JP6336380B2 - 繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本出願は、本願と同じく２０１３年１２月３日に出願された米国同時継続特許出願第１４／０９５５３１号（Attorney Docket No.12-1660-US-NP）、及び、本願と同じく２０１３年１２月３日に出願された米国同時継続特許出願第１４／０９５６９３号（Attorney Docket No.13-0764-US-NP）の関連出願である。

本開示は、繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための方法及び装置に関する。

複合材料または複合材料と軽金属とを組み合わせた材料は、重量比強度が比較的高いため、航空機及びその他の産業において、様々な部品や構造の製造に用いられている。変化する輪郭や比較的複雑な形状を有する部品の場合には、熱硬化性プリプレグテープレイアップ技術、および、オートクレーブ硬化によって、部品が製造されることがよくある。帯状のプリプレグテープまたはトウ(tow)を並べてレイアップすることによって、多層積層体が形成される。部品の荷重がかかる箇所にフィッティング（fittings）を取り付ける必要がある場合、オーダーメードの金属フィッティングを別途機械加工した後、これを複合積層部品に取り付ける。部品の形状によっては、しばしばヌードル（noodles）と呼ばれるフィラーを、部品の間隙またはくぼみに設けることによって、継ぎ目を補強しなければならない。

上述したような複合積層体製造プロセスは、時間がかかり、多くの労働力を必要とする上、自動ファイバープレースメント装置(automatic fiber placement machines)などの高価な資本設備を必要とする。また、これらの複合積層部品は、重量が大きすぎる。これは、局所的な補強に必要なパッドアップ(pad-ups)を徐々に形成しなければならないため、追加の層材料を配置する必要があるからである。また、複合積層部品は、積層体の穴、例えば、積層部品を硬化させた後に穿孔または切断によって形成された軽め穴などの周囲において、切欠き脆性を示す。

不連続繊維強化材を有する熱可塑性部品は、様々な形状に成形することができるが、融解した熱可塑性樹脂が高粘度を有し、これによって樹脂の流れが制限されるため、部品の特異部分を一体に形成することが容易ではない。樹脂の流動性は、強化繊維が比較的長い場合、繊維含有量が多い場合、及び、流動距離が長い場合に、特に制限される。また、射出成形などの成形技術は、繊維にダメージを与える傾向にあり、従って、成形された部品の強度に影響を及ぼす。押し出し成形などの他の成形技術は、均一な断面形状を有する単一のまっすぐな部品の製造に限定される。

従って、曲面、輪郭、または複雑な形状を有する複合材部品を製造するための方法及び装置であって、ラミナ(lamina)をレイアップする必要がなく、手作業及び高価な資本設備を減らすことができる方法及び装置が必要とされている。また、一体化された特異部分及びフィッティングを有する複雑な形状の複合材部品であって、高歩留まりの生産環境で、速く経済的に製造することできる複合材部品も必要とされている。

開示された実施形態は、不連続繊維で強化された熱可塑性樹脂の圧縮成形を用いて複合材部品を製造するための方法及び装置を提供する。輪郭、曲面、及び／又は複雑な形状を有する複合材部品を、真空バッグ成形やオートクレーブ処理を行う必要なく、製造することができる。フィッティングを部品に一体に形成することができるので、フィッティングを別途製造し部品に取り付ける必要性が低減あるいは解消される。製造のために手作業を要する部分は減少し、部品全体の重量も減らすことができるであろう。複雑な形状を有する部品を、より速く、比較的安価な成形設備を用いて、経済的に製造することができる。不連続繊維を高い含有率で含む強化熱可塑性部品を、安価に、成形プロセス中に実質的に繊維にダメージを与えることなく、成形することができるであろう。長い樹脂流動距離を実現することができ、これによって、部品長さに沿ういずれの位置にでも、複雑な部品の特異部分を成形することができる。大きさ、厚み、曲率の変化も含めて、長さに沿う各所で断面形状が変化する、長状の強化熱可塑性部品を実現可能である。

開示された一実施形態によれば、長状の繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形する方法が提供される。当該方法は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを投入することを含め、金型充填材料を投入することと、金型充填材料が流動可能となるまで金型充填材料を加熱すること、とを含む。金型充填材料の投入は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークをシリンダに投入することによって行ってもよい。金型充填材料を加熱することは、繊維強化熱可塑性樹脂フレークを、樹脂の融解温度まで加熱することを含む。当該方法はさらに、金型を加熱することと、金型充填材料を部品に成形することとを含む。金型充填材料は、流動可能な金型充填材料を加熱された金型に注入することによって、部品に成形される。当該方法は、さらに、金型充填材料がその形状を維持可能となるまで金型を冷却することを含み、次に、成形された金型充填材料を金型から取り外してもよい。冷却は、フレーク内の樹脂のガラス転移温度より低い温度まで金型を冷却することによって行われる。フレーク内の樹脂の融解温度まで金型充填材料を加熱することによって、金型充填材料が流動可能となる。金型充填材料は、予備一体化（pre-consolidate）してシリンダに投入してもよく、当該シリンダは、加熱され、流動可能な金型充填材料を加熱された金型に注入するために用いられる。金型充填材料は、予備一体化してスラグにしてから、使用の準備ができるまで保管してもよい。金型充填材料を投入することは、スラグを投入することを含む。予備一体化（pre-consolidation）は、所定量の繊維強化樹脂フレークをチャンバーに入れ、圧縮しつつ、互いに接着するまで当該繊維強化フレークを繊維強化フレーク内の樹脂の融解温度まで加熱し、次に、フレークが取り扱い及び保管が可能な所望の形状を形成するまでスラグを冷却することによって行ってもよい。使用の準備ができると、予備一体化されたスラグを充填シリンダに投入し、樹脂の融解温度まで再加熱する。

別の実施形態によれば、少なくとも１つの一体のフィッティングを有する熱可塑性複合材部品を圧縮成形する方法が提供される。繊維強化熱可塑性樹脂フレークの充填材料を予備一体化し、当該充填材料をシリンダに入れる。シリンダは、部品用キャビティ及び少なくとも１つのフィッティング用キャビティを有する金型に、連結される。予備一体化された充填材料がシリンダ内で加熱され、熱可塑性樹脂と強化繊維との流動可能な混合物が形成される。シリンダ内の流動可能な混合物を圧縮することによって、当該流動可能な混合物が、部品用キャビティ及びフィッティング用キャビティに流入する。充填材料の予備一体化は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを管体に入れ、軟化し互いに接着するまで当該繊維強化熱可塑性フレークを加熱し、加熱された繊維強化熱可塑性フレークを圧縮してスラグにすること、によって実現してもよい。スラグをシリンダに入れ、シリンダ内でピストンによって圧縮することによって、樹脂と繊維との流動可能な混合物を金型に注入する。任意には、フィッティング用キャビティを有する金型モジュールを金型に取り付けることによって、部品と一体のフィッティングを成形してもよい。

さらに別の実施形態によれば、繊維強化熱可塑性樹脂部品を圧縮成形するための装置が提供される。当該装置は、部品用キャビティを有する金型と、部品用キャビティに連結されており、且つ、繊維強化熱可塑性樹脂フレークの予備一体化された充填材料を収容するように構成されたシリンダと、を備える。当該装置はさらに、予備一体化された充填材料を加熱することにより、樹脂と強化繊維との流動可能な混合物にするためのヒーターと、シリンダ内のピストンと、を含む。ピストンに連結されたアクチュエータが、ピストンを押し込むことによって、流動可能な混合物を圧縮し且つ流動可能な混合物を部品用キャビティに押しやる。金型は、部品と一体のフィッティングを成形するためのフィッティング成形用キャビティを有する金型モジュールを含んでいてもよい。金型モジュールは、金型から取り外し可能であってもよい。部品用キャビティは、長状であり、長軸を含んでおり、シリンダは、部品用キャビティの長軸に対してほぼ軸方向に整列した長軸を含んでいてもよい。ヒーターは、シリンダを加熱するためにシリンダを囲む複数の加熱バンドである。当該装置は、充填材料を予備一体化して略円柱形のスラグにするためのツールをさらに備えてもよい。当該用具は、所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを導入することができる管体を含む。１つまたはそれ以上のバンドヒーターが、管体を加熱するために、管体に外装されている。管体に質量体を導入し、当該質量体にかかる重力下で繊維強化熱可塑性樹脂フレークを圧縮してもよい。

特徴、機能、利点は、本開示の様々な実施形態において個別に達成することができ、あるいは、さらに他の実施形態と組み合わせてもよく、そのさらなる詳細は、以下の記載及び図面を参照することによって明らかになるものであろう。

例示的な実施形態に特有のものと考えられる新規の特徴は、添付の特許請求の範囲に記載されている。ただし、例示的な実施形態、及び、好ましい使用の形態、さらなる目的及び利点は、本開示の例示的な実施形態の以下の詳細な説明を下記の添付図面と共に参照することによって、最も理解されるであろう。
繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための装置の概略側面図である。 図１において「図２」と記した部分の図である。 図１に示した装置に入れられた金型充填材料のフレークの１つを示す。 別の形状を有するフレークを示す。 一体の端部フィッティングを有する繊維強化熱可塑性Ｉビームの斜視図である。 一体のフィッティングを有する繊維強化熱可塑性中空ビームの斜視図である。 繊維強化熱可塑性Ｔ字フレームの端部の斜視図である。 繊維強化熱可塑性ハットストリンガーの端部の斜視図である。 繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための装置、金型インサートが見えるように一部を分解状態としたモジュール式金型、及び、充填シリンダがよく見えるように１つを部分的に断面に切り欠いたバンドヒーター、を示す斜視図である。 図９に示した装置で用いられる、予備一体化された熱可塑性スラグの斜視図である。 図９に示した装置の一部を形成する金型の分解斜視図である。 繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための装置の別の実施形態の略図である。 繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための装置のさらに別の実施形態の略図である。 図１０に示したスラグを形成するための装置の等角投影図である。 繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形するための方法のフローチャートである。 航空機の製造及びサービス方法のフローチャートである。 航空機のブロック図である。

図１及び図２を参照して説明すると、開示した実施形態は、不連続繊維で強化された、様々な長状の熱可塑性樹脂部品４２（図５〜８）を圧縮成形するための装置２０に関する。装置２０は、概して、長状の金型２６と、充填シリンダ２８とを含み、当該シリンダは、予備一体化(pre-consolidated)された所定量の熱可塑性複合材料（ＴＰＣ）フレーク２４を含む充填材料２２を保持する構成とされたものである。本明細書で使用される「フレーク」「ＴＰＣフレーク」「繊維フレーク」という用語は、部品４２を強化するのに適した繊維を含む熱可塑性樹脂の個々の小片、かけら、スライス、層、または塊を指す。アクチュエータ３４は、限定はされないが、例えば油圧モーターを備えており、当該アクチュエーターが、ラムロッド３２によって、充填シリンダ２８内のピストン３０に連結されている。充填シリンダ２８は、注入口３６を介して、金型２６の一端に連結されており、これによって、融解された充填材料２２を金型２６内の部品成形用キャビティ２７に注入できるようになっている。以下に説明する他の実施形態において、充填シリンダ２８は、金型２６に直接連結されていてもよい。金型２６は、融解された充填材料２２が部品成形用キャビティ２７に注入された時に部品成形用キャビティ２７から空気を逃すための少なくとも１つの空気抜き５５を含んでいてもよい。

図２は、予備一体化された充填材料２２を形成するために用いられるＴＰＣフレーク２４の一群を示しており、図３は、ＴＰＣフレーク２４の１つを示している。図示の実施形態において、各ＴＰＣフレーク２４は、長さＬと幅Ｗとを有する略矩形の細長い形状を有しており、その中の強化繊維３５は、実質的に同じ長さを有する。ただし、他の実施形態において、ＴＰＣフレーク２４は他の形状を有していてもよく、強化繊維３５の長さＬが異なっていてもよい。例えば、図４は、略楕円形としたことによって、繊維３５が様々な長さＬを有するＴＰＣフレーク２４を示している。異なる長さの繊維３５が存在することによって、部品４２内に繊維３５をより均一に分散させることがでる一方、等方性の機械的特性の促進、及び／又は、部品４２の強化を実現することができる。いくつかの実施形態においては、様々なサイズ及び／又は形状のＴＰＣフレーク２４の混合物を用いて、予備一体化された充填材料２２を形成してもよい。一実施形態において、繊維３５の長さは、約０．５インチであり、約１．０インチまでまたはそれ以上であってもよい。各フレーク２４における、樹脂に対する繊維３５の割合は比較的高く、結果として、体積で混合物の３０％以上の繊維含有量を有する、繊維３５と融解樹脂との流動可能な混合物となるが、繊維含有量は体積で混合物の６５％まで又はそれ以上であってもよい。

フレーク２４内の熱可塑性樹脂は、比較的高粘度の熱可塑性樹脂であり、少しだけ例をあげると、ＰＥＩ（ポリエーテルイミド）、ＰＰＳ（ポリフェニレンスルフィド）、ＰＥＳ（ポリエーテルスルホン）、ＰＥＥＫ（ポリエーテルエーテルケトン）、ＰＥＫＫ（ポリエーテルケトンケトン）、及び、ＰＥＫＫ−ＦＣ（ポリエーテルケトンケトン‐fc grade）などがあるが、これらに限定されない。フレーク２４内の強化繊維３５は、さまざまな高強度繊維のいずれであってもよく、例えば、限定するものではないが、カーボン、金属、セラミック、及び／またはガラス繊維である。

再び図１を参照して説明すると、装置２０は、適当な加熱装置、例えば、限定するものではないが、内蔵電気抵抗加熱コイル２３又は同様の加熱装置を含んでおり、この加熱装置が、フレーク２４内の樹脂が融解して、熱可塑性樹脂とランダムに配向された不連続強化繊維３５との流動可能な混合物を形成するまで、充填シリンダ２８内の充填材料２２を加熱する。アクチュエータ３４によって駆動されるピストン３０が、シリンダ２８内を移動することによって、充填材料２２を圧縮し、樹脂と繊維３５との融解された混合物を、注入口３６を通じて金型２６の部品成形用キャビティ２７内に流入させる（３８）。金型２６は、内部の加熱／冷却流体通路２５（図１）によって加熱及び冷却されるが、電気抵抗加熱又は誘導加熱などの他の成形加熱技術を用いてもよい。

任意の構成として、装置２０は、金型２６に永久的に又は取り外し可能に取り付けられた、１つまたはそれ以上の金型モジュール４０を有していてもよい。各金型モジュール４０は、部品成形用キャビティ２７に連結されたフィッティング成形用キャビティ２９を含み、当該キャビティは、部品４２に一体の対応するフィッティング又はその他の特異部分、例えば、以下に説明される、図５、６、７、８に示した部品４２の特異部分など、を成形するためのものである。各金型モジュール４０を取り外して、他の金型モジュール４０ａと交換することによって、異なるサイズ又は形状のフィッティングを部品４２に一体成形できるようにし、局所的にデザインを変更できるようにしてもよい。

図５〜図８は、開示した方法及び装置２０を用いて圧縮成形し得る長状部品４２の例を示している。図５に示した部品４２は、一体成形された２−ラグフィッティング(2-lug fitting)５２を一端に有するＩビームである。当該Ｉビームは、上キャップ及び下キャップ４４、４６が一体成形されたウェブ４８を備える。ウェブ４８に軽め穴５０を一体成形により設けることも可能である。ただし、軽め穴５０は、Ｉビームを作製した後に、ウェブ４８に穿孔することにより設けてもよい。

図６に示した部品４２は、略矩形の断面、及び、ほぼ長さ全体にわたる開放内部５６、を有する中空ビームである。フィッティング５８、６０、６２、６４は、ビームの１つの壁６５沿って、当該壁に一体的に形成されている。図７は、Ｔ字フレームである部品４２を示しており、当該部品は、連結ウェブ７０に一体に形成された上キャップ及び下キャップ６６、６８を含む。上キャップ６６は、Ｔ字フレームの全長にわたって延びる一対の溝７２を含み、これらの溝は、例えば、取り付けパネル部材（図示せず）を挿入及び取り付けできるように構成されている。図８は、さらに別の圧縮成形部品４２を示し、当該部品は、ハットストリンガーである。当該ハットストリンガーは、フランジ７６が一体成形されたハット部７４を含む。図５〜図８に示した部品は、実質的にまっすぐであるが、これらの部品のいずれも、その長さに沿う１つまたはそれ以上の曲線部分または輪郭部分を有していてもよい。また、上記から理解されるように、部品４２は、部品４２の長さに沿って変化する断面形状を有してもよい。

次に、図９、１０及び１１に注目すると、これらの図は、不連続繊維３５（図３）で強化された熱可塑性樹脂部品４２を圧縮成形するための装置２０の別の実施形態を示している。この例において、アクチュエータ３４は、油圧駆動アクチュエータ３４であり、長状の充填シリンダ２８内に挿入されたピストン３０を直線的に変位させる。充填シリンダ２８の一端は、留具７５によって、長状の金型２６の一端に取り外し可能に取り付けられている。金型２６は、互いに固定あるいはクランプされたモジュール式上型８２、モジュール式下型８４、及び端部キャップ９２、の内側に封入された長状の金型インサート８６を備える。充填シリンダ２８の長軸は、金型２６の長軸４５と、ほぼ一直線状に並んでいる。

複数のバンドヒーター８０（図９）が、充填シリンダ２８に外装されており、これらは、予備一体化された充填材料２２内の樹脂を融解するのに十分な温度まで充填材料２２を加熱するためのものである。バンドヒーター８０は、限定するものではないが、例えば、「スマートサセプタ（smart susceptors）」を利用した電磁誘導ヒーターである。ただし、他の加熱装置を用いることもできる。充填材料２２は、熱可塑性樹脂と繊維３５との予備一体化された混合物からなる円筒形のスラグ７８（図１０）であり、上述したタイプのＴＰＣフレーク２４を用いて製造されたものある。スラグ７８は、ピストン３０を引き出した後に、充填シリンダ２８の開放端部から、充填シリンダ２８に挿入することができる。

図１１は、金型２６のさらなる細部を示しており、当該金型においては、金型インサート８６が、特に図５に示したＩビーム部品４２を圧縮成形するように構成されている。金型インサート８６は、一対の側部金型インサート８８と、上側インサート及び下側インサート８８とを備えており、これらが組み合わさって、Ｉビーム部品４２の形状に一致する長状の金型キャビティを形成している。金型インサート８６は、さらに、上側、下側、及び、一対の側部側の、フィッティング用インサート９０を備え、これらが組合わさって、端部フィッティング５２の形状に一致する、フィッティング成形用キャビティ２９（図１参照）を形成している。金型インサート８６のこれら部品は、モジュール式上型８２及び下型８４と、端部キャップ９２とによって、アセンブリとして一体に保持されている。モジュール式上型８２及び下型８４は、フランジ８５を含み、当該フランジに、留具７５（図９）を用いて、充填シリンダ２８を取り付けることができる。金型２６は、一体型の加熱コイルまたは内部加熱／冷却流体通路２５（図１参照）などの様々な技術を用いて自己加熱してもよいし、あるいは、誘導加熱してもよい。金型２６には、充填材料２２が金型キャビティに注入された際に金型キャビティから空気を逃がすべく外部に通じる複数の空気口５５が、その長さに沿って設けられていてもよい。

図９〜１１に示した装置２０の実施形態は、特に、長状の繊維強化熱可塑性樹脂部品の圧縮成形に適する構成とされている。充填シリンダ２８の長軸と、金型インサート８６によって形成される部品成形用キャビティ２７の長軸とを一直線上に並べることによって、融解樹脂及び繊維３５は、最小限の流動抵抗で、部品成形用キャビティ２７にスムーズに流入し且つその長さにわたって流動することができる。また、充填シリンダ２８を使用すること、及び、当該シリンダを部品成形用キャビティ２７と同軸状に配置することによって、樹脂及び繊維は、実質的に妨げられることなく、容易に、部品成形用キャビティ２７内に、線状に流入することができる。これによって、特に繊維３５が比較的長い場合に、破損や変形による繊維３５の質の低下の可能性を低減することができる。

図９を参照して説明すると、使用の際には、１つまたはそれ以上の予備一体化されたスラグ７８を充填シリンダ２８に入れる。金型インサート８６は、熱可塑性樹脂を融解するのに十分な所望の成形温度、典型的には、約６５０°Ｆと約７５０°Ｆとの間、まで加熱される。充填シリンダ２８は、バンドヒーター８０によって加熱されることにより、フレーク２４内の樹脂の融解温度まで、スラグ７８を加熱する。融解されたスラグ７８は、熱可塑性樹脂と繊維３５との流動可能な混合物を形成する。アクチュエータ３４は、充填シリンダ２８内にピストン３０を挿入し、融解された樹脂と繊維３５との流動可能な混合物を、金型インサート８６のキャビティ内に押し込む。なお、充填材料２２は、一つずつ充填シリンダ２８に挿入される、予備一体化されたスラグ７８であってよいが、充填材料２２は、予備一体化された又はされていないものも含め、互いの連結がゆるい繊維強化熱可塑性フレーク２４であってもよい。

充填シリンダ２８内で、ピストン３０によってスラグ７８を圧縮することによって、スラグ７８が圧縮され、流動可能な樹脂／繊維混合物が金型インサート８６に注入され、部品成形用キャビティ２７、及び、フィッティング成形用キャビティ２９のすべての部分に混合物が流れる。追加のスラグ７８を、予熱された状態またはされていない状態で、充填シリンダ２８に挿入し、成形サイクル中にこれを融解してもよく、これによって、成形用キャビティ２７、２９を満たすのに必要な量の材料を供給することができる。一実施例において、例えば、一群のスラグ７８をオーブン（図示せず）に入れ、その融解温度近くまで予熱してもよい。次に、予熱されたスラグ７８を１つずつオーブンから取り出し、部品成形用キャビティ２７及び及びフィッティング成形用キャビティ２９が完全にいっぱいになるまで、ほぼ連続的に、充填シリンダ２８に投入してもよい。融解された熱可塑性樹脂が結晶化し、完全に一体化するまで、成形用キャビティ２７、２９内の温度及び圧力を維持する。圧縮ガスの印加又は他の既知の技術を用いて、金型２６の冷却を行ってもよい。

成形すべき部品４２の形状及び複雑さによっては、金型２６の二箇所以上で、融解された繊維強化樹脂を部品成形用キャビティ２７に注入することが可能または必要な場合がある。例えば、図１２を参照すると、湾曲金型２６は、アール部２６ｃによって連結された２つの略垂直な脚部２６ａ、２６ｂを有することによって、略Ｌ字形の複合材部品（図示せず）を圧縮成形できるように構成されている。融解された樹脂／繊維混合物を金型２６の一端９４のみから注入すると、金型２６のアール部２６ｃが、当該混合物の流れに多少の抵抗を与える場合がある。従って、２組のアクチュエータ３４及び充填シリンダ２８と、スラグ７８の形態の別々の充填材料を用いて、金型２６の二箇所９４、９６から樹脂／繊維混合物を注入することによって、樹脂／繊維混合物の望ましい流動を実現することができる。

図１２Ａは、装置２０の代替の形態を示している。当該装置においては、アクチュエータ３４及びシリンダ／スラグ２８、７８が、部品成形用キャビティ２７の長軸９９に交差する軸９７に沿って配置されており、樹脂の注入は、部品成形用キャビティ２７の両端９４の間の中間位置９６において行われる。いくつかの実施形態においては、当該中間注入位置９６は、部品成形用キャビティ２７の両端９４のほぼ中点であってもよい。装置２０のこの実施形態においては、２つの端部９４の中間である位置９６から部品成形用キャビティ２７に樹脂を注入することによって、樹脂の流れが分岐され、部品成形用キャビティ２７内で互いに反対方向に流れる（１０１）。中間位置９６から部品成形用キャビティ２７に樹脂を注入することによって、充填材料２２が流動しなければならない全長を短くすることができる。これは、図５に示したビーム４２のように、部品の長さが長い場合に、望ましいであろう。また、中間位置９６から部品成形用キャビティ２７に樹脂を注入することによって、例えば、図５に示したフィッティング５２のようなフィッティングを、両端に有する長状部品４２の成形が容易になる。また、図１２Ａに示した装置の構成、すなわち、軸９７と軸９９とが互いに交差する構成によれば、装置２０の全長「Ｌ」を短くすることができ、その結果、よりコンパクトな設計となり、工場の床面積を節約することができる。

予備一体化されたＴＰＣフレークのスラグ７８は、種々の技術のいずれを用いて製造してもよい。図１３は、スラグ７８を形成するための１つの技術及びツール９５を示す。管体９８などのチャンバーを、ＴＰＣフレーク２４の充填材料２２で満たす。管体９８には、１つまたはそれ以上のバンドヒーター１０２、例えば、限定するものではないが、セラミックバンドヒーター、が外装されており、フレーク２４内の樹脂の融解温度までフレーク２４を加熱する。この融解温度に達すると、フレーク２４内の樹脂が全体として流動する。例えば、管体９８をオーブン（図示せず）に入れるなどの他の技術を用いて、樹脂の融解温度までフレーク２４を加熱することもできる。フレーク２４の一部のみを融解させることによって、これらが互いに接着し、冷却されたときに形状を維持できる塊（スラグ７８）を形成するようにすることもできるであろう。円柱状の圧縮用質量体１００を管体９８に挿入する。樹脂の融解温度までフレーク２４が加熱されると、質量体１００が、重力によって、あるいは、軸方向にかけられた負荷によって、フレーク２４を圧縮し、充填材料２２から空気を追い出し、フレーク２４内の融解樹脂が全体として流動するようになる。

質量体１００によって圧縮された状態のまま、フレーク２４を冷却させることによって、分散した繊維３５を含む樹脂は、予備的に一体化し１つの塊、すなわち、スラグ７８になる、または、予備的に一体化することによって個々のフレーク２４が互いに接着し、使用の準備ができるまで取り扱い及び保管が可能な形状を維持できる状態となる。管体９８の端部キャップ１０６を取り外して、管体９８からスラグ７８を引き出すことができる。他の技術を用いて必要な圧力を充填材料２２にかけることによって、融解されたフレーク２４を予備一体化してもよい。例えば、質量体１００は、充填材料２２に必要な圧縮力をかけるために管体９８内に配置されたバネ式ピストンであってもよい。予備一体化されたスラグ７８は、使用の準備ができるまで、室温で保管及び保持してもよい。

次に、図１４に注目すると、同図は、繊維強化熱可塑性樹脂部品４２、特に、複雑な形状及び／又はフィッティングを有する長状の部品４２、を圧縮成形する方法の全体の手順を、大まかに示している。１０６において、典型的にはロール状のバルクＴＰＣテープを、比較的細いフレーク２４に切断する。１０８において、上述した技術によって、ＴＰＣフレーク２４を予備一体化してスラグ７８にする。ステップ１１０において、スラグ７８を、場合によっては予熱した後に、充填材料２２として充填シリンダ２８に投入する。１１２において、充填シリンダ２８内のスラグ７８を、誘導加熱などの種々の技術のいずれかによっスラグ内の樹脂の融解温度まで加熱し、効果的に樹脂を再融解させる。あるいは、複数のスラグ７８を、１つ又は複数のグループに分けて、使用の準備ができるまでオーブン（図示せず）に入れるなどして、樹脂の融解温度まで加熱してもよい。ステップ１１３において、部品４２の形状によっては、必要に応じて、金型２６に１つまたはそれ以上の金型モジュール４０を取り付けてもよい。ステップ１１４において、少なくとも樹脂の融解温度まで金型２６を加熱し、充填シリンダ２８に取り付ける。１１６において、充填材料２２に圧力をかけ、融解された熱可塑性樹脂と強化繊維３５との流動可能混合物を金型２６に流入させる。１１８において、必要に応じて、追加のスラグ７８を１つずつ次々と充填シリンダ２８に挿入し、注入前に樹脂融解温度まで再加熱することによって、成形用キャビティ２７、２９の全体を満たす。このように、スラグ７８を次々と挿入することによって、複数のスラグ７８を用いて、融解された樹脂／繊維混合物を成形用キャビティ２７、２９にほぼ連続して流入させることができる。このようにして、スラグ７８の一連の挿入によって、比較的大きな金型を満たすことができる。

１２０において、満たされた金型２６は、熱可塑性樹脂の結晶成長及び一体化に必要な温度に保持される。そして、１２２において、部品４２が取り扱い可能な状態となるまで金型２６を急速に冷却し、次に、充填シリンダ２８から金型を取り外す。一般的に、金型２６は、樹脂のガラス転移温度より低い温度まで冷却される。金型２６を充填シリンダ２８から取り出した後、別の金型２６を充填シリンダ２８に取り付け、追加の部品４２を圧縮成形してもよい。１２２において冷却した後に、金型２６を分解し、部品４２を取り出し、金型２６を洗浄して、別の成形作業に備えて再度組み立ててもよい。

本開示の実施形態は、様々な潜在的な用途において用いることができ、特に、例えば航空宇宙産業、船舶、自動車、およびその他の用途を含む運輸業であって、特に複雑な特異部やフィッティングを有する部品を含め、複合材部品を使用し得る用途に用いてもよい。図１５及び１６を参照して説明すると、本開示の実施形態は、図１５に示した航空機の製造及びサービス方法１２６、及び、図１６に示した航空機１２８、に関連して用いてもよい。開示された実施形態の航空機用の用途としては、限定するものではないが、いくつか例をあげると、ビーム、ストリンガー、ハンガー、スティフナーなどがある。生産開始前の工程として、典型的な方法１２６は、航空機１２８の仕様決定及び設計１３０と、材料調達１３２とを含む。生産中の工程としては、部品及び小組立品（subassembly）の製造１３４、及び、航空機１２８のシステムインテグレーション１３６が行われる。その後、航空機１２８は、例えば認証及び納品１３８の工程を経て、就航１４０に入る。顧客によるサービス中は、航空機１２８は、定例のメンテナンス及びサービス１４２のスケジュールに組み込まれ、これは調整、変更、再磨き上げなども含む場合もある。

方法１２６の各工程は、システムインテグレーター、第三者、及び／又はオペレーター（例えば顧客）によって実行または実施することができる。説明のために言及すると、システムインテグレーターは、航空機メーカー及び主要システム（majority-system）下請業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。第三者は、売主、下請業者、供給業者をいくつ含んでいてもよいが、これに限定されない。オペレーターは、航空会社、リース会社、軍事団体（military entity）、サービス組織（service organization）などであってもよい。

図１６に示すように、典型的な方法１２６によって製造される航空機１２８は、例えば、複数のシステム１４６と内装１４８とを備えた機体１４４を含む。ハイレベルシステム１４６の例としては、１つ又はそれ以上の駆動系１５０、電気系１５２、油圧系１５４、環境系１５６が挙げられる。また、その他のシステムをいくつ含んでいてもよい。また、航空産業に用いた場合を例として説明したが、本開示の原理は、例えば海運または自動車産業などの他の産業に適用してもよい。

ここに図示及び記載した装置及び方法は、製造及びサービス方法１２６における、１つ又はそれ以上のどの段階において採用してもよい。例えば、製造工程１３４に対応する部品又は小部品は、航空機１２８がサービス中に作製される部品又は小部品と同様に作製することができる。また、１つまたはそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、例えば、実質的に航空機１２８の組み立て速度を速めたりコストを削減したりすることによって、製造工程１３４及び１３６で用いてもよい。同様に、１つまたはそれ以上の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせを、航空機１２８のサービス中に、例えば、限定はされないが、メンテナンス及びサービス１４２に用いてもよい。

様々な例示的な実施形態の説明は、例示および説明のために提示したものであり、すべてを網羅することや、開示した形態での実施に限定することを意図するものではない。多くの変更または変形が当業者には明らかであろう。また、例示的な実施形態は、他の例示的な実施形態とは異なる特徴をもたらしうる。選択した実施形態は、実施形態の原理及び実際の用途を最も的確に説明するために、且つ、当業者が、想定した特定の用途に適した種々の改変を加えた様々な実施形態のための開示を理解できるようにするために、選択且つ記載したものである。

付記１ 長状の繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形する方法であって、
所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを投入することを含め、金型充填材料を投入することと、
前記金型充填材料が流動可能となるまで当該金型充填材料を加熱することと、
金型を加熱することと、
前記流動可能な金型充填材料を前記加熱された金型に注入することによって、前記金型充填材料を部品に成形することと、
前記成形された金型充填材料がその形状を維持可能となるまで前記金型を冷却すること、とを含む、方法。

付記２ 前記金型を冷却することは、前記熱可塑性樹脂フレーク内の樹脂のガラス転移温度より低い温度まで前記金型を冷却することを含む、付記１に記載の方法。

付記３ 前記金型充填材料を加熱することは、前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを、当該繊維強化熱可塑性樹脂フレーク内の樹脂の融解温度まで加熱することを含む、付記１に記載の方法。

付記４ 前記金型充填材料を投入することは、前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークをシリンダに投入することを含み、
前記金型充填材料を加熱することは、前記シリンダを加熱することを含み、
前記流動可能な金型充填材料を注入することは、前記シリンダにピストンを押し込むことによって行われる、付記１に記載の方法。

付記５ 前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを予備一体化してスラグにすること、をさらに含み、
前記金型充填材料を投入することは、前記スラグを投入することを含む、付記１に記載の方法。

付記６ 前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを予備一体化することは、
前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークをチャンバーに入れることと、
前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを、当該繊維強化熱可塑性樹脂フレーク内の樹脂の融解温度まで加熱することと、
前記チャンバー内の前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを圧縮して前記スラグにすること、とを含む、付記５に記載の方法。

付記７ 前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを圧縮することは、前記チャンバー内の前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークの上に重りを置くことによって行われる、付記６に記載の方法。

付記８ 前記予備一体化することは、前記スラグが後に使用するための取り扱い及び保管ができる状態となるまで、前記スラグを冷却することを含む、付記５に記載の方法。

付記９ 前記冷却することは、前記スラグ内の樹脂のガラス転移温度より低い温度まで前記スラグを十分に冷却することによって、前記スラグが所望の形状を維持できるようにすることを含む、付記８に記載の方法。

付記１０ 前記金型充填材料を加熱することは、前記スラグを再加熱することを含む、付記８に記載の方法。

付記１１ 前記スラグを投入することは、前記スラグをシリンダに投入することを含み、
前記金型充填材料を加熱することは、前記シリンダを加熱することを含み、
前記流動可能な金型充填材料を注入することは、ピストンを前記シリンダに押し込むことによって行われる、付記５に記載の方法。

付記１２ 前記スラグを投入すること及び前記流動可能な金型充填材料を注入することは、前記金型が熱可塑性樹脂と繊維との混合物で満たされるまで繰り返される、付記１０に記載の方法。

付記１３ 少なくとも１つの一体のフィッティングを有する熱可塑性複合材部品を圧縮成形する方法であって、
繊維強化熱可塑性樹脂フレークの充填材料を予備一体化することと、
前記予備一体化された充填材料をシリンダに入れることと、
部品用キャビティ及び少なくとも１つのフィッティング用キャビティを有する金型に、前記シリンダを連結することとと、
前記シリンダ内の前記予備一体化された充填材料を加熱することによって、熱可塑性樹脂と強化繊維との流動可能な混合物を形成することと、
前記シリンダ内の前記流動可能な混合物を圧縮することによって、前記流動可能な混合物を前記部品用キャビティ及び前記フィッティング用キャビティに流入させること、とを含む方法。

付記１４ 前記充填材料を予備一体化することは、
所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを管体に入れることと、
前記繊維強化熱可塑性フレークを加熱することと、
前記加熱された繊維強化熱可塑性フレークを前記管体内で圧縮してスラグにすること、とを含む、付記１３に記載の方法。

付記１５ 前記予備一体化された充填材料を前記シリンダに入れることは、前記スラグを前記シリンダシリンダに挿入することを含み、
前記流動可能な混合物を流入させることは、前記シリンダにピストンを押し込むことによって、前記流動可能な混合物を圧縮することを含む、付記１４に記載の方法。

付記１６ 前記フィッティング用キャビティを有する金型モジュールを金型に取り付けることをさらに含む、付記１３に記載の方法。

付記１７ 繊維強化熱可塑性樹脂部品を圧縮成形するための装置であって、
部品用キャビティを有する金型と、
前記部品用キャビティに連結されており、且つ、繊維強化熱可塑性樹脂フレークの予備一体化された充填材料を収容するように構成されたシリンダと、
前記予備一体化された充填材料を加熱することにより、樹脂と強化繊維との流動可能な混合物にするためのヒーターと、
前記シリンダ内のピストンと、
前記流動可能な混合物を圧縮し且つ前記流動可能な混合物を前記部品用キャビティに押しやるために、前記ピストンを押し込むための、前記ピストンに連結されたアクチュエータと、を備える装置。

付記１８ 前記金型は、前記部品と一体のフィッティングを成形するためのフィッティング成形用キャビティを有する金型モジュールを含む、付記１７に記載の装置。

付記１９ 前記金型モジュールは、前記金型から取り外し可能である、付記１８に記載の装置。

付記２０ 前記部品用キャビティは、長状であり、長軸を含んでおり、
前記シリンダは、前記部品用キャビティの長軸に対してほぼ軸方向に整列した長軸を含み、前記部品用キャビティの一端で前記部品用キャビティに連結されている、付記１７に記載の装置。

付記２１ 前記ヒーターは、前記シリンダを加熱するために前記シリンダを囲む複数の加熱バンドである、付記１７に記載の装置。

付記２２ 前記充填材料を予備一体化して略円柱形のスラグにするためのツールをさらに含む、付記１７に記載の装置。

付記２３ 前記用具は
所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを導入することができる管体と、
前記管体を加熱するために前記管体に外装された少なくとも１つのバンドヒーターと、
前記管体に導入されるように構成された質量体と、を含み、前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを当該質量体にかかる重力下で圧縮するようにした、付記２２に記載の装置。

付記２４ 前記金型は、前記部品用キャビティに連結された少なくとも１つの空気抜きを含み、当該空気抜きにより、前記部品用キャビティに押し込まれた前記流動可能な混合物によって押しのけられた前記部品用キャビティ内の空気を逃すことができるようにした、付記１７に記載の装置。

付記２５ 前記部品用キャビティは、その長さに沿う少なくとも１つの輪郭部分を有する、付記１７に記載の装置。

付記２６ 前記部品用キャビティは、前記部品用キャビティの長さに沿って形が変化する断面を有する、付記１７に記載の装置。

Claims (14)

1. 長状の繊維強化熱可塑性部品を圧縮成形する方法であって、
   所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを投入することを含め、金型充填材料を投入することと、
   前記金型充填材料が流動可能となるまで当該金型充填材料を加熱することと、
   長軸を有する金型を加熱することと、
   前記流動可能な金型充填材料を前記加熱された金型に注入することによって、前記金型充填材料を部品に成形することと、
   前記成形された金型充填材料がその形状を維持可能となるまで前記金型を冷却すること、とを含み、
   前記金型充填材料を投入することは、前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークをシリンダに投入することを含み、
   前記シリンダは、前記金型の前記長軸に対してほぼ軸方向に整列した長軸を含み、前記金型に連結されている、方法。
2. 前記金型を冷却することは、前記熱可塑性樹脂フレーク内の樹脂のガラス転移温度より低い温度まで前記金型を冷却することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記金型充填材料を加熱することは、前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを、当該繊維強化熱可塑性樹脂フレーク内の樹脂の融解温度まで加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記金型充填材料を加熱することは、前記シリンダを加熱することを含み、
   前記流動可能な金型充填材料を注入することは、前記シリンダにピストンを押し込むことによって行われる、請求項１に記載の方法。
5. 前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを予備一体化してスラグにすること、をさらに含み、
   前記金型充填材料を投入することは、前記スラグを投入することを含む、請求項１に記載の方法。
6. 前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークを予備一体化することは、
   前記所定量の繊維強化熱可塑性樹脂フレークをチャンバーに入れることと、
   前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを、当該繊維強化熱可塑性樹脂フレーク内の樹脂の融解温度まで加熱することと、
   前記チャンバー内の前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを圧縮して前記スラグにすること、とを含む、請求項５に記載の方法。
7. 前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークを圧縮することは、前記チャンバー内の前記繊維強化熱可塑性樹脂フレークの上に重りを置くことによって行われる、請求項６に記載の方法。
8. 前記予備一体化することは、前記スラグが後に使用するための取り扱い及び保管ができる状態となるまで、前記スラグを冷却することを含む、請求項５に記載の方法。
9. 前記冷却することは、前記スラグ内の樹脂のガラス転移温度より低い温度まで前記スラグを十分に冷却することによって、前記スラグが所望の形状を維持できるようにすることを含む、請求項８に記載の方法。
10. 前記金型充填材料を加熱することは、前記スラグを再加熱することを含む、請求項８に記載の方法。
11. 前記スラグを投入することは、前記スラグをシリンダに投入することを含み、
    前記金型充填材料を加熱することは、前記シリンダを加熱することを含み、
    前記流動可能な金型充填材料を注入することは、ピストンを前記シリンダに押し込むことによって行われる、請求項５に記載の方法。
12. 繊維強化熱可塑性樹脂部品を圧縮成形するための装置であって、
    部品用キャビティを有する金型と、
    前記部品用キャビティに連結されており、且つ、繊維強化熱可塑性樹脂フレークの予備一体化された充填材料を収容するように構成されたシリンダと、
    前記予備一体化された充填材料を加熱することにより、樹脂と強化繊維との流動可能な混合物にするためのヒーターと、
    前記シリンダ内のピストンと、
    前記流動可能な混合物を圧縮し且つ前記流動可能な混合物を前記部品用キャビティに押しやるために、前記ピストンを押し込むための、前記ピストンに連結されたアクチュエータと、を備え、
    前記部品用キャビティは、長状であり、長軸を含んでおり、
    前記シリンダは、前記部品用キャビティの長軸に対してほぼ軸方向に整列した長軸を含み、前記部品用キャビティの一端で前記部品用キャビティに連結されている装置。
13. 前記金型は、前記部品と一体のフィッティングを成形するためのフィッティング成形用キャビティを有する金型モジュールを含む、請求項１２に記載の装置。
14. 前記金型は、前記部品用キャビティに連結された少なくとも１つの空気抜きを含み、当該空気抜きは、前記部品用キャビティに押し込まれた前記流動可能な混合物によって押しのけられた前記部品用キャビティ内の空気を逃すことができるようにした、請求項１２に記載の装置。

Images