空空間内の圧力を一定の第１の圧力まで減少させて、これにより、前記レギュレータバッグを収縮させる工程と、
    を含んで構成され、
    前記レギュレータバッグは、第１の体積を有する内部、及び、前記内部から外部の前記真空空間内へ延びる通路を備え、
    前記通路は、前記レギュレータバッグの前記外部が前記内部の圧力より低い一定圧力である間、前記レギュレータバッグが一定時間を経て前記第１の体積から第２の体積へ収縮する収縮速度を有するように構成され、
    前記レギュレータバッグは前記通路を除いて密封されている、
    方法。
12. 可撓性支持材を前記レギュレータバッグの上に配置する工程を更に含んで構成され、
    前記成形ブランクの少なくとも一部を前記レギュレータバッグに隣接して配置する前記工程は、前記可撓性支持材上に少なくとも部分的に前記成形ブランクを配置することを含んで構成された請求項１１に記載の方法。
13. 前記レギュレータバッグが前記第２の体積に収縮するまで、前記真空空間内の前記第１の圧力を維持する工程を更に含んで構成された請求項１１に記載の方法。
14. 前記成形ブランクを一定の第１の温度まで加熱する工程を更に含んで構成された請求項１１に記載の方法。
15. 前記真空空間内の圧力を減少させる前に前記成形ブランクが前記第１の温度まで加熱される請求項１４に記載の方法。
16. 前記レギュレータバッグが前記第２の体積に収縮した後に、前記成形ブランクを一定の第２の温度まで冷却する工程を更に含んで構成された請求項１４に記載の方法。
17. 前記レギュレータバッグが一定の第３の体積に収縮した後に、前記真空空間内の圧力を第２の圧力に変更する工程を更に含んで構成された請求項１１に記載の方法。
18. 前記第３の体積は前記第２の体積よりも大きいものである請求項１７に記載の方法。
19. 前記成形ブランクが十分成形されるまで前記真空空間内の前記第１の圧力を保持する工程を更に含んで構成された請求項１１に記載の方法。
20. 前記成形ブランクは発泡材料を含んで構成された請求項１１に記載の方法。